阅读说明：本技术 一种主动式毫米波三维成像安检装置 (Active millimeter wave three-dimensional imaging security inspection device ) 是由 温鑫 王威 费鹏 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种主动式毫米波三维成像安检装置,解决大客流人员安检过程中已有技术存在的安检效率和安检精度相矛盾的问题。所述装置,包含：距离传感器、第一探测模块、第二探测模块、GPU；所述距离传感器,用于实时测量人员位置；所述第一探测模块和第二探测模块,用于接收侧面、正面或背面工作信号,在侧面、正面或背面预设区域发射和或接收多路毫米波线性调频信号进行二维电扫、并输出下变频后的回波信号；所述GPU,用于接收人员位置,输出侧面、正面或背面工作信号；还用于根据所述人员位置,实时修正成像区域中心,对所述回波信号进行三维成像。本发明实时性强、工程实用性强。(The invention discloses an active millimeter wave three-dimensional imaging security inspection device, which solves the problem that the security inspection efficiency and the security inspection precision are contradictory in the prior art in the security inspection process of large passenger flow personnel. The apparatus, comprising: the device comprises a distance sensor, a first detection module, a second detection module and a GPU; the distance sensor is used for measuring the position of a person in real time; the first detection module and the second detection module are used for receiving side, front or back working signals, transmitting and/or receiving multi-path millimeter wave chirp signals in a preset area on the side, front or back for two-dimensional electric scanning, and outputting echo signals after down-conversion; the GPU is used for receiving the position of a person and outputting a side face working signal, a front face working signal or a back face working signal; and the device is also used for correcting the center of an imaging area in real time according to the position of the person and carrying out three-dimensional imaging on the echo signal. The method has strong real-time performance and strong engineering practicability.)

一种主动式毫米波三维成像安检装置

技术领域

本发明涉及毫米波雷达技术领域，尤其涉及一种主动式毫米波三维成像安检装置。

背景技术

“无接触、无感知、无停留”是大客流人员安检场景下的发展趋势，现有毫米波安检成像系统包含被动式和主动式毫米波人体安检系统，被动式的缺点是成像质量差，安检精度不高，主动式的缺点是需要被检人员的停留和配合，安检效率较低，无法满足大客流场景下实时通过的需求。现有主动式毫米波人体安检系统，有采用电扫配合机扫的，缺点是需要被检人员按照指定的姿势保持1-2s、停留时间长；有采用二维平面电扫的，缺点是是成像算法的计算量较大，无法实现实时成像；还有采用平面可编程透镜的电扫描人体成像安检系统，缺点是采用单点频成像的工作模式，系统的分辨率较差。

发明内容

本发明提供一种主动式毫米波三维成像安检装置，解决大客流人员安检过程中已有技术存在的安检效率和安检精度相矛盾的问题。

本发明实施例指出一种主动式毫米波三维成像安检装置，包含：距离传感器、第一探测模块、第二探测模块、GPU；所述距离传感器，放置在所述第一或第二探测模块附近，用于实时测量人员位置；所述第一探测模块和第二探测模块，用于接收所述GPU发送的侧面工作信号，在侧面预设区域发射并接收多路毫米波线性调频信号进行二维电扫、并输出下变频后的回波信号；所述第一探测模块，还用于接收所述GPU发送的正面或背面工作信号，在正面或背面预设区域发射多路毫米波线性调频信号进行二维电扫；所述第二探测模块，还用于接收所述正面或背面工作信号，在所述正面或背面预设区域接收多路毫米波线性调频信号回波、输出下变频后的回波信号；所述GPU，用于接收所述人员位置，当所述人员位置首次或非首次大于距离阈值、对应地输出所述正面或背面工作信号，当所述人员位置小于等于所述距离阈值、输出所述侧面工作信号；还用于根据所述人员位置，实时修正成像区域中心，对所述回波信号进行三维成像。

进一步地，所述第一探测模块，包含多个第一天馈模块、第一收发模块，所述第二探测模块，包含多个第二天馈模块、第二收发模块；所述第一或第二天馈模块，用于在各自扫描区域发射和或接收一路或多路毫米波线性调频信号进行二维电扫，且每个所述第一或第二天馈模块组成的扫描区域覆盖所述正面、背面或侧面预设区域；所述第一或第二收发模块，用于接收所述侧面、正面或背面工作信号，产生中频线性调频信号信号、上变频至毫米波输出，还用于接收毫米波段回波信号、下变频至基带输出。

