专利名称：目标探测方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明是一种远程探测目标(包括但不限于诸如枪或炸弹的隐藏武器)的存在的方法和设备。本发明进一步包括用于提供高可靠目标探测的新颖信号处理方法和设备。
背景技术：
注意，以下讨论涉及许多出版物和参考文献。在此为了科学原理的更完整背景而给出了这些出版物的讨论，并且对于专利性确定来说，不应把这些出版物的讨论看作是承认这些出版物是先有技术。
1999年4月20日，科罗拉多州(Colorado)Littleton市的Columbine中学的两名学生用攻击性武器向他们的同学和老师开火。十二名青少年和一名教师被杀，并且数十人受伤。在今天的美国，类似Littleton惨案的灾难暴力事件时常发生。联邦调查局报告说，每年美国的罪犯用轻武器犯下超过2.4百万次抢劫案、5.6百万次袭击案以及165000次强奸案(见由National Association of Federally Licensed FirearmsDealers出版的American Firearms Industry Journal)。疾病控制中心所收集的数据显示，在1986至1992年期间，美国记录了247,979例“枪支死亡”(由防手枪暴力中心编辑的数据)。此外，近些年来，新的威胁得以发展即自杀式投弹人。这些是更危险和更具破坏性的，并且因为它们的武器性质，必须在远处检测他们。
以前许多减小由轻武器的违法使用所造成的威胁的努力取得了有限的成功。在过去二十年里，在主要的机场都安装了非常昂贵的x射线设备。这些机器一般能够在非常专业和封闭的环境中探测到金属枪。这种类型的设备要求固定安装，占据很大的空间，作用距离近，并且可能花费数百千乃至数百万美元。
目前商业市场上可得到的复杂隐藏武器探测器没有一种是小型、轻型、便携、易于使用、远距离和高度可靠的。这种设备的开发将形成革命性的成果，并且将满足法律实施和安全领域中的长期需要。
在以下专利及专利申请中描述了本发明的较早版本2001年6月5日提交的、题为“目标探测系统的信号处理(Signal Processing forObject Detection System)”的美国专利No.6,243,036；2002年3月19日提交的、题为“隐藏武器探测系统(Concealed Weapons DetectionSystem)”的美国专利No.6,359,582；1998年3月26日以国际公开号WO 98/12573公布的、题为“隐藏武器探测系统(Concealed WeaponsDetection System)”的国际专利申请PCT/US97/16944；以及2000年12月14日以国际公开WO 00/75892公布的、题为“目标探测系统的信号处理(Signal Processing for Object Detection System)”的国际专利申请PCT/US00/14509。这些参考文献的说明书和权利要求在此被引入作为参考。
发明内容
本发明是一种确定与对象关联的目标的存在的方法，该方法包括以下步骤用偏振照明辐射来照射对象；收集从对象反射的、具有与照明辐射相同的偏振的第一辐射；收集从对象反射的、具有与照明辐射相反的偏振的第二辐射；以及采用第一辐射和第二辐射的加权多项准则，来确定目标的存在。采用步骤优选地包括，采用通过线性调频Z变换处理而转换到时域的被收集辐射的加权多项准则。采用步骤优选地包括，采用第一辐射和第二辐射之一或两者的多次幅度扩展。采用步骤进一步优选地包括，采用从包括以下的组中选择的多项准则在通过线性调频Z变换处理转换到时域后、第一辐射在零时的第一幅度；在通过线性调频Z变换处理转换到时域后、第二辐射在零时的第二幅度；以及第一幅度和第二幅度之差。采用步骤任选地包括，采用第一辐射和第二辐射之间的到达时间差以及/或者时域或频域中第一辐射和第二辐射之一或两者的曲线形状测量，优选地为曲线峰值与曲线下的总面积之比。
该方法优选地被重复多次，并进一步包括对该方法的每次执行结果进行组合的步骤。该方法优选地进一步包括用校准数据来训练神经网络的步骤，并且采用步骤进一步包括利用神经网络来自主确定目标存在的步骤。
对象优选地包括人，并且目标优选地包括优选地从包括以下的组中选择的隐藏武器刀、轻武器、枪、炸弹、爆炸装置和自杀背心。
本发明也是一种用于探测与对象关联的目标的设备，该设备包括发射天线，用于用偏振照明辐射来照射对象；第一接收天线，用于收集从对象反射的、具有与照明辐射相同的偏振的第一辐射；第二接收天线，用于收集从对象反射的、具有与照明辐射相反的偏振的第二辐射；以及处理器，用于采用第一辐射和第二辐射的加权多项准则来确定目标的存在。该处理器优选地采用通过线性调频Z变换处理而转换到时域的被收集辐射的加权多项准则，并且优选地采用第一辐射和第二辐射之一或两者的多次幅度扩展。该处理器优选地也采用从包括以下的组中选择的多项准则在通过线性调频Z变换处理转换到时域后、第一辐射在零时的第一幅度；在通过线性调频Z变换处理转换到时域后、第二辐射在零时的第二幅度；以及第一幅度和第二幅度之差。
该处理器进一步优选地采用第一辐射和第二辐射之间的到达时间差，优选地采用时域或频域中第一辐射和第二辐射之一或两者的曲线形状，并优选地采用第一辐射和第二辐射之一或两者随时间的变化。该处理器优选地对由多次向对象施加照明辐射而产生的结果进行组合。单个双偏振天线任选地包括所述第一接收天线和所述第二接收天线。
