毫米波/太赫兹波成像设备的制作方法

本公开涉及成像技术领域，特别是涉及一种毫米波/太赫兹波成像设备。

背景技术：

在当前国内外防恐形势日益严峻的形势下，恐怖分子利用隐匿方式随身携带刀具、枪支、爆炸物等危险物品对公共安全构成了严重的威胁。基于被动式毫米波/太赫兹波的人体安检技术，具有独特的优点，通过检测目标本身的毫米波/太赫兹波辐射实现成像，无需主动辐射，对人体进行安检，利用毫米波/太赫兹波的穿透能力实现藏匿危险物的检测。然而现有的毫米波/太赫兹波成像设备工作效率低。

技术实现要素：

本公开的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。

根据本公开的实施例，提供了一种毫米波/太赫兹波成像设备，包括准光学组件和毫米波/太赫兹波探测器阵列，

所述准光学组件适用于将第一被检对象和第二被检对象自发辐射或反射回来的毫米波/太赫兹波反射并汇聚至所述毫米波/太赫兹波探测器阵列，并包括反射板，所述第一被检对象和所述第二被检对象分别位于所述反射板的相对侧处，所述反射板能够绕其水平轴线转动以分别接收并反射来自所述第一被检对象位于第一视场不同竖直位置的部分的毫米波/太赫兹波和所述第二被检对象位于第二视场不同竖直位置的部分的毫米波/ 太赫兹波；以及

所述毫米波/太赫兹波探测器阵列适用于接收来自所述准光学组件的毫米波/太赫兹波。

在一些实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括壳体，所述准光学组件和所述毫米波/太赫兹波探测器阵列位于所述壳体内，所述壳体的相对侧壁上分别设置有供来自所述第一被检对象的毫米波/太赫兹波穿过的第一窗口和供来自所述第二被检对象的毫米波/太赫兹波穿过的第二窗口。

在一些实施例中，所述反射板的背面设置有转轴，所述转轴的两端与所述壳体可转动地连接。

在一些实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括适用于驱动所述转轴转动的驱动装置。

在一些实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括实时检测所述反射板的角位移的角位移测量机构。

在一些实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括：

数据处理装置，所述数据处理装置与所述毫米波/太赫兹波探测器阵列连接以分别接收来自所述毫米波/太赫兹波探测器阵列的对于所述第一被检对象的图像数据和对于所述第二被检对象的图像数据并分别生成毫米波/太赫兹波图像；和

显示装置，所述显示装置与所述数据处理装置相连接，用于接收和显示来自所述数据处理装置的毫米波/太赫兹波图像。

在一些实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括校准源，所述校准源在所述准光学组件的物面上，所述数据处理装置接收来自所述毫米波/太赫兹波探测器阵列的对于所述校准源的校准数据，并基于所接收的所述校准数据更新所述第一被检对象的图像数据和所述第二被检对象的图像数据。

在一些实施例中，所述校准源的长度方向平行于所述反射板的所述水平轴线，所述校准源的长度大于等于所述毫米波/太赫兹波探测器阵列在平行于所述水平轴线方向上的视场大小。

在一些实施例中，所述校准源发射的毫米波/太赫兹波经所述反射板反射到所述毫米波/太赫兹波探测器阵列。

在一些实施例中，所述校准源为吸波材料、黑体或半导体致冷器。

在一些实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括光学摄像装置，所述光学摄像装置包括适用于采集所述第一被检对象的光学图像的第一光学摄像装置和适用于采集所述第二被检对象的光学图像的第二光学摄像装置，所述第一光学摄像装置和所述第二光学摄像装置分别与所述显示装置连接。

在一些实施例中，所述显示装置包括显示屏，所述显示屏包括适用于显示所述毫米波/太赫兹波图像的第一显示区以及适用于显示所述光学摄像装置所采集的光学图像的第二显示区。

在一些实施例中，还包括报警装置，所述报警装置与所述数据处理装置连接，以使得当所述数据处理装置识别出所述毫米波/太赫兹波图像中的可疑物品时发出指示该毫米波/太赫兹波图像存在可疑物品的警报。

根据本公开上述各种实施例所述的毫米波/太赫兹波成像设备，通过驱动反射板绕水平轴线转动，以对位于反射板的相对侧的两个被检对象同时进行成像，因而提高了检测效率，且控制简单、成本低，此外该装置结构简单，占地空间小。

