陶長(zhǎng)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(dāng)今世界已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化，國(guó)際社會(huì)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(jìn)步，使得我國(guó)目前普遍部署的安檢設(shè)備無法滿足日益復(fù)雜的安全威脅。按照檢測(cè)方法分類，目前取得廣泛應(yīng)用的人體安檢設(shè)備主要包括紅外和光學(xué)成像儀、電離輻射安檢儀和金屬檢測(cè)儀等。紅外和光學(xué)成像儀具有分辨率不高、受環(huán)境影響大等缺點(diǎn)；電離輻射安檢儀雖然能夠提供超高分辨率，但其對(duì)人體潛在的傷害使得它的應(yīng)用受到很大阻力；金屬檢測(cè)儀作為早期替代人工搜身的檢測(cè)手段，當(dāng)面對(duì)陶瓷刀、液體和夾帶的貨幣等違禁品時(shí)會(huì)顯得力不從心。

得益于微波射頻技術(shù)的不斷進(jìn)步，使用太赫茲技術(shù)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(zhàn)和解決潛在威脅的利器。根據(jù)接收信號(hào)類型的不同，人體安檢儀可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。對(duì)于主動(dòng)式來說，天線主要接受的是系統(tǒng)自身發(fā)出的電磁波對(duì)目標(biāo)散射的回波；而對(duì)于被動(dòng)式安檢儀來說，天線主要接受的是目標(biāo)自身發(fā)出的電磁波。相比于主動(dòng)式安檢儀，被動(dòng)式具有結(jié)構(gòu)緊湊、部署簡(jiǎn)單、沒有輻射且無需受檢人配合等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)，被動(dòng)式安檢儀有成像質(zhì)量受環(huán)境溫度影響大且分辨率不高的缺點(diǎn)，這也限制了其部署場(chǎng)景。主動(dòng)式安檢儀的雖然具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和較高的成像質(zhì)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(huì)出現(xiàn)強(qiáng)目標(biāo)拖尾和周期性頻譜混疊導(dǎo)致的虛假目標(biāo)。為了克服兩種設(shè)備的各自缺點(diǎn)，研究人員嘗試將主被動(dòng)人體安檢儀結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確清晰又快速的成像。

一、主動(dòng)式毫米波太赫茲人體安檢儀

（一）國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過十余年的發(fā)展，主動(dòng)式人體安檢儀已經(jīng)在包括美國(guó)、德國(guó)和韓國(guó)等諸多發(fā)達(dá)國(guó)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(chǎng)前景，國(guó)內(nèi)外多家公司和項(xiàng)目組紛紛提出各自解決方案。目前市場(chǎng)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(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過向美國(guó)L-3通信公司授權(quán)專利的形式實(shí)現(xiàn)了其技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。如圖1所示，該系統(tǒng)為圓柱曲面式。它由兩個(gè)垂直于地面的一維天線陣列及收發(fā)組件構(gòu)成，兩個(gè)天線陣列在機(jī)械結(jié)構(gòu)的帶動(dòng)下，分別沿著相對(duì)的圓柱形曲面運(yùn)動(dòng)，可以在1秒內(nèi)完成對(duì)目標(biāo)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(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)射頻前端運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的完整掃描，它可以在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方向的數(shù)百個(gè)位置上采集高分辨率數(shù)據(jù)，再通過成像算法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理。該設(shè)備工作在Ka頻段，可以在3s內(nèi)獲得分辨率小于0.5cm的檢查結(jié)果。

德國(guó)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(qū)別在于該款產(chǎn)品沒有運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此具有低噪聲、掃描快和維護(hù)少等優(yōu)點(diǎn)。它可以在64ms內(nèi)遍歷前后兩個(gè)面板所有天線，完成二十多億次高分辨率測(cè)量。這使得它可以最大限度消除受檢人因?yàn)橐苿?dòng)而造成的檢測(cè)錯(cuò)誤。雖然R&S QPS100具有極快的掃描速度，但是其龐大的數(shù)據(jù)量給后續(xù)處理帶來了很大的挑戰(zhàn)，因此其實(shí)際檢查時(shí)間與上述兩種設(shè)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(tǒng)原理

