CN117192636A - 一种基于太赫兹技术的手持式安检装置及安检方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于太赫兹技术的手持式安检装置及安检方法，涉及太赫兹应用技术领域，太赫兹探测组件探测接收目标辐射的太赫兹波，将所述太赫兹波转换为电信号发送给信号采集及处理模块；激光测距模块实时测量所述手持式安检装置到目标的距离；信号采集及处理模块按照间隔时间采集所述电信号，计算前一时刻与当前时刻的太赫兹辐射强度差，将所述强度差与所述距离对应的目标阈值进行比较，判断是否存在违禁品。

Description

一种基于太赫兹技术的手持式安检装置及安检方法

技术领域

本发明涉及太赫兹应用技术领域，具体涉及一种基于太赫兹技术的手持式安检装置及安检方法。

背景技术

太赫兹是波长为3mm～30的电磁波，频率范围是0.1THz～10THz。由于太赫兹波在电磁波谱中所处的特殊位置，决定了它具有许多区别于其他波段的优异特性，如高穿透性、大带宽、低光子能量、指纹谱特性等。基于太赫兹的独特性质，近年来太赫兹技术广泛应用于空间探测、通信、生物医学、公共安全等领域。

公共场合人员众多且复杂，经常会有不法分子携带刀枪、各类爆炸物等违禁物品行凶作案，从而造成重大的人员伤亡和财产损失，也给社会造成极其恶劣的负面影响。对进入公共场所的人员进行安全检查迫在眉睫。

目前公共场所的人体安检的手段有手持式金属探测器、金属安检门、X光背散射成像安检设备、毫米波人体安检设备、被动式太赫兹人体安检设备，但每种手段都具有一定的局限性。

1.手持式金属探测器和金属安检门：

手持式金属探测器和金属安检门，可以检测通过的人员有无携带金属物品，但无法检测非金属材质危险物品，比如陶瓷刀具、爆炸物等等。同时，金属探测虚警较高，需人工触摸式复查，具有一定的侵犯性。

2.X光背散射安检设备：

X光背散射成像技术用于安检，可以有效检测出藏于人体衣物下的金属违禁品，陶瓷刀具、塑料枪支、混合武器、液体炸弹、毒品等非金属违禁品。但该设备工作时会产生X射线，有电离辐射，对人体危害大。

3.毫米波人体安检设备：

毫米波人体安检设备，是基于雷达成像的原理进行安检成像。毫米波人体安检设备分辨率高，可达毫米级别；环境适应性好。但是安检时，被检人员需要保持静止2～3秒，不能实现实时不停留安检，其占用空间大且部署较为困难。

4.被动式太赫兹人体安检设备：

被动式太赫兹人体安检设备，是基于被动式太赫兹成像技术原理，实现对人随身携带的金属、陶瓷、液体、粉末等违禁品进行检出。但目前市场上使用的太赫兹设备为通道式太赫兹设备，其占用空间大且部署较为困难。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于太赫兹技术的手持式安检装置的安检方法，包括如下步骤：

太赫兹探测组件探测接收目标辐射的太赫兹波，将所述太赫兹波转换为电信号发送给信号采集及处理模块；

激光测距模块实时测量所述手持式安检装置到目标的距离；

信号采集及处理模块按照间隔时间采集所述电信号，计算当前时刻与前一时刻的太赫兹辐射强度差，将所述强度差与所述激光测距模块测量的当前时刻的距离所对应的目标阈值进行比较，判断是否存在违禁品。

进一步地，将最大探测距离L分为m个距离段：0～L₁，L₁～L₂，……，L_m-1～L_m；将每一个距离段j对应的强度差阈值定义为TH_j，j=1,2,3,…,m，将所述强度差阈值TH_j存在阈值数组TH里；

