JP2018050342A - 異種アンテナアレイを有する広帯域レーダ - Google Patents

Abstract

【課題】好適な異種アンテナアレイを有する広帯域レーダを提供すること。【解決手段】相互間に交互配置された異なるアンテナ要素サイズのアンテナ要素を含む異種アンテナアレイが、開示される。本明細書に開示されるような異種アンテナアレイは、より高い周波数における最適性の損失なしに、広範囲の周波数を効率的に網羅することができる。また、異種アンテナアレイと併用するために好適である、周波数ドメイン指向画像再構成の方法も、開示される。【選択図】図２

Description

（背景）
レーダアレイは、典型的には、特定の波長範囲のために設計および／または最適化される。アレイは、典型的には、長方形等の規則的なパターンで配列される同じアンテナ要素から成る。アンテナ要素間隔は、典型的には、動作周波数における約半波長であるように選択される。これは、大きな角度走査範囲を可能にし、受信された信号が波長の非ゼロ整数倍だけ位相を異にするスプリアス方向に生じるグレーティングローブを回避する。

しかしながら、特定の新しいレーダ用途は、従来のアレイが最適ではない広帯域信号から利益を享受する。広帯域レーダでは、要素間の間隔がアレイの最低動作周波数における約半波長であり得るが、最低周波数の２倍では、１波長となり、最低周波数の４倍では、２波長等となるため、帯域内の全周波数に対して半波長条件を満たすことは不可能である。その結果、より高い周波数では、方向の曖昧性が存在するか、または近接場マイクロ波撮像（医療用途等における）の場合、異なる周波数において達成可能な空間分解能の未活用が存在する。

広帯域アンテナアレイの設計は、したがって、いくつかの難点を呈する。１つの難点は、全着目周波数において最小利得を有する小型の広帯域アンテナ要素を設計することを含む。別の難点は、アンテナ要素サイズに関する。アンテナ要素サイズおよびアレイサイズは、網羅される帯域の下端によって決定される。その結果、アレイ密度は、帯域の上端に対して最適とはいえない。

広帯域レーダから恩恵を享受し得る新しい用途として、ヒト身体の内部をマッピングし、特に、胸部組織内の悪性腫瘍等の異常を検出するための医療撮像技法がある。ヒト胸部のマイクロ波撮像は、その医療上および社会的重要性の観点と、胸部の比較的に低損失物質の観点の両方から、着目されている。

ヒト身体を走査するために使用される信号は、典型的には、約１０ＭＨｚ〜１０Ｇｈｚの周波数を占有する。特に、最近、低信号レベルにおけるライセンス適用免除超広帯域（ＵＷＢ）動作を可能にする３．１〜１０．６ＧＨｚ範囲が注目されている。ヒト身体内へより良好に透過するという観点から、より低い周波数を使用することは、利点があるが、より高い周波数は、そのより短い波長およびより優れた空間分解能の観点から望ましい。広帯域レーダの使用は、高時間分解能を可能にし、その深度（アンテナアレイからの距離）に従った特徴の判別を容易にする。信号の最大周波数は、画像分解能を決定するが、高周波数のみの使用は、その低透過性および位相曖昧性に関連するアーチファクトの出現により、適正ではない。したがって、広範囲の周波数を使用することが有益である。

マイクロ波撮像に関する他の制限について、下にある特徴を識別するために、ヒト身体の外側減衰層を透過させる必要性が挙げられる。下にある特徴からの信号反射におけるわずかな変動は、典型的には、アンテナ要素自体からの反射および皮膚との界面等のより近い特徴からの反射残によって隠される。これらの問題を克服するための現在の技法は、アンテナアレイを較正することと、内部特徴の検出に干渉しないように、表面層の寄与を相殺することと、多重アンテナ要素観察から物体の誘電特性の空間マップを再構成するためのアルゴリズムとを含む。現在のアルゴリズムは、基本的「遅延和」（ＤＡＳ）アルゴリズムならびにより複雑な逆問題アルゴリズムを含む。それでもなお、現在の方法は、依然として、残余誤差および限定されたダイナミックレンジに悩まされる。

基本的ＤＡＳアルゴリズムならびに他の現在の再構成アルゴリズムの欠点の１つは、アンテナ要素が完璧に等方性であり、信号経路が無損失であると仮定していることである。しかしながら、実際は、アンテナ要素は、方向依存放射パターンならびに周波数依存利得および位相シフトを有する。現在の再構成アルゴリズムの実践的実装は、したがって、再構成アルゴリズム自体と別個の前処理段階によって、例えば、アンテナ要素を較正し、アンテナ要素利得および位相シフトを含む参照較正信号によって、測定された信号を除算またはデコンボリューションすることによって、これらの影響を相殺することを模索する。しかしながら、較正を画像再構成と分離することは、最適とはいえず、雑音およびアーチファクトを増加させる。例えば、アンテナ要素のうちの１つが、その放射パターンにおいてヌルであるため、標的物体反射をわずかにしか受信しない場合、前較正技法は、単に、弱信号（その雑音およびアーチファクトとともに）を過増幅することによって、補償するが、適切な応答は、単に、本アンテナ要素からの信号を無視することである。

空間内の伝搬ならびに標的媒体内の信号減衰によって生じる経路損失のため、付加的問題が生じ、媒体内の任意の点からアンテナアレイに到達する信号は、異なる利得で到達する。前述のように、本利得が、ＤＡＳアルゴリズムを適用する前に相殺される場合、雑音増幅がもたらされ得る。システム内の他の利得および位相変動源として、その電気構成要素（送受信器、ミキサ、ケーブル等）が挙げられる。

