CN112799057A - 危险品检测仪及危险品检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种危险品检测仪及危险品检测方法。该危险品检测仪包括：收发模块，包括信号源和与信号源连接的圆极化发射通道，圆极化发射通道用于向目标物品发射圆极化电磁波；及两个接收通道，用于接收目标物品的回波，且两个接收通道中一个接收通道的极化方向与圆极化发射通道的极化方向相同，另一个接收通道的极化方向与圆极化发射通道的极化方向相反；以及控制模块，包括第一端和第二端，其中，第一端与信号源连接，用于控制信号源输出本振信号；第二端与两个接收通道连接，用于确定目标物品的回波的退极化程度，并根据退极化程度输出检测结果。上述危险品检测仪的抗干扰能力较强，可用于远距离的危险品检测。

Description

危险品检测仪及危险品检测方法

技术领域

本发明涉及危险品检测技术领域，特别是涉及一种危险品检测仪及危险品检测方法。

背景技术

对人体携带的隐藏危险品进行检测可以在一定程度上预防恐怖犯罪活动的发生。由于毫米波和太赫兹波能够穿透大部分衣物，利用毫米波和太赫兹波的这种穿透特性可以检测隐藏在人体衣物内的危险品，如金属爆炸物、金属枪支、金属刀具等。有研究者提出了一种毫米波隐藏危险品检测仪。在这种检测仪中，由发射通道所发射的线极化电磁波到达待检目标(人体)后，反射回来的线极化电磁波(回波)由两个接收通道所接收，然后由控制与显示设备处理得到检测结果。当待检目标携带有危险品时，目标回波与不携带危险品的待检目标的回波能量分布存在差异，利用这种差异即可实现人体隐藏危险品检测。在这种检测仪中，使用的是垂直极化和水平极化这两种交叉线极化方式，使用线极化方式的优点是天线成本较低，易于集成。

然而，对于线极化天线，当接收天线的极化方向与线极化方向一致时，感应出的信号最大(电磁波在极化方向上投影最大)；随着接收天线的极化方向与线极化方向偏离越来越多时，感应出的信号越小；当接收天线的极化方向与线极化方向正交时，感应出的信号为零，即线极化方式对天线的方向要求较高。在实际条件下，电磁波传播途中遇到反射折射，会引起极化方向偏转，从而造成接收到的强度变弱，对目标物品的检测造成不利影响。因此，线极化天线的在复杂环境中的抗干扰能力较差，难以适应远距离的危险品检测。

发明内容

基于此，有必要针对传统的危险品检测仪在复杂环境中抗干扰能力弱的问题，提供一种改进的危险品检测仪。

一种危险品检测仪，包括：

收发模块，包括信号源和与所述信号源连接的圆极化发射通道，所述圆极化发射通道用于根据所述信号源输出的本振信号向目标物品发射圆极化电磁波；及两个接收通道，用于接收所述目标物品的回波，且所述两个接收通道中一个接收通道的极化方向与所述圆极化发射通道的极化方向相同，另一个接收通道的极化方向与所述圆极化发射通道的极化方向相反；以及，

控制模块，包括第一端和第二端，其中，所述第一端与所述信号源连接，用于控制所述信号源输出本振信号；所述第二端与所述两个接收通道连接，用于确定所述目标物品的回波的退极化程度，并根据所述退极化程度输出检测结果。

上述危险品检测仪，采用圆极化电磁波来对目标物品进行回波的退极化程度检测，从而即使电磁波在复杂环境中经过多次的反射折射导致极化方向发生偏转，但对于圆极化电磁波的接收也不会造成影响。因此，采用圆极化电磁波进行危险品检测，可降低检测仪对接收天线方位的敏感度，增强检测仪的抗干扰能力，提升远距离危险品检测的准确性。

