基于化學(xué)計(jì)量學(xué)的危險(xiǎn)有害物質(zhì)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的研究.pdf

1、近年來(lái)，世界各地毒品走私活動(dòng)日益猖獗，其中，被形容為“螞蟻搬家”的人體內(nèi)外藏毒已成為販毒集團(tuán)組織毒品過(guò)境的重要挾帶方式。另一方面，利用爆炸進(jìn)行恐怖活動(dòng)已成為當(dāng)今世界一種新的恐怖犯罪手段，而且有愈演愈烈之勢(shì)，爆炸恐怖事件層出不窮，造成的損失非常慘重。這其中既包括以TNT為代表的傳統(tǒng)爆炸物，也包括液體炸彈這樣的新型爆炸物。在人員、物資高速流動(dòng)的今天，為了既保障普通旅客和貨物的正常出行和運(yùn)輸，又不放過(guò)可疑物品，在人群和貨物中快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出

2、隱藏的毒品和爆炸物，已成為關(guān)系國(guó)家安全的一項(xiàng)迫切需求和亟待解決的科技難題。
　　 目前，市面上已有一些較為成熟的技術(shù)和商品用于毒品／爆炸物的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，如X射線透射、離子遷移譜、中子分析檢測(cè)等；同時(shí)，還有一些技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，如X光錐束三維成像技術(shù)等。這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定的效果，但仍存在一些問(wèn)題，如只能識(shí)別物質(zhì)的形狀或密度，不能獲取目標(biāo)的本征特征；受包裹物影響過(guò)大；檢測(cè)速度慢；儀器龐大貴重；有損探測(cè)或需要取樣。因此，有必

3、要探索新的技術(shù)和儀器對(duì)毒品／爆炸物進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
　　 能量色散X射線衍射(EDXRD)和能量色散X射線散射(EDXRS)技術(shù)由于具有高選擇性、非破壞性、快速等優(yōu)點(diǎn)，成為危險(xiǎn)品現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的研究熱點(diǎn)。另一方面，光波導(dǎo)技術(shù)由于使用消逝場(chǎng)原理，可以高靈敏的監(jiān)測(cè)界面處發(fā)生的反應(yīng)；同時(shí)，由于采用了具有時(shí)間分辨能力的CCD，可以研究物質(zhì)在界面處吸脫附的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，因此光波導(dǎo)技術(shù)既可以對(duì)危險(xiǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，也是研究其在界面上物理化學(xué)性質(zhì)

4、的有力手段。
　　 在毒品／爆炸物的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，由于包裹物等復(fù)雜環(huán)境的存在，獲取的信號(hào)往往具有較差的信噪比，且目標(biāo)物質(zhì)的本征特征往往被淹沒(méi)在包裹物質(zhì)形成的信號(hào)背景中。因?yàn)槟繕?biāo)物質(zhì)和背景物質(zhì)在頻譜上具有相似的分布，因此傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法，如離散傅立葉變換或小波變換，并不適合這種信號(hào)的處理。這種情況下，有限脈沖響應(yīng)濾波器或者小波濾波器也就無(wú)法有效的濾除噪聲。因此，迫切需要使用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取，獲取目標(biāo)物質(zhì)的“指紋”特

5、征，在此特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行模式分類，以達(dá)到有效檢測(cè)復(fù)雜環(huán)境下的毒品／爆炸物的目的。
　　 本論文針對(duì)包括毒品、爆炸物在內(nèi)的危險(xiǎn)品的檢測(cè)，特別是藏匿在模擬人體環(huán)境或復(fù)雜環(huán)境下的危險(xiǎn)品的檢測(cè)，提出將光學(xué)方法和化學(xué)計(jì)量學(xué)相結(jié)合的檢測(cè)技術(shù)，解決了復(fù)雜背景下的高維變量、弱信噪比信號(hào)的特征提取和識(shí)別的難題，實(shí)現(xiàn)了模擬人體環(huán)境下危險(xiǎn)品的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)。
　　 主要的研究工作包含以下幾方面內(nèi)容：
　　 第一，針對(duì)人體組織背景對(duì)危險(xiǎn)

6、品EDXRD信號(hào)的干擾，提出在主成分分析(PCA)特征空間中研究肌肉和脂肪對(duì)海洛因識(shí)別的影響，發(fā)現(xiàn)其影響在于將特征點(diǎn)在海洛因與純肌肉、純脂肪間移動(dòng)，這說(shuō)明可以通過(guò)主成分分析將海洛因的信號(hào)與皮膚的信號(hào)進(jìn)行分離。
　　 第二，針對(duì)危險(xiǎn)品信號(hào)在模擬人體組織背景下的建模，提出使用偏最小二乘法(PLS)建立不同厚度的肌肉和脂肪包裹的海洛因的模型，發(fā)現(xiàn)將肌肉和脂肪作為兩個(gè)獨(dú)立因素考察時(shí)，PLS提取出的特征變量與厚度呈良好的線性關(guān)系。

7、　　 第三，針對(duì)PCA等方法提取出的信號(hào)特征在物理意義解釋時(shí)遇到的難題，提出使用非負(fù)矩陣因式分解(NMF)對(duì)危險(xiǎn)品的EDXRD譜進(jìn)行特征提取，獲取了物理意義清晰的特征。
　　 第四，根據(jù)真實(shí)環(huán)境下的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)基于EDXRD技術(shù)的模擬人體藏匿危險(xiǎn)品識(shí)別軟件。
　　 第五，使用主成分回歸(PCR)和偏最小二乘法回歸(PLSR)對(duì)液體危險(xiǎn)品的EDXRS譜進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)抽取出的不同濃度的液體樣品的特征基本服從線性模型。