JPH02171679A - マイクロ波画像再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、目標物体に向けてマイクロ波を送信し、該
目標物体からの散乱波によって目標物体の可視像を再生
して表示するマイクロ波画像再生装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

第４図は、Ｇ、　Ｔｒｉｃｏｌｅｓらによって出かれた
文献Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎａｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌ　Ｅ　
Ｅ　Ｅ　　Ｖｏｌ、　６５　。

ＮＱＩ　、　Ｊａｎｕａｒｙ（１９７７）　ｐｌ　０８
〜１２１に記載された従来のマイクロ波画像再生装置の
構成を示すものである。図において、１は光振器、２は
周波数シフタ、３は送信アンテナ、４は送信ビーム、５
は目標物体、６は目標物体５からの散乱波、７は基準信
号用ホーン、８はグロー放電検出器アレー、９は信号処
理回路、１０は発光ダイオードアレー、１１は光学系、
１２はインコヒーレント／コヒーレントイメージ変換器
、１３は読出しレーザ光、１４は再生光である。

次に動作について説明する。

発振器１から発生されたの周波数ｆ’ＲＦのマイクロ波
信号は周波数シフタ２に人力され、ここでΔｆの周波数
シフトを受け、周波数がｒｆ’ＲＦ＝ｆＲＦ＋Δｆ」と
なって送信アンテナ３に人力される。

これにより、送信アンテナ３がらは周波数ｆ　’ＲＦの
マイクロ波が放射され、目標物体５に向かう送信ビーム
４が形成される。送信アンテナ３の遠方に位ばしている
目標物体５に送信ビーム４が入射されると、散乱波６が
放射される。この散乱波６は空間中を伝搬し、グロー放
電検出器アレー８に入射される。一方、発振器１から発
生されたマイクロ波信号の一部は基準信号用ホーン７を
励振し、上記ホーン７からマイクロ波を放射させる。こ
のホーン７から放射されたマイクロ波は、目標物体５か
らの散乱波６と合成されてグロー放電検出器アレー８に
入射される。このグロー放電検出器アレー８は、文献Ｐ
ｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ
Ｖｏｌ、６０．（１９７２）Ｄ７５９〜７６０に示され
ているように、マイクロ波からミリ波の電波に対してア
ンテナと検出器の作用を有するものであり、２次元平面
に配設した多数の検出素子アレーを有している。そこで
、このグロー放電検出器アレー８の各検出素子アレーに
よる検出信号は、信号処理回路って検波、増幅されて発
光ダイオードアレー１０のそれぞれの発光素子に入力さ
れる。これにより、発光ダイオードアレー１０上には、
散乱光６とホーン７からの放射マイクロ波による干渉縞
のグロー放電検出器アレー８上での強度分布が各発光素
子の発光状態によって表示される。

次に、発光ダイオードアレー１０の出射光は光学系１１
によりインコヒーレント／コヒーレントイメージ変換器
１２に結像される。このインコヒーレント／コヒーレン
トイメージ変換器１２は液晶や８８０結晶などの空間光
変調器の一種である。

従って、インコヒーレント／コヒーシンＩ・イメージ変
換器１２には、発光ダイオードアレー１０上の干渉縞の
強度分布、すなわちホログラムが記録されることになる
。そこで、このホログラムを読出すためにイメージ変換
器１２に読出しレーザ光１３を照射する。すると、ホロ
グラムが再生光１４としてが再生される。この再生光１
４の強度は目標物体５からの散乱波６の強度に比例した
ものとなっているので、この再生光１４を観測すれば目
標物体５の像を確認することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のマイクロ波が像再生装置は以上のように構成され
ているが、グロー放電検出器アレー８のような特殊なア
ンテナ検出器を用いなければならない。また、効率が悪
く、高価なインコヒーレント／コヒーレントイメージ変
換器１２を必要とする。さらに、グロー放電検出器アレ
ー８は平面上に検出素子を整然と配列した構造のもので
あるため、アンテナとしての配設位置に制約を受けるな
どの問題あった。

