CN112068126A - 用于人体全身安检的主动毫米波成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于人体全身安检的主动毫米波成像系统，属于安检技术领域。该系统包括一个水平扫描平台、两个竖直扫描平台、上位机、三个扫描模块、以及通信模块。可以同时对人体前后两面以及脚底扫描检测，满足对被检人员一次性全身安检的要求；采用线性插值方式将稀疏阵列漏采的等效采样点补齐，消除误差并节约成本。本发明成像系统结构简单紧凑，成本低、体积小、功耗低、稳定性高、成像速度快，可以有效地同步完成对被检测人员身体正面、背面和脚底隐藏危险物品的检测。

Description

用于人体全身安检的主动毫米波成像系统
技术领域
本发明属于安检技术领域，涉及一种用于对人体前后两面和脚底同步扫描的主动毫米波成像系统。
背景技术
全球恐怖活动不仅频繁发生、伤亡惨重、损失巨大，而且呈现出与传统恐怖袭击截然不同的特征，塑性炸药、非金属刀具、液体危险品等非金属类隐匿违禁物品成为恐怖分子的主要武器，防不胜防的自杀性人肉炸弹更显著加剧了恐怖袭击的危害。
传统安全检查手段已经严重滞后我国综合轨道交通系统、民航系统、以及各大重要场合对人员安检可靠性、快捷性、智能化和舒适性等方面的要求。传统人员安检通用的金属探测仪即使对金属违禁品也仅能判别其有无而无法精准识别，对非金属类违禁品更是无能为力，安全漏洞严重。而“拍、摸、按、压”的接触式手工安检形式，不仅效率低下，被检人员隐私得不到尊重，更重要的是安检从业人员自身安全无法保障。其它各类人员安检手段也普遍存在安全、效率、成本、体积、检测能力等方面的缺陷，比如生物安检技术(警犬、人)仅适用于特殊场合，并且服役期短，技能训练和维护费用较高，不具备可持续性；红外探测技术对物体表面温度成像，在衣物遮挡的情况下无法清晰成像；X光等各种射线虽具有很强的穿透力，但会对被测人员和操作人员造成电离辐射伤害，且电离辐射对人体的危害作用具有累积效应，即使低剂量的X光机依然不容易被公众接受。
毫米波具有很强的穿透性，可穿透一般的衣物、纺织品、包装纸等，而且分辨率高、指向性好、抗干扰能力强，对被探测目标尤其是人体无电离辐射危害，因此被广泛视为新一代安全监控与检查系统的关键技术，是取代目前低效的金属探测结合人工搜查的首要选择。
近年来随着毫米波安检成像技术研究队伍不断壮大，涌现出一大批科研成果。目前毫米波成像技术最为成功的商业应用是用于人体安检的安检仪，如美国L3 公司的Provision系列产品，已经在全球销量过千台，德国R&S公司以及国内的一些毫米波人体安检产品已经日趋成熟并上市销售。现有的主动式毫米波人体安检门一般采用全息成像体制，通过外差混频对反射回来的毫米波信号的相位进行直接测量，然后基于相位信息反演得到人体体表图像。该技术采用合成孔径成像，分辨率高，可达半个波长量级，并且反映的是人体体表的反射信息，可以清晰地看到人体所携带物品的表面细节，不同种类的物品区分度很高。
不过，现有的毫米波安检成像产品，对人体的正反面扫描时几乎全部采用每面单独扫描检测，然后转身再进行另一面检测，或者是采用柱状螺旋扫描检测，没有可以实现对人身体前后两面和脚底进行全身全面同步扫描的安检产品。而在实际安检中，考虑到待检人员对检测的抵触情绪，对前后面和脚底分多次逐一检测极易引起待检人员不满，而且越来越多的脚底藏毒、藏刀、藏枪等试图在脚底藏匿违禁物品闯关的案例。在此情况下，只能对被检人员采取脱鞋搜查的措施，使被检人员隐私得不到尊重，而且安检从业人员自身安全无法保障，更显著增大了漏检风险，如若造成袭击事件，后果不堪设想。因此，亟需用于人体全身一次性检测的安检成像系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中缺少对人身体前后两面和脚底同步检测的安检设备的问题，提供一种用于人体全身安检的主动毫米波成像系统，该系统具有成像速度快、分辨率高、成本低等优点，可以同步检测出被检人员身体前后面及底脚是否携带有隐藏的危险物品。
