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近红外光谱成像系统在液体安检中的应用(组图)
特种装备网 发布时间:2018-05-17
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摘 要:易燃易爆液体的实时、远程和动态探测对于保障公共安全具有重要意义,在公安、民航和海关等领域应用前景广阔。研制了基于液晶可调滤光片的近红外光谱成像系统,通过波长优选算法大幅降低了光谱通道数,有效提高了扫描成像速度和数据处理速度,可实现对低速运动的液体危险品的远程和实时检测。利用该系统开展了不同环境下对易燃易爆液体的检测实验,结果表明该系统对静态目标检测精度为100%,对速度小于0.2m/s的运动目标检测精度高于95% 。

关键词:多光谱成像;液体危险品;安全检测;液晶可调滤光片;远程动态监测

易燃易爆液体的非法携带、运输严重影响公共安全,汽油、酒精等易燃易爆液体也是各种恐怖活动的常用手段,因此对易燃易爆液的安全检查对于保障公共安全具有重要意义,在公安、民航和海关等领域应用前景广。传统的x射线安检仪主要针对固体爆炸物,无法检测易燃易爆液体。近年来美国、日本、韩国和中国等国家开展了各种新技术的研究[1],主要有微波技术、介电法、新型x射线技术等[2],这些技术用于液体安检时,可以到达较高的检测精度,并且可以探测金属容器中易燃易爆液体,但是这几种方式都是接触式或近距离检测,使用时必须将液体容器放置于检测仪器中,或者将检测仪器与液体容器接触才能检测,检测时间需要2~10S,在人员密集的安检口使用时严重影响人流通行速度,并且无法用于广场、大厅中携带液体危险品人员的动态监测。

近红外光谱分析技术由于具有快速、准确和非接触式测量等特点,国内外相关研究人员也开展了在液体安全检测方面的研究,具有代表性的工作是天津大学武娟等人利用近红外光谱仪以及利用软件识别模型,能够准确将易燃易爆液体识别出来[2]。但是由于近红外光谱分析技术不能获取目标的图像和位置信息,无法实现易燃易爆液体的远程探测。

近年来发展起来的光谱成像技术,结合了光谱分析技术和光学成像技术,具有远程获取目标的光谱特征和图像特征的能力,目前在遥感探测、环保监测、食品在线检测等领域已经取得了应用[3-7]。对于易燃易爆液体的实时和动态探测,光谱成像系统面临着扫描成像速度和图像处理速度跟不上的问题。本文研制了液晶可调滤光片的近红外光谱成像系统,通过特征波段优选的方法,有效压缩了光谱通道数,极大地提高光谱扫描成像速度和图像处理速度,初步实现了对静态目标和低速运动目标的实时远程探测。

1 基本原理

1.1 近红外光谱分析的原理

近红外光谱中出现的吸收峰主要是有机物中含氢基团倍频和合频跃迁产生的,常见的易一燃易爆液体是含C—H键或者N—H键的化合物,而水分子中只含有O—H键,从表1可以看到C—H、N—H和O一H的在近红外波段的吸收峰位置有明显差异,因此利用近红外光谱区分易燃易爆液体和水理论上是可行的。

近红外光谱成像系统在液体安检中的应用(组图)

1.2 光谱成像系统以及特征波长优选

常见光谱成像系统按分光原理有光栅型、干涉型、可调谐滤光片型。易燃易爆液体检测主要的应用场景是安检口或者大厅的监控系统中。要求系统的体积小、重量轻以及成像清晰度高,而基于液晶电控可调谐滤光片(LCTF)的光谱成像系统则满足上述全部要求。

由于液晶光谱成像系统属于分时分波长扫描成像.全部波段扫描成像需要的时问较长,无法用于运动目标检测。因此需要采用波长优选方法,从光谱图像所有波段中选择起主要作用的波段子集,既保证光谱识别准确率又大幅减少光谱通道数。波长优选的方法比较多其中基于类别可分析的波长优选方法是通过计算类问距离,并找出类间距离最大的波长组合的办法。类间距李测度包括马氏距离、巴氏距离、J-M距离[8-10]

1.3 光谱匹配识别

对易燃易爆液体的光谱匹配识别,首先需要事先采集多种典型易燃易爆液体和水的标准反射光谱曲线作为参考光谱.然后利用光谱识别匹配方法将从光谱图像的反演光谱与参考光谱进行相似度计算并判断。相似度汁算包括距离函数、相关系数、光谱信息散度和光谱角度等。其中光谱角算法是一种计算速度快、普适性强的光谱识别算法.光谱角算法基于光谱曲线的整体相似度,通过计算光谱之间的夹角判断其相似性,光谱角的大小只跟参考光谱和测试光谱的光谱矢量方向有关,与其绝对幅值无关,可减弱光源照射不均匀对光谱相似性度最的影响[11] 。光谱角的计算公式为

近红外光谱成像系统在液体安检中的应用(组图)

式中:α是两个光谱之间的夹角。即光谱角x和y分别是参考光谱和测试光谱的光谱曲线。

2 实验

2.1 近红外光谱成像系统

在前期研制的可见光液晶光谱成像系统的基础上[12-14]研制了近红外波段的LCTF以及近红外光谱成像系统,如图1和图2所示。主要技术指标如表2所示。系统体积重量较小。可固定在三脚架或者安装在监控系统中。用于安检口、广场和大厅等部位易燃易爆液体的安全检测。

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[来源:强激光与粒子束责任编辑:王岩]
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