JP2021110742A - アクティブミリ波セキュリティ検査結像に用いられる多重送受信アンテナアレイアレンジメント、人体セキュリティ検査装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アクティブミリ波セキュリティ検査結像に用いられるスパース多重送受信アレイアレンジメント、人体セキュリティ検査装置及び人体セキュリティ検査方法を提供する。【解決手段】スパース多重送受信アレイアレンジメントは、二群の送信アンテナと、一群の受信アンテナとを備える。二群の送信アンテナは、第１方向に沿って配列される複数の送信アンテナをそれぞれ含む第１群及び第２群の送信アンテナを備える。一群の受信アンテナは、第１方向に沿って配列される複数の受信アンテナを含むとともに第１群及び第２群の送信アンテナと面一となり、第１方向に垂直である第２方向において第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナとの中部に位置する。【選択図】図５

Description

本開示の実施例は人体セキュリティ検査分野に関し、特にミリ波セキュリティ検査結像に用いられる多重送受信アンテナアレイアレンジメント、当該多重送受信アンテナアレイアレンジメントを含む人体セキュリティ検査装置、及び当該装置を使用して実施される人体セキュリティ検査方法に関する。

現在、国内外で大衆に対する人体結像セキュリティ検査には主に以下のような２つの方法がある。

第１種の人体結像セキュリティ検査技術はパッシブミリ波・テラヘルツ波に基づくものである（非特許文献１）。このような方法の最も大きな利点はターゲット自体のミリ波・テラヘルツ波放射を検出して結像を実現し、アクティブ放射がないことであるが、最も大きな欠点は結像の品質が悪く、環境の影響を受けやすいことである。

第２種の人体結像セキュリティ検査技術はアクティブミリ波・テラヘルツ波に基づくものである。当該技術の動作原理は、装置がまず人体にミリ波を放射し、そしてファインダで人体又は容疑物によって散乱されたミリ波を受信し、再構成アルゴリズムによって人体を結像する、ということである。その典型的な代表はL３社のProvision製品である（非特許文献２）。

現在、通常、一次元一重送受信又は準一重送受信アンテナアレイによる合成開口結像原理に基づく。高速スイッチングの切替を利用するアンテナアレイ技術は、送受信アンテナが一体になるか否かに従って図１、図２に示す２つの態様に分けられ、その基本的な原理が同一である。結像に必要な開口長さに間隔距離が半波長である原則に従って実際の送受信アンテナユニットを等間隔に配置する。送受信アンテナの後端は高速スイッチングによって送受信装置に繋がる。第１群の送受信アンテナはスイッチングによって送受信装置と組み合わせて一回のデータ採取を完成する。スイッチングの切替によって、第２群の送受信アンテナはスイッチングによって送受信装置と組み合わせて一回のデータ採取を再度完成するように制御する。チャンネル１からチャンネルＮに切り替えるようにスイッチングを制御することにより、Ｎ群のデータ採取を完成して結像に必要なＮ個の等価ユニットのデータ情報を取得できる。

送受信一体（送受信分離/準シングルステーション）アンテナ一次元アレイ結像方式の欠点は、非常に多数のアンテナ資源を必要とすることである。Ｎ個の等価ユニットのサンプル採取を実現するために、送受信一体アンテナアレイはＮ個のアンテナユニットを必要とし、送受信分離アンテナアレイは２Ｎ個のアンテナユニットを必要とするので、送受信アンテナの利用率は低い。また、アンテナアレイを実現するには必要とするアンテナユニットの数が多く、かつアンテナユニット間隔距離が半波長の間隔距離である要求を満足する必要があるため、動作周波数が低い場合、物理的実現難易度が高くないが、動作周波数の引き上げに伴って実現難易度が次第に高くなる。

上記の問題を解決するために、図３に示すように、非特許文献３はスパース分布多重入出力のアンテナレイアウト方式を提出している。このようなアンテナレイアウト方式はアンテナの数を低減させることができるが、等価位相中心と送受信アンテナとの距離が大きいため、計算速度が遅くて画像の再構成時間が長い逆投影法しか採用できない。

Ｌ.Ｙｕｊｉｒｉ."Ｐａｓｓｉｖｅ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｗａｖｅ ｉｍａｉｎｇ", ＩＥＥＥ ＭＩＩ−Ｓ Ｉｎｔ.Ｍｉｃｒｏｗ.Ｓｙｍ.Ｄｉｇ,ｐｐ.９８−１０１,２００６ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ & Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ, "Ａｄｖａｎｃｅｄ ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ," ２０１６, [Ｏｎｌｉｎｅ]. Ａｖａｉｌａｂｌｅ：ｈｔｔｐ：//ｗｗｗ.ｓｄｓ.ｌ−３ｃｏｍ.ｃｏｍ/ｐｒｏｄｕｃｔｓ/ ａｄｖａｎｃｅｄ ｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈ.ｈｔｍ ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＧＥＯＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＲＥＭＯＴＥ ＳＥＮＳＩＮＧ, ＶＯＬ. ４９, ＮＯ. １０, ＯＣＴＯＢＥＲ ２０１１

本開示の一面によれば、波長がミリオーダーであるミリ波を送信するための二群の送信アンテナと、二群の送信アンテナに送信され人体に反射される波長がミリオーダーであるミリ波を受信するための一群の受信アンテナとを備えるアクティブミリ波セキュリティ検査結像に用いられるスパース多重送受信アレイアレンジメントを提供している。ただし、二群の送信アンテナは第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナとを備え、第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナはそれぞれ、第１方向に沿って配列される複数の送信アンテナを含み、一群の受信アンテナは、第１方向に沿って配列される複数の受信アンテナを含み、その配列方向が第１群の送信アンテナの配列方向及び第２群の送信アンテナの配列方向に平行であり、一群の受信アンテナは、第１群の送信アンテナ及び第２群の送信アンテナと同一の平面に位置し、第１方向に垂直である第２方向において第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナとの中部に位置するため、第１群の送信アンテナと一群の受信アンテナとの間の第２方向における間隔が第２群の送信アンテナと一群の受信アンテナとの間の第２方向における間隔と等しい。

本開示の一実施例によれば、一群の受信アンテナにおいて、第１群の送信アンテナのうちの送信アンテナの数が一群の受信アンテナのうちの受信アンテナの数を超えないように、第１群の送信アンテナのうちの２つの隣り合う送信アンテナの間の間隔長さに対応する同じ長さ範囲において、少なくとも１つの受信アンテナが配置され、一群の受信アンテナにおいて、第２群の送信アンテナのうちの送信アンテナの数が一群の受信アンテナのうちの受信アンテナの数を超えないように、第２群の送信アンテナのうちの２つの隣り合う送信アンテナの間の間隔長さに対応する同じ長さ範囲において、少なくとも１つの受信アンテナが配置される。

本開示の一実施例によれば、第１群の送信アンテナのうちの隣り合う送信アンテナ及び第２群の送信アンテナのうちの隣り合う送信アンテナは何れもＭλの距離で間隔を空け、λがミリ波の波長であり、Ｍが２以上の偶数であり、一群の受信アンテナのうちの隣り合う受信アンテナは2λの距離で間隔を空け、λがミリ波の波長であり、第１群の送信アンテナのうちの１つの送信アンテナと第２群の送信アンテナのうちの最も近くにある対応する１つの送信アンテナとの間の第１方向における間隔は１つの波長λである。

本開示の一実施例によれば、第１群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナといずれか１つの受信アンテナとの接続線が第１方向に垂直ではなく、かつ第２群の送信アンテナのうちの少なくとも１つの送信アンテナと少なくとも１つの受信アンテナとが整列することにより両者の間の接続線が第１方向に垂直であるようにする。

本開示の一実施例によれば、第１群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナといずれか１つの受信アンテナとの接続線が第１方向に垂直ではなく、かつ第２群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナといずれか１つの受信アンテナとの接続線も第１方向に垂直ではない。