附图说明

图1为根据本公开的一实施例的毫米波/太赫兹波成像设备的结构示意图；

图2为图1所示的毫米波/太赫兹波成像设备的数据采集时序图；

图3为根据本公开的一示例性实施例的反射板的安装示意图；

图4为图3的侧视图；

图5示出了温度灵敏度与积分时间的关系；

图6为透镜成像的示意图；以及

图7为根据本公开的一实施例的毫米波/太赫兹波成像设备对人体或物品进行检测的方法的流程图。

具体实施方式

虽然将参照含有本公开的较佳实施例的附图充分描述本公开，但在此描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改本文中所描述的公开，同时获得本公开的技术效果。因此，须了解以上的描述对本领域的普通技术人员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本公开所描述的示例性实施例。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

图1示意性地示出了根据本公开的一种示例性实施例的毫米波/太赫兹波成像设备。如图所示，该毫米波/太赫兹波成像设备包括准光学组件和毫米波/太赫兹波探测器阵列2，准光学组件适用于将第一被检对象31A 和第二被检对象31B自发辐射的毫米波/太赫兹波反射并汇聚至毫米波/ 太赫兹波探测器阵列2，并包括椭圆形的反射板1和聚焦透镜4，其中，第一被检对象31A和第二被检对象31B分别位于所述反射板1的相对侧处，该反射板1能够绕其水平轴线转动以分别接收并反射来自第一被检对象31A位于第一视场3A不同竖直位置的部分的毫米波/太赫兹波和第二被检对象31B位于第二视场3B不同竖直位置的部分的毫米波/太赫兹波；聚焦透镜4适用于汇聚来自反射板1的毫米波/太赫兹波。毫米波/太赫兹波探测器阵列2适用于接收由准光学组件反射并汇聚后的毫米波/太赫兹波。毫米波/太赫兹波探测器阵列2中的探测器的个数根据所需的视场3A、 3B大小以及所需分辨率确定，其排布方向与视场法线垂直且平行于水平面，探测器的大小根据波长、加工工艺以及所需采样密度确定。

使用时，驱动反射板1转动，当反射板1转到第一检测区域时，通过毫米波/太赫兹波探测器阵列2接收关于第一被检对象31A的图像数据，当反射板1转动到第二检测区域时，通过毫米波/太赫兹波探测器阵列2 接收关于第二被检对象31B的图像数据。根据本公开的实施例的毫米波/ 太赫兹波成像设备通过将反射板1绕水平轴线转动，以对位于反射板1 两侧的两个被检对象31A、31B同时进行成像，因而提高了检测效率，且控制简单、成本低，此外该装置结构简单，占地空间小。

在该实施例中，反射板1在旋转的过程中，面向第一检测区域的水平方向为0°视场角，面向第二检测区域的水平方向为180°视场角。反射板1旋转一周，获得了如图2所示的时序图。其中θm1为第一检测区域所对应的视场角，θm2为第二检测区域所对应的视场角。

如图1所示，在一种示例性实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括壳体6，准光学组件和毫米波/太赫兹波探测器阵列2位于壳体6 内，壳体6的相对侧壁上分别设置有供第一被检对象31A自发辐射的毫米波/太赫兹波穿过的第一窗口61A和供第二被检对象31B自发辐射的毫米波/太赫兹波穿过的第二窗口61B。

如图3和图4所示，在一种示例性实施例中，反射板1的背面设置有转轴7，该转轴7与椭圆形的反射板1的短轴方向一致，转轴7的两端经由轴承8A、8B与壳体6可转动地连接，以使得反射板1能够转动，从而对来自被检对象31A、31B位于视场3A、3B不同位置的部分的毫米波/ 太赫兹波进行反射。然而，需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，在本公开的其它一些实施例中，也可以在反射板1的两端设置转轴，通过两个转轴与壳体6可转动地连接。

如图3和图4所示，在一种示例性实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括适用于驱动转轴7转动的驱动装置9，例如伺服电机。

如图3和图4所示，在一种示例性实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括实时检测反射板1的角位移的角位移测量机构10，例如光电码盘，以便准确地计算出反射板1的姿态，这可以在相当程度上减小控制算法和成像算法的研制难度。

