CN105866771A - 一种隐藏物检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隐藏物检测系统及其检测方法，检测系统包括信号发生模块、信号发射模块、控制模块、信号接收模块、信号处理模块、图像输入模块、图像分析模块和显示模块；控制模块控制信号发生模块产生毫米波，毫米波通过空间传播至目标区域，在目标区域的隐藏物周围产生散射场，信号接收模块对散射场进行探测，并将接收到的回波信号通过控制模块传输至信号处理模块，信号处理模块对接收到的回波信号进行二维或三维图像重构得到隐藏物内部及周围介电常数变化的分布图像，分布图像通过图像输入模块传输至图像分析模块，图像分析模块对重构的分布图像进行去噪音和局部特征提取处理后得到隐藏物图像，隐藏物图像传输至显示模块进行显示。

Description

一种隐藏物检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于物体检测技术领域，具体涉及一种隐藏物检测系统及其检测方法。

背景技术

近年来，安全问题日益得到广泛关注，人们对安检系统的可靠性与智能化也提出了更高的要求。传统的金属探测器只能对近距离小范围内的目标进行检测，而且效率低，已经远远不能满足现在安检的需求。为了及时发现犯罪分子隐藏在衣服中的武器、有效制止恐怖事件的发生，隐藏武器检测成为一个重要的研究领域。目前，主要的成像仪器包括可见光成像仪、X-射线成像仪、毫米波成像仪和红外成像仪等。可见光成像能够清晰的反映人物和场景的细节以及颜色信息，却看不到武器。X-射线成像产生的是近乎裸体的三围透视图，严重侵犯个人的隐私权，明显不适合用于安监系统；尽管X-射线具有很强的穿透力，但会对被检测的人体造成辐射伤害，即使当前存在较低辐射剂量的X光机，但其仍然不能够为公众所接受。红外成像仪是利用物体表面温度成像，在有织物遮挡的情况下无法清晰成像。在毫米波辐射的谱带上，衣服、纸张、塑料和皮革等绝缘材料都几乎是透明的，因此毫米波成像系统能够穿透衣服而对被衣服所隐藏的物品进行成像。毫米波成像技术不仅可以检测出隐藏在衣服下的金属物，还可检测出塑料手枪、炸药等危险品，获得更加精确的信息，从而可以大大提高检测准确率。

目前，存在一种三维毫米波成像技术，该技术使用扫描条机械地移动探测器的线性阵列，从而扫描物品或人。该毫米波成像技术所产生的测量数据被用于重建物品的全息图像。然而，一方面这种成像技术采用的扫描系统通常需要机械地移动探测器，另一方面需要在信息处理之后集中地重建图像，这两方面都会增加毫米波成像系统的成本和复杂性。还存在一种使用透镜将毫米波照射的波束聚焦在毫米波探测器阵列上的技术。然而，使用透镜来聚焦毫米波能量的毫米波成像系统通常具有有限的视场和很小的孔径尺寸。而且在很多应用中，透镜系统的成本尚高。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种隐藏物检测系统及其检测方法。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：一种隐藏物检测系统包括信号发生模块、信号发射模块、控制模块、信号接收模块、信号处理模块、图像输入模块、图像分析模块和显示模块；所述信号发生模块包括毫米波信号发生器和多通道控制开关电路板，所述信号发射模块、信号接收模块、控制模块和多通道控制开关电路板分别与毫米波信号发生器连接，所述多通道控制开关电路板与信号接收模块连接；

所述控制模块控制所述信号发生模块产生毫米波，毫米波通过空间传播至目标区域，在目标区域的隐藏物周围产生散射场，所述信号接收模块对散射场进行探测，并将接收到的回波信号通过所述控制模块传输至所述信号处理模块，所述信号处理模块对接收到的回波信号进行二维或三维图像重构得到隐藏物内部及周围介电常数变化的分布图像，分布图像通过所述图像输入模块传输至所述图像分析模块，所述图像分析模块对重构的分布图像进行去噪音和局部特征提取处理后得到隐藏物图像，隐藏物图像传输至所述显示模块进行显示。

进一步地，所述信号发射模块和信号接收模块均采用毫米波天线。

更进一步地，所述信号发射模块和信号接收模块共包含N个天线，其中，N为自然数且，每个天线既作为发射天线又作为接收天线，所有天线以任意形式分布在同一平面或以螺旋形式分布，形成发射接收天线阵列。

更进一步地，所述信号发射模块包含N_T个发射天线，N_T为自然数且N_T；所有发射天线任意形式分布在同一平面或以螺旋形式分布，形成发射天线阵列；所述信号接收模块包含N_R个发射天线，NR为自然数且N_R；所有接收天线任意形式分布在同一平面或以螺旋形式分布，形成接收天线阵列。

更进一步地，所述发射天线与接收天线一一对应，形成多发多收探测；发射天线与接收天线不一一对应，形成单发多收或多发多收探测。

更进一步地，所有所述发射天线与隐藏物之间的距离都是相同的，且所述距离远远大于探测用毫米波的一个波长；所有所述接收天线与隐藏物之间的距离都是相同的，且所述距离远远大于探测用毫米波的一个波长。

