CN102812345B - 一种物质检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用并行模式光谱法从一种受试对象中检测原有物或异物或原有物与异物的方法，包括并行模式数据采集、信号处理、数据简化方法，并提供结果。并行模式数据采集包括产生探询信号，所述探询信号同时包含10GHz左右至25THz左右充足带宽的电磁辐射，以便能同时以多个频率检测多个信号，每个信号具有一定的幅度，这些信号共同产生待检物质的特有光谱特征。信号处理和数据简化包括对所述对象暴露于探询辐射时产生信号进行处理，以生成一个至少以所述对象任何相关异物或原有物为代表的三维数据矩阵。采用相关技术将数据矩阵与参考库相比较。

Description

一种物质检测方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年2月12日提交的61/304,318号美国临时专利申请的优先权。上述申请在此被全部纳入作为引用。
技术领域
本发明涉及一种检测对象是否存在异物或原有物的方法及系统，具体涉及一种采用并行模式光谱法增加检测速度的方法和系统。
背景技术
迫切需要高速非入侵方式来分析或筛检人体或其他对象中存在的异物或原有物。异物包括但不限于：
爆炸物及其前体和中间体
化学品及其前体和中间体
药物及其前体和中间体
生化武器及其前体和中间体
细菌、病毒和其他生物
预期原有物包括可能夹杂异物的物质，但不限于：
药物及其前体和中间体
化学品及其前体和中间体
食物和食物产品，及其前体和中间体
在解决对象是否存在异物的前述分析要求方面，过去已进行若干分析和筛检技术的开发尝试，然而，由于种种原因，这类尝试均力度不够，比如，反向散射X射线、中子活化、质谱仪(若干种类)和毫米波成像。这些技术不是采用电离辐射，依赖于蒸汽检测，就是采用入侵成像技术。入侵成像技术虽然能“看”穿衣物，但却严重受限，容易产生虚假正向结果或虚假负向结果。
现有毫米波技术已包含成像系统，该成像系统有所受到争议，原因是系统操作员能够“看穿”人们的衣服，判断是否藏有任何物体。许多人觉得这些装置严重侵犯隐私，此外，这些装置的一项严重弊端还在于其辨别各种炸药或禁运物的能力有限。
另一相关领域是检测空气传染病。经常搭乘大容量喷气式飞机全球旅行的群体，其面临的最大威胁之一便是易感染空气传染病。若旅客搭乘两次或两次以上中转的航班，可能会使许多人感染传染病，如此，不仅使病源极难追踪，同时还存在疾病流行扩散的风险。很明显，搭乘直航航班的传染病旅客也会带来巨大风险，因为在航行前和航行期间，还是有许多乘客会传染疾病，然后，在接下来的传染潜伏期，这些受传染的乘客会传染其他乘客。
光谱法是一项具有诸多优势的分析筛检技术，然而，由于以串行方式采集数据，该过程速度通常较慢。最好能有一种光谱法及系统能针对筛检目的(诸如上述)而进行接近于实时的操作。有许多申请针对这种检测对象是否存在异物的系统。对象存在异物的例子有炸药或炸药成分、违禁品、生化武器、药物、被加工的食品中的污染物、合法化工产品中的污染物、与人和动物疾病相关的材料。
发明内容
针对具备原有物和可能具备异物的对象，本发明优先提供一种利用并行模式光谱法检测原有物或异物或原有物与异物的方法。所述方法包含(1)并行模式数据采集， (2)信号处理和数据简化，以及(3)提供结果。并行模式数据采集包括产生包含电磁辐射的探询信号。对象与任何相关异物暴露于所述探询信号，引起信号与对象以及任何相关异物之间相互作用，探询信号与对象以及任何相关异物之间相互作用所产生的修改信号由此检测出来。所述探询信号同时包含10GHz左右至25THz左右充足带宽的电磁辐射，以便能同时以多个频率检测所述修改信号，所述修改信号在不同频率上有不同的幅度，这些信号共同产生待检物质的特有光谱特征。信号处理和数据简化包括处理所述修改信号以推送数据点，所述数据点来自于进入二维矩阵数据存储阵列中相应缓存的修改信号，存储阵列代表了与对象相关的任何异物或原有物。二维矩阵数据存储阵列中的每个数据点均代表给定采样频率条件下修正信号的振幅。提供代表相关已知生物或化学物质的数据参考库。采用相关技术将数据矩阵与参考库相比较。如果相关峰值到达或者超过相关技术中相对应的临界值，则通过指示异物或原有物出现的可能性来提供前述对比的结果；如果相对应的相关峰值未到达相关技术中相对应的临界值，则可以通过指示异物或原有物缺失的可能性来提供前述对比的结果。
上述方法提供了一种能接近于实时对对象进行异物或原有物检测操作的光谱法。
附图说明
图1给出了实施本发明的优选系统的方框图。
图2给出了图1探询辐射源中可采用的柱形史密斯－珀塞耳增强式磁绝缘线性振荡器的主要横剖面图，所示的栅极44为部分剖视图。
图3给出了史密斯－珀塞耳射频产生过程的现有技术演绎。
图4针对图2探询辐射源相关史密斯－珀塞耳射频产生，以简化形式给出了电子束与平面光栅及柱形光栅的关系。
图5给出了图1系统中可采用的离轴反射束校正准光学元件，该图部分为方框图，部分为横剖面图。
图6给出了图1系统探询辐射源可采用的冷阴极场发射三极管的配套电流调节器电路。
图7给出了图1系统探询辐射源可采用的漂移管内表面的电磁光栅面横剖面图。
图8为图7中标注图8的圆形部分的放大详图，没有以比例显示。
图9给出了现有技术串行模式光谱法的方框图。
图10给出了图1系统中可采用的并行模式光谱法的方框图。
图11给出了图1系统中可采用的荧光光谱法方案的示意图。
图12给出了图1系统可采用的合成图的二维矩阵数据阵列代表。
