专利名称：用于安检的毫米波成像系统及其成像方法
技术领域：
本发明属于安检技术领域，涉及一种成像系统，尤其涉及一种用于安检的毫米波 成像系统；另外，本发明还涉及上述毫米波成像系统的成像方法。
背景技术：
毫米波成像系统在很多领域都有应用，比如辅助飞机在雾中降落，检测人身上隐 藏的武器等。现在安检部门基本上使用X射线安检仪检测行李中的违禁品，由于X射线电 离作用对人体有危害，不能检测人身上隐藏的违禁品。而使用金属检测器只能检测人身上 是否有金属物品，不能检测金属物品的形状，无法判断是否是安全的金属品。比如假肢中有 金属的成分，也有可能其中藏有枪支，金属检测器不能把假肢中的金属和枪支区分开。另外 金属检测器需要检测对象配合，效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于安检的毫米波成像系统，可以有效 地检测出人身上隐藏的武器。 此外，本发明还提供一种上述毫米波成像系统的成像方法，可以有效地检测出人 身上隐藏的武器。 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案 —种用于安检的毫米波成像系统，所述系统包括毫米波匪IC接收机阵列、抛物面 天线、二维机械扫描转台和信号处理单元；所述毫米波匪IC接收机阵列与信号处理单元相 连接，所述毫米波匪IC接收机的馈源天线置于抛物面天线的焦平面上，所述毫米波匪IC接 收机阵列和抛物面天线均固定于二维机械扫描转台上。 作为本发明的一种优选方案，所述毫米波匪IC接收机阵列包括若干毫米波匪IC 接收机；所述毫米波匪IC接收机包括接收机馈源天线、毫米波波段低噪声放大器LNA级联 单元、检波器单元、视频放大器单元；观测场景辐射的毫米波能量被接收机馈源天线接收， 经过LNA级联单元放大、检波单元检波，以及视频放大单元放大，输出与观测场景辐射的毫 米波能量相对应的电压。 作为本发明的一种优选方案，所述接收机馈源天线前有匀速旋转的风扇切割天线 波束，风扇扇叶上贴敷吸波材料，使波束不断的在观测场景和扇叶之间切换，接收机输出交 流电压信号，匀速旋转的风扇起到外加机械调制的作用，风扇的转速也即调制的频率始终 位于视频放大器单元的通带中。 作为本发明的一种优选方案，所述抛物面天线把观测场景各个方向辐射来的毫米 波能量汇聚在天线焦平面上，在天线焦平面上固定了多个毫米波匪IC接收机馈源天线，接 收观测场景各个波束方向辐射进来的毫米波能量。 作为本发明的一种优选方案，所述机械扫描转台在步进电机驱动下，带动毫米波 匪IC接收机阵列和抛物面天线进行水平与俯仰方向的二维扫描，水平和俯仰扫描的两端起
3始位置，分别有光电传感器输出位置传感信号。 作为本发明的一种优选方案，所述信号处理单元通过单片机控制机械转台的二维 扫描运动，采集接收机阵列输出的视频信号，并传输给计算机进行信号处理，得到毫米波图 像。 —种上述用于安检的毫米波成像系统的成像方法，接收机阵列和抛物面天线在水
平方向转动；当经过传感器所在的位置时，传感器输出脉冲触发信号，信号采集过程开始；
每行扫描运动完成，该行数据采集停止，再改变俯仰角，采下一行数据，直至整幅场景数据
采集完成；根据交流信号的幅度转换成像素的灰度值，在计算机上做出图像。 本发明的有益效果在于本发明提出的用于安检的毫米波成像系统及其成像方
法，利用直接检波式毫米波匪IC接收机，不需要本振，体积小，功耗低；用了扇叶上贴着吸
波材料的风扇切割波束，放大产生的交流信号，去除了直流噪声；另外为了兼顾系统成本和
成像时间，采用了阵列扫描方式，即多个接收机天线放在抛物面天线的焦平面上，接收多个
波束方向辐射进来的毫米波能量，接收机阵列和抛物面天线固定在机械扫描转台上，多个
通道扫描成像。本系统结构简单，稳定性高，可以有效地检测出人身上隐藏的武器。
图1为本发明接收机的视频信号和传感器的采集触发信号的示意图。
图2为本发明优选实施例的结构示意图。
