阅读说明：本技术 一种带有运动补偿的安检成像系统及其使用方法 (Security inspection imaging system with motion compensation and using method thereof ) 是由 任百玲 孙兆阳 朱明� 周利苹 许戎戎 刘昊 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种带有运动补偿的安检成像系统,包括信号收发模块(1)、加速度检测模块(2)、动力模块(3)、悬臂(4)和处理器(5),信号收发模块(1)竖向设置于悬臂(4)下表面,动力模块(3)设置于悬臂(4)上端,加速度检测模块(2)设置于信号收发模块(1)下端,处理器(5)与加速度检测模块(2)、信号收发模块(1)电连接。本发明通过在天线悬臂上安装加速度传感器的方式,通过圆周运动过程中不断的径向加速度测量获得悬臂的实时加速度,再通过加速度获得径向距离偏移,滤掉高频和低频相位误差后,从而获得相位晃动补偿误差项。(The invention provides a security inspection imaging system with motion compensation, which comprises a signal transceiving module (1), an acceleration detection module (2), a power module (3), a cantilever (4) and a processor (5), wherein the signal transceiving module (1) is vertically arranged on the lower surface of the cantilever (4), the power module (3) is arranged at the upper end of the cantilever (4), the acceleration detection module (2) is arranged at the lower end of the signal transceiving module (1), and the processor (5) is electrically connected with the acceleration detection module (2) and the signal transceiving module (1). According to the invention, by mounting the acceleration sensor on the antenna cantilever, the real-time acceleration of the cantilever is obtained through continuous radial acceleration measurement in the circular motion process, then the radial distance offset is obtained through the acceleration, and after high-frequency and low-frequency phase errors are filtered, a phase shake compensation error term is obtained.)

一种带有运动补偿的安检成像系统及其使用方法

技术领域

本发明主要涉及到安全检测领域，具体涉及一种带有运动补偿的 安检成像系统及方法。

背景技术

传统的金属探测器仅能探测金属违禁品，对塑料炸弹、陶瓷刀具 都无能为力；X光安检设备虽然能检测出所有的违禁物品，但是对人 体健康有一定的威胁，不是最佳的安检手段。目前毫米波三维成像技 术是一种替代传统安检手段的有效方法。

现有的毫米波人体安检仪采用悬臂的方式安装天线阵列。该悬臂 天线阵列的下端没有任何支撑，在天线阵列转动时，存在悬臂晃动的 问题。该晃动容易导致人体与天线阵列之间的非相干运动，造成成像 的模糊。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中天线阵列转动时，存在悬臂晃动， 该晃动容易导致人体与天线阵列之间的非相干运动，造成成像的模糊 的问题，提供了一种带有运动补偿的安检成像系统及其使用方法，通 过在天线悬臂上安装加速度传感器的方式，通过圆周运动过程中不断 的径向加速度测量获得悬臂的实时加速度，再通过加速度获得径向距 离偏移，滤掉高频和低频相位误差后，从而获得相位晃动补偿误差项， 解决了上述问题。

本发明提供了一种带有运动补偿的安检成像系统，包括信号收发 模块、加速度检测模块、动力模块、悬臂和处理器，信号收发模块竖 向设置于悬臂下表面，用于发射和接收毫米波，动力模块设置于悬臂 上端，使悬臂与毫米波人体安检仪内部顶端连接且可旋转，加速度检 测模块设置于信号收发模块下端，用于检测信号收发模块旋转的加速 度，处理器与加速度检测模块、信号收发模块电连接，用于处理回波 信号并得出三维成像结果。

本技术方案通过在天线悬臂上安装加速度传感器的方式，通过圆 周运动过程中不断的径向加速度测量获得悬臂的实时加速度，再通过 加速度获得径向距离偏移，滤掉高频和低频相位误差后，从而获得相 位晃动补偿误差项。在后续的成像过程中补偿掉该晃动误差项。从而 降低人体与天线阵列之间的非相干运动造成的成像模糊，提高图像的 成像质量。动力装置为伺服电机，在伺服电机的带动下做圆周运动， 圆周运动的范围大约在100～130度。