無論表1中所列設(shè)備掃描形式如何，目前主流商用設(shè)備均采用合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）技術(shù)。使用SAR技術(shù)的必要性，可以由雷達(dá)分辨理論和奈奎斯特采樣定理來解釋。雷達(dá)分辨理論指出，提升分辨率需要增加發(fā)射機(jī)發(fā)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(fù)頻率也必須隨之增加。由于雷達(dá)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(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜度和數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，這就需要利用SAR技術(shù)來解決。

如圖3所示，是一種主動(dòng)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(hào)產(chǎn)生通過MMIC中的電壓控制振蕩器及鎖相環(huán)產(chǎn)生的60GHz連續(xù)波經(jīng)過二倍上變頻實(shí)現(xiàn)，并在放大之后通過一個(gè)天線發(fā)射。接收信號(hào)通過另一個(gè)天線接收進(jìn)入低噪放后再分別進(jìn)入兩個(gè)混頻器，完成下變頻后，IQ信號(hào)分別進(jìn)入基帶，在經(jīng)過放大和濾波之后，這些信號(hào)被發(fā)送至外部ADC，最終通過PCI接口傳輸至上位機(jī)中。外部ADC同時(shí)接受基帶發(fā)送的采樣時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)，以確保不同模塊的相參性。這種收發(fā)機(jī)只需要一個(gè)本振信號(hào)，因此它的中頻鏈路被去除，射頻前端結(jié)構(gòu)被大大簡(jiǎn)化，從而減小了體積，降低了成本。

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

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

其中， λ為載波波長(zhǎng)，R為雷達(dá)到目標(biāo)中心區(qū)域的距離，LSA為 合成孔徑尺寸，對(duì)于在時(shí)間內(nèi)T以 恒定V速度沿著垂直于雷達(dá)視線的方向作直線運(yùn)動(dòng)的天線來說，有LSA=VT。

二、被動(dòng)式太赫茲人體安檢儀

（一）國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

太赫茲（THz）是指波長(zhǎng)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(lǐng)域被稱為亞毫米波，在光學(xué)領(lǐng)域則被稱為遠(yuǎn)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(diǎn)使得它特別適用于人體安全檢查。一方面，太赫茲對(duì)許多材料如衣服、塑料、紙張等均有較強(qiáng)的穿透性；另一方面，太赫茲波的光子能量?jī)H為X射線光子能量的1%，也低于各種化學(xué)鍵的鍵能，因此它不會(huì)產(chǎn)生由光致電離導(dǎo)致的受檢人損傷。

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得益于技術(shù)進(jìn)步和工藝水平提升，太赫茲設(shè)備中的各個(gè)關(guān)鍵模塊已經(jīng)基本能夠滿足近距離快速成像的要求。因此，國(guó)內(nèi)外多家被動(dòng)式太赫茲人體安檢設(shè)備已經(jīng)開始逐步形成產(chǎn)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(jìn)的被動(dòng)式太赫茲安檢設(shè)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(chǎng)所也可以滿足檢查需求。由于它采用完全被動(dòng)式的傳感器，同時(shí)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(shí)保證對(duì)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(dòng)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(yīng)對(duì)大人流量檢查。如圖5所示，由于其設(shè)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(duì)場(chǎng)地要求近乎業(yè)內(nèi)最低。通過對(duì)空間的合理設(shè)計(jì)，它甚至可以完全隱藏在環(huán)境中，從而最大程度的提升了受檢人的體驗(yàn)。除此之外，它的檢查結(jié)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(tǒng)原理

1901年德國(guó)物理學(xué)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(cè)的理論基礎(chǔ)。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(jù)熱力學(xué)平衡條件可知，因?yàn)闆]有能量的反射，黑體既是一個(gè)完全的吸收體，也是一個(gè)完全的發(fā)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(shù)，表達(dá)式為：

式中，h為 普朗克常數(shù)(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(shù)(k=1.38×10-23J·K-1)；T為 熱力學(xué)溫度，單位為K。當(dāng)時(shí)，有ex- 1 ≈x，上式簡(jiǎn)化為瑞利-瓊斯近似公式：

式中，λ為波長(zhǎng)。當(dāng)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(duì)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(xué)溫度T成正比。

