劉杰^1,2  鄧賢進(jìn)^1,2  成彬彬^1,2  趙宇姣^1,2
1. 中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所   
2. 中國(guó)工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲中心

摘要：首先對(duì)太赫茲波用于近場(chǎng)人體安檢成像的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和目前國(guó)外典型的近場(chǎng)安檢系統(tǒng)進(jìn)行了分析。然后基于二維合成孔徑原理，通過二維機(jī)械掃描裝置分別構(gòu)建了35GHz和140GHz三維安檢成像原理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，主動(dòng)照射隱藏在衣服下的金屬手槍模型，獲得散射回波數(shù)據(jù)，采用后向投影算法處理了回波數(shù)據(jù)，得到了成像結(jié)果。并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，最后給出了結(jié)論。

關(guān)鍵詞：安檢透射率 太赫茲成像 后向投影算法

一、引言

近年來針對(duì)公共交通的人體炸彈恐怖襲擊屢屢發(fā)生。2016年2月2日，從摩加迪沙機(jī)場(chǎng)起飛的空客A321，被一枚疑似炸彈在機(jī)身側(cè)面炸開一個(gè)6英尺×3英尺的洞。2015年10月31日，從埃及沙姆沙伊赫起飛的空客A321客機(jī)被炸彈炸毀，機(jī)上有224名乘客和機(jī)組成員全部遇難。以及炸機(jī)未遂案疑犯奧馬爾·法魯克·阿卜杜勒穆塔拉布身上的內(nèi)褲炸彈，英國(guó)男子理查德·利特的皮鞋炸彈。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)公共交通中恐怖分子攜帶的刀具、槍支、炸藥等隱藏武器進(jìn)行快速檢測(cè)和預(yù)警，是目前公共安全面臨的一個(gè)難題。

基于人體成像方式的安檢手段是解決這個(gè)難題主要技術(shù)途徑之一。目前的常規(guī)技術(shù)手段有可見光拍攝、X射線成像、遠(yuǎn)紅外成像、金屬探測(cè)，但是經(jīng)不能滿足當(dāng)前的要求：

（1）常規(guī)的攝像頭對(duì)隱蔽物體基本不起作用；
（2）X射線背散射輻射能量較高，對(duì)人體有一定的傷害（歐洲已立法禁止X射線背散射用于人體安檢）；
（3）遠(yuǎn)紅外由于人體輻射小，衣服穿透性較差，從而成像質(zhì)量相對(duì)較差，對(duì)危險(xiǎn)品的識(shí)別較弱；
（4）金屬門式安檢儀，在進(jìn)行排查工作時(shí)候比較繁瑣，且無法展開式檢測(cè)，預(yù)警能力差；

常規(guī)的探測(cè)方法有局限，而太赫茲探測(cè)技術(shù)是一個(gè)較好的解決方案^[1～4]。鑒于半導(dǎo)體技術(shù)的太赫茲固態(tài)器件發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)已成功研制的140GHz功率放大器芯片和模塊^[5]，以及全固態(tài)的收發(fā)信道^[6]。人們可以實(shí)現(xiàn)成本居中的高集成密度太赫茲信道，太赫茲安檢的研究開始受到越來越多的關(guān)注。

綜上所述，針對(duì)公共交通和重要場(chǎng)地對(duì)人體攜帶隱藏危險(xiǎn)品、文物等的安檢需求，常規(guī)的技術(shù)手段有其局限性，無法滿足應(yīng)用需求；而太赫茲探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于安檢與反恐具有較好的優(yōu)勢(shì)：穿透性好且分辨率高、非電離的安全探測(cè)、快速探測(cè)等。因此對(duì)于博物館的安檢需求，太赫茲探測(cè)技術(shù)應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)較好的解決手段。

二、國(guó)內(nèi)外典型的近場(chǎng)安檢系統(tǒng)

