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

摘要：首先對太赫茲波用于近場人體安檢成像的特點、優勢和目前國外典型的近場安檢系統進行了分析。然后基于二維合成孔徑原理，通過二維機械掃描裝置分別構建了35GHz和140GHz三維安檢成像原理實驗驗證平臺，主動照射隱藏在衣服下的金屬手槍模型，獲得散射回波數據，采用后向投影算法處理了回波數據，得到了成像結果。并對實驗結果進行了對比分析，最后給出了結論。

關鍵詞：安檢透射率 太赫茲成像 后向投影算法

一、引言

近年來針對公共交通的人體炸彈恐怖襲擊屢屢發生。2016年2月2日，從摩加迪沙機場起飛的空客A321，被一枚疑似炸彈在機身側面炸開一個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客機被炸彈炸毀，機上有224名乘客和機組成員全部遇難。以及炸機未遂案疑犯奧馬爾·法魯克·阿卜杜勒穆塔拉布身上的內褲炸彈，英國男子理查德·利特的皮鞋炸彈。如何實現對公共交通中恐怖分子攜帶的刀具、槍支、炸藥等隱藏武器進行快速檢測和預警，是目前公共安全面臨的一個難題。

基于人體成像方式的安檢手段是解決這個難題主要技術途徑之一。目前的常規技術手段有可見光拍攝、X射線成像、遠紅外成像、金屬探測，但是經不能滿足當前的要求：

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

常規的探測方法有局限，而太赫茲探測技術是一個較好的解決方案^[1～4]。鑒于半導體技術的太赫茲固態器件發展迅速，國內已成功研制的140GHz功率放大器芯片和模塊^[5]，以及全固態的收發信道^[6]。人們可以實現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注。

綜上所述，針對公共交通和重要場地對人體攜帶隱藏危險品、文物等的安檢需求，常規的技術手段有其局限性，無法滿足應用需求；而太赫茲探測技術應用于安檢與反恐具有較好的優勢：穿透性好且分辨率高、非電離的安全探測、快速探測等。因此對于博物館的安檢需求，太赫茲探測技術應該是一個相對較好的解決手段。

二、國內外典型的近場安檢系統

美國L3通信公司在西北太平洋國家實驗室的專利授權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，ProVision和SafeView，如圖1所示。其工作頻率為24GHz~30GHz，系統包括兩個一維線陣，分別沿半個圓柱面對目標進行掃描，方位分辨率可達到5毫米，徑向分辨率為15毫米，成像時間為1.5秒。該設備還采用了目標識別技術，可以有效保護人體隱私。目前已有多個國家在機場部署了該公司產品。有文獻報道該公司正在研究100GHz以上的安檢成像系統以提高成像質量。

英國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成像系統外觀與標準安檢門類似，該系統采用平面天線陣列并且通過電掃描進行成像，具備實時成像能力。Eqo毫米波成像系統使用單一源照射，由平面接收陣列接收散射回波信號，方位分辨率可達到4毫米。

德國Rohde&Schwarz公司基于高集成密度主動電子掃描陣列和強大的數字信號處理（DSP）能力開發了QPS100，如圖3所示。QPS100外觀像平板，內部集成了3008Tx和3008 Rx，數據獲取時間只有16ms，工作頻率為70到80GHz，方位分辨率優于2毫米。

國內中國航天科工三院35所研發了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，通過環型掃描，獲得人體回波進行成像。可在1～2秒內對人體進行全身掃描，并即時獲取被檢測人體隱藏物品圖像，對人體衣物中隱藏的金屬類物品以及傳統檢測設備無法檢出的液體類、陶瓷類等非金屬物品進行高清晰度成像檢測，物品成像分辨率可達到毫米級。

