JP5080795B2

JP5080795B2 - イメージング装置

Info

Publication number: JP5080795B2
Application number: JP2006331851A
Authority: JP
Inventors: 浩和鴨田; デラムトーマス; 孝夫九鬼; 徹岩崎
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2026-12-08
Also published as: JP2008145230A

Description

本発明は、電波を利用して被写体像を取得するイメージング装置に関する。

電波を利用したイメージングは、可視光が透過しない材料や媒質（例えば、霧、煙、一部の建材など）を通してその向こうのものを見ることができるものとして、従来から知られている。その特質から、安全監視、ボディスキャン、捜索救助など多くの重要なアプリケーションが存在するが、それらのアプリケーションでは、ビデオフレームレートで画像を取得（リアルタイムの動画像を取得）できることが望ましい。また、完全な２次元のセンサアレーを用いる場合以外は、一般的に電波の走査が必要であり、走査方式によってイメージングシステムの特性が大きく変わる。さらに、電波イメージングには、大きく分けてパッシブ方式とアクティブ方式の２種類の方式がある。

（１）パッシブ方式
パッシブ方式のメージングは、基本的に通常の可視光のカメラと同じ原理であり、対象物そのものから自然に放射されている電波と、対象物の周りの物体から同様に放射されている電波が対象物で反射してカメラに向かって飛んでくる電波との合成のエネルギーを受信することによって画像化している。しかしながら、ミリ波帯の完全な２次元センサアレーの製作が難しいため、ビデオフレームレートのイメージングを実現するために、以下のような走査方式が使われている。

例えば、回転する反射鏡による準光学的な機械式走査方式を採用した９４ＧＨｚ帯のイメージングシステムが開発されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に示されたものは、焦点面には、ホーンアンテナ、低雑音増幅器（ＬＮＡ）、ディテクタで構成されているセンサ１００個が直線アレー状に固定され、２５Ｈｚのフレームレートを有している。

また、機械式走査の必要のない「ｐｕｐｉｌｐｌａｎｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」と呼ばれる技術を用いた８４ＧＨｚ帯のパッシブイメージングシステムもある（例えば、非特許文献２参照）。このシステムでは、３０Ｈｚのフレームレートを有し、アンテナとして、平行平板導波路上に作られた２次元のスロットアレーアンテナを使用しており、エレベーション方向は周波数によって受信方向が変化する周波数走査アンテナとなっており、２０度走査するために１８ＧＨｚの帯域幅となっている。アンテナの出力部には、アジマス方向に２３２本の給電導波管が並んで接続されており、それぞれＬＮＡによって受信信号が増幅される。それぞれの信号は、ロットマンレンズの入力ポートに入力され、アジマス方向に対するビームフォーミング（方位分解）が行われ、各方位に対応する受信信号が出力される。次に、その複数の出力それぞれが、周波数弁別器を通ることによって、エレベーション方向の方位分解が行われ、それぞれの出力がディテクタによって検波され、さらにＡＤコンバータによってデジタイズされて、画像化処理が行われ、これにより画像化される。

（２）アクティブ方式
アクティブ方式のイメージングはレーダの一種でもあり、送信機から視野に向かって電波を照射し、視野から戻ってくる反射波を観測することによって画像を得る。したがって、画像のＳＮ比は単純に送信パワーを上げることで改善できるなどの特徴を有する。

アクティブ方式を用いたものとしては、例えば、連続波を送信する１つの固定送信機をもち、受信アンテナとして、パッチアンテナが２次元に配列された可変反射鏡を用いて、ビームを走査することのできるアンテナをもつシステムがある（例えば、非特許文献３参照）。各々のパッチアンテナは、印加される制御電圧によって反射する位相を変えることができ、パッチアンテナアレー全体で電子的にビームフォーミングを行い、被写体上に作る焦点位置を高速に走査することができるようになっている。

また、従来のアクティブイメージングにおいて、送信機及び受信機をそれぞれ１つずつ用いて、アジマス方向及びエレベーション方向の両方向とも時間的に走査、すなわち２次元の視野画像を構成する全ピクセルを逐次的に走査するシステムもある。このシステムの場合、それぞれのピクセルに送受信機が向いている時間ｔ_{ｄｗｅｌｌ}は、ｔ_{ｄｗｅｌｌ}＝１／ＦＭＮ（Ｆ：フレームレート、Ｍ：アジマス方向のピクセル数、Ｎ：エレベーション方向のピクセル数）と表される。そして、被写体で反射した電波をこのｔ_{ｄｗｅｌｌ}内で受信する必要がある。したがって、比較的解像度の高いイメージングシステム、例えばＦ＝６０Ｈｚ、Ｍ＝Ｎ＝２００のものでは、最大観測距離Ｒ_ｍａｘは、Ｒ_ｍａｘ＜ｃｔ_{ｄｗｅｌｌ}／２＝６２．５ｍ（ｃ：光速）となり、比較的短いものとなる。