由于實(shí)際的物體一般是非黑體（灰體），同時(shí)物體的發(fā)射率還受到其材料本身的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和表面粗糙度的影響，并和波長(zhǎng)、極化等接收條件有關(guān)，因此通常采用亮度溫度TB來描述實(shí)際物體自身的輻射特性，它與熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系為：TB=eT， 其中e為 發(fā)射率，當(dāng)波長(zhǎng)λ=3mm時(shí)，金屬面的發(fā)射率e= 0； 水面的發(fā)射率e= 0.38。由此一個(gè)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，F(xiàn)n為 接收天線的方向圖，dΩ 為令目標(biāo)表面的一個(gè)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(jì)是將目標(biāo)輻射功率轉(zhuǎn)化為電壓輸出的器件，是被動(dòng)式太赫茲人體安檢儀的核心器件。它可以簡(jiǎn)單理解為經(jīng)過定標(biāo)的接收機(jī)。輻射計(jì)種類眾多，包括全功率輻射計(jì)、狄克輻射計(jì)和相關(guān)輻射計(jì)等。全功率輻射計(jì)接收到的總噪聲功率轉(zhuǎn)化為觀測(cè)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的天線溫度，它主要由接收天線、接收機(jī)、檢波器和積分器組成。接收天線位于系統(tǒng)最前端，它的孔徑、帶寬和探測(cè)距離直接影響了系統(tǒng)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(jìn)而影響了系統(tǒng)噪聲溫度。對(duì)于安檢領(lǐng)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(jìn)入接收機(jī)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(tǒng)噪聲溫度的特性，因此被廣泛地應(yīng)用于全功率輻射計(jì)。經(jīng)檢波器輸出的視頻信號(hào)經(jīng)過積分器進(jìn)行累計(jì)平滑，信號(hào)的抖動(dòng)得以降低，系統(tǒng)的靈敏度得以提升。

受到探測(cè)器工作原理的限制，目前的被動(dòng)式太赫茲探測(cè)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(duì)比度低等問題。這主要是因?yàn)椋海?）被動(dòng)式太赫茲探測(cè)器動(dòng)態(tài)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(diǎn)給被動(dòng)式太赫茲信號(hào)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(gè)方面進(jìn)行了研究：（1）去除圖像噪聲；（2）提高圖像分辨率；（3）強(qiáng)化目標(biāo)邊緣檢測(cè)與分割。但是僅僅在圖像處理算法上的提高已經(jīng)越來越無法滿足對(duì)人體安檢成像質(zhì)量與分辨率的要求，因此一種多技術(shù)融合的主被動(dòng)結(jié)合式人體安檢技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

三、主被動(dòng)結(jié)合式太赫茲人體安檢技術(shù)

主被動(dòng)結(jié)合式人體安檢儀在信號(hào)處理中的技術(shù)主要包括主動(dòng)式回波處理、被動(dòng)式輻射處理和圖像融合三部分。本節(jié)中所提到的主動(dòng)式回波信號(hào)來源于圖3中的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)；被動(dòng)式輻射信號(hào)來源于WAVECAMM的94GHz被動(dòng)式人體安檢儀；光學(xué)圖像來源于微軟Kinect體感相機(jī)。

（一）主動(dòng)式與被動(dòng)式成像

主動(dòng)式成像結(jié)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(biāo)，z表示距離向的坐標(biāo)。圖6（a）為Kinect體感相機(jī)的成像結(jié)果，它可以用于過濾系統(tǒng)噪聲和主被動(dòng)成像結(jié)果中的不必要信息，同時(shí)使成像結(jié)果和威脅可視化。3個(gè)10c m×15cm圓柱形電容組成的模擬簡(jiǎn)易爆炸裝置（Improvised Explosive Device, IED）被放置在受檢人T恤內(nèi)，其掃描結(jié)果為圖6（b）上面兩幅圖中黑色虛線內(nèi)的部分，而下面兩幅圖像為受檢人不帶IED的成像結(jié)果，左側(cè)和右側(cè)的圖像分別是由兩種不同的成像算法得出的。目標(biāo)距離雷達(dá)較近的，其結(jié)果顯示為藍(lán)色；距離雷達(dá)較遠(yuǎn)的，其結(jié)果顯示為紅色，但是小臂部分由于距離IED過遠(yuǎn)，已經(jīng)被過濾掉，因此需要加入被動(dòng)式成像結(jié)果對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

