CN104871031B - 用于操作手提式筛选设备的方法及手提式筛选设备 - Google Patents

Abstract

提供了手提式筛选设备，该手提式筛选设备包括天线阵，天线阵包括多个天线；输入机构，选择操作模式；及控制器，确定多个天线的天线组，其中，所述组中的天线的数目基于所选择的操作模式，并且控制该组天线发射电磁波。还提供用于操作手提式筛选设备的相应的方法。

Description

用于操作手提式筛选设备的方法及手提式筛选设备

技术领域

本公开内容涉及用于操作手提式筛选设备的方法及手提式筛选设备。

背景技术

本文中提供的“背景技术”的描述是为了概括地呈现本公开内容的背景。在该背景技术部分中被一定程度描述的本发明发明人的工作以及在提交时并不是现有技术的说明书的一些方面，既没有明确地也没有隐含地承认为本发明的现有技术。

各种传统系统对于通过显然不透明材料获得图像是可用的。例如，X射线系统已被用来获取由看得见的不透明材料来躲避肉眼检查的物体(例如，解剖结构或者行李箱内的物体)的图像。然而，X射线系统具有许多缺点。举例来说，诸如此类的系统是昂贵的且体积大的，并且采用可对人类健康造成危害的电离辐射。此外，X射线系统通常检测已经被发送穿过目标样本的光束，因此需要进入目标的两侧。相应地，超声成像系统需要传感器与“藏匿的”感兴趣物体之间的连续的、高质量的声音传输路径的存在。然而，在很多情况下，这种声音传输路径可能是不可用的。

为了确保筛选应用，最近已经开发了毫米波成像系统。毫米波对于在有源雷达系统中检测物体是特别有用的，即，通过发射在毫米波长范围内的电磁波并且检测所反射的或者所散射的电磁波。

需要进一步提高基于毫米波成像系统的手持式筛选装置的使用性。

发明内容

提供了手提式筛选设备，该手提式筛选设备包括天线阵；输入机构；及控制器，其中，天线阵包括多个天线，输入机构选择操作模式，并且控制器确定多个天线的天线组，其中，所述组中的天线的数目基于所选择的操作模式，并且控制该组天线发射或者接收电磁波。

此外，提供了用于操作包括具有发射电磁波的多个天线的天线阵的手提式筛选设备的方法，方法包括选择操作模式，确定多个天线的天线组，从确定的天线组发射电磁波或者从确定的天线组接收电磁波，其中，所述组中的天线的数目基于所选择的操作模式。

此外，提供了手提式筛选设备，该手提式筛选设备包括：输入机构，选择操作模式；控制器，基于所选择的操作模式确定手提式筛选设备与一个或多个物体之间的距离的数目；及至少一个天线，发射电磁波并检测从位于确定的距离的一个或多个物体反射的电磁信号。

此外，提供了用于操作手提式筛选设备的方法，方法包括选择操作模式；从手提式筛选设备的天线发射电磁波；检测从位于与天线一个或多个距离的一个或多个物体反射的电磁信号，其中，距离的数目基于所选择的操作模式。

已经通过总体介绍的模式提供了前述段落，但不旨在限制以下权利要求的范围。通过参照以下结合附图所做的详细描述，可更好地理解所描述的实施方式和另外的优点。附图的元件不需要相对彼此按比例绘制。

附图说明

本公开内容的更完整的评价和其许多附带的优点将容易地被获得，如同当结合附图考虑时参考以下具体实施方式，其变得更好地理解，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的方法步骤。