太赫兹探测组件有N个探测通道，计算第n个探测通道的当前时刻与前一时刻的太赫兹辐射强度差，存入数组DC中的第n个位置；

根据激光测距仪测量的当前时刻的距离，确定所属距离段及对应的强度差阈值，赋值给目标阈值TH_a；

将数组DC中的每个位置存储的强度差值分别与目标阈值TH_a相比，若数组DC中存储的N个强度差均小于目标阈值TH_a，则判断该目标处无违禁品；若存在至少一个强度差不小于目标阈值TH_a，则判断该目标处有违禁品。

进一步地，每隔固定时间对每个探测通道进行标定，使用i次多项式拟合法进行探测通道校准，对每个探测通道n探测到的太赫兹辐射强度P_n通过校准多项式进行校准，得到校准后的太赫兹辐射强度/>，校准多项式中的系数/>,/>,…,/>,/>使用最小梯度下降法求解。

进一步地，将校准后的每个探测通道n的太赫兹辐射强度数据存入大小为1*N的一维数组D₀中，经过间隔时间后将新获得的每个探测通道n的太赫兹辐射强度数据存入大小为1*N的一维数组D₁中，太赫兹信号强度差通过对数组D₀与D₁中相同探测通道n对应的强度值求差值的绝对值得到，存入大小为1*N的数组DC，在下一个间隔时间/>到来时，将数组D₁的太赫兹辐射强度赋值到数组D₀，数组D₁用于存储下一个间隔时间/>采集的太赫兹辐射强度。

本发明还提出了一种基于太赫兹技术的手持式安检装置，用于实现安检方法，包括：太赫兹探测组件、信号采集及处理模块、激光测距模块；

所述太赫兹探测组件，用于探测接收目标辐射的太赫兹波，并将所述太赫兹波转换为电信号，发送给所述信号采集及处理模块；

所述激光测距模块用于实时测量所述手持式安检装置到目标的距离；

所述信号采集及处理模块用于按照间隔时间采集所述电信号，计算前一时刻与当前时刻的太赫兹辐射强度差，确定激光测距模块测量的距离所属距离段及对应的强度差阈值，赋值给目标阈值；将所述强度差与所述目标阈值进行比较，判断是否存在违禁品。

进一步地，所述手持式安检装置还包括光学摄像机、显示与控制模块、声光报警模块；

所述光学摄像机，用于对目标进行实时的光学成像，输出光学视频流；

所述显示与控制模块，用于控制所述手持式安检装置，将所述信号采集及处理模块的判断结果与所述光学摄像机的输出的光学视频流进行匹配，显示在显示屏上，并控制所述声光报警模块进行报警。

进一步地，所述太赫兹探测组件包括：多个接收天线和多个探测器，所述接收天线用于接收目标辐射的太赫兹波，所述探测器用于将太赫兹波转换为电信号，所述多个接收天线和多个探测器形成N个探测通道。

进一步地，所述信号采集及处理模块包括：信号采集模块和信号处理模块；

所述信号采集模块用于完成太赫兹探测组件输出信号的采样；

所述信号处理模块用于对采集的输出信号进行降噪、通道标定和解析处理，判断是否有违禁品。

相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：

本发明的手持式安检装置，用于轨道交通、机场、铁路、法院、大型活动的安检空间对目标进行安检。手持式安检装置具备小巧化易操作、多种材质（金属、陶瓷、液体、粉末等）违禁品检出；利用被动式太赫兹安检原理，无辐射；结果可视化、声光报警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明的手持式安检装置使用示意图；

图2为本发明的手持式安检装置的结构示意图；

图3为本发明的太赫兹探测组件接收人体辐射示意图；

图4为本发明的阈值数组示意图；

图5为本发明的太赫兹辐射强度数组示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。

手持式安检装置使用示意图如图1所示。手持式安检装置的工作原理为，工作人员手持安检装置自上而下对被检人进行扫描，被动接收被检人及违禁品目标辐射的太赫兹波，如果人体夹带违禁品，对人体辐射的太赫兹波进行遮挡或者吸收，则违禁品所处位置的信号强度与人体的太赫兹信号强度有差异，通过信号处理解析可以判断出是否为违禁品。安检装置内部集成光学摄像机进行实时成像，当太赫兹技术判断目标为违禁品时，则在目标所处位置对应的光学图像上标记，并将输出至显示屏。

