毫米波成像系统及安检系统的制作方法
【专利摘要】一种毫米波成像系统，包括：发射支路模块，用于产生毫米波辐射信号；发射天线阵列，与所述发射支路模块连接，用于将所述毫米波辐射信号转换为圆极化波向被测人员辐射；所述圆极化波为左旋圆极化波或者右旋圆极化波；接收天线阵列，与所述发射天线阵列同侧设置，用于接收反射回来的回波信号；所述接收天线阵列的极化方向与所述发射天线阵列的极化方向一致；接收支路模块，与所述接收天线阵列连接，用于对所述回波信号进行解调；以及成像处理模块，与所述接收支路模块连接，用于对解调后的回波信号进行成像处理并输出成像图像。上述毫米波成像系统能够保护被测人员隐私且提高危险物品识别率。本发明还涉及一种安检系统。
【专利说明】
毫米波成像系统及安检系统
技术领域
[0001]本发明涉及电磁波成像技术领域，特别是涉及一种毫米波成像系统及安检系统。
【背景技术】
[0002]现代人体安检系统需要快速准确地识别人体携带的危险物品，尤其是在机场、火车站、海关和其他安全建筑物内。传统的安检系统有金属探测系统、痕量检测系统、X射线安检系统等。其中，金属探测系统只能检测金属物品；痕量检测系统只对爆炸物和毒品有效;X射线安检系统能对金属、非金属、爆炸物、毒品等进行检测，但是由于X射线对人体有害，因此X射线检测系统的使用受限制。
[0003]毫米波是介于微波和光波之间的电磁波，它的频率范围是30GHz?300GHz，能够穿透衣服和一些绝缘体的遮挡而只有较小的反射和衰减，从而越来越多的安检系统采用毫米波成像系统来成像进行安检。传统的毫米波成像系统的成像中人体皮肤特征信息过于明显，容易暴露被测人员的隐私，并且危险物品轮廓模糊，导致危险物品识别率下降。
【发明内容】
[0004]基于此，有必要提供一种能够保护被测人员隐私且提高危险物品识别率的毫米波成像系统及安检系统。
[0005]—种毫米波成像系统，包括:发射支路模块，用于产生毫米波辐射信号；发射天线阵列，与所述发射支路模块连接，用于将所述毫米波辐射信号转换为圆极化波向被测人员辐射;所述圆极化波为左旋圆极化波或者右旋圆极化波;接收天线阵列，与所述发射天线阵列同侧设置，用于接收反射回来的回波信号;所述接收天线阵列的极化方向与所述发射天线阵列的极化方向一致;接收支路模块，与所述接收天线阵列连接，用于对所述回波信号进行解调；以及成像处理模块，与所述接收支路模块连接，用于对解调后的回波信号进行成像处理并输出成像图像。
[0006]在其中一个实施例中，所述发射支路模块包括顺次连接的第一射频信号源、第一倍频器、第一滤波器和第一放大器;所述第一射频信号源用于产生第一射频信号;所述第一射频信号依次经过所述第一倍频器倍频、所述第一滤波器滤波以及所述第一放大器处理后形成所述毫米波辐射信号。
[0007]在其中一个实施例中，所述发射天线阵列和所述接收天线阵列均由160?208个圆极化天线单元组成。
[0008]在其中一个实施例中，所述圆极化天线单元为平面螺旋天线、圆极化微带天线、圆极化平面单极子天线或者圆极化喇叭天线。
[0009]在其中一个实施例中，所述圆极化天线单元为平面螺旋天线;所述平面螺旋天线包括两个旋转臂和巴伦;所述旋转臂通过所述巴伦与同轴线馈电端连接。
[0010]在其中一个实施例中，所述接收支路模块包括第二射频信号源、第二倍频器、第二滤波器、第二放大器、混频器、第三放大器、中频信号源、IQ解调器、第四放大器、第三滤波器、第四滤波器、第五滤波器、第五放大器和第六放大器;所述第二射频信号源用于生成第二射频信号;所述第二射频信号源、所述第二倍频器、所述第二滤波器、所述第二放大器、所述混频器、所述第三放大器顺次连接;所述第二放大器的输出端、所述第三放大器的输出端分别与所述混频器的输入端连接;所述第三放大器的输入端用于接收所述接收支路模块输出的回波信号;所述中频信号源用于生成中频信号，以对所述回波信号进行中频处理;所述中频信号源、所述IQ解调器、所述第四放大器和所述第三滤波器顺次连接;所述第三滤波器还与所述混频器的输出端连接;所述第四放大器的输出端与所述IQ解调器的输入端连接；所述第四滤波器连接在所述IQ解调器的I路输出端和所述第五放大器的输入端之间；所述第五滤波器连接在所述IQ解调器的Q路输出端和所述第六放大器的输入端之间。
