专利名称：使用有源电磁波识别潜在的威胁物质的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于识别隐藏物品的成像系统，例如用于安全扫描的成像系统。其适 用于工作于宽范围频率中的任意频率的成像系统。
背景技术：
在对运输和公共空间中的安全威胁的响应中，在安全检查点对人们进行诸如麻醉 品和爆炸物以及其它类型的违禁品的检查正在变得普遍，安全点例如是机场、火车站、运动 赛事、音乐会、联邦建筑物、以及其它公共和私人设施。使用非电离辐射对感兴趣的隐藏物 品进行成像是已知的，非电离辐射诸如是太赫和毫米范围的辐射。在例如W0200875948、 US7304306和US7^5019中描述了该系统。W0200875948描述了对成像辐射的分析，以形象化人体内的性质，诸如电导率、电 容率、以及磁导率。传输具有大的带宽的非相干波，以确保它们无害。带宽优选地为控制频 率的一半。辐射源例如可以是宽带非相干噪声发生器。US7304306描述了使用太赫辐射的成像系统，并使用了直接转换检测器�？�。检测 的辐射分裂成数个分量，这些分量被衰减。目的是检测爆炸性物质。组合不同的信号以提 供合成信号。US7^5019描述了使用电容和电感传感器检测诸如塑料爆炸物和陶瓷刀的隐藏物品。本发明涉及对非金属隐藏物品提供改善的检测，具体是在威胁和非威胁物品之间 具有改善的区别。
发明内容
一种成像系统，包括发射器，用于将辐射指向体积，所述体积中存在目标；接收器，用于接收来自所述目标的散射辐射；以及处理器，用于处理所述散射辐射，以根据所接收的辐射的幅度和相位生成图像。
其还可以包括显示器，所述显示器耦合至所述处理器，用于生成图像显示。在一个实施例中，所述处理器适于根据相对于人身体的电容率的电容率对隐藏介 电物质进行分类，所述相对电容率从所接收的辐射的幅度和相位信息推得。在一个实施例中，所述发射器适于发射具有基本单个频率的入射辐射。在一个实施例中，所述频率在IGHz至300GHz的范围中。在一个实施例中，所述频率在IGHz至80GHz的范围中。在另一个实施例中，所述处理器适于自动识别所记录的图像中的边缘处的异常， 并适于在推导相对电容率数据时使用所述异常。在一个实施例中，所述处理器适于基于相对电容率的数据库对物质进行分类，并 且所述数据库包括诸如爆炸物或麻醉品的特定威胁物质的电容率数据或相对电容率数据。
在另一个实施例中，所述处理器测量所述隐藏物质附近和所述隐藏物质处的散射 辐射的相位和幅度，所述隐藏物质附近的散射辐射的相位和幅度提供参考。在一个实施例中，所述系统适于检测来自两个或更多体积单元的辐射，如果体积 单元不包括所述隐藏物质，则所述体积单元提供参考数据。在另一个实施例中，所述处理器适于处理所述扫描体积中的单元与单元的幅度和 相位对比，以生成所述扫描体积的图像。在一个实施例中，所述单元的不同幅度和相位响应由所述处理器使用以检测隐藏 物质的位置和取向。在一个实施例中，所述发射器和所述接收器包括共焦布置的喇叭，其中，所述喇叭 照射反射阵列并且所述反射阵列配置为将所述辐射聚焦在所述扫描体积中的单元处，并且 所述反射依次由所述反射阵列重聚焦于所述喇叭孔隙处，并且所述处理器适于控制所述反 射阵列以遍及所述扫描体积以系统方式扫描所述焦点，并且所述处理器适于使用喇叭模式 和所述扫描策略来计算就各个射线来说与每一个体积单元关联的几何结构，并且其中，所 述对象和所述周围体积之间的幅度和相位变化以及所计算的几何结构用于估计所述相对 电容率。在一个实施例中，对于每一个发射射线，两个返回射线的数据由所述处理器处理， 其中，第一射线反射离开所述对象的表面，且第二射线透射通过所述对象并在所述对象和 所述身体之间的界面处反射，并且其中，所述处理器适于执行估计过程，所述估计过程追踪 所述两个射线并识别以下事件两个射线均未由所述喇叭重新获得并因此在所述估计过程中不起作用，所述第一射线被重新获得并在所述估计过程中被考虑，但是所述第二射线损失 了，所述第二射线被重新获得并在所述估计过程中被考虑，但是所述第一射线损失 了，以及两个射线均被重新获得并均对所述估计过程起作用。