太赫兹技术在铁路安检中的应用

关键词：太赫兹技术；铁路；安检；炸药；毒品

0 引言

铁路是我国重要的基础设施，是国民经济的大动脉，在国家的经济发展和社会稳定中具有至关重要的作用。铁路安检是铁路有关部门为了及时发现安全隐患，预防各类事故的发生，而依法对旅客人身及其携带物品和托运物品等进行的强制性检查。它对于保护公民人身安全和公私财产安全，维护铁路正常运输秩序，确保社会稳定具有十分重要的作用。目前铁路安检是以安全门、手持金属探测器和X射线安检仪等仪器检查为主，辅助以人工检查。这种传统的安检方法在一定程度上能够及时发现安全隐患，对违法犯罪分子起到一定的震慑作用。但是由于安全门、手持金属探测器和X射线安检仪的性能以及安检人员技能的局限性，铁路安检过程中经常会出现漏判和错判的情况，比如无法有效检测出人体藏匿的非金属危险物品，以及对钥匙、手机等常用物品的错误报警。另外，由于铁路车站的人流量很大，而传统的安检方法效率较低，无法满足当今社会人员快速流动的需要。因此，为了提高安检的准确性和效率，各种各样的安检技术应运而生，太赫兹技术就是其中一种安全、有效的新型安检技术。太赫兹安检技术不仅对人体更加安全，而且实现了对被检对象的智能化识别，它对塑料、纸片、纺织品等材料具有极好的穿透力，可以迅速发现藏在衣服或箱包中的违禁物品，因此具有非常广阔的应用前景，甚至有美国物理学家把太赫兹技术视为反恐的终极防御手段。

1 太赫兹波简介

1.1 太赫兹波

太赫兹波通常指的是频率在0.1THz~10THz范围内的电磁辐射（1THz=10¹²Hz）。从频率上看，这一波段位于微波和红外线之间，在不同的研究领域，该段频率的电磁波又被称作亚毫米波或远红外射线。太赫兹波段在电磁波谱中的位置如图1所示。在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的太赫兹发射源和灵敏的探测器，这一波段的电磁辐射并没有得到深入的研究，人们对该波段电磁辐射的了解非常有限，从而形成了科学家们通常所说的太赫兹空隙（THzGap）。在近二十年中，超快激光技术和低尺度半导体技术的发展，为太赫兹波段提供了合适的光源和探测手段，太赫兹波的产生和应用才得到了迅速的发展。

图1.太赫兹波段在电磁波谱中的位置示意图

1.2 太赫兹波的特性

与其他波段的电磁波相比，太赫兹波具有如下一些基本特性，正是这些特性使得太赫兹波在通信、雷达、医学成像、无损检测和安全检查等多个领域具有非常重要的应用价值。

（1）透视性。太赫兹波对于很多非极性物质，如纸箱、塑料、皮革、布料等包装材料有很强的穿透力，可以对不透明的物体进行透视成像，用于对已经包装的物品或藏匿物品进行质检或安全检查。由于太赫兹波的波长远大于空气中悬浮灰尘或烟尘的尺度，这些悬浮颗粒对太赫兹波的散射损耗非常小，因此太赫兹波可以在浓烟或风尘环境中进行成像，用于火灾救护或复杂环境下寻敌等。

（2）安全性。太赫兹波的光子能量只有毫电子伏（meV）的数量级，与X射线千电子伏（keV）的光子能量相比，它不会引起有害的光致电离，另外，由于水对太赫兹波有极强的吸收，因此太赫兹波不会穿透人体的皮肤，对人体是非常安全的，非常适合于针对旅客身体的安全检查。

（3）指纹谱性。太赫兹波段包含了丰富的光谱信息，大多数极性分子和生物大分子的振动和转动能级的跃迁都处于太赫兹波段。根据这些指纹谱，利用太赫兹光谱成像技术，不仅能够辨识物体的形貌，而且能够鉴别物体的组分，可以有效地排查出毒品和炸药等违禁物品，用于缉毒和反恐等领域。

1.3 太赫兹波的研究现状

从20世纪90年代中期开始，美国、欧盟等国家和地区对太赫兹波的科技研究进行了大规模的投入。2005年，日本政府更是把太赫兹科技列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研究开发。2005年11月22日，由科技部、中国科学院和国家自然科学基金委联合召开的以“太赫兹科学技术的新发展”为主题的第270次学术讨论会在北京香山饭店举行，标志着我国太赫兹科学技术系统研究的开始。目前，国内已有清华大学、首都师范大学等30多家单位从事太赫兹科学技术及其应用的研究工作，并且取得了一些重要成果。

2 太赫兹技术在铁路安检中的应用

2.1 太赫兹安检技术

铁路安检的范围主要包括枪支弹药、管制器具、易燃易爆物品、剧毒品、腐蚀品、放射性物品、感染性物质等可造成人身伤亡的危险物品。除了查危防爆以外，毒品也是铁路安检的一个重要目标。对于枪支弹药、管制器具和起爆装置等具有形状特征的违禁物品，可以根据形状信息加以识别；而对于炸药、毒品和生化战剂等没有固定形状的违禁物品，则需要鉴别出物质的成分或种类。太赫兹安检技术是包含了太赫兹成像技术和光谱技术这两个关键技术的综合应用，能够满足上述两方面的需求。

