JP2006258496A - ミリ波撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 消費電力が小さく、室内でも鮮明な画像の得られるミリ波撮像装置を提供する。
【解決手段】 パルス状のミリ波を発生させるパルス発生器と、前記ミリ波の周波数帯域を制限するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを通過した送信ミリ波を送信する送信アンテナとを有する送信機と、前記送信ミリ波の物体による反射波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナによって受信された受信ミリ波の強度を検出する強度検出回路とを有する受信機とを備えることを特徴とするミリ波撮像装置を提供する。本発明のミリ波撮像装置は、消費電力が小さく、室内でも鮮明な画像が得られる。また、物体の材質の違いを捉え画像にコントラストをつけることが可能である。さらに、別途に測定器を設けることなく、物体までの距離の測定を可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パルス状のミリ波を用いたミリ波撮像装置に関するものであり、特に、バンドパスフィルタによって周波数帯域を制限するミリ波撮像装置に関する。

近年、ミリ波を用いた撮像装置の開発が盛んに行われている。ここでミリ波とは、30GHｚから300GHｚの周波数帯域の電磁波を指す。ミリ波による撮像装置は、ミリ波の隠れた物体に対する優れた検知能力を利用し、所持品検査装置などに応用される。特に、最近では、テロに対するセキュリティの確保の観点から、ミリ波撮像装置に対する関心が高まっている。

物体は、ミリ波を放射、及び、反射するが、これらの放射波、及び、反射波のレベルは、例えば物体の材質、表面の状態、温度などのいくつかの要素によって決められる。人間の体は、良好なミリ波の放射体であることが知られており、一方金属は、これとは対照的にほとんど放射が無く、ミリ波の良好な反射体である。また、プラスチック、セラミックなどの誘電体は、人体と金属体との中間の特性を持っている。

従って、物体から自然に放射されるミリ波を検出するパッシブ型撮像装置を用いると、武器を隠し持った人物は、人体を背景として武器の形状が暗いシルエットとして見える。一方、ミリ波送信機を用い、物体にミリ波を送信して反射波を受けるアクティブ型撮像装置を用いると、武器を隠し持った人物は、暗い人体を背景として武器の明るいシルエットが見える。

パッシブ型撮像装置は、物体から放射されるミリ波が微弱であるため、太陽光などの反射波も捉えるが、室内などの環境ではその反射波も微弱になるため、受信するミリ波の電力量が小さくなり物体のコントラストが不鮮明になる。

そこで、アクティブ型撮像装置の導入が考えられる。非特許文献１に記載の技術は、アクティブ・エミッタと呼ばれる雑音源を設置し、受信するミリ波の電力量を大きくし物体のコントラストを高めている。また、アクティブ型の撮像装置には、特許文献１に記載の技術のように超音波を利用した距離測定手段を別途設け、物体までの距離に応じて画像の補正するものもある。
"人物のポータル・セキュリティ・スクリーニング用ミリ波カメラの事例" 雑誌「MICROWAVE PHOTONICS PRODUCTS」 ２２頁〜２３頁、2004.9 コスモ・リバティ社発行 特開平１１−８３９９６号公報

しかしながら、アクティブ型撮像装置はパッシブ型撮像装置に比べ、ミリ波を送信する際の電力がかかるためランニングコストが大きくなる。また、送信されるミリ波は、様々な物体を捉えるためには、特定の波長に偏ったミリ波ではなく広帯域の白色雑音でなければならない。しかし、白色雑音を用いると反射波の電力量の比較だけでは物体の材質の違いを捉え画像にコントラストをつけることが困難である。また、物体までの距離の測定は、これまでのアクティブ型撮像装置においては別途の測定装置の追加が必要になる。

そこで、本発明の目的は、消費電力が小さく、室内でも鮮明な画像の得られるミリ波撮像装置を提供することにある。また、本発明の目的は、物体の材質の違いを捉え画像にコントラストをつけることが可能であるミリ波撮像装置を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、別途に測定器を設けることなく、物体までの距離の測定を可能とするミリ波撮像装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第一の側面によるミリ波撮像装置は、パルス状のミリ波を発生させるパルス発生器と、前記ミリ波の周波数帯域を制限するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを通過した送信ミリ波を送信する送信アンテナとを有する送信機と、前記送信ミリ波の物体による反射波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナによって受信された受信ミリ波の強度を検出する強度検出回路とを有する受信機とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第二の側面によるミリ波撮像装置は、パルス状のミリ波を発生させるパルス発生器と、前記ミリ波を送信する送信アンテナとを有する送信機と、前記送信アンテナによって送信された送信ミリ波の物体による反射波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナによって受信された受信ミリ波の周波数帯域を制限するバンドパスフィルタと、前記受信ミリ波の強度を検出する強度検出回路とを有する受信機とを備えることを特徴とする。