美國(guó)L3通信公司在西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的專利授權(quán)下研制了由一維電掃描天線陣列圓柱掃描的安檢成像系統(tǒng)，ProVision和SafeView，如圖1所示。其工作頻率為24GHz~30GHz，系統(tǒng)包括兩個(gè)一維線陣，分別沿半個(gè)圓柱面對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描，方位分辨率可達(dá)到5毫米，徑向分辨率為15毫米，成像時(shí)間為1.5秒。該設(shè)備還采用了目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，可以有效保護(hù)人體隱私。目前已有多個(gè)國(guó)家在機(jī)場(chǎng)部署了該公司產(chǎn)品。有文獻(xiàn)報(bào)道該公司正在研究100GHz以上的安檢成像系統(tǒng)以提高成像質(zhì)量。

英國(guó)Smiths Detection公司也研制出Eqo毫米波成像安全檢查門，如圖2所示。Eqo成像系統(tǒng)外觀與標(biāo)準(zhǔn)安檢門類似，該系統(tǒng)采用平面天線陣列并且通過電掃描進(jìn)行成像，具備實(shí)時(shí)成像能力。Eqo毫米波成像系統(tǒng)使用單一源照射，由平面接收陣列接收散射回波信號(hào)，方位分辨率可達(dá)到4毫米。

德國(guó)Rohde&Schwarz公司基于高集成密度主動(dòng)電子掃描陣列和強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）能力開發(fā)了QPS100，如圖3所示。QPS100外觀像平板，內(nèi)部集成了3008Tx和3008 Rx，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間只有16ms，工作頻率為70到80GHz，方位分辨率優(yōu)于2毫米。

國(guó)內(nèi)中國(guó)航天科工三院35所研發(fā)了Hisc人體安檢儀，如圖4所示。其工作原理類似ProVision，采用兩條毫米波線陣，通過環(huán)型掃描，獲得人體回波進(jìn)行成像?？稍?～2秒內(nèi)對(duì)人體進(jìn)行全身掃描，并即時(shí)獲取被檢測(cè)人體隱藏物品圖像，對(duì)人體衣物中隱藏的金屬類物品以及傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備無法檢出的液體類、陶瓷類等非金屬物品進(jìn)行高清晰度成像檢測(cè)，物品成像分辨率可達(dá)到毫米級(jí)。

中科院電子所設(shè)計(jì)一種新型的掃描方式，開發(fā)出一套工作于0.2THz的一維準(zhǔn)光掃描+一維SAR工作方式的成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的三維成像^[8]，如圖5所示。

三、35GHz和140GHz三維安檢成像原理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)

本文設(shè)計(jì)了35GHz和140GHz三維安檢成像原理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。平臺(tái)采用主動(dòng)式雷達(dá)成像技術(shù)，主動(dòng)向待檢目標(biāo)輻射相應(yīng)波段的電磁波，目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)接收后被處理為包含目標(biāo)信息的圖像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢目標(biāo)的有效檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由信號(hào)產(chǎn)生與采集裝置、天線陣列、掃描驅(qū)動(dòng)裝置、信號(hào)與圖像處理單元和終端顯示五部分組成，如圖6所示。其中，主控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線控制信號(hào)產(chǎn)生裝置產(chǎn)生寬帶步進(jìn)頻信號(hào)，經(jīng)發(fā)射天線向外輻射，目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)接收天線接收后經(jīng)信號(hào)采集裝置采集并傳至主控計(jì)算機(jī)，最后由主控計(jì)算機(jī)完成信號(hào)與圖像處理和終端顯示。本平臺(tái)利用掃描驅(qū)動(dòng)裝置控制天線陣列的位置，通過平面掃描的方式實(shí)現(xiàn)方位維與高度維的孔徑合成，從而獲得對(duì)待檢目標(biāo)的高分辨率成像。

建立天線與目標(biāo)的幾何關(guān)系如圖7所示。天線位于平面，天線掃描面到目標(biāo)平面的距離為，為天線到點(diǎn)目標(biāo)的距離。

