金屬探測安檢技術及其評估方法研究

李妍 劉玫

（國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100070）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，國際安全形勢也變得復雜起來，交通系統(tǒng)的安全保衛(wèi)工作受到各國政府和社會各界的重視。2001年，“9·11”恐怖襲擊事件為國際社會敲響安全的警鐘，使世界各國認識到必須構建更加完善有效的安檢體系。近年來，國內(nèi)外恐怖分子通過自身攜帶的違禁品對飛機實施非法干擾的事件時有發(fā)生。2007年1月24日，蘇丹西部航空公司一架客機遭到持槍者劫持。2009年12月25日，一架從荷蘭阿姆斯特丹飛往美國底特律的航班上發(fā)生炸機未遂事件。2012年6月29日，新疆和田發(fā)生暴力劫機事件。2015年7月26日，臺州飛往廣州的飛機上發(fā)生持兇器縱火事件。因此，隨著對旅客人身安全的重視程度提升，各國均加大了對安檢技術的科研投入力度。

金屬探測安檢技術是人身安檢領域中應用最廣泛的一項技術，也是中國現(xiàn)階段交通系統(tǒng)人身安檢的主要技術，分為通過式金屬探測門和手持式金屬探測器。對金屬物品探測能力的高低將決定著金屬探測安檢設備能不能探測到金屬、能夠探測到哪些種類的金屬，以及能夠探測到多大量的金屬。因此，對此類設備的性能進行評估具有重大意義，將會影響對人身攜帶金屬違禁品的檢查能力。

1 國內(nèi)外應用現(xiàn)狀

第一臺金屬探測器誕生于1960年，當時主要用于尋找金屬礦物質(zhì)。20世紀70年代，隨著航空運輸業(yè)的迅速發(fā)展，針對飛機的恐怖襲擊事件也在不斷增多，開始使用金屬探測技術來查找危險違禁品。20世紀70年代初，芬蘭麥特瑞克安全產(chǎn)品公司（METOREX）生產(chǎn)了世界上第一臺用于安檢的步行通過式金屬探測門，并在美國芝加哥機場投入使用。隨著金屬探測技術在機場安檢工作中的成功應用，進而推廣到政府重點場所、監(jiān)獄、大型集會的安保工作中。由于通過式金屬探測門的檢測速度快，可滿足較大的人流量需求，也逐步應用于其他場合中，如火車站、地鐵站等。

從20世紀90年代開始，金屬探測技術的應用范圍逐漸擴大。隨著電子制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，芯片、集成電路板，以及最新的電子產(chǎn)品都成為重點保護對象，越來越多的生產(chǎn)型企業(yè)也將通過式金屬探測門（見圖1）當作防盜和保密的手段。隨著社會安全形勢日趨復雜，醫(yī)院、酒店等易出現(xiàn)人員沖突的地方也開始使用通過式金屬探測門，防止槍支、刀具等危險違禁物品進入。

圖1 典型的通過式金屬探測門示意圖

手持式金屬探測器（見圖2）既可單獨使用，也可和通過式金屬探測門配合使用。一般情況下，人員在通過式金屬探測門時如果發(fā)生報警，安檢人員根據(jù)通過式金屬探測門顯示的報警位置，用手持式金屬探測器對目標位置進行搜查。不僅能有效地防止漏報，還能大大提高檢測效率。

圖2 典型的手持式金屬探測器

目前，通過式金屬探測門和手持式金屬探測器已成為全球機場主要的人身安檢技術。美國負責交通安檢工作的運輸安全管理局（Transportation Security Administration，TSA）把通過式金屬探測門作為“主要的掃描航空旅客設備”，并在美國400個機場部署了2 000多臺。同時，TSA在《安檢通道設計指南（CHECKPOINT DESIGN GUIDE）》中列舉了通過式金屬探測門的尺寸、重量及供電、場地等的要求。歐盟和加拿大、澳大利亞等都使用通過式金屬探測門作為人身安檢的主要設備。

中國機場普遍以通過式金屬探測門作為人身安檢的第一級設備、以手持式金屬探測器作為人身安檢的第二級設備。目前，中國民用機場在用通過式金屬探測門有3 000多臺，其中絕大多數(shù)是由CEIA、Smiths Detection和Rapiscan等國外企業(yè)生產(chǎn)的。國內(nèi)地鐵站和火車站也采取同樣的安檢方式，使用的設備大部分是由國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的。

