李妍 刘玫

（国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100070）

0 引言

随着社会经济的高速发展，国际安全形势也变得复杂起来，交通系统的安全保卫工作受到各国政府和社会各界的重视。2001年，“9·11”恐怖袭击事件为国际社会敲响安全的警钟，使世界各国认识到必须构建更加完善有效的安检体系。近年来，国内外恐怖分子通过自身携带的违禁品对飞机实施非法干扰的事件时有发生。2007年1月24日，苏丹西部航空公司一架客机遭到持枪者劫持。2009年12月25日，一架从荷兰阿姆斯特丹飞往美国底特律的航班上发生炸机未遂事件。2012年6月29日，新疆和田发生暴力劫机事件。2015年7月26日，台州飞往广州的飞机上发生持凶器纵火事件。因此，随着对旅客人身安全的重视程度提升，各国均加大了对安检技术的科研投入力度。

金属探测安检技术是人身安检领域中应用最广泛的一项技术，也是中国现阶段交通系统人身安检的主要技术，分为通过式金属探测门和手持式金属探测器。对金属物品探测能力的高低将决定着金属探测安检设备能不能探测到金属、能够探测到哪些种类的金属，以及能够探测到多大量的金属。因此，对此类设备的性能进行评估具有重大意义，将会影响对人身携带金属违禁品的检查能力。

1 国内外应用现状

第一台金属探测器诞生于1960年，当时主要用于寻找金属矿物质。20世纪70年代，随着航空运输业的迅速发展，针对飞机的恐怖袭击事件也在不断增多，开始使用金属探测技术来查找危险违禁品。20世纪70年代初，芬兰麦特瑞克安全产品公司（METOREX）生产了世界上第一台用于安检的步行通过式金属探测门，并在美国芝加哥机场投入使用。随着金属探测技术在机场安检工作中的成功应用，进而推广到政府重点场所、监狱、大型集会的安保工作中。由于通过式金属探测门的检测速度快，可满足较大的人流量需求，也逐步应用于其他场合中，如火车站、地铁站等。

从20世纪90年代开始，金属探测技术的应用范围逐渐扩大。随着电子制造业的蓬勃发展，芯片、集成电路板，以及最新的电子产品都成为重点保护对象，越来越多的生产型企业也将通过式金属探测门（见图1）当作防盗和保密的手段。随着社会安全形势日趋复杂，医院、酒店等易出现人员冲突的地方也开始使用通过式金属探测门，防止枪支、刀具等危险违禁物品进入。

图1 典型的通过式金属探测门示意图

手持式金属探测器（见图2）既可单独使用，也可和通过式金属探测门配合使用。一般情况下，人员在通过式金属探测门时如果发生报警，安检人员根据通过式金属探测门显示的报警位置，用手持式金属探测器对目标位置进行搜查。不仅能有效地防止漏报，还能大大提高检测效率。

图2 典型的手持式金属探测器

目前，通过式金属探测门和手持式金属探测器已成为全球机场主要的人身安检技术。美国负责交通安检工作的运输安全管理局（Transportation Security Administration，TSA）把通过式金属探测门作为“主要的扫描航空旅客设备”，并在美国400个机场部署了2 000多台。同时，TSA在《安检通道设计指南（CHECKPOINT DESIGN GUIDE）》中列举了通过式金属探测门的尺寸、重量及供电、场地等的要求。欧盟和加拿大、澳大利亚等都使用通过式金属探测门作为人身安检的主要设备。

中国机场普遍以通过式金属探测门作为人身安检的第一级设备、以手持式金属探测器作为人身安检的第二级设备。目前，中国民用机场在用通过式金属探测门有3 000多台，其中绝大多数是由CEIA、Smiths Detection和Rapiscan等国外企业生产的。国内地铁站和火车站也采取同样的安检方式，使用的设备大部分是由国内企业生产的。

