CN111158057B - 一种稀疏阵三维成像安检装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种稀疏阵三维成像安检装置及方法，本发明涉及一种稀疏阵三维成像安检装置和方法，其包括：稀疏天线阵列、射频收发前端、信号处理模块、显示模块和一个或者多个人工处理席位。在信号处理模块的控制下由粗扫描确定人体的位置信息，然后根据人体的位置信息，由信号处理模块控制本装置进入细扫描模式。在细扫描模式下,由信号处理模块发送扫描指令，射频收发前端产生并由稀疏天线阵列发射射频信号，射频信号在与目标相互作用以后，经目标反射的回波信号被稀疏天线阵列接收并由射频收发前端处理后，传输到信号处理模块，在信号处理模块中经模数转换，并经校准处理和成像处理后，将成像处理结果分别发送给检测模块和人工处理席位。最终通过自动检测和人工处理席位相结合的方式，确定被检人是否携带危险品。

Description

一种稀疏阵三维成像安检装置及方法

技术领域

本发明涉及一种稀疏阵三维成像安检装置及方法，涉及涉及毫米波安检成像领域。

背景技术

近年来国内外的恐怖袭击事件频繁发生，危险物品的种类也越来越多，传统的安检手段已经不能满足当前安检市场的需求。传统的金属探测器仅能探测金属违禁品，对塑料炸弹、陶瓷刀具都无能为力；X光安检设备虽然能检测所有的违禁物品，但是对人体健康有一定的威胁，也不是最佳的安检手段。目前毫米波三维成像技术是一种替代传统安检手段的有效方法。L3公司的旋转扫描三维成像系统、RS公司的QPS三维成像系统以及Smith公司的反射面天线阵成像系统，都是目前市场上的主要毫米波三维成像系统。目前市面上的毫米波安检设备多是配合式的安检设备，不能实现人体从头到脚全方位的扫描和成像，且对人体的微小晃动没有做补偿，容易造成人体局部散焦。本专利提出了一种能够实现人体从头到脚的全方位成像的稀疏阵三维成像安检装置，适应公共场所对安全检查快速准确的需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种稀疏阵三维成像安检装置及方法。

本发明的技术解决方案是：

一种稀疏阵三维成像安检装置，包括：稀疏天线阵列、射频收发前端和信号处理模块；射频收发前端又包括频率合成模块、发射模块和接收模块；信号处理模块包括控制模块、检测模块、DA模块、校准模块和成像模块；稀疏天线阵列包括稀疏发射天线阵列和稀疏接收天线阵列；

发射链路具体为：信号处理模块中的控制模块控制DA模块，为射频收发前端中的频率合成模块提供调谐电压，从而使频率合成模块中的压控振荡器产生FMCW信号，将倍频后的FMCW信号功分为两路，一路传送给射频收发前端中的发射模块，在发射模块中做两倍频处理，并与中频信号混频后，作为发射本振信号；另外一路经功分网络功分为10M₁路后，经射频电缆分别传输给射频收发前端中的接收模块，在接收模块做两倍频处理后，作为接收本振；

将FMCW信号经射频电缆传送给发射模块，在信号处理模块中控制模块的控制下，依次打开指定稀疏发射天线阵列的1到N个发射通道，在每个通道完成FMCW信号发射后，切换到下一个通道，且确保每次只有一个发射通道工作，稀疏发射天线阵列将信号辐射到空间，发射信号与目标相互作用后，被稀疏接收天线阵列接收。

进一步的，接收链路具体为：在信号处理模块中控制模块的控制下，打开稀疏发射天线阵列区域的40N₁个发射通道中的一个，每个发射通道工作时，分时打开天线阵列区域的40M₁个接收通道，每次选通10M₁个接收通道，经过四次完成所有接收通道的信号接收。

进一步的，稀疏接收天线阵列的接收通道接收到与目标相互作用的回波信号后，通过射频电缆将回波信号发送到射频收发前端的接收模块中，并在接收模块中与接收本振信号混频得到基带回波信号，将基带回波信号传送到信号处理模块中；依次打开稀疏天线阵列中的发射通道开关，再次重复上述过程，完成该发射通道对应的接收通道回波数据获取，直到完成所有发射通道对应的接收通道的回波信号获取，并将所有回波信号传送到信号处理模块中。

进一步的，回波信号在信号处理模块中的校准模块中完成校准处理，并在信号处理模块中的成像模块中通过BP成像算法完成成像处理后，将图片信息传送给信号处理模块中的检测模块，检测模块通过深度学习算法标记出违禁物品的位置。

