本發(fā)明屬于安檢技術領域，涉及一種成像系統(tǒng)，尤其涉及一種用于安檢的W波段被動毫米波成像系統(tǒng)及其方法。

背景技術：

隨著人們對安全問題的關注日益增強，對安檢系統(tǒng)的安全性、可靠性和智能化都提出了更高的要求?，F在安檢部門主要使用X射線安檢儀檢測行李中的違禁品，安檢檢測能力強，可獲得分辨率較高的透視圖像，但X射線電離作用對人體危害較大，不能用來檢測人身上隱藏的違禁品。即使當前存在低輻射劑量的X光機，但其依然不容易被公眾接受。比如國內安防公司安徽啟路達生產的所謂“弱光子”人體安檢儀其實質就是利用低劑量的X射線對人體進行安檢成像，2016年4月份開始先后在成都東火車站和成都雙流國際機場投入使用，但是一經相關專家批露舉報，隨即引起了民眾恐慌，2016年10月10日被國家環(huán)保部以加急文件的形式責令立即停用。

使用金屬檢測器，可以檢測人身上是否有金屬物品，但不能檢測金屬物品的形狀，無法判斷是否是安全的金屬品，比如假肢中有金屬成份，也有可能其中藏有槍支，金屬檢測器不能把假肢中的金屬和槍支區(qū)分開，并且金屬檢測器需要檢測對象配合，效率太低。

由于毫米波成像技術在檢測人身上隱藏的武器等方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，所以近年來毫米波成像技術用于安檢成了一個研究熱點?；谥鲃邮降娜梭w安檢成像技術工作原理和雷達類似，通過毫米波源向人體發(fā)射毫米波，進而通過接收機檢測和人體相互作用后的毫米波電磁場，從而對人體成像。典型的代表有L-3Security公司的Provision系列產品、美國TNNL實驗室的PNNL智能掃描毫米波成像儀和Southwest Microwave公司的INTERPID成像儀等，這類成像系統(tǒng)的優(yōu)點是毫米波屬于非電離輻射，輻射危害較小，并且可以獲得很高分辨率。但是在近距離成像時受角閃爍效應等影響比較大，在成像時很難克服這個問題；另外，毫米波輻射對生物體到底會產生怎么樣的生物效應，目前依然沒有定論，所以主動式毫米波成像技術用于安檢依然存在未知的輻射安全問題。

被動式毫米波成像技術是通過檢測目標本身的毫米波輻射能量差異進行對比成像，不需要輻射源，對人體絕對安全，并且衣物等紡織品對毫米波幾乎無遮擋作用，所以適用于對人體進行安檢成像。根據成像體制的不同，被動毫米波成像技術主要分為以下四種：

一是相控陣成像技術，利用電子掃描代替機械掃描。相控陣天線由二維陣列單元組成，每個接收單元都與一個移相器相連，通過控制接收單元的相位和幅度，實現天線波束視域。該技術的優(yōu)點是，系統(tǒng)體積較小，成像速度很快，能夠實現實時成像。但是天線結構復雜，較難實現一個高分辨率的系統(tǒng)，用于被動成像目前研究較少，尚處于研發(fā)階段。

二是合成孔徑成像技術，利用部分相干原理將多個較小孔徑的天線組合模擬一個大孔徑天線的效果。例如日本的NEC公司研制出了基于合成孔徑成像的樣機、德國宇航局研制出了地基和機載的Ka波段和W波段綜合孔徑輻射計成像系統(tǒng)等。該方案技術相對成熟，但是需要多個接收單元組成稀疏陣列，設計成本和硬件成本依然很高。

三是焦平面陣列成像技術，通常采用拋物面天線或透鏡天線聚焦，采用眾多單元天線分布在焦平面上以及配合使用反射面結構對多目標區(qū)域的多點同時成像。典型的代表有美國Millivision公司的Vela125、X250、S350等型號產品、Lockheed Martin公司的PMMW成像儀樣機和Northrop Grumman公司的焦平面成像儀等。該技術可以大大縮短成像時間，但是系統(tǒng)復雜度較高，并且采用焦平面陣列作為接收單元，使得硬件成本十分昂貴。