本開示の一実施例によれば、第１群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナは、一群の受信アンテナの所在直線への投影が隣り合う２つの受信アンテナの中部に位置し、第２群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナは、一群の受信アンテナの所在直線への投影が対応の受信アンテナと重なる。

本開示の一実施例によれば、第１群の送信アンテナのうちの１つの送信アンテナと、一群の受信アンテナのうちの最も近くにある複数の受信アンテナのうちの１つの受信アンテナとの接続線の中点は、当該一対の送信アンテナ-受信アンテナの仮想の等価位相中心とみなされ、隣り合う等価位相中心の間の第１方向における間隔距離はミリ波の波長の１倍であり、第１群の送信アンテナのうちの複数の送信アンテナと一群の受信アンテナのうちの複数の受信アンテナとは、第１群の等価位相中心を構成し、第２群の送信アンテナのうちの１つの送信アンテナと、一群の受信アンテナのうちの最も近くにある複数の受信アンテナのうちの１つの受信アンテナとの接続線の中点は、当該一対の送信アンテナ-受信アンテナの仮想の等価位相中心とみなされ、隣り合う等価位相中心の間の第１方向における間隔距離はミリ波の波長の１倍であり、第２群の送信アンテナのうちの複数の送信アンテナと一群の受信アンテナのうちの複数の受信アンテナとは、第２群の等価位相中心を構成する。

本開示の一実施例によれば、第１群の等価位相中心のうちのいずれか１つの等価位相中心と第２群の等価位相中心のうちの最も近くにある対応する１つの等価位相中心との第１方向における間隔距離はミリ波の波長の０．３〜０．７倍である。

本開示の一実施例によれば、第１群の等価位相中心のうちのいずれか１つの等価位相中心と第２群の等価位相中心のうちの最も近くにある対応する１つの等価位相中心との第１方向における間隔距離はミリ波の波長の０．５倍である。

本開示の一実施例によれば、第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナとの間隔距離は結像距離の１０％よりも小さい。

本開示の一実施例によれば、第１群の送信アンテナのうちの送信アンテナは順次にミリ波を送信し、第２群の送信アンテナのうちの送信アンテナは順次にミリ波を送信し、第１群の送信アンテナのうちの送信アンテナと第２群の送信アンテナのうちの送信アンテナとは同期せずにミリ波を送信する。

本開示の一実施例によれば、スパース多重送受信アレイアレンジメントは、第２方向における被検人体に対する相対運動によって第２方向に沿う走査を実現する。

本開示の一実施例によれば、スパース多重送受信アレイアレンジメントは、フーリエ変換に基づく合成開口ホログラフィアルゴリズムによって正確な結像領域に対して画像再構成を一回で完成するように配置され、結像公式は下記式である。

ただし、σ(x,y)は人体の散乱係数であり、Ｒ_０は結像距離であり、ＦＴ_２Ｄは二次元フーリエ変換であり、

は二次元逆フーリエ変換であり、ｊは虚数単位であり、ｋは伝搬定数であり、ｋ_ｘ、ｋ_ｙはそれぞれ空間伝搬定数であり、

は一対の送信アンテナ−受信アンテナのセットが受信した人体のエコー信号であり、Ｋ_ωは周波数ステッピング信号の空間周波数であり、ターゲット領域内の１つのポイントターゲットについて、ＩはＩ（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）に位置する散乱されるポイントターゲットを表し、Ｉと送信アンテナＡ_ｔとの距離をＲ_ｔ，ｎと定義し、Ｉと受信アンテナＡ_ｒとの距離をＲ_ｒ，ｎと定義する。

本開示の別の面によれば、スパース多重送受信アレイアレンジメントを一つ又は複数備える人体セキュリティ検査装置を提供している。

本開示の一実施例によれば、人体セキュリティ検査装置は、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントと、第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントと、を備え、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントと第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントとは、両者の間に人体セキュリティ検査を実施するための検査空間を区画するように対向して配置され、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントと第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントとは、それぞれ上記スパース多重送受信アレイアレンジメントを一つ又は複数備える。

本開示の一実施例によれば、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントと第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントとは、それぞれ上記スパース多重送受信アレイアレンジメントを複数備え、複数のスパース多重送受信アレイアレンジメントは第２方向に沿って順次に配列され、或いは、複数のスパース多重送受信アレイアレンジメントは第１方向に沿ってセグメントを分けて順次に配列される。

本開示の一実施例によれば、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントと第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントとは、第２方向において平行移動可能であるように配置され、かつ前記第１方向が水平方向であるとともに第２方向が鉛直方向であり、または前記第１方向が鉛直方向であるとともに第２方向が水平方向であり、或いは、被検人体は、区画される検査空間において第１方向に平行して立つことが可能であるとともに任意の角度で回転可能であり、かつ前記第１方向が鉛直方向であり、第２方向が水平方向である。

本開示の一実施例によれば、複数のスパース多重送受信アレイアレンジメントは第１方向に沿って３つのセグメントに分けて順次に配列され、第２セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメントの両端が第１セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメント及び第３セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメントに繋がって折れ線を形成し、ただし、第２セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメントと第１セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメントとのなす角は９０°〜１７０°の範囲にあり、第２セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメントと第３セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメントとのなす角は９０°〜１７０°の範囲にある。

本開示の一実施例によれば、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントが最低周波数から最高周波数までミリ波を送信し、第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントが最高周波数から最低周波数までミリ波を送信し、或いは、第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントが最低周波数から最高周波数までミリ波を送信し、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントが最高周波数から最低周波数までミリ波を送信する。
本開示の別の面によれば、上記人体セキュリティ検査装置を使用して実施される人体セキュリティ検査方法を提供している。

本開示はスパース多重送受信アレイアレンジメント案を提出している。多重送受信アレイのスパース化設計及び制御技術によって、データ採取速度とアンテナユニット利用率を大きく向上させることができる。アレイ方向に沿って電気的走査を完全的に実現し（即ちスイッチングによって次から次へと動作するようにアンテナを制御し、或いはスイッチングによって周波数走査を次から次へと行うようにアンテナを制御する）、機械的走査を必要とせず、素早く走査して結像速度を向上させることができる。また、高速フーリエ変換に基づく再構成アルゴリズムを採用して再構成速度を著しく向上させることができる。同時に、ハードウェアの複雑さを低減して工事実現可能性を向上させる。

従来の一次元一重送受信アンテナアレイを示す模式図である。 従来の一次元多重送受信アンテナアレイを示す模式図である。 従来の一次元多重送受信アンテナアレイを示す模式図である。 多重送信アンテナ-多重受信アンテナの動作原理を示す図である。 本開示の一実施例によるスパース多重送受信アレイアレンジメントを示す模式図であり、ただし、送信アンテナの間の間隔距離が６λである。 本開示の一実施例によるスパース多重送受信アレイアレンジメントを示す模式図であり、ただし、送信アンテナの間の間隔距離が４λである。 本開示の一実施例によるスパース多重送受信アレイアレンジメントを示す模式図であり、ただし、送信アンテナの間の間隔距離が２λである。 本開示の一実施例によるスパース多重送受信アレイアレンジメントを示す模式図であり、ただし、送信アンテナの間の間隔距離が８λである。 本開示の一実施例による人体セキュリティ検査装置を示す図である。 本開示の一実施例による人体セキュリティ検査装置を示す図である。 本開示の一実施例による人体セキュリティ検査装置を示す図である。 図１１に示す人体セキュリティ検査装置を示す平面図である。 図１１に示す人体セキュリティ検査装置のスパース多重送受信アレイアレンジメントを示す模式図である。 本開示の一実施例による人体セキュリティ検査装置を示す図である。

