基于雙極化毫米波的人體安檢成像技術

夏祖學 顏 軍 張 磊

(1. 西南科技大學信息工程學院 四川綿陽 621010； 2. 中國工程物理研究院電子工程研究所 四川綿陽 621900；3. 西南科技大學國防科技學院 四川綿陽 621010)

目前，由于公共安全日愈嚴峻，毫米波人體安檢儀得到了快速發展[1-2]，正逐漸商業化。毫米波人體安檢儀分為主動式成像和被動式成像。主動式成像系統類似主動雷達的工作原理，發射一定功率的毫米波，穿透人體表面衣服，并被人體皮膚或隱藏物體反射后，通過相干接收機測量回波信號的幅度和相位，再通過成像算法重構人體表面圖像及隱藏物體，相對于被動式成像系統來說，圖像對比度高，分辨力高。目前比較先進的有美國L3通信公司研制的ProVision和SafeView，其工作頻率為24～30 GHz，采用單極化天線，系統包括兩個一維單極化電掃描天線線陣，分別沿半個圓柱面對目標進行掃描，方位分辨率可達到5 mm，徑向分辨率為15 mm，成像時間為1.5 s；德國Rohde & Schwarz公司基于高集成密度主動電子掃描陣列和強大的數字信號處理能力開發了QPS100，其外觀像平板，內部集成了3008接收單元和3008發射單元，采用單極化天線，工作頻率為70～80 GHz，方位分辨率為2 mm[3]；國內也有類似研究，如同方威視毫米波人體安檢儀 MW1000AA、華訊方舟的TAI-40-HP、芯影的SimImage。

這些毫米波人體安檢儀，采用的是單極化合成孔徑雷達體制，發射和接收的極化方向相同，接收信號中包含了目標回波信號的幅度和相位信息。基于雙極化和多極化的合成孔徑雷達體制相比傳統的單極化合成孔徑雷達體制，不但能獲得目標的幅度和相位信息，而且能獲得目標豐富的極化散射信息，重構的圖像可以更完整地揭示目標外形信息和物理屬性，更適合于目標的檢測與識別。以往極化合成孔徑雷達體制主要用于軍事遠場成像[4]，近年來有研究人員將該技術運用到隱匿武器的檢測中[5-6]。本文提出了將雙極化合成孔徑雷達體制應用到人體安檢成像中，為了驗證該方法對人體隱藏物品檢測的可行性，構建了手槍的毫米波仿真模型并仿真了極化回波數據，由后向投影算法分別對單極化回波數據和雙極化回波數據進行圖像重構，并對成像結果進行對比分析。基于仿真模型搭建了一套雙極化人體安檢成像系統，模擬人體安檢場景進行了成像試驗。

1 原理及方法

對于大部分目標，散射場的極化不同于入射場的極化，這種現象為交叉極化[7]。當目標受特定極化狀態的入射波照射時，可以接收到的散射回波包括了回波強度、相位以及極化特性。目標的極化特性指的是目標對各種極化波的同極化和交叉極化作用。目前ProVision，QPS100等毫米波人體安檢儀收發天線的極化方向相同，是單極化合成孔徑雷達體制，接收的回波信號只有同極化信息沒有交叉極化信息。FEKO軟件能夠利用較少的資源快速求解超大尺寸問題[8]，為了驗證該方法對人體隱藏物品檢測的可行性，本文利用FEKO軟件構建了金屬手槍仿真模型，表1為仿真參數，仿真模型如圖1所示。極化方法采用發射水平(H)，接收水平(H)和垂直(V)。

表1 仿真參數

圖1 仿真模型

依據表1空間采樣和頻率采樣的設置，將仿真得到HH回波數據構成數組(Nx，Ny，Nz)，其中Nx為41，表示在x方向上仿真了41個點，每個點的間距為5 mm，全長為200 mm；Ny為41，表示在y方向上仿真了41個點，每個點的間距為5 mm，全長為200 mm；Nz為201，表示有201個頻點。同樣可以得到HV回波數據數組。

