CN107543831A - 快递邮品微波扫描成像装置及微波图像的违禁品检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快递邮品微波扫描成像装置及微波图像的违禁品检测方法。包括：机箱，用于设备固定与保护；传送模块，包括电动传送带及其测速计，传送待测物品，并实时测速；扫描模块，包括步进电机驱动的扫描架，进行往复扫描运动；探测模块，包括微波收发前端以及信号处理模块，实时输出探测信号；扫描控制器，协调计算机与其他模块的工作；数据采集器，负责数据中转；成像和显示装置，包括计算机及相应成像与识别软件，自动完成图象重构、违禁品识别与报警。本发明可以实现快递邮品中违禁品的非接触式快速自动检测，降低检测成本、提高安检效率，同时也降低了安检仪器对安检人员的健康危害。

Description

快递邮品微波扫描成像装置及微波图像的违禁品检测方法

技术领域

本发明涉及快递违禁品检测领域，具体是一种快递邮品微波扫描成像装置及基于微波图像的违禁品检测方法。

背景技术

随着电子商务的快速发展，物流产业面临着愈加沉重的快递邮品安检压力。目前对于快递邮品的非接触式安检手段十分欠缺。

现有技术中，申请号为201320864136.8的中国实用新型专利公开了一种手持式金属探测器，可用于金属物品的非接触式检测，成本低廉，但无法分辨金属制非违禁品，也无法检测非金属制违禁品，在快递邮品安检领域缺乏实用价值。

目前使用较多的X光行李安检仪也可用于快递邮品的非接触式安检，现有技术中，申请号为201310672241.6的中国实用新型专利公开了一种X光射线行李安检机，其采用穿透力极强的X光，成像精度高，但目前只能实现二维平面成像，且为防止射线泄露，至少需要3mm厚铅板屏蔽，行李进出通道也必须加挂铅帘，因而系统笨重，成本很高，即便如此，泄露的微量电离辐射仍然对长期暴露的安检人员健康造成严重威胁。

微波成像雷达相对价格低廉，体积轻巧，成像速度快，功率限制下对人体基本无害，可以用于快递邮品非接触式快速安检。微波成像技术主要分为主动式和被动式两种，其中主动式微波成像又以全息成像为主。

微波全息成像技术已经在机场安检等领域有所应用，主要用于解决人体违禁品检测问题，它同样适用于快递邮品非接触式安检。申请号为201110334768.9的中国实用新型专利公开了一种毫米波主动式三维全息成像的人体安检系统，其采用天线阵列柱面扫描方式，将柱面成像转换为平面成像会产生额外成像误差，加之天线阵列需要大量的收发天线和对应的收发通道，成本很高。鉴于存在较大尺寸的快递邮品，若用相同结构的成像系统进行非接触式安检，将面临极高的成本阻碍。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种快递邮品微波扫描成像装置，在较低的成本下实现非接触式快递包裹扫描成像，成像速度快，成像分辨率较高，整套系统体积较小、重量较轻、安装使用方便、对环境要求较低、对长期暴露人员基本无害。

本发明还提供了一种利用微波成像系统对于违禁品进行检测的方法，该方法对计算机硬件资源要求较低，对违禁品识别率较高、识别速度较快。

实现本发明目的的技术方案为：一种快递邮品微波扫描成像装置，包括机箱1、传送模块2、扫描模块3、探测模块4、数据采集器5、扫描控制器6、计算机7，

机箱1，前后通透用于待测物品进出；

传送模块2，包含传送带8、传送带电机9和传送带测速计10；传送带8固定于机箱1底部，沿待测物品进出方向布置，并由机箱1底部的传送带电机9驱动，传送带电机9开关及转速由扫描控制器6控制；传送带测速计10固定于机箱1内壁侧面，对准传送带8，测量传送速度，并实时输出至数据采集器5；

