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

1、毒品和和恐怖活動(dòng)是當(dāng)今世界的兩大毒瘤，嚴(yán)重危害著人類安全和健康，雖然世界各國(guó)都在嚴(yán)厲打擊涉毒和恐怖等嚴(yán)重危害社會(huì)的犯罪活動(dòng)，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(guó)政府和國(guó)際組織的共同目標(biāo)，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(chǎng)快速檢測(cè)。在公共安全場(chǎng)所的實(shí)際檢測(cè)中，除了要檢測(cè)常規(guī)的海洛因、可卡因、大麻等毒品，還需要檢測(cè)能制造毒品的原料，即易制毒化學(xué)品。而爆炸物的檢測(cè)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(lái)源方便和加工工藝簡(jiǎn)單等原因，對(duì)公共安全造成了更大的威脅而迫切需要現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)技術(shù)和儀器，因此本項(xiàng)目需要研究的檢測(cè)目標(biāo)包括毒品、爆炸物和液體危險(xiǎn)品。
　　縱觀國(guó)內(nèi)外毒品、爆炸物和液體危險(xiǎn)品的主要探測(cè)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(cè)等。上述毒品/爆炸物檢測(cè)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(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單，無(wú)需電力或電池驅(qū)動(dòng)，但該方法屬于有損探測(cè)，而且一種試紙或試劑只能探測(cè)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(cè)方法，核磁共振探測(cè)的缺點(diǎn)是探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)且無(wú)法探測(cè)不含有元素的液體炸藥，太赫茲的探測(cè)精度受環(huán)境影響較大，電磁探測(cè)方法共同缺點(diǎn)都是不能探測(cè)被金屬包裹或密封的液體;光學(xué)探測(cè)方法主要有拉曼和紅外光譜探測(cè)儀器，光學(xué)探測(cè)儀器屬于無(wú)損檢測(cè)，但是光學(xué)儀器只能檢測(cè)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(cè)量誤差;離子遷移譜屬于有損探測(cè)，而且本質(zhì)上不能檢查密閉容器內(nèi)部的液體，同時(shí)該方法電子穩(wěn)定性不高，還需要根據(jù)不同測(cè)量環(huán)境進(jìn)行標(biāo)定而影響精度，因此誤檢率高;色譜質(zhì)譜聯(lián)用探測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)精度高，但是缺點(diǎn)是探測(cè)過(guò)程復(fù)雜、速度慢、探測(cè)費(fèi)用高以及屬于有損探測(cè)等;超聲探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試儀器輕便，操作安全簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是必須預(yù)先測(cè)量容器尺寸，并且探測(cè)精度受到回波影響較大。
　　相對(duì)于上述毒品/爆炸物探測(cè)方法，X射線類探測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是非

5、破壞性、非接觸、分辨率高、低成本、穿透性強(qiáng)、低劑量對(duì)人體基本無(wú)害，因此國(guó)內(nèi)外公共安全檢查儀器基本上以X射線探測(cè)方法為主。X射線探測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)物質(zhì)的密度、圖像或者原子序數(shù)來(lái)鑒別，雖然國(guó)內(nèi)外采用X射線探測(cè)毒品/爆炸物取得了一定進(jìn)展，但是還存在一定的局限性:X射線探測(cè)技術(shù)僅能獲得的物質(zhì)形狀、密度或者原子序數(shù)，無(wú)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(wú)法區(qū)分不同濃度或者混合的多組分液體;探測(cè)速度較慢，難以適合公共安全

6、領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)快速探測(cè)的要求。
　　近年來(lái)，隨著X射線理論與探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，能量色散X射線(Energydispersive X-ray scattering)由于使用寬波段全波長(zhǎng)掃描的方式，因此具具有探測(cè)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(diǎn)，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(cè)儀器具有分辨率低的缺點(diǎn)，因此國(guó)內(nèi)外少有用于毒品/爆炸物的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。
　　本文使用能量色散x射線譜儀

7、作為探測(cè)工具，針對(duì)復(fù)雜背景下的毒品/爆炸物探測(cè)需求，研究適用于現(xiàn)場(chǎng)便攜快速檢測(cè)新方法及實(shí)用化儀器的關(guān)鍵軟硬件技術(shù)。研究的方向一是針對(duì)人體藏匿毒品的檢測(cè)，二是針對(duì)液體炸藥、易制毒和易燃爆等液體危險(xiǎn)品的檢測(cè)。雖然能量散射x射線探測(cè)儀器有不少優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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(hào)弱，分辨率更低，通過(guò)傳統(tǒng)的尋找指紋峰的方法很難準(zhǔn)確識(shí)別待測(cè)可

