CN110703348A - 平板结构的毫米波安检系统及方法 - Google Patents

平板结构的毫米波安检系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及安检技术领域，尤其是公开了一种平板结构的毫米波安检系统及方法，包括平板结构、线阵扫描单元、机械扫描机构、检测区、连接毫米波探测器的信号采集处理模块、连接信号采集处理模块的成像显示模块、连接成像显示模块自动识别模块；机械扫描机构设于平板结构内连接线阵扫描单元、并能驱动线阵扫描单元沿平板机构上下移动；线阵扫描单元包括毫米波源、毫米波探测器及主体；毫米波源和毫米波探测器安装于主体上；检测区位于平板结构一侧，主体带毫米波源和毫米波探测器的一面朝向检测区。本发明采用合成孔径成像原理及稀疏阵列，结构简单成本低；采用平板结构，缩短了检测时间，同时保障了待测人员的安全及提高了用户体验。

Description

平板结构的毫米波安检系统及方法
技术领域
本发明涉及安检技术领域，尤其是涉及一种平板结构的毫米波安检系统及方法。
背景技术
随着大型公共场所人流量及恐怖活动的急剧增加，人体安检的需求日益增长。但目前在机场、车站等公共场所对人体广泛使用的安全检测手段主要还是金属探测器、离子谱仪和X光检测仪。金属探测器只能检测到人体携带的金属物品，离子谱仪主要用于检测人体是否携带爆炸物，X光检测仪主要用于对随身携带的行李物品等进行检测，无法对人体进行探测。因此，新型安全可靠快捷的人体安检技术研究得到了广泛地重视。其中毫米波及太赫兹波技术近年来逐渐成为研究热点，被应用到人体安检领域。毫米波及太赫兹波本身光子能量低，对人体几乎没有危害，对纺织品、皮革等材料有较好的穿透性，易于得到更高的空间分辨率。
针对此应用趋势，申请号为201710778390.9，名称为《主动式太赫兹安检成像方法及系统》的发明专利申请提出了一种采用太赫兹波进行安检的方法及系统。该专利采用以太赫兹源主动发射太赫兹辐射、带状聚焦波束一维扫描、线性阵列太赫兹探测器接收的模式，完成整个目标平面的照射与扫描，达到对目标成像和检查的目的。但是该方法和系统所需探测器数量很多，由于目前太赫兹器件价格昂贵，因此系统成本极高，难以推广。为此专利号为201610262003.1，名称为《三维全息成像的安检系统及方法》的发明专利提出了一种采用旋转扫描方式的毫米波安检系统及方法。该专利采用毫米波天线阵列旋转扫描的方式对待检人体实现三维成像，达到对目标成像和检查的目的。该方法和系统存在的缺点也非常明显：采用旋转扫描的方法耗费时间，产生令人不适的噪音，同时由于是处于封闭空间内，给用户带来巨大的不安全感，用户体验极差。而且产品所需部件多，结构复杂，制造成本高。
另外，专利号为201610829046.3，名称为《一种快速通过式毫米波人体安检系统及方法》的发明专利需要在安检通道内间隔、倾斜安装四套毫米波探测器和两套红外探测装置，对安检通道的长度要求高，占用空间大，结构复杂，制造成本高；而且毫米波探测器的倾斜角度要求十分高，稍有偏差就影响了检测的准确性。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供一种的结构简单，成本低，使用效果好的毫米波安检系统及方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种平板结构的毫米波安检系统，包括
内部空心、一面能透毫米波的平板结构；
设于平板结构内的线阵扫描单元；该线阵扫描单元包括多个毫米波源、多个毫米波探测器及主体；该毫米波源和毫米波探测器间隔排列成稀疏阵列结构安装于主体上；
用于待测人员站立的检测区,该安置区位于平板结构透毫米波一侧，所述主体带毫米波源和毫米波探测器的一面朝向安置区，安置区能够接收毫米波源发出的毫米波；
