基于毫米波全息三維成像的人體安檢系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種人體安檢系統(tǒng)，尤其涉及一種基于毫米波全息三維成像的人體安 檢系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，安全問題日益得到世界人民的關(guān)注，對安檢系統(tǒng)的可靠性與智能化也提 出了更高的要求。傳統(tǒng)的金屬探測器只能對近距離小范圍目標(biāo)進(jìn)行檢測，效率低，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不 能滿足安檢的需求。盡管X光等各種射線具有很強(qiáng)的穿透力，但會(huì)對被測人體造成輻射傷 害，即使當(dāng)前存在低輻射劑量的X光機(jī)，但其依然不容易被公眾接受。紅外線是靠物體表面 溫度成像，在有織物遮擋的情況下無法清晰成像。而毫米波成像系統(tǒng)不僅可以檢測出隱藏 在織物下的金屬物體，還可以檢測出塑料手槍，炸藥等危險(xiǎn)品，獲得的信息更加詳盡、準(zhǔn)確， 可以大大地降低誤警率。因此，近年來毫米波成像技術(shù)在人員安檢等方面得到了更加廣泛 的應(yīng)用。
[0003] 毫米波成像系統(tǒng)一般有主動(dòng)和被動(dòng)兩種工作模式。被動(dòng)毫米波PMMW(PassiVe Millimeter Wave)成像系統(tǒng)基本原理是基于自然界中的任何物體都不停地福射電磁波，該 電磁波由不同頻率的非相關(guān)波組成，它們是隨機(jī)的，并具有很寬的頻譜和不同的極化方向， 不同的物體在不同波段的輻射率不同。被動(dòng)毫米波成像是指依靠35GH Z、94GHz、140GHz、 220GHz毫米波的大氣傳播窗口，接收目標(biāo)及背景亮溫的微小差異以區(qū)別不同的物體 (Appleby.R.，et al.IEEE Transactions οη，2007,55(11):2944_2956)。目標(biāo)的亮溫主要 由3部分組成，即自身的輻射、對環(huán)境噪聲的反射和背景噪聲的透射。相對介電常數(shù)較高或 導(dǎo)電率較高的物質(zhì)，輻射率較小，反射率較高。在相同的溫度下，高導(dǎo)電材料相比低導(dǎo)電材 料的輻射溫度低，即較冷。
[0004] 一般來說，被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)由接收天線、毫米波輻射計(jì)、掃描機(jī)構(gòu)和信號(hào)處理 單元組成。系統(tǒng)的溫度分辨率和空間分辨率是衡量成像效果的重要參數(shù)。相對于室外成像， 室內(nèi)成像需要更高的溫度分辨率。
[0005] 上世紀(jì)90年代中期美國就開始進(jìn)行了第一代毫米波輻射計(jì)成像系統(tǒng)的研究工作， 早期的毫米波成像系統(tǒng)普遍存在的問題就是掃描時(shí)間長、靈敏度不足等問題。被動(dòng)毫米波 焦平面陣列成像系統(tǒng)具有代表性成果的研究機(jī)構(gòu)針對以上問題都做出了不同的應(yīng)對方案 和產(chǎn)品。比如美國Millivision公司的Millivision檢測門，該系統(tǒng)采用線掃描結(jié)構(gòu)，接收器 為4排，每排64個(gè)，相鄰兩排縱向間隔為每排中兩單元間隔的1/4。系統(tǒng)在lm遠(yuǎn)處視場為 1.92mX0.768m，分辨率為3mmX 3mm，像素為640X256。每幅圖像成像時(shí)間為10s(Huguenin G.Richard.SPIE，1997,2938:152-159) ;Brojot公司開發(fā)的商用實(shí)時(shí)隱藏武器偵測照相機(jī)； TRW公司的由1040個(gè)W波段接收機(jī)集成的FPA(焦平面陣列）的3mm室外成像系統(tǒng)等等。雖然被 動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)成本較低，但是成像時(shí)間太長，成像分辨率較低，無法具 體實(shí)用化和商業(yè)化，所以很多研究機(jī)構(gòu)都隨之轉(zhuǎn)向主動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)的研究。