この最大観測距離を伸ばす方法の一つとして、例えば非特許文献４に述べられているように、周波数走査アンテナとＦＭＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）送受信機を用いる方法がある。例えば、エレベーション方向に関して、周波数を掃引することによってビームを走査する。一方、アジマス方向には、他の走査方式を用い、エレベーション走査を逐次繰り返す。受信したビート周波数と受信時刻との関係から、被写体の方位及び距離が求められる。受信機はエレベーションの走査時間全体（１／ＦＭ）に渡って受信信号を観測できるので、最大観測距離は大幅に伸びる。例えば、前述のものと同様に、Ｆ＝６０Ｈｚ、Ｍ＝Ｎ＝２００とした場合、最大観測距離は１２．５ｋｍとなる。

しかしながら、１ピクセル分のビート周波数の時間長ｔ_{ｐｉｘｅｌ}は、ｔ_{ｐｉｘｅｌ}＝１／ＦＭＮと短いので、ビート周波数の測定精度は、ｔ_{ｐｉｘｅｌ}の逆数のピクセルあたりの帯域幅Ｂ_{ｐｉｘｅｌ}＝１／ｔ_{ｐｉｘｅｌ}となる。方位分解能がアンテナで決まるビーム幅よりも大きくならないようにするために、隣り合う方位分解セル（ピクセル）の間の周波数変化は測定精度（Ｂ_{ｐｉｘｅｌ}）よりも十分大きくなければならない。

したがって、必要な帯域幅（コヒーレントに受信する帯域幅）Ｂは、Ｂ≫ＦＭＮ^２となり、Ｆ＝６０Ｈｚ、Ｍ＝Ｎ＝２００とした場合、４８０ＭＨｚより十分大きくなければならない。周波数分析を行うために、受信信号をデジタイズすることを考慮すると、解像度及びフレームレートが高い場合には、非特許文献４に示されたものでは、受信帯域幅が広くなりすぎてしまうという課題があった。

この課題の解決を図るものとして、例えば特許文献１に示されたミリ波イメージングシステムがある。このミリ波イメージングシステムは、霧や埃などで視界の悪い状況でのヘリコプタの着陸を支援するためのものであり、ロットマンレンズと多数の受信機系統の使用により、アジマス方向のピクセルを同時に観測することができる。したがって、ピクセルあたりの観測時間は、１／ＦＮになり、最大観測距離を大きくすることができる。

特許文献１に示されたミリ波イメージングシステムの構成を図５に示す。このシステムでは周波数を変えることによってエレベーション方向にファンビーム（扇状のビーム）を走査できる周波数走査アンテナを用いている。すなわち、送信ミリ波周波数を７８−８１ＧＨｚの間でリニアに掃引することにより、送信ビームをエレベーション方向に走査するものである。

図５に示すように、特許文献１に示されたものは、掃引モジュール１、送信用周波数走査アンテナ２ａを含むアップコンバータ２、ヘテロダインダウンコンバータ３、周波数走査アンテナ４ａに接続されたロットマンレンズ４、ベースバンドダウンコンバータ５、データ処理モジュール６を備え、以下のように動作する。

まず、送信側において、掃引モジュール１を使用して中間周波数における周波数掃引信号を生成し、アップコンバータ２でミリ波に周波数変換し、送信用周波数走査アンテナ２ａから送信する。

受信側においても、送信アンテナと同様に周波数によってエレベーション方向に受信ビーム方向が変化する周波数走査アンテナ４ａを用いている。この周波数走査アンテナ４ａにはアジマス方向に並んだ１７６チャンネルの出力があり、それぞれＲＦ増幅器を通してロットマンレンズ４に接続されている。ロットマンレンズ４では、各ＲＦ増幅器からの信号を位相合成してアジマス方向にビームフォーミングが行われる。ロットマンレンズ４の出力ポートは１９２あるので、アジマス方向に１９２個の受信ビームを形成していることになる。

次に、ロットマンレンズ４からの１９２個の出力は、ヘテロダインダウンコンバータ３において、それぞれ個別にミリ波ローカル信号とミクサで混合されて、中間周波数に変換される。その中間周波数信号は、ベースバンドダウンコンバータ５においてさらに送信信号と同じ周波数掃引信号とミクサで混合されてベースバンド信号となり、データ処理モジュール６でデジタルサンプリングされる。このアジマス方向の１９２本分の受信ビームのそれぞれのサンプリングは、送信周波数を７８ＧＨｚから８１ＧＨｚまで掃引しながら２２サンプル取得するので、１９２×２２ピクセルの２次元画像を１フレームごとに取得できる。視野角は９０度×１０度である。

さらに、データ処理モジュール６で、時間領域の受信信号をフーリエ変換することにより、ＦＭＣＷのビート周波数を求めることができ、距離分解能（電波の進行方向の分解能）として５ｍの値を得ることができる。また、送信信号の掃引周波数は６０Ｈｚであるので、フレームレートは６０Ｈｚとなる。

