專利名稱：使用毫米波成像的安全系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是遞交于2001年9月29日的序號(hào)為09/965,875、遞交于2003年8月12日的序號(hào)為10/639,322、以及序號(hào)為10/728,432的美國(guó)專利申請(qǐng)的后續(xù)申請(qǐng)，上述申請(qǐng)均結(jié)合在此以供參考。本發(fā)明涉及檢查系統(tǒng)，尤其涉及金屬探測(cè)器和毫米波成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
毫米波成像系統(tǒng)工作在毫米波長(zhǎng)(1cm至1mm；30GHz至300GHz)的成像系統(tǒng)是眾所周知的。這些系統(tǒng)是重要的，因?yàn)榕c可見(jiàn)光不同的是，這些波長(zhǎng)的輻射經(jīng)由霧氣或煙霧的實(shí)際距離而不完全衰減。毫米波長(zhǎng)的輻射也會(huì)穿透衣物以及具有明顯厚度的材料(諸如干木和墻板)。這些毫米波成像系統(tǒng)因此已被用于航空器以改進(jìn)透過(guò)霧氣的能見(jiàn)度，并被用于探測(cè)隱藏的武器等安全應(yīng)用。在第5,121,124號(hào)和第5,365,237號(hào)美國(guó)專利中描述的這些系統(tǒng)被轉(zhuǎn)讓給申請(qǐng)人的公司。在這些專利中描述的系統(tǒng)使用天線，其中所收集的毫米波輻射的方向是頻率的函數(shù)。該類型的天線被稱為“頻率掃描”天線。在頻譜分析器中分析所收集的毫米波輻射以產(chǎn)生一維圖像。二維圖像可通過(guò)掃描而獲得。在5,121,124號(hào)專利所描述的系統(tǒng)中，天線信號(hào)被用于調(diào)制聲—光設(shè)備(布雷格盒(Bragg cell))，該設(shè)備又調(diào)制激光波束以產(chǎn)生頻譜圖像。在5,365,237號(hào)專利所描述的系統(tǒng)中，由天線信號(hào)調(diào)制電—光模塊，該電—光模塊又調(diào)制激光波束以便將毫米波頻譜信號(hào)作用于激光波束(其隨后被標(biāo)準(zhǔn)器分離為多個(gè)頻譜分量)上以生成圖像。
第4,654,666號(hào)美國(guó)專利描述了一種包括頻率掃描天線和頻譜分析器的成像系統(tǒng)，其中頻譜分析器用于將天線收集的已編碼輻射分布轉(zhuǎn)換為時(shí)間編碼的分布以重現(xiàn)—維景像。
金屬探測(cè)器金屬探測(cè)器是眾所周知的，并被廣泛用于安全應(yīng)用。一個(gè)重要的用途是在步行通過(guò)入口的安全設(shè)備中用于探測(cè)被藏匿的武器和違禁物品。這些入口設(shè)備正在大部分機(jī)場(chǎng)中被用于旅客篩查。金屬探測(cè)器通常細(xì)分為被動(dòng)型和主動(dòng)型。被動(dòng)型設(shè)計(jì)為探測(cè)含鐵金屬并且對(duì)其它金屬不敏感。主動(dòng)型系統(tǒng)激勵(lì)導(dǎo)電金屬中的渦電流并測(cè)量它們的磁反應(yīng)。因?yàn)榇蟛糠趾F金屬是低導(dǎo)電性的，因此主動(dòng)型系統(tǒng)對(duì)于探測(cè)含鐵金屬是低效的。在高級(jí)的安全入口處，各個(gè)傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)位于各種高度級(jí)別(篩查扇區(qū))的物體。參照?qǐng)D17解釋了主動(dòng)型金屬探測(cè)器的工作。來(lái)自源線圈112的時(shí)變磁場(chǎng)110在導(dǎo)電物體114中產(chǎn)生渦電流，導(dǎo)電物體又產(chǎn)生磁場(chǎng)116，磁場(chǎng)116在探測(cè)器線圈118中產(chǎn)生電流，表示導(dǎo)電物體114的存在。
其它的現(xiàn)有技術(shù)的藏匿武器和違禁物品成像和探測(cè)系統(tǒng)美國(guó)司法部，國(guó)家司法協(xié)會(huì)在它的NIJ手冊(cè)602-00(NCJ 184432)中已經(jīng)很好地概括了現(xiàn)有技術(shù)的藏匿武器和違禁物品成像和探測(cè)系統(tǒng)。該手冊(cè)可從互聯(lián)網(wǎng)http://www.ojp.usdoj.gov/nij上獲得。該文檔描述了許多可用系統(tǒng)的特點(diǎn)，包括好的和不十分好的特點(diǎn)。
需要一種相對(duì)低成本的，方便操作的藏匿武器和違禁物品成像探測(cè)系統(tǒng)，尤其是用于武器和違禁物品的入口掃描。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種毫米波藏匿武器和違禁物品的探測(cè)系統(tǒng)。優(yōu)選的毫米波成像裝備包括至少一個(gè)毫米波頻譜掃描天線，用于從狹窄的一維視界中收集頻率依賴的毫米波輻射波束。所收集的輻射在所收集的頻率上被放大，并且使用抽頭延遲波束成形器將經(jīng)放大的信號(hào)分離為(多個(gè))頻率依賴段(bin)，隨后采樣這些頻率段以產(chǎn)生天線視界的一維圖像。目標(biāo)的二維圖像可通過(guò)將目標(biāo)穿過(guò)掃描天線的視界或通過(guò)移動(dòng)天線來(lái)掃描其在目標(biāo)上的焦距線來(lái)獲得。在優(yōu)選實(shí)施例中，毫米波成像器與主動(dòng)渦電流型金屬探測(cè)器組合以提供一種提供顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)安全系統(tǒng)的混合系統(tǒng)。優(yōu)選實(shí)施例包括混合入口系統(tǒng)和混合手持系統(tǒng)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，基本毫米波天線僅僅4.5英寸長(zhǎng)，并由在一個(gè)窄面上以79mil(千分之一寸)間距刻有斜糟的WR-10波導(dǎo)構(gòu)成。該幾何形態(tài)(天線位于垂直方向)創(chuàng)建了橫跨20度垂直視界、在75.5-93.5GHz傳感器工作頻帶上的頻率掃描天線，從以93.5GHz的水平面下大約1度開(kāi)始直至以75.5GHz水平面下大約21度。一個(gè)狹窄的棒狀圓柱透鏡覆蓋了各個(gè)元件處的波導(dǎo)槽，并且將天線波束垂直聚焦于離開(kāi)天線19英寸處。天線沿著垂直朝向橢圓圓柱反射鏡(4.5英寸寬)的一個(gè)焦點(diǎn)軸對(duì)齊，并使反射鏡的第二平行焦點(diǎn)軸位于沿著光通路所測(cè)量的離開(kāi)天線19英寸處。該種布置得到了一維波束。在焦點(diǎn)(沿著光通路所測(cè)量的離開(kāi)天線19英寸)處視界略小于1/2英寸寬，大約為6英寸高。該系統(tǒng)的大致焦距深度涵蓋了最小范圍的14英寸到最大范圍的29英寸。頻率掃描角度范圍對(duì)應(yīng)于大約14英寸最小工作范圍處的4.5垂直英寸。在84.5GHz中心頻帶頻率處的水平和垂直分辨率(半功率波束寬度)約為1.57度，或在19英寸焦點(diǎn)處小于1/2英寸。二維圖像要求水平方向上的掃描(對(duì)于天線或目標(biāo)中的任一個(gè))。(如果天線被水平放置，掃描當(dāng)然就為垂直的。)較佳地只有一個(gè)單元(天線和電子設(shè)備)被用于手持成像器中。掃描通過(guò)手腕或手臂的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。在優(yōu)選實(shí)施例中，使用二分之一掃描對(duì)焦點(diǎn)處6英寸X6英寸的視界進(jìn)行成像。手持單元較佳地還包括內(nèi)置式金屬探測(cè)器，較佳地為主動(dòng)型渦電流金屬探測(cè)器。
