面向被动毫米波安检的极化成像机理与隐匿物品增强方法研究

Carrying dangerous goods by human is one of the main factors that endanger public security, but human security inspection is still a difficult research problem around the world. Passive millimeter-wave imaging has many characteristics, such as penetration of cloths, safety to human, intuitionistic image and so on. It is one of important technological means for human security inspection. However, the current system is still unable to meet the requirements of accurate and efficient detection. The main reasons are not only the poor hardware performance, but also the inadequate information of human and concealed objects acquired by radiometers. Polarization measurements can provide the additional physical information of scenes. According to the route of “mechanism → model → property → method”, the project introduces “polarization” to conduct the focused research on the polarization characteristics of millimeter-wave thermal radiation from human and concealed objects, and then explores the enhancement method of concealed objects. The detailed contents include: (1) Analyzing the polarization formation mechanism of millimeter-wave thermal radiation from human and concealed objects, investigating the variable polarization effect of cloth coverings; (2) Considering the multiple reflection/scattering and their polarization rotations, developing the polarization imaging observation model of passive millimeter-wave security inspection, which has the calculation prediction ability of arbitrary polarization; (3) Analyzing the polarization characteristics of security image edges, constructing the new polarization feature parameters, presenting the contour enhancement method of concealed objects, and conducting the verification experiments. The project can lay the theoretical and methodological foundation for the new security inspection system and new detection recognition method of dangerous goods.

人体携带危险品是危害公共安全的主要因素之一，而人体安检一直是国内外研究难题。被动毫米波成像具有对衣物穿透性好、对人体无害、图像直观等特点，是人体安检重要技术手段之一。然而，现有技术尚难以满足危险品准确高效检测，其原因不仅是硬件性能有待提升，而且在于人体和隐匿物品信息获取不足。极化测量可获得场景更多物理信息，本项目引入“极化”，按照“机理→模型→特性→方法”的思路，重点开展人体和隐匿物品毫米波热辐射极化特性理论研究，并探索隐匿物品增强方法。具体内容包括：（1）分析人体和隐匿物品毫米波热辐射极化形成机理，研究覆盖衣物的变极化效应；（2）考虑多次反射/散射及其极化旋转作用，建立具有任意极化计算预测能力的人体安检被动毫米波极化成像观测模型；（3）剖析安检图像边缘极化特性，构建新极化特征量，研究隐匿物品轮廓增强方法，并开展实验验证。本项目为安检系统新体制和危险品检测识别新方法研究奠定理论和实验基础。

检查人体携带物品可有效遏制暴恐事件，被动毫米波成像具有可穿透常见衣物、可检测金属和非金属物品、对人体无害、图像直观等特点，是非接触式快速安检的重要技术手段之一。现有系统通常采用单极化成像模式，获取场景信息有限，是导致现有技术难以实现违禁品准确高效检测的原因之一。针对成像模式单一导致信息获取不足问题，本项目提出多极化成像方法，开展极化成像机理与隐匿物品增强方法研究。经过三年研究，完成了项目计划书中预定的全部研究内容和目标，以基于极化特征实现隐匿物品增强为目标，研究了人体和隐匿物品毫米波热辐射极化形成机理，建立了典型人体安检场景被动毫米波极化成像模型，研制了被动毫米波多极化成像实验系统，分析了人体和隐匿物品毫米波多极化成像特性，提出了融合局部极化特征的隐匿物品轮廓标记方法、融合双极化特征的人体倒影干扰去除方法、基于Stokes分区融合的隐匿物品增强方法和基于极化和Fisher向量的隐匿物品增强检测方法等一系列方法。上述相关研究成果，项目负责人作为第一作者/通讯作者发表学术论文11篇（SCI收录7篇，EI收录4篇），包括IEEE Trans. GRS（IF=8.125，3篇）、IEEE Trans. MTT（IF=4.381，1篇）、ACS Photonics（IF=7.077，1篇），申请发明专利3项，授权发明专利3项，1项专利已技术作价投资入股，金额287万元，部分研究成果在新型毫米波成像系统中得到有效应用转化。项目负责人入选了2021年哈尔滨工业大学“青年拔尖人才计划”，担任IEEE旗下多个国际会议程序委员会共同主席/分会场主席，并受邀作特邀报告多次，担任SCI期刊IEEE Trans. MTT和Front. Phys.特刊客座编辑。协助团队培养博士生2名，硕士生3名，本科生1名。本项目研究成果为人体携带隐匿物品的多维度、高性能智能感知提供理论基础与方法支撑，为新一代探测系统设计及大规模应用奠定基础，并可迁移到海陆空目标探测和消防监测等其他应用领域。