CN104641253B - 检测异常的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于检测隐藏在人身上的异常的系统和方法可以包括具有电磁发送器和电磁接收器的检测探针。电磁发送器被配置为发射电磁脉冲，而电磁接收器被配置为在波形窗口中以规定的次数采样来自电磁接收器的电磁脉冲。电磁脉冲可以跨越0.04至4THz的太赫兹光谱区域。该系统还可以具有连接到电磁发送器和电磁接收器的光纤，其中飞秒激光脉冲从源通过光纤被指向所述电磁发送器和电磁接收器。

Description

检测异常的系统和方法
技术领域
所述系统和方法涉及用于检测人身体上的异常物体的异常检测。
背景技术
计算机X线断层摄影(“CT”)成像已经被用来对各种类型的物品进行非破坏性的检查，诸如可能隐藏在行李当中的违禁品。但是，CT系统发射X射线，这会对这种系统的操作人员以及站在该系统附近的乘客构成健康风险，因此CT系统一般包括某种类型的屏蔽，以保护操作人员和乘客不受电离辐射。而且，虽然CT系统能够分析物品的密度，连同物品的形状和体积的其它特性，但是这些系统不具有光谱能力，因此不能分析物品的化学成分。此外，X射线对由于物品的折射率和吸收系数造成的光学特性不敏感。如果可以测量的话，那么这些性质会产生唯一的、高对比度的图像并且关于材料的反射、吸收和散射性质揭示更多。
发明内容
检测异常的系统和方法是要在无需成像和相关隐私问题的情况下检测人身体上的异常物体。检查的主要目标区域是被头饰(headwear)覆盖的头部，该帽子或遮盖物在安检(security screening)之前没有除去。此外，预期这种系统还能够用来检查敏感区域，诸如胸部、腹股沟和臀部。
该系统是能够在安检期间检测人身体上的异常的设备。异常被定义为身体的任何部分上不是身体的天然存在部分并且在安检期间未除去的任何物体。术语“异常”意味着从简单地检测身体上可能是威胁的外来物体分离出识别特定威胁(例如，爆炸物、枪支等)的概念。
这种系统和方法提供了无需成像就询问人身体上的点位置并且检测衣服下面的物体。所描述的这种系统和方法包括将用来询问可疑位置的手持式部分。
有多达四个支配该系统和方法的操作的主要指导方针：(1)系统和方法被设计成在不侵犯隐私和宗教顾虑的情况下检测身体上衣物下面的异常，尤其是在头部区域和身体的敏感区域(腹股沟、臀部和胸部区域)；(2)系统和方法是要允许由单个安检官员进行操作，来提供有针对性的乘客安检；(3)系统和方法具有小的占用面积，并且小到足以是便携式的以用来在检查点之外的区域进行安检；及(4)系统和方法检测异常的“识别标志(signature)”，这意味着检测的发生不需要图像或图像解释。
虽然预期该系统部署在安全检查点，但是手持式单元的单元尺寸以及脐带式连接的灵活性将使得它与多种部署场景兼容，诸如在门口的抽样检查，或者与现有的入口集成。例如，单元可以部署在现有入口的顶部，其中手持式单元可用于进行辅助安检。
该系统和方法的应用是在安全检查点环境下对衣物并且尤其是宗教头饰的检查。该单元是便携式的，并且被设计成由单个操作人员使用。检查的进行是为了定位可能构成威胁的表面下的物体，如随后定义的。
有多达三个构成系统和方法的能力的主要功能需求：(1)检测有可能被在身体上或者不在身体上的衣物隐藏的头部区域中的异常；并且尤其是宗教头饰、假发、礼帽、无边帽或者围巾–其它用途将是检测石膏模和假体中的异常；(2)以最小化的设备占用面积、最小化的人员配备、使用的简单性和潜在的便携性，允许单个安检官员提供乘客的针对性安检，用于在除检查点之外的区域中进行检查；及(3)在不依赖图像或图像解释的情况下执行检测。
如果衣物(诸如宗教头饰)的穿戴者被指定检查，则他们将被带到一边并利用所述系统和方法进行检查。虽然这种系统和方法被设计成在公共检查点环境下使用，但是它也适于可获得标准电力的任何地点。系统不需要固定的安装。它可以重新定位到任何需要的地方。
用于检测人身上隐藏的异常的系统可以包括具有电磁发送器和电磁接收器的检测探针。电磁发送器被配置为发射电磁脉冲，而电磁接收器被配置为在波形窗口中以规定的次数采样来自电磁发送器的电磁脉冲。电磁脉冲可以跨0.04至4THz的太赫兹光谱区。系统还可以具有连接到电磁发送器和电磁接收器的光纤，其中飞秒激光脉冲通过光纤从源指向电磁发送器和电磁接收器。
该系统还可以包括结合在检测探针中的目标光学器件，用于指引脉冲电磁辐射通过隐藏层叠并且收集位于既定深度的隐藏层叠的反射。检测探针可以集中在人的被隐藏的皮肤的深度，而无需检测探针的外部接触隐藏层叠的顶部。然后，发送器和接收器可以关于目标光学器件以单基反射几何结构被配置。
该系统还可以包括与接收器通信的时间域数据获取系统。该时间域数据获取系统被配置为捕捉来自一定范围厚度的隐藏层叠的反射，其中波形窗口具有对应于物镜的焦距的反射时间。
人皮肤之上的隐藏层叠还包括足够小厚度、密度或质量的衣物或覆盖物，其中时间域数据获取系统确定隐藏层叠不包含异常或屏蔽。衣物或覆盖物可以包括天然或合成布料、皮革、橡胶、乙烯基、纸、塑料和/或其它薄纤维、被单(sheet)或织物。
隐藏层叠还具有位于隐藏层叠内任何位置并且由与异常或屏蔽相同类型的材料构成的一个或多个干扰物成分。于是，时间域数据获取系统被配置为确定干扰物的体积、密度或质量小于被认为是异常的阈值。隐藏层叠还包括放在隐藏层叠内任何层次的一个或多个异常，其中异常是具有比阈值更大的厚度、横向范围、体积、密度或质量的物体。
