應(yīng)用在人體安檢中的太赫茲近場MIMO-SAR技術(shù)

劉 杰，安健飛，周 人，喻 洋*

應(yīng)用在人體安檢中的太赫茲近場MIMO-SAR技術(shù)

劉 杰1,2，安健飛1,2，周 人1,2，喻 洋1,2*

1中國工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心，四川 成都 610200；2中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621900

太赫茲近場多輸入多輸出合成孔徑雷達(MIMO-SAR)技術(shù)具有在保證分辨率同時降低陣元數(shù)量的優(yōu)勢，在人體安檢中有重要的研究和應(yīng)用價值。該文首先介紹了應(yīng)用在人體安檢領(lǐng)域的太赫茲近場MIMO-SAR技術(shù)系統(tǒng)現(xiàn)狀，將典型系統(tǒng)進行了歸納和對比；其次介紹陣列設(shè)計，對典型面陣列的指標(biāo)特性進行了仿真對比；介紹典型的成像算法和加速方法，比較成像算法的圖像重構(gòu)速度。最后對發(fā)展進行了展望。

太赫茲雷達；多輸入多輸出技術(shù)；合成孔徑雷達；雷達圖像

1 引 言

太赫茲波介于微波波段和紅外波段之間，是電子學(xué)向光學(xué)的過渡頻段，泛指頻率為0.1 THz～10 THz，波長約為3 mm～30 μm的電磁波。狹義的太赫茲波特指0.3 THz～3 THz這一波段[1]。近場指的是輻射近場(又稱為“菲涅耳區(qū)”)。在人體安檢場景中，陣列天線到人體的距離一般在幾十厘米，處于菲涅耳區(qū)。菲涅耳區(qū)內(nèi)電磁場的角分布與離開天線的距離有關(guān)[2]，因此方向圖具有空變性。多輸入多輸出合成孔徑雷達(multiple input multiple output-synthetic aperture radar，MIMO-SAR)利用MIMO技術(shù)獲得多個等效SAR通道，降低了常規(guī)SAR系統(tǒng)采用增加收發(fā)天線數(shù)量提高方位分辨率的缺點；采用帶寬合成技術(shù)獲得一個等效的大帶寬信號，克服了常規(guī)SAR系統(tǒng)采用超寬帶信號提高距離分辨力的缺點[3]。

近年來，暴力與恐怖事件的日益增多，嚴重危害到人民群眾的生命安全，公共安全問題受到全球各個政府的廣泛關(guān)注。以安檢門和攝像頭等為代表的傳統(tǒng)人體安檢方法已難以滿足大人流的反恐要求，迫切需要開發(fā)有效的安檢技術(shù)手段，實現(xiàn)對人體隱藏目標(biāo)快速、精確檢測。

將太赫茲成像技術(shù)應(yīng)用于公共安全檢測，具有如下優(yōu)勢：

a) 兼顧衣物穿透和高分辨成像的雙重特性：相對微波毫米波而言，可實現(xiàn)對人體隱匿違禁物品進行高分辨力成像[4]，成像分辨率可以毫米和亞毫米量級；

b) 具有光子能量低，生物安全性好：太赫茲光子能量1 meV量級，遠小于人體皮膚的電離能，不同于X光射線，對人體不會產(chǎn)生電離損傷，且所需輻射功率不及手機輻射的十分之一，遠低于人體安全閾值[5]。

綜上所述，太赫茲成像技術(shù)在安全檢查、反恐維穩(wěn)、重點區(qū)域的監(jiān)測與防護等方面有著重要潛在應(yīng)用價值，也成為國際太赫茲研究的熱點。

本文對國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、系統(tǒng)構(gòu)成、成像算法和成像結(jié)果等方面概述太赫茲近場MIMO-SAR技術(shù)研究進展情況，最后對太赫茲近場MIMO-SAR技術(shù)在人體安檢中的應(yīng)用進行展望。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

