姓名：闫安；学号：21021210921；学院：电子工程学院

【嵌牛导读】

毫米波波长范围介于微波与可见光之间，因而兼顾两者的优点。与微波相比，毫米波的指向性好、可利用的频谱范围宽、信息容量大、抗干扰能力强、探测性能好。与可见光相比，毫米波具有更好的穿透能力，能够获得目标浅表层和内部的几何特征、介电特性和温度分布等信息。毫米波成像具有很高的实用价值，在对地观测、无地面导引的飞机起降、人体疾病的诊断和治疗等许多军用和民用领域具有广阔的应用前景，特别是对人体携带的隐匿武器及特定区域目标的探测具有很好的应用价值。

【嵌牛鼻子】毫米波 三维SAR 安全检查

【嵌牛提问】读完本文，对于毫米波三维SAR成像的优点和不足有怎样的想法呢？

【嵌牛正文】

1. 起源

        近年来，恐怖主义的威胁不断加剧，尤其是在公共场所的恐怖袭击事件频频发生（例如：2013 年美国波士顿马拉松爆炸案，2011年莫斯科多莫杰多沃机场自杀式爆炸袭击，2005 年英国伦敦地铁及巴士连环爆炸案，2004 年西班牙马德里 311 列车爆炸案等），造成了重大的人员伤亡和严重的财产损失。因此，在机场、海关、火车站等公共场所的安全检查日益受到世界各国的广泛关注，对安检系统的准确性、实时性和智能化提出了更高的要求。然而对于人体隐匿物体的探测一直都是一项技术难题，传统的安全检测设备（如：金属探测器、X 光成像设备等）均存在不同程度的缺陷。

        金属探测器能够检测出人体携带的刀、枪等金属违禁物品，但不能检测陶瓷刀具、液体炸弹等现代危险品；其次，金属探测器只能无差别地检测金属类物品而无法区分该物品是否属于危险品，常见的金属材质生活用品，例如眼镜、皮带搭扣、手机、项链等，同样会引发金属探测器蜂鸣报警。实际安检场景中配置的金属安检门报警率高于九成，过高的虚警率导致其在实际安检工作中形同虚设。最后，金属探测器无法准确获知金属的位置、尺寸和形状，在金属探测器蜂鸣报警后，仍需要安检员对存疑人员进行人工检查。人工检查效率低、速度慢，并有可能会侵犯隐私，引起矛盾冲突。

        X 光成像设备可以很好地检测各种危险品，但由于 X 光具有电离性，并不适用于人体安检成像。当人体受到电离辐射的照射时，会有一定概率导致分子电离、化学键断裂、DNA 损伤，进而引发人体的生理反应（如损伤修复或细胞死亡）。尽管上述用于人体安检的 X 射线成像仪符合国家的相关规定，只有很低的辐射功率，但根据辐射防护相关研究，电离辐射对人体造成伤害的严重程度满足随机性效应，即伤害的严重程度并不由所接受的辐射剂量来决定，而造成伤害的概率则因剂量增加而增加。世界卫生组织（WHO）对于辐射防护的建议是任何不必要的电离辐射都应避免。由于对人体安检的 X 射线成像仪器将会在开放环境下对人员密集区域进行长时间低功率的电离照射，因此，该技术对于公众健康会明确造成低概率的威胁。

        毫米波（Millimeter-wave，MMW），是指频率在 30~300GHz 之间的电磁波，相对应的波长为 1~10mm，图1‑1 给出了其在全电磁频谱中的位置。毫米波波长范围介于微波与可见光之间，因而兼顾两者的优点。与微波相比，毫米波的指向性好、可利用的频谱范围宽、信息容量大、抗干扰能力强、探测性能好。与可见光相比，毫米波具有更好的穿透能力，能够获得目标浅表层和内部的几何特征、介电特性和温度分布等信息。毫米波成像具有很高的实用价值，在对地观测、无地面导引的飞机起降、人体疾病的诊断和治疗等许多军用和民用领域具有广阔的应用前景，特别是对人体携带的隐匿武器及特定区域目标的探测具有很好的应用价值。

