一种便携式微波成像系统

本发明涉及安检成像技术领域，特别是涉及一种便携式微波成像系统。

背景技术：

现有主要安检方式是人工检查、金属检测仪器以及x光安检机。利用金属探测仪的人工检查方式存在效率低下的问题且因为肢体接触对个人隐私存在一定的侵犯可能，而x光由于电离特性，无法直接作用于人体。而毫米波安检成像不仅可以检测出织物下隐匿的金属物，还可以检测出塑料枪支、陶瓷刀具、炸药等危险品，对人体无电磁辐射危害。毫米波安检能获得清晰的图像信息，可大大地降低虚警率，因而近年来备受关注。

目前毫米波成像可以分为毫米波焦阵面成像和毫米波全息成像。其中毫米波焦阵面成像系统将二维阵列的毫米波探测器放置在大透镜后。该系统的分辨率相对较低、孔径小、视野有限且二维阵列成本较高。而毫米波全息成像系统无需透镜，采用电子开关和机械扫描，能大大减少所需的天线阵元，且天线孔径较大，具有实时性和高分辨率等特点。然而传统机械式传动结构对检测场景要求高，被测物体必须位于指定区域，扫描也存在固定轨道与角度，设备灵活度低，且存在一定的扫描死角；传统主动成像方法检测效率低下，平均单次扫描耗时过长，必须完成一次完整的机械运动才能进行图像重建，无法实时成像；且机械机构的运动精度以及抖动问题会带来空间采样的误差，在高频段时尤其明显，同时也会带来使用寿命以及维护的各种问题；最后，哪怕采用机械机构，一维雷达阵的造价仍然非常高昂，更不用说二维阵列。这也是目前毫米波安检设备成本高昂，没有大面积应用的原因。

技术实现要素：

本发明目的是针对现有安检技术中设备灵活度低、无法实时成像、扫描角度固定、扫描轨迹固定等问题，提供一种结构简单、实时成像的便携式微波成像系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种便携式微波成像系统，包括：手持式主动扫描仪和信息处理终端；

