简述太赫兹人体安检技术的发展与应用

■ 文/公安部检测中心 陶磊

关键字：太赫兹安检 X 射线 成像仪

1 引言

实践表明，加强机场、车站等人员密集场所的安全检查是预防公共安全事件发生的有效手段。安检技术是公共安全领域需重点发展的技术之一。目前世界上较多采用的安检技术是X 射线成像，该技术在对行李物品的检查中表现出优异的性能，但由于X 射线的电离作用会对人体产生危害，使其只适用于检查物品，而不适合对人体进行检查。虽然采用金属探测器配合人工检查的方法可以在一定程度上减小人身携带危险物品的概率，但存在安检速度缓慢、对非金属危险物容易漏检，以及造成侵犯隐私权等问题。

2 人体安检技术的发展

近年来，各国研究人员纷纷寻找一种能对人体携带隐蔽危险物品进行成像，且对人体不构成伤害的安检方法。目前认为最有竞争力的技术手段就是毫米波太赫兹成像。毫米波太赫兹成像是以毫米波或太赫兹波作为载体的一种成像技术，不但具有分辨率高和透视性好的优点，而且对人体无伤害，是一种非常理想的安检手段，因此，在公共安全和反恐领域有着独特的应用价值和广阔的市场前景。过去几年里，美国、英国和德国等发达国家投入大量人力、物力研制太赫兹成像安检系统。随着太赫兹关键技术的不断突破，欧美国家的系统应用开始步入快车道，在许多领域出现了太赫兹设备，而且市场需求规模正在不断扩大。特别是公共安全领域出现的太赫兹成像安检设备正在改变着安检市场格局。我国的太赫兹安检设备目前已经成功进入欧美国家机场安检市场，覆盖了全美200 多个机场和欧洲主要国家的各大机场。目前，欧美国家的太赫兹产业链条已经初步形成，而且产业化节奏正在明显加快，围绕产业链上下游相继成立了许多高科技企业，例如，以生产太赫兹元器件为代表的美国VDI、爱尔兰FARRAN、英国Teratech 等公司，以生产太赫兹成像安检系统为代表的英国ThruVision、TeraView、美国Millivision、Brijot 等公司。近年来，欧美国家的太赫兹技术企业出现频繁兼并重组，实力较强的企业开始进入这个新兴市场，如美国安检安防行业巨头L3 公司。

我国的毫米波太赫兹研究相对起步较晚，但近年的发展较为迅速。从产业发展来看，我国的太赫兹技术在公共安全领域安检安防设备上率先实现突破，国内已有多家研究机构和群体从事太赫兹安检安防设备的研制，比如首都师范大学、北京理工大学、上海理工大学等研究机构以及北京等地生产企业开始研制太赫兹安检仪。

3 太赫兹安检设备在我国的发展

目前，我国正处在突发公共安全事件高发期。此类事件每年给国家带来的经济损失高达6000 多亿元，其中社会治安事件造成的损失超过1500 亿元，且呈现逐年增涨的趋势。公共安全事件的高发已引起国家和各级政府的高度重视。

当前，我国严峻的公共安全形势和整个社会对维稳事业的重视，给太赫兹安检安防设备的推广应用提供了有力条件。2018 年3 月23 日，国务院办公厅印发了《关于保障城市轨道交通安全运行的意见》（国办发〔2018〕13 号）。《意见》强调指出，强化公共安全防范，运营单位要制定安全防范和消防安全管理制度，保障相关经费投入。鼓励推广应用智能、快速的安检新技术、新产品，逐步建立与城市轨道交通客流特点相适应的安检新模式。加强社会共建共治，构建多方参与的城市轨道交通公共安全协同防范体系。这为太赫兹安检安防设备在公共安全领域的快速应用提供了极佳的市场时机和政策支持。

从技术上来说，太赫兹人体安检系统已经具备了取代传统设备的技术优势，并且已经通过试用检验和公安部权威机构检测，随着销售渠道的打通，产品的推广使用指日可待。就地铁市场而言，目前全国地铁已建开通数量100余条，开通站点2000 余座，全国地铁市场空间预计达到400 多亿元左右。如果使用范围进一步扩大到高铁站、汽车站、政府大楼、海关、监狱等各类其他场所，以太赫兹安检设备在国内市场潜在容量3 万台/年预估，按照每台安检设备150 万元计算，安检市场未来五年即可达到2000 余亿元的产业规模。总之，太赫兹人体安检系统具有极大的市场需求以及广阔的市场前景。

4 国内外同类产品比较

4.1 美国L3 Communications 公司ProVision 系列成像仪

美国L3 Communications公司的ProVision系列成像仪工作频率在35GHz 左右，该设备能够在2 秒内完成对一个人的扫描，分辨率在亚厘米量级，检查时被检人员须位于设备内部。

