使用毫米波成像的安全系统转让专利
申请号 : CN200480023012.0
文献号 : CN100593732C
文献日 : 2010-03-10
发明人 : J·A·劳伯格 , V·考林科
申请人 : 雀莱斯企业股份有限公司
摘要 :
一种毫米波藏匿武器和违禁物品探测系统。优选的毫米波成像装备包括至少一个毫米波频谱扫描天线，用于从狭窄的一维视界中收集频率依赖的毫米波辐射波束。所收集的频率辐射在所收集的频率上被放大，并且使用抽头延迟波束成形器将已放大信号分离为频率依赖段，随后采样这些频率段以产生天线视界的一维图像。目标的二维图像可通过将目标移过扫描天线的视界或通过移动天线来扫描其在目标上的焦距线来获得。在优选实施例中，毫米波成像器与主动型涡电流金属探测器组合以提供一种提供超越现有技术安全系统的重要优点的混合系统。优选实施例包括混合入口系统和混合手持系统。
权利要求 :
1.一种藏匿武器和违禁物品的成像和探测系统，包括：A.至少一个毫米波频率扫描天线，用于从狭窄的一维视界收集频 率依赖的毫米波辐射波束；
B.毫米波放大器，用于在已收集的频率上放大所述毫米波辐射；
C.波束成形器，用于分离所述已放大的已收集辐射以产生对应于所 述频率依赖波束的频率依赖信号，所述波束成形器包括：C1).多个延迟线；
C2).毫米波透镜；以及
C3).多个毫米波功率探测器；以及
D.采样电路，用于读出频率依赖信号以产生天线视界的一维图像。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括聚焦装置，用于聚 焦所述频率扫描天线。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述聚焦装置包括圆柱反 射镜和圆柱透镜。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述毫米波放大器包括三 个制造在磷化铟基片上的MMIC放大器以及一个带通滤波器。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述放大器包括共平面波 导设计。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述放大器提供至少50dB 的增益。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述延迟线由蚀刻铜组成 以创建长度可变的电路图案。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述延迟线限定表面粗糙 度小于300纳米的铜表面。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个频率扫描天 线是一个频率扫描天线。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述一个频率扫描天线 是至少20英寸长。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述一个频率扫描天线 是26英寸长，并且包括300个作为接收孔的斜槽。
12.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少一个频率扫描 天线是一个频率扫描天线。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述一个频率扫描天线 是至少20英寸长。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述一个频率扫描天线 是26英寸长并且包括300个作为接收孔的斜槽。
15.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括至少一个金属探 测器。
16.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括金属探测器，其 中所述系统是手持系统。
17.一种毫米波成像系统，其中所述毫米波成像系统是单个棒状毫米 波成像系统，包括：A.单个毫米波频率扫描天线，用于从狭窄的一维视界收集频率依 赖的毫米波辐射波束；
B.毫米波放大器，用于在已收集的频率上放大所述毫米波辐射；
C.波束成形器，用于分离所述已放大的已收集辐射以产生对应于所 述频率依赖波束的频率依赖信号，所述波束成形器包括：C1).多个延迟线；
C2).毫米波透镜；以及
C3).多个毫米波功率探测器；以及
D.采样电路，用于读出频率依赖信号以产生天线视界的一维图像。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于还包括聚焦装置，用于聚 焦所述频率扫描天线。
19.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述聚焦装置包括圆柱 反射镜和圆柱透镜。
20.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述毫米波放大器包括 三个制造在磷化铟基片上的MMIC放大器以及一个带通滤波器。
21.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述放大器包括共平面 波导设计。
22.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述放大器提供至少 50dB的增益。
23.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述延迟线由蚀刻铜组 成以创建长度可变的电路图案。
24.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述延迟线限定表面粗 糙度小于300纳米的铜表面。
25.如权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括至少一个金属探 测器。
26.一种入口藏匿武器和违禁物品的成像和探测系统，包括：A.入口金属探测器，以及
B.入口违禁物品筛查器，包括多个毫米波传感器，每个所述多个毫 米波传感器包括：B1).至少一个毫米波频率扫描天线，用于从狭窄的一维视界收集频 率依赖的毫米波辐射波束；
B2).毫米波放大器，用于在已收集的频率上放大所述毫米波辐射；
B3).波束成形器，用于分离所述已放大的已收集辐射以产生对应于 所述频率依赖波束的频率依赖信号，所述波束成形器包括：a，多个延迟线；
b，毫米波透镜；以及
c，多个毫米波功率探测器；以及
B4).采样电路，用于读出频率依赖信号以产生天线视界的一维图像。
27.如权利要求26所述的系统，其特征在于，每个所述多个毫米波传 感器还包括聚焦装置，用于聚焦所述频率扫描天线。
28.如权利要求27所述的系统，其特征在于，所述聚焦装置包括圆柱 反射镜和圆柱透镜。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，每个所述毫米波放大器 包括三个制造在磷化铟基片上的MMIC放大器以及一个带通滤波器。
30.如权利要求29所述的系统，其特征在于，所述放大器包括共平面 波导设计。
31.如权利要求29所述的系统，其特征在于，所述放大器提供至少 50dB的增益。
32.如权利要求26所述的系统，其特征在于，每个所述延迟线由蚀刻 铜组成以创建长度可变的电路图案。
33.如权利要求32所述的系统，其特征在于，所述延迟线限定表面粗 糙度小于300纳米的铜表面。
34.一种混合入口藏匿武器和违禁物品的成像和探测系统，包括：A.金属探测器，以及
B.入口违禁物品筛查器，包括多个毫米波传感器，每个所述多个毫 米波传感器包括：B1).至少一个毫米波频率扫描天线，用于从狭窄的一维视界收集频 率依赖的毫米波辐射波束；
B2).快速开关，用于校准；
B3).毫米波放大器，用于在已收集的频率上放大所述毫米波辐射， 所述放大器包括至少三个制造在磷化铟基片上的MMIC放大器以及 一个带通滤波器；
B4).波束成形器，用于分离所述已放大的已收集辐射以产生对应于 所述频率依赖波束的频率依赖信号，所述波束成形器包括：a，多个延迟线；
b，毫米波透镜，以及
c，多个毫米波功率探测器；以及
B5).采样电路，用于读出频率依赖信号以产生天线视界的一维图像，B6).聚焦装置，用于聚焦所述传感器。
35.如权利要求34所述的混合入口藏匿武器和违禁物品的成像和探测 系统，其特征在于，所述聚焦装置包括圆柱反射镜和圆柱透镜。
36.如权利要求34所述的混合入口藏匿武器和违禁物品的成像和探测 系统，其特征在于，所述放大器包括共平面波导设计。
37.如权利要求34所述的混合入口藏匿武器和违禁物品的成像和探测 系统，其特征在于，所述放大器提供至少50dB的增益。
38.如权利要求34所述的混合入口藏匿武器和违禁物品的成像和探测 系统，其特征在于，每个所述延迟线由蚀刻铜组成以创建长度可变的电路 图案。
39.如权利要求38所述的混合入口藏匿武器和违禁物品的成像和探测 系统，其特征在于，所述延迟线限定表面粗糙度小于300纳米的铜表面。
40.如权利要求34所述的混合入口藏匿武器和违禁物品的成像和探测 系统，其特征在于，所述多个传感器被安排为四个堆栈，每个堆栈包括至 少16个传感器。
说明书 :
