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Abstract

本发明公开了一种基于视频SAR的隐匿危险品探测方法。本发明在安检区域上方布置圆弧形轨道，将SAR工作模式且工作频率相同的多个雷达设置于轨道上；雷达工作时，沿圆弧形轨道作匀速往复运动并发射线性调频连续的太赫兹波，从而形成方位向合成孔径成像，得到安检区域的目标的探测成像。本发明利用雷达在弧形轨道上匀速运动形成的方位向合成孔径，实现对安检区域内的目标的远距离实时全方位高分辨率成像，同时通过发射极高频及以上频率的电磁波快速成像克服因目标运动而造成的散焦。

Description

一种基于视频SAR的隐匿危险品探测方法
技术领域
本发明属于电子信号处理技术领域，特别涉及一种基于视频SAR的隐匿危险品探测方法。
背景技术
传统安全检测系统(金属探测器和X光扫描机)在人体安全和透视成像等方面存在一定局限性。目前已应用于安检的技术主要有：X射线、红外线、仪器、超宽带和声波等技术。这些技术虽具有其适用场合和特点，但对于检测带有隐匿物品的人都有一定缺陷。例如，X射线具有高分辨率成像的优点，但强辐射会对人体健康造成伤害，不能直接用于人体检测。红外技术探测隐匿物体取决于隐匿物体与其背景的温差，其分辨能力不强，穿透性较弱，不能发现隐匿的违禁物品。金属探测器则对塑料等非金属物品束手无策。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种利用雷达实现对非合作危险品探测，将雷达设置于安检区域上方的弧形轨道上，采用SAR工作模式，发射线性调频连续(LFMCW)的THz波，结合THz波的穿透特性，利用雷达在弧形轨道上匀速运动形成的方位向合成孔径，实现对安检区域内的目标的远距离实时全方位高分辨率成像，同时通过发射极高频及以上频率的电磁波快速成像克服因目标运动而造成的散焦。
本发明的一种基于视频SAR的隐匿危险品探测方法，包括下列步骤：
在安检区域上方布置圆弧形轨道，将SAR工作模式且工作频率相同的多个雷达设置于轨道上，选择合适的轨道半径使得雷达的发射波束能够覆盖安检区域，从而实现对安检区域的全方位成像；
雷达工作时，沿圆弧形轨道作匀速往复运动并发射线性调频连续的太赫兹波，从而形成方位向合成孔径成像，得到安检区域的目标的探测成像。其中，雷达运动的线速度v设置为其中c为电磁波传播速度、fn为雷达的成像帧率、R为雷达的作用距离、Δa为方位向分辨率、f0为工作频率，所述工作频率f0的频段为0.14THz～0.17THz、0.19THz～0.32THz或0.32THz～0.37THz。
太赫兹探测技术结合了微波和红外的优点，与传统安检技术相比，本发明采用太赫兹安检技术具有以下优势：一是更可靠，传统的安检方法主要用于金属物质探测，而太赫兹波对非极性材料具有良好的穿透性，且许多的非极性材料对太赫兹波的吸收较小，便于利用太赫兹波探测材料的内部信息；二是更高效，太赫兹频率高，波长短，接收信号速率大，接近于视频，便于实时成像，单位时间内能检测更多通过的行人，大大提高了检测效率；三是更安全，太赫兹光子能量低，对人体相对友好，在安全辐射功率标准下不影响人体健康；四是更文明，检测方式为非接触式检查，通过处理图像，只保留隐匿危险品目标图像，不侵犯个人隐私。另外，太赫兹频段兼有微波毫米波与红外可见光两个区域的特性，因而融合了微波和红外可见光的优点，特别是适中的波束宽度、宽的系统带宽和大的多普勒频移特性，十分有利于目标的探测识别处理和干扰对抗。
合成孔径成像雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)技术广泛用于星载、机载雷达的对地观测中。其主要思想是将不同位置的天线接收的同一目标回波信息进行幅度和相位信息合成处理，利用雷达回波信号的相关性，累积雷达运动过程中回波信号的多普勒频移，在雷达的运动方向上合成等效的雷达孔径，实现方位向的高分辨成像。时域处理的成像方法有后向投影(BackProjection，BP)方法，频域处理的成像方法有距离多普勒(RangeDoppler，RD)、ChirpScaling(CS)、波数域、SPECAN等方法。合成孔径成像算法具有分辨率高、易实现等优点，在工作频率高的情况下，合成孔径时间短，在短时间内可以产生多幅图像，不会因目标的运动造成散焦，从而可以对运动目标成像，这是相对于传统安检手段的另一个优势。因SAR采用主动式工作模式，对自身发射电磁波的反射回波进行成像处理，不受光照、温度等外界环境的限制，可实现全天时、全天候对安检区域的监测成像。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)由于采用了雷达进行监测，可以实现对大范围非合作目标的实时监测，极大地提高传统安检扫描方式的效率。
(2)雷达位于弧形轨道上，采用SAR工作模式，最大限度地将天线接收到各个位置的同一目标回波信息进行幅度和相位信息合成处理，利用雷达回波信号的相关性，累积雷达运动过程中回波信号的多普勒频移，在雷达的运动方向上合成等效的雷达孔径，实现方位向上的全方位高分辨率成像。
