JP4376778B2 - テラヘルツ画像処理装置およびテラヘルツ画像処理方法 - Google Patents

Description

政府の権利

本発明に導く研究は、ＳＴＴＲ交付金（ＤＡＡＤ１９−０２Ｃ−００８５）及びＳＢＩＲ交付金を介して米国陸軍が部分的にサポートしていた。また、全米科学財団も、ＳＧＥＲ／ＲＥＵ交付金（ＣＴＳ−０２３３５８２）を介してサポートを提供した。したがって、合衆国政府は、本発明に特定な権利を持つ可能性がある。

本発明は、一般的に画像処理装置と方法に関し、特に、検査すべき物体への入射エネルギーとして、テラヘルツ（ＴＨｚ）の範囲で電磁放射を利用する画像処理システム及び方法に関する。

本発明は、人間に隠された、あるいはスーツケース、ブリーフケース、封をしたパッケージあるいはカートン等の容器内に隠された兵器の発見に向けられている。このような武器は、ピストルのような金属デバイスを含むが、本発明は、特に、隠蔽爆発物及び細菌兵器をモニタリングし、検出して、描写するという課題を達成する。

プラスチック爆弾、肥料爆弾及び生物兵器が、戦争及びテロリズムの武器に利用される機会が増えており、これらの兵器の隠蔽貯蔵物の迅速な発見及び確認の有効な手段は、ますます緊急になりつつある。一つの提案解決策は、ＴＨｚ範囲（０．１〜１０ＴＨｚ）における隠蔽爆発物及び細菌兵器に特有な透過あるいは反射スペクトルを介して、それらを検出及び識別するためにテラヘルツ（ＴＨｚ）電磁波を用いることである。爆発物（例えば、Ｃ−４、ＨＭＸ、ＲＤＸ、ＴＮＴ、ナフタレン及びアンモニウム硝酸塩）は、すべて、０．１〜２．０ＴＨｚ（１００〜２０００ＧＨｚ、３〜０.１５ｍｍ）の範囲において、特有の反射及び吸収スペクトルを持つ。これらは、人間の皮膚等の、他の材料からは容易に見分けがつくものである。本質的に、爆発物は、ＴＨｚ検出器には、危険でないアイテムとは異なる「色」に見える。細菌兵器の検出のためのＴＨｚの使用も、また有望である。ＴＨｚ放射は、合成樹脂、衣類、手荷物、紙製品、壁、そして他の非導電（非金属でない）材料を介して容易に透過されるため、ＴＨｚ分光分析法を用いることによって、原則として、たとえ衣類、封をしたパッケージ、スーツケース等に隠されていても、爆発物及び細菌兵器を検出することは可能である。測定反射（あるいは透過）ＴＨｚスペクトルを、周知の較正スペクトルに比較することによって、これらの兵器の存在を識別して、キー、コイン、人間の皮膚及び衣類等の物体から区別することが可能である。金属は、ＴＨｚ波長の透過に対しては比較的に不透明であり、ほとんど一定の反射スペクトルを持つため、ピストル及びナイフ等の金属武器は、同様に、ＴＨｚ試験によって識別可能である。

過去に提案されたほとんどのＴＨｚ画像処理システムは、一つのＴＨｚ源と、画像処理すべき物体空間を横切って走査される検出器の対に基づいていた。これらのシステムは、（例えば、数平方センチメートル程の）一つの小さな物体でさえ、ＴＨｚ画像を生成するデータを得るのに、かなりの時間（典型的に、分）を必要とする。したがって、ＴＨｚ画像のリアルタイムの獲得には適していない。さらに、現在の最新技術のＴＨｚ画像処理は、短パルス・レーザあるいは連続波差周波数ＴＨｚ生成及び検出に基づいている。これらの技術のいずれをも、コヒーレントあるいはインコヒーレントＴＨｚ放射の連続波ＴＨｚ画像処理へと拡張することは、コヒーレントな連続波あるいは短パルスのレーザ源が必要なため、困難である。さらに、ＴＨｚ放射を生成及び検出するレーザ源は、相互にコヒーレントな位相関係を維持しなくてはならない。これらの方法を用いての、インコヒーレントなＴＨｚ源の画像処理は、可能ではない。本発明のデザイン及び技術は、ＴＨｚの特定なコヒーレントあるいはインコヒーレント源を必要としない。このため、電子ＴＨｚ源、レーザ・ベースのＴＨｚ照明源、あるいは、例えば太陽からの、インコヒーレント周囲ＴＨｚ放射を利用できるという柔軟性がある。

本発明の目的は、広い「視野」内で、多数のＴＨｚ源を同時に検出することが可能な、空間ＴＨｚ画像処理技術を提供することである。一ラインの視界測定で同じ機能を達成するためには、測定すべき視野を横切って照準線を走査させなければならないが、上記の困難に遭遇する。本発明の手段によれば、空間解像度は、例えば、爆発物あるいは生物兵器の存在だけではなく、物体の物理的な広さ及び位置をも測定するのに十分である。この情報は、照準線技術で判定するには困難である。本発明のＴＨｚ画像処理アプローチは、人間に隠された、あるいはパッケージ、容器あるいは車両に隠された爆発物あるいは生物兵器を、離隔距離で検出するのに十分な空間解像度を持つ。本発明の長期の利点は、単一照準線システムが産出するよりも多くの情報が生成されることである。長期に渡って多数の
画像を得ることによって、画像処理技術を、多数の画像及び多数のＴＨｚ源に適用することができるため、完全なシステムでは、ノイズを除去して、誤警報を減らすことができる。

さて、本発明は、特定な成分の存在を判定するために、関心領域を急速に、そして効果的に検査するための、ＴＨｚ画像処理装置及び方法を提供する。この装置は、試験に適した所望のテラヘルツ周波数の電磁放射を発生させるための手段、そして関心領域に入射する放射をレンダリングするための手段を含む。さらに、領域から反射した、あるいは領域を透過したテラヘルツ放射を検出するために、関心領域から間隔を置いた平面内の複数の点に検出器手段を設ける。また、特定な成分の存在が確定可能なよう、検出テラヘルツ放射を関心領域の画像へ変換するための手段を設ける。

