丁 麗，丁 茜，葉陽陽，朱亦鳴

（上海理工大學(xué)上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點實驗室，上海200093）

室內(nèi)人體隱匿物被動太赫茲成像研究進展

丁 麗，丁 茜，葉陽陽，朱亦鳴*

（上海理工大學(xué)上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點實驗室，上海200093）

太赫茲波由于其極低的光子能量和對非極性物質(zhì)較強的穿透特性已成為人體隱匿物檢測應(yīng)用的熱點。本文以室內(nèi)人體隱匿物品探測為主要應(yīng)用背景，簡要介紹了太赫茲波段的大氣傳播特性；重點分析了基于輻射檢測的室內(nèi)被動太赫茲成像原理和系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括輻射計和陣列掃描方式等；回顧了國內(nèi)外被動太赫茲成像技術(shù)在人體安檢領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。綜合考慮系統(tǒng)成本和成像時間，一定數(shù)量的高靈敏度輻射計加上掃描機構(gòu)成像的方式在未來很長一段時間里將是被動太赫茲成像系統(tǒng)的主流方式。

太赫茲波；被動成像；輻射計；人體安檢

1 引 言

人體隱匿物品檢測一直是國內(nèi)外反恐維穩(wěn)的研究熱點［1-10］。目前的隱匿物品探測設(shè)備主要有：光學(xué)／紅外成像儀、X射線系統(tǒng)、CT探測系統(tǒng)、金屬安檢門、手持式金屬探測器等。雖然光學(xué)、X射線和紅外成像無疑具有很高的分辨率，但是光學(xué)／紅外探測不能穿透衣物和包裹層探檢隱匿違禁物；X射線系統(tǒng)和CT探測系統(tǒng)具有很好的穿透性，但其高輻射會傷害人體而無法用于人體安檢；金屬安檢門只能告警不能定位，且對非金屬違禁物無能為力；手持式金屬探測器不能探檢非金屬違禁物，且須接觸式操作，檢查速度慢，易造成被檢人員有被侵犯感。隨著國際上恐怖活動的日益猖獗，這些傳統(tǒng)探測設(shè)備在實際應(yīng)用中存在的不足與缺陷開始曝露。

太赫茲波（Terahertz waves，1 THz=1012Hz）是一種介于微波和紅外光之間的電磁波，通常所研究的THz電磁輻射是指頻率在0.1 T～10 THz，屬于遠紅外和亞毫米波范疇［10］。與上述常見隱匿物品探測的信號源相比，太赫茲波具有極低的光子能量低，頻率為1 THz的光子能量約為4.1 meV，而X射線光子能量在1 000 eV量級，不會引起光致電離，不會對人體造成傷害；比微波波長短，具有波束窄、定向性好的優(yōu)點，可以獲得高的成像分辨率；而于可見光和紅外相比，能夠穿透很多非極性物質(zhì)，達到可見光不能達到的透視性。這些優(yōu)勢使得太赫茲成像技術(shù)用于醫(yī)學(xué)診斷、生物體檢查更安全，并能夠?qū)崿F(xiàn)穿透衣物和包裹層的違禁品高靈敏度探測和高分辨率成像，已成為安檢領(lǐng)域的一個重要研究方向。

本文介紹了太赫茲波在大氣中的傳播特性，主要分析被動太赫茲成像的輻射檢測原理，輻射計的結(jié)構(gòu)、性能和當前基于準光機理的被動成像系統(tǒng)通常采用的掃描方式，最后回顧了國內(nèi)外被動太赫茲成像儀的研究現(xiàn)狀和未來被動太赫茲成像系統(tǒng)發(fā)展方向。

2 被動太赫茲成像原理

在電磁波譜中，人眼能夠觀察到的區(qū)域為可見光區(qū)，此時的輻射源是太陽，輻射峰值約為3 000 K。而在沒有光照的夜晚，地球上物體的自然輻射能量主要集中在紅外區(qū)域，輻射峰值大約為300 K。在過去的30年里，先進紅外探測技術(shù)的發(fā)展使得人類眼睛的“可視”范圍已經(jīng)擴展到夜晚。而對太赫茲頻段的研究則是人類對自己“可視”能力提出的進一步要求。太赫茲波輻射不僅有不分晝夜的優(yōu)勢，還能夠突破霧、沙塵等惡劣天氣對常見可見光和紅外等“可視”器件的性能限制，使得真正全天候、全天時的探測成像成為可能。三者的成像性能比較如圖1所示［8］。

