JP7001069B2 - 推論用知識生成装置、推論用知識生成方法、及びプログラム - Google Patents

推論用知識生成装置、推論用知識生成方法、及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、対象物で反射又は対象物から放射された電波から対象物を検知するための、物体検知装置及び物体検知方法に関し、更には、これらを実現するためのプログラムに関する。
電波（マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波など）は、光と異なり、物体を透過する能力に優れている。この電波の透過能力を活用して、衣服の下に隠されている物品又は鞄の中の物品等を画像化して検査するイメージング装置（物体検知装置）が実用化されている。同様にして、衛星又は航空機から雲を透過して地表を画像化するリモートセンシング技術も実用化されている。
また、物体検知装置における画像化の方式としては、いくつかの方式が提案されている。一つは、アレイアンテナ方式である（例えば、非特許文献１参照）。ここで、図２１～図２５を用いて、アレイアンテナ方式について説明する。図２１は、従来からのアレイアンテナ方式を採用した物体検知装置を示す図である。図２２は、図２１に示された受信機の構成を示す図である。
図２１に示すように、アレイアンテナ方式においては、物体検知装置は、送信機２１１と受信機２０１とを備えている。また、送信機２１１は、送信アンテナ２１２を備えている。受信機２０１は、受信アンテナ２０２１、２０２２、・・・、２０２Ｎを備えている（Ｎは受信アンテナの数）。
送信機２１１は、送信アンテナ２１２から、ＲＦ信号（電波）２１３を検知対象物２０４１、２０４２、・・・、２０４Ｋ（Ｋは対象物の数）に向けて照射する。ＲＦ信号（電波）２１３は、検知対象物２０４１、２０４２、・・・、２０４Ｋにおいて反射され、反射波２０３１、２０３２、・・・、２０３Ｋがそれぞれ発生する。
発生した反射波２０３１、２０３２、・・・、２０３Ｋは、受信アンテナ２０２ １、２０２２、・・・、２０２Ｎにおいて受信される。受信機２０１は、受信した反射波２０３１、２０３２、・・・、２０３Ｋに基づいて、検知対象物２０４１、２０４２、・・・、２０４Ｋで反射された電波の電波強度を算出する。その後、受信機２０１は、算出した電波強度の分布を画像化する。これにより、検知対象物２０４１、２０４２、・・・、２０４Ｋそれぞれの像が得られることになる。
また、図２２に示すように、アレイアンテナ方式が採用される場合、受信機２０１は、Ｎ本の受信アンテナ２０２１、２０２２、・・・、２０２Ｎを備えている。受信アンテナ２０２１、２０２２、・・・、２０２Ｎで、角度θk（ｋ＝１，２，・・・Ｋ）を持つＫ個の到来波２０８１、２０８２、・・・、２０８Ｋを受信する。
ここで、到来波２０８１、２０８２、・・・、２０８Ｋの複素振幅を[s(θ1),s(θ2),・・・, s(θK)]とする。受信機２０１は、ダウンコンバータ（図２２では図示せず）を備えているので、このダウンコンバータにより、各受信アンテナ２０２１、２０２２、・・・、２０２Ｎで受信されたＲＦ信号の複素振幅（ベースバンド信号）[r1,r2,・・・,rN]が抽出される。また、受信アンテナ２０２１、２０２２、・・・、２０２Ｎで受信された信号の複素振幅[r1,r2,・・・,rN]は信号処理部２０５へ出力される。
受信アンテナ２０２１、２０２２、・・・、２０２Ｎにおける、受信信号の複素振幅[r1,r2,・・・,rN]と、到来波の複素振幅[s(θ1),s(θ2),・・・, s(θK)]との関係は、以下の式（１）で与えられる。
Figure 0007001069000001
上記式（１）において、n(t)はノイズ成分を要素とするベクトルである。添字Tはベクトル又は行列の転置を表す。dはアンテナ間の距離、λは到来波（ＲＦ信号）２０８１、２０８２、・・・、２０８Ｋの波長である。
また、上記式（１）において、受信信号の複素振幅rは測定で得られる量である。方向行列Aは信号処理上で定義(指定)できる量である。到来波の複素振幅sは未知数であり、測定で得た受信信号rから到来波sの方向を決定する事が到来波方向推定の目的となる。
到来方向推定のアルゴリズムでは、測定で得た受信信号rから相関行列R=E[r・rH]を計算する。ここでE[]は括弧内の要素に時間平均の処理を施す事を表し、添字Hは複素共役転置を表す。次に、計算した相関行列Rから、以下の式（２）～（４）で示すいずれかの評価関数が計算される。
Figure 0007001069000002
Figure 0007001069000003
Figure 0007001069000004
MUSIC法におけるEN=[eK+1,・・・,eN]は、相関行列Rの固有ベクトルの内、固有値がノイズn(t)の電力となるN－(K+1)個のベクトルで構成した行列である。
また、図２２で示した従来型のアンテナアレイにおいて、受信信号rから相関行列Rを計算する過程、更には、式（２）～（４）の評価関数を計算する過程は、信号処理部２０５で実施される。
非特許文献１に記載の理論によれば、式（２）～式（４）で示した評価関数は、到来波の角度θ1,θ2,・・・,θKにおいてピークを持つ。従って、評価関数を計算してそのピークを見れば、到来波の角度を求める事ができる。式（２）～式（４）の評価関数で得た到来波の角度分布から、対象物の位置及び形状を画像として表示する事ができる。
また、式（２）～式（４）で示した評価関数の内、特に式（２）のビームフォーマ法による評価関数が適用される場合の信号処理部が、図２３において示される。図２３は、図２１に示された受信機においてビームフォーマ法が適用される場合の例を示す図である。
図２３で示した従来型のアンテナアレイの移相器２０６１、２０６２、・・・、２０６Ｎと合成器２０７とが、図２２で示した従来型のアンテナアレイにおける信号処理部２０５に対応する。移相器２０６１、２０６２、・・・、２０６Ｎは、それぞれ、受信アンテナ２０２１、２０２２、・・・、２０２Ｎで受信した到来波２０８１、２０８２、・・・、２０８Ｋの複素振幅に対し、位相回転Φ１、Φ２、・・・、ΦＮを加える。位相回転Φ１、Φ２、・・・、ΦＮが加えられた到来波２０８１、２０８２、・・・、２０８Ｋは、加算器２０７で加算される。
移相器２０６１、２０６２、・・・、２０６Ｎと、加算器２０７とは、アナログ回路によって実装される事もあれば、コンピュータに組み込まれたソフトウェアによって実装される事もある。また、アレイアンテナ方式では、移相器２０６１、２０６２、・・・、２０６Ｎにおける、位相回転Φ１、Φ２、・・・、ΦＮの設定により、アレイアンテナの指向性が制御される。受信アンテナ２０２の指向性をｇ（θ）とし、受信アンテナ２０２ｎで受信した到来波２０８ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｋ）の振幅と位相とをそれぞれａｎおよびφｎとした場合、アレイアンテナの指向性Ｅ（θ）は、以下の式（５）のように計算される。
Figure 0007001069000005
式（５）において、アレイアンテナの指向性Ｅ（θ）から受信アンテナ２０２の指向性ｇ（θ）を除去して得られる、指向性成分ＡＦ（θ）は、アレイファクターと呼ばれる。アレイファクターＡＦ（θ）が、アレイアンテナを形成した事による指向性の効果を表す。受信アンテナ２０２ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）で受信した信号は、ｇ（θ）ａｎｅｘｐ（ｊφｎ）である。また、移相器２０６ｎの位相回転Φｎを受けた信号ｇ（θ）ａｎｅｘｐ（ｊφｎ）ｅｘｐ（ｊΦｎ）をｎ＝１，２，・・・，Ｎに渡って加算器２０７で加算することによって得られた信号が、式（５）の指向性Ｅ（θ）として得られる。
到来波２０８１、２０８２、・・・、２０８Ｋの入射角をθとした場合、到来波２０８ｎの位相φｎは、－２π・ｎ・ｄ・ｓｉｎθ／λで与えられる（ｎ＝１，２，・・・，Ｋ）。ここで、ｄは受信アンテナ２０２ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の間隔であり、λは到来波２０８１、２０８２、・・・、２０８Ｋの波長である。
上記の式（５）において、振幅ａｎがｎによらず一定とした場合、移相器２０６ｎの位相回転Φｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）が、到来波２０８ｎの位相φｎに－１を掛けた値と等しくなるように設定すると、アレイファクターＡＦ（θ）は角度θの方向において最大となる。このことは、即ち、移相器２０６ｎの位相回転Φｎによるアレイアンテナの指向性の制御法を示している。
アレイアンテナ方式による物体検知装置の例は、その他に、特許文献１～３においても開示されている。具体的には、特許文献１及び２に開示された物体検知装置は、受信機に内蔵されたＮ個の受信アンテナそれぞれに接続された移相器により、Ｎ個の受信アンテナで形成される受信アレイアンテナの指向性を制御する。
そして、特許文献１及び２に開示された物体検知装置は、ビーム状に形成されたＮ個の受信アレイアンテナの指向性を変化させ、Ｄ個の検知対象物それぞれに対して、受信アレイアンテナの指向性ビームを向ける。これにより、各検知対象物で反射された電波強度が算出される。
また、特許文献３に開示された物体検知装置は、Ｎ個の受信アレイアンテナの周波数依存性を利用する事で、Ｎ個の受信アレイアンテナの指向性を制御している。また、特許文献３に開示された物体検知装置も、特許文献１及び２の例と同様に、Ｄ個の検知対象物それぞれに対して、Ｎ個の受信アレイアンテナの指向性ビームを向ける事で、各検知対象物で反射された電波強度を算出する。
