CN105829920A - 有源微波设备和探测方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种用于探测隐蔽在衣服下面或者行李中的潜在地危险的和/或者爆炸性材料的方法和系统。通过发射、反射以及接收微波辐射，能够构建目标区域的3D图像。该图像将示出移动的人和潜在地隐藏在其身体上的任何电介质对象的轮廓。通过测量从电介质对象反射的微波的相位和幅值，能够确定微波通过隐藏对象的光学路径，因此，使得可以创建目标区域的3D微波图像。能够同时使用几个发射机和接收机，并且还能够使视频成像叠加在微波图像上，用以改善探测准确性。本发明在整个国家，尤其在公共交通和大型公共事件的领域中，具有保安和安全应用。

Description

有源微波设备和探测方法

有关申请的交叉引用

本专利申请要求2014年1月22日提交的CIPUS14/160,895“ACTIVEMICROWAVEDEVICEANDDETECTIONMETHOD”的优先权，并且通过引用将其完全并入；本专利申请还要求2014年6月30日提交的美国专利申请14/319,222“METHODFORSTANDOFFDETECTIONANDANALYSISOFOBJECTS”的优先权，美国专利申请14/319,222要求2013年11月19日提交的美国临时专利申请No.61/905,940的优先权；本专利申请还要求2014年4月23日提交的美国专利申请14/259,603“SMARTSCREENINGBARRIERANDSYSTEM”的优先权，美国专利申请14/259,603要求2014年2月28日提交的美国临时专利申请No.61/945,921的优先权。

技术领域

本发明涉及隐藏对象的远程探测的领域，尤其涉及用于探测隐蔽在衣服下面或者人体上或附近的电介质(dielectric)爆炸物的方法和装置。

背景技术

当前，各种方法正被用于解决对隐蔽爆炸物的担忧。这些方法中的一些包含：金属探测器、气化物探测器、X射线机、以及狗。许多国家在开发用于基于新物理原理检查人体的新方法付出巨大努力，新物理原理包含：拉曼后向散射、电介质桥门(portal)、无源和有源太赫兹范围设备、无源毫米范围设备、以及有源微波桥门。

上述方法不保证远程和隐秘检查的所要求的效果；因此，这些设备不能在足够的时间内探测到“自杀式炸弹”以使得能够在爆炸设备的引爆发生之前采取必要预防措施。当前的方法的另一个显著缺陷是缺乏对探测对象的威胁等级的自动确定并且误报率高。这些障碍使得几乎不可能将这些设备用于例如检查在运输过程中移动的大量人群。

如下是用于隐蔽在人身上的金属爆炸设备和非金属爆炸设备的一种当前探测方法：利用来自人体的小区域的电磁波，接收天线集中在该区域上。然后，在处理模块中处理辐射仪数据，并且记录波束的强度和位置。然后，将所接收的信号的测量强度显示为发光强度。通过分析发光强度的分布，能够确定存在还是不存在金属对象或者非金属对象。这种方法的主要缺陷是所接收的图像的对比度低。在用于所采用的波范围的电介质透明时，该方法不能清楚地将非金属对象与人体区域别开。

WO2011/065869和WO2011/065868公开了利用人的微波图像和光学图像以及大多数爆炸物的高介电常数探测该人身上的隐藏爆炸物的方法。这些方法不将从可疑(interrogated)空间的外层反射的MW信号用于揭露可疑空间中的隐藏对象。

还需要对移动的人群进行隐秘的自动(无需操作员)检查，以揭露自杀式炸弹，并且将其与人群分开。

发明内容

本发明公开了一种定位例如人穿戴或者携带的诸如爆炸物的潜在威胁的隐藏对象的方法和系统。通过发送微波信号并且接收人的不同区域对这些信号的反射，能够计算人的外层(例如，外套)与身体之间的距离。同时，如果对象隐藏在人身上，则还计算对象的厚度。将这些值进行比较，并且利用这些值创建3D微波图像，并且，如果探测到值之间的急剧变化，则发出报警的信号。该急剧变化的原因是用于爆炸物和其他危险武器的特定电介质的升高的介电常数，其改变了透射微波信号的速度。本发明还公开了一种类似探测方法，其通过在信号接收机的对面布置微波信号发射机，因此也允许基于微波信号的透射进行计算。此外，同一个时间点的3D视频图像能够覆盖3D微波图像，因此允许读数和结果更准确。

附图说明

图1示出用于探测隐藏电介质对象的装备(setup)。

图2示出微波路径以及从目标的外衣和身体边界(分别是第一边界和第二边界)的反射。

图3进一步详细示出在(a)不存在隐藏危险对象、以及(b)、(c)、(d)存在隐藏危险对象情况下的微波(MW)波束的反射。图3(b)示出在外衣或者其他外套下面爆炸物位于人身体上的位置的示例。图3(c)和3(d)示出由所主张的本发明在隐藏对象的情况下测量或计算的光学路径和距离。

图4示出用于3D微波和视频图像处理和自动报警的过程的示例。

图5示出本发明的平面构造选择。

图6示出本发明在(a)反射模式下和(b)透射模式下的、桥门构造选择。

图7示出在本发明的桥门构造选择中构建微波图像的不同方式。

图8示出采用两倍数量的发射/接收天线阵列的本发明的桥门构造选择。

图9示出采用两倍数量的发射/接收天线阵列的本发明的平面构造选择。

图10示出如何可以同时一起使用平面和桥门构造选择的示例。

图11示出如何可以同时一起使用平面和桥门构造选择的另一个示例。

具体实施方式

在此公开了一种用于远距离实时自动探测穿戴在身体上且隐藏在衣服下面、或者背包或其他行李中的IED(简易爆炸设备)和其他潜在危险的电介质对象的有源微波设备(AMD)。AMD通过朝着移动目标(例如，人)发送微波(波长在从1毫米到约20厘米的范围内，其中，优选实施例采用从1mm到几cm范围内的微波)、并且之后探测反射波而运行。高速GPU实时地进行数据分析，以获得潜在隐藏对象的图像，并且接收关于其体积和介电性质的信息，这允许在普通对象与潜在爆炸物之间进行区别。然后，利用该信息对发现的“异常”分配威胁等级，而无需操作员参与。

