(57)【要約】レーダー送受信器（４、５）は、表面下を探査して画像化できるように、関心対象物の表面を走査するため、パンタグラフ（３１）に搭載されている。コンピュータは、パンタグラフの位置と作動を定めるためのＸ−Ｙスキャナ（３４）を駆動する少なくとも１つのステッパモーターを制御している。本装置は、表面の２次元の交互に逆方向から行う走査又はランダム走査を使用して、受信信号の振幅と位相の両成分を分析する、ＳＡＲ階段周波数連続波画像化システムに有用である。【選択図】図３
2005503567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面下の造作を調査するためのレーダー装置において、
関心対象物の表面上を走査するための、パンタグラフに搭載されているレーダー送受信器を備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記パンタグラフは、前記パンタグラフの位置と作動を制御するためのＸ−Ｙスキャナに機械的に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記Ｘ−Ｙスキャナに、その作動を制御するために連結されているコンピュータを更に含んでいることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも１つのステッパモータードライブが、前記コンピュータと前記Ｘ−Ｙスキャナの間に連結されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記送受信器の前記パンタグラフ上の基準点に対する瞬時位置を示す位置信号を提供するための位置提供手段を更に含んでいることを特徴とする上記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項６】
前記コンピュータは前記位置提供手段であることを特徴とする請求項３及び５、又は請求項４及び５に記載の装置。
【請求項７】
前記送受信器からの出力信号を前記位置信号と組み合わせて合成開口アレイ信号を作り出すための手段を更に含んでいることを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項８】
前記合成開口アレイ信号を処理して画像信号を生成するための信号処理手段を含んでいることを特徴とする上記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項９】
前記画像信号を表示するための手段を含んでいることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記送受信器を少なくとも８ＧＨｚの帯域幅に亘って作動させるための制御手段を含んでいることを特徴とする上記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項１１】
前記帯域幅は中心が８から１６ＧＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記送受信器を連続波モードで作動させるように作られていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記連続波モードは、階段周波数モードであることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記送受信器は、別々の送信アンテナと受信アンテナを備えていることを特徴とする上記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項１５】
線形及び／又は円形偏波信号を送信するための１本の送信アンテナを備えていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
線形及び／又は円形偏波信号を受信するための１本の受信アンテナを備えていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の装置。
【請求項１７】
異なる偏波を有する各信号を受信するための少なくとも２本の受信アンテナを備えていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記パンタグラフのアームの個数は、走査対象の前記表面の面積の変化に合わせて可変であることを特徴とする上記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項１９】
関心対象物の表面に接近してレーダー送受信器を走査する方法において、
前記送受信器をパンタグラフに搭載する段階と、
前記パンタグラフを作動させて前記走査を行う段階と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記送受信器からの信号出力が分析され、前記関心対象物の表面の下にある体積に関する情報が作り出されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記情報は３次元情報であることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記走査は、初期は比較的粗く、その後精緻化されることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２３】
粗い前記情報は前記粗い走査に応じて得られ、より細かい前記情報は前記精緻化された走査に応じて得られることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記情報は表示されることを特徴とする請求項２０から２３の何れかに記載の方法。
【請求項２５】
前記走査は交互に逆方向から行う走査であることを特徴とする請求項１９から２４の何れかに記載の方法。
【請求項２６】
