太赫茲技術在鐵路安檢中的應用

任林茂

( 鐵道警察學院治安系，河南鄭州,450053)

0 引言

鐵路是我國重要的基礎設施，是國民經濟的大動脈，在國家的經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定中具有至關重要的作用。鐵路安檢是鐵路有關部門為了及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，預防各類事故的發(fā)生，而依法對旅客人身及其攜帶物品和托運物品等進行的強制性檢查。它對于保護公民人身安全和公私財產安全，維護鐵路正常運輸秩序，確保社會穩(wěn)定具有十分重要的作用。目前鐵路安檢是以安全門、手持金屬探測器和X射線安檢儀等儀器檢查為主，輔助以人工檢查。這種傳統(tǒng)的安檢方法在一定程度上能夠及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，對違法犯罪分子起到一定的震懾作用。但是由于安全門、手持金屬探測器和X射線安檢儀的性能以及安檢人員技能的局限性，鐵路安檢過程中經常會出現(xiàn)漏判和錯判的情況，比如無法有效檢測出人體藏匿的非金屬危險物品，以及對鑰匙、手機等常用物品的錯誤報警。另外，由于鐵路車站的人流量很大，而傳統(tǒng)的安檢方法效率較低，無法滿足當今社會人員快速流動的需要。因此，為了提高安檢的準確性和效率，各種各樣的安檢技術應運而生，太赫茲技術就是其中一種安全、有效的新型安檢技術。太赫茲安檢技術不僅對人體更加安全，而且實現(xiàn)了對被檢對象的智能化識別，它對塑料、紙片、紡織品等材料具有極好的穿透力，可以迅速發(fā)現(xiàn)藏在衣服或箱包中的違禁物品，因此具有非常廣闊的應用前景，甚至有美國物理學家把太赫茲技術視為反恐的終極防御手段。

1 太赫茲波簡介

1.1 太赫茲波

太赫茲波通常指的是頻率在0.1 THz～10 THz范圍內的電磁輻射（1 THz=1012Hz）。從頻率上看，這一波段位于微波和紅外線之間，在不同的研究領域，該段頻率的電磁波又被稱作亞毫米波或遠紅外射線。太赫茲波段在電磁波譜中的位置如圖1所示。在20世紀80年代中期以前，由于缺乏有效的太赫茲發(fā)射源和靈敏的探測器，這一波段的電磁輻射并沒有得到深入的研究，人們對該波段電磁輻射的了解非常有限，從而形成了科學家們通常所說的太赫茲空隙（THz Gap）。在近二十年中，超快激光技術和低尺度半導體技術的發(fā)展，為太赫茲波段提供了合適的光源和探測手段，太赫茲波的產生和應用才得到了迅速的發(fā)展。

圖1 .太赫茲波段在電磁波譜中的位置示意圖

1.2 太赫茲波的特性

與其他波段的電磁波相比，太赫茲波具有如下一些基本特性，正是這些特性使得太赫茲波在通信、雷達、醫(yī)學成像、無損檢測和安全檢查等多個領域具有非常重要的應用價值。

（1）透視性。太赫茲波對于很多非極性物質，如紙箱、塑料、皮革、布料等包裝材料有很強的穿透力，可以對不透明的物體進行透視成像，用于對已經包裝的物品或藏匿物品進行質檢或安全檢查。由于太赫茲波的波長遠大于空氣中懸浮灰塵或煙塵的尺度，這些懸浮顆粒對太赫茲波的散射損耗非常小，因此太赫茲波可以在濃煙或風塵環(huán)境中進行成像，用于火災救護或復雜環(huán)境下尋敵等。

（2）安全性。太赫茲波的光子能量只有毫電子伏（meV）的數(shù)量級，與X射線千電子伏（keV）的光子能量相比，它不會引起有害的光致電離，另外，由于水對太赫茲波有極強的吸收，因此太赫茲波不會穿透人體的皮膚，對人體是非常安全的，非常適合于針對旅客身體的安全檢查。

