專利名稱：基于單電極電容陣列的隱藏物體成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及傳感器成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種安檢系統(tǒng)中對人體隨身攜帶的金屬和非金屬隱藏物品進行成像的隱藏物體成像裝置。
背景技術(shù)：
安檢系統(tǒng)在公共交通門戶和運動中心被廣泛采用，用于對隱藏的武器、爆炸物和毒品的檢測。對于行李、貨物、集裝箱或車輛等大宗物品，通常采用中子、X射線、伽瑪射線等輻射源進行成像，從中識別出危險物品。盡管這類系統(tǒng)的圖像分辨率很高，但由于使用了福射源，存在安全隱患。人體隨身攜帶的隱藏物體檢測裝置包括傳統(tǒng)的金屬探測器和人體成像系統(tǒng)。金屬探測器能夠觸發(fā)警報，指示可能有危險物品存在，然后由安檢員工進行身體檢查。這種探測器的一個主要問題是無法檢測出例如陶瓷刀具和塑料爆炸物這樣的危險物品。為了避免搜身，近年來基于紅外成像、THz成像、毫米波成像的人體成像系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。這些系統(tǒng)能夠穿透人的衣服進行成像，所以能夠檢測出隱藏的武器。然而，這些系統(tǒng)產(chǎn)生的是人的裸體圖像，牽涉到個人隱私。而且，金屬探測器和人體成像系統(tǒng)還存在一個問題就是它們難以有效地檢測出藏在鞋內(nèi)的危險物品。許多機場的安檢口都要求乘客把鞋脫掉，光著腳通過安檢的地點，同時把鞋用X光機進行檢測。這個過程非常不方便，也非常延誤乘客的時間。因此需要一種裝置，能夠在不脫鞋的情況下檢測出隱藏在鞋內(nèi)的危險物品。在平面單電極電容陣列傳感器的設(shè)計和評估方面曾經(jīng)有過一些研究。矩形傳感器陣列曾被研究用于氣/油/水的多界面檢測，表明通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置，可以達到期望的靈敏度與線性度(Shi T M, Xie C G, Huang S M, Williams R A and Beck MS， Capacitance-based instrumentation for multi-interface level measurement,Measurement Science and Technology, 1991年第2期)。另外，有人用同心環(huán)形傳感器對接地金屬盤進行過接近檢測(Chen Z C and Luo R C，Design and implementation ofcapacitive proximity sensor using microelectromechanical systems technology,IEEE Trans. Ind. Electron. , 45, pp 886-894,1998)。在單電極電容陣列方面，指紋傳感器是一個典型應用。傳統(tǒng)意義上的電容是平行板形式，驅(qū)動和傳感電極放置于互相接近的相對面，它們之間的電場分布很規(guī)則。當電極逐漸開放時，電場不再受限于電極之間的小區(qū)域，而是擴展到更寬的區(qū)域，構(gòu)成一個邊緣場。當電極開放到位于同一平面時，驅(qū)動電極和傳感電極之間的邊緣場成為主導，這種類型的傳感器稱為平面?zhèn)鞲衅鳌＿@種平面結(jié)構(gòu)為從單側(cè)對被測對象進行檢測提供了可能，特別是在從兩側(cè)對被測對象進行檢測受到限制時非常有用。例如，要檢測一個大型機械結(jié)構(gòu)的表面或內(nèi)部特性，傳感器的電極只能通過掃描它的表面來獲得信息。在掃描穿著鞋的腳的時候，電極只能位于鞋的底部，因此無法實現(xiàn)。Gonzalez-Nakazawa在2007年米用兩排平行的螺線管開發(fā)了一種檢測隱藏武器的便攜式掃描儀，并采用電磁層析成像技術(shù)進行了離線成像(Gonzalez-Nakazawa,A security scanner using magnetic sensors and tomography, PhD Thesis, TheUniversity of Manchester, UK, 2007)。