CN104914478A - 太赫兹人体安检系统及安检方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹人体安检系统及安检方法，安检系统包括太赫兹人体安检扫描机构、与太赫兹人体安检扫描机构中的太赫兹探测器的控制电路板、再与控制电路板相连的工控机以及再与工控机相连的图像显示器；所述太赫兹人体安检扫描机构在机架上设有滚筒式多面反射转镜和驱动所述滚筒式多面反射转镜旋转的旋转驱动机构以及驱动所述滚筒式多面反射转镜水平摆动的水平摆动驱动装置，上凹面镜和下凹面镜分别位于所述滚筒式多面反射转镜的前斜上方和前斜下方并均朝向所述滚筒式多面反射转镜。本发明的这种太赫兹人体安检系统及安检方法具有扫描速度高、减少振动和噪音，机械结构简单、制造成本低等优点。

Description

太赫兹人体安检系统及安检方法

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，尤其涉及一种太赫兹人体安检系统及方法。

背景技术

太赫兹是频率在0.1THz-10THz的电磁波，波段处在红外和毫米波之间，在电磁波谱中处于重要的位置。从物理学看，太赫兹波处于电子学向光子学的过渡区；从频域上看，太赫兹波的频率覆盖了半导体内等离子波的特征频率、有机和生物大分子的转动和振动频率、约50％的宇宙空间光子的频率等重要频率范围；从应用角度看，太赫兹波具有频带宽、能量小、相干性强、测量信噪比高等特点，适合于材料特征表征、高分辨率成像、医学诊断、安检、信息通讯、雷达探测、大气与环境检测等众多领域。因此，太赫兹波在国民经济以及国家安全等方面具有重要的应用前景。

太赫兹具有很强的穿透性，能够轻易穿透衣物，人体自身会产生这种电磁波并向外辐射，因此，太赫兹人体安检仪被研发出来。太赫兹人体安检仪是通过被动接收人体发出的太赫兹波，经处理转换后，形成人体的二维太赫兹“快照”。当人所穿衣物中隐藏有物品时，吸收和阻拦了太赫兹波的正常轨迹，使得“快照”中对应物品所在的位置和人体背景之间产生强度对比，从而探知到物品的存在，并在显示屏上显示物品的形状和其所在的位置。

太赫兹人体安检仪和传统人体安检手段相比，具有四大特点：

(1)更安全。传统的安检仪一般采用X射线主动发射探测，而太赫兹安检仪则是被动接受来自人体自身发出的电磁波，设备本身不存在任何的电离或电磁辐射，对被检测人员绝对安全。

(2)更可靠。传统的安检仪主要用于金属物质探测，而太赫兹安检仪不仅可以探测金属物质，还可以探测人身上携带的非金属物质，如陶瓷、粉末、液体、胶体等。

(3)更文明。设备检测方式为非接触式检查，被检人员无须脱衣，检测结果不显示任何身体特征细节，充分保护被检人员个人隐私。

图1示出了现有的一种太赫兹人体安检仪的机械结构和扫描原理：包括摆镜11、凹面镜12、丝杆电机14、丝杆15、摆镜支架16、俯仰运动机构17等。人体10发出的太赫兹波，被左右摆动的一面圆形的摆镜11反射到其斜上方有聚光作用的凹面镜12上，然后被设于凹面镜12焦点位置的太赫兹探测器13(有1-3个)所感知，形成1-3行像素，摆镜11由丝杆电机14驱动发生俯仰运动，完成人体自上而下的整体高度的扫描；很多行像素叠加起来，形成完整的扫描图像。

为了提高扫描速度，这种太赫兹人体安检仪机械结构有了一种升级的样式，即将机械结构被镜像复制成上下完全相同的两套，各自负责上半身和下半身的扫描，然后上下的扫描结果叠加成一幅完整图像。由于所有的零件的和光学器件数量都是加倍，包括电机和丝杆以及驱动器也都是独立的上下两套，因此机械结构复杂、成本高昂。另外，摆镜采用往复式摆动形式，特点是是存在加速减速到零，然后再反向运动的过程，运动加速度大，如果机构不能做得足够轻巧的话，惯量大，振动大，速度也无法提高，摆镜扫描速度一旦提高会出现丝杠噪音明显加大甚至电机过载报警等问题。