进一步的，通过BP成像算法进行并行计算完成成像处理，具体为：

(1)回波信号可以表示为：

式中k为波数，(x_tm,y_tm,0)为发射通道坐标，(x_rn,y_rn,0)为接收通道坐标，δ_i为位于(x_i,y_i,z_i)目标单元的散射系数，

为电磁波从发射天线照射到目标，再从目标回到接收天线的光程差；

(2)对每个接收通道的回波信号s(x_tm,y_tm,x_rn,y_rn,k)进行脉冲压缩，表示为：

s(x_tm,y_tm,x_rn,y_rn,z)＝IFT_k{s(x_tm,y_tm,x_rn,y_rn,k)}；

(3)对脉冲压缩后的回波信号s(x_tm,y_tm,x_rn,y_rn,z)进行BP聚焦成像：

式中，

为发射通道到投影位置的距离，

为接收通道到投影位置的距离；exp{jk[R_tm(x,y,z)+R_rn(x,y,z)]}指数项为BP系数。

进一步的，信号处理模块中的校准模块，在校准模块中完成回波数据色散校正、通道幅相不一致性校正、延时校正以及人体前后晃动的运动补偿校正，将校正完的回波数据发送给成像模块；

脉冲压缩过程中，将信道的色散通过与参考信道混频的方式补偿掉；参考通道色散在出厂前测试，将测试通道的幅度和相位保存；在出厂后色散校正过程中，每个通道的回波数据与该保存的测试通道的幅度和相位相除，完成色散校正；利用在校准模式下测得的通道不一致性和延时校准参数，完成通道不一致性和延时校正；从P次粗扫描模式下获得的回波数据中提取的运动补偿参数，并根据该补偿参数完成人体前后微动的运动补偿校正。

进一步的，稀疏天线阵列包括P个稀疏天线阵列模块，其中P>1,且P优选40块；每个稀疏天线阵列模块由N₁个发射通道和M₁个接收通道组成，其中1≤N₁≤100,1≤M₁≤100；

稀疏天线阵列模块的布阵包括五种形式，分别是十字形、×字形、正方形、平行四边形和圆形；

整个稀疏天线阵列为三边形结构，顶部的天线阵列与竖直方向有一个θ夹角，0°<θ≤90°，θ角优选30°。

进一步的，稀疏阵三维成像安检装置的工作方式包括粗扫描模式和细扫描模式；

粗扫描模式为：信号处理模块中的控制模块传递开始指令到稀疏天线阵列，依次打开稀疏天线阵列中每个稀疏天线阵列子阵的一个或两个发射通道，依次完成稀疏天线阵列子阵中与该发射通道相邻的一个或两个接收通道的接收，通过一维距离像判断被检人体是否进入指定安检区域。

进一步的，细扫描模式为：若粗扫描模式检测到被检人进入通道指定区域，则信号处理模块的控制模块传递开始指令到稀疏天线阵列，依次打开稀疏天线阵列中每一个发射通道，并打开稀疏天线阵列中对应的接收通道，完成接收通道的接收。

进一步的，本发明提出一种根据稀疏阵三维成像安检装置实现的安检方法，包括如下步骤：

第801步，稀疏阵三维成像安检装置上电，完成自检；

第802步，调整至校准模式进行系统校准，完成通道幅相不一致性校正和延时校正参数的提取；

第803步，系统校准完成后，切换到粗扫描模式；

第804步，在粗扫描模式下确定被检人是否进入检查的范围，若已进入，则继续进行第805步，切换到成像数据模式；若没有进入，则回到第803步；

第805步，在成像数据获取模式下完成成像数据和运动补偿数据的获取，成像数据的获取通过细扫描模式获取，运动补偿数据的获取是通过在细扫描的间隙进行粗扫描获取；这里所指的运动补偿，补偿的是被检人在扫描区域轻微晃动造成的运动误差；

第806步，在成像数据获取模式的细扫描模式下，完成一个稀疏天线阵列模块的全部发射通道轮换，以及相应接收通道接收和数据获取后，将该模块发射通道对应的接收数据传输给校准模块，并切换到粗扫描模式；

完成稀疏天线阵列模块发射接收的具体过程如下：射频信号的发射由信号处理模块给射频收发前端中的频率合成模块发送电压序列，产生4.5～5.125GHz的FMCW信号，该4.5～5.125GHz的FMCW信号在频率合成模块内做8倍倍频处理后，功分为两路，一路传输到发射模块，并在发射模块做两倍频并与70MHz中频信号混频后作为发射信号，然后将射频信号传递给发射通道，触发指定稀疏发射阵列的一个发射通道；另一路功分为10M₁路后，分别作为接收本振信号，并分别通过射频电缆传输到接收模块，在接收模块中做两倍频处理后，传输到本振输入端；接收信号的过程为，信号处理模块中的控制模块控制稀疏接收天线阵列分时完成接收阵列中所有接收通道的接收，将每组接收通道接收的人体反射回波通过射频电缆，传输到接收模块的射频输入端，在接收模块内做混频处理，将混频处理之后的基带信号，传输给信号处理模块；发射阵列遍历该模块内所有的发射通道一遍，并重复上述操作，将基带信号传输到信号处理模块中；