Ｒ．Ａｐｐｌｅｂｙｅｔａｌ，"ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙｓｃａｎｎｅｄｒｅａｌｔｉｍｅＰａｓｓｉｖｅｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｗａｖｅｉｍａｇｉｎｇａｔ９４ＧＨｚ"，Ｐｒｏｃ．ｏｆＳＰＩＥＰａｓｓｉｖｅＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ＷａｖｅＩｍａｇｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶＩ，Ｖｏｌ．５０７７，２００３Ｓ．Ｃｌａｒｋｅｔａｌ，"ＡＲｅａｌ−ｔｉｍｅｗｉｄｅｆｉｅｌｄ−ｏｆ−ｖｉｅｗＰａｓｓｉｖｅＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒＷａｖｅＩｍａｇｉｎｇＣａｍｅｒａ"，Ｐｒｏｃ．ｏｆ３２ｎｄＡｐｐｌｉｅｄＩｍａｇｅｒｙＰａｔｔｅｒｎＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎＷｏｒｋｓｈｏｐ，２００３Ｐ．Ｃｏｒｒｅｄｏｕｒａｅｔａｌ，"Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ＷａｖｅＩｍａｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＰｅｒｓｏｎｎｅｌＳｃｒｅｅｎｉｎｇ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ１０∧７ｐｏｉｎｔｓａｓｅｃｏｎｄａｎｄｕｓｉｎｇｎｏｍｏｖｉｎｇＰａｒｔｓ"，Ｐｒｏｃ．ｏｆＳＰＩＥＰａｓｓｉｖｅＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒＷａｖｅＩｍａｇｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩＸ，Ｖｏｌ．６２１１，Ａｐｒｉｌ２００６Ｋ−ＬＣｈａｎｅｔａｌ，"ＡＢｅａｍＳｃａｎｎｉｎｇＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅＲａｄａｒ，"ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ５，ｐｐ．１２２３−１２２７，１９９８Ｊ．Ｌｏｕｂｅｒｇｅｔａｌ，"ＩｍａｇｉｎｇＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒＷａｖｅＲａｄａｒＳｙｓｔｅｍ"，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔＮｏ．７，０１９，６８２，Ｍａｒｃｈ２００６

しかしながら、特許文献１に示された従来のものは、図５に示すように、多数のＲＦ増幅器、ミクサ、ＡＤコンバータ、多チャンネルのデジタル信号処理回路が必要となり、装置が複雑化してしまうので、製造コストが増大するという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、従来のものよりも製造コストの低減化を図ることができるイメージング装置を提供することを目的とする。

本発明のイメージング装置は、予め定められた周波数帯域の送信信号を第１の方向に周波数走査するとともに、前記送信信号の位相を変化させて前記第１の方向と直交する第２の方向に時間的に走査して被写体に向けて送信する送信アンテナと、前記被写体によって反射された反射信号を受信する受信アンテナと、前記反射信号に基づいて前記被写体の３次元画像を取得する画像取得手段と、を備え、前記画像取得手段は、前記受信アンテナが受信した時系列の受信信号を周波数領域の受信信号に変換する周波数領域変換部と、前記被写体の画像の画素ごとに、前記周波数領域の受信信号と、前記送信アンテナが周波数走査する送信信号との相互相関処理を行う相互相関処理部と、前記相互相関処理により算出された信号を前記画素ごとに時間領域の信号に変換して前記被写体の奥行き方向のプロファイルを取得する時間領域変換部と、を備えた構成を有している。

この構成により、本発明のイメージング装置は、予め定められた周波数帯域の信号を一時に送受信し、周波数走査した所定の方向に対応する反射信号を所定の方向から同時に得ることができるので、一対のみの送受信機で被写体の画像を取得できることとなり、従来のものよりも装置の回路を大幅に簡易化することができ、製造コストの低減化を図ることができる。

また、本発明のイメージング装置は、予め定められた周波数帯域の送信信号を被写体に向けて送信する送信アンテナと、前記被写体によって反射された反射信号を第１の方向に周波数走査するとともに、受信信号の位相を変化させて前記第１の方向と直交する第２の方向に時間的に走査して受信する受信アンテナと、前記反射信号に基づいて前記被写体の３次元画像を取得する画像取得手段と、を備え、前記画像取得手段は、前記受信アンテナが受信した時系列の受信信号を周波数領域の受信信号に変換する周波数領域変換部と、前記被写体の画像の画素ごとに、前記周波数領域の受信信号と、前記送信アンテナが周波数走査する送信信号との相互相関処理を行う相互相関処理部と、前記相互相関処理により算出された信号を前記画素ごとに時間領域の信号に変換して前記被写体の奥行き方向のプロファイルを取得する時間領域変換部と、を備えた構成を有している。

