簡述太赫茲人體安檢技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

■ 文/公安部檢測中心 陶磊

關(guān)鍵字：太赫茲安檢 X 射線 成像儀

1 引言

實踐表明，加強機場、車站等人員密集場所的安全檢查是預(yù)防公共安全事件發(fā)生的有效手段。安檢技術(shù)是公共安全領(lǐng)域需重點發(fā)展的技術(shù)之一。目前世界上較多采用的安檢技術(shù)是X 射線成像，該技術(shù)在對行李物品的檢查中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但由于X 射線的電離作用會對人體產(chǎn)生危害，使其只適用于檢查物品，而不適合對人體進行檢查。雖然采用金屬探測器配合人工檢查的方法可以在一定程度上減小人身攜帶危險物品的概率，但存在安檢速度緩慢、對非金屬危險物容易漏檢，以及造成侵犯隱私權(quán)等問題。

2 人體安檢技術(shù)的發(fā)展

近年來，各國研究人員紛紛尋找一種能對人體攜帶隱蔽危險物品進行成像，且對人體不構(gòu)成傷害的安檢方法。目前認(rèn)為最有競爭力的技術(shù)手段就是毫米波太赫茲成像。毫米波太赫茲成像是以毫米波或太赫茲波作為載體的一種成像技術(shù)，不但具有分辨率高和透視性好的優(yōu)點，而且對人體無傷害，是一種非常理想的安檢手段，因此，在公共安全和反恐領(lǐng)域有著獨特的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。過去幾年里，美國、英國和德國等發(fā)達國家投入大量人力、物力研制太赫茲成像安檢系統(tǒng)。隨著太赫茲關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，歐美國家的系統(tǒng)應(yīng)用開始步入快車道，在許多領(lǐng)域出現(xiàn)了太赫茲設(shè)備，而且市場需求規(guī)模正在不斷擴大。特別是公共安全領(lǐng)域出現(xiàn)的太赫茲成像安檢設(shè)備正在改變著安檢市場格局。我國的太赫茲安檢設(shè)備目前已經(jīng)成功進入歐美國家機場安檢市場，覆蓋了全美200 多個機場和歐洲主要國家的各大機場。目前，歐美國家的太赫茲產(chǎn)業(yè)鏈條已經(jīng)初步形成，而且產(chǎn)業(yè)化節(jié)奏正在明顯加快，圍繞產(chǎn)業(yè)鏈上下游相繼成立了許多高科技企業(yè)，例如，以生產(chǎn)太赫茲元器件為代表的美國VDI、愛爾蘭FARRAN、英國Teratech 等公司，以生產(chǎn)太赫茲成像安檢系統(tǒng)為代表的英國ThruVision、TeraView、美國Millivision、Brijot 等公司。近年來，歐美國家的太赫茲技術(shù)企業(yè)出現(xiàn)頻繁兼并重組，實力較強的企業(yè)開始進入這個新興市場，如美國安檢安防行業(yè)巨頭L3 公司。

我國的毫米波太赫茲研究相對起步較晚，但近年的發(fā)展較為迅速。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，我國的太赫茲技術(shù)在公共安全領(lǐng)域安檢安防設(shè)備上率先實現(xiàn)突破，國內(nèi)已有多家研究機構(gòu)和群體從事太赫茲安檢安防設(shè)備的研制，比如首都師范大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海理工大學(xué)等研究機構(gòu)以及北京等地生產(chǎn)企業(yè)開始研制太赫茲安檢儀。

3 太赫茲安檢設(shè)備在我國的發(fā)展

目前，我國正處在突發(fā)公共安全事件高發(fā)期。此類事件每年給國家?guī)淼慕?jīng)濟損失高達6000 多億元，其中社會治安事件造成的損失超過1500 億元，且呈現(xiàn)逐年增漲的趨勢。公共安全事件的高發(fā)已引起國家和各級政府的高度重視。

