简析被动式太赫兹安检仪的原理与技术

【研究报告 | 太赫兹安检仪行业研究报告】

　　摘要：近年来太赫兹安检仪逐渐走向市场，并取得良好的安检效果，但仍存在改进的空间。本文从太赫兹安检仪的原理和技术方面，讨论该设备的发展现状，并分析其未来研究方向。

　　太赫兹是一种波长介于红外线与微波之间的电磁波，具有很多有别于其他电磁波段的独特性质，这给太赫兹成像带来很多优势。相对于光学成像、红外成像，太赫兹成像能穿透非金属和非极性物质;相对于微波成像，太赫兹成像在理论上可望得到更高的细节分辨能力;太赫兹波的光子能量远低于生物组织电离辐射能量，是非常安全的电磁波。因此使用太赫兹成像技术的安检仪可以高效、安全、高精度地探测和识别目标对象所携带的物品，从而维护公众安全。

　　图1 太赫兹波在电磁波谱中的位置

　　太赫兹安检仪的类别

　　按照设备本身是否发射太赫兹波来分类，可以将太赫兹安检仪分为主动式和被动式。主动式是安检仪发射太赫兹波，通过测量反射的太赫兹信号进行成像，可以呈三维图像。而被动式是被动接收人体发出的太赫兹波，经处理显影人体的二维图像。当人体衣物中隐藏有物品时，该区域辐射出的太赫兹波即被阻拦，使得灰度图中对应物品所在的位置和人体背景之间产生显著的明暗对比，从而探知物品的存在，并在显示屏上显示物品的形状和位置。

　　主动式和被动式太赫兹安检仪有着各自的优缺点。在成像质量方面，由于人体辐射的太赫兹波微弱，被动式的图像对比度以及清晰度较主动式有着一定差距，但还处于可以不断优化的状态。在成本方面，由于主动式结构复杂，成本较高，而被动式则成本相对较低。在操作方面，主动式在太赫兹波的发射量方面掌握起来较为复杂，而被动式操作则较为简单。在发展来看，主动式对于高频太赫兹收发设备的要求较高，目前该类技术突破存在困难，而被动式发展难度相对较低。综合来看，在目前的技术水平下，被动式的市场推广相对容易，应用也更多，因此下面主要对被动式太赫兹安检仪的技术进行简要分析。

　　被动式太赫兹安检仪的技术简析

　　太赫兹安检仪采用的关键技术包括太赫兹波束扫描成像技术以及太赫兹图像处理技术。目前国外在太赫兹波束扫描成像技术方面略有领先，在阵列探测器的研究和生产方面较为成熟，但近两年国内也可以进行高端阵列探测器的生产，逐步追赶国际先进水平。在太赫兹图像处理技术方面，国内外都较好发展。总体而言，我国在太赫兹安检仪的技术方面处于较高水平，与国际先进水平差距较小。

　　太赫兹波束扫描成像技术方面，成像前端主要是需要经细致设计和反复优化的太赫兹准光学系统和太赫兹光机扫描器，将人体和场景中的太赫兹辐射收集到太赫兹探测器得到原始电信号，经滤波、放大和模数转换后，建立原始太赫兹图像。其中太赫兹准光学系统关键部件有太赫兹波入射窗口、太赫兹反射镜、太赫兹透镜、太赫兹探测器等，功能是引导由人体和场景中的物体发射、散射、透射过来的太赫兹波进入安检仪，经反射和扫描，汇聚到太赫兹探测器变为电信号。太赫兹光机扫描器关键部件包括能高反射率反射太赫兹波的摆镜、转镜等，功能是扫描人体和二维空间不同的位置，让探测器能够依次探测来自人所处铅垂面上某一小区域的太赫兹辐射能量。

　　太赫兹图像处理技术方面，已开发的图像处理算法有基于马尔科夫随机场理论的太赫兹图像复原算法、基于区域生长的太赫兹图像分割算法、基于方向加速法的太赫兹与可见光双波段图像融合算法等。该技术可以改善硬件系统获取的原始图像的质量，比如降低噪声、增强对比度、提高分辨小目标的能力、融合可见光信息等，得到清晰度高、信息量大的人体图像。此外还需要结合太赫兹图像目标识别技术，将处理结果图像中的目标分类，辨别是否属于违禁物品的图像。

　　图2 技术原理图

　　目前被动式太赫兹探测器还存在灵敏度不高的问题，其成像的信噪比、对比度、分辨能力等方面还有进一步改进的空间。近年来国内外专家陆续提出了一些新的成像方法和图像处理算法。此外，在太赫兹成像光路设计、器件选择，信号的传输、变换和处理，成像系统设计搭建，图像重建、去噪、分辨率增强等方面的理论和方法有待进一步研究。太赫兹图像特征的提取及分类、图像目标识别、太赫兹图像与其它波段图像信息的融合等也是有待研究的方向。近些年太赫兹科学与技术快速发展，可用于太赫兹成像的器件种类越来越多，性能逐步提高，随着太赫兹成像及其图像处理技术的进步，太赫兹成像将会展现出巨大优势，在科研界和产业界发挥重要作用。

　　结语

　　太赫兹安检仪是太赫兹成像技术的应用，在安检方面具有显著优势，其存在被动式与主动式两类研究方向，当下被动式因技术发展较快、成本更低而应用更多，但在成像效果上有待提升。随着太赫兹安检仪各类技术的改进，未来其有望得到大规模应用。