前記走査はランダムであることを特徴とする請求項１９から２４の何れかに記載の方法。
【請求項２７】
実質的にここで添付図面に関連付けて説明している、請求項１に記載のレーダー装置。
【請求項２８】
実質的にここで添付図面に関連付けて説明している、請求項１９に記載の、関心対象物の表面に接近してレーダー送受信器を走査する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーダー技術を使って、壁の様な表面の下にある造作を画像化することに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーダーは元々、航空管制センターのように静止した基地局から、又は船舶、航空機、その他の車輌など動いている基地局から、遠くの物体を探知して追跡するために開発されたものであるが、他にも用途が分かっており、その中には各種用途における表面又は表面下の造作の画像化がある。
【０００３】
このような用途の１つに、地形の探索がある。而して、特許文献１(Vadnais)は、航空機搭載プラットホームを使用している先行技術に言及し、鉱床、地下河川及び洞、並びに埋められた兵器、廃棄物、貯蔵タンク、パイプ、下水管、ケーブル等の様な地下の人造物など、埋められている物体の探知に役立つ地盤透過性レーダー（ＧＰＲ）について記載している。直角位相信号を送信し、受信信号を復調してデジタル用のＤＣ信号を作り出し、高速フーリエ変換で周波数ドメインに変換する。作り出された信号は、目標物体の範囲と断面に関する情報を提供する。
【０００４】
同様な目的の別の地盤透過性バイスタティックレーダーシステムが、特許文献２(Bashforth)に記載されており、これは、作り出された信号の優勢周波数の値と強さによって目標物体の範囲と識別特性を表示するレーダーシステムである。
【０００５】
上記２つの開示内容は、１本の送信アンテナと１本の受信アンテナ（バイスタティックレーダーシステム）を示しているが、どちらも瞬時有効範囲より大きな面積に亘るレーダー装置の走査については特に言及していない。
【０００６】
しかしながら、地表が比較的広範な場合には、例えばレーダー装置を車輌か航空機に搭載して、レーダー装置によりその地表面を効果的に走査することができる。そのような場合には、その区域全体のマップを引き出すことができるようにするために、レーダー信号と相関付けるためのレーダー装置の位置を知ること又は導き出せることが必要である。例えば、特許文献３(Moussally)は、地下の物体及び空隙の探知とマッピングのための３次元レーダー画像化システムを記載しており、そのシステムでは、１本の送信／受信アンテナをヘリコプタなどの移動中の乗り物から作動させ、合成開口レーダー（ＳＡＲ）技法で、レーダー信号をＧＰＳ又は慣性航法システムからの位置信号と組み合わせる。Moussallyは、送信信号が連続的に周波数を変化させる断続周波数変調連続波信号を採用しているが、本発明では、階段周波数連続波を採用し準静的システムを提供している。
【０００７】
同様に、特許文献４(Mast)はＳＡＲシステムを開示しており、このシステムでは、３つの基準レーダー飛行時間測定装置からの信号を基に三角測量により位置を導き出し、レーダーパルス伝搬速度に異なる影響を与える非類似材料の層からなる構造物、一例を挙げるとコンクリートと鉄筋の上にアスファルトが重ねられた構造等、を調べる設備を提供する。これは、１本の送信アンテナと１本の受信アンテナを使用する。
【０００８】
特許文献５(Forsvarets)は、比較的長い範囲で画像化するためのモノスタティック・パルスモード・レーダーに関する。
【０００９】
地盤透過性レーダー画像化システムでは、比較的長い波長放射が使われる。後者の特性により、遠隔送受信器を使って地表を効率的に照射することができるが、分解能は比較的劣る。遠隔照射を使用した場合、信号の減衰が比較的速いことから、短い波長の放射を使用することはあまり実用的でも効率的でもない。従って、調査対象の地表及び／又は探知対象の造作が比較的小規模である場合、レーダーアンテナが比較的遠隔にある技術は適当とはいえない。
【００１０】
特許文献６(Murphy)は、アンテナを長さ０．５メートルの標準歯科用Ｘ線コーンに取り付けた医療用画像化のためのレーダー断層撮影システムを開示している。
【００１１】
特許文献７(Davis)は、上下の境界面を有する舗装構造層の深さと肉厚を測定する路盤透過システムを示している。レーダー装置は牽引されたトレーラーに搭載され、送信アンテナから異なる距離だけ離して配置された少なくとも２本の受信アンテナのアレイを備えている。両境界面から反射された信号のタイミングを既知の受信アンテナ間隔と組合わせて信号速度を測定し、そこから層の深度と肉厚を導き出す。ＳＡＲについては言及されていない。
【００１２】
特許文献８（Warhus）でも、受信／送信アンテナアレイをトラックの例えばバンパーに取り付けたレーダー装置を有するシステムを開示している。この場合には、レーダーは振幅を返し、時間信号情報が、Ｘ−Ｙ座標位置情報と組み合わせられて、１次元、２次元、又は３次元の画像化情報を提供する。レーダー位相情報は入手も使用もされず、レーダーはパルスシステムであり連続波システムではない。
【００１３】
特許文献９(Van Etten)は、比較的低周波数で作動させるためにチューニングされた送信アンテナを使用した地下探索システムを開示している。これには開閉回路が必要であるが、本発明の実施形態ではチューニングされない広帯域送受信アンテナを使用している。レーダーは周波数ドメイン内で作動するが、ＳＡＲ処理及びデータのコヒーレント積分については言及されていない。
【００１４】
特許文献１０並びに特許文献１１（両者共にSunlin）でも、ＳＡＲ物質透過性画像化システムに使用するため、例えば戦車やヘリコプターなどで移動する、可動式の送信及び受信用アンテナのアレイを使用することについて開示している。これは、非常に狭いパルスを使用して地表に近い小さな対象物を探知する場合、並びに、幅広いパルスを使用して大きくて深い対象物を探知する場合に適すると言える。位相情報は入手も使用もされない。