并且现有的太赫兹人体安检仪的成像方法是逐行扫描来直接堆叠像素，故存在图像变形大，成像模糊，分辨率低的问题。

另外，目前的太赫兹探测器在连续工作了一段时间后，其输出电压会出现漂移，这需要暂停人体扫描并且确保扫描区域没有检测物，切换到校准模式下，点击校准的软按键进行手动校准，校准完毕后才可继续工作。这种校准方式的校准间隔时间过长，无法解决在一次扫描的过程中发生探测器漂移的情况。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种扫描速度高、减少振动和噪音，机械结构简单、制造成本低的太赫兹人体安检系统，以克服现有技术存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种太赫兹人体安检系统，其包括有：太赫兹人体安检扫描机构，与太赫兹人体安检扫描机构中的太赫兹探测器相连的控制电路板、再与控制电路板相连的工控机以及再与工控机相连的图像显示器；所述太赫兹人体安检扫描机构包括机架、上凹面镜和下凹面镜，所述上凹面镜和所述下凹面镜的焦点位置分别设有太赫兹探测器，其特征在于：所述机架上设有滚筒式多面反射转镜和驱动所述滚筒式多面反射转镜旋转的旋转驱动机构以及驱动所述滚筒式多面反射转镜水平摆动的水平摆动驱动装置，所述上凹面镜和所述下凹面镜分别位于所述滚筒式多面反射转镜的前斜上方和前斜下方并均朝向所述滚筒式多面反射转镜；所述旋转驱动机构与所述水平摆动驱动机构也与所述控制电路板相连。

所述工控机还连接有报警器。

所述滚筒式多面反射转镜由镜架和环绕安装在镜架周面上的多块首尾相接的平面反射镜构成。

在本发明的优选实施方式中，所述滚筒式多面反射转镜为滚筒式六面反射转镜，即镜架周面上安装六块首尾相接的平面反射镜。

在本发明的具体实施方式中，所述水平摆动驱动装置由笼式水平摆动架，通过曲柄连杆机构驱动笼式水平摆动架摆动的摆动用电机构成，所述滚筒式多面反射转镜设于所述笼式水平摆动架上。

在本发明的具体实施方式中，所述笼式水平摆动架中部固定有穿设在镜架内的支撑轴，所述旋转驱动装置为固定在支撑轴上位于镜架内部的旋转用电机，所述旋转用电机驱动所述镜架以支撑轴为中心进行旋转。

所述机架前部设有上、下横梁，所述笼式水平摆动架前部上、下端各设有安装在上、下横梁上的轴部以形成笼式水平摆动架的摆动中心。

所述旋转用电机和所述摆动用电机均连接有角度传感器。这样通过测量滚筒式多面反射转镜的摆动角度和旋转角度与图像像素点的位置坐标来实现重构扫描图像，所述角度传感器还与所述控制电路板相连。所述角度传感器为编码器。

采用上述技术方案，本发明的太赫兹人体安检系统具有扫描速度高、减少振动和噪音，机械结构简单、制造成本低等优点。

另外，本发明还提供一种使用上述太赫兹人体安检系统的安检方法，其特征在于：

控制电路板控制滚筒式多面反射转镜在人体前方中间位置旋转和水平来回摆动，上凹面镜和下凹面镜分别接收所述滚筒式多面反射转镜反射来的上半身和下半身的太赫兹波并聚焦给太赫兹探测器，所述控制电路板实时采集太赫兹探太赫兹波信号和所述滚筒式多面反射转镜的旋转角度、摆动角度并传输给工控机；

工控机建立滚筒式多面反射转镜的各组旋转角度和摆动角度与扫描图像各像素点坐标的一一对应关系；

工控机将各组旋转角度和摆动角度所对应探测到的太赫兹信号转化成图像灰度值并逐点地填充到对应坐标的各像素点从而形成完整扫描图像。

所述滚筒式多面反射转镜的旋转速度和摆动频率的相对快慢可调，优选每来回摆动一次旋转27圈。

为了能够克服太赫兹探测器的输出电压偏移问题，在本发明的人体安检方法中，还让所述滚筒式多面反射转镜的每块平面反射镜在完成对人体扫描后，还对人体外的区域进行扫描，根据太赫兹探测器在人体外的区域内无法接收太赫兹波信号来控制太赫兹探测进行校准。由于校准频率是每旋转扫描人体一次，相当于在一次扫描过程中实时完成，并且不需要占用额外的工作时间。