日常の離隔感知に対しては、高輝度のＴＨｚ源で広域を照明する。この源は、広帯域で（太陽からの放射のような）インコヒーレント、あるいは狭帯域でチューナブルである。そして、透過した、あるいは反射したＴＨｚ放射を、ＴＨｚ画像処理アレイで検出する。過去におけるこのアプローチへの深刻な技術的限界は、（空間分解能あるいは整調性にかかわらず）画像処理ＴＨｚ検出器アレイの欠如であった。大雑把に言えば、デジタルカメラの同等物が、ＴＨｚシステムには存在しなかった。ＴＨｚシステムにおける限界は、「カメラ」レンズではなく、むしろ、画像をデジタル化する検出器アレイであった。

本発明のＴＨｚ画像処理アレイは、電波天文学における私たちの以前の研究に関係がある。電波源（星）の位置及びスペクトル内容が予め分からない電波天文学とは異なり、爆発物あるいは生物兵器のＴＨｚベースの離隔検出では、源のスペクトル内容及び位置は既知であるが、介入する物体のＴＨｚ透過特性を判定する必要がある。

本発明では、検出器手段は、間隔を置いた複数の検出器のチューナブル干渉計アレイから構成してもよい。検出器の対からの信号アウトプットは、位相及び直角位相における適切な遅延及び相関に組み合わせて、検出器平面に対応するフーリエ変換平面の成分を生成する。検出器アレイは、複数の半導体光ミキサーを含むことができる。周波数安定化チューナブル光ヘテロダイン源からなる光ミキサー駆動手段を、平凡な光ファイバ・コネクタによって光ミキサーに結合する。アレイは、一列配置の検出器と、アレイを固定軸の回りに回転させるための手段からなる。関心領域における本来の輝度分布を、フーリエ成分のフーリエ逆変換によって再生する。

光ミキサーは光導電デバイスでもよい。この場合、このようなデバイスの各対の駆動手段は、光ミキサーにゲートを付ける差周波数を持つ一対のレーザであり、光ミキサーの対の各メンバーにおける入射テラヘルツ放射を、差周波数にミキシングして、中間周波数で修正信号アウトプットを提供し、信号処理を促進する。

広視野ＴＨｚ画像処理干渉計アレイは、０．２〜１０ＴＨｚ範囲で、高い空間分解能及びスペクトル分解能を持つ。このアレイは、高価な短パルス・レーザ・システムを必要とせずに、多数のコヒーレントあるいはインコヒーレントＴＨｚ光源を同時に画像処理することができる。本発明は、したがって、Ｃ４及びＲＤＸのような隠蔽爆発物を遠隔で検出し、モニターし、そして識別するために、０．２から３ＴＨｚまで整調可能な、連続波テラヘルツ画像処理分光計を含んでもよい。システムは、関心領域を照明し、そしてチューナブルＴＨｚ干渉画像処理アレイによって検出される高輝度ＴＨｚ源を利用する。ＴＨｚ画像処理アレイは、広視野及び高空間分解能を持つ。システムはヘテロダイン光混合検出技術を用いることが好ましいが、ホモダイン光混合検出を用いてもよい。ヘテロダイン検
波のための高速光混合デバイスは、最適な中間周波数において作動するようにデザインすることが好ましい。光混合デバイスは、源及び検出器の両方として機能することができる。標的爆発物に対して必要な、ＴＨｚ周波数スペクトルの特徴のデータベースを提供し、これをシステムと共に用いる。また、ＴＨｚ画像から選択爆発物を識別するために、ニューラルネットワーク・アルゴリズムを連結的に用いることができる。

本発明を、例として、添付図面に略図的に示す。

空港のターミナル、基地、船、あるいは郵便局へ入ってくる人間、パッケージあるいはパレットを日常的に、そして非侵略的に検査するために、図１Ａに示すように、人間（あるいはパッケージ８）を、一つの、あるいは複数のＴＨｚ源１０とＴＨｚ画像処理アレイ１２との間に配置する、あるいは移動させる。したがって、図１Ａの構成は、透過モードに基づいている。図１Ｂでは、間隔を置いた人間と物体１３に、ＴＨｚ源１４から投射され、その反射から画像処理アレイ１２が検出する。両ケースＡ及びＢにおいて、ＴＨｚ源は、調査すべき人間、パレット、車両、あるいは他の物体を照明する。

デジタルカメラと同等な画像処理に比較した、干渉計画像処理の利点は、少数の個別の検出エレメントだけで干渉計画像処理を行うことができるということである。市販デジタルカメラは、典型的に、１０２４×７６８ピクセルの画像処理アレイ、すなわちアレイ内に７８０，０００の個別の検出エレメントを持つ。ＴＨｚ範囲内でのこのような高検出器密度は、現在、技術的に実行可能ではない。一つの理由として、０．１〜１０ＴＨｚの周波数範囲の従来の検出器は、一般的に、液体ヘリウム冷却を必要とし、高密度アレイ構造に統合化するのは容易ではない。したがって、ＴＨｚ範囲での画像処理では、少数（１〜２０）の検出エレメントだけを用いて画像を生成しなくてはならない。干渉計画像処理は、ほんのひと握りの検出エレメントだけで画像処理を行う機能、そして一度に多くのＴＨｚ放射源を画像処理する、コヒーレント及びインコヒーレント源を画像処理する、そしてスペクトル情報及び空間画像処理情報を提供する機能があるため、大きな利点がある。

本発明で用いるＴＨｚ画像処理アレイ１２は、電波天文学で用いる既知の技術に関連する。電波源（星）の位置及びスペクトル内容が予め分からない電波天文学とは異なり、ＴＨｚベースの爆発物モニタリングシステムでは、源のスペクトル内容及び位置が分かっているが、介入する物体のＴＨｚ透過（あるいは反射）特性を判定する必要がある。

