(57)【要約】オブジェクトを検出するための方法と装置。ある実施形態では、警備されている区域に進入する人物が低出力偏向電波で照射され、人物から反射されて戻る異なる偏向の電波が収集される。反射された信号の様々なパラメータを測定しかつこれらの間の選択された様々な差異を計算することにより、隠された武器が検出される。これらの差異は、時間の関数としてプロットされるとパターンを生成する。好適には、次に、トレーニングを受けたニューラル・ネットワークのパターン認識プログラムを使用してこれらのパターンが評価され、武器の存在が自発的に決定される。但し、断続的な連続波システムが使用されてもよい。複数のユニットを使用すれば、様々な方位角を検出しかつ精度を高めることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲット上に隠されたオブジェクトを検出するための方法であって、
連続波電磁放射線を該ターゲットへ周波数範囲内の選択された周波数で送信するステップと、
選択された各周波数で該ターゲットから反射される２つの直交偏波信号を受信するステップと、
該反射される信号の振幅及び位相を測定するステップと、
周波数領域波形を発生させるステップと、
該波形を、時間窓における該ターゲットまでの距離に対応する時間領域へ変換するステップと、
該時間領域波形を処理して、該ターゲット上にオブジェクトが隠されているかどうかを決定するステップ、を含む方法。
【請求項２】
該周波数領域波形を濾波するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
該濾波するステップはハミング・フィルタを使用することを含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
該変換するステップはチャープＺ変換を使用することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
該変換するステップの結果、該信号がレンジ・ゲーティングされる、請求項１記載の方法。
【請求項６】
複数のユニットを使用し、各ユニットは該送信するステップ及び受信するステップを実行する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
該複数のユニットは該送信するステップを順次実行する、請求項６記載の方法。
【請求項８】
各ユニットによる連続波送信は、他のユニットが放射線を送信できるように中断される、請求項７記載の方法。
【請求項９】
各ユニットによる連続波送信の時間は、該放射線が該ユニットから該ターゲットへ送信されて該ユニットへ戻る送信時間より長い、請求項８記載の方法。
【請求項９】
該複数のユニットは該受信するステップを順次実行する、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
各ユニットは、その固有の送信機によってのみ送信される信号を受信する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
各ユニットは、別のユニットの送信機によって送信される信号を受信する、請求項６記載の方法。
【請求項１２】
該複数のユニットにより受信される反射信号は比較される、請求項６記載の方法。
【請求項１３】
各ユニットにより受信される信号の振幅は平均される、請求項６記載の方法。
【請求項１４】
該複数のユニットは該ターゲットに対して異なる高さに配置される、請求項６記載の方法。
【請求項１５】
該複数のユニットは該ターゲットを異なる視点から照射するように配向される、請求項６記載の方法。
【請求項１６】
該オブジェクトは、武器、銃火器、爆弾、自爆ベスト、爆発物、商品、タグ、仕掛品、在庫品及び工業製品より成るグループから選択される、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
万引きまたは在庫品の窃盗を防止するために実行される、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００５年５月１２日に提出された「オブジェクトの検出方法と装置」と題する米国暫定特許出願第６０／６８０，６２７号の出願の利益を主張するものである。本出願はまた、２００４年１１月２４日に提出された「オブジェクトの検出方法と装置」と題する米国特許出願第１０／９９７，８４５号の一部継続出願であり、同左は２００３年１１月２５日に提出された「偏向放射及び人工知能処理を使用するオブジェクトの検出方法と装置」と題する米国暫定特許出願第６０／５２５，６３７号の出願の利益を主張するものであり、同左もまた２００３年１月９日に提出された「オブジェクト検出システムのための信号処理」と題する米国特許出願第１０／３４０，０１６号の一部継続出願であり、同左は２００２年１月２９日に提出されかつ２００４年１１月３０日に米国特許第６，８２５，４５６号として発行される「オブジェクト検出システムのための信号処理」と題する米国特許出願第１０／０６０，６４１号の一部継続出願であり、同左は１９９９年５月２５日に提出されかつ２００２年１月２９日に米国特許第６，３４２，６９６号として発行された「オブジェクトの検出システム」と題する米国特許出願第０９／３１８，１９６号の一部継続出願である。前記出願の明細書は全て、本参照により開示に含まれる。
【０００２】
本発明は、銃または爆弾等の隠された武器を含む、但しこれらに限定されないオブジェクトの存在を遠隔的に検出するための方法と装置である。本発明はさらに、信頼性の高いオブジェクト検出を提供するための新しい信号処理方法及び装置を含む。
【背景技術】
【０００３】
以下の論考は、幾つかの公報及び引例を参照するものである点に留意されたい。本明細書におけるこのような公報の論考は、科学的原理のより完全な背景を示すために行うものであり、このような公報が特許性を判断するための先行技術であることを是認するものとして解釈されるべきではない。
【０００４】
１９９９年４月２０日、コロラド州リトルトンのコロンバイン高校で２学生がクラスメート及び教師に向けて攻撃用武器を乱射し、１２名の高校生と１名の教師が殺され、数十名が負傷した。現在、アメリカではリトルトンの殺戮のような悲劇的な暴力行為が頻発している。連邦捜査局の報告によれば、米国では毎年、銃器を使用する犯罪者によって２４０万件の強盗、５６０万件の暴行、１６万５千件の強姦が発生している。（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｅｄｅｒａｌｌｙ  Ｌｉｃｅｎｓｅｄ  Ｆｉｒｅａｒｍｓ  Ｄｅａｌｅｒｓ発行のＡｍｅｒｉｃａｎ  Ｆｉｒｅａｒｍｓ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ｊｏｕｒｎａｌを参照されたい。）疾病管理センタが収集したデータは、１９８６年から１９９２年までの間に米国で２４７，９７９件の「銃器による死者」が記録されたことを示している。（データは、拳銃による暴力防止センタが編纂したもの。）さらに、最近では、自爆犯という新たな脅威が生まれている。これはさらに危険かつ壊滅的なものであり、その武器の性質上、遠方からの検出が絶対に必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
銃器使用による犯罪の脅威を低減しようとするこれまでの多くの努力は、さほど成果を挙げていない。過去２０年間で、主要な空港にはかなり高価なＸ線機器が導入された。これらのマシンは、概して、極めて特殊な閉鎖環境において金属製の銃を検出することができる。このタイプの機器は、定置設備を必要とし、かなり広いスペースを占有し、近距離用であり、かつ数十万または数百万ドルの費用がかかる可能性がある。
【０００６】
現在市場で入手できる複雑な隠蔽武器検出器に、小型、軽量、携帯可能、使用が容易、長距離用、かつ高信頼性のものはない。このようなデバイスの開発は画期的な偉業となるものであり、法執行及び警備の分野における長年の切実なニーズを満足させることとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の先行バージョンは、２００１年６月５日に発行された「オブジェクト検出システムのための信号処理」と題する米国特許第６，２４３，０３６号、２００２年３月１９日に発行された「隠蔽武器の検出システム」と題する米国特許第６，３５９，５８２号、１９９８年３月２６日に国際公報第ＷＯ９８／１２５７３号として公開された「隠蔽武器の検出システム」と題する国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ９７／１６９４４号及び２０００年１２月１４日に国際公報第ＷＯ００／７５８９２号として公開された「オブジェクト検出システムのための信号処理」と題する国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ００／１４５０９号に記載されている。これらの引例の明細書及び請求の範囲は、本参照により開示に含まれる。