與傳統(tǒng)的金屬探測器相比,該系統(tǒng)能夠同時產(chǎn)生電導率和磁導率的圖像，因而可以確定出金屬物品的位置。然而，重建圖像中金屬物品的形狀是扭曲的，并高度依賴于它在傳感空間的位置，而且該系統(tǒng)不能檢測非金屬的危險物品。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種檢測距離遠、檢測速度快、功能全面、適用范圍廣的基于單電極電容陣列的隱藏物體成像裝置。為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案為一種基于單電極電容陣列的隱藏物體成像裝置，包括正弦電流輸出單元、單電極電容陣列傳感器、端電壓采集單元和中央控制單元，所述單電極電容陣列傳感器包括基板 和分布于基板上呈陣列狀布置的多個單電極，所述單電極與正弦電流輸出單元相連，且所述單電極通過端電壓采集單元和中央控制單元相連，所述正弦電流輸出單元向單電極輸出正弦電流激勵，所述端電壓采集單元采集各個單電極的端電壓并輸出至中央控制單元，所述中央控制單元根據(jù)輸入的端電壓生成包含被檢測隱藏物體信息的圖像。作為上述技術(shù)方案的進一步改進所述正弦電流輸出單元包括正弦電流源和開關(guān)陣列，所述正弦電流源通過開關(guān)陣列與各個單電極相連，且所述開關(guān)陣列的控制端與所述中央控制單元相連。所述基板為PCB板，所述基板上覆設(shè)有絕緣層，所述多個單電極分別設(shè)置于所述基板和絕緣層之間，且所述單電極上設(shè)有貫穿絕緣層的接線柱，所述接線柱通過屏蔽導線與正弦電流輸出單元以及端電壓采集單元相連。所述端電壓采集單元包括模擬開關(guān)單元、整流單元、低通濾波器和數(shù)據(jù)采集器，所述單電極、模擬開關(guān)單元、整流單元、低通濾波器和數(shù)據(jù)采集器依次相連，所述數(shù)據(jù)采集器的輸出端與中央控制單元相連，所述模擬開關(guān)單元的控制端與所述中央控制單元相連。本實用新型具有下述優(yōu)點I、本實用新型的單電極電容陣列傳感器包括基板和分布于基板上呈陣列狀布置的多個單電極，單電極由于將被測對象當作另一個電極，既能夠?qū)崿F(xiàn)對金屬的檢測，又能夠?qū)崿F(xiàn)對非金屬物體的檢測，而且電場的作用距離更遠，在實際應用中檢測距離更大，具有檢測距離遠、檢測速度快、成本低、實施方便、無輻射的優(yōu)點。2、本實用新型的單電極電容陣列傳感器在單電極模式下，被測電容隨被測對象介電常數(shù)或電導率的增加而非線性地增加，極間電容隨被測對象距離和厚度的增大而急劇減小，因此工作在單電極模式下的平面電容傳感器既可以用于分析材料特性又可以用于距離和位移測量，具有功能全面、適用范圍廣的優(yōu)點。3、本實用新型的單電極電容陣列傳感器將被測對象當作另一個電極，能夠在不脫鞋的情況下檢測出隱藏在鞋內(nèi)的危險物品，在用于人身檢測時無需脫鞋也可以實現(xiàn)快速檢測，檢測效率更高。

圖I為本實用新型實施例的框架結(jié)構(gòu)示意圖。[0019]圖2為本實用新型實施例中單電極電容陣列傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實用新型實施例中單電極電容陣列傳感器的局部剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖例說明1、正弦電流輸出單元；11、正弦電流源；12、開關(guān)陣列；2、單電極電容陣列傳感器；21、基板；22、單電極；221、接線柱；222、屏蔽導線；23、絕緣層；3、端電壓采集單元；31、模擬開關(guān)單元；32、整流單元；33、低通濾波器；34、數(shù)據(jù)采集器；4、中央控制單元。
具體實施方式