[0011]在其中一个实施例中，还包括数字采集和预处理模块;所述数字采集和预处理模块连接于所述接收支路模块和所述成像处理模块之间;所述数字采集和预处理模块包括顺次连接的差分运算放大器、低通滤波器、模数转换器以及可编程逻辑器件，以采集所述接收支路模块的输出信号并进行数字处理。
[0012]在其中一个实施例中，还包括扫描机体;所述扫描机体用于驱动所述发射天线阵列和所述接收天线阵列以不同角度辐射或者接收信号。
[0013]—种安检系统，包括如前述任一实施例所述的毫米波成像系统。
[0014]在其中一个实施例中，还包括识别模块和报警模块;所述识别模块用于对所述成像图像中的物品进行识别以识别是否存在危险物品，并在识别出危险物品时输出报警信号;所述报警模块在所述报警信号的控制下发出警报。
[0015]上述毫米波成像系统及安检系统，发射天线阵列产生圆极化波。被测人员对该圆极化波进行反射，由于人体皮肤表面相对平滑，其产生的第一次反射信号的极化方向与发射天线阵列的圆极化波的极化方向相反，而接收天线阵列的极化方向与发射天线阵列的极化方向相同，从而使得接收天线阵列并不能接收人体皮肤反射来的第一次反射信号，从而能很好的过滤掉大部分的人体特征信息，保护被测人员隐私。同时，由于危险物品携带在身上，表现出尖锐特征，从而会导致多次反射形成多径效应产生线极化波，接收天线阵列能够接收该线极化波，从而使得成像处理模块根据接收到的回波信号进行成像处理得到成像图像，可以有效消除多径效应导致的图像重影，强化了隐蔽物特征信息，从而有效提高了危险物品的识别率。
【附图说明】
[0016]图1为一实施例中的毫米波成像系统的结构框图；
[0017]图2为图1中的发射支路模块的电路原理图；
[0018]图3为图1中的发射天线阵列的俯视图；
[0019]图4为图1中的接收支路模块的电路原理图；
[0020]图5为图1中的数字采集和预处理模块的电路原理图；
[0021]图6为图1中的毫米波成像系统的获得的成像图像的示意图；
[0022]图7为一实施例中的安检系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024]图1为一实施例中的毫米波成像系统的结构框图，该毫米波成像系统用于检测人体是否携带有危险物品。危险物品可以为易燃易爆物品、管制刀具、枪支等对公众安全存在威胁的物品。该毫米波成像系统包括发射支路模块110、发射天线阵列120、接收天线阵列130、接收支路模块140以及成像处理模块150。
[0025]发射支路模块110用于产生毫米波辐射信号。发射支路模块110的电路原理图如图2所示。发射支路模块110包括顺次连接的第一射频信号源202、第一倍频器204、第一滤波器206以及第一放大器208。第一放大器208的输入端与第一滤波器206的输出端连接，第一放大器208的输出端作为发射支路模块110的输出端。第一射频信号源202用于产生第一射频信号。该第一射频信号源202的工作频率为8GHz?12GHz。第一射频信号依次经过第一倍频器204的倍频、第一滤波器206的滤波以及第一放大器208的放大处理后作为毫米波发射信号输出。第一倍频器204为4倍倍频器。第一滤波器206为宽带滤波器，第一放大器208为低噪声放大器，从而提高输出信号的信噪比。
