单点探测被动毫米波成像系统设计

李志豪，刘伟豪，李维姣，丁志平



单点探测被动毫米波成像系统设计

李志豪，刘伟豪，李维姣，丁志平

（公安部第三研究所，上海 200031）

被动毫米波成像是公共安全检查的一个重要发展方向，目前国内外主要集中在纯反射系统的多元探测成像，以及采用透射形式的阵列探测成像两个领域。本文采用单点探测加扫描的形式，设计完成一套低成本近场被动毫米波成像系统，实现探测距离1.5 m、成像范围1.2 m×1.2 m、空间分辨率优于1.5cm。该系统可应用于各公共检查场所，实现非接触式安全检查。

高斯波束；准光路系统；毫米波成像；单点探测

0 引言

毫米波成像可以透过人体衣物或箱包查看藏匿的金属、陶瓷、爆炸物等，其无辐射不会对生物组织造成破坏的特点，更是能够保证被检人员尤其是长期从事设备操作安检人员的身体健康。目前，公共安全检查领域主要采用近场探测方式，在几米范围内对人体进行检测，其根据成像方式的不同，又可分为纯反射和投透射种形式[1-2]。其中反射形式采用大口径离轴抛物面镜，以及偏振系统进行扫描，结构简单，但对于镜面加工要求较高、价格不菲，而偏振系统的控制也是一大难点[3]；透射形式则可以精简扫描系统，直接采用太赫兹介质透镜和平面扫描即可实现成像，但目前也主要采用多探测器。针对以上问题，本文设计了一套350mm口径HDPE（高密度聚乙烯材料）透镜配合平面反射镜扫描系统和单点探测器，初步实现了1.5m范围内的辐射成像，成像范围1.2m×1.2m，空间分辨率优于1.5cm，在保证透视效率的前提下降低了成本，更贴合实际应用。

1 扫描系统和探测器设计

1.1 准光学系统设计

为实现点对点扫描以及专门针对太赫兹波段的信号采样，本文采用折射式成像方式[4]，主要包括一块HDPE太赫兹透镜和两块平面扫面镜。实现在1.5m范围内人体成像，分辨率按技术指标要求设计为1.5cm，成像范围1.2m×1.2m。光学系统的设计参数如表1所示。

表1 光学系统参数

详细设计如图1所示，几何光路通过正透镜将1.5m远处的物体聚焦于焦平面，利用反射镜1的纵向扫描和反射镜2的横向扫描，扫描整个物体。系统的光学核心主要在于透镜的设计，成像系统的空间分辨率主要受限于毫米波透镜的像差分辨率以及衍射极限分辨率中的较大者。对于像差分辨率ab，采用的透镜使用HDPE（折射率1.54@94GHz），其表达式如式(1)：

式中：为放大率；为焦距；/#为F数[5-6]。

对于衍射极限，通常一个光学系统透镜主要受限于其衍射极限[7]，代表像面光斑86%能量的集中区域，如式(2)：

式中：di为衍射极限，代表毫米波波长；代表透镜口径。

光学透镜另外要考虑的是焦深问题（DOF），其直接关系到系统装配时的探测器调试，其表达式如式(3)：

DOF＝2.97p[(＋1)/#]2(3)

图1 光路图

由于几何光学只考虑直线传播，没考虑毫米波的衍射特性，因此传播过程中高斯波束的半径值可由柱坐标系的近轴波动方程的基模解来计算，如下式：

＝0[1＋(/p2)2]0.5(4)

式中：为光强下降到光轴1/2时所对应的波束半径；为波束传播距离；0为初始波束半径值。由公式(1)，计算各元件位置的高斯波束半径及距离束腰位置的离焦量，如表2、表3所示。

如表2，当扫描角＝0°时，高斯波束聚焦于焦平面，焦斑大小为5.3mm×5.3mm；如表3，当扫描角＝20°时，虽然高斯波束的束腰半径距离焦平面9.5mm，但焦斑为5.1mm×5.1mm，因此不影响成像性能。图2为扫描角从－20°～＋20°的高斯波束图。

近场被动毫米波成像系统的整体设计参数如表4所示。

表2 扫描角0°时高斯波束半径

表3 扫描角20°时高斯波束数值

图2 高斯波束图

表4 被动毫米波成像系统参数

1.2 探测器及馈源喇叭设计

W波段直接检波辐射计主要功能是将来自天线的信号通过馈源喇叭接收，然后经过放大滤波以后，对信号进行检波，最终将检波得到的视频信号进行放大积分后输出，总体框图如图3所示。

