CN113093298B - 一种适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，包括毫米波宽带噪声辐射源，功分结构，风扇和金属丝带组成的散射结构，粗糙表面反射面和多孔出射表面。其特征为，所产生的毫米波背景辐射具有空间均匀性和时间/空间非相干性，可以对目标进行类噪声特性的均匀照射。该装置主要用于解决目前室内人体成像对比度低的问题，以大幅提高毫米波人体安检成像质量和违禁品检测概率。

Description

一种适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置
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，具体涉及一种用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置。
背景技术
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。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。综合孔径辐射计利用多个离散的天线单元合成等效的大天线孔径，可在减少天线数量的基础上实现微波探测成像所需的高空间分辨率。毫米波阵列式综合孔径辐射计具有快速成像能力，可非接触式地对人体携带的违禁品进行检测、识别，是实现快速人体安检的一种有效手段。
当辐射计成像系统在室外工作时，冷空作为一个天然的、无方向性且均匀照射的照射源照射着整个成像场景。反射特性较强的目标物，如刀具、手枪等金属物品主要反射来自天空的辐射，而目标背景—人体自身主要向外辐射能量，此时，目标物和人体之间的辐射温度的对比度可达到200K。而在室内环境下进行成像时，由于天花板、墙壁的遮挡，目标物反射室内环境的辐射，被测目标与人体间的辐射温度对比度急剧下降到20K左右。与室外成像条件相比，图像的对比度和分辨率大幅降低。因此，通过背景照射装置增加目标与人体的辐射温度对比度，提高室内成像的质量，对于违禁品检测具有重要意义。
目前增加照射的一种方式是加热或者冷却一个通道，用来产生自然的非相干背景辐射。该方法在墙壁或者天花上覆盖一层毫米波黑体材料，材料的发射率接近于1。将该材料加热或冷却，其毫米波辐射温度升高或降低。然而，以加热方式为例，要达到接近200K的辐射温度对比度，需要将黑体材料加热到200摄氏度以上，该方式功耗大，成本高，不便于布设，对安全性增加了隐患。
另一种方法是使用口径天线直接对准需要成像的区域进行照射，以提高图像的对比度。然而由于这种照射方式下辐射不均匀，且背景辐射的相干性较强，最终导致对目标的照射效果不理想，图像中出现相干斑纹，严重影响安检系统对违禁品的成像和检测。
发明内容
本发明解决的技术问题：针对目前毫米波照射装置在室内安检成像中存在的背景噪声不均匀且具有相干性的问题，提供一种适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，该装置产生的毫米波背景辐射具有空间均匀性和时间/空间非相干性，可以对目标进行类噪声特性的均匀照射，抑制了成像中的亮斑现象，大幅提高毫米波人体安检成像质量和违禁品检测概率。
本发明的技术解决方案：一种适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，包括毫米波宽带噪声辐射源，功分结构，风扇和金属丝带组成的散射结构，粗糙表面反射面和多孔出射表面。功分结构将输入的毫米波宽带声辐射源信号分成多路输出能量相等的噪声信号，噪声信号经过波导发射后均匀地照射粗糙表面反射面。所述的粗糙表面的反射面为随机粗糙面，用于反射多路噪声信号的辐射。所述的风扇和金属丝带组成的散射结构由定速或者变速转动的风扇吹动金属丝带，对噪声信号引入了时间上和空间上的动态变化，增加了背景噪声的时间/空间非相干性。所述的多孔出射表面的多个小孔直径相同，且为均匀分布，使背景噪声具有空间均匀性。
进一步的，所述的毫米波宽带噪声辐射源可以包含1个或者若干个独立非相干的噪声源。毫米波宽带噪声源的辐射带宽为1GHz或以上。噪声源的带宽越宽，出射面的辐射相干性越小，输出功率的空间变化越小，背景噪声的空间均匀性越好。
进一步的，所述的功分结构由多个相同的或者不同的功分器级联组成，排布方式和个数可根据类噪声发生装置的大小设计。为了简化功分结构模块的设计，功分结构可由多个相同的功分器组成。功分结构中的功分器的信号输出端加入45度极化的波导口将信号辐射到粗糙反射面上。