本開示は各種の修正及び置換可能な様態を許容するが、具体的な実施例は例として図面に示されているとともに、本文において詳しく説明されている。しかしながら、添付の図面と詳細な説明は、本開示を開示された具体的な様態に限定するためのものではなく、逆に、添付の請求項に限定される本開示の趣旨と範囲に入る全ての修正、同等様態及び置換様態を含むためのものであると理解されるべきである。図面は例示するためのものであるため、比例して描画されたものではない。

本明細書において、「上」、「下」、「左」、「右」などの用語が使用されているが、エレメントの絶対方位を限定するためではなく、エレメントの図面における相対位置を説明して理解しやすくするためである。本明細書における「頂側」と「底側」は、通常、正立する物体の上側と下側の方位である。「第１の」、「第２の」なども順位を付けるためではなく、異なる部品を区別するためである。

まず、本開示の実施例に用いられるミリ波人体セキュリティ検査の基本知識を紹介する。
ナイキスト法則とは、開口に沿って必要とされるサンプル採取数が、波長、開口寸法、ターゲット寸法及びターゲットまでの距離を含む要素によって特定されることをいう。１つのサンプル採取点から次のサンプル採取点までの移相がπ未満であれば、ナイキスト法則を満足する。最悪の場合、ターゲットが開口に非常に近くてサンプル採取点が開口のエッジに近い。空間サンプリング間隔Δｘについて、最悪の場合、移相は２ｋΔｘを超えない。したがって、サンプリング法則は下記式で表すことができる。
ΔＸ＜（λ/４）
ただし、λ＝２π/ｋは波長である。
この結果が通常の要求よりも厳しいのは、ターゲット（例えば人体）が通常開口に近くてアンテナビーム幅が通常１８０度未満であるためである。これに基づき、応用される結像システムが通常採用するサンプリング間隔はλ/２のオーダーにある。

動作周波数２４〜３０ＧＨｚと７０〜８０ＧＨｚである場合を例として対比し、対応波長はそれぞれ１０ｍｍと４ｍｍである。図１、図２に示す従来の一次元アレイを実現するために、送信アンテナと受信アンテナとの間隔距離はそれぞれ５ｍｍと２ｍｍであることが要求される。仮にアンテナの開口長さが１ｍである場合には、送受信一体アンテナアレイはそれぞれ２００個と５００個のアンテナユニットを必要とし、送受信分離アンテナアレイは４００個と１０００個のアンテナユニットを必要とする。周波数の増加に伴ってアンテナ間隔が小さくなり、必要とされるアンテナ数が急激に増加することが見られる。アンテナ間隔が小さくなることによって、アンテナユニット設計及びアレイレイアウト設計には大きな困難があると同時に、送受信アンテナの性能が制限される。アンテナ数が増加すると、ハードウェアコスト及びシステムの複雑さを増加させるだけではなく、データ量も増加し、採取時間が長くなる。したがって、図１、図２に示す一次元アレイは高周波ミリ波（５０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）人体結像セキュリティ検査における利用可能性が低く、工事実現価値を具備していない。

図３は従来のスパース分布多重入出力のアンテナレイアウト方式を示す。ただし、Ｔは送信アンテナを表し、Ｒは受信アンテナを表す。このようなアンテナレイアウト方式はアンテナの数を低減させることができるが、例えば、等価位相中心と送受信アンテナとの距離が大きいため、計算速度が遅くて画像の再構成時間が長い逆投影法しか採用できない、という欠点がある。逆投影法は、コンピュータトモスキャン技術に由来し、時間域信号処理に基づく精確な結像アルゴリズムである。その基本的思想は、結像領域における各結像点に対して、当該点から受信、送信アンテナまでの時間遅れを算出することで、全てのエコーが当該時間遅れに対する寄与に対してコヒーレンススタックを行い、当該点の画像における対応的な画素値を取得し、このように結像領域全体に対して各点ずつコヒーレンススタック処理を行うことで結像領域の画像を取得できる、ということである。このようなアルゴリズムの最も大きな欠点は、結像区間全体の各点を再構成する必要があることであり、再構成速度が遅くてかかる時間も長い。また、両端の受信アンテナは密に分布するものであり、間隔がナイキスト採用定理を満足する必要がある。例えば１７０ＧＨｚ〜２６０ＧＨｚ周波数帯について、典型的な送信アンテナと受信アンテナの開口は１０.８ｍｍであり、中心周波数に対応する半波長は１.３６ｍｍである。このようなアンテナアレンジメント方式は不適当であることが明らかである。解決法の１つは受信アンテナをスパースにし、等価位相中心の間隔が半波長よりも大きくなるようにすることであるが、アンテナのサンプル採取不足によって再構成画像のアーチファクトはひどくなる。

上記不足を解決するために、本開示はスパース多重送受信アレイアレンジメント案を提出している。多重送受信アレイのスパース化設計及び制御技術によって、データ採取速度とアンテナユニット利用率を大きく向上させることができる。アレイ方向に沿って電気的走査を完全的に実現し（即ちスイッチングによって次から次へと動作するようにアンテナを制御し、或いはスイッチングによって周波数走査を次から次へと行うようにアンテナを制御する）、機械的走査を必要とせず、素早く走査して結像速度を向上させることができる。また、高速フーリエ変換に基づく再構成アルゴリズムを採用して再構成速度を著しく向上させることができる。同時に、ハードウェアの複雑さを低減して工事実現可能性を向上させる。

本開示の実施例は、アクティブミリ波結像に用いられる一次元スパース多重送受信アレイアレンジメントを提供している。シングルステーション等価と電気的スイッチング制御によって、スパース多重送受信アレイは最終的に、等価ユニット間隔距離の最大値が動作周波数に対応する波長の半分よりも幾分大きく、或いは動作周波数に対応する波長の半分に等しくなるように形成される。等価ユニットは等価位相中心である。

説明を容易にするために、図４は多重送受信システムを示す。Ｘ−Ｙ座標系を作り、Ｘ軸にスパース送受信セットを設置し、

で一対の送受信セットの送信アンテナと受信アンテナ及びそれらの所在位置の座標をそれぞれ表す。

ターゲット領域内の１つのポイントターゲットについて、ＩはＩ（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）に位置する散乱されるポイントターゲットを表す。Ｉと送信アンテナＡ_ｔとの距離をＲ_ｔ，ｎと定義し、Ｉと受信アンテナＡ_ｒとの距離をＲ_ｒ，ｎと定義する。Ｒ_０はターゲット領域中心と直線状アレイとの垂直距離、即ち結像距離である。

ポイントターゲットによって散乱されたエコー信号は下記式で表すことができる。

ただし、σ(x,y)は人体の散乱係数であり、Ｋ_ωは周波数ステッピング信号の空間周波数であり、ｊは虚数単位である。

送受信のセット

が受信したターゲット領域のエコー信号は下記式で表すことができる。

ただし、Ｄは結像領域である。

信号を送信・受信する等価位置はアンテナの位相中心で表すことができる。当該等価位置は２つの独立したアンテナ又は開口の物理的中心である。多重送受信システムにおいて、１つの送信アンテナは複数の受信アンテナに対応する。本開示の実施例において、受信アンテナユニットと送信アンテナユニットとは異なる位置に位置するように設けられる。このような送信アンテナと受信アンテナとが空間的に分離したシステムは１つの仮想システムでシミュレーションすることができる。仮想システムにおいて、各群の送信と受信アンテナとの間に、等価位相中心と称される１つの仮想位置を設置する。送受信アンテナセットが採取したエコーデータは、等価位相中心Ａｅ（ｘｅ，ｙｅ）の所在位置における自己送受信アンテナが採取したエコーに等価することができる。

当該送受信セットについて、各アンテナの間の物理的座標の関係は下記式で表すことができる。

等価位相中心原理を採用し、等価エコー信号は下記式で表すことができる。

本開示の上記したアクティブミリ波結像のスパース多重送受信アレイアレンジメント原理に基づき、図５は本開示の一実施例によるスパース多重送受信アレイアレンジメントを示す模式図である。図５におけるスパース多重送受信アレイアレンジメントは具体的に以下のステップによって構成される。

