運動人體安檢成像系統(tǒng)和方法技術方案

本發(fā)明專利技術屬于安全檢查技術領域，具體為一種運動人體安檢成像系統(tǒng)和方法。本發(fā)明專利技術系統(tǒng)包括合成孔徑雷達（SAR）子系統(tǒng)、跟蹤定位子系統(tǒng)、中央處理子系統(tǒng)；SAR子系統(tǒng)用于對運動人體進行微波或毫米波SAR成像；跟蹤定位子系統(tǒng)用于對人體及其部件進行跟蹤定位，獲取每一時刻的三維位置和姿態(tài)信息；中央處理子系統(tǒng)用于對整個系統(tǒng)進行控制，對所獲得的數(shù)據(jù)進行處理，并對用戶顯示處理結(jié)果，特別是利用跟蹤定位子系統(tǒng)獲得的人體及其部件的位置和姿態(tài)信息，對SAR子系統(tǒng)獲得的原始數(shù)據(jù)進行聚焦成像，得到人體或某個部件的SAR圖像。本發(fā)明專利技術著眼于人攜安全威脅和違禁物品的自動檢測，可以適用于流量繁忙的公眾設施、公眾聚會、邊境口岸等場合。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
專利
本專利技術屬于安全檢查
，具體涉及運動人體安檢成像（包括隱藏物體檢測）的系統(tǒng)和方法。
技術介紹
在當前國際環(huán)境下，恐怖主義日漸猖獗，公共場合恐怖襲擊事件頻繁發(fā)生。因此，反恐技術成為國際重大需求之一。其中，針對人體的安檢成像技術有著重要的作用，主要應用于對人體攜帶安全威脅和違禁物品的監(jiān)測。人體攜帶炸彈和武器是對公共場合的主要威脅，攜帶目的大多是對機場，學校，政府或公眾聚會進行恐怖襲擊；其次，人體攜帶違禁物品通過海關和邊境防護，會導致運輸安全問題或者毒品，現(xiàn)金，武器等物品的走私。距今為止，以上問題得以較好解決的僅為機場登機前的安檢。國內(nèi)普遍采用的措施是使用金屬探測器，國外現(xiàn)采用的有毫米波全息成像技術和后向X射線成像技術[1]。其中金屬探測器不能成像，僅能探測是否攜帶金屬物體，相關技術的已有專利如[2]。各種成像技術的優(yōu)缺點對比見表1。其中傳統(tǒng)的穿透型X射線技術由于其電離輻射劑量大而不適用于人體，該類型技術已有專利如[3]，產(chǎn)品如L3-Communications的ACX6.4[4]。后向散射型X射線成像技術(如專利[5]所描述的技術)雖然其輻射劑量小，但仍屬于電離輻射，其對于人體的危害目前尚有爭論。目前代表性產(chǎn)品如Rapiscan公司的Secure1000產(chǎn)品[6]，該產(chǎn)品要求操作人員用肉眼觀察所得圖像進行識別，因此存在隱私窺視問題。而微波毫米波成像技術屬于非電離輻射，與生活中常見的無線通信信號類似，不存在健康危害問題。當前主流技術是毫米波全息成像技術，如專利[7,8,9]所描述的各種形式的對靜止人體成像的技術，代表產(chǎn)品為L3-Communications公司的ProVision系列產(chǎn)品[10]，該產(chǎn)品還帶有針對圖像的計算機自動識別功能，機器直接提供識別結(jié)果，因此不涉及隱私窺視問題。此外還有類似的毫米波/太赫茲焦平面成像技術，如專利[11,12]所描述，該技術參照光學相機采用巨大的毫米波聚焦透鏡，并在焦平面上通過巨大的接收陣列進行實時成像，該技術可以是被動輻射或主動照射式，相關產(chǎn)品有NEC公司研制的太赫茲探測器焦平面陣列（MicrobolometerFPA)[13]、北京廣微積電科技有限公司研制的GWIR探測器[14]。由于該技術所得圖像的像素個數(shù)對應于接收陣列單元個數(shù)，其最大的局限性在于陣列的高成本和所得圖像的低分辨率。當前應用最廣泛的是毫米波全息技術，其最大局限性在于必須設置固定的檢查點，要求受檢者逐個進入機器并保持靜止幾秒種，即不支持人體移動和不可便攜。這直接導致其應用范圍狹窄、運作效率低，不適用于流量繁忙的公眾設施、公眾聚會、邊境口岸等。而且也導致機器本身的隱蔽性差，無法在受檢者不知情的情況下檢測。本專利技術為新型毫米波成像技術，可以直接對運動人體進行高分辨率成像，且不需要巨大的接收陣列，有可便攜能力。表1現(xiàn)有安檢成像技術的對比與本專利技術相關的技術還有利用紅外或可見光技術進行三維攝像技術以及人體定位和跟蹤技術。比如專利[15]所描述的利用紅外飛行時間（TimeofFlight）進行測距獲得深度圖像（DepthImage）的技術，相關產(chǎn)品為微軟公司的Kinect2傳感器[16]。比如專利[17]所描述的結(jié)構(gòu)光技術或?qū)＠鸞18]所描述的立體視覺技術，相關產(chǎn)品有松下公司的D-Imager相機、Bumblebee公司的三維相機等。其中微軟公司的Kinect2傳感器還附帶軟件開發(fā)工具，能根據(jù)光學和深度圖像自動實時提取人體骨架的三維位置和運動信息，即對人體及其部件進行三維跟蹤定位。