本发明涉及毫米波成像技术领域，特别是涉及三维全息成像的安检系统及方法。
背景技术：
毫米波的频率为30GHz到300GHz(波长从1mm到10mm)。在电磁波谱中毫米波频率的位置介于红外与微波之间。毫米波成像系统主要有以下几个特点：对目标的形状结构敏感，区别金属目标和背景环境的能力强；获得的图像分辨率高，因此可提高对目标识别与探测能力；与红外激光相比，毫米波受恶劣自然环境的影响小，可用于烟尘、云雾等恶劣环境下；系统体积小，重量轻，和微波电路相比，毫米波电路尺寸要小很多，因此，毫米波系统更易集成。基于上述特点，毫米波成像技术应用广泛，尤其是在无损检测和安检领域。
毫米波成像体制主要分为毫米波主动成像和毫米波被动成像。被动毫米波成像系统结构比较简单，实现成本也较低，但成像时间长，成像分辨率较低。主动式毫米波成像相同中，主动合成孔径成像和主动全息成像是主要的成像体制。毫米波全息成像的方法是源于光学全息的方法，利用电磁波的相干原理，首先发射机要将发射高稳定的毫米波信号，接收机接受目标反射回来的回波信号，并将回波信号与高度相干的参考信号进行相干处理，提取出回波信号的幅度和相位信息，从而通过数据和图像处理的方法得到场景中目标的三维图像。毫米波主动全息成像得到的毫米波图像分辨率好，成像时间短，特别适用于人体安检系统。
目前的毫米波主动式三维全息成像的人体安检系统，为了缩短扫描时间，设置了两组扫描单元，并且如图1所述，包括：由第一毫米波收发机2和第一毫米波开关天线阵列7组成的第一组扫描单元，以及由第二毫米波收发机3和第二毫米波开关天线阵列8组成的第二组扫描单元。具体设置结构为：在人体安检系统的主体框架上设置两个对称的转动臂，用于分别固定两组扫描单元。基于这种人体安检系统的成像方法包括：待检人员由进入待扫描区域中心位置时，通过旋转扫描驱动装置6驱动两组扫描单元进行旋转，以对待检人员进行旋转扫描。图像处理装置5通过来自两组扫描单元的数据，合成待检人员的三维全息图像。
可以看出，现有的毫米波主动式三维全息成像的人体安检系统结构复杂，实现成本较高；并且两组扫描单元各自独立的进行扫描和信息收发，存在成像图像的分辨率低的问题。
技术实现要素：
基于此，本发明实施例提供三维全息成像的安检系统及方法，系统结构简单，得到的成像图像的分辨率高。
本发明一方面提供三维全息成像的安检系统，包括主体框架，所述主体框架内形成有一个待扫描区域和至少两个扫描区域，还包括：毫米波收发模块、至少两组毫米波开关天线阵列、扫描驱动装置以及并行图像处理模块，所述毫米波开关天线阵列的数量与所述扫描区域的数量相同；
所述毫米波收发模块设于所述主体框架上，所述毫米波收发模块与各组毫米波开关天线阵列均连接；
所述扫描驱动装置，用于驱动所述至少两组毫米波开关天线阵列同向旋转，使各组毫米波开关天线阵列在其对应的一个扫描区域内对待扫描区域中的被测目标进行旋转扫描；
所述并行图像处理模块，用于根据所述毫米波收发模块采集到的回波信号，以及所述回波信号对应的空间位置信息，合成所述被测目标的三维全息图像。
本发明另一方面提供一种三维全息成像的安检方法，基于上述三维全息成像的安检系统，所述安检方法包括：
检测到被测目标进入待扫描区域，触发扫描指令；
接收到所述扫描指令，根据预设的旋转控制信号控制扫描驱动装置产生旋转角度信息，以驱动所述至少两组毫米波开关天线阵列同向旋转、使各组毫米波开关天线阵列在其对应的一个扫描区域内以单发多收模式对待扫描区域中的被测目标进行旋转扫描；
毫米波收发模块发出毫米波信号，所述毫米波信号被分为至少两路信号，各路信号分别传输至对应的一组毫米波开关天线阵列进行发射；采集由各组毫米波开关天线阵列接收到的被测目标反射回来的回波信号，以及各回波信号对应的空间位置信息；