微波至可見光頻段的電磁波輻射在大氣中傳輸?shù)拿抗飩鬏斅窂剿p曲線如圖2所示，在10 GHz到1 000 THz頻段里，電磁波在大氣中傳播會受到其中不同成分，如水氣、水滴、氧氣、氮氣和CO2等共振吸收的影響［11，2］。圖2顯示出在明朗、干燥的天氣條件下，紅外和可見光的輻射在大氣中的傳播衰減較?。欢谟徐F、多云和下雨等天氣條件時，大氣中的水分子會加劇電磁波輻射的衰減和散射特性?？梢?，在太赫茲波段，影響大氣衰減程度的最大因素是大氣中的水汽含量。即使如此，在94、140、220、350、650、800 GHz等頻率大氣中各成分對太赫茲波的衰減作用在干燥明朗天氣和霧天都保持一個相對適中的量，存在良好的大氣傳播特性。事實上，小于300 GHz頻段的太赫茲波輻射在云、霧、煙、雪和沙塵暴等惡劣天氣條件下的傳輸衰減僅僅是可見光和紅外輻射的百萬分之一，已成為目前室內(nèi)／室外人體隱匿物探測太赫茲成像的主要考慮頻段，文本主要考慮室內(nèi)的應(yīng)用場景。

圖2 電磁波輻射衰減曲線Fig.2 Electromagnetic radiation attenuation

2.1有效輻射溫度

眾所周知，所有媒介（氣體、液體、固體和等離子體等）都向外輻射電磁能量，而液體和固體目標的輻射譜是連續(xù)的，即在全頻段都具有反射和吸收電磁波的能力［2］，也就是說，和已知的紅外和可見光區(qū)一樣，目標媒介在太赫茲波頻段的吸收或者發(fā)射電磁波強度的大小可以用發(fā)射系數(shù)ε表示。因此，一個物體的太赫茲波段的體表亮溫Ts由物理溫度T0和發(fā)射系數(shù)ε的乘積表示，即：

假設(shè)目標自身發(fā)射系數(shù)是影響成像性能的唯一因素，則成像可以直接通過測量場景中不同目標的亮溫Ts實現(xiàn)，場景中不同物理材料目標間發(fā)射系數(shù)的差異會引起天線接收端接收到的輻射能量的差異，并體現(xiàn)為成像結(jié)果中圖像像素強度的不同。但事實是，在室內(nèi)環(huán)境中天線端接收到的物體輻射能量強弱還和成像場景中存在的其它噪聲輻射源溫度和所在環(huán)境的背景噪聲溫度有關(guān)。譬如，一個金屬板本身的輻射系數(shù)ε=0，亮溫為Ts=0，但是，由于其高反射特性，它針對空間中任意輻射源的反射可以在其表面表現(xiàn)出一定的表面溫度。這一現(xiàn)象可用表面散射輻射溫度Tsc表示，記為反射系數(shù)ρ和場景中其他噪聲輻射源溫度Ti乘積與透射系數(shù)t和背景噪聲溫度Tb乘積的和，

一個目標在天線端被接收到的實際有效輻射溫度（稱為視在溫度）TA為聯(lián)合亮溫Ts和表面散射輻射溫度T 的和：

其中，處于熱力學(xué)穩(wěn)定的物體滿足條件：

式（4）是對簡化模型獲得的結(jié)論，并沒有考慮入射角度、表面平滑度、極化影響以及成像場景中環(huán)境溫度變化等實際因素。

2.2天線接收功率和物體溫度

根據(jù)普朗克合體輻射定律，黑體在所有方向上都以相同的光譜亮度輻射能量，即黑體的光譜是無方向性的，單位立體角、單位面積、單位帶寬內(nèi)的輻射功率可表示為：