图2示意性地示出了根据本发明的实施方式的手提式筛选设备的立体图。

图3示意性地示出了根据本发明的实施方式的手提式筛选设备的框图。

图4示意性地示出了根据本发明的另一实施方式的方法步骤。

图5示意性地示出了如何获取一个人的有源雷达图像。

图6示意性地示出了作为手提式筛选设备与物体之间的距离的函数的反射强度。

图7示出根据本发明的实施方式的汇总不同操作模式的参数的示例性表格。

图8示出汇总关于手提式筛选设备的性能的不同参数的效果的示例性表格。

图9示出根据本发明的实施方式的用于天线阵的示意图。

图10示出根据本发明的另一实施方式的用于天线阵的示意图。

图11示出根据本发明的另一实施方式的用于天线阵的示意图。

图12示出根据本发明的另一实施方式的用于天线阵的示意图。

图13a示出根据本发明的另一实施方式的天线阵的顶视图。

图13b示出根据本发明的实施方式的扫描单元的侧视图。

图13c示出根据本发明的另一实施方式的扫描单元的侧视图。

图14a示出根据本发明的另一实施方式的处于未折叠状态的手提式筛选设备的顶视图。

图14b示出根据本发明的另一实施方式的处于折叠状态的手提式筛选设备的顶视图。

图14c示出根据本发明的另一实施方式的处于未折叠状态的手提式筛选设备的顶视图。

具体实施方式

现在参考附图，其中，遍及几个示图，相似的参考标号表示相同或相应的部分，图1描述了用于操作手提式筛选设备的方法的步骤。

在步骤S100，选择手提式筛选设备的操作模式。

用于手提式筛选设备200的示例在图2中描述为立体图并且在图3中描述作示意性框图。

整个描述中所使用的术语“手持”可以被理解为描述能够通过一只或两只手携带(即，它是可移动的)和操作的设备，并且该设备优选地具有不超过3kg的重量。“手持”设备应当基本上具有向物体那样的通常由一个人使用一只或两只手操作和/或携带的几何尺寸(高度、宽度、长度)和重量。此种物体的实例是书、智能手机、移动电话、电子阅读器、平板电脑、笔记本式计算机、静止照相机、摄影机、望远镜等。然而，应该理解的是，设备本身可能适合于被手提，但是在特定的应用中，当预见到设备的固定使用时，该设备会被安装到三脚架上或者被固定到支架上。

手提式筛选设备200包括适用于发射雷达信号并接收反射的雷达信号的有源雷达扫描单元302。电磁辐射或者雷达信号可以以锥形形式210发射。处理器310包括在手提式筛选设备中，该处理器控制有源雷达扫描单元302。

手提式筛选设备200可以另一包括显示有源雷达图像的显示器230或者屏幕。

例如，有源雷达扫描可以通过有源毫米波传感器或者扫描单元或者雷达扫描传感器或者雷达扫描单元来进行。通过从雷达源(例如：手提式筛选设备或有源雷达扫描元件)到物体以延伸的mm波长范围发射电磁波生成有源雷达扫描，并检测从物体反射或散射的电磁波。“检测”可以包括捕捉由天线所散射的电磁波以及模数转换和数字处理及分析跟随的无线电频率电子。毫米波长范围辐射的频率被认为在10GHz至500GHz之内。

为了获取一维图像或者二维图像，(用于反射的或散射的电磁波的捕获单元的)雷达源的位置应该相对于物体的位置移动。例如，可以移动雷达源以改变其位置。例如，还可以通过移动反射器、光栅或一些电子波束形成装置来改变雷达电磁波的发射方向。

设置把手250，从而使得用户可以用一只手拿住手持筛选设备200并且可以轻易地对其进行操作。

可以设置输入机构330允许用户选择手提式筛选设备200的操作模式。输入机构可包括鼠标、触摸屏、键盘、跟踪球或者任何其他已知的输入机构。

此外，手提式筛选设备200可包括数据库或者存储单元340。

有源雷达扫描单元302包括适用于发射电磁辐射，例如，毫米波的天线阵。

手提式筛选设备200可用于保密检查环境以便检查物体。物体可以是应被搜索的任意物体，例如有害的或者危险的设备，例如，类似手枪、枪、小刀等的武器或者具有特征形状，例如，具有液体的瓶子的其他设备。当然，该方法同样能够应用于搜索能够被藏匿的其他设备。物体可以包括穿着衣物的人类、手提箱或者盒子或者可用于藏匿在上文中所描述的装置的任何其他物体。然而应当理解，处于安全性原因，可以搜索设备(即，武器、危险品)，同样也可以出于其他原因而应当识别设备，例如，喜宴的组织者搜索液体瓶子(在这个场景中的‘不需要的物品’)，因为他想要禁止将这样的瓶子带进喜宴中，因为他想要销售他自己的产品。

