劉 灝,時家明,程 立,王啟超

(脈沖功率激光技術國家重點實驗室,安徽 合肥 230037)

·綜述與評論·

遠距離爆炸物探測技術

劉 灝,時家明,程 立,王啟超

(脈沖功率激光技術國家重點實驗室,安徽 合肥 230037)

隨著人們對安全問題的愈加重視,在一些重要場合中,遠距離爆炸物的快速探測和分析技術迫切需要。文中首先對當前常用爆炸物探測設備的研究、應用現(xiàn)狀以及它們存在的局限性進行了簡單說明,然后詳細論述了幾種具有研究價值和發(fā)展前景的遠距離爆炸物探測技術,并分別對這些技術的優(yōu)缺點和發(fā)展現(xiàn)狀進行了簡要敘述。最后,針對相關領域應用的特點與需求,提出了遠距離爆炸物探測技術在未來幾年內(nèi)的研究重點和方向。

遠距離；爆炸物；探測技術

1 引 言

當前,反恐已成為國際上共同關注的熱點問題之一,恐怖犯罪活動尤其是爆炸類恐怖事件,不但對人們造成的傷害大、影響深,而且也會引起許多不良的社會效應,正因為如此,為了避免恐怖事件所造成的悲劇和產(chǎn)生的惡劣影響,各國在預防和打擊恐怖活動方面越來越重視,尤其在公共場合的安全檢測方面,加強了探測設備對隱藏爆炸物的檢測力度,這些設備在一定程度上降低了爆炸事件發(fā)生的可能性,較好地保障了人們的安全。但是,現(xiàn)有的檢測方法和設備還存在一些不足,因此在爆炸物探測方法研究和設備研制的改進方面引起了各國的高度重視。

例如,常用探測設備通常都是近距離使用,有的檢測甚至是接觸式,這樣對人員與設備安全可能帶來威脅和隱患；此外,現(xiàn)有設備還存在較高的漏警率,據(jù)統(tǒng)計,美國兩機場的爆炸物檢測失敗率達到60%以上；再有,目前安檢過程中存在被指侵犯人權等問題。由于上述棘手問題,因而研究安全、有效、迅速、隱蔽的遠距離探測技術是極為必要的。

目前遠距離探測技術的發(fā)展有希望突破這些局限性,正因為其具備明顯優(yōu)勢,此技術引起了國內(nèi)外專家學者的注意和興趣。遠距離探測時設備和人員距離被測物一般在幾米到100多米之間,潛在危險小,隱蔽性高,受到大家的重視和熱捧。從國內(nèi)外文獻和相關報道來看,主要有遠距離激光光譜檢測、太赫茲和毫米波等技術,雖然在探測原理和方法上它們各有不同,但是遠距離實時探測技術將是爆炸物探測的一個重要發(fā)展方向[1～2]。

2 激光光譜技術

含能物質(zhì)或其他物質(zhì)被激光照射產(chǎn)生的高溫蒸汽會發(fā)射出某些特定波長的激光,所產(chǎn)生的光譜具有指紋特征[3],通過對其進行分析,并與光譜數(shù)據(jù)庫比對就可以判斷出是否存在爆炸物。因為激光具有方向性好的特點,所以非常適合用于遠距離探測。目前,具有遠距離探測能力的激光光譜技術主要有可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)、拉曼光譜、激光誘導擊穿光譜等(LIBS)。

2.1 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)技術[4-5]是利用其激光器功率高、線寬窄、可調(diào)諧等優(yōu)點,極大地提高了測量的信噪比,提高了靈敏度。大部分爆炸物在中遠紅外內(nèi)某特定波長具有明顯的吸收特征,基于此發(fā)現(xiàn),中遠紅外波段的量子級聯(lián)激光器(External Cavity Quantum Cascade Lasers,EC-QCL)得到了高度關注和發(fā)展,它通過物質(zhì)的指紋特征譜進行探測和識別,可以較好地應用于爆炸物的痕量檢測方面,并對于氣體檢測技術的發(fā)展具有重要作用[6-7]。