对象优选地是人。目标优选地是优选地从包括以下的组中选择的隐藏武器刀、轻武器、枪、炸弹、爆炸装置和自杀背心。该处理器优选地采用神经网络来自动探测目标的存在，优选地向每一个准则赋值，并根据准则值的组合来确定目标的存在。
本发明的目的是提供一种优选地为小型、轻型、远距离、便携式及可用电池操作的探测设备。这使该设备的优选实施例能够成为手提式装置，该手提式装置能够被治安人员和/或军事或保安人员用来例如确定特殊个体是否装备有武器。
本发明的优点在于，本发明所辐射的功率级优选地比常规雷达系统或当前用于在机场或法庭入口处探测目标的x射线或其它成像系统所产生的功率级低得多。对于本发明，对象处的平均功率密度具有在非电离辐射安全极限以下的数量级。
将在接下来的详细描述中，连同附图一起部分地阐述本发明的其它目的、优点和新特征及更广的适用范围，并且一旦审查了以下说明书、它们对于本领域技术人员将部分地变得显而易见，或者可以通过本发明的实践来了解它们。借助于尤其在所附权利要求中指出的手段和组合，可以实现和获得本发明的目的和优点。
被引入并构成说明书一部分的附图示出了本发明的几个实施例，并且和说明书一起用于说明本发明的原理。附图只是用于说明本发明的优选实施例，且不应被看作是限制本发明，其中图1a示出了简单波；图1b示出了垂直偏振的简单波；图1c示出了水平偏振的简单波；图2给出了发射和探测电路的一个实施例的框图；图3描绘了在身体不同位置携带枪的人；图4a所示为，按照以dBsm为单位的反射能量对频率而绘制的、手枪雷达横截面的曲线图；图4b所示为，按照以dBsm为单位的反射能量对频率而绘制的、人体雷达横截面的曲线图；图5和图6所示的曲线图提供了当用2.59至3.95GHz和7.0至10.66GHz频带内的无线电波进行照射时的人体反射率的信息；图7是本发明方法的优选实施例的图示表示。图右边的两个曲线图显示了，可以通过比较和具有不同偏振的反射无线电波相对应的两组波形的时域振幅差，来探测诸如武器的目标。在上面和下面曲线图中，两个波形代表反射回到探测器的垂直和水平偏振无线电波；图8和图9是在手枪探测实验期间产生的两对时域波形的实际测试设备曲线。在图8中，某人没有携带枪；在图9中，同一人携带了手枪，并且两条曲线的最大值之间的距离近得多；图10是对用于本发明优选实施例中所采用的复数线性调频Z变换的相位和振幅响应的一般描述；以及图11描述了本发明优选实施例的操作系统流程图。
优选实施方式的描述(具体实施方式
)本发明包括用于在远处探测目标存在的方法和设备。本发明的一个实施例可以用于定位个人所携带的隐藏枪支和/或炸弹。本发明可用于帮助把武器排斥在任何安全区或“安全地带TM”之外，如学校、银行、机场、大使馆、监狱、法庭、办公楼、零售商店或住宅。术语“安全地带TM”是本专利申请的受让人，做安全地带TM系统业务的MacAleese股份有限公司，所拥有的商标和服务贸易(Trade and ServiceMark)。
目标优选地与对象关联，例如走近门口的人，并且优选地利用偏振的低功率无线电波来探测目标。如整个说明书和权利要求中所使用的，术语“对象”表示对其照射辐射的某物，包括但不限于人、背包、行李、袋子、灌木等。如整个说明书和权利要求中所使用的，术语“目标”表示对象所携带、佩戴、隐藏的，或物理上附属于、或与对象连接、或相反与对象关联的物理项，包括但不限于武器、刀、枪支、枪、手枪、步枪、炸弹、自杀背心、榴霰弹、配线等。
当无线电波经由空气传播时，它们以和横移过海洋表面的水波类似的方式传播。可以将简单无线电信号的形状描述为重复向上和向下运动或振动，如图1a所示。波的这种上下运动发生在三维空间中。简单波(W)传播。平行于传播平面偏振的波被称为水平偏振波。垂直于传播平面偏振的波被称为垂直偏振波。波W的高度或强度被称为波的振幅(A)。
图1b展示了垂直偏振波，而图1c描述了水平偏振波。垂直偏振和水平偏振被认为是偏振的正交形式。可用于描述垂直偏振波和水平偏振波之间关系的其它术语是垂直、相反、交叉偏振，或主偏振和互补偏振。该文档中主要用来表示正交偏振的术语是交叉偏振，或简称为cross-pol或X-pol。偏振的思想适用于所有形式的横向电磁波，不管它们是微波频率的无线电波还是诸如由闪光灯所发射的光波。
本发明所辐射的功率级比常规雷达系统、或当前用于在机场或法庭入口处探测目标的x射线或其它成像系统所辐射的功率级低得多。实际上，对于本发明优选实施例，对象处的平均功率密度具有在非电离辐射安全极限以下的数量级。
本发明优选地工作在GHz频带。对于目标探测，不同无线电频率提供不同的好处和缺点。在美国，由联邦通信委员会来规定无线电设备的工作频率。全球每个国家都有类似的管理机构来分配和管理无线电频谱的使用。虽然说明书包括了对特殊频率范围的具体引用，但是可以利用多种电磁辐射带来有利地实施系统，并且系统不受具体披露的范围限制。