优选地，所述毫米波线性调频信号的频率为24.07GHz-32.07GHz。

优选地，所述距离传感器采用Kinect体感摄像头。

优选地，所述GPU还用于根据三维成像进行危险可疑物品的检测和标识。

优选地，所述装置采用全相参雷达系统设计方法。

进一步地，所述第一、第二天馈模块均包含4个天线阵列单元，采用2×2的排布方式，每个所述天线阵列单元包含平行放置的2个发射天线模块和2个接收天线模块，相邻天线阵列单元共用发射天线模块或接收天线模块。

进一步地，所述第一、第二天馈模块的个数均为9个，采用3×3的排布方式。

进一步地，还包含：显示模块；所述显示模块，用于接收所述GPU发送的三维成像结果和或危险可疑物品的检测结果。

进一步地，所述发射天线模块、接收天线模块的长度均为250mm，均由24个间距为10mm的天线喇叭口构成。

本发明有益效果包括：本发明是在保证安检精度条件下，大幅提升安检效率，满足被检人员行进中的危险可疑物品自动检测，实现了“无接触、无感知、无停留”的大客流人员安检需求。利用全相参雷达系统的特性，基于行进中被检人员位置信息，通过设置探测系统工作模式，实现了对被检人员直通式行进过程中的360°全方位成像和检测。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种主动式毫米波三维成像安检装置实施例；

图2为一种主动式毫米波三维成像安检装置全方位成像原理实施例；

图3(a)为一种第一天馈模块实施例的天线阵列单元排布方式；

图3(b)为一种第一天馈模块实施例的等效相位中心；

图4为一种包含显示模块的主动式毫米波三维成像安检装置实施例；

图5为一种现有的单站模式下三维成像方法实施例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

主动毫米波人体成像技术最早的产品是美国太平洋西北国家实验室开发的混合扫描(电扫描配合机械扫描)毫米波人体成像安检系统。系统需要被检人员按照指定的姿势保持1-2s，无法实现无停留快速通过的安检需求。2011年德国Rohde&Schwarz公司开发了二维平面电扫描人体成像安检系统，已具备成像区域的目标数据实时采集能力，但是由于成像算法的计算量较大，尚未实现实时成像。美国Agilent公司开发了基于平面可编程透镜的电扫描人体成像安检系统，扫描速度达到了10⁷空间点/秒，实现了“非接触、无停留”安检，由于该系统采用单点频成像的工作模式，系统的分辨率较差。国内对主动式毫米波人体成像技术的研究起步较晚，但近年来发展较快，取得了一系列成果。北京无线电计量测试研究所最早完成了国内首台主动毫米波圆柱扫描人体三维成像安检仪的研制，并在国内多家机场进行了示范应用。

本发明创新点为：本发明基于毫米波天线阵列稀疏排布技术和MIMO雷达工作体制，实现三维成像区域的高速扫描；设计全相参的雷达系统，在此基础上，根据被检人员位置信息设置探测系统的工作模式，实现行进中被检人员的360°全方扫描和成像；根据被检人员位置信息，优化三维成像算法计算量；基于GPU并行计算平台完成被检人员三维空间实时重构和危险可疑物品的自动检测。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1为一种主动式毫米波三维成像安检装置实施例，用于在人员行进过程中动态实时实现三维成像，一种主动式毫米波三维成像安检装置，包含：第一探测模块1、第二探测模块2、距离传感器3、GPU(图形处理器)4。

所述距离传感器，放置在所述第一或第二探测模块附近，用于实时测量人员位置；所述第一探测模块和第二探测模块，用于接收所述GPU发送的侧面工作信号，在侧面预设区域发射并接收多路毫米波线性调频信号进行二维电扫、并输出下变频后的回波信号；所述第一探测模块，还用于接收所述GPU发送的正面或背面工作信号，在正面或背面预设区域发射多路毫米波线性调频信号进行二维电扫；所述第二探测模块，还用于接收所述正面或背面工作信号，在所述正面或背面预设区域接收多路毫米波线性调频信号回波、输出下变频后的回波信号；所述GPU，用于接收所述人员位置，当所述人员位置首次或非首次大于距离阈值、对应地输出所述正面或背面工作信号，当所述人员位置小于等于所述距离阈值、输出所述侧面工作信号；还用于根据所述人员位置，实时修正成像区域中心，对所述回波信号进行三维成像。

需要说明的是，本发明通过距离信息触发装置开始工作，因此文中出现的近距离主动式毫米波实时三维成像安检系统即是本发明主动式毫米波三维成像安检装置。

优选地，所述毫米波线性调频信号的频率为24.07GHz-32.07GHz，需要说明的是，还可以选择其他毫米波频率范围的宽带线性调频信号，这里不做特别限定。

作为本发明实施例，所述第一探测模块、第二探测模块采用天线阵列稀疏排布技术和MIMO体制的雷达探测技术，实现三维成像区域的实时探测，需要说明的是，所述第一探测模块和第二探测模块中的天线排布方式可以相同或不同。