【０００８】
本発明は、ターゲットに関連づけられるオブジェクトの存在を決定する方法であり、本方法は、該ターゲットを偏向された照明放射線によって照射するステップと、該ターゲットから反射される、該照明放射線と同じ偏向を有する第１の放射線を集めるステップと、該ターゲットから反射される、該照明放射線とは反対の偏向を有する第２の放射線を集めるステップと、オブジェクトの存在を決定するために該第１の放射線及び該第２の放射線の加重された複数の基準を使用するステップを含む。該使用するステップは、好適には、チャープＺ変換プロセスにより時間領域へ変換される収集された放射線の加重された複数の基準を使用することを含む。該使用するステップは、好適には、複数の時間における該第１の放射線及び第２の放射線の一方または両方の振幅の広がりを使用することを含む。該使用するステップはさらに、好適には、チャープＺ変換プロセスによる時間領域への変換後のゼロ時における第１の放射線の第１の振幅、チャープＺ変換プロセスによる時間領域への変換後のゼロ時における第２の放射線の第２の振幅及び該第１の振幅と該第２の振幅との差より成るグループから選択される複数の基準を使用することを含む。該使用するステップは、任意選択として、第１の放射線と第２の放射線との到達時間の差及び／または時間領域または周波数領域における第１の放射線及び第２の放射線の一方または両方の曲線形状の測定値、好適には、該曲線のピーク値の該曲線下の合計面積に対する割合、を使用することを含む。
【０００９】
本方法は、好適には複数回反復され、さらに、本方法の各パフォーマンスの結果を結合するステップを含む。本方法は、好適には、較正データに関してニューラル・ネットワークをトレーニングするステップをさらに含み、該使用するステップは、好適には、オブジェクトの存在を自発的に決定するために該ニューラル・ネットワークを使用するステップをさらに含む。
【００１０】
ターゲットは、好適には人物を含み、オブジェクトは、好適には隠された武器を含み、これは好適には、ナイフ、銃火器、銃、爆弾、爆発装置及び自爆ベストより成るグループから選択される。
【００１１】
また本発明は、ターゲットに関連づけられるオブジェクトを検出するための装置であり、本装置は、該ターゲットを偏向された照明放射線によって照射するための送信アンテナと、該ターゲットから反射される、該照明放射線と同じ偏向を有する第１の放射線を集めるための第１の受信アンテナと、該ターゲットから反射される、該照明放射線とは反対の偏向を有する第２の放射線を集めるための第２の受信アンテナと、オブジェクトの存在を決定するために該第１の放射線及び該第２の放射線の加重された複数の基準を使用するためのプロセッサとを備える。該プロセッサは、好適には、チャープＺ変換プロセスにより時間領域へ変換される収集された放射線の加重された複数の基準を使用し、かつ好適には、複数の時間における該第１の放射線及び第２の放射線の一方または両方の振幅の広がりを使用する。また該プロセッサは、好適には、チャープＺ変換プロセスによる時間領域への変換後のゼロ時における第１の放射線の第１の振幅、チャープＺ変換プロセスによる時間領域への変換後のゼロ時における第２の放射線の第２の振幅及び該第１の振幅と該第２の振幅との差より成るグループから選択される複数の基準を使用する。
【００１２】
該プロセッサはさらに、好適には、第１の放射線と第２の放射線との到達時間の差を使用し、好適には、時間領域または周波数領域における第１の放射線及び第２の放射線の一方または両方の曲線の形状を使用し、好適には、第１の放射線及び第２の放射線の一方または両方の時間変動を使用する。該プロセッサは、好適には、ターゲットへの照明放射線の複数のアプリケーションからの結果を結合する。単一の二重偏波アンテナは、任意選択として、前記第１の受信アンテナと、前記第２の受信アンテナとを備える。
【００１３】
ターゲットは、好適には人物である。オブジェクトは、好適には、ナイフ、銃火器、銃、爆弾、爆発装置及び自爆ベストより成るグループから選択される隠された武器である。プロセッサは、好適にはニューラル・ネットワークを使用してオブジェクトの存在を自発的に検出し、好適には、該基準の各々に値を割り当て、該基準の値の組合せを基礎としてオブジェクトの存在を決定する。
【００１４】
また本発明は、ターゲット上に隠されたオブジェクトを検出するための方法でもあり、本方法は、ある周波数範囲内の選択された周波数で該ターゲットへ連続波電磁放射線を送信するステップと、選択された各周波数でターゲットから反射される２つの直交偏波信号を受信するステップと、反射された信号の振幅及び位相を測定するステップと、周波数領域波形を発生させるステップと、該波形をターゲットまでの距離に対応する時間窓における時間領域に変換するステップと、該時間領域の波形を処理してターゲット上にオブジェクトが隠されているかどうかを決定するステップを含む。本方法は、好適には、周波数領域の波形を好適にはハミング・フィルタを使用して濾波するステップをさらに含む。該変換するステップは、好適にはチャープＺ変換を使用することを含む。該変換するステップは、好適には信号のレンジ・ゲーティングをもたらす。
【００１５】
本方法は、好適には、各ユニットが該変換するステップ及び該受信するステップを実行する複数のユニットを使用する。これらのユニットは、好適には、該変換するステップを順次実行する。各ユニットの連続波送信は、好適には、他のユニットが放射線を送信できるように中断され、この場合、各ユニットの連続波送信の時間は、放射線が該ユニットからターゲットへ放射されて該ユニットへ戻る送信時間よりも長い。これらのユニットは、好適には受信するステップを順次実行し、各ユニットは、好適には専らその固有の送信機から送信される信号を受信する。各ユニットは、任意選択として、別のユニットの送信機によって送信される信号を受信する。好適には、これらのユニットにより受信される反射信号が比較される。例えば、各ユニットにより受信される信号の振幅は平均されてもよい。これらのユニットは、好適にはターゲットに対して異なる高さで配置され、かつ好適にはターゲットを異なる視点から照射するように配向される。オブジェクトは、好適には、武器、銃火器、爆弾、自爆ベスト、爆発物、商品、タグ、仕掛品、在庫品及び工業製品より成るグループから選択される。本方法は、任意選択として、万引きまたは在庫品の窃盗を防止するためにも実行される。
【００１６】
本発明の目的は、好適には小型、軽量、長距離用、携帯可能かつ電池式である検出デバイスを提供することにある。これにより、本デバイスの好適な一実施形態は、例えば特定の個人が武装しているかどうかを決定するために法執行官及び／または軍人または警備員が使用できる手持ち式ユニットになることができる。
【００１７】
本発明の優位点は、本発明により放射される出力レベルが、好適には、従来のレーダ・システムまたは現在空港または法廷の入口でオブジェクトを検出するために採用されているＸ線または他の画像システムにより発生されるものより遙かに低いことにある。本発明の場合、ターゲットにおける平均出力密度は非電離放射線の安全限度を何倍も下回る。
【００１８】
本発明の他の目的、優位点及び新規特徴、及びその適用可能性のさらなる範囲は、添付の図面に関連して行う以下の詳細な説明において一部が記述され、かつ一部は、以下の説明を精査した時点で当業者には明らかとなり、もしくは本発明の実践により教示されるであろう。本発明の目的及び優位点は、具体的には添付の請求の範囲に記載されている手段及び組合せによって実現しかつ達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本明細書に編入されてその一部を形成している添付の図面は、本発明の幾つかの実施形態を示し、かつ明細書本文と共に、本発明の原理を説明する働きをする。これらの図面は、単に本発明の好適な実施形態を例示するためのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００２０】
本発明は、遠隔からオブジェクトの存在を検出するための方法と装置を含む。本発明の一実施形態は、人が携帯する隠された銃火器及び／または爆弾の位置を定めるために使用されてもよい。本発明は、学校、銀行、空港、大使館、刑務所、法廷、事務所、小売店または住宅等の任意の保護区域または「Ｓａｆｅ Ｚｏｎｅ（登録商標）」から武器を締め出すようにするために使用されてもよい。「Ｓａｆｅ Ｚｏｎｅ（登録商標）」という用語は、Ｓａｆｅ ＺｏｎｅTM  Ｓｙｓｔｅｍｓ社として営業している本特許出願の譲受人、Ｔｈｅ ＭａｃＡｌｅｅｓｅ Ｃｏｍｐａｎｉｅｓが所有する商標である。
【００２１】
