CN110609330A - 一种稀疏阵列实波束电扫描快速成像系统 - Google Patents

一种稀疏阵列实波束电扫描快速成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稀疏阵列实波束电扫描快速成像系统，由阵列波束方向图乘积原理，合成窄波束，发射波束和接收波束在聚焦平面上的交汇点即为扫描点，通过依次遍历聚焦平面上的所有扫描点，并依次遍历所有聚焦平面，实现对整个成像区域的扫描，扫描方式为电扫描，从而实现快速扫描及高分辨率成像；采用发射线阵和接收线阵正交分布的形式，并利用收发方向图乘积原理使其可等效为面阵，而传统的实波束电扫描阵列通常为面阵形式，因此与传统的实波束电扫描面阵相比，本发明提出的正交线阵阵列稀疏度很高，系统成本低；与基于合成孔径技术的成像方式相比，实波束成像处理算法简洁，避免了以往基于合成孔径技术的安检成像中的复杂运算。

Description

一种稀疏阵列实波束电扫描快速成像系统
技术领域
本发明属于安检技术领域，具体涉及一种稀疏阵列实波束电扫描快速成像系统。
背景技术
近年来，公共安全问题已引起国际社会的广泛关注。现阶段的袭击事件主要发生在机场、地铁、车站、广场等人员密集的公共场所。因此，公共场所的安检问题也逐渐成为社会关注的焦点，对安检系统的准确性、实时性、智能化和环境适用性也提出了更高的要求。
人体安检一直都面临着一些技术难题，传统的安全检测设备如金属探测器、X光成像设备等均存在一些问题。金属探测器能够检测出人体携带的金属违禁物品，但不能检测如陶瓷刀、塑胶炸弹等非金属违禁物品，且对违禁物品无法实现精确定位；X光成像设备可以对携带隐匿物品的人体进行高分辨率成像，但由于X光具有电离性，并不适用于人体安检成像。
利用毫米波进行安检成像是近几年出现的新型安检技术，其具有如安全性高、穿透性好、不同材料的电磁散射特性具有差异性等优点，已成为目前人体安检技术的主流发展方向。
目前，世界上主流的毫米波安检成像系统仍存在不同程度的问题：如美国 L3公司的Provision系列，需要机械扫描，成像速度较慢；德国Rohde&Schwarz 公司的QPS系统，成本较高，信号处理负荷大、时间长；Smith公司的Eqo，天线阵列为满阵，系统成本高，且需要被检人员在成像系统前旋转一周，成像速度较慢。目前这些问题使得已有的安检成像系统无法满足国内的成本可控的高通量安检需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种稀疏阵列实波束电扫描快速成像系统，系统成本低，可以对人体进行快速扫描成像。
一种稀疏阵列实波束电扫描成像系统，包括相控阵式线阵发射天线(11)、相控阵式线阵接收天线(12)以及数据处理与控制装置；
所述相控阵式线阵发射天线(11)和相控阵式线阵接收天线(12)位于同一平面内，且两者互相垂直；所述相控阵式线阵发射天线(11)用于向三维扫描区域发射波束；所述相控阵式线阵接收天线(12)用于接收从三维扫描区域中被测物体反射的波束；
所述数据处理与控制装置用于：
将所述三维扫描区域划分为多个与相控阵式线阵发射天线(11)和相控阵式线阵接收天线(12)所在平面平行的成像平面，再将每个成像平面进行网格划分；
针对每个成像平面上的每个网格点，控制相控阵式线阵发射天线(11)上每个阵元的相位，使其形成发射波束；再调节相控阵式线阵接收天线(12)各阵元的相位，使相控阵式线阵接收天线(12)接收波束的范围与发射波束交汇于所述网格点；
提取相控阵式线阵接收天线(12)各阵元接收的所述网格点处的反射信号，得到网格点的成像结果；遍历成像平面上的所有网格点，得到该成像平面的成像结果，形成二维图像；遍历所有成像平面，形成三维图像。