對(duì)于優(yōu)選的入口單元，64個(gè)這種天線元件被排列為四堆，每堆16個(gè)天線，以構(gòu)建一個(gè)入口違禁物品篩查器。四堆天線中的每一堆都朝向入口通道的一個(gè)區(qū)域以便能合成通過(guò)入口的人員的前方、兩側(cè)和后方的毫米波成像。固定的天線元件提供了垂直掃描，人員通道提供了水平掃描。較佳地，人員通過(guò)通道并在水平的自動(dòng)扶梯上保持靜止。優(yōu)選入口單元包括“步行通過(guò)”式金屬探測(cè)器。
在另一個(gè)被稱為“單棒”成像器的優(yōu)選成像器中，天線的接收元件為0.6米長(zhǎng)，由WR-10槽型波導(dǎo)以及位于波導(dǎo)槽壁前方的狹窄棒狀圓柱透鏡構(gòu)成。波導(dǎo)沿著短焦距長(zhǎng)為0.4米、長(zhǎng)焦距長(zhǎng)為5米的垂直朝向橢圓形圓柱反射鏡的短焦點(diǎn)軸對(duì)齊。當(dāng)水平掃描時(shí)，該成像器提供了足夠大的垂直一維視界以便對(duì)位于5米距離的焦點(diǎn)上的人員進(jìn)行成像。在波導(dǎo)的一個(gè)窄面上以2毫米間距刻有斜槽。該幾何形態(tài)創(chuàng)建了在一維視界上橫跨20度、以75.5-93.5GHz接收機(jī)工作頻帶的頻率掃描天線，從以93.5GHz的低于通常波導(dǎo)軸大約1度開(kāi)始直至以75.5GHz低于通常波導(dǎo)軸大約21度。該天線幾何形態(tài)提供了在離開(kāi)反射鏡頂點(diǎn)5米處的大約25毫米(大約1英寸)的水平和垂直空間分辨率。反射鏡向后傾斜10度，這樣波束的頻率掃描角(即，20度)相對(duì)于水平面在±10度范圍內(nèi)變化。或者，天線可被反轉(zhuǎn)并向前傾斜大約8度。可以對(duì)包括接收元件和反射鏡的天線在與反射鏡軸垂直的方向上進(jìn)行機(jī)械掃描。波束的垂直頻率掃描和天線的水平轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生了二維掃描場(chǎng)(raster)圖像?；蛘?，可使天線固定靜止，而被檢查人員水平移過(guò)固定天線的大約1英寸寬的垂直視界。這可由水平自動(dòng)扶梯或便宜的踏旋器(treadmill)來(lái)完成。較佳地，“步行通過(guò)”金屬探測(cè)器臨近自動(dòng)扶梯或踏旋器放置，以檢查被檢查人員身上的藏匿金屬。焦距深度為從4.75米到5.25米之間大約500mm(二十英寸)，這樣成像器可位于離開(kāi)金屬探測(cè)器大約5米，以當(dāng)人員通過(guò)時(shí)獲得他的焦距成像。


圖1A-1C示出一維頻率掃描槽天線的特征。
圖2A和2B示出用于聚焦圖1A-1C中所示天線的技術(shù)。
圖3A和3B示出在入口違禁物品掃描器中64個(gè)上述天線的排列。
圖4示出用于將毫米波信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像的電子電路。
圖5示出通過(guò)檢查入口的人員。
圖6示出具有大景深的實(shí)施例。
圖7A和7B示出分辨率關(guān)系以及天線和目標(biāo)之間的距離。
圖8A和8B示出本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例的特征。
圖9是用于第二優(yōu)選實(shí)施例的天線方向圖的圖表。
圖10A和10B示出用于聚焦第二優(yōu)選實(shí)施例天線的技術(shù)。
圖11是描述第二優(yōu)選實(shí)施例主要元件的框圖。
圖12是用于第二優(yōu)選實(shí)施例的波束成形器的視圖。
圖13示出來(lái)自第二優(yōu)選實(shí)施例的原型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖14A是示出第二優(yōu)選實(shí)施例的原型特征的視圖。
圖14B是示出第二優(yōu)選實(shí)施例的較佳應(yīng)用的視圖。
圖15A-15C示出使用根據(jù)第二優(yōu)選實(shí)施例的原型拍攝的樣本成像。
圖16A和16B示出混合安全系統(tǒng)的特征。
圖17示出現(xiàn)有技術(shù)主動(dòng)型金屬探測(cè)器的特征。
圖18A和18B示出手持成像器和手持混合成像探測(cè)器的特征。
圖19A、19B和19C示出由優(yōu)選入口系統(tǒng)產(chǎn)生的類型的計(jì)算機(jī)成像。
具體實(shí)施例方式
4.5英寸毫米波成像器天線元件圖1A、1B和1C是示出根據(jù)本發(fā)明方面的一維毫米波天線的特征的視圖。圖1A示出基本天線元件2的仰角視界。每個(gè)天線元件2由WR-10波導(dǎo)構(gòu)成，并且外部尺寸為a＝0.180”，b＝0.130”，內(nèi)部尺寸為a＝0.100”，b＝0.050”。天線元件大約4.5英寸長(zhǎng)。在制造天線時(shí)，一個(gè)窄面被從40mil打薄到6mil。隨后，每個(gè)WR-10波導(dǎo)天線帶有57個(gè)斜槽4，斜槽4以0.079”的間隔刻在它的窄面上，作為發(fā)射元件。這些槽的角度以及由此的耦合系數(shù)，從流入端的9.66度增加到負(fù)載端的超過(guò)25度，以提供沿著天線長(zhǎng)度上的近似不變的場(chǎng)強(qiáng)。該幾何形態(tài)為垂直安裝的天線創(chuàng)建了橫跨20度垂直視界(以75.5到93.5GHz的傳感器工作頻帶)、從以93.5GHz的水平面下大約1度開(kāi)始直至以75.5GHz的水平下大約21度的頻率掃描。
聚焦天線元件在優(yōu)選實(shí)施例中，圖1A、1B和1C所示的天線元件2被聚焦在19英寸，如圖2A和2B所示。在該情況下，垂直朝向的橢圓圓柱形鏡片8(4.5英寸寬)的一個(gè)焦距線位于天線元件2(位于離開(kāi)鏡片8的3.5英寸處)的槽4的中央，并且它的第二焦點(diǎn)5按照沿著光通路從焦點(diǎn)位置5到天線2的測(cè)量，在離開(kāi)鏡片8的15.5英寸處，在離開(kāi)天線2的19英寸處，如圖2A所示。一個(gè)狹窄的棒狀校準(zhǔn)透鏡6覆蓋波導(dǎo)槽4并將天線波束7垂直聚焦至按照沿著光通路測(cè)量的離開(kāi)天線19英寸處。在頻率范圍93.5到73.5GHz內(nèi)，所收集輻射的波長(zhǎng)約為0.14英寸(3.6mm)，對(duì)應(yīng)于中間頻帶頻率83.5GHz。然而，在優(yōu)選實(shí)施例中，分辨率元件(如下文詳細(xì)所述)在水平和垂直方向上都較大(大約0.5英寸范圍)。在圖2A、2B、3A和3B中天線元件2和它的聚焦元件一起被指定為天線元件50。在焦點(diǎn)處，系統(tǒng)視界略小于1/2英寸寬，大約6英寸高。因?yàn)樵谒椒较蛏蠜](méi)有分辨率，這就產(chǎn)生了一維圖像。二維圖像通過(guò)對(duì)天線或目標(biāo)進(jìn)行掃描而產(chǎn)生。
