物理

毫米波被動影像雷達讓金屬無所遁形

毫米波被動影像雷達在不主動發射電磁波的狀況下,藉由偵測物體的自體輻射溫度,檢測物質「體溫」,讓歹徒隨身藏匿的刀槍顯現,提升公共場所的大眾安全。

撰文/呂怡貞
審稿/鍾世忠(交通大學電機系教授)

物理

毫米波被動影像雷達讓金屬無所遁形

毫米波被動影像雷達在不主動發射電磁波的狀況下,藉由偵測物體的自體輻射溫度,檢測物質「體溫」,讓歹徒隨身藏匿的刀槍顯現,提升公共場所的大眾安全。

撰文/呂怡貞
審稿/鍾世忠(交通大學電機系教授)

  許多人或多或少有這樣的經驗:通過機場海關時,忘記拿出口袋中的隨身金屬物品如硬幣、鑰匙等,引發金屬探測門鳴聲大作,安檢人員為求謹慎,還會進一步用手持式金屬探測器確認物品位置,不但尷尬,也耽誤其他旅客的通關速度。這種金屬探測器只能感測有無金屬存在,卻無法得知個別金屬物的外觀。若使用「毫米波被動影像雷達」,不僅可分辨人體、金屬、空氣等不同物質,還可描繪物體形狀卻不會顯示人體構造細節,避免個人隱私問題,目前已應用在一些歐美國家的機場。


毫米波被動影像雷達能夠清楚描繪物體形狀,適合發展應用在安全檢查領域。(影像來源:達華國際股份有限公司)


  一般雷達大多為「主動式雷達」,顧名思義就是指會主動發射出電磁波訊號、再藉由分析探測物反射電磁波的情形而判斷探測物所在方向與位置等各項資訊。被動式雷達則不主動發出電磁波,只純粹被動接收物體發出的電磁波。相較於主動式雷達的探測方式(如發射輻射能量高的X光),以及傳統的金屬探測器需要讓受測者或受測物經過磁場環境,被動式雷達可大幅降低受測者暴露於電磁波的機會。

  自然界的物質會「自體輻射」出電磁波,該電磁波的波長範圍和輻射量會隨著物質的物理和化學特性而不同,只要選擇觀測特定波長的電磁波,並接收該物與周圍環境所發出的輻射能量差異(量測儀器接收到的功率),再轉換成電壓,就可對應出物體的亮度溫度(簡稱亮溫,brightness temperature,註)。

  在連續光譜的界定上,一般來說,紅外光頻率為300~4×105GHz,毫米波頻率為30~300GHz(波長1~10毫米),微波則在3GHz~30GHz的頻段。人體的自體輻射光譜範圍主要集中在紅外光頻段,但也會輻射出微量的微波與毫米波。偵測旅客隨身物品的被動式雷達主要是偵測毫米波,因為相較於紅外光,毫米波的穿透性佳,偵測精確性高;而和微波相比,毫米波的波長較短,能夠提供較佳的解析度,細微分辨目標物的形狀,所以可稱做「影像雷達」(或稱輻射計)。

  而偵測微波的「微波輻射計」,主要是裝設在衛星上;微波與部份毫米波段對於水汽的穿透性高、在大氣中能量衰減小,以衛星觀測時不會因為空中雲霧濃密而阻擋了訊號傳送,有助於了解地表水汽作用,因此適合做為彌補光學影像儀器不足的氣象預報判斷輔助工具,或有利於颱風豪雨時探勘災情。另外,紅外光雷達也可運用在氣象上,例如中央氣象局網站內就有以紅外光偵測台灣上方雲層分佈的衛星雲圖;但缺點是,當大氣中水氣含量過高時,會吸收紅外光而影響觀測,也就是必須在晴朗的天氣下才能清楚看到台灣。

  被動式雷達是藉由接收探測物的自體輻射亮溫、此物反射周圍環境輻射出的電磁波亮溫,以及背後物體所發出穿透此物的電磁波亮溫,這三項輻射能量依不同比例的總合。不同物質會有個別的放射率(即自體輻射係數)、反射率與透射率,根據能量守恆定律,這三項係數的總和會等於1(見下圖)。

  再者,即便是相同物質,對於不同頻率的電磁波也會有不同的自體輻射係數(見下表)。不過在相同頻率下,自體輻射係數則是固定,其他兩項係數則視不同狀況而異,如反射率會隨觀測角度不同而改變,或者待測物若是高密度組成的物質,背後物體的輻射便不易穿透該物。

  基於以上特性,只要根據欲探測物質的輻射特性,選擇適合接收的探測頻段,就可藉由設計精良的輻射計得到良好的觀測結果。


毫米波被動影像雷達是輻射計的一種,利用觀測待測物的自體輻射、周遭環境反射與背後物體透射的亮溫總合(三項亮溫係數總合等於1),進一步描繪出物體形態。(電腦繪圖:姚裕評)


  而在毫米波被動影像雷達方面,考慮的是金屬的自體輻射係數在不同頻段均幾近於0,加上輻射穿透率也接近0,所以顯示的都是反射周遭環境亮溫(即室內亮溫);人體的穿透率也接近0,但自體輻射係數很高,因此可忽略反射亮溫。如此便能得到人體自體輻射亮溫和隨身金屬物品反射室內亮溫的輻射溫度圖像,圖像顯示的亮溫差異可將人體形狀與金屬物品形狀一覽無遺,應用於協助安全檢查是很好的利器。

  近20年來高頻電路元件製程與研發技術突飛猛進,國際間運用微波與毫米波發展影像雷達技術十分蓬勃,台灣也有團隊投入研發行列,相信未來毫米波被動影像雷達會有更多元的應用。


(資料來源:鍾世忠)



被動影像雷達探測頻段如何選擇?


  越高頻的電磁波因為波長越短,應用於被動影像雷達解析度越好,但考慮到越高頻的電磁波訊號衰減越快(但其中不同頻段也有其不同的特性,跟空氣分子組成與其造成的熱擾動有關,因此非絕對),以及高頻電路元件的技術門檻與成本高,因此還是要依據觀測目標的性質選擇適合的探測頻段。

  例如,60GHz毫米波容易被水汽與氧氣吸收,因此在空氣中傳輸一段距離後,能量多被水汽與氧氣消耗而變成熱能散逸,無法傳遠;而70GHz與90GHz則較不易被吸收,因此這附近的頻段是國際上常用做為影像雷達的重要頻段。而大氣對水汽所發出的微波輻射吸收能力很低,且水汽在23.8GHz微波的自體輻射率很高,所以23.8GHz是氣象輻射計常用的頻段。


(資料來源:鍾世忠)






註:所謂亮溫不是指冷熱(冷熱是人體主觀的感受,電磁波本身沒有溫感),而是指此物體輻射出的能量,會以絕對溫度表示。






延伸閱讀

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〈94GHz被動影像雷達 國內自行研發〉,呂怡貞撰文,科學EasyLearn網路版

Passive Millimeter Wave Detection Systems

中央氣象局 台灣衛星雲圖

〈以ALMA揭開宇宙的秘密〉,李名揚撰文,科學EasyLearn網路版

〈檢測生理訊號,都卜勒雷達來幫忙〉,呂怡貞撰文,科學EasyLearn網路版

〈機場安檢可防止恐怖攻擊?〉,比艾羅(David Biello)撰文,《科學人》2006年11月號

〈沈君山解說黑體輻射(一)〉,高涌泉撰文,《科學人》2011年12月號

高中選修科目《物理》