CN113030998A - 一种主动式太赫兹安检成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种主动式太赫兹安检成像装置，涉及太赫兹主动探测成像技术领域，包括太赫兹源、太赫兹成像透镜和太赫兹线阵相机组成的非共轴光路系统，其中太赫兹源与太赫兹成像透镜和太赫兹线阵相机的主光轴之间存在一定夹角β，该非共轴光路系统固定在扫描平台上，通过机械驱动装置带动其进行上下扫描，从而实现对待检人员的全身快速扫描检测，因而本发明可以适应不同高度待检人员的使用，通过控制太赫兹源的数量和辐照角度、太赫兹成像透镜的尺寸和像平面位置以及两主光轴之间的夹角β，能够有效地扩大该安检装置的检测范围。另外，检测区呈开放空间，即扩大了该装置的应用范围也提高了待检人员体验的舒适度。

Description

一种主动式太赫兹安检成像装置及方法

技术领域

本发明涉及太赫兹主动探测成像技术领域，具体涉及一种基于太赫兹成像技术的人体安检系统及方法。

技术背景

安检作为机场、火车站、港口、大型活动场所等检查的关键一环，一直备受重视。随着安全检查技术得到前所未有的发展，安检智慧化日益提上日程。使用更加高科技的手段保障社会公共安全也成为共识。但是传统的安检方法已难以满足新形势下的安全检查要求，由于x射线电子能量较高，容易对人体产生电离性伤害，所以，当前市场上主流的X射线安检仪不能直接对人体进行安全扫描，而最普遍的安检门辅以手持式金属探测器的安检方法无法排除陶瓷刀具、炸药等危险品，还需要配以人工“搜身”式的检查，从而带来效率低下、被检人员体验差等一系列的问题，并且由于长时间的安检工作也会导致工作人员的疲劳操作，从而出现漏检的风险。

随着安检技术的不断发展，太赫兹波技术近年来逐渐成为研究热点，在人体安检领域展现了巨大的潜力。太赫兹波介于微波和远红外之间，是电子学和光学的过渡区域，频率在0.1～10THz之间，其本身光子能量低，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，并且相对于毫米波具有更高的空间分辨率。太赫兹安检成像系统分为被动式成像和主动式成像，被动式成像依靠人体自身产生的微弱的太赫兹波来进行成像和安检，不需要外加太赫兹辐射源照射人体，但是由于信号弱，易受环境噪声的影响，因此存在成像效果差、检测速度慢的缺点。主动式成像过程是由安检系统发出的太赫兹辐射照射到目标上，目标把含有自身振幅和相位的太赫兹波信号反射回安检系统，转换为电信号形成目标的太赫兹反射图像，根据图像的形状和灰度值来提取目标的特征信息，但是因为现有太赫兹安检仪采用的单点式发射器和接收器，每次只能测量目标平面的一个点，要想得到图像必须进行二维机械扫描，不仅结构复杂而且成像时间也较长，难以在实际场景中应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种通过一维扫描完成主动式太赫兹安检成像的装置，在简化成像系统、降低系统成本的基础上，还可以通过简化的成像系统快速获取高分辨率的太赫兹图像，并依据该高质量的太赫兹图像进行安检，为太赫兹成像人身安全检测提供了有效的技术途径。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种主动式太赫兹安检成像装置，包括太赫兹源、太赫兹成像透镜和太赫兹线阵相机，所述太赫兹成像透镜位于所述太赫兹线阵相机前一定距离处用于成像并与所述太赫兹线阵相机共轴，所述太赫兹源位于太赫兹成像成像透镜一侧其主光轴与所述太赫兹成像透镜和所述太赫兹线阵相机的主光轴之间存在一定夹角β，所述太赫兹线阵相机连接有操控主机，所述操控主机中安装有终端操控软件，通过读取太赫兹线阵相机的电信号和A/D转换模块，将图像通过显示器展示出来，所述操控主机、终端操作软件及显示器组成智能操控终端，所述太赫兹源、太赫兹成像透镜和太赫兹线阵相机组成的非共轴光路系统固定在扫描平台上，通过机械驱动装置带动所述非共轴光路系统进行上下扫描，从而实现对待检人员的全身扫描检测成像。

所述太赫兹源、太赫兹成像透镜及太赫兹线阵相机组成的非共轴光路系统是一种反射式主动成像系统，其中所述太赫兹源基于IMPATT技术，工作频率0.1THz左右,发射功率为86mW左右，成像系统中可以设置一个或者多个。

