JP2003050277A

JP2003050277A - マルチパスミリ波映像化レーダシステム

Info

Publication number: JP2003050277A
Application number: JP2001240702A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Kimura; 憲明木村; Kyoji Doi; 恭二土井; Takayoshi Yumii; 孝佳弓井
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2003-02-21
Anticipated expiration: 2021-08-08
Also published as: JP4653910B2

Abstract

(57)【要約】【課題】対象物の透過映像を高速で再生することがで
きるとともに、電波の伝播経路を妨げる障害物の有無に
拘わらず確実に探査することができる映像化レーダシス
テムを得る。【解決手段】発振回路と受信回路を有するレーダ本体
１４と、前記発振回路と受信回路にそれぞれアンテナ素
子切替器２０Ｔ、２０Ｒを介して接続されミリ波帯域の
電波を送受信する送信アンテナ素子列と受信アンテナ素
子列とからなるアレイアンテナ１２を備えている。この
アレイアンテナを第一焦点線位置に配列するとともに当
該第一焦点線周りに回転駆動可能として第二焦点線を旋
回走査可能とした楕円筒面反射鏡１０が設けられ、この
楕円筒面反射鏡の回転信号に同期させて送信アンテナ素
子と受信アンテナ素子の全ての組合わせを選択するよう
に前記アンテナ切替器を制御するコントローラ２４を設
ける。また、楕円筒面反射鏡の回転角信号毎に検出され
た受信信号に基づき像再生処理をなし標的の透過映像出
力信号を演算する演算部５４が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は映像化レーダシステ
ムに係り、特にミリ波帯域の電波を検査対象に照射する
ことによって近距離の対象物の精細な透過映像を再生す
ることができるようにしたマルチパスミリ波映像化レー
ダシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】ミリ波（３０ＧＨｚ以上の電波）は、光
と異なり、物体を透過する能力が優れており、霧、布、
紙などで遮蔽された物体の映像を得るために利用され
る。しかし、ミリ波の映像を得るためには技術的に多く
の困難がある。特に、高周波の回路技術は現状で実現の
ための大きな障壁である。そのために、比較的に高周波
で動作し、実装上の困難も比較的少ないショットキバリ
アダイオードを受信器として用いる簡単な回路構成で映
像装置を実現する場合が多い。ミリ波の位相をも考慮し
て近距離を精細に映像化しようとする試みは少ない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】それぞれ複数個の送信
・受信アンテナ素子を一次元的に配列し、各アンテナ素
子を切替えることでミリ波映像を得ようとするが、ミリ
波帯域の電波の切替処理は困難であるため、アンテナか
ら放射しようとするミリ波の1/2の周波数の信号を高周
波回路の内部で発生させ、アンテナ素子切替回路の直前
で周波数を２倍に逓倍する。受信するミリ波は次のよう
にしてどのアンテナ素子で受信したか判るようにする。
受信アンテナ素子に分数調波検波機能を持った検波回路
を設けておいて切替の容易な低周波信号に変換する。

【０００４】次に一次元的に配列した送信・受信アンテ
ナ素子と楕円面鏡を組合わせて空間を走査できるように
する。こうすることで映像化（検査）対象にミリ波のエ
ネルギーを有効に照射できる。また有効に反射エネルギ
ーを受信アンテナ素子へ集めることができる。最後にこ
うした手順で得たミリ波の信号から、位相をも考慮した
精細な対象物の映像を得るためのコンピュータアルゴリ
ズムを提案する。

【０００５】従来の方法では、送信アンテナ素子から照
射された電波はこれと対をなす一つの受信アンテナ素子
で受信するシングルパス方式を採用しているため、受信
アンテナの前に電波が透過し難い層がある場合にはフォ
ーカスが充分になされず、画像がぼけてしまう問題があ
った。また、シングルパス方式においては、図１４に示
したように、アンテナ５０と映像化対象物６０との間に
障害物６２がある場合には、送信アンテナ素子５２から
放射した電波５６が障害物６２によって反射され、映像
化対象物６０からの反射信号５８を受信アンテナ素子５
４によって受信できなくなる。

【０００６】さらに、シングルパス方式においては、ア
ンテナ５０を形成している送信アンテナ素子５２と受信
アンテナ素子５４とが近接して配置してあるため、図１
５に示したように、映像化対象物６０がアンテナ走査面
６４から深い位置にある場合、送信アンテナ素子５２か
ら受信アンテナ素子５４に直接回り込む信号６６や、基
本的に不要な信号（第一波結合）が、遠いところにある
物体からの反射信号５８に対して圧倒的に大きい。この
ため、微弱な反射信号５８を受信するために増幅率を大
きくしようとしても、受信器が直接回り込む信号６６な
どによって飽和を起こすために増幅率に制限あって、遠
く離れた物体の映像が得られない欠点がある。加えて、
図１６に示したように、映像化対象物６０が傾斜してい
る場合には、シングルパス方式ではこれを受信できず、
かりにアンテナ５０を走査して映像化対象物６０からの
反射信号５８を受信することができたとしても、電波５
６を送信してから反射信号５８を受信するまでの時間に
対応した円弧６８上の何れの点に存在するかを特定する
ことができず、得られた画像の画質が良質でない問題が
ある。

