JP2006145541A - セキュリティ検査のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部分を必要とせず、人物または他の被検物のセキュリティ検査に用いるための、コスト面で効果的で単純なマイクロ波イメージングシステムを提供する。
【解決手段】本発明の提供するセキュリティ検査システムは、被検者が通り抜けることが可能な入口と、アンテナ素子のアレイを含む走査パネルと、を有する。アンテナ素子のそれぞれは、被検者上のターゲット向けてマイクロ波照射ビームを送るように、それぞれの位相遅れをプログラムすることが可能である。アンテナ素子は、ターゲットから反射された反射マイクロ波照射ビームを受け取ることが可能である。このシステムは、さらに、反射マイクロ波照射ビームの強度を測定して、作成される前記被検者の画像内におけるピクセル値を求めるよう動作可能であるプロセッサを有する。
【選択図】図１

Description

テロリズムの増大する脅威に対応して、人物及び他の武器類や他種の禁制品の検査は、空港、コンサート会場、スポーツ・イベント会場、法廷、連邦政府の建物、学校、及びテロリストによる攻撃の潜在的危険がある他のタイプの公共施設や個人施設において見受けられるようなセキュリティ検査所において不可欠になりつつある。セキュリティ検査所に現在配備されている従来のセキュリティ検査システムには、警備担当者によって実施される目視及び／または触覚検査のような身体検査、金属探知器、及びＸ線システムが含まれる。しかし、警備担当者による身体検査は、面倒で信頼性に欠け、侵害的である。さらに、金属探知器は誤認警報を生じやすく、プラスチック爆弾または液体爆薬、プラスチックまたはセラミック製拳銃またはナイフ、及び薬物のような非金属物体を検出することはできない。さらに、Ｘ線システムは、とりわけ、空港職員のような繰り返しＸ線照射を受ける人々に健康上のリスクをもたらし、また、セラミック製ナイフのような特定の材料／構造を検出することができない。

改良型セキュリティ検査システムが必要とされる結果として、さまざまなマイクロ波イメージング（imaging、撮像）システムが既存システムに対する代替案として提案されている。マイクロ波放射（microwave radiation）は、一般に、電波と赤外波との間の波長を有する電磁波放射として定義される。Ｘ線放射に対するマイクロ波放射の利点は、マイクロ波放射はイオン化せず、従って、適度なパワー・レベルでは人間に既知の健康上のリスクをもたらすことはないという点である。さらに、マイクロ波放射線のスペクトル帯域にわたって、衣類、紙、プラスチック、及びレザーのような大部分の誘電体材料は、ほぼ透明になる。従って、マイクロ波イメージングシステムは、衣類を透過して、衣類によって隠されている物を画像化することが可能である。

現時点において利用可能なマイクロ波イメージング技法がいくつか存在する。例えば、技法の１つでは、マイクロ波検出器アレイを利用して、ターゲットによって放出される受動マイクロ波エネルギ、またはターゲットの能動マイクロ波照射（active microwave illumination）に応答してターゲットから反射される反射マイクロ波エネルギを捕捉する。人物または他の被検物の２次元または３次元画像が、その被検物の位置に対する検出器アレイの走査（移動）、及び／または伝送または検出されるマイクロ波エネルギの周波数（または波長）の調整によって形成される。例えば、先行技術文献（例えば、非特許文献１参照）には、走査バー（scanning bar）を利用して、検出器の線形アレイを機械的に移動させることにより、被検物または人物を走査する、３次元ホログラフィック・マイクロ波イメージング技法の記載がある。結果得られる実測データは、被検物のホログラフィック画像の再構成に利用される。しかし、こうした走査システムは、一般に、部品の機械的移動及び／または画像の集中的後処理再構成を必要とするが、その両方とも、マイクロ波イメージングシステムのコスト及び複雑性を増すことになる。

もう１つの技法では、レンズを利用して、マイクロ波照射ビームをマイクロ波検出器アレイに集束させる。このタイプの技法については、先行技術文献（例えば、非特許文献２参照）に記載がある。しかし、レンズを利用してマイクロ波エネルギを集束させるマイクロ波イメージングシステムは、一般に、視界が制限され、アパーチャ・サイズが小さい。さらに、レンズ・システムのコストは、多くの用途において、法外に高くなる可能性がある。
David M. Sheen et al., "Three-Dimensional Millimeter-Wave Imaging for Concealed Weapon Detection", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 49, No. 9, pp. 1581-1592, 2001 P. F. Goldsmith et al., "Focal Plane Imaging Systems for Millimeter Wavelengths", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 41, No. 10, pp. 1664-1675, 1993

従って、本発明の目的は、可動部分（moving parts）を必要とせず、人物または他の被検物のセキュリティ検査に用いるための、コスト面で効果的で単純なマイクロ波イメージングシステムを提供することにある。

本発明の実施態様によれば、被検者が通り抜けることが可能な入口（portal）と、被検者上のターゲットに向けてマイクロ波照射ビームを送るように、それぞれの位相遅れをプログラムすることが可能なアンテナ素子アレイを含む走査パネルと、を組み込んだ、セキュリティ検査システムが得られる。アンテナ素子は、さらに、ターゲットから反射された反射マイクロ波照射ビームを受け取ることが可能である。プロセッサは、反射マイクロ波照射ビームの強度を測定して、被検者の画像内におけるピクセル値を求めるよう動作可能である。被検者に向かって複数ビームを送り、プロセッサによって画像構成に用いるための対応するピクセル値を得ることが可能である。

実施態様の１つでは、アレイは、複数の反射アンテナ素子を含む反射アンテナ・アレイである。マイクロ波源によってマイクロ波照射ビームは、アンテナ素子に向かって送られ、次に、アンテナ素子によって、それぞれのプログラムされた位相遅れに基づいて反射されてターゲットに向かって送られる。

