CN102713665A - 物体检测 - Google Patents

Abstract

检测方法，包括导引辐射，使得所述辐射入射到目标上，所述辐射包括具有第一极化的分量和具有第二正交极化的分量；检测从所述目标散射的辐射，以及分析检测到的散射辐射的极化状态，以确定所述目标是否包括物体。

Description

物体检测

技术领域

本发明涉及物体检测。

背景技术

使用电磁辐射检测物体的存在是公知的(例如，用于检测地上或地下物体的手持式检测器，和机场的走过式拱形门(walk-througharch))。然而，机场使用的常规检测器在很大程度上可能不能确定物体的尺寸，因而可能不能区分不同类型的物体物体，即无害的(皮带扣、照相机)和潜在危险的(枪、刀)。

对微波(波长在厘米至毫米范围的电磁波)的使用可以提供一种装置，用于远距离检测(standoff detection)以及对诸如手枪和刀之类的隐藏导电物品的识别。与人体、衣服和/或良好的正常携带物体相比，当被低功率微波照射时，诸如手枪之类的大金属物体可以作出显著不同且通常更大的响应。可以使用天线和接收机的组合检测该更大响应。当利用扫频和/或步进频率微波辐射照射物体时，从物体返回的辐射的频率响应可以提供关于物体尺寸的信息。

期望提供一种能够以现有技术未公开的方式检测例如刀等物体的系统。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种检测方法，包括：导引辐射，使得所述辐射入射到目标上，所述辐射包含具有第一极化的分量和具有第二正交极化的分量；检测从所述目标散射的辐射；以及分析检测到的散射辐射的极化状态，以确定所述目标是否包括物体。

使用包含具有第一极化的分量和具有第二正交极化的分量的辐射是有利的，原因在于避免了如下可能性：即辐射与诸如刀之类的各向异性物体正交或平行。如果辐射与各向异性物体正交或平行(在现有检测方法中可能发生的)，则这可能导致检测到零或极小信号，使得不会检测到刀或其它各向异性物体的存在。

术语“极化状态”可以被解释为包括：给定参考框中检测到的散射辐射的极化分量的相对大小的比较(例如，一对正交轴)。

除了极化状态之外，检测方法还可以使用检测到的散射辐射的幅度。例如，幅度可以提供对物体的散射表面的尺寸的指示。在上下文中，术语幅度可以包括诸如检测到的散射辐射的强度之类的度量。

所述分析可以包括将所述检测到的散射辐射的极化状态与物体存在情况下期望的散射辐射的极化状态相比较。

所述辐射可以是扫频辐射。使用扫频辐射可以提供关于物体的深度的信息(即，沿实质上与辐射传播方向平行的方向的物体的尺寸)。这可能有助于确定物体是威胁物体还是非威胁物体，并且可以有助于识别物体。

所述分析可以包括：将所述检测到的散射辐射的频率响应中的模式与在先记录的模式相比较，或者在时域中执行等价比较。

所述分析可以确定所述物体是威胁物体还是非威胁物体。

所述分析可以提供对所述物体的识别。这可以通过使用分类方法来执行，其中分类方法基于如下步骤：将所述检测到的散射辐射的频率响应中的模式与在先记录的模式相比较，并寻找匹配或关联(或其它对应关系)。

所述检测到的散射辐射可以是交叉极化的散射辐射。

可以向所述辐射提供旋转线性极化。

可以使用接收机检测所述辐射，其中所述接收机提供对线性极化的旋转检测。

可以使用第一接收机和第二接收机检测所述辐射，第一接收机配置为接收具有第一线性极化的辐射，第二接收机配置为接收具有第二线性极化的辐射。

可以使用第一发射机产生所述辐射，并随后使用第二发射机产生所述辐射，第一发射机配置为发射具有第一线性极化的辐射，第二发射机配置为发射具有第二线性极化的辐射。

可以使用第一接收机和第二接收机检测所述辐射，第一接收机配置为接收具有第三线性极化的辐射，第二接收机配置为接收具有第四线性极化的辐射。

所述第三线性极化可以实质上与第一线性极化正交，以及所述第四线性极化实质性与所述第二线性极化正交。

所述第二线性极化可以相对于所述第一线性极化对向(subtend)约45°。

可以使用发射机产生所述辐射，其中该发射机发射圆或椭圆极化辐射。

所述检测到的散射辐射可以由接收机接收，所述接收机配置为接收具有与发射的辐射相同极化手性(handedness)的辐射。

所述方法还可以包括：当物体存在时，根据频率分析检测到的散射辐射的极化，以确定物体是威胁物体还是非威胁物体。

所述方法还可以包括：根据频率分析检测到的散射辐射的极化，以识别物体。

所述扫频辐射可以包括按照多个离散频率步进的辐射。

可选地，对所述检测到的散射辐射的所述分析不包括相位信息。

可选地，对所述检测到的散射辐射的所述分析包括相位信息。

可以使用人工神经网络或等价软件执行所述分析，其中，已经在先训练了所述人工神经网络或等价软件以识别物体。

根据本发明的第二方面，提供了一种检测系统，包括：发射机，配置为导引辐射，使得所述辐射入射到目标上，所述辐射包含具有第一极化的分量和具有第二极化的分量；接收机和检测器，配置为接收和检测从所述目标散射的辐射；以及处理器，配置为分析所述检测到的散射辐射的极化状态，以确定所述目标是否包括物体。

所述检测系统可以是非常便携的，能够以手持的方式使用。

所述检测系统还可以配置为实现以上所述检测方法中的一个或多个元素。

本发明的一些实施例可以包括记录或可记录介质，在其上记录或存储了数字数据，该数字数据限定或可转换为由处理电路执行的指令，该指令与本文描述的方法相对应。

本发明的一些实施例可以包括服务器、存储器和通信设备，服务器包括处理电路，所述服务器可以被编程，以按照要求通信或传输数字数据，该数字数据限定或可转换为处理电路执行的指令，该指令与本文描述的方法相对应。

本发明可以提供对威胁物体的远距离检测。

附图说明

现在，将参考附图以示例的方式详细地描述本发明的实施例，其中：

图1是示出了根据本发明实施例的示出了物体检测系统的示意图；

图2是示出了使用图1的物体检测系统从厨房刀散射的辐射强度随角度变化的图；

图3示出了使用物体检测系统检测的刀的两个可能方向；

图4是示出了在0.1-20GHz的频率范围上对厨房刀仿真得到的交叉极化S_ZX和S_XZ的散射参数的量值的图；

图5是示出了在0.1-20GHz的频率范围上对厨房刀仿真得到的交叉极化S_XX和S_ZZ的散射参数的量值的图；

图6是示出了在0.1-20GHz的频率范围上对左轮手枪仿真得到的交叉极化S_ZX和S_XZ的散射参数的量值的图；

图7是示出了在0.1-20GHz的频率范围上对左轮手枪仿真得到的交叉极化S_XX和S_ZZ的散射参数的量值的图；

图8是示出了根据本发明备选实施例的物体检测系统的示意图；

图9是示出了根据本发明另一备选实施例的物体检测系统的示意图；以及

图10是示出了根据本发明再一备选实施例的物体检测系统的示意图。

具体实施方式

现在，下文将参考附图更完整地描述本发明的实施例，在附图中示出了本发明的实施例。然而，可以多种不同形式实现本发明，并且本发明不应该被解释为局限于本文所述的实施例。此外，提供这些实施例，使得本公开是全面和完整的，并且向本领域技术人员充分地表达本发明的范围。

应理解，尽管本文将术语第一、第二等用于描述多种元件，但是这些术语不应该限制这些元件。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件相区分。例如，在不背离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称作第二元件，以及类似地，第二元件可以被称作第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括任何一项以及一个或多个相关联列出项的所有组合。

应理解，当诸如层、区域或衬底等元件被称作在另一元件“上”或者延伸到另一元件“上”时，其可以直接在其它元件上或者直接延伸至其它元件上，或者还可以存在居间元件。相反，当元件被称作直接在另一元件“上”或者直接延伸到另一元件“上”时，不存在居间元件。还应理解，当元件被称作“连接”或“耦合”至另一元件时，其可以直接连接或耦合至其它元件，或者可以存在居间元件。相反，当元件被称作“直接连接”或“直接耦合”至另一元件时，不存在居间元件。

本文可以使用诸如“在…以下”或“在…以上”或“上面”或“下面”或“水平”或“垂直”等相对性术语描述如图所示的一个元件、层或区域与另一元件、层或区域之间的关系。应理解，这些术语旨在包括除附图所描述方向之外的器件的不同朝向。

本文使用的术语学仅为了描述特定实施例，并非旨在限制本发明。如本文使用的，除非上下文表示，否则单数形式“一个”、“这个”(“a”、“an”和“the”)旨在也包括多数形式，还应理解，当本文使用术语“包括”(“comprises”、“comprising”、“includes”和/或“including”)时，明确说明了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或附加。

