文/金颖康 王璞      同方威视技术股份有限公司

　　毫米波技术在近三十年来获得越来越多的关注，国内外的研究队伍不断壮大，也涌现出一大批科研成果。然而，在商业应用方面这项技术的进展却一直十分缓慢。目前，毫米波成像技术最为成功的商业应用方向之一是面向人体安检应用的安检门，究其原因，主要有以下两个方面的优势：第一，这类技术的波长刚好可以穿透衣物，获取人体表面信息，并且当前的探测器芯片工艺水平也足以支撑该波段反射信号的解析和图像重建；第二，这类技术不至于对人体造成类似X射线穿透技术的电磁辐射，虽然该技术的图像解析效果不如X射线类成像技术清晰，在物品行包的检查中应用不广，但在对人体进行安全检测时，其无电离辐射的特点成为最大的技术选型优势。

　　应用于人体安检的毫米波全息成像系统最早可以追溯到1995年Collins等人申请的发明专利（Real-time Holographic Surveillance System）,该专利提出了一种单频阵列式的毫米波全息成像设备。该设备利用天线阵列的电子开关切换来完成一维扫描，通过控制天线阵列的机械移动来完成另一个方向的扫描，进而实现了基于平面扫描的35 GHz单频毫米波全息成像。1996 年，美国太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的Sheen对上述系统进行了改进（Real-time Wideband Holographic Surveillance System），通过将单频扩展到宽带，使成像系统具有距离分辨能力，进而减弱了单频全息图像中的散斑效应，大大提高了图像质量。2001年，PNNL实验室发表了其在毫米波全息成像领域的进一步研究成果，包括其研发的27～33 GHz基于平面扫描的宽带全息成像系统以及提出的基于球面波展开的毫米波全息重建算法，该论文为毫米波人体安检领域的开创性文章，随后PNNL提出了应用于人体安检成像的圆柱扫描全息成像系统，该系统利用高约2m的线阵围绕人体作圆柱扫描。2008年后，PNNL实验室将毫米波圆柱扫描成像系统的专利转让给L3公司进行商业化，于是就有了L3公司的ProVision系列产品。在我国，毫米波全息技术应用于人体安检行业还处于起步阶段。2013年在科技部国家重大科学仪器设备开发专项的资助下，清华大学和同方威视技术股份有限公司共同研制出我国第一代自主知识产权的毫米波全息成像人体扫描仪，相比于国外同类产品，该产品在技术指标上处于同等或略优水平，巧妙地规避了竞争对手的专利壁垒，凸显了中国先进制造企业的科技实力。

　　从市场反馈看，美国L3公司的Provision系列主动式毫米波人体安检仪，从2011年起已经在美国机场批量替换了金属安检门及X射线（背散射）安检门，截至目前，已在全球售卖上千台，实现销售规模达上亿美元。德国R&S公司以及国内的一些毫米波人体安检产品也已经日趋成熟，并形成了销售。

　　本文将重点讨论应用于人体安检领域的毫米波成像技术特点、该技术如何与基于AI技术的嫌疑物自动识别技术融合、毫米波与太赫兹技术的对比以及毫米波技术展望，相信随着毫米波核心器件的不断进步升级和AI技术的进一步发展，毫米波技术在人体安全检查应用领域将大有可为。

　　一、毫米波全息成像技术

　　毫米波是指频率在30～300 GHz之间的电磁波，波长为毫米量级，其在电磁波波谱中的位置如图1所示。从图1中可以看出，毫米波的频率要比微波高一个量级，同时与太赫兹频段有一定的重合（一般来讲，微波频段的范围为3～30 GHz,而太赫兹的频段范围为0.1～10 THz）。由于毫米波能够穿透常见的衣物、纸张以及塑料等遮挡材料，同时不具有电离辐射，对公众安全，因而特别适合应用于人体安全检查。

图 1  毫米波在电磁波谱中的位置

　　毫米波全息成像技术手段的实现，依赖于外差混频技术，其测量的不再是毫米波强度，而是包含幅度与相位信息的复信号。在实际成像系统中，毫米波天线发射毫米波信号照射到成像目标上，目标反射的毫米波信号由接收天线接收，然后由外差混频技术获得反射信号的幅度和相位，通过线阵扫描结合机械移动的方法可以获得二维孔径上的复反射信号，从而形成全息图，然后通过图像重建算法反演得到目标的三维复反射率图像。常见的孔径扫描方式有平面扫描和圆柱扫描两种（如图2所示）。