【００１５】
特許文献１２(Hughes Missile)は、コンクリートとスタッコの障壁及び壁の様な隠蔽構造物の背後又は建物内の物体の画像を提供するための画像化レーダーを開示している。これは、送信アンテナと受信アンテナのアレイを使用し、反射信号の時間と振幅で作動する。位相情報の使用又はＳＡＲ技法の実施についての言及は一切ない。
【００１６】
特許文献１３(Benhamin)では、探索体積内の選択されたボクセル(voxel)を照射するための送信アンテナの位相調整アレイを使用している。集束を使用することは、１９９８年１０月、エジンバラでの、廃止鉱山の探知に関する第２回ＥＵＲＥＬ国際会議の、R Benjamine他による「移動車輌から作動させるための合成的集束地表透過性レーダー」という記事(非特許文献１)の主題でもある。
【００１７】
ＥＧ＆Ｇ Silverrod画像化システムは、６０ｃｍ平方区域を走査して１６深度面のマップを作成する、２乃至６ＧＨｚの階段周波数レーダーを採用している。バイスタティック対数周期アンテナを並べて取り付け、何らかの方式で区域に亘って移動させ、Ｘ−Ｙ座標は超音波到着時位置システムから導き出される。
【００１８】
【特許文献１】
米国特許第５，３２５，０９５号
【特許文献２】
米国特許第５，４９９，０２９号
【特許文献３】
米国特許第５，６７３，０５０号
【特許文献４】
米国特許第５，７９６，３６３号
【特許文献５】
国際特許出願第ＷＯ９８／５８２７５号
【特許文献６】
米国特許第５，０３０，９５６号
【特許文献７】
米国特許第５，８３５，０５３号
【特許文献８】
米国特許第５，８３５，０５４号
【特許文献９】
米国特許第５，３５７，２５３号
【特許文献１０】
米国特許第５，９００，８３３号
【特許文献１１】
国際特許出願第９７／４１４４９号
【特許文献１２】
欧州特許出願第０７４４６２９号
【特許文献１３】
米国特許第５，９６９，６６１号
【非特許文献１】
R Benjamine他「移動車輌から作動させるための合成的集束地表透過性レーダー」
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、表面上を表面に比較的接近させてレーダー送受信器を移動させ、表面内又は表面下に存在する造作の画像を提供するための、高分解能短距離レーダー画像化法を実施し易くする。この種の表面下画像化に適切な周波数範囲は、普通は１から２０ＧＨｚの範囲にあるが、この範囲では、地表に比較的接近させて、望ましくは効率的に作動させるには地表の２又は３波長内に、送受信器を配置して使用する必要がある。
【００２０】
走査対象の表面は、壁又は他の垂直面であってもよい。しかしながら、地面、又は道路や舗装道路などの地面造作、又は建物の屋根など、他のどの様な表面であってもよい。
【００２１】
本発明の提供する装置は、例えば或る区域の地面から地雷除去する場合における不発兵器又は他の爆発装置の探知を含む数多くの関心対象区域、例えばごみや有害廃棄物の存在を探知できることが必要な地上高、例えば道路及び滑走路を評価するための運輸、及び例えば橋や建物などをテストして建築用棒材の様な構造体内の腐食を調べる土木工学において、並びにスースケースなど入れ物の内部検査に有用である。
【００２２】
本出願と同時に出願中で、出願日および優先日も関連する、国際特許出願番号(ref.Ｐ21333ＷＯＡ)は、１本の送信アンテナと少なくとも１本の受信アンテナを備えている送受信器、関心対象物の表面上で前記送受信器を機械的に走査するための走査手段、前記送受信器の瞬時位置を示す位置信号を提供する位置提供手段、階段周波数連続波モードで送信アンテナを作動させる制御手段、受信アンテナ信号の振幅と位相成分を分析するための信号分析手段、及び前記信号分析手段の出力と前記位置信号を合成開口アレイ（ＳＡＲ）でのように組合わせて、表面と下層の造作のレーダー画像信号を提供する信号結合手段、を備えているレーダー装置に関連する。本発明は、そのような装置の実施において有用であり、これについては更に、好ましい実施例においてそれとの関連で詳細に説明されるが、本発明は、そのような実施例に限定されて解釈されるべきではない。
【００２３】
階段周波数連続波モードは、周波数を上げる前の期間にＣＷ信号が送受信される処理であり、この処理が何度も繰り返される。この実施形態では、周波数の階段は、電圧制御された発振器に連結された階段電圧発生器を使用することにより得られる。インパルスレーダーとは対峙的に本モードを採用することにより、比較的単純なハードウェアで広帯域幅を利用できるようになり、高速且つ正確なサンプリング回路の要件を回避することができる。使用される周波数範囲は、画像の利用可能な分解能が高くなることから、できる限り広い方が好ましい。而して、本発明を使用する場合、採用されるレーダー周波数の帯域幅は、少なくとも８ＧＨｚ（例えば８から１６ＧＨｚの範囲）であるのが望ましく、少なくとも１５ＧＨｚ（例えば５から２０ＧＨｚの範囲）であるのがより望ましく、少なくとも２０ＧＨｚ（例えば１から２０ＧＨｚの範囲）であるのが更に望ましい。帯域幅は中心が８から１６ＧＨｚ内にあるのが望ましく、９から１４ＧＨｚの範囲にあればより望ましく、１０から１３ＧＨｚの範囲にあれば更に望ましい（例示すると、上記範囲では、中心周波数はそれぞれ１２、１２．５、１１．５ＧＨｚとなる）。
【００２４】
本発明は、（例えば）壁のＳＡＲ表面下画像を、改善された分解能と先行技術によるシステムよりも高速の走査で提供できるようにする。
【００２５】
