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硕士论文基于公共安全的毫米波辐射图像特征研究 摘要 y2061470rjiiifpi ii ijj il l i l l l i ri r f f l l ff 近年来，由于9 1 1 事件，公共安全已经引起了足够的重视，安全问题逐渐得到 了世界各个国家的广泛关注，对安全检查系统的智能度和准确度都提出了比之前更高 的要求。毫米波不仅有较好的穿透力，较高的空间分辨率，能够检测出织物遮挡的危 险品，而且还不会对被测人员造成辐射伤害。因此，毫米波成像技术在反恐、安检等 领域得到了广泛的应用。 由于机械设备、技术指标等原因，毫米波辐射技术所成的图片充满噪声，且分辨 率很低，只能看出人物及其目标的轮廓。要从这模糊的图像中将目标提取出来，本文 首先对毫米波辐射图像进行了降噪复原，在降噪复原的基础上进行了插值重建，最后 对图像进行特征提取。 本文的主要内容如下： 1 、介绍了毫米波成像系统的应用背景、成像特点以及对毫米波辐射图像进行预 处理的意义。 2 、主要介绍了毫米波辐射成像的基本原理以及直流和交流两种毫米波辐射系统 原理及其参数设计。 3 、介绍了国内外主要的、最为流行的毫米波辐射系统设备，并对人体藏匿物品 进行了毫米波辐射分析，在室内模拟了机场等安全检查实验，实验所用的系统为3 m m 波段交流辐射成像系统，所用天线为3 6 8 m m 的卡塞格伦天线。对模拟实验所用的成 像系统进行了原理分析，并对实验过程进行了详细的介绍。 4 、首先我们给出了几种评价图像处理算法优劣的评价标准，分析了几种传统的 图像滤波方法，并设计了一种形态学自适应滤波算法应用于毫米波辐射图像去噪，同 时对毫米波辐射图像进行小波阈值降噪，将形态学自适应滤波后的结果同小波阈值降 噪的结果进行主观和客观两个方面的比较，针对比较结果分析了自适应滤波算法的优 越性。在对毫米波辐射图像进行图像退化和复原原理分析的基础上，对降噪后的毫米 波辐射图像进行了图像复原处理，应用了两种主流的复原算法：逆滤波复原和维纳滤 波复原，并对复原结果进行了主观和客观的分析。 5 、在毫米波图像降噪复原的基础上，对图像进行了插值重建和特征提取。分析 了插值重建的基本原理，介绍了三种主流的插值方法：最临近插值法、双线性插值法 和小波双三次插值法。并且分别用这三种方法对毫米波辐射图像进行了插值重建，并 对三种方法的处理结果进行了主观和客观两个方面分析。本文对毫米波辐射图像的特 征提取进行了详细的重点的分析研究，首先是利用了常见的微分算子法和形态学边缘 提取算法对毫米波辐射图像进行了边缘提取，并计算出各种评价指标，最重要的是将 摘要 硕士论文 等高线方法应用到了毫米波辐射图像特征提取中，并对仿真结果进行了详细分析。 6 、分析了本为的主要工作和不足，希望专家老师给予批评改正。 关键字：毫米波成像系统、图像滤波、图像复原、插值重建、特征提取 硕士论文基于公共安全的毫米波辐射图像特征研究 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r sa f t e rt h ee v e n t so fs e p t e m b e r1 1 ，p u b l i cs a f e t yh a sc a u s e de n o u g h a t t e n t i o n t h es e c u r i t yp r o b l e m sh a v eb e e nw i d e s p r e a dc o n c e r n e db yt h ev a r i o u sc o u n t r i e s o ft h ew o r l dg r a d u a l l y s o ，m a n yh i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ep r o p o s e dt oi n t e l l i g e n c ea n d r e l i a b i l i t yo ft h es e c u r i t ys y s t e m b a s e do nt h eg o o dp e n e t r a t i o na n dh i g hs p a t i a lr e s o l u t i o n ， m i l l i m e t e r - w a v ec a i l i n s p e c tt h ed a n g e r o u so b j e c t c o v e r e db yt h e f a b r i ca n dm o r e i m p o r t a n t l y , i tw i l l n o tc a u s ea n yr a d i a t i o nd a n g e rt ot h em e a s u r e dp e r s o n t h e r e f o r e ， m i l l i m e t e rw a v er a d i a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e n w i d e l y u