CN109444975A - 毫米波/太赫兹波成像设备 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种毫米波/太赫兹波成像设备，包括准光学组件和毫米波/太赫兹波探测器阵列，其中准光学组件适用于将被检对象自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波反射并汇聚至其中毫米波/太赫兹波探测器阵列，其中准光学组件包括多棱柱体转镜和转轴，其中多棱柱体转镜能够绕其中转轴旋转，其中转轴与其中水平面的角度为30°至60°，其中多棱柱体转镜的每个侧面分别设置有反射板，且多个其中反射板与其中转轴之间的角度是不同的。该毫米波/太赫兹波成像设备，通过驱动多棱柱体转镜绕转轴旋转，以带动多个反射板同时转动，以对视场的水平方向进行扫描，由于多个反射板与转轴的角度是不同的，从而可以实现像素差值，因此能够降低探测器的数目，且控制简单。
Description
技术领域
本公开涉及安检技术领域，特别是涉及一种毫米波/太赫兹波成像设备。
背景技术
在当前国内外防恐形势日益严峻的形势下，恐怖分子利用隐匿方式随身携带刀具、枪支、爆炸物等危险物品对公共安全构成了严重的威胁。基于被动式毫米波/太赫兹波的人体安检技术，具有独特的优点，通过检测目标本身的毫米波/太赫兹波辐射实现成像，无需主动辐射，对人体进行安检，利用毫米波/太赫兹波的穿透能力实现藏匿危险物的检测。根据成像体制的不同，被动式毫米波和太赫兹波成像技术可以分为焦平面成像体制和基于机械扫描的成像体制。
基于焦平面成像技术的毫米波太赫兹相机使用复杂的技术而且需要特殊的装置，其基本原理是通过分布在焦平面上的众多单元天线以及适当的反射镜、透镜对目标的不同位置同时成像。如美国Northrop Grumman公司的NGC系统，使用焦平面阵列天线可以实现实时成像，但是系统复杂，例如NGC系统在水平15°，垂直10°的视场分辨率为0.5°的角分辨率，需要1040个探测器。由此可见，该成像体制所需的探测器数量庞大，成本很高。
发明内容
本公开的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。
根据本公开一个方面的实施例，提供了一种毫米波/太赫兹波成像设备，包括：准光学组件和毫米波/太赫兹波探测器阵列，所述准光学组件适用于将被检对象自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波反射并汇聚至所述毫米波/太赫兹波探测器阵列，其中，所述准光学组件包括多棱柱体转镜和聚焦透镜，所述多棱柱体转镜的转轴与水平面之间的角度为30°至60°，所述多棱柱体转镜的每个侧面分别设置有反射板，且多个所述反射板与所述转轴之间的角度是不同的，以使得当所述多棱柱体转镜绕所述转轴旋转时，多个所述反射板依次对所述被检对象位于所述视场不同水平位置的部分自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波进行反射。
在一些实施例中，所述聚焦透镜设置在被检对象和所述多棱柱体转镜之间或设置在所述多棱柱体转镜和所述毫米波/太赫兹波探测器阵列之间。
在一些实施例中，所述多棱柱体转镜的所述反射板的数量为m个，其中，m≥3，m个所述反射板与所述转轴之间的角度沿着所述旋转方向以α的增量递增或递减，其中α由下列等式算出：
式中，λ为所述毫米波/太赫兹波的波长，
D为所述聚焦透镜的直径。
在一些实施例中，当m为奇数时，m个所述反射板中沿旋转方向的第1个反射板与所述转轴之间的角度为0°，第个反射板与所述转轴之间的角度为第个反射板与所述转轴之间的角度为
在一些实施例中，当m为偶数时，m个所述反射板中沿旋转方向的第1个反射板与所述转轴之间的角度为第个反射板与所述转轴之间的角度为第个所述反射板与所述转轴之间的角度为