第807步，完成粗扫描模式的数据采集后，将数据传输给校准模块并切换回细扫描模式；继续进行第806步，在细扫描模式下完成下一个模块的成像数据的获取；重复806-807步骤P次，直到完成P个模块成像数据的获取，以及整个扫描过程中被检人前后微动的运动补偿数据的获取；并将获取的数据传输给校准模块；

第808步，在校准模块，根据出厂前获得的色散校准数据、校准模式下获得通道幅相不一致性校正和延时校正参数以及在数据获取模式下粗扫描模式获得的运动补偿数据，完成对数据获取模式下细扫描模式下获得的成像回波数据的校正，并将校正后的回波数据发送给成像模块；

第809步，校正后的回波数据在成像模块完成成像处理后，将成像结果传送给检测模块；

第810步，将成像结果在检测模块通过深度学习算法完成图像识别处理；

第811步，在检测模块完成检测处理后，重复步骤805-810，完成下一个角度的成像和检测处理，至少完成人体正面和背面的成像检测后或者完成人体正面、背面和双侧面的成像检测后，结束该被检人的检测，并将图像识别的结果传送给显示器和人工判图席位；

第812步，在人工判图席位对智能检测结果做最后的检测结果确认，确认被检人是否携带违禁物品，并将确认并修改后的检测结果传送给显示模块。

第813步，在显示模块显示检测模块获得的检测结果和人工处理席位确认和修改后的检测结果。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用了在顶部加倾斜稀疏天线阵列模块，底部加平面稀疏天线阵列模块的方式，实现被检人从头到脚全方位的安全检查。

(2)根据安检对扫描时间要求相对较低的特点，采用接收机时分复用的方法，降低了系统对混频器(或者包含混频器的芯片)等硬件数量的要求，从而降低了系统硬件成本。

(3)采用稀疏的面阵布阵方案，减少了收发通道的个数，降低了系统成本，提高了电扫描速度，降低了回波信号的获取时间，有利于安检系统大范围的在机场、火车站、监狱、法院等部门的推广。

(4)出厂前，提前测试通道的色散和群时延情况，并将幅度、相位保存下来。并在实际成像过程中，对通道内的色散和群时延进行实时校正。从而提高成像的聚焦效果和质量。

(5)采用了BP成像算法以及高性能计算机。通过并行计算以及将BP系数提前计算并存储起来，待成像时调用的方法大大降低了成像时间。

(6)增加了人体前后晃动的补偿，降低了对人体配合度的要求，从而降低人体前后的微动对被检人成像的影响。

(7)采用了大数据库和深度学习的方法，提高了检测的准确率。

附图说明

图1稀疏阵三维成像安检装置系统框图

图2稀疏阵三维成像安检装置三维布阵图和三维结构图

图3稀疏阵三维成像安检装置三维布阵俯视图和三维结构俯视图

图4稀疏阵三维成像安检装置三维布阵侧视图和三维结构侧视图

图5稀疏阵三维成像安检装置三维布阵正视图和三维结构正视图

图6稀疏阵三维成像安检装置单个子阵布阵图

图7稀疏阵三维成像安检装置阵列选通方式示意图

图8稀疏阵三维成像安检装置系统工作流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提出一种稀疏阵三维成像安检装置和方法，主要是利用稀疏阵列电扫描，实现对人体从头到脚的全方位人体安检。具体检查方式为：被检人先正面面向安检仪，然后转身背面面向安检仪，从而完成人体正面和背面的成像和检测；或者被检人在安检仪前，缓慢旋转，抓拍其中正面、背面和两个侧面的人体图像，并完成检测。

图1为稀疏阵三维成像安检装置的原理框图。该稀疏阵三维成像安检装置主要包括：稀疏天线阵列、射频收发前端(包括频率合成模块、发射模块和接收模块)、信号处理模块、显示模块和人工处理席位。在其中一个实施例中，稀疏天线阵列为三边形天线阵列由图2所示，由P块稀疏天线阵列模块组成，其中1≤P，P优选40块。稀疏阵三维成像安检装置三维布阵图和三维结构图如图2所示，稀疏阵三维成像安检装置三维布阵俯视图和三维结构俯视图如图3所示，稀疏阵三维成像安检装置三维布阵侧视图和三维结构侧视图如图4所示，稀疏阵三维成像安检装置三维布阵正视图和三维结构正试图如图5所示。每块稀疏天线阵列模块，由N₁个发射通道和M₁个接收通道组成，其中1≤N₁≤100,1≤M₁≤100，稀疏阵三维成像安检装置单个子阵布阵图如图6所示。因此整个稀疏阵三维成像安检装置由N个发射通道和M个接收通道组成，其中1≤N，1≤M。每个模块的布阵可以选择多种形式，在图6中列出了布阵的五种形式，分别是十字形、×字形、正方形、平行四边形和圆形。由图2所示，在该实施例中，发射通道的个数N为40N₁个，接收通道的个数M为40M₁个。稀疏阵三维成像安检装置的工作流程分为粗扫描模式和细扫描模式。

