一种安检场景活体生物检测方法

1.本发明涉及活体检测设备技术领域，更具体的说是涉及一种安检场景活体生物检测方法。


背景技术：

2.目前，近年来，随着物种安全的需求变得越来越普遍，安检领域纷纷通过科技手段解决活体检测这一问题。
3.现有技术中存在的问题：
4.1、目前，安检场景中的行李箱、快递件的活体检测设备以x光机为主，经过成像处理后靠人工识别来完成的，检测效率低。
5.2、毫米波雷达检测技术因其高生物安全性、高精度、非接触式、高安检效率等特点，逐渐成为现在机场、海关等重要场所大力推广的一种安检方式。
6.3、毫米波雷达检测精度高，但在检测目标分类处理中具有一定的局限性。
7.4、传统雷达信号处理运用的快速傅里叶变换算法运算复杂度高，无法有效处理动态噪音问题，在复杂环境下，毫米波雷达进行实时信号处理时去除虚警目标以进行有效运动目标检测成为技术难点。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供了一种安检场景活体生物检测方法，至少部分解决上述技术问题。
9.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.本发明提供一种安检场景活体生物检测方法，包括以下步骤：
11.s1、毫米波雷达发射天线产生毫米波信号并发送至被检测目标物体，毫米波雷达接收天线接收被检测目标物体反射回来的毫米波信号；
12.s2、将反射回来的毫米波信号与发射信号混频产生雷达目标回波；
13.s3、从所述雷达目标回波中分离出幅度相位信号并通过傅里叶变换得到连续频率特征信号，并进行离散化处理；
14.s4、将离散化处理后的频率信号转换为距离变量，得到毫米波雷达与被检测目标物体的距离参数；
15.s5、根据所述距离参数提取相位参数；
16.s6、对所述相位参数进行相位解缠绕处理，得到活体呼吸微动信号；
17.s7、根据所述活体呼吸微动信号，实现对被检测目标物体是否存在活体的判断。
18.在一个实施例中，所述步骤s2中的雷达目标回波存储方式为数据矩阵，包括快时间维m和慢时间维n。
19.在一个实施例中，所述步骤s3包括：
20.s301、将所述快时间维m作为幅度相位信号通过如下公式(1)进行傅里叶变换得到
连续频率特征信号；
[0021][0022]
(1)式中，s
if
为信号函数，f为频率，c为光速，tc为脉冲持续时间，为相位变化，fb为频率变化；j是虚数单位，exp代表以自然常数e为底的指数函数，t为时间；
[0023]
s302、设采样间隔为δt，脉内时域采样点数为雷达目标回波存储矩阵中的快时间维m，满足关系式：(m-1)δt＝tc，则雷达目标回波的离散傅里叶变换为：
[0024][0025]
(3)式中，s
if
为信号函数，f为频率，tc为脉冲持续时间，为相位变化，fb为频率变化；m为快时间维数，取值为0≤m≤m。
[0026]
在一个实施例中，所述步骤s4中，得到毫米波雷达与被检测目标物体的距离参数，采用如下公式：
[0027][0028]
(3)式中，γ＝b/tc，b为信号带宽，tc为脉冲持续时间，rc为距离信
[0029]
息，m为快时间维数，为相位变化，δt为采样间隔；j是虚数单位，e为自然常数。
[0030]
在一个实施例中，所述步骤s5包括：
[0031]
s501、对所述慢时间维n进行处理，确定目标所处距离单元，沿所述慢时间维n求出目标所在距离单元从1到n中的相位；
[0032]
s502、提取目标所在距离单元的相位，经过反正切运算后求得相位取值范围为[-π,π]。
[0033]
在一个实施例中，所述步骤s6包括：
[0034]
将相位值在[-π,π]之间的相位复原，提取到的相位从第二个开始，将后一个相位与前一个相位做差即
[0035]