本发明采用如下技术方案：
一种用于人体全身安检的主动毫米波成像系统，该系统包括三个扫描平台、上位机、三个扫描模块、以及通信模块。
所述三个扫描平台包括一个用于人体脚底扫描的水平扫描平台，以及两个用于扫描人体前后两面的竖直扫描平台，三个扫描平台与上位机连接，每个扫描平台安装有一扫描模块并带动扫描模块分别在竖直方向上下移动和水平方向左右移动进行机械扫描，实现对被检测目标正面、背面和脚底的同步检测。
所述三个扫描模块均包含收发模块、毫米波模块和信号处理模块。其中，所述收发模块用于发射毫米波信号以及接收回波信号，与毫米波模块连接；所述毫米波模块，用于产生毫米波源并发送给收发模块、以及接收收发模块传输的回波信号，并将所述回波信号和本征信号进行混频得到模拟中频信号，然后将该模拟中频信号发送给信号处理模块；所述信号处理模块对模拟中频信号处理得到数字中频信号，然后将该数字中频信号发送给上位机中的图像处理模块。
所述通信模块用于扫描平台、扫描模块、上位机间的通信。
所述上位机包括控制模块、图像处理模块以及图像显示模块。其中，所述控制模块通过通信模块控制三个扫描平台在竖直方向或水平方向均速移动，实现在垂直于收发天线阵列方向的机械扫描，同时控制收发模块中收发天线阵列的开关顺序，实现在阵列方向上的电扫描，最终实现对被检测目标前后两面和脚底的同步二维平面扫描；所述图像处理模块根据接收到的数字中频信号，重建被检测目标，并最终在所述图像显示模块上显示成像结果。
进一步地，所述三个扫描平台均包括：支撑底座、平行滑轨、电机、伺服驱动器、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)、以及用于安装所述扫描模块的安装座；所述支撑底座用于安装平行滑轨，所述安装座设置于平行滑轨上，所述PLC、伺服驱动器及电机依次连接，用于驱动所述安装座在平行滑轨上左右或者上下滑动。
进一步地，每个收发模块均包括一维稀疏排布的收发天线阵列和开关控制单元。所述收发天线阵列包括Nc组稀疏单元，每组稀疏单元周期长度为D，包含N1个发射天线和N2个接收天线，且发射天线单元间隔为D/N1，接收天线单元间隔为D/N2，每个发射天线将分别与2N2个接收天线复用；所述开关控制单元用于控制发射天线单元和接收天线单元的开、关。
进一步地，所述设置于脚底的水平扫描平台的收发天线阵列包括2组稀疏单元，设置于两侧的竖直扫描平台的收发天线阵列包括5组稀疏单元，每组稀疏单元包括4个发射天线，5接收天线单元。实现水平方向40cm的扫描宽度，竖直方向100cm的扫描宽度。
进一步地，在上述稀疏布阵方式的基础上采用线性插值方式将稀疏阵列漏采的等效采样点补齐。一维稀疏排布的收发天线阵列所需的收发单元数量与满阵相比将大大减少(以N1:N2＝4:5模型为例，该稀疏方式布阵约为满阵收发单元数量的1/4)，但是在不作任何处理的情况下，线阵两端均会出现部分等效采样点被漏采的情况，采用线性插值方式将被漏采的等效采样点补齐的方法消除线阵两端因等效采样点漏采引入的额外误差，与增补收发单元补齐漏采点的方法相比更经济、方便。
进一步地，由于接收天线与发射天线是分离的，利用等效相位中心原理取接收天线与发射天线的中心位置为收发天线的等效位置会引入一定的相位误差，即实际回波数据与理论回波数据存在相位误差。本发明根据等效相位中心误差公式，设计相位补偿方法，据此修正全息成像算法，实现快速成像。如图 6所示，收发天线分离时，收发天线到目标点的距离和(r1+r2)与等效相位中心位置到目标点的双程距离2rc存在误差。因此，
等效相位中心误差定义为：
Figure RE-GDA0002749049600000041
