利用能量色散X射線探測復(fù)雜背景下毒品-危險品的新方法研究與應(yīng)用.pdf

1、毒品和和恐怖活動是當(dāng)今世界的兩大毒瘤，嚴重危害著人類安全和健康，雖然世界各國都在嚴厲打擊涉毒和恐怖等嚴重危害社會的犯罪活動，但是魔高一尺道高一丈，犯罪分子的作案手段也在不斷的更新，打擊涉毒和恐怖犯罪已成為當(dāng)今世界各國政府和國際組織的共同目標，而要解決恐怖主義和毒品犯罪首先要解決毒品/爆炸物的現(xiàn)場快速檢測。在公共安全場所的實際檢測中，除了要檢測常規(guī)的海洛因、可卡因、大麻等毒品，還需要檢測能制造毒品的原料，即易制毒化學(xué)品。而爆炸物的檢測除了

2、常規(guī)的TNT等常規(guī)炸藥，液體炸藥和燃爆物由于組分復(fù)雜、性質(zhì)均一、原料來源方便和加工工藝簡單等原因，對公共安全造成了更大的威脅而迫切需要現(xiàn)場快速檢測技術(shù)和儀器，因此本項目需要研究的檢測目標包括毒品、爆炸物和液體危險品。
　　縱觀國內(nèi)外毒品、爆炸物和液體危險品的主要探測技術(shù)和方法包括:試紙和化學(xué)試劑法、電磁法、光學(xué)和光譜法、離子遷移譜法、色譜質(zhì)譜聯(lián)用法、超聲法以及X射線探測等。上述毒品/爆炸物檢測技術(shù)和方法主要有缺如下:試紙和化學(xué)試劑

3、法優(yōu)點在于操作簡單，無需電力或電池驅(qū)動，但該方法屬于有損探測，而且一種試紙或試劑只能探測一種特定的物質(zhì);電磁法主要有核磁共振、太赫茲、微波等探測方法，核磁共振探測的缺點是探測時間長且無法探測不含有元素的液體炸藥，太赫茲的探測精度受環(huán)境影響較大，電磁探測方法共同缺點都是不能探測被金屬包裹或密封的液體;光學(xué)探測方法主要有拉曼和紅外光譜探測儀器，光學(xué)探測儀器屬于無損檢測，但是光學(xué)儀器只能檢測透明包裝材料中的物質(zhì)，而且光路中的傳播路徑易受其他物

4、質(zhì)干擾而導(dǎo)致測量誤差;離子遷移譜屬于有損探測，而且本質(zhì)上不能檢查密閉容器內(nèi)部的液體，同時該方法電子穩(wěn)定性不高，還需要根據(jù)不同測量環(huán)境進行標定而影響精度，因此誤檢率高;色譜質(zhì)譜聯(lián)用探測方法的優(yōu)點是探測精度高，但是缺點是探測過程復(fù)雜、速度慢、探測費用高以及屬于有損探測等;超聲探測的優(yōu)點是測試儀器輕便，操作安全簡單，缺點是必須預(yù)先測量容器尺寸，并且探測精度受到回波影響較大。
　　相對于上述毒品/爆炸物探測方法，X射線類探測方法的優(yōu)點是非

5、破壞性、非接觸、分辨率高、低成本、穿透性強、低劑量對人體基本無害，因此國內(nèi)外公共安全檢查儀器基本上以X射線探測方法為主。X射線探測技術(shù)主要是通過物質(zhì)的密度、圖像或者原子序數(shù)來鑒別，雖然國內(nèi)外采用X射線探測毒品/爆炸物取得了一定進展，但是還存在一定的局限性:X射線探測技術(shù)僅能獲得的物質(zhì)形狀、密度或者原子序數(shù)，無法分辨出密度相近的物質(zhì);僅能獲得液體物質(zhì)一維或者二維信息，因此無法區(qū)分不同濃度或者混合的多組分液體;探測速度較慢，難以適合公共安全

6、領(lǐng)域現(xiàn)場快速探測的要求。
　　近年來，隨著X射線理論與探測技術(shù)的進步，能量色散X射線(Energydispersive X-ray scattering)由于使用寬波段全波長掃描的方式，因此具具有探測速度快、操作方便、穩(wěn)定性、重現(xiàn)性好、不必聚焦以及受環(huán)境影響較小等優(yōu)點，成為固體晶體或多晶粉末衍射分析的主要譜儀。但是該類型探測儀器具有分辨率低的缺點，因此國內(nèi)外少有用于毒品/爆炸物的現(xiàn)場快速檢測。
　　本文使用能量色散x射線譜儀

7、作為探測工具，針對復(fù)雜背景下的毒品/爆炸物探測需求，研究適用于現(xiàn)場便攜快速檢測新方法及實用化儀器的關(guān)鍵軟硬件技術(shù)。研究的方向一是針對人體藏匿毒品的檢測，二是針對液體炸藥、易制毒和易燃爆等液體危險品的檢測。雖然能量散射x射線探測儀器有不少優(yōu)點，但是能量散射x射線屬于弱光射線，分辨率低。而在人體藏匿毒品條件下，由于人體組織對光子的衰減作用和人體組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致能量散射x射線信號弱，分辨率更低，通過傳統(tǒng)的尋找指紋峰的方法很難準確識別待測可

