增強的隱藏武器檢測技術

2018-06-02 by:CAE仿真在線來源:互聯網

如果你在過去5至10年內乘坐過飛機,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出這種技術,并已獲得商用許可。現在,PNNL正致力于優化新一代毫米波成像系統的圖像質量和分辨率,以實現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,將信號發送回收發器;收發器隨后將信號發送至計算機,由于掃描儀的天線陣列旋轉,這些信號來自不同位置,因此計算機將這些信號重構后創建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

為了解以上設計參數如何影響毫米波成像系統的性能,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。所獲得的數據集幫助工程師針對新一代增強型系統進行設計要求權衡,并且無需制作和測試完整原型或執行耗時的測量工作。

在使用先進的仿真工具之前,研發人員無法針對這些成像系統進行高級數字設計研究。研發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據。盡管研發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建物理試驗。收發器對人體模型進行光柵掃描,并將測量信息傳輸到軟件套件,然后軟件套件利用一種算法以數學方式聚焦圖像。

為避免使用這類物理系統,研究人員轉而采用ANSYS HFSS SBR+仿真天線,定義方向圖,并仿真待掃描的目標。仿真經過配置,可根據應用所需的逼真而復雜的幾何模型導入并確定結果。ANSYS HFSS SBR+提供針對3D毫米波成像挑戰的仿真結果,支持快速研發和改進天線設計。研究人員利用高性能計算探索并驗證設計,從而大幅縮短了整體系統的研發時間。

研究人員首先在仿真模型定義的孔徑上對一對共址發射和接收天線進行光柵掃描。在每個位置,他們執行頻率掃描并評估接收天線上的復值信號。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。一個完整的仿真數據集經過處理后,可生成一張完全聚焦的3D圖像。

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

為加速大量仿真數據的吞吐量,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+與高性能計算相結合,能夠在一天之內生成逼真的仿真圖像數據集。

更出色的圖像質量

在使用ANSYS HFSS SBR+創建并求解仿真模型之后,可通過專有數學算法來處理數據。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量的影響。

為了確定帶寬對圖像質量的影響,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。得到的數據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量的影響。

使用超寬帶寬(高達30GHz)可實現高達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。設計高帶寬的系統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,并根據所需的圖像質量選擇最低帶寬。

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范圍內的不同波束寬度。他們發現分別采用60度的半功率波束寬度和20度的半功率波束寬度時,前者構建的圖像能夠實現更出色的人體照射結果。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,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建的圖像比使用垂直極化天線創建的圖像更明亮,偽影更少。

憑借此信息,研究人員就可以高效設計出新一代毫米波掃描系統,從而生成能夠被自動威脅檢測算法使用的更出色的圖像。該技術廣泛部署于機場和其他領域,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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