图 2  平面扫描（a）以及圆柱扫描（b）

　　二、毫米波人体安检仪

　　随着科技的进步，全球目前面临的恐怖威胁也在逐渐升级，新型违禁品层出不穷，随着各个国家均被迫进入反恐常态化的深水区以及全新安检技术的研发和部署窗口期，人体安检技术的替换需求日渐强烈。现在市场上仍然普遍采用金属探测门结合触摸式人工搜身的方法进行人员检查，这种方法虽操作简便，但可探测的违禁品种类少（仅限金属），且无法对隐私位置全面检查。而如何借助先进的技术手段进而高效、文明地发现人身隐匿的危爆物品，成为公共安全领域的重大需求。例如，当一名犯罪嫌疑人除去身上所有的金属物品，并在外套下捆绑了爆炸背心，装配了一把超过20厘米长的陶瓷刀，亦或者携带一瓶易于隐藏的腐蚀性化学液体或毒气，当这名嫌疑人员通过金属探测门时，是无法进行报警的。而在大部分安检场合下，如果金属门不进行报警，安检人员是不会对嫌疑人进行搜身的。换句话说，只要略懂金属探测门的工作原理，在大部分配备了该类技术结合手检搜查的安检场所，任何非金属的违禁物品都可以随心所欲的带进带出。

　　此外，人工搜身的方法过多地靠安检搜查人员的业务水平和责任心，且让安检员直接接触被检人，使得安检人员时刻暴露在潜在的暴恐突发风险之下。以全球安防投入成本最高的民航安检为例，2018年客流量排名全球前三十的机场，几乎全部都在针对旅客安检技术进行更新换代，如美国机场已全线批量部署了新型人体安检仪；中国、欧洲各国、土耳其、印度、马来西亚等大型国际机场也将在未来3～5年内全部完成新产品的替换，仅排名前三十的机场的毫米波人体安检仪需求量估计就在上亿美元量级。

　　2018年6月，我国民航局颁布了《民用航空毫米波人体成像安全检查设备鉴定内控标准》及《民用航空毫米波人体成像安全检查设备违禁物品探测能力测试程序》，正式将毫米波人体成像设备纳入中国民航安检设备清单。中国也由此成为亚洲第一个、全球第三个独立颁布毫米波成像技术标准的国家。未来毫米波人体成像设备将逐步取代民用机场沿用26年之久的金属探测门。

　　综上所述，因为毫米波成像设备能够依靠其无需接触被检人员，即可快速高效的形成清晰的安检图像这一优势，成为了近年来人体安检领域的重要技术手段和发展趋势，是国际上学术探索和科学研究的前沿热点之一，各国也均在安检领域大力开展相关技术和设备的研发和应用，拥有广阔的市场前景。这种新型安检方式将改变传统"只查金属+全面的人工搜身" 的人体安检模式，一步跨越到"全面查验+自动报警辅助搜身"的人体安检2.0时代。

　　三、基于神经网络深度学习的嫌疑物报警

　　通过以上可以看出毫米波安检仪是通过获得一张被检人员的扫描图像而完成检查的扫描成像类技术。但因其过高的扫描图像清晰度，往往导致被检查人员的身体隐私暴露在安检过程中。因此毫米波人体安检仪往往会融合基于人工智能技术（以下简称"AI"）的嫌疑物报警（以下简称"ATR"）功能以达到自动报警、保护隐私、节省判图人力成本的目的。

　　近年来，AI技术的一个重要进展就是深度学习算法，与传统的机器学习算法相比，深度学习使用深层的神经网络取代了人工提取图像特征的过程，在图像识别相关的多个领域都取得了很好的应用效果，市场上几乎所有毫米波人体安检仪均采用了深度学习技术来实现嫌疑物自动报警。当然，为了使用更大更深的神经网络进行嫌疑物报警训练，需要大量的数据，所以要使用先进的ATR算法，首先要解决的就是如何获得大量嫌疑物图像样本的问题。当前的普遍做法是采集很多种类违禁品嫌疑物的图像信息，针对不同人在各种不同部位携带各种不同的物品获得大量的数据，并通过一些手段进行数据生成和增广，然后把这些数据应用在很深的神经网络上进行训练。随着数据量的增大和网络模型的优化就可以持续提高毫米波成像仪的嫌疑物报警准确率。

