JP2007163473A - 携帯型マイクロ波撮像装置及びこの携帯型マイクロ波撮像装置を使用して対象物をスクリーニングする方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
単純且つ効率的な携帯型マイクロ波撮像装置及び方法を提供すること。
【解決手段】
対象物（１５０）に関連するターゲット（１５５）にマイクロ波照射が向かうようにそれぞれの方向係数がプログラム可能にされ、前記ターゲット（１５５）から反射された反射マイクロ波照射を受信するようにそれぞれの方向係数を更にプログラム可能された複数のアンテナ素子（８０）を有するアンテナアレイ（５０）と、前記反射マイクロ波照射の強度を測定し、当該プロセッサ（１００）によって作成された前記対象物（１５０）のマイクロ波画像内のボクセルの値を求めるように動作可能なプロセッサ（１００）と、前記アンテナアレイ（５０）が内部に搭載された第１の部分（２５ｂ）と、ユーザが当該装置（１０）の移動を操作することを可能とするハンドル（３０）を含む第２の部分（２５ｃ）とを有する支持部（２０）とを具備する。
【選択図】図３

Description

本発明は、携帯型マイクロ波撮像装置及びこの携帯型マイクロ波撮像装置を使用して対象物をスクリーニングする方法に関する。

人物並びに他の武器類及び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、及び潜在的な危険がある他のタイプの公共施設及び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。多くのセキュリティ検査所は、金属検出器通り抜け式(walk-through)システム又はＸ線通り抜け式システム等の通り抜け式セキュリティ検査システムを有するが、セキュリティ要員は、通り抜け式スクリーニングで通過不可とされた個人に関して携帯型スクリーニングを依然として通例的に実施している。更に、法律執行要員は、通常、危険で、隠された任意の物品を突き止め、差し押さえるために、容疑者及び他の物品に関して携帯型スクリーニングを実施することが要求されている。

一般的な携帯型の検査方法は、法律執行要員又はセキュリティ要員による個人又は物品の物理的（目視及び／又は触覚）検査である。しかし、物理的検査は、面倒で、信頼性がなく、紳士的でなく、一部の文化圏からは全面的に異議が唱えられている。別の一般的な携帯型の検査方法では、金属検出器によって個人又は物品を走査している。しかし、金属検出器は、誤警報を発し易く、プラスチック又は液体の爆発物、プラスチック若しくはセラミック製の拳銃又はナイフ、及び薬物等の非金属物体を検出することができない。

更に、物理的検査でも、金属検出器を使用しても、隠された物品の効率的な探索は不可能である。例えば、税関巡回役人が、箱又は大型袋を積んだトラックを停止させる時、役人は、箱又は大型袋の中に危険で隠された物品が存在するかどうかを迅速に確かめることができない。
特開２００６−１４５５４１号公報

したがって、本発明の目的は、単純且つ効率的な携帯型マイクロ波撮像装置及びこの携帯型マイクロ波撮像装置を使用して対象物をスクリーニングする方法を提供することにある。

本発明に係る携帯型マイクロ波撮像装置は、人又は他の物品等の対象物のスクリーニングを行う携帯型マイクロ波撮像装置を提供する。撮像装置は、アンテナ素子からなるアンテナアレイを含み、それぞれのアンテナ素子は、それぞれの方向係数がプログラムされて対象物に関連するターゲットにマイクロ波照射を向かわせることが可能であり、またそれぞれの方向係数がプログラムされてターゲットから反射される反射マイクロ波照射を受信することが可能である。撮像装置は、反射マイクロ波照射の強度を測定して、対象物のマイクロ波画像内のボクセルの値を求めるよう動作可能であるプロセッサを更に有する。アンテナアレイは、支持部の第１の部分の内部に搭載され、一方、支持部の第２の部分は、ユーザが装置の移動を操作することを可能にするハンドルを有する。

一の形態では、プロセッサは、対象物に関連する容積部分内の複数のターゲットを走査して、ターゲットのそれぞれからの反射マイクロ波照射のそれぞれの強度を測定することによって、対象物のマイクロ波画像を作成するように動作可能である。

一の形態では、携帯型マイクロ波撮像装置は、対象物の連続したマイクロ波画像を取り込むことによって、対象物をスクリーニングするときに使用するように構成される。対象物の連続したマイクロ波画像のそれぞれは、所定のフレームレートでディスプレイ上に表示することができる。例えば、一の形態では、ディスプレイは、支持部内に搭載される。

別の形態では、アンテナ素子のそれぞれは、マイクロ波源からのマイクロ波照射を受信し、マイクロ波受信機に向けて反射マイクロ波照射を送るように構成される。一の形態では、支持部は、マイクロ波源及びマイクロ波受信機が内部に搭載される第３の部分を更に有する。