所述太赫兹成像透镜为非球面凸透镜，具有一定的景深，由高分子透波材料加工而成。高分子透波材料可以为高密度聚乙烯或聚四氟乙烯，其尺寸和面型由仿真计算得到。

所述太赫兹线阵相机是基于半导体阵列芯片制成，图像最高采集速度为5000fps，对应最快扫描速度为15m/s，响应频率范围0.05THz-0.7THz，像素为 256x1。上述参数能够实现高速扫描成像，成像清晰易识别。

所述扫描平台包括支撑架、连接所述支撑架的支撑柱以及所述支撑柱上设置的机械驱动装置，其中，所述非共轴光路系统固定于所述支撑架上方，所述驱动装置与所述支撑架连接，所述机械驱动装置驱动所述支撑架带动所述非共轴光路系统做垂直上下的往复运动。

所述机械驱动装置与所述支撑架通过传动丝杆结构或齿轮结构连接，并连接有操控主机，所述操控主机中安装有终端操控软件，可以调节扫描平台的运动状态。

所述非共轴光路系统和扫描平台均封装于一可移动机壳内，所述待检人员位于所述可移动机壳外部的检测区外部，所述支撑架上的太赫兹源辐射出口和太赫兹线阵相机的接收面均朝向检测区，检测区能够接收太赫兹源辐射的太赫兹波，经所述待检人员反射或散射的太赫兹波由所述太赫兹成像透镜收集后成像于所述太赫兹线阵相机的探测面上。

所述检测区内设有用于待检人员站立的金属探测板，该金属探测板具有一定的长度和宽度，并连接所述操控主机，能弥补无法通过太赫兹波扫描检测人体脚底的漏洞。

所述终端操控软件包括太赫兹图像采集组件、太赫兹图像显示组件、太赫兹图像识别组件、扫描平台控制组件和金属识别组件，太赫兹图像采集组件完成太赫兹图像信号的采集、处理和拼接成像；太赫兹图像显示组件完成功能配置、图像完善、最终图像显示、历史图像显示和识别危险物品的标识；太赫兹图像识别组件完成识别参数的获取、图像识别计算和识别结果的处理；扫描平台控制组件完成机械驱动装置扫描起止位置、扫描速度、扫描量程的控制；金属识别组件完成对脚底金属物品的自动识别。

所述太赫兹图像显示组件具有危险品分析和识别功能，能够标示出每种危险品的类别和概率，并给出报警功能。

所述太赫兹图像显示组件通过配置相关功能参数，能够识别图像中符合实际工作需求的危险物品类别，并予以保存安检图像和识别结果，防止人工检测的疏漏。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案具有如下优点或有益效果：

在简化了成像系统、降低了制造成本和图像处理运算量的基础上还实现了快速、高分辨率、大景深的人体成像，通过所述机械驱动装置驱动所述扫描平台带动所述非共轴光路系统做垂直上下的往复运动，可以适应不同高度待检人员的使用，通过控制太赫兹源的数量和辐照角度、太赫兹成像透镜的尺寸和像平面位置以及两主光轴之间的夹角β，能够有效地扩大该安检装置的检测范围。另外，检测区呈开放空间，即扩大了该装置的应用范围也提高了待检人员体验的舒适度。由于所述安检装置使用灵活、光路简单，可广泛应用于机场、轨道交通、活动演出或露天集会等需要安检的场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种基于线阵探测器和非共轴光路的主动式太赫兹安检成像装置的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的太赫兹安检成像系统的非共轴光路结构示意图；

图3是本申请实施例提供的终端操控软件的工作原理示意图。

图中：1、可移动机壳；2、支撑柱；3、支撑架；4、机械驱动装置；5、太赫兹透波窗口；6、太赫兹成像透镜；7、太赫兹源；8、太赫兹线阵相机；9金属探测板。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

此外，在示例性实施例中，因为相同的参考标记表示具有相同结构的相同部件或相同方法的相同步骤，如果示例性地描述了一实施例，则在其他示例性实施例中仅描述与已描述实施例不同的结构或方法。

在整个说明书及权利要求书中，当一个部件描述为“连接”到另一部件，该一个部件可以“直接连接”到另一部件，或者通过第三部件“电连接”到另一部件。此外，除非明确地进行相反的描述，术语“包括”及其相应术语应仅理解为包括所述部件，而不应该理解为排除任何其他部件。