１から２０ＧＨｚの範囲内の周波数では、放射信号と戻り信号の間の時間差は非常に短いので、モノスタティック送受信器（１本のアンテナが両信号用に機能する）を使うと、両信号を分離できるほど高速なゲーティングを提供するのが困難である。従って、本発明は少なくとも１つの別個の受信アンテナを使用する（バイスタティック配置）。或る好適な実施形態では、１本の受信アンテナを設けている。バイスタティック配置の利点は、これにより近距離と遠距離の両方で画像化が可能になることである。１つ又はそれ以上の受信機を備えることにより、信号処理において整列偏波及び直交偏波の両方を利用できるようになる（ブルースター角を利用する１本の線形偏波アンテナを使用しているMoussallyの配置を比較参照のこと）。
【００２６】
更に、上記周波数では、戻り信号のサンプリングは、パルスシステムを使用した場合には、このようなシステムで使用するサンプリングパルスの立ち上がり時間と下降時間が普通はピコ秒で測定されることから、取り分け難しくなる（４０ＧＨｚまで）。従って、本発明の装置は、サンプリング要件が大幅に緩和される連続波モードで使用するように配設されるのが望ましい。
【００２７】
位相及び振幅情報は、Ｉ及びＱ信号（同相信号及び直交信号）で表現することができ、例えば、受信アンテナ信号を基準信号とミキシングすることにより行なう。これらの信号は更に処理され、例えば逆高速フーリエ変換回路を使用して、時間の関数（即ち実及び虚時間ドメインデータ）としての別個の位相直交振幅信号Ｉ、Ｑとして、振幅情報が作り出される（従って、階段連続波モードで異なる周波数を使用することは、深度分解能を高めることと考えられ、同一造作から戻るものでも周波数によって位相と振幅が異なる）。
【００２８】
信号結合手段には、既知のやり方でＳＡＲ機能を実行するための手段が含まれる。送受信器及びボクセルの位置が特定されている場合は、距離、従って信号の時間的遅延を計算することができる。この遅延に基づき、対応する遅延におけるＩ及びＱ信号振幅を、当該ボクセルに関するＩ及びＱ時間ドメインデータから抽出し、次いで全走査区域に亘るアンテナ位置に関する受信アンテナ信号からのこのような情報を適したやり方で結合する（コヒーレント加算する）ことにより、走査面に関係付けられた画像化体積の各ボクセル毎にボクセルＩ及びＱ信号振幅の複数の対が導き出される（ボクセルは、画像化体積を構成するアレイの基本単位体積である）。
【００２９】
各ボクセル(voxels)毎に、１つの結合手段を設け、ボクセルＩ及びＱ信号振幅のＩ及びＱ成分の平方の和の平方根を求めて、ボクセル合計振幅信号を作り出す。ボクセル合計振幅信号のアレイは、前記レーダー画像信号を提供し、この信号は次いで表示される。
【００３０】
こうして作り出されたボクセルのアレイは、比較的粗いので、分解能が比較的低い画像の原因となる。従って、本実施形態でのように、信号結合手段を設けて、全ボクセルに対しボクセルＩ及びＱ信号振幅を補間してより細かい分解能のボクセルアレイとし、平方及び加算段階に先立ち、このより細かいボクセルアレイの各ボクセルがこれにより個別の補間された直交信号振幅を有するようにするのが望ましく、即ち、補間されたボクセル直交信号振幅に対して加算を実行し、より細かいアレイに関するボクセル合計振幅信号を求めるのが望ましい。
【００３１】
走査手段は、例えば交互に逆方向から行う走査でのように、複数のパスで関心対象の表面を走査出来るようにする。従って、走査手段は、表面の２次元走査を、両次元の均一照射を確保しつつ行えるようにし、これによりＳＡＲ処理の信号利得がより良好になり、両方向における側方分解能が等しくなると共に画像品質が更に良くなる。これは、ＳＡＲ技法を採用しているが「スポットライトモード」での採用であり、データが目標物上のシングルパスの後に収集される上に挙げた先行技術の大部分と、対照をなす。
【００３２】
走査手段は、パンタグラフを備えており、その上に送受信器が取り付けられている。具体的に説明すると、パンタグラフはＸ−Ｙスキャナに作動的に連結され、Ｘ−Ｙスキャナは、精密且つ正確に制御するためステッパモーターを介してコンピュータに接続されている。送受信器(transceiver)を走査するためのパタグラフ(pantograph)の使用、および、それが、表面上での、送受信器の２次元の走査のために使用され得るという事実は、有利なやり方であることが分かってきた。
【００３３】
したがって、本発明は、表面下造作調査用のレーダー装置において、関心対象物の表面上を走査するための、パンタグラフ上に搭載されたレーダー送受信器を備えているレーダー装置を提供する。本発明は、関連するレーダー送受信器の走査方法にも範囲を広げている。
【００３４】
本発明は、レーダー送受信器を、壁の様な表面上に亘りその表面に近接させて、その中の造作の表面下画像を提供するために、機械的に走査できるようにする。パンタグラフを使用すると、装置の送受信器部分を畳んでコンパクトで持ち運び可能な装置にできるので好都合である。更に、これを使うと、比較的高速な走査動作を維持したまま、走査位置を、正確に、例えば説明の実施形態では約１ｍｍ以内に制御できるようになる。
【００３５】
具体的に説明すると、パンタグラフは、コンピュータ制御下でＸ−Ｙ走査フレームを制御するステッパモーターで駆動され、コンピュータは、データ処理に使用する位置信号も提供する。しかしながら、独立した位置信号を提供するために位置感知用装置を送受信器に或いはパンタグラフの当該端部に設けることも可能である。
【００３６】
特に、遭遇する表面が凸凹している可能性が高い場合、又は送受信器と表面の間隔が、例えば重力や強風状況によるパンタグラプの変形のために変わる可能性がある場合には、送受信器を表面から事前に規定された距離だけ離して維持するための維持手段を設けてもよい。例えば、送受信器取り付け部、又はパンタグラフの送受信器近くに、表面と接するように車輪を設けてもよい。表面が床の様な水平で上向き面である場合、車輪を表面に接触した状態に維持するには重量に依存するのみでよい。他の影響が及ぶ場合には、車輪又は他の維持手段を表面に接触させるため、ばねなどの付勢手段を設けてもよい。
