一种基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统的利记博彩app
【专利摘要】本发明公开了一种基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，包括信号产生与采集装置、模拟前端、扫描驱动装置、信号及数据处理装置；利用矢量网络分析仪作为信号产生与采集装置，通过模拟前端将X波段的步进频信号上变频至太赫兹波段向待检空间辐射，再通过模拟前端将太赫兹波段的目标回波信号下变频至X波段进行信号处理；利用主控计算机对扫描驱动装置、信号及数据处理装置进行控制，用户可以根据实际情况调整相应的扫描参数以实现最优检测，提高了安检系统的效率；本发明采用太赫兹SAR成像体制，对布料、泡沫、纸板等物质具有很好的穿透性，对于包裹以及人体衣物中的隐匿物品能够实现有效的检测，分辨率和精准率都较高。
【专利说明】
一种基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统
技术领域
[0001] 本发明属于安检技术领域，具体涉及一种基于X波段矢量网络分析仪的太赫兹三 维安检成像系统。 技术背景
[0002] 传统的安检技术受对人体无害、对被检人隐私保护等方面的限制，往往难以实现 对人体及其行李的可靠性检测。随着国际反恐形势的愈发严峻，在提高传统安检技术效率 的同时，需要发展新体制的安检系统以实现更为有效的检测。
[0003] 太赫兹（terahertz，THz)波通常指频率在100GHz~ΙΟΤΗζ的电磁波，处于电子学到 光学的过渡频段。太赫兹波对很多非极性物质具有很好的穿透性，它能以很小的衰减穿透 布料、泡沫、纸板等物质；而水对太赫兹波的强烈吸收使之不能穿透人体皮肤，故对人体的 影响也只能停留在皮肤表层，不像微波可以穿透人体的内部。另外，太赫兹光子的能量只有 l(T3eV，低于各种化学键的键能，不会引起有害的电离反应，故不易破坏被检测的物质。因 此，太赫兹成像作为X射线成像和金属探测等技术的补充，在安检领域具有重大的应用前 景。
[0004] 太赫兹成像系统就成像体制而言可以分为扫描成像、SAR和ISAR成像。其中，太赫 兹SAR和ISAR成像是对微波雷达成像在频段上的扩展，是基于电子学的以半导体固态器件、 电真空器件等为基础，以传统雷达信号处理为手段的一种成像方式。与其他波段的成像系 统相比，太赫兹SAR和ISAR成像系统虽然成本较高，但其成像结果在分辨率和信息量方面都 有明显的优势。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在提供一种应用于安检领域的太赫兹三维成像系统，该系统基于X波段 的矢量网络分析仪，有效解决了现有太赫兹安检系统在器件成本与成像效果之间的矛盾。
[0006] 本发明的技术方案如下： 基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，其特征在于:包括信号产生与采集装置、 模拟前端、扫描驱动装置、信号及数据处理装置； 信号产生与采集装置，用于产生一定带宽的X波段的步进频信号和采集接收机模拟前 端输出的X波段信号； 接收机模拟前端，分为发射支路与接收支路，其中，发射支路用于将信号产生与采集装 置产生的X波段的步进频信号处理为太赫兹波段的步进频信号，接收支路用于将太赫兹波 段的目标回波信号处理为X波段信号； 扫描驱动装置，用于固定模拟前端进行扫描； 信号及数据处理装置，用于对信号产生与采集装置产生和采集的信号进行处理成像。
[0007] 所述信号产生与采集装置采用矢量网络分析仪实现。
[0008] 所述接收支路包括:倍频器、混频器、滤波器、低噪声放大器、接收天线，发射支路 包括:倍频器、混频器、滤波器、低噪声放大器、发射天线。
[0009] 所述扫描驱动装置包括步进电机控制器和步进轨道，所述模拟前端通过载物台在 步进轨道上进行固定。
[0010] 所述步进轨道包括方位向轨道和高度向轨道，方位向轨道与高度向轨道相互垂 直。进一步地，所述方位向轨道和高度向轨道由步进电机控制器进行驱动。