本发明所述的一种带有运动补偿的安检成像系统，作为优选方式， 信号收发模块包括第一信号接收模块和第二信号接收模块，第一信号 接收模块和第二信号接收模块相对设置于悬臂下端。

本发明所述的一种带有运动补偿的安检成像系统，作为优选方式， 加速度检测模块包括第一加速度传感器和第二加速度传感器，第一加 速度传感器设置于第一信号接收模块下端，第二加速度传感器设置于 第二信号接收模块下端。

本发明所述的一种带有运动补偿的安检成像系统，作为优选方式， 动力模块的旋转轴垂直毫米波人体安检仪内部顶端设置。

本发明所述的一种带有运动补偿的安检成像系统，作为优选方式， 处理器包括加速度晃动补偿模块和三维成像模块，三维成像模块连接 加速度晃动补偿模块和信号收发模块，用于将回波信号处理为三维图 像；加速度晃动补偿模块连接三维成像模块和加速度检测模块，用于 通过加速度检测模块检测的加速度得到晃动误差信号并对三维图像 进行晃动补偿。

本发明提供了一种带有运动补偿的安检成像系统的使用方法，包 括以下步骤：

S1、毫米波人体安检仪悬臂天线阵列通过悬臂转动，开始检测；

S2、信号收发模块产生用于检测的毫米波信号；

S3、第一加速度传感器和第二加速度传感器工作测出旋转的加速 度a_m′；

S4、第一信号接收模块和第二信号接收模块接收人体反射后的回 波信号；

S5、加速度晃动补偿模块提取晃动补偿信号，同时三维成像模块 对回波信号进行二维傅里叶变换；

S6、使用晃动补偿信号，对图像增强与去噪后的回波信号进行加 权晃动补偿；

S7、通过方位向一维BP成像算法得到三维成像结果。

本发明所述的一种带有运动补偿的安检成像系统的使用方法，作 为优选方式，步骤S5中加速度晃动补偿模块提取晃动补偿信号具体 步骤包括：

S51、通过第一加速度传感器和第二加速度传感器，测出的旋转 时的加速度a_m′，其中m′的取值范围是1～M，M为系统启动发射的角度 个数，加速度晃动补偿模块可以测得旋转的角速度ω_m′，公式如下：

a_m′＝ω_m′ ²r_m′；

其中加速度a_m′，角速度ω_m′，r_m′是直径，预设的旋转半径是r₀；

ΔR＝r_m′-r₀；

其中c是光速，f是工作频率，ΔR是位置偏移；

S52、设中频分量为悬臂阵列晃动产生的相位，对应相位Φ的信 号形式为exp(jΦ)，对相位Φ的信号形式做滤波处理，滤除低频分量 和高频分量，滤波后获得相位补偿的信号形式exp(jΦ′)；

根据加速度获得由于位置偏移的晃动补偿信号，

s″＝exp(jΦ)

其中，s″为误差相位信号，

对获得的误差相位信号做中通滤波，滤除高频和低频相位项，获 得滤波后的晃动补偿信号s″′。

s″′＝exp(jΦ′)

其中Φ′为滤除高频和低频信号后的相位。

天线悬臂下安装的加速度传感器，测出旋转时的加速度a_m′，其中 m′的取值范围是1～M，M为系统启动发射的角度个数。通过编码器可 以测得旋转的角速度ω_m′。低频分量为系统安装误差，高频分量为噪 声，中频分量为悬臂阵列晃动产生的相位，对应相位Φ的信号形式为 exp(jΦ)，对该信号形式做滤波处理，滤除低频分量和高频分量，滤 波形式可以是FIR滤波、傅里叶变换滤波和多项式滤波的其中之一。 滤波后获得相位补偿的信号形式exp(jΦ′)。

