JP4653910B2 - マルチパスミリ波映像化レーダシステムおよび透過映像再生方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は映像化レーダシステムに係り、特にミリ波帯域の電波を検査対象に照射することによって近距離の対象物の精細な透過映像を再生することができるようにしたマルチパスミリ波映像化レーダシステムおよび透過映像再生方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ミリ波(30GHz以上の電波)は、光と異なり、物体を透過する能力が優れており、霧、布、紙などで遮蔽された物体の映像を得るために利用される。しかし、ミリ波の映像を得るためには技術的に多くの困難がある。特に、高周波の回路技術は現状で実現のための大きな障壁である。そのために、比較的に高周波で動作し、実装上の困難も比較的少ないショットキバリアダイオードを受信器として用いる簡単な回路構成で映像装置を実現する場合が多い。ミリ波の位相をも考慮して近距離を精細に映像化しようとする試みは少ない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
それぞれ複数個の送信・受信アンテナ素子を一次元的に配列し、各アンテナ素子を切替えることでミリ波映像を得ようとするが、ミリ波帯域の電波の切替処理は困難であるため、アンテナから放射しようとするミリ波の1/2の周波数の信号を高周波回路の内部で発生させ、アンテナ素子切替回路の直前で周波数を2倍に逓倍する。受信するミリ波は次のようにしてどのアンテナ素子で受信したか判るようにする。受信アンテナ素子に分数調波検波機能を持った検波回路を設けておいて切替の容易な低周波信号に変換する。
【0004】
次に一次元的に配列した送信・受信アンテナ素子と楕円面鏡を組合わせて空間を走査できるようにする。こうすることで映像化(検査)対象にミリ波のエネルギーを有効に照射できる。また有効に反射エネルギーを受信アンテナ素子へ集めることができる。
最後にこうした手順で得たミリ波の信号から、位相をも考慮した精細な対象物の映像を得るためのコンピュータアルゴリズムを提案する。
【0005】
従来の方法では、送信アンテナ素子から照射された電波はこれと対をなす一つの受信アンテナ素子で受信するシングルパス方式を採用しているため、受信アンテナの前に電波が透過し難い層がある場合にはフォーカスが充分になされず、画像がぼけてしまう問題があった。また、シングルパス方式においては、図14に示したように、アンテナ50と映像化対象物60との間に障害物62がある場合には、送信アンテナ素子52から放射した電波56が障害物62によって反射され、映像化対象物60からの反射信号58を受信アンテナ素子54によって受信できなくなる。
【0006】
さらに、シングルパス方式においては、アンテナ50を形成している送信アンテナ素子52と受信アンテナ素子54とが近接して配置してあるため、図15に示したように、映像化対象物60がアンテナ走査面64から深い位置にある場合、送信アンテナ素子52から受信アンテナ素子54に直接回り込む信号66や、基本的に不要な信号(第一波結合)が、遠いところにある物体からの反射信号58に対して圧倒的に大きい。このため、微弱な反射信号58を受信するために増幅率を大きくしようとしても、受信器が直接回り込む信号66などによって飽和を起こすために増幅率に制限あって、遠く離れた物体の映像が得られない欠点がある。加えて、図16に示したように、映像化対象物60が傾斜している場合には、シングルパス方式ではこれを受信できず、かりにアンテナ50を走査して映像化対象物60からの反射信号58を受信することができたとしても、電波56を送信してから反射信号58を受信するまでの時間に対応した円弧68上の何れの点に存在するかを特定することができず、得られた画像の画質が良質でない問題がある。
【0007】
