使用微波成像进行安全检查的系统和方法

专利名称：使用微波成像进行安全检查的系统和方法
技术领域：
本发明涉及使用微波成像进行安全检查的系统和方法。
背景技术：
面对恐怖主义威胁的不断增长，在安全检查站检查人和其他物品是否携带有武器和其他类型违禁品的工作变得非常重要，所述安全检查站例如位于机场、音乐会、体育比赛、法庭、联邦政府、学校和其他类型的可能遭受恐怖袭击的公共和私人设施。目前在安全检查站处的传统安全检查系统包括由安检员、金属探测器和X射线系统所执行的物理检查，例如视觉和/或触觉检查。但是，由安检员执行的物理检查非常繁重、不可靠而且带有侵犯性。另外，金属探测器易于产生错误警报，并且不能检测非金属物体，例如塑料或液体炸药、塑料或陶瓷手枪或刀具以及毒品。此外，X射线系统会造成健康危害，尤其对于重复暴露于X射线辐射中的那些人，例如机场工作人员，并且X射线系统还无法检测某些材料/几何体，例如陶瓷刀具。
由于需要改善安全检查系统，因此已经提出了各种微波成像系统，以作为对现有系统的替代。微波辐射一般被定义为波长在无线电波和红外波之间的电磁辐射。微波辐射相对于X射线辐射的优点在于微波辐射是不电离的，因此在适中的功率电平上不会对人造成已知的健康危害。另外，在微波辐射的谱带上，大多数绝缘材料(例如衣服、纸张、塑料和皮革)都是几乎透明的。从而，微波成像系统能够穿透衣服而对被衣服所隐藏的物品进行成像。
目前，有若干微波成像技术可用。例如，一种技术响应于对目标的主动微波照射，使用微波探测器阵列来捕获由目标发射的被动微波能量或从目标反射回的反射微波能量。通过相对于物品的位置扫描(移动)探测器阵列，和/或调整被发射或检测的微波能量的频率(或波长)，从而构建人或其他物品的二维或三维图像。例如，由David M.Sheen等人所著的文章“Three-Dimensional Millimeter-Wave Imaging for Concealed WeaponDetection”(IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，Vol.49，No.9，2001年9月，第1581-1592页)描述了一种三维全息微波成像技术，该技术使用扫描条来机械地移动探测器的线性阵列，从而扫描物品或人。所产生的测量数据被用于重建物品的全息图像。但是，这样的扫描系统通常需要机械地移动部件，和/或在处理之后集中地重建图像，这两方面都会增加微波成像系统的成本和复杂性。
另一技术使用透镜将微波照射的波束聚焦在微波探测器的阵列上。这种技术例如在P.F.Goldsmith等人所著的文章“Focal Plane ImagingSystems for Millimeter Wavelengths”(IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques，Vol.41，No.10，1993年10月，第1664-1675页)中有所描述。但是，使用透镜来聚焦微波能量的微波成像系统通常具有有限的视场和很小的孔径尺寸。另外，在很多应用中，透镜系统的成本可能相当高。
因此，需要一种节约成本且简单的微波成像系统用于对人或其他物品进行安全检查，该系统不需要任何移动部件。

发明内容
本发明的实施例提供了一种安全检查系统，其包括人体对象能够步行通过的入口以及含天线元件阵列的扫描面板，天线元件可用各自的相位延迟来编程，从而朝着人体对象上的目标定向微波照射波束。天线元件还能够接收反射自目标的反射微波照射。处理器可操作来测量反射微波照射的强度，以确定人体对象的图像内的像素值。多个波束可以朝着人体对象或物品被定向以获得处理器用来构建图像的相应像素值。
在一个实施例中，所述阵列是包括多个反射天线元件的反射器天线阵列。微波源朝着天线元件发射微波照射，天线元件接着基于各自的编程相位延迟来反射微波照射，以朝着目标定向微波照射波束。
在另一实施例中，反射器天线阵列被配置为还接收反射自目标的反射微波照射，并且基于与反射天线元件中的每一个相关联的附加的各自的相位延迟，而朝着接收微波天线反射所述反射微波照射。
在另一实施例中，扫描面板包括两个或更多扫描面板，每个扫描面板用于成像人体对象的不同部分。所述两个或更多扫描面板可以被同时操作以同时获得两个或更多像素值。
在另一实施例中，扫描面板能够朝着人体对象上的不同目标同时定向具有不同频率的多个微波波束。