时间域数据获取系统可以被配置为，通过与隐藏层叠内的良性材料相比来调整异常材料的电磁性质阈值、和当波形包含用于指示隐藏层叠内的物体超过调整后的阈值的一个或多个特征时把来自系统的测量评估为异常，来选择被认为是异常的针对厚度、横向范围、体积、密度或质量的数量阈值。
该系统还可以包括把被照亮的图案投影到接受测试的人身上的隐藏层叠上从而指示检查区域的光源。
该系统还可以具有位于源和电磁发送器或电磁接收器之间的补偿器，其中补偿器补偿脉冲，使得脉冲在电磁发送器或电磁接收器足够短。补偿器可以是光栅序列、棱镜序列、棱栅序列、光纤布拉格光栅，或者不规则散射光纤。
该系统还可以具有连接到检测探针的传感器，其中该传感器被配置为以空间或角度的一个或多个维度提供检测探针的位置的坐标。此外或者作为选择，该传感器可以被配置为以与从隐藏层叠反射的波形不同的形态进行检测并且询问人身上隐藏层叠的基本上同一区域。
该系统还可以包括连接到检测探针的辅助发送器，其中该辅助发送器被配置为发送α、β、x射线或γ射线。
关于对应于指示人身上隐藏层叠的一个区域内异常的特征的标准评估时间域反射波形的方法可以包括步骤：利用从位于动态定位的探针中的发送器指引的电磁脉冲照亮隐藏层叠；由探针内的接收器收集波形；将波形解析成对应于隐藏层叠内反射界面的正或负向峰值候选组；并且，如果候选组内的一个或多个峰值数量上对应于根据振幅和/或候选组中的一个或多个峰值之间的一个或多个时间差计算出的一个或多个阈值，则确定异常是否存在。
该方法可以包括步骤：利用预先记录的参考反射波形把波形去卷积。预先记录的参考反射波形可以是从空气-金属界面的单一反射。
该方法可以包括步骤：根据波形中的峰值随着时间关于第一峰值的相对增加来调整峰值的振幅，用于补偿在隐藏层叠的厚度增加时由于居间隐藏的损失。该方法可以包括步骤：根据在波形内的第一峰值之后的相对个数来调整峰值的振幅，用于补偿随在隐藏层叠的厚度增加时由于居间隐藏的损失。
该方法可以包括步骤：如果波形内的任一峰值落在窗口之外最小或最大时间，就不评估波形，用于减少假警报率。
该方法可以包括步骤：把候选组内的峰值按从小到大的时间排序，并且确定第一和第二峰值之间的时间差是否超过最小阈值。
该方法可以包括：如果候选组内的正向峰值超过对应于来自良性隐藏的最大预期反射振幅的阈值，则确定异常的存在，其中，在该正向峰值之后必须存在附加的峰值。
附图说明
图1示出了用于检测人身体上异常物体的系统的框图；
图2示出了用于检测人身体上异常物体的系统的检测探针的视图；
图3示出了可以位于检测探针上的控制装置和指示器；
图4示出了隐藏堆叠的示例横截面图；
图5示出了用于几种爆炸性与典型隐藏材料的有效THz折射率的关系曲线；
图6示出了从隐藏层叠返回的示例波形，没有与爆炸物一致的厚电介质异常；
图7示出了从隐藏层叠返回的示例波形，具有与爆炸物一致的厚电介质异常；及
图8示出了样本接收器操作特性曲线。
具体实施方式
参考图1，系统10包括具有电磁发送器14和电磁接收器16的检测探针12。电磁发送器14被配置为发送电磁脉冲18，而电磁接收器16被配置为在波形窗口内以规定的次数采样来自电磁发送器14的电磁脉冲18。电磁脉冲18可以跨0.04至4THz的太赫兹频谱区。
系统还包括结合在检测探针12中的目标光学器件20，用于指引脉冲电磁辐射18通过隐藏层叠22并且收集位于确定深度的隐藏层叠22的反射18，其中检测探针12可以集中在人的被隐藏的皮肤的深度，而无需检测探针12的外部接触隐藏层叠22的顶部。发送器14和接收器16可以关于目标光学器件20以单基反射几何结构被配置。
系统10还包括与发送器14和接收器16通信的时间域数据获取系统24。时间域数据获取系统24被配置为捕捉来自一定范围厚度的隐藏层叠22的反射，其中波形窗口具有对应于物镜20的焦距的反射时间。
系统10还可以具有分别连接到电磁发送器和电磁接收器的光纤26和28，其中飞秒激光脉冲分别通过光纤26和28从源30指向电磁发送器14和电磁接收器16。系统10还可以具有位于源30和电磁发送器14或电磁接收器16之间的补偿器32，其中补偿器32补偿脉冲，使得脉冲在电磁发送器或电磁接收器足够短。补偿器32可以是光栅序列、棱镜序列、棱栅序列、光纤布拉格光栅，或者不规则散射光纤。
人皮肤之上的隐藏层叠22可以包括足够小厚度、密度或质量的衣物或覆盖物，其中时间域数据获取系统确定隐藏层叠不包含异常34或屏蔽36。衣物或覆盖物可以包括天然或合成布料、皮革、橡胶、乙烯基、纸、塑料和/或其它薄纤维、被单或织物。
隐藏层叠22还具有位于隐藏层叠22内任何位置并且由与异常34或屏蔽36相同类型的材料构成的一个或多个干扰物成分34和36。于是，时间域数据获取系统24被配置为确定干扰物的体积、密度或质量小于被认为是异常的阈值。隐藏层叠22还可以包括放在隐藏层叠内任何层次的一个或多个异常，其中异常是具有比阈值更大的厚度、横向范围、体积、密度或质量的物体。
时间域数据获取系统24可以被配置为，通过与隐藏层叠22内良性材料相比来调整异常材料的电磁性质的阈值并且在波形包含指示隐藏层叠22内的物体超过调整后的阈值的一个或多个特征时把来自系统10的测量评估为异常，为厚度、横向范围、体积、密度或质量选择被认为是异常的数量阈值。
