KR20160130482A

KR20160130482A - 초광대역 검출기

Info

Publication number: KR20160130482A
Application number: KR1020167027829A
Authority: KR
Inventors: 에드워드 제임스 몰튼; 앤소니 제이 페이튼
Original assignee: 라피스캔 시스템스, 인코포레이티드
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2016-11-11
Also published as: JP6594331B2; GB2538921A; AU2015227069B2; EP3114464A1; US9891314B2; GB2538921A8; US20150253422A1; JP2017514109A; MX2016011593A; GB2538921B; CA2972886A1; US20190004170A1; AU2015227069A1; WO2015134802A1; BR112016020638A2; EP3114464A4; MX361149B; CN106461576A

Abstract

본 발명은 초광대역 마이크로파 기반의 사람/승객 검색시스템, 특히 물질의 특정검출을 위한 시스템에 관한 것으로, 사람이 포털을 통과할 때 사람에게 신속하고 연속적으로 저밀도 마이크로파의 조준된 빔이 투사되는 비이온화 방사선을 이용하는 물체의 특정검색을 위한 시스템에 관한 것이다.

Description

초광대역 검출기 {ULTRA WIDE BAND DETECTORS}

본 발명은 우선권주장으로 2014년 3월 7일자 출원된 미국특허가출원 제61/949,775호 "초광대역 검출기"에 의존한다. 본 발명에서 미국특허가출원 제61/949,775호는 그 전체가 참조로 인용된다.

본 발명은 일반적으로 신체검색시스템에 관한 것으로, 특히, 사람이 포털(portal)을 통과할 때 사람에게 신속하고 연속적으로 저밀도 마이크로파의 조준된 빔이 투사되는 비이온화 방사선을 이용하는 물체의 특정검색을 위한 시스템에 관한 것이다.

테러는 일반대중에게 위협을 가한다. 무기와 같은 위험장치 또는 폭발물과 같은 위험물질은 포켓에 휴대하거나 몸에 둘러 운반하므로 당업자라 하여도 무심하게 관찰하는 관찰자에게는 거의 검출되지 않을 수 있다. 따라서, 일반적으로 공항, 기차역 또는 공공건물과 같은 주요시설을 통하여 진출입할 때, 여행자는 스스로 겉옷을 탈의하거나 벨트를 풀고, 지갑, 장신구 및 휴대전화를 꺼내놓아야 하며, 신발을 벗어놓아야 한다. 탈의하는 것은 많은 시간이 소요되고 공중의 여러 사람을 불편하게 하며 검색시설 작업자를 관리하는데에도 비용이 많이 든다.

탈의한 후에, 의복과 악세서리는 전형적으로 X-선 투과영상시스템을 이용하여 스캔되는 반면에 일반인은 스캔되는 신체의 이미지를 얻기 위하여 밀리미터파 영상시스템 또는 X-선 후방산란 영상시스템과 같은 다른 기술을 이용하여 스캔된다. 신체의 이미지는 사람이 휴대하고 있는 물품이 원인이 되는 변형을 포함할 수 있다. 이들 변형은 패스포트나 손수건과 같이 위험하지 않은 물품에 의한 것이거나 또는 폭발물질과 같이 상당히 위험한 물품에 의한 것일 수 있다. 현재 알려진 기술은 위험물인지 또는 위험물이 아닌지의 여부를 확인하기 위하여 검출된 대상물의 형상을 분석하는 숙련된 알고리즘을 필요로 한다. 그러나 이러한 형상을 분석하는 것만으로는 많은 잠재적인 위험물 또는 실제로 위험하지 않은 물품의 특성을 평가하는데 어려움이 있으며 이에 따라 거짓 알람이 중요한 것으로 취급될 수도 있다.

따라서, 사람이 포털을 걸어 지나갈 때 저밀도 마이크로파 방사선의 조준된 빔이 이러한 사람에 대하여 신속하고 연속적으로 투사될 수 있는 비이온화 방사선을 이용한 물질의 특성을 검출하기 위한 시스템이 필요하다.

본 발명은 사람이 포털을 통과할 때 사람에게 신속하고 연속적으로 저밀도 마이크로파의 조준된 빔이 투사되는 비이온화 방사선을 이용하는 물체의 특정검색을 위한 검색시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 적어도 하나의 물체를 소지하고 종축선을 따라 검색영역을 통하여 걸어가는 승객을 검색하기 위한 포털에 관한 것으로, 포털이 종축선에 대하여 각도범위가 5~85도인 제1각도로 설치된 제1셋트의 두 대향된 패널을 포함하는 펀넬형 입구(funneled entrance); 종축선에 대하여 각도범위가 5~85도인 제2각도로 설치된 제2셋트의 두 대향된 패널을 포함하는 펀넬형 출구(funneled exit); 상기 펀넬형 입구와 펀넬형 출구 사이의 위치에서 상호 평행하게 배치된 제3셋트의 두 대향된 패널을 포함하는 중앙포털과; 시간, 위상 또는 주파수 도메인 정보중에서 적어도 하나를 포함하는 산란된 마이크로파 빔과 출력데이터를 처리하기 위하여 다수의 송신기와 수신기요소에 결합된 다수의 처리블록을 포함하고; 제, 제2 및 제3셋트의 두 대향된 패널이 검색영역을 형성하고 승객이 포털을 통과할 때 승객에게 마이크로파 빔을 투사하기 위한 다수의 송신기요소와 승객으로부터 산란된 마이크로파 빔을 수신하기 위한 다수의 수신기요소를 포함하며; 하나 이상의 송신기요소가 동시에 작동하여 승객이 포털을 통과하는 동안에 검색영역에서 다수의 스캔을 발생하고; 산란된 마이크로파 빔은 투사된 마이크로파 빔이 적어도 하나의 물체의 상부면, 적어도 하나의 물체의 배면과, 적어도 하나의 물체의 상부면에 인접한 승객 신체의 일부분과 상호작용한 결과이며; 시간, 위상 또는 주파수도메인정보 중에서 적어도 하나가 적어도 하나의 물체의 위치, 형상, 크기 및/또는 상대유전율을 결정하기 위하여 사용됨을 특징으로 한다.

일부의 실시형태에 있어서, 제1 및 제2셋트의 두 대향된 패널이 종축선에 대하여 제1 및 제2각도로 설치되고, 상기 제1 및 제2각도가 20~60도의 각도범위에 있다.

여러 실시형태에서, 제1, 제2 및 제3셋트의 두 대향된 패널에서 각 패널은 높이가 약 2m 이고 폭범위는 0.4 m 내지 1.0 m 이다.

여러 실시형태에 따라서, 제1, 제2 및 제3셋트의 두 대향된 패널은 승객의 전면, 배면 및 다수의 측면을 스캔할 수 있게 구성되어 있다.

본 발명은 또한 포털의 검색영역에서 종축선을 따라 걸어가는 승객을 스캔하는 방법에 관한 것으로, 검색영역이 중앙포털, 입구펀넬 및 출구펀넬로 한정되고, 중앙포털이 우측패널과 좌측패널을 포함하며 우측 및 좌측패널이 실질적으로 평행한 구조로 상호 대향되어 있고, 입구펀넬이 중앙포털의 우측패널의 선단부에 대하여 5~85도의 각도로 배치된 제1패널과 중앙포털의 좌측패널의 선단부에 대하여 5~85도의 각도로 배치된 제2패널을 포함하며, 출구펀넬이 중앙포털의 우측패널의 후단부에 대하여 5~85도의 각도로 배치된 제1패널과 중앙포털의 좌측패널의 후단부에 대하여 5~85도의 각도로 배치된 제2패널을 포함하는 포털에서 종축선을 따라 걸어가는 승객을 스캔하는 방법에 있어서, 이 방법이 중앙포털의 패널에서 다수의 송신기요소로부터 승객에 RF 빔을 투사하는 단계; 중앙포털, 입구 및 출구펀넬의 패널에서 다수의 수신기요소에 의하여 승객으로부터 산란된 빔을 수신하는 단계와; 시간, 위상 또는 주파수도메인정보 중에서 적어도 하나를 포함하는 데이터를 출력하기 위하여 다수의 송신기와 수신기와 결합된 다수의 처리블록을 이용하여 산란된 빔을 처리하는 단계를 포함하고; 상기 RF 빔을 투사하는 단계에서, 하나 이상의 송신기요소가 동시에 활성화되어 승객이 포털을 통하여 지나는 동안에 검색영역에서 다수의 스캔을 발생하며; 상기 산란된 빔을 수신하는 단계에서, 산란된 빔이 승객의 신체에 배치된 적어도 하나의 물체의 상부면 및 배면과 적어도 하나의 물체의 상부면에 인접한 승객신체와 투사된 RF 빔의 상호작용의 결과로 발생되고; 상기 산란된 빔을 처리하는 단계에서, 시간, 위상 또는 주파수도메인정보 중에서 적어도 하나가 적어도 하나의 물체의 위치, 형상, 크기 및/또는 상대유전율을 결정하기 위하여 사용됨을 특징으로 한다.