四是傳統(tǒng)的機械掃描成像技術，是比較原始的毫米波輻射成像方式。該種方式采用波束寬度比較窄的天線作為接收機，依靠機械運動掃描整個場景來獲取場景的圖像。例如美國Millivision公司的單通道掃描成像系統(tǒng)、烏克蘭國家超導無線電研究中心研制的8mm波段成像系統(tǒng)等。常見的掃描方式以行列掃描為主，掃描過程中需要不斷地加速減速，成像時間較長，并且分辨率較低；或有改進方式，采用一維電掃另一維機械掃描的方式，加速了成像時間，但是需要采用多個接收機排成陣列，大大增加了系統(tǒng)成本。該體制的優(yōu)點是，原理簡單，成本相對較低，如果在成像方式上有所改進，使成像時間降低，在一些不需要實時成像的場合進行人體安檢成像則是相當適用的。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服現有被動毫米波成像系統(tǒng)存在的不足，提供一種用于安檢的W波段被動毫米波成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有成像速度快、分辨率高、成本低等優(yōu)點，可以有效快速地檢測出人身上隱藏的危險物品。

本發(fā)明采用如下技術方案：

一種用于安檢的W波段被動毫米波成像系統(tǒng)，包括W波段毫米波輻射計、水平方向轉盤、掃描平臺、卡塞格倫天線、光滑金屬反射面、縱向轉盤支架、縱向轉盤以及控制系統(tǒng)，其特征在于：所述水平方向轉盤設置于掃描平臺上，卡塞格倫天線固定安裝于水平方向轉盤一側，光滑金屬反射面通過縱向轉盤固定安裝于水平方向轉盤另一側、且光滑金屬反射面與卡塞格倫天線主反射口面軸心相對并與之成45°角。

所述水平方向轉盤通過一個水平步進電機控制勻速轉動，所述縱向轉盤通過一個縱向步進電機帶動光滑金屬反射面勻速轉動。

所述水平方向轉盤側面還設置有一個接近開關擋片、兩個水平光纖傳感器擋片，用于控制水平方向轉動的起止位置和水平方向視場的有效區(qū)域。其中接近開關擋片外側掃描平臺上還設置有相應的兩個接近開關，水平方向的最大轉動角度由兩個接近開關以及接近開關擋片控制；每當遮擋片轉動到接近開關位置時，水平轉盤便反向轉動，如此往復；所述兩個水平光纖傳感器擋片外側掃描平臺上設置有水平光纖傳感器，水平轉盤每轉一個周期，兩個水平光纖傳感器擋片依次經過水平光纖傳感器，各產生一個觸發(fā)脈沖信號，標志著水平方向視場的有效區(qū)域，實現對目標場景的橫向掃描。

所述縱向轉盤上設置有縱向光纖傳感器擋片，縱向轉盤支架上設置有縱向光纖傳感器，縱向光纖傳感器擋片隨縱向轉盤每轉一周，縱向光纖傳感器便得到一個觸發(fā)脈沖信號，標志著縱向采集的開始，再根據實際目標大小通過采集延時，實現對目標場景的縱向掃描。

所述水平方向步進電機以及縱向步進電機通過控制系統(tǒng)控制。

所述W波段輻射計輸入端通過波導與卡塞格倫天線的饋源相連并固定在卡塞格倫天線主反射面的背面，其輸出端連接控制系統(tǒng)，輸出掃描結果。

進一步地，所述控制系統(tǒng)包括計算機、數據采集單元和PLC控制單元，所述數據采集單元的輸入端與W波段毫米波輻射計的輸出端連接，對輻射計輸出信號進行數據采集；數據采集單元的輸出端與計算機相連，進行后續(xù)數據處理和圖像恢復；所述水平方向步進電機和縱向步進電機的轉動由PLC控制單元控制。

進一步地，所述水平方向轉盤最大轉動角度45°，所述縱向轉盤為360°勻速轉動，縱向成像視場可根據實際目標大小通過控制數據采集的區(qū)間進行靈活調整。

進一步地，所述W波段毫米波輻射計包括毫米波低噪聲放大器LNA級聯單元、檢波器單元、視頻放大器單元；觀測場景輻射的毫米波能量通過光滑金屬反射面反射到卡塞格倫天線經聚焦后被饋源接收，饋源通過波導把接收到的毫米波信號傳送到W波段毫米波輻射計，經過LNA級聯單元放大、檢波單元檢波，以及視頻放大單元放大，輸出與觀測場景輻射的毫米波能量成線性關系的電壓信號。

進一步地，所述卡塞格倫天線饋源前有勻速旋轉的扇葉切割天線波束，扇葉上貼敷吸波材料，使波束不斷在觀測場景和扇葉之間切換，使輻射計輸出交流電壓信號，勻速旋轉的風扇起到外加機械調制的作用，扇葉的轉速也即調制的頻率始終位于視頻放大器單元的通帶中。