更进一步地，所述发射天线与发射天线之间、所述发射天线与接收天线之间以及所述接收天线与接收天线之间的间隙均充满媒介质。

更进一步地，所述隐藏物检测系统的工作频率范围为90GHz-120GHz。

一种基于所述隐藏物检测系统的检测方法，其包括以下步骤：

S1、设置一包括信号发生模块、信号发射模块、控制模块、信号接收模块、信号处理模块、图像输入模块、图像分析模块和显示模块的隐藏物检测系统，信号发射模块包含至少一个发射天线，信号接收模块包含至少三个接收天线；

S2、控制模块控制信号发生模块不间断地发射单一频率的毫米波信号，毫米波信号作为入射电场通过信号发射模块发射至目标区域；

S3、毫米波信号穿透目标区域的隐藏物，部分毫米波信号被反射并在目标区域形成散射电场，至少三个接收天线对所述散射电场进行探测；

S4、接收天线探测到的散射电场通过控制模块传输至信号处理模块，信号处理模块对任意两个接收天线探测到的散射回波信号进行两两对比，而后将两两比对得到的差异用于构建隐藏物的二维图像；

S5、隐藏物的二维图像通过图像输入模块传输至图像分析模块，图像分析模块对二维图像进行去噪音和局部特征提取处理，得到隐藏物图像；

S6、隐藏物图像传输至显示模块进行显示，完成对隐藏物的检测。

进一步地，所述步骤S4中，二维图像的重构方法为：

隐藏物中的某一点P(x,y,z)到信号接收单元中的两个位于r_i和r_g的接收天线的散射电场可见度为：

$G(r_i,r_g)=<E_{scat}\left(r_i\right)\&CenterDot;E_{scat}^{*}\left(r_g\right)>---\left(5\right)$

式(5)中，E_scat(r_i)表示位于r_i的接收天线的散射电场，表示位于r_g的接收天线的散射电场的共轭，<>表示平均时间，r_i表示目标区域隐藏物中任意点到第i个接收天线的距离矢量，r_g表示目标区域隐藏物中任意点到第g个接收天线的距离矢量；

散射电场表示为一个散射体的体积分，散射体涉及感应极化电流，感应极化电流出现在与基底媒质相比的复介电常数中；在远场条件下，散射电场表示如下：

$E_{scat}\left(r\right)=\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)\underset{V}{\&Integral;}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right(s)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b)E_T\left(s\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b\left|s-r\right|}}{\left|s-r\right|}dV---\left(6\right)$

式(6)中，k₀＝2π/λ₀表示自由空间的波数；k_b＝2π/λ_b表示背景媒介质的波数，λ₀表示自由空间的波长，λ_b背景媒介质的波长，ε(s)表示目标物的复杂相对介电常数分布，ε_b表示背景介质的复杂相对介电常数分布，r表示目标区域隐藏物中任意点到接收天线的距离矢量，E_T(s)表示隐藏物在方向矢量s上任意一点的入射电场与散射电场的总电场之和，V表示隐藏物的体积；

将式(6)代入式(5)中，得到：

$g(r_i,r_g)={\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)}^2\underset{V}{\&Integral;\&Integral;\&Integral;}\underset{V^{\&prime;}}{\&Integral;\&Integral;\&Integral;}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right(s)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b){\left(\mathrm{\&epsiv;}\right(s^{\&prime;})-{\mathrm{\&epsiv;}}_b)}^{*}{E}_T\left(s\right)\&CenterDot;E_T^{*}\left(s^{\&prime;}\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(R-R^{\&prime;})}}{{\mathrm{RR}}^{\&prime;}}{\mathrm{dVdV}}^{\&prime;}---\left(7\right)$

式(7)中，R表示点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离，R＝|r_i-s|；R'表示隐藏物内不同与点P(x,y,z)的另一点P'(x',y',z')到接收天线r_i的距离，R'＝|r_g-s'|，s'表示隐藏物内点P'(x',y',z')到坐标原点的距离；V'表示围绕点P'(x',y',z')的隐藏物的体积；

在远场区，点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离远远大于天线阵列的大小，得到

$R=\left|R\right|=\sqrt{(r_i-s)\&CenterDot;(r_g-s)}=\sqrt{r_i^2+s^2-2r_i\&CenterDot;s}\&cong;s-\frac{r_i\&CenterDot;s}{s}=s-r_i\&CenterDot;\hat{s}---\left(8\right)$

式(8)中“.”表示标量，表示单位矢量；

同理得到，目标区域内的另一点P'(x',y',z')到接收天线r_g的距离为：

$R^{\&prime;}=\left|R^{\&prime;}\right|=s^{\&prime;}-r_g\&CenterDot;\widehat{s^{\&prime;}}---\left(9\right)$

由式(8)和式(9)得到：

$\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(R-R^{\&prime;})}}{{\mathrm{RR}}^{\&prime;}}\&ap;\frac{1}{{\mathrm{ss}}^{\&prime;}}{e}^{-{\mathrm{jk}}_b(s-s^{\&prime;})}{e}^{{\mathrm{jk}}_b(r_g\&CenterDot;\widehat{s^{\&prime;}}-r_i\&CenterDot;\hat{s})}---\left(10\right)$

将式(10)带入式(7)中，得到目标区域隐藏物的可见度函数为：

$G(r_i,r_g)={\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)}^2\&Integral;\&Integral;{\&Integral;}_V\left({\left|\mathrm{\&epsiv;}\left(s\right)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b\right|}^2\right)E_T\left(s\right)\&CenterDot;E_T^{*}\left(s\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(r_g-r_i)\&CenterDot;\widehat{\underset{\&OverBar;}{s}}}}{s^2}dV---\left(11\right)$

