毫米波近场人体安检成像原理系统与实验验证

刘杰^1,2  邓贤进^1,2  成彬彬^1,2  赵宇姣^1,2
1. 中国工程物理研究院电子工程研究所   
2. 中国工程物理研究院微系统与太赫兹中心

摘要：首先对太赫兹波用于近场人体安检成像的特点、优势和目前国外典型的近场安检系统进行了分析。然后基于二维合成孔径原理，通过二维机械扫描装置分别构建了35GHz和140GHz三维安检成像原理实验验证平台，主动照射隐藏在衣服下的金属手枪模型，获得散射回波数据，采用后向投影算法处理了回波数据，得到了成像结果。并对实验结果进行了对比分析，最后给出了结论。

关键词：安检透射率 太赫兹成像 后向投影算法

一、引言

近年来针对公共交通的人体炸弹恐怖袭击屡屡发生。2016年2月2日，从摩加迪沙机场起飞的空客A321，被一枚疑似炸弹在机身侧面炸开一个6英尺×3英尺的洞。2015年10月31日，从埃及沙姆沙伊赫起飞的空客A321客机被炸弹炸毁，机上有224名乘客和机组成员全部遇难。以及炸机未遂案疑犯奥马尔·法鲁克·阿卜杜勒穆塔拉布身上的内裤炸弹，英国男子理查德·利特的皮鞋炸弹。如何实现对公共交通中恐怖分子携带的刀具、枪支、炸药等隐藏武器进行快速检测和预警，是目前公共安全面临的一个难题。

基于人体成像方式的安检手段是解决这个难题主要技术途径之一。目前的常规技术手段有可见光拍摄、X射线成像、远红外成像、金属探测，但是经不能满足当前的要求：

（1）常规的摄像头对隐蔽物体基本不起作用；
（2）X射线背散射辐射能量较高，对人体有一定的伤害（欧洲已立法禁止X射线背散射用于人体安检）；
（3）远红外由于人体辐射小，衣服穿透性较差，从而成像质量相对较差，对危险品的识别较弱；
（4）金属门式安检仪，在进行排查工作时候比较繁琐，且无法展开式检测，预警能力差；

常规的探测方法有局限，而太赫兹探测技术是一个较好的解决方案^[1～4]。鉴于半导体技术的太赫兹固态器件发展迅速，国内已成功研制的140GHz功率放大器芯片和模块^[5]，以及全固态的收发信道^[6]。人们可以实现成本居中的高集成密度太赫兹信道，太赫兹安检的研究开始受到越来越多的关注。

综上所述，针对公共交通和重要场地对人体携带隐藏危险品、文物等的安检需求，常规的技术手段有其局限性，无法满足应用需求；而太赫兹探测技术应用于安检与反恐具有较好的优势：穿透性好且分辨率高、非电离的安全探测、快速探测等。因此对于博物馆的安检需求，太赫兹探测技术应该是一个相对较好的解决手段。

二、国内外典型的近场安检系统

美国L3通信公司在西北太平洋国家实验室的专利授权下研制了由一维电扫描天线阵列圆柱扫描的安检成像系统，ProVision和SafeView，如图1所示。其工作频率为24GHz~30GHz，系统包括两个一维线阵，分别沿半个圆柱面对目标进行扫描，方位分辨率可达到5毫米，径向分辨率为15毫米，成像时间为1.5秒。该设备还采用了目标识别技术，可以有效保护人体隐私。目前已有多个国家在机场部署了该公司产品。有文献报道该公司正在研究100GHz以上的安检成像系统以提高成像质量。

英国Smiths Detection公司也研制出Eqo毫米波成像安全检查门，如图2所示。Eqo成像系统外观与标准安检门类似，该系统采用平面天线阵列并且通过电扫描进行成像，具备实时成像能力。Eqo毫米波成像系统使用单一源照射，由平面接收阵列接收散射回波信号，方位分辨率可达到4毫米。

德国Rohde&Schwarz公司基于高集成密度主动电子扫描阵列和强大的数字信号处理（DSP）能力开发了QPS100，如图3所示。QPS100外观像平板，内部集成了3008Tx和3008 Rx，数据获取时间只有16ms，工作频率为70到80GHz，方位分辨率优于2毫米。

