JP5579356B2 - マイクロ波画像のバックグラウンドノイズを最小にするシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波画像のバックグラウンドノイズを最小にするシステムおよび方法に関する。

マイクロ波画像形成における最近の進歩により、物体や他の対象物（例えば、被験者）の二次元マイクロ波画像、さらには三次元マイクロ波画像を生成することができるマイクロ波画像形成システムの商業開発が可能になった。現在、使用可能ないくつかのマイクロ波画像形成技術がある。例えば、１つの技術は、マイクロ波検出器アレイ（今後「アンテナ素子」と呼ぶ）を使用して、人や他の対象物と関連付けられたターゲットから放射された受動的マイクロ波放射あるいはターゲットの能動的マイクロ波照明に応じてターゲットから反射された反射マイクロ波放射を捕捉する。アンテナ素子アレイをターゲットの位置に対して走査しかつ／または送信または検出されるマイクロ波放射の周波数（または波長）を調整することによって、人や他の対象物の二次元または三次元画像が構成される。

マイクロ波画像形成システムは、一般に、対象物との間でマイクロ波放射を送信し、受信しかつ／または反射するための送信、受信および／または反射アンテナアレイを含む。そのようなアンテナアレイは、従来のアナログフェイズドアレイまたは二値反射板アレイを使用して構成することができる。いずれの場合も、アンテナアレイは、マイクロ波放射のビームを、以下でターゲットと呼ぶ対象物の画像内のボクセルに対応する三次元空間内のポイントに導く。これは、アレイ内の各アンテナ素子にそれぞれの位相ずれをプログラムすることによって達成される。プログラム可能なアンテナアレイの例は、「Ａ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ」と題する特許文献１と、「Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅｄ Ａｎｔｅｎｎａ」と題する特許文献２に記載されている。

反射板アンテナアレイを使用するとき、代表的なマイクロ波画像形成システムは、マイクロ波源、マイクロ波源と同じ場所に配置されたマイクロ波受信器、および１つまたは複数の反射板アンテナアレイを含む。マイクロ波源から送られたマイクロ波放射は、反射板アンテナアレイで受け取られ、アレイ内の各反射アンテナ素子にそれぞれの位相ずれをプログラムすることによってターゲットの方に反射される。同様に、ターゲットから反射されてアレイに受け取った反射マイクロ波放射は、個別の各反射アンテナ素子にそれぞれの位相ずれをプログラムすることによってマイクロ波受信器の方に反射される。マイクロ波受信器は、アレイ内の各アンテナ素子から反射された受信マイクロ波放射を組み合わせてターゲットにおける反射マイクロ波放射の実効強度値を生成し、この値は、対象物上のターゲットに対応するピクセル（２次元画素）またはボクセル（３次元画素）の値を表す。

しかしながら、マイクロ波源からのマイクロ波放射の一部は、アレイで反射されず、ターゲットで反射することなくマイクロ波受信器の方に直接送られる。さらに、マイクロ波源からのマイクロ波放射の一部は、三次元空間内の様々な望ましくないポイント（例えば、画像形成する対象物上の他のターゲットまたは他の対象物）からアレイの方に散乱し、マイクロ波受信器に反射される。そのような漂遊マイクロ波放射は、バックグラウンドノイズ（「クラッタ」と呼ばれることもある）をもたらし、マイクロ波画像形成システムの信号ノイズ比（ＳＮＲ）を低下させる。プログラム可能な反射板アレイを使用して捕捉されたマイクロ波画像のバックグラウンドノイズを最少にする機構が必要である。
米国特許出願第１０／９９７，４２２号明細書 米国特許出願第１０／９９７，５８３号明細書

しかしながら、マイクロ波源からのマイクロ波放射の一部は、アレイで反射されず、ターゲットで反射することなくマイクロ波受信器の方に直接送られる。さらに、マイクロ波源からのマイクロ波放射の一部は、三次元空間内の様々な望ましくないポイント（例えば、画像形成する対象物上の他のターゲットまたは他の対象物）からアレイの方に散乱し、マイクロ波受信器に反射される。そのような漂遊マイクロ波放射は、バックグラウンドノイズ（「クラッタ」と呼ばれることもある）をもたらし、マイクロ波画像形成システムの信号ノイズ比（ＳＮＲ）を低下させる。プログラム可能な反射板アレイを使用して捕捉されたマイクロ波画像のバックグラウンドノイズを最少にする機構が必要である。

本発明の実施形態は、ターゲットのマイクロ波画像を捕捉しかつ位相微分を使用してマイクロ波画像内のノイズを最小にするマイクロ波画像形成システムを提供する。マイクロ波放射をターゲットの方に反射し、ターゲットから反射されたマイクロ波放射をマイクロ波受信器の方に反射する複数のアンテナ素子を含む反射板アンテナアレイを提供する。プロセッサは、ターゲットの第１のマイクロ波画像を捕捉するようにそれぞれの第１の位相ずれをアンテナ素子にプログラムし、ターゲットの第２のマイクロ波画像を捕捉するようにそれぞれの第２の位相ずれをアンテナ素子にプログラムする。各アンテナ素子の第１の位相ずれは、そのアンテナ素子の第２の位相ずれと１８０度異なる。プロセッサは、第１のマイクロ波画像と第２のマイクロ波画像の組み合わせからノイズを最小にする。