在步骤S102，确定多个天线的天线组，其中，所述组中的天线的数目基于所选择的操作模式。

在步骤S104中，电磁波从S102中确定的天线组中的天线发射或者电磁波由S102中确定的天线组中的天线接收。

在处理器310中，基于从物体反射的信号产生图像。图像可以被形成为具有光度值并且选择性地用于像素基体的每一个像素的色度值的像素基体。

在整个说明书使用的术语“图像”包括可以通过估计反射的或者散射的电磁波而得到的任何信息(反射率、深度、形状、轮廓、偏振散射、极化改变等)。

在图4中，描述本发明的另一实施方式的方法步骤。在步骤S400，选择操作模式。在S402发射电磁波。在步骤S404，检测到电磁信号，电磁信号从位于与天线一个或多个距离的一个或多个物体反射，其中，距离的数目基于所选择的操作模式。

在图5和图6中，示意性地描述如果距离的数目应减少为一个，如何从多个距离获得的一系列图像中选择图像。

在图5中，一个人510作为手提式筛选设备200应该研究的目标的示例被描绘。该人510在他的身体530上穿着一些衣物520。在示例中，该人510试图在他的身体530与他的衣物520之间藏匿设备，例如，枪540。

当雷达信号570在Z方向指向人510时，雷达信号580的一段被反射并且被手持筛选设备200检测。

在图6中，对照Z方向描绘反射信号强度I(例如，图像值的平均值或者总计值)。如可观察的，信号强度包括第一位置z1处的第一相对最大值610和第二位置z2处的第二相对最大值620。

根据实施方式，第一相对最大值610是通过估计在哪个z位置处强度I在预定阈值Ith以上而检测的。当然，预定阈值Ith可以是存储在存储单元340中的阈值或者可以是通过输入机构330输入的阈值。第一相对最大值610被确定并且在显示器230上以“第一层”模式显示与第一相对最大值610对应的图像或层。

根据另一实施方式，第二相对最大值620同样对应反射强度或者反射率的绝对最大值。因此，对应第二位置z2的图像序列中的图像可以通过估计不同图像的总计强度被确定并且可以以“最高反射率层”模式显示在显示器230上。

两个模式，即“第一层模式”或者“最高反射率层”模式可用于识别藏匿的物体，例如，如图5中所示的枪540。对于具有枪540的示例，考虑到由金属制成的枪对于雷达波通常具有很高的反射率，所以选择具有最高反射率层来显示以在安全应用情况下找到枪是合适的。

在图7的表格中描述了多个模式，即，低功率模式、标准模式、高性能模式、高吞吐量模式、单天线模式、及二进制模式。描述了当输入机构330选择相应的操作模式时使用的每种模式的不同的参数。

对于低功率模式，天线的发送功率被减小为信噪比(SNR)指定的最小。根据在使用FMCW(频率调制连续波)模式的情况下的信噪比或者在使用梯级调制情况下的不模糊范围将使用的线性调频的数目与线性调频周期减小为最小。线性调频的数目等于一个。天线阵欠定，然而术语‘欠定’表示天线元件(或者在疏散的MIMO拓扑的情况下的虚拟天线元件)之间的绝对空间明显地大于波长的一半。类似地，术语超定描述元件间的间距明显小于波长的一半。

