远距离爆炸物探测技术

刘 灏,时家明,程 立,王启超

(脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽 合肥 230037)

·综述与评论·

远距离爆炸物探测技术

刘 灏,时家明,程 立,王启超

(脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽 合肥 230037)

随着人们对安全问题的愈加重视,在一些重要场合中,远距离爆炸物的快速探测和分析技术迫切需要。文中首先对当前常用爆炸物探测设备的研究、应用现状以及它们存在的局限性进行了简单说明,然后详细论述了几种具有研究价值和发展前景的远距离爆炸物探测技术,并分别对这些技术的优缺点和发展现状进行了简要叙述。最后,针对相关领域应用的特点与需求,提出了远距离爆炸物探测技术在未来几年内的研究重点和方向。

远距离；爆炸物；探测技术

1 引 言

当前,反恐已成为国际上共同关注的热点问题之一,恐怖犯罪活动尤其是爆炸类恐怖事件,不但对人们造成的伤害大、影响深,而且也会引起许多不良的社会效应,正因为如此,为了避免恐怖事件所造成的悲剧和产生的恶劣影响,各国在预防和打击恐怖活动方面越来越重视,尤其在公共场合的安全检测方面,加强了探测设备对隐藏爆炸物的检测力度,这些设备在一定程度上降低了爆炸事件发生的可能性,较好地保障了人们的安全。但是,现有的检测方法和设备还存在一些不足,因此在爆炸物探测方法研究和设备研制的改进方面引起了各国的高度重视。

例如,常用探测设备通常都是近距离使用,有的检测甚至是接触式,这样对人员与设备安全可能带来威胁和隐患；此外,现有设备还存在较高的漏警率,据统计,美国两机场的爆炸物检测失败率达到60%以上；再有,目前安检过程中存在被指侵犯人权等问题。由于上述棘手问题,因而研究安全、有效、迅速、隐蔽的远距离探测技术是极为必要的。

目前远距离探测技术的发展有希望突破这些局限性,正因为其具备明显优势,此技术引起了国内外专家学者的注意和兴趣。远距离探测时设备和人员距离被测物一般在几米到100多米之间,潜在危险小,隐蔽性高,受到大家的重视和热捧。从国内外文献和相关报道来看,主要有远距离激光光谱检测、太赫兹和毫米波等技术,虽然在探测原理和方法上它们各有不同,但是远距离实时探测技术将是爆炸物探测的一个重要发展方向[1～2]。

2 激光光谱技术

含能物质或其他物质被激光照射产生的高温蒸汽会发射出某些特定波长的激光,所产生的光谱具有指纹特征[3],通过对其进行分析,并与光谱数据库比对就可以判断出是否存在爆炸物。因为激光具有方向性好的特点,所以非常适合用于远距离探测。目前,具有远距离探测能力的激光光谱技术主要有可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、拉曼光谱、激光诱导击穿光谱等(LIBS)。

2.1 可调谐二极管激光吸收光谱

可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)技术[4-5]是利用其激光器功率高、线宽窄、可调谐等优点,极大地提高了测量的信噪比,提高了灵敏度。大部分爆炸物在中远红外内某特定波长具有明显的吸收特征,基于此发现,中远红外波段的量子级联激光器(External Cavity Quantum Cascade Lasers,EC-QCL)得到了高度关注和发展,它通过物质的指纹特征谱进行探测和识别,可以较好地应用于爆炸物的痕量检测方面,并对于气体检测技术的发展具有重要作用[6-7]。

对于气体的光谱测量,通常是依据光谱透过率来定量分析的,通过朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律可得到:当光强为I0的光束照射并穿过待测样品时,光与被测对象发生作用被吸收,光束透过待测样品后光强为It,被测物对光束的吸光度A为:

2010年,美国加利福尼亚州中国湖海军航空武器试验站(NAWS)采用可调谐CO2激光器探测掺杂在土壤中的TNT,再通过吸收指纹特征谱确定被测物,其远距离探测设备实物图如图1所示。

图1 中国湖海军航空武器试验站远距离探测设备实物图

2.2 激光拉曼光谱

拉曼光谱技术[8]是对拉曼散射效应光谱进行分析的一种技术,通过分子的转动和振动信息来识别物质。对于常规的化学分析技术来说,激光拉曼光谱技术具有远程、实时、快速、无损、准确度高等优点。然而,这种技术的实现也需要克服一些问题,比如传统拉曼散射效应信号强度非常的弱,一般其散射光强约为入射光强的百万分之一,同时,荧光的干扰也是影响这种技术信噪比的重要因素之一,为了解决荧光问题,当前主要通过采用高性能的探测器,增加光谱仪灵敏度,将光谱仪入射波长提高到没有荧光产生的近红外波段,从而降低荧光的干扰。由于拉曼光谱在远距离检测方面[9-10]具有重要的应用价值,相关技术被不断报道,下面对几种拉曼光谱检测技术进行介绍[11]。

