主被動結合式太赫茲人體安檢技術及應用

陶長劍 崔曉熙 谷薔 吳建義 公安部第一研究所

引言

與幾十年前相比，當今世界已經發生了天翻地覆的變化，國際社會地緣政治格局的變化、全球恐怖主義威脅的加劇和犯罪手段的不斷進步，使得我國目前普遍部署的安檢設備無法滿足日益復雜的安全威脅。按照檢測方法分類，目前取得廣泛應用的人體安檢設備主要包括紅外和光學成像儀、電離輻射安檢儀和金屬檢測儀等。紅外和光學成像儀具有分辨率不高、受環境影響大等缺點；電離輻射安檢儀雖然能夠提供超高分辨率，但其對人體潛在的傷害使得它的應用受到很大阻力；金屬檢測儀作為早期替代人工搜身的檢測手段，當面對陶瓷刀、液體和夾帶的貨幣等違禁品時會顯得力不從心。

得益于微波射頻技術的不斷進步，使用太赫茲技術的人體安檢儀正在日益成為幫助人們克服以上諸多問題挑戰和解決潛在威脅的利器。根據接收信號類型的不同，人體安檢儀可以分為主動式和被動式兩大類。對于主動式來說，天線主要接受的是系統自身發出的電磁波對目標散射的回波；而對于被動式安檢儀來說，天線主要接受的是目標自身發出的電磁波。相比于主動式安檢儀，被動式具有結構緊湊、部署簡單、沒有輻射且無需受檢人配合等優點。但同時，被動式安檢儀有成像質量受環境溫度影響大且分辨率不高的缺點，這也限制了其部署場景。主動式安檢儀的雖然具有較強的環境適應性和較高的成像質量，但由于其自身的成像原理和硬件條件限制，不可避免的會出現強目標拖尾和周期性頻譜混疊導致的虛假目標。為了克服兩種設備的各自缺點，研究人員嘗試將主被動人體安檢儀結合起來，從而實現準確清晰又快速的成像。

一、主動式毫米波太赫茲人體安檢儀

（一）國內外發展現狀

經過十余年的發展，主動式人體安檢儀已經在包括美國、德國和韓國等諸多發達國家得以廣泛部署并取得了良好的使用效果。鑒于良好的市場前景，國內外多家公司和項目組紛紛提出各自解決方案。目前市場上主流的人體安檢儀所按照射頻前端所采用的掃描方式分類主要有圓柱曲面式、平面式和全電平面式。表1列舉了部分具有代表性的研究成果。

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美國西北太平洋國家實驗室通過向美國L-3通信公司授權專利的形式實現了其技術的產業化。如圖1所示，該系統為圓柱曲面式。它由兩個垂直于地面的一維天線陣列及收發組件構成，兩個天線陣列在機械結構的帶動下，分別沿著相對的圓柱形曲面運動，可以在1秒內完成對目標的掃描。其水平/垂直維和距離維分辨率分別為0.5/1.5cm。

由公安部第一研究所自主研制的人體安檢儀則采用了平面式。同圓柱曲面式類似，平面式亦是通過機械結構帶動射頻前端運動實現對目標的完整掃描，它可以在機械運動方向的數百個位置上采集高分辨率數據，再通過成像算法對回波信號進行處理。該設備工作在Ka頻段，可以在3s內獲得分辨率小于0.5cm的檢查結果。

德國羅德與施瓦茨公司（Rohde & Schwarz，R&S）采用全電式平面掃描的人體安檢儀，如圖2所示。它與前兩種方式最大的區別在于該款產品沒有運動結構，因此具有低噪聲、掃描快和維護少等優點。它可以在64ms內遍歷前后兩個面板所有天線，完成二十多億次高分辨率測量。這使得它可以最大限度消除受檢人因為移動而造成的檢測錯誤。雖然R&S QPS100具有極快的掃描速度，但是其龐大的數據量給后續處理帶來了很大的挑戰，因此其實際檢查時間與上述兩種設備相差不大。由于其較高的工作頻率和較寬的工作帶寬，使得它具有0.2cm的高分辨率。

（二）系統原理

無論表1中所列設備掃描形式如何，目前主流商用設備均采用合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）技術。使用SAR技術的必要性，可以由雷達分辨理論和奈奎斯特采樣定理來解釋。雷達分辨理論指出，提升分辨率需要增加發射機發射帶寬和多普勒帶寬，但奈奎斯特采樣定理則指出，隨著帶寬的增加，回波采樣率和脈沖重復頻率也必須隨之增加。由于雷達分辨率理論和奈奎斯特采樣定理是普適且不能違背的，但帶寬的增加和分辨率的提升將會使系統復雜度和數據量呈現指數級的增長，這就需要利用SAR技術來解決。