进一步的，风扇和金属丝带组成的散射结构，风扇以范围为300rpm～3000rpm(风扇扇叶每分钟旋转的次数)的转速定速或者变速转动，金属丝带可为铝丝带，铝丝带的总覆盖面积约等于多孔出射表面的面积，风扇安装在类噪声发生装置内部或者外部。
进一步的，多孔出射表面的小孔均匀分布，即相邻小孔之间的间距相等，约等于小孔的直径，使得每个小孔出射出的毫米波辐射具有相同的能量；另外，多孔出射表面的小孔直径范围为2mm～6mm，使得毫米波成像仪和待检测成像的目标都分辨不出来，此时可将其看作一个能提供类噪声背景的照射装置。
本发明提供了一种适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，通过噪声源均匀照射粗糙表面反射面，产生非相干噪声；通过多孔出射表面增加了空间的均匀性；通过风扇和金属丝带组成的散射结构，进一步打乱空间和时间的相干性。
本发明与现有技术相比，优点在于：
(1)相比于传统的加热或冷却黑体材料形成一个通道，本发明通过宽带噪声源实现均匀的背景照射，功耗更低，成本更低，也更安全；
(2)本发明利用宽带毫米波噪声源均匀照射粗糙反射面，并在均匀的多孔表面出射，形成空间均匀和不相干的背景噪声。同时，在内部加入风扇和金属丝带组成的散射结构，引入了噪声信号的时间动态性，进一步保证了背景照射噪声的非相干性；
(3)本发明综合考虑了实际大客流安检成像中的应用，可作为通过式安检背景照射通道墙，位于安检通道的两侧，在目标两侧均形成均匀的背景照射，增加安检成像质量，同时起到对被被检人员进行通过方向引导的作用。
附图说明
图1为本发明一种适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置的侧视图；
图2为功分结构的示意图；
图3为随机的粗糙表面反射面局部示意图；
图4为加入风扇和金属丝带组成的散射结构的示意图；风扇可以安装在类噪声发生装置的外部，通过进风口吹动金属丝带，也可以安装在类噪声发生装置内部；
图5为均匀分布的多孔出射表面的局部示意图，图中，21为多孔出射表面的小孔分布，小孔的直径大小均相等，且为均匀分布。
具体实施方式
下面结合附图详细解释本发明提出的用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置。
如图1所示，本发明的构成包括：一个毫米波宽带噪声辐射源1、功分结构2、粗糙表面反射面3、多孔出射表面4以及由金属丝带5和安装在进风口6外侧的风扇组成的散射结构。本发明的被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，能够利用毫米波宽带噪声源产生具有空间均匀性和时间/空间非相干性的背景照射，提高室内安检成像质量。
本发明采用如下的技术思路：1)采用宽带噪声辐射源减小相干长度，降低辐射的相干性；2)采用功分结构将一个噪声源分为多路噪声信号，形成对反射面的均匀照射；3)反射面采用随机粗糙面，增加辐射的非相干性；4)出射面有多个小孔，小孔直径范围为2mm～6mm，小孔为均匀分布，相邻小孔间的距离约为小孔的直径，使得从表面的小孔出射到外面空间中的辐射在空间上是均匀分布的；5)加入风扇和金属丝带，由风扇带动金属丝带不断地在空间中无规则地进行摆动，增加背景照射噪声的非相干性，实现均匀成像背景，提高成像质量。
下面将通过优选实施例介绍适合于一种适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置的具体实施方式。
第一步，确定类噪声发生装置的面材料、尺寸大小和放置位置。背景照射墙的安装位置根据安检通道的位置进行布置。背景照射单面墙的长度为3m，宽度为0.5m，高度为2.2m，由三个相同的类噪声发生装置组成。所照射通道的宽度为1m。粗糙表面反射面采用铝合金材料，多孔出射表面采用钢网。
第二步，设计功分结构。在此例中，功分结构由11个功分器组成，如图2所示，输入宽带噪声源后，功分器8将信号分为两路不等能量的信号，作为功分器9和12的输入，功分器9将信号分为两路，作为功分器10和11的输入。同时，功分器12将信号也分为两路，作为功分器13和16的输入，接着，功分器13和16分别将信号分为两路，作为功分器14、15和17、18的输入。功分器10、11，14、15和17、18的信号输出端均连接45度极化Ka波段的标准波导口19。这里，由于安检成像系统接收到的信号为水平极化，而噪声信号在经过粗糙表面的反射面后极化方向会产生变化，因此，采用45度极化的波导可确保信号在水平极化方向上可以接收到信号。
