申请/专利权人：清华大学;同方威视技术股份有限公司

申请日：2018-12-29

公开（公告）日：2024-06-14

公开（公告）号：CN109870738B

主分类号：G01V8/10

分类号：G01V8/10;G01V13/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.14#授权;2019.07.05#实质审查的生效;2019.06.11#公开

摘要：公开了一种毫米波太赫兹波成像设备及其校正方法，包括壳体、数据处理装置以及位于壳体内的校准源、准光学组件和探测器阵列，壳体上设置有供被检对象自发辐射或反射回来的波束穿过的窗口；准光学组件用于将来自被检对象的波束反射并汇聚至探测器阵列，并包括反射板，其与壳体可转动地连接以对来自被检对象位于视场不同位置的部分的波束进行反射；校准源在准光学组件的物面上；探测器阵列适用于接收来自准光学组件的波束和来自校准源的波束；数据处理装置接收探测器阵列所接收的被检对象的图像数据和校准源的校准数据，并基于校准数据更新图像数据。该成像设备比采用远处的空气进行校正更加稳定可靠且能够实时校正。

主权项：1.一种毫米波太赫兹波成像设备，包括壳体、数据处理装置以及位于所述壳体内的校准源、准光学组件和毫米波太赫兹波探测器阵列，所述壳体上设置有供被检对象自发辐射或反射回来的毫米波太赫兹波穿过的窗口；所述准光学组件适用于将来自所述被检对象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，并包括适用于接收并反射来自所述被检对象的毫米波太赫兹波的反射板，所述反射板与所述壳体可转动地连接以对来自所述被检对象位于视场不同位置的部分的波束进行反射；所述校准源位于所述准光学组件的物面上，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；所述反射板能够360°转动，以使得所述毫米波太赫兹波探测器阵列能够接收来自所述被检对象的毫米波太赫兹波以及来自所述校准源的毫米波太赫兹波；以及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接收来自所述毫米波太赫兹波探测器阵列的关于所述被检对象的图像数据以及关于所述校准源的校准数据，并基于所述校准数据更新所述被检对象的毫米波太赫兹波图像数据。