【００３７】
本発明による装置は、更に、パンタグラフ上の基準点に対する送受信器の瞬時位置を示す位置信号を提供するための位置提供手段も含んでいる。この機能は、先に述べたコンピュータにより有効となる。
【００３８】
送受信器からの出力を位置信号と組み合わせて合成開口アレイ信号を作り出すための手段を設けてもよく、この合成開口アレイ信号は、その後処理されて、例えば表示用の画像信号になる。
【００３９】
送受信器は、作動周波数範囲１から２０ＧＨｚで作動し得る。送受信器は、望ましくは連続波モードで、更に望ましくは階段周波数モードで作動する。
【００４０】
本発明の送受信器は、送信アンテナと受信アンテナを別々に備え、１本の送信アンテナ及び／又は１本の受信アンテナを備えているのが望ましい。
【００４１】
どちらかの態様による或る好適な実施形態では、前記パンタグラフのアームの個数は、走査対象の前記表面の面積が変わるのに合わせて可変である。
【００４２】
本発明のこの他の利点及び特徴は、特許請求の範囲に記載する内容を考察することにより、そして添付図面を参照しながら本発明の実施形態に関する以下の詳細な説明を読むことにより明らかとなろうであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
図１は、階段連続波処理回路３０に連結されたトランスジューサ装置２９で走査するための、隠れた物体１７を含む関心対象の表面１６を概略的に示している。トランスジューサ装置２９は、詳しくは図３に示すが、互いに対して固定され表面１６を走査するホーンアンテナ４と５を含んでいる。
【００４４】
階段連続波処理回路３０は、周波数制御発振器（ＶＯＣ）２を制御する階段電圧発生器１を含んでおり、発振器２は、１本の送信レーダーアンテナ又はホーン４を駆動するため、増幅器３を介して連結されている。戻り放射は、１本又は複数のホーンアンテナ５が受信し、その出力は、増幅器６及びスプリッタ７を介してＲＦミキサ８、９に送られる。ミキサ９は、同相復調のためＶＣＯ２から基準信号を直接受信するが、ミキサ８は、同じ信号を直交復調のため９０°位相シフタ１０を介して受信する。ミキサ８、９の出力は、それぞれのローパスフィルタ１１、１２を介して、随時Ｎ個の値を記憶可能なそれぞれのサンプル＆ホールド回路１３、１４に連結されている。回路１３、１４に保持された値は、Ｎ点逆高速フーリエ変換（ＦＦＴ）プロセッサ１５に連結され、図２に示す合成開口アレイ（ＳＡＲ）処理回路へ送信するための、実及び虚データ出力２７、２８を提供する。
【００４５】
図２に示すように、アンテナ４、５の走査を制御しているコンピュータに連結された回路２０は、アンテナ位置データＸ、Ｙを提供し、更に、３次元座標ボクセル位置データ、即ち装置が調査中の体積内の基本体積を定義するデータＰ、Ｑ、Ｒを出力する。各回路１８及び１９は、データ２７、２８を受信するが、そこで、データは、既知のやり方で回路２０の出力と組み合わされる。この段階は、ＸとＹの値を変更する前に、Ｐ、Ｑ、Ｒ全ての値についてデータ１６、１７を分析することにより実施されるのが望ましい。しかしながら、ＳＡＲ分析に関するその他の既知の技法を採用してもよい。
【００４６】
回路１８、１９の出力は各回路２１、２２に送られ、ここで、それらはボクセルごとにＸ及びＹの全値について積分される。サンプリング処理１３、１４から導き出された信号は粗いので、これに頼ると比較的低品質の画像となる。従って、回路２１、２２は、回路１８、１９からの信号を、積算処理の前に例えば線形補間により補間するのが望ましい。
【００４７】
この時点までは、Ｉ及びＱ型の信号は別々に処理されている。次いで、ボクセル毎に、回路２１からの実数出力が２３で平方され、回路２２からの虚数出力２２は２４で平方される。２５で、回路２３及び２４からの出力は加算され、その合計の平方根を求めてボクセル値２６を提供し、この値が次いで対応する位置、例えばある時点のボクセルの一面を表示するように設けられた２次元表示装置に表示される。
【００４８】
使用時、トランスジューサ装置２９は、ホーン４、５が、壁、道路又は舗装道路の様な関心対象物の表面上を、表面に接近して機械的に走査できるようにする。図３に詳しく示すように、この目的で、ホーンは、パンタグラフ３１の一端に又はこれに隣接して取り付けられている。パンタグラフ３１の他端のアーム３２は、ステッパモーターにより駆動されるコンピュータ制御式Ｘ−Ｙ走査フレーム３４に機械的に連結されている一対の可動部材３３に固定されている。部材３３の間隔は、パンタグラフの延長部及びアンテナ４、５のＹ方向位置を制御するために変えることができ、一対の部材３３は、パンタグラフとアンテナ４、５のＸ方向位置を制御するために、横方向に動かすことができる。
【００４９】
寸法は、コンピュータ制御により決められた所望のパターンに従って、約５０ｃｍ平方の領域を走査できるようになっている。しかしながら、走査範囲は、パンタグラフのアームの個数を変えることにより、又は装置２９を異なる寸法にすることにより、変更できる。
【００５０】
使用時、好適な走査パターンは、交互に逆方向から行う走査であるが、ランダム走査を含めどの様な種類の走査を使用してもよい。最初は低分解能画像でもよい場合は、初期の比較的粗い走査から生成することができ、次に、全体的な走査を精緻化した更なる走査位置からの追加的情報を入手して画像分解能を向上させることができる。
【００５１】
本実施形態は、１本の送信アンテナと１本の受信アンテナを示しているが、別の送信及び／又は受信アンテナを設けてデータ量を増やし、信号対クラッタ比を改善することもでき、特に偏波効果を利用する場合にはそうである。しかしながら、これには装置の修正が必要となり、例えば、パンタグラフを強化するか、或いは追加重量を支えるようにすることが必要となり、複数の階段周波数源及び受信機を設けない限り、開閉マルチプレクサを設けることが必要となるはずで、これは好適な周波数では難しい。
【００５２】