【０００７】本発明は、上記従来の問題点に着目し、対
象物の高精細な透過映像を得ることができるミリ波映像
化レーダシステムを提供することを目的とする。更に、
本発明は、梱包された荷物の中身や衣類の下の凶器など
を映像化する近距離用に適用することができるもので、
透過能力と分解能の両立が特徴となっているミリ波映像
化レーダシステムを提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る映像化レーダシステムは、発振回路と
受信回路を有するレーダ本体と、前記発振回路と受信回
路にそれぞれアンテナ素子切替器を介して接続されミリ
波帯域の電波を送受信する送信アンテナ素子列と受信ア
ンテナ素子列とからなるアレイアンテナと、このアレイ
アンテナを第一焦点線位置に配列するとともに当該第一
焦点線周りに回転駆動可能として第二焦点線を旋回走査
可能とした楕円筒面反射鏡と、前記楕円筒面反射鏡の回
転信号に同期させて送信アンテナ素子と受信アンテナ素
子の全ての組合わせを選択するように前記アンテナ素子
切替器を制御するコントローラと、前記楕円筒面反射鏡
の回転角信号毎に検出された受信信号に基づき前記第二
焦点線前方における標的からの反射波の結像処理を前記
回転角信号毎に行なって合成する像再生処理をなし標的
の透過映像出力信号を演算する演算部と、を有してなる
ことを特徴とするものである。

【０００９】この場合において、前記送信アンテナ素子
列の前段に周波数逓倍器を配置するとともに、前記受信
アンテナ素子列の後段に分数調波検波器を設け、当該分
数調波検波器には位相シフトされた参照信号を入力させ
るようにすればよい。

【００１０】また、本発明に係る透過映像再生方法は、
楕円筒面反射鏡の第一焦点に沿って配列したアレイアン
テナからミリ波帯域の電波を放射し、前記楕円筒面反射
鏡の第二焦点より前方にある標的に照射し、当該対象物
からの反射波を前記楕円筒面反射鏡を前記第一焦点周り
に回転させつつ回転信号に同期させて送信アンテナ素子
と受信アンテナ素子の全ての組合わせを選択するアンテ
ナ素子の切替処理を行なって受信させ、前記第二焦点線
前方からの反射信号の結像出力を前記楕円筒面反射鏡の
回転角信号毎に演算して合成することにより結合画像を
得て前記標的の透過映像を得るようにしたものである。

【００１１】すなわち、本発明は、ミリ波の映像化レー
ダシステムの構成として、リニアアレイアンテナと楕円
筒面鏡を用いた空間のスキャニング方法を用い、アレイ
アンテナの方式には、一つの送信アンテナ素子から電波
を放射させ、この電波の反射波を全ての受信アンテナ素
子で受信する、いわゆるマルチパス方式を用い、得られ
たデータから対象物の映像を再生するコンピュータアル
ゴリズムを用いる。

【００１２】本発明では、送信・受信アンテナ素子の両
方を切り替えるようにしている点に一つの特徴があり、
従来方式が受信アンテナ素子をのみを切り替える方式で
あったものとしている点で異なっている。さらに、送信
アンテナ素子列と受信アンテナ素子列の中から任意の組
み合わせが送受信に使用できるマルチパス方式を用いて
いる。送受アンテナ素子列を用い、回転ミラーを用いて
２次元へ投影することで、面的な映像を得ることができ
る。このとき、従来技術に比べて以下の３点で優れてい
る。

【００１３】（ａ）送受両方の切り替えにより、送信ア
ンテナ素子または受信アンテナ素子を切り替えなかった
場合と比べて分解能が２倍になる。したがって、上記従
来技術と同じ分解能に設定すると、使用周波数が１／２
でよく、透過能力は２倍になる。（ｂ）ミリ波の場合、回路技術上の困難から周波数が固
定のＣＷ動作を用いるが、この場合、距離方向の分解能
が著しく低下し、事実上、２次元の映像となる。しか
し、本発明のマルチパス方式では、距離方向の分解能が
保持される。すなわち、３次元の映像が得られる。（ｃ）上記（ｂ）の効果のため、手前と遮蔽体の向こう
側の見たい物とを分離できるという長所があり、透過映
像を鮮明に再生することができる。