其中粗扫描模式为：点击显示模块上的开始按钮，稀疏阵三维成像安检装置进入工作状态，或者上电自启动后，系统经初始化后自动进入工作状态。信号处理模块中的控制模块传递开始指令到稀疏天线阵列，依次打开稀疏天线阵列中每个稀疏天线阵列子阵的一个或两个发射通道，依次完成稀疏天线阵列子阵中与该发射通道相邻的一个或两个接收通道的接收，通过一维距离像判断被检人体是否进入指定安检区域。

细扫描模式为：若粗扫描模式检测到被检人进入通道指定区域，则信号处理模块的控制模块传递开始指令到稀疏天线阵列，依次打开稀疏天线阵列中每一个发射通道，并打开稀疏天线阵列中对应的接收通道，完成接收通道的接收。如图7所示，当粗扫描模式检测到人体进入通道中如图7虚线框所示的区域时，开启1、2、3、4、5、6、7、8、9和10列接收通道，完成对被检人回波数据的获取。

发射链路：信号处理模块中的控制模块控制信号处理模块中的DA模块，为频率合成模块提供一系列的调谐电压，从而使频率合成模块中的VCO模块(压控振荡器)产生4.5～5.125GHz的FMCW信号，经8倍频模块后，FMCW信号频率范围变为36GHz-41GHz。将倍频后的FMCW信号功分为两路，一路传送给射频收发前端中的发射模块，在发射模块中做两倍频处理，并与70MHz中频信号混频后，作为发射本振信号，另外一路经功分网络功分为10M₁路后，经射频电缆分别传输给射频收发前端中的接收模块，在接收模块做两倍频处理后，作为接收本振。在射频收发前端的发射模块中，将FMCW信号经射频电缆传送给发射模块。在信号处理模块中控制模块的控制下，依次打开指定天线阵列的1到N个稀疏发射天线阵列的发射通道，在每个通道完成FMCW信号发射后，切换到下一个通道，且确保每次只有一个通道工作。稀疏发射天线阵列将信号辐射到空间后。发射信号与目标相互作用后，被稀疏接收天线阵列接收。除了该实施例的频率范围，可以扩展应用到毫米波的任意波段。

接收链路：在信号处理模块中控制模块的控制下，打开天线阵列区域的40N₁个发射通道中的一个，每个发射通道工作时，分时打开天线阵列区域的40M₁个接收通道，每次选通10M₁个接收通道，经过四次完成所有接收天线的接收，如图7所示。因为安检，对扫描时间的要求不是很高，因此可以通过开关切换的方式分时接收，从而减少混频器(或者包含混频器的芯片)等硬件的使用数量，进而节约硬件成本。稀疏接收天线阵列的接收通道接收到与目标相互作用的回波信号后，通过射频电缆将回波信号发送到射频收发前端的接收模块中，并在接收模块中与接收本振信号混频得到基带回波信号，将基带回波信号传送到信号处理模块中。依次打开发射通道开关，再次重复上述过程，完成该发射通道对应的接收通道回波数据获取，直到完成所有发射通道对应的接收通道的回波信号获取，并将所有回波信号传送到信号处理模块中。回波信号在信号处理模块中的校准模块中完成校准处理，并在信号处理模块中的成像软件模块中通过BP成像算法完成成像处理后，将图片信息传送给信号处理模块中的检测模块，检测模块在大数据的基础上通过深度学习算法标记出违禁物品的位置。最后信号处理模块将检测结果发送给显示器和人工处理席位。在显示器中显示人工智能检测结果以及人工处理席位反馈回来的最终检测结果，在人工处理席位由专业的安检人员完成检测结果的最终判断，确认被检人是否携带违禁物品。人工处理席位可以是一个或者多个，每个人工处理席位配备一台电脑。

稀疏天线阵列

本发明所指的稀疏天线阵列，包括P个稀疏天线阵列模块，其中P>1,且P优选40块，每个稀疏天线阵列模块中至少一个发射通道和一个接收通道。

如图2所示。稀疏天线阵列模块的组合方式以及每个模块的布阵方式是多种多样的。稀疏阵三维成像安检装置三维布阵图如图2所示，稀疏阵三维成像安检装置三维布阵俯视图如图3所示，稀疏阵三维成像安检装置三维布阵侧视图如图4所示，稀疏阵三维成像安检装置三维布阵正视图如图5所示。每个稀疏天线阵列模块，由N₁个发射通道和M₁个接收通道组成，其中1≤N₁≤100,1≤M₁≤100，稀疏天线阵列模块发射通道和接收通道排布如图6所示。在图6中列出了布阵的五种形式，分别是十字形、×字形、正方形、平行四边形和圆形。因此整个稀疏阵三维成像安检装置由N个发射通道和M个接收通道组成，其中1≤N，1≤M，由图2所示，在该实施例中，发射通道的个数为40N₁个，接收通道的个数为40M₁个。为了更好的实现对人体从头到脚的全方位的安全检查。本发明采用了如图2所示的稀疏天线阵列。整个稀疏天线阵列是一个三边形的结构，顶部的天线阵列与竖直方向有一个θ的夹角，0°<θ≤90°，θ角优选30°。通过该设计可以增加头部和肩部在俯视方向的合成孔径长度，从而解决以前头部和肩部分辨率低，成像质量差，检测概率低的问题。另外在脚底设计了一个平面天线阵列，该平面天线阵列由图2所示的四个稀疏天线阵列模块组成，这样可以覆盖现有毫米波安检系统对脚部检测的空白。从而实现对脚底的成像和检测。