本发明是递交于2001年9月29日的序号为09/965,875、递交于2003 年8月12日的序号为10/639,322、以及序号为10/728,432的美国专利申请的 后续申请，上述申请均结合在此以供参考。本发明涉及检查系统，尤其涉及金 属探测器和毫米波成像系统。
背景技术
毫米波成像系统
工作在毫米波长(1cm至1mm；30GHz至300GHz)的成像系统是众所周 知的。这些系统是重要的，因为与可见光不同的是，这些波长的辐射经由雾气 或烟雾的实际距离而不完全衰减。毫米波长的辐射也会穿透衣物以及具有明显 厚度的材料(诸如干木和墙板)。这些毫米波成像系统因此已被用于航空器以 改进透过雾气的能见度，并被用于探测隐藏的武器等安全应用。在第5,121,124 号和第5,365,237号美国专利中描述的这些系统被转让给申请人的公司。在这 些专利中描述的系统使用天线，其中所收集的毫米波辐射的方向是频率的函 数。该类型的天线被称为“频率扫描”天线。在频谱分析器中分析所收集的毫 米波辐射以产生一维图像。二维图像可通过扫描而获得。在5,121,124号专利 所描述的系统中，天线信号被用于调制声-光设备(布雷格盒(Bragg cell))， 该设备又调制激光波束以产生频谱图像。在5,365,237号专利所描述的系统中， 由天线信号调制电-光模块，该电-光模块又调制激光波束以便将毫米波频谱 信号作用于激光波束(其随后被标准器分离为多个频谱分量)上以生成图像。
第4,654,666号美国专利描述了一种包括频率扫描天线和频谱分析器的 成像系统，其中频谱分析器用于将天线收集的已编码辐射分布转换为时间编码 的分布以重现一维景像。
金属探测器
金属探测器是众所周知的，并被广泛用于安全应用。一个重要的用途是在 步行通过入口的安全设备中用于探测被藏匿的武器和违禁物品。这些入口设备 正在大部分机场中被用于旅客筛查。金属探测器通常细分为被动型和主动型。 被动型设计为探测含铁金属并且对其它金属不敏感。主动型系统激励导电金属 中的涡电流并测量它们的磁反应。因为大部分含铁金属是低导电性的，因此主 动型系统对于探测含铁金属是低效的。在高级的安全入口处，各个传感器负责 探测位于各种高度级别(筛查扇区)的物体。参照图17解释了主动型金属探 测器的工作。来自源线圈112的时变磁场110在导电物体114中产生涡电流， 导电物体又产生磁场116，磁场116在探测器线圈118中产生电流，表示导电 物体114的存在。
其它的现有技术的藏匿武器和违禁物品成像和探测系统
美国司法部，国家司法协会在它的NIJ手册602-00(NCJ 184432)中已经 很好地概括了现有技术的藏匿武器和违禁物品成像和探测系统。该手册可从互 联网http://www.ojp.usdoj.gov/nij上获得。该文档描述了许多可用系统的 特点，包括好的和不十分好的特点。
需要一种相对低成本的，方便操作的藏匿武器和违禁物品成像探测系统， 尤其是用于武器和违禁物品的入口扫描。
工作在毫米波长(1cm至1mm；30GHz至300GHz)的成像系统是众所周 知的。这些系统是重要的，因为与可见光不同的是，这些波长的辐射经由雾气 或烟雾的实际距离而不完全衰减。毫米波长的辐射也会穿透衣物以及具有明显 厚度的材料(诸如干木和墙板)。这些毫米波成像系统因此已被用于航空器以 改进透过雾气的能见度，并被用于探测隐藏的武器等安全应用。在第5,121,124 号和第5,365,237号美国专利中描述的这些系统被转让给申请人的公司。在这 些专利中描述的系统使用天线，其中所收集的毫米波辐射的方向是频率的函 数。该类型的天线被称为“频率扫描”天线。在频谱分析器中分析所收集的毫 米波辐射以产生一维图像。二维图像可通过扫描而获得。在5,121,124号专利 所描述的系统中，天线信号被用于调制声-光设备(布雷格盒(Bragg cell))， 该设备又调制激光波束以产生频谱图像。在5,365,237号专利所描述的系统中， 由天线信号调制电-光模块，该电-光模块又调制激光波束以便将毫米波频谱 信号作用于激光波束(其随后被标准器分离为多个频谱分量)上以生成图像。
第4,654,666号美国专利描述了一种包括频率扫描天线和频谱分析器的 成像系统，其中频谱分析器用于将天线收集的已编码辐射分布转换为时间编码 的分布以重现一维景像。
金属探测器
金属探测器是众所周知的，并被广泛用于安全应用。一个重要的用途是在 步行通过入口的安全设备中用于探测被藏匿的武器和违禁物品。这些入口设备 正在大部分机场中被用于旅客筛查。金属探测器通常细分为被动型和主动型。 被动型设计为探测含铁金属并且对其它金属不敏感。主动型系统激励导电金属 中的涡电流并测量它们的磁反应。因为大部分含铁金属是低导电性的，因此主 动型系统对于探测含铁金属是低效的。在高级的安全入口处，各个传感器负责 探测位于各种高度级别(筛查扇区)的物体。参照图17解释了主动型金属探 测器的工作。来自源线圈112的时变磁场110在导电物体114中产生涡电流， 导电物体又产生磁场116，磁场116在探测器线圈118中产生电流，表示导电 物体114的存在。
其它的现有技术的藏匿武器和违禁物品成像和探测系统
美国司法部，国家司法协会在它的NIJ手册602-00(NCJ 184432)中已经 很好地概括了现有技术的藏匿武器和违禁物品成像和探测系统。该手册可从互 联网http://www.ojp.usdoj.gov/nij上获得。该文档描述了许多可用系统的 特点，包括好的和不十分好的特点。
需要一种相对低成本的，方便操作的藏匿武器和违禁物品成像探测系统， 尤其是用于武器和违禁物品的入口扫描。
发明内容
本发明提供了一种毫米波藏匿武器和违禁物品的探测系统。优选的毫米波 成像装备包括至少一个毫米波频谱扫描天线，用于从狭窄的一维视界中收集频 率依赖的毫米波辐射波束。所收集的辐射在所收集的频率上被放大，并且使用 抽头延迟波束成形器将经放大的信号分离为(多个)频率依赖段(bin)，随 后采样这些频率段以产生天线视界的一维图像。目标的二维图像可通过将目标 穿过扫描天线的视界或通过移动天线来扫描其在目标上的焦距线来获得。在优 选实施例中，毫米波成像器与主动涡电流型金属探测器组合以提供一种提供显 著优于现有技术安全系统的混合系统。优选实施例包括混合入口系统和混合手 持系统。
在优选实施例中，基本毫米波天线仅仅4.5英寸长，并由在一个窄面上以 79mil(千分之一寸)间距刻有斜糟的WR-10波导构成。该几何形态(天线位 于垂直方向)创建了横跨20度垂直视界、在75.5-93.5GHz传感器工作频带 上的频率扫描天线，从以93.5GHz的水平面下大约1度开始直至以75.5GHz水 平面下大约21度。一个狭窄的棒状圆柱透镜覆盖了各个元件处的波导槽，并 且将天线波束垂直聚焦于离开天线19英寸处。天线沿着垂直朝向椭圆圆柱反 射镜(4.5英寸宽)的一个焦点轴对齐，并使反射镜的第二平行焦点轴位于沿 着光通路所测量的离开天线19英寸处。该种布置得到了一维波束。在焦点(沿 着光通路所测量的离开天线19英寸)处视界略小于1/2英寸宽，大约为6英 寸高。该系统的大致焦距深度涵盖了最小范围的14英寸到最大范围的29英寸。 频率扫描角度范围对应于大约14英寸最小工作范围处的4.5垂直英寸。在84.5 GHz中心频带频率处的水平和垂直分辨率(半功率波束宽度)约为1.57度，或 在19英寸焦点处小于1/2英寸。二维图像要求水平方向上的扫描(对于天线 或目标中的任一个)。(如果天线被水平放置，扫描当然就为垂直的。)
较佳地只有一个单元(天线和电子设备)被用于手持成像器中。扫描通过 手腕或手臂的运动来完成。在优选实施例中，使用二分之一扫描对焦点处6英 寸X6英寸的视界进行成像。手持单元较佳地还包括内置式金属探测器，较佳 地为主动型涡电流金属探测器。
对于优选的入口单元，64个这种天线元件被排列为四堆，每堆16个天线， 以构建一个入口违禁物品筛查器。四堆天线中的每一堆都朝向入口通道的一个 区域以便能合成通过入口的人员的前方、两侧和后方的毫米波成像。固定的天 线元件提供了垂直扫描，人员通道提供了水平扫描。较佳地，人员通过通道并 在水平的自动扶梯上保持静止。优选入口单元包括“步行通过”式金属探测器。
在另一个被称为“单棒”成像器的优选成像器中，天线的接收元件为0.6 米长，由WR-10槽型波导以及位于波导槽壁前方的狭窄棒状圆柱透镜构成。波 导沿着短焦距长为0.4米、长焦距长为5米的垂直朝向椭圆形圆柱反射镜的短 焦点轴对齐。当水平扫描时，该成像器提供了足够大的垂直一维视界以便对位 于5米距离的焦点上的人员进行成像。在波导的一个窄面上以2毫米间距刻有 斜槽。该几何形态创建了在一维视界上横跨20度、以75.5-93.5GHz接收机 工作频带的频率扫描天线，从以93.5GHz的低于通常波导轴大约1度开始直至 以75.5GHz低于通常波导轴大约21度。该天线几何形态提供了在离开反射镜 顶点5米处的大约25毫米(大约1英寸)的水平和垂直空间分辨率。反射镜 向后倾斜10度，这样波束的频率扫描角(即，20度)相对于水平面在±10度 范围内变化。或者，天线可被反转并向前倾斜大约8度。可以对包括接收元件 和反射镜的天线在与反射镜轴垂直的方向上进行机械扫描。波束的垂直频率扫 描和天线的水平转动产生了二维扫描场(raster)图像。或者，可使天线固定 静止，而被检查人员水平移过固定天线的大约1英寸宽的垂直视界。这可由水 平自动扶梯或便宜的踏旋器(treadmill)来完成。较佳地，“步行通过”金 属探测器临近自动扶梯或踏旋器放置，以检查被检查人员身上的藏匿金属。焦 距深度为从4.75米到5.25米之间大约500mm(二十英寸)，这样成像器可位 于离开金属探测器大约5米，以当人员通过时获得他的焦距成像。