所述手持式主动扫描仪包括：

用于发射电磁波的射频收发器；

用于采集手持式主动扫描仪当前空间坐标的第一姿态传感器；

用于判断待探测物体是否处于射频收发器有效扫描范围的通断判断器；

以及，

用于将射频收发器接收到的待探测物体的回波信号，以及第一姿态传感器采集的手持式主动扫描仪空间坐标发送至信息处理终端的第一无线收发模块；

所述信息处理终端包括：

用于接收待探测物体的回波信号，以及主动扫描仪空间坐标的第二无线收发模块；

用于构建三维直角坐标系的第二姿态传感器；

以及，

用于根据待探测物体的回波信号，射频收发器有效扫描范围，以及主动扫描仪空间坐标重构待探测物体图像的信息处理器。

进一步的，所述手持式主动扫描仪还包括电池及电源系统和可握持式外壳。

进一步的，所述第一姿态传感器具体用于，

采集手持式主动扫描仪的至少两个空间坐标；

根据两个空间坐标确定手持式主动扫描仪的空间姿态朝向。

进一步的，所述通断判断器具体用于，

判断待探测物体是否处于射频收发器的有效扫描范围，如果是，则发出射频收发器开启的工作指令。

进一步的，所述通断判断器为光学摄像头或者光敏信号传感器或者热传感器。

进一步的，所述第二姿态传感器具体用于，

构建三维直角坐标系，至少包含坐标锚点、x轴单位长度锚点、y轴单位长度锚点和z轴单位长度锚点。

进一步的，所述信息处理器具体用于，

获取回波信号sn(t,τ)，

其中，τ＝2rn/c，

xn＝x′n-xn,yn＝y′n-yn,zn＝z′n-zn，

(xn,yn,zn)为主动扫描仪空间坐标，(x′n,y′n,z′n)为扫描角度的中心点坐标，c为光速，t为当前时间；

将回波信号与发射电磁波进行相干快速傅里叶变化，得到空间反射率函数

其中，r为有效扫描范围内某点与(x′n,y′n,z′n)的直线距离；

将根据有效扫描范围θ反投影得到有效扫描范围内各点的有效空间反射率φn(r,θ′)，即待探测物体的重构图像；

其中，有效扫描范围θ根据天线的最大波束宽度来确定，r,θ′为反投影后极坐标。

进一步的，所述信息处理终端还包括显示装置，用于实时显示信息处理器重建生成的待探测物体的图像。

进一步的，所述信息处理器每接收到一次回波信号就立即重建图像并显示于显示装置上，且重建后的图像累加于前一次图像上。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过姿态传感器确定的空间坐标及角度实时反投影重建图像，可以达到实时成像的效果；(2)将扫描仪与信息处理终端分离的布局，令扫描无固定半径与角度，极大增加了系统的灵活度，便于操作人员使用；(3)引入通断判断器，使系统在无用角度停止工作，避免了无效工作以及冗余数据；(4)相较于传统的阵列成像方案，本发明基于反投影的算法不需要大量的近似操作，保留了更多的信号原始信息；(5)本发明采用单个射频收发器，较一维雷达阵列与二维雷达阵列，成本大大下降，易于生产与商业推广。

附图说明

图1是本发明的便携式微波成像系统结构示意图；

图2是本发明实施例中成像目标为角反射器的空间坐标示意图；

图3是本发明实施例中工作流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种便携式微波成像系统，参见图1，包括：手持式主动扫描仪1和信息处理终端2。手持式主动扫描仪1主要包含射频收发器3、第一姿态传感器4、通断判断器5、第一无线收发模块6、电池及电源系统7和可握持式外壳8。

射频收发器3用于发射电磁波，射频收发器为系统唯一发射源。

第一姿态传感器4用于采集手持式主动扫描仪1的至少两个空间坐标，确定手持式主动扫描仪1的空间位置以及空间姿态。

例如，假设扫描仪面朝一个方向，那么第一姿态传感器只需要在那条直线上定位两个点，并且有前后顺序，就能知道扫描仪的空间姿态朝向。

通断判断器5用于判断待探测物体13是否处于射频收发器天线辐射方向正前方，即有效扫描范围14，以及，控制射频收发器的工作状态。

第一无线收发模块6用于将射频收发器接收到的待探测物体的回波信号发送至信息处理终端；以及，用于将第一姿态传感器采集的扫描仪的空间坐标和空间姿态发送至信息处理终端。

信息处理终端2包含信息处理器9、第二无线收发模块10、第二姿态传感器11以及显示装置12。

第二无线收发模块10和第一无线收发模块6构建主动扫描仪1和信息处理终端2之间的信息通路，用于接收待探测物体的回波信号以及主动扫描仪的空间坐标和空间姿态，用于后续信号处理以及图像重建。

第二姿态传感器11用于构建三维直角坐标系，至少需要包含坐标锚点、x轴单位长度锚点、y轴单位长度锚点和z轴单位长度锚点。

信息处理器用于，

根据接收到回波信号s(n)以及主动扫描仪1的空间矢量姿态p(xn,yn,zn,x′n,y′n,z′n)，对宽带回波信号进行反投影重建。重建依据是扫描仪(1)的空间矢量姿态p(xn,yn,zn,x′n,y′n,z′n)，以及有效扫描范围θn。(xn,yn,zn)和(xn′,yn′,zn′)为第一姿态传感器采集的主动扫描仪的两个点的坐标。有效扫描范围θn根据天线的最大波束宽度来确定。

信息处理器9每接收到一次回波信号就立即重建图像并常显于显示装置12，图像叠加于前n-1次图像之上，以此达到实时成像效果，扫描仪扫描次数越多、对待测物体覆盖越广，三维图像就越清晰，便于操作人员实时观察检测对象，n为当前采样次数。

