李志豪，劉偉豪，李維姣，丁志平

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單點(diǎn)探測(cè)被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李志豪，劉偉豪，李維姣，丁志平

（公安部第三研究所，上海 200031）

被動(dòng)毫米波成像是公共安全檢查的一個(gè)重要發(fā)展方向，目前國(guó)內(nèi)外主要集中在純反射系統(tǒng)的多元探測(cè)成像，以及采用透射形式的陣列探測(cè)成像兩個(gè)領(lǐng)域。本文采用單點(diǎn)探測(cè)加掃描的形式，設(shè)計(jì)完成一套低成本近場(chǎng)被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)探測(cè)距離1.5 m、成像范圍1.2 m×1.2 m、空間分辨率優(yōu)于1.5cm。該系統(tǒng)可應(yīng)用于各公共檢查場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)非接觸式安全檢查。

高斯波束；準(zhǔn)光路系統(tǒng)；毫米波成像；單點(diǎn)探測(cè)

0 引言

毫米波成像可以透過(guò)人體衣物或箱包查看藏匿的金屬、陶瓷、爆炸物等，其無(wú)輻射不會(huì)對(duì)生物組織造成破壞的特點(diǎn)，更是能夠保證被檢人員尤其是長(zhǎng)期從事設(shè)備操作安檢人員的身體健康。目前，公共安全檢查領(lǐng)域主要采用近場(chǎng)探測(cè)方式，在幾米范圍內(nèi)對(duì)人體進(jìn)行檢測(cè)，其根據(jù)成像方式的不同，又可分為純反射和投透射種形式[1-2]。其中反射形式采用大口徑離軸拋物面鏡，以及偏振系統(tǒng)進(jìn)行掃描，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)于鏡面加工要求較高、價(jià)格不菲，而偏振系統(tǒng)的控制也是一大難點(diǎn)[3]；透射形式則可以精簡(jiǎn)掃描系統(tǒng)，直接采用太赫茲介質(zhì)透鏡和平面掃描即可實(shí)現(xiàn)成像，但目前也主要采用多探測(cè)器。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套350mm口徑HDPE（高密度聚乙烯材料）透鏡配合平面反射鏡掃描系統(tǒng)和單點(diǎn)探測(cè)器，初步實(shí)現(xiàn)了1.5m范圍內(nèi)的輻射成像，成像范圍1.2m×1.2m，空間分辨率優(yōu)于1.5cm，在保證透視效率的前提下降低了成本，更貼合實(shí)際應(yīng)用。

1 掃描系統(tǒng)和探測(cè)器設(shè)計(jì)

1.1 準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)掃描以及專門(mén)針對(duì)太赫茲波段的信號(hào)采樣，本文采用折射式成像方式[4]，主要包括一塊HDPE太赫茲透鏡和兩塊平面掃面鏡。實(shí)現(xiàn)在1.5m范圍內(nèi)人體成像，分辨率按技術(shù)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)為1.5cm，成像范圍1.2m×1.2m。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖1所示，幾何光路通過(guò)正透鏡將1.5m遠(yuǎn)處的物體聚焦于焦平面，利用反射鏡1的縱向掃描和反射鏡2的橫向掃描，掃描整個(gè)物體。系統(tǒng)的光學(xué)核心主要在于透鏡的設(shè)計(jì)，成像系統(tǒng)的空間分辨率主要受限于毫米波透鏡的像差分辨率以及衍射極限分辨率中的較大者。對(duì)于像差分辨率ab，采用的透鏡使用HDPE（折射率1.54@94GHz），其表達(dá)式如式(1)：

式中：為放大率；為焦距；/#為F數(shù)[5-6]。

對(duì)于衍射極限，通常一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)透鏡主要受限于其衍射極限[7]，代表像面光斑86%能量的集中區(qū)域，如式(2)：

式中：di為衍射極限，代表毫米波波長(zhǎng)；代表透鏡口徑。

光學(xué)透鏡另外要考慮的是焦深問(wèn)題（DOF），其直接關(guān)系到系統(tǒng)裝配時(shí)的探測(cè)器調(diào)試，其表達(dá)式如式(3)：

DOF＝2.97p[(＋1)/#]2(3)

圖1 光路圖

由于幾何光學(xué)只考慮直線傳播，沒(méi)考慮毫米波的衍射特性，因此傳播過(guò)程中高斯波束的半徑值可由柱坐標(biāo)系的近軸波動(dòng)方程的基模解來(lái)計(jì)算，如下式：

＝0[1＋(/p2)2]0.5(4)

式中：為光強(qiáng)下降到光軸1/2時(shí)所對(duì)應(yīng)的波束半徑；為波束傳播距離；0為初始波束半徑值。由公式(1)，計(jì)算各元件位置的高斯波束半徑及距離束腰位置的離焦量，如表2、表3所示。

如表2，當(dāng)掃描角＝0°時(shí)，高斯波束聚焦于焦平面，焦斑大小為5.3mm×5.3mm；如表3，當(dāng)掃描角＝20°時(shí)，雖然高斯波束的束腰半徑距離焦平面9.5mm，但焦斑為5.1mm×5.1mm，因此不影響成像性能。圖2為掃描角從－20°～＋20°的高斯波束圖。