여러 실시형태에서, 각 입구 및 출구펀넬의 제1 및 제2패널의 각도가 20~60도 사이의 범위이다.

여러 실시형태에서, 중앙포털, 입구펀넬 및 출구펀넬의 각 패널이 높이가 약 2 m 이고 폭범위는 0.4 m ~ 1.0 m 사이이다.

일부 실시형태에 따라서, 중앙포털, 입구펀넬과 출구펀넬의 패널이 실질적으로 각각 승객의 전면, 배면 및 측면을 스캔한다.

본 발명은 또한 포털의 검색영역에서 종축선을 따라 걸어가는 승객을 스캔하는 방법에 관한 것으로, 검색영역이 각각 두 패널의 제1, 제2 및 제3셋트로 한정되고, 제1 및 제2셋트의 패널이 각각 포털의 입구와 출구를 형성하기 위하여 종축선에 대하여 경사지게 설치되는 포털에서 종축선을 따라 걸어가는 승객을 스캔하는 방법에 있어서, 이 방법이 제1, 제2 및 제3셋트의 패널에서 다수의 송신기요소로부터 승객에 RF 빔을 투사하는 단계; 제1, 제2 및 제3셋트의 패널에서 다수의 수신기요소에 의하여 승객으로부터 산란된 빔을 수신하는 단계와; 적어도 하나의 물체의 상부면과 배면으로부터 수신되는 산란된 빔 사이의 시간차이를 반영하는 데이터를 출력하기 위하여 다수의 송신기와 수신기요소에 결합된 다수의 처리블록을 이용하여 산란된 빔을 처리하는 단계를 포함하고; 상기 RF 빔을 투사하는 단계에서, 하나 이상의 송신기요소가 동시에 활성화되어 승객이 포털을 통하여 지나는 동안에 검색영역에서 다수의 스캔을 발생하며; 상기 산란된 빔을 수신하는 단계에서, 산란된 빔이 승객의 신체에 배치된 적어도 하나의 물체의 상부면 및 배면과 적어도 하나의 물체의 상부면에 인접한 승객신체와 투사된 RF 빔의 상호작용의 결과로 발생되고; 상기 산란된 빔을 처리하는 단계에서, 시간차이가 적어도 하나의 물체의 상대유전율을 결정하기 위하여 사용됨을 특징으로 한다.

여러 실시형태에서, 제1, 제2 및 제3셋트의 패널의 각도가 20~60도 사이의 범위이다.

여러 실시형태에서, 제1, 제2 및 제3셋트의 각 패널이 높이가 약 2 m 이고 폭이 0.4 m ~ 1.0 m 사이의 범위이다.

일부 실시형태에서, 제1, 제2 및 제3셋트의 패널이 각각 실질적으로 승객의 전면, 배면 및 측면을 스캔한다.

여러 실시형태에서, 검색영역의 다수의 스캔이 초당 5~100 프레임 사이의 속도로 발생된다.

여러 실시형태에서, 마이크로파(또는 RF) 빔은 2GHz~20GHz 범위 사이의 주파수를 갖는다.

여러 실시형태에서, 다수의 각 송신기 및 수신기에 결합된 안테나는 1 cm~ 10 cm 범위 사이의 직경을 갖는다.

일부의 실시형태에서, 다수의 송신기요소가 순차적인 래스터 스캔 패턴으로 활성화된다.

여러 실시형태에서, 다수의 송신기요소가 의사랜덤 스캔 패턴으로 활성화된다.

여러 실시형태에서, 승객 신체에 소지한 적어도 하나의 물체가 승객의 실시간 비디오 이미지에 중첩된 아이콘으로서 디스플레이되고, 이 아이콘은 적어도 하나의 물체의 위험상태를 나타내도록 색깔로 표현된다.

한 실시형태에서, 빔은 적당한 길이(전형적으로 1 cm ~ 20 cm 정도)의 물체와 상호작용하여 이들이 산란되어 일련의 마이크로파 수신기에 수신될 때 이들의 위상과 진폭을 수정한다. 각 송신장치는 검색을 받고 있는 사람을 향하여 시간영역에서 좁은 펄스를 투사하고 이로부터 상호작용으로 펄스화된 신호가 다수의 수신기로 전파되고 수신기는 신호를 평행하게 포착한다. 신호가 각 수신기에서 검출되는 시간은 사람 또는 물체와의 상호작용이 이루어지는 3차원(3D) 공간의 지점까지의 거리에 의하여 결정된다. 모든 수신기 및 펄스를 방사하는 모든 송신기에 대한 데이터와 함께 모든 투사데이터를 수집함으로서, 상호작용이 이루어지는 물질의 형태와 이러한 상호작용이 일어나는 3D 공간내에서의 위치를 확인할 수 있다. 끝으로, 상호작용된 신호의 특성을 분석함으로서, 상호작용 지점에서 물질의 유전상수를 측정하거나, 또는 물체의 전자기 행동을 묘사하는 물체의 전자기성 텐서형 특성(electromagnetic tensor-like charateristics)을 측정할 수 있으며, 이로써 존재하는 위험물 또는 비위험물의 특수형태를 확인할 수 있다.

이러한 저주파 마이크로파 방사선의 상호작용을 이용함으로서, 스캔중인 사람의 신체로부터 얻은 이미지를 디스플레이할 필요가 없고, 한 성택적인 실시형태에서, 이미지가 형성되지 않아 알려진 검색기술에 영향을 주는 사적인 신상유출의 문제를 피할 수 있다. 아울러, 데이터 자체는 물질의 특징이므로 위험물질에 대한 양호한 검출확률을 제공하고 휴대폰이나 시계 또는 패스포트나 기타 종이제 서류와 같은 다른 대상물에 대하여서는 거짓 알람의 비율이 낮도록 할 것이다.

본 명세서에 기술된 방법은 본질적으로 고속(마이크로파 상호작용이 수백 피코초 내지는 수십 나노초의 시간에 이루어진다)으로 수행되므로 정상적인 보행속도에서 위험물질의 자동적인 검출이 요구되는 실시간검색시스템에 적용하기에 적합하다.

비교적 낮은 주파수의 방사선(1 GHz ~ 20 GHz 정도)을 이용함으로서, 마이크로파 빔은 종래 이미지 베이스의 밀리미터파와 테라헤르츠 베이스의 이미지시스템의 높은 주파수로서는 침투하지 못하는 습기나 물기로 젖은 의복을 포함하는 의복류나 기타 다른 유전물질을 통하여 양호하게 침투하는 특성을 보인다.

따라서, 본 명세서는 승객이 탈의하지 않고 자켓이나 벨트, 모자나 신발을 착용한 상태에서 이러한 승객이나 그 주위에 은폐된 위험한 장치나 위험한 물질을 초저무선주파수 전력밀도로 적극적인 실시간검출이 이루어질 수 있도록 하는 마이크로파 기반의 초광대역 위험물 검출시스템을 기술한다.

본 발명의 상기 언급된 실시형태 및 기타 다른 실시형태를 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 공항에서 승객을 검색하는데 사용하기 적합한 초광대역 마이크로파 기반의 스캐닝/이미지 시스템의 한 실시형태를 보인 사시도.
도 2는 도 1에서 보인 시스템의 평면도.
도 3은 시간(t)을 따라 전파되는 직교방향의 전기(E) 및 자기(H) 성분을 갖는 무선주파수 빔을 보인 설명도.
도 4a는 위험물 규모의 물체로부터 반사된 고주파(밀리미터파 또는 테라헤르츠) 빔을 보인 설명도.
도 4b는 위험물 규모의 물체와 상호작용하는 저위에너지(마이크로파) 빔을 보인 설명도.
도 5는 지향성 안테나에 의하여 발생된 전형적인 무선주파수 빔을 보인 설명도.
도 6은 주파수 도메인에서 무선주파수 전력의 광대역펄스에 대하여 도시된 시간 도메인에서 무선주파수 전력의 짧은 가우스형 펄스를 보인 설명도.
도 7은 사람의 전면에 위험물이 배치되고 이 사람의 표면에 마이크로파 에너지의 빔을 투사하는 송신안테나(Tx)를 보인 설명도.
도 8은 송신된 빔(Tx)이 중간 주파수 위상과 진폭 검출기를 통하여 수신된 빔(Rx)과 혼합되는 벡터 네트워크 분석기를 보인 구성도.
도 9는 안테나 패널의 도어 규모의 어레이에 대한 송신기 연속패턴을 보인 설명도.
도 10은 도 1의 초광대역 마이크로파 기반의 스캐닝/이미지 시스템을 위한 예시적인 데이터수집 시스템 구조를 보인 설명도.
도 11은 물체가 직교좌표계에 대하여 그 배향에 따른 3차원장 상호작용에서 어떠게 나타나고 있는지를 보여주는 설명도.
도 12는 승객이 도 1의 스캐닝/이미지 시스템을 통하여 걸어 지나갈 때 위험물과 비위험물이 승객의 라이브 비디오 이미지의 상부에 아이콘으로서 표시되는 것을 보인 사시도.