因此，主张用于揭露可疑空间中的电介质对象的系统，其中可疑空间位于内层与外层之间，该系统包括至少两个微波(MW)源和至少一个MW接收机，用以形成可疑空间的3DMW图像，其中通过从MW源朝向可疑空间发射MW信号而形成所述3D微波图像，其中每个MW信号部分地从外层反射，并且MW信号的剩余部分穿过可疑空间，在该可疑空间中，MW信号的剩余部分部分地从内层反射，其中所述MW接收机接收来自所述外层和内层的反射信号，该系统还包括计算机/计算器，其被适配用于确定至少两组点之间的至少两个距离P1和P2，其中P1＝(A2-A1)并且P2＝(B2-B1)；其中A1是第一MW波束从外层反射的点，而A2是同一第一MW波束从内层反射的点，其中B1是第二MW波束从外层反射的点，而B2是同一第二MW波束从内层反射的点，其中至少两组两个点互相间隔开预定值S；并且，计算机/计算器进一步被适配用于计算P1与P2之间的差D，并且将差D与预定阈值T进行比较；并且，该系统还包括报警器，其被适配用于当P1与P2之间的差大于阈值T时指示内层与外层之间可能有隐藏电介质对象。

此外，主张一种揭露可疑空间中的隐藏对象的方法，其中可疑空间位于内层与外层之间，该方法包括：从MW源朝向可疑空间发送微波(MW)信号，该信号部分地在外层上反射并且部分地在内层上反射；在MW接收机接收从外层和内层反射回的MW信号的第一和第二响应，第一和第二响应信号对应于第一和第二3DMW图像，其中第一3DMW图像对应于可疑空间的外层，而第二3DMW图像对应于可疑空间的内层；确定至少两个距离P1和P2，其中P1＝(A2-A1)而P2＝(B2-B1)，其中A1是第一MW波束从外层反射的点，而A2是同一第一MW波束从内层反射的点，其中B1是第二MW波束从外层反射的点，而B2是同一第二MW波束从内层反射的点；其中A1和B1互相间隔开预定值S；计算P1与P2之间的差D，并且将差D与预定阈值T进行比较；当差D大于阈值T时进行指示。在一个实施例中，该方法还包括从第三和第四响应信号至少确定第三和第四距离P3和P4，其中P3＝(C2-C1)而P4＝(D2-D1)，其中C1是第三MW波束从外层反射的点，而C2是同一第三波束从内层反射的点，其中D1是第四MW波束从外层反射的点，而D2是同一第四MW波束从内层反射的点。P3和P4能够用于提高P1与P2之间的距离D大于阈值T时触发的报警的可靠性。能够基本上在确定P1和P2的相同区域中确定P3和P4，但是采用不同的视角。P3和P4还能够用于在与确定P1和P2的区域不同的区域中探测其他隐藏对象。

可疑空间可以在人的身体与该人的衣服之间、或在人的衣服的两层之间。外层优选地由空气与人的外衣之间的边界形成。

图1示出用于揭露隐藏电介质对象的装备1。在一个实施例中，使用两个或者更多个基本微波发射机2(作为示例，图1示出64个发射机)，利用微波辐射扫描空间。从监视区域反射的信号由一个或者多个并行探测通道3和4拾取。所接收的信号在数字信号处理(DSP)单元5中经历相干处理，以基于从基本发射机到目标的距离，获得在监视区域中散射对象的恢复构造的最高强度值。然后，通过构建3D微波图像，使处理之后获得的信息显示于显示器6上。

在本发明的方法的一个实施例中，考虑到从可疑空间反射的电磁场的幅值信息和相位信息，数字信号处理器(DSP)执行相干处理，该相干处理计算3DMW图像。

在另一个实施例中，还利用两个或者更多个摄影机7和8获得目标的附加视频图像，通过DSP单元5，该两个或者更多个摄影机7和8与微波发射机2同步。所获得的视频图像通过通道9和10传送到处理单元5，将所获得的视频图像进一步转换为数字形式，并且构建目标的三维图像且使该三维图像显示于显示器6上。然后，将3D视频图像和3D微波图像转移(transfer)到通用坐标系中并且使其重叠(下面做进一步详细描述)。图1所示的系统1的视点或者视角是从被监视的人的位置出发的。

在此，有时将其称为发射机或者发射天线，而有时将其称为发送机或者发送天线。如果对于技术人员根据使用术语的特定上下文没有什么不同，则术语发射机/发射天线/发送机/发送天线全部可互换。

3D微波成像：以下面的方式确定存在目标11携带的潜在危险对象(图2)。初级(primary)发射的MW辐射12中的一些部分地由第一(外)边界(通常是人的外衣/夹克/或者外套)反射，形成反射束13(为了更详细，请参见图3(a)－区域N的放大视图)。然后，该辐射/波穿过外衣，直到被第二(内)边界、人体反射，形成第二反射束14。因此，该同一波至少发生两次反射——一次反射发生在目标和/或对象的外边界处(即，第一边际，或者空气/中间空间边际)，而另一次反射发生在波穿过中间空间后并且从目标身体(即，如果存在，则是隐藏电介质对象的对侧)反射。记录第一边界与第二边界之间的中间空间的测量距离P1，并且将其用于探测隐藏对象的存在，P1＝(A2-A1)是第二边界上的点A2与第一边界上的相应点P1之间的距离。重复该过程，用以测量至少一个其他距离、或者继续用于测量其他距离，使微波波束能够沿着第一边界和第二边界命中各种位置并且从所述各种位置反射。从沿着第一边界B1、C1、D1、……和第二边界B2、C2、D2、……的附加位置反射的每个附加微波波束允许测量第一边界与第二边界之间的附加距离P2、P3、P4、……。在连续发射和接收微波信号的情况下，创建检查区域的3D微波图像。第一3DMW图像对应于第一边界，而第二3DMW图像对应于第二边界。该方法使得可以确定在外套下面人体上、或者人携带的隐藏电介质对象的存在。放大区域N，并且在图3(a)中更详细地示出区域N。图3(a)表示没有隐藏对象的情况。图3(b)示出爆炸物可能如何在外衣下面戴在身体上。在本发明的优选实施例中，隐藏对象是爆炸材料或其成分。在一个实施例中，本发明的方法用于揭露在移动的人群中隐藏的自杀式炸弹。爆炸物的介电常数约为3。穿过具有这种高介电常数的介质的MW辐射等同于在空气中穿过较长距离，因此，隐藏对象的微波图像被绘制为凸入身体中的空腔，如图3(c)所示。这种看上去较长的距离对应于微波波束路径长度的急剧变化，该急剧变化被接收机探测到，因为与第二区域16中的MW波束相比，第一区域15中的MW波束含有额外路径。通过测量进入的反射微波的相位和幅值，能够确定微波路径(即，微波波束/微波信号的路径)，并且，如果存在，则登记(register)路径在特定区域中的突然的急剧变化。因为微波在具有较高介电常数的对象中传播较慢，所以第二边际信号到达存在的对象或者对象的区域花费较长时间(与没有对象的区域，例如，刚好位于对象的上面、下面或者任一侧的区域，相比)。如果路径值的变化超过预设阈值，则其作为存在隐藏对象的指示。

