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毫米波安检注重隐私保护,让旅行更加安全快速
材料来源:《微波杂志》2019年11/12月号           录入时间:2019/12/16 10:29:36

mmWave Technology Enables Faster, Safer, Privacy-Conscious Travel

Sherif Ahmed和Andreas Schiessl,罗德与施瓦茨

 

在登机前,乘客们要接受的安全检查正在发生变化,其目的是扫描更多的乘客,同时减少等待时间,当然,还可以完善威胁检测、确保安全。通过式金属探测安检门(WTMD)是人们熟知的登机前安检程序。尽管广为人知,但远不够理想:频繁的“误报”需要安检人员进行大量的人工检查,不仅费力,还会使乘客体验大打折扣。更令人担忧的是,这种设备无法检测塑性炸药或液体爆炸物,也无法探测出陶瓷刀片。

随着威胁的不断演进,安全技术必须不断发展,从而实现重要的可行目标和隐私目标:

·         隐私是人们关注的重点。新设备和程序必须尊重乘客的隐私与尊严,避免将安检人员置于尴尬或有压力的境地。

·         安全至关重要。扫描仪不能使用对乘客或安检人员有害的辐射。

·         安检需要快速完成,因为从机场前门到候机厅所用的平均时间是机场的一项重要衡量标准。

·         成本也一直是需要考虑的问题。设备必须实惠,同时无需额外的人员配置。

·         其次需要关注的是尺寸;忙碌的机场中,寸土寸金。安检系统采用大型或高耗电设备、占用额外空间或专用安检区域,都是不切实际的。

毫米波扫描仪

毫米波扫描仪能满足上述要求,相比传统的WTMD,是更好的替代选择,并且全球一些主要机场已经开始采用。从乘客的角度出发,新式扫描仪和大众熟知的安检门的不同之处在于,前者需要乘客在机器内静站几秒,伸开双臂面对扫描仪。新式扫描仪可以检测非金属物体或物质,除了检测的范围更广,还减少了“误报”率,缩短了每位乘客的平均扫描时间。

为了保护航空公司客户的隐私、提供舒适的航班体验,以及给安检人员提供无压力的工作环境,新式扫描仪采用先进的机器学习技术,避免检测实际身体图像。这种设备采用数项技术创新成果,实现减少扫描时间、控制设备尺寸和节约设备成本的目标。

优化毫米波频段

采用毫米波进行扫描本质上十分适合机场安检。它们不会对人体细胞产生电离效应,因此不会对安检人员和乘客造成伤害。相比之下,超声波扫描虽然无害,但属于超短程操作;需要耦合介质(通常是凝胶)来确保图像质量。这在机场显然不可行。

1至10毫米范围的波长适合非接触式扫描,可以对穿透深度和空间分辨率进行适当组合,检测航空乘客可能试图藏匿在衣物下的物品。选择最佳波长时,穿透深度和空间分辨率之间存在一个平衡。约2毫米的空间分辨率足够安检应用,因此E波段微波(60至90GHz,波长5至3.3毫米)可以提供可靠的物品分辨率和足够的穿透深度来到达皮肤表层。在这个波段内,工作范围为70至80GHz的情况下,设备设计者可以使用汽车雷达应用的现有组件和知识,缩短开发时间。

被动和主动扫描

可以通过检测物品的特征辐射和自然背景辐射从而被动捕捉毫米波图像。这适合室外使用的设备,在这种情况下背景辐射温度通常低于1000K。然而在室内,物品和背景之间的辐射对比度要低得多。尽管可以使用冷却后的检测器解决这一问题,但被动检测辐射可能与热噪声混淆,导致物品的深度信息缺失。显然,如果目的是为了快速准确地分类物品和识别藏匿的武器,以及可靠地避免误报,那么这种方式并不理想。

因此,安检系统更优选的是主动扫描。这包括通过发射低功耗毫米波辐射来照射物品。人体组织含水量高,因此人体相当于一个强大的反射器。准确描绘反射的特性可以让系统识别贴身藏匿的各种物品。采用主动扫描,天线定位对尽量减小多余的反射效应至关重要。传统工业应用场景采用主动式毫米波成像,以远场距离操作,但长程成像无法发现安检应用中的小型威胁。因此,机场安检扫描仪都是近距离操作。

2D3D

重构扫描物品的准确3D图像,需要在每个选定的发射机-接收机组合处使用宽带测量信号对2D孔径采样。发射机/接收机设计必须在深度和空间分辨率这两个方面进行优化。例如,识别片状塑性炸药等纤薄物品需要高距离分辨率,进而需要大的信号带宽以及相应的短脉冲持续时间。