在另一实施例中，为了检查人和其他物品，安全检查系统包括用于提供微波照射的微波源；包括多个天线元件的反射器天线阵列，天线元件中的每一个都可用各自的相位延迟来编程，以朝着目标上的位置反射微波照射，并接收反射自目标上位置的反射微波照射；以及处理器，其可操作来测量反射微波照射的强度，以确定目标的图像内的像素值。
优点在于，本发明的实施例能够使用节约成本且简单的微波成像系统来成像隐藏对象，该微波成像系统不需要移动部件。此外，本发明提供除了上述实施例之外或替代上述实施例的具有其他特征和优点的实施例。从以下参考附图的描述中这些特征和优点中的许多将变得清楚。


下面将参考附图来描述所公开的发明，所述附图示出了本发明的示例性实施例，并且这些附图通过参考被并入到说明书中，其中图1是根据本发明实施例的简化示例性微波安全检查系统的示意图；图2是根据本发明实施例，在图1的检查系统中使用的简化示例性扫描面板的示意图；图3是根据本发明实施例，图2的扫描面板中的天线元件的横截面图；图4是根据本发明实施例，用于发射微波照射的示例性扫描面板的俯视图的示意图；图5是根据本发明实施例，照射人体对象上一个目标的示例性微波安全检查系统的示意图；图6是根据本发明实施例，照射人体对象上多个目标的示例性微波安全检查系统的示意图；图7是示出根据本发明实施例，在示例性微波安全检查系统中的每个扫描面板的覆盖区域的示意图；图8是根据本发明实施例，由微波安全检查系统产生的微波照射的各种可能波束的图形表示；图9是示出根据本发明实施例，使用不同微波天线和扫描面板进行发射和接收的示意图；图10是示出根据本发明实施例，使用其他微波天线和扫描面板进行发射和接收的示意图；图11是示出根据本发明实施例，用于执行对人体对象或其他物品的微波安全检查的示例性过程的流程图；以及图12示出了在发射/接收阵列中使用的示例性主动天线元件。
具体实施例方式
这里使用术语“微波辐射”和“微波照射”来表示波长在0.3mm和30cm(对应于频率约1GHz到1000GHz)之间的电磁辐射带。因此，术语“微波辐射”和“微波照射”每个都包括传统的微波辐射，也包括公知的毫米波辐射。
图1是根据本发明实施例的简化示例性微波安全检查系统10的示意图。微波安全检查系统10包括入口20，人体对象30能够步行穿过该入口20。入口20不包括任何移动部件，因此人体对象30可以以正常步幅在单个方向40上步行穿过入口20。通过使人体对象30能够步行穿过入口20，而使系统10的吞吐量最大化，同时还使人体对象30的不方便性最小化。在其他实施例中，入口20是物品(例如行李、皮包、公文包、膝上型电脑、袋子或其他类型的物品)可以穿过的区域。物品可以被放置在入口20中，或者在传送带上穿过入口20。
微波安全检查系统10还包括一个或多个扫描面板50以及一个或多个微波天线60。微波天线60中的每一个都能够发射微波辐射和/或接收微波辐射。在一个实施例中，扫描面板50中的一个或多个包括由反射天线元件构成的被动可编程反射器阵列。反射天线元件中的每一个都能够用各自的相位延迟编程，从而在朝着人体对象30的方向上和/或朝着微波天线60之一的方向上定向微波辐射。相位延迟可以是二元的或者连续的。
例如，在一个实施例中，微波天线60之一是被定位在预定空间位置上的接收微波天线60。通过用各自的相位延迟编程各个反射天线元件中的每一个，而朝着接收微波天线60反射由扫描面板50之一接收到的来自人体对象30上的目标位置的微波照射。发射微波天线60可以定位于与接收微波天线60相同的空间位置上，以作为分离的天线或接收微波天线的一部分，并且通过扫描面板50照射目标位置，或者发射微波天线60也可以定位于与接收微波天线60不同的空间位置上，并且直接或通过扫描面板50之一(例如与接收微波天线60相同或不同的扫描面板50)照射人体对象30上的目标位置。
在另一实施例中，扫描面板50中的一个或多个包括由主动天线元件构成的主动发射器/接收器阵列，这些主动天线元件能够产生和发射微波照射以及接收和捕获反射的微波照射。例如，主动阵列可以具有发射阵列的形式。在本实施例中，未使用微波天线60，因为扫描面板50充当微波辐射源。主动发射器/接收器阵列中的每个主动天线元件都可利用各自的相移来独立编程，从而使微波照射的波束朝着人体对象30上的目标位置前进。