１つの実施形態において、マイクロ波受信器で受け取ったマイクロ波放射は、アレイによってマイクロ波源からターゲットに反射され、ターゲットからマイクロ波受信器に反射される二重反射マイクロ波放射と、最初にアレイによってマイクロ波源からターゲットに反射されることなくアレイによってマイクロ波源からマイクロ波受信器に反射される単反射マイクロ波放射の両方を含む。第１のマイクロ波画像内の二重反射マイクロ波放射の位相は、第２のマイクロ波画像内の二重反射マイクロ波放射の位相と同じである。しかしながら、第１のマイクロ波画像内の単反射マイクロ波放射の位相は、第２のマイクロ波画像内の単反射マイクロ波放射の位相と１８０度異なる。

もう１つの実施形態において、プロセッサは、第１のマイクロ波画像と第２のマイクロ波画像を加算して第１のマイクロ波画像と第２のマイクロ波画像の両方の二重反射マイクロ波放射だけを含む最終マイクロ波画像を生成する。第１と第２のマイクロ波画像を合計することによって、プロセッサは、最終マイクロ波画像からノイズ成分に対応する単反射マイクロ波放射を除去することができる。ノイズ成分は、マイクロ波画像を修正する際に後で使用するために、マイクロ波画像形成システムの較正中に決定することができる。

開示した発明は、本発明の重要な実施例を示し参照により本明細書に組み込まれた添付図面を参照して説明される。

本明細書で使用されるとき、マイクロ波放射（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）とマイクロ波照明（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）という用語はそれぞれ、約１ＧＨｚ〜約１，０００ＧＨｚの周波数に対応する０．３ミリメートル〜３０ｃｍの波長を有する帯域の電磁放射を指す。したがって、マイクロ波放射とマイクロ波照明という用語はそれぞれ、従来のマイクロ波放射ならびに一般にミリメートル波放射として知られるものを含む。

図１は、本発明の実施形態による簡略化した例示的なマイクロ波画像形成システム１０の概略図である。このマイクロ波画像形成システム１０は、物体（例えば、スーツケース、被験者、または他の対象物）のマイクロ波画像を捕捉するために、それぞれアンテナ素子８０によってマイクロ波放射を送受信することができる１つまたは複数のアレイ５０（便宜上そのうちの１つだけを示す）を含む。

１つの実施形態において、アレイ５０は、反射アンテナ素子８０で構成された受動的プログラム可能な反射板アレイを含む。反射アンテナ素子にはそれぞれ、画像形成する物体１５０上のターゲット１５５の方にマイクロ波放射ビームを導くようにそれぞれの位相ずれをプログラムすることができる。位相ずれは、二値でもよく連続でもよい。例えば、個別の各反射アンテナ素子８０にそれぞれの位相ずれをプログラムすることによって、アレイ５０がマイクロ波源（図示せず）から受け取ったマイクロ波放射は、対象物１５０上のターゲット１５５の方に反射され、ターゲット１５５から反射されアレイ５０が受け取った反射マイクロ波放射がマイクロ波受信器（図示せず）の方に反射される。

マイクロ波画像形成システム１０は、さらに、プロセッサ１００、コンピュータ可読媒体１１０、および表示装置１２０を含む。プロセッサ１００は、ターゲット１５５および／または対象物１５０のマイクロ波画像を構成するためにアレイ５０を制御しターゲット１５５から反射された受信マイクロ波放射を処理する任意のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせを含む。例えば、プロセッサ１００は、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラム可能な論理素子、コンピュータプログラム命令を実行するように構成されたディジタル信号処理プロセッサや他のタイプの処理装置、およびプロセッサ１００によって使用される命令や他のデータを記憶する１つまたは複数のメモリ（例えば、キャッシュメモリ）を含む。しかしながら、プロセッサ１００の他の実施形態を使用できることを理解されたい。メモリ１１０は、ハードドライブ、ランダムアクセス記憶装置（ＲＡＭ）、読み出し専用記憶装置（ＲＯＭ）、コンパクトディスク、フロッピディスク、ＺＩＰ（登録商標）ドライブ、テープドライブ、データベース、または他のタイプの記憶装置または記憶媒体を含む任意のタイプのデータ記憶装置であるが、これらに限定されない。

プロセッサ１００は、対象物１５０上の複数のターゲット１５５にマイクロ波放射を照射しかつ／または対象物１５０上のターゲット１５５からの反射マイクロ波照明を受け取るように、アレイ５０内の個々のアンテナ素子８０のそれぞれの位相遅れまたは位相ずれをプログラムする働きをする。したがって、プロセッサ１００はアレイ５０と協力して対象物１５０を走査する働きをする。

プロセッサ１００は、さらに、対象物１５０上の各ターゲット１５５からアレイ５０が捕捉した反射マイクロ波放射の強度を使用して対象物１５０のマイクロ波画像を構成することができる。例えば、アレイ５０が反射板アレイである実施形態において、マイクロ波受信器（図示せず）は、アレイ５０内の各アンテナ素子８０から反射された反射マイクロ波放射を組み合わせて、ターゲット１５５における反射マイクロ波放射の実効強度値を生成することができる。この強度値は、プロセッサ１００に渡され、プロセッサ１００は、その強度値を対象物１５０上のターゲット１５５に対応する画素またはボクセルの値として使用する。動作において、マイクロ波画像形成システム１０は、毎秒数百万個のターゲット１５５を走査できる周波数で動作することができる。