天線發(fā)射信號(hào)為步進(jìn)變頻信號(hào)，記發(fā)射信號(hào)起始頻率為f0，帶寬為B，頻點(diǎn)數(shù)為K+1，每個(gè)頻點(diǎn)持續(xù)時(shí)間為T0，目標(biāo)回波信號(hào)r(t)可以表示為

利用發(fā)射信號(hào)作為目標(biāo)回波信號(hào)的參考，并對(duì)混頻后的信號(hào)為進(jìn)行等間隔采樣，令采樣時(shí)間Ts=T0，得到一組數(shù)據(jù)

此組數(shù)據(jù)可以看作是對(duì)頻譜為U(f)的信號(hào)以△f為間隔采樣得到的，即

通過傅里葉逆變換將頻域信號(hào)U(f)壓縮成等效時(shí)域Sinc脈沖，脈沖信號(hào)幅度取得最大，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的距離維壓縮^[9]。

四、成像結(jié)果及分析

獲得回波數(shù)據(jù)后，采用基于時(shí)域的后向投影（Back Projection，簡(jiǎn)稱BP）算法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行成像，以獲得方位維與高度維的高分辨率。基于圖7所示的幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系，將三維成像空間劃分為M×N×P的網(wǎng)格，計(jì)算天線(x`,y`-d`)與各成像網(wǎng)格點(diǎn)之間的距離，獲得該距離對(duì)應(yīng)的雙程延遲時(shí)間：

利用該延遲時(shí)間對(duì)原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償，并針對(duì)不同位置的天線重復(fù)進(jìn)行上述操作，將補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)疊加。當(dāng)所有天線位置遍歷完成后，將該累加值作為該網(wǎng)格點(diǎn)的散射強(qiáng)度值，即完成了對(duì)該網(wǎng)格點(diǎn)的成像。對(duì)該三維成像空間內(nèi)的每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)分別進(jìn)行上述操作就得到目標(biāo)的三維像。35GHz成像結(jié)果如圖8所示。

按照同樣的方法，獲得了140GHz成像結(jié)果，如圖9所示。

將金屬手槍模型被衣服遮擋后，也獲得140GHz的成像結(jié)果，如圖10所示。

通過比對(duì)35GHz金屬手槍成像結(jié)果和140GHz金屬手槍成像結(jié)果，可以看出140GHz成像結(jié)果比較清晰，而且細(xì)節(jié)清楚。手槍藏在衣服下面后，140GHz的電磁波依然能夠穿透衣服，對(duì)金屬手槍進(jìn)行成像，而且保持較高的圖像動(dòng)態(tài)范圍，容易識(shí)別。從合成孔徑理論上來說，工作頻率決定了圖像的方位分辨率，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也驗(yàn)證這個(gè)現(xiàn)象。同時(shí)實(shí)驗(yàn)也說明了140GHz電磁波具有對(duì)衣物的穿透能力。

五、結(jié)論與展望

近年來，隨著恐怖主義威脅的增加，人體安全檢查變得越來越重要。國(guó)內(nèi)外安保領(lǐng)域的重要公司和研究機(jī)構(gòu)都在研發(fā)基于電磁波的人體安檢系統(tǒng)。為了進(jìn)一步提高成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)的識(shí)別能力，文中探討了太赫茲波用于近場(chǎng)人體安檢成像的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)。為了比對(duì)太赫茲波和毫米波的成像能力，參考西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室平面掃描成像裝置，并設(shè)計(jì)了35GHz和140GHz三維安檢成像原理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。通過對(duì)比成像結(jié)果，可以看出140GHz的手槍成像結(jié)果，在圖像的方位分辨力上有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)140GHz對(duì)掩藏在衣服下的金屬手槍的成像結(jié)果也保持較高的圖像動(dòng)態(tài)范圍。隨著太赫茲技術(shù)的飛速發(fā)展，其太赫茲源、檢測(cè)器、混頻器、放大器等關(guān)鍵固態(tài)器件的成熟和成本降低，可以相信太赫茲近場(chǎng)人體安檢成像的應(yīng)用已并不遙遠(yuǎn)。

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