生命探測(cè)技術(shù)在口岸動(dòng)物搜檢中的應(yīng)用分析

王梓樂汪 琳 洪 煒 趙中權(quán) 趙相鵬 蒲 靜高志強(qiáng) 張 偉夏云成

（1.西南大學(xué) 重慶 400715；2.北京出入境檢驗(yàn)檢疫局）

1 前言

許多海淘客為逃避檢驗(yàn)檢疫監(jiān)管，通常會(huì)選擇隨身攜帶或者郵寄境外活動(dòng)物。截獲活體動(dòng)物的案例在全國(guó)各口岸時(shí)有發(fā)生，現(xiàn)行 “檢疫人員-X光機(jī)-檢疫犬”模式難以快速應(yīng)對(duì)海量進(jìn)境攜帶物/郵寄物的檢測(cè)，急需發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)高效活動(dòng)物搜檢技術(shù)。

生命體中存在許多種可被外界感知的生命信號(hào)，比如呼吸、心跳、體溫、電磁場(chǎng)等，這些信號(hào)通常以特定能量形式出現(xiàn)在生命體外部，如聲音信號(hào)、紅外信號(hào)、光信號(hào)以及電磁信號(hào)等[1]。生命探測(cè)就是利用傳感器技術(shù)，采集生命體發(fā)出的生理、物理、化學(xué)信息，并對(duì)生命體進(jìn)行有效識(shí)別與定位。探測(cè)障礙物后面有無生命現(xiàn)象的存在，在軍事、海巡、消防、安全、救援、航天等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在逐漸用于傷員救助、非接觸式醫(yī)療監(jiān)護(hù)、病畜生命信息監(jiān)測(cè)與輔助診斷[2]。

本文對(duì)現(xiàn)有生命檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行綜述比較，探索、分析生命檢測(cè)技術(shù)在國(guó)境口岸違禁動(dòng)物搜檢中應(yīng)用的可能性。

2 生命探測(cè)技術(shù)分類

根據(jù)采集和處理信號(hào)的不同，生命探測(cè)技術(shù)分為無源探測(cè)和有源探測(cè)。

無源探測(cè)主要是根據(jù)生命體輻射能量與背景能量的差異，或者生命體發(fā)出的聲波或震動(dòng)波等進(jìn)行被動(dòng)式探測(cè)，有5種代表產(chǎn)品：音頻生命探測(cè)儀、紅外生命探測(cè)儀、電磁波生命探測(cè)儀、光學(xué)探測(cè)儀、二氧化碳探測(cè)儀[3]。

有源探測(cè)則主動(dòng)發(fā)射電磁波，根據(jù)生命體的呼吸、心跳等生理特點(diǎn)，從反射回來的電磁波中探測(cè)是否存在生命，典型代表產(chǎn)品是雷達(dá)生命探測(cè)儀[4]。

3 生命探測(cè)儀技術(shù)原理

3.1 音頻生命探測(cè)儀

聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的壓力振動(dòng)，是一種球形的陣面波，它能在空氣、水、金屬、木材等彈性介質(zhì)中傳遞。音頻生命探測(cè)儀（又稱聲波探測(cè)儀）應(yīng)用了聲波及震動(dòng)波的原理，主要采用先進(jìn)的微電子處理器和聲音/振動(dòng)傳感器，對(duì)生命體心跳、呼吸、移動(dòng)等發(fā)出的微弱聲音進(jìn)行全方位的音頻聲波和振動(dòng)波收集，并將非目標(biāo)的噪音波和其他背景干擾波過濾，進(jìn)而迅速確定生命體的存在[5]。

音頻生命探測(cè)儀探頭內(nèi)裝有高靈敏度傳感器，用于探測(cè)振動(dòng)頻率為1～4 000 Hz的振動(dòng)信號(hào)，并設(shè)有頻率放大器，可增強(qiáng)接收到的外部信號(hào)強(qiáng)度，主處理器對(duì)接收到的放大信號(hào)再次進(jìn)行放大增強(qiáng)，這樣大大增強(qiáng)了探測(cè)靈敏度，可發(fā)現(xiàn)微弱的振動(dòng)信號(hào)[6]。音頻生命探測(cè)系統(tǒng)主要包括信號(hào)采集、數(shù)理建模、信號(hào)檢測(cè)與選取、聲源定位和音頻輸出等模塊，系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 音頻生命探測(cè)系統(tǒng)示意圖