Figure RE-GDA0002749049600000042
Figure RE-GDA0002749049600000043
其中，r1为发射天线到目标点的距离，r2为接收天线到目标点的距离，rc为等效相位中心位置到目标点的距离，d为发射天线到接收天线的距离，
Figure RE-GDA0002749049600000044
为收发天线连线和等效相位中心点与目标点连线的夹角。
在毫米波成像算法进行目标重建之前，信号处理模块对回波数据进行中心误差引起的相位误差进行补偿，即将每个等效采样位置(x',y')的回波数据s(x',y') 补偿校正为s(x′,y′)ejkΔR，k为波数，解决了分离收发天线的等效相位中心位置与真实的物理相位中心位置存在相位误差而降低成像质量的问题。
系统正常工作时，被检测目标站立在位于两个竖直扫描平台正中间的脚底水平扫描平台上，两个竖直扫描平台分别位于待测人体前面和后面。在接收到开始扫描命令以后，水平方向上，扫描模块从右往左或者从右往左匀速移动，开关控制单元控制收发天线阵列按顺序依次通断实现阵列方向的电扫描。在竖直方向上，两个扫描模块从上往下或者从下往上匀速移动、且两个扫描模块的运动方向相反，开关控制单元使两个收发天线阵列按顺序依次通断实现整列方向的电扫描、且扫描方向也相反；利用这种方式扫描最大程度上避免了正反面阵列同时工作时对彼此可能产生的干扰影响。
本发明的有益效果是：本发明提出的用于人体全身安检的主动毫米波成像系统采用主动毫米波全息成像技术，且设计了基于稀疏线阵的合成孔径雷达成像方案，均采用稀疏线阵方向电扫描，另一方向机械扫描的方式，实现待测人员身体前后两面和脚底同步成像，大大提高了安检效率。本发明满足了对被检人员一次性全身安检的要求，简化了安检过程，提高了安检效率，使被检人员隐私得到尊重，更重要的是保障了安检从业人员自身安全，可有效降低漏检风险。
附图说明
图1为本发明优选实施例的整体结构框图。
图2为本发明优选实施例外观示意图。
图3为本发明优选实施例的脚底水平扫描平台示意图。
图4为本发明优选实施例脚底水平扫描平台的收发天线阵列示意图。
图5为本发明优选实施例竖直扫描平台的收发天线阵列示意图。
图6为本发明优选实施例等效相位中心误差分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
请参阅附图1、2、3、4，本实施例提供了一种用于人体全身安检的主动毫米波成像系统，包括上位机(1)、三个扫描模块、通信模块(5)、两个竖直扫描平台(6、7)、和一个水平扫描平台(8)，所述三个扫描模块均包含收发模块(2)、毫米波模块(3)和信号处理模块(4)。
三个扫描平台(6、7、8)与上位机(1)连接，每个扫描平台上安装有一扫描模块并带动扫描模块分别在竖直方向上下移动和水平方向左右移动进行机械扫描，实现对被检测目标正面、背面和脚底的同步检测。
收发模块(2)与毫米波模块(3)连接，用于发射毫米波信号和接收回波信号。毫米波模块(3)，内含毫米波信号发射链路和毫米波信号接收链路，毫米波信号发射链路用于产生毫米波源并传送给收发模块中的发射天线和毫米波信号接收链路，毫米波信号接收链路用于接收收发模块传输来的回波信号，并将回波信号和本征信号进行混频，得到的模拟中频信号传给所述信号处理模块(4)。
信号处理模块(4)用于对得到的模拟中频信号进行处理，得到数字中频信号并传给所述上位机(1)。
通信模块(5)用于扫描平台(6、7、8)、收发模块(2)和上位机(1)间的通信。
所述上位机(1)包括控制模块(1-1)、图像处理模块(1-2)以及图像显示模块(1-3)。其中所述控制模块与通信模块(5)连接，控制所述三个扫描平台在竖直方向和水平方向快速移动和收发天线的开关顺序，实现对被测目标正面、背面和脚底的同步检测；所述图像处理模块(1-2)与所述信号处理模块(4) 连接，利用相应的毫米波成像算法对传输上来的数字中频信号进行处理，进行被测目标重建，最终在所述图像显示模块(1-3)上显示成像结果。