较佳的，所述相控阵式线阵发射天线(11)和相控阵式线阵接收天线(12) 放置的位置关系呈“十字”型、“L”型或者“T字”型。
较佳的，所述相控阵式线阵发射天线(11)和相控阵式线阵接收天线(12) 的阵元为等间距排列或不等间距排列。
一种稀疏阵列实波束电扫描成像系统，包括第一反射式线阵(21)、第二反射式线阵(22)、发射馈源(23)、接收馈源(24)以及数据处理与控制装置；
所述第一反射式线阵(21)和第二反射式线阵(22)位于同一平面内，且两者互相垂直；
所述发射馈源(23)用于向第一反射式线阵(21)辐射电磁波，第一反射式线阵(21)将其反射至三维成像区域中的被测物体；
所述第二反射式线阵(22)用于接收从被测物体反射的电磁波，并再将其反射给所述接收馈源(24)；
所述接收馈源(24)用于接收第二反射式线阵(22)中每个阵元反射的电磁信号；
所述数据处理与控制装置用于：
将所述三维扫描区域划分为多个与第一反射式线阵(21)和第二反射式线阵(22)所在平面平行的成像平面，再将每个成像平面进行网格划分；
针对每个成像平面上的每个网格点，控制第一反射式线阵(21)上每个阵元的相位，在成像平面上形成发射波束；再调节第二反射式线阵(22)上各阵元的相位，使得接收波束的范围与发射波束交汇于所述网格点；
提取接收馈源(24)接收的电磁信号，得到网格点的成像结果；遍历成像平面上的所有网格点，得到该成像平面的成像结果，形成二维图像；遍历所有成像平面，形成三维图像。
较佳的，所述第一反射式线阵(21)和第二反射式线阵(22)的放置位置关系呈“十字”型、“L”型或者“T字”型。
较佳的，所述第一反射式线阵(21)和第二反射式线阵(22)的阵元为等间距排列或不等间距排列。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出的一种稀疏阵列实波束电扫描成像系统，由线阵发射天线形成发射波束、线阵接收天线形成接收波束，发射波束和接收波束相互正交，由阵列波束方向图乘积原理，合成窄波束，发射波束和接收波束在聚焦平面上的交汇点即为扫描点，通过依次遍历聚焦平面上的所有扫描点，并依次遍历所有聚焦平面，实现对整个成像区域的扫描，扫描方式为电扫描，从而实现快速扫描及高分辨率成像；采用发射线阵和接收线阵正交分布的形式，并利用收发方向图乘积原理使其可等效为面阵，而传统的实波束电扫描阵列通常为面阵形式，因此与传统的实波束电扫描面阵相比，本发明提出的正交线阵阵列稀疏度很高，系统成本低；与基于合成孔径技术的成像方式相比，实波束成像处理算法简洁，避免了以往基于合成孔径技术的安检成像中的复杂运算；此外，系统扫描方式为电扫描，无机械扫描装置，扫描速度快。综上，本发明提出的安检成像系统兼具成本低和高通过率的优点，易于布置，应用环境适用性强，可以实现不停留的人体安检，可应用于机场和高通量的地铁、火车站等环境下的人体安检。
附图说明
图1(a)是根据本发明的稀疏阵列实波束电扫描快速成像系统的结构框图；
图1(b)是根据本发明的稀疏阵列实波束电扫描快速成像方法的流程图；
图2(a)为本发明的实施例1中成像系统的工作模式示意图；
图2(b)为本发明的实施例2中成像系统的工作模式示意图；
图3(a)为本发明的实施例1中线阵发射天线在聚焦平面处的波束截面图，图 3(b)为实施例1中线阵接收天线在聚焦平面处的波束截面图，图3(c)为实施例1 中发射接收交汇波束截面图；
图4(a)为本发明的实施例2中线阵发射天线在聚焦平面处的波束截面图，图 4(b)为本发明的实施例2中线阵接收天线在聚焦平面处的波束截面图，图4(c)为本发明的实施例2中发射接收交汇波束截面图；
图5(a)为本发明的实施例1中线阵发射天线和线阵接收天线几种不同的布阵方式；