图13给出了图1系统中可用作光相关器的光学相关信号处理器的俯视图。
图14给出了描述阈值操作的图。
图15-19给出了图1系统显示器中可采用的若干可能的操作界面控制面板。
具体实施方式
发明的详细说明
本文采用的各种定义如下：
定义
探询辐射源：本文中，“探询辐射源”是指宽带电磁辐射，所述宽带电磁辐射同时包含10GHz左右至25THz左右充足带宽的电磁辐射，以便能同时以多个频率检测多个信号，每个信号具有一定的幅度，这些信号共同产生待检物质的特有光谱特征。
宽带：表达一个信号的带宽，涉及其中心频率。本文中，“宽带”定义为相对于最高频率而言，频率高于中心频率的25％的信号。
异物：本文中，“异物”是指对象的相关不利物质，比如，炸药、非法药物、化学生物制剂、食品污染物、化学污染物、药物污染物、疾病相关物质，以及病原体，包括但不限于病毒、细菌、蛋白质、朊病毒、真菌、孢子。异物可具备多种成分，因此取得的光谱特征反映出多种成分以及每种成分的量。
物质：本文中，“物质”可包含单种物质或多种物质。
对象：本文中，“对象”是指可能具备或者可能没有与其相关的异物的实体。上下文中，对象的例子包括但不限于：人、人和衣物或行李、食物、车辆、药物、化学品、动物和生物实体。一个“对象”可指单个实体(比如，人)，也可包括多个实体(人和其穿着的衣物)。
原有物：本文中，“原有物”是指除异物外，构成上述对象的物质。原有物可具备多种成分，因此取得的光谱特征反映出多种成分以及每种成分的量。比如，相关于由一名人员和该人员所穿衣物组成的对象，其中筛检炸药时，该人员及其所穿衣物无害。又比如，相关于由一辆汽车组成的对象，其中在筛检炸药时，有许多无害成分被视为原有物。
异物或原有物：本文中，“异物或原有物”或类似短语是指异物或原有物，或同时包含异物和原有物，但上下文另行要求的情况除外。
具备：在提及对象“具备”异物或原有物的应用中，“具备”在本文中是指所述对象直接或间接物理支承或含有所述物质。比如，异物可包含人衣物中所含的炸药反应物，其中，该名人员及其任何无害的衣物(1)共同组成受试对象，(2)当筛检炸药时，被视为原有物，又比如，对象自身所含物质，例如，人体所带的细菌或病毒等异物，或一块红肉或鸡肉中所含的沙门氏菌等污染物。
共振探询信号：本文中，共振探询信号是指其一个或多个频率处于可能存在的异物的共振频率的探询信号。所述共振频率可与(比如)可能存在的异物的振动跃迁、转动跃迁或其他已知分子跃迁相关。
系统整体结构
图1给出了采用并行模式光谱法对具备原有物和可能具备异物的对象12进行异物或原有物检测的系统10。总的来讲，采用探询辐射源14将受试对象12暴露于探询电磁(“EM”)辐射16。在穿透对象12后，辐射18带有所述对象和(如需)任何异物(如有)的光谱特征，然后，检测系统20对所述异物进行检测。光相关器24执行各种功能，包括信号预处理、最好采用减法的相关性操作以及阈值操作。开展这些操作的目的是为了辨别对象、原有物和任何存在的异物之间的光谱特征。主机26与探询辐射源14、检测系统20及光相关器24相互作用，同时也显示输出数据。
操作模式
图1的系统在各种模式的操作，下文将给出更为详尽的说明，包括但不限于：
异物分析模式：在此模式下，对受试对象12进行分析，确定对象是否存在异物，以及其数量或者与数据库参考光谱特征相比而言的数量。
原有物筛检模式：在此模式下，对受试对象12进行筛检，确定对象是否存在原有物，以及其数量或者与数据库参考光谱特征相比而言的数量。该模式的子集涉及将受试对象12与没有异物的已知参考对象相比。
相继操作模式：本发明的系统(如图1)可采用相继模式操作。比如，相继模式首先将对象12与参考对象相比较(如上所述)，然后，如果对象与参考对象不匹配，则采用异物分析操作模式。
同时分析模式：该模式对受试对象12同时分析或筛检原有物和异物。“同时分析模式”中采用的“同时”一词是指对对象同时探询原有物和异物的同时性，不涉及光相关器24进行的后续光学相关过程，所述必需的后续光学相关过程必须采用串行方式开展。
荧光模式：在该模式下，检测异物或原有物的方式为采用第一个频率探询受试对象 12，该频率被公认为会以第二个共振频率在异物或原有物中激发第二辐射，所述异物或原有物以上述第二个共振频率共振。在该模式下，一般而言，仅处于第二个共振频率的信号才是检测对象。
学习模式：在该模式下，为了创建后续对象分析或筛检所用的矩阵数据库或为了添加到先前存在的矩阵数据库，本发明的系统(比如图1中的10)对已知物质进行分析或扫描。
下文说明在下列方面详述了本发明优选实施例的方框图图1：
·探询辐射源14
·受试对象12
·检测系统20
·光学相关处理器24的功能：
。信号再处理
。相关性操作
■减法操作
。阈值操作
·主机和显示器26提供输出数据
探询辐射源14
在图1中，受试对象12和任何异物暴露于上述定义的宽带探询辐射源14产生的探询信号，从而，探寻信号与对象相互作用。图2给出了探询辐射源14的优选装置30。所述优选装置是利用柱形史密斯－珀塞耳结构增强的磁绝缘线性振荡器。本文将所述结构最准确地定义为柱形史密斯－珀塞耳增强式磁绝缘线性振荡器30(CSP-MILO)，下文给出了一些详情。下文讨论了图2装置30的更多详情。
S.J.Smith和E.M.Purcell，“可见光从局部表面电荷移过光栅”，《物理学评论》92，1069(1953)，该文首先对史密斯－珀塞耳效应进行了说明。史密斯和珀塞耳告诉我们，当电子经过金属衍射光栅表面附近，垂直于刻线移动时，光栅表面感应电荷的周期运动应产生辐射。图3源自于上文内容，给出了史密斯－珀塞耳射频产生过程。该图具体给出了简单的惠更斯作图，其中基波长为I(1/β-cosθ)，I是刻线之间的距离，β通常代表v/c(其中，v是电子束速度，c是光速)，θ是电子运动方向和光射线之间的角度。
