CN105005083A - 基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统及方法，包括安检探测前端、数据处理后台和支撑架。在安检探测前端，提供了一种共轭电磁收发单元实现宽频探测磁信号的发送和无干扰、低干扰定向磁接收。两个几何形状相同的线圈芯上缠绕线圈组成共轭电磁发送对，调整线圈缠绕方式、线圈中电流大小和方向，使得在它们的几何中心处的磁场强度为零。若干对共几何中心的共轭电磁发送对组合得到共轭电磁发送单元，并将定向磁接收元件放置在共轭电磁发送单元的磁场为零或较弱的位置，得到共轭电磁收发单元。在数据处理后台，将探测接收的信号进行处理和彩色显示。本发明所述系统可以快速、准确地检测和显示金属导体的大小、属性和位置。

Description

基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统及方法

技术领域：

本发明涉及安防检测系统领域，具体涉及一种基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统及方法。

背景技术：

金属安检系统用来检查人身体上隐藏的金属物品，如枪支，管制刀具等，广泛应用于机场、车站、法院、大型会议会场等人流较大的公共场所。在这些场所，人员众多，经常会有不法分子携带刀枪等违禁物品伺机作案，从而造成重大的人员伤亡和财产损失，给社会造成极其恶劣的负面影响。而金属安检系统是最有效的工具之一，它已广泛应用于机场等重要的安全设施里，是经过长时间的实践检验、行之有效的安防工具之一。然而现有的金属安检系统存在以下一些问题：

第一，现有的金属安检系统，无论是数字的还是模拟的，均会受外部环境的干扰和系统内部直达磁信号的干扰，导致系统检测会存在误检和漏检。现行安检系统的传感器由发射线圈和电磁接收器件组成，它既可以向外部环境发射电磁波，同时也可以接收外部环境产生的电磁波。外部环境产生电磁波的设备有很多，如高压线、大型的电机、电焊机、中频炉、对讲机、以及相邻的其它安检系统等会向外辐射电磁场，这些磁场会干扰、影响安检门的正常探测。另外，由于发射线圈和电磁接收器件距离很近，因此电磁接收器件会接收到直接来自于发射线圈的电磁信号，即直达磁信号。该直达磁信号强度大，对感生磁信号的接收造成干扰。

第二，现有的金属安检系统所发射的信号所携带的信息量不够大。从发射的电磁信号的模式来讲，现有的金属安检系统产品主要发射正弦波或脉冲波，有一些专利则提出利用步进扫频正弦信号进行探测(如专利200710123855.3)。根据香农信息论，信号携带的信息量与信号持续时间、信号带宽有关，信号持续时间越长、带宽越宽，携带的探测信息越丰富。而脉冲波时域持续时间非常短，受发射硬件器件的影响，其实际频带也较窄，因此从理论上来说不利于探测信息的携带，易于受噪声影响。而正弦波，带宽极窄，也不利于信息的携带。扫频信号是频点离散的一组正弦信号，携带信息的能力不及连续变频信号。

第三，现在的安检门系统，当人通过并探测到金属物品时，会发出警报声，而没有可视化的界面，无法得知金属物品的具体位置。

总之，现有的金属安检门系统存在抗干扰能力差、检测精度较低、非可视化等问题。

发明内容：

为克服现有金属安检门系统抗干扰性较差、检测精度较低、非可视化等问题，本发明提出一种基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统及方法，使用共轭电磁收发阵列实现宽频电磁探测信号发送、无干扰或者低干扰磁信号接收，利用数字化信号处理方法进行被探测目标轮廓提取和探测数据的分析，并以彩色可视化界面显示，实现方便、快速、准确的安检系统。

根据麦克斯韦方程，线圈中的交变电流会产生交变磁场。金属导体受交变电磁场激励时，在金属导体中产生涡流电流，而该电流又发射一个与原磁场频率相同但方向相反的磁场，称为二次磁场或者感生磁场，通过检测该磁场的方向和强度就可以反演出金属导体的位置、属性和大小等。

根据安培定律，如果两个形状完全相同的线圈中经过方向相反的交变电流，通过调整线圈中宽频交变电流的大小，使得在它们的几何中心处产生的磁场方向相反，大小相同，叠加后磁场强度为零。如果将磁感应元件放置在它们的几何中心位置，而空间中又有其它金属导体时，那么该磁感应元件接收到的磁信号是金属导体受交变磁场激发的感生磁信号，而不受线圈发射的直达磁信号的干扰。

同时，在两个线圈的几何中心面以及几何中心面的邻域，磁场互相削弱，叠加后磁场较弱；如果将磁感应元件放置在两个线圈的几何中心面以及几何中心面的邻域，而空间中又有其它金属导体时，那么该磁感应元件在接收到金属导体的感生磁场的同时，也会受到线圈发射的直达磁信号的干扰，但是该干扰很小。基于上述原理，本发明提出了一种基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统及方法。

一种基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统，包含安检探测前端、数据处理后台和支撑架。安检探测前端与数据处理后台通过有线或者无线的数据传输技术进行数据的传输。支撑架用于固定安检探测前端。

一种基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统及方法，通过安检探测前端的共轭电磁收发阵列来进行宽频交变磁信号的发送和感生磁信号的接收。共轭电磁收发阵列是由多个共轭电磁收发单元组成的阵列，多个共轭电磁收发单元被固定在支撑架上，排列方式可依据具体的应用需求而定。例如，对于安检门系统，支撑架是门框，共轭电磁收发单元沿着门框边缘紧密排列形成阵列。