除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属技术领域的普通技术人员普通理解的相同含义。还应理解，本文使用的术语应该被解释为与其在本说明书的上下文中的含义和相关技术相符的含义，并且不应该理想化或过度形式化地进行解释，除非本文清楚地这样限定。

本发明包括可以自动实现的方法，并且可以包括计算机程序指令。可以在微控制器、微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、可编程逻辑控制器(PLC)或其它处理单元、通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置中存储或实现这些计算机程序指令，以产生机器，使得可以经由计算机或其它可编程处理装置的处理器执行的指令创建用于实现所述方法的功能/动作的装置。

还可以在计算机可读存储器中存储这些计算机程序指令，使得在计算机可读存储器中存储的指令产生包括指令装置的产品，该计算机可读存储器可以指导计算机或其它可编程数据处理装置以特定方式运行，该指令装置实现在流程图和/或框图或框中指定的功能/动作。

还可以将计算机程序指令加载至计算机或其它可编程数据处理装置中，使得在计算机或其它可编程装置上执行一系列操作步骤来产生计算机实现的进程，以使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供用于实现所述方法的步骤。应理解，在上下文允许的情况下，可以按照与所描述的顺序不相同的顺序来执行方法的独立功能/动作。

本发明的实施例可以用于远程检测在衣服下隐藏的金属和/或电介质物体的存在和/或尺寸。本文的实施例可以用于远程检测金属和/或电介质物体。本上下文中的电介质是诸如陶瓷等非导电(即，绝缘)物，其具有足够小的介电常数来允许微波通过。陶瓷刀或枪是电介质物体的例子。本发明的实施例可以检测各向异性和/或包括各向异性边缘的物体。本发明的实施例可能特别适用于检测是各项异性的和/或包括各向异性边缘的金属物体。

本发明的实施例可以对目标进行直接扫频辐射(可以包括步进频率辐射)并检测从该目标散射的辐射。本发明的实施例可以检测散射辐射的幅度和相位，或者可以检测散射辐射的幅度而不检测相位。对幅度和相位的检测可以被称作正交检测，以及仅对幅度的检测可以被称作直接检测。在上下文中，术语“幅度”可以被看作包括幅度的平方(辐照度)或者其它相关度量单位。从数学角度看，对扫频辐射的使用可以被看作是与(常规雷达中使用的)使用快速微波脉冲及测量随时间的响应相类似。

图1是根据本发明实施例的使用直接检测的物体检测系统的示意图。物体检测系统包括微波源100，所述微波源经由倍频器102连接至充当发射机104的增益天线(gain horn)。发射机104被配置为发射一定范围频率的微波辐射。可以结合增益天线使用聚焦光学器件(未示出)以聚焦辐射，使得辐射入射到以期望的横截面光束区域监视的人上，该期望的横截面光束区域与所检测的物体的大小相当。第二增益天线充当接收机106，被配置为接收从所监视的人散射的辐射。发射机104和接收机106(和相关联聚焦光学器件)可以彼此相邻，或者可以彼此远离。接收机向检测器108传递接收的散射辐射，该检测器108检测辐射并提供电输出信号。与检测器108相连的放大器110被配置为放大来自检测器的输出，并且向计算机112(或者其它数据捕获和处理装置)传递放大后的输出。可以通过计算机112存储检测到的散射辐射随辐射频率变化的幅度。计算机112分析检测到的散射辐射的性质，从而识别物体的存在，并且计算机112可以识别物体的本性。要分析的性质可以包括检测到的散射辐射随频率变化的模式形式。以下将对分析检测到的散射辐射的方式进行进一步的描述。

发射机104可以被配置为发射具有第一极化的辐射，以及接收机106可以被配置为接收具有第二极化的辐射，第二极化与第一极化正交。这可以被称作交叉极化检测。参考图1中指示的笛卡尔坐标，例如，发射机104可以被配置为发射沿x方向极化的辐射，以及接收机106可以被配置为接收沿z方向极化的辐射。提供图1(和其它附图)中的笛卡尔坐标以便于说明，并非旨在暗示检测系统具有任何特定的朝向。

可以可旋转地安装发射机104和接收机106，使得它们在发射和接收辐射的同时可以旋转。旋转可以绕着与发射机104和接收机106的极化方向相垂直的轴(例如，绕与y轴平行的轴)。可以将发射机104、倍频器102、接收机106和检测器108全部保持在可旋转框架111上，其中该可旋转框架111绕着与y轴平行的轴旋转。使用相同框架旋转接收机106和检测器108提供了如下优势：即，接收机106和检测器108的旋转同步(不需要单独的同步控制)。微波滑动接合点可以用于将微波从非旋转微波源100引导至旋转倍频器102。在其它实施例中，可以在可旋转框架111中保持更多或更少的部件。在备选实施例中，可以将发射机104和接收机106安装为分离地旋转(即，没有安装在单个可旋转框架上)。在这种情况下，可以通过同步控制使发射机104和接收机106的旋转同步，使得发射机和接收机的极化方向保持彼此正交。

在备选实施例中，代替旋转发射机104和接收机106，发射机和/或接收机可以是非旋转的，但是可以包括电子元件，该电子组件提供发射机和接收机极化朝向上的等价旋转。本实施例的优势在于，没有移动部件。例如，电子元件可以使用法拉第旋转。

发射机104的旋转将使得发射机发射的辐射的极化绕着y轴旋转。类似地，接收机106的旋转将使接收机检测具有绕着y轴极化的辐射。因为接收机106的旋转与发射机104的旋转同步，所以接收机的极化方向总是与发射机的极化方向正交。因此，所检测到的辐射的极化总是与所发射的辐射的极化垂直(即，进行了交叉极化检测)。

发射机104发射的电磁辐射可以具有最大波长，该最大波长比得上或小于要检测物体的长边。例如，物体可以被隐藏在人身体上。可以使用发射机104将辐射导引人(未在图1中示出)，使得通过辐射照射物体的至少一部分。在安全操作限制内保持所发射的辐射的强度(即，使得不影响人的健康)。可以(至少部分地)基于检测器108的灵敏度选择所发射的辐射的强度。

可以远离要监视的人(并且从而远离物体)对辐射进行发射和检测。例如，发射机104和接收机106可以位于相距要监视的人1米或更远处。发射机104和接收机106与要监视的人之间的距离不存在下限。距离的上限可能起因于用于聚焦辐射的聚焦光学器件的有效性以及位于要监视的人处的期望的辐射的横截面区域。在一些实施例中，用于检测系统的可能操作距离可以从几十厘米至几十米，并且范围可以从约1米至约10米或更多。这种可能的操作距离可以取决于辐射的频率。这是因为一些微波频率被大气衰减了。可以选择诸如在约94GHz周围找到的大气窗口来最小化这些效应。

在将辐射入射到监视的人上时，可以将辐射的频率扫描过频率范围。频率扫描的范围确定了(沿辐射的传播的方向测量的)系统的深度分辨率。因此，有利地是使得频率的扫描范围最大化，以给出物体之间的更大区别。例如，频率的扫描范围可以与W波段(75-110GHz；提供了35GHz的扫描范围)相对应。微波源100可以产生具有期望频率范围的一部分频率的微波辐射，以及倍频器102可以倍增辐射的频率，使得提供期望频率范围。可以使用诸如K和Q波段(14-40GHz；提供了26GHz的扫描范围)之类的其它波段来补充或替换W波段。在一些情况下，微波源100可能能够在无需倍频器的情况下产生期望频率范围的微波。在这种情况下，可以从检测系统中省略倍频器。例如，可以将辐射的频率扩展到高达300GHz(该频率以上的频率对穿透衣服无效)。例如，可以将辐射的频率扩展至低达40GHz，可以扩展到低至1GHz，并且可以扩展到低至0.1GHz。可以使用约40-300GHz频率范围内宽度上约10-50GHz的扫描频带。

可以提供扫频辐射，作为发射机104发射的连续范围频率上的辐射。备选地，扫频辐射可以包括发射机104发射的一系列步进频率的辐射。在下一次扫描开始之前，在每次频率扫描的结尾，在辐射中可以存在间歇。所有这些可能性可以被看作是连续波辐射的例子。

频率扫描可以以低频作为开始，并扩展至高频，或者可以以高频作为开始，并扩展至低频。备选地，频率扫描可以按照伪随机的顺序、随机的顺序或任何其它适当顺序通过不同频率。

如以上进一步说明的，发射机104和接收机106被配置为旋转，使得发射机104发射的辐射的极化绕着与y轴平行的线旋转，并且接收机106接收的辐射的极化也绕着与y轴平行的线旋转。对发射机104和接收机106的旋转进行同步，使得接收机极化总是与发射机极化正交(从而提供交叉极化检测)。