オブジェクトは、好適には、例えば出入口に接近する人物であるターゲットに関連づけられ、好適には、偏向された低出力電波を使用して検出される。本明細書及び請求の範囲を通じて使用している「ターゲット」という用語は、人物、リュックサック、手荷物、バッグ、低木及びこれらに類似するものを含む、但しこれらに限定されない照明放射の的である何かを意味する。本明細書及び請求の範囲を通じて使用している「オブジェクト」という用語は、武器、ナイフ、銃火器、銃、拳銃、ライフル、爆弾、自爆ベスト、榴散弾、配線及びこれらに類似するものを含む、但しこれらに限定されない、ターゲットに携帯され、着用され、隠蔽され、物理的に付着され、または結合もしくは他の方法で関連づけられる物理的アイテムを意味する。
【００２２】
電波は、空気中を、海面における水の波の移動と同様に進む。単純な無線信号の形は、図１ａに示すように、反復される上下の移動または振動として描くことができる。この波の上下動作は三次元で発生し、この単純な波（Ｗ）は伝搬する。伝搬平面に平行に偏向される波は水平偏波と呼ばれ、伝搬平面に垂直に偏向される波は垂直偏波と呼ばれる。波Ｗの高さまたは強度は、波の振幅（Ａ）と呼ばれる。
【００２３】
図１ｂは垂直に偏向される波を示し、図１ｃは水平に偏向される波を示す。垂直偏波及び水平偏波は、直交形式の偏波と呼ばれる。垂直及び水平に偏向される波の関係は、他にも、直交、反対、クロス偏波または主／補という用語を使用して説明されてもよい。本明細書において直交偏波を指して主に使用される用語は、クロス偏波または短縮形のクロスｐｏｌまたはＸｐｏｌである。偏波に関するこの考えは、マイクロ波振動数の電波であれ、懐中電灯が放つもののような光波であれ、全ての形式の横方向電磁波に適用可能である。
【００２４】
本発明により放射される出力レベルは、従来のレーダ・システムまたは空港または法廷の入口でオブジェクトを検出するために現在使用されているＸ線または他の画像システムによって発生されるものより遙かに低い。実際に、本発明の好適な実施形態の場合、ターゲットにおける平均出力密度は、非電離放射線の安全限度より何倍も低い。
【００２５】
本発明は、好適には、ＧＨｚ周波数帯域で動作する。異なる無線周波数には、オブジェクト検出に関して異なる利点及び欠点がある。米国では、無線デバイスの動作周波数は連邦通信委員会により規制されている。世界の各国は、電波スペクトルの使用を配分しかつ管理するこれに類する規制機関を有する。本明細書は、特定の周波数範囲に対する特有の言及を含んでいるが、本システムは広範な電磁放射帯域を使用して有益に実装されてもよく、特定的に開示している範囲に限定されない。
【００２６】
図２は、本発明の好適な実施形態を実装するための回路の略ブロック図の非限定的な例を示す。低出力無線送信機１２は、第１の方向性結合器１３を介して変調器１４、フィルタ１６及び送信機出力増幅器１８へ結合され、送信機出力増幅器１８は送／受信スイッチ２０及びプリセレクタ２２を介して送／受信アンテナ８０へ接続される。送／受信スイッチ２０は、コントローラ２６を介して領域ゲート・スイッチ９０とも同期される。送／受信アンテナ８０及び直交偏波でエネルギーを検出する受信アンテナ８２は、ターゲットから反射して返されるエネルギーを集める。或いは、任意選択として、単一の二重偏波アンテナが使用されてもよい。受信経路における極性選択スイッチ２４は、水平または垂直偏波アンテナもしくはポートの何れかを選択する。送／受信アンテナ８０は、好適には、信号を水平偏波で送信しかつ反射される水平または同一偏波信号を受信し、受信アンテナ８２は、好適には、反射される垂直偏波の垂直またはＸ−ｐｏｌ信号を受信する。極性スイッチ２４は、任意の所定時間にどちらの信号が該受信器へ供給されるかを決定する。プリセレクタ・フィルタ２２、２３は、帯域外信号が該受信機に進入しておそらくはスプリアス応答を引き起こす、または増幅器を飽和させ、これにより正常運転が妨害されることを防止する帯域通過フィルタである。また、同一偏波経路内のプリセレクタ・フィルタ２２は、送信機の望ましくない高調波が送信されないようにする。
【００２７】
好適には開始／停止／勾配のプログラミングを含むコントローラまたはプロセッサ２６は、送信機１２を局部発振器３０に関連して制御するために使用される。パルス波形発生器２８の出力は、変調器１４へ接続される。局部発振器３０の出力は、第２の方向性結合器１１を介してミクサ３２へ供給される。また、送／受信スイッチ２０の出力も、極性選択スイッチ２４、フィルタ３６及び受信低雑音増幅器３４を介してミクサ３２へ供給される。プロセッサ２６からの好適にはデジタルである出力は中間周波数利得制御増幅器４０へ送られ、増幅器４０はまた、ミクサ３２から帯域通過フィルタ４１を介して主要な信号入力を受信する。次に、増幅器４０からの出力は、領域ゲート・スイッチ９０、高域通過フィルタ４２を通って電力分割器４４に送られる。領域ゲート制御装置２１及び領域ゲート・スイッチ９０は、装置から所望される距離を隔てて存在する反射体（即ち、ターゲットまたはオブジェクト）からの信号のみが処理されるように、時間ゲーティングを供給する。異なる時間に到達する他のオブジェクトからの信号は、無視される。電力分割器４４は、信号を２つの出力に分割する。一方の出力は検出器４６内で振幅を変調されて狭いパルスが生成され、これは、フィルタ４８、ビデオ増幅器５０、ゲート・サンプル／ホールド・ストレッチャ５２を通過し、次にアナログ−デジタル変換器５４においてデジタル化された後にプロセッサ２６へ供給し戻される。電力分割器４４からの第２の出力は、戻り信号の位相シフトを振幅と同時に測定できるように、電力分割器６４を介して位相検出器６５、６６へ供給される。
【００２８】
複雑な周波数−時間領域変換を実行するためには、位相情報が極めて重要であることから、好適には、反射される信号の位相が測定される。位相は相対語であり、これは、送信信号及び局部発振器信号のサンプルを混合してまず基準信号を確立することにより達成される。送信信号のサンプルは送信機１２から方向性結合器１３を介して取り込まれ、局部発振器３０から方向性結合器１１を介して取り込まれる局部発振器信号のサンプルと共にミクサ９へ供給される。ミクサ９の出力はフィルタ８によって帯域通過フィルタをかけられ、次に、同調領域に渡ってその振幅を安定させるべくリミッタ増幅器７により限定される。限定された信号は直交ハイブリッド７２へ供給され、直交ハイブリッド７２は、振幅が同じであるが互いに対して９０゜位相シフトされた２つの信号を出力する。一方の出力は第１の位相検出器６５へ供給され、もう一方の出力は第２の位相検出器６６へ供給される。オフセットされた２つの位相検出器は、３６０度の領域を非曖昧にカバーするために使用される。位相検出器６５、６６の出力はアナログであり、続いてアナログ−デジタル変換器６８及び７０においてデジタル化される。デジタル化された信号はコントローラ２６へ供給され、続いて処理される。
【００２９】
測定の単位「ｄＢｓｍ」は反射放射線を定量化するために使用され、デシベルと称する「ｄＢ」で短縮表示される測定単位を基礎とする。デシベルは、放射された、または反射された２つの出力レベルを比較するために使用される。一例として、ラジオを聴いている人がラジオ局のアンテナ塔に極めて近いところにいれば、その出力レベルは極めて高くなる。この同じ人が同じアンテナ塔から何マイルも遠くに離れていれば、受信される電波の強度は、距離の増大により大幅に下がる。デシベルは、出力レベルのこの割合を単一の数字として定量化するために使用可能である。単に１つの数字が別の数字で割られるだけの常分数とは異なり、デシベルは対数形式の測定値であり、極めて大きい数字の差の比較に使用されることから極めて有益である。放射出力のレベルは、このように多大な領域に渡って変わる可能性があるため、より一般的な線形尺度ではなく対数尺度が使用される。デシベル表示による２つの出力レベルの差は、下記のように計算される。
ｄＢ＝１０ｌｏｇ（ＰX/ＰY）  （１）
ここで、ＰXは第１の出力レベルであり、ＰYは第２の出力レベルである。受信される２つの無線信号がデシベルを使用して比較される場合、より遠い距離を隔てた場所で受信される信号の出力低下は、より近いロケーションにおける出力レベルより所定数のデシベルだけ低いと言われる。
【００３０】
「レーダ断面」またはＲＣＳは、オブジェクトのサイズの測度である。電波が発生され、あるオブジェクトに向けて方向づけられると、送信されるこれらの電波の幾分かはオブジェクトを通過し、これらの電波の別の部分はターゲットに吸収され、送信される電波の第３の部分は送信機へと反射されて戻る。反射される電波部分が多いほど、オブジェクトのレーダ断面は大きくなる。従って、比較的大きいレーダ断面を有するオブジェクトは、より小さいレーダ断面を有するオブジェクトに比較すると相対的に検出が容易である。オブジェクトの測定されるレーダ断面の大きさは、その反射率に大きく依存し、かつオブジェクトの空間的配向に依存する。例えば、海岸線に位置するレーダ局が近海の船舶を探しているものとする。海岸線に平行して航行している船と、陸から遠ざかって航行している同様の船舶とを比較すると、前者の船の舷側に当たるレーダ波は、後者の船のより小さい船尾から反射されるものより遙かに高強度でレーダ局へ跳ね返ってくることから、前者は後者より検出しやすい。従って、レーダ波の進行方向を「横切って」配向されている前者の船は、その船尾がレーダ波にとってより小さいターゲットとなる後者の船より大きいレーダ断面を有する。