国内中国航天科工三院35所研发了Hisc人体安检仪，如图4所示。其工作原理类似ProVision，采用两条毫米波线阵，通过环型扫描，获得人体回波进行成像。可在1～2秒内对人体进行全身扫描，并即时获取被检测人体隐藏物品图像，对人体衣物中隐藏的金属类物品以及传统检测设备无法检出的液体类、陶瓷类等非金属物品进行高清晰度成像检测，物品成像分辨率可达到毫米级。

中科院电子所设计一种新型的扫描方式，开发出一套工作于0.2THz的一维准光扫描+一维SAR工作方式的成像系统，实现对目标的三维成像^[8]，如图5所示。

三、35GHz和140GHz三维安检成像原理实验验证平台

本文设计了35GHz和140GHz三维安检成像原理实验验证平台。平台采用主动式雷达成像技术，主动向待检目标辐射相应波段的电磁波，目标回波信号经系统接收后被处理为包含目标信息的图像，从而实现对待检目标的有效检测。实验平台由信号产生与采集装置、天线阵列、扫描驱动装置、信号与图像处理单元和终端显示五部分组成，如图6所示。其中，主控计算机通过网线控制信号产生装置产生宽带步进频信号，经发射天线向外辐射，目标回波信号经接收天线接收后经信号采集装置采集并传至主控计算机，最后由主控计算机完成信号与图像处理和终端显示。本平台利用扫描驱动装置控制天线阵列的位置，通过平面扫描的方式实现方位维与高度维的孔径合成，从而获得对待检目标的高分辨率成像。

建立天线与目标的几何关系如图7所示。天线位于平面，天线扫描面到目标平面的距离为，为天线到点目标的距离。

天线发射信号为步进变频信号，记发射信号起始频率为f0，带宽为B，频点数为K+1，每个频点持续时间为T0，目标回波信号r(t)可以表示为

利用发射信号作为目标回波信号的参考，并对混频后的信号为进行等间隔采样，令采样时间Ts=T0，得到一组数据

此组数据可以看作是对频谱为U(f)的信号以△f为间隔采样得到的，即

通过傅里叶逆变换将频域信号U(f)压缩成等效时域Sinc脉冲，脉冲信号幅度取得最大，从而实现了对目标的距离维压缩^[9]。

四、成像结果及分析

获得回波数据后，采用基于时域的后向投影（Back Projection，简称BP）算法对回波信号进行成像，以获得方位维与高度维的高分辨率。基于图7所示的几何结构关系，将三维成像空间划分为M×N×P的网格，计算天线(x`,y`-d`)与各成像网格点之间的距离，获得该距离对应的双程延迟时间：

利用该延迟时间对原始回波数据进行相位补偿，并针对不同位置的天线重复进行上述操作，将补偿后的数据叠加。当所有天线位置遍历完成后，将该累加值作为该网格点的散射强度值，即完成了对该网格点的成像。对该三维成像空间内的每个网格点分别进行上述操作就得到目标的三维像。35GHz成像结果如图8所示。

按照同样的方法，获得了140GHz成像结果，如图9所示。

将金属手枪模型被衣服遮挡后，也获得140GHz的成像结果，如图10所示。

通过比对35GHz金属手枪成像结果和140GHz金属手枪成像结果，可以看出140GHz成像结果比较清晰，而且细节清楚。手枪藏在衣服下面后，140GHz的电磁波依然能够穿透衣服，对金属手枪进行成像，而且保持较高的图像动态范围，容易识别。从合成孔径理论上来说，工作频率决定了图像的方位分辨率，实验的结果也验证这个现象。同时实验也说明了140GHz电磁波具有对衣物的穿透能力。

五、结论与展望

近年来，随着恐怖主义威胁的增加，人体安全检查变得越来越重要。国内外安保领域的重要公司和研究机构都在研发基于电磁波的人体安检系统。为了进一步提高成像质量，提高系统的识别能力，文中探讨了太赫兹波用于近场人体安检成像的特点、优势。为了比对太赫兹波和毫米波的成像能力，参考西北太平洋国家实验室平面扫描成像装置，并设计了35GHz和140GHz三维安检成像原理实验验证平台。通过对比成像结果，可以看出140GHz的手枪成像结果，在图像的方位分辨力上有明显的优势。同时140GHz对掩藏在衣服下的金属手枪的成像结果也保持较高的图像动态范围。随着太赫兹技术的飞速发展，其太赫兹源、检测器、混频器、放大器等关键固态器件的成熟和成本降低，可以相信太赫兹近场人体安检成像的应用已并不遥远。

参考文献:

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