在将发射机发射的辐射的频率扫描通过频率范围的同时，旋转发射机104和接收机106。在监视人期间，可以执行多次频率扫描以及多次发射机104和接收机106的完全旋转(即，旋转360°)。

在实施例中，频率扫描的持续时间可以短于发射机104和接收机106的完全旋转的持续时间。在这种情况下，在发射机104和接收机106的完全旋转期间，可以发生多次频率扫描。不需要将频率扫描与旋转同步，因此在完全旋转的起始和结束处频率可以具有不同值。

在备选实施例中，频率扫描的持续时间可以长于发射机104和接收机106的完全旋转的持续时间。再次地，不需要将频率扫描与旋转同步。

在另外的备选实施例中，可以按照一系列的朝向以一连串步骤(例如，受步进马达控制)旋转发射机104和接收机106。在这种情况下，当发射机104和接收机106具有第一朝向时，可以执行频率扫描，然后当发射机和接收机具有第二朝向时重复，等等。

可以使发射机104和接收机106旋转少于360°(例如，旋转90°)，而不会显著地降低识别物体的精度。这将在以下进一步说明。

例如超声波传感器的传感器或者立体照相机可以用于测量发射机104(和接收机106)与要监视的人之间的距离。因为辐射束的横截面形状可以随着辐射束的传播而改变，并且当分析检测到的散射辐射时期望知道辐射束的横截面形状(横截面形状可能影响辐射发生散射的方式)，所以该距离信息可能是有用的。

图2示出了使用图1所示的检测系统收集的数据。记录了所检测到的从标准厨房刀散射的辐射幅度随发射机104朝向的变化。发射机104和接收机106均旋转360°。

根据

(即，对自变量进行正弦调制，该自变量是旋转角度的两倍)，幅度响应随着角度θ改变。图2中示出的测量值与检测到的散射辐射的幂成比例，所述测量值是幅度响应的平方。响应的形状表示所述刀。这是因为刀是各向异性的，朝一个方向延长，因而导致了显著的散射极化辐射，其中仅当电场方向没有完全沿着刀的长度时，该极化与入射辐射的极化正交。当入射辐射的极化向着～45°(相对于刀的长轴(刀片))时，检测到的散射辐射最强。这是因为入射辐射包括位于刀片刀刃的平面中的实质极化分量，并且从刀散射的辐射包括位于接收机极化的平面中的实质极化分量(当散射辐射时，刀的刀刃使极化更改)。当相对于刀片入射辐射的极化朝向0°时，检测到的散射辐射最小。这是因为，尽管入射辐射的极化位于刀片刀刃的平面中，并且因而导致了显著的散射，但是从刀片散射的辐射不包括位于接收机极化的平面中的实质极化分量。类似地，当相对于刀片，入射辐射的极化朝向90°时，检测到的散射辐射也最小。这是因为入射辐射的极化与刀片刀刃垂直，因而刀片没有使得入射辐射显著散射。

本发明的实施例使用辐射，该辐射包含具有第一极化和第二正交极化的分量。这是有利的，原因在于这避免了辐射与刀(或其它各向异性物体)正交或平行的可能性。

除了当发射机来发射相对于刀片呈45°的极化辐射时包括最大的检测到的散射辐射之外，当发射机朝向135°、225°和315°时，图2也包括最大值。这是因为，当发射机具有这些朝向时，入射辐射的反射以相同方式行为(辐射与刀的长刀刃之间的相互作用相同)。类似地，当发射机朝向180°和270°时，可见检测到的散射辐射的最小值。图2所示的最大值具有不同的高度。然而，这些不同高度起因于在测量期间辐射相对于刀的角度误差，而非检测系统自身的性质。

对图2所示的检测到的散射辐射的调制表示刀是水平的还是垂直的(入射辐射的初始极化是水平的)。如果刀具有不同的朝向，则检测到的散射辐射将相对于水平轴移动，但是检测到的散射辐射的特性调制形状将保持。

基于上述原因，图2所示的检测到的散射辐射的形状表示是刀，其中图2所示的检测到的散射辐射形状起因于散射辐射的极化状态。散射辐射的这种形状可以表示其它各向异性物体，而不局限于刀。这是因为长刀刃(具体地，尖锐刀刃)导致了正交极化的辐射散射，这种散射的强度随着入射辐射的极化(接收机的极化)而改变。

各向异性上比刀更弱的物体，例如手枪，可以导致所检测到的散射辐射具有极化状态，其中所述极化状态不会导致图2所示的形状，而是导致了允许识别该物体的形状。具有光滑表面的导电材料(包括人体)大体上是极化守恒的(polarization conserving)。因此，这些没有导致强交叉极化的检测到的散射辐射，从而将向检测到的散射辐射贡献有限量的噪声。这可以允许将物体从人体中区分出来。

一般而言，极化辐射从物体散射的方式和散射辐射的极化状态将取决于该物体的形状。可以通过使用本文称作散射参数的参数来表征这种情况。以下处理从理论的角度证明了检测系统区分刀和诸如手枪之类的弱各向异性物体的能力。

散射参数依方位而定，即，取决于物体相对于入射辐射极化的方向。然而，对任何一个方位中的散射参数的测量允许(经由逆傅立叶变换)导出任何其它方位的散射参数，并且允许散射表面的展开，其中该散射表面是与频率或时域的无关的方位。因此，散射参数数学地描述了检测系统对诸如刀之类的各向异性散射体与诸如移动电话之类的另一个各向同性物体进行区分的能力。针对入射辐射的指定极化的散射参数的测量可以用于确定针对入射辐射的所有其它极化的散射参数。作为识别物体的分析的一部分，可以由检测系统确定针对所有极化的散射参数。然而，这并非必需的，所述分析可以代替地直接使用检测到的辐射的散射参数。

图3示出了两个不同朝向的刀。在图3a中，刀具有相对于所表示的笛卡尔坐标的任意朝向。在图3b中，使刀从该任意朝向旋转角度θ。在图3b中，示出了一起旋转了角度θ的第二组坐标(有撇号的)与原始组坐标(无撇号的)。有撇号的坐标允许针对旋转刀的散射参数矩阵(S矩阵)等于针对未旋转刀的散射参数矩阵。

从物体(例如：刀)的散射可以被表示为如下矩阵等式：

$\left[\begin{array}{c}{E}_{-x}\\ E_{-z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{xx}}& S_{\mathrm{zx}}\\ S_{\mathrm{xz}}& S_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_{+x}\\ E_{+z}\end{array}\right]---\left(1\right)$

简明表示为：

E_-＝SE₊                                (2)

其中，E_+x和E_+z分别是辐射在x轴和z轴方向上的入射电场分量(即，极化)，以及是E_-x和E_-z散射电场。

如果现在使物体旋转角度θ，不失一般性，可以定义新坐标系统(有撇号的)，使得散射参数矩阵等于等式(2)中给出的无撇号的坐标系统(这就是图3b所做的)。

因此，在有撇的坐标系统中，可以将从物体的散射写为：

E′_-＝SE′₊                            (3)

可以将有撇号框与无撇号框(坐标系统)的E场矢量(即，极化)之间的关系容易地表示为：

E′_±＝RE_±                            (4)

其中，R是通过如下等式给出的旋转矩阵：

$R=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(5\right)$

因此，可以通过使用等式(3)和(4)确定针对无撇号框中的旋转物体的散射等式：

E_-＝R^-1SRE₊                            (6)

其中， $R^{-1}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

因此，可以得到：通过如下等式给出了从物体的任意零位置S旋转角度θ后的物体的S矩阵，S(θ)：

S(θ)＝R^-1SR                           (7)

由物体的S矩阵S(θ)在朝向角度0°＜θ＜90°上产生的表面可以唯一地识别散射物体。以下描述这种情况的简要说明，之后考虑图4至7，示出了由散射参数形成的表面，其中使用用于厨房刀和左轮手枪的数字模型产生该散射参数。

可以使刀朝向为使得刀片沿着z轴(即，如图3a所示)。可以提供两个固定(非旋转的)接收机，调整一个固定接收机以仅记录E场的z分量(即，具有z方向极化分量的辐射)，调整另一个接收机仅记录E场的x分量(即，具有x方向极化分量的辐射)。首先，可以利用z方向极化辐射来照射刀，然后再利用x方向极化辐射来照射刀。调整用来记录E场的x分量的接收机没有接收到散射辐射，但是调整用来记录E场的z分量的接收机将接收到散射辐射。因而，在这种情况下，散射参数看起来如下：

$S=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(8\right)$

这是近似值，对于宽度比长度小得多的极长瘦型物体其是真。当使用该近似值时，根据等式7，相对于z轴旋转了θ的刀的散射参数是：

$S\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{cc}{\sin }^2\mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}& {\cos }^2\mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(9\right)$

通过等式9可见，最大交叉极化的接收到的散射辐射(the maximumcross-polarised received scattered radiation)总是在45度，并且交叉极化的接收到的散射辐射随着函数sinθcosθ改变。