本專利技術利用這類技術獲得的人體跟蹤定位信息作為輔助，實現(xiàn)對運動人體的微波或毫米波成像。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的在于提出一種能夠直接對自由運動人體進行安檢成像的系統(tǒng)與方法。本專利技術提出對運動人體進行安檢成像的系統(tǒng)與方法，是綜合利用微波或毫米波雷達和人體跟蹤定位技術，直接對自由運動人體進行安檢成像，其中跟蹤定位子系統(tǒng)用于精確測量人體位置和識別人體姿態(tài)，然后作為輔助信息用于微波或毫米波雷達對人體的成像。本專利技術提出的運動人體安檢成像系統(tǒng)，包含：合成孔徑雷達（SyntheticApertureRadar，簡稱SAR）子系統(tǒng)、跟蹤定位子系統(tǒng)和中央處理子系統(tǒng)。其中，SAR子系統(tǒng)用于對運動人體進行微波或毫米波SAR成像；跟蹤定位子系統(tǒng)用于對人體及其部件（如：軀干、四肢等）進行跟蹤定位，獲取每一時刻的三維位置和姿態(tài)信息；中央處理子系統(tǒng)用于對整個系統(tǒng)進行控制，對所獲得的數(shù)據(jù)進行處理，并對用戶顯示處理結(jié)果，特別是利用跟蹤定位子系統(tǒng)獲得的人體及其部件的位置和姿態(tài)信息，對SAR子系統(tǒng)獲得的原始數(shù)據(jù)進行聚焦成像，得到人體或某個部件的SAR圖像。該SAR圖像為穿透衣服的圖像，可用于檢測隱蔽物體。本專利技術中，所述SAR子系統(tǒng)采用多輸入多輸出（MultipleInputMultipleOutput，簡稱MIMO）天線陣列，此外還包含雷達收發(fā)機（Transceiver）、開關模塊。其中，雷達收發(fā)機由信號發(fā)生、信號接收、信號采集、控制等電路構(gòu)成。雷達收發(fā)機通過開關模塊與MIMO天線陣列連接。MIMO天線陣列分為發(fā)射子陣和接收子陣。雷達收發(fā)機的發(fā)射端信號通過開關模塊切換由發(fā)射子陣中的不同天線單元發(fā)射出去，而回波信號則通過開關模塊切換由接收子陣中的不同天線單元接收。本專利技術的一個實施例的SAR子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。在該結(jié)構(gòu)圖中，SAR子系統(tǒng)采用為毫米波雷達1，包括波形產(chǎn)生器5、倍頻模塊6、發(fā)射天線開關7、發(fā)射天線陣列8、接收天線陣列9、接收天線開關10、電源11、模數(shù)轉(zhuǎn)換器12和FPGA13。其中，波形產(chǎn)生器用于產(chǎn)生振蕩信號，輸出到倍頻模塊進行8倍倍頻，通過發(fā)射天線開關分時控制送往發(fā)射天線陣列進行信號發(fā)射；同時，接收天線開關控制接收天線陣列分時接收回波信號，然后和倍頻模塊產(chǎn)生信號進行混頻下變頻；下變頻信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器后送往FPGA的緩存；FPGA產(chǎn)生定時信號，并控制其它部件進行工作。其中，雷達收發(fā)機可采用線性調(diào)頻連續(xù)波（FrequencyModulatedContinuousWave，簡稱FMCW）架構(gòu)，即發(fā)射FMCW波形并在接收端直接將接收信號與發(fā)射信號混頻得到拍頻信號。本專利技術的一個實施例的雷達收發(fā)機結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括：鎖相恒溫晶振14，第一鎖相介質(zhì)振蕩器15，第二鎖相介質(zhì)振蕩器16，DDS17，下變頻模塊18，衰減器19，電調(diào)衰減網(wǎng)絡20，混頻模塊21，8倍頻電路6，收發(fā)模塊21；其輸入信號強度為0dBm，頻率為10MHz，經(jīng)過鎖相恒溫晶振14，產(chǎn)生頻率100MHz強度10dBm的信號A，信號A分出兩路信號A1和A2；信號A1經(jīng)過PDRO（第二鎖相介質(zhì)振蕩器16）產(chǎn)生2.1GHz強度10dBm的信號B1；信號A2經(jīng)過PDRO（第一鎖相介質(zhì)振蕩器15）、DDS17、下變頻模塊18、衰減器19至0.65~1.15GHz，信號強度為-5dBm，隨后經(jīng)過ATT(電調(diào)衰減網(wǎng)絡20)把信號強度降到-10dBm，輸出A2；信號A1和信號A2經(jīng)過混頻和輸出信號濾波，得到2.75~3.25GHz的信號，隨后經(jīng)過8倍倍頻電路6至22~26GHz信號，送往收發(fā)模塊21進行信號發(fā)射和接收信號的混頻輸入。