JP2010507154A - 体に配置された物体の検出、特にセキュリティチェックを実施するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、体（１４）に配置された物体（１８）を検出するための装置（１０）及び方法に関する。当該装置は、体（１４）に所定の振動周波数及び所定の振動位相の機械的振動を設定する振動デバイス（１２）と、体（１４）及び検出する物体（１８）によって少なくとも一部が反射されるように放射周波数を選択する、コヒレントな電磁検出放射（２６）を体（１４）の方向に放射する放射デバイス（２０）と、体（１４）及び物体（１８）によって反射される放射を受信する受信デバイス（３０）と、及び所定の振動周波数を有する成分を、受信した放射（２８）からフィルタリングして取り出し、所定の振動位相とは異なる振動位相に関して、その成分を評価する評価デバイス（３２）とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、体に配置されるが、少なくとも一つのカバー材料により隠される可能性のある物体を検出するための、装置及び方法に関する。

この種の装置は一般的に知られている。例えば、空港や大きなイベントにおいては、安全管理のために金属探知機が用いられ、この助けによって金属製の武器を検出することができる。しかしながら、この方法は、例えばセラミックナイフには役に立たない。さらに、質量分析計の助けを借りて、最低汚染量の爆発物を検出できることが知られている。最終的には、違法薬物を検出するために、特別に訓練された犬を用いることが知られている。これらの方法は全て、一般的には、特定の分類の物質のみに関連するという欠点を有している。従って、全ての起こりうる危険な又は好ましくない物体又は材料に対して保護するためには、数多くの検出器が必要となる。しかしながら、とりわけ時間的な理由から、セキュリティチェックにおいて、この種の様々な技術を続けて用いることは実用的ではない。最終的には、Ｘ線の助けを借りて、隠された物体を検出することも知られている。しかしながら、この方法は、人体のみ又は非常に限られた程度にしか適用できない。

従って、本発明は、特定の材料の分類に関わらず、物体が体に配置されているか否かを非接触の様式で検出するための、及び人体への使用に適している、冒頭に言及した種類の装置及び方法を開示することを目的とする。

本発明の第１の態様に従って、本目的は、体に配置された物体を検出するための装置により達成され、該装置は、体を所定の振動周波数及び所定の振動位相の機械的振動の中に設定する振動デバイスと、体及び検出する物体によって少なくとも一部が反射されるように放射周波数を選択する、体の方向に放射する放射デバイスと、体及び物体によって反射される放射を受信する受信デバイスと、受信した放射から所定の振動周波数を有する成分をフィルタリングして取り出し、所定の振動位相とは異なる振動位相に関して、その成分を評価する評価デバイスとを含む。

本発明を、主に人間のセキュリティチェックの例に基づいて、すなわち、人体に適用した場合について説明するが、本発明はこれには限定されず、動物の体、及び／又は無生物体、及び／又は物体に対しても同様に用いることができる点に留意すべきである。

本発明は、強制振動を用いることにより、励振器の振動に対して強制振動の中におかれる物体の運動の間の位相差は、物体の質量及びその減衰量に加えて、とりわけ、励振器の振動に結合した強度にも依存する、という理解に基づく。

例えば、強制振動の中に人がおかれると、振動板に乗せられる場合には、その人の体は、この例では足から、振動し始める。これによる体の強制振動が、体全体が基本的に一つの同一の位相差を有する励振器の振動の所定の振動位相に対して振動することになるか、あるいは体の異なる部分が異なる位相差で振動することになるかは、同様に、それぞれの選択された励起の種類に加えて、所定の振動周波数にも依存する。しかしながら、いずれの場合においても、検出する物体が配置されている体の部分の機械的振動には、再び、その部分に対する強制的な機械的振動に物体を設定する励振器の振動が表れる。発明者らは、体に携行される物体は、これが配置された体の部分の振動位相に対する、強制振動の位相差によって検出できるという認識を確信するに至った。本発明は、この効果を利用する。

