CN106461576A - 超宽带检测器 - Google Patents

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CN106461576A CN201580023070.1A CN201580023070A CN106461576A CN 106461576 A CN106461576 A CN 106461576A CN 201580023070 A CN201580023070 A CN 201580023070A CN 106461576 A CN106461576 A CN 106461576A
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爱德华·詹姆斯·莫顿
安东尼·J·佩顿
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Abstract

一种基于超宽带微波的人员/旅客筛查系统，并且具体地，一种使用非电离辐射进行物质特异性检测的系统，其中，低强度微波辐射的聚焦波束被快速连续地投射在走过正门的人的身上，该正门具有漏斗状入口和漏斗状出口以及在漏斗之间的正门。

Description

超宽带检测器
相关申请的交叉引用
本说明书基于2014年3月7日提交的题为“超带宽检测器(Ultra-Wide BandDetectors)”的美国专利临时申请第61/949,775号的优先权。通过引用将美国专利临时申请第61/949,775号的全部内容结合于此。
技术领域
本说明书总体上涉及人员筛查系统(personnel screening system)，并且具体地，涉及使用非电离辐射(non-ionizing radiation)进行物质特异性检测(materialspecific detection)的系统，其中，当人走过正门时，低强度微波辐射的聚焦波束被快速连续地投射在他们身上。
背景技术
恐怖主义对公共交通构成威胁。威胁装置(诸如武器)或威胁物质(诸如炸药)可携带在口袋中或捆绑在身上，其能够被偶然检测到或甚至由熟练的观察者检测到的概率很低。因此，要求旅客在进入或穿越关键性设施(诸如机场、火车站或公共建筑)时，脱去他们的外衣、皮带、钱包、首饰、手机和鞋子已成为普遍的做法。对于公众来说脱去的过程是耗时且不方便的，并且管理设施的操作人员是昂贵的。
一旦脱去，通常使用X射线透射成像系统来扫描服装和装饰品，而通过不同的技术(诸如毫米波成像系统或X射线反向散射成像系统)来扫描公众以产生被扫描人员的身体的图像。身体的图像可包含由人员所携带的物品引起的异常。这些异常物可为无害物品(诸如护照或手帕)，或可为明显的威胁物(诸如爆炸物)。目前，已知的技术需要有序的算法来分析被检测物体的形状以确定其是否为威胁或其是无害的。然而，单独从形状难以估计许多潜在威胁或实际上无害物品的性质，因此误报率往往是明显的。
因此，所需的是使用非电离辐射进行物质特异性检测的系统，其中，低强度微波辐射的聚焦波束被快速连续投射在走过正门的人员身上。
发明内容
本说明书公开了用于扫描沿纵轴走过检测区的旅客的正门(portal)，其中，旅客在该旅客的身上携带有至少一件物体，该正门包括：漏斗状入口(funneled entrance)，其包括以相对于纵轴的第一角度安装的第一组的两个相对面板，第一角度在5至85度的范围内；漏斗状出口(funneled exit)，其包括以相对于纵轴的第二角度安装的第二组的两个相对面板，第二角度在5至85度的范围内；中央正门(central portal)，其包括彼此平行放置并位于所述漏斗状入口和漏斗状出口之间的第三组的两个相对面板，其中，第一组的两个相对面板、第二组的两个相对面板和第三组的两个相对面板形成检测区并包括多个发射器元件，当旅客穿过该正门时，该多个发射器元件将微波波束投射到旅客身上；以及接收从旅客散射的微波波束的多个接收器元件，并且其中，在旅客穿过正门时，一个以上的发射器元件被同时激活并生成检测区的多个扫描；以及与多个发射器和接收器元件相关联的多个处理块(processing blocks)，其处理散射的微波波束并输出包括时间信息、相位信息或频域信息中的至少一个的数据，其中，散射的微波波束是投射的微波波束与至少一个物体的上表面、至少一个物体的后表面和毗邻至少一个物体的上表面的旅客的一部分进行交互作用的结果，并且其中，时间信息、相位信息或频域信息中的至少一个被用于确定至少一个物体的位置、形状、大小和/或相对介电常数(relative permittivity)。
在一些实施方式中，以相对于纵轴的第一角度安装第一组的两个相对面板并且以相对于纵轴的第二角度安装第二组的两个相对面板，所述第一角度和所述第二角度在20度至60度的范围内。
在各种实施方式中，第一组的两个相对面板、第二组的两个相对面板和第三组的两个相对面板中的每个面板近似为2米高并具有在0.4米与1.0米之间的范围内的宽度。
根据各个实施方式，第一组的两个相对面板、第二组的两个相对面板和第三组的两个相对面板被配置成扫描旅客的正面、背面和多个侧面。
本说明书还公开了扫描沿正门的检测区的纵轴走过的旅客的方法，其中，检测区由中央正门、入口漏斗和出口漏斗限定，其中，中央正门包括右面板和左面板，右面板和左面板以基本上平行的配置彼此相对，其中，入口漏斗包括以相对于中央区的右面板的前端5至85度的角度被放置的第一面板；以及以相对于中央区的左面板的前端5至85度的角度被放置的第二面板，并且其中，出口漏斗包括以相对于中央区的右面板的后端5至85度的角度被放置的第一面板；以及以相对于中央区的左面板的后端为5至85度的角度被放置的第二面板，该方法包括：从中央正门、入口漏斗和出口漏斗的面板上的多个发射器元件向旅客投射RF波束，其中，在旅客通过正门时，一个以上的发射器元件同时被激活并生成检测区的多个扫描；由在中央正门、入口漏斗和出口漏斗的面板上的多个接收器元件从旅客接收散射波束，其中，散射波束是所投射的RF波束与位于旅客身上的至少一个物体的上表面和后表面以及与至少一个物体的上表面毗邻的旅客身体进行交互作用的结果；并使用与多个发射器和接收器元件相关联的多个处理块来处理散射波束，以输出包括时间信息、相位信息或频域信息中的至少一个的数据，其中，时间信息、相位信息或频域信息中的至少一个被用于确定至少一个物体的位置、形状、大小和/或相对介电常数。
