三菱電機層析成像技術可以使安檢更加快速安全

常旅客們希望三菱電機（Mitsubishi Electric）開發(fā)的300千兆赫斷層成像技術（https://www.mitsubishielectric.com/sites/news/2023/pdf/0329.pdf）能夠兌現(xiàn)其在機場和其他地方引入新型安檢門的承諾。如果該公司目前的原型開發(fā)成功地克服了成本和速度方面的挑戰(zhàn)，那么你或?qū)⒖吹皆诘菣C前排隊進入X射線掃描間的景象。這項技術將能夠在直接穿過安全門的人身上拍攝到所有物體，即使是隱藏的物體。

布朗大學工程教授Daniel Mittleman表示：“新聞稿中缺乏的細節(jié)介紹表明了這項技術還處于非常早期的階段。因此，很難知道它的新功能可能是什么，盡管它們可能很重要。世界各地的許多團體都在研究類似的技術，可以預見，在未來，它們將產(chǎn)生巨大的影響?！?/p>

為了測試這一概念，三菱電機的研究人員使用了現(xiàn)成的組件和設備，包括一個每秒能夠產(chǎn)生25千兆樣本的任意波形發(fā)生器來產(chǎn)生毫米波段雷達信號，以及用于產(chǎn)生亞太赫茲信號的變頻器。

來自目標物體的反射亞太赫茲信號與發(fā)射信號混合，用于下變頻為具有30兆赫帶寬的中頻（IF）信號，并由來自任意波形發(fā)生器的本地振蕩器數(shù)字化。結(jié)果被發(fā)送到計算機中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并存儲在11TB的RAID存儲設備中，用于數(shù)字信號處理器的離線處理，并被轉(zhuǎn)換為虛擬3D斷層圖像。

三菱電機通信技術部首席研究員Akinori Taira表示：“我們在300千兆赫波段進行測試后，確認了該方法的有效性?！?3月在東京以北80公里的埼玉舉行的電子、信息和通信工程師協(xié)會（Institute of Electronics, Information and Communication Engineers）大會上發(fā)表的一篇論文（日語，待發(fā)表）描述了測試設置和結(jié)果。

在測試過程中，研究人員只使用了一個接收天線。為了模擬一次性發(fā)射、一個方向的操作，使用XY步進器重復移動天線，以測量每個反射信號。

“這花了幾分鐘的時間，”與Taira合作的高級經(jīng)理Akihiro Okazaki說，“但在商業(yè)開發(fā)階段之前，我們將在陣列中使用數(shù)百個天線。因此，我們估計測量時間能夠減少到不到一毫秒?！?/p>

Taira說，為了識別圖像中的刀或槍等隱藏物體，他們正在研究已經(jīng)在光學安全攝像頭系統(tǒng)中使用的人工智能和機器學習圖像識別技術。Taira表示：“這項技術與我們想要的類似，盡管它還需要修改?！?他說，根據(jù)應用程序的不同，該系統(tǒng)將通過使用音頻或視覺警告系統(tǒng)自動通知操作員。

三菱電機對運動物體的虛擬聚焦成像使用了來自一個方向的單次照射，這讓該系統(tǒng)變得有趣。相比之下，傳統(tǒng)的計算機斷層掃描從不同的角度多次照射物體。

一次拍攝，一個方向的方案使用兩步方法測量物體，然后虛擬地分析和重建它。首先，多輸入多輸出（MIMO）雷達信號從多個天線元件指向?qū)ο?，并且反射信號由同樣多的天線元件接收。Taira說：“因此，我們首先提取中頻信號，以獲得MIMO的信道狀態(tài)信息（CSI）?！贝诉^程使天線能夠收集MIMO信號的已知特性，包括發(fā)送到計算機并存儲在緩存中的功率和相位數(shù)據(jù)。

MITSUBISHI ELECTRIC

第二個步驟在計算機內(nèi)進行，使用數(shù)字信號處理器。DSP將掃描區(qū)域劃分為稱為體素的空間位置，體素具有可以估計的強反射增益。從CSI數(shù)據(jù)創(chuàng)建虛擬波束，以垂直、水平和逐層掃描體素的深度，進而由2D數(shù)據(jù)創(chuàng)建具有毫米精度的對象的3D圖像，然后顯示該3D圖像。

Taira說：“這個運算需要大量的算術。但我們已經(jīng)開發(fā)了一種基于傅立葉變換的快速計算方法，并將數(shù)量減少了幾百倍。目前，這一過程大約需要20秒才能完成，但我們將在未來通過改進算法、使用[現(xiàn)場可編程門陣列]和圖形處理單元將其減少到1秒?！?/p>

在一個穿過安全門的用例中，四個傳感器天線單元將安裝在任意位置，從不同角度多次拍攝對象的圖像。Okazaki說：“這將消除步行過程中的盲點，我們認為步行需要1.5秒?！庇捎诿總€單元的功率只有200毫瓦左右，大約相當于一部手機，所以“不存在健康問題”。此外，Taira指出，太赫茲波的特性和效應通常被認為與毫米波的類似，毫米波的使用已經(jīng)標準化。

Mittleman說：“像這樣暴露在亞太赫茲輻射下的健康風險問題是一個值得討論的話題。但有充分的理由相信，它甚至比暴露在較低頻率的電磁波下更安全，例如手機或Wi-Fi基站中使用的電磁波，這些電磁波在低功率水平下被認為是安全的。在較高的頻率下，對活組織的穿透深度要小得多。”

三菱電機也將該技術應用于生產(chǎn)線檢測。但研究人員一致認為，要想與現(xiàn)有的X射線安全系統(tǒng)成功競爭，除了實現(xiàn)其速度和小型化目標外，他們還必須使該系統(tǒng)具有成本效益。這在今天是不可能的。然而，正如Taira所指出的，到2030年之前，當他們預計能夠?qū)⑵涑上裣到y(tǒng)商業(yè)化時，包含太赫茲頻率的6G蜂窩服務應該開始推出了，因此太赫茲設備將更加豐富，價格也更具競爭力。

審核編輯 ：李倩