因为等式9的S(θ)是对称的，仅需要交叉极化辐射项之一来确定诸如刀之类的各向异性物体的存在。因此，可能通过如下步骤来确定诸如刀之类的各向异性物体的存在：利用具有给定极化的辐射来照射刀，并且测量处于垂直极化中的散射辐射。然而，为了避免入射辐射没有从刀散射的情形，可能需要一种具有沿多于一个正交方向的极化分量的辐射。类似地，为了避免检测不到从刀散射的辐射的情形，可能需要一种接收机(如以上附加描述的单旋转接收机)，其中该接收机具有沿多于一个方向的极化分量。

本发明的实施例可以利用具有给定极化的辐射来照射物体，并测量具有垂直极化的散射辐射，以推导诸如刀之类的各向异性物体的存在。发射机和垂直接收机的旋转(例如，如图1所示)一起允许确定物体对辐射的散射的角度依赖性。如果角度依赖性是sinθcosθ的形式，则可以被识别为刀(或者一些其它强各向异性物体)。如果角度依赖性不是sinθcosθ的形式，则物体可以是其它物体，而非刀。

图4示出了在交叉极化检测中(即，使用具有第一方向的E场矢量(极化)的辐射来照射厨房刀，并且检测处于正交方向的E场矢量)可见的厨房刀的散射参数的量值。散射参数确定了交叉极化检测到的散射辐射的极化状态，其中当辐射导引向厨房刀时将看见该极化状态。在图4a中，使用沿z方向极化的辐射来照射厨房刀，并检测沿x方向极化的辐射。使厨房刀旋转90°(等价地，厨房刀可以静止，而可以旋转E场矢量)。从0.1至20GHz扫描辐射的频率。这小于本发明实施例可能使用的频率范围，但是是数字模型中可用的频率范围。数字模型提供了散射参数的表面，该表面具有对强各向异性物体(在这种情况下，厨房刀)加以识别的形式。图4a表明散射参数随着频率剧烈地变化。在约8Ghz以上的频率处，在45°处可见最大散射参数，最大量值随着频率的增大而增大。基于以上参考图2附加说明的原因，该最大值表示当厨房刀朝向45°时，看见最强交叉极化散射。在图4b中，使用沿x方向极化的辐射来照射厨房刀，并检测沿z方向极化的辐射。这提供了散射参数的表面S_zx。通过图4a和4b的比较可见，散射参数的表面与图4a中的散射参数的表面相同。45°处的最大值再次表示当厨房刀朝向45°时，看见最强交叉极化散射。图4a和4b所示的这种强最大值表示强各向异性物体，例如厨房刀。

图4所示的散射参数的表面的简单形状对强各向异性的且关于其轴是对称(或者实质上对称的)的物体加以表示。对散射辐射的检测可以表示刀的存在，其中该散射辐射具备按照图4所示的方式(或类似方式)变化的强度。因此，对散射辐射的检测可以表示刀的存在，其中该散射辐射随着角度的函数sinθcosθ(或类似形式)变化。在形状上没有刀简单的并且各向异性更弱的其它物体可以导致更复杂的交叉极化散射参数的表面，例如以下参考图6进一步讨论的。

图5示出了在共极化检测中(即，使用具有第一方向的E场矢量(极化)的辐射来照射厨房刀，并且检测处于相同方向的E场矢量)可见的厨房刀的散射参数的量值。在图5a中，使用沿x方向极化的辐射来照射厨房刀，并检测沿x方向极化的辐射。从0.1至20GHz扫描辐射的频率，并使厨房刀旋转90°。可见，当刀朝向x方向时，在约8Ghz以上的频率处，看见最大值。在图5b中，使用沿z方向极化的辐射来照射厨房刀，并检测沿z方向极化的辐射。可见，当刀朝向z方向时，在约8Ghz以上的频率处，可见最大值。图5a和5b所示的这种强最大值表示了强各向异性物体，例如厨房刀(当极化具有与各向异性物体的长方向相平行的大分量时，看见强共极化散射)。

图6示出了在交叉极化检测中可见的左轮手枪的散射参数的量值。在图6a中，使用沿z轴方向极化的辐射来照射手枪，并检测沿x方向极化的辐射。使手枪旋转90°，并从0.1至20GHz扫描辐射的频率。散射参数随着频率剧烈变化，并提供了散射参数S_zx的表面，该表面具有可以识别左轮手枪的形式。在散射参数的表面中的不同频率处以及针对手枪的不同朝向看见了峰值。这些峰值与手枪的部件或零件对辐射的散射相对应，散射的强度取决于该手枪的这些部件或零件的大小和朝向。因为手枪具有许多部件或零件，所以这些部件或零件中的至少一项可能向给定朝向的手枪提供显著的交叉极化散射。在图6b中，使用沿x方向极化的辐射来照射左轮手枪，并且检测沿z方向极化的辐射。这提供了散射参数S_zx的表面。通过图6a和6b的比较可以看出，图6b中的散射参数的表面与图6a中的散射参数的表面相同。因此，散射参数的表面可以用于识别左轮手枪。

图7示出了在共极化检测中(即，使用具有第一方向的E场矢量(极化)的辐射来照射物体，并且检测沿相同方向的E场矢量)可见的左轮手枪的散射参数的量值。使左轮手枪旋转90°，并从0.1至20GHz扫描辐射的频率。图7a和7b中的散射参数的表面没有包括在图6a和6b中看见那种类型的明显峰值。这表明，与交叉极化检测相比，共极化检测不太适于识别物体，尤其是各向异性物体。此外，因为人体散射的辐射将受共极化辐射的支配，所以交叉极化检测可以提供对物体与携带该物体的人体更好的区分(与共极化检测相比)。可以结合交叉极化检测来使用共极化检测。这可能有助于对物体与携带该物体的人体进行区分，这可以通过仅使用交叉极化检测来实现。

图4至7表明了物体的形状对物体的散射参数(以及散射辐射的极化状态)具有极强的影响，并表明了该散射参数可以用于识别物体(通过分析检测到的散射辐射的极化状态)。在图4至7的仿真中使用的物体是相对各向异性的。诸如移动电话之类的是相对各向同性的物体具有不随着朝向角度强烈改变的散射参数。这允许区分各向同性物体与各向异性物体。

多种方法可以用于基于检测到的散射辐射来识别物体。所述方法可以基于检测到的散射辐射与先前针对已知物体记录的(或仿真的)散射辐射之间的比较。这种比较可以使用模式识别和任何其它适当技术。在进行比较之前可以执行初始处理。例如，初始处理可以包括：基于测量得到的发射机104(和接收机106)与要监视的人之间的距离来调整检测到的散射辐射。如以上提及的，可以使用诸如超声波传感器之类的分离传感器来测量该距离。

在实施例中，模式识别算法可以用于基于检测到的交叉极化的散射辐射(以及也可能地，检测到的共极化的散射辐射)来识别物体。可以向模式识别算法提供关于发射机(和接收机)与目标之间的距离(这可以被称作范围)的信息。可以向模式识别算法提供在多个不同朝向处接收的检测到的散射辐射。所述算法可以用于诸如人工神经网络之类的模式识别系统(或者等价软件)。以下进一步描述可以如何使用模式识别算法的例子。

图8是根据本发明备选实施例的物体检测系统的示意图。与图1所示的实施例一样，本发明的该实施例使用直接检测(即，不检测散射辐射的相位)。然而，与图1的实施例不同，所述检测系统不包括旋转安装的发射机和旋转安装的接收机，而是代替地具有多个固定发射机和多个固定接收机。检测系统的其它部件可以按照与以上参考图1描述的方式相等价的方式来操作。

所述检测系统包括微波源100a，被配置为产生微波辐射，并经由倍频器102a、b将其导引至充当发射机104a、b的增益天线。参见图8所示的笛卡尔坐标，第一发射机104a被配置为发射具有与线x＝z平行极化的辐射(仅以说明的目的，以绕z轴旋转的虚线示出)。第二发射机104b被配置为发射具有与z轴平行极化的辐射。微波开关101a位于微波源100a和倍频器102a、b之间，该开关被配置为使得其将辐射导引至第一倍频器102a(和第一发射机104a)或者第二倍频器102b(和第二发射机104b)。

检测系统还包括两个增益天线，充当了接收机106a、b。每个接收机106a、b与检测器108a、b相连，以及每个检测器与放大器110a、b相连。来自放大器110a、b的输出传输至计算机112a(或者其它数据捕获和处理装置)。第一接收机106a被配置为接收具有与线x＝-z平行的极化(仅以说明的目的，以绕z轴旋转的虚线指示)的辐射。第二接收机106b被配置为检测具有与x轴平行的极化的辐射。

