CN108693564A - 用于人体安检的w波段主动毫米波双通道同步成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于人体安检的W波段主动毫米波双通道同步成像系统，属于毫米波成像、安检等技术领域。本发明包括光滑金属反射面、天线收发组件、毫米波收发模块、水平转盘、纵向转盘、光纤传感器、光纤传感器挡片、接近开关、数据处理模块、计算机和扫描控制单元；所述光滑金属反射面与水平方向成45°角固定在纵向转盘上，所述纵向转盘和天线收发组件同轴固定于水平方向转盘上，所述天线收发组件中的接收天线通过波导与数据处理模块相连，所述数据处理模块与计算机连接。本发明系统结构简单，成本低、体积小、功耗低、稳定性高、成像速度快，可以同时对扫描平台左右两侧安检通道内的被测人员进行安检成像，大大提高了安检效率。
Description
技术领域
本发明属于毫米波成像、安检等技术领域，涉及一种成像系统，具体涉及一种用于人体 安检的W波段主动毫米波双通道同步成像系统。
背景技术
随着人们对安全问题的关注日益增强，对安检系统的安全性、可靠性和智能化都提出了 更高的要求。现在安检部门主要使用X射线安检仪检测行李中的违禁品，安检检测能力强， 可获得分辨率较高的透视图像，但X射线电离作用对人体危害较大，不能用来检测人身上隐 藏的违禁品。即使当前存在低辐射剂量的X光机，但其依然不容易被公众接受。
使用金属检测器，可以检测人身上是否有金属物品，但不能检测金属物品的形状，无法 判断是否是安全的金属品，比如假肢中有金属成份，也有可能其中藏有枪支，金属检测器不 能把假肢中的金属和枪支区分开，并且金属检测器需要检测对象配合，效率太低。
由于毫米波成像技术在检测人身上隐藏的武器等方面具有得天独厚的优势，所以近年来 毫米波成像技术用于安检成了一个研究热点。基于主动式的人体安检成像技术工作原理和雷 达类似，通过毫米波源向人体发射毫米波，进而通过接收机检测和人体相互作用后的毫米波 电磁场，从而对人体成像。典型的代表有L-3 Security公司的Provision系列产品、美国TNNL 实验室的PNNL智能扫描毫米波成像仪、日本的Thomas Derham和Hirokazu Kamoda等人 研制的主动毫米波焦平面成像系统，和Southwest Microwave公司的INTERPID成像仪等，这 类成像系统的优点是毫米波属于非电离辐射，辐射危害较小，并且可以获得很高分辨率。但 是目前这些流行的成像系统都需要大量接收单元进行阵列排布作为系统接收机，成本相当高， 这就使得单通道机械扫描成像方式依然成为当前研究的一个热点。
发明内容
本发明的目的是克服现有主动毫米波成像系统存在的不足，提供一种用于人体安检的W 波段主动毫米波双通道同步成像系统。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种用于人体安检的W波段主动毫米波双通道同步成像系统，包括光滑金属反射面1、 天线收发组件2、毫米波收发模块12、水平转盘3、纵向转盘4、光纤传感器、光纤传感器挡 片、接近开关801、802、数据处理模块9、计算机10和扫描控制单元11；
光纤传感器包括水平光纤传感器501和纵向光纤传感器502；
光纤传感器挡片包括两个水平光纤传感器挡片701、702、两个纵向光纤传感器挡片704、 705和接近开关挡片703；
天线收发组件2包括主反射面201、副反射面202、发射天线203和接收天线204；其中 主反射面201为旋转抛物面，副反射面202为旋转双曲面；在结构上，副反射面202的一个焦点与主反射面201的焦点重合且焦轴重合，构成卡塞格伦天线结构；而发射天线203和接收天线204位于副反射面202的另一焦点上；天线收发组件2中的收发天线203、204分别通过波导与毫米波收发模块12连接。