具體地，系統(tǒng)在掃描成像的過程中，通過PLC控制單元控制兩個步進電機帶動水平轉盤和縱向轉盤按照設定好的轉速同時轉動，分別對目標場景的橫向和縱向進行掃描。在水平轉盤轉動過程中兩個水平光纖傳感器擋片依次經過水平光纖傳感器產生的脈沖信號控制著對一幅完整目標場景圖像數據采集的開始和結束(兩個水平光纖傳感器擋片對應的圓周角小于兩個接近開關對應的圓周角)。水平光纖傳感器觸發(fā)第一次脈沖信號，標志著對目標場景掃描和數據采集的開始，而圖像中每一列數據的采集則通過金屬反射面轉動過程中縱向光纖傳感器產生的脈沖信號進行延時采集實現，使數據采集單元正好在金屬反射面掃描到目標場景的過程中對輻射計的輸出電壓信號進行采集，即金屬反射面每轉一圈，數據采集單元只采集目標場景中對應位置的一列像素數據。每列數據采集結束以后，等待下一次縱向光纖傳感器觸發(fā)脈沖到來，再進行下一列數據的采集，直至水平光纖傳感器第二次觸發(fā)脈沖到來即完成一幅目標場景圖像的掃描和數據采集。所述光滑金屬反射面把觀測場景各個方向輻射來的毫米波能量反射到卡塞格倫天線，通過卡塞格倫天線聚焦于饋源，與饋源相連接的輻射計就可以接收場景各個波束方向輻射進來的毫米波能量。輻射計輸出電壓信號經數據采集單元采集最后傳輸到計算機進行數據處理和圖像恢復。

本發(fā)明還公開了上述成像系統(tǒng)的成像方法：金屬反射面沿軸心勻速轉動，與其一起轉動的光纖遮擋片每經過光纖傳感器一次，數據采集單元便開始對目標場景進行數據采集，金屬反射面轉離目標場景即停止采集，等到下一次縱向光纖傳感器產生觸發(fā)脈沖，水平轉盤剛好已轉過一個水平方向上的偏移角度，再開始下一列的數據采集，直至整幅場景數據采集完成；根據采集信號的幅度轉換成像素的灰度值或偽彩色值，在計算機上做出毫米波圖像。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提出的用于安檢的W波段被動毫米波成像系統(tǒng)及其成像方法，利用W波段直接檢波式毫米波輻射計，不需要本振，體積小，功耗低；用了扇葉上貼著吸波材料的風扇切割波束，放大產生的交流信號，去除了直流噪聲；另外為了兼顧系統(tǒng)成本和成像時間，采用了螺旋掃描方式，只需要二維機械勻速轉動，不像平動掃描過程中需要反復加速、減速，有利于機械穩(wěn)定性，并且掃描速度更快。本系統(tǒng)結構簡單，穩(wěn)定性高，可以有效地檢測出人身上隱藏的危險物品。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的整體結構框圖。

圖2為本發(fā)明實施例掃描平臺的側視示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例掃描平臺的俯視示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例中所用W波段毫米波輻射計結構示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例對目標平面的掃描軌跡示意圖。

圖6為本發(fā)明實施例對攜帶金屬槍支的目標人體進行掃描成像的初步效果圖。

圖7為本發(fā)明實施例對攜帶陶瓷刀具的目標人體進行掃描成像的初步效果圖。

圖8為本發(fā)明實施例對攜帶“工”字形物體的目標人體進行掃描成像的初步效果圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

請參閱附圖1、2、3，本發(fā)明揭示了一種用于安檢的W波段被動毫米波成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括光滑金屬反射面(1)、300mm口徑的卡塞格倫天線(2)、W波段毫米波輻射計(3)、縱向轉盤(4)、固定在掃描平臺上的光纖傳感器(5-1)、水平方向轉盤(6)、兩個接近開關(8-1、8-2)、數據采集單元(9)、計算機(10)。其中所述光滑金屬反射面(1)和縱向光纖傳感器擋片(7-4)固定在縱向轉盤(4)上；所述W波段輻射計(3)和卡塞格倫天線(2)的饋源相連并固定在卡塞格倫天線主反射面上；所述縱向轉盤(4)、卡塞格倫天線(2)、兩個水平光纖傳感器擋片(7-1、7-2)和接近開關擋片(7-3)均固定在水平方向轉盤(6)上，其中縱向轉盤(4)和卡塞格倫天線(2)為同軸固定在水平轉盤的對側；所述金屬反射面(1)以45°角固定在縱向轉盤(4)上，其中心與卡式天線饋源對齊；所述W波段毫米波輻射計(3)的輸出接口與數據采集單元(9)相連接；所述數據采集單元(9)的輸出端與計算機(10)相連進行數據處理和圖像恢復。