定义s位置的目标隐藏物的强度方程为：

$I\left(s\right)={\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)}^2{|\mathrm{\&epsiv;}\left(s\right)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b|}^2{E}_T\left(s\right)\&CenterDot;E_T^{*}\left(s\right)---\left(12\right)$

接收天线r_i与接收天线r_g之间的基线向量D_ig为：

D_ig＝(r_i-r_g)/λ_b (13)

将式(12)和式(13)带入式(11)中，得到：

$G\left(D_{ig}\right)=\underset{V}{\&Integral;\&Integral;\&Integral;}I\left(s\right)\frac{e^{-j2{\mathrm{\&pi;D}}_{ig}\&CenterDot;s}}{s^2}dV---\left(14\right)$

将笛卡尔坐标系转化为球坐标系，式(14)转换为：

$G\left(D_{ig}\right)=\underset{V}{\&Integral;\&Integral;\&Integral;}I\left(s\right)\frac{e^{-j2{\mathrm{\&pi;D}}_{ig}\&CenterDot;\hat{s}}}{n}dldmds---\left(15\right)$

式(15)中，dV＝s² sinθdθdφds，l＝sinθcosφ，m＝sinθsinφ，

利用笛卡尔坐标系表示基线向量D_ig：

$\begin{array}{c}{u}_{ig}=(x_g-x_i)/{\mathrm{\&lambda;}}_b\\ v_{ig}=(y_g-y_i)/{\mathrm{\&lambda;}}_b\\ w_{ig}=(z_g-z_i)/{\mathrm{\&lambda;}}_b\end{array}---\left(16\right)$

将式(16)带入式(15)中，则可见度函数方程变换为：

$G(u_{ig},v_{ig},w_{ig})=\underset{l}{l}\underset{m}{l}\underset{s}{l}\frac{I(s,l,m)}{\sqrt{1-l^2-m^2}}{e}^{-j2{\mathrm{\&pi;\&Phi;}}_{ig}}dldmds---\left(17\right)$

式(17)中，

如果所有的接收天线均在同一高度排列，沿径向坐标p的线积分为:

$\tilde{I}(l,m)=\underset{p}{\&Integral;}\frac{I(s,l,m)}{\sqrt{1-l^2-m^2}}dp---\left(18\right)$

利用式(18)对式(17)表示的可见度函数方程进行二维傅里叶变换，得到：

$G(u_{ig},v_{ig})=\&Integral;\&Integral;\tilde{I}(l,m)e^{-j2\mathrm{\&pi;}(u_{ig}l+v_{ig}m)}dldm---\left(19\right)$

对式(19)进行傅里叶逆变换，得到隐藏物的二维图像，即：

$\tilde{I}(l,m)=\&Integral;\&Integral;G(u_{ig},v_{ig})e^{j2\mathrm{\&pi;}(u_{ig}l+v_{ig}m)}dudv---\left(20\right)$

式(20)表明一个三维隐藏物的二维图像能够通过空间可见度函数的傅里叶逆变换重建获得。

由于采用以上技术方案，本发明的有益效果为：本发明隐藏物检测系统通过设置信号发生模块、信号发射模块、控制模块、信号接收模块、信号处理模块、图像输入模块、图像分析模块和显示模块，利用毫米波信号在目标区域产生回波信号，回波信号被信号接收模块接收，因此本发明隐藏物检测系统方便实用、成本低、非接触、无创伤、快速成像，根据本发明隐藏物检测方法可以开发出相应的武器检测仪器，可以显示相应的信息、曲线、图像、数值，能对多种隐藏武器进行检测。

本发明能够对隐藏在人体衣服下的任意形状的武器进行检测；能够适用于3-5米内的隐藏物检测，以及移动生物体环境下的隐藏武器检测；能够用于医疗中检测金属异物，排查医疗事故。

附图说明

图1是本发明隐藏物检测系统的原理图；

图2是本发明隐藏物检测系统中一对接收天线的几何排列示意图；

图3是球坐标系；

图4(a)是隐藏在人体模型内的小型金属物；

图4(b)是隐藏在人体模型内的小型金属物的二维重构图像；

图4(c)是隐藏在人体衣服下的仿真金属模型示意图；其中，A₁表示背景，A₂表示衣服，A₃表示钢铁，A₄表示皮肤，A₅表示骨骼，A₆表示脂肪；

图4(d)是隐藏在人体衣服下的金属模型的二维重构图像。

图中：1、信号发生模块；2、信号发射模块；3、控制模块；4、信号接收模块；5、信号处理模块；6、图像输入模块；7、图像输入模块；8、显示模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种隐藏物检测系统，其包括信号发生模块1、信号发射模块2、控制模块3、信号接收模块4、信号处理模块5、图像输入模块6、图像分析模块7和显示模块8。

信号发生模块1包括毫米波信号发生器和多通道控制开关电路板，信号发射模块2、信号接收模块4、控制模块3和多通道控制开关电路板分别与毫米波信号发生器连接，多通道控制开关电路板与信号接收模块4连接。控制模块3控制信号发生模块1产生30GHz-300GHz的毫米波，毫米波通过空间传播至目标区域，在目标区域的隐藏物周围产生散射场，信号接收模块4对散射场进行探测，并将接收到的回波信号通过控制模块3传输至信号处理模块5，信号处理模块5对接收到的回波信号进行二维或三维图像重构得到隐藏物内部及周围介电常数变化的分布图像，分布图像通过图像输入模块6传输至图像分析模块7，图像分析模块7对重构的分布图像进行去噪音和局部特征提取等处理后得到隐藏物图像，隐藏物图像传输至显示模块8进行显示。