その結果得られたターゲット１５５および／または対象物１５０のマイクロ波画像をプロセッサ１００から表示装置１２０に渡して、マイクロ波画像を表示することができる。１つの実施形態において、表示装置１２０は、対象物３０の三次元マイクロ波画像あるいはターゲット１５５および／または対象物１５０の１つまたは複数の一次元または二次元マイクロ波画像を表示する二次元表示装置である。もう１つの実施形態において、表示装置１２０は、対象物１５０の三次元マイクロ波画像を表示することができる三次元表示装置である。

複数のアレイ５０を使用して対象物１５０の様々な部分を走査できることを理解されたい。例えば、対象物１５０が高さ２メートルで幅１メートルの人であるとき、マイクロ波画像形成システム１０は、対象物１５０の半分を走査するアンテナ素子８０の１ｍｘ１ｍアレイをそれぞれ含む２つのアレイで実現することができる。もう１つの例として、マイクロ波画像形成システム１０は、人対象物１５０の４分の１を走査できるアンテナ素子８０の０．５ｍｘ０．５ｍアレイをそれぞれ含む８つのアレイ５０で実現することができる。

図２は、アンテナ素子２００のインピーダンス状態によって変化する位相で電磁放射を反射するように動作する反射アンテナ素子２００（図１のアンテナ素子８０に対応する）の断面図を示す。反射アンテナ素子２００は、アンテナ（パッチアンテナ２２０ａ）と非理想的スイッチング素子（表面実装電界効果トランジスタ「ＦＥＴ」２２２）を含む。

反射アンテナ素子２００は、プリント回路基板２１４上とその中に形成されており、表面実装ＦＥＴ２２２、パッチアンテナ２２０ａ、ドレインビア２３２、接地平面２３６、およびソースビア２３８を含む。表面実装ＦＥＴ２２２は、プリント回路基板２１４の平面パッチアンテナ２２０ａの反対側に取り付けられており、接地平面２３６は、平面パッチアンテナ２２０ａと表面実装ＦＥＴ２２２の間にある。ドレインビア２３２は、表面実装ＦＥＴ２２２のドレイン２２８を平面パッチアンテナ２２０ａに接続し、ソースビア２３８は、表面実装ＦＥＴ２２２のソース２２６を接地平面２３６に接続する。

実際の製品において、反射板アンテナアレイは、ドライバ電子回路を含むコントローラ基板２４０に接続される。例示的なコントローラ基板２４０は、図２にも示されており、接地平面２４４、駆動信号ビア２４６、およびドライバ電子回路２４２を含む。コントローラ基板２４０は、また、反射板アンテナアレイのコネクタ２５０と互換性を有するコネクタ２４８を含む。２つの基板のコネクタ２４８および２５０は、例えばウェーブはんだ付けを使用して接続することができる。他の実施形態において、ＦＥＴ２２２が、プリント回路基板２１４の平面パッチアンテナ２２０ａと同じ側に表面実装されてもよいことを理解されたい。さらに、ドライバ電子回路２４２は、反射アンテナ素子２００を構成した同じプリント回路基板に直接はんだ付けされてもよい。

パッチアンテナ素子２２０ａは、反射アンテナ素子２００のインピーダンスレベルに依存して位相が多少ずれた状態で反射する働きをする。反射アンテナ素子２００は、アンテナ設計パラメータの関数であるインピーダンス特性を有する。アンテナの設計パラメータには、構造の絶縁性材料、絶縁性材料の厚さ、アンテナの形状、アンテナの長さと幅、給電位置、アンテナ金属層の厚さなどの物理的属性があるがこれらに限定されない。

ＦＥＴ２３０（非理想的スイッチング素子）は、抵抗状態を変化させることによって反射アンテナ素子２００のインピーダンス状態を変化させる。低抵抗状態（例えば、閉じた状態すなわち「短絡」）は、低インピーダンスになる。反対に、高抵抗状態（例えば、開いた状態）は、高インピーダンスになる。理想的な動作特性を有するスイッチング素子（本明細書において「理想的」スイッチング素子と呼ばれる）は、抵抗がその最低状態にあるときに実質的にゼロのインピーダンス（Ｚ＝０）を生成し、抵抗がその最大状態にあるときに実質的に無限大のインピーダンス（Ｚ＝∞）を生成する。本明細書で説明するように、スイッチング素子は、そのインピーダンスがその最低状態（例えば、Ｚ_ｏｎ＝０）のときに「オン」であり、そのインピーダンスがその最大状態（例えば、Ｚ_０ｆｆ＝∞）のときに「オフ」である。理想的スイッチング素子のオンとオフのインピーダンス状態は、実質的にＺ_ｏｎ＝０とＺ_ｏｆｆ＝∞なので、理想的スイッチング素子は、電磁放射の吸収なしにオン状態とオフ状態の間で最大の位相ずれを実現することができる。すなわち、理想的スイッチング素子は、０度と１８０度の位相状態の間でスイッチングを実現することができる。理想的スイッチング素子の場合、任意の有限の非ゼロインピーダンスを示すアンテナによって最大位相−振幅性能を達成することができる。

理想的スイッチング素子と対照的に、「非理想的」スイッチング素子は、それぞれＺ_ｏｎ＝０とＺ_ｏｆｆ＝∞でオンとオフのインピーダンス状態を示さないスイッチング素子である。より正確に言うと、非理想的スイッチング素子のオンとオフのインピーダンス状態は、一般に、例えば０＜｜Ｚ_ｏｎ｜＜｜Ｚ_ｏｆｆ｜＜∞のどこかである。しかしながら、用途によっては、オンとオフのインピーダンス状態は｜Ｚ_ｏｆｆ｜＜＝｜Ｚ_ｏｎ｜でもよい。非理想的スイッチング素子は、特定の周波数範囲（例えば、＜１０ＧＨｚ）内で理想的なインピーダンス特性を示し、他の周波数範囲（例えば、＞２０ＧＨｚ）できわめて非理想的なインピーダンス特性を示すことになる。