在优选实施例中，阈值T是在垂直于第一边界和第二边界(即，外层和内层，也称为边际)的方向上的深度上的系统分辨率。在优选实施例中，分辨率等于1cm。分辨率取决于所采用的MW频率的带宽。分辨率等于真空中的光速除以所采用的MW频率的双倍带宽。MW频率的带宽通常是15GHz，因此，这意味着1cm的深度分辨率。

附加路径h(请参见图3(d))等于h＝l((ε^1/2-1)/(ε^1/2))，其中l是中间空间的厚度，其等于从第一边界到第二边界包含空腔(如果存在)的距离，如第一区域15所示(请参见图3(c))，并且ε是中间空间的介电常数。通过从第一区域15的测量值中减去第二区域16的测量值，计算附加路径h。

第一边际信号和第二边际信号能够用于重构人的两个3DMW图像，一个对应于外套，而另一个对应于人体，如上所述。然而，从可疑空间的第一边际接收到的信号因为其值小而可能受到来自第二边际的信号的旁瓣(即，次最大)的干扰。优选地，如果信号/噪声比低，则附加地利用同步视频图像边际(请参见图1和4)。

能够从各种不同的角度发射MW辐射，并且类似地处理也从各种不同的角度传播的反射辐射，以使得能够累积附加数据以改善图像以及探测处理的准确性和分辨率。下面进一步描述装备的各种构造。

同时的3D视频与MW成像：此外，能够与MW图像同时地记录目标的3D视频图像。因此，在该优选实施例中，本发明的方法还包括：形成可疑空间的外层的3D光学图像；使3D光学图像与点A1、B1的位置同步，并且可选地与点C1和D1的位置同步；在3D光学图像上确定对应于点A1、B1的点A1’、B1’，并且可选地确定对应于点C1和D1的点C1’和D1’；计算差P1’＝(A2-A1’)、P2’＝(B2-B1’)，并且可选地计算P3’＝(C2-C1’)和P4’＝(D2-D1’)；以及将值P1与P1’、P2与P2’进行比较，并且可选地将P3与P3’以及P4与P4’进行比较。类似地，在本发明中，前面描述的系统是优选的，该系统还包括：至少两个相机，该至少两个相机用于记录可疑空间的光学图像，并且被适配用于形成可疑空间的3D光学图像；以及计算机，其被适配用于使3D光学图像与可疑空间的由至少两个微波源和至少一个微波接收机形成的、从外层反射的3DWM图像在时间上同步和在数字空间中叠加。来自外层(点A1和B1)的反射信号可以比来自内层(点A2和B2)的反射信号弱几倍。从可疑空间的外层的3D光学图像(由立体摄像机传送的)提取的来自外层的点(A1’，B1’)能够用于计算P1’和P2’，并且将P1和P2进行比较。

优选地，在本发明的方法中采用多于100个微波源。还优选地采用具有包括多个频率的频谱的微波源。

优选地，至少两个摄影机7和8(请参见图1)记录目标的图像，并且DSP单元5重构对象的3D视频图像。光束不穿透外边界(在在此的示例中，即，人的外套)。在时间方面使该3D视频成像与3D微波成像同步。使3D视频图像重叠于外边际的3DMW图像上能够实现外边际的位置的改善准确性、以及对附加路径h的改善计算。在一个实施例中，该系统还附加地配备有自动报警器，如果距离h高于预定阈值，并且因此怀疑存在隐藏对象，则自动报警器触发声音警报或者视频警报。

在另一个实施例中，对安全官员和第一反应者，将自动警报与怀疑人的照片、他/她的坐标以及在他/她身上探测到的隐藏对象的位置相组合。该系统的分辨率足以探测人体上的潜在危险对象，而不侵犯任何隐私问题。

在又另一个实施例中，微波图像处理软件仅对目标的引起关注的这些部分/对象创建警报(即，因为微波图像探测导致在系统中创建警报)。并且，最终，该处理软件从该视频图像中仅提取该目标的引起关注的这些部分/对象。因此，在不重构整个检查区域以节省资源和时间的情况下，处理软件创建这些部分/对象和对安全性和潜在威胁的探测重要的区域的、具有叠加的3D视频图像的3D微波图像。

装备构造：能够以不同的几何结构生产并且设置AMD，不同几何结构包含：(1)作为步道桥门，该步道桥门检查多个移动的人(优选地，以人互相不遮挡的方式，即，逐个地或者并排地)；或者(2)作为单个模块，该单个模块用于远距离检查多个移动目标。在各种情境下，AMD能用于公共交通环境中，并且可以作为独立系统、或者与其他传感器、视频跟踪和数据融和系统组合。能够与自动门(例如，入口旋转门)或者闸门组合地使用AMD，当从AMD接收到实时自动警报时，该自动门或者闸门可以立即关闭。这种情境还使得可以将怀疑人与其他人立即分离。在用于在可疑空间中揭露隐藏对象的本方法的一个实施例中，可疑空间静止(standing)，或者其正在以至少2km/h或者至少5km/h的平均步行速度移动。