如上描述的，笛卡尔坐标并非旨在暗示检测系统具有特定朝向。第一发射机104a可以具有任何朝向，以及第二发射机104b可以具有这样的朝向，使得其发射具有相对于第一发射机发射的辐射旋转了例如45°的极化的辐射。类似地，第一接收机106a可以具有与第一发射机104a正交的朝向，以及第二接收机106b可以具有与第二发射机104b正交的朝向。

计算机112a与微波源100a和开关101a相连，并且被配置为控制微波源100a和开关101a的操作。

在使用中，计算机112a控制微波源100a和开关101a，使得第一和第二发射机104a、b发射扫频辐射不同的次数。计算机还控制对检测到的散射的辐射进行记录，并按照如下方式存储检测到的数据：即该方式允许将检测到的数据与当检测到数据时要发射的辐射频率和极化相关联。

扫频的频率范围可以与以上参考图1描述的频率范围相对应。基于以上参考图1说明的原因，倍频器102a、b是可选择的。

在实施例中，可以如下操作图8的检测系统：

1.控制开关101a，使得辐射被导引至第二倍频器102b和第二发射机104b，并使用微波源100a产生辐射的频率扫描。因此，第二发射机104b发射期望频率范围内具有与z轴平行的极化的辐射。

2.在频率扫描期间，检测第二检测器106b接收到的散射辐射(具有与x轴平行的极化)，并且在计算机112a中记录检测到的散射辐射。

3.控制开关101a，使得辐射被导引至第一倍频器102a和第一发射机104a，并使用微波源100a产生辐射的频率扫描。因此，第一发射机104a发射期望频率范围内具有与线x＝z平行的极化的辐射。

4.在频率扫描期间，检测第一检测器106a接收到的散射辐射(具有与线x＝-z平行的极化)，并且在计算机112a中记录检测到的散射辐射。

对于具有旋转了360度的极化的发射辐射(如由图1的系统提供的)，图8所示的本发明的实施例没有提供交叉极化检测，而是替换地，仅对间隔了45°的两个极化朝向提供了交叉极化检测。如下所述，这可以提供充足的检测到的散射辐射，以允许识别物体。

再次参考图4，当使用极化辐射照射各向异性物体，并检测具有正交朝向的散射辐射时，检测到的散射辐射随不同散射参数而改变。在约8GHz以上的频率处(在该示例中)，如果入射辐射的极化与各向异性物体平行或正交，则检测器检测到的散射辐射的强度低。散射辐射的强度随着入射辐射的极化与物体之间的角度增大而增大，并且在约45°处强度最大，然后当入射辐射的极化与各向异性物体垂直时，强度下降到最小。图8所示的检测系统发射具有两个线性极化的辐射，这两个线性极化间隔45°。再次参考图4，这等价于在相差45°的两个角度收集数据，但是不在任何其它角度收集数据。收集数据的具体角度将取决于辐射照射的各向异性物体的朝向。

在一个示例中，物体与z轴平行，以及第二发射机104b发射的辐射与z轴平行地极化。这等价于图4中检测沿着与角度0°相对应的线的辐射，并检测到了少量或无用的散射辐射。然而，在该示例中，第一发射机104a发射辐射，其中该辐射具有相对于各向异性物体的方向呈45°的极化。这等价于图4中在角度45°收集数据，并提供了充足而有用的散射辐射。对图4的考虑将证实，在0°和45°处测量的数据应该容许将各向异性物体识别为刀，原因在于数据是刀的散射参数的特性。

如果刀具有一些其它朝向，则将不在角度0°和45°收集散射的辐射的数据，而是替换地在间隔45°的两个其它角度收集数据。此外，对图4的考虑将表示：由于刀的明显散射参数，该数据应该允许将各向异性物体识别为刀。

如上所述，对处于任何一个方位的物体的散射参数的确定允许导出任何其它方位的散射参数，并且展开了与方位独立的散射表面。因此，如果检测到具有显著幅度的散射辐射，则对散射辐射的交叉极化检测就可以允许识别物体，而不管该物体的朝向。第一和第二发射机102a、b之间的45°间隔以及相关联检测器106a、b之间的45°间隔保证了具有显著幅度的散射辐射由至少一个检测器来检测。可以提供第一和第二发射机102a、b之间其它角度间隔以及相关联检测器106a、b之间的其它角度间隔，只要该角度间隔使得具有显著幅度的散射的辐射将由至少一个检测器来检测。

如上所述，通过使用与保持到的朝向无关的图8的检测系统可以识别刀。例如，通过考虑图6所示的散射参数表面可见，图8的检测系统可以以相同方式识别其它物体。

图9是根据本发明备选实施例的物体检测系统的示意图。与图1和8所描述的实施例相反，该实施例检测散射辐射的幅度和相位(图1和8所示的实施例只检测辐射的幅度)。对散射辐射的幅度和相位的检测可以被称作正交检测。

检测系统包括第一和第二微波源100b、c。微波源100b、c的操作受计算机112(或其它控制装置)的控制。来自第一微波源110b的输出经由倍频器102c传输至增益天线，该增益天线被配置为充当发射机104c。发射机104c可以包括聚焦光学器件。检测系统还包括第二增益天线，该增益天线被配置为充当接收机106c。接收机106c朝向为横断于发射机104c，使得接收机106c接收具有与发射机发射的复辐射垂直极化的辐射。

来自接收机106c的输出传输至子谐波混频器(SHM混频器)120。SHM混频器120还从第二微波源100c接收辐射，并将接收到的辐射与来自第二微波源100c的辐射混频，以产生这些信号的积，然后将该积转换为电信号。电信号由放大器122放大，然后传输至射频混频器(RF混频器)124。RF混频器124还接收第二信号。通过如下步骤产生该第二信号：使用微波混频器(MW混频器)126将第一和第二微波源100b、c的输出混频，然后使用放大器128放大得到的电信号。由RF混频器124输出的信号包括“同相”部分和“正交”部分。信号经由放大器130传输至可以存储和分析信号的计算机112b。

可以旋转地安装发射机104c和接收机106c，使得发射机104c和接收机106c在发射和接收辐射的同时可以旋转。旋转可以绕着与发射机104c和接收机106c的极化方向相垂直的轴(例如，绕着与y轴平行的轴)。可以将发射机104c、倍频器102c、接收机106c、SHM混频器120和放大器122都保持在绕着与y轴平行的轴旋转的可旋转框架111a上。使用相同框架旋转发射机104c和接收机106c提供了如下优势，即发射机104c和接收机106c的旋转是同步的(不需要单独的同步控制)。微波滑动接合点可以用于将微波从非旋转微波源100b引导至旋转倍频器102c。在其它实施例中，可以在可旋转框架111a上保持更多或更少的部件。在备选实施例中，可以安装发射机104c和接收机106c，以分离地旋转(即，没有安装在单个可旋转框架上)。在这种情况下，可以通过同步控制同步发射机104c和接收机106c的旋转，使得发射机和接收机的极化方向保持彼此正交。

在备选实施例中，代替旋转发射机104c和接收机106c，发射机和/或接收机可以是非旋转的，但是可以包括电子元件，所述电子元件提供其极化朝向的等价旋转。这种实施例的优势在于没有移动部件。例如，电子元件使用法拉第旋转。

在使用中，计算机112b可以使第一和第二微波源100b、c产生扫频微波。第二微波源100c发射的微波辐射的频率可以与第一微波源100b发射的辐射的频率相差固定频率量。例如，该固定频率差可以是范围100-400MHz。

在实施例中，第一微波源100b可以被配置为提供范围从12.5GHz至18GHz的频率扫描(第二微波源100c可以被配置为提供等价频率扫描)。倍频器102c可以被配置为使辐射的频率倍增约6倍，使得发射机104c发射的辐射的频率范围是75GHz至108GHz。在备选实施例中，可以省略倍频器102c。微波源100b、c可以产生任何适当的频率扫描。

SHM混频器120、RF混频器124和MW混频器126的组合允许一起测量由接收机106c接收的散射辐射的相位与辐射的幅度。

可以按照与以上参考图1和8描述的实施例描述的分析相等价的方式来执行对接收到的辐射的分析。然而，此外可以使用相位信息，来提供对数据的初始处理。

数据的初始处理可以包括：使用范围信息从数据中去除没有被目标(例如，要监视的人)或目标携带的物体散射的辐射，而是从一些其它位置(例如，背景中的墙)散射的辐射。可以通过对接收到的幅度和相位数据执行逆傅立叶变换，来获得范围数据。

数据的初始处理还可以包括：调整检测到的散射辐射，使得对准来自要监视的人的躯干的反射。例如，可以通过识别检测到的散射辐射达到了最大值的二分之一的地方，来在检测到的散射辐射中识别对躯干的特征加以表示的特征。然后，例如可以通过躯干散射辐射的主要边缘来对准检测到的散射辐射。要监视的人携带的物体通常将出现在距离(范围)躯干较近的地方。