非理想的スイッチング素子のオンとオフのインピーダンス状態は、Ｚ_ｏｎ＝０とＺ_ｏｆｆ＝∞の間のどこかに位置しているため、非理想的スイッチング素子によれば、必ずしも、対応するアンテナのインピーダンスと関係なく最大位相状態性能を得ることはできない。ここで、最大位相状態性能は、０度から１８０度の位相状態の間のスイッチングを必要とするものである。本発明によれば、図２の反射アンテナ素子２００は、最適な位相性能を提供するように特別に設計されており、この反射アンテナ素子の最適な位相状態性能とは、反射素子が０度と１８０度の位相−振幅状態の間のスイッチングに最も近い地点のことである。１つの実施形態において、このような最適な位相状態性能を達成するために、非理想的スイッチング素子（ＦＥＴ２３０）のインピーダンスの関数としてアンテナ素子２００が構成される。例えば、アンテナ素子２００のインピーダンスがＦＥＴ２３０のインピーダンス特性の関数になるようにアンテナ素子２００が設計される。

さらに、アンテナ素子２００は、オン状態Ｚ_ｏｎにおける非理想的スイッチング素子（ＦＥＴ２３０）のインピーダンスと、オフ状態Ｚ_ｏｆｆにおける非理想的スイッチング素子２３０のインピーダンスの関数として構成される。特定の実施形態において、反射アンテナ素子２００の位相状態性能は、オンとオフのインピーダンス状態Ｚ_ｏｎとＺ_ｏｆｆのときにアンテナ素子２００のインピーダンスが非理想的スイッチング素子２３０のインピーダンスの平方根と共役になるようにアンテナ素子２００が構成されるときに最適化される。具体的には、アンテナ素子２００のインピーダンスは、対応する非理想的スイッチング素子２３０のオンとオフのインピーダンス状態Ｚ_ｏｎとＺ_ｏｆｆの相乗平均の複素共役である。この関係は次のように表される。

ここで、（）＊は複素共役を表す。前述の関係は、ソースインピーダンス(source impedance)と負荷インピーダンスの間の複素反射係数の周知の公式を使用して導出される。アンテナ素子２００をソース(source)として選択し、非理想的スイッチング素子２３０を負荷として選択し、オン状態の反射係数がオフ状態の反射係数の逆に等しくなるように設定することにより、式（１）が得られる。

最適な位相振幅性能を示すようにアンテナ素子２００を設計するには、反射アンテナ素子２００（この場合は、ＦＥＴ２３０）に使用される特定の非理想的スイッチング素子のオンとオフのインピーダンスＺ_ｏｎとＺ_ｏｆｆを決定することが必要である。次に、アンテナ素子２００の設計パラメータを、前述の式（１）で表した関係と一致するインピーダンスを有するアンテナ素子２００を作成するように操作する。Ｚ_ｏｎとＺ_ｏｆｆが異なる値になるように決定される限り、式（１）に適合するアンテナ素子２００を設計することができる。

対象とする周波数帯全体にわたって非理想的インピーダンス特性を示す、図２に示した表面実装ＦＥＴ２３０以外の別のタイプのスイッチング素子は、表面実装ダイオードである。しかしながら、表面実装ダイオードは、対象とする周波数帯全体にわたって表面実装ＦＥＴよりも優れたインピーダンス特性を示すが、表面実装ＦＥＴは、比較的安価であり、反射板アンテナアレイ用途に使用するように個別にパッケージ化することができる。

非理想的スイッチング素子としてＦＥＴを利用する反射板アンテナアレイにおいて達成可能なビーム走査速度は、信号ノイズ比、クロストーク、およびスイチッング時間を含むいくつかの要因に依存する。ＦＥＴの場合、スイチッング時間は、ゲートキャパシタンス、ドレイン−ソース間キャパシタンス、およびチャネル抵抗（すなわち、ドレイン−ソース間抵抗）に依存する。チャネル抵抗は、実際には、空間依存であり時間依存でもある。インピーダンス状態の間のスイチッング時間を最小にするために、ＦＥＴのドレインは、常に直流短絡されることが好ましい。ドレインをフローティング状態にしておくと、パッチアンテナの巨大な平行プレート領域によって、オフ状態のチャネル抵抗が大きくなりドレイン−ソース間キャパシタンスが大きくなるので、ドレインは、常に直流短絡されることが好ましい。これは、アンテナが直流短絡されることが好ましいが、電源においてアンテナが単に「高周波短絡」のみを観察することが望ましいことを意味している。したがって、追加のアンテナ／ドレイン短絡は、アンテナの混乱（perturb）を最小にするように最適に配置されなければならない。

反射アンテナ素子２００に、パッチアンテナ２２０ａの代わりに他のタイプのアンテナを使用できることを理解されたい。限定ではなく１つの例として、他のアンテナタイプには、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、ループアンテナ、および誘電体共振器型アンテナがある。さらに、他の実施形態において、反射アンテナ素子２００は、ＦＥＴ２３０を可変キャパシタ（例えば、バリウムチタン酸ストロンチウム（ＢＳＴ）キャパシタ）と置き換えることによって連続位相シフトアンテナ素子２００でもよい。可変キャパシタを実装したパッチの場合、ＦＥＴを実装したパッチによって生成される２進位相ずれの代わりに、各アンテナ素子２００ごとに連続位相ずれを達成することができる。マイクロ波ビームをビーム走査パターンで任意の方向に操縦するために、連続フェイズドアレイを調整して任意の所望の位相ずれを実現することができる。