上述共轭电磁收发单元包含共轭电磁发送单元和定向磁接收阵列。

上述共轭电磁收发单元的共轭电磁发送单元由若干对共几何中心的共轭电磁发送对组合得到。所述共轭电磁发送对是指：在两个几何形状完全相同的线圈芯上分别绕有线圈，线圈的缠绕方式完全相同，线圈中电流接入的极性相反，使得两个线圈中的电流方向一个为顺时针，另一个为逆时针。所述共轭电磁发送对也可以是在两个几何形状完全相同的线圈芯上分别绕有线圈，线圈的缠绕方式完全相反，线圈中电流接入的极性相同，使得两个线圈中的电流方向一个为顺时针，另一个为逆时针。线圈芯可以为铁或铁镍或硅钢片等磁导率较高的材料所制。根据安培定律，如果没有其他磁场源，只要上述共轭电磁发送对的两个线圈中的电流大小相同，那么在两个线圈的几何中心处，磁场强度为零；在两个线圈的几何中心面及几何中心面的邻域内，磁场较弱。如果空间中有其他的磁场源，那么通过调整共轭电磁发送对两个线圈中的电流，能够使得在它们的几何中心处的电磁强度为零；此时，在两个线圈的几何中心面以及几何中心面的邻域内，磁场较弱。

上述共轭电磁收发单元的定向磁接收阵列，包含多个定向磁接收单元，按照实际应用需求，将多个定向磁接收单元布置在上述共轭电磁发送单元的磁信号为零或较弱的位置，比如，如果共轭电磁发送单元仅包含一对共轭电磁发送对，那么将定向磁接收单元放置在共轭电磁发送对的几何中心处，另外，还可布置若干个定向磁接收单元在共轭电磁发送对的几何中心面，布置少量定向磁接收单元在共轭电磁发送对几何中心面的邻域内。如果共轭电磁发送单元包含多对共几何中心的共轭电磁发送对，那么将定向磁接收单元放置在共轭电磁发送对的几何中心处，另外，还可布置若干个定向磁接收单元在共轭电磁发送单元的几何中心线，布置少量定向磁接收单元在共轭电磁发送单元几何中心线的邻域。定向磁接收单元可通过支架固定，支架的材料应选择不影响磁场的非金属。

上述定向磁接收阵列的定向磁接收单元，接收磁信号并转换为电信号，其特征在于由多个磁感应元件和一个金属磁场屏蔽罩组合而成，磁感应元件可以是磁敏元件或者线圈或者其它磁感应元件。多个磁感应元件组成全向磁场接收单元，能获得空间中所有方向的磁场矢量。如果采用三个磁敏传感器，则三个磁敏传感器需要放置在空间中互相垂直的三个方向上，以使得组成的磁场接收单元可以接收到空间中所有方向的磁场矢量。在上述全向磁场接收单元的某个面添加一个金属磁场屏蔽罩，使得在某个方向的磁场被屏蔽，而只能接收来自于屏蔽罩以外其他方向的磁场，得到定向磁接收单元。在实际应用中，定向磁接收单元的金属屏蔽罩应该放置在远离检测目标的一侧，比如安检门系统中，定向磁接收单元的金属屏蔽罩应该放置在靠近门外边框的一侧。

所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统的安检探测前端包括共轭电磁收发阵列、图像采集装置、数据传输模块、数据处理模块和电流控制模块。数据传输模块与数据处理模块相连，数据处理模块与电流控制模块相连，而电流控制模块又与共轭电磁收发阵列、图像采集装置相连。

安检探测前端的图像采集装置用于采集被检测目标的图像，即是摄像头。摄像头应该安装在支撑架上能够拍摄到被检测目标全貌的位置上，例如安检门的顶部，可以拍摄到通过安检门的人员和物品的全貌。

安检探测前端的共轭电磁收发阵列用于发送宽频探测信号、接收磁信号并转换为电信号。共轭电磁收发阵列所接收到的磁信号可能是探测空间中其它磁场源发出的干扰磁信号，也可能是由所检测的金属导体激发的感生磁信号，接收后，转换为电信号，称为磁电信号。

安检探测前端的数据传输模块用于和数据处理后台进行数据的交互，其所采用的数据传输技术是现有的有线或者无线数据传输技术，遂不详述。

安检探测前端的数据处理模块包含数据处理单元和数据存储单元，数据存储单元用于存储宽频探测信号和电流幅度控制信号、共轭电磁收发阵列接收到的磁电信号以及图像采集装置采集到的图像信号等，而数据处理单元则用于对安检探测前端进行控制、产生宽频探测信号和电流幅度控制信号、以及对接收到的信号进行一些预处理，比如滤波、去噪、放大等。

安检探测前端的电流控制模块包含A/D转换器、D/A转换器和电流控制电路。D/A转换器用于将数据处理单元输出的数字信号转换为模拟信号，之后该模拟信号通过电流控制电路产生电流，输入到共轭电磁收发阵列中各电磁发送单元的各个线圈。共轭电磁收发阵列接收到的磁信号和图像采集装置接收到的图像信号经过A/D转换后，输入到安检探测前端的数据处理模块，由数据处理模块的数据处理单元进行滤波、去噪、放大等处理后，交给数据发送模块发送给数据处理后台。

所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统的数据处理后台包含数据传输模块、数据处理模块以及人机交互模块。所述的人机交互模块与数据处理模块相连，数据处理模块又与数据传输模块相连。