在优选实施例中，基本毫米波天线仅仅4.5英寸长，并由在一个窄面上以 79mil(千分之一寸)间距刻有斜糟的WR-10波导构成。该几何形态(天线位 于垂直方向)创建了横跨20度垂直视界、在75.5-93.5GHz传感器工作频带 上的频率扫描天线，从以93.5GHz的水平面下大约1度开始直至以75.5GHz水 平面下大约21度。一个狭窄的棒状圆柱透镜覆盖了各个元件处的波导槽，并 且将天线波束垂直聚焦于离开天线19英寸处。天线沿着垂直朝向椭圆圆柱反 射镜(4.5英寸宽)的一个焦点轴对齐，并使反射镜的第二平行焦点轴位于沿 着光通路所测量的离开天线19英寸处。该种布置得到了一维波束。在焦点(沿 着光通路所测量的离开天线19英寸)处视界略小于1/2英寸宽，大约为6英 寸高。该系统的大致焦距深度涵盖了最小范围的14英寸到最大范围的29英寸。 频率扫描角度范围对应于大约14英寸最小工作范围处的4.5垂直英寸。在84.5 GHz中心频带频率处的水平和垂直分辨率(半功率波束宽度)约为1.57度，或 在19英寸焦点处小于1/2英寸。二维图像要求水平方向上的扫描(对于天线 或目标中的任一个)。(如果天线被水平放置，扫描当然就为垂直的。)
较佳地只有一个单元(天线和电子设备)被用于手持成像器中。扫描通过 手腕或手臂的运动来完成。在优选实施例中，使用二分之一扫描对焦点处6英 寸X6英寸的视界进行成像。手持单元较佳地还包括内置式金属探测器，较佳 地为主动型涡电流金属探测器。
对于优选的入口单元，64个这种天线元件被排列为四堆，每堆16个天线， 以构建一个入口违禁物品筛查器。四堆天线中的每一堆都朝向入口通道的一个 区域以便能合成通过入口的人员的前方、两侧和后方的毫米波成像。固定的天 线元件提供了垂直扫描，人员通道提供了水平扫描。较佳地，人员通过通道并 在水平的自动扶梯上保持静止。优选入口单元包括“步行通过”式金属探测器。
在另一个被称为“单棒”成像器的优选成像器中，天线的接收元件为0.6 米长，由WR-10槽型波导以及位于波导槽壁前方的狭窄棒状圆柱透镜构成。波 导沿着短焦距长为0.4米、长焦距长为5米的垂直朝向椭圆形圆柱反射镜的短 焦点轴对齐。当水平扫描时，该成像器提供了足够大的垂直一维视界以便对位 于5米距离的焦点上的人员进行成像。在波导的一个窄面上以2毫米间距刻有 斜槽。该几何形态创建了在一维视界上横跨20度、以75.5-93.5GHz接收机 工作频带的频率扫描天线，从以93.5GHz的低于通常波导轴大约1度开始直至 以75.5GHz低于通常波导轴大约21度。该天线几何形态提供了在离开反射镜 顶点5米处的大约25毫米(大约1英寸)的水平和垂直空间分辨率。反射镜 向后倾斜10度，这样波束的频率扫描角(即，20度)相对于水平面在±10度 范围内变化。或者，天线可被反转并向前倾斜大约8度。可以对包括接收元件 和反射镜的天线在与反射镜轴垂直的方向上进行机械扫描。波束的垂直频率扫 描和天线的水平转动产生了二维扫描场(raster)图像。或者，可使天线固定 静止，而被检查人员水平移过固定天线的大约1英寸宽的垂直视界。这可由水 平自动扶梯或便宜的踏旋器(treadmill)来完成。较佳地，“步行通过”金 属探测器临近自动扶梯或踏旋器放置，以检查被检查人员身上的藏匿金属。焦 距深度为从4.75米到5.25米之间大约500mm(二十英寸)，这样成像器可位 于离开金属探测器大约5米，以当人员通过时获得他的焦距成像。
附图说明
图1A-1C示出一维频率扫描槽天线的特征。
图2A和2B示出用于聚焦图1A-1C中所示天线的技术。
图3A和3B示出在入口违禁物品扫描器中64个上述天线的排列。
图4示出用于将毫米波信号转换为图像的电子电路。
图5示出通过检查入口的人员。
图6示出具有大景深的实施例。
图7A和7B示出分辨率关系以及天线和目标之间的距离。
图8A和8B示出本发明第二优选实施例的特征。
图9是用于第二优选实施例的天线方向图的图表。
图10A和10B示出用于聚焦第二优选实施例天线的技术。
图11是描述第二优选实施例主要元件的框图。
图12是用于第二优选实施例的波束成形器的视图。
图13示出来自第二优选实施例的原型的实验数据。
图14A是示出第二优选实施例的原型特征的视图。
图14B是示出第二优选实施例的较佳应用的视图。
图15A-15C示出使用根据第二优选实施例的原型拍摄的样本成像。
图16A和16B示出混合安全系统的特征。
图17示出现有技术主动型金属探测器的特征。
图18A和18B示出手持成像器和手持混合成像探测器的特征。
图19A、19B和19C示出由优选入口系统产生的类型的计算机成像。
图2A和2B示出用于聚焦图1A-1C中所示天线的技术。
图3A和3B示出在入口违禁物品扫描器中64个上述天线的排列。
图4示出用于将毫米波信号转换为图像的电子电路。
图5示出通过检查入口的人员。
图6示出具有大景深的实施例。
图7A和7B示出分辨率关系以及天线和目标之间的距离。
图8A和8B示出本发明第二优选实施例的特征。
图9是用于第二优选实施例的天线方向图的图表。
图10A和10B示出用于聚焦第二优选实施例天线的技术。
图11是描述第二优选实施例主要元件的框图。
图12是用于第二优选实施例的波束成形器的视图。
图13示出来自第二优选实施例的原型的实验数据。
图14A是示出第二优选实施例的原型特征的视图。
图14B是示出第二优选实施例的较佳应用的视图。
图15A-15C示出使用根据第二优选实施例的原型拍摄的样本成像。
图16A和16B示出混合安全系统的特征。
图17示出现有技术主动型金属探测器的特征。
图18A和18B示出手持成像器和手持混合成像探测器的特征。
图19A、19B和19C示出由优选入口系统产生的类型的计算机成像。
具体实施方式
4.5英寸毫米波成像器
天线元件
图1A、1B和1C是示出根据本发明方面的一维毫米波天线的特征的视 图。图1A示出基本天线元件2的仰角视界。每个天线元件2由WR-10波导 构成，并且外部尺寸为a＝0.180”，b＝0.130”，内部尺寸为 a＝0.100”，b＝0.050”。天线元件大约4.5英寸长。在制造天线时，一个窄面 被从40mil打薄到6mil。随后，每个WR-10波导天线带有57个斜槽4，斜 槽4以0.079”的间隔刻在它的窄面上，作为发射元件。这些槽的角度以及由此 的耦合系数，从流入端的9.66度增加到负载端的超过25度，以提供沿着天线 长度上的近似不变的场强。该几何形态为垂直安装的天线创建了横跨20度垂 直视界(以75.5到93.5GHz的传感器工作频带)、从以93.5GHz的水平面下 大约1度开始直至以75.5GHz的水平下大约21度的频率扫描。
聚焦天线元件
在优选实施例中，图1A、1B和1C所示的天线元件2被聚焦在19英寸， 如图2A和2B所示。在该情况下，垂直朝向的椭圆圆柱形镜片8(4.5英寸宽) 的一个焦距线位于天线元件2(位于离开镜片8的3.5英寸处)的槽4的中 央，并且它的第二焦点5按照沿着光通路从焦点位置5到天线2的测量， 在离开镜片8的15.5英寸处，在离开天线2的19英寸处，如图2A所示。 一个狭窄的棒状校准透镜6覆盖波导槽4并将天线波束7垂直聚焦至按照 沿着光通路测量的离开天线19英寸处。在频率范围93.5到73.5GHz内， 所收集辐射的波长约为0.14英寸(3.6mm)，对应于中间频带频率83.5GHz。 然而，在优选实施例中，分辨率元件(如下文详细所述)在水平和垂直方 向上都较大(大约0.5英寸范围)。在图2A、2B、3A和3B中天线元件2 和它的聚焦元件一起被指定为天线元件50。在焦点处，系统视界略小于1/2 英寸宽，大约6英寸高。因为在水平方向上没有分辨率，这就产生了一维图像。 二维图像通过对天线或目标进行扫描而产生。
天线电子学
校准和放大
在该优选实施例中，狄更斯切换(Dicke switching)被用于成像系统的 校准。该技术使用如图4所示的前端开关20，开关20在查看天线信号和查看 预定温度负载21之间进行改变。前端开关20以3.84kHz的速率在天线和负 载终端之间切换。在一次切换周期内负载可被加热大约40K。这使单元能执行 实时的双温度校准，对放大器中的增益波动以及温度偏移做出补偿。开关自身 是W-频带微波单片集成电路(MMIC)PIN开关，由M/A-Com制造，传输损耗 约为1.8dB。
前端开关被封装，并直接被送入前端放大器单元22。前端放大器单元包 括两个低噪声MMIC放大器22A和22B、带通滤波器22C以及低噪声MMIC输出 放大器22D。放大器被要求具有宽的带宽，但保持低的噪声系数，因为它们为 整个系统设定噪声温度。它们工作在从75.5GHz到93.5GHz的超过18GHz 带宽下。链路中首先的两个放大器22A和22B具有18GHz频带下的大约4dB 的噪声系数，以及大约19dB的增益。带通滤波器22C将这些放大器与设计稍 有不同的第三放大器22D分开。第三放大器22D(即输出放大器)被调谐为具 有大约22dB的增益并能够在压缩前生成高达1mW的输出功率。一旦被封装， 整体增益级就具有大约53dB的增益以及-11dBm的噪声输出功率，噪声系数约 为7dB。这包括来自滤波器和过渡元件的损耗。这样，每个放大器通道22提供 53dB的增益和带有加热器的集成匹配负载，以及用于原地双温度平缓场校准的 PIN开关。MMIC放大器和带通滤波器较佳地使用磷化铟基片上的共平面波导设 计来制造。