微波安全检查系统10还包括处理器100、计算机可读介质110和显示器120。处理器100包括用于控制扫描面板50和微波天线60并处理从人体对象30反射回的被接收微波照射以构建人体对象30的微波图像的任意硬件、软件、固件或其组合。例如，处理器100可以包括被配置为执行计算机程序指令的一个或多个微处理器、微控制器、可编程逻辑器件、数字信号处理器或其他类型的处理设备，以及用于存储由处理器100所使用的指令和其他数据的一个或多个存储器(例如缓存)。但是应该理解，可以使用处理器100的其他实施例。存储器100是任意类型的数据存储设备，包括但不局限于硬盘驱动器、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘、软盘、ZIP驱动器、磁带驱动器、数据库或其他类型的存储设备或存储介质。
处理器100执行操作以编程扫描面板50中的每个单独的天线元件的相位延迟或相移，从而以微波辐射照射人体对象30上的多个目标位置，和/或接收来自人体对象30上的多个目标位置的反射的微波照射。这样，处理器100与扫描面板50协同工作以扫描人体对象30。
处理器100还能够通过使用由接收微波天线60从人体对象30上每个目标位置接收到的反射的微波照射的强度，来构建人体对象30的微波图像。每个接收微波天线60都能够将从扫描面板50之一中的每个天线元件反射的反射微波照射组合起来，从而产生在人体对象30上的目标位置处反射的微波照射的有效强度值。该强度值被传递到处理器100，处理器100使用该强度值作为与人体对象30上的目标位置相对应的像素值。
处理器100接收来自每个接收微波天线60的多个强度值，并且将强度值组合起来以产生人体对象30的微波图像。例如，处理器100使接收到的强度值与人体对象上的目标位置相关联，并且以接收到的强度值填充微波图像中的像素值。微波图像中被填充像素的位置对应于人体对象30上的目标位置。在操作中，微波安全检查系统10可以以每秒扫描人体对象30上数百万目标位置的频率进行操作。
所产生的人体对象30的微波图像可以从处理器100传递到显示器120，以显示人体对象30的微波图像。在一个实施例中，显示器120是二维显示器，其用于显示人体对象30的三维微波图像或者人体对象30的一个或多个二维微波图像。在另一实施例中，显示器120是三维显示器，其能够显示人体对象30的三维微波图像。
图2是根据本发明实施例，在图1的检查系统中使用的简化示例性扫描面板50的示意图。图2中的扫描面板50是反射器天线阵列，其包括不同的反射天线元件200，这些反射天线元件以随其阻抗状态变化的相位来反射电磁辐射，正如美国专利申请号No.10/997,422(代理卷号No.10040151)中所描述的。理想情况是，当其阻抗相对较高时，反射天线元件200以180度相移(二元相移)来反射电磁辐射。反射天线元件200可以被独立控制，并且反射器天线阵列通常由驱动器电子设备(图2中未示出)所支持。反射器天线阵列被形成在基板(例如印刷电路板)上和/或基板中。在一个示例中，反射器天线阵列具有大约1平方米的表面积，并且被排列成行210和列220的10000到100000个可独立控制的反射天线元件200所覆盖。
每个反射天线元件200都包括天线和非理想开关器件。天线用来将电磁辐射的波束吸收或反射到随反射天线元件200的阻抗水平变化的程度。可以结合到反射器天线阵列中的示例性天线类型包括片状、偶极、单极、环形和介质振荡器类型的天线。在反射器天线阵列应用中，天线通常被形成在反射器天线阵列基板表面上的单个平面中。天线具有阻抗特性，该阻抗特性是天线设计参数的函数。天线的设计参数包括但不局限于这样的物理属性，例如绝缘材料的构成、绝缘材料的厚度、天线的形状、天线的长度和宽度、馈源位置以及天线金属层的厚度。
非理想开关器件通过改变其电阻状态来改变反射天线元件200的阻抗状态。低电阻状态(例如闭合或“短路”电路)表示低阻抗。相反，高电阻状态(例如开路电路)表示高阻抗。具有理想性能特性的开关器件(这里被称为“理想”开关器件)在其电阻处于其最低状态时产生有效的零阻抗(Z＝0)，并且在其电阻处于其最高状态时产生有效的无穷大阻抗(Z＝∞)。如这里所述，当其阻抗处于最低状态时(例如Zon＝0)开关器件为“开”，并且当其阻抗处于最高状态时(例如Zoff＝∞)开关器件为“关”。由于理想开关器件的开和关阻抗状态是有效的Zon＝0和Zoff＝∞，因此理想开关器件能够在开和关状态之间不吸收电磁辐射的情况下提供最大相移。就是说，理想开关器件能够提供在0度和180度相位状态之间的切换。在理想开关器件的情况下，最大相位-幅度性能可以利用表现出任意有限非零阻抗的天线来实现。
与理想开关器件相反，“非理想”开关器件是其开和关阻抗状态没有分别表现为Zon＝0和Zoff＝∞的开关器件。相反，非理想开关器件的开和关阻抗状态例如位于Zon＝0和Zoff＝4之间的某个位置。非理想开关器件可以在一定频率范围(例如＜10GHz)内表现出理想阻抗特性，而在其他频率范围(例如＞20GHz)内表现出高度的非理想阻抗特性。