在各种实施方式中，入口漏斗和出口漏斗中的每个的第一面板和第二面板的角度在20至60度的范围内。
在各种实施方式中，中央正门、入口漏斗和出口漏斗的每个面板近似为2米高并具有在0.4米与1.0米之间的范围内的宽度。
根据一些实施方式，中央正门、入口漏斗和出口漏斗的面板基本上分别扫描旅客的正面、背面和侧面。
本说明书进一步公开了扫描沿正门的检测区的纵轴走过的旅客的方法，其中，该检测区由第一组的两个面板、第二组的两个面板和第三组的两个面板中的每个限定，并且其中，第一组的面板和第二组的面板以相对于纵轴的角度安装从而分别形成正门的入口和出口，该方法包括：从第一组的面板、第二组的面板和第三组的面板上的多个发射器元件向旅客投射RF波束，其中，在旅客穿行正门时，一个以上的发射器元件同时被激活并生成检测区的多个扫描；由在第一组的面板、第二组的面板和第三组的面板上的多个接收器元件接收从旅客散射波束，其中，散射波束是投射的RF波束与位于旅客身上的至少一个物体的上表面和后表面以及与至少一个物体的上表面毗邻的旅客身体进行交互作用的结果；并使用与多个发射器元件和接收器元件相关联的多个处理块来处理散射波束，以输出反映在从至少一个物体的上表面和后表面所接收的散射波束之间的时差的数据，其中，该时差被用于确定至少一个物体的相对介电常数。
在各种实施方式中，第一组的面板和第二组的面板的角度在20至60度的范围内。
在各种实施方式中，第一组的面板、第二组的面板和第三组的面板中的每个面板近似为2米高并具有在0.4米和1.0米之间的范围内的宽度。
根据一些实施方式，第一组的面板、第二组的面板和第三组的面板基本上分别扫描旅客的正面、背面和侧面。
在各种实施方式中，以在5帧每秒和100帧每秒之间的范围内的速率生成检测区的多个扫描。
在各种实施方式中，微波(或RF)波束具有在2GHz与20GHz之间的范围内的频率。
在各种实施方式中，耦合到多个发射器和接收器元件中的每个的天线具有在1厘米与10厘米之间的范围内的直径。
在一些实施方式中，以顺序光栅扫描图案(sequential raster scan pattern，顺序光栅扫描样式)激活多个发射器元件。
在一些实施方式中，以伪随机扫描图案(pseudo-random scan pattern，伪随机扫描样式)激活多个发射器元件。
在各种实施方式中，携带在旅客身上的至少一个物体被显示为叠加在旅客的实时视频图像上的图标，其中，该图标被着色以指示至少一个物体的威胁状态。
在一个实施方式中，波束与合适的长度比例的物品交互作用(通常为1厘米至20厘米的量级)，并因此在它们散射回到一系列微波接收器时更改它们的相位和幅度。每个发射器件向待检测人员投射时域的窄脉冲，从该待检测人员处交互的脉冲信号被传播给并行捕获信号的多个接收器。在每个接收器检测到信号的时间由至三维(3D)空间中的与人员或物品发生交互作用的点的距离确定。通过将所有接收器和所有特定发射器的投影数据收集在一起，可以识别出发生交互作用的物质的类型和在3D空间中发生交互作用的位置这两者。最终，通过分析交互信号的属性，可以确定在交互点的物质的介电常数或确定物体的电磁张量类特性，该电磁张量类特性描述其电磁现象，并因此识别所存在的威胁或无害物体的特定类型。
通过使用这种低频微波辐射交互作用，没有必要显示被扫描人员身体的获得图像，从而避免影响已知扫描技术的隐私问题。此外，数据自身为物质特异性的，从而提供威胁物质的良好检测概率和其它物体，诸如手机、手表、护照和其它基于纸质的文件的低误报率。
在本说明书中描述的方法本质上是快速的(微波交互作用发生在数百皮秒至数十纳秒的时间尺度)，并因此非常适合于以正常走过速度对威胁物质进行自动化检测的实时扫描系统。
通过使用相对低频率的辐射(在1GHz至20GHz的量级)，微波波束表现出穿过衣服和已知的基于图像的微米波和基于太赫兹的成像系统以更高频率无法穿透的许多其它介电物质(包括潮湿和润湿衣服)的良好的穿透性。通过使用超宽带发射器和接收器天线，宽波长频谱被发射使得总是存在与人的衣服口袋中或表面上的威胁物品交互作用的波束分量。
因此，本说明书公开了基于微波的超宽带威胁物检测系统，其允许在旅客保持穿着夹克、皮带、帽子和鞋子而无需脱下时，以超低射频功率密度有效实时检测隐藏在人身上或周围的威胁装置和物质。
本说明书的前述的和其它实施方式将在下面提供的附图和具体实施方式中更详细描述。
附图说明
将说明本说明书的这些和其它特征和优点，当通过结合附图参考下面的具体描述时可以更好地理解本说明书的这些和其它特征和优点，其中：
图1示出了适用于筛查机场环境中的旅客的基于超宽带微波的扫描/成像系统的实施方式；
图2示出了在图1中示出的系统的平面图；
图3示出了使用沿时间(t)传播的正交方向上的电分量(E)和磁分量(H)两者的射频波束的表示法；
图4A示出了从构成威胁的大小的物体反射的高频(毫米波或太赫兹)波束；
图4B示出了与构成威胁的大小的物体交互作用的较低能量(微波)的波束；
图5示出了由定向天线所生成的典型射频波束；
图6示出了在时域中的射频功率的类短高斯脉冲，其映射到在频域中的射频功率的宽带脉冲；
图7示出了向具有位于人的正面的威胁物体的人表面投射微波能量波束的发射天线(Tx)；
图8示出了矢量网络分析仪，其中，发射波束Tx通过中频相位和幅度检测器与接收波束Rx混频；
图9示出了通过天线面板的门大小阵列的发射器顺序图案；
图10示出了用于图1的基于超宽带微波的扫描/成像系统的示例性数据采集系统架构；