手持式安检装置的结构示意图如图2所示。手持式安检装置包括：太赫兹探测组件、信号采集及处理模块、激光测距模块、光学摄像机、显示与控制模块、声光报警模块、电源模块。

太赫兹探测组件，用于探测接收人体辐射的太赫兹波，并将其转换为电信号，以供后端信号采集及处理模块用。

太赫兹探测组件包括：多个接收天线和多个探测器，其中，接收天线用于接收人体及违禁品目标辐射的太赫兹波，探测器将太赫兹波转换为电信号，送给后端信号采集与处理模块。多个接收天线和多个探测器设计为阵列式设计，1个接收天线和1个探测器为1探测通道，多个接收天线和多个探测器形成N个探测通道。

太赫兹探测组件接收的人体背景和违禁品目标辐射的太赫兹波如图3所示。太赫兹接收天线为定向天线，具有一定的波束宽度，从天线口向外看波束为锥形状。在距离天线不同的距离，天线的接收视场不同。如图3所示距离天线越近，进入天线接收视场的人体面积越小。距离较近忽略电磁波的衰减，人体面积与太赫兹辐射强度成正比，即进入太赫兹天线接收视场的人体面积越大，太赫兹辐射强度越大。

信号采集及处理模块包括：信号采集模块和信号处理模块。

信号采集模块用于完成太赫兹探测组件输出信号的采样，采集的数据输出给信号处理模块处理。信号采集模块包括：N个A/D芯片及调理电路，每个探测通道配置1个A/D通道。

信号处理模块用于对信号采集模块输出的信号进行降噪、通道标定和解析等处理，根据解析结果判断是否有违禁品。信号处理模块包括：微处理器及外围电路。

信号降噪处理，人体及违禁品目标辐射的太赫兹波为微弱信号，而且系统工作为被动式体制，以引入噪声，因此对太赫兹信号采集后需要进行降噪处理。

通道标定，现有的太赫兹探测组件的生产工艺水平不能保证通道间的响应一致性，而且太赫兹探测组件的响应会随着温度环境的变化而变化，因此需要间隔一段时间对每一个通道进行标定。

具体的通道标定方法是，设同样的激励S，例如，被检人不携带目标的太赫兹辐射作为激励。设太赫兹探测组件的第n个通道输出的被检人的太赫兹辐射强度为, 其中，n=1,2,…,N；设/>为经校准后的被检人的太赫兹辐射强度；需要将太赫兹探测组件每个通道的/>校准为/>。

使用次多项式拟合的方法进行探测通道校准，即/>，其中，校准多项式中的系数/>,/>,…,/>,/>的求解使用最小梯度下降法实现。

手持式安检装置工作过程中，每次采集的信号进行降噪处理后都进行校准，然后再做解析处理。

信号解析，人体作为背景，携带违禁品目标时，由于违禁品目标对太赫兹辐射的遮挡或吸收，则探测器接收到的违禁品所在位置的太赫兹辐射强度降低。通过检测太赫兹辐射强度的降低进行目标解析。

通过前期测试得到不同距离范围的被检人及携带的违禁品目标的辐射强度，计算设定距离范围内的被检人携带违禁品目标和不携带目标的太赫兹辐射强度差，据此得到不同距离范围的太赫兹辐射强度差的强度差阈值，将其存储为阈值数组，用于后续信号解析做目标检测。

