一种阵面扫描装置、以及安检系统

技术领域

本发明涉及活体安检领域，特别地，涉及一种阵面扫描装置。

背景技术

在安检领域中，按照被检目标的生物性，分为活体安检和非活体安检，其中，活体安检主要是针对人体检测，非活体安检主要针对行李、包裹等。由于活体安检需要避免对活体造成损害，所采用的检测技术主要有金属探测、X光技术(例如，X光背散射技术、X光透射技术)、毫米波全息成像等技术。金属探测仅仅能探测隐匿的金属目标，并且只能报警不能成像，需要手检人员搜身配合。X光技术由于其电离性辐射特性，对安检操作人员和被检活体有危害，在很多场合受限使用。毫米波全息成像技术使用安全的非电离辐射电波进行被检目标全息成像，不仅可以检测出隐匿在织物下的金属物体，还可以检测出塑料手枪、炸药等危险品，该技术由于可三维成像获得更加详尽的准确信息，便于计算机辅助识别。

按照对反射波扫描的方式，毫米波全息成像技术可以包括平面扫描和圆柱形扫描。参见图1所示，图1为平面扫描和圆柱形扫描的一种示意图，左图表示圆柱形扫描，右图表示平面扫描，右图中，以人体为例，从人体的左侧到右侧为宽度方向，从人体的脚部到头部为高度方向，从人体的前胸到后背为厚度方向，垂直于收发天线阵列所形成的扫描平面的方向为距离向，平行于扫描平面的方向为方位向，即人体宽度方向和高度方向所确定的平面的方向。圆柱形扫描是通过收发天线阵列围绕被检目标做匀速圆周运动、从而接收被检目标的反射波；平面扫描是通过收发天线阵列平行于被检目标的方位向做匀速直线运动，从而接收被检目标的反射波。

无论是采用圆柱形扫描的安检设备，还是平面扫描的安检设备，都需要等待被检目标站姿配合好后，才开始进行扫描，这导致收发天线阵列在扫描开始时要加速运动，在扫描结束时要减速运动，不仅存在行程限制，也导致安检时间过长。

发明内容

本发明提供了一种阵面扫描装置，以提高安检的效率。

本发明提供的一种阵面扫描装置，该装置包括，

具有转轴、以及沿转轴的径向方向布设的至少两个接收天线阵元的接收天线阵列，所述接收天线阵列被驱动围绕转轴旋转，用于接收由固定于接收天线阵列旋转而形成的圆周包络边界的至少一个发射天线阵元所发射的发射波被被检目标反射而形成的反射波信号。

较佳地，所述至少两个接收天线阵元在转轴的径向方向上位于转轴的同侧，或者，沿转轴的径向方向相对于转轴对称分布。

较佳地，相邻两接收天线阵元间隔相等，该间隔大于等于发射波波长。

较佳地，所述至少一个发射天线阵元在被检目标高度方向上左右对称地分布于接收天线阵列旋转而形成的圆周包络边界。

较佳地，所述圆周包络边界为与接收天线阵列旋转而形成的圆周外切的直线线段首尾相连的封闭多边形。

较佳地，所述圆周包络边界为以转轴为圆心、半径大于接收天线阵列旋转半径的封闭圆周。

较佳地，所述至少一个发射天线阵元中每个发射天线阵元分别具有使得发射波束朝向被检目标场景中心的朝向。

较佳地，发射天线阵元所发射的发射波信号为步进频信号或者扫频连续波信号。

较佳地，所述至少一个发射天线阵元中的每个发射天线阵元分时发射包括至少一个频率的发射信号；

在每个发射天线阵元依次完成发射的发射周期内，所有接收天线阵元同时接收；每个发射周期结束后，所有发射天线阵元进入等待状态，直至接收天线阵列相对上一发射周期旋转了n度，所有发射天线阵元进入下一发射周期，以进行该发射周期的发射波发射，

其中，n小于等于1度。

本发明还提供一种安检系统，，该系统包括如上述任一所述阵面扫描装置。

本发明另提供一种接收模组，，所述接收模组包括如上述任一所述阵面扫描装置。

本发明再一种发射模组，所述发射模组包括至少一个发射天线阵元，所述发射天线阵元固定于接收天线阵列旋转而形成的圆周包络边界。

较佳地，所述至少一个发射天线阵元中的每个发射天线阵元分时发射包括至少一个频率的发射信号；

在每个发射天线阵元依次完成发射的发射周期内，所有接收天线阵元同时接收；每个发射周期结束后，所有发射天线阵元进入等待状态，直至接收天线阵列相对上一发射周期旋转了n度，所有发射天线阵元进入下一发射周期，以进行该发射周期的发射波发射，

