CN109444976A - 毫米波/太赫兹波成像设备 - Google Patents

毫米波/太赫兹波成像设备 Download PDF

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游�燕
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马旭明
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Abstract

公开了一种毫米波/太赫兹波成像设备，包括准光学组件，其包括多面体转镜，多面体转镜的每个侧面分别设置有反射板，并且能够绕其转动轴线转动，以使得多个反射板中的两个反射板轮流用作第一反射板和第二反射板接收并反射被检对象自发辐射或反射回来的波束；第三反射板和第四反射板；和两个相同并关于多面体转镜对称布置的椭球面反射镜，其中一个适用于将来自第一反射板的波束反射至第三反射板，另一个适用于将来自第二反射板的波束反射至第四反射板；以及毫米波/太赫兹波探测器阵列，其适用于接收经第三反射板和第四反射板反射的波束。该毫米波/太赫兹波成像设备能够实现大的视场角以及恒定的通光路口径，且与透射式相比，无色差，能量损失小。

Description

毫米波/太赫兹波成像设备
技术领域
本公开涉及成像技术领域，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。然而现有的毫米波/太赫兹波成像设备工作效率低。
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，包括：
多面体转镜，所述多面体转镜的每个侧面分别设置有反射板，所述多面体转镜能够绕其转动轴线转动，以使得多个反射板轮流用作第一反射板来接收并反射被检对象自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波；多个所述反射板中的与所述第一反射板相邻的另一反射板用作第二反射板来接收并反射被检对象自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波；
第三反射板和第四反射板；和
两个椭球面反射镜，两个所述椭球面反射镜是相同的，并关于所述多面体转镜对称布置，两个所述椭球面反射镜中的一个所述椭球面反射镜适用于将来自所述第一反射板的毫米波/太赫兹波反射至所述第三反射板，另一个所述椭球面反射镜适用于将来自所述第二反射板的毫米波/太赫兹波反射至所述第四反射板；以及
毫米波/太赫兹波探测器阵列，所述毫米波/太赫兹波探测器阵列适用于接收经所述第三反射板和所述第四反射板反射的毫米波/太赫兹波。
在一些实施例中，所述多面体转镜的所述反射板的数量为m个，其中，6≥m≥3。
在一些实施例中，m个所述反射板与所述转动轴线均是平行的。
在一些实施例中，m个所述反射板与所述转动轴线之间的角度沿着所述多面体转镜的旋转方向以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为所述椭球面反射镜等效透镜的直径。
在一些实施例中，当m为奇数时，m个所述反射板中沿所述多面体转镜的旋转方向的第1个反射板与所述转动轴线之间的角度为0°，第个反射板与所述转动轴线之间的角度为第个反射板与所述转动轴线之间的角度为
在一些实施例中，当m为偶数时，m个所述反射板中沿所述多面体转镜的旋转方向的第1个反射板与所述转动轴线之间的角度为第个反射板与所述转动轴线之间的角度为第个所述反射板与所述转动轴线之间的角度为
在一些实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括适用于驱动所述多面体转镜转动的驱动装置。
在一些实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括实时检测所述多面体转镜的角位移的角位移测量机构。
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分别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图像数据并分别生成毫米波/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所述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报警装置，所述报警装置与所述数据处理装置连接，以使得当所述数据处理装置识别出所述毫米波/太赫兹波图像中的可疑物品时发出指示该毫米波/太赫兹波图像存在可疑物品的警报。
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，通过采用多面体转镜，该多面体转镜的每个侧面分别设置有反射板，当多面体转镜绕其转动轴线转动时，多个反射板轮流用作第一反射板来接收并反射被检对象自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波；同时与第一反射板相邻的另一反射板用作第二反射板来接收并反射被检对象自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波，然后通过椭球面反射镜以及第三反射板或第四反射板反射以由毫米波/太赫兹波阵列接收；该毫米波/太赫兹波成像设备能够实现大的视场角以及恒定的通光路口径，且与透射式相比，无色差，能量损失小。
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为图1所示的毫米波/太赫兹波成像设备的多面体转镜的结构示意图；
图3为图2的侧视图；
图4为透镜成像的示意图；
图5为根据本公开的另一实施例的多面体转镜的各反射板与转动轴线之间的角度的示意图；
图6为根据本公开的一个实施例的毫米波/太赫兹波成像设备的总像素、各反射板的扫描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7是根据本公开的一实施例的毫米波/太赫兹波成像设备的应用场景图。
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种示例性实施例的毫米波/太赫兹波成像设备10。如图所示，该毫米波/太赫兹波成像设备10包括准光学组件和毫米波/太赫兹波探测器阵列2，准光学组件包括多面体转镜1、两个椭球面反射镜4A、4B、第三反射板3A和第四反射板3B，多面体转镜1的每个侧面分别设置有反射板1A、1B、1C、1D，多面体转镜1能够绕其转动轴线o转动，以使得多个反射板1A、1B、1C、1D轮流用作第一反射板接收并反射被检对象自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波；同时多个反射板1A、1B、1C、1D中的与第一反射板相邻的另一反射板用作第二反射板接收并反射被检对象自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波；两个椭球面反射镜4A、4B是相同的，并关于多面体转镜1对称布置，两个椭球面反射镜4A、4B中的一个椭球面反射镜4A适用于将来自第一反射板的毫米波/太赫兹波反射至第三反射板3A，另一个椭球面反射镜4B适用于将来自第二反射板的毫米波/太赫兹波反射至第四反射板3B；毫米波/太赫兹波探测器阵列2位于椭球面反射镜4A、4B的一个焦点关于多面体转镜1的镜像位置上，并适用于接收经第三反射板3A和第四反射板3B反射的毫米波/太赫兹波。