在其中一个实施例中，所述收发模块包括至少两个极化方向相反的圆极化发射通道，该至少两个圆极化发射通道轮流发射圆极化电磁波。

在其中一个实施例中，所述圆极化发射通道具有两个，所述信号源通过单刀双掷开关与该两个圆极化发射通道连接。

在其中一个实施例中，控制模块包括：显控组件，用于生成检测指令并显示所述检测结果；以及，信号采集处理组件，与所述显控组件连接且设置有所述第一端和所述第二端，所述信号采集处理组件用于根据所述检测指令输出触发信号，并将所述触发信号通过所述第一端输出至所述信号源，及用于通过所述第二端接收所述两个接收通道输出的信号以确定所述目标物品的回波的退极化程度，并根据所述退极化程度输出所述检测结果。

在其中一个实施例中，所述圆极化发射通道包括：倍频器，与所述信号源连接，用于对所述信号源输出的本振信号进行倍频并输出对应的倍频信号；放大器，与所述倍频器连接，用于对倍频后的本振信号进行放大并输出对应的放大信号；圆极化发射天线，与所述放大器连接，用于接收所述放大信号并发射对应的圆极化电磁波。

在其中一个实施例中，所述两个接收通道中每个所述接收通道均包括圆极化接收天线，所述圆极化接收天线用于接收所述目标物品的回波并输出对应的射频信号；

其中，一个接收通道中的圆极化接收天线的极化方向与所述圆极化发射天线的极化方向相同，另一个接收通道中的圆极化接收天线的极化方向与所述圆极化发射天线的极化方向相反。

在其中一个实施例中，每个所述接收通道还包括：混频器，包括第一输入端、第二输入端及输出端，其中，所述第一输入端与所述信号源连接，用于接收所述信号源输出的本振信号，所述第二输入端与所述圆极化接收天线连接，用于接收所述射频信号，所述混频器用于将所述本振信号和所述射频信号进行混频并输出对应的中频信号；以及，中频滤波放大组件，一端与所述混频器的输出端连接，另一端与所述控制模块连接，所述中频滤波放大组件用于对所述中频信号进行滤波和放大，并将滤波和放大后的中频信号输出至所述控制模块。

本申请还提供一种危险品检测方法。

一种危险品检测方法，包括：

向目标物品发射圆极化电磁波；

采用同极化接收通道和交叉极化接收通道同时接收所述目标物品的回波；

确定所述目标物品的回波的退极化程度；

判断所述退极化程度是否超过预设的退极化程度阈值，若超过，则输出所述目标物品为危险品的检测结果。

上述危险品检测方法，采用圆极化电磁波来对目标物品进行回波的退极化程度检测，并判断该退极化程度是否超过预设的退极化程度阈值，若超过，则确定目标物品为危险品。上述危险品检测方法采用圆极化电磁波进行检测，有利于降低检测时对接收天线方位的敏感度，从而可增强检测的抗干扰能力，提升远距离危险品检测的准确性。

在其中一个实施例中，所述向目标物品发射圆极化电磁波，包括：向目标物品轮流发射极化方向不同的圆极化电磁波。

在其中一个实施例中，在所述向目标物品发射圆极化电磁波之前，还包括:

获取多组已知的正常品的回波的退极化程度；

获取多组已知的危险品的回波的退极化程度；

根据所述多组已知的正常品和多组已知的危险品的回波的退极化程度，确定所述预设的退极化程度阈值。

附图说明

图1为一实施例的元件连接示意图；

图2为一实施例的目标物品检测示意图；

图3为一实施例的危险品检测方法的步骤流程图。

1、控制模块，101、显控组件，102、信号采集处理组件；

2、收发模块，201、信号源，202、单刀双掷开关，203、第一倍频器，204、第一放大器，205、第一发射天线，206、第二倍频器，207、第二放大器，208、第二发射天线，209、第一混频器，210、第一接收天线，211、第二接收天线，212、第二混频器，213、中频滤波放大组件。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