其中，n小于等于1度。

本发明提供的阵面扫描装置，布设有接收天线阵元接收天线阵列围绕转轴旋转，发射天线阵元(阵列)固定于接收天线阵列旋转而形成的圆周包络边界，相比于传统的收发一体的天线阵列，减少了天线阵列的重量，有利于接收天线的旋转运动；接收天线阵列旋转形成圆形扫描阵面，一方面使得接收天线阵列可以持续旋转而不受限于行程限制，进而避免了安检设备停机和扫描过程中的加减速，从而既提高了安检的效率，又可以减少安检系统的传动部件，简化了安检系统的整体结构，易于安检系统的维护，另一方面有利于提高被检目标的侧面等盲区的扫描信号的稳定性，在扫描过程中对被检目标的姿态无特定要求，从而有利于提高安检效率；发射天线阵元(阵列)独立于接收天线阵列本体而固定安装，有利于从发射阵元的分布、数量、朝向等灵活设计，来减少数据获取时间，提高扫描的精确性，从而提高图像分辨率和/或成像质量。

附图说明

图1为平面扫描和圆柱形扫描的一种示意图。

图2a和2b为本申请接收天线阵列的一种示意图。

图3a-3f为发射天线阵元均匀分布于圆周包络边界的示意图。

图4为毫米波人体安检成像重点盲区的一种示意图。

图5为优化天线发射波束的天线阵列的一种示意图。

图6为被检目标为人体的现有平面扫描轨迹和人体姿态一种示意图。

图7为本申请圆周扫描轨迹和人体姿态的一种示意图。

图8为基于优化天线发射波束的发射天线阵列的圆周扫描轨迹和人体姿态的一种示意图。

图9为发射天线阵列和接收天线阵列的一种时序关系示意图。

图10为成像视场模型的一种示意图。

图11为本申请成像方法的一种流程示意图。

图12为本申请圆周扫描阵面扫描点和其等效阵面扫描点的一种示意图。

图13为本申请安检系统的一种示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术手段和优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请做进一步详细说明。

本申请的构思是，具有转轴、以及沿转轴的径向方向布设的至少两个接收天线阵元的接收天线阵列，围绕转轴进行圆周运动(旋转)而扫描反射波信号，所述反射波由均匀分布于接收天线阵列旋转而形成的圆周包络边界的至少一个发射天线阵元所发射的波束被被检目标反射而形成，基于所扫描的反射波信号进行全息成像，其中，所述至少两个接收天线阵元沿转轴的径向方向相对于转轴的对称分布，或者，至少两个接收天线阵元在转轴的径向方向上位于转轴的同侧。这样，在接收天线阵列完成一旋转周期所形成的接收周期内，扫描平面中的扫描点集合可以等效为行方向和列方向上等间隔分布的扫描点阵列，基于该等效阵面进行成像。较佳地，所述各个发射天线阵元均匀固定于接收阵元圆周平面运动所形成的圆周，并依次分时发射波束。

参见图2a、2b所示，图2a和2b为本申请接收天线阵列的一种示意图。接收天线阵列具有一转轴，在动力驱动下使得接收天线阵列围绕转轴进行逆时针(或顺时针)旋转，从而实现圆周平面扫描。接收天线阵列包括至少一排接收天线阵元，每排至少包括至少两个接收天线阵元，沿转轴的径向方向相对于转轴的对称分布(如图2a)，或者，至少两个接收天线阵元在转轴的径向方向上位于转轴的同侧(如图2b)。由于本申请发射天线阵元不进行旋转，每排相邻两接收天线阵元之间的间隔可以大于等于一个中心工作波长(发射信号波长)λ。

例如，接收天线阵列为一线阵，假设整条线阵1米长、中心工作波长是10mm，那么一条线阵上最多有100个接收阵元，这样，较大的接收天线阵元间隔有利于减少接收天线阵元的数量，从而有利于接收天线阵列的轻量化，接收天线阵列易于旋转运动。鉴于多排的接收天线阵元对于成像质量并无明显的提升，较佳地，接收天线阵列为线阵，即，仅包含一排等间隔分布的阵元。

