用于安检的被动毫米波双通道同步成像系统及其成像方法与流程

本发明属于毫米波成像、安检等技术领域，涉及一种成像系统，具体涉及一种用于人体安检的w波段被动毫米波双通道同步成像系统。

背景技术

现如今安防形势严峻，人们对安检系统的安全性、可靠性和智能化都提出了更高的要求。现在安检部门主要使用x射线安检仪检测行李中的违禁品，安检检测能力强，可获得分辨率较高的透视图像，但x射线的电离作用对人体危害较大，不能用来检测人身上隐藏的违禁品。即使当前存在低辐射剂量的x光机，但其依然不容易被公众接受。比如安徽某安防公司生产的所谓“弱光子”人体安检仪其实质就是利用低剂量的x射线对人体进行安检成像，2016年4月份开始先后在成都东火车站和成都双流国际机场投入使用，但是一经相关专家批露举报，随即引起了民众恐慌，2016年10月10日被国家环保部以加急文件的形式责令立即停用。

使用金属检测器，可以检测人身上是否有金属物品，但不能检测金属物品的形状，无法判断是否是安全的金属品，比如假肢中有金属成份，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，并且金属检测器需要检测对象配合，效率太低。

由于被动毫米波成像技术在检测人身上隐藏的武器等方面具有得天独厚的优势，所以近年来毫米波成像技术用于安检成了一个研究热点。被动式毫米波成像技术是通过检测目标自身的毫米波辐射能量差异进行对比成像，不需要辐射源，对人体绝对安全，并且衣物等纺织品对毫米波几乎无遮挡作用，所以适用于对人体进行安检成像。根据成像体制的不同，被动毫米波成像技术主要分为以下四种：

一是相控阵成像技术，利用电子扫描代替机械扫描。相控阵天线由二维阵列单元组成，每个接收单元都与一个移相器相连，通过控制接收单元的相位和幅度，实现天线波束视域。该技术的优点是，系统体积较小，成像速度很快，能够实现实时成像。但是天线结构复杂，较难实现一个高分辨率的系统，用于被动成像目前研究较少，尚处于研发阶段。

二是合成孔径成像技术，利用部分相干原理将多个较小孔径的天线组合模拟一个大孔径天线的效果。例如日本的nec公司研制出了基于合成孔径成像的样机、德国宇航局研制出了地基和机载的ka波段和w波段综合孔径辐射计成像系统等。该方案技术相对成熟，但是需要多个接收单元组成稀疏阵列，设计成本和硬件成本依然很高。

三是焦平面阵列成像技术，通常采用抛物面天线或透镜天线聚焦，采用众多单元天线分布在焦平面上以及配合使用反射面结构对多目标区域的多点同时成像。典型的代表有美国millivision公司的vela125、x250、s350等型号产品、lockheedmartin公司的pmmw成像仪样机和northropgrumman公司的焦平面成像仪等。该技术可以大大缩短成像时间，但是系统复杂度较高，并且采用焦平面阵列作为接收单元，动辄上千毫米波接收单元，使得硬件成本十分昂贵，目前还说很难推广。

四是传统的机械扫描成像技术，是比较原始的毫米波辐射成像方式。该种方式采用波束宽度比较窄的天线作为接收机，依靠机械运动扫描整个场景来获取场景的图像。例如美国millivision公司的单通道扫描成像系统、乌克兰国家超导无线电研究中心研制的8mm波段成像系统等。常见的扫描方式以行列扫描为主，扫描过程中需要不断地加速减速，成像时间较长，并且分辨率较低；或有改进方式，采用一维电扫另一维机械扫描的方式，加速了成像时间，但是需要采用多个接收机排成阵列，大大增加了系统成本。该体制的优点是，原理简单，成本相对较低，如果在成像方式上有所改进，使成像时间降低，在一些不需要实时成像的场合进行人体安检成像则是相当适用的。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有人体安检方式存在的不足，提供一种用于人体安检的w波段被动毫米波双通道同步成像的安检系统。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种用于人体安检的w波段被动毫米波双通道同步成像系统，包括光滑金属反射面1、卡塞格伦天线2、辐射计3、纵向转盘4、光纤传感器、水平转盘6、传感器挡片、接近开关801、802、数据采集单元9、计算机10、扫描控制单元11；