图11示出了物体如何根据关于笛卡尔坐标系的取向在三维场交互作用中表示；以及
图12示出了在旅客走过图1的扫描/成像系统时，威胁物品和无害物品如何作为图标在旅客的实时视频图像的顶部被显示。
具体实施方式
本说明书涉及多个实施方式。为了使本领域的普通技术人员来实施本发明提供下面的公开内容。用于本说明书中的表述不应解释为任一特定实施方式的总体否定或用于限制超出本文所使用的术语的含义的权利要求。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本文所定义的一般原理可应用于其他实施方式和应用。而且，所使用的术语和短语是用于描述示例性实施方式的并且不应认为是限制性的。因此，本发明应被赋予涵盖与所公开的原理和特征一致的多个另选的替代方案、修改和等效物的最广泛范围。为清楚起见，未详细描述关于在本发明的技术领域为已知的技术来源的细节，以便不必要地混淆本发明。在本申请的描述和权利要求中，词语“包括(comprise)”、“包含(include)”和“具有(have)”中的每个及其形式不一定局限于所列出的与该词语相关联的成员。
图1示出了适用于筛查机场环境中的旅客而无需旅客脱下他们的衣服或装饰物的基于超宽带微波的扫描/成像系统100的实施方式。在一个实施方式中，以走过正门或拱门的形式配置系统100，该系统包括基本上形成为“V”或漏斗形的入口115的第一组的两个相对的检测面板105a、105b，同样基本上形成为“V”或漏斗形的出口120的第二组的两个相对的检测面板110a、110b，以及在第一组和第二组之间形成中央正门/区域的两侧的第三组的两个相对的检测面板130a、130b，以及可选的顶、盖或罩125。根据实施方式，第一组、第二组和第三组检测面板105a、105b、110a、110b、130a、130b包括多个发射元件和接收元件Tx/Rx。系统100被启用以用于穿行的操作，使得侧面板130a、130b以及入口/出口面板105a、105b、110a、110b比通过这些面板的旅客高。在各种实施方式中，每个面板(105a、105b、110a、110b、130a、130b)近似为2米高并具有范围在0.4米和1.0米之间的宽度。
在一些实施方式中，通过第一组的检测面板105a、105b和第二组的检测面板110a、110b形成基本上为“V”或“漏斗”形的入口115和出口120，以相对于沿旅客穿过正门的运动方向的中央纵轴135的“面板角度”来安装、定位或放置第一组和第二组面板。在一些实施方式中，以相对于中央正门的面板130a、130b的相应前端128a、128b的“面板角度”来放置入口漏斗115的第一面板105a和第二面板105b。同样，以相对于中央正门的面板130a、130b的相应后端132a、132b的“面板角度”来放置出口漏斗120的第一面板110a和第二面板110b。因此，中央正门被定位在入口漏斗115和出口漏斗120之间，使得中央正门/区域的左面板130a和右面板130b(形成左侧和右侧)被配置成彼此平行。
应理解的是，“面板角度”(以该面板角度相对于中央纵轴135和/或中央正门的面板130a、130b的前端和后端来放置面板105a、105b、110a、110b)的选择取决于优化的多个因素，诸如但不限于发射器/接收器元件的张角(发射器/接收器元件的张角越大，“面板角度”越小)、正门/系统100的最大可允许宽度(其通常由检测正门的物理布局规定)以及待检测旅客的表面覆盖范围的均匀性(识别到入口面板105a、105b扫描旅客身体的正面，中央面板130a、130b扫描旅客身体的侧面并且出口面板110a、110b扫描旅客身体的背面)。在各种实施方式中，“面板角度”的范围在5至80度之间，优选地在20至60度之间。
在操作基于超宽带微波的成像/扫描系统100时，旅客(未示出)走向两个检测面板105a和105b。当旅客离入口115一定距离时，在入口115的一侧(即面板105a上)处的发射元件(Tx)将生成被引导向入口115的两侧(面板105a和105b)上的接收元件(Rx)的交互波束。在旅客接近入口115时，交互波束的分布被更多地引导至发射波束来源的面板。因此，在一定距离处，旅客的正面被扫描，并且在旅客进入并走过面板105a、105b时，多数交互是由于两侧的旅客。因此，在旅客走过扫描系统100时，发射到相对的面板或发射回相同的面板的信号的量改变。在系统100中没有旅客时，所有信号都来源于从一个面板向另一面板发射的波束。然而，在旅客处于系统100中时，在相对入口面板105a、105b之间的一部分信号(例如，从旅客胸口的正面)被反射/散射回到相同面板，或全部信号被反射/散射回到相同面板(例如，从旅客胳膊的侧面从/至中央侧面板130a、130b)。如在图1中所示，旅客接着进入出口120，该出口包括检测面板110a和110b，其首先获得关于旅客的两侧的信息并接着从旅客的背面获取信息。通过这种方式，获得对旅客的3D形状的全表面扫描，由于所发射和所接收的所有数据优选是时间标记的，从而允许以相对顺序组织每个数据集。
为了优化扫描数据的收集/检测，有利的是针对旅客在系统100内的每个位置选择发射器/接收器对的最适合/最优集合。发射器/接收器对的这种适合/最优集合随旅客的形状和旅客在系统100内的位置这两者而改变。因此，在一些实施方式中，基于旅客的形状和位置来预估和/或预计算发射器/接收器对的合适/最优集合，并且以用于确定在扫描系统100内的每个位置处的物体的属性随后就选择这些对用于随后的数据分析。