s e di nt h ef i e l d so f c o u n t e r - t e r r o r i s ma n ds e c u r i t yi n s p e c t i o n b e c a u s eo ft h er e a s o n so fm a c h i n e r ye q u i p m e n ta n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s ，t h e p i c t u r ei m a g e db ym i l l i m e t e rw a v er a d i a t i o nt e c h n o l o g yi sf u l lo f n o i s ea n dl o wr e s o l u t i o n w ec a nd i s t i n g u i s ht h eo u t l i n eo fc h a r a c t e ra n do b j e c to n l y i no r d e rt oe x t r a c tt h et a r g e t 舶mt h eb l u r r e di m a g e ，m i l l i m e t e rw a v er a d i a t i o ni m a g ei sf i l t e r e df i r s ti nt h ep a p e r ，a n d t h e nr e s t o r e d o nt h e b a s i so fn o i s er e d u c t i o np r o c e s s i n ga n di m a g er e s t o r a t i o n ，t h e m i l l i m e t e rw a v er a d i a t i o ni m a g ei si n t e r p o l a t i o nr e c o n s t r u c t e da n df i n a l l yb ef e a t u r e e x t r a c t e d t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e ra sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c i n gt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n di m a g i n gf e a t u r e so fm i l l i m e t e rw a v e i m a g i n gs y s t e m s ，a sw e l la st h es i g n i f i c a n c eo ft h ep r e t r e a t m e n to nt h em i l l i m e t e r w a v e r a d i a t i o ni m a g e 2 m a i n l yi n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l eo fm i l l i m e t e rw a v er a d i a t i o ns y s t e ma n dt h e p r i n c i p l eo ft w ok i n d so fm i l l i m e t e rw a v er a d i a t i o ns y s t e m sw h i c ha r ed ca n da c m i l l i m e t e rw a v er a d i a t i o ns y s t e m sw i mt h e i rp a r a m e t e rd e s i g n 3 i nt h i s p a p e r , t h ef o r e m o s ta n dm o s tp r e v a l e n t m i l l i m e t e rw a v er a d i a t i o n e q u i p m e n t so fd o m e s t i ca n do v e r s e a a r eh i g h l i g h t e d a n dt h e r e a r em i l l i m e t e rw a v e r a d i a t i o na n a l y s i so fo b j e c tc o v e r e di nm e a s u r e dp e r s o na n da l le x p e r i m e n to fs i m u l a t i n g a i r p o r ts e c u r i t yi n s p e c t i o ni nt h el a b o r a t o r y 3 m ma cr a d i a t i o ni m a g i n gs y s t e mi su s e di n t h ee x p e r i m e n ta n