本发明的发明人认识到，史密斯－珀塞耳效应并非极为有效，原因是由于史密斯和珀塞耳描述的正切几何结构，被带到适当接近光栅面的电子数量有限。图4给出了就史密斯-珀塞耳射频产生而言，装置34中电子束与平面(现有技术)的关系或装置36中电子束与柱形光栅的关系。由于图4是简化图，因此，重要的是要注意电子束(E束)与柱形光栅整个内表面接触。2008/0063132 A1号美国专利申请公布说明书中，本发明的发明人所述的柱形史密斯-珀塞耳变体具备以下重要优势：横剖面图图2、图7和图8中，电子束的整个表面与漂移管40内表面上刻划的柱形光栅38的内表面接触。相较于传统平面史密斯- 珀塞耳装置，这将射频产生效率提高几个数量级。注意，通过对所述漂移管40(图2、图 7和图8)施加适当电荷，可使电子束与漂移管内表面上的柱形光栅38表面紧密接触。所需电压与形成电子束所采用的电压成正比。
图2中，阴极42和栅极44形成行波电子枪46，形成电子束，在电子束经过增强漂移管的轨道上，所述电子束朝阳极48加速。比如，透明射频辐射窗口50覆于阳极48上，所述窗口提供了真空密封以及能让CSP-MILO装置30发射射频的装置。将电子束外径和漂移管/光栅内径调节到大致一样，以确保电子束外表面与光栅面紧密接触，但不要过于接触而使电子束毁坏光栅。这些见解涉及图4的上述说明。
上述结构产生发散电磁束。如图5所示，这可通过采用离轴抛物面式反射器54校正为部分准直束或完全准直束、或部分聚焦束或完全聚焦束52。所述电磁束校正是采用反射器54反射元件的准光学过程。
图2中，电子束和CSP-MILO装置30谐振腔区段56进行附加相互作用。阳极48和电子枪46端部之间发生振荡，引起电子通过漂移管40来回振荡。这具备下列效应：(a)加宽带宽，(b)为辐射射频确立更低的频率，(c)通过让电子与光栅反复相互作用，增加史密斯－珀塞耳过程的效率。由于光栅的闪耀角，射频仅通过窗口50向一个方向发射。
CSP-MILO装置30的频率可以两种方式控制，(1)通过粗调，以及(2)通过精调。可以通过控制装置30腔56的尺寸和光栅38的尺寸及几何结构，完成粗调。可以通过调节史密斯-珀塞耳效应的相关高电压，完成精调。CSP-MILO装置30最好设计成此种类型：其输出信号或探询辐射16(图1)构成宽带电磁辐射，所述宽带电磁辐射同时包含 10GHz左右至25THz左右充足带宽的电磁辐射，以便能同时以多个频率检测多个信号，每个信号具有一定的幅度，这些信号共同产生待检物质的特有光谱特征。
对于探询辐射16(图1)而言，1THz以上的频率范围提供了一种特有的物质低频振动模式光谱探询。各种分子性质，从蛋白质与多聚核苷酸的三维结构到臭氧的消耗机制，其特征均在于模态光谱。此类针对于分子的光谱需要(a)约2MHz或以下的光谱分辨率来提供十亿分之几(1×109)的分辨率、(b)涵盖至数THz的光谱范围和(c)频率可调谐性。
图6展示了电流调节器的电路90，其可用于调节CSP-MILO装置30(图2)的功率，其调节方法在一定程度上类似于低压电源中经典的双FET(场效应晶体管)电路调节器的调节方法。在图6中，本发明的发明人及其他人在电流调节器电路90的应用中使用了冷阴极场发射三极管92和100，这两个三极管的构造中均可包含脉冲管，正如题为《高压开关管》的美国专利第4,950,962号中所公开的那样。图6中的电流调节器解决了本设计所考虑的电压或电流体系中没有能够运作的固态真空管装置或传统真空管装置的问题。
本发明的发明人在发布于2009年7月30日美国专利申请公开说明书2009/0190383A1 号上公布了此电路布局。下文将进一步描述电流调节器电路90的细节。
参照图2，CSP-MILO装置30的阴极42直接应用了一种高压脉冲。装置30的主体构成了在阴极点火时会发生振荡的谐振腔56。由网格44控制CSP-MILO装置30的点火。栅极 44应用了触发脉冲来启动RF生成过程。
CSP-MILO装置30是一种高功率的RF源，其本发明的发明人(C.A.Birnbach)相信这一装置已经公开，并在2008年3月13日的美国专利申请公开说明书2008/0063132A1号中得到了描述。其整合了带圆柱形光栅38的漂移管40，光栅38位于其内表面上，并使用了行波电子枪(TWEG)46。电子枪46最初由C.A.Birnbach在美国专利第4,950,962号中公布。参照图2，谐振腔56和漂移管40的尺寸决定了输出范围。传统的MILO装置，特别是缺乏CSP结构的MILO装置，其输出范围介于300MHz到3.5GHz之间。如图7和图8所示，本发明的发明人已通过实验证实，更换漂移管40内柱面上的电磁圆柱形光栅38表面将使电子束的外表面与光栅38在漂移管内表面上紧密接触，从而生成频率比现有滑膛漂移管高得多的RF。此RF源是由史密斯－珀塞耳效应产生的，这一效应与带光栅面的相对论电子束的相互作用有关。可很好地实现THz频率范围内的输出。
图7和图8中的光栅面38有多种构成方法。参照图8，间距60、面角62和光栅38均为实现频率的决定因素。正如图7和图8所示，现已确定漂移管光栅的光栅38所优先采用的实施例为内螺纹。通过改变螺纹的参数来改变输出频率。漂移管40的两端为辐射式的，以便将谐振腔内的不利电场扰动减至最小。
电流调节器90
