被動毫米波太赫茲人體成像關(guān)鍵技術(shù)進展

馮 輝,涂 昊,高炳西,武 帥

(博微太赫茲信息科技有限公司,安徽 合肥 230088)

1 引 言

對公共場所的人員進行安檢是防止公共安全事件發(fā)生的有效手段?，F(xiàn)有主流的安檢技術(shù)手段主要有以下三個方面:金屬探測技術(shù),包括金屬探測門和手持式金屬探測器,可以非常有效的探測人身攜帶的金屬物品,但對陶瓷刀具,液體可燃物和塑膠炸藥等非金屬危險物品卻無能為力；X射線透射成像技術(shù),該技術(shù)對行李檢測表現(xiàn)出非常好的性能,但由于X射線的電離特性以及輻射劑量問題,使其只能用于檢測行李而不能用于對人體的檢測；X射線背散射成像技術(shù),采用微弱劑量X射線背散射技術(shù)對人體成像,是現(xiàn)有技術(shù)中能夠最清楚的檢測人體衣物內(nèi)攜帶物品的手段,但公眾仍對此技術(shù)的安全性存在疑慮,在推廣使用時受到的輿論抵觸較大。針對以上技術(shù)在人體安檢領(lǐng)域存在的不足,近年來出現(xiàn)了毫米波成像和太赫茲成像兩項技術(shù)。

毫米波太赫茲波段在電磁波譜上位于紅外和微波之間[1-2]。與微波相比,毫米波太赫茲成像的分辨率更高；與紅外相比,毫米波太赫茲輻射對衣服有更強的穿透能力；與X射線相比,毫米波太赫茲波光子能量低,對人體安全。基于毫米波太赫茲輻射的以上特點,毫米波太赫茲成像非常適合作為對人體進行安全檢查的手段。特別是被動毫米波太赫茲成像技術(shù),設(shè)備本身不存在毫米波太赫茲輻射源,僅僅依靠接收被檢測人員自身的毫米波太赫茲輻射進行成像,對設(shè)備操作人員和被檢測人員都絕對安全。被動毫米波太赫茲成像可檢測人體衣物內(nèi)隱藏的金屬、液體、陶瓷和粉末等材質(zhì)的物品,在人體安檢領(lǐng)域有廣闊的應用前景。

2 被動毫米波太赫茲人體成像檢測原理

目前文獻中報道的被動毫米波太赫茲人體成像基本都是依據(jù)準光學成像原理,也有少量的壓縮感知成像和綜合孔徑干涉成像等其他方法。準光學毫米波太赫茲成像裝置主要包含毫米波太赫茲準光學系統(tǒng)、毫米波太赫茲探測器和數(shù)據(jù)采集及系統(tǒng)控制等幾部分。另外,由于現(xiàn)階段毫米波太赫茲探測器的成本比較昂貴,多數(shù)設(shè)備都包含了機械掃描裝置配合少量的探測器進行成像,實現(xiàn)達到最優(yōu)性價比的目的。

在準光學被動式毫米波太赫茲人體成像中,人體上任意一點輻射出的毫米波太赫茲波被準光學系統(tǒng)接收并聚焦到像平面上,在像平面上形成人體的毫米波太赫茲圖像。當人體攜帶有其他物品時,物品自身的輻射以及物品對人體輻射的遮擋會使像平面上相應位置的毫米波太赫茲信號大小發(fā)生變化,從而在毫米波太赫茲圖像上顯示人體攜帶物品的大小、形狀和位置。

3 工作頻率

工作頻率的選擇需要考慮對衣服的穿透能力和成像分辨率之間的平衡,目前文獻中報道的被動毫米波太赫茲人體成像設(shè)備大部分都工作在100 GHz～600 GHz之間,工作頻率主要從成像分辨率、信噪比和透視性能等幾個方面影響成像性能和檢測效果。