2 技術現(xiàn)狀

一般來說，通過式金屬探測門由控制器、發(fā)射門板和接收門板組成。控制器可產(chǎn)生不同頻率的調(diào)制波形，經(jīng)濾波電路和放大電路后，通過線圈發(fā)射出去，然后由接收門板進行接收。當有金屬導電體通過安檢門時，交變電磁場激勵會在金屬導電體中產(chǎn)生渦流，并產(chǎn)生與原磁場方向相反的磁場。在接收線圈中導致電壓和電流的改變，經(jīng)放大濾波電路處理后會形成電信號，當信號量達到設定值時，即以聲光的形式發(fā)出警報。主流的金屬探測技術主要有4種。

2.1 差拍振蕩器（BFO）技術

BFO由兩個線圈組成，分別與振蕩器相連，兩個線圈的脈沖頻率間存在一個微小的偏移量。當脈沖在線圈中傳播時會發(fā)出射頻電波，兩者的頻率差即為一個差拍。當探測線圈旁有運動的金屬物品時，其自身磁場將會影響射頻電波的頻率，從而改變差拍聲音的時長和音調(diào)。

2.2 連續(xù)波技術

該技術又稱為感應平衡技術。通過改變發(fā)射線圈內(nèi)部的電流方向，從而產(chǎn)生連續(xù)交變的磁場。當金屬物體通過時，由于電渦流效應，金屬物體將會產(chǎn)生一個反向磁場，并在接收線圈中產(chǎn)生微弱的電流，這一電流振蕩的頻率與該金屬物體產(chǎn)生磁場的頻率相同，接收線圈將這一頻率傳送到中央控制器中進行處理分析。

2.3 脈沖感應（PI）技術

可向線圈發(fā)送高能、短時的電流脈沖，并產(chǎn)生一個瞬時磁場。脈沖結(jié)束后，磁場的極性會發(fā)生反轉(zhuǎn)，然后迅速衰減，產(chǎn)生一個尖銳的電流毛刺，被稱為反射脈沖，兩者持續(xù)的時間均為幾十微秒，下一個脈沖再重復此過程。如果旁邊有運動的金屬物品，脈沖會在該金屬內(nèi)部形成一個反向磁場，進而延長反射脈沖的衰減時間。這個時間差會被采樣電路捕捉到，即探測到金屬物品。一般數(shù)字脈沖信號由直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）產(chǎn)生，由現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)。

2.4 數(shù)字化脈沖調(diào)制連續(xù)波技術

該技術融合感應平衡和脈沖感應兩種技術的優(yōu)勢，同時也融合了最新的數(shù)字信號處理（DSP）技術和大規(guī)模集成現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術，是當前最先進的金屬探測技術。應用該技術的設備具有靈敏度高、分辨率高、探測能力強、抗干擾能力強等特點，具有對金屬物品形狀進行辨別的能力。

手持式金屬探測器一般采用感應平衡的方式，通過發(fā)射線圈在其探測區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一個平穩(wěn)的交變初級磁場。當該磁場內(nèi)有導體時，由于磁場在導體中產(chǎn)生渦流，會導致能量損失，使磁場發(fā)生變化，破壞平衡狀態(tài)。通過檢測和處理感應接收線圈上的變化信號，從而實現(xiàn)探測金屬的目的（見圖3）。

圖3 金屬探測安檢設備探測原理示意圖

金屬探測器從最初的信號模擬技術到連續(xù)波技術，再到數(shù)字脈沖技術，在基本的磁場切割理論的基礎上持續(xù)發(fā)展，開始出現(xiàn)多個預設磁場疊加的多區(qū)報警技術，其把整個通過式金屬探測門內(nèi)部檢測區(qū)域由上到下劃分為8~20個區(qū)域，不僅增加了對報警區(qū)域違禁品檢測的準確性，而且使金屬探測設備在探測均勻性、靈敏度、速度適應性、抗干擾能力，以及物體材料和形狀區(qū)分等方面都有較大的進步。

3 設備性能評估方法

設備的金屬探測性能將直接決定其對危險違禁物品的檢出能力。因此，歐美國家對人身金屬探測安全檢查設備的檢測技術與評估方法進行了大量的研究。美國運輸安全管理局（TSA）、歐洲民航會議（ECAC）都已建立了一套完整的技術標準體系、測試裝置和測試方法，并對準備應用的人身金屬探測安檢設備進行測試，頒發(fā)批準采購文件。

美國司法部國家司法研究所（National Institute of Justice，NIJ）負責對技術標準和評估方法進行研究，1974年其發(fā)布了通過式金屬探測門技術標準（NILECJ-STD-0601.00），現(xiàn)行有效的是2003年制定的《用于探測藏匿的武器和違禁品的通過式金屬探測門（Walk-Through Metal Detectors for Use in Concealed Weapon and Contraband Detection）》（NIJ Standard-0601.02）［1］。