图3为本发明优选实施例的接收机结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一 请参阅图2，本发明揭示了一种用于安检的毫米波成像系统，所述系统包括毫米 波匪IC接收机阵列211-21N、信号处理单元22、抛物面天线23、机械扫描转台24。其中所 述的接收机阵列211-21N与所述的信号处理单元22相连接，所述的多个毫米波匪IC接收 机211-21N的馈源天线放在抛物面天线23的焦平面上，所述的毫米波匪IC接收机阵列 211-21N和抛物面天线23都固定在机械扫描转台24上。 如图3所示，所述接收机由毫米波匪IC接收机馈源天线31、 LNA级联单元32、检 波器单元33、视频放大器单元34组成，其中所述的接收机馈源天线31与所述的LNA级联单 元32相连，所述的LNA级联单元32与所述的检波器单元33相连，所述检波器单元33与所 述视频放大器单元34相连。观测场景的毫米波辐射能量经抛物面天线23汇聚后，被接收 机馈源天线31接收，经过LNA级联单元32放大、检波器单元33检波，以及视频放大器单元 34放大，输出与观测场景辐射的毫米波能量相对应的电压。 所述接收机天线前有扇叶上贴着吸波材料的风扇切割波束，使波束在成像场景和 吸波材料之间切换，接收机产生交流输出信号，频率位于视频放大单元通带中，构成了交流 辐射计，与直流辐射计相比，交流辐射计只放大场景和吸波材料之间的差值，去除了直流噪 声。图1为接收机的视频信号和传感器的采集触发信号的示意图。 所述抛物面天线23把成像场景各个方向辐射来的毫米波汇聚在焦平面上，在焦平面上固定了多个接收机天线，接收成像场景各个波束方向辐射进来的毫米波能量。
所述机械扫描转台24在步进电机驱动下，可以带动接收机阵列211-21N和抛物面 天线进行水平俯仰二维扫描，转到水平和俯仰角度范围两端时，有光电传感器输出位置传 感信号。转台24上还装有机械限位机构，把转台24可转动角度限制在一定的范围内。
所述信号处理单元22可以控制机械扫描转台运动，采集接收机阵列输出的视频
信号，并传输给计算机进行信号处理，得到毫米波图像。
本发明的成像的原理如下 自然界中温度高于绝对零度的物体会自身辐射电磁波，辐射的电磁波能量分布在
广阔的电磁波频率范围中，其中在毫米波频率f附近带宽为B的范围内，物体单位表面积自
身辐射的毫米波功率大小由普朗克公式可以得出
<formula>formula see original document page 5</formula>
(1)
其中其它物理符号含义为
尸,W
可见物体自身辐射的毫米波功率与物体的物理温度成正比，物体不仅自身辐射毫 米波，还反射照在其上的毫米波，透射背景辐射的毫米波，物体辐射的总的毫米波能量通常 可以用物体的有效辐射温度TE来衡量
k-
一物体的发射率，介于0与1之间，黑体的发射率为l，金属的发射率为0, -玻尔兹曼常数，为1. 38 X 10—23J/K。 -物体的物理温度。 -光速。
TE= "。+PVtTB 其中P——物体的反射率 Tl—环境照射温度 t——物体的透射率 TB——背景辐射温度
(2)
不同材质的物体由于发射率，反射率和透射率不同，呈现不同的有效辐射温度。例 如金属基本是反射环境照射温度(e = 0， P = 1)，人体大多吸收毫米波(e = 0. 5 0. 9， P < 0. 5)，而衣服则主要让毫米波透射(t = 0. 3 0. 8)。毫米波成像正是基于这一特性 能够得到的。 接收机射频前端接收场景辐射的毫米波能量，并把转换成电压输出，输出的电压 为 Vd = CGKF(Ps+Prn) (3) 其中，GKF为LNA级联单元增益，C(V/W)为检波管灵敏度，Ps为接收到的毫米波信 号功率，Prn为接收机本身的噪声功率。 本发明的工作过程如下所述的信号处理单元22根据要扫描的模式控制机械转 台24运动，同时风扇转动切割波束，毫米波匪IC接收机阵列211-21N产生交流视频信号， 每一行扫描经过传感器时会有触发脉冲，通知信号处理单元22开始采集这一行的数据，采 集时间为每行扫描运动时间，每行扫描结束改变俯仰角，开始下一行扫描过程，直至整个成像场景扫描结束，采集的视频信号在计算机上做图，视频信号每个周期作为一个像素点，其 幅值转换成灰度或伪彩色，这样便得到场景的毫米波图像。 以上介绍了本发明用于安检的毫米波成像系统的组成及成像原理，本发明在揭示 上述系统的同时，还揭示上述系统的成像方法；该方法包括如下步骤接收机阵列和抛物 面天线在水平方向转动；当经过传感器所在的位置时，传感器输出脉冲触发信号，信号采集 过程开始；每行扫描运动完成，该行数据采集停止，再改变俯仰角，采下一行数据，直至整幅 场景数据采集完成；根据交流信号的幅度转换成像素的灰度值，在计算机上做出图像。