在一个实施例中，所述处理器适于执行实施与边界附近的场的电磁性质相关的菲 涅耳定律的算法，以计算接收的辐射的相位和作为衰减水平的幅度，即τω(Λ1。在一个实施例中，所述处理器适于执行反映边界附近的反射系数和波阻抗的电磁 性质的算法，以计算接收的辐射的相位和作为衰减水平的幅度，即τω(Λ1。在一个实施例中，所述处理器适于执行共焦图像理论算法，以计算接收的辐射的 相位和作为衰减水平的幅度，即Φω(Λ1和τω(Λ1。在一个实施例中，所述系统还包括用于反射散射辐射的反射器，并且所述接收器 安装为在辐射被反射后接收所述辐射。在一个实施例中，所述反射器包括反射阵列，所述反射阵列配置为将所发射的辐 射聚焦在所述扫描体积中相继的单元处。在一个实施例中，所述发射器和所述接收器包括喇叭天线，并且所述系统包括以 瓦片(in title)布置的反射阵列，每个瓦片包括具有开关晶体管和用于控制所述晶体管的 关联控制器的贴片天线的阵列，并且其中，所述控制器适于配置所述贴片天线的相位以在 所述阵列由所述喇叭天线照射时实现空间中的特定模式，其中，所述处理器适于
对从所述喇叭天线至贴片的距离和从所述贴片至所述焦点的距离进行计算并求 和，将所述距离转换为所述工作频率处的波长，以及通过乘以度数将所述距离的分数部分转换为相位，并且其中，为使每个贴片对所 述聚焦起相长作用，所述相位必需基本相同。在一个实施例中，晶体管选择为根据所计算的相位通过接通所述通晶体管来增加 0或180度相移和通过关断所述晶体管来增加0度，通过施加开关所述晶体管的合适的模式 对整个所述体积实施扫描。
根据仅参照附图通过范例方式给出的一些实施例的以下描述，将更清楚地理解本 发明，其中图1和2是示例本发明的系统的硬件的图；图3是示例不存在潜在威胁对象时的入射和散射辐射的图；以及图4示出了存在潜在威胁时的辐射。
具体实施例方式本发明包括使用利用有源微波成像硬件进行的不同检查并将人体携带的物质自 动分类为安全物质或潜在的威胁物质。自动分类基于人体比诸如爆炸物或麻醉品潜在的威 胁物质的许多介电物质具有高得多的反射率(因为其电容率大得多)的事实。在此说明书中，除非另外明确阐明，否则“和”能够意指“或”，且“或”能够意指 “和”。例如，如果特征描述为具有A、B或C，则该特征能够具有A、B和C，或A、B和C的任意 组合。类似地，如果特征描述为具有A、B和C，则该特征能够仅具有A、B或C中的一个或两 个。除非另外明确阐明，“一”和“一个”能够意指“一个或一个以上”。例如，如果设备 描述为具有特征X，则设备可以具有一个或一个以上的特征X。由于微波穿过物质，所以微波成像系统使得能够检测人体上的隐藏威胁。此上下 文中的术语微波指1至300GHz的频率范围的电磁辐射。成像系统能够使用任意非电离辐射，包括但不限于毫米波或太赫辐射。在一个实 施例中，系统使用毫米波照射对对象进行成像。能够使用反射阵列对入射束进行聚焦。为 了成像，反射阵列能够以瓦片布置。每个瓦片能够包括具有开关FET和用于控制FET的关 联电子器件的贴片天线。每个面板构成反射阵列。在阵列由喇叭天线照射时，各个贴片的 相位能够配置为获得空间中的特定模式。能够计算从喇叭至贴片的距离和从贴片至焦点的 距离并对它们进行求和。得到的距离然后能够转换为工作频率的波长。通过乘以360度， 距离的分数部分能够转换为相位。为了使每个贴片对聚焦起相长作用，从以上计算得到的 相位应当相同或基本相同。通过使相位具有好于180度的一致性，能够对此进行近似。为 了实现这个，FET能够选择为根据计算的相位增加0或180度的相移。FET能够配置为通过 将其开通而传送180度的相移和通过将其关断而传送0度的相移。从而能够通过向FET施 加一和零的合适模式对体积实施扫描。