设于平板结构内连接线阵扫描单元、并能驱动线阵扫描单元沿平板机构上下移动的机械扫描机构；
信号采集处理模块，连接毫米波探测器，能采集和处理毫米波探测器信号；
连接机械扫描机构的控制模块；控制模块可方便控制上述多个模块的协调工作。
成像显示模块，连接信号采集处理模块，并对处理后的信号进行图像重构合成三维图像，并针对不同对象进行区别显示，以适应不同工作需求，该成像采集模块连接控制模块。
自动识别模块，连接成像显示模块，并对获取图像数据进行人工智能运算，自动进行违禁物品判断提示。动识别模块还提供了人工智能算法，将检测图像与违禁品图像数据库进行对比，对其危险程度进行自动识别和提示，防止人工检测的疏漏。
本发明的线阵扫描单元的毫米波源向待测人员发射信号，通过线阵扫描单元的毫米波探测器接采集信号，对信号进行采集、处理、建模及自动识别，检测的准确，速度快，效率高；通过机械扫描机构带动线阵扫描单元上下移动，实现全身扫描成像，而且所需部件少，使用灵活，还能适应不同高度待测人员的检测，而且采用合成孔径成像原理，保证了成像精度；另外，本发明所需部件少，结构简单，检测区呈现开放空间，提高了使用的安全性和舒适性。
进一步地，所述检测区内设有用于待测人员站立的金属探测板，该金属探测板连接自动识别模块。金属探测板能弥补无法通过毫米波扫描检测底部的漏洞。
进一步地，所述机械扫描机构包括竖直设于平板结构内的运动轨道、传动机构及连接传动机构的驱动电机；线阵扫描单元可升降设于运动轨道上；所述传动机构连接驱动电机。该设计结构简单，使用效果好，取材容易。
进一步地，所述毫米波源和毫米波探测器间隔排列成周期互质稀疏阵列结构，具体排列方式为：毫米波源个数为N1，毫米波探测器个数为N2，阵列周期长度为D，则N1N2互质，毫米波源的阵元间距为D/N1，毫米波探测器的阵元间距为D/N2。保证了N1N2互质，达到了抑制栅瓣的目的，在保证成像质量的前提下，大大降低器件成本。
进一步地，所述平板结构为两块，且对立设于安置区两侧，透电磁波一面朝向安置区。可以采用两块平板结构相对而立建构安检系统(以下叙述中简称“双平板模式”)，同时对人体正面和背面进行扫描成像，省去了待检人员转身的步骤，极大地提高了安检通行率和待检人员的用户体验，加快了安检速度，提高了安检效率。
当然也可只设置一块平板结构，即可以采用单块上述平板结构建构安检系统(以下叙述中简称“单平板模式”)，对待检人体单面进行扫描成像，通过待检人员转身的步骤，完成全身成像安检，节约了安检系统的硬件成本。
另外，本发明还提供了一种平板结构的毫米波安检方法，包括如下步骤：
(a)准备阶段：启动系统，将待测人员引导至检测区上站立，根据提示面对平板结构保持固定姿势不动；
(b)扫描成像：通过控制模块驱动平板结构内的机械扫描机构运动，进而带动线阵扫描单元上下移动，其毫米波源发出的毫米波扫描待测人员，待测人员反射或散射的毫米波信号由毫米波探测器所接收，最终实现了对人体全身的毫米波扫描成像；
(c)图像合成：信号采集处理模块对毫米波探测器所接收的毫米波信号进行采集处理，然后通过成像显示模块对所有信号进行合成，拼接成人体正反两面的全景图像，进而由成像显示模块合成待检人体三维图像，针对不同对象进行区别显示；
(d)自动识别：根据获得图像进行人工智能算法处理，与违禁品的标准图像数据库进行对比，通过自动识别模块给出识别的信息及安全提示。
上述方法可有效完成公共场合对人体的安检工作，并且在尽量降低误检率、漏检率的前提下，避免了封闭空间带来的压迫感，很好地保障了待检人员的尊严，安检工作人员操作便捷，待检人员用户体验良好，而且检测通行率高，安检信息采集全面，检测准确性高，特别适合在各种安检应用场景进行推广。
进一步地，所述步骤(b)中，采用双平板模式，检测区的两侧均各设一块平板机构，两块平板机构内的线阵扫描单元同时工作，同时完成待测人员正面和背面的成像安检。双平板模式可同时对人体正面和背面进行扫描成像，省去了待检人员转身的步骤，极大地提高了安检通行率和待检人员的用户体验，加快了安检速度，提高了安检效率。
