室内人体隐匿违禁物品探测的毫米波辐射成像方法研究

摘要

全球范围内不断变化升级的恐怖袭击和暴力犯罪活动给社会公共安全造成了极大威胁，为了应对日益严峻的公共安全形势，研究先进的人体隐匿违禁物品探测技术具有重要的理论价值和现实意义。毫米波辐射成像技术具有较好的隐蔽性、抗干扰性，以及穿透烟雾、灰尘和一定厚度衣物进行成像的能力，再加上被动工作体制不会对人体产生伤害，促使其在人体隐匿违禁物品探测领域发挥着重要作用。基于毫米波辐射成像技术的研究现状以及隐匿违禁物品探测的迫切需求，本文围绕着毫米波辐射成像用于室内人体隐匿违禁物品探测中的近距离毫米波辐射成像时逆向辐射噪声影响、室内毫米波辐射成像的噪声照射技术、毫米波辐射图像复原与融合以及隐匿违禁物品的自动识别定位等关键问题展开了深入的理论和实验研究，主要研究内容包括:
　　 (1)在毫米波辐射成像原理的基础上，推导了目标与背景之间的天线温度对比度表达式;归纳总结了典型成像目标和背景在毫米波波段的辐射特性数据;设计实现了用于人体隐匿违禁物品探测的毫米波辐射成像系统，并进行了室内外成像实验;推导了适用于二维平面扫描成像系统的辐射计不确定性方程，为分析影响成像质量的各相关因素提供了理论依据。
　　 (2)针对室内成像时的低辐射温度对比度问题，指出从提高成像系统自身性能和改善外部成像环境两个方面加以解决;分析了提高毫米波辐射成像系统温度灵敏度的措施;为了提高成像系统自身的稳定性，创建了近距离毫米波辐射成像时超外差式辐射计中逆向辐射噪声的理论分析模型;理论分析并实验验证了类干涉效应对辐射成像的具体影响，利用在毫米波接收前端加装隔离器和采用直接检波式辐射计的方法有效抑制了类干涉效应。
　　 (3)建立了人体隐匿违禁物品探测时的辐射温度传递模型，推导了有、无隐匿违禁物品时的视在温度分布及辐射温度对比度函数;结合典型目标的辐射特性参数，深入分析了室内成像时辐射温度对比度下降的原因;理论分析并实验验证了将室外冷空的低温照射通过反射的方式引入至室内成像场景具有一定的可行性;为了改善外部成像环境，将噪声照射方法引入至室内辐射成像应用中，建立了室内噪声照射分析模型，系统研究了室内辐射温度对比度在外加噪声照射条件下的具体变化规律;计算了噪声照射对毫米波噪声源的功率要求，并研究了三种产生宽带毫米波噪声信号的方法。
　　 (4)针对平面扫描毫米波辐射成像系统和被成像场景之间的运动模糊问题，提出了一种基于Radon变换和微分自相关运算的运动模糊参数辨识方法，实验结果表明该算法能够准确辨识毫米波辐射图像的运动模糊参数，并具有良好的抗噪声干扰性能以及稳定性;针对单一的可见光或毫米波辐射图像在隐匿违禁物品探测中存在局限性的现实问题，提出了一种用于隐匿违禁物品探测的多分辨率图像融合算法，实验结果表明该算法有效综合了可见光图像中丰富的细节信息以及毫米波辐射图像中显著的目标特征。
　　 (5)针对安检领域中基于毫米波辐射成像的隐匿违禁物品探测技术在探测速度及精度方面易受传统人工判读方式影响的问题，提出了一种融合不变矩特征和改进模糊C均值聚类的隐匿违禁物品自动识别定位算法，利用目标的不变矩特征值作为聚类识别的输入特征向量，然后利用改进的模糊C均值聚类算法对不同种类的隐匿违禁物品实施分类识别，最后在可见光与毫米波辐射图像的融合图像上对隐匿违禁物品实施匹配定位，实验结果验证了算法的可行性和有效性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究概述

