專利背景
毫米波的頻率為30千兆赫茲到300千兆赫茲(波長從1毫米到10毫米)。在
電磁波譜中毫米波頻率的位置介於紅外與微波之間。毫米波成像系統主要有以下幾個特點:對目標的形狀結構敏感,區別金屬目標和背景環境的能力強;獲得的圖像解析度高,因此可提高對目標識別與探測能力;與紅外雷射相比,毫米波受惡劣自然環境的影響小,可用於煙塵、雲霧等惡劣環境下;系統體積小,重量輕,和微波電路相比,毫米波電路尺寸要小很多,因此,毫米波系統更易集成。基於上述特點,毫米波成像技術套用廣泛,尤其是在無損檢測和安檢領域。
毫米波成像體制主要分為毫米波主動成像和毫米波被動成像。被動毫米波成像系統結構比較簡單,實現成本也較低,但成像時間長,成像解析度較低。主動式毫米波成像相同中,主動合成孔徑成像和主動全息成像是主要的成像體制。毫米波全息成像的方法是源於光學全息的方法,利用電磁波的相干原理,首先發射機要將發射高穩定的毫米波信號,接收機接受目標反射回來的回波信號,並將回波信號與高度相干的參考信號進行相干處理,提取出回波信號的幅度和相位信息,從而通過數據和圖像處理的方法得到場景中目標的三維圖像。毫米波主動全息成像得到的毫米波圖像解析度好,成像時間短,特別適用於人體安檢系統。
2016年前的毫米波主動式三維全息成像的人體安檢系統,為了縮短掃描時間,設定了兩組掃描單元,並且如圖1所述,包括:由第一毫米波收發機2和第一毫米波開關天線陣列7組成的第一組掃描單元,以及由第二毫米波收發機3和第二毫米波開關天線陣列8組成的第二組掃描單元。具體設定結構為:在人體安檢系統的主體框架上設定兩個對稱的轉動臂,用於分別固定兩組掃描單元。基於這種人體安檢系統的成像方法包括:待檢人員由進入待掃描區域中心位置時,通過旋轉掃描驅動裝置6驅動兩組掃描單元進行旋轉,以對待檢人員進行旋轉掃描。圖像處理裝置5通過來自兩組掃描單元的數據,合成待檢人員的三維全息圖像。
可以看出,2016年4月之前的毫米波主動式三維全息成像的人體安檢系統結構複雜,實現成本較高;並且兩組掃描單元各自獨立的進行掃描和信息收發,存在成像圖像的解析度低的問題。
發明內容
專利目的
該實用新型的目的在於提供一種三維全息成像的安檢系統。
技術方案
《三維全息成像的安檢系統》包括主體框架,所述主體框架內形成有一個待掃描區域和至少兩個掃描區域,還包括:毫米波收發模組、至少兩組毫米波開關天線陣列、掃描驅動裝置以及並行圖像處理模組,所述毫米波開關天線陣列的數量與所述掃描區域的數量相同;所述毫米波收發模組設於所述主體框架上,所述毫米波收發模組與各組毫米波開關天線陣列均連線;所述掃描驅動裝置,用於驅動所述至少兩組毫米波開關天線陣列同向旋轉,使各組毫米波開關天線陣列在其對應的一個掃描區域內對待掃描區域中的被測目標進行旋轉掃描;所述並行圖像處理模組,用於根據所述毫米波收發模組採集到的回波信號,以及所述回波信號對應的空間位置信息,合成所述被測目標的三維全息圖像。
改善效果
《三維全息成像的安檢系統》的上述技術方案,只需一個毫米波收發模組,減少了系統部件數目,使得整體結構會更加簡潔,並有利於降低系統成本;另一方面,通過毫米波開關天線陣列的單發多收模式,相比於2016年4月之前的安檢系統,掃描的區域更密集,回波信號合成的次數更多,得到的三維全息圖像的解析度更高,成像結果更加清晰。
附圖說明
圖1為傳統的三維全息成像的安檢系統的示意性結構圖;
圖2為一實施例的三維全息成像的安檢系統的示意性結構圖;
圖3為一實施例的兩組毫米波開關天線陣列的掃描區域的結構示意圖;
圖4為一實施例的毫米波收發模組的內部結構示意圖;
圖5為一實施例的毫米波開關天線陣列的內部結構示意圖;
圖6為一實施例的三維全息成像的安檢方法的示意性流程圖;
