用于安检的W波段被动毫米波成像系统的制作方法

本发明属于安检技术领域，涉及一种成像系统，尤其涉及一种用于安检的W波段被动毫米波成像系统及其方法。

背景技术：

随着人们对安全问题的关注日益增强，对安检系统的安全性、可靠性和智能化都提出了更高的要求。现在安检部门主要使用X射线安检仪检测行李中的违禁品，安检检测能力强，可获得分辨率较高的透视图像，但X射线电离作用对人体危害较大，不能用来检测人身上隐藏的违禁品。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。比如国内安防公司安徽启路达生产的所谓“弱光子”人体安检仪其实质就是利用低剂量的X射线对人体进行安检成像，2016年4月份开始先后在成都东火车站和成都双流国际机场投入使用，但是一经相关专家批露举报，随即引起了民众恐慌，2016年10月10日被国家环保部以加急文件的形式责令立即停用。

使用金属检测器，可以检测人身上是否有金属物品，但不能检测金属物品的形状，无法判断是否是安全的金属品，比如假肢中有金属成份，也有可能其中藏有枪支，金属检测器不能把假肢中的金属和枪支区分开，并且金属检测器需要检测对象配合，效率太低。

由于毫米波成像技术在检测人身上隐藏的武器等方面具有得天独厚的优势，所以近年来毫米波成像技术用于安检成了一个研究热点。基于主动式的人体安检成像技术工作原理和雷达类似，通过毫米波源向人体发射毫米波，进而通过接收机检测和人体相互作用后的毫米波电磁场，从而对人体成像。典型的代表有L-3Security公司的Provision系列产品、美国TNNL实验室的PNNL智能扫描毫米波成像仪和Southwest Microwave公司的INTERPID成像仪等，这类成像系统的优点是毫米波属于非电离辐射，辐射危害较小，并且可以获得很高分辨率。但是在近距离成像时受角闪烁效应等影响比较大，在成像时很难克服这个问题；另外，毫米波辐射对生物体到底会产生怎么样的生物效应，目前依然没有定论，所以主动式毫米波成像技术用于安检依然存在未知的辐射安全问题。

被动式毫米波成像技术是通过检测目标本身的毫米波辐射能量差异进行对比成像，不需要辐射源，对人体绝对安全，并且衣物等纺织品对毫米波几乎无遮挡作用，所以适用于对人体进行安检成像。根据成像体制的不同，被动毫米波成像技术主要分为以下四种：

一是相控阵成像技术，利用电子扫描代替机械扫描。相控阵天线由二维阵列单元组成，每个接收单元都与一个移相器相连，通过控制接收单元的相位和幅度，实现天线波束视域。该技术的优点是，系统体积较小，成像速度很快，能够实现实时成像。但是天线结构复杂，较难实现一个高分辨率的系统，用于被动成像目前研究较少，尚处于研发阶段。

二是合成孔径成像技术，利用部分相干原理将多个较小孔径的天线组合模拟一个大孔径天线的效果。例如日本的NEC公司研制出了基于合成孔径成像的样机、德国宇航局研制出了地基和机载的Ka波段和W波段综合孔径辐射计成像系统等。该方案技术相对成熟，但是需要多个接收单元组成稀疏阵列，设计成本和硬件成本依然很高。

三是焦平面阵列成像技术，通常采用抛物面天线或透镜天线聚焦，采用众多单元天线分布在焦平面上以及配合使用反射面结构对多目标区域的多点同时成像。典型的代表有美国Millivision公司的Vela125、X250、S350等型号产品、Lockheed Martin公司的PMMW成像仪样机和Northrop Grumman公司的焦平面成像仪等。该技术可以大大缩短成像时间，但是系统复杂度较高，并且采用焦平面阵列作为接收单元，使得硬件成本十分昂贵。

