CN104849770B - 一种基于被动太赫兹安检成像系统的成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于被动太赫兹安检成像系统的成像方法，包括：平面镜俯仰摆动对被测物体进行场方向的扫描，椭球面镜聚光镜将平面镜反射的扫描光会聚成高斯光束，楔面镜旋转接收椭球面镜的反射光信息完成对被测物体行方向的扫描；本发明专利的优点在于，改善了太赫兹波人体安检成像扫描控制速度，结合了旋转扫描和俯仰扫描的优点，实现快速、高精度人体成像，并且此方法不需要采用大量探测器阵列，可以大大降低设备成本。

Description

一种基于被动太赫兹安检成像系统的成像方法

技术领域

本发明属于太赫兹安检成像技术领域，特别涉及一种基于被动太赫兹安检成像系统的成像方法。

背景技术

太赫兹波成像技术在安全检查、飞机导航、医疗诊断、军事侦查等领域有着重要的应用价值，尤其是在针对隐匿违禁物品检查的人群高度集中地区的安检场合，太赫兹波成像技术有着天然的优势。被动式太赫兹人体安检成像系统是通过探测特定区域内的太赫兹波强度差来实现违禁品的检测。系统具有高穿透性、全天候工作以及不主动辐射电磁波的优点。但是由于国内技术不成熟，导致太赫兹波成像效果不理想，给后续的处理和显示带来困难。这些年，随着毫米波器件的发展，太赫兹波段的探测接收器件工艺水平也相应提高，加上图像处理技术的发展，这种成像技术越来越广泛的被应用与实际工程中。但是由于高质量探测阵列价格昂贵，因而目前基本采用有限探测器加准光天线扫描成像方式，其中天线扫描方式主要有楔形旋转扫描，反射镜旋转扫描和旋转镜平扫等方式，这些扫描方式往往需要在高分辨率和高速之间进行平衡，无法适应高速人群流动的场合。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于被动太赫兹安检成像系统的成像方法，通过控制楔形俯仰扫描镜的角度将人体不同高度位置发射的太赫兹波反射到聚焦椭球面镜，聚焦椭球面镜将收集到的太赫兹波聚焦到楔形旋转扫描镜，楔形旋转扫描镜将太赫兹波反射到太赫兹波段探测单元上，楔形旋转扫描镜在旋转的过程中将收集人体水平方向不同位置发射的太赫兹波，俯仰一次完成扫描，得到一幅完整的人体图像。可以实现有限系统体积内的高速高分辨率扫描。这项技术不仅适用于人体安检系统，在医疗、飞机控制等工程实践上都有广阔的应用空间。

为了实现上述目的，本发明的方案是：

一种基于被动太赫兹安检成像系统的成像方法，所述系统包括一个平面镜、一个椭球面镜聚光镜、一个楔面镜和一个馈源阵列接收天线，其方法是：平面镜俯仰摆动对被测物体进行场方向的扫描，椭球面镜聚光镜将平面镜反射的扫描光会聚成高斯光束，楔面镜旋转接收椭球面镜的反射光信息完成对被测物体行方向的扫描，并将行方向的扫描信息反射至馈源阵列接收天线，馈源阵列接收天线将接收的楔面镜反射光信息传递至图像处理服务器生成被测物体图像；所述方法中的扫描步骤是：

第一步：首先确定被测物体成像的行数或称之为垂直点数和水平点数；

第二步：根据平面镜俯仰摆动角度和第一步获取的行数，确定每一行所需摆动的角度；以及根据第一步获取的成像水平点数，确定每一水平点数在楔面镜旋转半周、即180度所分得的角度；

第三步：对被测物体进行成像扫描，分别启动平面镜俯仰摆动和楔面镜旋转，其中，平面镜俯仰摆动一行所需摆动的角度后停顿，并触发楔面镜旋转180度完成一行和一个水平点数的扫描，然后继续执行平面镜俯仰摆动一行所需摆动的角度后停顿，并触发楔面镜旋转180的命令，直至完成图像所有行数和水平点数的扫描。