本发明的优点包含但并不局限于：(1)一定距离(例如，10米)的远距离探测；(2)实时检查目标(每秒十帧或者更多帧)；(3)一次检查许多目标(一次至少4－5个)；(4)隐秘检查和安装(能够将该设备遮蔽，例如，作为广告板)；(5)安全操作和辐射(总微波功率小于公共区域允许的微波功率30倍)；(6)电介质对象的特性(爆炸物的介电常数约为3或者大于3，而合法物品具有小于2.5的常数)；(7)金属对象的特性；(8)提供与所发现的对象关联的警报等级；(9)自动威胁识别(ATR)；(10)不侵犯隐私(3D微波图像的分辨率低，并且ATR不需要显示3D图像)；(11)可选的3D视频系统；以及(12)同时实时检查身体和任何携带的行李(例如，手提行李、通过手柄移动的带轮行李，等等)。

图4提供详细说明处理软件采用的优选算法的图。该算法最终对装接到或者隐藏在给定检查目标上的潜在威胁电介质或者其他爆炸物发出警报，其用于创建重构的微波图像，其叠加了视频图像，用于关联、探测和快速定位及获取危险材料。存在接收、处理和/或发送信息的3个单元。微波数据处理单元100由数据获取中心110和3D微波图像恢复中心111构成。立体视频数据处理单元200由视频数据获取中心221、3D视频图像恢复中心222以及目标区域定义器223构成。分析与判定单元300由图像分析中心333和报警中心334或者无报警中心335构成。接收天线3、4接收从检查区中的目标反射的和/或透射通过检查区中的目标的微波数据。接收天线3、4与微波数据获取中心110共享该数据，继而，该微波数据获取中心110进一步将该数据发送到3D微波图像恢复中心111。同时，与视频数据获取中心221共享摄影机7、8捕获的立体视频数据，继而，视频数据获取中心221将该视频数据发送到3D视频图像恢复中心222。然后，3D视频图像恢复中心222通过目标区域定义器223发送该视频数据。目标区域定义器223与3D微波图像恢复中心111通信，以使微波数据与视频数据对应(或者同步)，因此，允许发布与该时间跨度有关的信息、将该同步数据发送到分析与判定单元300。3D微波图像和3D视频图像的常规分析在图像分析中心333中进行，该图像分析中心333从立体视频数据处理单元200的3D视频图像恢复中心222(在目标区域定义器223过滤视频数据之前和之后)、以及从微波数据处理单元100的3D微波图像恢复中心111接收数据。最后，图像分析中心333基于所有获取数据并且利用在此描述的方法，确定是发出报警的信号334、还是不发出报警的信号335。

自动化威胁识别(ATR)：如果在分析了在目标上探测到(例如，隐藏在衣服下面或者行李内)的一个或者多个对象的体积、质量、形状和介电常数后，参数或者组合参数超过或者位于设立的或者预设的限制和阈值的边界内，则发出报警的信号。在处理了3D微波(和视频图像)后，自动发送报警信号，而无需操作员。能够利用无线网络、线缆网络和移动网络，将报警发送到任何监视系统、安全系统或者复杂视频跟踪系统的给定显示器/计算机。除了自动报警之外，能够将任何潜在威胁(和携带该威胁的人)的照片/视频图像、与他/她的位置坐标一起传送。

一定距离(最多10米)的远距离探测：为了获得最小的微波图像，要求至少一个发射天线和两个接收天线，反之亦然，即，一个接收天线和两个发射天线。为了在一定距离内探测隐藏在移动的目标上的对象，推荐发射天线和接收天线的阵列，而非一组发射天线和接收天线。发射天线和接收天线的阵列加宽了检查区，通过增大系统孔径提高了系统分辨率，并且改善信号/噪声关联性。例如，天线阵列的一个实施例包括256个元件，该256个元件组合为16行天线。每行包含16个基本天线(16×16)。该阵列还包含分立天线，该分立天线优选地位于比使用的频带的最大频率的波长的一半小的距离处。这是明确重构3D微波图像所需的。

基本天线的发射是连续的(或者脉冲式的)。反射信号同时由所有接收天线接收。如果正在使用几个发射天线阵列同时工作，则利用低频调制区分来自不同发射天线阵列的信号。为了改善信噪比，来自天线阵列的一个基本天线能够在一个时刻发射16/32个选择频率中的一个。发射线宽较窄(即，线宽比频率值小3个量级)，这样使得该信号能够与外部频率和背景频率不一致。

接收天线阵列包含分立天线，该分立天线位于这样的位置，使得接收到反射信号的区/区域(从天线的角度)允许从运动目标的不同侧(或者方位)获得3D微波图像。分立天线的数量由期望的同步孔径的质量、分辨率、信噪比和资源确定。在实时情况下，3D微波图像重构速度能够约为每秒10帧/图像。从全部发射－接收天线对[1024×8]且在全部16/32个选择频率的、幅值－相位分布数据的记录速度使得可以在一帧记录时间期间将运动目标看作几乎静态的、或者准静态的。数据处理和3D微波图像(帧)重构的速度由可用资源确定。例如因为计算资源在不同处理器(以及并行计算)之间的分布而实现获得的每秒10帧/图像的速度，不同的处理器同时工作、但针对不同的任务，不同任务可以包括数据获取处理、ED微波图像重构和处理、以及3D视频图像处理与同步。

实时检查与探测速率：在此解释用于本发明所监视的移动目标的数据获取和处理的示例性条件和速率：测量1帧(在该实施例中，即，从所有发射－接收天线对[1024x8]且在全部16/32个选择频率获得幅值－相位分布数据，以重构3D微波和3D视频图像)所需的时间应当小于目标在所采用的频率范围内的最大频率处的波长的1/8移动所需的时间。用于1帧测量的时间小于2毫秒。帧处理(重构为3D微波图像和3D视频图像上的100×100×32(H×W×D)个点)花费约100毫秒。最大频率(即，18GHz或者1.6cm)处的波长的八分之一(1/8)是约0.2厘米。目标的平均移动速度是例如5km/h(或者1.4m/s、或14cm/ms)。在当前的数据获取与处理的速度下，本发明能够每秒创建约10帧。