（3）指紋譜性。太赫茲波段包含了豐富的光譜信息，大多數(shù)極性分子和生物大分子的振動和轉動能級的躍遷都處于太赫茲波段。根據(jù)這些指紋譜，利用太赫茲光譜成像技術，不僅能夠辨識物體的形貌，而且能夠鑒別物體的組分，可以有效地排查出毒品和炸藥等違禁物品，用于緝毒和反恐等領域。

1.3 太赫茲波的研究現(xiàn)狀

從20世紀90年代中期開始，美國、歐盟等國家和地區(qū)對太赫茲波的科技研究進行了大規(guī)模的投入。2005年，日本政府更是把太赫茲科技列為“國家支柱技術十大重點戰(zhàn)略目標”之首，舉全國之力進行研究開發(fā)。2005年11月22日，由科技部、中國科學院和國家自然科學基金委聯(lián)合召開的以“太赫茲科學技術的新發(fā)展”為主題的第270次學術討論會在北京香山飯店舉行，標志著我國太赫茲科學技術系統(tǒng)研究的開始。目前，國內已有清華大學、首都師范大學等30多家單位從事太赫茲科學技術及其應用的研究工作，并且取得了一些重要成果。

2 太赫茲技術在鐵路安檢中的應用

2.1 太赫茲安檢技術

鐵路安檢的范圍主要包括槍支彈藥、管制器具、易燃易爆物品、劇毒品、腐蝕品、放射性物品、感染性物質等可造成人身傷亡的危險物品。除了查危防爆以外，毒品也是鐵路安檢的一個重要目標。對于槍支彈藥、管制器具和起爆裝置等具有形狀特征的違禁物品，可以根據(jù)形狀信息加以識別；而對于炸藥、毒品和生化戰(zhàn)劑等沒有固定形狀的違禁物品，則需要鑒別出物質的成分或種類。太赫茲安檢技術是包含了太赫茲成像技術和光譜技術這兩個關鍵技術的綜合應用，能夠滿足上述兩方面的需求。

與其他成像信號源（如X射線、電子束、超聲波等）相比，太赫茲波可以穿透大多數(shù)非極性的電介質，因此可以作為一種光源對物體進行成像。太赫茲成像技術的原理是，太赫茲波由聚焦元件聚焦到物品的某一點上，從該點透射或反射的太赫茲波被收集聚焦到探測元件上，探測元件把含有位置信息的太赫茲信號轉化為電信號，再經過圖像處理后就形成了該物品的太赫茲像。由于不同的物質在太赫茲波段都有其特定的光譜特征，因此可以利用太赫茲光譜技術將它們辨認出來。太赫茲光譜技術就是利用不同物質對太赫茲波段的不同特征吸收譜來分析研究物質成分、結構及其相互作用關系的一種技術。將太赫茲波成像技術和太赫茲波的光譜分辨本領相結合，可以實現(xiàn)太赫茲波的光譜成像。在太赫茲光譜成像中，不但可以顯示出被檢測物體的形狀，還能夠根據(jù)其光譜特性鑒別被檢測物體的組分。

2.2 太赫茲安檢技術的優(yōu)勢

X射線安檢儀是鐵路安檢中廣泛使用的設備，然而，由于X射線對人體健康會有一定程度的影響，因此，X射線安檢儀只能用于對箱包行李的檢查，而不能用于對旅客的普遍檢查。安全門和手持金屬探測器主要用于對旅客的人身檢查，其具有對金屬物品敏感的特點，可以發(fā)現(xiàn)旅客隨身攜帶的槍支、刀具等金屬危險物品。但是，現(xiàn)在很多非金屬材料也具有很高的硬度，如果這些非金屬材料被做成兇器，那么安全門和手持金屬探測器就無能為力了。太赫茲波由于其透視性和安全性，既可以用于對箱包行李的安全檢查，又可以用于對普通旅客的安全檢查。在對箱包行李進行安檢時，和X射線安檢儀類似，可以采用太赫茲波透射成像的方式。在對旅客進行安檢時，太赫茲波能夠穿透一般的衣物，不能透過旅客的身體，只能探測旅客身體反射回來的太赫茲波對人體進行成像，從而發(fā)現(xiàn)隱藏于衣服下面的違禁物品。由于太赫茲安檢儀可以對旅客進行全身成像檢查，減少了手檢的步驟，因此提高了安檢的效率。