本発明の別の観点に係る方法は、プログラム可能なマイクロ波アンテナ素子のアレイを有する携帯型マイクロ波撮像装置を使用して対象物をスクリーニングする方法である。

本方法は、対象物に関連する容積部分のマイクロ波画像を取り込むために、アレイを対象物に対して位置させる。それぞれのマイクロ波アンテナ素子にそれぞれの方向係数をプログラムし、容積部分内のターゲットにマイクロ波照射を向かわせる。ターゲットから反射される反射マイクロ波照射の強度を測定し、対象物のマイクロ波画像内のボクセル値を求める。対象物に関連する複数のターゲットについて、プログラムすること及び測定することを繰り返し、対象物のマイクロ波画像を作成し、対象物に対してアレイの手動移動を可能にし、当該対象物の連続したマイクロ波画像を得る。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
なお、この実施形態において、マイクロ波放射及びマイクロ波照射という用語は、それぞれ約１ＧＨｚ〜約１，０００ＧＨｚの周波数に対応する０．３ｍｍ〜３０ｃｍの波長を有する電磁放射の帯域を表している。したがって、これらのマイクロ波放射及びマイクロ波照射という用語は、それぞれ従来のマイクロ波放射及び一般にミリメートル波放射として知られるものも含む。

図１〜図３は本発明の一実施形態に係る携帯型マイクロ波撮像装置１０を示している。ここで、図１は携帯型マイクロ波撮像装置１０の平面図、図２は携帯型マイクロ波撮像装置１０の側面図、図３は携帯型マイクロ波撮像装置１０の例示的な動作を示している。

図１及び図２に示すように、携帯型携帯型マイクロ波撮像装置１０は、アンテナ素子８０のアレイ５０を有する。各アンテナ素子は、対象物１５０（例えば、スーツケース、図３に示す人、又は対象となる任意の他の物品）のマイクロ波画像を取り込むために、マイクロ波放射を送信、受信、及び／又は、反射すること可能である。アレイ５０のサイズは、所望の分解能に応じて変えればよい。例えば、一例としては、３０ｃｍ×３０ｃｍアレイは、１ｃｍ分解能を有するマイクロ波画像を生成することが可能である。

各アンテナ素子８０は、ターゲットに向けてマイクロ波放射ビームを送るように、それぞれの方向係数（例えば、透過係数又は反射係数）をプログラム可能である。ここで、「ターゲット」という用語は、対象物１５０のマイクロ波画像内の１つ又は複数のボクセルに相当する３Ｄ空間内の点又はエリア／容積部分を表している。さらに、各アンテナ素子８０は、ターゲットから反射した反射マイクロ波照射を受信するように、それぞれの方向係数（例えば、透過係数又は反射係数）を追加的にプログラム可能である。

一例としては、アレイ５０は、１つ又は複数のマイクロ波アンテナ６０への、及び／又は、１つ又は複数のマイクロ波アンテナ６０からの、マイクロ波放射を反射する反射型アンテナ素子８０、又は、透過する透過型アンテナ素子８０からなるパッシブタイプのプログラム可能なアレイである。例えば、反射型アンテナ素子８０又は透過型アンテナ素子８０のそれぞれは、それぞれの方向係数をプログラムして、ターゲットに向けてマイクロ波アンテナ６０の１つから放出されたマイクロ波照射を反射又は透過することができる。さらに、反射型アンテナ素子８０又は透過型アンテナ素子８０のそれぞれは、それぞれの方向係数を追加的にプログラムして、ターゲットから反射されるマイクロ波照射をマイクロ波アンテナ６０の１つに向けて反射又は透過することができる。単一のマイクロ波アンテナ６０が、マイクロ波放射の供給源と受信の両方の役目を果たすことができる。或いは、それぞれ別個のマイクロ波アンテナ６０として、一方がアレイ５０にマイクロ波照射を照射し、他方がアレイ５０からの反射マイクロ波照射を受信するのに使用することができる。後者が、図１及び図２に示されている。

別の実施形態では、アレイ５０は、アクティブタイプのアンテナ素子８０からなるアクティブタイプの送受信アレイである。各アクティブタイプのアンテナ素子は、マイクロ波放射を生成し、送信することが可能であるとともに、反射マイクロ波放射を受信し、取り込むことが可能である。この実施形態では、アレイ５０がマイクロ波放射源として動作するため、マイクロ波源／受信アンテナ６０は使用されない。

携帯型マイクロ波撮像装置１０は、アンテナアレイ５０が内部に搭載される支持部２０を更に有する。更に、携帯型マイクロ波撮像装置１０が、マイクロ波源／受信アンテナ６０を有する実施形態では、マイクロ波源／受信アンテナ６０もまた、支持部２０内に搭載される。支持部２０は、ユーザが、対象物１５０に対してスクリーニングをする際に、この携帯型マイクロ波撮像装置１０の移動を操作することを可能にするハンドル３０を更に有する。

図１及び図２に示す例では、支持部２０は、それぞれの角部で第２の部分２５ｂが角度を付けて接続された第１の矩形部分２５ａを有する。各第２の部分２５ｂは、アンテナアレイ５０のそれぞれの角部が内部に搭載される凹部（特に図示せず）を有する。第２の部分２５ｂのうち２つは、第１の部分２５ａに対向する端部で結合する伸張部を有する。第２の部分２５ｂの結合した端部は、支持部２０の第３の部分２５ｃに角度を付けて接続される。第３の部分２５ｃはハンドル３０を構成する。なお、アンテナアレイ５０は、ハンドル３０を有する任意のタイプの支持部２０に搭載されるようにしてもよい。

アンテナ素子８０が反射型アンテナ素子である実施形態では、マイクロ波アンテナ６０は、支持部２０内に配置されて、反射型アンテナ素子８０にマイクロ波照射を照射し、反射型アンテナ素子８０からの反射マイクロ波照射を受信する。例えば、図１及び図２に示すように、マイクロ波アンテナ６０は、第１の部分２５ａと第１の部分２５ａのそれぞれの角部のそれぞれの第２の部分２５ｂとの間に搭載される。