在一些实施例中，所述转轴与所述水平面的角度为45°。
在一些实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括驱动装置，所述驱动装置适用于驱动所述多棱柱体转镜绕所述转轴旋转。
在一些实施例中，6≥m。
在一些实施例中，所述毫米波/太赫兹波探测器阵列中的多个毫米波/太赫兹波探测器呈线性分布。
在一些实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括：
数据处理装置，所述数据处理装置与所述毫米波/太赫兹波探测器阵列连接以接收来自所述毫米波/太赫兹波探测器阵列的对于被检对象的扫描数据并生成毫米波/太赫兹波图像；和
显示装置，所述显示装置与所述数据处理装置相连接，用于接收和显示来自数据处理装置的毫米波/太赫兹波图像。
在一些实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括校准源，所述校准源在所述准光学组件的物面上，所述数据处理装置接收来自所述毫米波/太赫兹波探测器阵列的对于所述校准源的校准数据，并基于所接收的所述校准数据更新所述被检对象的图像数据。
在一些实施例中，所述校准源的长度方向平行于所述反射板的转轴，所述校准源的长度大于等于所述毫米波/太赫兹波探测器阵列在平行于所述水平轴线方向上的视场大小。
在一些实施例中，所述校准源为吸波材料、黑体或半导体致冷器。
根据本公开上述各种实施例所述的毫米波/太赫兹波成像设备，通过采用多棱柱体转镜，该多棱柱体转镜的转轴与水平面之间的角度为30°至60°，且多棱柱体转镜的每个侧面分别设置有反射板，且多个反射板与转轴之间的角度是不同的，以使得当多棱柱体转镜绕转轴旋转时，多个反射板分别对被检对象位于视场不同水平位置的部分自发辐射或反射回来的波束进行反射，从而可以实现像素差值，因此能够降低探测器的数目，且控制简单。
附图说明
图1为根据本公开的一实施例的毫米波/太赫兹波成像设备的结构示意图；
图2为根据本公开的另一实施例的多棱柱体转镜的各反射板与转轴之间的角度的示意图；
图3为根据本公开的一种毫米波/太赫兹波成像设备的原理示意图；
图4为根据本公开的又一实施例的聚焦透镜位于被检对象和反射板之间的结构示意图；
图5为根据本公开的一个实施例的总像素与稀疏排布的毫米波/太赫兹波探测器阵列的示意图；以及
图6为根据本公开的一个实施例的总像素与不同反射板的扫描像素的示意图。
具体实施方式
虽然将参照含有本公开的较佳实施例的附图充分描述本公开，但在此描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改本文中所描述的公开，同时获得本公开的技术效果。因此，须了解以上的描述对本领域的普通技术人员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本公开所描述的示例性实施例。
另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
图1示意性地示出了根据本公开的一实施例的毫米波/太赫兹波成像设备。该成像设备包括准光学组件和毫米波/太赫兹波探测器阵列2，其中准光学组件适用于将被检对象31自发辐射的毫米波/太赫兹波反射并汇聚至毫米波/太赫兹波探测器阵列2，其中，准光学组件包括三棱柱体转镜1和聚焦透镜4，三棱柱体转镜1的转轴11与水平面之间的角度为45°，三棱柱体转镜1的每个侧面分别设置有反射板1A、1B、1C，这三个反射板1A、1B、1C适用于接收并反射来自被检对象31的毫米波/太赫兹波，并且三个反射板1A、1B、1C与转轴11之间的角度是不同的，如图2所示。当三棱柱体转镜1绕转轴11转动一圈时，可以通过三个反射板1A、1B、1C依次对被检对象位于视场3不同水平位置的部分自发辐射的毫米波/太赫兹波进行反射，例如反射板1A对被检对象位于视场3的前部位置自发辐射的波束进行反射，反射板1B对被检对象位于视场3的中间位置自发辐射的波束进行反射，反射板1C对被检对象位于视场3的后部位置自发辐射的波束进行反射。
