被动毫米波太赫兹人体成像关键技术进展

冯 辉,涂 昊,高炳西,武 帅

(博微太赫兹信息科技有限公司,安徽 合肥 230088)

1 引 言

对公共场所的人员进行安检是防止公共安全事件发生的有效手段。现有主流的安检技术手段主要有以下三个方面:金属探测技术,包括金属探测门和手持式金属探测器,可以非常有效的探测人身携带的金属物品,但对陶瓷刀具,液体可燃物和塑胶炸药等非金属危险物品却无能为力；X射线透射成像技术,该技术对行李检测表现出非常好的性能,但由于X射线的电离特性以及辐射剂量问题,使其只能用于检测行李而不能用于对人体的检测；X射线背散射成像技术,采用微弱剂量X射线背散射技术对人体成像,是现有技术中能够最清楚的检测人体衣物内携带物品的手段,但公众仍对此技术的安全性存在疑虑,在推广使用时受到的舆论抵触较大。针对以上技术在人体安检领域存在的不足,近年来出现了毫米波成像和太赫兹成像两项技术。

毫米波太赫兹波段在电磁波谱上位于红外和微波之间[1-2]。与微波相比,毫米波太赫兹成像的分辨率更高；与红外相比,毫米波太赫兹辐射对衣服有更强的穿透能力；与X射线相比,毫米波太赫兹波光子能量低,对人体安全。基于毫米波太赫兹辐射的以上特点,毫米波太赫兹成像非常适合作为对人体进行安全检查的手段。特别是被动毫米波太赫兹成像技术,设备本身不存在毫米波太赫兹辐射源,仅仅依靠接收被检测人员自身的毫米波太赫兹辐射进行成像,对设备操作人员和被检测人员都绝对安全。被动毫米波太赫兹成像可检测人体衣物内隐藏的金属、液体、陶瓷和粉末等材质的物品,在人体安检领域有广阔的应用前景。

2 被动毫米波太赫兹人体成像检测原理

目前文献中报道的被动毫米波太赫兹人体成像基本都是依据准光学成像原理,也有少量的压缩感知成像和综合孔径干涉成像等其他方法。准光学毫米波太赫兹成像装置主要包含毫米波太赫兹准光学系统、毫米波太赫兹探测器和数据采集及系统控制等几部分。另外,由于现阶段毫米波太赫兹探测器的成本比较昂贵,多数设备都包含了机械扫描装置配合少量的探测器进行成像,实现达到最优性价比的目的。

在准光学被动式毫米波太赫兹人体成像中,人体上任意一点辐射出的毫米波太赫兹波被准光学系统接收并聚焦到像平面上,在像平面上形成人体的毫米波太赫兹图像。当人体携带有其他物品时,物品自身的辐射以及物品对人体辐射的遮挡会使像平面上相应位置的毫米波太赫兹信号大小发生变化,从而在毫米波太赫兹图像上显示人体携带物品的大小、形状和位置。

3 工作频率

工作频率的选择需要考虑对衣服的穿透能力和成像分辨率之间的平衡,目前文献中报道的被动毫米波太赫兹人体成像设备大部分都工作在100 GHz～600 GHz之间,工作频率主要从成像分辨率、信噪比和透视性能等几个方面影响成像性能和检测效果。

从提高分辨率的角度来讲,根据瑞利判据,光学系统的工作频率越高,分辨率越高,因此为了最求更高的分辨率,应选择更高频率的毫米波太赫兹波。一般来说,当工作频率达到250 GHz时,设备能够达到1 cm以下的空间分辨率。

从提高图像信噪比的角度来讲,信噪比取决于输入信号的大小和探测器的本底噪声。当频率升高时,人体辐射毫米波太赫兹功率谱密度显著增大,而且在高频段,毫米波太赫兹探测器可以获得更宽的带宽,因此,频率越高,输入信号越大。但是,毫米波太赫兹探测的发展水平限制了设备的工作频率往高频发展,在高频段,毫米波太赫兹探测器的噪声本底也越大。