2 技术现状

一般来说，通过式金属探测门由控制器、发射门板和接收门板组成。控制器可产生不同频率的调制波形，经滤波电路和放大电路后，通过线圈发射出去，然后由接收门板进行接收。当有金属导电体通过安检门时，交变电磁场激励会在金属导电体中产生涡流，并产生与原磁场方向相反的磁场。在接收线圈中导致电压和电流的改变，经放大滤波电路处理后会形成电信号，当信号量达到设定值时，即以声光的形式发出警报。主流的金属探测技术主要有4种。

2.1 差拍振荡器（BFO）技术

BFO由两个线圈组成，分别与振荡器相连，两个线圈的脉冲频率间存在一个微小的偏移量。当脉冲在线圈中传播时会发出射频电波，两者的频率差即为一个差拍。当探测线圈旁有运动的金属物品时，其自身磁场将会影响射频电波的频率，从而改变差拍声音的时长和音调。

2.2 连续波技术

该技术又称为感应平衡技术。通过改变发射线圈内部的电流方向，从而产生连续交变的磁场。当金属物体通过时，由于电涡流效应，金属物体将会产生一个反向磁场，并在接收线圈中产生微弱的电流，这一电流振荡的频率与该金属物体产生磁场的频率相同，接收线圈将这一频率传送到中央控制器中进行处理分析。

2.3 脉冲感应（PI）技术

可向线圈发送高能、短时的电流脉冲，并产生一个瞬时磁场。脉冲结束后，磁场的极性会发生反转，然后迅速衰减，产生一个尖锐的电流毛刺，被称为反射脉冲，两者持续的时间均为几十微秒，下一个脉冲再重复此过程。如果旁边有运动的金属物品，脉冲会在该金属内部形成一个反向磁场，进而延长反射脉冲的衰减时间。这个时间差会被采样电路捕捉到，即探测到金属物品。一般数字脉冲信号由直接数字式频率合成器（DDS）产生，由现场可编程门阵列（FPGA）实现。

2.4 数字化脉冲调制连续波技术

该技术融合感应平衡和脉冲感应两种技术的优势，同时也融合了最新的数字信号处理（DSP）技术和大规模集成现场可编程门阵列（FPGA）技术，是当前最先进的金属探测技术。应用该技术的设备具有灵敏度高、分辨率高、探测能力强、抗干扰能力强等特点，具有对金属物品形状进行辨别的能力。

手持式金属探测器一般采用感应平衡的方式，通过发射线圈在其探测区内产生一个平稳的交变初级磁场。当该磁场内有导体时，由于磁场在导体中产生涡流，会导致能量损失，使磁场发生变化，破坏平衡状态。通过检测和处理感应接收线圈上的变化信号，从而实现探测金属的目的（见图3）。

图3 金属探测安检设备探测原理示意图

金属探测器从最初的信号模拟技术到连续波技术，再到数字脉冲技术，在基本的磁场切割理论的基础上持续发展，开始出现多个预设磁场叠加的多区报警技术，其把整个通过式金属探测门内部检测区域由上到下划分为8~20个区域，不仅增加了对报警区域违禁品检测的准确性，而且使金属探测设备在探测均匀性、灵敏度、速度适应性、抗干扰能力，以及物体材料和形状区分等方面都有较大的进步。

3 设备性能评估方法

设备的金属探测性能将直接决定其对危险违禁物品的检出能力。因此，欧美国家对人身金属探测安全检查设备的检测技术与评估方法进行了大量的研究。美国运输安全管理局（TSA）、欧洲民航会议（ECAC）都已建立了一套完整的技术标准体系、测试装置和测试方法，并对准备应用的人身金属探测安检设备进行测试，颁发批准采购文件。

美国司法部国家司法研究所（National Institute of Justice，NIJ）负责对技术标准和评估方法进行研究，1974年其发布了通过式金属探测门技术标准（NILECJ-STD-0601.00），现行有效的是2003年制定的《用于探测藏匿的武器和违禁品的通过式金属探测门（Walk-Through Metal Detectors for Use in Concealed Weapon and Contraband Detection）》（NIJ Standard-0601.02）［1］。