图2给出了用于实施本发明优选实施例的电路的示意框图的非限制性例子。低功率无线电发射器12经由第一定向耦合器13耦合到调制器14、滤波器16和发射器输出放大器18，发射器输出放大器18通过发射/接收开关20和预选器22连接到发射/接收天线80。发射/接收开关20也通过控制器26和距离选通开关90同步。发射/接收天线80和检测正交偏振能量的接收天线82收集从对象反射回来的能量。作为选择，可以任选地使用单个双偏振天线。接收路径中的偏振选择开关24选择水平或垂直偏振天线或端口。发射/接收天线80优选地既发射水平偏振的信号、又接收反射的水平或co-pol信号，并且接收天线82优选地接收垂直偏振的垂直或X-pol反射信号。偏振开关24确定在任何给定时刻将哪种信号馈给接收器。预选器滤波器22、23是带通滤波器，用于防止带外信号进入接收器及可能造成伪响应或使放大器饱和、及由此妨碍正常操作。co-pol路径中的预选器滤波器22也衰减发射器所发射的不合需要的谐波。
优选包括开始/停止/倾斜编程的控制器或处理器26用于控制发射器12连同本地振荡器30。脉冲波形发生器28的输出连接到调制器14。本地振荡器30的输出经由第二定向耦合器11被馈给混合器32。发射/接收开关20的输出也通过偏振选择开关24、滤波器36和接收低噪声放大器34被馈给混合器32。优选地，处理器26的数字输出被传送给中频增益控制放大器40，中频增益控制放大器40也通过带通滤波器41从混合器32接收主信号输入。然后，放大器40的输出通过距离选通开关90、高通滤波器42，并到达功率分配器44。距离选通控制器21和距离选通开关90提供时间选通，使得只有来自距设备期望距离处的反射体(即对象或目标)的信号才被处理。来自于不同时间到达的其它目标的信号被忽视。功率分配器44将信号分成两个输出。一个输出是在探测器46中解调的振幅，由此产生窄脉冲，该窄脉冲通过滤波器48、视频放大器50、选通采样与保持延伸器52，然后在被反馈给处理器26之前、在模数转换器54中被数字化。功率分配器44的第二输出经由功率分配器64被馈给相位检测器65、66，使得可以和振幅同时测量返回信号的相移。
因为相位信息对于执行复数频域到时域变换是非常重要的，所以优选地测量反射信号的相位。因为相位是相对项，所以首先通过把发射信号和局部振荡器信号的采样混合起来形成参考信号，由此实现相位测量。通过定向耦合器13从发射器12获取发射信号的采样，并且发射信号的采样和通过定向耦合器11从局部振荡器30获取的局部振荡器信号采样一起被馈给混合器9。混合器9的输出被滤波器8执行带通滤波，然后被限幅滤波器7限幅，以将其振幅稳定在调协范围内。该限幅信号被馈给正交混合电路72，正交混合电路72输出两个振幅相等、但彼此具有90°相移的信号。输出之一被馈给第一相位检测器65，并且另一输出被馈给第二相位检测器66。两个相移检测器用于明确地覆盖360度范围。相位检测器65、66的输出是模拟的，并随后在模数转换器68和70中被数字化。该数字化信号被馈给控制器26，以便随后进行处理。
测量单位“dBsm”用于量化反射的辐射，并基于被称为分贝(缩写为“dB”)的测量单位。分贝用于比较两个辐射或反射功率级。例如，如果收听收音机的某人非常靠近无线电台的天线塔，则功率级将非常高。如果同一个人距离相同的天线塔数英里远，则接收无线电波的强度将由于距离增加而小得多。分贝可用于把这种功率级之比量化为一个数。与只是一个数除以另一个数的普通分数不同，分贝是测量的对数形式，因为它们用于比较非常大的数量差，所以非常有用。因为辐射的功率级可以在这样大的范围内变化，所以使用对数标度来代替更普通的线性标度。用分贝表示的两个功率级之差的计算如下dB＝10log(PX/PY) (1)其中PX是第一功率级，PY是第二功率级。当利用分贝来比较两个接收无线电信号时，把较远距离处接收的信号的功率减小说成是比较近位置的功率级低某一分贝数。
“雷达横截面”或RCS是目标大小的测量。当产生无线电波然后使其指向目标时，发射的那些无线电波的一部分通过目标，那些无线电波的另一部分被对象所吸收，并且发射的那些无线电波的第三部分被反射回到发射器。反射波的部分越大，目标的雷达横截面就越大。因此，与具有较小雷达横截面的目标相比，具有较大雷达横截面的目标较容易探测。目标的测量雷达横截面的大小主要取决于目标的反射率以及目标的空间方向。例如，假定海岸线上的雷达站正在寻找附近海洋上的船。平行于海岸线航行的船比从陆地开走的类似船更容易被探测到，因为击中第一艘船舷部的雷达波返回到雷达站时具有比从第二艘船的较小船尾反射的强度更大的强度。因此，与船尾提供较小的雷达波作用对象的第二艘船相比，相对于雷达波的传播方向“横向地”取向的第一艘船具有更大的雷达横截面。
当本发明用于探测象手枪那样的目标时，在以向探测器提供较大雷达横截面的方式来确定手枪方向时，更容易实现探测。例如，与套在臀部，使得枪管指向地面且枪柄指向前或指向后的武器相比，塞在某人腰带扣后面，使得枪的侧面相对于腰部平直的枪，提供了更大的雷达横截面。图3是两个携带手枪的人的图示表示。在图3的左边，显示了某人把枪放在腰带前面或后面。在图3的右边，显示了另一个人把枪放在位于侧臀部的包、小袋或枪套中。注意，为了使这两个位置的枪的雷达横截面相似，必须使该图相对于探测器翻转、或使其面向不同的方向。