若差值大于π，则将减去2π；若差值小于-π，则将加上2π；若介于[-π,π]之间则保持值不变；此时，第m次循环结束，进入第m+1次循环；
[0036]
直至循环结束，每次获取的相位值形成活体呼吸微动信号。
[0037]
在一个实施例中，所述方法还包括：
[0038]
对步骤s6中的活体呼吸微动信号进行静态干扰去除和动态干扰去除。
[0039]
在一个实施例中，所述静态干扰去除包括：
[0040]
在采样点复频域上消除干扰信号带来的冗余位移，去除活体呼吸微动信号中的静态干扰。
[0041]
在一个实施例中，所述动态干扰去除包括：
[0042]
动态干扰表现为活体整体或部分的无规律或有规律运动，活体检测场景中动态干扰为安检传动带的规则运动，采用缩短慢时间采样间隔δt的方法解决动态干扰速度过快
导致的运动信号波形失真现象。
[0043]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种安检场景活体生物检测方法，采用毫米波雷达探测解决了安检场景中对于活体目标的快速、精确检测识别所面临的技术问题；该方法能够准确检测行李箱、快递件内是否存在活物，提高机场、海关过境货物的安检效率。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0045]
图1为本发明提供的基于毫米波雷达的检测设备结构示意图；
[0046]
图2为本发明提供的屏蔽箱的立体结构示意图；
[0047]
图3为本发明提供的基于毫米波雷达的安检场景活体检测原理示意图；
[0048]
图4为本发明提供的安检场景活体生物检测方法流程图；
[0049]
图5为本发明提供的雷达目标回波在上位机中存储形式图；
[0050]
图6a为本发明提供的某一探测目标的距离像；
[0051]
图6b为本发明提供的确定目标所处距离单元示意图；
[0052]
图7为本发明提供的带有杂波的活体呼吸微动信号示意图；
[0053]
图8为本发明提供的相位解缠绕具体流程图；
[0054]
图9为本发明提供的相位解缠绕前和相位解缠绕后的信号示意图；
[0055]
附图中：1-检测装置本体；2-上位机；11-屏蔽箱；12-安检传送带；13-摄像头设备；14-电磁屏蔽帘；15-启动按钮；16-上位机数据接口；17-报警设备；18-吸波尖劈；19-毫米波雷达设备。
具体实施方式
[0056]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057]
本发明实施例提供了一种安检场景活体生物检测方法，针对安检场景中对活物的检测，其所使用的设备，参照图1所示，包括：检测装置本体1和上位机2；
[0058]
其中，检测装置本体1包括：屏蔽箱11和安检传送带12；安检传送带12用于传输被检测目标物体穿过屏蔽箱11；屏蔽箱11呈u字型，倒扣在安检传送带12上，并通过螺栓连接在安检传送带12两侧框架上。
[0059]
如图2所示，屏蔽箱11内设置毫米波雷达设备19；毫米波雷达设备19采用塑料件或者金属螺钉固定在u字型屏蔽箱11的上方或者侧壁。毫米波雷达设备19向被检测目标物体发射毫米波雷达信号，接收反射回来的毫米波雷达信号，并与发射毫米波雷达信号混频处理为雷达目标回波，然后通过有线或无线方式传输给上位机2，上位机2根据接收到的雷达
目标回波进行处理，实现对被检测目标物体是否存在活体进行检测。
[0060]
为了进一步的电磁干扰信号屏蔽，如图2所示，可在屏蔽箱的内壁上设有吸波尖劈18为金字塔形状或者长条形状，主要由聚氨酯泡沫型、无纺布难燃型、硅酸盐板金属膜组装型等。另外，在屏蔽箱11内部顶壁上，还设有摄像头设备13，可用于给检测目标拍照，作为标签。
[0061]
如图3所示，上述毫米波雷达设备19包括：发射天线、接收天线、锯齿波发生器和模数转换器；
[0062]