【００１４】本発明の原理は以下のようになものであ
る。図２に示したように、楕円筒体１００の一部を形成
する楕円筒面反射鏡１０の第一焦点位置（楕円筒体１０
０の第一焦点位置）を通る線上に、詳細を後述するリニ
アアレイアンテナを配置しておき、前記第一焦点のアン
テナ素子列配列線をＹ座標軸、楕円筒体１００の第二焦
点のアンテナ素子列配列線をＹ’座標軸とし、楕円短軸
に平行で前記第一焦点線上の点Ｐ₀₁を通る直交軸をＸ座
標軸、楕円長軸方向をＺ座標軸とした場合、送信アンテ
ナ素子から放射し反射鏡１０で反射した電波は、全て楕
円筒体１００の第二焦点に沿ったＹ’座標軸を横切る。
すなわち、Ｙ座標軸上の点Ｐ₀₁（第一焦点）から放射し
た電波は、Ｙ’座標軸上（第二焦点）へ線状に収束する
が、Ｙ’座標軸上の例えば点Ｐ₀₂のような一点には集ま
らない。このＹ’座標軸を仮想的なアレイアンテナとす
るには実際のアレイアンテナが置かれているＹ座標軸上
で得たデータに経路（Ｙ座標軸上の点→楕円面→Ｙ’座
標軸上の点）による位相の補正を加えることで目的が達
成できる。この位相の補正は、数学的に求めることが可
能である。

【００１５】さらに、図４のように楕円筒面鏡１０が楕
円筒体１００の第一焦点線であるＹ座標軸を中心として
矢印６９のように回転すると、楕円筒体１００の第二焦
点の軌跡として第二焦点面７０が形成され、あたかもそ
こに２次元的にアンテナ素子が配列されたかのごとくと
なる。すなわち図４の第二焦点線より前方の標的７２側
の領域２において、第二焦点面７０上を走査する仮想一
次元マルチパスアレイアンテナを設定し、実際のアンテ
ナ（第一焦点線に配置したアンテナ）で計測されるデー
タを、この仮想アンテナでのデータに変換する。こうし
て２次元的に配列されたアンテナ素子で計測したと同等
のことが楕円面鏡１０を用いて実現できる。楕円筒体１
００の第二焦点を楕円筒面鏡１０から十分遠くになるよ
うに設計し、楕円筒面鏡１０の回転を微小とすると、こ
の焦点面７０を近似的に平面と考えることができる。

【００１６】ところで、図４に示したように、楕円筒体
１００の第一焦点線上の点Ｐ₀₁から放射された電波が、
楕円筒面鏡１０の点Ｐ_aにおいて反射され、第二焦点面
７０の点Ｐ_bを通って標的７２に照射され、その反射波
が点Ｐ_bを通って点Ｐ_aにおいて反射されて点Ｐ₀₁にお
いて受信されたとすると、直線Ｐ_aＰ_bの、点Ｐ₀₁と点
Ｐ_aとの距離ｌ₁だけ延長した点Ｐ₀₁’おいて電磁波
を放射し、反射波を受信したのと同様に見なせる。そし
て、楕円の性質から、第一焦点Ｐ₀₁と楕円上の点Ｐ_a
との距離ｌ₁と、楕円上の点Ｐ_aと楕円の第２焦点Ｐ_b
（Ｐ₀₂）との距離ｌ₂との和ｌは、点Ｐ_aが楕円上の
いかなる位置にあろうと一定である。すなわち、

【数１】の関係にある。

【００１７】そこで、楕円筒面鏡１０を用いて三次元映
像を得ようとする場合、まず、第１段階として、第一焦
点で得られたデータを、次のようにして第二焦点の仮想
アンテナで受信したデータに変換する。すなわち、図６
に模式的に示したように、第一焦点線（Ｙ座標軸）上の
点Ｐ₁（ｘ，ｙ₁，ｚ₀）において電波を放射し、第二焦
点線（Ｙ’座標軸）上の点Ｐ₁’（ｘ，ｙ₁’，ｚ）を
通って標的（物体７２）に照射され、標的７２からの反
射波が第二焦点線上の点Ｐ₂’（ｘ，ｙ₂’，ｚ）を通っ
て第一焦点線上の点Ｐ₂において受信されたとする。ま
た、点Ｐ₁と点Ｐ₁’との間の電波の伝播時間をΔ
ｔ₁、点Ｐ₂と点Ｐ₂’との間の電波の伝播時間をΔｔ
₂とする。

【００１８】Ｙ座標軸上の点Ｐ₁に配置した送信アンテ
ナ素子と、Ｙ座標軸上の点Ｐ₂に配置した受信アンテナ
素子とを用いて得られたデータをφ_x,y1,y2,z0（ｔ）と
すると、Ｙ’座標軸の点Ｐ₁’と点Ｐ₂’とに仮想の送信
アンテナ素子と受信アンテナ素子とを配置したとして得
られるデータは、

【数２】となる。また、電波の伝播時間Δｔ₁とΔｔ₂とは、そ
れぞれ、

【数３】

【数４】となる。ただし、数式３、数式４においてｃは、電波の
伝播速度である。

【００１９】このようにして得たＹ’座標軸における仮
想アンテナによる送受信データから、第２段階としてＹ
座標軸における３次元画像データに変換する。ただし、
簡略のために、ｙ₁’→ｙ₁、ｙ₂’→ｙ₂のようにダッ
シュを省略する。