본 발명은 다수의 실시형태에 대하여 설명된다. 다음의 내용은 본 발명 기술분야의 당업자가 발명을 실시할 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이다. 본문에 사용된 언어는 어느 특정한 실시형태를 일반적으로 부정하는데 사용되는 것이 아나고 또는 청구범위는 본문에 사용된 용어의 의미를 넘어서까지 한정하는데 사용되는 것은 아니다. 본문에 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 기술사상과 범위를 벗어남이 없이 다른 실시형태나 다른 분야에 적용될 수 있을 것이다. 또한, 사용된 용어나 어구는 예시적인 실시형태를 설명하기 위한 것으로 어떠한 제한을 두는 것으로 간주되어서는 안된다. 따라서, 본 발명은 다수의 대안, 변경 및 개시된 원리 및 특징에 부합 등가물을 포괄하는 가장 넓은 범위를 부여하려는 것이다. 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 명확성을 위하여 본 발명에 관련된 기술분야에서 공지된 기술적 자료에 관한 정보는 상세하게 설명되지 않았다. 본 발명의 상세한 설명 및 청구범위에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 라거나 "갖는다" 라는 용어는 이들 단어가 가 갖는 내용에 꼭 한정되는 것은 아니다.

도 1은 승객이 의복이나 악세서리 등을 벗어놓도록 요구됨이 없이 공항에서 승객을 검색하는데 적합한 초광대역 마이크로파 기반의 스캐닝/이미지 시스템(100)의 한 실시형태를 보인 것이다.이 시스템(100)은 한 실시형태에서 실질적으로 "V"형 또는 "펀넬(funnel)"형 입구(115)를 형성하는 제1셋트의 대향된 두 검출패널(105a, 105b), 역시 "V"형 또는 "펀넬"형 출구(120)를 형성하는 제2셋트의 두 대향된 검출패널(110a, 110b), 제 및 제2셋트 사이에서 중앙포털/영역의 두 측면을 형성하는 제3셋트의 대향된 두 검출패널(130a, 130b)과, 선택적인 지붕, 커버 또는 후드(125)를 포함하는 보행통과형 포털 또는 아치형 통로의 형태로 구성된다. 한 실시형태에 따라서, 제1, 제2 및 제3셋트의 검출패널(105a, 105b, 110a, 110b, 130a, 130b)은 다수의 송신 및 수신요소 Tx/Rx 를 포함한다. 시스템(100)은 승객이 보행으로 통과할 수 있도록 측면 패널(130a, 130b)과 입구/출구 패널(105a, 105b, 110a, 110b)의 높이가 충분히 높다. 여러 실시형태에서, 각 패널(105a, 105b, 110a, 110b, 130a, 130b)은 높이가 약 2 m 이고 폭은 0.4 m ~ 1.0 m 사이의 범위이다.

일부 실시형태에서, 실질적으로 "V"형 또는 "펀넬"형 입구(115)와 출구(120)는 포털을 통하여 승객이 이동하는 방향을 따라 중앙종축선(135)을 기준으로 하여 어떠한 "패널각도"를 두고 설치 또는 배치된다. 일부 실시형태에서, 입구 펀넬(115)의 제1 및 제2 패널(105a, 105b)는 중앙포털의 패널(130a, 130b)의 각 선단부(128a, 128b)을 기준으로 하여 "패널각도"로 배치된다. 유사한 방식으로, 출구 펀넬(120)의 제1 및 제2 패널(110a, 110b)는 중앙포털의 패널(130a, 130b)의 각 후단부(132a, 132b)을 기준으로 하여 "패널각도"로 배치된다. 이와 같이, 중앙포털은 입구 및 출구 펀넬(115, 120) 사이에 배치되어 중앙포털/영역의 좌우 패널(130a, 130b)(좌우 측면을 형성한다)은 서로 평행하다.

패널(105a, 105b, 110a, 110b)이 중앙종축선(135) 및/또는 중앙포털의 패널(130a, 130b)의 선단부 및 후단부를 기준으로 하여 배치되는 이러한 "패널각도"의 선택은 달리 제한을 두지는 않지만, 예를 들어, 송신기/수신기 요소의 발산각도(angular divergence)(송신기/수신기 요소의 발산각도가 넓을수록 '패널각도'는 좁다), 포털/시스템(100)의 최대허용폭(전형적으로 검색포털의 물리적인 구조에 의하여 영향을 받는다), 승객의 표면검색의 균일성(입구 패널 105a, 105b 는 승객 신체의 전면을 스캔하고, 중앙 패널 130a, 130b 는 승객 신체의 측면을 스캔하며, 출구 패널 110a, 110b 는 승객 신체의 배면을 스캔할 수 있어야 한다)과 같은 다수의 요인을 최적화하는 것에 따라 달라질 수 있음을 이해하여야 한다. 여러 실시형태에서, '패널각도'는 5~80도 사이, 좋기로는 20~60도 사이의 범위이다.

초광대역 마이크로파 기반의 스캐닝/이미지 시스템(100)에서, 승객(도시하지 않았음)은 두 검출패널(105a, 105b)를 향하여 걸어간다. 승객이 입구(115)로부터 일정한 거리에 이르렀을 때, 입구(115)의 일측, 즉, 패널(105a)의 송신요소(Tx)는 상호작용 빔이 입구(105)의 양측(패널 105a 와 105b)의 수신요소(Rx)를 향하도록 할 것이다. 승객이 입부(115)에 근접하였을 때, 분배되는 상호작용 빔은 빔이 송신되는 패널측에 더 많이 향하게 된다. 이와 같은 거리에서, 승객의 전면이 스캔되고, 승객이 진입하여 패널(105a, 105b)를 통과할 때 대부분 빔의 상호작용이 승객의 두 측면에서 이루어진다. 따라서, 승객이 시스템(100)을 통하여 걸어갈 때, 대향된 패널에 전달되거나 동일한 패널에 다시 반사되는 신호의 양이 달라진다. 시스템(100)내에 승객이 없을 때, 모든 신호는 빔이 일측 패널로부터 타측 패널로 전달된 신호에 의한 것이다. 그러나, 승객이 시스템(100)내에 있을 때, 일부의 신호가 에를 들어 대향된 두 입구패널(105a, 105b) 사이에서 승객의 가슴부분의 전면으로부터 반사/산란되거나, 모든 신호가 같은 패널측으로 되돌아가는 반사/산란이 이루어진다(예를 들어 승객의 팔의 측면으로부터 중앙 측면의 패널 130a, 130b 에 대하여). 도 1에서 보인 바와 같이, 승객은 검출패널(110a, 110b)을 포함하는 출구(120)측으로 진출하며, 이때 이들 검출패널이 먼저 승객의 양 측면에 관한 정보를 얻고 이어서 승객의 배면으로부터 정부를 얻는다. 이와 같이 함으로서, 3D 형상의 승객에 대하여 전반적인 표면스캔이 이루어질 수 있고 송수신된 모든 신호에 시간이 표시되므로 각 데이터 셋트는 상대적인 순서로 조직화될 수 있도록 한다.

스캔 데이터의 수집/검출의 최적화를 위하여, 시스템(100) 내의 각 승객위치에 대하여 송신기/수신기 쌍의 가장 적합하거나 최적인 셋트를 선택하는 것이 유리하다. 이러한 적합/최적 셋트의 송신기/수신기 쌍은 승객의 형상과 스스템(100)내에서의 승객위치 모두에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 일부 실시형태에서, 적합/최적 셋트의 송신기/수신기 쌍은 승객의 형상과 시스템(100)내의 각 위치에서 대상물특성의 결정을 위한 위치에 기반하여 사전평가 및/또는 사전계산되고, 그리고 이들 쌍이 이후의 데이터분석을 위하여 선택된다.