四是传统的机械扫描成像技术，是比较原始的毫米波辐射成像方式。该种方式采用波束宽度比较窄的天线作为接收机，依靠机械运动扫描整个场景来获取场景的图像。例如美国Millivision公司的单通道扫描成像系统、乌克兰国家超导无线电研究中心研制的8mm波段成像系统等。常见的扫描方式以行列扫描为主，扫描过程中需要不断地加速减速，成像时间较长，并且分辨率较低；或有改进方式，采用一维电扫另一维机械扫描的方式，加速了成像时间，但是需要采用多个接收机排成阵列，大大增加了系统成本。该体制的优点是，原理简单，成本相对较低，如果在成像方式上有所改进，使成像时间降低，在一些不需要实时成像的场合进行人体安检成像则是相当适用的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有被动毫米波成像系统存在的不足，提供一种用于安检的W波段被动毫米波成像系统，该系统具有成像速度快、分辨率高、成本低等优点，可以有效快速地检测出人身上隐藏的危险物品。

本发明采用如下技术方案：

一种用于安检的W波段被动毫米波成像系统，包括W波段毫米波辐射计、水平方向转盘、扫描平台、卡塞格伦天线、光滑金属反射面、纵向转盘支架、纵向转盘以及控制系统，其特征在于：所述水平方向转盘设置于扫描平台上，卡塞格伦天线固定安装于水平方向转盘一侧，光滑金属反射面通过纵向转盘固定安装于水平方向转盘另一侧、且光滑金属反射面与卡塞格伦天线主反射口面轴心相对并与之成45°角。

所述水平方向转盘通过一个水平步进电机控制匀速转动，所述纵向转盘通过一个纵向步进电机带动光滑金属反射面匀速转动。

所述水平方向转盘侧面还设置有一个接近开关挡片、两个水平光纤传感器挡片，用于控制水平方向转动的起止位置和水平方向视场的有效区域。其中接近开关挡片外侧扫描平台上还设置有相应的两个接近开关，水平方向的最大转动角度由两个接近开关以及接近开关挡片控制；每当遮挡片转动到接近开关位置时，水平转盘便反向转动，如此往复；所述两个水平光纤传感器挡片外侧扫描平台上设置有水平光纤传感器，水平转盘每转一个周期，两个水平光纤传感器挡片依次经过水平光纤传感器，各产生一个触发脉冲信号，标志着水平方向视场的有效区域，实现对目标场景的横向扫描。

所述纵向转盘上设置有纵向光纤传感器挡片，纵向转盘支架上设置有纵向光纤传感器，纵向光纤传感器挡片随纵向转盘每转一周，纵向光纤传感器便得到一个触发脉冲信号，标志着纵向采集的开始，再根据实际目标大小通过采集延时，实现对目标场景的纵向扫描。

所述水平方向步进电机以及纵向步进电机通过控制系统控制。

所述W波段辐射计输入端通过波导与卡塞格伦天线的馈源相连并固定在卡塞格伦天线主反射面的背面，其输出端连接控制系统，输出扫描结果。

进一步地，所述控制系统包括计算机、数据采集单元和PLC控制单元，所述数据采集单元的输入端与W波段毫米波辐射计的输出端连接，对辐射计输出信号进行数据采集；数据采集单元的输出端与计算机相连，进行后续数据处理和图像恢复；所述水平方向步进电机和纵向步进电机的转动由PLC控制单元控制。

进一步地，所述水平方向转盘最大转动角度45°，所述纵向转盘为360°匀速转动，纵向成像视场可根据实际目标大小通过控制数据采集的区间进行灵活调整。

进一步地，所述W波段毫米波辐射计包括毫米波低噪声放大器LNA级联单元、检波器单元、视频放大器单元；观测场景辐射的毫米波能量通过光滑金属反射面反射到卡塞格伦天线经聚焦后被馈源接收，馈源通过波导把接收到的毫米波信号传送到W波段毫米波辐射计，经过LNA级联单元放大、检波单元检波，以及视频放大单元放大，输出与观测场景辐射的毫米波能量成线性关系的电压信号。

进一步地，所述卡塞格伦天线馈源前有匀速旋转的扇叶切割天线波束，扇叶上贴敷吸波材料，使波束不断在观测场景和扇叶之间切换，使辐射计输出交流电压信号，匀速旋转的风扇起到外加机械调制的作用，扇叶的转速也即调制的频率始终位于视频放大器单元的通带中。