体全体が基本的に一つの同一の位相差を有する励振器の振動の所定の振動位相に対して発振するように、体に振動を励起するデバイスの種類、及びその振動周波数を選択するならば、評価デバイスのフィルタリングにより取り出される放射区分内に小区分が存在するときに、機械的振動の所定の振動位相から、この小区分が所定の値の範囲にあることを、視覚、振動、又はまさに検査されている人物が体に物体を携行しているという任意の種類の信号を介して、セキュリティチェックを実施する人員に示すことが、常に可能である。この表示に基づき、次いで、チェック済みの人に、例えば所持品検査を受けさせることも可能である。

これに関連して、本発明に係る装置は、検出放射の放射周波数を、当該少なくとも一つのカバー材料によって少なくとも部分的に送信されるように選択する限りにおいて、その物体が少なくとも一つのカバー材料で覆われているかどうかを、さらに検出できることを強調しておきたい。

本発明に係る装置は、所定の振動周波数を有する反射された放射の成分を、その振幅に関してではなく、その位相位置に関してのみ評価することに留意すべきである。従って、少なくとも一つのカバー材料によって任意に吸収される、人体の方向に放出された検出放射のパーセンテージは、検出する物体によって反射される放射の信号対雑音比がこの放射の検出を許容する限りにおいて、重要ではない。

また、これはカバー材料の種類には関係ない。人間のセキュリティチェックの場合において、少なくとも一つのカバー材料は、典型的な衣料材料とすることができ、これは、例えば、羊毛、綿、リネン等の天然繊維材料、又はポリエステル、ポリアミド、ナイロン（登録商標）等の合成繊維材料、皮革等の天然材料、又は上述の材料の二つ以上の組み合わせである。

隠された物体、又は、例えば材料特性等の特性の知識は何も必要ではないことに留意すべきであり、これは、潜在的に検出する物体の事前の校正測定が不要であることを意味する。

レーダーの方法とは対照的に、電磁信号の送信時間は、本発明の検出放射の場合においては物体又は人体を介して放出デバイスから受信デバイスまでであるが、測定しない。一方では、検出する物体の存在を検出することのみが課題であるため、この種類の経過時間測定から得られる時間、すなわち検出装置から物体までの距離は必要ないからである。また、他方では、この情報に関連付けられるデータ量は、設備に関する出費を顕著に増大する。１ｍｍの伝搬距離の差は、経過時間の信号の時間単位における分解能として約３ピコ秒を必要とし、これに対応する高速な、そのために高コストな電子システムを要することを、さらに考慮すべきである。これと比較して、振動位相差の評価は、対費用効果がずっと大きい。

テラヘルツ放射は、検出放射として特に適している。この放射は、一方では、テラヘルツ放射は水に強く吸収されるが、テラヘルツのフォトンのエネルギーは極めて低く、従って生体組織をイオン化できないため、健康に有害な人体への効果を何ももたない。他方では、テラヘルツ放射は、所望の反射又は透過特性を有する。このような、０．１ＴＨｚから０．５ＴＨｚの間のテラヘルツ放射の透過係数は、ジーンズ、綿靴下及びリネンシャツ等の衣料材料に対して９０％程度の大きさであり、厚さ２ｍｍの皮革に対しては、０．５ＴＨｚでは３０％程度の大きさであるが、０．１ＴＨｚでは再び約９０％である。さらに、この周波数範囲において、対象とする皮膚の反射係数は、１０％を超える。その上、ほとんどの衣料は、ＴＨｚ範囲においては反射が無視できるという特徴があり、基本的には人体又は物体を起源とする反射された放射の位相位置の計測に対して、ほとんどわずかにしか寄与しない。その上、これらの周波数のテラヘルツ放射は、衣料材料の典型的な織り目のサイズよりも長い波長を有する。従って、衣料品の表面上では、ミーの散乱は、ほとんど発生しない。

この文脈において、上述の周波数とは、同様に２００ＧＨｚ又は５００ＧＨｚ等を指すことに留意すべきである。しかしながら、同じ透過、反射及び吸収特性を有するため、それらは通常は「テラヘルツ放射」に属する。