1．2．1 毫米波辐射成像技术

1．2．2 近距离毫米波辐射成像的逆向辐射噪声

1．2．3 室内毫米波辐射成像的噪声照射

1．2．4 毫米波辐射图像融合技术

1．2．5 隐匿违禁物品的自动识别定位

1．3 论文研究内容及章节安排

2 毫米波辐射成像机理与系统设计

2．1 引言

2．2 毫米波辐射成像机理

2．2．1 黑体辐射理论

2．2．2 典型物体的毫米波辐射特性

2．3 毫米波辐射成像系统设计与实现

2．3．1 毫米波辐射成像系统组成

2．3．2 毫米波辐射计

2．3．3 平面扫描平台和数据采集模块

2．3．4 图像处理与显示单元

2．4 平面扫描辐射成像的一般问题

2．4．1 扫描方式分析

2．4．2 辐射计不确定性方程

2．4．3 影响辐射成像质量的因素分析

2．5 成像实验

2．5．1 室外成像实验及分析

2．5．2 室内成像实验及分析

2．6 本章小结

3 近距离毫米波辐射成像的逆向辐射噪声影响

3．1 引言

3．2 逆向辐射噪声的产生机理

3．3 逆向辐射噪声的影响

3．3．1 逆向辐射噪声对天线温度对比度的影响

3．3．2 类干涉效应分析

3．4 逆向辐射噪声的降低

3．4．1 逆向辐射噪声降低的隔离器法

3．4．2 逆向辐射噪声降低的直接检波法

3．5 对比成像实验及分析

3．5．1 采用隔离器法的成像实验及分析

3．5．2 采用直接检波法的成像实验及分析

3．6 本章小结

4 室内毫米波辐射成像的噪声照射技术

4．1 引言

4．2 隐匿违禁物品探测的辐射温度传递模型

4．2．1 无隐匿违禁物品时的辐射温度传递

4．2．2 存在隐匿违禁物品时的辐射温度传递

4．3 典型隐匿违禁物品的辐射温度对比度分析

4．4 综合利用室外冷空照射时的室内成像分析

4．5 室内噪声照射分析模型

4．5．1 室内噪声照射对辐射温度对比度的影响

4．5．2 噪声照射时对毫米波噪声源的功率要求

4．5．3 噪声照射时的安全性分析

4．5．4 噪声照射时的辐射成像性质分析

4．6 毫米波噪声照射源的分析及实现

4．6．1 毫米波固态噪声源

4．6．2 反向混频方式产生宽带毫米波噪声信号

4．6．3 毫米波噪声调频信号

4．7 本章小结

5 毫米波辐射图像复原与融合

5．1 引言

5．2 毫米波辐射成像模型及图像复原分析

5．3 毫米波辐射图像的运动模糊参数辨识

5．3．1 毫米波辐射图像的运动模糊退化模型

5．3．2 基于Radon变换和微分自相关运算的运动模糊参数辨识

5．3．3 运动模糊参数辨识及图像复原实验

5．4 隐匿违禁物品探测的毫米波辐射图像融合方法

5．4．1 图像融合的层次及规则

5．4．2 图像融合性能评价指标

5．4．3 基于Contourlet变换的毫米波辐射图像融合

5．4．4 毫米波辐射图像融合实验及性能分析

5．5 本章小结

6 隐匿违禁物品的自动识别定位

6．1 引言

6．2 毫米波辐射图像预处理

6．2．1 原始毫米波辐射图像去噪

6．2．2 Contourlet域图像增强

6．2．3 目标阈值分割

6．3 融合不变矩特征和改进模糊C均值聚类的识别定位算法

6．3．1 基于不变矩特征的隐匿违禁物品特征提取

6．3．2 基于改进模糊C均值聚类的隐匿违禁物品分类识别

6．3．3 基于NCC和SSDA的隐匿违禁物品匹配定位

6．4 识别定位实验及分析

6．4．1 信封内不同目标的识别定位实验

6．4．2 人体隐匿违禁物品探测及识别定位实验

6．5 本章小结

7 总结和展望

7．1 本文总结

7．2 本文贡献

7．3 工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文情况

攻读博士学位期间参加的科研情况

攻读博士学位期间获得的奖励情况