別のタイプの位相変動は、媒体の相対的電気誘電率（ε_ｒ）における周波数変動によって生成される。これは、分散につながり、異なる周波数は、媒体内に異なる伝搬速度を有する。

一般に、種々の周波数依存影響は、周波数に従う信号振幅および位相シフトにおけるばらつきに寄与する。加えて、これらの影響（アンテナアレイおよび要素放射パターン、ε_ｒの周波数依存等）のうちのいくつかは、標的物体場所および信号経路に従う振幅および位相シフトに影響を及ぼし、したがって、別個に相殺されることができない。

（概要）
本発明の実施形態は、前述の難点および制限を克服する、広帯域「異種アレイ」を提供する。本発明の実施形態による異種アレイは、相互に散在させられた異なるサブアレイから成る。異なるサブアレイは、異なる周波数および／または周波数範囲のために設計および最適化される。それによって、本発明の実施形態は、大帯域幅を網羅する単一アンテナアレイまたは要素を設計するための要件を緩和する。加えて、いくつかの実施形態は、より低い周波数に対してより疎らであり、より高い周波数に対してより密度が高いサブアレイを提供し、最低周波数によって限定されないアレイの密度増加を可能にする。特定の実施形態では、サブアレイは、潜在的に異なる空間および周波数特性を伴う、異なるアンテナ要素タイプを使用する。いくつかの実施形態は、標的物体に関する付加的データを収集するために、異なる極性を有するアンテナ要素を採用する。

例証の目的のために、本発明の原理は、本明細書では、レーダおよび近接場医療診断撮像等のマイクロ波アンテナアレイの観点から論じられる。しかしながら、これらの例および実施形態は、非限定的であることを理解されたい。本発明の実施形態は、限定ではないが、一般的レーダ、商業用および産業用撮像、マイクロ波温熱療法、ならびに伝送および／または減衰に基づく検査および試験を含む、種々の用途を網羅する。

異種アレイのために、異なるサブアレイは、異なる周波数および／または周波数範囲に対して、異なる密度および異なる利得を提供する。したがって、異なるサブアレイによって受信される信号は、同一の情報を含まず、したがって、単に、標準的ＤＡＳアルゴリズムを適用することは、最適再構成画像をもたらさない。故に、本発明の実施形態は、本制限ならびに利得および位相変動に関連する他の問題を克服するために、周波数ドメイン再構成技法を提供する。最適結果のために、本発明の実施形態は、典型的には先行技術において行われるように、再構成の前に、それらの影響を補償のための剰余変数（ｅｘｔｒａｎｅｏｕｓ ｖａｒｉａｂｌｅ）として扱うのではなく、これらの影響を画像再構成に総体的に考慮する。

前述の振幅および位相シフト周波数依存を正しく解決するために、本発明の特定の実施形態は、周波数応答に基づいて、異なるアンテナアレイ／サブアレイからの信号に最適に加重するために、最小平均２乗誤差（ＭＭＳＥ）に基づく画像再構成方法を提供する。

本発明の特定の実施形態は、ヒト身体、特に、胸部組織内の悪性腫瘍を検出する際に利点をもたらす、改良されたＭＩＭＯベースのマイクロ波撮像を提供する。

開示される主題は、添付の図面と併せ読むことによって、以下の詳細な説明参照することにより、最もよく理解され得る。
図１ａは、先行技術による、例示的な１次元同種アンテナアレイのレイアウトを図示する。 図１ｂは、本発明の実施形態による、例示的な１次元異種アンテナアレイのレイアウトを図示する。 図２は、本発明の別の実施形態による、例示的な２次元異種アンテナアレイのレイアウトを図示する。 図３は、本発明の実施形態による、ＭＩＭＯベースの異種アンテナアレイマイクロ波撮像システムの概念ブロック図である。 図４は、本発明の実施形態による、胸部検査のためのＭＩＭＯベースのマイクロ波異種アンテナアレイ撮像システム構成を図示する。 図５は、本発明の実施形態による、画像再構成方法のフローチャートである。

便宜上、例証を明確にするために、図に示される要素は、必ずしも、正確な縮尺で描かれておらず、いくつかの要素の寸法は、他の要素に対して誇張され得る。加えて、参照番号は、対応する要素または類似要素を示すために、図間で繰り返され得る。

（詳細な説明）
本開示では、本発明の実施形態は、近接場医療診断撮像の非限定的例の観点から例証されるが、本発明は、本特定の分野に限定されず、本発明の実施形態はまた、レーダおよびマイクロ波信号場の他の分野にも適用可能であることを理解されたい。

（異種アレイ）
本発明の特定の実施形態によると、異なるアンテナ要素サイズが、異なる個別の周波数サブ範囲を取り扱うために、アンテナサブアレイとして、アンテナアレイ内に交互配置される。特定の実施形態では、最低オクターブの周波数は、本特定の周波数範囲の場合、０．５〜１波長である要素間隔において、その範囲に対して同調されたアンテナ要素によって網羅される。第２のオクターブに対しては、各アンテナ要素に対して半分のサイズおよび２倍の要素の線密度（単位面積あたり４倍）を伴う異なるサブアレイが、使用される。その結果、第２のオクターブの周波数では、要素間の間隔は、再び、０．５〜１波長となる。関連実施形態では、本プロセスは、第３のオクターブ等に対しても継続される。同一の表面上のアレイの交互配置は、異なる形態をとることができ、例えば、マイクロストリップパッチアンテナ要素では、より小さいアンテナ要素は、より大きいアンテナ要素がより低い周波数アンテナ要素のための接地板としての役割を果たすように、より大きいアンテナ要素の上方に設置されることができる。別の実施形態では、動作周波数の全範囲を網羅するＵＷＢアンテナ要素は、初期アレイを形成する。これらのアンテナ要素は、より高い周波数において、付加的アンテナ要素が、オリジナルアンテナ要素と併せて、より高密度のアレイを形成するように、オリジナルアンテナ要素間の間隙を充填する付加的なより小さいアンテナ要素によって補完されることができる。