dt h ea n t e n n ai s3 6 8 m mc a s s e g r a i na n t e n n a t h ep r i n c i p l eo fi m a g i n g s y s t e mu s e di nt h ee x p e r i m e n ti sa n a l y z e da n de x p e r i m e n t a lp r o c e s s i sd e s c r i b e di nd e t a i l 4 f i r s to fa l l ，s e v e r a le v a l u a t i o n sc r i t e r i ao fi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa r eg i v e n t h e r ei st h ea n a l y s i so fs e v e r a lt r a d i t i o n a li m a g ef i l t e r i n gm e t h o d sa n dak i n do f m o r p h o l o g i c a la d a p t i v ef i l t e r i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e dt of i l t e rt h en o i s ei nt h em i l l i m e t e r w a v er a d i a t i o ni m a g e a tt h es a n l et i m e ，u s i n gw a v e l e tt h r e s h o l dd e - n o i s i n gm e t h o dt o i i i f i l t e rt h en o i s e ，a n dt h e nc o m p a r i n gt h er e s u l t sf r o mb o t hs u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ea s p e c t s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h es u p e r i o r i t yo ft h em o r p h o l o g i c a la d a p t i v ef i l t e r i n ga l g o r i t h m i sa n a l y z e d b a s e do nt h ep r i n c i p l ea n a l y s i so fi m a g ed e g r a d a t i o na n dr e s t o r a t i o n , t h e i m a g ei sr e s o r t e du s i n gt w om a i n s t r e a mr e s t o r a t i o na l g o r i t h m sw h i c ha r ei n v e r s ef i l t e r i n g r e s t o r a t i o na n dw i e n e rf i l t e rr e s t o r a t i o n t h er e s u l t sa r ea n a l y z e df r o mb o t hs u b j e c t i o na n d o b j e c t i v ea s p e c t s 5 o nt h eb a s i so fd e - n o i s i n ga n dr e s t o r a t i o n ，i n t e r p o l a t i o nr e c o n s t r u c t i o na n df e a t u r e e x t r a c t i o na r ei m p l e m e n t e dt om i l l i m e t e rw a v er a d i a t i o ni m a g e a n a l y z i n gt h eb a s i c p r i n c i p l eo fi n t e r p o l a t i o nr e c o n s t r u c t i o na n di n t r o d u c i n gt h em a i n s t r e a mi n t e r p o l a t i o n m e t h o d sw h i c ha l en e a r e s tn e i g h b o ri n t e r p o l a t i o n , b i l i n e a ri n t e r p o l a t i o na n dw a v e l e t b i - c u b i c i n t e r p o l a t i o n u s i n gt h e t h r e em e t h o d st or e c o n s t