上述实施例中，毫米波信号发生器采用网络分析仪。

信号发射模块2和信号接收模块4均采用毫米波天线。毫米波天线的排列形式采用以下两种：

(1)信号发射模块2和信号接收模块4共包含N个天线，其中，N为自然数且，每个天线既作为发射天线又作为接收天线，所有天线以任意形式分布在同一平面或以螺旋形式分布，形成发射接收天线阵列。

(2)信号发射模块2包含N_T个发射天线，N_T为自然数且N_T。所有发射天线任意形式分布在同一平面或以螺旋形式分布，形成发射天线阵列。信号接收模块4包含N_R个发射天线，N_R为自然数且N_R。所有接收天线任意形式分布在同一平面或以螺旋形式分布，形成接收天线阵列。进一步地，发射天线与接收天线可以一一对应，即N_T＝N_R，形成多发多收探测；发射天线与接收天线也可以不一一对应，即N_TN_R，形成单发多收或多发多收探测。

上述实施例中，所有发射天线与隐藏物之间的距离都是相同的，且所述距离远远大于探测用毫米波的一个波长。所有接收天线与隐藏物之间的距离都是相同的，且所述距离远远大于探测用毫米波的一个波长。

上述实施例中，为减少噪音、提高检测灵敏度，发射天线与发射天线之间、发射天线与接收天线之间以及接收天线与接收天线之间的间隙均充满媒介质。

上述实施例中，本发明隐藏物检测系统的工作频率为单一频率，其工作频率范围为30GHz-300GHz，最佳工作频率为90GHz-120GHz。

本发明隐藏物检测系统的工作原理为：通过毫米波信号发生器对发射天线产生毫米波信号，发射天线将毫米波信号通过空间传输到目标区域，目标区域的隐藏物将产生辐射/反射形成散射场，回波信号被接收天线所接收，两两比较不同接天线的散射场延迟，就可获得空间复介电常数的信息；依次比较所有的接收天线，可以获得一组完整的数据；这些测量结果传送到信号处理模块，利用图像重构算法对采集的数据进行分析，可以重构二维或三维隐藏物内部及周围介电常数变化的分布图像。在进行二维图像重构时，接收天线不需要移动；在进行三维图像重构时，接收天线需要移动，可为上下移动或旋转移动。

基于本发明提供的一种隐藏物检测系统，本发明还提供了一种隐藏物检测方法，其包括以下步骤：

S1、设置一包括信号发生模块1、信号发射模块2、控制模块3、信号接收模块4、信号处理模块5、图像输入模块6、图像分析模块7和显示模块8的隐藏物检测系统，其中，信号发射模块2包含至少一个发射天线，信号接收模块4包含至少三个接收天线。

S2、控制模块3控制信号发生模块1不间断地发射单一频率的毫米波信号，毫米波信号作为入射电场通过信号发射模块2发射至目标区域。

如图2所示，假设某一点P(x,y,z)位于隐藏物中，在远场情况下，发射天线的入射电场描述为：

式(1)中，A为天线的宽波段，B为天线的窄波段，k_b＝2π/λ_b，λ_b表示介质中的波长，R表示点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离，R＝|r_i-s|，θ表示OP连线与轴之间的夹角，表示点P(x,y,z)在平面的垂点与原点O之间的连线与轴之间的夹角，E₀表示自由空间中的电场，R₀表示从隐藏物体内的任一点到发射天线的距离，表示辐射模式功能，表示偏振矢量。

S3、毫米波信号穿透目标区域的隐藏物，部分毫米波信号被反射并在目标区域形成散射电场，至少三个接收天线对所述散射电场进行探测。

散射电场表示为：

$E_{scat}=\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\underset{V}{\&Integral;}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right(s)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b)\{{\mathrm{aE}}_T\left(s\right)+\left({\mathrm{bE}}_T\right(s)\&CenterDot;\hat{R})\hat{R}\}\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_{b}R}}{R}dV---\left(2\right)$

式(2)中，a＝1-j/k_bR-1/(k_bR)²，b＝-1+3j/k_bR+3/(k_bR)²。当k_bR＞＞1时，a≈1,b≈-1。为了计算方便和减少计算机运算成本，假设隐藏物的介电常数和背景的介电常数差值(ε(s)-ε_b)较小，此假设下，波恩近似(BornApproximation)适用于计算发射波，因此总电场近似等于入射场E_inc，式(2)变为：

$E_{scat}\left(r\right)=\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)\underset{V}{\&Integral;}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right(s)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b)\{E_{inc}\left(s\right)+\left(E_{inc}\right(s)\&CenterDot;\hat{R})\hat{R}\}\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_{b}R}}{R}dV---\left(3\right)$

假设在远场情况下反射波为：

$E_{scat}\left(r\right)=\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)\underset{V}{\&Integral;}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right(s)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b)E_{inc}\left(s\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_{b}R}}{R}dV---\left(4\right)$

S4、接收天线探测到的散射电场通过控制模块传输至信号处理模块5，信号处理模块5对任意两个接收天线探测到的散射回波信号进行两两对比，而后将两两比对得到的差异用于构建隐藏物的二维图像。

