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主动式和被动式3d扫描仪(3d结构光扫描仪)

主动式和被动式3d扫描仪(3d结构光扫描仪)

更新时间:2022-03-02 18:25:41

消防员可以说是和平年代,离死神最近的职业。2019年8月上映的电影《烈火英雄》,对此有着真实的刻画。消防员面对高温、黑暗、有毒和浓烟等危害环境时,如果没有相应的设备贸然冲进现场,不仅不能完成任务,还会徒增人员伤亡。

火灾现场往往伴随巨大的烟尘,光学与红外摄像仪在这种情况下,探测距离会大打折扣。相比之下,太赫兹波的波长比红外线或可见光的波长长,这意味着,太赫兹波几乎不会因为通过灰尘、烟雾或类似介质时被散射衰减,探测距离几乎不受影响。因此,可以考虑将太赫兹成像装置,制作成人体可穿戴式设备(集成在消防员的头盔或是背心上),或者安装在消防机器人上,实现对火场区域的有效探测成像。

太赫兹成像分为被动式和主动式。被动式太赫兹成像技术较为简单,但分辨率较差,而且容易受到外界环境因素干扰,因此不适合应用在火灾现场。主动式太赫兹成像按照成像原理,分为实孔径成像和合成孔径成像。

太赫兹实孔径成像目前主要采用准光体制,未来可能会发展到相控阵体制。准光和相控阵的硬件架构都较为复杂,而且占用空间较大,使用中限制较大。

太赫兹合成孔径成像,当前研究较多的是三维全息成像技术。三维全息成像技术已经在毫米波安检成像领域得到应用。目前处于技术领先的,是德国罗德施瓦茨的QPS200安检仪。采用稀疏二维阵列,工作在77GHz,可以在不到10ms时间内,完成扫描,实现三维全息成像。

稀疏二维阵列架构由于采用了合成孔径成像原理,只需要约四分之一的天线面积,就可以实现实孔径成像系统相同的方位向与高度向分辨率。

罗德施瓦茨提出的稀疏二维阵列架构采用的是口字型面阵,基于等效阵元均匀分布,采用对称布局结构。2M个发射单元和2N个接收单元通过收发对组合,可以产生2M╳2N个逻辑等效阵元。

稀疏二维阵列硬件架构较为简单,可以通过开关阵列的方式实现。口字型面阵中空,可以方便的集成其他传感器,非常适合制作成可穿戴设备,或者安装在消防机器人上。

这一体制的主要缺点在于,由于采用合成孔径成像体制,信号处理的计算量非常大。目前合成孔径成像信号处理的主流硬件如DSP、FPGA、GPU,所需体积、功耗、热耗都比较大,难以集成到便携式设备里。

按照先易后难的步骤,一开始可以先在在消防机器人上装备主动式太赫兹成像仪。消防机器人与后方控制端之间一般有高速无线数据链,因此可以将原始回波数据传输至后方,在后方进行复杂的成像信号处理。

安装了主动式太赫兹成像仪的消防机器人,可以穿透烟尘、火焰,对火灾现场进行三维成像,全面获取现场信息,最大限度保障消防员的人身安全。

未来随着太赫兹科技的发展,太赫兹成像仪实现便携式小型化,制作成可穿戴式设备,方便消防员携带,使得消防员有一双慧眼可以穿透烟尘,观察火场情况。

太赫兹相比红外和可见光,即使是在高温和烟雾弥漫的环境下,其传播也不会受到太大影响,这一特点,非常适合应用在消防领域。同时,太赫兹频段,相比微波毫米波频段,更容易实现大带宽。预计未来,以太赫兹成像为代表的各类太赫兹技术(如太赫兹通信、太赫兹时域光谱物质鉴别等),将会在消防领域大有作为。

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