该成像仪采用了主动式太赫兹扫描全息技术，在系统中采用了一维192 通道收发线阵，在任意时刻，由一个发射机发射信号，相邻两接收机接收相干回波，通过将该线阵绕人体转动实现对人体全身的扫描成像，扫描完成后由全息成像算法重构图像。具体参见图1。

图1 美国L3 Communications 公司的ProVision 系统及其成像效果

4.2 罗德施瓦茨公司（RS）QPS 系列成像仪

罗德施瓦茨公司的太赫兹稀布阵成像雷达采用了方形稀疏布阵方案，工作频段为80GHz 左右，属于毫米波成像。

该系统实现了对较大目标视场区域的实时成像(成像时间为32ms)，分辨率达到3mm 量级。系统可利用多发多收的方法实时相干接收由人体背向散射的太赫兹辐射。通过采用稀疏布阵的技术，系统中所需的收发单元数量从25600 个降低到700 余个，虽然通道数量仍十分庞大，但是相对于焦平面阵列已经有了大幅降低。具体参见图2。

图2 罗德施瓦茨公司研制的太赫兹稀布阵成像仪

4.3 国内多家公司ProVision 系列的成像仪

美国L3 Communications公司的毫米波安检仪ProVision系列在欧美机场取得一定程度的成功后，我国多家公司均对其进行了仿制。这些产品的基本原理和工作频段均与ProVision 系列相当类似，在扫描方式上有采用圆柱面扫描、平面扫描等多种方式。但据部分报道称，国产产品的成像质量不如ProVision 系列产品。具体参见图3。

图3 国内相关公司的毫米波人体安检产品

4.4 国内某大学研制的毫米波成像仪

北京某大学研制的毫米波成像仪工作频段为35GHz左右，属于毫米波范畴。该仪器使用了稀疏布阵结合合成孔径干涉量度法的被动式探测技术，系统中包含几十个接收单元和数以千计的互相关器，属于被动式毫米波成像系统。由于该系统采用的是被动式成像，其成像分辨率和成像质量都远远不如主动式毫米波成像系统。具体参见图4。

图4 某大学研制的太赫兹成像仪

4.5 法国MC2 公司的MMW-Imager-90成像仪

法国MC2 公司的MMW-Imager-90 成像仪采用了一维线性探测器阵列加一维机械扫描的方式，实现对人体区域的快速成像。其成像速度可以达到每秒10 帧以上，同样可以对走动的人体进行快速成像。具体参见图5。

图5 MC2 公司的太赫兹成像仪

4.6 美国Millivision 公司的成像仪

美国Millivision 公司同样采用了被动式探测器阵列加准光机械扫描方式实现对人体的快速成像。其成像仪成像速度也可以达到10 帧每秒。具体参见图6。

4.7 国外多家研究机构开展的远程超导成像仪方案

美国、德国、芬兰等多个国家近年来都在开展利用低温超导辐射热计研制太赫兹远程成像仪的相关研究，并形成了一些有代表性的样机。例如，芬兰VTT 研究中心的0.1-1.2THz 超宽带超导微辐射热计太赫兹成像仪、美国国家标准局研制的350GHz 超导TES 结太赫兹成像仪、德国光子学技术研究所研制的350GHz 超导TES 结太赫兹成像仪等。

这些仪器的成像区域是20m-30m，普遍难以实现较大的视场，一般仅能达到1m×1m左右，分辨率在2-3cm左右。

这些成像仪大多采用超导探测器阵列，利用被测目标的热辐射实现对目标的被动式成像。其系统设计十分类似，通过如卡塞格伦天线或类卡塞格伦天线，配合机械扫描装置实现扫描。采用超导探测器对仪器本身提出了更高的要求，使用环境十分严苛，这些探测器大多需要4K 以下的低温，至少需要两级制冷系统。在实际仪器的研制过程中，还需考虑制冷系统的振动、噪声、可靠性、稳定性等诸多复杂问题。目前仅有德国一家公司开始销售此类系统。具体参见图7。

图7 德国光子学技术研究所研制的超导太赫兹成像仪

4.8 英国Digital Barriers 公司ThruVision系列成像仪

英国ThruVision 系列太赫兹成像仪（见图8）的工作频段为250GHz 附近。该成像仪能够对最远约15m 处目标的被动式成像，但实际成像分辨率和图像质量都较差，只能分辨体积很大的目标。系统采用了1×8 的线性混频器阵列，配合扫描准光装置成像。

图8 英国Digital Barriers 公司的ThruVision 系列太赫兹成像仪

5 结语

随着太赫兹新技术的运用，我国公共安全产业的新技术研发也将实现突破，可以有效提升我国安检安防设备的研发水平，打破国外产品的优势地位，促进这一领域仪器设备的国产化进程。同时，对于我国的太赫兹产业也将起到极强的带动作用。在当前国内总体太赫兹器件研发水平不高的背景下，这一产品的市场推广必将刺激一批太赫兹元器件研发和制造企业开展更高水平的研发，有利于我国太赫兹基础研究和器件工程化发展，为产业链上游企业提供了来自市场的技术需求。