测控技术在违禁品探测中的应用

1、引言

　　在全世界范围内，恐怖爆炸事件呈上升趋势，尤其在民用航空业。近几年来，据不完全统计，恐怖爆炸事件达上万次，给人类的生命与财产造成了巨大的损失。已经严重影响了世界的和平与发展。特别是“911”事件后，反恐、防恐出现了新的形式，迫切需要发展先进的爆炸物检测技术。

　　近年来计算机技术、信息技术、网络技术有了飞速发展，为多种领域提供了良好的技术手段。随着新的测控技术在物质探测领域应用，使得探测装置具有了智能化、高灵敏度、高分辨能力和适应复杂环境的能力。本文中所介绍的违禁品探测系统，主要指的是爆炸物品的探测。

2、系统设计

2.1 系统的设计原理

　　针对爆炸物品的探测，我们采用的是核电四极矩共振的方法。其原理为：爆炸物品大多均为含氮的结晶固体，氮原子核是变形核，其电荷分布不成球对称，因而具有电四极矩。氮原子核的核电四极矩共振（NQR，Nuclear Quadruple Resonance）原理可以用来检测爆炸物品。许多物质都含氮-14，氮-14原子核在不同的化学环境中具有不同的NQR共振频率等。到目前为止，实验上已经对10,000多种化合物进行过研究，还未发现其中有相同的共振频率，每种物质都有其特征共振频率。因此利用氮原子核的核电四极矩共振技术可以对行李包裹中的爆炸物进行指纹式的检测。


2.2 系统组成

　　爆炸物探测系统主要由探头及匹配系统、射频发射系统、接收系统、计算机系统及接口、控制软件等部分组成。

2.3 硬件设计

2.3.1 计算机系统及接口

　　计算机控制系统是整个系统的中枢部分，主要完成对整个测量过程的时序控制以及对采集到的数据进行处理和分析并输出检测结果的功能。接口卡主要使用的是步进电机控制卡、数据采集卡等，接口部分中的ADC对检波后的模拟信号进行模数变换以输入计算机，时序控制部分负责输出各个部分的时序控制信号以协调各个部件的工作。其硬件框图如下：


2.3.2 射频发射系统

　　主要功能是向探头发射共振频率，具体实现是由计算机控制信号源产生一定频率的信号输出到探头部分。这部分主要由脉冲产生器系统、射频发射控制门、功率放大器和滤波单元等组成。

2.3.3 探头及匹配单元

　　主要实现激发射频脉冲的发射和NQR信号的接收。探头部分在激发状态下实现射频信号的发射，而在接收状态下实现NQR信号的感应接收。

2.3.4 自动调谐单元

　　每次进行检测时，由于检测对象的变化，会影响探头的共振点，为了保证每次检测探头均能处于最佳的工作点，就需要对探头进行调谐。系统中使用的运动控制卡是研华公司生产的三轴高速步进电机驱动卡，其硬件由集成的三路单片脉冲发生器、功能控制与译码芯片、16路TTL电平I/O模块、脉冲及转向信号输出与开关输入的光耦隔离电路等构成。自动调谐的目的就是通过计算机控制探头回路中的可变电容C的值，使得探头的接收功能和发射功能同时处于最佳的工作状态。

2.3.5 接收系统

　　这部分主要有低噪声NQR信号放大器，数字信号处理等。

2.3.6 报警系统

　　根据检测结果，给出准确的报警信号。

2.4 软件设计

2.4.1 系统软件的结构及执行过程

　　软件启动后，按下主界面上的启动按钮，软件首先进行自动调谐，调谐完成后进行探测，即FID（自由感应衰减信号）数据的采集，接下来对采集到的数据进行信号处理和分析，作快速傅立叶变换获得频谱图，然后根据所设定的域值对检测分析结果进行判断并报警。系统软件的结构见下图：


2.4.2 软件各模块的功能介绍

　　系统软件是在Window Xp操作系统下开发完成的，本系统选用的开发平台是美国NI公司开发的32位面向计算机测控领域的软件开发平台LabWindows/CVI,它是以工程文件为主体框架，包括C语言源代码文件、头文件和用户界面文件，可生成可执行文件，而且它还提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，如DLL、DDE、ActiveX等，具有强大的网络功能。数据分析及处理我们选用的开发平台为美国Mathwork公司的Matlab, Matlab是一种解释性语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。Matlab和其它高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓展了Matlab的应用潜力。本系统软件就是LabWindows/CVI与Matlab混合编程的一个实例。

　　用户主界面：所有操作均可在此界面下完成，软件设计采用下拉式菜单及弹出窗口的通用方式，便于操作和使用，如系统参数输入修改窗口，数据的采集及处理窗口，数据分析窗口及报警显示窗口。

　　系统参数的设置模块：主要完成探测系统工作时所用到的各个参数的设置和修改。自动调谐模块：主要完成对探头的自动调谐功能，每改变一次调谐电容的值，都要通过ADC采集一次匹配检测电路输出的直流电压值，通过绘制探头调谐曲线，找出最佳调谐点，固定此时的电容值，然后才开始进行探测。

　　数据采集模块：本模块主要完成激发脉冲的产生以及FID数据的获取，为了进一步提高系统的信噪比，软件对采集到的信号进行多次累加。

　　数据分析模块：本模块主要完成对采集到的数据进行傅立叶变换，从而得到频谱信息，为判断和报警模块提供依据。

　　判断及报警模块：该模块对傅立叶变换后的数据进行频谱分析，判断的依据是分析频谱中是否出现共振峰，从而可以判断被检测物中是否含有违禁品，并通过软件相应窗口中指示灯的方式给出报警。

3、系统的测试实验及结果

3.1 NaNO2 样品的测试

　　样品为油状的NaNo2,采用3.60293的射频脉冲激发,采样点为512点，脉冲个数为64。


　　3.2样品为黑索金RDX，采用5.189805的射频脉冲激发，采样点为256点，脉冲个数为12。
4、结束

　　本系统将先进的测控技术应用于违禁品探测领域，简要介绍了检测方法以及硬件和软件具体设计方案。软件部分应用了专用测控仪器开发软件LabWindow/CVI以及数据分析软件Matlab,通过软硬件的调试，有效地探测出了违禁物品，并通过对实际样品的测试，给出了测试结果。