JP2007527988A - キャパシタンス及び磁気センサアレイを備えたセキュリティスキャナ - Google Patents

キャパシタンス及び磁気センサアレイを備えたセキュリティスキャナ Download PDF

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Abstract

知識ベースの映像分析及び理解と組み合せて、キャパシタンスの測定に基づく断層撮影システムを含む電気的断層撮影(ECT)及び電気磁気断層撮影(EMT)をベースとするセキュリティ走査装置。各装置は、感知ヘッド又はトランスジューサ、感知電子装置、映像再構成及び映像分析マイクロプロセッサ(マイクロコントローラ、DSP、ラップトップ、又はデスクトップPC)、ディスプレイユニット、及び危険物質及び品目を識別するための付随のソフトウェアを備えている。セキュリティ走査装置は、ECT及びEMTでの映像解像度を向上させることができる。より多くのセンサ、より多くの感知回路、及び柔軟な/最適な測定プロトコルを使用して、より多くの独立した測定値を得ることができると共に、データ融合を実施して、ECT及びEMTの相補的感度を異なる材料特性に結合する一方、多数のセンサから映像属性が取得される物体を特徴付ける映像知識ベースを実施するアーキテクチャーを与えることができる。

Description

本発明は、一般に、封筒、小包及び手荷物のような容器の中身のリアルタイム3D映像を与える装置及び方法の改良に係る。
犯罪やテロに対する戦いは、当然、あらゆる文明社会にとってプライオリティの高いものであった。2001年9月11日以来、母国のセキュリティは、大衆の立ち入りを扱う空港や郵便局や他の区域に最大の注意を払っている。米国において、FBI及びCIAに加えて、近年、「デパートメント・オブ・ホームランド・セキュリティ(DHS)」が創設され、更なる攻撃を防止するための米国政府のプライオリティを示している。英国では、空港にテロリストの襲撃の恐怖がしばしばある。
X線マシンは、航空路線の乗客の手荷物をチェックするのに通常使用され、異なる密度の物体を識別するのに有効であるが、著しい問題がある。(a)放射線被爆に関する問題があり、特に、X線スキャナで作業するセキュリティスタッフのメンバーは、おそらく、許容できない放射線を受ける。(b)このマシンは、購入及び運転の経費が高く、運転コストは、X線マシン当り毎年約百万ドルと推定され、あまり現金が集中しない状況での使用が禁止される。(c)ほとんどのX線マシンは、2D映像しか与えることができず、セキュリティスタッフのメンバーが危険物体を識別することを困難にする。発生された映像は、経験のある/訓練された人間が見又は評価しなければならない。というのは、確実にアラームをトリガーするための効率的な自動的方法が現在入手できないからである。(d)X線マシンは、かさばると共に、非可搬式であり、セキュリティ要員は、X線マシンを使用して、捨てられたバッグを容易にチェックすることができない。それ故、それとは別の及び/又は相補的なセキュリティ走査ツールが求められている。
一般的な航空産業、例えば、小規模な空港や非標準的運営、及びスポーツイベント又は公共の劇場の場合に、X線マシンを日常使用することは現実的でない。セキュリティチェックに使用される最も普及したツールは、金属検出器である。金属検出器は、フェライト材料には非常に敏感であるが、形状及び/又はサイズに関する情報を与えることができず、且つ非金属物体(例えば、セラミックナイフ)や化学的物質(例えば、爆薬)を検出することができない。現在入手できる検出器のこれらの制限は、危険な物体及び材料の識別を妨げる。又、他の多数のケースでも、例えば、鉄道の駅や公共のビルやバスへの入場も管理するために、バッグや人々をセキュリティの理由でチェックすることが必要である。
郵便局も小荷物配送サービスも、現在、封筒、小包及び箱の中身をチェックするツールを有していない。爆弾、炭疽菌、銃及び他の不法物質が郵便局及び配送サービスを介して送付されている。これは、この問題に対処するための技術及びセキュリティ走査ツールを開発する必要があることを示している。爆発物や化学物質を検出するために、スミス・デテクションからのイオンスキャン(Ionscan)マシンのような種々の化学的センサが開発されている(エリオット及びジョーツ氏、2003年)。しかしながら、爆発物又は化学的物質が充分に密封された場合には、化学的センサは、それらを検出しない。
米国では、インビジョン・テクノロジーズ・インクが、X線センサをベースとするセキュリティ用途のためのCTスキャナマシンを開発した(インビジョン、2003年)。このようなマシンの感知原理は、一般に使用されるX線マシンと同じであるが、2D及び3Dの断層撮影映像を与えることができる。しかしながら、これらのマシンは、一般に使用されるX線マシンのあらゆる欠点、即ち放射線、高価及びかさばる、を有している。X線断層撮影センサは、受け容れられる映像を発生するのに使用できるデータセットを記録できるように、長い時間周期にわたって測定を行わねばならない。近年、インビジョン社は、四重極共振分析に基づく新規マシン、QScan QR500、を発表した。原理的に、これは、磁気共鳴像形成(MRI)に類似している。磁石を使用する代わりに、四重極共振分析は、ターゲット材料の分子構造に対し、入念に同調された高周波の低強度パルスをプローブに使用する(インビジョン、2003年)。しかしながら、この形式のマシンは、ある液体爆発材料のみの検出に限定され、サイズが大きく、重量があって、数トンに及ぶ。
貫通する非イオン化放射線、例えば、ミリメーター波をセキュリティチェックに使用することも提案されている(クイネチック、2001年)。関連組織は、これが非有害放射線であると主張しているが、ミリメーター波又はマイクロ波放射線は、動作周波数が35又は95GHzと高いので、潜在的に有害であることが充分に確立されている(クイネチック、2001年)。米国のパシフィック・ノースウェスト・ナショナル・ラボでは、ミリメーター波放射を使用する同様のスキャナも発表されている。このスキャナは、空港のセキュリティ要員が、プラスチック、爆発物及びセラミックナイフのような非金属の脅威物を含む隠された凶器の全スペクトルを「見る」ことを許すと宣言されている。まだ充分に対処されていない正当な安全性の問題として、個人が「マイクロ波を受ける」のを拒絶することが許される。これは、セキュリティ機関が誰でも走査するのを強要することを妨げる。
断層撮影は、病院において診断目的で広く使用されている。X線CTスキャナは、人体内の対象物の2D及び3D映像を与えることができる。近年、工業プロセス断層撮影(IPT)が急速に開発されている。IPTの原理は、医療用断層撮影に類似しているが、幾つかの重要な相違がある。(a)IPTシステムは、密度以外の特性、例えば、誘電体特性のコントラストを感知し、ひいては、異なるプラスチックを区別するように最適化でき、(b)IPTシステムは、映像当り数十の測定値しか取得できない。これは、空間的解像度が比較的悪い映像しか与えないが、時間的解像度は、非常に良好で、ミリ秒の程度であり、そして(c)IPTシステムは、小型で、ポータブルで、且つ比較的低コストである。
IPT技術の中で、誘電率、導電率及び透磁率を測定し、ひいては、電気的キャパシタンス断層撮影(ECT)、電気的抵抗断層撮影(ERT)及び電気−磁気断層撮影(EMT)と称される電気的断層撮影は、迅速応答で、低コストで、非侵入的及び/又は非侵襲的で、且つ敵対環境において頑丈であるといった多数の効果を発揮する。電気的断層撮影は、パイプライン中のガス/オイル2相流の像形成、空気圧コンベア及び流体化ベッドにおけるガス/固体分配、燃焼フレーム、液体/液体及び固体/液体混合プロセス、及び個人的地雷のような多数の調査用途に使用されている(ヨーク、2001年)。電気的断層撮影の主たる欠点は、電子回路の感度が限定されているために、比較的少数の感知素子(通常、8、12又は16)しか使用しないことである。その結果、独立した測定値の数が、通常、例えば、<100に限定され、ひいては、現在の電気的断層撮影システムは、中程度の空間的映像解像度しか与えられない。
断層撮影は、工業及び医療の分野で、過去35年にわたり不透明な物体の内部の映像を形成するのに使用されてきたが、現在の断層撮影技術の特性がその有用性を限定している。センサ自体に固有の問題は、(1)放射線を使用するセンサ装置のサイズ及び重量が非常に大きいこと、(2)走査される対象物の生きた組織の安全性、及び(3)センサ信号の解像度が低いことを含む。センサ信号を有用な情報に変換するプロセスに関連した他の問題は、(1)対象物の動きの制御をセンサ信号の捕獲サイクルと一体化すること、(2)装置全体のコスト、(3)センサ信号の発生と有用な映像の生成との間に長い時間が必要なこと、及び(4)異なる形式の材料間を区別できないことを含む。
従って、運輸、運送及び郵便施設において、容器、特に手荷物の中身を非侵襲的にチェックするための新規で且つ改良されたセキュリティ走査装置が要望される。