【００３１】
本発明が拳銃のようなオブジェクトを検出するために使用される場合、検出は、拳銃が検出器へ比較的大きいレーダ断面を提示するようにして配向されているほうが容易に達成される。例えば、側面が腰に平らに当たるようにして人のベルトのバックルの裏側に差し込まれている銃は、銃身が地上に向いてグリップが前または後に向いた状態で臀部のホルスタに入っている武器よりも大きいレーダ断面を与える。図３は、拳銃を携帯している２名を描いたものである。図の左側は、ベルトの前側または後側の所定位置に銃を保持している人物を示す。図の右側は、横腹で臀部に位置づけられた袋、ポーチまたはホルスタに入れた銃を携帯している別の人物を示す。双方の位置における銃のレーダ断面が類似するものになるためには、本図は検出器に対して回転されなければならず、もしくは検出器とは異なる方向へ向いていなければならない点に留意されたい。
【００３２】
１平方メートルと比較した場合のレーダ断面を測定単位デシベル「ｄＢｓｍ」で表すと、次のようになる。
ＲＣＳ（単位ｄＢｓｍ）＝１０ｌｏｇ（ＡＧ）＝１０ｌｏｇＡ＋１０ｌｏｇＧ  （２）
ここで、Ａは単位平方メートルであるターゲットの面積であり、Ｇは反射時のターゲットの利得である。この式は、この領域が動作波長に対して平らであること、及びこの領域が電波により均一に照射されることを想定している。正方形の領域の一辺が「ａ」メートルであれば、その面積は「ａ2」平方メートルである。動作波長に対して平らである表面の場合は、
Ｇ＝４πａ2／λ2  （３）
になる。ここで、波長λは０．３／ｆメートルであり、ｆは単位ＧＨｚの周波数である。よって、
ＲＣＳ（単位ｄＢｓｍ）＝１０ｌｏｇ（４πａ4ｆ2／０．０９）  （４）
である。
【００３３】
この式は、辺のサイズ「ａ」が二倍になれば、反射は１２ｄＢｓｍ増加すること、または線形出力ユニットでは、断面は１６倍に増えることを示している。周波数が二倍になれば、反射は６ｄＢｓｍ増加したものになるか、線形出力ユニットでは４倍に増える。単位ｄＢｓｍのＲＣＳは、２０ｌｏｇ（ｆ）として増加する点に留意されたい。本明細書では、複雑なエッジ効果を無視している。例えば、６”×６”プレートの１ＧＨｚにおけるレーダ断面は、−１１．３ｄＢｓｍである。係数Ｇ、または利得はｆ2に比例して増大することから、１から１０ＧＨｚへの増大は値を８．７ｄＢｓｍにまで増大させ、その差は２０ｄＢになる。しかしながら、典型的な武器形状はレーダ波長に対して著しく非平坦であり、よって実際には増加の実現性は極めて低い。
【００３４】
表１のデータは、電磁電波により幾つかの周波数帯域で照射された金属製．３５７口径拳銃のレーダ断面である。これらのデータは、検出機器を較正しかつ基準測定値をもたらすために確立された。試験形状は、１ポートＲＣＳ測定、１６平均値、時間領域ゲーティング及び低減したＩＦ帯域幅であった。
【表１】
2008545121.tif 000003
【００３５】
同様に、図４ａは、周波数範囲２６５０−３０００ＭＨｚに及ぶ送信放射線に対する．３５７口径拳銃のレーダ断面（ＲＣＳ）に関するデータを示す。曲線は、横形位置で配向された銃、即ち銃サイズの最も長い部分が送信電波平面を横向きに伸張する銃の場合、ＲＣＳは、この周波数範囲において約−８ｄＢｓｍから−１１ｄＢｓｍまで変動することを示している。図４ｂは、図４ａと同じ周波数帯域における身体からの戻り信号または武器を携帯していない身体のＲＣＳを表す。この帯域における平均レーダ断面は−３ｄＢｓｍであり、もしくは銃戻り信号の平均値−１１ｄＢより約８ｄＢ強い。
【００３６】
図５及び６は、試験室における人の電波反射率の測定値を示す。図５は、人が放射線を照射されると、２．５９から３．９５ＧＨｚの範囲では約６３％の電波エネルギーが身体から反射されて戻ることを示す経験的データを含んでいる。図６は、７．０から１０．６６ＧＨｚの範囲では約３２％が反射されて戻ることを示している。
【００３７】
概して本発明は、好適には、水平偏波された入射ビームが部分的に垂直偏波として反射されて戻るという物理的反射現象を基礎とする。垂直偏波へ変換されるエネルギーの百分率は、入射方向に対して直角な平面におけるオブジェクトの形状に依存する。オブジェクトが垂直成分及び水平成分の双方を有する断面形状を有していれば、オブジェクトが水平偏波によって照射される場合でも、垂直偏波成分が実現される。この垂直偏波成分を本明細書では「クロス偏波」と称し、水平偏波反射を「同一偏波」と称する。これらの用語は、ターゲット及びオブジェクトが垂直偏波の入射ビームで照射されれば逆転する。
【００３８】
先に述べたように、．３５７拳銃と人体との間の後方散乱の差は、平均して約−８ｄＢである。算術的に表現すると、これは、銃と人体との結合された信号は銃のない場合より僅か１．４ｄＢしか増えないことを意味する。身体の変動が約６ｄＢであるとすると、銃の検出が困難である理由を容易に理解することができる。人体の主な骨格は垂直であり、よって、垂直偏波入射の方が断面は高値であることは驚くに当たらない。圧倒的多数の衣服のジッパについても、同じことが言える。
【００３９】
水平偏波入射が使用されれば、身体の断面は約６ｄＢ減少し、今度は垂直偏波のクロス偏波が同量だけ減る。しかしながら、武器のクロス偏波は比較的一定に留まる。これは、１．４ｄＢの差が平均して７．４ｄＢになる可能性があり、これにより、１つの身体から別の身体への変動の効果が低減されることを意味する。従って、ターゲットが人間である場合は、水平偏波を送信して水平偏波及び垂直偏波の双方を受信することが好適である。
【００４０】
図７は、本発明の好適な実施形態の典型的なオペレーションを描いたものである。保護された空間または「Ｓａｆｅ Ｚｏｎｅ（登録商標）」に進入する人物は、この例では水平偏波されている電波で照射される。これらの電波の一部は吸収されるが、幾分かは反射して送信機へ戻る。送信機が銃を持たない人物を照射すると、図７の上側のグラフに示す２つの曲線が得られる。これらの２曲線は、（後述するような）チャープＺ変換を適用した後の時間領域において検出器へ反射されて戻る水平偏波エネルギーの振幅（「α」で示す上側の曲線）及び検出器へ反射されて戻る垂直偏波エネルギーの振幅（「β」で示す下側の曲線）を表す。
【００４１】
図７に示す下側のグラフは、人物が拳銃を携帯していて、それが時間領域において検出器により感知された場合に生成される２曲線を含む。上のグラフの場合と同様に、これらの２曲線は、時間領域において人から反射される水平偏波電波のエネルギー・レベル（「γ」で示す上側の曲線）及び人から反射されて戻る垂直偏波電波のエネルギー・レベル（「δ」で示す下側の曲線）を表す。「デルタＢ」で示される両曲線の最大振幅の差は、一般に、「デルタＡ」で示される上のグラフの差より幾分狭い。概して、人物が銃または実質上の反射する存在を示す他の任意のオブジェクトを持っていれば、オブジェクトから反射して戻る垂直偏波エネルギーの成分は増加する。
【００４２】
図８及び９は、拳銃検出実験の間に生成された２つの波形ペアの時間領域試験機器の測定値をプロットしたものである。図８では、人物は銃を携帯しておらず、２曲線の最大値の差は２９．６ｄＢであった。入射する偏波は水平であり、よって水平の受信偏波は垂直の受信偏波より多い。図９では、同一人物が拳銃を携帯していて、２曲線の最大値の距離は僅か７．９ｄＢになり、銃の存在を示している。
【００４３】
この試験では、受信される２つの偏波間の振幅の差の減少がかなり大幅なものであったが、他のケースではこれが極めて少ないことがあり、よって、この測定値は必ずしも信頼できるものではない。従って、武器の存在について決定を下す際には、追加のパラメータまたは基準を考慮しなければならない。さらに、現実の世界（無響室ではない）では、信号は、地表反射及び周囲環境におけるクラッタによって生じるマルチパス効果に起因して衰える。１つの周波数における相殺は別の周波数において同じ効果を持たないことから、マルチパス効果は、好適には、先に述べたように広範な周波数に及ぶレーダ掃引を有することによって最小限に抑えられる。広範な周波数に渡る掃引は、周波数領域に使用されるスペクトルが広いほど、適切な変換が適用された後の時間領域における時間及び振幅解像度が高まることにおいて、追加の優位点を提供する。
【００４４】
本発明において好適に使用される別の基準は、２つの戻り信号のピークの相対的なタイミングが変わることである。人物が銃または爆弾を持っている場合、大部分が武器によって生成される垂直偏波信号のほとんどの部分は、主として身体から反射される水平の戻りよりも時間的に先行して移動する。このような時間シフトは、武器検出の確率に寄与する別のパラメータである。
