太赫茲人體安檢設(shè)備物品分類分級(jí)識(shí)別研究

????????警用裝備網(wǎng)訊：?一、太赫茲人體安檢設(shè)備的藏匿物探測(cè)原理簡(jiǎn)介

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

　　圖 1? 太赫茲波成像原理

　　利用太赫茲波系統(tǒng)對(duì)物體輻射的太赫茲波進(jìn)行測(cè)量時(shí)，接收的輻射除與自身有關(guān)外，還與輻照源及背景有關(guān)，如圖 1所示，系統(tǒng)測(cè)量溫度T可表示為：

　　其中，r——物體對(duì)太赫茲波輻射的反射率；

　　ε——物體的輻射發(fā)射率；

　　t——物體對(duì)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。

　　圖 2? 隱匿物探測(cè)機(jī)理

　　根據(jù)基爾霍夫定律及黑體輻射定律，物體的透過率、發(fā)射率及反射率滿足關(guān)系式：

　　由于人體對(duì)太赫茲波的透過率幾乎為0（t≈0），則當(dāng)利用太赫茲波系統(tǒng)對(duì)人體進(jìn)行成像探測(cè)時(shí)，測(cè)量溫度為：

　　其中，r為人體對(duì)太赫茲波的反射率，Till為照射源等效溫度，采用被動(dòng)成像的情況下，Till為環(huán)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(duì)太赫茲波輻射的反射率有所不同，因此測(cè)量溫度也有所不同，圖像上表現(xiàn)為灰度的不連續(xù)，通過對(duì)圖像進(jìn)行灰度分割，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)隱匿物的探測(cè)，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(fā)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(qiáng)度差異。當(dāng)人在所穿衣物中藏有槍支、刀具等物品時(shí)，由于物品對(duì)太赫茲波的吸收和阻擋，使用該位置對(duì)太赫茲波的反射率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致物品所在位置的太赫茲波輻射強(qiáng)度與人體其他部位之間存在強(qiáng)弱對(duì)比，從而探測(cè)到物品的存在，并確定物品的形狀和位置，如圖 3所示。

　　圖 3? 太赫茲波安檢技術(shù)工作原理

　　二、太赫茲波安檢設(shè)備的組成簡(jiǎn)介

　　由于缺乏陣列型探測(cè)器，太赫茲波安檢儀通常采用線列探測(cè)器與機(jī)械掃描相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)二維成像，如圖 5示。

　　圖 4? 毫米波高速成像系統(tǒng)框圖

　　太赫茲波安檢儀通常由太赫茲波探測(cè)器、太赫茲波準(zhǔn)光天線、光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)、信號(hào)采集與控制電路及處理軟件等組成。

　　圖 5? 太赫茲波安檢儀系統(tǒng)組成

　　由于太赫茲波安檢儀無法穿透人體，為同時(shí)進(jìn)行正、背面檢測(cè)，需2臺(tái)太赫茲波安檢儀同時(shí)使用。由于采用被動(dòng)式成像技術(shù)，太赫茲波安檢儀易受周圍環(huán)境影響，在實(shí)際使用中，通常與環(huán)控系統(tǒng)配合使用，由2臺(tái)太赫茲波安檢儀、環(huán)控系統(tǒng)、交換機(jī)、計(jì)算機(jī)等組成通道式安檢系統(tǒng)，如圖6所示。

　　圖6? 太赫茲安檢場(chǎng)景示意圖

　　三、太赫茲波安檢設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

　　與其他人體安檢設(shè)備相比，太赫茲安檢設(shè)備的主要優(yōu)勢(shì)在于：

　　1）無發(fā)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(cè)；

　　3）無需被檢人員配合，更適合大人流量場(chǎng)景的使用需求。

　　各種人體安檢設(shè)備對(duì)比表如表1

　　表1 各種人體安檢設(shè)備對(duì)比

　　四、太赫茲波安檢設(shè)備的劣勢(shì)