与其他成像信号源（如X射线、电子束、超声波等）相比，太赫兹波可以穿透大多数非极性的电介质，因此可以作为一种光源对物体进行成像。太赫兹成像技术的原理是，太赫兹波由聚焦元件聚焦到物品的某一点上，从该点透射或反射的太赫兹波被收集聚焦到探测元件上，探测元件把含有位置信息的太赫兹信号转化为电信号，再经过图像处理后就形成了该物品的太赫兹像。由于不同的物质在太赫兹波段都有其特定的光谱特征，因此可以利用太赫兹光谱技术将它们辨认出来。太赫兹光谱技术就是利用不同物质对太赫兹波段的不同特征吸收谱来分析研究物质成分、结构及其相互作用关系的一种技术。将太赫兹波成像技术和太赫兹波的光谱分辨本领相结合，可以实现太赫兹波的光谱成像。在太赫兹光谱成像中，不但可以显示出被检测物体的形状，还能够根据其光谱特性鉴别被检测物体的组分。

2.2 太赫兹安检技术的优势

X射线安检仪是铁路安检中广泛使用的设备，然而，由于X射线对人体健康会有一定程度的影响，因此，X射线安检仪只能用于对箱包行李的检查，而不能用于对旅客的普遍检查。安全门和手持金属探测器主要用于对旅客的人身检查，其具有对金属物品敏感的特点，可以发现旅客随身携带的枪支、刀具等金属危险物品。但是，现在很多非金属材料也具有很高的硬度，如果这些非金属材料被做成凶器，那么安全门和手持金属探测器就无能为力了。太赫兹波由于其透视性和安全性，既可以用于对箱包行李的安全检查，又可以用于对普通旅客的安全检查。在对箱包行李进行安检时，和X射线安检仪类似，可以采用太赫兹波透射成像的方式。在对旅客进行安检时，太赫兹波能够穿透一般的衣物，不能透过旅客的身体，只能探测旅客身体反射回来的太赫兹波对人体进行成像，从而发现隐藏于衣服下面的违禁物品。由于太赫兹安检仪可以对旅客进行全身成像检查，减少了手检的步骤，因此提高了安检的效率。

大多数有机大分子（包括炸药和毒品等）的振动和转动能级谱处于太赫兹波段，因此，利用它们各自的光谱特征进行成像，就可以从相应的太赫兹像中将不同的违禁物品（如陶瓷手枪、塑胶炸弹、毒品等）区分出来，而这是常规的安检方法很难有效探测出来的。此外，利用太赫兹波谱还可以对远距离的毒气战剂（如沙林毒气）和生物战剂（如炭疽）进行有效感测。目前，在公安部门的支持与配合下，首都师范大学已经建立了常见毒品、爆炸物和生物大分子的太赫兹谱库，便于利用太赫兹技术对这些物质进行探测和识别。

由于太赫兹波在空气中可以进行中远距离（100m以上）的传播，所以太赫兹波可以用于对危险物品的站开检测，即它可以使检测者位于安全距离以外来检测危险物品，这对保证检测者的人身安全是非常重要的。因此，太赫兹安检技术可以在铁路车站等地对炸药、武器、毒品等违禁物品实施远距离、大范围的预警。

2.3 太赫兹安检技术的局限

与X射线安检仪和金属探测器相比，太赫兹安检技术的确具有一定的优势，但是在应用上也存在着一定的局限。首先，太赫兹波无法穿透金属材料，如果有人在常见的金属容器里面放入违禁物品的话，只靠太赫兹安检仪是没有办法发现的，所以X射线安检仪和人工检查还是不可缺少的。其次，由于极性液体（如水）中分子的振动和转动对太赫兹波有很强的吸收，所以太赫兹波不能穿透人体。如果有人在身体内部藏有毒品或者危险物品的话，太赫兹安检仪就无法识别了，恐怕还得借助于人体藏毒检查仪等设备做进一步的检查了。

最近几年，太赫兹技术得到了迅速的发展，但是还不够成熟，特别是在实用方面还有待进一步的完善。在国内，可用于安检领域的便携式太赫兹光谱仪样机已经研制成功。不过，太赫兹安检仪要真正商品化，还有很多工作要做。比如，要在车站等地对旅客和行李进行远距离、大范围的安检，还要克服空气中水分子对太赫兹波的吸收和复杂环境的影响等。另外，炸药和毒品的种类很多，其成分和配方也在不断变化，所以要不断加强对炸药和毒品等违禁品的光谱研究，完善相应的太赫兹谱库。当然，降低仪器成本，提高仪器性能等都是需要考虑的现实因素。

3 结语

太赫兹技术作为一门新兴的前沿学科，为铁路安检提供了一种全新的探测和识别方法。太赫兹光谱成像不但可以显示出被检测物体的形状，而且还能够鉴别违禁物品的组分，可以有效地分辨枪支刀具、炸药、毒品等违禁物品。由于其安全性，还可以用于对旅客的人身安检。虽然太赫兹安检技术在应用时存在着一定的局限，作为一门前沿学科，在实现具体的产业化应用之前还需要克服诸多的困难，但是我们可以预见，太赫兹安检仪很快就会在铁路安检领域得到广泛的应用并发挥重要的作用。