参照图1和2，在一个实施例中，成像系统为具有控制器20的实时成像系统，控制 器20负责所有决策。控制器20控制图像的显示和图形用户界面。数字接收器21能够通 过触发板22和23来控制面板。接收的辐射响应经由喇叭天线电路M和25。PC 20使用两 个以太网链接连接至数字接收器21。所有PC指令经由数字接收器21发送，并且来自系统 的所有响应经由数字接收器21返回PC 20。从数字接收器21至瓦片沈的菊花链互连容许 一般指令和数据的通信，诸如写入指令、加载反射器开关模式和诊断程序(diagnostics)。 通常，菊花链链接能够用于双向通信。图2示出了触发板22和23以及它们和每个瓦片之 间的并联链接。这些并联链接提供扫描字组地址和同步信号。也经由触发板22和23向瓦 片26供电。一个实施例中使用的辐射频率为24. 12GHz。已发现在一些实施例中IGHz至80GHz 的频率范围是特别有效的，并且IGHz至40GHz的子范围是特别有效的。然而，观察到在其 它实施例中可以使用不同波长，高达300GHz。为了使得可以利用微波检测威胁，就电磁波传播来说，与周围物质(人体)相比 较，需要威胁具有不同的性质。有源微波成像系统照射预定的扫描体积，并且测量来自扫描体积中的每个体积单 元的接收信号的幅度和相位。单元与单元的幅度和相位对比用于生成扫描体积的图像。接收信号的幅度和相位是成像射线的几何结构、对象的几何结构、以及对象的介 电性质的函数。幅度和相位数据的分析容许计算这些对象性质。计算对象的电性质能够从入射、反射以及透射电磁波推导对象的电性质，诸如介电电容率。电磁波或 射线的反射和透射是对象界面两侧的波阻抗、几何结构、表面织构的函数。波阻抗取决于物 质的磁导率和电容率。对于关心的大多数物质，磁导率不是区分者，并且因此能够忽略。介 电性质涉及对象的固有物质性质和状态。介电电容率ε为复数(ε = ε ’_j ε ”)，ε ’和 ε ”分别涉及物质中的能量存储和能量损耗。电容率能够用于对物质进行分类。扫描几何结构基于共焦系统，其中，喇叭照射反射阵列并且反射阵列配置为将辐 射聚焦在扫描体积中的单元处。反射依次由反射阵列重聚焦于喇叭孔隙处。反射阵列电配 置为遍及扫描体积以系统方式扫描焦点。喇叭模式和扫描策略的知识容许系统计算与每个 体积单元关联的几何结构。这通常称作“射线追踪”。对象和周围体积之间的幅度和相位变 化以及计算的几何结构用于估计相对电容率并从而有助于使用物质相对电容率的数据库 对对象进行归类。图3和4示例估计过程中使用的几何结构。图3是对身体进行成像的情况，而图4 是检测到位于身体上的隐藏对象的情况，并且估计了对象的相对电容率。所有源自喇叭并 终止于喇叭的射线用于估计过程中。相对电容率的估计基于图3和4中的状况之间衰减和相位延迟的变化。从图像数 据提取衰减和相位延迟。这些然后写为未知数-相对电容率和对象厚度。对得到的方程进 行求解以估计相对电容率和对象厚度。对于每个透射射线，必需考虑两个返回射线，如图4中所示例。射线1 (检测为ql) 反射离开对象的表面，且射线2(检测为q2)透射通过对象并在对象和身体之间的界面反 射。低估来自对象表面的内反射。成像系统执行追踪该两个射线并考虑(account for)四种可能事件的估计过程，四种可能事件如下1)两个射线均未由喇叭重新获得并因此在估计过程中不起作用。2)射线1被重新获得并在所述估计过程中被考虑，但是射线2损失了。3)射线2被重新获得并在所述估计过程中被考虑，但是射线1损失了。4)两个射线均被重新获得并均对估计过程起作用。如上述，每个入射射线生成关联的射线1和射线2。成像系统实施的估计过程解释 源自喇叭的所有入射射线。