本発明は、上記従来の問題点に着目し、対象物の高精細な透過映像を得ることができるミリ波映像化レーダシステムを提供することを目的とする。更に、本発明は、梱包された荷物の中身や衣類の下の凶器などを映像化する近距離用に適用することができるもので、透過能力と分解能の両立が特徴となっているミリ波映像化レーダシステムおよび透過映像再生方法を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る映像化レーダシステムは、発振回路と受信回路を有するレーダ本体と、前記発振回路と受信回路とにそれぞれアンテナ素子切替器を介して接続されミリ波帯域の電波を送受信する送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列とからなるアレイアンテナと、このアレイアンテナを第一焦点線位置に配列するとともに当該第一焦点周りに回転駆動可能として第二焦点線を旋回走査可能とした楕円筒面反射鏡と、前記楕円筒面反射鏡の回転信号に同期させて送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の全ての組合わせを選択するように前記アンテナ素子切替器を制御するコントローラと、前記楕円筒面反射鏡の回転角信号毎に検出された受信信号に基づき前記第二焦点線前方における標的からの反射波の結像処理を前記回転角信号毎に行なって前記標的の3次元画像を合成する像再生処理からなる演算部と、を有してなることを特徴とするものである。
この場合において、前記演算部は、前記第一焦点線位置に配列された前記アンテナアレイで検出されたデータを、前記第二焦点線位置に仮想的に配列した仮想アンテナアレイで検出されるデータに変換し、前記仮想アンテナアレイで検出されるデータを全ての回転角に対して集め、これを基に前記第二焦点線前方における前記標的の3次元画像を構築するようにすればよい。
【0009】
この場合において、前記送信アンテナ素子列の前段に周波数逓倍器を配置するとともに、前記受信アンテナ素子列の後段に分数調波検波器を設け、当該分数調波検波器には位相シフトされた参照信号を入力させるようにすればよい。
【0010】
また、本発明に係る透過映像再生方法は、楕円筒面反射鏡の第一焦点に沿って配列したアレイアンテナからミリ波帯域の電波を放射し、前記楕円筒面反射鏡の第二焦点より前方にある標的に照射し、当該対象物からの反射波を前記楕円筒面反射鏡を前記第一焦点周りに回転させつつ回転信号に同期させて送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の全ての組合わせを選択するアンテナ素子の切替処理を行なって受信させ、前記第二焦点線前方からの反射信号の結像出力を前記楕円筒面反射鏡の回転角信号毎に演算して合成することにより結合画像を得て前記標的の透過映像を得るようにしたものである。
【0011】
すなわち、本発明は、ミリ波の映像化レーダシステムの構成として、リニアアレイアンテナと楕円筒面鏡を用いた空間のスキャニング方法を用い、アレイアンテナの方式には、一つの送信アンテナ素子から電波を放射させ、この電波の反射波を全ての受信アンテナ素子で受信する、いわゆるマルチパス方式を用い、得られたデータから対象物の映像を再生するコンピュータアルゴリズムを用いる。
【0012】
本発明では、送信・受信アンテナ素子の両方を切り替えるようにしている点に一つの特徴があり、従来方式が受信アンテナ素子をのみを切り替える方式であったものとしている点で異なっている。さらに、送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列の中から任意の組み合わせが送受信に使用できるマルチパス方式を用いている。送受アンテナ素子列を用い、回転ミラーを用いて2次元へ投影することで、面的な映像を得ることができる。このとき、従来技術に比べて以下の3点で優れている。
【0013】
(a)送受両方の切り替えにより、送信アンテナ素子または受信アンテナ素子を切り替えなかった場合と比べて分解能が2倍になる。したがって、上記従来技術と同じ分解能に設定すると、使用周波数が1/2でよく、透過能力は2倍になる。
(b)ミリ波の場合、回路技術上の困難から周波数が固定のCW動作を用いるが、この場合、距離方向の分解能が著しく低下し、事実上、2次元の映像となる。しかし、本発明のマルチパス方式では、距離方向の分解能が保持される。すなわち、3次元の映像が得られる。
(c)上記(b)の効果のため、手前と遮蔽体の向こう側の見たい物とを分離できるという長所があり、透過映像を鮮明に再生することができる。
【0014】
本発明の原理は以下のようになものである。