對于氣體的光譜測量,通常是依據(jù)光譜透過率來定量分析的,通過朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律可得到:當光強為I0的光束照射并穿過待測樣品時,光與被測對象發(fā)生作用被吸收,光束透過待測樣品后光強為It,被測物對光束的吸光度A為:

2010年,美國加利福尼亞州中國湖海軍航空武器試驗站(NAWS)采用可調(diào)諧CO2激光器探測摻雜在土壤中的TNT,再通過吸收指紋特征譜確定被測物,其遠距離探測設備實物圖如圖1所示。

圖1 中國湖海軍航空武器試驗站遠距離探測設備實物圖

2.2 激光拉曼光譜

拉曼光譜技術[8]是對拉曼散射效應光譜進行分析的一種技術,通過分子的轉(zhuǎn)動和振動信息來識別物質(zhì)。對于常規(guī)的化學分析技術來說,激光拉曼光譜技術具有遠程、實時、快速、無損、準確度高等優(yōu)點。然而,這種技術的實現(xiàn)也需要克服一些問題,比如傳統(tǒng)拉曼散射效應信號強度非常的弱,一般其散射光強約為入射光強的百萬分之一,同時,熒光的干擾也是影響這種技術信噪比的重要因素之一,為了解決熒光問題,當前主要通過采用高性能的探測器,增加光譜儀靈敏度,將光譜儀入射波長提高到?jīng)]有熒光產(chǎn)生的近紅外波段,從而降低熒光的干擾。由于拉曼光譜在遠距離檢測方面[9-10]具有重要的應用價值,相關技術被不斷報道,下面對幾種拉曼光譜檢測技術進行介紹[11]。

(1)共聚焦顯微拉曼光譜

共焦顯微拉曼光譜技術是將拉曼光譜與顯微分析緊密結(jié)合在一起,它在光路里加入了共焦顯微鏡,這樣就消除了樣品離焦區(qū)域的雜散光,從而保證了探測器獲得散射光是來自激光采樣的信號,共焦顯微拉曼系統(tǒng)如圖2所示。經(jīng)實驗得到,此技術通過調(diào)節(jié)激光束聚焦位置可排除來自樣品周圍干擾物的拉曼散射及熒光所帶來的干擾,能夠?qū)g量級樣品進行精確分析。正因為如此,共焦顯微拉曼光譜技術在物質(zhì)痕量檢測方面得到重視,具有良好的發(fā)展前景。

當前,國外在此光譜探測爆炸物技術上取得了一些發(fā)現(xiàn)和進展。2009年,Leonardo C 等[12]采用514.5 nm和488 nm的氬離子激光器分別探測了TNT、DNT、RDX的遠程拉曼光譜和顯微拉曼光譜,結(jié)果它們的顯微拉曼光譜與測試距離7 m時的拉曼光譜一樣,表明了此技術的可行性和準確性。

圖2 共焦顯微拉曼系統(tǒng)

(2)空間偏移拉曼光譜

空間偏移拉曼光譜(spatially offset Raman spectroscopy,SORS)是在研究拉曼散射光子遷移理論時所提出的。光子在物質(zhì)內(nèi)部的遷移方向具有隨機性,物質(zhì)內(nèi)部深層產(chǎn)生的拉曼散射光子相對于淺表層來說在擴散時更容易發(fā)生橫向遷移。深度不同決定了橫向遷移距離不相同,所以在離激光入射點不同距離情況下所得到的拉曼信號因為在樣品內(nèi)部深度的不同而不同,SORS原理如圖3所示,當ΔX=0時,激光入射點即為光譜的采集點,此時所采集的信號主要來自于樣品表面的拉曼散射。當ΔX≠0時,激光入射點與光譜采集點有一定的距離,所采集到的光譜信號與ΔX=0時相比,更多的來自于深層的拉曼散射光子,因此可通過改變采集點與激光入射點的距離來獲得樣品內(nèi)部不同深度的拉曼光譜信息。