方案进一步是：所述平面镜中心与被测物体水平距离为1.00m，平面镜镜面与地面垂直初始倾斜夹角是39度，所述椭球面镜在平面镜下方，其长轴与地面垂直夹角为48度，椭球面镜长短轴中心与平面镜中心直线距离是0.60m，与平面镜中心水平距离是0.104m，所述楔面镜的楔面反面是平面，其平面与地面垂直倾斜夹角是46度，其楔面中心与椭球面镜长短轴中心的直线距离是0.60m，与椭球面镜长短轴中心的水平距离是0.574m，所述馈源阵列接收天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面面向楔面镜的楔面，馈源阵列接收面与地面垂直倾斜夹角是75度，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的直线距离为0.658m，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的水平距离为0.17m。

方案进一步是：所述平面镜俯仰摆动角度为40度。

方案进一步是：所述楔面镜的楔面与其另一平面的夹角、即楔角是10度。

方案进一步是：所述椭球面镜的孔径是567mm×635mm、两个聚光点的反射夹角是60度，所述旋转楔面镜的孔径是600mm，所述俯仰平面镜的孔径是506mm×716mm的椭圆形平面镜。

方案进一步是：所述馈源阵列是2×3馈源阵列。

本发明专利的优点在于，改善了太赫兹波人体安检成像扫描控制速度，结合了旋转扫描和俯仰扫描的优点，实现快速、高精度人体成像，并且此方法不需要采用大量探测器阵列，可以大大降低设备成本。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明楔面镜端面示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一个被动太赫兹安检成像基本系统，包括一个平面镜1、一个聚光镜2和一个接收天线3，平面镜用于对被测物体4进行场方向的扫描，聚光镜用于接收平面镜反射光会聚高斯光束，接收天线用于接收聚光镜接收来的反射光信息，并将该反射光信息传递至接收天线；所述聚光镜是椭球面镜，在椭球面镜与接收天线之间还设置有一个楔面镜5，楔面镜接收椭球面镜的反射光信息，完成对被测物体行方向的扫描，并将该反射光信息反射至接收天线，其中，所述平面镜为镜面面向被测物体俯仰摆动的俯仰平面镜，所述楔面镜是其楔面501面向椭球面镜和接收天线旋转的旋转楔面镜。

其中：所述平面镜中心与被测物体水平距离a为1.00m，平面镜镜面与地面垂直初始倾斜夹角b是39度，所述椭球面镜在平面镜下方，其长轴与地面垂直夹角c为48度，椭球面镜长短轴中心与平面镜中心直线距离d是0.60m，与平面镜中心水平距离e是0.104m，所述楔面镜的楔面反面502是平面，其平面与地面垂直倾斜夹角f是46度，其楔面中心与椭球面镜长短轴中心的直线距离g是0.60m，与椭球面镜长短轴中心的水平距离h是0.573m，所述接收天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面面向楔面镜的楔面，馈源阵列接收面与地面垂直倾斜夹角i是75度，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的直线j距离为0.658m，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的水平距离k为0.17m。

其中：所述平面镜由一个摇摆装置带动平面镜以其中心为转轴做仰俯各20度角度摆动。

其中：所述楔面镜的楔面与其另一平面的夹角m，即楔角是10度。

其中：所述椭球面镜的孔径是567×635mm、两个聚光点的反射夹角是60度，所述旋转楔面镜的孔径是600mm，所述俯仰平面镜的孔径是506mm×716mm的椭圆形平面镜。