당업자에게는 승객이 시스템(100)을 걸어 통과할 때 승객의 각 상호작용하는 면의 위치가 연속적으로 달라지는 것이 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 관점에 따라서, 승객 또는 검출공간 및/또는 영역(즉, 제1, 제2 및 제3 셋트의 검출패널에 의하여 한정된 통로)이 시스템(100)을 통한 승객의 통과중에 다수회 스캔되고 샘플링된다. 모든 수신기에서 병렬데이터수집과 함께 각 송신기 펄스에 대한 데이터수집이 나노초(100 ns 이하)의 시간동안에 이루어지고 시스템(100)내에는 전형적으로 100~1000개의 송신기 요소가 있으므로, 1밀리초 이하의 시간동안에 데이터수집이 완료될 수 있다. 완전한 데이터수집작동은 데이터의 "프레임"을 발생하는 것으로 이해될 수 있다. 본 발명의 관점에 따라서, 각 송신기에 대하여, 다수의 스캔데이터측정값 또는 반복/다수 스캔 데이터 측정값이 전체 프레임속도가 초당 5~100 프레임 사이의 값으로 유지되는 동안에 개선된 신호대음비를 얻을 수 있도록 취하여진다. 따라서, 승객이 0.2 m ~ 2 m/s 사이의 속도로 걸어가면, 시스템은 빠르게 걷는 승객에 대하여 초당 적어도 5개의 검색프레임을 제공하여 신호대잡음비가 높은 신호를 수집할 수 있고 느리게 걷는 승객에 대하여서는 초당 100 프레임 이상을 제공하여 감소된 신호대잡음비의 신호를 수집할 수 있다. 이들 프레임속도에서, 시스템(100)은 이동승객에 대하여 다수회의 높은 고결성의 데이터 셋트를 수집할 수 있어 종래기술의 정적인 "자세를 취한 후 스캔"이 이루어지는 시스템에 비하여 효과적인 보행형 시스템을 제공할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 관점에 따라서, 시스템(100)은 위험물 형태와 위치의 다수회 측정이 이루어지고 승객 신체에서 위치/영역의 스캔이 어렵거나 은폐된 것을 조사할 수 있도록 하기 위하여 승객이 포털을 통과할 때 승객에 대한 다수의 스캔데이터가 수집되는 다중프레임 검색모드에서 작동한다.

도 2는 스캐닝/이미지 시스템(200)의 평면도를 보인 것으로, 승객이 두개의 "V"형 또는 "펀넬"형 스캔영역, 즉, 입구(215)와 출구(220)를 갖는 스캐너 시스템(200)을 통과하는 것을 보이고 있다. 승객(202)은 도면 2의 아래쪽으로부터 접근하며 보통의 속도로 도 2의 위쪽으로 걸어간다. 도어규모의 패널(205, 210)의 RF 송신기/수신기 요소는 승객이 검색장치(200)를 통하여 걸어갈 때 빔을 승객(202)의 전면을 향하여 투사하고, 승객이 시스템(200)의 출구로 나갈 때 승객(202)의 배면을 향해 투사한다.

도 3은 시간(t)을 통하여 전파하는 전기(E) 및 자기(H) 성분(350, 310)이 직교방향으로 향하는 무선주파수 빔을 보인 것이다. 도 3에서 보인 바와 같이, 그래프(300)를 통하여, 당업자라면 특정 주파수의 전자기 방사선이 직교방향인 방사선의 두 벡터성분(305, 310)이 동일방향으로 전파하는 전기장(E) 및 자기장(H) 성분을 포함함을 알 수 있을 것이다. 이러한 전자기 방사선이 검색과정을 통과하는 물질과 상호작용할 때, 방사선 빔의 E 및 H 성분의 상대위상과 진폭이 특정형태의 물질특성(유전상수 ε, 전도율 σ 및 투자율 μ)과 상호작용의 성질(표면 또는 벌크)에 의하여 영향을 받는다.

도 4A는 위험물규모의 대상물(예를 들어, 패스포트, 휴대폰, 코인 등)로부터 반사된 고주파(밀리미터파 또는 테라헤르츠)의 전자기 방사선 입사빔(405)을 보이고 있다. 여기에서 방사선 빔(405)의 파장은 대상물에 비하여 작으므로, 대상물(403)의 표면에서만 상호작용이 이루어져 상호작용된 빔(408)으로부터 물질의 정보를 얻을 수 없다. 당업자라면 물체에 충돌하는 전자기 방사선의 파장이 이러한 방사선과 상호작용하는 대상물의 크기에 비하여 작을 때 우세함을 이해할 것이다.

다음과 같은 식이 주어진다면 다수의 파장에 대한 주파수를 계산할 수 있을 것이다.

c=fλ

여기에서, c= 빛의 속도, f= 방사선의 주파수, λ= 방사선의 파장이고, 파장에 대한 주파수는 다음과 같다.

파장 (cm)	주파수 (GHz)
1	30
2	15
5	6
10	3
20	1.5
50	0.6

100 GHz 정도의 주파수를 갖는 방사선을 이용하는 알려진 밀리미터 파 기반의 이미지 시스템의 경우, 관련된 파장은 겨우 수 밀리미터에 지나지 않아 위험물 및 비위험물(패스포트, 휴대폰, 코인 등)과의 거의 모든 상호작용은 표면에서만 이루어질 것이다. 따라서 이와 같은 시스템은 대상물의 이미지를 생성할 수 있으나, 이들 이미지는 유전율에서의 불연속성이 검출되는 경우보다 물질 데이터를 거의 전달하지 못한다.

도 4B는 위험물 규모의 대상물(403)과 상호작용하는 저에너지(마이크로파) 입사빔(410)을 보이고 있다. 여기에서, 파장은 실질적으로 위험물 및 비위험물(예를 들어, 패스포트, 휴대폰, 코인 등)의 크기에 비하여 작으므로 그 결과 입사 빔(410)과 상호작용된 빔(415) 사이에서 대상물(403)의 벌크에서 강한 상호작용이 이루어진다. 이와 같이, 상호작용하는 전자기 방사선의 파장이 벌트 대상물의 크기에 근접할 때 도 4B에서 보인 바와 같이 입사 방사선(410)과 대상물(403) 사이에 강한 결합이 이루어지고 상호작용은 이러한 주파수에서 산란된 신호(415)를 관찰하였을 때 E 및 H 성분의 위상과 함께 입사 전자기 방사선의 진폭에 영향을 준다. 본 발명에 있어서, 이러한 벌크물질의 상호작용은 위험물 표시의 생성에 이용된다. 상기 표에서 보인 바와 같이 2 GHz ~ 20 GHz 범위의 주파수로 작동하는 시스템은 다수의 위험물의 검출용으로 적합하다.

도 5는 지향성 안테나에 의하여 생성된 전형적인 무선주파수 빔을 보인 것이다. 대상의 주요신호(505)가 0도 방향으로 전파되는 반면에 백로브(back lobe)는 180도 방향에서 생성된다. 여기에서 비록 중요빔(510)이 반대방향으로 전파되나 주요빔(505)은 정방향에서 형성된다. 안테나의 직경과 형상은 전자기 빔의 포커싱(focusing)에 영향을 주는 것으로, 직경이 크면 포커싱이 양호한 것으로 알려져 있다. 본 발명의 이미지/스캐닝 시스템에 있어서, 안테나의 직경은 비교적 작아(전형적으로 1 cm ~ 10 cm 범위) 이후 상세히 설명되는 도 10의 회로/시스템(1000)과 같은 데이터수집 및 신호처리 회로/시스템의 시간도메인특성을 통하여 재구성되는 위험물(승객이 소지하는)의 위치를 포함하는 승객의 상당영역을 조사할 수 있도록 하기 위하여 비교적 언포커싱된다. 여러 실시형태에서, 블로킹(방사선 흡수) 스크린이 안테나의 뒤에 배치되어 안테나의 주요 시계를 벗어난 대상물과의 방사선 상호작용이 이루어지지 않도록 한다.

본 발명의 스캐닝/이미지 시스템의 관점에 따라서, 송신 및 수신 안테나요소는 신호가 검출될 수 없는 승객의 영역을 최소화하기 위하여 검색하에 있는 승객의 최적한 영역확보가 이루어질 수 있도록 구성된다. 검색하에 있는 승객의 최적한 표면영역확보가 이루어질 수 있도록 하기 위하여, 다수의 송신기가 사용되고 이들 각각은 승객의 여러 부분을 조사하도록 활성화된다. 이와 동시에, 광역어레이형인 다수의 수신기가 활성화된 각 송신기요소로부터 방출된 방사선 빔에 대응하는 산란된 방사선을 수집하기 위하여 사용된다. 수집된 산란 방사선으로부터 측정된 다수의 측정값으로부터 위험물 표식이 재구성되고 구획되며 분류된다.

도 6은 전형적으로 1 ns 이하의 시간동안 주파수도메인에서 무선주파수 전력의 광대역 펄스(610)(우측)로 작성된 시간도메인에서 무선주파수 전력의 짧은 가우스형 펄스(605)(좌측)를 보인 것이다. 주파수 공간에서, 펄스는 컷-오프 주파수에서 많은 GHz 로 연장되어 나간 광역 가우스와 같다. 넓은 주파수응답을 갖는 적당한 안테나에 적용하였을 때, 이러한 펄스(605)의 시뮬레이팅으로 승객과 상호작용하는 초광대역 마이크로파 빔(본 발명의 스캐닝/이미지 시스템에 이용하기 위한)을 제공한다.

펄스(605)는 매우 좁으므로, 수신안테나는 광속(진공에서 3x10⁸ m/s)으로 이동하는 펄스의 비행시간에 의하여 약간 늦은 시간 이후에 상호작용된 빔의 펄스가 도착한 것을 검출한다. 참고로, 진공중에 총이동거리에 대한 다수의 예시적인 펄스지연시간은 다음의 표에서 보이고 있다.