在NIJ通過式金屬探測門標準體系中，根據(jù)可探測目標的尺寸來把設備分為三個級別，分別是大尺寸目標級別、中尺寸目標級別、小尺寸目標級別。大尺寸目標級別要求對手槍模擬物進行報警，對硬幣、皮帶扣、眼鏡、鑰匙、煙盒、手表等日常用品模擬物不報警；中尺寸目標級別要求對削皮刀模擬物進行報警，對皮帶扣和眼鏡不報警；小尺寸目標級別要求對手銬鑰匙、非磁性不銹鋼刀、螺絲刀模擬物進行報警，未列不報警測試物。在該標準中用探測靈敏度、速度、重復性、識別力、通過率等指標來表征設備的性能，并給出具體的測試方法。

1974年，NIJ發(fā)布了NILECJ-STD-0602.00手持式金屬探測器技術標準，現(xiàn)行有效的是2003年制定的《用于探測藏匿的武器和違禁品的手持式金屬探測器（Hand-Held Metal Detectors for Use in Concealed Weapon and Contraband Detection）》（NIJ Standard-0602.02）［2］。

在NIJ的手持式金屬探測器標準體系中，根據(jù)可探測目標的尺寸把設備分為四個級別，分別為大尺寸目標級別、中尺寸目標級別、小尺寸目標級別和微尺寸目標級別。大尺寸目標級別要求在15cm距離對手槍模擬物進行報警；中尺寸目標級別要求在7.5c m距離對削皮刀模擬物進行報警；小尺寸目標級別要求在5 cm距離對手銬鑰匙、非磁性不銹鋼刀、子彈模擬物進行報警；微尺寸目標級別要求在3 cm距離對銅筆芯、剃須刀片模擬物進行報警。該標準中用探測靈敏度、速度、重復性等指標來表征設備的性能，并給出了具體測試方法。

此外，NIJ還在2001年發(fā)布了《手持式金屬探測器和通過式金屬探測門使用指南（Users'Guide for Hand-held and Walk-Through Metal Detectors）》（NIJ Guide 600-00）［3］，詳細介紹上述兩種設備的工作原理、適用標準、安裝步驟和操作方法。

在NIJ對兩種探測設備的測試方法中均提到了三軸定位系統(tǒng)（Triaxial Positioning System），其可夾持測試物在三維直角坐標系內(nèi)實現(xiàn)軸向直線運動。三軸定位系統(tǒng)可實現(xiàn)無干擾、可重復的多點測試，是人身金屬探測安全檢查設備評估技術向科學化、精確化方向邁進的重要標志。

美國材料與試驗協(xié)會（American Society for Testing and Materials，ASTM）也發(fā)布了ASTM F1468-04a（2010）《控制進入搜索和篩選用金屬武器探測器的評定（STANDARD PRACTICE FOR EV-ALUATION OF METALLIC WEAPONS DETECTO-RS FOR CONTROLLED ACCESS SEARCH AND SCREENING）》［4］，以及一系列相關標準，如《通過式金屬探測器安裝標準指南（Standard Guide for Installation of Walk-Through Metal Detectors）》（ASTM C1238-97）（2012）、《內(nèi)通過式金屬探測器性能評估的標準規(guī)程（Standard Practice for Performance Evaluation of In-Plant Walk-Through Metal Detectors）》（ASTM C1309-97）（2012）、《內(nèi)通過式金屬探測器操作靈敏度調(diào)整設置的標準規(guī)程（Standard Practice for Adjusting the Operational Sensitivity Setting of In-Plant Walk-Through Metal Detectors）》（ASTM C1269-97）（2012），涵蓋通過式金屬探測門和手持式金屬探測器的安裝、測試、調(diào)整設置等。

2003年，由公安部第一研究所起草的國家標準《通過式金屬探測門通用技術規(guī)范（GB 15210—2003）》［5］正式頒布，對通過式金屬探測門的技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則以及標志和包裝等進行規(guī)定，是中國設計、制造、驗收和使用此類設備的基本依據(jù)。在技術要求部分，對外觀、機械結(jié)構和布局、運行控制等方面做出了詳細的規(guī)定，并提出對應的試驗方法，對我國該類設備的發(fā)展起到了一定的指導作用。