同时检查许多目标：如果在检查区内有几个目标、或者有几个目标正移动通过检查区，则系统运行，并且以相同的方式执行数据获取，从而花费与对于一个目标相同的时间量。然而，当系统执行3D微波和3D视频图像重构时，其自动定位检查区域中的所有目标和对象，因此，要求更多的计算资源。因此，优选地，通过调节特定质量、速度或者分辨率以保持计算速度，仍实时地执行3D微波和3D视频图像重构。例如，通过降低重构帧频率(例如，从每秒10帧调节到每秒5帧)，或者通过降低重构微波图像的点的数量，能够保持计算速度。作为一种选择，增加计算资源可以解决同时有许多目标的问题，而无需降低任何特定质量、速度或者分辨率。采用视频数据也能够帮助降低实际处理的微波数据的量(例如，仅检查探测到对象的区域)，因此，同时对探测到的每个目标执行分立的检查。

在分析与判定单元中进行了分析后，发出报警的信号。该单元分析存储于计算机存储器中的几帧，并且发出具有“危险”对象的目标的信号。连续建立帧的“历史”，并且将其存储于计算机存储器中。每个帧或者每组帧都具有示出其获取时间的时间戳。发出报警的信号，并且实时地自动发送报警。如果处理来自历史的几个帧，则与收到帧的时间相比，可能发生几分之一秒的可能延迟。在目标保留在检查区中或者在检查区中移动的时间内，帧的“历史”保留在计算机存储器中。如果在给定时刻检查区内部没有目标，则系统在“备用”模式下运行。目标一进入检查区，系统就自动切换到数据获取模式并且开始处理数据。当目标在检查区域中移动时(距设备至多10米的距离)，系统平均获取、重构约100帧并将其记录为“历史”(速度是每秒10帧)。当目标(例如，人)在他/她移动期间被天线“看到”时，从不同的方位示出这些帧中的他/她。如果在处理帧时，目标移动(其中处理包含来自记录的帧“历史”的这些帧)，则能够探测到隐藏对象——当人站立在适当位置时不能探测到的对象。

隐秘检查和装置：为了使设备的运行不引人注意，可以将系统遮蔽为典型广告板。该板能够由被微波穿透的材料制成(例如，塑料、木材、织物，等等)。

3D视频系统：在本发明中优选地采用3D视频系统。优选地采用至少两个摄影机，使得可以实时地重构检查空间的“深度图”。该深度图与3D微波图像一起用于处理并且形成普通同步3D坐标系统。3D视频图像用于：(1)探测/定位检查区域内的人；(2)定位和限定检查区域中必须重构、处理和/或同步目标对象(例如，隐藏在人身体上或者行李中的对象)的微波图像的特定区域/空间；(3)获得微波图像上的第一边际(即，空气/电介质边际)，其与视频图像“衣服/电介质边际”相同；(4)将自动报警信号和潜在威胁(例如，恐怖分子)的照片/视频数据(包含但并不局限于他/她的空间坐标)传送到回应官员。照片/视频图像可以是彩色的、或黑白的。在目标在检查区域、或者微波/视频系统的操作区域中移动时，计算机能够在其存储器中存储系统从不同视角或者方位接收到的微波图像和视频图像(例如，每秒10帧)。该信息比关于检查区域内的静态(不移动)目标的信息更好且更有用。探测算法利用移动目标(即，较好)信息分析存储于帧历史中的几帧。采用不同的视角，存在的帧越多，系统所具有的用于自动探测危险对象的信息就越多，并且探测过程将更有效且更准确。

AMD构造选择：本发明能够(1)连续地运行，或者(2)在由外部触发(例如，当目标进入检查区域、或者微波/视频系统的操作区域时)激活的“备用”模式中运行。该设备能够在室内或者室外、以及在不同照明条件下(例如，如果几乎无光，则能够采用IR相机)运行。能够根据系统在特定地方的特定使用情况，采用不同构造(能够将发射和接收天线阵列相对于彼此不同地定位)，设置该系统。

“平面”构造(请参见图5)指将发射和接收天线阵列固定于装备1的一个框架或者模块上。在“平面”构造中，系统仅利用一种技术来探测隐藏在目标上或者行李(例如，背包、袋子、手提箱等)中的潜在危险对象，该技术是(微波天线阵列发射的)初级辐射从目标的“反射”。在“平面”构造中，检查区域比在“桥门”构造中宽(下面解释)，因此，潜在地使得其对于同时以几米的距离远距离探测一个人20或者几个人20和21身上的危险对象来说更有用。利用“平面”构造，能够构建3DMW图像，并且对存在隐藏电介质对象的计算取决于从目标的第一边际和第二边际的反射之间的相位差。应当注意，位于相对于检查区域和目标的不同角度的微波信号接收机和发射机组约多，将产生越准确且越多的信息结果。

“桥门”构造(请参见图6)指接收天线和发射天线位于所谓桥门(即，步道区域)的两侧、且定位在朝向目标的移动方向的一角度。在该构造中，系统利用两种技术来探测隐藏在目标上或者行李中的潜在危险对象。第一种技术是(由微波天线阵列发射的)初级辐射从目标的“反射”，而第二种技术是初级微波辐射“透射”通过该对象。图6(a)示出如何采用“反射”技术，而图6(b)示出如何采用“透射”技术。对于反射技术，以与平面构造类似的方式(即，基于反射微波的相位差)，执行隐藏对象的探测。对于透射技术，微波信号将穿过隐藏电介质对象(如果存在)，并且因此，不发生微波反射。相反，与信号发射机相对地设立信号接收机/探测器，以便接收透射通过位于身体上或行李中的隐藏电介质对象发射的微波。如果穿过对象的波存在相位延迟，则通过测量相位延迟实现对象的探测和厚度计算。不基于透射技术构建3DMW图像；相反，其简单地测量穿过隐藏对象的微波的相位延迟(如果存在)。相位延迟由微波透射通过具有高介电常数(例如，对于爆炸材料，约为3)而导致。还应当注意，位于相对于检查区域的不同角度的微波信号接收机和发射机组(例如，不直接垂直于移动目标的方向)越多将产生越准确且越多的信息结果。