具体地，系统在扫描成像的过程中，通过PLC控制单元控制两个步进电机带动水平转盘和纵向转盘按照设定好的转速同时转动，分别对目标场景的横向和纵向进行扫描。在水平转盘转动过程中两个水平光纤传感器挡片依次经过水平光纤传感器产生的脉冲信号控制着对一幅完整目标场景图像数据采集的开始和结束(两个水平光纤传感器挡片对应的圆周角小于两个接近开关对应的圆周角)。水平光纤传感器触发第一次脉冲信号，标志着对目标场景扫描和数据采集的开始，而图像中每一列数据的采集则通过金属反射面转动过程中纵向光纤传感器产生的脉冲信号进行延时采集实现，使数据采集单元正好在金属反射面扫描到目标场景的过程中对辐射计的输出电压信号进行采集，即金属反射面每转一圈，数据采集单元只采集目标场景中对应位置的一列像素数据。每列数据采集结束以后，等待下一次纵向光纤传感器触发脉冲到来，再进行下一列数据的采集，直至水平光纤传感器第二次触发脉冲到来即完成一幅目标场景图像的扫描和数据采集。所述光滑金属反射面把观测场景各个方向辐射来的毫米波能量反射到卡塞格伦天线，通过卡塞格伦天线聚焦于馈源，与馈源相连接的辐射计就可以接收场景各个波束方向辐射进来的毫米波能量。辐射计输出电压信号经数据采集单元采集最后传输到计算机进行数据处理和图像恢复。

本发明还公开了上述成像系统的成像方法：金属反射面沿轴心匀速转动，与其一起转动的光纤遮挡片每经过光纤传感器一次，数据采集单元便开始对目标场景进行数据采集，金属反射面转离目标场景即停止采集，等到下一次纵向光纤传感器产生触发脉冲，水平转盘刚好已转过一个水平方向上的偏移角度，再开始下一列的数据采集，直至整幅场景数据采集完成；根据采集信号的幅度转换成像素的灰度值或伪彩色值，在计算机上做出毫米波图像。

本发明的有益效果在于：本发明提出的用于安检的W波段被动毫米波成像系统及其成像方法，利用W波段直接检波式毫米波辐射计，不需要本振，体积小，功耗低；用了扇叶上贴着吸波材料的风扇切割波束，放大产生的交流信号，去除了直流噪声；另外为了兼顾系统成本和成像时间，采用了螺旋扫描方式，只需要二维机械匀速转动，不像平动扫描过程中需要反复加速、减速，有利于机械稳定性，并且扫描速度更快。本系统结构简单，稳定性高，可以有效地检测出人身上隐藏的危险物品。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构框图。

图2为本发明实施例扫描平台的侧视示意图。

图3为本发明实施例扫描平台的俯视示意图。

图4为本发明实施例中所用W波段毫米波辐射计结构示意图。

图5为本发明实施例对目标平面的扫描轨迹示意图。

图6为本发明实施例对携带金属枪支的目标人体进行扫描成像的初步效果图。

图7为本发明实施例对携带陶瓷刀具的目标人体进行扫描成像的初步效果图。

图8为本发明实施例对携带“工”字形物体的目标人体进行扫描成像的初步效果图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

请参阅附图1、2、3，本发明揭示了一种用于安检的W波段被动毫米波成像系统，所述系统包括光滑金属反射面(1)、300mm口径的卡塞格伦天线(2)、W波段毫米波辐射计(3)、纵向转盘(4)、固定在扫描平台上的光纤传感器(5-1)、水平方向转盘(6)、两个接近开关(8-1、8-2)、数据采集单元(9)、计算机(10)。其中所述光滑金属反射面(1)和纵向光纤传感器挡片(7-4)固定在纵向转盘(4)上；所述W波段辐射计(3)和卡塞格伦天线(2)的馈源相连并固定在卡塞格伦天线主反射面上；所述纵向转盘(4)、卡塞格伦天线(2)、两个水平光纤传感器挡片(7-1、7-2)和接近开关挡片(7-3)均固定在水平方向转盘(6)上，其中纵向转盘(4)和卡塞格伦天线(2)为同轴固定在水平转盘的对侧；所述金属反射面(1)以45°角固定在纵向转盘(4)上，其中心与卡式天线馈源对齐；所述W波段毫米波辐射计(3)的输出接口与数据采集单元(9)相连接；所述数据采集单元(9)的输出端与计算机(10)相连进行数据处理和图像恢复。