手荷物又は他の包囲体内の隠された危険な物体を検出する方法及び装置は、一般に、容量性及び誘導性センサで既知の物体を走査することを含む。これらのセンサは、ポータブルでも固定でもよいトランスジューサ内又はその上に装着されるのが好ましい。複数の既知の物体の各々がセンサの付近に位置されたときに、センサ付近のキャパシタンス又はインダクタンスの変化がコンピュータデータベースに記録される。各々の既知の物体に関するデータを含む映像及び知識データベースが構築される。このデータベースは、インデックスされ、そしてデータは、隠された物体を像形成し識別するためのスーパーバイズされた学習の一形式である逆方向搬送に使用される。センサからの出力におけるエラーデータは、それ以前のものへのフィードバックとして使用され、到来重みを更新するのを許す。
容量性及び誘導性センサを使用して、未知の物体を含む手荷物を走査したときに、未知の物体の付近のキャパシタンス及びインダクタンスの変化が、映像及び知識データベースのデータと比較される。物体の性質、テクスチャー及び形状に関する限定されたデータは、コンピュータで励振信号を変更して、未知の物体の映像の生成と、物体が危険な物体であるかどうかの決定とを容易にさせる。フィードバックを与えることで、システムは、センサに配送される異なる測定プロトコル及び異なる励振周波数により映像発生の性能を最適化することができる。映像知識ベースの技術により、危険な物体の検出及び識別を含むリアルタイム映像分析を達成することができる。オペレータは、隠された物体の3D映像を回転して、迅速な識別を行うことができる。
「Image Creation in a Tomography System」と題するウィ・キャング・ヤン氏の英国特許第GB2329476号は、電気的キャパシタンス断層撮影を使用して得たデータから映像を生成する方法及び装置を開示している。この特許は、異なる相対的誘電率の誘電体材料を取り巻くコンジットの断面の映像を形成する電気的キャパシタンス断層撮影(ECT)を開示している。この特許は、コンジットの外壁の周りに位置した電極を励振することにより、コンジットを横切る一連のキャパシタンス測定値が得られることを述べている。これらのキャパスタンス測定値を使用して、コンジットを通る区分の映像であって、コンジット内の誘電体材料の相対的割合及び位置を表す映像を構成する。
ヤン氏の英国特許第GB2329476号は、コンジットの区分の周りに分布された電気的キャパシタンス断層撮影センサアレイを使用することにより、異なる相対的誘電率の誘電体材料を取り巻くコンジットの断面の映像を得る。センサアレイは、一連の電極を備え、コンジットの区分を横切る異なる電極対間のキャパシタンスの測定値を与える。これらのキャパシタンス測定値を使用し、直線的後方投影(LBP)として知られている技術を使用して映像が生成される。
この英国特許は、誘電率の低い材料と誘電率の高い材料との混合物に対するLBPアルゴリズムが、そこに開示された式により表されることを述べており、但し、
Nは、センサアレイを構成する測定電極の数であり、
F(p)は、コンジットの断面内の位置pに存在する高誘電率材料の断片であり、
Sjj(p)は、コンジットの断面内の位置pにおける誘電率の変化に対する一対の電極の感度であり、
Cij’は、コンジットに誘電率の低い材料を充填したときの一対の電極間のキャパシタンスであり、
Cijhは、コンジットに誘電率の高い材料を充填したときの一対の電極間のキャパシタンスであり、
Cijmは、測定中の一対の電極間のキャパシタンスであり、そして
Rjjは、キャパシタンスの正規化された変化である。
変数Sjj(p)は、各電極対に対して誘電率の変化の作用を測定することによりコンジット内の各位置pについて決定される。それにより得られる1組の値は、一般に、感度マップと称され、各電極対に対して個別のマップが発生される。LBPアルゴリズムは、キャパシタンス測定値を重みファクタとして使用して各電極対に対する感度マップを直線的に重畳させることによりコンジットを通る区分の映像を形成する。
LBP映像再構成アルゴリズムが、前記特許の図1に概略的に示されており、ここで、Xは、電極から測定された1組の正規化されたキャパシタンス変化を表し、Sは、1組の感度マップであり、そしてFは、正規化された誘電率分布を表わす映像である。LBP再構成アルゴリズムは、多変数の開ループシステムとして考えることができる。
LBPアルゴリズムは、正確な量的映像を発生することはできないが、有用な質的映像を与える。本発明の好ましい実施形態は、LBPアルゴリズムにより再構成された映像を使用して、その後の繰り返しプロセスに対する値の初期セットを与える。LBPアルゴリズムは、測定されたキャパシタンス値及び映像に関連した正確な数学式ではないので、LBPアルゴリズムにより再構成された映像は、実際の誘電率分布からある程度異なることになる。その結果、映像が分布を正確に表すと仮定すれば、再構成された映像から計算された正規化されたキャパシタンス変化は、センサから測定されたキャパシタンス変化とは異なることになる。測定されたキャパシタンス値と計算されたキャパシタンス値との差は、繰り返しプロセスに対する入力として使用される。
本発明は、参考としてここにその開示を全ての目的で援用する「Image Creation in a Tomography System」と題するウィ・キャング・ヤン氏の英国特許第GB2329476号に開示された改良に係る。
本発明の主たる目的は、ECT及びEMTで映像の解像度を向上させる方法及び装置であって、より多くの独立した測定値を得るために、より多くのセンサ、より多くの感知回路、及び柔軟な/最適な測定プロトコルが使用された方法及び装置を提供する。
本発明の別の目的は、ECT及びEMTの相補的感度を、おそらくX線と一緒に、異なる材料特性へ結合するためにデータ融合を実施する方法及び装置を提供することである。
本発明の別の目的は、ノイズフィルタリング、特徴抽出、物体、2D及び3Dの構成、それらの属性の発生、及び種々の像形成技術を使用できる多数の映像発生ユニットへのフィードバック信号の発生に対して最適な技術を使用する方法及び装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、映像知識ベースのアーキテクチャー及び実施を使用する方法及び装置であって、多数のセンサから映像属性が取得される物体を特徴付けることのできる方法及び装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、非常に多数のセンサ、パラレル測定チャンネル及びパラレルデータ処理でリアルタイム動作を行うための方法及び装置を提供することである。
ここに述べる本発明は、これらの問題を解決するための方法及び装置であって、種々の用途において断層撮影の潜在的有用性を高める方法及び装置を提供し、その4つの好ましい実施形態、即ち(1)並列センサアレイを伴う3D容量性センサ、(2)平坦型センサキャパシタンスアレイ、(3)平坦型ホール効果センサアレイを伴う磁気スキャナ、及び(4)金属物体及び化学的物質を3D像形成するための多平面ECT、について以下に説明する。
本発明を更によく理解するために、本発明の4つの好ましい実施形態を示した添付図面を参照して以下に説明する。種々の図面全体にわたり、同じ部分が同じ参照番号で示されている。
図1を参照すれば、参照番号15は、一般に、セキュリティ走査装置を示し、この装置は、コンピュータ20と、データ取得モジュール30と、インターフェイス40と、トランスジューサ50とを備え、このトランスジューサ50には、その付近の容量性又は誘導性フィールドの変化を検出するためのセンサが装着されている。トランスジューサ50は、ケーブル51又はワイヤレストランシーバ(図示せず)によりデータ取得モジュール30に接続されるのが好ましい。
好ましい実施形態において、セキュリティ走査装置15は、電気的断層撮影(より詳細には、ECT及びEMT)及び知識ベースの映像分析に基づくものであり、そして各装置は、感知ヘッドと、感知電子回路と、映像再構成及び映像分析マイクロプロセッサ(マイクロコントローラ、DSP、ラップトップ、又はデスクトップPC)と、ディスプレイユニットと、付随のソフトウェアとを備えていることを理解されたい。
コンピュータ20は、一時的又は永久的に内部記憶された命令セットに基づいてデータを処理する汎用マシンであるのが好ましい。コンピュータ20は、パーソナルコンピュータ、ラップトップ又はハンドヘルド装置であるのが好ましい。しかしながら、コンピュータ20は、いかなる構成をとってもよく、そしてVGAディスプレイ又はモニタ21、キーボード22及びマウス23のような入力/出力装置、データ記憶装置、及びデータを計算、比較及びコピーするためのCPUプロセッサを、種々の周辺装置のためのスロットと共に備えているのが好ましい。
コンピュータ20は、ワイドエリアネットワークを使用して、システムを更新すると共に、更新された定義、パッチ及び新たな特徴、装置ドライバ、及び中央サーバーから得られるシステム更新をチェックするための通信能力を有するのが好ましい。
図1、2及び11に最も良く示すように、データ取得モジュール30は、デジタル出力装置32と、デジタル/アナログコンバータ(DAC)34と、アナログ/デジタルコンバータ(DAC)36とを備えているのが好ましい。
ここに示す実施形態では、コンピュータ20とデータ取得モジュール30との間のインターフェイス40は、図9−18に示すようなUSBインターフェイスである。
