专利名称：使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用电磁波照明进行物体检查，特别涉及使用电磁毫米波照明进行物体检查。
背景技术：
之前已经使用电磁信号来照亮物体，以此识别物体的存在。已经在安全场所如机场和法院采用这类电磁照明信号来探测隐藏在衣服之下或行李之内的物体。探测从物体反射的信号的强度已经被用于确定物体的存在。在某些情况下简单探测物体的存在并不能提供关于物体的足够信息。为了提高如在机场处理大量人员或行李的效率，可能希望避免阻止并以当面电磁“挥动安检棒 (wanding) ”或在身体上“向下轻拍(pat down) ”的方式搜寻已经探测出在衣服之下或行李之内存在物体的迹象的个人。术语“挥动探测棒(wanding) ”是指电磁敏感探测棒(wand) 在物体附近经过以探测含铁材料在物体上或物体内的存在。术语“向下轻拍(pat down)” 是指通过搜索者的双手以身体接触方式搜寻以检查可能指示隐藏物体的凸起、硬点等的存在。当前存在使用毫米波技术来探测个人携带的或货物中的隐匿武器或其它威胁的应用。众所周知，毫米波允许透视纺织品或其它材料且同时实现足够的分辨率以探测危险物品或物体。许多已知的现有系统是被动的，且所有已知的现有系统关注于生成图像，操作员观看该图像以辨别危险物品或物体。对本公开来说，可使用术语“辨别”来表示“探测和识别”。通常为粒状的或低分辨率的图像的操作员解释可能导致高错误警报率。形成通常是大区域的图像需要几十秒至几分钟来生成，从而导致较差的产出结果。在X射线图像中探测的不同材料密度经常可能导致隐匿感兴趣的物品。爆炸物探测方法如痕量探测、激光光谱学和化学反应应用于目标或物体的外部，并且在探测隐匿物品时可能是无用的。存在对可允许确定物体形状和性质的物体检查方法和装置的需求。对本公开来说，可使用术语物体的“性质”来指代物体的材料组成，例如但不限于在物体内存在的化学制品、成分/元素或矿物。
发明内容
本发明提供一种使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，该方法包括(a) 提供至少两个电磁毫米波信号源；(b)发射来自至少两个电磁毫米波信号源的至少两个电磁毫米波信号以照亮所述物体，至少两个电磁毫米波信号具有至少两个不同频率；(C)不以特定顺序执行以下步骤(I)确定返回反射信号是否高于预定阈值信号水平；[a]若高于阈值信号水平，则处理返回反射信号以识别物体的形状；[b]若不高于阈值信号水平，则处理另一返回信号；以及(2)确定是否探测到返回互调分量或谐波信号；[a]若探测到，则处理返回互调分量或谐波信号以识别物体的性质；[b]若未探测到，则处理另一返回信号； (d)确定是否已核对所有返回信号；(I)若未核对，则处理另一返回信号；(2)若已核对，则继续前进至步骤(e) ；(e)确定该方法是否已得到满意的结果；(I)若未得到满意的结果，则改变至少两个波信号中的至少一个的频率；(2)若已得到满意的结果，则终止该方法。本发明提供一种使用电磁毫米波信号照明来检查物体的装置，该装置包括(a) 至少两个电磁毫米波信号源；至少两个电磁毫米波信号源相对于物体被定向以允许由来自至少两个电磁毫米波信号源的至少两个电磁毫米波信号照亮物体；至少两个电磁毫米波信号具有至少两个不同频率；(b)至少一个接收器单元，其相对于物体定向以允许接收至少两个电磁毫米波信号中的选定电磁毫米波信号的反射信号；(C)与至少一个接收器单元耦合的分析单元；分析单元探知反射信号和反射信号中的互调分量或谐波信号的信号水平； 当反射信号高于预定阈值信号水平时物体的形状被指明；物体的性质被互调分量或谐波信号指明。因此，本公开的一个特征是提供可允许确定物体形状和性质的物体检查方法和装置。当结合图示说明本公开优先实施例的附图考虑以下说明书和权利要求时，本公开的更多目的和特征是显而易见的，其中在各图中使用相似的参考数字来标记相似的元件。
图I是本公开的装置的第一实施例的示意图。图2是本公开的装置的第二实施例的示意图。图3是说明本公开的方法的流程图。
