可用于人物同检的CF—1型背散射人体安检仪研发

王玉川等

摘要：现在北京地铁1号线、5号线、13号线等已均已开始实施“人物同检”，《北京市轨道交通运营安全条例（草案）》拟规定，轨道交通进站乘车人员及其携带物品均在安全检查实施之列，由安全检查单位依照规定实施。但是2014年5月25日北京市人大常委会审议（草案）时表示，“人物同检”的安全性与轨道交通的快捷性和高效性之间存在矛盾，建议进行更深入研究。CF-1型背散射人体安检仪的研发可在一定程度上避免“人物同检”的弊端，为地铁实行人物同检带来更多的可能性。

关键词：X射线；安全监测；检测仪；冷却装置

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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型背散射人体扫描安检仪可广泛使用在民航、公安、司法、铁路、海关、大型场馆等重要场所，对人体进行安全、快速的检查，对恐怖分子具有强大的震慑作用。本团队在国家科技支撑项目（化学品储运安全保障技术研究与示范-公共场所危险源探测装备研究）中已初步研制出以X光反射为技术基础达到国家先进水平的爆炸品探测设备。该装备用于爆炸品危险源的识别和检测，并通过信息传输系统报警，以防止公共安全实践发生，保障社会安定和谐。目前采用的普通安检手段无法有效检测非金属危险爆炸物[3]、陶瓷刀具、塑料枪支、毒品等违禁品。而X射线的背散射技术，不仅能够检测出金属物品，更可能有效的检测出人们所携带的非金属物品，所以X射线背散射技术用于人体检测是打击恐怖主义活动，防范恐怖主义袭击的有效手段。背散射人体安检在国外很早就开始使用，国内也在尝试使用，将逐步纳入普检行列，特别是在机场、火车站等重要场所。本团队通过自主研发，并承接国家“十二五”科技支撑项目。在国内率先掌握了X射线背散射人体安检技术，并达到了国际先进水平，填补了国内空白。

2基本原理

该产品采用的核心技术是一项基于X射线“康普顿效应”的专利技术。该技术在检测高原子序数物质（例如金属）的同时能够更有效的检测低原子序数物质（例如碳、氢、氧、氮等元素物质）。简而言之，就是通过X射线源发射X射线，X射线在不同的物体表面会反射出不同的散射信号，这些信号被反散射探测器接收后通过计算机对比分析识别出物质性质。图1为X射线“康普顿效应”原理图。

背散射技术的核心是我们拥有自主知识产权的“飞点扫描”技术，该技术的原理即康普顿散射效应。“飞点扫描”圆盘的设计和试制，选择高强度轻质材料制作圆桶，使圆桶的跳动量不超过0.2mm，圆桶加铅屏蔽保证多余射线的完全吸收，圆桶上的准直缝间距尺寸偏差小于0.4mm。形成满足飞点扫描的高速、高精度的伺服控制机械传动机构，保证射线扫描的线性和垂直高度，垂直扫描高度达到2000mm，水平扫面宽度为900mm。“飞点扫描”技术是背散射扫描技术的核心，它可以瞬时对X射线光束的方位进行处理，实现对被检测物的逐点快速扫描，极大的提高了检测的空间分辨率，使成像可以达到照片一样的清晰效果，同时大幅度降低了检测的辐射剂量。

3 研制过程

本研究主要以机场、轨道交通、公安司法、重要集会等场所的反恐、防恐为情景对象，针对不同应用场合对人体携带的危险品、违禁品的探测，通过对智能识别技术与装备为核心研究，形成以高分辨率、低辐射剂量、高通过率为特点的最终装备，提高对人口密集场所危险品检查的效率。研制过程中包括5项研究任务，具体设置及逻辑关系如图2所示。