2003年，由公安部第一研究所起草的國家標準《手持式金屬探測器通用技術規(guī)范（GB 12899—2003）》［6］正式頒布，規(guī)定了手持式金屬探測器的技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則及包裝貯存等，是設計、制造、驗收和使用此類設備的依據(jù)。在技術要求部分，從外觀、機械結(jié)構、操作和控制裝置、標識等方面做出了詳細規(guī)定，并提出對應的試驗方法，對中國該類設備的發(fā)展起到了一定的指導作用。

2004年，中國頒布了行業(yè)標準《民用航空通過式金屬探測門（MH 7012—2004）》［7］，規(guī)定了民用航空通過式金屬探測門的技術要求、試驗方法、標志、標簽和包裝等，該標準適用于民用機場、航空公司安全檢查部門使用的通過式金屬探測門的選型、驗收和使用。該標準在遠程控制、編程存儲、環(huán)境電磁噪聲自檢等方面提出了具體要求，其余內(nèi)容引用了GB 15210—2003中的規(guī)定。中國未對手持式金屬探測器頒布行業(yè)標準。

經(jīng)過十多年的發(fā)展，加之反恐形勢日趨嚴峻，上述標準中的技術要求已明顯滯后，尤其是在金屬探測能力方面已無法滿足安全要求和行業(yè)需求。2018年，中國修訂了國家標準《通過式金屬探測門通用技術規(guī)范（GB 15210—2018）》［8］，將核心指標探測靈敏度分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。Ⅰ類不報警測試物為標準測試人，Ⅰ類報警測試物為精煉不銹鋼板（9Cr18）；Ⅱ類不報警測試物為半硬黃銅板（H62-Y），Ⅱ類報警測試物有兩種，分別為工具鋼（45#）和不銹鋼板（06Cr19Ni10）；Ⅲ類不報警測試物為小尺寸普通不銹鋼板（2Cr13），Ⅲ類報警測試物有兩種，分別為大尺寸普通不銹鋼板（2Cr13）和鋁板（5A02）。測試時，根據(jù)設備用戶手冊中聲明的產(chǎn)品類型，使用對應探測類別的報警測試物和不報警測試物進行測試。2018年，中國修訂了國家標準《手持式金屬探測器通用技術規(guī)范（GB 12899—2018）》［9］，將核心指標探測靈敏度區(qū)分為A、B、C三級，對應不同的探測距離。同時，將報警測試物設置為三種，小尺寸報警測試物為精煉不銹鋼板（9Cr18）、中尺寸報警測試物為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼（45#）、大尺寸報警測試物為不銹鋼板（06Cr19Ni10）。

4 結(jié)語

金屬探測技術發(fā)展至今有兩個不同的應用方向。一是針對體育賽事、地鐵等重要場所的應用場景，側(cè)重于更高的通行效率和服務體驗，由此發(fā)展出對物品進行區(qū)分，主要探測金屬物品的形狀和材質(zhì)，進而過濾掉眼鏡、腰帶扣等金屬物品產(chǎn)生的影響，一般聚焦于大尺寸的危險違禁物品的探測，從而提升通過量；二是針對民航等高安保等級的應用場景，旅客的配合度較高，可提前移除身上日常用的金屬制品，側(cè)重于更高的探測性能，可探測到更小量的金屬和更多的金屬種類。

在評估方法上，第一種更高通行效率的應用應引入更多貼近日常生活用的金屬制品不報警測試物，如筆、鑰匙、硬幣等，從形狀和材質(zhì)兩方面做出細致區(qū)分，以期找到通過式金屬探測門和手持式金屬探測器的合理報警臨界點。而在第二種更高探測性能的應用中，由于現(xiàn)實中可制作刀具等危險品的金屬眾多，可對各類金屬材質(zhì)的探測進行更深入的探討。

當金屬物品進入金屬探測設備探測范圍時，導致設備的預設磁場發(fā)生改變，從而被探測出來。而對磁場影響的程度大體上取決于金屬的磁導率和電導率，磁導率高的金屬可直接改變磁場的分布和強度，電導率高的金屬在磁場中產(chǎn)生內(nèi)部渦流，進而產(chǎn)生反向磁場，從而影響到外部磁場。從這個角度來說，作為刀具材料的不銹鋼由于結(jié)構不同，可分為馬氏體和奧氏體，帶磁性的馬氏體不銹鋼容易被探測出，而不帶磁性的奧氏體難以被探測出。因此，在設計評估方法、選取典型金屬作為報警測試物時，還應考慮磁導率和電導率特性，應盡量選取多種典型金屬來測試設備的綜合性能。

綜上所述，針對不同的應用場景應細化出不同的金屬探測性能，應配套相應的評估方法，才能科學地指導金屬探測安檢設備的研發(fā)、生產(chǎn)、檢測、使用等環(huán)節(jié)。