根据采集到的回波信号以及回波信号对应的空间位置信息，得出被测目标的三维全息图像。
本发明上述技术方案，只需一个毫米波收发模块，减少了系统部件数目，使得整体结构会更加简洁，并有利于降低系统成本；另一方面，通过毫米波开关天线阵列的单发多收模式，相比于现有的安检系统，扫描的区域更密集，回波信号合成的次数更多，得到的三维全息图像的分辨率更高，成像结果更加清晰。
附图说明
图1为传统的三维全息成像的安检系统的示意性结构图；
图2为一实施例的三维全息成像的安检系统的示意性结构图；
图3为一实施例的两组毫米波开关天线阵列的扫描区域的结构示意图；
图4为一实施例的毫米波收发模块的内部结构示意图；
图5为一实施例的毫米波开关天线阵列的内部结构示意图；
图6为一实施例的三维全息成像的安检方法的示意性流程图；
图7为一实施例的天线阵列单发多收模式下三维全息成像合成孔径法的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图2为一实施例的三维全息成像的安检系统的示意性结构图；本实施例的三维全息成像的安检系统，包括主体框架1，所述主体框架1内形成有一个待扫描区域10和至少两个扫描区域，其特征在于，还包括：毫米波收发模块2、至少两组毫米波开关天线阵列、扫描驱动装置5以及并行图像处理模块4；所述毫米波开关天线阵列的数量与所述扫描区域的数量相同；所述毫米波收发模块2与各组毫米波开关天线阵列均连接；所述扫描驱动装置5设于主体框架1上，用于驱动所述至少两组毫米波开关天线阵列同向旋转，使各组毫米波开关天线阵列在其对应的一个扫描区域内对待扫描区域10中的被测目标进行旋转扫描；所述并行图像处理模块4，用于根据所述毫米波收发模块2采集到的回波信号，以及所述回波信号对应的空间位置信息，合成所述被测目标的三维全息图像。
作为一优选实施方式，本发明实施例中，全部毫米波开关天线阵列的旋转扫描轨迹可形成一个封闭的圆形轨迹。对应的，如图2所示和图3所示，本实施例的主体框架1可设置为圆柱形主体框架，并且在圆柱形主体框架内形成有第一扫描区域8和第二扫描区域9，主体框架1的横截面半径为R，第一扫描区域8与第二扫描区域9对称分布，且两个扫描区域的扫描角度均为β。对应的，本实施例的三维全息成像的安检系统包括的第一毫米波开关天线阵列6和第二毫米波开关天线阵列7，分别与所述毫米波收发模块2连接。并且所述的三维全息成像的安检系统还包括用于控制所述扫描驱动装置5产生旋转角度信号的控制装置3；所述扫描驱动装置5在所述控制装置3的控制作用下，驱动第一毫米波开关天线阵列6和第二毫米波开关天线阵列7同向旋转、以分别在第一扫描区域8和第二扫描区域9内对待扫描区域中的被测目标进行旋转扫描。可以理解的是，所述主体框架1还可设置为其他形状，例如菱柱形状等。
本实施例中，上述主体框架1还包括入口10和出口12，整个三维全息成像的安检系统可通过操控计算装置12进行控制，以对进入待扫描区域10的被检测目标13进行扫描，通过三维图像进而发现藏在衣物下的异物。
作为一优选实施方法，本发明实施例的三维全息成像的安检系统还包括设于所述主体框架1上的控制装置3，所述控制装置3与对应的操控计算装置12通信连接，用于根据操控计算装置12发送的扫描指令控制所述扫描驱动装置5产生旋转角度信号。
作为一优选实施方式，参考图4所示，在包括两组毫米波开关天线阵列的情况下，为了实现毫米波收发模块2对两组毫米波开关天线阵列的信号收发控制，本发明实施例中所述毫米波收发模块2的实现方式可为，包括：两个信号源(即第一信号源101和第二信号源117)、两个初级功分器(即第一初级功分器102和第二初级功分器118)、一个次级功分器124、两个初级混频器(第一初级混频器108和第二初级混频器115)以及一个次级混频器114。其中，第一信号源101的输出信号通过一个初级功分器102后，分为第一路信号和第二路信号；第一路信号通过次级功分器124分为两路发射信号并分别进入对应的两个发射天线。