所述的数据处理后台的人机交互模块包含键盘、显示屏等，用于系统使用者设置宽频探测信号的参数和查看探测结果，可设置的参数包括宽频探测信号的调频方式、起始频率、截止频率、调频率和信号的持续时间等。

所述的数据处理后台的数据处理模块包含数据处理单元和数据存储单元。数据处理单元用于控制数据处理后台各个模块、对接收到的来自于安检探测前端的磁电信号和图像采集装置采集到的图像信号进行处理：包括从图像中提取被检测目标的轮廓以及反演所探测到的金属导体的位置、属性和大小等信息，并输出到人机交互模块进行显示。而数据存储单元则用于存储宽频探测信号、电流幅度控制信号、接收到的磁电信号和图像信息以及其它一些处理中需要存储的信息。

所述的数据处理后台的数据传输模块用于与安检探测前端进行数据的交互，其所使用的数据传输技术应是与安检探测前端的数据传输模块相对应的无线或者有线的数据传输技术。

基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统及方法的工作过程，包括磁场预校准过程和探测过程。

所述的磁场预校准过程是在每次安检系统开机运行时或者检测环境发生改变时，为了剔除探测空间检测目标以外的其它一些磁场源发出的磁信号对定向磁接收单元产生干扰而进行的预校准过程。在系统开始探测之前，即在没有探测目标经过安检系统时，调整共轭电磁发送单元中的共轭电磁发送对线圈中的电流大小，使得每一共轭电磁收发单元中的位于几何中心处的定向磁接收单元的磁场强度为零，或者低于预先设定的阈值。所述的磁场预校准过程的步骤包括：

步骤1.系统使用者通过数据处理后台的人机交互模块输入宽频探测信号的参数。参数包括宽频探测信号的调频方式、起始频率、截止频率、调频率和信号的持续时间等。该参数经过数据处理后台的数据传输模块发送给安检探测前端。

步骤2.安检探测前端接收宽频探测信号参数，并产生宽频探测信号。在安检探测前端，数据传输模块接收到宽频探测信号的参数后，输入到数据处理模块。在安检探测前端的数据处理模块产生宽频探测信号和电流幅度控制信号，并存储在数据存储单元。

步骤3.安检探测前端发送宽频探测磁信号。安检探测前端的数据处理模块将宽频探测信号和电流幅度控制信号输出至电流控制模块，在电流控制模块经过D/A转换后，在电流控制电路产生相应的电流输入到共轭电磁收发阵列中各个共轭电磁发送单元的线圈中。

步骤4.安检探测前端的位于共轭电磁发送单元几何中心位置的定向磁接收单元接收干扰磁信号。共轭电磁收发阵列中的各个布置在共轭电磁发送单元几何中心处的定向磁接收单元接收到干扰磁信号，并转换为电信号，得到干扰磁电信号。并在安检探测前端的电流控制模块中进行A/D转换后，输入到安检探测前端的数据处理模块。

步骤5.安检探测前端的数据处理模块调整电流幅度控制信号。安检探测前端的数据处理模块对接收到的干扰磁电信号进行滤波、去噪、放大等预处理之后，数据处理模块判断位于共轭电磁发送单元几何中心位置的各个定向磁接收单元接收到的干扰磁电信号是否为零，如果为零，则不需要调整电流幅度控制信号，进入步骤6。也可以根据实际需要设定一个接近于0的阈值，判断接收到的干扰磁信号是否小于该阈值，如果小于，则认为干扰可忽略，不需要再调整电流幅度控制信号，进入步骤6；如果不为零或者不小于设定的阈值，则说明空间中有其他磁场源，因此数据处理模块调整电流幅度控制信号，使得每一个位于共轭电磁发送单元几何中心位置的定向磁接收单元接收到的干扰磁信号为零或者小于设定的阈值，存储新的电流幅度控制信号，进入步骤3；

步骤6.安检探测前端将调整后的电流幅度控制信号交给数据传输模块发送给数据处理后台，数据处理后台的数据传输模块接收后输入到数据处理后台的数据处理模块进行存储。预校准过程结束。

所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统的探测过程包含以下步骤：

步骤1.安检探测前端发送宽频探测磁信号。安检探测前端的数据处理单元读取存储在数据存储单元中的宽频探测信号和电流幅度控制信号，并经过电流控制模块进行D/A转换后，在电流控制电路产生相应的电流输入到共轭电磁收发阵列中的各个共轭电磁发送单元的线圈。

步骤2.安检探测前端接收探测磁信号和采集图像信息。共轭电磁收发阵列中的各定向磁接收单元接收磁信号并转换为电信号，即磁电信号；图像采集装置采集被检测目标的图像信号。将磁电信号和图像信号经过数据处理模块进行去噪、放大等预处理之后，通过安检探测前端的数据传输模块发送给数据处理后台。

步骤3.数据处理后台接收磁电信号和图像信号。数据处理后台的数据传输模块接收到磁电信号和图像信号后，输入到数据处理后台的数据处理模块。

步骤4.数据处理后台处理磁电信号和图像信号。在数据处理后台的数据处理模块，根据接收到的磁电信号分析每个定向磁接收单元接收到的信号的强度和方向，反演出金属导体所在的位置、属性和大小等信息。同时，数据处理模块对图像信号进行检测目标的轮廓参数分析，提取出被检测目标的轮廓。

