CN109001834A - 一种基于主动式太赫兹安检方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于危险品检测方法领域，尤其涉及一种基于深度学习的太赫兹危险品检测方法。一种基于主动式太赫兹安检方法，方法如下：构建危险品数据库；将上述正样本和负样本采用机器学习算法或深度学习算法进行训练，得到检测危险物品的分类器；危险品检测。本发明提高安检效率，并节省安检成本，能够快速定位并识别人体携带的危险物品，安全无辐射，实现对人体携带金属和非金属的危险物品进行非接触式安检。

Description

一种基于主动式太赫兹安检方法

技术领域

本发明属于危险品检测方法领域，尤其涉及一种基于深度学习的主动式太赫兹安检方法。

背景技术

光谱技术研究生物材料的一个重要技术手段，近代化学和物理学的发展，不仅为有机分子结构奠定了理论基础，同时也为先进的机械工业和电子工业提供了必要的设备条件。

太赫兹是指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，它是一种波长介于红外线与微波之间的电磁波，由动植物自身产生并向外辐射。太赫兹人体安检仪的主要工作原理是太赫兹被动式成像技术，通过接收人体发出的太赫兹波并处理转换，形成人体的太赫兹图像。当人所穿衣物中隐藏有物品时，物品就会吸收和阻拦太赫兹波的正常轨迹，使得成像中对应物品所在的位置和人体背景之间产生强度对比，从而探知物品的存在。

太赫兹光谱技术是近年来国际上发展起来的一种新技术，应用THZ时域光谱技术能迅速、方便、有效地检测出危险物品，是一种有效检测危险物品的新方法。利用太赫兹光谱和成像技术不仅可以测量物体的形状，而且测量所得的光谱信息可用于目标识别。不同的危险物品在太赫兹波段具有明显的吸收峰。

太赫兹安检系统可以检测金属、液体、胶体、陶瓷、粉末等物品，检测范围比较全面，满足了我国新形势下反恐维稳的安检需求，使得安检更加有效、可靠、安全。基于主动式和被动式太赫兹安检设备主要用于民航系统、火车站、地铁等轨道交通、体育场馆、博物馆等重要公共场所。

目前，检测方法多种多样,爆炸物检测技术主要包括电子捕获检测技术、X射线法、中子法、电磁测量法等，这些方法在实际应用中均存在着一定的局限性。

电子捕获检测器(Electron Capture Detector，ECD)，该设备可以用于检测炸药蒸汽，其价格低廉，响应速度快，灵敏度高，缺点是不专一。ECD的工作机理非常复杂，操作难度大，不同的ECD设备会产生不同的分析结果，这对检测工作带来困难。

气相色谱法适用于分析具有一定蒸气压且热稳定性好的组分，对气体试样和受热易挥发的有机物可直接进行分析，其特点是柱容量小，分离效率和检测灵敏度高，可用于复杂样品、微量和痕量组分的分析。

基于X射线的全身扫描因涉及到人身健康及隐私等问题，一直不能为公众所接受。

目前基于被动式的安检设备智能检测到物品所在的位置和大小，并不能识别物品的材质。

现有的检测识别方法，对于太赫兹图像的危险品目标检测漏检率的错误率和识别错误率较高，不适合太赫兹图像中的危险品的目标检测识别。

发明内容

目前，机场的安检通常采用＂金属口＂配合搜身检查的模式，这就会带来效率低下及隐私侵犯等一系列问题。为解决上述问题，并实现对密集人群中可能存在的携带刀具、炸药等违禁品的恐怖分子的快速预警，亟需发展站开式扫描安检技术。

本发明的技术方案在于：

一种基于主动式太赫兹安检方法，该方法如下：

构建危险品数据库：一方面搜集国家安检部门规定的危险物品；另一方面搜集采用主动式太赫兹设备对人体携带的危险物品；对采用主动式太赫兹设备对人体携带的危险物品进行提取光谱信息特征并进行归一化；将上述危险物品标记为正样本，并添加常见的人体携带的安全物品和非危险物品作为负样本；将标记好的正样本和负样本添加至危险品数据库中；

将上述正样本和负样本采用机器学习算法或深度学习算法进行训练，得到检测危险物品的分类器；

危险品检测：采用被动式太赫兹安检仪采集人体太赫兹图像，获得人体区域，对定位的人体区域进行目标检测和定位，获取人体携带的危险物品的位置和大小，对危险物品进行主动式太赫兹进行光谱分析，提取人体携带危险物品的光谱信息特征，通过分类器对光谱信息特征进行识别判断，若识别出该物品为危险物品，则将该危险物品的光谱特征加入至危险品数据库，并进行报警处理。