需要说明的是，所述正面、背面或侧面预设区域可以相同或不同，可以为预先设定的某一固定区域，也可以是预先设定的根据人员位置信息进行调整的区域范围，当可以进行调整时，能减少天线波束扫描范围，降低计算量，另外，对预设区域进行二维电扫的顺序，这里不做特别限定。

作为本发明实施例，所述距离传感器采用Kinect体感摄像头，提供行进中被检测人员的位置信息，并实时反馈给GPU进行实时计算处理，需要说明的是，所述距离传感器还可以选择其他模式，这里不做特别限定。

还需说明的是，所述距离阈值可以提前设定或实时设定。

作为本发明实施例，所述GPU进行三维成像的方法为波束域卷积三维成像算法，需要说明的是，所述GPU还可以采用其他三维成像方法，这里不做特别限定。

作为本发明实施例，近距离主动式毫米波实时三维成像安检系统为了实现被检人员行进过程中的360°全方位成像，采用全相参雷达系统设计方法，即整个系统共用一个时钟，每个探测子系统发射的宽带线性调频信号同步，系统采用24-32GHz的宽带线性调频信号进行探测，对成像区域扫描时间＜50ms，三维成像算法和危险可疑物品检测算法并行计算时间＜50ms，通过流水线的工作模式，保证输出检测结果视频＞20帧/s。

本发明实施例提出一种近距离主动式毫米波实时三维成像安检系统的设计方法，该方法采用主动式超宽带毫米波信号进行探测，保证了系统成像质量，通过优化天线阵列的排布方式、雷达系统探测模式、成像算法计算量、并行计算的方法，提升系统实时性。

图2为一种主动式毫米波三维成像安检装置全方位成像原理实施例，用于对行进过程中的行人实现实时全方位三维成像。

一种主动式毫米波三维成像安检装置，包含：第一探测模块1，第二探测模块2，距离传感器3，所述第一探测模块，包含多个第一天馈模块5，所述第二探测模块，包含多个第二天馈模块。

所述距离传感器，放置在所述第一或第二探测模块附近，用于实时测量人员位置；所述第一探测模块和第二探测模块，用于接收所述GPU发送的侧面工作信号，在侧面预设区域发射并接收多路毫米波线性调频信号进行二维电扫、并输出下变频后的回波信号；所述第一探测模块，还用于接收所述GPU发送的正面或背面工作信号，在正面或背面预设区域发射多路毫米波线性调频信号进行二维电扫；所述第二探测模块，还用于接收所述正面或背面工作信号，在所述正面或背面预设区域接收多路毫米波线性调频信号回波、输出下变频后的回波信号。

所述第一或第二天馈模块，用于在各自扫描区域发射和或接收一路或多路毫米波线性调频信号进行二维电扫，且每个所述第一或第二天馈模块组成的扫描区域覆盖所述正面、背面或侧面预设区域。

近距离主动式毫米波实时三维成像安检系统为了实现被检人员行进过程中的360°全方位成像，采用全相参雷达系统设计方法，即整个系统共用一个时钟，每个探测子系统发射的宽带线性调频信号同步。在此条件下，依据行进中被检人员的位置，切换雷达探测系统的工作模式，实现360°全方位成像。

定义距离传感器实时反馈的所述人员位置数值为R，定义距离阈值的数值为R0。当被检人员尚未进入毫米波安检通道时，即R＞R0时，如图2中所示的最左侧位置，所述第一探测模块发射宽带毫米波探测信号，此时，所述第二探测模块接收，完成被检人员正面的信息采集；当被检人员位于毫米波安检通道时，即R≤R0时，如图2中所示的中间位置，所述第一探测模块和所述第二探测模块工作在自发自收的工作模式，完成被检人员身体侧面信息采集；当被检人员离开毫米波安检通道时，即R＞R0时，如图2中所示的最右位置，所述第一探测模块发射宽带毫米波探测信号，此时，所述第二探测模块接收，完成被检人员背面的信息采集。

需要说明的是，上述距离阈值R0可依据系统的实际工作参数而定。

在本发明实施例中，所述第一、第二天馈模块的个数均为9个，采用3×3的排布方式，需要说明的是，所述第一、第二天馈模块的个数还可以是其他数值，还可以相同或不同，这里不做特别限定。