步骤5.数据处理后台显示探测结果。在人机交互模块，同时以不同颜色显示被探测目标的轮廓和金属物品的位置、属性和大小等。

本发明的有益效果是：

1、在实现磁信号发射的同时保证探测感生磁信号的接收不受发射直达磁信号的干扰。本发明设计了共轭电磁发射单元，两个几何形状完全相同的线圈芯上分别以相同的方式缠绕线圈，如果线圈中的电流大小相同、接入极性相反，使得两个线圈中的电流方向一个为顺时针，另一个为逆时针，那么在它们的几何中心处，磁场强度为零。或者两个几何形状完全相同的线圈芯上分别以相反的方式缠绕线圈，如果线圈中的电流大小相同、接入极性相同，使得两个线圈中的电流方向一个为顺时针，另一个为逆时针，那么在它们的几何中心处，磁场强度也为零。当几何中心处的磁场为零时，在它们的几何中心面及几何中心面的邻域，磁场强度微弱。因此，将磁感应元件放置在该几何中心位置上，可以避免发射直达磁信号对磁感应元件的干扰，将磁感应元件放置在几何中心面及其邻域，磁场较弱，可降低发射直达磁信号对磁感应元件的干扰。

2、感生磁信号的接收不受其它磁场源信号的干扰。本发明在探测前进行了预校准过程，即如果探测空间中存在其他磁场源，那么通过调整共轭电磁发射对中两个线圈的电流的大小，使得在它们的几何中心处，磁场强度为零。这样做避免了检测空间中其它一些磁场源，例如邻近的安检系统、大型电机、对讲机等对于磁感应元件的干扰。

3、本发明利用宽频探测信号来进行探测，信号带宽宽、持续时间长，因此能够携带更多的探测目标的信息。

4、本发明将接收到的磁信号转换为电信号，并数字化后输入到数字信号处理单元进行参数的分析和处理，检测的精度要高于利用硬件或者模拟的方法进行检测。

5、在人机交互模块，同时显示被检测目标的轮廓和所检测到的金属导体的位置，使得工作人员能快速定位到金属导体的位置，而不需要再进行二次检查。

附图说明：

图1是本发明实施例的系统框图；

图2是本发明实施例的共轭电磁发送对的示意图；

图3是本发明实施例的共轭电磁发送单元的示意图；

图4是本发明实施例的定向磁接收单元的示意图；

图5本发明实施例的共轭电磁收发单元的示意图；

图6本发明实施例的共轭电磁收发单元俯视截面图；

图7本发明实施例的共轭电磁收发阵列示意图；

图8是本发明实施例的数据处理后台框图；

图9是本发明实施例的磁场预校准步骤流程图；

图10是本发明实施例的系统探测过程步骤流程图。

具体实施方式：

本实施例以安检门为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

如图1所示，是本发明所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统的框图。所述的安检系统包括安检探测前端、数据处理后台和支撑架。在本实施例中，安检门的门框即是支撑架，安检探测前端的各模块放置在安检门上，通过有线或者无线数据传输方式与数据处理后台进行信息交互。

所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统的安检探测前端包括共轭电磁收发阵列、图像采集装置、数据传输模块、数据处理模块和电流控制模块。数据传输模块与数据处理模块相连，数据处理模块与电流控制模块相连，而电流控制模块又与共轭电磁收发阵列、图像采集装置相连。

安检探测前端的图像采集装置用于采集被检测目标的图像，即是摄像头。摄像头应该安装在支撑架上能够拍摄到被检测目标全貌的位置上，例如安检门的顶部，可以拍摄到通过安检门的人员和物品的全貌。安检探测前端的数据传输模块用于和数据处理后台进行数据的交互，其所采用的数据传输技术是现有的有线或者无线数据传输技术，比如Wifi等。安检探测前端的共轭电磁收发阵列用于发送宽频探测信号、接收磁信号并转换为电信号。共轭电磁收发阵列所接收到的磁信号可能是探测空间中其它磁场源发出的干扰磁信号，也可能是由所检测的金属导体激发的感生磁信号，接收后，转换为电信号，即是磁电信号。安检探测前端的数据处理模块包含数据处理单元和数据存储单元，数据存储单元用于存储宽频探测信号和电流幅度控制信号、共轭电磁收发阵列接收到的信号以及图像采集装置采集到的图像信号，而数据处理单元则用于对安检探测前端进行控制、产生宽频探测信号和电流幅度控制信号、以及对接收到的信号进行一些预处理，比如滤波、去噪、放大等。安检探测前端的电流控制模块包含A/D转换器、D/A转换器和电流控制电路。D/A转换器用于将数据处理单元输出的数字信号转换为模拟信号，之后该模拟信号通过电流控制电路产生相应的电流，输入到共轭电磁收发阵列中各电磁发送单元的各个线圈中。共轭电磁收发阵列和图像采集装置接收到的数据经过A/D转换后，输入到数据处理模块，由数据处理模块的数据处理单元进行滤波、去噪、放大等处理后，交给数据发送模块发送给数据处理后台。

如图2所示是共轭电磁发送对的示意图。本实施例中共轭电磁发送对为：201是一对线圈芯为三角锥体的共轭电磁发送对，202是线圈芯为矩形柱体的共轭电磁发送对。每一对都是几何形状完全相同的两个线圈芯，在线圈芯上以相同的方式绕有线圈，线圈中的电流接入极性相反，使得两个线圈中的电流方向一个为顺时针，另一个为逆时针。203是一对线圈芯为圆柱体共轭电磁发送对，在该圆柱体线圈芯上以相反的方式绕有线圈，线圈中的电流接入极性相同，使得两个线圈中的电流方向一个为顺时针，另一个为逆时针。共轭电磁发送对也可以是其它几何形状。