图5(b)为本发明的实施例2中第一反射式线阵与第二反射式线阵的几种不同的布阵方式。
其中，11-相控阵式线阵发射天线；12-相控阵式线阵接收天线；21-第一反射式线阵、22-第二反射阵式线阵；23-发射馈源；24-接收馈源；13、25-发射波束的聚焦区域；14、26-接收波束的聚焦区域。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明基于一种稀疏阵列实波束电扫描快速成像系统，如图1(a)所示，该系统包括：实波束电扫描线阵发射天线、实波束电扫描线阵接收天线、多通道毫米波收发组件、数据处理与控制装置、图像显示装置。
其中，多通道毫米波收发组件与所述线阵发射天线以及所述线阵接收天线相连，其主要实现基带信号与毫米波信号间的上下变频等功能。
其中，数据处理与控制装置，其分别与所述线阵发射天线、所述线阵接收天线和多通道毫米波收发组件相连，主要实现对各个模块进行控制以及数据综合处理等功能。
其中，图像显示装置用于对被检人体的成像结果进行显示，并对可疑物品进行标识。
安检系统通过以下工作方式实现对人体的快速扫描及高分辨率成像：
当待检人体进入成像区域后，安检系统开始工作。
确定初始聚焦平面；确定聚焦平面上的扫描点位置；调节线阵发射天线各单元相位，使其形成发射波束；本发明中，发射波束的波段范围可覆盖C波段到W波段，随着硬件发展水平不断提高，发射波段可扩展到更高的频段。调节线阵接收天线各单元相位，使其形成接收波束；使发射波束和接收波束交汇于扫描点处；接收扫描点处的反射信号；遍历聚焦平面上的所有扫描点；遍历所有聚焦平面；形成三维图像。
本发明提出的稀疏阵列实波束电扫描快速成像系统，采用发射线阵和接收线阵正交分布的形式，并利用收发方向图乘积原理使其可等效为面阵，而传统的实波束电扫描阵列通常为面阵形式，因此与传统的实波束电扫描面阵相比，本发明提出的正交线阵阵列稀疏度很高，系统成本低；与基于合成孔径技术的成像方式相比，实波束成像处理算法简洁，避免了以往基于合成孔径技术的安检成像中的复杂运算；此外，系统扫描方式为电扫描，无机械扫描装置，扫描速度快。综上，本发明提出的安检成像系统兼具成本低和高通过率的优点，易于布置，应用环境适用性强，可以实现不停留的人体安检，可应用于机场和高通量的地铁、火车站等环境下的人体安检。
下面详细描述本发明的部分实施例，通过参考附图描述的实施例只是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例附图中相同的标识应理解为具有相同功能的部件或模块。
在本发明的描述中，描述的方位或位置关系为基于附图所示实施例的方位或位置关系，而不能理解为所述系统部件或模块必须以上述位置安装或工作，不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，部件或模块序号的标注是以方便描述为目的，而不能理解为部件或模块的相对重要性。
在本发明的部分实施例中，所述线阵发射天线及所述线阵接收天线的实现方式可分为两类，相控阵式和反射阵式。在所述线阵天线的实现方式为相控阵式的情况下，所述线阵天线为相控线阵天线；而在所述线阵天线的实现方式为反射阵式的情况下，所述线阵天线由反射线阵和与之对应的馈源组成。下面对这两种情况下的部分实施例进行更为具体的说明。
首先对所述线阵天线的实现方式为相控阵式的情况下的部分实施例进行说明。