对于本领域的普通技术人员明显的是，当旅客走过系统100时，在旅客身上的每个交互表面的位置连续改变。因此，根据本说明书的一个方面，在旅客走过系统100的过程中，旅客或检测空间和/或区域(即，由第一组、第二组和第三组的检测面板定义的通道)被多次扫描或采样。由于在所有接收器上对具有并行数据收集的每个发射器脉冲的数据收集都发生在纳秒的时间段(并小于100ns)内，并且在系统100中通常存在100至1000个发射器元件，可以在小于1毫秒的时间段内完成数据收集。完成数据收集的操作可理解为生成数据的“帧”。根据一方面，对于每个发射器，多个扫描数据测量结果或重复/多次扫描数据测量结果被提取以获得改善的信噪比，同时整个帧速率被保持在5帧每秒与100帧每秒之间的值。因此，当旅客以0.2m/s和2m/s之间的速度走过时，系统针对快速走过的旅客提供至少5检测帧每秒并伴以高信噪比的信号采集，以及针对缓慢运动的旅客提供超过100帧每秒的帧速率，并伴以减小的信噪比信号采集。系统100以这些帧速率多次采集运动旅客的高完整性的数据集，从而构建与现有技术中已知的静态“摆姿势并扫描”系统不同的更有效的穿行系统。
因此，根据一方面，系统100工作在多帧检测模式下，其中，在旅客走过正门时，收集旅客的多个扫描数据集以提供威胁类型和位置的若干测量结果并能够探测旅客身体上的隐藏的或难以扫描的位置/区域。
图2示出了当旅客202走过扫描器200时的扫描/成像系统200的平面图/俯视图，该图清晰地示出了在入口215和出口220处的两个成“V”角或漏斗形的扫描区。旅客202从图2的底部接近并以正常的速度走向图2的顶部。在旅客202走入筛查装置200中时，在门大小的面板205、210上的RF发射/接收元件向该旅客202的正面透射波束，并在他们退出筛查装置200时，向旅客202的背面投射波束。
图3示出了沿时间(t)传播的在正交方向上具有电分量(E)305和磁分量(H)310两者的射频波束的表示。如在图3中所示，通过曲线300使本领域的技术人员公知的是，给定频率的电磁辐射包括电场分量(E)305和磁场分量(H)310，该电场分量和磁场分量在相同方向上传播，其中，辐射的两个矢量分量305、310是在正交方向上。当此电磁辐射通过散射过程与物质相互作用时，辐射波束的E分量305和H分量310的相对相位和幅度受到特定类型的物质的属性(介电常数ε、导电率σ和导磁率μ)以及相互作用的性质(表面或主体)的影响。
图4A示出了从构成威胁的大小的物体(诸如例如，护照、手机、硬币等)403反射的高频(毫米波或太赫兹)电磁辐射入射波束405。在这里，与物体403相比，辐射波束405的波长较小，其结果是仅在物体403的表面发生相互作用，并因此不能从交互波束408获取物质信息。本领域的普通技术人员应理解的是，当与正在与物体交互的电磁辐射的波长大小相比，照射物体的电磁辐射的波长更小时，表面交互作用占优势。给出：
c＝fλ
其中，c＝光速，f＝辐射频率，并且λ＝辐射波长，那么可以如下计算多个相关波长的频率：
波长(cm) 频率(GHz)
1 30
2 15
5 6
10 3
20 1.5
50 0.6
对于已知的使用具有100GHz的量级频率的辐射的基于毫米波的成像系统，相关联的波长仅为几毫米，并因此与威胁物体和无害物体(例如，护照、手机、硬币等)的几乎所有交互作用将仅由表面引起。因此，此类系统除了检测到介电常数的不连续性，还能够生成物体的图像，但是这些图像传递很少的物质数据。
图4B示出了与构成威胁的大小的物体403交互作用的较低能量(微波)入射波束410。在这里，波长基本类似于(或相差无几)威胁物体和无害物体403(例如，护照、手机、硬币等)的大小，并因此在入射波束410和交互波束415之间的物体403的主体中存在强烈的交互作用。因此，如通过该频率的散射信号415进行观察时，如在图4B中所示，当交互电磁辐射的波长接近物体主体的尺寸时，在入射辐射410和物体403之间存在强烈的耦合，并且该交互作用影响E分量和H分量的相位以及入射电磁辐射410的幅度。在本说明书中，该主体物质交互作用被用于形成威胁标记。从上面的表格可以看出，以在2GHz至20GHz的范围内的频率运行的系统适用于检测多个威胁物品。
图5示出了由定向天线所生成的典型射频波束。在0度方向上传播目标主信号505，而在180度方向上形成了后瓣(back lobe)510。在这里，在正向方向形成主波束505，虽然同时在相反的方向上传播明显的波束510。已知的是天线的直径和形状影响电磁波束的聚焦-直径越大，聚焦越好。在本说明书的成像/扫描系统中，天线的直径是相对小的(通常范围从1cm到10cm)，使得所形成的波束相对不聚焦，以便照射具有威胁物体(携带在旅客身上)的定位位置的旅客的合理区域，其通过数据采集和信号处理电路/系统(诸如在本说明书中稍后描述的图10的电路/系统1000)的时域性质重构。在各种实施方式中，阻挡(辐射吸收)屏幕可被放置在天线后面以防止辐射与未处于天线的主视场中的物体交互作用。
根据本说明书的扫描/成像系统的方面，发射和接收天线元件被配置成给出待检测旅客最优覆盖范围以便将检测不到信号的旅客区域最小化。为达到待检测旅客的最优表面面积覆盖范围，采用多个发射器，每个发射器被激活以照射旅客的不同部位。同时，使用多个大面积接收器阵列来收集与从每个被激活发射器元件发出的辐射波束对应的散射辐射。该散射辐射来自从所收集的散射辐射所确定的威胁标记被重构、分段和分类的多个测量结果。
图6示出了在时域中的射频功率的类短高斯脉冲605(左手侧)，其映射到在频域中的射频功率的典型持续时间小于1ns的宽带脉冲610(右手侧)。在频率空间中，该脉冲相当于在截止频率中扩展许多GHz的宽高斯。该激励脉冲605在被施加于具有宽频率响应的合适天线时，提供与旅客进行交互的超宽带微波波束(用于本说明书的扫描/成像系统)。
由于脉冲605非常窄，因此由于以光速(在真空中，3x108m/s)行进的脉冲的传播时间，接收天线检测一定时间之后到达的交互波束脉冲。为了参考，在下面的表格中示出了在真空中用于各种总传输距离的多个示例性脉冲延迟时间：
距离(cm) 时间(ns)
2 0.1
5 0.3
10 0.7
20 1.3
50 3.3
100 6.7