圖3 SORS原理圖

SORS技術在探測隱藏爆炸物上極具優(yōu)勢,但SORS技術也存在一些不足,即在透明介質(zhì)中樣品不能通過標準的SORS技術(如圖4所示)進行檢測。2007年,P.Matousek等利用光子在物質(zhì)內(nèi)部遷移方向的隨機性,對標準的SORS理論模型進行了改進,如圖5所示。通過改變激光的入射角度,成功地采集了透明介質(zhì)中樣品的拉曼光譜,同時也經(jīng)過實驗表明:改進的SORS技術相比于傳統(tǒng)的技術,能夠更好抑制器壁熒光和拉曼信號產(chǎn)生的干擾。2009年,M.Hargreaves等還報道了利用SORS技術準確識別渾濁溶液中的H2O2。

圖4 標準SORS技術

圖5 改進SORS技術

2.3 激光誘導擊穿光譜

激光誘導擊穿光譜(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是一種基于原子發(fā)射光譜和激光等離子體發(fā)射光譜而獲取物質(zhì)元素和濃度的分析技術。利用高能脈沖激光誘導擊穿材料表面,使材料表面的微量樣品發(fā)生電離,產(chǎn)生等離子體,在等離子體發(fā)射光譜中包含了樣品元素線狀光譜和背景連續(xù)光譜,再通過獲得光譜對樣品進行進一步定性和定量的分析。

激光誘導擊穿光譜與激光拉曼光譜相比,誘導擊穿光譜返回的信號強度更大,并且漏警率更低。目前對于激光誘導擊穿光譜的研究方向主要是如何優(yōu)化采集的光譜信號,比如光譜信號增強,連續(xù)譜降低,信噪比提高以及檢測極限提高等方面[13]。

隨著激光和探測技術的不斷發(fā)展,LIBS技術也更加成熟,從而出現(xiàn)了如納秒激光誘導擊穿光譜、飛秒激光誘導擊穿光譜、飛秒等離子絲誘導擊穿光譜、時間分辨激光誘導擊穿光譜、偏振分辨激光誘導擊穿光譜、雙脈沖激光誘導擊穿光譜等[14]諸多技術。美國陸軍研究實驗室(ARL)基于激光誘導擊穿光譜技術,利用單脈沖激光器成功探測30 m處的爆炸物,隨后與應用光子公司合作,聯(lián)合開展了以國防安全為背景的遠程LIBS檢測技術項目,使得原來的探測系統(tǒng)性能得到進一步的提升,其中包括利用雙脈沖激光器進行探測以及全波段(紫外、可見光、近紅外)探測[15],遠程雙脈沖LIBS系統(tǒng)組成如圖6所示。美國中弗羅里達大學的Martin Richardson研究小組[16]在軍事應用背景前提下開展了飛秒激光等離子體絲的LIBS技術的研究,對幾十米遠處的化學和生物病菌以及含能材料(爆炸物)的成分進行了探測和區(qū)分,通過LIBS光譜中的C2分子光譜區(qū)分有機物質(zhì)種類。

圖6 遠程雙脈沖LIBS系統(tǒng)實物圖

上述激光光譜技術具有良好的實用前景,但是其也存在技術難點,比如在掃描過程中為了獲得較高的信噪比,通常會延長取樣時間,但由于探測一般在幾秒內(nèi)就要完成,從而要求了探測的速度。此外,因為衣服、金屬等材料不能夠被激光穿透,所以上述激光探測方法只適用于檢測物體表面的爆炸物,其不具備探測隱藏爆炸物的能力。對于隱藏爆炸物的探測,可以借助太赫茲和毫米波技術來實現(xiàn)。

3 太赫茲技術

太赫茲波(Terahertz)在電磁波譜中位于微波和遠紅外輻射之間,其波長范圍為30 μm～3 mm(0.1～10 THz)。由于太赫茲波具有瞬態(tài)性、高透視性、寬帶性、相干性、低能性等[17～18]獨特的性質(zhì),在安檢、航空、軍事、物理、化學等領域展現(xiàn)了很大的潛力和價值,尤其在檢測隱藏的炸藥和其他危險物品時發(fā)揮著重要作用,為危險品探測又提供了新的且更加準確有效的手段。