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

（二）圖像融合

前文分別展示了主被動(dòng)成像結(jié)果，二者均在不同程度表現(xiàn)出其劣勢(shì)。圖像融合則是從主動(dòng)或被動(dòng)成像結(jié)果中提取出有價(jià)值的信息并融合在光學(xué)圖像上，再根據(jù)成像結(jié)果在二者中選擇一個(gè)進(jìn)行顯示的過程。圖像融合的方框圖如圖8所示。光學(xué)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(jìn)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(dòng)式和被動(dòng)式圖像分別與光學(xué)圖像進(jìn)行融合，信號(hào)處理的結(jié)果就被限制在這一范圍內(nèi)，輪廓外的部分則被當(dāng)作噪聲去除。但是主動(dòng)式和被動(dòng)式信號(hào)和圖像彼此不作融合處理，避免二者各自獨(dú)立的圖像特征被掩蓋。之后再對(duì)融合分解的圖像進(jìn)行逆DWT，就得到了與光學(xué)信號(hào)融合后的結(jié)果，最后再?gòu)膬煞鶊D像中選出違禁品特征更明顯的作為成像結(jié)果進(jìn)行顯示。

從數(shù)據(jù)處理的角度來說，圖像的小波分解是將圖像從空域轉(zhuǎn)換到頻域，之后再使數(shù)據(jù)通過一組級(jí)聯(lián)濾波器。頻域?yàn)V波比較適用于圖像中噪聲頻率差異較大的場(chǎng)景。如圖9所示，將光學(xué)圖像I1(x,y)和 主動(dòng)或被動(dòng)式圖像I2(x,y)的行、列分別進(jìn)行低通和高通濾波，其中圖像的邊緣，即灰度值變化快的點(diǎn)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(nèi)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(shù)矩陣采用最大值選取法加以融合。設(shè)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(yùn)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(dòng)結(jié)合式人體安檢儀的成像效果如下圖所示。測(cè)試均在室內(nèi)常溫環(huán)境中進(jìn)行。圖11中的受檢人攜帶的小刀位于左側(cè)牛仔褲口袋中，大小如圖11（a）所示。由于小刀尺寸小于設(shè)備分辨率，主動(dòng)式設(shè)備不能有效檢出，其結(jié)果如圖11（b）、（c）所示，圖11（c）為與光學(xué)圖像融合后的結(jié)果。但是由于小刀與人體有較大的溫差，在被動(dòng)式設(shè)備下，它可以被辨認(rèn)出來，其結(jié)果如圖11（d），經(jīng)過與光學(xué)圖像融合后，最終輸出結(jié)果為圖11（e）。與圖11互補(bǔ)的應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)式設(shè)備的分辨率，因此無法檢出，其結(jié)果如圖12（d）、（e）所示。主動(dòng)式設(shè)備作為補(bǔ)充，則可以有效的檢出違禁品，其檢查結(jié)果如圖12（b）（c）所示。上述的實(shí)驗(yàn)表明，主被動(dòng)結(jié)合式人體安檢儀的結(jié)果可以彌補(bǔ)單一圖源的缺陷，驗(yàn)證了復(fù)合式安檢的有效性。

四、結(jié)語

對(duì)主、被動(dòng)式人體安檢儀的基本原理及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上介紹了一款主被動(dòng)結(jié)合式人體安檢儀，并對(duì)其圖像融合流程和最終成像效果進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。結(jié)果表明，主被動(dòng)結(jié)合式人體安檢儀在違禁品溫度、尺寸和環(huán)境條件更苛刻的條件下具有更高的性能。雖然目前主被動(dòng)結(jié)合的圖像融合處理技術(shù)仍處于研究階段，距離能夠?qū)崟r(shí)成像、自動(dòng)識(shí)別還有一定差距。但隨著人體安檢應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)大、標(biāo)準(zhǔn)越來越高，人體安檢技術(shù)向著更高頻段、更大帶寬和復(fù)合式發(fā)展，主被動(dòng)融合安檢技術(shù)預(yù)計(jì)會(huì)迎來更多關(guān)注。