[0011]所述步进电机控制器通过控制方位向轨道和高度向轨道内转轴的转动，实现对载 物台位置在方位向轨道和高度向轨道上的细微改变，进一步实现对发射天线在方位向与高 度向的孔径合成。此外，方位向轨道和高度向轨道的转轴上分别设置有限位装置。
[0012] 所述信号及数据处理装置主要采用高性能的主控计算机实现。
[0013] 所述太赫兹安检成像系统的工作原理如下： 首先，由信号产生与采集装置产生的步进频信号经倍频器、混频器、滤波器处理后上变 频至太赫兹波段，再由低噪声放大器进行功率放大，最后通过发射天线向待检区域辐射发 射信号； 然后，发射信号经目标反射产生目标回波信号，目标回波信号由接收天线进入系统;进 入系统后的接收信号通过模拟前端的倍频器、混频器、滤波器处理后将接收信号下变频至X 波段，并实现对接收信号的功率放大以及频域滤波； 接收信号经模拟前端输出进入信号产生与采集装置，由信号产生与采集装置实现对接 收信号的采集，并将其输出至信号及数据处理装置； 所述信号及数据处理装置对信号产生与采集装置的采集信号进行实时存储，利用三维 后向投影算法对采集信号进行成像，并通过图像增强、ATD等算法对原始图像进行处理，最 后由信号及数据处理装置对处理后的三维成像结果进行显示。
[0014] 进一步地，信号及数据处理装置还用于通过以太网线对步进电机控制器进行控 制。
[0015] 用户可以通过信号及数据处理装置设置相应的参数，修改扫描区域、扫描速度、天 线步进距离等信息，以实现对待检区域快速且有效的检测。
[0016] 进一步的，步进电机控制器根据接收到的信号及数据处理装置的参数设定，通过 控制步进轨道内转轴转动的速度、圈数等参数信息控制天线位置;当天线位置发生变化时， 步进电机控制器向信号及数据处理装置返回天线当前的位置信息，信号及数据处理装置根 据天线位置是否达到扫描区域的最大值向步进电机控制器发出下一步的控制信息;若达到 最大值，下一步的控制信息将使天线位置归零;若没有达到最大值，控制信息将使天线沿着 当前轨道继续以步进距离为单位移动。
[0017] 本发明的有益效果如下： 1. 本发明采用太赫兹SAR成像体制构建了用于安检的三维成像系统，该系统对布料、泡 沫、纸板等物质具有很好的穿透性，对于包裹以及人体衣物中的隐匿物品能够实现有效的 检测； 2. 本发明可达到低于7.5mm的分辨率，对隐匿物品的三维成像更加清晰且准确，为安检 技术的精准率提供了可靠的支持； 3. 本发明利用矢量网络分析仪作为信号产生与采集装置，通过模拟前端将X波段的步 进频信号上变频至太赫兹波段向待检空间辐射，再通过模拟前端将太赫兹波段的目标回波 信号下变频至X波段进行信号处理;系统性能稳定且硬件成本较低。
[0018] 4.本发明利用主控计算机对扫描驱动装置、信号及数据处理装置进行控制，用户 可以根据实际情况调整相应的扫描参数以实现最优检测，提高了安检系统的效率。
[0019] 5.本发明采用一种非接触式安检方式，同时，在对人体进行检测时，检测结果不显 示任何身体细节特征，充分保护了被检人员的个人隐私。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明实施例的系统组成框图； 图2为本发明实施例的扫描驱动装置的工作原理图； 图3为本发明实施例的系统工作流程图。
【具体实施方式】
[0021] 本发明基于矢量网络分析仪构建，利用太赫兹SAR成像技术，实现了对包裹及人体 隐匿物体的检测。本发明的基本组成如图1所示，主要包括信号产生与采集装置、模拟前端、 扫描驱动装置、信号及数据处理装置四部分。
[0022] 所述信号产生与采集装置采用矢量网络分析仪实现。本发明的信号产生与采集工 作由矢量网络分析仪完成。作为信号产生装置，矢量网络分析仪用于产生指定带宽的X波段 的步进频信号；同时，作为信号采集装置，矢量网络分析仪用于将该安检系统模拟前端输出 的模拟信号转变为数字信号。