工作过程为：当主动扫描仪处于开机状态后，内置的通断判断器与第一姿态传感器开始工作。通断判断器判断待探测物体是否处于天线辐射方向正前方(即有效扫描范围)，如果确认物体处于有效扫描范围内，通断判断器发出正常工作指令，射频收发器只有在收到该指令后才会工作，发射并接收回波数据，否则处于待机状态。通断判断器可以避免射频收发器的无效工作与冗余数据。电磁波从射频收发器的天线射出，达到待探测物体表面后衰减反射并再次被射频收发器接收记录，回波信号数据由第一无线收发模块与第二无线收发模块构建的信息通路传输至信息处理器，同时信息处理器还接收到第一姿态传感器采集的主动扫描仪完整的空间坐标及空间姿态。最终信息处理器利用接收到的所有信息进行实时处理并重建成像，以达到实时成像的目的。

本发明实施例中，通断判断器5可以有多种实现方式。例如光学摄像头，光学摄像头使用图像识别技术判别待探测物体是否处于有效扫描范围内；或者利用第一姿态传感器的矢量姿态信息，计算出天线的辐射角度来判断待测区域是否正确；其他的如光敏信号传感器、热传感器等等针对不同的实际探测目标或者探测场景均可使用。

本发明实施例中，射频收发器3并不局限于单站系统，多站单发单收系统、多发多收系统也可以使用。相较于单站系统，多站系统可以带来更高的信息处理速度、提高对目标的探测灵敏度与精度。

本发明实施例中，信息处理器9一般采用电脑实现，任何带有信息处理功能的设备均可作为处理装置如单片机、工业电脑、便携式平板、手机等，需要依据实际探测场景所需的处理能力需求来决定。

本发明实施例中，最终成像并不局限于三维图像。针对不同的待探测物体可以选择反投影至二维平面即可得到实时二维图像，也可从三维图像朝固定角度再次后向投影叠加或者切片来得到二维图像等等。最终成像结果依据实际需求来决定，更高维度的图像会带来更多的细节，但同时也会带来更高的计算复杂度。

实施例1：

实施例1阐述了系统具体的工作原理。本实施例测试信号设置为中心频率30ghz的宽带信号，带宽为5ghz，采样率为5mhz。空间布局如图2所示，假设待测角反射器(待探测物体)位于直角坐标系原点，三轴方向确定。手持式扫描仪位于空间任意位置，待探测物体必须处于扫描仪的有效扫描角度内，否则通断判断器控制系统处于待机状态停止工作，因此实施例默认待测物体处于有效角度内。

假设第n次采样时扫描仪处于(xn,yn,zn)，扫描角度的中心点为(x′n,y′n,z′n)，因此扫描方向矢量为其中有效扫描角度固定为θ。扫描仪此次扫描接收到的回波信号为sn(t,τ)，其中τ＝2rn/c,c为光速。与发射信号进行相干快速傅里叶变化后可得到空间反射率函数其中r为有效扫描范围内某点与扫描器(x′n,y′n,z′n)的直线距离，根据有效扫描范围θ可反投影得到有效扫描范围内各点的有效空间反射率φn(r,θ′)，即三维图像，r,θ′为反投影后极坐标。此时就可以实时显示出成像结果并显示于显示器上，便于操作人员观察。

经多次扫描的反投影重建后，实际物体处的信号相干叠加，而虚影处的信号由于相位不同逐渐趋于0。因此扫描位置越多、成像次数越多，图像就越清晰，细节也越多。而且由于反投影的内在并发特性，后续加入并发执行算法，可以大大提升计算速度。

实施例2：

本实施提供了便携式微波成像系统的具体操作方式，如图3所示。测试信号设置为中心频率62ghz的宽带信号，带宽为5ghz，频率呈线性变化，采样率为5mhz。待测物体为人体。操作人员需手持扫描仪并使扫描方向正对人体，在一次扫描间隔内，获取扫描仪的瞬时位置与回波信号并传输到信号处理器，经过与实施例1相同的空间定位、发射与回波信号相干傅里叶变化、圆锥形区域反投影计算操作，可第一次实时得到三维图像并显示于操作人员身边的显示器上。

如果操作人员继续对衣服口袋或者裤子口袋等敏感部位长时间扫描，在显示器的三维图像中对于该部位的细节就越清晰，口袋内的物品反射率对比度越高，操作方式取决于操作人员的判断与实际待测物体类型。本系统支持多个工作频段，更高的带宽可以带来更好的分辨率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。