与一(1)平方米相比时，用分贝测量单位“dBsm”表示雷达横截面如下RCS(以dBsm为单位)＝10log(AG)＝10logA+10logG(2)其中A是以平方米为单位的对象面积，G是对象的反射增益。该表达式假定区域相对于工作波长是平面的，并且区域被无线电波均匀地照射。如果方形区域的边长为“a”米，则面积变为“a2”平方米。对于相对于工作波长为平面的表面，G＝4πa2/λ2(3)其中波长λ等于0.3/f米，并且f是以GHz为单位的频率。因而RCS(以dBsm为单位)＝10log(4πa4f2/0.09)(4)该表达式指示，如果边长大小“a”加倍，则反射增加12dBsm，或者以线性功率单位表示、横截面大了16倍。如果频率加倍，则反射变得大6dBsm，或者以线性功率单位表示、反射变为4倍大。注意，以dBsm为单位的RCS增大20log(f)。在该说明中忽略了复杂的边缘效应。例如，1GHz下6″×6″平板的雷达横截面为-11.3dBsm。因为系数G或增益与f2成比例地增大，所以从1GHz增大到10GHz使值增大到8.7dBsm，产生了20dB的差。然而，值得注意的是，典型的武器形状相对于无线电波长是非平面的，因而实际上几乎没有实现值的增大。
表1中的数据是利用几个频带内电磁无线电波照射的金属.357口径手枪的雷达横截面。建立这些数据来校准探测器设备以及提供参考度量。测试配置为单端口RCS测量，16个平均值，时域选通，以及缩小的中频(IF)带宽。
表1
类似，图4a提供了对于跨越2650至3000MHz频率范围发射的辐射、.357口径手枪的雷达横截面(RCS)数据。曲线显示出，对于位于侧面位置的枪(意味枪的最长尺寸在所发射的无线电波平面内横向地延伸)，在该频率范围内RCS在从大约-8dBsm到-11dBsm的范围内变化。图4b表示在和图4a相同的频带内的身体返回或没有武器的人体的RCS。频带范围内的平均雷达横截面为-3dBsm，或比-11dB的平均枪返回强大约8dB。
图5和图6提供了对测试室内人的无线电波反射的测量。图5包含了经验数据，该经验数据指示当向某人照射辐射时，在2.59到3.95GHz之间大约有63％的无线电波能量从人体反射回来。图6显示出在7.0至10.66GHz之间大约有32％的无线电波能量被反射回来。
一般，本发明优选地依靠反射的物理现象其中水平偏振的入射波束将被部分反射回来而作为垂直偏振。被转换为垂直偏振的能量的百分比取决于在垂直于入射方向的平面内的目标形状。如果目标具有既有垂直分量又有水平分量的横截面形状，则即使用水平偏振波照射目标，也将获得垂直偏振分量。该垂直偏振分量在此被称为“交叉偏振”，而水平偏振反射被称为“co-pol”。如果用垂直偏振入射波束照射对象和目标，则这些术语将相反。
如上所述，.357口径手枪和人体之间的反向散射之差平均为大约-8dB。在算术意义下，这表示与没有枪的情况相比，枪和人体的组合将只增加1.4dB。假定人体差异为6dB的量级，则不难以理解为什么难以探测到枪。人体中的主骨架是垂直的，因此对于入射的垂直偏振、横截面较高是不令人惊讶的。对于衣服上的大多数拉链也是这种情况。
如果使用入射的水平偏振，则身体横截面减小大约6dB，并且现在垂直偏振的交叉偏振也减小相同量。然而，武器的交叉偏振保持较恒定。这意味，平均1.4dB的差现在可以变为7.4dB，由此减小由人体之间的变化所造成的影响。因而，当对象是人时，优选地发射水平偏振，并且接收水平和垂直偏振。
图7描述了本发明优选实施例的典型操作。利用在该情况下为水平偏振的无线电波来照射进入受保护空间或“安全地带TM”的人。这些无线电波的一部分被吸收，而一些无线电波被反射回到发射器。当发射器照射没有枪的人时，产生了图7中上面曲线图的两条曲线。这两条曲线代表在应用线性调频Z变换(如下所述)之后，反射回到探测器的水平偏振能量的时域幅度(上面曲线标记为“α”)以及反射回到探测器的垂直偏振能量的时域幅度(下面曲线标记为“β”)。
图7中的下面曲线图包含了两条当通过探测器检测携带手枪的人时所产生的时域曲线。如同上面曲线图一样，这两条曲线代表从人反射回来的水平偏振无线电波的时域能级(上面曲线标记为“γ”)，以及从人反射回来的垂直偏振无线电波的时域能级(下面曲线标记为“δ”)。标记为“DELTA B”的两曲线最大幅度之间的间距通常比上面曲线图中标记为“DELTA A”的间距稍窄一点。一般，当某人有枪、或者有提供实质反射存在的其它任何目标时，从目标反射回来的垂直偏振能量分量将增大。
图8和图9是在手枪探测实验期间产生的两对波形的测量时域测试设备曲线。在图8中，人没有携带枪，并且两条曲线的最大值相隔29.6dB。入射偏振为水平偏振，因而接收的水平偏振大于接收的垂直偏振。在图9中，同一人携带手枪，并且两条曲线的最大值之间的距离现在仅为7.9dB，指示枪的存在。
虽然对于这个试验，两个接收偏振之间的幅度差的减小非常显著，但是在其它情况下幅度差的减小可能很小；因而不能总是依靠这种测量。因此，当对武器存在作出判定时，必须考虑附加的参数或准则。此外，在不是消声室的现实世界中，由于由地面反射和周围环境杂乱回波所造成的多路效应，信号将衰减。如上所述，优选地通过使雷达扫过宽频率范围来使多路效应最小化，因为一个频率的取消将不能获得和另一个频率下的取消不同的效果。扫过宽频率范围提供以下的附加优点频域中所使用的频谱越宽，在应用适当变换后的时域时间和幅度的分辨率就越好。
本发明中优选使用的另一个准则是两个返回信号变化的峰值的相对定时。当某人有枪或炸弹时，垂直偏振信号中主要由武器产生的适当部分在时间上相对于主要从人体反射回来的水平返回向前移动。这种时移是有助于武器探测概率的另一个参数。
此外，当某人装备武器时，两个偏振返回的形状都倾向于更加展开，这是因为反射的一部分来自于武器、且一部分来自于人体。因此，测量每个返回的峰值与曲线下面积之比优选地有助于确定目标探测概率。
