消防員可以說是和平年代，離死神最近的職業(yè)。2019年8月上映的電影《烈火英雄》，對此有著真實(shí)的刻畫。消防員面對高溫、黑暗、有毒和濃煙等危害環(huán)境時(shí)，如果沒有相應(yīng)的設(shè)備貿(mào)然沖進(jìn)現(xiàn)場，不僅不能完成任務(wù)，還會(huì)徒增人員傷亡。

烈火英雄劇照

消防機(jī)器人作為特種機(jī)器人的一種，在滅火和搶險(xiǎn)救援中愈加發(fā)揮舉足輕重的作用。各種大型石油化工企業(yè)、隧道、地鐵等不斷增多，油品燃?xì)?、毒氣泄漏爆炸、隧道、地鐵坍塌等災(zāi)害隱患不斷增加。此類災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、處置過程復(fù)雜、危害巨大、防治困難等特點(diǎn)，已成頑疾。消防機(jī)器人能代替消防救援人員進(jìn)入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險(xiǎn)災(zāi)害事故現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、反饋，有效地解決消防人員在上述場所面臨的人身安全、數(shù)據(jù)信息采集不足等問題?，F(xiàn)場指揮人員可以根據(jù)其反饋結(jié)果，及時(shí)對災(zāi)情作出科學(xué)判斷，并對災(zāi)害事故現(xiàn)場工作作出正確、合理的決策。

消防機(jī)器人

現(xiàn)有的消防機(jī)器人，通常裝備了光學(xué)、紅外、氣體、溫度等攝像儀和傳感器。這些傳感器，技術(shù)上已經(jīng)較為成熟，可以較好的獲取火災(zāi)事故現(xiàn)場的各種信息，有效地幫助消防人員進(jìn)行搶險(xiǎn)救災(zāi)。

火災(zāi)現(xiàn)場往往伴隨巨大的煙塵，光學(xué)與紅外攝像儀在這種情況下，探測距離會(huì)大打折扣。相比之下，太赫茲波的波長比紅外線或可見光的波長長，這意味著，太赫茲波幾乎不會(huì)因?yàn)橥ㄟ^灰塵、煙霧或類似介質(zhì)時(shí)被散射衰減，探測距離幾乎不受影響。

因此，如果在消防機(jī)器人上裝備太赫茲成像設(shè)備，在煙霧彌漫的火場中，探測性能會(huì)有很大的提升。

太赫茲成像分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式太赫茲成像技術(shù)較為簡單，但分辨率較差，而且容易受到外界環(huán)境因素干擾，因此不適合應(yīng)用在火災(zāi)現(xiàn)場。主動(dòng)式太赫茲成像按照成像原理，分為實(shí)孔徑成像和合成孔徑成像。

太赫茲實(shí)孔徑成像目前主要采用準(zhǔn)光體制，未來可能會(huì)發(fā)展到相控陣體制。準(zhǔn)光和相控陣的硬件架構(gòu)都較為復(fù)雜，而且占用空間較大，不適合安裝在消防機(jī)器人上。

太赫茲合成孔徑成像，當(dāng)前研究較多的是三維全息成像技術(shù)。三維全息成像技術(shù)已經(jīng)在毫米波安檢成像領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前處于技術(shù)領(lǐng)先的，是德國羅德施瓦茨的QPS200安檢儀。采用稀疏二維陣列，工作在77GHz，可以在不到10ms時(shí)間內(nèi)，完成掃描，實(shí)現(xiàn)三維全息成像。

羅德施瓦茨QPS 200安檢儀

羅德施瓦茨QPS 200安檢儀成像結(jié)果

稀疏二維陣列架構(gòu)由于采用了合成孔徑成像原理，只需要約四分之一的天線面積，就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)孔徑成像系統(tǒng)相同的方位向與高度向分辨率。

羅德施瓦茨提出的稀疏二維陣列架構(gòu)采用的是口字型面陣，基于等效陣元均勻分布，采用對稱布局結(jié)構(gòu)。2M個(gè)發(fā)射單元和2N個(gè)接收單元通過收發(fā)對組合，可以產(chǎn)生2M╳2N個(gè)邏輯等效陣元。

稀疏二維陣列等效示意圖

稀疏二維陣列硬件架構(gòu)較為簡單，可以通過開關(guān)陣列的方式實(shí)現(xiàn)。口字型面陣中空，可以方便的集成其他傳感器，非常適合消防機(jī)器人這種對安裝空間要求苛刻的平臺。

這一體制的主要缺點(diǎn)在于，由于采用合成孔徑成像體制，信號處理的計(jì)算量非常大。目前合成孔徑成像信號處理的主流硬件如DSP、FPGA、GPU，所需體積、功耗、熱耗都比較大，不適合安裝在消防機(jī)器人平臺上。不過考慮到消防機(jī)器人與后方控制端之間一般有高速無線數(shù)據(jù)鏈，因此可以將原始回波數(shù)據(jù)傳輸至后方，在后方進(jìn)行復(fù)雜的信號處理。

按照先易后難的步驟，一開始可以先在在消防機(jī)器人上裝備主動(dòng)式太赫茲照相機(jī)，未來隨著技術(shù)水平的提升，再升級至主動(dòng)式太赫茲攝像機(jī)，與現(xiàn)有的光學(xué)攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)可以完美融合。安裝了主動(dòng)式太赫茲攝像機(jī)的消防機(jī)器人，可以穿透煙塵、火焰，對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行三維成像，全面獲取現(xiàn)場信息，最大限度保障消防員的人身安全。

太赫茲相比紅外和可見光，即使是在高溫和煙霧彌漫的環(huán)境下，其傳播也不會(huì)受到太大影響，這一特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在消防領(lǐng)域。同時(shí)，太赫茲頻段，相比微波毫米波頻段，更容易實(shí)現(xiàn)大帶寬。預(yù)計(jì)未來，以太赫茲成像為代表的各類太赫茲技術(shù)(如太赫茲通信、太赫茲時(shí)域光譜物質(zhì)鑒別等)，將會(huì)在消防領(lǐng)域大有作為。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的合成孔径成像算法与实现_浅析太赫兹成像技术在消防领域中的应用前景的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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