CN107728222A - 主动式太赫兹安检成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于安检设备及图像处理技术领域的一种主动式太赫兹安检成像方法及系统。该安检成像系统由数据采集与处理系统分别与太赫兹发射装置、太赫兹线阵探测器和带状波束扫描控制单元相连，分束器分别连接波束整形光学组件、太赫兹线阵探测器和太赫兹聚焦光学组件，带状波束扫描控制单元和被测目标组成。该方法采用以太赫兹源主动发射太赫兹辐射、带状聚焦波束一维扫描、线性阵列太赫兹探测器接收的模式，快速完成整个目标平面的照射与扫描，达到对目标快速成像和检查的目的；本发明采用主动式太赫兹安检成像系统提高了成像质量。采用一维扫描方式大大节省了成像时间。采用阵列探测器，简化电路系统结构，降低系统成本，减少经费开支。

Description

主动式太赫兹安检成像方法及系统

技术领域

本发明属于安检设备及图像处理技术领域，特别涉及主动式太赫兹安检成像方法及系统。

背景技术

在公共场所(如边界关卡、机场、车站、地铁、港口、博物馆、体育馆或其他重要公共场馆)安检以X射线行李成像为主，辅助以金属探测器和人工检查来检测行人以及随身携带的行李物品。但X射线对人体有害，且不能有效检测出C4炸药等爆炸物以及塑料或陶瓷武器等非金属危险物品，同时还存在误报率高、二次检查耗时较长等缺点。

太赫兹是一种波长介于红外线与微波之间的电磁波，比X射线的光子能量小，对人体不会产生电离损伤，且能很好地穿透硬纸板、塑料、陶瓷、泡沫等非极性材料。因此，太赫兹安检仪是一种新型的安全检察手段，具有较强探测能力，能够检测衣物和行李中或人体内是否隐藏可疑物品，同时还能探测出陶瓷刀具、毒品粉末和炸药等非金属危险物质。

太赫兹安检成像系统分为被动式成像和主动式成像，被动式成像依靠人体自身产生的微弱的太赫兹波来进行成像和安检，不需要外加太赫兹辐射源照射人体。由于信号太弱，成像速度相对比较慢。英国Thruvision公司推出的被动式太赫兹安检系统主要有T4000、T5000、TS4系列，已经开始在部分机场使用。目前国内中电集团38所研制的被动式太赫兹安检产品“博微太赫兹人体安检仪”已进行销售。

主动式成像过程是由安检系统发出的太赫兹辐射照射到目标上，目标把含有自身振幅和相位的太赫兹波信号反射回安检系统，转换为电信号形成目标的太赫兹反射图像，根据图像的形状和灰度值来提取目标的特征信息。主动式的太赫兹人体成像系统目前没有商业化产品出现，还处于实验室探索阶段，代表性研究单位有美国西北太平洋国家实验室(PNNL)和喷气推进实验室(JPL)。PNNL研发350GHz主动式太赫兹成像系统，采用单像元的发射和接收链路，发射源发出的太赫兹波经由大口径反射镜聚焦至远处的待测目标，目标反射回来的信号经原路返回至接收器。由于发射和接收器都是单点式的，每次只能测量目标上一个点的数据，要想获得图像，需要对聚焦至目标的波束进行二维扫描，一般通过平面反射镜的二维运动来实现。该系统成像距离为5m，扫描时间约10秒(Sheen D M,Hall T E,Severtsen R H,et al.Standoff concealed weapon detection using a 350GHz radarimaging system[C].Proceedings of SPIE.Orlando:[s.n.],2010)。JPL实验室研制了600GHz三维太赫兹成像雷达，可达到4m的探测范围，分辨率为1cm，成像时间要5min，随后将工作频率升高至675GHz，主反射镜口径扩大至1m，成像距离增大到25m，时间缩短至1s，接近实时成像(Cooper K B,Dengler R J,LlombartN,etal.THz Imaging Radar for StandoffPersonnel Screening[J].IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology,2011(1):169-182)。因为只有单像元的发射和接收器，每次只能测量目标平面的一个点，要想得到图像必须进行二维机械扫描，这几种系统均存在结构非常复杂的扫描装置，并且成像时间也上不去，难以达到实用。

