一

、基于X射線安檢技術(shù)發(fā)展歷程

從1988年的洛克比空難，到2006年跨大西洋恐怖襲擊，再到2015年巴黎市區(qū)恐怖襲擊和2016年布魯塞爾爆炸案等，都讓我們意識(shí)到恐怖主義真實(shí)存在。隨著科技水平的不斷進(jìn)步，恐怖分子的襲擊手段也是層出不窮。手中拿著一杯咖啡，但是杯里裝的可能是液體炸藥；看似平常用于治療和預(yù)防冠心病心絞痛的處方藥硝酸甘油，也可能成為殺人利器；生活中隨處可見的口香糖其實(shí)可以是精心偽裝的“塑料炸彈”。

為了能夠在不開包的情況下快速檢查乘客行李中的每一件物品，第一代基于X射線技術(shù)的行李物品掃描系統(tǒng)于上世紀(jì)70年代開始得到應(yīng)用。技術(shù)上革命性的創(chuàng)新也帶來了各行各業(yè)安檢政策的頒布。直到2001年9月11日，歷史又給我們敲響了一次警鐘，恐怖分子利用現(xiàn)有安檢設(shè)備的局限性和安檢流程的漏洞，不停策劃各種襲擊事件。盡管在X光安檢機(jī)圖像中，行李中的大多數(shù)物品清晰可見，但是從單個(gè)角度對(duì)被檢物品進(jìn)行照射，射線的強(qiáng)度實(shí)際上是其傳輸路徑上所有物質(zhì)吸收信息重疊在一起的結(jié)果，會(huì)因?yàn)橹丿B而對(duì)很多類型的違禁物品難以檢查識(shí)別。即使是形狀特征明顯的刀具，在某些特定的角度擺放時(shí)，X光安檢機(jī)圖像中也難以被檢查發(fā)現(xiàn)。其次，X光安檢機(jī)圖像提供的只是某一方向的形狀信息，并沒有材料信息，所以在X光安檢機(jī)圖像中，塊狀或粉末狀爆炸物與日常用品非常相似，難以識(shí)別。

為了解決這個(gè)問題，以X射線技術(shù)為基礎(chǔ)的CT型爆炸物檢測(cè)研究和應(yīng)用得到蓬勃發(fā)展。上世紀(jì)90年代，第一臺(tái)CT型爆炸物探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品問世。初代安檢CT滑環(huán)每轉(zhuǎn)一圈，只能得到一幅斷層切片圖像。要獲取一個(gè)普通大小行李的全部信息，要長(zhǎng)達(dá)10分鐘。另外，斷層切片圖像不同于傳統(tǒng)的X射線透視圖像，生澀難懂，安檢員需要接受大量的培訓(xùn)和實(shí)際操作才能掌握切片識(shí)圖技能，因此難以滿足當(dāng)時(shí)的應(yīng)用需求。

隨著技術(shù)進(jìn)步，新一代CT誕生了。它主要的技術(shù)改進(jìn)包括：螺旋掃描技術(shù)、高速滑環(huán)技術(shù)、高性能計(jì)算技術(shù)、實(shí)時(shí)渲染技術(shù)。它成功的實(shí)現(xiàn)了在很短時(shí)間內(nèi)生成連續(xù)的切片，而且作為整個(gè)安檢行業(yè)的巨大突破，有史以來第一次提供了黑白的三維圖像，也稱為單能CT。從此，CT被廣泛應(yīng)用，尤其在全球各大機(jī)場(chǎng)。但單能CT只能獲得衰減系數(shù)的信息，在物質(zhì)分辨能力上較弱，也就被后續(xù)出現(xiàn)的雙能CT逐步替代。

二

、雙能螺旋CT技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

1. 雙能螺旋CT技術(shù)特點(diǎn)

雙能CT最常用的實(shí)現(xiàn)方式為螺旋CT，即X射線源和探測(cè)器陣安裝在可旋轉(zhuǎn)機(jī)架上，一次掃描即可完成對(duì)被檢物品的全方位檢查。檢測(cè)過程中，滑環(huán)圍繞檢測(cè)通道高速旋轉(zhuǎn)，X射線束將從不同角度對(duì)通道內(nèi)物品的每個(gè)斷層進(jìn)行掃描，探測(cè)器可獲取不同角度的X射線信號(hào)。對(duì)斷層內(nèi)所有角度X射線信號(hào)進(jìn)行重建計(jì)算，可獲得該斷層每一處位置的材料屬性信息，從而確定其切片結(jié)構(gòu)。隨著被檢物品在檢測(cè)通道內(nèi)的不斷前進(jìn)，系統(tǒng)將獲得該物品每一個(gè)斷層的切片結(jié)構(gòu)信息。所有斷層CT切片信息組合起來，最終可獲得被檢物品的三維立體圖像信息。

CT設(shè)備通過360度的全景掃描，獲得被檢物品的高清三維圖像。三維CT圖像可從任意方向查看被檢物品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，消除了由于特殊角度、重疊遮擋等因素帶來的影響。如圖1所示通過三維圖像旋轉(zhuǎn)可以清晰看到腰帶中藏匿的刀具。