[0026]发射天线阵列120与发射支路模块110连接，用于将发射支路模块110产生的毫米波辐射信号转换为圆极化波向被测人员辐射。发射天线阵列120产生的圆极化波为左旋圆极化波或者右旋圆极化波。在本实施例中，发射天线阵列120的工作频率为32GHz?40GHz。发射天线阵列120包括多个圆极化天线单元。圆极化天线单元的数量可以根据需要进行设置，以确保成像的精准度。例如，发射天线阵列120可以包括160?208个圆极化天线单元。每个圆极化天线单元均独立可控，即通过毫米波开关IC可以对其进行独立控制，从而控制发射顺序。圆极化天线单元可以为平面螺旋天线、圆极化微带天线、圆极化平面单极子天线或者圆极化喇叭天线等。在本实施例中，圆极化天线单元为平面螺旋天线。平面螺旋天线包括两个旋转臂，如图3所示。平面螺旋天线还包括巴伦。两个旋转臂通过巴伦转换至同轴线馈电端连接。平面螺旋天线的半径为lcm。
[0027]接收天线阵列130与发射天线阵列120同侧设置，用于接收反射回来的回波信号。在本实施例中，接收天线阵列130的极化方向与发射天线阵列120的极化方向相同，从而其只能接收具有相同极化方向的圆极化波。接收天线阵列130的工作频率以及组成的圆极化天线单元的数量均与发射天线阵列120的相同。接收天线阵列130可以根据设定按照一定顺序依次接收反射回来的回波信号。由于人体皮肤表面相对平滑，从人体第一次反射回来的圆极化波由于镜面效应，其旋转方向会逆转，例如左旋极化波会变为右旋极化波，从而使得从人体第一反射回来的圆极化波的极化方向与发射天线阵列120、接收天线阵列130的极化方向相反，因此接收天线阵列130不能接收第一次反射信号。从人体第二次或者偶次反射回来(人体轮廓边缘)的极化波保持原来的极化方向，从而能够被接收天线阵列130接收。但是由于人体皮肤表面相对平滑，从而使得其回波信号由第一次发射产生的反射信号居多，而这大部分的信号接收天线阵列130均无法接收，从而能够很好的过滤掉大部分的人体特征信息，保护被测人员隐私。当被测人员携带有危险物品时，由于危险物品表现出尖锐特征，从而会在轮廓线条以及边缘区域进行多次反射，形成多径效应。由于多经效应产生线极化波(线极化波为左旋圆极化波和右旋圆极化波的叠加)，从而可以消除多经效应导致的图像重影。危险物品反射回来的线极化波能够被接收天线阵列130接收，强化了隐蔽物特征信息，进而有效提尚了危险物品的识别率。
[0028]接收支路模块140与接收天线阵列130连接，以对接收天线阵列130接收的回波信号进行解调。接收支路模块140的电路原理图如图4所示。接收支路模块140包括第二射频信号源402、第二倍频器404、第二滤波器406、第二放大器408、混频器410、第三放大器412、中频信号源414、IQ解调器416、第四放大器418、第三滤波器420、第四滤波器422、第五滤波器424、第五放大器426和第六放大器428。其中，第二射频信号源402、第二倍频器404、第二滤波器406、第二放大器408、混频器410、第三放大器412顺次连接。第二放大器408的输出端、第三放大器412的输出端分别与混频器410的输入端连接。第三放大器412的输入端用于接收接收支路模块130输出的回波信号。中频信号源414、IQ解调器416、第四放大器418、第三滤波器420顺次连接。第三滤波器420还与混频器410的输出端连接。第四放大器418的输出端与IQ解调器416的输入端连接。第四滤波器418连接在IQ解调器416的I路输出端和第五放大器426的输入端之间。第五滤波器424连接在IQ解调器416的Q路输出端和第六放大器428的输入端之间。第二射频信号源402的工作频率为7.9GHz?11.9GHz。第二射频信号源402用于生成第二射频信号。第二射频信号经过第二倍频器404的倍频、第二滤波器406的滤波以及第二放大器408的放大处理后输入至混频器410中。第三放大器412用于对接收天线阵列130输出的回波信号并进行放大处理后输出至混频器410中。混频器410用于将处理后的第二射频信号和回波信号进行混频处理形成混频后的回波信号。混频后的回波信号经过第三滤波器420的滤波和第四放大器418的放大处理后输入至IQ解调器416中。中频信号源414的工作频率为100MHz，用于生成中频信号，并输入至IQ解调器416中，以对回波信息进行中频处理。IQ解调器416对回波信号进行解调，从而生成I路信号和Q路信号并分别经过滤波和放大处理后形成IQ解调信号输出至成像处理模块150中。在本实施例中，放大器均为低噪音放大器，倍频器均为4倍倍频器，滤波器均为宽带滤波器。