(3)雷达选择太赫兹作为工作频段，对于相同的方位向分辨率，因为工作频率高，合成孔径时间短，所以在短时间内可以产生多幅图像，从而可对运动目标成像，很好地克服了传统安检雷达接收信号后因目标运动而散焦导致的图像模糊。
(4)利用太赫兹波对非极性材料良好的穿透性，可探测衣服、包裹内部的硬质金属与非金属，在遇到后向散射系数不同的硬质材料时，返回的回波强弱也不同，据此可以呈现出硬质危险品的轮廓。
(5)通过选取0.14THz～0.17THz、0.19THz～0.32THz和0.32THz～0.37THz频段内的1个窗口传播THz辐射，以实现高数据率的传输；同时规避因大气中水蒸气以及其他成分分子旋转和振动所导致的THz的严重衰减而制约THz成像系统的探测距离的问题。
附图说明
图1为本发明的实现示意图。
图2为本发明的探测过程几何结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，在安检区域上方布置圆弧形轨道，将SAR工作模式且工作频率相同的多个雷达设置于轨道上，雷达个数的选择取决于全方位成像的需求，一般来说在3个到5个之间；
雷达工作时，沿圆弧形轨道作匀速往复运动并发射线性调频连续的太赫兹波，即对雷达的压控振荡器(VCO)产生的振荡信号进行线性调制，得到太赫兹频段的发射信号。
然后将通过雷达天线(雷达发射和接收信号为同一天线)向安检区域发射信号，同时将发射信号通过定向耦合器耦合到混频器得到本振信号。
雷达天线接收目标的反射信号，该反射信号经环流器进入混频器，与本振信号进行混频得到混频信号，该混频信号经低通滤波器取差频信号作为中频信号，对中频信号进行前置低噪声差频放大器放大后进行模数转换得到数字信号，图像处理单元对数字信号进行成像处理得到安检区域的目标的探测成像，从而将探测图像发送给监控端，通过对图像的目标识别技术或者人工观察等方式实现对探测目标是否为隐匿危险品的判断。
上述安检区域的目标的探测成像的具体实现过程即为雷达的方位向合成孔径成像的具体实现过程。
参见图2，雷达与地面的垂直高度为H，探测区域(安检区域)的最小外接圆的半径为R0，布置雷达的圆弧轨道所在圆的半径为Rgc，俯仰角为θz。雷达工作时，多部雷达沿圆弧轨道作匀速往复运动，同时以一定角度(θ)向下照射地面的探测区域，保证目标(例如人体)在安检区域内走动时位于波束范围内，并从不同视角观测目标，可实现对目标360度全方位成像。
假定各雷达的工作频率f0＝220GHz，发射信号带宽B＝15GHz，作用距离R＝10m，距离向分辨率Δr＝1cm，方位向分辨率Δa＝1cm，成像帧率fn大于等于4Hz，要推导雷达运动的线速度v。根据可得因此其中λ为波长，θ为单位时间内方位向转过的角度，c为电磁波传播速度，f0为雷达工作频率，fn为雷达成像帧率。取成像帧率fn＝4Hz，计算可得v≈2.73m/s，这个速度足够小，在实际设计中容易实现。由于线速度v和作用距离R成正比，所以在作用距离增大时可以通过提高速度满足需求；又由于线速度v和成像帧率fn成正比，故提高雷达运动速度可以进一步提高帧率，达到更加流畅的同步画面；因为线速度v和工作频率f0成反比，所以提高工作频率的情况下，可进一步降低雷达的运动线速度v。综上所述，本发明所述的探测方法不仅适用于该实施例，在应用于其他各种复杂场景时，可以通过调节线速度v、作用距离R、工作频率f0满足实际需求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种基于视频SAR的隐匿危险品探测方法，其特征在于，包括下列步骤：
在安检区域上方布置圆弧形轨道，将SAR工作模式且工作频率相同的多个雷达设置于轨道上；
雷达工作时，沿圆弧形轨道作匀速往复运动并发射线性调频连续的太赫兹波，形成方位向合成孔径成像，得到安检区域的目标的探测成像；
其中，雷达运动的线速度v设置为，其中c为电磁波传播速度、fn为雷达的成像帧率、R为雷达的作用距离、Δa为方位向分辨率、f0为工作频率，所述工作频率f0的频段为0.14THz～0.17THz、0.19THz～0.32THz或0.32THz～0.37THz。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，得到安检区域的目标的探测成像具体为：
对雷达的压控振荡器产生的振荡信号进行线性调制，得到发射信号，通过雷达天线向安检区域发射信号，同时将发射信号通过定向耦合器耦合到混频器得到本振信号；
反射信号经环流器进入混频器，与本振信号进行混频得到混频信号，所述混频信号经低通滤波器取差频信号作为中频信号，对中频信号进行前置低噪声差频放大器放大后进行模数转换得到数字信号，图像处理单元对数字信号进行成像处理得到安检区域的目标的探测成像；其中，雷达发射和接收信号为同一天线。
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Granted publication date: 20180406

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