如上所述，对图1中的系统10而言，适合的探询辐射源14(图1)为一种磁绝缘线性振荡器，而图2中的CSP-MILO装置30等圆柱形史密斯－珀塞耳结构已对该振荡器进行了强化。需仔细调节探询辐射源14的输出功率，该输出功率同时还受到向阴极42所供电流的限制。作为对控制装置100的响应，在图6中的上述电流调节器电路90内穿过主调制装置92(连接于输入节点94和输出节点96之间)的电流会受到调制。
图6中的电流调节器电路90在一定程度上类似于提供低压功率的经典FET(场效应晶体管)电流调节器。电流调节器电路90解决了本设计所考虑的电压或电流体系中缺少能够运作的固态真空管装置或传统真空管装置的问题。因此主调制装置92最好是三极管、四极管或五级管结构的冷阴极场发射可控电子管。主调制装置92可能具有图15中所示的几何结构，上述美国专利第4,950,962号中对其此有进一步的描述。主调制装置92亦可包含一个晶闸管等高压半导体装置。可按照主调制装置102的操纵方式来操纵控制装置 100，从而减少所需零件的差异性；也可用所需电压和电流相对较低的一个装置来操纵控制装置100。
对于图6中的电流调节器电路而言，以下操作描述假设输入节点94上存在一个正电压源。电阻器98为主调制装置92的栅极产生了偏压，其作为第一个电子管，起着一个系列电流调节器的功能。主调制装置92的功能类似于该电路中的一个FET。
来自调制装置92的电流流过一个分流电阻器102，从而形成了横跨该电阻器的电压。通过由第一分压器电阻104和第二分压器电阻106构成的分压器来分别提供此电压。主调制装置92的控制装置100最好是一个用作控制管的二级电子管，也可以是一个冷阴极场发射电子管。控制装置100的栅极与第一分压器电阻104和第二分压器电阻106的接合点相连。电阻器104的另一侧应用了一个控制电压，即节点108应用了此控制电压。分流电阻器102的电压与节点108上电阻分压器所产生参考电压之间的比率决定了控制装置100的导通程度，控制装置100又反过来控制主调制装置92的导通性。电容器110通过电阻器 104建立了一个时间常数，以确保电路的导通性保持在最高可达跨零点的水平上。通过调节节点108上的参考电压值以及电阻器104和106所构成分压器的电阻值，来使用不同的电流调节模式。
将对象12暴露于辐射中
再次参照图1，在本优选实施例中，所提供的探询信号16同时包含了10GHz左右至25THz左右、带宽充足的电磁辐射，从而可同时在多个频率上检测多个信号，而每个信号均具有一定的幅度。这些信号共同产生了待检物质的特有光谱特征。该EM束16的功率最好尽可能地低，并同时保持所需的信噪比。该功率通常低于一至五瓦特。如上所述，由于圆柱形史密斯－珀塞耳增强式磁绝缘线性振荡器(CSP-MILO)30(图2)满足了前述的频率和输出要求，因此是一个优先采用的源。再次参照图5，如上所述，最好对输出束进行完整或部分校准，或由离轴抛物面反射器54进行聚焦。
异物或原有物的存在与数量检测
参照图1，最好通过使用热电检测器的检测器系统20来完成异物或原有物的存在与数量检测。虽然本发明可以包含成像检测，但本优选实施例遵循了反对入侵式和侵犯性的人体异物扫描的主流观点，并未采用成像检测技术。在现有毫米波扫描成像系统技术的测试和使用过程中，主流观点再三表达了对人体成像的反对意见。消除优选实施例中的成像功能将消除公众对上述问题的担忧。此外，分光检测功能的应用会为操作员带来多得多的有用信息。使用分光检测还能降低假阳性和假阴性的水平。
优选实施例包含了一个检测器系统20(图1)，该系统由量子铁电(QFE)物质制成。QFE检测器为宽带型，可以在室温下运行。QFE检测器与传统检测器的区别在于，当入射光子的温度高于检测器光电阴极的温度时，会表现出正电荷；当入射光子的温度低于检测器光电阴极的温度时，会表现出负电荷。QFE检测器唯一无法工作的光谱范围是入射光子与光电阴极的温度相同的光谱范围。可通过少许加热或冷却来改变光电阴极的温度，从而转移该无效区域。典型的QFE物质为聚偏二氟乙烯(PVDF)的薄膜。商标名为KYNAR和HYLAR的制品即PVDF。具体而言，KYNAR PVDF是美国宾夕法尼亚州费城的阿科玛有限公司(Arkema,Inc.)的一种产品，HYLAR PVDF是比利时布鲁塞尔的苏威化学品股份公司(Solvay Chemical S.A.)的一种产品。根据本说明书，所属领域的普通技术人员该如何选择合适的检测器自不待言。
并行分光镜
图9中展示了一个依据现有技术的串行模式分光镜120，图10则展示了本发明优先采用的一个并行模式分光镜122。如箭头124所示，在图9的串行模式分光镜120中，我们以各频率范围下的顺序扫描扫查了受试对象12。块127表示经修改信号、信号处理和显示的检测功能。然而使用串行模式分光镜120会导致数据的采集和处理速度减慢。为了加快数据采集和处理的速度，使本发明更为实用且更加经济，就需要在信号处理过程中尽早将从收视扫描对象12处接收的数据转化为并行格式，从而使我们能并行地进行更多的数学密集型操作。图10中的箭头128表明了这一点。箭头128表示同时由所有或许多探询辐射频率所导致的受试对象12发光(或扫描)。这将显著加快分光过程，使数据能以三维形态展示给图1的光相关器24(图10中以“信号处理器(SIGNAL PROC)”24表示)，以用于信号处理。“三维形态”是指数据以阵列或矩阵的形式表示出来，其每个点均具有检测器输出幅度的整数表示法，以作为对探询信号的响应。下文描述了“三维形态”的详细定义。在发明实施例的背景下，并行模式分光镜远远快于传统串行模式分光镜的另一个原因，是本优选实施例中所用的光相关器24(图1)具有极高的带宽。正如所属领域的普通技术人员所知，光相关器24(图1)等光信号处理器原本就很快，并因而具有较高的带宽。照亮对象12所需的特定带宽取决于搜索的特定异物或原有物，因此根据本说明书，所属领域的普通技术人员该如何选择特定带宽自不待言。