リアルタイムでＴＨｚの画像処理を行うためには、したがって、電波干渉法の技術を利用する。この場合、空間（アパーチャ平面）内の二つ以上の点における信号を、適切な遅延で適合させ、位相において、そして直角位相において関連づけ、輝度分布の余弦及び正弦成分を生成する。したがって、この技術は、入射信号の振幅及び位相の両方を測定する。そしてアパーチャ平面内の十分な数の点から測定した場合は、標準フーリエ逆変換を介して、本来の輝度分布を合成（画像処理）する。干渉計アレイで画像を構築する技術は、電波及びＸ線の両方の波長範囲における天文学の画像処理に用いるために開発されたものである。フーリエ画像再構築技術の開発は、従来、ｍの波長からｍｍ以下の波長の電波範囲であり、干渉計アレイの特性を模型化し、シミュレートするための、多くのツールが存在する。３〜１０のエレメントを含む疎らなアレイは、再構築画像内の（サイドローブと呼ばれる）曖昧さを減少させる特別な処理が必要である。電波天文学では、疎らなアレイで画像処理するいくつかの技術が知られている。それらは、（各周波数における異なる空間情報を利用するために多数の周波数のデータを組み合わせて）周波数合成の相違を用いる。もし異なるＴＨｚ周波数においてデータが得られるなら、ＴＨｚ画像処理の課題に適用することが可能である。

本発明のＴＨｚシステムは、次の三つの主要な構成要素を含む。（ａ）ＴＨｚ干渉画像処理アレイ。（ｂ）ＴＨｚ信号のヘテロダイン・ミキシング（好ましい）、そして１００ＭＨｚでの中間周波数の信号処理。そして（ｃ）高輝度ＴＨｚ源。

さて、図２を参照する。画像処理干渉計は、二つの点検出器における波面の到着時の相違は、二つの検出器に対する波面２０の角度αに依存するという点で、位相調整検出器に類似している。任意の波長λに対する角度分解能は、二つの検出器の離隔距離ｄによって決定する。θ＝λ／ｄ（ラジアン）。干渉計の視野は、個々の検出器のビーム・パターン（指向性）の小さい方と、検出器の帯域幅によって決定する。ガウス帯域幅に関しては、ガウスが減少するとき干渉計の角度感度も減少する。視野の１／ｅ幅は、Ｗ_1/e≒ｃ／πｄσ（ラジアン）によって決定する。この場合、σは アンテナの１／ｅ帯域幅である。視野は、約ν／πσ因子だけ角度分解能よりも大きい。一例として、０.０１ＴＨｚの１／ｅ帯域幅で１ＴＨｚの中心検出周波数を持つＴＨｚアンテナが、１０ｃｍの間隔で離れている場合、干渉計は、１０’の分解能で５°の視野を画像処理することができる。１ｃｍ間隔では、視野は、約１．７°の分解能で５１°である。

潜在的な空間分解能の一例として、（表１を参照、１ｃｍの検出器基線距離を持つ中心周波数が約１ＴＨｚの）ＴＨｚ画像処理アレイを、人間に隠した一つの爆発物から約１５ｍ（５０ｆｔ）のジープ上に設置した場合、１５ｍ離れた標的爆発物に対する対応空間分解能は、１ＴＨｚで約４５ｃｍ、そして１０ＴＨｚで約４．５ｃｍである。より細かな分解能（１０倍）は、１０ｃｍ基線アレイで達成することができる。これは、札入れサイズの爆発物を識別するのに十分な分解能である。この場合の爆発物の厚さは数ｍｍである。
広い領域の遠隔視検のための５０ｍの距離では、１ｃｍ基線アレイは１．５ｍの空間分解能を持ち、１０ｃｍ基線アレイは約１５ｃｍの空間分解能を持つ。

本発明では、ＴＨｚ画像処理アレイは、適当な検出器の中から、アンアーバーＭＩのピコメトリクス（Picometrix）が製造するＴＨｚ検出器を用いる。ピコメトリクスＴＨｚ検出器は、光導電デバイスとして作動する。これらの検出器に対して、金マイクロ加工アンテナ構造を、高速光導電材料である低温成長ＧａＡｓ上に製造する。それらは、光ファイバ的に結合した室温検出器である。典型的なピコメトリクス検出器デザイン・パラメータに対して、ＴＨｚ画像処理アレイの視野は、検出器の指向性によって決定する。ＴＨｚ放射の焦点を検出器に合わせるＴＨｚレンズのデザインを少し変更することによって、検出器の視野を（数度、約５０度に）調整することができる。

画像処理干渉計は、個々の検出器のアレイからなる。一対のこのような検出器１６、１８を、図２に概略的に示す。各検出器は、入射ＴＨｚ放射の振幅及び位相を測定する。ＴＨｚ放射の波面がアレイに遭遇すると、アレイ内の検出器の各対（例えば１６、１８）は、検出器対の離隔距離によって決定する、入射ＴＨｚ放射の一つの空間フーリエ成分を測定する。各空間フーリエ成分を、フーリエ変換平面（ｕ−ｖ平面）内の点によって表す。空間フーリエ成分を定量し、その結果として入射ＴＨｚ波面２０の方向を判定するためには、一対のアンテナ間の、波面到着時間における位相遅延を測定しなければならない。源への方向と、基線（検出器を効果的に構成する二つのアンテナを結ぶ想像線）との間の相対角度は、二つのアンテナの間への波面の到達における幾何学的遅延τ_ｇを定義する。基
線の周りに円錐を構成するすべての方向は、同じ位相遅延τ_ｇ＝（ｂ・ｓｉｎα）／ｃを持つ。ここで、ｂは基線の長さであり、ｃは光速であり、そしてαは相対角度である。源の正確な方向を決定するためには、基線の他の方位における追加の測定を行わなくてはならない。