アンテナ素子が透過型アンテナ素子である実施形態では、マイクロ波源アンテナ６０は、支持部２０内に配置されて、マイクロ波照射がアレイ５０を通過してターゲットに向かうように、透過型アンテナ素子８０にマイクロ波照射を照射する。さらに、マイクロ波受信アンテナ６０は、支持部２０上に配置されて、ターゲットから反射しアレイ５０を透過した反射マイクロ波照射を受信する。例えば、透過型アンテナアレイ５０を使用する時、アンテナアレイ５０は、第１の部分２５ａ内に搭載することができ、一方、マイクロ波アンテナ６０は、支持部２０の第２の部分２５ｂの対向する端部に接続される別の部分（図示せず）上に搭載することができる。

動作時、ユーザは、アンテナアレイ５０が対象物１５０の表面と対向し、且つ、平行となるように、対象物１５０からわずかな距離のところに携帯型マイクロ波撮像装置１０を位置させる。例えば、この実施形態では、ユーザは、対象物１５０から１センチメートル〜９１．４４センチメートル（３フィート）の間のどこかに携帯型マイクロ波撮像装置１０を位置させる。携帯型マイクロ波撮像装置１０は、その対象物容積部分のマイクロ波画像を取り込むために、対象物１５０の特定の容積部分にわたってマイクロ波放射を放出し、照射した対象物容積部分から反射した反射マイクロ波照射を受信する。特に、携帯型マイクロ波撮像装置１０は、容積部分内の複数のターゲットを走査して、ターゲットのそれぞれからの反射マイクロ波照射の強度を測定することによって、特定の対象物容積部分のマイクロ波画像を取り込む。各ターゲットからの測定強度は、対象物容積部分のマイクロ波画像内のボクセルを表す。この実施形態では、例えば、携帯型マイクロ波撮像装置１０は、１秒当たり容積部分内の数百万のターゲットが走査されることを可能にする周波数で動作する。

結果として得られるマイクロ波画像は、携帯型マイクロ波撮像装置１０に結合されたディスプレイ１２０上に表示される。この実施形態では、ディスプレイ１２０は、携帯型マイクロ波撮像装置１０の支持部２０内に搭載される。例えば、図２及び図３に示すように、ディスプレイ１２０は、ハンドル３０に隣接する支持部２０の上部面上に位置する。他の例としては、ディスプレイ１２０は、支持部２０から離れて位置する。限定ではなく、例として、ディスプレイ１２０は、ユーザによる個人的観察用のゴーグルのセット内に含まれることができる。或いは、別個の観察エリア内に位置することができる。携帯型マイクロ波撮像装置１０から照射されるマイクロ波照射は、対象物１５０の表面に概ね垂直であるため、得られる画像の鏡面反射を制限することができ、したがって、画像の「影」が減る。

武器及び他種の禁制品があるかについて対象物１５０をスクリーニングするために、ユーザは、対象物１５０の表面上で携帯型マイクロ波撮像装置１０を移動させて、対象物１５０の連続したマイクロ波画像を取り込む。例えば、この実施形態では、携帯型マイクロ波撮像装置１０は、約３０フレーム／秒のフレームレートで動作する。しかし、他の実施形態では、携帯型マイクロ波撮像装置１０は、所望の画像品質に応じて、３０フレーム／秒より速いか、又は、遅いフレームレートで動作する。携帯型マイクロ波撮像装置１０の走査周波数は、フレームレートより大きい大きさであるため、画像フレームの取り込み中における携帯型マイクロ波撮像装置１０のいずれの動きもソフトウェアで補償することができる。

図４は本発明の一実施形態に係る携帯型マイクロ波撮像装置１０の単純化した動作の一例を示すブロック図である。図４では、アンテナアレイ５０は、反射型アンテナ素子８０を有する。各反射型アンテナ素子は、それぞれの反射係数をプログラムしてマイクロ波照射を反射することが可能である。したがって、マイクロ波源６０ａが、マイクロ波照射ビーム６５をアンテナアレイ５０に向けて送信すると、反射型アンテナ素子８０は、撮像される対象物１５０上のターゲット１５５に向けてマイクロ波照射７０を反射するようにプログラムすることができる。さらに、ターゲット１５５から反射した反射マイクロ波照射９０がアンテナアレイ５０で受信されると、反射型アンテナ素子８０は、マイクロ波照射９５をマイクロ波受信機６０ｂに向けて反射するようにプログラムすることができる。

携帯型マイクロ波撮像装置１０は、プロセッサ１００と、メモリ１１０と、ディスプレイ１２０と更に有する。プロセッサ１００は、アレイ５０を制御し、ターゲット１５５から反射された受信マイクロ波放射を処理して、対象物１５０のマイクロ波画像を作成するために使用される任意のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又は、それらの組み合わせを有する。例えば、プロセッサ１００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る１つ又は複数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、デジタル信号プロセッサ、又は、他のタイプの処理装置と、プロセッサ１００によって使用される命令及び他のデータを記憶する１つ又は複数のメモリ（例えば、キャッシュメモリ）を含むことが可能である。メモリ１１０は、ハードディスクドライブ、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、フロッピー（登録商標）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、若しくは、他のタイプの記憶装置、又は、記憶媒体を含むが、それらに限定されない、任意のタイプのデータ記憶装置を含む。

