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主被動結合式太赫茲人體安檢技術

發布時間:2021-12-10 瀏覽次數:6540

本文介紹了主動式和被動式的人體安檢成像系統,并在此基礎上介紹一種主被動結合的安檢


引言

    國內外不斷變化的安全形勢對安檢提出新的要求。太赫茲毫米波安檢一般分為兩大類,主動式毫米波安檢采用35-77GHz,可以達到2-3mm成像分辨率,缺點是速度慢,需要人員配合,通過效率低。被動式太赫茲安檢采用94GHz或250GHz,優點是成像速度快,不需要人員配合,但成像分辨率為2-3cm,劣于主動式毫米波安檢。

    得益于微波射頻技術的不斷進步,高頻器件不斷發展,科學家們也在不斷探討兩種結合的方式,即主被動結合式太赫茲人體安檢技術。


被動式人體安檢成像


         被動式太赫茲人體安檢成像系統不對被檢測人發射太赫茲波,而是完全利用人體本身的輻射對被檢測人進行成像。它主要由準光系統太赫茲探測器信號圖像處理系統組成。

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被動式太赫茲人體安檢成像系統原理圖

    根據黑體輻射的普朗克公式計算,人體(37℃)發射功率的峰值位于電磁波譜中的遠紅外波段。以350GHz中心頻率為例計算,人體發射功率在50GHz的帶寬內與一個20℃ 物體的差值僅有10nW/cm2,要實現對差別如此小的功率的探測和進一步的成像是被動式太赫茲成像系統面臨的最大困難。


主動式人體安檢成像


    不同于被動式人體安檢成像系統,主動式太赫茲人體安檢成像系統對人體發出特定頻率的電磁波,通過人體和人體攜帶的隱匿物品對發射的電磁波的反射和散射性質的不同判別物體的存在。其組成部分一般包括收發模塊準光模塊數據處理模塊

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主動式太赫茲人體安檢成像系統原理圖


    由于主動系統中發射的功率遠遠高于人體自身發射的功率,系統的探測靈敏度不再受到人體發射功率的限制,同時接收部分只需接收所發射的特定頻率的電磁波即可,其他頻段的無用噪聲則可予以濾除,因而可以實現更高的信噪比。



主動式和被動式技術對比


    主動式系統不論是其系統硬件復雜度和成像算法的復雜度來說,都比被動式系統要高出很多,在太赫茲器件尤其是高頻器件尚不完全成熟的情況下,被動式系統在硬件方面具有更高的可靠性和穩定性,圖像重構所需的時間也往往較少。

    另一個可能對主動式系統實際應用存在障礙的是主動式系統在工作時會發出一定量的輻射,盡管目前沒有證據表明這一頻段的輻射會對人體構成傷害,但市場和群眾對主動式系統的接受程度還是一個問號。

    主動式系統中還有一個很難解決的技術問題是“閃爍”問題, 即對于金屬等許多反射率很高的表面,只有當這些表面恰好位于某一很窄的角度范圍內時接收模塊才能收到反射回波,而在相當大的角度內則很難探測到目標。

    主動式系統的優勢在于其信噪比和成像分辨率高,主要原因是其接收模塊只需要探測發射模塊發出的特定頻率的輻射,可以濾除其他無用的雜散干擾,將系統噪聲降低幾個數量級。相比之下被動式系統的信噪比則要略低,也更容易受到環境的影響。




圖片

主被動結合式安檢技術的產生背景

  主動和被動式的太赫茲安檢成像系統各有優缺點,因此人們希望能開發一種主動和被動式相結合的成像系統,使二者相互補充,互為驗證,從而克服兩種設備的各自缺點,實現準確清晰又快速的人體安檢成像。


主被動結合式安檢的實現方法


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  上圖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,使主動和被動式安檢的結果相互補充,彌補缺點。圖像融合的方框圖如下圖所示。

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圖像融合流程

   


   光學信息首先被保存成JPEG圖片,然后利用離散小波變換(Discret e 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。


主被動結合式安檢的成像效果

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主被動結合式人體安檢設備檢查結果(小刀)


    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。圖中的受檢人攜帶的小刀位于左側牛仔褲口袋中,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b所示,圖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,經過與光學圖像融合后,最終作為結果輸出。


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                                                      主被動結合式人體安檢設備檢查結果(IED)


    與之互補的應用場景如上圖所示,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d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b和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。




    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,距離性能參數量化、能夠實現實時成像、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、標準提高,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和更廣闊的前景。



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