JP2024043991A - レーダシステム及び検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象を短時間に精度良く検査できるレーダシステムを提供すること。【解決手段】実施形態に係るレーダシステムは、複数個の送信アンテナと、複数個の受信アンテナと、複数個の送信アンテナと複数個の受信アンテナに接続される処理部と、を具備する。処理部は、検査対象の形状を検知する検知部を具備する。処理部は、検知部が検知した形状に基づいて、複数個の送信アンテナの中から１個の第１送信アンテナを選択し、複数個の受信アンテナの中から少なくとも１個の第１受信アンテナを選択し、１個の第１送信アンテナにより電波を送信させ、少なくとも１個の第１受信アンテナにより電波を受信させ、少なくとも１個の第１受信アンテナからの信号に基づいて、検査対象を検査する。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、レーダシステム及び検査方法に関する。

レーダシステムは、自動車、非破壊検査、医療、セキュリティ等の多様な分野の検査に応用されることが期待されている。検査精度は、電波を送受信するアンテナの数に比例する。検査精度を高めるためには、アンテナの数を増やす必要がある。しかし、アンテナの数が多数であると、受信信号のサイズも大きくなる。受信信号は、信号処理回路に送信される。信号処理回路は、検査結果を示す情報を求める。受信信号のサイズが大きいと、アンテナの受信回路から信号処理回路へ受信信号を送信する時間が長い。受信信号のサイズが大きいと、信号処理の時間も長い。周期的に検査を行いたい場合、受信信号のサイズが大きいと、検査周期を短くすることができない。

国際公開第２０１８／０７８６２７号

本発明の目的は、短時間に精度良く検査できるレーダシステムを提供することである。

実施形態に係るレーダシステムは、複数個の送信アンテナと、複数個の受信アンテナと、前記複数個の送信アンテナと前記複数個の受信アンテナに接続される処理部と、を具備する。前記処理部は、検査対象の形状に基づいて、前記複数個の送信アンテナの一部である１個または複数個の第１送信アンテナを選択し、前記複数個の受信アンテナの一部である１個または複数個の第１受信アンテナを選択し、前記第１送信アンテナに電波を送信させ、前記第１受信アンテナから受信した電波の信号を取得し、前記検査対象を検査する。

第１実施形態に係るレーダシステムの配置の一例を説明するための図。 第１実施形態に係るレーダシステムの配置の他の例を説明するための図。 第１実施形態に係るクラスタの一例を説明するための図。 第１実施形態に係るクラスタの送受信の一例を説明するための図。 第１実施形態に係るレーダシステムの回路構成の一例を説明するためのブロック図。 第１実施形態に係るレーダシステムの形状構築部の一例を説明するための図。 第１実施形態に係るレーダシステムにおけるクラスタ選択の一例を説明するための図。 第１実施形態に係るレーダシステムにおけるクラスタ選択の一例を説明するための図。 第１実施形態に係るレーダシステムにおけるクラスタ選択の他の例を説明するための図。 第１実施形態に係るレーダシステムにおけるクラスタ選択の他の例を説明するための図。 第１実施形態に係るレーダシステムにおける検査対象の法線を説明するための図。 第１実施形態に係るレーダシステムにおけるレーダ座標原点を説明するための図。 第１実施形態に係るレーダシステムにおけるアンテナ選択の他の例を説明するための図。 第１実施形態に係るレーダシステムにおけるアンテナ選択の他の例における許容角度を説明するための図。 第１実施形態に係るレーダシステムにおけるコントローラの他の例を説明するためのブロック図。 第１実施形態に係るレーダシステムにおけるコントローラのさらに他の例を説明するためのブロック図。

以下、図面を参照して、実施形態を説明する。以下の説明は、実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、実施形態の技術的思想は、以下に説明する構成要素の構造、形状、配置、材質等に限定されるものではない。当業者が容易に想到し得る変形は、当然に開示の範囲に含まれる。説明をより明確にするため、図面において、各要素のサイズ、厚み、平面寸法、又は形状等を実際の実施態様に対して変更して模式的に表す場合もある。複数個の図面において、互いの寸法の関係や比率が異なる要素が含まれることもある。複数個の図面において、対応する要素には同じ参照数字を付して重複する説明を省略する場合もある。いくつかの要素に複数個の呼称を付す場合があるが、これら呼称の例はあくまで例示であり、これらの要素に他の呼称を付すことを否定するものではない。また、複数個の呼称が付されていない要素についても、他の呼称を付すことを否定するものではない。なお、以下の説明において、「接続」は直接接続のみならず、他の要素を介した接続も含む場合もある。

以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。

第１実施形態
図１は、第１実施形態に係るレーダシステムの配置の一例について説明するための図である。レーダシステムの一例は、例えば駅、バスターミナル、空港、ショッピングモール、コンサートホール、展示会場等の多数の人が集まる施設に設置されるセキュリティシステムに関する。図１は、歩行中の検査対象１０が所定物を所持しているか否かを検査する例を示す。所定物とは、レーダシステムの設置場所で、所持することが許可されていない、いわゆる危険物である。危険物の例は、拳銃、ナイフ等の金属物体や、爆薬等の粉体やガソリン等の液体である。危険物の例は、麻薬等の粉体や金の延べ棒などの不正持ち込み品でもよい。第１実施形態は、歩行中に限らず、静止している検査対象１０も検査可能である。なお、検査対象は例えば人や荷物である。検査対象が人である場合、検査対象として衣服、衣服の中の物品および人が所持・携帯する物品も含まれる。検査対象品が荷物である場合、検査対象として荷物の梱包も含まれる。

検査対象１０の通路１２の一方の側壁１４に、パネル１６、近赤外線カメラ２０、及び近赤外光プロジェクタ２２が設置される。通路１２は、駅の改札口、部屋の入退出管理ゲート等を含む。通路１２は、多数の人物が通行・滞在可能な領域でもよい。通路１２の他方の側壁にパネル１８が設置される。通路１２の長手方向はｘ方向と称される。通路１２の高さ方向はｙ方向と称される。通路１２の幅方向はｚ方向と称される。