式中，B（f，T）是黑體輻射譜亮度，h是普朗克常數(shù)，f是頻率，k是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度，c是光速，k=1.38×10-23J／K。

可見，普朗克黑體亮度是B（f，T）頻率f和溫度T的函數(shù)。當hf／（kT）?1時，利用近似關(guān)系式ex-1≈x，則式（5）可以簡化為：

假設(shè)帶寬為Δf的窄帶天線的天線增益為Ar，方向圖F（θ，φ），則天線接收到的總功率可以表示為：

當Δf／f?1滿足窄帶條件時，譜亮度B（f，T）在帶寬Δf范圍內(nèi)近似為常數(shù)。將以下關(guān)系式：

代入式（7），得到溫度和功率成線性關(guān)系：

3 被動太赫茲成像系統(tǒng)

在室內(nèi)環(huán)境中，對于人體隱匿物的太赫茲成像，影響目標等效輻射溫度的因素包括衣物本身的輻射、透過衣物的人體本身和隱匿物的輻射以及對環(huán)境背景溫度的反射、衣服對周圍環(huán)境溫度的反射等。如圖3所示，天線接收到的功率是波束覆蓋場景內(nèi)所有輻射路徑的溫度疊加結(jié)果。

圖3 室內(nèi)被動成像溫度模型Fig.3 Temperaturemodel for indoor passive imaging

若能將等效輻射溫度TA或天線接收功率P和場景內(nèi)的空間位置一一對應(yīng)起來，就可以通過測量TA／P來實現(xiàn)場景的兩維成像。從式（3）和式（9）可以看到，基于輻射計探測的被動成像原理表明只要場景內(nèi)的人體表面和環(huán)境、隱匿物對電磁波存在吸收率、發(fā)射率和反射率等輻射能力的差異，這種差異就能通過高靈敏度輻射計探測，從場景內(nèi)的不同位置目標的溫度／能量對比圖反映出來，從而實現(xiàn)輻射情況分布的成像。被動太赫茲成像系統(tǒng)就是利用太赫茲波輻射計獲取目標的輻射分布特性生成圖像，可檢測出人體上所隱藏的槍支、爆炸物、各種合成物、金屬物品、毒品、貨幣、液體和陶瓷等違禁品，具有成像清晰、檢測率高、無輻射對人體無害等特點。

3.1輻射計

能夠高靈敏度探測熱輻射的接收機稱為輻射計，其輸出電壓值與接收到的溫度呈線性關(guān)系［12］。物體的太赫茲輻射是非相干的微弱信號，被動太赫茲成像儀的成像性能取決于高靈敏度太赫茲輻射計的性能。通常輻射計體制包括全功率輻射計、狄克（Dick）型輻射計、噪聲相加型輻射計、比較輻射計和相關(guān)輻射計等。

針對近距離太赫茲被動成像，比較經(jīng)典的輻射計類型是太赫茲全功率輻射計，其原理框圖如圖4所示，輻射計結(jié)構(gòu)中可以包括多級前端低噪聲放大器和多級后端視頻放大器，其中視頻放大器包含了低通濾波器和積分器，實現(xiàn)低通濾波輸出或者隔直交流輸出；由于檢波器通常遵循平方律準則，輸出電壓正比于輸入功率，由式（9）可知輸出電壓與天線接收端的物體視在溫度同樣成正比關(guān)系。這種直接檢波式輻射計，系統(tǒng)噪聲溫度低、直流功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、體積小。

圖4 太赫茲全功率輻射計原理框圖Fig.4 Diagram of terahertz full power radiometer

輻射計靈敏度是衡量輻射計性能的主要指標，輻射計能檢測出的最小天線溫度變化量即為輻射計的溫度分辨率ΔTmin，表示最小的溫度變化所產(chǎn)生的輸出直流電壓變化量大于或等于輻射計的均方根噪聲起伏功率：