在“桥门”构造中，探测算法采用来自两种技术的处理数据。该系统能够利用仅由两种技术(透射或者反射)中的一种技术接收到的数据发出报警的信号，或者作为一种选择，系统能够利用普通报警器发送信号，这通过对两个信号(如果对于两种技术中的一种，存在一报警信号)应用的“或”逻辑确定。探测算法同时使用来自通过“反射”模式创建的一个或者几个微波图像的数据。在位于给定桥门单元的、相对于目标的移动方向的左侧一半或者右侧一半处的发射/接收天线发射/接收信号时，形成不同微波图像。在位于不同块(桥门单元的两个半部)的发射/接收天线发射/接收信号时，形成交叠(crossover)微波图像。当左侧发射信号时，右侧接收信号，反之亦然(请参见图7)。

在分析时采用几个微波图像(从桥门的左侧和右侧以及从交叠图像接收到的)允许目标(例如，人类)身体和隐藏对象的更多视角，提高了自动报警信号的准确性和探测速率。这样，系统能够探测仅从桥门的某一半(例如，目标的背侧一半、侧面一半和前侧一半)不能看到的对象。在“桥门”构造中，探测算法允许在“反射”模式下同时探测位于目标的侧面或者前面的对象，并且允许在“透射”模式下同时探测位于目标的背侧或者前侧的对象。在具有成对地位于相对于目标的移动方向的不同侧(即，左侧和右侧)的两倍数量的发射/接收天线阵列(请参见图8)的“桥门”构造中，从不同视角和从所有侧(前侧、背侧、左侧和右侧)接收目标的图像。探测算法允许在“反射”模式下探测位于身体的侧面或者前侧和背侧的对象，而允许在“透射”模式下探测位于身体的前侧/背侧的对象。在这种情况下(请参考图8)，单个图像和交叠图像的数量增大，因此自动报警信号的准确性和探测速率也提高。能够探测隐藏在身体的任何地方的对象(即，伪3D全息图像)。

在采用两倍数量的发射机/接收机的“平面”构造中(其中第一和第二单元正在不同方向发射/接收微波辐射)，当目标朝向系统移动时，探测目标前侧的危险对象，而在目标移动离开系统时，探测身体背侧(例如，背包中)的对象。在这种“平面”构造中，同时从前侧和背侧执行探测(请参见图9)。

此外，可能存在一起且组合地采用两种构造模式的情形(即，至少一个桥门构造和至少一个平面构造)。下面的两个实施例提供如何能够将平面模式系统与桥门模式系统组合以用于进一步探测的示例，但并不局限于此。

在“平面”构造中，对移动的人的身体上的危险对象执行初级远距离探测。将自动报警信号发送到“桥门”系统，该“桥门”系统利用两种技术(反射和透射)，检查检查区域中的所有目标、或者仅检查“平面”构造系统选出的这些目标。在这种情形中(对于各种装备的示例请参见图10和11)，危险对象探测的概率和准确性升高，并且错误报警率低。低错误报警率是非常重要的方面，尤其对于在具有大客流的公共交通设施或区域中运行的探测系统。高错误报警率将潜在地使公共交通枢纽完全不能运行，破坏公众事件，等等。

在“桥门”构造中，利用两种技术(反射和透射)，对隐藏在移动目标前侧和背侧的危险对象执行初级探测。将自动报警信号发送到“平面”系统，该“平面”系统对检查区域中的所有目标、或者仅对“桥门”系统选出的这些目标执行次级(secondary)探测。在这种情形下(对于各种装备的示例请参见图10和11)，危险对象探测的概率和准确性也升高，并且类似地，错误报警率低。为了实现这种情形，在以“桥门”构造的系统后面，可以布置自动门、闸门、关卡等，以将人们划分为两个人流。第一人流可以包含第一系统在其上探测到危险对象的目标，并且将这些目标发送到采用另一种构造(“平面”或者“桥门”)用于进行次级检查的第二系统。

当以“平面”和“桥门”构造的几个系统同时在检查区域的不同部分中(例如，在交通车站、或者公共事件入口)运行并且探测危险对象时，将自动报警信号发送到安全系统的中心控制板。与报警信号一起传送响应设备的数量、照片/视频图像和怀疑目标的坐标。对于特定情况，系统能够配备有特殊机械设备、门、旋转门、关卡等，它们都能用于在发出报警的信号时自动阻挡怀疑目标/人、改变怀疑目标/人的路线、分离或者隔离怀疑目标/人。存在的都与一个控制与数据处理单元协调和连接的系统越多，能越有效地分布数据处理资源，并且探测的概率和准确性将越高，同时还能够使错误报警最少。

在本发明的优选方法中，通过在附加接收机登记穿过可疑空间而没有反射的MW辐射的幅值和相位，将由发射机发射并且穿过可疑空间而没有从两层的任何反射的MW辐射用于改善该方法的准确性，其中穿过可疑空间的MW辐射的幅值和相位用于确定穿过可疑空间的MW辐射的光学长度、相比于穿过发射机与附加接收机之间的自由空间的MW辐射的变化。

此外，根据本发明的系统优选地包括附加MW接收机，该附加MW接收机登记穿过可疑空间和内层及外层而没有反射的MW信号；并且，报警器被适配用于在附加接收机已经登记了进入的穿过可疑空间的MW信号的光学长度的增大(或者变化)的情况下，指示内层与外层之间可能存在隐藏电介质对象，光学长度的增大是因为在可疑空间中存在具有高介电常数的对象而导致的。

安全操作和辐射：本发明的总微波功率是2V/m(10GHz)，其比公共区域允许的微波功率(61V/m)小30倍。

隐私问题：3D微波图像的分辨率低，并且ATR不需要显示3D图像。为了自动形成报警信号(ATR)，操作员不需要手动查看显示器上的2D/3D微波或视频图像。微波图像分辨率例如约为4cm(相对于使用的频率范围)，并且，不可能显示/记录位于系统的操作区域中的人身体的任何部分。

系统分辨率：平面构造中的系统分辨率由平均频率(13GHz)、到对象的距离以及给定孔径的尺寸(例如，在不考虑孔径合成的情况下，在距离为1米时，平面构造中的系统分辨率是4×4cm)确定。在垂直于第一边界和第二边界的方向上的系统分辨率由使用的频率范围(8－18GHz)的带宽确定(例如，深度上的系统分辨率是1cm或者1.5cm)。