當(dāng)前，我國嚴(yán)峻的公共安全形勢和整個社會對維穩(wěn)事業(yè)的重視，給太赫茲安檢安防設(shè)備的推廣應(yīng)用提供了有力條件。2018 年3 月23 日，國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于保障城市軌道交通安全運行的意見》（國辦發(fā)〔2018〕13 號）?！兑庖姟窂娬{(diào)指出，強化公共安全防范，運營單位要制定安全防范和消防安全管理制度，保障相關(guān)經(jīng)費投入。鼓勵推廣應(yīng)用智能、快速的安檢新技術(shù)、新產(chǎn)品，逐步建立與城市軌道交通客流特點相適應(yīng)的安檢新模式。加強社會共建共治，構(gòu)建多方參與的城市軌道交通公共安全協(xié)同防范體系。這為太赫茲安檢安防設(shè)備在公共安全領(lǐng)域的快速應(yīng)用提供了極佳的市場時機和政策支持。

從技術(shù)上來說，太赫茲人體安檢系統(tǒng)已經(jīng)具備了取代傳統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢，并且已經(jīng)通過試用檢驗和公安部權(quán)威機構(gòu)檢測，隨著銷售渠道的打通，產(chǎn)品的推廣使用指日可待。就地鐵市場而言，目前全國地鐵已建開通數(shù)量100余條，開通站點2000 余座，全國地鐵市場空間預(yù)計達到400 多億元左右。如果使用范圍進一步擴大到高鐵站、汽車站、政府大樓、海關(guān)、監(jiān)獄等各類其他場所，以太赫茲安檢設(shè)備在國內(nèi)市場潛在容量3 萬臺/年預(yù)估，按照每臺安檢設(shè)備150 萬元計算，安檢市場未來五年即可達到2000 余億元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模?？傊?，太赫茲人體安檢系統(tǒng)具有極大的市場需求以及廣闊的市場前景。

4 國內(nèi)外同類產(chǎn)品比較

4.1 美國L3 Communications 公司ProVision 系列成像儀

美國L3 Communications公司的ProVision系列成像儀工作頻率在35GHz 左右，該設(shè)備能夠在2 秒內(nèi)完成對一個人的掃描，分辨率在亞厘米量級，檢查時被檢人員須位于設(shè)備內(nèi)部。

該成像儀采用了主動式太赫茲掃描全息技術(shù)，在系統(tǒng)中采用了一維192 通道收發(fā)線陣，在任意時刻，由一個發(fā)射機發(fā)射信號，相鄰兩接收機接收相干回波，通過將該線陣?yán)@人體轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對人體全身的掃描成像，掃描完成后由全息成像算法重構(gòu)圖像。具體參見圖1。

圖1 美國L3 Communications 公司的ProVision 系統(tǒng)及其成像效果

4.2 羅德施瓦茨公司（RS）QPS 系列成像儀

羅德施瓦茨公司的太赫茲稀布陣成像雷達采用了方形稀疏布陣方案，工作頻段為80GHz 左右，屬于毫米波成像。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了對較大目標(biāo)視場區(qū)域的實時成像(成像時間為32ms)，分辨率達到3mm 量級。系統(tǒng)可利用多發(fā)多收的方法實時相干接收由人體背向散射的太赫茲輻射。通過采用稀疏布陣的技術(shù)，系統(tǒng)中所需的收發(fā)單元數(shù)量從25600 個降低到700 余個，雖然通道數(shù)量仍十分龐大，但是相對于焦平面陣列已經(jīng)有了大幅降低。具體參見圖2。

圖2 羅德施瓦茨公司研制的太赫茲稀布陣成像儀

4.3 國內(nèi)多家公司ProVision 系列的成像儀

美國L3 Communications公司的毫米波安檢儀ProVision系列在歐美機場取得一定程度的成功后，我國多家公司均對其進行了仿制。這些產(chǎn)品的基本原理和工作頻段均與ProVision 系列相當(dāng)類似，在掃描方式上有采用圓柱面掃描、平面掃描等多種方式。但據(jù)部分報道稱，國產(chǎn)產(chǎn)品的成像質(zhì)量不如ProVision 系列產(chǎn)品。具體參見圖3。

圖3 國內(nèi)相關(guān)公司的毫米波人體安檢產(chǎn)品

4.4 國內(nèi)某大學(xué)研制的毫米波成像儀

北京某大學(xué)研制的毫米波成像儀工作頻段為35GHz左右，屬于毫米波范疇。該儀器使用了稀疏布陣結(jié)合合成孔徑干涉量度法的被動式探測技術(shù)，系統(tǒng)中包含幾十個接收單元和數(shù)以千計的互相關(guān)器，屬于被動式毫米波成像系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)采用的是被動式成像，其成像分辨率和成像質(zhì)量都遠遠不如主動式毫米波成像系統(tǒng)。具體參見圖4。