もう１つの実施態様では、反射アンテナ・アレイは、ターゲットから反射される反射マイクロ波照射ビームも受取り、反射アンテナ素子のそれぞれに関連したそれぞれのもう１つの位相遅れに基づいて、反射マイクロ波照射ビームを受信マイクロ波アンテナに向けて反射させるように構成されている。

さらにもう１つの実施態様では、走査パネルが、被検者の異なる部分を画像化するための２つ以上の走査パネルを含む。２つ以上の走査パネルを同時に動作させて、２つ以上のピクセル値を同時に得ることも可能である。

さらにもう１つの実施態様では、走査パネルは、被検者上の異なるターゲットに向かって異なる周波数の複数マイクロ波ビームを同時に送ることが可能である。

もう１つの実施態様では、人物及び他の被検物を検査するため、セキュリティ検査システムは、マイクロ波照射ビームを生じるマイクロ波源と、ターゲット上のある位置に向けてマイクロ波照射ビームを反射し、ターゲット上のその位置から反射される反射マイクロ波照射ビームを受信するようにそれぞれの位相遅れをプログラム可能な複数のアンテナ素子を含む反射アンテナ・アレイと、反射マイクロ波照射ビームの強度を測定して、ターゲットの画像内におけるピクセル値を決定する働きが可能なプロセッサと、を含む。

好都合なことには、本発明の実施態様によれば、可動部分を必要とせず、コスト面で効果的で単純なマイクロ波イメージングシステムを利用して、隠れた物体の画像化が可能になる。さらに本発明によれば、上述のものに加えて、またはその代わりに、他の特徴及び利点を備えた実施態様が得られる。これらの特徴及び利点の多くは、後掲の図面に関連した以下の説明から明らかになる。

開示の本発明は、本発明の重要なサンプル実施態様を示し、参考までに本明細書において援用される添付の図面に関連して解説されることになる。

本明細書において用いられる限りにおいて、マイクロ波放射（microwave radiation）及びマイクロ波照射（microwave illumination）という用語は、それぞれ、約１ＧＨｚ〜約１，０００ＧＨｚの周波数に対応する０．３ｍｍ〜３０ｃｍの波長を備えた電磁放射の帯域を表わしている。従って、マイクロ波放射及びマイクロ波照射という用語には、それぞれ、従来のマイクロ波放射、並びに、一般にミリメートル波放射として知られるものも含まれている。

図１は、本発明の実施態様による簡略化された典型的なマイクロ波セキュリティ検査システム１０の概略図である。マイクロ波セキュリティ検査システム１０には、被検者３０が通り抜ける入口（portal）２０が含まれている。入口２０には可動部分（moving parts）が含まれておらず、従って、被検者３０は、通常のペースで、単一方向４０に、入口２０を通り抜けることが可能である。被検者３０が入口２０を通り抜けできるようにすることにより、システム１０の処理量が最大化され、同時に、被検者３０にかかる迷惑を最小限に抑えられる。他の実施態様の場合、入口２０は、手荷物、財布、ブリーフケース、ラップトップ、バッグのような被検物、または他のタイプの被検物が通過可能な領域である。被検物は、入口２０内に置くこともできるし、あるいはコンベア・ベルトで入口２０を通過させることも可能である。

マイクロ波セキュリティ検査システム１０には、さらに、１つ以上の走査パネル５０及び１つ以上のマイクロ波アンテナ６０が含まれている。マイクロ波アンテナ６０は、それぞれ、マイクロ波放射線の送信及び／またはマイクロ波放射線の受信が可能である。実施態様の１つでは、１つ以上の走査パネル５０には、反射アンテナ素子から構成される受動（passive）プログラマブル反射アレイが含まれている。反射アンテナ素子は、それぞれ、被検者３０に向けて及び／またはマイクロ波アンテナ６０の１つに向けてマイクロ波照射ビームを送るように、それぞれの位相遅れをプログラムすることが可能である。位相遅れは、二相（binary）または連続とすることが可能である。

例えば、実施態様の１つでは、マイクロ波アンテナ６０の１つは、所定の空間位置に配置された受信マイクロ波アンテナ６０である。個別反射アンテナ素子のそれぞれにそれぞれの位相遅れをプログラムすることによって、被検者３０上のターゲット位置から走査パネル５０の１つが受信したマイクロ波照射ビームが、受信マイクロ波アンテナ６０に向けて反射される。送信マイクロ波アンテナ６０は、独立したアンテナまたは受信マイクロ波アンテナの一部として、受信マイクロ波アンテナ６０と同じ空間位置に配置して走査パネル５０を介してターゲット位置を照射することもできるし、あるいは、受信マイクロ波アンテナ６０と異なる空間位置に配置して、直接、または走査パネル５０の１つ（例えば、受信マイクロ波アンテナ６０と同じ走査パネル５０または異なる走査パネル５０）を介して、被検者３０上のターゲット位置を照射することが可能である。

もう１つの実施態様の場合、１つ以上の走査パネル５０は、マイクロ波照射ビームを発生して送信し、反射したマイクロ波照射ビームを受信して捕捉することが可能な能動アンテナ素子から構成される能動送信機／受信機アレイを含む。例えば、能動アレイは、送信アレイの形をとることが可能である。この実施態様の場合、走査パネル５０がマイクロ波放射源の働きをするので、マイクロ波アンテナ６０は利用されない。能動送信機／受信機アレイにおける能動アンテナ素子のそれぞれは、マイクロ波照射ビームを被検者３０上のターゲット位置の方向に導くように、個別に、それぞれの移相（phase shift）をプログラムすることが可能である。

