可用于人物同檢的CF—1型背散射人體安檢儀研發(fā)

王玉川等

摘要：現(xiàn)在北京地鐵1號線、5號線、13號線等已均已開始實施“人物同檢”，《北京市軌道交通運(yùn)營安全條例（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施之列，由安全檢查單位依照規(guī)定實施。但是2014年5月25日北京市人大常委會審議（草案）時表示，“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，為地鐵實行人物同檢帶來更多的可能性。

關(guān)鍵詞：X射線；安全監(jiān)測；檢測儀；冷卻裝置

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)、大型場館等重要場所，對人體進(jìn)行安全、快速的檢查，對恐怖分子具有強(qiáng)大的震懾作用。本團(tuán)隊在國家科技支撐項目（化學(xué)品儲運(yùn)安全保障技術(shù)研究與示范-公共場所危險源探測裝備研究）中已初步研制出以X光反射為技術(shù)基礎(chǔ)達(dá)到國家先進(jìn)水平的爆炸品探測設(shè)備。該裝備用于爆炸品危險源的識別和檢測，并通過信息傳輸系統(tǒng)報警，以防止公共安全實踐發(fā)生，保障社會安定和諧。目前采用的普通安檢手段無法有效檢測非金屬危險爆炸物[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)，不僅能夠檢測出金屬物品，更可能有效的檢測出人們所攜帶的非金屬物品，所以X射線背散射技術(shù)用于人體檢測是打擊恐怖主義活動，防范恐怖主義襲擊的有效手段。背散射人體安檢在國外很早就開始使用，國內(nèi)也在嘗試使用，將逐步納入普檢行列，特別是在機(jī)場、火車站等重要場所。本團(tuán)隊通過自主研發(fā)，并承接國家“十二五”科技支撐項目。在國內(nèi)率先掌握了X射線背散射人體安檢技術(shù)，并達(dá)到了國際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

2基本原理

該產(chǎn)品采用的核心技術(shù)是一項基于X射線“康普頓效應(yīng)”的專利技術(shù)。該技術(shù)在檢測高原子序數(shù)物質(zhì)（例如金屬）的同時能夠更有效的檢測低原子序數(shù)物質(zhì)（例如碳、氫、氧、氮等元素物質(zhì)）。簡而言之，就是通過X射線源發(fā)射X射線，X射線在不同的物體表面會反射出不同的散射信號，這些信號被反散射探測器接收后通過計算機(jī)對比分析識別出物質(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產(chǎn)權(quán)的“飛點掃描”技術(shù)，該技術(shù)的原理即康普頓散射效應(yīng)。“飛點掃描”圓盤的設(shè)計和試制，選擇高強(qiáng)度輕質(zhì)材料制作圓桶，使圓桶的跳動量不超過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。形成滿足飛點掃描的高速、高精度的伺服控制機(jī)械傳動機(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點掃描”技術(shù)是背散射掃描技術(shù)的核心，它可以瞬時對X射線光束的方位進(jìn)行處理，實現(xiàn)對被檢測物的逐點快速掃描，極大的提高了檢測的空間分辨率，使成像可以達(dá)到照片一樣的清晰效果，同時大幅度降低了檢測的輻射劑量。

3 研制過程

本研究主要以機(jī)場、軌道交通、公安司法、重要集會等場所的反恐、防恐為情景對象，針對不同應(yīng)用場合對人體攜帶的危險品、違禁品的探測，通過對智能識別技術(shù)與裝備為核心研究，形成以高分辨率、低輻射劑量、高通過率為特點的最終裝備，提高對人口密集場所危險品檢查的效率。研制過程中包括5項研究任務(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

在整個產(chǎn)品開發(fā)研究中主要技術(shù)難點在飛點掃描機(jī)構(gòu)的實現(xiàn)、反散射弱信號探測、圖像恢復(fù)數(shù)據(jù)模型、智能危險品識別方面。課題組經(jīng)過多次實驗分析，建立了CBS背景噪音過濾模型，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，經(jīng)過多重實驗分析與方法比對，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性好的攜帶物識別。

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，由于本項研究主要利用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)鍵點就是通過收集散射信號分析攜帶物的性質(zhì)。因此，在研制X射線發(fā)生裝置時就需關(guān)注到X射線發(fā)射源的選型與射線源小焦點的實現(xiàn)，使X射線發(fā)射盡量集中，不影響后續(xù)散射信號的收集。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)射源的焦點更小和發(fā)射的射線束更加集中。通過改變鎢靶和高速轟擊電子的形狀來增大發(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射線管在工作時必須及時的散熱，否則將影響到整個系統(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)入流動的空氣中，從而使X射線管的溫度快速冷卻下來。冷卻控制的原理圖如圖4所示。

3.3機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)備機(jī)械傳動系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計包括兩個方面：一方面是飛點掃描機(jī)構(gòu)的實現(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)，并申請了國內(nèi)實用新型專利。形成了一套調(diào)整飛點掃描筆直光束大小、能量大小的數(shù)學(xué)算法模型，為今后設(shè)計不同類型的反散射飛點掃描機(jī)構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)。其中飛點掃描圓盤的設(shè)計和試制是難點，選擇高強(qiáng)度輕質(zhì)材料制作掃描圓桶，使掃描圓桶的跳動量不超過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，保證了飛點掃描光束射線能量的一致性。

另一方面是攜帶飛點掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)動掃描的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，它使用高速、高精度的伺服電機(jī)與控制器保證飛點掃描時間和位置的精確度，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合的需要。

4 結(jié)論

人物同檢是現(xiàn)代安保的一個重要發(fā)展趨勢，雖然現(xiàn)在機(jī)場、鐵路等都已通過安檢三大樣初步實現(xiàn)了人物同檢。安檢三大樣中的手持金屬探測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?，對安檢的效率和經(jīng)濟(jì)性提出了更大的要求。CF-1在實行地鐵人物同檢的過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行人物同檢的可行性。

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