具体实施例方式在本文可能使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应当理解的是，这些术语并不意欲作为彼此的同义词。相反，在特定实施例中，可使用“连接”指明两个或更多元件彼此直接物理接触或电接触。可使用“耦合”指明两个或更多元件彼此直接或间接(通过它们之间的其它中间元件)物理接触或电接触，或者两个或更多元件彼此协作或(例如以因果关系)相互影响。术语“位点(locus) ”在此意欲指明地方、场所、地区、现场、定点、位置、地址、地点、 体积、接合点、汇合处或其它在一维或多维可识别的与位置相关的区域。物理装置中的位点可包括例如但不限于拐角、交叉点、曲线、直线、区域、平面、体积或这些特征中任何一个的一部分。电气装置中的位点可包括例如但不限于端子、电线、电路、电路迹线、电路板、插线板、引脚、连接器、组件、组件集合、子组件或其它在一维或多维可识别的与位置相关的区域。流程图中的位点可包括例如但不限于图中描述的流程或方法的接合点、步骤、地址、功能、查询、响应或其它方面，以及位于接合点、步骤、地址、功能、查询、响应或其它方面之间的步骤、增量或间隙。本公开描述了能够进行金属探测、大块爆炸物探测和非金属隐匿武器探测的方法和装置，这些探测是通过对来自被发射的毫米波信号照亮的组件的散射能量进行辐射度测量而实现的。可执行阈值水平探测以辨别可被隐匿的不同密度物品。可以通过使用被不同频率询问照亮的物体的非线性响应或互调分量信号生成来实现电子组件和其它异种金属结/汇合处(junction)的探测。金属探测、大块爆炸物探测和非金属隐匿武器探测可以通过扫描并生成来自被发射的毫米波信号照亮的物体的散射能量的图像来实现。目标区域的图像可呈现给操作员以便进行结果解析。可以使用来自阈值信号探测的信息和不同信号探测操作模式来实现自动探测。物体的汇聚照明和在低功率水平下的操作可减轻操作过程中的干扰。借助每秒几百次的测量能力，在连续波模式下操作可允许快速探测和确认物体的存在。可以使用范围在大约30GHz (千兆赫)至大约300GHz的频率来进行该实施方式。最有效的使用可能位于W波段(75至IlOGHz)内。图I是本公开的装置的第一实施例的示意图。在图I中，装置10可包括与公共参考信号发生器单元16耦合的第一电磁毫米波信号源12和第二电磁毫米波信号源14。参考信号发生器单元16可与同步接收器单元18耦合。分析单元19可与同步接收器单元18耦
八
口 o第一电磁毫米波信号源12可合成(来自由参考信号发生器单元16提供的参考信号fo)具有频率的第一电磁毫米波信号20。第一电磁毫米波信号源12可发射第一电磁毫米波信号20以照亮物体22。第二电磁毫米波信号源14可合成(来自由参考信号发生器单元16提供的参考信号fo)具有频率f2的第二电磁毫米波信号24。第二电磁毫米波信号源14可发射第二电磁毫米波信号24以照亮物体22。电磁毫米波信号20、24的任一个可以被物体20反射并且被同步接收器单元18接收。电磁波传播系统领域的技术人员可理解该现象，且为避免对图I造成混乱未在图I中示出该现象。此外，具有频率Af 的差分信号26可以被物体22反射并且被同步接收器单元18接收。频率Af可通过以下关系式与频率f\、f2关联f = fj-f2[I]在物体22的附近23交叉的电磁毫米波信号20、24可建立基本垂直于包含图I的平面的边缘平面25。分析单元19可探知反射的电磁毫米波信号20、24的信号水平以确定反射的电磁毫米波信号20、24中的任一个是否高于预定阈值信号水平。使用从反射的电磁毫米波信号 20,24的接收信号水平收集的信息，分析单元19可确定物体22的形状。与现有电磁照明信号系统中使用的更长波长信号相比，反射的电磁毫米波信号20、24的相对较短波长可允许实现比现有技术系统已经实现的分辨率更精细的物体22的形状分辨率。分析单元19可探知反射的差信号26以探知物体22的存在。分析单元19可采用来自反射的电磁毫米波信号20、24和反射的差分信号26两者的信息来探知物体22的存在。图2是本公开的装置的第二实施例的示意图。在图2中，装置30可包括与第一发射天线34耦合的第一毫米波发射器32，该第一发射天线34与第一毫米波发射器32合作以发射第一电磁毫米波信号36从而照亮物体38。装置30也可包括与第二发射天线42耦合的第二毫米波发射器40，该第二发射天线42与第二毫米波发射器40合作以发射第二电磁毫米波信号46从而照亮物体38。可以通过采用从物体38到天线34、42的范围以及天线34、42之间的间距来定义装置30的各种元件的方向。天线34、42之间的间距可表达成电磁毫米波信号36、46之间的会聚角9。会聚角9可为零并且频率为f\、f2的信号可从单一天线发射。