最后，当某人装备武器时，由于来自武器的反射而使co-pol返回(典型地为水平偏振)的绝对幅度倾向于更大，但是因为不同人的尺寸变化，这本身不是重加权的参数。如果co-pol返回远远大于对于很大人都正常的值，则这将独自指示关于特殊个体的异常，有可能指示隐藏的目标。当某人携带包括弹片的炸弹时，该参数很重要。
优选地通过解决以下算法来实施本发明该算法使用代表从没有携带隐藏武器的人反射的信号的存储值标准集合。优选地利用许多人测量并编辑的该数据提供了图7所示的上面曲线图及图8中所代表的信息。也使用了代表从携带了隐藏武器的人反射的信号的存储值标准集合。同样优选地利用许多人测量并编辑的该数据提供了图7所示的下面曲线图及图9中所代表的信息。在本发明的先进实施中，探测器能够通过逐渐且连续地了解由没有携带武器进入“安全地带TM”的许多人所产生的反射信号，来适应其环境。这可以通过利用任何数量的学习系统之一，包括但不限于神经网络，来实现。
本发明的探测枪方案的最困难问题之一是人体的差异。至今所显示的所有数据都只使用幅度输入，来从测量的频域转换到所显示的时域曲线。然而，如上所讨论的，这不足以提供对武器或其它目标的存在的可靠指示。
题为“目标探测系统(Object Detection System)”的美国专利No.6,342,696公开了用于探测隐藏武器的新方法和设备，包括利用以下时域方法其中利用来自对象区域的co-pol和交叉偏振返回之间的幅度差来确定是否存在武器。优选地利用以下算法来提高目标探测的灵敏度该算法采用能够通过把相位信息结合到变换中来提供振幅和相位数据的复数线性调频Z变换(CZT)。CZT是一种用于将频率信息转换为时间信息、即从频域转换到时域的数学表达式。CZT是Z变换的一般化，Z变换是Laplace变换的离散形式。
对从可能携带隐藏武器的人反射的偏振波的相位进行测量是重要的，因为从隐藏武器反射的偏振波和从人体反射的偏振波的特性有很大不同。一般，来自隐藏武器的反射虽然不恒定，但在比较有限的范围内变化。相反，来自人体的反射随时间变化，因为人体有深度、且在人体的各种深度产生反射；因此反射是非平面的。经过变换的返回的质心位于体表以下的点。本发明优选地通过以下方式来利用这个特征使用信号处理方法来区别来自隐藏武器的较紧凑信号和来自人体的一般时间/距离变化信号。使用非平面数据的结果是来自人体的返回的减少，提高了系统灵敏度及本发明探测隐藏武器的能力。因而，CZT有助于，把从目标反射的辐射所产生的第一信号和从诸如人体的对象反射的辐射所产生的第二信号分开。
复数变换需要知道每个频率分量的相对相移；因而，为了使用CZT，在测量期间必须收集幅度和相位信息。因此，将相位检测器引入仪器中；见图2。相位检测器实际上内置了两个部分，每个部分都被提供相互偏移90°的相同信号。当单个部分单元在圆的不同象限重复值时，要求这种正交探测器能消除相位检测器的多义性。因为在给定时间只有一个频率存在，所以优选地测量相对于发射器信号的相位。优选地，对IF信号执行交叉偏振返回信号的相位测量。作为选择，可以对射频(RF)信号执行相位测量、而无任何大的差异；然而，要获得准确的RF测量是更困难和更昂贵的。在任一种方法中，都利用相位鉴别器来测量返回信号相对于发射信号的相位。然而，所关心的是维持IF的相干性。
优选地，可以通过利用附加通道提供返回信号的精确IF的参考，来维持这种相干性。优选地，通过对发射和局部振荡器都进行采样、并将它们进行混合以产生相位检测器参考，来实现这一点。因为由于对象非常接近而使接收返回的延迟只有几纳秒，所以噪声降到最小。优选地使用单个相位检测通道，并对其进行时间复用，以允许对co-pol和交叉偏振通道进行分开相位测量。生成稳定参考的一种替换方法是采用工作在IF的稳定振荡器，并把使用IF参考的局部振荡器和发射振荡器同步。
图10中给出了来自人体的采样交叉偏振幅度和相位响应的一般化描述。利用复数线性调频Z变换来处理该信息。可以将图10中的波形定义如下S(f)＝Afil(f)×A(f)e(2πft+δ(f))其中Afil(f)＝频域中的带通滤波器的幅度响应；A(f)＝频域中的交叉偏振返回的幅度响应；f＝以千兆赫为单位的频率；t＝以纳秒为单位的时间；P(f)＝δ(f)＝频域中的交叉偏振返回的相位响应将所关心的频带分解为几段或几个箱。箱数“N”可以是从0到接近无穷大的数的任何实际值。
从雷达信号获取的数据由每个频率下的反射信号的幅度和相位组成。为了利用这些值，必须将这些值转换成代表幅度对时间的值。以下使雷达参数的定义N＝测量的频率采样数；F_step＝采样之间的频率步长大小；以及F_span＝总频率范围(N×F_step)。
将频率信号转换成时间信号的标准方法是利用逆离散傅立叶变换(IDFT)。IDFT将N个频率采样变换为N个时间采样。所得到的时间采样以1/F_span的分辨率，从时间0到时间1/F_step均匀地隔开。
IDFT定义如下x(n)=Σk=0N-1X(k)ej2πnkN]]>其中X(k)是N个频率采样(复数)，且x(n)是N个时间采样。
例如，在N＝128且F_step＝7.8125MHz的情况下，IDFT给出128个时间采样，每个时间采样在从时间0到128纳秒的范围内隔开1纳秒。然而，由于两个原因而证明该方法是不足的。首先，我们不是对从0到128纳秒的所有时间都感兴趣，而只是对存在来自对象和目标的反射的很小(大约10纳秒)时间片感兴趣。第二，1纳秒的分辨率太粗糙而不能进行本发明首选的精确时间测量。