其中，MIMO天線陣列按一定形式排列，使得兩兩收發(fā)天線對的相位中心的中點正好均勻本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種運動人體安檢成像系統(tǒng)，其特征在于，包括SAR子系統(tǒng)、跟蹤定位子系統(tǒng)和中央處理子系統(tǒng)；其中，SAR子系統(tǒng)用于對運動人體進行微波或毫米波SAR成像；跟蹤定位子系統(tǒng)用于對人體及其部件進行跟蹤定位，獲取每一時刻的三維位置和姿態(tài)信息；中央處理子系統(tǒng)用于對整個系統(tǒng)進行控制，對所獲得的數(shù)據(jù)進行處理，并對用戶顯示處理結(jié)果，特別是利用跟蹤定位子系統(tǒng)獲得的人體及其部件的位置和姿態(tài)信息，對SAR子系統(tǒng)獲得的原始數(shù)據(jù)進行聚焦成像，得到人體或某個部件的SAR圖像；這里，SAR為合成孔徑雷達。

【技術特征摘要】
1.一種運動人體安檢成像系統(tǒng)，其特征在于，包括SAR子系統(tǒng)、跟蹤定位子系統(tǒng)和中央處理子系統(tǒng)；其中，SAR子系統(tǒng)用于對運動人體進行微波或毫米波SAR成像；跟蹤定位子系統(tǒng)用于對人體及其部件進行跟蹤定位，獲取每一時刻的三維位置和姿態(tài)信息；中央處理子系統(tǒng)用于對整個系統(tǒng)進行控制，對所獲得的數(shù)據(jù)進行處理，并對用戶顯示處理結(jié)果，特別是利用跟蹤定位子系統(tǒng)獲得的人體及其部件的位置和姿態(tài)信息，對SAR子系統(tǒng)獲得的原始數(shù)據(jù)進行聚焦成像，得到人體或某個部件的SAR圖像；這里，SAR為合成孔徑雷達。2.根據(jù)權利要求1所述的運動人體安檢成像系統(tǒng)，其特征在于，所述SAR子系統(tǒng)采用多輸入多輸出天線陣列，簡稱MIMO天線陣列；此外還包含雷達收發(fā)機、開關模塊；其中，雷達收發(fā)機由信號發(fā)生、信號接收、信號采集、控制等電路構(gòu)成；雷達收發(fā)機通過開關模塊與MIMO天線陣列連接；MIMO天線陣列分為發(fā)射子陣和接收子陣；雷達收發(fā)機的發(fā)射端信號通過開關模塊切換由發(fā)射子陣中的不同天線單元發(fā)射出去，而回波信號則通過開關模塊切換由接收子陣中的不同天線單元接收。3.根據(jù)權利要求2所述的運動人體安檢成像系統(tǒng)，其特征在于，所述SAR子系統(tǒng)采用為毫米波雷達，包括波形產(chǎn)生器、倍頻模塊、發(fā)射天線開關、發(fā)射天線陣列、接收天線陣列、接收天線開關、電源、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和FPGA；其中，波形產(chǎn)生器用于產(chǎn)生振蕩信號，輸出到倍頻模塊進行8倍倍頻，通過發(fā)射天線開關分時控制送往發(fā)射天線陣列進行信號發(fā)射；同時，接收天線開關控制接收天線陣列分時接收回波信號，然后和倍頻模塊產(chǎn)生信號進行混頻下變頻；下變頻信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器后送往FPGA的緩存；FPGA產(chǎn)生定時信號，并控制其它部件進行工作。4.根據(jù)權利要求2或3所述的運動人體安檢成像系統(tǒng)，其特征在于，所述雷達收發(fā)機包括：鎖相恒溫晶振，PDRO，鎖相介質(zhì)振蕩器，DDS，下變頻模塊，衰減器，混頻模塊，8倍頻電路，收發(fā)模塊；其輸入信號強度為0dBm，頻率為10MHz，經(jīng)過鎖相恒溫晶振，產(chǎn)生頻率100MHz強度10dBm的信號A，信號A分出兩路信號A1和A2；信號A1經(jīng)過PDRO產(chǎn)生2.1GHz強度10dBm的信號B1；信號A2經(jīng)過PDRO、DDS、下變頻模塊、衰減器至0.65~1.15GHz，信號強度為-5dBm，隨后經(jīng)過電調(diào)衰減網(wǎng)絡把信號強度降到-10dBm，輸出信號A2；信號A1和信號A2經(jīng)過混頻模塊后，輸出信號進行濾波，得到2.75~3.25GHz的信號，隨后經(jīng)過8倍頻電路至22~26GHz信號，送往收發(fā)模塊進行信號發(fā)射和接收信號的混頻輸入。5.根據(jù)權利要求2或3所述的運動人體安...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：徐豐，金亞秋，朱占宇，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31