CN112835038A

CN112835038A - 一种基于折线阵列的成像系统

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Publication number: CN112835038A
Application number: CN202011602699.0A
Authority: CN
Inventors: 李世勇; 王硕光; 邢光楠; 赵国强; 孙厚军
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-05-25

Abstract

本公开的基于折线阵列的成像系统，通过扫描架包括直线导轨和伺服电机，所述直线导轨用于支撑所述折线阵，所述伺服电机控制所述折线阵沿着所述扫描架的直线导轨在高度方向进行位移扫描；折线阵列，包括多个子折线阵列，所述相邻两个子折线阵列相互拼接；其中，所述折线阵列的两端分别设置在所述扫描架的直线导轨上，且所述折线阵列沿着所述扫描架的直线导轨方向上下移动。通过折线孔径使天线单元正对着目标成像位置，实现天线波束对目标区域更加均匀的覆盖，易于加工和模块化拼接，降低制造成本，适合于毫米波人体安检成像，实现高分辨率快速的人体安检。

Description

一种基于折线阵列的成像系统

技术领域

本发明属于安检技术领域，具体涉及一种基于折线阵列的成像系统。

背景技术

由于暴力犯罪事件与恐怖主义事件的时有发生，近年来公共安全问题引起国际社会的广泛关注。现阶段地铁、广场、机场等人员密集的场所是袭击事件主要发生地点。因此，公共场所的安检与安全问题也引发了社会各界的广泛重视，对安检系统的准确性、实时性、智能化等特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。金属探测器能够检测出人体携带的金属违禁品，但不能检测如陶瓷刀、粉末炸弹等非金属违禁物品，且对违禁物品不仅无法分辨其种类，也无法实现精确定位；虽然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，具有如安全性高、可靠性好、对于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。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种基于折线阵列的成像系统，通过折线孔径使天线单元波束正对着目标成像位置，实现天线波束对目标区域更加均匀的覆盖，易于加工和模块化拼接，降低制造成本，适合于毫米波人体安检成像，实现高分辨率快速的人体安检。

根据本发明的一方面，提出了一种基于折线阵列的成像系统，所述系统包括：

扫描架，包括直线导轨和伺服电机，所述直线导轨用于支撑所述折线阵，所述伺服电机控制所述折线阵沿着所述扫描架的直线导轨在高度方向进行位移扫描；

折线阵列，包括多个子折线阵列，所述相邻两个子折线阵列相互拼接；

其中，所述折线阵列的两端分别设置在所述扫描架的直线导轨上，且所述折线阵列沿着所述扫描架的直线导轨方向上下移动。

在一种可能的实现方式中，所述折线阵列的收发天线单元分布采用MIMO线阵体制或自发自收体制。

在一种可能的实现方式中，所述每个子折线阵列的机械结构相同。

在一种可能的实现方式中，当所述折线阵列采用MIMO线阵体制时，所述子折线阵列由相同或不同的MIMO子折线阵组成。

在一种可能的实现方式中，所述MIMO子折线阵包括发射天线和接收天线；所述发射天线和接收天线分别沿着所述MIMO子线阵的横向呈等间隔或不等间隔分布。

在一种可能的实现方式中，针对每一个子折线阵MIMO线阵，所述发射天线分时发射信号；

针对每个发射天线发射信号时，所有的接收天线同时接收由被测目标反射的回波信号。

在一种可能的实现方式中，当所述折线阵列采用自发自收体制时，所述子折线阵列由相同的收发天线单元组成。

在一种可能的实现方式中，针对每一个子折线阵列，所述收发天线单元沿着所述子折线阵列方向呈等间距或不等间隔分布。

在一种可能的实现方式中，所述收发天线单元分时工作。

在一种可能的实现方式中，每一个子子折线为直线段。

本公开的基于折线阵列的成像系统，包括：扫描架，包括直线导轨和伺服电机，所述直线导轨用于支撑所述折线阵，所述伺服电机控制所述折线阵沿着所述扫描架的直线导轨在高度方向进行位移扫描；折线阵列，包括多个子折线阵列，所述相邻两个子折线阵列相互拼接；其中，所述折线阵列的两端分别设置在所述扫描架的直线导轨上，且所述折线阵列沿着所述扫描架的直线导轨方向上下移动。通过折线孔径使天线单元波束正对着目标成像位置，实现对目标区域的均匀的覆盖，易于加工和模块化拼接，降低制造成本，适合于毫米波人体安检成像，实现高分辨率快速的人体安检。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起展示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1a和图1b分别示出了根据本公开一实施例的基于折线阵列的成像系统的正面和背面结构的示意图；

