CN104698461A - 一种毫米波被动安检成像仪及人体安检成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种毫米波被动安检成像仪，包括：圆环形天线阵列(1)；所述圆环形天线阵列(1)由N个单元天线(2)组成，N≥2；所述N个单元天线(2)均匀分布在一个圆环天线支架(3)组成满阵，即一次采样数据能得到反演一幅图像所需的全部空间频率域信息。基于上述毫米波被动安检成像仪，本发明还提供了一种人体安检成像系统。本发明提供的圆环形天线阵列不需要进行机械扫描，在保证辐射灵敏度的要求的前提下可缩短成像时间，实现凝视成像，提高成像效率，满足安检成像的要求。本发明提供的人体安检成像系统具有无辐射、安全、检查速度快的特点。

Description

一种毫米波被动安检成像仪及人体安检成像系统

技术领域

本发明主要涉及公共安检领域内的被动微波成像仪，尤其涉及一种毫米波被动安检成像仪及人体安检成像系统。

背景技术

在当前国内外反恐形势日益严峻的形式下，恐怖分子利用隐匿方式随身携带刀具、枪支及爆炸物等危险品对航空器安全构成了极大的威胁。机场、车站等特定场合人体安检技术越来越得到各国交通运输管理部门的重视。针对人体的安检技术和针对货物的安检有很大不同：人体安检不仅要考虑系统的危险品检出能力，而且要顾及辐射安全、个人隐私保护等问题。目前，国内外对人体安检成像系统的实现方案主要有以下几个技术途径：

其一是基于X射线的人体安检成像技术。X射线安检成像仪首先向人体发出X射线进行探测，利用X射线与物质的相互作用效果不同，并通过记录和人体相互作用后的射线强度的分布，即可对人体进行成像。该方案的优点是安检检测能力强，能获得分辨率较高的透视图像，在9.11事件后曾大规模使用。但X射线辐射是一种电离辐射，对人体健康存在威胁，另外，X射线安检的人权隐私问题也很严重。现在，在欧美等国，X射线安检仪已逐步退出人体安检主流市场。

其二是基于主动式毫米波的人体安检成像技术。该技术工作原理和雷达类似，设备首先向人体辐射毫米波，而后通过接收器检测和人体进行相互作用后的毫米波电磁场，从而对人体进行成像。其典型代表有L-3公司的ProVision系列产品(J.L.Fermandes，C.M.Rappaport，et al.“Improved reconstruction and sensing techniquesfor personnel screening in three-dimensional cylindrical millimeter-wave portal scanning”，Proceedings of SPIE，Vol.8022，doi:10.1117/12.887612，2011)。目前，ProVision系列产品已在各大机场获得广泛应用。该方案的主要优点是毫米波属非电离辐射，辐射危害小，采用扫描等成像机制同样可获得分辨率较高的图像。该方案的主要缺点是：设备发出的毫米波辐射也会对生物体产生复杂的生物效应，依然存在辐射安全问题。

其三是基于被动式毫米波的人体安检成像技术。其典型代表产品有NorthropGrumman公司的NGC系统(L.Yujiri.“Passive millimeter wave imaging”，IEEE MTT-SInt.Microw.Symp.Dig，pp.98-101，2006)。该方案的优点是通过检测目标自身的毫米波辐射实现成像，无主动辐射，对人体绝对安全，利用毫米波段的穿透能力实现人体藏匿危险物的检测。该方案的主要缺点是，受系统复杂度限制，难以快速获得高分辨率的图像。

根据成像体制的不同，被动毫米波成像技术又可分为三种。

其一是传统的机械扫描体制，该模式的产品往往天线波束比较窄，通过一个二维的机械扫描架来完成对二维目标区域的成像。例如德国DLR研究所的ABOSCA安检成像系统(M.Peichl，S.Dill，et al.“Passive microwave remote sensing for securityapplications”，Radar Conference，EuRAD 2007.European，pp.32-35，2007)。该体制原理清晰，结构简单，但成像时间长，图像空间分辨率辐射灵敏度指标差，并且对机械架构的精确度要求高，难以满足实际安检应用需求；

其二是焦平面阵列成像体制，其基本原理是通过分布在焦平面上的众多单元天线以及适当的反射面结构实现对目标区域的多点同时成像。例如美国NorthropGrumman公司的NGC系统。使用焦平面阵列天线可大大缩短成像时间，但是系统复杂度成倍提高，例如NGC系统在水平15°垂直10°的视场内实现0.5°的角分辨率，需要使用1040个接收机。