如图9至图12所示，天线的数目减少。要么视场的不模糊范围可以减小要么图像的分辩率可以减小或者两者均可以减小。

图9示出二维MIMO(二维多入多出)配置的天线阵900。小圈900表示TX(发送)或者RX(接收)天线，然而大圈910代表RX天线或者TX天线。

通过TX与RX元件的二维卷积计算有效孔径。有效孔径的尺寸可以通过接入另外的元件920(虚线)增加。在这种情况下，仅另外接入一种类型的天线。孔径的增加改善图像的分辩率并且增加视场(由于捕捉更多的定向反射)。

图10示出二维MIMO配置的另外的天线阵1000。小圈1005表示TX天线或者RX天线，然而大圈1010代表RX天线或者TX天线。通过TX元件与RX元件的二维(2D)卷积计算有效孔径。有效孔径的尺寸可以通过接入另外的元件1015、1020(虚线)增加。在这种情况下，另外接入两种类型的天线1015、1020。孔径的增加改善图像的分辩率并且增加视场(由于捕捉更多定向反射)。用于二维MIMO的另外的天线配置可以是例如，X形状、T形状、H形状、四方形状或甚至其他形状。这些是文献中广泛描述的众所周知的配置。

图11示出二维MIMO配置的另外的天线阵1100。小圈1105表示TX天线或者RX天线，然而大圈1110代表RX天线或者TX天线。通过TX元件与RX元件的二维卷积计算有效孔径。该有效孔径的元件间的间隔可以通过接入另外的元件1115(虚线)减小。在这种情况下，仅另外接入一种类型的天线。孔径的元件间的间隔的减小增加栅瓣的间隔(引起不必要的混叠)并且增加视场(由于不模糊角度范围的增加)。

图12示出二维MIMO配置的天线阵1200的另外的实施方式。小圈1205表示TX天线或者RX天线，然而大圈1210代表RX天线或者TX天线。通过TX元件与RX元件的二维卷积计算有效孔径。该有效孔径的元件间的间隔可以通过接入另外的元件1205、1215(虚线)减小。在这种情况下，仅另外接入一种类型的天线。孔径的元件间的间隔的减小增加栅瓣的间隔(引起不必要的混叠)并且增加视场(由于不模糊角度范围的增加)。用于二维MIMO的另外的天线配置可以是例如，X形状、T形状、H形状、四方形状。这些是文献中广泛描述的众所周知的配置。增加孔径与减小元件间的间隔的两种方法可以结合。

使用的算法具有相对低的复杂性以便使操作的数目最小化，空间粒度粗糙并且适用于期望检测的最小的目标的尺寸，仅处理反射率占优势的层，并且使用频域重建算法。

对于高性能模式，发送(Tx)功率增至最大，启用高功率，组成发送中的另外的放大级。增加线性调频周期与线性调频的数目两者以允许更高的SNR与更可靠的检测。天线阵超定，备用的Tx/RX组合用于减小异常值存在的可能性并且在扫描过程中检测情形中的变化。通过使用精密的算法粒度，算法的复杂性高，为了使所获得的图像具有更好的精确度与分辩率，处理所有的层，以免相关层的非处理，使用高性能时域重建算法以允许更精确的检测。在该高性能模式中，通过分别使形状和反射率与数据库匹配应用一些物体和/或材料预选择。

该模式允许精密并稳健的检测，缺点是较低速度与较高功耗。

高吞吐量模式有利于检测的速度，在该模式中，天线阵是欠定的以减少将要处理的样本的数目。使用的算法在这种情况下是低复杂性，空间粒度粗糙并且适用于期望检测的最小物体的尺寸，仅处理反射率占优势的层，并且使用快速频域重建算法。此外，应用自动目标检测以减小操作员决定检验区域中是否存在一些有害物体需要的时间。

二进制模式将要么OK(没有检测到有害物体)、要么not-OK(检测到有害物体)的二进制信息提供至操作员。该模式可以用于天线阵的任何配置和应用的算法的复杂性并且当设备由非熟练的操作员使用时该模式最适合。

