王玉川等

摘要：現(xiàn)在北京地鐵1號(hào)線、5號(hào)線、13號(hào)線等已均已開始實(shí)施“人物同檢”，《北京市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全條例（草案）》擬規(guī)定，軌道交通進(jìn)站乘車人員及其攜帶物品均在安全檢查實(shí)施之列，由安全檢查單位依照規(guī)定實(shí)施。但是2014年5月25日北京市人大常委會(huì)審議（草案）時(shí)表示，“人物同檢”的安全性與軌道交通的快捷性和高效性之間存在矛盾，建議進(jìn)行更深入研究。CF-1型背散射人體安檢儀的研發(fā)可在一定程度上避免“人物同檢”的弊端，為地鐵實(shí)行人物同檢帶來(lái)更多的可能性。

關(guān)鍵詞：X射線；安全監(jiān)測(cè)；檢測(cè)儀；冷卻裝置

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）02-0160-03

Abstract： Nowaday， the Beijing Metro Line 1， line 5， line 13 has already started to implement the "character test"， "Beijing railway operator safety regulations （Draft）" proposed regulations， rail transit bus stop personnel and their belongings were in the implementation of safety check list， by the implementation of safety inspection unit in accordance with the provisions of. But in May 25， 2014 the Beijing Municipal People's Congress Standing Committee （Draft） said， "there is a contradiction between people with seizure，" the safety of rail traffic and fast and efficient， we recommend a more in-depth study. Research and development of CF-1 backscatter human security apparatus can avoid the disadvantages of "character test" to a certain extent， for the implementation of people with seizure bring more possibilities.

Key words： X-ray； safety monitoring； detector； cooling device

1引言

CF-1型背散射人體掃描安檢儀可廣泛使用在民航、公安、司法、鐵路、海關(guān)、大型場(chǎng)館等重要場(chǎng)所，對(duì)人體進(jìn)行安全、快速的檢查，對(duì)恐怖分子具有強(qiáng)大的震懾作用。本團(tuán)隊(duì)在國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（化學(xué)品儲(chǔ)運(yùn)安全保障技術(shù)研究與示范-公共場(chǎng)所危險(xiǎn)源探測(cè)裝備研究）中已初步研制出以X光反射為技術(shù)基礎(chǔ)達(dá)到國(guó)家先進(jìn)水平的爆炸品探測(cè)設(shè)備。該裝備用于爆炸品危險(xiǎn)源的識(shí)別和檢測(cè)，并通過(guò)信息傳輸系統(tǒng)報(bào)警，以防止公共安全實(shí)踐發(fā)生，保障社會(huì)安定和諧。目前采用的普通安檢手段無(wú)法有效檢測(cè)非金屬危險(xiǎn)爆炸物[3]、陶瓷刀具、塑料槍支、毒品等違禁品。而X射線的背散射技術(shù)，不僅能夠檢測(cè)出金屬物品，更可能有效的檢測(cè)出人們所攜帶的非金屬物品，所以X射線背散射技術(shù)用于人體檢測(cè)是打擊恐怖主義活動(dòng)，防范恐怖主義襲擊的有效手段。背散射人體安檢在國(guó)外很早就開始使用，國(guó)內(nèi)也在嘗試使用，將逐步納入普檢行列，特別是在機(jī)場(chǎng)、火車站等重要場(chǎng)所。本團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主研發(fā)，并承接國(guó)家“十二五”科技支撐項(xiàng)目。在國(guó)內(nèi)率先掌握了X射線背散射人體安檢技術(shù)，并達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

2基本原理

該產(chǎn)品采用的核心技術(shù)是一項(xiàng)基于X射線“康普頓效應(yīng)”的專利技術(shù)。該技術(shù)在檢測(cè)高原子序數(shù)物質(zhì)（例如金屬）的同時(shí)能夠更有效的檢測(cè)低原子序數(shù)物質(zhì)（例如碳、氫、氧、氮等元素物質(zhì)）。簡(jiǎn)而言之，就是通過(guò)X射線源發(fā)射X射線，X射線在不同的物體表面會(huì)反射出不同的散射信號(hào)，這些信號(hào)被反散射探測(cè)器接收后通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)比分析識(shí)別出物質(zhì)性質(zhì)。圖1為X射線“康普頓效應(yīng)”原理圖。