【００４５】
さらに、戻ってくる双方の偏波の形状は、人物が武装していれば、反射の一部は武器から戻り、一部は身体から戻ることから、一層拡散する傾向がある。従って、各戻りについてピーク値の曲線下面積に対する割合を測定することは、好適には、オブジェクト検出の確率の決定に寄与する。
【００４６】
最後に、人物が武装している場合は、武器からの反射に起因して同一偏波の戻り（典型的には、水平偏波）の絶対振幅が大きくなる傾向があるが、人のサイズは様々であることから、それ自体は大きな加重パラメータではない。但し、同一偏波の戻りが、極めて体格のよい人にとっての通常の値より遙かに多ければ、このことだけで特定の個人の異常さを示すことになり、おそらくは隠されたオブジェクトが示される。人物が榴散弾を含む爆弾を身につけている場合、このパラメータは非常に重要である。
【００４７】
本発明は、好適には、隠された武器を携帯していない人から反射される信号を表す格納値の基準セットを使用するアルゴリズムを解くことによって実装される。好適には、何名かの人物を使用して測定されかつコンパイルされるこのデータは、図７に示す上のグラフ及び図８に表された情報をもたらす。また、隠された武器を携帯している人から反射される信号を表す格納値の基準セットも使用される。同じく好適には何名かの人物を使用して測定されかつコンパイルされるこのデータは、図７に示す下側のグラフ及び図９に表されている情報をもたらす。本発明のある高度な実装においては、検出器は、「Ｓａｆｅ Ｚｏｎｅ（登録商標）」へ進入する武器を携帯していない多くの人々によって生成される反射信号を順次かつ連続的に学習することにより、その環境へ適応することができる。これは、ニューラル・ネットワークを含む、但しこれに限定されない任意数の学習システムのうちの１つを利用することによって達成可能である。
【００４８】
本発明による銃検出スキームにおける最も困難な問題点の１つは、人体の多様性にある。現在までに示されているデータは全て、振幅入力を、測定された周波数領域から表示される時間領域プロットへの変換のためにだけ使用している。しかしながら、先に論じたように、武器または他のオブジェクトの存在を確実に指示するためには、これでは不十分である。
【００４９】
「オブジェクト検出システム」と題する米国特許第６，３４２，６９６号が開示している隠された武器を検出するための新規方法及び装置は、ターゲット・エリアからの同一偏波及びクロス偏波の戻りの振幅差を使用して武器が存在するかどうかを決定する時間領域方法の利用を含む。オブジェクト検出の感度を上げるためには、好適には、位相情報を変換に組み込むことにより振幅及び位相データの双方に対応することのできる複合チャープＺ変換（ＣＺＴ）を採用するアルゴリズムが使用される。ＣＺＴは、周波数に関する情報を時間に関する情報へ変換するために、即ち、周波数領域から時間領域へ変換するために使用される数式である。ＣＺＴは、ラプラス変換の離散形式であるＺ変換の一般化である。
【００５０】
隠された武器から反射される偏波と、人体から反射される偏波とは行動が全く異なることから、隠された武器を携帯している可能性のある人物から反射される偏波の位相を測定することは重要である。概して、隠された武器からの反射は、一定ではないが比較的限定された範囲内で変化する。これに対して人体からの反射は、体に深度があることから経時的に変化し、反射は体の様々な深度で発生され、よって反射は非平面である。変換された戻りの重心は、体面より下の点に存在する。本発明は、好適にはこの特性を活用し、隠された武器からの比較的集約的な信号と人体からの概して時間／距離的に変化する信号とを区別する信号処理方法を使用する。非平面データを使用する結果、人体からの戻りは低減され、システムの感度及び隠された武器を検出する本発明の能力は向上される。このように、ＣＺＴは、オブジェクトから反射される放射線により発生される第１の信号を人体等のターゲットから反射される放射線により発生される第２の信号から分離する手助けをする。
【００５１】
複合変換は、各周波数成分の相対位相シフトの知識を必要とし、よって、ＣＺＴを使用するためには、測定期間中に振幅及び位相情報の双方が収集されなければならない。従って、計装には位相検出器が導入されている。図２を参照されたい。位相検出器は、実際には２つのセクションで構築され、その各々に互いから９０゜オフセットされる同一の信号が供給される。このような直交検出器は、単一セクションのユニットは円の異なる四分円で値を繰り返すことから、位相検出器における不確定性を排除するために必要とされる。所定の時刻には１つの周波数しか存在しないことから、送信機信号に対する位相を測定することは好適であった。好適にはクロス偏波の戻り信号の位相測定は、好適にはＩＦ信号において実行される。代替法として、位相測定は、重大な差もなく無線周波数（ＲＦ）信号において実行することもできるが、ＲＦにおいて正確な測定値を得ることはより困難であり、かつ高価である。何れの方法においても、送信機信号に対する戻り信号の位相測定には位相弁別器が使用される。しかしながら、ＩＦにおいてコヒーレンスを維持することに関しては懸念が存在する。
【００５２】
このようなコヒーレンスは、好適には、戻り信号の正確なＩＦにおける基準を提供する追加のチャネルを使用することによって維持されてもよい。これは、好適には、送信及び局部発振器の双方をサンプリングしかつこれらをミキシングして位相検出器基準を生成することにより達成される。戻りの受信遅延はターゲットとの密な近接性に起因してナノ秒単位でしかないことから、雑音は最小限に抑えられる。好適には、単一の位相検出チャネルが使用され、同一偏波及びクロス偏波チャネルの分離位相測定が可能であるように時分割される。安定した基準を生成する代替方法は、ＩＦで動作する安定した発振器を使用し、ＩＦ基準を使用する局部発振器と送信発振器とを同期させるというものである。
【００５３】
図１０は、クロス偏波のサンプル振幅及び人体からの位相応答の概要を描いたものである。この情報は、複合チャープＺ変換を使用して処理される。図１０における波形は、次のように定義することができる。
Ｓ（ｆ）＝Ａfil(f)×Ａ(f)ｅ(2πft+δ(f))
ここで、
Ａfil(f)＝周波数領域における帯域通過フィルタの振幅応答、
Ａ(f)＝周波数領域におけるクロス偏波の戻りの振幅応答、
ｆ＝単位ギガヘルツの周波数、
ｔ＝単位ナノ秒の時間、
Ｐ(t)＝δ（ｆ）＝周波数領域におけるクロス偏波の戻りの位相応答、
である。特定の周波数帯域は、複数のセグメントまたはビンに割られる。ビンの数「Ｎ」は、ゼロから無限に近い数までの任意の実用的な値であってもよい。
【００５４】
レーダ信号から取得されるデータは、各周波数における反射信号の大きさ及び位相から成る。値が有益であるためには、これらの値は大きさと時間との関係を表す値に変換されなければならない。下記は、レーダ・パラメータの定義である。
Ｎ＝測定を行う周波数サンプルの数、
Ｆ＿ｓｔｅｐ＝サンプル間の周波数ステップのサイズ、
Ｆ＿ｓｐａｎ＝合計周波数スパン（Ｎ×Ｆ＿ｓｔｅｐ）。
【００５５】
周波数信号を時間に変換する一般的な方法は、逆離散型フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を使用するものである。ＩＤＦＴは、Ｎ個の周波数サンプルをＮ個の時間サンプルに変換する。結果的に生じる時間サンプルは、時間０から時間＝１／Ｆ＿ｓｔｅｐまで１／Ｆ＿ｓｐａｎの分解能で等間隔に置かれる。ＩＤＦＴは、下記のように定義される。
【数１】
2008545121.tif 000004
ここで、Ｘ（ｋ）はＮ個の周波数サンプル（複合）であり、ｘ（ｎ）はＮ個の時間サンプルである。例えば、Ｎ＝１２８、Ｆ＿ｓｔｅｐ＝７．８１２５ＭＨｚであれば、ＩＤＦＴは各々が０から１２８ナノ秒まで１ナノ秒で離隔された１２８個の時間サンプルを与える。しかしながら、この方法は、２つの理由で不十分であることが分かっている。第１に、関心の対象は０から１２８ナノ秒までの全ての時間ではなく、ターゲット及びオブジェクトからの反射が存在する極く短い（１０ナノ秒までの）時間スライスでしかない。第２に、１ナノ秒という時間分解能は粗すぎて本発明にとって好適である正確な時間測定を行うことができない。
【００５６】
これらの２つの不十分さは、周波数から時間への変換を行うチャープＺ変換の使用によって解決される。チャープＺはＩＤＦＴと同じ原理で動作するが、特定の領域にズームインできる能力を有する。前方向（時間から周波数へ）のチャープＺ変換は、次式で与えられる。
【数２】
2008545121.tif 000005
ここで、
Ａ＝Ａ0ｅj2πθ・
ｋ＝０，１，．．．，Ｍ−１
であり、
Ａ0は、チャープＺの初期半径を決定し、
Ｗ0は、チャープＺ変換の「ねじれ係数」を決定し、
θ0は、開始位置を区間全体の一部として決定し、
φ0は、ステップ・サイズを区間全体の一部として決定し、