r u c tt h em i l l i m e t e rw a v e r a d i a t i o ni m a g e ，a n dt h er e s u l t sa r ea n a l y z e df r o mb o t hs u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ea s p e c t s t h ef e a t u r ee x t r a c t i o no fm i l l i m e t e rw a v er a d i a t i o ni sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e dd e t a i l e da n d f o c u s e di nt h ep a p e r f i r s to fa l l ，t r a d i t i o n a ld i f f e r e n t i a lo p e r a t o ra n dm o r p h o l o g i c a lc d g e d e t e c t i o no p e r a t o ra r eu s e di nf e a t u r ee x t r a c t i o no fm i l l i m e t e rw a v er a d i a t i o ni m a g e r e s p e c t i v e l ya n dv a r i o u se v a l u a t i o n sa r ec a l c u l a t e d i ti sm o s ti m p o r t a n tt h a tc o n t o u r m e t h o di su s e di nt h ef e a t u r ee x t r a c t i o no fm i l l i m e t e rw a v er a d i a t i o ni m a g ea n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e di nd e t a i l 6 t h ew o r ka n ds h o r t a g eo ft h ep a p e ra lea n a l y z e da n dir e a l l ye x p e c td e a rt e a c h e r s c a l lg i v em es o m ec r i t i c i s m sa n dc o r r e c t i o n s k e y w o r d ：m i l l i m e t e r w a v ei m a g i n gs y s t e m s ，i m a g e f i l t e r i n g ，i m a g er e s t o r a t i o n ， i n t e r p o l a t i o nr c c o n s t r u c 6 0 n 。f e a t u r ee x t r a c t i o n i v 硕士论文基于公共安全的毫米波辐射图像特征研究 1 绪论 1 1 引言 毫米波受大气和烟尘的影响较小，穿透力好，抗干扰能力强而且毫米波器件体积 较小、重量轻，在安检、反恐探测等领域都有广泛的应用前景。 利用无源毫米波成像技术来检测藏匿在人们衣物内的违禁物品这一技术从上世 纪九十年代开始，就得到了诸多发达国家研究机构的高度重视。相对于毫米波而言， 红外成像技术更加成熟，且空间分辨率高，但是如果违禁物品被衣物或者其他纺织物 遮挡，红外发现违禁物品的概率就很小。x 射线虽然穿透力很强，但对人体有害，不 能直接用于人体检测。毫米波兼具红外和x 射线的优点，又不会对被测人员造成辐 射伤害，所以国内外许多研究机构都投入大量人力物力进行被动毫米波成像技术的研 究。被动毫米波成像技术不仅可以用于检测织物掩盖下的金属物品，也可以用于检测 毒品、炸药等，检测图像虽然没有x 射线那么清晰，但准确率已经很高，再经过一 些后期的处理，完全可以对危险物品进行鉴别认定。因此，近几年被动毫米波成像技 术被广泛应用在人员的安全检查、行李的安全检查等方面。目前，被动毫米波成像系 统主要的发展方向有四个：提高系统的空间分辨率、缩短系统的成像时间、提高系统 所成图像的质量和提高系统的温度分辨率。其中提高系统的空间分辨率是研究的重 点，因为空间分辨率越高，获得的信息就越多，就越有利于对违禁物品进行鉴定。射 电天文学中的合成孔径技术虽然被应用到了被动毫米波成像领域，但是它结构复杂、 工作频率较低且造价非常昂贵，所以对毫米波成像系统所成图像进行一些后期的软件 处理以提高图像的分辨率、降低检测时的误警率，已经成为被动毫米波检测的一个重 要部分，而且经济实用又有效【l 】。 由于毫米波相关器件和制造工艺的不断进步，被动毫米波成像系统正在逐渐的从 实验室样机向市场产品转化，应用的领域也在不断扩大。在这个方面，英美等国比中 国国内的发展要快一些，他们投入了大量的人力和资金对被动毫米波辐射成像技术进 行研究。