從提高分辨率的角度來講,根據(jù)瑞利判據(jù),光學系統(tǒng)的工作頻率越高,分辨率越高,因此為了最求更高的分辨率,應選擇更高頻率的毫米波太赫茲波。一般來說,當工作頻率達到250 GHz時,設(shè)備能夠達到1 cm以下的空間分辨率。

從提高圖像信噪比的角度來講,信噪比取決于輸入信號的大小和探測器的本底噪聲。當頻率升高時,人體輻射毫米波太赫茲功率譜密度顯著增大,而且在高頻段,毫米波太赫茲探測器可以獲得更寬的帶寬,因此,頻率越高,輸入信號越大。但是,毫米波太赫茲探測的發(fā)展水平限制了設(shè)備的工作頻率往高頻發(fā)展,在高頻段,毫米波太赫茲探測器的噪聲本底也越大。

從穿透性的角度來講,隨著頻率的升高,毫米波太赫茲波對衣物的穿透性能會有所下降。

圖1中總結(jié)了從毫米波到紅外波段各種頻率下的人體成像效果,從圖中可以看出,在200 GHz以內(nèi),圖像上幾乎沒有衣服的特征,說明在此波段衣服幾乎是完全透明的,即透過率≈1。在200 GHz～350 GHz頻段,有少量的衣服特征,但還不影響衣服內(nèi)隱藏物品的檢測。在超過600 GHz的頻段,衣服的特征已經(jīng)非常明顯,嚴重影響到物品的檢測。而在紅外波段,衣服的透視性已經(jīng)變得很差。另外,在毫米波太赫茲波段,存在較強的大氣吸收,總體趨勢是頻率越高吸收越強。因此高頻段的毫米波太赫茲波不適合用于人體安檢成像。

圖1 不同頻率下的人體成像效果圖

綜合分辨率、信噪比、透視性能和大氣衰減,以及毫米波太赫茲探測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢來看,未來200 GHz～350 GHz將會是被動毫米波太赫茲人體成像安檢的理想工作頻率。

4 光學系統(tǒng)

4.1 概 述

被動式毫米波太赫茲人體成像安檢設(shè)備中的光學系統(tǒng)一般可以分為透射成像[3]和反射成像[10]兩大類,也有少量的透射和反射結(jié)合的文獻報道[11]。圖2中顯示了幾種典型光學系統(tǒng)的代表。

圖2 幾種典型光路

4.2 透射成像

透射式毫米波太赫茲成像與光學透鏡成像原理基本一致,通常選取毫米波太赫茲波段的介質(zhì)材料制作透鏡作為成像光學元件,通過光學成像理論和光學設(shè)計軟件仿真設(shè)計出合適的成像光學透鏡。與光學透鏡成像不同的是,毫米波太赫茲波段可用于制造透鏡的材料非常少,通常用于被動人體成像系統(tǒng)中毫米波太赫茲透鏡的介質(zhì)材料有高密度聚乙烯和聚四氟乙烯,兩種材料在毫米波太赫茲波段的介電常數(shù)分別為2.34和2.08。從光學設(shè)計的角度來看,一個透鏡有兩個面可用于矯正相差,所以一般毫米波太赫茲成像系統(tǒng)中只需一個毫米波太赫茲透鏡即可將相差矯正到可接受范圍內(nèi)。如果希望進一步減小相差,也可采用兩個及以上的透鏡組完成成像功能。但是,毫米波太赫茲波在穿過透鏡時,在透鏡界面上會產(chǎn)生反射損失,對于高密度聚乙烯和聚四氟乙烯,一個表面的反射能量損失大約在4 %左右,而且目前尚無合適的增透膜材料。多個透鏡帶來的反射損失比較大,直接影響圖像的信噪比,這也是文獻中報道的透射式毫米波太赫茲成像系統(tǒng)多數(shù)采用一個透鏡的原因,但在探測靈敏度較高的超導探測系統(tǒng)中,也有多個透鏡組合的例子。