一旦已经执行了以上初始处理步骤，则可以使用适当的分析方法分析数据。例如，分析方法可以包括模式识别系统。分析可以在接收到的散射辐射的频率响应中寻找作为正在查找的物体或多个物体的特性的模式。

诸如人工神经网络(或等价软件)之类的模式识别系统可以用于基于检测到的交叉极化的散射辐射来区分物体。本发明的实施例可以使用反向传播前馈神经网络。这种类型的神经网络对于本领域技术人员来说是已知的，因而在此不进行详细描述。可以向神经网络提供经过傅立叶变换的输入数据，该输入数据包括交叉极化的检测的散射辐射和共极化的检测到的散射辐射。可以对数据进行一些初始处理，比如去除背景信号和重定比例数据，以考虑发射机(和接收机)与要监视的人之间的距离。神经网络可以产生输出，该输出基于单频率扫描来区分物体。可以按照这种方式产生多个输出，最共同输出被识别为正确输出。在备选方法中，神经网络可以产生输出，该输出基于多个频率扫描区分物体。在这种情况下，神经网络可以使用一些短暂分析。诸如移动电话之类的没有显著锐利边缘的扁平物体可以导致极短的短暂闪烁。可能能够使用基于多次频率扫描的神经网络分析来去除这些效应。神经网络可以“学习”针对包括威胁物体等一系列物体(例如，刀或枪)的典型散射响应。这可以通过调整对与神经网络的连接施加的权重来完成。可以选择权重数目，使得神经网络以非常一般的方式操作，即可以识别物体的类别(例如枪)，而不是仅识别物体的具体模型(例如，提供针对枪的一个模型的正输出(positive output)，但是没有提供针对其它模型的正输出)。在下表中，图9中描述的检测系统用于检测从人体上携带的一系列物体散射的辐射，并且还检测由人体散射的辐射。物体包括在照相机、格洛克(Glock)(RTM)手枪、大厨房刀、奥林匹克发令枪(Olympic starter’s pistol)和小刀。在每种情况下，从14-40GHz对辐射的频率扫描75次。在每次频率扫描期间，人和物体的朝向略微不同。对接收到的数据应用离散逆傅立叶变换。然后，神经网络将每次频率扫描的独立输出分类。在这种情况下，神经网络具有若干输出，据此，对于要识别的每个物体，在预先指定的输出上产生1分。对针对75次扫描的输出的分数进行记录。

在表1中，输出的前7行是在神经网络的训练期间记录的，以及输出的其余行是在训练之后记录的。由于空间有限，所以没有标记输出列。输出列是如下顺序：仅人体、人体和照相机、人体和格洛克(RTM)手枪、人体和以相对于水平方向45°保持的大刀、人体和垂直保持的大刀、人体和奥林匹克发令枪、人体和以相对于水平方向45°保持的小刀、以及人体和水平保持的小刀。

以百分比表示检测系统识别物体(或物体的不存在)的精度。可见，在每种情况下，检测系统都提供了对物体(或物体的不存在)的精确识别。尽管一些情况下，独立的频率扫描导致了错误识别，但是使用75次频率扫描允许对错误识别(数目少的)与正确识别(数目多的)进行区分。

在实施例中，检测系统可以仅被配置为识别目标是否携带了物体。在实施例中，检测系统可以仅被配置为确定物体是威胁物体(例如，枪或刀)还是非威胁物体(例如，照相机或移动电话)。在实施例中，检测系统可以被配置为识别物体(如上所述)。

图10是根据本发明备选实施例的物体检测系统的示意图。物体检测系统可以被看作图8和9所示的物体检测系统的组合，基于该原因，不进行详细描述。检测系统包括第一和第二微波源100d、e，被配置为按照以上参考图9描述的方式相同的方式产生辐射。微波混频器126a和放大器128a将第一和第二微波源100d、e输出的辐射混频，并放大得到的电信号。受计算机112c控制的开关101b经由(可选地)倍频器102d、e将辐射导引至发射机104d、e。可以按照以上参考图8描述的方式相同的方式配置这些部件。

接收机106d、e可以被配置为按照参考图8描述的方式相同的方式接收散射的辐射。第一子谐波混频器120a将接收到的辐射与来自第二微波源100e的辐射混频以产生这些信号的积，然后将该积转换为电信号。第二子谐波混频器120b对第二接收机106e执行相同的操作。得到的电信号由放大器122a、b放大，然后使用射频混频器124a、b将其与从微波混频器126a输出的信号混频。得到的信号由放大器130a、b放大，并由计算机122c进行存储。

对图10的检测系统的操作可以与图8的检测系统的操作相对应。然而，除了记录散射辐射的幅度之外，还记录散射辐射的相位。这允许对接收到的散射辐射数据执行初始处理，例如，考虑要监视的人的躯干的范围信息或位置。

在实施例中，代替旋转发射机和接收机(例如，如图1和9所示)，接收机可以是静止的，而发射机可以旋转。在这种情况下，可以提供多于一个接收机。接收机可以包括两个正交配置的接收机(即，第一接收机被配置为接收具有第一线性极化的辐射，以及第二接收机被配置为接收具有第二正交线性极化的辐射)。

在实施例中，发射机可以是静止的，以及旋转极化器可以用于向由发射机发射的辐射施加极化旋转。例如，发射机可以被配置为发射线性极化辐射(例如，与x轴平行的极化)。可以定位按照相同方向对准的一组导线使得其与辐射相交，其中驱动这组导线绕着与辐射的传播方向实质上平行的轴旋转。例如，可以将该组导线定位在发射机的天线和聚焦光学器件之间。可以选择导线之间的间隔，使得导线修改辐射的极化。例如，导线之间的间隔可以是辐射的最小波长的1/10(或者一些其它适当间隔)。当导线与x轴平行时，所述导线将改变辐射的极化。然而，当导线相对于x轴呈角度时，导线将使辐射的极化旋转到该角度。这是由导线吸收辐射然后重新发射辐造成的。辐射的幅度将随着cosθ而改变，其中θ是导线相对于x轴所对向的角度(在该示例中)。

一个或多个接收机可以被安排为，当通过旋转导线而极化的辐射入射到物体时，接收从该物体散射的辐射(例如，两个正交配置的接收机)。接收机可以与检测器相连，所述检测器被配置为：只检测当导线具有特定范围内的朝向时的辐射。例如，检测器可以只检测当导线和x轴对向的角度在315°和45°之间或者在135°和225°之间(或者其它范围的角度)时的辐射的。这可以确保当旋转导线发射具有相对低幅度的辐射时，不检测辐射(检测由辐射发射的相对低幅度引起的散射辐射可能导致差的信噪比)。范围在315°至45°和135°至225°的导线发射的辐射的最小幅度是0.707(当最大幅度被归一化为1时)。

在备选实施例中，大体只检测当导线具有特定朝向时散射的辐射，而是针对导线的所有朝向检测散射的辐射，但是对检测到的散射辐射的处理仅使用当导线具有特定朝向时检测的辐射。

与旋转接收机相比，旋转导线和静态接收机的组合可能构造更简单并更容易。

在发射机旋转(或者导线旋转)并且接收机包括一对正交朝向的接收机的实施例中，可以通过应用下述变换从检测到的辐射得到检测到的散射的共极化的辐射和交叉极化的辐射：

D_co-polar＝D_xsinθ+D_zcosθ                (10)

和

D_cross-polar＝D_xcosθ-D_zsinθ             (11)

其中，D_x和D_z是针对接收机(朝向x和z方向)中接收的散射辐射的数据点，以及D_co-polar和D_cross-polar是变换后的数据点，其中对于与发射机(或旋转导线)同步旋转的两个正交接收机可以看见所述变换后的数据点。可以在软件中执行从检测到的散射辐射至同旋转接收机所看见的检测到的散射辐射的变换。

在实施例中，发射机可以是静态的，以及接收机可以是旋转的。在这种情况下，可以提供多于一个的发射机。发射机可以包括两个正交配置的发射机(即，第一发射机被配置为发射具有第一线性极化的辐射，以及第二接收机被配置为发射具有第二正交线性极化的辐射)。

在以上描述的本发明的一些实施例中，发射机和接收机均旋转360°，并且可以旋转360°多次。在备选实施例中，可以使发射机和接收机旋转少于360°，并且例如可以使其旋转90°或更多。90°的旋转将允许诸如刀之类的各向异性物体被识别，而不论要监视的人的身体上的刀的朝向(超过90°的旋转可能不提供可以识别物体的任何附加信息)。可以使用少于90°的旋转。然而，显著少于90°的旋转可能导致如下风险：即可能在没有导致足够强的交叉极化的散射辐射的方向中保持各向异性物体，然后没有识别该各向异性物体。