时间分辨率为20ps的检测器将给出精确到仅为几毫米的空间位置。在图7中示出了信号收集系统的示意图。图7示出了向人715的表面投射微波能量的波束707的发射天线(Tx)705，其中，威胁物体(未示出)位于该人的正面。交互信号709从人715身上的威胁物体(未示出)散射返回到接收天线(Rx)710。所发射的脉冲707产生接收脉冲709，在该脉冲被发射或被发射以后，该接收脉冲返回到接收器710。
图7的信号收集系统示出了在时间t＝0处生成短RF脉冲707的信号发射元件Tx705。脉冲707向物体传播，其中，波束707与该物体交互作用并返回到接收元件Rx 710，该接收元件在一定时间△t之后产生脉冲。然而，图1的基于超宽带微波的成像系统100采用多个接收元件并获取与返回脉冲的时间对应的多个数据点，该返回脉冲的时间被并行记录在多个接收元件的每个上。几何形状允许对来自多个数据点的交互作用位置的三角测量。在更复杂的情况下，诸如使用图1的基于超宽带微波的成像系统100扫描旅客的情况下，其中，存在不止一个交互作用的物体(例如，旅客身体的表面和在距旅客身体的表面一定距离的口袋中的威胁物体)，可以示出多个交互脉冲，例如，来自威胁物体的前表面的一个交互脉冲，来自威胁物体的后表面的另一个交互脉冲，以及来自旅客身体的表面的又一个交互脉冲。
由于RF波束穿过威胁物体的传播速度取决于其介电特性(该波束在穿过物体时，传播速度变慢)，看起来缩在物体后面的旅客身体的表面与威胁物体的相对介电常数/介电特性成比例。该信息被用于在后续信号分析过程中重构威胁的位置、形状、大小和类型。根据实施方式，从每个发射器元件向检测/接收器元件的阵列投射超宽带射频允许使用本领域中的普通技术人员已知的简单射线追踪方法来确定位于旅客的口袋中或身体表面上的潜在威胁物体的物理位置和尺寸。另选地，在频域中，对本领域的技术人员公知的是，射频信号与介电物体的最强交互作用出现在RF波束的波长的整数因子(integer divisor)处。因此，在一个实施方式中，通过反射RF波束的频谱分析来确定物体的尺寸-其中，由于物体衰减，多个凹口是物体的尺寸的特性。
对于与潜在威胁物体垂直或近似垂直的RF入射波束，一部分波束从物体的前表面散射并且一部分波束通过威胁物体传播，从而从旅客身体的导电表面生成第二反射(即，从威胁物体的后表面)。从身体表面反射的信号通过威胁物体向后传播且随后传播到接收器。与从毗邻威胁物体的前表面的区域到达接收器的信号相比，在穿过威胁物体之后到达接收器的反射信号被延迟。时间延迟的程度至少取决于(1)威胁物体的物理厚度(厚度越大，延迟越长)，以及(2)威胁物体的介电常数(物体的相对介电常数越大，延迟越长)。根据实施方式，通过归一化所测得的威胁物体的厚度的反射信号(例如，如从视线所确定的)，确定潜在威胁物体的相对介电常数。
在可替代的数据采集方法中，在频域中进行信号收集。在这里，连续波正弦信号被传送给发射天线Tx，以及形成与待检测物体进行交互的波束。在接收天线Rx处检测交互波束，其中，所接收的信号与所发送的信号混合并产生中频参考信号。使用大约为参考频率来应用带通滤波器，并且所得的调制波相位和幅度由标准低频模拟-数字转换器(ADC)进行采样，以便确定与物体交互作用的类型。通过扫描所发射的波束频率，可以测量在长度尺度的范围内的交互作用，并因此生成与波束进行交互作用的物体的清晰照片。
在图1的基于超宽带微波的成像系统100中，存在多个发射器和多个接收器，并且通过在每个基频的相位和幅度数据，确定每个威胁物体以及旅客的身体表面的3D位置。有利之处在于，多个发射器可以被同时激活，每个发射器在相关微波频谱的不同部分内运行。
在另外的实施方式中，采用另外的技术(诸如伪随机二进制序列)以获得时域响应(通过将所接收的信号通过有限的分辨率、高速ADC与所发射的二进制代码相关联而获得)。
对于本领域中的技术人员显而易见的是，也可采用替代的数据收集方法，并且这些方法被包含在本说明书的范围内。例如，可以采用有限数量的发射器波束的定向转向，以替代大量的固定发射器波束的简单切换。
虽然在本说明书的扫描/成像系统中可以采用多种类型的天线是有利的，但是天线的理想属性包括足够的超宽带宽、宽角度发射、所定义的极化方向和性质(圆形或线性)、清晰定义的相位中央，使得从相同局部点源发出不同频率分量，并且能够与标准电子组装技术兼容从而易于制造。该天线也应与所采用的数据收集方法兼容，例如，时域收集方法需要具有窄脉冲响应和响声(可忽略不计的)天线。对于本领域中的技术人员显而易见的是，也可采用替代的几何形状的天线，并且它们包含在本说明书的范围内。为了说明的目的，天线类型的可能的示例包括但不限于喇叭、Vivaldi配置、锥体、加载偶极子和螺旋形。
为了使计算效率和威胁重构算法的绝对精度最大化，本说明书的扫描/成像系统利用发射和接收天线的最优布局。可以采用下面中的任一者，a)常规间隔天线，其中，每个天线可以在接收器模式和发射器模式之间切换，或b)替代的伪随机阵列。这两种类型的阵列具有它们的优点和缺点。常规阵列提供从制造的角度更简单的具体实施方式，但在用于重构威胁的位置和类型的透射数据集方面具有局限性。相比之下，伪随机阵列更难以制造，但是在透射数据集方面提供更大的多样化，其有助于精确的威胁重构。
根据另一方面，本说明书的扫描/成像系统使用最优的扫描序列。例如，有必要立即决定是否在任一时刻仅应启用一个发射器，或发射器的活动性是否应在时间、频率、位置或所有这些中交错。如果关联的电子数据采集系统产生“停滞期(dead time)”，则时间交错是有利的，从而在数据从接收元件被读出时，给定发射器需要被禁用。在使用频域数据收集时，频率交错是有利的。在发射元件被稀疏排列(诸如在待检测旅客的头部和脚部)时，按照位置交错是有利的，其中，在时域采样模式中的两种波束(被引导到头部的第一波束以及被引导到脚部的第二波束)的信号串扰不会简单重叠，因为任何交互信号到达接收器所花的时间由于第一波束和第二波束而不同。
