CN106918843A - 一种基于被动式太赫兹成像的视频速度扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于被动式太赫兹成像的视频速度扫描系统，包括采集被扫描物体的第一楔形镜、第二楔形镜和馈源天线，所述楔形镜有平面底面和与其相对的楔面反射面；所述系统还包括有介质透镜，所述第二楔形镜垂直设置在第一楔形镜的下侧接收第一楔形镜的反射扫描光信息，所述介质透镜垂直设置在第一楔形镜和第二楔形镜之间，用于聚光第一楔形镜的反射光信息投射到第二楔形镜，介质透镜的光线投射传输方向与地面垂直，所述馈源天线用于接收第二楔形镜反射的光信息。本发明改善了太赫兹波段近距离被动安检成像时间较长的缺点，采用介质透镜、双旋转楔面镜及探测器阵列结合的方式实现高分辨率快速的视频速度扫描；控制简单，精度高，适用于近距离太赫兹安检成像领域。

Description

一种基于被动式太赫兹成像的视频速度扫描系统

技术领域

本发明涉及一种基于被动式太赫兹成像的视频速度扫描系统。

背景技术

近些年来，国内外公共场所受到的安全威胁不断增加，公共安全问题备受关注。传统的光学、红外、X射线以及金属探测的安检系统不能检测一些潜在的隐匿物品，尤其是一些非金属武器等，因此对于人体及随带物品的安检问题亟需解决。随着成像技术的快速发展，国际安检系统的检测性能取得了突破性进展，该系统工作频段主要在毫米波及太赫兹波段范围内。

毫米波（MMW）与低频率的太赫兹（THz）波波长较长，具有更强的穿透能力与绕射能力，并且可以提供较高的分辨率，可以穿透人体衣物，检测出隐匿的金属/非金属武器、液体爆炸物、生物/化学违禁物等危险物品。在MMW与THz波成像系统中主要分为主动成像系统和被动成像系统，主动成像系统需要辐射源，一般具有较高的动态探测范围且能够实现3D成像，但辐射源对人体辐射作用以及涉及个人隐私问题，使得主动成像系统不能被人们很好的接受。被动成像系统不需要发射源，依靠人体及其他物品向外辐射电磁波，而由于不同的物体与人体的辐射温度的对比度不同，通过探测器来探测不同物体的电磁辐射，进行处理分析得到图像。相比于主动成像系统，被动成像系统设计较为复杂，灵敏度相对较低，但是其不存在辐射源，具有隐蔽和清洁的特点，成像不存在闪烁效应，不易受极化和边缘散射的影响，并且隐匿物体容易被无源成像方式探测到。因此，近几年，该领域的国内外研究学者深入研究快速、高空间分辨率的被动安检成像技术，并取得了一定的进展。英国的Thruvision，美国的Millitech,Brijot, Millisision,Trex Enterprise，日本的NEC等公司在被动安检成像方面已经取得一定的研究成果，国内诸如中电38所，首都师范大学以及航天一些科研院所在被动安检成像的研究中也取得了很大的进步。然而，目前可实际应用于海关、机场、地铁安检等公共场所的被动THz/MMW成像安检设备还存在成像时间较长、空间分辨率低、成本高等问题，导致技术研究产品化发展缓慢。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于被动式太赫兹成像的视频速度扫描系统，实现提高成像速度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于被动式太赫兹成像的视频速度扫描系统，包括采集被扫描物体的第一楔形镜、第二楔形镜和馈源天线，所述楔形镜有楔面反射面和与其相对的平面底面；其中，所述系统还包括有介质透镜，所述第二楔形镜垂直设置在第一楔形镜的下侧接收第一楔形镜的反射扫描光信息，所述介质透镜垂直设置在第一楔形镜和第二楔形镜之间，用于聚光第一楔形镜的反射光信息投射到第二楔形镜，介质透镜的光线投射传输方向与地面垂直，所述馈源天线用于接收第二楔形镜反射的光信息。

方案进一步是：所述第一楔形镜楔面反射面用于对被扫描物体进行横场方向的扫描，所述第二楔形镜楔面反射面用于纵向扫描接收和反射介质透镜的透射光信息。

方案进一步是：所述第一楔形镜楔面反射面中心与被扫描物体水平距离为1.20m，第一楔形镜楔面反射面与被扫描物体到地面垂直面的初始倾斜夹角是35度，所述介质透镜中心与第一楔形镜楔面反射面中心直线距离是0.42m，所述介质透镜中心与第二楔形镜楔面反射面中心直线距离是0.60m，第二楔形镜楔面反射面与地面垂直倾斜夹角是45度，所述馈源天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面中心与第二楔形镜楔面反射面中心的直线距离为0.658m。