Ｎは、入力（時間）値の数であり、
Ｍは、出力（周波数）値の数である。
変換の区間及び分解能は、上述の方程式を使用しかつＡ0、Ｗ0、θ0、φ0、Ｎ及びＭの適切な値を選ぶことによって選択が可能である。本発明の場合、Ａ0及びＷ0は、好適には１に設定される。
【００５７】
上述の方程式は、前方向（時間から周波数へ）のチャープＺ変換に関するものである。逆チャープＺ変換は、周波数データの複素共役変換の複素共役をとることによって計算される。例えば、Ｎ＝１２８及びＭ＝６４で時間３０ナノ秒から４０ナノ秒までの値を計算するためには、
θ0＝３０／１２８（開始時間／合計時間）、及び、
φ0＝（１０／１２８）／６４（時間掃引／合計時間／出力サンプル数）、
を設定する。
【００５８】
ＣＷＤシステムのデータ処理は、好適には下記のステップを含む。
１．周波数規模及び位相の値を取得する。
２．該値にハミング窓を適用する。
３．該規模及び位相の値を実数値及び虚数値に変換する。
４．該複素値を共役させる。
５．チャープＺ変換を実行する。
６．結果を共役させる。
７．結果を実／虚数値から規模の値に変換する。
【００５９】
チャープＺ変換は、さらに、引例：Ｌ．Ｒａｂｉｎｅｒ外著「チャープＺ変換アルゴリズムとそのアプリケーション」ＭＩＴリンカーン・ラボラトリ、Ｂｅｌｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｊｏｕｒｎａｌ、１９６９年５−６月、Ｄｅａｎ Ａ．Ｆｒｉｃｋｅｙ著「シュミレートされたレーダ信号の時間領域解析のための逆チャープＺ変換の使用」アイダホ国立エンジニアリング・ラボラトリ、Ｌ．Ｂｌｕｅｓｔｅｉｎ著「離散型フーリエ変換計算のための線形フィルタリング手法」ＧＴ＆Ｅ、音響及び電子音響に関するＩＥＥＥ論文集、１９７０年１２月、及びＦｒｅｄｅｒｉｃ ｄｅＣｏｕｌｏｎ著「信号理論と処理」、に詳述されている。これらの引例は全て、本参照により開示に含まれる。
【００６０】
チャープＺ変換が高速フーリエ変換を凌ぐ優位点は、極めて正確な時間シフト・データを数十ピコ秒の分解能で入手できることにある。これは、同一偏波の戻りに対するクロス偏波の戻りの生成の空間的位置に関する情報を１インチ未満の分解能で提供する。次にこれは、人の体内で、または体の前の、そうでなければ体表上のオブジェクトによりクロス偏波が生成されたかどうかに関する情報を提供する。後述するニューラル・ネットワークは、好適にはこの情報を意志決定プロセスの一部として利用する。
【００６１】
極性の異なる２つのレーダ戻り信号をターゲットから分離するために、本発明の好適な一実施形態は、２つの別々のアンテナを使用する、一方は同一極、もう一方はクロス極のための二重フィードを有するアンテナを採用する。第１のアンテナは、好適には水平偏波を送信しかつ同じ極性（同一極性）で受信する。第２のアンテナは、好適には反対極性（クロス極性）での受信のみを行い、送信はしない。通常、このようなレーダは、２つの受信チャネルを使用して受信される２信号を分離したままにする。或いは、本装置は信号を多重化し、マイクロ波スイッチを使用して受信チャネルをこれらのアンテナの各々へ交互に接続してもよく、これにより第２の受信機のコストが節約される。この節約は、かなりのものである。またこの手法は、各極性毎に別個のフィードを使用するアンテナ設計に適用されてもよい。
【００６２】
時分割多重化は、好適には、各入力が各アンテナにより供給される受信機への入力にＳＰ２Ｔスイッチを追加することによって達成される。送信される信号は、好適には、単一のパルスではなく、約１マイクロ秒等の周期によって分離されるパルスのバーストである。このグループ内の各パルスからの戻りは平均され、説明のつかない時折の奇妙な読取り値が打ち消される。このアプリケーションでは、好適には３から５パルスより成るグループで十分である。
【００６３】
人体の移動に要する時間に対する測定速度に起因して、読取り値は、１セットが好適には１ミリ秒である任意の時間に満たない時間で完了される限り、様々な順序で取られてもよい。これは、システムが最も単純な形式で設計されることを可能にし、同一偏波及びクロス偏波測定が各周波数で実行されるかどうか、または、全ての同一偏波測定がまず１つの周波数掃引で実行され、次にクロス偏波測定が交互的な周波数掃引で実行されるかどうかは問題にならない。後者の方法は、極性スイッチを使用して同一偏波の戻り、次にクロス偏波の戻りを選択し、一方の受信機のみを使用して双方を測定することを可能にする。そうすると、切換時間が５０から１００ナノ秒である比較的遅いスイッチが使用されてもよい。測定掃引が妥当な時間で完了することを可能にする反復速度は、好適にはほぼ１０ＫＨｚである。
【００６４】
好適には、収集される様々なタイプのデータに重み関数が付加される。時間領域へ変換された後のゼロ時間におけるクロス極性の大きさと、時間領域へ変換された後のゼロ時間における同一極性信号の大きさとの差の他にも、同じく貴重なデータ・ピースが存在する。例えば、大きい人物は小さい人物より約３ｄＢ大きい戻りを生成するとしても、同一極性及びクロス極性の戻りの大きさ及び位相の双方の値は、人物上の金属（または他のレーダ反射物質）の量に関する幾分かの示度となる。例えば、爆弾を持っている人物は、大きい人より遙かに多くの戻りを生成する可能性がある。さらには、任意選択として、各読取り値に関して、約３００ミリ秒の間に複数の周波数掃引が行われ、好適には平均値が計算される。安全な対象物（種類を問わず武器ではない）では、典型的には５つの値に大幅な変動（多大な一般的偏向）があるが、武器を持っている人物は、典型的には遙かに密なパターンを生成する。前者の状況は、５ｄＢ以上の拡散を有する可能性があるが、後者は、典型的には３ｄＢ未満の拡散を示す。従って、この標準的偏向には価値がある可能性がある。
【００６５】
本発明は、好適には、幾つかのこのようなパラメータへポイントを割り当てる。但し、他のパラメータが使用されてもよい。第１の好適なパラメータは、同一極性の戻りの大きさである。これは、それ自体は弱い弁別子であるが、他の測定値の基準として働く。ポイントがこのパラメータへ割り当てられるのは、その値が極端に大きく、当該対象物に関連して甚だしい異常性が示される場合に限られる。例えば、同一極性の大きさが−４７ｄＢｍより大きければ３ポイントが割り当てられてもよく、−５０ｄＢｍより大きければ２ポイントが割り当てられてもよく、−５５ｄＢｍより大きければ１ポイントが割り当てられてもよい。単位ｄＢｍは、１ミリワットに対する電力の絶対測度である。第２の好適なパラメータは、複合クロス極性の戻りの大きさである。例えば、Ｘ−ｐｏｌの大きさが−６０ｄＢｍより大きければ２ポイントが割り当てられてもよく、−６２ｄＢｍより大きければ１ポイントが割り当てられてもよい。第３の好適なパラメータは、結果的に生じる同一極性の戻りと複合クロス極性の戻りの大きさの差である。例えば、この差が５ｄＢ未満であれば４ポイントが割り当てられてもよく、この差が８ｄＢ未満であれば２ポイントが割り当てられてもよく、この差が１０ｄＢ未満であれば１ポイントが割り当てられてもよい。第４の好適なパラメータは、クロス偏波信号と同一偏波信号との間の時間シフトである。第５の好適なパラメータは、クロス偏波波形の形状であり、変換される信号の時間拡散が大きいほど、その戻りが当該対象物上に幾つかの重大な反射体が存在する結果である確率は高い。これらのパラメータの測定値は各々、好適には、経験的に決定されたしきい値との関連に依存してポイント数を割り当てられる。
【００６６】
次に、好適なパラメータの各々のポイントは、好適には加算され、合計が任意に、または統計学的に決定された上限値を超えれば、その人物は武器または他のオブジェクトを持っていることが断言され、合計が下限値と上限値との間であれば、好適には警告（即ち、再検査）が伝えられ、合計が下限値より少なければ、好適には当該人物は安全であることが断言される。好適には、「警告」が二度連続すれば、武器またはオブジェクトが決定されることになる。
【００６７】
好適には、ターゲットの好適には３つの連続する「スナップショット」の現行合計が実行される。スナップショットは、好適には約１／４秒のインクリメントで撮られる。１セットの「スナップショット」は、好適には３秒未満に完了され、人物がレンジゲートを通って移動するにつれて僅かに異なる位置で撮られる。武器は、１つの位置では見当たらず、別の位置で検出されることがあり、こうすることには大いに意味がある。或いはターゲットは、任意選択として、例えば１２０度である所定の量だけ回転するように求められる場合があり、各位置で読取りが行われる。もしくは、２つ以上の装置が異なる位置に置かれ、好適には、ターゲットを異なる方向から同時に照射してもよい。３つのスナップショットのうちの何れかが武器の存在を決定すると、好適には、武器が存在していることが断言される。しかしながら、連続する３つのスナップショットのポイントが合計されると、断言の精度は大幅に上がることが発見されている。任意選択として、武器の断言は、スナップショットの各々が連続する３つのスナップショットの最低ポイント数を有する、という基準に従って決定されてもよい。