抽头延迟波束成形器
该宽带放大的天线功率被馈送到图4所示的抽头延迟波束成形器以用 于分解为表示天线视界的垂直频率成像的频率段。延迟线26将经放大的天 线信号发送至波束成形器24的32个信号端口。从波束成形器24左侧的端 口24-1开始，到每个端口的信号被延迟36ps(相对于它左边相邻的端口)。 36ps延迟等价于83.5GHz中央频带的三个波长。(83GHz波在空气中的 毫米波频率对应于大约3.6mm的波长，光在大约12ps内传输这一距离。) 这样，在时间0到达端口24-1的信号也将在时间36ps到达端口24-2，将 在时间576ps到达端口24-16，并将在1.152ns到达端口24-32。32个抽头 系列采样了总共1.152纳秒的时间段，产生用于波束成形器的870MHz的 频率分辨率。(用于这些波束成形器的频率分辨率是总时间长度的倒数； 这样在该情况中1/1.152ns＝870MHz。)波束成形器将来自天线的18,000MHz 宽带信号分类为由32个输出端口28表示的32个频率段。这提供了580MHz 的频率段间平均间距，这样以大约2.4倍(2.4X)于1408MHz(每个天线波 束带宽)对垂直焦平面进行过采样。(频率间距为18,000MHz/31＝580MHz， 天线波束的波束宽大约等于光穿过天线元件的时间(0.71ns)的倒数 (1/0.71ns＝1.408MHz)。)在延迟线、波束成形透镜以及输入过渡中的损耗 和带宽分离损耗将每个透镜输出的功率级降低约-36dBm。一组32个敏感探 测器二极管30将该功率在每个通道的32个频率段上进行累计，以提供一 个电压信号，该电压信号对应于天线元件在32个频率范围的每一个上所收 集的毫米波光的光强。来自这些二极管信号中每一个的电压信号随后通过 多路复用读出集成电路板32上的多路读出集成电路芯片而被读出。
使用光滑铜覆盖将波束成形器实现在低损耗电介质(诸如聚丙烯)中。 使用创建电路图案的光蚀刻以非常低的成本创建延迟线26，延迟线26随后 以热压被夹入两个水平面之间。在优选实施例中，构成延迟线内表面的铜 的光滑度是十分重要的。申请入发现通过要求铜表面粗糙度不超过300纳 米，可以使这些线中的损耗从大约1.2dB/英寸减少至大约0.5dB/英寸。现 有技术微波表面粗糙度标准为1400至2900纳米。如上所述，来自这32个 抽头的信号被发送到波束成形透镜24，透镜24将每个信号频率范围引导至 32个输出端口28中的一个。
入口违禁物品筛查器
在图3A和3B所示的本发明的优选实施例中，上述类型的64个天线元 件用来提供入口违禁物品筛查器。在该优选实施例中，四组每组16个垂直 堆放的天线元件50被安排为监视较佳地在水平电梯上以已知的大约1.5英 尺每秒的速率通过入口的人员。每个天线元件是4.5英寸长(元件之间的 间隔为0.5英寸)，这样堆栈为80英寸高，其中两个堆栈10A和10B被安 排为查看人员的前方和侧面，两个堆栈10C和10D被安排为查看人员的侧 面和后面，都如图3A和3B所示。
当人员51接近入口(41英寸宽)时，他/她进入焦距区域(离开入口 中心线大约一半入口宽(20.5英寸)的距离)。在该范围中堆栈10A和10B 中的前方成像天线被聚焦在对象的前中线。当人员离入口更近时，传感器 焦距从中线向外扫过(如52所示)，以生成人员前方和侧面的完全2D成 像。在1.5英尺每秒的额定移动速度下，天线波束每隔大约40毫秒就移过 一个分辨率元件。成像器以30Hz(稍稍对水平面过采样)读出。在一秒内， 当人员向前移动18英寸，两个天线组合记录对象前方和两侧周围的60列 图像像素，其由小于4分之一英寸的凸出部分水平隔开。当人员离开入口 时，堆栈10C和10D中的第二天线对以同样的方法对他/她的后方和两侧进 行成像。
违禁物品筛查器的电子特征
在该实施例中，组成每个天线列的16个天线元件使用每个天线的放大 器装置和波束成形器馈给16个接收机信道。来自天线元件的已放大信号作 为一对图像被处理，其中一个图像表示通过入口的人员的前方和侧面，另 一个图像表示通过入口的人员的侧面和后方。在该优选实施例中，传感器 工作在30Hz的速率，每秒产生30副图像。如果我们将通道设置为前方和 后方图像的成像时间各占用1秒，则前方和后方图像将在水平方向上各包 括60个像素。对于垂直方向，每个列中的16个天线元件中的每一个产生 总共512个角波束中的32个波束。这些波束将被等量分布在仅仅离开天线 堆栈大约7英寸处的80英寸的垂直方向上，并将交迭超过大约7英寸。因 此，前方和后方图像将各包括60个像素宽和512个像素高，并且这些图像 将产生通过入口的人员的环绕视图。像素大小为水平方向上大约0.5英寸， 垂直方向上大约0.16英寸，在离开堆栈7英寸距离处。对于那些实际上远 离堆栈超过7英寸的人员部分，像素数据可使用计算机软件进行修改以适 应交迭而产生连续缝合的环绕图像。
每列中16个放大器的每一个都带有开关和有WR-9输入的最多四个级 联增益级。每个放大器包括用于功率和控制信号的连接以及防止增益级反 馈的足够屏蔽。
背景和照明
当人员没有通过入口时，天线阵列在它们的焦距区域内没有物体，而 是从焦距区域以外的广阔区域接收信号。这个区域可覆盖有环境温度的毫 米吸收泡沫材料。泡沫材料作为毫米波频率的黑体，向天线发射固定的宽 带信号。如果泡沫材料温度低于人体温度，泡沫材料则提供了对通过探测 器的人员的很好对比。这提高了所生成图像的清晰度和锐度。同样，在优 选实施例中，通过在入口上提供冰冷表面(作为低温热辐射源)可在被筛 查的人员图像上加入轮廓对照。这样，在天线元件所探测得的频带中的由 冰冷源发出后经人员反射的毫米辐射与由来自其它的周围较热源的反射辐 射相比要小得多。结果是扫描器将看到由身体各部分、衣物和潜在违禁物 品的角方向决定的所扫描的人员的实际对比度。
隐私问题
上述本发明的较佳应用包括对人员衣物下寻找武器或其它违禁物品的 可视检查。一个示例是在机场的检查入口。这要求检查许多无辜人员。所 获得的图像示出人员温暖皮肤的特征。通常由衣物所覆盖的身体部分将以 大约0.5英寸的分辨率成像。这样，必须确认并处理隐私问题。在入口违 禁物品筛查器的优选应用中，提供了两个分开的筛查器，一个标有“女”， 另一个标有“男”。女筛查器的检查人员是女性，男筛查器的检查人员是 男性。示出被检查人员的图像的监视器将被保护不允许公众查看，并且图 像将作为证据目的被保存并由检查人员仔细控制。任何人员都有权不受违 禁物品筛查器检查，但是使用该权限的人员将受到适当的人工检查。
在另一个优选实施例中，提供了对敏感人体部分位置的图像进行模糊 处理的计算机软件。在另一个优选实施例中，提供了能对诸如枪支、刀具 和炸弹等违禁物品进行识别的精密复杂的软件。如果在对象身体上检查到 此类违禁物品，就会随后提供警报信号(可听的和/或可视的)，这样该人 员可被选出以接受更多的具体检查。该软件也可通过在对象图像的违禁物 品位置上放置可视的标志来定位可疑违禁物品。或者，在64个图像片段中 仅仅显示示出皮肤接触异常的片段。
图像
图19B示出由上述入口系统记录的示例图像类型。这些图像是根据图 19A所示的毫米波数据(使用上述类型的单个棒状成像器获得的)的计算机 生成图像。该对象在他的衬衫下持有手枪。读者需要注意的是只模拟11个 图像(而不是16个)，图像在某些地方有交迭。如图19C所示，系统的控 制系统可被编程为仅仅显示包含有用信息(例如，可能的武器或违禁物品 的指示)的图像。这对减少隐私隐患是有帮助的。较佳地，提供背景，其 可产生与比藏匿武器和违禁物品所发出及反射出的指示温度冷得多的温度 相对应的辐射。成像器随后可识别比温暖的活体要冷但比冰冷的背景要热 的对象。如图19C所示，仅仅显示的图像可为包含这些中间温度的指示的 图像。
26英寸单个棒状成像器
本发明的另一个实施例使用低成本的“单个棒状”成像器。在该情况 中，单元含有仅仅一个通常如上所述的天线，但在具体的情况中，与上述 的入口违禁物品筛查器及下述手持单元所用的4.5英寸天线相比，天线是 26英寸长。
天线
图8A和8B是根据本发明的方面的一维毫米波天线元件的视图。图8A 示出不带透镜CA的天线的前视图，透镜CA在图8B的侧视图中示出。天线 元件1由带有外部尺寸a＝0.180”，b＝0.130”和内部尺寸a＝0.100”，b＝0.050” 的WR-10波导构成，该天线的槽部分是24英寸长。在天线的制造过程中， 一个窄面被从40mil打薄至6mil。随后在窄面上以2mm间距刻出300个 斜槽4A，它们作为接受孔(对照于上述5”天线的57个槽)。槽的角从波 导输入端口60处的3.6度逐渐增大到终端7，以提供沿着长度耦合的近似 恒定的信号。角的方向改变，提供了连续耦合的槽之间180度的相位偏移。 该几何形态为垂直安装的天线创建了在视界上横跨20度、以75.5-93.5GHz 系统工作频带的频率扫描。在垂直(仰角)平面，天线接收机元件如图9所示 在每个频率上产生狭窄的0.2度宽的波束。在水平面上，它的波束是120度宽， 因为波导的小“b”型尺寸。
聚焦天线元件
在优选实施例中，图10A所示的天线元件1聚焦在5米处，如图10A和 10B所示。在该情况下，垂直朝向的椭圆圆柱镜面8(0.6米宽、0.8米高)的 一个焦距线位于接收机元件1的槽5的中央，并且它的第二焦点9在离开天线 5米处，如图10A所示。这将天线波束10聚焦在水平方向上5米处。狭窄棒状 透镜6A覆盖了波导槽4A并且将对应于93.5GHz频率的天线波束11垂直聚焦 在离开天线5米处的聚焦点12处。75.5GHz的较低频波束13被聚焦在离开天 线相同距离处但是在另一个聚焦点14。如图10B所示的波束几何形态假定波导 天线信号是在开槽波导的底部端口6收集的。