また、実際の物体検知装置は、２次元画像を表示するため、図２４で示すように、受信アンテナ２０２は、縦方向と横方向とにそれぞれＮ個ずつ設置されている。この場合、全体で必要なアンテナの数はＮ２個となる。図２４は、従来からのアレイアンテナ方式を採用した場合の受信アレイアンテナの概略構成を示す図である。
また、２次元画像を表示するための方式としては、Mills Cross方式も知られている（例えば、非特許文献２参照）。図２５は、MillsCross方式を採用した物体検知装置を示す図である。図２５に示すように、この物体検知装置は、縦方向に配列された１次元のアレイアンテナ２０１と、横方向に配列された１次元のアレイアンテナ２０１とを備えている。そして、この物体検知装置では、乗算器２２１は、縦方向にある受信アンテナと横方向にある受信アンテナとの組毎に、信号の積を算出する。よって、算出された積を用いることで、２次元画像を表示することが可能となる。
続いて、図２６を用いて、物体検知装置における画像化の他の方式として、合成開口レーダ（ＳＡＲ：Synthetic Aperture Radar）方式について説明する。図２６は、従来からの合成開口レーダ方式を採用した物体検知装置を示す図である。
図２６に示すように、合成開口レーダ方式において、物体検知装置は、送信機３１１と受信機３０１とを備えている。また、送信機３１１は、送信アンテナ３１２を備えている。受信機３０１は、受信アンテナ３０２を備えている。
送信機３１１は、送信アンテナ３１２から、ＲＦ信号（電波）３１３を検知対象物３０４１、３０４２、・・・、３０４Ｋ（Ｋは検知対象物の数）に向けて照射する。ＲＦ信号（電波）３１３は、検知対象物３０４１、３０４２、・・・、３０４Ｋにおいて反射され、反射波３０３１、３０３２、・・・、３０３Ｋがそれぞれ発生する。
この時、受信機３０１は予め設定されたＮ個の位置に順に移動しながら、各位置において反射波３０３１、３０３２、・・・、３０３Ｋを受信する。図２５において、３０１１、３０１２、・・・、３０１Ｎは、各位置における受信機３０１を示している。また、３０２１、３０２２、・・・、３０２Ｎは、それぞれ、各位置での受信アンテナを示している。Ｎは、予め設定された受信機３０１の位置の数である。
また、これにより、１つの受信アンテナ３０２は、Ｎ個の受信アンテナ３０２１、３０２２、・・・、３０２Ｎとして機能する。即ち、図２５にいては、１つの受信アンテナが、図２１で示したアレイアンテナ方式における受信アンテナ２０２１、２０２２、・・・、２０２Ｎと同じく、Ｎ本のアンテナによる受信アレイアンテナ（仮想アレイアンテナ）を形成する。
従って、図２６で示した合成開口レーダ方式においても、図２１で示したアレイアンテナ方式と同じく、受信機３０１は、受信した反射波３０３１、３０３２、・・・、３０３Ｋに基づいて、検知対象物３０４１、３０４２、・・・、３０４Ｋから反射されている電波強度を算出する。その後、受信機３０１は、算出した電波強度の分布を画像化する。これにより、検知対象物３０４１、３０４２、・・・、３０４Ｋそれぞれの像が得られることになる。
また、特許文献４～６は、合成開口レーダ方式による物体検知装置の例を開示している。特許文献７は、イメージング装置ではなく、車載レーダの例を開示している。特許文献７に開示された車載レーダは、車載レーダから対象物までの距離（車載レーダを基準とした前後方向の位置）を、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated continuous Wave）信号を用いて測定する。また、この車載レーダは、対象物の位置を、ＭＵＳＩＣ法による到来方向推定によって測定する。なお、この場合、対象物の位置は、車載レーダを通る基準線からの角度で表される。
特表２０１３－５２８７８８号公報 特開２０１５－０１４６１１号公報 特許第５０８０７９５号公報 特許第４６５３９１０号公報 特表２０１１－５１３７２１号公報 特開２０１５－０３６６８２号公報 特開２００７－２８５９１２号公報
菊間信良、"アレーアンテナの基礎"、MWE2010 Digest,(2010) B. R. Slattery,"Use of Mills cross receivingarrays in radar systems,"PROC.IEE,Vol.113,No.11,NOVEMBER 1966, pp.1712-1722.
ところで、アレイアンテナ方式においては、対象物を精度良く検知しようとすると、必要となる受信アンテナの数とそれに付随する受信機の数とが非常に多くなってしまい、結果として、物体検知装置のコスト、サイズ、及び重量が大きくなるという問題がある。
上記の問題点について具体的に説明する。まず、アレイアンテナ方式の場合、受信アンテナ２０２ １、２０２２、・・・、２０２Ｎの各アンテナの間隔は、受信機２０１において受信される反射波２０３１、２０３２、・・・、２０３Ｋの波長λの半分以下にする必要がある。例えば、反射波２０３１、２０３２、・・・、２０３Ｋがミリ波である場合は、波長λは数ｍｍ程度であるので、各アンテナの間隔は数ｍｍ以下となる。そして、この条件が満たされない場合は、生成した画像において、検知対象物２０４１、２０４２、・・・、２０４Ｋが存在しない位置に、虚像が発生するという問題が生じてしまう。
また、画像の分解能は受信アレイアンテナ（２０２ １、２０２２、・・・、２０２Ｎ）の指向性ビーム幅△θで決まる。受信アレイアンテナ（２０２ １、２０２２、・・・、２０２Ｎ）の指向性ビームの幅△θは、△θ～λ／Ｄにて与えられる。ここで、Ｄは受信アレイアンテナ（２０２ １、２０２２、・・・、２０２Ｎ）の開口サイズであり、両端に存在する受信アンテナ２０２１と２０２Ｎと間の距離に相当する。つまり、衣服の下に隠されている物品又は鞄の中の物品等の画像化において実用的な分解能を得るには、受信アレイアンテナ（２０２ １、２０２２、・・・、２０２Ｎ）の開口サイズＤは数十ｃｍから数ｍ程度に設定されている必要がある。
上記の２つの条件、即ち、Ｎ個の受信アンテナのアンテナ間の間隔は波長λの半分以下（数ｍｍ以下）とする点と、両端に存在する受信アンテナ間の距離が少なくとも数十ｃｍ程度必要という点とから、一列あたりに必要なアンテナの数Ｎは数百個程度となる。
また、実際の物体検知装置では、２次元画像を表示するため、図２４で示したように、受信アンテナ２０２は、縦方向と横方向とにそれぞれＮ個ずつ設置されている。この場合、全体で必要な受信アンテナの数はＮ２個となる。従って、アレイアンテナ方式を採用するためには、全体で必要な受信アンテナ及びそれに付随する受信機の数は数万個程度となる。
このように大量の受信アンテナと受信機とが必要となるため、上述したように、アレイアンテナ方式においては、コストは非常に高いものになる。また、一辺が数十ｃｍ～数ｍの四方の領域にアンテナが設置されるので、装置のサイズ及び重量は非常に大きなものとなる。
また、上述した図２５に示したMills Cross方式の物体検知装置によれば、アレイアンテナ方式を採用する場合よりは、受信アンテナ及び受信機の数を減らすことは可能である。しかし、この場合であっても、必要な受信アンテナ及び受信機の数は、２Ｎ個であり、やはり数百個程度の受信アンテナが必要となる。従って、この場合であっても、コスト、装置サイズ及び重量の問題を解決することは困難である。
また、上述した図２６に示した合成開口レーダ方式を採用した物体検知装置においては、受信機を機械的に動かす必要があるため、走査時間の短縮が難しいという問題がある。そして、この問題は、物体検知装置によって、物品又は人を検査する時に、単位時間当りに検査できる対象物の数が限られるという問題につながる。また、特許文献６に開示されている物体検知装置においては、受信機を動かすための機械的な機構を必要としているため、装置のサイズ及び重量が増大するという問題が発生している。
一方、車載レーダは、特許文献７に開示されている車載レーダを含め、一般に、特許文献１～３に開示されたイメージング装置に比べて小型化される。しかしながら、車載レーダでは、小型化された分だけ、イメージング装置よりも分解能が劣化している。車載レーダでは、その分解能の低さから、対象物の形状を識別する事はできず、対象物の位置の把握のみが可能である。
具体的には、特許文献７に開示したＦＭＣＷ方式を採用する場合において、ｃを光速、ＢＷをＲＦ信号の帯域幅とすると、分解能はｃ/（２ＢＷ）で与えられる。従って、帯域幅ＢＷを２ＧＨｚに設定すると、分解能は７．５ｃｍとなる。この分解能では、数ｃｍのサイズを持つ対象物の位置については測定できるが、数ｃｍのサイズを持つ対象物の形状を識別する事は困難である。
加えて、特許文献７に開示されている車載レーダでは、開口サイズＤは数ｃｍ程度に小型化されている。このため、指向性ビームの幅△θ～λ／Ｄが大きくなり、角度方向の測定（到来方向推定）の分解能が劣化するという問題もある。
上述したように、従来からの物体検知装置では、所望のミリ波画像の分解能を得ようとした場合、装置のコスト、サイズ、重量が非常に大きなものになる。一方、装置を小型化しようとすると、ミリ波画像の分解能が劣化するという問題が発生する。
このため、物体検知装置を実際に使用できる用途及び機会は、限定されたものになる。また、採用する方式によっては、対象物を検査する速度も限られたものになる。これらの点から、従来よりも必要となるアンテナ及び受信機の数を減らし、更に、受信機を移動させる必要も無く、高速な走査による画像生成を実現することが求められている。