根据本公开的实施例，该毫米波/太赫兹波成像设备通过多棱柱体转镜1上的三个反射板1A、1B、1C接收并反射由被检对象31自发辐射的波束，并经聚焦透镜4的汇聚作用后由毫米波/太赫兹波探测器阵列2接收(如图3所示)。由于三个反射板1A、1B、1C与转轴11之间的角度是不同的。当多棱柱体转镜1绕转轴11转动一圈时，可以通过三个反射板1A、1B、1C对视场的水平方向进行全面反射，由于三个反射板1A、1B、1C与转轴11之间的角度是不同的，从而可以实现像素差值，因此可以将毫米波/太赫兹波探测器阵列2的探测器稀疏分布，从而降低探测器的数量。
需要说明的是，虽然在该实施例中，三个反射板1A、1B、1C反射的波束是被检对象31自发辐射的毫米波或太赫兹波，然而本领域的技术人员应当理解，该波束也可以为照射到被检对象31并经被检对象31反射回来的毫米波/太赫兹波。此外，虽然在这里示出三棱柱体转镜，但是本领域的技术人员应当理解，也可以采用其它棱柱体转镜，例如四棱柱体转镜至九棱柱体转镜，优选为三棱柱体转镜至六棱柱体转镜。
如图1和图3所示，在一个示例性实施例中，聚焦透镜4沿波束的路径位于棱柱体转镜1和毫米波/太赫兹波探测器阵列2之间。需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，在本公开的其它一些实施例中，聚焦透镜4也可以设置在棱柱体转镜1和被检对象31之间，即被检对象31自发辐射的波束经过聚集透镜4，然后被反射板1反射至毫米波/太赫兹波探测器阵列2并由毫米波/太赫兹波探测器阵列2接收，如图4所示。
如图2所示，在一种示例性实施例中，三个反射板1C、1A、1B与转轴11之间的角度大小沿着三棱柱体转镜1的旋转方向递增。需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，在本公开的其它一些实施例中，三个反射板1C、1A、1B、与转轴11之间的角度大小沿着三棱柱体转镜1的旋转方向递减。
当多棱柱体转镜1上的反射板1A、1B、1C的数量为m个，其中，m≥3，m个所述反射板与所述转轴之间的角度沿着所述多棱柱体转镜1的旋转方向以α的增量递增或递减，其中α由下列等式算出：
式中，λ为所述毫米波/太赫兹波的波长，
D为所述聚焦透镜4的直径。
需要说明的是，上式只是一个透镜理想聚集下的角分辨率估算公式。在实际的系统中应该根据实验结果，微调α的大小，使得最终的像素排列尽可能均匀且无重叠与空隙。也就是说多棱柱体转镜1上的反射板1A、1B、1C与所述转轴11之间的角度是可微调的。
在一些实施例中，当m为奇数时，m个所述反射板中沿多棱柱体转镜1的旋转方向的第1个反射板与所述转轴之间的角度为0°，第个反射板与所述转轴之间的角度为第个反射板与所述转轴之间的角度为例如，在图1所示的实施例中，第1个反射板1A与转轴11之间的角度为0°，第2个反射板1B与转轴11之间的角度为+α，第3个反射板1C与转轴11之间的角度为-α。
在一些实施例中，当m为偶数时，m个所述反射板中沿旋转方向的第1个反射板与所述转轴之间的角度为第个反射板与所述转轴之间的角度为第个所述反射板与所述转轴之间的角度为例如当反射板的数量为4时，第1个反射板与转轴11之间的角度为第2个反射板与转轴11之间的角度为第3个反射板1C与转轴11之间的角度为第4个反射板与转轴11之间的角度为
在该实施例中，转轴11与水平面之间的角度为45°，需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，在本公开的其他一些实施例中，该角度也可以为其它数值，例如在30°至60°的范围内等。
