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毫米波成像技術詳解

技術交流2019年09月30日 17:15來源: 《中國安防》
  毫米波是指頻率在30~300 GHz之間的電磁波,波長為毫米量級,其在電磁波波譜中的位置如圖1所示。從圖1中可以看出,毫米波的頻率要比微波高一個量級,同時與太赫茲頻段有一定的重合(一般來講,微波頻段的范圍為3~30 GHz,而太赫茲的頻段范圍為0.1~10 THz)。由于毫米波能夠穿透常見的衣物、紙張以及塑料等遮擋材料,同時不具有電離輻射,對公眾安全,因而特別適合應用于人體安全檢查。
 

  圖 1 毫米波在電磁波譜中的位置
 
  毫米波全息成像技術手段的實現,依賴于外差混頻技術,其測量的不再是毫米波強度,而是包含幅度與相位信息的復信號。在實際成像系統中,毫米波天線發射毫米波信號照射到成像目標上,目標反射的毫米波信號由接收天線接收,然后由外差混頻技術獲得反射信號的幅度和相位,通過線陣掃描結合機械移動的方法可以獲得二維孔徑上的復反射信號,從而形成全息圖,然后通過圖像重建算法反演得到目標的三維復反射率圖像。常見的孔徑掃描方式有平面掃描和圓柱掃描兩種(如圖2所示)。
 

  圖 2 平面掃描(a)以及圓柱掃描(b)
 
  毫米波技術在近三十年來獲得越來越多的關注,國內外的研究隊伍不斷壯大,也涌現出一大批科研成果。然而,在商業應用方面這項技術的進展卻一直十分緩慢。目前,毫米波成像技術最為成功的商業應用方向之一是面向人體安檢應用的安檢門,究其原因,主要有以下兩個方面的優勢:第一,這類技術的波長剛好可以穿透衣物,獲取人體表面信息,并且當前的探測器芯片工藝水平也足以支撐該波段反射信號的解析和圖像重建;第二,這類技術不至于對人體造成類似X射線穿透技術的電磁輻射,雖然該技術的圖像解析效果不如X射線類成像技術清晰,在物品行包的檢查中應用不廣,但在對人體進行安全檢測時,其無電離輻射的特點成為最大的技術選型優勢。
 
  應用于人體安檢的毫米波全息成像系統最早可以追溯到1995年Collins等人申請的發明專利(Real-time Holographic Surveillance System),該專利提出了一種單頻陣列式的毫米波全息成像設備。該設備利用天線陣列的電子開關切換來完成一維掃描,通過控制天線陣列的機械移動來完成另一個方向的掃描,進而實現了基于平面掃描的35 GHz單頻毫米波全息成像。1996 年,美國太平洋西北國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)的Sheen對上述系統進行了改進(Real-time Wideband HolographicSurveillance System),通過將單頻擴展到寬帶,使成像系統具有距離分辨能力,進而減弱了單頻全息圖像中的散斑效應,大大提高了圖像質量。2001年,PNNL實驗室發表了其在毫米波全息成像領域的進一步研究成果,包括其研發的27~33 GHz基于平面掃描的寬帶全息成像系統以及提出的基于球面波展開的毫米波全息重建算法,該論文為毫米波人體安檢領域的開創性文章,隨后PNNL提出了應用于人體安檢成像的圓柱掃描全息成像系統,該系統利用高約2m的線陣圍繞人體作圓柱掃描。2008年后,PNNL實驗室將毫米波圓柱掃描成像系統的專利轉讓給L3公司進行商業化,于是就有了L3公司的ProVision系列產品。在我國,毫米波全息技術應用于人體安檢行業還處于起步階段。2013年在科技部國家重大科學儀器設備開發專項的資助下,清華大學和同方威視技術股份有限公司共同研制出我國第一代自主知識產權的毫米波全息成像人體掃描儀,相比于國外同類產品,該產品在技術指標上處于同等或略優水平,巧妙地規避了競爭對手的專利壁壘,凸顯了中國先進制造企業的科技實力。
 
  從市場反饋看,美國L3公司的Provision系列主動式毫米波人體安檢儀,從2011年起已經在美國機場批量替換了金屬安檢門及X射線(背散射)安檢門,截至目前,已在全球售賣上千臺,實現銷售規模達上億美元。德國R&S公司以及國內的一些毫米波人體安檢產品也已經日趨成熟,并形成了銷售。(作者:金穎康 王璞)
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