天線電子學(xué)校準(zhǔn)和放大在該優(yōu)選實(shí)施例中，狄更斯切換(Dicke switching)被用于成像系統(tǒng)的校準(zhǔn)。該技術(shù)使用如圖4所示的前端開(kāi)關(guān)20，開(kāi)關(guān)20在查看天線信號(hào)和查看預(yù)定溫度負(fù)載21之間進(jìn)行改變。前端開(kāi)關(guān)20以3.84kHz的速率在天線和負(fù)載終端之間切換。在一次切換周期內(nèi)負(fù)載可被加熱大約40K。這使單元能執(zhí)行實(shí)時(shí)的雙溫度校準(zhǔn)，對(duì)放大器中的增益波動(dòng)以及溫度偏移做出補(bǔ)償。開(kāi)關(guān)自身是W—頻帶微波單片集成電路(MMIC)PIN開(kāi)關(guān)，由M/A-Com制造，傳輸損耗約為1.8dB。
前端開(kāi)關(guān)被封裝，并直接被送入前端放大器單元22。前端放大器單元包括兩個(gè)低噪聲MMIC放大器22A和22B、帶通濾波器22C以及低噪聲MMIC輸出放大器22D。放大器被要求具有寬的帶寬，但保持低的噪聲系數(shù)，因?yàn)樗鼈優(yōu)檎麄€(gè)系統(tǒng)設(shè)定噪聲溫度。它們工作在從75.5GHz到93.5GHz的超過(guò)18GHz帶寬下。鏈路中首先的兩個(gè)放大器22A和22B具有18GHz頻帶下的大約4dB的噪聲系數(shù)，以及大約19dB的增益。帶通濾波器22C將這些放大器與設(shè)計(jì)稍有不同的第三放大器22D分開(kāi)。第三放大器22D(即輸出放大器)被調(diào)諧為具有大約22dB的增益并能夠在壓縮前生成高達(dá)1mW的輸出功率。一旦被封裝，整體增益級(jí)就具有大約53dB的增益以及-11dBm的噪聲輸出功率，噪聲系數(shù)約為7dB。這包括來(lái)自濾波器和過(guò)渡元件的損耗。這樣，每個(gè)放大器通道22提供53dB的增益和帶有加熱器的集成匹配負(fù)載，以及用于原地雙溫度平緩場(chǎng)校準(zhǔn)的PIN開(kāi)關(guān)。MMIC放大器和帶通濾波器較佳地使用磷化銦基片上的共平面波導(dǎo)設(shè)計(jì)來(lái)制造。
抽頭延遲波束成形器該寬帶放大的天線功率被饋送到圖4所示的抽頭延遲波束成形器以用于分解為表示天線視界的垂直頻率成像的頻率段。延遲線26將經(jīng)放大的天線信號(hào)發(fā)送至波束成形器24的32個(gè)信號(hào)端口。從波束成形器24左側(cè)的端口24-1開(kāi)始，到每個(gè)端口的信號(hào)被延遲36ps(相對(duì)于它左邊相鄰的端口)。36ps延遲等價(jià)于83.5GHz中央頻帶的三個(gè)波長(zhǎng)。(83GHz波在空氣中的毫米波頻率對(duì)應(yīng)于大約3.6mm的波長(zhǎng)，光在大約12ps內(nèi)傳輸這一距離。)這樣，在時(shí)間0到達(dá)端口24-1的信號(hào)也將在時(shí)間36ps到達(dá)端口24-2，將在時(shí)間576ps到達(dá)端口24-16，并將在1.152ns到達(dá)端口24-32。32個(gè)抽頭系列采樣了總共1.152納秒的時(shí)間段，產(chǎn)生用于波束成形器的870MHz的頻率分辨率。(用于這些波束成形器的頻率分辨率是總時(shí)間長(zhǎng)度的倒數(shù)；這樣在該情況中1/1.152ns＝870MHz。)波束成形器將來(lái)自天線的18,000MHz寬帶信號(hào)分類為由32個(gè)輸出端口28表示的32個(gè)頻率段。這提供了580MHz的頻率段間平均間距，這樣以大約2.4倍(2.4X)于1408MHz(每個(gè)天線波束帶寬)對(duì)垂直焦平面進(jìn)行過(guò)采樣。(頻率間距為18,000MHz/31＝580MHz，天線波束的波束寬大約等于光穿過(guò)天線元件的時(shí)間(0.71ns)的倒數(shù)(1/0.71ns＝1.408MHz)。)在延遲線、波束成形透鏡以及輸入過(guò)渡中的損耗和帶寬分離損耗將每個(gè)透鏡輸出的功率級(jí)降低約-36dBm。一組32個(gè)敏感探測(cè)器二極管30將該功率在每個(gè)通道的32個(gè)頻率段上進(jìn)行累計(jì)，以提供一個(gè)電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)于天線元件在32個(gè)頻率范圍的每一個(gè)上所收集的毫米波光的光強(qiáng)。來(lái)自這些二極管信號(hào)中每一個(gè)的電壓信號(hào)隨后通過(guò)多路復(fù)用讀出集成電路板32上的多路讀出集成電路芯片而被讀出。
使用光滑銅覆蓋將波束成形器實(shí)現(xiàn)在低損耗電介質(zhì)(諸如聚丙烯)中。使用創(chuàng)建電路圖案的光蝕刻以非常低的成本創(chuàng)建延遲線26，延遲線26隨后以熱壓被夾入兩個(gè)水平面之間。在優(yōu)選實(shí)施例中，構(gòu)成延遲線內(nèi)表面的銅的光滑度是十分重要的。申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)通過(guò)要求銅表面粗糙度不超過(guò)300納米，可以使這些線中的損耗從大約1.2dB/英寸減少至大約0.5dB/英寸。現(xiàn)有技術(shù)微波表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)為1400至2900納米。如上所述，來(lái)自這32個(gè)抽頭的信號(hào)被發(fā)送到波束成形透鏡24，透鏡24將每個(gè)信號(hào)頻率范圍引導(dǎo)至32個(gè)輸出端口28中的一個(gè)。
入口違禁物品篩查器在圖3A和3B所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，上述類型的64個(gè)天線元件用來(lái)提供入口違禁物品篩查器。在該優(yōu)選實(shí)施例中，四組每組16個(gè)垂直堆放的天線元件50被安排為監(jiān)視較佳地在水平電梯上以已知的大約1.5英尺每秒的速率通過(guò)入口的人員。每個(gè)天線元件是4.5英寸長(zhǎng)(元件之間的間隔為0.5英寸)，這樣堆棧為80英寸高，其中兩個(gè)堆棧10A和10B被安排為查看人員的前方和側(cè)面，兩個(gè)堆棧10C和10D被安排為查看人員的側(cè)面和后面，都如圖3A和3B所示。
當(dāng)人員51接近入口(41英寸寬)時(shí)，他/她進(jìn)入焦距區(qū)域(離開(kāi)入口中心線大約一半入口寬(20.5英寸)的距離)。在該范圍中堆棧10A和10B中的前方成像天線被聚焦在對(duì)象的前中線。當(dāng)人員離入口更近時(shí)，傳感器焦距從中線向外掃過(guò)(如52所示)，以生成人員前方和側(cè)面的完全2D成像。在1.5英尺每秒的額定移動(dòng)速度下，天線波束每隔大約40毫秒就移過(guò)一個(gè)分辨率元件。成像器以30Hz(稍稍對(duì)水平面過(guò)采樣)讀出。在一秒內(nèi)，當(dāng)人員向前移動(dòng)18英寸，兩個(gè)天線組合記錄對(duì)象前方和兩側(cè)周?chē)?0列圖像像素，其由小于4分之一英寸的凸出部分水平隔開(kāi)。當(dāng)人員離開(kāi)入口時(shí)，堆棧10C和10D中的第二天線對(duì)以同樣的方法對(duì)他/她的后方和兩側(cè)進(jìn)行成像。