背散射技術(shù)的核心是我們擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“飛點(diǎn)掃描”技術(shù)，該技術(shù)的原理即康普頓散射效應(yīng)?！帮w點(diǎn)掃描”圓盤的設(shè)計(jì)和試制，選擇高強(qiáng)度輕質(zhì)材料制作圓桶，使圓桶的跳動(dòng)量不超過(guò)0.2mm，圓桶加鉛屏蔽保證多余射線的完全吸收，圓桶上的準(zhǔn)直縫間距尺寸偏差小于0.4mm。形成滿足飛點(diǎn)掃描的高速、高精度的伺服控制機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證射線掃描的線性和垂直高度，垂直掃描高度達(dá)到2000mm，水平掃面寬度為900mm?！帮w點(diǎn)掃描”技術(shù)是背散射掃描技術(shù)的核心，它可以瞬時(shí)對(duì)X射線光束的方位進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)物的逐點(diǎn)快速掃描，極大的提高了檢測(cè)的空間分辨率，使成像可以達(dá)到照片一樣的清晰效果，同時(shí)大幅度降低了檢測(cè)的輻射劑量。

3 研制過(guò)程

本研究主要以機(jī)場(chǎng)、軌道交通、公安司法、重要集會(huì)等場(chǎng)所的反恐、防恐為情景對(duì)象，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)人體攜帶的危險(xiǎn)品、違禁品的探測(cè)，通過(guò)對(duì)智能識(shí)別技術(shù)與裝備為核心研究，形成以高分辨率、低輻射劑量、高通過(guò)率為特點(diǎn)的最終裝備，提高對(duì)人口密集場(chǎng)所危險(xiǎn)品檢查的效率。研制過(guò)程中包括5項(xiàng)研究任務(wù)，具體設(shè)置及邏輯關(guān)系如圖2所示。

3.1 CF-1型背散射人體安檢儀樣機(jī)研制

在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)研究中主要技術(shù)難點(diǎn)在飛點(diǎn)掃描機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)、反散射弱信號(hào)探測(cè)、圖像恢復(fù)數(shù)據(jù)模型、智能危險(xiǎn)品識(shí)別方面。課題組經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)分析，建立了CBS背景噪音過(guò)濾模型，確定了在CBS圖像中使用混合串聯(lián)高斯--中值濾波能有效去除背景噪音，并利用基于局域信息的邊緣輪廓提取方法從濾波后的圖像中獲取邊緣信息，確立了參數(shù)聯(lián)調(diào)組合方案；根據(jù)物體邊緣信息特征，通過(guò)膨脹與腐蝕等操作去除和光滑圖像邊界，基于連通區(qū)域標(biāo)記等方法進(jìn)行輪廓分割，獲取近似攜帶物方位等基本信息，在此基礎(chǔ)上檢測(cè)提取出的攜帶物的有效性，將相關(guān)可能攜帶物進(jìn)行分離與合并，從而提取出人體攜帶物。在人體攜帶物識(shí)別上綜合考慮基于輪廓的形狀特征表達(dá)方法和基于區(qū)域的形狀特征表達(dá)方法特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多重實(shí)驗(yàn)分析與方法比對(duì)，最終構(gòu)建了11維人體攜帶物特征表達(dá)向量模型，遴選并構(gòu)建三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了信息處理的并行性、強(qiáng)學(xué)習(xí)能力和自組織及容錯(cuò)性好的攜帶物識(shí)別。

3.2 X射線發(fā)生裝置的研制

X射線是CF-1型背散射人體安檢儀研發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)，由于本項(xiàng)研究主要利用X射線遇到物體發(fā)生散射的康普頓散射理論，而CF-1型背散射人體安檢儀的研發(fā)的另一關(guān)鍵點(diǎn)就是通過(guò)收集散射信號(hào)分析攜帶物的性質(zhì)。因此，在研制X射線發(fā)生裝置時(shí)就需關(guān)注到X射線發(fā)射源的選型與射線源小焦點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，使X射線發(fā)射盡量集中，不影響后續(xù)散射信號(hào)的收集。另外，是X射線發(fā)射管保持一定的溫度，避免溫度過(guò)高影響設(shè)備的運(yùn)行。