パネル１６、１８は互いに平行である。パネル１６、１８の電波送受信領域は、検査領域と称される。２枚のパネル１６、１８を設けることは必須ではなく、１枚のパネルのみを設けてもよい。

パネル１６、１８の形状の一例は、矩形である。パネル１６、１８の手前側の一側部と奥側の一側部は、中央に向けて折り曲げられていてもよい。この場合、パネル１６、１８からの電波が検査領域の中央部に位置する検査対象１０に効率良く照射される。

パネル１６、１８は、複数個のクラスタ３０を備える。クラスタ３０は、１つの送受信制御単位となる送受信部である。クラスタ３０の個数と配置は、パネル１６、１８が標準的な大きさの検査対象１０の全領域に対して電波を送信するとともに、検査対象１０の全領域からの反射波を受信するように決められている。この大きさは、検査対象１０がパネル面に投影された場合の二次元形状（輪郭とも称される）である。

電波の一例は、波長が１ミリメートルから１センチメートル（周波数が３０ＧＨｚから３００ＧＨｚ）であり、ミリ波とも称される電波である。電波の他の例は、波長が１００マイクロメートルから１ミリメートル（周波数が３００ＧＨｚから３ＴＨｚ）であり、サブミリ波又はテラヘルツ波とも称される電波である。

検査対象１０に照射されたこれらの電波は検査対象１０の皮膚で反射される。これらの電波は、拳銃やナイフ等の金属でも反射される。金属の反射率は皮膚の反射率より高い。金属の反射波の強度は、皮膚の反射波の強度より高い。また、これらの電波は、爆薬等の粉体では吸収される。粉体の反射率は皮膚の反射率より低い。反射波の強度は、皮膚、金属、粉体等の電波が反射される点の物質の種類により決まる。レーダシステムは、反射波の強度（受信信号の強度）から、反射点の物質の種類を求めることができ、衣服内に隠し持っている危険物の検査をすることができる。

近赤外光プロジェクタ２２は、検査領域に近赤外光パターンを投影する。パターンの例は、格子やストライプである。近赤外線カメラ２０は、検査領域の近赤外線画像を撮影する。検査対象１０に投影された近赤外光パターンは、検査対象１０の三次元形状に応じて歪む。近赤外線カメラ２０が撮影した近赤外光パターンの歪みに基づいて、検査対象１０の三次元形状データが求められる。三次元形状データは、レーダシステムに対する検査対象１０の位置も表す。近赤外線カメラ２０は、検査対象１０の形状を取得できる様々な検知部に置き換え可能である。例えば三次元形状を取得できる。例えばＴｏＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式やステレオ方式の３Ｄカメラなどを使用可能である。この場合、近赤外光プロジェクタ２２は不要である。

標準的な大きさの検査対象１０に関しては、パネル１６、１８は検査対象１０の全領域に対して電波を送信するとともに、検査対象１０の全領域からの反射波を受信する。しかし、検査対象１０の体型、姿勢、位置によっては、パネル１６、１８の一部のクラスタ３０は、検査対象１０に電波を送信しない、又はパネル１６、１８の一部のクラスタ３０は、検査対象１０からの電波を受信しない。このような検査対象１０についての電波の送受信に寄与しない一部のクラスタを動作させることは無駄である。実施形態に係るレーダシステムは、検査対象１０の三次元形状と位置に基づいて、電波の送受信に使用されるクラスタを選択する。

近赤外線カメラ２０が検査対象１０を撮影すると、レーダシステムは、検査領域に検査対象１０が存在することを認識し、電波を照射開始する。レーダシステムは、検査対象１０が検査領域に存在する場合のみ電波を照射し、受信信号を得るので、検査に寄与しない無駄な受信信号を処理することがない。

図２は、第１実施形態に係るレーダシステムの配置の他の例について説明するための図である。検査領域の床面１３の一端に１枚のパネル２６が設置される。検査対象１０は、正面がパネル２６に対向するように検査領域の床面１３に立つ。パネル２６は検査対象１０の正面に電波を照射し、検査対象１０の正面が検査される。パネル１６、１８と同様に、パネル２６の右側の一側部と左側の一側部も、中央に向けて折り曲げられていてもよい。

正面の検査後、検査対象１０は、背面がパネル１６に対向するように１８０度向きを変える。これにより、検査対象１０の背面も検査される。なお、２枚のパネルを床面１３の前後に配置し、検査対象１０の正面と背面を同時に検査できるようにしてもよい。

図３は、第１実施形態に係るクラスタ３０の一例を説明するための図である。１個のクラスタ３０は、少なくとも１個の送信モジュール４２と、少なくとも１個の受信モジュール５２とを備える。少なくとも１個の送信モジュール４２と、少なくとも１個の受信モジュール５２は、クラスタ３０の１枚の基板に配置される。クラスタ３０の基板形状の一例は、矩形である。

送信モジュール４２は、複数個の送信回路４６を備える。各送信回路４６は複数個の送信アンテナ４４に接続される。複数個の送信アンテナ４４は、１個の送信アレーアンテナを構成する。例えば、１個の送信モジュール４２は４個の送信回路４６を備える。１個の送信回路４６は４個の送信アンテナ４４からなる１個の送信アレーアンテナを備える。１個の送信モジュール４２は４個の送信アレーアンテナを備える。送信回路４６は、集積回路により構成されてもよい。