二维图像的重构方法为：

如图2所示，隐藏物中的某一点P(x,y,z)到信号接收单元3中的两个位于r_i和r_g的接收天线的散射电场可见度为：

$G(r_i,r_g)=<E_{scat}\left(r_i\right)\&CenterDot;E_{scat}^{*}\left(r_g\right)>---\left(5\right)$

式(5)中，E_scat(r_i)表示位于r_i的接收天线的散射电场，表示位于r_g的接收天线的散射电场的共轭，<>表示平均时间，r_i表示目标区域隐藏物中任意点到第i个接收天线的距离矢量，r_g表示目标区域隐藏物中任意点到第g个接收天线的距离矢量。

式(5)可以表示如下：

散射电场可以表示为一个散射体的体积分，散射体涉及感应极化电流，感应极化电流出现在与基底媒质相比的复介电常数中。在远场条件下，散射电场可以表示如下：

$E_{scat}\left(r\right)=\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)\underset{V}{\&Integral;}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right(s)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b)E_T\left(s\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b\left|s-r\right|}}{\left|s-r\right|}dV---\left(6\right)$

式(6)中，k₀＝2π/λ₀表示自由空间的波数；k_b＝2π/λ_b表示背景媒介质的波数，λ₀表示自由空间的波长，λ_b背景媒介质的波长，ε(s)表示目标物的复杂相对介电常数分布，ε_b表示背景介质的复杂相对介电常数分布，r表示目标区域隐藏物中任意点到接收天线的距离矢量，E_T(s)表示隐藏物在方向矢量s上任意一点的入射电场与散射电场的总电场之和，V表示隐藏物的体积。

将式(6)代入式(5)中，得到：

$G(r_i,r_g)={\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)}^2\underset{V}{\&Integral;\&Integral;\&Integral;}\underset{V^{\&prime;}}{\&Integral;\&Integral;\&Integral;}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right(s)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b){\left(\mathrm{\&epsiv;}\right(s^{\&prime;})-{\mathrm{\&epsiv;}}_b)}^{*}{E}_T\left(s\right)\&CenterDot;E_T^{*}\left(s^{\&prime;}\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(R-R^{\&prime;})}}{{\mathrm{RR}}^{\&prime;}}{\mathrm{dVdV}}^{\&prime;}---\left(7\right)$

式(7)中，R表示点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离，R＝|r_i-s|；R'表示隐藏物内不同与点P(x,y,z)的另一点P'(x',y',z')到接收天线r_i的距离，R'＝|r_g-s'|，s'表示隐藏物内点P'(x',y',z')到坐标原点的距离；V'表示围绕点P'(x',y',z')的隐藏物的体积。

在远场区，点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离远远大于天线阵列的大小，即R＞＞|r_i|，可得

$R=\left|R\right|=\sqrt{(r_i-s)\&CenterDot;(r_g-s)}=\sqrt{r_i^2+s^2-2r_i\&CenterDot;s}\&cong;s-\frac{r_i\&CenterDot;s}{s}=s-r_i\&CenterDot;\hat{s}---\left(8\right)$

式(8)中“.”表示标量，表示单位矢量。

同理可得，目标区域内的另一点P'(x',y',z')到接收天线r_g的距离为：

$R^{\&prime;}=\left|R^{\&prime;}\right|=s^{\&prime;}-r_g\&CenterDot;\widehat{s^{\&prime;}}---\left(9\right)$

由式(8)和式(9)得到：

$\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(R-R^{\&prime;})}}{{\mathrm{RR}}^{\&prime;}}\&ap;\frac{1}{{\mathrm{ss}}^{\&prime;}}{e}^{-{\mathrm{jk}}_b(s-s^{\&prime;})}{e}^{{\mathrm{jk}}_b(r_g\&CenterDot;\widehat{s^{\&prime;}}-r_i\&CenterDot;\hat{s})}---\left(10\right)$

将式(10)带入式(7)中，得到目标区域隐藏物的可见度函数为：

$G(r_i,r_g)={\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)}^2\&Integral;\&Integral;{\&Integral;}_V\left({\left|\mathrm{\&epsiv;}\left(s\right)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b\right|}^2\right)E_T\left(s\right)\&CenterDot;E_T^{*}\left(s\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(r_g-r_i)\&CenterDot;\widehat{\underset{\&OverBar;}{s}}}}{s^2}dV---\left(11\right)$

定义s位置的目标隐藏物的强度方程为：

$I\left(s\right)={\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)}^2{|\mathrm{\&epsiv;}\left(s\right)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b|}^2{E}_T\left(s\right)\&CenterDot;E_T^{*}\left(s\right)---\left(12\right)$

接收天线r_i与接收天线r_g之间的基线向量D_ig为：

D_ig＝(r_i-r_g)/λ_b (13)

将式(12)和式(13)带入式(11)中，得到：

$G\left(D_{ig}\right)=\underset{V}{\&Integral;\&Integral;\&Integral;}I\left(s\right)\frac{e^{-j2{\mathrm{\&pi;D}}_{ig}\&CenterDot;s}}{s^2}dV---\left(14\right)$

将笛卡尔坐标系转化为如图3所示的球坐标系，式(14)转换为：

$G\left(D_{ig}\right)=\underset{V}{\&Integral;\&Integral;\&Integral;}I\left(s\right)\frac{e^{-j2{\mathrm{\&pi;D}}_{ig}\&CenterDot;\hat{s}}}{n}dldmds---\left(15\right)$