天线电子学
校准和放大
在该优选实施例中，狄更斯切换(Dicke switching)被用于校准成像系 统。该技术使用如图3所示的前端开关20，开关20在查看天线2A和查看预定 温度负载21之间进行改变。前端开关20以3.84kHz的速率进行切换。在一 次切换周期内负载可被加热大约40K。这使单元能执行实时的双温度校准，对 放大器中的增益波动以及温度偏移做出补偿。开关自身是W-频带微波单片集 成电路(MMIC)PIN开关，由M/A-Com制造，传输损耗大约为1.8dB。
狄更斯开关20和低噪声放大器62一起被封装在信号放大单元64中。放 大器62包括一系列低噪声MMIC宽频带放大器，这些放大器可以在75.5-95.5 GHz频率带上提供输出功率，足够驱动抽头延迟波束成形器66中的毫米波探测 器。放大器被要求有宽的带宽但保持低噪声系数，因为它们为整个系统设定噪 声温度。它们工作在从75.5GHz到93.5GHz的18GHz带宽，噪声系数约为 7dB。MMIC放大器和其它放大单元元件较佳地使用磷化铟基片上的共平面波导 设计来制造。
抽头延迟波束成形器
来自天线2A的宽带放大天线信号首先被放大，并随后馈送到如图11 和图12所示的抽头延迟波束成形器66以用于分解为表示天线视界的垂直 频率成像的频率段。如图12更详细表示的，波束成形器包括输入线68、延 迟线网络70、洛特曼(rotman)透镜72、在透镜的输入76和输出78处的 喇叭天线阵(horn array)。连接到输出喇叭天线的信号线终止在调谐至 特定频率的毫米波探测器电路80。延迟线网络将信号功率在输入喇叭天线 76之间分割，并创建由相邻喇叭天线辐射入洛特曼透镜的信号之间的恒定 时间延迟。在洛特曼透镜的另一端这些信号构造组合用于128个输出喇叭 天线78之一的特定频率，这样将毫米波功率分类为用于不同频率的不同输 出端口。在输入喇叭天线之间的递增信号延迟被选择为达到波束成形器的 300MHz频率分辨率。波束成形器的该狭窄频带聚焦能力已经达到了并由申 请人如图13所示试验性地表示。图13中所见的狭窄波峰32A表示波束成 形器的128个输出信号之一的响应。在其它频率的电路的128个输出信道 中的每一个上也可以观察到类似的锐利响应。
使用光滑铜覆盖将波束成形器实现在低损耗电介质(诸如聚丙烯)中。 使用创建电路图案的光蚀刻以非常低的成本创建延迟线70，延迟线70随后 在热压中被夹入两片水平面中。在优选实施例中，构成延迟线内表面的铜 的光滑度是十分重要的。申请人发现通过要求铜表面粗糙度不超过300纳 米，可以将损耗限制为大约0.5dB/英寸。现有技术微波表面粗糙度标准为 1400至2900纳米。
信号探测和采样
根据图13中的数据，在信号输入频率上，波束成形器材料是大约20dB 的信号损耗的成因。对于18GHz宽带输入，额外的21dB信号损耗是由于 输入功率在128个输出信道间的分割，该损耗会产生每个信道至少41dB的 总信号衰减。该非常低的功率随后由信道探测器82测得，如图12所示。 探测器输出电压由读出芯片80放大、积分并数字化。极高敏感度的毫米波 探测器二极管(诸如由HRL实验室有线公司(HRL Laboratories LLC)制 造的Sb-异质结构(Sb-heterostructure)二极管)被用于成形器中以保证 成形器的信噪比性能不在探测和读出电路中衰减。
如图11所示，由接口模块35接收用于128个频率信号中每一个的数 字化信号，接口模块35与计算机36进行通信，在计算机36上最终处理数 据并显示为图像。计算机也负责设定成形器的最优化性能参数，诸如信道 增益、积分时间等等。同一计算机被用于控制使用电动旋转平台的图像水 平扫描。计算机和接口模块35之间的通信线37可为有线或无线的，取决 于哪种方法更适合于特定应用。
用于场部署的机械扫描成形器
在优选实施例中，包括毫米波和低频信号处理电子设备的上述天线系 统被集成到机械旋转平台上以便在天线的聚焦平面中产生物体的二维扫描 场图像。
成像器的优选配置示出在图14中。包括开槽波导接收机2A和反射镜 8A的毫米波频率扫描天线系统84被安装在计算机控制的精确旋转平台86 的顶部。天线所附着在的平台基座由发动机88以0.12度的步阶进行水平 旋转，这样在离开成像器5米处的聚焦点在每个步阶水平移动大约分辨率 点宽度的一半。平台被设计为是机械稳定的以确保波束角随机移动在水平 和垂直方向上都不超过0.05度。旋转基座和发动机驱动器被制造为承重三 脚架基座91的部分以便于运输和部署。步进发动机由从远程计算机站94 接收指令的发动机控制模块92供电。毫米波信号处理和采样模块90被附 加到和天线系统相同的旋转平台上。由与计算机94通信的接口模块96控 制成像获得。计算机94较佳为带有宽屏图像显示的电池供电便携式PC。计 算机特征必须要足够实时地执行成像器控制功能、信号获取、图像处理和 显示。计算机94通过电缆或无线链路(取决于应用要求)与控制和接口模 块92和96远程通信。在模块92和发动机88，毫米波模块90与接口单元 96之间的连接较佳地是有线的。
成像器部署的示例示出在显示可能隐藏武器的POW筛查的图14B中。 操作员98从安全距离处使用计算机100控制成像器84，而POW对象73被 命令站在成像器的焦平面中。对象的完全图像在几秒内被扫描出并且图像 被显示在计算机屏幕72上以用于隐藏武器分析。如果需要，对象各个方面 的多个图像可被连续获得。
使用当前技术的机械扫描图像已经被申请人成功地建立并测试。成像 器对于128个垂直像素和60个水平像素的图像大小以及2秒的获取时间提 供大约3开尔文的温度分辨率。已经注意到在该温度分辨率下，如果在允 许从金属表面反射天气的敞开空间中扫描对象，就可通过本系统探测出多 种金属物体(诸如枪支、大型刀具和金属管自杀背心)。图15A示出对于 穿戴有模拟管道自杀背心104的对象的扫描成像的示例。图15B是对于带 有金属刀具106的对象的扫描成像示例，图15C是对于带有手持枪支108 的对象的扫描成像示例。
带有金属探测器的混合单元
天线可被保持静止，而被检查人员水平穿过静止天线的大约1英寸宽 的垂直视界。这可使用水平自动扶梯或便宜的踏旋器来实现。较佳地，“步 行通过”金属探测器临近自动扶梯或踏旋器放置，以检查被检查人员身上的藏 匿金属。焦距深度覆盖了从4.75米到5.25米之间大约500mm(二十英寸)， 这样成像器可位于离开金属探测器大约5米处，以便获得通过它的人员的焦距 成像。
带有金属探测器和毫米波成像器的入口
通过将毫米波成像系统和磁性金属探测器组合到一个入口中，可以达到改 进的整体探测能力和对象分类。在混合入口的较佳实施例中，提出的毫米波成 像器将与商用金属探测器入口(诸如CEIA集团开发的型号SMD 600等)同时 工作。
先后工作的毫米波成像器和金属探测器互相协助并将整个系统的性能带 入新的高度。金属探测器可以对非常小量的金属十分敏感，这由于无害对象(诸 如，硬币、眼镜、钥匙等等)触发的高频次警报而产生问题。为了确定警报的 原因，安全人员必须执行人工检查，这会较大地减缓审查过程并增加安全成本。 毫米波成像器不会向金属探测器一样的敏感，但它在产生图像上有优点，诸如 对象可被视觉上区分为有威胁或无威胁类别。
在预期情况中，两个系统被用于同一个入口，触发金属探测器警报的 金属对象随后使用处于表示这些对象存在的部分中的毫米波图像来仔细检 查。被探测对象的大小和形状可被用于确定是否需要进一步检查。毫米波 图像能够探测诸如塑料、陶瓷等无法被金属探测器探测出的非金属对象。 塑料和陶瓷刀具可以是极度有威胁的并对极大程度依赖于金属探测方法的 现有安全系统是一个大挑战。
毫米波和金属探测器安全入口200的较佳实施例示出在图16A和16B 中。金属探测器入口201带有使各单个金属传感器的垂直部分202。一旦探 测出诸如203的金属对象，入口将以警报灯(和/或可听警报)的形式向安 全人员发出警报信号。同时两个毫米波成像器在右侧(205A)收集对象的 热辐射数据，另外两个毫米波成像器从入口左侧(205B)收集数据。特定 部分的金属探测器警报光(或类似指示)与来自相应部分的热图像一起被 显示。随后由人类操作员或由计算机程序自动做出决定：是否需要额外的 筛查。如果金属探测器没有探测到金属，热图像仍然可以发现可疑对象的 存在，这将向入口安全操作员发送信号以执行更多的详细检查。
毫米波成像器的一个重要优点是在一些情况中，它可以帮助解决警报 情况而不进行人工检查。即使要求额外的审查，它也可以通过要求对象再 次穿过入口并获取更多的能弄清可疑对象本质的毫米波图像而不带侵犯性 地执行筛查。即使几次额外的通过花费了一些时间，它也是时间消耗较少 的并且不要求专门指定的安全人员来执行工作。
图16A示出混合入口300优选实施例的顶视图。它包括金属探测器入 口301和毫米波成像入口302A和302B。毫米波入口包括从人体对象相对两 侧收集毫米波辐射310的左侧(302B)和右侧(302A)毫米波成像传感器。 对象304从方向311进入入口系统，他的正面(左侧和右侧)表面由传感 器302A和302B成像。随后对象通过入口的中央305，在不同高度的金属探 测器312感知金属对象的存在。在离开入口306时，对象的后方毫米波图 像由毫米波传感器302A和302B获取。这完成了一个筛查周期。如果触发 了警报，第二次筛查可解决问题而不需要人工检查。
手持成像器-探测器