さらに、本発明のイメージング装置は、予め定められた周波数帯域の送信信号を第１の方向に周波数走査するとともに、前記送信信号の位相を変化させて前記第１の方向と直交する第２の方向に時間的に走査して被写体に向けて送信し、前記被写体によって反射された反射信号を前記第１の方向に周波数走査するとともに、受信信号の位相を変化させて前記第２の方向に時間的に走査して受信する送受信アンテナと、前記反射信号に基づいて前記被写体の３次元画像を取得する画像取得手段と、を備え、前記画像取得手段は、前記送受信アンテナが受信した時系列の受信信号を周波数領域の受信信号に変換する周波数領域変換部と、前記被写体の画像の画素ごとに、前記周波数領域の受信信号と、前記送信アンテナが周波数走査する送信信号との相互相関処理を行う相互相関処理部と、前記相互相関処理により算出された信号を前記画素ごとに時間領域の信号に変換して前記被写体の奥行き方向のプロファイルを取得する時間領域変換部と、を備えた構成を有している。

本発明は、従来のものよりも製造コストの低減化を図ることができるという効果を有するイメージング装置を提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明のイメージング装置を、ミリ波を用いて被写体像を取得するものに適用した例を挙げて説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明に係るイメージング装置の第１の実施の形態における構成について説明する。

図１に示すように、本実施の形態におけるイメージング装置１００は、デジタル回路１０と、デジタル値の信号をアナログ値のＩＦ（中間周波数）信号に変換するＤＡコンバータ（以下「ＤＡＣ」）２１と、ＩＦ信号をＲＦ（無線周波数）信号に変換するアップコンバータ２２と、ＲＦ信号を増幅する電力増幅器（以下「ＰＡ」）２３と、図示しない被写体に向けてＲＦ信号を送信する送信アンテナ２４と、被写体から反射されたＲＦ信号を受信する受信アンテナ２５と、受信したＲＦ信号を増幅する低雑音増幅器（以下「ＬＮＡ」）２６と、ＲＦ信号をＩＦ信号に変換するダウンコンバータ２７と、アナログ値のＩＦ信号をデジタル値の信号に変換するＡＤコンバータ（以下「ＡＤＣ」）２８とを備えている。

デジタル回路１０は、例えばＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）の中に実装されて構成され、デジタル値の送信信号を生成する送信信号生成部１１と、受信信号を処理する信号処理部１２と、送信信号生成部１１及び信号処理部１２の動作を制御する制御部１３とを備えている。なお、図示を省略したが、ＤＡＣ２１及びＡＤＣ２８に供給されるクロック信号、アップコンバータ２２及びダウンコンバータ２７に供給される局部発振信号は互いに位相がロックされている。

送信信号生成部１１は、帯域幅Ｂを有する所定の周波数成分を含む信号を生成し、ＤＡＣ２１に出力するようになっている。なお、本実施の形態における送信信号生成部１１は、１５０ＭＨｚから６００ＭＨｚまでの周波数成分（帯域幅Ｂ＝４５０ＭＨｚ）を含む信号を生成するものとする。

制御部１３は、送信信号生成部１１及び信号処理部１２の動作を制御するようになっている。

ＤＡＣ２１は、送信信号生成部１１が生成した帯域幅Ｂのデジタル信号をアナログ変換し、ＩＦ信号としてアップコンバータ２２に出力するようになっている。ここで、ＤＡＣ２１が出力するＩＦ信号は、図１（ａ）に示すように、１５０ＭＨｚから６００ＭＨｚまでの周波数成分（ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３・・・ｆ_Ｎ）を含んでいる。なお、本実施の形態においては、後述するようにＮ＝２００としている。

アップコンバータ２２は、帯域幅Ｂを有するＩＦ信号をミリ波帯のＲＦ信号に変換するようになっている。

ＰＡ２３は、アップコンバータ２２からのＲＦ信号の電力を増幅し、送信アンテナ２４に出力するようになっている。

送信アンテナ２４は、図１に示すように、周波数によってエレベーション方向に走査が可能な複数の周波数走査アンテナ素子と、ＲＦ信号の位相を変化させる移相器（図示省略）とを備え、周波数走査アンテナ素子はアジマス方向に並べられ、移相器はそれぞれの周波数走査アンテナ素子に接続されている。すなわち、送信アンテナ２４から出力される送信ビームは、エレベーション方向には周波数で走査することができ、アジマス方向には、フェーズドアレー技術を利用して、位相を調整して合成することにより時間的に走査することができるものである。

本実施の形態においては、送信アンテナ２４から放射される送信ビーム幅をアジマス方向、エレベーション方向とも０．３度とし、送信ビームの走査角度範囲をアジマス方向、エレベーション方向とも６０度とする。また、送信アンテナ２４は、ｆ_１'、ｆ_２'、ｆ_３'・・・ｆ_Ｎ'の周波数成分（帯域幅Ｂ＝４５０ＭＨｚ）を含むミリ波を放射するものであり、前述したように、周波数によって送信ビームの方位がエレベーション方向において異なる。