其中，锯齿波发生器产生的锯齿波信号经过倍频处理，由发射天线向被检测目标物体发射毫米波雷达信号；接收天线接收到由被检测目标物体反射回的毫米波信号，并与发射毫米波雷达信号经过混频处理形成雷达目标回波，并通过模数转换存储在adc缓存器中。
[0063]
其中，上位机包括：采样模块、数字信号处理模块、显示终端；
[0064]
采样模块用于采集adc缓存器中的数字信号；
[0065]
数字信号处理模块，用于将采集的数字信号进行实时处理，从而提取活体呼吸微动信号，实现对被检测目标物体是否存在活体进行检测；
[0066]
显示终端，用于显示活体呼吸微动信号的波形图。上位机还包括：如图1所示，安装在屏蔽箱顶部的报警设备17，用于当根据活体呼吸微动信号判断存在活体时进行声光报警。
[0067]
其检测方法，参照图4所示，包括如下步骤：
[0068]
s1、毫米波雷达发射天线产生毫米波信号并发送至被检测目标物体，毫米波雷达接收天线接收被检测目标物体反射回来的毫米波信号；
[0069]
s2、将反射回来的毫米波信号与发射信号混频产生雷达目标回波；
[0070]
s3、从所述雷达目标回波中分离出幅度相位信号并通过傅里叶变换得到连续频率特征信号，并进行离散化处理；
[0071]
s4、将离散化处理后的频率信号转换为距离变量，得到毫米波雷达与被检测目标物体的距离参数；
[0072]
s5、根据所述距离参数提取相位参数；
[0073]
s6、对所述相位参数进行相位解缠绕处理，得到活体呼吸微动信号；
[0074]
s7、根据所述活体呼吸微动信号，实现对被检测目标物体是否存在活体的判断。
[0075]
下面对上述步骤进行说明：
[0076]
其中，步骤s2中，采样雷达波信号的数据矩阵，包括快时间维m和慢时间维n。雷达目标回波在上位机中的存储形式如图5所示，称为数据矩阵。n代表慢时间维序号数，m代表快时间维序号数，n代表着雷达总共发射的脉冲信号数量，m为每个雷达目标回波的采样点数。n与脉冲重复时间的乘积为总监测时长，称为慢时间维；在每个脉冲的持续时间内采样m个点，由于脉冲持续时间极短，称为快时间维。
[0077]
步骤s3中，为确定目标位置，对数据矩阵的快时间维(即每一行)做傅里叶变换，计算机中只能处理离散化数据，需对连续信号离散化。
[0078]
步骤s3具体包括：
[0079]
s301、将所述快时间维m作为幅度相位信号通过如下公式(1)进行傅里叶变换得到
连续频率特征信号；
[0080][0081]
(1)式中，s
if
为信号函数，f为频率，c为光速，tc为脉冲持续时间，为相位变化，fb为频率变化；j是虚数单位，exp代表以自然常数e为底的指数函数，t为时间；
[0082]
s302、设采样间隔为δt，脉内时域采样点数为雷达目标回波存储矩阵中的快时间维m，满足关系式：(m-1)δt＝tc，则雷达目标回波的离散傅里叶变换为：
[0083][0084]
(2)式中，s
if
为信号函数，f为频率，tc为脉冲持续时间，为相位变化，fb为频率变化；m为快时间维数，取值为0≤m≤m。
[0085]
步骤s4中，得到毫米波雷达与被检测目标物体的距离参数，采用如下公式：
[0086][0087]
(3)式中，γ＝b/tc，b为信号带宽，tc为脉冲持续时间，rc为距离信息，m为快时间维数，为相位变化，δt为采样间隔；j是虚数单位，e为自然常数。
[0088]
图6a为某一探测目标的距离像，图中目标位于雷达前方1.5m处。根据目标所处位置和雷达的距离分辨率，计算出目标所在距离单元，为接下来的相位提取提供基础。
[0089]
步骤s5～s7中：
[0090]
接下来提取相位与解缠绕；如图6b所示，首先确定目标所处距离单元，即图中m1所在的网格；然后沿慢时间维求出目标所在距离单元从1到n中的相位，n为雷达目标回波存储矩阵中的慢时间维。
[0091]