【００２０】そして、３次元画像を求めるには、図５に
おいて（Ｘ,Ｙ）面を第二焦点面７０とし、次の数式５
のような方法を用いればよい。ただし、送信アンテナ素
子の位置（ｘ，ｙ₁，ｚ）、受信アンテナ素子の位置
（ｘ，ｙ₂，ｚ）、媒対中の点Ｑ（ξ，η，ζ）とす
る。

【数５】を求めればよい

【００２１】なお、電波の周波数が固定の場合、反射信
号は次のように表すことができる。

【数６】ただし、ここにｒ_iはｉ番目の反射点での複素反射率で
あり、φ（ｔ）は送信波形であって、固定周波数のとき
はｅⁱω^t、ωは電波の位相の角速度であってω＝２πｆ
であり、ｆは周波数である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係るマルチパス
ミリ波映像化レーダシステムの具体的実施の形態を、図
面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係るレーダ
システムは、図１に示しているように、楕円筒面反射鏡
１０と、この楕円筒面反射鏡１０の第一焦点位置を通る
線上にリニアアレイアンテナ１２を配置している。楕円
筒面反射鏡１０は、図２に示したように、楕円筒体１０
０の一部から形成してあって、楕円筒体１００の第一焦
点線（Ｙ座標軸）を中心に、図示しないアクチュエータ
によりＺＸ面と平行な面内を回転操作できるようになっ
ている（図１中矢印Ａ）。また、楕円筒面反射鏡１０と
リニアアレイアンテナ１２とは、図３に示したように、
移動台車７６に搭載してあって、任意の場所に容易に移
動できるようにしてある。さらに、この移動台車７６に
は、詳細を後述するレーダ本体１４が搭載してある。

【００２３】楕円筒面反射鏡１０は、図２に示されてい
るように、第一焦点線を囲む楕円の１／４より小さく設
定されており、装置サイズを小型にするようにしてい
る。したがって、第一焦点線に置かれたアレイアンテナ
１２からの放射電波（送信信号）８２は、楕円筒面反射
鏡１０により反射されて、図３に示したように、人など
の検査対象となる標的７２に近い空間に設定される楕円
筒体１００の第二焦点線を通過した後に、標的７２に照
射され、同時に楕円筒面反射鏡１０を回転させることに
より、第二焦点線が第一焦点を中心とした円弧８０の軌
跡を走査し、標的７２に回転角毎に連続して照射される
ものとなる。

【００２４】上記アレイアンテナ１２には、電波８２を
放射する複数の送信アンテナ素子１２Ｔと、電波８２の
反射波を受信する複数の受信アンテナ素子１２Ｒとから
構成してある。これらの送信アンテナ素子１２Ｔと受信
アンテナ素子１２Ｒとは、それぞれが直線状に相互に平
行して配列してあるとともに、この実施形態の場合、送
信アンテナ素子１２Ｔと受信アンテナ素子１２Ｒとが千
鳥状をなすように配置してある。そして、送信アンテナ
素子１２Ｔと受信アンテナ素子１２Ｒとは、レーダ本体
１４に接続されている（図１参照）。

【００２５】レーダ本体１４は、発振回路と受信回路と
が設けられている。発振回路における発振器１５は、透
過映像を取得するためには例えば３０ＧＨｚのミリ波を
発振させる必要があるが、後述するアンテナの切替処理
が非常に困難であるため、実施形態では周波数がｆ／２
（１５ＧＨｚ）のマイクロ波を発振させるようにしてい
る。発振したマイクロ波は方向性結合器１６、増幅器１
８を経て複数の送信アンテナ素子１２Ｔに供給される
が、アンテナ素子１２Ｔの前段には送信アンテナ素子切
替器２０Ｔが設けられている。これはＳＰＮＴ（Ｓｉｎ
ｇｌｅＰｏｒｔＮＴｒａｎｓｆｅｒ）切替器により
構成され、個々の送信アンテナ素子１２Ｔに対して電波
８２を放射するアンテナ素子１２Ｔを順次切り替えるこ
とができるようにしている。

【００２６】一方、受信回路は受信アンテナ素子１２Ｒ
にて受信された反射波の信号を増幅器２２にて増幅した
後、Ａ／Ｄ変換器２４を経て信号処理をなす演算部（後
述）に入力させるようにしている。この受信回路におい
て、前記増幅器２２で増幅する前のアンテナ１２の後段
には送信側と同様にＳＰＮＴ切替器からなる受信アンテ
ナ素子切替器２０Ｒが設けられ、複数の受信アンテナ素
子１２Ｒによって得られた受信信号を個々の受信アンテ
ナ素子１２Ｒ毎に取得するようにしている。

【００２７】ところで、上記アンテナ素子切替器２０
Ｔ、２０Ｒにおける切替処理はシステムコントローラ２
６により制御されるが、前記楕円筒面反射鏡１０の回転
信号に同期させて送信アンテナ素子１２Ｔと受信アンテ
ナ素子１２Ｒの全ての組合わせを選択するようにしてい
る。システムコントローラ２６はスイッチの切替信号を
生成し、楕円筒面反射鏡１０の回転角信号１パルスをト
リガーとして送信アンテナ素子１２Ｔを切り替え、ここ
の送信アンテナ素子１２Ｔの選択信号１パルスにつき全
ての受信アンテナ素子１２Ｒが順次選択されるように電
子スキャンさせる。

