用于目标多角度扫描的毫米波边缘成像系统及其成像方法技术方案

本发明专利技术请求保护一种用于目标多角度扫描的毫米波边缘成像系统及其成像方法，包括前后两个竖直安装的毫米波扫描平台和一个安装在底部的毫米波扫描平台、MIMO扫描模块、FPGA边缘计算模块和显示终端；每个扫描平台通过专门设计的MIMO扫描模块可实现在二维合成孔径内等效半波长均匀采样，在FPGA边缘计算模块实现对三个扫描平台的高速成像和同步显示。针对所设计的MIMO扫描阵列，本发明专利技术提出了相应的高效率、高分辨的快速三维成像方法，集成于FPGA边缘计算模块中的成像算法加速器。本发明专利技术成像系统结构简单紧凑，成本低、体积小、功耗低、稳定性高、成像速度快，可以有效地同步完成对被检测目标正面、背面和底部隐藏危险物品的检测。背面和底部隐藏危险物品的检测。背面和底部隐藏危险物品的检测。

【技术实现步骤摘要】
用于目标多角度扫描的毫米波边缘成像系统及其成像方法


[0001]本专利技术属于毫米波成像
，涉及一种可实现对目标前后两面和底部多角度同步扫描检测的毫米波边缘成像系统及其成像方法。

技术介绍

[0002]全球恐怖活动不仅频繁发生、伤亡惨重、损失巨大，而且呈现出与传统恐怖袭击截然不同的特征，塑性炸药、非金属刀具、液体危险品等非金属类隐匿违禁物品成为恐怖分子的主要武器，防不胜防的自杀性人肉炸弹更显著加剧了恐怖袭击的危害。所以，在一些特殊的场合对人员进行安全检查显得尤为重要。而人们对安检设备尤其是用于人体检测的设备的安全性、高效性和智能化也提出了越来越高的要求。传统安全检查手段已经严重滞后我国综合轨道交通系统、民航系统、以及各大重要场合对人员安检可靠性、快捷性、智能化和舒适性等方面的要求。传统人员安检通用的金属探测仪即使对金属违禁品也仅能判别其有无而无法精准识别，对非金属类违禁品更是无能为力，安全漏洞严重。而“拍、摸、按、压”的接触式手工安检形式，不仅效率低下，被检人员隐私得不到尊重，更重要的是安检从业人员自身安全无法保障。其它各类人员安检手段也普遍存在安全、效率、成本、体积、检测能力等方面的缺陷，比如生物安检技术警犬、人仅适用于特殊场合，并且服役期短，技能训练和维护费用较高，不具备可持续性；红外探测技术对物体表面温度成像，在衣物遮挡的情况下无法清晰成像；X光等各种射线虽具有很强的穿透力，但会对被测人员和操作人员造成电离辐射伤害，且电离辐射对目标的危害作用具有累积效应，即使低剂量的X光机依然不容易被公众接受。
[0003]毫米波具有很强的穿透性，可穿透一般的衣物、纺织品、包装纸等，而且分辨率高、指向性好、抗干扰能力强，对被探测目标尤其是人体无电离辐射危害，因此被广泛视为新一代人员安全检查、无损检测等领域的关键技术，是取代目前低效的金属探测结合人工搜查的首要选择。近年来随着毫米波成像技术研究队伍不断壮大，涌现出一大批科研成果。目前毫米波成像技术最为成功的商业应用方向是面向人体安检应用的安检门，如美国L3公司的Provision系列产品，已经在全球销量过千台；德国R&S公司以及国内的一些毫米波人体安检产品已经日趋成熟并形成了部分销售。现有的主动式毫米波人体安检门一般采用全息成像体制，通过外差混频对反射回来的毫米波信号的相位进行直接测量，然后基于相位信息反演得到人体体表图像。该技术采用合成孔径成像，分辨率高，可达半个波长量级，并且反映的是人体体表的反射信息，可以清晰地看到人体所携带物品的表面细节，不同种类的物品区分度很高。
[0004]虽然毫米波成像技术正迅速发展，国内外众多科研院所和相关企业也取得了显著成果，但现有的毫米波安检成像技术仍远未成熟，低成本、高可靠性、高分辨率的毫米波成像技术研发仍面临着巨大的挑战。比如，对于平面扫描的成像系统体制，为了保证成像的高分辨率，采样间隔须达到半波长或更小，因此需要大量的收发天线单元。在纯电扫描无机械扫描的最极端情况下，二维满阵将可以实现实时凝视扫描，扫描速度达到最快，但是这种情