本発明の実施形態によると、アンテナサブアレイは、相互と合同である１つ以上のアンテナ要素を含む。２つのアンテナ要素は、（デカルト座標系：長さ、幅、および高さという非限定的例において）全方向に同一の形状および同一の物理的次元を有する場合、合同である。さらなる本発明の実施形態によると、２つのアンテナ要素は、同一の形状を有するが、ある所与の物理的次元において、物理的範囲が異なる場合、その物理的次元において、相互に相似（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｌ）である。以下に論じられるような本発明の特定の実施形態によると、あるサブアレイのアンテナ要素は、異なるサブアレイのアンテナ要素に対して、少なくとも１つの物理的次元において相似であり得るが、同一のサブアレイ内においてのみ、アンテナ要素は、合同である。これらの実施形態では、あるサブアレイのアンテナ要素は、別のサブアレイのアンテナ要素に対して相似であるが、合同ではない。本発明の他の実施形態によると、あるサブアレイのアンテナ要素は、別のサブアレイのアンテナ要素に対して、合同でも、相似でもない。

本発明の実施形態では、「アンテナ要素サイズ」は、アンテナ要素が取り扱うために指定および／または最適化される、電磁スペクトルの波長（または、周波数）および／または波長範囲（または、周波数範囲）を指す。第１のアンテナ要素が、第２のアンテナ要素のものと異なるサイズであると説明される場合、第１のアンテナ要素が、第２のアンテナ要素のものと異なる波長および／または波長範囲で動作することを意味する。本発明の実施形態では、これは、第１のアンテナ要素が、第２のアンテナ要素のものと異なる周波数および／または周波数範囲で動作することを説明することに匹敵する。本発明の実施形態に関して、用語「アンテナ要素サイズ」は、必ずしも、合同および相似性（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｌｉｔｙ）に関して上記に用いられたような「物理的次元」と同一ではないことに留意されたい。

本発明の特定の実施形態によると、異なるアンテナ要素サイズを交互配置することは、第１のアンテナ要素サイズの少なくとも１つのアンテナ要素が、第２のアンテナ要素サイズの２つ以上のアンテナ要素によって囲まれることを意味する。本発明の付加的実施形態では、第１のアンテナ要素サイズのアンテナ要素の大部分は、第２のアンテナ要素サイズの２つ以上のアンテナ要素によって囲まれる。本発明のいくつかの実施形態では、アンテナ要素は、単一方向に配列される（「１次元アレイ」）。本発明の他の実施形態では、アンテナ要素は、２つの異なる方向に配列される（「２次元アレイ」）。用語「〜によって囲まれる」は、本明細書では、あるサブアレイのアンテナ要素が、１つ以上の異なるアンテナサブアレイのアンテナ要素間のすぐ近くに位置付けられることを指す。

本発明の実施形態では、より短い波長のサブアレイは、より短い波長のアンテナ要素が、より長い波長のアンテナ要素によって囲まれる（その間のすぐ近くに位置付けられる）ように、より長い波長のサブアレイ内に交互配置される。関連実施形態では、交互配置は、より長い波長のアンテナ要素が、より短い波長のアンテナ要素によって囲まれることである。別の実施形態では、異なるアンテナサブアレイのアンテナ要素によって囲まれるアンテナ要素を有する少なくとも１つのアンテナサブアレイが存在する。さらに他の実施形態では、全てのアンテナサブアレイは、異なるアンテナサブアレイのアンテナ要素によって囲まれる少なくとも１つのアンテナ要素を有する。

本発明の特定の実施形態では、周波数および／または周波数範囲は、異なる（異種）サブアレイと重複することができる。これらの実施形態では、したがって、その特定の周波数および／または周波数範囲に対するアンテナ要素特性（限定ではないが、密度および利得を含む）は、全ての重複するサブアレイの組み合わせられた特性の関数である。

図１ａは、合同「Ｖｉｖａｌｄｉ」アンテナ要素１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、および１００ｆの線形配列を有する例示的な１次元の従来技術のアンテナアレイ１００のレイアウトを図示する。図１ｂは、本発明の実施形態による、アンテナアレイ１０１のレイアウトを図示する。アレイ１０１は、より低い周波数（または、より長い波長）に対して最適化されるＶｉｖａｌｄｉアンテナ要素１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、および１００ｄ間に交互配置されたより高い周波数（または、より短い波長）に対して最適化されるＶｉｖａｌｄｉアンテナ要素１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄを含む。Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ要素１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、および１００ｄは、相互に合同であり、要素１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄは、同様に、相互に合同である。しかしながら、アンテナ要素１００ａおよびアンテナ要素１１０ａは、少なくとも１つの物理的次元において異なる（この場合、異なる幅を有する）ため、相互に相似であって、合同ではない。

図２は、本発明の別の実施形態による、アレイ２００を図示する。アレイ２００は、アンテナ要素２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄ、２１０ｅ、２１０ｉ、および２１０ｍを含む要素２１０に基づく、１６個の要素のサブアレイと、アンテナ要素２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ、２２０ｋ、および２２０ｔを含む要素２２０に基づく、２４個の要素のサブアレイとを含む。２つのサブアレイは、相互に交互配置される。要素２１０および要素２２０は、２つの物理的次元において異なる（異なる長さおよび異なる幅を有する）ため、相似であるが、合同ではないことに留意されたい。要素２１０および要素２２０は、本発明の関連実施形態によると、異なる周波数に対して設計されるだけではなく、空間的に異なるように指向される。