(1)共聚焦显微拉曼光谱

共焦显微拉曼光谱技术是将拉曼光谱与显微分析紧密结合在一起,它在光路里加入了共焦显微镜,这样就消除了样品离焦区域的杂散光,从而保证了探测器获得散射光是来自激光采样的信号,共焦显微拉曼系统如图2所示。经实验得到,此技术通过调节激光束聚焦位置可排除来自样品周围干扰物的拉曼散射及荧光所带来的干扰,能够对pg量级样品进行精确分析。正因为如此,共焦显微拉曼光谱技术在物质痕量检测方面得到重视,具有良好的发展前景。

当前,国外在此光谱探测爆炸物技术上取得了一些发现和进展。2009年,Leonardo C 等[12]采用514.5 nm和488 nm的氩离子激光器分别探测了TNT、DNT、RDX的远程拉曼光谱和显微拉曼光谱,结果它们的显微拉曼光谱与测试距离7 m时的拉曼光谱一样,表明了此技术的可行性和准确性。

图2 共焦显微拉曼系统

(2)空间偏移拉曼光谱

空间偏移拉曼光谱(spatially offset Raman spectroscopy,SORS)是在研究拉曼散射光子迁移理论时所提出的。光子在物质内部的迁移方向具有随机性,物质内部深层产生的拉曼散射光子相对于浅表层来说在扩散时更容易发生横向迁移。深度不同决定了横向迁移距离不相同,所以在离激光入射点不同距离情况下所得到的拉曼信号因为在样品内部深度的不同而不同,SORS原理如图3所示,当ΔX=0时,激光入射点即为光谱的采集点,此时所采集的信号主要来自于样品表面的拉曼散射。当ΔX≠0时,激光入射点与光谱采集点有一定的距离,所采集到的光谱信号与ΔX=0时相比,更多的来自于深层的拉曼散射光子,因此可通过改变采集点与激光入射点的距离来获得样品内部不同深度的拉曼光谱信息。

图3 SORS原理图

SORS技术在探测隐藏爆炸物上极具优势,但SORS技术也存在一些不足,即在透明介质中样品不能通过标准的SORS技术(如图4所示)进行检测。2007年,P.Matousek等利用光子在物质内部迁移方向的随机性,对标准的SORS理论模型进行了改进,如图5所示。通过改变激光的入射角度,成功地采集了透明介质中样品的拉曼光谱,同时也经过实验表明:改进的SORS技术相比于传统的技术,能够更好抑制器壁荧光和拉曼信号产生的干扰。2009年,M.Hargreaves等还报道了利用SORS技术准确识别浑浊溶液中的H2O2。

图4 标准SORS技术

图5 改进SORS技术

2.3 激光诱导击穿光谱

激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是一种基于原子发射光谱和激光等离子体发射光谱而获取物质元素和浓度的分析技术。利用高能脉冲激光诱导击穿材料表面,使材料表面的微量样品发生电离,产生等离子体,在等离子体发射光谱中包含了样品元素线状光谱和背景连续光谱,再通过获得光谱对样品进行进一步定性和定量的分析。

激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱相比,诱导击穿光谱返回的信号强度更大,并且漏警率更低。目前对于激光诱导击穿光谱的研究方向主要是如何优化采集的光谱信号,比如光谱信号增强,连续谱降低,信噪比提高以及检测极限提高等方面[13]。

随着激光和探测技术的不断发展,LIBS技术也更加成熟,从而出现了如纳秒激光诱导击穿光谱、飞秒激光诱导击穿光谱、飞秒等离子丝诱导击穿光谱、时间分辨激光诱导击穿光谱、偏振分辨激光诱导击穿光谱、双脉冲激光诱导击穿光谱等[14]诸多技术。美国陆军研究实验室(ARL)基于激光诱导击穿光谱技术,利用单脉冲激光器成功探测30 m处的爆炸物,随后与应用光子公司合作,联合开展了以国防安全为背景的远程LIBS检测技术项目,使得原来的探测系统性能得到进一步的提升,其中包括利用双脉冲激光器进行探测以及全波段(紫外、可见光、近红外)探测[15],远程双脉冲LIBS系统组成如图6所示。美国中弗罗里达大学的Martin Richardson研究小组[16]在军事应用背景前提下开展了飞秒激光等离子体丝的LIBS技术的研究,对几十米远处的化学和生物病菌以及含能材料(爆炸物)的成分进行了探测和区分,通过LIBS光谱中的C2分子光谱区分有机物质种类。