况下的收发单元成本以及控制阵列工作的开关网络复杂度也将是极其巨大的。另外，现有的毫米波安检成像产品，对人体的正反面扫描时几乎全部采用每面单独扫描检测，然后转身再进行另一面检测，或者是采用柱状螺旋扫描检测，很少发现有产品可以实现对人身体前后两面和脚底进行全身全面同步扫描的安检产品。然而，实际安检中，考虑到待检人员对检测的抵触情绪，对前后面和脚底分多次逐一检测极易引起待检人员不满，而且越来越多的脚底藏毒、藏刀、藏枪等试图在脚底藏匿违禁物品闯关的案例。在此情况下，只能对被检人员采取脱鞋搜查的措施，使被检人员隐私得不到尊重，而且安检从业人员自身安全无法保障，更显著增大了漏检风险，如若造成袭击事件，后果不堪设想。因此，亟需用于目标多角度同步扫描的毫米波成像系统。
[0005]为了平衡安检成像系统的复杂度与扫描效率，目前应用最为广泛的技术方案是利用线阵电扫加机扫的模式实现二维平面扫描。但是，随着毫米波安检系统的商业化推广，即使是半波长扫描间隔的线性满阵所需要的收发单元成本也是相当巨大的，因此，研究如何进一步降低硬件成本具有重大意义。而线性多发多收MIMO稀疏布阵技术刚好可以解决这一问题，稀疏布阵使天线数量减少，也允许使用更大口径的天线更方便安装，并且可以使得收发天线间产生更少的相互干扰，具有更大的隔离度，提高阵列性能。同时考虑采用前后两面及底部三个角度同步扫描。本专利技术综合考虑了阵列稀疏度和多角度同步扫描，提出了新的MIMO稀疏阵列排布方式，即保证阵列在按半波长均匀等间隔采样的同时，不出现漏采样和重复采样的问题，且收发天线的最大间距适中，相应的等效相位中心误差也较小，在成像算法过程可以进行精确的校准，最终得到更加理想的成像效果。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种用于目标多角度扫描的毫米波边缘成像系统及成像方法。本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种用于目标多角度扫描的毫米波边缘成像系统，其包括：
[0008]前后两个竖直安装的毫米波扫描平台和一个安装在底部的毫米波扫描平台、MIMO扫描模块、FPGA边缘计算模块和显示终端；其中，
[0009]三个扫描平台上分别安装一个MIMO扫描模块和FPGA边缘计算模块；
[0010]所述MIMO扫描模块分别在相应的扫描平台上按竖直方向上下移动和水平方向左右移动进行机械扫描，实现对被测目标前面、后面和底部的同步检测；
[0011]所述MIMO扫描模块包括MIMO扫描阵列、收发模块和数据采集模块，所述MIMO扫描阵列用于实现等效半波长间隔的均匀采样；收发模块用于产生用于发射的毫米波信号及接收的回波信号，并将所述回波信号和本征信号进行混频，得到中频回波信号传给所述数据采集模块；所述数据采集模块对得到的中频信号进行采集，然后通过LVDS接口传输给FPGA边缘计算模块；
[0012]FPGA边缘计算模块对中频回波信号进行处理和进行目标重建；所述显示终端通过HDMI与FPGA模块连接，对三个扫描平台的成像结果进行同步显示。
[0013]进一步的，所述FPGA边缘计算模块包括成像算法加速器、AI目标识别与增强模块和显示驱动模块。成像算法加速器包含回波数据相位补偿、快速傅立叶变换单元、插值单元以及逆傅立叶变换单元等，可把针对MIMO系统的三维成像算法按单元拆分计算实现成像算
法加速，在满足高精度成像的同时，可有效降低高纬度数据读取、写入与雷达成像算法计算的时间，实现数倍少于CPU的计算耗时，达到实时显示的要求。AI目标识别与增强模块包括神经网络推断模块和非极大值抑制(NMS)后处理模块，分别用于危险物检测分类和后级边框处理，硬件上利用FPGA的深度学习处理单元(DPU),软件部分使用VitisAI开发软件,将训练好的模型进行量化、剪枝、编译后部署到FPGA边缘计算模块中，进行边缘端的实时推断。显示驱动模块包括三个部分：第一、显示时序驱动模块(VGA_driver)，可以灵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于目标多角度扫描的毫米波边缘成像系统，其特征在于，包括：前后两个竖直安装的毫米波扫描平台和一个安装在底部的毫米波扫描平台、MIMO扫描模块、FPGA边缘计算模块和显示终端；其中，三个扫描平台上分别安装一个MIMO扫描模块和FPGA边缘计算模块；所述MIMO扫描模块分别在相应的扫描平台上按竖直方向上下移动和水平方向左右移动进行机械扫描，实现对被测目标前面、后面和底部的同步检测；所述MIMO扫描模块包括MIMO扫描阵列、收发模块和数据采集模块，所述MIMO扫描阵列用于实现等效半波长间隔的均匀采样；收发模块用于产生用于发射的毫米波信号及接收的回波信号，并将所述回波信号和本征信号进行混频，得到中频信号传给所述数据采集模块；所述数据采集模块对得到的中频信号进行采集，然后通过LVDS接口传输给FPGA边缘计算模块；FPGA边缘计算模块对中频回波信号进行处理，完成目标重建、识别和增强，并进行显示驱动；所述显示终端通过HDMI数据线与FPGA模块连接，对三个扫描平台的成像结果进行同步显示。