如图3、图4所示，所述三个扫描平台均包括：支撑底座(9)、平行滑轨 (10)、PLC(11)、伺服驱动器(12)、电机(13)，以及用于安装扫描模块的安装座(14)；所述支撑底座(9)用于安装平行滑轨(10)，所述安装座(14) 安装于平行滑轨(10)上，所述PLC(11)、伺服驱动器(12)及电机(13) 依次连接，用于驱动安装座(14)在平行滑轨(10)上左右或者上下滑动。
所述收发模块(2)均包括开关控制单元(2-1)和一维稀疏排布的收发天线阵列(2-2)。所述稀疏排布的收发天线阵列由Nc组稀疏单元组成，每组稀疏单元长度为D，包含N1个发射天线和N2个接收天线，且发射天线单元间隔为D/N1，接收天线单元间隔为D/N2，每个发射天线将分别与2N2个接收天线复用；开关控制单元用于控制发射天线单元开、关和接收天线单元开、关。
如图4、图5所示，两个竖直扫描平台(6、7)上的收发天线阵列中，Nc＝5， N1＝4，N2＝5，D＝20cm，可实现阵列方向100cm的扫描宽度，用于被测目标身体前后两面的扫描。水平扫描平台(8)上的收发天线阵列中，Nc＝2，N1＝4， N2＝5，D＝20cm，可实现阵列方向40cm的扫描宽度，用于被测目标脚底的扫描。
上述稀疏布阵方式不作任何处理的情况下，线阵两端均会出现部分等效采样点被漏采的情况，在采用N1:N2＝4:5模式下，线阵两端将各有6个等效采校点漏采，本发明实施例采用线性插值方式将被漏采的等效采样点补齐的方法消除线阵两端因等效采样点漏采引入的额外误差，与传统的增补收发单元补齐漏采点的方法相比更经济、方便。进一步地，针对稀疏排布的收发天线间距可能较大的情况，根据等效相位中心误差公式，设计相位补偿方法，据此修正全息成像算法，实现快速成像。
如图2中所示，系统正常工作时，待测人员站立在位于两个竖直扫描平台 (6、7)正中间的脚底水平扫描平台(8)上，则两个竖直扫描平台分别位于待测人体前面和后面。在接收到上位机(1)开始扫描命令以后，水平方向上，扫描模块从右往左或者从右往左匀速移动，开关控制单元使收发天线阵列按顺序依次通断实现阵列方向的电扫描；在竖直方向上，两个扫描模块从上往下或者从下往上匀速移动、且两个扫描模块的运动方向相反，开关控制单元使两个收发天线阵列按顺序依次通断实现阵列方向的电扫描、且扫描方向也相反。利用这种方式扫描最大程度上避免了正反面阵列同时工作时对彼此可能产生的干扰影响。
综上所述，本发明提出的用于人体全身安检的主动毫米波成像系统，兼顾了系统成本和成像时间，利用三个扫描平台同时工作，每个扫描平台均采用一维电扫和另一维机械扫描的方式，实现对被测人体目标前后两面和脚底一次性安检扫描，人体目标散射的毫米波回波信号，依次经收发模块、毫米波模块、信号处理模块和图像处理模块，最终同步得到人体正面、背面和脚底的毫米波图像。本系统结构巧妙，稳定性高，成像速度快，可以有效地实现人体全身一次性检测。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (7)

1.一种用于人体全身安检的主动毫米波成像系统，该系统包括三个扫描平台、上位机、三个扫描模块、以及通信模块；
所述三个扫描平台包括一个用于人体脚底扫描的水平扫描平台，以及两个用于扫描人体前后两面的竖直扫描平台，三个扫描平台与上位机连接，每个扫描平台安装有一扫描模块并带动扫描模块分别在竖直方向上下移动和水平方向左右移动进行机械扫描，实现对被检测目标正面、背面和脚底的同步检测；