【００２８】すなわち、一つの送信アンテナ素子１２Ｔ
から電波が放射されたときに、リニアに配列された受信
アンテナ素子１２Ｒが順次受信するように切り替えら
れ、次の送信アンテナ素子１２Ｔから電波放射するよう
に切り替えられたときも、同様に全ての受信アンテナ素
子１２Ｒが受信できるように切り替えられる。これが全
ての送信アンテナ素子１２Ｔから放射されるまで繰り返
される。いわゆるマルチパス方式である。このような送
受信が楕円筒面反射鏡１０の回転角信号１パルス毎に繰
り返され、標的を走査するのである。

【００２９】ところで、実施形態では、アンテナ素子切
替器２０Ｔ、２０Ｒとアレイアンテナ１２の間に送信側
では周波数逓倍器２８が介装され、受信側には１／２分
数調波検波器（サブハーモニックミキサ）３０が介装さ
れている。これにより、信号の切替が困難なミリ波の領
域での切替、増幅処理を１／２周波数で行ない、アンテ
ナ１２ではミリ波の周波数領域の信号を送信、受信する
ようにしている。検波器出口の信号（ＩＦ信号）はもは
や高周波でなくなるため、通常の半導体切替器で受信信
号の切替ができるものとなる。

【００３０】周波数逓倍器２８としては、図７に示した
ように、周波数ｆの信号入力経路にバラクタダイオード
３２と、１／４波長スタブ３４を介装しており、バラク
タダイオード３２の非線形性を用いて入力周波数ｆの２
倍の周波数を作るようにしている。そしてバンドパスフ
ィルタ３６を介して出力経路に流すようにしている。

【００３１】また、受信回路において、通常の検波と異
なるのは、１／２分数調波検波器を用いていることで、
参照信号（ＬＯ信号）に発振器１５の生成したＲＦ信号
の、周波数ｆの半分の周波数であるｆ／２の信号を使
う。このとき、ＩＦ信号に複素データを得るためには、
ＬＯ信号の位相を４５度移相する必要がある。このため
に参照信号ラインに４５度位相シフタ３２を挿入してい
る。位相シフタ３２は、図８に示しているように、ＲＦ
入力経路とＲＦ出力経路とを９０度ハイブリッド回路４
０で接続するとともに、このハイブリッド回路４０にバ
ラクタダイオード４２を接続し、バラクタダイオード４
２の電圧可変容量性を用いて位相を電気的に変えるよう
にしている。１／４波長のマイクロストリップ４４はバ
ラクタダイオード４２のバイアス側端子を仮想接地する
ためのものである。

【００３２】前記１／２分数調波検波器（サブハーモニ
ックミキサ）３０としては、例えば図９に示した構成と
すればよく、２個のショットキバリアダイオード４６を
互いに逆向きに並列接続した構成とし、その一端に位相
シフタ３２からの参照信号（周波数ｆ／２）ラインを、
他端にコンデンサ４８を介して受信アンテナ素子１２Ｒ
からのＲＦ信号（周波数ｆ）ラインを接続する。逆向き
並列接続された一対のショットキバリアダイオード４６
の非線形特性は奇関数であるので参照信号ｆ／２の２倍
の周波数とＲＦ信号ｆがミキシングされる。１／４波長
スタブ５０は２つの入力信号がミキサの反対側に漏れな
いようにするためのものである。ミキシング結果である
ＩＦ信号はローパスフィルタ（インダクタ）５２を通し
て取り出され、受信アンテナ素子切替器２０Ｒに出力さ
れる。

【００３３】装置システムの動作タイミングを図１０に
示す。楕円筒面反射鏡１０の回転信号に同期して送信ア
ンテナ素子１２Ｔと受信アンテナ素子１２Ｒとのすべて
の組合わせが順に選ばれる。その一つの組合わせの中で
移相器が０度と４５度の２状態をとる。すなわち、実施
形態に係るレーダシステムは、ＣＷ方式となっていて、
図１０（ａ）に示したように、システムコントローラ２
６は、図示しないアクチュエータに駆動信号Ａを与えて
楕円筒面反射鏡１０を所定角度だけ回転させると、同図
（ｂ）に示したように、送信アンテナ切替器２０Ｔに切
替制御信号Ｂ₁を送出し、例えば１番目の送信アンテナ
素子１２Ｔに対応した周波数逓倍器２８を増幅器１８に
接続し、第１番目の送信アンテナ素子１２Ｔから１５Ｇ
Ｈｚの電波（送信信号）８２を放射させる。さらに、シ
ステムコントラーら２６は、第１番目の送信アンテナ素
子１２Ｔが電波８２を放射している間に、同図（ｃ）に
示したように、受信アンテナ素子切替器２０Ｒに切替制
御信号Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、………を出力し、各受信アン
テナ素子１２Ｒに対応したサブハーモニックミキサ３０
を順次増幅器２２に切り替えて接続し、各受信アンテナ
素子１２Ｒの受信信号をＡ／Ｄ変換器２４に入力させ
る。また、システムコントラーら２６は、受信アンテナ
素子切替器２０Ｒに切替制御信号Ｃ出力するたびに、図
１０（ｄ）に示したように、４５度位相シフタ３２に位
相切替信号を出力し、４５度位相シフタ３２により位相
を０度と４５度とに切り替える。

