CN113093297B - 一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构，包括一个两侧开口的椭球体通道；包括一个透波地面，该地面材料为透波材料；还包括由分布在通道内表面上的天线单元构成的共形天线阵列，所述的天线单元为单极化或双极化天线，可均匀或非均匀的分布在椭球体通道内表面上。该椭球体通道结构配合毫米波成像系统的信号测量与处理系统，可以在被检人员通过安检通道时实现快速人体被动三维成像安检。

Description

一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构
技术领域
本发明涉及微波遥感、目标探测以及毫米波安检成像技术领域，具体涉及一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构。
背景技术
鉴于全球范围内日益猖獗的恐怖主义和暴力犯罪活动，各国政府对公共场所人体携带违禁物品的安全检测提出了更高的要求。传统基于金属探测器的安检手段无法检测包括炸药、汽油，陶瓷等非金属类违禁物品。毫米波成像系统具有穿透人体衣物的成像能力，可检测隐匿在人体衣物下的各种金属及非金属类违禁物品。被动毫米波成像系统自身不发射电磁波，对人体不造成任何伤害，并具有全天时、全天候工作能力，可广泛应用于机场、车站等人员聚集的公共场所，对人体携带的隐匿违禁物品进行快速、非接触式检测。毫米波成像技术是解决高通量人体安检问题的重要技术方案。
被动毫米波成像技术通过测量视场内物体及人体所发射和反射的热辐射，获得视场范围内场景的辐射亮温分布。辐射计安检系统通过探测危爆品与人体和背景之间亮温的差异来实现违禁品成像和检测。综合孔径辐射计成像技术采用小孔径稀疏天线阵列，利用干涉测量技术完成对视场内亮温分布的空间频域(可视度函数)的测量，进而基于可视度函数进行图像反演实现实时成像。综合孔径辐射计的空间分辨率取决于天线单元间的最大相对距离，利用稀疏天线阵列仍可实现高空间分辨率实时成像，有效地缓解了天线阵列规模与空间分辨率之间的矛盾。
目前的基于综合孔径辐射计的被动安检成像系统均基于一维或二维阵列，可以实现对被检人员的二维成像。由于缺少距离向信息，无法精确检测人体可能携带物品的精确检测。因此，需要一种适用于综合孔径辐射计三维成像的安检通道，在无需被检人员驻留配合、不造成大客流量场景人员堵塞的情况下，对观测目标人体辐射信号进行有效探测并进行三维成像。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构，在被检人员通过安检通道时实现快速人体被动三维成像安检。
本发明技术解决方案：一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构，包括椭球体通道(1)、透波地面(2)、天线单元(3)、共形天线阵列(4)；其中，所述的椭球体通道(1)是一个两侧开口可供行人通行的椭球体结构，该椭球体可由一个平面椭圆形沿长轴旋转180度得到；所述的透波地面(2)位于椭球体通道内部，其材料为对电磁辐射信号无衰减或衰减可忽略的透波材料；所述的天线单元(3)构成的共形天线阵列(4)分布在椭球体通道内表面上，能够接收通道内的电磁辐射信号；该椭球体通道结构配合毫米波成像系统的信号测量与处理系统，可以在被检人员通过安检通道时实现快速人体被动三维成像安检。
所述椭球体通道(1)通过将平面内的椭圆形沿长轴旋转180度得到；此时垂直通道方向的横截面为圆形，且横截面直径在入口和出口处2.0-2.3米，而在通道中央有最大横截面直径2.3-2.8米；所述椭球体通道(1)垂直通道方向的横截面也可为椭圆形，以降低椭球体通道体积，且截面椭圆形的长轴和短轴分别与垂直地面方向和平行地面方向平行。该椭圆截面的长轴和短轴长度即通道入口的最大高度和宽度分别约2.0-2.3米、1.5-2.0米。
所述的透波地面(2)位于椭球体通道(1)内部，提供可供行人通过的路径。