并行模式光处理器(例如图1的24)具有复杂相关操作的典型的输入输出吞吐时间，其数量级为2至20纳秒。这是完成相关操作所需的全部时间。此吞吐量最终受制于数据输入光相关处理器24的输入空间光调制器(SLM)(图1中未展示)的速度。现代电子学使人们可在数秒内完成数以千计的相关操作，从而使人们拥有更充足的时间来扫描，如扫描所有已知的威胁，以及扫描违禁品走私和许多病原体——包括但不限于空气传播的病毒、细菌、蛋白质、朊病毒、真菌和孢子。
荧光模式
图10所示的并行模式分光镜122是在吸收模式下运行的。除了使用在吸收模式下运行的并行模式分光镜外，还可如图11所示，通过相同频段下的辐射132来激发受试对象12；但若存在异物或原有物的已知的共振频率，则需以已知的特定频率f1来激发频率f2下的次级共振辐射134。该反应会产生电磁能量特征已知的二次辐射134，其识别和检测使我们能进行更加简化的数据分析。这类似于传统的荧光分光镜，但其工作频率要低于同等的传统光学元件。
激发(或探询)信号可以是待测异物具体共振频率附近的窄带信号，也可以是受试对象12中存在上述异物时将同样产生所需次级(即受激)输出的宽带信号。这些探询信号可由本优选实施例下图2中的CSP-MILO装置30产生，也可由其它具有适宜频率和输出功率的已知RF源产生。
三维数据呈现
在本优选实施例中，数据从检测器系统20(图1)的各点处并行输入，这些点与二维矩阵数据存储阵列136中的各缓存器相对应，而此类二维矩阵数据存储阵列包含了一个数值，此数值等同于检测器中相应点所接收信号的强度。尽管其效率不如本优选实施例，但也可通过并行－串行－并行的方式传输数据。
在二维矩阵数据存储阵列136中，每个数据存储位置均能保留一个0至x范围内的数值，其中x是等于系统动态范围的整数。数据的分部可以是光栅型，也可以是之字形。每个缓存器的值代表了指定取样频率下检测器信号的幅度。以这种方式格式化的数据被称作“合成图像”。合成图像不具有可辨别的图像性质，仅能由机器读取，其在人眼中呈现为变化的灰色阴影的X-Y方形网格或不同的颜色(另一种编码技术)。图12所示的矩阵 136代表了合成图像，其每个单元均含有一个频率下的数值，如fi，f2，***，fn。从上述说明可见，可以使矩阵136的每个单元在人眼中呈现为一种不同的灰色阴影或颜色。
光相关器
可由图13相关内容所述的模拟光相关器140来具体表现图1中的光相关处理器24。模拟光相关器是一种通过透镜的傅立叶变换性质来对比两个信号的装置。人们已将其用于导弹瞄准系统的目标追踪和识别。其优势在于带宽远高于相应的电子相关器。
尽管模拟光相关器与电子相关器所执行的数学操作基本相同，但其物理实现方式却非常不同。电子相关器由安装在印刷电路板上的传统电子线路组成。与之相对的是，图13所示的140等模拟光相关器包括了透镜142、144和146，镜148和150，偏振分束器152 和154以及输入空间光调制器(SLM)156等光电装置。以上零件的作用通过输入空间光调制器SLM156实现从电子领域向光领域的转换和通过电荷耦合器件(CCD)相机158实现返回电子域的转换。模拟光相关器140还包括了一个可变相干长度光源160，一个束流收集器162和一个单色化分光滤光器164。
作为一般性的背景知识，模拟光相关器所具有的输入信号会在傅立叶域中由一些滤光器功能进行转换。傅立叶域中的一个滤光器实例，是通过空间光调制器155提供给模拟光相关器140的匹配滤光器。傅立叶域中的此类匹配滤光器与155处带合成图像(如图12 的138)的滤光器信号交叉相关，而此合成图像会在输入空间光调制器156处提供给相关器140。以下将讨论相关过程。
应当注意，本文所定义的数据矩阵为三维矩阵。然而，以下的数学方程式将以二维实体[(x,y)]的表示该数据矩阵。这是因为此处的数学方程式未表示出每个元素(x,y)的幅度值。
交叉相关性，即带h(x,y)的二维信号i(x,y)的c(x,y)为：
可在傅立叶空间中将其重新表达为
C(ξ，η)＝I(ξ，η)H·(-ξ，-η)
其中的大写字母为小写字母部分的傅立叶变换形式。因此之后可通过傅立叶逆变换的结果来计算相关性。
根据菲涅耳衍射原理，当双凸透镜的焦距为f时，若在透镜前的f距离处放置一个对象，则该对象透镜后的f距离处将产生为了待变换的复杂幅度之故，此光源必须是相干的，且通常为激光。数字滤波器形式的输入信号通常会被写入空间光调制器 (“SLM”)(如图13的156)。由作为光源的激光所实现的光相关性具有某些劣势，比如激光高相干长度所导致的伪像和虚假信号。最好使用具有部分相干长度的光源160，其可调性更好，因此可为特定系统设置最佳相干长度。
图13中所示的模拟光处理器140的运行方法如下。输入信号以电子方式写入输入平面上第一个SLM 156，该平面由具有适当相干长度的光源(未显示)进行照射。输入平面通过双凸透镜142在傅氏平面上成像，像平面与该透镜之间的距离、以及该透镜与傅氏平面之间的距离均等于该透镜142的焦距。第二个SLM 155位于傅氏平面上，该SLM为一个动态匹配滤波器，它根据该匹配滤波器的傅里叶特性，有选择地将信息从输入中移除。所产生的信号通过第二个透镜144进行傅里叶变换，该信号位于与透镜144的焦距相等距离的位置。所产生的信号再次进行傅里叶变换，产生傅氏平面的逆变换，透镜144的输出在CCD摄像机158上成像，其位于透镜144的两倍焦距距离的位置。在CCD摄像机158上产生的图像是匹配滤波器变换的输入图像。所提供的透镜146用于将来自透镜144的调制平行光聚焦到CCD摄像机158上。