射频收发前端

系统的射频收发前端，主要负责系统射频信号的发射和接收。射频收发前端包括：频率合成模块、P个发射模块和P个接收模块。

频率合成模块主要负责接收信号处理模块传来的电压信号，电压信号经频率源模块中的VCO处理后，产生4.5～5.125GHz的FMCW信号。该4.5～5.125GHz的FMCW信号经8倍频模块倍频，倍频后的FMCW信号为36GHz-41GHz。将该倍频后的FMCW信号功分两路，一路经射频线传输给发射模块，在发射模块经两倍频后做发射本振信号，一路传输给接收模块，在接收模块中经两倍频后做接收本振。70MHz的中频信号与发射本振信号混频后，作为发射信号经稀疏发射天线阵列辐射到被检人体区域。接收本振信号先功分为10M₁路。接收本振信号传送给射频收发前端的接收模块，在接收模块中与稀疏接收天线阵列传回的射频回波信号混频，混频后的基带信号，经射频电缆传输给信号处理模块。

信号处理模块

信号处理模块的功能包括：产生70MHz的中频信号；产生频率合成模块的输入电压信号；接收基带回波信号，然后在信号处理模块中的校准模块和成像模块中，将基带信号做校准处理和成像处理，最后将成像结果发送给检测模块，做检测处理。通过信号处理模块中的控制模块向整机发送控制信号：包括触发发射信号和接收信号，控制发射通道发射和接收通道接收。

信号处理模块中的校准模块，在校准模块中完成回波数据色散校正、通道幅相不一致性校正以及延时校正，人体前后晃动的运动补偿校正，将校正完的回波数据发送给成像模块。实际的信道存在色散，脉冲压缩过程中，需要将信道的色散通过与参考信道混频的方式补偿掉。参考通道色散可以在出厂前测试一次，将测试通道的幅度和相位保存下来。在出厂后色散校正过程中，每个通道的回波数据与该保存的测试通道的幅度和相位相除，完成色散校正。利用在校准模式下测得的通道不一致性和延时校准参数，完成通道不一致性和延时校正。从P次粗扫描模式下获得的回波数据中提取的运动补偿参数，并根据该补偿参数完成人体前后微动的运动补偿校正。

信号处理模块中的成像模块采用的是BP成像算法。该成像算法可以采用并行计算的实现方式，可以边扫描边计算，降低了算法的实际成像时间。

回波信号可以表示为：

式中k为波数，(x_tm,y_tm,0)为发射通道坐标，(x_rn,y_rn,0)为接收通道坐标，δ_i为位于(x_i,y_i,z_i)目标单元的散射系数，

为电磁波从发射天线照射到目标，再从目标回到接收天线的光程差。

BP成像算法主要包含以下两个步骤：

(1)对每个接收通道的信号s(x_tm,y_tm,x_rn,y_rn,k)进行脉冲压缩，理想信号的脉冲压缩可以表示为：

s(x_tm,y_tm,x_rn,y_rn,z)＝IFT_k{s(x_tm,y_tm,x_rn,y_rn,k)}

实际的信道存在色散，脉冲压缩过程中，需要将信道的色散通过与参考信道混频的方式补偿掉。参考通道色散可以在出厂前测试一次，将测试通道的幅度和相位保存下来。在出厂后色散校正过程中，每个通道的回波数据与该保存的测试通道的幅度和相位相除，完成色散校正。

(2)对s(x_tm,y_tm,x_rn,y_rn,z)进行BP聚焦成像：

式中

为发射通道到投影位置的距离，

为接收通道到投影位置的距离。exp{jk[R_tm(x,y,z)+R_rn(x,y,z)]}指数项称之为BP系数。BP系数可以通过查表法获得，从而降低计算速度，降低成像时间。

首先对回波数据，通过BP成像算法获得三维成像结果。

信号处理模块中的检测模块在大数据库的基础上，采用公知的深度学习算法，完成对目标的分类和识别。

信号处理模块中控制模块的功能包括：将信号处理模块的扫描指令和校正指令传递给稀疏阵三维成像安检装置，将安检装置的状态信息反馈给信号处理模块；将信号处理模块中的成像结果和检测结果发送给人工处理席位的计算机，供安检人员使用；将安检人员在处理席位处理出的最终结果发送回信号处理模块。