所述的透波地面(2)的材料为对电磁辐射无衰减或衰减极小可忽略，对通道底部的天线单元测量通道内部存在的电磁辐射不产生影响。
所述透波材料采用低介电常数、低损耗角正切、具有良好机械力承受能力、高刚性、耐磨、耐化学腐蚀、耐老化特点的纤维增强树脂基复合材料，对通道底部的天线单元测量通道内部存在的电磁辐射不产生影响；树脂基材料选取氰酸酯树脂基，增强材料选取石英玻璃纤维或高硅氧玻璃纤维。
优选的，所述的复合材料选取纤维增强树脂基复合材料，其中树脂基可选取氰酸酯树脂基，而增强纤维则可选取石英玻璃纤维或高硅氧玻璃纤维。
所述的天线单元(3)为单极化或双极化天线。
优选的，所述的天线单元(3)选用双极化天线时可通过极化切换开关选取工作模式为水平极化或垂直极化。
优选的，所述的天线单元(3)的排布方式为均匀排布或非均匀排布。
优选的，所述的天线单元(3)的排布方式为均匀排布时，相邻天线单元间的间距相同，天线单元均匀的分布在椭球体通道(1)的内表面上。
优选的，所述的天线单元(3)的排布方式为均匀排布时，相邻天线单元间的连线可构成三角形网格、矩形网格、菱形网格或六边形网格。
优选的，所述的天线单元(3)的排布方式为非均匀排布时，天线单元随机的分布在椭球体通道(1)的内表面上构成三维低冗余阵列。
优选的，所述的天线单元(3)的排布方式为非均匀排布时，阵列中任意两天线间距的取值在最大天线单元间距与最小天线单元间距之间服从均匀分布，可以实现对观测区域空间频域可视度函数的充分采样。
优选的，所述的天线单元(3)的非均匀排布方式可采用稀疏阵列排布方式。
所述的共形天线阵列(4)为由椭球体通道(1)的内表面上的部分天线构成的共形天线子阵或由椭球体通道(1)的内表面上所有天线构成的共形天线阵列。
优选的，所述的共形天线子阵能够对三维通道内的特定观测区域进行三维成像安检，或对单个观测目标人体进行跟踪三维成像安检。
优选的，所述的共形天线阵列能够实现对三维通道内观测区域的完整成像安检，即对三维通道内的所有观测目标同时进行快速被动三维成像安检。
本发明具有的优点在于：本发明的被动毫米波三维成像安检的通道结构选取椭球体设计，将天线单元布局在椭球体通道内部，能够实现对椭球体内部三维空间的三维可视度函数的充分采样；该椭球体通道设计使得成像系统获得了较传统的二维被动成像系统相比更长的观测基线，在相同工作频率下，可以获得更高的空间分辨率；该椭球体通道采用椭球体外形设计，能够有效控制安检通道入口和出口处的人流速度，有助于实现通道内有序快速的三维人体安检人像，且具有良好的隐私保护能力；该椭球体通道能够实现不停留、无接触、非合作的人体安检三维成像。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选事实方案的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本申请实施例提供的一种适用于综合孔径辐射计安检三维成像的椭球体安检通道系统示意图；
图2是本申请实施例提供的一种适用于综合孔径辐射计安检三维成像的椭球体安检通道结构垂直通道方向的横截面为圆形和椭圆形的示意图；
图3是本申请实施例提供的一种适用于综合孔径辐射计安检三维成像的椭球体安检通道结构通道内表面天线阵元排布特点示意图；
图4是本申请实施例提供的一种适用于综合孔径辐射计安检三维成像的椭球体安检通道结构内表面天线单元均匀排布时，相邻天线单元间构成的网格示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，本发明的一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构，包括椭球体通道1、透波地面2、天线单元3、共形天线阵列4；其中，所述的椭球体通道1是一个两侧开口可供行人通行的椭球体结构，该椭球体为一个平面椭圆形沿长轴旋转180度得到；透波地面2位于椭球体通道内部，其材料为对电磁辐射信号无衰减或衰减可忽略的透波材料；天线单元3构成的共形天线阵列4分布在椭球体通道内表面上，能够接收通道内的电磁辐射信号。
