基于毫米波全息三维成像的人体安检系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种人体安检系统，尤其涉及一种基于毫米波全息三维成像的人体安 检系统及方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，安全问题日益得到世界人民的关注，对安检系统的可靠性与智能化也提 出了更高的要求。传统的金属探测器只能对近距离小范围目标进行检测，效率低，已远远不 能满足安检的需求。尽管X光等各种射线具有很强的穿透力，但会对被测人体造成辐射伤 害，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。红外线是靠物体表面 温度成像，在有织物遮挡的情况下无法清晰成像。而毫米波成像系统不仅可以检测出隐藏 在织物下的金属物体，还可以检测出塑料手枪，炸药等危险品，获得的信息更加详尽、准确， 可以大大地降低误警率。因此，近年来毫米波成像技术在人员安检等方面得到了更加广泛 的应用。
[0003] 毫米波成像系统一般有主动和被动两种工作模式。被动毫米波PMMW(PassiVe Millimeter Wave)成像系统基本原理是基于自然界中的任何物体都不停地福射电磁波，该 电磁波由不同频率的非相关波组成，它们是随机的，并具有很宽的频谱和不同的极化方向， 不同的物体在不同波段的辐射率不同。被动毫米波成像是指依靠35GH Z、94GHz、140GHz、 220GHz毫米波的大气传播窗口，接收目标及背景亮温的微小差异以区别不同的物体 (Appleby.R.，et al.IEEE Transactions οη，2007,55(11):2944_2956)。目标的亮温主要 由3部分组成，即自身的辐射、对环境噪声的反射和背景噪声的透射。相对介电常数较高或 导电率较高的物质，辐射率较小，反射率较高。在相同的温度下，高导电材料相比低导电材 料的辐射温度低，即较冷。
[0004] 一般来说，被动毫米波成像系统由接收天线、毫米波辐射计、扫描机构和信号处理 单元组成。系统的温度分辨率和空间分辨率是衡量成像效果的重要参数。相对于室外成像， 室内成像需要更高的温度分辨率。
[0005] 上世纪90年代中期美国就开始进行了第一代毫米波辐射计成像系统的研究工作， 早期的毫米波成像系统普遍存在的问题就是扫描时间长、灵敏度不足等问题。被动毫米波 焦平面阵列成像系统具有代表性成果的研究机构针对以上问题都做出了不同的应对方案 和产品。比如美国Millivision公司的Millivision检测门，该系统采用线扫描结构，接收器 为4排，每排64个，相邻两排纵向间隔为每排中两单元间隔的1/4。系统在lm远处视场为 1.92mX0.768m，分辨率为3mmX 3mm，像素为640X256。每幅图像成像时间为10s(Huguenin G.Richard.SPIE，1997,2938:152-159) ;Brojot公司开发的商用实时隐藏武器侦测照相机； TRW公司的由1040个W波段接收机集成的FPA(焦平面阵列）的3mm室外成像系统等等。虽然被 动毫米波成像系统结构简单，实现成本较低，但是成像时间太长，成像分辨率较低，无法具 体实用化和商业化，所以很多研究机构都随之转向主动毫米波成像系统的研究。
[0006] 主动毫米波成像系统目前做得最好的是美国L-3公司的旋转扫描三维全息毫米波 成像系统，其研究的技术成果来源于美国太平洋西北国家实验室PNNL(Pacific Northwest National Laboratoty)。该系统采用垂直方向排布天线，水平方向旋转120°扫描的方式产 生人体正面和背面两幅图像(Douglas L.McMakin，et al.SPIE, 2007,6538:1-12)，图像算 法上则是将得到的信息进行全息反演计算实现三维全息成像。此项技术已经授权给L-3Communications和Save View公司并商业化用于各个发达国家的大型机场、火车站和国 际码头。但是该系统的两排收发天线阵列总共包含有384个收发单元，每列就有192个收发 单元，结构相当复杂，成本也非常高。