CT設(shè)備可獲取任意位置的切片圖像，在不打開箱包的情況下，通過一次掃描可清晰地顯示被檢物品內(nèi)部的夾層，從多方面彌補(bǔ)二維圖像的不足。設(shè)備通過掃描還獲得了行李內(nèi)部任意位置材料的物理特征信息，如密度和原子序數(shù)。并可通過對(duì)密度和原子序數(shù)的比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)易燃易爆物品的自動(dòng)報(bào)警。當(dāng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)被檢物品存在密度和原子序數(shù)與易燃易爆物品接近時(shí)，CT設(shè)備就會(huì)對(duì)該物品進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，從而協(xié)助安檢人員識(shí)別出人眼難以分辨的違禁物品。

圖2 爆炸物模擬物自動(dòng)報(bào)警

眾所周知，筆記本電腦是非常復(fù)雜的物品，借助它可以藏匿、偽裝很多危險(xiǎn)品。所以此前在機(jī)場(chǎng)隨身行李安檢的時(shí)候要把筆記本單獨(dú)拿出來過檢。目前CT技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)筆記本剝離的功能。如圖3所示通過筆記本剝離功能發(fā)現(xiàn)藏匿槍支。

圖3 三維剝離圖像

2. 雙能螺旋CT應(yīng)用

借助CT這樣新的技術(shù)，不同領(lǐng)域的安檢有了一些新的改變。在民航托運(yùn)行李檢查中，CT安檢設(shè)備可以取代原有的雙視角X光機(jī)，改造為CT高速在線安檢模式和開包間復(fù)檢使用模式。在高速在線應(yīng)用模式下，所有的托運(yùn)行李100%通過CT排爆檢查，提高機(jī)場(chǎng)的安全閾度和包裹通過率，降低無效開包率，使安檢流程更為便捷，減少了旅客的等待時(shí)間。

在民航手提行李解決方案中，可以利用CT設(shè)備改善和優(yōu)化現(xiàn)有安檢流程。在歐美等國(guó)家的機(jī)場(chǎng)安檢中，采用CT設(shè)備的安檢站，筆記本電腦和液體已不再需要單獨(dú)取出進(jìn)行查驗(yàn)，更為便捷的流程提高了旅客的通過率，提升了旅客體驗(yàn)。目前全球大型機(jī)場(chǎng)都在逐步進(jìn)行手提行李CT設(shè)備的安檢升級(jí)。中國(guó)民航也已發(fā)布針對(duì)手提行李CT檢查的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。同方威視推出的Kylin Ti系列手提行李CT成為國(guó)內(nèi)第一個(gè)獲得民航手提行李CT許可的產(chǎn)品。

中國(guó)海關(guān)利用CT設(shè)備破解走私藏匿手法，結(jié)合機(jī)檢圖像和申報(bào)信息進(jìn)行綜合研判，對(duì)其中偽報(bào)、夾藏等風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)注，進(jìn)一步明確重點(diǎn)檢查目標(biāo)，最大程度節(jié)約海關(guān)監(jiān)管人力物力的同時(shí)，有效提升正面監(jiān)管能力，實(shí)現(xiàn)快速通關(guān)。

在一些重點(diǎn)安防場(chǎng)所CT技術(shù)已經(jīng)落地在應(yīng)用，并且做到和公安聯(lián)網(wǎng)，更好更快的查爆，保障重點(diǎn)人群。

3. 螺旋CT局限性

在螺旋CT的設(shè)計(jì)中，由于受限于滑環(huán)的環(huán)形結(jié)構(gòu)，通道的利用效率沒有完全得以發(fā)揮。如圖所示，藍(lán)線為X射線源的軌跡，而紅框則代表著通道大小：（a）為螺旋CT的掃描軌跡與通道大小，可以看到為了覆蓋通道，螺旋CT需要更大的寬度與高度空間，造成了設(shè)備體積過大的問題；（b）則是掃描軌跡的理想情況，能夠緊貼掃描通道，如果按照這樣的設(shè)計(jì)，在相同掃描通道的情況下無疑會(huì)極大降低設(shè)備體積，增加實(shí)際中部署的便利性。

圖4

隨著螺旋CT的普及，我們對(duì)安檢的效率要求也隨之增加，目前的安檢CT通道尺寸最大在1m*1m左右，皮帶速度不超過0.5m/s，無法滿足更大、更多貨物過檢需求。但螺旋CT受向心力與環(huán)上設(shè)備的應(yīng)力限制，通道的大小與檢測(cè)速度幾乎也達(dá)到極限。并且，圖像的分辨率與設(shè)備占地面積也制約了其應(yīng)用前景。為了解決以上問題，催生了無旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)CT成像技術(shù)。

三

、靜態(tài)CT技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

1. 靜態(tài)CT技術(shù)特點(diǎn)

在靜態(tài)CT領(lǐng)域，美國(guó)Rapiscan、SureScan等公司先后研發(fā)了相關(guān)靜態(tài)CT產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)，同方威視和清華大學(xué)憑借其深厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)不僅研發(fā)了更大通道尺寸的WooKong系列產(chǎn)品，彌補(bǔ)了這一領(lǐng)域的空白，同時(shí)首創(chuàng)了全球第一臺(tái)航空貨物運(yùn)輸集裝器CT設(shè)備CTitan，開啟了航空貨物安檢新模式。