在发射元件的数量变得很多时，在产生快速扫描次数的方面并行数据收集是有利的，由此在任一时刻或在临时交错发射器的情况下的时间段内激活不止一个发射器。
图8示出了矢量网络分析仪800的实施方式，其中，从发射器元件Tx 805所发射的波束806与由接收器元件Rx 810所接收的波束811通过中频相位和幅度检测器815混合，其中，低频模拟-数字转换器(ADC)820被用于分别记录在所发射的微波信号806和所接收的微波信号811之间的相位和幅度信息。
图9示出了根据实施方式的天线面板(诸如图1的扫描/成像系统100的面板105、110和130)的门大小的阵列的发射器的顺序图案(sequencing pattern)。在左侧，示出了从面板905的左下方到右上方的顺序光栅图案。在右侧，示出了在面板910上的用于伪随机发射图案的前几个位置。因此，面板905提供光栅扫描图案的示例，其中，包含多个发射器/接收器元件的发射器按照从面板905的左下方到右上方的顺序被激活。这种扫描顺序对于检测静止旅客上的威胁是理想的。然而，当旅客在行走时而被扫描时，有利的是使用在面板910中所例示的拟随机图案(quasi-random pattern)，因为这提供了四维(x,y,z,t)投影空间的更好的采样，在旅客的轨迹和从发射器传送到天线的波束的轨迹之间没有什么相关性。因此，本说明书的优选实施方式使用在检测器面板上的发射器的拟随机或非连续图案。
在任一种扫描模式中，可以应用使用一个以上的有效发射器的并行数据收集方法，以便使本说明书的扫描/成像系统的整体数据收集效率达到最大。
图10示出了本说明书的用于成像/扫描系统的数据采集系统或电路1000的实施方式。在该实施方式中，发射(Tx)和接收(Rx)放大器被连接到公用天线。在发射时，接收器信道被断开。Tx/Rx放大器被连接到各个数字信号处理(DSP)块，其从主数据采集系统(DAQ)接收精确的定时和相位控制信息。来自DSP块的经处理的数据由DAQ管理并产生高带宽投影数据，其经生成并被传送到威胁重构与检测处理器以用于分析。
现参考图10，每个天线1015被连接到发射器电路1005(Tx)以及接收器电路1010(Rx)。接收器电路1010包括与其输入端串联的开关，以在发射器被启动时断开接收器输入电路。同样，发射器包括与其输出端串联的开关，以在该发射器被禁用时将其与天线断开，从而该发射器不加载接收器输入电路。Tx电路1005和Rx电路1010的放大器被连接到数字信号处理器(DSP)1020，一个DSP 1020用于每个Tx/Rx对。DSP元件1020通常由数字电路和模拟电路形成，其包含模-数转换器、数-模转换器、现场可编程门阵列、微处理器以及全定制混合信号集成电路。DSP 1020的功能是生成发射器输出信号以调节并处理接收器输入信号并提供关于交互波束的数字输出投影数据流，该数字输出投影数据流传送用于有效实现后续的威胁重构算法所需的时间、相位或频域信息。高带宽数据采集系统(DAQ)1025管理每个Tx/Rx对1005、1010的投影数据的收集并提供精确的定时信息t以确保每个系统元件的精确同步。由于对于高速定时系统来说一般的情况是，DAQ 1025采用输入时间戳，其一般是在相对低频率处具有低定时抖动的精确时钟，并通过发送出已知的时间t并接着记录返回到DAQ1025的返回消息被接收的时间来自校正由每个Tx/Rx单元1005、1010呈现的时间，然后时间偏移取自该总循环时间的一半。
总是有可能存在比其它表面区域更难以穿透的一些表面区域(例如，在旅客走过扫描器时，在该旅客的大腿之间)，因此必须特别注意有效扫描这些区域。因此，在各种实施方式中，在旅客走过本说明书的扫描/成像系统(图1和2)时，收集该旅客的多个扫描数据集。每个扫描包括对应于旅客的身体的不同部位(例如，手臂摆动经过躯干)的数据。来自这些扫描数据集中的每个的数据被有利组合以给出完全的身体覆盖范围。另外，来自发射元件和接收器元件的波束利用宽波束角度，其能够使本说明书的扫描/成像系统在旅客走过扫描系统的成角度或漏斗形的入口和出口区域(图2的215、220)时，提供该旅客的身体的凹型特征/区域的改善/有效扫描。在各种实施方式中，波束角度范围在10到80度之间。太窄的波束产生非常高的镜面反射，这限制了用于处理图像的算法的成功性。太宽的波束产生较少的输入到接收器中的每单位功率，这影响信噪比。
一旦用于多个发射器和接收器天线的投影数据在不同时间和频率范围被采集，则下一步骤是重构潜在威胁物体的位置、方向以及物质类型。该过程通常以三个阶段实现：
1.通过投影数据重构3D形状
2.将3D形状数据分段为各个物体
3.各个分段的物体被分为威胁类或非威胁类
为了从投影数据集确定3D形状信息，采用各种问题逆向求解技术。例如，以矩阵形式布置投影数据以用于标准的数值矩阵求逆。另选地，可采用约束迭代解算器技术，其通常比基本的矩阵求逆计算更有效。
为了约束解算器或矩阵求逆问题，提供待检测旅客的三维形状的算法是有效的。这可以通过使用摄像机系统被有效实现，其中，在旅客走过本说明书的扫描/成像系统时，红外波束的栅格被投射到该旅客的表面上，并且通过由摄像机观察的这些波束的失真，可以确定该旅客的表面轮廓。通常，需要两个或更多个摄像机实现旅客的完整3D表面轮廓。其它机制对于本领域的技术人员来说是公知的，诸如将发散红外笔形波束投射到身体表面并测量距这些波束的交互点之间的距离。
接着按照合适的坐标系(诸如在图11中示出的3D笛卡尔矩阵)来描述威胁物体(被携带在旅客身上)。诸如柱形坐标系的替代系统也可以是有用的。在如图11中所示的笛卡尔坐标系系统1100的情况下，可以看出，刀状边(knife)1105在一维中(坐标系1100中的z轴、坐标系1115中的y轴和坐标系1120中的x轴)是长的，但是在其它维度是窄的(坐标系1100中的x轴和y轴，坐标系1115中的x轴和z轴以及坐标系1120中的x轴和z轴)。考虑到相位和频率信息以及空间信息，可以确定待检测物体的张量属性。描述每个分段物体的张量集被用于分类阶段以确定威胁的重要性(是否是无害的、无危险的、炸药、武器)和威胁的类型(手机、护照、炸药、刀具等)。对于本领域的技术人员公知的分类技术(诸如k最近邻法(KNN))可被用于确定所测得的张量集的威胁性质，并且型号与测量结果之间的残余误差也可以用于提供分类的置信参数。