系统10还可以包括把被照亮的图案投影到接受测试的人身上的隐藏层叠上从而指示检查区域的光源38。
该系统还可以具有连接到检测探针12的传感器40，其中传感器40被配置为在空间或角度的一个或多个维度中提供检测探针的位置的坐标。此外或者作为选择，传感器40可以被配置为以与从隐藏层叠22反射的波形不同的形态进行检测并且询问身上隐藏层叠的基本相同区域。
该系统还可以包括连接到检测装置的辅助发送器42，其中该辅助发送器42被配置为发送α、β、x射线或γ射线。
由数据获取系统24或者与数据获取系统24通信的独立计算机44执行的、关于对应于指示人身上隐藏层叠22的一个区域内异常的特征的标准来评估时间域反射波形的方法可以包括步骤：利用从位于动态定位的探针中的发送器指引的电磁脉冲照亮隐藏层叠；由探针内的接收器收集波形；把波形解析成对应于隐藏层叠内反射界面的正或负向峰值的候选组；并且，如果候选组内的一个或多个峰值数量上对应于根据振幅和/或候选组中的一个或多个峰值之间的一个或多个时间差计算出的一个或多个阈值，则确定异常是否存在。
该方法可以包括步骤：利用预先记录的参考反射波形把波形去卷积。预先记录的参考反射波形可以是从空气-金属界面的单一反射。
该方法可以包括步骤：根据波形中的峰值随着时间关于第一峰值的相对增加来调整峰值的振幅，用于补偿当隐藏层叠的厚度增加时由于居间隐藏的损失。该方法可以包括步骤：根据在波形中的第一峰值之后的相对个数来调整峰值的振幅，用于补偿当隐藏层叠的厚度增加时由于居间隐藏的损失。
该方法可以包括步骤：如果波形内的任一峰值落在最小或最大时间窗口之外，就不评估波形，用于减少假警报率。
该方法可以包括步骤：把候选组内的峰值按从小到大的时间进行排序，并且确定第一和第二峰值之间的时间差是否超过最小阈值。
该方法可以包括：如果候选组内的正向峰值超过对应于来自良性隐藏的最大预期反射振幅的阈值，则确定异常的存在，其中，在该正向峰值之后必须存在附加的峰值。
参考图2，以最后确定的形式示出了检测探针12。TD-THz异常检测系统可以利用光纤耦合的TD-THz发送器和接收器模块来实现，如以下图中所示出的。
检测探针12利用具有大约3英寸焦距的近F/1聚焦光学器件来被配置。TD-THz是主动而不是被动方法。单基配置发送并检测在相同路径上反射的THz脉冲，因此没有视差。具有更接近1的f数比(f number ratio)的聚焦光学器件收集最大的信号并且最大化角度容限。焦距应当选择成使得透镜孔径与衣物下面主体皮肤之间的工作距离在焦距的1和1.3倍之间。操作人员定位检测探针12，使得孔径位于正确的工作距离并且因此所发射的Thz射束与隐藏表面和主体皮肤近似正交。探针不应当接触隐藏。
检测探针12提供可视指示46，指示以下一个或多个：1)电源状态，2)何时系统准备好扫描乘客；3)何时操作人员离头部位于获得有效测量的适当距离，及4)当系统发现身体上的异常时明确的可视和音频警报。
检测探针12包括控制装置和指示器(见图3、下表)并且由轻重量的脐带连接到便携式控制单元。控制装置和指示器的布局仅仅是为了说明，并且在最终的设计中可以不同(例如，指示器可以通过使用LED、无源靶向指导或LCD屏幕来实现)。这些指示器的目的是指导操作人员执行有效测量并且传送检查的结果。在生产设备上使用控制装置的确切方法也可以与以下所述稍有区别：操作人员把手持式设备指向主体上要测试的位置。手持式设备位于离主体的皮肤大约100毫米(mm)。操作系统按下触发器以启动设备，在这个时候，范围、角度和信号指导指示器变亮。检测设备使用太赫兹光的脉冲来探查该位置被隐藏的异常的识别标志。操作人员使用指导和指示器提示来调整设备关于主体的位置。在进行测量的时候，“检测”指示器闪烁。当测量完成时，听到可听的哔哔声并且设备显示测量结果。
检测探针12还可以持续地执行自我诊断并且通知操作人员是否存在将需要维修或修理的任何状况。
为了检查离手持式单元正面大约100mm的位置，检测探针12的光学系统20进行优化。因此，当这个位置在被检查的人的头皮的25mm内时，测量结果将被优化。测量区域是大约100mm。这种定位将允许最准确的测量。推荐的最大头饰厚度是75-90mm。
当启动系统10时，在本申请中该方法描述系统10被通电并处于待机模式。系统10可以包括具有显示器和菜单控制的计算机44。当系统10处于待机模式时，操作人员可以按下检测探针12上的按钮48，以便把单元从待机模式唤醒。在使用之间，检测探针12可以存储在桌面机座(holster)中，该机座具有位于固定距离的反射板，以创建参考波形。
当系统10准备好并在机座中被手持时，从位于固定距离和固定朝向的金属板50收集参考波形，其中距离和朝向代表脉冲振幅和脉冲形状。这种参考波形将用于波形脉冲解析。通过首先关掉发送器14，系统10可以首先收集用于背景减除的背景波形。检查参考波形是否在适当振幅、定时和带宽的范围容限内。如果不在，就给出可听指示器并在显示器上给出错误消息。可听指示器和显示指示手持式设备准备好被使用并且指示操作人员从显示器除去手持式设备。如果检测探针12没有在预定时段内被除去，则在显示器上的警告之后系统进入睡眠。
当检测探针12从显示中被除去时，显示器通知操作人员按下触发器来检查主体上的点。由系统向操作人员传送的描述检查过程的语言、可听指示器和图形的选择对于指导操作人员通过检查过程中的步骤、对于指导操作人员以最佳方式操作手持式设备来达到最佳结果、以及对于在使用器械时“框定(frame)”预期结果是非常重要的。