したがって、この送信アンテナ２４においては、４５０ＭＨｚの周波数変化でビーム方位が６０度走査されることとなる。ビーム幅が０．３度であることから、方位分解能（１ピクセルあたりの角度）を０．３度とすることができ、走査角度範囲が６０度であることから、エレベーション方向のピクセル数がＮ＝２００となる。したがってＮ個のピクセルに対して独立に周波数が割り当てられ、ピクセルあたりの帯域幅Ｂ_ｃｅｌｌ＝Ｂ／Ｎ＝２．２５ＭＨｚとなる。

一方、アジマス方向には、フェーズドアレー技術を利用して、毎秒６０回、走査角度範囲が６０度のビーム走査を行うこととすると、フレームレートＦ＝６０Ｈｚとなる。アジマス方向のピクセル数Ｍに関しても、ビーム幅及び走査角度範囲からＭ＝２００となる。したがって、ピクセルあたりの最大観測時間ｔ_ｍａｘ＝１／ＦＭ＝８３μｓとなり、この場合、最大観測距離Ｒ_ｍａｘは１２．５ｋｍ以下となる。

受信アンテナ２５は、送信アンテナ２４から放射される送信ビームの走査範囲をカバーするビーム、すなわちビーム幅がアジマス方向、エレベーション方向ともに６０度のビームを有する固定のアンテナであり、被写体で反射されたＲＦ信号を受信するようになっている。

ＬＮＡ２６は、受信アンテナ２５が受信したミリ波帯のＲＦ信号を増幅してダウンコンバータ２７に出力するようになっている。

ダウンコンバータ２７は、ＬＮＡ２６が増幅したＲＦ信号をＩＦ信号に変換し、ＡＤＣ２８に出力するようになっている。ここで、ダウンコンバータ２７が出力するＩＦ信号は、図１（ｂ）に示すように、ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３・・・ｆ_Ｎの周波数成分のパワーが被写体像に応じたものとなっている。

ＡＤＣ２８は、ダウンコンバータ２７が出力したＩＦ信号をアナログ値からデジタル値に変換し、信号処理部１２に出力するようになっている。

信号処理部１２は、ＡＤＣ２８からの受信信号に対し離散フーリエ変換を行うことによって周波数領域の信号に変換し、各周波数に対応した方位分解セル（ピクセル）ごとの受信データを取得することができるものであり、例えば図２に示すように構成される。すなわち信号処理部１２は、離散フーリエ変換回路（以下「ＤＦＴ回路」）１２ａと、相互相関処理回路１２ｂと、逆離散フーリエ変換回路（以下「ＩＤＦＴ回路」）１２ｃとを備えている。なお、信号処理部１２は、本発明の画像取得手段に対応するものである。

まず、ＤＦＴ回路１２ａは、ＡＤＣ２８から出力される時系列の受信信号を周波数領域の信号（例えば図２（ａ）参照）に変換するようになっている。具体的には、ＡＤＣ２８の出力信号をｘ（ｔ）とするとＤＦＴ回路１２ａの出力信号は式（１）のように表される。

ここで、Ｓは観測時間ｔ_ｏｂｓにおけるサンプル数を示す。周波数分解能δｆは、観測時間ｔ_ｏｂｓの逆数となるが、ｔ_ｏｂｓ＝６６．７μｓ（＜ｔ_ｍａｘ）とすると、δｆ＝１／ｔ_ｏｂｓ＝１５ｋＨｚとなり、ピクセル帯域幅Ｂ_ｃｅｌｌよりも十分小さいので、ピクセル値を分離することができる。ＤＦＴ回路１２ａの出力の数をｋとすると、ピクセルあたりｋ＝Ｂ_ｃｅｌｌ／δｆ＝１５０となる。すなわちＤＦＴ出力信号は、Ｎ個のＸ_ｉ（ｉ＝１，２．．．Ｎ）に分けられ、各々のＸ_ｉはｋポイントを含むものとして式（２）のように表すことができる。なお、Ｘ_ｉはｉ番目のピクセル成分（帯域幅Ｂ_ｃｅｌｌ＝２．２５ＭＨｚ）に相当する帯域通過信号に相当する（図２（ｂ））。また、ＬはＩＦ信号内の最低周波数（１５０ＭＨｚ）のＤＦＴインデックスである。

次に、相互相関処理回路１２ｂは、ｉ番目のピクセルのｋ＝１５０点の信号と、そのピクセルに対応する元の送信信号（周波数領域の信号であり例えば図２（ｃ）参照）との相互相関処理（周波数領域であるので乗算）を行うようになっている。元の送信信号のｉ番目のピクセルに相当する周波数領域の送信信号をＲ_ｉ（ｆ）とすると、相互相関Ｃ_ｉ（ｆ）は、式（３）のように表される。なお、記号＊は複素共役を示す。

次に、ＩＤＦＴ回路１２ｃは、式（４）に基づいて逆離散フーリエ変換を行うことによって、視野の奥行き方向のプロファイル（以下「距離プロファイル」）ｃ_ｉ（ｔ）を取得するようになっている。