对象检测软件处理图像以识别身体上的对象，且物质分类软件自动报告相对电容 率的估计和其分类。检测软件使用图像中的边缘来识别异常。物质归类处理也能够是用户驱动的，操作员选择图像中的隐藏对象，并选择身体 的附近部分以用作测量的参考。计算对象的电件质估计过稈的细节幅度为1的射线Ep从喇叭朝向贴片ρ发射。在图1的情况下，在从对象反射后，射线被引导至贴片q，贴片q的位置是使用几何 光学器件已知的。将从贴片q反射的射线引导朝向喇叭。接收的具有复数幅度Rp的射线 由Rp=Ep_Gp_pq‘Gq‘exp(i(pq)给出，其中Gp和Gq为贴片ρ和q处的喇叭增益。ρ q为 与来自身体的反射相关的反射系数，而Φ9为总的电路径长度。在图4的情况下，在由对象和身体反射后，射线生成两个射线，一个被引导朝向贴 片ql，且另一个被引导朝向贴片q2。贴片ql和q2的位置是使用几何光学器件已知的。将 从贴片ql和q2反射的射线引导朝向喇叭，因此，接收的具有复数幅度Rp的合成射线由 Rp =Ερ·Ορ·(ρ 1·Ο 1·θχρ( φ 1)+ pq2_Gq2-exp(i(pq2))给出，其中 Gp、Gql 和 Gq2 为 贴片p、ql和q2处的喇叭增益。Pql和P q2为分别与对象和身体相关的反射系数。(^ql 和ctq2为分别的电路径长度。图4中接收的信号相对于图3中接收的信号发生了衰减和相移。
坳= Gql · pql. exp(i^l) + Gq2 · pq2. exp(i^2)=.
坳(图 1)_Gq pq-exp(iW)~Pp R Ψρ)ρ p是相对于发射至贴片ρ的射线的衰减。φΡ是相对于发射至贴片ρ的射线的相移。源自喇叭的所有射线(每个贴片一个射线)用于图3和4中接收的信号之间的衰 减(τ)和相移(Φ)的估计。
广贴片数量权利要求
1.一种成像系统，包括发射器，用于将辐射指向体积，所述体积中存在目标；接收器，用于接收来自所述目标的散射辐射；以及处理器，用于处理所散射辐射，以根据所接收的辐射的幅度和相位生成图像；显示器，耦合至所述处理器，用于生成图像显示；其中，所述处理器适于根据相对于人身体的电容率的电容率对隐藏介电物质进行分 类，所述相对电容率从所接收的辐射的幅度和相位信息推得。
2.如权利要求1所述的成像系统，其中，所述发射器适于发射具有基本上单个频率的 入射辐射。
3.如权利要求2所述的成像系统，其中，所述频率在IGHz至300GHz的范围中。
4.如权利要求3所述的成像系统，其中，所述频率在IGHz至80GHz的范围中。
5.如任一前述权利要求所述的图像处理系统，其中，所述处理器适于自动识别所记录 的图像中的边缘处的异常，并适于在推导相对电容率数据时使用所述异常。
6.如任一前述权利要求所述的成像系统，其中，所述处理器适于基于相对电容率的数 据库对物质进行分类，并且所述数据库包括诸如爆炸物或麻醉品的特定威胁物质的电容率 数据或相对电容率数据。
7.如任一前述权利要求所述的成像系统，其中，所述处理器测量所述隐藏物质附近和 所述隐藏物质处的散射辐射的相位和幅度，所述隐藏物质附近的散射辐射的相位和幅度提 供参考。
8.如权利要求7所述的成像系统，其中，所述系统适于检测来自两个或更多体积单元 的辐射，如果体积单元不包括所述隐藏物质，则所述体积单元提供参考数据。
9.如权利要求8所述的成像系统，其中，所述处理器适于处理所述扫描体积中的单元 与单元的幅度和相位对比，以生成所述扫描体积的图像。
10.如权利要求9所述的成像系统，其中，所述单元的不同幅度和相位响应由所述处理 器使用以检测隐藏物质的位置和取向。