複数個の送信アンテナ４４と、複数個の送信回路４６は、送信モジュール４２の１枚の基板に配置される。送信モジュール４２の基板の形状の一例は、矩形である。全ての送信アンテナ４４は、直線状に配置されてもよいし、二次元状に配置されてもよい。全ての送信アンテナ４４は等間隔、例えば１波長間隔で配置されてもよい。複数個の送信アンテナ４４は不等間隔で配置されてもよい。不等間隔アレーアンテナの例は、最小冗長アレー（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ａｒｒａｙ：ＭＲＡ）アンテナである。ＭＲＡアンテナは、アンテナ間隔の冗長度を最小にすることで、同一アンテナ数で最大の開口長を実現する。

不等間隔アレーアンテナを構成することにより、仮想アレーアンテナを効率的に生成でき、アレー開口長を広げることができる。そのため、到来方向推定や合成開口処理による画像生成において高分解能化が可能となる。

送信回路４６は、基準信号発生器、増幅器、及び移相器を備える。基準信号発生器は、時間の経過に応じて周波数が直線的に増加する線形の周波数変調連続波（Ｌ－ＦＭＣＷ：Ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）信号（以降、チャープ信号と称される）を発生する。増幅器は、チャープ信号を所定の電力に増幅する。増幅器は、増幅したチャープ信号を移相器に送信する。移相器は、増幅したチャープ信号の位相を所定の位相に調整する。移相器は、出力を送信アンテナ４４に供給する。送信回路４６に接続される複数個の送信アンテナ４４の中の少なくとも１個の送信アンテナ、又は複数個の送信アンテナ４４の全てが１つのチャープ波を送信する。あるタイミングで１つの送信回路４６が１つのチャープ波を送信すると、次のタイミングで他の１つの送信回路４６が次の１つのチャープ波を送信する。このように、複数のチャープ波が複数の送信回路４６が順次送信される。

受信モジュール５２は、複数個の受信回路５６を備える。各受信回路５６は複数個の受信アンテナ５４に接続される。複数個の受信アンテナ５４は、１個の受信アレーアンテナを構成する。例えば、１個の受信モジュール５２は４個の受信回路５６を備える。１個の受信回路５６は４個の受信アンテナ５４からなる１個の受信アレーアンテナを備える。１個の受信モジュール５２は４個の受信アレーアンテナを備える。受信回路５６は、集積回路により構成されてもよい。

複数個の受信アンテナ５４と、複数個の受信回路５６は、受信モジュール５４の１枚の基板に配置される。受信モジュール５２の基板の形状の一例は、矩形である。全ての受信アンテナ５４は、直線状に配置されてもよいし、二次元状に配置されてもよい。全ての受信アンテナ５４は等間隔、例えば１波長間隔で配置されてもよい。複数個の受信アンテナ５４は不等間隔で配置されてもよい。不等間隔アレーアンテナの例は、ＭＲＡアンテナである。

受信回路５６は、増幅器、周波数変換部、及びアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を備える。検査対象１０に放射された電波が検査対象１０で反射される。複数個の受信回路５６が反射波を同時に受信する。受信回路５６は、複数個の受信アンテナ５６の中の少なくとも１個の送信アンテナ、又は複数個の受信アンテナ５６の全てで反射波を受信する。増幅器は、受信アンテナからの受信信号を所定電力まで増幅する。増幅器は、増幅した受信信号を周波数変換部に送信する。周波数変換部は、送信アンテナに入力された送信信号と、受信信号とを混合し、受信中間周波数信号（受信ＩＦ信号）を生成する。周波数変換部は、受信ＩＦ信号をＡＤＣに送信する。ＡＤＣは、受信ＩＦ信号をデジタル信号に変換する。

クラスタ３０の基板上の送信モジュール４２と受信モジュール５２の配置は任意である。送信アンテナ４４と受信アンテナ５４がともに直線状に配置されている場合、送信モジュール４２は、送信アンテナ４４の配列方向がクラスタ３０の基板の矩形を定義する２方向のうちの一方、例えばｙ軸方向に沿うようにクラスタ３０の基板に配置される。受信モジュール５２は、受信アンテナ５４の配列方向がクラスタ３０の基板の矩形を定義する２方向のうちの他方、例えばｘ軸方向に沿うようにクラスタ３０の基板に配置される。送信と受信は互換性があるので、図３における「送信」を「受信」に置き換え、図３における「受信」を「送信」に置き換えてもよい。

図４は、第１実施形態に係るクラスタ３０の送受信の一例を説明するための図である。送信モジュール４２と受信モジュールの数は、それぞれ２個であるとする。２個の送信モジュール４２が備える２列の送信アンテナ４４がｘ軸方向に沿って配列される。各列の送信アンテナ４４の素子間隔は１波長（λ）である。１列目の送信アンテナ４４のｘ軸方向の位置は、２列目の送信アンテナ４４のｘ軸方向の位置と同じではなく、半波長（λ／２）ずれている。２個の受信モジュール５２が備える２列の受信アンテナ５４がｙ軸方向に沿って配列される。各列の受信アンテナ５４の素子間隔は１波長である。１列目の受信アンテナ５４のｙ軸方向の位置は、２列目の受信アンテナ５４のｙ軸方向の位置と同じではなく、半波長ずれている。このような配置の送信アンテナ４４と受信アンテナ５４により仮想アレーアンテナ６０が実現される。仮想アレーアンテナ６０の各アンテナの素子間隔は半波長である。

図５は第１実施形態のレーダシステムの回路構成の一例を説明するためのブロック図である。複数個のクラスタ３０を備えるパネル１６（又は１８又は２６）にコントローラ１０２が接続される。コントローラ１０２は、形状構築部１１２、及び選択部１１４を備える。近赤外光プロジェクタ２２と近赤外線カメラ２０が、形状構築部１１２に接続される。

図６は、第１実施形態に係るレーダシステムにおける形状構築部１１２の一例を説明するための図である。近赤外光プロジェクタ２２は、検査領域内の検査対象１０に近赤外光パターン（ここでは、格子パターン）２３を投影する。近赤外線カメラ２０は、検査領域の近赤外線画像を撮影する。検査対象１０に投影された近赤外光パターンは、検査対象１０の三次元形状に応じて歪む。