【００３４】システムコントローラ２６は、このように
して第１番目の送信アンテナ素子１２Ｔが送信信号（電
波８２）を出力している間に、すべての受信アンテナ素
子１２Ｒを選択し終わると、図１０（ｂ）に示したよう
に、送信アンテナ素子切替器２０Ｔに次の切替信号Ｂ₂
を出力し、第２番目の送信アンテナ素子１２Ｔから電波
８２を放射させるとともに、この第２番目の送信アンテ
ナ素子１２Ｔが電波を放射している間に、受信アンテナ
素子切替器２０Ｒに切替制御信号Ｃを出力し、前記と同
様にしてすべての受信アンテナ素子１２Ｒを切替選択す
る。そして、システムコントローラ２６は、最後の送信
アンテナ素子１２Ｔから電波８２を放射させ、受信アン
テナ素子１２Ｒの切替を終了すると、アクチュエータに
駆動信号を与えて楕円筒面反射鏡１０をステップ状に所
定角度回転させ、上記と同様にしてアンテナ素子１２
Ｔ、１２Ｒの切替制御を行う。

【００３５】このようにしてミリ波を用いたレーダシス
テムにより標的をスキャンすることにより、楕円筒面反
射鏡１０の回転角度信号毎にマルチパス信号が受信され
るが、この受信信号と楕円筒面反射鏡１０の回転角信号
とが像再生処理演算部５４に入力されるようになってい
る。この演算部５４は、前記楕円筒面反射鏡１０の回転
角信号毎に検出された標的７２からの反射波の受信信号
に基づき標的の透過映像出力信号を演算するものであ
る。

【００３６】この像再生処理演算部５４では、マルチパ
ス信号に基づく像再生処理を行なう。これは楕円筒面反
射鏡１０の第一焦点線に置かれたアレイアンテナ１２か
ら放射された電波８２は反射鏡１０を経て第二焦点線上
に収束した後、前方の標的７２に照射される。標的７２
からの反射波の内、前記第二焦点線を横切る反射信号が
反射鏡１０にて反射されて第一焦点線上のアレイアンテ
ナ１２にて受信される。

【００３７】楕円筒面反射鏡１０の第一焦点位置を通る
線上にリニアアレイアンテナ１２を配置しておき、前記
第一焦点の配列線をＹ座標軸、第二焦点の配列線をＹ’
座標軸とし、楕円短軸に平行で前記第一焦点線上の点P
₀₁を通る直交軸をＸ座標軸、楕円長軸方向をＺ座標軸
とした場合、図２に示しているように、送信アンテナ素
子１２Ｔから放射し反射鏡１０で反射した電波は全て第
二焦点に沿ったＹ’座標軸を横切る。すなわち、Ｙ座標
軸上の点Ｐ₀₁（第一焦点）から放射した電波は、Ｙ’座
標軸上（第二焦点）へ線状に収束するが、一点には集ま
らない。このＹ’座標軸を仮想的なアレイアンテナとす
るには実際のアレイアンテナが置かれているＹ座標軸上
で得たデータに経路（Ｙ座標軸上の点→楕円面→Ｙ’座
標軸の点）による位相の補正を加えることで目的が達成
できる。

【００３８】さらに、図４のように楕円筒面鏡が回転す
ると、第二焦点の軌跡として第二焦点面７０が形成さ
れ、あたかもそこに２次元的にアンテナ素子が配列され
たかのごとくとなる。すなわち図４の第二焦点線より前
方の標的７２側の領域２において、第二焦点面７０上を
走査した仮想一次元マルチパスアレイアンテナを設定
し、実際のアンテナで計測されるデータをこの仮想アン
テナでのデータに変換する。こうして２次元的に配列さ
れたアンテナ素子で計測したと同等のことが楕円面鏡を
用いて実現できる。第二焦点を楕円筒面鏡から十分遠く
になるように設計し、楕円筒面鏡の回転を微小とすると
この焦点面を近似的に平面と考えることができる。

【００３９】前記したように、図６において、第一焦点
線（Ｙ座標軸）上の点Ｐ₁（ｘ，ｙ₁，ｚ₀）において電
波を放射し、第二焦点線（Ｙ’座標軸）上の点Ｐ₁’
（ｘ，ｙ₁’，ｚ）を通って標的（物体７２）に照射さ
れ、標的７２からの反射波が第二焦点線上の点Ｐ₂’
（ｘ，ｙ₂’，ｚ）を通って第一焦点線上の点Ｐ₂にお
いて受信されたとし、また、点Ｐ₁と点Ｐ₁’との間の
電波の伝播時間をΔｔ₁、点Ｐ₂と点Ｐ₂’との間の電
波の伝播時間をΔｔ₂とする。