検出器対間の固定離隔距離に対しては、一つの空間フーリエ成分を測定する。実空間では、この単一フーリエ成分は、図３Ａに示すように、輝度縞に対応する。源への距離を一定に保持しながら、検出器対間の間隔を変化させることによって、空間フーリエ成分を変化させ、図３Ａ内の交互に明るい、そして暗い縞の間隔を変える。そして検出器対の異なる間隔で生成した画像を合算することによって、合成実空間画像を形成する。検出器対間の間隔（図２内の距離ｂ）を変化させることによって、干渉計検出の単純な実験検証を行うことができる。この幾何学に基づいて、二つの検出器で検出した点源からのＴＨｚ信号間の予想相関Ｃは、

である。ここで、Ａは入射ＴＨｚ平面波の振幅であり、ｋは入射電磁波の波数であり、Ｂは検出器対間の間隔であり、そしてαは、図２内に定義する、検出器に対して入射波面が作る角度である。０．５ＴＨｚの周波数に対する予想実験データのプロットを、図３Ｂに示す。異なる検出器対のフーリエ成分を含むと、結果として生じる画像は、点ＴＨｚ源の点分布関数に接近する。点分布関数は、例えば、ＴＨｚ干渉計画像を清浄にする、また干渉計画像内のサイドローブ・アーティファクトを取り除くために用いることができる。

任意数の検出器Ｎに対して、Ｎ（Ｎ−１）／２の可能な、対の組み合わせがある。フーリエ平面を可能な限り完全にサンプリングできるように、一様でない間隔でアンテナを配置することが望ましい。五つのアンテナの典型的な一列配置と、結果として生じる基線とを図４に示す。対数周期間隔が典型的である。検出器対の種々の組み合わせで電場における相関を記録することによって、ＴＨｚ源からの放射の空間分配に関する情報を生成することができる。すべての異なる対の組み合わせの空間フーリエ成分から画像を生成する。画像の品質は、干渉計の検出エレメントの配置に依存するｕ−ｖ平面の被写域に依存する。アンテナの構成を設計する上で最も大切なことは、必要な角度分解能によって決定される範囲に渡って、一様に、そして効率的にｕ−ｖ平面の被写域を得ることである。小数の検出器でのｕ−ｖ平面の効率的な画像処理を、一列配置の検出器を用いると共に、アレイを固定軸の回りに回転させることで達成してもよい。Ｎエレメント・アレイの回転中に測定を２０回行った場合は、検出器の数が２０Ｎあるのに等しいという結果が得られる。これは、画像品質の改善、あるいはアレイ内に必要なアンテナ数の削減のいずれかをもたらす。

さて、図５を参照する。光ファイバで結合した一対の光導電アンテナ検出器２２、２４によって、ＴＨｚの干渉計検出を行う。これらの検出器内では、入射ＴＨｚ放射を、光導電検出器「にゲートを付ける」すなわち「をオンにする」レーザ２６、２８からの二つの赤外線（〜７８０ｎｍ）レーザ光線にミキシングすることによって、入射ＴＨｚ放射を検出する。光ファイバ・ケーブル２９及びスター・スプリッタ３０を用いて、赤外線レーザ光を検出器構造に結合することには、明確な利点がある。例えば、レーザ光の結合、そしてそれの多数の検出器への分配は、ファイバ・カップラ及びスター・スプリッタを用いれば直通である。この方法では、二つの赤外線レーザ源のみを用いて、Ｎエレメントの干渉計アレイ内のすべてのアンテナを駆動することができると考えられる。さらに、ファイバ・カップリングは、アレイ全体をより強靭で信頼性の高いものにする。ファイバを検出器に取り付けることによって、光送出システムが光ファイバとなるため、それらを相互に（すなわち、調節可能な基線あるいは検出器間隔において）容易に移動することができる。このデザインは、アレイが、低い空間分解能で非常に素早く、爆発物の証拠を広い領域に渡って調査することができるという可能性を提供する。もし特定な領域が兵器のスペクトル特徴を示すなら、疑われる領域を、より高い空間分解能で検査するようにアレイの基線を調節することができる。

レーザ２６、２８は、二つの狭帯域赤外線レーザであり、検出器と共に用いて、差周波数光ヘテロダイン光混合を介してＴＨｚ放射を検出する。二つの外部キャビティ・ダイオード・レーザ（ＥＣＤＬ）を用いて、異なる二色（波長）の〜７８０ｎｍに近い赤外線放射を生成する。赤外線の二色の差周波数を調整することによって、ＴＨｚ周波数を調整することができる。他の人たちが、光導電アンテナにおけるレーザ・ミキシングのホモダイン検波を実証しているが、我々が知っている限りでは、ヘテロダイン検波は実証されていない。ヘテロダイン検波技術は、ホモダイン（ＤＣ）検波に比べ、ＴＨｚアレイの感度を改善する。ヘテロダイン検波は、ＴＨｚ局部発振器（ＬＯ）からＴＨｚ源を切断する。これは、ＴＨｚ源とＬＯとが、コヒーレントである必要がない、あるいは同じ源から得る必要がないことを意味する。光混合検出技術では、二つの赤外線レーザ波長をミキシングすることによって、ＴＨｚ局部発振器を提供する。さらに、ヘテロダイン検波技術は、局部発振器周波数を走査して、アレイからスペクトル画像及び空間画像を得る。