式(15)中，dV＝s²sinθdθdφds，l＝sinθcosφ，m＝sinθsinφ，

利用笛卡尔坐标系表示基线向量D_ig：

$\begin{array}{c}{u}_{ig}=(x_g-x_i)/{\mathrm{\&lambda;}}_b\\ v_{ig}=(y_g-y_i)/{\mathrm{\&lambda;}}_b\\ w_{ig}=(z_g-z_i)/{\mathrm{\&lambda;}}_b\end{array}---\left(16\right)$

将式(16)带入式(15)中，则可见度函数方程变换为：

$G(u_{ig},v_{ig},w_{ig})=\underset{l}{l}\underset{m}{l}\underset{s}{l}\frac{I(s,l,m)}{\sqrt{1-l^2-m^2}}{e}^{-j2{\mathrm{\&pi;\&Phi;}}_{ig}}dldmds---\left(17\right)$

式(17)中，

如果所有的接收天线均在同一高度排列，沿径向坐标p的线积分为:

$\tilde{I}(l,m)=\underset{p}{\&Integral;}\frac{I(s,l,m)}{\sqrt{1-l^2-m^2}}dp---\left(18\right)$

利用式(18)对式(17)表示的可见度函数方程进行二维傅里叶变换，得到：

$G(u_{ig},v_{ig})=\&Integral;\&Integral;\tilde{I}(l,m)e^{-j2\mathrm{\&pi;}(u_{ig}l+v_{ig}m)}dldm---\left(19\right)$

对式(19)进行傅里叶逆变换，得到隐藏物的二维图像，即：

$\tilde{I}(l,m)=\&Integral;\&Integral;G(u_{ig},v_{ig})e^{j2\mathrm{\&pi;}(u_{ig}l+v_{ig}m)}dudv---\left(20\right)$

式(20)表明一个三维隐藏物的二维图像可以通过空间可见度函数的傅里叶逆变换重建获得。两两比较散射回波信号并进行傅里叶逆变换处理，对隐藏物的电磁属性分布进行成像，得到隐藏物内部及周围介电常数变化的分布图像。由于不同电磁属性对应隐藏物的不同组成材料，因此成像结果能够作为隐藏物内部结构的表征。

三维图像的重构方法为：

为对目标区域的隐藏物实现三维成像，信号发射单元2和信号接收单元3中的天线阵列将可以上下移动扫描。如图4所示，将该天线阵列从高度H₁(mm)移动到高度H_n(mm)，目标隐藏物中任意一点在目标区域的深度位置为：

z_n＝p_ncos(θ_n) (21)

式(21)中，θ_n表示天线阵列中同一个天线在位置p_n到目标隐藏物的发射或接收角度。

根据式(21)，式(18)中dp变换为：

$dp=\frac{dz}{cos\left({\mathrm{\&theta;}}_n\right)}=\frac{dz}{\sqrt{1-l^2-m^2}}---\left(22\right)$

对式(22)进行微积分，任意高度的隐藏物强度函数的三维描述为：

$I(H=z_n,l,m)=\frac{d\tilde{I}(l,m)\&CenterDot;(1-l^2-m^2)}{dz}---\left(23\right)$

不同高度下隐藏物的可见强度差值分布为：

$\frac{d\tilde{I}}{dz}=\frac{{\tilde{I}}_{z_n}-{\tilde{I}}_{z_{n-1}}}{z_n-z_{n-1}}---\left(24\right)$

由式(24)可见，通过计算不同高度下隐藏物的可见强度差值分布，并两两比较不同高度下的可见强度差值，形成一组完整的数据，从而实现三维图像重构。三维图像的空间分辨率受天线分布形状、扫描速度、扫描高度的影响。为定量评估成像结果，缩放功能公式可以应用于增强图像对比度：

${\tilde{I}}_m(H,l,m)={\&lsqb;\tilde{I}(H,l,m)\&rsqb;}^Q---\left(25\right)$

式(25)表示隐藏物重构图像放大或缩小Q倍的情况，用于对隐藏物的重构图像进行去噪音处理。

S5、隐藏物的二维图像通过图像输入模块6传输至图像分析模块7，图像分析模块7对二维图像进行去噪音和局部特征提取等处理，得到隐藏物图像。

S6、隐藏物图像传输至显示模块8进行显示，从而完成对隐藏物的检测。

建模仿真结果：

为验证本发明所提出的隐藏物检测方法，下面通过MATLAB平台，利用式(4)、式(5)和式(20)建立三维仿真模型，用于模拟当武器隐藏在人体衣服下时远距离的电磁场影响。发射天线的入射场可以用格林函数来建模，波恩近似(Born Approximation)可以用来建模解散射场问题。图4(a)是隐藏在人体模型内的小型金属物，图4(b)是隐藏在人体模型内的小型金属物的二维重构图像，图4(c)是隐藏在人体衣服下的仿真金属模型示意图，图4(d)是隐藏在人体衣服下的金属模型的二维重构图像。金属模型的二维重构图像能够清晰地显示出六种不同组织中包含有金属隐藏物。

本发明不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隐藏物检测系统，其特征在于：它包括信号发生模块、信号发射模块、控制模块、信号接收模块、信号处理模块、图像输入模块、图像分析模块和显示模块；所述信号发生模块包括毫米波信号发生器和多通道控制开关电路板，所述信号发射模块、信号接收模块、控制模块和多通道控制开关电路板分别与毫米波信号发生器连接，所述多通道控制开关电路板与信号接收模块连接；