例えば、線形偏波送信器を使用する場合、１本のアンテナを使用して同相偏波又は直交偏波信号を受信してもよいし、又は一対の受信アンテナを設けて上記２つの信号を受信してもよい。同じように、送信アンテナが円形偏波放射を発する場合、１本のアンテナを使用して１つの線形偏波の信号を受信するようにしてもよいし、一対の受信アンテナを設けて直交線形偏波の信号を受信するようにしてもよい。何れの場合も、追加の受信アンテナからの信号は、表面下の特異物の探知と分析を、概ねやり易くし強化する。送信アンテナは、線形及び円形偏波放射を選択的に発することができるようになっていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】階段連続波処理回路と送受信器部を含むレーダ画像化装置の一部の概略ブロック図である。
【図２】図１に示す部分を補う、レーダ画像化装置の他の画像信号処理部分の概略ブロック線図である。
【図３】図１及び図２の装置に役立つ、パンタグラフ送受信器位置決めシステムを含む本発明による概略形態を示す。
【国際公開パンフレット】
2005503567.tif 000003
2005503567.tif 000004
2005503567.tif 000005
2005503567.tif 000006
2005503567.tif 000007
2005503567.tif 000008
2005503567.tif 000009
2005503567.tif 000010
2005503567.tif 000011
2005503567.tif 000012
2005503567.tif 000013
2005503567.tif 000014
2005503567.tif 000015
2005503567.tif 000016
2005503567.tif 000017
2005503567.tif 000018
2005503567.tif 000019
2005503567.tif 000020
2005503567.tif 000021
2005503567.tif 000022
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005503567.tif 000023
2005503567.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成15年11月17日(2003.11.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面下の造作を調査するためのレーダー装置において、
関心対象物の表面を横切って走査するための、はさみリンク機構（３１）に搭載されているレーダー送受信器（４、５）を備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記リンク機構は、前記表面を横切って２次元で走査するように作られていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記リンク機構は、前記リンク機構の位置と作動を制御するためのＸ−Ｙスキャナ（３４）に機械的に連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記Ｘ−Ｙスキャナに、その作動を制御するために連結されているコンピュータを更に含んでいることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも１つのステッパモータードライブが、前記コンピュータと前記Ｘ−Ｙスキャナの間に連結されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記送受信器の前記リンク機構上の基準点に対する瞬時位置を示す位置信号を提供するための位置提供手段（２０）を更に含んでいることを特徴とする上記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項７】
前記コンピュータは前記位置提供手段であることを特徴とする請求項４及び６、又は請求項５及び６に記載の装置。
【請求項８】
前記送受信器からの出力信号を前記位置信号と組み合わせて合成開口アレイ信号を作り出すための手段（１８、１９、２１−２５）を更に含んでいることを特徴とする請求項６又は７に記載の装置。
【請求項９】
前記合成開口アレイ信号を処理して画像信号を生成するための信号処理手段を含んでいることを特徴とする上記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項１０】
前記画像信号を表示するための手段を含んでいることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記送受信器を少なくとも８ＧＨｚの帯域幅に亘って作動させるための制御手段を含んでいることを特徴とする上記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項１２】
前記帯域幅は中心が８から１６ＧＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記制御手段は、前記送受信器を連続波モードで作動させるように作られていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記連続波モードは、階段周波数モードであることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記送受信器は、別々の送信アンテナと受信アンテナ（４、５）を備えていることを特徴とする上記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項１６】