この発明は上記のような問題を解消するためになされた
もので、特殊で高価な部品を用いることなく、しかもア
ンテナの配設位置を自由に選択することができるマイク
ロ波画像再生装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るマイクロ波画像再生装置は、マイクロ波
信号を発生する発振器１と、この発振器１から発生され
たマイクロ波信号によってマイクロ波を目標物体５に向
けて送信すると共に、目標物体５から放射された散乱波
を受信するアンテナ（アレーアンテナ１６）と、所定波
長のレーザ光を発生するレーザ光源１９と、このレーザ
光源１９から発生されたレーザ光を前記アンテナ（アレ
ーアンテナ１６）で受信した散乱波６によって変調する
光変調器（光変調器アレー２３）と、この光変調器（光
変調器アレー２３）の出射光を所定の結像位置に結像さ
せる光学系２６と、この光学系２６の結像位置に配置さ
れた囮像素子２７と、目標物体の可視像を表示する表示
手段（表示装置２９）と、前記撮像素子２７の出力信号
を処理し、前記表示手段（表示装置２９）に目標物体５
の可視像として表示させる信号処理手段（第１の信号処
理回路２８）とを備えることにより、構成される。

〔作用〕

光変調器（光変調器アレー２３）はレーザ光源１９から
発生されたレーザ光をアンテナ（アレアンテナ１６）で
受信した散乱波６によって変調する。この光変調器（光
変調器アレー２３）の出射光は光学系２６の結像位置に
配置された銀像素子２７に結像される。すなわち、散乱
波６はレーザ光に変換された形で鴎保素子２７に結像さ
れる。

このとき、散乱波６をフーリエ変換することにより目標
物体５の像が得られるが、このフーリエ変換は光学系２
６で行なわれる。そこで、信号処理回路（第１の信号処
理回路２８）は−像素子２７の出力信号を処理し、表示
手段（表示装置２９）に目標物体５の可視像として表示
させる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図である。図に
おいて、１はマイクロ波信号を発生する発振器、１５は
マイクロ波信号を増幅する増幅器、１６はｍ個（ｍ≧１
）の素子アンテナ１６−１〜１６−ｍで構成されるアレ
ーアンテナ、１７はｍ個のサーキュレータ１７−１〜１
７−ｍで構成されるサーキュレータアレー、１８はｍ個
の増幅器１８−１〜１８−ｍで構成される増幅器アレー
１９は所定波長のレーザ光を発生するレーザ光源、２０
はレーザ光源１９から入力されたレーザ光を（ｍ＋１＞
個のボートに分配する光分配器、２１はｍ本の偏波面保
存光ファイバ２１−１〜２１ｍで構成される光フアイバ
アレー、２２は偏波面保存光ファイバ、２３はｍ個の光
変調器２３−１〜２３−ｍで構成される光変調器アレー
、２４はｍ本の偏波保存光ファイバ２４−１〜２４−ｍ
で構成される光フアイバアレー、２６は光学系、２７は
光学系２６の結像位置に配置された搬像素子、２８は第
１の信号処理回路、２９は目標物体５の可視像を表示す
る表示装置、３０は周波数シフタ、３１は偏波面保存光
ファイバ、３３はレンズ、３４は半透鏡、３５は光検出
器、３６は第２の信号処理回路である。