                                                                                     图 1‑1毫米波频段在全电磁频谱中的位置示意

        以毫米波成像技术作为人体安检成像的技术手段具有多方面的优点。首先，由于毫米波具有穿透性，对衣服、纸箱和皮革等常见材质具有一定的穿透能力，因而毫米波安检成像技术可以检测出隐藏在衣物下的物品。其次，不同材质的物品具有不同的毫米波介电特性，毫米波成像技术通过测量人体与物体之间毫米波电磁特性的差异，可以检测隐匿在人体衣物下的各种危险物品，并且对不同材质的隐匿物品具备一定的分辨能力，比如金属刀具、塑料手枪、液体炸药等。再次，由于毫米波的波长较短（1-10mm），所以毫米波成像具有较高的空间分辨率。通过对检测目标进行三维成像，能够准确获得目标的位置、尺寸和形状信息，为安检识别提供多维信息，从而显著地降低虚警率。最后，毫米波辐射是非接触式电磁辐射，而非电离辐射，在适度的辐射功率下，对人体健康没有任何危害。由于毫米波成像技术具有快速、安全、保护隐私等诸多优势，目前已经成为安检成像的主流技术。

        毫米波成像系统可分为被动式和主动式两种。被动式毫米波安检成像系统通过接收人体和背景场景自身辐射的能量，并利用物体间的辐射强度差异实现成像，成像方式与红外成像仪类似。主动式毫米波安检成像系统是通过对被检人发射毫米波，探测被人体反射回来的毫米波，并通过三维成像技术，反演出被检人体图像。与被动成像方式相比，主动成像方式得到的信息量更丰富，不仅能够实现二维成像还能够实现三维成像。

        被动成像系统的优点是不产生电磁辐射，但是在室内成像时，由于背景温度与人体体温较为接近，辐射亮温图像的对比度较差，往往无法形成清晰的图像。另外，被动成像系统也不能进行三维成像。而主动成像系统受环境因素影响较小，能够获得的信息量更大，可实现对被测目标的三维成像，并可实时成像。因此，主动成像技术能够获得更好的图像质量，已成为目前最具潜力的安检成像技术之一。

        合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）是目前主要使用的一种主动安检成像技术。SAR可以应用于多个领域的遥感成像技术，最初是由 Goodyearg 公司的Wiley 提出，其原理是利用雷达运动的轨迹形成一个大合成孔径，进而获得运动方向上的高分辨。时至今日，合成孔径雷达已渗透到各个科学研究领域，并且不断的开拓出新的研究方向。

        调频连续波合成孔径雷达（FMCW SAR）将合成孔径技术与调频连续波雷达相结合，这种新体制的合成孔径雷达不仅具有调频连续波雷达体积小、质量轻、造价低和抗干扰能力强等特点，同时又具有传统 SAR的高分辨率的特点，所以目前主动式安检成像系统普遍采用调频连续波体制。

2.发展现状

        合成孔径成像系统通过多个小尺寸单天线进行观测，合成的天线具有较大的观测孔径，对所有收发天线对进行相干测量从而获得多维度高分辨的成像结果。美国太平洋西北国家实验室（Pacific  Northwest  National Laboratoty，PNNL）对毫米波雷达成像技术有深入的研究，研制了多套宽频带成像系统。通过技术转让，他们与美国 L-3 通信公司合作，推出了Provision 系列安检产品。该产品已在美国各大机场投入实际使用，使用效果较为理想，是目前技术最成熟、商业运作最好的安检产品。

        三维全息成像系统把 SAR 技术与全息成像技术相结合，具有高分辨率、宽带模式工作、三维成像的特性。从 SAR 的角度来说，是把原本的一维线孔径扩展成二维面孔径，形成三维图像；从全息成像的角度来说，是把原本的单频系统扩展成宽带系统，形成三维图像。为了解决大孔径带来的设备成本和信号获取时间之间的矛盾，PNNL 选用一维天线阵配合机械扫描形成二维面孔径的方案。天线阵和接收机固定在一个机械扫描架上，天线各阵元与波导开关网络相连。当开始信号采集时，扫描架沿着与天线阵垂直的方向运动，在天线阵机械移动的时候，开关网络控制各阵元依次与发射机和接收机形成收发路径，快速收集扫描架位置处天线阵各阵元的回波数据，最终获得二维孔径的回波数据。在美国太平洋西北国家实验室早期设计的原理样机中，扫描架的运动轨迹是直线，形成平面孔径，其孔径尺寸为0.7米×2米，信号获取时间不到 1 秒。与美国 L-3 通信公司合作推出的 Provision 系列产品，在待检人员前后各安装有一组收发阵列，扫描架的运动轨迹是圆周，每个阵列扫描半个圆周，组合形成完整的圆柱孔径，其目的在于避免因毫米波无法穿透人体带来的检测死角。