違禁物品篩查器的電子特征在該實(shí)施例中，組成每個(gè)天線列的16個(gè)天線元件使用每個(gè)天線的放大器裝置和波束成形器饋給16個(gè)接收機(jī)信道。來(lái)自天線元件的已放大信號(hào)作為一對(duì)圖像被處理，其中一個(gè)圖像表示通過(guò)入口的人員的前方和側(cè)面，另一個(gè)圖像表示通過(guò)入口的人員的側(cè)面和后方。在該優(yōu)選實(shí)施例中，傳感器工作在30Hz的速率，每秒產(chǎn)生30副圖像。如果我們將通道設(shè)置為前方和后方圖像的成像時(shí)間各占用1秒，則前方和后方圖像將在水平方向上各包括60個(gè)像素。對(duì)于垂直方向，每個(gè)列中的16個(gè)天線元件中的每一個(gè)產(chǎn)生總共512個(gè)角波束中的32個(gè)波束。這些波束將被等量分布在僅僅離開(kāi)天線堆棧大約7英寸處的80英寸的垂直方向上，并將交迭超過(guò)大約7英寸。因此，前方和后方圖像將各包括60個(gè)像素寬和512個(gè)像素高，并且這些圖像將產(chǎn)生通過(guò)入口的人員的環(huán)繞視圖。像素大小為水平方向上大約0.5英寸，垂直方向上大約0.16英寸，在離開(kāi)堆棧7英寸距離處。對(duì)于那些實(shí)際上遠(yuǎn)離堆棧超過(guò)7英寸的人員部分，像素?cái)?shù)據(jù)可使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行修改以適應(yīng)交迭而產(chǎn)生連續(xù)縫合的環(huán)繞圖像。
每列中16個(gè)放大器的每一個(gè)都帶有開(kāi)關(guān)和有WR-9輸入的最多四個(gè)級(jí)聯(lián)增益級(jí)。每個(gè)放大器包括用于功率和控制信號(hào)的連接以及防止增益級(jí)反饋的足夠屏蔽。
背景和照明當(dāng)人員沒(méi)有通過(guò)入口時(shí)，天線陣列在它們的焦距區(qū)域內(nèi)沒(méi)有物體，而是從焦距區(qū)域以外的廣闊區(qū)域接收信號(hào)。這個(gè)區(qū)域可覆蓋有環(huán)境溫度的毫米吸收泡沫材料。泡沫材料作為毫米波頻率的黑體，向天線發(fā)射固定的寬帶信號(hào)。如果泡沫材料溫度低于人體溫度，泡沫材料則提供了對(duì)通過(guò)探測(cè)器的人員的很好對(duì)比。這提高了所生成圖像的清晰度和銳度。同樣，在優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)在入口上提供冰冷表面(作為低溫?zé)彷椛湓?可在被篩查的人員圖像上加入輪廓對(duì)照。這樣，在天線元件所探測(cè)得的頻帶中的由冰冷源發(fā)出后經(jīng)人員反射的毫米輻射與由來(lái)自其它的周?chē)^熱源的反射輻射相比要小得多。結(jié)果是掃描器將看到由身體各部分、衣物和潛在違禁物品的角方向決定的所掃描的人員的實(shí)際對(duì)比度。
隱私問(wèn)題上述本發(fā)明的較佳應(yīng)用包括對(duì)人員衣物下尋找武器或其它違禁物品的可視檢查。一個(gè)示例是在機(jī)場(chǎng)的檢查入口。這要求檢查許多無(wú)辜人員。所獲得的圖像示出人員溫暖皮膚的特征。通常由衣物所覆蓋的身體部分將以大約0.5英寸的分辨率成像。這樣，必須確認(rèn)并處理隱私問(wèn)題。在入口違禁物品篩查器的優(yōu)選應(yīng)用中，提供了兩個(gè)分開(kāi)的篩查器，一個(gè)標(biāo)有“女”，另一個(gè)標(biāo)有“男”。女篩查器的檢查人員是女性，男篩查器的檢查人員是男性。示出被檢查人員的圖像的監(jiān)視器將被保護(hù)不允許公眾查看，并且圖像將作為證據(jù)目的被保存并由檢查人員仔細(xì)控制。任何人員都有權(quán)不受違禁物品篩查器檢查，但是使用該權(quán)限的人員將受到適當(dāng)?shù)娜斯z查。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供了對(duì)敏感人體部分位置的圖像進(jìn)行模糊處理的計(jì)算機(jī)軟件。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供了能對(duì)諸如槍支、刀具和炸彈等違禁物品進(jìn)行識(shí)別的精密復(fù)雜的軟件。如果在對(duì)象身體上檢查到此類違禁物品，就會(huì)隨后提供警報(bào)信號(hào)(可聽(tīng)的和/或可視的)，這樣該人員可被選出以接受更多的具體檢查。該軟件也可通過(guò)在對(duì)象圖像的違禁物品位置上放置可視的標(biāo)志來(lái)定位可疑違禁物品?；蛘撸?4個(gè)圖像片段中僅僅顯示示出皮膚接觸異常的片段。
圖像圖19B示出由上述入口系統(tǒng)記錄的示例圖像類型。這些圖像是根據(jù)圖19A所示的毫米波數(shù)據(jù)(使用上述類型的單個(gè)棒狀成像器獲得的)的計(jì)算機(jī)生成圖像。該對(duì)象在他的襯衫下持有手槍。讀者需要注意的是只模擬11個(gè)圖像(而不是16個(gè))，圖像在某些地方有交迭。如圖19C所示，系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可被編程為僅僅顯示包含有用信息(例如，可能的武器或違禁物品的指示)的圖像。這對(duì)減少隱私隱患是有幫助的。較佳地，提供背景，其可產(chǎn)生與比藏匿武器和違禁物品所發(fā)出及反射出的指示溫度冷得多的溫度相對(duì)應(yīng)的輻射。成像器隨后可識(shí)別比溫暖的活體要冷但比冰冷的背景要熱的對(duì)象。如圖19C所示，僅僅顯示的圖像可為包含這些中間溫度的指示的圖像。
26英寸單個(gè)棒狀成像器本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例使用低成本的“單個(gè)棒狀”成像器。在該情況中，單元含有僅僅一個(gè)通常如上所述的天線，但在具體的情況中，與上述的入口違禁物品篩查器及下述手持單元所用的4.5英寸天線相比，天線是26英寸長(zhǎng)。
天線圖8A和8B是根據(jù)本發(fā)明的方面的一維毫米波天線元件的視圖。圖8A示出不帶透鏡CA的天線的前視圖，透鏡CA在圖8B的側(cè)視圖中示出。天線元件1由帶有外部尺寸a＝0.180”，b＝0.130”和內(nèi)部尺寸a＝0.100”，b＝0.050”的WR-10波導(dǎo)構(gòu)成，該天線的槽部分是24英寸長(zhǎng)。在天線的制造過(guò)程中，一個(gè)窄面被從40mil打薄至6mil。隨后在窄面上以2mm間距刻出300個(gè)斜槽4A，它們作為接受孔(對(duì)照于上述5”天線的57個(gè)槽)。槽的角從波導(dǎo)輸入端口60處的3.6度逐漸增大到終端7，以提供沿著長(zhǎng)度耦合的近似恒定的信號(hào)。角的方向改變，提供了連續(xù)耦合的槽之間180度的相位偏移。該幾何形態(tài)為垂直安裝的天線創(chuàng)建了在視界上橫跨20度、以75.5-93.5GHz系統(tǒng)工作頻帶的頻率掃描。在垂直(仰角)平面，天線接收機(jī)元件如圖9所示在每個(gè)頻率上產(chǎn)生狹窄的0.2度寬的波束。在水平面上，它的波束是120度寬，因?yàn)椴▽?dǎo)的小“b”型尺寸。
聚焦天線元件在優(yōu)選實(shí)施例中，圖10A所示的天線元件1聚焦在5米處，如圖10A和10B所示。在該情況下，垂直朝向的橢圓圓柱鏡面8(0.6米寬、0.8米高)的一個(gè)焦距線位于接收機(jī)元件1的槽5的中央，并且它的第二焦點(diǎn)9在離開(kāi)天線5米處，如圖10A所示。這將天線波束10聚焦在水平方向上5米處。狹窄棒狀透鏡6A覆蓋了波導(dǎo)槽4A并且將對(duì)應(yīng)于93.5GHz頻率的天線波束11垂直聚焦在離開(kāi)天線5米處的聚焦點(diǎn)12處。75.5GHz的較低頻波束13被聚焦在離開(kāi)天線相同距離處但是在另一個(gè)聚焦點(diǎn)14。如圖10B所示的波束幾何形態(tài)假定波導(dǎo)天線信號(hào)是在開(kāi)槽波導(dǎo)的底部端口6收集的。