[0006] 主動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)目前做得最好的是美國L-3公司的旋轉(zhuǎn)掃描三維全息毫米波 成像系統(tǒng)，其研究的技術(shù)成果來源于美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室PNNL(Pacific Northwest National Laboratoty)。該系統(tǒng)采用垂直方向排布天線，水平方向旋轉(zhuǎn)120°掃描的方式產(chǎn) 生人體正面和背面兩幅圖像(Douglas L.McMakin，et al.SPIE, 2007,6538:1-12)，圖像算 法上則是將得到的信息進(jìn)行全息反演計(jì)算實(shí)現(xiàn)三維全息成像。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)授權(quán)給L-3Communications和Save View公司并商業(yè)化用于各個(gè)發(fā)達(dá)國家的大型機(jī)場、火車站和國 際碼頭。但是該系統(tǒng)的兩排收發(fā)天線陣列總共包含有384個(gè)收發(fā)單元，每列就有192個(gè)收發(fā) 單元，結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，成本也非常高。
[0007] 除美國PNNL等實(shí)驗(yàn)室之外，不同國家的大學(xué)研究院、公司也漸漸加入了毫米波成 像技術(shù)的研究中。典型的有英國Reading大學(xué)、德國微波與雷達(dá)研究所(Microwave and Radar Institute)、德國航空中心（German Aerospace Center)、澳大利亞的ICT中心和日 本的NEC公司等，這些研究機(jī)構(gòu)都曾報(bào)道了有關(guān)毫米波成像的研究成果。國內(nèi)，目前研究 PMMW成像系統(tǒng)的單位主要有中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，國家863計(jì)劃微波遙感 技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、南京理工大學(xué)，華中科技大學(xué)，東南大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。如南京理工大 學(xué)毫米波成像技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)研制了Ka波段交流輻射計(jì)掃描成像的原理樣機(jī)（肖澤龍.毫米 波對人體隱匿物品輻射成像研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2007年），并對W波段直流輻射計(jì) 掃描成像用于隱匿違禁物品探測開展了研究工作(錢嵩松.被動(dòng)毫米波陣列探測成像的關(guān) 鍵技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2006);華中科技大學(xué)對3mm波段的輻射特性、成像機(jī) 制和改善圖像分辨率的方法進(jìn)行了分析，研究了金屬目標(biāo)的毫米波輻射探測與識(shí)別和被動(dòng) 毫米波陣列探測成像的關(guān)鍵技術(shù)(張光鋒.毫米波輻射特性及成像研究[D].武漢:華中科技 大學(xué)，2005);東南大學(xué)毫米波重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室竇文斌等對用于毫米波焦平面成像的天線一一擴(kuò) 展半球介質(zhì)透鏡進(jìn)行了研究，做了隱蔽武器的毫米波成像實(shí)驗(yàn)（Wenbin D0U.IEICE Transactions on Electronics，2005，E88(7): 1451-1456);哈爾濱工業(yè)大學(xué)邱景輝等研制 了 Ka波段20通道毫米波焦面陣成像系統(tǒng)樣機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)探測人體隱藏物體等等。
[0008] 綜上所述，現(xiàn)有的毫米波人體成像有幾大缺點(diǎn)：對于被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)，成像 速率慢，分辨率差;對于主動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)，收發(fā)單元非常多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是為解決目前基于毫米波成像的人體安檢系統(tǒng)成像速率慢，分辨率 差，收發(fā)單元多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的技術(shù)問題。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問題，一方面，本發(fā)明提供一種基于毫米波全息三維成像的人 體安檢系統(tǒng)，包括檢測室、機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)、毫米波信號(hào)收發(fā)單元和圖像處理單元；
[0011] 所述檢測室用于容納待安檢人員；