まず、例えば動作周波数（波長λ）、アンテナアレイ長さＬａｐなどのような結像指標パラメータの要求に応じて、必要な等価ユニット数Ｎ及び間隔ｄを確定する。当該間隔ｄは動作周波数に対応する波長の半分よりも幾分大きく、或いは動作周波数に対応する波長の半分に等しくなるのが好ましい。そして、送受信分離方式に従って実際のアンテナユニットを配置する。送信アンテナ/受信アンテナはぞれぞれ互いに平行な３つの直線に沿って分布され（２つの送信アンテナアレイ）、２つの送信アンテナアレイの間の間隔が２*ｄｔｒである。次に、送信アンテナユニットのアレンジメントを設計する。送信アンテナの総数Ｎｔは任意のものであり、アンテナ開口Ｌａｐによって決定される。各送信アンテナの間隔距離はＭλ（Ｍは偶数であり、かつＭ≧２）である。続いて、受信アンテナユニットのアレンジメントを設計する。受信アンテナの総数Ｎｒが任意のものである。受信アンテナは等間隔距離に分布され、間隔距離が２λである。一群の送信アンテナと一群の受信アンテナとの間のＴＲ間隔距離ｄｔｒは任意の値であってもよいが、送受信アンテナアレイを置くことができ、相互結合を小さくすることが要求される一方、２ｄｔｒ/ｚ０＜１０％が要求され、ｚ０が結像距離である。

上記ステップによって構成されたスパース多重送受信アレイアレンジメントは、波長がミリオーダーであるミリ波を送信するための二群の送信アンテナと、二群の送信アンテナに送信され人体に反射される波長がミリオーダーであるミリ波を受信するための一群の受信アンテナとを備える。ただし、二群の送信アンテナは第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナとを備える。第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナはそれぞれ、第１方向Ｄ１に沿って配列される複数の送信アンテナＴを含む。一群の受信アンテナは第１方向に沿って配列される複数の受信アンテナＲを含み、その配列方向が第１群の送信アンテナの配列方向及び第２群の送信アンテナの配列方向に平行である。一群の受信アンテナは、第１群の送信アンテナ及び第２群の送信アンテナと同一の平面に位置し、第１方向に垂直である第２方向Ｄ２において第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナとの中部に位置するため、第１群の送信アンテナと一群の受信アンテナとの間の第２方向における間隔ｄｔｒが第２群の送信アンテナと一群の受信アンテナとの間の第２方向における間隔ｄｔｒと等しい。一群の受信アンテナにおいて、第１群の送信アンテナのうちの送信アンテナの数が一群の受信アンテナのうちの受信アンテナの数を超えないように、第１群の送信アンテナのうちの２つの隣り合う送信アンテナの間の間隔長さに対応する同じ長さ範囲において、少なくとも１つの受信アンテナが配置され、一群の受信アンテナにおいて、第２群の送信アンテナのうちの送信アンテナの数が一群の受信アンテナのうちの受信アンテナの数を超えないように、第２群の送信アンテナのうちの２つの隣り合う送信アンテナの間の間隔長さに対応する同じ長さ範囲において、少なくとも１つの受信アンテナが配置される。

したがって、本開示によるスパース多重送受信アレイアレンジメントは、画像鮮明度を保証するとともに、受信アンテナの数を減らすことができる。送信アンテナの数が受信アンテナの数を超えないため、エレメントの総数を減らし、製造難易度及びコストを低減させる。

一実施例において、第１群の送信アンテナのうちの隣り合う送信アンテナ及び第２群の送信アンテナのうちの隣り合う送信アンテナは何れもＭλの距離で間隔を空け、λがミリ波の波長であり、Ｍが２以上の偶数であり、一群の受信アンテナのうちの隣り合う受信アンテナは２λの距離で間隔を空け、λがミリ波の波長であり、第１群の送信アンテナのうちの１つの送信アンテナと第２群の送信アンテナのうちの最も近くにある対応する１つの送信アンテナとの間の第１方向における間隔は１つの波長λである。

図５は本開示の一実施例によるスパース多重送受信アレイアレンジメントを示す模式図であり、ただし、隣り合う送信アンテナの間の間隔距離が６λであり、隣り合う受信アンテナの間の間隔距離が２λであり、第１群の送信アンテナのうちの１番目の送信アンテナと第２群の送信アンテナのうちの１番目の送信アンテナとの第１方向Ｄ１における間隔が１つの波長λであり、以下同様で、対応的な２番目の送信アンテナの間の第１方向Ｄ１における間隔も１つの波長λである。図５における１つのブロックに示すように、選択できる方式の１つは、１つのチップ内に２つの送信アンテナと３つの受信アンテナがある。

図６は本開示の一実施例によるスパース多重送受信アレイアレンジメントを示す模式図であり、ただし、隣り合う送信アンテナの間の間隔距離が４λであり、隣り合う受信アンテナの間の間隔距離が２λであり、第１群の送信アンテナのうちの１番目の送信アンテナと第２群の送信アンテナのうちの１番目の送信アンテナとの第１方向Ｄ１における間隔が１つの波長λであり、以下同様で、対応的な２番目の送信アンテナの間の第１方向Ｄ１における間隔も１つの波長λである。図６における１つのブロックに示すように、選択できる方式の１つは、１つのチップ内に２つの送信アンテナと２つの受信アンテナがある。

図７は本開示の一実施例によるスパース多重送受信アレイアレンジメントを示す模式図であり、ただし、隣り合う送信アンテナの間の間隔距離が２λであり、隣り合う受信アンテナの間の間隔距離が２λであり、第１群の送信アンテナのうちの１番目の送信アンテナと第２群の送信アンテナのうちの１番目の送信アンテナとの第１方向における間隔が１つの波長λであり、以下同様で、対応的な２番目の送信アンテナの間の第１方向における間隔も１つの波長λである。図７における１つのブロックに示すように、選択できる方式の１つは、１つのチップ内に４つの送信アンテナと２つの受信アンテナがある。

図８は本開示の一実施例によるスパース多重送受信アレイアレンジメントを示す模式図であり、ただし、隣り合う送信アンテナの間の間隔距離が８λであり、隣り合う受信アンテナの間の間隔距離が２λであり、第１群の送信アンテナのうちの１番目の送信アンテナと第２群の送信アンテナのうちの１番目の送信アンテナとの第１方向における間隔が１つの波長λであり、以下同様で、対応的な２番目の送信アンテナの間の第１方向における間隔も１つの波長λである。図８における１つのブロックに示すように、選択できる方式の１つは、１つのチップ内に２つの送信アンテナと４つの受信アンテナがある。

図５〜図８に示すスパース多重送受信アレイアレンジメント的模式図において、第１群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナといずれか１つの受信アンテナとの接続線が第１方向Ｄ１に垂直ではなく、第２群の送信アンテナのうちの少なくとも１つの送信アンテナと少なくとも１つの受信アンテナとが整列することにより両者の間の接続線が第１方向Ｄ１に垂直であるようにする。図５〜８に示すように、第１群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナは、一群の受信アンテナの所在直線への投影が隣り合う２つの受信アンテナの中部、即ち隣り合う２つの受信アンテナの接続線の中点に位置し、第２群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナは、一群の受信アンテナの所在直線への投影が対応の受信アンテナと重なる、ということが好ましい。

図５〜８で説明した実施例は本開示の実施例の一部に過ぎず、全ての実施例ではない。本開示における実施例に基づき、当業者が進歩性に値する労働を払わずに取得する他の実施例の全ては本開示が保護要求している範囲に属する。