扫描模块3包括扫描架11和旋转编码器15，扫描架11包括滑轨12、滑块13和驱动步进电机14；其中，滑轨12横置于机箱1内壁顶部，覆盖整个机箱1宽度，与待测物品传送方向呈垂直关系，滑块13位于滑轨12上，可沿滑轨12往复运动；驱动步进电机14位于滑轨12一端，通过链条传动驱动滑块13运动，并由扫描控制器6控制；旋转编码器15 直接与驱动步进电机14相连，将滑块13的瞬时扫描位置信号实时发送给数据采集器5；

探测模块4包含微波收发前端及信号处理板；探测模块4固定于滑块13上，跟随滑块13沿滑轨12做往复运动；信号处理板输出探测信号；

数据采集器5固定于机箱1外壁表面，将采集自传送带测速计10的传送速度信号、旋转编码器15的瞬时扫描位置信号以及探测模块4实时输出的探测信号转发至计算机7；

扫描控制器6固定于机箱1外壁表面，将计算机7发送的扫描运动控制指令转化为传送模块2、扫描模块3和探测模块4的直接控制信号；

计算机7独立于机箱1放置，用于发送扫描运动控制指令以及接收数据采集器5实时发送的信号，并通过本地存储的成像识别软件结合控制指令及接收的信号实现微波全息图像重构及违禁品识别、报警。

一种基于快递邮品微波扫描成像装置的微波图像的违禁品检测方法，包含以下步骤；

步骤一，计算机7根据预设扫描轨迹发出扫描运动控制指令至扫描控制器6；

步骤二，扫描控制器6按照指令发送传送模块2的开启和转速控制信号以及扫描模块3的驱动脉冲信号；

步骤三，传送模块2按开启和转速控制信号以预设速度开始传送待测物品，同时传送带测速计10开始向数据采集器5实时发送传送速度信号；

步骤四，扫描模块3按驱动脉冲信号驱动滑块13以预设方式做扫描运动，同时旋转编码器15向数据采集器5发送瞬时扫描位置信号；

步骤五，探测模块4跟随滑块13扫描，并通过数据采集器5将探测信号实时传输至计算机7；

步骤六，计算机7根据预设扫描轨迹和实时探测信号，利用成像软件连续进行全息图像重构；

步骤七，计算机7同时根据数据采集器5发送的实际扫描运动状态信号对全息图像重构过程进行扫描运动误差补偿；

步骤八，计算机7对重构图像进行预处理，经显示器连续显示；

步骤九，计算机7通过图像特征提取软件提取预处理后的图像特征，利用违禁品图像识别特征库，通过图像特征识别软件进行违禁品自动识别；

步骤十， 计算机7在识别成功时，发出报警及相关信息，并关停传送装置2、扫描装置3和探测装置3。

本发明与现有类似技术相比，具有以下优点：

整个装置体积较轻，成本较低；系统发射功率较低，长期暴露下对人体基本无害；系统成像速度较快，能保证以较快速度对待测物品进行非接触式安检；微波全息成像具有较高的成像分辨率，有利于提高违禁品识别率；违禁品自动识别功能可极大降低安检人员负担，提高安检效率。