申请号201610607355.6(公开日期2017.1.11)“一种太赫兹快速二维扫描系统和方法”的太赫兹接收、发射系统通过平面镜发射实现成像,倾斜平面反射镜的二维有限转动代替二维往返扫描,使波束往返移动扫描，可实现大范围实孔径扫描成像。相比于申请号201610395394.4(公开日期2016.8.24)和申请号201510321859.7(公开日期2015.9.23)采用平面反射镜二维往返运动进行逐点扫描节省一些时间。申请号201510678380.9(公开日期2016.1.20)“一种应用于太赫兹波远距成像的二维扫描装置”介绍了另一种结构的二维扫描装置,平面反射镜锁定在组合二维扫描装置上,装置通过旋转、俯仰二维运动来实现太赫兹波的远距成像，成像时间介于以上两种情况之间。

申请号201610521462.7(公开日期2017.1.11)的“一种用于安检的太赫兹成像系统”中的扫描系统由两片菲涅尔透镜和两片反射镜组成，其中两片菲涅尔透镜水平放置，一片反射镜放置在两片菲涅尔透镜的上方可以左右摆动，一片反射镜放置在两片菲涅尔透镜的下方可以上下摆动，通过摆动两片反射镜的上下左右来改变太赫兹波的射出和入射的方向，这要配合好两片反射镜的相对移动位置，本质与二维点扫描相同。

申请号201610425109.9(公开日期2016.11.9)“一种太赫兹主动式安检仪”利用电真空器件作为太赫兹辐射源，用光学透镜组收集和会聚太赫兹波直接成像到面阵探测器上，能做到实时成像，但就目前来讲，这种方式成本太高。

申请号201410603039.2(公开日期2015.1.14)“太赫兹成像旅客行李快速安检系统及其检测危险物品方法”通过计算机控制放置旅客行李的平台二维平移，使太赫兹波聚焦到旅客行李上,太赫兹波经过旅客行李反射、透镜聚焦后被面阵探测器接收，实现实时成像。该方法造价昂贵，同时增加了整机机械振动等不利因素。

目前商用的太赫兹安检系统是被动式太赫兹成像系统，检测速度慢，成像分辨率较低。实验室中的主动式太赫兹成像系统和以上专利中的实现方法主要采用逐点扫描成像和面阵成像等技术，逐点扫描采用各种电机结构进行二维扫描，耗时较长，难以对目标进行高效率的检查。面阵成像如焦平面探测面阵列成像、基于电光采样方法的成像等存在系统相对复杂而且设备昂贵等方面的不足。

发明内容

本发明的目的是提出了一种主动式太赫兹安检成像方法及系统，该方法采用以太赫兹源主动发射太赫兹辐射、带状聚焦波束一维扫描、线性阵列太赫兹探测器接收的模式，快速完成整个目标平面的照射与扫描，达到对目标快速成像和检查的目的，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对被测目标进行太赫兹成像，以人或物体为目标，对被测目标进行太赫兹成像：

步骤2，将太赫兹发射器输出的太赫兹辐射整形为强度均匀的带状波束，并传输至被测目标；

步骤3，通过太赫兹线阵探测器收集由被测目标反射回来的太赫兹带状辐射，得到被测目标一行像素的信息，以及通过带状波束扫描控制系统使太赫兹带状波束扫描视域中的各行像素，从而获取被测目标的太赫兹反射图像；

步骤4，判断获取的被测目标太赫兹图像中是否存在藏有违禁品的可疑区域。

所述步骤2，将太赫兹发射器输出的太赫兹辐射准直、聚焦成强度均匀的带状波束：太赫兹发射器输出的太赫兹辐射经过非球面镜后变换为带状波束；带状波束再经过衍射光学元件或非球面透镜组后整形为强度均匀的带状波束；其中非球面透镜包括抛物柱面镜或椭柱面镜或者柱透镜。

