CN101910865A - 用于借助微波来空间分辨地检测和重构物体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

描述了用于借助微波来空间分辨地检测和重构物体(P)的装置以及方法，其中，向至少一个待检测的物体施加由多个微波天线(1)产生的微波，并且探测由所述物体反射的微波部分以及将所述微波部分转换成可被分析处理的微波信号，在所述微波信号的基础上进行用于空间分辨地检测物体的分析处理。单个地并且依次地激活天线(1)以发射微波。

Description

用于借助微波来空间分辨地检测和重构物体的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于借助微波来空间分辨地检测和重构物体的方法以及装置。在此，向至少一个待检测的物体施加微波，所述微波由多个微波天线发射并且被所述物体至少部分地反射。这些被反射的微波部分由微波天线单元探测并且被转换成可被分析处理的微波信号，在这些微波信号的基础上进行用于空间分辨地检测物体的分析处理。这种检查技术优选适用于例如在边境口岸对人员进行的安全检查。因此，借助微波技术可以在所隐藏的物品——如武器、炸药等等方面对人员进行检查。

背景技术

在当今世界上，安全性愈来愈重要。最普遍的用于检查行李、货物或人员的安全系统——例如在机场和火车站中使用这些安全系统——使用X射线以发现危险物品和物质。这种检查通常基于简单的透射原理，其中在X射线投影图中特定于对比度地区分不同密度的材料。

一种替换方法使用所谓的微波范围的电磁波，即在300MHz到200GHz的频率范围中的电磁波。在此，微波场碰到待检查的物品、物质或者人员——即一般而言碰到物体，并且特定于物体地在所述物体上反射。但常规的微波方法的分辨能力受到相对较大的波长的限制，但这个缺点可以通过应用层析成像的测量及重构原理来克服，所述测量及重构原理可以实现可能甚至具有超过波长界限的空间分辨率的物体重构。

与广泛流行的X射线方法相比，这种微波方法、简称MW方法的优点是显而易见的。一方面不使用离子射线，另一方面进行成像的物体重构通过层析成像的分析处理技术获得关于待检查的物体的空间信息。

迄今已知的并且可在市场上获得的MW系统通常借助固定在移动的大门上的传感器阵列对物体进行扫描。通过扫描实现合成孔径，所述合成孔径允许体积中的空间聚焦。

但这种装置在机械方面要求极高并且需以高昂的成本实现。此外，所述检查具有较大的时间开销，因此尤其在十分繁忙的检查区域处、例如在机场安检闸门处需要改进这种系统的实用性。此外，在检查时物体必须保持不运动，这一条件首先在对人员进行检查时不能得到满足或者仅仅在较大的困难下才能得到满足。

从EP 0 703 447 A2中可以得知用于测量管中多相位流动的方法和装置。在此，借助围绕所述管设置的微波天线检测关于管子横截面的介电常数分布和导电性分布。

发明内容

本发明的任务在于，改进用于借助微波来空间分辨地检测和重构物体的方法和装置，从而能够实现可以既根据物质的或物品的物体确定也根据空间定位进行物体确定的更高的分析准确性，并且在结构耗费以及与成本相关的耗费方面低于迄今已知的MW方法，在所述方法中，向至少一个待检测的物体施加由多个微波天线产生的微波，并且检测被所述物体反射的微波部分并且将这些微波部分转换成可被分析处理的微波信号，在这些微波信号的基础上进行用于空间分辨地检测物体的分析处理。

在权利要求1中说明了本发明所基于的任务的解决方案。权利要求16的主题是根据本发明解决方案的装置。有利地进一步改进本发明构思的特征是从属权利要求的主题并且可以从以下描述中、尤其是在参照实施例的情况下得到。

根据本发明解决方案的用于借助微波来空间分辨地检测和重构物体的方法的特征在于，通过以下方式产生和探测微波：

首先，在围绕待检测的物体的空间分布中设置n个微波天线单元，例如在三维的框架上，在所述框架上以空间上彼此固定的距离固定各个微波天线单元。每两个紧邻的微波天线单元之间的距离应比由微波天线单元产生的微波的波长大或者大得多。在考虑各个微波天线单元的方向特性的情况下进行各个微波天线单元的空间安装，并且在此应当如此进行所述空间安装，使得至少通过所有微波天线单元的方向特性的总览(Zusammenschau)全面地检测待检查的人或者待检查的物体。可以根据通常待检查的物体的大小和形状来选择微波天线单元的数量和空间分布。