本発明の目的の一例は、上記問題を解消し、電波を用いた物体の検知において、精度を向上させつつ、装置コスト、サイズ、及び重量の増大化を抑制し得る、物体検知装置、物体検知方法、及びプログラムを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一側面における物体検知装置は、電波によって物体を検知するための物体検知装置であって、
前記物体に向けて電波を送信信号として照射する、複数の送信部と、
前記複数の送信部のいずれかに対応し、且つ、前記物体で反射された電波を受信信号として受信し、更に、受信した前記受信信号に前記送信信号をミキシングして中間周波数信号を生成する、受信部と、
前記中間周波数信号に基づいて前記物体の位置分布を表すスペクトルを算出する、スペクトル算出部と、
算出された前記スペクトルの振幅のピーク位置に基づいて、前記物体の反射率を算出するための区間を決定する、区間決定部と、
前記送信部とそれに対応する前記受信部との組毎に、前記中間周波数信号に基づいて、決定された前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出し、更に、前記組毎に、前記区間それぞれの反射率の分布の積を算出する、反射率分布算出部と、
前記組毎に算出した、前記反射率の分布の積を用いて、画像を生成する、画像生成部と、
を備えている、ことを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の一側面における物体検知方法は、物体に向けて電波を送信信号として照射する、複数の送信部と、前記複数の送信部のいずれかに対応し、且つ、前記物体で反射された電波を受信信号として受信し、更に、受信した前記受信信号に前記送信信号をミキシングして中間周波数信号を生成する、受信部と、を備える装置を用いて、前記物体を検知するための方法であって、
（ａ）前記中間周波数信号に基づいて前記物体の位置分布を表すスペクトルを算出する、ステップと、
（ｂ）算出された前記スペクトルの振幅のピーク位置に基づいて、前記物体の反射率を算出するための区間を決定する、ステップと、
（ｃ）前記送信部とそれに対応する前記受信部との組毎に、前記中間周波数信号に基づいて、決定された前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出し、更に、前記組毎に、前記区間それぞれの反射率の分布の積を算出する、ステップと、
（ｄ）前記組毎に算出した、前記反射率の分布の積を用いて、画像を生成する、ステップと、
を有する、ことを特徴とする。
更に、上記目的を達成するため、本発明の一側面におけるプログラムは、
物体に向けて電波を送信信号として照射する、複数の送信部と、前記複数の送信部のいずれかに対応し、且つ、前記物体で反射された電波を受信信号として受信し、更に、受信した前記受信信号に前記送信信号をミキシングして中間周波数信号を生成する、受信部と、プロセッサとを備えた物体検知装置において、
前記プロセッサに、
（ａ）前記中間周波数信号に基づいて前記物体の位置分布を表すスペクトルを算出する、ステップと、
（ｂ）算出された前記スペクトルの振幅のピーク位置に基づいて、前記物体の反射率を算出するための区間を決定する、ステップと、
（ｃ）前記送信部とそれに対応する前記受信部との組毎に、前記中間周波数信号に基づいて、決定された前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出し、更に、前記組毎に、前記区間それぞれの反射率の分布の積を算出する、ステップと、
（ｄ）前記組毎に算出した、前記反射率の分布の積を用いて、画像を生成する、ステップと、
を実行させる命令を含むプログラムを特徴とする。
以上のように、本発明によれば、電波を用いた物体の検知において、精度を向上させつつ、装置コスト、サイズ、及び重量の増大化を抑制することができる。
図１は、本発明の実施の形態における物体検知装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態における物体検知装置の外観構成を概略的に示す図である。 図３は、本発明の実施の形態における物体検知装置の送信部及び受信部の構成を具体的に示す図である。 図４は、本発明の実施の形態における物体検知装置の送信部及び受信部の他の例の構成を具体的に示す図である。 図５は、本発明の実施の形態における物体検知装置が照射する送信信号の一例を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態における物体検知装置が照射する送信信号の他の例を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態における物体検知装置の動作を示すフロー図である。 図８は、Ｋ個の点状対象物が配置された場合の点状対象物と送受信装置との距離を説明する図である。 図９は、対象物からの反射波の間に相関が発生している状態を示す図である。 図１０は、複数の受信アンテナによって構築されたサブアレイの一例を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態で得られた、物体の位置分布を表すスペクトルの一例を示す図である。 図１２は、連続体状の対象物が配置された場合の送受信装置との距離を説明する図である。 図１３は、本発明の実施の形態で得られた、物体の位置分布を表すスペクトルの他の例を示す図である。 図１４は、対象物がＴ字状を呈する場合の対象物と送受信装置との位置関係を示す図である。 図１５は、図１４に示した配置で得られた物体の位置分布を表すスペクトルを示す図である。 図１６は、図１４に示した対象物の形状を具体的に示す図である。 図１７は、図７に示したステップＡ４で決定された区間と対象物との関係を示す図である。 図１８は、図７に示したステップＡ５で算出された対象物の反射率の算出結果の一例を示す図である。 図１９は、本実施の形態で生成された対象物の画像の一例を示す図である。 図２０は、本発明の実施の形態における物体検知装置を実現するコンピュータの一例を示すブロック図である。 図２１は、従来からのアレイアンテナ方式を採用した物体検知装置を示す図である。 図２２は、図２１に示された受信機の構成を示す図である。 図２３は、図２１に示された受信機においてビームフォーマ法が適用される場合の例を示す図である。 図２４は、従来からのアレイアンテナ方式を採用した場合の受信アレイアンテナの概略構成を示す図である。 図２５は、Mills Cross方式を採用した物体検知装置を示す図である。 図２６は、従来からの合成開口レーダ方式を採用した物体検知装置を示す図である。
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態における、物体検知装置、物体検知方法、及びプログラムについて、図１～図２０を参照しながら説明する。
［装置構成］
最初に、図１を用いて本実施の形態における物体検知装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態における物体検知装置の構成を示すブロック図である。
図１に示す本実施の形態における物体検知装置１０００は、電波によって対象物体１００３を検知するための装置である。図１に示すように、物体検知装置１０００は、送信部１１０１と、受信部１１０２と、スペクトル算出部１１０３と、区間決定部１１０４と、反射率分布算出部１１０５と、画像生成部１１０６とを備えている。
送信部１１０１は、物体１００３に向けて、送信信号となる電波を照射する。受信部１１０２は、物体１００３で反射された電波を受信信号として受信し、更に、受信した受信信号に、送信部１１０１で生成された送信信号をミキシングして、中間周波数信号（以下「ＩＦ（Intermediate Frequency）信号」と表記する。）を生成する。また、図１においては、送信部１１０１及び受信部１１０２は、それぞれ一つのみが図示されているが、送信部１１０１及び受信部１１０２は、実際には複数備えられている。そして、受信部１１０２は、いずれかの送信部１１０１対応している。
スペクトル算出部１１０３は、ＩＦ信号に基づいて物体１００３の位置分布を表すスペクトルを算出する。区間決定部１１０４は、算出されたスペクトルの振幅のピーク位置に基づいて、物体１００３の反射率を算出するための区間を決定する。
反射率分布算出部１１０５は、送信部１１０１とそれに対応する受信部１１０２との組毎に、ＩＦ信号に基づいて、決定された区間それぞれにおける物体の反射率を算出し、更に、組毎に、区間それぞれの反射率の分布の積を算出する。画像生成部１１０６は、組毎に算出した、反射率の分布の積を用いて、画像を生成する。
このように、本実施の形態では、検知対象となる物体（以下、「対象物」と表記する。）１００３の位置分布を表すスペクトルが算出され、その振幅のピーク位置から、対象物１００３の反射率を算出するための区間が決定される。そして、区間毎の反射率の分布の積から画像が形成される。このため、本実施の形態によれば、電波を用いた物体の検知において、精度を向上させつつ、装置コスト、サイズ、及び重量の増大化が抑制される。
続いて、図１に加えて、図２～図４を用いて、本実施の形態における物体検知装置の構成について更に具体的に説明する。図２は、本発明の実施の形態における物体検知装置の外観構成を概略的に示す図である。図３は、本発明の実施の形態における物体検知装置の送信部及び受信部の構成を具体的に示す図である。図４は、本発明の実施の形態における物体検知装置の送信部及び受信部の他の例の構成を具体的に示す図である。
