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微警用
太赫兹人体安检设备物品分类分级识别研究
2020-09-25 11:14:48 作者 : 侯丽伟 武威 来源 : 江苏亨通太赫兹技术有限公司警用装备网讯： 一、太赫兹人体安检设备的藏匿物探测原理简介
根据普朗克辐射定律，任何绝对温度大于零度的物体都能辐射电磁波，且辐射强度与物体温度及表面辐射能力有关。根据瑞利-金斯近似，在太赫兹波谱段，黑体辐射强度与物体温度成正比，因此在太赫兹波系统中，通常用温度（辐射亮温度）来表征辐射强度。
图 1 太赫兹波成像原理
利用太赫兹波系统对物体辐射的太赫兹波进行测量时，接收的辐射除与自身有关外，还与辐照源及背景有关，如图 1所示，系统测量温度T可表示为：
其中，r——物体对太赫兹波辐射的反射率；
ε——物体的辐射发射率；
t——物体对太赫兹波辐射的透过率；
Till——辐照源的等效辐射亮温；
Tobj——物体的表面温度；
Tback——背景的等效辐射亮温。
图 2 隐匿物探测机理
根据基尔霍夫定律及黑体辐射定律，物体的透过率、发射率及反射率满足关系式：
由于人体对太赫兹波的透过率几乎为0（t≈0），则当利用太赫兹波系统对人体进行成像探测时，测量温度为：
其中，r为人体对太赫兹波的反射率，Till为照射源等效温度，采用被动成像的情况下，Till为环境辐射温度，Tobj为人体温度。有/无隐匿物存在的情况下，人体对太赫兹波辐射的反射率有所不同，因此测量温度也有所不同，图像上表现为灰度的不连续，通过对图像进行灰度分割，即可实现对隐匿物的探测，这就是太赫兹波安检的基本工作原理。
太赫兹波安检仪接收人体发出的太赫兹波，以灰度图像的形式表征人体各部位太赫兹波辐射强度差异。当人在所穿衣物中藏有枪支、刀具等物品时，由于物品对太赫兹波的吸收和阻挡，使用该位置对太赫兹波的反射率发生变化，从而导致物品所在位置的太赫兹波辐射强度与人体其他部位之间存在强弱对比，从而探测到物品的存在，并确定物品的形状和位置，如图 3所示。
图 3 太赫兹波安检技术工作原理
二、太赫兹波安检设备的组成简介
由于缺乏阵列型探测器，太赫兹波安检仪通常采用线列探测器与机械扫描相结合的方式实现二维成像，如图 5示。
图 4 毫米波高速成像系统框图
太赫兹波安检仪通常由太赫兹波探测器、太赫兹波准光天线、光机扫描机构、信号采集与控制电路及处理软件等组成。
图 5 太赫兹波安检仪系统组成
由于太赫兹波安检仪无法穿透人体，为同时进行正、背面检测，需2台太赫兹波安检仪同时使用。由于采用被动式成像技术，太赫兹波安检仪易受周围环境影响，在实际使用中，通常与环控系统配合使用，由2台太赫兹波安检仪、环控系统、交换机、计算机等组成通道式安检系统，如图6所示。
图6 太赫兹安检场景示意图
三、太赫兹波安检设备的优势
与其他人体安检设备相比，太赫兹安检设备的主要优势在于：
1）无发射源，更易被公众接受；
2）成像速度快，可以在被检人行走过程中完成检测；
3）无需被检人员配合，更适合大人流量场景的使用需求。
各种人体安检设备对比表如表1
表1 各种人体安检设备对比
四、太赫兹波安检设备的劣势
其他人体安检设备比较，太赫兹波安检设备的主要劣势在于：
1.分辨率较低，无法尺寸较小的隐匿物品；
2.无需被检人配合，虽然有利于提升检测效率，但同时也容易受被检人刻意隐藏所干扰，如藏于腋下等。
五、太赫兹波人体安检设备探测能力测试结果
通过我们对不同物品在太赫兹波安检设备成像的实验结果分析，太赫兹人体安检仪对不同物品的探测能力如表2：
表2 太赫兹人体安检仪对不同物品的探测能力
对于人体所穿衣物材料方面，一般情况下，厚度越厚、材质越致密越不利于隐匿物品的探测，原因在于厚度越厚、材质越致密，衣物材料对毫米波的透过率就越低，这样藏匿于衣物下的物品的毫米波辐射越难穿透衣物，从而导致图像对比度较低。
各种物品及衣物材料的测试结果（略）
六、毫米波人体安检设备与太赫兹波人体安检设备的比较
太赫兹波人体安检设备实际上也是一种毫米波人体安检设备，太赫兹安检仪和毫米波安检仪在波段上存在重合情况，区别两者技术手段的主要方法是看其采用的是主动式成像，还是被动式成像。主动式成像采用全息成像体制，通过毫米波源照射人体，基于合成孔径技术能够实现亚波长级的成像分辨率，我们称之为主动式毫米波安检设备，通常称毫米波安检仪；被动式成像则采用传统的光学聚焦成像方法，通过反射镜、透镜和高灵敏探测器组成的光路实现对人体自身发射太赫兹波的快速探测，我们称之为被动式毫米波安检设备，通常称太赫兹波安检仪。
主动式毫米波设备与被动式太赫兹设备各有优缺点，适用的场景不同。主动式毫米波设备成像分辨率更高，但速率更慢，适合需要进行细查的场合。与主动式设备相比，被动式太赫兹设备成像分辨率低，但成像速度快，适合于大人流量筛查场景使用。对比如表4：
表4 毫米波与太赫兹波安检设备部分参数对比
七、太赫兹波人体安检结合智能识图和分级预警的应用方案
我们设计研发的太赫兹人体安检设备采用人工智能算法对可疑物品进行分类识别，可分三级进行报警：一级为危险品，包括枪、刀等武器；二级为可疑物品，这一类别为不能确定为危险品或安全物品的类别，需要进一步确认；三级为安全物品，主要是钱包、手机等通常随身携带的物品。
图 7 智慧安检系统架构图
图 8 智慧安检平台架构图
图 9 智能分类识别结果
在安检应用中，可以根据查验物品的特殊性，有针对性地进行深度学习，对安检中比较关注的各类物品进行重点训练，特别是刀具、枪支之类有明显形状特征的物品，当出现此类物品时进行特别报警。
此外，我们的系统融合红外成像、金属探测门等技术，结合金属探测门在小尺度金属物品及金属分类方面的优势，太赫兹对衣物材料穿透性优势，红外对温度的敏感性以及可见光的直观性，多源信息融合，取长补短，切实解决安检查验中的问题。
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