从穿透性的角度来讲,随着频率的升高,毫米波太赫兹波对衣物的穿透性能会有所下降。

图1中总结了从毫米波到红外波段各种频率下的人体成像效果,从图中可以看出,在200 GHz以内,图像上几乎没有衣服的特征,说明在此波段衣服几乎是完全透明的,即透过率≈1。在200 GHz～350 GHz频段,有少量的衣服特征,但还不影响衣服内隐藏物品的检测。在超过600 GHz的频段,衣服的特征已经非常明显,严重影响到物品的检测。而在红外波段,衣服的透视性已经变得很差。另外,在毫米波太赫兹波段,存在较强的大气吸收,总体趋势是频率越高吸收越强。因此高频段的毫米波太赫兹波不适合用于人体安检成像。

图1 不同频率下的人体成像效果图

综合分辨率、信噪比、透视性能和大气衰减,以及毫米波太赫兹探测技术的现状和发展趋势来看,未来200 GHz～350 GHz将会是被动毫米波太赫兹人体成像安检的理想工作频率。

4 光学系统

4.1 概 述

被动式毫米波太赫兹人体成像安检设备中的光学系统一般可以分为透射成像[3]和反射成像[10]两大类,也有少量的透射和反射结合的文献报道[11]。图2中显示了几种典型光学系统的代表。

图2 几种典型光路

4.2 透射成像

透射式毫米波太赫兹成像与光学透镜成像原理基本一致,通常选取毫米波太赫兹波段的介质材料制作透镜作为成像光学元件,通过光学成像理论和光学设计软件仿真设计出合适的成像光学透镜。与光学透镜成像不同的是,毫米波太赫兹波段可用于制造透镜的材料非常少,通常用于被动人体成像系统中毫米波太赫兹透镜的介质材料有高密度聚乙烯和聚四氟乙烯,两种材料在毫米波太赫兹波段的介电常数分别为2.34和2.08。从光学设计的角度来看,一个透镜有两个面可用于矫正相差,所以一般毫米波太赫兹成像系统中只需一个毫米波太赫兹透镜即可将相差矫正到可接受范围内。如果希望进一步减小相差,也可采用两个及以上的透镜组完成成像功能。但是,毫米波太赫兹波在穿过透镜时,在透镜界面上会产生反射损失,对于高密度聚乙烯和聚四氟乙烯,一个表面的反射能量损失大约在4 %左右,而且目前尚无合适的增透膜材料。多个透镜带来的反射损失比较大,直接影响图像的信噪比,这也是文献中报道的透射式毫米波太赫兹成像系统多数采用一个透镜的原因,但在探测灵敏度较高的超导探测系统中,也有多个透镜组合的例子。

4.3 反射成像

反射成像一般采用金属材料(通常采用铝)加工成反射表面。一个反射镜只有一个反射面,对于单探测器,一个反射面即可完成成像,但是对于探测器阵列,一个反射面不足以将旁轴像差减小到成像分辨率范围内,因此需要2～3个反射面。常见的反射成像光学系统有卡塞格伦天线和三反射镜系统。为防止长时间使用后反射表面氧化带来的反射损失,有时也在反射面表面镀防氧化介质膜。无论是反射成像还是透射成像,都是基于光学成像理论来设计光学系统,两种光路设计的原理和方法基本一致。

4.4 对比分析

从系统复杂度来讲,由于反射镜的数量要大于透镜数量,所以反射系统要比透射系统复杂,但是在毫米波太赫兹波段,对于高密度聚乙烯和聚四氟乙烯两种材料制成的透镜,一个透镜两个面的反射损失大约在8 %左右,而反射镜一个反射面的反射率在99 %以上,所以,在同等口径下,反射成像系统的接收效率要高于透射系统。另外,用于制造反射镜的金属材料的热稳定性要高于用于制造透镜的塑料材料,因此,温度变化较大的环境中,反射成像系统的稳定性也要高于透射成像系统。

4.5 机械扫描

光学波段的成像通常采用二维CCD阵列作为焦平面探测器,但由于现阶段毫米波太赫兹探测器的成本较高,所有很少有采用二维焦平面阵列毫米波太赫兹探测器做人体成像,文献中报道中比较常见的是少量毫米波太赫兹探测器配合机械扫描的方式完成部分或整个人体成像。主要有单探测器或少数几个探测单元配合二维机械扫描[12-14]、探测器线阵配合一维机械扫描[3]和二维毫米波太赫兹小型探测阵列配合二维机械扫描[6]等方法。图3中显示了几种典型的扫描方法。