传统的线极化危险品检测仪，当接收天线的极化方向与线极化方向一致时，感应出的信号最大(电磁波在极化方向上投影最大)；随着接收天线的极化方向与线极化方向偏离越来越多时，感应出的信号越小；当接收天线的极化方向与线极化方向正交时，感应出的信号为零，即线极化方式对天线的方向要求较高。在实际条件下，电磁波传播途中遇到反射折射，会引起极化方向偏转，从而造成接收到的强度变弱，对目标物品的检测造成不利影响。因此，线极化天线的在复杂环境中的抗干扰能力较差，难以适应远距离的危险品检测。

针对上述缺陷，本申请提供一种可显著增强电磁波抗干扰能力的危险品检测仪。请参考图1，该危险品检测仪包括控制模块1和与控制模块1连接的收发模块2。

具体的，收发模块2包括信号源201和与信号源201连接的圆极化发射通道，圆极化发射通道可用于根据信号源201输出的本振信号向目标物品发射圆极化电磁波；及两个接收通道，用于接收目标物品的回波，且两个接收通道中一个接收通道的极化方向与圆极化发射通道的极化方向相同，另一个接收通道的极化方向与圆极化发射通道的极化方向相反。信号源201可以是线性调频源。

控制模块1包括第一端和第二端，其中，第一端与信号源201连接，用于控制信号源201输出本振信号；第二端与两个接收通道连接，用于确定目标物品的回波的退极化程度，并根据退极化程度输出检测结果。检测结果可以包括目标物品是危险品或不是危险品两种结果。

其中，发射通道发射的圆极化电磁波可以是左旋圆极化电磁波，也可以是右旋圆极化电磁波，但无论发射的圆极化电磁波的极化方向如何，两个接收通道中必然一路是左旋圆极化接收通道，而另一路是右旋圆极化接收通道。进一步的，若发射的圆极化电磁波为右旋圆极化电磁波，则两个接收通道中的右旋圆极化接收通道属于同极化接收通道，而左旋圆极化接收通道则属于交叉极化接收通道。在同极化接收通道和交叉极化接收通道中，正常和异常的回波分布都存在差异，但交叉极化接收通道的差异会更明显一些，尤其对金属而言。

具体的，正常情况下，目标物品的回波中交叉极化分量相比同极化分量低，但是如果目标是金属，特别是表面结构比较复杂的金属目标时，退极化效应增强，回波交叉极化分量会增大。对于正常人平时携带的物品，退极化现象并不明显，但是对于枪支，或者简易爆炸物等由金属构成并且表面不规则的目标，退极化现象非常明显。对应到圆极化电磁波，在球坐标系下，假定圆极化发射通道发射的圆极化电磁波可以表示为E_w＝(a_θ+ja_φ)E(r,θ,φ)，其中a_θ和a_φ是球坐标的单位矢量，右旋电磁波的极化特性可以用单位矢量来表示为

经过目标反射后，右旋电磁波转换为左旋电磁波，用单位矢量表示为

接收通道使用右旋圆极化接收天线时，用单位矢量表示为

这样得到极化损失因子为LF＝|ρ_w2*ρ_r|＝1。当接收通道使用左旋圆极化接收天线时，可以得到损失因子LF为0，即两路同极化回波信号较强，而交叉极化回波信号较弱。在实际应用中，由于难以实现完美圆极化天线，同极化情况下极化损失因子小于1，交叉极化损失因子大于0。基于以上特性，通过测量目标回波的同极化分量和交叉极化分量，就可以定量分析散射场的退极化程度，据此判断待测对象是否携带有枪支等危险品。

在一实施例中，可先通过检测大量已知情形来分析正常(无危险物品)和异常(有危险物品)情况下的退极化程度的差异，进而可确定判断正常和异常情形的退极化程度阈值。根据该阈值，即可判断其他未知目标物品是否为危险品。