显示模块

显示器的主要功能为显示由信号处理模块传来的检测结果，包括机器学习的检测结果以及人工处理席位反馈的检测结果。

人工处理席位

人工处理席位的功能是在成像结果中人工标记图像中危险物品的位置或者对机器学习的检测结果做检查，将检测结果中的虚警删除，增加漏检位置。做出被检者是否携带危险品的最终判断。人工处理席位可以是一个或者是多个。

下面介绍稀疏阵三维成像安检装置的安检方法，如图8所示。

第801步，稀疏阵三维成像安检装置上电，完成系统自检。

第802步，将系统调整至校准模式，完成整个系统的通道幅相不一致性校正和延时校正参数的提取。具体校准方式在发明《一种MIMO成像系统校准方法及装置》CN109507651A中有较详细的说明。

第803步，系统校准完成后，首先切换到粗扫描模式。

第804步，在粗扫描模式下确定被检人是否进入a<x<b的范围，即如图7虚线框所示的被检区域。若已进入，则继续进行第805步，将系统切换到成像数据模式。若没有进入，则系统切换为粗扫描模式，即回到第803步。

第805步，若有人进入被检区域，则将系统切换到成像数据获取模式。特别说明：在成像数据获取模式下完成成像数据和运动补偿数据的获取，成像数据的获取通过细扫描模式获取，运动补偿数据的获取是通过在细扫描的间隙进行粗扫描获取。这里所指的运动补偿，补偿的是被检人在扫描区域轻微晃动造成的运动误差。

第806步，在成像数据获取模式的细扫描模式下，完成一个模块的全部发射通道轮换，以及相应接收通道接收和数据获取后，将该模块发射通道对应的接收数据传输给校准模块，并将系统切换到粗扫描模式。

完成该模块发射接收的具体过程如下：射频信号的发射由信号处理模块给射频收发前端中的频率合成模块发送电压序列，产生4.5～5.125GHz的FMCW信号。该4.5～5.125GHz的FMCW信号在频率合成模块内做8倍倍频处理后，功分为两路，一路传输到发射模块，并在发射模块做两倍频并与70MHz中频信号混频后作为发射信号，然后将射频信号传递给稀疏天线阵列的发射通道，触发指定稀疏发射阵列的一个发射通道。另一路功分为10M₁路后，分别作为接收本振信号，并分别通过射频电缆传输到接收模块，在接收模块中做两倍频处理后，传输到本振输入端。接收信号的过程为，信号处理模块中的控制模块控制接收天线阵列分时完成接收阵列中所有接收通道的接收，将每组接收通道接收的人体反射回波通过射频电缆，传输到接收模块的射频输入端，在接收模块内做混频处理，将混频处理之后的基带信号，传输给信号处理模块。发射开关天线阵列遍历该模块内所有的发射通道一遍，并重复上述操作，将基带信号传输到信号处理模块中。

第807步，完成粗扫描模式的数据采集后，将数据传输给校准模块并切换回细扫描模式。继续进行第806步，在细扫描模式下完成下一个模块的成像数据的获取。重复806-807步骤P次，直到完成P个模块成像数据的获取，以及整个扫描过程中被检人前后微动的运动补偿数据的获取。并将获取的数据传输给校准模块。

第808步，在校准模块，根据出厂前获得的色散校准数据、校准模式下获得通道幅相不一致性校正和延时校正参数以及在数据获取模式下粗扫描模式获得的运动补偿数据，完成对数据获取模式下细扫描模式下获得的成像回波数据的校正。并将校正后的回波数据发送给成像模块。

第809步，校正后的回波数据在成像模块完成成像处理后，将成像结果传送给检测模块。

第810步，将成像结果在检测模块在大数据的基础上通过公知的深度学习算法完成图像识别处理。

第811步，在检测模块完成检测处理后，重复步骤805-810，完成下一个角度的成像和检测处理。至少完成人体正面和背面的成像检测后或者完成人体正面、背面和双侧面的成像检测后，结束该被检人的检测，并将图像识别的结果传送给显示器和人工判图席位。

第812步，在人工判图席位对智能检测结果做最后的检测结果确认，确认被检人是否携带违禁物品，并将确认并修改后的检测结果传送给显示模块。

第813步，在显示模块显示检测模块获得的检测结果(智能识别的结果)和人工处理席位确认和修改后的检测结果。在部分实施例中，显示模块中的开始选项还可以通过控制模块控制整机的启动。

在检测模块完成检测处理后，重复步骤805-810，完成下一个角度的成像和检测处理。至少完成人体正面和背面的成像检测后或者完成人体正面、背面和双侧面的成像检测后，结束该被检人的检测。