データ取得カードは、FT8U245AM集積回路(IC)チップを伴うUSBインターフェイスモジュール(USB−IFM)MOD2に基づいて設計され、これは、スコットランドのフューチャー・テクノロジー・デバイシス・インターナショナル(FTDI)Ltdから入手できる[1]。USB−IFMが選択された理由は、周辺装置とPC20との間で8Mビット(1Mバイト)/秒までのレートでデータを転送する容易で且つコスト効率の良いやり方と、簡単なFIFO構造とを与えるからである。それに付随するソフトウェアは、USBのプロトコルに馴染みのないユーザがI/Oポートを経て他の装置を制御するのを容易にする。図9は、USB−IFMのブロック図である。
USB−IFMは、USBリンクを経てPC20と通信すると共に、8ビットパラレルデータポート(D0−D7)を経て周辺装置と通信する。USB−IFMとPC20との間でデータを送信することに伴う全ての低レベルオペレーションであって、シリアルデータとパラレルデータとの間の遷移を含むオペレーションは、USB−IFMにより内部で取り扱われる。PC20がUSB−IFMにデータを送信するときには、データは、FIFO受信バッファに記憶され、周辺装置によりデータポートから一度に1バイト読み取ることができる。USB−IFMへ送信されるRD#信号の各立ち上り縁は、図10aに示すように、新たなバイトをデータポートへ転送させる。周辺装置は、データポートに一度に1バイト書き込むことによりPC20へ送信するためにUSB−IFMにデータを送信する。USB−IFMに送信されたWR信号の各立ち下り縁は、FIFO送信バッファへバイトを転送させる(図10(b)を参照)。
RD#及びWR信号は、周辺装置により発生されねばならない。2つの信号RXF#及びTXE#は、データ流を制御するためにUSB−IFMにより自動的に発生される。TXE#フラグが「1」であるときは、データをUSB−IFMデータポートに書き込むことができない。同様に、RXF#フラグが「1」であるときは、USB−IFMデータポートからデータを読み取ることができない。
全データ取得システム30が図11に示され、これは、データ取得カード、信号ジェネレータカード、及び6個までのキャパシタンス測定カードを備え、これら測定カードは、各キャパシタンス電極に対して1つづつ、12個のキャパシタンス測定チャンネルを与える。2つの直接デジタルシンセサイザー(DDS)ICチップ(AD7008)を使用して、ピーク−ピークで18Vの2つの同期された500kHz正弦波信号を発生し、その一方は、励振ソースとして、そしてその他方は、位相感知復調(PSD)の基準信号として働く。アナログマルチプレクサ(MUX)(ADG526)を使用して、各キャパシタンス測定チャンネルからDC信号を順次に選択する。差動増幅器(INA105)は、12ビットデジタル/アナログコンバータ34により発生された適切な電圧を差し引いて、定在キャパシタンスを打ち消す。これで、信号は、測定されたキャパシタンス変化を表し、これは、更に増幅される。大きなダイナミック測定範囲を取り扱うには、1、2、4、8及び16の選択可能な利得をもつDC PGAが必要とされる。アナログ信号は、最終的に、アナログ/デジタルコンバータ(ADC)により12ビットデジタル信号に変換され、次いで、PC20へ2つのバイトで送信される。
定在キャパシタンスをバランスするのに使用されるオフセット信号は、データ取得カード上のDAC34から到来する。オフセット信号は、0から5Vまで4096ステップで変化することができ、次のように表される。
Figure 2007527988
但し、Vrefは、DAC34の基準電圧であり、そしてDは、デジタル入力である。
ADCは、オフセット双極動作用に構成され、Vm=−1Vから4Vの範囲にわたって動作する。デジタルの読みは、次の式で与えられる。
Figure 2007527988
但し、Fは、ADCの全測定範囲である。
システムオペレーションは、データ取得カードのデジタル出力ポートにより制御され、次の機能を与える。
(1)励振及び検出電極を選択するCMOSスイッチの制御;
(2)励振及び基準信号の振幅及び周波数と、それら信号間の位相差の制御;
(3)キャパシタンス測定回路からDC信号を順次選択するためのMUXの制御;及び
(4)ADCの測定範囲を完全に使用するためのPGA利得の制御。
USB−IFMをデータ取得システムの電子ユニットにインターフェイスするための基本的な論理回路が図12に示されている。この回路は、PC20が任意のユニットを選択し、そしてその任意のユニットへデータを送信し又はそこからデータを受信することができるようにする。
USB−IFMの出力RXF#は、インバータを経てRD#入力に接続される。USB−IFMの8ビットI/Oポート(D0−D7)は、ラッチ(1)(74LS273)へ取り出され、このラッチは、RD#信号が高レベルになるときにアクチベートされる。ラッチ(1)の出力は、2つの部分、即ち全電子ユニットに対する4ビットの読み取りデータバスとしてのビットD0−D3と、4−16デコーダチップ(74LS154)へ取り込まれる制御バスとしてのビットD4−D7とに分割され、その16個の出力は、個々のユニットを選択するための制御ラインとして使用される。
オペレーションは、次の通りである。最初に、USB−IFM受信バッファは空であり、従って、出力RXF#は「1」で、RD#は「0」である。PC20は、データバイトをUSB−IFM受信バッファへ送信し、そしてRXF#は、自動的に「0」にセットされる。短時間後に、RD#及びラッチ(1)のCLKは、インバータを経て「1」となる。データバイトは、ラッチ(1)にラッチされ、これも、RXF#を「1」にして、読み取られるべきそれ以上のデータが得られないことを示し、これは、次いで、短い遅延の後にRD#を低レベルにセットする。これで、システムは、PC20からより多くのデータを受け取るか又はPC20へデータを送信する準備ができる。
PC20は、命令FT_Readを使用してUSB−IFM送信バッファからデータを一度に1バイト受信する。同様に、命令FT_Writeを使用してUSB−IFM受信バッファへデータを一度に1バイト送信する。USB−IFMにより受信されたデータバイトは、論理回路により2つの部分、即ち読み取りデータバスとしての4つの最下位ビット(LSB)、及び制御バスとしての4つの最上位ビット(MSB)に分割される。
制御バスは、16本の制御ラインの1つを選択するために4−16デコーダへ取り出され、これは、テーブル1に示すようにデータ収集及び測定回路において16個の異なるICをアクチベートする。












テーブル1:制御ライン接続
Figure 2007527988
USB−IFMをDAC34へインターフェイスするための完全論理回路が図13に示されている。基本的USB論理インターフェイス回路(図12を参照)の4ビット読み取りデータバス及び3つの制御ラインが使用される。主たる事柄は、4ビット読み取りデータバスから12ビットデータ入力を供給することである。
4ビット読み取りデータバスは、2つの付加的なラッチ、即ちラッチ(2)及びラッチ(3)によりDAC34へ12ビット入力信号を与えるように拡張される。4ビット読み取りデータバスは、DAC34の入力バスD8−D11、ラッチ(2)(その出力は入力バスD4−D7へ至る)、及びラッチ(3)(その出力は入力バスD0−D3へ至る)へ直結される。単安定チップ(74HC123)が制御ライン(3)に挿入され、制御信号巾が正しいDACオペレーションに調整されるように確保する。制御ライン1、2及び3は、ラッチ(2)、(3)、及びDAC34を各々アクチベートする。
12ビット信号をDAC34へロードする方法は、次の通りである。PC20は、信号及びバイナリー2(ラッチ(3)の制御ライン)のビットD0−D3を含むバイトを送信する。ラッチ(3)がアクチベートされ、ビットD0−D3がDAC34の対応入力に現われる。PC20は、信号及びバイナリー1(ラッチ(2)の制御ライン)のビットD4−D7を含む第2バイトを送信する。ラッチ(2)がアクチベートされ、ビットD4−D7がDAC34の対応入力に現われる。PC20は、信号及びバイナリー3(DACの制御ライン)のビットD8−D11を含む第3バイトを送信する。信号のビットD8−D11がDACの対応入力に現われ、従って、ここで、完全な12ビット信号がDAC入力バスに現われる。制御ライン(3)の信号は、ここで、DAC入力をロックアウトし、従って、アナログ出力が、PC20により送信された値に保持される。
第1のFT_Write命令は、データビットD0−D3をラッチ(3)へ送信し、そして第2の命令は、データビットD4−D7をラッチ(2)へ送信する。第3の命令は、データビットD8−D11を送信し、そして完全なデータビットD0−D11でDAC34をアクチベートする。最終的な命令は、ユニットをアクチベートせず、アクティブな制御ラインを「1」にリセットするのに使用される。これは、全てのオペレーションの後に使用される。DACオペレーションをテーブル2に要約する。
テーブル2:DACオペレーション
Figure 2007527988
USB−IFMをADCにインターフェイスするための全論理回路設計が図14に示されている。基本的USB論理インターフェイス回路(図12)の8ビットI/Oデータバス及び制御ライン(5)が使用される。8本のADC出力データラインD0−D3(又はD8−D11)及びD4−D7が8ビットI/Oデータバスに接続される。制御ライン(5)は、Dフリップ−フロップ(74LS74)及びANDゲートを経てADCの/RD入力へ取り込まれる。