圖7為一實施例的天線陣列單發多收模式下三維全息成像合成孔徑法的示意圖。
權利要求
1.《三維全息成像的安檢系統》包括主體框架(1),所述主體框架(1)內形成有一個待掃描區域(10)和至少兩個掃描區域,其特徵在於,還包括:毫米波收發模組(2)和至少兩組毫米波開關天線陣列;所述毫米波開關天線陣列的數量與所述掃描區域的數量相同;各組毫米波開關天線陣列均與所述毫米波收發模組(2)連線;還包括,設於主體框架(1)上的掃描驅動裝置(5),用於驅動所述至少兩組毫米波開關天線陣列同向旋轉、使各組毫米波開關天線陣列在其對應的一個掃描區域內對待掃描區域(10)中的被測目標進行旋轉掃描;以及,用於根據所述毫米波收發模組(2)採集到的回波信號、以及所述回波信號對應的空間位置信息,合成所述被測目標的三維全息圖像的並行圖像處理模組(4)。
2.根據權利要求1所述的三維全息成像的安檢系統,其特徵在於,所述至少兩個掃描區域包括第一掃描區域(8)和第二掃描區域(9);所述毫米波開關天線陣列包括第一毫米波開關天線陣列(6)和第二毫米波開關天線陣列(7);所述掃描驅動裝置(5)驅動第一毫米波開關天線陣列(6)和第二毫米波開關天線陣列(7)同向旋轉、使其分別在第一掃描區域(8)和第二掃描區域(9)內對待掃描區域(10)中的被測目標進行旋轉掃描。
3.根據權利要求2所述的三維全息成像的安檢系統,其特徵在於,所述毫米波收發模組(2)包括:兩個信號源、兩個初級功分器、一個次級功分器、兩個初級混頻器以及一個次級混頻器;其中,第一信號源(101)的輸出信號通過一個初級功分器(102)後,分為第一路信號和第二路信號;第一路信號通過次級功分器(124)分為兩路發射信號並分別進入對應的兩個發射天線;第二信號源(117)的輸出信號通過另一個初級功分器(118)之後,分為第三路信號和第四路信號;第三路信號和所述第二路信號分別進入第一初級混頻器(108)的兩個輸入端,所述第四路信號和來自對應接收天線的接收信號分別進入第二初級混頻器(115)的LO端和RF端;第一初級混頻器(108)的輸出信號和第二初級混頻器(115)的輸出信號分別進入次級混頻器(114)的LO端和RF端,所述次級混頻器(114)的輸出信號傳輸至所述毫米波收發模組(2)的信號輸出端。
4.根據權利要求3所述的三維全息成像的安檢系統,其特徵在於,所述毫米波收發模組(2)還包括:第一放大支路、第二放大支路、第三放大支路和第四放大支路;所述第一路信號經過所述第一放大支路的放大後,進入次級功分器(124)的輸入端;所述第四路信號和來自對應接收天線的接收信號,分別經過第二放大支路和第三放大支路的放大處理之後,進入第二初級混頻器(115)的LO端和RF端;所述第一初級混頻器(108)的輸出信號通過第四放大支路的放大之後,進入次級混頻器(114)的LO端。
5.根據權利要求4所述的三維全息成像的安檢系統,其特徵在於,所述第一放大支路包括,依次連線的第一功率放大器(103)、第一倍頻器(104)和第一衰減器(105);所述第二放大支路包括,依次連線的第三功率放大器(119)、第二衰減器(120)以及第三倍頻器(121);第三放大支路包括,依次連線的低噪聲放大器(123)和第三濾波器(122);第四放大支路包括,依次連線的第一濾波器(109)、第二功率放大器(110)、第二倍頻器(111)、第二濾波器(112)和第四功率放大器(113)。
6.根據權利要求5所述的三維全息成像的安檢系統,其特徵在於,所述第一放大支路還包括隔離器(106),所述第一衰減器(105)的輸出端通過所述隔離器(106)連線第三功分器(124)的輸入端。