其三是综合孔径成像机制，使用干涉式测量技术，可缩短天线实际物理尺寸，在保证成像时间及图像指标的前提下，尽可能降低系统的复杂度。综合孔径成像体制最早提出于射电天文领域，后来又在卫星遥感对地观测领域取得成功。

发明内容

本发明的目的在于克服现有安检成像技术的缺点，突破被动毫米波成像技术的困境，利用综合孔径技术提供了一种毫米波被动安检成像仪；该成像仪具有一次采样即可反演一幅图像所需的全部空间频域信息，而且不需要天线阵列的旋转即可成像，缩短了成像时间；而且具有更高的分辨率；此外，根据圆环阵干涉成像的特点对成像环境进行优化设计，本发明还提出了一种人体安检成像系统。

为实现上述目的，本发明提供一种毫米波被动安检成像仪，包括：圆环形天线阵列1；所述圆环形天线阵列1由N个单元天线2组成，N≥2；所述N个单元天线2分布在一个圆环天线支架3上组成满阵，即一次采样数据能得到反演一幅图像所需的全部空间频率域信息。

上述技术方案中，所述单元天线2的朝向均聚焦指向探测视场的中心，且所有单元天线2的口径中心均处于一个平面内。

上述技术方案中，所述圆环形天线阵列1的直径D根据成像的分辨率要求进行设计，D作为最长基线满足：

$\frac{D}{\mathrm{\λ}}\≥\frac{1}{2\mathrm{\Δ\ξ}}\·\mathrm{\η}$

其中，λ为辐射波长，Δξ为角度分辨率，η为窗函数因子。

上述技术方案中，所述单元天线2的口径尺寸根据无混叠视场的要求进行设计；当所述单元天线2的口径类型为圆形时，其口径的直径小于等于Δd；其中Δd为最短基线，满足：

$\frac{\mathrm{\Δd}}{\mathrm{\λ}}\≤\frac{1}{2\sin \mathrm{\θ}};$

其中，λ为辐射波长，θ为无混叠视场张角。

上述技术方案中，所述单元天线2的口径尺寸根据无混叠视场的要求进行设计；当所述单元天线2的口径类型为矩形时，口径尺寸的横向边长a和纵向边长b满足：

a≤Δd₁且b≤Δd₂；

其中，Δd₁和Δd₂分别为所述单元天线2的矩形口径的横向最短基线和纵向最短基线；满足：

$\frac{{\mathrm{\Δd}}_1}{\mathrm{\λ}}\≤\frac{1}{2\sin {\mathrm{\θ}}_1}$

$\frac{{\mathrm{\Δd}}_2}{\mathrm{\λ}}\≤\frac{1}{2\sin {\mathrm{\θ}}_2}$

其中，λ为辐射波长，θ₁为横向的无混叠视场张角，θ₂为纵向的无混叠视场张角。

上述技术方案中，所述单元天线2到圆环形天线阵列1中心的距离r满足：r₁≤r≤r₂；其中r₁和r₂分别为圆环形天线阵列1所形成的环形面的外半径和内半径。

上述技术方案中，所述毫米波被动安检成像仪还包括：

N套接收机组件，用于对完成各相应单元天线所接收电磁波信号的放大和正交检波；

一套本地振荡器；用于为所述N套接收机组件提供同步的参考信号，并用于对接收信号进行处理，使信号具有相关性；

一套数字相关器，用于对各路接收信号进行数字化复相关运算处理得到可视度函数值；

一套校准/定标单元，用于实现对系统参数进行校准/定标；

一套数据处理单元，用于对可视度函数值进行校正和成像处理；通过针对圆环阵列优化过的径向、角向插值算法及伪极网格反演算法得到空间域图像；和

一套显示单元，用于显示空间域图像。

基于上述毫米波被动安检成像仪，本发明还提供了一种人体安检成像系统，所述系统包括：毫米波被动安检成像仪5、两个隔板6、地板及天花板7；所述两个隔板6之间形成一个人员入口8和人员出口9；所述两个隔板6和地板及天花板7围成一个半封闭的检查环境；所述被动毫米波辐射计位于一个隔板的中间位置；在另一个隔板的中间处设置一个站台10，待检人员在此处接收检查。