太赫茲技術作為一種新型的實時檢測手段,對于爆炸物的探測相比于其他技術具有許多優(yōu)勢[19]:①在太赫茲波段不同炸藥種類所具有的特征吸收和色散各有不同,具有指紋譜性。基于這一特點,可以利用太赫茲技術對它們進行探測和識別,進而分析物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構信息。②太赫茲波對很多非金屬和非極性電介質(zhì)材料具有很強的穿透力,包括衣物、包裹、陶制品甚至墻壁等材料,可以實現(xiàn)對這些材料中攜帶的隱藏爆炸物進行非接觸式檢測。③太赫茲波的能量比較低,僅有幾毫電子伏特(約為 4.1 meV,僅為X射線的10-6倍),對人體不會造成電離傷害,也不會危害人體健康,由此可以方便地對隱藏在這些包裝材料中的爆炸物進行探測。④太赫茲技術的應用使得對隱藏爆炸物的遠距離探測變?yōu)楝F(xiàn)實,極大地保障了檢測人員和設備的安全。⑤爆炸物的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫日益完善,為準確探測隱藏爆炸物奠定了良好的基礎。

太赫茲波的應用主要基于太赫茲成像技術和太赫茲光譜技術兩個方面[20]。太赫茲光譜包含了物質(zhì)豐富的信息,所以利用太赫茲波可對物質(zhì)進行探測和分類。圖7為基于太赫茲技術的遠距離探測示意圖,其中還特別考慮了環(huán)境因素對探測的影響,這也是在探測過程中必須克服的問題。目前得到物質(zhì)太赫茲光譜的方法很多,其中,太赫茲時域光譜技術(THz-TDS)和傅里葉變換紅外光譜技術(FTIR)是較為常見的方法,傅里葉變換紅外光譜技術在大于3 THz的范圍內(nèi)具有很好的性能,而太赫茲時域光譜技術則是在3 THz以下有很大的優(yōu)勢,兩者相比而言,太赫茲時域光譜技術能夠?qū)Ρㄎ镞M行高靈敏度、無損和非電離的探測。太赫茲光譜探測方法通常是對太赫茲時域光譜進行透射或者反射測量。在太赫茲成像方面,可通過多圖像融合手段來提高圖像分辨率和探測的準確性,如圖8所示。2012年,哈爾濱工業(yè)大學李琦教授帶領課題組開展了隱藏物的連續(xù)太赫茲反射掃描成像實驗[21],他們利用搭建的測試系統(tǒng)對剃須刀、硬幣等多種物體進行了穿透力實驗,并獲得清晰反射圖像。

近幾年來,國內(nèi)外一些研究小組陸續(xù)開展了應用太赫茲技術檢測炸藥及其相關材料的研究,它們主要集中在美國、歐洲和日本。SPARTA公司的Matthew.B.Campbell等[22]首次利用太赫茲光譜儀和傅里葉變換紅外光譜儀成功檢測了PETN、C4和塞姆烴塑膠炸藥的特征吸收譜,此后,各國一些研究小組對爆炸物的太赫茲特征吸收光譜產(chǎn)生了濃厚的興趣,相繼展開了一系列的研究和實驗。2004年,美國新澤西理工學院的John F.Federici等,采用FTIR光譜技術在0.1～3 THz頻段內(nèi)和THz-TDS在0.1～1.6 THz頻段內(nèi)分別探測了RDX的特征吸收譜,結(jié)果表明兩種方法測得的RDX特征吸收峰一致。在國內(nèi),首都師范大學太赫茲光電子學教育部重點實驗室的課題組從2006年開始研究了一系列爆炸物的指紋譜,已得到了10余種爆炸物的特征譜數(shù)據(jù)。然而,炸藥的種類和組成各種各樣,仍需要不斷完善炸藥的太赫茲光譜數(shù)據(jù)庫。