在国内，虽然被动毫米波成像技术在过去的几年发展非常迅速，但是将毫米 波辐射成像技术应用于室内藏匿物品的探测还只是处于初级阶段【2 】。 1 2 被动毫米波成像特点 利用被动毫米波成像技术可以获得场景以及被测人员的毫米波辐射图像。通常情 况下，成像系统的工作波长和主被动方式都不相同，他们的性能都有比较大的差异， 适用的范围也是相对独立的。与其他几种常见的成像技术相比，被动毫米波成像技术 1 绪论 硕士论文 有许多比较明显的特点。 从频段上看，当天线口径一定的情况下，由于毫米波的波长比微波的短，所以系 统分辨率较高，而且当系统的分辨率一定的情况下，体积会较小。与微波相比，毫米 波段可用的带宽要宽许多，所以毫米波系统可以获得更多更详尽的信息。毫米波比红 外、可见光的波长要长，因此空气中包含的各种微粒，如小水滴、气体分子、烟尘微 粒对毫米波的散射比较小，所以毫米波可以穿透雨雾或者战场的烟尘，这就说明毫米 波可以工作于硝烟弥漫的战场或者弥漫雨雾的阴霾天气，这就使得毫米波成像系统具 有近乎全天候的工作能力。 就工作方式而言，毫米波被动成像方式能过获得的信息量较主动成像要少，但是 它也有主动成像方式没有的优点。其一，毫米波被动成像不会受到角闪烁效应的影响， 而且被动毫米波辐射图像是系统接收到的被测目标反射周围环境的毫米波辐射温度 形成的，因此所得图像和阴天时拍的黑白照片有点相像，然而光学图像是系统接收目 标自身放射的光波形成的，两种方法从这个层面讲很类似，非常有利于被测目标的鉴 别。与被动系统相比，主动系统在近距离成像时会产生比较严重的误差，因为存在角 闪烁效应。其二，被动毫米波成像系统自身不会发射任何的电磁波，因此就不存在电 磁污染的问题，这一特点在许多的应用中都显得尤为重要。在军事应用上，目标发射 电磁波就容易被发现，反之不容易被发现，因此被动成像非常适于隐秘的侦查工作； 在民用方面，毫米波成像系统自身不发射电磁波就意味着不会对被测目标人员以及周 围的人或物造成任何辐射伤害。此外，现在军队上用的舰船、飞机等都投入大量的人 力物力发展隐身技术，通俗的讲就是减小目标的雷达散射截面积。为了达到隐身的目 的，目前比较常用的一种有效方法是使用吸波涂层。然而根据黑体辐射理论，被测目 标的吸收率越高，它的发射率就会越高，这样毫米波被动探测系统就越容易发现目标。 所以，在反隐身技术的发展上，被动成像技术有着主动成像技术不能替代的作用。 总之，不同波段及不同工作方式的探测系统都有自己各自的优势，在应用上可以 相互补充形成复合系统，利用各自的优点可以获得更多的目标信息。 为了更好的实现被动毫米波成像技术的发展和应用，首先要对毫米波的大气传输 特性和物体的毫米波辐射特性进行细致的研究，这是毫米波辐射应用的基础，因此也 是最早就开始进行研究的内容，并且现在仍在研究中。当前在毫米波大气传输特性的 研究上已经相对成熟，今后的研究方向可能就是利用已有的数学方法将各种模型进行 细化，或者是针对某一个具体的应用，对特定环境下的特定目标进行详细的辐射特性 研究。毫米波辐射计是毫米波被动成像技术的关键，其实质就是一种高灵敏度的辐射 接收机，把接收到的能量用来表示被测场景中各个位置点的亮度温度。早期的辐射计 因为受到当时器件水平的限制，利用的都是超外差式接收机，这些接收机都是由分立 的元器件组成的。2 0 世纪8 0 年代，由于毫米波器件的发展，毫米波辐射计也得到了 2 硕士论文基于公共安全的毫米波辐射图像特征研究 巨大的发展。这些毫米波器件的工作频率提高了，能耗也降低了，而且体积越来越小， 工作方式也从超外差式向直接检波式发展。 与红外、可见光成像相比，分辨率较低是毫米波成像的一个重要缺点，这是因为 成像系统的光学元件组成部分可以近似成对空间分辨率的一个低通滤波器，在给定口 径尺寸的情况下，如果工作波长越长，它的截止频率就越低。显然，毫米波成像系统 比红外、可见光系统的空间截止频率要低，所以其分辨率也低。通常的图像滤波技术 在抑制噪声影响的同时，大量的有用信息也被过滤了，所以要选用一种自适应的滤波 方法，即噪声大的地方滤波效果明显，噪声小的地方滤波作用较小。由于毫米波辐射 成像用于安全检查时获得的图像噪声明显，只能看出人物的轮廓，面部具体信息都被 噪声淹没了，所以只是降噪还是不行的，在降噪的基础上还要进行图像插值复原，之 后还要在进行特征提取，才能更好的辨别目标轮廓【3 】。 1 3 毫米波图像预处理的意义 目前，用于藏匿物品检测的毫米波成像技术的发展方向主要有四个，包括扫描方 式及其时间的改进、系统空间分辨率的提高( 目前已经由3 r a m 波段向t h z 方向发展) 、 图像处理算法的改进( 增加图像像素，提高图像质量) 、辐射计温度漂移的控制。为 了提高空间分辨率，毫米波成像系统中应用了合成孔径技术，但是合成孔径结构复杂、 造价太高，所以用软件方法来提高图像质量不失为一种经济又实用的方法。 藏匿物品的毫米波辐射探测是由天线接收目标毫米波热辐射能量，在经过一系列 的放大检波图像处理后输出，得到伪彩色图片。由于实验器械、实验周边环境、实验 误差等等因素，造成我们的实验图像与真实图像之间有很大的差别，这些误差降低了 图像的质量，影响了图像数据处理的精度，因此，在进行图像数据分析之前，要对获 得的毫米波辐射图像进行预处理，主要包括：图像去噪、复原、插值重建及特征提取 等等。