在一种示例性实施例中，该成像设备还包括驱动装置(未示出)，例如电机，该驱动装置适用于驱动多棱柱体转镜1绕转轴11旋转，以带动反射板1A、1B、1C对视场形成水平扫描，其旋转的速度例如是1-24转/秒。
如图5所示，在一个示例性实施例中，毫米波/太赫兹波探测器阵列2呈线性稀疏排列，且排列方向与视场法向平行。毫米波/太赫兹波探测器阵列2中毫米波/太赫兹波探测器的个数根据所需视场大小以及所需分辨率确定，毫米波/太赫兹波探测器的大小根据波长、加工工艺以及所需采样密度等确定。
此外，需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，在本公开的一些实施例中，反射板1A、1B、1C可以光滑的金属表面或金属栅网格。
在本公开的一个实施例中，该成像设备还可以包括数据处理装置(未示出)。该数据处理装置与毫米波/太赫兹波探测器阵列2无线连接或有线连接以接收来自毫米波/太赫兹波探测器阵列2的对于被检对象31的扫描数据并生成毫米波/太赫兹波图像。该成像设备还可以包括显示装置，该显示装置与数据处理装置相连接，用于接收和显示来自数据处理装置的毫米波/太赫兹波图像。
在一个示例性实施例中，数据处理装置可以用于生成控制信号并将控制信号发送给驱动装置以驱动多棱柱体转镜1转动。在另一示例性实施例中，成像设备也可以包括与数据处理装置相独立的控制装置。
在一种示例性实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括壳体，准光学组件和毫米波/太赫兹波探测器阵列2位于壳体内，壳体的侧壁上设置有供被检对象自发辐射或反射的毫米波/太赫兹波穿过的窗口。
在一种示例性实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括校准源，该校准源位于壳体内并在准光学组件的物面上，以使得通过毫米波/太赫兹波探测器阵列2接收关于校准源的校准数据，数据处理装置接收毫米波/太赫兹波探测器阵列2所接收的关于校准源的校准数据，并基于所接收的校准数据实时地更新被检对象的图像数据。由于校准源封装在壳体内部，因此使得该毫米波/太赫兹波成像设备比采用远处的空气进行校准更加稳定可靠。校准源例如可以是塑料、泡沫等发射率接近于1的吸波材料。此外，校准源也可以采用黑体或半导体致冷器等。
由奈奎斯特采样定律，在一个半功率波束宽度内至少有两个采样点才能完全恢复图像。该实施例中的毫米波/太赫兹波探测器阵列2的排布方向为线性排列，毫米波/太赫兹波探测器阵列2的排列密度决定采样密度。毫米波成像系统所成图像实际为灰度图像，其空间采样率在达不到奈奎斯特采样要求(欠采样)时，仍然可以对目标场景成像，只是成像效果相对较差。为了弥补欠采样所带来的像素缺失，可以在后期信号处理时采用插值算法增加数据密度。
在一种示例性实施例中，校准源的长度方向平行于多棱柱体转镜1的转轴11，校准源的长度大于等于毫米波/太赫兹波探测器阵列在平行于转轴方向上的视场大小，校准源的宽度为毫米波/太赫兹波探测器2的天线波束宽度的3倍。然而，需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，校准源的宽度也可以为毫米波/太赫兹波探测器的天线波束宽度的1倍或2倍或其它倍数。
检波的输出电压Vout对应的天线温度为TA，其应满足如下关系，
TA＝(Vout-b)/a (2)
式中，a为增益定标系数，
b为偏置定标系数。
因此，基于校准源的校准数据更新所接收的被检对象的图像数据包括对偏置定标系数b的校正和对增益定标系数a的校正。