大多數(shù)有機大分子（包括炸藥和毒品等）的振動和轉動能級譜處于太赫茲波段，因此，利用它們各自的光譜特征進行成像，就可以從相應的太赫茲像中將不同的違禁物品（如陶瓷手槍、塑膠炸彈、毒品等）區(qū)分出來，而這是常規(guī)的安檢方法很難有效探測出來的。此外，利用太赫茲波譜還可以對遠距離的毒氣戰(zhàn)劑（如沙林毒氣）和生物戰(zhàn)劑（如炭疽）進行有效感測。目前，在公安部門的支持與配合下，首都師范大學已經建立了常見毒品、爆炸物和生物大分子的太赫茲譜庫，便于利用太赫茲技術對這些物質進行探測和識別。

由于太赫茲波在空氣中可以進行中遠距離（100 m以上）的傳播，所以太赫茲波可以用于對危險物品的站開檢測，即它可以使檢測者位于安全距離以外來檢測危險物品，這對保證檢測者的人身安全是非常重要的。因此，太赫茲安檢技術可以在鐵路車站等地對炸藥、武器、毒品等違禁物品實施遠距離、大范圍的預警。

2.3 太赫茲安檢技術的局限

與X射線安檢儀和金屬探測器相比，太赫茲安檢技術的確具有一定的優(yōu)勢，但是在應用上也存在著一定的局限。首先，太赫茲波無法穿透金屬材料，如果有人在常見的金屬容器里面放入違禁物品的話，只靠太赫茲安檢儀是沒有辦法發(fā)現(xiàn)的，所以X射線安檢儀和人工檢查還是不可缺少的。其次，由于極性液體（如水）中分子的振動和轉動對太赫茲波有很強的吸收，所以太赫茲波不能穿透人體。如果有人在身體內部藏有毒品或者危險物品的話，太赫茲安檢儀就無法識別了，恐怕還得借助于人體藏毒檢查儀等設備做進一步的檢查了。

最近幾年，太赫茲技術得到了迅速的發(fā)展，但是還不夠成熟，特別是在實用方面還有待進一步的完善。在國內，可用于安檢領域的便攜式太赫茲光譜儀樣機已經研制成功。不過，太赫茲安檢儀要真正商品化，還有很多工作要做。比如，要在車站等地對旅客和行李進行遠距離、大范圍的安檢，還要克服空氣中水分子對太赫茲波的吸收和復雜環(huán)境的影響等。另外，炸藥和毒品的種類很多，其成分和配方也在不斷變化，所以要不斷加強對炸藥和毒品等違禁品的光譜研究，完善相應的太赫茲譜庫。當然，降低儀器成本，提高儀器性能等都是需要考慮的現(xiàn)實因素。

3 結語

太赫茲技術作為一門新興的前沿學科，為鐵路安檢提供了一種全新的探測和識別方法。太赫茲光譜成像不但可以顯示出被檢測物體的形狀，而且還能夠鑒別違禁物品的組分，可以有效地分辨槍支刀具、炸藥、毒品等違禁物品。由于其安全性，還可以用于對旅客的人身安檢。雖然太赫茲安檢技術在應用時存在著一定的局限，作為一門前沿學科，在實現(xiàn)具體的產業(yè)化應用之前還需要克服諸多的困難，但是我們可以預見，太赫茲安檢儀很快就會在鐵路安檢領域得到廣泛的應用并發(fā)揮重要的作用。

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