上述危险品检测仪，采用圆极化电磁波来对目标物品进行回波的退极化程度检测，从而即使电磁波在复杂环境中经过多次的反射折射导致极化方向发生偏转，但对于圆极化电磁波而言并不会对其接收造成影响。因此，采用圆极化电磁波进行危险品检测，可降低检测仪对接收天线方位的敏感度，增强检测仪的抗干扰能力，提升远距离危险品检测的准确性。

在一实施例中，请参考图1，控制模块1可包括：显控组件101，用于生成检测指令并显示检测结果；以及信号采集处理组件102，与显控组件101连接且设置有上述第一端和第二端，信号采集处理组件102用于根据检测指令输出触发信号，并将触发信号通过上述第一端输出至信号源201，及用于通过上述第二端接收两个接收通道输出的信号以确定目标物品的回波的退极化程度，并根据退极化程度输出检测结果。

在一实施例中，收发模块2包括至少两个极化方向相反的圆极化发射通道，该至少两个圆极化发射通道轮流发射圆极化电磁波。需要注意的是，这里的轮流是指在同一时刻，仅有一个圆极化发射通道向外发射圆极化电磁波，并当所有圆极化发射通道均独自发射完后，该检测仪才算完成一次检测工作。通过上述方式，可以得到多个不同的同极化回波信号和交叉极化回波信号的能量分布，从而有利于增加正常情形和异常情形的差异比对，获得比2个通道数据更高的准确判断率。

进一步的，圆极化发射通道具有两个，信号源201通过单刀双掷开关202与该两个圆极化发射通道连接。具体的，单刀双掷开关202将接收到的本振信号选择性地输出到一个圆极化发射通道，从而实现在同一时刻，仅有一个圆极化发射通道发射电磁波。通过上述方式，可以实现两发两收架构，从而得到4个不同的回波信号数据，从而有利于在提高危险品的准确判断率和保证检测效率之间取得平衡。

进一步的，请继续参考图1，两个圆极化发射通道分别为第一圆极化发射通道和第二圆极化发射通道。其中，第一圆极化通道可包括：第一倍频器203，与信号源201连接，用于对信号源201输出的本振信号进行倍频并输出对应的倍频信号；第一放大器204，与第一倍频器203连接，用于对倍频后的本振信号进行放大并输出对应的放大信号；第一发射天线205，与第一放大器204连接，用于接收放大信号并发射对应的圆极化电磁波。第二圆极化发射通道上依次对应设置有第二倍频器206、第二放大器207以及第二发射天线208，上述器件的功能与第一圆极化发射通道中的类似，便不再赘述。其中，第一发射天线205可以是左旋圆极化天线，也可以是右旋圆极化天线，第二发射天线208的极化方向与第一发射天线205的极化方向相反。

在一实施例中，请参考图1，两个接收通道可分别为第一接收通道和第二接收通道，其中每个接收通道均包括圆极化接收天线，圆极化接收天线用于接收目标物品的回波并输出对应的射频信号。其中，第一接收通道中的圆极化接收天线(即第一接收天线210)的极化方向与圆极化发射天线的极化方向相同，第二接收通道中的圆极化接收天线(即第二接收天线211)的极化方向与圆极化发射天线的极化方向相反。

进一步的，以第一接收通道为例，第一接收通道还包括：第一混频器209，包括第一输入端、第二输入端及输出端，其中，第一输入端与信号源201连接，用于接收信号源201输出的本振信号，第二输入端与第一接收天线210连接，用于接收第一接收天线210输出的射频信号，第一混频器209用于将本振信号和射频信号进行混频并输出对应的中频信号；以及，中频滤波放大组件213，一端与第一混频器209的输出端连接，另一端与控制模块1连接，中频滤波放大组件213用于对中频信号进行滤波和放大，并将滤波和放大后的中频信号输出至控制模块1。第二接收通道对应包括第二接收天线211和第二混频器212，二者在第二接收通道中的连接关系与第一接收通道中的类似，此处便不再赘述。除此之外，接收通道还可采用检波器来接收电磁波。