其中：所述馈源阵列是2×3馈源阵列。

其中：所述平面镜、聚光镜、接收天线和楔面镜安装在一个长L、宽W、高H分别是0.90m、0.57m、1.30m的框架壳体中。

上述系统的设计主要关系到成像的视域范围和空间分辨率。为实现高空间分辨率和快速成像，而且实现大视域范围的成像则需要焦平面阵列与机械扫描机制匹配实现。所述的准光天线系统，聚焦器件采用大口径椭球面聚焦反射镜，基于设计的近距离较大区域高分辨率的扫描探测及馈源束腰，根据高斯光束的传播规律，将椭球面的口面直径采用3ω（ω为高斯波束半径），约为567mm，这样可以使得能量基本全被反射，对于被动检测系统降低传输过程中的损耗起到很大的作用。扫描系统采用楔面镜旋转与平面镜俯仰相配合的扫描方式，即楔面镜旋转一周的同时，俯仰平面镜摆动一个单位角度，并且采用6通道2×3阵列接收机阵列方式，在与接收机性能（主要是接收机的积分时间）匹配的条件下，设定楔面反射镜的转速，可以实现1m探测距离，7-8mm高空间分辨率与快速成像。并且，该准光天线系统在毫米波/太赫兹波段均可应用，关于在大角度扫描过程中出现的焦斑畸变问题，在图像的恢复处理通过一些算法可以进行校正。该系统焦平面采用接收机阵列形式，二维机械扫描包含旋转圆锥扫描与摆动俯仰扫描，此设计方法既避免了平面镜来回摆动存在加减速的问题，缩短了扫描时间，又能满足视域范围的全部覆盖，并且连续旋转控制的要求与连续俯仰摆动的控制要求低且稳定性较高，可以在一定程度上降低成本。聚焦器件同样选择反射镜——椭球面反射镜，实现高分辨率低损耗传输成像，对于被动安检系统至关重要。

其中的平面镜为椭圆形，口面尺寸为506×716mm，上下俯仰±20°，通过上下俯仰进行竖直方向的扫描，俯仰的角度为40°，俯仰时间间隔为楔面镜旋转一周的时间，即楔面镜旋转一周，同时俯仰镜完成了一个俯仰间隔，整个待测区域扫描完成，旋转镜旋转34转，俯仰镜连续摆动40°；

其中的椭球面反射镜，口面尺寸为567×635mm，椭球面镜与竖直方向的夹角为48°固定，安装过程中可以安装五维调整架进行位置的微调聚焦。椭球面镜与其所在的椭球的两个焦点的距离分别为1600mm,1258mm，及待测区域和馈源与椭球面的光程。该椭球面镜主要目的是实现高斯光束的聚焦；

其中的楔面镜，楔角为10°，楔面镜与椭球面镜的距离为600mm,楔面镜初始位置与竖直方向的夹角为46°，围绕其旋转轴，通过连续的匀速旋转实现对水平方向的扫描；

其中的接收天线为喇叭馈源阵列，馈源距离楔面镜的距离为658mm，六通道采用2×3阵列方式接收，馈源阵列与竖直方向的夹角为75°固定。

一种基于上述被动太赫兹安检成像系统的成像方法，所述系统包括一个平面镜、一个椭球面镜聚光镜、一个楔面镜和一个馈源阵列接收天线，其方法是：平面镜俯仰摆动对被测物体进行场方向的扫描，椭球面镜聚光镜将平面镜反射的扫描光会聚成高斯光束，楔面镜旋转接收椭球面镜的反射光信息完成对被测物体行方向的扫描，并将行方向的扫描信息反射至馈源阵列接收天线，馈源阵列接收天线将接收的楔面镜反射光信息传递至图像处理服务器生成被测物体图像；其中，所述方法中的扫描步骤是：

第一步：首先确定被测物体成像的行数或称之为垂直点数和水平点数；

第二步：根据平面镜俯仰摆动角度和第一步获取的行数，确定每一行所需摆动的角度；以及根据第一步获取的成像水平点数，确定每一水平点数在楔面镜旋转半周、即180度所分得的角度；