所述三个扫描模块均包含收发模块、毫米波模块和信号处理模块；其中，所述收发模块用于发射毫米波信号以及接收回波信号，与毫米波模块连接；所述毫米波模块，用于产生毫米波源并发送给收发模块、以及接收收发模块传输的回波信号，并将所述回波信号和本征信号进行混频得到模拟中频信号，然后将该模拟中频信号发送给信号处理模块；所述信号处理模块对模拟中频信号处理得到数字中频信号，然后将该数字中频信号发送给上位机中的图像处理模块；
所述通信模块用于扫描平台、扫描模块、上位机间的通信；
所述上位机包括控制模块、图像处理模块以及图像显示模块；其中，所述控制模块通过通信模块控制三个扫描平台在竖直方向或水平方向均速移动，实现在垂直于收发天线阵列方向的机械扫描，同时控制收发模块中收发天线阵列的开关顺序，实现在阵列方向上的电扫描，最终实现对被检测目标前后两面和脚底的同步二维平面扫描；所述图像处理模块根据接收到的数字中频信号，重建被检测目标，并最终在所述图像显示模块上显示成像结果。
2.如权利要求1所述的一种用于人体全身安检的主动毫米波成像系统，其特征在于：每个收发模块均包括一维稀疏排布的收发天线阵列和开关控制单元；所述收发天线阵列包括Nc组稀疏单元，每组稀疏单元周期长度为D，包含N1个发射天线和N2个接收天线，且发射天线单元间隔为D/N1，接收天线单元间隔为D/N2，每个发射天线将分别与2N2个接收天线复用；所述开关控制单元用于控制发射天线单元和接收天线单元的开、关。
3.如权利要求2所述的一种用于人体全身安检的主动毫米波成像系统，其特征在于：所述设置于脚底的水平扫描平台的收发天线阵列包括2组稀疏单元，设置于两侧的竖直扫描平台的收发天线阵列包括5组稀疏单元，每组稀疏单元包括4个发射天线，5接收天线单元；实现水平方向40cm的扫描宽度，竖直方向100cm的扫描宽度。
4.如权利要求2或3所述的一种用于人体全身安检的主动毫米波成像系统，其特征在于：在稀疏布阵方式的基础上采用线性插值方式将稀疏阵列漏采的等效采样点补齐。
5.如权利要求4所述的一种用于人体全身安检的主动毫米波成像系统，其特征在于：接收天线与发射天线分离设置，收发天线到目标点的距离和与等效相位中心位置到目标点的双程距离2rc存在误差，因此，
等效相位中心误差定义为：
Figure FDA0002648593500000021
Figure FDA0002648593500000022
Figure FDA0002648593500000023
其中，r1为发射天线到目标点的距离，r2为接收天线到目标点的距离，rc为等效相位中心位置到目标点的距离，d为发射天线到接收天线的距离，
Figure FDA0002648593500000024
为收发天线连线和等效相位中心点与目标点连线的夹角；
在毫米波成像算法进行目标重建之前，信号处理模块对回波数据进行中心误差引起的相位误差进行补偿，将每个等效采样位置(x',y')的回波数据s(x',y')补偿校正为s(x′，y′)ejkΔR，k为波数。
6.如权利要求1所述的一种用于人体全身安检的主动毫米波成像系统，其特征在于：系统正常工作时，在接收到开始扫描命令以后，水平方向上，扫描模块从右往左或者从右往左匀速移动，开关控制单元控制收发天线阵列按顺序依次通断实现阵列方向的电扫描；在竖直方向上，两个扫描模块从上往下或者从下往上匀速移动、且两个扫描模块的运动方向相反，开关控制单元使两个收发天线阵列按顺序依次通断实现整列方向的电扫描、且扫描方向也相反。
7.如权利要求1所述的一种用于人体全身安检的主动毫米波成像系统，其特征在于：所述三个扫描平台均包括：支撑底座、平行滑轨、电机、伺服驱动器、PLC、以及用于安装所述扫描模块的安装座；所述支撑底座用于安装平行滑轨，所述安装座设置于平行滑轨上，所述PLC、伺服驱动器及电机依次连接，用于驱动所述安装座在平行滑轨上左右或者上下滑动。
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