形状構築部１１２は、近赤外光プロジェクタ２２が投影した格子パターン２３と、近赤外線カメラ２０が撮影した近赤外光パターンとを入力する。形状構築部１１２は、投影パターン２３の各格子点の座標とカメラ画像上の撮影パターンの各格子点の座標から、三角測量の原理に従い、検査対象１０の表面の格子点の三次元座標を計算し、検査対象１０の三次元形状データを生成する。形状構築部１１２は、三次元形状データを選択部１１４へ送信する。三次元形状データは、検査対象１０の輪郭に関する二次元的な体型や姿勢や、凹凸に関する三次元的な体型や姿勢を表す。体型は、肥満型、痩身型等である。姿勢は、直立、前傾、前屈、後傾等である。三次元形状データは、格子点の座標であるので、三次元形状データからレーダシステムに対する検査対象１０の位置も分かる。

三次元形状データの生成の一例は、Hiroshi Kawasaki, Ryo Furukawa, Ryusuke Sagawa and Yasushi Yagi, "Dynamic scene shape reconstruction using a single structured light pattern," 2008 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, 2008, pp. 1-8, doi: 10.1109/CVPR.2008.4587702に記載されている手法を応用することができる。

レーダシステムが衣服内の隣接する複数個のターゲットを検知する際には、高い角度分解能が要求される。到来方向推定時の角度分解能はアレーアンテナの開口長によって決定される。素子間隔を半波長よりも長い間隔で配置した場合、グレーティングローブが発生してしまうため、アレーアンテナを構成する多数のアンテナを密に並べる必要がある。多数のアンテナが密に並ぶ場合、多量のデータ転送と、データ処理が発生する。

選択部１１４は、検査対象１０の三次元形状データに応じて、検査対象１０に電波を送信する１個の送信クラスタ３０と、反射波を受信する少なくとも１個の受信クラスタ３０を選択する。選択部１１４は、選択した送信クラスタ３０の全ての送信モジュール４２の中から１個の送信モジュール４２を選択する。選択部１１４は、選択した送信モジュール４２の全ての送信回路４６の中から１個の送信回路４６を選択する。選択された１個の送信回路４６が電波を送信する。選択部１１４は、選択した送信回路４６の送信が終了すると、他の１個の送信回路４６を選択する。

選択部１１４は、少なくとも１個の受信クラスタ３０の全ての受信モジュール５２の中から少なくとも１個の受信モジュール５２を選択する。選択部１１４は、少なくとも１個の受信モジュール５２の全ての受信回路５６の中から少なくとも１個の受信回路５６を選択する。選択された少なくとも１個の受信回路５６は同時に動作し、反射波を同時に受信する。

これにより、検査に関与しない電波を送受信することがなくなり、検査に関与しない受信信号を収集することがなくなるので、受信信号のサイズを必要最小とすることができ、パネル１６と信号処理部１０４との間の受信信号の転送時間と信号処理時間も必要最短とすることができる。

図７と図８は、第１実施形態に係るレーダシステムにおけるクラスタ選択の一例を説明するための図である。図７と図８は、検査対象１０の体型に応じてクラスタを選択する様子を示す。図７（ａ）と図８（ａ）は、レーダシステムを上部から見た検査対象１０の平面図を示す。なお、図７（ａ）と図８（ａ）は、半時計方向に９０度回転すると、レーダシステムを横から見た検査対象１０の側面図となる。図７（ａ）と図８（ａ）の検査対象１０の形状は、三次元形状データをｘ－ｚ平面又はｙ－ｚ平面に投影した形状を示す。

図７（ａ）は、痩型の検査対象１０を示す。痩型の検査対象１０は、パネル１６側の表面、すなわち電波の反射面が略平面である。パネル１６上の全ての送信アンテナは、パネル１６に平行な検査対象１０の表面の全ての点に電波を送信する。パネル１６上の全ての受信アンテナは、パネル１６に平行な検査対象１０の面の全ての点からの反射波を受信する。そのため、検査対象１０の断面形状又は側面形状が図７（ａ）に示す形状の場合、選択部１１４は、図７（ｂ）に示すように、全てのクラスタ３０を送受信クラスタ３１Ａとして選択する。すなわち、各クラスタ３０を送信クラスタとして順次選択し、全てのクラスタ３０を受信クラスタとして選択する。

図８（ａ）は、肥満型の検査対象１０を示す。肥満型の検査対象１０は、パネル１６側の表面、すなわち電波の反射面がパネル１６に向かって凸状になっている。パネル１６上のｘ方向における一方の周辺部の送信アンテナは、検査対象１０の表面のｘ方向における一方の周辺部には電波を送信するが、他方の周辺部には電波を送信しない。そのため、検査対象１０の断面形状又は側面形状が図８（ａ）に示す形状の場合、選択部１１４は、図８（ｂ）に示すように、ｘ方向における中央部のクラスタ群を送受信クラスタ３１Ｂとして選択する。すなわち、ｘ方向における中央部のクラスタ群３１Ｂに含まれる各クラスタ３０を送信クラスタとして順次選択し、ｘ方向における中央部のクラスタ群３１Ｂに含まれる全てのクラスタ３０を受信クラスタとして選択する。

図９と図１０は、第１実施形態に係るレーダシステムにおけるクラスタ選択の他の例を説明するための図である。図９と図１０は、レーダシステムに対する検査対象１０の進行方向（ｘ方向）の位置に応じてクラスタを選択する様子を示す。図９（ａ）と図１０（ａ）は、レーダシステムを上部から見た検査対象１０の平面図を示す。歩行中の検査対象１０を検査する場合、時間の経過に伴い、先ず図１０の状態が生じ、次に図９の状態が生じる。図９と図１０において、パネル１６の視野角は、ある一定の角度であるとする。アンテナの指向性は、アンテナの幅と長さにより決まる。指向性を調整することにより視野角を調整することができる、図９と図１０の説明において、パネル１６の視野角は３０度であるとする。