如图1所示，在一种示例性实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括数据处理装置(未示出)。该数据处理装置与毫米波/太赫兹波探测器阵列2无线连接或有线连接以分别接收所述毫米波/太赫兹波探测器阵列2所接收的关于第一被检对象31A和关于第二被检对象31B的图像数据。

如图2所示，在一种示例性实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括校准源5，该校准源5位于壳体10内并在准光学组件的物面上，以使得当反射板1转动到校准区域时，通过毫米波/太赫兹波探测器阵列 2接收关于校准源5的校准数据，数据处理装置接收毫米波/太赫兹波探测器阵列2所接收的关于校准源5的校准数据，并基于所接收的校准数据实时地更新第一被检对象31A和第二被检对象31B的图像数据。由于校准源5封装在壳体1内部，因此使得该毫米波/太赫兹波成像设备比采用远处的空气进行校准更加稳定可靠。校准源5例如可以是塑料、泡沫等发射率接近于1的吸波材料。此外，校准源5也可以采用黑体或半导体致冷器等。

在该实施例中，校准源5中心所在的位置为90°视场角，θc为校准区域所对应的视场角，当反射板1转到校准区域时，通过毫米波/太赫兹波探测器阵列2直接接收校准源5辐射的波束。然而，需要说明的是，校准源5中心所在的位置也可以为其它角度的视场角，例如60°、75°等，只要毫米波/太赫兹波探测器阵列2接收关于校准源5的校准数据和关于被检对象31的图像数据不相互干涉即可，此时校准源5辐射的毫米波/ 太赫兹波可以经由反射板1反射到毫米波/太赫兹波探测器阵列2，这样可以实现对包含聚焦透镜4和探测器的完整接收通道的校准，进一步保证了通道的一致性。

需要说明的是，虽然在该实施例中的波束是被检对象31A、31B自发辐射的毫米波或太赫兹波，然而，本领域的技术人员应当理解，该波束也可以为照射到被检对象31A、31B并经被检对象31A、31B反射回来的毫米波/太赫兹波。

由奈奎斯特采样定律，在一个半功率波束宽度内至少有两个采样点才能完全恢复图像。该实施例中的毫米波/太赫兹波探测器阵列2的排布方向与视场法线垂直且平行于水平面，以对高度方向的视场进行采样，毫米波/太赫兹波探测器阵列2的排列密度决定采样密度。毫米波成像系统所成图像实际为灰度图像，其空间采样率在达不到奈奎斯特采样要求(欠采样)时，仍然可以对目标场景成像，只是成像效果相对较差。为了弥补欠采样所带来的像素缺失，可以在后期信号处理时采用插值算法增加数据密度。

如图1所示，在一种示例性实施例中，校准源5的长度方向平行于反射板1的转动轴线，校准源5的长度大于等于毫米波/太赫兹波探测器阵列2在平行于转动轴线方向上的视场大小，校准源5的宽度为毫米波/太赫兹波探测器2的天线波束宽度的10倍。然而，需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，校准源5的宽度也可以为毫米波/太赫兹波探测器的天线波束宽度的1倍或2倍或其它倍数。

在一个示例性实施例中，该成像设备还可以包括显示装置，该显示装置与数据处理装置相连接，用于接收和显示来自数据处理装置的毫米波/ 太赫兹波图像。

在一种实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括光学摄像装置，该光学摄像装置包括适用于采集第一被检对象31A的光学图像的第一光学摄像装置和适用于采集第二被检对象31B的光学图像的第二光学摄像装置，该光学摄像装置与显示装置连接，该光学摄像装置可以实现可见光实时成像，给出第一被检对象31A和第二被检对象31B的图像信息，以与毫米波/太赫兹波图像进行对照，以供使用者参考。

在未示出的一种示例性实施例中，显示装置包括显示屏，显示屏包括适用于显示第一被检对象31A和第二被检对象31B的毫米波/太赫兹波图像的第一显示区以及适用于显示光学摄像装置所采集的第一被检对象 31A和第二被检对象31B的光学图像的第二显示区，以便于使用者将光学摄像装置所采集的光学图像和毫米波/太赫兹波图像进行对比。

