增强的隐藏武器检测技术

2018-06-02 by:CAE仿真在线来源:互联网

如果你在过去5至10年内乘坐过飞机,一定熟悉毫米波(mm-wave)成像安检门,其可扫描乘客是否藏匿武器。即使是不经常乘坐飞机的人,也不会对以下情景感到陌生:当您走进一个圆柱形检查亭,会被要求将手臂举过头顶,等待天线阵桅杆扫描检查亭的周围,以检查是否有隐藏的武器。

美国西北太平洋国家实验室(PNNL)的研究人员在十多年前研发出这种技术,并已获得商用许可。现在,PNNL正致力于优化新一代毫米波成像系统的图像质量和分辨率,以实现更强的威胁检测功能。工程师利用ANSYS软件仿真天线性能,利用ANSYS高性能计算和逼真的3D图像来探索设计空间。

使用30GHz带宽和60度波束宽度时显示了出色的深度分辨率和人体照射结果。

使用5GHz带宽和60度波束宽度时显示了降低深度分辨率对图像质量的影响。

使用30GHz带宽和20度波束宽度时显示了降低人体照射对图像质量的影响。

改善扫描性能

有源毫米波扫描仪形成人体图像的原理是:通过传输无害电磁波,穿透衣服并从人体反射,将信号发送回收发器;收发器随后将信号发送至计算机,由于扫描仪的天线阵列旋转,这些信号来自不同位置,因此计算机将这些信号重构后创建3D全息图像。

PNNL正在研究三种方法,以增强毫米波成像技术对于隐藏武器的检测功能:第一种使用带宽为两个八度的宽频带宽,以实现高深度分辨率;第二种使用宽天线波束宽度,以提高横向分辨率并改善对成像目标镜面反射的捕捉功能,进而提高图像的视觉质量;第三种通过圆极化减少多通道信号传播造成的伪影。

机场毫米波扫描仪

为了解以上设计参数如何影响毫米波成像系统的性能,PNNL工程师使用ANSYS HFSS SBR+模拟虚拟扫描仪,以仿真各种带宽、波束宽度和极化对扫描仪捕捉图像的影响。所获得的数据集帮助工程师针对新一代增强型系统进行设计要求权衡,并且无需制作和测试完整原型或执行耗时的测量工作。

在使用先进的仿真工具之前,研发人员无法针对这些成像系统进行高级数字设计研究。研发团队只能依赖简单的点散射体仿真或使用直线扫描仪收集的测量数据。尽管研发人员能够从仿真的点散射体情境中获取信息,但无法获得能够准确表示被扫描者的图像,因此无法确定照射质量、清晰度和其他目标。

安全扫描仪仿真

以前,研究人员使用直线实验室扫描仪和涂有反射涂料的人体模型创建物理试验。收发器对人体模型进行光栅扫描,并将测量信息传输到软件套件,然后软件套件利用一种算法以数学方式聚焦图像。

为避免使用这类物理系统,研究人员转而采用ANSYS HFSS SBR+仿真天线,定义方向图,并仿真待扫描的目标。仿真经过配置,可根据应用所需的逼真而复杂的几何模型导入并确定结果。ANSYS HFSS SBR+提供针对3D毫米波成像挑战的仿真结果,支持快速研发和改进天线设计。研究人员利用高性能计算探索并验证设计,从而大幅缩短了整体系统的研发时间。

研究人员首先在仿真模型定义的孔径上对一对共址发射和接收天线进行光栅扫描。在每个位置,他们执行频率扫描并评估接收天线上的复值信号。在大约10,000个单独仿真过程中,一次典型扫描在每个天线位置使用大约500个离散频率点样本。一个完整的仿真数据集经过处理后,可生成一张完全聚焦的3D图像。

尽管测量过程是半自动的,但仿真的优势在于能够研究无法轻易复制或难以执行物理测量试验的情境。这消除了只能针对给定应用执行设计研究的限制。

为加速大量仿真数据的吞吐量,研究人员使用ANSYS高性能计算功能同时运行10个仿真。ANSYS HFSS SBR+与高性能计算相结合,能够在一天之内生成逼真的仿真图像数据集。

更出色的图像质量

在使用ANSYS HFSS SBR+创建并求解仿真模型之后,可通过专有数学算法来处理数据。研究人员能够研究多种仿真情境,以检查波束宽度、带宽和极化对图像质量的影响。

为了确定带宽对图像质量的影响,研究人员在两种情境中使用相同的天线波束宽度来仿真5GHz和30GHz的带宽。得到的数据可用来研究当使用更大带宽时更出色的深度分辨率对图像质量的影响。

使用超宽带宽(高达30GHz)可实现高达5mm的深度分辨率。这种更宽的带宽操作可能支持基于高分辨率范围改进检测技术。设计高带宽的系统不仅十分困难而且成本高昂,而仿真允许研究人员评估带宽性能,并根据所需的图像质量选择最低带宽。

此外,ANSYS软件还帮助研究人员探索天线波束宽度的影响。为了确定天线波束宽度如何影响成像,他们仿真了10至40 GHz范围内的不同波束宽度。他们发现分别采用60度的半功率波束宽度和20度的半功率波束宽度时,前者构建的图像能够实现更出色的人体照射结果。此外,宽天线波束宽度支持在更低的中心频率下运行,减少衣服造成的散射和衰减。

对于第三种参数,研究人员研究了极化对仿真成像的影响。极化分集可用于消除人体上均匀反弹“角落陷阱”中的伪影,或凸显人体特性。使用交叉圆极化天线对创建的图像比使用垂直极化天线创建的图像更明亮,伪影更少。

凭借此信息,研究人员就可以高效设计出新一代毫米波扫描系统,从而生成能够被自动威胁检测算法使用的更出色的图像。该技术广泛部署于机场和其他领域,能够以更高精度检测隐藏的武器,提高安全性,同时减少误报。

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