采用上述安检方法，本发明具有成像图像清楚、变形小且分辨率高的优点，并且实现了扫描一次就实时进行一次太赫兹探测器的校准，不需要占用额外的工作时间，保证了人体安检能够长时间连续进行。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

图1为现有技术的太赫兹人体安检仪的结构示意图；

图2为本发明的系统结构示意图；

图3为太赫兹人体安检扫描机构的结构示意图；

图4为滚筒式多面反射转镜的结构示意图，其内部设有旋转驱动装置；

图5为水平摆动驱动装置的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明太赫兹人体安检系统，包括太赫兹人体安检扫描机构01、控制电路板02、工控机03、图像显示器04以及报警器05。

其中，如图3和图3所示，太赫兹人体安检扫描机构01由机架100、滚筒式多面反射转镜200、上凹面镜301、下凹面镜302、太赫兹探测器、旋转驱动机构400、水平摆动驱动装置500构成。

其中，机架100由四根分立成长矩形框架的立柱101、设于顶部的顶棚102以及设于底部的基台103构成。

在本实施例中，滚筒式多面反射转镜200为滚筒式六面反射转镜，水平安装在机架100的中部，由六面体的镜架201和环绕安装在镜架201周向六个平面上六块首尾相接的平面反射镜202构成。旋转驱动机构400位于镜架201内。

图3结合图5所示，水平摆动驱动装置500由摆动用电机501、笼式水平摆动架502、曲柄连杆机构503构成。曲柄连杆机构503由转盘531和连杆532构成。

机架100后部的两根立柱之间固定有支撑板511,支撑板511上固定有垫板512，在垫板512的下端连接有与垫板512垂直的端板513，摆动用电机501被固定在端板513下方，其输出轴向上穿过端板513。垫板512的上部固定有第一轴承座514，该轴承座514内设置有第一转轴，第一转轴的上端连接在转盘531的中心，下端通过联轴器连接摆动用电机501的输出轴，摆动用电机501还设有第一编码器517。连杆532的一端铰链在转盘531偏离中心的盘面边缘。

再如图3所示，笼式水平摆动架502整体为菱形结构，有上、下菱形的端框521，连接在上、下端框521之间的多根支撑杆522以及中部连接多根支撑杆522且前部开口的固定框构成523。

机架100前部的两根立柱之间上下各固定一根横梁520。笼式水平摆动架502的上、下端框的前端各具有轴部524，分别枢设在在上、下横梁上的中心位置而形成笼式水平摆动架502的摆动中心，连杆532的另一端铰链在下部端框521的侧部边缘。

再如图4所示，笼式水平摆动架502的两侧支撑杆522中部之间通过夹块5221固定有横向设置的支撑轴203，滚筒式六面反射转镜的镜架201安装在支撑轴203上，可以绕支撑轴203滚动。

旋转驱动机构400安装在镜架201的内部，用于驱动镜架201绕支撑轴203滚动。旋转驱动机构400包括底座401、旋转用电机402、第二轴承座403、第二转轴、第二编码器406、主动齿轮407和从动齿轮408。其中，旋转用电机402和第二轴承座403固定在底座401内，第二转轴404安装在第二轴承座403内，其一端通过联轴器与旋转用电机402前端的输出轴连接，另一端安装上主动齿轮407，从动齿轮408固定在镜架201其中一个端面内部并与主动齿轮407啮合。第二编码器406则安装在旋转用电机402后端的输出轴上。这样，通过旋转用步进电机402的驱动，可以使得滚筒式六面反射转镜绕支撑轴203滚动。

再如图3所示，上凹面镜301固定在顶棚102上且位于滚筒式六面反射转镜的前斜上方，下凹面镜302固定在基台103上且位于滚筒式六面反射转镜的前斜下方。太赫兹探测器有两个，其中上太赫兹探测器3031固定在顶棚102上且位于上凹面镜301的焦点位置，下太赫兹探测器3032固定在基台103上且位于下凹面镜302的焦点位置。