根据本公开的实施例，当多面体转镜1绕其转动轴线o转动时，通过多面体转镜1的第一反射板和第二反射板反射被检对象自发辐射或反射回来的波束进行反射，例如来自视场点P1的波束入射到四面体转镜1的第一反射板和第二反射板上，经四面体转镜1的第一反射板和第二反射板反射后分成左右两路分别入射到两个椭球面反射镜4A、4B，然后经两个椭球面反射镜4A、4B反射到第三反射板3A或第四反射板3B，最后经过第三反射板3A或第四反射板3B反射后由毫米波/太赫兹波探测器阵列2接收(如图1中实线箭头所示)，类似地，来自视场点P2的波束沿着虚线箭头所示的路径由毫米波/太赫兹波探测器阵列2接收，其中视场点P2位于椭球面反射镜4A、4B的另一个焦点关于多面体转镜1的镜像位置上。由于第一反射板和第二反射板之间呈一夹角，因此可以实现大的视场角，且在多面体转镜1转动的过程中，该毫米波/太赫兹波成像设备的通光口径不会随着扫描角度的变化而变化，即保证不同扫描角内落到毫米波/太赫兹波探测器阵列2上的视场方向的被检对象的福照度保持不变。此外，由于该毫米波/太赫兹波成像设备10为全反射式，因此与透镜式相比，无色差且能量损失小。
在未示出的一种实施例中，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回来的的毫米波/太赫兹波穿过的窗口。
如图2和图3所示，在一种示例性实施例中，多面体转镜1还包括转轴8，转轴8的两端经由轴承5A、5B与壳体可转动地连接，以使得多面体转镜1能够绕其转动轴线o转动。
如图2和图3所示，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适用于驱动多面体转镜1转动的驱动装置6，例如私服电机。
如图2和图3所示，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实时检测多面体转镜1的角位移的角位移测量机构7，例如光电码盘，以便准确地计算出多面体转镜1的姿态，这可以在相当程度上减小控制算法和成像算法的研制难度。
如图2和图3所示，在一种示例性实施例中，转动轴线o呈水平设置，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，转动轴线o也可以竖直设置或呈其它角度设置。
如图3所示，多个反射板1A、1B、1C、1D为长方形，其长度和宽度需要与椭球面反射镜4A、4B的尺寸匹配，一般情况，选择其宽度大于或者等于椭球面反射镜4A、4B的口径。椭球面反射镜的口径例如可以为3cm-50cm.
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沿水平方向线性排列，以对水平方向的视场进行采样，即其静态视场为水平视场。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。
探测器的静态视场为水平视场，假定探测器的个数为N，两个相邻的探测器的中心间距d时，则探测器的最大偏馈距离ym，则
由此可以计算出毫米波/太赫兹波探测器阵列2的静态视场为H0。如图4所示，毫米波/太赫兹波探测器阵列2的静态视场H0与物距L1、像距L2需要满足如下关系式
在图1至图3所示的示例性实施例中，多面体转镜1包括4个反射板1A、1B、1C、1D，4个反射板与转动轴线o均是平行的。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，多面体转镜1也可以包括其它数量的反射板，优选反射板的数量m为3至6个。此外，在某些实施例中，m个反射板与转动轴线o之间的角度可以沿着多面体转镜1的旋转方向以α的增量递增或递减，以实现像素差值，这样可以将毫米波/太赫兹波探测器阵列2的探测器稀疏分布(如图6所示)，从而降低探测器的数量。
其中α由下列等式算出：
式中，λ为毫米波/太赫兹波的波长，
D为椭球面反射镜等效透镜9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。也就是说多面体转镜1上的反射板1A、1B、1C、1D与转动轴线o之间的角度是可微调的。
如图5所示，在一种示例性实施例中，4个反射板1A、1B、1C、1D与转动轴线o之间的角度大小沿着多面体转镜1的旋转方向递增。第1个反射板1A与转动轴线o之间的角度θ为第2个反射板与转动轴线o之间的角度为第3个反射板1C与转动轴线o之间的角度θ为第4个反射板1D与转动轴线o之间的角度θ为需要说明的是，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，4个反射板1A、1B、1C、1D与转动轴线o之间的角度θ大小也可以沿着多面体转镜1的旋转方向递减。
在一些实施例中，当m为奇数时，m个反射板中沿多面体转镜1的旋转方向的第1个反射板与转动轴线o之间的角度θ为0°，第个反射板与转动轴线o之间的角度θ为第个反射板与转动轴线o之间的角度θ为例如，当m为3时，第1个反射板1A与转动轴线o之间的角度θ为0°，第2个反射板1B与转动轴线o之间的角度θ为+α，第3个反射板1C与转动轴线o之间的角度θ为-d。
在一些实施例中，当m为偶数时，m个反射板中沿旋转方向的第1个反射板与转动轴线o之间的角度θ为第个反射板与转动轴线o之间的角度θ为第个反射板与转动轴线o之间的角度θ为
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6以驱动多面体转镜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。
该成像设备10可以吊设在使用场所内，例如吊设在斜梯20上方，如图7所示，以对位于斜梯20上的被检对象31进行全方位的成像和检测。
此外，在生成人体或物品的毫米波/太赫兹波图像之后，对被检对象31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给出的检测结果来对被检对象31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。
在一种实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括光学摄像装置，该光学摄像装置包括适用于采集被检对象31的光学图像的光学摄像装置，该光学摄像装置与显示装置连接，该光学摄像装置可以实现可见光实时成像，给出被检对象31的图像信息，以与毫米波/太赫兹波图像进行对照，以供使用者参考。
在未示出的一种示例性实施例中，显示装置包括显示屏，显示屏包括适用于显示被检对象的毫米波/太赫兹波图像的第一显示区以及适用于显示光学摄像装置所采集的被检对象的光学图像的第二显示区，以便于使用者将光学摄像装置所采集的光学图像和毫米波/太赫兹波图像进行对比。
在未示出的一种示例性实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括报警装置，该报警装置与数据处理装置连接，以使得当识别出第一被检对象31的毫米波/太赫兹波图像中的可疑物32时发出警报，例如报警灯亮起，需要说明的是，也可以采用声音提示的报警方式。
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 (10)