音頻探測(cè)儀器接受生命體的音頻信號(hào)是被動(dòng)的，如果現(xiàn)場(chǎng)音頻環(huán)境復(fù)雜就可能影響探測(cè)的準(zhǔn)確性，使得探測(cè)速度降低。

3.2 紅外生命探測(cè)儀

任何物體只要溫度在絕對(duì)零度以上都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射，而生命體是天然的紅外輻射源。每種物體產(chǎn)生的紅外輻射都具有自身特點(diǎn)，人體紅外輻射的中心波長(zhǎng)約為9.4 μm，皮膚的紅外輻射范圍約為3～50 μm，其中8～14 μm 波段紅外輻射能量占人體全部輻射總量的46%，這個(gè)波段是設(shè)計(jì)人體紅外探測(cè)儀的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)[7]。各種生命體產(chǎn)生的紅外輻射與周圍環(huán)境產(chǎn)生的紅外輻射有明顯區(qū)別，紅外生命探測(cè)儀就是利用這點(diǎn)以成像的方式把生命體與周圍環(huán)境區(qū)別開。

紅外生命探測(cè)儀配備熱紅外探頭，通過探頭采集生物體的身體熱輻射能量，然后利用光學(xué)系統(tǒng)將采集到的能量聚焦在紅外傳感器上，紅外信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，信號(hào)再經(jīng)電路放大、濾波、判別等處理，最后處理結(jié)果經(jīng)過圖像合成，再經(jīng)顯視器輸出紅外熱像圖，進(jìn)而判斷是否生命體。紅外生命探測(cè)系統(tǒng)示意圖見圖2[8]。

圖2 紅外生命探測(cè)系統(tǒng)示意圖

3.3 電磁波生命探測(cè)儀

介電泳 （dielectrophoresis，DEP）， 也稱雙向電泳，是指微粒由于在非均勻電場(chǎng)中被介電極化而受力產(chǎn)生的定向移動(dòng)，其本質(zhì)是由于介電粒子本身被外加電場(chǎng)誘導(dǎo)出電偶極，該電偶極與外加電場(chǎng)交互作用下而產(chǎn)生的現(xiàn)象[9]。介電力大小與物體是否帶電無關(guān)，與物體的大小、電學(xué)性質(zhì)、周圍介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)以及外加電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)、場(chǎng)強(qiáng)變化率、頻率有關(guān)。

人類心臟振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電子信號(hào)，這些信號(hào)產(chǎn)生30 Hz以下超低頻非一致性電場(chǎng)，從人體360度擴(kuò)展。由于通常的障礙物會(huì)反射或吸收高頻率，對(duì)超低頻電磁能量很容易傳達(dá)且比高頻能量耗損少，因此，人體心臟發(fā)出的超低頻電場(chǎng)可以穿透鋼筋混凝土墻、鋼板、木板、水等介質(zhì)。當(dāng)把電介質(zhì)放置于該非一致電場(chǎng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象。所得到的介電泳力與電場(chǎng)強(qiáng)度變化方向相同，即顆粒將在正介電泳力的作用下向著場(chǎng)強(qiáng)密集的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)正介電泳現(xiàn)象；當(dāng)所得到的介電泳力與電場(chǎng)強(qiáng)度變化方向相反，即將受到負(fù)的介電泳力，顆粒將向著場(chǎng)強(qiáng)稀疏的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)負(fù)介電泳現(xiàn)象[10]。于是，在正負(fù)介電泳力的作用下，介電質(zhì)被極化。電磁波（DKL）生命探測(cè)器正是借由生命體所發(fā)出超低頻電場(chǎng)并通過介電泳力的作用產(chǎn)生極化感應(yīng)出生命體的位置，即當(dāng)DKL生命探測(cè)儀穿過生命體電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)對(duì)生命探測(cè)儀中的特殊電介質(zhì)材料進(jìn)行極化，正負(fù)極電子改變分離和聚合作用造成天線反斥，生命探測(cè)器會(huì)指向人類非一致性的人類電場(chǎng)，探測(cè)到人體所在的位置。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，DKL生命探測(cè)器設(shè)有激光電路，提供可見指針，指示生命探測(cè)器方向。當(dāng)偵測(cè)到生命體心臟所發(fā)出超低頻電波產(chǎn)生之電場(chǎng)后，將偵測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波并利用鎖相環(huán)等電路使偵測(cè)桿自動(dòng)鎖定此電場(chǎng)，生命體移動(dòng)時(shí)，偵桿也會(huì)跟著移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)鎖定。