在第一测量周期中，选择第一微波天线单元并且激活所述第一微波天线单元以发射微波。碰到待检查的物体的微波在所述物体上被至少部分地反射并且由m个微波天线单元接收，其中m≤n，其中优选m＝n，即全部存在的微波天线单元都能够接收由第一微波天线单元发射的、在物体上被反射或者被物体偏转的微波并且将所述微波转换成相应的微波信号，这些微波信号随后首先被存储或者中间存储。接下来，选择一个另外的微波天线单元并且激活这个微波天线单元以发射微波。同样，在此情形中也优选通过所有存在的微波天线单元的全体来探测在物体上被反射或者被物体偏转的微波并且将这些微波转换成微波信号，为了随后的分析处理首先存储这些微波信号。

对于所有作为发射源的微波天线单元，定时地(taktweise)重复以上关于由一个唯一选择的微波天线单元发射微波和由所有微波天线单元接收在物体上被反射的微波以及存储所生成的微波信号的过程，并且最后在使用合适的重构算法的情况下基于所有以所述方式获得并且存储的微波信号重构物体。

以上方法的前提是，所使用的微波天线单元既能够发射微波也能够接收微波。特别有利地，每一个微波天线单元具有两个在它们的极化特性方面彼此不同的天线。这两个天线中的每个天线既能够发射微波也能够接收微波。已知，如果在每个测量周期中每个微波天线单元的两个天线发射具有不同极化的微波并且由所有微波天线单元的两个天线接收并且相应地存储所述微波，则可以在信息密度以及与此相联系的可靠性方面改进关于待检测物体的物体解释。

在一个优选实施方式中，每个微波天线单元的两个天线是水平极化和垂直极化的并且因此能够发射垂直或水平极化的微波以及在垂直的或水平的极化平面下探测微波。对于一个测量周期而言，这意味着例如按时间顺序首先发射垂直极化的微波，这些微波由全部微波天线单元分别借助垂直极化的天线和水平极化的天线接收。接着，发射水平极化的微波，这些微波同样由所有微波天线单元的所有天线接收。在此，原则上不起作用的是：由所选择的微波天线单元发射垂直和水平极化的微波是按时间顺序进行的还是同时进行的。

因此，通过使用不同的极化得到了四倍的信息内容，因为对于每个微波天线单元得到以下极化组合：HxH、HxV、VxH、VxV，在此，“H”代表水平极化而“V”代表垂直极化。这能够显著地提高例如微波图像形式的物体重构的质量。

参照附图中所示的图示和略图进一步描述微波信号分析处理。

对于以上所解释的微波测量方法的根据本发明解决方案的应用，需要一种装置，所述装置的特征在于：n个微波天线单元设置在围绕待检测的物体的空间布置中，其中，每个微波天线单元具有两个分别具有不同极化的发射/接收天线。设有一个控制单元，以便执行用于激活n个微波天线单元的时间顺序，其中，HF生成器单元与所述n个微波天线单元相连接，以便提供发射微波所必需的HF功率。为了进行微波信号分析处理，一个数据接收单元与所述n个微波天线单元相连接，在所述数据接收单元中首先存储每个微波天线单元生成的微波信号并且分析处理重构模块的帧。最后，在输出单元上、优选在监视器上可视地显示所求得的结果。

所述n个微波天线单元例如在固定的框架中的空间布置优选以到各个相邻微波天线单元具有相同分布的距离实现，其中，两个相邻微波天线单元之间的距离大于微米波的波长，优选大于10cm，以便以此方式使微波天线单元的数量以及与此相联系的数据范围保持明显较小。参照以下附图详细解释有利地构造根据本发明解决方案的装置的其他特征。

附图说明

以下在不限制一般的发明构思的情况下根据实施例参照附图示例性地描述本发明。附图示出：

图1：根据本发明解决方案的装置的示意图，

图2：借助信息矩阵表示所获得的微波信号，

图3：用于人员检查的微波天线单元的空间布置的示图，

图4：频域中微波信号的示图，

图5：“查找”表的计算原理的示图，以及

图6：物体检查期间利用物体运动的示图。

具体实施方式

图1中示出了用于实现微波天线装置的可能的实施方式，借此可以实现改进的物体检测和物体识别。为了快速并且精确地测量时间信号以及为了特殊的信号处理和图像重构技术，所述技术解决方案基于所谓的定时的成组辐射器(Gruppenstrahler)结合各个天线的新式电路图的新测量技术方法。