光滑金属反射面1和两个纵向光纤传感器挡片704、705固定在纵向转盘4上；纵向转盘 4和天线收发组件2分别同轴固定在水平转盘3的对侧；两个水平光纤传感器挡片701、702 和接近开关挡片703均固定在水平方向转盘3的侧面，用于控制水平方向转盘的起止位置和 水平方向视场的有效区域；光滑金属反射面1以45°角固定在纵向转盘4上，其中心与主反 射面201的中心对齐；所述天线收发组件2中的收发天线分别通过波导与毫米波收发模块12 连接；毫米波收发模块12的数据输出端与数据处理模块9连接；所述数据处理模块9的输 出端与计算机10相连进行数据处理和图像恢复；两个水平光纤传感器挡片701、702外侧设 置有水平光纤传感器501；两个纵向光纤传感器挡片704、705外侧设置有纵向光纤传感器502； 接近开关挡片703外侧设置有两个接近开关801、802；水平方向转盘3和纵向转盘4分别由 扫描控制单元11控制的两个伺服电机带动。
所述天线收发组件2由完整的准光路闭环组成。为了使系统结构更加紧凑，利用等效相 位中心原理，把天线收发组件中的收发天线并排安装于副反射面202靠近主反射面201的一 个焦点处，近似为收发天线位于相同位置。毫米波收发模块12产生的毫米波信号经发射天线 203发射出去，经卡塞格伦副反射面202和主反射面201反射后以平面波的形式传到光滑金 属反射面1，而光滑金属反射面1与纵向转盘4的转轴线呈45°角，所以毫米波经金属反射 面1反射以后传播方向改变90°，在与反射面轴线相垂直的方向上进行扫描，这就使得金属 反射面1随纵向转盘4转动过程中，其反射的毫米波波束在垂直纵向转盘4轴线的平面上进 行圆周扫描，对两侧通道内被测目标物体601、602的扫描轨迹则为每周扫描光路中对应的两 段。与此同时，水平转盘3也在以一个相对缓慢的转速匀速转动，使得圆周扫描轨迹匀速地 从两个通道目标平面的一侧扫向另一侧，实现水平方向的扫描，使得整个扫描过程则呈螺旋 状进行；被测目标物体601、602将毫米波信号反射回光滑金属反射面1后再经主、副反射面 201、202汇聚到焦点处的接收天线204，完成闭环。
本发明所述系统采用双转盘螺旋扫描方式对双通道目标同步扫描成像。通过扫描控制单 元(11)控制两个伺服电机带动水平转盘(3)和纵向转盘(4)按照设定好的转速同时匀速转动， 使扫描轨迹呈螺旋状，实现对系统两侧通道内的待测目标的横向和纵向扫描。其中，水平转 盘3最大转动角度45°，所述纵向转盘4为360°匀速转动，纵向成像视场可根据实际目标 大小通过控制数据采集的区间进行灵活调整。水平方向转盘3在水平方向的转动最大角度由 水平转盘3上的接近开关挡片703和两个接近开关801、802控制，水平转盘3匀速转动，每 当接近开关挡片703转动到接近开关801或802所在位置时，水平转盘3便反向转动，如此 往复。在水平方向转盘3转动过程中，水平光纤传感器挡片701、702依次经过水平光纤传感 器501，先后产生两个脉冲信号，控制两幅完整目标场景图像数据采集的开始和结束，水平 光纤传感器挡片701、702对应的圆周角小于两个接近开关801、802对应的圆周角，而两个 通道的毫米波图像中每一列数据的采集则通过光滑金属反射面1转动过程中纵向光纤传感器 502产生的脉冲信号进行延时采集实现。
纵向转盘4和光滑金属反射面1每转一周的过程中，纵向光纤传感器挡片704经过纵向 光纤传感器502产生脉冲信号，标志着反射面刚好扫描到第一个被测目标物体601，通过数 据处理模块9延时采集得到该通道目标场景中对应位置的一列像素数据；相同地，纵向光纤 传感器挡片705经过纵向光纤传感器502产生脉冲信号时标志着反射面刚好扫描到第二个被 测目标物体602，通过数据处理模块9延时采集得到该通道目标场景中对应位置的一列像素 数据，其中，延时时间均小于两个纵向光纤传感器产生脉冲信号的间隔。因此，金属反射面 每转一周，数据处理模块9便采集到两侧目标场景中各自对应位置的一列像素数据。由于水 平方向转盘3和纵向转盘4都是匀速转动，所以采集到的每列数据对应着目标场景中高度相 等、对齐排布的一列列像素点。
接收天线204将接收的信号传送回毫米波收发模块12，经毫米波收发模块12进行低噪 放、检波等处理后的数据再传给数据处理模块9，数据处理模块9完成相应处理后将数据传 回计算机10，最后利用相应的成像算法实现对双通道待成像目标的同步安检扫描成像。本发 明的有益效果是：
