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太赫茲人體安檢設備物品分類分級識別研究

2020-09-25 11:14:48  作者 : 侯麗偉 武威  來源 : 江蘇亨通太赫茲技術有限公司


????????警用裝備網訊:?一、太赫茲人體安檢設備的藏匿物探測原理簡介



  根據普朗克輻射定律,任何絕對溫度大于零度的物體都能輻射電磁波,且輻射強度與物體溫度及表面輻射能力有關。根據瑞利-金斯近似,在太赫茲波譜段,黑體輻射強度與物體溫度成正比,因此在太赫茲波系統中,通常用溫度(輻射亮溫度)來表征輻射強度。



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  圖 1? 太赫茲波成像原理



  利用太赫茲波系統對物體輻射的太赫茲波進行測量時,接收的輻射除與自身有關外,還與輻照源及背景有關,如圖 1所示,系統測量溫度T可表示為:



  

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  其中,r——物體對太赫茲波輻射的反射率;



  ε——物體的輻射發射率;



  t——物體對太赫茲波輻射的透過率;



  Till——輻照源的等效輻射亮溫;



  Tobj——物體的表面溫度;



  Tback——背景的等效輻射亮溫。



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  圖 2? 隱匿物探測機理



  根據基爾霍夫定律及黑體輻射定律,物體的透過率、發射率及反射率滿足關系式:



 

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  由于人體對太赫茲波的透過率幾乎為0(t≈0),則當利用太赫茲波系統對人體進行成像探測時,測量溫度為:



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  其中,r為人體對太赫茲波的反射率,Till為照射源等效溫度,采用被動成像的情況下,Till為環境輻射溫度,Tobj為人體溫度。有/無隱匿物存在的情況下,人體對太赫茲波輻射的反射率有所不同,因此測量溫度也有所不同,圖像上表現為灰度的不連續,通過對圖像進行灰度分割,即可實現對隱匿物的探測,這就是太赫茲波安檢的基本工作原理。



  太赫茲波安檢儀接收人體發出的太赫茲波,以灰度圖像的形式表征人體各部位太赫茲波輻射強度差異。當人在所穿衣物中藏有槍支、刀具等物品時,由于物品對太赫茲波的吸收和阻擋,使用該位置對太赫茲波的反射率發生變化,從而導致物品所在位置的太赫茲波輻射強度與人體其他部位之間存在強弱對比,從而探測到物品的存在,并確定物品的形狀和位置,如圖 3所示。



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  圖 3? 太赫茲波安檢技術工作原理



  二、太赫茲波安檢設備的組成簡介



  由于缺乏陣列型探測器,太赫茲波安檢儀通常采用線列探測器與機械掃描相結合的方式實現二維成像,如圖 5示。



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  圖 4? 毫米波高速成像系統框圖



  太赫茲波安檢儀通常由太赫茲波探測器、太赫茲波準光天線、光機掃描機構、信號采集與控制電路及處理軟件等組成。



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  圖 5? 太赫茲波安檢儀系統組成



  由于太赫茲波安檢儀無法穿透人體,為同時進行正、背面檢測,需2臺太赫茲波安檢儀同時使用。由于采用被動式成像技術,太赫茲波安檢儀易受周圍環境影響,在實際使用中,通常與環控系統配合使用,由2臺太赫茲波安檢儀、環控系統、交換機、計算機等組成通道式安檢系統,如圖6所示。



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  圖6? 太赫茲安檢場景示意圖



  三、太赫茲波安檢設備的優勢



  與其他人體安檢設備相比,太赫茲安檢設備的主要優勢在于:



  1)無發射源,更易被公眾接受;



  2)成像速度快,可以在被檢人行走過程中完成檢測;



  3)無需被檢人員配合,更適合大人流量場景的使用需求。



  各種人體安檢設備對比表如表1

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  表1 各種人體安檢設備對比



  四、太赫茲波安檢設備的劣勢



  其他人體安檢設備比較,太赫茲波安檢設備的主要劣勢在于:



  1.分辨率較低,無法尺寸較小的隱匿物品;



  2.無需被檢人配合,雖然有利于提升檢測效率,但同時也容易受被檢人刻意隱藏所干擾,如藏于腋下等。



  五、太赫茲波人體安檢設備探測能力測試結果



  通過我們對不同物品在太赫茲波安檢設備成像的實驗結果分析,太赫茲人體安檢儀對不同物品的探測能力如表2:


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  表2 太赫茲人體安檢儀對不同物品的探測能力



  對于人體所穿衣物材料方面,一般情況下,厚度越厚、材質越致密越不利于隱匿物品的探測,原因在于厚度越厚、材質越致密,衣物材料對毫米波的透過率就越低,這樣藏匿于衣物下的物品的毫米波輻射越難穿透衣物,從而導致圖像對比度較低。



  各種物品及衣物材料的測試結果(略)



  六、毫米波人體安檢設備與太赫茲波人體安檢設備的比較



  太赫茲波人體安檢設備實際上也是一種毫米波人體安檢設備,太赫茲安檢儀和毫米波安檢儀在波段上存在重合情況,區別兩者技術手段的主要方法是看其采用的是主動式成像,還是被動式成像。主動式成像采用全息成像體制,通過毫米波源照射人體,基于合成孔徑技術能夠實現亞波長級的成像分辨率,我們稱之為主動式毫米波安檢設備,通常稱毫米波安檢儀;被動式成像則采用傳統的光學聚焦成像方法,通過反射鏡、透鏡和高靈敏探測器組成的光路實現對人體自身發射太赫茲波的快速探測,我們稱之為被動式毫米波安檢設備,通常稱太赫茲波安檢儀。



  主動式毫米波設備與被動式太赫茲設備各有優缺點,適用的場景不同。主動式毫米波設備成像分辨率更高,但速率更慢,適合需要進行細查的場合。與主動式設備相比,被動式太赫茲設備成像分辨率低,但成像速度快,適合于大人流量篩查場景使用。對比如表4:



  

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  表4 毫米波與太赫茲波安檢設備部分參數對比



  七、太赫茲波人體安檢結合智能識圖和分級預警的應用方案



  我們設計研發的太赫茲人體安檢設備采用人工智能算法對可疑物品進行分類識別,可分三級進行報警:一級為危險品,包括槍、刀等武器;二級為可疑物品,這一類別為不能確定為危險品或安全物品的類別,需要進一步確認;三級為安全物品,主要是錢包、手機等通常隨身攜帶的物品。



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  圖 7? 智慧安檢系統架構圖



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  圖 8? 智慧安檢平臺架構圖



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  圖 9? 智能分類識別結果



  在安檢應用中,可以根據查驗物品的特殊性,有針對性地進行深度學習,對安檢中比較關注的各類物品進行重點訓練,特別是刀具、槍支之類有明顯形狀特征的物品,當出現此類物品時進行特別報警。



  此外,我們的系統融合紅外成像、金屬探測門等技術,結合金屬探測門在小尺度金屬物品及金屬分類方面的優勢,太赫茲對衣物材料穿透性優勢,紅外對溫度的敏感性以及可見光的直觀性,多源信息融合,取長補短,切實解決安檢查驗中的問題。




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