7.根據權利要求5所述的三維全息成像的安檢系統,其特徵在於,所述第一信號源(101)為工作頻率在16.1千兆赫茲-20.1千兆赫茲頻段的調頻信號源,第二信號源(117)為工作頻率在16千兆赫茲-20千兆赫茲頻段的信號源;所述第一倍頻器(104)、第二倍頻器(111)、第三倍頻器(121)均為2倍倍頻器。
8.根據權利要求1所述的三維全息成像的安檢系統,其特徵在於,每組毫米波開關天線陣列包括若干發射天線和若干接收天線,所述發射天線與所述接收天線以交錯式結構排列為兩排;所述毫米波開關天線陣列為單發多收模式的開關天線陣列。
9.根據權利要求8所述的三維全息成像的安檢系統,其特徵在於,每組毫米波開關天線陣列中發射天線和接收天線的數量範圍均為128-192個;每組毫米波開關天線陣列中的全部發射天線組成發射天線陣列,每組毫米波開關天線陣列中的全部接收天線組成接收天線陣列。
10.根據權利要求1所述的三維全息成像的安檢系統,其特徵在於,還包括:設於所述主體框架(1)上的控制裝置(3),所述控制裝置(3)與對應的操控計算裝置(12)通信連線,用於根據操控計算裝置(12)傳送的掃描指令控制所述掃描驅動裝置(5)產生旋轉角度信號。
實施方式
圖2為一實施例的三維全息成像的安檢系統的示意性結構圖;該實施例的三維全息成像的安檢系統,包括主體框架1,所述主體框架1內形成有一個待掃描區域10和至少兩個掃描區域,其特徵在於,還包括:毫米波收發模組2、至少兩組毫米波開關天線陣列、掃描驅動裝置5以及並行圖像處理模組4;所述毫米波開關天線陣列的數量與所述掃描區域的數量相同;所述毫米波收發模組2與各組毫米波開關天線陣列均連線;所述掃描驅動裝置5設於主體框架1上,用於驅動所述至少兩組毫米波開關天線陣列同向旋轉,使各組毫米波開關天線陣列在其對應的一個掃描區域內對待掃描區域10中的被測目標進行旋轉掃描;所述並行圖像處理模組4,用於根據所述毫米波收發模組2採集到的回波信號,以及所述回波信號對應的空間位置信息,合成所述被測目標的三維全息圖像。
作為一優選實施方式,該實用新型實施例中,全部毫米波開關天線陣列的旋轉掃描軌跡可形成一個封閉的圓形軌跡。對應的,如圖2所示和圖3所示,該實施例的主體框架1可設定為圓柱形主體框架,並且在圓柱形主體框架內形成有第一掃描區域8和第二掃描區域9,主體框架1的橫截面半徑為R,第一掃描區域8與第二掃描區域9對稱分布,且兩個掃描區域的掃描角度均為β。對應的,該實施例的三維全息成像的安檢系統包括的第一毫米波開關天線陣列6和第二毫米波開關天線陣列7,分別與所述毫米波收發模組2連線。並且所述的三維全息成像的安檢系統還包括用於控制所述掃描驅動裝置5產生旋轉角度信號的控制裝置3;所述掃描驅動裝置5在所述控制裝置3的控制作用下,驅動第一毫米波開關天線陣列6和第二毫米波開關天線陣列7同向旋轉、以分別在第一掃描區域8和第二掃描區域9內對待掃描區域中的被測目標進行旋轉掃描。可以理解的是,所述主體框架1還可設定為其他形狀,例如菱柱形狀等。
該實施例中,上述主體框架1還包括入口10和出口12,整個三維全息成像的安檢系統可通過操控計算裝置12進行控制,以對進入待掃描區域10的被檢測目標13進行掃描,通過三維圖像進而發現藏在衣物下的異物。
作為一優選實施方法,該實用新型實施例的三維全息成像的安檢系統還包括設於所述主體框架1上的控制裝置3,所述控制裝置3與對應的操控計算裝置12通信連線,用於根據操控計算裝置12傳送的掃描指令控制所述掃描驅動裝置5產生旋轉角度信號。