所述步骤3中带状波束扫描控制系统包括太赫兹带状波束扫描装置和太赫兹带状波束扫描控制单元；太赫兹带状波束扫描控制单元发送信号至太赫兹带状波束扫描装置，使太赫兹带状波束扫描视域中的各行像素得到控制，调节太赫兹带状波束扫描装置中的带状波束扫描模块以改变太赫兹带状波束在被测目标上的带状光斑位置；带状波束扫描模块为振镜或绕轴转动的多面镜或多边棱镜，对目标进行俯仰式或上下平动式的扫描；或者由太赫兹发射器、太赫兹线阵探测器和太赫兹光学组件的系统进行平移运动组成的太赫兹带状波束扫描装置承载包括带状波束扫描控制单元发送信号至太赫兹带状波束扫描装置，调节太赫兹带状波束扫描装置的空间位置从而改变入射太赫兹波束在被测目标上的带状光斑位置。

所述步骤4判断通过太赫兹成像得到的被测目标太赫兹图像中是否存在藏有违禁品的可疑区域包括如下步骤：通过数据采集与处理系统对得到的图像数据进行灰度归一化，再根据光学系统的点扩散函数进行解卷积来处理图像的几何校正，基于得到的太赫兹反射图像的形状特征和灰度值特征判断扫描图像中是否存在藏有违禁品的可疑区域，同时对可疑区域进行精确定位。

主动式太赫兹安检成像系统101组成：数据采集与处理系统113分别与太赫兹发射装置102、太赫兹线阵探测器112和带状波束扫描控制单元114相连，太赫兹发射装置与波束整形光学组件104连接，分束器110分别连接波束整形光学组件104、太赫兹线阵探测器112和太赫兹聚焦光学组件105，带状波束扫描装置106分别连接太赫兹聚焦光学组件105、带状波束扫描控制单元114和被测目标108；其中，太赫兹发射装置发射出连续太赫兹波辐射，用于照射被测目标；太赫兹线阵探测器用于探测由被测目标反射回来的太赫兹辐射信号；波束整形光学组件用于将太赫兹发射装置产生的太赫兹辐射整形为强度均匀的带状波束；太赫兹聚焦光学组件用于把带状波束聚焦至被测目标，同时将被测目标反射回来的带状波束聚焦至太赫兹线阵探测器；带状波束扫描控制单元用于调节太赫兹带状波束入射至被测目标上的空间位置；数据采集与处理系统用于控制太赫兹发射装置、太赫兹线阵探测器和带状波束扫描控制单元的协调工作，构建被测目标的太赫兹反射图像；基于由太赫兹反射图像得出的形状特征和灰度值特征判断被测目标太赫兹反射图像中是否存在藏有违禁品的可疑区域，并对可疑区域进行搜索定位。

所述太赫兹发射装置包括一个太赫兹发射器或多个太赫兹发射器，其中多个太赫兹发射器并排排列；该太赫兹发射器为耿氏振荡器及倍频器、返波管、参量振荡器、或者量子级联激光器。

所述太赫兹线阵探测器是由肖特基二极管、超导-绝缘体-超导结混频器或者测热辐射计排列组成的线性阵列。

所述太赫兹带状波束扫描装置和太赫兹带状波束扫描控制单元互相连接组成带状波束扫描控制系统；太赫兹带状波束扫描装置通过太赫兹波束扫描控制单元实时调节和监测带状波束，完成带状波束空间位置信息的设定和读取；太赫兹带状波束扫描装置为振镜或绕中心轴转动的多面镜或多边棱镜，对被测目标进行俯仰式或上下平动式的扫描。