图6 远程双脉冲LIBS系统实物图

上述激光光谱技术具有良好的实用前景,但是其也存在技术难点,比如在扫描过程中为了获得较高的信噪比,通常会延长取样时间,但由于探测一般在几秒内就要完成,从而要求了探测的速度。此外,因为衣服、金属等材料不能够被激光穿透,所以上述激光探测方法只适用于检测物体表面的爆炸物,其不具备探测隐藏爆炸物的能力。对于隐藏爆炸物的探测,可以借助太赫兹和毫米波技术来实现。

3 太赫兹技术

太赫兹波(Terahertz)在电磁波谱中位于微波和远红外辐射之间,其波长范围为30 μm～3 mm(0.1～10 THz)。由于太赫兹波具有瞬态性、高透视性、宽带性、相干性、低能性等[17～18]独特的性质,在安检、航空、军事、物理、化学等领域展现了很大的潜力和价值,尤其在检测隐藏的炸药和其他危险物品时发挥着重要作用,为危险品探测又提供了新的且更加准确有效的手段。

太赫兹技术作为一种新型的实时检测手段,对于爆炸物的探测相比于其他技术具有许多优势[19]:①在太赫兹波段不同炸药种类所具有的特征吸收和色散各有不同,具有指纹谱性。基于这一特点,可以利用太赫兹技术对它们进行探测和识别,进而分析物质内部结构信息。②太赫兹波对很多非金属和非极性电介质材料具有很强的穿透力,包括衣物、包裹、陶制品甚至墙壁等材料,可以实现对这些材料中携带的隐藏爆炸物进行非接触式检测。③太赫兹波的能量比较低,仅有几毫电子伏特(约为 4.1 meV,仅为X射线的10-6倍),对人体不会造成电离伤害,也不会危害人体健康,由此可以方便地对隐藏在这些包装材料中的爆炸物进行探测。④太赫兹技术的应用使得对隐藏爆炸物的远距离探测变为现实,极大地保障了检测人员和设备的安全。⑤爆炸物的太赫兹光谱数据库日益完善,为准确探测隐藏爆炸物奠定了良好的基础。

太赫兹波的应用主要基于太赫兹成像技术和太赫兹光谱技术两个方面[20]。太赫兹光谱包含了物质丰富的信息,所以利用太赫兹波可对物质进行探测和分类。图7为基于太赫兹技术的远距离探测示意图,其中还特别考虑了环境因素对探测的影响,这也是在探测过程中必须克服的问题。目前得到物质太赫兹光谱的方法很多,其中,太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)和傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)是较为常见的方法,傅里叶变换红外光谱技术在大于3 THz的范围内具有很好的性能,而太赫兹时域光谱技术则是在3 THz以下有很大的优势,两者相比而言,太赫兹时域光谱技术能够对爆炸物进行高灵敏度、无损和非电离的探测。太赫兹光谱探测方法通常是对太赫兹时域光谱进行透射或者反射测量。在太赫兹成像方面,可通过多图像融合手段来提高图像分辨率和探测的准确性,如图8所示。2012年,哈尔滨工业大学李琦教授带领课题组开展了隐藏物的连续太赫兹反射扫描成像实验[21],他们利用搭建的测试系统对剃须刀、硬币等多种物体进行了穿透力实验,并获得清晰反射图像。

近几年来,国内外一些研究小组陆续开展了应用太赫兹技术检测炸药及其相关材料的研究,它们主要集中在美国、欧洲和日本。SPARTA公司的Matthew.B.Campbell等[22]首次利用太赫兹光谱仪和傅里叶变换红外光谱仪成功检测了PETN、C4和塞姆烃塑胶炸药的特征吸收谱,此后,各国一些研究小组对爆炸物的太赫兹特征吸收光谱产生了浓厚的兴趣,相继展开了一系列的研究和实验。2004年,美国新泽西理工学院的John F.Federici等,采用FTIR光谱技术在0.1～3 THz频段内和THz-TDS在0.1～1.6 THz频段内分别探测了RDX的特征吸收谱,结果表明两种方法测得的RDX特征吸收峰一致。在国内,首都师范大学太赫兹光电子学教育部重点实验室的课题组从2006年开始研究了一系列爆炸物的指纹谱,已得到了10余种爆炸物的特征谱数据。然而,炸药的种类和组成各种各样,仍需要不断完善炸药的太赫兹光谱数据库。