由于非理想开关器件的开和关阻抗状态位于Zon＝0和Zoff＝4之间的某个位置，因此无论相应天线的阻抗如何，非理想开关器件都不一定提供最大相位状态性能，其中最大相位状态性能涉及在0和180度相位状态之间的切换。根据本发明，利用非理想开关器件的反射器天线阵列的天线被具体设计来提供最优相位性能，其中反射天线元件的最优相位状态性能是反射元件最接近0和180度相位-幅度状态之间的切换的那个点。在实施例中，为了实现最优相位状态性能，天线被配置为非理想开关器件的阻抗的函数。例如，天线被设计为使天线的阻抗是非理想开关器件的阻抗特性的函数。
此外，天线被配置为非理想开关器件处于开状态的阻抗Zon和非理想开关器件处于关状态的阻抗Zoff的函数。在特定实施例中，当天线被配置为使每个天线的阻抗与非理想开关器件处于开和关阻抗状态时的阻抗Zon和Zoff的平方根共轭时，反射元件的相位状态性能被最优化。具体而言，每个天线的阻抗是相应非理想开关器件的开和关阻抗状态Zon和Zoff的几何平均值的复共轭。这种关系表示如下Zantenna*=ZonZoff---(1)]]>上述关系是使用公知的用于源阻抗和负载阻抗之间的复反射系数的公式而导出的。在将源选为天线并且将负载选为非理想开关器件时，将开状态发射系数设置为等于关状态反射系数的相反数而得到等式(1)。
设计表现出最优相位-幅度性能的天线包括确定在反射天线元件200中使用的特定非理想开关器件的开和关阻抗Zon和Zoff。然后，利用天线的设计参数来产生其阻抗与上述等式(1)中所示关系相匹配的天线。只要Zon和Zoff被确定为不同值，就可以设计出满足等式(1)的天线。
在感兴趣的频带上表现出非理想阻抗特性的开关器件的类型包括低成本的表面贴装器件，例如表面贴装的场效应晶体管(FET)和表面贴装的二极管。虽然表面贴装的FET在感兴趣的频带上表现出非理想阻抗特性，但是其相对比较便宜，并且可以被单独封装以用于反射器天线阵列应用。
在一个实施例中，反射器天线阵列中的天线是平面片状天线。图3是根据本发明实施例的天线元件200的横截面图，该天线元件200利用平面片状天线320A，并且以表面贴装的FET 322作为非理想开关器件。反射天线元件200被形成在印刷电路板基板314上，并且包括表面贴装的FET322、片状天线320A、漏极过孔332、接地层336和源极过孔338。表面贴装的FET 322被贴装在印刷电路板基板314上与平面片状天线320A相反的一侧，并且接地层336位于平面片状天线320A和表面贴装的FET322之间。漏极过孔332将表面贴装的FET 322的漏极328连接到平面片状天线320A，并且源极过孔338将表面贴装的FET 322的源极326连接到接地层336。在一个实施例中，使用自动的“拾取和放置(pick andplace)”过程将表面贴装的FET 322放置在印刷电路板基板314上，然后再将其波峰焊接到印刷电路板314。
在实用产品中，反射器天线阵列可连接到包括了驱动器电子设备的控制器板340。在图3中也示出了示例性控制器板340，并且该控制器板340包括接地层344、驱动信号过孔346以及驱动器电子设备342。控制器板340还包括与反射器天线阵列的连接器350兼容的连接器348。两块板上的连接器348可以例如使用波峰焊接而彼此连接。应该理解在其他实施例中，FET 322可以被表面贴装在印刷电路板基板314上与平面片状天线320A相同的一侧。另外，驱动器电子设备342可以被直接焊接到其中设置有反射天线元件200的同一印刷电路板上。
在利用FET作为非理想开关器件的反射器天线阵列中，可以实现的波束扫描速度依赖于多种因素，包括信噪比、串绕和切换时间。在FET的情况下，切换时间依赖于栅极电容、漏极-源极电容、以及沟道电阻(即漏极-源极电阻)。沟道电阻实际上是依赖于空间和时间的。为了使阻抗状态之间的切换时间最小化，FET的漏极一直都DC短接。漏极一直都DC短接的原因在于，由于片状天线的巨大平行板面积使得漏极悬浮会表现出很大的关状态沟道电阻以及很大的漏极-源极电容。这意味着天线是DC短接的，但是人们希望天线所见的唯一“rf短路”是在源极。因此，最好布置额外的天线/漏极短路，以使对天线的扰乱最小。
在其他实施例中，反射器天线阵列可以通过以可变电容器(例如钛酸锶钡(BST)电容器)取代FET而包括连续相移的天线元件200。利用加载了可变电容器的片状天线，可以使每个天线元件200实现连续相移，而不是由加载FET的片状天线所产生的二元相移。可以调整连续相位的阵列来提供任意所需相位，以便使微波波束朝着波束扫描图案中的任意方向前进。