在本说明书的成像/扫描系统的另外方面，在旅客走过使用叠加图标的扫描/成像系统时，威胁数据以一个或多个视频图像或可替代地实时视频图像的形式呈现给该旅客的操作员，该叠加图标通过它们的颜色(例如，无害＝绿色，无危险＝黄色，炸药＝红色，武器＝蓝色)示出威胁的重要性，并且通过它们的形状(例如，皮带扣图标、电话图标、炸弹图标、手枪图标)示出威胁的类型。图12示出了当旅客走过本说明书的扫描/成像系统时，威胁物品和无害物品(诸如但不限于，皮带扣、手机和手表)是如何作为图标1205在旅客1210的实时视频图像的顶部被显示的。图12作为示例示出了旅客1210的示例，该旅客将电子手表佩戴在其手腕上，用皮带系住其裤子并且在胸前的口袋中有手机-所有这些由图标1205表示。这三个图标1205被分别着以绿色以指示其是无害物品。通常，呈现给操作员的是两个视频图像，一个显示旅客1210的前面并且另一个显示旅客1210的后面。如由威胁重构过程所确定的，威胁图标1205被显示在前或后图像上的正确位置处。
返回参考图1，在高吞吐量的情况下，视频成像系统也可以用于将通过不同旅客产生的信号分离出来。例如，当一个旅客退出扫描/成像系统100，而另一旅客几乎通过漏斗或V形入口115时几乎完成了退出扫描/成像系统的旅客的扫描。通过将旅客ID的下方投影数据分离出来，可以在同一时刻在相同的扫描/成像系统100中支持多个旅客的扫描，只要旅客之间保留适当的间距(例如，1米)。
对于本领域的普通技术人员显而易见的是，校正成像/扫描系统100以用于去除环境噪声、外部杂散高频电磁场、手机信号、WiFi信号和可能存在的其它射频噪声。一旦系统100被校正，应用归一化例程来校正系统性的系统变量，诸如定时校正、Tx和Rx增益变化和电路抖动。在实施方式中，在如图10中所示的DSP块1020内应用此类校正(校正和归一化)。
上述示例仅为本说明书的系统的多种应用的示例性说明。虽然本文仅描述本发明的少数实施方式，但是应理解的是，可在不脱离本发明的精神或范围的情况下以许多其它具体形式实施本发明。因此，所述示例和实施方式应被视为说明性的而非限制性的，并且本发明可在附属权利要求的范围内更改。

Claims (33)

1.一种用于扫描沿纵轴走过检测区的旅客的正门，其中，所述旅客携带有在所述旅客的身上的至少一个物体，所述正门包括：
漏斗形入口，包括以相对于所述纵轴的第一角度安装的第一组的两个相对面板，所述第一角度在5度至85度的范围内；
漏斗形出口，包括以相对于所述纵轴的第二角度安装的第二组的两个相对面板，所述第二角度在5度至85度的范围内；
中央正门，包括彼此平行放置并位于所述漏斗形入口和所述漏斗形出口之间的第三组的两个相对面板，其中，所述第一组的两个相对面板、所述第二组的两个相对面板以及所述第三组的两个相对面板形成检测区并包括多个发射器元件和多个接收器元件，在所述旅客通过所述正门时，多个所述发射器元件将微波波束投射到所述旅客身上，多个所述接收器元件接收从所述旅客散射的所述微波波束，并且其中，在所述旅客通过所述正门时，一个以上的所述发射器元件被同时激活并生成所述检测区的多个扫描；以及
与多个所述发射器元件和多个所述接收器元件相关联的多个处理块，所述处理块处理散射的所述微波波束并输出包括时间信息、相位信息或频域信息中的至少一个的数据，其中，散射的所述微波波束是投射的所述微波波束与所述至少一个物体的上表面、所述至少一个物体的后表面以及与所述至少一个物体的上表面毗邻的所述旅客的一部分进行交互作用的结果，并且其中，所述时间信息、所述相位信息或所述频域信息中的至少一个被用于确定所述至少一个物体的位置、形状、大小或相对介电常数。
2.根据权利要求1所述的正门，其中，所述第一组的两个相对面板以相对于所述纵轴的所述第一角度被安装，并且所述第二组的两个相对面板以相对于所述纵轴的所述第二角度被安装，所述第一角度和所述第二角度在20度至60度的范围内。
3.根据权利要求1所述的正门，其中，所述第一组的两个相对面板、所述第二组的两个相对面板以及所述第三组的两个相对面板中的每个面板近似为2米高并具有在0.4米与1.0米之间的范围内的宽度。
4.根据权利要求1所述的正门，其中，所述第一组的两个相对面板被配置成扫描所述旅客的正面，所述第二组的两个相对面板被配置成扫描所述旅客的背面以及所述第三组的两个相对面板被配置成扫描所述旅客的多个侧面。
5.根据权利要求1所述的正门，其中，以在5帧每秒与100帧每秒之间的范围内的速率生成所述多个扫描。
6.根据权利要求1所述的正门，其中，所述微波波束具有在2GHz与20GHz之间的范围内的频率。
7.根据权利要求1所述的正门，其中，耦合到多个所述发射器元件和多个所述接收器元件中的每个的天线具有在1厘米与10厘米之间的范围内的直径。
8.根据权利要求1所述的正门，其中，以顺序光栅扫描图案激活多个所述发射器元件。
9.根据权利要求1所述的正门，其中，以伪随机扫描图案激活多个所述发射器元件。
10.根据权利要求1所述的正门，其中，所述至少一个物体被显示为叠加在所述旅客的实时视频图像上的图标。
11.根据权利要求10所述的正门，其中，所述图标被着色以指示所述至少一个物体的威胁状态。
12.一种用于扫描沿正门的检测区的纵轴走过的旅客的方法，其中，所述检测区由中央正门、入口漏斗和出口漏斗限定，其中，所述中央正门包括右面板和左面板，所述右面板和所述左面板以基本上平行的配置彼此相对，其中，所述入口漏斗包括以相对于所述中央正门的所述右面板的前端5至85度的角度被放置的第一面板和以相对于所述中央正门的所述左面板的前端5至85度的角度被放置的第二面板，并且其中，所述出口漏斗包括以相对于所述中央正门的所述右面板的后端5至85度的角度被放置的第一面板和以相对于所述中央正门的左面板的后端5至85度的角度被放置的第二面板，所述方法包括：