4.3 反射成像

反射成像一般采用金屬材料(通常采用鋁)加工成反射表面。一個反射鏡只有一個反射面,對于單探測器,一個反射面即可完成成像,但是對于探測器陣列,一個反射面不足以將旁軸像差減小到成像分辨率范圍內(nèi),因此需要2～3個反射面。常見的反射成像光學系統(tǒng)有卡塞格倫天線和三反射鏡系統(tǒng)。為防止長時間使用后反射表面氧化帶來的反射損失,有時也在反射面表面鍍防氧化介質(zhì)膜。無論是反射成像還是透射成像,都是基于光學成像理論來設(shè)計光學系統(tǒng),兩種光路設(shè)計的原理和方法基本一致。

4.4 對比分析

從系統(tǒng)復雜度來講,由于反射鏡的數(shù)量要大于透鏡數(shù)量,所以反射系統(tǒng)要比透射系統(tǒng)復雜,但是在毫米波太赫茲波段,對于高密度聚乙烯和聚四氟乙烯兩種材料制成的透鏡,一個透鏡兩個面的反射損失大約在8 %左右,而反射鏡一個反射面的反射率在99 %以上,所以,在同等口徑下,反射成像系統(tǒng)的接收效率要高于透射系統(tǒng)。另外,用于制造反射鏡的金屬材料的熱穩(wěn)定性要高于用于制造透鏡的塑料材料,因此,溫度變化較大的環(huán)境中,反射成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性也要高于透射成像系統(tǒng)。

4.5 機械掃描

光學波段的成像通常采用二維CCD陣列作為焦平面探測器,但由于現(xiàn)階段毫米波太赫茲探測器的成本較高,所有很少有采用二維焦平面陣列毫米波太赫茲探測器做人體成像,文獻中報道中比較常見的是少量毫米波太赫茲探測器配合機械掃描的方式完成部分或整個人體成像。主要有單探測器或少數(shù)幾個探測單元配合二維機械掃描[12-14]、探測器線陣配合一維機械掃描[3]和二維毫米波太赫茲小型探測陣列配合二維機械掃描[6]等方法。圖3中顯示了幾種典型的掃描方法。

圖3 幾種典型的掃描方法

毫米波太赫茲探測單元越多,成像速度越快,成本也越高。通常單探測器的成像速度能達到幾秒到幾十秒量級,毫米波太赫茲線陣和二維毫米波太赫茲小型陣列一般能達到每秒幾幀至每秒十幾幀的準視頻速度。在現(xiàn)階段,一維毫米波太赫茲探測陣列配合另一維度機械掃描是性價比較高的方案。

5 毫米波太赫茲探測

5.1 概 述

毫米波太赫茲探測的方法非常多,常見的有電光取樣、光導天線、光學上變頻、高萊盒和熱釋電探測器等。適用于被動式毫米波太赫茲人體安檢成像的主要有常溫肖特基二極管探測和低溫超導探測兩種方法。兩種方法都有直接檢波和外差探測兩種方式,直接檢波只測量被測信號的幅度,是非相干探測,通常是寬頻帶的,外差探測除了探測幅度外,還探測相位,可用于相干探測和非相干探測,限于中頻帶寬,外差探測的帶寬通常比直接檢波窄。

5.2 常溫肖特基二極管探測

肖特基二極管可用于毫米波太赫茲波的直接檢波[15]和外差探測[16],圖4顯示了兩種探測方式的基本原理。

圖4 基于肖特基二極管的探測方法

肖特基二極管用于毫米波太赫茲波的直接檢波時,檢波器輸出一個正比于輸入信號功率的電壓信號。由于人體輻射的毫米波太赫茲波信號強度非常微弱,遠遠低于肖特基二極管檢波器的等效噪聲功率所決定的檢測限值,因此需要利用低噪聲放大器(LNA)對被測信號進行放大后再進行檢波。