其中WooKong系列產(chǎn)品采用了世界領(lǐng)先的分布式碳納米管光源，由“場(chǎng)致發(fā)射”X射線源代替了傳統(tǒng)的“熱致發(fā)射”射線源。場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)是指對(duì)陰極材料施加一電場(chǎng)時(shí)，會(huì)降低陰極表面勢(shì)壘高度和寬度，在量子隧穿的效應(yīng)下，一部分高能電子會(huì)穿過勢(shì)壘從而形成電流，這種方式不需要對(duì)陰極進(jìn)行加熱，故被稱為冷陰極。場(chǎng)致發(fā)射陰極可以在常溫下工作，功耗小，所以其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，同時(shí)易于在單個(gè)真空腔內(nèi)集成多個(gè)陰極。而且場(chǎng)致電子發(fā)射不存在時(shí)間延遲性，易于實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率、程序可控的X射線發(fā)射。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，CT設(shè)備通過在物體周圍排布一系列X射線源并進(jìn)行序列化曝光獲取完整的投影數(shù)據(jù)，通過靶點(diǎn)的高速切換可以達(dá)到幾十倍于滑環(huán)的等效轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于螺旋CT的時(shí)間分辨率。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上避免了滑環(huán)的使用，靜態(tài)CT不但減少了噪音和振動(dòng)，也降低了X射線源、高壓模塊、探測(cè)器等傳統(tǒng)環(huán)上部件的機(jī)械設(shè)計(jì)難度，使整機(jī)系統(tǒng)更為安全、可靠。

圖5 螺旋CT和靜態(tài)CT的掃描方式對(duì)比

在沒有滑環(huán)部件的限制下，設(shè)備的運(yùn)行速度可以成倍增大，皮帶速度可達(dá)到1m/s以上甚至更高。利用碳納米管射線源能夠緊貼通道的設(shè)計(jì)，相比螺旋CT設(shè)備，在相同通道大小時(shí)設(shè)備具有更小的體積。隨著光源被快速切換，同等帶速下靜態(tài)CT設(shè)備獲取的信息更多，重建結(jié)果越準(zhǔn)確，3D圖像更清晰。

2. 靜態(tài)CT應(yīng)用

目前，WooKong系列靜態(tài)CT已在多個(gè)民航項(xiàng)目中得以落地應(yīng)用，更大的通道尺寸、更快的速度以及更靈活的使用方式受到各類用戶的歡迎。

此外，同方威視的CTitan航空貨物運(yùn)輸集裝器CT還能做到檢查高達(dá)3米、寬達(dá)4.73米的航空貨物運(yùn)輸集裝器，實(shí)現(xiàn)航空貨物的整箱檢查。不同尺寸、不同速度的各類靜態(tài)CT產(chǎn)品已經(jīng)在各個(gè)場(chǎng)合得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)安檢裝備的全面升級(jí)。

四

、AI為CT設(shè)備賦能

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與安檢CT技術(shù)的充分融合，推動(dòng)了安檢的智能化進(jìn)程。在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，限制性因素往往是數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量。安檢CT設(shè)備具備了完善的信息采集功能，可獲得全體積高清三維圖像，其采集的數(shù)據(jù)量是同等X光機(jī)設(shè)備的近100倍。所以基于CT智能檢查設(shè)備，可對(duì)產(chǎn)生的海量查驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效利用，充分挖掘CT設(shè)備的智能化潛力，提升安檢效率。

在民航機(jī)場(chǎng)安檢應(yīng)用中，安檢CT可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)充電寶/鋰電池、打火機(jī)、點(diǎn)煙器和槍支部件等禁限帶品的智能識(shí)別，提升安檢通行效率；在海關(guān)查驗(yàn)應(yīng)用中，安檢CT搭載的智能審圖系統(tǒng)能有效對(duì)機(jī)檢圖像進(jìn)行快速分析并給出相應(yīng)結(jié)論和建議，有利于更加快速、準(zhǔn)確、有效地識(shí)別各類攔截商品和申報(bào)商品，發(fā)現(xiàn)夾藏瞞報(bào)等違法犯罪行為。

五

、結(jié)語

自X射線發(fā)現(xiàn)以來，X射線成像技術(shù)得到迅猛發(fā)展，并成為安檢防爆領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。螺旋CT憑借其高清的三維圖像、爆炸物自動(dòng)報(bào)警功能、切片檢查能力等被廣泛應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)、海關(guān)、公安禁毒等領(lǐng)域。隨著靜態(tài)CT技術(shù)的成熟，其為安檢場(chǎng)地、通行效率、流程簡(jiǎn)化等有更高要求的行業(yè)客戶提供了創(chuàng)新性解決方案。CT技術(shù)在AI的加持下，各類違禁品可實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確、更快速的自動(dòng)識(shí)別，在未來安檢防爆領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼜V闊的前景。