在未示出的一种示例性实施例中，该毫米波/太赫兹波成像设备还包括报警装置，该报警装置与数据处理装置连接，以使得当识别出第一被检对象31A和/或第二被检对象31B的毫米波/太赫兹波图像中的可疑物品时，例如在相应的被检对象所对应的毫米波/太赫兹波图像的下方发出警报，例如报警灯亮起，需要说明的是，也可以采用声音提示的报警方式。

在一个示例性实施例中，数据处理装置可以用于生成控制信号并将控制信号发送给驱动装置9以驱动反射板1转动。在另一示例性实施例中，成像设备也可以包括与数据处理装置相独立的控制装置。

如图7所示，本公开还提供了一种利用毫米波/太赫兹波成像设备对人体或物品进行检测的方法，包括以下步骤：

S1：驱动反射板1绕水平轴线转动，当反射板1转动到第一检测区域时，通过毫米波/太赫兹波探测器阵列2接收关于第一被检物体31A的图像数据，当反射板1转动到第二检测区域时，通过毫米波/太赫兹波探测器阵列2接收关于第二被检物体31B的图像数据；

S2：将毫米波/太赫兹波探测器阵列2所获得的对于第一被检对象31A 的图像数据和关于第二被检对象31B的图像数据发送给数据处理装置；

S3：利用数据处理装置分别对第一被检对象31A的图像数据和第二被检对象31B的图像数据进行重建以生成第一被检对象31A和第二被检对象31B的毫米波/太赫兹波图像。

该方法可以同时对两个被检对象31A、31B进行全方位的成像和检测，其中被检对象31可以是人体，也可以是物品。

在一种示例性实施例中，该方法在步骤S3之前还包括以下步骤：当反射板1转动到校准区域时，通过毫米波/太赫兹波探测器阵列2接收关于校准源5的校准数据；并且基于所接收的校准源5的校准数据更新所接收的第一被检对象31A和第二被检对象31B的图像数据。

检波的输出电压Vout对应的天线温度为TA，其应满足如下关系，

TA＝(Vout-b)/a (1)

式中，a为增益定标系数，

b为偏置定标系数。

因此，基于校准源5的校准数据更新所接收的第一被检对象31A和第二被检对象31B的图像数据包括对偏置定标系数b的校正和对增益定标系数a的校正。

在校准区域内，校准源5及其周围环境的辐射亮温都可以视作是均匀的，即所有通道的天线温度TA是一致的。当通道完全一致时，焦面阵接收通道的输出Vout应该完全一致，如果输出不一致，则需要调整各通道的增益定标系数a和偏置定标系数b，使所有通道输出一致，从而实现通道的一致性调节。增益定标参数a反映的是通道的总增益和等效带宽，在通道调试时这部分已经经过仔细调节，可以认为各通道的增益定标系数a 近似相等，因此在使用过程中通道校准通过调节偏置定标系数b来完成。

在一种示例性实施例中，基于所接收的校准源5的校准数据更新所接收的第一被检对象31A和第二被检对象31B的图像数据主要包括实时对偏置定标系数b的校正，包括以下步骤：

A1：计算所述毫米波/太赫兹波探测器阵列的所有通道在所述校准区域的多次测量输出电压的平均值

A2：每个通道的检测区域校准后的数据为每个通道的检测区域采集的数据Vi减去所述平均值然后再除以每个通道的增益定标系数ai。

该方法可以对焦平面阵系统接收通道阵列进行整体校准，校准算法只需简单的运算，耗时极少，可以实现实时校准；对每幅图像都进行通道一致性校准。

当设备在长期运行或者更换使用场所等情况下，由于系统温度漂移而带来的系统性能恶化，各通道的增益定标系数a通常也会发生变化。这时需要对通道的增益定标系数a和偏置定标系数b进行调整，具体包括以下步骤

B1：使用所述毫米波/太赫兹波探测器阵列测量空气的电压值Vair(i)，i ∈[1，通道数]，并计算所有通道的空气的平均电压值

B2：设置所述校准源的温度与空气的温度具有差值，使用所述毫米波/ 太赫兹波探测器阵列测量所述校准源的电压值Vcal(i)，i∈[1，通道数]，并计算所有通道的校准源的平均电压值并通过下列等式计算出每个通道的增益定标系数ai和偏置定标系数bi：

