安检机是怎么工作的？你想了解的都在这了

出品|网易新闻

作者|常松，清华大学材料加工工程系博士

“为了您和他人的乘车安全和便捷，请遵守相关规定，自觉接受安检！”——这句话已经成为了火车站、机场、地铁进站的标准BGM。

对于这个安装传送带的方盒子机器，来去匆匆的我们大都见怪不怪。但是，在世界普遍不太平，很多国家面临恐怖主义威胁的今天，安检设备成为了很多公共场所的“刚需”。

那么，这些“透视眼”是怎么工作的？面对世界日益增长的安检机市场，中国制造表现如何？

人进入安检机，究竟有多大危害？

某一年春节前夕，东莞的安检小哥在显视器上突然看到了这么一个画面：

在显视器上突然出现的一个人形图像，把安检人员吓得不轻。安检员发现后立即停机，随后在安检机出口出来的还真的是一个大活人。

原来，一位女性乘客在听到“请将随身小包放入安检机内接受安检”的提示后，担心随身小挎包内的钱财丢失，竟连人带包钻入了安检机。

其实，检测人的影像本来也是安检机的功能之一。在大型港口集装箱的检测中，X射线安检设备就是检测偷渡的利器。现在常见的安检设备主要的原理都是利用物理化学方法，对于一些物质进行特定的信号捕捉，从而进行形态、成分的检测。

比如，常见的安检门、手持金属探测器，是利用金属导电体受交变电磁场激励时在金属导电体中产生的涡电流，对涡电流进行检测从而发现金属物体；机场入口检测爆炸物痕量的“擦试纸”，是利用不同成分的分子在外加电场中漂移速度（用“迁移率”表示）的不同进行成分检测，特别擅长区分毒品、爆炸物等有机大分子；而在可疑液体检测中，则是利用了介质在外电场作用下极化程度（用“介电常数”表示）不同，来区分低介电常数的易燃液体。当然，大家绝大多数的时候选择的是更简便的方法“试喝一口”。

（常见安检设备）

在众多的安检设备中，使用最早、应用最广的仍然是X射线检测设备。在上文提到的进入安检机的女乘客的新闻出现后，有专家提示安检机的X射线辐射对人体有伤害，那么对她会有多大的伤害呢？

在网络上，安检机辐射的安全问题曾一度传出谣言，甚至还有人担心被辐射之后的食物会变质。其实，虽然同样是利用X射线照射被检测对象获得对象内部图像，但是安检机的辐射远远小于医用X光设备。这主要是因为，安检设备并不需要达到医疗诊断级别的分辨率，仅仅是对于不同物质进行区别成像。

根据国家标准GB15208.1-2005规定，X光安检仪的单次检查剂量不应大于5μGy /h（电流辐射能量、吸收剂量单位），同时在距离设备外表面5厘米的任意位置（包括设备入口、出口处），X射线剂量都应小于5μGy /h，此标准与美国FDA的标准相同。

而实际上安检机的X射线辐射剂量比国家标准要低很多，以北京地铁使用的某品牌X射线安检设备为例，根据企业技术资料显示，单次检测的辐射剂量在0.5μGy，外表面5厘米处的辐射剂量为0.7-0.8μGy /h，仅为国家标准上限的十分之一。（注：“吸收剂量”（absorbed dose）即每千克人体组织吸收辐射的能量大小，单位 “戈瑞”（gray），用符号 Gy表示。1Gy=1J/kg）

而根据联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）报告的数据，一次医疗X光胸透检查的辐射剂量为50μGy。

如果非要拿二者比较的话，钻进安检机100次才能达到一次胸透接受的辐射剂量。当然，辐射剂量不是简单叠加的，就好比说泡了1小时40℃的热水澡不等于泡了半小时80℃的热水，它们对人体的作用是完全不同的。