　　这里说的"准确率"有两个含义：即"检出率"高的同时，"误报率"还要低。也就是说ATR算法的提升应该是提升检出率的同时降低误报率，这才是更好的算法。所以，ATR算法确定以后，需要平衡检出率与误报率的关系，也就是检查效果与检查效率之间的关系。如果对每个人都检查得非常细致非常严的话，检查效果更好，但检查效率会降低。这个平衡往往不仅需要依靠ATR技术手段的突破来实现，当ATR技术已经发展到一定程度的时候也需要通过对毫米波图像质量的优化，来平衡检查效果和检查效率。

　　为平衡检查效果与检查效率的关系，ATR算法需要进行分档，如果需要进行非常细致的检查的时候，可以选择一种检出率很高的算法，如果不用细致检查的时候，可以选择一个误报比较低的算法。通过这种动态调整的方式来实现检查效果与检查效率的平衡。当然，这需要融合多元化的信息，如被检员身份信息、历史记录、行李信息、同行人信息等等，对待检人需要进行检查的严格程度进行分档，随后就可以动态地调整设备进行图像识别时的灵敏度，从而达到平衡检查效果和检查效率的目的。

　　四、毫米波及太赫兹技术介绍及对比

　　在当前的新型人体安检仪市场上，除了毫米波人体仪获得了普遍关注外，还有一种新兴的技术手段同样收到广泛关注，即太赫兹成像仪。实际上，太赫兹成像仪和毫米波成像仪在波段上存在重合情况，区别两者技术手段的主要方法是看其采用的是主动式成像，还是被动式成像。主动式成像采用全息成像体制，通过毫米波源照射人体，基于合成孔径技术能够实现亚波长级的成像分辨率；被动式成像则采用传统的光学聚焦成像方法，通过反射镜、透镜和高灵敏探测器组成的光路实现对人体自身发射太赫兹波的快速探测。

　　实际上毫米波与太赫兹波这两个定义是分别从波长和频率的角度来描述电磁波的，并非两种完全不同的技术。如图3所示，毫米波的波长在1mm～10mm之间，太赫兹波的频率是0.1THz（100GHz）～10THz之间，即波长在0.003mm～3mm（重合区域为波长1mm到3mm即频率100GHz到300GHz范围内的电磁波），大体上看，太赫兹波比毫米波波长更短，频率更高，如果是相同的成像机制，太赫兹能够获得更清晰的成像。然而在较高频率的太赫兹波段，由于电子学器件受到截止频率的限制，缺乏成熟的固态电路收发模块，基于全息体制的主动式成像相对被动式成像实现起来将会更加困难。目前市面上常见的主动式人体安检仪一般都采用小于100 GHz的毫米波频段，而被动式的太赫兹成像为了提升分辨率，借助高灵敏探测器能够实现大于100 GHz太赫兹波的探测。

图3    毫米波与太赫兹波对比

　　总之，由于电离辐射的问题，X射线类的成像技术可以应用于一些特殊的场合，但对旅检通道可能不太适合，而对于毫米波和太赫兹，被动式的成像虽然能够呈现快速的成像，但图像分辨率通常在厘米量级，所以不太适合在旅检通道进行精检，而普遍采用主动式的毫米波产品进行检查（如图4所示）。

图4    技术手段和技术特点及应用场景对比

　　未来主动式的太赫兹技术将成为更先进的成像方式，不过目前它还处于实验室阶段，市面上还没有基于这个技术的产品出来。

　　五、毫米波技术的发展方向展望

　　未来我们希望做出既能够实现主动式技术的成像效果（高分辨率、高对比度的图像），又能实现被动式技术的高效通过率（取代人停留的检查方式），对旅客的检查从特检变成普检，从停留式检查变成通过式检查的旅客检查设备（如图5所示）。

图5    未来毫米波技术发展方向

　　而实现这样的检查技术，首先要解决更高频率、更大带宽的主动式毫米波成像机制研制工作，并通过电子扫描、硬件计算等方式实现高清晰度图像的实时呈现，最终获得实时、高清的图像。随后，在新的成像技术取得突破的同时，还需要结合其他技术领域的发展成果，把实时高清的安检图像与被检人员其它安检信息，如身份信息、历史记录、行李信息、步态、情绪等多种数据信息进行深度融合，实现既细致又快速的检查。结合大数据、深度学习、云计算、虚拟现实（VR/AR）等智能化、多元化的信息融合技术，最终实现"全面化"、"人性化"、"智能化"、" 集成化"的无感知、通过式毫米波安检仪，无论对被检人员还是对安检工作人员都是一种更好的体验。