マイクロ波イメージングシステム１０には、さらに、プロセッサ１００、コンピュータ読取り可能媒体１１０、及びディスプレイ１２０が含まれている。プロセッサ１００には、走査パネル５０及びマイクロ波アンテナ６０を制御し、被検者３０から反射された受信マイクロ波照射ビームを処理して、被検者３０のマイクロ波画像を作成するための任意のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、または、それらの組み合わせが含まれている。例えば、プロセッサ１００には、コンピュータ・プログラムの命令を実行するように構成された、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブル論理回路、ディジタル信号プロセッサ、または、他のタイプの処理装置と、プロセッサ１００によって利用される命令及び他のデータを記憶する１つ以上のメモリ（例えば、キャッシュ・メモリ）を含むことが可能である。しかし、云うまでもなく、プロセッサ１００の他の実施態様を利用することも可能である。メモリ１１０は、制限するわけではないが、ハード・ドライブ、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、コンパクト・ディスク、フロッピ・ディスク、ＺＩＰ（登録商標）ドライブ、テープ駆動機構、データベース、または、他のタイプの記憶装置、または、記憶媒体を含む、任意のタイプのデータ記憶装置である。

プロセッサ１００は、マイクロ波放射で被検者３０上の複数のターゲット位置を照射するように、及び／または、被検者３０上の複数のターゲット位置から反射するマイクロ波照射ビームを受信するように、走査パネル５０における個別アンテナ素子のそれぞれの位相遅れまたは移相をプログラムする働きをする。従って、走査パネル５０に関連したプロセッサ１００は、被検者３０を走査する働きをする。

プロセッサ１００は、さらに、マイクロ波アンテナ６０によって被検者３０上の各ターゲット位置から受信する反射マイクロ波照射ビームの強度を利用して、被検者３０のマイクロ波画像を作成することも可能である。各受信マイクロ波アンテナ６０は、走査パネル５０の１つにおける各アンテナ素子から反射された反射マイクロ波照射ビームを組み合わせて、被検者３０上の各ターゲット位置における反射マイクロ波照射ビームの有効強度値が得られるようにすることが可能である。この強度値は、プロセッサ１１０に送られ、被検者３０上のターゲット位置に対応するピクセル値として用いられる。

プロセッサ１００は、受信マイクロ波アンテナ６０のそれぞれから複数の強度値を受信し、それらの強度値を組み合わせて、被検者３０のマイクロ波画像を生成する。例えば、プロセッサ１００は、受信強度値と被検者上のターゲット位置を関連づけて、受信強度値を有するマイクロ波画像内にピクセル値を挿入する。マイクロ波画像内に挿入されたピクセルの位置は、被検者３０上のターゲット位置に対応する。動作時、マイクロ波セキュリティ検査システム１０は、１秒当たり、被検者３０上における数百万のターゲット位置の走査を可能にする周波数で動作可能である。

被検者３０の結果生じるマイクロ波画像は、被検者３０のマイクロ波画像を表示するため、プロセッサ１００からディスプレイ１２０に送られる。実施態様の１つでは、ディスプレイ１２０は、被検者３０の３次元マイクロ波画像、または被検者３０の１つ以上の２次元マイクロ波画像を表示するための２次元ディスプレイである。もう１つの実施態様では、ディスプレイ１２０は、被検者３０の３次元マイクロ波画像を表示することが可能な３次元ディスプレイである。

図２は、本発明の実施態様に従って、図１の検査システムに用いられる単純化された典型的な走査パネル５０の概略図である。図２の走査パネル５０は、米国特許出願公開第１０／９９７，４２２号明細書（代理人整理番号１００４０１５１）に記載のように、そのインピーダンス状態に応じて、位相が変動する電磁放射線を反射する個別反射アンテナ素子２００を含む反射アンテナ・アレイである。反射アンテナ素子２００は、そのインピーダンスが、その低い時に比べて高くなると、１８０度移相する（二相移相（binary phase-shift））電磁放射線を反射するのが理想である。反射アンテナ素子２００は、個別に制御可能であり、反射アンテナ・アレイは、一般に、ドライバ回路（図２には示されていない）によって支持されている。反射アンテナ・アレイは、プリント回路基板のような、基板上及び／または基板内に形成される。ある例の場合、反射アンテナ・アレイは、表面積が約１平方メートルであり、行２１０および列２２０に整列された１０，０００〜１００，０００の個別に制御可能な反射アンテナ素子２００で覆われている。

各反射アンテナ素子２００には、アンテナと、非理想的なスイッチング素子が含まれている。アンテナは、反射アンテナ素子２００のインピーダンス・レベルに応じて変動する程度に、電磁放射ビームを吸収または反射する働きをする。反射アンテナ・アレイに組み込むことが可能なアンテナ・タイプ例には、パッチ、ダイポール、モノポール、ループ、及び誘電体共振器タイプ・アンテナがある。反射アンテナ・アレイ用途において、アンテナは、しばしば反射アンテナ・アレイ基板の表面上に単一平面で形成される。アンテナのインピーダンス特性は、アンテナ設計パラメータの関数である。アンテナの設計パラメータには、制限するわけではないが、誘電体構成材料、誘電体材料の厚さ、アンテナの形状、アンテナの長さ及び幅、給電位置、及びアンテナ金属層の厚さといった物理的属性が含まれる。

非理想的スイッチング素子は、その抵抗状態を変化させることによって、反射アンテナ素子２００のインピーダンス状態を変化させる。低抵抗状態（例えば、閉回路または「短絡」回路）は、低インピーダンスになる。逆に、高抵抗状態（例えば、開回路）は、高インピーダンスになる。性能特性が理想的なスイッチング素子（本明細書では、「理想的（ideal）」スイッチング素子と呼ばれる）は、その抵抗がその最低状態の場合には、事実上、ゼロ・インピーダンス（Ｚ＝０）をもたらし、その抵抗がその最高状態の場合には、事実上、無限インピーダンス（Ｚ＝∞）をもたらす。本明細書に解説のように、スイッチング素子は、そのインピーダンスがその最低状態（例えば、Ｚ_ｏｎ＝０）の場合には「オン」になり、そのインピーダンスがその最高状態（例えば、Ｚ_ｏｆｆ＝∞）の場合には「オフ」になる。理想的スイッチング素子のオン及びオフ・インピーダンス状態は、事実上、Ｚ_ｏｎ＝０及びＺ_ｏｆｆ＝∞であるため、理想的スイッチング素子は、オン状態とオフ状態の間で、電磁放射線を吸収することなく、最大移相を生じさせることが可能である。すなわち、理想的スイッチング素子は、０度の位相状態と１８０度の位相状態の間でスイッチングを生じさせることが可能である。理想的スイッチング素子の場合、最大位相振幅性能は、有限非ゼロ・インピーダンスを示すアンテナによって実現可能である。