本发明所述的一种带有运动补偿的安检成像系统的使用方法，作 为优选方式，步骤S5中三维成像模块对回波信号进行二维傅里叶变 换具体步骤包括：

S53、对回波信号沿高程方向做傅里叶变换：设柱面天线阵列的 位置坐标为(rsin θ,y,r cos θ)，目标的位置为(x_i,y_i,z_i)，目标回波信号的 形式为：

其中r为天线阵列的扫描半径，k为波数，

f为系统的 工作频率，c为光速；

回波信号进行高程方向傅里叶变换，得到：

S54、进行沿高程方向傅里叶变换后的回波信号乘以匹配滤波项， 匹配滤波项为得到以下公式：

其中k_y为y方向的波数；

S55、进行距离向插值：将步骤S54中的插值到2k，得 到公式：

S56、对S2进行两维逆傅里叶变换，得到YZ维度切片成像结果：

其中k_c为中心波数。

处理机中的成像算法采用的是傅里叶变换(FFT)、BP算法和波 数域算法相结合的算法。

本发明所述的一种带有运动补偿的安检成像系统的使用方法，作 为优选方式，步骤S6具体包括：

S61、通过晃动补偿信号exp(jΦ′)得到晃动误差信号A(h)exp(jΦ′)；

其中A(h)为补偿系数，h∈[1,H]；

S62、对S’做晃动误差信号补偿，即S’乘以晃动误差信号的复 共轭，公式为：

通过最低端的天线阵列单元提取的补偿相位，又由于从下到上补 偿的系数逐渐降低，所以在补偿时，应乘以相应的补偿系数A(h)

本发明所述的一种带有运动补偿的安检成像系统的使用方法，作 为优选方式，步骤S7的具体方法为：对晃动补偿后的回波信号再通 过一维BP，得到成像结果公式为：

S″″′＝δ(z-z_i)δ(x-x_i)δ(y-y_i)

首先对回波信号沿高程方向做傅里叶变换，；然后对高程方向做 傅里叶变换后的信号乘以匹配滤波函数，获得匹配滤波后的回波信号； 再对匹配滤波后的信号在距离方向插值；对插值之后的信号在距离方 位两维做傅里叶变换，得到两维傅里叶变换后的回波信号；两维傅里 叶变换后的回波信号乘以带有加权系数的晃动误差信号A(h)exp(jΦ′) 的复共轭；最后通过方位维BP获得三维成像结果。

本发明有益效果如下：

(1)通过在算法流程中增加晃动相位补偿步骤，解决了晃动造 成的图像模糊；

(2)通过圆周运动过程中不断的径向加速度测量获得悬臂的实 时加速度，再通过加速度获得径向距离偏移，滤掉高频和低频相位误 差后，从而获得相位晃动补偿误差项，在后续的成像过程中补偿掉该 晃动误差项。从而降低人体与天线阵列之间的非相干运动造成的成像 模糊，提高图像的成像质量。

附图说明

图1为一种带有运动补偿的安检成像系统示意图；

图2为一种带有运动补偿的安检成像系统信号收发模块示意图；

图3为一种带有运动补偿的安检成像系统加速度检测模块示意 图；

图4为一种带有运动补偿的安检成像系统处理器示意图；

图5为一种带有运动补偿的安检成像系统的使用方法流程图。

附图标记：

1、信号收发模块；11、第一信号接收模块；12、第二信号接收 模块；2、加速度检测模块；21、第一加速度传感器；22、第二加速 度传感器；3、动力模块；4、悬臂；5、处理器；51、加速度晃动补 偿模块；52、三维成像模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1所示，一种带有运动补偿的安检成像系统，包括信号收发 模块1、加速度检测模块2、动力模块3、悬臂4和处理器5，信号收 发模块1竖向设置于悬臂4下表面，用于发射和接收毫米波，动力模 块3设置于悬臂4上端，使悬臂4与毫米波人体安检仪内部顶端连接且可旋转，加速度检测模块2设置于信号收发模块1下端，用于检测 信号收发模块1旋转的加速度，处理器5与加速度检测模块2、信号 收发模块1电连接，用于处理回波信号并得出三维成像结果。动力模 块3的旋转轴垂直毫米波人体安检仪内部顶端设置。