附图说明

图1为本发明实施例的快递邮品微波扫描成像装置结构示意图。

图2为本发明实施例的快递邮品微波扫描成像装置扫描轨迹示意图。

图3为本发明实施例的快递邮品微波扫描成像装置探测模块系统原理图。

具体实施方式

本发明的第一部分，一种快递邮品微波扫描成像装置，包括：机箱、传送模块、扫描模块、探测模块、数据采集器、扫描控制器、计算机，其特征在于：

所述机箱用于整机保护及设备固定；

进一步的，所述机箱包括内壁覆盖的用于削弱微波多次反射的吸波材料；

所述传送模块用于按照一定速度沿纵向匀速传送待测物品，且速度可控；

进一步的，所述纵向指待测物品顺次接受扫描的方向；

特别的，所述传送模块还包括传送带测速计，所述传送带测速计用于实时测量传送带的运动速度即待测物品传送速度，并以数字信号形式输出；

所述扫描模块用于携带所述探测模块按照预定轨迹进行扫描运动；

进一步的，所述扫描模块包括扫描架，与传送模块联合可以实现复杂平面轨迹的连续扫描；

在一个实施例中，所述扫描模块可进行横向往复运动，结合待测物品在所述传送模块上的纵向运动，实际扫描运动轨迹呈锯齿状；

更进一步的，所述扫描架至少包括一台驱动用步进电机，所述步进电机驱动脉冲信号由扫描控制器发出，且步进电机直接与旋转编码器相连，可以直接输出瞬时扫描位置信号；

所述探测模块固定于所述扫描模块的滑块上，并跟随所述扫描模块沿预定轨迹进行主动探测，实时输出探测信号；

进一步的，所述探测信号以两路正交数字信号形式输出；

在一个实施例中，所述探测模块通过发射天线发射线性调频连续波，目标回波信号经接收天线进入探测模块，经过正交化、混频、滤波、采样后输出所述探测信号；

所述扫描控制器用于将计算机发送的控制指令转换为传送模块、扫描模块、探测模块的直接控制信号；

所述数据采集器用于接收所述探测模块实时发送的所述探测信号、所述传送带测速计实时发送的待测物品传送速度信号以及所述旋转编码器实时发送的瞬时扫描位置信号；

特别的，所述传送速度信号与所述瞬时扫描位置信号共同构成实际扫描运动状态信号，与所述探测信号一并经所述数据采集器处理并发送至所述计算机；

所述计算机完成实时成像与目标识别；

特别的，所述计算机预装全息成像与违禁品识别软件。

本发明的第二部分，提供一种利用微波成像系统对于违禁品进行检测的方法，包括以下步骤：

在传送模块和扫描模块的协同工作下实现探测模块对待测物品沿预设轨迹的扫描运动；

探测模块通过数据采集器将探测信号实时传输至计算机；

计算机根据预设扫描轨迹和实时探测信号，利用成像软件进行图像重构；

计算机同时根据数据采集器采集的实际扫描运动状态信号对图像重构过程进行扫描运动误差补偿；

计算机通过成像软件截取重构图像，进行预处理，同时经显示器连续显示预处理后的图像，供安检人员查看，通过人工辅助识别；

计算机通过图像特征提取软件提取预处理后的图像特征，基于存储的违禁品图像识别特征库，通过图像识别软件自动对待测物品进行分类识别；

计算机在自动识别成功时，发出报警信息，提醒安检人员作进一步处理。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

根据图1，一种快递邮品微波扫描成像装置，可以包括：机箱1、传送模块2、扫描模块3、探测模块4、数据采集器5、扫描控制器6、计算机7，其中：

机箱1包括用于整机保护、固定的铝合金框架。特别的，机箱1内壁均覆盖吸波材料，用于削弱电磁波经内壁的多次反射。

传送模块2，类似申请号为201220390527.6的中国实用新型专利公开的一种变速传送装置，包括传送带8、传送带电机9以及传送带测速计10。传送带8用于承载待测物品。传送带电机9用于驱动传送带匀速传送待测物品，其转速可由扫描控制器6控制，且应当具有较大扭矩以避免较重的待测物品引起传送带速度的明显下降。传送带测速计10用于实时测量传送带转速，并将速度信息以数字信号形式输出。

扫描模块3，例如CCM-W40-06型直线滑台，包括扫描架11及配套的滑轨12、滑块13和驱动步进电机14。根据图1所示扫描架11的滑块13可在驱动步进电机14的驱动下，实现滑轨12尺寸范围内的复杂轨迹扫描，驱动步进电机14由脉冲信号驱动，驱动脉冲对应固定的步距角，同时也对应滑块13相应方向的位移。如图2所示，若传送模块2匀速运动，同时扫描模块3匀速横向往复运动，则最终可以形成锯齿形的扫描轨迹。

探测模块4包括一套微波收发前端及配套信号处理模块。其中，探测模块4至少包含发射天线、接收天线、晶体振荡器、数控鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、定向耦合器、低噪声放大器、正交混合网络、混频器、中频放大器、带通滤波器、模数转换器、数字信号处理器。