テラヘルツ放射を発生するために用いる典型的なガン（Ｇｕｎｎ）発振器は、約３０ｍＷの出力電力を供給する。さらに、反射されたテラヘルツ放射は、約３０ｐＷの電力に低下する可能性がある。従って、体に電力を照射することは、約１Ｗの携帯電話に対して許容できる最大の放射電力をはるかに下回る、すでに十分なものでありうる。これは、人間のセキュリティチェックの範囲内において、本発明に係る装置の適用が無害な性質であることを、明確に示している。

この文脈において、機械的振動に対しても規則があり、被験者の健康への害を避けるためにこれを守らねばならないことに言及しておきたい。これらは、例えば、ＩＳＯ２６３１−１に示される。従って、振動周波数が１００Ｈｚ、振動の振幅が０．１ｍｍである場合、最大の容認できる振動期間は１０分である。当然、この値は、セキュリティチェックに対して許容できる期間をはるかに超えている。テラヘルツ技術の手段により、２００ｎｍまで下げた振動の振幅を検出することが可能であることが示され、これは０．１ｍｍの振動の振幅を約３桁下回っている。約１μｍの振幅は、通常は知覚の閾値として与えられ、約１ｍｍの振幅は通常は痛みの閾値として与えられることは、さらに興味深い。

本発明の範囲内において、例えば、約１Ｈｚから約２００００Ｈｚの間の範囲の、好適には約５０Ｈｚから約２００Ｈｚの間の、さらにより好適には約１００Ｈｚの振動周波数を有する機械的振動を用いることができる。本発明に係る装置を用いるならば５００ｎｍまで下げた振動の振幅を解明できるため、これらの周波数においてさえ、機械的振動の動作に対してそれぞれの最大の許容できる期間を実質的に切り縮めることが可能である。

体に機械的振動を導入するための振動板の使用は好適ではあるが、基本的には、拡声スピーカ等を介する結合も考慮できる。体への振動の結合は、同様に、座席を介して、又は極めて一般的に体の他の部分を介して、実施してもよい。

反射放射の評価を容易にできるよう、評価デバイスはスーパーインポーズデバイスを含み、これは、受信した反射放射に参照放射をスーパーインポーズし、当該参照放射は、検出放射に対して固定の関係にある放射位相を有する。この参照放射は、例えば、スーパーインポーズデバイスの放出デバイスによって直接的に供給される、検出放射の成分でありうる。反射放射に対する参照放射のスーパーインポーズは、一方では参照放射の飛跡の間の差による干渉として、他方では、体に向かって放出され、これにより反射された放射間の飛跡の合計として、記述することができる。そのためには、体に向かって放出され、そこから反射された放射の飛跡の合計よりも、放出デバイスによって生成された検出放射のコヒレンス長が長いことが必要である。

従って、所定の放射周波数及び所定の放射位相位置を有する参照放射は、反射放射をスキャンするためのツールとして用いられる。しかしながら、もちろん、例えば高周波をスキャンするための高周波技術から知られているもの等と同様に、反射放射のスキャンに対して他の方法も同様に用いることが可能である。時間分解法もまた可能であり、これによれば電磁界の振動が直接的に検出される。これらの方法は、従来、テラヘルツスペクトルのごく一部に対して利用可能であったが、より高いテラヘルツ周波数に対して類似の方法が今後数年程度で同様に開発されるであろうことも無視できない。

所定の振動位相からの振動位相差に関する、反射又はスーパーインポーズされた放射の実際の評価又は解析は、公知の技術の助けを借りて実施することができる。検出する物体はその空間位置において変調されるため、例えばロックイン技術又はデジタルデータ処理の、高コントラスト及び低ノイズを特徴とする特定の変調技術を、この目的のために用いることができる。

とりわけ、人間のセキュリティチェックの分野において、警備人員にとっては、イメージング技術の助けを借りて検査結果を容易に評価できることが望ましい。これは、テラヘルツ放射の助けによるものと理解することも可能であり、その波長は画像化される物体の典型的なサイズよりも短いからである。イメージングは、空間分解能を有するイメージング光学系が受信デバイスの上流に配置される点で、単純な様式で設けることができる。この場合の「光学系」という用語は、当然ながら、可視の電磁放射ではなく、使用するテラヘルツ放射に関する。空間分解能を有するイメージング光学系は、例えば、垂直及び水平方向等の二つの方向の連続したスキャン又は並列検出法によると理解でき、画像全体の行、画像全体の列、又は画像全体が、特定の様式で処理される。「合成開口」という用語より知られるようになった方法も可能である。

