三菱電機(jī)層析成像技術(shù)可以使安檢更加快速安全

常旅客們希望三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）開發(fā)的300千兆赫斷層成像技術(shù)（https://www.mitsubishielectric.com/sites/news/2023/pdf/0329.pdf）能夠兌現(xiàn)其在機(jī)場(chǎng)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(jī)前排隊(duì)進(jìn)入X射線掃描間的景象。這項(xiàng)技術(shù)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(xué)工程教授Daniel Mittleman表示：“新聞稿中缺乏的細(xì)節(jié)介紹表明了這項(xiàng)技術(shù)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(tuán)體都在研究類似的技術(shù)，可以預(yù)見，在未來，它們將產(chǎn)生巨大的影響?！?/p>

為了測(cè)試這一概念，三菱電機(jī)的研究人員使用了現(xiàn)成的組件和設(shè)備，包括一個(gè)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(dá)信號(hào)，以及用于產(chǎn)生亞太赫茲信號(hào)的變頻器。

來自目標(biāo)物體的反射亞太赫茲信號(hào)與發(fā)射信號(hào)混合，用于下變頻為具有30兆赫帶寬的中頻（IF）信號(hào)，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(jì)算機(jī)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并存儲(chǔ)在11TB的RAID存儲(chǔ)設(shè)備中，用于數(shù)字信號(hào)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(jī)通信技術(shù)部首席研究員Akinori Taira表示：“我們?cè)?00千兆赫波段進(jìn)行測(cè)試后，確認(rèn)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(huì)（Institute of Electronics, Information and Communication Engineers）大會(huì)上發(fā)表的一篇論文（日語(yǔ)，待發(fā)表）描述了測(cè)試設(shè)置和結(jié)果。

在測(cè)試過程中，研究人員只使用了一個(gè)接收天線。為了模擬一次性發(fā)射、一個(gè)方向的操作，使用XY步進(jìn)器重復(fù)移動(dòng)天線，以測(cè)量每個(gè)反射信號(hào)。

“這花了幾分鐘的時(shí)間，”與Taira合作的高級(jí)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(gè)天線。因此，我們估計(jì)測(cè)量時(shí)間能夠減少到不到一毫秒?！?/p>

Taira說，為了識(shí)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(xué)安全攝像頭系統(tǒng)中使用的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)圖像識(shí)別技術(shù)。Taira表示：“這項(xiàng)技術(shù)與我們想要的類似，盡管它還需要修改。” 他說，根據(jù)應(yīng)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(dòng)通知操作員。

三菱電機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的虛擬聚焦成像使用了來自一個(gè)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(jì)算機(jī)斷層掃描從不同的角度多次照射物體。

一次拍攝，一個(gè)方向的方案使用兩步方法測(cè)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(dá)信號(hào)從多個(gè)天線元件指向?qū)ο?，并且反射信?hào)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(hào)，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(hào)的已知特性，包括發(fā)送到計(jì)算機(jī)并存儲(chǔ)在緩存中的功率和相位數(shù)據(jù)。

MITSUBISHI ELECTRIC

第二個(gè)步驟在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行，使用數(shù)字信號(hào)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(jì)的強(qiáng)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(jìn)而由2D數(shù)據(jù)創(chuàng)建具有毫米精度的對(duì)象的3D圖像，然后顯示該3D圖像。

Taira說：“這個(gè)運(yùn)算需要大量的算術(shù)。但我們已經(jīng)開發(fā)了一種基于傅立葉變換的快速計(jì)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(jìn)算法、使用[現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列]和圖形處理單元將其減少到1秒?！?/p>

在一個(gè)穿過安全門的用例中，四個(gè)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(duì)象的圖像。Okazaki說：“這將消除步行過程中的盲點(diǎn)，我們認(rèn)為步行需要1.5秒?！庇捎诿總€(gè)單元的功率只有200毫瓦左右，大約相當(dāng)于一部手機(jī)，所以“不存在健康問題”。此外，Taira指出，太赫茲波的特性和效應(yīng)通常被認(rèn)為與毫米波的類似，毫米波的使用已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。

Mittleman說：“像這樣暴露在亞太赫茲輻射下的健康風(fēng)險(xiǎn)問題是一個(gè)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(jī)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(rèn)為是安全的。在較高的頻率下，對(duì)活組織的穿透深度要小得多。”

三菱電機(jī)也將該技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)線檢測(cè)。但研究人員一致認(rèn)為，要想與現(xiàn)有的X射線安全系統(tǒng)成功競(jìng)爭(zhēng)，除了實(shí)現(xiàn)其速度和小型化目標(biāo)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(dāng)他們預(yù)計(jì)能夠?qū)⑵涑上裣到y(tǒng)商業(yè)化時(shí)，包含太赫茲頻率的6G蜂窩服務(wù)應(yīng)該開始推出了，因此太赫茲設(shè)備將更加豐富，價(jià)格也更具競(jìng)爭(zhēng)力。

審核編輯 ：李倩