图18A是手持毫米波成像传感器119的视图。该传感器是上述的基本 成像器传感器(见图2A和2B)，带有沿着光通路聚焦在19英寸(从镜片 8背面开始15.5英寸)处，以产生位于焦点处的6英寸X1/2英寸视界的 一维图像。(然后，注意对于该单元，天线是水平放置，这样一维水平图 像由静止单元产生，而垂直扫描产生二维图像。)在优选实施例中，传感 器的帧速率是30Hz，这样由操作者手臂移动产生的一秒扫描产生6英寸X6 英寸视界的二维图像。远远快于6英寸每秒的扫描产生一些模糊。极慢的 扫描产生较好的对比度但是图像将有些失真。传感器包含在对毫米波透明 的有盖122的外壳120中。为了得到最佳结果，传感器的前方被保持在离 开被扫描表面大约12英寸处。单元重约4磅，这样提供一个带有臂支撑124 的人体工学把手。在位置126紧握把手125。目标区域的图像被显示在屏幕 128上。单元的电池被包含在把手125中。
在优选实施例中，金属探测线圈128被包括在单元中，如图18B所示， 并产生波动的磁场以在产生其它磁场的导体对象中产生涡电流。这些涡电 流产生的磁场被依次由同一个产生指示导体对象存在的电流的线圈所获 取。对于金属探测，尽可能的靠近被扫描表面以扫描单元。
其它实施例
违禁物品探测领域的普通技术人员将认识到对上述示例可以做出许多 修改。例如，人员可被要求以诸如大约通常步行速度的1/4通过入口，而 不是如上述的让人员在水平自动扶梯上通过入口。毫米波透明屏障60可如 图5和6所示被放置在入口中，以保证人员相对于天线元件的合适位置。 在天线元件的聚焦位置的选择上可能有多种位置变化。将天线放置于光学 上远离被审查人员并增加聚焦长度将提供更深的天线元件焦距深度。这可 使用如图6所示的镜面61来完成，以保持单元的紧凑性。在图7中，将扫 描器的大约横向分辨率估计提供为被成像表面和天线元件之间的距离的函 数。
虽然本发明在上文被描述为特定实施例的形式，本领域普通技术人员 可以理解的是可做出许多其它改动。例如，与毫米波扫描器同步的红外或 可视照相机可适于提供相关识别和参考信息。通过提供天线元件的自动聚 焦可以达到更好的分辨率。或者，可提供具有各种聚焦长度附加元件组以 及编程为对于目标人员在他/她通过入口时的每个部分选择最佳焦距的处 理器软件。通过入口的人员可在单个堆栈之前旋转，或他们可在四个堆栈 之前旋转。对于提供足够审查时间的应用而言，单个元件或更少的元件可 可扫描过被审查人员，无论是自动的还是手动的。对于图4中所示放大器 的修改是可以实现的，但是较佳必须提供至少50dB的增益。图8A和8B中 所示的单个棒状成像器垂直放置并水平转动。在其它实施例中，这些方向 是可以修改的。旋转的范围可以是从上述应用中的一些角度到360度完全 旋转中的任意量。同样，单个棒状成像器可以是位置固定，被成像对象可 以横向穿过垂直波束。同样，对象可以在垂直波束中旋转。这样，本发明 的范围应该由附加权利要求和它们的法律等价物来确定。
天线元件
图1A、1B和1C是示出根据本发明方面的一维毫米波天线的特征的视 图。图1A示出基本天线元件2的仰角视界。每个天线元件2由WR-10波导 构成，并且外部尺寸为a＝0.180”，b＝0.130”，内部尺寸为 a＝0.100”，b＝0.050”。天线元件大约4.5英寸长。在制造天线时，一个窄面 被从40mil打薄到6mil。随后，每个WR-10波导天线带有57个斜槽4，斜 槽4以0.079”的间隔刻在它的窄面上，作为发射元件。这些槽的角度以及由此 的耦合系数，从流入端的9.66度增加到负载端的超过25度，以提供沿着天线 长度上的近似不变的场强。该几何形态为垂直安装的天线创建了横跨20度垂 直视界(以75.5到93.5GHz的传感器工作频带)、从以93.5GHz的水平面下 大约1度开始直至以75.5GHz的水平下大约21度的频率扫描。
聚焦天线元件
在优选实施例中，图1A、1B和1C所示的天线元件2被聚焦在19英寸， 如图2A和2B所示。在该情况下，垂直朝向的椭圆圆柱形镜片8(4.5英寸宽) 的一个焦距线位于天线元件2(位于离开镜片8的3.5英寸处)的槽4的中 央，并且它的第二焦点5按照沿着光通路从焦点位置5到天线2的测量， 在离开镜片8的15.5英寸处，在离开天线2的19英寸处，如图2A所示。 一个狭窄的棒状校准透镜6覆盖波导槽4并将天线波束7垂直聚焦至按照 沿着光通路测量的离开天线19英寸处。在频率范围93.5到73.5GHz内， 所收集辐射的波长约为0.14英寸(3.6mm)，对应于中间频带频率83.5GHz。 然而，在优选实施例中，分辨率元件(如下文详细所述)在水平和垂直方 向上都较大(大约0.5英寸范围)。在图2A、2B、3A和3B中天线元件2 和它的聚焦元件一起被指定为天线元件50。在焦点处，系统视界略小于1/2 英寸宽，大约6英寸高。因为在水平方向上没有分辨率，这就产生了一维图像。 二维图像通过对天线或目标进行扫描而产生。
天线电子学
校准和放大
在该优选实施例中，狄更斯切换(Dicke switching)被用于成像系统的 校准。该技术使用如图4所示的前端开关20，开关20在查看天线信号和查看 预定温度负载21之间进行改变。前端开关20以3.84kHz的速率在天线和负 载终端之间切换。在一次切换周期内负载可被加热大约40K。这使单元能执行 实时的双温度校准，对放大器中的增益波动以及温度偏移做出补偿。开关自身 是W-频带微波单片集成电路(MMIC)PIN开关，由M/A-Com制造，传输损耗 约为1.8dB。
前端开关被封装，并直接被送入前端放大器单元22。前端放大器单元包 括两个低噪声MMIC放大器22A和22B、带通滤波器22C以及低噪声MMIC输出 放大器22D。放大器被要求具有宽的带宽，但保持低的噪声系数，因为它们为 整个系统设定噪声温度。它们工作在从75.5GHz到93.5GHz的超过18GHz 带宽下。链路中首先的两个放大器22A和22B具有18GHz频带下的大约4dB 的噪声系数，以及大约19dB的增益。带通滤波器22C将这些放大器与设计稍 有不同的第三放大器22D分开。第三放大器22D(即输出放大器)被调谐为具 有大约22dB的增益并能够在压缩前生成高达1mW的输出功率。一旦被封装， 整体增益级就具有大约53dB的增益以及-11dBm的噪声输出功率，噪声系数约 为7dB。这包括来自滤波器和过渡元件的损耗。这样，每个放大器通道22提供 53dB的增益和带有加热器的集成匹配负载，以及用于原地双温度平缓场校准的 PIN开关。MMIC放大器和带通滤波器较佳地使用磷化铟基片上的共平面波导设 计来制造。
抽头延迟波束成形器
该宽带放大的天线功率被馈送到图4所示的抽头延迟波束成形器以用 于分解为表示天线视界的垂直频率成像的频率段。延迟线26将经放大的天 线信号发送至波束成形器24的32个信号端口。从波束成形器24左侧的端 口24-1开始，到每个端口的信号被延迟36ps(相对于它左边相邻的端口)。 36ps延迟等价于83.5GHz中央频带的三个波长。(83GHz波在空气中的 毫米波频率对应于大约3.6mm的波长，光在大约12ps内传输这一距离。) 这样，在时间0到达端口24-1的信号也将在时间36ps到达端口24-2，将 在时间576ps到达端口24-16，并将在1.152ns到达端口24-32。32个抽头 系列采样了总共1.152纳秒的时间段，产生用于波束成形器的870MHz的 频率分辨率。(用于这些波束成形器的频率分辨率是总时间长度的倒数； 这样在该情况中1/1.152ns＝870MHz。)波束成形器将来自天线的18,000MHz 宽带信号分类为由32个输出端口28表示的32个频率段。这提供了580MHz 的频率段间平均间距，这样以大约2.4倍(2.4X)于1408MHz(每个天线波 束带宽)对垂直焦平面进行过采样。(频率间距为18,000MHz/31＝580MHz， 天线波束的波束宽大约等于光穿过天线元件的时间(0.71ns)的倒数 (1/0.71ns＝1.408MHz)。)在延迟线、波束成形透镜以及输入过渡中的损耗 和带宽分离损耗将每个透镜输出的功率级降低约-36dBm。一组32个敏感探 测器二极管30将该功率在每个通道的32个频率段上进行累计，以提供一 个电压信号，该电压信号对应于天线元件在32个频率范围的每一个上所收 集的毫米波光的光强。来自这些二极管信号中每一个的电压信号随后通过 多路复用读出集成电路板32上的多路读出集成电路芯片而被读出。
使用光滑铜覆盖将波束成形器实现在低损耗电介质(诸如聚丙烯)中。 使用创建电路图案的光蚀刻以非常低的成本创建延迟线26，延迟线26随后 以热压被夹入两个水平面之间。在优选实施例中，构成延迟线内表面的铜 的光滑度是十分重要的。申请入发现通过要求铜表面粗糙度不超过300纳 米，可以使这些线中的损耗从大约1.2dB/英寸减少至大约0.5dB/英寸。现 有技术微波表面粗糙度标准为1400至2900纳米。如上所述，来自这32个 抽头的信号被发送到波束成形透镜24，透镜24将每个信号频率范围引导至 32个输出端口28中的一个。
入口违禁物品筛查器
在图3A和3B所示的本发明的优选实施例中，上述类型的64个天线元 件用来提供入口违禁物品筛查器。在该优选实施例中，四组每组16个垂直 堆放的天线元件50被安排为监视较佳地在水平电梯上以已知的大约1.5英 尺每秒的速率通过入口的人员。每个天线元件是4.5英寸长(元件之间的 间隔为0.5英寸)，这样堆栈为80英寸高，其中两个堆栈10A和10B被安 排为查看人员的前方和侧面，两个堆栈10C和10D被安排为查看人员的侧 面和后面，都如图3A和3B所示。