在一实施例中，第一发射天线205、第二发射天线208、第一接收天线210、第二接收天线211可以是微带天线、四臂螺旋天线、波导缝隙天线、圆锥喇叭天线中的至少一种。

在一实施例中，采用的电磁波信号频段可以是微波、毫米波和太赫兹波。以毫米波段为例，在收发模块1中，信号源201发出的信号频率为11.5GHz～12GHz，当倍频器的倍频次数为8时，圆极化发射通道发射的电磁波频率为92GHz～96GHz。但这些电磁波并不可见，因此在实际检测时，可联合视频成像器件一起使用，以方便检测人员实时观察当前检测区域和进行后续操作。

接下来将结合图2，具体阐述上述危险品检测仪的检测过程。

如图2所示，待目标物品准备就绪后，显控组件101便生成检测指令，信号采集处理组件102接收到检测指令后便会输出触发信号至信号源201，信号源201接收到触发信号后输出三路本振信号，其中一路本振信号通过单刀双掷开关202，另两路本振信号输出到第一混频器209和第二混频器212。单刀双掷开关202将接收到的本振信号选择性地输出到第一倍频器203或第二倍频器206。同一时刻，第一倍频器203或第二倍频器206仅有一个输出倍频信号。第一倍频放大器203输出的倍频信号输入到第一放大器204后，第一放大器204将信号放大后输入到第一发射天线205，第一发射天线205再将信号向自由空间辐射出去。当第二倍频器206输出时，过程与第一倍频器203类似。当第一发射天线205发射的圆极化电磁波入射到目标物品时，一部分电磁波被反射，由第一接收天线210和第二接收天线211所接收并输出对应的射频信号，该射频信号分别传输到第一混频器209和第二混频器212，第一混频器209和第二混频器212将混频后的中频信号输出到中频滤波放大组件213进行滤波和放大，滤波和放大后的信号输出到信号采集处理组件102进行处理并输出对应的检测结果，最后显控组件101对检测结果进行显示。

本申请还提供一种危险品检测方法。请参考图3，该检测方法包括：

S200、向目标物品发射圆极化电磁波。

S300、采用同极化接收通道和交叉极化接收通道同时接收目标物品的回波。

S400、确定目标物品的回波的退极化程度。

S500、判断退极化程度是否超过预设的退极化程度阈值，若超过，则输出目标物品为危险品的检测结果。

上述危险品检测方法，采用圆极化电磁波来对目标物品进行回波的退极化程度检测，并判断该退极化程度是否超过预设的退极化程度阈值，若超过，则确定目标物品为危险品。上述危险品检测方法采用圆极化电磁波进行检测，有利于降低检测时对接收天线方位的敏感度，从而可增强检测的抗干扰能力，提升远距离危险品检测的准确性。

在一实施例中，步骤S200包括：向目标物品轮流发射极化方向不同的圆极化电磁波。通过上述方式，可以得到多个不同的同极化回波信号和交叉极化回波信号的能量分布，从而有利于增加正常情形和异常情形的差异比对，获得比2个通道数据更高的准确判断率。

在一实施例中，在步骤S200之前，可包括：

S110、获取多组已知的正常品的回波的退极化程度；

S120、获取多组已知的危险品的回波的退极化程度；

S130、根据多组已知的正常品和多组已知的危险品的回波的退极化程度，确定预设的退极化程度阈值。

具体的，可通过检测大量已知情形来分析正常(无危险物品)和异常(有危险物品)情况下退极化程度的差异，进而可确定判断正常和异常情形的退极化程度阈值。根据该阈值，即可判断其他未知目标物品是否为危险品。除此之外，也可采用机器学习算法从测试的数据中训练出一个机器学习模型，由该机器学习模型进行检测方法的自我完善。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种危险品检测仪，其特征在于，包括：

收发模块，包括信号源和与所述信号源连接的圆极化发射通道，所述圆极化发射通道用于根据所述信号源输出的本振信号向目标物品发射圆极化电磁波；及两个接收通道，用于接收所述目标物品的回波，且所述两个接收通道中一个接收通道的极化方向与所述圆极化发射通道的极化方向相同，另一个接收通道的极化方向与所述圆极化发射通道的极化方向相反；以及，