ADCから12ビット信号を得る方法は、次の通りである。PC20は、バイナリー5(ADCの制御ライン)を含むバイトをUSB−IFMへ送信して、ADC変換をアクチベートし、そして/BUSY信号が低レベルになる。変換の終わりに、/BUSYが高レベルとなり、ここで、新たなデータDB0−DB7がADCの出力ラインに現われ(HBENが低レベルであるから)、そして3つの遅延チップ(74HC123)を使用することにより一連の3つの遅延タイマーが開始される。第1遅延の後に、WR信号が発生され、これは、データDB0−DB7をUSB−IFM送信バッファに書き込ませる。第2の遅延HBENが高レベルにセットされた後、データDB8−DB11及び4個の0がADCデータ出力に現われる。第3の遅延の後、第2のWR信号が発生され、これは、このデータDB8−DB11をUSB−IFM送信バッファへ書き込ませる。PC20は、ここで、USB−IFM送信バッファからADC変換結果を2バイトで読み取ることができる。FT_Write命令は、ADCをアクチベートし、又、その結果を2バイトとして論理回路を経てUSB−IFM送信バッファへ送信する。FT_Read命令は、これら2つのバイトをPC20へ送信する。これらは、いずれのユニットもアクチベートせず、又、読み取りデータバスにいずれのデータも送出しない。ADCオペレーションをテーブル3に要約する。
テーブル3:ADCオペレーション
Figure 2007527988
USB−IFMをMUXにインターフェイスするための全論理回路設計が図15に示されている。基本的USB論理インターフェイス回路(図12)の4ビット読み取りデータバス及び2本の制御ラインが使用される。4ビット読み取りデータバスは、ラッチ(3)に接続され、その出力は、MUXの入力バスA0−A3へ至る。制御ライン(2)及び(4)は、ラッチ(3)及びMUXを各々アクチベートする。
MUXを動作する方法は、次の通りである。PC20は、バイナリー2(ラッチ(3)の制御ライン)を含むバイトをUSB−IFMへ送信する。ラッチ(3)がアクチベートされ、読み取りデータバスのデータがMUXの対応入力に現われる。PC20は、バイナリー4(MUXの制御ライン)を含む第2バイトをUSB−IFMへ送信する。MUXがアクチベートされ、その出力は、4ビット読み取りデータバスのデータに基づいて1つのチャンネルを選択する。
USB−IFMをDC PGAにインターフェイスする全論理回路設計が図16に示されている。基本的USB論理インターフェイス回路(図12)の4ビット読み取りデータバス及び2つの制御ラインが使用される。4ビット読み取りデータバスは、ラッチ(2)に接続され、その最後の3つの出力は、DC PGAの入力バスA1−A3へ至る。制御ライン(1)及び(4)は、ラッチ(2)及びDC PGAを各々アクチベートする。
DC PGAを動作する方法は、次の通りである。PC20は、バイナリー1(ラッチ(2)の制御ライン)を含むバイトをUSB−IFMへ送信する。ラッチ(2)がアクチベートされ、そして読み取りデータバスのデータがDC PGAの対応入力に現われる。PC20は、バイナリー4(DC PGAの制御ライン)を含む第2バイトをUSB−IFMに送信する。DC PGAがアクチベートされ、その出力は、最後の3ビット読み取りデータバスのデータに基づいて利得を選択する。制御ライン(4)は、MUX及びDC PGAの両方をアクチベートすることに注意されたい。UX及びDC PGAのオペレーションをテーブル4に要約する。
テーブル4:MUX及びDC PGAオペレーション
Figure 2007527988
第1の命令は、データビットD0−D3を、ラッチ(3)を経てMUXの4つの入力チャンネル選択ビットへ送信する。第2の命令は、データビットD1−D3を、ラッチ(2)を経てDC PGAの3つの利得選択ビットに送信する。第3の命令は、MUX及びDC PGAの両方をアクチベートする。
DDSチップAD7008は、複雑なデバイスであり、その制御は、データ取得システム内の他のユニットよりも複雑である。USBデータ取得カードにより制御されるDDS信号ジェネレータボードの回路図が図17に示されている。
DDS出力正弦波の周波数、振幅及び位相は、データ入力(D0及びD7)を経て外部からロードしなければならない3つの内部レジスタと、パラレルアッセンブリレジスタとによりセットされる。DDSチップのデータ入力(D0−D7)は、DDSラッチを経て供給される。これらラッチへの入力は、USB及びデータ取得カードのデータラインから到来する(4ビット読み取りデータバス及びラッチ(3))。又、DDSラッチ出力の4つのLSBは、DDS転送論理入力TC0−TC3にも接続される。パラレルアッセンブリレジスタにデータが書き込まれると、これらのビットを、TC0−TC3に基づいて適当な内部レジスタにロードすることができる。
USBデータ取得カードからの制御ライン(9)及び(10)は、DDSラッチをセットするのに使用されるが、2つのDDSチップのための制御信号(即ちRESET、/WR及びROAD)は、USBデータ取得カードのデータラインからラッチ(4)(ビット8−10)へ取り出される。
2つのDDSチップを設定するためのオペレーションは、個々のラッチを経て各チップへデータを送信し、そしてテーブル5及び6に示すように、ラッチ(4)を経て3つのDDS制御入力をセットする(USBデータ取得カード上で)ことを含む。
AD7008への全ての制御信号は、64コネクタを経てUSBデータ取得カードのラッチ(4)に接続される。AD7008が動作されると、制御バスが「0」にセットされ、そして読み取りデータバスが適当な制御入力をアクチベートするようにセットされる。
AD7008のデータラインは、USBデータ取得カードにより、2つのラッチDDSラッチ(1)及びDDSラッチ(2)を経て制御される。第1のFT_Write命令は、データビットD0−D3をUSBデータ取得カードのラッチ(3)へ送信する。第2の命令は、データビットD4−D7を送信し、そしてDDSラッチの1つを完全なデータビットD0−D7でアクチベートする。
テーブル5:AD7008の制御ラインオペレーション
Figure 2007527988

テーブル6:AD7008のデータラインオペレーション
Figure 2007527988
USBデータ取得カードのソフトウェアが、VisualC++6.0で書かれており、これは、周辺装置やディスプレイをインターフェイスしたり、ユーザインターフェイスを設計したりするのに便利である。図18は、ウインドウズユーザインターフェイスを示す。これは、次のような機能を有する。
(1)信号ジェネレータボードの制御;
(2)システムパラメータのメニュー及び設定の管理、並びにシステムの初期化;
(3)キャパシタンス測定ボードの制御、及びキャパシタンスデータの取得;
(4)自動DCオフセット及び利得機能を得るためのDAC及びADCの制御;及び
(5)リアルタイムデータ取得。
以上のことから、この方法及び装置は、ECTシステムのための高速USBデータ取得カードを提供することが容易に明らかであろう。ユーロケース及びユーロカード規格に適合するように電子回路が設計され且つPCBが製造されている。カードは、12個までのキャパシタンス測定チャンネル支持することができ、そしてシステムに首尾良く合体されている。ソフトウェアは、定在キャパシタンスを打ち消すためのDCオフセット、及びDC増幅器利得設定を得るための自動的な校正と、映像再構成及び分析のための測定データの収集を、ユーザに馴染み易いWindows(登録商標)インターフェイスと一緒に備えている。
上述したように、コンピュータ20は、特定用途に基づいて種々の構成をとることができる。例えば、空港のロビーに付添いのないまま放置された手荷物をチェックするような幾つかの用途にポータブルラップトップコンピュータを使用することができる。他の用途については、パーソナルコンピュータ20を、ローカルエリアネットワークにおいて、又はインターネットを経てワイドエリアネットワークにおいて、スタンドアローンシステム、ワークステーション、及びファイルサーバーとして使用してもよい。
図1及び3に示されたトランスジューサ50は、プラスチックシリンダー又はパイプ52を備え、シリンダーの周囲には8個の電極54が位置されている。同様の電気的キャパシタンス断層撮影(ECT)トランスジューサが、参考としてここに援用する「Image Creation in a Tomography System」と題するウィ・キャング・ヤン氏の英国特許第GB2329476号に開示されている。この特許は、コンジット52の外壁の周りに位置された電極54を励振することにより得られるコンジットを横切る一連のキャパシタンス測定値を取り出すための装置の使用について述べている。これらキャパシタンス測定値は、コンジット52を通る区分の映像であって、コンジット52内の誘電体材料の相対的な割合及び位置を表す映像を構成するのに使用される。上記特許は、領域の内部特性を表わす映像を、その領域の周囲における電気的パラメータの測定値から、「ペンティウムコンピュータ」で迅速に実行される繰り返しフィードバックアルゴリズムから導出される映像補正データと組み合せて、生成するための方法を説明している。
キャスリーン・ヘネシー氏に発行された多数の特許は、プリント回路板の欠陥を検出するためにこれまで使用されている映像データベース知識データベースを開示している。これらの特許は、米国特許第5,515,453号、第5,553,168号、第5,703,969号、第6,014,461号、第6,091,846号、第6,205,239号、第6,246,787号、及び第6,246,788号を含み、それらの開示を参考としてここに援用する。