거리 (cm)	시간 (ns)
2	0.1
5	0.3
10	0.7
20	1.3
50	3.3
100	6.7

시간해상도가 20ps 인 검출기는 불과 수 밀리미터에 지나지 않는 공간적 위치의 정확도를 제공할 것이다. 신호수집시스템의 개략적인 내용이 도 7에 도시되어 있다. 도 7은 전방에 위험물체(도시하지 않았음)가 배치된 사람(715)의 표면을 향하여 마이크로파 에너지의 빔(707)을 투사하는 송신안테나(Tx)(705)를 보이고 있다. 상호작용된 신호(709)가 사람(715)의 위험물체(도시하지 않았음)로부터 산란되어 수신안테나(Rx)(710)로 보내진다. 송신된 펄스(707)는 전송된 후 지연시간 Δt 이후 송신기(710)에 도달하는 수신된 펄스(709)가 된다.

도 7의 신호수집시스템은 시간 t=0 에서 짧은 RF 펄스(707)를 발생하는 단일의 송신요소(Tx)(705)를 보이고 있다. 펄스(707)는 물체에 전파되고 여기에서 빔(707)이 상호작용하여 수신요소(Rx)(710)로 반환되고 이는 약간의 시간 Δt 이후에 펄스를 발생한다. 그러나, 도 1에서 보인 초광대역 마이크로파 기반의 이미지 시스템은 다수의 수신요소를 사용하고 동시에 각 다수의 수신요소에 기록되는 반환펄스의 시간에 대응하는 다수의 데이터 포인트를 획득한다. 이러한 구조적인 형상은 다수의 데이터 포인트로부터 상호작용 위치의 삼각측량이 이루어질 수 있도록 한다. 하나 이상의 상호작용 물체(예를 들어, 승객 신체의 표면과 승객 신체의 표면으로부터 약간의 거리를 둔 포켓내의 위험물질)가 있는 경우와 같이, 도 1의 초광대역 마이크로파 기반의 이미지 시스템(100)을 이용하여 승객을 검색하는 것과 같은 보다 복잡한 상황에서, 다중 펄스 상호작용이 예를 들어 하나는 위험물체의 전면으로부터, 다른 하나는 위험물체의 배면으로부터, 그리고 또 다른 하나는 승객 신체의 표면으로부터 이루어짐을 알 수 있다.

위험물체를 통한 RF 빔의 전파속도는 그 유전특성(전파속도는 물체를 통과할 때 느려진다)에 따라 달라지므로, 승객 신체의 표면은 위험물체의 상대유전율/유전특성에 정비례하여 물체의 뒤에 있는 것으로 나타난다. 이러한 정보는 연속신호분석과정을 통하여 위험물의 위치, 형상, 크기 및 형태를 재구성하는데 이용된다. 한 실시형태에 따라서, 각 송신기 요소로부터 검출/수신기요소의 어레이로 초광대역 무선주파수를 투사함으로서 당업자에게 알려진 간단한 광선추적방법을 이용하여 승객의 포켓 또는 승객 신체의 표면에 위치하는 잠재적인 위험물체의 물리적인 위치와 크기가 측정될 수 있도록 한다. 또한, 주파수 도메인에서, 당업자라면 무선주파수와 유전체 물체의 가장 강한 상호작용이 RF 빔의 파장의 정수의 약수로 발생함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 한 실시형태에서, 물체의 크기는 반사된 RF 빔의 공간분석에 의하여 측정되고, 여기에서 물체에 의한 감쇠에 의하여 나타나는 다수의 노치(notches)는 물체의 크기의 특성이다.

잠재적 위험물체에 대하여 수직으로 또는 거의 수직으로 RF 빔이 입사되는 경우, 빔의 일부가 물체 전면의 표면으로부터 산란되고 빔의 일부는 물체를 통하여 전파되어 승객의 신체의 전도성 표면으로부터(즉, 위험물체의 배면으로부터) 2차반사를 일으킨다. 신체 표면으로부터 반사된 신호는 위험물체를 통하여 역전파되고 이후에 수신기에 도달한다. 위험물체를 통과한 후에 수신기에 도달한 반사신호는 위험물체의 전면에 인접한 영역으로부터 수신기에 도달하는 신호에 비하여 지연된다. 지연시간의 정도는 적어도 (1) 위험물체의 물리적인 두께(두께가 두꺼우면 지연시간이 길어진다)와, (2) 위험물체의 유전상수(물체의 상대유전율이 크면 지연시간이 길어진다)에 따라서 달라진다. 한 실시형태에 따라서, 위험물체의 측정된 두께(예를 들어, 시선으로부터 측정되는 것과 같은)에 의한 반사신호를 정규화함으로서 잠재 위험물체의 상대유전율이 측정된다.

다른 데이터수집방법에서, 신호수집이 주파수 도메인에서 수행된다. 여기에서, 연속 정현파 신호가 송신안테나(Tx)로 보내지고 빔이 형성되어 검색하의 물체와 상호작용한다. 상호작용된 빔은 수신안테나(Rx)에서 검출되고, 여기에서 수신된 신호가 송신된 신호 및 중간주파수 기준신호와 혼합된다. 대역통과 필터가 기준주파수 주위에 적용되고 물체의 상호작용 형태를 측정하기 위하여 변조된 파형 및 진폭이 표준형 저주파 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의하여 샘플링된다. 송신된 빔 주파수를 소거함으로서 길이규모의 범위에서 상호작용을 측정하고 이러한 빔이 사호작용하는 물체의 선명한 사진을 생성할 수 있다.

도 1의 초광대역 마이크로파 기반형 이미지 시스템(100)에서, 송신기와 수신기는 다수이고, 각 기본주파수에서 위상 및 진폭 데이터로부터, 각 위험물체와 승객의 신체표면의 3D 위치가 측정된다. 많은 송신기가 동시에 활성화되고 각각 해당 마이크로파 주파수 스펙트럼의 여러 부분에서 작동하는 이점이 있다.

다른 실시형태에서, 시간도메인응답(송신된 2진코드를 이용하여 제한된 해상도의 고속 ADC를 통해 수신된 신호를 교차상관함으로서 얻는다)을 얻기 위하여 의사 랜덤 2진 시컨스와 같은 다른 기술이 사용될 수 있다.

당업자라면 다른 데이터수집방법이 사용될 수 있고 이러한 방법이 본 발명의 범위에 포함됨을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 제한된 수의 송신기 빔의 방향조종이 다수의 고정된 송신기 빔의 간단한 스위칭으로 대체될 수 있다.

본 발명의 이미지 시스템에는 여러 형태의 안테나가 유리하게 사용될 수 있으나, 이들 안테나의 바람직한 특성은 충분히 넓은 초광대역, 광각송신, 한정된 분극방향 및 특성(원형 또는 선형), 여러 주파수 성분이 동일한 국부 포인트 소스로부터 방사되는 잘 한정된 위상 센터와, 표준형 전자조립기술과 호환가능한 제작의 용이성을 포함한다. 또한 안테나는 사용된 데이터수집방법과 호환가능하여야 하며, 예를 들어, 시간도메인 수집방법은 좁은 임펄스응답의 특성과 링깅효과를 무시할 수 있는 특성을 갖는 안테나를 요구한다. 당업자에게는 다른 안테나 구조를 이용하는 것과 이러한 구조가 본 발명의 범위에 포함되는 것이 명백할 것이다. 설명을 간단히 하기 위하여 가능한 형태의 안테나의 예는 혼(horns) 안테나, 비발디 구조의 안테나, 콘 안테나, 로디드 다이폴 안테나, 스파이럴 안테나를 포함하지만 달리 제한을 두지는 않는다.

위험물재구성 알고리즘의 계산적 효율과 절대적인 정확성을 최대화하기 위하여, 본 발명의 스캐닝/이미지 시스템은 최적한 배열의 송신 및 수신 안테나를 이용한다. a) 각 안테나가 수신기 모드와 송신기 모드로 변환될 수 있는 일정한 간격의 레귤러형 안테나, 또는 b) 얼터네이트형 의사랜덤 어레이가 사용될 수 있다. 이들 형태의 어레이는 자체의 이점과 결점을 갖는다. 레귤러형 어레이는 제조관점에서 더 간단한 구현이 이루어질 수 있도록 하지만 위험물 위치와 형태가 재구성되는 투사 데이터 세트에 제한을 둔다. 반면에, 의사랜덤 어레이는 제조가 어려우나, 정확한 위험물 재구성에 도움을 주는 투사 데이터 세트에 커다란 다양성을 제공한다.

