CN108761552B - 一种双通道同步检测的主动式毫米波人体安检成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双通道同步检测的主动式毫米波人体安检成像系统，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、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

一种双通道同步检测的主动式毫米波人体安检成像系统
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，具体涉及一种双通道同 步检测的主动式毫米波人体安检成像系统。
背景技术
现有的安检设备种类繁多，但随着人们对安全问题的关注日益增强，对安检系统的可靠 性和智能化也提出了更高的要求。
传统的金属探测器难以应对塑料炸药、非金属刀具、液体危险品等非金属类隐匿违禁物 品的威胁，且只能近距离小范围检测，效率低，已远远不能满足安检的需求。
生物安检技术(警犬、人)仅适用于特殊场合，并且服役期短，技能训练和维护费用较 高，不具备可持续性。红外线探测技术是靠物体表面温度成像，在衣物遮挡的情况下无法清 晰成像。X光等各种射线虽具有很强的穿透力，但会对被测人体和操作人员造成辐射伤害， 且对人体的危害作用具有累积效应，即使当前存在低辐射剂量的X光机，也依然不容易被公 众接受。
毫米波具有很强的穿透性，可穿透一般的衣物、纺织品、包装纸等，而且分辨率高、指 向性好、抗干扰能力强、对被探测目标尤其是人体无害，因此毫米波成像技术被广泛视为新 一代安全监控与检查系统的关键技术。该技术用在非侵入式安保检测中，不仅可以检测出隐 藏在衣物下的金属物体，还可以检测出塑料手枪，炸药等危险品，获得的信息更加详尽、准 确，可以大大地降低误警率。因此，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，提供一种双通道同步检测的 主动式毫米波人体安检成像系统，该系统具有成像速度快、分辨率高、成本低等优点，并可 以同时对扫描平台左右两侧的安检通道内的被测人员进行安检成像，加倍提高了安检效率。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种双通道同步检测的主动式毫米波人体安检成像系统，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、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包括发射天线201、离轴抛物面镜202、光束分离器203、吸波材料204、 聚焦透镜205、接收天线206、主反射面208和副反射面207；天线收发组件中离轴抛物面镜 202、光束分离器203、主反射面208和副反射面207位于同一水平位置，发射天线201位于 离轴抛物面镜202的正上方，吸波材料204位于光束分离器203的正下方，聚焦透镜205和接收天线206依次位于光束分离器203的正上方；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。
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。
所述天线收发组件2由完整的准光路闭环组成。毫米波收发模块12产生的毫米波信号经 发射天线201发射出去，经离轴抛物面镜202准直为一束圆形的面阵信号，面阵信号穿过由 高阻硅片做成的光束分离器203(吸波材料204是用来吸收经光束分离器反射的信号以降低 系统噪声)后经主反射面208中间的圆孔打到副反射面207上并反射到主反射面上，再经主 反射面传送到光滑金属反射面1反射到待成像物体601、602上进行逐点扫描；光滑金属反射 面1与纵向转盘4的转轴呈45°，所以毫米波经金属反射面1反射以后传播方向改变90°， 这就使得光滑金属反射面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 轴线的平面上进行圆周扫描，两通道被测物体的扫描轨迹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目标场 景的一侧扫向另一侧，实现水平方向的扫描，而整个扫描过程则呈螺旋状进行；待成像物体 601、602将毫米波信号反射回光滑金属反射面1后经主反射面208回到光束分离器203，经 其反射通过聚焦透镜205进行汇聚后，被接收天线206接收，完成闭环。接收天线206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。
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，分别对目标场 景的横向和纵向进行扫描。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。在水平转盘3转动过程中两个水平光纤传感器挡片701、702依次经过水平光纤传感器501产生的脉冲信号控制着对左右两幅完整目标场景图像数据采集的开始和结束(两个水平光纤传感器挡片对应的圆周角小于两个接近开关对应的圆周角)。水平光纤传感器501第一次触发脉冲信号，标志着对两个通道目标场景扫描的开始，而两个通道的毫米波图像中每一列数据的采集则通过金属反射面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，使数据处理模块9正好在金属反射面扫描到目标场景的过程中对天线收发组件中接收天线接收的毫米波信号进行处理，即金属反射面每转一圈，只需要采集两通道目标场景中对应位置的一列像素数据。每列数据采集结束以后，等待下一次纵向光纤传感器触发脉冲到来，再进行下一列数据的采集，直至水平光纤传感器第二次触发脉冲到来即完成两个通道目标场景的扫描和对应毫米波图像的数据采集。所述光滑金属反射面把观测场景各个方向反射回来的毫米波能量反射到天线收发组件，汇聚到接收天线，就可以得到场景各个方向反射回来的毫米波能量，最后传输到数据处理模块和计算机进行数据处理和图像恢复。
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，本发明所述的双通道同步检测 的主动式毫米波人体安检成像系统，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为本发明所述系统整体侧视示意图；
图4为本发明所述系统的俯视示意图；
图5为本发明所述系统实现对双通道目标同步扫描的示意图；
图6为本发明所述系统对双通道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。
本实施例提供一种双通道同步检测的主动式毫米波人体安检成像系统，其工作场景示意 图如图1所示，整体结构框图、侧视示意图和侧视示意图分别如图2-4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、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包括发射天线201、离轴抛物面镜202、光束分离器203、吸波材料204、 聚焦透镜205、接收天线206、主反射面208和副反射面207；天线收发组件中离轴抛物面镜 202、光束分离器203、主反射面208和副反射面207位于同一水平位置，发射天线201位于 离轴抛物面镜202的正上方，吸波材料204位于光束分离器203的正下方，聚焦透镜205和接收天线206依次位于光束分离器203的正上方。