さらに、本発明の第三の側面によるミリ波撮像装置は、パルス状のミリ波を発生させるパルス発生器と、前記ミリ波の周波数帯域を制限するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを通過した送信ミリ波を送信する送信アンテナとを有する送信機と、前記送信ミリ波の物体による反射波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナによって受信された受信ミリ波の強度を検出する強度検出回路とを有する受信機と、前記送信ミリ波と前記受信ミリ波の包絡線を検波し、前記送信ミリ波の包絡線信号と前記受信ミリ波の包絡線信号に基づいて、前記送信ミリ波と前記受信ミリ波の到達時間差を求め、前記送信ミリ波を反射した前記物体までの距離を求める距離算出回路とを備えることを特徴とする。

本発明のミリ波撮像装置は、バンドパスフィルタを設け、受信するミリ波の周波数を限定、もしくは、判別することによって、物体の材質を判別し画像にコントラストをつけることができる。また、パルス状のミリ波を送信し、反射波を捉えることによって物体までの距離を求め、受信ミリ波の強度を補正することや、物体までの距離によって画像にコントラストをつけることができる。

以下、図面に従って本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。

図１は、第一の実施の形態におけるミリ波撮像装置の構成図である。本実施の形態におけるミリ波撮像装置は、撮像する物体に相対するレンズ11、レンズ11で集光したミリ波を受信し40ｘ40の受信アンテナの配列からなるアンテナ群13、各受信アンテナから信号を受け取り表示装置15に強度信号を送る受像装置群14、強度信号に基づいて画像を表示する表示装置15、物体に対してパルス状のミリ波を送信するパルス送信装置12で構成されている。

本実施の形態におけるミリ波撮像装置の動作を説明する。まず、パルス送信装置12で生成されたパルス状のミリ波は、物体に対して送信される。物体は、自らミリ波を放射するとともに、パルス送信装置12からのミリ波を反射する。物体からのミリ波はレンズ11で集光され、アンテナ群13に入射する。アンテナ群13は、40ｘ40の受信アンテナの配列で一つの受信アンテナが一つの画素を担当する。アンテナ群13によって受信されたミリ波は、受像装置群14によって画素ごとの強度信号に変換され、表示装置15に供給される。受像装置群14内の受像装置も、40ｘ40の配列に対応しており、それぞれ対応する受信アンテナからの信号を処理する。

図２は、第一の実施の形態におけるミリ波撮像装置のパルス送信装置と受像装置の構成図である。パルス送信装置12内のパルス発生器１で生成されたパルス状のミリ波は、送信アンテナ３を介して物体に対して送信される。物体によって反射されたミリ波は、アンテナ群13内の受信アンテナ４によって受信される。ここで、受信アンテナ４は、40ｘ40の受信アンテナの配列の一つであり、一つの画素を担当する。受信アンテナ４によって受信された微弱なミリ波は、受像装置11内のローノイズアンプ（以下LNA）５によって増幅され、電気信号となる。この電気信号は分配器10によって複数の経路に分配され、それぞれ異なるバンドパスフィルタ（以下BPF）２a〜２dに供給される。BPF２a〜２dは、互いに異なる周波数の電気信号を通過させ、強度検出回路９a〜９dにそれぞれ供給する。強度検出回路９a〜９dは、供給される電気信号の一定時間ごとの電力の平均値を強度信号として表示装置15に供給する。本実施の形態では、一つの画素に対して、強度検出回路９a〜９dによって生成された４種類の強度信号が存在することになる。表示装置15は、これらの強度信号に基づいて、ミリ波を反射した物体を画像化する。

図３は、ミリ波のパルス幅とその周波数との関係を表した図である。パルス幅が数100ピコ秒のパルスでは、図３の上図のようにミリ波の周波数帯域において電力が減衰している。しかし、パルス幅が10ピコ秒程度のパルスを用いると、ミリ波の周波数帯域においても電力はほとんど減衰しないことがわかる。本ミリ波撮像装置のパルス発生器１は、パルス幅を短くするとミリ波の周波数帯域の出力が可能になる性質を利用している。