光混合幾何学では、二つの赤外線レーザ源をミキシングすることを、光導電アンテナ検出エレメント内に局部発振器（ＬＯ）信号を生成することと、概念的に考えることができる。この幾何学では、局部発振器とテラヘルツ信号とのミキシング（ビーティング）によって生成する中間周波数は、１００〜３０００ＭＨｚの範囲になる（ＥＣＤＬ源の線幅は約５ＭＨｚである）。１００ＭＨｚの中間周波数は、この周波数の電子部品の入手は容易であるため、処理が容易である。一対の検出器に対するＴＨｚ電場の相対位相及び振幅（すなわち、フーリエ成分に対するｕ−ｖ平面）は、二つの検出器における測定中間周波数（ＩＦ）信号周波数を互いに関連づけることによって決定する。ＴＨｚ信号を１００ＭＨｚのＩＦバンドへダウン変換したら、信号は、電波天文学で開発済みの相関器技術をそのまま用いて処理することができる。

ヘテロダイン・ミキシング技術では、個々の検出器が受信する入射ＴＨｚ信号（ω_信号〜１ＴＨｚ）を、信号周波数とは少量だけ異なる局部発振器信号ωＬＯと結合する。局部発振器信号［ω_ＬＯ〜（１＋δ）ＴＨｚ］は、ＣＷＩＲレーザ光線の差周波数混合によって、画像処理アレイの本実施例内に生成する。検出器の出力は、二つのＴＨｚ信号をミキシングした差周波数であるω_ＩＦ＝ω_ＬＯ−ω_信号。差周波数は、中間周波数範囲（ｋＨｚ〜ＧＨｚ）にあり、電子的に処理して、ＴＨｚ信号の位相及び振幅を検索することができる。一対の検出器に対するＴＨｚ電場の相対位相及び振幅（すなわち、ｕ−ｖ平面に対するフーリエ成分）を、二つの検出器における測定ＩＦ信号周波数を相互に関連づけることによって決定する。固定ＩＦ周波数で局部発振器周波数を掃引する（すなわち、二つのＩＲレーザ間の波長差を変化させる）ことによって、干渉計は、種々の周波数においてＴＨｚ源を画像処理することができる。ＬＯ周波数を掃引することの利点は、調査中の物体内の特定な化学成分のモニタリングを可能にし、ＴＨｚ範囲内にあるそれらのスペクトル特性によって爆発物を識別することである。

干渉計のアンテナの典型的な構成を、図６に概略的に示す。この構成は、五つの個々のアンテナを結合し、回転を利用して干渉計ＴＨｚアレイの画像処理を行う。重複しない１２の検出器の配置が、アレイ３０の回転方位のすべてに対して、６６のフーリエ成分を提供する。図に示すように、選択したアレイ・デザインは、幾何学的なスパイラルの二つの直角な軸に沿って、合計１２の検出器を配置している。各三角形が検出器を表し、各検出器には、反時計回りに、１から１２までの番号を付している。

フーリエ変換ｕ−ｖ平面の効率的な取り扱いのために、各検出器対の間隔を変化させて、各対によって、他の成分の調波でないユニークな空間フーリエ成分が生成されるようにすることが重要である。同じ検出器間隔で多数回行っても、追加の画像処理情報は得られない。図５の間隔は、次式から模型化されている。

（数１）
ｄ＝ａｒ_ｏｂ^{（ｎ−１）}

この場合、ｄは原点からの距離であり、ａは間隔定数であり、ｒ_ｏは第一の検出器の距離であり、そしてｎは検出器の数である。値ｂは、原点から外へ連続的にらせん状に動く検出器の速度を表す定数である。ｂを選択した後、間隔定数ａを、異なるアプリケーションに対する検出器アレイの全体的なサイズをノーマライズするための、乗法因数として用いることができる。アレイの全体的なサイズは、検出器１２から原点への距離の約２倍と見積もることができる（ｄ_１２＝ａｒ_ｏｂ^１１）。

画像処理アレイが回転プラットホーム上に配置される場合は、ＴＨｚ源に対するアレイの回転を、画像品質を改善するために利用することができる。例えば、Ｎエレメント・アレイの回転中に２０回測定する場合、検出器の相当数は２０Ｎである。これは、画像品質の改善、あるいはアレイ内に必要なアンテナ数の削減につながる。アレイ・プラットホームの回転を用いて、アレイ内の僅か三つのアンテナだけで、ＴＨｚ源の位置を示すことができる。実際、三角形パターンに並べた三つのアンテナを用いて、空間内のＴＨｚ源の位置を三角測量することができる。（ＣＷ赤外線レーザ励起を用いて可能なように）種々のＴＨｚ波長に対して、比較的に狭帯域な検出器を調整することによって、さらに改善を得ることができる。ＴＨｚ源に関するスペクトル情報を与えることに加え、種々のＴＨｚ周波数における干渉写真を、空間分解能を改善する、あるいは必要なアンテナ数を削減するために用いることができる。

アレイ３０から画像を生成するときは、原点の周りにアレイを回転させ、ｕｖ平面内により多くの空間フーリエ成分を満たし、全体的な分解能を改善する。合計９０°に渡って１°の回転毎にアレイからデータを得る。このデータを処理するときは、ＴＨｚ放射源が遠いフィールドに存在すると想定することができる。換言すれば、画像処理アレイから源への距離は、アレイ内の検出器間の典型的な間隔よりもかなり大きい。この限度では、入射するＴＨｚ放射の波面は平らである。

人間が身につけた、あるいはパッケージ内の隠蔽Ｃ４あるいはＲＤＸ爆発物の検出は、ＴＨｚ放射を反射する、あるいは透過させる多くの他の物質があるため、困難である。金属、例えばコインやベルトバックル等は、ほぼ一定な反射スペクトルを持つ。本システムは、平凡なアイテムから、センチメートル・サイズのＣ４あるいはＲＤＸ爆発物を区別することができる。ＲＤＸは、衣類、皮膚及び金属等の他のアイテムとは見分けがつく、特定なＴＨｚ周波数における大きなピークを含む反射スペクトルを持つ。