第二信号源117的输出信号通过另一个初级功分器118之后，分为第三路信号和第四路信号；第三路信号和所述第二路信号分别进入第一初级混频器108的两个输入端，所述第四路信号和来自对应接收天线的接收信号分别进入第二初级混频器115的LO端和RF端。
第一初级混频器108的输出信号和第二初级混频器115的输出信号分别进入次级混频器114的LO端和RF端，所述次级混频器114的输出信号传输至所述毫米波收发模块2的信号输出端。
进一步的，所述毫米波收发模块2还包括第一放大支路、第二放大支路、第三放大支路和第四放大支路。所述第一路信号经过所述第一放大支路的放大后，进入次级功分器124的输入端；所述第四路信号和来自对应接收天线的接收信号，分别经过第二放大支路和第三放大支路的放大处理之后，进入第二初级混频器115的LO端和RF端；所述第一初级混频器108的输出信号通过第四放大支路的放大之后，进入次级混频器114的LO端。
作为一优选方式，如图4所示，下面给出一个毫米波收发模块2的具体实现方式，包括：第一信号源101、第二信号源117、第一混频器114、第二混频器115、第三混频器108、第一倍频器104、第二倍频器111、第三倍频器121、第一功率放大器103、第二功率放大器110、第三功率放大器119、第四功率放大器113、低噪声放大器123、第一功分器102、第二功分器118、第一滤波器109、第二滤波器112、第三滤波器122、第一衰减器105以及第二衰减器120；各器件的连接关系包括：
所述第一信号源101的输出端连接第一功分器102的输入端，第一功分器102的一输出端连接第一功率放大器103的输入端，第一功率放大器103的输出端连接第一倍频器104的输入端，第一倍频器104的输出端连接第一衰减器105的输入端，第一衰减器105的输出信号经过第三功分器124后分往2个发射阵列的发射天线并辐射到空间中；
第二信号源117的输出端连接第二功分器118的输入端，第二功分器118的一输出端连接第三功率放大器119的输入端，第三功率放大器119的输出端连接第二衰减器120的输入端，第二衰减器120的输出端连接第三倍频器121的输入端，第三倍频器121的输出端连接第二混频器115的LO端，第二混频器115的RF端从接收天线接收空间反射的回波信号，第二混频器115的IF端输出的带有目标信息的首次下变频信号到第一混频器114的RF端；
第一功分器102的另一输出端、第二功分器118的另一输出端分别连接第三混频器108的两个输入端，第三混频器108的输出端连接第一滤波器109的输入端，第一滤波器109的输出端连接第二功率放大器110的输入端，第二功率放大器110的输出端连接第二倍频器111的输入端，第二倍频器111的输出端连接第二滤波器112的输入端，第二滤波器112的输出端连接第四功率放大器113的输入端，第四功率放大器113的输出端连接第一混频器114的LO端，第一混频器114的IF端输出带有目标信息的第二次下变频信号到所述毫米波收发模块2的信号输出端。
优选的，所述第一信号源101为工作频率在16.1GHz-20.1GHz频段的调频信号源，第二信号源117为工作频率在16GHz-20GHz频段的信号源。所述第一衰减器105的输出端通过隔离器106连接第三功分器124的输入端，第一衰减器105的输出信号先后通过隔离器106和第三功分器124后分往2个毫米波开关天线阵列并辐射到空间中。