第三步，制造粗糙表面反射面。在此例中，粗糙表面反射面采用汽车通用的隔热铝薄板，铝薄板表面的花纹是凹凸的。为了增加粗糙表面的随机性，在铝薄板上人工进行随机敲打，产生凸出部分。如图3所示，随机的粗糙表面反射面局部示意图，粗糙反射面的凸出部分20，凸出部分的形状、大小和位置均为不规则的、随机的。
第四步，在类噪声发生装置外部加入风扇，内部放置覆盖面积约等于多孔出射表面面积铝丝带，风扇通过进风口吹动铝丝带不断摆动。如图5所示，多孔出射表面的局部示意图，图中，21为多孔出射表面的小孔分布，小孔的直径大小均相等，且为均匀分布。该实施例中，小孔为圆形，直径范围为2mm～6mm。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，其特征在于：包括毫米波宽带噪声辐射源，功分结构，风扇和金属丝带组成的散射结构，粗糙表面反射面和多孔出射表面；功分结构将输入的毫米波宽带噪声辐射源信号分成多路输出能量相等的噪声信号，噪声信号经过波导发射后均匀地照射粗糙表面反射面；粗糙表面反射面反射噪声源的辐射信号，同时降低空间相干性，再利用定速或者变速转动的风扇吹动金属丝带，引入噪声信号在时间上和空间上的动态变化，进一步降低辐射的相干性；小孔均匀分布的多孔出射表面使出射背景噪声具有空间均匀性；该装置在被动毫米波安检成像中，作为背景照射墙，位于通过式安检通道的两侧，实为人体安检成像提供均匀的成像背景照射，以提升无源毫米波系统的成像质量。
2.根据权利要求1所述的适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，其特征在于：所述宽带毫米波噪声辐射源的中心频率与无源毫米波系统的频率一致，辐射带宽为1GHz以上。
3.根据权利要求1所述的适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，其特征在于：所述功分结构由多个相同的或不同的功分器级联组成，个数由所述的类噪声发生装置的空间位置和大小确定。
4.根据权利要求1所述的适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，其特征在于：所述功分结构中的功分器的信号输出端均加上45度极化的波导口，将噪声信号辐射到粗糙表面反射面上。
5.根据权利要求1所述的适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，其特征在于：所述粗糙表面反射面应为随机粗糙表面，且反射面的粗糙程度越高、表面坑洼越随机，背景照射的非相干特性越好。
6.根据权利要求1所述的适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，其特征在于：所述风扇和金属丝带组成的散射结构中，风扇以范围为300rpm～3000rpm的转速定速或者变速转动，吹动金属丝带不断摆动；风扇的位置在照射装置内部或在外部。
7.根据权利要求1所述的适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，其特征在于：所述多孔出射表面中的小孔直径范围为2mm～6mm，相邻小孔之间的距离约为小孔的直径，出射多孔表面的材料为金属。
8.根据权利要求1所述的适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，其特征在于：在所述类噪声发生装置的基础上进行扩展，由多个类噪声发生装置组合成照射范围更大的用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置。
9.根据权利要求1所述的适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，其特征在于：所述类噪声发生装置可作为通过式安检背景照射通道，一个位于安检通道的左侧，另一个位于安检通道的右侧，在目标两侧均形成均匀的类噪声背景照射，提高安检成像质量。
10.根据权利要求9所述的适用于被动毫米波安检成像背景照射的类噪声发生装置，其特征在于：所述通过式安检背景照射通道的宽度为0.9-1.1m，高度为2.0-2.4m，在安检通道内形成均匀的成像背景，提高人体安检成像质量，另一方面对被安检人员进行行走引导。
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