进一步地，所述步骤(b)中，采用单平板模式，只在检测区的一侧设置一块平板机构；进而在所述步骤(c)完成之后，增加步骤(c2)待检人员转身步骤，然后重复步骤(b)(c)，完成待检人体全身三维图像合成。采用单平板模式，对待检人体单面进行扫描成像，通过待检人员转身的步骤，完成全身成像安检，节约了安检系统的硬件成本。
进一步地，所述步骤(c)中，通过信号采集处理模块(4)，将线阵扫描单元(3)所获得的信号进行处理的具体方式是采用时域后向投影成像算法。直接将原始数据投影到最终成像平面上，无须定位运算，所得图像为真实三维空间位置的散射强度，便于后续的合成操作，同时避免了采用近似为均匀线性阵列进行计算的误差，对阵列结构没有要求，适合在大稀疏度的互质周期阵列中应用。
综上所述，本发明结构简单，制造成本低，机械扫描机构能带动线阵扫描单元上下移动，适应不同高度待测人员的使用，可实现露天安检的方式提高了客户体验的舒适性。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的电路原理图；
图3为本发明实施例1的平板结构图；
图4为本发明实施例1的线阵扫描单元结构示意图；
其中，平板结构1；机械扫描机构2、传动机构21、运动轨道22、驱动电机23；线阵扫描单元3、毫米波源31、毫米波探测器32、主体33；信号采集处理模块4；控制模块5；成像显示模块6；自动识别模块7；金属探测板8；待测人员100。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1
如图1-4所示，一种平板结构的毫米波安检系统，包括平板结构1、机械扫描机构2、检测区、线阵扫描单元3、信号采集处理模块4、控制模块5、成像显示模块6及自动识别模块7。
其中，所述平板结构1内部空心，该平板结构1一面能透毫米波，即平板结构1由对毫米波高透过率的材料制作而成。所述线阵扫描单元3设于平板结构1内，平板结构1的尺寸、形状可根据需要设计。所述线阵扫描单元3包括多个毫米波源31、多个毫米波探测器32及主体33。该毫米波源31和毫米波探测器32间隔排列成稀疏阵列结构安装于主体33上。再者，所述毫米波源31和毫米波探测器32间隔排列成周期互质稀疏阵列结构，具体排列方式为：毫米波源31个数为N1，毫米波探测器32个数为N2，阵列周期长度为D，则N1N2互质，毫米波源31的阵元间距为D/N1，毫米波探测器32的阵元间距为D/N2。以三个阵列周期为例，毫米波源31和毫米波探测器32数目比例为5:6，保证了互质，根据公式α＝2N1N2/(N1+N2)可计算得到其稀疏度达到5.56，即总共采用了15个毫米波源31和18个毫米波探测器32，合计33个实际元件，间隔一定距离分立周期排列，组成稀疏阵结构，等效于180个探测元件，在保证成像质量的前提下，大大降低器件成本。
所述安置区用于待测人员100站立，该安置区位于平板结构1透毫米波一侧，所述主体33带毫米波源31和毫米波探测器32的一面朝向安置区，安置区能够接收毫米波源31发出的毫米波。优选的，所述检测区内设有金属探测板8，金属探测板8用于待测人员站立，该金属探测板8连接自动识别模块7。
所述机械扫描机构2设于平板结构1内，机械扫描机构2连接线阵扫描单元3，并能驱动线阵扫描单元3沿平板机构1上下移动。该机械扫描机构可气缸等升降结构，但是在本实施例中，所述机械扫描机构2包括运动轨道22、传动机构21及驱动电机23。运动轨道22竖直设于平板结构1内，驱动电机23连接传动机构21。线阵扫描单元3可升降设于运动轨道22上，所述传动机构21连接驱动电机23。该传动机构21选用现有结构，如传动带、链条等。机械扫描机构2中的驱动电机23驱使传动机构21运动，由此带动线阵扫描单元3实现垂直方向上的上下扫描运动。