所述带状波束扫描装置承载着包括太赫兹发射装置、太赫兹线阵探测器和太赫兹光学组件的的机械平移台；对被测目标进行一维列扫描从而获取被测目标的图像。

所述太赫兹光学组件包括非球面镜以及衍射光学元件组合的非球面透镜组、分束器、平面镜；负责将太赫兹发射装置产生的波束准直或聚焦整形成强度均匀带状波束、将被测目标反射回来的太赫兹带状波束收集至太赫兹线阵探测器和将太赫兹带状波束聚焦至被测目标上。

本发明有益效果是采用主动式太赫兹安检成像系统，相对于被动式成像系统提高了成像质量。采用一维扫描，相对于二维点扫描或一维点扫描加一维旋转扫描等复杂的扫描方式大大节省了成像时间。采用阵列探测器，有利于又降低系统成本，减少经费开支，同时在一定程度上简化了对应的电路系统结构。

附图说明

图1是主动式太赫兹安检成像系统组成的示意图。

图2是主动式太赫兹安检成像系统实施例侧视光路示意图；

图3是图2中椭柱面镜202对应的两条焦线209和210示意图，304、305分别为209、210的中点。

具体实施方式

本发明提出了一种主动式太赫兹安检成像方法及系统，下面结合附图和实施例予以说明。该实施例用椭柱面镜把太赫兹发射器发出的太赫兹辐射变成带状波束，通过带状波束扫描控制单元控制振镜的摆动使得带状波束对目标进行一维扫描，目标反射回的太赫兹带状波束被椭球面镜收集，会聚到太赫兹线阵探测器上，太赫兹线阵探测器输出的信号经过数据采集与处理系统形成目标的太赫兹反射图像。

如图1所示为主动式太赫兹安检成像系统工作示意图，该主动式太赫兹安检成像系统1的工作步骤为：太赫兹发射装置102产生连续波太赫兹辐射103，经过波束整形光学组件104(可以是抛物柱面镜或椭柱面镜或柱透镜以及衍射光学元件或非透镜组)成为强度均匀的太赫兹带状波束，再经过分束器110以及太赫兹聚焦光学组件105(可以是抛物面镜或椭球面镜或透镜)和带状波束扫描装置106，太赫兹入射带状波束107会聚至远处的被测目标108上某一特定的带状检测区域，该带状检测区域的中心位置由带状波束扫描装置106控制。由被测目标108反射的带状波束109沿入射带状波束的传播路径返回，然后经分束器110反射，经分束器反射的带状波束111的强度由太赫兹线阵探测器112测量；数据采集与处理系统113读取该特定带状检测区域的太赫兹反射波强度。带状波束扫描控制单元114发送信号至带状波束扫描装置106，通过其中的机械部件使带状波束扫描装置106得到调节从而改变入射带状波束107在被测目标108上的带状光斑位置；数据采集与处理系统113与带状波束扫描控制单元114、太赫兹线阵探测器112协调工作，获取被测目标108待扫描区域内不同位置处的太赫兹反射波强度，通过数据采集与处理系统113，对得到的太赫兹反射波强度数据进行灰度归一化，再根据光学系统的点扩散函数进行解卷积来处理图像的几何校正，最后构建出被测目标108的太赫兹反射图像。基于由太赫兹反射图像得出的形状特征和灰度值特征判断扫描图像中是否存在藏有违禁品的可疑区域，同时对可疑区域进行精确定位。

图2是该发明系统实施例的侧视光路示意图，包括：太赫兹发射装置102、椭柱面镜202、分束器110、平面镜204、椭球面镜205、振镜206、太赫兹线阵探测器112、衍射光学元件211。

如图3所示，椭柱面镜202有两条由一系列相应椭圆的焦点组成的焦线线段209和210与之对应，太赫兹发射装置102放置在焦线线段209的中点304上。焦线线段210的中点305即为椭球面镜205对应的经过平面镜204镜像后的焦点。椭球面镜205对应的经过振镜206镜像后的焦点位于目标207上，即目标平面是椭球面镜205的一个焦平面。太赫兹线阵探测器112和焦线线段210关于分束器110对称。系统中光轴的垂直关系如图所示，椭球面镜205的关于平面镜204镜像后的光轴与椭柱面镜202对应的305点所在的这条光轴重合，分束器203、平面镜204与光轴的夹角分别为正45度和负45度。