可从物体38反射散射的返回信号48。第一天线单元50可接收在第一频带内的散射返回信号48。第一天线单元50可包括与第一接收器单元(RCVRl) 54耦合的第一前置放大器单元52。第二天线单元60可接收在第二频带内的散射返回信号48。第二天线单元 60可包括与第二接收器单元(RCVR2) 64耦合的第二前置放大器单元62。例如但不限于，第一频带可为W波段并且第二频带可在UHF至X波段范围内。天线单元50、60可与分析单元70耦合。散射返回信号48可以具体化为互调分量信号或谐波信号。分析单元70可探知散射返回信号48以探知物体22的性质。经验数据或其它数据可以是分析单元70中或分析单元70可用的别处的存储数据，以允许分析单元 70比较从散射返回信号48收集的信息和收集的存储数据，从而确定物体38或物体38的一部分的性质。例如但不限于，可区别的物体38或物体38的一部分的性质可包括非线性电气结/汇合点；某些电子元件；异质电气结/汇合点；电介质、液体、非金属材料、陶瓷材料的存在；以及其它特性或元件。可通过如图2中箭头80所示有效地移动装置30的扫描操作来改变装置30相对于物体38的方向/定向。这种扫描操作可以通过物理地或机械地移动装置30或通过采用电子波束扫描领域的技术人员已知的波束或信号导引操作来实现。附加地或替换地，可如图2中箭头82所示旋转物体38以将物体38的不同方位呈现给装置30。也可采用装置30 的扫描和物体38的移动的组合来实现将物体38的不同方位呈现给装置30。图3是说明本公开的方法的流程图。在图3中，使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法100可开始于起始位点(START locus) 102。方法100可以继续提供至少两个电磁毫米波信号源，如块103所示。方法100可以继续发射来自至少两个电磁毫米波信号源的至少两个电磁毫米波信号以照亮物体，如块104所示。至少两个电磁毫米波信号可具有至少两个不同频率。方法100可以继续不以特定顺序执行以下步骤(I)确定来自物体的返回反射信号是否高于预定阈值信号水平，如查询块106所示。若返回反射信号高于预定阈值信号水平，则方法100可从查询块106经由“是”响应线 112继续进行，并且可处理返回反射信号以识别物体的形状，如块124所示。方法100也可采用探测的反射信号以有助于识别物体的存在，如块126所示。若返回反射信号不高于预定阈值信号水平，则方法100可从查询块106经由“否”响应线118继续前进，并且可继续前进至查询块130以提出是否已核对所有返回信号的询问。(2)确定是否探测到从物体反射的返回差分信号，如查询块108所示。若探测到返回差分信号，则方法100可从查询块108经由“是”响应线114继续前进，并且可处理返回差分反射信号以识别物体的存在，如块126所示。若未探测到返回差分反射信号，则方法 100可从查询块108经由“否”响应线120继续前进，并且可继续前进至查询块130以提出是否已核对所有返回信号的询问。(3)确定是否探测到来自物体的返回互调分量或谐波信号，如查询块110所示。若探测到返回互调分量或谐波信号，则方法100可从查询块110经由“是”响应线116继续前进，并且可处理返回互调分量或谐波信号以识别物体的性质，如块128所示。若未探测到返回互调信号或谐波信号，则方法100可从查询块110经由“否”响应线122继续前进，并且可前进至查询块130以提出是否已核对所有返回信号的询问。
在完成块124、126、128所示步骤后或者在对查询块106、108、110提出的询问作出 “否”响应后，方法100可继续确定是否已核对所有返回信号，如查询块130所示。若未核对所有返回信号，则方法100可从查询块130经由“否”响应线132继续前进以选择未核对的返回信号，如块134所示。方法100可从块134继续前进至位点135并且其后执行上面结合块106、108、110、124、126、128、130所述的步骤以实现处理另一返回信号。若已核对所有返回信号，则方法100可从查询块130经由“是”响应线136继续前进以提出用户对方法100的结果是否满意的询问，如查询块138所示。若对结果满意，则方法100可从查询块138经由“是”响应线140继续前进以终止方法100，如结束位点(END locus) 142所示。若对结果不满意，则方法100可从查询块138经由“否”响应线144继续前进。可如虚线查询块146所示提出是否期望物体的另一方位的可选查询。若期望物体的另一方位，则方法100可从查询块146经由“是”响应线152继续前进，并且可改变物体的方位，如块154所示。可通过机械扫描或电信号扫描物体、通过物理上移动物体例如旋转物体或者扫描与旋转物体的组合来改变物体的方位。若期望物体的另一方位，方法100可从查询块146经由“否”响应线152继续前进，并且可以改变依据块104发射的至少两个电磁信号中的至少一个发射频率，如块150所示。在完成块150或块154所示的动作后，方法100可执行上面结合块104、106、108、 110、124、126、128、130所述的步骤以实现处理另一返回信号。