浅析太赫兹成像技术在消防领域中的应用前景_风闻

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。

烈火英雄剧照

消防机器人作为特种机器人的一种，在灭火和抢险救援中愈加发挥举足轻重的作用。各种大型石油化工企业、隧道、地铁等不断增多，油品燃气、毒气泄漏爆炸、隧道、地铁坍塌等灾害隐患不断增加。此类灾害具有突发性强、处置过程复杂、危害巨大、防治困难等特点，已成顽疾。消防机器人能代替消防救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行数据采集、处理、反馈，有效地解决消防人员在上述场所面临的人身安全、数据信息采集不足等问题。现场指挥人员可以根据其反馈结果，及时对灾情作出科学判断，并对灾害事故现场工作作出正确、合理的决策。

消防侦察机器人

现有的消防机器人，通常装备了光学、红外、气体、温度等摄像仪和传感器。这些传感器，技术上已经较为成熟，可以较好的获取火灾事故现场的各种信息，有效地帮助消防人员进行抢险救灾。

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，如果在消防机器人上装备太赫兹成像设备，在烟雾弥漫的火场中，探测性能会有很大的提升。

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，不适合安装在消防机器人上。

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。

罗德施瓦茨QPS 200安检仪与成像结果

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。

稀疏二维阵列等效示意图

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，非常适合消防机器人这种对安装空间要求苛刻的平台。

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，不适合安装在消防机器人平台上。不过考虑到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，在后方进行复杂的信号处理。

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照相机，未来随着技术水平的提升，再升级至主动式太赫兹摄像机，与现有的光学摄像机和红外摄像机可以完美融合。安装了主动式太赫兹摄像机的消防机器人，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。

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。