すなわちＩＤＦＴ回路１２ｃは、１ピクセル分のデータとして、距離プロファイル（距離分解能δＲ＝ｃ／２Ｂ_ｃｅｌｌ＝６７ｍ、１５０ポイント）を取得するものである（例えば図２（ｄ）参照）。

以上のように、信号処理部１２は、式（１）〜（４）を用いて説明した処理を各アジマス方向において行うことにより、被写体の３次元画像を取得することができるようになっている。なお、信号処理部１２の構成は前述のものに限定されるものではなく、例えば離散フーリエ変換に代えて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いる構成としてもよい。

次に、本実施の形態におけるイメージング装置１００の動作について説明する。

まず、送信信号生成部１１は、１５０ＭＨｚから６００ＭＨｚまでの周波数成分（帯域幅Ｂ＝４５０ＭＨｚ）を有するデジタル値の信号を生成し、ＤＡＣ２１に出力する。

次いで、ＤＡＣ２１は、送信信号生成部１１が生成した帯域幅Ｂのデジタル信号をアナログ信号に変換し、１５０ＭＨｚから６００ＭＨｚまでの周波数成分（ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３・・・ｆ_Ｎ）を含むＩＦ信号をアップコンバータ２２に出力する。なお、前述のように、本実施の形態においてはＮ＝２００である。

さらに、アップコンバータ２２は、デジタル回路１０から供給される局部発振信号に基づいて、ＩＦ信号をミリ波帯のＲＦ信号に変換し、ＰＡ２３に出力する。

引き続き、ＰＡ２３は、アップコンバータ２２からのＲＦ信号の電力を増幅し、送信アンテナ２４に出力する。

次いで、送信アンテナ２４は、エレベーション方向に対してはＲＦ信号の周波数ｆ_１'、ｆ_２'、ｆ_３'・・・ｆ_Ｎ'に応じて送信ビームの方向を変化させ、アジマス方向に対してはフェーズドアレー技術を利用して位相を調整して合成することにより時間的に走査することによって、ＲＦ信号を被写体に向けて送信する。

引き続き、受信アンテナ２５は、被写体によって反射されたＲＦ信号を受信し、ＬＮＡ２６に出力する。

次いで、ＬＮＡ２６は、ＲＦ信号を増幅し、ダウンコンバータ２７に出力する。

さらに、ダウンコンバータ２７は、ＬＮＡ２６が出力したＲＦ信号をＩＦ信号に変換し、ＡＤＣ２８に出力する。

続いて、ＡＤＣ２８は、ダウンコンバータ２７が出力したＩＦ信号をアナログ値からデジタル値に変換し、信号処理部１２に出力する。

そして、信号処理部１２は、ＡＤＣ２８からの受信信号に対し離散フーリエ変換を行うことによって周波数領域の信号に変換し、各周波数に対応したピクセルごとの受信データを取得する。ここで取得される受信データは、被写体の距離プロファイルを含む３次元画像のデータであり、外部システムに出力される。

以上のように、本実施の形態におけるイメージング装置１００によれば、送信アンテナ２４は、エレベーション方向に対してはＲＦ信号の周波数ｆ_１'、ｆ_２'、ｆ_３'・・・ｆ_Ｎ'に応じた方向にビームを同時に送信し、アジマス方向に対してはフェーズドアレー技術を利用して位相を調整して合成することにより時間的に走査することによってＲＦ信号を被写体に向けて送信し、受信アンテナ２５は、被写体によって反射されたＲＦ信号を受信し、信号処理部１２は、受信信号に対し離散フーリエ変換を行うことによって周波数領域の信号に変換し、各周波数に対応したピクセルごとの受信データを取得する構成としたので、一対のみの送受信機で被写体の画像を取得できることとなり、従来のものよりも装置の回路を大幅に簡易化することができ、製造コストの低減化を図ることができる。

なお、前述の実施の形態において、１５０ＭＨｚから６００ＭＨｚまでの周波数成分（帯域幅Ｂ＝４５０ＭＨｚ）の信号を含むＩＦ信号をアップコンバートしたミリ波の電波を用いて被写体像を取得するものに適用した例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、前述の周波数とは異なる信号を含むミリ波帯の電波や、マイクロ波帯の電波を用いる構成としても同様の効果が得られる。

また、前述の実施の形態において、送信アンテナ２４は、エレベーション方向に対して周波数走査し、アジマス方向に対して時間的に走査する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、アジマス方向に対して周波数走査し、エレベーション方向に対して時間的に走査する構成としても同様の効果が得られる。

また、前述の実施の形態において、例えばエレベーション方向に１次元の周波数走査アンテナを使用する場合、アジマス方向の走査を行う手段についてはよく知られた、機械式走査、電気的に反射方向を走査できる反射鏡などで実現することができる。