当業者は以下のことを理解すべきである。第１群の送信アンテナのうちの１つの送信アンテナは、受信アンテナの所在直線への投影が２つの受信アンテナの中部に位置しなくてもよく、第２群の送信アンテナのうちの送信アンテナと対応の受信アンテナとが整列しなくてもよい。即ち、第１群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナといずれか１つの受信アンテナとの接続線が第１方向に垂直ではなく、かつ第２群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナといずれか１つの受信アンテナとの接続線も第１方向に垂直ではないが、第１群の送信アンテナのうちの１つの送信アンテナと第２群の送信アンテナのうちの最も近くにある対応する１つの送信アンテナとの間の第１方向における間隔は１つの波長λであればよい。示されていない実施例において、送信アンテナのアレンジメントは例えば図５〜８に基づいて変更されることが可能である。例えば図５に示す第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナは、受信アンテナに対して何れも右に約０〜λの間の距離（例えば０.５λ）を変位し、第１群の送信アンテナも第２群の送信アンテナも、対応する受信アンテナとの間の接続線が第１方向に垂直ではないようにする。しかしながら、このような場合に形成された隣り合う等価位相中心の間の間隔は依然として０.５λ程度である。例えば、送信アンテナが０.５λを平行移動した場合、第１群の等価位相中心と第２群の等価位相中心が何れも右に約０.２５λを平行移動し、隣り合う等価位相中心の間の間隔が依然として０.５λ程度である。以下、等価位相中心を詳細に説明する。

例えば、示されていない実施例において、第１群の送信アンテナのうちの送信アンテナの投影が２つの受信アンテナの中心に位置せず、かつ第２群の送信アンテナのうちの送信アンテナの投影が対応の受信アンテナと重ならない時、二群の送信アンテナのうちの隣り合う送信アンテナがλをずらし、図示した二群の等価位相中心も第１の送信アンテナと第２群の送信アンテナの受信アンテナに対する変位につれて対応的に変位し、かつ形成された第１群の等価位相中心のうちのいずれか１つの等価位相中心と第２群の等価位相中心のうちの最も近くにある対応する１つの等価位相中心との第１方向における間隔距離が依然としてミリ波の波長の０.５倍である。

以下、等価位相中心を詳細に説明する。第１群の送信アンテナの１つの送信アンテナと一群の受信アンテナのうちの最も近くにある複数の受信アンテナのうちの１つの受信アンテナとの接続線の中点は、当該一対の送信アンテナ-受信アンテナの仮想の等価位相中心とみなされる。第１群の送信アンテナのうちの複数の送信アンテナと一群の受信アンテナのうちの複数の受信アンテナとは、第１群の等価位相中心を構成する。第２群の送信アンテナの１つの送信アンテナと一群の受信アンテナのうちの最も近くにある複数の受信アンテナのうちの１つの受信アンテナとの接続線の中点は、当該一対の送信アンテナ-受信アンテナの仮想の等価位相中心とみなされる。第２群の送信アンテナのうちの複数の送信アンテナと一群の受信アンテナのうちの複数の受信アンテナとは、第２群の等価位相中心を構成する。

送信アンテナと受信アンテナの数を減少させるとともに、一般的な等価位相中心の重なりを避けるために、第１群の等価位相中心と第２群の等価位相中心との隣り合う等価位相中心の間の距離をミリ波の波長の約半分にすれば、最終的に鮮明な画像を構成することができる。例えば、隣り合う等価位相中心の間の距離はミリ波の波長の０.３〜０.７倍である。換言すると、第１群の等価位相中心と第２群の等価位相中心との隣り合う等価位相中心の間の距離がミリ波の波長の半分よりも遥かに大きくなっている場合、画像が鮮明でない可能性がある。本開示の実施例において、図５〜８から分かるとおり、第１群の等価位相中心のうちのいずれか１つの等価位相中心と第２群の等価位相中心のうちの最も近くにある対応する１つの等価位相中心との第１方向における間隔距離はミリ波の波長の０．３〜０．７倍である。間隔距離は０.５λであることが好ましい。

図５〜８において、正方形Ｔで示す送信アンテナと円形Ｒで示す受信アンテナとの間には破線で接続される。ＴとＲの中点は三角形で表す。三角形の位置は仮想の等価位相中心を表す。１つの送信アンテナは通常、複数の受信アンテナに対応できる。例えば、１つの送信アンテナは３つ、４つ、５つ、６つ、７つ又は８つの受信アンテナに対応できる。即ち、１つの送信アンテナが送信した信号は、最も近くにある３つ、４つ、５つ、６つ、７つ又は８つの受信アンテナによって受信されて識別される。実際、送信アンテナの信号は他の受信アンテナに受信されることも可能である。しかしながら、実際の応用において、他の受信アンテナの信号を考慮しない。即ち、各送信アンテナと固定的な対応の受信アンテナとを対にして測定する。対応する受信アンテナの番号はプログラムによって予め定められることが可能である。各対の送信アンテナ−受信アンテナの間には１つの仮想の等価位相中心を有する。これら仮想の等価位相中心は図５〜８における三角形で示す。図５〜８に示すように、第１群の等価位相中心（上方の一群の等価位相中心）のうちの隣り合う等価位相中心の互いの間隔距離がミリ波の波長λであり、第２群の等価位相中心（下方の一群の等価位相中心）のうちの隣り合う等価位相中心の互いの間隔距離がミリ波の波長λである。同時に、第１群の等価位相中心と第２群の等価位相中心とは第１方向において０.５λをずらす。即ち、第１群の等価位相中心のうちのいずれか１つの等価位相中心と第２群の等価位相中心のうちの最も近くにある対応する１つの等価位相中心との第１方向における間隔距離はミリ波の波長の０.５倍である。

以下、図５を参照して、８４個の送信アンテナと１２５個の受信アンテナとによってアレイを構成する設計過程を例として、本開示のスパース多重送受信アレイを配置する方法を紹介する。当業者は本開示の教示に基づいてスパースアレイを配置することができる。

図５に示すように、Ｍ＝６を例として、アレイ長さが１ｍであるとき、Ｎｔ＝８４個の送信アンテナとＮｒ＝１２５個の受信アンテナを算出し、これらによってアレイを構成する設計過程を例として、本開示の一次元スパースアレイを配置する方法を紹介する。本当業者は本開示の教示に基づいて一次元スパースアレイを配置することができる。

まず、例えば結像解像度、サイドローブレベルなどのパラメータのような結像指標パラメータの要求に応じて、必要な等価ユニットの数及び間隔、即ち等価仮想アレイの分布を特定する。等価ユニットの間隔は動作波長の半分よりも幾分大きく、或いは動作波長の半分に等しくなる必要がある。そして、送受信分離方式に従って実際のアンテナユニットを配置する。送信アンテナ/受信アンテナ/送信アンテナはそれぞれ互いに平行な３つの直線に沿って分布され、直線の間隔距離は任意の値であってよいが、小さいほうが好ましい（λ、１.５λ、２λ、３λ、４λなどであってもよい）。実際に設計されるアンテナユニット寸法及びアレイ寸法の設計要求に応じて合理的に選択し、本開示のアレイ寸法を１ｍに設計する。次に、図５に示すように、送信アンテナユニットのアレンジメントを設計する。送信アンテナの総数は８４（他の任意の数にしてもよいが、具体的な数は結像解像度、結像範囲などの要素によって決定される）である。送信アンテナは二列に分けられ、各列の各送信アンテナの間隔距離が６λである。二列の送信アンテナは１つのλをずらす。続いて、受信アンテナユニットのアレンジメントを設計する。受信アンテナの総数は１２５（他の任意の数にしてもよいが、具体的な数は結像解像度、結像範囲などの要素によって決定される）である。各受信アンテナの間隔距離は２λである。

本開示の実施例では、第１群の送信アンテナ又は第２群の送信アンテナと一群の受信アンテナとの間隔距離が任意の値であってよいが、一群の送信アンテナと一群の受信アンテナとの間において、間隔距離をできるだけ小さくすることは有利である。それは、距離が大きくなりすぎると、等価位相中心条件（隣り合う等価位相中心の間隔距離が波長の半分であり、又は波長の半分に近い）が成立しないからである。しかしながら、実際の応用において、距離が短くなりすぎると、実現が困難になり、クロストーク及び空間不足の問題がある。一実施例において、第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナとの間隔距離は結像距離の１０％よりも小さい。即ち２ｄｔｒ/ｚ０＜１０%、 ｚ０が結像距離である。