优选的，所述第一倍频器104、第二倍频器111、第三倍频器121均为2倍倍频器。
通过上述的毫米波收发模块的结构，第一功分器102是一个三端口器件，其一端输入信号到第一功率放大器103，使本链路功率达到第一倍频器104的安全输入功率范围，经过第一倍频器104后本链路输入频率为32.2GHz-40.2GHz，然后通过可调衰减器来调节输出功率，经过第三功分器124后，最终分往2个毫米波开关天线阵列的发射天线并辐射到空间中，天线和第一衰减器105之间需加入一隔离器，通过隔离器确保发射天线发射的信号不会受到接收信号的干扰。第二混频器115是一个三端口器件，三个端口分别为RF、LO、IF，RF端接收从接收天线接收到的回波信号，LO端则输入二倍频后的第二信号源信号，下变频后输入第一混频器114，此信号带有一定的被测目标的信息，输入到第一混频器114的RF端可以对其进一步的处理。所述第一混频器114也是一个三端口器件，三个端口分别为RF、LO、IF，其RF端输入由第二混频器115输出的带有被测目标信息的首次下变频信号，第一混频器114的LO端输入由第二信号源经过第二功分器118、第三混频器108、第二功率放大器110以及第二倍频器111输出的连续波信号(毫米波信号)，第一混频器114的IF端则输出带有被测目标信息的第二次下变频信号到并行图像处理模块。
作为一优选实施方式，如图5所示，本实施例的三维全息成像的安检系统中，两组毫米波开关天线阵列对称设置，每组毫米波开关天线阵列包括若干发射天线和若干接收天线，所述发射天线与所述接收天线以交错式结构排列为两排；每组毫米波开关天线阵列以单发多收的模式进行工作，每个发射天线对应至少两个接收天线。
优选的，每组毫米波开关天线阵列中发射天线和接收天线的数量相同，数量范围均为128-192个；每组毫米波开关天线阵列中的全部发射天线组成的发射天线阵列，用于将毫米波收发模块2发出的发射信号辐射到被测目标所在空间；每组毫米波开关天线阵列中的全部接收天线组成的接收天线阵列，用于接收由被测目标反射的回波信号。
优选的，所述发射天线和接收天线分别由4组单刀4掷的开关控制，且开关接通时至少有一组发射天线和接收天线工作。
需要说明的是，本发明上述实施例以两组毫米波开关天线阵列和两个扫描区域为例对三维全息成像的安检系统进行了具体说明，根据实际需要，基于上述相似原理，还可设置为三组、四组毫米波开关天线阵列，以及对应的三个、四个扫描区域，以进一步的提高扫描效率，和成像分辨率。
上述实施例的三维全息成像的安检系统，通过使用单个毫米波收发模块，相对于2个收发模块，降低了系统硬件成本，同时由于减少了部件数目，使得整体结构会更加的简洁。
基于上述实施例的三维全息成像的安检系统，图6为一实施例的三维全息成像的安检方法的示意性流程图；如图6所示，本实施的三维全息成像的安检方法包括步骤：
S11，检测到被测目标进入待扫描区域10，触发扫描指令；
S12，接收到所述扫描指令，根据预设的旋转控制信号控制扫描驱动装置产生旋转角度信息，以驱动所述至少两组毫米波开关天线阵列同向旋转、以使每组毫米波开关天线阵列在其对应的一个扫描区域内以单发多收模式对待扫描区域中的被测目标进行旋转扫描；
优选的，所述控制装置3接收所述扫描指令，根据预设的旋转控制信号控制扫描驱动装置5产生旋转角度信息，以驱动第一毫米波开关天线阵列6和第二毫米波开关天线阵列7同向旋转、以单发多收工作模式分别在第一扫描区域8和第二扫描区域9内对被测目标进行旋转扫描；
S13，毫米波收发模块发出毫米波信号，所述毫米波信号被分为至少两路信号，各路信号分别传输至对应的一组毫米波开关天线阵列进行发射；采集由各组毫米波开关天线阵列接收到的被测目标反射回来的回波信号，以及各回波信号对应的空间位置信息；