図2に示したように、楕円筒体100の一部を形成する楕円筒面反射鏡10の第一焦点位置(楕円筒体100の第一焦点位置)を通る線上に、詳細を後述するリニアアレイアンテナを配置しておき、前記第一焦点のアンテナ素子列配列線をY座標軸、楕円筒体100の第二焦点のアンテナ素子列配列線をY’座標軸とし、楕円短軸に平行で前記第一焦点線上の点P01を通る直交軸をX座標軸、楕円長軸方向をZ座標軸とした場合、送信アンテナ素子から放射し反射鏡10で反射した電波は、全て楕円筒体100の第二焦点に沿ったY’座標軸を横切る。すなわち、Y座標軸上の点P01(第一焦点)から放射した電波は、Y’座標軸上(第二焦点)へ線状に収束するが、Y’座標軸上の例えば点P02のような一点には集まらない。このY’座標軸を仮想的なアレイアンテナとするには実際のアレイアンテナが置かれているY座標軸上で得たデータに経路(Y座標軸上の点→楕円面→Y’座標軸上の点)による位相の補正を加えることで目的が達成できる。この位相の補正は、数学的に求めることが可能である。
【0015】
さらに、図4のように楕円筒面鏡10が楕円筒体100の第一焦点線であるY座標軸を中心として矢印69のように回転すると、楕円筒体100の第二焦点の軌跡として第二焦点面70が形成され、あたかもそこに2次元的にアンテナ素子が配列されたかのごとくとなる。すなわち図4の第二焦点線より前方の標的72側の領域2において、第二焦点面70上を走査する仮想一次元マルチパスアレイアンテナを設定し、実際のアンテナ(第一焦点線に配置したアンテナ)で計測されるデータを、この仮想アンテナでのデータに変換する。こうして2次元的に配列されたアンテナ素子で計測したと同等のことが楕円面鏡10を用いて実現できる。楕円筒体100の第二焦点を楕円筒面鏡10から十分遠くになるように設計し、楕円筒面鏡10の回転を微小とすると、この焦点面70を近似的に平面と考えることができる。
【0016】
ところで、図4に示したように、楕円筒体100の第一焦点線上の点P01から放射された電波が、楕円筒面鏡10の点Pa において反射され、第二焦点面70の点Pb を通って標的72に照射され、その反射波が点Pb を通って点Pa において反射されて点P01において受信されたとすると、直線Pa Pb の、点P01と点Pa との距離l1 だけ延長した点P01 ’おいて電磁波を放射し、反射波を受信したのと同様に見なせる。そして、楕円の性質から、第一焦点P01 と楕円上の点Pa との距離l1 と、楕円上の点Pa と楕円の第2焦点Pb (P02 )との距離l2 との和lは、点Pa が楕円上のいかなる位置にあろうと一定である。すなわち、
【数1】
の関係にある。
【0017】
そこで、楕円筒面鏡10を用いて三次元映像を得ようとする場合、まず、第1段階として、第一焦点で得られたデータを、次のようにして第二焦点の仮想アンテナで受信したデータに変換する。すなわち、図6に模式的に示したように、第一焦点線(Y座標軸)上の点P1(x,y1,z0 )において電波を放射し、第二焦点線(Y’座標軸)上の点P1 ’(x,y1’,z)を通って標的(物体72)に照射され、標的72からの反射波が第二焦点線上の点P2’(x,y2’,z)を通って第一焦点線上の点P2 において受信されたとする。また、点P1 と点P1’との間の電波の伝播時間をΔt1 、点P2 と点P2’との間の電波の伝播時間をΔt2 とする。
【0018】
Y座標軸上の点P1 に配置した送信アンテナ素子と、Y座標軸上の点P2 に配置した受信アンテナ素子とを用いて得られたデータをφx,y1,y2,z0(t)とすると、Y’座標軸の点P1’と点P2’とに仮想の送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とを配置したとして得られるデータは、
【数2】
となる。また、電波の伝播時間Δt1 とΔt2 とは、それぞれ、
【数3】
【数4】
となる。ただし、数式3、数式4においてcは、電波の伝播速度である。
【0019】
このようにして得たY’座標軸における仮想アンテナによる送受信データから、第2段階としてY座標軸における3次元画像データに変換する。ただし、簡略のために、y1’→y1 、y2’→y2 のようにダッシュを省略する。
【0020】
そして、3次元画像を求めるには、図5において(X,Y)面を第二焦点面70とし、次の数式5のような方法を用いればよい。ただし、送信アンテナ素子の位置(x,y1,z)、 受信アンテナ素子の位置(x,y2,z)、 媒対中の点Q(ξ,η,ζ)とする。
【数5】
を求めればよい
【0021】
なお、電波の周波数が固定の場合、反射信号は次のように表すことができる。
【数6】