2.根据权利要求1所述的一种用于目标多角度扫描的毫米波边缘成像系统，其特征在于，所述FPGA边缘计算模块包括成像算法加速器、AI目标识别与增强模块和显示驱动模块，成像算法加速器包含回波数据相位补偿、快速傅立叶变换单元、插值单元以及逆傅立叶变换单元，可把针对MIMO系统的三维成像算法按单元拆分计算实现成像算法加速，在满足高精度成像的同时，可有效降低高纬度数据读取、写入与成像算法计算的时间，实现数倍少于CPU的计算耗时，达到实时显示的要求；AI目标识别与增强模块包括神经网络推断模块和非极大值抑制(NMS)后处理模块，分别用于危险物检测分类和后级边框处理，硬件上利用FPGA的深度学习处理单元(DPU),软件部分使用Vitisai开发软件,将训练好的模型进行量化、剪枝、编译后部署到FPGA边缘计算模块中，进行边缘端的实时推断；显示驱动模块包括三个部分：第一、显示时序驱动模块(VGA_driver)，可以灵活的配置显示器的分辨率和刷新率，并提供了像素地址信息，用于图片显示；第二、图像显示驱动模块(sar_2d_disp)、该模块会在数据采集完成以后请求算法加速的计算结果，并对结果进行像素转换，由于灰度图片的显示效果较差，在本模块中添加了corlormap函数以增强显示效果，得到更清晰的目标轮廓，本模块最终会输出携带图像信息的显示增强像素；第三、显示接口驱动模块(rgb2dvi、vgadrv_conv_rgbd2dvi)，本模块会输入显示的时序信息和图片的像素信息，最终通过HMDI或者VGA连接到外部显示器。3.根据权利要求1所述的一种用于目标多角度扫描的毫米波边缘成像系统，其特征在于，所述MIMO扫描阵列用于实现等效半波长间隔的均匀采样，具体包括：MIMO阵列由Nc个MIMO单元组成，每个MIMO单元包含N个发射天线和M个接收天线；MIMO单元通过配置每个时刻收发天线的工作状态实现阵列方向上半波长间隔等效均匀采样，在阵列方向上扫描长度为L的区域内实现等效采样间隔为半波长的均匀采样。4.根据权利要求3所述的一种用于目标多角度扫描的毫米波边缘成像系统，其特征在于，每个MIMO单元内发射天线按照序号先后依次工作，每个发射天线工作时所有的M个接收天线同时接收回波信号，MIMO单元可得到NM个等效采样点，覆盖的阵列方向扫描长度为(NM
‑
1)λ/2；每个MIMO单元内N个发射天线和M个接收天线的对齐方式不受限制，对齐或者不
对齐排布均可；相邻的两个MIMO单元互为180
°
旋转对称，且相邻两个MIMO单元中距离最近的收发天线间隔为半波长λ/2；Nc个MIMO单元组成的MIMO扫描阵列共计得到NcNM个等效采样点，覆盖的阵列方向扫描长度为L＝(NcNM
‑
1)λ/2。5.一种基于权利要求1
‑
4任一项所述系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤201、设计等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列的排布方式的步骤；其中，所述等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列由Nc个MIMO单元组成，每个MIMO单元包含N个发射天线和M个接收天线；MIMO单元通过配置每个时刻收发天线的工作状态实现阵列方向上半波长间隔等效均匀采样，在阵列方向上扫描长度为L的区域内实现等效采样间隔为半波长的均匀采样；步骤202、MIMO阵列合成二维孔径扫描的步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟杨，陈国平，黄欢，卿安永，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：