图3 几种典型的扫描方法

毫米波太赫兹探测单元越多,成像速度越快,成本也越高。通常单探测器的成像速度能达到几秒到几十秒量级,毫米波太赫兹线阵和二维毫米波太赫兹小型阵列一般能达到每秒几帧至每秒十几帧的准视频速度。在现阶段,一维毫米波太赫兹探测阵列配合另一维度机械扫描是性价比较高的方案。

5 毫米波太赫兹探测

5.1 概 述

毫米波太赫兹探测的方法非常多,常见的有电光取样、光导天线、光学上变频、高莱盒和热释电探测器等。适用于被动式毫米波太赫兹人体安检成像的主要有常温肖特基二极管探测和低温超导探测两种方法。两种方法都有直接检波和外差探测两种方式,直接检波只测量被测信号的幅度,是非相干探测,通常是宽频带的,外差探测除了探测幅度外,还探测相位,可用于相干探测和非相干探测,限于中频带宽,外差探测的带宽通常比直接检波窄。

5.2 常温肖特基二极管探测

肖特基二极管可用于毫米波太赫兹波的直接检波[15]和外差探测[16],图4显示了两种探测方式的基本原理。

图4 基于肖特基二极管的探测方法

肖特基二极管用于毫米波太赫兹波的直接检波时,检波器输出一个正比于输入信号功率的电压信号。由于人体辐射的毫米波太赫兹波信号强度非常微弱,远远低于肖特基二极管检波器的等效噪声功率所决定的检测限值,因此需要利用低噪声放大器(LNA)对被测信号进行放大后再进行检波。

直接检波的特点是结构简单,成本较低,在W波段已经有成熟的商业化的低噪声放大器和检波器毫米波集成电路(简称MMIC)芯片以及用于被动式人体成像安检的商用模块。但是限于低噪声放大器的发展水平,目前这种探测方式的使用仅限于毫米波太赫兹波段较低的频率。在W波段以上,特别是超过200 GHz的低噪声放大器的噪声系数太大,基本上处于实验研究状态,还不满足被动人体成像实际使用需求。

如果希望通过提升工作频率来提升成像分辨率,可以采取外差检测。外差探测采用肖特基二极管作为混频器,输出被测毫米波太赫兹波信号和本振信号差频的中频信号。中频信号处于微波波段,频率远低于被测毫米波太赫兹波信号,有性能优越的放大器、滤波器和检波器等器件可供使用。相对于直接检波,外差探测在更高频段的等效噪声功率更低,可以工作在更高的频率,但系统复杂度和成本也有所增加。随着混频毫米波集成电路芯片的开发,以及毫米波太赫兹低噪声放大器设计技术和工艺水平的提升,在人体成像安检领域,直接检波和外差探查将呈现从低频到高频不断竞争的趋势。

5.3 超导探测

无论是在直接探测中采用低噪声放大器将被测信号放大后再进行检波,还是在外差探测中将被测信号混频至低频进行处理,其原因都是在毫米波太赫兹波段,检波器的等效噪声功率较高,不足以探测被测信号,导致被测信号湮没在检波器的本底噪声而无法探测。但是,超导毫米波太赫兹探测器有着极低的等效噪声功率,因此,超导毫米波太赫兹探测器无需经过放大或混频,可直接用于人体辐射的微弱毫米波太赫兹信号的探测。虽然有很多超导外差探测的报道,但直接检波超导探测器的灵敏度足以满足被动人体成像的需要,因此,常见用于被动人体成像中的超导探测方法都是TES(Transition Edge Sensor)[17]和KIB(Kinetic Inductance Bolometer)[18]等非相干探测方法,如图5所示。

相对于被动式毫米波太赫兹人体成像的频率,超导毫米波太赫兹探测的频率较高,带宽更宽。在一些应用中,采用带通滤波器选取合适的工作频率。超导探测的宽带性有两个可利用的优点,一是在整个工作频段中选取多个探测频段,利用高频段成像的高分辨特性和低频段成像的高穿透特性,实现分辨率和穿透性的兼顾,从而达到检测性能的提升；二是毫米波太赫兹波的物质光谱特性,实现成像过程中的物质识别功能。