如图2所示，信号收发模块1包括第一信号接收模块11和第二 信号接收模块12，第一信号接收模块11和第二信号接收模块12相 对设置于悬臂4下端。

如图3所示，加速度检测模块2包括第一加速度传感器21和第 二加速度传感器22，第一加速度传感器21设置于第一信号接收模块 11下端，第二加速度传感器22设置于第二信号接收模块12下端。

如图4所示，处理器5包括加速度晃动补偿模块51和三维成像 模块52，三维成像模块52连接加速度晃动补偿模块51和信号收发 模块1，用于将回波信号处理为三维图像；加速度晃动补偿模块51 连接三维成像模块52和加速度检测模块2，用于通过加速度检测模块2检测的加速度得到晃动误差信号并对三维图像进行晃动补偿。

如图5所示，一种带有运动补偿的安检成像系统的使用方法，包 括以下步骤：

S1、毫米波人体安检仪悬臂4天线阵列通过悬臂4转动，开始检 测；

S2、信号收发模块1产生用于检测的毫米波信号；

S3、第一加速度传感器21和第二加速度传感器22工作测出旋转 的加速度a_m′；

S4、第一信号接收模块11和第二信号接收模块12接收人体反射 后的回波信号；

S5、通过第一加速度传感器21和第二加速度传感器22，测出的 旋转时的加速度a_m′，其中m′的取值范围是1～M，M为系统启动发射的 角度个数，加速度晃动补偿模块51可以测得旋转的角速度ω_m′，公式 如下：

a_m′＝ω_m′ ²r_m′；

其中加速度a_m′，角速度ω_m′，r_m′是直径，预设的旋转半径是r₀；

ΔR＝r_m′-r₀；

其中c是光速，f是工作频率，ΔR是位置偏移；

S6、设中频分量为悬臂4阵列晃动产生的相位，对应相位Φ的信 号形式为exp(jΦ)，对相位Φ的信号形式做滤波处理，滤除低频分量 和高频分量，滤波后获得相位补偿的信号形式exp(jΦ′)；

根据加速度获得由于位置偏移的晃动补偿信号，

s″＝exp(jΦ)

其中，s″为误差相位信号，

对获得的误差相位信号做中通滤波，滤除高频和低频相位项，获 得滤波后的晃动补偿信号s″′。

s″′＝exp(jΦ′)

其中Φ′为滤除高频和低频信号后的相位。

S7、对回波信号沿高程方向做傅里叶变换：设柱面天线阵列的位 置坐标为(r sinθ,y,r cos θ)，目标的位置为(x_i,y_i,z_i)，目标回波信号的形 式为：

其中r为天线阵列的扫描半径，k为波数，f为系统的 工作频率，c为光速；

回波信号进行沿高程方向傅里叶变换，得到：

S8、进行沿高程方向傅里叶变换后的回波信号乘以匹配滤波项， 匹配滤波项为

得到以下公式：

其中k_y为y方向的波数；

S9、进行距离向插值：将步骤S54中的插值到2k，得到 公式：

S10、对S2进行两维逆傅里叶变换，得到YZ维度切片成像结果：

其中k_c为中心波数。

S11、通过晃动补偿信号exp(jΦ′)得到晃动误差信号A(h)exp(jΦ′)；

其中A(h)为补偿系数，h∈[1,H]；

S12、对S’做晃动误差信号补偿，即S’乘以晃动误差信号的复 共轭，公式为：

S13、通过方位向一维BP成像算法得到三维成像结果。对晃动补 偿后的回波信号再通过一维BP，得到成像结果公式为：

S″″′＝δ(z-z_i)δ(x-x_i)δ(y-y_i)

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。