[0029]在本实施例中，还包括数字采集和预处理模块160。数字采集和预处理模块160连接在接收支路模块140和成像处理模块150之间。数字采集和预处理模块160用于采集接收支路模块140的输出信号并进行数字处理。数字采集和预处理模块160的电路原理图如图5所示，其包括顺次连接的差分运算放大器510、低通滤波器520、模数转换器530和可编程逻辑器件(FPGA)540。其中，模数转换器530为高分辨率模数转换器。数字采集和预处理模块160必须在下一次IQ解调信号进入之前处理完成。
[0030]成像处理模块150用于接收经过数字采集和预处理模块160进行数字处理后的回波信号，并根据该回波信号进行成像处理后输出成像图像。成像处理模块150可以采用现有的成像处理技术来实现，此处不赘述。图6为成像处理模块150处理得到的成像图像。从图6中可以看出，成像图像中的人体特征被弱化，从而保护了被测人员隐私。同时，危险物品(枪支)的轮廓清楚，成像重影较低，有利于提高危险物品的识别率。
[0031]上述毫米波成像系统，发射天线阵列120产生圆极化波。被测人员对该圆极化波进行反射，由于人体皮肤表面相对平滑，其产生的第一次反射信号的极化方向与发射天线阵列120的圆极化波的极化方向相反，而接收天线阵列130的极化方向与发射天线阵列120的极化方向相同，从而使得接收天线阵列130并不能接收人体皮肤反射来的第一次反射信号，从而能很好的过滤掉大部分的人体特征信息，保护被测人员隐私。同时，由于危险物品携带在身上，表现出尖锐特征，从而会导致多次反射形成多径效应产生线极化波，接收天线阵列130能够接收该线极化波信号，从而使得成像处理模块150根据接收到的回波信号进行成像处理得到成像图像，可以有效消除多径效应导致的图像重影，强化了隐蔽物特征信息，从而有效提高了危险物品的识别率。上述毫米波成像系统可以广泛应用于安检系统中。
[0032]在一实施例中，上述毫米波成像系统还包括扫描机体170。扫描机体170分别与发射天线阵列120、接收天线阵列130连接，以驱动发射天线阵列120和接收天线阵列130以不同角度进行辐射或者接收信号，从而对被测人员进行多角度检查。扫描机体170的转动范围可以根据需要进行设定，例如可以将其扫描范围设定在O?120度之间。
[0033]本发明还提供一种安检系统，其包括如前述任一实施例所述的毫米波成像系统。图7为一实施例中的安检系统的结构示意图。在本实施例中，扫描机体170的两侧上均设置发射支路模块110、发射天线阵列120、接收天线阵列130以及接收支路模块140，从而可以对被测人员进行全面的检测。在本实施例中，为避免被测人员的外套以及随时携带的私人物品如手机、钱包以及钥匙等对成像产生干扰，应先让被测人员取下外套和私人物品，然后进入到检测区域内等到检测。安检系统开始工作，扫描机体170旋转120°。同时，安装在扫描机体170的发射支路模块110产生所需的毫米波信号，发射天线阵列120产生的圆极化波按照一定顺序辐射到人体，接收天线单阵列130按照一定顺序接收被人体反射回来的回波信号并进入接收支路模块140获得IQ解调信号。每次获得IQ解调信号，由数字采集和预处理模块160进行一次数字采集和预处理操作。扫描机体170旋转扫描完成时，成像处理模块150将采集到的数据进行成像处理，对危险物品进行识别并显示。因此，安检人员可以根据成像图像确认被测人员是否携带危险物品，如是则不通过安检，否则通过安检。
[0034]在另一实施例中，上述安检系统还包括识别模块和报警模块。识别模块用于对成像图像进行识别以识别是否存在危险物品。识别模块可以采用常用的图像识别技术。当识别模块识别到危险物品时，生成报警信号。报警模块在该报警信号的控制下发出警报，以提示安检人员该被测人员携带有危险物品或者威胁物品。