如圖3所示，是一種主動式人體安檢儀射頻前端的方框圖。該前端工作頻率為115.7～130.8GHz。信號產生通過MMIC中的電壓控制振蕩器及鎖相環產生的60GHz連續波經過二倍上變頻實現，并在放大之后通過一個天線發射。接收信號通過另一個天線接收進入低噪放后再分別進入兩個混頻器，完成下變頻后，IQ信號分別進入基帶，在經過放大和濾波之后，這些信號被發送至外部ADC，最終通過PCI接口傳輸至上位機中。外部ADC同時接受基帶發送的采樣時鐘和觸發信號，以確保不同模塊的相參性。這種收發機只需要一個本振信號，因此它的中頻鏈路被去除，射頻前端結構被大大簡化，從而減小了體積，降低了成本。

回波到目標沿視線的分辨率被稱為距離維分辨率，地面、雷達視線均垂直方向上的分辨率被稱為方位維分辨率。對于距離維分辨率△R，其數值可以由下式確定：

其中，c為 真空中的光速；a為“Window Function”系數；BW為雷達工作的帶寬。由上式可知，雷達的工作帶寬越大，距離維分辨率就越高。對于方位維分辨率△CR，其數值可以由下式給出：

其中， λ為載波波長，R為雷達到目標中心區域的距離，LSA為 合成孔徑尺寸，對于在時間內T以 恒定V速度沿著垂直于雷達視線的方向作直線運動的天線來說，有LSA=VT。

二、被動式太赫茲人體安檢儀

（一）國內外發展現狀

太赫茲（THz）是指波長在30μm～3mm的電磁波，其頻率介于毫米波與紅外光之間，它在無線電領域被稱為亞毫米波，在光學領域則被稱為遠紅外輻射。太赫茲波所具有的高穿透性、低能性和指紋譜性等特點使得它特別適用于人體安全檢查。一方面，太赫茲對許多材料如衣服、塑料、紙張等均有較強的穿透性；另一方面，太赫茲波的光子能量僅為X射線光子能量的1%，也低于各種化學鍵的鍵能，因此它不會產生由光致電離導致的受檢人損傷。

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得益于技術進步和工藝水平提升，太赫茲設備中的各個關鍵模塊已經基本能夠滿足近距離快速成像的要求。因此，國內外多家被動式太赫茲人體安檢設備已經開始逐步形成產品并取得了較為廣泛的部署。表2列舉了部分代表性成果。

芬蘭Asqella公司的ARGON人體檢查解決方案如圖4所示，這是目前較為先進的被動式太赫茲安檢設備。它具有最高1800人次/h的通過率和2.5×2.5cm@5m的最大分辨率，這使得它即使部署在火車站和地鐵等人流量巨大的場所也可以滿足檢查需求。由于它采用完全被動式的傳感器，同時具有每秒8幀的刷新頻率，因此可以做到無感檢查，人們無需停下腳步或拿出口袋中的物品即可直接通過，同時保證對受檢人人身的安全。

由公安部第一研究所推出的FISCAN TS4-C型被動式太赫茲人體安檢儀工作頻率為250GHz，成像距離為3～15m。其每秒6幀的刷新頻率同樣能夠應對大人流量檢查。如圖5所示，由于其設備外形尺寸僅為660m m× 213m m×546mm，功耗僅為90W，這使得它可以方便地安裝在各種載體上，對場地要求近乎業內最低。通過對空間的合理設計，它甚至可以完全隱藏在環境中，從而最大程度的提升了受檢人的體驗。除此之外，它的檢查結果不顯示人體性別特征，有效避免了一些不必要的矛盾。

（二）系統原理

1901年德國物理學家普朗克提出的用于定量描述黑體輻射的普朗克定律是輻射探測的理論基礎。所謂黑體就是在所有頻率上吸收所有入射輻射而沒有反射的理想不透明的材料。根據熱力學平衡條件可知，因為沒有能量的反射，黑體既是一個完全的吸收體，也是一個完全的發射體。該定律指出，黑體的譜亮度是無方向性的，它只是溫度和頻率的函數，表達式為：