プロセッサ１００は、アンテナアレイ５０が対象物１５０上の複数のターゲット１５５を照射するようにプログラムを動作させる。その一例として、プロセッサ１００は、それぞれの振幅／位相遅延又は振幅／位相シフトをアレイ５０の個々のアンテナ素子８０のそれぞれの中にプログラムして、対象物１５０上の各ターゲット１５５を照射する。さらに、プロセッサ１００は、それぞれの振幅／位相遅延又は振幅／位相シフトをアレイ５０の個々のアンテナ素子８０のそれぞれの中にプログラムして、対象物１５０上の各ターゲット１５５からの反射マイクロ波照射を受信する。位相シフトを使用する実施形態では、プログラムされる位相シフトは、２値位相シフト又は連続位相シフトのいずれかとすることができる。

更に、プロセッサ１００は、対象物１５０上の各ターゲット１５５からの、アレイ５０によって取り込まれた反射マイクロ波放射の強度を使用して、対象物１５０のマイクロ波画像を作成することが可能である。例えば、アレイ５０が反射型アレイである場合には、マイクロ波受信機６０ｂは、アレイ５０の各アンテナ素子８０から反射した反射マイクロ波放射を合成して、ターゲット１５５における反射マイクロ波放射の実効強度値を生成することが可能である。強度値は、プロセッサ１００に送られ、プロセッサ１００は、対象物１５０上のターゲット１５５に相当するピクセル又はボクセルの値として、強度値を使用する。反射マイクロ波放射が、ターゲット１５５（３Ｄ空間内のエリア／容積部分）の各マイクロ波画像について、ボクセルのエリア／容積部分の強度を表す他の実施形態では、プロセッサ１００は、対象物１５０の所望の画像のフーリエ変換成分を測定する。プロセッサ１００は、測定したフーリエ変換成分を使用して逆フーリエ変換を行い、対象物１５０の画像を生成する。

結果として得られる対象物１５０のマイクロ波画像は、プロセッサ１００からディスプレイ１２０に送られて、マイクロ波画像を表示することができる。この実施形態では、ディスプレイ１２０は、対象物１５０の３次元マイクロ波画像、又は対象物１５０の１つ若しくは複数の１次元マイクロ波画像若しくは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。なお、ディスプレイ１２０は、対象物１５０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っても勿論かまわない。

図５は本発明の一実施形態に係るマイクロ波放射を反射するアレイ５０の一例を示す概略的斜視図である。図５では、マイクロ波源６０ａから送信されたマイクロ波放射の供給源ビーム６５は、アレイ５０のいくつかのアンテナ素子８０によって受信される。マイクロ波源６０ａは、点状供給源、ホーンアンテナ、又は任意の他のタイプのアンテナを含むが、それらに限定されず、アレイ５０を照射するのに十分な任意の供給源であればよい。アレイ５０内の各アンテナ素子８０は、それぞれの位相シフトをプログラムされて、ターゲット１５５に向けて反射マイクロ波放射の送信ビーム７０を送る。位相シフトは、ターゲット１５５における反射マイクロ波放射ビーム７０内のマイクロ波光線の全ての間で強め合う干渉を生じるように選択される。理想には、アンテナ素子８０のそれぞれの位相シフトは、供給源（アンテナ素子８０）からターゲット１５５まで、反射マイクロ波放射７０の各マイクロ波光線について同じ位相遅延を提供するように調整される。

同様に、図５に示すように、ターゲット１５５から反射され、アレイ５０において受信されたマイクロ波放射の反射ビーム９０は、マイクロ波受信機６０ｂに向けた反射マイクロ波放射の受信ビーム９５として反射することができる。同様に、位相シフトは、マイクロ波受信機６０ｂにおける反射マイクロ波放射ビーム９０内のマイクロ波光線の全ての間で強め合う干渉を生じるように選択される。マイクロ波受信機６０ｂは、マイクロ波源６０ａと異なる空間の場所示されるが、マイクロ波源６０ａは、別個のアンテナとして、又は、マイクロ波受信機６０ｂの一部（例えば、共焦撮像システム）として、マイクロ波受信機６０ｂと同じ空間の場所に配置しても勿論かまわない。

図６は本発明の他の実施形態に係るマイクロ波照射を送るための透過型アレイ５０を使用した携帯型マイクロ波撮像装置１０の一例を示す概略的斜視図である。図６では、マイクロ波アンテナ（例えば、ホーン）６０は、マイクロ波源とマイクロ波受信機の両方として機能する。ホーン６０は、アレイ５０の背後に位置して、背後からアレイ５０を照射する（すなわち、アレイ５０は、ターゲット１５５とホーン６０との間にある）。

動作時、ホーン６０から送信されたマイクロ波照射６５は、アレイ５０内のいくつかのアンテナ素子８０によって受信される。アレイ５０内の各アンテナ素子８０は、それぞれの透過係数をプログラムされて、対象物１５０上のターゲット１５５に向けて透過マイクロ波照射４０を送る。透過係数は、ターゲット１５５におけるアンテナ素子８０のそれぞれからの透過マイクロ波照射４０の強め合う干渉を生じるように選択される。ターゲット１５５から反射された反射マイクロ波照射４５は、アレイ５０内のいくつかのアンテナ素子８０によって受信される。同様に、アレイ５０内の各アンテナ素子８０は、それぞれの透過係数をプログラムされて、ホーン６０に向けて透過マイクロ波照射８５を送る。