而对于我们自己的行李们，它们在安检机下其实是这种画风：

（小拉车上带了些单薄的衣服）

（心形的小礼物）

（朋友来了有好酒）

（90后给小侄子的直升飞机）

（炒勺）

（大吉大利，今晚吃鸡）

（女士的高跟鞋和其他不可描述的东西）

（加班族包里的电脑，雨伞和瓶子）

（一个吉他的旅行）

X射线安检设备是如何“透视”的？

透视，是人类一直追求的一种“超能力”，X射线的发现和应用让“透视”成为了现代检测手段之一。

X射线与不同物质发生相互作用，主要有4种：光电效应，瑞利散射，康普顿效应和电子对效应。简单来说就是，射线遇到物体后，有如下几种情况：或透过、或被吸收、或被散射。通过检测这些不同的信号就能判断物体的形态和成分。

这其中最有价值的信息是，从理论上来讲，已知物体的密度和有效原子序数，就可以准确地确定物质的类型。

（X射线成像下的枪）

早期的安检设备是采用单个X射线发射源，图像处理也比较单一，还是黑白影像。（其实相当多医用、科研用X射线仪器都是黑白像）。这还不算什么，早期安检设备的最大缺点，是由于Ｘ射线的衰减与被测物质的密度、厚度和平均原子序数都有关系，当多重因素叠加影响时就很难判断了。

比如，在安检过包时，透射后得到的数据图像是不能很好地对一个高原子序数、低厚度的物品与一个低原子序数但是高厚的物品进行有效区分的。

（双能系统探测器示意图）

而现在的安检设备已经采用多个发射源进行多视角的立体成像，而且图像处理也能彩色显示。这主要是由于双能系统的不断开发升级。

双能系统一般由一个连续能谱的Ｘ射线源及一套能够分别接收高低能数据的探测器系统组成。对于高能和低能，不同平均原子序数的物质的衰减程度是不一样的——低原子序数的物质衰减剧烈，高原子序数的物质衰减平缓。

因此在双能系统中，高能和低能在同一种物质中的衰减程度是不一样的，通过对高能和低能不同衰减系数的运算和比较，就可将不同种类、不同厚度的物质有效地区分开来。再配合上后期图像信号处理，就能很明显反映出物体的成分和结构。

（探测器高低能量光谱反应）

简单来说，橙色代表有机物，例如食品、水、塑料等；书本、陶瓷等显示为绿色；金属则显示为蓝色。这时，安检员快速查看X射线扫描的透视图像，就能凭借丰富的经验判断是否有违禁品。

因此，在整个检测过程中，处理控制、电源、传送之外，安检最核心的部件便是由3个系统组成——X射线发射系统、信号探测系统、图像处理系统。

安检设备的“光源”就是一组工业用X射线管。它包含有阳极和阴极两个电极，分别用于接受电子轰击的靶材和发射电子的灯丝。两级均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内。当高速电子到达靶面，运动突然受到阻止，其动能的一小部分便转化为辐射能，以 X 射线的形式放出。

目前，国产的安检仪中使用的X射线管额定电压为80-160KV不等，最大达到800W。一个工作电压150KV的发射器可以发出顶角为60°的圆锥形X射线束，经过准直器后变成角度为60°的扇形平面射线束。

（常用检测管性能参数）

探测系统主要用途是接收射线并将其转化为电信号供计算机后续处理，是安检设备中的传感枢纽。

过去的探测方式属于计数探测器，通过电脉冲信号来检测，当带电粒子进入探测器后，与物质发生相互作用，不论是激发还是电离，最终以电脉冲的方式来表达入射粒子的信息。如今的安检设备中主要使用的是闪烁晶体－光电管探测器。Ｘ射线被探测器吸收穿过探测器表面的不透明物质到达内部的闪烁体，使闪烁体放光，光线经由反射面的反射最终透过透明薄膜层到达光电二极管，光电二极管将光信号转化为电信号传输至ＰＣ机进行处理。

（闪烁晶体－光电管探测器结构）

双能系统中的高能和低能两部分信号也是通过两种探测器进行识别的。它们在结构上是类似的，不同之处在于闪烁体的厚度，高能探测器闪烁体的厚度比较厚，一般在5ｍｍ左右，低能探测器闪烁体的厚度比较薄，一般在1ｍｍ左右。