操作人员必须选择一个或多个点对主体进行检查。这些点的选择和数量对于器械的成功将是重要的(累计POD、PFA)。由系统向操作人员传送的描述检查过程的语言、可听指示器和图形的选择对于指导操作人员通过检查过程中的步骤、对于指导操作人员以最佳方式操作手持式设备来达到最佳结果、以及对于在使用器械时“框定”预期结果是非常重要的。
操作人员在主体目标点上定位检测探针12传感器并且按下触发器。投影到目标上的可见受照指导38可以帮助传感器的定位。
THz波形序列被持续地收集并评估或者超时定时器超时。另外，系统10可以为操作人员提供一系列警告或指导，诸如操作人员被指导优化定时、操作人员被指导优化信号水平、在没有信号时为操作人员提供警告、在杆(wand)太近或太远时为操作人员提供警告、在只有单个表面反射时为操作人员提供警告、如果检测到金属异常则结果锁存警报、如果检测到电介质异常则结果锁存警报、如果是干净识别标志则结果锁存干净。
自动化的TD-THz反射异常识别标志检测方法是基于从良性隐藏和任何异常(如果存在的话)反射的脉冲波形的时间域分析的。该方法不是主要基于爆炸物的光谱识别标志的频率域分析(但是也可以添加这种分析，以增强本文所述的设备)。虽然许多爆炸物具有在实验室条件下可获得的可区分的透射谱，但是人员安检的现实世界条件将不会可靠地允许这些谱用作主要的判别。时间域方法更像脉冲超声波的非接触电磁模拟，这允许隐藏和异常的层结构被确定。不像超声波，通过检查从接受测试的区域反射的THz脉冲的序列和相对定时，这种层结构可以通过厚度和折射率(介电常数)来评估。这种方法是基于识别标志的并且是自动化的，即，不像毫米波全身成像器，不会(或者不能)生成主体的有意义图像。
接受测试的主体包括A)由人、衣物、头饰和普通的私人物品组成的元素，我们将称其为“良性隐藏”和B)或者是威胁物体(诸如爆炸物以及金属性和非金属性武器)或者违禁品或者诸如药品的非法物质的异常。异常安检设备的目的是在无需除去衣物或头饰的情况下允许对主体进行安检，并且不需要安全员接触主体。当存在异常时，异常识别标志检测器应当利用该设备向对主体进行安检的安全员提供警报，而当不存在异常时，应当提供干净信号。如果给出了警报，则需要主体接受另外的检查，诸如除去衣物并进行手动检查。作为一个实际问题，被称为C)屏蔽的第三种情况会出现，其中器械发觉它自己由于干扰而不能进行测量。屏蔽需要警报，因为主体必须通过其它手段进行安检。
THz发送器14发送具有0.5和2皮秒(ps)之间持续时间的接近单个循环的电磁脉冲。从金属反射的这种脉冲的傅立叶变换将产生从0.05THz至>2THz的频率成分，峰值在大约0.25至0.5THz。TD-THz方法记录固定持续时间的时间域波形记录。THz波形的主要分析是在时间域而不是在频率域进行的。
THz脉冲从孔径穿行并且与隐藏的第一表面相交，穿过层叠内的每个THz透明电介质层和物体，直到它最终从皮肤或者就像金属或者诸如水的不透明物的那样THz反射的某个物体的反射和/或吸收。传感器系统记录从隐藏和隐藏内的物体反射的THz脉冲的时间域波形记录。所记录的波形内反射脉冲的飞行时间(TOF)被用来分析隐藏和物体。在从较低到较高折射率材料的每次过渡，反射脉冲将返回到接收器。在从较高到较低折射率材料的每次过渡，相反符号的反射脉冲将返回到接收器。被反射的脉冲之间的定时是层之间的距离、层的厚度和层的折射率的函数。
这种方法被称为时间域反射断层摄影。它可以被看作是脉冲超声波断层摄影的不接触电磁模拟。借用超声波断层摄影的术语，该波形记录可以被称为“A-扫描”。当传感器横向移动时所绘制的A-扫描的集合是“B-扫描”。B扫描图像是内科学中所使用的常见横盘(sideways)横断面超声波视图。通过在网格上光栅扫描传感器，还可以构造自顶向下的像“x-射线”的图像，或者说“C-扫描”。
当前的异常检测算法分析A-扫描，或波形，以便个别地生成警报。理想地，系统将具有对应于100mm深度的640ps的波形记录(由通过物体的脉冲的TOF确定)，这将覆盖人所穿戴的大部分隐藏。但是，其它更长或更短的波形记录也可以使用。
可以被主要TD-THz识别标志检测方法检测的异常的初步列表在下表中示出。操作的安检概念的假定要素是乘客或主体应当在利用异常识别标志检测设备进行安检之前脱去他或她所有可能最终良性的物体除了在下表中的受限物体(如在当前检查点过程中所需要的)。
被TD-THz识别标志分析检测的示例异常
大块的爆炸物
片状爆炸物
C4
引爆器
电池
陶瓷刀
枪支
钱包
固体金属
香水瓶
打火机
对这部分来说，“一般性异常”是折射率比其周围环境高1.45(Δn>1.5)的任何物体。大部分固体材料、玻璃、陶瓷、塑料等都属于这一类。除了这些一般性异常，预期威胁材料(诸如爆炸物)将为高优先级检测。
器械每次测试在一个位置被隐藏的异常。检测概率(PD)和假警报概率(PFA)百分比假设异常(如果存在的话)在被手持式器械发射的异常检测器探针射束作为目标的位置。
下表是人身上典型的隐藏和干扰物的列表。虽然异常可以被隐藏，如在头饰下，但还是会存在没有隐藏异常并且其本身将不被归类为异常的物品。这些物品我们称其为干扰物。这个列表并不意味着是排他的，而是给出例子。一般而言，异常识别标志检测设备是通过对不同层叠的隐藏和异常的统计样本计算平均PD和PFA来测试的。这种统计样本应当代表在一般人群中找到的情形。