所述光滑金属反射面(1)把观测场景各个方向辐射来的毫米波能量反射到卡塞格伦天线(2)的主反射面，通过卡塞格伦天线(2)聚焦于馈源，与馈源相连接的辐射计(3)就可以接收场景各个波束方向辐射进来的毫米波能量。

如图4所示，所述W波段毫米波辐射计由LNA级联单元1(3-1)、LNA级联单元2(3-2)、检波器单元(3-3)、视频放大器单元(3-4)组成，其中所述卡塞格伦天线馈源与所述LNA级联单元1(3-1)相连，所述LNA级联单元1(3-1)与所述LNA级联单元2(3-2)相连，所述LNA级联单元2(3-2)与所述检波器单元(3-3)相连，所述检波器单元(3-3)与所述视频放大器单元(3-4)相连。观测场景的毫米波辐射能量经卡塞格伦天线(2)汇聚后，经过LNA级联单元(3-1、3-2)放大、检波器单元(3-3)检波，以及视频放大器单元(3-4)放大，输出与观测场景辐射的毫米波能量成线性关系的电压信号。

所述卡塞格伦天线(2)馈源前有匀速旋转的扇叶切割天线波束，扇叶上贴敷吸波材料，使波束不断在观测场景和扇叶之间切换，使馈源接收交流电压信号，其频率位于视频放大单元通带中，构成了交流辐射计，与直流辐射计相比，交流辐射计只放大场景和吸波材料之间的差值，去除了直流噪声。

扫描成像的过程中，通过PLC控制两个步进电机带动水平转盘和纵向转盘按照设定好的转速同时转动，分别对目标场景的横向和纵向进行扫描。水平方向转盘(6)由一个水平步进电机控制，水平方向的转动最大角度由水平转盘上的接近开关挡片(7-3)和两个接近开关(8-1、8-2)控制，水平转盘均速转动，每当接近开关挡片(7-3)转动到接近开关(8-1或8-2)位置时，水平转盘便返向转动，如此往复。如图3所示a、b分别为水平转盘正反向转动到最大角度的位置。在水平方向转盘(6)转动过程中两个水平光纤传感器挡片(7-1、7-2)依次经过水平光纤传感器(5-1)，先后产生两个脉冲信号，控制着一幅完整目标场景图像数据采集的开始和结束(水平光纤传感器挡片(7-1、7-2)对应的圆周角小于两个接近开关(8-1、8-2)对应的圆周角)，而图像中每一列数据的采集则通过金属反射面(1)转动过程中纵向光纤传感器挡片(7-4)每次经过纵向光纤传感器(5-2)产生的脉冲信号，进行延时采集实现，使数据采集单元正好在金属反射面扫描到目标场景的过程中对辐射计的输出电压信号进行采集，即金属反射面每转一圈，数据采集单元只采集目标场景中对应位置的一列数据。如图5所示为扫描平台对目标平面的扫描轨迹示意图，其中虚线表示对目标平面进行扫描和数据采集的轨迹。比如，两个水平光纤传感器挡片(7-1、7-2)依次经过水平光纤传感器(5-1)的时间间隔为5s，对应正前方3m远处目标场景的宽度为1m，金属反射面的转速为8r/s，采集卡每列采集的数据为100个，对应正前方3m远处目标场景的高度为2m，则完成一次扫描便得到40列数据，每列数据100个，这40*100个数据便是对正前方3m远处宽1m高2m目标场景的成像数据。

数据采集单元采集到的数据最终传输到给计算机进行信号处理，得到毫米波图像。如图6所示为对携带金属枪支的目标人体进行扫描成像的初步效果，如图7所示为对携带陶瓷刀具的目标人体进行扫描成像的初步效果，如图8所示为对携带“工”字形物体的目标人体进行扫描成像的初步效果。

本发明的成像原理如下：

自然界中温度高于绝对零度的物体会自射击辐射电磁波，辐射的电磁波能量分布在广阔的电磁波频率范围绕中，其中在毫米波频率f附近带宽为B的范围内，物体单位表面积自身辐射的毫米波功率大小由普朗克公式可以得出：