（第２の実施の形態）
図３に示すように、本実施の形態におけるイメージング装置２００は、本発明の第１の実施の形態におけるイメージング装置１００（図１参照）に対して送信アンテナと受信アンテナとを入れ替えたものであり、その他の構成は同様であるので、同様な構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施の形態におけるイメージング装置２００は、デジタル回路１０と、デジタル値の信号をアナログ値のＩＦ信号に変換するＤＡＣ２１と、ＩＦ信号をＲＦ信号に変換するアップコンバータ２２と、ＲＦ信号を増幅するＰＡ２３と、図示しない被写体に向けてＲＦ信号を送信する送信アンテナ３１と、被写体から反射されたＲＦ信号を受信する受信アンテナ３２と、受信したＲＦ信号を増幅するＬＮＡ２６と、ＲＦ信号をＩＦ信号に変換するダウンコンバータ２７と、アナログ値のＩＦ信号をデジタル値の信号に変換するＡＤＣ２８とを備えている。

送信アンテナ３１は、予め定められた視野に対して一様に、帯域幅Ｂ＝４５０ＭＨｚをもつミリ波の電波を放射するようになっている。

受信アンテナ３２は、周波数によってエレベーション方向に走査が可能な複数の周波数走査アンテナ素子と、ＲＦ信号の位相を変化させる移相器（図示省略）とを備え、周波数走査アンテナ素子はアジマス方向に並べられ、移相器はそれぞれの周波数走査アンテナ素子に接続されている。すなわち、受信アンテナ３２が受信する受信ビームは、エレベーション方向には周波数で走査することができ、アジマス方向には、フェーズドアレー技術を利用して、位相を調整して合成することにより時間的に走査することができるものである。

以上のように、本実施の形態におけるイメージング装置２００によれば、送信アンテナ３１は、予め定められた視野に対して一様に所定の帯域幅の信号を含むミリ波の電波を放射し、受信アンテナ３２は、エレベーション方向に対してはＲＦ信号の周波数ｆ_１'、ｆ_２'、ｆ_３'・・・ｆ_Ｎ'に応じて受信ビームの方向を変化させ、アジマス方向に対してはフェーズドアレー技術を利用して位相を調整して合成することにより時間的に走査することによって被写体で反射されたＲＦ信号を受信し、信号処理部１２は、受信信号に対し離散フーリエ変換を行うことによって周波数領域の信号に変換し、各周波数に対応したピクセルごとの受信データを取得する構成としたので、一対のみの送受信機で被写体の画像を取得できることとなり、従来のものよりも装置の回路を大幅に簡易化することができ、製造コストの低減化を図ることができる。

なお、前述の実施の形態において、受信アンテナ３２は、エレベーション方向に対して周波数走査し、アジマス方向に対して時間的に走査する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、アジマス方向に対して周波数走査し、エレベーション方向に対して時間的に走査する構成としても同様の効果が得られる。

（第３の実施の形態）
図４に示すように、本実施の形態におけるイメージング装置３００は、本発明の第１の実施の形態におけるイメージング装置１００（図１参照）に対して送信アンテナと受信アンテナとを共用化したものであり、その他の構成は同様であるので、同様な構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施の形態におけるイメージング装置３００は、デジタル回路１０と、デジタル値の信号をアナログ値のＩＦ信号に変換するＤＡＣ２１と、ＩＦ信号をＲＦ信号に変換するアップコンバータ２２と、ＲＦ信号を増幅するＰＡ２３と、図示しない被写体に向けてＲＦ信号を送信するとともに被写体で反射されたＲＦ信号を受信する送受信アンテナ３３と、この送受信アンテナ３３にＲＦ信号を出力するとともに送受信アンテナ３３から受信信号が入力されるサーキュレータ３４と、受信したＲＦ信号を増幅するＬＮＡ２６と、ＲＦ信号をＩＦ信号に変換するダウンコンバータ２７と、アナログ値のＩＦ信号をデジタル値の信号に変換するＡＤＣ２８とを備えている。

送受信アンテナ３３は、周波数によってエレベーション方向に走査が可能な複数の周波数走査アンテナ素子と、ＲＦ信号の位相を変化させる移相器（図示省略）とを備え、周波数走査アンテナ素子はアジマス方向に並べられ、移相器はそれぞれの周波数走査アンテナ素子に接続されている。

サーキュレータ３４は、ＰＡ２３が出力したＲＦ信号を送受信アンテナ３３に供給し、送受信アンテナ３３が受信した受信信号をＬＮＡ２６に供給するようになっている。

以上のように、本実施の形態におけるイメージング装置３００によれば、送受信アンテナ３３は、送受信時においてエレベーション方向に対してはＲＦ信号の周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３・・・ｆ_Ｎに応じて送受信ビームの方向を変化させ、アジマス方向に対してはフェーズドアレー技術を利用して位相を調整して合成することにより時間的に走査することによって被写体で反射されたＲＦ信号を送受信し、信号処理部１２は、受信信号に対し離散フーリエ変換を行うことによって周波数領域の信号に変換し、各周波数に対応したピクセルごとの受信データを取得する構成としたので、一対のみの送受信機で被写体の画像を取得できることとなり、従来のものよりも装置の回路を大幅に簡易化することができ、製造コストの低減化を図ることができる。