第三步：对被测物体进行成像扫描，分别启动平面镜俯仰摆动和楔面镜旋转，其中，平面镜俯仰摆动一行所需摆动的角度后停顿，并触发楔面镜旋转180度完成一行和一个水平点数的扫描，然后继续执行平面镜俯仰摆动一行所需摆动的角度后停顿，并触发楔面镜旋转180的命令，直至完成图像所有行数和水平点数的扫描。

实施例中如系统中所述：所述平面镜中心与被测物体水平距离为1.00m，平面镜镜面与地面垂直初始倾斜夹角是39度，所述椭球面镜在平面镜下方，其长轴与地面垂直夹角为48度，椭球面镜长短轴中心与平面镜中心直线距离是0.60m，与平面镜中心水平距离是0.104m，所述楔面镜的楔面反面是平面，其平面与地面垂直倾斜夹角是46度，其楔面中心与椭球面镜长短轴中心的直线距离是0.60m，与椭球面镜长短轴中心的水平距离是0.574m，所述馈源阵列接收天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面面向楔面镜的楔面，馈源阵列接收面与地面垂直倾斜夹角是75度，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的直线距离为0.658m，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的水平距离为0.17m。

实施例中：所述平面镜俯仰摆动角度为40度。

以采集一副20×100的图片来说明上述方法：其中20是竖直方向需要采的点数，也可以称为行数，俯仰镜从﹢10°到﹣10°摆动，将其平均分成10份，也就是2°每份，100是水平方向需要采的点数，也可以称为猎术，旋转扫描镜旋转半周是180°，平均分成100份，18°每份。电机控制俯仰镜进行俯仰，以﹢10°为起始位置，每2°暂停，旋转镜旋转一周，扫两行，当俯仰镜运动到﹣10°时，旋转镜旋转一周之后完成一次完整扫描。

实施例中的馈源阵列是采用肖特基二极管，肖特基二极管将THz波信号转化为电信号，经过基本的微弱信号处理（去噪放大等等），经数据采集卡进入上位机。

采集到的电压信号放置在对应图中的位置，最终得到一个二维的电压信号矩阵，之后进行的就是普通的图像处理程序，包括去噪，滤波，主要目的是提高对比度。最后将得到的Thz波图像和同样位置的可见光图像进行融合，将违禁物品在可见光图像的对应位置标注出来。

上述实施例中俯仰镜的俯仰对待测目标进行场扫描，基于探测距离较近，待测区域比较大，使得俯仰镜的摆动角度范围比较大，因而要合理设计俯仰镜与椭球面镜之间的距离，使俯仰镜在俯仰过程中光束不被遮挡。

实施例中俯仰镜场扫描，在基准位置上俯仰±20°时光束及光斑的变化，从光斑的强度变化得知，虽然在基准位置变化俯仰相同的角度，但是焦斑变化却在某一方向比较明显。解决此问题的方法：1）在场镜安装时，使整个准光系统在最早设定的平衡位置基础上做一个角度的偏转，使得待测目标的底端和顶端与场镜的光程基本相等；2）在做图像恢复处理时，进行焦斑的矫正。

本系统的成像时间：

成像的视场范围为160×80cm，探测器6通道阵列，采样点满足采样定理，即每个3dB波束宽度内至少采样两个点，单通道扫描是其扫过一个波束单元所用的时间不低于积分时间的2倍。现将不同的分辨率(理论设定8mm×8mm,仿真显示16mm×10mm)，不同的积分时间条件下的成像时间列表如下：

PS：计算相关公式：8mm×8mm，积分时间1ms时单通道及6通道的时间：

采点数：

本系统的机械控制：

对待测目标80cm×160cm范围的完整扫描，则需要楔面镜与俯仰镜的匹配，因此机械控制系统很重要。为保证同步的控制，旋转镜的转动通过电机的匀速转动控制，俯仰镜通过一个电子凸轮从动于转盘的旋转，设置转盘旋转一周，控制俯仰偏移一个单位间隔，从而进行竖直方向的扫描。