描述 类型 在其中检测到异常 注释
衣服，1层 隐藏 是 衣服<1mm
衣服，2-5层 隐藏 是 衣服<1mm
衣服，6-10层 隐藏 是 衣服<1mm
衣服，11-19层 隐藏 是 衣服<1mm
棒球帽 隐藏 是
头发或假发 隐藏 是
绝缘(下) 隐藏 是
发夹 干扰物 无效
弹性发圈 干扰物 无效
微湿* 干扰物 无效
没有异常(顶部)和有与爆炸物一致的异常(底部)的隐藏层叠的示例横截面图在图4中示出。THz脉冲示为从顶部照亮并且从内部电介质界面反射。任何被检查区域的关键特征是人体提供逆止(backstop)(最后的反射)。没有高于最小阈值的可识别逆止反射的返回波形将指示屏蔽。对TD-THz反射断层摄影来说，异常和隐藏可以通过几个关键的物理性质来分组，这些物理性质将区分并提供警报相对于干净条件的识别标志。
异常是诸如爆炸物的电介质材料或者是金属。电介质异常厚并且是固体，没有掺入的空气。例如，片状爆炸物通常具有1mm、3mm或6mm的厚度并且具有高THz折射率，>>1.5。隐藏更薄、掺入空气，和/或具有<1.5的THz折射率。图5示出了用于几种爆炸物相对于典型隐藏材料的有效THz折射率。
通过评估反射脉冲序列的定时(timing)和极性，厚电介质异常与隐藏被区分开。厚电介质将既具有从正面反射的正向脉冲(低到高折射率过渡)又有从背面反射的负向脉冲(高到低折射率过渡)。这些脉冲之间的定时与材料的厚度和折射率成比例。阈值定时可以设置成对厚电介质异常(爆炸物、药品)报警。例如，13ps的警报阈值将对应于层>1mm厚并且折射率>1.8。隐藏层，例如衣服，具有较低的有效折射率和厚度并且将呈现小于这个阈值的脉冲定时(如果它们完全具有负向脉冲的话)。衣服层不能呈现负向脉冲，因为它们会由比THz波长细的纤维组成。金属异常将比皮肤逆止反射强烈得多。通过设置比对皮肤预期的大的振幅阈值，可以对金属报警。
从隐藏层叠返回的、没有与爆炸物一致的厚电介质异常的波形例子在图6中示出。这个示例波形对应于图4顶部的“干净”层叠结构。波形从左往右来解释。第一个(正向)脉冲是从几层棉质衣料的第一表面反射。几个正向脉冲跟在其后，其间隔<<用于警报的厚电介质阈值时间。此外，在波形中没有与离开厚电介质一致的负向脉冲。最后一个脉冲是来自皮肤表面的正向脉冲。这种类型的波形可以被解释为“干净的”或者“没有警报”。
从隐藏层叠返回的、具有与爆炸物一致的厚电介质异常的波形例子在图7中示出。这个示例波形对应于图4顶部的“警报”层叠结构。波形从左往右来解释。第一个(正向)脉冲是从几层棉质衣料的第一表面反射。几个正向脉冲跟在其后，其间隔<<用于警报的厚电介质阈值时间。这后面跟着一个正向脉冲和随后的一个负向脉冲，被隔开大约80ps，这个时间比用于警报的厚电介质阈值时间大得多。最后一个脉冲是来自皮肤表面的正向脉冲。这种类型的波形可以被解释为“警报”。
系统10将评估波形流，并且不是这些波形中每一个都将是清楚地正或负；在实践当中，有些将更好地被判定为不确定。如果波形被判定为正或负，则异常检测器立刻向操作人员报告检测决定(锁存正或负)。当波形是不确定的时候，该算法不对当前评估的波形作出决定，然后评估序列中的下一个波形。在超时之前，检查时间将具有固定的周期。于是，由检测算法进行的波形序列评估将以“不确定”结束。
不确定的波形可以包括：1)其中传感器放得离被测位置太远以至于不能捕捉到任何反射的波形；2)其中没有反射脉冲满足用于评估的最小振幅的波形；3)其中没有逆止反射(头部)可以被确定的波形；4)没有足够时间经过逆止以至于没有把握捕捉到所有隐藏层的波形；5)在第一反射之前没有足够时间以至于没有把握捕捉到所有隐藏层的波形；6)没有满足用于正的阈值并且同时没有满足用于负的阈值的波形；及7)其它情形。
在实践当中，第三态“不确定”仅仅是暂时的，并且将由器械或者操作人员决定为“二进制”正/警报或负/干净最终结果。
上表假设操作人员总是可以在序列结束时重试；并且在检查期间在某个点操作人员将得到有效的正或负。PD和PFA通常是在锁存时计算的，因为检查从不会真的以“不确定”结束。
如果波形，则操作人员可以被指导把传感器重新定位得更近或更远，或者通过指示器音调来指示所反射特征的振幅。
评估序列中的波形引起了条件概率的问题。阈值可以被调至相当低，并且在操作人员把手持式器械操纵到位之前锁存正或负，以获得最佳反射振幅和定位。
(除了锁存在单个波形上或者代替其)检测算法还可以在锁存之前查看一系列波形阈值的加权平均。这可以产生更好的结果。真值表看到了与以上相同的结果，检测算法需要具有过去结果的“记忆”或“历史”，然后这也可以对照阈值求平均或者进行测试。
图8示出了如上所示的样本接收器操作特性(ROC)曲线。给定某个样本设置、器械和检测算法，ROC曲线是示出PD相对于PFA的折中的图。利用信号+噪声的高斯分布和噪声的高斯分布，所示出的例子用于RMS声纳信号的简单求阈值。噪声和信号都从测量到测量有所不同，因此SNR从测试到测量有所不同。检测索引“d”是这两个高斯分布的重叠的测量。中心对角线“d＝0”是当两个分布等效时(总是SNR＝0)。在这种情况下，阈值确定检测(正)或干净(负)以及PD＝PFA的“机会”。ROC曲线的检查示出，为了让检测系统比机会更好，PD>PFA。