采用后向投影算法是一種基礎的時域成像算法，主要目的是獲得方位向高分辨率[9]。通過計算成像空間內某點到各陣元的回波時延，對相應回波信號進行相位補償，再利用相干疊加求得該點的后向散射強度。對成像空間中的各點遍歷上述“計算時延-相位補償-相干疊加”的過程，從而得到對點目標的精確成像結果。

采用后向投影算法分別對HH回波數據和HV回波數據進行圖像重構，如圖2和圖3所示。

圖2 HH成像結果

圖3 HV成像結果

對比圖2和圖3可以看出，圖3只有邊緣成像，而且水平方向和垂直方向的邊緣也沒輪廓，這個現象和雷達常用極化標定用的矩形金屬二面角反射器所展示的極化特性相一致[5]。

如果同時使用到HH回波數據和HV回波數據，選取HH回波數據數組中Nx的奇數列，和HV回波數據數組中Nx的偶數列組成了HH+HV回波數據數組，數組大小同樣為(Nx，Ny，Nz)。數列同樣采用后向投影算法進行圖像重構，結果如圖4所示。

圖4 HH+HV成像結果

對比圖2、圖3和圖4，可以看出圖4集中了HH成像和HV成像的優點，既增強了邊緣成像效果，同時保留了內部平面的成像效果。

2 實驗結果

為了進一步驗證雙極化毫米波人體安檢成像技術在人體安檢中的有效性，基于表1參數構建了一套工作頻率為31～34 GHz的雙極化人體安檢成像系統(照片圖略)，模擬人體安檢場景進行了成像實驗。成像系統包括：數據采集及成像模塊、毫米波收發信道、雙極化電子開關天線陣列、機械掃描裝置等。毫米波收發信道用于發射線性調頻信號的產生以及回波信號的下變頻，數據采集及成像工作站用于采集信號、圖像重構和系統邏輯控制。

圖5為雙極化電子開關天線陣列的示意圖，由兩排線陣構成，包括上排64路發射通道，下排64路接收通道。64路發射通道為水平線極化(H)，64路接收通道包括32路水平線極化(H)接收通道和32路垂直線極化(V)接收通道。

圖5 雙極化電子開關天線陣列示意圖

分辨率板參考USAF1951美軍標分辨率板。在一個PVC 板上放置了3組分辨率條，每組分為7,6,5,4,3 mm，如圖6所示。圖7為成像結果。

圖6 分辨率板

圖7 分辨率板成像結果

從圖7可以看出，垂直、水平和45度角的3 mm分辨率條可以依稀辨認出來，垂直、水平和45度角的4 mm分辨率條可以辨認出來，而垂直、水平和45度角的5 mm分辨率條可以輕松辨認出來，說明毫米波人體安檢成像系統成像分辨率優于5 mm。

為了模擬人體安檢，對測試人員在未攜帶東西和攜帶錢包兩種情況進行了成像試驗，人體成像結果如圖8所示。

圖8 成像結果

對比圖8(a)和圖8(b)中人體圖像的大腿處，能很明顯看出錢包形狀。實驗結果驗證了本文所提方法的有效性。

3 結束語

本文在現有毫米波人體安檢儀的單極化成像基礎上提出了一種基于雙極化合成孔徑雷達體制的毫米波成像方法。通過構建金屬手槍的三維仿真模型，基于仿真的回波數據和后向投影算法，進行圖像重構，并對比分析了單極化和雙極化成像結果。為了模擬人體安檢環境，搭建了一套工作頻率為31～34 GHz，64路發射通道、64路接收通道、方位分辨率為5 mm的雙極化人體安檢成像系統。成像效果表明，隱蔽在衣褲下的錢包清晰可見，從而驗證了方法的有效性。