在校准区域内，校准源及其周围环境的辐射亮温都可以视作是均匀的，即所有通道的天线温度TA是一致的。当通道完全一致时，焦面阵接收通道的输出Vout应该完全一致，如果输出不一致，则需要调整各通道的增益定标系数a和偏置定标系数b，使所有通道输出一致，从而实现通道的一致性调节。增益定标参数a反映的是通道的总增益和等效带宽，在通道调试时这部分已经经过仔细调节，可以认为各通道的增益定标系数a近似相等，因此在使用过程中通道校准通过调节偏置定标系数b来完成。
在一种示例性实施例中，基于所接收的校准源的校准数据更新所接收的被检对象31的图像数据主要包括实时对偏置定标系数b的校正，包括以下步骤：
Al：计算所述毫米波/太赫兹波探测器阵列的所有通道在所述校准区域的多次测量输出电压的平均值
A2：每个通道的检测区域校准后的数据为每个通道的检测区域采集的数据Vi减去所述平均值然后再除以每个通道的增益定标系数ai。
该方法可以对焦平面阵系统接收通道阵列进行整体校准，校准算法只需简单的运算，耗时极少，可以实现实时校准；对每幅图像都进行通道一致性校准。
当设备在长期运行或者更换使用场所等情况下，由于系统温度漂移而带来的系统性能恶化，各通道的增益定标系数a通常也会发生变化。这时需要对通道的增益定标系数a和偏置定标系数b进行调整，具体包括以下步骤
B1：使用所述毫米波/太赫兹波探测器阵列测量空气的电压值Vair(i)，i∈[1，通道数]，并计算所有通道的空气的平均电压值
B2：设置所述校准源的温度与空气的温度具有差值，使用所述毫米波/太赫兹波探测器阵列测量所述校准源的电压值Vcal(i)，i∈[1，通道数]，并计算所有通道的校准源的平均电压值并通过下列等式计算出每个通道的增益定标系数ai和偏置定标系数bi：
B3：每个通道的检测区域校准后的数据为的绝对值，其中Vi为每个通道的检测区域采集的数据。
校准区域的输出电压数据与检测区域的输出电压数据均存储在数据处理装置的同一个数据表格中。
使用时，驱动多棱柱体转镜1绕转轴11旋转，以使得三个反射板1A、1B、1C依次对被检对象31位于视场3不同水平位置的部分自发辐射的毫米波/太赫兹波进行反射；扫描成像时，多棱柱体转镜1绕其转轴11进行高速稳定旋转，多棱柱体转镜1的每个反射板1A、1B、1C依次对被测目标31的竖直方向完成多列快速扫描，扫描的列数与毫米波/太赫兹波探测器阵列2中的探测器的数量一致，如图6所示，假设被测目标31上水平方向有48列像素点，探测器的数量为16，因此多棱柱体转镜1中的每个反射板1A、1B、1C转过后，都会对被测目标31完成在竖直方向16列扫描。然后将毫米波/太赫兹波探测器阵列2所获得的对于被检对象的扫描数据发送给数据处理装置；最后利用数据处理装置对扫描数据进行重建以生成被检对象的毫米波/太赫兹波图像。该设备可以准确地对被检对象31进行全方位的成像和检测，其中被检对象31可以是人体，也可以是物品。
此外，在生成人体或物品的毫米波/太赫兹波图像之后，对人体或物品是否带有可疑物32以及可疑物32的位置进行识别并将结果输出。对于可疑物32及其位置的识别可以通过计算机自动识别或是人工识别或是两者相结合的方法来进行。结果输出可以通过例如在显示装置上显示标有直接显示是否带有可疑物32的结论等方式来实现，也可以将检测结果直接打印或发送。执行检测的安检人员可以根据上述步骤给出的检测结果来对人体或物品是否带有可疑物32以及可疑物32的位置进行确认，也可以通过人工检测来进行复核。
根据本公开上述各种实施例的毫米波/太赫兹波成像设备，通过采用多棱柱体转镜，该多棱柱体转镜的转轴与水平面之间的角度为30°至60°，且多棱柱体转镜的每个侧面分别设置有反射板，且多个反射板与转轴之间的角度是不同的，以使得当多棱柱体转镜绕转轴旋转时，多个反射板依次对被检对象位于视场不同水平位置的部分自发辐射或反射回来的波束进行反射，从而可以实现像素差值，因此能够降低探测器的数目，且控制简单。
本领域的技术人员可以理解，上面所描述的实施例都是示例性的，并且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合。