控制模块，包括第一端和第二端，其中，所述第一端与所述信号源连接，用于控制所述信号源输出本振信号；所述第二端与所述两个接收通道连接，用于确定所述目标物品的回波的退极化程度，并根据所述退极化程度输出检测结果。

2.根据权利要求1所述的危险品检测仪，其特征在于，所述收发模块包括至少两个极化方向相反的圆极化发射通道，该至少两个圆极化发射通道轮流发射圆极化电磁波。

3.根据权利要求2所述的危险品检测仪，其特征在于，所述圆极化发射通道具有两个，所述信号源通过单刀双掷开关与该两个圆极化发射通道连接。

4.根据权利要求1所述的危险品检测仪，其特征在于，所述控制模块包括：

显控组件，用于生成检测指令并显示所述检测结果；以及，

信号采集处理组件，与所述显控组件连接且设置有所述第一端和所述第二端，所述信号采集处理组件用于根据所述检测指令输出触发信号，并将所述触发信号通过所述第一端输出至所述信号源，及用于通过所述第二端接收所述两个接收通道输出的信号以确定所述目标物品的回波的退极化程度，并根据所述退极化程度输出所述检测结果。

5.根据权利要求1所述的危险品检测仪，其特征在于，所述圆极化发射通道包括：

倍频器，与所述信号源连接，用于对所述信号源输出的本振信号进行倍频并输出对应的倍频信号；

放大器，与所述倍频器连接，用于对倍频后的本振信号进行放大并输出对应的放大信号；

圆极化发射天线，与所述放大器连接，用于接收所述放大信号并发射对应的圆极化电磁波。

6.根据权利要求5所述的危险品检测仪，其特征在于，所述两个接收通道中每个所述接收通道均包括圆极化接收天线，所述圆极化接收天线用于接收所述目标物品的回波并输出对应的射频信号；

其中，一个接收通道中的圆极化接收天线的极化方向与所述圆极化发射天线的极化方向相同，另一个接收通道中的圆极化接收天线的极化方向与所述圆极化发射天线的极化方向相反；

所述圆极化发射天线和所述圆极化接收天线可以是微带天线、四臂螺旋天线、波导缝隙天线、圆锥喇叭天线中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的危险品检测仪，其特征在于，每个所述接收通道还包括：

混频器，包括第一输入端、第二输入端及输出端，其中，所述第一输入端与所述信号源连接，用于接收所述信号源输出的本振信号，所述第二输入端与所述圆极化接收天线连接，用于接收所述射频信号，所述混频器用于将所述本振信号和所述射频信号进行混频并输出对应的中频信号；以及，

中频滤波放大组件，一端与所述混频器的输出端连接，另一端与所述控制模块连接，所述中频滤波放大组件用于对所述中频信号进行滤波和放大，并将滤波和放大后的中频信号输出至所述控制模块。

8.一种危险品检测方法，其特征在于，包括：

向目标物品发射圆极化电磁波；

采用同极化接收通道和交叉极化接收通道同时接收所述目标物品的回波；

确定所述目标物品的回波的退极化程度；

判断所述退极化程度是否超过预设的退极化程度阈值，若超过，则输出所述目标物品为危险品的检测结果。

9.根据权利要求8所述的危险品检测方法，其特征在于，所述向目标物品发射圆极化电磁波，包括：向目标物品轮流发射极化方向不同的圆极化电磁波。

10.根据权利要求8或9所述的危险品检测方法，其特征在于，在所述向目标物品发射圆极化电磁波之前，还包括:

获取多组已知的正常品的回波的退极化程度；

获取多组已知的危险品的回波的退极化程度；

根据所述多组已知的正常品和多组已知的危险品的回波的退极化程度，确定所述预设的退极化程度阈值。

Images