まず、本実施の形態では、図１に示すように、送信部１１０１と、それに対応する受信部１１０２とで、一つの送受信装置１００１が構成されている。すなわち、送信部１１０１と受信部１１０２との一つの組は、一つの送受信装置１００１に対応する。また、本実施の形態では、スペクトル算出部１１０３、区間決定部１１０４、反射率分布算出部１１０５、及び画像生成部１１０６は、演算装置（コンピュータ）１２１１に、後述する本実施の形態におけるプログラムを導入することよって構築されている。
更に、図１に示すように、本実施の形態では、送信部１１０１は、受信部１１０２に向けて端子１２０８を経由して送信信号を出力する。受信部１１０２は、対象物１００３から反射され受信した電波と、端子１２０８を経由して得た送信信号とをミキシングして、ＩＦ信号を出力する。
また、図２に示すように、本実施の形態１では、送受信装置配置面１００２に複数個の送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎが配置されている。各送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎは、それぞれ演算装置１２１１に接続されている。ここでNは、配置される送受信装置１００１の個数である。また、対象物１００３が、対象物配置面１００４に配置されているものとする。
この場合において、各々の送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎは、対象物１００３に向けて電波を照射する。その後、各々の送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎは、対象物１００３において反射された電波を受信するものとする。そして、各々の送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎは、送受信した電波に基づいて、送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎと対象物１００３の間の距離Ｒ１、Ｒ２、・・・、ＲＮを測定する。
また、図３に示すように、本実施の形態では、送受信装置１００１１、・・・、１００１Ｎそれぞれにおいて、送信部１１０１は、発振機１２０１と、送信アンテナ１２０２とを備えている。また、受信部１１０２は、受信アンテナ１２０３と、ミキサ１２０４と、インターフェイス回路１２０５とを備えている。更に、上述したように、送信部１１０１と受信部１１０２とは、端子１２０８を介して接続されている。
送信部１１０１において、発振機１２０１は、ＲＦ信号（電波）を生成する。発振機１２０１で生成されたＲＦ信号は、送信アンテナ１２０２から送信信号として送信され、対象物１００３に照射される。対象物１００３で反射された電波は、受信部１１０２において、受信アンテナ１２０３によって受信される。
ミキサ１２０４は、発振機１２０１から端子１２０８を経由して入力されてきたＲＦ信号と受信アンテナ１２０３で受信された電波（受信信号）とを、ミキシングする事で、ＩＦ信号を生成する。ミキサ１２０４で生成されたＩＦ信号は、インターフェイス回路１２０５を経由して、演算装置１２１１へと送信される。インターフェイス回路１２０５は、アナログ信号であるＩＦ信号を、演算装置１２１１で扱えるデジタル信号に変換する機能を持ち、得られたデジタル信号を演算装置１２１１へと出力する。
なお、図１及び図３に示した例では、演算装置１２１１は、送受信装置１００１１、・・・、１００１Ｎと分離されているが、本実施の形態は、この態様に限定されない。本実施の形態では、演算装置１２１１は、送受信１００１１、・・・、１００１Ｎそれぞれの内部、又はいずれか一つに実装されていても良い。
また、図３に示した例では、一つの送受信装置１００１には、一つの送信アンテナ１２０２と一つの受信アンテナ１２０３とが備えられているが、本実施の形態は、この態様に限定されない。本実施の形態では、例えば、図４に示すように、一つの送受信装置１００１において、複数の送信アンテナ１２０２と、複数の受信アンテナ１２０３とが備えられていても良い。
具体的には、図４の例では、送信部１１０１は、一つの発振機１２０１と、複数の送信アンテナ１２０２とを備えている。また、送信部１１０１は、送信アンテナ１２０２毎に設けられた可変移相器１２０６も備え、各送信アンテナ１２０２は、可変移相器１２０６を介して、発振機１２０１に接続されている。各可変移相器１２０６は、発振機１２０１から送信アンテナ１２０２の各々に供給される送信信号の位相を制御する事で、送信アンテナ１２０２の指向性の制御を行なっている。
また、図４の例では、受信部１１０２は、一つのインターフェイス回路１２０５と、複数の受信アンテナ１２０３とを備えている。更に、受信部１１０２は、受信アンテナ１２０３毎に設けられたミキサ１２０４と、同じく受信アンテナ１２０３毎に設けられた可変移相器１２０７も備えている。各受信アンテナ１２０３は、可変移相器１２０７及びミキサ１２０４を介して、インターフェイス回路１２０５に接続されている。
各可変移相器１２０７は、受信アンテナ１２０３の各々からミキサ１２０４に供給される受信信号の位相を制御する事で、受信アンテナ１２０３の指向性の制御を行なっている。なお、可変移相器１２０７は、ミキサ１２０４とインターフェイス回路１２０５の間に設置されていても良い。
ここで、図５及び図６を用いて、本実施の形態において物体に照射される送信信号について説明する。図５は、本発明の実施の形態における物体検知装置が照射する送信信号の一例を示す図である。図６は、本発明の実施の形態における物体検知装置が照射する送信信号の他の例を示す図である。
まず、本実施の形態において、発振機１２０１で生成されるＲＦ信号は、図５に示すように、周期Ｔｃｈｉｒｐで、ＲＦ周波数がｆｍｉｎからｆｍｉｎ＋ＢＷに時間的に変化する、ＦＭＣＷ信号であるのが良い。なお、ｆｍｉｎはＲＦ周波数の最小値であり、ＢＷはＲＦ信号の帯域幅である。
また、本実施の形態では、送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎから対象物１００３に向けて電波が照射され、その後、対象物１００３で反射された電波が送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎで受信される。このとき、送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎは、それぞれ、他の送受信装置と同時に動作しないように制御される。即ち、送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎは、それぞれ一つずつが異なるタイミングで動作するように制御され、各送信部は互いに異なるタイミングで電波を照射する。このように同時に動作しないようにすれば、送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎが互いに干渉してしまう事態が回避される。
また、本実施の形態では、送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎそれぞれを他の送受信装置と同じ時間内で動作させる場合は、図６に示すように、送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎそれぞれの送信電波のＲＦ周波数１２３１１、１２３１２、・・・、１２３１Ｎが、同じにならないように制御が行なわれても良い。これにより、送受信装置間での干渉は抑制される。
［装置動作］
次に、本実施の形態における物体検知装置１０００の動作について図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態における物体検知装置の動作を示すフロー図である。以下の説明においては、適宜図１～図６を参酌する。また、本実施の形態１では、物体検知装置１０００を動作させることによって、物体検知方法が実施される。よって、本実施の形態における物体検知方法の説明は、以下の物体検知装置１０００の動作説明に代える。
図７に示すように、最初に、送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎそれぞれの送信部１１０１から、順に、対象物１００３に向けて、送信信号となる電波を照射する（ステップＡ１）。また、各送信部１１０１は、送信信号となる電波の照射と同時に、送信信号を端子１２０８を介して受信部１１０２に出力する。
次に、送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎそれぞれにおいて、受信部１１０２が、対象物１００３から反射された電波を、受信信号として受信し、受信した受信信号に、送信部１１０１で生成された送信信号をミキシングして、ＩＦ信号を生成する（ステップＡ２）。
次に、スペクトル算出部１１０３が、ステップＡ２で生成されたＩＦ信号に基づいて、送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎそれぞれと対象物１００３との距離スペクトルを算出する（ステップＡ３）。
次に、区間決定部１１０４は、ステップＡ３で算出された距離スペクトルの振幅のピーク位置に基づいて、対象物１００３の反射率を計算するための区間を決定する（ステップＡ４）。
次に、反射率分布算出部１１０５は、送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎそれぞれ毎に、ステップＡ２で生成されたＩＦ信号に基づいて、ステップＡ４で決定された区間それぞれにおける対象物１００３の反射率（有効反射率）を算出する（ステップＡ５）。また、ステップＡ５では、反射率分布算出部１１０５は、更に、送受信装置毎に、区間それぞれの反射率の分布の積を算出する。