其中，所述危险品检测中提取光谱信息特征的方法如下：

首先测得太赫兹通过自由空间时产生的与时间相关的量脉冲；

太赫兹穿过待测危险物品后，观察其与时间相关的函数a为伸缩因子，b为平移因子；将前后测得的关于时间的函数进行傅里叶变换，，得到光谱信息参考光谱和信号光谱

从而，

其中，a为待测样品的吸光系数，d为样品厚度，n为危险样品的折射率，ω为角频率，c是光在真空的速度，κ为消光系数；

根据傅里叶变换知识，可以得出测量中所使用的太赫兹波可以看成是不同频率分量的叠加，其中每一个频率分量表示为

其中，k＝ω/c为电磁波波数；φ₀初始相位，z为空间位置；

在投射光谱中，透过危险物品之后的太赫兹波电场为：

其中，和为太赫兹电场通过待测危险物品的双界面的透过率，其中a＝kκ；

待测危险物品的吸收率为：

其中I₀为初始太赫兹波的功率，I_s为通过待测危险物品的功率，m为待测危险物品质量；a为单位质量的吸收率。

所述的归一化的方法如下：

对数据进行标准化处理

式中是x_j的样本均值；s_j是x_j的样本标准差；标准化处理后的矩阵为X；

计算标准化数据矩阵的协方差V，V是X的相关系数矩阵；

求V的前m个特征值λ₁≥λ₂≥…≥λ_m，以及对应的特征向量a₁,a₁,…a_m；

求第h主成分其中a_hj是a_h第j个分量；即，主成分F_h是原变量x₁x₂....x_p的线性组合，组合系数为a_hj。

本发明的技术效果在于：

(1)、提高安检效率，并节省安检成本。

(2)、能够快速定位并识别人体携带的危险物品。

(3)、安全无辐射，实现对人体携带金属和非金属的危险物品进行非接触式安检。

(4)、太赫兹能够穿透很多非金属和非极性材料，可以利用THZ探测隐藏在这些包装材料中的危险物品。太赫兹波的能量比较低，不会导致生物组织电离，可以对人体、生物材料等进行无损检测。

附图说明

图1为本发明一种基于主动式太赫兹安检方法的流程图。

图2为参考信号及4种危险物品的太赫兹(a)时域光谱和(b)频域光谱图。

具体实施方式

一种基于主动式太赫兹安检方法，该方法如下：

构建危险品数据库：一方面搜集国家安检部门规定的危险物品；另一方面搜集采用主动式太赫兹设备对人体携带的危险物品；对采用主动式太赫兹设备对各个不同年龄段的人进行太赫兹信息提取，比如小孩、老人、女性、男性等；并对不同人体的不同部位的危险物品进行太赫兹光谱信息特征提取并进行归一化；以消除特征数据中的噪声。目前太赫兹光谱的噪声主要来自高频随机噪声、基线漂移、信号本底、危险物品厚度不均匀、光散射等,采用归一化处理用于消除光程的变化或样品的稀释等变化对光谱响应产生的影响。同时对提取的数据进行筛选，尽量从原始光谱数据中选取有用的数据，剔除无用的数据，以减少以后的计算工作量。

其中，提取人体携带物品的太赫兹光谱信息特征及太赫兹光谱信息特征提取的方法如下：太赫兹频谱技术是利用THz脉冲透射危险物品或在危险物品表面发生反射,通过待测危险物品后的太赫兹的时域电场强度发生变化，经过傅里叶变换，变换到频域里面，通过分析和处理频域信号即可获得被测样品的折射率、吸收系数、消光系数等相关参数,从而实现物质识别特征参数信息。

将上述危险物品标记为正样本，并添加常见的人体携带的安全物品和非危险物品作为负样本；将标记好的正样本和负样本添加至危险品数据库中；

将上述正样本和负样本采用机器学习算法或深度学习算法进行训练，得到检测危险物品的分类器；

危险品检测：采用被动式太赫兹安检仪采集人体太赫兹图像；对采集的太赫兹图像进行预处理，增强等造作，然后对人体区域进行检测定位，获取人体区域。对定位的人体区域进行目标检测和定位，获取人体携带的危险物品的位置和大小，对危险物品进行主动式太赫兹进行光谱分析，提取人体携带危险物品的光谱信息特征，通过分类器对光谱信息特征进行识别判断，若识别出该物品为危险物品，则将该危险物品的光谱特征加入至危险品数据库，并进行报警处理。