以下に詳細に述べるように、逆伝搬法を使用して、映像及び知識に基づくデータベースを構築するためのスーパーバイズされた学習が提供され、エラーデータをそれ以前のものへ逆伝搬法して、到来する重みを更新できるようにする。映像プリミティブに基づく映像インデックス及びサーチを使用して、隠されたアイテムの3Dリアルタイム映像を生成することができる。
危険な物体を検出するために物体の映像を形成しなくてよいことに注意するのが重要である。トランスジューサの信号は、物体の縁の勾配特性を検出するだけでなく、材料の中で隣接物体との区別を検出し且つ特徴付けるのに使用することもできる。映像の発生は、最初の断層撮影審査の後に人間のオペレータに視覚情報を与えるために必要とされるに過ぎない。物体及びそれらの特性は、視覚表示方法に使用できる次元を越えて、象徴的な超空間で表わすことができる。
米国特許第5,515,453号に開示された方法の更なる開発では、センサ/トランスジューサの前記パネルから得られた信号の測定値を使用して、物体の縁を描くと共に、前記物体内の材料の外部形状及びテクスチャーを特徴付ける。米国特許第6,014,461号、第6,091,846号及び第6,205,239号において半導体欠陥が特徴付けられるのと同様に、危険な物体の選択されたサンプルのセットを使用して、危険物体知識ベースが発生される。
危険物体知識ベース内の危険な物体に関するルールを発生するのに使用されるべき物体の各サンプルの特性は、次のステップ1−7により得られる。
ステップ1:(1)物体の縁のセグメントの強度特性における不連続性、又は(2)物体の内部材料の1つ以上のテクスチャーを特徴付ける隣接トランスジューサ信号の値の範囲、のいずれかを表すトランスジューサ信号の値からプリミティブのセットを発生する。
ステップ2:多数のプリミティブを、プリミティブ値の空間的接近性及び類似性に基づいて互いに関連付けて、前記物体の縁のセグメント及び内部材料を、それらの属性の値、例えば、相対的な位置、先鋭さ、巾、曲率、及び前記トランスジューサ信号から導出される他の特性で表すことにより、高レベルプリミティブのセットを発生する。
ステップ3:縁及び内部材料の類似性のような共有特性に基づいて前記高レベルプリミティブを接合して、物体を定義する。
ステップ4:物体のサイズ、その縁の曲率及び先鋭さ、金属性のテクスチャー、硝酸塩の独特の化学的なテクスチャー等、前記物体の記述子の値のセットを、以下のテーブル7に示すように、前記共有特性から発生する。
テーブル7:危険物体の特徴づけ
物体の 2D 3D立方 縁先鋭 物体の 縁の 内部 内部
ID 断面 体体積 さ* 偏心度* 曲率* テクスチャー テクスチャー
0=円 係数* 変動*
100=ワーム
ナイフ1 104 223 93 64 16 -481 17
ナイフ2 108 231 87 71 19 -411 12
地雷1 52 304 21 6 91 53 22
地雷2 48 291 24 8 93 49 18
剃刀1 60 312 33 23 18 51 28
剃刀2 64 303 37 28 22 15 16
*正規化、0−100
1 金属は、負のキャパシタンスを示す。
2 剃刀1は、爆発物を含み、剃刀2は、含まない。
ステップ5:発散的特性が図24bに示された異なる物体とは対照的に、特性の類似性が図24aのグラフに示された他の同様の危険物体について、ステップ1−4を、少なくとも3回、通常は、5回以下で繰り返す。
ステップ6:前記記述子に重みを指定し、以下のテーブル8に示すように、類似及び限定された範囲の値をもつ記述子には大きな重みを与え、異なる又は広く変化する範囲の値を持つ記述子には小さな重みを与えるか又は重みを与えない。
テーブル8:危険物体の特性に指定される重み
物体の 2D 3D立方 縁の 物体の 縁の 内部 内部
ID 断面積 体体積 先鋭さ 偏心度 曲率 テクスチャー テクスチャー
係数 変動
ナイフ 11 14 94 61 16 11 18
地雷 32 28 6 44 42 91 23
剃刀W 6 14 23 14 18 88 11
ステップ7:危険物体の各グループに対する記述子の値のセットを、記述子の値の中間点及び重みの単一セットに減少し、このような各セットを、以下のテーブル9に示すように危険物体知識ベースのルールとして記憶する。






テーブル9:危険物体知識ベース:属性値中間点及び重み
2D 3D立方 縁の 物体の 縁の 内部 内部
ルール 断面積 体体積 先鋭さ 偏心度 曲率 テクスチャー テクスチャー
係数 変動
MPt Wt MPt Wt MPt Wt MPt Wt MPt Wt MPt Wt MPt Wt
ナイフ 106 11 227 14 93 94 64 61 16 16 -48 11 17 18
地雷 50 32 298 28 22 6 7 44 92 42 51 91 20 23
剃刀W 63 6 307 14 35 23 26 14 20 18 38 88 22 11
前記危険物体知識ベースの配布、使用、維持及び特定用途改善は、以下のステップ8−12で説明する。
ステップ8:危険物体知識ベースが、広範囲な種々の物体、特性及びそれらの相対的重要性に関する累積された相対的情報を反映する危険物体に関するルールでポピュレーションされると、これを使用して、ステップ1−4をたどることにより小包及び手荷物内のような包囲されたエリア内の潜在的危険物体を検出しそして分類することができる。
ステップ9:通常サイズが15000バイト以下の危険物体知識ベースは、走査装置の特定実施形態に使用するためのセキュリティユニットに電子手段により配布される。
ステップ10:危険物体知識ベースの修正は、物体の1つ以上のインスタンスの追加、削除又は交換により達成され、危険物体知識ベースにおけるルールのセットが再公式化され、即ち、通常数分しかかからず且つ容易に逆転することのできるプロセスとなる。
ステップ11:危険物体知識ベースのマスターセットを生成して、検査サイトから離れた場所で同様の装置において修正し、そして任意の場所へ電子的に送信して、セキュリティネットワーク全体にわたり危険物体に関する最新のルールを与える。
ステップ12:貨物や荷物のチェックのような異なるセキュリティタスクに対して、爆発物や促進剤を検出するように編集された危険物体知識ベースの多数のバージョンを生成して維持すると共に、ナイフのような先鋭な金属物体を検出するためのルールを追加した危険物体知識ベースの別のバージョンを機内持ち込み品目に対して生成する。
別々に又は組み合せて使用できるトランスジューサの多数の実施形態が図4、5、6及び19−23に示されている。
4つのセキュリティ走査装置を次の実施形態として以下に説明する。(1)並列センサアレイを伴う3D容量性スキャナ;(2)平坦なキャパシタンスセンサアレイを伴うシューズスキャナ;(3)平坦なホール効果センサアレイを伴う磁気スキャナ;及び(4)金属物体及び化学物質を3D像形成するための多平面ECT。
実施形態1:並列センサアレイを伴う3D容量性スキャナ
従来のECTセンサは、断面を取り巻く多数の電極で構成される。別の設計は、一方が励振用そして他方が検出用の2枚の平行なプレートをキャパシタンスセンサアレイと共に使用し、各プレートに例えば256個(又は他の個数)の電極を設けることである。図19に示すように、上部プレート19aにおいて1つの電極19eが付勢されると、下部プレート19bから例えば25のキャパシタンス測定値を得ることができる。上部プレートの励振電極は順次に付勢され、例えば、1000以上のキャパシタンス測定値を下部プレートの検出電極から収集することができる。セキュリティ分布(ヤン氏等、1999年)を得るために、限定差方法を使用することができ、これは、感知スペースの形状から限定素子方法(FEM)より便利である。各電極は、例えば、3x3=9個(又は他の個数)のピクセルに分割することができる。励振プレートと検出プレートとの間のスペースをソフトウェアで多数の層に分割して、各層の厚みがピクセルの寸法と同様であるようにすることができる。このようにして、感知スペースを多数の小さな立方体に分割することができる。これは、真の3D映像再構成を可能にし、優れた空間的解像度を達成することができる。
キャパシタンス及びロス・コンダクタンスの両成分を異なる周波数及び異なる位相で測定することができる。測定回路は、正弦波励振及び位相感知復調を使用するACベースのECTシステム設計に基づくものでよい(ヤン及びヨーク氏、1999年)。キャパシタンス成分を測定するために、高周波数の励振信号(例えば、1MHz)を、最適感知フィールドに対して1つ以上の励振電極に印加することができ、そして直角位相信号を、検出電極から位相感知復調により測定することができる。ロス・コンダクタンス成分を測定するために、低周波数信号(例えば、10kHz)を印加して、同相信号を測定することができる。測定プロトコルは、映像解像度のために最適な属性を伴うデータセットを得るように最適化することができる(ポリドリデ及びマッカン氏、2002年)。リアルタイム像形成を達成するために、パラレルデータ取得チャンネルを使用することができる。