[0007] 除美国PNNL等实验室之外，不同国家的大学研究院、公司也渐渐加入了毫米波成 像技术的研究中。典型的有英国Reading大学、德国微波与雷达研究所(Microwave and Radar Institute)、德国航空中心（German Aerospace Center)、澳大利亚的ICT中心和日 本的NEC公司等，这些研究机构都曾报道了有关毫米波成像的研究成果。国内，目前研究 PMMW成像系统的单位主要有中国科学院空间科学与应用研究中心，国家863计划微波遥感 技术实验室、南京理工大学，华中科技大学，东南大学和哈尔滨工业大学等。如南京理工大 学毫米波成像技术研究团队研制了Ka波段交流辐射计扫描成像的原理样机（肖泽龙.毫米 波对人体隐匿物品辐射成像研究[D].南京:南京理工大学，2007年），并对W波段直流辐射计 扫描成像用于隐匿违禁物品探测开展了研究工作(钱嵩松.被动毫米波阵列探测成像的关 键技术研究[D].南京:南京理工大学，2006);华中科技大学对3mm波段的辐射特性、成像机 制和改善图像分辨率的方法进行了分析，研究了金属目标的毫米波辐射探测与识别和被动 毫米波阵列探测成像的关键技术(张光锋.毫米波辐射特性及成像研究[D].武汉:华中科技 大学，2005);东南大学毫米波重点实验室窦文斌等对用于毫米波焦平面成像的天线一一扩 展半球介质透镜进行了研究，做了隐蔽武器的毫米波成像实验（Wenbin D0U.IEICE Transactions on Electronics，2005，E88(7): 1451-1456);哈尔滨工业大学邱景辉等研制 了 Ka波段20通道毫米波焦面阵成像系统样机，可以实现室内探测人体隐藏物体等等。
[0008] 综上所述，现有的毫米波人体成像有几大缺点：对于被动毫米波成像系统，成像 速率慢，分辨率差;对于主动毫米波成像系统，收发单元非常多，结构复杂，成本高昂。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是为解决目前基于毫米波成像的人体安检系统成像速率慢，分辨率 差，收发单元多，结构复杂的技术问题。
[0010] 为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种基于毫米波全息三维成像的人 体安检系统，包括检测室、机械扫描机构、毫米波信号收发单元和图像处理单元；
[0011] 所述检测室用于容纳待安检人员；
[0012] 所述机械扫描机构用于驱动所述毫米波信号收发单元同时在水平和垂直方向相 对于待安检人员运动；
[0013] 所述毫米波信号收发单元用于向待安检人员发射毫米波信号，并接收从待安检人 员反射的毫米波信号；
[0014] 所述图像处理单元用于根据所述反射的毫米波信号对待安检人员的人体进行全 息三维成像，得到人体的三维图像。
[0015] 进一步地，还包括报警单元，所述报警单元用于将所述人体的三维图像与预存在 报警单元内的安全人体三维图像进行比对，若不匹配，则报警单元发出警报。
[0016] 进一步地，所述毫米波信号收发单元包括毫米波信号发射单元和毫米波信号接收 单元;所述毫米波信号发射单元包括毫米波信号发射模块及与其连接的发射天线，所述毫 米波信号接收单元包括毫米波信号接收模块及与其连接的接收天线；
[0017] 所述发射天线和接收天线安装于所述机械扫描机构上，并在所述机械扫描机构的 驱动下相对于待安检人员运动。
[0018] 进一步地，所述机械扫描机构包括垂直扫描机构和水平扫描机构；
[0019] 所述垂直扫描机构包括垂直导轨和垂直牵引电机;所述垂直导轨为一对，左右对 称设于所述检测室的两侧，垂直导轨上面向待安检人员的一侧设有凹槽，所述发射天线和 接收天线固定在滑块上，所述滑块嵌于所述凹槽内；所述垂直牵引电机驱动所述滑块沿着 所述垂直导轨上、下往复运动；
[0020] 所述水平扫描机构包括水平横梁和水平转动电机;所述水平横梁的两端分别与两 根所述垂直导轨的顶端固定连接，所述水平转动电机驱动水平横梁及垂直导轨在水平面内 转动。
[0021] 进一步地，所述毫米波信号发射单元包括第一独立信号源、线性调频源、第一混频 器、第一宽带滤波器、第一倍频链路和发射天线；
[0022] 所述第一独立信号源输出的信号与所述线性调频源输出的信号经所述第一混频 器混频后送入所述第一宽带滤波器的输入端，第一宽带滤波器的输出端连接所述第一倍频 链路的输入端，所述第一倍频链路的输出端连接所述发射天线。
[0023] 进一步地，所述第一倍频链路包括第一功率放大器和第一二倍频器，所述第一宽 带滤波器的输出端连接所述第一功率放大器的输入端，第一功率放大器的输出端连接所述 第一二倍频器的输入端，所述第一二倍频器的输出端连接所述发射天线。
[0024] 进一步地，所述毫米波信号接收单元包括第二独立信号源、第二混频器、第二宽带 滤波器、第二倍频链路、第三混频器、接收天线、第四混频器、第五混频器、第三倍频链路及 低噪声放大器；
[0025] 所述第二独立信号源输出的信号与所述线性调频源输出的信号经所述第二混频 器混频后送入所述第二宽带滤波器的输入端，第二宽带滤波器的输出端连接所述第二倍频 链路的输入端，所述第二倍频链路的输出端连接所述第三混频器的一个输入端，第三混频 器的另一个输入端连接所述接收天线;所述第四混频器的一个输入端连接所述第一独立信 号源，第四混频器的另一个输入端连接所述第二独立信号源，第四混频器的输出端连接所 述第三倍频链路的输入端，第三倍频链路的输出端连接所述第五混频器的一个输入端，