3.1 CF-1型背散射人体安检仪样机研制

在整个产品开发研究中主要技术难点在飞点扫描机构的实现、反散射弱信号探测、图像恢复数据模型、智能危险品识别方面。课题组经过多次实验分析，建立了CBS背景噪音过滤模型，确定了在CBS图像中使用混合串联高斯--中值滤波能有效去除背景噪音，并利用基于局域信息的边缘轮廓提取方法从滤波后的图像中获取边缘信息，确立了参数联调组合方案；根据物体边缘信息特征，通过膨胀与腐蚀等操作去除和光滑图像边界，基于连通区域标记等方法进行轮廓分割，获取近似携带物方位等基本信息，在此基础上检测提取出的携带物的有效性，将相关可能携带物进行分离与合并，从而提取出人体携带物。在人体携带物识别上综合考虑基于轮廓的形状特征表达方法和基于区域的形状特征表达方法特点，经过多重实验分析与方法比对，最终构建了11维人体携带物特征表达向量模型，遴选并构建三层BP神经网络实现了信息处理的并行性、强学习能力和自组织及容错性好的携带物识别。

3.2 X射线发生装置的研制

X射线是CF-1型背散射人体安检仪研发的关键点，由于本项研究主要利用X射线遇到物体发生散射的康普顿散射理论，而CF-1型背散射人体安检仪的研发的另一关键点就是通过收集散射信号分析携带物的性质。因此，在研制X射线发生装置时就需关注到X射线发射源的选型与射线源小焦点的实现，使X射线发射尽量集中，不影响后续散射信号的收集。另外，是X射线发射管保持一定的温度，避免温度过高影响设备的运行。

3.3.1 X射线发射源的确定

研制出了能满足反散射要求的X光机，通过选用高质量的发射源灯丝材料、增加高速电子的汇聚装置和改进制造工艺，使发射源的焦点更小和发射的射线束更加集中。通过改变钨靶和高速轰击电子的形状来增大发射源单方向的散射角，在不改变单束射线能量的基础上增加了设备单向扫描宽度。X射线源发生装置包括X射线源发生器、X射线源控制器，其内部结构如图3所示。

3.3.2 X射线管的冷却系统的研制

X射线管在工作时必须及时的散热，否则将影响到整个系统的正常工作。X射线管的冷却系统是一种高效的冷却装置。它采用油冷和风冷相结合方式使发射源的局部热量迅速导走，再使用外部风扇将导热油的热量导入流动的空气中，从而使X射线管的温度快速冷却下来。冷却控制的原理图如图4所示。

3.3机械传动系统设计

设备机械传动系统的研发设计包括两个方面：一方面是飞点扫描机构的实现，依照发明专利“一种反散射式X射线扫描仪”上的理论描述设备部件的研发、调试，最终完成了能将射线源发射的光束斩波成笔直束状射线的飞点扫描机构，成为设备整机研发的重要环节，并申请了国内实用新型专利。形成了一套调整飞点扫描笔直光束大小、能量大小的数学算法模型，为今后设计不同类型的反散射飞点扫描机构奠定了理论基础。其中飞点扫描圆盘的设计和试制是难点，选择高强度轻质材料制作扫描圆桶，使扫描圆桶的跳动量不超过0.2mm，扫描圆桶加铅屏蔽保证了多余射线的完全吸收，圆桶上均匀的开设有狭缝，相邻狭缝间距尺寸偏差小于0.4mm，每条狭缝的宽度尺寸偏差小于0.1mm，保证了飞点扫描光束射线能量的一致性。

另一方面是携带飞点扫描机构运动扫描的机械传动机构，它使用高速、高精度的伺服电机与控制器保证飞点扫描时间和位置的精确度，射线垂直扫描高度达到2000mm，水平扫面宽度为900mm，完全可以满足各种安检场合的需要。

4 结论

人物同检是现代安保的一个重要发展趋势，虽然现在机场、铁路等都已通过安检三大样初步实现了人物同检。安检三大样中的手持金属探测器和金属门是用于人体安检仪的主要设备，但是它们存在一定的缺漏，它们检测不出非金属违禁品，比如所料枪支和陶瓷刀及致命爆炸物。另外，金属探测器需警较高，需要安保人员进行具有一定侵犯性的触摸式人工复查[5]，个别情况还需要乘客脱去鞋帽衣物，检查效率较低。地铁是人们日常使用的交通工具，对安检的效率和经济性提出了更大的要求。CF-1在实行地铁人物同检的过程中可以在效率上有所提高，另外CF-1的自助性可以缩减实现人物同检所需安保人员的数量，在经济性上更一步提升了地铁实行人物同检的可行性。

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