如图3所示是共轭电磁发送单元的示意图。共轭电磁发送单元由若干对共几何中心的共轭电磁发送对组合而成。本实施例中，共轭电磁发送单元由三对共几何中心的共轭电磁发送对组合而成。它们分别是301三角锥体的线圈芯制成的共轭电磁发送对、302矩形柱体的线圈芯制成的共轭电磁发送对和303圆柱体的线圈芯制成的共轭电磁发送对，304是它们的几何中心位置。根据安培定律，如果没有其他磁场源，只要每一对共轭电磁发送对中两个线圈中的电流大小相同，那么在磁芯的几何中心处，磁场强度为零。如果空间中有其他的磁场源，那么通过调整共轭电磁发送对线圈中的电流，使得在它们的几何中心处的磁场强度为零。

如图4所示是所述的定向磁接收单元，其特征在于由多个磁感应元件和一个金属屏蔽罩组合而成，磁感应元件可以是磁敏元件也可以是线圈或者其它磁感应元件。本实施例中将三个磁敏元件放置在空间中互相垂直的三个方向上，组成的磁敏接收器是全向磁场接收器，能获得所有方向的磁场矢量。在上述全向磁场接收器的某个面添加一个金属磁场屏蔽罩，使得在某个方向的磁场被屏蔽，而只能接收来自于屏蔽罩以外其他方向的磁场，得到定向磁接收单元。

如图5是所述的共轭电磁收发单元的示意图，共轭电磁收发单元包含共轭电磁发送单元和定向磁接收阵列。利用非金属支架将多个定向磁接收单元固定放置在共轭电磁发送单元的几何中心位置、共轭电磁发送单元的几何中心线及其邻域内，形成定向磁接收阵列。图5中，501、502、503分别是三角锥体、矩形柱体、圆柱体的线圈芯制成的共轭电磁发送对，504、505、506分别是位于共轭电磁发送单元的几何中心位置、几何中心线、几何中心线邻域的定向磁接收单元，507是用于固定定向磁接收单元的支架，其材质应是不影响磁场的非金属材质。

图6所示是图5的共轭电磁收发单元的AA面的截面图。601、602、603分别是三角锥体、矩形柱体、圆柱体的线圈芯制成的共轭电磁发送对，604是放置在共轭电磁发送单元的几何中心位置和几何中心线上的定向磁接收单元，605是放置在共轭电磁发送单元几何中心线邻域的定向磁接收单元。

如图7所示是本实施例安检门系统中的共轭电磁收发阵列，共轭电磁收发阵列是由多个共轭电磁收发单元组成的阵列，多个共轭电磁收发单元固定在支撑架上，即围绕安检门的门框边缘紧密排列。排列时，每个共轭电磁收发阵列中的定向磁接收单元中的金属屏蔽罩应放置在靠近安检门外侧的位置，用于屏蔽安检门外部的干扰磁信号。701为共轭电磁收发单元，多个共轭电磁收发单元沿着门边沿紧密排列形成阵列。702为摄像头。

如图8所示是本发明所述数据处理后台的框图。数据处理后台包含数据传输模块、数据处理模块以及人机交互模块。所述的人机交互模块与数据处理模块相连，数据处理模块又与数据传输模块相连。

所述的数据处理后台的人机交互模块包含键盘、显示屏等，用于系统使用者设置宽频探测信号的参数和查看探测结果，可设置的参数包括宽频探测信号的调频方式、起始频率、截止频率、调频率和信号的持续时间等。所述的数据处理后台的数据处理模块包含数据处理单元和数据存储单元。数据处理单元用于控制数据处理后台各个模块、处理接收到的来自于安检探测前端的磁电信号和图像采集装置采集到的图像信号：包括从图像中提取被检测目标的轮廓以及反演所探测到的金属导体的位置、属性和大小等信息，并输出到人机交互模块进行显示。而数据存储单元则用于存储宽频探测信号、电流幅度控制信号、接收到的磁电信号和图像信息以及其它一些处理中需要存储的信息。所述的数据处理后台的数据传输模块用于与安检探测前端进行数据的交互，其所使用的数据传输技术应是与安检探测前端的数据传输模块相对应的无线或者有线的数据传输技术。

所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统及方法，工作过程包括磁场预校准过程和探测过程。在每次开机时或者检测环境发生改变时，要进行预校准，下面结合图9，对每次使用系统时的预校准步骤进行描述：

步骤1.使用者通过数据处理后台的人机交互模块输入宽频探测信号的参数。参数包括宽频探测信号的调频方式、起始频率、截止频率、调频率和信号的持续时间等。设用户设置的参数宽频探测信号的调频方式是线性调频，起始频率3.5MHz，即f₀＝3.5MHz。截止频率是5MHz，即f₁＝5MHz。持续时间T＝20ms。该参数经过数据处理后台的数据传输模块发送给安检探测前端。

步骤2.安检探测前端接收宽频探测信号参数，并产生宽频探测信号。在安检探测前端，数据传输模块接收到宽频探测信号的参数后，输入到数据处理模块。在安检探测前端的数据处理模块产生宽频探测信号和电流幅度控制信号，并存储在数据存储单元。