スパース多重送受信アレイアレンジメントが動作する際、第１列１番目〜Ｎｔ個の送信アンテナが最初のＭ個の受信アンテナに対して差分を求め、一列の等間隔がλである等価ユニット中心１を取得する。第２列の送信アンテナと受信アンテナも同様に一列の等間隔がλである等価位相中心２を形成する。等価位相中心１と２は空間位置においてλ/２をずらすため、等価位相中心１と２は新しい等価位相中心を形成する。最終的にナイキスト採取法則要求を満足する等価エレメント分布を取得する。電気的スイッチング制御によって、送信アンテナを順次に切り替えて一回のデータ採取を完成する。そして、アレイに直交する方向において合成開口走査を行い、二次元開口に対する走査を完成する。最後、高速フーリエ変換に基づく合成開口ホログラフィアルゴリズムによって素早く再構成して結像テストを完成することができる。

合成開口技術とは、被検体が静止し、送受信アレイモジュールがアレイに直交する方向に沿って機械的走査を行い、被検体に対する走査を完成することをいう。代替実施例において、送受信アレイが静止し、被検体がアレイに直交する方向に沿って運動し、被検体に対する走査を完成することであってもよい。被検者が被検空間に入るとき、ＭＩＭＯ線アレイにおいて、送信アンテナが順次に送信し、対応する受信アンテナが受信する。そして、アレイに直交する方向において機械的走査を行う。走査の歩幅は中心波長の半分に等しく、或いは中心波長の半分よりも幾分大きくなる。エリアアレイ全体に対する走査を完成し、被検者に対する異なる視角の全ての散乱データを取得する。合成開口技術を用いて被検体に対して結像する。機械的走査の長さは（０.８ｍ〜２.５ｍ）をとる。

一実施例において、スパース多重送受信アレイアレンジメントにおける第１群の送信アンテナのうちの送信アンテナが順次にミリ波を送信し、第２群の送信アンテナのうちの送信アンテナが順次にミリ波を送信し、かつ対応する受信アンテナが反射信号を受信し、第１方向に沿う走査を実現する。第１群の送信アンテナのうちの送信アンテナと第２群の送信アンテナのうちの送信アンテナとは同期せずにミリ波を送信するため、二群の送信アンテナが送信するミリ波は互いに干渉しないようにする。

図５〜８に示すように、一実施例において、動作する際、第１群の送信アンテナが先にミリ波を送信し、左側１番目の送信アンテナからミリオーダーミリ波を送信し、予め定めた受信アンテナが戻り信号を受信し、その後、２番目の送信アンテナがミリ波を送信し、予め定めた受信アンテナが戻り信号を受信する。そして、第２群の送信アンテナは走査を始める。左側１番目の送信アンテナからミリオーダーミリ波を送信し、予め定めた受信アンテナが戻り信号を受信し、その後、２番目の送信アンテナがミリ波を送信し、予め定めた受信アンテナが戻り信号を受信する。このように操作すると、第１方向における一次元走査を完成する。

一代替実施例において、図５〜８に示すように、第１群の送信アンテナの１番目の送信アンテナがミリオーダーミリ波を送信し、予め定めた受信アンテナが戻り信号を受信し、その後、第２群のアンテナのうちの１番目の送信アンテナがミリオーダーミリ波を送信し、予め定めた受信アンテナが戻り信号を受信する。そして、第１群の送信アンテナの２番目の送信アンテナがミリオーダーミリ波を送信し、受信アンテナが戻り信号を受信し、その後、第２群の送信アンテナのうちの２番目の送信アンテナがミリオーダーミリ波を送信し、受信アンテナが戻り信号を受信する。最終の送信アンテナがミリオーダーミリ波を送信し、且つ対応する受信アンテナが戻り信号を受信するまでに順次に操作し、第１方向における一次元走査を実現する。

スパース多重送受信アレイアレンジメントは、第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナが順次にミリ波を送信することで一群の送信アンテナの走査を完成し、スパース多重送受信アレイアレンジメントの第２方向における被検人体に対する運動によって第２方向に沿って走査を行うように配置される。一つの例示において、当該相対運動は、被検人体が動かず、スパース多重送受信アレイアレンジメントが第２方向に沿って平行移動して第２方向に沿って走査を行い、被検人体に対する二次元走査を実現するものであってもよい。図９、１０、１１に示すように、例えば、スパース多重送受信アレイアレンジメントは第２方向に沿って０.５λの歩幅で走査を行う。別の例示において、図１４に示すように、当該相対運動は、スパース多重送受信アレイアレンジメントが動かず、被検人体がスパース多重送受信アレイアレンジメントに対して回転するものであってもよい。

一実施例において、スパース多重送受信アレイアレンジメントは、フーリエ変換に基づく合成開口ホログラフィアルゴリズムによって正確な結像領域に対して画像再構成を一回で完成するように配置され、結像公式は下記である。

ただし、σ(x,y)は人体の散乱係数であり、Ｒ_０は結像距離であり、ＦＴ_２Ｄは二次元フーリエ変換であり、

は二次元逆フーリエ変換であり、ｊは虚数単位であり、ｋは伝搬定数であり、ｋ_ｘ、ｋ_ｙはそれぞれ空間伝搬定数であり、

は一対の送信アンテナ−受信アンテナのセットが受信した人体のエコー信号であり、Ｋ_ωは周波数ステッピング信号の空間周波数である。

動作する時、制御スイッチによって、複数の送信アンテナは順次にミリ波を送信する。図５に示すように、第１群の送信アンテナのうちの１番目の送信アンテナが動作する時、１番目〜４番目の受信アンテナがエコーデータを採取する。２番目の送信アンテナが動作する時、２番目〜７番目の受信アンテナがエコーデータを採取する。３番目の送信アンテナが動作する時、５番目〜９番目の受信アンテナがエコーデータを採取する。第２群の送信アンテナのうちの１番目の送信アンテナが動作する時、１番目〜５番目の受信アンテナがエコーデータを採取する。２番目の送信アンテナが動作する時、３番目〜８番目の受信アンテナがエコーデータを採取する。３番目の送信アンテナが動作する時、６番目〜９番目の受信アンテナがエコーデータを採取する。

第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナのうちの全ての送信アンテナが順次に送信した後、一回の横方向のデータ採取が完成する。上記等価位相中心原理に基づき、これらエコーデータは等価位相中心が採取したエコーデータに等価することができる。そして、これら等価位相中心の間隔は０.５λであり、ナイキスト採取法則に要求される等価エレメント分布を満足する。そして、アレイに直交する方向である第２方向において合成開口走査、即ち機械的走査を行い、二次元開口に対する走査を完成する。走査の歩幅は同様に前記法則、即ち半波長が０.５λであることを満足する必要がある。

二次元開口走査を完成した後、採取したエコーデータは下記式で表すことができる。

最後、高速フーリエ変換に基づく合成開口ホログラフィアルゴリズムによって素早く再構成して結像を完成することができる。

結像アルゴリズムの目的は、エコー式からターゲットの像、即ちターゲットの散乱係数σ(x,y)を反転することにある。フーリエ変換に基づく合成開口ホログラフィアルゴリズムは、逆投影法のように結像領域全体に対して各点ずつ再構成する必要がなく、高速フーリエ変換の優勢を利用して一回で正確な結像領域に対して再構成を完成する。結像公式は下記式である。