所述信号采集处理模块4连接毫米波探测器32，能采集和处理毫米波探测器32信号。
所述控制模块5连接机械扫描机构2。可通过控制模块5控制机械扫描机构2。
所述成像显示模块6连接信号采集处理模块4，成像显示模块6对处理后的信号进行图像重构合成三维图像，并针对不同对象进行区别显示，该成像采集模块6连接控制模块5。控制模块5可对成像采集模块6进行控制。
所述自动识别模块7连接成像显示模块6，自动识别模块7对获取图像数据进行人工智能运算，自动进行违禁物品判断提示。
上述毫米波可为太赫兹波。在本实例中，采用双平板模式，即采用两块平板结构1相对而立建构安检系统，即两块平板结构1对立设于安置区两侧，透电磁波一面朝向安置区。优选地，在需要考虑安检成本的时候，可以选用单平板模式，即只采用单块上述平板结构1建构安检系统。
在本实例中，对人体进行检测时，每个时刻线阵扫描单元3对一部分区域进行检测与成像算法处理，通过合成孔径雷达全息成像的原理对接收的毫米波成像，避免光学成像所需的光学聚焦处理。
在本实例中，通过毫米波探测器32完成信号探测，所述信号采集处理模块4对此信号进行处理，然后转换为可供后续算法处理的分段局部图像信号。所述成像显示模块6将上述信号采集处理模块4所成的不同时刻局部图像进行合成即可得到完整的目标图像。
在本实例中，成像显示模块6将合成的全景图像进行显示。优选地，可以采用两路显示输出，其中一路输出至安检人员控制台，其中包括全部成像信息，以便安检人员可以全方位查看待检人员成像信息，做多角度分析处理。另外一路输出至外部显示设备，供公共环境观看显示。此路信号考虑到保护个人隐私问题，采用卡通人物形象模拟显示，只对相关检测物体做区域提示处理。
所述自动识别模块7用来对合成的全景图像进行人工智能计算，进而与违禁品图像数据库进行对比，对其危险程度进行自动识别和提示，防止人工检测的疏漏，做到万无一失。如果个别物品自动识别有困难，将可以提示安检人员进行人工复检。
在本实例中，金属探测板8的检测结果也能直接和安检服务器相连，自动提示脚底金属检测情况。平板结构1及金属探测板8构成完全开放式的空间。
本系统利用毫米波源作为辐射源，通过毫米波探测器接收人体反射或散射的毫米波信号，采用自行设计的平板结构封装形式，通过平板结构内部的稀疏阵结构单元实现线阵扫描，利用合成孔径全息成像原理，对待检人体完成了毫米波扫描探测成像。本发明的毫米波安检系统及方法实现了毫米波扫描成像技术的实际应用，并且采用非密闭的平板结构，机械结构简单，极大地提高了待检人员的安全性和用户体验，提高了通行率，采用稀疏阵结构降低了系统成本，对毫米波安检技术的发展和推广有重要意义。
实施例2
本实施是与实施例1配套使用方法，具体公开了一种平板结构的毫米波安检方法，包括如下步骤：
(a)准备阶段：启动系统，将待检人员分别引导至平板结构1的金属探测板8上站立，根据提示面对平板结构1保持固定姿势不动在待检人体脚底放置金属探测板8，能弥补无法通过毫米波扫描检测脚底的漏洞。
该步骤中，待检人员需举起双手，将全身特别是腋下暴露，以保证检测区域完整。
(b)扫描成像：通过控制模块5驱动平板结构1内的机械扫描机构2运动，进而带动线阵扫描单元3上下移动，其稀疏阵结构的毫米波源31发出的毫米波扫描待检人员，待检人员反射或散射的毫米波信号由毫米波探测器32所接收，最终实现了对人体全身的毫米波扫描成像。
在所述步骤(b)扫描成像阶段中，采用双平板模式，检测区的两侧均各设一块平板机构1，两块平板机构1内的线阵扫描单元3同时工作，同时完成待测人员100正面和背面的成像安检。两块相对而立的平板结构1可以同时完成对待检人体正面和背面的安检成像，避免了转身环节，极大提高了通行率。
所述步骤(b)扫描成像阶段中，实时自动记录线阵扫描单元的坐标，为不同时刻所检测区域的图像合成建立映射方程。