図３は、本発明の実施形態によるマイクロ波照明を反射する例示的なアレイ５０の平面概略図である。図３において、マイクロ波源（アンテナ）６０から送られたマイクロ波放射のソースビーム３００をアレイ５０の様々なアンテナ素子８０が受け取る。マイクロ波源は、点放射源、ホーンアンテナまたは他のタイプのアンテナを含むがこれらに限定されないアレイ５０を照明するのに十分な任意の放射源でよい。アレイ５０内のアンテナ素子８０にはそれぞれ、反射マイクロ波放射の送信ビーム３１０をターゲット１５５の方に導くようにそれぞれの位相ずれがプログラムされる。位相ずれは、ターゲット１５５に各アンテナ素子８０からの反射マイクロ波照明３１０の正の干渉を作成するように選択される。理想的には、各アンテナ素子８０の位相ずれは、照射源（アンテナ素子８０）からターゲット１５５までの反射マイクロ波照明３１０の各経路ごとに同じ位相遅れを提供するように調整される。

同様に、図４に示したように、ターゲット１５５から反射されアレイ５０で受け取ったマイクロ波放射の反射ビーム４１０を、反射マイクロ波放射の受信ビーム４２０としてマイクロ波受信器４００の方に反射させてもよい。マイクロ波受信器４００は、マイクロ波源６０と異なる空間位置に示しているが、他の実施形態では、マイクロ波源６０を、個別のアンテナとしてまたはマイクロ波受信器４００の一部として、マイクロ波受信器４００と同じ空間位置に配置してもよいことを理解されたい（例えば、共焦点画像形成システム）。

前述のように、マイクロ波源からマイクロ波受信器への漂遊放射線により生じるバックグラウンドノイズは、マイクロ波画像形成システムの信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を低下させる。次に図５を参照すると、マイクロ波源６０とマイクロ波受信器４００の間の例示的な漏れ（漂遊）マイクロ波放射が示されている。図４の場合のように、マイクロ波源（アンテナ）６０から送られたマイクロ波放射のソースビーム３００は、アレイ５０の様々なアンテナ素子８０によって受け取られる。アンテナ素子８０はそれぞれ、マイクロ波放射の送信ビーム３１０をターゲット１５５の方に反射するようにそれぞれの位相ずれがプログラムされる。しかしながら、ソースビーム３００内のマイクロ波放射の一部は、アレイ５０から漂遊マイクロ波放射(stray microwave radiation)の漂遊ビーム５００でマイクロ波受信器４００の方に反射される。さらに、図示していないが、漂遊マイクロ波放射の漂遊ビーム５００は、他の漂遊マイクロ波放射源も含むことを理解されたい。例えば、漂遊ビーム５００は、三次元空間内の様々な望ましくないポイント（例えば、画像形成している対象物や他の対象物上の他のターゲット）からアレイの方に散乱され、マイクロ波受信器４００の方に反射されたマイクロ波放射を含む。この漂遊マイクロ波放射５００は、ＳＮＲを低下させることによって、得られるマイクロ波画像の品質を低下させる可能性がある。

本発明の実施形態によれば、マイクロ波画像のノイズは、位相微分を使用して漂遊マイクロ波放射を除去することによって最小にされる。図６Ａと図６Ｂは、マイクロ波画像からノイズを分離し除去する連続マイクロ波画像間の位相微分の例を示す。図６Ａに見ることができるように、マイクロ波源６０は、マイクロ波放射のソースビーム３００をアレイ５０内の様々なアンテナ素子８０ａと８０ｂの方に送る。各アンテナ素子８０ａと８０ｂには、マイクロ波放射の送信ビーム３１０をターゲット１５５の方に反射させるようにそれぞれの第１の位相ずれがプログラムされる。例えば、アンテナ素子８０ａには、Ｐ１の第１の位相ずれがプログラムされ、アンテナ素子８０ｂには、Ｐ２の第１の位相ずれがプログラムされる。単純にするために、図６Ａと図６Ｂに、異なる２つの位相ずれ（例えば、０度と１８０度）だけを生成できる二値アレイ５０を示す。したがって、例えば、Ｐ１は０度の位相ずれに対応し、Ｐ２は１８０度の位相ずれに対応する。しかしながら、本発明の実施形態が、他の量子化されたアレイと連続的に位相を変化させたアレイに等しく適用可能であることを理解されたい。

図６Ａにおいて、アンテナ素子８０ａからターゲット１５５の方に反射されたマイクロ波放射３１０は、ターゲット１５５からアレイ５０の方に反射マイクロ波放射４１０として反射される。反射マイクロ波放射４１０は、アンテナ素子８０ｃに受け取られ、アンテナ素子８０ｃには、反射マイクロ波放射４１０をマイクロ波受信器４００の方に二重反射マイクロ波放射４２０ａとして反射するために第１の位相ずれＰ２がプログラムされている。しかしながら、反射された放射のすべてが８０ａと８０ｂからターゲットに送られるわけではなく、マイクロ波放射の一部は、漂遊（単反射）マイクロ波放射５００ａとして受信器の方に直接反射される。本明細書で使用されるとき、「単反射マイクロ波放射」は、マイクロ波源６０からアレイ５０に次にマイクロ波受信器４００に直接送られる漂遊マイクロ波放射と、アレイ５０の方に次にマイクロ波受信器４００の方に直接反射される望ましくない散乱体の漂遊マイクロ波放射とを含む。したがって、マイクロ波受信器４００に受け取った反射マイクロ波放射のビーム６００は、二重反射マイクロ波放射４２０ａ（信号）と単反射マイクロ波放射５００ａ（ノイズ）の両方を含む。その結果、マイクロ波放射ビーム６００を使用して捕捉されたマイクロ波画像はノイズ要素を含む。