ホーン６０は、アレイ５０の各アンテナ素子８０からの透過マイクロ波放射８５を合成して、ターゲット１５５における反射マイクロ波放射４５の実効強度値を生成する。強度値は、プロセッサ１００に送られ、プロセッサ１００は、対象物１５０上のターゲット１５５に相当するピクセル又はボクセルの値として、強度値を使用する。プロセッサ１００は、対象物１５０の各ターゲット１５５からの、アレイ５０によって取り込まれた反射マイクロ波放射４５の強度を使用して、対象物１５０のマイクロ波画像を作成する。結果として得られる対象物１５０のマイクロ波画像は、プロセッサ１００からディスプレイ１２０に送られて、マイクロ波画像が表示される。

図７は、アンテナ素子２００のインピーダンス状態に応じて位相を変えて電磁放射を反射するように動作する反射型アンテナ素子２００（図１〜図６のアンテナ素子８０に相当する）の断面図を示す。反射型アンテナ素子２００は、アンテナ（パッチアンテナ２２０ａ）と非理想スイッチング素子（表面実装電界効果トランジスタ「ＦＥＴ」２２２）とを有する。

反射型アンテナ素子２００は、プリント回路基板基材２１４の表面上及び内側に形成され、表面実装ＦＥＴ２２２、パッチアンテナ２２０ａ、ドレインビアホール２３２、グランドプレーン２３６、及びソースビアホール２３８を有する。表面実装ＦＥＴ２２２は、平面パッチアンテナ２２０ａと反対側のプリント回路基板基材２１４に実装され、グランドプレーン２３６は、平面パッチアンテナ２２０ａと表面実装ＦＥＴ２２２との間に位置する。ドレインビアホール２３２は、表面実装ＦＥＴ２２２のドレイン２２８を平面パッチアンテナ２２０ａに接続し、ソースビアホール２３８は、表面実装ＦＥＴ２２２のソース２２６をグランドプレーン２３６に接続する。

特に、この実施形態では、反射器アンテナアレイは、ドライバ電子部品を含むコントローラ基板２４０に接続される。図７に示す例のコントローラ基板２４０は、グランドプレーン２４４、ドライブ信号ビアホール２４６、及びドライバ電子部品２４２を有する。コントローラ基板２４０はまた、反射器アンテナアレイのコネクタ２５０と互換性があるコネクタ２４８を含む。２つの基板のコネクタ２４８及び２５０は、例えば、ウェーブソルダリングを使用して互いに接続することができる。他の例として、ＦＥＴ２２２は、平面パッチアンテナ２２０ａと同じ側のプリント回路基板基材２１４に表面実装することもできる。更に、ドライバ電子部品２４２は、反射型アンテナ素子２００が組み込まれている同じプリント回路基板に直接はんだ付けすることもできる。

パッチアンテナ素子２２０ａは、反射型アンテナ素子２００のインピーダンスレベルに応じて、大きいか、又は、小さい位相シフトで反射するように機能する。反射型アンテナ素子２００は、アンテナ設計パラメータの関数であるインピーダンス特性を有する。アンテナの設計パラメータは、誘電材料の構造、誘電材料の厚さ、アンテナの形状、アンテナの長さ及び幅、給電点、並びにアンテナ金属層の厚さ等の物理的特性を含むが、それらに限定されない。

ＦＥＴ２２２（非理想スイッチング素子）は、その抵抗状態を変化させることによって、反射型アンテナ素子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、閉回路又は「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。性能特性が理想なスイッチング素子（本明細書では、「理想」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。本明細書で説明するように、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。理想スイッチング素子のオン及びオフの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、理想スイッチング素子は、オン状態とオフ状態との間で、電磁放射を吸収することなく、最大位相シフトを生じさせることが可能である。すなわち、理想スイッチング素子は、０度の位相状態と１８０度の位相状態との間でスイッチングを生じさせることが可能である。理想スイッチング素子の場合、最大位相−振幅性能は、任意の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。

理想スイッチング素子とは対照的に、「非理想」スイッチング素子は、それぞれ、Ｚ_ｏｎ＝０及びＺ_ｏｆｆ＝∞のオン及びオフの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、非理想スイッチング素子のオン及びオフのインピーダンス状態は、通常、例えば０<｜Ｚ_ｏｎ｜<｜Ｚ_ｏｆｆ｜＝∞のどこかにある。しかし、アプリケーションによっては、オン及びオフのインピーダンス状態は｜Ｚ_ｏｆｆ｜≦｜Ｚ_ｏｎ｜であってもよい。非理想スイッチング素子は、特定の周波数範囲内では（例えば、<１０ＧＨｚ）、理想な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）、かなり非理想なインピーダンス特性を示す可能性がある。