理想的スイッチング素子とは対照的に、「非理想的（non-ideal）」スイッチング素子は、それぞれ、Ｚ_ｏｎ＝０及びＺ_ｏｆｆ＝∞のオン及びオフ・インピーダンス状態を示さないスイッチング素子である。より正確に言うと、非理想的スイッチング素子のオン及びオフ・インピーダンス状態は、例えば、Ｚ_ｏｎ＝０とＺ_ｏｆｆ＝４の間のある値である。非理想的スイッチング素子は、特定の周波数範囲内では（例えば、＜１０ＧＨｚ）、理想のインピーダンス特性を示し、他の周波数範囲では（例えば、＞２０ＧＨｚ）、かなり非理想的なインピーダンス特性を示す可能性がある。

非理想的スイッチング素子のオン及びオフ・インピーダンス状態は、Ｚ_ｏｎ＝０とＺ_ｏｆｆ＝４の間のある値であるため、非理想的スイッチング素子では、対応するアンテナのインピーダンスに関係なく、必ずしも最大位相状態性能が得られるとは限らない。ここで、最大位相状態性能には、０度と１８０度の位相状態間におけるスイッチングを伴うことになる。本発明によれば、非理想的スイッチング素子を利用する反射アンテナ・アレイのアンテナ素子は、特に最適位相状態性能が得られるように設計されているが、ここで、反射アンテナ素子の最適位相状態性能は、反射アンテナ素子が０度と１８０度の位相振幅状態間におけるスイッチングに最も近くなるポイントである。実施態様の１つでは、最適位相状態性能を実現するため、アンテナは、非理想的スイッチング素子のインピーダンスの関数として構成される。例えば、アンテナは、アンテナのインピーダンスが非理想的スイッチング素子のインピーダンス特性の関数になるように設計される。

さらに、アンテナは、オン状態にある非理想的スイッチング素子のインピーダンスＺ_ｏｎ、及び、オフ状態にある非理想的スイッチング素子のインピーダンスＺ_ｏｆｆの関数として構成されている。ある特定の実施態様において、反射素子の位相状態性能が最適化されるのは、各アンテナのインピーダンスがオン及びオフ・インピーダンス状態Ｚ_ｏｎ及びＺ_ｏｆｆにある場合に非理想的スイッチング素子のインピーダンスの平方根に対して共役化させられるように、アンテナの構成がなされている場合である。すなわち、各アンテナのインピーダンスは、対応する非理想的スイッチング素子のオン及びオフ・インピーダンス状態Ｚ_ｏｎ及びＺ_ｏｆｆの幾何平均（geometric mean）の複素共役（complex conjugate）である。この関係は、下記のように表わされる。

Ｚ_antenna ^*＝√（Ｚ_ｏｎＺ_ｏｆｆ） （１）
上記関係式は、信号源インピーダンスと負荷インピーダンスとの間の複素反射係数に関する周知の公式を用いて導き出される。アンテナである信号源及び非理想的スイッチング素子である負荷を選択して、オン状態反射係数が、オフ状態反射係数の逆に等しくなるように設定することによって、方程式（１）が得られることになる。

最適な位相振幅性能を示すアンテナの設計には、反射アンテナ素子２００に用いられる特定の非理想的スイッチング素子のオン及びオフ・インピーダンスＺ_ｏｎ及びＺ_ｏｆｆを決定することが必要になる。次に、上記方程式（１）において表わされた関係に整合するインピーダンスを備えたアンテナが得られるように、アンテナの設計パラメータが操作される。Ｚ_ｏｎ及びＺ_ｏｆｆが別個の値になるように決定される限りにおいて、方程式（１）を満たすアンテナを設計することが可能である。

問題となる周波数帯域にわたって非理想的インピーダンス特性を示すスイッチング素子のタイプには、表面実装の（surface mount）電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）及び表面実装のダイオードのような低コストの表面実装デバイスが含まれる。表面実装ＦＥＴは、問題となる周波数帯域にわたって非理想的インピーダンス特性を示すが、比較的安価であり、反射アンテナ・アレイ用途に用いるために個別に実装することが可能である。

実施態様の１つでは、反射アンテナ・アレイのアンテナは、平面パッチ・アンテナである。図３は、本発明の実施態様に従って、非理想的スイッチング素子としてＦＥＴ３２２が表面実装された、平面パッチ・アンテナ３２０ａを利用するアンテナ素子２００の断面図である。反射アンテナ素子２００は、プリント回路基板３１４上及び内に形成され、表面実装された（surface mounted）ＦＥＴ３２２、パッチ・アンテナ３２０ａ、ドレイン・バイア（via）３３２、接地面３３６、及びソース・バイア３３８を含んでいる。表面実装されたＦＥＴ３２２は、平面パッチ・アンテナ３２０ａとしてプリント回路基板３１４の反対側に実装され、接地面３３６は、平面パッチ・アンテナ３２０ａと表面実装ＦＥＴ３２２の間に配置されている。ドレイン・バイア３３２によって、表面実装されたＦＥＴ３２２のドレイン３２８が平面パッチ・アンテナ３２０ａに接続され、ソース・バイア３３８によって、表面実装されたＦＥＴ３２２のソース３２６が接地面３３６に接続されている。実施態様の１つでは、表面実装されたＦＥＴ３２２は、ロボットの「ピック・アンド・プレイス（pick and place）」プロセスを利用して、プリント回路基板３１４上に配置され、さらに、プリント回路基板３１４に対してウェーブ・ソルダリングされる（wave soldered）。