如图2(a)所示，该图为在所述线阵天线的实现方式为相控阵式的情况下，一个具体实施例中成像系统的整体结构示意图。在该实施例中，当被检人员进入可检测区域时，成像系统开始工作。成像流程为：确定初始聚焦平面；确定聚焦平面上的扫描点位置；调节相控阵式线阵发射天线11各单元相位，每个单元同时辐射电磁波，合成发射波束，发射波束的聚焦区域形如13；调节相控阵式线阵接收天线12各单元相位，每个单元同时接收电磁波，合成接收波束，接收波束的聚焦区域形如14；发射波束和接收波束交汇于扫描点处，也即使发射波束聚焦区域和接收波束聚焦区域交汇于扫描点处；接收波束接收扫描点处的反射信号；重复上述过程，即确定聚焦平面上的下一个扫描点位置，调节相控阵式线阵发射天线11和接收天线12各单元相位，使得新形成的发射波束和接收波束交汇于下一个扫描点处，也即使发射波束聚焦区域和接收波束聚焦区域交汇于下一个扫描点处，接收波束接收该扫描点处的反射信号；按此方式，遍历聚焦平面上的所有扫描点；遍历所有聚焦平面，形成三维图像。
接下来对所述线阵天线的实现方式为反射阵式的情况下的部分实施例进行说明。
如图2(b)所示，该图为在所述线阵天线的实现方式为反射阵式的情况下，一个具体实施例中成像系统的整体结构示意图。在该实施例中，当被检人员进入可检测区域时，成像系统开始工作。成像流程为：确定初始聚焦平面；确定聚焦平面上的扫描点位置；调节第一反射阵式线阵21各反射单元相位，每个单元同时将发射馈源23辐射的电磁波反射至人体，合成发射波束，发射波束的聚焦区域形如25；调节第二反射阵式线阵22各反射单元相位，每个单元同时将人体散射的电磁波反射至接收馈源24，合成接收波束，接收波束的聚焦区域形如26；发射波束和接收波束交汇于扫描点处，也即使发射波束聚焦区域和接收波束聚焦区域交汇于扫描点处；接收波束接收扫描点处的反射信号；重复上述过程，即确定聚焦平面上的下一个扫描点位置，调节第一反射阵式线阵21和第二反射阵式线阵22各单元相位，使得新形成的发射波束和接收波束交汇于下一个扫描点处，也即使发射波束聚焦区域和接收波束聚焦区域交汇于下一个扫描点处，接收波束接收该扫描点处的反射信号；按此方式，遍历聚焦平面上的所有扫描点；遍历所有聚焦平面；形成三维图像。
在图2(a)所示的成像场景下，若发射接收线阵长度均为1m，单元间隔均为 1cm，聚焦平面上的扫描区域为1m×1m，以阵列中心为原点，当扫描点位于 (0m,0m,1m)处时，所述线阵天线的实现方式为相控阵式的情况下，相控阵式线阵发射天线在聚焦平面处的波束截面图如图3(a)所示，相控阵式线阵接收天线在聚焦平面处的波束截面图如图3(b)所示，发射接收交汇波束截面图如图3(c)所示。本发明所提出的稀疏阵列实波束电扫描快速成像系统在每个聚焦平面上有较高的指向精度与分辨能力。
在图2(b)所示的成像场景下，若发射接收线阵长度均为1m，单元间隔均为 1cm，发射接收Ka波段毫米波信号，聚焦平面上的扫描区域为1m×1m，以阵列中心为原点，当扫描点位于(0m,0m,1m)处时，所述线阵天线的实现方式为反射阵式的情况下，反射阵式线阵发射天线在聚焦平面处的波束截面图如图4(a)所示，反射阵式线阵接收天线在聚焦平面处的波束截面图如图4(b)所示，发射接收交汇波束截面图如图4(c)所示。本发明所提出的稀疏阵列实波束电扫描快速成像系统在每个聚焦平面上有较高的指向精度与分辨能力。
图5(a)为在所述线阵天线的实现方式为相控阵式的情况下，几种不同的布阵方式，布阵方式不局限于图中给出的四种，一般情况下十字交叉型性能最优。图5(b)为在所述线阵天线的实现方式为反射阵式的情况下，几种不同的布阵方式，布阵方式不局限于图中给出的四种，一般情况下十字交叉型性能最优。此外，阵元可等间距排列也可不等间距排列，这取决于具体的阵列优化设计。