如图13所示，光学相干处理器140具有由三面镜子148、149和150以及两个偏振分束器152和154合并而成的光路。第一个分束器152可以为立方体，它具有两重功能：折叠光束，同时对光束进行偏振处理。对于第二个分束器154，其具有一个SLM傅里叶滤波器 155通过光学方式结合到第二个分束器154立方体的一个表面上。这一配置允许第二个分束器立方体154和第二个SLM 155共同作为折叠式镜子和有源傅里叶滤波器。如果第二个分束器154是一个立方体，那么第二个SLM 155可以通过光学方式与其结合。或者，第二个SLM 155可以直接在分束器立方体154的适当表面上形成。第一面镜子148、第二面镜子149和第三面镜子150为单色电介质膜镜，用于折叠光束。
所提供的可变相干光源160允许将照明光束的相干长度调节到光学相干性的理想值。相干长度要求随着光学相干处理器的比值变化而变化，但是通常在0.25mm到10mm之间。
第二个分束器154之前光束路径上的输入SLM 156允许将来源于合成图像138(图12)引入到光相关器140中，该合成图像来源于受试对象12的数据。第二个分束器154上的傅里叶滤波器155具有来自参考库的其它合成图像138(图12)，该参考库最好存储在主机26(图1)中。该库包括各威胁或其它待分析异物或原有物的合成图像138(图9)。参考库可以只包括异物的数据，也可以只包括原有物的数据，或者也可以同时包括异物和原有物的数据。
光学相干处理器的输出被导向CCD摄像机158，该摄像机将光信号转换回电子信号，以供下文所述阈值操作中主机26(图1)使用。最好不要在系统10(图1)下形成受试对象的实际图像，以便在受试对象是人时保护其隐私，同时将系统成本控制在合理水平。但是，可以添加成像功能，这将提供一张图像，检测到的异物或原有物都会显示在该图像上。
所述的系统10提供了执行多个傅里叶操作的能力，包括忽视不是受试对象的异物或者原有物。
尽管首选前述图13中的光相关器140，也可以使用采用其他技术的相关器。例如，合适相关器包括使用数字计算机和使用固件的相关器。
消减信号处理
在目前类型的信号处理中遇到这样一个问题：存在不与异物或原有物检测明确相关的信息，其构成了噪声分量。要消除该噪音，可以减去与该噪音分量直接相关的光谱，简化剩余数据集。在这里，这一操作称之为“消减信号处理”，通过该技术可以在从第二个数据集中逐点减去一个数据集。例如，当筛选或分析异物对象时，从同时包括原有物和任何其它相关异物信息的数据集中减去包括对象中纯原有物光谱信息的数据集。本方法可获得仅仅包括在原始数据集中相关异物的光谱。
阈值操作
一旦如上文所述包括了充分处理数据的相关峰，希望将其幅度与特征库中的参考光谱进行比较。高于给定水平的任何峰值都将触发操作界面中的指示。
多峰值的存在通过与处理单峰值方法类似的形式进行显示。图14显示了描述阈值操作的图形。如图14所示，如果信号至少高于“必须高于”水平，那么阈值条件得到满足，这是以其它技术(例如手动)搜索对象的典型显示。如果信号至少高于“应该高于”水平，那么信号得到额外重量，这是一种典型显示，说明对象明确含有异物，应该捕获该对象。因此，“必须高于”信号显示了异物或原有物的可能存在，而“应该高于”信号则指示出现异物或出乎意料的少量原有物的明确存在。
如果需要，可以使用除了图14中所显示技术以外的阈值技术。
提供检测结果
上文中确定是否存在异物的结果可以用于多个方面。例如，此类结果可以提供给人工操作员，或者提供给二次系统以便采取自动化校正动作。
存在可以用于当前发明的多种可能操作界面技术。此类技术包括显示需要给予该特定受试对象更多关注的单指示灯，包括显示存在所关注特定异物的一排灯，包括所关注特定异物数量的数字显示，也包括全光谱绘制显示。或者，可以在全自动机器界面将结果提供给二次系统。界面技术的选择根据使用本系统的原因、操作员水平等的不同而有所不同。
图15显示了几种可能的操作界面控制面板。在图16中，显示了五个可能的人工操作界面。图15显示了最简单的版本。它只有两盏主要的指示灯，即“通过”和“搜索”。当搜索异物时，“通过”指示灯亮起表示受试对象不包括任何异物。当搜索原有物时，“通过”指示灯亮起表示存在可接受数量的原有物。如果“搜索”指示灯亮起，那么近距离检查受试对象。
图16稍微更加复杂。它有四盏主要的指示灯：“爆炸品”、“违禁品”、“疾病”和“通过”。该版本明确针对旅客检查应用，尽管也可以用于其它的用途。图15和图16 中的“通过”功能是相同的。如果检测到此类说明中的任何异物，三盏指示灯(“爆炸品”、“违禁品”和“疾病”)点亮。很明显，任何这些类别可能是任何设想的化学物质，该功能的指示灯数量并不限于三盏。
图17是图16设计的扩展。它增加了字母数字显示，以显示所检测到的各类具体异物。
图18在图17设计基础上进行扩展。它增加了显示项，提供所检测到给定异物数量的数值量化结果。
图19显示了一个完全不同的人工操作界面途径。该界面设计为由经过培训可以识别大范围异物具体光谱的熟练操作员使用。该显示可以与标准实验室水平分光镜相媲美，并直接显示光谱。
很明显，许多其它的变体和组合都可以用于人工操作界面。该功能是定制的，用于满足操作员的能力水平和检查工作的特定环境。
原有物分析模式下与已知物质的比较