線形及び／又は円形偏波信号を送信するための１本の送信アンテナを備えていることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
線形及び／又は円形偏波信号を受信するための１本の受信アンテナを備えていることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項１８】
異なる偏波を有する各信号を受信するための少なくとも２本の受信アンテナを備えていることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記リンク機構のアーム（３２）の個数は、走査対象の前記表面の面積の変化に合わせて可変であることを特徴とする上記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項２０】
関心対象物の表面に接近してレーダー送受信器を走査する方法において、
前記送受信器（４、５）をはさみリンク機構（３１）に搭載する段階と、
前記リンク機構を作動させて前記走査を行う段階と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記表面を横切る前記走査は２次元であることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記送受信器からの信号出力が分析され（１８、１９、２１−２５）、前記関心対象物の表面の下にある体積に関する情報が作り出されることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記情報は３次元情報であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記走査は、初期は比較的粗く、その後精緻化されることを特徴とする請求項２０から２２の何れかに記載の方法。
【請求項２５】
粗い前記情報は前記粗い走査に応じて得られ、より細かい前記情報は前記精緻化された走査に応じて得られることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記情報は表示されることを特徴とする請求項２２から２５の何れかに記載の方法。
【請求項２７】
前記走査は交互に逆方向から行う走査であることを特徴とする請求項２０から２６の何れかに記載の方法。
【請求項２８】
前記走査はランダムであることを特徴とする請求項２０から２６の何れかに記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本出願と同時に出願中で、出願日および優先日も関連する、国際特許出願番号ＷＯ03/025613は、１本の送信アンテナと少なくとも１本の受信アンテナを備えている送受信器、前記送信アンテナを、階段状の周波数の連続波モードで、少なくとも８ＧＨｚの帯域幅に亘って作動させるための制御手段、走査手段であって、前記送受信器を前記表面に亘って機械的に走査するために、使用中にその一部が関心対象の表面に対して固定された位置に配置される走査手段、前記固定位置に対する送受信器の瞬時位置の関数としての位置信号を提供する位置提供手段、受信アンテナ信号の振幅と位相成分を分析するための信号分析手段、及び前記信号分析手段の出力と前記位置信号を合成開口アレイ（ＳＡＲ）でのように組合わせて、表面と下層の造作のレーダー画像信号を提供する信号結合手段(システムの類似のタイプが、米国特許第5,339,080号公報(Steinway)に開示されるが、特にそこに、１ＧＨｚの最高周波数において作動可能として記載される。)を備えているレーダー画像化装置に関連する。本発明は、そのような装置の実施において有用であり、これについては更に、好ましい実施例においてそれとの関連で詳細に説明されるが、本発明は、そのような実施例に限定されて解釈されるべきではない。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
走査手段は、シザー・リンケージ(scissor linkage)の上に送受信器が載置される、当該シザー・リンケージ(scissor linkage)(「無精ばさみ（lazy tongs）」としても知られる)を備え得る。特に説明されるように、このリンケージは、作動可能に、Ｘ−Ｙスキャナにカップル(coupled)される。このスキャナは次に、正確な(precise and accurate)制御のために、ステッパー・モータ(stepper motors)を介してコンピュータにカップルされる。コンピュータは、位置提供手段としても作動し得る。送受信器の走査のためのシザー・リンケージの使用、および、それが、表面に亘って、送受信器の２次元走査のために使用されるという事実は、有利なやり方であると分かってきた。
走査手段は、シザー・リンケージを備えており、その上に送受信器が取り付けられている。具体的に説明すると、シザー・リンケージはＸ−Ｙスキャナに作動的に連結され、Ｘ−Ｙスキャナは、精密且つ正確に制御するためステッパモーターを介してコンピュータに接続されている。送受信器(transceiver)を走査するためのパタグラフ(pantograph)の使用、および、それが、表面上での、送受信器の２次元の走査のために使用され得るという事実は、有利なやり方であることが分かってきた。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
したがって、本発明は、表面下造作調査用のレーダー装置において、関心対象物の表面上を走査するための、シザー・リンケージ上に搭載されたレーダー送受信器を備えているレーダー装置を提供する。本発明は、関連するレーダー送受信器の走査方法にも範囲を広げている。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