其中物理符号含义为：

ε——物体的发射率，介于0与1之间，黑体的发射率为1，金属的发射率为0。

k——玻尔兹曼常数，为1.38×10^-23J/K。

T₀——物体的物理温度。

c——光速。

可见物体自身辐射的毫米波功率与物体的物理温度成正比，物体不仅自身辐射毫米波，还反射照在其上的毫米波，透射背景辐射的毫米波，物体辐射的总的毫米波能量通常可以用物体的有效辐射温度T_E来衡量：

T_E＝εT₀+ρT_I+tT_B (2)

其中，ρ——物体的反射率

T_I——环境照射温度

t——物体的透射率

T_B——背景辐射温度

不同材质的物体由于发射击率、反射率和透射率不同，呈现不同的有效辐射温度。例如金属基本是反射环境照射温度(ε＝0,ρ＝1)，人体大多吸收毫米波(ε＝0.5～0.9,ρ<0.5)，而衣服则主要让毫米波透射(t＝0.3～0.8)。毫米波成像正是基于这一特性实现的。

辐射计接收场景辐射的毫米波能量，并把其转换成电压输出，输出的电压为：

V_d＝CG_RF(P_s+P_rn) (3)

其中，G_RF为LNA级联单元增益，C(V/W)为检波管灵敏度，P_s为辐射计收到的毫米波信号功率，P_rn为辐射计本身的噪声功率。

本发明的工作过程如下：所述系统根据要扫描的模式通过PLC控制水平转盘(6)和纵向转盘(4)的转速和扫描范围，同时扇叶转动切割波束，毫米波辐射计(3)产生交流视频信号。水平转盘(6)上的第一个遮挡片(7-1或7-2)经过水平光纤传感器(5-1)时产生一个触发脉冲，系统开始对一幅完整目标场景进行扫描，光滑金属反射面(1)每转一圈，纵向的光纤遮挡片(7-4)都会在提前设置好的固定位置经过纵向光纤传感器(5-2)产生一个触发脉冲，通知数据采集单元(9)开始采集这一列的数据，采集时间由目标场景的距离和高度计算决定，金属反射面(1)转离目标场景即停止采集，等到下一次纵向光纤传感器(5-2)产生的触发脉冲到来再开始下一列的数据采集，直至水平转盘上的第二个遮挡片经过水平光纤传感器(5-1)产生触发脉冲即完成一幅目标场景图像的扫描和数据采集。由于水平转盘和纵向转盘都是匀速转动，所以采集到的每列数据对应着目标场景中高度相等、对齐排布且相互平行的一列列像素点。采集的视频信号在计算机中进行去噪、锐化等数据处理，其幅值转换成灰度或伪彩色，这样便得到目标场景对应的毫米波图像。

以上介绍了本发明用于安检的毫米波成像系统的组成及成像原理，本发明在揭示上述系统的同时，还揭示上述系统的成像方法；该方法包括如下步骤：金属反射面沿轴心匀速转动，与其一起转动的光纤遮挡片每经过光纤传感器一次，数据采集单元便开始对目标场景进行数据采集，金属反射面转离目标场景即停止采集，等到下一次纵向光纤传感器产生触发脉冲，水平转盘刚好已转过一个水平方向上的偏移角度，再开始下一列的数据采集，直至整幅场景数据采集完成；根据采集信号的幅度转换成像素的灰度值或伪彩色值，在计算机上做出毫米波图像。

综上所述，本发明提出的W波段被动毫米波成像系统及其成像方法，利用直接检波式毫米波辐射计，不需要本振，体积小，功耗低；用了扇叶上贴着吸波材料的风扇切割波束，放大产生的交流信号，去除了直流噪场；另外为了兼顾系统成本和成像时间，采用了螺旋扫描方式，即通过水平和纵向两个转盘同时匀速转动进行二维扫描，其中纵向转盘和卡式天线是同轴心一起固定在水平转盘上的，卡塞格伦天线接收到纵向转盘上光滑金属板反射的目标场景的毫米波辐射能量，传递给毫米波辐射计，进行单通道成像。本系统结构巧妙，稳定性高，成像速度快，可以有效地检测出人身上隐藏的危险物品。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。