【００６８】
上述のプロセスは、パターン認識システムの手動の実装を叙述するものである。各パラメータへ割り当てられるポイント及びこれらのパラメータの値に伴うそのポイントの変動は、人間の主観的決定の結果として定められる。パラメータ値の加重（ポイントの割り当て）のより正確な決定方法を達成する次のステップは、好適には人工ニューラル・ネットワーク処理である人工知能技術またはパターン認識技術を使用するものである。本発明は、「パターン認識ワークベンチ」（ＰＲＷ）と題するソフトウェアを使用しているが、これに類似する任意のソフトウェアが適用されてもよい。プログラムは、データ及び正解を入力することによってトレーニングされ、次にプログラムはデータを評価し、精度を最大限に高める各パラメータの最適加重を決定する。ターゲット（例えば、人々）の小さいサンプルでは、データ・セットは１００％正しいものであることが可能である。出力はコンピュータ・コードであり、実際の処理を実行するコンピュータに格納される。内部コンピュータは、次に「ハンドオフ」モードで動作し、任意の新しいデータに関する決定を蓄積させる。この時点での適用により、結果は驚くべきものとなり、予測精度は手動で選択される加重の場合の約８０％から人工知能が選択する加重の場合の９８％を上回るものにまで向上している。これは、ニューラル・ネットワークはエラーが存在する場合を学習する、例えば、様々なサイズ及び形状であるより多くの人々が検査され、何名かは既存のパターンに適合しない場合を学習するためである。
【００６９】
本発明の好適な一実施形態のオペレーションを記述するフローチャートを、図１１に示す。
【００７０】
システムは、好適には、「武器あり／武器なし」または「オブジェクトあり／オブジェクトなし」の決定を出力するようにセットアップされる。システムは、任意選択として、オペレータに決定の確実性の尺度であるスコアまたはランキングを提供してもよい。これにより、オペレータは、（例えば、対象物の外観を考慮して）その状況に対する自らの判断を下すことができる。この目的に沿って、本発明のシステムは、好適にはビデオカメラ及びレーザを備える。ビデオカメラは、オペレータが遠隔の安全なエリアに位置し、調査の対象物を観察することを可能にする。さらに、好適には、対象物のスコア及びニューラル・ネットの決定がビデオ画像上のオーバーレイとして示される。さらに、このユニットは好適には、オペレータがユニットの作動を開始しかつ停止できるように、コンピュータ・キーボードまたはこれに類似するデバイスの収容能力を有する。オペレータは、好適にはキーボードを介してシステムの感度を変更し、かつ対象物が向きを変える必要があるような状況では正面または背面検出を選択してもよい。
【００７１】
レーザは、好適には、システムの設置及びセットアップの間にユニットを照準することを支援するために使用される。またレーザは、好適には、システムが正しい向きにあることをオペレータが確実にしかつ調査の対象が誰であるかをチェックできるように、キーボードを介して動作される。好適には、レーザ・スポットはビデオ画面に示される。
【００７２】
また本システムは、好適には、第２のＴＶ画面を使用して対象物をプロンプトできるように第２のビデオ出力を含む。システムのレンジゲート内に対象物が検出されると、対象物に対する指示がプロンプタの画面に現れる。対象物が静止状態であれば、該指示は単に「試験エリアへ進入」またはこれに等しいメッセージであってもよい。対象物が進入すると、画面はその人物に、例えば腕を真っ直ぐに伸ばすように指示し、検査が完了すれば対象物に知らせる。この画面は、好適には検査結果を示さず、結果は遠隔のオペレータの画面だけに表示される。
【００７３】
また本システムは、好適には、警報装置またはドアロック等の任意のデバイスをトリガするために使用できる単純な接触封鎖出力も含む。例えば、赤及び緑のライト及び可聴ビープ音を有する超小型インジケータ・ボックスがトリガされてもよい。このタイプのボックスは、単純な決定出力としても機能することが可能である。しかしながら、オペレータにとってはビデオ出力の方が遙かに情報量が多く、キーボード操作のフィードバックも提供される。
【００７４】
隠された武器の検出に加えて、本発明は、代替的に、明確な形状の商品、工業製品または仕掛品もしくは在庫管理及び／または万引き防止システムとして商品または他のアイテムに付着される安価なタグを含む、但しこれらに限定されない任意のタイプまたは数のオブジェクトを検出かつ／または位置づけるために使用されてもよい。本発明は、任意選択として、例えば自動ドアの開閉またはロック機器を備えるものである自動ドア制御システムに組み込まれてもよい。また本システムは、爆弾または爆発物の検出デバイスとして使用されてもよい。他のオブジェクトの検出は、どの周波数帯域が問題のオブジェクトにとって最大の情報を生み出しかつ人工ニューラル・ネットをトレーニングするに足るデータを蓄積するかを決定するという問題になる。
【００７５】
連続波のオペレーション
本発明の好適な一実施形態は、パルス・レーダではなく連続波またはＣＷレーダを使用する。ＣＷのオペレーションには、幾つかの優位点がある。回路の複雑さは低減され、製造は、短距離レーダに必要な狭パルスを生成するに足る速さのパルス・システム成分と共に使用されなければならないことから安価である。さらに、位相測定の精度は著しく増大し、チャープＺ変換の結果として生じる時間領域出力波形はより均一で安定しかつ正確である。
【００７６】
図１２は、本発明の好適なＣＷ実施形態を実装するための回路の略ブロック図を示す非限定的な例である。低出力無線送信機１１２は、方向性結合器１１３を介してスイッチ１２０及び送信機出力増幅器１１８へ結合され、送信機出力増幅器１１８は帯域通過フィルタ１１６を介して送信機アンテナ１８１へ接続される。ＣＷオペレーションでは、信号の送受信が好適には同時に実行されるため、好適には各機能毎に別のアンテナが使用される。レンジ・ゲーティングは、好適には後述するようにソフトウェア処理を介して数学的に実行されることから、送／受信スイッチまたはレンジ・ゲート・スイッチはもはや必要ない。直交極性でエネルギーを検出する同一偏波アンテナ１８０及びクロス偏波アンテナ１８２は、ターゲットから反射されて戻るエネルギーを集める。或いは、任意選択として、単一の二重偏波アンテナが使用されてもよい。受信経路における極性選択スイッチ１２４は、水平または垂直偏波アンテナもしくはポートの何れかを選択し、任意の所定時間にどちらの信号が受信機へ供給されるかを決定する。入力される信号は、次に帯域通過フィルタ１３６及び受信低雑音増幅器１３４を介してミクサ１３２へ供給される。また、フェーズロック局部発振器１３０からの出力も、第２の方向性結合器１１１を介してミクサ１３２へ供給される。
【００７７】
中間周波数利得制御増幅器１４０は、帯域通過フィルタ１４１を介してミクサ１３２から主要な信号入力を受信する。次に、増幅器１４０からの出力は電力分割器１４４へ送られ、電力分割器１４４は信号を２つの出力に分割する。一方の出力は検出器１４６内で振幅変調され、アナログ−デジタル変換器１６８内でデジタル化された後にプロセッサ１２６へ供給し戻される。電力分割器１４４からの第２の出力は位相検出器１６５へ供給され、戻り信号の位相シフトが測定される。送信機１１２からは方向性結合器１１３を介して送信信号サンプルの基準位相が引き出され、局部発振器１３０から方向性結合器１１１を介して引き出される局部発振器信号のサンプルと共にミクサ１０９へ供給される。ミクサ９の出力は増幅器１０７へ供給され、次いで位相検出器１６５へ供給される。位相検出器１６５の出力はアナログであり、続いてアナログ−デジタル変換器１６８内でデジタル化される。デジタル化された信号はコントローラ１２６へ供給され、後続処理が行われる。
【００７８】
本発明のスペクトル拡散レーダは、好適には、第１の周波数が予め決められた時間間隔のためのオペレーション用に選択され、次に好適にはその周波数における反射信号の大きさ及び位相が測定されるように動作される。このプロセスは、他の周波数に関しても、所望される周波数範囲全体がカバーされるまで反復される。これにより、周波数領域波形が発生される。好適には、ハミング・フィルタを使用して、その波形の所望される部分が選択される。好適には、ハミング窓が予め決められた係数でデータのスケーリングを行い、限定数の周波数サンプルから生じるリンギングを低減させる。結果的に得られる周波数領域パターンは、好適にはチャープＺ変換によって処理され、レンジゲートされた時間領域信号が生成される。即ち、出力信号は、指定された時間範囲をスパンする。時間範囲はターゲットまでの距離の特定範囲に相関することから、本システムは、戻り信号のターゲットから反射される、即ち装置から所望される距離において反射される部分のみを、あたかも物理的なレンジ・ゲート・スイッチが使用されたかのように選択する能力を提供する。異なる時間に到達する他のオブジェクトからの信号は、好適には無視される。従って、数学的なレンジ・ゲーティングの使用により、オペレータはユニットのインストール時に距離を設定しやすく、かつ例えば、ユニットが後日移動されても、所望される距離に変更しやすい。ハミング・フィルタリングの前の対数値からスカラ値への変換及びチャープＺ変換後に対数値へ戻す変換は、任意選択として実行されてもよい。次に、好適には、ニューラル・ネットワークまたは他の回路による信号処理が、概して上述の通りに進行する。