次に、画像生成部１１０６は、送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎそれぞれ毎に算出した、各区間の対象物１００３の反射率の分布の積を用いて、対象物１００３の画像を生成する（ステップＡ６）。
続いて、図７に示したステップＡ３～Ａ６について、図８～図１９を用いてより詳細に説明する。
［ステップＡ３］
まず、送受信した電波に基づいて送受信装置１００１１、１００１２、・・・、１００１Ｎと対象物１００３との距離スペクトルを算出する、ステップＡ３の詳細について説明する。本実施の形態では、ステップＡ３において、ＦＭＣＷレーダにＭＵＳＩＣ法等のヌルステアリング型の到来方向推定技術が適用されており、距離スペクトルの分解能が向上している。
ステップＡ３の説明にあたり、まず、図８で示すように、送受信装置１００１からの距離がR1,R2,・・・,RKとなる位置にK個の点状対象物１００３１、１００３２、１００３Ｋが配置された状況を考える。対象物の距離R1,R2,・・・,RKは未知数であり、測定で対象物の距離R1,R2,・・・,RKを求める事が課題となる。
図８は、Ｋ個の点状対象物が配置された場合の点状対象物と送受信装置との距離を説明する図である。図８の系において、受信IF信号の同相成分I(t)は以下の式（６）で与えられる。
Figure 0007001069000006
式（６）において、σ(Rk)は、距離Rkに存在する対象物の反射率である。cは光速である。αはRF周波数の時間変化率であり、α=BW/Tchirpである。t’は1チャープ周期内の時刻であり、－Tchirp/2からTchirp/2の間の値を取る。チャープ信号の周期性を考慮して、時間がチャープ周期を過ぎる毎に、チャープ周期を差し引いて(t’=t－hTchirp,hは整数)、t’が－Tchirp/2からTchirp/2の間に収まるように設定される。
また、受信IF信号の直交成分Q(t)は、以下の式（７）で与えられる。
Figure 0007001069000007
直交成分Q(t)は、直交変調器を用いることによって、又は同相成分I(t)のヒルベルト変換を行なうことによって、算出される。受信IF信号の同相成分と直交成分とから、以下の式（８）により、複素受信IF信号r(t)が算出される。
Figure 0007001069000008
複素受信IF信号r(t)は、サンプリング時刻tm(m = 1,2,・・・,M0)で得られるとする。M0はサンプリング点数である。tmの範囲はチャープ周期とする。サンプリング時間ΔtはTchirp/ M0で与えられ、tm=－Tchirp/2+mΔt (m = 1,2,・・・, M0)となる。従って、式（８）は、下記の式（９）のように表記できる。
Figure 0007001069000009
また、図９に示すように異なる対象物１００３１、１００３２、１００３Ｋからの反射波間の相関がある場合、対象物１００３１、１００３２、１００３Ｋの位置を正しく推定する事が困難になる。図９は、対象物からの反射波の間に相関が発生している状態を示す図である。図９に示すように、相関がある場合、受信アンテナ１２０３には、異なる対象物１００３１、１００３２、１００３Ｋから同じ信号が届いているため、異なる対象物１００３１、１００３２、１００３Ｋの位置を区別することが困難となる。
反射間の相関の問題は、各対象物１００３１、１００３２、１００３Ｋに同じ送信機（送信アンテナ１２０２）から電波を照射する限り、必ず発生する。
これに対して、反射間の相関の問題は、図１０で示すように、受信信号の引数である時間をずらした複数のサブアレイ１２２１１、１２２１２、・・・、１２２１Ｑ（Ｑはサブアレイの数）を構築し、それらのサブアレイ毎に算出した相関行列の平均を取る事で回避できる。図１０は、複数の受信アンテナによって構築されたサブアレイの一例を示す図である。
具体的には、q番目のサブアレイは、q番目からq+M－1番目までのサブアレイの受信信号、すなわちrq = [r(tq),r(tq+1),・・・,r(tq+M－1)]Tで構成される。Mは各サブアレイを構成するサンプリング点数である。q番目のサブアレイから計算される相関行列Rcol(q)を以下の式（１０）のように計算する。
Figure 0007001069000010
全てのサブアレイの相関行列Rcol(q) (q=1,2,・・・,Q)の平均をRallとする。サブアレイの数Qは対象物の数K以上とする。
上記の方法では、異なるサブアレイの受信信号間では相関が弱まるという性質を利用する事で、反射間の相関に起因する問題が回避される。
次に、相関行列Rallと式（９）で定義されている方向ベクトルa(R)を用いて、以下の式（１１）に示す評価関数（MUSICスペクトル）PMU(R)が計算される。
Figure 0007001069000011
ここで、EN=[eK+1,・・・,eM]であり、en(n=K+1,・・・,M)は、相関行列Rallの固有ベクトルの内、最小の固有値を持つ(M－K)個のベクトルである。式(11)の評価関数PMU(R)は、対象物の存在位置Rk(k=1,2,・・・,K)で、極値(ピーク)を持つ。従って、上記の式（１１）に示す評価関数の性質により、評価関数PMU(R)がピークとなる位置から、対象物１００３１、１００３２、・・・、１００３Ｋの存在距離R1,R2,・・・,RKを検知できる。
具体的には、送受信装置１００１からの距離が２０ｃｍと３０ｃｍとなる位置に対象物１００３を置いた場合に、ＲＦ周波数１８～２０ＧＨｚの電波を用いる送受信装置１００１で対象物１００３の距離スペクトルを求めると、結果は図１１に示す通りとなる。図１１は、本発明の実施の形態で得られた、物体の位置分布を表すスペクトルの一例を示す図である。
通常のＦＭＣＷレーダでは、解能の悪さのために、送受信装置からの距離が２０ｃｍとなる位置と３０ｃｍとなる位置とに置かれた対象物を区別することは困難である。これに対して、上記式(11)のＭＵＳＩＣスペクトルを用いた場合は、図１１に示したように、送受信装置からの距離が２０ｃｍとなる位置と３０ｃｍとなる位置とに置かれた対象物の区別が可能となる。すなわち、式(11)のＭＵＳＩＣスペクトルを用いる事で、通常のＦＭＣＷレーダよりも分解能向上が図られることになる。
［ステップＡ４］
次に、図１２で示すように、送受信装置１００１からの距離がRminからRmaxまで広がった連続体状の対象物１００３が配置された状況を考える。ＲＦ周波数１８～２０ＧＨｚの電波を用いる送受信装置１００１によって、距離２０ｃｍから３０ｃｍに分布した連続体状の対象物１００３の距離スペクトルを、式(11)のＭＵＳＩＣスペクトルで求めた結果を図１３に示す。図１２は、連続体状の対象物が配置された場合の送受信装置との距離を説明する図である。図１３は、本発明の実施の形態で得られた、物体の位置分布を表すスペクトルの他の例を示す図である。
図１３に示すように、ＭＵＳＩＣスペクトルでは、連続体状の対象物１００３の端の位置のみがピークとして検出される。すなわち、式(11)のＭＵＳＩＣスペクトルでは連続体状の対象物１００３の全体像を捉える事ができない。この問題は、式(6)～(11)の導出において、対象物として、点状の対象物１００３１、１００３２、・・・、１００３Ｋが前提となっており、連続体状の対象物は前提となっていない事に起因する。
そこで、連続体状の対象物１００３の全体像を再生するために、ステップＡ４が必要となる。以下、図１４を用いて、ステップＡ４について具体的に説明する。図１４は、対象物がＴ字状を呈する場合の対象物と送受信装置との位置関係を示す図である。なお、図１４は、後述のステップＡ５及びＡ６の説明においても利用する。
図１４の例では、装置配置面１００２に４つの送受信装置１００１１、１００１２、１００１３、１００１４が、円１００５上に配置されている。また、対象物配置面１００４には、Ｔ字状の対象物１００３が配置されている。
図１４に示した配置において、ＲＦ周波数を１８～２０ＧＨｚ(帯域幅=２ＧＨｚ)、サンプリング点数M0を１０１、サブアレイ数Qを７５に設定した状態で、送受信装置１００１４で得た対象物１００３のＭＵＳＩＣスペクトルを図１５に示す。図１５は、図１４に示した配置で得られた物体の位置分布を表すスペクトルを示す図である。
図１５に示したＭＵＳＩＣスペクトルでは、Ｐ１、Ｐ２及びＰ３の３つのピークが現われている。また、図１５に示したＭＵＳＩＣスペクトルのピークＰ１、Ｐ２及びＰ３は、それぞれ、図１６に示す対象物１００３における不連続点（端）Ｐ１、Ｐ２及びＰ３に対応している。図１６は、図１４に示した対象物の形状を具体的に示す図である。
そして、ステップＡ４では、ＭＵＳＩＣスペクトルのピーク情報に基づき、図１６に示すように、ピークＰ１とＰ２との間、Ｐ２とＰ３との間、それぞれが、区間（区間１及び区間２）として決定される。区間の数は、ピークの数から１を引いた値に等しくなる。
［ステップＡ５］
次に、ステップＡ５について説明する。図１７に示すように、装置配置面１００２と対象物配置面１００４の距離をzとし、対象物配置面上で送受信装置１００１からの距離が最小になる点をOとする。OからLk(k=1,2,・・・,K)の距離を中心位置として、区間幅Δkで対象物が存在しているとする。この区間は、図１５に示したＭＵＳＩＣスペクトルのピークで与えられる区間に相当する。図１７は、図７に示したステップＡ４で決定された区間と対象物との関係を示す図である。