ＴＨｚ画像処理アレイの性能を実証するために、私たちは、ＲＤＸの画像処理をシミュレートして、そのスペクトル特徴に基づいて、それが金属アイテムから区別できることを発見した。シミュレーションのために、ＲＤＸは、ＴＨｚ画像処理アレイから３０ｍ離れていると仮定した。アレイのサイズは５ｍであった。隣り同士に配置した二つの１．４ｃｍ正方形サンプルの画像を得た。一方はＲＤＸで、他方は金属である。ＲＤＸの０．０８、０．１７５及び０．４ＴＨｚの特有な周波数において大きな反射を示す位置を赤く着色することによって、虚偽色画像を生成した。他の、個々の周波数に、各々、ＴＨｚ周波数に比例した色を割り当てた。その結果、（すべてのＴＨｚ周波数を反映する）金属は白色になり、ＲＤＸは、金属及び背景から容易に区別できた。周波数の関数としてＴＨｚ画像を分析するために、そしてＲＤＸのスペクトル特性を示す空間位置を識別するために、ニューラルネットワーク・アルゴリズムを用いることができる。

天文学のアプリケーションに用いるアレイと、隠匿武器の検出のために本アプリケーションに用いるものとの間には、いくつかの重要な相違がある。天文学電波干渉画像に対しては、入射する電波が平らな波面を持つと仮定する。種々の検出エレメント間の適当な遅延で、同じ波面からの電場を、どの対のエレメントもサンプリングすることができる。同じ波面をサンプリングする場合、同じ波面上のすべての点が同じ位相を持つ（空間的にコヒーレントである）ことが分かっているため、インコヒーレント放射源でさえも干渉法的に検出することができる。爆発物の検出へのアプリケーションに対しては、基線（アレイ・エレメントの間隔）は、〜１０ｃｍであると推定する。ＴＨｚ源と検出アレイとの距離は、エントランス・タイプ検出での数メートルから、より広い領域の検出での、約５０メートル程度であろう。２〜５０メートルの距離は、アレイ・エレメントの間隔よりも、大きさの順位が少々大きいため、ＴＨｚ干渉計アレイは、部分的にカーブした、平らではない波面に対処しなければならない。さらに、波面がカーブしているため、検出エレメント間の適当な遅延は波面の湾曲に依存し、ＴＨｚ放射のインコヒーレント源を画像処理することはより困難である。

この潜在的、技術的な問題は、十分に長いコヒーレント長を持つＴＨｚ源放射を用いることによって克服できる。ＴＨｚを生成するＥＣＤＬレーザが非常に長いコヒーレント長を持つため、光ヘテロダイン差周波数混合によって生成されるＴＨｚ放射は、非常に長いコヒーレント長を持つ。長いコヒーレント長ＴＨｚ源を用いることは、連続する多くの波面が、コヒーレントであり、容易に干渉信号を生じることを意味する。この設計上の制約は、画像処理することが可能なＴＨｚ源のタイプに対する、コヒーレント長の限度を定める。

天文学のアプリケーションでは、ＴＨｚ源（例えば、星）の位置、物理的な広がり、そして周波数コンテンツは分かっていない。電波干渉計アレイ及びデータ処理は、電波源の位置及びスペクトル内容を決定するためにデザインされる。本発明では、ＴＨｚ源の位置、物理的な広がり、そしてスペクトルは、それらが画像処理システムの一部であるため、既知である。代わって、興味は、介入する物質のＴＨｚ透過あるいは反射スペクトルにある。すなわち、爆発物あるいは生物兵器が存在するかどうかである。爆発物あるいは生物兵器の存在に対してＴＨｚ画像を処理するためには、ＴＨｚ局部発振器の周波数を変更することによって、特有なＴＨｚ周波数における画像を得る。ＴＨｚ画像から爆発物及び生物兵器の存在を判定するためには、疑似ニューラルネットワーク（ＡＮＮ）アルゴリズムを用いることができる。ＡＮＮは、インプットをアウトプットへマッピングする、数学的な関数のコレクションである。本発明においては、インプットは、ＴＨｚ干渉画像処理システムから得られるスペクトル画像アレイである。アウトプットは、絶対的確証、そして標的兵器の検出領域内の位置である。インプットとしての特定なＴＨｚ周波数における検出パワーに対して値を用いることで、特定な爆発物あるいは生物兵器に対応するＴＨｚ色（例えば、周波数）の異なる組み合わせの存在を認識するよう、ニューラルネットワークを「訓練する」ことができる。ＡＮＮの、このタイプの使用は、よく知られている。例えば、ＡＮＮは、フーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）吸収スペクトルに基づいて、微生物のほぼ１５０品種を分類するための分類段階を確立するために用いた。「バクテリアの識別のための、疑似ニューラルネットワーク及びＦＴＩＲスペクトルによる階層的な分類システムの開発」（T. Udelhoven, et al., "Development of a Hierarchical Classification
System with Artificial Neural Networks and FT-IR Spectra for the Identification
of Bacteria,"Applied Spectroscopy, 54, no. 10, p.1471（2000））。同様に、ＡＮＮを使用して、低ＳＮ比のラマン・スペクトルから、高精度で多種類の、塩素処理した炭化水素の混合物内の個々の有機成分を識別した。「分光分析法とハイブリッド・ニューラルネットワーク分析」（T. Lu and J. Lerner, "Spectroscopy and Hybrid Neural Network Analysis,"
Proc. IEEE, 84, no. 6, p.895（1996））。同様に、ＤＮＡの異なるセットを識別するために、分析ツールとしてのＴＨｚスペクトルと共にニューラルネットワークの原理を用いた。「ＤＮＡ高分子の準ミリ波振動分光分析法へのニューラルネットワーク分析の応用」（T. Globus, et. al "Application of Neural Network Analysis to Submillimeter-wave
vibrational spectroscopy of DNA macromoledules", in the Proceedings to the
2001 ISSSR, June 12-15, Quebec City, Canada（2001））。本発明においては、誤り検出率を減少させるために、異なる時に、あるいは異なる空間分解能で撮影した結合画像を分析するのに、疑似ニューラルネットワークを用いることができる。