太赫茲成像安檢的研究方向有主動式和被動式兩種。被動式成像系統(tǒng)利用物體和人身產(chǎn)生和反射環(huán)境的太赫茲波的差異進行對比成像，其優(yōu)勢是被動式成像系統(tǒng)不發(fā)射任何射線或者能量，缺點是成像分辨率受限。被動式成像系統(tǒng)適合成像分辨率不高且需要快速檢測的應(yīng)用場景。該類系統(tǒng)的代表有英國DB公司的THRUVISION。主動式成像系統(tǒng)借助雷達原理，通過發(fā)射太赫茲波信號，接收目標(biāo)散射的回波信號，通過圖像重構(gòu)實現(xiàn)對人體隱匿違禁物品成像和識別。早期的太赫茲主動成像安檢采用多發(fā)多收一維機械線掃描體制[6]，并采用了光學(xué)反射鏡對太赫茲波束進行匯聚，再配合反射鏡的機械掃描實現(xiàn)成像。這種體制的優(yōu)勢在于匯聚后的波束能在相對較遠距離處實現(xiàn)足夠的照射功率，成像處理簡單，對數(shù)字波束形成的計算壓力較小。而其劣勢也是明顯的，由于反射鏡決定了聚焦深度和匯聚光斑尺寸，因而對不同距離處目標(biāo)的聚焦效果不同，同時需要大口徑聚焦鏡來保證系統(tǒng)的分辨力。又大又重的光學(xué)反射鏡嚴重限制了該體制的實際應(yīng)用。

克服大口徑光學(xué)反射鏡在應(yīng)用中受限問題的一個思路是采取全息成像體制[7]。利用合成孔徑雷達成像原理，既可以保證成像速度，同時提升成像分辨率。全息成像安檢體制有：多發(fā)多收一維機械線掃描全息成像體制和多發(fā)多收二維電子掃描全息成像體制。

2.1 多發(fā)多收一維機械線掃描體制

多發(fā)多收一維機械線掃描體制在單發(fā)單收二維機械點掃描體制上進行了改進，通過減少一維掃描維度提升掃描速度，采用了一維合成孔徑技術(shù)進行圖像重重構(gòu)。其代表性系統(tǒng)有2013年歐洲第七框架計劃支持的TeraSCREEN項目[9]以及2016年中物院電子工程研究所微系統(tǒng)與太赫茲研究中心報道的對0.34 THz頻段4發(fā)16收的主動成像系統(tǒng)[10]，如圖1和圖2所示。這種體制在單發(fā)單收二維機械點掃描體制上進行的重要改進之處是將太赫茲波束聚焦為“線狀”而不是“點狀”，從而只需要通過一維掃描即可遍歷成像面，大大提升成像速度。但其缺點是掃描維的成像分辨率取決于線狀波束的寬度，即聚焦鏡的口徑，從而使其分辨率受限。同時，由于多數(shù)姿態(tài)下目標(biāo)特性導(dǎo)致的反射回波弱以及相干斑，也影響了成像質(zhì)量。

2.2 多發(fā)多收二維電子掃描全息成像體制

多發(fā)多收二維電子掃描全息成像體制去除機械掃描環(huán)節(jié)，利用大規(guī)模面陣實現(xiàn)對人體成像面的全覆蓋。德國Rohde & Schwarz公司開發(fā)的QPS成像安檢儀[11]，系統(tǒng)集成了工作于70 GHz~80 GHz的3072發(fā)射和3072接收通道，基于高集成密度主動面陣和強大的數(shù)字信號處理能力，將數(shù)據(jù)獲取時間控制在16 ms，方位分辨率為2 mm，如圖3所示。美國MIT林肯實驗室也開發(fā)了類似系統(tǒng)[12]，工作于24 GHz~40 GHz的1008發(fā)射和1008接收通道，方位分辨率為5 mm。2018年中物院微太中心報道的對毫米波64發(fā)64收的主動成像系統(tǒng)[13]，如圖4所示。雖然目前基于多發(fā)多收二維電子掃描體制的人體安檢系統(tǒng)的工作頻率未在太赫茲頻段，主要原因在于太赫茲收發(fā)芯片尚不成熟，隨著系統(tǒng)對分辨率指標(biāo)要求提高，可以預(yù)計未來工作頻率將提高到太赫茲頻段。

圖1 TeraSCREEN系統(tǒng)的框架及仿真結(jié)果[8]

圖2 0.34 THz 4發(fā)16收成像系統(tǒng)框架及成像結(jié)果[9]

圖3 QPS成像安檢儀的系統(tǒng)框架及成像結(jié)果[10]

圖4 毫米波64發(fā)64收成像的系統(tǒng)框架及成像結(jié)果[12]