根据用户输入的参数产生线性调频信号作为宽频探测信号，其表达式为：

其中，ω₀是线性调频信号的起始角频率，ω₀＝2πf₀/f_s，f_s为采样率，k为调频率，k＝(f₁-f₀)/(f_s ²T)。N为数字信号的样本数，N＝f_sT。为相位，可以取随机的初始相位。A是宽频探测信号的幅度。电流控制幅度信号需要给出每个线圈中电流幅度的大小，即是给出每个共轭收发单元中的每个线圈中电流幅度A的取值。

步骤3.安检探测前端发送宽频探测磁信号。安检探测前端的数据处理模块将宽频探测信号和电流幅度控制信号输出至电流控制模块，在电流控制模块经过D/A转换后，在电流控制电路产生相应的电流输入到共轭电磁收发阵列中各个共轭电磁发送单元的线圈中。

步骤4.安检探测前端的位于共轭电磁发送单元几何中心位置的定向磁接收单元接收干扰磁信号。共轭电磁收发阵列中的各个布置在共轭电磁发送单元几何中心处的定向磁接收单元接收到干扰磁信号，并转换为电信号，得到干扰磁电信号。并在安检探测前端的电流控制模块中进行A/D转换后，输入到安检探测前端的数据处理模块。

步骤5.安检探测前端的数据处理模块调整电流幅度控制信号。安检探测前端的数据处理模块对接收到的干扰磁电信号进行滤波、去噪、放大等预处理之后，数据处理模块判断位于共轭电磁发送单元几何中心位置的各个定向磁接收单元接收到的干扰磁电信号是否为零，如果为零，则不需要调整电流幅度控制信号，进入步骤6。也可以根据实际需要设定一个接近于0的阈值，判断接收到的干扰磁信号是否小于该阈值，如果小于，则认为干扰可忽略，不需要再调整电流幅度控制信号，进入步骤6；如果不为零或者不小于设定的阈值，则说明空间中有其他磁场源，因此数据处理模块调整电流幅度控制信号，使得每一个位于共轭电磁发送单元几何中心位置的定向磁接收单元接收到的干扰磁信号为零或者小于设定的阈值，存储新的电流幅度控制信号，进入步骤3；

步骤6.安检探测前端将调整后的电流幅度控制信号交给数据传输模块发送给数据处理后台，数据处理后台的数据传输模块接收后输入到数据处理后台的数据处理模块进行存储。预校准过程结束。

预校准过程结束后，系统可以开始探测。此时，位于共轭电磁发送单元几何中心位置的定向磁接收单元在接收感生磁信号的同时不受直达磁信号的干扰，也不受其他磁场源的干扰。位于共轭电磁发送单元几何中心线及其邻域的定向磁接收单元所受到的干扰也较小。下面结合图10，介绍所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统的探测过程，包含以下步骤：

步骤1.安检探测前端发送宽频探测磁信号。安检探测前端的数据处理单元读取存储在数据存储单元中的宽频探测信号和电流幅度控制信号，并经过电流控制模块进行D/A转换后，在电流控制电路产生相应的电流输入到共轭电磁收发阵列中的各个共轭电磁发送单元的线圈。

步骤2.安检探测前端接收探测磁信号和采集图像信息。共轭电磁收发阵列中的各定向磁接收单元接收磁信号并转换为电信号，即磁电信号；图像采集装置采集被检测目标的图像信号。将磁电信号和图像信号经过数据处理模块进行去噪、放大等预处理之后，通过安检探测前端的数据传输模块发送给数据处理后台。

步骤3.数据处理后台接收磁电信号和图像信号。数据处理后台的数据传输模块接收到磁电信号和图像信号后，输入到数据处理后台的数据处理模块。

步骤4.数据处理后台处理磁电信号和图像信号。在数据处理后台的数据处理模块，根据接收到的磁电信号分析每个定向磁接收单元接收到的信号的强度和方向，反演出金属导体所在的位置、属性和大小等信息。同时，数据处理模块对图像信号进行轮廓参数分析，提取出被检测目标的轮廓。

步骤5.数据处理后台显示探测结果。在人机交互模块，同时以不同颜色显示被探测目标的轮廓和金属物品的位置、属性和大小等。

Claims (10)

1.基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统，其特征在于系统包含安检探测前端、数据处理后台和支撑架，安检探测前端和数据处理后台之间以有线或无线方式进行数据传输，安检探测前端固定在支撑架上，安检探测前端通过一种共轭电磁收发单元组成共轭电磁收发阵列，发送宽频探测磁信号和实现无干扰或低干扰定向磁接收，数据处理后台对数字化的探测接收信号进行分析、存储和显示。

2.根据权利要求1所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统，其特征在于安检探测前端的共轭电磁收发阵列是由多个共轭电磁收发单元组成的阵列，多个共轭电磁收发单元被固定在支撑架上，多个共轭电磁收发单元的排列方式可依据具体的应用需求而定，对于安检门，安检门的门框就是支撑架，多个共轭电磁收发单元沿着安检门框边缘排列。

3.根据权利要求2所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统，其特征在于共轭电磁收发单元包含共轭电磁发送单元和定向磁接收阵列。