式中，TA表示天線視在溫度，TREC為輻射計高頻前端的等效輸入噪聲溫度，B為高頻前端的等效噪聲帶寬，為輻射計的有效積分時間，τ主要由視頻放大器的帶寬決定。

功率和溫度關(guān)系式（9）表示輻射計輸出電壓正比于天線的視在溫度TA，因此為了提高TA的檢測性能，需要提高輻射計的檢測靈敏度。從式（10）可知降低輻射計的等效噪聲溫度TREC是最有效手段，這要求輻射計的整機噪聲系數(shù)足夠小。在條件允許時，還可以通過增加輻射計的高頻帶寬和積分時間來改善輻射計的靈敏度。特別是針對近距離成像的太赫茲輻射計，相比于提高前端高頻低噪放的工作帶寬，適當增加后端視頻放大器的積分時間更易于實現(xiàn)靈敏度的提高。

3.2掃描方式

被動太赫茲成像的一個主要難點是高輻射計靈敏度和輻射計慢響應(yīng)時間之間的矛盾。從式（10）可以看到，為了提高輻射計靈敏度，通常需要輻射計滿足ms級的有效積分響應(yīng)時間，比如3mm波段的輻射計，具有B=3 GHz高頻帶寬，噪聲溫度TREC=1 500 K，當實際溫度為TA=295 K時，則為了達到ΔTmin=1 K的溫度分辨率，要求積分時間滿足τ=1.1 ms。顯然，傳統(tǒng)機械掃描方式通過對單個輻射計進行機械掃描完成二維場景的覆蓋，如圖5所示，盡管成本低，但是需要的掃描時間長，很難達到實時成像的要求，限制了其在實際場合的應(yīng)用。為了達到或者逼近實時成像的需求，基于準光學(xué)理論的太赫茲焦面陣成像（Focal Plane Array，F(xiàn)PA）被提出［13］。

圖5 單輻射計二維掃描示意圖Fig.5 Diagram of two-dimensional scanning by a single radiometer

圖6 所示的被動太赫茲成像類似于攝像［2］，利用一個兩維的陣面，每個陣元的輻射計對應(yīng)一個像素，對目標視場形成凝視，不需要掃描，可實現(xiàn)實時成像和對目標跟蹤；同時由于不需要掃描，可以適當增大接收機積分時間，提高輻射計的溫度靈敏度。目前太赫茲焦平面探測器的核心元件輻射計的成本較高，如果完全采取焦平面直接成像方式將導(dǎo)致整個系統(tǒng)成本十分昂貴。太赫茲焦平面成像需要大量的輻射計才能滿足系統(tǒng)的采樣要求和視場的覆蓋，對系統(tǒng)成本提出了較高要求。因此，在實際應(yīng)用中為了同時兼顧系統(tǒng)成本和成像速率的要求，針對二維成像，當前的主流系統(tǒng)均采用一定數(shù)量的輻射計加上掃描機構(gòu)成像的方式實現(xiàn)對視場的覆蓋，利用一定的成像時間代價換取整個系統(tǒng)成本的降低。如圖7所示的平面掃描［2］或者如圖8所示基于卡塞格倫結(jié)構(gòu)的折疊光路掃描［5］等，通過適當增大接收機積分時間，從而提高輻射計的溫度靈敏度。

圖6 太赫茲準光學(xué)被動成像原理Fig.6 Diagram of FPA

圖7 平面掃描Fig.7 Diagram of flat scanning

圖8 基于卡塞格倫結(jié)構(gòu)的折疊光路掃描Fig.8 Diagram of folded optical path based on Cassegrain

3.3國外研究現(xiàn)狀

早在1993年，美國Millitech公司就研制了2～3 mm波段的FPA成像系統(tǒng)［1］。2000年初，美國NGC公司從毫米波FPA成像的領(lǐng)導(dǎo)公司TRW獲得毫米波成像技術(shù)［2］，推出了一系列3mm FPA成像系統(tǒng)，并將應(yīng)用從初期對低能見度條件下飛機著陸推廣到室內(nèi)人體隱匿物品探測。為了降低FPA的研制成本，實際中多采用焦面陣技術(shù)和機械掃描相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上Millivision公司利用楔形透鏡旋轉(zhuǎn)研制了Vela 125型被動成像儀［3］，Brijot公司利用凸輪驅(qū)動掃描鏡的機械結(jié)構(gòu)推出了GEN1／2系列產(chǎn)品［4］，英國QinetiQ公司則利用折疊光路研制了iSPO-30等被動成像儀［5］。為了兼顧成像距離和分辨率，被動太赫茲成像儀的工作頻率逐漸升高。Thruvision公司利用8通道的外差接收機結(jié)構(gòu)研制了工作頻率250 GHz［7］、作用距離3 m至25 m的T4000等系列產(chǎn)品。德國Jena／IPHT的Safe-Visito成像儀工作在350 GHz頻段，利用卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)和0.3 K吸附制冷機大大提高了1 mm波段的輻射計接收靈敏度［8］。芬蘭的VTT／NIST則利用超導(dǎo)天線耦合微測輻射計實現(xiàn)了640 GHz波段5m探測距離處溫度分辨率0.5 K，空間分辨率4 cm的被動成像儀［9］。