所述光滑金屬反射面(1)把觀測場景各個方向輻射來的毫米波能量反射到卡塞格倫天線(2)的主反射面，通過卡塞格倫天線(2)聚焦于饋源，與饋源相連接的輻射計(3)就可以接收場景各個波束方向輻射進來的毫米波能量。

如圖4所示，所述W波段毫米波輻射計由LNA級聯單元1(3-1)、LNA級聯單元2(3-2)、檢波器單元(3-3)、視頻放大器單元(3-4)組成，其中所述卡塞格倫天線饋源與所述LNA級聯單元1(3-1)相連，所述LNA級聯單元1(3-1)與所述LNA級聯單元2(3-2)相連，所述LNA級聯單元2(3-2)與所述檢波器單元(3-3)相連，所述檢波器單元(3-3)與所述視頻放大器單元(3-4)相連。觀測場景的毫米波輻射能量經卡塞格倫天線(2)匯聚后，經過LNA級聯單元(3-1、3-2)放大、檢波器單元(3-3)檢波，以及視頻放大器單元(3-4)放大，輸出與觀測場景輻射的毫米波能量成線性關系的電壓信號。

所述卡塞格倫天線(2)饋源前有勻速旋轉的扇葉切割天線波束，扇葉上貼敷吸波材料，使波束不斷在觀測場景和扇葉之間切換，使饋源接收交流電壓信號，其頻率位于視頻放大單元通帶中，構成了交流輻射計，與直流輻射計相比，交流輻射計只放大場景和吸波材料之間的差值，去除了直流噪聲。

掃描成像的過程中，通過PLC控制兩個步進電機帶動水平轉盤和縱向轉盤按照設定好的轉速同時轉動，分別對目標場景的橫向和縱向進行掃描。水平方向轉盤(6)由一個水平步進電機控制，水平方向的轉動最大角度由水平轉盤上的接近開關擋片(7-3)和兩個接近開關(8-1、8-2)控制，水平轉盤均速轉動，每當接近開關擋片(7-3)轉動到接近開關(8-1或8-2)位置時，水平轉盤便返向轉動，如此往復。如圖3所示a、b分別為水平轉盤正反向轉動到最大角度的位置。在水平方向轉盤(6)轉動過程中兩個水平光纖傳感器擋片(7-1、7-2)依次經過水平光纖傳感器(5-1)，先后產生兩個脈沖信號，控制著一幅完整目標場景圖像數據采集的開始和結束(水平光纖傳感器擋片(7-1、7-2)對應的圓周角小于兩個接近開關(8-1、8-2)對應的圓周角)，而圖像中每一列數據的采集則通過金屬反射面(1)轉動過程中縱向光纖傳感器擋片(7-4)每次經過縱向光纖傳感器(5-2)產生的脈沖信號，進行延時采集實現，使數據采集單元正好在金屬反射面掃描到目標場景的過程中對輻射計的輸出電壓信號進行采集，即金屬反射面每轉一圈，數據采集單元只采集目標場景中對應位置的一列數據。如圖5所示為掃描平臺對目標平面的掃描軌跡示意圖，其中虛線表示對目標平面進行掃描和數據采集的軌跡。比如，兩個水平光纖傳感器擋片(7-1、7-2)依次經過水平光纖傳感器(5-1)的時間間隔為5s，對應正前方3m遠處目標場景的寬度為1m，金屬反射面的轉速為8r/s，采集卡每列采集的數據為100個，對應正前方3m遠處目標場景的高度為2m，則完成一次掃描便得到40列數據，每列數據100個，這40*100個數據便是對正前方3m遠處寬1m高2m目標場景的成像數據。

數據采集單元采集到的數據最終傳輸到給計算機進行信號處理，得到毫米波圖像。如圖6所示為對攜帶金屬槍支的目標人體進行掃描成像的初步效果，如圖7所示為對攜帶陶瓷刀具的目標人體進行掃描成像的初步效果，如圖8所示為對攜帶“工”字形物體的目標人體進行掃描成像的初步效果。

本發(fā)明的成像原理如下：

自然界中溫度高于絕對零度的物體會自射擊輻射電磁波，輻射的電磁波能量分布在廣闊的電磁波頻率范圍繞中，其中在毫米波頻率f附近帶寬為B的范圍內，物體單位表面積自身輻射的毫米波功率大小由普朗克公式可以得出：