在接收天线阵列旋转的圆周平面上，布设有固定的至少一个发射天线阵元，较佳地，增加照射到被检目标的发射天线阵元的数量，将有利于提高成像的分辨率，多个发射天线阵元沿圆周包络边界均匀地布设，以便于发射波束均匀地照射到整个场景，提高成像质量。

参见图3a-3f所示，图3a-3f为发射天线阵元均匀分布于圆周包络边界的示意图，图中，示出了发射天线阵元数量为3、4、m时的分布，3e、3f为发射天线阵元数量为m的一种示意，圆周包络边界可以由若干与接收天线阵列旋转而形成的圆周外切的直线线段首尾相接而形成的封闭多边形，如图3a-3e所示的正多边形，也可以为以转轴为圆心、半径大于接收天线阵列旋转半径的封闭圆周，如图3f。较佳地，发射天线阵元在被检目标高度方向上左右对称。所应理解的是，当发射天线阵元为多个时，这些发射天线阵元均匀分布地排列也可理解为发射天线阵列。

根据毫米波雷达成像特性，被检目标上任意一空间点的成像分辨率由能够照射到该点的所有发射天线阵元的尺寸决定。在现有的平面扫描和圆柱形扫描方式中，受限于发射天线阵列的尺寸和波束宽度，平面扫描在身体侧边分辨率较差，圆柱形扫描在大腿内侧分辨率较差，参见图4所示，图4为毫米波人体安检成像重点盲区的一种示意图，图中，短粗实线表示盲区的位置。

为了进一步地提高图像分辨率，对于发射天线阵列，可以调整各个发射天线阵元的发射波束朝向，使得更多的发射波束到达场景中心。参见图5所示，图5为优化天线发射波束的天线阵列的一种示意图。以一排发射天线阵元为例，例如图3e中多边形一边的发射天线阵元，位于该边中部的发射天线阵元的发射波束朝向垂直于接收天线阵列旋转的圆周平面，位于该边中部以外的两侧的发射天线阵元的发射波束朝向被检目标的场景中心，从而使得更多的发射波束可以照射到被检目标，尤其是身体侧边、大腿内侧、肩膀等理论分辨率较差的部位。例如，多边形一边的发射天线阵元的数量为p个，则将p个发射天线阵元分成位于中部的第一组发射天线阵元，分别位于中部两侧的第二组发射天线阵元、和第三组发射天线阵元，较佳地，第二组发射天线阵元数量与第三组发射天线阵元数量相等，第一组发射天线阵元的发射波束朝向垂直于接收天线阵列旋转的圆周平面，其余两组发射天线阵元的发射波束朝向被检目标的场景中心。

类似地，当发射天线阵元较少时，可以根据需要的发射波束朝向调整发射天线阵元。例如，当一排发射天线阵元数量小于3时，例如，如3a-3d所示，则各个发射天线阵元的发射波束分别朝向被检目标的场景中心。

参见图6所示，图6为被检目标为人体的现有平面扫描轨迹和人体姿态一种示意图。现有安检设备为了降低成本，扫描面宽度方向狭窄，需要被检目标结合特定的姿势来提高分辨率，例如，图中，需要将手臂抬垂；对于圆柱形扫描的安检设备，需要将手臂高举。这些特定姿势的配合会因姿势保持的时间短暂而导致检测失败，也会因姿势的不标准而导致身体侧面及手臂内侧的成像质量降低。

参见图7所示，图7为本申请圆周扫描轨迹和人体姿态的一种示意图。在圆周扫描平面中，被检目标手臂与人体成任一角度自然延展伸直，较佳地，该角度大于0度；该姿势友好且易于保持；由于有足够的发射天线阵元的发射波束照射和接收天线阵元的扫描，在手臂内侧、大腿内侧、身体侧边等盲区，都能够具有精细的扫描成像。

参见图8所示，图8为基于优化天线发射波束的发射天线阵列的圆周扫描轨迹和人体姿态的一种示意图，其中，灰色区域表示优化的天线发射波束的发射天线会更多地朝向人体，能够增加有效照射面积，尤其人体的侧面、裆部、腋部、肩部等分辨率较差的部位，从而提高成像分辨率。