实施例1：

图1所示为本申请一实施例提供的一种基于线阵探测器和非共轴光路的主动式太赫兹安检成像装置的结构示意图。如图1所示，该成像装置包括设于支撑架3上的太赫兹源7、太赫兹成像透镜6和太赫兹线阵相机8，所述支撑架3 设置在扫描平台上，所述扫描平台由支撑柱2、支撑架3和机械驱动装置4组成；其中，扫描平台被封装在可移动机壳1内，待检人员置于可移动机壳1外的太赫兹透波窗口5一侧，通过机械驱动装置4带动所述非共轴光路上下扫描，实现对待检人员的全身扫描检测成像。

图2所示为本申请实施例提供的太赫兹安检成像系统的非共轴光路结构示意图。如图2所示，设于支撑架3上的太赫兹源7、太赫兹成像透镜6和太赫兹线阵相机8组成非共轴光路系统用于反射式主动成像，检测区能够接收太赫兹源7发出的太赫兹波，被所述待检人员反射或散射的太赫兹波经太赫兹波窗口5 由所述太赫兹成像透镜6收集后成像于所述太赫兹线阵相机8的接收面，所述太赫兹线阵相机8连接有操控主机，所述操控主机中安装有终端操控软件，通过读取太赫兹线阵相机8的电信号，经A/D转换模块，将图像通过显示器展示出来，所述操控主机、终端操作软件及显示器组成智能操控终端。所述太赫兹线阵相机8设于所述太赫兹成像透镜6后一定距离处的像平面并与所述太赫兹成像透镜6共轴，所述太赫兹源7设于太赫兹成像透镜6一侧，其主光轴与所述太赫兹成像透镜6和所述太赫兹线阵相机8的主光轴之间的夹角为β，经验表明，β取12度到32度之间时的成像效果比较好，也比较适合实际应用。其中，通过设置所述太赫兹成像透镜6像平面的位置、太赫兹成像透镜的尺寸和所述两主光轴之间的夹角β，能够有效地扩大设备的成像距离；通过增加太赫兹源7的数量和改变辐照角度，能够有效地扩大设备的成像范围，综合考虑能够有效地扩大设备的扫描监控范围，使其能够满足不同环境条件的使用要求。

所述太赫兹源7基于IMPATT技术，工作频率100GHz左右,发射功率为86mW 左右，成像系统中可以设置一个或者多个。

所述太赫兹成像透镜6为非球面凸透镜，具有一定的景深，由高分子透波材料加工而成。高分子透波材料可以为高密度聚乙烯或聚四氟乙烯，其加工尺寸由仿真计算得到。

所述太赫兹线阵相机8是基于半导体阵列芯片制成的一体式线阵探测器，使用方便，安装简单，图像最高采集速度为5000fps，对应扫描速度为15m/s，响应频率范围0.05THz-0.7THz，像素为256x1。上述参数能够实现高速扫描成像，成像清晰易识别。

所述扫描平台包括支撑架3、连接所述支撑架3的支撑柱2以及所述支撑柱 2上设置的机械驱动装置4，其中，所述非共轴光路系统固定于所述支撑架3上方，所述驱动装置4与所述支撑架3连接，所述机械驱动装置4驱动所述支撑架3带动所述非共轴光路系统做垂直上下的往复运动。

所述机械驱动装置4与所述支撑架3通过传动丝杆结构或齿轮结构连接，并连接有操控主机，所述操控主机中安装有终端操控软件，可以调节扫描平台的运动状态。

所述待检人员站立的检测区位于可移动机壳1外的太赫兹透波窗口5一侧，所述支撑架3上的太赫兹源7辐射出口和太赫兹线阵相机8的接收面均朝向检测区，检测区能够接收太赫兹源7辐射的太赫兹波，经所述待检人员反射或散射的太赫兹波由所述太赫兹成像透镜6收集后成像于所述太赫兹线阵相机8的接收面。所述检测区内设有用于待检人员站立的金属探测板9，该金属探测板9 具有一定的长度和宽度，并连接所述操控主机。在本实例中，太赫兹安检成像装置和金属探测板9构成完全开放式的空间。

所述终端操控软件实现图像采集、图像识别、图像显示和控制扫描平台的功能，通过终端操控软件设置机械驱动装置的扫描起止位置、扫描速度、扫描量程，扫描过程中，终端操控软件会不断地读取太赫兹线阵相机发送的图像列信号，通过拼接算法形成RGB格式的原始图像，经过图像处理后将最终结果显示在软件界面中；同时终端操控软件提供了对人体扫描图像中危险物品的分析和识别功能，当发现危险品时，给出报警功能，并标示出危险品的类别和概率进行突出显示；也可以通过配置相关功能参数，软件可识别图像中符合要求的危险物品类别并保存待检人员的成像信息和识别结果，方便溯源。另外，扫描成像的同时终端操控软件还会读取金属探测板9发送的图像信号，完成对待检人员脚底金属物品的自动识别，最终结果也将显示在软件界面中。