B3：每个通道的检测区域校准后的数据为的绝对值，其中Vi为每个通道的检测区域采集的数据。

数据处理装置每个3dB波束方位内采集两次，这样在图1所示的实施例中，每个通道在校准区域获得至少10个采集数据。校准区域的输出电压数据与检测区域的输出电压数据均存储在数据处理装置的同一个数据表格中。

高度方向采样密度决定于波束驻留时间，反射板1转动一圈输出一副图像。假设探测器的角分辨率为θres，反射板1转动一圈的包含的3dB 波束数为 n＝360°/θres (4)

假设成像速率要求为mHz，则每个采样波束的在高度方向的平均驻留时间τd为

以成像距离系统3000mm处，角分辨率θres＝0.57°，则物方分辨率为δ＝30mm，成像速率8Hz为例，可以求得旋转方向的波束数为约632个，平均每个波束驻留时间为τd＝125ms/632＝198μs。驱动装置9控制反射板1匀速运动，所以其转动角速度ω＝16π rad/s。

图5示出了一种典型的探测器温度灵敏度与积分时间的关系。积分时间选择为200us的时候，对应的温度灵敏度～0.2K。为了获得较好的信噪比，温度灵敏度要求小于等于0.5K。因此该毫米波/太赫兹波成像设备能够满足此要求。

假定探测器的个数为N，两个相邻的探测器的中心间距d时，则探测器的最大偏馈距离ym，则

由此可以计算出毫米波/太赫兹波探测器阵列2的静态视场为H0。如图6所示，毫米波/太赫兹波探测器阵列2的静态视场H0与物距L1、像距 L2需要满足如下关系式

作为一个示例性实施例，该方法还可以包括S4：在生成所述第一被检对象31A和所述第二被检对象31B的毫米波/太赫兹波图像之后，对所述第一被检对象31A和所述第二被检对象31B是否带有可疑物以及可疑物的位置进行识别并将结果输出。

在上述步骤中，对于可疑物及其位置的识别可以通过计算机自动识别或是人工识别或是两者相结合的方法来进行。结果输出可以通过例如在显示装置上显示标有直接显示是否带有可疑物的结论等方式来实现，也可以将检测结果直接打印或发送。

执行检测的安检人员可以根据上述步骤S4给出的检测结果来对人体或物品是否带有可疑物以及可疑物的位置进行确认，也可以通过人工检测来进行复核。

在一个示例性实施例中，探测器的个数N为30个，并呈一列排布，两个相邻的探测器的中心间距d为7mm，探测器阵列的长度2ym为21cm。物距L1为3.5m，像距L2为0.7m，根据公式(7)可以计算出静态视场 H0＝105cm。假设成像区域高度方向大小为1.8m，那么用于重建图像的高度方向的扫描角度为θm为34°。定义反射板1在旋转的过程中，面向第一检测区域的水平方向为0°视场角，面向第二检测区域的水平方向为 180°视场角，校准源5被安装在90°视场角处，可以选择反射板上摆5°，下摆(17-5)°的数据用于成像，使得反射板1的下摆角度是上摆角度的大概两倍，而反射板1位于142°-148°时用于校正探测器。

在一个示例性实施例中，探测器的个数N为48个，并呈一列排布，两个相邻的探测器的中心间距d为3mm，探测器阵列的长度为2ym为 14.4cm。物距L1为5m，像距L2为0.7m，根据公式(7)可以计算出静态视场H0＝103cm。假设成像区域高度方向大小为1.8m，那么用于重建图像的高度方向的扫描角度为θm为20°。定义反射板1在旋转的过程中，面向第一检测区域的水平方向为0°视场角，面向第二检测区域的水平方向为180°视场角，校准源5被安装在90°视场角处，可以选择反射板上摆 3.5°，下摆(10-3.5)°的数据用于成像，即使得反射板1的下摆角度是上摆角度的大概两倍，而反射板位于142°-148°时用于校正探测器。

本领域的技术人员可以理解，上面所描述的实施例都是示例性的，并且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合。

在详细说明本公开的较佳实施例之后，熟悉本领域的技术人员可清楚的了解，在不脱离随附权利要求的保护范围与精神下可进行各种变化与改变，且本公开亦不受限于说明书中所举示例性实施例的实施方式。