[0035]以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0036]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种毫米波成像系统，其特征在于，包括: 发射支路模块，用于产生毫米波辐射信号； 发射天线阵列，与所述发射支路模块连接，用于将所述毫米波辐射信号转换为圆极化波向被测人员辐射;所述圆极化波为左旋圆极化波或者右旋圆极化波； 接收天线阵列，与所述发射天线阵列同侧设置，用于接收反射回来的回波信号;所述接收天线阵列的极化方向与所述发射天线阵列的极化方向一致； 接收支路模块，与所述接收天线阵列连接，用于对所述回波信号进行解调；以及 成像处理模块，与所述接收支路模块连接，用于对解调后的回波信号进行成像处理并输出成像图像。2.根据权利要求1所述的毫米波成像系统，其特征在于，所述发射支路模块包括顺次连接的第一射频信号源、第一倍频器、第一滤波器和第一放大器;所述第一射频信号源用于产生第一射频信号;所述第一射频信号依次经过所述第一倍频器倍频、所述第一滤波器滤波以及所述第一放大器处理后形成所述毫米波辐射信号。3.根据权利要求1所述的毫米波成像系统，其特征在于，所述发射天线阵列和所述接收天线阵列均由160?208个圆极化天线单元组成。4.根据权利要求3所述的毫米波成像系统，其特征在于，所述圆极化天线单元为平面螺旋天线、圆极化微带天线、圆极化平面单极子天线或者圆极化喇叭天线。5.根据权利要求4所述的毫米波成像系统，其特征在于，所述圆极化天线单元为平面螺旋天线;所述平面螺旋天线包括两个旋转臂和巴伦;所述旋转臂通过所述巴伦与同轴线馈电端连接。6.根据权利要求1所述的毫米波成像系统，其特征在于，所述接收支路模块包括第二射频信号源、第二倍频器、第二滤波器、第二放大器、混频器、第三放大器、中频信号源、IQ解调器、第四放大器、第三滤波器、第四滤波器、第五滤波器、第五放大器和第六放大器； 所述第二射频信号源用于生成第二射频信号;所述第二射频信号源、所述第二倍频器、所述第二滤波器、所述第二放大器、所述混频器、所述第三放大器顺次连接;所述第二放大器的输出端、所述第三放大器的输出端分别与所述混频器的输入端连接;所述第三放大器的输入端用于接收所述接收支路模块输出的回波信号； 所述中频信号源用于生成中频信号，以对所述回波信号进行中频处理;所述中频信号源、所述IQ解调器、所述第四放大器和所述第三滤波器顺次连接;所述第三滤波器还与所述混频器的输出端连接;所述第四放大器的输出端与所述IQ解调器的输入端连接;所述第四滤波器连接在所述IQ解调器的I路输出端和所述第五放大器的输入端之间；所述第五滤波器连接在所述IQ解调器的Q路输出端和所述第六放大器的输入端之间。7.根据权利要求1所述的毫米波成像系统，其特征在于，还包括数字采集和预处理模块;所述数字采集和预处理模块连接于所述接收支路模块和所述成像处理模块之间；所述数字采集和预处理模块包括顺次连接的差分运算放大器、低通滤波器、模数转换器以及可编程逻辑器件，以采集所述接收支路模块的输出信号并进行数字处理。8.根据权利要求1所述的毫米波成像系统，其特征在于，还包括扫描机体;所述扫描机体用于驱动所述发射天线阵列和所述接收天线阵列以不同角度辐射或者接收信号。9.一种安检系统，其特征在于，包括如权利要求1?8任一所述的毫米波成像系统。10.根据权利要求9所述的安检系统，其特征在于，还包括识别模块和报警模块;所述识别模块用于对所述成像图像中的物品进行识别以识别是否存在危险物品，并在识别出危险物品时输出报警信号;所述报警模块在所述报警信号的控制下发出警报。
【文档编号】G01S13/89GK106019275SQ201610527758
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】冯智辉, 刘艳丽, 祁春超, 刘俊成, 侯晓翔
【申请人】深圳市太赫兹科技创新研究院有限公司, 华讯方舟科技有限公司