微波天线装置基本上由以下模块组成：

n个微波天线单元1，所述微波天线单元分别具有两个发射机/接收机天线，所述发射机/接收机天线分别具有不同的极化、优选具有水平极化和垂直极化，为此以下使用附图标记AiH和AiV，其中i＝1...n。控制单元2用于各个天线AiV、AiH从发射到接收模式的时间控制或转换。为了进行转换，为此特地在每个天线AiH和AiV上设置开关S。HF生成器3提供微波产生所必需的HF能量，其中，对由HF生成器3输出的用于激活各个天线AiV、AiH的发射信号进行频率调制并且借助功率分配器4来放大所述发射信号以及将所述发射信号引导至各发射天线AiV、AiH。

将由各个用作接收天线的天线单元AiV、AiH探测到的微波转换成模拟的微波信号并且在数字化之前借助混合器5与作为参考信号的发射信号混合。在此须注意，设计用于HF信号的无损传输的波导管区段(6+8)和(7+9+10)具有相同的长度，这对于混合信号时的时间协调很重要。

多通道的数据接收电子装置11用于经混合的微波信号的模拟/数字转换以及存储用于随后重构模块12范围内的数据分析处理的信号，所述重构模块12基于并行的计算机结构工作并且在实时条件下在3D成像范围内实现所检测的物体的图像重构。最后，借助可视化单元13显示分析处理结果。

在图1中所示装置运行期间，在每个测量周期中总使用一个天线单元1作为发射机，其中，所有n个天线单元1在整个发射过程期间接收接收信号。通过控制单元2进行不同天线单元1的发射过程的时间控制。每个天线单元1在每个测量周期中作为发射机参与两个发射周期，从而发出具有不同极化(水平H和垂直V)的电磁波。以时间信号的形式存储所接收的微波信号，在激活所有天线单元之后总共存在4×N×N个信号数据，这些信号数据在图2中详细说明。

在图2a中假定：n＝12个天线单元1设置在待检测的物体O周围。在此，每一个天线单元1具有两个发射/接收天线，所述发射/接收天线具有水平极化AiH和垂直AiV极化，其中，i＝1，...12。图2a根据二维截面解释测量原理，其中，此示例可以扩展到三维的情形。

在一个测量周期范围内，依次“切换(durchgetaktet)”所有天线，从而完全以所接收到的微波信号按以下方式来填充图2b到2e中所示的信息矩阵：

可以如下理解每个信息矩阵的内容：矩阵A的每个元素具有两个索引，所述索引分别由一个数字和一个字母V或H组成。第一个索引对应于相应的发射天线，第二个索引对应于相应的接收天线。V或H对应于在发射或接收时所使用的极化。通过使用不同的极化得到四倍的信息内容，因为对于每个发射机/接收机对而言得到以下极化组合：HxH、HxV、VxH、VxV。这可以显著地提高MW图像的质量。

例如，图2b中的信息矩阵表示发射具有垂直极化的微波并且以垂直极化的接收天线进行接收的情形。那么，例如矩阵内容“A12V6V”表示通过天线12以垂直极化的微波的形式进行发射并且通过天线6在垂直极化下接收所产生的测量信号。

在图2c中的信息矩阵中示出了发射机极化是水平的并且接收机极化是水平的情形。在图2d中的信息矩阵中示出了发射机极化是水平的并且接收机极化是垂直的情形。在图2e中的信息矩阵中示出了发射机极化是垂直的并且接收机极化是垂直的情形。

图3示出了用于借助在空间上围绕人员P设置的微波天线单元1检测人员P的测量情况。在所示的设置中，MW天线1三维地分布在空间中或者固定地安装在小房间旁或小房间中。在图示中，简化起见，仅仅在2D截面图中示意性地示出这种设置。如此设计MW天线1的方向特性和它们的空间定向，使得待重构的区域在所有MW天线1的总览下由所有MW天线1的方向特性完全覆盖。