从所述中央正门、所述入口漏斗以及所述出口漏斗的面板中的每个上的多个发射器元件向所述旅客投射RF波束，其中，在所述旅客通过所述正门时，一个以上的所述发射器元件被同时激活并生成所述检测区的多个扫描；
由在所述中央正门、所述入口漏斗以及所述出口漏斗的面板中的每个上的多个接收器元件接收来自所述旅客的散射波束，其中，所述散射波束是投射的所述RF波束与位于所述旅客身上的至少一个物体的上表面和后表面以及与所述至少一个物体的上表面毗邻的所述旅客身体的表面进行交互作用的结果；并且
使用与多个所述发射器和多个所述接收器元件相关联的多个处理块来处理所述散射波束，以输出包括时间信息、相位信息或频域信息中的至少一个的数据，其中，所述时间信息、所述相位信息或所述频域信息中的至少一个被用于确定所述至少一个物体的位置、形状、大小或相对介电常数。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述入口漏斗和所述出口漏斗中的每个的所述第一面板和所述第二面板的角度在20度至60度的范围内。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述中央正门、所述入口漏斗和所述出口漏斗的每个面板近似为2米高并具有在0.4米与1.0米之间的范围内的宽度。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述中央正门、所述入口漏斗和所述出口漏斗的面板基本上分别扫描所述旅客的正面、背面和侧面。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，以在5帧每秒与100帧每秒之间的范围内的速率生成所述多个扫描。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述RF波束具有在2GHz与20GHz之间的范围内的频率。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，耦合到多个所述发射器元件和多个所述接收器元件中的每个的天线具有在1厘米与10厘米之间的范围内的直径。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，以顺序光栅扫描图案激活多个所述发射器元件。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，以伪随机扫描图案激活多个所述发射器元件。
21.根据权利要求12所述的方法，其中，所述至少一个物体被显示为叠加在所述旅客的实时视频图像上的图标。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述图标被着色以指示所述至少一个物体的威胁状态。
23.一种用于扫描沿正门的检测区的纵轴走过的旅客的方法，其中，所述检测区由第一组的两个面板、第二组的两个面板和第三组的两个面板分别限定，并且其中，所述第一组的面板和所述第二组的面板以相对于纵轴的角度来安装以分别形成所述正门的入口和出口，所述方法包括：
从所述第一组的面板、所述第二组的面板和所述第三组的面板上的多个发射器元件向所述旅客投射RF波束，其中，在所述旅客通过所述正门时，一个以上的所述发射器元件同时被激活并生成所述检测区的多个扫描；
由在所述第一组的面板、所述第二组的面板和所述第三组的面板上的多个接收器元件接收来自所述旅客的散射波束，其中，所述散射波束是投射的所述RF波束从位于所述旅客身上的至少一个物体的上表面和后表面以及从与所述至少一个物体的上表面毗邻的所述旅客身体进行交互作用的结果；并且
使用与多个所述发射器元件和多个所述接收器元件相关联的多个处理块来处理所述散射波束，以输出反映在从所述至少一个物体的所述上表面和所述后表面接收的所述散射波束之间的时差的数据，其中，所述时差被用于确定所述至少一个物体的相对介电常数。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一组的面板和所述第二组的面板的角度在20至60度的范围内。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一组的面板、所述第二组的面板和所述第三组的面板中的每个面板近似为2米高并具有在0.4米和1.0米之间的范围内的宽度。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一组的面板、所述第二组的面板和所述第三组的面板基本上分别扫描所述旅客的正面、背面和侧面。
27.根据权利要求23所述的方法，其中，以在5帧每秒到100帧每秒的范围内的速率生成所述多个扫描。
28.根据权利要求23所述的方法，其中，所述RF波束具有在2GHz和20GHz之间的范围内的频率。
29.根据权利要求23所述的方法，其中，耦合到多个所述发射器元件和多个所述接收器元件中的每个的天线具有在1厘米和10厘米之间的范围内的直径。
30.根据权利要求23所述的方法，其中，以顺序光栅扫描图案激活多个所述发射器元件。
31.根据权利要求23所述的方法，其中，以伪随机扫描图案激活多个所述发射器元件。
32.根据权利要求23所述的方法，其中，所述至少一个物体被显示为叠加在所述旅客的实时视频图像上的图标。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述图标被着色以指示所述至少一个物体的威胁状态。
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