相对于现有技术中平动扫描过程中需要反复加速、减速，本发明所述的用于人体安检的 W波段主动毫米波双通道同步成像系统，兼顾系统成本和成像时间，采用了二维螺旋扫描方 式，体积小，功耗低，只需要二维机械匀速转动，有利于机械稳定性，并且扫描速度更快； 对两个目标通道同步扫描，加倍提高了安检效率；本系统结构简单，稳定性高，扫描效率高， 可以有效地同时检测出两个通道上人体身上隐藏的危险物品。
附图说明
图1为本发明所述系统的工作场景示意图；
图2为本发明所述系统的整体结构框图；
图3为本发明所述系统的侧视示意图；
图4为本发明所述系统中天线收发组件中的收发天线示意图；
图5为本发明所述系统的俯视示意图；
图6为本发明所述系统对双通道目标同步扫描的示意图；
图7为本发明所述系统对目标平面的扫描轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种用于人体安检的W波段主动毫米波双通道同步成像系统，其工作场景 示意图如图1所示，整体结构框图、侧视示意图和俯视示意图分别如图2、图3和图5所示， 包括光滑金属反射面1、天线收发组件2、毫米波收发模块12、水平转盘3、纵向转盘4、光 纤传感器、光纤传感器挡片、接近开关801、802、数据处理模块9、计算机10和扫描控制单元11；
光纤传感器包括水平光纤传感器501和纵向光纤传感器502；
光纤传感器挡片包括两个水平光纤传感器挡片701、702、接近开关挡片703、和两个纵 向光纤传感器挡片704、705；
天线收发组件2包括主反射面201、卡塞格伦副反射面202、发射天线203和接收天线 204；其中收发天线示意图如图4所示；主反射面201为旋转抛物面，副反射面202为旋转双 曲面，在结构上，副反射面202的一个焦点与主反射面201的焦点重合且焦轴重合，构成卡 塞格伦天线结构；而发射天线203和接收天线204位于副反射面202的另一焦点上。
光滑金属反射面1和两个纵向光纤传感器挡片704、705固定在纵向转盘4上；纵向转盘 4和天线收发组件2分别同轴固定在水平转盘3的对侧；两个水平光纤传感器挡片701、702 和接近开关挡片703均固定在水平方向转盘3的侧面，用于控制水平方向转盘的起止位置和 水平方向视场的有效区域；光滑金属反射面1以45°角固定在纵向转盘4上，其中心与主反 射面208的中心对齐；所述天线收发组件2中收发天线203、204分别通过波导与毫米波收发 模块12连接；毫米波收发模块12的数据输出端与数据处理模块9连接；所述数据处理模块 9的输出端与计算机10相连进行数据处理和图像恢复；两个水平光纤传感器挡片701、702 外侧设置有水平光纤传感器501；两个纵向光纤传感器挡片704、705外侧设置有纵向光纤传 感器502；接近开关挡片703外侧设置有两个接近开关801、802；水平方向转盘3和纵向转 盘4分别由扫描控制单元11控制的两个伺服电机带动。
天线收发组件2由完整的准光路闭环组成。利用等效相位中心原理，把天线收发组件中 的收发天线并排安装于副反射面202靠近主反射面201的一个焦点处，近似为收发天线位于 相同位置。毫米波收发模块12产生的毫米波信号经发射天线203发射出去，经卡塞格伦副反 射面202和主反射面201反射后以平面波的形式传到光滑金属反射面1，而光滑金属反射面1 与纵向转盘4的转轴线呈45°角，所以毫米波经金属反射面1反射以后传播方向改变90°， 在与反射面轴线相垂直的方向上进行扫描，这就使得金属反射面1随纵向转盘4转动过程中， 其反射的毫米波波束在垂直纵向转盘4轴线的平面上进行圆周扫描，对两侧通道内被测目标 物体601、602的扫描轨迹则为每周扫描光路中对称的两段，图6为系统实现对双通道目标同 步扫描的示意图。图7为扫描平台对每个通道内目标平面的扫描轨迹示意图，每条虚线表示 金属反射面每转一周在目标物体上留下的对应扫描轨迹。与此同时，水平转盘3也在以一个 相对缓慢的转速匀速转动，使得圆周扫描轨迹匀速地从两个通道目标平面的一侧扫向另一侧， 实现水平方向的扫描，整个扫描过程则呈螺旋状进行；被测目标物体601、602将毫米波信号 反射回光滑金属反射面1后再经卡塞格伦天线结构汇聚到焦点处的接收天线204，完成闭环， 实现对被测目标物体的扫描。