1）辐射计增益估算

增益估算公式见公式(5)：

out＝d××sys××G×(5)

式中：out是检波管检波特性良好的最大输出电压；d检波二极管检波灵敏度常数，令IF＝out/d表示检波二极管的工作点功率，取－25dBm；为玻尔兹曼常数，其值为1.38×10－23J/K；sys为总噪声温度；为中频带宽；单边带时＝1，双边带＝2。

图3 辐射计总体框图

根据增益要求调整放大的数量和单个放大器的增益量，从而调整检波器的输入功率，以实现最佳线性度，辐射计的增益计算结果见表5。

2）馈源天线

馈源喇叭的主要功能是接收来自天线的信号，并将信号馈入辐射计子系统。

根据无源成像系统要求，辐射计馈源喇叭要求在86～94GHz范围内，波束宽度为±16°，图4是W波段馈源喇叭的仿真结果。由图4(a)馈源喇叭输入回波损耗可见，馈源喇叭在75～110GHz全波导带宽内回波损耗优于－26dB；由图4(b)馈源喇叭方向图可以看出，馈源喇叭－3dB波段宽度±8°，－12dB波束宽度±16°。

图4 仿真结果

表5 辐射计各通道增益估算值

2 实验与测试

首先对透镜和探测器部件进行测试，根据设计的焦距和探测器温度灵敏度，在长轨上直接进行验证。发射源采用矢量网络分析仪直接发射作为点源，探测器根据设计的尺寸固定在另一端，透过透镜进行信号检查，前后移动寻找能量最大点，实验结果表明设计的透镜符合预期设计。确保部件设计符合预期设计后，将各部件调试装配到系统中进行系统成像探测测试，如图5(a)所示。最终进行外壳设计，整体设备外形效果如图5(b)所示。

对系统进行人体透视成像，图6为操作界面显示及三角尺检测结果，从结果来看，系统成像已经能够看见衣物下皮带扣，以及口袋中的手机、三角尺。其中三角尺每边宽度为1.5cm，从成像质量来看，设备分辨率已经达到1.5cm。

3 结语

本文设计了一套采用HDPE材料的太赫兹透镜和平面反射镜的扫描系统，利用单点探测器，实现了近场被动成像。由于采用透射形式以及单点探测，价格成本得到有效控制，从实验结果来看，设备分辨率优于2cm，能够有效探测隐藏于衣物下的金属物体。该课题形成的被动太赫兹成像设备将在重要场馆安检中得到充分应用。

图5 系统测试及整体设备外形效果

图6 实际扫描成像

[1] 宋崧, 王学田, 邓甲昊. 被动毫米波成像系统的发展状况及其关键技术[J]. 科技导报, 2011, 29(19): 74-79.

SONG Song, WANG Xuetian, DENG Jiahao. Status and the key techniques of passive millimeter-wave imaging system[J]., 2011, 29(19): 74-79.

[2] 赵璐, 王金榜, 杨魁, 等. 利用复合型介质透镜的毫米波成像研究[J].北京师范大学学报: 自然科学版, 2016, 52(1): 20-22.

ZHAO Lu, WANG Jinbang, YANG Kui, et al. Millimeter wave imaging based on compound dielectric lens[J], 2016, 52(1): 20-22.

[3] GUO Lantao, DENG Chao, ZHAO Yuanmeng, et al. Passive terahertz imaging for security application[C]/, 2013, 8909: 89090S.

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[7] Boreman G D. Modulation Transfer function in optical and electro- optical systems[M]//, Bellingham : SPIE Press, 2001.

Single Detector Passive Millimeter Wave Imaging System

LI Zhihao，LIU Weihao，LI Weijiao，DING Zhiping

（The Third Research Institute of The Ministry of Public Security of P.R.C, Shanghai 200031, China）

Passive millimeter wave imaging is an important application in the field of public security. Recently, researchers have concentrated their efforts on the reflex system with FPA, which involves high costs and increased difficulties in building off-axis paraboloidal mirrors of large enough dimensions. In this article, we present a passive millimeter wave imaging system with one HDPE lens and a single detector, which can produce an image within a range of 1.5m, with an imaging area of 1.2 m×1.2 m, and having a resolution greater than 1.5cm. This system can be applied to public security and allows for non-contact safety inspections.

geometrical optics，Gaussian beam，quasi-optical system，millimeter imaging

TN015，TB811+.3

A

1001-8891(2017)11-0979-04

2016-06-15；

2017-07-04.

李志豪（1985-），男，上海人，硕士，公安部第三研究所研发工程师，助理研究员，主要从事安检装备技术研究。

上海市科研计划项目（13231203100）。