[0023] 所述模拟前端分为收发两路，接收支路包括:倍频器、混频器、滤波器、低噪声放大 器、接收天线，发射支路包括:倍频器、混频器、滤波器、低噪声放大器、发射天线。其中，倍频 器与混频器在发射支路用于将矢量网络分析仪产生的发射信号上变频至太赫兹波段，在接 收支路用于将天线接收的目标回波信号下变频至X波段;滤波器与低噪声放大器用于对信 号进行频域滤波选通以及功率放大;收发天线用于向待检区域发射并接收电磁波。
[0024] 所述扫描驱动装置包括步进电机控制器和步进轨道，所述模拟前端通过载物台在 步进轨道上进行固定。其中，步进轨道包括方位向轨道和高度向轨道，方位向轨道与高度向 轨道相互垂直。进一步地，方位向轨道和高度向轨道由步进电机控制器进行驱动，通过控制 方位向轨道和高度向轨道内转轴的转动，实现对载物台位置在方位向轨道和高度向轨道上 的细微改变，进一步实现对发射天线在方位向与高度向的孔径合成。此外，方位向轨道和高 度向轨道的转轴上分别设置有限位装置。
[0025]所述信号及数据处理装置主要采用高性能的主控计算机实现。主控计算机利用三 维后向投影算法对采集信号进行成像，并通过图像增强、ATD等算法对原始图像进行处理， 最后对处理后的三维成像结果进行显示。
[0026]本发明的基本工作流程如图3所示，具体体现为： 步骤一，矢量网络分析仪接收主控计算机中系统软件的参数设定，发射指定参数下的X 波段的步进频信号，信号的载频以（步进频率)为间隔均匀步进，信号带资
N为离 散频率数)。
[0027]步骤二，由矢量网络分析仪产生的X波段的步进频信号经倍频器与混频器处理后 上变频至太赫兹波段，再经滤波器滤除低频分量，最后由低噪声放大器对其进行功率放大。
[0028]步骤三，天线采用"一步一停"的方式发射并接受电磁波。步进电机控制器接收主 控计算机中系统软件的参数设定，通过控制步进轨道内转轴转动的速度、圈数等信息控制 天线位置。扫描驱动装置的工作原理如图2所示。当天线位置发生变化时，步进电机控制器 向主控计算机返回天线当前的位置信息，主控计算机根据天线位置是否达到扫描区域的最 大值向步进电机控制器发出下一步的控制信息。若达到最大值，下一步的控制信息将使天 线位置归零;若没有达到最大值，控制信息将使天线沿着当前轨道继续以步进距离为单位 移动。
[0029]以步进距离为1mm，方位-高度向扫描区域为200 X 200mm的实验环境为例，天线首 先沿着方位向轨道按照指定速度在方位向以"一步一停"的方式进行移动，天线在方位向的 位移每增加1mm，发射天线向待检区域发射一段步进频信号，并通过接收天线接收由目标反 射的回波信号；当天线在方位向的位移达到200mm时，天线在方位向轨道上的位置归零，此 时，天线先在高度向上移动1mm，接着按照前述方式继续在方位向上进行移动;依此类推，当 天线在方位向与高度向的位移均达到200_时，一次扫描完成，方位-高度向同时归零。
[0030] 步骤四，系统的模拟前端利用与发射信号相应的本振信号对接收天线接收到的目 标回波信号进行下变频，并通过低噪声放大器与滤波器实现对接收信号的功率放大以及频 域选通滤波，最后通过矢量网络分析仪实现由模拟信号向数字信号的转换。
[0031] 步骤五，主控计算机对矢量网络分析仪采集的信号进行存储，并利用MATLAB软件 对采集信号进行处理。该系统首先对采集信号的距离向做逆傅里叶变换，得到目标回波信 号的时域响应，即一维距离像；随后，系统利用三维后向投影算法对信号进行处理，该算法 将三维成像空间划分为MXNXP的网格，通过计算由各网格点反射的目标回波信号到达接 收天线的时延对回波信号进行相干叠加以获得方位-高度向的高分辨率;最后由主控计算 机对图像处理后的三维成像结果进行显示。
【主权项】