上述技术方案中，所述两个隔板6、地板及天花板7的材料为吸波材料或金属材料，用于提供一个区别于人体亮温的稳定环境。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明提供的毫米波被动安检成像仪具有结构简单，分辨率高的特点；

2、本发明提供的圆环天线阵列不需要进行机械扫描，在保证辐射灵敏的要求的前提下可缩短成像时间，实现凝视成像，提高成像效率，满足安检成像的要求；

3、本发明提供的毫米波被动安检成像仪在静止状态下即可成像，不需要扫描等形式的机械运动，这有利于信号路径的设计，降低了本振路径和信号路径布线的难度；提高了被动毫米波辐射计的稳定性；

4、本发明提供的成像算法具有数据处理速度快的特点，能够满足实时成像要求；

5、本发明的毫米波被动安检成像仪主要应用于机场等公共场合的人体安检成像系统，也可以应用于大视场安检监控成像设备；

6、本发明的安检成像系统具有无辐射、安全、检查速度快的特点，可广泛应用于公共安全检查领域。

附图说明

图1为本发明的毫米波被动安检成像仪的结构组成图；

图2(a)为本发明的圆形口单元天线的圆环形天线阵列的示意图；

图2(b)为本发明的方形口单元天线的圆环形天线阵列的示意图；

图3为本发明的人体安检成像系统的整体框图；

图4(a)为图2(a)的圆环形天线阵列形成的空间频率域覆盖情况示意图；

图4(b)为图2(b)的圆环形天线阵列形成的空间频率域覆盖情况示意图。

附图标识：

1、圆环形天线阵列     2、单元天线              3、圆环天线支架

4、辐条               5、毫米波被动安检成像仪  6、隔板

7、地板及天花板       8、人员入口              9、人员出口

10、站台

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，一种毫米波被动安检成像仪，包括：圆环形天线阵列1、N套接收机组件、一套本地振荡器、一套数字相关器、一套校准/定标单元、一套数据处理单元和一套显示单元。

如图2(a)和图2(b)所示，所述圆环形天线阵列1由N个单元天线2组成，N≥2；所述N个单元天线2分布在一个圆环天线支架3上组成满阵，一次采样数据能得到反演一幅图像所需的全部空间频率域信息，即一次采样即能得到反演一幅图像的全部信息。

所述单元天线2的朝向均聚焦指向探测视场的中心，且所有单元天线2的口径中心均处于一个平面内。

所述圆环形天线阵列1的直径D根据成像的分辨率要求进行设计，D作为最长基线满足：

$\frac{D}{\mathrm{\λ}}\≥\frac{1}{2\mathrm{\Δ\ξ}}\·\mathrm{\η}$

其中，λ为辐射波长，Δξ为角度分辨率，η为窗函数因子。

所述单元天线2的口径类型为矩形或圆形；当所述单元天线2的口径尺寸根据无混叠视场的要求进行设计，所述单元天线2的口径类型为矩形时，口径尺寸的横向边长a和纵向边长b满足：

a≤Δd₁且b≤Δd₂；

其中，Δd₁和Δd₂分别为单元天线(2)的矩形口径的横向最短基线和纵向最短基线；满足：

$\frac{{\mathrm{\Δd}}_1}{\mathrm{\λ}}\≤\frac{1}{2\sin {\mathrm{\θ}}_1}$

$\frac{{\mathrm{\Δd}}_2}{\mathrm{\λ}}\≤\frac{1}{2\sin {\mathrm{\θ}}_2}$

其中，λ为辐射波长，θ₁为横向的无混叠视场张角，θ₂为纵向的无混叠视场张角；

当所述单元天线2的口径类型为圆形时，其口径的直径小于等于Δd；其中Δd为最短基线，满足：

$\frac{\mathrm{\Δd}}{\mathrm{\λ}}\≤\frac{1}{2\sin \mathrm{\θ}};$

其中，θ为无混叠视场张角。

所述单元天线2到圆环形天线阵列1中心的距离r满足：r₁≤r≤r₂；其中r₁和r₂分别为圆环形天线阵列1所形成的环形面的外半径和内半径。

如图3所示，基于上述毫米波被动安检成像仪，本发明还提供了一种人体安检成像系统，所述系统包括：毫米波被动安检成像仪5、两个隔板6、地板及天花板7；两个隔板6之间形成一个人员入口8和人员出口9；所述两个隔板6和地板及天花板7围成一个半封闭的检查环境；所述被动毫米波辐射计位于一个隔板的中间位置；在另一个隔板的中间处设置一个站台10，待检人员在此处接收检查。