图像处理强调的是图像到图像的过程，图像分析则是图像到数据的一个过程， 实验最先得到是毫米波伪彩色图片，处理前，先将伪彩色图片转化成灰度图片，灰度 图片从数学的角度看，其实质是一个数据矩阵，矩阵中的数值代表的都是图像相应位 置的灰度值，之后的处理过程实际上就是对数字灰度矩阵的相应计算【4 】。 1 4 全文的编排 本文在室内模拟机场安检的藏匿物品毫米波辐射探测实验的基础上，对人员及藏 匿物品进行了毫米波辐射特性分析，对探测所得的毫米波辐射图像进行了图像去噪、 图像复原、插值重建、特征提取等处理。 第一章介绍了毫米波成像系统的应用背景、成像特点以及对毫米波辐射图像进行 预处理的意义。 3 1 绪论硕士论文 第二章主要介绍了毫米波成像原理，以及直流和交流两种毫米波辐射系统原理及 参数设计。 第三章先介绍了国内外主要的、最为流行的毫米波辐射系统设备。目前国外毫米 波辐射系统主要源自于美国的l - 3 通信公司、英国奎奈蒂克公司( q i n e t i q ) ，以及 s m i t h sd e t e c t i o n 公司、从事被动太赫兹成像系统研制的英国t b n 】s i o n 公司和爱尔 兰的f a r r a n 科技公司等，并针对各个公司的毫米波辐射成像主流产品进行了分析和介 绍。然后对人体藏匿物品进行了毫米波辐射分析，在室内模拟了机场等安全检查实验， 实验所用的系统为3 m m 波段交流辐射成像系统，所用天线为3 6 8 m m 的卡塞格伦天线。 本章对模拟实验所用的成像系统进行了原理分析，并对实验过程进行了详细的介绍。 第四章首先给出了几种评价图像处理算法优劣的评价标准，分析了几种传统的图 像滤波方法，并设计了一种形态学自适应滤波算法应用与毫米波辐射图像去噪，同时 对毫米波辐射图像进行小波阈值去噪，将形态学自适应滤波后的结果同小波阈值去噪 的结果进行主观和客观两个方面的比较，针对比较结果分析了形态学自适应滤波算法 的优越性。本章在对毫米波辐射图像进行了图像退化和复原的原理分析的基础上，对 降噪后的毫米波辐射图像进行了图像复原处理，应用了两种主流的复原算法：逆滤波 复原和维纳滤波复原，并对复原结果进行了主观和客观的分析。 第五章在毫米波降噪和复原的基础上，对毫米波辐射图像进行了插值重建和特征 提取。分析了插值重建的基本原理，利用三种常见的插值方法对毫米波辐射图像进行 了插值重建，并对三种方法的处理结果进行了主观和客观两个方面分析。本章对毫米 波辐射图像的特征提取进行了详细的重点的分析研究，首先是利用了常见的微分算子 法和形态学边缘提取算法对毫米波辐射图像进行了边缘提取，并计算出各种评价指 标，最重要的是将等高线方法应用到了毫米波辐射图像特征提取中，并对仿真结果进 行了详细分析。 4 硕士论文基于公共安全的毫米波辐射图像特征研究 2 毫米波辐射特性原理 2 1 黑体辐射 在热力学定理允许的范围内，能够最大限度地把热量转化为辐射能的理想辐射体 就是黑体。在毫米波段，黑体就是能吸收落在它上面的全部辐射而无反射的完全不透 明的即是良好吸收体又是理想发射体的物体。它只是一个理想物体，自然界中的实际 物体一般都是“灰体”，除了吸收周围环境的辐射外还反射一部分 2 1 。如果物体处于 热力学平衡状态，它的辐射能量等于它的吸收能量。黑体在所有方向上都均匀辐射， 其热辐射的谱亮度和温度的关系，以及按波长的分布，服从量子力学的普朗克黑体辐 射定律： 毋= 等( 南 - 等( 志 仁， 其中，b ，是黑体谱亮度，w ( m s r h z ) ；h g 普朗克常数，6 6 3 x 1 0 弓4 j ；促频率， h z ；k g 玻尔兹曼常数，1 3 8 x 1 0 之3 j k - 1 ；t 是绝对温度，k ；c 是光速3 x 1 0 8 m s 。 从公式可以看出，温度t 升高，谱亮度的总体水平也会上升，b ，取最大值的频率 f m 随温度的升高而增加。 在毫米波频段以下区域，由于h f k t 上时，增益起伏对辐射计灵敏度的影响会变得 6b r 非常突出。只有通过降低增益起伏因子，才能进一步提高灵敏度。因此可采用高稳定 度电源，将整机放于恒温机壳内，同时运用电子线路恒温补偿措施1 9 1 。 2 3 2 交流辐射计参数设计 直流辐射计的系统噪声要比有效信号幅度高许多，但是温度变化非常缓慢，通过 对频谱进行分析知道系统噪声大多集中在直流附近【7 1 。经过比较，辐射计扫描获得的 目标信号频带范围要高于辐射计的系统噪声。如图2 2 所示，为了滤除输出信号中的 系统噪声进而提取有用的交流信号，在检波器后面接上一个隔直电路，这样就省去了 基准电平，也简化了整个系统。虽然隔直电路会造成目标信号的能量损耗，产生畸变， 但是这部分被滤除的有用信号可以通过后续的信号处理进行修复。 对于3 m m 的辐射计而言，现在国内还没有这个波段范围内的低噪放大器，所以 只能用超外差式。毫米波信号从天线经隔离器至混频器，下变频至中频，经中频放大 后，进行检波、积分，然后进入隔直流电路滤除噪声后，再进行视频放大输出后续的 信号处理【6 】。 交流辐射计积分时间一般都在l 5 m s 内，所以当丝g 1 。一时，( 等) 2 “击。因此 等式( 2 1 3 ) 可以改写为 吒= ( r o + 瓦) b f ( 2 1 4 ) 根据奈奎斯特采样定理：辐射计成像系统采样速率必须满足下式，才能将天线接 收的信息完全恢复出来。 