通过利用线性调频Z变换从频率转换到时间，来解决这两个不足。线性调频Z变换按照和IDFT同样的原理操作，但是允许对所关心的区进行放大的能力。正向(时间到频率)线性调频Z变换由下式给出X(k)=Σn=0N-1x(n)A-nWnk]]>其中A=A0ej2πθ0]]>W=W0ej2πφ0]]>且k＝0，1，...，M-1A0确定线性调频Z变换的初始半径；
W0确定线性调频Z变换的“螺旋系数”；θ0确定作为整个区间一小部分的起始位置；φ0确定作为整个区间一小部分的步长大小；N是输入(时间)值的数目；以及M是输出(频率)值的数目。通过使用以上方程、并为A0、W0、θ0、φ0、N和M选择适当值，可以选择我们变换的区间和分辨率。对于本发明，优选地将A0、W0设为1。
以上方程是相对于正向(时间到频率)线性调频Z变换的。通过取频率数据复共轭变换的复共轭，来计算逆线性调频Z变换。例如，为利用N＝128和M＝64计算从30纳秒到40纳秒的时间值，我们将设置θ0＝30/128(起始时间除以总时间)；以及φ0＝(10/128)/64(时间范围除以总时间再除以输出采样数)。
CWD系统的数据处理优选地包括以下步骤1.获取频率幅度和相位值；2.对这些值应用Hamming窗；3.将幅度和相位值转换为实值和虚值；4.对复数值取共轭；5.执行线性调频Z变换；6.对结果取共轭；7.将结果从实值和虚值转换为幅度值。
以下参考文献提供了线性调频Z变换的更多细节“The Chirp-ZTransform Algorithm and Its Applications”，L.Rabiner，et al.，MITLincoln Laboratory，Bell System Journal，May-June 1969；“Using theInverse Chirp-Z Transform for Time Domain Analysis of Simulated RadarSignals”，Dean A.Frickey，Idaho National Engineering Laboratory；“Linear Filtering Approach to the Computation of Discrete FourierTransform”，L.Bluestein，GT&E，IEEE Transactions on Audio andElectroacoustics，December 1970；以及Frederic deCoulon，Signal Theoryand Processing。这些参考文献在此全部被引入作为参考。
与快速傅立叶变换相比，线性调频Z变换的主要优点在于，利用数十皮秒的分辨率就可以得到非常精确的时移数据。这以小于1英寸的分辨率来提供交叉偏振返回相对于co-pol返回的产生的空间位置。而这又提供以下信息交叉偏振是在人体内产生的，还是由人体前面的目标所产生的，还是相反由体表所产生的。以下描述的神经网络优选地利用该信息作为决策过程的一部分。
为了将两个雷达返回和具有不同偏振的对象分开，本发明的优选实施例采用使用两个分开天线的双路馈电天线，一路用于co-pol、且另一路用于交叉偏振。第一天线优选地发射水平偏振波，并接收相同的偏振(co-pol)。第二天线优选地只接收相反偏振(交叉偏振)，并且不发射。正常地，这种雷达使用两个接收器通道来保持两个接收信号分开。作为选择，本设备可以对信号进行复用，并使用微波开关来交替将接收器通道连接到每个天线，由此节约第二接收器的成本。这种节约是很可观的。该方法也可以应用于为每种偏振使用单独馈电的天线设计。
优选地，通过在输入处把SP2T开关添加到接收器上，来实现时间复用，其中通过每个天线馈给每个输入。与单个脉冲相反，发射信号优选地是由诸如1微秒的周期分开的脉冲串。对来自一组脉冲中每个脉冲的返回进行平均，以否定任何不清楚的偶然奇怪读数。优选地，3到5个脉冲的一组脉冲适于该应用。
由于相对于人体移动所花时间的测量速度，可以取多个序列的读数，只要在少于优选地为1毫秒的任意时间内完成集合。这允许以最简单的形式设计系统，因为是在每个频率进行co-pol和交叉偏振测量，还是首先在一个频率范围进行co-pol测量，然后在交替的频率范围进行交叉偏振测量，都将不要紧。后一种方法允许使用偏振开关来选择co-pol返回，然后选择交叉偏振返回，并只使用一个接收器来测量这两种返回。于是，可以使用具有50至100纳秒开关时间的较慢开关。优选地近似为10KHz的重复频率将允许在合理的时间内完成测量扫描。
优选地，对所收集的各种类型数据应用加权函数。除被转换到时域之后的零时间交叉偏振幅度和被转换到时域之后的零时间co-pol信号幅度之差以外，还有其它类型的数据也有值。例如，co-pol和交叉偏振返回的幅度和相位值提供了关于某人的金属(或其它雷达反射材料)量的某种指示，即使较大的人所产生的返回比较小的人所产生的返回大3dB左右。然而，具有炸弹的人可以产生比较大的人大得多的返回。另外，对于每次读数，在近似300毫秒期间优选地取多个频率范围，并优选地计算平均值。安全的主体(没有任何种类武器)在5个值中产生较大的变化(大的标准差)，而带有武器的人产生紧密得多的模式。前一条件可能具有5dB或更大的扩展，而后一条件通常显示出小于3dB的扩展。因此，该标准差是有价值的数据。