本实施例所述系统在扫描成像的过程中，通过扫描控制单元控制两个伺服电机带动水平 转盘3和纵向转盘4按照设定好的转速同时转动，分别对目标场景的横向和纵向进行扫描。 水平方向转盘3由一个伺服电机控制，水平方向的转动最大角度由水平转盘3上的接近开关 挡片703和两个接近开关801、802控制，水平转盘3匀速转动，每当接近开关挡片703转动 到接近开关所在位置时，水平转盘3便反向转动，如此往复。图5中a、b分别为水平转盘正 反向转动到最大角度的位置。在水平方向转盘3转动过程中，水平光纤传感器挡片701、702 依次经过水平光纤传感器501，先后产生两个脉冲信号，控制两幅完整目标场景图像数据采 集的开始和结束，水平光纤传感器挡片701、702对应的圆周角小于两个接近开关801、802 对应的圆周角，而两个通道的毫米波图像中每一列数据的采集则通过光滑金属反射面1转动 过程中纵向光纤传感器502产生的脉冲信号进行延时采集实现。
图6为纵向转盘4和光滑金属反射面1每转一周的过程中，实现对两侧目标同步扫描的 示意图，其中O为纵向转盘的中心，d为纵向转盘中心到目标平面的水平距离,θ为目标平面 的纵向扫描视角宽度(由数据采集时间决定)。纵向光纤传感器挡片704经过纵向光纤传感器 502产生脉冲信号，标志着反射面刚好扫描到第一个被测目标物体601，通过数据处理模块9 延时采集得到该通道目标场景中对应位置的一列像素数据；相同地，纵向光纤传感器挡片705 经过纵向光纤传感器502产生脉冲信号时标志着反射面刚好扫描到第二个被测目标物体602， 通过数据处理模块9延时采集得到该通道目标场景中对应位置的一列像素数据，其中，延时 时间均小于两个纵向光纤传感器产生脉冲信号的间隔。因此，金属反射面每转一周，数据处 理模块9便采集到两侧目标场景中各自对应位置的一列像素数据。由于水平方向转盘3和纵 向转盘4都是匀速转动，所以采集到的每列数据对应着目标场景中高度相等、对齐排布的一 列列像素点。
图7为扫描平台对目标平面的扫描轨迹示意图，其中虚线表示对目标平面进行扫描的轨 迹。比如，水平光纤传感器挡片701、702依次经过水平光纤传感器501的时间间隔为5s，对 应左右两侧3m远处两个通道目标场景的宽度为1m，金属反射面的转速为8r/s，数据处理模 块9对目标物体每列采集的数据为100个，对应3m远处两通道目标场景的高度为2m，则完 成一次扫描分别得到40列数据，每列数据100个，这40*100个数据便是对正前方3m远处 宽1m高2m目标场景的成像数据。
接收天线204将接收的信号传送回毫米波收发模块12，经毫米波收发模块12进行低噪 放、检波等处理后的数据再传给数据处理模块9，数据处理模块9完成相应处理后将数据传 回计算机10，最后利用相应的成像算法实现对双通道待成像目标的同步安检扫描成像。
综上所述，本发明提出的用于人体安检的W波段被动毫米波双通道同步成像系统及其 成像方法，兼顾了系统成本和成像时间，采用二维转盘螺旋扫描方式，即通过水平和纵向 两个转盘同时匀速转动进行二维扫描，其中纵向转盘和卡式天线是同轴心一起固定在水平 转盘上的，卡塞格伦天线接收到纵向转盘上光滑金属板反射的目标场景的毫米波辐射能量， 传递给数据处理模块；对两个目标通道同步扫描，加倍提高了安检效率。本系统结构简单， 稳定性高，扫描效率高，可以有效地同时检测出两个通道上人体身上隐藏的危险物品。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这 里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替 换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本 质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部 件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形 和改变。