所述控制模块控制所述信号发生模块产生毫米波，毫米波通过空间传播至目标区域，在目标区域的隐藏物周围产生散射场，所述信号接收模块对散射场进行探测，并将接收到的回波信号通过所述控制模块传输至所述信号处理模块，所述信号处理模块对接收到的回波信号进行二维或三维图像重构得到隐藏物内部及周围介电常数变化的分布图像，分布图像通过所述图像输入模块传输至所述图像分析模块，所述图像分析模块对重构的分布图像进行去噪音和局部特征提取处理后得到隐藏物图像，隐藏物图像传输至所述显示模块进行显示。

2.如权利要求1所述的一种隐藏物检测系统，其特征在于：所述信号发射模块和信号接收模块均采用毫米波天线。

3.如权利要求2所述的一种隐藏物检测系统，其特征在于：所述信号发射模块和信号接收模块共包含N个天线，其中，N为自然数且，每个天线既作为发射天线又作为接收天线，所有天线以任意形式分布在同一平面或以螺旋形式分布，形成发射接收天线阵列。

4.如权利要求2所述的一种隐藏物检测系统，其特征在于：所述信号发射模块包含N_T个发射天线，N_T为自然数且N_T；所有发射天线任意形式分布在同一平面或以螺旋形式分布，形成发射天线阵列；所述信号接收模块包含N_R个发射天线，N_R为自然数且N_R；所有接收天线任意形式分布在同一平面或以螺旋形式分布，形成接收天线阵列。

5.如权利要求4所述的一种隐藏物检测系统，其特征在于：所述发射天线与接收天线一一对应，形成多发多收探测；发射天线与接收天线不一一对应，形成单发多收或多发多收探测。

6.如权利要求3或4或5所述的一种隐藏物检测系统，其特征在于：所有所述发射天线与隐藏物之间的距离都是相同的，且所述距离远远大于探测用毫米波的一个波长；所有所述接收天线与隐藏物之间的距离都是相同的，且所述距离远远大于探测用毫米波的一个波长。

7.如权利要求3或4或5所述的一种隐藏物检测系统，其特征在于：所述发射天线与发射天线之间、所述发射天线与接收天线之间以及所述接收天线与接收天线之间的间隙均充满媒介质。

8.如权利要求1～5任一项所述的一种隐藏物检测系统，其特征在于：所述隐藏物检测系统的工作频率范围为90GHz-120GHz。

9.一种基于权利要求1～8任一项所述隐藏物检测系统的检测方法，其包括以下步骤：

S1、设置一包括信号发生模块、信号发射模块、控制模块、信号接收模块、信号处理模块、图像输入模块、图像分析模块和显示模块的隐藏物检测系统，信号发射模块包含至少一个发射天线，信号接收模块包含至少三个接收天线；

S2、控制模块控制信号发生模块不间断地发射单一频率的毫米波信号，毫米波信号作为入射电场通过信号发射模块发射至目标区域；

S3、毫米波信号穿透目标区域的隐藏物，部分毫米波信号被反射并在目标区域形成散射电场，至少三个接收天线对所述散射电场进行探测；

S4、接收天线探测到的散射电场通过控制模块传输至信号处理模块，信号处理模块对任意两个接收天线探测到的散射回波信号进行两两对比，而后将两两比对得到的差异用于构建隐藏物的二维图像；

S5、隐藏物的二维图像通过图像输入模块传输至图像分析模块，图像分析模块对二维图像进行去噪音和局部特征提取处理，得到隐藏物图像；

S6、隐藏物图像传输至显示模块进行显示，完成对隐藏物的检测。

10.如权利要求9所述的一种隐藏物检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤S4中，二维图像的重构方法为：

隐藏物中的某一点P(x,y,z)到信号接收单元中的两个位于r_i和r_g的接收天线的散射电场可见度为：

$G(r_i,r_g)=<E_{scat}\left(r_i\right)\&CenterDot;E_{scat}^{*}\left(r_g\right)>---\left(5\right)$

式(5)中，E_scat(r_i)表示位于r_i的接收天线的散射电场，表示位于r_g的接收天线的散射电场的共轭，<>表示平均时间，r_i表示目标区域隐藏物中任意点到第i个接收天线的距离矢量，r_g表示目标区域隐藏物中任意点到第g个接收天线的距离矢量；

散射电场表示为一个散射体的体积分，散射体涉及感应极化电流，感应极化电流出现在与基底媒质相比的复介电常数中；在远场条件下，散射电场表示如下：

$E_{scat}\left(r\right)=\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)\underset{V}{\&Integral;}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right(s)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b)E_T\left(s\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b|s-r|}}{|s-r|}dV---\left(6\right)$

式(6)中，k₀＝2π/λ₀表示自由空间的波数；k_b＝2π/λ_b表示背景媒介质的波数，λ₀表示自由空间的波长，λ_b背景媒介质的波长，ε(s)表示目标物的复杂相对介电常数分布，ε_b表示背景介质的复杂相对介电常数分布，r表示目标区域隐藏物中任意点到接收天线的距离矢量，E_T(s)表示隐藏物在方向矢量s上任意一点的入射电场与散射电场的总电场之和，V表示隐藏物的体积；