标准模式将分辩率、稳健性、速度及功耗均衡至最期望的情形。通过使用FMCW调制情况下的SNR或者使用梯级调制情况下的不模糊范围，TX功率与线性调频周期保持在最小允许值以上。就分辩率与视场而言，使用最佳的天线阵。重建算法的粒度保持为默认操作模式，远低于将要检测的最小的目标的尺寸。处理围绕反射率占优势的层的确定数并且可以使用频域重建算法。

还存在1-天线模式，其中，仅(MIMO阵列或者另外一种的)单天线单元用作供应给大天线孔径的TX/RX。在图13中描述1-天线模式的布置。

图13a示出二维MIMO配置的天线阵1300的顶视图。在1-天线模式中，大喇叭孔径1310或者大透镜1320手动附接至中心天线。这通过示出大的单天线的孔径1330的虚线表示。该中心天线可以是在1-天线模式中的TX模式/RX模式中操作的另外的天线元件或者阵列配置的天线元件。MIMO阵列的所有的其他元件以1-天线模式关闭。

在图13b中，图13b是扫描单元或者传感器的外壳1302的侧视图，透镜1320放置在中心天线1340的顶部。透镜1320可以是聚焦的或者非聚焦的。替代地，大喇叭天线1310或者大喇叭透镜天线可以附接至中心天线1340。这在图13c中示出。虚线表示放置在大喇叭1310的孔径中的任意的透镜1350。在1-天线模式中，扫描单元仅扫描单个点。该模式可以表示在单个点的由金属枪所引起的高反射率。

在使用另外的透镜的情况下，可以通过适配器将透镜机械地固定至运载透镜的外壳。适配器被配置为具有低的雷达截面。通常，由于电磁干扰，天线阵的顶部上的外壳是不期望的。在将大喇叭孔径附接至小喇叭的情况下，这可以通过机械地连接大漏斗(funnel)(例如，通过转动其)至小喇叭天线实现。

大量可选的操作模式为操作员提供大的灵活度，操作员可以例如，关于根据他的资源(例如，有效功率、时间)和需要(例如，高分辨率或低分辨率)的功耗或者分辩率选择最佳操作模式。

图8描述参数对手提式筛选设备200中的有源雷达图像生成的分辩率、稳健性、速度及功耗的影响。

具体地，当增加天线复杂性时、当增加带宽时、当增加空间粒度时、或者当增加使用的算法的计算强度时，分辩率增加。

当发送功率增加时、当IF(中频)放大增加时、当线性调频周期/步长增加时、当线性调频的数目增加时、当天线复杂性增加时、当空间粒度增加时、当处理的层的数目增加时、当使用的算法的计算强度增加时、或者当处理的样本的数目增加时，稳健性增加。

利用增加的线性调频周期/步长、利用增加的线性调频的数目、利用增加的天线复杂性、利用增加的带宽、利用增加的空间粒度、利用增加的处理的层数、利用增加的使用的算法的计算强度、或者利用增加的处理的样本的数目，速度减小(可能连同增加的LNA(低噪声放大器)偏离、改进的噪声系数与更好的SNR)。

利用增加的发送功率、利用增加的IF扩大、利用增加的线性调频周期/步长、利用增加的线性调频的数目、利用增加的天线复杂性、利用增加的显示器对比度、利用增加的带宽、利用增加的空间粒度、利用增加的处理的层的数目、利用增加的使用的算法的计算强度、或者利用增加的处理的样本的数目，功耗增加。