在详细说明本公开的较佳实施例之后，熟悉本领域的技术人员可清楚的了解，在不脱离随附权利要求的保护范围与精神下可进行各种变化与改变，且本公开亦不受限于说明书中所举示例性实施例的实施方式。
Claims (13)
1.一种毫米波/太赫兹波成像设备，包括：准光学组件和毫米波/太赫兹波探测器阵列，所述准光学组件适用于将被检对象自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波反射并汇聚至所述毫米波/太赫兹波探测器阵列，其中，所述准光学组件包括多棱柱体转镜和聚焦透镜，所述多棱柱体转镜的转轴与水平面之间的角度为30°至60°，所述多棱柱体转镜的每个侧面分别设置有反射板，且多个所述反射板与所述转轴之间的角度是不同的，以使得当所述多棱柱体转镜绕所述转轴旋转时，多个所述反射板依次对所述被检对象位于视场不同水平位置的部分自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波进行反射。
2.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述聚焦透镜设置在被检对象和所述多棱柱体转镜之间或设置在所述多棱柱体转镜和所述毫米波/太赫兹波探测器阵列之间。
3.根据权利要求2所述的成像设备，其中，所述多棱柱体转镜的所述反射板的数量为m个，其中，m≥3，m个所述反射板与所述转轴之间的角度沿着旋转方向以α的增量递增或递减，其中α由下列等式算出：
式中，λ为所述毫米波/太赫兹波的波长，
D为所述聚焦透镜的直径。
4.根据权利要求3所述的成像设备，其中，当m为奇数时，m个所述反射板中沿所述旋转方向的第1个反射板与所述转轴之间的角度为0°，第个反射板与所述转轴之间的角度为第个反射板与所述转轴之间的角度为
5.根据权利要求3所述的成像设备，其中，当m为偶数时，m个所述反射板中沿所述旋转方向的第1个反射板与所述转轴之间的角度为第个反射板与所述转轴之间的角度为第个所述反射板与所述转轴之间的角度为
6.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述转轴与所述水平面的角度为45°。
7.根据权利要求1所述的成像设备，其中，还包括驱动装置，所述驱动装置适用于驱动所述多棱柱体转镜绕所述转轴旋转。
8.根据权利要求1所述的成像设备，其中，6≥m。
9.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述毫米波/太赫兹波探测器阵列中的多个毫米波/太赫兹波探测器呈线性分布。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的成像设备，其中，还包括：
数据处理装置，所述数据处理装置与所述毫米波/太赫兹波探测器阵列连接以接收来自所述毫米波/太赫兹波探测器阵列的对于被检对象的扫描数据并生成毫米波/太赫兹波图像；和
显示装置，所述显示装置与所述数据处理装置相连接，用于接收和显示来自数据处理装置的毫米波/太赫兹波图像。
11.根据权利要求10所述的毫米波/太赫兹波成像设备，其中，还包括校准源，所述校准源在所述准光学组件的物面上，所述数据处理装置接收来自所述毫米波/太赫兹波探测器阵列的对于所述校准源的校准数据，并基于所接收的所述校准数据更新所述被检对象的图像数据。
12.根据权利要求11所述的毫米波/太赫兹波成像设备，其中，所述校准源的长度方向平行于所述反射板的转轴，所述校准源的长度大于等于所述毫米波/太赫兹波探测器阵列在平行于所述转轴方向上的视场大小。
13.根据权利要求11所述的毫米波/太赫兹波成像设备，其中，所述校准源为吸波材料、黑体或半导体致冷器。
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