8、疑物;另外，常規(guī)的x射線探測(cè)液體危險(xiǎn)品主要是通過(guò)液體的密度或者原子序數(shù)來(lái)鑒別的，一般只能檢測(cè)單組份液體危險(xiǎn)品及原料，多組分液體危險(xiǎn)品很難通過(guò)二維的譜識(shí)別方法來(lái)檢測(cè)和識(shí)別。為了解決復(fù)雜背景下能量色散x射線的探測(cè)信號(hào)弱，難以直接通過(guò)尋峰方法識(shí)別待測(cè)物質(zhì)的難題，采用智能算法輔助識(shí)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(jì)和研制了兩種能量色散x射線探測(cè)裝備，分別是低能探測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)和高能多功能散射試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)在探測(cè)

9、平臺(tái)上研究弱X光在人體環(huán)境中探測(cè)毒品/爆炸物的衍射識(shí)別規(guī)律，探索人體隱藏毒品/爆炸物最佳檢測(cè)條件;為研究弱X光能量色散探測(cè)毒品/爆炸物的新型檢測(cè)原理和方法提供理論基礎(chǔ)，為能量色散X射線探測(cè)數(shù)據(jù)的處理和識(shí)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(xiàng)目研究了能量色散X射線探測(cè)人體藏匿毒品及其智能識(shí)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(cè)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(xiàng)目的探測(cè)目標(biāo)是人體藏匿等復(fù)雜背景下毒品/爆炸物探測(cè)，經(jīng)過(guò)背景對(duì)光束的衰減作用，待測(cè)物質(zhì)的散射信號(hào)比較弱，很難通過(guò)物質(zhì)的衍射峰來(lái)鑒別物質(zhì)類型。因此，本項(xiàng)目針對(duì)復(fù)雜背景下能量散射X射線數(shù)據(jù)，采用多種信號(hào)處理、模式分類、統(tǒng)計(jì)分析和智能識(shí)別等算法來(lái)處理獲取的能量色散數(shù)據(jù)。通過(guò)閾值小波與相干函數(shù)組合算法，對(duì)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(jìn)行處理，通過(guò)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(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后進(jìn)行識(shí)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(shí)別率，本項(xiàng)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(cè)試物質(zhì)，利用PCA算法來(lái)分類識(shí)別7中物質(zhì)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)優(yōu)化PCA算法，并研究了PCA算法中提取的主成分?jǐn)?shù)目對(duì)識(shí)別率的影響規(guī)律;本項(xiàng)目還選用能量色散X射線探測(cè)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(shí)別和統(tǒng)計(jì)算法來(lái)處理和識(shí)別待測(cè)物

12、，待測(cè)物質(zhì)為T(mén)NT，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(shí)別算法，通過(guò)對(duì)每種物質(zhì)30組數(shù)據(jù)的識(shí)別和優(yōu)化，尋求最優(yōu)性能的SVM識(shí)別能量色散X射線探測(cè)人體模型藏匿毒品/爆炸物識(shí)別算法;另外本項(xiàng)目還研究了基于離散余弦轉(zhuǎn)換和線性判別組合算法對(duì)人體模型藏匿毒品/爆炸物識(shí)別算法，利用上述算法對(duì)高維數(shù)據(jù)的去相關(guān)性能量、特征提取和分類優(yōu)勢(shì)，解決弱X光數(shù)據(jù)的難以處理和識(shí)別率低的難點(diǎn)。最后，本章研究了邊緣fish

13、er分析對(duì)人體模型藏匿毒品/爆炸物識(shí)別，特別是邊緣fisher分析對(duì)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(shí)別和分類問(wèn)題，并對(duì)比和評(píng)價(jià)K-近鄰法(KNN)和支持向量機(jī)(SVM)與PCA、PCA+LDA和MFA算法組合對(duì)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(shí)別效果，驗(yàn)證本文提出的算法有效性和高識(shí)別率。
　　研究液體危險(xiǎn)品在能量散射X射線探測(cè)下的光學(xué)

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