其中，所述的危险品检测中提取光谱信息特征的方法如下：

首先测得太赫兹通过自由空间时产生的与时间相关的量脉冲；

太赫兹穿过待测危险物品后，观察其与时间相关的函数a为伸缩因子，b为平移因子；将前后测得的关于时间的函数进行傅里叶变换，，得到光谱信息参考光谱和信号光谱

从而

其中，a为待测样品的吸光系数，d为样品厚度，n为危险样品的折射率，ω为角频率，c是光在真空的速度，κ为消光系数；

根据傅里叶变换知识，可以得出测量中所使用的太赫兹波可以看成是不同频率分量的叠加，其中每一个频率分量表示为

其中，k＝ω/c为电磁波波数；φ₀初始相位，z为空间位置；

在投射光谱中，透过危险物品之后的太赫兹波电场为：

其中，和为太赫兹电场通过待测危险物品的双界面的透过率，其中a＝kκ；

待测危险物品的吸收率为：

其中I₀为初始太赫兹波的功率，I_s为通过待测危险物品的功率，m为待测危险物品质量；a为单位质量的吸收率。

所述的归一化的方法如下：

对数据进行标准化处理：

式中是x_j的样本均值；s_j是x_j的样本标准差；标准化处理后的矩阵为X；

计算标准化数据矩阵的协方差V，V是X的相关系数矩阵；

求V的前m个特征值λ₁≥λ₂≥…≥λ_m，以及对应的特征向量a₁,a₁,…a_m；

求第h主成分其中a_hj是a_h第j个分量；即，主成分F_h是原变量x₁x₂....x_p的线性组合，组合系数为a_hj。

Claims (3)

1.一种基于主动式太赫兹安检方法，其特征在于，该方法如下：

构建危险品数据库：一方面搜集国家安检部门规定的危险物品；另一方面搜集采用主动式太赫兹设备对人体携带的危险物品；对采用主动式太赫兹设备对人体携带的危险物品进行提取光谱信息特征并进行归一化；将上述危险物品标记为正样本，并添加常见的人体携带的安全物品和非危险物品作为负样本；将标记好的正样本和负样本添加至危险品数据库中；

将上述正样本和负样本采用机器学习算法或深度学习算法进行训练，得到检测危险物品的分类器；

危险品检测：采用被动式太赫兹安检仪采集人体太赫兹图像，获得人体区域，对定位的人体区域进行目标检测和定位，获取人体携带的危险物品的位置和大小，对危险物品进行主动式太赫兹进行光谱分析，提取人体携带危险物品的光谱信息特征，通过分类器对光谱信息特征进行识别判断，若识别出该物品为危险物品，则将该危险物品的光谱特征加入至危险品数据库，并进行报警处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于主动式太赫兹安检方法，其特征在于，所述的危险品检测中提取光谱信息特征的方法如下：

首先测得太赫兹通过自由空间时产生的与时间相关的量脉冲；

太赫兹穿过待测危险物品后，观察其与时间相关的函数a为伸缩因子，b为平移因子；将前后测得的关于时间的函数进行傅里叶变换，，得到光谱信息参考光谱和信号光谱

从而，

其中，α为待测样品的吸光系数，d为样品厚度，n为危险样品的折射率，ω为角频率，c是光在真空的速度，κ为消光系数；

根据傅里叶变换知识，可以得出测量中所使用的太赫兹波可以看成是不同频率分量的叠加，其中每一个频率分量表示为

其中，k＝ω/c为电磁波波数；φ₀初始相位，z为空间位置；

在投射光谱中，透过危险物品之后的太赫兹波电场为：

其中，和为太赫兹电场通过待测危险物品的双界面的透过率，其中a＝kκ；

待测危险物品的吸收率为：

其中I₀为初始太赫兹波的功率，I_s为通过待测危险物品的功率，m为待测危险物品质量；a为单位质量的吸收率。

3.根据权利要求2所述的一种基于主动式太赫兹安检方法，其特征在于，所述的归一化的方法如下：

对数据进行标准化处理：

式中是x_j的样本均值；s_j是x_j的样本标准差；标准化处理后的矩阵为X；

计算标准化数据矩阵的协方差V，V是X的相关系数矩阵；

求V的前m个特征值λ₁≥λ₂≥…≥λ_m，以及对应的特征向量a₁,a₁,…a_m；

求第h主成分其中a_hj是a_h第j个分量；即，主成分F_h是原变量x₁x₂....x_p的线性组合，组合系数为a_hj。