激光测距模块用于实时测量安检装置表面到人体的距离，为后续信号解析选择强度差阈值提供数据支撑。

光学摄像机，用于目标实时光学成像，输出光学视频流。

显示与控制模块，用于控制整机的工作逻辑，将太赫兹信号处理的结果与光学摄像机的输出的光学视频流进行匹配，最终显示在显示屏上，并控制声光报警模块进行报警。

显示与控制模块收到“违禁品”命令后，执行以下3个操作：

1、控制光学摄像机截取当前时刻的光学图片，进行标记，将其显示在显示屏上；

2、将截取并标记的光学图片存储；

3、同步控制声光报警模块指示灯闪烁并发出报警声音。

声光报警模块，用于声光报警提示。主要有LED指示灯和喇叭。

电源模块，用于整机供配电管理。电源模块支持充放电。

手持式安检装置的工作原理如下：

手持式安检装置在移动检测过程中，每间隔固定时间，激光测距模块实时测量被检人到安检装置的距离。

信号采集及处理模块用于按照间隔时间采集所述电信号，计算前一时刻与当前时刻的太赫兹辐射强度差，确定激光测距模块测量的距离所属距离段及对应的强度差阈值，赋值给目标阈值；将强度差与所述目标阈值进行比较，判断是否存在违禁品。

手持式安检装置有N个探测通道；工作时最大探测距离为L。通过前期测试得到不同距离范围的被检人及携带的违禁品目标的辐射强度，计算设定距离范围内的被检人携带违禁品目标和不携带目标的太赫兹辐射强度差，据此得到不同距离范围的强度差阈值，将探测距离L根据测试结果分为m段0～L₁，L₁～L₂，……，L_m-1～L_m。根据测试结果将每一个距离段对应的太赫兹辐射强度差阈值定义为TH_j，其中j=1,2,3,…,m，将目标阈值TH_j存在阈值数组TH里，阈值数组TH结构如图4所示。

安检装置开机后，工作人员移动安检装置，探测组件探测人体及携带违禁品目标辐射的太赫兹波，信号采集模块采集数据且进行降噪及求平均后，对每个通道的数据通过校准多项式进行校准，其中n=1,2,…,N；将校准后的每个通道的太赫兹强度数据存入一维数组/>中，数组/>的大小为1*N；

间隔时间采集探测组件输出的太赫兹信号进行降噪和求平均后，通过校准多项式/>对每个通道的数据进行校准后，输出大小为1*N的一维数组/>；相邻间隔时间/>太赫兹信号强度变化可通过对数组D₀与D₁中相同探测通道n对应的强度值求绝对差值得到，存入大小为1*N的数组DC，其中，DC_n是数组DC中第n个位置，其中存储有第n个探测通道的相邻时刻的强度差值，其中，n=1,2,…,N。下一个间隔时间/>到来时，将D₁的数据赋值到D₀，D₁准备用于存储下一个间隔时间/>后新采集处理的数据。

显示与控制模块控制激光测距仪测量人体距离安检装置的距离，根据激光测距仪测量的当前时刻的距离，确定所属距离段及对应的强度差阈值，将其赋值给目标阈值TH_a；

将强度差值数组DC中的每个位置DC_n存储的强度差值分别与目标阈值TH_a相比，若数组DC中存储的N个强度差值中存在有不小于目标阈值TH_a的强度差值，则判断该目标处有违禁品。信号处理模块发送“违禁品”命令至显示与控制模块；

显示与控制模块控制光学摄像机截取当前的光学图片，进行标记后输出至显示屏；控制声光模块指示灯闪烁，喇叭发出报警声；存储该图片；循环执行步骤a)～e)，直至被检人安检完成；

若数组DC中存储的N个强度差值均小于目标阈值TH_a的强度差值，则判断该目标处无违禁品，则循环执行步骤a)～e) ，直至被检人安检完成。

本发明的手持式安检装置可实现的功能如下：

手持式被动检测人员夹带违禁品，无辐射；可检测金属及非金属违禁品，如管制刀具枪支、陶瓷刀具、液体毒害品、粉末爆炸物等；设备轻巧，操作便捷；结果可视化，声光报警；具备充电功能。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于太赫兹技术的手持式安检装置的安检方法，其特征在于，包括如下步骤：

太赫兹探测组件探测接收目标辐射的太赫兹波，将所述太赫兹波转换为电信号发送给信号采集及处理模块；

激光测距模块实时测量所述手持式安检装置到目标的距离；

信号采集及处理模块按照间隔时间采集所述电信号，计算当前时刻与前一时刻的太赫兹辐射强度差，将所述强度差与所述激光测距模块测量的当前时刻的距离所对应的目标阈值进行比较，判断是否存在违禁品。