4.根据权利要求3所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统，其特征在于共轭电磁收发单元的共轭电磁发送单元由若干对共几何中心的共轭电磁发送对组合而成，所述共轭电磁发送对是指：在两个几何形状完全相同的线圈芯上分别绕有线圈，线圈的缠绕方式完全相同，线圈中的电流接入极性相反，使得两个线圈中的电流方向一个为顺时针，另一个为逆时针，所述共轭电磁发送对也可以是在两个几何形状完全相同的线圈芯上分别绕有线圈，线圈的缠绕方式完全相反，线圈中的电流接入极性相同使得两个线圈中的电流方向一个为顺时针，另一个为逆时针，线圈芯可以为铁或铁镍或硅钢片等磁导率较高的材料所制，根据安培定律，如果没有其他磁场源，只要上述共轭电磁发送对的两个线圈中的电流大小相同，那么在两个线圈的几何中心处，磁场强度为零；在两个线圈的几何中心面及几何中心面的邻域内，磁场较弱，如果空间中有其他的磁场源，那么通过调整共轭电磁发送对两个线圈中的电流，能够使得在它们的几何中心处的电磁强度为零；此时，在两个线圈的几何中心面以及几何中心面的邻域内，磁场较弱。

5.根据权利要求3所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统，其特征在于共轭电磁收发单元的定向磁接收阵列，包含多个定向磁接收单元，

所述的定向磁接收阵列的定向磁接收单元，用于接收磁信号并转换为电信号，其特征在于由多个磁感应元件和一个金属磁场屏蔽罩组合而成，磁感应元件可以是磁敏元件或者线圈或者其它磁感应元件，多个磁感应元件组成全向磁场接收单元，能获得空间中所有方向的磁场矢量，如果采用三个磁敏传感器，则三个磁敏传感器需要放置在空间中互相垂直的三个方向上，以使得组成的磁场接收单元可以接收到空间中所有方向的磁场矢量，在上述全向磁场接收单元的某个面添加一个金属磁场屏蔽罩，使得在某个方向的磁场被屏蔽，而只能接收来自于屏蔽罩以外其他方向的磁场，得到定向磁接收单元，在实际应用中，定向磁接收单元的金属屏蔽罩应该放置在远离检测目标的一侧，比如安检门系统中，定向磁接收单元的金属屏蔽罩应该放置在靠近门外边框的一侧，

按照实际应用需求，将多个定向磁接收单元布置在上述共轭电磁发送单元的磁信号为零或较弱的位置，如果共轭电磁发送单元仅包含一对共轭电磁发送对，那么将定向磁接收单元放置在共轭电磁发送对的几何中心处，另外，可布置若干个定向磁接收单元在共轭电磁发送对的几何中心面，布置少量定向磁接收单元在共轭电磁发送对几何中心面的邻域，如果共轭电磁发送单元包含多对共几何中心的共轭电磁发送对，那么将定向磁接收单元放置在共轭电磁发送对的几何中心处，可布置若干个定向磁接收单元在共轭电磁发送单元的几何中心线，布置少量定向磁接收单元在共轭电磁发送单元的几何中心线的邻域，上述定向磁接收单元可通过支架固定，支架的材质应是不影响磁场的非金属材质。

6.根据权利要求1所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统，其特征在于安检探测前端包括共轭电磁收发阵列、图像采集装置、数据传输模块、数据处理模块和电流控制模块，数据传输模块与数据处理模块相连，数据处理模块与电流控制模块相连，而电流控制模块又与共轭电磁收发阵列、图像采集装置相连，

安检探测前端的图像采集装置用于采集被检测目标的图像，即是摄像头,摄像头应该安装在支撑架上能够拍摄到被检测目标全貌的位置上，例如安检门的顶部，可以拍摄到通过安检门的人员和物品的全貌，

安检探测前端的共轭电磁收发阵列用于发送宽频探测信号、接收磁信号并转换为电信号，共轭电磁收发阵列所接收到的磁信号可能是探测空间中其它磁场源发出的干扰磁信号，也可能是由所检测的金属导体激发的感生磁信号，接收后，转换为电信号，称为磁电信号，

安检探测前端的数据传输模块用于和数据处理后台进行数据的交互，其所采用的数据传输技术是现有的有线或者无线数据传输技术，

安检探测前端的数据处理模块包含数据处理单元和数据存储单元，数据存储单元用于存储宽频探测信号和电流幅度控制信号、共轭电磁收发阵列接收到的信号以及图像采集装置采集到的图像信号，而数据处理单元则用于对安检探测前端的各个模块进行控制、产生宽频探测信号和电流幅度控制信号、以及对接收到的信号进行一些预处理，比如滤波、去噪、放大，

安检探测前端的电流控制模块包含A/D转换器、D/A转换器和电流控制电路，D/A转换器用于将数据处理单元输出的数字信号转换为模拟信号，之后该模拟信号通过电流控制电路产生电流，输入到共轭电磁收发阵列中各个共轭电磁发送单元的线圈中，共轭电磁收发阵列接收到的磁信号和图像采集装置接收到的图像信号经过A/D转换后，输入到安检探测前端的数据处理模块，由数据处理模块的数据处理单元进行滤波、去噪、放大处理后，交给数据发送模块发送给数据处理后台。

7.根据权利要求1所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统，其特征在于数据处理后台包含数据传输模块、数据处理模块以及人机交互模块，所述的人机交互模块与数据处理模块相连，数据处理模块又与数据传输模块相连，

所述的数据处理后台的人机交互模块包含键盘、显示屏等输入输出设备，用于系统使用者设置宽频探测信号的参数和查看探测结果，可设置的参数包括宽频探测信号的调频方式、起始频率、截止频率、调频率和信号的持续时间，