直接檢波的特點是結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,在W波段已經(jīng)有成熟的商業(yè)化的低噪聲放大器和檢波器毫米波集成電路(簡稱MMIC)芯片以及用于被動式人體成像安檢的商用模塊。但是限于低噪聲放大器的發(fā)展水平,目前這種探測方式的使用僅限于毫米波太赫茲波段較低的頻率。在W波段以上,特別是超過200 GHz的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)太大,基本上處于實驗研究狀態(tài),還不滿足被動人體成像實際使用需求。

如果希望通過提升工作頻率來提升成像分辨率,可以采取外差檢測。外差探測采用肖特基二極管作為混頻器,輸出被測毫米波太赫茲波信號和本振信號差頻的中頻信號。中頻信號處于微波波段,頻率遠低于被測毫米波太赫茲波信號,有性能優(yōu)越的放大器、濾波器和檢波器等器件可供使用。相對于直接檢波,外差探測在更高頻段的等效噪聲功率更低,可以工作在更高的頻率,但系統(tǒng)復雜度和成本也有所增加。隨著混頻毫米波集成電路芯片的開發(fā),以及毫米波太赫茲低噪聲放大器設(shè)計技術(shù)和工藝水平的提升,在人體成像安檢領(lǐng)域,直接檢波和外差探查將呈現(xiàn)從低頻到高頻不斷競爭的趨勢。

5.3 超導探測

無論是在直接探測中采用低噪聲放大器將被測信號放大后再進行檢波,還是在外差探測中將被測信號混頻至低頻進行處理,其原因都是在毫米波太赫茲波段,檢波器的等效噪聲功率較高,不足以探測被測信號,導致被測信號湮沒在檢波器的本底噪聲而無法探測。但是,超導毫米波太赫茲探測器有著極低的等效噪聲功率,因此,超導毫米波太赫茲探測器無需經(jīng)過放大或混頻,可直接用于人體輻射的微弱毫米波太赫茲信號的探測。雖然有很多超導外差探測的報道,但直接檢波超導探測器的靈敏度足以滿足被動人體成像的需要,因此,常見用于被動人體成像中的超導探測方法都是TES(Transition Edge Sensor)[17]和KIB(Kinetic Inductance Bolometer)[18]等非相干探測方法,如圖5所示。

相對于被動式毫米波太赫茲人體成像的頻率,超導毫米波太赫茲探測的頻率較高,帶寬更寬。在一些應用中,采用帶通濾波器選取合適的工作頻率。超導探測的寬帶性有兩個可利用的優(yōu)點,一是在整個工作頻段中選取多個探測頻段,利用高頻段成像的高分辨特性和低頻段成像的高穿透特性,實現(xiàn)分辨率和穿透性的兼顧,從而達到檢測性能的提升；二是毫米波太赫茲波的物質(zhì)光譜特性,實現(xiàn)成像過程中的物質(zhì)識別功能。

圖5 基于TES和KIB探測的被動太赫茲成像系統(tǒng)

目前,文獻中報道的超導毫米波太赫茲成像系統(tǒng)的工作距離一般都在5 m以上,有的甚至超過20 m,這與超導探測器陣列的集成方式有關(guān)。對于基于肖特基二極管的直接檢波或外差探測器的集成,一般都是將芯片封裝入金屬腔體,形成探測器模塊,再將探測器模塊拼接成陣列。而超導探測器更適合芯片級的集成,直接在一片芯片上即可形成多通道探測陣列,因此探測陣列的陣元間距要比肖特基二極管探測陣列小很多。對于同樣尺寸的被成像目標,超導探測成像需要更大的放大比,因此超導探測的太赫茲成像系統(tǒng)一般都工作在更遠的成像距離以實現(xiàn)對被檢測人員的完整成像。

總的來說超導毫米波太赫茲成像具有兩個非常明顯的特點,一是成像距離遠,可實現(xiàn)遠距離安防監(jiān)控功能。二是有望利用超導毫米波太赫茲探測的寬帶性,實現(xiàn)檢測性能提升和物質(zhì)光譜識別。