2.3 多發(fā)多收一維機械線掃描全息成像體制

多發(fā)多收一維機械線掃描全息成像體制可看作多發(fā)多收一維機械線掃描體制和多發(fā)多收二維電子掃描全息成像體制的折中產(chǎn)物，保持MIMO體制的優(yōu)勢的同時實現(xiàn)了陣列低成本。系統(tǒng)設(shè)計的主要思想是將線陣(或者被測目標(biāo))通過傳送帶產(chǎn)生機械直線運動，由此產(chǎn)生一個維度的合成孔徑，再和與運動方向正交的電子掃描線陣產(chǎn)生的一維MIMO-SAR相結(jié)合，生成

混合的二維采樣孔徑。文獻[14-17]最早報道了對這一體制的系統(tǒng)設(shè)計及成像方法方面研究工作。近年來，針對該體制陣列設(shè)計和成像算法的研究不斷取得新進展[18-21]，推動了該技術(shù)面向應(yīng)用。圖5和圖6分別為凱澤斯勞滕大學(xué)[22]和中物院微太中心所研制的成像系統(tǒng)。

表1對目前人體安檢系統(tǒng)體制進行了對比。

由表1可以看出，全息成像體制在成像分辨率上有較大優(yōu)勢，在較低的工作頻率下，就能達到較高的成像分辨率，其缺點在于作用距離近。如何在保證分辨率和成像速度的同時降低陣元數(shù)量是設(shè)計該類系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，涉及到稀疏陣列構(gòu)型和快速成像算法。

圖6 0.14 THz 80發(fā)80收成像系統(tǒng)的框架及成像結(jié)果

表1 國內(nèi)外毫米波/太赫茲安檢系統(tǒng)匯總對比

3 稀疏陣列構(gòu)型

常見的一維線陣中Tx陣列平行于Rx陣列，TeraSCREEN項目采用的線陣如圖7所示。其中，Rx陣列單元與單元間距為t×Δ；Rx陣列單元與Tx陣列單元間距為2×Δ；Tx陣列單元與單元間距為2×Δ。總陣列長度MIMO為t×(r+1)×Δ。陣列[12]、方塊陣列[26]等，參照文獻中稀疏面陣構(gòu)型，分別設(shè)計了口字形、十字形、方塊以及T形陣列，如圖8(a)，9(a)，10(a)，11(a)所示，目前使用較多的二維面陣有口字形陣列[13，25]、十字形，圖8(b)，9(b)，10(b)，11(b)分別為對應(yīng)的等效孔徑。天線個數(shù)為16個發(fā)射單元和16接收單元，間隔歸一化，單位為1，“*”為發(fā)射陣列，“.”為接收陣列。

對上述仿真陣型性能進行分析，仿真使用的波形參數(shù)為75 GHz載頻，得到系統(tǒng)成像點擴散函數(shù)。陣列性能比較結(jié)果如表2所示。

由表2中看出，四種陣列性能相近，口字陣列、十字形陣列和T形陣列的收發(fā)陣列線性周期排布，易于加工實現(xiàn)。積分旁瓣比可以通過陣列加窗歸一化、信號幅度加窗等方法降低。

圖7 一維線陣構(gòu)型

圖8 (a) 口字陣列和(b)其等效孔徑

圖9 (a) 十字陣列和(b)其等效孔徑

圖10 (a) 方塊陣列和(b)其等效孔徑

圖11 (a) T形陣列和(b)其等效孔徑

表2 陣列性能比較

4 成像算法

圖12 等效孔徑方法與合成孔徑相結(jié)合的成像系統(tǒng)原理圖

4.1 后向投影算法

該算法廣泛應(yīng)用于合成孔徑雷達成像[27]，可由式(2)推導(dǎo)得到。在該算法中，對反射率函數(shù)的估計主要分兩步進行。首先對做一維傅里葉逆變換：

這相當(dāng)于沿軸聚焦數(shù)據(jù)。然后將距離聚焦數(shù)據(jù)插值到處，并在二維孔徑上積分，得到位于處的體素的反射率：

由于使用了快速傅里葉變換算法來進行距離聚焦，因此降低了計算負載。

4.2 快速因子分解后向投影算法

4.3 距離徙動算法

雖然后向投影算法和快速因子分解后向投影算法的計算效率有所提高，但是距離偏移算法更加高效，因為它將式(2)中的卷積積分作為頻域中的一個復(fù)雜乘積進行計算[31-32]。但是距離徙動算法不能直接使用到稀疏陣列中。因此對距離徙動算法需要進行修改，來適合稀疏陣列成像。算法的主要步驟分為三步：