图2示出根据本公开一实施例的基于折线阵列的成像系统的目标区域和折线阵列的相对关系示意图；

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1a和图1b分别示出了根据本公开一实施例的基于折线阵列的成像系统的正面和背面结构的示意图。

如图1a和图1b所示，该系统可以包括：

扫描架，包括提供扫描的机械系统，即包括直线导轨和伺服电机，所述直线导轨用于支撑所述折线阵，所述伺服电机控制所述折线阵沿着所述扫描架的直线导轨在高度方向进行位移扫描；

折线阵列，包括多个子折线阵列，所述相邻相条子折线阵列相互拼接；

其中，折线阵列的两端分别设置在扫描架的直线导轨上，且折线阵列沿着直线导轨方向上下移动。折线阵列利用扫描架的直线导轨进行机械扫描，折线阵列在每一个纵向的机械扫描位置处，进行相应的收发单元处理。

在一示例中，折线阵列的收发天线单元分布可以采用MIMO线阵体制或自发自收体制，每个子折线阵列的机械结构相同，且每一个子折线段可以为直线段。

当折线阵列采用MIMO线阵体制时，每个子折线阵列由相同或不同的MIMO子折线阵组成，即将每个子折线阵设计为相同或不同的MIMO子阵列。MIMO子折线阵可以包括发射天线和接收天线，发射天线和接收天线分别沿着MIMO子折线阵的横向向呈等间隔或不等隔分布。在每个扫描位置处，MIMO子折线阵的发射天线依次发射信号；针对每个发射天线发射信号时，所有的接收天线可同时接收由被测目标反射的回波信号。

当折线阵列采用自发自收体制时，子折线阵列由相同的收发天线单元(同一个天线单元负责收发信号)组成。针对每个子折线阵列，收发天线单元沿着所述子折线阵列的方向等间距分布，且收发天线单元分时工作，以完成对目标成像区域的回波数据采集。

应用示例

如图1所示，在此实施例中，折线阵列采用自发自收体制。其中，每个子折线阵列中包含4个收发天线单元，灰色方块为收发天线，位于子折线阵列的折线方向并在每一子折线阵列内等间隔分布。折线阵列的成像系统通过沿着扫描架纵向机械扫描的方式形成二维折面孔径，可以使发射天线和接收天线波束方向正对着目标成像区域，缓解发射天线和接收天线在非视线方向增益下降导致目标图像质量恶化的问题。由于折线阵列由不同子折线阵列拼接而成，且每个子折线为直线段，因此，相比于弧形阵列，折线阵列单元不需要共形设计，降低了设计与制造成本。但实际系统可不限于如此设计，也可直接采用二维折面阵列的形式，在此不作一一限定。

该成像系统工作时，折线阵列在竖直方向进行机械扫描并收发射频信号(例如线性调频信号)。折线阵列在竖直方向的扫描类似于SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)成像体制中的走-停-走模式。在竖直方向的每个扫描位置处停留进行扫描，此时，折线阵列的多个子折线阵列在同一z坐标下工作，由于该成像范围属于近场成像范围，收发天线单元同时能够接收由目标反射的回波信号，该回波信号经过信号处理系统处理后获得回波信号的基带复信号，然后结合快速BP算法即可对目标区域进行扫描成像。

如图1a和图1b所示，折线阵列的所有收发天线波束均正对着被检人员，当检测到被检人员在可检测范围内时，折线阵列扫描系统在竖直方向开始进行扫描，在每个扫描停留位置处收发天线单元的收发通道分时工作，数据采集完毕后结合快速BP算法即可对目标区域进行扫描成像，得到目标区域的三维像结果。

图2示出根据本公开一实施例的基于折线阵列的成像系统的目标区域和折线阵列的相对关系示意图。

如图2所示，在标准直角坐标系下，设在z方向某一扫描位置处，设目标成像区域某一点反射系数为g(x,y,z)，折线阵列单站雷达位置可表示为(x′,y′,z′)，采样二维折面孔径接收到的目标区域回波信号，回波信号幅度受到目标点散射系数调制，相位受到散射点与收发天线单元的往返路径调制，在某一位置收发天线单元的某一频率信号的回波信号可以表示为：