5.4 探測陣列的校準

無論對于哪種探測方式,在使用多通道探測陣列時,由于探測通道間的傳遞函數(shù)的不同,且會隨時間和溫度的變化而漂移,因此都需要進行通道間一致性校準。目前常見的校準方式主要有兩種,一是在成像視場中選取一塊相對均勻,沒有被成像人員出現(xiàn)的區(qū)域,當設(shè)備對此區(qū)域進行成像時,將探測器校準到相同的輸出,這種方式適合線性陣列直線掃描。另外一種方式在某些非直線掃描設(shè)備中,通道間的掃描軌跡發(fā)生交叉,利用兩個不同探測器在掃描軌跡交叉點處的輸出應該相同這一特點來對探測陣列進行校準。因為探測器的輸出會隨著時間和溫度的變化而變化,所以兩種方式都需要實時進行校準。

5.5 對比分析

基于肖特基二極管的毫米波太赫茲探測器工作在室溫,而超導毫米波太赫茲探測器工作在低溫狀態(tài),除了成像設(shè)備外還需配備制冷設(shè)備,因此,基于肖特基二極管探測器的成像系統(tǒng)的使用和維護便利性要優(yōu)于超導探測。但是超導探測器噪聲等效溫度更低,探測靈敏度更高,因此對于遠距離成像,超導探測有著絕對的優(yōu)勢。

6 圖像處理與智能識別

6.1 概 述

受限于現(xiàn)有探測器的水平,被動式毫米波太赫茲成像設(shè)備獲得的原始人體圖像在信噪比和分辨率兩個方面離實際使用還有一定差距。并且,被動毫米波太赫茲圖像和人們常見的可見光或紅外圖像還有一定的區(qū)別,給安檢操作人員的人工判圖帶來一定困難。為了滿足實際使用需求,還需要開展數(shù)字處理和智能識圖等工作。

6.2 圖像處理

數(shù)字圖像處理利用各種圖像處理方法降低圖像噪聲,提升信噪比,并通過圖像銳化等方法提升分辨率。為了增加圖像的可讀性,也有報道將毫米波太赫茲圖像將可見光圖像兩者融合,或者將毫米波太赫茲圖像、紅外圖像和光學圖像三者進行融合,以達到更好的檢測效果。圖6中顯示了融合圖像處理的效果,該工作利用光學成像的空間分辨率,紅外成像的溫度分辨率和太赫茲成像的穿透性進行圖像融合。融合圖像既符合人眼觀看光學圖像的習慣,又顯示了衣服內(nèi)隱藏的物品,對設(shè)備操作人員提供了極大的便利。

圖6 可見光、紅外和太赫茲圖像的融合[19]

6.3 智能識圖

智能識圖利用軟件算法,在無需人為干預的情況下根據(jù)毫米波太赫茲圖像自動判斷被檢測人員衣物內(nèi)是否存在隱藏物品。比較常見的有兩種方法,早期常用的一般是各種解析方法。隨著近年來深度學習方法在各方面都取得了廣泛的應用,科研人員也將此方法用于毫米波太赫茲圖像的自動判圖,取得了顯著的效果。圖7展示了兩種方法的結(jié)果,都是在毫米太赫茲圖像上判斷攜帶了物品的位置并做出標記,其最終目標都是智能提取人體衣物內(nèi)隱藏的物品并自動報警,實現(xiàn)安檢設(shè)備的無人值守。

圖7 目標智能識圖

7 總 結(jié)

本文從各項關(guān)鍵技術(shù)的角度分析了被動毫米波太赫茲人體安檢成像的發(fā)展。隨著越來越多的科研單位和企業(yè)在本領(lǐng)域投入研發(fā)資源,被動毫米波太赫茲人體成像安檢將會得到越來越廣泛的應用。未來,毫米波太赫茲圖像的性能應會朝著高分辨,遠距離,大視場和高幀率的方向發(fā)展,而太赫茲成像設(shè)備應會朝小型化,低成本,多波段和智能化的方向發(fā)展。