次に、動作について説明する。まず、発振器１から発生
されたマイクロ波信号は第１の増幅器１５で増幅された
後、サーキュレータアレー１７の各サーキュレータ１７
−１〜１７−ｍに並列に供給され、これらサーキュレー
タ１７−１〜１７ｍを介してアレーアンテナ１６の各素
子アンテナ１６−１〜１６−ｍに給電される。これによ
り、各素子アンテナ１６−１〜１６−ｍが励振され、目
標物体５に向けてマイクロ波が放射される。そして、目
標物体５からの散乱波６はアレーアンテナ１６の各素子
アンテナ１６−１〜１６−ｍで受信される。そこで、ア
レーアンテナ１６の例えばｉ番目（ｉ＝１〜ｍ）の素子
アンテナ１６−１で受信された散乱波信号はサーキュレ
ータ１７−１と増幅器アレー１８−１を通り、ｉ番目の
光変調器２３−１を駆動する。

一方、レーザ光源１９から発生されたレーザ光は光分配
器２０により光フアイバアレー２１を構成する各偏波面
保存光ファイバ２１−１〜２１−ｎと偏波面保存光ファ
イバ２２に分配され、これらのファイバ内を伝搬する導
波光を励振する。光フアイバアレー２１のｉ番目（ｉ＝
１〜ｍ）の偏波面保存光ファイバ２１−１は光変調器ア
レー２３のｉ番目の光変調器２３−１の入射側に接続さ
れている。従って、ｉ番目の偏波面保存光ファイバ２１
−１を伝搬してきた導波光は、ｉ番目の素子アンテナ１
６−１の受信信号に比例して変調されることになる。こ
こで、光フアイバアレー２４を構成するｉ番目の偏波面
保存光ファイバ２４−１の一方の端面は上記ｉ番目の光
変調器２３−１の射出側に直接もしくはレンズ系を介し
て結合し、上記変調器２３−１からの射出光を導波し、
もう一方の端面２５−１から空間中へ放射される。この
放射光はアレーアンテナ１６で受信した散乱波６の振幅
と位相の情報を保持している。アレーアンテナ１６の受
信電波は、図示していないが、目標物体５表面における
電波の電界分布をフーリエ変換したものである。従って
、受信した散乱波６の信号を逆フーリエ変換すれば目標
物体５表面で散乱され、目標物体５の形状などの情報を
含む電界分布もしくは強度分布が求められる。この逆フ
ーリエ変換をするのが光学系２６である。

アレーアンテナ１６の空間配列と相似になるように配列
された幅波面保存光ファイバ２４−１〜２４−ｍの端面
２５−１〜２５−ｍを光学系２６の前側焦点位置に配設
し、■像素子２７を光学系２６の後側焦点位置に配設す
ると、光フアイバアレー２４の端面２５における光の分
布のフーリエ変換像が躇像素子２７の出力として得られ
る。逆フーリエ変換像はフーリエ変換後、座標の正負を
入替えることによって得られるので、この演篩を第１の
信号処理回路２８で行った後、表示装置２９に入力する
。これにより、表示装置２９に目標物体５の可視像が表
示される。

以上の動作を数式を用いてさらに詳しく述べると次のよ
うになる。第２図は目標物体５からの散乱波とアレーア
ンテナ１６における電界分布を計算するための座標系を
示したものである。

この図において、目標物体表面における電界分布をｇ（
ｘｏ、ｙｏ）、アレーアンテナ１６における受信電波の
電界分布をＵ（ｘｉ、ｙｉ）とすると、第１式の関係ガ
成り立つ。

Ｕ　（ｘｉ、ｙｉ　） ＝＝　　（ｏｊｋｚｉ／　ｊ　λ　Ｚ　　ｉ　　）　　
。ｊｋ（ｘｉ　　＋ｙｉ　　）／２ｚ＋／　　／　（１
（ＸＯ，ｙＯ）ｅ　−ｊ２　π／　λ　ｚｉ（ｘｉｘｏ
＋ｙｉｙＯ）ｘｏｄｙ０ ・・・　（１） ここで、（ｘＯ，ｙＯ）は目標物体５表面における座標
、（ｘｉ　、　ｙｉ　）はアレーアンテナ１６上におけ
る座標、ｋ＝２π／λであり、λはマイクロ波の波長を
表わしている。またｚｉは目標物体５とアレーアンテナ
１６までの距離である。