図９（ａ）は、パネル１６の中央部のｘ座標と、検査対象１０のｘ座標とが近い場合を示す。この場合、パネル１６に対する検査対象１０の反射波の入射角は小さい。アンテナ素子間隔が１波長の場合、入射角の絶対値が３０度以内であれば、グレーティングローブは３０度以上の角度に現れる。検査対象１０の位置が図９（ａ）に示すような位置の場合、パネル１６の視野角を±３０度とすれば、視野角外から入射されるグレーティングローブを抑えることができる。そのため、選択部１１４は、図９（ｂ）に示すように、ｘ方向における中央部のクラスタ群を送受信クラスタ３１Ｃとして選択する。

図１０（ａ）は、パネル１６の中央部のｘ座標と、検査対象１０のｘ座標とが遠い場合を示す。この場合、パネル１６に対する反射波の入射角は大きい。そのため、検査対象１０の位置が図１０（ａ）に示すような位置の場合、パネル１６の視野角内にグレーティングローブが入るので、選択部１１４は、図１０（ｂ）に示すように、全てのクラスタ３送受信クラスタ３１Ｄとして選択する。

このように検査対象１０の体型又は位置によっては、反射波が入射されない送信クラスタと受信クラスタの組合せが生じる。このような無駄な組み合わせを用いて電波を送受信すると、冗長なデータ転送時間と処理時間が係る。選択部１１４は、検査対象１０の体型又は位置に基づいて、検査に寄与する送受信クラスタを適応的に選択し、選択したクラスタのみを動作させる。これにより、受信信号の無駄な転送を防ぎ、処理時間を削減することができる。

クラスタ３０内の送信モジュール４２の配置状態によっては、同じクラスタ３０内でも検査に寄与しない送信モジュール４２が存在する。クラスタ３０内の受信モジュール５２の配置状態によっては、同じクラスタ３０内でも検査に寄与しない受信モジュール５２が存在する。さらに、送信モジュール４２内の送信アンテナ４４の配置状態によっては、同じ送信モジュール４２内でも検査に寄与しない送信アンテナ４４が存在する。受信モジュール５２内の受信アンテナ５４の配置状態によっては、同じ受信モジュール５２内でも検査に寄与しない受信アンテナ５４が存在する。

そのため、選択部１１４は、選択したクラスタの全部の送信モジュール４２と受信モジュール５２に送受信させてもよいし、検査に寄与する一部の送信モジュール４２と受信モジュール５２を選択して、選択した送信モジュール４２と受信モジュール５２に送受信させてもよい。選択部１１４は、送信モジュール４２の全部の送信回路４６に順次送信させてもよいし、検査に寄与する一部の送信回路４６（すなわち送信アンテナ４４）を選択して、選択した一部の送信回路４６に順次送信させてもよい。選択部１１４は、受信モジュール５２の全部の受信回路５６に同時に受信させてもよいし、検査に寄与する一部の受信回路５６（すなわち受信アンテナ５４）を選択して、選択した一部の受信回路５６に同時に送信させてもよい。

選択部１１４は、図７乃至図１０に示したような基準に従って、検査に寄与する一部の送信モジュール４２と受信モジュール５２を選択し、検査に寄与する送信回路４６と受信回路５６を選択する。

次に、選択部１１４のアンテナ選択のさらに他の例を説明する。図１１は、第１実施形態に係るレーダシステムにおける検査対象１０の法線を説明するための図である。図１２は、第１実施形態に係るレーダシステムにおけるレーダ座標原点を説明するための図である。図１３は、第１実施形態に係るレーダシステムにおけるアンテナ選択の他の例における許容角度を説明するための図である。

選択部１１４は、検査対象１０の三次元形状データが示す格子点の中で或る格子点の法線を求める。ここでは、選択部１１４は、検査対象１０の三次元形状データが示す格子点の中でレーダシステム（例えば、パネル１６）とのユークリッド距離が最も短い格子点の法線を求めるとする。選択部１１４は、求めた格子点の法線とレーダ座標原点とのなす角度を求める。選択部１１４は、求めた角度に基づいて送受信アンテナを動作させるか否かを決定する。格子点の法線は検査対象１０の形状と位置に応じている。法線とレーダ座標原点とのなす角度も検査対象１０の形状と位置に応じている。そのため、選択部１１４は、検査対象１０の形状と位置に応じて送受信アンテナを選択する。

なお、レーダシステムとのユークリッド距離が最も短い格子点の法線を用いたが、三次元形状データの全ての格子点、又は一部の複数個の格子点の法線を用いてもよい。

図１１において、三次元形状データの座標原点は、近赤外線カメラ２０の設置位置であるカメラ座標原点であるとする。レーダ座標原点は、或るクラスタの基準点であり、（ｘｒａｄ，ｙｒａｄ，ｚｒａｄ）（カメラ座標）と定義する。送信アンテナと受信アンテナは、ｘｙ平面上に存在するとする。

図１２は、或るクラスタのレーダ座標原点（ｘｒａｄ，ｙｒａｄ，ｚｒａｄ）の一例を示す。送信アンテナ４４はｙ方向に沿って配列され、受信アンテナ５４はｘ方向に沿って配列されるとする。受信アンテナ５４のｙ座標は、複数個の送信アンテナ４４の配列の中点のｙ座標と一致する。この送信アンテナ４４の配列の中点のｙ座標をレーダ座標原点のｙ座標ｙｒａｄとする。送信モジュール４２の基板の受信モジュール５２に最も近い一辺と、受信モジュール５２の基板の送信モジュール４２にもっと近い一辺との間隔が２×ｄ１とする。送信モジュール４２からｄ１の距離の点、あるいは受信モジュール５２からｄ１の距離の点のｘ座標をレーダ座標原点のｘ座標ｘｒａｄとする。レーダ座標原点のｚ座標ｚｒａｄは、クラスタから見た検査対象１１２の奥行である。