ただし、ここにri はi番目の反射点での複素反射率であり、φ(t)は送信波形であって、固定周波数のときはeiωt、ωは電波の位相の角速度であってω=2πfであり、fは周波数である。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るマルチパスミリ波映像化レーダシステムの具体的実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態に係るレーダシステムは、図1に示しているように、楕円筒面反射鏡10と、この楕円筒面反射鏡10の第一焦点位置を通る線上にリニアアレイアンテナ12を配置している。楕円筒面反射鏡10は、図2に示したように、楕円筒体100の一部から形成してあって、楕円筒体100の第一焦点線(Y座標軸)を中心に、図示しないアクチュエータによりZX面と平行な面内を回転操作できるようになっている(図1中矢印A)。また、楕円筒面反射鏡10とリニアアレイアンテナ12とは、図3に示したように、移動台車76に搭載してあって、任意の場所に容易に移動できるようにしてある。さらに、この移動台車76には、詳細を後述するレーダ本体14が搭載してある。
【0023】
楕円筒面反射鏡10は、図2に示されているように、第一焦点線を囲む楕円の1/4より小さく設定されており、装置サイズを小型にするようにしている。したがって、第一焦点線に置かれたアレイアンテナ12からの放射電波(送信信号)82は、楕円筒面反射鏡10により反射されて、図3に示したように、人などの検査対象となる標的72に近い空間に設定される楕円筒体100の第二焦点線を通過した後に、標的72に照射され、同時に楕円筒面反射鏡10を回転させることにより、第二焦点線が第一焦点を中心とした円弧80の軌跡を走査し、標的72に回転角毎に連続して照射されるものとなる。
【0024】
上記アレイアンテナ12には、電波82を放射する複数の送信アンテナ素子12Tと、電波82の反射波を受信する複数の受信アンテナ素子12Rとから構成してある。これらの送信アンテナ素子12Tと受信アンテナ素子12Rとは、それぞれが直線状に相互に平行して配列してあるとともに、この実施形態の場合、送信アンテナ素子12Tと受信アンテナ素子12Rとが千鳥状をなすように配置してある。そして、送信アンテナ素子12Tと受信アンテナ素子12Rとは、レーダ本体14に接続されている(図1参照)。
【0025】
レーダ本体14は、発振回路と受信回路とが設けられている。発振回路における発振器15は、透過映像を取得するためには例えば30GHzのミリ波を発振させる必要があるが、後述するアンテナの切替処理が非常に困難であるため、実施形態では周波数がf/2(15GHz)のマイクロ波を発振させるようにしている。発振したマイクロ波は方向性結合器16、増幅器18を経て複数の送信アンテナ素子12Tに供給されるが、アンテナ素子12Tの前段には送信アンテナ素子切替器20Tが設けられている。これはSPNT(Single PortN Transfer)切替器により構成され、個々の送信アンテナ素子12Tに対して電波82を放射するアンテナ素子12Tを順次切り替えることができるようにしている。
【0026】
一方、受信回路は受信アンテナ素子12Rにて受信された反射波の信号を増幅器22にて増幅した後、A/D変換器24を経て信号処理をなす演算部(後述)に入力させるようにしている。この受信回路において、前記増幅器22で増幅する前のアンテナ12の後段には送信側と同様にSPNT切替器からなる受信アンテナ素子切替器20Rが設けられ、複数の受信アンテナ素子12Rによって得られた受信信号を個々の受信アンテナ素子12R毎に取得するようにしている。
【0027】
ところで、上記アンテナ素子切替器20T、20Rにおける切替処理はシステムコントローラ26により制御されるが、前記楕円筒面反射鏡10の回転信号に同期させて送信アンテナ素子12Tと受信アンテナ素子12Rの全ての組合わせを選択するようにしている。システムコントローラ26はスイッチの切替信号を生成し、楕円筒面反射鏡10の回転角信号1パルスをトリガーとして送信アンテナ素子12Tを切り替え、ここの送信アンテナ素子12Tの選択信号1パルスにつき全ての受信アンテナ素子12Rが順次選択されるように電子スキャンさせる。
【0028】