第一步，利用補償因子將多站實測數(shù)據(jù)映射到等效孔徑上，減小實際多站信號路徑與等效信號路徑之間的差異，

將實測數(shù)據(jù)乘以cp，按照有效孔徑進行等距采樣排序，

第二步，將映射數(shù)據(jù)在孔徑域(,)進行二維傅里葉變換，

與后向投影算法相比，距離徙動算法節(jié)省了(2)的計算量。

4.4 圖形處理單元重構(gòu)

為了加速圖像的生成，可以采用圖形處理單元實現(xiàn)并行處理的后向投影算法。后向投影算法和快速因子分解后向投影算法的內(nèi)核易于并行化，而且具有較高加速比，因為它們對每個成像單元執(zhí)行相同的計算操作。因此，圖像重建可以通過將圖形處理單元的每個線程分配給一個成像單元來實現(xiàn)。距離徙動算法可以通過圖形處理單元加速執(zhí)行快速傅里葉變換算法，提高成像速度。文獻[18]在一個商業(yè)圖形處理單元(GTX 780)上實現(xiàn)了這三種算法，該單元有2304個核、內(nèi)存3 GB和時鐘863 MHz。結(jié)果如圖13所示。以重建時間與待重建成像單元數(shù)量的關(guān)系作為比較標(biāo)準。對于快速因子分解后向投影算法，設(shè)置的分解因子(=2)，因數(shù)分解深度為(=(1，2，3，4))。由于商業(yè)圖形處理單元并行工作核的數(shù)量有限，使用后向投影算法重建時間隨成像單元數(shù)量的增加而線性增加。增加快速因子分解后向投影算法的因數(shù)分解深度可以降低時間-體素曲線的斜率，但代價是增加額外的啟動計算開銷。圖13中的幾種算法在開始分解過程中有一個初始常數(shù)的計算開銷，快速因子分解后向投影算法在小規(guī)模圖像重建中速度和距離徙動算法都較快。

圖13 后向投影、快速因子分解后向投影和距離徙動算法的重構(gòu)時間[18]

5 結(jié) 論

近年來，我國太赫茲基礎(chǔ)器件日趨進步，性能穩(wěn)步提高，促進了太赫茲雷達系統(tǒng)的快速發(fā)展。目前在人體安檢場景，太赫茲MIMO-SAR體制架構(gòu)清晰，但仍有一些基礎(chǔ)與工程問題需要攻克，重點在以下幾個方面。

5.1 集成陣列與片上雷達

通過高度集成實現(xiàn)陣列化與片上化是太赫茲近場MIMO-SAR，也是太赫茲雷達重要發(fā)展方向之一。目前太赫磁頻段雷達陣列由于難以實現(xiàn)陣列，一般采用一發(fā)多收或快速開關(guān)切換多發(fā)多收方式。突破稀疏MIMO線陣面陣設(shè)計、片上MIMO雷達設(shè)計、陣列-合成孔徑一體化成像等技術(shù)，進一步降低陣列成本，推動其在人體安檢中的應(yīng)用。

5.2 快速成像算法

在保證分辨率前提下，如何降低陣元數(shù)量和提高成像速度是該類系統(tǒng)關(guān)鍵問題。非均勻快速傅里葉變換，壓縮感知技術(shù)是新生的主流雷達成像算法之一。將這些算法引入到人體安檢這種近場環(huán)境中，根據(jù)特定的陣列構(gòu)型進行優(yōu)化提高成像速度。

5.3 陣列多視角下隱藏物品回波特征與信息聯(lián)合提取方法

對于人體目標(biāo)，在線性陣列的觀測條件下，隱藏目標(biāo)由于與收發(fā)單元相對位置的不同，將呈現(xiàn)多個觀察視角，根據(jù)電磁散射理論，其散射特征會隨視角呈現(xiàn)較大變化：散射角度接近鏡面反射的回波強度較高，而對覆測平面有較大夾角的區(qū)域散射回波強度弱，因此分析陣列多視角下隱藏物品回波特征，研究多視角目標(biāo)回波的聯(lián)合提取方法對目標(biāo)信息的精確探測具有重要意義。

總之，太赫茲近場MIMO-SAR技術(shù)是太赫茲雷達研究熱點，在人體安檢中有重要意義，同時作為一項基于光電交叉學(xué)科的新興技術(shù)有著重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值，還需要進一步深入研究，最終推動太赫茲近場MIMO-SAR技術(shù)發(fā)展并促進其在軍民領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

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Terahertz near-field MIMO-SAR technologyfor human securityinspection