如果检测算法以对“不确定”结果的波形序列进行评估而结束，则存在几种选择。选择可以由操作人员作出，或者由软件作出。
由于时间约束，重试可能不被允许。一般而言，CONOPS需要明确的结果。在这个时候，操作人员或器械必须选择报告正/警报或者负/干净，以“二进制”结果继续前进。
故障-安全＝最后的结果不确定变成正/警报。增加检测概率和假警报概率。
故障-致命＝最后的结果不确定变成负/干净。减少检测概率和假警报概率。
故障-机会＝最后的结果不确定变成正/警报(50％的机会)。减少检测概率并增加假警报概率。
选择可以基于来自选择的结果PD和PFA来评估。所建议的经验法则是结果得出的不确定结果的概率应当比期望的PFA小得多，或者故障安全的使用将把PFA带出容限，或者正相反，故障致命的使用将把PFA带出容限。假定实现目标PFA将比实现期望的PD更困难。
选择故障安全将以PFA为代价来增加PD。如果已经选择了总是故障安全，则PD和PFA都满足规定的目标，于是总是故障安全看起来是最好的选择。但是应当注意，差的操作人员或者不相容的样本集可能导致高得“多”的PFA，在极端情况下，比机会更糟，这可能被解释为奇特的结果。应当注意，在任何情况下，对不确定的结果作出结论的概率都不能超过目标PFA。
选择故障致命将以PD为代价来减小PFA。选择故障致命也具有奇特的结果。假设PD超过规定的目标但是PFA不满足规定的目标；并且“不确定结束结果”与锁存的正/负决定之比不太大。于是，考虑来自以“不确定”结束的样本的测试子集中输入正与输入负之比。如果比率小，则算法可以选择总是故障致命，并且在不过度损害PD的情况下改进PFA。但是，再次应当注意，差的操作人员或者不相容的样本集可能导致低得“多”的PD，在极端情况下，比机会更糟，这将是奇特的结果。
对不确定的结果选择以50％50％的机会调用失败统计上是最“中立的”，并且差的操作人员或者不相容的样本集将在“机会”“ROC”曲线上导致接近50％50％的点，这可能是预期的。其它机会比率也可以被选择，所有这些都将偏置结果接近“机会”曲线或者在极端条件下偏置到其上(注意，故障安全和故障致命也技术性地在机会曲线上)。
注意，基于对某些由于手持式检查不正确执行或者样本不相容而导致的“不确定”结果的清楚标准，没有排除向操作人员呈现“测量失败/重试”结果。于是，操作人员必须决定如何把结果分类(既不满足用于正的阈值又不满足用于负的阈值的具有高质量波形的序列将仍然失败“机会或致命失败”)。理想地，所有“测量失败/重试”结果将被从有效测试中排除，并且不增加或减少PD和PFA。这是如果操作人员有足够时间重试测试的情况。作出是否前进到辅助安检的决定的需求可以激发客户的“故障安全”标准。在这种情况下，客户测试应当适当地信任PD，并且意识到，对于非常差的操作人员，PFA可以大于50％。
在这种当前方案中，来自单个点和单个收发器的TD-THz数据要进行解释。这种限制不应当排除该方案到多个传感器、运动传感器、多个区域、传感器融合和/或对检测器的其它逻辑改进的扩展。
不考虑手持式器械的差异，主体上的唯一区域代表名义上与TD-THz射束交互的唯一静态结构。这单个静态结构可以或者可以不包含异常。如果该区域不包含异常，则它是“干净的”。该方法应当容许在传感器稍微横向移动时交互区域的稍微变化。
所反射的TD-THz波形定时、振幅和形状的变化是由于传感器相对于接受测试的预期单点区域有角度或者距离的移动。算法开发中的挑战是在解释遭受手持式器械差异的测量序列时获得足够高的警报概率，同时维持足够低的假警报概率。
手持式传感器的角度和位置最小化手持式器械差异的情形。理想的测量条件代表具有收集波形(或者波形组)的最佳机会的最优配置，其中波形包含明确的异常识别标志或者明确的干净识别标志。必须给予大量的努力来开发用于自动解释算法的框架，这种框架在接受测试的单点区域即使在理想测量条件下也将不产生明确识别标志的时候和/或在手持式器械差异严重时作出最佳的结果。
手持式传感器将从接受测试的单点区域收集TD-THz波形的序列有限的时间段。自动化解释算法必须根据这个有限的TD-THz波形序列生成并报告最终的警报状态。测量周期在被操作人员触发时开始并且在被操作人员切断或者超时时停止。要规定确切的持续时间，但是预期相当短(小于20s)。在有限测量周期期间操作人员把传感器移动通过一定范围的角度和距离的过程(有希望)包含理想测量条件。这个算法框架被设计成容许操作人员通过反馈被指导，其中反馈指示他或她把传感器移动到离主体更近或更远，或者改变角度作为基本算法的附加。但是更立即地，该框架被设计成使得，如果在有限的测量周期期间明确的识别标志被评估并且警报状态锁存到“警报-异常”或“干净”，则操作人员可以得到立即反馈。
可忽略的评估延迟：当每个TD-THz波形在序列中被评估时，一有可能识别出明确的警报或干净识别标志，警报状态就应当以可忽略的延迟(理想地是不多于“往后一个(one-behind)”)锁存到“警报-异常”或“干净”。这允许操作人员开发手持式器械优化运动并允许操作人员关于主体和传感器关联将产生明确答案的理想距离和朝向(而不是超时到“警报超时状态”，这最终增加假警报的概率)。这还奠定了容易扩展算法的基础，以允许传感器在接受测试的多个区域之上“到处被驱动”。