非理想スイッチング素子のオン及びオフのインピーダンス状態は、Ｚ_ｏｎ＝０とＺ_ｏｆｆ＝∞との間のどこかにあるため、非理想スイッチング素子は、必ずしも、対応するアンテナのインピーダンスとは無関係に、最大位相状態性能を提供しない。ここで、最大位相状態性能は、０度の位相状態と１８０度の位相状態との間のスイッチングを必要とする。本発明の一実施形態によれば、図７の反射型アンテナ素子２００は、最適位相性能を提供するように設計され、反射型アンテナ素子の最適位相状態性能は、反射素子が、０度の位相−振幅状態と１８０度の位相−振幅状態との間のスイッチングに最も近い状態にあるポイントである。この実施形態では、最適位相状態性能を達成するために、アンテナ素子２００は、非理想スイッチング素子（ＦＥＴ２２２）のインピーダンスの関数として構成される。例えば、アンテナ素子２００は、アンテナ素子２００のインピーダンスが、ＦＥＴ２２２のインピーダンス特性の関数であるように設計される。

更に、アンテナ素子２００は、オン状態にある非理想スイッチング素子（ＦＥＴ２２２）のインピーダンスＺ_ｏｎ、及び、オフ状態にある非理想スイッチング素子２２２のインピーダンスＺ_ｏｆｆの関数として構成されている。或る特定の実施形態において、反射型アンテナ素子２００の位相状態性能が最適化されるのは、アンテナ素子２００のインピーダンスがオン及びオフのインピーダンス状態Ｚ_ｏｎ及びＺ_ｏｆｆにある場合に非理想スイッチング素子２２２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、アンテナ素子２００の構成がなされている場合である。具体的には、アンテナ素子２００のインピーダンスは、対応する非理想スイッチング素子２２２のオン及びオフのインピーダンス状態Ｚ_ｏｎ及びＺ_ｏｆｆの幾何平均の複素共役である。この関係は、下記のように表わされる。

Ｚ_{ａｎｔｅｎｎａ} ^＊＝（Ｚ_ｏｎＺ_ｏｆｆ）^１／２ 式（１）
ここで、（）^＊は複素共役を表す。上記関係式は、供給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既知の公式を用いて導き出される。アンテナ素子２００である供給源及び非理想スイッチング素子２２２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、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素子２００の設計は、反射型アンテナ素子２００に用いられる特定の非理想スイッチング素子のオン及びオフのインピーダンスＺ_ｏｎ及びＺ_ｏｆｆを求めることを含む（この場合、ＦＥＴ２２２）。次に、アンテナ素子２００の設計パラメータが操作されて、上記式（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有するアンテナ素子２００が得られる。Ｚ_ｏｎ及びＺ_ｏｆｆが別個の値になるように求められる限りにおいて、式（１）を満たすアンテナ素子２００を設計することが可能である。

対象とする周波数帯域にわたって非理想的なインピーダンス特性を示す、図７に示す表面実装ＦＥＴ２２２以外の別のタイプのスイッチング素子は表面実装ダイオードである。しかし、表面実装ダイオードは、表面実装ＦＥＴに比較して、対象とする周波数帯域にわたって改善されたインピーダンス特性を示し、表面実装ＦＥＴは、比較的安価であり、反射器アンテナアレイアプリケーションにおける使用のために、個々にパッケージングすることができる。

非理想スイッチング素子としてＦＥＴを利用する反射器アンテナアレイの場合、実現可能なビーム走査速度は、信号対雑音比、クロストーク、及びスイッチング時間を含むいくつかのファクターによって決まる。ＦＥＴの場合、スイッチング時間は、ゲート容量、ドレイン−ソース間容量、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、空間依存性且つ時間依存性である。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短絡状態にあることが好ましい。ドレインを電気的に浮いた状態にすると、大きいオフ状態チャネル抵抗、及び、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−ソース間容量をもたらすので、ドレインは、常にＤＣ短絡状態にあることが好ましい。これは、アンテナがＤＣ短絡状態にあることが好ましい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。したがって、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、追加のアンテナ／ドレインの短絡を施さなければならない。

反射型アンテナ素子２００において、パッチアンテナ２２０ａの代わりに他のタイプのアンテナを使用することができる。限定としてではなく、例として、他のアンテナタイプは、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、ループアンテナ、及び誘電体共振器タイプのアンテナを含む。さらに、他の実施形態では、反射型アンテナ素子２００は、ＦＥＴ２２２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（ＢＳＴ）コンデンサ）と置き換えることによって、連続位相シフトアンテナ素子２００とすることができる。可変コンデサ搭載パッチによって、ＦＥＴ搭載パッチによって生成される２値位相シフトの代わりに、各アンテナ素子２００について連続位相シフトを達成することができる。連続位相合成アレイは、マイクロ波ビームを或るビーム走査パターンで任意の方向に方向制御するために、任意の所望の位相シフトを提供するように調整されることができる。