各種動(dòng)物諸如狗、貓、爬行動(dòng)物等心臟振動(dòng)頻率不同，電場(chǎng)也不一樣。DKL生命探測(cè)器可配備極化電波過濾器以區(qū)別各種不同的電場(chǎng)[11]。

介電泳在DKL生命探測(cè)器中的應(yīng)用推動(dòng)了介電泳應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)80年代，美海軍為確定蘇聯(lián)核潛艇的所在方位，將介電泳和人體心臟的生理學(xué)相結(jié)合發(fā)明了 DKL生命探測(cè)器；20世紀(jì)90年代，美軍在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中把 DKL改裝用于陸軍裝備儀器，以探測(cè)2 km以外伊軍的埋伏地點(diǎn)[12]。隨著科技的發(fā)展，DKL生命探測(cè)器日趨成熟，已廣泛應(yīng)用軍事、救援、航天等領(lǐng)域。DKL生命探測(cè)系統(tǒng)示意圖見圖3。

圖3 DKL生命探測(cè)系統(tǒng)示意圖

3.4 光學(xué)探測(cè)儀

光學(xué)探測(cè)儀也被稱為“蛇眼”，就像人體進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢查時(shí)所使用的內(nèi)窺鏡，可以把包裝物內(nèi)部的情況“看”清楚。光學(xué)探測(cè)儀的主體呈管狀，非常柔韌，能在瓦礫堆中自由扭動(dòng)，儀器前面有細(xì)小的探頭，可深入極微小的縫隙探測(cè)，類似攝像儀器，可將信息傳送回來[13]。光學(xué)生命探測(cè)系統(tǒng)示意圖見圖4。

圖4 光學(xué)生命探測(cè)系統(tǒng)示意圖

3.5 二氧化碳探測(cè)儀

空氣中二氧化碳的含量一般為 0.03%，若是某個(gè)空間的二氧化碳超標(biāo)，說明其中有生命體在呼吸。

二氧化碳探測(cè)儀操作非常簡(jiǎn)單，將探測(cè)器吸管尖端從縫隙中伸進(jìn)去，便可以即時(shí)檢測(cè)空間內(nèi)二氧化碳的含量。紅外線在經(jīng)過由不同原子構(gòu)成的含偶極矩分子氣體時(shí)會(huì)發(fā)生吸收現(xiàn)象，這種吸收特性對(duì)于某種氣體而言是特定的，被稱為“物質(zhì)指紋”，其吸收關(guān)系滿足朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律[14]。 CO2氣體對(duì)紅外線的吸收?qǐng)D譜顯示，對(duì)波長(zhǎng)為 4.0～4.5μm范圍內(nèi)的紅外線吸收作用明顯，吸收峰出現(xiàn)在4.26μm處。因此，使用波長(zhǎng)為 4.26 μm的紅外線做傳感器光源能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)狹小空間內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)。二氧化碳生命探測(cè)系統(tǒng)示意圖見圖5。

圖5 二氧化碳生命探測(cè)系統(tǒng)示意圖

3.6 雷達(dá)生命探測(cè)儀

生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相融合形成了雷達(dá)生命探測(cè)技術(shù)，主要利用電磁波的反射原理制成，由雷達(dá)天線定向集中地連續(xù)發(fā)射電磁波；該電磁波能穿透障礙物，與生命體接觸后，反射電磁波的波形產(chǎn)生變化，波形變化程度受生命體的身體移動(dòng)、呼吸運(yùn)動(dòng)和心臟跳動(dòng)的影響；波形畸變的反射電磁波被接收器接收，再經(jīng)過濾波、解調(diào)、積分、放大等信號(hào)處理，排除周圍環(huán)境對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的干擾，可得到與被測(cè)生命特征相關(guān)的參數(shù)；最后根據(jù)顯示器上顯示的特有頻段波形就可判斷被探測(cè)區(qū)域是否有生命體[15]。對(duì)一定空間進(jìn)行掃描，接收器不斷接收反射信號(hào)并對(duì)返回信號(hào)進(jìn)行算法處理。如果被探測(cè)者保持靜止，則返回信號(hào)相同；如果目標(biāo)移動(dòng)，則信號(hào)有差異。通過對(duì)不同時(shí)間段接受的信號(hào)進(jìn)行比較，就可以判斷目標(biāo)是否在動(dòng)。雷達(dá)生命探測(cè)儀是由發(fā)送超寬頻信號(hào)的發(fā)送器、探測(cè)接收返回信號(hào)的接收器和用于讀入接收器信號(hào)并進(jìn)行算法處理的電腦組成[16]。雷達(dá)生命探測(cè)系統(tǒng)示意圖見圖6。