TD-THz波形序列：在有限的测量周期期间收集的TD-THz波形的时间排序序列。TD-THz器械利用自由运行的扫描光学延迟线收集波形序列，其中波形重复率为100Hz(预期的)或者1KHz。警报状态要从序列中的单个波形立被即解释和/或从一组波形累计地或集合地被解释。
TD-THz波形：由测量电场相对从接受测试的单点区域反射的时间的一组有序对组成的单个TD-THz数据点。典型的波形窗口持续时间是代表大约0.5、2和4英寸的被反射结构的80、320和640ps(依赖于折射率)。波形将由一系列双极脉冲组成，每个脉冲由于来自感兴趣的单点区域上或其中的表面和/或界面的反射而产生。随着THz射束穿行进入接受测试的单点区域，反射脉冲的定时与界面深度中的位移成比例。
异常条件：其中异常物理地存在于接受测试的单点区域中的情形。期望异常条件对应于异常识别标志。
干净条件：其中没有异常物理地存在于被测的单点区域中的情形。
识别标志：代表单个即时波形或者累计的一组波形上的异常或干净条件的特征。在当前方案中，识别标志是通过比较“特征决定参数矩阵”与“识别标志阈值表”来识别的。
异常识别标志：其中用于异常条件的识别标志明确地存在于TD-THz波形序列中的情形。自动化解释算法过程应当把(最终)的警报状态锁存为“警报-异常”。如果在任何有限的测量周期内异常识别标志实际对应于异常条件，则应当导致真正的检测并增加检测概率。相反，如果出现干净条件，则假警报增加假警报的概率。
有条件的异常识别标志：其中用于异常条件的识别标志满足不造成即时锁存至“警报-异常”最终警报状态并且停止测量过程的下限阈值的情形。有条件状态预期波形“质量”差的情形，即，操作人员将看起来远离理想测量条件，并且可能预期波形“质量”的改进。
干净识别标志：其中用于干净条件的识别标志明确地存在于TD-THz波形序列中的情形。自动化解释算法过程应当把(最终)警报状态锁存至“干净”。如果在任何有限的测量周期内干净识别标志实际对应于干净条件，则应当导致真正的干净并减小假警报的概率。相反，如果存在异常条件，则假阴性结果将产生并且增加假阴性的概率。
有条件的干净识别标志：其中用于异常条件的识别标志满足不造成即时锁存到“警报-异常”最终警报状态并且停止测量过程的下限阈值的情形。有条件状态预期波形“质量”差的情形，即，操作人员将看起来远离理想测量条件，并且可能预期波形“质量”的改进。
屏蔽条件：其中接受测试的单点区域即使处于理想测量条件下也物理地阻止反射的THz波形中明确的异常或干净识别标志的情形。屏蔽条件是可以存在或者可以不存在的附加情形，但是无论如何，接受测试的每个单点都必须归类为异常条件或干净条件。
不确定识别标志：定义为缺少异常识别标志或干净识别标志(即使在理想测量条件下)。来自在任何有限测量周期内收集的波形序列的许多波形或波形组不能被判定为具有明确的异常识别标志或明确的干净识别标志。这是因为手持式测量过程是动态的、依赖于操作人员的技术、可能存在手持式器械差异，并且，即使在理想测量条件下，屏蔽条件也会阻碍评估出明确的识别标志。
由多传感器方案解决的潜在单传感器TD-THz识别标志问题的部分列表
屏蔽条件：单点、非成像模式TD-THz反射传感器能够检测隐藏在衣物后面人身体上的爆炸物的情形。但是，就像关于其它检查点方法，在广大人群样本中发生的可能隐藏、屏蔽和/或异常配置的范围(有意的或者别的)会需要用于TD-THz检测算法的阈值被调整成处理畸变的或含糊的识别标志，这将增加PFA(以保持PD恒定)。我们描述检查有些多重感官方法，这些方法将提供有助于阐明含糊测量的附加信息。以上矩阵考虑有些有可能导致畸变或含糊的TD-THz波形的具体隐藏/异常/屏蔽情况，以及能够阻遏这些情况的方法。注意，在大多数情况下，隐藏爆炸物或武器不被TD-THz询问(利用金属或水屏蔽)的故意企图本身将会造成触发警报的有效异常(不管怎样，传感器都应当对这种屏蔽条件报警)。
所有这些技术关于非破坏性评估(NDE)都是众所周知的，但是对于安全应用不一定是必需的。一般而言，当用作唯一的威胁感测方法时，这些技术将具有变化的合适性和可能的差性能。但是，所描述的是把这些技术与TD-THz的独特性搭配，这将给出关于传感器附近的具体信息。
当太赫兹结果是含糊的时候，这些不昂贵的传感器将用来双重检查结果的一致性。以这种方式，多重感官杆的能力将以最小的成本递增导致更好的POD。
将结合主TD-THz传感器被评估的附加传感器
屏蔽条件：以上传感器1至4的输出可以与主TD-THz自动化异常检测算法组合。一个或多个可以与TD-THz传感器基线一起使用。这些传感器将允许自动化算法被修改成在非常广泛变化的个人检查条件下与单独主TD-THz传感器相比而言改进PD和PFA。一般而言，给定可容忍的假警报概率，期望具有最好的检测概率(绘制当算法的阈值被调整时PD和PFA的关系曲线被称为接收器操作特性或ROC)。更多的传感器输入一般将允许设备的ROC被调成对相同的PFA实现更好的PD。同样，当潜在警报(异常)的分布增加并且良性背景变得更加多样化时，ROC一般将变得更坏，这会由于异常检测器操作的概念从检查头饰扩展到身体的所有区域和/或不佩戴头饰的人群而发生–在这种情况下多个传感器可以改进ROC。