全文数据：毫米波太赫兹波成像设备及其校正方法技术领域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及其校正方法。背景技术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。焦平面阵列成像系统要求所有的探测器通道具有良好的一致性，所以必须对所有探测器通道进行实时校准。通道一致性包括两方面的含义：对于相同的亮温探测器，通道输出电压一致；对于相同的亮温变量，通道输出电压变化一致。现有的太赫兹波成像设备通常采用远处的空气进行校准，但由于空气流动会带来温度的随机变化，因此导致这种校准并不可靠。发明内容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。根据本公开一个方面的实施例，提供了一种毫米波太赫兹波成像设备，包括壳体、数据处理装置以及位于所述壳体内的校准源、准光学组件和毫米波太赫兹波探测器阵列，所述壳体上设置有供被检对象自发辐射或反射回来的毫米波太赫兹波穿过的窗口；所述准光学组件适用于将来自所述被检对象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，并包括适用于接收并反射来自所述被检对象的毫米波太赫兹波的反射板，所述反射板与所述壳体可转动地连接以对来自所述被检对象位于视场不同位置的部分的波束进行反射；所述校准源位于所述准光学组件的物面上；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以及来自所述校准源的毫米波太赫兹波；以及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接收来自所述毫米波太赫兹波探测器阵列的对于所述被检对象的图像数据以及对于所述校准源的校准数据，并基于所述校准数据更新所述被检对象的毫米波太赫兹波图像数据。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，所述校准源的长度方向平行于所述反射板的转动轴线，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的在平行于所述转动轴线方向上的视场大小。在一些实施例中，所述反射板的转动轴线水平设置，以使得所述反射板对来自所述被检对象位于视场不同竖直位置的部分的毫米波太赫兹波进行反射。在一些实施例中，所述反射板的转动轴线竖直设置，以使得所述反射板对来自所述被检对象位于视场不同水平位置的部分的毫米波太赫兹波进行反射。在一些实施例中，所述反射板的背面设置有转轴，所述转轴的两端经由轴承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，所述校准源为吸波材料、黑体或半导体致冷器。根据本公开另一方面的实施例，还提供了一种对上述的毫米波太赫兹波成像设备进行校正的方法，包括以下步骤：驱动反射板转动，当所述反射板转动到检测区域时，通过毫米波太赫兹波探测器阵列接收对于被检对象的图像数据，当所述反射板转动到校准区域时，通过所述毫米波太赫兹波探测器阵列接收对于校准源的校准数据；基于所接收的所述校准源的校准数据更新所接收的所述被检对象的图像数据。在一些实施例中，基于所接收的所述校准源的校准数据更新所接收的所述被检对象的图像数据包括以下步骤：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。在一些实施例中，基于所接收的所述校准源的校准数据更新所接收的所述被检对象的图像数据包括以下步骤：使用所述毫米波太赫兹波探测器阵列测量空气的电压值Vairi，i∈[1，通道数]，并计算所有通道的空气的平均电压值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Vcali，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：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。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及其校正方法比采用远处的空气进行校正更加稳定可靠且能够实时进行校正。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所示的侧视图；以及图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校正方法的流程图。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壳体6以及位于壳体6内的准光学组件、校准源5和毫米波太赫兹波探测器阵列2，壳体6上设置有供被检对象31自发辐射的毫米波太赫兹波穿过的窗口61。准光学组件适用于将来自被检对象31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，并包括适用于接收并反射来自被检对象31的毫米波太赫兹波的椭圆形的反射板1和适用于汇聚来自反射板1的毫米波太赫兹波的聚焦透镜4。反射板1与壳体6可转动地连接以对来自被检对象31位于视场3不同位置的部分的毫米波太赫兹波进行反射。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3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。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，校准源5辐射的毫米波太赫兹波能够经由反射板1反射到毫米波太赫兹波探测器阵列2。该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接收毫米波太赫兹波探测器阵列2所接收的关于被检对象31的图像数据以及所接收的关于校准源5的校准数据，并基于所述校准数据更新被检对象31的图像数据。使用时，驱动反射板1转动，当转到检测区域时通过毫米波太赫兹波探测器阵列2接收关于被检对象31的图像数据，当转到校准区域时，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；然后基于所接收的校准源5的校准数据更新所接收的被检对象31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由于将校准源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且能够实时校正。在该实施例中，反射板1在旋转的过程中，面向检测区域的水平方向为0°视场角，而校准源5中心所在的位置为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θm为检测区域所对应的视场角，而θc为校准区域所对应的视场角。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120°、135°等，只要毫米波太赫兹波探测器阵列2接收关于校准源5的校准数据和被检对象31的图像数据不相互干涉即可，校准源5辐射的波束经由反射板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。此外，在一些实施例中，校准源5中心所在的位置也可以为90视场角°，在这种情况下，当反射板1旋转到竖直位置时，毫米波太赫兹波探测器阵列2可以直接接收校准源5辐射的波束。虽然在该实施例中的波束是被检对象31自发辐射的毫米波或太赫兹波，需要说明的是，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31并经被检对象31反射回来的毫米波太赫兹波。此外，校准源5也可以采用黑体或半导体致冷器等。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的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阵列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，校准源的宽度也可以为毫米波太赫兹波探测器阵列2的天线波束宽度的1倍或2倍或其它倍数。在图1所示的示例性实施例中，反射板1的转动轴线水平设置，以使得反射板1对来自被检对象31位于视场不同竖直位置的部分的毫米波太赫兹波进行反射。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，反射板1的转动轴线也可以竖直设置，以使得反射板1对来自被检对象31位于视场不同水平位置的毫米波太赫兹波的波束进行反射。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的短轴重合，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31位于视场3不同位置的部分的波束进行反射。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，例如私服电机。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。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，该成像设备也可以包括与数据处理装置相独立的控制装置。根据本公开的另一方面，还提供了一种对毫米波太赫兹波成像设备进行校正的方法，如图7所示，包括以下步骤：S1：驱动反射板1转动，当反射板1转动到检测区域时，通过毫米波太赫兹波探测器阵列2接收关于被检对象31的图像数据，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；以及S2：基于所接收的校准源5的校准数据更新所接收的被检对象31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-ba1式中，a为增益定标系数，b为偏置定标系数。因此，在步骤S2中，基于所接收的校准源5的校准数据更新所接收的被检对象31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，因此在正常使用过程中校正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被检对象31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：使用毫米波太赫兹波探测器阵列测量空气的电压值Vairi，i∈[1，通道数]，并计算所有通道的空气的平均电压值B2：设置校准源的温度与空气的温度具有差值，使用毫米波太赫兹波探测器阵列测量所述校准源的电压值Vcali，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。在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°θres4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＝125ms632＝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＝16πrads。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产距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。假设检测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，面向检测区域的水平方向为0°视场角，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。假设检测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°。定义反射板在旋转的过程中，面向检测区域的水平方向为0°视场角，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。