2.根据权利要求1所述的安检方法，其特征在于，将最大探测距离L分为m个距离段：0～L₁，L₁～L₂，……，L_m-1～L_m；将每一个距离段j对应的强度差阈值定义为TH_j，j=1,2,3,…,m，将所述强度差阈值TH_j存在阈值数组TH里；

太赫兹探测组件有N个探测通道，计算第n个探测通道的当前时刻与前一时刻的太赫兹辐射强度差，存入数组DC中的第n个位置；

根据激光测距仪测量的当前时刻的距离，确定所属距离段及对应的强度差阈值，赋值给目标阈值TH_a；

将数组DC中的每个位置存储的强度差值分别与目标阈值TH_a相比，若数组DC中存储的N个强度差均小于目标阈值TH_a，则判断该目标处无违禁品；若存在至少一个强度差不小于目标阈值TH_a，则判断该目标处有违禁品。

3.根据权利要求2所述的安检方法，其特征在于，每隔固定时间对每个探测通道进行标定，使用i次多项式拟合法进行探测通道校准，对每个探测通道n探测到的太赫兹辐射强度P_n通过校准多项式进行校准，得到校准后的太赫兹辐射强度/>，校准多项式中的系数/>,/>,…,/>,/>使用最小梯度下降法求解。

4.根据权利要求1所述的安检方法，其特征在于，将校准后的每个探测通道n的太赫兹辐射强度数据存入大小为1*N的一维数组D₀中，经过间隔时间后将新获得的每个探测通道n的太赫兹辐射强度数据存入大小为1*N的一维数组D₁中，太赫兹信号强度差通过对数组D₀与D₁中相同探测通道n对应的强度值求差值的绝对值得到，存入大小为1*N的数组DC，在下一个间隔时间/>到来时，将数组D₁的太赫兹辐射强度赋值到数组D₀，数组D₁用于存储下一个间隔时间/>采集的太赫兹辐射强度。

5.一种基于太赫兹技术的手持式安检装置，其特征在于，用于实现如权利要求1-4任意一项所述的安检方法，包括：太赫兹探测组件、信号采集及处理模块、激光测距模块；

所述太赫兹探测组件，用于探测接收目标辐射的太赫兹波，并将所述太赫兹波转换为电信号，发送给所述信号采集及处理模块；

所述激光测距模块用于实时测量所述手持式安检装置到目标的距离；

所述信号采集及处理模块用于按照间隔时间采集所述电信号，计算前一时刻与当前时刻的太赫兹辐射强度差，确定激光测距模块测量的距离所属距离段及对应的强度差阈值，赋值给目标阈值；将所述强度差与所述目标阈值进行比较，判断是否存在违禁品。

6.根据权利要求5所述的手持式安检装置，其特征在于，所述手持式安检装置还包括光学摄像机、显示与控制模块、声光报警模块；

所述光学摄像机，用于对目标进行实时的光学成像，输出光学视频流；

所述显示与控制模块，用于控制所述手持式安检装置，将所述信号采集及处理模块的判断结果与所述光学摄像机的输出的光学视频流进行匹配，显示在显示屏上，并控制所述声光报警模块进行报警。

7.根据权利要求5所述的手持式安检装置，其特征在于，所述太赫兹探测组件包括：多个接收天线和多个探测器，所述接收天线用于接收目标辐射的太赫兹波，所述探测器用于将太赫兹波转换为电信号，所述多个接收天线和多个探测器形成N个探测通道。

8.根据权利要求7所述的手持式安检装置，其特征在于，所述信号采集及处理模块包括：信号采集模块和信号处理模块；

所述信号采集模块用于完成太赫兹探测组件输出信号的采样；

所述信号处理模块用于对采集的输出信号进行降噪、通道标定和解析处理，判断是否有违禁品。