（１）式において、目標物体５とアレーアンテナ１６ま
での距離ｚｉはアレーアンテナ１６の大きさ〜ｒ］＝ｑ
〒２　＋ｙｉ　２　、に比べて充分大きい。

例えばアレーアンテナ１６の大きさを１０ｍ１距離ｚｉ
を２０Ｋｍ程度、マイクロ波の周波数１０ＧＨｚ（波長
３０ｃｍ）を考えると、 ｅ　Ｊｋ（ＸＩ　＋ｙｌ　）／２ｚｉ　ハ？　Ｌ、　−
ｙ　ンテナ１６　（Ｆ）　全面面に渡ってほぼ一定の値
「１」をとるものとしてよい。また、ｅｊｋｚｉ／ｊλ
７１はアレーアンテナ１６の各素子アンテナに対して一
定の値をとるので単なる比例定数と考えてよく、増幅器
１８で補正することを考えると、この値を「１」とおい
ても問題はない。従って、第（１）式は以下のように磨
き直すことができる。

Ｕ　　（ｘｉ、ｙｉ　　）　　＝ ／　　／　　ｑ　　（ｘＯ、ｙｏ　　）ｅ−ｊ２　π　
（１’　　λ　ｚｉ）（ｘｉｘｏ＋ｙｉｙｏ）ｄ　ｘＯ
ｄ　ｙＯ ・・・　（２） ここで、関数ｏ　（ｘｏ　、ｙＯ）のフーリエ変換をＧ
（ｆｘ、ｆｙ）とすると、 Ｇ（ｆｘ、ｆＶ）　＝ ／　　／　　ｇ（ｘＯ、ｙＯ）　　ｅ”’　　πｆＸＸ
Ｏ＋ｆＶＶＯ）　ｄｘ□ｄｙ０・・・　（３） Ω（ｘｏ、ｙＯ）　　− ／　／　Ｇ（ｆｘ、ｆｙ）　ｅｊ２″（ｆｘｘｏ＋ｆｙ
ｙｏ）　ｄ　（ｘｄ（ｖ・・・　（４） で定義される。この第（３）式の関係を用いると、第（
２）式は Ｌｌ　　（ｘｉ、ｙｉ）＝Ｇ　　（ｘｉ／　　λｚｉ、
ｙｉ／　　λＺｉ）・−（５） と虐くことができる。

すなわち、アレーアンテナ１６面上の電界分布は目標物
体上の電界分布のフーリエ変換になっていることがわか
る。従って、アレーアンテナ１６上の電界分布の値を用
いて逆フーリエ変換の演算を行えば、目標物体５上の電
界分布ｇ（ｘｏ、ソ０）もしくは強度分布Ｉ　Ｑ　（Ｘ
Ｏ，ＶＯ）　　ｌ　２を求めることができる。従って、
ｎ番目の素子アンテナ１６−ｎの出力信号は第（２）式
で与えられるＵ（ｘｉ。

ｙｉ）をｎ番目の素子アンテナ１６−ｎが配置されてい
る位Ｉ！座標（ｘ＋　　、ｙｉｎ）で示した電・　ｎ 界分布の値である。

そこで、この信号によりｉ番目の光変調器２３・　ｎ −１を駆動すると、このＩＪ（ｘ＋　　、ｙｉｎ）に比
例した光信号が得られ、上記光変調器２３−１に結合さ
れている偏波面保存光ファイバアレー２４−ｉの端面２
５−１からはＵ（ｘｉ、ｙｉ）に比例した光信号が放射
される。マイクロ波の波長から光への波長変換による拡
大率をＭ＝λ／λ１（λ）：レーザ光の波長）、アレー
アンテナ１６の配置を光フアイバアレー２５の放射端に
相似縮小したときの縮小率をａとすると、上記端面２５
−１からのｔ８！１ｆＪ４光はＵ（ａｘ’　ｉ、ａｙ／
　ｉ　）に比例する。