表1總結(jié)了國外典型代表機構(gòu)被動太赫茲成像儀的主要技術(shù)參數(shù)。可見，國外對基于準光學(xué)理論的被動太赫茲成像技術(shù)的系統(tǒng)開發(fā)已步入商用階段，3 mm波段的部分產(chǎn)品已經(jīng)進入室內(nèi)人體安檢市場，研究重點集中在更高性能的器件研究以及對更高頻段器件和系統(tǒng)的準光學(xué)技術(shù)探索方面。

表1 國外太赫茲被動成像系統(tǒng)Table 1 Terahertz passive imaging system at abroad

3.4國內(nèi)研究現(xiàn)狀

由于太赫茲器件制造水平以及測試儀器的限制，國內(nèi)太赫茲成像技術(shù)起步比較晚，成像技術(shù)絕大部分還停留在理論研究和跟蹤研究上，暫時還沒有投入使用的太赫茲成像探測樣機。在準光學(xué)研究上，國內(nèi)Ka波段技術(shù)相對比較成熟，器件設(shè)備基本能實現(xiàn)國產(chǎn)，W波段系統(tǒng)的應(yīng)用研究尚處于初級階段。在聚焦元件設(shè)計方面，除了主聚焦元件設(shè)計上比較成熟外，擴展半球透鏡研究以及具有一定應(yīng)用背景的透鏡研究等都獲得了一定成果。目前，從事被動太赫茲室內(nèi)成像探測系統(tǒng)研究的單位主要有南京理工大學(xué)［14-15］、華中科技大學(xué)［16-17］、東南大學(xué)［18-19］、哈爾濱工業(yè)大學(xué)［20-21］、電子科技大學(xué)［22-23］、上海理工大學(xué)［24-26］等。

南京理工大學(xué)毫米波實驗室主要是針對Ka波段的交流輻射計掃描成像，研制了原理樣機。還對7元線列并掃的Ka波段焦平面成像系統(tǒng)進行了研究。并研究了用于隱匿物探測的W波段直流輻射計，對W波段目標輻射特性進行了分析。

華中科技大學(xué)分析了8 mm波段和3 mm波段的目標輻射特性、成像機制和超分辨算法等，在提高圖像分辨率上做了大量研究工作的基礎(chǔ)上，對金屬目標毫米波輻射探測與識別和陣列成像探測的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

東南大學(xué)毫米波重點實驗室的研究團隊重點研究和分析了毫米波焦平面成像的天線—擴展半球介質(zhì)透鏡。并在94 GHz頻段，對手槍等隱匿物目標開展了作用距離1 m，成像像素30×30的成像探測實驗。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)邱景輝等人重點研究了準光路理論和聚焦天線、高靈敏度小型化輻射計設(shè)計方法和饋源天線優(yōu)化方法等。研制了Ka波段20通道的毫米波焦平面成像系統(tǒng)樣機，并對系統(tǒng)的空間分辨率、溫度靈敏度等參數(shù)進行了實驗分析；針對2.4～3.3 m的成像距離的人體隱匿物品進行了成像像素30×20的成像探測實驗，系統(tǒng)成像速率達1.5 s。

電子科技大學(xué)針對準光學(xué)理論、信號處理方法和系統(tǒng)研制等方面開始了被動太赫茲成像的研究，目前已研制出針對中、遠距離場景檢測的被動低頻段太赫茲焦平面成像系統(tǒng)，正開展近距離室內(nèi)隱匿物探測的成像研究。