作為一優選實施方式,參考圖4所示,在包括兩組毫米波開關天線陣列的情況下,為了實現毫米波收發模組2對兩組毫米波開關天線陣列的信號收發控制,該實用新型實施例中所述毫米波收發模組2的實現方式可為,包括:兩個信號源(即第一信號源101和第二信號源117)、兩個初級功分器(即第一初級功分器102和第二初級功分器118)、一個次級功分器124、兩個初級混頻器(第一初級混頻器108和第二初級混頻器115)以及一個次級混頻器114。其中,第一信號源101的輸出信號通過一個初級功分器102後,分為第一路信號和第二路信號;第一路信號通過次級功分器124分為兩路發射信號並分別進入對應的兩個發射天線。
第二信號源117的輸出信號通過另一個初級功分器118之後,分為第三路信號和第四路信號;第三路信號和所述第二路信號分別進入第一初級混頻器108的兩個輸入端,所述第四路信號和來自對應接收天線的接收信號分別進入第二初級混頻器115的LO端和RF端。
第一初級混頻器108的輸出信號和第二初級混頻器115的輸出信號分別進入次級混頻器114的LO端和RF端,所述次級混頻器114的輸出信號傳輸至所述毫米波收發模組2的信號輸出端。
進一步的,所述毫米波收發模組2還包括第一放大支路、第二放大支路、第三放大支路和第四放大支路。所述第一路信號經過所述第一放大支路的放大後,進入次級功分器124的輸入端;所述第四路信號和來自對應接收天線的接收信號,分別經過第二放大支路和第三放大支路的放大處理之後,進入第二初級混頻器115的LO端和RF端;所述第一初級混頻器108的輸出信號通過第四放大支路的放大之後,進入次級混頻器114的LO端。
作為一優選方式,如圖4所示,下面給出一個毫米波收發模組2的具體實現方式,包括:第一信號源101、第二信號源117、第一混頻器114、第二混頻器115、第三混頻器108、第一倍頻器104、第二倍頻器111、第三倍頻器121、第一功率放大器103、第二功率放大器110、第三功率放大器119、第四功率放大器113、低噪聲放大器123、第一功分器102、第二功分器118、第一濾波器109、第二濾波器112、第三濾波器122、第一衰減器105以及第二衰減器120;各器件的連線關係包括:
所述第一信號源101的輸出端連線第一功分器102的輸入端,第一功分器102的一輸出端連線第一功率放大器103的輸入端,第一功率放大器103的輸出端連線第一倍頻器104的輸入端,第一倍頻器104的輸出端連線第一衰減器105的輸入端,第一衰減器105的輸出信號經過第三功分器124後分往2個發射陣列的發射天線並輻射到空間中;
第二信號源117的輸出端連線第二功分器118的輸入端,第二功分器118的一輸出端連線第三功率放大器119的輸入端,第三功率放大器119的輸出端連線第二衰減器120的輸入端,第二衰減器120的輸出端連線第三倍頻器121的輸入端,第三倍頻器121的輸出端連線第二混頻器115的LO端,第二混頻器115的RF端從接收天線接收空間反射的回波信號,第二混頻器115的IF端輸出的帶有目標信息的首次下變頻信號到第一混頻器114的RF端;
第一功分器102的另一輸出端、第二功分器118的另一輸出端分別連線第三混頻器108的兩個輸入端,第三混頻器108的輸出端連線第一濾波器109的輸入端,第一濾波器109的輸出端連線第二功率放大器110的輸入端,第二功率放大器110的輸出端連線第二倍頻器111的輸入端,第二倍頻器111的輸出端連線第二濾波器112的輸入端,第二濾波器112的輸出端連線第四功率放大器113的輸入端,第四功率放大器113的輸出端連線第一混頻器114的LO端,第一混頻器114的IF端輸出帶有目標信息的第二次下變頻信號到所述毫米波收發模組2的信號輸出端。