另一组实施例涉及使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法；该方法包含(a)提供至少两个电磁毫米波信号源；(b)发射来自所述至少两个电磁毫米波信号源的至少两个电磁毫米波信号以照亮所述物体；所述至少两个电磁毫米波信号具有至少两个不同频率；(C)基本同时执行以下步骤(I)确定来自所述物体的返回反射信号是否高于预定阈值信号水平；[a]若所述返回反射信号高于所述预定阈值信号水平，则处理所述返回反射信号以识别所述物体的形状；[b]若所述返回反射信号不高于所述预定阈值信号水平，则处理另一返回信号； 以及(2)确定是否探测到来自所述物体的返回互调分量或谐波信号；[a]若探测到所述返回互调分量或谐波信号，则处理所述返回互调分量或谐波信号以识别所述物体的性质；[b]若未探测到所述返回互调分量或谐波信号，则处理另一返回信号；(e)确定是否已核对所有返回信号；(I)若未核对所有返回信号，则处理另一返回信号；(2)若已核对所有返回信号，则继续前进至步骤⑴；(f)确定所述方法是否已得到满意的结果；(I)若所述方法未得到满意的结果，则改变所述至少两个电磁毫米波信号中的至少一个的频率且重复步骤(b)至(f)；(2)若所述方法已得到满意的结果，则终止所述方法。上述方法中详述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中该方法可进一步包括用以下步骤替换步骤(f) (I):若所述方法未得到满意的结果，则提出是否期望所述物体的另一方位的询问；[a]若期望所述物体的另一方位，则通过实现以下步骤中的至少一个来改变物体方位[I]扫描所述至少两个电磁毫米波信号至所述物体的不同方位角；[2]移动所述物体以将不同的方位呈现给所述至少两个电磁毫米波信号源；以及[3]重复步骤(b)至(f)；以及[b]若不期望所述物体的另一方位，则改变所述至少两个电磁毫米波信号中的至少一个的频率并且重复步骤(b)至(f)。上述方法中详述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中所述物体包括基本上处于单一位点的多个物体单元。上述方法中详述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中所述物体包括基本上处于单一位点的多个物体单元。上述方法中详述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中基本上通过所述至少两个电磁毫米波信号源相对于所述物体的机械重新定位来实现所述扫描。上述方法中详述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中基本上通过电子信号导引实现所述至少两个电磁毫米波信号相对于所述物体的重新定向来执行所述扫描。上述方法中详述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中基本上通过所述至少两个电磁毫米波信号源相对于所述物体的机械重新定位来实现所述扫描。上述方法中详述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中基本上通过电子信号导引实现所述至少两个电磁毫米波信号相对于所述物体的重新定向来执行所述扫描。应当理解，虽然详图和给出的特定示例描述了本公开的优选实施例，但它们仅为了说明，本公开的装置和方法并不限于公开的精确细节和条件，并且可以在不偏离权利要求所限定的公开精神的情况下作出各种改变。
权利要求
1.一种使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，该方法包括(a)提供至少两个电磁毫米波信号源；(b)发射来自所述至少两个电磁毫米波信号源的至少两个电磁毫米波信号以照亮所述物体；所述至少两个电磁毫米波信号具有至少两个不同频率；(c)不以特定顺序执行以下步骤(1)确定来自所述物体的返回反射信号是否高于预定阈值信号水平；[a]若所述返回反射信号高于所述预定阈值信号水平，则处理所述返回反射信号以识别所述物体的形状；[b]若所述返回反射信号不高于所述预定阈值信号水平，则处理另一返回信号；以及(2)确定是否探测到来自所述物体的返回互调分量或谐波信号；[a]若探测到所述返回互调分量或谐波信号，则处理所述返回互调分量或谐波信号以识别所述物体的性质；[b]若未探测到所述返回互调分量或谐波信号，则处理另一返回信号；(d)确定是否已核对所有返回信号；(1)若未核对所有返回信号，则处理另一返回信号；(2)若已核对所有返回信号，则继续前进至步骤(e)；(e)确定所述方法是否已得到满意的结果；(1)若所述方法未得到满意的结果，则改变所述至少两个电磁毫米波信号中的至少一个的频率且重复步骤(b)至(e)；(2)若所述方法已得到满意的结果，则终止所述方法。