銃やナイフ(金属又はセラミック)のような多数の危険物体は、その形状のみで独特に特徴付けることができる。爆発物のような他のものは、材料の独特の電気的特性により識別することができる。他方、ある無害の物体は、1組のワイヤのように疑わしい形状を有しているか或いはヘアスプレーのように材料の性質が疑わしいものであるために、偽の肯定アラームをトリガーすることがある。自動検査又は走査技術を採用するためには、偽の肯定アラームを排除することが重要である。形状によるだけでなく、材料の電気的特性にもよって物体を特徴付けるための知識ベースの映像分析の能力は、半導体ウェハ検査におけるその適用が示しているように、偽の肯定アラームを実質的に減少することができる(リン氏2001年、ファン氏2002年)。
断層撮影センサから得られる情報を最大限活用するために、キャパシタンス及びロス・コンダクタンスデータを特徴のセットとして処理又は抽出することができ、特徴は、この情報を、材料の映像、形状、テクスチャー及び特性のような他の情報とシームレスに一体化するように表わすことができ、次いで、データベースに記憶することができる。これにより、センサからのデータを物体の関連特性に指定することができ、システムは、関連データから導出されたルールを抽出し、公式化しそして使用することができる。キャパシタンス及びロス・コンダクタンスデータは、これで、キャパシタンス及びロス・コンダクタンスプロフィールの類似性に関連して、物体及びその特性に関する動的な知識ベースの一部分となり得る。
この装置の開発は、生の映像データを取得し、ノイズをフィルタリングし、そして特徴を抽出することを含む。このために、知識ベース機能に対するソフトウェア及びハードウェアファシリティが必要となる。又、形状の描写、物体の構造及びフィードバックの能力に関して各映像発生技術の性能を評価するための情報を与えることもできる。又、この装置の開発は、危険物体の全3D映像の知識ベース特性を取得し、そして広範囲なフィールドテストを行って、使用の観点で受け容れられるシステム性能を確保することも含み得る。知識ベースは、自動焦点ファシリティのようにECTシステムへフィードバックを与えて、システムが異なる測定プロトコル及び異なる励振周波数により映像発生の性能を最適化できるようにする。映像知識ベース技術により、危険物体の検出及び識別を含むリアルタイム映像分析を達成することができる。
この装置は、空港で書類かばんを、そして郵便局や小包配送サービスにおいて封筒及び/又は小包をチェックするのに使用できる(これに限定されない)。物体は、2枚のプレート間に置くことができる。金属又はセラミックナイフや爆発物材料が中にある場合には、像形成システムがその中身を3D映像として示し、それらを識別することができる。この装置は、犯罪者が爆弾や炭疽菌や他の危険な材料を、空港や郵便局や小包配送サービスを介して送付するのを防止する種類の第1のものである。又、この装置は、空港において大きな問題となる放置された書類かばんをチェックするためのポータブル装置として使用されてもよい。
実施形態2:平坦なキャパシタンスセンサアレイを伴うシューズスキャナ
過去に、テロリストは、シューズに爆発物を隠すことに頼っており、これは、「シューズ爆弾」と称された。特に、米国の多くの空港では、全ての乗客が、セキュリティ要員によるチェックのためにシューズを脱がねばならない。この方法には明らかに問題がある。(a)靴底又はヒール内に隠された爆発物を発見できない;(b)時間がかかり、追加のスタッフが必要であり、且つ長い行列ができる;(c)この経験は、航空機の乗客及びセキュリティスタッフの両方にとって不快である。
キャパシタンスセンサアレイを使用すると、砂の中に埋もれたプラスチック又は金属物体を示す2D映像を発生できることが実験で示されている。256センサアレイでは、足の形状を視覚化し、サイズを決定できることが示されている。
実施形態2としての感知パッドは、順次の付勢される例えば256(又は任意の個数)の電極で構成できる。1つの電極が付勢されたときに、例えば、24個(又は他の個数)の周囲電極から電極間キャパシタンスを測定することができる。縁付近の励振電極は、24の周囲電極をもたないことを考えると、256x24=6144未満の測定値しかない。実施形態1と同様に、限定差シミュレーションにより感度分布を見出すことができる。映像再構成アルゴリズムは、2D及び3Dディスプレイに対して実施することができる。測定プロトコルと、感度分布についての事前の知識とにより、高い映像解像度を期待することができる。実施形態1と同様に、各電極は、9個(又は他の個数)のピクセルに分割することができ、2D映像において例えば2304個のピクセルを、そして3D映像においてそれより多数の立方体を与えることができる。実施形態1について提案された解決策と同様に、金属、セラミック、爆発物、及び他の危険材料を考慮して、知識ベースの映像分析を適用することができる。シューズスキャナとして使用するのに加えて、例えば、従来の金属検出器及びプラスチック地雷検出に置き換わるための映像ツールとして他のポータブル用途に対してハンドヘルドバージョンも考えられる。
実施形態3:平坦なホール効果センサアレイを伴う磁気スキャナ
現在の金属検出器は金属の存在しか検出できないが、本発明の磁気スキャナは、金属物体(1つ又は複数)のサイズ及び/又は形状に関する情報を与えることができる。このセンサは、図20に示すように、AC磁界を発生するための例えば9個(又は他の個数)のコイル20cと、検出器としての例えば28個(又は他の個数)のホール効果センサ20dとで構成される。コイル20cは、順次に付勢することができる。1つのコイル20cが付勢されると、28個(又は他の個数)のホール効果センサ20dから例えば28個(又は他の個数)の測定値を得ることができる。全部で、例えば252個の測定値がセンサから得られる。この252個の測定値から映像を再構成するには、3D感度マップが必要となる。
センサパネルは、図2に示すように、例えば10kHzの磁界を発生するための例えば9個(又は他の個数)のコイルと、検出器としての28個のホール効果センサとで構成される。例えば歪入りのインジウム−ガリウム−砒素(InGaAs)ヘテロ構造で作られたセンサ、又は他のホール効果センサは、サイズが小さく(例えば、1.5x3mm)、そして大きなダイナミックレンジ(例えば、1テスラまで)で高い解像度(例えば、0.1μテスラ)を与える(ハンド及びミッソー氏、2003年)。コイルは、順次付勢することができる。1つのコイルが付勢されたときに、ホール効果センサから28個の測定値を取り出すことができる。全部で、例えば、252個の測定値をセンサパネルから取り出すことができる。データ取得システムは、トランスジューサ回路を除くと、キャパシタンスを測定するのに使用されるものと同様でよい。
上記252個の測定値から映像を再構成するには、3D感度分布が必要とされ、これは、例えば、アンソフト・インク(米国)からの限定エレメントソフトウェアパッケージを使用して計算することができる。対象物が多数の異なる角度から質問された後に、測定されたデータを使用して、金属物体(1つ又は複数)の2D及び/又は3D映像を再構成することができる。この装置は、データ取得、映像再構成、映像処理及び映像表示のために、PC20又は他の形式のデスクトップコンピュータを使用して設計することができる。図21−23に示すハンドヘルドツール60は、マイクロコントローラ、DSP、又は他の形式のマイクロプロセッサを、LCDディスプレイパネルと共に使用するもので、バッテリで作動される。これは、人々及び小さなバッグを走査するためにセキュリティ要員により使用することができる。又、本発明の装置は、金属地雷の検出にも使用できる。この場合も、従来の金属検出器に勝るこの装置の効果は、金属物体の形状及び/又はサイズを示す映像を与えると共に、偽警報を減少できることである。従来の金属検出器を使用した地雷検出の成功率は、0.1%程度であることに注意されたい(アロソップ氏、2000年)。実施形態1及び2と同様に、知識ベースの映像分析を実施形態3にも適用することができる。将来、この装置は、平坦なキャパシタンスベースの像形成装置(実施形態2)と組み合わされて、データ及び映像の融合により改善された映像を得ることができる。
図21−23に示すように、本発明のハンドヘルド装置は、次のものを含む複数の層を有するのが好ましい。
層1:LCDディスプレイ及びキーパッド
層2:感知電子装置及びDSP
層3:磁気シールド
層4:励振コイル
層5:前置増幅器及びMUX
層6:ホール効果センサ
本発明の装置は、平坦なキャパシタンス像形成センサアレイと組み合せて、改善された映像を得ることができる。
実施形態4:金属物体及び化学物質を3D像形成するための多平面ECT
過去において、ガス(τr=1.0)及びオイル(τr=2.1)のような異なる誘電率の誘電体材料を像形成するためのECT技術が開発された。金属は、負のキャパシタンス変化を表す非常に強力な信号を発生することが観察された。映像の再構成中にキャパシタンスデータを単に反転するだけで、既存のECTシステムで金属物体が見られることが実験で立証された。これは、ECTシステムをセキュリティスキャナとして使用して、断面において金属物体を検出し、位置決めしそしてその映像を形成できることを示している。重要な問題は、映像の解像度を改善し、そして金属物体を確実に識別することである。実施形態4では、3D像形成のためのセンサは、キャパシタンス電極の例えば4個(又は他の個数)のリングで構成され、各リングには例えば16個(又は他の個数)の電極が含まれる。これら電極は、丸い又は長方形のトンネルを包囲することができる。実施形態1及び2と同様に、キャパシタンス及びロス・コンダクタンスの両成分をセンサアレイから測定して、より多くの独立した測定値を得て、危険物体又は材料をより確実に識別することができる。
