CN108828683A - 太赫兹安检系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于太赫兹技术领域，提供了一种主被动结合式太赫兹安检系统，通过主动式发射太赫兹波信号，使用超导相变边缘探测器接收太赫兹信号实现高灵敏度、实时成像、远距离安检等目的。

Description

太赫兹安检系统

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，尤其涉及太赫兹安检系统，特别涉及一种主被动结合的太赫兹安检系统。

背景技术

太赫兹波一般是指频率在0.1THz-10THz范围内，对应波长为3mm-0.03mm的电磁波，其与毫米波、亚毫米波及远红外波段有所重叠，处于宏观电子学向微观光子学的过渡领域。由于太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，具有很多独特的性质，因此近年来越来越多的研究聚焦在太赫兹波在安检、通信、遥感探测等方面的应用。

在安检领域，随着全球科技发展和交通工具的便利化，各国普遍面临越来越大的安全压力，各国安全部门对具有安全、准确、快速、探测距离远、注重隐私等优点的安检系统有巨大的需求。目前常用的安全检测手段为金属探测门和X射线安检仪，但是金属探测门无法有效探测除金属外的危险品(例如陶瓷等非金属材料制造的危险品、粉末炸药、液体炸药、汽油煤油柴油等液态危险品等)，造成漏报；而对并非危险品的金属制品(例如手机、硬币、钥匙、金属化妆用具等)又会造成误报，从而需要进行人工二次安检，降低安检速度。X射线由于其光子能量太大，可能对人体细胞造成电离性伤害，人体危害性较大，目前欧美已逐渐禁止将X射线安检仪用于人体安检。因此，目前市场上缺乏能够满足各方需求的安检系统，特别是识别准确、又对人体安全的安检系统。

由于太赫兹波具有一些独特的有利特性，利用太赫兹波开发的安检系统，特别是人体安检系统有可能满足市场需求，因而有很大的潜在市场价值。

首先，由于太赫兹波具有对非金属和非极性物质的穿透性，非常适用于探测人体，例如探测人体皮肤及衣服中间所隐藏的各种危险品。同时，相比于高频的X射线，太赫兹波的光子能量非常小，对人体细胞不会造成电离性伤害，对人体是安全的。

其次，相比低频的微波毫米波频段，太赫兹波波长更短，具有高分辨率特性。同时许多物质在太赫兹波段具有指纹谱特性，类似于人的指纹，可应用于物质无损识别和探测。在应用于人体安检时，太赫兹人体安检系统利用太赫兹波对日常衣物材料(棉、麻、化纤等)特殊的穿透性以及对人体的安全性，实现人体安检目标，填补人体安检领域的空白。

目前已有的利用太赫兹波的安检系统主要分为两大类，一类是被动式安检系统，即系统本身不发射太赫兹波，而由接收系统收集目标本身发出的太赫兹波进行分析来完成安检，例如CN106873045A公开的被动式太赫兹安检成像系统；另一类是主动式安检系统，即通过系统本身主动发射一定剂量的太赫兹波(安全剂量范围内)，对人体进行成像，并对图像进行分析来完成安检，例如CN106094050A公开的主动式太赫兹安检仪。被动式安检系统的优点一是非接触，不用搜身，尊重被检人员个人隐私；二是检测效率高，速度快、无停留，被检人员在指定的安检通道内正常行走通过即能完成安检，大大提高安检效率；三是安全无辐射，类似普通照相机、监控摄像头，不产生电磁、电离辐射，对人体无害。其缺点是分辨率不高，信噪比不高。主动式安检系统较被动式安检系统来讲，优点是信噪比更高，虽有一定的辐射剂量，但由于太赫兹光子能量小，不会对人体细胞造成电离性伤害。因此，现有技术中的主动式和被动式太赫兹安检仪各自都存在一些问题，限制了太赫兹安检系统的广泛应用。为了解决现有太赫兹安检系统存在的问题，本发明创造性地提供主被动结合式太赫兹安检系统，包括发射系统和接收系统，其中所述发射系统使用常温固态电子器件发射太赫兹信号，所述接收系统使用超导相变边缘探测器(Transition-edge sensor，TES)对人体反射的太赫兹信号进行接收，而不是采用目前常用的室温微电子器件进行接收，可以显著提高成像质量、实现实时成像，并可进行远距离检测，从而大大提高安检准确性和效率，并且适用于各种安检环境。