方案进一步是：所述介质透镜的介质是聚乙烯或聚四氟乙烯，介质透镜的通光孔径是560mm；所述第一楔形镜的孔径是600mm，所述第二楔形镜的孔径是500 mm，所述第一楔形镜和第二楔形镜的楔面反射面与平面底面的夹角是10度。

方案进一步是：所述喇叭馈源阵列包括对角喇叭天线，所述对角喇叭天线有9个，9个对角喇叭天线分三排，每排3个、列向交错排列设置在一个平板上，9个对角喇叭天线与功分器连接，所述功分器为9波导结构，所述9波导结构与所述9个对角喇叭天线相对应分为三组波导，每一组波导有三个波导输入接口和三个波导输出接口，三组波导的9个波导输入接口与三排9个对角喇叭天线顺序排列相同垂直于平板端面直线连接在对角喇叭天线的输出接口上。

方案进一步是：所述功分器设置有波导损耗引导输出结构，所述波导损耗引导输出结构是：将所述三组波导中每一组波导的三个相邻波导输入接口和对应的三个相邻波导输出接口分别顺序为第一波导输入接口、第二波导输入接口和第三波导输入接口以及第一波导输出接口、第二波导输出接口和第三波导输出接口，其中，第一波导输入接口和第二波导输入接口波导连接后再与第三波导输入接口波导连接，然后三组波导输入接口相互波导连接；第一波导输出接口和第二波导输出接口波导连接后再与第三波导输入出接口波导连接，然后三组波导输出接口相互波导连接；将三组波导输入接口相互波导连接端和三组波导输出接口相互波导连接端进行波导连接后作为功分器波导损耗引导输出端。

方案进一步是：所述对角喇叭天线的喇叭内口径是12.8 mm ×14.6mm的矩形喇叭口，所述波导的输入接口和所述对角喇叭天线的输出接口是标准W频段波导口。

方案进一步是：所述每排3个对角喇叭天线之间的间距是35mm，排与排之间的垂直距离是35mm。

本发明改善了太赫兹波段近距离被动安检成像时间较长的缺点，采用介质透镜、双旋转楔面镜及探测器阵列结合的方式实现高分辨率快速的视频速度扫描；控制简单，精度高，适用于近距离太赫兹安检成像领域。

下面结合附图和实施例对发明作一详细描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明馈源天线结构示意图；

图3为本发明功分器波导结构示意图。

具体实施方式

一种基于被动式太赫兹成像的视频速度扫描系统，如图1所示，所述系统包括采集被扫描物体1的第一楔形镜2、第二楔形镜3和馈源天线4，所述楔形镜有平面底面201、301和与其相对的楔面反射面202、302；其中，所述系统还包括有介质透镜5，所述第二楔形镜垂直设置在第一楔形镜的下侧接收第一楔形镜的反射扫描光信息，所述介质透镜垂直设置在第一楔形镜和第二楔形镜之间，用于聚光第一楔形镜的反射光信息投射到第二楔形镜，介质透镜的光线投射传输方向与地面垂直，所述馈源天线用于接收第二楔形镜反射的光信息。

实施例中：所述第一楔形镜楔面反射面朝向被扫描物体1和介质透镜用于对被扫描物体进行横场方向的扫描，并将信息反射到介质透镜5，所述第二楔形镜楔面反射面朝向介质透镜和馈源天线4用于接收和反射介质透镜的透射光信息，并将光信息传送至馈源天线。

实施例中：所述第一楔形镜楔面反射面中心与被扫描物体水平距离为1.20m，第一楔形镜楔面反射面与被扫描物体到地面垂直面的初始倾斜夹角a是35度，所述介质透镜中心与第一楔形镜楔面反射面中心直线距离是0.42m，所述介质透镜中心与第二楔形镜楔面反射面中心直线距离是0.60m，第二楔形镜楔面反射面与地面垂直倾斜夹角b是45度，所述馈源天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面中心与第二楔形镜楔面反射面中心的直线距离为0.658m。

实施例中：所述介质透镜的介质是聚乙烯或聚四氟乙烯，介质透镜的通光孔径是560mm；所述第一楔形镜的孔径是600mm，所述第二楔形镜的孔径是500 mm，所述第一楔形镜和第二楔形镜的楔面反射面与平面底面的夹角是10度。