权利要求：1.一种毫米波太赫兹波成像设备，包括壳体、数据处理装置以及位于所述壳体内的校准源、准光学组件和毫米波太赫兹波探测器阵列，所述壳体上设置有供被检对象自发辐射或反射回来的毫米波太赫兹波穿过的窗口；所述准光学组件适用于将来自所述被检对象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，并包括适用于接收并反射来自所述被检对象的毫米波太赫兹波的反射板，所述反射板与所述壳体可转动地连接以对来自所述被检对象位于视场不同位置的部分的波束进行反射；所述校准源位于所述准光学组件的物面上；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以及来自所述校准源的毫米波太赫兹波；以及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接收来自所述毫米波太赫兹波探测器阵列的对于所述被检对象的图像数据以及对于所述校准源的校准数据，并基于所述校准数据更新所述被检对象的毫米波太赫兹波图像数据。2.根据权利要求1所述的毫米波太赫兹波成像设备，其中，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。3.根据权利要求1所述的毫米波太赫兹波成像设备，其中，所述校准源的长度方向平行于所述反射板的转动轴线，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的在平行于所述转动轴线方向上的视场大小。4.根据权利要求1所述的毫米波太赫兹波成像设备，其中，所述反射板的转动轴线水平设置，以使得所述反射板对来自所述被检对象位于视场不同竖直位置的部分的毫米波太赫兹波进行反射。5.根据权利要求1所述的毫米波太赫兹波成像设备，其中，所述反射板的转动轴线竖直设置，以使得所述反射板对来自所述被检对象位于视场不同水平位置的部分的毫米波太赫兹波进行反射。6.根据权利要求1所述的毫米波太赫兹波成像设备，其中，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。7.根据权利要求6所述的毫米波太赫兹波成像设备，其中，还包括适用于驱动所述转轴转动的驱动装置。8.根据权利要求1-7中任一项所述的毫米波太赫兹波成像设备，其中，还包括实时检测所述反射板的角位移的角位移测量机构。9.根据权利要求1-7中任一项所述的毫米波太赫兹波成像设备，其中，所述校准源为吸波材料、黑体或半导体致冷器。10.一种对根据权利要求1-9中任一项所述的毫米波太赫兹波成像设备进行校正的方法，包括以下步骤：驱动反射板转动，当所述反射板转动到检测区域时，通过毫米波太赫兹波探测器阵列接收对于被检对象的图像数据，当所述反射板转动到校准区域时，通过所述毫米波太赫兹波探测器阵列接收对于校准源的校准数据；基于所接收的所述校准源的校准数据更新所接收的所述被检对象的图像数据。11.根据权利要求10所述的方法，其中，基于所接收的所述校准源的校准数据更新所接收的所述被检对象的图像数据包括以下步骤：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。12.根据权利要求10所述的方法，其中，基于所接收的所述校准源的校准数据更新所接收的所述被检对象的图像数据包括以下步骤：使用所述毫米波太赫兹波探测器阵列测量空气的电压值Vairi，i∈[1，通道数]，并计算所有通道的空气的平均电压值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Vcali，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：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。

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