优选的，毫米波收发模块2发出毫米波信号，可通过功分器被分为两路相同功率的信号传输至两组毫米波开关天线阵列的发射天线进行发射；通过两组毫米波开关天线阵列的接收天线接收被测目标反射回来的回波信号，将所述回波信号以及所述回波信号对应的空间位置信息一并返回给毫米波收发模块2；
S14，根据采集到的回波信号以及回波信号对应的空间位置信息，得出被测目标的三维全息图像。
可以理解的是，所述毫米波开关天线阵列在旋转过程中按照设定时间间隔不断进行信号的发射和接收，因此上述步骤S12和S13的执行顺序不分先后。
本实施例中，所述毫米波开关天线阵列在单发多收模式下，其中的某一发射天线在第一时刻向被测目标所在空间发出毫米波信号，记录第一时刻发出的毫米波信号的空间覆盖区域，并通过预设的第一接收天线接收本次毫米波信号对应的回波信号；所述某一发射天线在第二时刻再次向被测目标所在空间发出毫米波信号，记录第二时刻发出的毫米波信号的空间覆盖区域，并通过预设的第二接收天线接收本次毫米波信号对应的回波信号。换句话说，本实施例中毫米波开关天线阵列中的每一个发射天线至少连续发射2次毫米波信号，并由对应的2个不同的接收天线分别接收反射回来的回波信号。
例如：如图5所示，毫米波开关天线阵列中发射天线和接收天线为交错排列方式，发射天线51第一次发射毫米波信号，由接收天线49接收对应的回波信号，下一个收发过程中发射天线51发射毫米波信号，由接收天线50接收对应的回波信号；以此类推，即为毫米波开关天线阵列的单发多收模式。
本实施例中，发射天线每次发射出去的毫米波信号的空间覆盖区域为固定的，因此，作为一优选实施方式，回波信号经过解调处理合成三维全息图像的方法包括：根据第一时刻发出的毫米波信号的空间覆盖区域与第二时刻发出的毫米波信号的空间覆盖区域，计算两者的重叠区域；并从第一接收天线和第二接收天线接收到的回波信号中筛选出所述重叠区域对应的回波信号；判断当前得到的重叠区域是否覆盖整个被测目标，若是，根据所述重叠区域对应的回波信号得出所述被测目标的三维全息图像。
具体的，本实施例中采用合成孔径的技术对采集到的回波信号加以解析，得到被测目标的三维全息图像。如图7所示，发射天线1T某一时刻发射毫米波信号，反射回来的回波信号由接收天线1R接收到；由于天线阵列处于旋转状态，所以下一时刻所述发射天线1T发射的毫米波信号的空间覆盖区域与上一时刻的空间覆盖区域有变化，并且此时接收天线2R接收到的回波信号对应的空间位置区域和接收天线1R接收到回波信号对应的空间位置区域存在有一个重叠区域(图7所示的D1区域)；采集并处理该重叠区域的回波信息，由于所述重叠区域D1的回波信息是经过接收天线1R和接收天线2R的两次接收到的，因此基于所述重叠区域D1的回波信息得到的图像的分辨率会得到较大提高。通过多次这样的发射和接收过程，直到得到的重叠区域可覆盖整个被测目标(图7所示的S1圆柱区域)，相比与传统天线阵列的单发单收模式，本实施例三维全息成像方法得到的被测目标的三维全息图像的分辨率得到较大提高。
图7示出的只是一组收发模型，需要说明的是，每组收发得到的重叠区域和发射天线的波束宽度以及开关的切换时间和扫描间隔时间均有关联，扫描间隔越短或者开关切换越快，得到的重叠区域就会越大，最后得出的三维全息图像的分辨率越高。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。可以理解，其中所使用的术语“第一”、“第二”、“初级”、“次级”等在本文中用于区分对象，但这些对象不受这些术语限制。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。