值得注意的是，这里提到的粗扫描是指通过信号处理模块中的控制模块，控制阵列1、2、3、4、5、6中的每个模块的一个或两个发射通道以及与它相邻的接收通道，工作在测距模式，并通过测得在通道内如图7虚线内的区域是否有被检人，以便切换到细扫描，完成人体前表面、侧面、脚底以及背面的成像和检测。除了粗扫描的方法外，还可以通过外加传感器的方法判断被检人所处的位置，比如视频传感器、体重感应器等。

Claims (7)

1.一种稀疏阵三维成像安检装置，其特征在于包括：稀疏天线阵列、射频收发前端和信号处理模块；射频收发前端又包括频率合成模块、发射模块和接收模块；信号处理模块包括控制模块、检测模块、DA模块、校准模块和成像模块；稀疏天线阵列包括稀疏发射天线阵列和稀疏接收天线阵列；

发射链路具体为：信号处理模块中的控制模块控制DA模块，为射频收发前端中的频率合成模块提供调谐电压，从而使频率合成模块中的压控振荡器产生FMCW信号，将倍频后的FMCW信号功分为两路，一路传送给射频收发前端中的发射模块，在发射模块中做两倍频处理，并与中频信号混频后，作为发射本振信号；另外一路经功分网络功分为10M₁路后，经射频电缆分别传输给射频收发前端中的接收模块，在接收模块做两倍频处理后，作为接收本振；

将FMCW信号经射频电缆传送给发射模块，在信号处理模块中控制模块的控制下，依次打开指定稀疏发射天线阵列的1到N个发射通道，在每个通道完成FMCW信号发射后，切换到下一个通道，且确保每次只有一个发射通道工作，稀疏发射天线阵列将信号辐射到空间，发射信号与目标相互作用后，被稀疏接收天线阵列接收；

稀疏接收天线阵列的接收通道接收到与目标相互作用的回波信号后，通过射频电缆将回波信号发送到射频收发前端的接收模块中，并在接收模块中与接收本振信号混频得到基带回波信号，将基带回波信号传送到信号处理模块中；依次打开稀疏天线阵列中的发射通道开关，再次重复上述过程，完成该发射通道对应的接收通道回波数据获取，直到完成所有发射通道对应的接收通道的回波信号获取，并将所有回波信号传送到信号处理模块中；

回波信号在信号处理模块中的校准模块中完成校准处理，并在信号处理模块中的成像模块中通过BP成像算法完成成像处理后，将图片信息传送给信号处理模块中的检测模块，检测模块通过深度学习算法标记出违禁物品的位置；

信号处理模块中的校准模块，在校准模块中完成回波数据色散校正、通道幅相不一致性校正、延时校正以及人体前后晃动的运动补偿校正，将校正完的回波数据发送给成像模块；

脉冲压缩过程中，将信道的色散通过与参考信道混频的方式补偿掉；参考通道色散在出厂前测试，将测试通道的幅度和相位保存；在出厂后色散校正过程中，每个通道的回波数据与该保存的测试通道的幅度和相位相除，完成色散校正；利用在校准模式下测得的通道不一致性和延时校准参数，完成通道不一致性和延时校正；从P次粗扫描模式下获得的回波数据中提取的运动补偿参数，并根据该补偿参数完成人体前后微动的运动补偿校正。

2.根据权利要求1所述的一种稀疏阵三维成像安检装置，其特征在于：接收链路具体为：在信号处理模块中控制模块的控制下，打开稀疏发射天线阵列区域的40N₁个发射通道中的一个，每个发射通道工作时，分时打开天线阵列区域的40M₁个接收通道，每次选通10M₁个接收通道，经过四次完成所有接收通道的信号接收。

3.根据权利要求1所述的一种稀疏阵三维成像安检装置，其特征在于：通过BP成像算法进行并行计算完成成像处理，具体为：

(1)回波信号可以表示为：

式中k为波数，(x_tm,y_tm,0)为发射通道坐标，(x_rn,y_rn,0)为接收通道坐标，δ_i为位于(x_i,y_i,z_i)目标单元的散射系数，

为电磁波从发射天线照射到目标，再从目标回到接收天线的光程差；

(2)对每个接收通道的回波信号s(x_tm,y_tm,x_rn,y_rn,k)进行脉冲压缩，表示为：

s(x_tm,y_tm,x_rn,y_rn,z)＝IFT_k{s(x_tm,y_tm,x_rn,y_rn,k)}；

(3)对脉冲压缩后的回波信号s(x_tm,y_tm,x_rn,y_rn,z)进行BP聚焦成像：

式中，

为发射通道到投影位置的距离，

为接收通道到投影位置的距离；

exp{jk[R_tm(x,y,z)+R_rn(x,y,z)]}指数项为BP系数。

4.根据权利要求1所述的一种稀疏阵三维成像安检装置，其特征在于：稀疏天线阵列包括P个稀疏天线阵列模块，其中P＞1；每个稀疏天线阵列模块由N₁个发射通道和M₁个接收通道组成，其中1≤N₁≤100,1≤M₁≤100；