3.3.1 X射線發(fā)射源的確定

研制出了能滿足反散射要求的X光機(jī)，通過(guò)選用高質(zhì)量的發(fā)射源燈絲材料、增加高速電子的匯聚裝置和改進(jìn)制造工藝，使發(fā)射源的焦點(diǎn)更小和發(fā)射的射線束更加集中。通過(guò)改變鎢靶和高速轟擊電子的形狀來(lái)增大發(fā)射源單方向的散射角，在不改變單束射線能量的基礎(chǔ)上增加了設(shè)備單向掃描寬度。X射線源發(fā)生裝置包括X射線源發(fā)生器、X射線源控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3.2 X射線管的冷卻系統(tǒng)的研制

X射線管在工作時(shí)必須及時(shí)的散熱，否則將影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。X射線管的冷卻系統(tǒng)是一種高效的冷卻裝置。它采用油冷和風(fēng)冷相結(jié)合方式使發(fā)射源的局部熱量迅速導(dǎo)走，再使用外部風(fēng)扇將導(dǎo)熱油的熱量導(dǎo)入流動(dòng)的空氣中，從而使X射線管的溫度快速冷卻下來(lái)。冷卻控制的原理圖如圖4所示。

3.3機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：一方面是飛點(diǎn)掃描機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，依照發(fā)明專利“一種反散射式X射線掃描儀”上的理論描述設(shè)備部件的研發(fā)、調(diào)試，最終完成了能將射線源發(fā)射的光束斬波成筆直束狀射線的飛點(diǎn)掃描機(jī)構(gòu)，成為設(shè)備整機(jī)研發(fā)的重要環(huán)節(jié)，并申請(qǐng)了國(guó)內(nèi)實(shí)用新型專利。形成了一套調(diào)整飛點(diǎn)掃描筆直光束大小、能量大小的數(shù)學(xué)算法模型，為今后設(shè)計(jì)不同類型的反散射飛點(diǎn)掃描機(jī)構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)。其中飛點(diǎn)掃描圓盤的設(shè)計(jì)和試制是難點(diǎn)，選擇高強(qiáng)度輕質(zhì)材料制作掃描圓桶，使掃描圓桶的跳動(dòng)量不超過(guò)0.2mm，掃描圓桶加鉛屏蔽保證了多余射線的完全吸收，圓桶上均勻的開設(shè)有狹縫，相鄰狹縫間距尺寸偏差小于0.4mm，每條狹縫的寬度尺寸偏差小于0.1mm，保證了飛點(diǎn)掃描光束射線能量的一致性。

另一方面是攜帶飛點(diǎn)掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)掃描的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它使用高速、高精度的伺服電機(jī)與控制器保證飛點(diǎn)掃描時(shí)間和位置的精確度，射線垂直掃描高度達(dá)到2000mm，水平掃面寬度為900mm，完全可以滿足各種安檢場(chǎng)合的需要。

4 結(jié)論

人物同檢是現(xiàn)代安保的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，雖然現(xiàn)在機(jī)場(chǎng)、鐵路等都已通過(guò)安檢三大樣初步實(shí)現(xiàn)了人物同檢。安檢三大樣中的手持金屬探測(cè)器和金屬門是用于人體安檢儀的主要設(shè)備，但是它們存在一定的缺漏，它們檢測(cè)不出非金屬違禁品，比如所料槍支和陶瓷刀及致命爆炸物。另外，金屬探測(cè)器需警較高，需要安保人員進(jìn)行具有一定侵犯性的觸摸式人工復(fù)查[5]，個(gè)別情況還需要乘客脫去鞋帽衣物，檢查效率較低。地鐵是人們?nèi)粘Ｊ褂玫慕煌üぞ?，?duì)安檢的效率和經(jīng)濟(jì)性提出了更大的要求。CF-1在實(shí)行地鐵人物同檢的過(guò)程中可以在效率上有所提高，另外CF-1的自助性可以縮減實(shí)現(xiàn)人物同檢所需安保人員的數(shù)量，在經(jīng)濟(jì)性上更一步提升了地鐵實(shí)行人物同檢的可行性。

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