椭球体通道1的几何外形为椭球形，通过将平面内的椭圆形沿长轴旋转180度得到；在通道两侧分别设有入口和出口，可供行人通行。该椭球体通道1垂直通道方向的横截面为圆形，且横截面直径在入口和出口处较小，而在通道中央有最大横截面直径。
如图2所示，该椭球体通道1垂直通道方向的横截面也可以根据实际情况设计为椭圆形以降低椭球体通道体积，此时，截面椭圆形的长轴和短轴应分别与垂直地面方向和平行地面方向平行。
椭球体通道1内部底部为对电磁辐射无衰减或衰减极小可忽略的透波地面2。该透波地面2材料采用低介电常数、低介质损耗、具有良好机械力承受能力、高刚性、耐磨、耐化学腐蚀、耐老化等特点的复合材料，对通道底部的天线单元测量通道内部存在的电磁辐射不产生影响的同时，可提供行人通过的路径。
例如，透波地面2材料可选取纤维增强树脂基复合材料，其中树脂基可选取氰酸酯树脂基，其具有优良的力学性能以及耐热耐湿性能，在较宽的频率范围内具有较低且较稳定的介电常数(9.375GHz频率下：2.8-3.2)及较低的损耗角正切(9.375GHz频率下：0.002-0.006)。而增强纤维则可选取石英玻璃纤维或高硅氧玻璃纤维，其中石英玻璃纤维在9.375GHz频率下的介电常数约为3.78，损耗角正切约为0.0002；高硅氧玻璃纤维在9.375GHz频率下的介电常数约为4，损耗角正切约为0.0048。
椭球体通道1内表面布置有由天线单元3构成的共形天线阵列4。天线单元3可以选取单极化或双极化天线。若选用双极化天线，可通过极化切换开关选取工作模式为水平极化或垂直极化。天线单元3选取均匀排布或非均匀排布等，图3将用简化的二维图像近似描述三维通道内的阵列排布情况，当选取均匀排布时，天线单元均匀的分布在椭球体通道1内表面上，相邻天线单元间的间距相同，图3上方两个张图片所示分别为通道内部相邻天线间连线构成矩形网格分布和菱形网格分布的示意图；相邻天线单元间的连线可构成的网格种类有：三角形网格(如图4中左上所示)、矩形网格(如图4中右上所示)、菱形网格(如图4中左下所示)或六边形网格(如图4中右下所示)。此外，阵列的排布规则可考虑通道内部截面大小进行设计，如图3左下所示，在通道入口和出口处通道截面面积较小，而在通道中心通道截面积较大，与之对应的，阵列排布在通道入口和出口处较为密集，而在通道中心则较为稀疏，即入口与出口处的天线单元间距小于通道中心处的天线单元间距。选取非均匀排布时，天线单元随机的分布在椭球体通道1的内表面上构成三维随机阵列，如图3中右下方所示，天线单元的位置分布遵循均匀概率分布规律。该阵列可利用低冗余阵列天线技术及稀疏阵列技术进行设计，以降低通道内部所需的天线单元数量，阵列中任意两天线间距的取值在最大天线单元间距与最小天线单元间距之间服从均匀分布，可以实现对观测区域空间频域可视度函数的充分采样。
椭球体通道1的内表面上的部分天线构成的共形天线子阵或由椭球体通道1的内表面上所有天线构成的共形天线阵列均可对通道内部进行三维成像。区别在于，共形天线子阵能够对三维通道内的特定观测区域进行三维成像，或对单个观测目标人体进行跟踪三维成像；而共形天线阵列能够实现对三维通道内观测区域的完整成像，即对三维通道内的所有观测目标同时进行快速三维成像安检。
此外，该椭球体通道内共形天线阵列接收到的观测目标区域的辐射信号将被送入信号测量与处理系统5进行三维反演成像。该测量与处理系统一般包括接收机前端与中频接收机、数字信号处理系统及控制系统等。该信号测量与处理系统5将对天线阵列4接收到的信号进行放大、滤波、混频、模数转换、中频IQ解调、相关计算及反演成像计算过程，在对得到的三维空间图像进行图像增加等处理后，可实时向终端用户实时输出通道内观测场景的三维成像结果。
