單點探測被動毫米波成像系統(tǒng)設計

李志豪，劉偉豪，李維姣，丁志平

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單點探測被動毫米波成像系統(tǒng)設計

李志豪，劉偉豪，李維姣，丁志平

（公安部第三研究所，上海 200031）

被動毫米波成像是公共安全檢查的一個重要發(fā)展方向，目前國內外主要集中在純反射系統(tǒng)的多元探測成像，以及采用透射形式的陣列探測成像兩個領域。本文采用單點探測加掃描的形式，設計完成一套低成本近場被動毫米波成像系統(tǒng)，實現(xiàn)探測距離1.5 m、成像范圍1.2 m×1.2 m、空間分辨率優(yōu)于1.5cm。該系統(tǒng)可應用于各公共檢查場所，實現(xiàn)非接觸式安全檢查。

高斯波束；準光路系統(tǒng)；毫米波成像；單點探測

0 引言

毫米波成像可以透過人體衣物或箱包查看藏匿的金屬、陶瓷、爆炸物等，其無輻射不會對生物組織造成破壞的特點，更是能夠保證被檢人員尤其是長期從事設備操作安檢人員的身體健康。目前，公共安全檢查領域主要采用近場探測方式，在幾米范圍內對人體進行檢測，其根據(jù)成像方式的不同，又可分為純反射和投透射種形式[1-2]。其中反射形式采用大口徑離軸拋物面鏡，以及偏振系統(tǒng)進行掃描，結構簡單，但對于鏡面加工要求較高、價格不菲，而偏振系統(tǒng)的控制也是一大難點[3]；透射形式則可以精簡掃描系統(tǒng)，直接采用太赫茲介質透鏡和平面掃描即可實現(xiàn)成像，但目前也主要采用多探測器。針對以上問題，本文設計了一套350mm口徑HDPE（高密度聚乙烯材料）透鏡配合平面反射鏡掃描系統(tǒng)和單點探測器，初步實現(xiàn)了1.5m范圍內的輻射成像，成像范圍1.2m×1.2m，空間分辨率優(yōu)于1.5cm，在保證透視效率的前提下降低了成本，更貼合實際應用。

1 掃描系統(tǒng)和探測器設計

1.1 準光學系統(tǒng)設計

為實現(xiàn)點對點掃描以及專門針對太赫茲波段的信號采樣，本文采用折射式成像方式[4]，主要包括一塊HDPE太赫茲透鏡和兩塊平面掃面鏡。實現(xiàn)在1.5m范圍內人體成像，分辨率按技術指標要求設計為1.5cm，成像范圍1.2m×1.2m。光學系統(tǒng)的設計參數(shù)如表1所示。

表1 光學系統(tǒng)參數(shù)

詳細設計如圖1所示，幾何光路通過正透鏡將1.5m遠處的物體聚焦于焦平面，利用反射鏡1的縱向掃描和反射鏡2的橫向掃描，掃描整個物體。系統(tǒng)的光學核心主要在于透鏡的設計，成像系統(tǒng)的空間分辨率主要受限于毫米波透鏡的像差分辨率以及衍射極限分辨率中的較大者。對于像差分辨率ab，采用的透鏡使用HDPE（折射率1.54@94GHz），其表達式如式(1)：

式中：為放大率；為焦距；/#為F數(shù)[5-6]。

對于衍射極限，通常一個光學系統(tǒng)透鏡主要受限于其衍射極限[7]，代表像面光斑86%能量的集中區(qū)域，如式(2)：

式中：di為衍射極限，代表毫米波波長；代表透鏡口徑。

光學透鏡另外要考慮的是焦深問題（DOF），其直接關系到系統(tǒng)裝配時的探測器調試，其表達式如式(3)：

DOF＝2.97p[(＋1)/#]2(3)

圖1 光路圖

由于幾何光學只考慮直線傳播，沒考慮毫米波的衍射特性，因此傳播過程中高斯波束的半徑值可由柱坐標系的近軸波動方程的基模解來計算，如下式：

＝0[1＋(/p2)2]0.5(4)

式中：為光強下降到光軸1/2時所對應的波束半徑；為波束傳播距離；0為初始波束半徑值。由公式(1)，計算各元件位置的高斯波束半徑及距離束腰位置的離焦量，如表2、表3所示。

如表2，當掃描角＝0°時，高斯波束聚焦于焦平面，焦斑大小為5.3mm×5.3mm；如表3，當掃描角＝20°時，雖然高斯波束的束腰半徑距離焦平面9.5mm，但焦斑為5.1mm×5.1mm，因此不影響成像性能。圖2為掃描角從－20°～＋20°的高斯波束圖。

近場被動毫米波成像系統(tǒng)的整體設計參數(shù)如表4所示。

表2 掃描角0°時高斯波束半徑

表3 掃描角20°時高斯波束數(shù)值

圖2 高斯波束圖

表4 被動毫米波成像系統(tǒng)參數(shù)

1.2 探測器及饋源喇叭設計

W波段直接檢波輻射計主要功能是將來自天線的信號通過饋源喇叭接收，然后經(jīng)過放大濾波以后，對信號進行檢波，最終將檢波得到的視頻信號進行放大積分后輸出，總體框圖如圖3所示。

1）輻射計增益估算

增益估算公式見公式(5)：

out＝d××sys××G×(5)

