增強的隱藏武器檢測技術(shù)

2018-06-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

如果你在過去5至10年內(nèi)乘坐過飛機,一定熟悉毫米波(mm-wave)成像安檢門,其可掃描乘客是否藏匿武器。即使是不經(jīng)常乘坐飛機的人,也不會對以下情景感到陌生:當您走進一個圓柱形檢查亭,會被要求將手臂舉過頭頂,等待天線陣桅桿掃描檢查亭的周圍,以檢查是否有隱藏的武器。

美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)的研究人員在十多年前研發(fā)出這種技術(shù),并已獲得商用許可?，F(xiàn)在,PNNL正致力于優(yōu)化新一代毫米波成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量和分辨率,以實現(xiàn)更強的威脅檢測功能。工程師利用ANSYS軟件仿真天線性能,利用ANSYS高性能計算和逼真的3D圖像來探索設(shè)計空間。

使用30GHz帶寬和60度波束寬度時顯示了出色的深度分辨率和人體照射結(jié)果。

使用5GHz帶寬和60度波束寬度時顯示了降低深度分辨率對圖像質(zhì)量的影響。

使用30GHz帶寬和20度波束寬度時顯示了降低人體照射對圖像質(zhì)量的影響。

改善掃描性能

有源毫米波掃描儀形成人體圖像的原理是:通過傳輸無害電磁波,穿透衣服并從人體反射,將信號發(fā)送回收發(fā)器;收發(fā)器隨后將信號發(fā)送至計算機,由于掃描儀的天線陣列旋轉(zhuǎn),這些信號來自不同位置,因此計算機將這些信號重構(gòu)后創(chuàng)建3D全息圖像。

PNNL正在研究三種方法,以增強毫米波成像技術(shù)對于隱藏武器的檢測功能:第一種使用帶寬為兩個八度的寬頻帶寬,以實現(xiàn)高深度分辨率;第二種使用寬天線波束寬度,以提高橫向分辨率并改善對成像目標鏡面反射的捕捉功能,進而提高圖像的視覺質(zhì)量;第三種通過圓極化減少多通道信號傳播造成的偽影。

機場毫米波掃描儀

為了解以上設(shè)計參數(shù)如何影響毫米波成像系統(tǒng)的性能,PNNL工程師使用ANSYS HFSS SBR+模擬虛擬掃描儀,以仿真各種帶寬、波束寬度和極化對掃描儀捕捉圖像的影響。所獲得的數(shù)據(jù)集幫助工程師針對新一代增強型系統(tǒng)進行設(shè)計要求權(quán)衡,并且無需制作和測試完整原型或執(zhí)行耗時的測量工作。

在使用先進的仿真工具之前,研發(fā)人員無法針對這些成像系統(tǒng)進行高級數(shù)字設(shè)計研究。研發(fā)團隊只能依賴簡單的點散射體仿真或使用直線掃描儀收集的測量數(shù)據(jù)。盡管研發(fā)人員能夠從仿真的點散射體情境中獲取信息,但無法獲得能夠準確表示被掃描者的圖像,因此無法確定照射質(zhì)量、清晰度和其他目標。

安全掃描儀仿真

以前,研究人員使用直線實驗室掃描儀和涂有反射涂料的人體模型創(chuàng)建物理試驗。收發(fā)器對人體模型進行光柵掃描,并將測量信息傳輸?shù)杰浖准?然后軟件套件利用一種算法以數(shù)學方式聚焦圖像。

為避免使用這類物理系統(tǒng),研究人員轉(zhuǎn)而采用ANSYS HFSS SBR+仿真天線,定義方向圖,并仿真待掃描的目標。仿真經(jīng)過配置,可根據(jù)應(yīng)用所需的逼真而復(fù)雜的幾何模型導(dǎo)入并確定結(jié)果。ANSYS HFSS SBR+提供針對3D毫米波成像挑戰(zhàn)的仿真結(jié)果,支持快速研發(fā)和改進天線設(shè)計。研究人員利用高性能計算探索并驗證設(shè)計,從而大幅縮短了整體系統(tǒng)的研發(fā)時間。

研究人員首先在仿真模型定義的孔徑上對一對共址發(fā)射和接收天線進行光柵掃描。在每個位置,他們執(zhí)行頻率掃描并評估接收天線上的復(fù)值信號。在大約10,000個單獨仿真過程中,一次典型掃描在每個天線位置使用大約500個離散頻率點樣本。一個完整的仿真數(shù)據(jù)集經(jīng)過處理后,可生成一張完全聚焦的3D圖像。

盡管測量過程是半自動的,但仿真的優(yōu)勢在于能夠研究無法輕易復(fù)制或難以執(zhí)行物理測量試驗的情境。這消除了只能針對給定應(yīng)用執(zhí)行設(shè)計研究的限制。

為加速大量仿真數(shù)據(jù)的吞吐量,研究人員使用ANSYS高性能計算功能同時運行10個仿真。ANSYS HFSS SBR+與高性能計算相結(jié)合,能夠在一天之內(nèi)生成逼真的仿真圖像數(shù)據(jù)集。

更出色的圖像質(zhì)量

在使用ANSYS HFSS SBR+創(chuàng)建并求解仿真模型之后,可通過專有數(shù)學算法來處理數(shù)據(jù)。研究人員能夠研究多種仿真情境,以檢查波束寬度、帶寬和極化對圖像質(zhì)量的影響。

為了確定帶寬對圖像質(zhì)量的影響,研究人員在兩種情境中使用相同的天線波束寬度來仿真5GHz和30GHz的帶寬。得到的數(shù)據(jù)可用來研究當使用更大帶寬時更出色的深度分辨率對圖像質(zhì)量的影響。

使用超寬帶寬(高達30GHz)可實現(xiàn)高達5mm的深度分辨率。這種更寬的帶寬操作可能支持基于高分辨率范圍改進檢測技術(shù)。設(shè)計高帶寬的系統(tǒng)不僅十分困難而且成本高昂,而仿真允許研究人員評估帶寬性能,并根據(jù)所需的圖像質(zhì)量選擇最低帶寬。

此外,ANSYS軟件還幫助研究人員探索天線波束寬度的影響。為了確定天線波束寬度如何影響成像,他們仿真了10至40 GHz范圍內(nèi)的不同波束寬度。他們發(fā)現(xiàn)分別采用60度的半功率波束寬度和20度的半功率波束寬度時,前者構(gòu)建的圖像能夠?qū)崿F(xiàn)更出色的人體照射結(jié)果。此外,寬天線波束寬度支持在更低的中心頻率下運行,減少衣服造成的散射和衰減。

對于第三種參數(shù),研究人員研究了極化對仿真成像的影響。極化分集可用于消除人體上均勻反彈“角落陷阱”中的偽影,或凸顯人體特性。使用交叉圓極化天線對創(chuàng)建的圖像比使用垂直極化天線創(chuàng)建的圖像更明亮,偽影更少。

憑借此信息,研究人員就可以高效設(shè)計出新一代毫米波掃描系統(tǒng),從而生成能夠被自動威脅檢測算法使用的更出色的圖像。該技術(shù)廣泛部署于機場和其他領(lǐng)域,能夠以更高精度檢測隱藏的武器,提高安全性,同時減少誤報。

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