図８にアクティブタイプの送信／受信又は反射アレイで使用するためのアクティブタイプのアンテナ素子３００（図１〜図６のアンテナ素子８０に対応する）の例を示す。アクティブタイプのアンテナ素子３００は、それぞれのスイッチ３１５に接続されるアンテナ３１０を含む広帯域２値位相合成アンテナ素子である。スイッチ３１５は、例えば、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチ又は２極双投（ＤＰＤＴ）スイッチとすることができる。スイッチ３１５の動作状態は、それぞれのアンテナ素子３００の位相を制御する。例えば、スイッチ３１５の第１の動作状態では、アンテナ素子３００は第１の２値状態（例えば、０度）にあってもよく、一方、スイッチ３１５の第２の動作状態では、アンテナ素子３００は第２の２値状態（例えば、１８０度）にあってもよい。スイッチ３１５の動作状態は、スイッチ３１５の端子接続を規定する。例えば、第１の動作状態では、端子３１８は、給電線３１６をアンテナ３１０とスイッチ３１５との間で接続する閉（短絡回路）位置にあってもよく、一方端子３１９は開位置にあってもよい。各スイッチ３１５の動作状態は、各アンテナ素子３００の位相を個々に設定するために、制御回路（図示せず）によって独立に制御される。

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３１０という用語は、２つの給電点３１１又は３１３のいずれかにおいてタップで接続されるか、又は給電されて２つの逆の対称電界分布又は電流の一方を生じさせることが可能なアンテナを指す。図８に示すように、２つの逆対称電界分布は、そのミラー軸３５０に関して形状が対称を成す対称アンテナ３１０を利用して生成される。ミラー軸３５０は、アンテナ３１０を通って、２つの対称側３５２及び３５４を形成する。給電点３１１及び３１３は、アンテナ３１０のミラー軸３５０の両側３５２及び３５４に配置される。この実施形態では、給電点３１１及び３１３は、ミラー軸３５０に関してほぼ対称を成すようにアンテナ３１０上に配置される。例えば、ミラー軸３５０は、アンテナ３１０の１つの次元３６０（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３１１及び３１３は、次元３６０の中点３７０近くに配置することが可能である。図８の場合、給電点３１１及び３１３は、図示のように、ミラー軸３５０の各側３５２及び３５４において、アンテナ３１０の中点３７０近くに配置されている。

対称アンテナ３１０は、Ａ及びＢで表示される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、電力）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。したがって、電界分布Ａは、電気的周期が±１８０°の電界分布Ｂに類似している。

対称アンテナ３１０は、給電線３１６及び３１７を介して対称スイッチ３１５に接続されている。給電点３１１は、給電線３１６を介して対称スイッチ３１５の端子３１８に接続され、給電点３１３は、給電線３１７を介して対称スイッチ３１５の端子３１９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３１８及び３１９に関して対称を成すＳＰＤＴスイッチ又はＤＰＤＴスイッチを表す。

例えば、ＳＰＤＴスイッチの第１の動作状態において、或るチャネル（チャネルαと呼ばれる）のインピーダンスが１０Ωで、別のチャネル（チャネルβと呼ばれる）のインピーダンスが１ｋΩであれば、ＳＰＤＴスイッチの第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。チャネルインピーダンスは、完全な開路又は短絡である必要はなく、或いは、実在する必要さえないことが理解されるべきである。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３１８と３１９との間において）、スイッチは対称性である。

図９は本発明の一実施形態に係るプログラム可能アンテナ素子のアレイを含む携帯型マイクロ波撮像装置を使用して、個人又は他の物品等の対象物をスクリーニングするためのプロセス９００の一例を示すフローチャートである。最初に、ブロック９０５にて、対象物に関連する容積部分のマイクロ波画像を取り込むために、ユーザは、対象物に対して携帯型マイクロ波撮像装置を位置さえる。その後、ブロック９１０にて、アレイ内の個々のアンテナ素子のそれぞれは、それぞれの方向係数をプログラムされて、ブロック９２０にて、容積部分内のターゲットに向けてマイクロ波照射を送る。ターゲットから反射したマイクロ波照射は、アレイ内の個々のアンテナ素子のそれぞれを、それぞれの追加的な方向係数でプログラムすることによって、ブロック９２５にて、アレイにおいて受信される。

ブロック９３０にて、ターゲットから反射した反射マイクロ波照射の強度が測定されて、対象物のマイクロ波画像内のボクセル値が求められる。ブロック９３５にて、その時のマイクロ波画像内に走査されるべき、さらなるターゲットが存在する場合、アンテナ素子は、ブロック９１０〜９２５にて、再びプログラムされて、対象物上の他のターゲットから反射した反射マイクロ波照射の強度が測定される。その走査が終了した場合、ブロック９４０にて、対象物のマイクロ波画像が、そのときのフレームについての測定されたボクセル値の全てから作成され、ブロック９４５にて、そのときのフレームについてのマイクロ波画像が表示される。ブロック９５０にて、ユーザが、対象物に対して携帯型マイクロ波撮像装置を移動させて対象物上の別の容積部分を撮像する場合、ブロック９１０〜９４５において、プロセスは、次の画像フレームについて繰り返される。そうでなければ、ブロック９５５にて、スクリーニングは終了する。

当業者には明らかなように、本明細書中において開示された新規の技術思想は、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。したがって、本発明の技術的範囲は、上述した例のいずれにも限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載に基づき定められる。