        2003 年，美国 L-3 通信公司在美国运输安全部西北太平洋国家实验室的专利授权下研制了由一维宽带天线阵列扫描形成柱面合成孔径的安检成像系统—ProVision毫米波人体扫描仪。其工作频率为 24GHz~30GHz，系统包括两个一维线阵，分别沿半个圆柱面对目标进行扫描，侧向分辨率可达到 5 毫米，距离向分辨率为 15 毫米，成像时间为 1.5 秒。该设备采用了先进的图像处理技术和物体分析技术，可以让操作员快速轻易地辨认出原材料，大大提高了工作效率和违禁物品的识别率。目前已有 7 个国家在机场安装了ProVision 毫米波人体扫描仪。

        德国 Rohde&Schwarz 公司开发了主动毫米波安检系统 QPS100，采用高集成的全电子扫描阵列，依靠强大的数字信号处理（DSP）能力处理图像。QPS100外观是平板结构的，里面分别集成了 3008 个发射天线和接收天线，数据获取总时间只需 16ms，工作频率为70-80GHz，方位分辨率小于 2毫米。

        英国 Smiths Detection 公司成功研制出全身安检系统，命名为“Eqo 成像毫米波安检门”，该系统扫描方式采用完全电扫描方式成像，不依赖机械扫描，总体减少了微波器件的使用。此系统在人体检测时不需要被测者一直保持一个姿势不动，只需在走过一扇门并连贯的慢慢转身即可完成检测。系统工作在 24GHz 的准毫米波单色源照射下，采用数字化的波束扫描技术，能在较短的时间内完成人体扫描，实现实时成像，方位分辨率达到 4 毫米。

        在国内，中国科学院电子学研究所、北京无线电计量测试研究所（航天科工二院 203 所）、北京理工大学等单位对主动安检成像技术进行了研究，并取得了一定的成果。

        从 2004 年至今，中国科学院电子学研究所针对合成孔径雷达三维成像技术从系统设计、成像算法等方面开展了研究，获取了国内首张真实的人体表面微波图像。

        2011 年，北京无线电计量测试研究所完成了所承担的中国航天科工集团公司重大自主创新项目“毫米波主动式三维人体安检系统”的样机研制。该系统的成像分辨率、扫描成像时间及危险可疑物品识别能力等多项关键性能指标均达到国际先进水平，填补了我国在毫米波成像人体安检设备领域的空白，该系统已在深圳大运会投入试用。

        2012 年，北京理工大学的毫米波与太赫兹重点实验室进行了主动阵列安检成像系统的相关研究，完成了 W 波段的成像系统样机的研制，并做了大量实验，取得了较好的成像结果。

3.趋势

        主动式毫米波安检成像系统在毫米波频段发展相对成熟，而在太赫兹频段上的应用则是目前的发展方向，同时也具有较高的技术难度。

        将压缩感知算法融合到三维立体成像中。对于毫米波安检成像来说，成像目标的稀疏表示是一个很重要的问题，陶瓷刀具、液体炸弹等体目标的稀疏表示是未来的研究方向；同时，研究适用于三维成像算法的稀疏阵列的扫描方式，以降低成像算法的运算量和处理时间，减小系统开发成本。

        多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）雷达作为一类新型雷达体制，它利用多发射天线辐射相互正交的信号，多接收天线接收并分选所有信号，实际形成的观测通道数量远远大于实际的收发天线数量。MIMO雷达的出现也为安检成像系统提供了新的技术途径。基于合适的观测天线阵列结构，MIMO雷达可在一次观测时间内获取包含大观测角度的远多于实际天线数量的回波数据，所形成的虚拟观测通道扩大了天线阵列的实际观测孔径，在提高成像方位分辨率的同时无需増加天线数量。其次，MIMO雷达仅通过一次观测的数据成像，具有实时成像能力，适用于移动目标成像并避免了运动补偿。此外，MIMO雷达的空间分集性，还可抑制人体成像中相干斑、镜面反射、多径效应等因素对成像性能的影响，提高成像质量。因此，MIMO雷达安检成像系统，兼具高效率和高精度，是安检系统发展的重要方向。

参考文献

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