综上，本发明提出的稀疏阵列实波束电扫描快速成像系统，采用发射线阵和接收线阵正交分布的形式，并利用收发方向图乘积原理使其可等效为面阵，而传统的实波束电扫描阵列通常为面阵形式，因此与传统的实波束电扫描面阵相比，本发明提出的正交线阵阵列稀疏度很高，系统成本低；与基于合成孔径技术的成像方式相比，实波束成像处理算法简洁，避免了以往基于合成孔径技术的安检成像中的复杂运算；此外，系统扫描方式为电扫描，无机械扫描装置，扫描速度快。综上，本发明提出的安检成像系统兼具成本低和高通过率的优点，易于布置，应用环境适用性强，可以实现不停留的人体安检，可应用于机场和高通量的地铁、火车站等环境下的人体安检。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种稀疏阵列实波束电扫描成像系统，其特征在于，包括相控阵式线阵发射天线(11)、相控阵式线阵接收天线(12)以及数据处理与控制装置；
所述相控阵式线阵发射天线(11)和相控阵式线阵接收天线(12)位于同一平面内，且两者互相垂直；所述相控阵式线阵发射天线(11)用于向三维扫描区域发射波束；所述相控阵式线阵接收天线(12)用于接收从三维扫描区域中被测物体反射的波束；
所述数据处理与控制装置用于：
将所述三维扫描区域划分为多个与相控阵式线阵发射天线(11)和相控阵式线阵接收天线(12)所在平面平行的成像平面，再将每个成像平面进行网格划分；
针对每个成像平面上的每个网格点，控制相控阵式线阵发射天线(11)上每个阵元的相位，使其形成发射波束；再调节相控阵式线阵接收天线(12)各阵元的相位，使相控阵式线阵接收天线(12)接收波束的范围与发射波束交汇于所述网格点；
提取相控阵式线阵接收天线(12)各阵元接收的所述网格点处的反射信号，得到网格点的成像结果；遍历成像平面上的所有网格点，得到该成像平面的成像结果，形成二维图像；遍历所有成像平面，形成三维图像。
2.如权利要求1所述的一种稀疏阵列实波束电扫描成像系统，其特征在于，所述相控阵式线阵发射天线(11)和相控阵式线阵接收天线(12)放置的位置关系呈“十字”型、“L”型或者“T字”型。
3.如权利要求1所述的一种稀疏阵列实波束电扫描成像系统，其特征在于，所述相控阵式线阵发射天线(11)和相控阵式线阵接收天线(12)的阵元为等间距排列或不等间距排列。
4.一种稀疏阵列实波束电扫描成像系统，其特征在于，包括第一反射式线阵(21)、第二反射式线阵(22)、发射馈源(23)、接收馈源(24)以及数据处理与控制装置；
所述第一反射式线阵(21)和第二反射式线阵(22)位于同一平面内，且两者互相垂直；
所述发射馈源(23)用于向第一反射式线阵(21)辐射电磁波，第一反射式线阵(21)将其反射至三维成像区域中的被测物体；
所述第二反射式线阵(22)用于接收从被测物体反射的电磁波，并再将其反射给所述接收馈源(24)；
所述接收馈源(24)用于接收第二反射式线阵(22)中每个阵元反射的电磁信号；
所述数据处理与控制装置用于：
将所述三维扫描区域划分为多个与第一反射式线阵(21)和第二反射式线阵(22)所在平面平行的成像平面，再将每个成像平面进行网格划分；
针对每个成像平面上的每个网格点，控制第一反射式线阵(21)上每个阵元的相位，在成像平面上形成发射波束；再调节第二反射式线阵(22)上各阵元的相位，使得接收波束的范围与发射波束交汇于所述网格点；
提取接收馈源(24)接收的电磁信号，得到网格点的成像结果；遍历成像平面上的所有网格点，得到该成像平面的成像结果，形成二维图像；遍历所有成像平面，形成三维图像。
5.如权利要求3所述的一种稀疏阵列实波束电扫描成像系统，其特征在于，所述第一反射式线阵(21)和第二反射式线阵(22)的放置位置关系呈“十字”型、“L”型或者“T字”型。
6.如权利要求3所述的一种稀疏阵列实波束电扫描成像系统，其特征在于，所述第一反射式线阵(21)和第二反射式线阵(22)的阵元为等间距排列或不等间距排列。
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