ある作業製品の場合、反射アンテナ・アレイは、ドライバ回路（driver electronics）を含むコントローラ基板３４０に接続可能である。コントローラ基板３４０の一例が、やはり図３に示されており、接地板３４４、駆動信号バイア３４６、及びドライバ回路３４２を含んでいる。コントローラ基板３４０には、反射アンテナ・アレイのコネクタ３５０に適合するコネクタ３４８も含まれている。２つの基板のコネクタ３４８は、例えばウェーブ・ソルダリングを利用して、互いに接続することが可能である。もちろん、他の実施態様では、ＦＥＴ３２２は、プリント回路基板３１４の平面パッチ・アンテナ３２０ａと同じ側に表面実装することが可能である。さらに、ドライバ回路３４２は、反射アンテナ素子２００が組み込まれているのと同じプリント回路基板に直接ハンダ付けすることも可能である。

非理想的スイッチング素子としてＦＥＴを利用する反射アンテナ・アレイの場合、実現可能なビーム走査速度は、Ｓ／Ｎ比、クロストーク、及びスイッチング時間を含むいくつかの要素によって決まる。ＦＥＴの場合、スイッチング時間は、ゲート・キャパシタンス、ドレイン・ソース間キャパシタンス、及びチャネル抵抗（すなわち、ドレイン・ソース間抵抗）によって決まる。チャネル抵抗は、実際には、空間依存性並びに時間依存性である。インピーダンス状態間のスイッチング時間を最短にするため、ＦＥＴのドレインは、常にＤＣ短絡状態にある。ドレインを浮遊させると、大きいオフ状態チャネル抵抗、並びに、パッチ・アンテナの巨大な平行板面積に起因する大きいドレイン・ソース間キャパシタンスをもたらすので、ドレインは、常にＤＣ短絡状態にある。これは、アンテナがＤＣ短絡状態になることを表わしているが、望まれるのは、アンテナがソースにおいて「ｒｆ短絡」状態になることだけである。従って、アンテナの摂動を最小限に抑えるのに最適な位置において、追加アンテナ／ドレインの短絡を施さなければならない。

他の実施態様には、ＦＥＴを可変コンデンサ（例えば、チタン酸バリウムストロンチウム（Barium Strontium Titanate：ＢＳＴ）コンデンサ）に置き換えることによって、反射アンテナ・アレイに、連続移相アンテナ素子２００を含むことが可能なものもある。可変コンデンサを装着したパッチ・アンテナの場合、ＦＥＴを装着したパッチ・アンテナによって得られる二相移相の代わりに、各アンテナ素子２００毎に連続移相を実現することが可能である。連続移相アレイは、ビーム走査パターンでマイクロ波ビームを任意の方向に導くため、任意の所望の移相が得られるように調整可能である。

他の実施態様では、走査パネルは、能動（active）アンテナ素子を含む能動送信／受信アレイである。送信／受信アレイに用いられる能動アンテナ素子１２００の一例が、図１２に示されており、同時係属で、譲渡先が共通の米国特許出願公開第１０／９９７，５８３号明細書（代理人整理番号１００４０５８０）に解説されている。能動アンテナ素子１２００は、それぞれのスイッチ１２１５に接続されたアンテナ１２１０を含む、広帯域二相位相アンテナ素子である。スイッチ１２１５は、例えば、単極双投（single-pole double-throw：ＳＰＤＴ）スイッチまたは二極双投（double-pole double-throw：ＤＰＤＴ）スイッチとすることが可能である。スイッチ１２１５の動作状態によって、それぞれのアンテナ素子１２００の位相が制御される。例えば、アンテナ素子１２００は、スイッチ１２１５が第１の動作状態の場合、第１の二相状態（例えば、０度）となり、スイッチ１２１５が第２の動作状態の場合、第２の二相状態（例えば、１８０度）になることが可能である。スイッチ１２１５の動作状態によって、スイッチ１２１５の端子接続が決まる。例えば、第１の動作状態の場合、端子１２１８は、閉位置（短絡）位置について、アンテナ１２１０とスイッチ１２１５との間の給電路１２１６を接続することが可能であり、端子１２１９は開位置につくことが可能である。各スイッチ１２１５の動作状態は、各アンテナ素子１２００の位相を個々に設定するため、制御回路（不図示）によって個別に制御される。

本明細書において用いられる限りにおいて、対称アンテナ１２１０という用語は、２つの逆の対称電界分布または電流の一方を生じさせるため、２つの給電点１２１１または１２１３のいずれかにおいてタップで接続されるか、または給電されることが可能なアンテナを表わしている。図１２に示すように、２つの逆対称電界分布は、そのミラー軸１２５０に関して形状が対称をなす対称アンテナ１２１０を利用して生じさせられる。ミラー軸１２５０は、アンテナ１２１０を通って、２つの対称側１２５２及び１２５４を形成する。給電点１２１１及び１２１３は、アンテナ１２１０のミラー軸１２５０の両側１２５２及び１２５４に配置される。実施態様の１つでは、給電点１２１１及び１２１３は、ミラー軸１２５０に関してほぼ対称をなすようにアンテナ１２１０上に配置される。例えば、ミラー軸１２５０は、アンテナ１２１０の１つの次元１２１６（例えば、長さ、幅、高さ等）に対し平行に延びることが可能であり、給電点１２１１及び１２１３は、次元１２６０の中点１２７０近くに配置することが可能である。図１２の場合、給電点１２１１及び１２１３は、図示のように、ミラー軸１２５０の各側１２５２及び１２５４において、アンテナ１２１０の中点１２７０近くに配置されている。