发明内容

本发明提供主被动结合式太赫兹安检系统，包括发射系统和接收系统，其中所述发射系统使用常温固态电子器件发射太赫兹信号，所述接收系统使用超导相变边缘探测器(Transition-edge sensor，TES)对受测对象反射的太赫兹信号进行接收。

优选地，本发明的主被动结合式太赫兹安检系统进一步包括与所述超导相变边缘探测器相应的中频信号处理系统及成像显示，算法及模式识别子系统。

更优选地，本发明的主被动结合式太赫兹安检系统以成像视频的方式对受测对象进行实时成像。

最优选地，所述受测对象是人。

在本发明一个优选的实施方案中，所述发射系统使用低频微波信号源数次倍频的方式，直到目标输出频率，经过喇叭天线和大口径天线向正前方定向发出太赫兹波。

在本发明更加优选的实施方案中，所述目标输出频率是220GHz或者340GHz。

在本发明另一个优选的实施方案中，在接收端使用馈源天线接收人体反射回来的太赫兹信号，通过太赫兹滤波器将接收的反射信号传输至太赫兹接收系统。

在进一步优选的实施方案中，所述太赫兹接收系统包括低温超导检测子系统，所述低温超导检测子系统包括超导相变边缘探测器作为核心器件。

在更优选的实施方案中，所述太赫兹接收系统输出为中频信号，中频信号经放大处理后，通过模数转换，将目标信号转化为可以图像处理的数字信号，经相应的算法进行反演，得到受测对象的实时图像。

在一个最优选的实施方案中，本发明提供一种主被动结合式太赫兹人体安检系统，包括发射系统和接收系统，其中所述发射系统使用常温固态电子器件发射太赫兹信号，所述接收系统使用超导相变边缘探测器对人体反射的太赫兹信号进行接收，所述安检系统还包括与所述超导相变边缘探测器相应的中频信号处理系统及成像显示、算法及模式识别子系统，并以成像视频的方式对人体进行实时成像，并且所述发射系统使用低频微波信号源数次倍频的方式，直到目标输出频率220GHz或者340GHz，经过喇叭天线和大口径天线向正前方定向发出太赫兹波，在接收端使用馈源天线接收人体反射回来的太赫兹信号，通过太赫兹滤波器将接收的反射信号传输至太赫兹接收系统，所述太赫兹接收系统包括低温超导检测子系统，所述低温超导检测子系统包括超导相变边缘探测器作为核心器件，输出为中频信号，中频信号经放大处理后，通过模数转换，将目标信号转化为可以图像处理的数字信号，经相应的算法进行反演，得到人体的实时图像。

本发明所提出的太赫兹安检系统具有以下特点：

(1)该系统可实现视频级成像，可实现例如但不限于每秒25帧的成像速率；

(2)该系统采用常温固态电子器件，主动发射太赫兹信号，大大提高了探测距离，可将目前探测距离从3-5m提高到100m。

(3)接收端采用超导相变边缘探测器作为接收器件，由于该器件工作在液氦温度下，噪声系数极小，成像对比度非常高。

下面发明人通过具体实施方式并结合附图进一步阐明本发明。本领域技术人员明白，该具体实施方式与附图仅为对本发明的示例性说明，并非对本发明的任何方面进行限制。本领域普通技术人员可以无需通过创造性劳动对本发明的技术特征进行置换或改变，改变后的技术方案仍属于本发明的范围。

同时，本文使用的“具有”、“包括”、“使用”等术语仅为说明本发明的特点，并非排除其他器件和/或辅助手段。本领域技术人员明白，使用和/或包括其他器件和/或辅助手段以实现本发明目的的技术方案仍属于本发明的范围。

附图说明

附图1为本发明的主被动结合式太赫兹安检系统框图。

具体实施方式

本发明所提出的一种太赫兹安检系统，采用主被动结合的方式，采用常温固态电子器件和低温超导体器件相结合的方案来设计太赫兹安检系统。下面结合附图来阐述本发明的具体实施方式。

参考附图，在本实施例中，本发明的主被动结合式太赫兹安检系统包括一套太赫兹发射系统和一套太赫兹接收系统，以及相应的中频信号处理系统及成像显示、算法及模式识别子系统，最终以成像视频的方式对受测对象，例如人体，进行实时成像。