如圖I所示，本實施例的基于單電極電容陣列的隱藏物體成像裝置包括正弦電流輸出單元I、單電極電容陣列傳感器2、端電壓采集單元3和中央控制單元4，單電極電容陣列傳感器2包括基板21和分布于基板21上呈陣列狀布置的多個單電極22，單電極22與正弦電流輸出單元I相連，且單電極22通過端電壓采集單元3和中央控制單元4相連，正弦電流輸出單元I向單電極22輸出正弦電流激勵，端電壓采集單元3采集各個單電極22的端電壓并輸出至中央控制單元4，中央控制單元4根據(jù)輸入的端電壓生成包含被檢測隱藏 物體信息的圖像。單電極電容陣列傳感器2的電容傳感是基于被測對象和檢測電場相互作用的原理，在單電極模式下，被測對象是接地的，并且被作為虛擬電極，電力線起源于單電極22，終止于被測對象的接地邊界。因此，隱藏物體成像的傳感器可以用一個位于驅(qū)動電極和被測對象之間的電容來建模。單電極電容陣列傳感器2的單電極22產(chǎn)生的電場穿過被測對象，在被測對象內(nèi)部產(chǎn)生電位移形成位移場，抵抗應用電場。這種位移場將改變儲存在單電極電容陣列傳感器2的單電極22間的電荷，從而改變單電極22之間的極間電容，而極間電容的改變反過來將顯示出被測對象的特性，例如介電常數(shù)、電導率及其分布特性，并最終得出與那些特性有關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)變量，實現(xiàn)對被檢測的隱藏物體的檢測。正弦電流輸出單元I包括正弦電流源11和開關(guān)陣列12，正弦電流源11通過開關(guān)陣列12與各個單電極22相連，且開關(guān)陣列12的控制端與中央控制單元4相連。本實施例中，正弦電流源11產(chǎn)生的正弦電流的幅度為10 yA，頻率為200千赫茲。如圖2和圖3所示，基板21為PCB板，基板21上覆設(shè)有絕緣層23，多個單電極22分別設(shè)置于基板21和絕緣層23之間，且單電極22上設(shè)有貫穿絕緣層23的接線柱221，接線柱221通過屏蔽導線222與正弦電流輸出單元I以及端電壓采集單元3相連。本實施例中，絕緣層23采用I毫米厚的橡膠片制成，接線柱221為銅質(zhì)接線柱?；?1上設(shè)有8X8共計64個單電極22，64個單電極22呈陣列狀布置。單電極22均為正方形，單電極22的尺寸由被檢對象的尺寸和檢測距離決定，通常邊長可取為被檢測對象最大尺寸的1/10左右。端電壓采集單元3包括模擬開關(guān)單元31、整流單元32、低通濾波器33和數(shù)據(jù)采集器34，單電極22、模擬開關(guān)單元31、整流單元32、低通濾波器33和數(shù)據(jù)采集器34依次相連，數(shù)據(jù)采集器34的輸出端與中央控制單元4相連，模擬開關(guān)單元31的控制端與中央控制單元4相連，模擬開關(guān)單元31用于控制采集指定單電極22的端電壓，整流單元32用于將采集的端電壓進行整流得到直流電壓，低通濾波器33用于將直流電壓進行低通濾波除噪，數(shù)據(jù)采集器34則用于將電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出至中央控制單元4。本實施例中，整流單元32為全波整流器，中央控制單元4采用安裝有MATLAB軟件的計算機實現(xiàn)。本實施例的工作過程如下在使用時，將電壓控制的正弦電流信號(幅度為10U A，頻率為200千赫茲)通過屏蔽導線222依次注入到64個單電極22中，在單電極22的上方形成電場，并且單電極22的端電壓與單電極電容的等效電容值成正比。各個單電極22的端電壓(即單電極22的對地電壓)在中央控制單元4的控制下，經(jīng)過模擬開關(guān)單元31、整流單元32、低通濾波器33變?yōu)橹绷麟妷海⒔?jīng)數(shù)據(jù)采集器34依次進行采集并輸入給中央控制單元4。當單電極電容陣列傳感器2上方有物體出現(xiàn)時，由于介電常數(shù)改變，各個單電極22所對應的等效電容值將發(fā)生變化，在正弦電流信號的激勵作用下，各個單電極22的端電壓將改變，正對著物體的單電極22的端電壓變化較大，其它單電極22的端電壓變化較小。將單電極電容陣列傳感器2中的各個單電極22看作二維圖像中的像素，將各個單電極22的端電壓看作各個像素的灰度值，利用中央控制單元4內(nèi)的MATLAB軟件就可以對單電極電容陣列傳感器2上方的物體進行成像，因此在進行人身檢測時無需脫鞋也可以實現(xiàn)檢測，檢測效率更高。為了提高成像的分辨率，本實施例的中央控制單元4還對采集到的電壓數(shù)據(jù)進行插值處理。本實施例的中央控制單元4用到的插值算法描述如下/6
B(2i-1,2./) —廣I ■-1,/}+ A(i - Li+ l:H 肩:U + Dl/6