提取图6a中目标所在距离单元的相位，经过反正切运算后求得相位取值范围为[-π,π]，把提取到的相位转换为距离，得到活体呼吸微动信号。结果如图7所示，由于相位缠绕问题导致原始数据近乎杂波；该图7中的结果并不是正确的活物运动情况，需要对其进行解缠绕操作。
[0092]
通过相位解缠绕将相位值在[-π,π]之间的相位复原，具体的算法流程如图8所示，n为采样点，k为减相位2π的整系数，i为加相位2π的整系数。提取到的相位从第二个开始，将后一个相位与前一个相位做差即若差值大于π，则将减去2π；若差值小于-π，则将加上2π；若介于[-π,π]之间则保持值不变。此时，第m次循环结束，进入第m+1次循环。
[0093]
反正切函数得到相位在区间[-π,π]内。用合理的慢时间采样间隔δts对进行采样，两个连续样本之间的相位差将保持在π以内。对应距离信息rc(t)在采样间隔δts内的变化应小于λ/4，λ为波长。满足采样间隔合理的条件时，任何大于π的相位变化都会通过相位解缠绕的加减2π操作来校正，但至少应有三个采样点才能够恢复出正确的相位变化。若不满足上述条件时，则会导致部分采样点无法解缠绕。仿真结果如图9所示，由此可以得到理
想的活体呼吸微动信号。图9左部分代表相位解缠绕之前的波形图，图9右部分代表相位解缠绕之后的波形图。
[0094]
在一个实施例中，为了进一步提高活体呼吸微动信号的准确性，可在采样点复频域上消除干扰信号带来的冗余位移，去除活体呼吸微动信号中的静态干扰。
[0095]
雷达目标回波经傅里叶变换后得到相位变化如下式所示。将相位变化经相位解缠绕和单位换算后得到活体呼吸微动信号，这其中包括静态干扰。在相位提取之前，消除冗余的位移量σ2cos(θ2)和σ2sin(θ2)，即可去除活体呼吸微动信号中的静态干扰。
[0096][0097]
式中相位变化，σ1cos(θ1)、虚部σ1sin(θ1)为活体呼吸微动信号的实部和虚部，σ2cos(θ2)和σ2sin(θ2)为活体呼吸微动信号在复平面上的位移量。
[0098]
动态干扰表现为活体整体或部分的无规律或有规律运动，活体检测场景中动态干扰主要为安检传动带的规则运动，可以采用缩短慢时间采样间隔δt的方法解决动态干扰速度过快导致的运动信号波形失真现象。从而输出运动目标信号，将有效运动目标的活体呼吸微动信息反馈给安检系统。
[0099]
最后基于上述有效运动目标的生命特征信息，实现对被检测目标物体是否存在活体的判断。比如，通过判断信号是否符合动物的心跳频率和呼吸频率，从而判断目标物体内是否藏有活物；若判断信号符合动物的心跳频率和呼吸频率，则判断目标物体内藏有活物，并通过报警设备发出警报。
[0100]
本发明实施例提供的一种安检场景活体生物检测方法，在安检场景中可用于精确提取被测目标的活体呼吸微动信号，从而实现安检目标中的微小尺寸活体的精确检测；可提高安检系统运行效率与有效运动目标检测的准确性，增强安检系统的实时性与可靠性。
[0101]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0102]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种安检场景活体生物检测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、毫米波雷达发射天线产生毫米波信号并发送至被检测目标物体，毫米波雷达接收天线接收被检测目标物体反射回来的毫米波信号；s2、将反射回来的毫米波信号与发射信号混频产生雷达目标回波；s3、从所述雷达目标回波中分离出幅度相位信号并通过傅里叶变换得到连续频率特征信号，并进行离散化处理；s4、将离散化处理后的频率信号转换为距离变量，得到毫米波雷达与被检测目标物体的距离参数；s5、根据所述距离参数提取相位参数；s6、对所述相位参数进行相位解缠绕处理，得到活体生物呼吸微动信号；s7、根据所述活体生物呼吸微动信号，实现对被检测目标物体是否存在活体的判断。2.根据权利要求1所述的一种安检场景活体生物检测方法，其特征在于，所述步骤s2中的雷达目标回波存储方式为数据矩阵，包括快时间维m和慢时间维n。3.根据权利要求2所述的一种安检场景活体生物检测方法，其特征在于，所述步骤s3包括：s301、将所述快时间维m作为幅度相位信号通过如下公式(1)进行傅里叶变换得到连续频率特征信号；(1)式中，s