所述两个隔板6、地板及天花板7的材料为吸波材料或金属材料，用于提供一个区别于人体亮温的稳定环境。

实施例1：

本实施例对一种适用于圆形视场的毫米波被动安检成像仪进行描述。利用本实施例，可以在2m外对直径2m的圆形视场，在50GHz频段处以500MHz的带宽和优于3.4cm的分辨率进行透视成像。

根据本实施例中空间分辨率要求，圆环形天线阵列1直径设定为0.28m。根据本实施例中无混叠视场要求，单元天线2设定为圆形喇叭口径天线，最短基线设定为6.6mm。单元天线口径设定为6mm，N设定为133。

如图2(a)所示，本实施例所述毫米波被动安检成像仪采用圆环天线阵列1；圆环天线阵列1由133个单元天线2组成。所有的单元天线2均固定在圆环天线支架3上，圆环天线支架3通过辐条4进行固定。所有的单元天线2的朝向均指向观测方向；其空间频率域覆盖情况如图4(a)所示。

本实施例的毫米波被动安检成像仪还包括133套I/Q接收机组件，分别对来自133个单元天线的电磁波信号进行放大和正交检波；还包括一套本地振荡器，为所述133套I/Q接收机组件提供同步的参考信号，并用于对接收信号进行处理，使信号具有相关性；还包括一套数字相关器组件，对133路正交检波信号进行数字化复相关运算并得到可视度函数值；还包括一套校准/定标单元，对133路接受通道进行校准和定标；还包括一套数据处理单元，对可视度函数值进行校正和成像处理；通过针对圆环形阵列优化过的径向、角向插值算法及伪极网格反演算法得到空间域图像；还包括一套显示单元，对空间域图像进行显示。

由于本系统采用成像速率高的凝视即时成像方案，因此对数据的处理速度要求较高，将针对成像算法和运算量进行优化处理，采用运算速度快的处理器来满足实时成像要求。

本实施例的人体安检成像系统在工作时，圆环形天线阵列1保持静止状态，待检人员由人员入口8进入，在特定检测位置10进行安检；133套接收机接收133路单元天线3发出的探测信号后，首先进行放大和正交检波生成133路正交检波信号，所述数字相关器对133路正交检波信号进行数字化复相关运算得到可视度函数值，所述校准/定标单元对所述133路数据通道进行校准和定标；所述数据处理单元对进行可视度函数值进行修正和成像处理，系统每2s生成一幅图像；成像速率越高，辐射灵敏度指标越差；检测完毕后，被检人员由人员出口9离开。

本实施例中，所有部件均静止不动，这降低了信号通路及本振通路的设计难度。同样有利于提高系统的稳定性和信噪比。

本实施例中，观测视场取决于单元天线2所组成的最小基线，成像空间分辨率取决于单元天线2所形成的最长基线，即圆环形天线阵列的直径。

本实施例所述的综合孔径被动毫米波透视安检成像辐射计的系统参数指标如表1所示：

表1

实施例2：

本实施例对一种适用于长宽比不一致视场的毫米波被动安检成像仪进行描述。利用本实施例，可以在2m外对长2m宽1m的视场，在25GHz频段处以500MHz的带宽和优于3.4cm的分辨率进行透视成像。

根据本实施例中空间分辨率要求，圆环形天线阵列1直径设定为0.56m。根据本实施例中无混叠视场要求，单元天线2设定为矩形口径天线。竖向最短基线设定为13.3mm，横向最短基线设定为24.6mm。单元天线口径设定为24mm*12.7mm。N设定为95。

如图2(b)所示，本实施例所述高分辨率被动毫米波人体安检成像系统采用圆环天线阵列1；圆环天线阵列1由95个单元天线2组成；所有的单元天线2均固定在圆环天线支架3上，圆环天线支架3通过辐条4进行固定。单元天线2的朝向均指向观测方向；其空间频率域覆盖情况如图4(b)所示。本实施例系统性能指标如表2所示：