レーダシステムとのユークリッド距離が最も短い格子点を点ｓとし、点ｓの座標を（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）（カメラ座標系）であるとする。格子点ｓと、格子点ｓから最短距離の格子点ｕとのベクトルをベクトルＵとする。格子点ｓと、格子点ｕと反時計回り方向に隣り合う格子点ｖとのベクトルをベクトルＶとする。

格子点ｓの法線ベクトルＮは、ベクトルＵとベクトルＶから次のように求められる。

Ｎ＝（Ｕ×Ｖ）／（｜｜Ｕ×Ｖ｜｜）
法線ベクトルＮはｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の単位ベクトルＸｏ，Ｙｏ，Ｚｏを用いて次式のように表される。

Ｎ＝ｘｎＸｏ＋ｙｎＹｏ＋ｚｎＺｏ
ｘｎ、ｙｎ、ｚｎは係数である。

法線ベクトルＮのレーダ座標系における方位角θｎと仰角φｎは、式１、式２でそれぞれ表される。

格子点ｓとレーダ座標原点とがなす方位角θｓと仰角φｓは、式３、式４でそれぞれ表される。

選択部１１４は、方位角θｓと仰角φｓに応じて動作させるアンテナを選択する。

選択部１１４は、方位角θｓの絶対値が３０度未満、かつ仰角φｓの絶対値が３０度未満の場合、レーダ座標原点を含むクラスタが含む送信モジュールと受信モジュールを選択する。

方位角θｓの絶対値が３０度以上の場合を説明する。

選択部１１４は、方位角θｎと方位角θｓとの角度差θｄ＝｜θｎ｜－｜θｓ｜と許容角度αとを比較してアンテナを選択し、動作させるアンテナを変える。

図１３（ａ）は、方位角θｓがマイナスの角度であり、その絶対値が３０度以上の場合の角度差θｄの一例を示す。図１３（ｂ）は、方位角θｓがプラスの角度であり、その絶対値が３０度以上の場合の角度差θｄの一例を示す。

図１４は、許容角度αの一例を説明するための図である。図１４（ａ）に示すようなレーダ入射角θに対する１０ｍｍ×１０ｍｍの金属板１３０のレーダ断面積（ＲＣＳ［ｄＢ］）を理論値計算した結果を、図１４（ｂ）に示す。図１４（ｂ）の横軸は、入射角度の絶対値である。理論値計算の一例は、M. I. Skolnik, “Radar Handbook,” 2nd Edition, McGraw-Hill Publishing Company, New York, 1990の１４．２章の表１４－１である。レーダ断面積が最大値より所定値下がる、例えば－１０ｄＢとなる入射角度（＝約８度）を許容角度αとする。図１４（ｂ）から、入射角度が許容角度α未満であれば、サイドローブが生じないことが分かる。許容角度は８度に限定されず、他の角度にしてもよい。

方位角θｓがマイナスの角度の場合、０＜θｄ＜αならば、選択部１１４は、クラスタ内の全てのアンテナを動作させる。

方位角θｓがマイナスの角度の場合、θｄ＜０、又はθｄ＞αならば、選択部１１４は、全てのアンテナを動作させず、レーダの照射を行わない。

方位角θｓが０度又はプラスの角度の場合、－α＜θｄ＜０ならば、選択部１１４は、クラスタ内の全てのアンテナを動作させる。

方位角θｓが０度又はプラスの角度の場合、θｄ＜－α、又はθｄ＞０ならば、選択部１１４は、全てのアンテナを動作させず、レーダの照射を行わない。

次に、仰角φｓの絶対値が３０度以上の場合を説明する。

選択部１１４は、仰角φｎと仰角φｓとの角度差φｄ＝｜φｎ｜－｜φｓ｜と許容角度αとを比較してアンテナを選択し、動作させるアンテナを変える。

仰角θｓがマイナスの角度の場合、０＜φｄ＜αならば、選択部１１４は、クラスタ内の全てのアンテナを動作させる。

方位角φｓがマイナスの角度の場合、θｄ＜０、又はθｄ＞αならば、選択部１１４は、全てのアンテナを動作させず、レーダの照射を行わない。

方位角φｓが０度又はプラスの角度の場合、－α＜φｄ＜０ならば、選択部１１４は、クラスタ内の全てのアンテナを動作させる。

方位角φｓが０度又はプラスの角度の場合、φｄ＜－α、又はφｄ＞０ならば、選択部１１４は、全てのアンテナを動作させず、レーダの照射を行わない。
上述の説明は、クラスタ単位のアンテナ選択に関するが、レーダ座標原点（ｘｒａｄ，ｙｒａｄ，ｚｒａｄ）を各アンテナの位置とすると、方位角θｓ、仰角φｓに応じて、各アンテナを動作させる／させないの制御ができる。
一例を示す。

図５の説明に戻り、選択された全ての受信回路５６の受信ＩＦ信号（デジタル信号）は、クラスタ３０から出力され、信号処理部１０４に送信される。信号処理部１０４は、距離推定部１１６と到来方向推定部１１８を備える。

距離推定部１１６は、高速フーリエ変換回路（ＦＦＴ回路）を備える。ＦＦＴ回路は、受信アンテナ５４が受信した反射波の強度を求める。チャープ波を用いたレーダシステムでは、受信ＩＦ信号はレーダとターゲット（反射点）までの距離に応じた周波数で振動する。そのため、距離推定部１１６は、ＦＦＴ回路の出力信号に基づいてレンジスペクトルを算出し、電力の高い周波数から順にレンジ距離（ターゲットまでの距離）を推定する。距離推定部１１６は、推定結果を到来方向推定部１１８に送信する。