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°仰角固定在纵向转盘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。毫米波收发模块12产生的毫米波信号经 发射天线201发射出去，经离轴抛物面镜202准直为一束圆形的面阵信号，面阵信号穿过由 高阻硅片做成的光束分离器203(吸波材料204是用来吸收经光束分离器反射的信号以降低 系统噪声)后经卡塞格伦主反射面208中间的圆孔打到副反射面207上并反射到主反射面上， 经主反射面传送到光滑金属反射面1反射到待成像物体601、602上进行逐点扫描；光滑金属 反射面1与纵向转盘4的转轴呈45°，所以毫米波经金属反射面1反射以后传播方向改变 90°，这就使得光滑金属反射面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 向转盘轴线的平面上进行圆周扫描，两通道被测物体的扫描轨迹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 目标场景的一侧扫向另一侧，实现水平方向的扫描，而整个扫描过程则呈螺旋状进行；待成 像物体601、602将毫米波信号反射回光滑金属反射面1后经主反射面208、副反射面207回 到光束分离器203，经其反射通过聚焦透镜205进行汇聚后，被接收天线206接收，完成闭 环。接收天线206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。
本实施例所述系统在扫描成像的过程中，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 到接近开关的位置时，水平转盘3反向转动，如此往复。如图4所示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转动过程中两个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着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。
本实施例所述系统实现对双通道目标同步扫描的示意图如图5所示。纵向转盘4和光滑 金属反射面1每转一周的过程中，系统实现对两侧目标同步扫描，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 好扫描到第一个通道目标场景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产生的 脉冲信号标志着反射面刚好扫描到第二个通道目标场景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。
本实施例所述系统对双通道目标平面的扫描轨迹示意图如图6所示，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和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 对两个通道内3m远处宽1m高2m目标场景的成像数据。
数据处理模块9采集到的数据最终传输给计算机10进行数据分离、翻转和相应的反演 重建算法等处理，分别得到双通道毫米波图像。
综上所述，本发明提出的一种双通道同步检测的主动式毫米波人体安检成像系统及其成 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)

1.一种双通道同步检测的主动式毫米波人体安检成像系统，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)包括发射天线(201)、离轴抛物面镜(202)、光束分离器(203)、吸波材料(204)、聚焦透镜(205)、接收天线(206)、主反射面(208)和副反射面(207)；天线收发组件中离轴抛物面镜(202)、光束分离器(203)、主反射面(208)和副反射面(207)位于同一水平位置且中心在同一条直线上，发射天线(201)位于离轴抛物面镜(202)的正上方，吸波材料(204)位于光束分离器(203)的正下方，聚焦透镜(205)和接收天线(206)依次位于光束分离器(203)的正上方；
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)均固定在水平转盘(3)的侧面；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)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所述的一种双通道同步检测的主动式毫米波人体安检成像系统，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所述的双通道同步检测的主动式毫米波人体安检成像系统，其特征在于：所述天线收发组件(2)由完整的准光路闭环组成；毫米波收发模块(12)产生的毫米波信号经发射天线(201)发射出去，经离轴抛物面镜(202)准直为一束圆形的面阵信号，面阵信号穿过由高阻硅片做成的光束分离器(203)后经主反射面(208)中间的圆孔打到副反射面(207)上并反射到主反射面上，吸波材料(204)吸收经光束分离器反射的信号以降低系统噪声，再经主反射面传送到光滑金属反射面(1)反射到待成像物体(601、602)上进行逐点扫描；光滑金属反射面(1)与纵向转盘(4)的转轴呈45°，毫米波经光滑金属反射面(1)反射以后传播方向改变90°，光滑金属反射面(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轴线的平面上进行圆周扫描，两通道被测物体的扫描轨迹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，圆周扫描轨迹匀速地从目标场景的一侧扫向另一侧，实现水平方向的扫描，而整个扫描过程则呈螺旋状进行；待成像物体(601、602)将毫米波信号反射回光滑金属反射面(1)后经主反射面(208)回到光束分离器(203)，经其反射通过聚焦透镜(205)进行汇聚后，被接收天线(206)接收，完成闭环；接收天线(206)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)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)，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。
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