式中，h為 普朗克常數(h= 6.63× 1 034J·s) ；f為頻率；c為 光速(c= 3× 1 08m·s-1) ；k為 玻爾茲曼常數(k=1.38×10-23J·K-1)；T為 熱力學溫度，單位為K。當時，有ex- 1 ≈x，上式簡化為瑞利-瓊斯近似公式：

式中，λ為波長。當f＜ 11 7GHz且 處于室溫300K下，瑞利-瓊斯近似與普朗克定律的相對偏差小于百分之一。該近似更直觀的表明，黑體的譜亮度If與其熱力學溫度T成正比。

由于實際的物體一般是非黑體（灰體），同時物體的發射率還受到其材料本身的介電常數、磁導率和表面粗糙度的影響，并和波長、極化等接收條件有關，因此通常采用亮度溫度TB來描述實際物體自身的輻射特性，它與熱力學溫度之間的關系為：TB=eT， 其中e為 發射率，當波長λ=3mm時，金屬面的發射率e= 0； 水面的發射率e= 0.38。由此一個天線接收功率可以表示為：

式中，Pr為天線接收到的功率，Ar為接收天線有效面積，B為 接收帶寬，Fn為 接收天線的方向圖，dΩ 為令目標表面的一個微小面元所張成的立體角，它可以由俯仰角θ方位角Φ 表示。

輻射計是將目標輻射功率轉化為電壓輸出的器件，是被動式太赫茲人體安檢儀的核心器件。它可以簡單理解為經過定標的接收機。輻射計種類眾多，包括全功率輻射計、狄克輻射計和相關輻射計等。全功率輻射計接收到的總噪聲功率轉化為觀測場景對應的天線溫度，它主要由接收天線、接收機、檢波器和積分器組成。接收天線位于系統最前端，它的孔徑、帶寬和探測距離直接影響了系統的分辨率，而它的效率和主波束效率則直接影響了天線噪聲溫度，進而影響了系統噪聲溫度。對于安檢領域來說，目前使用比較廣泛的天線形式為反射面天線和透鏡天線。天線采集到的輻射進入接收機后被濾波放大。平方律檢波器具有輸出電壓正比于輸入功率和系統噪聲溫度的特性，因此被廣泛地應用于全功率輻射計。經檢波器輸出的視頻信號經過積分器進行累計平滑，信號的抖動得以降低，系統的靈敏度得以提升。

受到探測器工作原理的限制，目前的被動式太赫茲探測器普遍存在分辨率低、圖像中有較為明顯的條紋和圖像邊緣模糊、對比度低等問題。這主要是因為：（1）被動式太赫茲探測器動態范圍較小，白噪聲較大；（2）受到光波衍射干涉；（3）太赫茲波在傳播過程中受到水分子吸收和大氣衰減。這些特點給被動式太赫茲信號處理帶來了許多困難。為解決上述問題，研究人員在以下三個方面進行了研究：（1）去除圖像噪聲；（2）提高圖像分辨率；（3）強化目標邊緣檢測與分割。但是僅僅在圖像處理算法上的提高已經越來越無法滿足對人體安檢成像質量與分辨率的要求，因此一種多技術融合的主被動結合式人體安檢技術應運而生。

三、主被動結合式太赫茲人體安檢技術

主被動結合式人體安檢儀在信號處理中的技術主要包括主動式回波處理、被動式輻射處理和圖像融合三部分。本節中所提到的主動式回波信號來源于圖3中的調頻連續波雷達；被動式輻射信號來源于WAVECAMM的94GHz被動式人體安檢儀；光學圖像來源于微軟Kinect體感相機。

（一）主動式與被動式成像

主動式成像結果為一幅3D圖像，x和y分別表示圖像水平和垂直面的坐標，z表示距離向的坐標。圖6（a）為Kinect體感相機的成像結果，它可以用于過濾系統噪聲和主被動成像結果中的不必要信息，同時使成像結果和威脅可視化。3個10c m×15cm圓柱形電容組成的模擬簡易爆炸裝置（Improvised Explosive Device, IED）被放置在受檢人T恤內，其掃描結果為圖6（b）上面兩幅圖中黑色虛線內的部分，而下面兩幅圖像為受檢人不帶IED的成像結果，左側和右側的圖像分別是由兩種不同的成像算法得出的。目標距離雷達較近的，其結果顯示為藍色；距離雷達較遠的，其結果顯示為紅色，但是小臂部分由于距離IED過遠，已經被過濾掉，因此需要加入被動式成像結果對其進行補償。

