基于双极化毫米波的人体安检成像技术

夏祖学 颜 军 张 磊

(1. 西南科技大学信息工程学院 四川绵阳 621010； 2. 中国工程物理研究院电子工程研究所 四川绵阳 621900；3. 西南科技大学国防科技学院 四川绵阳 621010)

目前，由于公共安全日愈严峻，毫米波人体安检仪得到了快速发展[1-2]，正逐渐商业化。毫米波人体安检仪分为主动式成像和被动式成像。主动式成像系统类似主动雷达的工作原理，发射一定功率的毫米波，穿透人体表面衣服，并被人体皮肤或隐藏物体反射后，通过相干接收机测量回波信号的幅度和相位，再通过成像算法重构人体表面图像及隐藏物体，相对于被动式成像系统来说，图像对比度高，分辨力高。目前比较先进的有美国L3通信公司研制的ProVision和SafeView，其工作频率为24～30 GHz，采用单极化天线，系统包括两个一维单极化电扫描天线线阵，分别沿半个圆柱面对目标进行扫描，方位分辨率可达到5 mm，径向分辨率为15 mm，成像时间为1.5 s；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能力开发了QPS100，其外观像平板，内部集成了3008接收单元和3008发射单元，采用单极化天线，工作频率为70～80 GHz，方位分辨率为2 mm[3]；国内也有类似研究，如同方威视毫米波人体安检仪 MW1000AA、华讯方舟的TAI-40-HP、芯影的SimImage。

这些毫米波人体安检仪，采用的是单极化合成孔径雷达体制，发射和接收的极化方向相同，接收信号中包含了目标回波信号的幅度和相位信息。基于双极化和多极化的合成孔径雷达体制相比传统的单极化合成孔径雷达体制，不但能获得目标的幅度和相位信息，而且能获得目标丰富的极化散射信息，重构的图像可以更完整地揭示目标外形信息和物理属性，更适合于目标的检测与识别。以往极化合成孔径雷达体制主要用于军事远场成像[4]，近年来有研究人员将该技术运用到隐匿武器的检测中[5-6]。本文提出了将双极化合成孔径雷达体制应用到人体安检成像中，为了验证该方法对人体隐藏物品检测的可行性，构建了手枪的毫米波仿真模型并仿真了极化回波数据，由后向投影算法分别对单极化回波数据和双极化回波数据进行图像重构，并对成像结果进行对比分析。基于仿真模型搭建了一套双极化人体安检成像系统，模拟人体安检场景进行了成像试验。

1 原理及方法

对于大部分目标，散射场的极化不同于入射场的极化，这种现象为交叉极化[7]。当目标受特定极化状态的入射波照射时，可以接收到的散射回波包括了回波强度、相位以及极化特性。目标的极化特性指的是目标对各种极化波的同极化和交叉极化作用。目前ProVision，QPS100等毫米波人体安检仪收发天线的极化方向相同，是单极化合成孔径雷达体制，接收的回波信号只有同极化信息没有交叉极化信息。FEKO软件能够利用较少的资源快速求解超大尺寸问题[8]，为了验证该方法对人体隐藏物品检测的可行性，本文利用FEKO软件构建了金属手枪仿真模型，表1为仿真参数，仿真模型如图1所示。极化方法采用发射水平(H)，接收水平(H)和垂直(V)。

表1 仿真参数

图1 仿真模型

依据表1空间采样和频率采样的设置，将仿真得到HH回波数据构成数组(Nx，Ny，Nz)，其中Nx为41，表示在x方向上仿真了41个点，每个点的间距为5 mm，全长为200 mm；Ny为41，表示在y方向上仿真了41个点，每个点的间距为5 mm，全长为200 mm；Nz为201，表示有201个频点。同样可以得到HV回波数据数组。

采用后向投影算法是一种基础的时域成像算法，主要目的是获得方位向高分辨率[9]。通过计算成像空间内某点到各阵元的回波时延，对相应回波信号进行相位补偿，再利用相干叠加求得该点的后向散射强度。对成像空间中的各点遍历上述“计算时延-相位补偿-相干叠加”的过程，从而得到对点目标的精确成像结果。

采用后向投影算法分别对HH回波数据和HV回波数据进行图像重构，如图2和图3所示。

图2 HH成像结果

图3 HV成像结果

对比图2和图3可以看出，图3只有边缘成像，而且水平方向和垂直方向的边缘也没轮廓，这个现象和雷达常用极化标定用的矩形金属二面角反射器所展示的极化特性相一致[5]。

如果同时使用到HH回波数据和HV回波数据，选取HH回波数据数组中Nx的奇数列，和HV回波数据数组中Nx的偶数列组成了HH+HV回波数据数组，数组大小同样为(Nx，Ny，Nz)。数列同样采用后向投影算法进行图像重构，结果如图4所示。

图4 HH+HV成像结果

对比图2、图3和图4，可以看出图4集中了HH成像和HV成像的优点，既增强了边缘成像效果，同时保留了内部平面的成像效果。

2 实验结果

为了进一步验证双极化毫米波人体安检成像技术在人体安检中的有效性，基于表1参数构建了一套工作频率为31～34 GHz的双极化人体安检成像系统(照片图略)，模拟人体安检场景进行了成像实验。成像系统包括：数据采集及成像模块、毫米波收发信道、双极化电子开关天线阵列、机械扫描装置等。毫米波收发信道用于发射线性调频信号的产生以及回波信号的下变频，数据采集及成像工作站用于采集信号、图像重构和系统逻辑控制。

图5为双极化电子开关天线阵列的示意图，由两排线阵构成，包括上排64路发射通道，下排64路接收通道。64路发射通道为水平线极化(H)，64路接收通道包括32路水平线极化(H)接收通道和32路垂直线极化(V)接收通道。

图5 双极化电子开关天线阵列示意图

分辨率板参考USAF1951美军标分辨率板。在一个PVC 板上放置了3组分辨率条，每组分为7,6,5,4,3 mm，如图6所示。图7为成像结果。

图6 分辨率板

图7 分辨率板成像结果

从图7可以看出，垂直、水平和45度角的3 mm分辨率条可以依稀辨认出来，垂直、水平和45度角的4 mm分辨率条可以辨认出来，而垂直、水平和45度角的5 mm分辨率条可以轻松辨认出来，说明毫米波人体安检成像系统成像分辨率优于5 mm。

为了模拟人体安检，对测试人员在未携带东西和携带钱包两种情况进行了成像试验，人体成像结果如图8所示。

图8 成像结果

对比图8(a)和图8(b)中人体图像的大腿处，能很明显看出钱包形状。实验结果验证了本文所提方法的有效性。

3 结束语

本文在现有毫米波人体安检仪的单极化成像基础上提出了一种基于双极化合成孔径雷达体制的毫米波成像方法。通过构建金属手枪的三维仿真模型，基于仿真的回波数据和后向投影算法，进行图像重构，并对比分析了单极化和双极化成像结果。为了模拟人体安检环境，搭建了一套工作频率为31～34 GHz，64路发射通道、64路接收通道、方位分辨率为5 mm的双极化人体安检成像系统。成像效果表明，隐蔽在衣裤下的钱包清晰可见，从而验证了方法的有效性。