8、疑物;另外，常規(guī)的x射線探測液體危險品主要是通過液體的密度或者原子序數(shù)來鑒別的，一般只能檢測單組份液體危險品及原料，多組分液體危險品很難通過二維的譜識別方法來檢測和識別。為了解決復(fù)雜背景下能量色散x射線的探測信號弱，難以直接通過尋峰方法識別待測物質(zhì)的難題，采用智能算法輔助識別x射線譜是必要的，本文的具體研究方法和路線如下:
　　(1)設(shè)計和研制了兩種能量色散x射線探測裝備，分別是低能探測試驗平臺和高能多功能散射試驗平臺，通過在探測

9、平臺上研究弱X光在人體環(huán)境中探測毒品/爆炸物的衍射識別規(guī)律，探索人體隱藏毒品/爆炸物最佳檢測條件;為研究弱X光能量色散探測毒品/爆炸物的新型檢測原理和方法提供理論基礎(chǔ)，為能量色散X射線探測數(shù)據(jù)的處理和識別提供可靠的數(shù)據(jù)。
　　(2)利用自主研制的能量色散X射線譜儀，本項目研究了能量色散X射線探測人體藏匿毒品及其智能識別算法，能量色散X射線屬于弱X射線光束，因此在X光源能量相近的情況下，能散X射線探測的能量分辨能力要比常規(guī)小角散射X

10、射線要低。另外，本項目的探測目標是人體藏匿等復(fù)雜背景下毒品/爆炸物探測，經(jīng)過背景對光束的衰減作用，待測物質(zhì)的散射信號比較弱，很難通過物質(zhì)的衍射峰來鑒別物質(zhì)類型。因此，本項目針對復(fù)雜背景下能量散射X射線數(shù)據(jù)，采用多種信號處理、模式分類、統(tǒng)計分析和智能識別等算法來處理獲取的能量色散數(shù)據(jù)。通過閾值小波與相干函數(shù)組合算法，對不同尺寸和類型的模擬人體組織（豬肉組織）包裹海洛因的能量散射X射線數(shù)據(jù)進行處理，通過數(shù)據(jù)的去噪和相干函數(shù)匹配，建立模擬人體

11、包裹海洛因能散數(shù)X射線探測數(shù)據(jù)庫，然后進行識別;為了研究模擬人體組織包裹下不同種類毒品及相似物質(zhì)的識別率，本項目選用模擬人體組織（豬肉）包裹TNT、苯乙酸、冰毒、海洛因、胡椒醛、人體和鹽等7類物質(zhì)作為測試物質(zhì)，利用PCA算法來分類識別7中物質(zhì)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化PCA算法，并研究了PCA算法中提取的主成分數(shù)目對識別率的影響規(guī)律;本項目還選用能量色散X射線探測醫(yī)學(xué)人體模型藏匿毒品/爆炸物，然后采用不同的模式識別和統(tǒng)計算法來處理和識別待測物

12、，待測物質(zhì)為TNT，苯乙酸，冰毒，海洛因，胡椒醛，人體，鹽，提出了一種基于粒子群算法優(yōu)化的SVM分類識別算法，通過對每種物質(zhì)30組數(shù)據(jù)的識別和優(yōu)化，尋求最優(yōu)性能的SVM識別能量色散X射線探測人體模型藏匿毒品/爆炸物識別算法;另外本項目還研究了基于離散余弦轉(zhuǎn)換和線性判別組合算法對人體模型藏匿毒品/爆炸物識別算法，利用上述算法對高維數(shù)據(jù)的去相關(guān)性能量、特征提取和分類優(yōu)勢，解決弱X光數(shù)據(jù)的難以處理和識別率低的難點。最后，本章研究了邊緣fish

13、er分析對人體模型藏匿毒品/爆炸物識別，特別是邊緣fisher分析對樣本分布不作任何要求，而是利用鄰近樣本之間的幾何關(guān)系表征樣本分布的特性，能較好的解決弱X光數(shù)據(jù)的識別和分類問題，并對比和評價K-近鄰法(KNN)和支持向量機(SVM)與PCA、PCA+LDA和MFA算法組合對提高人體模型藏匿TNT，苯乙酸，冰毒，海洛因，胡椒醛，人體，鹽的識別效果，驗證本文提出的算法有效性和高識別率。
　　研究液體危險品在能量散射X射線探測下的光學(xué)

14、散射特性，選擇適合液體危險品的最佳測試時間、電壓、測試角度、狹縫寬度等，測試常見液體危險品樣品，獲取其三維能散數(shù)據(jù)。構(gòu)建液體危險品能散X射線三維數(shù)據(jù)模型，對三維模型中各載荷矩陣多變量數(shù)據(jù)進行回歸擬合和矯正，建立液體危險品能量色散X射線三維數(shù)據(jù)的PARAFAC模型，然后計算主因子數(shù)，接著對三維數(shù)據(jù)模型進行二維載荷矩陣分解，通過對二維載荷矩陣的分類和識別，最終計算出多組分液體危險品中各組分的精確成分和含量。
　　最后，本項目采用能量散