到来方向推定部１１８は、特定のレンジ距離に対して到来方向推定を行う。到来方向推定部１１８は、各受信アンテナにおいて、ピーク電力となる周波数に対応するレンジスペクトルを抽出する。遠方界における各受信アレーアンテナの受信信号は次のように表される。ここで、１個の受信モジュール５２において、受信アンテナ５４は、二次元アレーアンテナを構成しているとする。

到来方向推定は素子間隔に基づく位相差から反射波の到来角度を推定する。また到来方向推定の方式はビームフォーミング法やＣａｐｏｎ法やＭＵＳＩＣ法・ＥＳＰＲＩＴ法を用いてもよい。本実施例ではビームフォーミング法を用いる。ビームフォーミング法は掃引角度（θｉ，φｋ）毎に重みを制御しアレーアンテナのメインビームを走査して、アレーアンテナの受信信号に対する出力電力を算出する。ここで使用する重みは仮想受信アレー数であるＰＱ分用意する。重みは式７で表記される。

角度（θｉ，φｋ）に対するビームフォーミングの出力電力ＢＦ（θｉ，φｋ）は式９で表される。

この出力電力ＢＦ（θｉ，φｋ）が到来方向推定部１１８から出力される。

表示部１０６は、出力電力ＢＦ（θｉ，φｋ）に基づいて開口合成処理を行い、検査対象１０の画像を表示する。オペレータは、画像を見て、検査対象１０が危険物を所持しているか否かを判定する。表示部１０６の代わりに、機械学習装置を設け、機械学習装置が出力電力ＢＦ（θｉ，φｋ）に基づいて検査対象１０が危険物を所持しているか否かを判定してもよい。

第１実施形態によるレーダシステムは、検査対象１０の三次元形状データに基づいて、受信クラスタ／受信モジュール／送信回路（すなわち、送信アンテナ）と送信クラスタ／送信モジュール／送信回路（すなわち、送信アンテナ）の有効な組合せを選択し、選択した組合せを用いて電波を送受信する。検査に寄与しない受信データを収集しないので、受信データのサイズを必要最低限のサイズとすることができる。そのため、アンテナ本数を多くしても、受信データのサイズが増えず、精度の高い検査を行なうことが可能である。受信データのサイズが小さいので、データ転送時間と処理時間も短時間で済む。さらに、１回の電波照射についての処理時間が短いので、検査を短い周期で繰り返すことができる。

図１５は、第１実施形態に係るレーダシステムにおけるコントローラ１０２Ａの他の例を説明するためのブロック図である。コントローラ１０２Ａは、コントローラ１０２が備える近赤外光プロジェクタ２２、カメラ２０、及び形状構築部１１２を備えない。このレーダシステムは、形状センサ１４０を備える。コントローラ１０２Ａは、形状センサ１４０からのデータを受信する通信部１４２を備える。形状センサ１４０は、検査対象１０の三次元形状を検知し、三次元形状データを出力する。通信部１４２は、形状センサ１４０からの三次元形状を取得し、三次元形状データを選択部１１４に送信する。

図１６は、第１実施形態に係るレーダシステムにおけるコントローラ１０２Ｂの他の例を説明するためのブロック図である。コントローラ１０２Ｂは、コントローラ１０２が備える近赤外光プロジェクタ２２、カメラ２０、及び形状構築部１１２を備えない。コントローラ１０２Ｂは、カメラ１５０と画像解析部１５２を備える。カメラ１５０は、検査領域内の検査対象１０の画像を撮影する。画像解析部１５２は、カメラ１５０が撮影した画像を画像処理により解析し、検査対象１０の三次元形状データを求める。画像解析部１５２は、三次元形状データを選択部１１４に送信する。

図１５に示すコントローラ１０２Ａ又は図１６に示すコントローラ１０２Ｂによっても、選択部１１４は、検査対象１０の形状、姿勢、又は位置に応じて、検査に寄与する受信クラスタ／受信モジュール／送信回路（すなわち、送信アンテナ）と送信クラスタ／送信モジュール／送信回路（すなわち、送信アンテナ）の組合せを選択することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…検査対象、１６，１８，２６…パネル、２０…近赤外線カメラ、２２…近赤外光プロジェクタ、３０…クラスタ、４２…送信モジュール、４４…送信アンテナ、５２…受信モジュール、５４…受信アンテナ、１０２…コントローラ、１０４…処理部、１０６…表示部、１１２…形状構築部、１１４…選択部、１１６…距離推定部、１１８…到来方向推定部

Claims (16)