1.一种毫米波/太赫兹波成像设备，包括：
准光学组件，包括：
多面体转镜，所述多面体转镜的每个侧面分别设置有反射板，所述多面体转镜能够绕其转动轴线转动，以使得多个反射板轮流用作第一反射板来接收并反射被检对象自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波；多个所述反射板中的与所述第一反射板相邻的另一反射板用作第二反射板来接收并反射被检对象自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波；
第三反射板和第四反射板；和
两个椭球面反射镜，两个所述椭球面反射镜是相同的，并关于所述多面体转镜对称布置，两个所述椭球面反射镜中的一个所述椭球面反射镜适用于将来自所述第一反射板的毫米波/太赫兹波反射至所述第三反射板，另一个所述椭球面反射镜适用于将来自所述第二反射板的毫米波/太赫兹波反射至所述第四反射板；以及
毫米波/太赫兹波探测器阵列，所述毫米波/太赫兹波探测器阵列适用于接收经所述第三反射板和所述第四反射板反射的毫米波/太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的毫米波/太赫兹波成像设备，其中，所述多面体转镜的所述反射板的数量为m个，其中，6≥m≥3。
3.根据权利要求2所述的毫米波/太赫兹波成像设备，其中，m个所述反射板与所述转动轴线均是平行的。
4.根据权利要求2所述的毫米波/太赫兹波成像设备，其中，m个所述反射板与所述转动轴线之间的角度沿着所述多面体转镜的旋转方向以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为所述椭球面反射镜等效透镜的直径。
5.根据权利要求4所述的毫米波/太赫兹波成像设备，其中，当m为奇数时，m个所述反射板中沿所述多面体转镜的旋转方向的第1个反射板与所述转动轴线之间的角度为0°，第个反射板与所述转动轴线之间的角度为第个反射板与所述转动轴线之间的角度为
6.根据权利要求4所述的毫米波/太赫兹波成像设备，其中，当m为偶数时，m个所述反射板中沿所述多面体转镜的旋转方向的第1个反射板与所述转动轴线之间的角度为第个反射板与所述转动轴线之间的角度为第个所述反射板与所述转动轴线之间的角度为
7.根据权利要求1所述的毫米波/太赫兹波成像设备，其中，还包括适用于驱动所述多面体转镜转动的驱动装置。
8.根据权利要求1所述的毫米波/太赫兹波成像设备，其中，还包括实时检测所述多面体转镜的角位移的角位移测量机构。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的毫米波/太赫兹波成像设备，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分别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图像数据并分别生成毫米波/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所述数据处理装置的毫米波/太赫兹波图像。
10.根据权利要求9所述的毫米波/太赫兹波成像设备，其中，还包括报警装置，所述报警装置与所述数据处理装置连接，以使得当所述数据处理装置识别出所述毫米波/太赫兹波图像中的可疑物品时发出指示该毫米波/太赫兹波图像存在可疑物品的警报。
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