进一步地，本发明实施例中的9个所述第一或第二天馈模块均预先设定独立的扫描区域和扫描顺序，每个扫描区域组合在一起要求至少覆盖预设区域，例如，系统工作在正面扫描模式下，每个扫描区域组合在一起至少覆盖所述正面预设区域……。

需要说明的是，可以是每个所述第一天馈模块各自发射或接收一路信号，多个第一天馈模块同时工作形成MIMO工作模式，还可以是每个所述第一天馈模块各自形成MIMO工作模式，多个第一天馈模块同时工作形成MIMO工作模式，这里不做特别限定，多个所述第二天馈模块形成MIMO工作模式的方法与第一天馈模块相同，这里不再重复论述。

需要说明的是，扫描顺序可以是自上而下、自左而右的，也可以其他顺序，这里不做特别限定。

本发明实施例提供了一种本发明装置全方位360度三维成像的原理，实现了对被检人员直通式行进过程中的360°全方位成像和检测，不需被检测人员进行等待，提高了安检速度和效率。

图3(a)为一种第一天馈模块实施例的天线阵列单元排布方式，对天线阵列稀疏排列方式进行了说明。

所述第一天馈模块包含四个天线阵列单元7，采用2×2的排布方式，每个所述天线阵列单元包含平行放置的两个发射天线模块8和两个接收天线模块9，相邻天线阵列单元共用发射天线模块或接收天线模块。

在本发明实施例中，左上的天线阵列单元与右上的天线阵列单元，共用接收天线模块；左上的天线阵列单元与坐下的天线阵列单元，共用发送天线模块；右上的天线阵列单元与右下的天线阵列单元，共用发射天线模块；左下的天线阵列单元与右下的天线阵列单元，共用接收天线模块。

在本发明实施例中，所述发射天线模块、接收天线模块的长度均为250mm，均由24个间距为10mm的天线喇叭口构成。

需要说明的是，所述发射天线模块与接收天线模块的排列方式，可以是本发明实施例中的水平方向为发射天线模块，也可以是相反的水平方向为接收天线模块的排列方式。

进一步地，所述第二天馈模块与所述第一天馈模块的天线阵列单元排布方式相同，这里不再重复表述。

图3(b)为一种第一天馈模块实施例的等效相位中心。

系统工作时，天线阵列单元内每个发射天线喇叭口对应所有的接收喇叭口，依次串行收发，形成5mm×5mm的等效采样间距。

任意一对收发天线的等效相位中心如图3(b)所示，目标距离发射天线口面间距为

目标距离接收天线口面间距为

目标距离等效相位中心距离为

则采样回波数据需要补偿的相位为

其中，k为波数。随着

增大，系统的点扩散函数恶化程度增加，因此，限制了天线阵列单元尺寸大小，设计中天线阵列单元尺寸定义为25cm。

本发明实施例提供了一种天线阵列稀疏排列方式，合理设计了天线喇叭口间距，从而降低了系统工作功率，节约了能源开销。

图4为一种包含显示模块的主动式毫米波三维成像安检装置实施例，实现了对行进过程中行人的全方位三维成像并对危险物品实现自动识别。

一种主动式毫米波三维成像安检装置，包含：第一探测模块1、第二探测模块2、距离传感器3、GPU(图形处理器)4、显示模块14；所述第一探测模块包含：第一天馈模块5、第一收发模块9；所述第二探测模块包含：第二天馈模块5、第二收发模块10；所述GPU包含：控制单元11、三维成像算法并行计算单元12、危险可疑物品自动检测单元13；所述第一收发模块包含：中频信号产生单元15、参考信号产生单元16、倍频单元17、第一混频器18、第二混频器～第五混频器19～22、第一A/D采样单元23、第二A/D采样单元24、FPGA单元25。

所述中频信号产生单元，用于输出3GHz-4GHz中频宽带线性调频信号，信号周期小于5us，通过所述倍频单元完成中频信号到毫米波信号的变换，输出24GHz-32GHz的毫米波线性调频信号；所述参考信号产生单元产生的中频参考信号为频率是70MHz的点频信号，通过所述第一混频器上变频输出24.07GHz-32.07GHz的毫米波线性调频探测信号，信号馈入所述第一天馈模块，完成成像区域的探测。

为了提高系统的实时性，所述第一收发模块采用一发两收的工作模式，根据实际情况可配为不同的一发多收模式。

接收的两路毫米波回波信号通过第二混频器～第五混频器下变频至基带，输出两路I/Q信号，在所述A/D采样单元中完成回波信号的数字化处理，在所述FPGA单元的完成预处理后发送给所述GPU，进行实时计算处理。