光纤传感器包括水平光纤传感器501和纵向光纤传感器502；

传感器挡片包括两个水平传感器挡片701、702、接近开关挡片703和纵向传感器挡片704、705；

光滑金属反射面1和两个纵向光纤传感器挡片704、705固定在纵向转盘4上；纵向转盘4和卡塞格伦天线2分别同轴固定在水平转盘6的对侧；两个水平传感器挡片701、702和接近开关挡片703均固定在水平转盘6的侧面，用于控制水平方向转盘的起止位置和水平方向视场的有效区域；光滑金属反射面1以45°角固定在纵向转盘4上，其中心与卡塞格伦天线2的中心对齐；卡塞格伦天线2的馈源固定在卡塞格伦天线2的主反射面上；辐射计3的输入端和卡塞格伦天线2的馈源相连，输出端与数据采集单元9相连；数据采集单元9的输出端与计算机10相连进行数据处理和图像恢复；两个水平传感器挡片701、702外侧设置有水平光纤传感器501；两个纵向传感器挡片704、705外侧设置有纵向光纤传感器502；接近开关挡片703外侧设置有两个接近开关801、802；水平转盘6和纵向转盘4分别由扫描控制单元11控制的两个伺服电机带动。

光滑金属反射面1把两侧通道观测场景各个方向辐射来的毫米波能量反射到卡塞格伦天线2的主反射面，通过卡塞格伦天线2聚焦于馈源，与馈源相连接的辐射计3就可以接收场景各个波束方向辐射进来的毫米波能量。

辐射计3为直接检波式w波段毫米波辐射计，其由第一lna级联单元301、第二lna级联单元302、检波器单元303和视频放大器单元304组成；其中卡塞格伦天线馈源与第一lna级联单元301相连，第一lna级联单元301与第二lna级联单元302相连，第二lna级联单元302与检波器单元303相连，检波器单元303与视频放大器单元304相连；观测场景的毫米波辐射能量经卡塞格伦天线2汇聚后，经过lna级联单元301、302放大、检波器单元/303检波，以及视频放大器单元304放大，输出与观测场景辐射的毫米波能量成线性关系的电压信号。

水平转盘4最大转动角度45°，纵向转盘转动角度为360°匀速转动，纵向成像视场可根据实际目标大小通过控制数据采集的时间进行灵活调整。

扫描成像的过程中，双通道待测目标分别位于系统的两侧。通过扫描控制单元11控制两个伺服电机带动水平转盘6和纵向转盘4按照设定好的转速同时转动，分别对目标场景的横向和纵向进行扫描。水平转盘6由一个水平方向转动的伺服电机控制，水平方向的转动最大角度由水平转盘上的接近开关挡片703和两个接近开关801、802控制，水平转盘6均速转动，每当接近开关挡片703转动到接近开关801或802位置时，便反向转动，如此往复。在水平转盘6转动过程中两个水平传感器挡片701、702依次经过水平光纤传感器501，先后产生两个脉冲信号，控制着两个通道目标场景图像数据采集的开始和结束(水平传感器挡片701、702对应的圆周角小于两个接近开关801、802对应的圆周角)。而两个通道的毫米波图像中每一列数据的采集则通过光滑金属反射面1转动过程中纵向光纤传感器502产生的脉冲信号进行延时采集实现。纵向传感器挡片704经过纵向光纤传感器502产生脉冲信号时标志着反射面刚好扫描到第一个通道目标场景，通过数据采集单元延时采集得到该通道目标场景中对应位置的一列像素数据；相同地，纵向传感器挡片705经过纵向光纤传感器502产生脉冲信号时标志着反射面刚好扫描到第二个通道目标场景，通过数据采集单元延时采集得到该通道目标场景中对应位置的一列像素数据，其中，延时时间均小于两个纵向光纤传感器产生脉冲信号的间隔。因此，光滑金属反射面1每转一周，数据采集单元便采集到两侧目标场景中各自对应位置的一列像素数据。由于水平转盘6和纵向转盘4都是匀速转动，所以采集到的每列数据对应着目标场景中高度相等、对齐排布且相互平行的一列列像素点。数据采集单元采集到的数据最终传输给计算机进行数据分离、翻转等相应处理，分别得到双通道毫米波图像。

本发明还公开了一种利用上述成像系统的成像方法：光滑金属反射面1沿轴心匀速转动，与其一起转动的两个纵向传感器挡片704、705依次经过纵向光纤传感器502，分别控制数据采集单元9对系统左右两个通道的目标场景进行数据采集，光滑金属反射面1转离目标场景即停止采集，等到下一次纵向光纤传感器502产生触发脉冲，水平转盘6刚好已转过一个水平方向上的偏移角度，再开始下一列的数据采集，直至整幅场景数据采集完成；根据采集数据做相应的算法处理得到双通道待测目标的灰度值或伪彩色值，在计算机10上呈现出两个通道同步扫描的毫米波图像。