図５の概略図に示すように、本発明におけるＴＨｚ放射を検出する（そして生成する）方法は、光導電アンテナ構造物による、二つのＣＷ赤外線レーザ光線の光学的ミキシングである。二つの外部キャビティ・ダイオード・レーザ（ＥＣＤＬ）の周波数の差は、３３ｃｍ^−１（遠赤外領域）に対応する、約１ＴＨｚに調整する。ＥＣＤＬは、中心波長７８０ｎｍと、±４．２ＴＨｚに対応する±９ｎｍのチューニング範囲を持つ。ＥＣＤＬレーザは、０．１〜２ＴＨｚの差周波数の走査を可能にする、優秀な安定性（ライン幅、約５ＭＨｚ）を持つ。より安価なＤＦＢ及びダイオード・レーザではなくＥＣＤＬレーザを選択した。その理由は、ＥＣＤＬの柔軟性及びチューニングの容易さにある。レーザのアウトプットは、ファイバ・カップラ２９内で結合される。結合レーザ光線のパワーを、光ファイバ・スプリッタ３０を用いて分割し、光ファイバ・ケーブルを用いる離間検出器対からなる二つの検出アンテナ２２、２４へ向ける。入射ＴＨｚと赤外線レーザとの光学的ミキシングは、中間周波数ω_ＩＦの電気信号を生成する。フィルター３２、３４においてＩＦ周波数帯をフィルターして、それから相関回路３６を用いることによって、アンテナ対の空間フーリエ成分を測定する。ＴＨｚ検出器として、先に述べたピコメトリクス社が製造したもののような、光導電検出器を用いることができる。

二つのレーザ源は、ＴＨｚ範囲内の差周波数（△ω）に調整する。結合レーザ光線を、ファイバスプリッタを用いて分割し、それから、光学的ミキシングによって入射ＴＨｚ放射を検出するために、光導電アンテナへ導く。

ヘテロダイン検波の使用で、ミキシングしたＴＨｚ周波数の中間周波数は、ホモダイン検波の典型的なＤＣあるいはｋＨｚ範囲ではなく、ＭＨｚ範囲内になる。［短パルス・レーザ源を用いる、標準ＴＨｚ分光分析法の設定に対しては、ＴＨｚ放射器へのレーザ光線あるいは適用電圧を、ロックイン増幅器を用いる位相判別検出を促進するために、ｋＨｚ反復率で変調する。］ＴＨｚ検出電子装置は、アンテナ検出器パッケージが１００ＭＨｚ範囲内の中間周波数を送信することができるよう、設計する。

図７に示すように、ＴＨｚ信号を中間周波数（ＩＦ）へ下げてミキシングした後、０．０１から数ＧＨｚ範囲内の非常に良いフィルタ３２、３４と低ノイズ増幅器３１、３３を用いる。これは、この周波数範囲が、（ベースバンドとして）無線通信に、そして（サイドバンドとして）光通信に非常に重要であるためである。中間周波数は１００ＭＨｚで処理する。この周波数の電子部品が容易に利用可能であるためである。第一のステップは、ナイキスト周波数（１００ＭＨｚ帯域幅に対して１Ｇサンプル／ｓ）においてサンプリングして、入射ＩＦ帯域をデジタル化することである。それから、デジタル信号をタイム・デマルチプレクサ（シフトレジスタ）に通し、シフトレジスタの各ビットを、第二のＴＨｚ検出器からの対応するビットに関連づける（乗する）。１ＧＨｚでサンプリングした信号を、８ビット・タイム・デマルチプレクサを用いて、１２５ＭＨｚへ低速化し、それから相関のために、１２５ＭＨｚの現場でプログラム可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）へ渡す。このアレンジメントは、Ｎ＝６４ラグ（８×８）を提供する。これは、帯域幅Ｂ＝１００ＭＨｚに対する周波数分解能△ｆ＝２Ｂ／Ｎ＝１５．６ＭＨｚを提供する。相関器チップをカスケードにすることで、より高いラグ数を達成することができ、より高周波の分解能を得る。これを一つの相関器ユニットと考え、各相関器ユニットが一対の検出器からの信号を処理する。ｎ検出器に対しては、ｎ（ｎ−１）／２の相関器ユニットが必要である。

ＴＨｚ源、検出器、構成要素に関する研究は非常にさかんであるため、将来、ここで論じたものよりも優れたＴＨｚ構成要素が開発される可能性がある。しかしながら、ＴＨｚ画像処理アレイの全体的なデザインは非常に強固である。（ａ）（どんな新しいＴＨｚミキサー及びＴＨｚ局部発振器の場合でも）新しい検出エレメントが、パワーではなく、むしろＴＨｚ電場を検出する限り、その新しいミキサー技術は、ＴＨｚ画像処理アレイの性能を改善するために用いることができる。（ｂ）画像処理すべきＴＨｚ源は、インコヒーレントあるいはコヒーレントである。これは、実際、ＴＨｚ干渉計アレイ・アプローチに対するシステム工学の利点である。干渉計アレイ・デザインは、ＴＨｚ局部発振器源及びミキサーの進歩を容易に取り入れることができるため、ＴＨｚ技術の前進の各々に対してＴＨｚアレイを全体的に再発明する必要はない。

本発明を、その特定な実施例に関して記載したが、本技術の熟練者には、開示から、本発明の範囲内で本発明に対する多くの変更が可能である。したがって、本発明は、総括的に解釈されるべきであり、添付の請求項の範囲のみによって限定されるものである。