出于说明和描述的目的提供了对本发明的优选实施例的描述。不旨在穷举的、或使本发明局限于所公开的具体形式。显然，许多修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。

本发明还涉及：

实施例1：一种用于揭露可疑空间中的隐藏电介质对象的方法，包括：

从MW源朝向可疑空间发送微波(MW)信号，该信号部分地在空气与中间空间的外层之间的第一边界上反射，信号的剩余部分几乎全部在中间空间与人体之间的第二边界上反射，

在MW接收机接收从第一边界和第二边界反射回的MW信号的第一和第二响应；该第一和第二响应信号是可疑人的第一和第二3DMW图像；

确定至少两组两个点之间的至少两个光学路径P1和P2，其中P1＝(A2-A1)并且P2＝(B2-B1)；其中A1是第一MW波束从第一边界反射的点，而A2是同一第一波束从第二边界反射的点，其中B1是第二MW波束从第一边界反射的点，而B2是同一第二MW波束从第二边界反射的点，

其中该光学路径是微波辐射在中间空间的介质中的路径；

如果P1与P2之间的差因为B2与B1之间的中间空间中升高的介电常数而大于阈值，则确定在第一边界与第二边界之间存在隐藏电介质对象。

实施例2：实施例1的方法，其中该阈值约为1cm。

实施例3：实施例1或者2的方法，还包括：由第三和第四响应信号至少形成第三和第四3DMW图像，其中从与第一和第二响应信号的角度不同的角度接收第三和第四响应信号；并且确定至少另外两个光学路径P3和P4，其中P3＝(C2-C1)，而P4＝(D2-D1)，其中C1是第三MW波束从第一边界反射的点，而C2是同一第三波束从第一边界反射的点，其中D1是第四MW波束从第一边界反射的点，而D2是同一第四MW波束从第二边界反射的点，因此，提高图像质量并且增加用于确定存在隐藏电介质对象的信息。

实施例4：实施例1至3中的任何一项的方法，还包括通过以下步骤使用穿过中间空间而没有从人体反射的MW辐射：

登记在穿过中间空间而没有从人体反射的MW辐射的幅值和相位；

如果所登记的信号中的相位延迟超过相位阈值，则确定存在隐藏电介质对象，该延迟因为通过具有增大的介电常数的中间空间而导致。

实施例5：实施例1至4中的任何一项的方法，还包括：形成可疑人的3D光学范围图像；在相同时间点，使3D光学范围图像与3DMW图像同步；以及使3D光学范围图像与第一3DMW图像叠加，因此，改善确定存在隐藏电介质对象的准确性。

实施例6：实施例1至5中的任何一项的方法，其中隐藏对象是爆炸材料或者其成分。

实施例7：实施例1至6中的任何一项的方法，其中所述MW源具有包括多个频率的频谱。

实施例8：实施例1至7中的任何一项的方法，其中MW源扫描该区域，因此形成图像。

实施例9：实施例1至8中的任何一项的方法，其中使用100个以上的MW源形成3D图像。

实施例10：实施例1至9中的任何一项的方法，其中考虑到从可疑人反射的电磁场的幅值信息和相位信息，数字信号处理器(DSP)执行相干处理，该相干处理计算3DMW图像。

实施例11：实施例1至10中的任何一项的方法，其中该方法用于揭露移动人群中隐藏的自杀式炸弹。

实施例12：实施例1至11中的任何一项的方法，其中该方法用于同时检查至少两个可疑人。

实施例13：实施例1至12中的任何一项的方法，其中可疑人以至少5km/小时的速度移动。

实施例14：一种用于揭露可疑区域中的隐藏电介质对象的系统，包括：

至少两个微波(MW)源和至少一个MW接收机，用于形成可疑区域的3DMW图像；

其中通过从MW源朝向可疑人发射MW信号，形成所述3D微波图像，其中每个MW信号部分地从空气与中间空间之间的第一边界反射，而MW信号的剩余部分穿过中间空间，其中MW信号的剩余部分几乎全部从中间空间与可疑人的人体之间的第二边界反射，其中所述MW接收机接收从所述第一和第二边界反射的信号；

计算机/计算器，用于确定至少两组两个点之间的至少两个光学路径P1和P2，其中P1＝(A2-A1)并且P2＝(B2-B1)；其中A1是第一MW波束从第一边界反射的点，而A2是同一第一MW波束从第二边界反射的点；其中B1是第二MW波束从第一边界反射的点，而B2是同一第二MW波束从第二边界反射的点；其中该光学路径是微波辐射在中间空间介质中的路径；

以及报警器，用于当P1与P2之间的差因为点B2与B1之间的中间空间中升高的介电常数而大于阈值时，指示在第一边界与第二边界之间可能存在隐藏电介质对象。

实施例15：实施例14的系统，还包括：

至少两个相机，用于记录可疑人的光学图像并且形成可疑人的3D光学范围图像；

以及计算机，用于使3D光学图像与从第一边界反射的3DMW图像在时间上同步和在数字空间中叠加，因此，改善确定第一边界位置的准确性并且改进对隐藏对象的探测。

实施例16：实施例14或者15的系统，还包括：

附加MW接收机，用于登记穿过中间空间而没有反射的MW信号；

以及报警器，用于在附加接收机已经登记了通过中间空间的进入MW信号的相位延迟的情况下，指示在第一边界与第二边界之间可能存在隐藏电介质对象；该延迟是因为在中间空间中存在具有升高的介电常数的对象而导致的。

实施例17：实施例14至16中的任何一项的系统，其中隐藏对象是爆炸材料或者其成分。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物限定。

此外，在此使用单词“示例”或“示例性”指用作示例、实例或者说明。无需将在此描述为“示例性”的任何方面或设计看作优于或者好于其他方面或者设计。相反，使用单词“示例”或者“示例性”旨在以具体方式说明概念。如本申请书中使用的，术语“或者”旨在指包含性“或”、而非排他性“或”。即，除非另有说明、或者根据上下文清楚的，否则，“X采用A或者B”旨在指自然的包含型置换(inclusivepermutation)中的任何一个。即，如果X采用A；X采用B；或者X既采用A又采用B，则在上述实例中的任何一个中满足“X采用A或者B”。此外，如本申请和所附权利要求书中使用的冠词“一个”和“一”通常应当理解为指“一个或者多个”，除非另有说明或者从上下文明白指单数形式。