検査結果の表示は、例えば画面等の、イメージングデバイス上で実施できる。そのためには、評価アルゴリズムにより、異なる値を異なる振動の位相差に割り当てることができ、これらの値は、例えば、異なる色で表示することができる。さらに、測定データを、値の形式に取り入れることも可能である。基本的には、一つの同一の位相差を有する励振器の振動の所定の振動位相に対して、体全体が発振するように、励振器の振動が選択されるならば、この所定の振動位相を、振動の位相差の形成における参照位相として用いることができる。しかしながら、励振器の振動が、異なる位相差で発振する、体の異なる部分に及ぶならば、特定の画像領域に割り当てられる振動の位相差の計測において、その特定の画像領域を取り囲む及び／又はこれに隣接する画像領域の信号の位相位置を、参照位相として用いることができる。

本来、隠された物体は、画面上だけでなく、被験者にも表示することができる。しかしながら、これには、被験者の裸体の表示に及ぶことが避けられず、倫理的理由から許容できない。従って、イメージング技術の使用に関連して、イメージングの値が所定の値の範囲にあるときのみに画素としての場所を表示することも好適である。この様式においては、検出する物体のみの表示を確実にすることができる。このことを通じて、警備人員は物体に関する追加の情報、すなわち、一方では物体が体に携行されている場所の情報を、他方では画像の形状から対象とする物体の種類に関する情報を、受け取る。

所定の周波数及び所定の位相位置、並びに所定の振幅及び所定の振動方向の、単一の機械的振動による操作は、必ずしも実施する必要はないことも追記すべきである。代わりに、フーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）による、任意の振動は、複数の所定の周波数、所定の位相位置、所定の振幅、及び所定の振動方向の振動のスーパーインポーズにより示すことが可能であるという事実を用いてもよい。従って、機械的振動のフーリエ成分のそれぞれに対する、本発明に係る信号解析は、分離して実施することができる。

同じことは、本願明細書における検出放射にも同様に適用し、単一周波数の信号に替えて、複合信号もまた用いることが可能であり、これは単一周波数の独立した信号のフーリエ和（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｓｕｍ）として表すことができる。

以下、添付図面に基づく例示的実施形態を用いて、本発明をより詳細に説明する。

本発明に係る装置の構造を示す概略図である。

図１に、本発明に係る検出装置を示し、一般的には符号１０を付している。これは、被検体が上にある振動板１２を含み、この場合には、試験される人物１４が配置される。人物１４は、衣服１６の下に物体１８を隠して携行し、この場合には拳銃であり、この物体１８を検出するのは、検出装置１０である。

このためには、振動板１２は、所定の周波数及び既知の位相を有する振動の中におかれ、強制振動としてのこの振動は、衣服１６及び隠された様式で携行される拳銃１８を伴う人物１４の体にも伝達される。人物１４、衣服１６及び隠された物体１８に生じる動きは、テラヘルツ放射によってスキャンされる。

このためには、検出装置１０は、テラヘルツ放射のための、例えばガン発振器等を含むことのできる放射生成デバイス２０を有する放出デバイス２０と、テラヘルツ放射を人物１４の体の検出において検出放射２６として放出する送信デバイス２４とを含む。

人物１４によって反射される放射２８は、受信デバイス３０によってとらえられ、評価デバイス３２に送られる。すなわち、より詳細には、これは評価デバイス３２の、反射された放射２８に参照放射３６をスーパーインポーズするスーパーインポーズデバイス３４に送られ、この参照放射は検出放射２６に対して既知の放射位相の関係にある。図１に示す場合においては、参照放射は、放出デバイス２０、より正確には、その放射生成デバイス２２によって生成されるテラヘルツ放射の一部にすぎない。