다른 관점에 따라서, 본 발명의 스캐닝/이미지 시스템은 최적한 스캐닝 시컨스를 이용한다. 예를 들어, 한번에 단 하나의 송신기가 작동하여야 하는지 또는 송신기의 활성화가 시간, 주파수, 위치 등 이들 모두가 한번에 인터리브되어야 하는지 결정하는 것이 필요하다. 만약 결합된 전자장치 데이터수집시스템이 "데드 타임(dead time)"이어서 특정 송신기가 활성화되지 않는 반면에 데이터가 수신요소로부터 판독되는 경우에 시간 인터리빙(interleaving in time)이 유리하다. 주파수 도메인 데이터수집이 이용될 때에는 주파수 인터리빙이 유리하다. 위치 인터리빙은 예를 들어 신호가 두개의 빔(승객의 머리를 향하는 제1 빔과 승객의 발을 향하는 제2 빔)으로부터 크로스 토크하는 검색하의 승객의 머리 및 발과 같이 송신요소가 넓은 간격을 두고 배치된 때에 유리하며, 1 및 제2 빔이 도달하는 수신기에 도달하도록 상호작용도된 신호를 위하여 소요된 시간이 다르므로 시간 도메인의 샘플링 모드는 간단히 중복되지 않는다.

다수의 송신요소가 대형화되었을 때 신속한 스캐닝시간을 발생한다는 면에서, 일시적으로 인터리브된 송신기의 경우에 어느 시간에 하나 이상의 송신기가 활성화되는 병렬데이터수집이 유리하다.

도 8은 벡터 네트워크 분석기(800)를 보인 것으로, 여기에서, 송신요소(Tx)(805)로부터 송신된 빔(806)은 중간주파수 위상 및 진폭 검출기(815)를 통하여 수신기 요소(Rx)(810)에 의하여 수신된 빔(811)과 혼합되고, 각 송신 및 수신된 마이크로파 신호(806, 811) 사이의 위상 및 진폭 정보를 기록하기 위하여 저주파형 아날로그-디지털 변환기(ADC)(820)가 사용된다.

도 9는 한 실시형태에 따라서 도어규모의 안테나 패널 어레이(도 1의 스캐닝/이미지 시스템 100의 패널 105, 110 및 130과 같은)에서 송신기의 시컨싱 패턴을 보인 것이다. 좌측은 패널(905)의 좌하측으로부터 우상측으로의 연속 래스터 패턴을 보인 것이다. 우측은 패널(910)에 얼마 되지 않는 의사랜덤 송신패턴의 제1위치를 보인 것이다. 이와 같이, 패널(905)은 다수의 송신기/수신기 요소를 포함하는 패널(905)의 저면좌측으로부터 상부우측으로 송신기가 순차적으로 활성화되는 래스터 스캔 패턴의 예를 제공한다. 이러한 스캐닝 시컨스는 움직이지 않는 승객에게서 위험물을 검출하는데 바람직한 것이다. 그러나, 검색을 받아야 하는 승객이 걸어갈 때, 패널(910)에 예시된 의사랜덤 패턴을 이용하는 것이 유리한데 그 이유는 이것이 승객의 궤적과 송신기로부터 안테나로 통과하는 빔의 궤적 사이의 상관관계가 적은 4차원(x, y, z, t) 투사공간의 양호한 샘플링이 이루어질 수 있도록 하기 때문이다. 따라서, 본 발명의 우선실시형태는 검출기 패널에서 의사랜덤 또는 비연속형의 송신기 패턴을 이용한다.

스캐닝 모드에서, 본 발명의 스캐닝/이미지 시스템의 전체 데이터수집효율을 최대화하기 위하여 하나 이상의 액티브 트랜스미터형 송신기를 이용하는 병렬 데이터수집방법을 적용하는 것이 가능하다.

도 10은 본 발명의 스캐닝/이미지 시스템을 위한 데이터수집시스템 또는 회로(1000)의 실시형태를 보인 것이다. 이 실시형태에서, 송신(Tx) 및 수신(Rx) 증폭기가 공통의 안테나에 연결된다. 송신중에, 수신기 채널은 연결되지 않는다. Tx/Rx 증폭기는 호스트 데이터수집시스템(DAQ)로부터 정확한 타이밍 및 위상제어정보를 수신하는 각 디지털신호처리(DSP) 블록에 연결된다. DSP 블록으로부터 처리된 데이터는 DAQ에 의하여 관리되어 고대역폭 투사데이터가 발생되고 이는 분석을 위하여 위험물 재구성 및 검출프로세서로 보내진다.

다시 도 10에서, 각 안테나(1015)는 송신기 회로(Tx)(1005) 및 수신기 회로(Rx)(1010)에 연결된다. 수신기 회로(1010)는 송신기가 활성화되었을 때 송신기 입력회로를 분리하기 위하여 입력과 직렬인 스위치를 포함한다. 마찬가지로, 송신기는 이것이 활성화되지 않을 때 안테나로부터 분리되어 수신기입력회로에 로딩되지 않도록 하기 위하여 그 출력과 직렬인 스위치를 포함한다. Tx 및 Rx 회로(1005, 1010)의 증폭기는 디지털신호 프로세서(DSP)(1020)에 연결되며, 하나의 DSP(1020)가 각 Tx/Rx 쌍에 대하여 연결된다. DSP 요소(1020)는 전형적으로 아날로그-디지털 변환기, 디지털-아날로그 변환기, 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 마이크로프로세서 및 풀 커스텀 혼합형 신호집적회로를 포함하는 디지털 및 아날로그 회로로부터 구성된다. DSP(1020)의 기능은 송신기 출력신호를 발생하고, 수신기입력신호를 조종하고 처리하며, 연속적인 위험물재구성 알고리즘의 효율적인 구현을 위하여 상호작용된 빔에 대한 필요한 시간, 위상 또는 주파수 도메인 정보를 운반하는 디지털 출력 투사데이터 스트림을 제공하기 위한 것이다. 고 대역폭 데이터수집시스템(DAQ)(1025)은 각 Tx/Rx 쌍(1005, 1010)으로부터 투사데이터의 수집을 관리하고 각 시스템 요소의 정확한 동기화를 위하여 정확한 타이밍 정보 t 를 제공한다.일반적인 고속 타이밍 시스템의 경우와 같이, DAQ(1025)는 입력시간 스탬프, 일반적으로 비교적 낮은 주파수에서 낮은 타이밍 지터(timing jitter)를 갖는 정밀한 클록을 가지고 알려진 시간 t 를 보내어 반환메시지가 역으로 DAQ(1025)에 수신되는 시간을 기록함으로서 각 Tx/Rx 유니트(1005, 1010)에 의하여 제공된 시간을 자기교정하며, 시간 오프셋트는 이러한 전체 루프시간의 반에 해당한다.

항상 다른 부분 보다 침투가 일부 표면영역이 있을 수 있어(예를 들어 승객이 검색대를 통하여 걸어갈 때 승객의 대퇴부 사이) 이들 영역을 효율적으로 스캔하기 위하여 특별히 주의를 기울여야 한다. 따라서, 여러 실시형태에서, 승객이 본 발명의 스캐닝/이미지 시스템을 통과할 때(도 1 및 도 2) 이러한 승객에 대한 다수의 스캔 데이터 셋트가 수집된다. 각 스캔은 승객의 신체의 여러 부분(예를 들어 몸통의 좌우에서 흔들리는 팔)에 해당하는 데이터를 포함한다. 이들 각 스캔 데이터 셋트로부터의 데이터는 신체 전체를 커버할 수 있도록 유리하게 조합된다. 아울러, 송신기 및 수신기요소로부터의 빔은 승객이 스캐닝 시스템의 경사형 또는 펀넬형 입구 및 출구영역(도 2의 215, 220)를 걸어서 통과할 때 본 발명의 스캐닝/이미지 시스템이 승객 신체의 오목한 부분/영역의 개선되고 효율적인 스캔이 이루어질 수 있도록 하는 넓은 빔각도를 이용한다. 여러 실시형태에서, 이러한 빔각도는 10~80도 사이의 범위이다. 너무 좁으면 빔이 완전반사를 일으켜 이미지처리를 위하여 사용되는 알고리즘의 성공적인 실행을 제한한다. 너무 넓으면 빔은 수신기에 대한 단위 면적당 전력이 낮아 신호대잡음비에 영향을 준다.

여러 시간과 주파수의 범위에서 다수의 송신기 및 수신기 안테나에 대한 투사데이터가 수집되었을 때, 다음 단계는 잠재적인 위험물체의 위치, 방향 및 재료 형태를 재구성하는 것이다. 전형적으로 이러한 과정은 다음의 3단계로 실행된다.

1. 투사데이터로부터 3D 형상의 재구성

2. 3D 형상 데이터를 개별 물체로 분할

3. 개별적으로 분할된 물체를 위험물 또는 비위험물 범주로 분류

투사데이터 셋트로부터 3D 형상 정보를 결정하기 위하여, 다양한 역문제해법(inverse problem solution)이 적용된다. 예를 들어, 투사데이터는 표준수치 매트릭스 역변환(standard numerical matrix inversion)을 위한 매트릭스 형식으로 배열된다. 다른 대안으로서, 기본적인 매트릭스 역변환 보다 계산적으로 효율적인 제한반복형 솔버기술(constrained iterative solver technique)이 사용될 수 있다.