以下以均匀分布的4个发射天线阵元为例来说明发射天线阵元发射和接收天线阵列接收的工作过程。

为了避免接收天线阵元所扫描位置稀疏而影响成像，每旋转n度，所有发射天线阵元切换一次，其中，经过仿真测试，n小于等于1度。每个发射天线阵元工作时，所有接收阵元同时接收；为了实现宽带毫米波信号，每个发射天线阵元发射的是步进频(SFCW)信号或者扫频连续波(FMCW)信号，信号中包含有多个频率。发射天线阵元的数量少于接收天线阵元的数量、接收天线阵元同时工作的模式可显著降低数据获取时间，保证扫描位置的准确性。下面具体说明一帧完整数据获取流程：

1、接收天线阵列旋转到初始位置，鉴于接收天线阵列绕转轴旋转所形成的是圆周扫描阵面，初始位置可以是扫描过程中的任意位置。

2、发射天线阵元1工作，发射步进频信号或者扫频连续波信号，在发射频率切换过程中，所有接收天线阵元同时接收；发射天线阵元1各个频率信号发射完成后，发射天线阵元1停止发射，切换至发射天线阵元2、发射天线阵元3、发射天线阵元4依次工作。每个发射天线阵元发射时间是微秒级别，以保证接收天线阵列在该发射天线阵元的发射时间段内的位移很小，从而可以被成像算法补偿或直接忽略；所有接收天线阵元同时接收；

3、四个发射天线阵元发射完成后，均停止发射，进入等待状态，直到接收天线阵列相对上一位置旋转了1度，到达下一个接收位置。

4、重复过程2和3，持续到接收天线阵列扫描完整个圆周，从而完成一个接收周期，并获得一帧图像数据。例如，接收天线阵元沿转轴的径向方向相对于转轴的对称分布时，只需要扫描180度，当接收天线阵元在转轴的径向方向上位于转轴的同侧时，需要扫描360度。

参见图9所示，图9为发射天线阵列和接收天线阵列的一种时序关系示意图。每个发射天线阵元都发射w个频率的发射信号；每个发射天线阵元分时发射，当一个发射天线阵元发射结束时切换至下一发射天线阵元，直至所有发射天线阵元都进行了发射，从而形成发射天线阵列的一个发射周期；在该发射周期内，所有接收天线阵元同时接收；发射周期结束后，所有发射天线阵元进入等待状态，直至接收天线阵列旋转了1度，当接收天线阵列扫描完整个圆周，则完成一个接收周期。每个发射周期内发射天线阵元的切换次序相同有利于简化发射控制，发射天线阵元每次所发射的w个频率的发射信号的次序相同也有利于简化发射控制，所应理解的是，每个发射周期内发射天线阵元的切换次序可以不同，每次所发射的w个频率的发射信号的次序也可以不同。

参见图10所示，图10为成像视场模型的一种示意图。图中接收天线阵列绕转轴旋转而形成的圆周扫描阵面中任意一个扫描点位置(theta，r，0)处得到的反射波数据是f(theta，r，w)，其中，theta和r表示扫描点的位置，由平面极坐标定义可知，theta代表扫描点与极坐标原点连线相对于x轴正半轴的夹角，以及r代表该扫描点与该极坐标原点连线的长度；w是反射波的载频。被检目标上任意一空间点的反射函数是g(x，y，z)。假设天线波束无穷大，在任一扫描点位置得到的数据为被检目标上所有点的反射波的叠加，用数学式表达为：

f(theta，r，w)＝∫∫∫g(x，y，z)*exp(-2j*k*d)dxdydz

其中，k是w对应的波数，表示单位距离变化的相位，d是被检目标上任意一空间点与扫描点(theta，r，0)连线的距离，被检目标的三维空间坐标为(x，y，z)。

成像的过程是根据获取的反射波数据重构出被测目标的反射函数，即，由上式求取g(x，y，z)。

参见图11所示，图11为本申请成像方法的一种流程示意图。该方法包括，

步骤1101，获取来自接收天线阵列所接收反射波信号，作为第一发射波数据，其中，接收天线阵列绕转轴旋转而形成的圆周扫描阵面中任意一个扫描点位置(theta，r，0)处得到的反射波数据是f(theta，r，w)，该数据在平面极坐标角度方位向、半径方位向、以及频率轴上是等间隔扫描的；