有几种方法可以实现所需的空间分辨率。进行大批航空乘客扫描时需要快速循环,传统的机械扫描并不太适合这样的时间要求。常见的替代选择是引入高密度单基地天线阵列,需要大量发射机/接收机单元的密集排列,这会导致设备极为昂贵。罗德与施瓦茨克服了这一挑战,将射电天文学中的合成孔径算法与虚拟孔径技术相结合,创造了一种新型多基地2D阵列。此类阵列以新颖的阵列架构,包含了多个收发天线集群。应用数字波束成形算法,以恰当的相位和幅度来权衡每根天线,以形成电子优化孔径。使用高效费比的稀疏天线阵列,所构成的系统可以在近距离获得良好的图像质量,且模糊度最小。

在多基地阵列中,每个发射机按顺序照射系统前方的空间,所有接收天线同时被激活,确保反射场的相干采样。后续处理包括计算反射,并进行必要的误差纠正。与单基地阵列相比,多基地成像需要的通道少得多,同时还可进行并行数据采集,可提供接近实时的性能。罗德与施瓦茨扫描系统的分辨率约对应半个波长,即2毫米。若给定图像分辨率,数字波束成形系统的速度主要取决于测量值的数量和成像算法的复杂度。这使得通过逐代持续提升DSP IC的时钟速度和并行计算能力来改善系统效能成为可能。

发射机/接收机设计

要实现这一系统,罗德与施瓦茨开发的信号源能够生成相干的RF和接收机本机振荡器(LO)信号,从而可以相干地运行发射机和接收机。信号源使用直接数字合成(DDS)和高稳恒温晶振(OCXO)实现准确的相位稳定性。在DDS之后,发射信号频率倍频至20GHz范围,并分发给集群。在每个芯片处,RF和LO信号四倍频,达到工作频率,并分发给四个通道中的每一个。天线设计经过优化,以确保小体积、高带宽。1显示的收发板集成了近100根发射天线和100根接收天线。

1收发板。

基于新颖的稀疏阵列设计,可以使用12,000个通道实现人体全身扫描仪。比起使用传统的天线阵列和专门的成像技术实现的相似系统,尽管此系统所需的通道已经大量减少,但使用现有商用RFIC的话,仍然需要很多离散的前端,因为现有RFIC是为了几条通道的系统所开发的。实际空间限制需要更高的集成化,且RF前端必须与RF信号源和天线紧密集成,将毫米波频率的接口损耗降至最低。目前尚未有适用的模块,因此,罗德与施瓦茨和英飞凌合作,生产定制的RF前端芯片组,其包含四通道发射机/接收机MMIC,融合了英飞凌硅锗碳(SiGe:C)双极工艺。MMIC经仔细封装,可以维持带宽并减少生产成本(参见2)。

2SiGe RFIC封装。

AI保护隐私

安检系统可以对小到几毫米的特征进行成像,并且可以显示低至50微米的深度变化。重构分块会使用特定的优化机器学习算法自动分析图像数据,该算法为安检扫描而度身定制。3D图像的各个部分都经过分析和观察,以确定是否有任何地方异于正常情况。另外也会对算法进行训练,以便更加准确地找出相关威胁,包括但不限于爆炸物、枪支及刀具。

这些机器学习算法具有高度准确性,使系统仅根据数据分析便可以可靠识别禁带物品,并且系统中不会产生任何可视人体图像。只要有任何检测到的威胁或不寻常物品,系统都会在模拟人像上指出具体位置,通过屏幕醒目提示安检人员(参见3)。除保护隐私外,还会为安检人员提供可靠指导,助其对相应状况做出快速恰当的处理。分析完成后,会立即丢弃捕捉的毫米波数据。

3在不侵犯隐私的情况下检测威胁的准确位置。

总结

毫米波扫描是一项有效的威胁检测技术。为了对机场安检提供高效费比的可行解决方案,罗德与施瓦茨已解决了技术和隐私方面的挑战。最终形成的扫描仪采用了一系列创新成果,如运用稀疏天线阵列的多基地成像、先进的多通道MMIC和RF模块、高效能的并行处理及机器学习技术。

罗德与施瓦茨QPS系列(参见4)是实现上述非凡技术进步的首批商用安检扫描仪,迅速得到全球机场安检机构的赞誉。先进的毫米波技术让乘客无需排长队等候安检,可以加快安检速度、减少安检人员的介入,为安全飞行提供保障。

图4:R&S QPS201毫米波安检门。


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