与已知的MW系统相比，新式装置的突出特征涉及：MW天线1在空间中以各个MW天线1之间尽可能大的距离分布在待检查的物体周围。此外，MW天线1的数量应尽可能少，以便尽可能减少待处理的数据量。两个相邻MW天线1之间的距离可以比由各个MW天线1发出的微波的波长大得多，由此故意违背“采样”定理。这是通过适当地合成聚焦到每个图像点或空间点上来实现的，由此抑制了分散孔径的干扰性的弯曲现象。以下解释此重构原理。

对于所接收的微波信号的目的明确的数据分析处理，除以上所述的数据保存外，还应通过以下方式适当地预处理测量信号。

测量信号首先被存储为时间信号，即沿时间轴绘制的幅度值。观察相同的天线用作发射机和接收机的情形。发射出GHz范围内的、即根据应用10GHz到200GHz的频率内的经频率调制的信号。如果两个物体与天线的距离不同，则所发射的波被这些物体至少部分地反射并且在天线位置处被接收。通过混合返回的信号与参考信号、即发射信号，得到和信号形式的新信号。如果在频域中表示这个信号，则位于不同距离处的物体由不同的频率值表示，如从图4中的图示可以看出的那样。在此，沿横坐标示出了频率值f，沿纵坐标示出了所接收的微波信号的幅度值A。从这个频率表示中可以看出，频率f1处的频率峰值是由物体1导致的，所述物体1比由频率f2处的频率峰值示出的物体2更靠近接收天线，其中f2＞f1。因此，所存储的和信号中的相应“频率坐标”与用作微波反射器的物体到天线的距离成正比。由此可以直接定位这些物体。这同样适用于发射机的位置与接收机的位置不同的情形。这实现了二维图像和三维图像的重构。

以下参照图5根据2D略图解释重构原理，其中，2D情形可以毫无问题地扩展到3D重构。

将在此为圆形区域的重构区域划分成小的空间组或单位空间区域，其中，通常应当根据最大可能的物理分辨率选择组尺寸，也就是说，根据工作频率选择组尺寸。在实际的重构之前计算“查找”表，所述“查找”表包含每个天线1到重构区域内的每个单位空间区域14的距离，所述单位空间区域也称为体元。对于重构区域的每个体元14，存储n个值，所述n个值对应于n个天线1中每个天线到所述体元14的空间距离。通过这些值的相应组合可以为发射机与接收机的所有组合计算出波传播路径。

现在，根据所建立的“查找”表进行重构。在考虑传播路径的情况下根据层析成像原理在空间上累加所存储的信号值，使得不同信号的信号最大值在相应的体元中重叠。因此，“查找”表的使用节省了在重构期间传播路径的耗费时间的重复计算并且将重构数学运算限制为幅度值的简单相加。这尤其在使用具有并行计算机结构的重构模块时是有利的，所述并行计算机结构允许加法运算的特别高效的分配。

在根据图1中的图示的相应重构模块中优选在使用并行计算机结构的情形下进行以上概述的重构，所述重构模块此外也允许运动物体的三维图像的实时计算。最后，通过可视化单元、例如监视器单元显示这些图像。

所述方法的另一个有利的进一步构型用于改进图像重构或者用于借助分散的孔径增加微波方法的信息内容，并且涉及根据图6中的图示利用物体运动以对其进行扫描。如果物体O在由天线1检测的空间区域中运动，例如根据图6中三个所示出的顺序图从左向右运动，则以固定的时间间隔借助于微波来定位物体O。在不同的时刻叠加物体图像的重构结果，从而借助每次迭代来改进图像的质量。

附图标记列表

1     MW天线单元

2     控制单元

3     生成器

4     功率分配器

5     混合器

6，7  波导管

8，9  波导管

10    波导管

11    多通道的数据接收电子装置

12    具有并行计算机结构的重构模块

13    可视化单元

14    体元

Claims (22)