根据图3，探测模块4的工作过程如下：数字鉴相器、环路滤波器和压控振荡器共同组成数字锁相环，晶体振荡器输出信号作为数字鉴相器的参考鉴相频率，最终数字锁相环在数字信号处理器的控制下输出预期发射信号；发射信号主要经发射天线发射，其回波经接收天线接收，再经低噪声放大器放大后进入正交混合网络，等功率分为相位相差90°的两路正交信号；同时发射信号经定向耦合器耦合部分信号，经功分器等分为两路同样的信号，作为本振分别与两路正交信号混频得到两路中频正交信号；两路中频正交信号经过对应的中频放大器、带通滤波器以及模数转换器的放大滤波采样，以数字信号形式输入数字信号处理器，经数字信号处理器处理。

扫描控制器6搭载微处理器，用于按预设的锯齿形扫描轨迹控制传送模块2、扫描模块3和探测模块4工作。扫描控制器6产生驱动步进电机14的驱动脉冲信号，直接控制驱动步进电机14的转速、转向和位移。单个脉冲应当对应固定的步距角即滑轨的固定位移，若加快转速，则锯齿越密集。

数据采集器5主要用于采集探测模块4实时输出的探测信号，同时实时采集传送带测速计10发送的传送带8瞬时传送速度信号，用于实时监测待测物体纵向运动速度。数据采集器5还应当采集旋转编码器15输出的瞬时扫描位置信号。特别的，探测信号、传送速度信号以及瞬时扫描位置信号实时输出。

计算机7通过搭载的软件系统实现微波全息成像和违禁品识别。计算机7接收数据采集器5实时发送的探测信号，根据预设扫描轨迹，顺次选取相应点的回波数据，提取探测信号相应的的幅度和相位信息，按照全息成像算法实现连续图象重构。同时，根据对应的传送速度信号以及瞬时扫描位置信号，对扫描运动误差进行补偿，提高成像精度。

计算机7对重构图像进行预处理，包括去噪、增强、轮廓提取等，以提高重构图像的鉴别率和可视性，并将预处理图像通过显示屏连续显示，供安检人员查看，通过人工辅助识别。违禁品识别主要通过软件自动进行，预处理图像经特征提取后，基于计算机7存储的违禁品图像识别特征库，通过图像识别软件自动进行分类识别。

计算机7在自动识别成功时，通过报警系统高亮当前检测图像中违禁品的轮廓，显示违禁品图像识别特征库中对应违禁品的相关信息，并在显示屏中发出报警信息，提示安检人员，同时通过扫描控制器6停止传送模块2、扫描模块3和探测模块4，供安检人员进一步处理。

Claims (9)

1.一种快递邮品微波扫描成像装置，包括机箱[1]、传送模块[2]、扫描模块[3]、探测模块[4]、数据采集器[5]、扫描控制器[6]、计算机[7]，其特征在于：

机箱[1]，前后通透用于待测物品进出；

传送模块[2]，包含传送带[8]、传送带电机[9]和传送带测速计[10]；传送带[8]固定于机箱[1]底部，沿待测物品进出方向布置，并由机箱[1]底部的传送带电机[9]驱动，传送带电机[9]开关及转速由扫描控制器[6]控制；传送带测速计[10]固定于机箱[1]内壁侧面，对准传送带[8]，测量传送速度，并实时输出至数据采集器[5]；

扫描模块[3]包括扫描架[11]和旋转编码器[15]，扫描架[11]包括滑轨[12]、滑块[13]和驱动步进电机[14]；其中，滑轨[12]横置于机箱[1]内壁顶部，覆盖整个机箱[1]宽度，与待测物品传送方向呈垂直关系，滑块[13]位于滑轨[12]上，可沿滑轨[12]往复运动；驱动步进电机[14]位于滑轨[12]一端，通过链条传动驱动滑块[13]运动，并由扫描控制器[6]控制；旋转编码器[15] 直接与驱动步进电机[14]相连，将滑块[13]的瞬时扫描位置信号实时发送给数据采集器[5]；