天線電子學(xué)校準(zhǔn)和放大在該優(yōu)選實(shí)施例中，狄更斯切換(Dicke switching)被用于校準(zhǔn)成像系統(tǒng)。該技術(shù)使用如圖3所示的前端開(kāi)關(guān)20，開(kāi)關(guān)20在查看天線2A和查看預(yù)定溫度負(fù)載21之間進(jìn)行改變。前端開(kāi)關(guān)20以3.84kHz的速率進(jìn)行切換。在一次切換周期內(nèi)負(fù)載可被加熱大約40K。這使單元能執(zhí)行實(shí)時(shí)的雙溫度校準(zhǔn)，對(duì)放大器中的增益波動(dòng)以及溫度偏移做出補(bǔ)償。開(kāi)關(guān)自身是W—頻帶微波單片集成電路(MMIC)PIN開(kāi)關(guān)，由M/A-Com制造，傳輸損耗大約為1.8dB。
狄更斯開(kāi)關(guān)20和低噪聲放大器62一起被封裝在信號(hào)放大單元64中。放大器62包括一系列低噪聲MMIC寬頻帶放大器，這些放大器可以在75.5-95.5GHz頻率帶上提供輸出功率，足夠驅(qū)動(dòng)抽頭延遲波束成形器66中的毫米波探測(cè)器。放大器被要求有寬的帶寬但保持低噪聲系數(shù)，因?yàn)樗鼈優(yōu)檎麄€(gè)系統(tǒng)設(shè)定噪聲溫度。它們工作在從75.5GHz到93.5GHz的18GHz帶寬，噪聲系數(shù)約為7dB。MMIC放大器和其它放大單元元件較佳地使用磷化銦基片上的共平面波導(dǎo)設(shè)計(jì)來(lái)制造。
抽頭延遲波束成形器來(lái)自天線2A的寬帶放大天線信號(hào)首先被放大，并隨后饋送到如圖11和圖12所示的抽頭延遲波束成形器66以用于分解為表示天線視界的垂直頻率成像的頻率段。如圖12更詳細(xì)表示的，波束成形器包括輸入線68、延遲線網(wǎng)絡(luò)70、洛特曼(rotman)透鏡72、在透鏡的輸入76和輸出78處的喇叭天線陣(horn array)。連接到輸出喇叭天線的信號(hào)線終止在調(diào)諧至特定頻率的毫米波探測(cè)器電路80。延遲線網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)功率在輸入喇叭天線76之間分割，并創(chuàng)建由相鄰喇叭天線輻射入洛特曼透鏡的信號(hào)之間的恒定時(shí)間延遲。在洛特曼透鏡的另一端這些信號(hào)構(gòu)造組合用于128個(gè)輸出喇叭天線78之一的特定頻率，這樣將毫米波功率分類為用于不同頻率的不同輸出端口。在輸入喇叭天線之間的遞增信號(hào)延遲被選擇為達(dá)到波束成形器的300MHz頻率分辨率。波束成形器的該狹窄頻帶聚焦能力已經(jīng)達(dá)到了并由申請(qǐng)人如圖13所示試驗(yàn)性地表示。圖13中所見(jiàn)的狹窄波峰32A表示波束成形器的128個(gè)輸出信號(hào)之一的響應(yīng)。在其它頻率的電路的128個(gè)輸出信道中的每一個(gè)上也可以觀察到類似的銳利響應(yīng)。
使用光滑銅覆蓋將波束成形器實(shí)現(xiàn)在低損耗電介質(zhì)(諸如聚丙烯)中。使用創(chuàng)建電路圖案的光蝕刻以非常低的成本創(chuàng)建延遲線70，延遲線70隨后在熱壓中被夾入兩片水平面中。在優(yōu)選實(shí)施例中，構(gòu)成延遲線內(nèi)表面的銅的光滑度是十分重要的。申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)通過(guò)要求銅表面粗糙度不超過(guò)300納米，可以將損耗限制為大約0.5dB/英寸?，F(xiàn)有技術(shù)微波表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)為1400至2900納米。
信號(hào)探測(cè)和采樣根據(jù)圖13中的數(shù)據(jù)，在信號(hào)輸入頻率上，波束成形器材料是大約20dB的信號(hào)損耗的成因。對(duì)于18GHz寬帶輸入，額外的21dB信號(hào)損耗是由于輸入功率在128個(gè)輸出信道間的分割，該損耗會(huì)產(chǎn)生每個(gè)信道至少41dB的總信號(hào)衰減。該非常低的功率隨后由信道探測(cè)器82測(cè)得，如圖12所示。探測(cè)器輸出電壓由讀出芯片80放大、積分并數(shù)字化。極高敏感度的毫米波探測(cè)器二極管(諸如由HRL實(shí)驗(yàn)室有線公司(HRL Laboratories LLC)制造的Sb-異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Sb-heterostructure)二極管)被用于成形器中以保證成形器的信噪比性能不在探測(cè)和讀出電路中衰減。
如圖11所示，由接口模塊35接收用于128個(gè)頻率信號(hào)中每一個(gè)的數(shù)字化信號(hào)，接口模塊35與計(jì)算機(jī)36進(jìn)行通信，在計(jì)算機(jī)36上最終處理數(shù)據(jù)并顯示為圖像。計(jì)算機(jī)也負(fù)責(zé)設(shè)定成形器的最優(yōu)化性能參數(shù)，諸如信道增益、積分時(shí)間等等。同一計(jì)算機(jī)被用于控制使用電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的圖像水平掃描。計(jì)算機(jī)和接口模塊35之間的通信線37可為有線或無(wú)線的，取決于哪種方法更適合于特定應(yīng)用。
用于場(chǎng)部署的機(jī)械掃描成形器在優(yōu)選實(shí)施例中，包括毫米波和低頻信號(hào)處理電子設(shè)備的上述天線系統(tǒng)被集成到機(jī)械旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上以便在天線的聚焦平面中產(chǎn)生物體的二維掃描場(chǎng)圖像。
成像器的優(yōu)選配置示出在圖14中。包括開(kāi)槽波導(dǎo)接收機(jī)2A和反射鏡8A的毫米波頻率掃描天線系統(tǒng)84被安裝在計(jì)算機(jī)控制的精確旋轉(zhuǎn)平臺(tái)86的頂部。天線所附著在的平臺(tái)基座由發(fā)動(dòng)機(jī)88以0.12度的步階進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)，這樣在離開(kāi)成像器5米處的聚焦點(diǎn)在每個(gè)步階水平移動(dòng)大約分辨率點(diǎn)寬度的一半。平臺(tái)被設(shè)計(jì)為是機(jī)械穩(wěn)定的以確保波束角隨機(jī)移動(dòng)在水平和垂直方向上都不超過(guò)0.05度。旋轉(zhuǎn)基座和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器被制造為承重三腳架基座91的部分以便于運(yùn)輸和部署。步進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)由從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)站94接收指令的發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊92供電。毫米波信號(hào)處理和采樣模塊90被附加到和天線系統(tǒng)相同的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上。由與計(jì)算機(jī)94通信的接口模塊96控制成像獲得。計(jì)算機(jī)94較佳為帶有寬屏圖像顯示的電池供電便攜式PC。計(jì)算機(jī)特征必須要足夠?qū)崟r(shí)地執(zhí)行成像器控制功能、信號(hào)獲取、圖像處理和顯示。計(jì)算機(jī)94通過(guò)電纜或無(wú)線鏈路(取決于應(yīng)用要求)與控制和接口模塊92和96遠(yuǎn)程通信。在模塊92和發(fā)動(dòng)機(jī)88，毫米波模塊90與接口單元96之間的連接較佳地是有線的。