从太赫兹发射装置102发出的发散太赫兹辐射103波束经过椭柱面镜202的一维聚焦后，经过衍射光学元件211后强度分布均匀化，在垂直于纸面的方向继续发散，在平行于纸面的方向上会聚于另一条焦线210，于是在焦线210处形成带状波束。之后带状波束在平行于纸面的方向上也开始发散，但发散程度小于其在垂直于纸面方向上的发散程度，因此仍然是带状波束。经过分束器110后，带状波束被平面镜204反射到椭球面镜205上，带状波束经过椭球面镜205的收集反射后，由发散带状波束聚焦为会聚带状光束，被振镜206反射后，聚焦到目标207上。根据光路的可逆性，被目标207反射回来的太赫兹波带状波束会到达分束器110，经分束器110反射的带状波束会聚到与210关于分束器110对称的太赫兹线阵探测器112上。当振镜206进行转动时，目标207即被太赫兹波带状光束一维扫描，同时太赫兹线阵探测器112连续接收到目标反射的太赫兹带状波束，太赫兹线阵探测器112输出的信号以及带状波束扫描控制单元输出的扫描位置信息等数据经过数据采集与处理系统的灰度归一化和几何校正后，构建被测目标108整体的太赫兹反射图像。通过对图像中的形状和灰度值进行分析，就能发现和定位隐藏于衣物之下以及携带物品中的违禁品。

Claims (10)

1.一种主动式太赫兹安检成像方法，该方法采用以太赫兹源主动发射太赫兹辐射、带状聚焦波束一维扫描、线性阵列太赫兹探测器接收的模式，快速完成整个目标平面的照射与扫描，达到对目标快速成像和检查的目的，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对被测目标进行太赫兹成像，以人或物体为目标，对被测目标进行太赫兹成像：

步骤2，将太赫兹发射器输出的太赫兹辐射整形为强度均匀的带状波束，并传输至被测目标；

步骤3，通过太赫兹线阵探测器收集由被测目标反射回来的太赫兹带状辐射，得到被测目标一行像素的信息，以及通过带状波束扫描控制系统使太赫兹带状波束扫描视域中的各行像素，从而获取被测目标的太赫兹反射图像；

步骤4，判断获取的被测目标太赫兹图像中是否存在藏有违禁品的可疑区域。

2.根据权利要求1所述主动式太赫兹安检成像方法，其特征在于，所述步骤2，将太赫兹发射器输出的太赫兹辐射准直、聚焦成强度均匀的带状波束：太赫兹发射器输出的太赫兹辐射经过非球面镜后变换为带状波束；带状波束再经过衍射光学元件或非球面透镜组后整形为强度均匀的带状波束；其中非球面透镜包括抛物柱面镜或椭柱面镜或者柱透镜。

3.根据权利要求1所述主动式太赫兹安检成像方法，其特征在于，所述步骤3中带状波束扫描控制系统包括太赫兹带状波束扫描装置和太赫兹带状波束扫描控制单元；太赫兹带状波束扫描控制单元发送信号至太赫兹带状波束扫描装置，使太赫兹带状波束扫描视域中的各行像素得到控制，调节太赫兹带状波束扫描装置中的带状波束扫描模块以改变太赫兹带状波束在被测目标上的带状光斑位置；带状波束扫描模块为振镜或绕轴转动的多面镜或多边棱镜，对目标进行俯仰式或上下平动式的扫描；或者由太赫兹发射器、太赫兹线阵探测器和太赫兹光学组件的系统进行平移运动组成的太赫兹带状波束扫描装置承载包括带状波束扫描控制单元发送信号至太赫兹带状波束扫描装置，调节太赫兹带状波束扫描装置的空间位置从而改变入射太赫兹波束在被测目标上的带状光斑位置。