在NIJ通过式金属探测门标准体系中，根据可探测目标的尺寸来把设备分为三个级别，分别是大尺寸目标级别、中尺寸目标级别、小尺寸目标级别。大尺寸目标级别要求对手枪模拟物进行报警，对硬币、皮带扣、眼镜、钥匙、烟盒、手表等日常用品模拟物不报警；中尺寸目标级别要求对削皮刀模拟物进行报警，对皮带扣和眼镜不报警；小尺寸目标级别要求对手铐钥匙、非磁性不锈钢刀、螺丝刀模拟物进行报警，未列不报警测试物。在该标准中用探测灵敏度、速度、重复性、识别力、通过率等指标来表征设备的性能，并给出具体的测试方法。

1974年，NIJ发布了NILECJ-STD-0602.00手持式金属探测器技术标准，现行有效的是2003年制定的《用于探测藏匿的武器和违禁品的手持式金属探测器（Hand-Held Metal Detectors for Use in Concealed Weapon and Contraband Detection）》（NIJ Standard-0602.02）［2］。

在NIJ的手持式金属探测器标准体系中，根据可探测目标的尺寸把设备分为四个级别，分别为大尺寸目标级别、中尺寸目标级别、小尺寸目标级别和微尺寸目标级别。大尺寸目标级别要求在15cm距离对手枪模拟物进行报警；中尺寸目标级别要求在7.5c m距离对削皮刀模拟物进行报警；小尺寸目标级别要求在5 cm距离对手铐钥匙、非磁性不锈钢刀、子弹模拟物进行报警；微尺寸目标级别要求在3 cm距离对铜笔芯、剃须刀片模拟物进行报警。该标准中用探测灵敏度、速度、重复性等指标来表征设备的性能，并给出了具体测试方法。

此外，NIJ还在2001年发布了《手持式金属探测器和通过式金属探测门使用指南（Users'Guide for Hand-held and Walk-Through Metal Detectors）》（NIJ Guide 600-00）［3］，详细介绍上述两种设备的工作原理、适用标准、安装步骤和操作方法。

在NIJ对两种探测设备的测试方法中均提到了三轴定位系统（Triaxial Positioning System），其可夹持测试物在三维直角坐标系内实现轴向直线运动。三轴定位系统可实现无干扰、可重复的多点测试，是人身金属探测安全检查设备评估技术向科学化、精确化方向迈进的重要标志。

美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials，ASTM）也发布了ASTM F1468-04a（2010）《控制进入搜索和筛选用金属武器探测器的评定（STANDARD PRACTICE FOR EV-ALUATION OF METALLIC WEAPONS DETECTO-RS FOR CONTROLLED ACCESS SEARCH AND SCREENING）》［4］，以及一系列相关标准，如《通过式金属探测器安装标准指南（Standard Guide for Installation of Walk-Through Metal Detectors）》（ASTM C1238-97）（2012）、《内通过式金属探测器性能评估的标准规程（Standard Practice for Performance Evaluation of In-Plant Walk-Through Metal Detectors）》（ASTM C1309-97）（2012）、《内通过式金属探测器操作灵敏度调整设置的标准规程（Standard Practice for Adjusting the Operational Sensitivity Setting of In-Plant Walk-Through Metal Detectors）》（ASTM C1269-97）（2012），涵盖通过式金属探测门和手持式金属探测器的安装、测试、调整设置等。

2003年，由公安部第一研究所起草的国家标准《通过式金属探测门通用技术规范（GB 15210—2003）》［5］正式颁布，对通过式金属探测门的技术要求、试验方法、检验规则以及标志和包装等进行规定，是中国设计、制造、验收和使用此类设备的基本依据。在技术要求部分，对外观、机械结构和布局、运行控制等方面做出了详细的规定，并提出对应的试验方法，对我国该类设备的发展起到了一定的指导作用。