本系统和方法主要基于提高系统的扫描速度与降低系统的复杂程度而设计的。在满足设计要求的前提下，水平方向的扫描方式采用旋转扫描，圆锥扫描由于不存在扫描元件的往复运动，可以保持很高的元件转动速度，进而提高成像速度。选用单楔面镜扫描，避免了多楔面镜旋转的同步控制问题，而且在本系统中镜面的口径都相对较大，镜面的数量减少，使得系统中不易出现波传输的遮挡问题，在一定程度上也降低了传输中的绕射损耗。

方法中选择单楔面的选转，也就选择了圆锥式的扫描方式，单楔面旋转一周为一圆周，外加俯仰镜的摆动，合成轨迹为一螺旋式的扫描轨迹。这种扫描方式与接收天线的排布方式紧密相关，因圆锥扫描使得焦斑在视域范围内待测目标的边缘处覆盖很好，但是在中心处较稀疏，与成像要求不符合，因而需要接收通道的增加，提高采样率。天线排布方式也很重要，对于本系统采用2×3交错式阵列的排布方式。

Claims (6)

1.一种基于被动太赫兹安检成像系统的成像方法，所述系统包括一个平面镜、一个椭球面聚光镜、一个楔面镜和一个馈源阵列接收天线，其方法是：平面镜俯仰摆动对被测物体进行场方向的扫描，椭球面聚光镜将平面镜反射的扫描光会聚成高斯光束，楔面镜旋转接收椭球面聚光镜的反射光信息完成对被测物体行方向的扫描，并将行方向的扫描信息反射至馈源阵列接收天线，馈源阵列接收天线将接收的楔面镜反射光信息传递至图像处理服务器生成被测物体图像；其特征在于，所述方法中的扫描步骤是：

第一步：首先确定被测物体成像的行数或称之为垂直点数和水平点数；

第二步：根据平面镜俯仰摆动角度和第一步获取的行数，确定每一行所需摆动的角度；以及根据第一步获取的成像水平点数，确定每一水平点数在楔面镜旋转半周、即180度所分得的角度；

第三步：对被测物体进行成像扫描，分别启动平面镜俯仰摆动和楔面镜旋转，其中，平面镜俯仰摆动一行所需摆动的角度后停顿，并触发楔面镜旋转180度完成一行和一个水平点数的扫描，然后继续执行平面镜俯仰摆动一行所需摆动的角度后停顿，并触发楔面镜旋转180度的命令，直至完成图像所有行数和水平点数的扫描。

2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述平面镜中心与被测物体水平距离为1.00m，平面镜镜面与地面垂直初始倾斜夹角是39度，所述椭球面聚光镜在平面镜下方，其长轴与地面垂直夹角为48度，椭球面聚光镜长短轴中心与平面镜中心直线距离是0.60m，与平面镜中心水平距离是0.104m，所述楔面镜的楔面反面是平面，其平面与地面垂直倾斜夹角是46度，其楔面中心与椭球面聚光镜长短轴中心的直线距离是0.60m，与椭球面聚光镜长短轴中心的水平距离是0.574m，所述馈源阵列接收天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面面向楔面镜的楔面，馈源阵列接收面与地面垂直倾斜夹角是75度，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的直线距离为0.658m，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的水平距离为0.17m。

3.根据权利要求1或2所述的成像方法，其特征在于，所述平面镜俯仰摆动角度为40度。

4.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述楔面镜的楔面与其另一平面的夹角、即楔角是10度。

5.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述椭球面聚光镜的孔径是567mm×635mm、两个聚光点的反射夹角是60度，所述楔面镜的孔径是600mm，所述平面镜的孔径是506mm×716mm的椭圆形平面镜。

6.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述馈源阵列是2×3馈源阵列。