圖6 雷達(dá)生命探測(cè)系統(tǒng)示意圖

雷達(dá)探測(cè)技術(shù)除了探測(cè)生命，還可以監(jiān)測(cè)生命特征。1996年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)，用雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)測(cè)步槍射擊選手呼吸和心跳對(duì)射擊準(zhǔn)確性的影響。有科學(xué)家針對(duì)牲畜的心跳呼吸在雷達(dá)回波信號(hào)中所產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的信號(hào)特征，建立了生命信息監(jiān)測(cè)的信號(hào)模型，用于動(dòng)物疫病診斷[17]。

4 生命探測(cè)儀在口岸動(dòng)物搜檢中的應(yīng)用

（1）音頻生命探測(cè)儀通過探測(cè)行李中活動(dòng)物微弱的諸如呼吸、呻吟、爬動(dòng)等產(chǎn)生的音頻聲波和振動(dòng)波來判斷生命是否存在，能準(zhǔn)確區(qū)別出生命體[18]。由于口岸現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，其他振動(dòng)干擾比較強(qiáng)烈，為了提高音頻生命探測(cè)儀的定位準(zhǔn)確性和精度，往往需要讓探測(cè)器探頭貼近行李、包裹中，因此探測(cè)速度較慢。

（2）紅外生命探測(cè)儀將不同溫度物體發(fā)出的紅外線轉(zhuǎn)變成可視圖像，不受光線的影響，技術(shù)日趨成熟，儀器成本價(jià)格低廉，擁有較高的性價(jià)。隨著計(jì)算機(jī)與圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外生命探測(cè)技術(shù)也將不斷完善，擁有廣闊的應(yīng)用前景。但紅外生命探測(cè)設(shè)備不能穿透玻璃障礙物，受溫度影響嚴(yán)重，并且每種物體產(chǎn)生的紅外輻射具有自身的特點(diǎn)，需要研究清楚各種動(dòng)物紅外輻射的中心波長(zhǎng)、皮膚的紅外輻射范圍等參數(shù)，針對(duì)不同動(dòng)物設(shè)置不同波段的探測(cè)儀，才能幫助檢疫人員快速、準(zhǔn)確地確定行李中有無活動(dòng)物[19]。針對(duì)動(dòng)物搜檢的紅外探測(cè)儀還有待研究。

（3）電磁波生命探測(cè)儀在動(dòng)物搜檢中應(yīng)用潛力較大，但需要開展大量的基礎(chǔ)研究，確定各種動(dòng)物心跳所發(fā)出超低頻電波產(chǎn)生的電場(chǎng)。針對(duì)動(dòng)物搜檢的電磁波探測(cè)儀有待研究。

（4）光學(xué)生命探測(cè)儀需要將探頭伸入行李箱進(jìn)行探測(cè)，在使用中受光線影響較大，光纖探頭價(jià)格昂貴且碰到硬物易損壞，不能無接觸檢測(cè)，應(yīng)用受限。

（5）二氧化碳生命探測(cè)儀需要對(duì)接近于密閉空間內(nèi)的空氣抽取并進(jìn)行分析，檢測(cè)其中二氧化碳含量，與開放環(huán)境下的空氣進(jìn)行對(duì)比，以探測(cè)是否有生命體。傳感器需要伸入行李箱中才能保障準(zhǔn)確性，難以做到無接觸檢查，應(yīng)用受限。

（6）雷達(dá)生命探測(cè)儀特別是超寬譜雷達(dá)生命探測(cè)儀，其探測(cè)距離超過30 m并可穿透厚度達(dá)2 m以上，穿透能力強(qiáng)、作用距離精確，同時(shí)具有抗外界干擾能力強(qiáng)，能精確測(cè)量位置，并可對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行探查等特點(diǎn)[20]。但其無法穿透金屬和水等液體介質(zhì)。

5 結(jié)語

通過對(duì)音頻、紅外、電磁、光學(xué)、二氧化碳及雷達(dá)6種生命探測(cè)儀的技術(shù)原理分析和性能比較，可以看出，基于單一類型信息源的生命探測(cè)技術(shù)都存在著自身無法彌補(bǔ)的缺陷，無法完全滿足口岸現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)物搜檢的需要，異類多傳感器協(xié)同的生命探測(cè)技術(shù)必將成為口岸動(dòng)物搜檢的研究方向。

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