对于检查屏蔽在对电场不透明的异常后面的威胁的检测问题，一种技术是查找屏蔽(screen)的边缘。这可以由仔细检视TD-THz轨迹同时缓慢移动手持式扫描仪的有经验的操作人员仔细地进行。但是，手持式扫描仪上某种类型的位置检测设备将帮助这个过程，因为它将允许手的运动来建立被扫描区域的小图。MEMS加速计和陀螺仪可以用来测量手持式扫描仪的位置，以建立这种小图。
虽然已经参考具体的示例性实施例描述了本发明，但是很显然，在不背离权利要求中所阐述的本发明更广范围的情况下可以对这些实施例进行各种修改和变化。因此，说明书和附图应当在说明性而不是约束性的意义上考虑。

Claims (22)

1.一种用于检测隐藏在人身上的异常的系统，该系统包括：
检测探针，具有电磁发送器和电磁接收器，电磁发送器被配置为发射电磁脉冲，而电磁接收器被配置为在波形窗口中以规定的次数采样来自电磁接收器的电磁脉冲；
结合在检测探针中的目标光学器件，用于指引脉冲电磁辐射通过隐藏层叠并且收集位于确定距离的隐藏层叠的反射，其中检测探针可以集中在人的被隐藏的皮肤的深度，而无需检测探针的外部接触隐藏层叠的顶部；
该发送器和接收器关于目标光学器件以单基反射几何结构被配置；及
与接收器通信的时间域数据获取系统，该时间域数据获取系统被配置为捕捉来自一定范围厚度的隐藏层叠的反射，其中波形窗口具有对应于物镜的焦距的反射时间，
其中，人皮肤之上的隐藏层叠还包括足够小厚度、密度或质量的覆盖物，以及
其中，隐藏层叠还包括位于隐藏层叠内任何位置并且由与异常或屏蔽物相同类型的材料构成的一个或多个干扰物成分。
2.如权利要求1所述的系统，其中时间域数据获取系统确定隐藏层叠不包含异常或屏蔽物。
3.如权利要求2所述的系统，其中覆盖物进一步包括天然或合成布料、皮革、橡胶、乙烯基、纸、和/或塑料。
4.如权利要求1所述的系统，其中时间域数据获取系统被配置为确定干扰物的体积、密度或质量小于被认为是异常的阈值。
5.如权利要求4所述的系统，其中隐藏层叠还包括放在隐藏层叠内任何层次的一个或多个异常，其中异常是具有比阈值更大的厚度、横向范围、体积、密度或质量的物体。
6.如权利要求1所述的系统，其中时间域数据获取系统被配置为，通过与隐藏层叠内良性材料相比来调整异常材料的电磁性质的阈值，和当波形包含用于指示隐藏层叠内的物体超过调整后的阈值的一个或多个特征时将来自系统的测量结果评估为异常，选择将被认为是异常的针对厚度、横向范围、体积、密度或质量的数量阈值。
7.如权利要求1所述的系统，其中电磁脉冲跨越0.04至4THz的太赫兹光谱区域。
8.如权利要求1所述的系统，还包括光源，该光源将被照亮的图案投影到接受测试的人身上的隐藏层叠上，从而指示检查区域。
9.如权利要求1所述的系统，还包括连接到电磁发送器和电磁接收器的光纤，其中飞秒激光脉冲从源通过光纤被指引到电磁发送器和电磁接收器。
10.如权利要求9所述的系统，还包括位于源和电磁发送器或电磁接收器之间的补偿器，其中补偿器补偿脉冲，使得脉冲在电磁发送器或电磁接收器足够短。
11.如权利要求10所述的系统，其中补偿器是光栅序列、棱镜序列、光纤布拉格光栅，或者不规则散射光纤。
12.如权利要求1所述的系统，还包括连接到检测探针的传感器，其中该传感器被配置为以空间或角度的一个或多个维度提供检测探针的位置的坐标。
13.如权利要求1所述的系统，还包括连接到检测探针的传感器，其中该传感器被配置为以与从隐藏层叠反射的波形不同的形态进行检测并且询问人身上隐藏层叠的基本上同一区域。
14.如权利要求1所述的系统，还包括连接到检测探针的辅助发送器，其中该辅助发送器被配置为发送α、β、x射线或γ射线。
15.一种关于对应于指示人身上隐藏层叠的区域内的异常的特征的标准来评估时间域反射波形的方法，该方法包括步骤：
利用从位于动态定位探针中的发送器指引的电磁脉冲来照亮隐藏层叠；
由探针内的接收器收集波形；
将所述波形解析成对应于隐藏层叠内反射界面的正或负向峰值候选组；及
如果候选组内的一个或多个峰值数量上对应于根据候选组中的一个或多个峰值之间的一个或多个时间差计算出的一个或多个阈值，则确定异常是否存在，
其中，人皮肤之上的隐藏层叠还包括足够小厚度、密度或质量的覆盖物，以及
其中，隐藏层叠还包括位于隐藏层叠内任何位置并且由与异常或屏蔽物相同类型的材料构成的一个或多个干扰物成分。
16.如权利要求15所述的方法，还包括步骤：利用预先记录的参考反射波形将所述波形去卷积。
17.如权利要求16所述的方法，其中预先记录的参考反射波形是从空气-金属界面的单一反射。
18.如权利要求15所述的方法，还包括步骤：根据波形中的峰值随着时间关于第一峰值的相对增加来调整峰值的振幅，用于补偿当隐藏层叠的厚度增加时由于居间隐藏的损失。
19.如权利要求15所述的方法，还包括步骤：根据在波形中的第一峰值之后的相对个数来调整峰值的振幅，用于补偿当隐藏层叠的厚度增加时由于居间隐藏的损失。
20.如权利要求15所述的方法，还包括步骤：如果波形中的任一个峰值落在最小或最大时间窗口之外，就不评估波形，以用于降低假警报率。
21.如权利要求15所述的方法，还包括步骤：
将候选组内的峰值按从小到大的时间进行排序；及
确定第一和第二峰值之间的时间差是否超过最小阈值。
22.如权利要求15所述的方法，还包括步骤：如果候选组中的正向峰值超过对应于来自良性隐藏的最大预期反射振幅的阈值，则确定异常的存在，其中，在该正向峰值之后必须存在附加的峰值。
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