在本发明的备选实施例中，代替使用旋转发射机或发射具有不同线性极化的辐射的两个发射机，而是使用了一种发射机，其发射圆极化辐射或者椭圆极化辐射。圆或椭圆极化辐射可以被看作是包括具有第一极化的第一分量和包括第二正交极化的第二分量。如果向各向同性物体发射具有右旋圆极化(RCP)的辐射，则从各向同性物体散射的辐射将具有左旋圆极化(LCP)。从各向异性物体散射的辐射将包括RCP分量，其可以独立于该物体的朝向。因此例如，检测系统可以包括：发射机，被配置为发射RCP辐射，以及检测器，被配置为检测RCP辐射(或备选地，发射机被配置为发射LCP辐射，以及检测器被配置为检测LCP辐射)。

可能难以构建一种发射机，其发射在频率扫描中使用的频率范围内的圆极化辐射，并且在某些频率，辐射可以是椭圆极化而非圆极化。然而，如果使用了与发射机具有相同或相似设计的接收机，则这可以减弱至少一部分椭圆极化辐射，并且可以较好地阻碍各向同性物体所散射的辐射。

可以使用两个正交朝向的、线性极化的发射机来产生圆或椭圆极化辐射，其中第二发射机与第一发射机在相位上相差90°(或者在椭圆极化辐射的情况下，相差其它数量的相位)。备选地，可以从具有极化依赖性延迟的单一天线，例如螺旋天线，产生圆或椭圆极化辐射。

因为可能需要相位信息，以使用测量的散射辐射来确定散射参数(例如，将接收到的辐射分离为两个正交线性极化分量)，所以当使用圆或椭圆辐射时，可能需要正交检测。

使用椭圆极化辐射的实施例的限制在于，接收机接收到的散射辐射量可以随着各向异性物体的朝向而改变。这种改变可以随辐射的椭圆率而增长。

可以将检测到的散射辐射可以记录为一系列数据值，例如，可以在频率扫描期间周期性地对所述检测到的散射辐射采样。可以同步采样，使得当频率扫描启动时启动采样。如果频率扫描包括一系列步进频率，则可以对于每个频率记录数据值或多个数据值。每次扫描所需的数据值的数目可以是256或更多。

计算机112、112a-c可以包括或者连接至高速数据获取卡(例如，从美国的德州仪器(National Instruments of Texas，USA)获得的PCI-6132)。

为了简洁起见，在以上描述的实施例中使用术语“计算机”112、112a-c。其可以包括微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、可编程逻辑控制器(PLC)或其它处理电路、通用计算机、专用计算机、或其它数据处理装置。术语“处理器”可以被看作是包括所有这些部件。除此之外，可以使用包括Labview orC# code的控制软件控制“计算机”。

提供了正交检测的本发明的实施例可以合并四端口矢量网络分析器(VNA)。例如，VNA可以是可从Rohde Schwarz of Munich，Germany获得的40GHz Rohde Schwarz SVA矢量网络分析器。

可以使用法拉第效应实现发射机发射的辐射极化的旋转。类似地，可以使用法拉第效应实现接收机接收的辐射极化的旋转。

本发明的实施例可以提供定向辐射。术语“定向辐射”可以被理解为有意图的辐射(meaning radiation)，主要沿一个方向传播。例如，定向辐射可以提供在离发射机的预定距离处具有期望直径的辐射。辐射没有必要是衍射极限处的波束。

本发明的实施例特别适于检测各向异性物体的存在，比如刀、金属刀片、剪刀或类似物品。

所描述的本发明的实施例使用接收机，所述接收机被配置为接收与发射机发射的辐射正交地极化的辐射(即，接收机的极化与发射机的极化正交)。这种布置确保了检测到的散射辐射是交叉极化的。只要交叉极化分量存在于接收机接收到的信号中，则接收机和发射机具有正交极化并不重要。基于以不同接收机朝向接收的信号的处理可以用于区分检测到的散射辐射的交叉极化分量与共极化分量。

图1和9所示的本发明的实施例被描述为提供发射机和接收机的同步旋转。这种布置确保了发射机与接收机之间对向的角度保持恒定。然而，这种情况并不重要，并且考虑发射机和接收机的非同步旋转来使用处理。为了实现此，有必要监视发射机和接收机的角度朝向。

尽管本发明的实施例主要集中于对交叉极化辐射的检测，但是本发明的实施例可以使用共极化辐射的检测。在这种情况下，检测到的共极化辐射可以提供对识别物体加以辅助的信息。通过图6和7的比较可见，与交叉极化辐射检测相比，共极化辐射的检测可能不太适于对物体的识别。然而，对包括共极化分量及交叉极化分量的信号的测量可以给出附加信息，以例如确保光束正确地对准目标(典型地，对于良好的对准，最大化了共极化反射(return))。在图8和10所示的实施例中，没有被用于测量交叉极化信号的检测波道受共极化信号支配，因而可以被同时记录，并包括在随后的分析中。

本发明的实施例可以使用微波辐射。术语“微波辐射”可以包括厘米至毫米波长范围的辐射。

在实施例中，物体检测系统可以是便携式的。例如，物体检测系统可以是小到由一个人携带。物体检测系统可以小到在汽车中运输并且可在汽车中操作。

尽管发射机104、104a-d被称作是具有相关联聚焦光学器件的增益天线，但是发射机可以包括任何合适的天线，比如卡塞格伦(cassegrain)天线，并且在适当的情况下可以提供不包括聚焦光学器件的任何适当天线。

当检测到散射的辐射时，本发明的实施例可以记录接收机的朝向(并且可选地，发射机的朝向)。接收机的朝向可以与检测到的散射辐射的值相关联，以允许在对检测到的散射辐射进行分析期间考虑朝向。

如上所述，使用发射机104a-d将辐射导引至人，使得辐射照射到物体的至少一部分上。例如，这可以通过如下过程实现：用户手动地将辐射束指向要监视的人，使得其通过目标期望隐藏刀或其它物体的区域。例如，用户可以通过改变发射机104、104a-d指向的方向来手动地指向辐射束。在备选实施例中，可以经由发射机104、104a-d的机械移动来移动辐射束，使得辐射束通过目标期望隐藏刀或其它物体的区域。例如，机械移动可以提供辐射束的扫描移动。在另一备选布置中，可以经由束控制装置的移动来移动辐射束。例如，可以通过用户手动地执行束控制装置的移动或者可以自动机械地执行束控制装置的移动。

在另一备选布置中，固定发射机阵列可以用于产生辐射束，将该辐射束引导至与要监视的人期望隐藏刀或其它物体的区域相对应的不同位置。还可以使用接收机阵列。

当辐射束入射到要监视的人上时，该辐射束可以具有与可能要检测的物体的尺寸(例如，刀或枪的尺寸)相当的直径。然而，与此相比，辐射束的直径可以更大或更小。例如，辐射束的直径可以是可能要检测的物体的尺寸的两倍大，或者可以比这更大。辐射束的直径可以是可能要检测的物体的尺寸的二分之一，或者可以比这更小。例如，辐射束的直径可以大于10cm，可以是20cm或更大，或者可以是30cm或更大。

辐射的功率可以例如在0dB与5dB之间，并且可以高达20dB或更大。

给定相对大直径的辐射束，在要监视的人期望隐藏刀或其它物体的区域上的辐射束可以相对快速地移动。对于监视的人，这减少了不便之处，并且允许在给定时间段监视更多人。

例如，微波源100、100a-e可以是可从美国加州的安捷伦科技公司(Agilent Technologies of California，USA)获得的40GHz微波合成器。微波源可以是任何适当超宽带微波和/或毫米微波源。

检测器108、108a、b可以是零偏置直接检测器，或者可以是任何其他的合适检测器。检测器108、108a、b可以是平方律检测器。

在正交检测系统中，扫频辐射的频率范围与检测系统的距离分辨率(可以据此辨别离发射机与接收机的不同距离的分辨率)成反比。

在实施例中，可以使用相同天线形成发射机和接收机。

与本发明的正交实施例(例如，如图9和10所示)相比，提供本发明的直接检测实施例(例如，如图1和8所示)可能更便宜，原因在于直接检测实施例不需要与正交检测相关联的部件。然而，直接检测实施例将不提供范围信息，该范围信息可以用于辨别从要监视的人反射的辐射和从背景结构反射的辐射。可以通过确保辐射引导或入射到要监视的人上来减轻该缺点。

本发明的实施例可以发射具有极化的辐射，该极化与辐射传播的方向正交(或实质上正交)。备选地，本发明的实施例可以发射具有极化的辐射，其中，该偏振具有与辐射传播的方向相平行的显著分量。在这种情况下，检测系统可以被配置为检测由于散射而导致的该极化分量的变化。然后，等式(1)的矩阵可以是9元素矩阵，而非4元素矩阵。

本发明的实施例可以使用任意个数的频率扫描。更大个数的频率扫描可以改善检测系统的精度。

描述了与物体的散射参数相关的本发明的实施例。散射参数可以被认为用于确定当辐射引导至物体时看见的交叉极化的检测到的散射辐射的极化状态。可以分析该极化状态，以确定物体是否存在(并且可以用于确定对物体的识别)。该分析还可以考虑检测到的散射辐射的幅度。在这样的上下文中，术语“幅度”可以被看作包括幅度的平方(辐照度)或其它相关度量。