(c)图像合成：信号采集处理模块4对毫米波探测器32所接收的毫米波信号进行采集处理，然后通过成像显示模块6对所有信号进行合成，拼接成人体正反两面的全景图像，进而由成像显示模块6合成待检人体三维图像，针对不同对象进行区别显示。
在所述步骤(c)图像合成中，成像显示模块6通过合成孔径雷达(SyntheticAperture Radar，SAR)成像的原理进行聚焦成像。考虑到实时成像的要求，通过信号采集处理模块4，将线阵扫描单元3所获得的信号进行处理，采用时域后向投影(Backprojection，BP)成像算法，直接将原始数据投影到最终成像平面上，无须定位运算，所得图像为真实三维空间位置的散射强度，便于后续的合成操作，同时避免了采用近似为均匀线性阵列进行计算的误差，对阵列结构没有要求，适合在本实施例中大稀疏度的互质周期阵列中应用。优选地，可以采用分块BP成像算法，降低算法计算量，结合GPU并行计算技术，可以做到实时成像。
所述步骤(c)图像合成过程中，为了保障待检人员个人隐私，成像显示模块6将对显示的图像做部分卡通化处理。
(d)自动识别：根据获得图像进行人工智能算法处理，与违禁品的标准图像数据库进行对比，通过自动识别模块7给出识别的信息及安全提示。
该步骤中，通过自动识别模块7中预置的深度学习算法针对全景图像中特殊物体进行智能判断及安全提示。在本实例中，采用的是基于YOLO(You Only Look Onec)算法的框架。采用卷积网络提取特征，使用全连接层来得到预测值。网络结构包含24个卷积层和2个全连接层。首先进行预训练，将经过图像预处理的各种标准危险品的毫米波全息图像在ImageNet上训练YOLO网络的前20个卷积层+1个average池化层+1个全连接层。在预训练得到的20层卷积层之上加上随机初始化的4个卷积层和2个全连接层。在检测的时候，将人体毫米波图像分成10*10个格子，每个格子预测2个bounding box及其置信度，以及20个类别概率。Bbox信息(x，y，w，h)为物体的中心位置相对格子位置的偏移及宽高，归一化处理，测试时候每个单元格预测最终输出概率定义为：
Pr(Classi|Object)*Pr(Object)*IOUtruthpred＝Pr(Classi)*IOUtruthpred(1)
训练好的YOLO网络直接放置在自动识别模块7内，当进行人体安检时，将得到的实时全景图像首先通过网络的一次前向过程得到输出；然后通过判断每个预测box的最大类别置信度是否超过指定的阈值，如果没有的话则舍弃该box，每个box的类别置信度是用预测的类别概率和置信度相乘得到，类别置信度给出了该类别出现在box中的概率以及预测的box的准确度；利用non-maximal supression过滤剩下的box，最终的box就是YOLO最终检测的结果，其最大类别置信度对应的类别就是物体所属分类。系统最终根据概率给出安全提示。
上述毫米波优选为毫米波,通过更改毫米波源31的输出毫米波频率后能同样适用于太赫兹波成像安检领域。当然在其他实施例中，也可采用单平板模式代替双平板模式，只在检测区的一侧设置一块平板机构1；进而在所述步骤(c)完成之后，增加步骤(c2)待检人员转身步骤，然后重复步骤(b)(c)，完成待检人体全身三维图像合成。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种平板结构的毫米波安检系统，其特征在于：包括
内部空心、一面能透毫米波的平板结构(1)；
设于平板结构(1)内的线阵扫描单元(3)；该线阵扫描单元(3)包括多个毫米波源(31)、多个毫米波探测器(32)及主体(33)；该毫米波源(31)和毫米波探测器(32)间隔排列成稀疏阵列结构安装于主体(33)上；
用于待测人员(100)站立的检测区,该安置区位于平板结构(1)透毫米波一侧，所述主体(33)带毫米波源(31)和毫米波探测器(32)的一面朝向安置区，安置区能够接收毫米波源(31)发出的毫米波；