成像器部署的示例示出在顯示可能隱藏武器的POW篩查的圖14B中。操作員98從安全距離處使用計(jì)算機(jī)100控制成像器84，而POW對(duì)象73被命令站在成像器的焦平面中。對(duì)象的完全圖像在幾秒內(nèi)被掃描出并且圖像被顯示在計(jì)算機(jī)屏幕72上以用于隱藏武器分析。如果需要，對(duì)象各個(gè)方面的多個(gè)圖像可被連續(xù)獲得。
使用當(dāng)前技術(shù)的機(jī)械掃描圖像已經(jīng)被申請(qǐng)人成功地建立并測(cè)試。成像器對(duì)于128個(gè)垂直像素和60個(gè)水平像素的圖像大小以及2秒的獲取時(shí)間提供大約3開(kāi)爾文的溫度分辨率。已經(jīng)注意到在該溫度分辨率下，如果在允許從金屬表面反射天氣的敞開(kāi)空間中掃描對(duì)象，就可通過(guò)本系統(tǒng)探測(cè)出多種金屬物體(諸如槍支、大型刀具和金屬管自殺背心)。圖15A示出對(duì)于穿戴有模擬管道自殺背心104的對(duì)象的掃描成像的示例。圖15B是對(duì)于帶有金屬刀具106的對(duì)象的掃描成像示例，圖15C是對(duì)于帶有手持槍支108的對(duì)象的掃描成像示例。
帶有金屬探測(cè)器的混合單元天線可被保持靜止，而被檢查人員水平穿過(guò)靜止天線的大約1英寸寬的垂直視界。這可使用水平自動(dòng)扶梯或便宜的踏旋器來(lái)實(shí)現(xiàn)。較佳地，“步行通過(guò)”金屬探測(cè)器臨近自動(dòng)扶梯或踏旋器放置，以檢查被檢查人員身上的藏匿金屬。焦距深度覆蓋了從4.75米到5.25米之間大約500mm(二十英寸)，這樣成像器可位于離開(kāi)金屬探測(cè)器大約5米處，以便獲得通過(guò)它的人員的焦距成像。
帶有金屬探測(cè)器和毫米波成像器的入口通過(guò)將毫米波成像系統(tǒng)和磁性金屬探測(cè)器組合到一個(gè)入口中，可以達(dá)到改進(jìn)的整體探測(cè)能力和對(duì)象分類。在混合入口的較佳實(shí)施例中，提出的毫米波成像器將與商用金屬探測(cè)器入口(諸如CEIA集團(tuán)開(kāi)發(fā)的型號(hào)SMD 600等)同時(shí)工作。
先后工作的毫米波成像器和金屬探測(cè)器互相協(xié)助并將整個(gè)系統(tǒng)的性能帶入新的高度。金屬探測(cè)器可以對(duì)非常小量的金屬十分敏感，這由于無(wú)害對(duì)象(諸如，硬幣、眼鏡、鑰匙等等)觸發(fā)的高頻次警報(bào)而產(chǎn)生問(wèn)題。為了確定警報(bào)的原因，安全人員必須執(zhí)行人工檢查，這會(huì)較大地減緩審查過(guò)程并增加安全成本。毫米波成像器不會(huì)向金屬探測(cè)器一樣的敏感，但它在產(chǎn)生圖像上有優(yōu)點(diǎn)，諸如對(duì)象可被視覺(jué)上區(qū)分為有威脅或無(wú)威脅類別。
在預(yù)期情況中，兩個(gè)系統(tǒng)被用于同一個(gè)入口，觸發(fā)金屬探測(cè)器警報(bào)的金屬對(duì)象隨后使用處于表示這些對(duì)象存在的部分中的毫米波圖像來(lái)仔細(xì)檢查。被探測(cè)對(duì)象的大小和形狀可被用于確定是否需要進(jìn)一步檢查。毫米波圖像能夠探測(cè)諸如塑料、陶瓷等無(wú)法被金屬探測(cè)器探測(cè)出的非金屬對(duì)象。塑料和陶瓷刀具可以是極度有威脅的并對(duì)極大程度依賴于金屬探測(cè)方法的現(xiàn)有安全系統(tǒng)是一個(gè)大挑戰(zhàn)。
毫米波和金屬探測(cè)器安全入口200的較佳實(shí)施例示出在圖16A和16B中。金屬探測(cè)器入口201帶有使各單個(gè)金屬傳感器的垂直部分202。一旦探測(cè)出諸如203的金屬對(duì)象，入口將以警報(bào)燈(和/或可聽(tīng)警報(bào))的形式向安全人員發(fā)出警報(bào)信號(hào)。同時(shí)兩個(gè)毫米波成像器在右側(cè)(205A)收集對(duì)象的熱輻射數(shù)據(jù)，另外兩個(gè)毫米波成像器從入口左側(cè)(205B)收集數(shù)據(jù)。特定部分的金屬探測(cè)器警報(bào)光(或類似指示)與來(lái)自相應(yīng)部分的熱圖像一起被顯示。隨后由人類操作員或由計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)做出決定是否需要額外的篩查。如果金屬探測(cè)器沒(méi)有探測(cè)到金屬，熱圖像仍然可以發(fā)現(xiàn)可疑對(duì)象的存在，這將向入口安全操作員發(fā)送信號(hào)以執(zhí)行更多的詳細(xì)檢查。
毫米波成像器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是在一些情況中，它可以幫助解決警報(bào)情況而不進(jìn)行人工檢查。即使要求額外的審查，它也可以通過(guò)要求對(duì)象再次穿過(guò)入口并獲取更多的能弄清可疑對(duì)象本質(zhì)的毫米波圖像而不帶侵犯性地執(zhí)行篩查。即使幾次額外的通過(guò)花費(fèi)了一些時(shí)間，它也是時(shí)間消耗較少的并且不要求專門(mén)指定的安全人員來(lái)執(zhí)行工作。
圖16A示出混合入口300優(yōu)選實(shí)施例的頂視圖。它包括金屬探測(cè)器入口301和毫米波成像入口302A和302B。毫米波入口包括從人體對(duì)象相對(duì)兩側(cè)收集毫米波輻射310的左側(cè)(302B)和右側(cè)(302A)毫米波成像傳感器。對(duì)象304從方向311進(jìn)入入口系統(tǒng)，他的正面(左側(cè)和右側(cè))表面由傳感器302A和302B成像。隨后對(duì)象通過(guò)入口的中央305，在不同高度的金屬探測(cè)器312感知金屬對(duì)象的存在。在離開(kāi)入口306時(shí)，對(duì)象的后方毫米波圖像由毫米波傳感器302A和302B獲取。這完成了一個(gè)篩查周期。如果觸發(fā)了警報(bào)，第二次篩查可解決問(wèn)題而不需要人工檢查。
手持成像器一探測(cè)器圖18A是手持毫米波成像傳感器119的視圖。該傳感器是上述的基本成像器傳感器(見(jiàn)圖2A和2B)，帶有沿著光通路聚焦在19英寸(從鏡片8背面開(kāi)始15.5英寸)處，以產(chǎn)生位于焦點(diǎn)處的6英寸×1/2英寸視界的一維圖像。(然后，注意對(duì)于該單元，天線是水平放置，這樣一維水平圖像由靜止單元產(chǎn)生，而垂直掃描產(chǎn)生二維圖像。)在優(yōu)選實(shí)施例中，傳感器的幀速率是30Hz，這樣由操作者手臂移動(dòng)產(chǎn)生的一秒掃描產(chǎn)生6英寸×6英寸視界的二維圖像。遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于6英寸每秒的掃描產(chǎn)生一些模糊。極慢的掃描產(chǎn)生較好的對(duì)比度但是圖像將有些失真。傳感器包含在對(duì)毫米波透明的有蓋122的外殼120中。為了得到最佳結(jié)果，傳感器的前方被保持在離開(kāi)被掃描表面大約12英寸處。單元重約4磅，這樣提供一個(gè)帶有臂支撐124的人體工學(xué)把手。在位置126緊握把手125。目標(biāo)區(qū)域的圖像被顯示在屏幕128上。單元的電池被包含在把手125中。