優選的,所述第一信號源101為工作頻率在16.1千兆赫茲-20.1千兆赫茲頻段的調頻信號源,第二信號源117為工作頻率在16千兆赫茲-20千兆赫茲頻段的信號源。所述第一衰減器105的輸出端通過隔離器106連線第三功分器124的輸入端,第一衰減器105的輸出信號先後通過隔離器106和第三功分器124後分往2個毫米波開關天線陣列並輻射到空間中。
優選的,所述第一倍頻器104、第二倍頻器111、第三倍頻器121均為2倍倍頻器。
通過上述的毫米波收發模組的結構,第一功分器102是一個三連線埠器件,其一端輸入信號到第一功率放大器103,使本鏈路功率達到第一倍頻器104的安全輸入功率範圍,經過第一倍頻器104後本鏈路輸入頻率為32.2千兆赫茲-40.2千兆赫茲,然後通過可調衰減器來調節輸出功率,經過第三功分器124後,最終分往2個毫米波開關天線陣列的發射天線並輻射到空間中,天線和第一衰減器105之間需加入一隔離器,通過隔離器確保發射天線發射的信號不會受到接收信號的干擾。第二混頻器115是一個三連線埠器件,三個連線埠分別為RF、LO、IF,RF端接收從接收天線接收到的回波信號,LO端則輸入二倍頻後的第二信號源信號,下變頻後輸入第一混頻器114,此信號帶有一定的被測目標的信息,輸入到第一混頻器114的RF端可以對其進一步的處理。所述第一混頻器114也是一個三連線埠器件,三個連線埠分別為RF、LO、IF,其RF端輸入由第二混頻器115輸出的帶有被測目標信息的首次下變頻信號,第一混頻器114的LO端輸入由第二信號源經過第二功分器118、第三混頻器108、第二功率放大器110以及第二倍頻器111輸出的連續波信號(毫米波信號),第一混頻器114的IF端則輸出帶有被測目標信息的第二次下變頻信號到並行圖像處理模組。
作為一優選實施方式,如圖5所示,該實施例的三維全息成像的安檢系統中,兩組毫米波開關天線陣列對稱設定,每組毫米波開關天線陣列包括若干發射天線和若干接收天線,所述發射天線與所述接收天線以交錯式結構排列為兩排;每組毫米波開關天線陣列以單發多收的模式進行工作,每個發射天線對應至少兩個接收天線。
優選的,每組毫米波開關天線陣列中發射天線和接收天線的數量相同,數量範圍均為128-192個;每組毫米波開關天線陣列中的全部發射天線組成的發射天線陣列,用於將毫米波收發模組2發出的發射信號輻射到被測目標所在空間;每組毫米波開關天線陣列中的全部接收天線組成的接收天線陣列,用於接收由被測目標反射的回波信號。
優選的,所述發射天線和接收天線分別由4組單刀4擲的開關控制,且開關接通時至少有一組發射天線和接收天線工作。
需要說明的是,該實用新型上述實施例以兩組毫米波開關天線陣列和兩個掃描區域為例對三維全息成像的安檢系統進行了具體說明,根據實際需要,基於上述相似原理,還可設定為三組、四組毫米波開關天線陣列,以及對應的三個、四個掃描區域,以進一步的提高掃描效率,和成像解析度。
上述實施例的三維全息成像的安檢系統,通過使用單個毫米波收發模組,相對於2個收發模組,降低了系統硬體成本,同時由於減少了部件數目,使得整體結構會更加的簡潔。
基於上述實施例的三維全息成像的安檢系統,圖6為一實施例的三維全息成像的安檢方法的示意性流程圖;如圖6所示,該實施的三維全息成像的安檢方法包括步驟:
S11,檢測到被測目標進入待掃描區域10,觸發掃描指令;
S12,接收到所述掃描指令,根據預設的旋轉控制信號控制掃描驅動裝置產生旋轉角度信息,以驅動所述至少兩組毫米波開關天線陣列同向旋轉、以使每組毫米波開關天線陣列在其對應的一個掃描區域內以單發多收模式對待掃描區域中的被測目標進行旋轉掃描;
優選的,所述控制裝置3接收所述掃描指令,根據預設的旋轉控制信號控制掃描驅動裝置5產生旋轉角度信息,以驅動第一毫米波開關天線陣列6和第二毫米波開關天線陣列7同向旋轉、以單發多收工作模式分別在第一掃描區域8和第二掃描區域9內對被測目標進行旋轉掃描;