図３は、本発明の実施形態による、ＭＩＭＯベースの異種アンテナアレイマイクロ波撮像システム３００の概念ブロック図である。システム３００は、アンテナサブアレイ３０２およびアンテナサブアレイ３０３を含む異種アンテナアレイ３０１を含む。サブアレイ３０２は、より低い周波数で動作するように設計されるアンテナ要素３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄ、および３０２ｅを含む。サブアレイ３０３は、より高い周波数で動作するように設計されるアンテナ要素３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、および３０３ｄを含む。アンテナアレイ３０１は、送受信サブシステム３０４に接続され、そして、送受信サブシステム３０４は、データ取得サブシステム３０６に接続され、そこから、データ処理ユニット３０８に接続され、データ処理ユニット３０８は、ディスプレイ、ストレージ、および分析ユニット３１０を介して、ユーザとインターフェース接続する。

（医療診断用途）
腫瘍等の特徴の医療検査および検出のための高分解能ＭＩＭＯレーダを提供する、本発明の実施形態が、以下に説明される。

これらの実施形態は、検査されている解剖学的領域と幾何学的に共形であるように構成される、医療検査のための異種アンテナアレイを提供する。これらの実施形態を図示するために、悪性腫瘍のためのヒト胸部組織の検査の例が、以下に提示されるが、例は、非限定的であることを理解されたい。

図４は、本発明の実施形態による、胸部検査および腫瘍等の異常の検出のためのＭＩＭＯベースのマイクロ波異種アンテナアレイ撮像システム構成を図示する。異種アンテナアレイ４０１は、アレイ３０１（図３）と同一の要素を含むが、アンテナ要素放射と胸部組織との間の電磁結合を改善するための中間整合媒体４２２を伴う、患者の胸部に幾何学的に共形であるような非平面カップ状形状に構成される。本実施形態および関連実施形態では、アンテナアレイ形状は、１つ以上の複合表面に基づく。

アンテナアレイ４０１（図４）は、典型的には、数個から数十個（例えば、３０個）のアンテナ要素間に、複数の異種アンテナ要素３０２ａ−３０２ｄおよび３０３ａ−３０３ｃを有する。アンテナ要素は、限定ではないが、印刷アンテナ要素、導波管アンテナ要素、ダイポールアンテナ要素、および「Ｖｉｖａｌｄｉ」広帯域アンテナ要素を含むタイプであることができる。本発明の種々の実施形態では、アンテナアレイは、限定ではないが、着目領域に対して、線形、２次元、平坦、および共形（例えば、図４に図示されるようなアンテナアレイ４０１）を含む構成にある。

送受信サブシステム３０４は、マイクロ波信号を発生させ、前述のように、それらをアンテナ要素に結合し、前述のように、アンテナ要素から反射マイクロ波信号を受信し、それらを取得のために好適な形態に変換することに関与する。本発明の関連実施形態では、信号は、限定ではないが、パルス信号、掃引周波数信号、およびステップ周波数信号を含む種々の信号タイプである。信号発生回路は、限定ではないが、発振器、シンセサイザ、ミキサ、および論理ゲートまたはステップリカバリダイオード等のパルス指向回路を含む構成要素を利用する。信号対雑音比を改善し、より低いサンプリングレートを可能にするための変換プロセスとして、限定ではないが、ダウンコンバージョン、サンプリング、および低域通過フィルタリングによる平均化が挙げられる。本発明の実施形態では、送受信サブシステム３０４は、複数のアンテナ要素を同時に用いて、伝送および受信を行う。別の実施形態では、複雑性と取得時間との間のトレードオフに従って、１つの伝送アンテナ要素および１つの受信アンテナ要素を一度に選択してもよい。

データ取得サブシステム３０６は、送受信サブシステム３０４から信号を収集し、使用されるアンテナ要素の組み合わせおよび信号が収集された時間に従って、信号にタグ付けしながら、デジタル化する。本発明の実施形態では、データ取得サブシステム３０４は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータおよびデータバッファを含む。さらなる実施形態では、データ取得サブシステム３０４は、限定ではないが、信号平均化、テンプレートとの波形の相関、および周波数ドメインと時間ドメインとの間における信号変換を含む付加的機能を含む。

データ処理ユニット３０８は、収集された信号を試験中の標的物体媒体を特徴付ける応答に変換し、その応答を画像データに変換する。特定の実施形態では、データ処理ユニット３０８は、本発明の他の実施形態の再構成方法を行う。本発明の実施形態では、データ処理ユニット３０８は、限定ではないが、デジタル信号処理（ＤＳＰ）ユニット、汎用ＣＰＵ、およびグラフィカル処理ユニット（ＧＰＵ）を含むいずれかのデバイスに基づく、高性能コンピューティングプラットフォームとして実装される。

本発明の実施形態では、最終ステップは、ディスプレイ、ストレージ、および分析コンソール３１０によって取り扱われるような、限定ではないが、可視化、表示、記憶、アーカイブ、および特徴検出方法への入力を含む、結果として生じる画像の利用を含む。本発明の実施形態では、コンソール３１０は、適切なアプリケーションソフトウェアを伴う汎用コンピュータである。他の実施形態によると、図３および図４に図示されるような処理段階への機能的分解が、同一のハードウェア（共通処理ユニット等）上に実装され、複数のプロセッサにわたって分散され、そして、遠隔サーバにわたって分散される。