在優(yōu)選實(shí)施例中，金屬探測(cè)線圈128被包括在單元中，如圖18B所示，并產(chǎn)生波動(dòng)的磁場(chǎng)以在產(chǎn)生其它磁場(chǎng)的導(dǎo)體對(duì)象中產(chǎn)生渦電流。這些渦電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)被依次由同一個(gè)產(chǎn)生指示導(dǎo)體對(duì)象存在的電流的線圈所獲取。對(duì)于金屬探測(cè)，盡可能的靠近被掃描表面以掃描單元。
其它實(shí)施例違禁物品探測(cè)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到對(duì)上述示例可以做出許多修改。例如，人員可被要求以諸如大約通常步行速度的1/4通過(guò)入口，而不是如上述的讓人員在水平自動(dòng)扶梯上通過(guò)入口。毫米波透明屏障60可如圖5和6所示被放置在入口中，以保證人員相對(duì)于天線元件的合適位置。在天線元件的聚焦位置的選擇上可能有多種位置變化。將天線放置于光學(xué)上遠(yuǎn)離被審查人員并增加聚焦長(zhǎng)度將提供更深的天線元件焦距深度。這可使用如圖6所示的鏡面61來(lái)完成，以保持單元的緊湊性。在圖7中，將掃描器的大約橫向分辨率估計(jì)提供為被成像表面和天線元件之間的距離的函數(shù)。
雖然本發(fā)明在上文被描述為特定實(shí)施例的形式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的是可做出許多其它改動(dòng)。例如，與毫米波掃描器同步的紅外或可視照相機(jī)可適于提供相關(guān)識(shí)別和參考信息。通過(guò)提供天線元件的自動(dòng)聚焦可以達(dá)到更好的分辨率?；蛘?，可提供具有各種聚焦長(zhǎng)度附加元件組以及編程為對(duì)于目標(biāo)人員在他/她通過(guò)入口時(shí)的每個(gè)部分選擇最佳焦距的處理器軟件。通過(guò)入口的人員可在單個(gè)堆棧之前旋轉(zhuǎn)，或他們可在四個(gè)堆棧之前旋轉(zhuǎn)。對(duì)于提供足夠?qū)彶闀r(shí)間的應(yīng)用而言，單個(gè)元件或更少的元件可可掃描過(guò)被審查人員，無(wú)論是自動(dòng)的還是手動(dòng)的。對(duì)于圖4中所示放大器的修改是可以實(shí)現(xiàn)的，但是較佳必須提供至少50dB的增益。圖8A和8B中所示的單個(gè)棒狀成像器垂直放置并水平轉(zhuǎn)動(dòng)。在其它實(shí)施例中，這些方向是可以修改的。旋轉(zhuǎn)的范圍可以是從上述應(yīng)用中的一些角度到360度完全旋轉(zhuǎn)中的任意量。同樣，單個(gè)棒狀成像器可以是位置固定，被成像對(duì)象可以橫向穿過(guò)垂直波束。同樣，對(duì)象可以在垂直波束中旋轉(zhuǎn)。這樣，本發(fā)明的范圍應(yīng)該由附加權(quán)利要求和它們的法律等價(jià)物來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.一種藏匿武器和違禁物品的成像和探測(cè)系統(tǒng)，包括A.至少一個(gè)毫米波頻率掃描天線，用于從狹窄的一維視界收集頻率依賴的毫米波輻射波束；B.毫米波放大器，用于在已收集的頻率上放大所述毫米波輻射；C.波束成形器，用于分離所述已放大的已收集輻射以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述頻率依賴波束的頻率依賴信號(hào)，所述波束成形器包括1，多個(gè)延遲線；2，毫米波透鏡；以及3，多個(gè)毫米波功率探測(cè)器；以及D.采樣電路，用于讀出頻率依賴信號(hào)以產(chǎn)生天線視界的一維圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括聚焦裝置，用于聚焦所述頻率掃描天線。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦裝置包括圓柱反射鏡和圓柱透鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述毫米波放大器包括三個(gè)制造在磷化銦基片上的MMIC放大器以及一個(gè)帶通濾波器。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器包括共平面波導(dǎo)設(shè)計(jì)。
6.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器提供至少50dB的增益。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述延遲線由蝕刻銅組成以創(chuàng)建長(zhǎng)度可變的電路圖案。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述延遲線限定表面粗糙度小于300納米的銅表面。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)頻率掃描天線是一個(gè)頻率掃描天線。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述一次頻率掃描是至少20英寸長(zhǎng)。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述一個(gè)頻率掃描天線是大約26英寸長(zhǎng)，并且包括大約300個(gè)作為接收穴的斜槽。
12.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)頻率掃描天線是一個(gè)頻率掃描天線。
13.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述一次頻率掃描是至少20英寸長(zhǎng)。
14.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述一個(gè)頻率掃描天線是大約26英寸長(zhǎng)，并且包括大約300個(gè)作為接收孔的斜槽。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述毫米波成像系統(tǒng)是單個(gè)棒狀毫米波成像系統(tǒng)，包括A.單個(gè)毫米波頻率掃描天線，用于從狹窄的一維視界收集頻率依賴的毫米波輻射波束；B.毫米波放大器，用于在已收集的頻率上放大所述毫米波輻射；C.波束成形器，用于分離所述已放大的已收集輻射以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述頻率依賴波束的頻率依賴信號(hào)，所述波束成形器包括1，多個(gè)延遲線；2，毫米波透鏡；以及3，多個(gè)毫米波功率探測(cè)器；以及D.采樣電路，用于讀出頻率依賴信號(hào)以產(chǎn)生天線視界的一維圖像。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括聚焦裝置，用于聚焦所述頻率掃描天線。