2003年，由公安部第一研究所起草的国家标准《手持式金属探测器通用技术规范（GB 12899—2003）》［6］正式颁布，规定了手持式金属探测器的技术要求、试验方法、检验规则及包装贮存等，是设计、制造、验收和使用此类设备的依据。在技术要求部分，从外观、机械结构、操作和控制装置、标识等方面做出了详细规定，并提出对应的试验方法，对中国该类设备的发展起到了一定的指导作用。

2004年，中国颁布了行业标准《民用航空通过式金属探测门（MH 7012—2004）》［7］，规定了民用航空通过式金属探测门的技术要求、试验方法、标志、标签和包装等，该标准适用于民用机场、航空公司安全检查部门使用的通过式金属探测门的选型、验收和使用。该标准在远程控制、编程存储、环境电磁噪声自检等方面提出了具体要求，其余内容引用了GB 15210—2003中的规定。中国未对手持式金属探测器颁布行业标准。

经过十多年的发展，加之反恐形势日趋严峻，上述标准中的技术要求已明显滞后，尤其是在金属探测能力方面已无法满足安全要求和行业需求。2018年，中国修订了国家标准《通过式金属探测门通用技术规范（GB 15210—2018）》［8］，将核心指标探测灵敏度分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。Ⅰ类不报警测试物为标准测试人，Ⅰ类报警测试物为精炼不锈钢板（9Cr18）；Ⅱ类不报警测试物为半硬黄铜板（H62-Y），Ⅱ类报警测试物有两种，分别为工具钢（45#）和不锈钢板（06Cr19Ni10）；Ⅲ类不报警测试物为小尺寸普通不锈钢板（2Cr13），Ⅲ类报警测试物有两种，分别为大尺寸普通不锈钢板（2Cr13）和铝板（5A02）。测试时，根据设备用户手册中声明的产品类型，使用对应探测类别的报警测试物和不报警测试物进行测试。2018年，中国修订了国家标准《手持式金属探测器通用技术规范（GB 12899—2018）》［9］，将核心指标探测灵敏度区分为A、B、C三级，对应不同的探测距离。同时，将报警测试物设置为三种，小尺寸报警测试物为精炼不锈钢板（9Cr18）、中尺寸报警测试物为优质碳素结构钢（45#）、大尺寸报警测试物为不锈钢板（06Cr19Ni10）。

4 结语

金属探测技术发展至今有两个不同的应用方向。一是针对体育赛事、地铁等重要场所的应用场景，侧重于更高的通行效率和服务体验，由此发展出对物品进行区分，主要探测金属物品的形状和材质，进而过滤掉眼镜、腰带扣等金属物品产生的影响，一般聚焦于大尺寸的危险违禁物品的探测，从而提升通过量；二是针对民航等高安保等级的应用场景，旅客的配合度较高，可提前移除身上日常用的金属制品，侧重于更高的探测性能，可探测到更小量的金属和更多的金属种类。

在评估方法上，第一种更高通行效率的应用应引入更多贴近日常生活用的金属制品不报警测试物，如笔、钥匙、硬币等，从形状和材质两方面做出细致区分，以期找到通过式金属探测门和手持式金属探测器的合理报警临界点。而在第二种更高探测性能的应用中，由于现实中可制作刀具等危险品的金属众多，可对各类金属材质的探测进行更深入的探讨。

当金属物品进入金属探测设备探测范围时，导致设备的预设磁场发生改变，从而被探测出来。而对磁场影响的程度大体上取决于金属的磁导率和电导率，磁导率高的金属可直接改变磁场的分布和强度，电导率高的金属在磁场中产生内部涡流，进而产生反向磁场，从而影响到外部磁场。从这个角度来说，作为刀具材料的不锈钢由于结构不同，可分为马氏体和奥氏体，带磁性的马氏体不锈钢容易被探测出，而不带磁性的奥氏体难以被探测出。因此，在设计评估方法、选取典型金属作为报警测试物时，还应考虑磁导率和电导率特性，应尽量选取多种典型金属来测试设备的综合性能。

综上所述，针对不同的应用场景应细化出不同的金属探测性能，应配套相应的评估方法，才能科学地指导金属探测安检设备的研发、生产、检测、使用等环节。