一 z ( 2 1 5 ) v 3 d b 其中，半功率波束宽度 8 硕士论文 基于公共安全的毫米波辐射图像特征研究 岛血= k 告 ( 2 1 6 ) 因此采样间隔应为 9 。_ 10 3 d b( 2 1 7 ) 即一个波束内必须有两个以上的采样点，才能够将该波束内的信号特征都采集 到。在实际采样过程中，每个波束内采三个点，而且每个点是1 6 次采样的平均。 积分时间 2 - - 三一 ( 2 1 8 ) 2 b 、 其中下限接近直流，上限是1 0 0 h z 的低通滤波器，它的等效积分时间约是5 m s 。 天线3 d b 的波束宽度约为0 5 。，在每个波束内采样3 个点用以满足采样定理，一 行采集2 0 0 个象素点约需要1 秒，那么每个点的采样间隔为 t d - 。= l0 0 0 m s 2 0 0 - - - - - 5 m s( 2 19 ) 因此我们得到如下结论：采样间隔等于积分时间【9 1 。 通常情况下，把天线半功率波束宽度对应的瞬时视场定义为毫米波辐射计的空间 分辨率( i f o v ) 。距离为2 5 米时的空间分辨率是 a i = 0 3 血h = 0 5 x 3 1 4 1 8 0 x 2 5 = 2 2 c m( 2 2 0 ) 式中，h 是从辐射计到目标的单程距离。 把每秒波束扫过的分辨单元数定义为辐射计数据率，则 = 昙= 志00 0 2 5 = 4 0 0 ( 2 2 1 ) r 、7 根据式( 2 1 4 ) 及主要的技术参数，室温为2 9 0 k 的情况下，本文采用的3 m m 波 段交流辐射计灵敏度为 乙2 9 0 x 9 x 9 0 0 x 1 0 6 x 5 x 1 0 。3 = 1 2 k ( 2 2 2 ) 可以满足室温下探测到藏匿在人体及衣物下的金属目标的需要。 9 3 安榆毫米波辐射特性成像测试 硕士论文 3 安检被动毫米波辐射特性成像测试 3 1 国内外被动毫米波成像技术用于藏匿物品探测的仪器设备 9 1 1 事件之后，美国机场就把截获枪支、弹药、刀具或者爆炸品等作为安伞检查 的重点。这次事件的劫机者用的武器是纸箱切割刀，所以现在出行者的手提行李中不 能有锋利的类似刀具的金属物品。还有一些恐怖分子把炸药藏在鞋子里进行恐怖袭 击，所以现在每个人的鞋子都要进行扫描。此外，自从英国政府挫败了一起准备用液 体炸弹袭击飞机的恐怖事件，香水等液体物品也成为了航空违禁品。 自从第一台人体扫描仪投入使用之后，被测人员的隐私安全问题就引起了诸多的 争议。在美国，大部分的乘客都要脱鞋进行x 光扫描检查，而且要通过触摸身体进 行细致的搜身检查，这一行为严重侵害了乘客的隐私安全，使许多乘客蒙羞。因此， 将毫米波成像技术应用在安检、反恐等邻域是必然趋势。毫米波成像不仅可以很好的 保护乘客的隐私安全，而且误警率较低，能够较清晰的检测出藏匿在身体上和行李中 的枪支弹药等。 3 1 1 田外现状 目前进行毫米波辐射探测器研究比较先进的国外机构主要有：美国的l 3 通信公 司、英国奎奈蒂克公司( q i n e t i q ) ，以及s m i t h sd e t e c t i o n 公司、从事被动太赫兹成 像系统研制的英国t h r u v i s i o n 公司和爱尔兰的f a n a n 科技公司等。 2 0 0 8 年4 月，美国5 0 0 强企业l 一3 通信公司的p r o v i s i o n 毫米波成像安检门，如 图3 1 所示，正式在美国纽约和洛杉矾两大机场投入使用。 图3 1l 3 毫米波人体扫描成像安检门 由于l - 3 毫米波人体扫描成像安检设备强大的物体分析能力和图像处理能力，它 能够迅速检测出被其他物体隐藏的可疑危险物品，可以让机场等安检工作人员快速轻 1 0 硕士论文基于公共安全的毫米坡辐射图像特征研究 易地辨认出危险品的原材料，适用于各种安全检查站。这套设备能够在几秒之内形成 清晰的图像，采用的信号是非电离信号，安全无害。 表3 1l 广3 安榆门与其他探测器的区别 危险品检测与物一摩识别 探测设备 最大人流量 金属非金属爆炸物毒品现金等贵信息存储 武器武器重物品设备 反散射2 2 5 小时 、， 一 、j、，、 微量爆炸物探测器2 7 6 小时 、， l 3 人体扫描仪6 0 0 小时 、，、f 金属探测门7 5 0 入小时 ， 该设备更容易检测出人体藏匿的物品及位置，如随身爆炸物、危险品、武器、违 禁品、走私品、文件资料和微型录音录像器材等，形成的图像清晰，可广泛应用与机 场、海关、重要保密场所、人型博物馆、展览馆等地方。 英国t h r u v i s i o n 公司推出了t 4 0 0 0 室内型太赫兹成像安检系统，如图3 2 所示。 图3 2t 4 0 0 0 室内型太赫兹成像安检系统 t 4 0 0 0 是一套被动太赫兹成像安全检查系统，没有x 射线，不会对被测人员造成 任何的辐射伤害，可以被广泛的应用到各种工作环境。可以安装在监控出入口处，也 可以远距离的遥控监视无人值守的偏远地方。可以准确的探测出隐藏的各种塑料、化 合物、陶瓷、金属、爆炸性材料以及走私品、毒品等等。这套系统是远距离成像，计 算机和操作员距探头的距离不限，不需要被检查的人站在某个固定的地点，可以在不 知不觉中进行检查。