[0012] 所述機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)所述毫米波信號(hào)收發(fā)單元同時(shí)在水平和垂直方向相 對于待安檢人員運(yùn)動(dòng)；
[0013] 所述毫米波信號(hào)收發(fā)單元用于向待安檢人員發(fā)射毫米波信號(hào)，并接收從待安檢人 員反射的毫米波信號(hào)；
[0014] 所述圖像處理單元用于根據(jù)所述反射的毫米波信號(hào)對待安檢人員的人體進(jìn)行全 息三維成像，得到人體的三維圖像。
[0015] 進(jìn)一步地，還包括報(bào)警單元，所述報(bào)警單元用于將所述人體的三維圖像與預(yù)存在 報(bào)警單元內(nèi)的安全人體三維圖像進(jìn)行比對，若不匹配，則報(bào)警單元發(fā)出警報(bào)。
[0016] 進(jìn)一步地，所述毫米波信號(hào)收發(fā)單元包括毫米波信號(hào)發(fā)射單元和毫米波信號(hào)接收 單元;所述毫米波信號(hào)發(fā)射單元包括毫米波信號(hào)發(fā)射模塊及與其連接的發(fā)射天線，所述毫 米波信號(hào)接收單元包括毫米波信號(hào)接收模塊及與其連接的接收天線；
[0017] 所述發(fā)射天線和接收天線安裝于所述機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)上，并在所述機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)的 驅(qū)動(dòng)下相對于待安檢人員運(yùn)動(dòng)。
[0018] 進(jìn)一步地，所述機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)包括垂直掃描機(jī)構(gòu)和水平掃描機(jī)構(gòu)；
[0019] 所述垂直掃描機(jī)構(gòu)包括垂直導(dǎo)軌和垂直牽引電機(jī);所述垂直導(dǎo)軌為一對，左右對 稱設(shè)于所述檢測室的兩側(cè)，垂直導(dǎo)軌上面向待安檢人員的一側(cè)設(shè)有凹槽，所述發(fā)射天線和 接收天線固定在滑塊上，所述滑塊嵌于所述凹槽內(nèi)；所述垂直牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述滑塊沿著 所述垂直導(dǎo)軌上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；
[0020] 所述水平掃描機(jī)構(gòu)包括水平橫梁和水平轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī);所述水平橫梁的兩端分別與兩 根所述垂直導(dǎo)軌的頂端固定連接，所述水平轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平橫梁及垂直導(dǎo)軌在水平面內(nèi) 轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0021] 進(jìn)一步地，所述毫米波信號(hào)發(fā)射單元包括第一獨(dú)立信號(hào)源、線性調(diào)頻源、第一混頻 器、第一寬帶濾波器、第一倍頻鏈路和發(fā)射天線；
[0022] 所述第一獨(dú)立信號(hào)源輸出的信號(hào)與所述線性調(diào)頻源輸出的信號(hào)經(jīng)所述第一混頻 器混頻后送入所述第一寬帶濾波器的輸入端，第一寬帶濾波器的輸出端連接所述第一倍頻 鏈路的輸入端，所述第一倍頻鏈路的輸出端連接所述發(fā)射天線。
[0023] 進(jìn)一步地，所述第一倍頻鏈路包括第一功率放大器和第一二倍頻器，所述第一寬 帶濾波器的輸出端連接所述第一功率放大器的輸入端，第一功率放大器的輸出端連接所述 第一二倍頻器的輸入端，所述第一二倍頻器的輸出端連接所述發(fā)射天線。
[0024] 進(jìn)一步地，所述毫米波信號(hào)接收單元包括第二獨(dú)立信號(hào)源、第二混頻器、第二寬帶 濾波器、第二倍頻鏈路、第三混頻器、接收天線、第四混頻器、第五混頻器、第三倍頻鏈路及 低噪聲放大器；
[0025] 所述第二獨(dú)立信號(hào)源輸出的信號(hào)與所述線性調(diào)頻源輸出的信號(hào)經(jīng)所述第二混頻 器混頻后送入所述第二寬帶濾波器的輸入端，第二寬帶濾波器的輸出端連接所述第二倍頻 鏈路的輸入端，所述第二倍頻鏈路的輸出端連接所述第三混頻器的一個(gè)輸入端，第三混頻 器的另一個(gè)輸入端連接所述接收天線;所述第四混頻器的一個(gè)輸入端連接所述第一獨(dú)立信 號(hào)源，第四混頻器的另一個(gè)輸入端連接所述第二獨(dú)立信號(hào)源，第四混頻器的輸出端連接所 述第三倍頻鏈路的輸入端，第三倍頻鏈路的輸出端連接所述第五混頻器的一個(gè)輸入端，