対称アンテナ１２１０は、Ａ及びＢで表示の２つの逆対称電界分布を生じさせることが可能である。電界分布Ａの大きさ（例えば、パワー）は、電界分布Ｂの大きさとほぼ同じであるが、電界分布Ａの位相は、電界分布Ｂの位相と１８０度異なっている。従って、電界分布Ａは、電気周期が±１８０°の電界分布Ｂに似ている。

対称アンテナ１２１０は、給電線１２１６及び１２１７を介して対称スイッチ１２１５に接続されている。給電点１２１１は、給電線１２１６を介して対称スイッチ１２１５の端子１２１８に接続され、給電点１２１３は、給電線１２１７を介して対称スイッチ１２１５の端子１２１９に接続されている。本明細書で用いられる限りにおいて、対称スイッチという用語は、スイッチの２つの動作状態が端子１２１８及び１２１９に関して対称をなすＳＰＤＴまたはＤＰＤＴスイッチを表わしている。

例えば、ＳＰＤＴの第１の動作状態において、チャネルαのインピーダンスが１０Ωで、チャネルβのインピーダンスが１ｋΩであれば、ＳＰＤＴの第２の動作状態において、チャネルαのインピーダンスは１ｋΩで、チャネルβのインピーダンスは１０Ωになる。もちろん、チャネル・インピーダンスは、完全な開路または短絡である必要はなく、あるいは、実在する必要さえない。さらに、クロストークが状態対称性である限りにおいて、チャネル間にはクロストークが生じる可能性がある。一般に、スイッチのＳパラメータ・マトリックスがスイッチの２つの動作状態に関して同じであれば（例えば、端子１２１８と１２１９の間において）、スイッチは対称性である。

もちろん、他のタイプのアンテナ素子及び走査パネルを用いて、走査を受ける被検者または他の被検物に対し、及び、被検者または他の被検物からマイクロ波照射ビームを送信、受信、及び／または、反射することも可能である。さらに、言うまでもないが、複数走査パネルを用いて、被検者または他の被検物の異なる部分を走査することも可能である。例えば、マイクロ波セキュリティ検査システムは、それぞれ、被検者の１／２を走査するための１ｍ×１ｍのアンテナ素子アレイを含む、２つの走査パネルによって実現することが可能である。もう１つの例として、マイクロ波セキュリティ検査システムは、それぞれ、被検者の１／４を走査することが可能な．０．５ｍ×０．５ｍのアンテナ素子アレイを含む、４つの走査パネルによって実現することが可能である。

図４は、本発明の実施態様によるマイクロ波照射ビームを反射するための典型的な走査パネル５０の平面図の概略図である。図４の場合、マイクロ波アンテナ６０から送信されるマイクロ波照射線ビーム４００は、走査パネル５０のさまざまなアンテナ素子２００によって受信される。アンテナ素子２００は、それぞれ、反射マイクロ波照射ビーム４１０をターゲット４２０に向けて送るように、それぞれの位相遅れがプログラムされる。位相遅れは、ターゲット４２０にアンテナ素子２００のそれぞれから反射したマイクロ波照射線ビーム４１０の正の干渉を生じるように選択される。アンテナ素子２００のそれぞれの移相は、信号源（アンテナ素子２００）からターゲット４２０までの反射マイクロ波照射ビーム４１０の各経路毎に、同じ位相遅れをもたらすように調整される。

図５は、本発明の実施態様による被検者３０上のターゲット４２０を照射する典型的なマイクロ波セキュリティ検査システム１０の概略図である。４つの走査パネル５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、及び５０ｄと、４つのマイクロ波アンテナ６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、及び６０ｄを含む、マイクロ波検査システム１０が示されている。被検者３０上のある特定のポイント（ターゲット４２０）に対処するため、マイクロ波照射ビーム５００が、ある特定のマイクロ波アンテナ（例えば、マイクロ波アンテナ６０ｄ）からある特定の走査パネル（例えば、走査パネル５０ｄ）に向けて放射される。走査パネル５０ｄのアンテナ素子は、それぞれ、マイクロ波照射ビーム５００を反射して、反射マイクロ波照射ビーム５１０をターゲット４２０に向けて送るように、それぞれの位相遅れがプログラムされている。この位相遅れによって、ターゲット４２０から受信アンテナ６０ｄに向かう反射波の集束も確実になる。

図６は、本発明の実施態様による被検者３０上の複数のターゲット４２０ａ及び４２０ｂを照射する典型的なマイクロ波セキュリティ検査システム１０の概略図である。図６の場合、マイクロ波照射ビーム６２０が、ある特定のマイクロ波アンテナ（例えば、マイクロ波アンテナ６０ｃ）からある特定の走査パネル（例えば、走査パネル５０ｃ）に向けて放射される。走査パネル５０ｃのアンテナ素子は、それぞれ、マイクロ波照射ビーム６２０を反射して、反射マイクロ波照射ビーム６３０をある特定のターゲット４２０ａに向けて送るように、それぞれの位相遅れがプログラムされている。さらに、マイクロ波照射ビーム６００が、ある特定のマイクロ波アンテナ（例えば、マイクロ波アンテナ６０ｄ）からある特定の走査パネル（例えば、走査パネル５０ｄ）に向けて放射される。走査パネル５０ｄのアンテナ素子は、それぞれ、マイクロ波照射ビーム６００を反射して、反射マイクロ波照射ビーム６１０をある特定のターゲット４２０ｂに向けて送るように、それぞれの位相遅れがプログラムされている。さらに、明確には示されていないが、各走査パネル５０ｃ及び５０ｄ内のアンテナ素子は、ターゲット４２０ａ及び４２０ｂから反射されたマイクロ波照射ビームをそれぞれのマイクロ波アンテナ６０ｃ及び６０ｄに向けて送るように、交互配置することが可能である。２つ以上の走査パネル５０ａ〜５０ｄを同時に動作させることによって、時分割多重化を実現することが可能になる。