11.如任一前述权利要求所述的成像系统，其中，所述发射器和所述接收器包括共焦布 置的喇叭，其中，所述喇叭照射反射阵列并且所述反射阵列配置为将所述辐射聚焦在所述 扫描体积中的单元处，并且所述反射依次由所述反射阵列重聚焦于所述喇叭孔隙处，并且 所述处理器适于控制所述反射阵列以在整个所述扫描体积上以系统方式扫描所述焦点，并 且所述处理器适于使用喇叭模式和所述扫描策略来计算就各个射线来说与每一个体积单 元关联的几何结构，并且其中，所述对象和所述周围体积之间的幅度和相位变化以及所计 算的几何结构用于估计所述相对电容率。
12.如权利要求11所述的成像系统，其中，对于每一个发射射线，两个返回射线的数据 由所述处理器处理，其中，第一射线反射离开所述对象的表面，且第二射线透射通过所述对 象并在所述对象和所述身体之间的界面处反射，并且其中，所述处理器适于执行估计过程， 所述估计过程追踪两个射线并识别以下事件两个射线均未由所述喇叭重新获得并因此在所述估计过程中不起作用，所述第一射线被重新获得并在所述估计过程中被考虑，但是所述第二射线损失了，所述第二射线被重新获得并在所述估计过程中被考虑，但是所述第一射线损失了，以及两个射线均被重新获得并均对所述估计过程起作用。
13.如任一前述权利要求所述的成像系统，其中，所述处理器适于执行实施与边界附近 的场的电磁性质相关的菲涅耳定律的算法，以计算接收的辐射的相位和作为衰减水平的幅 度，即 Φ κχΜ 禾口 τ model。
14.如任一前述权利要求所述的成像系统，其中，所述处理器适于执行反映边界附近的 反射系数和波阻抗的电磁性质的算法，以计算接收的辐射的相位和作为衰减水平的幅度，艮口 Φ model 禾口 τ model °
15.如任一前述权利要求所述的成像系统，其中，所述处理器适于执行共焦图像理论算 法，以计算接收的辐射的相位和作为衰减水平的幅度，即Φω(Λ1和τω(Λ1。
16.如任一前述权利要求所述的成像系统，还包括用于反射散射辐射的反射器，并且所 述接收器安装为在辐射被反射后接收所述辐射。
17.如权利要求16所述的成像系统，其中，所述反射器包括反射阵列，所述反射阵列配 置为将所发射的辐射聚焦在所述扫描体积中相继的单元处。
18.如任一前述权利要求所述的成像系统，其中，所述发射器和所述接收器包括喇叭天 线，并且所述系统包括以瓦片布置的反射阵列，每个瓦片包括具有开关晶体管和用于控制 所述晶体管的关联控制器的贴片天线的阵列，并且其中，所述控制器适于配置所述贴片天 线的相位，以在所述阵列由所述喇叭天线照射时实现空间中的特定模式，其中，所述处理器 适于对从所述喇叭天线至贴片的距离和从所述贴片至所述焦点的距离进行计算并对二者 求和，将所述距离转换为所述工作频率处的波长，以及通过乘以度数将所述距离的分数部分转换为相位，并且其中，为使每个贴片对所述聚 焦起相长作用，所述相位必需基本相同。
19.如权利要求18所述的成像系统，其中，晶体管选择为根据所计算的相位通过接通 所述晶体管来增加0或180度相移和通过关断所述晶体管来增加0度，通过应用开关所述 晶体管的合适的模式对整个所述体积实施扫描。
全文摘要
隐藏介电对象的电性质，诸如介电电容率，能够从成像系统中的入射、反射以及透射电磁波推得。在共焦布置中，喇叭照射反射阵列，且反射阵列配置为将辐射聚焦在扫描体积中的单元处。反射依次由反射阵列重聚焦于喇叭孔隙处。反射阵列电配置为遍及扫描体积以系统方式扫描焦点。喇叭模式和扫描策略的知识容许系统计算与每个体积单元关联的几何结构。对象和周围体积之间的幅度和相位变化以及计算的几何结构用于估计相对电容率，并从而有助于使用物质相对电容率的数据库对对象进行归类。
文档编号G01S13/88GK102105816SQ200980129370
公开日2011年6月22日 申请日期2009年7月1日 优先权日2008年7月1日
发明者B·莱昂斯, E·恩特契夫, M·B·阿卜杜拉 申请人:史密斯探测爱尔兰有限公司
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