在其他实施例中，扫描面板是包括主动天线元件的主动发射/接收阵列。在发射/接收阵列中使用的主动天线元件1200的示例在图12中示出，并且在共同待审且共同转让的美国专利申请No.10/997,583(代理卷号NO.10040580)中有所描述。主动天线元件1200是宽带二元相位天线元件，其包括连接到各自开关1215的天线1210。开关1215例如可以是单刀双掷(SPDT)开关或双刀双掷(DPDT)开关。开关1215的操作状态控制各自天线元件1200的相位。例如，在开关1215的第一操作状态中，天线元件1200可以处于第一二元状态(例如0度)中，而在开关1215的第二操作状态中，天线元件1200可以处于第二二元状态(例如180度)中。开关1215的操作状态限定了开关1215的端子连接。例如，在第一操作状态中，端子1218可以处于关闭(短路)位置，以连接天线1210和开关1215之间的馈电线1216，而端子1219可以处于打开位置。每个开关1215的操作状态由控制电路(未示出)独立控制，以独立设置每个天线元件1200的相位。
这里所使用的术语“对称天线”1210表示如下天线该天线可以在两个馈电点1211或1213中的任意一个处被分接或馈电，以创建两种反对称场分布或电流之一。如图12所示，两种反对称场分布是通过使用对称天线1210而产生的，该对称天线1210在形状上关于其镜像轴1250对称。镜像轴1250穿过天线1210，以产生对称的两侧1252和1254。馈电点1211和1213位于天线1210的镜像轴1250的两侧1252和1254中的任意一侧。在一个实施例中，馈电点1211和1213位于关于镜像轴1250基本对称的天线1210上。例如，镜像轴1250可以平行于天线1210的一维1260(例如长、宽、高等等)，并且馈电点1211和1213可以位于这一维1260的中点1270附近。在图12中，馈电点1211和1213被示为位于镜像轴1250的每一侧1252和1254上的天线1210的中点1270附近。
对称天线1210能够产生两种反对称场分布，标注为A和B。场分布A的大小(例如功率)基本等于场分布B的大小，但是场分布A的相位与场分布B的相位相差180度。因此，场分布A在电子周期中的±180°处类似于场分布B。
对称天线1210经由馈电线1216和1217连接到对称开关1215。馈电点1211经由馈电线1216连接到对称开关1215的端子1218，并且馈电点1213经由馈电线1217连接到对称开关1215的端子1219。这里所使用的术语“对称开关”表示这样的SPDT或DPDT开关，其中该开关的两种操作状态关于端子1218和1219对称。
例如，如果处于SPDT开关的第一操作状态中，沟道α的阻抗为10Ω，而沟道β的阻抗为1kΩ，则在SPDT开关的第二操作状态中，沟道α的阻抗为1kΩ，并且沟道β的阻抗为10Ω。应该理解，沟道阻抗不需要是理想的开路或短路或者甚至不需要是真实的。另外，在沟道之间可能存在串扰，只要该串绕是状态对称的。一般，如果开关的S参数矩阵在开关的两种操作状态中(例如在两端子1218和1219之间)相等，则开关是对称的。
应该理解，可以使用其他类型的天线元件和扫描面板来发射、接收和/或反射去往和来自被扫描的人体对象或其他物品的微波照射。另外应该理解，可以使用多个扫描面板来扫描人体对象或其他物品的不同部分。例如，微波安全检查系统可以具有两个扫描面板，每个扫描面板都包括1m×1m的天线元件阵列，以用于扫描人体对象的一半。作为另一示例，微波安全检查系统可以具有四个扫描面板，每个扫描面板都包括0.5m×0.5m的天线元件阵列，这种天线元件阵列能够扫描人体对象的四分之一。
图4是根据本发明实施例，用于反射微波照射的示例性扫描面板50的俯视示意图。在图4中，从微波天线60发射的微波照射400被扫描面板50中的各个天线元件200所接收。天线元件200中的每一个都用各自的相位延迟编程，以朝着目标420定向反射的微波照射410。选择相位延迟，以在目标420处产生来自每个天线元件200的反射微波照射410的正干涉。理想情况是，调整每个天线元件200的相移，以在从源(天线元件200)到目标420的反射微波照射410的每条路径上都提供相同的相位延迟。