本実施形態では、システムは、以下のように動作する。マイクロ波送受信器は、アンテナ要素のうちの１つ以上から事前に設計された信号を連続的に伝送し、１つ以上の他のアンテナ要素から信号を受信する。ヒト身体可視化のために使用されるとき、信号は、典型的には、約１０ＭＨｚ〜１０Ｇｈｚの周波数、特に、低信号レベルにおけるライセンス適用免除超広帯域（ＵＷＢ）動作を可能にする、３．１〜１０．６ＧＨｚ範囲を占有する。より低い周波数は、ヒト身体内へのより優れた透過性をもたらすが、より高い周波数は、より優れた空間分解能を提供する。広周波数範囲の使用は、高時間分解能を可能にし、その深度（アンテナ要素からの距離）に従った特徴の判別を容易にする。周波数掃引波形およびパルス波形等のマイクロ波撮像用途のための信号を選択する際の種々の選択肢がある。本発明の実施形態によると、そのような伝送を行うことは、処理ユニット１０８が、伝送アンテナ要素と受信アンテナ要素との間の媒体の伝達関数を推定することを可能にする。処理ユニット１０８は、次いで、これらの信号を処理し、画像を生成する。

本願では、物理的環境における不確実性に関連する較正問題があることに留意されたい。試験中の媒体を通過しない、アンテナ要素間の信号の直接漏出が存在し得る。整合媒体１２２の電気特性は、時間および温度にわたって、変動し得る。整合媒体１２２と標的物体１２０との間の界面は、物体の誘電特性および気泡の含有またはわずかな形状変動等の未知の要因に応じて、実質的反射を発生させ得る。

（画像再構成）
本発明の特定の実施形態は、周波数ドメイン内で画像を再構成するための方法を提供する。これらの実施形態によると、受信された信号は、異なるサブアレイに及び得る、複数のアンテナ要素対にわたる複数の周波数点で測定される、２つのアンテナ要素間の伝達関数に依存する成分を含む。空間内の特定の点ｒにおいて画像を再構成するために、受信された信号は、３つの成分の寄与率としてモデル化される。

１）位相および振幅変動（経路損失、アンテナ要素放射パターン等を考慮する）を表すフェーザＨによって乗算される、点ｒからの（未知の）反射。反射は、不変であると仮定されるが、フェーザＨは、周波数およびアンテナ要素対の関数である。アレイ内の異なるアンテナ要素は、異なる周波数帯域に限定されるため、特定の周波数におけるフェーザＨは、いくつかのアンテナ要素に対しては、ゼロである一方、他に対しては、非ゼロであり得る。

２）外部物体からの反射によって生じ、フェーザＨによって乗算される類似の未知の反射の、その場にわたる和である、干渉。代替として、本成分は、その場の無作為場所における外部物体の干渉によって置換されることができる。

３）白色ガウス雑音。反射自体は、ガウス分布を用いて、未知のパラメータとしてモデル化される。

前述に基づいて、ＭＭＳＥ最適解が、構成される。しかしながら、本解は、関わる数値的複雑性および安定性問題のため、実践的ではない（逆行列を求めることを要求し、その逆行列の次元は、測定値の数であり、潜在的に大きくなる）。したがって、本発明の特定の実施形態によると、周波数ごとの処理に基づく準最適アプローチが、使用される。

図５は、本発明の実施形態による、試験中の領域の拡張マイクロ波撮像のための方法のフローチャートである。

ステップ５０１では、異なる周波数範囲および異なる密度を伴う、アンテナサブアレイの異種アンテナアレイが、試験中の領域のために使用される。

ステップ５０３では、アンテナ要素が、異なる方向および周波数において、アンテナ要素の利得および位相シフト５０５を得るために較正される。

ステップ５０７では、マイクロ波応答５０９が、伝送アンテナ要素および受信アンテナ要素の複数の組み合わせに対して収集され、伝送アンテナ要素および受信アンテナ要素は、同一のサブアレイまたは異なるサブアレイに属してもよい。

ステップ５１１では、画像５１９が、複数のマイクロ波応答信号５０９から再構成される。

本発明のさらなる実施形態では、画像５１９のための再構成ステップ５１１は、以下を含む。

試験中の領域の特性の周波数ごとの推定値５１５を算出するためのステップ５１３、および
周波数ごとの推定値５１５の加重組み合わせを算出するためのステップ５１７。

本発明の実施形態によると、画像は、以下に提案される、周波数ドメイン方法によって再構成されてもよい。関連実施形態では、システム３００（図３）等のシステムは、前述の方法を行うように構成される。

本発明の特定の実施形態では、画像再構成は、時間ｔにおけるアンテナ要素ｉとアンテナ要素ｊとの間のインパルス応答を指す、応答ｈ_ｉｊ（ｔ）の収集から開始する。

媒体のインパルス応答から画像を再構成するための遅延和（ＤＡＳ）アルゴリズムは、周知であり、本明細書では、参照として使用される。３次元空間内のいくつかの指定される体積における各点ｒに対して、および各アンテナ要素対（アンテナ要素ｉ〜アンテナ要素ｊ）に対して、媒体（既知の電気特性を有すると仮定される）を通る伝搬速度を考慮して、アンテナ要素ｉから点ｒそしてアンテナ要素ｊに戻るまでの予期される遅延Ｔ_ｉｊ（ｒ）が、計算される。次いで、場所ｒにおいて再構成された画像は、それらを遅延Ｔ_ｉｊ（ｒ）だけシフトした後、各対ｉ、ｊの推定されるインパルス応答を総和することによって、すなわち、以下によって作成される。