すなわち、一つの送信アンテナ素子12Tから電波が放射されたときに、リニアに配列された受信アンテナ素子12Rが順次受信するように切り替えられ、次の送信アンテナ素子12Tから電波放射するように切り替えられたときも、同様に全ての受信アンテナ素子12Rが受信できるように切り替えられる。これが全ての送信アンテナ素子12Tから放射されるまで繰り返される。いわゆるマルチパス方式である。このような送受信が楕円筒面反射鏡10の回転角信号1パルス毎に繰り返され、標的を走査するのである。
【0029】
ところで、実施形態では、アンテナ素子切替器20T、20Rとアレイアンテナ12の間に送信側では周波数逓倍器28が介装され、受信側には1/2分数調波検波器(サブハーモニックミキサ)30が介装されている。これにより、信号の切替が困難なミリ波の領域での切替、増幅処理を1/2周波数で行ない、アンテナ12ではミリ波の周波数領域の信号を送信、受信するようにしている。検波器出口の信号(IF信号)はもはや高周波でなくなるため、通常の半導体切替器で受信信号の切替ができるものとなる。
【0030】
周波数逓倍器28としては、図7に示したように、周波数fの信号入力経路にバラクタダイオード32と、1/4波長スタブ34を介装しており、バラクタダイオード32の非線形性を用いて入力周波数fの2倍の周波数を作るようにしている。そしてバンドパスフィルタ36を介して出力経路に流すようにしている。
【0031】
また、受信回路において、通常の検波と異なるのは、1/2分数調波検波器を用いていることで、参照信号(LO信号)に発振器15の生成したRF信号の、周波数fの半分の周波数であるf/2の信号を使う。このとき、IF信号に複素データを得るためには、LO信号の位相を45度移相する必要がある。このために参照信号ラインに45度位相シフタ32を挿入している。位相シフタ32は、図8に示しているように、RF入力経路とRF出力経路とを90度ハイブリッド回路40で接続するとともに、このハイブリッド回路40にバラクタダイオード42を接続し、バラクタダイオード42の電圧可変容量性を用いて位相を電気的に変えるようにしている。1/4波長のマイクロストリップ44はバラクタダイオード42のバイアス側端子を仮想接地するためのものである。
【0032】
前記1/2分数調波検波器(サブハーモニックミキサ)30としては、例えば図9に示した構成とすればよく、2個のショットキバリアダイオード46を互いに逆向きに並列接続した構成とし、その一端に位相シフタ32からの参照信号(周波数f/2)ラインを、他端にコンデンサ48を介して受信アンテナ素子12RからのRF信号(周波数f)ラインを接続する。逆向き並列接続された一対のショットキバリアダイオード46の非線形特性は奇関数であるので参照信号f/2の2倍の周波数とRF信号fがミキシングされる。1/4波長スタブ50は2つの入力信号がミキサの反対側に漏れないようにするためのものである。ミキシング結果であるIF信号はローパスフィルタ(インダクタ)52を通して取り出され、受信アンテナ素子切替器20Rに出力される。
【0033】
装置システムの動作タイミングを図10に示す。楕円筒面反射鏡10の回転信号に同期して送信アンテナ素子12Tと受信アンテナ素子12Rとのすべての組合わせが順に選ばれる。その一つの組合わせの中で移相器が0度と45度の2状態をとる。
すなわち、実施形態に係るレーダシステムは、CW方式となっていて、図10(a)に示したように、システムコントローラ26は、図示しないアクチュエータに駆動信号Aを与えて楕円筒面反射鏡10を所定角度だけ回転させると、同図(b)に示したように、送信アンテナ切替器20Tに切替制御信号B1 を送出し、例えば1番目の送信アンテナ素子12Tに対応した周波数逓倍器28を増幅器18に接続し、第1番目の送信アンテナ素子12Tから15GHzの電波(送信信号)82を放射させる。さらに、システムコントラーら26は、第1番目の送信アンテナ素子12Tが電波82を放射している間に、同図(c)に示したように、受信アンテナ素子切替器20Rに切替制御信号C1 、C2 、C3 、………を出力し、各受信アンテナ素子12Rに対応したサブハーモニックミキサ30を順次増幅器22に切り替えて接続し、各受信アンテナ素子12Rの受信信号をA/D変換器24に入力させる。また、システムコントラーら26は、受信アンテナ素子切替器20Rに切替制御信号C出力するたびに、図10(d)に示したように、45度位相シフタ32に位相切替信号を出力し、45度位相シフタ32により位相を0度と45度とに切り替える。