솔버 또는 매트릭스 역변환 문제를 제한하기 위하여, 검색중인 승객의 3차원 형상을 갖는 알고리즘을 제공하는 것이 효과적이다. 이는 승객이 본 발명의 스캐닝/이미지 시스템을 통하여 걸어갈 때 적외선 빔의 그리드가 승객의 표면에 투사되고 이들 빔의 왜곡이 비디오 카메라에 의하여 관측되는 비디오 카메라 시스템을 이용하여 효율적으로 이루어진다. 전형적으로, 승객의 완전한 3D표면 프로파일을 얻기 위하여서는 둘 이상의 카메라가 요구된다. 당업자에게는 신체 표면에 발산형의 적외선 펜슬 빔을 투사하고 이들 빔으로부터 상호작용 점들 사이의 거리를 측정하는 것과 같은 다른 기구들이 잘 알려져 있다.

위험물체(승객이 소지하고 있는)는 도 11에서 보인 바와 같은 3D 데카르트 매트릭스와 같은 적당한 좌표계로 설명된다. 원기둥좌표와 같은 다른 좌표계가 이용될 수도 있다. 도 11에서 보인 데카르트 좌표계(1100)의 경우에 있어서, 나이프(1105)는 1차원(좌표계 1110에서 z-축, 좌표계 115에서 y-축, 좌표계 1120에서 x-축)에서는 길게 보이나 다른 차원에서는 좁게 보인다(좌표계 110에서 x 및 y-축, 좌표계 1115에서 x 및 z-축, 좌표계 1120에서 y 및 z-축). 위상과 주파수 정보, 그리고 공간정보를 고려하여, 검색하의 물체의 텐서특성이 결정될 수 있다. 각각 분할된 물체로 묘사되는 텐서의 셋트는 위험물의 표식(비위협적 물질, 비위험물, 폭발물, 무기 등의 여부)이나 위험물의 형태(휴대폰, 패스포트, 폭발물질, 나이프 등)를 결정하는 분류단게에서 이용된다. 측정된 텐서 셋트의 위험특성을 결정하기 위하여 당업자에게 잘 알려진 바와 같은 k^th nearest neighbor(KNN)와 같은 분류기술이 이용될 수 있으며 모델과 측정값 사이의 예측오차는 이러한 분류에서 신뢰파라메타(confidence parameter)를 제공하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 스캐닝/이미지 시스템의 다른 관점에서, 위험물 데이터는 승객이 스캐닝/이미지 시스템을 통과할 때 승객의 하나 이상의 이미지, 또는 라이브 비디오 이미지의 형태로 작업자에게 제공되며 이들 이미지에는 컬러(예를 들어, 비위험물은 녹색, 위험물은 녹색, 폭발물은 적색, 무기는 청색)로 표시되는 위험물 표식과 형상(예를 들어, 벨트 버클 아이콘, 전화기 아이콘, 폭탄 아이콘, 총류 아이콘)을 통한 위험물의 형태를 중첩하여 보인다. 도 12는 승객이 본 발명의 스캐닝/이미지 시스템을 통하여 걸어갈 때 위험물 및 비위험물(벨트 버클, 휴대폰 및 시계)이 승객(1210)의 라이브 비디오 이미지의 상부에 아이콘(1205)으로 표시되는 것을 보이고 있다. 도 12는 예를 들어 모두 아이콘(1205)으로 표시된 바와 같이 rtmdror(1210)이 손목에 시계를 차고 바지에 벨트를 매고 있으며 윗주머니에 휴대폰을 휴대하고 있음을 보이고 있다. 이들 3개의 아이콘(1205)은 각각 녹색으로 표시되어 비위험물임을 나타내고 있다. 전형적으로, 작업자에게는 하나는 승객(1210)의 전면을 보이고 다른 하나는 승객(1210)의 배면을 보이는 두개의 비디오 이미지가 제공된다. 위험물 아이콘(1205)은 위험물 재구성 프로세스에 의하여 결정되는 바와 같이 전면 또는 배면 이미지상에서 정확한 위치에 표시된다.

다시 도 1로 돌아가서, 높은 처리량의 상황에서, 비디오 이미지 시스템은 또한 다른 승객으로부터 발생 된 신호들을 분리하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 다른 승객이 펀넬형 또는 V 형 입구(115)를 거의 들어서고 한 승객이 스캐닝/이미지 시스템(100)으로부터 나갈 때 이러한 한 승객에 대한 스캔이 거의 완료될 것이다. 승객의 ID를 이용하여 근본적인 투사데이터를 분리함으로서, 승객 사이에 적당한 간격(예를 들어, 1 m)을 유지하는 한 동시에 동일한 시캐닝/이미지 시스템(100)에서 다수의 승객을 스캔하는 것이 가능하다.

당업자에게 명백하듯이, 상기 스캐닝/이미지 시스템(100)은 존재할 수 있는 주변소음, 외부 고주파 전자기장, 휴대폰 신호, WiFi 신호 및 다른 RF 노이즈의 제거를 위하여 교정한다. 시스템(100)이 교정되면, 정규화 루틴은 타이밍 수정, Tx 및 Rx 이득변동 및 회로 지터와 같은 체계적인 시스템 변수를 보정하기 위하여 적용된다. 본 발명의 실시형태에서, 이러한 보정(교정 및 정규화)은 도 10에 도시된 DSP 블록(1020)내에 적용된다.

상기 예는 본 명세서의 시스템의 많은 응용예를 단순히 예시한 것이다. 본 발명의 수개의 실시형태만 설명되었지만, 본 발명은 본 발명의 기술사상이나 범위를 벗어남이 없이 많은 다른 구체적인 실시형태로 실시될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예 또는 실시형태는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 하고, 본 발명은 첨부된 청구항의 범위 내에서 수정될 수 있다.

100: 스캐닝/이미지 시스템, 105a, 105b: 검출패널, 115: 입구, 110a, 110b: 검출패널, 120: 출구, 130a, 130b: 검출패널, 125: 후드 128a, 128b: 선단부, 132a, 132b: 후단부, 135: 중앙종축선, 200: 스캐닝/이미지 시스템, 202: 승객, 215: 입구, 220: 출구, 300: 그래프, 305: 전기장, 310: 자기장, 405: 입사빔, 403: 위험물, 408: 상호작용된 빔, 410: 입사빔, 415; 상호작용된 빔, 505: 주요빔, 510: 중요빔, 605: 가우스형 펄스, 610: 광대역 펄스, 705: 송신안테나, 707: 마이크로파 에너지 빔, 709: 상호작용된 신호, 710: 수신안테나, 800: 벡터 네트워크 분석기, 805: 송신기, 806: 송신빔, 810: 수신기, 811: 수신빔, 815: 중간주파수 위상 및 진폭 검출기, 820: 저주파수 아날로그-디지털 변환기, 905, 910: 패널, 1000: 데이터수집시스템, 1005: 송신기회로, 1010: 수신기회로, 1015: 안테나, 1020: 디지털신호처리기, 1025: 고대역폭 데이터수집시스템, 1100: 직교좌표계, 1105: 나이프, 1110: z-축, 1115; y-축, 1120: x-축, 1205: 아이콘, 1210: 승객