【００７９】
多重ユニットのオペレーション
オブジェクトの検出ケイパビリティを向上させるために、本発明の２つ以上の検出器は同一のターゲットに対してほぼ同時に、または極めて短い時間フレーム内（例えば、ミリ秒単位）で連続して使用されてもよい。例えば、複数のユニットはターゲットを囲んで異なる視点を提供するように異なる位置に設置されてもよく、よって、１つの検出器からは反対側になるターゲットの側面に隠されている武器または他のオブジェクトは異なる検出器に暴露される。例えば、複数のユニットは同じ高さに配置されても、異なる高さであって対象物を異なる方位角から見るように配置されてもよい。このような複数の検出器は、互いに独立して決定を下してもよい。
【００８０】
さらに、検出精度は、互いに様々なデータを共有する２つ以上のユニットの使用により大幅に向上する可能性がある。ある実施形態では、各ユニットは信号の送受信に関連して独立的に動作し、次にはこれらのユニットが（例えば）その格納している同一偏波信号の振幅の各々を共有する。別の実施形態では、１つまたは複数のユニットは、自らの送信から得られる、かつ他のユニットからの送信によって得られる同一偏波信号の振幅データを収集する。次には、同一偏波の平均値を決定することができ、これを他の読取り値に対するより正確な基準を与えるために使用することができる。次に各ユニットは、クロス偏波の振幅を、その固有の同一偏波読取り値だけでなく全ての同一偏波読取り値の平均値とも比較することができる。クロス偏波信号を平均すること、及び他のパラメータの使用、もまた有益であることが発見されている。ある非限定的な例では、２つのユニットを使用して隠された武器を検出する場合に有益であることが典型的に発見されているパラメータの数は１６であり、単一ユニットの場合の典型的な僅か６という数とは対照的である。これらのパラメータの各々は、好適には肯定的傾向を示し、各々の精度が５０％を超えるものである限り、これだけ多くのパラメータの結果を結合することによってシステムの精度及び決定のロバスト性は著しく高まる。パラメータとして考えられる別の例には、反射間の僅かな時間差の測定に対する同一偏波基準の精度を高めるポーリングが含まれる。
【００８１】
複数のユニットが使用される場合は、任意の所定時間に送信するユニットは１つだけであるべきである。従って、各ユニットのＣＷオペレーションは、好適には中断される。これは、各ユニットがオンである時間期間は、信号がレーダからターゲットへ送信されて戻ってくる時間に比べるとかなり長く、測定回路の時定数に比べてもかなり長いことから、レーダのパルシングとは異なる。システムは、好適にはほぼ２７マイクロ秒毎に周波数を変更し、よって、システム内で（例えば、ターゲットを全方位角で同時に見ることができるように）３つのユニットが使用されれば、各ユニットは、各周波数で読取り値をとるために約６または７マイクロ秒を有する。この時間は、十分に長い期間である。このインタレーシングにより、３つのユニットからの読取り値を、他のシステムが１つのユニットからの読取り値を取得するために必要とする同じ時間量で取得することができる。
【００８２】
ソフトウェアは、好適には、使いやすいグラフィカル・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）を備える。設置者は、好適には容易に、システム内のユニット数を選択し、全てのユニットが連通していることをチェックしかつ時間領域プロットを実際に見ることができる。これは、オペレータが、システムのオペレーションを妨害する可能性もある床内の鉄筋または壁内の金属スタッド等の何らかの隠れたクラッタが存在するかどうかを決定する手助けになり得る。ＧＵＩもまた、好適には、オペレータがシステムの感度を設定するために決定限界値を選択することを可能にする。
【００８３】
例１
検出用に試験したターゲットは、．２２口径拳銃、グロック９ｍｍセミオート拳銃、ウジのアサルト・ライフル及び散榴弾弾子として釘を備えるもの、散榴弾弾子としてスリングショット弾を備えるもの及び散榴弾弾子なしの爆発物シミュレーション・パケットを備えるものを含む様々なテロリスト型爆弾を含む様々な武器である。表２は、本発明に従って、９．５から１０．７ＧＨｚの周波数帯域を使用して水平偏波により照射された様々な武器の検出に関するサンプル試験データを示す。データは、正面の視点からのみ得たものである。このデータは、体重約１００ポンドから２２０ポンド、身長約５フィートから６フィート２インチまでの異なる１２名から取得された。表が示すように、システムは安全であった１１６件のうち１１５件を正解し、武器が存在する２８３件のうち、誤検出は僅かに１件、検出漏れはゼロ件であった（ＮＡは、該当なしを意味する）。
【００８４】
【表２】
2008545121.tif 000006
【００８５】
以上、本発明をその特定の好適な実施形態及び代替実施形態を参照して詳述してきたが、他の実施形態も同じ結果を達成することができる。本発明の関連分野において一般的な技量を有する者は、添付の請求項の精神及び範囲を逸脱することなく、様々な修正及び強化が実行され得ることを認識するであろう。当業者には、本発明の変形及び修正が明らかとなるはずであり、このような修正及び同等物は全て本発明に包含されるべきものである。これまでに開示した回路成分は、読者に特定の好適な実施形態及び代替実施形態について学習させるためのものであり、本発明の境界または請求項の範囲を拘束するためのものではない。これらの好適な実施形態は、特に特有のハードウェア構成または周波数帯域に注目して説明されているが、本発明は、様々な回路成分または周波数範囲を使用して実装されてもよい。信号処理に関しては、特にチャープＺ変換に注目して特有の方法及び装置が記述されているが、本発明の代替実施形態は様々な他の数学的方法を使用して実装されてもよい。引用されている全ての特許及び公報の開示内容は、本参照により全て開示に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１ａ】単純な波を示す。
【図１ｂ】垂直に偏向されている単純な波を示す。
【図１ｃ】水平に偏向されている単純な波を示す。
【図２】送信／検出回路の一実施形態を示すブロック図である。
【図３】身体の異なるロケーションに銃を携帯している人物を描いている。
【図４ａ】反射されたエネルギーをプロットして拳銃のレーダ断面をｄＢｓｍと周波数の関係で示すグラフである。
【図４ｂ】反射されたエネルギーをプロットして人体のレーダ断面をｄＢｓｍと周波数の関係で示すグラフである。
【図５】２．５９から３．９５ＧＨｚ及び７．０から１０．６６の周波数帯域の電波で照射された場合の人体の反射率に関する情報を供給するグラフである。
【図６】２．５９から３．９５ＧＨｚ及び７．０から１０．６６の周波数帯域の電波で照射された場合の人体の反射率に関する情報を供給するグラフである。
【図７】本発明による方法の好適な一実施形態の描画である。図面右側の２つのグラフは、異なる偏波を有する反射された電波に対応する２つの波形セットの振幅の時間領域差を比較することにより、武器等のオブジェクトを検出できることを示す。上下双方のグラフにおいて、２つの波形は、反射されて検出器に戻る垂直及び水平に偏向された電波を示す。
【図８】拳銃検出実験の間に発生した２つの時間領域波形ペアの実際の試験機器によるプロットである。図８では、人物は銃を携帯していなかった。図９では、同じ人物が拳銃を持っていて、２曲線の極大間距離が遙かに近くなっている。
【図９】拳銃検出実験の間に発生した２つの時間領域波形ペアの実際の試験機器によるプロットである。図８では、人物は銃を携帯していなかった。図９では、同じ人物が拳銃を持っていて、２曲線の極大間距離が遙かに近くなっている。
【図１０】本発明の好適な一実施形態が採用する複合チャープＺ変換に使用される位相及び振幅応答を示す概要図である。
【図１１】本発明の好適な一実施形態のオペレーション・システムのフロー図を示す。
【図１２】本発明の中断されたＣＷ実施形態の回路図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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