【0034】
システムコントローラ26は、このようにして第1番目の送信アンテナ素子12Tが送信信号(電波82)を出力している間に、すべての受信アンテナ素子12Rを選択し終わると、図10(b)に示したように、送信アンテナ素子切替器20Tに次の切替信号B2 を出力し、第2番目の送信アンテナ素子12Tから電波82を放射させるとともに、この第2番目の送信アンテナ素子12Tが電波を放射している間に、受信アンテナ素子切替器20Rに切替制御信号Cを出力し、前記と同様にしてすべての受信アンテナ素子12Rを切替選択する。そして、システムコントローラ26は、最後の送信アンテナ素子12Tから電波82を放射させ、受信アンテナ素子12Rの切替を終了すると、アクチュエータに駆動信号を与えて楕円筒面反射鏡10をステップ状に所定角度回転させ、上記と同様にしてアンテナ素子12T、12Rの切替制御を行う。
【0035】
このようにしてミリ波を用いたレーダシステムにより標的をスキャンすることにより、楕円筒面反射鏡10の回転角度信号毎にマルチパス信号が受信されるが、この受信信号と楕円筒面反射鏡10の回転角信号とが像再生処理演算部54に入力されるようになっている。この演算部54は、前記楕円筒面反射鏡10の回転角信号毎に検出された標的72からの反射波の受信信号に基づき標的の透過映像出力信号を演算するものである。
【0036】
この像再生処理演算部54では、マルチパス信号に基づく像再生処理を行なう。これは楕円筒面反射鏡10の第一焦点線に置かれたアレイアンテナ12から放射された電波82は反射鏡10を経て第二焦点線上に収束した後、前方の標的72に照射される。標的72からの反射波の内、前記第二焦点線を横切る反射信号が反射鏡10にて反射されて第一焦点線上のアレイアンテナ12にて受信される。
【0037】
楕円筒面反射鏡10の第一焦点位置を通る線上にリニアアレイアンテナ12を配置しておき、前記第一焦点の配列線をY座標軸、第二焦点の配列線をY’座標軸とし、楕円短軸に平行で前記第一焦点線上の点P01 を通る直交軸をX座標軸、楕円長軸方向をZ座標軸とした場合、図2に示しているように、送信アンテナ素子12Tから放射し反射鏡10で反射した電波は全て第二焦点に沿ったY’座標軸を横切る。すなわち、Y座標軸上の点P01(第一焦点)から放射した電波は、Y’座標軸上(第二焦点)へ線状に収束するが、一点には集まらない。このY’座標軸を仮想的なアレイアンテナとするには実際のアレイアンテナが置かれているY座標軸上で得たデータに経路(Y座標軸上の点→楕円面→Y’座標軸の点)による位相の補正を加えることで目的が達成できる。
【0038】
さらに、図4のように楕円筒面鏡が回転すると、第二焦点の軌跡として第二焦点面70が形成され、あたかもそこに2次元的にアンテナ素子が配列されたかのごとくとなる。すなわち図4の第二焦点線より前方の標的72側の領域2において、第二焦点面70上を走査した仮想一次元マルチパスアレイアンテナを設定し、実際のアンテナで計測されるデータをこの仮想アンテナでのデータに変換する。こうして2次元的に配列されたアンテナ素子で計測したと同等のことが楕円面鏡を用いて実現できる。第二焦点を楕円筒面鏡から十分遠くになるように設計し、楕円筒面鏡の回転を微小とするとこの焦点面を近似的に平面と考えることができる。
【0039】
前記したように、図6において、第一焦点線(Y座標軸)上の点P1(x,y1,z0 )において電波を放射し、第二焦点線(Y’座標軸)上の点P1 ’(x,y1’,z)を通って標的(物体72)に照射され、標的72からの反射波が第二焦点線上の点P2’(x,y2’,z)を通って第一焦点線上の点P2 において受信されたとし、また、点P1 と点P1’との間の電波の伝播時間をΔt1 、点P2 と点P2’との間の電波の伝播時間をΔt2 とする。
【0040】
Y座標軸上の点P1 に配置した送信アンテナ素子と、Y座標軸上の点P2 に配置した受信アンテナ素子とを用いて得られたデータをφx,y1,y2,z0(t)とすると、Y’座標軸の点P1’と点P2’とに仮想の送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とを配置したとして得られるデータは、
【数7】
となる。また、電波の伝播時間Δt1 とΔt2 とは、それぞれ、
【数8】
【数9】
となる。ただし、数式3、数式4においてcは、電波の伝播速度である。
【0041】