Liu Jie1,2, An Jianfei1,2, Zhou Ren1,2, Yu Yang1,2*

1Microsystem and Terahertz Research Center, China Academy of Engineering Physics, Chengdu, Sichuan 610200, China;2Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, Sichuan 621900, China

Three-dimensional terahertz imaging with MIMO-SAR

Overview:As growing violent and terrorist incidents are endangering people, security inspection in the public becomes increasingly important. The sparse linear array multiple-input multiple-output (MIMO) synthetic aperture radar (SAR) based system, taking into consideration the high resolution of images and the low complexity of the system, is one of the new human body security inspection imaging technologies. This paper mainly introduces the application of MIMO SAR in human body security inspection based on the investigation and analysis of current status and development of domestic and foreign studies on active millimeter-wave/terahertz-wave imaging technologies. Four frameworks are introduced, including single-input single-output (SISO) imaging systems, one dimensional MIMO-SAR with mirror imaging systems, one dimension MIMO-SAR with one dimension SAR imaging systems, and two dimension MIMO imaging systems. Then, the MIMO sparse line array is introduced. The main design idea of the system with MIMO line array is to combine a frequency modulated MIMO line array with an orthogonal synthetic aperture generated by the linear movement of the object under test, such as a conveyor. An array of transmitters illuminates the human with concealed weapon and an array of receivers records the back-scattered radiation coherently. Four kinds of MIMO sparse plane arrays are introduced, including tetragonum array, cross array, square array, and T array. The MIMO sparse plane arrays are designed with 16Tx and 16Rx, then, their performances are compared. Thirdly, signal processing basics and three efficient computational 3D imaging algorithms are presented, including back-projection (BP), fast-factorized back-projection (FFBP), and range migration algorithm (RMA). Those imaging algorithms can be implemented for parallel processing on a graphics processing unit for accelerating the image generation. The BP and FFBP kernels profit strongly from the parallelization since they perform the same computational operation for each voxel. Therefore, the volume reconstruction is mainly achieved through assigning each thread of the graphics processing unit to a voxel. The RMA algorithm also benefit from accelerated execution of the fast Fourier transform algorithm on the graphics processing unit without parallelization. In addition, three different imaging algorithms are compared in regard to their computational efficiency. Finally, this paper makes a prospect of development. In recent years, the THz basic devices in China have made great progress and performances have been steadily improved, which has promoted the rapid development of THz radar system. Although the THz MIMO-SAR system structure is clear for the human body security inspection, but there are still some basic and engineering problems to be overcome, such as: radar chip with integrated array, faster imaging algorithm, a method to extract the echo characteristics and information of hidden objects from multiple view angles. The THz near-field MIMO-SAR technology is still a hot spot in the THz radar and is important for the human security inspection and also need to be further in-depth study for promoting its important application in the field of military and civilian.

Citation: Liu J, An J F, Zhou R,. Terahertz near-field MIMO-SAR technology for human security inspection[J]., 2020,47(5): 190682

Terahertz near-field MIMO-SAR technology for human security inspection

Liu Jie1,2, An Jianfei1,2, Zhou Ren1,2, Yu Yang1,2*

1Microsystem and Terahertz Research Center, China Academy of Engineering Physics, Chengdu, Sichuan 610200, China;2Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, Sichuan 621900, China

Terahertz near field MIMO-SAR technology has advantage of reducing the number of arrays while ensuring resolution, thus it has important application in human security inspection. This paper firstly introduces the application of terahertz near field MIMO-SAR technology in human body security inspection, then introduces the system composition, imaging algorithm, and finally makes a prospect of development.

terahertz radar; multiple input multiple output technology; synthetic aperture radar; radar imaging

National Natural Science Foundation of China (61805217)

* E-mail: yuyang@mtrc.ac.cn

TN951；O441.4

A

劉杰，安健飛，周人，等. 應(yīng)用在人體安檢中的太赫茲近場MIMO-SAR技術(shù)[J]. 光電工程，2020，47(5): 190682

10.12086/oee.2020.190682

: Liu J, An J F, Zhou R,Terahertz near-field MIMO-SAR technology for human securityinspection[J]., 2020, 47(5): 190682

2019-11-11；

2020-04-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(61805217)

劉杰(1981-)，男，博士，副研究員，主要從事太赫茲成像系統(tǒng)及組件的研究。E-mail：liujie2003_2006@163.com

喻洋(1986-)，男，博士，助理研究員，主要從事太赫茲成像系統(tǒng)及信號處理的研究。E-mail：yuyang@mtrc.ac.cn

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