其中，f是频率，R表示目标点到收发天线单元的距离。

然后，对回波信号s(x′,y′,z′,f)沿距离向进行快速傅里叶逆变换，获得回波信号的时域信号s(x′,y′,z′,R)，将三维成像区域离散化，细分为多个成像单元，计算各成像单元到采样孔径阵元的距离R(x′,y′,z′,x,y,z)。

根据成像单元与孔径阵元的距离R(x′,y′,z′,x,y,z)，从时域信号s(x′,y′,z′,R)中寻找对应距离处的信号数据。由于实际中时域信号s(x′,y′,z′,R)是经过采样的离散信号，需通过距离向数据重采样，以获得准确对应距离R(x′,y′,z′,x,y,z)的回波数据。其中，数据重采样可以通过插值进行实现，若用h(x)表示连续信号，称为插值因子或插值核，h(i)表示经过采样的离散信号序列，则插值过程可以写为：h(x)＝∑l(i)h(x-i)，则插值点x处的值l(x)等于插值核内的样本l(i)与插值核h(x)的卷积。

根据傅里叶逆变换的计算公式可知，计算每个成像单元到各采样点的对应距离R(x′,y′,z′,x,y,z)，再计算出与不同频率相对应的相位变化，利用相位变化对距离向脉冲压缩之后的信号进行剩余相位补偿，以校正基带和射频造成的相位差异。每个成像单元的剩余相位补偿因子为：η(x′,y′,z′,x,y,z)＝exp[jk_minR(x′,y′,z′,x,y,z)]，其中k_min＝2πf_min/c，f_min是收发天线单元发射的步进频信号的起始频率值。

每个成像单元的R(x′,y′,z′,x,y,z)和η(x′,y′,z′,x,y,z)均不同，经过上述，将各采样阵元的数据进行相干叠加，获得对应成像单元处的成像结果，遍历三维成像区域中的所有成像单元，能够获得全场景目标范围的成像结果。

本公开的基于折线阵列的成像系统，包括扫描架，

包括直线导轨和伺服电机，所述直线导轨用于支撑所述折线阵，所述伺服电机控制所述折线阵沿着所述扫描架的直线导轨在高度方向进行位移扫描；折线阵列，包括多个子折线阵列，所述相邻两个子折线阵列相互拼接；其中，所述折线阵列的两端分别设置在所述扫描架的直线导轨上，且所述折线阵列沿着所述扫描架的直线导轨方向上下移动。通过折线孔径使天线单元波束正对着目标成像位置，实现对目标区域更加均匀的覆盖，易于加工和模块化拼接，降低制造成本，适合于毫米波人体安检成像，实现高分辨率快速的人体安检。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims

1.一种基于折线阵列的成像系统，其特征在于，所述系统包括：

扫描架，包括直线导轨和伺服电机，所述直线导轨用于支撑所述折线自发自收阵列、或MIMO线阵，所述伺服电机控制所述折线阵沿着所述扫描架的直线导轨在高度方向进行位移扫描；

2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述折线阵列的收发天线单元分布采用MIMO线阵体制或自发自收体制。

3.根据权利要求2所述的成像系统，其特征在于，所述每个子折线阵列的机械结构相同。

4.根据权利要求3所述的成像系统，其特征在于，当所述折线阵列采用MIMO线阵体制时，所述子折线阵列由相同或不同的MIMO子折线阵组成。

5.根据权利要求4所述的成像系统，其特征在于，所述MIMO子折线阵包括发射天线和接收天线；所述发射天线和接收天线分别沿着所述MIMO子折线阵的横向呈等间隔或不等间隔分布。

6.根据权利要求5所述的成像系统，其特征在于，针对每一个子折线阵MIMO线阵，所述发射天线分时发射信号；

7.根据权利要求3所述的成像系统，其特征在于，当所述折线阵列采用自发自收体制时，所述子折线阵列由相同的收发天线单元组成。

8.根据权利要求7所述的成像系统，其特征在于，针对每一个子折线阵列，所述收发天线单元沿着所述子折线阵列的方向等间隔或不等间隔分布。

9.根据权利要求8所述的成像系统，其特征在于，所述收发天线单元分时工作。

10.根据权利要求1-9任一项所述的成像系统，其特征在于，每一个子子折线为直线段。