图5是根据本发明实施例，照射人体对象30上的一个目标420的示例性微波安全检查系统10的示意图。所示微波安全检查系统10包括四个扫描面板50a、50b、50c和50d以及四个微波天线60a、60b、60c和60d。为了找到人体对象30上的特定点(目标420)，从特定微波天线(例如微波天线60d)朝着特定扫描面板(例如扫描面板50d)辐射微波照射500。扫描面板50d中的天线元件中的每一个都用各自的相位延迟编程以反射微波照射500，并且朝着目标420定向所反射的微波照射510。这种相位延迟还将确保来自目标420的反射波朝着接收天线60d聚焦。
图6是根据本发明实施例，照射人体对象30上的多个目标420a和420b的示例性微波安全检查系统10的示意图。在图6中，从特定微波天线(例如微波天线60c)朝着特定扫描面板(例如扫描面板50c)辐射微波照射620。扫描面板50c中的天线元件中的每一个都用各自的相位延迟编程以反射微波照射620，并且朝着目标420a定向所反射的微波照射630。另外，从特定微波天线(例如微波天线60d)朝着特定扫描面板(例如扫描面板50d)辐射微波照射600。扫描面板50d中的天线元件中的每一个都用各自的相位延迟编程以反射微波照射600，并且朝着目标420b定向所反射的微波照射610。另外，虽然没有具体示出，但是每个扫描面板50c和50d中的天线元件可以交错，以例如朝着各自的微波天线60c和60d定向从目标420a和420b反射回的微波照射。通过每次操作多于一个扫描面板50a-50d，可以实现时间复用。
图7的示意图分别示出了根据本发明实施例，在示例性微波安全检查系统10中的每个扫描面板50a、50b、50c和50d的示例性覆盖区域700、710、720和730。每个扫描面板50a、50b、50c和50d的覆盖区域700、710、720和730分别包围人体对象30的不同部分。例如如图7所示，人体对象30被分成四个部分，并且每个扫描面板50a、50b、50c和50d的覆盖区域700、710、720和730分别包括这四个部分中的一个。这样，通过同时操作每个扫描面板50a、50b、50c和50d来实现微波图像的时间复用，以扫描人体对象30的四个部分中的全部。除了时间复用之外或者替代时间复用，每个扫描面板50a-50d以及每个微波天线60a-60d还可以被编程以提供频率复用，以便使用不同频率同时扫描人体对象30的四分之一中的多个目标。
图8是根据本发明实施例，由微波安全检查系统产生的微波照射的各种可能波束的图形表示。每个扫描面板50a和50b分别产生目标420处的微波照射的辐射图案800和810。每个辐射图案800和810代表具有特定波束宽度的微波照射的波束，该特定波束宽度用于确定图像分辨率，其中大的波束宽度产生差的分辨率。波束宽度依赖于微波照射的波长以及每个扫描面板50a和50b的尺寸和编程。
为了改善微波图像的分辨率，可以将不同的扫描面板50a和50b以及不同的微波天线60a和60b用于发射和接收。例如如图8所示，微波天线60a是发射微波天线，而微波天线60b是接收微波天线。发射微波天线60a朝着扫描面板50a发射微波照射。接着，扫描面板50a朝着目标420反射微波照射，以作为微波照射的波束800。从目标420反射回的微波照射作为微波照射的波束820被扫描面板50b接收，并且朝着接收微波天线60b被反射。利用每个微波波束800和810的波束宽度，可以将微波图像的分辨率缩小到两辐射图案800和810的交叉部分(或相乘部分)820。
图9是示出根据本发明实施例，使用不同微波天线和扫描面板进行发射和接收的示意图。在图9中，微波天线60a被用作发射微波天线，而微波天线60c被用作接收微波天线，以成像人体对象30前方的目标420。发射微波天线60a朝着扫描面板50a发射微波照射900。接着，扫描面板50a朝着目标420反射微波照射，以作为微波照射的波束910。从目标420反射回的微波照射作为微波照射的波束920被扫描面板50c接收，并且朝着接收微波天线60c被反射。
图10是示出根据本发明实施例，使用其他微波天线和扫描面板进行发射和接收的示意图。在图10中，微波天线60c被用作发射微波天线，而微波天线60d被用作接收微波天线，以成像人体对象30侧面的目标420。发射微波天线60c朝着扫描面板50c发射微波照射1000。接着，扫描面板50c朝着目标420反射微波照射，以作为微波照射的波束1010。从目标420反射回的微波照射作为微波照射的波束1020被扫描面板50d接收，并且朝着接收微波天线60d被反射。