4.根据权利要求1所述主动式太赫兹安检成像方法，其特征在于，所述步骤4判断通过太赫兹成像得到的被测目标太赫兹图像中是否存在藏有违禁品的可疑区域包括如下步骤：通过数据采集与处理系统对得到的图像数据进行灰度归一化，再根据光学系统的点扩散函数进行解卷积来处理图像的几何校正，基于得到的太赫兹反射图像的形状特征和灰度值特征判断扫描图像中是否存在藏有违禁品的可疑区域，同时对可疑区域进行精确定位。

5.一种权利要求1所述主动式太赫兹安检成像系统，其特征在于，主动式太赫兹安检成像系统组成：数据采集与处理系统(113)分别与太赫兹发射装置(102、太赫兹线阵探测器(112)和带状波束扫描控制单元(114)相连，太赫兹发射装置与波束整形光学组件(104)连接，分束器(110)分别连接波束整形光学组件(104)、太赫兹线阵探测器(112)和太赫兹聚焦光学组件(105)，带状波束扫描装置(106)分别连接太赫兹聚焦光学组件(105)、带状波束扫描控制单元(114)和被测目标(108)；其中，太赫兹发射装置产生用于照射被测目标的连续波太赫兹辐射；太赫兹线阵探测器用于接收由被测目标反射回来的太赫兹带状辐射；太赫兹光学组件用于将太赫兹发射装置产生的太赫兹辐射整形为强度均匀的带状波束、再聚焦至被测目标，同时将被测目标反射回来的太赫兹带状波束收集至太赫兹线阵探测器；带状波束扫描控制单元用于调节太赫兹带状波束入射至被测目标上的空间位置；数据采集与处理系统对控制系统中的太赫兹发射装置、太赫兹线阵探测器和带状波束扫描控制单元的工作进行协调，构建被测目标的太赫兹反射图像；基于由太赫兹反射图像得出的形状特征和灰度值特征判断被测目标太赫兹反射图像中是否存在藏有违禁品的可疑区域，并对可疑区域进行搜索定位。

6.根据权利要求5所述主动式太赫兹安检成像系统，其特征在于，所述太赫兹发射装置包括一个太赫兹发射器或多个太赫兹发射器，其中多个太赫兹发射器并排排列；该太赫兹发射器为耿氏振荡器及倍频器、返波管、参量振荡器、或者量子级联激光器。

7.根据权利要求5所述主动式太赫兹安检成像系统，其特征在于，所述太赫兹线阵探测器是由肖特基二极管、超导-绝缘体-超导结混频器或者测热辐射计排列组成的线性阵列。

8.根据权利要求5所述主动式太赫兹安检成像系统，其特征在于，所述太赫兹带状波束扫描装置和太赫兹带状波束扫描控制单元互相连接组成带状波束扫描控制系统；太赫兹带状波束扫描装置通过太赫兹波束扫描控制单元实时调节和监测带状波束，完成带状波束空间位置信息的设定和读取；太赫兹带状波束扫描装置为振镜或绕中心轴转动的多面镜或多边棱镜，对被测目标进行俯仰式或上下平动式的扫描。

9.根据权利要求5所述主动式太赫兹安检成像系统，其特征在于，所述带状波束扫描装置承载着包括太赫兹发射装置、太赫兹线阵探测器和太赫兹光学组件的的机械平移台；对被测目标进行一维列扫描从而获取被测目标的图像。

10.根据权利要求5所述主动式太赫兹安检成像系统，其特征在于，所述太赫兹光学组件包括非球面镜以及衍射光学元件组合的非球面透镜组、分束器、平面镜；负责将太赫兹发射装置产生的波束准直或聚焦整形成强度均匀带状波束、将被测目标反射回来的太赫兹带状波束收集至太赫兹线阵探测器和将太赫兹带状波束聚焦至被测目标上。