综上所述，本发明提出的用于安检的毫米波成像系统及其成像方法，利用直接检 波式毫米波匪IC接收机，不需要本振，体积小，功耗低；用了扇叶上贴着吸波材料的风扇切 割波束，放大产生的交流信号，去除了直流噪声；另外为了兼顾系统成本和成像时间，采用 了阵列扫描方式，即多个接收机天线放在抛物面天线的焦平面上，接收多个波束方向辐射 进来的毫米波能量，接收机阵列和抛物面天线固定在机械扫描转台上，多个通道扫描成像。 本系统结构简单，稳定性高，可以有效地检测出人身上隐藏的武器。 这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例 中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实 施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明 的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、 材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进 行其它变形和改变。
权利要求
一种用于安检的毫米波成像系统，其特征在于，所述系统包括毫米波MMIC接收机阵列、抛物面天线、二维机械扫描转台和信号处理单元；所述毫米波MMIC接收机阵列与信号处理单元相连接，所述毫米波MMIC接收机的馈源天线置于抛物面天线的焦平面上，所述毫米波MMIC接收机阵列和抛物面天线均固定于二维机械扫描转台上。
2. 根据权利要求1所述的用于安检的毫米波成像系统，其特征在于 所述毫米波匪IC接收机阵列包括若干毫米波匪IC接收机；所述毫米波匪IC接收机包括接收机馈源天线、毫米波波段低噪声放大器LNA级联单 元、检波器单元、视频放大器单元；观测场景辐射的毫米波能量被接收机馈源天线接收，经过LNA级联单元放大、检波单 元检波，以及视频放大单元放大，输出与观测场景辐射的毫米波能量相对应的电压。
3. 根据权利要求1所述的用于安检的毫米波成像系统，其特征在于 所述接收机馈源天线前有匀速旋转的风扇切割天线波束，风扇扇叶上贴敷吸波材料，使波束不断的在观测场景和扇叶之间切换，接收机输出交流电压信号，匀速旋转的风扇起 到外加机械调制的作用，风扇的转速也即调制的频率始终位于视频放大器单元的通带中。
4. 根据权利要求1所述的用于安检的毫米波成像系统，其特征在于 所述抛物面天线把观测场景各个方向辐射来的毫米波能量汇聚在天线焦平面上，在天线焦平面上固定了多个毫米波匪IC接收机馈源天线，接收观测场景各个波束方向辐射进 来的毫米波能量。
5. 根据权利要求1所述的用于安检的毫米波成像系统，其特征在于所述机械扫描转台在步进电机驱动下，带动毫米波匪ic接收机阵列和抛物面天线进行水平与俯仰方向的二维扫描，水平和俯仰扫描的两端起始位置，分别有光电传感器输出 位置传感信号。
6. 根据权利要求1所述的用于安检的毫米波成像系统，其特征在于所述信号处理单元通过单片机控制机械转台的二维扫描运动，采集接收机阵列输出的 视频信号，并传输给计算机进行信号处理，得到毫米波图像。
7. —种权利要求1至6之一所述用于安检的毫米波成像系统的成像方法，其特征在于接收机阵列和抛物面天线在水平方向转动；当经过传感器所在的位置时，传感器输出脉冲触发信号，信号采集过程开始； 每行扫描运动完成，该行数据采集停止，再改变俯仰角，采下一行数据，直至整幅场景 数据采集完成；根据交流信号的幅度转换成像素的灰度值，在计算机上做出图像。
全文摘要
本发明揭示了一种用于安检的毫米波成像系统及其成像方法，所述系统包括毫米波MMIC接收机阵列、抛物面天线、二维机械扫描转台和信号处理单元；所述毫米波MMIC接收机阵列与信号处理单元相连接，所述毫米波MMIC接收机的馈源天线置于抛物面天线的焦平面上，所述毫米波MMIC接收机阵列和抛物面天线均固定于二维机械扫描转台上。本发明成像系统结构简单，稳定性高，可以有效地检测出人身上隐藏的武器。
文档编号G01S7/02GK101793963SQ20101010775
公开日2010年8月4日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者关福宏, 孙晓玮, 时翔, 杨明辉, 许杰 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所