マイクロ波画像内のノイズ要素を最小限に抑えるために、ターゲットの追加のマイクロ波画像は、アンテナ素子８０ａ〜８０ｃを、そのアンテナ素子８０ａ〜８０ｃにプログラムされた第１の位相ずれとそれぞれ１８０度異なるそれぞれの第２の位相ずれをプログラムすることによって捕捉される。例えば、アンテナ素子８０ａには、Ｐ２の第２の位相ずれがプログラムされ、アンテナ素子８０ｂには、Ｐ１の第２の位相ずれがプログラムされる。この場合も、アンテナ素子８０ａからターゲット１５５の方に反射されたマイクロ波放射３１０は、ターゲット１５５からアレイ５０の方に反射マイクロ波放射４１０として反射される。反射マイクロ波放射４１０は、反射マイクロ波放射４１０をマイクロ波受信器４００の方に二重反射マイクロ波放射４２０ｂとして反射するようにＰ１の第２の位相ずれがプログラムされたアンテナ素子８０ｃで受け取られる。さらに、アンテナ素子８０ｂに受け取ったマイクロ波放射の一部は、漂遊（単反射）マイクロ波放射５００ｂとして受信器の方に直接反射される。したがって、マイクロ波受信器４００に受け取った反射マイクロ波放射ビーム６１０は、二重反射マイクロ波放射４２０ｂ（信号）と単反射マイクロ波放射５００ｂ（ノイズ）の両方を含む。

図６Ａと図６Ｂを比較すると、アンテナ素子８０ａにプログラムされた第１の位相ずれがＰ１（例えば、０度）であり、アンテナ素子８０ａにプログラムされた第２の位相ずれは、Ｐ１と位相が異なるＰ２（例えば、１８０度）であることが分かる。同様に、アンテナ素子８０ｂにプログラムされた第１の位相ずれがＰ２（例えば、１８０度）で、アンテナ素子８０ｂにプログラムされた第２の位相ずれは、Ｐ２と位相が逆のＰ１（例えば、０度）である。したがって、アンテナ素子８０ｂに受け取られ、図６Ｂに漂遊（単反射）マイクロ波放射５００ｂとして受信器の方に直接反射されたマイクロ波放射は、図６Ａ内の単反射マイクロ波放射５００ａから位相が１８０度ずれている。しかしながら、図６Ｂ内の二重反射マイクロ波放射４２０ｂは、図６Ａの二重反射マイクロ波放射４２０ａと同じ位相を有する。二重反射マイクロ波放射４２０ｂはアレイ５０で２回反射されるので、図６Ｂの二重反射マイクロ波放射４２０ｂが受ける位相ずれの合計は、図６Ａの二重反射マイクロ波放射４２０ａが受ける位相ずれと同じである。

例えば、Ｐ１の位相ずれが０度の位相ずれに対応し、Ｐ２の位相ずれが１８０度の位相ずれに対応すると仮定すると、図６Ａのアンテナ素子８０ａに受け取ったマイクロ波放射３００は、ターゲット１５５の方に０度の位相ずれで反射される。ターゲット１５５から反射されアンテナ素子８０ｃに受け取った反射マイクロ波放射４１０は、１８０度の位相ずれでマイクロ波受信器４００の方に反射される。したがって、二重反射マイクロ波放射４２０ａが受ける位相ずれの合計は、１８０度である。同様に、図６Ｂにおいて、図６Ｂのアンテナ素子８０ａで受け取ったマイクロ波放射３００は、ターゲット１５５の方に１８０度の位相ずれで反射される。ターゲット１５５から反射されアンテナ素子８０ｃに受け取った反射マイクロ波放射４１０は、０度の位相ずれでマイクロ波受信器４００の方に反射される。したがって、二重反射マイクロ波放射４２０ｂが受ける位相ずれの合計も１８０度である。アレイ５０内のすべてのアンテナ素子の位相が２つの画像間で１８０度ずらされて得られた２つのマイクロ波画像によって、第１のマイクロ波画像からノイズを除去することができる。

１つの実施形態において、第１のマイクロ波画像と第２のマイクロ波画像の間の位相ずれの切り換えは、個々のアンテナ素子８０に各マイクロ波画像ごとの異なる位相ずれパターンを別々にプログラムすることによって実現することができる。もう１つの実施形態において、各アンテナ素子８０は、第１の位相ずれと第２の位相ずれを切り換える論理回路を含むことができる。例えば、新しいパターンを第２のマイクロ波画像のアレイにロードする代わりに、位相ずれが「１」の論理状態と「０」の論理状態に対応する二値アレイによって、各アンテナ素子８０は、第１と第２の画像間でアンテナ素子８０の論理状態を「１」から「０」あるいはその逆に切り換える論理回路を含むことができる。