式中：out是檢波管檢波特性良好的最大輸出電壓；d檢波二極管檢波靈敏度常數(shù)，令IF＝out/d表示檢波二極管的工作點功率，?。?5dBm；為玻爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10－23J/K；sys為總噪聲溫度；為中頻帶寬；單邊帶時＝1，雙邊帶＝2。

圖3 輻射計總體框圖

根據(jù)增益要求調整放大的數(shù)量和單個放大器的增益量，從而調整檢波器的輸入功率，以實現(xiàn)最佳線性度，輻射計的增益計算結果見表5。

2）饋源天線

饋源喇叭的主要功能是接收來自天線的信號，并將信號饋入輻射計子系統(tǒng)。

根據(jù)無源成像系統(tǒng)要求，輻射計饋源喇叭要求在86～94GHz范圍內，波束寬度為±16°，圖4是W波段饋源喇叭的仿真結果。由圖4(a)饋源喇叭輸入回波損耗可見，饋源喇叭在75～110GHz全波導帶寬內回波損耗優(yōu)于－26dB；由圖4(b)饋源喇叭方向圖可以看出，饋源喇叭－3dB波段寬度±8°，－12dB波束寬度±16°。

圖4 仿真結果

表5 輻射計各通道增益估算值

2 實驗與測試

首先對透鏡和探測器部件進行測試，根據(jù)設計的焦距和探測器溫度靈敏度，在長軌上直接進行驗證。發(fā)射源采用矢量網(wǎng)絡分析儀直接發(fā)射作為點源，探測器根據(jù)設計的尺寸固定在另一端，透過透鏡進行信號檢查，前后移動尋找能量最大點，實驗結果表明設計的透鏡符合預期設計。確保部件設計符合預期設計后，將各部件調試裝配到系統(tǒng)中進行系統(tǒng)成像探測測試，如圖5(a)所示。最終進行外殼設計，整體設備外形效果如圖5(b)所示。

對系統(tǒng)進行人體透視成像，圖6為操作界面顯示及三角尺檢測結果，從結果來看，系統(tǒng)成像已經(jīng)能夠看見衣物下皮帶扣，以及口袋中的手機、三角尺。其中三角尺每邊寬度為1.5cm，從成像質量來看，設備分辨率已經(jīng)達到1.5cm。

3 結語

本文設計了一套采用HDPE材料的太赫茲透鏡和平面反射鏡的掃描系統(tǒng)，利用單點探測器，實現(xiàn)了近場被動成像。由于采用透射形式以及單點探測，價格成本得到有效控制，從實驗結果來看，設備分辨率優(yōu)于2cm，能夠有效探測隱藏于衣物下的金屬物體。該課題形成的被動太赫茲成像設備將在重要場館安檢中得到充分應用。

圖5 系統(tǒng)測試及整體設備外形效果

圖6 實際掃描成像

[1] 宋崧, 王學田, 鄧甲昊. 被動毫米波成像系統(tǒng)的發(fā)展狀況及其關鍵技術[J]. 科技導報, 2011, 29(19): 74-79.

SONG Song, WANG Xuetian, DENG Jiahao. Status and the key techniques of passive millimeter-wave imaging system[J]., 2011, 29(19): 74-79.

[2] 趙璐, 王金榜, 楊魁, 等. 利用復合型介質透鏡的毫米波成像研究[J].北京師范大學學報: 自然科學版, 2016, 52(1): 20-22.

ZHAO Lu, WANG Jinbang, YANG Kui, et al. Millimeter wave imaging based on compound dielectric lens[J], 2016, 52(1): 20-22.

[3] GUO Lantao, DENG Chao, ZHAO Yuanmeng, et al. Passive terahertz imaging for security application[C]/, 2013, 8909: 89090S.

[4] SONG Qian, ZHAO Yuejin, Albert Redo-Sanchez. Fast continuous terahertz wave imaging system for security[J]., 2009, 282(10): 2019-2022.

[5] Meinhart C D, Wereley S T. The theory of diffraction-limited resolution in microparticle image velocimetry[J].. 2003, 14(7): 1047-1053.

[6] LaserComponents. Technical document about lens theory[DB/OL].[2010] http: //www.lasercomponents. com/de/.

[7] Boreman G D. Modulation Transfer function in optical and electro- optical systems[M]//, Bellingham : SPIE Press, 2001.

Single Detector Passive Millimeter Wave Imaging System

LI Zhihao，LIU Weihao，LI Weijiao，DING Zhiping

（The Third Research Institute of The Ministry of Public Security of P.R.C, Shanghai 200031, China）

Passive millimeter wave imaging is an important application in the field of public security. Recently, researchers have concentrated their efforts on the reflex system with FPA, which involves high costs and increased difficulties in building off-axis paraboloidal mirrors of large enough dimensions. In this article, we present a passive millimeter wave imaging system with one HDPE lens and a single detector, which can produce an image within a range of 1.5m, with an imaging area of 1.2 m×1.2 m, and having a resolution greater than 1.5cm. This system can be applied to public security and allows for non-contact safety inspections.

geometrical optics，Gaussian beam，quasi-optical system，millimeter imaging

TN015，TB811+.3

A

1001-8891(2017)11-0979-04

2016-06-15；

2017-07-04.

李志豪（1985-），男，上海人，碩士，公安部第三研究所研發(fā)工程師，助理研究員，主要從事安檢裝備技術研究。

上海市科研計劃項目（13231203100）。