ここで（ｘ’　ｉ　、　ｙ’　ｉ　）は光ファイバ端面
２５における座標である。この端面２５を凸レンズ作用
を有する光学系２６の前側焦点の位置におくと、後焦点
面Ｚ＝ｆにおける光分布は、良く知られているように、 Ｅ（ｘｏｏ、ｙＯｏ）＝／　／Ｇ　　（ａｘｉ’／λｚ
ｉ、　　ａｙ’／　　λｚｉ）　８−ｊ２　ｙｒ　（ｆ
ｘ’ｘｏ’＋ｆｙ’ｙｏ）ｄ、ｘ、　ｄｆｙ’ｆｘ’　
　＝ｘｉ’／λｉｆ　　、ｆｙ’　　＝ｙｉ’／λノ［
・・・　（６） に比例する。ここでｆは光学系２６の焦点距離であり、
座標（ｘｏ’　、　ｙＯ’　）は撮像素子２７面上の座
標である。

Ｅ　（ｘＯ’、Ｖｏ’）＝（Ｊ（（−ｆ　／Ｈｚｉ）ａ
ｘｉ’、（−ｆ／Ｈｚｉ）ａｙｉ’） ・・・　（７） 第（７）式に示したように、ｍ機素子２７面上には目標
物体表面における電界分布Ｑ　（ＸＯ、ＶＯ）の座標を
反転させた値に比例したものが得られる。すなわち、目
標物体５の強度分布が求まり、搬像素子２７からの出力
信号はこの強度分布に比例したものであるから第１の信
号処理回路２８で座標を反転させる演算を行った後、表
示装置２９に表示させれば、目標物体５をのマイクロ波
で観測した画像を得ることだできる。

次に、光分配器２０で分配されたレーザ光のうち偏波面
保存光ファイバ２２を伝搬してきた導波光は、周波数シ
フタ３０でレーザ光の発振周波数がｆｃだけ偏移された
後、偏波面保存光ファイバ３１中を伝搬してその端面３
２がら空間中に放射される。空間中に放射されたレーザ
光はレンズ３３で集光された後、収束光３７に変換され
、半透鏡３４を透過して光検出器３５上に集光される。

一方、光学系２６を透過した収束光３８は半透鏡３４で
反射された後、光検出器３５上に集光される。

収束光３７と収束光３８は共にコヒーレントな光である
ので、光検出器３５上で干渉し、そのビート周波数ｆＢ
が光検出器３５で電気信号として取出される。収束光３
８はアレーアンテナ１６の受信電波の振幅と位相の情報
を有しており、目標物体５が速度Ｖで移動している場合
にはドプラー効果により周波数が偏移している。従って
、光検出器３５からの電気信号は次の第（８）式で示さ
れるビート周波数ｆＢを持つ信号となっている。

ｆＢ　＝ｆｃ　＋Ｖ／λノ　　−（８）従って、第２の
信号処理回路３６により光検出器３５からの電気信号の
周波＆ｆＣからのズレすなわちドプラー周波数偏移Ｖ／
λＪを測定すれば、目標物体の移動速度Ｖを検出するこ
とができる。

このようにして求められた移！ｌｌ３ｉ度Ｖは表示装置
２９に表示される。

このように、第１図の実施例では、目標物体５からの散
乱波によりレーザ光を変調し、その変調されたレーザ光
を光学系２６を介して層像素子２７に結像させ、その撮
像出力を第１の信号処理回路２８で処理して表示装置１
１２９に目標物体５の可視像として再生表示すると共に
、周波数偏位させたレーザ光（収束光３７）と目標物体
の情報を含んだレーザ光（収束光３８）との干渉像によ
って目標物体５の移動速度を求めて表示するようにした
ものである。このため、グロー放電検出器などの特殊で
高価な部品を用いなくても目標物体５の像を表示させる
ことができる。また、アレーアンテナ１６を用いている
ため、アンテナの配置に何等の制約も生じない。