本発明の、可能なシステムの実施例を概略的に示すものである。 本発明の、可能なシステムの実施例を概略的に示すものである。 間隔を置いた一対の検出器で測定した、入射ＴＨｚ波面の位相を示す概略図である。 固定分離された一つの検出器対が生成する真の空間画像の写真である。 検出器対の分離（基線）の関数として検出器対が測定する、相関ＴＨｚ電場の予想依存性を描写するグラフである。このプロットに対しては、α＝１０°、ｋ＝１６．５ｃｍ^-1（０．５ＴＨｚ）、そしてＡ＝１。 一列配置にある五つの検出器アンテナの概略図である。 ヘテロダイン光混合による干渉検出を可能にする、本発明で用いる要素を描写する概略図である。 回転モードで用いる検出器アンテナの配置を描写する概略図である。 本発明の検出器出力を処理するために用いる中間周波電子装置の構成を描写する概略図である。

Claims (24)

1. 特定な成分の存在を判定するために、関心領域を検査するためのテラヘルツ画像処理装置であって、
   （ａ）前記検査に適した、０．１から１０テラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数の電磁放射を発生させるための手段、
   （ｂ）前記関心領域に入射する前記周波数の放射を提供するための手段、
   （ｃ）前記関心領域から反射した又は前記関心領域を透過した前記周波数の放射を、前記関心領域から間隔を置いた検出器平面内の複数の点において同時に検出するために間隔を有して配置された複数の検出器から構成される干渉法によるアレイを含む検出器手段、そして
   （ｄ）前記特定な成分の存在を確定可能なよう、前記検出した前記周波数の放射を前記関心領域の画像へ変換するための手段からなる、テラヘルツ画像処理装置。
2. 前記（ｃ）の干渉法によるアレイの複数の検出器が、非周期的パターンに配置された、請求項１に記載の装置。
3. 複数の検出器から構成される干渉法によるアレイの前記検出器手段における、非周期的パターンに配置された前記検出器の間隔は、任意の１対の検出器間の距離によって形成されるベクトルが、他の１対の検出器間の距離によって形成されるベクトルと同一ではないような間隔であることを含む、請求項２に記載の装置。
4. 複数の検出器から構成される干渉法によるアレイの前記検出器手段における、非周期的パターンに配置された前記検出器は、対数周期間隔に配置される請求項２または３に記載の装置。
5. 相関位相と振幅成分とからフーリエ変換再生像を生成するために前記複数の検出器対からの信号出力を合成する手段を含む、請求項１から４のいずれかに記載の装置
6. 前記検出器アレイが、複数の半導体光ミキサーからなり、さらに光ミキサー駆動手段を含む、請求項５に記載の装置。
7. 前記光ミキサー駆動手段が、普通の光ファイバ・コネクタによって前記光ミキサーに結合した、周波数安定化チューナブル光ヘテロダイン源からなる、請求項６に記載の装置。
8. 前記検出器アレイが、一列配置の検出器からなる、請求項５に記載の装置。
9. さらに、前記アレイを固定軸の回りに回転させるための手段を含む、請求項８に記載の装置。
10. さらに、前記フーリエ成分のフーリエ逆変換によって、前記関心領域における本来の輝度分布を合成するための手段を含む、請求項５に記載の装置。
11. さらに、前記フーリエ成分のフーリエ逆変換によって、前記関心領域における本来の輝度分布を合成するための手段を含む、請求項６に記載の装置。
12. 前記光ミキサーが光導電デバイスであり、光ミキサーの各対の前記駆動手段が、前記光ミキサーにゲートを付ける差周波数を持つ一対のレーザからなり、前記一対の光ミキサーの各メンバーにおける入射テラヘルツ放射が、前記差周波数にミキシングされて、中間周波数で修正信号アウトプットが提供されることによって、信号処理が促進する、請求項６に記載の装置。
13. さらに、前記特定な成分の存在を判定するために、画像処理した関心領域の部分を判定標準に比較するための画像分析手段を含む、請求項１０に記載の装置。
14. さらに、前記特定な成分の存在を判定するために、画像処理した関心領域の部分を判定標準に比較するための画像分析手段を含む、請求項１１に記載の装置。
15. 前記分析手段が、爆発性成分に対応する判定標準に、前記部分を比較する、請求項１０または１１に記載の装置。
16. 前記分析手段が、生物兵器に対応する判定標準に、前記部分を比較する、請求項１０または１１に記載の装置。
17. 特定な成分の存在を判定するために、関心領域を検査するためのテラヘルツ画像処理方法であって、
    （ａ）前記検査に適した、０．１から１０テラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数の電磁放射を発生させること、
    （ｂ）前記関心領域に入射する前記周波数の放射を提供すること、
    （ｃ）前記関心領域から反射した又は前記関心領域を透過した前記周波数の放射を、前記関心領域から間隔を置いた検出器平面内の複数の点において、間隔を有して配置される複数の検出器から構成される干渉法によるアレイにより、同時に検出すること、そして
    （ｄ）前記特定な成分の存在が確定可能なよう、前記検出した前記周波数の放射を前記関心領域の画像へ変換することからなる、テラヘルツ画像処理方法。
18. ステップ（ｃ）が、非周期的パターンに配置された複数の検出器を含んで構成される干渉法によるアレイによって検出される、請求項１７に記載の方法。
19. ステップ（ｃ）において、複数の検出器から構成される干渉法によるアレイの前記検出器手段における非周期的パターンに配置される前記検出器の間隔は、任意の１対の検出器間の距離によって形成されるベクトルが、他の１対の検出器間の距離によって形成されるベクトルと同一ではないような間隔である、請求項１８に記載の方法。
20. ステップ（ｃ）において、非周期的パターンに配置された前記複数検出器の間隔は、対数周期間隔に配置される複数の検出器から構成される干渉法によるアレイによって検出される、請求項１８または１９に記載の方法。
21. 前記検出器の対からの信号出力が、フーリエ変換再生像を得るために相関位相と振幅成分とから合成される、請求項１７から２０までのいずれかに記載の方法。
22. 前記関心領域における本来の輝度分布が、前記フーリエ成分のフーリエ逆変換によって合
    成される、請求項２１に記載の方法。
23. 前記関心領域が爆発性成分を含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記関心領域が生物兵器を含む、請求項２２に記載の方法。

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