17.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦裝置包括圓柱反射鏡和圓柱透鏡。
18.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述毫米波放大器包括三個(gè)制造在磷化銦基片上的MMIC放大器以及一個(gè)帶通濾波器。
19.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器包括共平面波導(dǎo)設(shè)計(jì)。
20.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器提供至少50dB的增益。
21.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述延遲線由蝕刻銅組成以創(chuàng)建長(zhǎng)度可變的電路圖案。
22.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述延遲線限定表面粗糙度小于300納米的銅表面。
23.一種入口藏匿武器和違禁物品的成像和探測(cè)系統(tǒng)，包括A.入口金屬探測(cè)器，以及B.入口違禁物品篩查器，包括多個(gè)毫米波傳感器，每個(gè)所述多個(gè)毫米波傳感器包括1.至少一個(gè)毫米波頻率掃描天線，用于從狹窄的一維視界收集頻率依賴的毫米波輻射波束；2.毫米波放大器，用于在已收集的頻率上放大所述毫米波輻射；3.波束成形器，用于分離所述已放大的已收集輻射以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述頻率依賴波束的頻率依賴信號(hào)，所述波束成形器包括a，多個(gè)延遲線；b，毫米波透鏡；以及c，多個(gè)毫米波功率探測(cè)器；以及4.采樣電路，用于讀出頻率依賴信號(hào)以產(chǎn)生天線視界的一維圖像。
24.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)所述多個(gè)毫米波傳感器還包括聚焦裝置，用于聚焦所述頻率掃描天線。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦裝置包括圓柱反射鏡和圓柱透鏡。
26.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)所述毫米波放大器包括三個(gè)制造在磷化銦基片上的MMIC放大器以及一個(gè)帶通濾波器。
27.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器包括共平面波導(dǎo)設(shè)計(jì)。
28.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器提供至少50dB的增益。
29.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)所述延遲線由蝕刻銅組成以創(chuàng)建長(zhǎng)度可變的電路圖案。
30.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述延遲線限定表面粗糙度小于300納米的銅表面。
31.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個(gè)金屬探測(cè)器。
32.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括金屬探測(cè)器，其中所述系統(tǒng)是手持系統(tǒng)。
33.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個(gè)金屬探測(cè)器。
34.一種混合入口藏匿武器和違禁物品的成像和探測(cè)系統(tǒng)，包括A.金屬探測(cè)器，以及B.入口違禁物品篩查器，包括多個(gè)毫米波傳感器，每個(gè)所述多個(gè)毫米波傳感器包括；1.至少一個(gè)毫米波頻率掃描天線，用于從狹窄的一維視界收集頻率依賴的毫米波輻射波束；2.快速開(kāi)關(guān)，用于校準(zhǔn)；3.毫米波放大器，用于在已收集的頻率上放大所述毫米波輻射，所述放大器包括至少三個(gè)制造在磷化銦基片上的MMIC放大器以及一個(gè)帶通濾波器；4.波束成形器，用于分離所述已放大的已收集輻射以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述頻率依賴波束的頻率依賴信號(hào)，所述波束成形器包括a，多個(gè)延遲線；b，毫米波透鏡，以及c，多個(gè)毫米波功率探測(cè)器；以及5.采樣電路，用于讀出頻率依賴信號(hào)以產(chǎn)生天線視界的一維圖像，6.聚焦裝置，用于聚焦所述傳感器。
35.如權(quán)利要求34所述的混合系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦裝置包括圓柱反射鏡和圓柱透鏡。
36.如權(quán)利要求34所述的混合系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器包括共平面波導(dǎo)設(shè)計(jì)。
37.如權(quán)利要求34所述的混合系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器提供至少50dB的增益。
38.如權(quán)利要求34所述的混合系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)所述延遲線由蝕刻銅組成以創(chuàng)建長(zhǎng)度可變的電路圖案。
39.如權(quán)利要求38所述的混合系統(tǒng)，其特征在于，所述延遲線限定表面粗糙度小于300納米的銅表面。
40.如權(quán)利要求34所述的混合系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)傳感器被安排為四個(gè)堆棧，每個(gè)堆棧包括至少16個(gè)傳感器。
全文摘要
一種毫米波藏匿武器和違禁物品探測(cè)系統(tǒng)。優(yōu)選的毫米波成像裝備包括至少一個(gè)毫米波頻譜掃描天線，用于從狹窄的一維視界中收集頻率依賴的毫米波輻射波束。所收集的頻率輻射在所收集的頻率上被放大，并且使用抽頭延遲波束成形器將已放大信號(hào)分離為頻率依賴段，隨后采樣這些頻率段以產(chǎn)生天線視界的一維圖像。目標(biāo)的二維圖像可通過(guò)將目標(biāo)移過(guò)掃描天線的視界或通過(guò)移動(dòng)天線來(lái)掃描其在目標(biāo)上的焦距線來(lái)獲得。在優(yōu)選實(shí)施例中，毫米波成像器與主動(dòng)型渦電流金屬探測(cè)器組合以提供一種提供超越現(xiàn)有技術(shù)安全系統(tǒng)的重要優(yōu)點(diǎn)的混合系統(tǒng)。優(yōu)選實(shí)施例包括混合入口系統(tǒng)和混合手持系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01Q3/22GK1864079SQ200480023012
公開(kāi)日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2004年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者J·A·勞伯格, V·考林科 申請(qǐng)人:雀萊斯企業(yè)股份有限公司