当人员51接近入口(41英寸宽)时，他/她进入焦距区域(离开入口 中心线大约一半入口宽(20.5英寸)的距离)。在该范围中堆栈10A和10B 中的前方成像天线被聚焦在对象的前中线。当人员离入口更近时，传感器 焦距从中线向外扫过(如52所示)，以生成人员前方和侧面的完全2D成 像。在1.5英尺每秒的额定移动速度下，天线波束每隔大约40毫秒就移过 一个分辨率元件。成像器以30Hz(稍稍对水平面过采样)读出。在一秒内， 当人员向前移动18英寸，两个天线组合记录对象前方和两侧周围的60列 图像像素，其由小于4分之一英寸的凸出部分水平隔开。当人员离开入口 时，堆栈10C和10D中的第二天线对以同样的方法对他/她的后方和两侧进 行成像。
违禁物品筛查器的电子特征
在该实施例中，组成每个天线列的16个天线元件使用每个天线的放大 器装置和波束成形器馈给16个接收机信道。来自天线元件的已放大信号作 为一对图像被处理，其中一个图像表示通过入口的人员的前方和侧面，另 一个图像表示通过入口的人员的侧面和后方。在该优选实施例中，传感器 工作在30Hz的速率，每秒产生30副图像。如果我们将通道设置为前方和 后方图像的成像时间各占用1秒，则前方和后方图像将在水平方向上各包 括60个像素。对于垂直方向，每个列中的16个天线元件中的每一个产生 总共512个角波束中的32个波束。这些波束将被等量分布在仅仅离开天线 堆栈大约7英寸处的80英寸的垂直方向上，并将交迭超过大约7英寸。因 此，前方和后方图像将各包括60个像素宽和512个像素高，并且这些图像 将产生通过入口的人员的环绕视图。像素大小为水平方向上大约0.5英寸， 垂直方向上大约0.16英寸，在离开堆栈7英寸距离处。对于那些实际上远 离堆栈超过7英寸的人员部分，像素数据可使用计算机软件进行修改以适 应交迭而产生连续缝合的环绕图像。
每列中16个放大器的每一个都带有开关和有WR-9输入的最多四个级 联增益级。每个放大器包括用于功率和控制信号的连接以及防止增益级反 馈的足够屏蔽。
背景和照明
当人员没有通过入口时，天线阵列在它们的焦距区域内没有物体，而 是从焦距区域以外的广阔区域接收信号。这个区域可覆盖有环境温度的毫 米吸收泡沫材料。泡沫材料作为毫米波频率的黑体，向天线发射固定的宽 带信号。如果泡沫材料温度低于人体温度，泡沫材料则提供了对通过探测 器的人员的很好对比。这提高了所生成图像的清晰度和锐度。同样，在优 选实施例中，通过在入口上提供冰冷表面(作为低温热辐射源)可在被筛 查的人员图像上加入轮廓对照。这样，在天线元件所探测得的频带中的由 冰冷源发出后经人员反射的毫米辐射与由来自其它的周围较热源的反射辐 射相比要小得多。结果是扫描器将看到由身体各部分、衣物和潜在违禁物 品的角方向决定的所扫描的人员的实际对比度。
隐私问题
上述本发明的较佳应用包括对人员衣物下寻找武器或其它违禁物品的 可视检查。一个示例是在机场的检查入口。这要求检查许多无辜人员。所 获得的图像示出人员温暖皮肤的特征。通常由衣物所覆盖的身体部分将以 大约0.5英寸的分辨率成像。这样，必须确认并处理隐私问题。在入口违 禁物品筛查器的优选应用中，提供了两个分开的筛查器，一个标有“女”， 另一个标有“男”。女筛查器的检查人员是女性，男筛查器的检查人员是 男性。示出被检查人员的图像的监视器将被保护不允许公众查看，并且图 像将作为证据目的被保存并由检查人员仔细控制。任何人员都有权不受违 禁物品筛查器检查，但是使用该权限的人员将受到适当的人工检查。
在另一个优选实施例中，提供了对敏感人体部分位置的图像进行模糊 处理的计算机软件。在另一个优选实施例中，提供了能对诸如枪支、刀具 和炸弹等违禁物品进行识别的精密复杂的软件。如果在对象身体上检查到 此类违禁物品，就会随后提供警报信号(可听的和/或可视的)，这样该人 员可被选出以接受更多的具体检查。该软件也可通过在对象图像的违禁物 品位置上放置可视的标志来定位可疑违禁物品。或者，在64个图像片段中 仅仅显示示出皮肤接触异常的片段。
图像
图19B示出由上述入口系统记录的示例图像类型。这些图像是根据图 19A所示的毫米波数据(使用上述类型的单个棒状成像器获得的)的计算机 生成图像。该对象在他的衬衫下持有手枪。读者需要注意的是只模拟11个 图像(而不是16个)，图像在某些地方有交迭。如图19C所示，系统的控 制系统可被编程为仅仅显示包含有用信息(例如，可能的武器或违禁物品 的指示)的图像。这对减少隐私隐患是有帮助的。较佳地，提供背景，其 可产生与比藏匿武器和违禁物品所发出及反射出的指示温度冷得多的温度 相对应的辐射。成像器随后可识别比温暖的活体要冷但比冰冷的背景要热 的对象。如图19C所示，仅仅显示的图像可为包含这些中间温度的指示的 图像。
26英寸单个棒状成像器
本发明的另一个实施例使用低成本的“单个棒状”成像器。在该情况 中，单元含有仅仅一个通常如上所述的天线，但在具体的情况中，与上述 的入口违禁物品筛查器及下述手持单元所用的4.5英寸天线相比，天线是 26英寸长。
天线
图8A和8B是根据本发明的方面的一维毫米波天线元件的视图。图8A 示出不带透镜CA的天线的前视图，透镜CA在图8B的侧视图中示出。天线 元件1由带有外部尺寸a＝0.180”，b＝0.130”和内部尺寸a＝0.100”，b＝0.050” 的WR-10波导构成，该天线的槽部分是24英寸长。在天线的制造过程中， 一个窄面被从40mil打薄至6mil。随后在窄面上以2mm间距刻出300个 斜槽4A，它们作为接受孔(对照于上述5”天线的57个槽)。槽的角从波 导输入端口60处的3.6度逐渐增大到终端7，以提供沿着长度耦合的近似 恒定的信号。角的方向改变，提供了连续耦合的槽之间180度的相位偏移。 该几何形态为垂直安装的天线创建了在视界上横跨20度、以75.5-93.5GHz 系统工作频带的频率扫描。在垂直(仰角)平面，天线接收机元件如图9所示 在每个频率上产生狭窄的0.2度宽的波束。在水平面上，它的波束是120度宽， 因为波导的小“b”型尺寸。
聚焦天线元件
在优选实施例中，图10A所示的天线元件1聚焦在5米处，如图10A和 10B所示。在该情况下，垂直朝向的椭圆圆柱镜面8(0.6米宽、0.8米高)的 一个焦距线位于接收机元件1的槽5的中央，并且它的第二焦点9在离开天线 5米处，如图10A所示。这将天线波束10聚焦在水平方向上5米处。狭窄棒状 透镜6A覆盖了波导槽4A并且将对应于93.5GHz频率的天线波束11垂直聚焦 在离开天线5米处的聚焦点12处。75.5GHz的较低频波束13被聚焦在离开天 线相同距离处但是在另一个聚焦点14。如图10B所示的波束几何形态假定波导 天线信号是在开槽波导的底部端口6收集的。
天线电子学
校准和放大
在该优选实施例中，狄更斯切换(Dicke switching)被用于校准成像系 统。该技术使用如图3所示的前端开关20，开关20在查看天线2A和查看预定 温度负载21之间进行改变。前端开关20以3.84kHz的速率进行切换。在一 次切换周期内负载可被加热大约40K。这使单元能执行实时的双温度校准，对 放大器中的增益波动以及温度偏移做出补偿。开关自身是W-频带微波单片集 成电路(MMIC)PIN开关，由M/A-Com制造，传输损耗大约为1.8dB。
狄更斯开关20和低噪声放大器62一起被封装在信号放大单元64中。放 大器62包括一系列低噪声MMIC宽频带放大器，这些放大器可以在75.5-95.5 GHz频率带上提供输出功率，足够驱动抽头延迟波束成形器66中的毫米波探测 器。放大器被要求有宽的带宽但保持低噪声系数，因为它们为整个系统设定噪 声温度。它们工作在从75.5GHz到93.5GHz的18GHz带宽，噪声系数约为 7dB。MMIC放大器和其它放大单元元件较佳地使用磷化铟基片上的共平面波导 设计来制造。
抽头延迟波束成形器
来自天线2A的宽带放大天线信号首先被放大，并随后馈送到如图11 和图12所示的抽头延迟波束成形器66以用于分解为表示天线视界的垂直 频率成像的频率段。如图12更详细表示的，波束成形器包括输入线68、延 迟线网络70、洛特曼(rotman)透镜72、在透镜的输入76和输出78处的 喇叭天线阵(horn array)。连接到输出喇叭天线的信号线终止在调谐至 特定频率的毫米波探测器电路80。延迟线网络将信号功率在输入喇叭天线 76之间分割，并创建由相邻喇叭天线辐射入洛特曼透镜的信号之间的恒定 时间延迟。在洛特曼透镜的另一端这些信号构造组合用于128个输出喇叭 天线78之一的特定频率，这样将毫米波功率分类为用于不同频率的不同输 出端口。在输入喇叭天线之间的递增信号延迟被选择为达到波束成形器的 300MHz频率分辨率。波束成形器的该狭窄频带聚焦能力已经达到了并由申 请人如图13所示试验性地表示。图13中所见的狭窄波峰32A表示波束成 形器的128个输出信号之一的响应。在其它频率的电路的128个输出信道 中的每一个上也可以观察到类似的锐利响应。
使用光滑铜覆盖将波束成形器实现在低损耗电介质(诸如聚丙烯)中。 使用创建电路图案的光蚀刻以非常低的成本创建延迟线70，延迟线70随后 在热压中被夹入两片水平面中。在优选实施例中，构成延迟线内表面的铜 的光滑度是十分重要的。申请人发现通过要求铜表面粗糙度不超过300纳 米，可以将损耗限制为大约0.5dB/英寸。现有技术微波表面粗糙度标准为 1400至2900纳米。
信号探测和采样