1.用于借助微波来空间分辨地检测和重构物体的方法，其中，向至少一个待检测的物体施加由多个微波天线产生的微波，并且探测由所述物体反射的微波部分以及将所述微波部分转换成可被分析处理的微波信号，在所述微波信号的基础上进行用于空间分辨地检测物体的分析处理，其特征在于，通过以下方式产生和探测所述微波：

a)在围绕所述待检测的物体的空间分布中设置n个微波天线单元，在所述空间分布中，所述微波天线单元到各个相邻的微波天线单元的相应距离大于所述微波的波长，

b)选择并且激活一第一微波天线单元以发射微波，

c)用m个微波天线单元接收在所述物体上被反射的微波，其中m≤n，并且生成微波信号，

d)存储所述微波信号，

e)选择并且激活一个另外的微波天线单元以发射微波并且实施方法步骤c)和d)，

f)通过分别按照以下标准选择一个另外的微波天线单元来重复实施方法步骤e)：所述另外的微波天线单元不同于已被选择的微波天线单元，以及

g)分析处理被存储的微波信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在激活每一个微波天线单元时实施分别具有不同极化的微波的同时发射或者按时间顺序进行的发射，并且选择性地根据所述极化实施所述微波的接收。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述微波天线单元在各自激活时分别发射垂直极化的和水平极化的微波，并且所述微波天线单元选择性地根据垂直极化和水平极化来探测微波。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过以下方式进行所述微波信号的存储：

对于每次激活一微波天线单元以发射水平极化的微波，存储两个微波信号，即一个在所述微波天线单元的水平极化的探测模式中所接收的微波信号以及另一个在所述微波天线单元的垂直极化的探测模式中所接收的微波信号，以及

对于每次激活一微波天线单元以发射垂直极化的微波，对于每个微波天线单元存储两个微波信号，即一个在所述微波天线单元的水平极化的探测模式中所接收的微波信号以及另一个在所述微波天线单元的垂直极化的探测模式中所接收的微波信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，频率调制地发射所述微波。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在存储所述微波信号之前实施各个待存储的微波信号与一发射信号的信号混合，所述发射信号用于激活当前的微波天线单元。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，以形成和信号的方式实施所述信号混合。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，频率调制地发射具有10到200GHz的频率的微波。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，将可由所述微波天线单元检测的空间区域划分成多个单位空间区域、即所谓的体元，并且为每个体元存储m个值，所述m个值分别等于所述体元与所述m个微波天线单元之间的空间距离。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，为了确定所述微波从各个微波天线单元到一个体元的传播路径对所述微波信号进行频率调制。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，将所述值存储在查找表中，所述查找表作为各个物体的分析处理和重构的基础。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，累加所有可对应于一个体元的、被存储的微波信号部分。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，在激活所有微波天线单元之后借助一重构算法实施所述微波信号的分析处理，并且在合成聚焦到各一个可预先给定的体元的条件下将所述重构算法应用到所存储的微波信号上。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在并行的计算过程中实施所述微波信号的分析处理，以便实现一待检测的物体的实时重构。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述待检测的物体在方法步骤a到f期间相对于所述微波天线单元运动。

16.用于借助微波来空间分辨地检测和重构物体的装置，所述装置具有多个微波天线用于产生指向一待检测的物体的微波并且用于检测在所述物体上被反射的微波部分并且将所述微波部分转换成可被分析处理的微波信号，所述装置还具有一分析处理单元，在所述分析处理单元中在空间分辨地检测物体的条件下分析处理所述微波信号，

其特征在于，

n个微波天线单元被设置在围绕一待检测的物体的空间布置中，并且所述微波天线单元到各个相邻微波天线单元的相应距离大于所述微波的波长，

每个微波天线单元具有两个分别具有不同极化的发射/接收天线，

设有一控制单元，所述控制单元执行用于激活所述n个微波天线单元的时间顺序，

一HF生成器单元与所述n个微波天线单元相连接以提供HF功率，

所述分析处理单元包括一与所述n个微波天线单元相连接的数据接收单元、一重构模块以及一输出单元。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，为每个微波天线单元设置的两个发射/接收天线是一个用于发射和接收水平极化的微波的天线和一个用于发射和接收水平极化的微波的天线。

18.根据权利要求16或17所述的装置，其特征在于，所述n个微波天线单元的空间布置是以到各个相邻微波天线单元具有相同分布的距离进行的。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，两个相邻微波天线单元之间的距离大于微米波的波长，优选大于10cm。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的装置，其特征在于，设有一混合器单元，所述混合器单元连接在所述天线单元与所述分析处理单元之间并且与所述HF生成器单元相连接。

21.根据权利要求16至20中任一项所述的装置，其特征在于，所述重构模块设有并行的计算机结构以及存储在查找表中的、在一待检测的空间区域中的可预先给定的空间点到所述各个微波天线单元的距离信息。

22.根据权利要求16至21中任一项所述的装置，其特征在于，所述输出单元是一可视化单元。

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