1. 複数個の送信アンテナと、
   複数個の受信アンテナと、
   前記複数個の送信アンテナと前記複数個の受信アンテナに接続される処理部と、を具備し、
   前記処理部は、
   検査対象の形状に基づいて、前記複数個の送信アンテナの中の一部である１個または複数個の第１送信アンテナを選択し、前記複数個の受信アンテナの中の一部である１個または複数個の第１受信アンテナを選択し、
   前記第１送信アンテナに電波を送信させ、
   前記第１受信アンテナから受信した電波の信号を取得し、前記検査対象を検査する、レーダシステム。
2. 前記検査対象の形状を検知する検知部を更に具備し、
   前記検知部は、前記検査対象の表面の点の位置もさらに検知し、
   前記処理部は、前記検知部が検知した前記形状と前記位置とに基づいて、前記１個または複数個の第１送信アンテナと、前記１個または複数個の第１受信アンテナと、を選択する、請求項１に記載のレーダシステム。
3. 複数個の送信モジュールと、
   複数個の受信モジュールと、
   をさらに具備し、
   前記複数個の送信モジュールのそれぞれは、前記複数個の送信アンテナの一部である１個または複数個の送信アンテナを備え、
   前記複数個の受信モジュールのそれぞれは、前記複数個の受信アンテナの一部である１個または複数個の受信アンテナを備え、
   前記処理部は、
   前記形状に基づいて、前記複数個の送信モジュールの一部である１個または複数個の第１送信モジュールを選択し、選択した前記１個または複数個の第１送信モジュールが備える前記１個または複数個の送信アンテナの一部を選択し、
   前記形状に基づいて、前記複数個の受信モジュールの一部である１個または複数個の第１受信モジュールを選択し、選択した前記１個または複数個の第１受信モジュールのそれぞれが備える前記１個または複数個の受信アンテナの一部を選択する、請求項１に記載のレーダシステム。
4. 前記検査対象の形状を検知する検知部を更に具備し、
   前記検知部は、前記検査対象の表面の点の位置もさらに検知し、
   前記処理部は、前記検知部が検知した前記形状と前記位置とに基づいて、前記第１送信モジュールが備える前記１個または複数個の送信アンテナの一部と、前記第１受信モジュールが備える前記１個または複数個の受信アンテナの一部を選択する、請求項３に記載のレーダシステム。
5. 複数個のクラスタをさらに具備し、
   前記複数個のクラスタのそれぞれは、少なくとも１個の送信モジュールと、少なくとも１個の受信モジュールと、を備え、
   前記少なくとも１個の送信モジュールのそれぞれは、前記１個または複数個の第１送信アンテナを備え、
   前記少なくとも１個の受信モジュールは、前記１個または複数個の第１受信アンテナを備え、
   前記処理部は、
   前記形状に基づいて、前記少なくとも１個のクラスタの中から１個の送信クラスタを選択し、選択した前記送信クラスタが備える前記少なくとも１個の送信モジュールの中から１個または複数個の第１送信モジュールを選択し、選択した前記第１送信モジュールが備える前記１個または複数個の送信アンテナの中の一部を選択し、
   前記形状に基づいて、前記少なくとも１個のクラスタの中から少なくとも１個の受信クラスタを選択し、選択した前記受信クラスタが備える少なくとも１個の受信モジュールの中から１個または複数個の第１受信モジュールを選択し、選択した前記第１受信モジュールが備える前記１個または複数個の受信アンテナの一部を選択する、請求項１に記載のレーダシステム。
6. 前記検査対象の形状を検知する検知部を更に具備し、
   前記検知部は、前記検査対象の表面の点の位置もさらに検知し、
   前記処理部は、前記検知部が検知した前記形状と前記位置とに基づいて、前記第１送信モジュールが備える前記１個または複数個の送信アンテナの一部と、前記第１受信モジュールが備える前記１個または複数個の受信アンテナの一部を選択する、請求項５に記載のレーダシステム。
7. 前記検知部は、前記検査対象に格子パターンを投影するプロジェクタと、前記検査対象に投影された前記格子パターンを撮影するカメラと、前記カメラにより撮影された前記格子パターンと前記カメラにより撮影された前記格子パターンとから前記検査対象の三次元形状データを生成する演算部と、を具備する、請求項２、請求項４、または請求項６に記載のレーダシステム。
8. 前記検知部は、前記検査対象の三次元形状データを取得する第１センサから前記三次元形状データを受信する、請求項２、請求項４、または請求項６に記載のレーダシステム。
9. 前記検知部は、前記検査対象を撮影するカメラと、前記カメラにより撮影された前記検査対象の画像を解析し、前記検査対象の三次元形状データを生成する演算部と、を具備する、請求項２、請求項４、または請求項６に記載のレーダシステム。
10. 前記複数個の送信アンテナそれぞれの間隔は等間隔であり、
    前記複数個の受信アンテナそれぞれの間隔は等間隔である、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のレーダシステム。
11. 前記複数個の送信アンテナそれぞれの間隔は不等間隔であり、
    前記複数個の受信アンテナそれぞれの間隔は不間隔である、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のレーダシステム。
12. 前記複数個の送信アンテナは最小冗長アレーアンテナを構成し、
    前記複数個の受信アンテナは最小冗長アレーアンテナを構成する、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のレーダシステム。
13. 前記複数個の送信アンテナと前記複数個の受信アンテナは、基板に配置され、
    前記処理部は、
    前記検査対象の前記基板側の表面の形状が前記基板側に凸となっている場合、第１個数の前記送信アンテナと前記第１個数の受信アンテナを選択し、
    前記表面の形状が前記基板側に凸となっていない場合、第２個数の前記送信アンテナと前記第２個数の受信アンテナを選択し、
    前記第２個数は前記第１個数より多い、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のレーダシステム。
14. 前記複数個の送信アンテナと前記複数個の受信アンテナは、基板上に配置され、
    前記処理部は、
    前記基板と平行な方向における前記検査対象の位置に基づいて前記基板の中心に対する前記検査対象の入射角を検知し、
    前記入射角に比例した個数の送信アンテナと受信アンテナを選択する、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のレーダシステム。
15. 前記複数個の送信アンテナと前記複数個の受信アンテナは、基板上に配置され、
    前記処理部は、前記検査対象の表面の一点の法線ベクトルを求め、前記基板上の原点から見た法線ベクトルのなす角度に基づいてアンテナを選択する。請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のレーダシステム。
16. 複数個の送信アンテナと、
    複数個の受信アンテナと、
    前記複数個の送信アンテナと前記複数個の受信アンテナに接続される処理部と、を具備するレーダシステムを用いる検査方法であって、
    検査対象の形状を検知し、
    検知した前記形状に基づいて、前記複数個の送信アンテナの中から１個の第１送信アンテナを選択し、前記複数個の受信アンテナの中から少なくとも１個の第１受信アンテナを選択し、
    前記１個の第１送信アンテナに電波を送信させ、
    前記少なくとも１個の第１受信アンテナに電波を受信させ、
    前記少なくとも１個の第１受信アンテナからの信号に基づいて、前記検査対象を検査する、検査方法。

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