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毫米波成像技术详解

技术交流2019年09月30日 17:15来源: 《中国安防》
  毫米波是指频率在30~300 GHz之间的电磁波,波长为毫米量级,其在电磁波波谱中的位置如图1所示。从图1中可以看出,毫米波的频率要比微波高一个量级,同时与太赫兹频段有一定的重合(一般来讲,微波频段的范围为3~30 GHz,而太赫兹的频段范围为0.1~10 THz)。由于毫米波能够穿透常见的衣物、纸张以及塑料等遮挡材料,同时不具有电离辐射,对公众安全,因而特别适合应用于人体安全检查。
 

  图 1 毫米波在电磁波谱中的位置
 
  毫米波全息成像技术手段的实现,依赖于外差混频技术,其测量的不再是毫米波强度,而是包含幅度与相位信息的复信号。在实际成像系统中,毫米波天线发射毫米波信号照射到成像目标上,目标反射的毫米波信号由接收天线接收,然后由外差混频技术获得反射信号的幅度和相位,通过线阵扫描结合机械移动的方法可以获得二维孔径上的复反射信号,从而形成全息图,然后通过图像重建算法反演得到目标的三维复反射率图像。常见的孔径扫描方式有平面扫描和圆柱扫描两种(如图2所示)。
 

  图 2 平面扫描(a)以及圆柱扫描(b)
 
  毫米波技术在近三十年来获得越来越多的关注,国内外的研究队伍不断壮大,也涌现出一大批科研成果。然而,在商业应用方面这项技术的进展却一直十分缓慢。目前,毫米波成像技术最为成功的商业应用方向之一是面向人体安检应用的安检门,究其原因,主要有以下两个方面的优势:第一,这类技术的波长刚好可以穿透衣物,获取人体表面信息,并且当前的探测器芯片工艺水平也足以支撑该波段反射信号的解析和图像重建;第二,这类技术不至于对人体造成类似X射线穿透技术的电磁辐射,虽然该技术的图像解析效果不如X射线类成像技术清晰,在物品行包的检查中应用不广,但在对人体进行安全检测时,其无电离辐射的特点成为最大的技术选型优势。
 
  应用于人体安检的毫米波全息成像系统最早可以追溯到1995年Collins等人申请的发明专利(Real-time Holographic Surveillance System),该专利提出了一种单频阵列式的毫米波全息成像设备。该设备利用天线阵列的电子开关切换来完成一维扫描,通过控制天线阵列的机械移动来完成另一个方向的扫描,进而实现了基于平面扫描的35 GHz单频毫米波全息成像。1996 年,美国太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)的Sheen对上述系统进行了改进(Real-time Wideband HolographicSurveillance System),通过将单频扩展到宽带,使成像系统具有距离分辨能力,进而减弱了单频全息图像中的散斑效应,大大提高了图像质量。2001年,PNNL实验室发表了其在毫米波全息成像领域的进一步研究成果,包括其研发的27~33 GHz基于平面扫描的宽带全息成像系统以及提出的基于球面波展开的毫米波全息重建算法,该论文为毫米波人体安检领域的开创性文章,随后PNNL提出了应用于人体安检成像的圆柱扫描全息成像系统,该系统利用高约2m的线阵围绕人体作圆柱扫描。2008年后,PNNL实验室将毫米波圆柱扫描成像系统的专利转让给L3公司进行商业化,于是就有了L3公司的ProVision系列产品。在我国,毫米波全息技术应用于人体安检行业还处于起步阶段。2013年在科技部国家重大科学仪器设备开发专项的资助下,清华大学和同方威视技术股份有限公司共同研制出我国第一代自主知识产权的毫米波全息成像人体扫描仪,相比于国外同类产品,该产品在技术指标上处于同等或略优水平,巧妙地规避了竞争对手的专利壁垒,凸显了中国先进制造企业的科技实力。
 
  从市场反馈看,美国L3公司的Provision系列主动式毫米波人体安检仪,从2011年起已经在美国机场批量替换了金属安检门及X射线(背散射)安检门,截至目前,已在全球售卖上千台,实现销售规模达上亿美元。德国R&S公司以及国内的一些毫米波人体安检产品也已经日趋成熟,并形成了销售。(作者:金颖康 王璞)
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