従って、参照放射３６は、反射された放射２８と同一の放射周波数を有し、さらに、一方では、放射生成デバイス２２によって生成されるテラヘルツ放射のコヒレンス長は検出放射２６と反射された放射２８の飛跡の差よりも長く、他方では、参照放射３６は反射された放射の位相の長さをスキャンするために理想的に適切である。反射された放射２８に参照放射３６をスーパーインポーズすることを通じ、人物１４の体、人物の衣服１６及び隠された様式で携行される物体１８の振動の結果として、反射された放射２８の飛跡の変化を描く信号が取得される。

次いで、スーパーインポーズされた信号３８は、評価デバイス３２の解析デバイス４０に送られ、ここでは、振動デバイス１２の所定の振動周波数を有する成分が、スーパーインポーズされた放射３８からフィルタリングにより取り出され、振動デバイス１２の機械的振動の所定の振動位相から、振動の位相差に関して解析される。このために、解析デバイス４０は、振動デバイス１２から、振動デバイス１２の周波数及び位相を表す参照信号４２を受信する。

評価デバイス３２、より詳細には、その解析デバイスは、好適には、振動デバイス１２の振動に対する当該振動の位相差が、隠された様式で携行される物体１８の反応について典型的な所定の値の範囲にあるときにのみ、表示デバイス４４に表示信号を出力する。

図１に示すように、表示デバイス４４は、例えばコンピュータ４６の画面等の画像表示デバイスでありうる。画面４４に空間分解能を有する表示を行うことができるようにするため、空間分解能を有する光学系４８は、受信デバイス３０の上流に配置され、この光学系は二次元的な様式で人物１４の体をスキャンする。従って、空間分解能は、例えば１ｍｍ^２でありうる。

要するに、図１に点線５０により示すコンピュータ４６は、検出装置１０を制御することができることに留意すべきである。

現実的には、ＣＷ（連続波）放射を使用することにより、音響位相への受信アクセスの生成が可能である。反射された放射がホモダイン法において参照ビームと混合されると、干渉は２つのビーム間の経路差に依存する。従って、物体の音響振動による経路の延長（ｘ_２−ｘ_１）は周期的干渉信号を導き、これは物体の音響位相（ω_{ａｃｏｕｓｔ}ｔ＋Φ）を示す。音響振動の時間スケール上においては、ＴＨｚ期間の開始後に干渉信号が生じ、式中、Δ＝ｘ_２．０−ｘ_１．０は中性位置における経路長の差であり、Ａは振動の振幅である。

余弦項をべき級数に展開した後、ω_{ａｃｏｕｓｔ}の第１高調波の項に制約することにより、すなわちこれは周波数フィルタとなり、次の結果を得る。

最後の項は、周波数フィルタの使用による干渉から生じる音響位相を示す。しかしながら、振幅は、同じ大きさの正の又は負の値に対するΔに依存して一点に集中する。この測定原理は、二つの可能な結果、すなわち音響位相が−Φ又は＋Φのいずれかのみを許容することに留意すべきである。物体が直接的には発振駆動されないが、中間において位相Ψを有する体を介する場合は、二つの可能な値はΨ±Φとなる。

音響位相Φが９０°から外れる場合は、この測定原理は、可能な結果としてΦ又はΦ−πを得る。

音響位相を計測するための評価デバイスによって評価される信号の信号対雑音比は、放出デバイス２０によって放出される検出放射が体１４に当たる光学位相に依存することを追記すべきである。しかしながら、それぞれの画素に対して信号対雑音比を最大の値に、すなわち放出デバイス２０によって放出される検出放射の波長を変化させることにより、又は放出デバイス２０の場所を変化させることにより、あるいは別の適切な測定により、設定又は最適化することが可能である。その結果、１ｍｍオーダーの検出放射波長、及び１ｍオーダーの放出デバイスと体との間の距離、０．１％オーダーの波長変化、又は１ｍｍオーダーの位置変化を用いれば、すでに十分であることを考慮すべきである。