将式(6)代入式(5)中，得到：

$G(r_i,r_g)={\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)}^2\&Integral;\underset{V}{\&Integral;}\&Integral;\&Integral;\underset{V^{\&prime;}}{\&Integral;}\&Integral;\left(\mathrm{\&epsiv;}\right(s)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b){\left(\mathrm{\&epsiv;}\right(s^{\&prime;})-{\mathrm{\&epsiv;}}_b)}^{*}{E}_T\left(s\right)\&CenterDot;e_T^{*}\left(s^{\&prime;}\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b|R-R^{\&prime;}|}}{{\mathrm{RR}}^{\&prime;}}{\mathrm{dVdV}}^{\&prime;}---\left(7\right)$

式(7)中，R表示点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离，R＝|r_i-s|；R'表示隐藏物内不同与点P(x,y,z)的另一点P'(x',y',z')到接收天线r_i的距离，R'＝|r_g-s'|，s'表示隐藏物内点P'(x',y',z')到坐标原点的距离；V'表示围绕点P'(x',y',z')的隐藏物的体积；

在远场区，点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离远远大于天线阵列的大小，得到

$R=\left|R\right|=\sqrt{(r_i-s)\&CenterDot;(r_g-s)}=\sqrt{r_i^2+s^2-2r_i\&CenterDot;s}\&cong;s-\frac{r_i\&CenterDot;s}{S}=s-r_i\&CenterDot;\hat{s}---\left(8\right)$

式(8)中“.”表示标量，表示单位矢量；

目标区域内的另一点P'(x',y',z')到接收天线r_g的距离为：

$R^{\&prime;}=\left|R^{\&prime;}\right|=s^{\&prime;}-r_g\&CenterDot;\widehat{s^{\&prime;}}---\left(9\right)$

由式(8)和式(9)得到：

$\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(R-R^{\&prime;})}}{{\mathrm{RR}}^{\&prime;}}\&ap;\frac{1}{{\mathrm{ss}}^{\&prime;}}{e}^{-{\mathrm{jk}}_b(s-s^{\&prime;})}{e}^{{\mathrm{jk}}_b(r_g\&CenterDot;\widehat{s^{\&prime;}}-r_i\&CenterDot;\hat{s})}---\left(10\right)$

将式(10)带入式(7)中，得到目标区域隐藏物的可见度函数为：

$G(r_i,r_g)={\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)}^2\&Integral;\&Integral;{\&Integral;}_V\left(\right|\mathrm{\&epsiv;}\left(s\right)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b{|}^2)E_T\left(s\right)\&CenterDot;E_T^{*}\left(s\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(r_g-r_i)\&CenterDot;\widehat{\underset{\&OverBar;}{s}}}}{s^2}dV---\left(11\right)$

定义s位置的目标隐藏物的强度方程为：

$I\left(s\right)={\left(\frac{k_0^2}{4\mathrm{\&pi;}}\right)}^2|\mathrm{\&epsiv;}\left(s\right)-{\mathrm{\&epsiv;}}_b{|}^2{E}_T\left(s\right)\&CenterDot;E_T^{*}\left(s\right)---\left(12\right)$

接收天线r_i与接收天线r_g之间的基线向量D_ig为：

D_ig＝(r_i-r_g)/λ_b (13)

将式(12)和式(13)带入式(11)中，得到：

$G\left(D_{ig}\right)=\&Integral;\underset{V}{\&Integral;}\&Integral;I\left(s\right)\frac{e^{-j2{\mathrm{\&pi;D}}_{ig}\&CenterDot;s}}{s^2}dV---\left(14\right)$

将笛卡尔坐标系转化为球坐标系，式(14)转换为：

$G\left(D_{ig}\right)=\&Integral;\underset{V}{\&Integral;}\&Integral;I\left(s\right)\frac{e^{-j2{\mathrm{\&pi;D}}_{ig}\&CenterDot;\hat{s}}}{n}dldmds---\left(15\right)$

式(15)中，

dV＝s²sinθdθdφds，l＝sinθcosφ，m＝sinθsinφ，

利用笛卡尔坐标系表示基线向量D_ig：

u_ig＝(x_g-x_i)/λ_b

v_ig＝(y_g-y_i)/λ_b (16)

w_ig＝(z_g-z_i)/λ_b

将式(16)带入式(15)中，则可见度函数方程变换为：

$G(u_{ig},v_{ig},w_{ig})=\underset{l}{\&Integral;}\underset{m}{\&Integral;}\underset{s}{\&Integral;}\frac{I(s,l,m)}{\sqrt{1-l^2-m^2}}{e}^{-j2{\mathrm{\&pi;\&Phi;}}_{ig}}dldmds---\left(17\right)$

式(17)中，

如果所有的接收天线均在同一高度排列，沿径向坐标p的线积分为:

$\tilde{I}(l,m)=\underset{p}{\&Integral;}\frac{I(s,l,m)}{\sqrt{1-l^2-m^2}}dp---\left(18\right)$

利用式(18)对式(17)表示的可见度函数方程进行二维傅里叶变换，得到：

$G(u_{ig},v_{ig})=\&Integral;\&Integral;\tilde{I}(l,m)e^{-j2\mathrm{\&pi;}(u_{ig}l+v_{ig}m)}dldm---\left(19\right)$

对式(19)进行傅里叶逆变换，得到隐藏物的二维图像，即：

$\tilde{I}(l,m)=\&Integral;\&Integral;G(u_{ig},v_{ig})e^{j2\mathrm{\&pi;}(u_{ig}l+v_{ig}m)}dudv---\left(20\right)$

式(20)表明一个三维隐藏物的二维图像能够通过空间可见度函数的傅里叶逆变换重建获得。