ｓ（ｒ）＝Σ_ｉｊｈ_ｉｊ（Ｔ_ｉｊ（ｒ）） （１）
式中、総和は、全アンテナ要素対にわたって行われる。

反射体が、点ｒに存在すると仮定して、正パルスが全てまたは大部分の対における位置Ｔｉｊ（ｒ）に存在すると予期し、本点において高強度の再構成された画像を生成する。

ＤＡＳは、応答ｈ_ｉｊ（ｔ）が、試験中の媒体のインパルス応答を指すと仮定する。しかしながら、測定に関わる構成要素は、周波数および空間において変動する応答を有するため、直接測定は、媒体応答およびこれらの構成要素の応答の組み合わせを伴う。伝送および受信提案のために使用されるアンテナ要素は、通常、高域通過性質であり、超低周波数を伝送可能ではない。伝送／受信マイクロ波回路の周波数応答は、製造、経年変化、および温度のため、変動を呈し得、その応答を測定し、考慮することが好ましい。

典型的画像再構成アルゴリズム（ＤＡＳ等）は、完璧なアンテナ要素を仮定し、したがって、前述の影響は、再構成アルゴリズムを適用する前に、例えば、構成要素の既知の周波数応答によって、測定から得られた周波数応答を除算することによって、補償される。前述のように、本事前較正補償は、雑音を増幅させ、いくつかの周波数におけるいくつかのアンテナ要素が他より良好に標的を認めることを考慮することも、場所依存振幅および位相シフト変動に適用されることもないため、最適とはいえない。

以下に説明される代替アルゴリズムは、受信された信号に対する以下の周波数ドメインモデルに基づく。

式中、
Ｙ_ｉｊ（ｆ）は、周波数ｆにおいて、アンテナ要素ｉからアンテナ要素ｊまで測定される、送信器から受信器までの推定される伝達関数である。関連アンテナ要素対は、伝達関数の測定が行われた（同一のサブアレイから、または異なるサブアレイからであってもよい）全アンテナ要素対を含む。周波数ドメイン測定方法では、サンプルＹ_ｉｊ（ｆ）は、周波数ｆにおける正弦波に対するシステム応答を測定することによって、直接得られる。

ｒは、空間内の場所である（例えば、３次元ベクトルによって表される）。

ｓ（ｒ）は、場所ｒにおける物体の反射率である。再構成される画像は、その場（画像が表す空間内の領域）内の全ｒ−ｓに対するｓ（ｒ）の推定値から成る。変数ｓ（ｒ）は、異なる点に関して独立する、ゼロ平均単位分散ガウス確率変数としてモデル化される。

は、信号が、指定される場所ｒへおよび指定される場所ｒからの伝送経路および受信経路内で被る、全ての既知の利得および位相変動を表す伝達関数である。

の最も重要な成分は、単に、伝搬遅延

の位相寄与率をモデル化する

であるが、ここで、本遅延を周波数依存（例えば、ε_ｒの周波数依存による）にすることができることに留意されたい。

はさらに、電気構成要素、ケーブル、アンテナ要素周波数依存放射パターン、経路損失等の応答を含む。特定のアンテナ要素対の伝達関数が、異種アレイ内で生じる特定の周波数において測定されなかった場合、

は、単に、それらのアンテナ要素対および周波数に対して、０に設定される。

ｖ_ｉｊ（ｆ）は、周波数点およびアンテナ要素対に関して独立する、分散σ^２を伴う複合ガウス雑音としてモデル化される熱および測定雑音である。

式（１）における信号モデルでは、３つの成分が存在する。第１の成分（「信号」）は、着目点ｒから到着する所望の信号を考慮する。第２の成分（「干渉」）は、空間内の他の点から到着する信号を考慮する（ｒ’にわたる総和は、その場内の全点と、可能性として、有意な干渉をもたらし得る、その場外の点を含むべきである）。最後の成分は、雑音である。干渉成分の含有は、それがない場合、ＭＭＳＥ推定値再構成アルゴリズムが、各点において、「信号対雑音」比を最大限にしようとするため、重要なステップである。結果は、熱雑音の影響を最小限にする観点から、最適であるが、他の反射体によって生じる干渉を考慮せず、これらの反射体（点ｒ’における）は、点ｒにおける推定値に有意な影響を及ぼし得、したがって、各物体は、再構成された画像内において不鮮明となる。干渉成分は、雑音と異なり、アンテナ要素対間で非常に相関するため、雑音として取り扱われることができず、本相関は、画像を改善するために使用されることができる。

本問題に対するＭＭＳＥ解は、非常に複雑である。算出するために、測定値の共分散行列の計算を要求する。本行列の次元は、アンテナ要素対の数に、周波数点の数を掛けたものである。例えば、３０個のアンテナ要素（４３５対）が存在し、周波数範囲が、５０Ｍｈｚ刻みで５０Ｍｈｚ〜１０Ｇｈｚ（２００点）である場合、次元は、４３５＊２００＝８７０００、すなわち、行列は、８７０００×８７０００となる。したがって、本解は、測定数が比較的に小さいときのみ、実践的である。本行列の要素は、その２つの軸のそれぞれにおける三つ組（ｉ、ｊ、ｆ）によって示され、以下となる。

式中、

は、

である場合、１であり、そうでなければ、ゼロである。点ｒに対するＭＭＳＥ解は、以下となる。

式中、

は、（全三つ組ｉ、ｊ、ｆに対する）全ての

を収集するベクトルであり、

は、同次の全Ｙ_ｉｊ（ｆ）を収集するベクトルである。

測定数が大きいとき、ＭＭＳＥ解を計算することの高複雑性のため、準最適解が、使用される。本発明の一準最適実施形態は、各周波数およびアンテナ要素対における総雑音のみを考慮する。