本申请实施例的系统中，三维成像安检的通道结构选取的椭球体设计，将天线单元布局在椭球体通道内部，实现了对椭球体内部三维空间的三维可视度函数的充分采样；该椭球体通道设计使得成像系统获得了较传统的二维被动成像系统相比更长的观测基线，在相同工作频率下，可以获得更高的空间分辨率；该椭球体通道采用椭球体外形设计，能够有效控制安检通道入口和出口处的人流速度，有助于实现通道内有序快速的三维人体安检人像，且具有良好的隐私保护能力；该椭球体通道能够实现不停留、无接触、非合作的人体安检三维成像。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构，其特征在于，包括：椭球体通道(1)、透波地面(2)、天线单元(3)和共形天线阵列(4)；所述椭球体通道(1)是一个两侧分别设有入口和出口的可供行人单向通行的椭球体结构；所述透波地面(2)位于椭球体通道(1)内部，提供供行人通行的路径，其材料为对电磁辐射信号无衰减或衰减可忽略的透波材料；所述天线单元(3)构成的共形天线阵列(4)分布在椭球体通道(1)的内表面上，接收椭球体通道(1)内的电磁辐射信号，实现对椭球体内部三维空间的三维可视度函数的充分采样，在相同工作频率下，获得更高的空间分辨率；该椭球体通道采用椭球体外形设计，能够有效控制安检通道入口和出口处的人流速度，实现通道内有序快速的三维人体安检人像，且具有良好的隐私保护能力；该椭球体通道能够实现不停留、无接触、非合作的人体安检三维成像。
2.根据权利要求1所述的一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构，其特征在于，所述椭球体通道(1)通过将平面内的椭圆形沿长轴旋转180度得到；此时垂直通道方向的横截面为圆形，且横截面直径在入口和出口处2.0-2.3米，而在通道中央有最大横截面直径2.3-2.8米；所述椭球体通道(1)垂直通道方向的横截面也可为椭圆形，该椭圆截面的长轴和短轴长度即通道入口的最大高度和宽度分别约2.0-2.3米、1.5-2.0米。
3.根据权利要求1所述的一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构，其特征在于，所述透波材料采用低介电常数、低损耗角正切、具有良好机械力承受能力、高刚性、耐磨、耐化学腐蚀、耐老化特点的纤维增强树脂基复合材料，对通道底部的天线单元测量通道内部存在的电磁辐射不产生影响；树脂基材料选取氰酸酯树脂基，增强材料选取石英玻璃纤维或高硅氧玻璃纤维。
4.根据权利要求1所述的一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构，其特征在于，所述天线单元(3)为单极化或双极化天线，选用双极化天线时通过极化切换开关选取工作模式为水平极化或垂直极化。
5.根据权利要求1所述的一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构，其特征在于，所述天线单元(3)的排布方式选均匀排布或非均匀排布方式；所述天线单元(3)的排布方式为均匀排布时，相邻天线单元间的间距相同，天线单元均匀的分布在椭球体通道(1)的内表面上，相邻天线单元间的连线可构成三角形网格、矩形网格、菱形网格或六边形网格；所述天线单元(3)的排布方式为非均匀排布时，天线单元随机的分布在椭球体通道(1)的内表面上构成共形天线阵列(4)，共形天线阵列(4)中任意两天线进行相关计算是实现对，实现对观测区域空间频域可视度函数的充分采样。
6.根据权利要求1所述的一种适用于被动毫米波三维成像安检的椭球体通道结构，其特征在于，所述共形天线阵列(4)包含由椭球体通道(1)的内表面上的部分天线构成的共形天线子阵以及由椭球体通道(1)的内表面上所有天线构成的共形天线阵列；所述共形天线子阵对三维通道内的特定观测区域进行三维成像；所述共形天线阵列能够实现对三维通道内观测区域的完整成像；所述两种共形天线阵列实现方式均实现对通道内的观测区域的三维成像。
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