实施例中位于介质透镜前端的第一楔形镜对被测物体进行横向方向的扫描，并将相应THz反射至介质透镜。介质透镜用于会聚高斯光束，并将其传输至位于介质透镜与接收天线之间的第二楔形镜，第二楔形镜纵向方向的扫描；第二楔形镜在完成纵向扫描的同时，将光信息反射至馈源接收天线阵列，最终由探测器接收。第一楔形镜和第二楔形镜协同工作完成对被测物体二维方向的扫描；所述第一楔形镜和第二楔形镜分别由直流电机带动旋转。

所述楔面镜1、3的楔面与其另一平面的夹角、即楔角都是10度。

方案进一步是：所述介质透镜的通光孔径是560mm，所述位于介质透镜前端的旋转楔面镜1的孔径是600mm，所述位于介质透镜前端以及介质透镜与接收天线之间的楔面镜3的孔径是500 mm。

介质透镜镜面与竖直方向的夹角为90°垂直固定，安装过程中可以安装五维调整架进行位置的微调聚焦。该介质透镜主要目的是实现高斯光束的聚焦。

实施例采用介质透射组件实现低损耗的空间传输和控制高斯光束实现聚焦，而且利用双楔面反射镜旋转与多通道探测器阵列形式的结合，可以进一步提高近距离高空间分辨率的成像速度，其成像速度可以达到20帧/s的视频速度。

实施例由两个位置不同的楔面镜分别旋转扫描完成，不存在传统扫描元件的往复加减速运动，可以保持很高的元件转动速度，进而提高成像速度。旋转式的扫描方式不仅解决了往复摆动存在加减速扫描时间长的问题，还在一定程度上减少了机械振动，提高了系统的稳定性。并且该扫描系统结合多通道接收机阵列方式，可以很好地覆盖待测目标区域。因此，该扫描天线系统成像速度可以达到20帧/s的视频速度，此高分辨率快速成像的特性可应用于毫米波/太赫兹波段安检成像设备中，可以对藏在人体衣物中的一些非金属武器等一些违禁品进行有效的检测成像，具有很大的应用价值。

实施例中，如图2所示，馈源天线包括喇叭馈源阵列和功分器6；所述喇叭馈源阵列包括对角喇叭天线7，所述对角喇叭天线有9个，9个对角喇叭天线分三排，每排3个、列向交错排列设置在一个平板8上，9个对角喇叭天线与功分器连接，如图3所示，所述功分器为9波导结构，所述9波导结构与所述9个对角喇叭天线相对应分为三组波导，每一组波导有三个波导输入接口601和三个波导输出接口602，三组波导的9个波导输入接口与三排9个对角喇叭天线顺序排列相同垂直于平板端面直线连接在对角喇叭天线的输出接口上；所述对角喇叭天线和功分器被安装固定在一个支架上，所述支架是由相互垂直设置的两个平板组成的“L”型直角支架，所述对角喇叭天线固定在一个所述平板8上，所述功分器固定在另一个平板9上。

实施例中：如图3所示，：所述功分器设置有波导损耗引导输出结构，所述波导损耗引导输出结构是：将所述三组波导中每一组波导的三个相邻波导输入接口和对应的三个相邻波导输出接口分别顺序为第一波导输入接口601-1、第二波导输入接口601-2和第三波导输入接口601-3以及第一波导输出接口602-1、第二波导输出接口602-2和第三波导输出接口602-3，由于功分器内部存在单独损耗波导传输结构，因此：其中，第一波导输入接口和第二波导输入接口连接后再与第三波导输入接口连接，然后三组波导输入接口相互波导连接；第一波导输出接口和第二波导输出接口波导连接后再与第三波导输入出接口波导连接，然后三组波导输出接口相互波导连接；将三组波导输入接口相互波导连接端和三组波导输出接口相互波导连接端进行波导连接后作为功分器波导损耗引导输出端603。每组波导之间以及各组内部3个波导相互独立、并行工作。各输入端和输出端601和602针对不同馈源天线所接收到不同信号强度差异，通过功分器内部各相应损耗波导结构的不同弥补，多余损耗通过603输出。

实施例中：所述对角喇叭天线的喇叭内口径是12.8 mm ×14.6mm的矩形喇叭口，所述波导的输入接口和所述对角喇叭天线的输出接口是标准W频段波导口。

实施例中：所述每排3个对角喇叭天线之间的间距是35mm，排与排之间的垂直距离是35mm。

上述实施例聚焦器件采用大口径介质透镜，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，透镜的口面直径采用3ω（ω为高斯波束半径），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。扫描系统采用双楔面镜旋转的扫描方式，即位于介质透镜前端的第一楔面镜用于对被测物体进行横向方向的扫描，位于介质透镜与接收天线之间的第二楔面镜用于纵向方向的扫描，；并且采用9通道3×3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，二维机械扫描为横纵向旋转椭圆锥扫描，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。聚焦器件同样选择透镜——介质透镜，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。