图5 基于TES和KIB探测的被动太赫兹成像系统

目前,文献中报道的超导毫米波太赫兹成像系统的工作距离一般都在5 m以上,有的甚至超过20 m,这与超导探测器阵列的集成方式有关。对于基于肖特基二极管的直接检波或外差探测器的集成,一般都是将芯片封装入金属腔体,形成探测器模块,再将探测器模块拼接成阵列。而超导探测器更适合芯片级的集成,直接在一片芯片上即可形成多通道探测阵列,因此探测阵列的阵元间距要比肖特基二极管探测阵列小很多。对于同样尺寸的被成像目标,超导探测成像需要更大的放大比,因此超导探测的太赫兹成像系统一般都工作在更远的成像距离以实现对被检测人员的完整成像。

总的来说超导毫米波太赫兹成像具有两个非常明显的特点,一是成像距离远,可实现远距离安防监控功能。二是有望利用超导毫米波太赫兹探测的宽带性,实现检测性能提升和物质光谱识别。

5.4 探测阵列的校准

无论对于哪种探测方式,在使用多通道探测阵列时,由于探测通道间的传递函数的不同,且会随时间和温度的变化而漂移,因此都需要进行通道间一致性校准。目前常见的校准方式主要有两种,一是在成像视场中选取一块相对均匀,没有被成像人员出现的区域,当设备对此区域进行成像时,将探测器校准到相同的输出,这种方式适合线性阵列直线扫描。另外一种方式在某些非直线扫描设备中,通道间的扫描轨迹发生交叉,利用两个不同探测器在扫描轨迹交叉点处的输出应该相同这一特点来对探测阵列进行校准。因为探测器的输出会随着时间和温度的变化而变化,所以两种方式都需要实时进行校准。

5.5 对比分析

基于肖特基二极管的毫米波太赫兹探测器工作在室温,而超导毫米波太赫兹探测器工作在低温状态,除了成像设备外还需配备制冷设备,因此,基于肖特基二极管探测器的成像系统的使用和维护便利性要优于超导探测。但是超导探测器噪声等效温度更低,探测灵敏度更高,因此对于远距离成像,超导探测有着绝对的优势。

6 图像处理与智能识别

6.1 概 述

受限于现有探测器的水平,被动式毫米波太赫兹成像设备获得的原始人体图像在信噪比和分辨率两个方面离实际使用还有一定差距。并且,被动毫米波太赫兹图像和人们常见的可见光或红外图像还有一定的区别,给安检操作人员的人工判图带来一定困难。为了满足实际使用需求,还需要开展数字处理和智能识图等工作。

6.2 图像处理

数字图像处理利用各种图像处理方法降低图像噪声,提升信噪比,并通过图像锐化等方法提升分辨率。为了增加图像的可读性,也有报道将毫米波太赫兹图像将可见光图像两者融合,或者将毫米波太赫兹图像、红外图像和光学图像三者进行融合,以达到更好的检测效果。图6中显示了融合图像处理的效果,该工作利用光学成像的空间分辨率,红外成像的温度分辨率和太赫兹成像的穿透性进行图像融合。融合图像既符合人眼观看光学图像的习惯,又显示了衣服内隐藏的物品,对设备操作人员提供了极大的便利。

图6 可见光、红外和太赫兹图像的融合[19]

6.3 智能识图

智能识图利用软件算法,在无需人为干预的情况下根据毫米波太赫兹图像自动判断被检测人员衣物内是否存在隐藏物品。比较常见的有两种方法,早期常用的一般是各种解析方法。随着近年来深度学习方法在各方面都取得了广泛的应用,科研人员也将此方法用于毫米波太赫兹图像的自动判图,取得了显著的效果。图7展示了两种方法的结果,都是在毫米太赫兹图像上判断携带了物品的位置并做出标记,其最终目标都是智能提取人体衣物内隐藏的物品并自动报警,实现安检设备的无人值守。

图7 目标智能识图

7 总 结

本文从各项关键技术的角度分析了被动毫米波太赫兹人体安检成像的发展。随着越来越多的科研单位和企业在本领域投入研发资源,被动毫米波太赫兹人体成像安检将会得到越来越广泛的应用。未来,毫米波太赫兹图像的性能应会朝着高分辨,远距离,大视场和高帧率的方向发展,而太赫兹成像设备应会朝小型化,低成本,多波段和智能化的方向发展。