金属物体は、誘電体材料とは完全に異なるキャパシタンス変化を生じるので、金属物体の映像を再構成するには、金属物体に特有の感度分布を見出すことが必要である。ロス・コンダクタンスの測定値を使用して、適当な映像を再構成することもできる。両方の場合に、例えば、アンソフト社のソフトウェア或いは他のFEM又は限定差ソフトウェアを使用して、3Dの感度分布を計算する必要がある。2つの映像を、映像融合により一緒に一体化して、金属物体の更に正確な表示を発生することができる。
各電極リングからの測定データのセットから2D映像を再構成することができ、次いで、全電極リングからの例えば4個の映像を一緒に積み重ねて3D映像を与えることができる。空港で使用するために、例えば、直径が60cmのトンネルを設計し、各リングが、例えば長さ10cmの電極を例えば16個(又は他の個数)有し、その中にハンドバックを入れられるようにすることができる。システムを21/2D像形成のために動作するときには、各リング内の上記16個の電極が例えば120個のキャパシタンス測定値及び例えば120個のロス・コンダクタンス測定値を与えることができる。例えば、ランドウェーバの繰り返しアルゴリズム又は他の映像再構成アルゴリズムを使用してキャパシタンスデータから4つの映像を再構成することができ(ヤン氏等、1999年、ヤン及びペン氏、2003年)、そしてロス・コンダクタンスデータから4つの映像を再構成することができる。次いで、キャパシタンス映像及びロス・コンダクタンス映像から2つの仮想3D映像を各々構成することができる。最終的に、2つの映像を一緒に融合することにより3D映像を発生することができる。真の3D映像を得るために、測定プロトコルは、従来の解決策より非常に複雑なものになり得る。この場合に、1つの電極又は電極のグループが付勢されると、全てのリングの他の全ての電極からキャパシタンス及びロス・コンダクタンスの測定を行うことができる。更に多くの独立した測定データをセンサから得ることができると共に、改善された映像を抽出することができる。実施形態1、2及び3と同様に、知識ベースの映像分析を実施形態4に適用することができる。
以上の説明から、次のことが明らかとなろう。
1.電気的断層撮影(より詳細にはECT及びEMT)及び知識ベースの映像分析をベースとするセキュリティ走査装置であって、感知ヘッド、感知電子装置、映像再構成及び映像分析マイクロプロセッサ(マイクロコントローラ、DSP、ラップトップ、又はデスクトップPCのいずれか)、ディスプレイユニット及び付属のソフトウェアを各々備えた装置は、従来の装置に勝る顕著な効果を発揮する。
2.セキュリティ走査装置は、ECT及びEMTに伴う映像解像度を向上させることができる。より多くの独立した測定値を得るために、より多くのセンサ、より多くの感知回路、及び柔軟で/最適な測定プロトコルを使用することができる。
3.セキュリティ走査装置は、データ融合を実施して、ECT及びEMT(おそらくX線を伴う)の相補的感度を、異なる材料特性に結合することができる。
4.セキュリティ走査装置は、ノイズフィルタリング、特徴抽出、物体の構造、それらの属性の発生、及び種々様々な像形成技術を使用できる多数の映像発生ユニットへのフィードバック信号の発生、に対して最適な技術を決定することができる。
5.セキュリティ走査装置は、多数のセンサから映像属性が取得される物体を特徴付けることのできる映像知識ベースを実施するアーキテクチャー及び手段を提供する。
6.セキュリティ走査装置は、パラレル測定チャンネル及びパラレルデータ処理を必要とする非常に多数のセンサでリアルタイムに動作することができる。
7.セキュリティ走査装置は、危険物体(例えば、銃及びナイフ、金属又はセラミック)及び化学物質(例えば、爆発物)の断層撮影又は非断層撮影映像を2D又は3Dで与えるもので、危険物体及び化学物質を識別するために知識ベースの映像を分析して理解することによりサポートされる。
8.セキュリティ走査装置は、空港、郵便局、及び公衆の出入りを扱う他の区域、例えば、公共の劇場、鉄道の駅、公共のビル、スポーツイベント、及び他の無防備な会場において使用することができる。
「左」、「右」、「時計方向」、「反時計方向」、「水平」、「垂直」、「アップ」、「ダウン」等の用語は、図面を参照して使用したときには、一般に、例示された実施形態における部品の向きを指すもので、必ずしも、使用中の向きではない。これらの用語は、相対的な位置及び/又は向きを便宜上指すものに過ぎず、何ら限定を意味するものではないことを理解されたい。
本発明の種々の実施形態を図示して説明したが、本発明の概念から逸脱せずに変更がなされ得ることが明らかであろう。それ故、本発明は、上述した例又は実施形態に限定されない。
セキュリティ走査装置を示す斜視図である。 セキュリティ走査装置を示すブロック図である。 実質的に図1の3−3線に沿った断面図である。 センサのスイッチを示す回路図である。 多数の磁気感知素子をもつホールトランスジューサの概略図である。 多数のコイル及び磁気感知素子をもつホール感知装置の概略図である。 (a)は、階層状分布を示すグラフであり、(b)は、コア分布を示すグラフであり、そして(c)は、環状分布を示すグラフである。 (a)は、階層状分布の映像であり、(b)は、コア分布の映像であり、そして(c)は、環状分布の映像である。 USB−IFMの内部ブック図である。 USB−IFMタイミング図である。 USBインターフェイスカードを示すデータ取得システムの図である。 USB−IFM論理インターフェイス回路を示す図である。 USB−IFMをDACにインターフェイスする図である。 USB−IFMをADCにインターフェイスする図である。 USB−IFMをMUXにインターフェイスする図である。 USB−IFMをDC PGAにインターフェイスする図である。 DDS信号ジェネレータボードを示す図である。 ウインドウズユーザインターフェイスを示す図である。 一方が励振用で、他方が検出用の2枚の平行プレートと、各プレート上のキャパシタンスセンサアレイとを示す概略図である。 励振コイル及びホール効果センサをもつ磁気スキャナの概略図である。 ハンドヘルドスキャナの正投影図である。 多数の層をもつハンドヘルドスキャナの拡大側面図である。 ハンドヘルドスキャナの上面図である。 同様の物体の記述子の値の整列状態を示すグラフである。 異なる物体間の記述子の値の発散状態を示すグラフである。

Claims (25)

  1. 手荷物内に隠された危険物体を検出する方法において、
    容量性及び誘導性センサに対して既知の物体を位置させるステップと、
    複数の既知の物体の各々が付近に位置されたときに前記容量性及び誘導性センサの付近のキャパシタンス及びインダクタンスの変化を記録するステップと、
    各々の前記既知の物体に関するデータを含む映像及び知識データベースを構築するステップと、
    未知の物体を含む手荷物を前記容量性及び誘導性センサに対して移動するステップと、
    前記未知の物体の付近のキャパシタンス及びインダクタンスの変化を、前記映像及び知識データベースにおけるデータと比較するステップと、
    前記物体が危険物体であるかどうか決定するステップと、
    を備えた方法。
  2. 前記未知の物体の付近のキャパシタンス及びインダクタンスの変化を前記映像及び知識データベースにおけるデータと比較する前記ステップは、
    前記センサに与えられる異なる測定プロトコル及び異なる励振周波数により映像発生の性能を最適化するようにフィードバックを与える段階、
    を含む請求項1に記載の隠された危険物体を検出する方法。
  3. 前記未知の物体の付近のキャパシタンス及びインダクタンスの変化を前記映像及び知識データベースにおけるデータと比較する前記ステップは、
    前記センサに与えられる異なる測定プロトコル及び異なる励振周波数により映像発生の性能を最適化するように映像知識ベースからデータのフィードバックを与えて、危険物体の検出及び識別を含むリアルタイム映像分析を許す段階、
    を含む請求項1に記載の隠された危険物体を検出する方法。
  4. 各々の既知の物体に関するデータを含む映像及び知識データベースを構築する前記ステップは、
    1)センサ信号の値から、(1)物体の縁のセグメントを特徴付ける強度の不連続性、又は(2)物体の内部材料の1つ以上のテクスチャーを特徴付ける隣接センサ信号の値の範囲、のいずれかを表すプリミティブのセットを発生する段階と、
    2)多数のプリミティブを、それらプリミティブ値の空間的接近性及び類似性に基づいて互いに関連付けることにより高レベルプリミティブのセットを発生して、それら属性の値、例えば、相対的な位置、先鋭さ、巾、曲率、及び前記センサ信号から導出される他の特性により前記物体の縁のセグメント及び内部材料を表すようにする段階と、
    3)共有された特性、例えば、縁及び内部材料の類似性に基づいて前記高レベルプリミティブを接合して、前記物体を定義する段階と、
    4)前記物体の記述子の値のセット、例えば、物体のサイズ、その縁の曲率及び先鋭さ、金属のテクスチャー、独特の化学的なテクスチャー、例えば、硝酸塩のテクスチャーを、前記共有特性から発生する段階と、
    5)少なくとも3つの他の同様の危険物体で前記段階1-4を繰り返す段階と、