其中物理符號含義為：

ε——物體的發(fā)射率，介于0與1之間，黑體的發(fā)射率為1，金屬的發(fā)射率為0。

k——玻爾茲曼常數，為1.38×10^-23J/K。

T₀——物體的物理溫度。

c——光速。

可見物體自身輻射的毫米波功率與物體的物理溫度成正比，物體不僅自身輻射毫米波，還反射照在其上的毫米波，透射背景輻射的毫米波，物體輻射的總的毫米波能量通常可以用物體的有效輻射溫度T_E來衡量：

T_E＝εT₀+ρT_I+tT_B (2)

其中，ρ——物體的反射率

T_I——環(huán)境照射溫度

t——物體的透射率

T_B——背景輻射溫度

不同材質的物體由于發(fā)射擊率、反射率和透射率不同，呈現不同的有效輻射溫度。例如金屬基本是反射環(huán)境照射溫度(ε＝0,ρ＝1)，人體大多吸收毫米波(ε＝0.5～0.9,ρ<0.5)，而衣服則主要讓毫米波透射(t＝0.3～0.8)。毫米波成像正是基于這一特性實現的。

輻射計接收場景輻射的毫米波能量，并把其轉換成電壓輸出，輸出的電壓為：

V_d＝CG_RF(P_s+P_rn) (3)

其中，G_RF為LNA級聯單元增益，C(V/W)為檢波管靈敏度，P_s為輻射計收到的毫米波信號功率，P_rn為輻射計本身的噪聲功率。

本發(fā)明的工作過程如下：所述系統(tǒng)根據要掃描的模式通過PLC控制水平轉盤(6)和縱向轉盤(4)的轉速和掃描范圍，同時扇葉轉動切割波束，毫米波輻射計(3)產生交流視頻信號。水平轉盤(6)上的第一個遮擋片(7-1或7-2)經過水平光纖傳感器(5-1)時產生一個觸發(fā)脈沖，系統(tǒng)開始對一幅完整目標場景進行掃描，光滑金屬反射面(1)每轉一圈，縱向的光纖遮擋片(7-4)都會在提前設置好的固定位置經過縱向光纖傳感器(5-2)產生一個觸發(fā)脈沖，通知數據采集單元(9)開始采集這一列的數據，采集時間由目標場景的距離和高度計算決定，金屬反射面(1)轉離目標場景即停止采集，等到下一次縱向光纖傳感器(5-2)產生的觸發(fā)脈沖到來再開始下一列的數據采集，直至水平轉盤上的第二個遮擋片經過水平光纖傳感器(5-1)產生觸發(fā)脈沖即完成一幅目標場景圖像的掃描和數據采集。由于水平轉盤和縱向轉盤都是勻速轉動，所以采集到的每列數據對應著目標場景中高度相等、對齊排布且相互平行的一列列像素點。采集的視頻信號在計算機中進行去噪、銳化等數據處理，其幅值轉換成灰度或偽彩色，這樣便得到目標場景對應的毫米波圖像。

以上介紹了本發(fā)明用于安檢的毫米波成像系統(tǒng)的組成及成像原理，本發(fā)明在揭示上述系統(tǒng)的同時，還揭示上述系統(tǒng)的成像方法；該方法包括如下步驟：金屬反射面沿軸心勻速轉動，與其一起轉動的光纖遮擋片每經過光纖傳感器一次，數據采集單元便開始對目標場景進行數據采集，金屬反射面轉離目標場景即停止采集，等到下一次縱向光纖傳感器產生觸發(fā)脈沖，水平轉盤剛好已轉過一個水平方向上的偏移角度，再開始下一列的數據采集，直至整幅場景數據采集完成；根據采集信號的幅度轉換成像素的灰度值或偽彩色值，在計算機上做出毫米波圖像。

綜上所述，本發(fā)明提出的W波段被動毫米波成像系統(tǒng)及其成像方法，利用直接檢波式毫米波輻射計，不需要本振，體積小，功耗低；用了扇葉上貼著吸波材料的風扇切割波束，放大產生的交流信號，去除了直流噪場；另外為了兼顧系統(tǒng)成本和成像時間，采用了螺旋掃描方式，即通過水平和縱向兩個轉盤同時勻速轉動進行二維掃描，其中縱向轉盤和卡式天線是同軸心一起固定在水平轉盤上的，卡塞格倫天線接收到縱向轉盤上光滑金屬板反射的目標場景的毫米波輻射能量，傳遞給毫米波輻射計，進行單通道成像。本系統(tǒng)結構巧妙，穩(wěn)定性高，成像速度快，可以有效地檢測出人身上隱藏的危險物品。

這里本發(fā)明的描述和應用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結構、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其它變形和改變。