稀疏天线阵列模块的布阵包括五种形式，分别是十字形、×字形、正方形、平行四边形和圆形；

整个稀疏天线阵列为三边形结构，顶部的天线阵列与竖直方向有一个θ夹角，0°＜θ≤90°。

5.根据权利要求1所述的一种稀疏阵三维成像安检装置，其特征在于：稀疏阵三维成像安检装置的工作方式包括粗扫描模式和细扫描模式；

粗扫描模式为：信号处理模块中的控制模块传递开始指令到稀疏天线阵列，依次打开稀疏天线阵列中每个稀疏天线阵列子阵的一个或两个发射通道，依次完成稀疏天线阵列子阵中与该发射通道相邻的一个或两个接收通道的接收，通过一维距离像判断被检人体是否进入指定安检区域。

6.根据权利要求5所述的一种稀疏阵三维成像安检装置，其特征在于：细扫描模式为：若粗扫描模式检测到被检人进入通道指定区域，则信号处理模块的控制模块传递开始指令到稀疏天线阵列，依次打开稀疏天线阵列中每一个发射通道，并打开稀疏天线阵列中对应的接收通道，完成接收通道的接收。

7.一种根据权利要求1～6中任一项所述的一 种稀疏阵三维成像安检装置实现的安检方法，其特征在于：

第801步，稀疏阵三维成像安检装置上电，完成自检；

第802步，调整至校准模式进行系统校准，完成通道幅相不一致性校正和延时校正参数的提取；

第803步，系统校准完成后，切换到粗扫描模式；

第804步，在粗扫描模式下确定被检人是否进入检查的范围，若已进入，则继续进行第805步，切换到成像数据模式；若没有进入，则回到第803步；

第805步，在成像数据获取模式下完成成像数据和运动补偿数据的获取，成像数据的获取通过细扫描模式获取，运动补偿数据的获取是通过在细扫描的间隙进行粗扫描获取；这里所指的运动补偿，补偿的是被检人在扫描区域轻微晃动造成的运动误差；

第806步，在成像数据获取模式的细扫描模式下，完成一个稀疏天线阵列模块的全部发射通道轮换，以及相应接收通道接收和数据获取后，将该模块发射通道对应的接收数据传输给校准模块，并切换到粗扫描模式；

完成稀疏天线阵列模块发射接收的具体过程如下：射频信号的发射由信号处理模块给射频收发前端中的频率合成模块发送电压序列，产生4.5～5.125GHz的FMCW信号，该4.5～5.125GHz的FMCW信号在频率合成模块内做8倍倍频处理后，功分为两路，一路传输到发射模块，并在发射模块做两倍频并与70MHz中频信号混频后作为发射信号，然后将射频信号传递给发射通道，触发指定稀疏发射阵列的一个发射通道；另一路功分为10M₁路后，分别作为接收本振信号，并分别通过射频电缆传输到接收模块，在接收模块中做两倍频处理后，传输到本振输入端；接收信号的过程为，信号处理模块中的控制模块控制稀疏接收天线阵列分时完成接收阵列中所有接收通道的接收，将每组接收通道接收的人体反射回波通过射频电缆，传输到接收模块的射频输入端，在接收模块内做混频处理，将混频处理之后的基带信号，传输给信号处理模块；发射阵列遍历该模块内所有的发射通道一遍，并重复上述操作，将基带信号传输到信号处理模块中；

第807步，完成粗扫描模式的数据采集后，将数据传输给校准模块并切换回细扫描模式；继续进行第806步，在细扫描模式下完成下一个模块的成像数据的获取；重复806-807步骤P次，直到完成P个模块成像数据的获取，以及整个扫描过程中被检人前后微动的运动补偿数据的获取；并将获取的数据传输给校准模块；

第808步，在校准模块，根据出厂前获得的色散校准数据、校准模式下获得通道幅相不一致性校正和延时校正参数以及在数据获取模式下粗扫描模式获得的运动补偿数据，完成对数据获取模式下细扫描模式下获得的成像回波数据的校正，并将校正后的回波数据发送给成像模块；

第809步，校正后的回波数据在成像模块完成成像处理后，将成像结果传送给检测模块；

第810步，将成像结果在检测模块通过深度学习算法完成图像识别处理；

第811步，在检测模块完成检测处理后，重复步骤805-810，完成下一个角度的成像和检测处理，至少完成人体正面和背面的成像检测后或者完成人体正面、背面和双侧面的成像检测后，结束该被检人的检测，并将图像识别的结果传送给显示器和人工判图席位；

第812步，在人工判图席位对智能检测结果做最后的检测结果确认，确认被检人是否携带违禁物品，并将确认并修改后的检测结果传送给显示模块；

第813步，在显示模块显示检测模块获得的检测结果和人工处理席位确认和修改后的检测结果。

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