在本实施例的太赫兹发射系统中，使用低频微波信号源数次倍频的方式，直到目标输出频率，例如220GHz或者340GHz，经过喇叭天线和大口径天线向正前方定向发出太赫兹波，照射到受测人体后，接收端使用馈源天线接收人体反射回来的太赫兹信号，通过太赫兹滤波器将接收的反射信号传输至太赫兹接收系统，太赫兹接收系统包括低温超导检测子系统，其核心器件为超导相变边缘探测器，由于该器件在低温液氦下工作，其噪声极小，远程反射回来的太赫兹信号都可以被检出，大大提高了检测距离。低温超导检测系统输出为中频信号，中频信号经放大处理后，通过模数转换，将目标信号转化为可以图像处理的数字信号，经相应的算法进行反演，即得到受测人体目标的实时图像。本发明的太赫兹安检系统由于使用了主动发射，在接收端使用超导器件被动接收信号，大大提高了检测距离，可达100米数量级，不仅可以满足一般的安检要求，还可以在一些场地面积、方向、角度受限的空间进行远距离设置，实现安检目的，例如在某些特定场景下，可将本发明的安检系统小型化，应用于高空悬挂摄像装置，远程监测流动中的人群。并且本发明的安检系统由于增加了背景照射，图像对比度增强，更加有利于识别隐匿的危险品。进一步地，本发明的安检系统可实现每秒25帧的成像速率，实现视频级成像。

本发明的主被动结合式太赫兹安检系统中，使用主动发射，在接收端使用超导器件被动接收信号是本系统解决方案的核心，本安检系统各个子系统在国内外均已有相应的解决方案或可商购的器件，本领域技术人员可基于现有技术，选取适当的器件及辅助手段实施本发明。

Claims (10)

1.一种主被动结合式太赫兹安检系统，包括发射系统和接收系统，其中所述发射系统使用常温固态电子器件发射太赫兹信号，所述接收系统使用超导相变边缘探测器对受测对象反射的太赫兹信号进行接收。

2.权利要求1的主被动结合式太赫兹安检系统，进一步包括与所述超导相变边缘探测器相应的中频信号处理系统及成像显示，算法及模式识别子系统。

3.权利要求2的主被动结合式太赫兹安检系统，其中所述太赫兹安检系统以成像视频的方式对受测对象进行实时成像。

4.权利要求3的主被动结合式太赫兹安检系统，其中所述受测对象是人。

5.权利要求1-4任一项的主被动结合式太赫兹安检系统，其中所述发射系统使用低频微波信号源数次倍频的方式，直到目标输出频率，经过喇叭天线和大口径天线向正前方定向发出太赫兹波。

6.权利要求5的主被动结合式太赫兹安检系统，其中所述目标输出频率是220GHz或者340GHz。

7.权利要求1-4任一项的主被动结合式太赫兹安检系统，其中在接收端使用馈源天线接收受测对象反射回来的太赫兹信号，通过太赫兹滤波器将接收的反射信号传输至太赫兹接收系统。

8.权利要求7的主被动结合式太赫兹安检系统，其中所述太赫兹接收系统包括低温超导检测子系统，所述低温超导检测子系统包括超导相变边缘探测器作为核心器件。

9.权利要求8的主被动结合式太赫兹安检系统，其中所述太赫兹接收系统输出为中频信号，中频信号经放大处理后，通过模数转换，将目标信号转化为可以图像处理的数字信号，经相应的算法进行反演，得到受测对象的实时图像。

10.一种主被动结合式太赫兹人体安检系统，包括发射系统和接收系统，其中所述发射系统使用常温固态电子器件发射太赫兹信号，所述接收系统使用超导相变边缘探测器对人体反射的太赫兹信号进行接收，所述安检系统还包括与所述超导相变边缘探测器相应的中频信号处理系统及成像显示、算法及模式识别子系统，并以成像视频的方式对人体进行实时成像，并且所述发射系统使用低频微波信号源数次倍频的方式，直到目标输出频率220GHz或者340GHz，经过喇叭天线和大口径天线向正前方定向发出太赫兹波，在接收端使用馈源天线接收人体反射回来的太赫兹信号，通过太赫兹滤波器将接收的反射信号传输至太赫兹接收系统，所述太赫兹接收系统包括低温超导检测子系统，所述低温超导检测子系统包括超导相变边缘探测器作为核心器件，输出为中频信号，中频信号经放大处理后，通过模数转换，将目标信号转化为可以图像处理的数字信号，经相应的算法进行反演，得到人体的实时图像。