本发明的有益效果是：

相对于现有技术中平动扫描过程中需要反复加速、减速，本发明所述的用于人体安检的w波段被动毫米波双通道同步成像系统利用直接检波式w波段毫米波辐射计，不需要本振，体积小，功耗低；兼顾系统成本和成像时间，采用了二维转盘螺旋扫描方式，只需要二维机械转盘匀速转动，有利于机械稳定性，并且扫描速度更快；对两个目标通道同步扫描，加倍提高了安检效率；本系统结构简单，稳定性高，扫描效率高，可以有效地同时检测出两个通道上人体身上隐藏的危险物品。

附图说明

图1为本发明所述系统的工作场景示意图；

图2为本发明所述系统的整体结构框图；

图3为本发明所述系统的侧视示意图；

图4为本发明所述系统的俯视示意图；

图5为本发明所述系统的直接检波式w波段毫米波辐射计结构示意图；

图6为本发明所述系统实现对双通道目标同步扫描的示意图；

图7为本发明所述系统对目标平面的扫描轨迹示意图；

图8为本发明所述系统对两侧通道内分别携带金属枪支和金属刀具的目标人体进行扫描成像的效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例提供一种用于人体安检的w波段被动毫米波双通道同步成像的安检系统，其工作场景示意图如图1所示，整体结构框图、侧视示意图和俯视示意图分别如图2、图3和图4所示，包括光滑金属反射面1、卡塞格伦天线2、辐射计3、纵向转盘4、光纤传感器、水平转盘6、传感器挡片、接近开关801、802、数据采集单元9、计算机10、扫描控制单元11；

光纤传感器包括水平光纤传感器501和纵向光纤传感器502；

传感器挡片包括两个水平传感器挡片701、702、接近开关挡片703和纵向传感器挡片704、705；

卡塞格伦天线2的口径为300mm；

光滑金属反射面1和两个纵向光纤传感器挡片704、705固定在纵向转盘4上；纵向转盘4和卡塞格伦天线2分别同轴固定在水平转盘6的对侧；两个水平传感器挡片701、702和接近开关挡片703均固定在水平转盘6的侧面，用于控制水平方向转盘的起止位置和水平方向视场的有效区域；光滑金属反射面1以45°角固定在纵向转盘4上，其中心与卡塞格伦天线2的中心对齐；卡塞格伦天线2的馈源固定在卡塞格伦天线2的主反射面上；辐射计3的输入端和卡塞格伦天线2的馈源相连，输出端与数据采集单元9相连；数据采集单元9的输出端与计算机10相连进行数据处理和图像恢复；两个水平传感器挡片701、702外侧设置有水平光纤传感器501；两个纵向传感器挡片704、705外侧设置有纵向光纤传感器502；接近开关挡片703外侧设置有两个接近开关801、802；水平转盘6和纵向转盘4分别由扫描控制单元11控制的两个伺服电机带动。

光滑金属反射面1把两侧通道观测场景各个方向辐射来的毫米波能量反射到卡塞格伦天线2的主反射面，通过卡塞格伦天线2聚焦于馈源，与馈源相连接的辐射计3就可以接收场景各个波束方向辐射进来的毫米波能量。

辐射计3为直接检波式w波段毫米波辐射计，其结构示意图如图5所示，由第一lna级联单元301、第二lna级联单元302、检波器单元303和视频放大器单元304组成；其中卡塞格伦天线2的馈源与第一lna级联单元301相连，第一lna级联单元301与第二lna级联单元302相连，第二lna级联单元302与检波器单元303相连，检波器单元303与视频放大器单元304相连；观测场景的毫米波辐射能量经卡塞格伦天线2汇聚后，经过lna级联单元301、302放大、检波器单元/303检波，以及视频放大器单元304放大，输出与观测场景辐射的毫米波能量成线性关系的电压信号。