本発明は、レーダー送受信器を、壁の様な表面上に亘りその表面に近接させて、その中の造作の表面下画像を提供するために、機械的に走査できるようにする。シザー・リンケージを使用すると、装置の送受信器部分を畳んでコンパクトで持ち運び可能な装置にできるので好都合である。更に、これを使うと、比較的高速な走査動作を維持したまま、走査位置を、正確に、例えば説明の実施形態では約１ｍｍ以内に制御できるようになる。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
具体的に説明すると、シザー・リンケージは、コンピュータ制御下でＸ−Ｙ走査フレームを制御するステッパモーターで駆動され、コンピュータは、データ処理に使用する位置信号も提供する。しかしながら、独立した位置信号を提供するために位置感知用装置を送受信器に或いはシザー・リンケージの当該端部に設けることも可能である。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
特に、遭遇する表面が凸凹している可能性が高い場合、又は送受信器と表面の間隔が、例えば重力や強風状況によるパンタグラプの変形のために変わる可能性がある場合には、送受信器を表面から事前に規定された距離だけ離して維持するための維持手段を設けてもよい。例えば、送受信器取り付け部、又はシザー・リンケージの送受信器近くに、表面と接するように車輪を設けてもよい。表面が床の様な水平で上向き面である場合、車輪を表面に接触した状態に維持するには重量に依存するのみでよい。他の影響が及ぶ場合には、車輪又は他の維持手段を表面に接触させるため、ばねなどの付勢手段を設けてもよい。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
本発明による装置は、更に、シザー・リンケージ上の基準点に対する送受信器の瞬時位置を示す位置信号を提供するための位置提供手段も含んでいる。この機能は、先に述べたコンピュータにより有効となる。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
どちらかの態様による或る好適な実施形態では、前記シザー・リンケージのアームの個数は、走査対象の前記表面の面積が変わるのに合わせて可変である。
米国特許5327139号公報(Johnson)は、レーダー送受信器を地表の上で垂直に移動させるためのやり方を開示する。地表に亘る(across the ground)走査は存在せず、このメカニズムは、シザー・リンケージでなく、平行四辺形のリンケージを伴う。
Sorensen他の「Identification of mine shaped objects based on an efficient phase stepped-frequency radar approach」, Image Processing 1997, Proc. Int. Conf. on Santa Barbara, CA, XP010253779, ISBN 0-8186-8183-7は、レーダー・プローブ(radar probe)を移動させるためのＸ−Ｙ走査テーブルの使用を開示する。
シザー・メカニズムはそれ自体良く知られており、(ＷＯ01/55673からの)米国特許出願番号2002/0152624(Asanuma)は、測定機器の作動をチェックするために、引っ込められた位置と測定位置の間で、標準作業ピースを移動させるためのシザー・メカニズムの使用を開示する。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
使用時、トランスジューサ装置２９は、ホーン４、５が、壁、道路又は舗装道路の様な関心対象物の表面上を、表面に接近して機械的に走査できるようにする。図３に詳しく示すように、この目的で、ホーンは、シザー・リンケージ３１の一端に又はこれに隣接して取り付けられている。シザー・リンケージ３１の他端のアーム３２は、ステッパモーターにより駆動されるコンピュータ制御式Ｘ−Ｙ走査フレーム３４に機械的に連結されている一対の可動部材３３に固定されている。部材３３の間隔は、シザー・リンケージの延長部及びアンテナ４、５のＹ方向位置を制御するために変えることができ、一対の部材３３は、シザー・リンケージとアンテナ４、５のＸ方向位置を制御するために、横方向に動かすことができる。


【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
寸法は、コンピュータ制御により決められた所望のパターンに従って、約５０ｃｍ平方の領域を走査できるようになっている。しかしながら、走査範囲は、シザー・リンケージのアームの個数を変えることにより、又は装置２９を異なる寸法にすることにより、変更できる。


【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
本実施形態は、１本の送信アンテナと１本の受信アンテナを示しているが、別の送信及び／又は受信アンテナを設けてデータ量を増やし、信号対クラッタ比を改善することもでき、特に偏波効果を利用する場合にはそうである。しかしながら、これには装置の修正が必要となり、例えば、シザー・リンケージを強化するか、或いは追加重量を支えるようにすることが必要となり、複数の階段周波数源及び受信機を設けない限り、開閉マルチプレクサを設けることが必要となるはずで、これは好適な周波数では難しい。


【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
【図１】階段連続波処理回路と送受信器部を含むレーダ画像化装置の一部の概略ブロック図である。
【図２】図１に示す部分を補う、レーダ画像化装置の他の画像信号処理部分の概略ブロック線図である。
【図３】図１及び図２の装置に役立つ、シザー・リンケージ送受信器位置決めシステムを含む本発明による概略形態を示す。
【国際調査報告】
2005503567.tif 000025
2005503567.tif 000026
2005503567.tif 000027