I B(2i,2./ — I).: pA(iJ) + A(iJ+1,j — I) + A(i十U.)}/6式中，那,./)為《維的矩陣,代表插值前的端電壓數(shù)據(jù)'mkj}為2 維的矩陣，代表插值后的端電壓數(shù)據(jù)。上述插值運算可重復進行，一般迭代3次后就可以獲得包含被檢測隱藏物體信息的圖像。本實施例中由于共64個單電極22，因此最終得到的包含被檢測隱藏物體信息的圖像大小為64X64像素。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，本實用新型的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本實用新型思路下的技術(shù)方案均屬于本實用新型的保護范圍。應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種基于單電極電容陣列的隱藏物體成像裝置，其特征在于包括正弦電流輸出單元(I)、單電極電容陣列傳感器(2)、端電壓采集単元(3)和中央控制單元(4)，所述單電極電容陣列傳感器(2)包括基板(21)和分布于基板(21)上呈陣列狀布置的多個單電極(22)，所述單電極(22)與正弦電流輸出単元(I)相連，且所述單電極(22)通過端電壓采集単元(3)和中央控制單元(4)相連，所述正弦電流輸出単元(I)向單電極(22)輸出正弦電流激勵，所述端電壓采集単元(3)采集各個單電極(22)的端電壓并輸出至中央控制單元(4)，所述中央控制單元(4)根據(jù)輸入的端電壓生成包含被檢測隱藏物體信息的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于單電極電容陣列的隱藏物體成像裝置，其特征在于所述正弦電流輸出単元(I)包括正弦電流源(11)和開關(guān)陣列(12)，所述正弦電流源(11)通過開關(guān)陣列(12)與各個單電極(22)相連，且所述開關(guān)陣列(12)的控制端與所述中央控制單元(4)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于單電極電容陣列的隱藏物體成像裝置，其特征在于所述基板(21)為PCB板，所述基板(21)上覆設(shè)有絕緣層(23)，所述多個單電極(22)分別設(shè)置于所述基板(21)和絕緣層(23)之間，且所述單電極(22)上設(shè)有貫穿絕緣層(23)的接線柱(221)，所述接線柱(221)通過屏蔽導線(222)與正弦電流輸出単元(I)以及端電壓采集単元(3)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于單電極電容陣列的隱藏物體成像裝置，其特征在于所述端電壓采集単元(3)包括模擬開關(guān)單元(31)、整流単元(32)、低通濾波器(33)和數(shù)據(jù)采集器(34)，所述單電極(22)、模擬開關(guān)單元(31)、整流単元(32)、低通濾波器(33)和數(shù)據(jù)采集器(34)依次相連，所述數(shù)據(jù)采集器(34)的輸出端與中央控制單元(4)相連，所述模擬開關(guān)單元(31)的控制端與所述中央控制單元(4)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種基于單電極電容陣列的隱藏物體成像裝置，包括正弦電流輸出單元、單電極電容陣列傳感器、端電壓采集單元和中央控制單元，單電極電容陣列傳感器包括基板和分布于基板上呈陣列狀布置的多個單電極，單電極與正弦電流輸出單元相連，且單電極通過端電壓采集單元和中央控制單元相連，正弦電流輸出單元向單電極輸出正弦電流激勵，端電壓采集單元采集各個單電極的端電壓并輸出至中央控制單元，中央控制單元根據(jù)輸入的端電壓生成包含被檢測隱藏物體信息的圖像。本實用新型具有檢測距離遠、檢測速度快、功能全面、適用范圍廣的優(yōu)點。
文檔編號G01V3/08GK202583479SQ201220149879
公開日2012年12月5日 申請日期2012年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月11日
發(fā)明者陳棣湘, 張琦, 田武剛, 李季, 潘孟春 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學