这套系统沿袭了毫米波的优点，不会显示人体的生理细节，因此 就不涉及个人隐私问题。 该公司还推出了t 5 0 0 0 室外型太赫兹成像安检系统，如图3 3 所示。与t 4 0 0 0 相 比较而言，t 5 0 0 0 能够用于室内外更远距离的探测。 3 安梭毫米波辐射特性成像测试硕上论文 图3 3t 5 0 0 0 室外型_ 爪赫兹成像安检系统 2 0 0 8 年8 月2 5 日，全美第一套被动毫米波探测设备被安装在美国丹佛国际机场， 这款被动毫米波扫描仪来自英国奎奈蒂克公司( q i n e t i q ) ，名为s p o 7 r 。 英国奎奈蒂克公司( q i n e t i q ) 的s p o 7 r 毫米波探测仪，如图3 4 所示，是一款 轻便的移动式设备。 图3 4s p o 一7 r 毫米跋探测仪 s p o 7 r 与基站式大型毫米波安检设备不同，这套设备可以安装在三脚架上随工 作地点移动，探测距离超过1 5 米。该设备通过接收人体自身释放的能量来探测藏匿 在人体衣物下的危险品，如果在检测过程中发现自杀式爆炸背心或者一些简易的爆炸 装备，所成的图像会显示红绿两种颜色。s p o 7 r 可以在不影响机场等的正常工作的 情况下，不知不觉的对行走中的旅客进行安全检查。该设备也不会发射x 射线，所 以不会伤害被测人员，也不涉及个人隐私问题。 s m i t h sd e t e c t i o n 公司现在正在从事两种自动探测危险品系统的研发，这两种系 统也不会形成侵犯人员隐私的图像。其中一种是使用“红绿通行灯”，如果探测到旅客 有藏匿危险品，通行灯就会变成红色，这样就会对被测旅客进行二次检查。为了彻底 硕士论文 摹于公共安全的髦米波辐射图像特征研究 摆脱“裸体扫描”，另一种方法是，伞身扫描仪会呈现出旅客普通穿着衣服的图像，但 用红色方框标出可疑区域，如图3 5 所示。 图3 5 探测人员图片 爱尔兰的f a r r a n 科技公司，是欧洲著名的毫米波器件、整机研发公司，该公司研 发的毫米波辐射计包括：8 9 g h z 的辐射计、1 2 0 g h z 的辐射计、2 2 0 g h z 的辐射计和 3 0 0 g h z 的辐射计。 自定义空间限定的8 9g h z 辐射计拥有国家最先进的性能，用来进行天气预报和 气象灾害实时监测，如图3 6 所示。 图3 68 9 g h z 的辐射计 这项设备是在拥有热补偿增益和外部增益控制的g a a sm m i cl n a 基础上研制 的。高性能的模块波导组件包括传统的正交模式传感器和隔带通滤波器。各种技术指 标如表3 2 所示。 表3 , 28 9 g i - i z 辐射计技术指标 类型 被动、直接检测、全功率辐射计 中心频率8 9 g h z 极化方向水平和垂直 预检测带宽3 g h z 噪声系数 6 5 d b 3 安柃毫米波辐射特性成像测试碗士论文 积分时间2 5 m s 输入范围3 k 一3 5 0 k 辐射敏感度 o 6 k 增益稳定性超出两，j 、时 0 9 9 9 物理尺寸2 0 5 13 0 x 3 0 m m 重量 1 2 k g 功率消耗 2 w 1 5 0g h z 辐射计是由一个s p m 0 6 次谐波混频器和一个由g n 1 2 g u n n 振荡器提 供的7 5 g h z 的本振频率组成，次谐波混频器的输入射频范围是1 4 8 1 5 2 g h z 。一个低 噪声的中频放大器被直接连接到次谐波混频器的中频端口，而且中频带宽是有个中 频带通滤波器决定的。天线包括一个波纹喇叭和镜头，直接安装到输入次谐波混频器 的输入射频端口。1 5 0g h z 辐射计如图3 7 所示，各类技术指标如表3 3 所示。 图3 71 5 0g h z 辐射计 表3 31 5 0 g h z 辐射计技术指标 类型被动超外差、t p r 中心频率1 5 0 g h z 极化方向单一( 线性) 颈检测带宽4 g h z 噪声系数 9 2 型号2 ”4 “的圆柱 电源+ 1 5 v 2 2 0 g h z 辐射计是由一个输入射频范围为2 1 5 2 2 5 g h z 的s p m 0 4 次谐波混频器 和一个由阶数锁定d r o 乘法器链提供的1l o g h z 的本振频率组成的。天线是一个圆 锥行喇叭天线，被直接安装到次谐波混频器的射频输入端口。2 2 0 g h z 辐射计如图3 8 所示，技术指标如表3 4 所示。 1 4 硕士论文基于公共安全豹毫米波辐射图像特征研究 | j3 82 2 0 g h z 辐射计 表3 42 2 0 g l - i z 辐射计技术指标 类型被动超外差式、t p r 中心频率2 2 0 g h z 预检测带宽0 0 2 5 g i - i z 系统噪声系数 1 0 d b 本振源频率1 1 0 g h z 3 0 0 g i - i z 的辐射计测试模块包括一个1 6 位的增值链、次谐波混频器和喇叭天线， 都集成在一个共同的基础板上，如图3 9 所示。次谐波混频器的频率范围在 2 9 6 g h z 3 0 4 g h z 之间，有1 6 位乘数链提供的1 5 0 g h zl o 频率： 图3 93 0 0 g h z 的辐射计 该辐射计的输入l o 频率范围和l o 信号电平输入分别为9 2 5 - 9 5 g h z 和1 0 d b m