水平转盘4最大转动角度45°，纵向转盘转动角度为360°匀速转动，纵向成像视场可根据实际目标大小通过控制数据采集的时间进行灵活调整。

如图1和图6所示，扫描成像的过程中，双通道待测目标分别位于系统的两侧。通过扫描控制单元11控制两个伺服电机带动水平转盘6和纵向转盘4按照设定好的转速同时转动，分别对目标场景的横向和纵向进行扫描。水平转盘6由一个水平方向转动的伺服电机控制，水平方向的转动最大角度由水平转盘上的接近开关挡片703和两个接近开关801、802控制，水平转盘6均速转动，每当接近开关挡片703转动到接近开关801或802位置时，便反向转动，如此往复。图4中a、b分别为水平转盘正反向转动到最大角度的位置。在水平转盘6转动过程中两个水平传感器挡片701、702依次经过水平光纤传感器501，先后产生两个脉冲信号，控制着两个通道目标场景图像数据采集的开始和结束(水平传感器挡片701、702对应的圆周角小于两个接近开关801、802对应的圆周角)。而两个通道的毫米波图像中每一列数据的采集则通过光滑金属反射面1转动过程中纵向光纤传感器产生的脉冲信号进行延时采集实现。图6为纵向转盘4和光滑金属反射面1每转一周的过程中，实现对双通道目标同步扫描的示意图，其中o为纵向转盘的中心，d为纵向转盘中心到目标平面的水平距离,θ为目标平面的纵向扫描视角宽度(由数据采集时间决定)。纵向传感器挡片704经过纵向光纤传感器502产生脉冲信号时标志着反射面刚好扫描到第一个通道目标场景，通过数据采集单元延时采集得到该通道目标场景中对应位置的一列像素数据；相同地，纵向传感器挡片705经过纵向光纤传感器502产生脉冲信号时标志着反射面刚好扫描到第二个通道目标场景，通过数据采集单元9延时采集得到该通道目标场景中对应位置的一列像素数据，其中，延时时间均小于两个纵向光纤传感器产生脉冲信号的间隔。因此，光滑金属反射面1每转一周，数据采集单元9便采集到两侧目标场景中各自对应位置的一列像素数据。由于水平转盘6和纵向转盘4都是匀速转动，所以采集到的每列数据对应着目标场景中高度相等、对齐排布且相互平行的一列列像素点。图7为每次扫描过程中每个通道目标平面的扫描轨迹示意图，其中虚线表示对目标平面进行扫描和数据采集的轨迹。例如，两个水平传感器挡片701、702依次经过水平光纤传感器501的时间间隔为5s，两侧3m远处目标场景的宽度为1m，金属反射面的转速为8r/s，采集卡每列采集的数据为100个，对应3m远处目标场景的高度为2m，则完成一次扫描两侧通道均得到40列数据，每列数据100个，这40*100个数据便是对3m远处宽1m高2m目标场景的成像数据。数据采集单元采集到的数据最终传输给计算机进行数据分离、翻转等相应处理，分别得到双通道毫米波图像。图8为对扫描平台两侧通道分别站有携带金属枪支和金属刀具的两个目标人体进行扫描成像的效果图。

本实施例还公开了一种利用上述成像系统的成像方法：光滑金属反射面1沿轴心匀速转动，与其一起转动的两个纵向传感器挡片704、705依次经过纵向光纤传感器502，分别控制数据采集单元9对系统左右两个通道的目标场景进行数据采集，光滑金属反射面1转离目标场景即停止采集，等到下一次纵向光纤传感器502产生触发脉冲，水平转盘6刚好已转过一个水平方向上的偏移角度，再开始下一列的数据采集，直至整幅场景数据采集完成；根据采集数据做相应的算法处理得到双通道待测目标的灰度值或伪彩色值，在计算机10上呈现出两个通道同步扫描的毫米波图像。

本发明的成像原理如下：

自然界中温度高于绝对零度的物体会自射击辐射电磁波，辐射的电磁波能量分布在广阔的电磁波频率范围绕中，其中在毫米波频率f附近带宽为δf的范围内，物体单位体积自身辐射的毫米波能量大小为：

其中物理符号含义为：

ρ——物体的发射率，介于0与1之间，黑体的发射率为1，金属的发射率为0。

k——玻尔兹曼常数，为1.38054×10^-23j/k。

t——物体的物理温度。

c——光速，为299792458m/s。

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能量，还会反射照在其上的毫米波能量，透射其后方物体辐射的毫米波能量，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：

te＝ρt0+rti+ttb(2)

其中，r——物体的反射率

ti——环境照射温度

t——物体的透射率

tb——背后物体的辐射温度

不同材质的物体由于发射击率、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(ρ＝0，r＝1)，人体大多吸收毫米波(ρ＝0.5～0.9，r＜0.5)，而衣服则主要让毫米波透射(t＝0.6～0.9)；被动毫米波人体安检成像正是基于这一特性实现的。

辐射计接收场景辐射的毫米波能量，并把其转换成电压输出，输出的电压为：

vd＝cgrf(ps+pm)(3)

其中，grf为lna级联单元增益，c为检波管灵敏度，ps为辐射计收到的毫米波信号功率，prn为辐射计本身的噪声功率。

综上所述，本发明提出的用于人体安检的w波段被动毫米波双通道同步成像系统兼顾了系统成本和成像时间，采用二维转盘螺旋扫描方式，即通过水平和纵向两个转盘同时匀速转动进行二维扫描，其中纵向转盘和卡式天线是同轴心一起固定在水平转盘上的，卡塞格伦天线接收到纵向转盘上光滑金属板反射的目标场景的毫米波辐射能量，传递给毫米波辐射计；利用直接检波式w波段毫米波辐射计，不需要本振，体积小，功耗低；对两个目标通道同步扫描，加倍提高了安检效率。本系统结构简单，稳定性高，扫描效率高，可以有效地同时检测出两个通道上人体身上隐藏的危险物品。

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。