【００４０】Ｙ座標軸上の点Ｐ₁に配置した送信アンテ
ナ素子と、Ｙ座標軸上の点Ｐ₂に配置した受信アンテナ
素子とを用いて得られたデータをφ_x,y1,y2,z0（ｔ）と
すると、Ｙ’座標軸の点Ｐ₁’と点Ｐ₂’とに仮想の送信
アンテナ素子と受信アンテナ素子とを配置したとして得
られるデータは、

【数７】となる。また、電波の伝播時間Δｔ₁とΔｔ₂とは、そ
れぞれ、

【数８】

【数９】となる。ただし、数式３、数式４においてｃは、電波の
伝播速度である。

【００４１】このようにして得たＹ’座標軸における仮
想アンテナによる送受信データから、第２段階としてＹ
座標軸における３次元画像データに変換する。ただし、
簡略のために、ｙ₁’→ｙ₁、ｙ₂’→ｙ₂のようにダッ
シュを省略する。そして、３次元画像を求めるには図５
において(Ｘ,Ｙ)面を第二焦点面７０として数式１０の
ような方法を用いればよい。

【数１０】を求めればよい

【００４２】このようなレーダシステムを装置として構
成する場合には、図３に示すように、移動台車７６に搭
載し、テーブル８４上に送信切替回路９０（２０Ｔ、２
８）と受信切替回路９２（２０Ｒ、３０）を配置すると
ともに、それらの中央部に一列の送信用と受信用のアレ
イアンテナ１２を配置するようにする。アレイアンテナ
１２の送受信面の上方位置に楕円筒面反射鏡１０を取り
付け、その第一焦点に前記アレイアンテナ１２が配列す
るように設定する。楕円筒面反射鏡１０をアクチュエー
タで回転駆動することにより、第一焦点に置かれたアレ
イアンテナ１２の実像が第二焦点の移動に伴って上下に
トラバースする。したがって、放射電波８２は当該第二
焦点で収束した後に、その前方にある標的７２に向けて
照射され、反射信号は二次元の面（第二焦点面７０）上
でのデータとして取得することができる。

【００４３】このような実施形態によれば、映像の質に
関して、アレイアンテナ１２による送受信はマルチパス
方式となっているので、従来のシングルパス方式に比べ
て、次のような利点が得られる。一点に多くのデータが集まり、大幅なＳ／Ｎ比向上
が図れる。また、アレイアンテナ１０の前方に電波の透
過し難い層があるとシングルパス方式では画像が崩れる
場合があるが、本実施形態のようにマルチパス方式では
このような問題はない。図１１に示したように、標的７２とアンテナ１２の
間に障害物６２が存在していても、送受信アンテナ素子
対が複数選択されるため、障害物６２を避け手法じゃ電
波８２の反射信号５８を受信できる信号パス経路を確保
することができ、検査を確実に行なうことができる。図１２に示したように、標的（検査面）７２が遠い
場合に、反射信号５８は微弱で増幅が必要となるが、シ
ングルパス方式では隣接する送受信アンテナ対を用い、
送信アンテナから受信アンテナへの回り込み信号６６が
あるため、増幅に制限があったが、本実施形態では送信
アンテナ素子１２Ｔと受信アンテナ素子１２Ｒとの組み
合わせが任意の組合わせとなるので、離れた送受信アン
テナ素子対を選択することにより、回り込みによる信号
９４などの第一波結合を小さくすることができ、増幅率
を上げることができ、その結果、検査距離を向上させる
ことができる。更に、図１３に示したように、標的７２の検査面が
傾斜していると、シングルパス方式では反射波を受信で
きないケースがあるが、送受信アンテナ素子間で全ての
パスのデータが受信されるため、標的位置の特定が容易
となる。

【００４４】このような利点に加えて、周波数を固定
（ＣＷ方式）して用いるミリ波の場合には、シングルパ
ス方式と比べて距離分解能が大幅に向上する。楕円筒面
反射鏡により１次元のリニアアレイアンテナを用いて空
間全体を走査することができる。

【００４５】ミリ波の場合のように、回路技術の観点か
ら信号の切替が容易でないのに対し、本実施形態では、
実際に放射するミリ波の周波数の１／２の周波数で多く
のことをしておき、アンテナの直前から直後だけで周波
数ｆを用いることで、技術的に実現できる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
楕円筒面反射鏡の第一焦点に沿って配列したアレイアン
テナからミリ波帯域の電波を放射し、前記楕円筒面反射
鏡の第二焦点より前方にある標的に照射し、当該対象物
からの反射波を前記楕円筒面反射鏡を前記第一焦点周り
に回転させつつ回転信号に同期させて送信アンテナ素子
と受信アンテナ素子の全ての組合わせを選択するアンテ
ナ素子の切替処理を行なって受信させ、これらの信号を
合成処理することで結合画像を得て前記標的の透過映像
を得るようにした。電波障害物の有無に拘わらず確実に
検査することができる。更に、梱包された荷物の中身や
衣類の下の凶器などを映像化する近距離用に適用するこ
とができるもので、透過能力と分解能の両者の特性に優
れた透過映像を取得することができるという効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係るマルチパスミリ波映像化レーダ
システムの構成図である。