    6)同様の及び限定された範囲の値をもつ記述子に大きな重みを与えると共に、異なる又は大幅に変化する範囲の値をもつ記述子に小さな重みを与えるか又は重みを与えないように、前記記述子に重みを指定する段階と、
    7)危険物体の各グループに対する記述子の値のセットを、記述子の値、範囲及び重みの単一セットであって、危険物体知識ベースにルールとして各々記憶されるべきセットへと減少する段階と、
    を備えた請求項1に記載の隠された危険物体を検出する方法。
  5. 感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法において、
    感知スペースに隣接してセンサ手段の複数のアレイを位置させるステップと、
    走査、識別及び像形成されるべき装置を前記感知スペースに位置させるステップと、
    前記センサ手段の第1励振電極アレイの少なくとも1つの励振電極と第2検出電極アレイの各検出電極との間に、前記センサ手段の前記第1励振電極アレイに印加される入力信号に応答して、複数の電界を発生するステップと、
    前記感知スペースを多層の小さな立方体に分割するステップと、
    前記センサ手段の前記第2検出電極アレイの各検出電極からデータ取得システムへ信号を配送するステップと、
    前記データ取得システムにより受け取られた信号を分析して、前記感知スペース内の前記装置の性質及び前記装置の識別を決定するステップと、
    を備えた方法。
  6. 前記データ取得システムにより受け取られた信号を分析する前記ステップは、
    前記センサ手段から生の映像データを取得する段階と、
    前記生の映像データを処理する段階と、
    情報を、材料の映像、形状、テクスチャー及び特性を含む他の情報とシームレスに一体化させ、次いで、データベースに記憶させるようにして表された特徴のセットとしてデータを抽出する段階と、
    を含む請求項5に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  7. 前記データ取得システムにより受け取られた信号を分析する前記ステップは、
    特定の主題に関連した映像の集合から映像データベースを生成する段階と、
    前記特定の主題に関連した他のデータで知識データベースを生成する段階であって、前記知識データベースは前記映像データベースをクロスリファレンスするような段階と、
    を含む請求項6に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  8. 前記センサ手段は、電気的キャパシタンスセンサを含む、請求項1に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  9. 前記センサ手段の前記第1励振電極アレイに印加される入力信号は、高周波正弦波励振信号を含む、請求項5に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  10. 前記感知スペース内の装置を検出しそして識別するために、前記データ収集システムにより受け取られた信号を分析する前記ステップは、電気的断層撮影及び知識ベースの像形成のための位相感知復調を含む、請求項5に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  11. 前記センサ手段は、並列センサアレイを伴う容量性スキャナを含む、請求項5に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  12. 前記センサ手段は、前記感知スペースを取り巻く複数の電極を含む、請求項5に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  13. 前記センサ手段は、複数の励振電極及び複数の検出電極がプレート上に装着された複数のキャパシタンスセンサアレイを備えた、請求項5に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  14. 前記センサ手段は、2枚の平行プレートを含み、その一方は励振用で、その他方は検出用であり、キャパシタンスセンサアレイは各プレート上に複数の励振電極を含む、請求項5に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  15. 前記センサ手段は、2枚の平行プレートを含み、その一方は励振用で、その他方は検出用であり、キャパシタンスセンサアレイは複数の検出電極を各プレート上に伴う、請求項5に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  16. 前記センサ手段は、2枚の平行プレートを含み、その一方は励振用で、その他方は検出用であり、キャパシタンスセンサアレイは、各プレート上の複数の励振電極と、各プレート上の複数の検出電極とで構成される、請求項5に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  17. 前記センサ手段の第1励振電極アレイに印加される入力信号に応答して、前記センサ手段の第1励振電極アレイの各励振電極と、第2検出電極アレイの各検出電極との間に複数の電界を発生する前記ステップは、
    前記第1励振電極アレイの単一の励振電極を付勢し、そして前記センサ手段の前記第2検出電極アレイの複数の検出電極各々からの信号をデータ取得システムへ配送する段階、
    を含む請求項5に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  18. 前記センサ手段の第1励振電極アレイに印加される入力信号に応答して、前記センサ手段の第1励振電極アレイの各励振電極と、第2検出電極アレイの各検出電極との間に複数の電界を発生する前記ステップは、
    前記第1励振電極アレイの単一の励振電極を順次に付勢する段階、及び
    前記複数の励振電極の各々が付勢されるときに、前記センサ手段の前記第2検出電極アレイの複数の検出電極の各々からの信号をデータ取得システムへ配送する段階、
    を含む請求項5に記載の感知スペース内の装置を走査し、識別しそして像形成する方法。
  19. 感知スペース内の装置の中身を走査し、識別しそして像形成するためのセキュリティ走査装置において、
    前記感知スペースに隣接するセンサ手段の複数のアレイと、
    前記センサ手段の励振電極に印加される入力信号に応答して、前記センサ手段の少なくとも1つの励振電極と、第2検出電極アレイの複数の検出電極の各々との間に複数の電界を発生するための手段と、
    前記感知スペースを多層の小さな立方体に分割する手段と、
    前記センサ手段の前記第2検出電極アレイの各検出電極からの信号をデータ取得システムへ配送するための手段と、
    前記データ取得システムによって受け取られた信号を分析して、前記感知スペース内の装置の性質を決定すると共に、その装置の断面を像形成するための手段と、
    前記データ取得システムにより受け取られた信号を分析する前記手段に関連した知識データベースであって、隠された物体を識別するために逆伝搬法にデータを使用するようにインデックスされるデータベースと、
    を備えたセキュリティ走査装置。
  20. 前記感知スペースに隣接した感知手段の前記複数のアレイは、データ融合を実施して、ECT及びEMT(おそらくX線を伴う)の相補的感度を異なる材料特性に結合できるように構成される、請求項19に記載の感知スペース内の装置の中身を走査し、識別しそして像形成するためのセキュリティ走査装置。
  21. 前記センサ手段の前記第2検出電極アレイの各検出電極からの信号をデータ取得システムに配送するための前記手段は、ノイズフィルタリング、特徴抽出、物体の構造、それらの属性の発生、及び種々の像形成技術を利用し得る多数の像発生ユニットへのフィードバック信号の発生に対して最適な技術を決定できるように構成される、請求項19に記載の感知スペース内の装置の中身を走査し、識別しそして像形成するためのセキュリティ走査装置。
  22. 前記データ取得システムにより受け取られた信号を分析して、前記感知スペース内の装置の性質を決定すると共に、装置の断面を像形成するための前記手段は、映像の属性が多数のセンサから取得される物体を特徴付けることのできる映像知識ベースを実施するためのアーキテクチャー及び手段を備えた、請求項19に記載の感知スペース内の装置の中身を走査し、識別しそして像形成するためのセキュリティ走査装置。
  23. 感知スペースに隣接したセンサ手段の前記複数のアレイは、容量性及び誘導性センサを含む、請求項19に記載の感知スペース内の装置の中身を走査し、識別しそして像形成するためのセキュリティ走査装置。
  24. 感知スペースに隣接したセンサ手段の前記複数のアレイは、容量性センサを含む、請求項19に記載の感知スペース内の装置の中身を走査し、識別しそして像形成するためのセキュリティ走査装置。
  25. 感知スペースに隣接したセンサ手段の前記複数のアレイは、誘導性センサを含む、請求項19に記載の感知スペース内の装置の中身を走査し、識別しそして像形成するためのセキュリティ走査装置。
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