図７は、本発明の実施形態によりターゲットのマイクロ波画像からノイズを除去する処理構成要素を示すブロック図である。図６Ａと図６Ｂと関連して前に説明したように、マイクロ波受信器４００は、第１のマイクロ波放射ビーム６００と第２のマイクロ波放射ビーム６１０を受け取る。各ビーム６００と６１０は、信号成分（例えば、図６Ａと図６Ｂに示した二重反射マイクロ波放射４２０ａと４２０ｂ）とノイズ成分（例えば、図６Ａと図６Ｂに示した単反射マイクロ波放射５００ａと５００ｂ）の両方を含む。各ビーム６００と６１０の測定強度７００と７１０はそれぞれプロセッサ１００内の加算器７２０に入力され、第１のマイクロ波画像に対応する第１の測定強度７０が、第２のマイクロ波画像に対応する第２の測定強度７１０と加算される。

各ビーム６００と６１０内の二重反射マイクロ波放射（信号成分）が受ける位相ずれの合計が同じなので、加算器７２０によって行われる加算によってビーム６００と６１０内の信号成分が加算される。しかしながら、各ビーム６００と６１０内の単反射マイクロ波放射（ノイズ成分）が、２つのビーム６００と６１０間で１８０度の位相ずれを受けるので、加算器７２０によって行われる加算によってノイズ成分が除去される（すなわち、ノイズ成分が相殺される）。加算器７２０によって得られた結果は、両方のビーム６００と６１０の信号成分を含む最終マイクロ波画像７３０である。したがって、最終マイクロ波画像７３０は、システム内にノイズのない図４の反射マイクロ波放射４２０によるマイクロ波画像に対応する。

１つの実施形態において、第１のビーム６００と第２のビーム６２０の組み合わせ（combination）の全露光時間は、実質的にマイクロ波受信器４００の全積分時間と等しい。各ビーム６００と６１０の信号成分が加算されるので、各信号成分の積分時間が加算されて、受信器がターゲットの最終マイクロ波画像７３０を捕捉するのに必要な全積分時間が得られる。したがって、単一マイクロ波画像の時間フレーム内で２つの位相をずらしたマイクロ波画像を得ることができる。

１つの実施形態において、前述のノイズ除去手順が、マイクロ波画像形成システムによって得られる各マイクロ波画像ごとに実施されることを理解されたい。他の実施形態において、ノイズ除去手順は、マイクロ波画像形成システムの較正中に実施され、較正プロセス中に決定されるノイズ成分は、マイクロ波画像形成システムによって得られたマイクロ波画像を修正するために、マイクロ波画像形成システムによって行われる後の測定で使用される。

図８は、本発明の実施形態によりターゲットのマイクロ波画像を捕捉するマイクロ波画像形成システムを最適化する例示的な方法８００を示すフローチャートである。最初に、ブロック８１０で、プログラム可能なマイクロ波アンテナ素子のアレイを提供する。ブロック８２０で、アレイ内の各アンテナ素子に、マイクロ波放射ビームをターゲットの方に導くようにそれぞれの第１の位相ずれをプログラムする。ブロック８３０で、ターゲットの第１のマイクロ波画像を捕捉する。

次に、ブロック８４０で、各アンテナ素子のプログラムした位相ずれを１８０度反転させて、ブロック８５０で、ターゲットの第２のマイクロ波画像を捕捉する。ブロック８６０で、第１と第２のマイクロ波画像を加算して、画像からノイズ成分を除去し、第１と第２のマイクロ波画像から信号成分だけを含む最終マイクロ波画像を生成する。ブロック８７０で、最終マイクロ波画像が、ターゲットのマイクロ波画像として出力される。

当業者によって理解されるように、本出願に記載された革新的な概念は、幅広い用途にわたって修正し変更することができる。したがって、特許の主題の範囲は、説明した特定の例示的教示のいずれにも限定されず、添付の特許請求の範囲によって定義される。

本発明の実施形態によるプログラム可能なアンテナアレイを含む簡略化した例示的なマイクロ波画像形成システムの概略図である。 本発明の実施形態による反射板アレイに使用する受動アンテナ素子の断面図である。 本発明の実施形態によるマイクロ波放射を反射する反射アンテナ素子を含む例示的な反射板アレイの平面概略図である。 本発明の実施形態によるプログラム可能なアンテナアレイを使用するマイクロ波源とマイクロ波受信器の間のマイクロ波放射の反射を示す概略図である。 マイクロ波源とマイクロ波受信器の間の漏れマイクロ波放射を直接示す概略図である。 本発明の実施形態による信号とノイズの両方を含むマイクロ波放射からそれぞれ得られた２つの連続したマイクロ波画像間の位相ずれの変化を示す概要図である。 本発明の実施形態による信号とノイズの両方を含むマイクロ波放射からそれぞれ得られた２つの連続したマイクロ波画像間の位相ずれの変化を示す概要図である。 本発明の実施形態による、ターゲットのマイクロ波画像からノイズを除去する処理構成要素を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるターゲットのマイクロ波画像からノイズを除去する例示的なプロセスを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ マイクロ波画像形成システム
５０ 走査パネル
７０ 送信ビーム
８０ アンテナ素子
９０ 受信ビーム
１００ プロセッサ
１１０ コンピュータ可読媒体
１２０ 表示装置
１５０ 物体
１５５ ターゲット

Claims (10)