この性質を利用してパルス状のミリ波を生成し、撮像装置の送信装置から一定時間おきに送信することによって、消費電力の少ない撮像装置が実現できる。

図４は、受信されたミリ波の周波数ごとの電力量の例である。物体は、その材質、表面の状態、温度などのいくつかの要素に応じて特定の周波数のミリ波を反射する。この例では、周波数帯域ｂのミリ波を最も反射し、受信アンテナは周波数帯域ｂのミリ波を最も多く受信する。

全てのミリ波の周波数帯域a〜ｄを区別なく受信した場合、物体からの受信信号が平均化され、ノイズとの電力量の差は小さくなり、Ｓ／Ｎ比が小さくなり画像化を困難にする。しかし、本実施の形態のように、周波数帯域ごとにミリ波を区別した場合には、周波数帯域ｂにおいてノイズとの差が大きくなる。そのため、物体からの受信信号とノイズとの区別がつき易くなり、画像化が容易になる。

また、たとえば、周波数帯域ｂにおける電力量が最も大きいミリ波と、周波数帯域aにおける電力量が最も大きいミリ波では、それを反射した物体の特性が異なると考えられる。表示装置15は周波数帯域の電力量の違いに基づいて、画像にコントラストをつけることが可能になる。

このように、本実施の形態におけるミリ波撮像装置は、パルス状のミリ波を利用することによって消費電力を抑えることができる。また、本実施の形態におけるミリ波撮像装置は、複数のバンドパスフィルタを設けることにより、ノイズと信号の区別を容易にすることができる。また、複数のバンドパスフィルタを設け、受信するミリ波の周波数を判別することによって、物体の材質を判別し画像にコントラストをつけることができる。

また、図２におけるBPF２a〜２dをパルス送信装置12側のパルス発生器１と送信アンテナ３との間に設けることも可能である。パルス送信装置12から送信されるミリ波の周波数帯域をBPF２a〜２dによって制限することで、物体の材質を判別し画像にコントラストをつけることができる。たとえば、BPF２aを通過するミリ波は金属がよく反射する周波数帯域のミリ波であるとする。パルス送信装置12は、BPF２a〜２dのいずれかを通過したミリ波を順に送信する。そして、受像装置11内においてBPF２aを通過したミリ波を送信したタイミングで強い強度のミリ波を受信すれば、そのミリ波は金属で反射されたと考えられ、金属とは判断されない部分と区別して画像化することが可能である。

図５は、第二の実施の形態におけるミリ波撮像装置のパルス送信装置と受像装置の構成図である。パルス送信装置12内のパルス発生器１で生成されたパルス状のミリ波は、BPF２によって周波数帯域が制限される。BPF２を通過したミリ波は分配器10で２つの経路に分配される。一方の経路には送信アンテナ３が接続され、ミリ波は送信アンテナ３を介して物体に送信される。

パルス送信装置12内に設けられたBPF２によって、ミリ波の周波数帯域は予め制限することが可能である。周波数帯域を制限されたミリ波を送信することにより、特定の材質を検出することが可能となる。たとえば、金属がよく反射する周波数帯域のミリ波となるように周波数帯域をBPF２によって制限し、制限されたミリ波を物体に送信することによって、金属の検出、及び、画像化が容易になる。

ここで図５にもどり、分配器10から分岐したもう一方の経路には、包絡線検波回路６が接続され、包絡線検波回路６によってミリ波の包絡線が検出される。検出された包絡線は、包絡線信号として包絡線検波回路６からピーク位置検波回路７に入力する。ピーク位置検波回路７は、入力した包絡線信号に基づいて、そのピーク位置を示すピーク位置信号を出力する。検出されたピーク位置信号は、受像装置11内の時間差計算回路８に入力する。

図６は、回路とその入出力信号の関係を示す図である。パルス発生器１によって生成されたパルス幅10ピコ秒程度のパルス状のミリ波６Ａは、BPF２に入力する。BPF２によって周波数帯域を制限されたミリ波６Ｂは、パルス幅Ｗが広くなり包絡線検波が可能になる。パルス幅Ｗの狭いパルス６Ａのままでは、電力の変化を十分な時間に渡って測定できないため、包絡線検波ができない場合がある。BPF２通過後のパルス幅Ｗの広いパルス６Ｂは、包絡線検波回路６によって滑らかなカーブを描く包絡線信号６Ｃに変換され、これによって元のパルスの通過タイミングの検出が可能な状態となる。

