毫米波近场人体安检成像原理系统与实验验证

刘杰^1,2  邓贤进^1,2  成彬彬^1,2  赵宇姣^1,2
1. 中国工程物理研究院电子工程研究所   
2. 中国工程物理研究院微系统与太赫兹中心

摘要：首先对太赫兹波用于近场人体安检成像的特点、优势和目前国外典型的近场安检系统进行了分析。然后基于二维合成孔径原理，通过二维机械扫描装置分别构建了35GHz和140GHz三维安检成像原理实验验证平台，主动照射隐藏在衣服下的金属手枪模型，获得散射回波数据，采用后向投影算法处理了回波数据，得到了成像结果。并对实验结果进行了对比分析，最后给出了结论。

关键词：安检透射率 太赫兹成像 后向投影算法

一、引言

近年来针对公共交通的人体炸弹恐怖袭击屡屡发生。2016年2月2日，从摩加迪沙机场起飞的空客A321，被一枚疑似炸弹在机身侧面炸开一个6英尺×3英尺的洞。2015年10月31日，从埃及沙姆沙伊赫起飞的空客A321客机被炸弹炸毁，机上有224名乘客和机组成员全部遇难。以及炸机未遂案疑犯奥马尔·法鲁克·阿卜杜勒穆塔拉布身上的内裤炸弹，英国男子理查德·利特的皮鞋炸弹。如何实现对公共交通中恐怖分子携带的刀具、枪支、炸药等隐藏武器进行快速检测和预警，是目前公共安全面临的一个难题。

基于人体成像方式的安检手段是解决这个难题主要技术途径之一。目前的常规技术手段有可见光拍摄、X射线成像、远红外成像、金属探测，但是经不能满足当前的要求：

（1）常规的摄像头对隐蔽物体基本不起作用；
（2）X射线背散射辐射能量较高，对人体有一定的伤害（欧洲已立法禁止X射线背散射用于人体安检）；
（3）远红外由于人体辐射小，衣服穿透性较差，从而成像质量相对较差，对危险品的识别较弱；
（4）金属门式安检仪，在进行排查工作时候比较繁琐，且无法展开式检测，预警能力差；

常规的探测方法有局限，而太赫兹探测技术是一个较好的解决方案^[1～4]。鉴于半导体技术的太赫兹固态器件发展迅速，国内已成功研制的140GHz功率放大器芯片和模块^[5]，以及全固态的收发信道^[6]。人们可以实现成本居中的高集成密度太赫兹信道，太赫兹安检的研究开始受到越来越多的关注。

综上所述，针对公共交通和重要场地对人体携带隐藏危险品、文物等的安检需求，常规的技术手段有其局限性，无法满足应用需求；而太赫兹探测技术应用于安检与反恐具有较好的优势：穿透性好且分辨率高、非电离的安全探测、快速探测等。因此对于博物馆的安检需求，太赫兹探测技术应该是一个相对较好的解决手段。

二、国内外典型的近场安检系统

美国L3通信公司在西北太平洋国家实验室的专利授权下研制了由一维电扫描天线阵列圆柱扫描的安检成像系统，ProVision和SafeView，如图1所示。其工作频率为24GHz~30GHz，系统包括两个一维线阵，分别沿半个圆柱面对目标进行扫描，方位分辨率可达到5毫米，径向分辨率为15毫米，成像时间为1.5秒。该设备还采用了目标识别技术，可以有效保护人体隐私。目前已有多个国家在机场部署了该公司产品。有文献报道该公司正在研究100GHz以上的安检成像系统以提高成像质量。

英国Smiths Detection公司也研制出Eqo毫米波成像安全检查门，如图2所示。Eqo成像系统外观与标准安检门类似，该系统采用平面天线阵列并且通过电扫描进行成像，具备实时成像能力。Eqo毫米波成像系统使用单一源照射，由平面接收阵列接收散射回波信号，方位分辨率可达到4毫米。

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（DSP）能力开发了QPS100，如图3所示。QPS100外观像平板，内部集成了3008Tx和3008 Rx，数据获取时间只有16ms，工作频率为70到80GHz，方位分辨率优于2毫米。

国内中国航天科工三院35所研发了Hisc人体安检仪，如图4所示。其工作原理类似ProVision，采用两条毫米波线阵，通过环型扫描，获得人体回波进行成像。可在1～2秒内对人体进行全身扫描，并即时获取被检测人体隐藏物品图像，对人体衣物中隐藏的金属类物品以及传统检测设备无法检出的液体类、陶瓷类等非金属物品进行高清晰度成像检测，物品成像分辨率可达到毫米级。

中科院电子所设计一种新型的扫描方式，开发出一套工作于0.2THz的一维准光扫描+一维SAR工作方式的成像系统，实现对目标的三维成像^[8]，如图5所示。

三、35GHz和140GHz三维安检成像原理实验验证平台

本文设计了35GHz和140GHz三维安检成像原理实验验证平台。平台采用主动式雷达成像技术，主动向待检目标辐射相应波段的电磁波，目标回波信号经系统接收后被处理为包含