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基于化学计量学的危险有害物质光学检测技术的研究

【摘要】:近年来,世界各地毒品走私活动日益猖獗,其中,被形容为“蚂蚁搬家”的人体内外藏毒已成为贩毒集团组织毒品过境的重要挟带方式。另一方面,利用爆炸进行恐怖活动已成为当今世界一种新的恐怖犯罪手段,而且有愈演愈烈之势,爆炸恐怖事件层出不穷,造成的损失非常惨重。这其中既包括以TNT为代表的传统爆炸物,也包括液体炸弹这样的新型爆炸物。在人员、物资高速流动的今天,为了既保障普通旅客和货物的正常出行和运输,又不放过可疑物品,在人群和货物中快速、准确地检测出隐藏的毒品和爆炸物,已成为关系国家安全的一项迫切需求和亟待解决的科技难题。 目前,市面上已有一些较为成熟的技术和商品用于毒品/爆炸物的现场检测,如X射线透射、离子迁移谱、中子分析检测等;同时,还有一些技术正在蓬勃发展,如X光锥束三维成像技术等。这些技术在实际应用中取得了一定的效果,但仍存在一些问题,如只能识别物质的形状或密度,不能获取目标的本征特征;受包裹物影响过大;检测速度慢;仪器庞大贵重;有损探测或需要取样。因此,有必要探索新的技术和仪器对毒品/爆炸物进行快速、准确的现场检测。 能量色散X射线衍射(EDXRD)和能量色散X射线散射(EDXRS)技术由于具有高选择性、非破坏性、快速等优点,成为危险品现场检测的研究热点。另一方面,光波导技术由于使用消逝场原理,可以高灵敏的监测界面处发生的反应;同时,由于采用了具有时间分辨能力的CCD,可以研究物质在界面处吸脱附的动力学过程,因此光波导技术既可以对危险品进行检测,也是研究其在界面上物理化学性质的有力手段。 在毒品/爆炸物的现场检测中,由于包裹物等复杂环境的存在,获取的信号往往具有较差的信噪比,且目标物质的本征特征往往被淹没在包裹物质形成的信号背景中。因为目标物质和背景物质在频谱上具有相似的分布,因此传统的信号处理方法,如离散傅立叶变换或小波变换,并不适合这种信号的处理。这种情况下,有限脉冲响应滤波器或者小波滤波器也就无法有效的滤除噪声。因此,迫切需要使用化学计量学方法对信号进行特征提取,获取目标物质的“指纹”特征,在此特征的基础上进行模式分类,以达到有效检测复杂环境下的毒品/爆炸物的目的。 本论文针对包括毒品、爆炸物在内的危险品的检测,特别是藏匿在模拟人体环境或复杂环境下的危险品的检测,提出将光学方法和化学计量学相结合的检测技术,解决了复杂背景下的高维变量、弱信噪比信号的特征提取和识别的难题,实现了模拟人体环境下危险品的快速、准确检测。 主要的研究工作包含以下几方面内容: 第一,针对人体组织背景对危险品EDXRD信号的干扰,提出在主成分分析(PCA)特征空间中研究肌肉和脂肪对海洛因识别的影响,发现其影响在于将特征点在海洛因与纯肌肉、纯脂肪间移动,这说明可以通过主成分分析将海洛因的信号与皮肤的信号进行分离。 第二,针对危险品信号在模拟人体组织背景下的建模,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,发现将肌肉和脂肪作为两个独立因素考察时,PLS提取出的特征变量与厚度呈良好的线性关系。 第三,针对PCA等方法提取出的信号特征在物理意义解释时遇到的难题,提出使用非负矩阵因式分解(NMF)对危险品的EDXRD谱进行特征提取,获取了物理意义清晰的特征。 第四,根据真实环境下的实际要求,设计基于EDXRD技术的模拟人体藏匿危险品识别软件。 第五,使用主成分回归(PCR)和偏最小二乘法回归(PLSR)对液体危险品的EDXRS谱进行回归分析,发现抽取出的不同浓度的液体样品的特征基本服从线性模型。 第六,针对传统方法数据无法完整显示光波导仪器的测试数据的难题,提出使用色温图来可视化数据。使用PCA和NMF对TNT的光谱进行特征抽取,抽取后的特征有效的表达了原始数据的主要信息,完整的展示了TNT在光波导片上吸附的动力学过程。

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