圖7 太赫茲遠距離探測示意圖

圖8 可見光、太赫茲、紅外熱圖像的融合

相比激光光譜技術而言,太赫茲具有較強的懼水性,即空氣中水分對太赫茲的吸收。水分子對太赫茲波的強吸收會影響有效傳輸距離,對遠距離的探測造成影響,這也是太赫茲技術在實際應用中所要解決的關鍵難題。此外,因為金屬材料能對太赫茲波產(chǎn)生屏蔽,所以對金屬材質(zhì)中隱藏的爆炸物不適宜用此技術進行探測。目前,太赫茲探測設備結(jié)構復雜,體積龐大,并且制造價格昂貴,還只停留于實驗室中使用,但隨著研究的逐步深入和科技水平的不斷提高,在不久的將來,太赫茲探測設備將會被普遍使用,太赫茲技術也將會在爆炸物探測和識別領域占據(jù)主導地位。

4 毫米波技術

毫米波波段介于微波和太赫茲波段之間,其頻率范圍為30～300 GHz,相應的波長為1～ 10 mm[23],兼有微波和紅外波段的優(yōu)點,既具有良好的指向性、探測性、強抗干擾能力,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,非常適合于對隱藏物質(zhì)的精確探測。隨著相關技術的發(fā)展,毫米波因為其自身的特點和優(yōu)勢,在安檢等領域應用前景十分廣闊。

毫米波目標探測技術按工作模式可分為:被動式毫米波目標探測和主動式毫米波目標探測[24]。被動探測系統(tǒng)本身并不發(fā)射毫米波,只接收目標輻射或散射的毫米波輻射,這種成像原理類似紅外熱像儀成像,應用頻率主要選在35、94、140、220 GHz的毫米波大氣傳播窗口,再通過軟件對圖像的分析,可以自動探測到爆炸物的存在,減少了分析時對人主觀上的依賴。同時,被動式探測相比于其他探測技術而言,因為具備動態(tài)檢測功能,可以像監(jiān)控攝像頭一樣進行動態(tài)探測,從而在隱蔽性和安全性方面提供了有利條件。

毫米波圖像和一般的光學圖像最明顯的區(qū)別是毫米波圖像著重于目標與背景的邊緣識別,因為自然界中的任何物體都在不停地輻射電磁波,而這電磁波由各個頻率的非相關波組成,它們具有隨機性,所以不同物體在不同波段輻射量不同,毫米波能夠進行被動式成像正是依據(jù)這個原理。

對于主動式毫米波探測系統(tǒng)來說,它是利用接收毫米波照射后的回波信號,對回波信號進行處理后所形成實時的高分辨3D全息圖像。相比于被動式探測技術、激光光譜技術和太赫茲技術而言,主動式探測的適應性明顯更強,不受溫度、陽光和周圍輻射源的影響。

雖然毫米波探測技術能夠很好地應用于安檢領域,但在技術性能方面還有待改進,例如,被動式毫米波成像系統(tǒng)只適用于室內(nèi)使用,環(huán)境溫度通常不能超過26 ℃。主動式毫米波成像系統(tǒng)只能做到靜態(tài)探測,即必須在指定位置上進行檢測,所以想要實現(xiàn)毫米波在安檢領域的產(chǎn)業(yè)化還需要更多的時間和努力。

毫米波探測技術在軍事方面的應用受到世界各國的普遍重視,但在民用方面的發(fā)展速度相對比較緩慢,相比之下,美國無論在軍用或民用方面都具有明顯優(yōu)勢,美國斯密斯公司就是將主動毫米波探測技術應用于安檢領域,采用無線收發(fā)裝置,具有低能耗、高寬帶的特點,然后使用波長為4 mm信號源對區(qū)域進行掃描,能在25 m之外得到反射信號的強度。當掃描到隱藏危險品時,毫米波信號強度增大,就可在紅外設備獲得的圖像上看見一個“亮點”。

5 結(jié) 論

上述技術在遠距離爆炸物探測方面具有良好的應用前景,可以較好的適用于安檢等相關領域中,但是目前由于技術水平和成本等問題,有些技術還停留于實驗室階段。相信在未來幾年,隨著研究不斷深入和技術不斷成熟,部分技術將逐步實用化。而爆炸物檢測設備的輕便、高靈敏度、低虛警率也將是國內(nèi)外爆炸物檢測技術的研究重點和重要發(fā)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

劉 灝(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為激光探測技術。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