联系电话
本文介绍了主动式和被动式的人体安检成像系统,并在此基础上介绍一种主被动结合的安检
引言
国内外不断变化的安全形势对安检提出新的要求。太赫兹毫米波安检一般分为两大类,主动式毫米波安检采用35-77GHz,可以达到2-3mm成像分辨率,缺点是速度慢,需要人员配合,通过效率低。被动式太赫兹安检采用94GHz或250GHz,优点是成像速度快,不需要人员配合,但成像分辨率为2-3cm,劣于主动式毫米波安检。
得益于微波射频技术的不断进步,高频器件不断发展,科学家们也在不断探讨两种结合的方式,即主被动结合式太赫兹人体安检技术。
被动式人体安检成像
被动式太赫兹人体安检成像系统不对被检测人发射太赫兹波,而是完全利用人体本身的辐射对被检测人进行成像。它主要由准光系统、太赫兹探测器和信号图像处理系统组成。 被动式太赫兹人体安检成像系统原理图 根据黑体辐射的普朗克公式计算,人体(37℃)发射功率的峰值位于电磁波谱中的远红外波段。以350GHz中心频率为例计算,人体发射功率在50GHz的带宽内与一个20℃ 物体的差值仅有10nW/cm²,要实现对差别如此小的功率的探测和进一步的成像是被动式太赫兹成像系统面临的最大困难。
主动式人体安检成像
不同于被动式人体安检成像系统,主动式太赫兹人体安检成像系统对人体发出特定频率的电磁波,通过人体和人体携带的隐匿物品对发射的电磁波的反射和散射性质的不同判别物体的存在。其组成部分一般包括收发模块、准光模块和数据处理模块。 主动式太赫兹人体安检成像系统原理图 由于主动系统中发射的功率远远高于人体自身发射的功率,系统的探测灵敏度不再受到人体发射功率的限制,同时接收部分只需接收所发射的特定频率的电磁波即可,其他频段的无用噪声则可予以滤除,因而可以实现更高的信噪比。
主动式和被动式技术对比
主动式系统不论是其系统硬件复杂度和成像算法的复杂度来说,都比被动式系统要高出很多,在太赫兹器件尤其是高频器件尚不完全成熟的情况下,被动式系统在硬件方面具有更高的可靠性和稳定性,图像重构所需的时间也往往较少。 另一个可能对主动式系统实际应用存在障碍的是主动式系统在工作时会发出一定量的辐射,尽管目前没有证据表明这一频段的辐射会对人体构成伤害,但市场和群众对主动式系统的接受程度还是一个问号。 主动式系统中还有一个很难解决的技术问题是“闪烁”问题, 即对于金属等许多反射率很高的表面,只有当这些表面恰好位于某一很窄的角度范围内时接收模块才能收到反射回波,而在相当大的角度内则很难探测到目标。 主动式系统的优势在于其信噪比和成像分辨率高,主要原因是其接收模块只需要探测发射模块发出的特定频率的辐射,可以滤除其他无用的杂散干扰,将系统噪声降低几个数量级。相比之下被动式系统的信噪比则要略低,也更容易受到环境的影响。
主被动结合式安检技术的产生背景
主动和被动式的太赫兹安检成像系统各有优缺点,因此人们希望能开发一种主动和被动式相结合的成像系统,使二者相互补充,互为验证,从而克服两种设备的各自缺点,实现准确清晰又快速的人体安检成像。
主被动结合式安检的实现方法
上图分别展示了主被动成像结果,二者均在不同程度表现出其劣势。图像融合则是从主动或被动成像结果中提取出有价值的信息并融合在光学图像上,再根据成像结果在二者中选择一个进行显示的过程,使主动和被动式安检的结果相互补充,弥补缺点。图像融合的方框图如下图所示。
图像融合流程
光学信息首先被保存成JPEG图片,然后利用离散小波变换(Discret e Wavelet Transform,DWT)进行分解,用于形成蒙版,确定受检人身体轮廓。轮廓形成后,主动式和被动式图像分别与光学图像进行融合,信号处理的结果就被限制在这一范围内,轮廓外的部分则被当作噪声去除。但是,主动式和被动式信号和图像彼此不作融合处理,避免二者各自独立的图像特征被掩盖。之后再对融合分解的图像进行逆DWT,就得到了与光学信号融合后的结果,最后再从两幅图像中选出违禁品特征更明显的作为成像结果进行显示。
主被动结合式安检的成像效果
主被动结合式人体安检设备检查结果(小刀)
主被动结合式人体安检仪的成像效果如下图所示。测试均在室内常温环境中进行。图中的受检人携带的小刀位于左侧牛仔裤口袋中,由于小刀尺寸小于设备分辨率,主动式设备不能有效检出,其结果如图b所示,图c为与光学图像融合后的结果。但是由于小刀与人体有较大的温差,在被动式设备下,它可以被辨认出来,经过与光学图像融合后,最终作为结果输出。
主被动结合式人体安检设备检查结果(IED)
与之互补的应用场景如上图所示,受检人携带了一枚同体温IED。由于IED和人体的温差小于被动式设备的分辨率,因此无法检出,其结果如图d所示。主动式设备作为补充,则可以有效的检出违禁品,其检查结果如图b和c所示。
上述的实验表明,主被动结合式人体安检仪的结果可以弥补单一图源的缺陷,验证了复合式安检的有效性。
结果表明,主被动结合式人体安检仪在违禁品温度、尺寸和环境条件更苛刻的条件下具有更高的性能。虽然目前主被动结合的图像融合处理技术仍处于研究阶段,距离性能参数量化、能够实现实时成像、自动识别还有一定差距。但随着人体安检应用场景的不断扩大、标准提高,人体安检技术向着更高频段、更大带宽和复合式发展,主被动融合安检技术预计会迎来更多关注和更广阔的前景。
联系电话