三菱电机层析成像技术可以使安检更加快速安全

MITSUBISHI ELECTRIC

常旅客们希望三菱电机（Mitsubishi Electric）开发的300千兆赫断层成像技术（https://www.mitsubishielectric.com/sites/news/2023/pdf/0329.pdf）能够兑现其在机场和其他地方引入新型安检门的承诺。如果该公司目前的原型开发成功地克服了成本和速度方面的挑战，那么你或将看到在登机前排队进入X射线扫描间的景象。这项技术将能够在直接穿过安全门的人身上拍摄到所有物体，即使是隐藏的物体。

布朗大学工程教授Daniel Mittleman表示：“新闻稿中缺乏的细节介绍表明了这项技术还处于非常早期的阶段。因此，很难知道它的新功能可能是什么，尽管它们可能很重要。世界各地的许多团体都在研究类似的技术，可以预见，在未来，它们将产生巨大的影响。”

为了测试这一概念，三菱电机的研究人员使用了现成的组件和设备，包括一个每秒能够产生25千兆样本的任意波形发生器来产生毫米波段雷达信号，以及用于产生亚太赫兹信号的变频器。

来自目标物体的反射亚太赫兹信号与发射信号混合，用于下变频为具有30兆赫带宽的中频（IF）信号，并由来自任意波形发生器的本地振荡器数字化。结果被发送到计算机中的模数转换器，并存储在11TB的RAID存储设备中，用于数字信号处理器的离线处理，并被转换为虚拟3D断层图像。

三菱电机通信技术部首席研究员Akinori Taira表示：“我们在300千兆赫波段进行测试后，确认了该方法的有效性。” 3月在东京以北80公里的埼玉举行的电子、信息和通信工程师协会（Institute of Electronics, Information and Communication Engineers）大会上发表的一篇论文（日语，待发表）描述了测试设置和结果。

在测试过程中，研究人员只使用了一个接收天线。为了模拟一次性发射、一个方向的操作，使用XY步进器重复移动天线，以测量每个反射信号。

“这花了几分钟的时间，”与Taira合作的高级经理Akihiro Okazaki说，“但在商业开发阶段之前，我们将在阵列中使用数百个天线。因此，我们估计测量时间能够减少到不到一毫秒。”

Taira说，为了识别图像中的刀或枪等隐藏物体，他们正在研究已经在光学安全摄像头系统中使用的人工智能和机器学习图像识别技术。Taira表示：“这项技术与我们想要的类似，尽管它还需要修改。” 他说，根据应用程序的不同，该系统将通过使用音频或视觉警告系统自动通知操作员。

三菱电机对运动物体的虚拟聚焦成像使用了来自一个方向的单次照射，这让该系统变得有趣。相比之下，传统的计算机断层扫描从不同的角度多次照射物体。

一次拍摄，一个方向的方案使用两步方法测量物体，然后虚拟地分析和重建它。首先，多输入多输出（MIMO）雷达信号从多个天线元件指向对象，并且反射信号由同样多的天线元件接收。Taira说：“因此，我们首先提取中频信号，以获得MIMO的信道状态信息（CSI）。”此过程使天线能够收集MIMO信号的已知特性，包括发送到计算机并存储在缓存中的功率和相位数据。

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第二个步骤在计算机内进行，使用数字信号处理器。DSP将扫描区域划分为称为体素的空间位置，体素具有可以估计的强反射增益。从CSI数据创建虚拟波束，以垂直、水平和逐层扫描体素的深度，进而由2D数据创建具有毫米精度的对象的3D图像，然后显示该3D图像。

Taira说：“这个运算需要大量的算术。但我们已经开发了一种基于傅立叶变换的快速计算方法，并将数量减少了几百倍。目前，这一过程大约需要20秒才能完成，但我们将在未来通过改进算法、使用[现场可编程门阵列]和图形处理单元将其减少到1秒。”

在一个穿过安全门的用例中，四个传感器天线单元将安装在任意位置，从不同角度多次拍摄对象的图像。Okazaki说：“这将消除步行过程中的盲点，我们认为步行需要1.5秒。”由于每个单元的功率只有200毫瓦左右，大约相当于一部手机，所以“不存在健康问题”。此外，Taira指出，太赫兹波的特性和效应通常被认为与毫米波的类似，毫米波的使用已经标准化。

Mittleman说：“像这样暴露在亚太赫兹辐射下的健康风险问题是一个值得讨论的话题。但有充分的理由相信，它甚至比暴露在较低频率的电磁波下更安全，例如手机或Wi-Fi基站中使用的电磁波，这些电磁波在低功率水平下被认为是安全的。在较高的频率下，对活组织的穿透深度要小得多。”

三菱电机也将该技术应用于生产线检测。但研究人员一致认为，要想与现有的X射线安全系统成功竞争，除了实现其速度和小型化目标外，他们还必须使该系统具有成本效益。这在今天是不可能的。然而，正如Taira所指出的，到2030年之前，当他们预计能够将其成像系统商业化时，包含太赫兹频率的6G蜂窝服务应该开始推出了，因此太赫兹设备将更加丰富，价格也更具竞争力。