图7 太赫兹远距离探测示意图

图8 可见光、太赫兹、红外热图像的融合

相比激光光谱技术而言,太赫兹具有较强的惧水性,即空气中水分对太赫兹的吸收。水分子对太赫兹波的强吸收会影响有效传输距离,对远距离的探测造成影响,这也是太赫兹技术在实际应用中所要解决的关键难题。此外,因为金属材料能对太赫兹波产生屏蔽,所以对金属材质中隐藏的爆炸物不适宜用此技术进行探测。目前,太赫兹探测设备结构复杂,体积庞大,并且制造价格昂贵,还只停留于实验室中使用,但随着研究的逐步深入和科技水平的不断提高,在不久的将来,太赫兹探测设备将会被普遍使用,太赫兹技术也将会在爆炸物探测和识别领域占据主导地位。

4 毫米波技术

毫米波波段介于微波和太赫兹波段之间,其频率范围为30～300 GHz,相应的波长为1～ 10 mm[23],兼有微波和红外波段的优点,既具有良好的指向性、探测性、强抗干扰能力,也易于穿透很多不透明的材料,比如木制品、陶制品、塑料、衣物、混凝土等,非常适合于对隐藏物质的精确探测。随着相关技术的发展,毫米波因为其自身的特点和优势,在安检等领域应用前景十分广阔。

毫米波目标探测技术按工作模式可分为:被动式毫米波目标探测和主动式毫米波目标探测[24]。被动探测系统本身并不发射毫米波,只接收目标辐射或散射的毫米波辐射,这种成像原理类似红外热像仪成像,应用频率主要选在35、94、140、220 GHz的毫米波大气传播窗口,再通过软件对图像的分析,可以自动探测到爆炸物的存在,减少了分析时对人主观上的依赖。同时,被动式探测相比于其他探测技术而言,因为具备动态检测功能,可以像监控摄像头一样进行动态探测,从而在隐蔽性和安全性方面提供了有利条件。

毫米波图像和一般的光学图像最明显的区别是毫米波图像着重于目标与背景的边缘识别,因为自然界中的任何物体都在不停地辐射电磁波,而这电磁波由各个频率的非相关波组成,它们具有随机性,所以不同物体在不同波段辐射量不同,毫米波能够进行被动式成像正是依据这个原理。

对于主动式毫米波探测系统来说,它是利用接收毫米波照射后的回波信号,对回波信号进行处理后所形成实时的高分辨3D全息图像。相比于被动式探测技术、激光光谱技术和太赫兹技术而言,主动式探测的适应性明显更强,不受温度、阳光和周围辐射源的影响。

虽然毫米波探测技术能够很好地应用于安检领域,但在技术性能方面还有待改进,例如,被动式毫米波成像系统只适用于室内使用,环境温度通常不能超过26 ℃。主动式毫米波成像系统只能做到静态探测,即必须在指定位置上进行检测,所以想要实现毫米波在安检领域的产业化还需要更多的时间和努力。

毫米波探测技术在军事方面的应用受到世界各国的普遍重视,但在民用方面的发展速度相对比较缓慢,相比之下,美国无论在军用或民用方面都具有明显优势,美国斯密斯公司就是将主动毫米波探测技术应用于安检领域,采用无线收发装置,具有低能耗、高宽带的特点,然后使用波长为4 mm信号源对区域进行扫描,能在25 m之外得到反射信号的强度。当扫描到隐藏危险品时,毫米波信号强度增大,就可在红外设备获得的图像上看见一个“亮点”。

5 结 论

上述技术在远距离爆炸物探测方面具有良好的应用前景,可以较好的适用于安检等相关领域中,但是目前由于技术水平和成本等问题,有些技术还停留于实验室阶段。相信在未来几年,随着研究不断深入和技术不断成熟,部分技术将逐步实用化。而爆炸物检测设备的轻便、高灵敏度、低虚警率也将是国内外爆炸物检测技术的研究重点和重要发展方向。

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Stand-off detection technology of explosives

LIU Hao,SHI Jia-ming,CHENG Li,WANG Qi-chao

(State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology,Hefei 230037,China)

With more and more attention to security issues,fast detection and analysis of explosive at long distances are urgently needed in many important situations.First of all,the research,application and limitation of the common explosive detection equipment are presented in this paper.Then several techniques with research value and good prospects for the stand-off detection of explosives are introduced;their current development,advantages and disadvantages of these techniques are briefly described.Finally,aiming at the characteristics and needs of related fields,research priorities and directions of stand-off explosive detection technology are proposed for the coming years.

stand-off;explosives;detection techniques

刘 灏(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为激光探测技术。E-mail:dear_devilhao@sina.com

2014-10-24;

2014-11-24

1001-5078(2015)07-0733-07

TN219;TN24

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.001