所述太赫兹图像显示组件具有危险品分析和识别功能，能够标示出每种危险品的类别和概率，并给出报警功能。

所述太赫兹图像显示组件通过配置相关功能参数，能够识别图像中符合实际工作需求的危险物品类别，并予以保存安检图像和识别结果，防止人工检测的疏漏。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。

本系统利用太赫兹源作为辐射源，通过太赫兹线阵相机接收人体反射或散射的太赫兹波信号，采用自行设计的可移动机壳结构封装形式，通过可移动机壳结构内部的非共轴光路系统实现线阵扫描的反射式主动成像，利用图像拼接对待检人体完成了太赫兹波扫描探测成像。本发明基于线阵探测器和非共轴光路的主动式太赫兹安检成像装置及方法实现了太赫兹波扫描成像技术的实际应用，并且采用非密闭的机箱结构，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，采用单个成像透镜、探测器和源的结构降低了系统成本，对太赫兹波安检技术的发展和推广有重要意义。

实施例2：

本实施是与实施例一配套使用方法，具体公开了一种基于非共轴原理的太赫兹波安检方法，同时参见附图3所示的终端操控软件的工作原理示意图，该方法包括如下步骤：

(a)准备阶段：启动系统，根据实际工作场合的需求通过终端操控软件设置好机械驱动装置4的扫描起止位置、扫描速度、扫描量程以及配置好相关功能参数，将待检人员分别引导至安检系统的金属探测板9上站立，根据提示面对安检系统站立，其中，对待检人员在检测区内的位置要求并不严格，只要在金属探测板9区域内即可，在待检人体脚底放置金属探测板9，能弥补无法通过太赫兹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：通过机械驱动装置4驱动所述扫描平台上的支撑架3做垂直上下的往复运动，扫描平台上的太赫兹源7辐射的太赫兹波辐照待检人员，待检人员反射或散射的太赫兹波信号由所述太赫兹成像透镜6收集后成像于所述太赫兹线阵相机8的探测面，期间需要待检人员根据提示语音对安检系统进行转身操作，最终实现了对人体全身360度的太赫兹波扫描成像。

在所述步骤(b)扫描成像阶段中，相比金属安检门辅以人工手检的方式，所需成像时间更短，极大的提高了通行率。

(c)图像识别：操控主机中的终端操控软件不断地读取太赫兹线阵相机发送的图像列信号，通过拼接算法形成RGB格式的原始图像，经过图像处理后将最终人体全身360度的成像结果显示在显示屏中的软件界面中；同时根据实际工作场合的需求，终端操控软件还提供了对人体扫描图像中危险物品的分析和识别功能，当发现危险品时，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，标示出危险品的类别和概率进行突出显示，并给出报警。

该步骤中，通过图像自动识别组件针对人体扫描图像中特殊物体的轮廓及强度进行综合智能判断，以识别提示其疑似属性或质地，并可通过深度学习等算法，逐步加强其自动识别判断的能力。

上述太赫兹波优选为太赫兹波,通过更改太赫兹波源7的输出频率后能同样适用于毫米波成像安检领域。当然在其他实施例中，也可采用两套基于非共轴原理的太赫兹波安检系统同时完成对待检人员正面和背面的安检成像，避免了转身环节，然后重复其它步骤，完成对待检人员的扫描成像，所需安检时间将会进一步的缩短。

显然，所描述的实施例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)

1.一种主动式太赫兹安检成像装置，其特征是：包括太赫兹源、太赫兹成像透镜和太赫兹线阵相机，所述太赫兹成像透镜位于所述太赫兹线阵相机前一定距离处用于成像并与所述太赫兹线阵相机共轴，所述太赫兹源位于太赫兹成像成像透镜一侧其主光轴与所述太赫兹成像透镜和所述太赫兹线阵相机的主光轴之间存在一定夹角β，所述太赫兹线阵相机连接有操控主机，所述操控主机中安装有终端操控软件，通过读取太赫兹线阵相机的电信号和A/D转换模块，将图像通过显示器展示出来，所述操控主机、终端操作软件及显示器组成智能操控终端，所述太赫兹源、太赫兹成像透镜和太赫兹线阵相机组成的非共轴光路系统固定在扫描平台上，通过机械驱动装置带动所述非共轴光路系统进行上下扫描，从而实现对待检人员的全身扫描检测成像。