圖4 某大學(xué)研制的太赫茲成像儀

4.5 法國MC2 公司的MMW-Imager-90成像儀

法國MC2 公司的MMW-Imager-90 成像儀采用了一維線性探測器陣列加一維機械掃描的方式，實現(xiàn)對人體區(qū)域的快速成像。其成像速度可以達到每秒10 幀以上，同樣可以對走動的人體進行快速成像。具體參見圖5。

圖5 MC2 公司的太赫茲成像儀

4.6 美國Millivision 公司的成像儀

美國Millivision 公司同樣采用了被動式探測器陣列加準(zhǔn)光機械掃描方式實現(xiàn)對人體的快速成像。其成像儀成像速度也可以達到10 幀每秒。具體參見圖6。

4.7 國外多家研究機構(gòu)開展的遠程超導(dǎo)成像儀方案

美國、德國、芬蘭等多個國家近年來都在開展利用低溫超導(dǎo)輻射熱計研制太赫茲遠程成像儀的相關(guān)研究，并形成了一些有代表性的樣機。例如，芬蘭VTT 研究中心的0.1-1.2THz 超寬帶超導(dǎo)微輻射熱計太赫茲成像儀、美國國家標(biāo)準(zhǔn)局研制的350GHz 超導(dǎo)TES 結(jié)太赫茲成像儀、德國光子學(xué)技術(shù)研究所研制的350GHz 超導(dǎo)TES 結(jié)太赫茲成像儀等。

這些儀器的成像區(qū)域是20m-30m，普遍難以實現(xiàn)較大的視場，一般僅能達到1m×1m左右，分辨率在2-3cm左右。

這些成像儀大多采用超導(dǎo)探測器陣列，利用被測目標(biāo)的熱輻射實現(xiàn)對目標(biāo)的被動式成像。其系統(tǒng)設(shè)計十分類似，通過如卡塞格倫天線或類卡塞格倫天線，配合機械掃描裝置實現(xiàn)掃描。采用超導(dǎo)探測器對儀器本身提出了更高的要求，使用環(huán)境十分嚴(yán)苛，這些探測器大多需要4K 以下的低溫，至少需要兩級制冷系統(tǒng)。在實際儀器的研制過程中，還需考慮制冷系統(tǒng)的振動、噪聲、可靠性、穩(wěn)定性等諸多復(fù)雜問題。目前僅有德國一家公司開始銷售此類系統(tǒng)。具體參見圖7。

圖7 德國光子學(xué)技術(shù)研究所研制的超導(dǎo)太赫茲成像儀

4.8 英國Digital Barriers 公司ThruVision系列成像儀

英國ThruVision 系列太赫茲成像儀（見圖8）的工作頻段為250GHz 附近。該成像儀能夠?qū)ψ钸h約15m 處目標(biāo)的被動式成像，但實際成像分辨率和圖像質(zhì)量都較差，只能分辨體積很大的目標(biāo)。系統(tǒng)采用了1×8 的線性混頻器陣列，配合掃描準(zhǔn)光裝置成像。

圖8 英國Digital Barriers 公司的ThruVision 系列太赫茲成像儀

5 結(jié)語

隨著太赫茲新技術(shù)的運用，我國公共安全產(chǎn)業(yè)的新技術(shù)研發(fā)也將實現(xiàn)突破，可以有效提升我國安檢安防設(shè)備的研發(fā)水平，打破國外產(chǎn)品的優(yōu)勢地位，促進這一領(lǐng)域儀器設(shè)備的國產(chǎn)化進程。同時，對于我國的太赫茲產(chǎn)業(yè)也將起到極強的帶動作用。在當(dāng)前國內(nèi)總體太赫茲器件研發(fā)水平不高的背景下，這一產(chǎn)品的市場推廣必將刺激一批太赫茲元器件研發(fā)和制造企業(yè)開展更高水平的研發(fā)，有利于我國太赫茲基礎(chǔ)研究和器件工程化發(fā)展，為產(chǎn)業(yè)鏈上游企業(yè)提供了來自市場的技術(shù)需求。