图11是示出根据本发明实施例，用于执行对人体对象或其他物品的微波安全检查的示例性过程1100的流程图。最初，在框1110处，提供包括多个天线元件的反射器天线阵列。在框1120处，用各自的相位延迟编程每个天线元件。此后，在框1130处，由微波源用微波辐射照射反射器天线阵列，并且在框1140处，基于每个天线元件的已编程相位延迟，朝着人体对象或其他物品上的目标反射微波照射。在框1150处，反射器天线阵列接收从人体对象或其他物品上的目标反射的微波照射。
在框1160处，测量在反射器天线阵列处接收自人体对象或物品上的目标的反射微波照射的强度，以确定人体对象或物品的图像中的像素值。如果在框1170处人体对象或物品上存在更多目标要扫描，则用新的各自的相位延迟来重新编程天线元件，以在框1120处，朝着人体对象或物品上的新目标反射微波照射。一旦人体对象或物品上的所有目标都已被扫描，就在框1180处，从人体对象或物品上的每个目标(点)处测量的像素值中构建人体对象或物品的微波图像。
本领域技术人员将会意识到，本申请中描述的创造性概念可以在广大应用范围内被修改和变化。因此，专利主题的范围不应局限于所论述的具体示例性教导中的任何一种，而应该由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种安全检查系统，包括入口，人体对象能够步行通过该入口；包括天线元件阵列的扫描面板，所述天线元件中的每一个都可用各自的相位延迟来编程，从而朝着所述人体对象上的目标定向微波照射波束，所述天线元件还能够接收反射自所述目标的反射微波照射；以及处理器，其可操作来测量所述反射微波照射的强度，以确定由所述处理器构建的所述人体对象的图像内的像素值。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述阵列是反射器天线阵列，并且其中所述天线元件是反射天线元件。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述天线元件被配置为接收来自微波源的微波照射，并且基于各自的编程相位延迟来反射所述微波照射，以朝着所述目标定向所述微波照射波束。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述微波源是发射微波天线。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述反射器天线阵列还被配置为接收反射自所述目标的所述反射微波照射，并且通过以交错模式编程所述反射天线元件，而朝着接收微波天线反射所述反射微波照射。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述接收微波天线是所述发射微波天线。
7.如权利要求5所述的系统，其中所述反射器天线阵列包括第一反射器天线阵列和第二反射器天线阵列，所述第一反射器天线阵列被配置为朝着所述目标反射所述微波照射，而所述第二反射器天线阵列被配置为朝着所述接收微波天线反射所述反射微波照射。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述天线元件中的每一个都是二元相移的天线元件。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述天线元件中的每一个都包括以电信号与片状天线通信的非理想开关器件，所述片状天线被配置为所述非理想开关器件的阻抗的函数。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述反射天线元件中的每一个都是连续相移的天线元件。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述天线元件中的每一个都是加载了可变电容器的片状天线元件。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述扫描面板包括两个或更多扫描面板，每个扫描面板用于成像所述人体对象的不同部分。
13.如权利要求12所述的系统，其中扫描面板包括至少四个扫描面板，每个扫描面板用于成像所述人体对象上不同的四分之一部分。
14.如权利要求12所述的系统，其中所述两个或更多扫描面板被同时操作以获得两个或更多像素值。
15.如权利要求1所述的系统，其中所述阵列是主动发射/接收阵列。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述天线元件中的至少一部分关于其镜像轴对称，并且在所述镜像轴的任意一侧上都包括馈电点，所述馈电点能够在所述各自的对称天线元件中创建反对称场分布，所述反对称场分布相对于彼此是二元相移的。