if
为信号函数，f为频率，c为光速，t
c
为脉冲持续时间，为相位变化，f
b
为频率变化；j是虚数单位，exp代表以自然常数e为底的指数函数，t为时间；s302、设采样间隔为δt，脉内时域采样点数为雷达目标回波存储矩阵中的快时间维m，满足关系式：(m-1)δt＝t
c
，则雷达目标回波的离散傅里叶变换为：(2)式中，s
if
为信号函数，f为频率，t
c
为脉冲持续时间，为相位变化，f
b
为频率变化；m为快时间维数，取值为0≤m≤m。4.根据权利要求3所述的一种安检场景活体生物检测方法，其特征在于，所述步骤s4中，得到毫米波雷达与被检测目标物体的距离参数，采用如下公式：(3)式中，γ＝b/t
c
，b为信号带宽，t
c
为脉冲持续时间，r
c
为距离信息，m为快时间维数，为相位变化，δt为采样间隔；j是虚数单位，e为自然常数。5.根据权利要求4所述的一种安检场景活体生物检测方法，其特征在于，所述步骤s5包括：s501、对所述慢时间维n进行处理，确定目标所处距离单元，沿所述慢时间维n求出目标所在距离单元从1到n中的相位；
s502、提取目标所在距离单元的相位，经过反正切运算后求得相位取值范围为[-π,π]。6.根据权利要求5所述的一种安检场景活体生物检测方法，其特征在于，所述步骤s6包括：将相位值在[-π,π]之间的相位复原，提取到的相位从第二个开始，将后一个相位与前一个相位做差即若差值大于π，则将减去2π；若差值小于-π，则将加上2π；若介于[-π,π]之间则保持值不变；此时，第m次循环结束，进入第m+1次循环；直至循环结束，每次获取的相位值形成活体呼吸微动信号。7.根据权利要求6所述的一种安检场景活体生物生物检测方法，其特征在于，所述方法还包括：对步骤s6中的活体呼吸微动信号进行静态干扰去除和动态干扰去除。8.根据权利要求7所述的一种安检场景活体生物生物检测方法，其特征在于，所述静态干扰去除包括：在采样点复频域上消除干扰信号带来的冗余位移，去除活体呼吸微动信号中的静态干扰。9.根据权利要求7所述的一种安检场景活体生物检测方法，其特征在于，所述动态干扰去除包括：动态干扰表现为活体整体或部分的无规律或有规律运动，活体检测场景中动态干扰为安检传动带的规则运动，采用缩短慢时间采样间隔δt的方法解决动态干扰速度过快导致的运动信号波形失真现象。

技术总结
本发明公开了一种安检场景活体生物检测方法，包括：毫米波雷达发射天线产生毫米波信号并发送至被检测目标物体，接收被检测目标物体反射回来的毫米波信号；将反射回来的毫米波信号与发射信号混频产生雷达目标回波；分离出幅度相位信号并通过傅里叶变换得到连续频率特征信号，并进行离散化处理；将离散化处理后的频率信号转换为距离变量，得到毫米波雷达与被检测目标物体的距离参数；根据距离参数提取相位参数；对相位参数进行相位解缠绕处理，得到活体生物呼吸微动信号；根据活体呼吸引起的微动信号，实现对被检测目标物体是否存在活体生物的判断。该检测方法能够准确检测安检场景中行李箱、快递件内是否存在活物，提高机场、海关过境货物的安检效率。关过境货物的安检效率。关过境货物的安检效率。


技术研发人员：梁培 张玉禄 杨远冀 贺云 刘阳
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/15