Claims (17)

1.一种用于揭露可疑空间中的隐藏对象的方法，其中所述可疑空间位于内层与外层之间，所述方法包括：

从微波(MW)源朝向所述可疑空间发送MW信号，所述信号部分地在所述外层上反射，且部分地在所述内层上反射；

在MW接收机接收从所述外层和所述内层反射回的MW信号的第一和第二响应，第一和第二响应信号对应于第一和第二3DMW图像，其中第一3DMW图像对应于所述可疑空间的所述外层，并且第二3DMW图像对应于所述可疑空间的所述内层；

确定至少两个距离P1和P2，其中P1＝(A2-A1)并且P2＝(B2-B1)，其中A1是第一MW波束从所述外层反射的点，而A2是同一第一MW波束从所述内层反射的点，其中B1是第二MW波束从所述外层反射的点，而B2是同一第二MW波束从所述内层反射的点，其中A1和B1互相间隔开预定值S；

计算P1与P2之间的差D；

将所述差D与预定阈值T进行比较；

如果所述差D大于所述阈值T，则进行指示。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述阈值T是在垂直于内层和外层的方向上的深度上的系统分辨率。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，还包括：由第三和第四响应信号确定至少第三和第四距离P3和P4，其中P3＝(C2-C1)，而P4＝(D2-D1)，其中C1是第三MW波束从所述外层反射的点，而C2是同一第三波束从所述内层反射的点，其中D1是第四MW波束从所述外层反射的点，而D2是同一第四MW波束从所述内层反射的点。

4.根据权利要求1至3中的任何一项所述的方法，其中通过在附加接收机登记由发射机发射并且穿过可疑空间而没有从两层反射的MW辐射的幅值和相位，穿过所述可疑空间而没有反射的所述MW辐射用于改善所述方法的准确性，其中穿过所述可疑空间的所述MW辐射的幅值和相位用于确定穿过所述可疑空间的所述MW辐射的光学长度、相对于穿过所述发射机与所述附加接收机之间的自由空间的MW辐射的变化。

5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的方法，还包括：形成所述可疑空间的外层的3D光学图像；使所述3D光学图像与所述点A1、B1的位置同步，并且可选地与所述点C1和D1的位置同步；在所述3D光学图像上确定对应于所述点A1、B1的点A1’、B1’、以及可选地确定对应于点C1和D1的点C1’和D1’；计算差P1’＝(A2-A1’)、P2’＝(B2-B1’)，并且可选地计算P3’＝(C2-C1’)和P4’＝(D2-D1’)；以及将值P1与P1’、P2与P2’进行比较，并且可选地将P3与P3’以及P4与P4’进行比较。

6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的方法，其中所述隐藏对象是爆炸材料或者其成分。

7.根据权利要求1至6中的任何一项所述的方法，其中所述MW源具有包括多个频率的频谱。

8.根据权利要求1至7中的任何一项所述的方法，其中采用100个以上的MW源。

9.根据权利要求1至8中的任何一项所述的方法，其中数字信号处理器(DSP)考虑到从可疑空间反射的电磁场的幅值信息和相位信息，执行相干处理，所述相干处理计算所述3DMW图像。

10.根据权利要求1至9中的任何一项所述的方法，其中所述方法用于揭露移动人群中隐藏的自杀式炸弹。

11.根据权利要求1至10中的任何一项所述的方法，其中所述可疑空间静止、或者正在以至少5km/h的平均步行速度移动。

12.根据权利要求1至11中的任何一项所述的方法，其中所述可疑空间在人的身体与所述人的衣服之间、或者在人的衣服的两层之间。

13.根据权利要求1至12中的任何一项所述的方法，其中所述外层由空气与人的外衣之间的边界形成。

14.一种用于揭露可疑空间中的电介质对象的系统，其中所述可疑空间位于内层与外层之间，所述系统包括：

至少两个微波(MW)源和至少一个MW接收机，用于形成所述可疑空间的3DMW图像，其中通过从所述MW源朝向所述可疑空间发射MW信号，形成所述3D微波图像，其中每个MW信号部分地从所述外层反射，并且所述MW信号的剩余部分穿过所述可疑空间，其中所述MW信号的所述剩余部分部分地从所述内层反射，其中所述MW接收机接收所述外层和内层反射的信号；

计算机/计算器，

－被适配用于确定在至少两组点之间的至少两个距离P1和P2，其中P1＝(A2-A1)并且P2＝(B2-B1)，A1是第一MW波束从所述外层反射的点，而A2是同一第一MW波束从所述内层反射的点，其中B1是第二MW波束从所述外层反射的点，而B2是同一第二MW波束从所述内层反射的点，其中至少两组两个点互相间隔开预定值S；并且

－被适配用于计算P1与P2之间的差D，并且将所述差D与预定阈值T进行比较；以及

报警器，被适配用于当P1与P2之间的差大于阈值T时，指示在所述内层与所述外层之间可能有隐藏电介质对象。

15.根据权利要求14所述的系统，还包括：

至少两个相机，用于记录所述可疑空间的光学图像，并且被适配用于形成所述可疑空间的3D光学图像；以及

计算机，被适配用于使所述3D光学图像、与所述可疑空间的由所述至少两个微波源和至少一个微波接收机形成的、从所述外层反射的所述3DMW图像在时间上同步和在数字空间中叠加。

16.根据权利要求14或者15所述的系统，还包括：

附加MW接收机，用于登记穿过所述可疑空间和所述内层及所述外层而没有反射的MW信号；以及

报警器，被适配用于当所述附加接收机已经登记了穿过所述可疑空间的进入的MW信号的光学长度的增大(或者变化)时指示在所述内层与所述外层之间可能有隐藏电介质对象，所述光学长度的增大是因为在所述可疑空间中存在具有升高的介电常数的对象而导致的。

17.根据权利要求14至16中的任何一项所述的系统，其中所述隐藏对象是爆炸材料或者其成分。