S13,毫米波收發模組發出毫米波信號,所述毫米波信號被分為至少兩路信號,各路信號分別傳輸至對應的一組毫米波開關天線陣列進行發射;採集由各組毫米波開關天線陣列接收到的被測目標反射回來的回波信號,以及各回波信號對應的空間位置信息;
優選的,毫米波收發模組2發出毫米波信號,可通過功分器被分為兩路相同功率的信號傳輸至兩組毫米波開關天線陣列的發射天線進行發射;通過兩組毫米波開關天線陣列的接收天線接收被測目標反射回來的回波信號,將所述回波信號以及所述回波信號對應的空間位置信息一併返回給毫米波收發模組2;
S14,根據採集到的回波信號以及回波信號對應的空間位置信息,得出被測目標的三維全息圖像。
可以理解的是,所述毫米波開關天線陣列在旋轉過程中按照設定時間間隔不斷進行信號的發射和接收,因此上述步驟S12和S13的執行順序不分先後。
該實施例中,所述毫米波開關天線陣列在單發多收模式下,其中的某一發射天線在第一時刻向被測目標所在空間發出毫米波信號,記錄第一時刻發出的毫米波信號的空間覆蓋區域,並通過預設的第一接收天線接收本次毫米波信號對應的回波信號;所述某一發射天線在第二時刻再次向被測目標所在空間發出毫米波信號,記錄第二時刻發出的毫米波信號的空間覆蓋區域,並通過預設的第二接收天線接收本次毫米波信號對應的回波信號。換句話說,該實施例中毫米波開關天線陣列中的每一個發射天線至少連續發射2次毫米波信號,並由對應的2個不同的接收天線分別接收反射回來的回波信號。
例如:如圖5所示,毫米波開關天線陣列中發射天線和接收天線為交錯排列方式,發射天線51第一次發射毫米波信號,由接收天線49接收對應的回波信號,下一個收發過程中發射天線51發射毫米波信號,由接收天線50接收對應的回波信號;以此類推,即為毫米波開關天線陣列的單發多收模式。
該實施例中,發射天線每次發射出去的毫米波信號的空間覆蓋區域為固定的,因此,作為一優選實施方式,回波信號經過解調處理合成三維全息圖像的方法包括:根據第一時刻發出的毫米波信號的空間覆蓋區域與第二時刻發出的毫米波信號的空間覆蓋區域,計算兩者的重疊區域;並從第一接收天線和第二接收天線接收到的回波信號中篩選出所述重疊區域對應的回波信號;判斷當前得到的重疊區域是否覆蓋整個被測目標,若是,根據所述重疊區域對應的回波信號得出所述被測目標的三維全息圖像。
具體的,該實施例中採用合成孔徑的技術對採集到的回波信號加以解析,得到被測目標的三維全息圖像。如圖7所示,發射天線1T某一時刻發射毫米波信號,反射回來的回波信號由接收天線1R接收到;由於天線陣列處於旋轉狀態,所以下一時刻所述發射天線1T發射的毫米波信號的空間覆蓋區域與上一時刻的空間覆蓋區域有變化,並且此時接收天線2R接收到的回波信號對應的空間位置區域和接收天線1R接收到回波信號對應的空間位置區域存在有一個重疊區域(圖7所示的D1區域);採集並處理該重疊區域的回波信息,由於所述重疊區域D1的回波信息是經過接收天線1R和接收天線2R的兩次接收到的,因此基於所述重疊區域D1的回波信息得到的圖像的解析度會得到較大提高。通過多次這樣的發射和接收過程,直到得到的重疊區域可覆蓋整個被測目標(圖7所示的S1圓柱區域),相比與傳統天線陣列的單發單收模式,該實施例三維全息成像方法得到的被測目標的三維全息圖像的解析度得到較大提高。
圖7示出的只是一組收發模型,需要說明的是,每組收發得到的重疊區域和發射天線的波束寬度以及開關的切換時間和掃描間隔時間均有關聯,掃描間隔越短或者開關切換越快,得到的重疊區域就會越大,最後得出的三維全息圖像的解析度越高。
榮譽表彰
2017年12月11日,《三維全息成像的安檢系統》獲得第十九屆中國專利優秀獎。