探测模块[4]包含微波收发前端及信号处理板；探测模块[4]固定于滑块[13]上，跟随滑块[13]沿滑轨[12]做往复运动；信号处理板输出探测信号；

数据采集器[5]固定于机箱[1]外壁表面，将采集自传送带测速计[10]的传送速度信号、旋转编码器[15]的瞬时扫描位置信号以及探测模块[4]实时输出的探测信号转发至计算机[7]；

扫描控制器[6]固定于机箱[1]外壁表面，将计算机[7]发送的扫描运动控制指令转化为传送模块[2]、扫描模块[3]和探测模块[4]的直接控制信号；

计算机[7]独立于机箱[1]放置，用于发送扫描运动控制指令以及接收数据采集器[5]实时发送的信号，并通过本地存储的成像识别软件结合控制指令及接收的信号实现微波全息图像重构及违禁品识别、报警。

2.根据权利要求1所述的快递邮品微波扫描成像装置，其特征在于：机箱[1]由长方体型金属框架组成，除前后面外的四面内壁全部覆盖吸波材料。

3.根据权利要求1所述的快递邮品微波扫描成像装置，其特征在于：扫描模块[3]中驱动步进电机[14]的运动方向、速度、位移由扫描控制器[6]输出的驱动脉冲信号决定。

4.根据权利要求1所述的快递邮品微波扫描成像装置，其特征在于：微波收发前端采用线性调频连续波或步进频连续波体制，输出频率5-7GHz；微波收发前端包含发射天线和接收天线，采用单个缝隙天线或喇叭天线或微带天线或介质棒天线，通过环流器或微波开关实现收发复用。

5.根据权利要求1所述的快递邮品微波扫描成像装置，其特征在于：探测模块[3] 实际输出的探测信号为包含探测目标点幅度、频率、相位信息的两路数字形式正交信号。

6.根据权利要求1所述的快递邮品微波扫描成像装置，其特征在于：计算机[7]包含全息图象重构及违禁品识别软件系统，该系统包括全息图象重构软件、违禁品图像识别特征库、图像特征提取软件、图像特征识别软件以及报警单元。

7.根据权利要求1所述的快递邮品微波扫描成像装置，其特征在于：计算机[7]实现图象重构的过程包括利用实际扫描运动状态信号进行的扫描运动误差补偿；实际扫描运动状态信号由传送带测速计[10]的传送速度信号、旋转编码器[15]的瞬时扫描位置信号组成。

8.一种基于权利要求1所述的快递邮品微波扫描成像装置的微波图像的违禁品检测方法，其特征在于包含以下步骤；

步骤一，计算机[7]根据预设扫描轨迹发出扫描运动控制指令至扫描控制器[6]；

步骤二，扫描控制器[6]按照指令发送传送模块[2]的开启和转速控制信号以及扫描模块[3]的驱动脉冲信号；

步骤三，传送模块[2]按开启和转速控制信号以预设速度开始传送待测物品，同时传送带测速计[10]开始向数据采集器[5]实时发送传送速度信号；

步骤四，扫描模块[3]按驱动脉冲信号驱动滑块[13]以预设方式做扫描运动，同时旋转编码器[15]向数据采集器[5]发送瞬时扫描位置信号；

步骤五，探测模块[4]跟随滑块[13]扫描，并通过数据采集器[5]将探测信号实时传输至计算机[7]；

步骤六，计算机[7]根据预设扫描轨迹和实时探测信号，利用成像软件连续进行全息图像重构；

步骤七，计算机[7]同时根据数据采集器[5]发送的实际扫描运动状态信号对全息图像重构过程进行扫描运动误差补偿；

步骤八，计算机[7]对重构图像进行预处理，经显示器连续显示；

步骤九，计算机[7]通过图像特征提取软件提取预处理后的图像特征，利用违禁品图像识别特征库，通过图像特征识别软件进行违禁品自动识别；

步骤十， 计算机[7]在识别成功时，发出报警及相关信息，并关停传送装置[2]、扫描装置[3]和探测装置[3]。

9.根据权利要求8所述的微波图像的违禁品检测方法，其特征在于：所述违禁品图像识别特征库由全息图象重构软件及违禁品识别软件系统对典型违禁品重构全息图像并逐个提取特征组建。