尽管上述描述中一些方面已经强调了异物存在和数量的检测，但是本发明的另外一个特征是将受试对象与不包括异物的已知对象进行比较。就此而言，预计能够在测试或分析示例对象时量化对象中原有物的数量，因为在很多情况下，具有潜在异物存在的任何先验知识，因此虽然可以实现对此类异物的搜索，但具体操作却很困难。然而，如果存在原有物准确数量的先验知识，那么与标准不匹配的信号便可成功推理显示异物的存在，即使系统不能明确确定该异物的本质。由此而论，信号的匹配由上述的阈值操作进行确定。
下面为该方法上述特征的示例，我们可以将受试药物对象与已知药物活性成分的参考药物进行比较，以确定受试对象的药物活性成分是否与参考药物的药物活性成分相匹配。
在上述比较中，为了获得最佳精度，药物对象中药物活性成分的组成和重量均应与参考进行比较。然而，仅仅比较对象中药物活性成分的组成可能会有效，尽管精度可能会低一些。这种方法没有告诉我们影响受试对象和参考对象之间完美匹配的任何偏差的实际本质，但是仅仅组成偏差或组成与数量的偏差就足以触发报警，或者以其它方式显示该偏差。由此而论，“完美匹配”是指处于受试对象的制造公差内。这一水平的测试可以在非常高的速度下进行，与现代生产线技术相当。例如，可以通过其它的分析技术来分析不能与参考对象匹配的药物对象，明确确定偏差的原因，例如包含有异物。这可以通过图1中的系统10分析异物来完成。类似技术可以用于其它的原有物。
同时分析模式
通过对受试对象与已知参考对象进行比较的上述观念的进一步发展，我们可以同时分析原有物和异物。
顺序分析模式
正如“原有物分析模式下与已知物质的比较”中所详细阐述的那样，将受试对象与已知参考对象进行比较的上述观念的进一步发展就是从进行此类比较开始的。如果确定受试对象与已知参考对象有所偏离，那么可以进行顺序分析，方法是更改本发明系统的运行模式，然后分析具体的异物。
参考库的运行学习模式
有时需要将其它物质的数据添加到参考库中。这可能发生在系统10(图1)最初开始后续创建时，或者当需要将其它物质的额外数据添加到库中时的任何时间点。创建新库数据的这一最迅速方法如下：物质的参考样本暴露于图1系统10中的探询辐射中。从矩阵数据136(图1和图12)中直接获取输出，然后通过主机26(图1)将该输出记入库中。尽管还有其他方法可以获得相同的最终结果，但是上述方法是优选方法。
下面的参考图号清单有三列：第一列包括参考图号；第二列指定与该参考号相关的部分；第三列指出该部分的首选物质(如适用)。
# 项目 首选物质
10 系统 各种
12 对象 各种
14 探询辐射源 各种
16 电磁辐射 电磁辐射
18 辐射 电磁辐射
20 检测系统 QFE物质
24 光相关器 各种
26 主机及显示器 各种
30 CSP-MILO 电子管
34 装置 电子束和平面光栅
36 装置 电子束和柱形光栅
38. 柱形光栅 传导性金属
40. 漂移管 传导性金属
42. 阴极 碳
44. 栅极 传导性金属
46. 行波管电子枪(TWEG) 碳和金属
48. 阳极 传导性金属
50. 窗口 RF透明物质
52. 光束 电磁辐射
54. 反射器 传导性金属
56. 腔区段 传导性金属
60. 间隔 不适用
62. 面角 不适用
90. 电流调节器电路 电子电路
92. 主调制装置 电子管
94. 输入节点 电路元件
96. 输出节点 电路元件
98. 电阻器 电路元件
100. 控制装置 电子管
102. 分流电阻器 电路元件
104. 电阻器 电路元件
106. 电阻器 电路元件
108. 节点 电路元件
110. 电容器 电路元件
120. 串行模式分光镜 各种
122. 并行模式分光镜 各种
124. 箭头 不适用
127. 方框 各种
128. 箭头 不适用
132. 辐射 电磁辐射
134. 次级共振辐射 荧光辐射
136. 二维矩阵数据存储阵列 电子设备
138. 合成图像 数字数据
140. 光相关器 各种
142. 透镜 通常为玻璃
144. 透镜 通常为玻璃
146. 透镜 通常为玻璃
148. 镜子 通常为介质膜
149. 镜子 通常为介质膜
150. 镜子 通常为介质膜
152. 偏振分束器 通常为玻璃和介质膜
154. 偏振分束器 通常为玻璃和介质膜
155. 傅里叶滤波器 电光装置
156. 输入空间光调制器(SLM) 电光装置
158. 电荷耦合器件(CCD) 电光装置
160. 可变相干长度光源 电光装置
162. 束流收集器 各种
164. 分光滤光器 通常为玻璃上的介质膜
上述描述了一种能够进行出于检测目的、接近于实时操作的光谱法和系统。已经描述过的六种模式为：(1)异物分析或筛检模式；(2)原有物分析或筛检模式；(3)本发明系统操作的顺序模式；(4)原有物和异物分析或筛检模式操作的同时模式；(5) 荧光模式；(6)获取矩阵数据库供扫描后续对象用的学习模式。
尽管已通过插图对本发明的具体实施方式做了描述，但是所属领域技术人员还是可以想到许多修正和修改。例如，除了上述的各种模式外，具有当前发明复杂度的系统将具有多个操作模式。因此，修改后的权利要求书旨在不改变本发明真正的范围和精神的前提下概括所有此类修正和改变。

Claims (17)

1.一种物质检测方法，用于通过并行模式光谱法检测原有物和异物的其中一种或这两种，该方法是关于具有原有物和可能具有异物的对象，所述原有物包括组成对象的物质，不包括异物，所述异物为与所述对象不希望相关的物质，包括：
a)并行模式数据采集，包括：
i)通过单一宽带源产生包括电磁辐射的探询信号；