表2

其它组成及连接关系与实施例1相同。

以上实施例仅用以说明本发明的所涵盖的某一技术方案，而非对本发明的限制。

本发明提供的毫米波被动安检成像仪主要应用于机场等公共场合的人体安检成像，但也可以应用于大视场安检监控成像设备。此外，本发明提供的技术方案同样适用于其它电磁波段的被动遥感成像设备。

需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种毫米波被动安检成像仪，包括：圆环形天线阵列(1)；其特征在于，所述圆环形天线阵列(1)由N个单元天线(2)组成，N≥2；所述N个单元天线(2)分布在一个圆环天线支架(3)上组成满阵，即一次采样数据能得到反演一幅图像所需的全部空间频率域信息。

2.根据权利要求1所述的毫米波被动安检成像仪，其特征在于，所述单元天线(2)的朝向均聚焦指向探测视场的中心，且所有单元天线(2)的口径中心均处于一个平面内。

3.根据权利要求1所述的毫米波被动安检成像仪，其特征在于，所述圆环形天线阵列(1)的直径D根据成像的分辨率要求进行设计，D作为最长基线满足：

$\frac{D}{\mathrm{\λ}}\≥\frac{1}{2\mathrm{\Δ\ξ}}\·\mathrm{\η}$

其中，λ为辐射波长，Δξ为角度分辨率，η为窗函数因子。

4.根据权利要求1所述的毫米波被动安检成像仪，其特征在于，所述单元天线(2)的口径尺寸根据无混叠视场的要求进行设计；当所述单元天线(2)的口径类型为圆形时，其口径的直径小于等于Δd；其中Δd为最短基线，满足：

$\frac{\mathrm{\Δd}}{\mathrm{\λ}}\≤\frac{1}{2\sin \mathrm{\θ}};$

其中，λ为辐射波长，θ为无混叠视场张角。

5.根据权利要求1所述的毫米波被动安检成像仪，其特征在于，所述单元天线(2)的口径尺寸根据无混叠视场的要求进行设计；当所述单元天线(2)的口径类型为矩形时，口径尺寸的横向边长a和纵向边长b满足：

a≤Δd₁且b≤Δd₂；

其中，Δd₁和Δd₂分别为所述单元天线(2)的矩形口径的横向最短基线和纵向最短基线；满足：

$\frac{\mathrm{\Δ}{d}_1}{\mathrm{\λ}}\≤\frac{1}{2\sin {\mathrm{\θ}}_1}$

$\frac{\mathrm{\Δ}{d}_2}{\mathrm{\λ}}\≤\frac{1}{2\sin {\mathrm{\θ}}_2}$

其中，λ为辐射波长，θ₁为横向的无混叠视场张角，θ₂为纵向的无混叠视场张角。

6.根据权利要求1所述的毫米波被动安检成像仪，其特征在于，所述单元天线(2)到圆环形天线阵列(1)中心的距离r满足：r₁≤r≤r₂；其中r₁和r₂分别为圆环形天线阵列(1)所形成的环形面的外半径和内半径。

7.根据权利要求1所述的毫米波被动安检成像仪，其特征在于，所述毫米波被动安检成像仪还包括：

N套接收机组件，用于对完成各相应单元天线所接收电磁波信号的放大和正交检波；

一套本地振荡器；用于为所述N套接收机组件提供同步的参考信号，并用于对接收信号进行处理，使信号具有相关性；

一套数字相关器，用于对各路接收信号进行数字化复相关运算处理得到可视度函数值；

一套校准/定标单元，用于实现对系统参数进行校准/定标；

一套数据处理单元，用于对可视度函数值进行校正和成像处理；通过针对圆环阵列优化过的径向、角向插值算法及伪极网格反演算法得到空间域图像；和

一套显示单元，用于显示空间域图像。

8.一种人体安检成像系统，基于权利要求1-7之一所述的毫米波被动安检成像仪实现，所述系统包括：毫米波被动安检成像仪(5)、两个隔板(6)、地板及天花板(7)；所述两个隔板(6)之间形成一个人员入口(8)和人员出口(9)；所述两个隔板(6)和地板及天花板(7)围成一个半封闭的检查环境；所述被动毫米波辐射计位于一个隔板的中间位置；在另一个隔板的中间处设置一个站台(10)，待检人员在此处接收检查。

9.根据权利要求8所述的人体安检成像系统，其特征在于，所述两个隔板(6)、地板及天花板(7)的材料为吸波材料或金属材料，用于提供一个区别于人体亮温的稳定环境。