そして、連続体状の対象物１００３からの反射で得られる複素IF信号r(t)は、以下の式(12)及び(13)で与えられる。
Figure 0007001069000012
Figure 0007001069000013
式(12)におけるσ’(L)は、有効反射率であり、対象物の角度方向（距離方向に垂直な方向）の幅と反射率とに比例する量とする。式(12)の1行目から2行目に移行する際の近似は、有効反射率σ’(L)が、区間[Lk－Δk/2, Lk+Δk/2]で大きく変化しない場合において有効である。すなわち、区間[Lk－Δk/2, Lk+Δk/2]では、対象物の角度方向の幅と反射率との変化は少ないということが前提となる。
ステップＡ３で述べた点状対象物の場合の複素IF信号の式(8)と、ステップＡ４で述べた連続体の場合の式とを比較すると、連続体の場合は、積分で連続的に分布した対象物の反射波の合成を取っている点に特徴がある。
次に、以下の式(14)に示すように方向行列AKを定義する。
Figure 0007001069000014
式(14)において、方向行列AKは、既知パラメータから構成された既知量である。
受信IF信号の全てのサンプリングデータr0 = [r(t1),r(t2),・・・,r(tM0)]T、方向行列AK、各区間の反射率s = [σ’(L1),σ’(L2),・・・,σ’(LK)]の間には、以下の式(15)に示す関係がある。
Figure 0007001069000015
次に、受信IF信号の全てのサンプリングデータr0 = [r(t1),r(t2),・・・,r(tM0)]Tを用いて、以下の式(16)を用いて相関行列Rcol(0)を計算する。
Figure 0007001069000016
相関行列Rcol(0)は、実測データ又はシミュレーションデータとして得られる受信IF信号r0から算出できる既知量である。
そして、上記の式(15)と式(16)とから、以下の式(17)に示す関係が得られる。
Figure 0007001069000017
また、式(17)にAKの擬逆行列を適用する事で、Sは以下の式(18)によって算出できる。
Figure 0007001069000018
式(18)で得られたSの対角成分から、各区間における対象物の有効反射率|σ’(Lk)|2 (k=1,2,・・・,K)を求める事ができる。
ここで、ステップＡ５で得られた各区間における対象物１００３の有効反射率の算出結果を図１８に示す。図１８は、図７に示したステップＡ５で算出された対象物の反射率の算出結果の一例を示す図である。図１８の例では、送受信装置１００１１から１００１４でで得られたデータが示されている。
送受信装置１００１１～１００１４は、それぞれ、対象物の距離方向（送受信装置１００１１～１００１４から対象物を見たときの対象物へと向かう方向）における位置については測定できる。しかし、送受信装置１００１１～１００１４は、それぞれ、角度方向（送受信装置１００１１～１００１４から対象物を見たときの対象物から横へと向かう方向）における位置については測定困難である。そのため、区間は距離方向のみで定義される。そして、区間は、対象物面１００４において、送受信装置１００１１～１００１４それぞれの点O（図１７）を原点とする各円で挟まれた領域になる。有効反射率は区間内で同じ値を取るので、ドーナツ状の分布を持つように見える。
有効反射率は、対象物１００３の角度方向の幅と反射率に比例する量である。そして、対象物１００３の反射率は一様としているので、送受信装置１００１から見て角度方向の幅が大きいパターンの有効反射率が特に大きな値となる。例として、送受信装置１００１１または１００１３で測定した場合では、対象物１００３の縦棒部分の有効反射率が強くなる。一方、送受信装置１００１２または１００１４で測定した場合では、対象物１００３の横棒部分の有効反射率が強くなる。
ここで、区間の数について説明する。上記の手順では、ＭＵＳＩＣスペクトルのピークで検出した対象物の端の間を区間として定めている。しかし、形式的には、ＭＵＳＩＣスペクトルの情報を使わずに区間[Lk－Δk/2, Lk+Δk/2] (k=1,2,・・・,K)を任意に取っても式(12)～(18)は計算できる。ただし、区間の数を増やすとAKが数値的に非正則に近づき、式(18)の計算で誤差が出て正しい結果が得られなくなる。そのため、区間の数を必要以上に増やさずに、しかし正しい結果が得られる区間の設定を行う必要がある。
式(12)の議論で、区間[Lk－Δk/2, Lk+Δk/2]において対象物の角度方向の幅と反射率の変化とは少ないという事、すなわち区間内で対象物の不連続性が無い事が区間設定の条件として望ましい事を述べた。ＭＵＳＩＣスペクトルのピークで検出した対象物の端の間を区間とする事で、上述の区間設定の条件は満たされる。
［ステップＡ６］
次に、ステップＡ６について説明する。まず、図１８で示した送受信装置１００１n（n=1,2,・・・,N,図１８の例ではN=4）におけるX-Y平面上の有効反射率の分布を、σ’n(x,y)とする。最終的に得られる画像I(x,y)は、式(19)で示すように、送受信装置１００１n
(n=1,2,・・・,N,)で得られた有効反射率の分布σ’n(x,y)の積を用いて算出される。
Figure 0007001069000019
式(19)において、δは画像のダイナミックレンジを調整するパラメータである。式(19)に基づいてδ=2の場合に得たミリ波画像を図１９に示す。図１９は、本実施の形態で生成された対象物の画像の一例を示す図である。図１９に示すように、本実施の形態では、ステップＡ１～Ａ６の実行により、幅５ｃｍのＴ字状の元形状に対し、帯域幅２ＧＨｚの測定によるミリ波画像でも元形状と同じくＴ字状の形状が得られている。
［実施の形態による効果］
以下において、本実施の形態における効果を要約する。従来の一般的なアレイアンテナ方式では、受信した電波の到来方向（角度方向）推定を行うために、本実施の形態と比べて多数のアンテナを必要とする。その一方で、本実施の形態では、電波の到来方向推定、すなわち角度方向の測定を行う従来の方式に代わりに、送受信装置と対象物の距離測定の結果とから対象物の形状を検知する方式が用いられる。よって、送信アンテナと受信アンテナとがそれぞれ一つずつ備えられた数個の送受信装置で、一般的なアレイアンテナ方式と同等の機能を実装できる。したがって、本実施の形態では、実際のアンテナ本数を一般的なアレイアンテナ方式と比べて大幅に削減できる。
合成開口レーダ方式では、受信機を機械的に動かす必要があり、これが物体の検知及び検査のための時間が長くなるという問題があった。一方、本実施の形態では、受信機の位置ではなく、送信電波のＲＦ周波数を電子的に走査すればよいので、合成開口レーダ方式に比べて物体の検知及び検査のための時間を短縮できる。
ＦＭＣＷ方式で距離測定する従来型のレーダは分解能が悪く対象物の形状を正しく検知できないという問題があった。一方、本実施の形態では、ＦＭＣＷレーダにＭＵＳＩＣ法などのヌルステアリング型の到来方向推定技術が適用されるので、距離スペクトルの分解能が向上している。
さらに、ＦＭＣＷレーダにＭＵＳＩＣ法などのヌルステアリング型の到来方向推定技術を適用するだけでは、対象物の端のみが検知されて、対象物全体の形状を検知できないという問題があった。これに対して、本実施の形態では、距離スペクトルの振幅ピーク位置を用いて対象物の有効反射率を計算する区間を決定し、区間毎の対象物の有効反射率を計算し、各送受信装置で測定した各区間の有効反射率の積を用いて対象物の像を再生するので、対象物全体の形状検知が実現される。
以上をまとめると、本実施の形態における物体検知装置及び物体検知方法においては、一般的なアレイアンテナ方式よりも必要なアンテナおよびそれに付随する受信機の数を削減する事ができるので、装置のコスト、サイズ、重量を削減できるという効果を奏する。また、本実施の形態における物体検知装置及び物体検知方法においては、一般的な合成開口レーダ方式と異なり、装置を機械的に動かす必要がないため、物体検知及び検査の時間を短縮できるという効果も奏する。
本実施の形態では、時間的にＲＦ周波数が変化する電波を検知対象物に照射し、対象物で反射された電波、又は対象物から放射される電波を検知する事で、検知対象物の画像を生成することができる。従って、本実施の形態によれば、従来よりも必要なアンテナおよび受信部の数を減らし、かつ移動させる必要も無く、高速な走査による画像生成を実現することができる。
［プログラム］
本実施の形態におけるプログラムは、コンピュータ、すなわち、演算装置１２１１に、図７に示すステップＡ３～Ａ６を実行させるプログラムであれば良い。このプログラムを演算装置１２１１にインストールし、実行することによって、本実施の形態における物体検知装置と物体検知方法とを実現することができる。この場合、演算装置１２１１のプロセッサは、スペクトル算出部１１０３、区間決定部１１０４、反射率分布算出部１１０５、及び画像生成部１１０６として機能し、処理を行なう。
また、本実施の形態におけるプログラムは、複数のコンピュータによって構築されたコンピュータシステムによって実行されても良い。この場合は、例えば、各コンピュータが、それぞれ、スペクトル算出部１１０３、区間決定部１１０４、反射率分布算出部１１０５、及び画像生成部１１０６のいずれかとして機能しても良い。
ここで、本実施の形態におけるプログラムを実行することによって、物体検知装置１０００を実現するコンピュータ（演算装置）について図２０を用いて説明する。図２０は、本発明の実施の形態における物体検知装置を実現するコンピュータの一例を示すブロック図である。