図７は、本発明の実施態様による、典型的なマイクロ波セキュリティ検査システム１０における各走査パネル５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、及び５０ｄの典型的な受信可能領域７００、７１０、７２０、及び７３０を例示した概略図である。各走査パネル５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、及び５０ｄの受信可能領域７００、７１０、７２０、及び７３０は、それぞれ、被検者３０の異なる部分を含んでいる。例えば図７に示すように、被検者３０は象限に分割され、各走査パネル５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、及び５０ｄの受信可能領域７００、７１０、７２０、及び７３０には、それぞれ、象限の１つが含まれている。従って、マイクロ波画像の時分割多重化は、各走査パネル５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、及び５０ｄを同時に動作させて、被検者３０の象限の全てを走査することによって実現される。時分割多重化に加えて、またはその代わりに、各走査パネル５０ａ〜５０ｄ及び各マイクロ波アンテナ６０ａ〜６０ｄは、異なる周波数を利用して被検者３０の象限の１つにおける複数ターゲットを同時に操作するため、周波数分割多重化に適応するようにプログラミングを施すことも可能である。

図８は、本発明の実施態様によるマイクロ波セキュリティ検査システムによって生じる可能性のあるさまざまなマイクロ波照射ビームの絵画的表現である。各走査パネル５０ａ及び５０ｂは、ターゲット４２０においてマイクロ波照射ビームの放射パターン８００及び８１０をそれぞれ生じさせる。各放射パターン８００及び８１０は、画像の解像度を決定する特定のビーム幅を備えたマイクロ波照射ビームに相当するが、この場合、ビーム幅が広いと解像度が低くなる。ビーム幅は、マイクロ波照射ビームの波長と、各走査パネル５０ａ及び５０ｂのサイズ及びプログラミングによって決まる。

マイクロ波画像の解像度を向上させるため、異なる走査パネル５０ａ及び５０ｂと異なるマイクロ波アンテナ６０ａ及び６０ｂを利用して、送受信を行うことも可能である。例えば、図８に示すように、マイクロ波アンテナ６０ａは、送信マイクロ波アンテナであり、マイクロ波アンテナ６０ｂは、受信マイクロ波アンテナである。送信マイクロ波アンテナ６０ａは、走査パネル５０ａに向けてマイクロ波照射ビームを送信する。走査パネル５０ａは、次に、マイクロ波照射ビーム８００として、ターゲット４２０に向けてマイクロ波照射ビームを反射する。ターゲット４２０から反射したマイクロ波照射ビームは、走査パネル５０ｂによってマイクロ波照射ビーム８２０として受信され、受信マイクロ波アンテナ６０ｂに向けて反射される。マイクロ波画像の解像度は、各マイクロ波ビーム８００及び８１０のビーム幅に関する知識を利用して、２つの放射パターン８００及び８１０の共通部分演算（または乗算）８２０に変換することが可能である。

図９は、本発明の実施態様による異なるマイクロ波アンテナ及び走査パネルを利用した送信及び受信を例示した概略図である。図９では、マイクロ波アンテナ６０ａを送信マイクロ波アンテナとして利用し、マイクロ波アンテナ６０ｃを受信マイクロ波アンテナとして利用して、被検者３０の正面にあるターゲット４２０が画像化される。送信マイクロ波アンテナ６０ａは、走査パネル５０ａに向けてマイクロ波照射ビーム９００を送信する。走査パネル５０ａは、次に、マイクロ波照射ビーム９１０として、ターゲット４２０に向けてマイクロ波照射ビームを反射する。ターゲット４２０から反射したマイクロ波照射ビームは、走査パネル５０ｃによってマイクロ波照射ビーム９２０として受信され、受信マイクロ波アンテナ６０ｃに向けて反射される。

図１０は、本発明の実施態様による他のマイクロ波アンテナ及び走査パネルを利用した送信及び受信を例示した概略図である。図１０では、マイクロ波アンテナ６０ｃを送信マイクロ波アンテナとして利用し、マイクロ波アンテナ６０ｄを受信マイクロ波アンテナとして利用して、被検者３０の側面にあるターゲット４２０が画像化される。送信マイクロ波アンテナ６０ｃは、走査パネル５０ｃに向けてマイクロ波照射ビーム１０００を送信する。走査パネル５０ｃは、次に、マイクロ波照射ビーム１０１０として、ターゲット４２０に向けてマイクロ波照射ビームを反射する。ターゲット４２０から反射したマイクロ波照射ビームは、走査パネル５０ｄによってマイクロ波照射ビーム１０２０として受信され、受信マイクロ波アンテナ６０ｄに向けて反射される。

図１１は、本発明の実施態様による被検者または他の被検物のマイクロ波セキュリティ検査を実施するための典型的なプロセス１１００を例示したフローチャートである。最初に、ブロック１１１０において、複数のアンテナ素子を含む反射アンテナ・アレイが設けられる。ブロック１１２０では、アンテナ素子のそれぞれに、それぞれの位相遅れがプログラムされる。その後、反射アンテナ・アレイは、ブロック１１３０において、マイクロ波源によるマイクロ波放射ビームの照射を受け、ブロック１１４０において、アンテナ素子のそれぞれのプログラムされた位相遅れに基づいて、被検者または他の被検物上のターゲットに向けてマイクロ波照射ビームを反射する。ブロック１１５０では、反射アンテナ・アレイは、被検者または他の被検物上のターゲットから反射したマイクロ波照射ビームを受信する。

ブロック１１６０では、反射アンテナ・アレイが被検者または被検物上のターゲットから受信した反射マイクロ波照射ビームの強度を測定して、被検者または被検物の画像内におけるピクセル値が求められる。ブロック１１７０において、被検者または被検物上に走査すべきターゲットがさらに存在する場合、ブロック１１２０において、アンテナ素子は、被検者または被検物上の新しいターゲットに向けてマイクロ波照射ビームを反射するように、新たなそれぞれの位相遅れが再プログラムされる。被検者または被検物上における全ターゲットの走査が済むと、ブロック１１８０において、被検者または被検物のマイクロ波画像が、被検者または被検物上の各ターゲット（ポイント）における実測ピクセル値から作成される。