中科院電子所設計一種新型的掃描方式，開發出一套工作于0.2THz的一維準光掃描+一維SAR工作方式的成像系統，實現對目標的三維成像^[8]，如圖5所示。

三、35GHz和140GHz三維安檢成像原理實驗驗證平臺

本文設計了35GHz和140GHz三維安檢成像原理實驗驗證平臺。平臺采用主動式雷達成像技術，主動向待檢目標輻射相應波段的電磁波，目標回波信號經系統接收后被處理為包含目標信息的圖像，從而實現對待檢目標的有效檢測。實驗平臺由信號產生與采集裝置、天線陣列、掃描驅動裝置、信號與圖像處理單元和終端顯示五部分組成，如圖6所示。其中，主控計算機通過網線控制信號產生裝置產生寬帶步進頻信號，經發射天線向外輻射，目標回波信號經接收天線接收后經信號采集裝置采集并傳至主控計算機，最后由主控計算機完成信號與圖像處理和終端顯示。本平臺利用掃描驅動裝置控制天線陣列的位置，通過平面掃描的方式實現方位維與高度維的孔徑合成，從而獲得對待檢目標的高分辨率成像。

建立天線與目標的幾何關系如圖7所示。天線位于平面，天線掃描面到目標平面的距離為，為天線到點目標的距離。

天線發射信號為步進變頻信號，記發射信號起始頻率為f0，帶寬為B，頻點數為K+1，每個頻點持續時間為T0，目標回波信號r(t)可以表示為

利用發射信號作為目標回波信號的參考，并對混頻后的信號為進行等間隔采樣，令采樣時間Ts=T0，得到一組數據

此組數據可以看作是對頻譜為U(f)的信號以△f為間隔采樣得到的，即

通過傅里葉逆變換將頻域信號U(f)壓縮成等效時域Sinc脈沖，脈沖信號幅度取得最大，從而實現了對目標的距離維壓縮^[9]。

四、成像結果及分析

獲得回波數據后，采用基于時域的后向投影（Back Projection，簡稱BP）算法對回波信號進行成像，以獲得方位維與高度維的高分辨率。基于圖7所示的幾何結構關系，將三維成像空間劃分為M×N×P的網格，計算天線(x`,y`-d`)與各成像網格點之間的距離，獲得該距離對應的雙程延遲時間：

利用該延遲時間對原始回波數據進行相位補償，并針對不同位置的天線重復進行上述操作，將補償后的數據疊加。當所有天線位置遍歷完成后，將該累加值作為該網格點的散射強度值，即完成了對該網格點的成像。對該三維成像空間內的每個網格點分別進行上述操作就得到目標的三維像。35GHz成像結果如圖8所示。

按照同樣的方法，獲得了140GHz成像結果，如圖9所示。

將金屬手槍模型被衣服遮擋后，也獲得140GHz的成像結果，如圖10所示。

通過比對35GHz金屬手槍成像結果和140GHz金屬手槍成像結果，可以看出140GHz成像結果比較清晰，而且細節清楚。手槍藏在衣服下面后，140GHz的電磁波依然能夠穿透衣服，對金屬手槍進行成像，而且保持較高的圖像動態范圍，容易識別。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，實驗的結果也驗證這個現象。同時實驗也說明了140GHz電磁波具有對衣物的穿透能力。

五、結論與展望

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。國內外安保領域的重要公司和研究機構都在研發基于電磁波的人體安檢系統。為了進一步提高成像質量，提高系統的識別能力，文中探討了太赫茲波用于近場人體安檢成像的特點、優勢。為了比對太赫茲波和毫米波的成像能力，參考西北太平洋國家實驗室平面掃描成像裝置，并設計了35GHz和140GHz三維安檢成像原理實驗驗證平臺。通過對比成像結果，可以看出140GHz的手槍成像結果，在圖像的方位分辨力上有明顯的優勢。同時140GHz對掩藏在衣服下的金屬手槍的成像結果也保持較高的圖像動態范圍。隨著太赫茲技術的飛速發展，其太赫茲源、檢測器、混頻器、放大器等關鍵固態器件的成熟和成本降低，可以相信太赫茲近場人體安檢成像的應用已并不遙遠。

參考文獻:

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