所述的数据处理后台的数据处理模块包含数据处理单元和数据存储单元，数据处理单元用于控制数据处理后台各个模块、对接收到的来自于安检探测前端的磁电信号和图像采集装置采集到的图像信号进行处理：包括提取图像的轮廓以及反演所探测到的金属导体的位置、属性和大小信息，并输出到人机交互模块进行显示，而数据存储单元则用于存储宽频探测信号、电流幅度控制信号、接收到的感生磁电信号和图像信息以及其它一些处理中需要存储的信息，

所述的数据处理后台的数据传输模块用于与安检探测前端进行数据的交互，其所使用的数据传输技术应是与安检探测前端的数据传输模块相对应的无线或者有线的数据传输技术。

8.一种基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检方法，其特征在于系统工作过程包括磁场预校准过程和探测过程。

9.根据权利要求8所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检方法，其特征在于所述的磁场预校准过程是在每次安检系统开机运行或者检测环境发生变化时，为了剔除探测空间检测目标以外的其它一些磁场源发出的磁信号对定向磁接收单元产生干扰而进行的预校准过程，在系统开始探测之前，即在没有探测目标经过安检系统时，调整共轭电磁发送单元中的共轭电磁发送对线圈中的电流大小，使得每一共轭电磁收发单元中的位于几何中心处的定向磁接收单元的磁场强度为零，或者低于预先设定的阈值，所述的磁场预校准过程的步骤包括：

步骤1.系统使用者通过数据处理后台的人机交互模块输入宽频探测信号的参数，参数包括宽频探测信号的调频方式、起始频率、截止频率、调频率和信号的持续时间等，该参数经过数据处理后台的数据传输模块发送给安检探测前端，

步骤2. 安检探测前端接收宽频探测信号参数，并产生宽频探测信号，在安检探测前端，数据传输模块接收到宽频探测信号的参数后，输入到数据处理模块，在安检探测前端的数据处理模块产生宽频探测信号和电流幅度控制信号，并存储在数据存储单元，

步骤3. 安检探测前端发送宽频探测磁信号，安检探测前端的数据处理模块将宽频探测信号和电流幅度控制信号输出至电流控制模块，在电流控制模块经过D/A转换后，在电流控制电路产生相应的电流输入到共轭电磁收发阵列中各个共轭电磁发送单元的线圈中，

步骤4. 安检探测前端的位于共轭电磁发送单元几何中心位置的定向磁接收单元接收干扰磁信号，共轭电磁收发阵列中的各个布置在共轭电磁发送单元几何中心处的定向磁接收单元接收到干扰磁信号，并转换为电信号，得到干扰磁电信号，并在安检探测前端的电流控制模块中进行A/D转换后，输入到安检探测前端的数据处理模块，

步骤5. 安检探测前端的数据处理模块调整电流幅度控制信号，安检探测前端的数据处理模块对接收到的干扰磁电信号进行滤波、去噪、放大预处理之后，数据处理模块判断位于共轭电磁发送单元几何中心位置的各个定向磁接收单元接收到的干扰磁电信号是否为零，如果为零，则不需要调整电流幅度控制信号，进入步骤6，也可以根据实际需要设定一个接近于零的阈值，判断接收到的干扰磁信号是否小于该阈值，如果小于，则认为干扰可忽略，不需要再调整电流幅度控制信号，进入步骤6；如果不为零或不小于设定的阈值，则说明空间中有其他磁场源，因此数据处理模块调整电流幅度控制信号，使得每一个位于共轭电磁发送单元几何中心位置的定向磁接收单元接收到的干扰磁信号为零或者小于设定的阈值，存储新的电流幅度控制信号，进入步骤3；

步骤6. 安检探测前端将调整后的电流幅度控制信号交给数据传输模块发送给数据处理后台，数据处理后台的数据传输模块接收后输入到数据处理后台的数据处理模块进行存储，预校准过程结束。

10.根据权利要求8所述的基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检方法，其特征在于基于共轭电磁收发阵列宽频探测及可视显示安检系统及方法的探测过程包含以下步骤：

步骤1．安检探测前端发送宽频探测磁信号,安检探测前端的数据处理单元读取存储在数据存储单元中的宽频探测信号和电流幅度控制信号，并经过电流控制模块进行D/A转换后，在电流控制电路产生相应的电流输入到共轭电磁收发阵列中的各个共轭电磁发送单元的线圈,

步骤2. 安检探测前端接收探测磁信号和采集图像信息,共轭电磁收发阵列中的各定向磁接收单元接收磁信号并转换为电信号，即磁电信号；图像采集装置采集被检测目标的图像信号,将磁电信号和图像信号经过数据处理模块进行去噪、放大等预处理之后，通过安检探测前端的数据传输模块发送给数据处理后台,

步骤3. 数据处理后台接收磁电信号和图像信号,数据处理后台的数据传输模块接收到磁电信号和图像信号后，输入到数据处理后台的数据处理模块,

步骤4. 数据处理后台处理磁电信号和图像信号,在数据处理后台的数据处理模块，根据接收到的磁电信号分析每个定向磁接收单元接收到的信号的强度和方向，反演出金属导体所在的位置、属性和大小等信息,同时，数据处理模块对图像信号进行轮廓参数分析，提取出被检测目标的轮廓,

步骤5. 数据处理后台显示探测结果,在人机交互模块，同时以不同颜色显示被探测目标的轮廓和金属物品的位置、属性和大小。