このようにして得たY’座標軸における仮想アンテナによる送受信データから、第2段階としてY座標軸における3次元画像データに変換する。ただし、簡略のために、y1’→y1 、y2’→y2 のようにダッシュを省略する。
そして、3次元画像を求めるには図5において(X,Y)面を第二焦点面70として数式10のような方法を用いればよい。
【数10】
を求めればよい
【0042】
このようなレーダシステムを装置として構成する場合には、図3に示すように、移動台車76に搭載し、テーブル84上に送信切替回路90(20T、28)と受信切替回路92(20R、30)を配置するとともに、それらの中央部に一列の送信用と受信用のアレイアンテナ12を配置するようにする。アレイアンテナ12の送受信面の上方位置に楕円筒面反射鏡10を取り付け、その第一焦点に前記アレイアンテナ12が配列するように設定する。楕円筒面反射鏡10をアクチュエータで回転駆動することにより、第一焦点に置かれたアレイアンテナ12の実像が第二焦点の移動に伴って上下にトラバースする。したがって、放射電波82は当該第二焦点で収束した後に、その前方にある標的72に向けて照射され、反射信号は二次元の面(第二焦点面70)上でのデータとして取得することができる。
【0043】
このような実施形態によれば、映像の質に関して、アレイアンテナ12による送受信はマルチパス方式となっているので、従来のシングルパス方式に比べて、次のような利点が得られる。
▲1▼ 一点に多くのデータが集まり、大幅なS/N比向上が図れる。また、アレイアンテナ10の前方に電波の透過し難い層があるとシングルパス方式では画像が崩れる場合があるが、本実施形態のようにマルチパス方式ではこのような問題はない。
▲2▼ 図11に示したように、標的72とアンテナ12の間に障害物62が存在していても、送受信アンテナ素子対が複数選択されるため、障害物62を避け手法じゃ電波82の反射信号58を受信できる信号パス経路を確保することができ、検査を確実に行なうことができる。
▲3▼ 図12に示したように、標的(検査面)72が遠い場合に、反射信号58は微弱で増幅が必要となるが、シングルパス方式では隣接する送受信アンテナ対を用い、送信アンテナから受信アンテナへの回り込み信号66があるため、増幅に制限があったが、本実施形態では送信アンテナ素子12Tと受信アンテナ素子12Rとの組み合わせが任意の組合わせとなるので、離れた送受信アンテナ素子対を選択することにより、回り込みによる信号94などの第一波結合を小さくすることができ、増幅率を上げることができ、その結果、検査距離を向上させることができる。
▲4▼ 更に、図13に示したように、標的72の検査面が傾斜していると、シングルパス方式では反射波を受信できないケースがあるが、送受信アンテナ素子間で全てのパスのデータが受信されるため、標的位置の特定が容易となる。
【0044】
このような利点に加えて、周波数を固定(CW方式)して用いるミリ波の場合には、シングルパス方式と比べて距離分解能が大幅に向上する。
楕円筒面反射鏡により1次元のリニアアレイアンテナを用いて空間全体を走査することができる。
【0045】
ミリ波の場合のように、回路技術の観点から信号の切替が容易でないのに対し、本実施形態では、実際に放射するミリ波の周波数の1/2の周波数で多くのことをしておき、アンテナの直前から直後だけで周波数fを用いることで、技術的に実現できる。
【0046】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、楕円筒面反射鏡の第一焦点に沿って配列したアレイアンテナからミリ波帯域の電波を放射し、前記楕円筒面反射鏡の第二焦点より前方にある標的に照射し、当該対象物からの反射波を前記楕円筒面反射鏡を前記第一焦点周りに回転させつつ回転信号に同期させて送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の全ての組合わせを選択するアンテナ素子の切替処理を行なって受信させ、これらの信号を合成処理することで結合画像を得て前記標的の透過映像を得るようにした。電波障害物の有無に拘わらず確実に検査することができる。更に、梱包された荷物の中身や衣類の下の凶器などを映像化する近距離用に適用することができるもので、透過能力と分解能の両者の特性に優れた透過映像を取得することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態に係るマルチパスミリ波映像化レーダシステムの構成図である。