　　其他人體安檢設(shè)備比較，太赫茲波安檢設(shè)備的主要劣勢(shì)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(cè)效率，但同時(shí)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(shè)備探測(cè)能力測(cè)試結(jié)果

　　通過我們對(duì)不同物品在太赫茲波安檢設(shè)備成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，太赫茲人體安檢儀對(duì)不同物品的探測(cè)能力如表2：

　　表2 太赫茲人體安檢儀對(duì)不同物品的探測(cè)能力

　　對(duì)于人體所穿衣物材料方面，一般情況下，厚度越厚、材質(zhì)越致密越不利于隱匿物品的探測(cè)，原因在于厚度越厚、材質(zhì)越致密，衣物材料對(duì)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(dǎo)致圖像對(duì)比度較低。

　　各種物品及衣物材料的測(cè)試結(jié)果（略）

　　六、毫米波人體安檢設(shè)備與太赫茲波人體安檢設(shè)備的比較

　　太赫茲波人體安檢設(shè)備實(shí)際上也是一種毫米波人體安檢設(shè)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(qū)別兩者技術(shù)手段的主要方法是看其采用的是主動(dòng)式成像，還是被動(dòng)式成像。主動(dòng)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(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)亞波長級(jí)的成像分辨率，我們稱之為主動(dòng)式毫米波安檢設(shè)備，通常稱毫米波安檢儀；被動(dòng)式成像則采用傳統(tǒng)的光學(xué)聚焦成像方法，通過反射鏡、透鏡和高靈敏探測(cè)器組成的光路實(shí)現(xiàn)對(duì)人體自身發(fā)射太赫茲波的快速探測(cè)，我們稱之為被動(dòng)式毫米波安檢設(shè)備，通常稱太赫茲波安檢儀。

　　主動(dòng)式毫米波設(shè)備與被動(dòng)式太赫茲設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用的場(chǎng)景不同。主動(dòng)式毫米波設(shè)備成像分辨率更高，但速率更慢，適合需要進(jìn)行細(xì)查的場(chǎng)合。與主動(dòng)式設(shè)備相比，被動(dòng)式太赫茲設(shè)備成像分辨率低，但成像速度快，適合于大人流量篩查場(chǎng)景使用。對(duì)比如表4：

　　表4 毫米波與太赫茲波安檢設(shè)備部分參數(shù)對(duì)比

　　七、太赫茲波人體安檢結(jié)合智能識(shí)圖和分級(jí)預(yù)警的應(yīng)用方案

　　我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)的太赫茲人體安檢設(shè)備采用人工智能算法對(duì)可疑物品進(jìn)行分類識(shí)別，可分三級(jí)進(jìn)行報(bào)警：一級(jí)為危險(xiǎn)品，包括槍、刀等武器；二級(jí)為可疑物品，這一類別為不能確定為危險(xiǎn)品或安全物品的類別，需要進(jìn)一步確認(rèn)；三級(jí)為安全物品，主要是錢包、手機(jī)等通常隨身攜帶的物品。

　　圖 7? 智慧安檢系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　圖 8? 智慧安檢平臺(tái)架構(gòu)圖

　　圖 9? 智能分類識(shí)別結(jié)果

　　在安檢應(yīng)用中，可以根據(jù)查驗(yàn)物品的特殊性，有針對(duì)性地進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，對(duì)安檢中比較關(guān)注的各類物品進(jìn)行重點(diǎn)訓(xùn)練，特別是刀具、槍支之類有明顯形狀特征的物品，當(dāng)出現(xiàn)此類物品時(shí)進(jìn)行特別報(bào)警。

　　此外，我們的系統(tǒng)融合紅外成像、金屬探測(cè)門等技術(shù)，結(jié)合金屬探測(cè)門在小尺度金屬物品及金屬分類方面的優(yōu)勢(shì)，太赫茲對(duì)衣物材料穿透性優(yōu)勢(shì)，紅外對(duì)溫度的敏感性以及可見光的直觀性，多源信息融合，取長補(bǔ)短，切實(shí)解決安檢查驗(yàn)中的問題。

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