また、送受信アンテナ３３は、送信時と受信時の両ビームにおいて、エレベーション方向のピクセルに対して周波数が割り当てられた構成となっているので、本実施の形態におけるイメージング装置３００は、第１の実施の形態と比べて受信アンテナの利得を大きくできるため、同じ受信ＳＮを得るための送信出力を下げることができる、あるいは、同じ送信出力で、高いＳＮ比を得ることができるという効果を有する。

また、本実施の形態におけるイメージング装置３００は、受信ビームの幅を比較的狭くすることができるので、マルチパスなどの影響を避けることができる、すなわち、不要な反射波による画質劣化を抑えることができる。

なお、前述の実施の形態において、送受信アンテナ３３は、エレベーション方向に対して周波数走査し、アジマス方向に対して時間的に走査する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、アジマス方向に対して周波数走査し、エレベーション方向に対して時間的に走査する構成としても同様の効果が得られる。

以上のように、本発明に係るイメージング装置は、従来のものよりも装置の回路を大幅に簡易化することができ、製造コストの低減化を図ることができるという効果を有し、電波を利用して被写体像を取得するイメージング装置等として有用である。

本発明に係るイメージング装置の第１の実施の形態における構成を示すブロック図本発明に係るイメージング装置の第１の実施の形態における信号処理部の構成を示すブロック図本発明に係るイメージング装置の第２の実施の形態における構成を示すブロック図本発明に係るイメージング装置の第３の実施の形態における構成を示すブロック図従来のイメージング装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１０デジタル回路
１１送信信号生成部
１２信号処理部（画像取得手段）
１２ａＤＦＴ回路
１２ｂ相互相関処理回路
１２ｃＩＤＦＴ回路
１３制御部
２１ＤＡＣ
２２アップコンバータ
２３ＰＡ
２４送信アンテナ
２５受信アンテナ
２６ＬＮＡ
２７ダウンコンバータ
２８ＡＤＣ
３１送信アンテナ（周波数走査アンテナ）
３２受信アンテナ（周波数走査アンテナ）
３３送受信アンテナ（周波数走査アンテナ）
３４サーキュレータ
１００、２００、３００イメージング装置

Claims

予め定められた周波数帯域の送信信号を第１の方向に周波数走査するとともに、前記送信信号の位相を変化させて前記第１の方向と直交する第２の方向に時間的に走査して被写体に向けて送信する送信アンテナと、
前記被写体によって反射された反射信号を受信する受信アンテナと、
前記反射信号に基づいて前記被写体の３次元画像を取得する画像取得手段と、を備え、
前記画像取得手段は、
前記受信アンテナが受信した時系列の受信信号を周波数領域の受信信号に変換する周波数領域変換部と、
前記被写体の画像の画素ごとに、前記周波数領域の受信信号と、前記送信アンテナが周波数走査する送信信号との相互相関処理を行う相互相関処理部と、
前記相互相関処理により算出された信号を前記画素ごとに時間領域の信号に変換して前記被写体の奥行き方向のプロファイルを取得する時間領域変換部と、
を備えたことを特徴とするイメージング装置。
予め定められた周波数帯域の送信信号を被写体に向けて送信する送信アンテナと、
前記被写体によって反射された反射信号を第１の方向に周波数走査するとともに、受信信号の位相を変化させて前記第１の方向と直交する第２の方向に時間的に走査して受信する受信アンテナと、
前記反射信号に基づいて前記被写体の３次元画像を取得する画像取得手段と、を備え、
前記画像取得手段は、
前記受信アンテナが受信した時系列の受信信号を周波数領域の受信信号に変換する周波数領域変換部と、
前記被写体の画像の画素ごとに、前記周波数領域の受信信号と、前記送信アンテナが周波数走査する送信信号との相互相関処理を行う相互相関処理部と、
前記相互相関処理により算出された信号を前記画素ごとに時間領域の信号に変換して前記被写体の奥行き方向のプロファイルを取得する時間領域変換部と、
を備えたことを特徴とするイメージング装置。
予め定められた周波数帯域の送信信号を第１の方向に周波数走査するとともに、前記送信信号の位相を変化させて前記第１の方向と直交する第２の方向に時間的に走査して被写体に向けて送信し、前記被写体によって反射された反射信号を前記第１の方向に周波数走査するとともに、受信信号の位相を変化させて前記第２の方向に時間的に走査して受信する送受信アンテナと、
前記反射信号に基づいて前記被写体の３次元画像を取得する画像取得手段と、を備え、
前記画像取得手段は、
前記送受信アンテナが受信した時系列の受信信号を周波数領域の受信信号に変換する周波数領域変換部と、
前記被写体の画像の画素ごとに、前記周波数領域の受信信号と、前記送信アンテナが周波数走査する送信信号との相互相関処理を行う相互相関処理部と、
前記相互相関処理により算出された信号を前記画素ごとに時間領域の信号に変換して前記被写体の奥行き方向のプロファイルを取得する時間領域変換部と、
を備えたことを特徴とするイメージング装置。