2.根据权利要求1所述的主动式太赫兹安检成像装置，其特征是：所述太赫兹源、太赫兹成像透镜及太赫兹线阵相机组成的非共轴光路系统是一种反射式主动成像系统，其中所述太赫兹源基于IMPATT技术，工作频率0.1THz，发射功率为86mW，在成像系统中可设置一个或者多个。

3.根据权利要求1所述的主动式太赫兹安检成像装置，其特征是：所述太赫兹线阵相机是基于半导体阵列芯片制成，图像最高采集速度为5000fps，对应最快扫描速度为15m/s，响应频率范围0.05THz-0.7THz，像素为256x1。

4.根据权利要求1所述的主动式太赫兹安检成像装置，其特征是：所述扫描平台包括支撑架、连接所述支撑架的支撑柱以及所述支撑柱上设置的机械驱动装置，其中，所述非共轴光路系统固定于所述支撑架上方，所述机械驱动装置与所述支撑架连接，所述机械驱动装置驱动所述支撑架带动所述非共轴光路系统做垂直上下的往复运动。

5.根据权利要求4所述的主动式太赫兹安检成像装置，其特征是：所述机械驱动装置与所述支撑架通过传动丝杆结构或齿轮结构连接，并连接操控主机，所述操控主机中安装有终端操控软件，可以调节扫描平台的运动状态。

6.根据权利要求1所述的主动式太赫兹安检成像装置，其特征是：所述非共轴光路系统和扫描平台均封装于一可移动机壳内，待检人员位于所述可移动机壳外部的检测区外部，所述支撑架上的太赫兹源辐射出口和太赫兹线阵相机的接收面均朝向检测区，检测区能够接收太赫兹源辐射的太赫兹波，经所述待检人员反射或散射的太赫兹波由所述太赫兹成像透镜收集后成像于所述太赫兹线阵相机的探测面上。

7.根据权利要求6所述的主动式太赫兹安检成像装置，其特征是：所述检测区内设有用于待检人员站立的金属探测板，该金属探测板具有一定的长度和宽度，并连接所述操控主机，能弥补无法通过太赫兹波扫描检测人体脚底的漏洞。

8.根据权利要求1所述的主动式太赫兹安检成像装置，其特征是：所述终端操控软件包括太赫兹图像采集组件、太赫兹图像显示组件、太赫兹图像识别组件、扫描平台控制组件和金属识别组件，太赫兹图像采集组件完成太赫兹图像信号的采集、处理和拼接成像；太赫兹图像显示组件完成功能配置、图像完善、最终图像显示、历史图像显示和识别危险物品的标识；太赫兹图像识别组件完成识别参数的获取、图像识别计算和识别结果的处理；扫描平台控制组件完成机械驱动装置扫描起止位置、扫描速度、扫描量程的控制；金属识别组件完成对脚底金属物品的自动识别。

9.根据权利要求8所述的主动式太赫兹安检成像装置，其特征是：所述太赫兹图像显示组件具有危险品分析和识别模块，能够标示出每种危险品的类别和概率，并给出报警。

10.一种主动式太赫兹安检成像方法，其特征是：该方法用于安检，并通过权利要求1-9任一项所述的装置实现，包括如下步骤：

(a)准备阶段：启动系统，根据实际工作场合的需求通过终端操控软件设置好机械驱动装置的扫描起止位置、扫描速度、扫描量程以及配置好相关功能参数，将待检人员分别引导至安检系统的金属探测板上站立，根据提示面对安检系统站立，其中，对待检人员在检测区内的位置要求并不严格，只要在金属探测板区域内即可，在待检人体脚底放置金属探测板，能弥补无法通过太赫兹波扫描检测脚底的漏洞；

(b)扫描成像：通过机械驱动装置驱动所述扫描平台上的支撑架做垂直上下的往复运动，扫描平台上的太赫兹源辐射的太赫兹波辐照待检人员，待检人员反射或散射的太赫兹波信号由所述太赫兹成像透镜收集后成像于所述太赫兹线阵相机的探测面，期间需要待检人员根据提示语音对安检系统进行转身操作，最终实现了对人体全身360度的太赫兹波扫描成像；

(c)图像识别：操控主机中的终端操控软件不断地读取太赫兹线阵相机发送的图像列信号，通过拼接算法形成RGB格式的原始图像，经过图像处理后将最终人体全身360度的成像结果显示在显示屏中的软件界面中；同时根据实际工作场合的需求，终端操控软件还提供了对人体扫描图像中危险物品的分析和识别功能，当发现危险品时，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，标示出危险品的类别和概率进行突出显示，并给出报警。

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