ここで図５に戻り、パルス送信後の動作について説明する。送信アンテナ３によって送信されたミリ波は、物体によって反射され、アンテナ群13内の受信アンテナ４によって受信される。受信アンテナ４によって受信された微弱なミリ波は、受像装置11内のローノイズアンプ（LNA）５によって増幅され電気信号となる。増幅された電気信号は、分配器10によって２つの経路に分配される。一方の経路には、強度検出回路９が接続され、供給される電気信号の一定時間ごとの電力の平均値を強度信号として表示装置15に供給する。

もう一方の経路には、包絡線検波回路６が接続され、包絡線検波回路６によって増幅されたミリ波の包絡線が検出される。検出された包絡線信号は、ピーク位置検波回路７に入力する。ピーク位置検波回路７は、入力した包絡線信号に基づいて、そのピーク位置を示すピーク位置信号を出力する。検出されたピーク位置信号は、時間差計算回路８に入力し、パルス送信装置12内のピーク位置検波回路７の出力との差に基づいて、パルス送信時間と受信時間との時間差が求められる。求められた時間差からミリ波を反射した物体までの距離が求められ、強度検出回路９の出力である強度信号と共に表示装置15に供給される。表示装置15は、各画素に対して与えられる強度信号と、時間差計算回路８の出力である時差信号に基づいて、物体の画像を表示する。

本実施の形態では、画像の表示の際に、物体の位置する距離に応じて強度信号を補正し画像を表示することが可能である。また、物体の位置の違いに応じて、対応する画素にコントラストをつけることも可能である。

このように、本実施の形態のミリ波撮像装置は、バンドパスフィルタをパルス送信装置内に設けることにより、物体の材質の判別を可能にする。また、本実施の形態のミリ波撮像装置は、バンドパスフィルタと包絡線検波回路を設けることにより、パルスの通過するタイミングを検出可能にする。そして、ミリ波の送信と受信のタイミングを検出し、その時間差から物体までの距離を求め、受信ミリ波の強度を補正することや、物体までの距離によって画像にコントラストをつけることを可能にする。

本発明によると、消費電力が小さく、室内でも鮮明な画像の得られるミリ波撮像装置を提供することができる。また、物体の材質の違いを捉え画像にコントラストをつけることが可能であるミリ波撮像装置を提供することができる。さらに、別途に測定器を設けることなく、物体までの距離の測定を可能とするミリ波撮像装置を提供ができる。その結果、空港などで人体に害のないミリ波によるセキュリティチェックが容易に行えるようになる。

本発明の実施の形態におけるミリ波撮像装置の構成図である。 第一の実施の形態におけるミリ波撮像装置のパルス送信装置と受像装置の構成図である。 ミリ波のパルス幅とその周波数との関係を表した図である。 受信されたミリ波の周波数ごとの電力量の例である。 第二の実施の形態におけるミリ波撮像装置のパルス送信装置と受像装置の構成図である。 回路とその入出力信号の関係を示す図である。

符号の説明

１ パルス発生器
２、２a、２b、２c、２d バンドパスフィルタ
３ 送信アンテナ
４ 受信アンテナ
５ ローノイズアンプ
６ 包絡線検波回路
７ ピーク位置検波回路
８ 時間差計算回路
９、９a、９b、９c、９d 強度検出回路

Claims (3)

1. パルス状のミリ波を発生させるパルス発生器と、前記ミリ波の周波数帯域を制限するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを通過した送信ミリ波を送信する送信アンテナとを有する送信機と、
   前記送信ミリ波の物体による反射波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナによって受信された受信ミリ波の強度を検出する強度検出回路とを有する受信機とを備えることを特徴とするミリ波撮像装置。
2. パルス状のミリ波を発生させるパルス発生器と、前記ミリ波を送信する送信アンテナとを有する送信機と、
   前記送信アンテナによって送信された送信ミリ波の物体による反射波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナによって受信された受信ミリ波の周波数帯域を制限するバンドパスフィルタと、前記受信ミリ波の強度を検出する強度検出回路とを有する受信機とを備えることを特徴とするミリ波撮像装置。
3. パルス状のミリ波を発生させるパルス発生器と、前記ミリ波の周波数帯域を制限するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを通過した送信ミリ波を送信する送信アンテナとを有する送信機と、
   前記送信ミリ波の物体による反射波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナによって受信された受信ミリ波の強度を検出する強度検出回路とを有する受信機と、
   前記送信ミリ波と前記受信ミリ波の包絡線を検波し、前記送信ミリ波の包絡線信号と前記受信ミリ波の包絡線信号に基づいて、前記送信ミリ波と前記受信ミリ波の到達時間差を求め、前記送信ミリ波を反射した前記物体までの距離を求める距離算出回路とを備えることを特徴とするミリ波撮像装置。

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