を周波数ｆにおける対ｉ、ｊ内の総雑音および干渉電力として定義すると、

に等しくなる。Ｙ_ｉｊ（ｆ）を

に電力

を伴う独立雑音項を加えたものとしてモデル化すると、ＭＭＳＥ解として得られる、以下の単純コンバイナをもたらす。

本単純コンバイナは、異なる周波数およびアンテナ要素対間の干渉の相関を考慮しないが、雑音電力を考慮する。アンテナ要素のうちの１つが、低利得を有する場合、通常、分子および分母の両方に影響を及ぼし、したがって、信号がスケールダウンされることに留意されたい。しかしながら、ある方向に低利得を有しかつ別の方向に高利得を有する場合、低利得を有する方向は、

がこれらの方向に対して小さいため、スケールダウンされる一方、全方向からの干渉を考慮する、

は、高い。Ｈが経路遅延のみから成る単純モデル

を仮定し、

が一定であると仮定する場合、分子は、時間ドメイン信号の総和となり（ｆにわたる総和が、逆ＤＦＴをもたらすため）、分母は、一定であり、したがって、特殊例としてＤＡＳアルゴリズムを得ることに留意されたい。

本発明の別の低複雑性実施形態では、脱相関が、周波数ごとに適用される。本解決策では、最初に、各周波数内の全アンテナ要素対の測定値から別個に推定値を生成し、次いで、これらの推定値を組み合わせる。周波数ごとの推定量は、ＭＭＳＥ解（式（４）、（５））に対して説明されるものと同一の演算を行うが、周波数インデックスは、ｆ_１＝ｆ_２＝ｆと固定され、したがって、Ｃ_ＹＹの次元は、対の数に等しい。結果として生じる周波数ごとの推定量は、その分散に従って、それらをスケーリングしながら、組み合わせられる。前述のものに優る本解決策の利点は、アンテナ要素対間の干渉の相関を利用して、本干渉の影響を低減させ、より鮮明な画像を生成するその能力である。

本発明の別の実施形態では、周波数依存反射率を含む、受信された信号のより精巧なモデルが、使用される。異なる物質、特に、異なるヒト組織は、その反射率だけではなく、その反射率の周波数依存にも基づいて、区別されてもよい。式（２）におけるモデルは、

によって置換されてもよく、式中、θ（ｒ）は、空間内の点における周波数依存挙動を説明し、ｇ_θ（ｆ）は、本式から生じる周波数ドメイン利得を定義する。特定の場合、ｇ_θ（ｆ）は、周波数における線形依存を説明する線形関数ｇ_θ（ｆ）＝１＋θ・ｆであってもよい。本モデルを使用して、測定値からｓ（ｒ）およびθ（ｒ）を導出するためのＭＭＳＥ式が、前述の種々の実施形態のために導出される。簡潔にするために、これは、前述と同一の一式の式を使用して行われることができるが、伝達関数

を用いて、その場内の別の一式の点であるかのようにθ（ｒ）を取り扱う。

本発明の範囲および精神から逸脱することなく、可能性として考えられる多くの変形例が存在することが、当業者によって容易に理解される。特に、変形例は、ヒトにおける異なる身体部分または他の物体への用途を含んでもよい。異なる応答収集シーケンスが使用されることができ、かつ異なる信号が、試験中の媒体を検査するために使用されることができる。本発明は、応答測定から画像を再構成する異なる方法と併用されることができる。再構成アルゴリズムは、便宜上、周波数ドメイン表現によって説明されたが、他の形態の信号表現において実装されてもよい（例えば、時間ドメイン、または、受信器における信号の測定から直接行われる）。説明される再構成アルゴリズムは、信号および干渉モデルに基づき、全て、ＭＭＳＥ解の単純化であるが、他の単純化も、同様に、可能性として考えられる。さらに、前述の周波数ドメイン再構成アルゴリズムは、異種アレイと別個に使用されてもよく、逆も同様である。

本発明の種々の実施形態によるアルゴリズムは、全測定値Ｙ_ｉｊ（ｆ）（全周波数およびアンテナ要素対にわたる）からのｓ（ｒ）のＭＭＳＥ推定値に基づく。

本発明のさらなる実施形態は、コンピュータが、本明細書に開示される方法またはその変形例を行うための実行可能な命令を含むコンピュータ読み取り可能な非一過性有形記憶媒体を含むコンピュータ製品を提供する。

本明細書に前述されるように、本発明のアンテナアレイ装置は、一実施形態では、癌であり、別の実施形態では、腫瘍である、病理学的障害を検出するために使用されてもよい。別の実施形態では、本発明のアンテナアレイ装置は、一実施形態では、癌であり、別の実施形態では、腫瘍である、病理学的障害を処置するために使用されてもよい。一実施形態では、本発明のアンテナアレイ装置は、温熱療法において使用される。一実施形態では、温熱療法は、マイクロ波を使用して、細胞および／または腫瘍を熱で破壊あるいは不活性化する。一実施形態では、細胞は、癌細胞である。一実施形態では、本発明のアンテナアレイ装置を使用する温熱療法は、改良された有効性のために、放射線療法および／または化学療法と組み合わせて使用されてもよい。臨床研究では、温熱と組み合わせた従来の放射線療法および化学療法を用いた処置は、子宮頚部癌および軟部組織肉腫等の特定の形態の癌を治す長期能力を二倍にし得ることが示されている。