本发明优选地将分数(point)赋予许多这样的参数，虽然可以使用其它参数。第一优选参数是co-pol返回的幅度。这本身是差的鉴别器，但是它用作其它测量的参考。只有当它的值非常大以指示存在和该主体关联的总体异常时，才将分数赋予该参数。例如，如果co-pol幅度大于-47dB，则可以赋予3分；如果它大于-50dB，则可以赋予2分；以及如果它大于-55dB，则可以赋予1分。单位dBm是相对于1毫瓦的功率绝对度量。第二优选参数是复交叉偏振返回的幅度。例如，如果交叉偏振幅度大于-60dB，则可以赋予2分，并且如果它大于-62dB，则可以赋予1分。第三优选参数是最后所得到的co-pol幅度和复交叉偏振返回幅度之差。例如，如果差小于5dB，则可以赋予4分；如果差小于8dB，则可以赋予2分；以及如果差小于10dB，则可以赋予1分。第四优选参数是交叉偏振和co-pol信号之间的时移。第五优选参数是交叉偏振波形的形状；变换后信号的时间扩展越大，返回是该主体上几个大反射体的结果的概率就越大。取决于参考经验确定的阈值而测得的这些参数值，优选地向每个参数赋予许多分。
然后，优选地把每个优选参数的得分加起来，并且如果总和大于任意或统计上确定的上限，则宣称某人带有武器或其它目标；如果总和在下限和上限之间，则优选地报告警告(即重新测试)；以及如果总和小于下限，则优选地宣称这个人是安全的。优选地，两个连续“警告”导致对武器或目标的判定。
优选地，对对象的三次连续“快照”执行累计。优选地，按大约1/4秒的增量拍摄快照。因而，当某人穿过距离选通门时，优选地在3秒内完成“快照”集合，并在稍微不同的位置拍摄“快照”集合。当武器可能在某个位置被遗漏，并在其它位置被探测到时，这是更加有意义的。作为选择，可以任选地要求对象旋转某一角度，例如120度，同时在每个位置获取读数。或者，可以将多台设备放在不同位置，并且这多台设备优选地从不同方向同时照射对象。如果这三个快照中任何一个确定存在武器，则优选地宣称存在武器。然而，已发现，如果合计3个连续快照的得分，则宣称的精度将大大提高。任选地可以根据以下准则来确定武器的宣称对于三个连续快照，每一个快照都有最少数量的得分。
以上过程描述了模式识别系统的手动实现。作为主观的人类决策的结果，手动地指定被赋予每个参数的分数以及它们随这些参数值的变化。在实现更准确确定参数值(赋分)加权的方法的过程中，下一步是使用人工智能或模式识别技术，优选地使用人工神经网络处理。本发明使用被称为“模式识别工作台(Pattern Recognition Workbench)”(PRW)的软件，但是可以应用任何类似的这种软件。通过输入数据和正确的答案，来训练程序；然后，该程序对数据进行评价，并确定每个参数的最佳加权以使精度最大化。利用对象(例如人)的小样本，数据集可以100％正确。输出是计算机码，该计算机码被存储在将执行实际处理的计算机中。然后，内部计算机以“别插手(hands off)”的方式操作，对任何累积的新数据作出决策。当应用于此，结果令人惊奇，并且将预测精度从对于手动选择加权的80％左右提高了对于人工智能选择加权的好于98％。这是因为，当有误差时神经网络就学习；例如，当对尺寸和形状各不相同的多个人进行测试并且某些人不适合现有模式时，神经网络就学习。
随着研究的进展，开发和改进了附加的准则。开发的目标是，通过使用多个(例如3个)天线的系统来使入口受保护。这种系统允许同时从各个观察点来检查主体，或者至少在几微秒内检查主体。则，来自多个观察点的数据的可用性可以提供附加的参数，来增加决策的鲁棒性。这可以包括投票，以提高参考co-pol来测量反射之间的小时差的精度，作为与人体相比具有较大尺寸的隐藏目标的存在的进一步指示器。
图11给出了描述本发明优选实施例操作的流程图。
虽然在探测隐藏武器的上下文中描述了本发明的优选实施例，但是本发明可以用于探测和/或定位任何数量的目标，包括但不限于独特形状的商品或附属于商品上的廉价标签，作为库存控制与反商店扒窃系统。任选地，可以把本发明结合到自动门控制系统中，例如包括自动门打开、关闭或锁上设备的自动门控制系统。也可以把系统用作炸弹或爆炸物探测设备。其它目标的探测是确定哪个频带将对所怀疑的目标产生最多信息，然后累积足够的数据来训练人工神经网络的问题。
例子1测试的探测目标包括多种武器，包括.22口径手枪、Glock 9mm半自动手枪、Uzi突击步枪，以及多种恐怖分子样式的炸弹，包括包括钉子作为弹片的炸弹、包括弹弓球作为弹片的炸弹以及包括模拟炸药包而没有弹片的炸弹。表2显示了，关于根据本发明利用9.5至10.7GHz频带及水平偏振照射的多种武器的探测的样本测试数据。只对正面获取数据。利用体重在大约100磅到220磅范围内、且身高在5′0″到6′2″的范围内的12个不同人，来获取这些数据。如该表所示，系统对于116种安全情况中的115种都是正确的，由此只产生一个误报，并且对于283种武器情况，产生了0个误报。(NA表示不适用)表2
虽然参考本发明的特定优选和备选实施例详细描述了本发明，但是其它实施例可以获得相同的结果。本发明所属技术领域中的普通技术人员将要理解，在不脱离下面权利要求的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和提高。本发明的变化和更改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且预定包括所有这种更改和等效物。以上所公开的电路元件意图向读者教授特殊的优选和备选实施例，而不是用来限制本发明的界限或权利要求的范围。虽然在特别强调具体硬件配置或频带的情况下描述了优选实施例，但是可以利用多种电路元件或频率范围来实施本发明。虽然在特别强调线性调频Z变换的情况下描述了具体的信号处理方法和设备，但是也可以利用其它多种数学方法来实施本发明的备选实施例。以上所引用的所有专利和出版物的整个公开在此被引入作为参考。