当該技術者には明らかなように、本出願書において解説された新規の概念は、さまざまな適用範囲にわたって修正及び変更を加えることが可能である。従って、本特許内容の範囲は、論述された特定の典型的な教示に限定されるべきではなく、代わりに、付属の請求項によって定義される。

本発明の実施態様による単純化された典型的なマイクロ波セキュリティ検査システムの概略図である。 本発明の実施態様による図１の検査システムに用いられる単純化された典型的な走査パネルの概略図である。 本発明の実施態様による図２の走査パネルのアンテナ素子の断面図である。 本発明の実施態様によるマイクロ波照射ビームを反射する典型的な走査パネルの平面図の概略図である。 本発明の実施態様による被検者上のターゲットを照射する典型的なマイクロ波セキュリティ検査システムの概略図である。 本発明の実施態様による被検者上の複数のターゲットを照射する典型的なマイクロ波セキュリティ検査システムの概略図である。 本発明の実施態様による典型的なマイクロ波セキュリティ検査システムにおける各走査パネルの受信可能領域を例示した概略図である。 本発明の実施態様によるマイクロ波セキュリティ検査システムによって生じる可能性のあるさまざまなマイクロ波照射ビームの絵画表現図である。 本発明の実施態様による異なるマイクロ波アンテナ及び走査パネルを利用した送受信を例示した概略図である。 本発明の実施態様による他のマイクロ波アンテナ及び走査パネルを利用した送受信を例示した概略図である。 本発明の実施態様による被検者または他の被検物のマイクロ波セキュリティ検査を実施するための典型的なプロセスを例示したフローチャートである。 送受信アレイに用いられる典型的な能動アンテナ素子を例示した図である。

符号の説明

２０ 入口
３０ 被検者
５０ 走査パネル
６０ 送信アンテナ、受信アンテナ
１００ プロセッサ
２００ アンテナ素子
４２０ ターゲット

Claims (10)

1. セキュリティ検査システムであって、
   被検者が通り抜けることが可能な入口と、
   アンテナ素子のアレイを含む走査パネルであって、該アンテナ素子のそれぞれは、前記被検者上のターゲット向けてマイクロ波照射ビームを送るように、それぞれの位相遅れをプログラムすることが可能であり、前記アンテナ素子は、前記ターゲットから反射された反射マイクロ波照射ビームを受け取ることが可能である、走査パネルと、
   前記反射マイクロ波照射ビームの強度を測定して、作成される前記被検者の画像内におけるピクセル値を求めるよう動作可能であるプロセッサと、
   を有するシステム。
2. 前記アンテナ・アレイが反射アンテナ・アレイであり、前記アンテナ素子が反射アンテナ素子であり、前記アンテナ素子が、送信マイクロ波アンテナからのマイクロ波照射ビームを受信するよう構成され、前記ターゲットに向けてマイクロ波照射ビームを送るようにプログラムされた前記それぞれの位相遅れに基づいて、前記マイクロ波照射ビームを反射するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記反射アンテナ素子が、さらに、前記ターゲットから反射された前記反射マイクロ波照射ビームを受信するよう構成され、交互パターンをなすように前記反射アンテナ素子にプログラミングを施すことにより、前記反射マイクロ波照射ビームを受信マイクロ波アンテナに向けて反射するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
4. 前記受信マイクロ波アンテナが前記送信マイクロ波アンテナである、請求項３に記載のシステム。
5. 前記反射アンテナ・アレイが、前記マイクロ波照射ビームを前記ターゲットに向けて反射するように構成された第１の反射アンテナ・アレイと、前記反射マイクロ波照射ビームを前記受信マイクロ波アンテナに向けて反射するように構成された第２の反射アンテナ・アレイが含まれる、請求項３に記載のシステム。
6. 前記走査パネルが、前記被検者上の異なるターゲットに向けて周波数の異なる複数マイクロ波ビームを同時に送ることが可能な１つ以上の走査パネルを含む、請求項１に記載のシステム。
7. セキュリティ検査方法であって、
   それぞれの位相遅れをプログラムすることが可能な複数のアンテナ素子を含む反射アンテナ・アレイを設けるステップと、
   マイクロ波源からのマイクロ波照射ビームを前記反射アンテナ・アレイで受け取るステップと、
   前記アンテナ素子の前記それぞれの位相遅れに基づいて、ターゲット上の位置に向けて前記マイクロ波照射ビームを反射するステップと、
   前記反射アンテナ・アレイにおいて、前記ターゲット上の前記位置から反射された反射マイクロ波照射ビームを受信するステップと、
   前記反射マイクロ波照射ビームの強度を測定して、ピクセル値を求めるステップと、
   前記ターゲット上の複数位置に関連した複数ピクセル値を含む画像を作成するステップと、
   を有する方法。
8. 前記マイクロ波源が、送信マイクロ波アンテナであり、
   前記アンテナ素子のそれぞれに関連したそれぞれの追加位相遅れに基づいて、受信マイクロ波アンテナに向けて前記反射マイクロ波ビームを反射するステップをさらに有する、請求項７に記載の方法。
9. 前記反射アンテナ・アレイが、前記ターゲットの異なる部分を画像化する２つ以上の反射アンテナ・アレイを含んでおり、
   前記２つ以上の反射アンテナ・アレイを同時に動作させて、２つ以上のピクセル値を求めるステップをさらに有する、請求項７に記載の方法。
10. 前記反射するステップが、前記ターゲット上の異なる位置に向けて周波数の異なる複数のマイクロ波ビームを同時に反射するステップを含む、請求項７に記載の方法。
    

Images