ただし、Ｒ_０は結像距離である。

本開示が提示したスパース多重送受信アレイアレンジメントはシングルステーション等価原理に基づくものである。即ちアレイはシングルステーション等価によって制御スイッチの制御を組み合わせ、最終的に形成した等価位相中心（本開示において等価ユニット又は等価アンテナユニットとも称される）がナイキスト採取法則を満足するように設計される。つまり、送受信アンテナアレイにおいて、最終的に形成した等価アンテナユニットの間隔距離は、動作周波数に対応する波長の半分よりも幾分大きく、或いは動作周波数に対応する波長の半分に等しくなる。本開示の実施例は上述原則に基づき、高周波数帯ミリ波の波長が比較的に短いことを考慮し、工事実現可能性を実現させるために、アレイスパース化設計とアレイスイッチング制御技術を同時に採用し、最終的に間隔距離が半波長である等価アンテナユニットの分布要求を実現する。

本開示の一実施例は、１つの又は複数の上記スパース多重送受信アレイアレンジメントを備える人体セキュリティ検査装置をさらに提供している。

一実施例において、図９に示すように、人体セキュリティ検査装置は、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００と、第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００とを備える。ただし、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントと第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントとは、両者の間に人体セキュリティ検査の検査空間Ｓを区画するように対向して配置される。第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００と第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００とは、それぞれ上記技術案によるスパース多重送受信アレイアレンジメントを一つ又は複数備える。

一実施例において、複数のスパース多重送受信アレイアレンジメントを備える場合、複数のスパース多重送受信アレイアレンジメントは第２方向に沿って順次に配列される。当該第２方向は図９に示す鉛直方向であってもよく、送信アンテナと受信アンテナの配列方向（即ち第１方向）は水平方向であってもよい。また、当該第２方向はさらに図１０と１４に示す水平方向であってもよく、送信アンテナと受信アンテナの配列方向（即ち第１方向）は鉛直方向であってもよい。別の実施例において、図１１に示すように、複数のスパース多重送受信アレイアレンジメントを備える場合、複数のスパース多重送受信アレイアレンジメントは第１方向に沿ってセグメントを分けて順次に配列される。図１１〜１３に示す実施例において、複数のスパース多重送受信アレイアレンジメントは第１方向に沿って３つのセグメントに分けて順次に配列され、第２セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメント２の両端が第１セグメントの１スパース多重送受信アレイアレンジメント及び第３セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメント３に繋がって折れ線を形成する。図１２と１３に示すように、第２セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメント２と第１セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメント１とのなす角は９０°〜１７０°の範囲にあり、第２セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメント２と第３セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメント３とのなす角は９０°〜１７０°の範囲にある。図１１に示す実施例は、少なくとも６つの送受信アレイを備えるミリ波三次元ホログラフィー走査結像装置を提供し、図１２に示す平面図を構成する。第１、第２及び第３セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメント１、２及び３は何れも多重送受信アレイアレンジメントを採用する。３つのアレイの長さの数値範囲が０.３ｍ〜０.８ｍである。即ち、３つのアレイによって囲まれた領域半径内には、普通の人間が一人立つことが可能である。６つの送受信アレイは鉛直方向において機械的走査を行い、機械的走査の歩幅が動作波長の半波長に選択する。人体全体の走査を完成した後、完全な散乱界データを取得してデータ処理ユニットに伝送し、ホログラフィアルゴリズムを利用して再構成し、被検人体の画像を形成する。最後、画像を表示ユニットに伝送する。

スパース多重送受信アレイアレンジメントの二次元走査を実現するために、一実施例において、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００と第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００とは第２方向において平行移動可能である。図９に示すように、第１方向が水平方向であるとともに第２方向が鉛直方向である。または図１０に示すように、第１方向が鉛直方向であるとともに第２方向が水平方向である。一実施例において、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００が送信するミリ波と第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００が送信するミリ波との干渉を避けるために、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００と第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００とは空間的に離れるように走査することが好ましい。例えば、図９に示す実施例において、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００はその所在鉛直平面内において上から下に向けて走査し、第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００はそれぞれその所在鉛直平面内において下から上に向けて走査する。図１０に示す実施例において、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００はその所在鉛直平面内において左から右に向けて走査し、第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００はそれぞれその所在鉛直平面内において右から左に向けて走査する。

別の実施例において、スパース多重送受信アレイアレンジメントの二次元走査を実現するために、スパース多重送受信アレイアレンジメントは平行移動することはない。図１４に示すように、被検人体は、区画される検査空間において第１方向に平行して立つことが可能であるとともに任意の角度で回転可能であり、かつ第１方向が鉛直方向であり、第２方向が水平方向である。当該回転角度は３６０°であることは好ましい。

第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００と第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００が共に被検対象に対して走査を行う全過程において、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００が送信するミリ波の周波数と第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００が送信するミリ波の周波数とは互いに干渉することができない。一実施例において、走査が開始される時、制御スイッチによって、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００の送信アンテナが順次にミリ波信号を送信し、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００の全ての送信アンテナがミリ波信号を送信した後、第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００の送信アンテナが順次にミリ波信号を送信する。したがって、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００と第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００とは時間をずらして信号を送信するため、互いに干渉することはない。別の実施例において、走査が開始される時、制御スイッチによって、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００は最低周波数から最高周波数までミリ波を送信すると同時に、第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００は最高周波数から最低周波数までミリ波を送信する。或いは、第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００が最低周波数から最高周波数までミリ波を送信すると同時に、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００が最高周波数から最低周波数までミリ波を送信する。したがって、同一時刻において、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００が送信するミリ波の周波数と第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００が送信するミリ波の周波数とは異なるため、互いに干渉することはない。

本実施例において、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００と第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００は独立して走査することができ、両者の走査信号は人体の画像の形成に用いられる。

本開示の人体セキュリティ検査装置を使用して人体、例えば旅客などに対して安全検査を行う時、人体が人体セキュリティ検査装置の中、即ち第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００と第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００との間に滞在するだけで、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント１００と第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント２００は同時に走査し或いは時間をずらして人体の一側を走査し、走査した信号をプロセッサ又はコントローラに送信し、プロセッサ又はコントローラによって画像処理を行って人体の画像を形成して便利且つ素早い検査を完成するようにする。

本発明の一実施例は、上述したスパース多重送受信アレイアレンジメントを使用して人体を検査する方法をさらに提供している。

本発明の全体的な構想を示すいくつかの実施例は既に表示及び説明されたが、本発明の全体的な構想及び原則を逸脱しない場合、これら実施例を変更してもよく、本発明の範囲は請求項及びその同等物に限定されると当業者に理解されるべきである。

１００ 第１のスパース多重送受信アレイアレンジメント
２００ 第２のスパース多重送受信アレイアレンジメント
Ｓ 検査空間

Claims (20)