权利要求
1.一种确定与对象关联的目标的存在的方法，该方法包括以下步骤用偏振照明辐射来照射对象；收集从对象反射的、具有与照明辐射相同的偏振的第一辐射；收集从对象反射的、具有与照明辐射相反的偏振的第二辐射；以及采用第一辐射和第二辐射的加权多项准则，来确定目标的存在。
2.根据权利要求1所述的方法，其中采用步骤包括，采用通过线性调频Z变换处理而转换到时域的被收集辐射的加权多项准则。
3.根据权利要求2所述的方法，其中采用步骤包括，采用第一辐射和第二辐射之一或两者的多次幅度扩展。
4.根据权利要求2所述的方法，其中采用步骤包括，采用从包括以下的组中选择的多项准则在通过线性调频Z变换处理转换到时域后第一辐射在零时的第一幅度；在通过线性调频Z变换处理转换到时域后第二辐射在零时的第二幅度；以及第一幅度和第二幅度之差。
5.根据权利要求4所述的方法，其中采用步骤包括，采用第一辐射和第二辐射之间的到达时间差。
6.根据权利要求4所述的方法，其中采用步骤包括，采用时域或频域中第一辐射和第二辐射之一或两者的曲线形状测量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中测量包括曲线峰值与曲线下的总面积之比。
8.根据权利要求1所述的方法，其中该方法被重复多次，并进一步包括对该方法的每次执行结果进行组合的步骤。
9.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括用校准数据来训练神经网络的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中采用步骤进一步包括利用神经网络来自主确定目标存在的步骤。
11.根据权利要求1所述的方法，其中对象包括人。
12.根据权利要求1所述的方法，其中目标包括隐藏的武器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中隐藏的武器是从包括以下的组中选择的刀、轻武器、枪、炸弹、爆炸装置和自杀背心。
14.一种用于探测与对象关联的目标的设备，所述设备包括发射天线，用于用偏振照明辐射来照射对象；第一接收天线，用于收集从对象反射的、具有与照明辐射相同的偏振的第一辐射；第二接收天线，用于收集从对象反射的、具有与照明辐射相反的偏振的第二辐射；以及处理器，用于采用第一辐射和第二辐射的加权多项准则来确定目标的存在。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述处理器采用通过线性调频Z变换处理而转换到时域的被收集辐射的加权多项准则。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述处理器采用所述第一辐射和所述第二辐射之一或两者的多次幅度扩展。
17.根据权利要求15所述的设备，其中所述处理器采用从包括以下的组中选择的多项准则在通过线性调频Z变换处理转换到时域后所述第一辐射在零时的第一幅度；在通过线性调频Z变换处理转换到时域后所述第二辐射在零时的第二幅度；以及所述第一幅度和所述第二幅度之差。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述处理器采用所述第一辐射和所述第二辐射之间的到达时间差。
19.根据权利要求17所述的设备，其中所述处理器采用时域或频域中所述第一辐射和所述第二辐射之一或两者的曲线形状。
20.根据权利要求17所述的设备，其中所述处理器采用第一辐射和第二辐射之一或两者随时间的变化。
21.根据权利要求14所述的设备，其中单个双偏振天线包括所述第一接收天线和所述第二接收天线。
22.根据权利要求14所述的设备，其中所述处理器对由多次向对象施加照明辐射而产生的结果进行组合。
23.根据权利要求14所述的设备，其中对象是人。
24.根据权利要求14所述的设备，其中目标是隐藏的武器。
25.根据权利要求24所述的设备，其中隐藏的武器是从包括以下的组中选择的刀、轻武器、枪、炸弹、爆炸装置和自杀背心。
26.根据权利要求14所述的设备，其中所述处理器采用神经网络来自动探测目标的存在。
27.根据权利要求26所述的设备，其中所述处理器向所述准则的每一个赋值，并根据所述准则的值的组合来确定目标的存在。
全文摘要
用于探测目标的方法和设备。在一个实施例中，用低功率偏振无线电波来照射进入保护地带的人。收集从这个人反射回来的不同偏振波。通过测量反射信号的各种参数、然后计算它们之间的各种选定差异，来探测隐藏的武器。当作为时间的函数绘制曲线时，这些差异生成了模式。然后，优选地利用经过训练的神经网络模式识别程序来评价这些模式，并对武器的存在进行自主地判决。
文档编号G01S13/00GK1930490SQ200480040970
公开日2007年3月14日 申请日期2004年11月24日 优先权日2003年11月25日
发明者杰里·豪斯纳, 乔纳森·M·威斯特 申请人:麦卡利斯有限公司