図２０に示すように、コンピュータ１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１１と、メインメモリ１１２と、記憶装置１１３と、入力インターフェイス１１４と、表示コントローラ１１５と、データリーダ／ライタ１１６と、通信インターフェイス１１７とを備える。これらの各部は、バス１２１を介して、互いにデータ通信可能に接続される。なお、コンピュータ１１０は、ＣＰＵ１１１に加えて、又はＣＰＵ１１１に代えて、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＦＰＧＡ（Field-ProgrammableGate Array）を備えていても良い。
ＣＰＵ１１１は、記憶装置１１３に格納された、本実施の形態におけるプログラム（コード）をメインメモリ１１２に展開し、これらを所定順序で実行することにより、各種の演算を実施する。メインメモリ１１２は、典型的には、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等の揮発性の記憶装置である。また、本実施の形態におけるプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体１２０に格納された状態で提供される。なお、本実施の形態におけるプログラムは、通信インターフェイス１１７を介して接続されたインターネット上で流通するものであっても良い。
また、記憶装置１１３の具体例としては、ハードディスクドライブの他、フラッシュメモリ等の半導体記憶装置が挙げられる。入力インターフェイス１１４は、ＣＰＵ１１１と、キーボード及びマウスといった入力機器１１８との間のデータ伝送を仲介する。表示コントローラ１１５は、ディスプレイ装置１１９と接続され、ディスプレイ装置１１９での表示を制御する。
データリーダ／ライタ１１６は、ＣＰＵ１１１と記録媒体１２０との間のデータ伝送を仲介し、記録媒体１２０からのプログラムの読み出し、及びコンピュータ１１０における処理結果の記録媒体１２０への書き込みを実行する。通信インターフェイス１１７は、ＣＰＵ１１１と、他のコンピュータとの間のデータ伝送を仲介する。
また、記録媒体１２０の具体例としては、ＣＦ（Compact Flash（登録商標））及びＳＤ（Secure Digital）等の汎用的な半導体記憶デバイス、フレキシブルディスク（Flexible Disk）等の磁気記録媒体、又はＣＤ－ＲＯＭ（Compact DiskRead Only Memory）などの光学記録媒体が挙げられる。
なお、本実施の形態における物体検知装置１０００は、プログラムがインストールされたコンピュータではなく、各部に対応したハードウェアを用いることによっても実現可能である。更に、物体検知装置１０００は、一部がプログラムで実現され、残りの部分がハードウェアで実現されていてもよい。
上述した実施の形態の一部又は全部は、以下に記載する（付記１）～（付記２４）によって表現することができるが、以下の記載に限定されるものではない。
（付記１）
電波によって物体を検知するための物体検知装置であって、
前記物体に向けて電波を送信信号として照射する、複数の送信部と、
前記複数の送信部のいずれかに対応し、且つ、前記物体で反射された電波を受信信号として受信し、更に、受信した前記受信信号に前記送信信号をミキシングして中間周波数信号を生成する、受信部と、
前記中間周波数信号に基づいて前記物体の位置分布を表すスペクトルを算出する、スペクトル算出部と、
算出された前記スペクトルの振幅のピーク位置に基づいて、前記物体の反射率を算出するための区間を決定する、区間決定部と、
前記送信部とそれに対応する前記受信部との組毎に、前記中間周波数信号に基づいて、決定された前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出し、更に、前記組毎に、前記区間それぞれの反射率の分布の積を算出する、反射率分布算出部と、
前記組毎に算出した、前記反射率の分布の積を用いて、画像を生成する、画像生成部と、
を備えている、ことを特徴とする物体検知装置。
（付記２）
前記送信部が、周波数変調した電波を、前記送信信号として送信する、
付記１に記載の物体検知装置。
（付記３）
前記複数の送信部それぞれが、互いに異なるタイミングで、前記送信信号を照射する、付記１または２に記載の物体検知装置。
（付記４）
前記複数の送信部が、周波数が互いに異なる前記送信信号を、同じタイミングで照射する、
付記１または２に記載の物体検知装置。
（付記５）
前記送信部が、前記送信信号を生成する発振機と、前記送信信号を照射する送信アンテナとを備え、
前記受信部が、前記受信信号を受信する受信アンテナと、前記送信信号と前記受信信号とをミキシングして前記中間周波数信号を生成するミキサと、前記中間周波数信号を出力するためのインターフェイス回路とを備えている、
付記１から４のいずれかに記載の物体検知装置。
（付記６）
前記スペクトル算出部が、予め設定されたサンプリング時間毎の前記中間周波数信号の測定値から相関行列を算出し、算出した前記相関行列に基づいて、前記スペクトルを算出する、
付記１から５のいずれかに記載の物体検知装置。
（付記７）
前記スペクトル算出部が、前記サンプリング時間の範囲が異なる前記中間周波数信号の測定値から、前記サンプリング時間の範囲それぞれに対応する前記相関行列を算出し、更に、前記サンプリング時間の範囲それぞれに対応する前記相関行列の平均値を算出し、その後、前記相関行列の平均値に基づいて、前記スペクトルを算出する、
付記６に記載の物体検知装置。
（付記８）
前記反射率分布算出部が、前記区間毎に値が定まる方向行列を算出し、算出した前記方向行列と算出された前記相関行列とを用いて、前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出する、
付記６または７に記載の物体検知装置。
（付記９）
物体に向けて電波を送信信号として照射する、複数の送信部と、前記複数の送信部のいずれかに対応し、且つ、前記物体で反射された電波を受信信号として受信し、更に、受信した前記受信信号に前記送信信号をミキシングして中間周波数信号を生成する、受信部と、を備える装置を用いて、前記物体を検知するための方法であって、
（ａ）前記中間周波数信号に基づいて前記物体の位置分布を表すスペクトルを算出する、ステップと、
（ｂ）算出された前記スペクトルの振幅のピーク位置に基づいて、前記物体の反射率を算出するための区間を決定する、ステップと、
（ｃ）前記送信部とそれに対応する前記受信部との組毎に、前記中間周波数信号に基づいて、決定された前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出し、更に、前記組毎に、前記区間それぞれの反射率の分布の積を算出する、ステップと、
（ｄ）前記組毎に算出した、前記反射率の分布の積を用いて、画像を生成する、ステップと、
を有する、ことを特徴とする物体検知方法。
（付記１０）
前記送信部が、周波数変調した電波を、前記送信信号として送信する、
付記９に記載の物体検知方法。
（付記１１）
前記複数の送信部それぞれが、互いに異なるタイミングで、前記送信信号を照射する、付記９または１０に記載の物体検知方法。
（付記１２）
前記複数の送信部が、周波数が互いに異なる前記送信信号を、同じタイミングで照射する、
付記９または１０に記載の物体検知方法。
（付記１３）
前記送信部が、前記送信信号を生成する発振機と、前記送信信号を照射する送信アンテナとを備え、
前記受信部が、前記受信信号を受信する受信アンテナと、前記送信信号と前記受信信号とをミキシングして前記中間周波数信号を生成するミキサと、前記中間周波数信号を出力するためのインターフェイス回路とを備えている、
付記９から１２のいずれかに記載の物体検知方法。
（付記１４）
前記（ａ）のステップにおいて、予め設定されたサンプリング時間毎の前記中間周波数信号の測定値から相関行列を算出し、算出した前記相関行列に基づいて、前記スペクトルを算出する、
付記９から１３のいずれかに記載の物体検知方法。
（付記１５）
前記（ａ）のステップにおいて、前記サンプリング時間の範囲が異なる前記中間周波数信号の測定値から、前記サンプリング時間の範囲それぞれに対応する前記相関行列を算出し、更に、前記サンプリング時間の範囲それぞれに対応する前記相関行列の平均値を算出し、その後、前記相関行列の平均値に基づいて、前記スペクトルを算出する、
付記１４に記載の物体検知方法。
（付記１６）
前記（ｃ）のステップにおいて反射率分布算出部が、前記区間毎に値が定まる方向行列を算出し、算出した前記方向行列と算出された前記相関行列とを用いて、前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出する、
付記１４または１５に記載の物体検知方法。
（付記１７）
物体に向けて電波を送信信号として照射する、複数の送信部と、前記複数の送信部のいずれかに対応し、且つ、前記物体で反射された電波を受信信号として受信し、更に、受信した前記受信信号に前記送信信号をミキシングして中間周波数信号を生成する、受信部と、プロセッサとを備えた物体検知装置において、
前記プロセッサに、
（ａ）前記中間周波数信号に基づいて前記物体の位置分布を表すスペクトルを算出する、ステップと、
（ｂ）算出された前記スペクトルの振幅のピーク位置に基づいて、前記物体の反射率を算出するための区間を決定する、ステップと、
（ｃ）前記送信部とそれに対応する前記受信部との組毎に、前記中間周波数信号に基づいて、決定された前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出し、更に、前記組毎に、前記区間それぞれの反射率の分布の積を算出する、ステップと、