1. ターゲットのマイクロ波画像を捕捉するためのマイクロ波画像形成システムであって、
   マイクロ波放射を提供するマイクロ波源と、
   前記ターゲットの前記マイクロ波画像を捕捉するマイクロ波受信器と、
   複数のアンテナ素子を含む反射板アンテナアレイであって、前記アンテナ素子の第１の部分集合がそれぞれ、送信ビームで前記ターゲットの方に前記マイクロ波放射を反射し、前記アンテナ素子の第２の部分集合がそれぞれ、前記ターゲットから反射されたマイクロ波照明の受信ビームを前記マイクロ波受信器の方に反射するように、それぞれの位相シフトをプログラム可能な反射板アンテナアレイと、
   前記複数のアンテナ素子の前記第１の部分集合及び前記第２の部分集合に前記ターゲットの第１のマイクロ波画像を捕捉するようにそれぞれの第１の位相シフトをプログラムし、前記複数のアンテナ素子の前記第１の部分集合及び前記第２の部分集合に前記ターゲットの第２のマイクロ波画像を捕捉するようにそれぞれの第２の位相シフトをプログラムすることができ、前記それぞれの複数のアンテナ素子の前記第２の部分集合の前記第１の位相シフトと前記第２の位相シフトが１８０度異なるプロセッサとを具備し、
   前記プロセッサが、さらに、前記第１のマイクロ波画像と前記第２のマイクロ波画像を組み合わせてノイズを最小にするように動作可能である、マイクロ波画像形成システム。
2. 前記受信ビームが、前記アレイによって前記マイクロ波源から前記ターゲットに反射され前記ターゲットから前記マイクロ波受信器に反射される二重反射マイクロ波放射と、最初に前記アレイによって前記マイクロ波源からターゲットに反射されることなく前記アレイによって前記マイクロ波受信器に反射される単反射マイクロ波放射とを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１のマイクロ波画像内の前記二重反射マイクロ波放射の位相が、前記第２のマイクロ波画像内の前記二重反射マイクロ波放射の前記位相と同じであり、前記第１のマイクロ波画像内の前記単反射マイクロ波放射の位相が、前記第２のマイクロ波画像内の前記単反射マイクロ波放射の前記位相と１８０度異なる、請求項２に記載のシステム。
4. 前記プロセッサが、さらに、前記第１のマイクロ波画像と前記第２のマイクロ波画像を加算して前記第１のマイクロ波画像と前記第２のマイクロ波画像の両方の前記二重反射マイクロ波放射だけ含む最終マイクロ波画像を生成するように動作でき、前記第１のマイクロ波画像と前記第２のマイクロ波画像の両方の前記二重反射マイクロ波放射が信号成分に対応する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記プロセッサが、前記第１のマイクロ波画像と前記第２のマイクロ波画像を加算することによって前記最終マイクロ波画像から前記単反射マイクロ波放射を除去するように動作でき、前記最終マイクロ波画像から除去された前記単反射マイクロ波放射がノイズ成分に対応する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記アレイが、前記第１の位相シフトと前記第２の位相シフトを切り換えるように構成された前記複数のアンテナ素子のそれぞれの論理回路を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記第１のマイクロ波画像と前記第２のマイクロ波画像の組み合わせの全露出時間が、前記マイクロ波受信器の積分時間と同等である、請求項１に記載のシステム。
8. ターゲットのマイクロ波画像内のノイズを最小にする方法であって、
   複数のアンテナ素子を含むアレイを提供するステップであって、前記アンテナ素子の第１の部分集合のそれぞれが、送信ビームにおいてマイクロ波放射をターゲットの方に反射し、かつ前記アンテナ素子の第２の部分集合のそれぞれが、前記ターゲットから反射されたマイクロ波照明の受信ビームをマイクロ波受信器の方に反射するように、それぞれの位相シフトがプログラムされうるステップと、
   前記複数のアンテナ素子の前記第１の部分集合及び前記第２の部分集合にそれぞれの第１の位相シフトをプログラムして、前記ターゲットの第１のマイクロ波画像をマイクロ波受信器で捕捉するステップと、
   前記複数のアンテナ素子の前記第１の部分集合及び前記第２の部分集合にそれぞれの第２の位相シフトをプログラムして、前記ターゲットの第２のマイクロ波画像を前記マイクロ波受信器で捕捉するステップであって、前記それぞれの複数のアンテナ素子の前記第２の部分集合のそれぞれの前記第１の位相シフトと前記第２の位相シフトが１８０度異なるステップと、
   前記第１のマイクロ波画像と前記第２のマイクロ波画像を組み合わせてノイズを最小にするステップとを有する、方法。
9. 前記受信ビームが、前記アレイによって前記マイクロ波源から前記ターゲットに反射され前記ターゲットから前記マイクロ波受信器に反射される二重反射マイクロ波放射と、最初に前記アレイによって前記マイクロ波源から前記ターゲットに反射されることなしに前記アレイによって前記マイクロ波源から前記マイクロ波受信器に反射される単反射マイクロ波放射とを含み、前記第１のマイクロ波画像内の前記二重反射マイクロ波放射の位相が、前記第２のマイクロ波画像内の前記二重反射マイクロ波放射の位相と同じであり、前記第１のマイクロ波画像内の前記単反射マイクロ波放射の位相が、前記第２のマイクロ波画像内の前記単反射マイクロ波放射の位相と１８０度異なる、請求項８に記載の方法。
10. 前記ノイズを最小にするステップが、さらに、前記第１のマイクロ波画像と前記第２のマイクロ波画像を加算して、前記第１のマイクロ波画像と前記第２のマイクロ波画像の両方の前記二重反射マイクロ波放射だけを含む最終マイクロ波画像を生成するステップを含む、請求項９に記載の方法。
    

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