Claims (3)
1.一种用于人体安检的W波段主动毫米波双通道同步成像系统，其特征在于，包括光滑金属反射面(1)、天线收发组件(2)、毫米波收发模块(12)、水平转盘(3)、纵向转盘(4)、光纤传感器、传感器挡片、接近开关(801、802)、数据处理模块(9)、计算机(10)和扫描控制单元(11)；
光纤传感器包括水平光纤传感器(501)和纵向光纤传感器(502)；
传感器挡片包括两个水平光纤传感器挡片(701、702)、两个纵向光纤传感器挡片(704、705)和接近开关挡片(703)；
天线收发组件(2)包括主反射面(201)、副反射面(202)、发射天线(203)和接收天线(204)；其中主反射面(201)为旋转抛物面，副反射面(202)为旋转双曲面；在结构上，副反射面(202)的一个焦点与主反射面(201)的焦点重合且焦轴重合，构成卡塞格伦天线结构；而发射天线(203)和接收天线(204)位于副反射面(202)的另一焦点上；
光滑金属反射面(1)和两个纵向光纤传感器挡片(704、705)固定在纵向转盘(4)上；纵向转盘(4)和天线收发组件(2)分别同轴固定在水平转盘(3)的对侧；两个水平光纤传感器挡片(701、702)和接近开关挡片(703)均固定在水平方向转盘(3)的侧面，用于控制水平方向转盘的起止位置和水平方向视场的有效区域；光滑金属反射面(1)以45°角固定在纵向转盘(4)上，其中心与主反射面(208)的中心对齐；所述天线收发组件(2)中的收发天线分别通过波导与毫米波收发模块(12)连接；毫米波收发模块(12)的数据输出端与数据处理模块(9)连接；所述数据处理模块(9)的输出端与计算机(10)相连进行数据处理和图像恢复；两个水平光纤传感器挡片(701、702)外侧设置有水平光纤传感器(501)；两个纵向光纤传感器挡片(704、705)外侧设置有纵向光纤传感器(502)；接近开关挡片(703)外侧设置有两个接近开关(801、802)；水平方向转盘(3)和纵向转盘(4)分别由扫描控制单元(11)控制的两个伺服电机带动。
2.根据权利要求1所述的用于人体安检的W波段主动毫米波双通道同步成像系统，其特征在于：系统采用双转盘螺旋扫描方式对双通道目标同步扫描成像；通过扫描控制单元(11)控制两个伺服电机带动水平转盘(3)和纵向转盘(4)按照设定好的转速同时匀速转动，使扫描轨迹呈螺旋状，实现对系统两侧通道内的待测目标的横向和纵向扫描。
3.根据权利要求1所述的用于人体安检的W波段主动毫米波双通道同步成像系统，其特征在于，天线收发组件(2)由完整的准光路闭环组成；收发天线(203、204)并排安装于副反射面(202)靠近主反射面(201)的一个焦点处，根据等效相位中心原理近似为收发天线位于相同位置；毫米波收发模块(12)产生的毫米波信号经发射天线(203)发射出去，经副反射面(202)和主反射面(201)反射后以平面波的形式传到光滑金属反射面(1)，光滑金属反射面(1)与纵向转盘(4)的转轴线呈45°角，毫米波经金属反射面(1)反射以后传播方向改变90°，在与反射面轴线相垂直的方向上进行扫描，这就使得金属反射面(1)随纵向转盘(4)转动过程中，其反射的毫米波波束在垂直纵向转盘(4)轴线的平面上进行圆周扫描，对两侧通道内被测目标物体(601、602)的扫描轨迹则为每周扫描光路中对称的两段；与此同时，水平转盘(3)也在以一个相对缓慢的转速匀速转动，使得圆周扫描轨迹匀速地从两个通道目标平面的一侧扫向另一侧，实现水平方向的扫描，整个扫描过程就呈螺旋状进行；被测目标物体(601、602)将毫米波信号反射回光滑金属反射面(1)后再经主、副反射面(201、202)汇聚到焦点处的接收天线(204)，完成闭环，实现对被测目标物体的扫描。
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