（ｄ）前記組毎に算出した、前記反射率の分布の積を用いて、画像を生成する、ステップと、
を実行させる命令を含むプログラム。
（付記１８）
前記送信部が、周波数変調した電波を、前記送信信号として送信する、
付記１７に記載のプログラム。
（付記１９）
前記複数の送信部それぞれが、互いに異なるタイミングで、前記送信信号を照射する、付記１７または１８に記載のプログラム。
（付記２０）
前記複数の送信部が、周波数が互いに異なる前記送信信号を、同じタイミングで照射する、
付記１７または１８に記載のプログラム。
（付記２１）
前記送信部が、前記送信信号を生成する発振機と、前記送信信号を照射する送信アンテナとを備え、
前記受信部が、前記受信信号を受信する受信アンテナと、前記送信信号と前記受信信号とをミキシングして前記中間周波数信号を生成するミキサと、前記中間周波数信号を出力するためのインターフェイス回路とを備えている、
付記１７から２０のいずれかに記載のプログラム。
（付記２２）
前記（ａ）のステップにおいて、予め設定されたサンプリング時間毎の前記中間周波数信号の測定値から相関行列を算出し、算出した前記相関行列に基づいて、前記スペクトルを算出する、
付記１７から２１のいずれかに記載のプログラム。
（付記２３）
前記（ａ）のステップにおいて、前記サンプリング時間の範囲が異なる前記中間周波数信号の測定値から、前記サンプリング時間の範囲それぞれに対応する前記相関行列を算出し、更に、前記サンプリング時間の範囲それぞれに対応する前記相関行列の平均値を算出し、その後、前記相関行列の平均値に基づいて、前記スペクトルを算出する、
付記２２に記載のプログラム。
（付記２４）
前記（ｃ）のステップにおいて反射率分布算出部が、前記区間毎に値が定まる方向行列を算出し、算出した前記方向行列と算出された前記相関行列とを用いて、前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出する、
付記２２または２３に記載のプログラム。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではない。また、上述の各特許文献等に開示されている内容は、本願発明に引用をもって繰り込むことも可能とする。本願発明の全開示（特許請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施の形態の変更・調整が可能である。また、本願発明の特許請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせあるいは選択も可能である。すなわち、本願発明は、特許請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって、当業者であればなし得ることが可能な各種変形、修正を含むことは勿論である。
この出願は、２０１７年２月１０日に出願された日本出願特願２０１７－２３４１０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
以上のように本発明によれば、電波を用いた物体の検知において、精度を向上させつつ、装置コスト、サイズ、及び重量の増大化を抑制することができる。本発明は、衣服の下に隠されている物品又は鞄の中の物品等を画像化して検査する場合に有用である。
１１０ コンピュータ
１１１ ＣＰＵ
１１２ メインメモリ
１１３ 記憶装置
１１４ 入力インターフェイス
１１５ 表示コントローラ
１１６ データリーダ／ライタ
１１７ 通信インターフェイス
１１８ 入力機器
１１９ ディスプレイ装置
１２０ 記録媒体
１２１ バス
１０００ 物体検知装置
１００１ 送受信装置
１００２ 送受信装置配置面
１００３ 対象物（検知対象となる物体）
１００４ 対象物配置面
１１０１ 送信部
１１０２ 受信部
１１０３ スペクトル算出部
１１０４ 区間決定部
１１０５ 反射率分布算出部
１１０６ 画像生成部
１２０１ 発振機
１２０２ 送信アンテナ
１２０３ 受信アンテナ
１２０４ ミキサ
１２０５ インターフェイス回路
１２０６、１２０７ 可変移相器
１２０８ 端子
１２１１ 演算装置
１２２１ サブアレイ
１２３１ ＲＦ周波数

Claims (10)

  1. 電波によって物体を検知するための物体検知装置であって、
    前記物体に向けて電波を送信信号として照射する、複数の送信部と、
    前記複数の送信部のいずれかに対応し、且つ、前記物体で反射された電波を受信信号として受信し、更に、受信した前記受信信号に前記送信信号をミキシングして中間周波数信号を生成する、受信部と、
    前記中間周波数信号に基づいて前記物体の位置分布を表すスペクトルを算出する、スペクトル算出部と、
    算出された前記スペクトルの振幅のピーク位置に基づいて、前記物体の反射率を算出するための区間を決定する、区間決定部と、
    前記送信部とそれに対応する前記受信部との組毎に、前記中間周波数信号に基づいて、決定された前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出し、更に、前記組毎に、前記区間それぞれの反射率の分布の積を算出する、反射率分布算出部と、
    前記組毎に算出した、前記反射率の分布の積を用いて、画像を生成する、画像生成部と、
    を備えている、ことを特徴とする物体検知装置。
  2. 前記送信部が、周波数変調した電波を、前記送信信号として送信する、
    請求項１に記載の物体検知装置。
  3. 前記複数の送信部それぞれが、互いに異なるタイミングで、前記送信信号を照射する、
    請求項１または２に記載の物体検知装置。
  4. 前記複数の送信部が、周波数が互いに異なる前記送信信号を、同じタイミングで照射する、
    請求項１または２に記載の物体検知装置。
  5. 前記送信部が、前記送信信号を生成する発振機と、前記送信信号を照射する送信アンテナとを備え、
    前記受信部が、前記受信信号を受信する受信アンテナと、前記送信信号と前記受信信号とをミキシングして前記中間周波数信号を生成するミキサと、前記中間周波数信号を出力するためのインターフェイス回路とを備えている、
    請求項１から４のいずれかに記載の物体検知装置。
  6. 前記スペクトル算出部が、予め設定されたサンプリング時間毎の前記中間周波数信号の測定値から相関行列を算出し、算出した前記相関行列に基づいて、前記スペクトルを算出する、
    請求項１から５のいずれかに記載の物体検知装置。
  7. 前記スペクトル算出部が、前記サンプリング時間の範囲が異なる前記中間周波数信号の測定値から、前記サンプリング時間の範囲それぞれに対応する前記相関行列を算出し、更に、前記サンプリング時間の範囲それぞれに対応する前記相関行列の平均値を算出し、その後、前記相関行列の平均値に基づいて、前記スペクトルを算出する、
    請求項６に記載の物体検知装置。
  8. 前記反射率分布算出部が、前記区間毎に値が定まる方向行列を算出し、算出した前記方向行列と算出された前記相関行列とを用いて、前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出する、
    請求項６または７に記載の物体検知装置。
  9. 物体に向けて電波を送信信号として照射する、複数の送信部と、前記複数の送信部のいずれかに対応し、且つ、前記物体で反射された電波を受信信号として受信し、更に、受信した前記受信信号に前記送信信号をミキシングして中間周波数信号を生成する、受信部と、を備える装置を用いて、前記物体を検知するための方法であって、
    （ａ）前記中間周波数信号に基づいて前記物体の位置分布を表すスペクトルを算出する、ステップと、
    （ｂ）算出された前記スペクトルの振幅のピーク位置に基づいて、前記物体の反射率を算出するための区間を決定する、ステップと、
    （ｃ）前記送信部とそれに対応する前記受信部との組毎に、前記中間周波数信号に基づいて、決定された前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出し、更に、前記組毎に、前記区間それぞれの反射率の分布の積を算出する、ステップと、
    （ｄ）前記組毎に算出した、前記反射率の分布の積を用いて、画像を生成する、ステップと、
    を有する、ことを特徴とする物体検知方法。
  10. 物体に向けて電波を送信信号として照射する、複数の送信部と、前記複数の送信部のいずれかに対応し、且つ、前記物体で反射された電波を受信信号として受信し、更に、受信した前記受信信号に前記送信信号をミキシングして中間周波数信号を生成する、受信部と、を備える装置が有するプロセッサにおいて、
    前記プロセッサに、
    （ａ）前記中間周波数信号に基づいて前記物体の位置分布を表すスペクトルを算出する、ステップと、
    （ｂ）算出された前記スペクトルの振幅のピーク位置に基づいて、前記物体の反射率を算出するための区間を決定する、ステップと、
    （ｃ）前記送信部とそれに対応する前記受信部との組毎に、前記中間周波数信号に基づいて、決定された前記区間それぞれにおける前記物体の反射率を算出し、更に、前記組毎に、前記区間それぞれの反射率の分布の積を算出する、ステップと、
    （ｄ）前記組毎に算出した、前記反射率の分布の積を用いて、画像を生成する、ステップと、
    を実行させる命令を含むプログラム。
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