2.根据权利要求I所述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中所述方法进一步包含用以下步骤替换步骤(e) (I):若所述方法未得到满意的结果，则提出是否期望所述物体的另一方位的询问；[a]若期望所述物体的另一方位，则通过实现以下步骤中的至少一个来改变物体方位[1]扫描所述至少两个电磁毫米波信号至所述物体的不同方位角；[2]移动所述物体以将不同的方位呈现给所述至少两个电磁毫米波信号源；以及[3]重复步骤(b)至(e);以及[b]若不期望所述物体的另一方位，则改变所述至少两个电磁毫米波信号中的至少一个的频率并且重复步骤(b)至(e)。
3.根据权利要求I所述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中所述物体包括基本上处于单一位点的多个物体单元。
4.根据权利要求2所述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中所述物体包括基本上位于单一位点的多个物体单元。
5.根据权利要求2所述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中基本上通过所述至少两个电磁毫米波信号源相对于所述物体的机械重新定位来实现所述扫描。
6.根据权利要求2所述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中基本上通过电子信号导引实现相对于所述物体重新定向所述至少两个电磁毫米波信号来执行所述扫描。
7.根据权利要求3所述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中基本上通过所述至少两个电磁毫米波信号源相对于所述物体的机械重新定位来实现所述扫描。
8.根据权利要求3所述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的方法，其中基本上通过电子信号导引实现相对于所述物体重新定向所述至少两个电磁毫米波信号来执行所述扫描。
9.一种使用电磁毫米波信号照明来检查物体的装置，该装置包括(a)至少两个电磁毫米波信号源；所述至少两个电磁毫米波信号源相对于所述物体被定向以允许由来自所述至少两个电磁毫米波信号源的至少两个电磁毫米波信号照亮所述物体；所述至少两个电磁毫米波信号具有至少两个不同频率；(b)至少一个接收器单元，其相对于所述物体定向以允许接收所述至少两个电磁毫米波信号中的选定电磁毫米波信号的反射信号；(c)与所述至少一个接收器单元耦合的分析单元；所述分析单元探知所述反射信号和所述反射信号中的互调分量或谐波信号的信号水平；当所述反射信号高于预定阈值信号水平时所述物体的形状被指明；所述物体的性质被所述互调分量或谐波信号指明。
10.根据权利要求17所述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的装置，其中所述至少两个电磁毫米波信号源和所述物体中的至少一个被配置为重新定向以将所述物体的不同方位呈现给所述至少两个电磁毫米波信号源。
11.根据权利要求18所述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的装置，其中通过物理移动所述至少两个电磁毫米波信号源中的至少一个来执行所述至少两个电磁毫米波信号源的所述重新定向，从而通过所述至少两个电磁毫米波信号中的被选择信号来实现所述物体的扫描。
12.根据权利要求18所述的使用电磁毫米波信号照明来检查物体的装置，其中通过所述至少两个电磁毫米波信号源中的至少一个的电子信号导引来执行所述至少两个电磁毫米波信号源的所述重新定向，从而通过所述至少两个电磁毫米波信号中的被选择信号来实现所述物体的扫描。
全文摘要
本发明涉及一种使用毫米波信号检查物体的方法，其包含(a)提供至少两个毫米波信号源；(b)发射来自信号源的具有至少两个不同频率的至少两个毫米波信号以照亮物体；(c)不以特定顺序执行以下步骤(1)确定返回反射信号是否高于阈值水平；[a]若是，则处理返回信号以识别物体形状；[b]若否，则处理另一返回信号；以及(2)确定是否探测到返回互调分量或谐波信号；[a]若是，则处理返回信号以识别物体性质；[b]若否，则处理另一返回信号；(d)确定是否核对所有返回信号；(1)若否，则处理另一返回信号；(2)若是，则继续前进至步骤(e)；(e)确定结果是否满意；(1)若否，则改变至少一个波信号的频率；(2)若是，则终止该方法。
文档编号G01V3/12GK102590873SQ201210012028
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月5日 优先权日2011年1月6日
发明者R·A·史密斯 申请人:波音公司