【図2】実施の形態に係る楕円筒面反射鏡の説明図である。
【図3】実施の形態に係るマルチパスミリ波映像化レーダシステムの概略構成を示す側面断面図である。
【図4】実施の形態に係る楕円筒面反射鏡の作用を説明する図である。
【図5】実施の形態に係るマルチパスミリ波映像化レーダシステムにおける映像化の原理を説明する図である。
【図6】実施の形態に係るマルチパスミリ波映像化レーダシステムにおける第一焦点で得られたデータを第二焦点位置のデータに変換する方法を説明する図である。
【図7】同システムに用いる周波数逓倍器の構成図である。
【図8】同システムに用いる45度位相シフタの構成図である。
【図9】同システムに用いるサブハーモニックミキサの構成図である。
【図10】同システムの動作を説明するタイムチャートである。
【図11】同システムによる障害物が存在する場合の反射信号を受信する原理を説明する図である。
【図12】同システムによる標的が遠いところにある場合の反射信号を受信する原理を説明する図である。
【図13】同システムによる標的が傾斜している場合の反射信号を受信する原理を説明する図である。
【図14】従来のシングルパス方式による障害物が存在する場合に反射信号の受信が困難である理由を説明する図である。
【図15】従来のシングルパス方式による標的が深いところに存在する場合に反射信号の受信が困難であることを説明する図である。
【図16】従来のシングルパス方式による標的が傾斜している場合に反射信号の受信が困難であることを説明する図である。
【符号の説明】
10……楕円筒面反射鏡、12……リニアアレイアンテナ、
12T……送信アンテナ素子、12R……受信アンテナ素子、
14……レーダ本体、15……発振器、16……方向性結合器、
18……増幅器、20T……送信アンテナ素子切替器、
20R……受信アンテナ素子切替器、22……増幅器、
24……A/D変換器、27……システムコントローラ、
28……周波数逓倍器、
30……分数調波検波器(サブハーモニックミキサ)、
37……45度位相シフタ、54……像再生処理演算部、56……表示装置、
72……標的。
Claims (3)
- 発振回路と受信回路を有するレーダ本体と、前記発振回路と受信回路とにそれぞれアンテナ素子切替器を介して接続されミリ波帯域の電波を送受信する送信アンテナ素子列と受信アンテナ素子列とからなるアレイアンテナと、このアレイアンテナを第一焦点線位置に配列するとともに当該第一焦点周りに回転駆動可能として第二焦点線を旋回走査可能とした楕円筒面反射鏡と、前記楕円筒面反射鏡の回転信号に同期させて送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の全ての組合わせを選択するように前記アンテナ素子切替器を制御するコントローラと、前記楕円筒面反射鏡の回転角信号毎に検出された受信信号に基づき前記第二焦点線前方における標的からの反射波の結像処理を前記回転角信号毎に行なって前記標的の3次元画像を合成する像再生処理からなる演算部と、を有してなることを特徴とするマルチパスミリ波映像化レーダシステム。
- 前記演算部は、前記第一焦点線位置に配列された前記アンテナアレイで検出されたデータを、前記第二焦点線位置に仮想的に配列した仮想アンテナアレイで検出されるデータに変換し、前記仮想アンテナアレイで検出されるデータを全ての回転角に対して集め、これを基に前記第二焦点線前方における前記標的の3次元画像を構築することを特徴とする請求項1に記載のマルチパスミリ波映像化レーダシステム。
- 楕円筒面反射鏡を第一焦点周りに回転させつつ回転信号に同期させて送信アンテナ素子と受信アンテナ素子の全ての組合わせを選択するアンテナ素子の切替処理を行なって前記楕円筒面反射鏡の前記第一焦点に沿って配列したアレイアンテナからミリ波帯域の電波を放射し、前記楕円筒面反射鏡の第二焦点より前方にある標的に照射し、回転角信号毎に、前記第一焦点線上のアンテナ素子から出て前記第二焦点を通り前記標的の内部で反射し再び前記第二焦点線上を通り前記第一焦点上のアンテナ素子へ戻る、全ての送受信対に対応したレーダ信号を受信し、最後にこうして得られた信号全てから前記標的の3次元の透過映像を得ることを特徴とする透過映像再生方法。
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