设于平板结构(1)内连接线阵扫描单元(3)、并能驱动线阵扫描单元(3)沿平板机构(1)上下移动的机械扫描机构(2)；
信号采集处理模块(4)，连接毫米波探测器(32)，能采集和处理毫米波探测器(32)信号；
连接机械扫描机构(2)的控制模块(5)；
成像显示模块(6)，连接信号采集处理模块(4)，并对处理后的信号进行图像重构合成三维图像，并针对不同对象进行区别显示，该成像采集模块(6)连接控制模块(5)；
自动识别模块(7)，连接成像显示模块(6)，并对获取图像数据进行人工智能运算，自动进行违禁物品判断提示。
2.根据权利要求1所述的平板结构的毫米波安检系统，其特征在于：所述检测区内设有用于待测人员站立的金属探测板(8)，该金属探测板(8)连接自动识别模块(7)。
3.根据权利要求1所述的平板结构的毫米波安检系统，其特征在于：所述机械扫描机构(2)包括竖直设于平板结构(1)内的运动轨道(22)、传动机构(21)及连接传动机构(21)的驱动电机(23)；线阵扫描单元(3)可升降设于运动轨道(22)上；所述传动机构(21)连接驱动电机(23)。
4.根据权利要求1所述的平板结构的毫米波安检系统，其特征在于：所述毫米波源(31)和毫米波探测器(32)间隔排列成周期互质稀疏阵列结构，具体排列方式为：毫米波源(31)个数为N1，毫米波探测器(32)个数为N2，阵列周期长度为D，则N1N2互质，毫米波源(31)的阵元间距为D/N1，毫米波探测器(32)的阵元间距为D/N2。
5.根据权利要求1所述的平板结构的毫米波安检系统，其特征在于：所述平板结构(1)为两块，且对立设于安置区两侧，透电磁波一面朝向安置区。
6.根据权利要求1所述的平板结构的毫米波安检系统，其特征在于：所述毫米波的频段为：26.5GHz-1000GHz。
7.一种平板结构的毫米波安检方法，包括如下步骤：
(a)准备阶段：启动系统，将待测人员(100)引导至检测区上站立，根据提示面对平板结构(1)保持固定姿势不动；
(b)扫描成像：通过控制模块(5)驱动平板结构(1)内的机械扫描机构(2)运动，进而带动线阵扫描单元(3)上下移动，其毫米波源(31)发出的毫米波扫描待测人员(100)，待测人员(100)反射或散射的毫米波信号由毫米波探测器(32)所接收，最终实现了对人体全身的毫米波扫描成像；
(c)图像合成：信号采集处理模块(4)对毫米波探测器(32)所接收的毫米波信号进行采集处理，然后通过成像显示模块(6)对所有信号进行合成，拼接成人体正反两面的全景图像，进而由成像显示模块(6)合成待检人体三维图像，针对不同对象进行区别显示；
(d)自动识别：根据获得图像进行人工智能算法处理，与违禁品的标准图像数据库进行对比，通过自动识别模块(7)给出识别的信息及安全提示。
8.根据权利要求7所述的平板结构的毫米波安检系统，其特征在于：所述步骤(b)中，采用双平板模式，检测区的两侧均各设一块平板机构(1)，两块平板机构(1)内的线阵扫描单元(3)同时工作，同时完成待测人员(100)正面和背面的成像安检。
9.根据权利要求7所述的平板结构的毫米波安检系统，其特征在于：所述步骤(b)中，采用单平板模式，只在检测区的一侧设置一块平板机构；进而在所述步骤(c)完成之后，增加步骤(c2)待检人员转身步骤，然后重复步骤(b)(c)，完成待检人体全身三维图像合成。
10.根据权利要求7所述的平板结构的毫米波安检系统，其特征在于：所述步骤(c)中，通过信号采集处理模块(4)，将线阵扫描单元(3)所获得的信号进行处理的具体方式是采用时域后向投影成像算法；所述步骤(d)中，采用YOLO算法框架对全景图像进行人工智能算法训练及检测识别处理。
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