なお、第１図において、アレーアンテナ１６の各素子ア
ンテナ１６−１〜１６−ｍの配置は必ずしも同一平面上
にある必要はなく、任意の面上にａｉｌ！ｌｉｔし、そ
の配置に相似形となるように偏波面保存光ファイバ２４
の端面２５を配置すれば同様の結果を得ることガできる
。さらに、光変調器アレー２３の出射端を光ファイバ２
４の端面２５の部位に直接、アレーアンテナ１６の配置
と相似配置になるように配置してもよい。

さらに、マイクロ波の送信と受信とを同一のアレーアン
テナ１６で共用しているが、第３図の他の実施例に示す
ように、送信アンテナ３を独立して設け、アレーアンテ
ナ１６はマイクロ波の受信のみに使用するように構成し
てもよい。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、レーザ光源と光変ＦＡ
器を組合せ、目標物体からの散乱波によりレーザ光を変
調し、その変調されたレーザ光を光学系を介してＩＩｌ
像素子に結像させ、その銀像出力信号を処理して表示装
置に目標物体の可視像として再生表示するようにしたも
のである。このため、グロー放電検出器などの特殊で高
価な部品を用いなくでも目標物体の像を表示させること
ができる。

また、アレーアンテナを用いているため、アンテナの配
置に何等の制約も生じないという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるマイクロ波画像再生
装置の構成を示す図、第２図は目標の開口面と観測面に
おける座標系を説明する図、第３図はこの発明の他の実
施例を示す構成図、第４図は従来装置の構成を示す図で
ある。 １・・・発振器、２・・・周波数シフタ、３・・・送信
アンテナ、４・・・送信ビーム、５・・・目標物体、６
・・・目標物体からの散乱波、７・・・基準信号用ホー
ン、８・・・グロー放電検出器アレー、９・・・信号処
理回路、１０・・・発光ダイオードアレー、１１・・・
光学系、１２・・・インヒコヒーレント／コヒーレント
イメージ変換器、１３・・・読出しレーザ光、１４・・
・再生光、１５・・・増幅器、１６・・・アレーアンテ
ナ、１７・・・サーキュレータ、１８・・・増幅器アレ
ー、１９・・・レーザ光源、２０・・・光分配器、２１
，２４．・・・偏波面保存光ファイバアレー、２３・・
・光ＷａＳアレー、２６・・・光学系、２７・・・撮像
素子、２８・・・第１の信号処理回路、２９・・・表示
装置、３０・・・周波数シフタ、３３・・・レンズ、３
４・・・半透鏡、３５・・・光検出器、３６・・・第２
の信号処理回路。 なお、図中間−符号は伺−または相当部分を示す。 第２図 代理人　　大吉　ｊｌＪａ（ばか２名）嘗り刻面（アレ
ーアンテナつ 書（自発）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 目標物体に向けてマイクロ波を送信し、該目標物体から
   の散乱波によって目標物体の可視像を再生して表示する
   マイクロ波画像再生装置において、マイクロ波信号を発
   生する発振器と、この発振器から発生されたマイクロ波
   信号によってマイクロ波を目標物体に向けて送信すると
   共に、目標物体から放射された散乱波を受信するアンテ
   ナと、所定波長のレーザ光を発生するレーザ光源と、こ
   のレーザ光源から発生されたレーザ光を前記アンテナで
   受信した散乱波によつて変調する光変調器と、この光変
   調器の出射光を所定の結像位置に結像させる光学系と、
   この光学系の結像位置に配置された撮像素子と、目標物
   体の可視像を表示する表示手段と、前記撮像素子の出力
   信号を処理し、前記表示手段に目標物体の可視像として
   表示させる信号処理手段とを備えるマイクロ波画像再生
   装置。