被動式成像相關試驗的結果如圖7所示，受檢人與IED均與主動式試驗相同，但是為了使結果更加理想，IED被冷藏至7℃。圖7（a）為紅外攝像機拍攝的圖像，圖7（b）、（c）分別為被動式人體安檢儀的原始圖像和經過濾波、降噪和增加對比度處理之后的圖像。從圖中可知，在上述的試驗條件下，紅外攝像機的檢測效果要優于被動式人體安檢儀，但是隨著試驗條件的改變，紅外攝像機暴露出其自身固有的缺陷：（1）衣服厚度的影響，當IED恢復到室溫并且受檢人穿著厚外套時，被動式人體安檢儀顯示出其較紅外攝像機更好的檢測效果；（2）空氣粒子的影響，當空氣中存在較多的煙霧、灰塵或者水蒸氣時，紅外攝像機的探測距離將低于工作在大氣傳播窗口（94GHz）的被動式設備。

（二）圖像融合

前文分別展示了主被動成像結果，二者均在不同程度表現出其劣勢。圖像融合則是從主動或被動成像結果中提取出有價值的信息并融合在光學圖像上，再根據成像結果在二者中選擇一個進行顯示的過程。圖像融合的方框圖如圖8所示。光學信息首先被保存成JPEG圖片，然后利用離散小波變換（Discrete Wavelet Transform，DWT）進行分解，用于形成蒙版，確定受檢人身體輪廓。輪廓形成后，主動式和被動式圖像分別與光學圖像進行融合，信號處理的結果就被限制在這一范圍內，輪廓外的部分則被當作噪聲去除。但是主動式和被動式信號和圖像彼此不作融合處理，避免二者各自獨立的圖像特征被掩蓋。之后再對融合分解的圖像進行逆DWT，就得到了與光學信號融合后的結果，最后再從兩幅圖像中選出違禁品特征更明顯的作為成像結果進行顯示。

從數據處理的角度來說，圖像的小波分解是將圖像從空域轉換到頻域，之后再使數據通過一組級聯濾波器。頻域濾波比較適用于圖像中噪聲頻率差異較大的場景。如圖9所示，將光學圖像I1(x,y)和 主動或被動式圖像I2(x,y)的行、列分別進行低通和高通濾波，其中圖像的邊緣，即灰度值變化快的點在小波分解后成為高頻信息，通過高通濾波器后得以保留，而邊界內部成為低頻信息，通過低通濾波器后得以保留。在分解之后，不同圖像的分解系數矩陣采用最大值選取法加以融合。設備完成最終成像所涉及的處理流程如圖10所示，所有步驟均通過MATLAB編程并在PC上運行完成。其中，不同的顏色代表了不同的線程。

（三）成像效果

主被動結合式人體安檢儀的成像效果如下圖所示。測試均在室內常溫環境中進行。圖11中的受檢人攜帶的小刀位于左側牛仔褲口袋中，大小如圖11（a）所示。由于小刀尺寸小于設備分辨率，主動式設備不能有效檢出，其結果如圖11（b）、（c）所示，圖11（c）為與光學圖像融合后的結果。但是由于小刀與人體有較大的溫差，在被動式設備下，它可以被辨認出來，其結果如圖11（d），經過與光學圖像融合后，最終輸出結果為圖11（e）。與圖11互補的應用場景如圖12所示，受檢人攜帶了一枚同體溫IED。由于IED和人體的溫差小于被動式設備的分辨率，因此無法檢出，其結果如圖12（d）、（e）所示。主動式設備作為補充，則可以有效的檢出違禁品，其檢查結果如圖12（b）（c）所示。上述的實驗表明，主被動結合式人體安檢儀的結果可以彌補單一圖源的缺陷，驗證了復合式安檢的有效性。

四、結語

對主、被動式人體安檢儀的基本原理及發展現狀進行了研究，在此基礎上介紹了一款主被動結合式人體安檢儀，并對其圖像融合流程和最終成像效果進行了簡要介紹。結果表明，主被動結合式人體安檢儀在違禁品溫度、尺寸和環境條件更苛刻的條件下具有更高的性能。雖然目前主被動結合的圖像融合處理技術仍處于研究階段，距離能夠實時成像、自動識別還有一定差距。但隨著人體安檢應用場景的不斷擴大、標準越來越高，人體安檢技術向著更高頻段、更大帶寬和復合式發展，主被動融合安檢技術預計會迎來更多關注。