Claims

적어도 하나의 물체를 소지하고 종축선을 따라 검색영역을 통하여 걸어가는 승객을 검색하기 위한 승객검색용 포털에 있어서, 포털이 종축선에 대하여 각도범위가 5~85도인 제1각도로 설치된 제1셋트의 두 대향된 패널을 포함하는 펀넬형 입구; 종축선에 대하여 각도범위가 5~85도인 제2각도로 설치된 제2셋트의 두 대향된 패널을 포함하는 펀넬형 출구; 상기 펀넬형 입구와 펀넬형 출구 사이의 위치에서 상호 평행하게 배치된 제3셋트의 두 대향된 패널을 포함하는 중앙포털과; 시간, 위상 또는 주파수 도메인 정보중에서 적어도 하나를 포함하는 산란된 마이크로파 빔과 출력데이터를 처리하기 위하여 다수의 송신기와 수신기요소에 결합된 다수의 처리블록을 포함하고; 제, 제2 및 제3셋트의 두 대향된 패널이 검색영역을 형성하고 승객이 포털을 통과할 때 승객에게 마이크로파 빔을 투사하기 위한 다수의 송신기요소와 승객으로부터 산란된 마이크로파 빔을 수신하기 위한 다수의 수신기요소를 포함하며; 하나 이상의 송신기요소가 동시에 작동하여 승객이 포털을 통과하는 동안에 검색영역에서 다수의 스캔을 발생하고; 산란된 마이크로파 빔은 투사된 마이크로파 빔이 적어도 하나의 물체의 상부면, 적어도 하나의 물체의 배면과, 적어도 하나의 물체의 상부면에 인접한 승객 신체의 일부분과 상호작용한 결과이며; 시간, 위상 또는 주파수도메인정보 중에서 적어도 하나가 적어도 하나의 물체의 위치, 형상, 크기 및/또는 상대유전율을 결정하기 위하여 사용됨을 특징으로 하는 승객검색용 포털.
제1항에 있어서, 제1 및 제2셋트의 두 대향된 패널이 종축선에 대하여 제1 및 제2각도로 설치되고, 상기 제1 및 제2각도가 20~60도의 각도범위임을 특징으로 하는 승객검색용 포털.
제1항에 있어서, 제1, 제2 및 제3셋트의 두 대향된 패널에서 각 패널은 높이가 약 2m 이고 폭범위는 0.4 m 내지 1.0 m 임을 특징으로 하는 승객검색용 포털.
제1항에 있어서, 제1, 제2 및 제3셋트의 두 대향된 패널은 승객의 전면, 배면 및 다수의 측면을 스캔할 수 있게 구성됨을 특징으로 하는 승객검색용 포털.
제1항에 있어서, 상기 검색영역의 다수의 스캔이 초당 5~100 프레임 사이의 속도로 발생됨을 특징으로 하는 승객검색용 포털.
제1항에 있어서, 상기 마이크로파 빔이 2GHz~20GHz 범위 사이의 주파수를 가짐을 특징으로 하는 승객검색용 포털.
제1항에 있어서, 상기 다수의 각 송신기 및 수신기에 결합된 안테나가 1 cm~ 10 cm 범위 사이의 직경을 가짐을 특징으로 하는 승객검색용 포털.
제1항에 있어서, 상기 다수의 송신기요소가 순차적인 래스터 스캔 패턴으로 활성화됨을 특징으로 하는 승객검색용 포털.
제1항에 있어서, 상기 다수의 송신기요소가 의사랜덤 스캔 패턴으로 활성화됨을 특징으로 하는 승객검색용 포털.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 물체가 승객의 실시간 비디오 이미지에 중첩된 아이콘으로서 디스플레이됨을 특징으로 하는 승객검색용 포털.
제10항에 있어서, 상기 아이콘은 적어도 하나의 물체의 위험상태를 나타내도록 색깔로 표현됨을 특징으로 하는 승객검색용 포털.
포털의 검색영역에서 종축선을 따라 걸어가는 승객을 스캔하는 방법으로서, 검색영역이 중앙포털, 입구펀넬 및 출구펀넬로 한정되고, 중앙포털이 우측패널과 좌측패널을 포함하며 우측 및 좌측패널이 실질적으로 평행한 구조로 상호 대향되어 있고, 입구펀넬이 중앙포털의 우측패널의 선단부에 대하여 5~85도의 각도로 배치된 제1패널과 중앙포털의 좌측패널의 선단부에 대하여 5~85도의 각도로 배치된 제2패널을 포함하며, 출구펀넬이 중앙포털의 우측패널의 후단부에 대하여 5~85도의 각도로 배치된 제1패널과 중앙포털의 좌측패널의 후단부에 대하여 5~85도의 각도로 배치된 제2패널을 포함하는 포털에서 종축선을 따라 걸어가는 승객을 스캔하는 방법에 있어서, 이 방법이 중앙포털의 패널에서 다수의 송신기요소로부터 승객에 RF 빔을 투사하는 단계; 중앙포털, 입구 및 출구펀넬의 패널에서 다수의 수신기요소에 의하여 승객으로부터 산란된 빔을 수신하는 단계와; 시간, 위상 또는 주파수도메인정보 중에서 적어도 하나를 포함하는 데이터를 출력하기 위하여 다수의 송신기와 수신기와 결합된 다수의 처리블록을 이용하여 산란된 빔을 처리하는 단계를 포함하고; 상기 RF 빔을 투사하는 단계에서, 하나 이상의 송신기요소가 동시에 활성화되어 승객이 포털을 통하여 지나는 동안에 검색영역에서 다수의 스캔을 발생하며; 상기 산란된 빔을 수신하는 단계에서, 산란된 빔이 승객의 신체에 배치된 적어도 하나의 물체의 상부면 및 배면과 적어도 하나의 물체의 상부면에 인접한 승객신체와 투사된 RF 빔의 상호작용의 결과로 발생되고; 상기 산란된 빔을 처리하는 단계에서, 시간, 위상 또는 주파수도메인정보 중에서 적어도 하나가 적어도 하나의 물체의 위치, 형상, 크기 및/또는 상대유전율을 결정하기 위하여 사용됨을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제12항에 있어서, 상기 각 입구 및 출구펀넬의 제1 및 제2패널의 각도가 20~60도 사이의 범위임을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제12항에 있어서, 상기 중앙포털, 입구펀넬 및 출구펀넬의 각 패널이 높이가 약 2 m 이고 폭범위는 0.4 m ~ 1.0 m 사이임을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제12항에 있어서, 상기 중앙포털, 입구펀넬과 출구펀넬의 패널이 실질적으로 각각 승객의 전면, 배면 및 측면을 스캔함을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제12항에 있어서, 상기 검색영역의 다수의 스캔이 초당 5~100 프레임 사이의 속도로 발생됨을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제12항에 있어서, 상기 RF 빔이 2GHz~20GHz 범위 사이의 주파수를 가짐을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제12항에 있어서, 상기 다수의 각 송신기 및 수신기에 결합된 안테나가 1 cm~ 10 cm 범위 사이의 직경을 가짐을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제12항에 있어서, 상기 다수의 송신기요소가 순차적인 래스터 스캔 패턴으로 활성화됨을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제12항에 있어서, 상기 다수의 송신기요소가 의사랜덤 스캔 패턴으로 활성화됨을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 물체가 승객의 실시간 비디오 이미지에 중첩된 아이콘으로서 디스플레이됨을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제21항에 있어서, 상기 아이콘은 적어도 하나의 물체의 위험상태를 나타내도록 색깔로 표현됨을 특징으로 하는 승객스캔방법.
포털의 검색영역에서 종축선을 따라 걸어가는 승객을 스캔하는 방법으로서, 검색영역이 각각 두 패널의 제1, 제2 및 제3셋트로 한정되고, 제1 및 제2셋트의 패널이 각각 포털의 입구와 출구를 형성하기 위하여 종축선에 대하여 경사지게 설치되는 포털에서 종축선을 따라 걸어가는 승객을 스캔하는 방법에 있어서, 이 방법이 제1, 제2 및 제3셋트의 패널에서 다수의 송신기요소로부터 승객에 RF 빔을 투사하는 단계; 제1, 제2 및 제3셋트의 패널에서 다수의 수신기요소에 의하여 승객으로부터 산란된 빔을 수신하는 단계와; 적어도 하나의 물체의 상부면과 배면으로부터 수신되는 산란된 빔 사이의 시간차이를 반영하는 데이터를 출력하기 위하여 다수의 송신기와 수신기요소에 결합된 다수의 처리블록을 이용하여 산란된 빔을 처리하는 단계를 포함하고; 상기 RF 빔을 투사하는 단계에서, 하나 이상의 송신기요소가 동시에 활성화되어 승객이 포털을 통하여 지나는 동안에 검색영역에서 다수의 스캔을 발생하며; 상기 산란된 빔을 수신하는 단계에서, 산란된 빔이 승객의 신체에 배치된 적어도 하나의 물체의 상부면 및 배면과 적어도 하나의 물체의 상부면에 인접한 승객신체와 투사된 RF 빔의 상호작용의 결과로 발생되고; 상기 산란된 빔을 처리하는 단계에서, 시간차이가 적어도 하나의 물체의 상대유전율을 결정하기 위하여 사용됨을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제23항에 있어서, 상기 각 입구 및 출구펀넬의 제1 및 제2패널의 각도가 20~60도 사이의 범위임을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제23항에 있어서, 상기 중앙포털, 입구펀넬 및 출구펀넬의 각 패널이 높이가 약 2 m 이고 폭범위는 0.4 m ~ 1.0 m 사이임을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제23항에 있어서, 상기 중앙포털, 입구펀넬과 출구펀넬의 패널이 실질적으로 각각 승객의 전면, 배면 및 측면을 스캔함을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제23항에 있어서, 상기 검색영역의 다수의 스캔이 초당 5~100 프레임 사이의 속도로 발생됨을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제23항에 있어서, 상기 RF 빔이 2GHz~20GHz 범위 사이의 주파수를 가짐을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제23항에 있어서, 상기 다수의 각 송신기 및 수신기에 결합된 안테나가 1 cm~ 10 cm 범위 사이의 직경을 가짐을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제23항에 있어서, 상기 다수의 송신기요소가 순차적인 래스터 스캔 패턴으로 활성화됨을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제23항에 있어서, 상기 다수의 송신기요소가 의사랜덤 스캔 패턴으로 활성화됨을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제23항에 있어서, 상기 적어도 하나의 물체가 승객의 실시간 비디오 이미지에 중첩된 아이콘으로서 디스플레이됨을 특징으로 하는 승객스캔방법.
제21항에 있어서, 상기 아이콘은 적어도 하나의 물체의 위험상태를 나타내도록 색깔로 표현됨을 특징으로 하는 승객스캔방법.