在基台103上位于机架100的前方位置还设有供被测人员站立的站台104。

上述摆动用电机501和旋转用电机402优选采用步进电机。本发明中采用的太赫兹人体安检扫描机构，其与现有的太赫兹人体安检扫描机构相比具有如下的特点：

用中间横放的滚筒式六面反射转镜解决了人体上半身和下半身的扫描，而不是像以往用上下两套完全一样的光路系统负责人体的上下半身扫描，依据人体高度尺寸大于宽度的特点，以及滚筒式六面反射转镜滚动旋转扫描范围大的特点，将原先的单镜左右往复摆动扫描变为绕其轴心自转的多镜面上下扫描，这样，由单镜变为多镜，往复运动变成连续回转运动，从而达到效率成倍提高和运转平稳无冲击，易于提速的目的，且噪音低。

六面体的镜架201周向每个面都设有平面反射镜，由旋转用电机驱动滚筒式六面反射转镜绕轴心滚动旋转。滚筒式六面反射转镜前斜上方上凹面镜和前下方位置的下凹面镜的作用是接收各镜面反射的人体太赫兹波，分别聚焦到各自凹面镜焦点处的太赫兹探测器上，上凹面镜和下凹面镜各自负责上半身和下半身的光线,形成一列人体全高度的扫描。滚筒式六面反射转镜从左摆到右，就完成人体宽度方向的扫描，下次扫描则从右再摆到左，完成下下次人体宽度方向的扫描；滚筒式六面反射转镜的摆动由摆动用电机驱动曲柄连杆机构达成；比丝杆的直线往复运动的效率高，速度快，结构简单，造价低。

再如图2所示，太赫兹人体安检扫描机构01中的旋转用电机402、摆动用电机、上太赫兹探测器3031、下太赫兹探测器3032、第一编码器517、第二编编码器406均与控制电路板02连接，控制器电路板02再连接工控机03，图像显示器04和报警器05也与工控机03相连接。

其中，控制电路板02的功能是控制旋转电机402和摆动用电机501来驱动滚筒式多面反射转镜200转动和摆动以完成对人体扫描，采集太赫兹探测器的太赫兹波信号数据和编码器的角度数据并传输数据到工控机，工控机03的功能是重建图像、通过图像处理识别出危险物品并报警。

因此，从上述详细描述可以看出，本发明的太赫兹人体安检系统具有扫描速度高、减少振动和噪音，机械结构简单、制造成本低等优点。

另外，本发明使用上述太赫兹人体安检系统的安检方法的过程为：

控制电路板控制滚筒式多面反射转镜在人体前方中间位置旋转和水平来回摆动，上凹面镜和下凹面镜分别接收所述滚筒式多面反射转镜反射来的上半身和下半身的太赫兹波并聚焦给太赫兹探测器，所述控制电路板实时采集太赫兹探太赫兹波信号和所述滚筒式多面反射转镜的旋转角度、摆动角度并传输给工控机；

工控机建立滚筒式多面反射转镜的各组旋转角度和摆动角度与扫描图像各像素点坐标的一一对应关系；

工控机将各组旋转角度和摆动角度所对应探测到的太赫兹信号转化成图像灰度值并逐点地填充到对应坐标的各像素点从而形成完整扫描图像。

滚筒式多面反射转镜优选的旋转速度和摆动频率的相对快慢可调，优选每来回摆动一次旋转27圈。

为了能够克服太赫兹探测器的输出电压偏移问题,在本发明的人体安检方法汇总，让所述滚筒式多面反射转镜的每块平面反射镜在完成对人体扫描后，还对人体外的区域进行扫描，根据太赫兹探测器在人体外的区域内无法接收太赫兹波信号来控制太赫兹探测进行校准。

以上述滚筒式六面反射转镜为例，每个平面反射镜扫描一次是旋转60度，其中0-26°范围内能够扫描到人体，扫描点在成像区域内扫描，接收到人体发出的太赫兹波信号，可以利用采集到太赫兹波信号进行图像重建。当平面反射镜旋转超过26°，扫描点随之移动到成像区域之外，并且到达一个区域，该区域由于扫描结构的屏蔽作用可以很好的遮挡人体发射的太赫兹波，太赫兹探测器无法探测到太赫兹波信号，从而控制用于校准探测器自身的漂移。