【図２】実施の形態に係る楕円筒面反射鏡の説明図であ
る。

【図３】実施の形態に係るマルチパスミリ波映像化レー
ダシステムの概略構成を示す側面断面図である。

【図４】実施の形態に係る楕円筒面反射鏡の作用を説明
する図である。

【図５】実施の形態に係るマルチパスミリ波映像化レー
ダシステムにおける映像化の原理を説明する図である。

【図６】実施の形態に係るマルチパスミリ波映像化レー
ダシステムにおける第一焦点で得られたデータを第二焦
点位置のデータに変換する方法を説明する図である。

【図７】同システムに用いる周波数逓倍器の構成図であ
る。

【図８】同システムに用いる４５度位相シフタの構成図
である。

【図９】同システムに用いるサブハーモニックミキサの
構成図である。

【図１０】同システムの動作を説明するタイムチャート
である。

【図１１】同システムによる障害物が存在する場合の反
射信号を受信する原理を説明する図である。

【図１２】同システムによる標的が遠いところにある場
合の反射信号を受信する原理を説明する図である。

【図１３】同システムによる標的が傾斜している場合の
反射信号を受信する原理を説明する図である。

【図１４】従来のシングルパス方式による障害物が存在
する場合に反射信号の受信が困難である理由を説明する
図である。

【図１５】従来のシングルパス方式による標的が深いと
ころに存在する場合に反射信号の受信が困難であること
を説明する図である。

【図１６】従来のシングルパス方式による標的が傾斜し
ている場合に反射信号の受信が困難であることを説明す
る図である。

【符号の説明】

１０……楕円筒面反射鏡、１２……リニアアレイアンテ
ナ、１２Ｔ……送信アンテナ素子、１２Ｒ……受信アン
テナ素子、１４……レーダ本体、１５……発振器、１６
……方向性結合器、１８……増幅器、２０Ｔ……送信ア
ンテナ素子切替器、２０Ｒ……受信アンテナ素子切替
器、２２……増幅器、２４……Ａ／Ｄ変換器、２７……
システムコントローラ、２８……周波数逓倍器、３０…
…分数調波検波器（サブハーモニックミキサ）、３７…
…４５度位相シフタ、５４……像再生処理演算部、５６
……表示装置、７２……標的。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者弓井孝佳岡山県玉野市玉３丁目１番１号三井造船株式会社玉野事業所内Ｆターム(参考） 5J070 AB24 AD03 AD08 AE09 AH31 AH39 AK22 BE01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発振回路と受信回路を有するレーダ本体
と、前記発振回路と受信回路とにそれぞれアンテナ素子
切替器を介して接続されミリ波帯域の電波を送受信する
送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列とからなるア
レイアンテナと、このアレイアンテナを第一焦点線位置
に配列するとともに当該第一焦点線周りに回転駆動可能
として第二焦点線を旋回走査可能とした楕円筒面反射鏡
と、前記楕円筒面反射鏡の回転信号に同期させて送信ア
ンテナ素子と受信アンテナ素子の全ての組合わせを選択
するように前記アンテナ素子切替器を制御するコントロ
ーラと、前記楕円筒面反射鏡の回転角信号毎に検出され
た受信信号に基づき前記第二焦点線における標的からの
反射波の結像処理を前記回転角信号毎に行なって合成す
る像再生処理からなる演算部と、を有してなることを特
徴とするマルチパスミリ波映像化レーダシステム。
【請求項２】前記送信アンテナ素子列の前段に周波数
逓倍器を配置するとともに、前記受信アンテナ素子列の
後段に分数調波検波器を設け、当該分数調波検波器には
位相シフトされた参照信号を入力させていることを特徴
とする請求項１に記載のマルチパスミリ波映像化レーダ
システム。
【請求項３】前記楕円筒面反射鏡を前記第一焦点周り
に回転させつつ回転信号に同期させて送信アンテナ素子
と受信アンテナ素子の全ての組合わせを選択するアンテ
ナ素子の切替処理を行なって楕円筒面反射鏡の第一焦点
に沿って配列したアレイアンテナからミリ波帯域の電波
を放射し、前記楕円筒面反射鏡の第二焦点より前方にあ
る標的に照射し、回転角信号毎に、第一焦点線上のアン
テナ素子から出て第二焦点を通り標的の内部で反射し再
び第二焦点線上を通り第一焦点上のアンテナ素子へ戻
る、全ての送受信対に対応したレーダ信号を受信し、最
後にこうして得られた信号全てから前期標的の透過映像
を得ることを特徴とするマルチパスミリ波映像化レーダ
システム。