上海理工大學(xué)重點在寬頻太赫茲吸收器、濾波器等功能器件和主被動W波段成像系統(tǒng)研制、目標識別算法等方面開展了研究，研制了被動太赫茲多通道成像系統(tǒng)樣機。

綜上所述，當前被動太赫茲成像技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展尚處于實驗室研究階段，為實現(xiàn)實時、高溫度靈敏度成像，使之在機場安檢等應(yīng)用中探測人體衣物下隱匿違禁物品，還存在許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。

5 結(jié)束語

基于太赫茲波大氣傳輸特性和輻射檢測理論，探討了被動太赫茲成像系統(tǒng)的成像原理：依靠某一大氣傳窗口對應(yīng)的太赫茲波頻段，利用高靈敏度太赫茲波輻射計探測、接收被測場景中目標、背景的電磁輻射，根據(jù)不同物質(zhì)的輻射特性不同，反映各景物之間以及景物各部分之間太赫茲輻射能力的差異，從而識別不同的物體。通過對輻射計結(jié)構(gòu)和性能的介紹，反映設(shè)計被動太赫茲成像系統(tǒng)時主要需要考慮的是實時成像要求和高溫度靈敏度之間的矛盾。為了解決這一難題，一種方案是基于低性能輻射計的焦平面成像，另一種是采用高性能輻射計陣列配合機械掃描。從當前的研究現(xiàn)狀可以看到在未來很長一段時間內(nèi)這種方式仍是被動太赫茲成像系統(tǒng)的主流方式。

總的來說，國外通過對準光學(xué)聚焦和掃描結(jié)構(gòu)的改進以及更高頻段的嘗試，被動太赫茲成像系統(tǒng)正逐步向快速、實時、高分辨率和遠作用距離成像的方向發(fā)展。而由于芯片或工藝的原因，國內(nèi)研究太赫茲頻段的成像技術(shù)進展緩慢。但是針對當前已有的條件下，研究Ka或者W頻段的實時、高靈敏度成像的關(guān)鍵技術(shù)，將毫米波輻射計、準光路理論和饋源天線研究的成果由Ka頻段推廣到更高頻段，可以在現(xiàn)有器件的條件下，用以提高系統(tǒng)的溫度分辨率和被動太赫茲成像系統(tǒng)的性能。

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Overview of passive terahertz imaging system s for indoor concealed detection

DING Li，DING Xi，YE Yang-yang，ZHU Yi-ming*
（Shanghai Key Lab of Modern Optical System，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China）*Corresponding author，E-mail：ymzhu＠usst．edu．cn

Terahertz wave has become a hot research point for body hidden objects detection applications due to its extremely low photon energy and the strong penetration properties to non-polar material.In this paper，taking indoor body concealed detection as themain background，we briefly introduce the atmospheric propagation characteristics of THz waveband.Then we focus on the analysis of the indoor passive terahertz imaging principle and the key technology of imaging system based on radiation detection，including radiometer and scanning arraymode，and review the research status of passive terahertz imaging technology in the field of human body security inspection at home and abroad.Considering system cost and imaging time，passive terahertz imaging system consisting of a certain number of high sensitivity radiation meters and scanning imagingmechanism will be the mainstream in the future for a long time.

Terahertz wave；passive imaging；radiometer；personnel security screening

TP394.1；TH691.9

：A

10.3788／CO.20171001.0114

丁 麗（1985—），女，浙江湖州人，博士，講師，主要從事太赫茲成像方面的研究。E-mail：sunnylding＠usst.edu.cn

朱亦鳴（1979—），男，上海人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事太赫茲波譜與成像方面的研究。E-mail：ymzhu＠usst.edu.cn

2095-1531（2017）01-0114-08

2016-09-21；

2016-11-15

上海市自然科學(xué)基金資助項目（No.16ZR1423100）；上海高校青年教師培養(yǎng)資助項目（No.ZZsl15009）

Supported by Natural Science Foundation of Shanghai（No.16ZR1423100）；Foundation for the Youth of Colleges and Universities of Shanghai（No.ZZsl15009）