所述GPU中的所述控制单元实时接收所述距离传感器反馈的被检人员的所述人员位置，该信息作为成像区域的中心实时调整，减少成像区域范围，降低计算量，所述高速并行成像算法计算单元完成所述FPGA反馈的回波数据排列后，进行被检人员的三维空间重构和投影计算，所述危险可疑物品自动检测单元在所述高速并行成像算法计算单元输出的二维投影结果中完成危险可疑物品的实时检测和标注。

所述显示模块，用于接收所述GPU发送的三维成像结果和或危险可疑物品的检测结果，所述显示模块是终端显示工作站，完成被检人员检测结果的显示和报警。

所述第一或第二天馈模块，用于在各自扫描区域发射和或接收一路毫米波线性调频信号进行二维电扫，且每个所述第一或第二天馈模块组成的扫描区域覆盖所述正面、背面或侧面预设区域。

所述第一或第二收发模块，用于接收所述侧面、正面或背面工作信号，产生中频线性调频信号信号、上变频至毫米波输出，还用于接收毫米波段回波信号、下变频至基带输出。

进一步地，所述第二收发模块与所述第一收发模块的组成元器件相同，这里不做重复论述。

本发明实施例提供的主动式毫米波三维成像安检装置，包含显示模块，可以对安检结果实时显示、更清楚且方便使用；所述第一收发模块包含内部组成单元，工程上易于实现。

图5为一种现有的单站模式下三维成像方法实施例，提供了一种现有三维成像算法。

在本发明实施例中，目标位置、扫描孔径位置、第一或第二收发模块位置呈现如图所示的几何结构，所述第一或第二收发模块即为图中的收发机位置，通过在扫描孔径范围内顺序移动探测，完成对目标位置的回波信号采集。

所述GPU的三维成像算法采用了计算量小、易于并行实现的波束域卷积三维成像算法，首先，需要将采样的回波数据补偿为单站模式下的采样数据后，进行三维成像。

定义单站模式下的三维成像测量系统如图5所示，雷达收发机的扫描孔径定义在XYZ平面上，收发机的位置定义为(x',y',Z₁)，位于成像区域的目标上任意一点坐标定义为(x,y,z)，目标的反射特性定义为f(x,y,z)，测量平面定义为z＝Z₁，则目标到雷达收发机的相位为：

收发机测量得到信号为：

其中，k＝ω/c定义为波数，幅度的衰减可以忽略不计。方程中指数项表示为球面波，可以被分解为无限平面波的累加：

其中，k_x'和k_y'变化范围是由(-2k,2k)。于是，

对方程两边进行2维傅里叶变换，并忽略收发机和目标坐标的区别：

利用

于是

其中，

在实际应用过程中，数据S(x,y,ω)着各个方向均匀采样。因为沿着(x,y)方向均匀采样，2维傅里叶变换可以获得S(k_x,k_y,ω)，因为角频率ω是(k_x,k_y,k_Z)，导致F(k_x,k_y,k_Z)在k_Z方向是非均匀分布的。为了进行3维傅里叶变换，数据需要沿着k_Z方向插值处理。

对于2D平面内，每一频点的回波数据定义为s(n_x,n_y,ω)，其中，n_x,n_y对应x，y平面内的相位中心。对平面内缺失的相位中心点进行补零，然后对回波数据进行多站-单站的相位校准，参考点定义为成像区域的中心，校准后的数据为：

其中，R_u(n_x,n_y,ω)定义为参考点的回波信号

其中，

为发射单元位置，

为接收单元位置，定义R₀(n_x,n_y,ω)为单站条件下采样位置的回波数据：

校准数据

补零后，构成2^N的数据结构，于是，多站模式下的成像方程：

该体制下三维成像算法计算流程为：第一，沿着矩形孔径方向，雷达收发机获取采样数据s(n_x,n_y,ω)；第二，利用公式8，多站采样到单站采样校正；第三，对采样缺失位置进行补零；第四，沿着(x，y)方向对采样数据进行傅里叶变换S(k_x,k_y,ω)；第五，乘以相位因子，将数据平移到正确的深度位置：

由均匀采样的S(k_x,k_y,ω)插值到均匀采样位置(k_x,k_y,k_z)；第六，三维逆傅里叶变换

需要说明的是，本发明可以采用本发明实施例的三维成像方法进行成像，也可以采用其他方法成像，这里不做特别限定。

本发明实施例提供了一种现有的三维成像方法，采用波束域卷积三维成像算法，计算量小、易于并行实现。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。