尽管所描述的本发明的实施例全使用扫频辐射，但是这并不是关键的，并且本发明的实施例可以例如使用单频率辐射。辐射的扫频可以提供关于物体的深度的信息(即，沿实质上与辐射的传播方向平行方向的物体的尺寸)。这可能有助于确定物体是威胁物体还是非威胁物体，并且可以有助于识别物体。

本发明的实施例可以包括同轴地安装的视频照相机，被配置为将检测物体时将物体的位置转发给操作者。

尽管已经在检测人携带的物体方面描述了本发明的实施例，但是本发明的实施例可以用于检测其它位置的物体，比如在包内的(例如，如果包是由对于辐射而言是透明或实质上透明的材料构成，其不会导致显著的交叉极化的散射辐射的量)。

检测系统可以是非常便携的，可以以手持方式使用检测系统。

可以根据一个或多个检测到的信号的范围将检测到的散射辐射归一化。

本发明的实施例可以结合其它检测系统或检测方法使用。例如，本发明的实施例可以结合如下系统或方法使用：已知扫描反射(sweptreflectrometry)系统或方法、和/或筒式音调(barrel tone)检测系统或方法、和/或晚期响应(LTR)检测系统或方法。本发明的实施例可以结合国际专利申请WO2009/115818中描述的系统或方法使用，在此并入以供参考。

本发明的实施例可以被添加到常规微波或厘米微波成像系统中。

在常规金属检测器均不适当的应用中可以使用本发明的实施例。这些可以包括隐藏监视及在街道和建筑物中的移动操作。本发明的实施例可以提供远距离检测，例如距离若干米远。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种检测方法，包括：

导引辐射，使得所述辐射入射到目标上，所述辐射包括具有第一极化的分量；并检测从所述目标散射的辐射，

分离地发射辐射，使得所述辐射入射到所述目标上，所述分离地发射的辐射包括具有与第一极化非正交的不同极化的分量；并检测从所述目标散射的所述分离地发射的辐射；以及

分析检测到的散射辐射的极化状态，以确定所述目标是否包括物体。

2.如权利要求1所述的检测方法，其中，所述分析包括：将所述检测到的散射辐射的极化状态与物体存在情况下期望的散射辐射的极化状态相比较。

3.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，所述辐射是扫频辐射。

4.如权利要求3所述的检测方法，其中，所述分析包括：将所述检测到的散射辐射的频率响应中的模式与在先记录的模式相比较，或者在时域中执行等价比较。

5.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，所述分析确定所述物体是威胁物体还是非威胁物体。

6.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，所述分析提供对所述物体的识别。

7.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，所述检测到的散射辐射是交叉极化的散射辐射。

8.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，向所述辐射提供了旋转线性极化。

9.如权利要求8所述的检测方法，其中，使用接收机检测所述辐射，其中该接收机提供了对线性极化的旋转检测。

10.如权利要求8所述的检测方法，其中，使用第一接收机和第二接收机检测所述辐射，第一接收机被配置为接收具有第一线性极化的辐射，第二接收机被配置为接收具有第二线性极化的辐射。

11.如权利要求1至7中任一项所述的检测方法，其中，使用第一发射机产生所述辐射，并随后使用第二发射机产生所述辐射，第一发射机被配置为发射具有第一线性极化的辐射，第二发射机被配置为发射具有第二线性极化的辐射。

12.如权利要求11所述的检测方法，其中，使用第一接收机和第二接收机检测所述辐射，第一接收机被配置为接收具有第三线性极化的辐射，第二接收机被配置为接收具有第四线性极化的辐射。

13.如权利要求12所述的检测方法，其中，所述第三线性极化实质上与第一线性极化正交，以及所述第四线性极化实质性与所述第二线性极化正交。

14.如权利要求11所述的检测方法，其中，所述第二线性极化相对于所述第一线性极化按照约45°的角度对向。

15.如权利要求1至7中任一项所述的检测方法，其中，使用发射机产生所述辐射，所述发射机发射圆或椭圆极化辐射。

16.如权利要求15所述的检测方法，其中，所述检测到的散射辐射由接收机接收，所述接收机被配置为接收与发射的辐射具有相同的极化手性的辐射。

17.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，所述扫频辐射包括按照多个离散频率步进的辐射。

18.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，对所述检测到的散射辐射的所述分析不包括相位信息。

19.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，对所述检测到的散射辐射的所述分析包括相位信息。

20.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，使用人工神经网络或等价软件执行所述分析，其中，已经预先训练了所述人工神经网络或等价软件以从在先检测到的物体来识别模式。

21.一种检测系统，包括：

发射机，被配置为导引辐射，使得所述辐射入射到目标上，所述辐射包括具有第一极化的分量，所述发射机被配置为分离地导引辐射，使得所述辐射入射到所述目标上，所述分离地发射的辐射包括具有不同极化的分量，所述不同极化与第一极化是非正交的；

其中所述检测系统还包括接收机和检测器，被配置为接收和检测从所述目标散射的辐射；以及

处理器，被配置为分析所述检测到的散射辐射的极化状态，以确定所述目标是否包括物体。

22.如权利要求21所述的检测系统，其中，所述检测系统是足够便携的，能够以手持的方式使用。

23.如权利要求21或22所述的检测系统，还被配置为实现权利要求1至20中任一项所述的检测方法。

Claims (23)

1.一种检测方法，包括：

导引辐射，使得所述辐射入射到目标上，所述辐射包括具有第一极化的分量和具有第二正交极化的分量，

检测从所述目标散射的辐射，以及

分析检测到的散射辐射的极化状态，以确定所述目标是否包括物体。

2.如权利要求1所述的检测方法，其中，所述分析包括将所述检测到的散射辐射的极化状态与物体存在情况下期望的散射辐射的极化状态相比较。

3.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，所述辐射是扫频辐射。

4.如权利要求3所述的检测方法，其中，所述分析包括：将所述检测到的散射辐射的频率响应中的模式与在先记录的模式相比较，或者在时域中执行等价比较。

5.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，所述分析确定所述物体是威胁物体还是非威胁物体。

6.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，所述分析提供对所述物体的识别。

7.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，所述检测到的散射辐射是交叉极化的散射辐射。

8.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，向所述辐射提供旋转线性极化。

9.如权利要求8所述的检测方法，其中，使用接收机检测所述辐射，其中该接收机提供了对线性极化的旋转检测。

10.如权利要求8所述的检测方法，其中，使用第一接收机和第二接收机检测所述辐射，第一接收机被配置为接收具有第一线性极化的辐射，第二接收机被配置为接收具有第二线性极化的辐射。

11.如权利要求1至7中任一项所述的检测方法，其中，使用第一发射机产生所述辐射，并随后使用第二发射机产生所述辐射，第一发射机被配置为发射具有第一线性极化的辐射，第二发射机被配置为发射具有第二线性极化的辐射。

12.如权利要求11所述的检测方法，其中，使用第一接收机和第二接收机检测所述辐射，第一接收机被配置为接收具有第三线性极化的辐射，第二接收机被配置为接收具有第四线性极化的辐射。

13.如权利要求12所述的检测方法，其中，所述第三线性极化实质上与第一线性极化正交，以及所述第四线性极化实质性与所述第二线性极化正交。

14.如权利要求11所述的检测方法，其中，所述第二线性极化相对于所述第一线性极化按照约45°的角度对向。

15.如权利要求1至7中任一项所述的检测方法，其中，使用发射机产生所述辐射，所述发射机发射圆或椭圆极化辐射。

16.如权利要求15所述的检测方法，其中，所述检测到的散射辐射由接收机接收，所述接收机被配置为接收与发射的辐射具有相同的极化手性的辐射。

17.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，所述扫频辐射包括按照多个离散频率步进的辐射。

18.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，对所述检测到的散射辐射的所述分析不包括相位信息。

19.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，对所述检测到的散射辐射的所述分析包括相位信息。

20.如前述权利要求中任一项所述的检测方法，其中，使用人工神经网络或等价软件执行所述分析，其中，已经预先训练了所述人工神经网络或等价软件以从在先检测到的物体来识别模式。

21.一种检测系统，包括：

发射机，被配置为导引辐射，使得所述辐射入射到目标上，所述辐射包括具有第一极化的分量和具有第二极化的分量，

接收机和检测器，被配置为接收和检测从所述目标散射的辐射，以及

处理器，被配置为分析所述检测到的散射辐射的极化状态，以确定所述目标是否包括物体。

22.如权利要求21所述的检测系统，其中，所述检测系统是足够便携的，能够以手持的方式使用。

23.如权利要求21或22所述的检测系统，还被配置为实现权利要求1至20中任一项所述的检测方法。

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