近場(chǎng)被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

表2 掃描角0°時(shí)高斯波束半徑

表3 掃描角20°時(shí)高斯波束數(shù)值

圖2 高斯波束圖

表4 被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)參數(shù)

1.2 探測(cè)器及饋源喇叭設(shè)計(jì)

W波段直接檢波輻射計(jì)主要功能是將來(lái)自天線的信號(hào)通過(guò)饋源喇叭接收，然后經(jīng)過(guò)放大濾波以后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢波，最終將檢波得到的視頻信號(hào)進(jìn)行放大積分后輸出，總體框圖如圖3所示。

1）輻射計(jì)增益估算

增益估算公式見(jiàn)公式(5)：

out＝d××sys××G×(5)

式中：out是檢波管檢波特性良好的最大輸出電壓；d檢波二極管檢波靈敏度常數(shù)，令I(lǐng)F＝out/d表示檢波二極管的工作點(diǎn)功率，?。?5dBm；為玻爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10－23J/K；sys為總噪聲溫度；為中頻帶寬；單邊帶時(shí)＝1，雙邊帶＝2。

圖3 輻射計(jì)總體框圖

根據(jù)增益要求調(diào)整放大的數(shù)量和單個(gè)放大器的增益量，從而調(diào)整檢波器的輸入功率，以實(shí)現(xiàn)最佳線性度，輻射計(jì)的增益計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

2）饋源天線

饋源喇叭的主要功能是接收來(lái)自天線的信號(hào)，并將信號(hào)饋入輻射計(jì)子系統(tǒng)。

根據(jù)無(wú)源成像系統(tǒng)要求，輻射計(jì)饋源喇叭要求在86～94GHz范圍內(nèi)，波束寬度為±16°，圖4是W波段饋源喇叭的仿真結(jié)果。由圖4(a)饋源喇叭輸入回波損耗可見(jiàn)，饋源喇叭在75～110GHz全波導(dǎo)帶寬內(nèi)回波損耗優(yōu)于－26dB；由圖4(b)饋源喇叭方向圖可以看出，饋源喇叭－3dB波段寬度±8°，－12dB波束寬度±16°。

圖4 仿真結(jié)果

表5 輻射計(jì)各通道增益估算值

2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

首先對(duì)透鏡和探測(cè)器部件進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)設(shè)計(jì)的焦距和探測(cè)器溫度靈敏度，在長(zhǎng)軌上直接進(jìn)行驗(yàn)證。發(fā)射源采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接發(fā)射作為點(diǎn)源，探測(cè)器根據(jù)設(shè)計(jì)的尺寸固定在另一端，透過(guò)透鏡進(jìn)行信號(hào)檢查，前后移動(dòng)尋找能量最大點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的透鏡符合預(yù)期設(shè)計(jì)。確保部件設(shè)計(jì)符合預(yù)期設(shè)計(jì)后，將各部件調(diào)試裝配到系統(tǒng)中進(jìn)行系統(tǒng)成像探測(cè)測(cè)試，如圖5(a)所示。最終進(jìn)行外殼設(shè)計(jì)，整體設(shè)備外形效果如圖5(b)所示。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行人體透視成像，圖6為操作界面顯示及三角尺檢測(cè)結(jié)果，從結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)成像已經(jīng)能夠看見(jiàn)衣物下皮帶扣，以及口袋中的手機(jī)、三角尺。其中三角尺每邊寬度為1.5cm，從成像質(zhì)量來(lái)看，設(shè)備分辨率已經(jīng)達(dá)到1.5cm。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套采用HDPE材料的太赫茲透鏡和平面反射鏡的掃描系統(tǒng)，利用單點(diǎn)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了近場(chǎng)被動(dòng)成像。由于采用透射形式以及單點(diǎn)探測(cè)，價(jià)格成本得到有效控制，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，設(shè)備分辨率優(yōu)于2cm，能夠有效探測(cè)隱藏于衣物下的金屬物體。該課題形成的被動(dòng)太赫茲成像設(shè)備將在重要場(chǎng)館安檢中得到充分應(yīng)用。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試及整體設(shè)備外形效果

圖6 實(shí)際掃描成像

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Single Detector Passive Millimeter Wave Imaging System

LI Zhihao，LIU Weihao，LI Weijiao，DING Zhiping

（The Third Research Institute of The Ministry of Public Security of P.R.C, Shanghai 200031, China）

Passive millimeter wave imaging is an important application in the field of public security. Recently, researchers have concentrated their efforts on the reflex system with FPA, which involves high costs and increased difficulties in building off-axis paraboloidal mirrors of large enough dimensions. In this article, we present a passive millimeter wave imaging system with one HDPE lens and a single detector, which can produce an image within a range of 1.5m, with an imaging area of 1.2 m×1.2 m, and having a resolution greater than 1.5cm. This system can be applied to public security and allows for non-contact safety inspections.

geometrical optics，Gaussian beam，quasi-optical system，millimeter imaging

TN015，TB811+.3

A

1001-8891(2017)11-0979-04

2016-06-15；

2017-07-04.

李志豪（1985-），男，上海人，碩士，公安部第三研究所研發(fā)工程師，助理研究員，主要從事安檢裝備技術(shù)研究。

上海市科研計(jì)劃項(xiàng)目（13231203100）。