ii)所述对象和任何相关异物暴露于所述探询信号，引起所述探询信号与所述对象以及任何相关异物之间进行相互作用；
iii)检测所述探询信号与所述对象以及任何相关异物之间相互作用所产生的修改信号；所述修改信号检测包括使用量子铁电检测器检测修改信号，所述量子铁电检测器配置为从其中的点并行提供数据；所述数据包括在多个频率上的多个信号；
iv)所述探询信号同时包含10GHz至25THz范围内充足带宽的电磁辐射，以便能同时以多个频率检测所述修改信号，所述修改信号在不同频率上分别有对应的不同的幅度，所述幅度共同提供待检物质的特有光谱特征；
b)信号处理和数据简化，包括：
i)处理上述修改信号以将经所述修改信号检测后的所述检测器的点所并行提供的数据推送至二维矩阵数据存储阵列中相应缓存，所述存储阵列代表了与对象相关的至少任何异物或原有物，其中所述二维矩阵数据存储阵列中的各点对应于取样于修改信号的各给定频率下的幅度；
ii)提供代表相关已知化学或生物物质的数据参考库；
iii)在对所述修改信号做所述处理并提供一个所述数据参考库后，采用相关器将所述二维矩阵数据存储阵列与所述数据参考库相比较；以及
c)如果所述相关器中相对应的相关峰到达或者超过阈值水平，则通过指示异物或原有物存在的可能性来提供对比的结果；如果所述相关器中相对应的相关峰未到达所述阈值水平，则通过指示异物或原有物未存在的可能性来提供对比的结果；及
所述产生电磁辐射探询信号通过圆柱形史密斯－珀塞耳增强式磁绝缘线性振荡器实现，在该圆柱形史密斯－珀塞耳增强式磁绝缘线性振荡器中的电子穿过位于该圆柱形史密斯－珀塞耳增强式磁绝缘线性振荡器空腔谐振器内的一个圆柱形漂移管，其中：
圆柱形漂移管的中心轴与所述圆柱形史密斯－珀塞耳增强式磁绝缘线性振荡器的圆柱形电子枪的中心轴对齐；
所述漂移管包括在其内表面上形成的一个史密斯-珀塞耳圆柱光栅；以及
一个限流器配置为限制所述圆柱形史密斯－珀塞耳增强式磁绝缘线性振荡器负极的电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中相关器包括并行模式光相关器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中信号处理和数据简化包括确定是否有任何产生的相关峰上升到足够的水平，以显示与所述对象相关的异物或原有物的存在和数量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中：
a)数据参考库代表已知成分和重量的对象；
b)信号处理和数据简化包括确定所述二维矩阵数据存储阵列就数据参考库成分而言是否与数据参考库相匹配；以及
c)提供上述确定结果。
5.根据权利要求4所述的方法，其中信号处理和数据简化包括确定所述二维矩阵数据存储阵列就数据参考库成分和重量而言是否与数据参考库相匹配。
6.根据权利要求5所述的方法，其中数据参考库仅与原有物相关。
7.根据权利要求5所述的方法，其中数据参考库包括异物和已知物质的多个数据，允许多种运行模式。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括不考虑所述对象的原有物。
9.根据权利要求1所述的方法，其中探询信号同时包含10GHz至25THz范围内充足带宽的电磁辐射，以允许同时检测在多个频率上的所述修改信号，所述多个频率共同涵盖预期异物或原有物的共振频率。
10.根据权利要求1所述的方法，其中：
a)所述处理所述产生的信号包括处理所述产生的信号，以生成二维矩阵数据存储阵列，所述二维矩阵数据存储阵列代表了包含原有物和任何相关异物的所述对象的组合化学成分；以及
b)进一步包括使用消减信号处理技术从所述二维矩阵数据存储阵列提取相关光谱。
11.根据权利要求1所述的方法，其中：
a)如果所述异物和/或所述原有物存在，则探询信号会从对应于所述原有物和/或所述异物的一种或多种特定化学物质引起一种独特已知次级共振电磁辐射，其中所述次级共振电磁辐射具有已知特性；以及
b)所述检测包括检测所述次级共振电磁辐射。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号处理和数据简化的步骤配置为筛检原有物。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号处理和数据简化进一步包括仅在特定频率下分析修改信号，所述特定频率与所述原有物或者异物的荧光发射相关。
14.根据权利要求1所述的方法，其中通过直接从所述二维矩阵数据存储阵列提取数据并输入到所述数据参考库来启用数据参考库的学习模式。
15.根据权利要求1所述的方法，其中各给定取样频率下的所述幅度由一种灰色色调或不同颜色中一种颜色的色调表示。
16.根据权利要求1所述的方法，其中限流器包括：
a)接受电流的输入节点，以及向所述负极提供电流的输出节点；
b)用于调制向所述负极提供电流的一个主调制器；所述主调制器包括一个在所述输入节点和所述输出节点之间串联的冷阴极场发射电子管；
c)与主调制器一个栅格连接的一个控制器；以及
d)耦合控制器的一个控制节点用于接收偏置电压，该偏置电压取决于外部控制电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其中创建所述偏置电压作为在所述外部控制电压和一电压之间连接的一个电阻分压器网络的中点，所述一电压取决于流过主调制器的电流。
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