两旋转楔面镜分别围绕各自旋转轴，通过连续的匀速旋转分别实现对横向和纵向方向的扫描。

实施例中的接收天线馈源阵列与竖直方向的夹角为90°固定。成像的视场范围为160×80cm，探测器9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3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。

实施例对待测目标80cm×160cm范围的完整扫描，则需要双楔面镜扫描速度的匹配，因此机械控制系统很重要。为保证同步的控制，旋转镜的转动通过转速不同的电机的分别进行匀速转动控制，从而进行横向、竖直方向的分别扫描。二维方向的扫描方式采用转速不同的旋转扫描，椭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。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。

实施例选择双楔面的旋转，即二维椭圆锥式的扫描方式，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，因椭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3×3交错式阵列的排布方式。

Claims (8)

1.一种基于被动式太赫兹成像的视频速度扫描系统，包括采集被扫描物体的第一楔形镜、第二楔形镜和馈源天线，所述楔形镜有楔面反射面和与其相对的平面底面；其特征在于，所述系统还包括有介质透镜，所述第二楔形镜垂直设置在第一楔形镜的下侧接收第一楔形镜的反射扫描光信息，所述介质透镜垂直设置在第一楔形镜和第二楔形镜之间，用于聚光第一楔形镜的反射光信息投射到第二楔形镜，介质透镜的光线投射传输方向与地面垂直，所述馈源天线用于接收第二楔形镜反射的光信息。

2.根据权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，所述第一楔形镜楔面反射面用于对被扫描物体进行横场方向的扫描，所述第二楔形镜楔面反射面用于纵向扫描接收和反射介质透镜的透射光信息。

3.根据权利要求2所述的扫描系统，其特征在于，所述第一楔形镜楔面反射面中心与被扫描物体水平距离为1.20m，第一楔形镜楔面反射面与被扫描物体到地面垂直面的初始倾斜夹角是35度，所述介质透镜中心与第一楔形镜楔面反射面中心直线距离是0.42m，所述介质透镜中心与第二楔形镜楔面反射面中心直线距离是0.60m，第二楔形镜楔面反射面与地面垂直倾斜夹角是45度，所述馈源天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面中心与第二楔形镜楔面反射面中心的直线距离为0.658m。

4.根据权利要求1或2或3所述的扫描系统，其特征在于，所述介质透镜的介质是聚乙烯或聚四氟乙烯，介质透镜的通光孔径是560mm；所述第一楔形镜的孔径是600mm，所述第二楔形镜的孔径是500 mm，所述第一楔形镜和第二楔形镜的楔面反射面与平面底面的夹角是10度。

5.根据权利要求3所述的扫描系统，其特征在于，所述喇叭馈源阵列包括对角喇叭天线，所述对角喇叭天线有9个，9个对角喇叭天线分三排，每排3个、列向交错排列设置在一个平板上，9个对角喇叭天线与功分器连接，所述功分器为9波导结构，所述9波导结构与所述9个对角喇叭天线相对应分为三组波导，每一组波导有三个波导输入接口和三个波导输出接口，三组波导的9个波导输入接口与三排9个对角喇叭天线顺序排列相同垂直于平板端面直线连接在对角喇叭天线的输出接口上。

6.根据权利要求5所述的对角喇叭天线阵列，其特征在于，所述功分器设置有波导损耗引导输出结构，所述波导损耗引导输出结构是：将所述三组波导中每一组波导的三个相邻波导输入接口和对应的三个相邻波导输出接口分别顺序为第一波导输入接口、第二波导输入接口和第三波导输入接口以及第一波导输出接口、第二波导输出接口和第三波导输出接口，其中，第一波导输入接口和第二波导输入接口波导连接后再与第三波导输入接口波导连接，然后三组波导输入接口相互波导连接；第一波导输出接口和第二波导输出接口波导连接后再与第三波导输入出接口波导连接，然后三组波导输出接口相互波导连接；将三组波导输入接口相互波导连接端和三组波导输出接口相互波导连接端进行波导连接后作为功分器波导损耗引导输出端。

7.根据权利要求5所述的对角喇叭天线阵列，其特征在于，所述对角喇叭天线的喇叭内口径是12.8mm×14.6mm的矩形喇叭口，所述波导的输入接口和所述对角喇叭天线的输出接口是标准W频段波导口。

8.根据权利要求5所述的对角喇叭天线阵列，其特征在于，所述每排3个对角喇叭天线之间的间距是35mm，排与排之间的垂直距离是35mm。