由于校准频率是每旋转一块平面反射镜扫描人体一次，相当于在一次扫描过程中实时完成，并且不需要占用额外的工作时间。

采用上述安检方法，本发明具有成像图像清楚、变形小且分辨率高的优点，并且实现了扫描一次就实时进行一次太赫兹探测器的校准，不需要占用额外的工作时间，保证了人体安检能够长时间连续进行。

Claims (10)

1.一种太赫兹人体安检系统，其包括有：太赫兹人体安检扫描机构，与太赫兹人体安检扫描机构中的太赫兹探测器的控制电路板、再与控制电路板相连的工控机以及再与工控机相连的图像显示器；所述太赫兹人体安检扫描机构包括机架、上凹面镜和下凹面镜，所述上凹面镜和所述下凹面镜的焦点位置分别设有太赫兹探测器，其特征在于：

所述机架上设有滚筒式多面反射转镜和驱动所述滚筒式多面反射转镜旋转的旋转驱动机构以及驱动所述滚筒式多面反射转镜水平摆动的水平摆动驱动装置，所述上凹面镜和所述下凹面镜分别位于所述滚筒式多面反射转镜的前斜上方和前斜下方并均朝向所述滚筒式多面反射转镜，所述旋转驱动机构与所述水平摆动驱动机构也与所述控制电路板相连。

2.根据权利要求1所述的太赫兹人体安检系统，其特征在于：所述工控机还连接有报警器。

3.根据权利要求1所述的太赫兹人体安检系统，其特征在于：所述滚筒式多面反射转镜由镜架和环绕安装在镜架周面上的多块首尾相接的平面反射镜构成。

4.根据权利要求3所述的太赫兹人体安检系统，其特征在于：所述滚筒式多面反射转镜为滚筒式六面反射转镜。

5.根据权利要求3所述的太赫兹人体安检系统，其特征在于：所述水平摆动驱动装置由笼式水平摆动架，通过曲柄连杆机构驱动笼式水平摆动架摆动的摆动用电机构成，所述滚筒式多面反射转镜设于所述笼式水平摆动架上，所述摆动用电机连接所述控制电路板。

6.根据权利要求5所述的太赫兹人体安检系统，其特征在于：所述笼式水平摆动架中部固定有穿设在镜架内的支撑轴，所述旋转驱动装置为固定在支撑轴上位于镜架内部的旋转用电机，所述旋转用电机驱动镜架以支撑轴为中心进行旋转，所述旋转用电机连接所述控制电路板。

7.根据权利要求6所述的太赫兹人体安检系统，其特征在于：所述旋转用电机和所述摆动用电机均连接有角度传感器，所述角度传感器均连接所述控制电路板。

8.一种太赫兹人体安检方法，其特征在于：使用如权利要求1所述的太赫兹人体安检系统，其安检过程为：

控制电路板控制滚筒式多面反射转镜在人体前方中间位置旋转和水平来回摆动，上凹面镜和下凹面镜分别接收所述滚筒式多面反射转镜反射来的上半身和下半身的太赫兹波并聚焦给太赫兹探测器，所述控制电路板实时采集太赫兹探太赫兹波信号和所述滚筒式多面反射转镜的旋转角度、摆动角度并传输给工控机；

工控机建立滚筒式多面反射转镜的各组旋转角度和摆动角度与扫描图像各像素点坐标的一一对应关系；

工控机将各组旋转角度和摆动角度所对应探测到的太赫兹信号转化成图像灰度值并逐点地填充到对应坐标的各像素点从而形成完整扫描图像。

9.根据权利要求8所述的太赫兹人体安检方法，其特征在于：所述滚筒式多面反射转镜的每来回摆动一次旋转27圈。

10.根据权利要求8所述的太赫兹人体安检方法，其特征在于：让所述滚筒式多面反射转镜的每块平面反射镜在完成对人体扫描后，还对人体外的区域进行扫描，根据太赫兹探测器在人体外的区域内无法接收太赫兹波信号来控制太赫兹探测进行校准。