毫米波近场人体安检成像原理系统与实验验证

目标信息的图像，从而实现对待检目标的有效检测。实验平台由信号产生与采集装置、天线阵列、扫描驱动装置、信号与图像处理单元和终端显示五部分组成，如图6所示。其中，主控计算机通过网线控制信号产生装置产生宽带步进频信号，经发射天线向外辐射，目标回波信号经接收天线接收后经信号采集装置采集并传至主控计算机，最后由主控计算机完成信号与图像处理和终端显示。本平台利用扫描驱动装置控制天线阵列的位置，通过平面扫描的方式实现方位维与高度维的孔径合成，从而获得对待检目标的高分辨率成像。

建立天线与目标的几何关系如图7所示。天线位于平面，天线扫描面到目标平面的距离为，为天线到点目标的距离。

天线发射信号为步进变频信号，记发射信号起始频率为f0，带宽为B，频点数为K+1，每个频点持续时间为T0，目标回波信号r(t)可以表示为

利用发射信号作为目标回波信号的参考，并对混频后的信号为进行等间隔采样，令采样时间Ts=T0，得到一组数据

此组数据可以看作是对频谱为U(f)的信号以△f为间隔采样得到的，即

通过傅里叶逆变换将频域信号U(f)压缩成等效时域Sinc脉冲，脉冲信号幅度取得最大，从而实现了对目标的距离维压缩^[9]。

四、成像结果及分析

获得回波数据后，采用基于时域的后向投影（Back Projection，简称BP）算法对回波信号进行成像，以获得方位维与高度维的高分辨率。基于图7所示的几何结构关系，将三维成像空间划分为M×N×P的网格，计算天线(x`,y`-d`)与各成像网格点之间的距离，获得该距离对应的双程延迟时间：

利用该延迟时间对原始回波数据进行相位补偿，并针对不同位置的天线重复进行上述操作，将补偿后的数据叠加。当所有天线位置遍历完成后，将该累加值作为该网格点的散射强度值，即完成了对该网格点的成像。对该三维成像空间内的每个网格点分别进行上述操作就得到目标的三维像。35GHz成像结果如图8所示。

按照同样的方法，获得了140GHz成像结果，如图9所示。

将金属手枪模型被衣服遮挡后，也获得140GHz的成像结果，如图10所示。

通过比对35GHz金属手枪成像结果和140GHz金属手枪成像结果，可以看出140GHz成像结果比较清晰，而且细节清楚。手枪藏在衣服下面后，140GHz的电磁波依然能够穿透衣服，对金属手枪进行成像，而且保持较高的图像动态范围，容易识别。从合成孔径理论上来说，工作频率决定了图像的方位分辨率，实验的结果也验证这个现象。同时实验也说明了140GHz电磁波具有对衣物的穿透能力。

五、结论与展望

近年来，随着恐怖主义威胁的增加，人体安全检查变得越来越重要。国内外安保领域的重要公司和研究机构都在研发基于电磁波的人体安检系统。为了进一步提高成像质量，提高系统的识别能力，文中探讨了太赫兹波用于近场人体安检成像的特点、优势。为了比对太赫兹波和毫米波的成像能力，参考西北太平洋国家实验室平面扫描成像装置，并设计了35GHz和140GHz三维安检成像原理实验验证平台。通过对比成像结果，可以看出140GHz的手枪成像结果，在图像的方位分辨力上有明显的优势。同时140GHz对掩藏在衣服下的金属手枪的成像结果也保持较高的图像动态范围。随着太赫兹技术的飞速发展，其太赫兹源、检测器、混频器、放大器等关键固态器件的成熟和成本降低，可以相信太赫兹近场人体安检成像的应用已并不遥远。

参考文献:

[1] 成彬彬,李慧萍,安健飞,等.太赫兹成像技术在站开式安检中的应用[J].太赫兹科学与电子信息学报. 2015.13(6):843-848.
[2] 桑伟,岳胜利. 毫米波成像技术在人体安全检查领域的应用[J]. 中国安防, 2013(04).
[3] 赵自然. 人体安检新技术的分析与探讨[J]. 中国安防, 2012(03).
[4] 乔灵博,王迎新,赵自然,等.主动式近距离太赫兹人体安检技术分析[J].微波学报,2015.31(4):93-96.
[5] 宋淑芳. 太赫兹波探测技术的研究进展[J]. 激光与红外, 2012(12).
[6] 刘杰,张健,蒋均,等. D波段功率放大器设计[J].强激光与粒子束,2016.(2).
[7] 张博. 基于硅基半导体技术的130GHz 10Gbit/s无线数据传输系统芯片关键电路研究[D].西安:西安电子科技大学.
[8] GU Shengming,LIChao,GAOXiang,et al. Terahertz ApertureSynthesized Imaging with Fan-beam Scanning for Personnel Screening [J]. IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques, 2012,60(12):3877-3885.
[9] Sheen D M,Fernandes J L,Tedeschi J R,et al. Wide Bandwidth,Wide-beam Width, High-resolution, Millimeter Wave Imaging for Concealed WeaponDetection. Proceedings of the SPIE Defense, Security, and Sensing. 2013.