在高能探测器的表面一般会覆盖一块铜片，它的主要用途是滤波，滤除X射线的低能部分，留下高能部分用来给高能探测器接收。

（Ｌ型探测器阵列）

在安检设备中，通常会将这些探测器布置成一定的阵列。Ｘ射线安检设备一般使用的是Ｌ型探测器阵列，由多组高低能闪烁探测器组成。Ｘ射线源正对Ｌ型探测器阵列最末端的一个探测器，以扇形的方式照射整个过包通道并被Ｌ型探测器阵列接收。根据安检设备的型号不一样，每一个Ｌ型探测器阵列由多块探测器组成，每一个探测器又由多个探测点组成，每一个探测点代表安检图像的一个像素点。探测器上像素的尺寸仅为1.5mm×1.5mm。

探测器中的闪烁体将Ｘ射线转换为可见光，然后光电倍增管会将可见光转换为电信号。而将电信号最终成像就是图像处理模块的功能了。来自探测器的电信号先被放大，并经过A/D芯片量化后传输至PC端的上位机软件。图像处理软件是各大制造商的“看家本领”。

简单来说，就是将得到的高能和低能的灰度图，根据其成分和厚度的不同进行融合和着色。其实，安检机的彩色图像是一种“伪彩色图像”，它不像数码相机等的拍摄画面，而是只有灰度信息，然后根据一定的算法给予灰度图色彩。

根据前文所说，X射线安检设备检测的重要参数就是等效原子序数。国家安检标准规定，等效原子序数小于10的物质是有机物，根据厚度的不同赋予不同饱和度的澄色；等效原子序数高于18的物质是无机化合物，根据厚度的不同赋予不同饱和度的蓝色；等效原子序数介于10到18的物质是混合物，根据厚度的不同赋予不同饱和度的绿色。

（常见危险品图像）

所以，在安检机的屏幕上看，人和食物、塑料包都是橙红色，炒锅、雨伞是蓝色，枪支、弹药、刀具都是蓝色，而大分子有机物的混合成分的炸药是绿色。

当安检机遇到人工智能，会发生什么？

火车站安检中，总能看到安检人员的身影，这同时也带来了人工成本高、误判漏判、经验性依赖等问题，特别是在海关、机场等关键场所，误判、漏判等为走私犯罪、运输安全带来隐患。随着人工智能的发展，在未来，能够自动识别危险物品、违禁品的智能系统将成为安检机发展的趋势。

目前，中国的安检设备制造已经提出了智能云查验整体解决方案。

该方案采用先进的云计算、大数据、图像智能识别技术，结合海关业务数据，建立国家级海关查验云平台，统一存储海量多维数据，支持用户间的审图经验共享，构造基于全量数据的多模态分析模型，实现高并发，实时处理海量查验数据，对扫描图像智能分析，有效支持国家级海关100%快速查验业务，有效避免查验率低、误判率高的风险。

与此同时，中国也在开发基于神经网络的机器学习的智能安检设备。目前，该设备已经具备200-1000亿次/秒的图形运算能力，可以自动识别肉眼难以辨认的复杂背景后的枪支，可识别常见的一百种以上刀具、数十种30种以上枪支、常见的上百种瓶装液体、一百种以上的锂电池。而且，经过大数据分析，甚至能查验出分批寄运的枪支零件。

更为智能的检测设备，也将使世界更加安全。

虽然现如今出现在公共场所的安检设备已经渐渐走向低成本、小型化，但是从整个安检设备行业来说，这其实是一个高技术门槛的行业。

5年前，世界安检设备的市场份额中，中国只占有一席，而如今，随着众多发展中国家纷纷举办世界级赛事、“一带一路”的战略背景、世界公共安全面临恐怖主义威胁加剧等因素，中国在世界安检设备市场上开始扮演日益重要的角色。

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