別の実施形態では、本発明のアンテナアレイ装置は、一実施形態では、診断および処置の組み合わせであるセラノスティクスのために使用されてもよい。

一実施形態では、本発明のアンテナアレイ装置を使用して検出および／または処置される癌は、癌腫、肉腫、リンパ腫、芽腫、神経膠芽腫、または黒色腫である。一実施形態では、本発明のアンテナアレイ装置を使用して検出および／または処置される腫瘍は、脳、食道（ｅｓｏｐｈｙｇｅａｌ）、鼻、頬、喉、リンパ、肺、胸部、骨、肝臓、腎臓、前立腺、頸部、頭頚部、皮膚、胃、腸、または膵臓の腫瘍、あるいはそれらの組み合わせである。一実施形態では、本発明のアンテナアレイ装置は、胸部癌を検出または処置するために使用される。別の実施形態では、本発明のアンテナアレイ装置は、前立腺癌を検出または処置するために使用される。

一実施形態では、本発明のアンテナアレイ装置は、前癌状態を検出または処置するために使用される。一実施形態では、前癌状態は、良性前立腺肥大症（ＢＰＨ）、日光角化症、バレット食道、萎縮性胃炎、子宮頚部形成異常、または前癌胸部病変である。

一実施形態では、装置の形状は、胸部のために図４に示されるように、および、当業者に明白となるように、装置が取り付けられる点において、身体の形状と適合するように調節される。一実施形態では、装置の構成は、当業者に明白となるように、装置が取り付けられる点において、身体の形状と適合するように調節される。一実施形態では、装置はさらに、組織を固定位置に固着し、組織が、診断、処置、またはそれらの組み合わせの間、移動することを防止するための装置を備える。

一実施形態では、本発明は、対象の組織における病理学的障害を検出、処置、または検出および処置の両方の方法を提供し、本方法は、本明細書に説明されるような異種広帯域アンテナアレイと、マイクロ波源と、必要に応じて、該対象の該組織内の該癌を検出および位置特定するために振幅および位相情報を処理する、受信器に接続されたプロセッサとを用いて、該対象に接触するステップを含む。

一実施形態では、本発明は、対象の組織内の癌または腫瘍を検出、処置、または検出および処置の両方の方法を提供し、本方法は、本明細書に説明されるような異種広帯域アンテナアレイを用いて、該対象に接触するステップを含み、アレイはさらに、一実施形態では、反射マイクロ波信号を受信するための振幅および位相シフト検出器と、必要に応じて、該対象の該組織内の該癌を検出および位置特定するために振幅および位相情報を処理する、受信器に接続されたプロセッサとを有するマイクロ波受信器を備える。当技術分野において公知のように、癌性組織は、異なる水分含有量および／または電気特性を有し、これは、マイクロ波が、癌、一実施形態では、胸部の癌の診断において使用されることを可能にする。
（項目１）
異種広帯域アンテナアレイ装置であって、前記アンテナアレイ装置は、
第１の周波数範囲内で動作するように最適化される第１のアンテナ要素と合同である１つ以上のアンテナ要素を備える第１のサブアレイと、
第２の周波数範囲内で動作するように最適化される第２のアンテナ要素と合同である１つ以上のアンテナ要素を備える第２のサブアレイと
を備え、前記第１の周波数範囲は、前記第２の周波数範囲と異なり、
前記第１のアンテナ要素は、前記第２のアンテナ要素と合同ではなく、
前記第１のサブアレイのアンテナ要素および前記第２のサブアレイのアンテナ要素は、前記アンテナアレイ装置の少なくとも１つのアンテナ要素が前記少なくとも１つのアンテナ要素と合同でないアンテナ要素によって囲まれるように交互配置されている、
アンテナアレイ装置。
（項目２）
前記第１のアンテナ要素は、前記第２のアンテナ要素に対して、それと合同とならずに、少なくとも１つの物理的次元において相似（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｌ）である、項目１に記載のアンテナアレイ装置。
（項目３）
前記第１のサブアレイのアンテナ要素および前記第２のサブアレイのアンテナ要素は、前記第１のアンテナサブアレイの少なくとも１つのアンテナ要素が、前記第２のサブアレイのアンテナ要素によって囲まれ、前記第２のサブアレイの少なくとも１つのアンテナ要素が、前記第１のサブアレイのアンテナ要素によって囲まれるように交互配置されている、項目１に記載のアンテナアレイ装置。
（項目４）
前記第１の周波数範囲を網羅するアンテナ要素の密度は、前記第２の周波数範囲を網羅するアンテナ要素の密度と異なる、項目１に記載のアンテナアレイ装置。
（項目５）
前記第１の周波数範囲を網羅するアンテナ要素の密度、または前記第２の周波数範囲を網羅するアンテナ要素の密度の一方は、前記第１のサブアレイのアンテナ要素および前記第２のサブアレイのアンテナ要素の両方の組み合わせられた密度の関数である、項目４に記載のアンテナアレイ装置。
（項目６）
項目１に記載のアンテナアレイ装置を備えるレーダシステム。
（項目７）
前記アンテナアレイ装置は、近接場マイクロ波撮像のために最適化されている、項目６に記載のレーダシステム。
（項目８）
複数の周波数ごとの推定値を算出し、前記複数の周波数ごとの推定値の加重組み合わせを算出することによって、画像を再構成するように動作する、項目６に記載のレーダシステム。
（項目９）
前記アンテナアレイ装置は、検査のための解剖学的領域に対して幾何学的に共形である、項目１に記載のアンテナアレイ装置。
（項目１０）
検査のための前記解剖学的領域は、ヒト胸部である、項目９に記載のアンテナアレイ装置。

Claims (1)

1. 本明細書に記載の発明。