本発明の一実施形態に係る携帯型マイクロ波撮像装置の平面図である。 図１に示した携帯型マイクロ波撮像装置の側面図である。 本発明の一実施形態に係る携帯型マイクロ波撮像装置の例示的な動作を示す図である。 本発明の一実施形態に係る携帯型マイクロ波撮像装置の単純化した動作の一例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロ波放射を反射するアレイの一例を示す概略的斜視図である。 本発明の他の実施形態に係るマイクロ波照射を送るための透過型アレイを使用した携帯型マイクロ波撮像装置の一例を示す概略的斜視図である。 アンテナ素子のインピーダンス状態に応じて位相を変えて電磁放射を反射するように動作する反射型アンテナ素子の断面図である。 アクティブタイプの送信／受信又は反射アレイで使用するためのアクティブタイプのアンテナ素子の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るプログラム可能アンテナ素子のアレイを含む携帯型マイクロ波撮像装置を使用して、個人又は他の物品等の対象物をスクリーニングするためのプロセスの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 携帯型マイクロ波撮像装置
２０ 支持部
２５ａ 第３の部分
２５ｂ 第１の部分
２５ｃ 第２の部分
３０ ハンドル
５０ アンテナアレイ
６０ａ マイクロ波源
６０ｂ マイクロ波受信機
８０ アンテナ素子
１００ プロセッサ
１２０ ディスプレイ
１５０ 対象物
１５５ ターゲット

Claims (10)

1. 対象物（１５０）に関連するターゲット（１５５）にマイクロ波照射が向かうようにそれぞれの方向係数がプログラム可能にされ、前記ターゲット（１５５）から反射された反射マイクロ波照射を受信するようにそれぞれの方向係数を更にプログラム可能された複数のアンテナ素子（８０）を有するアンテナアレイ（５０）と、
   前記反射マイクロ波照射の強度を測定し、当該プロセッサ（１００）によって作成された前記対象物（１５０）のマイクロ波画像内のボクセルの値を求めるように動作可能なプロセッサ（１００）と、
   前記アンテナアレイ（５０）が内部に搭載された第１の部分（２５ｂ）と、ユーザが当該装置（１０）の移動を操作することを可能とするハンドル（３０）を含む第２の部分（２５ｃ）とを有する支持部（２０）と
   を具備する携帯型マイクロ波撮像装置（１０）。
2. それぞれの前記複数のアンテナ素子（８０）は、マイクロ波源（６０ａ）からのマイクロ波照射を受信し、それぞれプログラムされた前記方向係数に基づいて前記ターゲット（１５５）に前記マイクロ波照射が向かうように構成された請求項１に記載の携帯型マイクロ波撮像装置。
3. それぞれの前記複数のアンテナ素子（８０）は、前記ターゲット（１５５）から反射された前記反射マイクロ波照射を受信し、それぞれプログラムされた前記方向係数に基づいてマイクロ波受信機（６０ｂ）に向けて前記反射マイクロ波照射を送信するように更に構成された請求項２に記載の携帯型マイクロ波撮像装置。
4. 前記支持部（２０）は、前記マイクロ波源（６０ａ）及び前記マイクロ波受信機（６０ｂ）が内部に搭載される第３の部分（２５ａ）を更に有する請求項３に記載の携帯型マイクロ波撮像装置。
5. 前記マイクロ波源（６０ａ）及び前記マイクロ波受信機（６０ｂ）は同じ場所に配置される請求項４に記載の携帯型マイクロ波撮像装置。
6. 前記対象物（１５０）の連続したマイクロ波画像を取り込むことによって、当該対象物（１５０）をスクリーニングするときに使用するように構成され、
   前記プロセッサ（１００）に動作可能に結合して前記対象物（１５０）の前記マイクロ波画像を表示するディスプレイ（１２０）を更に備える請求項１に記載の携帯型マイクロ波撮像装置。
7. 前記ディスプレイ（１２０）は、前記支持部（２０）に搭載される請求項６に記載の携帯型マイクロ波撮像装置。
8. 前記ディスプレイ（１２０）は、所定のフレームレートで前記連続したマイクロ波画像を表示するように更に動作可能である請求項６に記載の携帯型マイクロ波撮像装置。
9. プログラム可能なマイクロ波アンテナ素子（８０）のアレイ（５０）を有する携帯型マイクロ波撮像装置（１０）を使用して対象物（１５０）をスクリーニングする方法であって、
   前記対象物（１５０）に関連する容積のマイクロ波画像を取り込むために、前記アレイ（５０）を前記対象物（１５０）に対して位置させ（９０５）、
   それぞれの前記マイクロ波アンテナ素子（８０）にそれぞれの方向係数をプログラムし（９１０）、前記容積内のターゲット（１５５）にマイクロ波照射を向かわせ（９２０）、
   前記ターゲット（１５５）から反射される反射マイクロ波照射の強度を測定し（９３０）、前記対象物（１５０）の前記マイクロ波画像内のボクセル値を求め、
   前記対象物（１５０）に関連する複数のターゲット（１５５）について、前記プログラムすること及び前記測定することを繰り返し（９３５）、前記対象物（１５０）の前記マイクロ波画像を作成し（９４０）、
   前記対象物（１５０）に対して前記アレイ（５０）の手動移動を可能にし（９５０）、当該対象物（１５０）の連続したマイクロ波画像を得る
   対象物をスクリーニングする方法。
10. 前記アレイ（５０）を支持部（２０）の第１の部分（２５ｂ）内に搭載し、
    前記支持部（２０）の第２の部分（２５ｃ）内にハンドル（３０）を設け、ユーザが前記携帯型マイクロ波撮像装置（１０）の移動を操作することを可能にする
    ことを更に含む請求項９に記載の対象物をスクリーニングする方法。

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