1. 一种基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，其特征在于:包括信号产生与采 集装置、接收机模拟前端、扫描驱动装置、信号及数据处理装置； 信号产生与采集装置，用于产生X波段的步进频信号和采集接收机模拟前端输出的X波 段信号； 接收机模拟前端，分为发射支路与接收支路，其中，发射支路用于将信号产生与采集装 置产生的X波段步进频信号处理为太赫兹波段的步进频信号，接收支路用于将太赫兹波段 的目标回波信号处理为X波段信号； 扫描驱动装置，用于固定模拟前端进行扫描； 信号及数据处理装置，用于对信号产生与采集装置产生和采集的信号进行处理成像。2. 根据权利要求1所述的基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，其特征在于:所 述信号产生与采集装置采用矢量网络分析仪实现。3. 根据权利要求1所述的基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，其特征在于:所 述接收支路包括:倍频器、混频器、滤波器、低噪声放大器、接收天线，发射支路包括:倍频 器、混频器、滤波器、低噪声放大器、发射天线。4. 根据权利要求1所述的基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，其特征在于:所 述扫描驱动装置包括步进电机控制器和步进轨道，所述模拟前端通过载物台在步进轨道上 进行固定。5. 根据权利要求4所述的基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，其特征在于:所 述步进轨道包括方位向轨道和高度向轨道，方位向轨道与高度向轨道相互垂直;所述方位 向轨道和高度向轨道由步进电机控制器进行驱动。6. 根据权利要求5所述的基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，其特征在于:所 述步进电机控制器通过控制方位向轨道和高度向轨道内转轴的转动，改变载物台在方位向 轨道和高度向轨道上的位置，实现对发射天线在方位向与高度向的孔径合成。7. 根据权利要求6所述的基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，其特征在于：随 时方位向轨道和高度向轨道的转轴上分别设置有限位装置。8. 根据权利要求1所述的基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，其特征在于:所 述信号及数据处理装置采用主控计算机实现。9. 根据权利要求1所述的基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，其特征在于系 统的工作原理如下： 首先，由信号产生与采集装置产生的步进频信号经倍频器、混频器、滤波器处理后上变 频至太赫兹波段，再由低噪声放大器进行功率放大，最后通过发射天线向待检区域辐射发 射信号； 然后，发射信号经目标反射产生目标回波信号，目标回波信号由接收天线进入系统;进 入系统后的接收信号通过模拟前端的倍频器、混频器、滤波器处理后将接收信号下变频至X 波段，并实现对接收信号的功率放大以及频域滤波； 接收信号经模拟前端输出进入信号产生与采集装置，由信号产生与采集装置实现对接 收信号的采集，并将其输出至信号及数据处理装置； 所述信号及数据处理装置对信号产生与采集装置的采集信号进行实时存储，利用三维 后向投影算法对采集信号进行成像，并对原始图像进行处理，最后由信号及数据处理装置 对处理后的三维成像结果进行显示。10. 根据权利要求1或9所述的基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，其特征在 于:所述信号及数据处理装置通过以太网线对步进电机控制器进行控制。11. 根据权利要求1或9所述的基于矢量网络分析仪的太赫兹安检成像系统，其特征在 于：用户通过信号及数据处理装置设置相应的参数，修改扫描区域、扫描速度、天线步进距 离信息，以实现对待检区域的检测。
【文档编号】G01V8/10GK105974491SQ201610295499
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】赵宇姣, 刘杰, 邓贤进, 成彬彬, 汪朝晖
【申请人】中国工程物理研究院电子工程研究所