在图14a中描述了手提式筛选设备1400的另一实施方式的示意图。为了在运输过程中减小手提式筛选设备的尺寸，在结合图9与图11中论述的四方形类型格式中示例性描述的天线阵1410被分为一部分固定至手提式筛选设备1400的第一部分1420而另一部分固定至手提式筛选设备的第二部分1430。两部分通过铰链1440连接。在操作中，如在图14a中描述的，两部分布置成直线。然而，为了在未使用时运输手提式筛选设备1400，可以关于布置平行于铰链1440的轴线1435旋转或者折叠第二部分1430。然后，如图14b中描述的，第二部分1430布置为与第一部分1420面对面。设备1400处于折叠状态的区域(图14b)(如垂直于天线阵观察的)可以减小至未折叠态的区域(如图14a中描述的)的近似一半。该配置在由于当设备未使用并且天线孔折叠时的较小物理尺寸仍然提供轻易运载设备或者存储设备的可能性(即，在袋子中)的同时，允许手提式筛选设备在操作时的高空间分辨率(因为分辩率对于较大的天线孔径较好)。

当然，可以将天线阵1410分为通过各自的铰链连接的多于两个的部分。

如在图14c中描述的用于手提式筛选设备1450的另一实施方式，以“截面”形式的天线阵1460的区域，如结合图10与图12论述的，可以同样分为第一部分1470与第二部分1480，在围绕铰链1440折叠之后，第一部分1470与第二部分1480将产生如垂直于天线阵1460观察的较小的区域。

显而易见地，根据上述教导，本公开内容的很多修改和变化是可行的。因此应当理解，在所附权利要求的范围内，除了如本文中明确描述的以外，还可以以其他模式实践本发明。

Claims (13)

1.一种手提式筛选设备，所述手提式筛选设备包括：

天线阵，包括多个天线；

输入机构，选择操作模式；

处理器，确定所述多个天线的天线组，其中，所述组中的所述天线的数目基于所选择的操作模式，并且控制所述天线组发射或者接收电磁波。

2.根据权利要求1所述的手提式筛选设备，其中，所述处理器进一步配置为基于所选择的操作模式确定所述手提式筛选设备与一个或多个物体之间的距离的数目。

3.根据权利要求1或2所述的手提式筛选设备，其中，所述处理器进一步被配置为基于所选择的操作模式控制所述天线的发送功率。

4.根据权利要求1或2所述的手提式筛选设备，其中，所述处理器进一步适用于基于所选择的操作模式调节空间粒度。

5.根据权利要求1或2所述的手提式筛选设备，进一步包括外壳和可附接至所述外壳的另外的单天线元件。

6.根据权利要求1或2所述的手提式筛选设备，其中，所述天线阵分为通过铰链连接的两个部分或多个部分。

7.一种用于操作包括具有发射电磁波的多个天线的天线阵的手提式筛选设备的方法，所述方法包括：

选择操作模式，

确定所述多个天线的天线组，其中，所述组中的天线的数目基于所选择的操作模式，

从所述确定的天线组发射电磁波或者接收来自所述确定的天线组的电磁波。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

检测从位于与所述天线一个或多个距离的一个或多个物体反射的电磁信号，其中所述距离的数目基于所选择的操作模式。

9.根据权利要求7或8所述的方法，进一步包括：

基于所选择的操作模式控制所述天线的发送功率。

10.根据权利要求7或8所述的方法，进一步包括：

基于所选择的操作模式调节空间粒度。

11.根据权利要求7或8所述的方法，进一步包括：

选择仅使用所述多个天线的一个天线的操作模式。

12.一种手提式筛选设备，所述手提式筛选设备包括：

输入机构，选择操作模式；

处理器，基于所选择的操作模式确定所述手提式筛选设备与一个或多个物体之间的距离的数目；以及

至少一个天线，发射电磁波并检测从位于所确定的距离的所述一个或多个物体反射的电磁信号。

13.一种用于操作手提式筛选设备的方法，所述方法包括：

选择操作模式；

从所述手提式筛选设备的天线发射电磁波；

检测从位于与所述天线一个或多个距离的一个或多个物体反射的电磁信号；

其中，所述距离的数目基于所选择的操作模式。