根据图13中的数据，在信号输入频率上，波束成形器材料是大约20dB 的信号损耗的成因。对于18GHz宽带输入，额外的21dB信号损耗是由于 输入功率在128个输出信道间的分割，该损耗会产生每个信道至少41dB的 总信号衰减。该非常低的功率随后由信道探测器82测得，如图12所示。 探测器输出电压由读出芯片80放大、积分并数字化。极高敏感度的毫米波 探测器二极管(诸如由HRL实验室有线公司(HRL Laboratories LLC)制 造的Sb-异质结构(Sb-heterostructure)二极管)被用于成形器中以保证 成形器的信噪比性能不在探测和读出电路中衰减。
如图11所示，由接口模块35接收用于128个频率信号中每一个的数 字化信号，接口模块35与计算机36进行通信，在计算机36上最终处理数 据并显示为图像。计算机也负责设定成形器的最优化性能参数，诸如信道 增益、积分时间等等。同一计算机被用于控制使用电动旋转平台的图像水 平扫描。计算机和接口模块35之间的通信线37可为有线或无线的，取决 于哪种方法更适合于特定应用。
用于场部署的机械扫描成形器
在优选实施例中，包括毫米波和低频信号处理电子设备的上述天线系 统被集成到机械旋转平台上以便在天线的聚焦平面中产生物体的二维扫描 场图像。
成像器的优选配置示出在图14中。包括开槽波导接收机2A和反射镜 8A的毫米波频率扫描天线系统84被安装在计算机控制的精确旋转平台86 的顶部。天线所附着在的平台基座由发动机88以0.12度的步阶进行水平 旋转，这样在离开成像器5米处的聚焦点在每个步阶水平移动大约分辨率 点宽度的一半。平台被设计为是机械稳定的以确保波束角随机移动在水平 和垂直方向上都不超过0.05度。旋转基座和发动机驱动器被制造为承重三 脚架基座91的部分以便于运输和部署。步进发动机由从远程计算机站94 接收指令的发动机控制模块92供电。毫米波信号处理和采样模块90被附 加到和天线系统相同的旋转平台上。由与计算机94通信的接口模块96控 制成像获得。计算机94较佳为带有宽屏图像显示的电池供电便携式PC。计 算机特征必须要足够实时地执行成像器控制功能、信号获取、图像处理和 显示。计算机94通过电缆或无线链路(取决于应用要求)与控制和接口模 块92和96远程通信。在模块92和发动机88，毫米波模块90与接口单元 96之间的连接较佳地是有线的。
成像器部署的示例示出在显示可能隐藏武器的POW筛查的图14B中。 操作员98从安全距离处使用计算机100控制成像器84，而POW对象73被 命令站在成像器的焦平面中。对象的完全图像在几秒内被扫描出并且图像 被显示在计算机屏幕72上以用于隐藏武器分析。如果需要，对象各个方面 的多个图像可被连续获得。
使用当前技术的机械扫描图像已经被申请人成功地建立并测试。成像 器对于128个垂直像素和60个水平像素的图像大小以及2秒的获取时间提 供大约3开尔文的温度分辨率。已经注意到在该温度分辨率下，如果在允 许从金属表面反射天气的敞开空间中扫描对象，就可通过本系统探测出多 种金属物体(诸如枪支、大型刀具和金属管自杀背心)。图15A示出对于 穿戴有模拟管道自杀背心104的对象的扫描成像的示例。图15B是对于带 有金属刀具106的对象的扫描成像示例，图15C是对于带有手持枪支108 的对象的扫描成像示例。
带有金属探测器的混合单元
天线可被保持静止，而被检查人员水平穿过静止天线的大约1英寸宽 的垂直视界。这可使用水平自动扶梯或便宜的踏旋器来实现。较佳地，“步 行通过”金属探测器临近自动扶梯或踏旋器放置，以检查被检查人员身上的藏 匿金属。焦距深度覆盖了从4.75米到5.25米之间大约500mm(二十英寸)， 这样成像器可位于离开金属探测器大约5米处，以便获得通过它的人员的焦距 成像。
带有金属探测器和毫米波成像器的入口
通过将毫米波成像系统和磁性金属探测器组合到一个入口中，可以达到改 进的整体探测能力和对象分类。在混合入口的较佳实施例中，提出的毫米波成 像器将与商用金属探测器入口(诸如CEIA集团开发的型号SMD 600等)同时 工作。
先后工作的毫米波成像器和金属探测器互相协助并将整个系统的性能带 入新的高度。金属探测器可以对非常小量的金属十分敏感，这由于无害对象(诸 如，硬币、眼镜、钥匙等等)触发的高频次警报而产生问题。为了确定警报的 原因，安全人员必须执行人工检查，这会较大地减缓审查过程并增加安全成本。 毫米波成像器不会向金属探测器一样的敏感，但它在产生图像上有优点，诸如 对象可被视觉上区分为有威胁或无威胁类别。
在预期情况中，两个系统被用于同一个入口，触发金属探测器警报的 金属对象随后使用处于表示这些对象存在的部分中的毫米波图像来仔细检 查。被探测对象的大小和形状可被用于确定是否需要进一步检查。毫米波 图像能够探测诸如塑料、陶瓷等无法被金属探测器探测出的非金属对象。 塑料和陶瓷刀具可以是极度有威胁的并对极大程度依赖于金属探测方法的 现有安全系统是一个大挑战。
毫米波和金属探测器安全入口200的较佳实施例示出在图16A和16B 中。金属探测器入口201带有使各单个金属传感器的垂直部分202。一旦探 测出诸如203的金属对象，入口将以警报灯(和/或可听警报)的形式向安 全人员发出警报信号。同时两个毫米波成像器在右侧(205A)收集对象的 热辐射数据，另外两个毫米波成像器从入口左侧(205B)收集数据。特定 部分的金属探测器警报光(或类似指示)与来自相应部分的热图像一起被 显示。随后由人类操作员或由计算机程序自动做出决定：是否需要额外的 筛查。如果金属探测器没有探测到金属，热图像仍然可以发现可疑对象的 存在，这将向入口安全操作员发送信号以执行更多的详细检查。
毫米波成像器的一个重要优点是在一些情况中，它可以帮助解决警报 情况而不进行人工检查。即使要求额外的审查，它也可以通过要求对象再 次穿过入口并获取更多的能弄清可疑对象本质的毫米波图像而不带侵犯性 地执行筛查。即使几次额外的通过花费了一些时间，它也是时间消耗较少 的并且不要求专门指定的安全人员来执行工作。
图16A示出混合入口300优选实施例的顶视图。它包括金属探测器入 口301和毫米波成像入口302A和302B。毫米波入口包括从人体对象相对两 侧收集毫米波辐射310的左侧(302B)和右侧(302A)毫米波成像传感器。 对象304从方向311进入入口系统，他的正面(左侧和右侧)表面由传感 器302A和302B成像。随后对象通过入口的中央305，在不同高度的金属探 测器312感知金属对象的存在。在离开入口306时，对象的后方毫米波图 像由毫米波传感器302A和302B获取。这完成了一个筛查周期。如果触发 了警报，第二次筛查可解决问题而不需要人工检查。
手持成像器-探测器
图18A是手持毫米波成像传感器119的视图。该传感器是上述的基本 成像器传感器(见图2A和2B)，带有沿着光通路聚焦在19英寸(从镜片 8背面开始15.5英寸)处，以产生位于焦点处的6英寸X1/2英寸视界的 一维图像。(然后，注意对于该单元，天线是水平放置，这样一维水平图 像由静止单元产生，而垂直扫描产生二维图像。)在优选实施例中，传感 器的帧速率是30Hz，这样由操作者手臂移动产生的一秒扫描产生6英寸X6 英寸视界的二维图像。远远快于6英寸每秒的扫描产生一些模糊。极慢的 扫描产生较好的对比度但是图像将有些失真。传感器包含在对毫米波透明 的有盖122的外壳120中。为了得到最佳结果，传感器的前方被保持在离 开被扫描表面大约12英寸处。单元重约4磅，这样提供一个带有臂支撑124 的人体工学把手。在位置126紧握把手125。目标区域的图像被显示在屏幕 128上。单元的电池被包含在把手125中。
在优选实施例中，金属探测线圈128被包括在单元中，如图18B所示， 并产生波动的磁场以在产生其它磁场的导体对象中产生涡电流。这些涡电 流产生的磁场被依次由同一个产生指示导体对象存在的电流的线圈所获 取。对于金属探测，尽可能的靠近被扫描表面以扫描单元。
其它实施例
违禁物品探测领域的普通技术人员将认识到对上述示例可以做出许多 修改。例如，人员可被要求以诸如大约通常步行速度的1/4通过入口，而 不是如上述的让人员在水平自动扶梯上通过入口。毫米波透明屏障60可如 图5和6所示被放置在入口中，以保证人员相对于天线元件的合适位置。 在天线元件的聚焦位置的选择上可能有多种位置变化。将天线放置于光学 上远离被审查人员并增加聚焦长度将提供更深的天线元件焦距深度。这可 使用如图6所示的镜面61来完成，以保持单元的紧凑性。在图7中，将扫 描器的大约横向分辨率估计提供为被成像表面和天线元件之间的距离的函 数。
虽然本发明在上文被描述为特定实施例的形式，本领域普通技术人员 可以理解的是可做出许多其它改动。例如，与毫米波扫描器同步的红外或 可视照相机可适于提供相关识别和参考信息。通过提供天线元件的自动聚 焦可以达到更好的分辨率。或者，可提供具有各种聚焦长度附加元件组以 及编程为对于目标人员在他/她通过入口时的每个部分选择最佳焦距的处 理器软件。通过入口的人员可在单个堆栈之前旋转，或他们可在四个堆栈 之前旋转。对于提供足够审查时间的应用而言，单个元件或更少的元件可 可扫描过被审查人员，无论是自动的还是手动的。对于图4中所示放大器 的修改是可以实现的，但是较佳必须提供至少50dB的增益。图8A和8B中 所示的单个棒状成像器垂直放置并水平转动。在其它实施例中，这些方向 是可以修改的。旋转的范围可以是从上述应用中的一些角度到360度完全 旋转中的任意量。同样，单个棒状成像器可以是位置固定，被成像对象可 以横向穿过垂直波束。同样，对象可以在垂直波束中旋转。这样，本发明 的范围应该由附加权利要求和它们的法律等价物来确定。