さらに、検出放射の波長、及び／又は放出デバイスと体との間の距離の適切な選択により、Φ又はΦ−πの間の音響位相の好ましくないジャンプを防ぐことが可能である。これにより、評価デバイス３２による音響位相計測のために評価される信号は、より明瞭に解釈され、従って評価はより容易になる。

上記記載の基準に関して、要約することが可能である。説明した技術は変調技術であるため、高感度が期待できる。本技術は十分に明瞭な測定信号を導く。質量を有する全ての物体を検出可能であるため、完全さの基準を満たす。本方法は、生理学的に許容できる様式で人間に実施することができる。本方法は、人体の表示に関して倫理的に異論のないものである。測定値の明瞭さにより、音響位相において背景と区別可能な物体のみを表示することが容易である。

Claims (12)

1. 体（１４）に配置された物体（１８）を検出するための、特にセキュリティチェックを実施するための装置（１０）であって、
   所定の振動周波数及び所定の振動位相を有して振動し、前記体（１４）を機械的振動の中におく振動デバイス（１２）と、
   前記体（１４）及び検出する前記物体（１８）によって少なくとも一部が反射されるように放射周波数が選択される、コヒレントな電磁検出放射（２６）を、前記体（１４）の方向に放射する放射デバイス（２０）と、
   前記体（１４）及び前記物体（１８）によって反射される前記放射を受信する受信デバイス（３０）と、
   受信した前記放射（２８）から前記所定の振動周波数を有する成分をフィルタリングにより取り出し、所定の振動位相とは異なる振動位相に関して評価する評価デバイス（３２）と、を含む装置。
2. フィルタリングにより取り出され、さらなる処理に送られる前記反射した放射（２８）の成分は、前記物体（１８）に隣接する又は前記物体（１８）の周囲の前記体（１４）の区分の機械的振動の前記振動位相に対する位相差が、所定の値の範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記物体は、少なくとも一つのカバー材料（１６）によって隠され、前記検出放射の前記放射周波数は、前記少なくとも一つのカバー材料（１６）により少なくとも一部が送信されるように選択されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記検出放射はテラヘルツ放射であり、好適には約３０ＧＨｚから約１０ＴＨｚの間の周波数を有し、さらにより好適には約０．１ＴＨｚから約１．０ＴＨｚの間の周波数を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記振動デバイス（１２）は、前記体（１４）が上に立つ振動板であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 前記機械的振動は、約１Ｈｚから約２００００Ｈｚの間の範囲内の、好適には約５０Ｈｚから約２００Ｈｚの間の、さらにより好適には約１００Ｈｚの振動周波数を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. 前記評価デバイス（３２）は、前記受信した反射された放射（２８）に参照放射（３６）をスーパーインポーズするスーパーインポーズデバイス（３４）を含み、当該参照放射は前記検出放射（２６）に対して固定した放射位相の関係にあることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
8. 空間分解能を有するイメージング光学系（４８）が前記受信デバイス（３０）の上流に配置されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
9. 前記体（１４）は人体であることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
10. 少なくとも一つのカバー材料（１６）は、典型的な衣料材料であることを特徴とする、請求項３から９のいずれかに記載の装置。
11. 前記放射デバイス（２０）から放射される前記検出放射の前記放射周波数、又は前記体（１４）からの前記放射デバイス（２０）の距離は、可変であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載の装置（１０）を用いて、体（１４）に配置された物体（１８）を検出するための、特にセキュリティチェックを実施するための方法であって、
    励振器の振動を前記体（１４）に作用させ、当該振動は、所定の振動周波数及び所定の振動位相で振動して、これにより前記体（１４）を機械的振動の中におくことと、
    前記体（１４）にコヒレントな電磁検出放射（２６）を照射し、前記体（１４）及び検出する前記物体（１８）によって少なくとも一部が反射されるように照射周波数を選択することと、
    前記体（１４）及び前記物体（１８）によって反射される前記放射（２８）を受信することと、
    前記所定の振動周波数を有する成分を、受信した前記放射（２８）からフィルタリングにより取り出し、前記所定の振動位相とは異なる振動位相に対して評価することと、を含む方法。

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