1. 波長がミリオーダーであるミリ波を送信するための二群の送信アンテナと、前記二群の送信アンテナに送信され人体に反射される波長がミリオーダーであるミリ波を受信するための一群の受信アンテナとを備えるアクティブミリ波セキュリティ検査結像に用いられるスパース多重送受信アレイアレンジメントであって、
   前記二群の送信アンテナは第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナとを備え、
   第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナはそれぞれ、第１方向に沿って配列される複数の送信アンテナを含み、
   前記一群の受信アンテナは、第１方向に沿って配列される複数の受信アンテナを含み、その配列方向が第１群の送信アンテナの配列方向及び第２群の送信アンテナの配列方向に平行であり、
   前記一群の受信アンテナは、第１群の送信アンテナ及び第２群の送信アンテナと同一の平面に位置し、第１方向に垂直である第２方向において第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナとの中部に位置するため、第１群の送信アンテナと前記一群の受信アンテナとの間の第２方向における間隔が第２群の送信アンテナと前記一群の受信アンテナとの間の第２方向における間隔と等しい、
   スパース多重送受信アレイアレンジメント。
2. 前記一群の受信アンテナにおいて、第１群の送信アンテナのうちの送信アンテナの数が一群の受信アンテナのうちの受信アンテナの数を超えないように、第１群の送信アンテナのうちの２つの隣り合う送信アンテナの間の間隔長さに対応する同じ長さ範囲において、少なくとも１つの受信アンテナが配置され、
   前記一群の受信アンテナにおいて、第２群の送信アンテナのうちの送信アンテナの数が一群の受信アンテナのうちの受信アンテナの数を超えないように、第２群の送信アンテナのうちの２つの隣り合う送信アンテナの間の間隔長さに対応する同じ長さ範囲において、少なくとも１つの受信アンテナが配置される、
   請求項１に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメント。
3. 前記第１群の送信アンテナのうちの隣り合う送信アンテナ及び前記第２群の送信アンテナのうちの隣り合う送信アンテナは何れもＭλの距離で間隔を空け、λがミリ波の波長であり、Ｍが２以上の偶数であり、
   前記一群の受信アンテナのうちの隣り合う受信アンテナは２λの距離で間隔を空け、λがミリ波の波長であり、
   第１群の送信アンテナのうちの１つの送信アンテナと第２群の送信アンテナのうちの最も近くにある対応する１つの送信アンテナとの間の第１方向における間隔は１つの波長λである、
   請求項１に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメント。
4. 前記第１群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナといずれか１つの受信アンテナとの接続線が第１方向に垂直ではなく、かつ前記第２群の送信アンテナのうちの少なくとも１つの送信アンテナと少なくとも１つの受信アンテナとが整列することにより両者の間の接続線が第１方向に垂直であるようにする、
   請求項３に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメント。
5. 前記第１群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナといずれか１つの受信アンテナとの接続線が第１方向に垂直ではなく、かつ前記第２群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナといずれか１つの受信アンテナとの接続線も第１方向に垂直ではない、
   請求項３に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメント。
6. 第１群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナは、前記一群の受信アンテナの所在直線への投影が隣り合う２つの受信アンテナの中部に位置し、
   第２群の送信アンテナのうちのいずれか１つの送信アンテナは、前記一群の受信アンテナの所在直線への投影が対応の受信アンテナと重なる、
   請求項４に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメント。
7. 前記第１群の送信アンテナのうちの１つの送信アンテナと、前記一群の受信アンテナのうちの最も近くにある複数の受信アンテナのうちの１つの受信アンテナとの接続線の中点は、当該一対の送信アンテナ-受信アンテナの仮想の等価位相中心とみなされ、隣り合う等価位相中心の間の第１方向における間隔距離はミリ波の波長の１倍であり、
   前記第１群の送信アンテナのうちの複数の送信アンテナと前記一群の受信アンテナのうちの複数の受信アンテナとは、第１群の等価位相中心を構成し、
   前記第２群の送信アンテナのうちの１つの送信アンテナと、前記一群の受信アンテナのうちの最も近くにある複数の受信アンテナのうちの１つの受信アンテナとの接続線の中点は、当該一対の送信アンテナ-受信アンテナの仮想の等価位相中心とみなされ、隣り合う等価位相中心の間の第１方向における間隔距離はミリ波の波長の１倍であり、
   前記第２群の送信アンテナのうちの複数の送信アンテナと前記一群の受信アンテナのうちの複数の受信アンテナとは、第２群の等価位相中心を構成する、
   請求項４又は５に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメント。
8. 第１群の等価位相中心のうちのいずれか１つの等価位相中心と第２群の等価位相中心のうちの最も近くにある対応する１つの等価位相中心との第１方向における間隔距離はミリ波の波長の０．３〜０．７倍である、
   請求項７に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメント。
9. 第１群の等価位相中心のうちのいずれか１つの等価位相中心と第２群の等価位相中心のうちの最も近くにある対応する１つの等価位相中心との第１方向における間隔距離はミリ波の波長の０．５倍である、
   請求項８に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメント。
10. 第１群の送信アンテナと第２群の送信アンテナとの間隔距離は結像距離の１０％よりも小さい、
    請求項１に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメント。
11. 第１群の送信アンテナのうちの送信アンテナは順次にミリ波を送信し、
    第２群の送信アンテナのうちの送信アンテナは順次にミリ波を送信し、
    第１群の送信アンテナのうちの送信アンテナと第２群の送信アンテナのうちの送信アンテナとは同期せずにミリ波を送信する、
    請求項１に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメント。
12. 前記スパース多重送受信アレイアレンジメントは、第２方向における被検人体に対する相対運動によって第２方向に沿う走査を実現する、
    請求項１１に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメント。
13. フーリエ変換に基づく合成開口ホログラフィアルゴリズムによって正確な結像領域に対して画像再構成を一回で完成するように配置され、結像公式は、
    

    

    であり、
    ただし、
    σ(x,y)は人体の散乱係数であり、Ｒ_０は結像距離であり、ＦＴ_２Ｄは二次元フーリエ変換であり、
    

    

    は二次元逆フーリエ変換であり、ｊは虚数単位であり、ｋは伝搬定数であり、ｋ_ｘ、ｋ_ｙはそれぞれ空間伝搬定数であり、
    

    

    は一対の送信アンテナ−受信アンテナのセットが受信した人体のエコー信号であり、Ｋ_ωは周波数ステッピング信号の空間周波数であり、ターゲット領域内の１つのポイントターゲットについて、ＩはＩ（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）に位置する散乱されるポイントターゲットを表し、Ｉと送信アンテナＡ_ｔとの距離をＲ_ｔ，ｎと定義し、Ｉと受信アンテナＡ_ｒとの距離をＲ_ｒ，ｎと定義する、
    請求項１２に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメント。
14. 請求項１〜１３の何れか一項に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメントを一つ又は複数備える、
    人体セキュリティ検査装置。
15. 第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントと、第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントと、を備え、
    第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントと第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントとは、両者の間に人体セキュリティ検査を実施するための検査空間を区画するように対向して配置され、
    第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントと第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントとは、それぞれ請求項１〜１３の何れか一項に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメントを一つ又は複数備える、
    請求項１４に記載の人体セキュリティ検査装置。
16. 第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントと第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントとは、それぞれ請求項１〜１２の何れか一項に記載のスパース多重送受信アレイアレンジメントを複数備え、
    複数のスパース多重送受信アレイアレンジメントは第２方向に沿って順次に配列され、或いは、複数のスパース多重送受信アレイアレンジメントは第１方向に沿ってセグメントを分けて順次に配列される、
    請求項１５に記載の人体セキュリティ検査装置。
17. 第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントと第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントとは、第２方向において平行移動可能であるように配置され、かつ前記第１方向が水平方向であるとともに第２方向が鉛直方向であり、または前記第１方向が鉛直方向であるとともに第２方向が水平方向であり、或いは、
    被検人体は、区画される検査空間において前記第１方向に平行して立つことが可能であるとともに任意の角度で回転可能であり、かつ前記第１方向が鉛直方向であり、第２方向が水平方向である、
    請求項１５に記載の人体セキュリティ検査装置。
18. 複数のスパース多重送受信アレイアレンジメントは第１方向に沿って３つのセグメントに分けて順次に配列され、第２セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメントの両端が第１セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメント及び第３セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメントに繋がって折れ線を形成し、
    ただし、第２セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメントと第１セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメントとのなす角は９０°〜１７０°の範囲にあり、
    第２セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメントと第３セグメントのスパース多重送受信アレイアレンジメントとのなす角は９０°〜１７０°の範囲にある、
    請求項１５に記載の人体セキュリティ検査装置。
19. 第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントが最低周波数から最高周波数までミリ波を送信し、第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントが最高周波数から最低周波数までミリ波を送信し、或いは、
    第２のスパース多重送受信アレイアレンジメントが最低周波数から最高周波数までミリ波を送信し、第１のスパース多重送受信アレイアレンジメントが最高周波数から最低周波数までミリ波を送信する、
    請求項１５に記載の人体セキュリティ検査装置。
20. 請求項１４〜１９の何れか一項に記載の人体セキュリティ検査装置を使用して実施される人体セキュリティ検査方法。

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