步骤1102，将所获取的第一反射波数据从等间隔的角度和半径方位向，通过二维线性插值等效到等间隔的行方向和列方向上，即二维等效阵面的x轴和y轴方向，得到等效后的反射波数据，作为第二发射波数据。

以接收天线阵元沿转轴的径向方向相对于转轴的对称分布为例。参见图12所示，图12为本申请圆周扫描阵面扫描点和其等效阵面扫描点的一种示意图，其中，左图为一个接收周期的扫描点分布，右图为等效扫描点分布。在等效阵面扫描点中：接收天线阵列中相邻接收天线阵元的间隔可以等效为y轴方向(列方向)上相邻扫描点的间隔；由于接收天线阵列每旋转一度扫描点沿圆周的位移与该扫描点所在的旋转半径有关，半径越大沿圆周的位移也越大，故而将x方向(行方向)上相邻扫描点的间隔等效为与y轴方向上相邻扫描点的间隔相等。较佳地，所述间隔小于等于发射波波长的二分之一。由于圆周扫描阵面中心对称，由此，等效阵面中也为中心对称，这样，可得到等效方形阵面。如图中，一个接收周期内，等效阵面中行方向的扫描点数量等于列方向扫描点数量，也等于圆周扫描阵面中径向扫描点的数量。

对于等效阵面中的每个扫描点，根据圆周扫描阵面中每个扫描点的第一反射波数据，进行二维线性插值，得到等效阵面中的每个扫描点的第二反射波数据，

用数学式表示为：

f(x，y，w)＝INTERP

其中，T(x，y，w)为等效方形阵面中扫描点(x，y)的反射波数据，INTERP

当获得等效阵面的发射波数据后，可以采用传统的近场成像方法来重构反射函数，包括且不限于基于扰动的近场三维成像方法、基于压缩感知的近场三维成像方法、基于波数域的近场三维成像方法、基于空间域的近场三维成像方法等。例如，

步骤1103，第二反射波数据的空间二维傅里叶变换。

对等效方形阵面中每个扫描点，将该扫描点的每个频率的第二反射数据，进行二维傅里叶变换，得到二维傅里叶变换结果，用数学式表示为：

F(kx，ky，w)＝FFT

其中，FFT

步骤1104，相移处理。

将二维傅里叶变换结果乘以一相位因子，以进行匹配滤波，从而得到相移处理结果，用数学式表示为：

其中，k

步骤1105，三维空间谱域插值。

对相移处理结果，进行一维STOLT插值，以便从等间隔的频率轴插值到等间隔的kz轴，得到STOLT插值结果，用数学式表示为：

其中，STOLT

步骤1106，三维傅里叶逆变换。

对STOLT插值结果进行三维傅里叶逆变换，得到被检目标上任意一空间点的反射函数是g(x，y，z)，用数学式表示为：

其中，

步骤1107，三维反射波图像显示。

计算每个空间点的幅度，然后进行渲染和展示，得到像素点幅度，从而得到成像结果。

image(x，y)＝RENDER{ABS[g(x，y，z)]}

其中，ABS[]表示计算反射函数绝对值，即，像素点幅度，RENDER{}表示渲染函数。

参见图13所示，图13为本申请安检系统的一种示意图。该系统包括，

发射模组，将产生的毫米波信号通过发射阵元进行发射，即，发射发射波以用于被被检目标反射而形成反射波，

接收模组，获取半径方位向、以半径旋转的角度方位向、以及频率等间隔扫描的第一反射波数据，其中，半径方位向和以半径旋转的角度方位向的扫描形成圆周扫描阵面，

成像模组，将所述第一反射波数据通过插值从圆周扫描阵面等效为具有行方向和列方向的等效阵面的第二反射波数据，基于第二反射波数据，重构反射函数，显示反射函数的图像。

其中，接收模组包括一阵面扫描装置，该装置具有转轴、以及沿转轴的径向方向布设的至少两个接收天线阵元的接收天线阵列，所述接收天线阵列被驱动围绕转轴旋转，用于扫描由固定于接收天线阵列旋转而形成的圆周包络边界的至少一个发射天线阵元所发射的发射波被被检目标反射而形成的反射波信号。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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、物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较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。