17.如权利要求1所述的系统，其中所述扫描面板包括一个或多个扫描面板，其能够朝着所述人体对象上的不同目标同时定向具有不同频率的多个微波波束。
18.一种微波成像系统，包括用于提供微波照射的微波源；包括多个天线元件的反射器天线阵列，所述天线元件中的每一个都可用各自的相位延迟来编程，从而朝着目标上的位置反射所述微波照射，所述天线元件还能够接收反射自所述目标上位置的反射微波照射；以及处理器，其可操作来测量所述反射微波照射的强度，以确定由所述处理器构建的所述目标的图像内的像素值。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述微波源是发射微波天线。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述反射器天线阵列还被配置为接收反射自所述目标上位置的所述反射微波照射，并且基于与所述天线元件中每一个相关联的附加的各自的相位延迟，而朝着接收微波天线反射所述反射微波照射。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述接收微波天线是所述发射微波天线。
22.如权利要求20所述的系统，其中所述反射器天线阵列包括第一反射器天线阵列和第二反射器天线阵列，所述第一反射器天线阵列被配置为朝着所述目标上位置反射微波照射，而所述第二反射器天线阵列被配置为朝着所述接收微波天线反射所述反射微波照射。
23.如权利要求18所述的系统，其中所述天线元件中的每一个都是二元相移的天线元件。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述天线元件中的每一个都包括以电信号与片状天线通信的非理想开关器件，所述片状天线被配置为所述非理想开关器件的阻抗的函数。
25.如权利要求18所述的系统，其中所述反射天线元件中的每一个都是连续相移的天线元件。
26.如权利要求25所述的系统，其中所述天线元件中的每一个都是加载了可变电容器的片状天线元件。
27.如权利要求18所述的系统，其中所述反射器天线阵列包括两个或更多反射器天线阵列，每个反射器天线阵列用于成像所述目标的不同部分。
28.如权利要求27所述的系统，其中所述两个或更多反射器天线阵列被同时操作以获得两个或更多像素值。
29.如权利要求18所述的系统，其中所述反射器天线阵列能够朝着所述目标上的不同位置同时反射具有不同频率的多个微波照射波束。
30.一种安全检查方法，包括提供包括多个天线元件的反射器天线阵列，所述天线元件中的每一个都可用各自的相位延迟来编程；在所述反射器天线阵列处接收来自微波源的微波照射；基于所述天线元件中每一个的相位延迟，而朝着目标上的位置反射所述微波照射；在所述反射器天线阵列处接收反射自所述目标上位置的反射微波照射；测量所述反射微波照射的强度以确定像素；以及构建包括与所述目标上的多个位置相关联的多个像素值在内的图像。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述微波源是发射微波天线，并且所述方法还包括基于与所述天线元件中的每一个相关联的附加的各自的相位延迟，而朝着接收微波天线反射所述反射微波照射。
32.如权利要求30所述的方法，其中所述反射器天线阵列包括两个或更多反射器天线阵列，每个反射器天线阵列用于成像所述目标的不同部分，并且所述方法还包括同时操作所述两个或更多反射器天线阵列以获得两个或更多像素值。
33.如权利要求30所述的方法，其中所述反射步骤包括朝着所述目标上的不同位置同时反射具有不同频率的多个微波波束。
全文摘要
本发明公开了一种安全检查系统，其使用微波辐射来成像人体对象或其他物品上的目标。该系统包括天线元件的阵列，所述天线元件可用各自的相位延迟来编程，从而朝着人体对象或物品上的目标定向微波照射波束。天线元件还能够接收反射自目标的反射微波照射。处理器可操作来测量反射微波照射的强度以确定人体对象或物品的图像内的像素值。多个波束可以朝着人体对象或物品被定向，以获得处理器用来构建图像的相应像素值。
文档编号G01S13/89GK1779442SQ20051011428
公开日2006年5月31日 申请日期2005年10月21日 优先权日2004年11月24日
发明者伊扎克·巴哈拉夫, 罗伯特·C·塔巴尔, 格雷戈里·史蒂文·李, 约翰·斯蒂夫·考弗尔 申请人:安捷伦科技有限公司