毫米波成像技術(shù)詳解

2019年09月30日 17:15$artinfo.Reprint點(diǎn)擊量：4691

　　毫米波是指頻率在30～300 GHz之間的電磁波，波長(zhǎng)為毫米量級(jí)，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(gè)量級(jí)，同時(shí)與太赫茲頻段有一定的重合(一般來(lái)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(jiàn)的衣物、紙張以及塑料等遮擋材料，同時(shí)不具有電離輻射，對(duì)公眾安全，因而特別適合應(yīng)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(shù)手段的實(shí)現(xiàn)，依賴(lài)于外差混頻技術(shù)，其測(cè)量的不再是毫米波強(qiáng)度，而是包含幅度與相位信息的復(fù)信號(hào)。在實(shí)際成像系統(tǒng)中，毫米波天線發(fā)射毫米波信號(hào)照射到成像目標(biāo)上，目標(biāo)反射的毫米波信號(hào)由接收天線接收，然后由外差混頻技術(shù)獲得反射信號(hào)的幅度和相位，通過(guò)線陣掃描結(jié)合機(jī)械移動(dòng)的方法可以獲得二維孔徑上的復(fù)反射信號(hào)，從而形成全息圖，然后通過(guò)圖像重建算法反演得到目標(biāo)的三維復(fù)反射率圖像。常見(jiàn)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(shù)在近三十年來(lái)獲得越來(lái)越多的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外的研究隊(duì)伍不斷壯大，也涌現(xiàn)出一大批科研成果。然而，在商業(yè)應(yīng)用方面這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)展卻一直十分緩慢。目前，毫米波成像技術(shù)為成功的商業(yè)應(yīng)用方向之一是面向人體安檢應(yīng)用的安檢門(mén)，究其原因，主要有以下兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：，這類(lèi)技術(shù)的波長(zhǎng)剛好可以穿透衣物，獲取人體表面信息，并且當(dāng)前的探測(cè)器芯片工藝水平也足以支撐該波段反射信號(hào)的解析和圖像重建；第二，這類(lèi)技術(shù)不至于對(duì)人體造成類(lèi)似X射線穿透技術(shù)的電磁輻射，雖然該技術(shù)的圖像解析效果不如X射線類(lèi)成像技術(shù)清晰，在物品行包的檢查中應(yīng)用不廣，但在對(duì)人體進(jìn)行安全檢測(cè)時(shí)，其無(wú)電離輻射的特點(diǎn)成為大的技術(shù)選型優(yōu)勢(shì)。

　　應(yīng)用于人體安檢的毫米波全息成像系統(tǒng)早可以追溯到1995年Collins等人申請(qǐng)的發(fā)明(Real-time Holographic Surveillance System),該提出了一種單頻陣列式的毫米波全息成像設(shè)備。該設(shè)備利用天線陣列的電子開(kāi)關(guān)切換來(lái)完成一維掃描，通過(guò)控制天線陣列的機(jī)械移動(dòng)來(lái)完成另一個(gè)方向的掃描，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了基于平面掃描的35 GHz單頻毫米波全息成像。1996 年，美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Pacific Northwest National Laboratory，PNNL)的Sheen對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)(Real-time Wideband HolographicSurveillance System)，通過(guò)將單頻擴(kuò)展到寬帶，使成像系統(tǒng)具有距離分辨能力，進(jìn)而減弱了單頻全息圖像中的散斑效應(yīng)，大大提高了圖像質(zhì)量。2001年，PNNL實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了其在毫米波全息成像領(lǐng)域的進(jìn)一步研究成果，包括其研發(fā)的27～33 GHz基于平面掃描的寬帶全息成像系統(tǒng)以及提出的基于球面波展開(kāi)的毫米波全息重建算法，該論文為毫米波人體安檢領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性文章，隨后PNNL提出了應(yīng)用于人體安檢成像的圓柱掃描全息成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用高約2m的線陣圍繞人體作圓柱掃描。2008年后，PNNL實(shí)驗(yàn)室將毫米波圓柱掃描成像系統(tǒng)的轉(zhuǎn)讓給L3公司進(jìn)行商業(yè)化，于是就有了L3公司的ProVision系列產(chǎn)品。在我國(guó)，毫米波全息技術(shù)應(yīng)用于人體安檢行業(yè)還處于起步階段。2013年在科技部國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)的資助下，清華大學(xué)和同方威視技術(shù)股份有限公司共同研制出我國(guó)代自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的毫米波全息成像人體掃描儀，相比于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，該產(chǎn)品在技術(shù)指標(biāo)上處于同等或略?xún)?yōu)水平，巧妙地規(guī)避了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的壁壘，凸顯了中國(guó)*制造企業(yè)的科技實(shí)力。

　　從市場(chǎng)反饋看，美國(guó)L3公司的Provision系列主動(dòng)式毫米波人體安檢儀，從2011年起已經(jīng)在美國(guó)機(jī)場(chǎng)批量替換了金屬安檢門(mén)及X射線(背散射)安檢門(mén)，截至目前，已在售賣(mài)上千臺(tái)，實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售規(guī)模達(dá)上億美元。德國(guó)R&S公司以及國(guó)內(nèi)的一些毫米波人體安檢產(chǎn)品也已經(jīng)日趨成熟，并形成了銷(xiāo)售。（作者：金穎康王璞）

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