(57)【要約】【課題】  離れた領域内の、禁制品等の対象物を識別するのに十分な解像度で離れたところのマイクロ波撮像を実行することが可能なマイクロ波撮像システム及びマイクロ波による撮像方法を提供。【解決手段】  複数のアンテナ素子を含むアンテナアレイが、離れた領域を含む容積部分内のターゲットにマイクロ波照射が向かうようにそれぞれの方向係数がプログラム可能にされ、ターゲットから反射された反射マイクロ波照射を受信するようにそれぞれの方向係数が更にプログラム可能にされている。プロセッサは、反射マイクロ波照射の強度を測定し、容積部分のマイクロ波画像内のボクセルの値を求める。そして、離れた領域内の対象物を識別するのに十分な解像度でマイクロ波画像を作成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
離れたところをマイクロ波により撮像を実行するマイクロ波撮像システムであって、
離れた領域を含む容積部分（１６０）内のターゲット（１５５）にマイクロ波照射が向かうようにそれぞれの方向係数がプログラム可能にされ、前記ターゲット（１５５）から反射された反射マイクロ波照射を受信するようにそれぞれの方向係数が更にプログラム可能にされた複数のアンテナ素子（８０）を有するアンテナアレイ（５０）と、
前記反射マイクロ波照射の強度を測定し、前記容積部分（１６０）のマイクロ波画像内のボクセルの値を求め、前記離れた領域内の対象物（１５０）を識別するのに十分な解像度で前記マイクロ波画像を作成するように動作可能なプロセッサ（１００）と
を具備するマイクロ波撮像システム。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ波撮像システムであって、
前記プロセッサ（１００）は、前記容積部分（１６０）内の複数のターゲット（１５５）を走査し、これら複数のターゲット（１５５）のそれぞれからの反射マイクロ波照射の強度を測定することによって、前記容積部分の前記マイクロ波画像を作成するように動作可能であるマイクロ波撮像システム。
【請求項３】
請求項１に記載のマイクロ波撮像システムであって、
前記プロセッサ（１００）に動作可能に結合して前記容積部分（１６０）の前記マイクロ波画像を表示し、所定のフレームレートで連続したマイクロ波画像を表示するように動作可能なディスプレイを更に具備するマイクロ波撮像システム。
【請求項４】
請求項１に記載のマイクロ波撮像システムであって、
前記解像度を生成するのに必要な周波数で動作するマイクロ波撮像システム。
【請求項５】
請求項１に記載のマイクロ波撮像システムであって、
前記複数のアンテナ素子は、
前記ターゲット（１５５）に前記マイクロ波照射の送信ビーム（５３０）が向かう送信ビームパターンとなるように配列されたアンテナ素子（８０）の第１のアレイ（５１０）と、
前記ターゲット（１５５）からのマイクロ波照射の受信ビーム（５４０）を受信する、前記送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンとなるように配列されたアンテナ素子（８０）の第２のアレイ（５２０）とを有し、
前記ボクセルは、前記送信ビーム（５３０）と前記受信ビーム（５４０）の交差部（５５０）において形成されるマイクロ波撮像システム。
【請求項６】
請求項１に記載のマイクロ波撮像システムであって、
前記容積部分（１６０）内の対象物（１５０）の光学画像を取り込み、この光学画像を表す光学画像データを生成し、この光学画像データから光学画像情報（１７５）を抽出するように構成された光学撮像システム（８００）を更に備え、
前記プロセッサ（１００）は、前記光学画像情報（１７５）を使用して、前記対象物（１５０）に関連する前記容積部分（１６０）内の対象領域（１６５）を識別し、前記アレイ（５０）を制御して、前記対象領域（１６５）内のターゲット（１５５）のみを照射し、前記対象領域（１６５）のみに関する前記マイクロ波画像を生成するように動作可能であるマイクロ波撮像システム。
【請求項７】
請求項１に記載のマイクロ波撮像システムであって、
前記離れた領域内の前記マイクロ波画像の前記解像度は、前記離れた領域よりも前記アレイ（５０）に近い距離の領域における前記マイクロ波画像の付加的な解像度より粗いマイクロ波撮像システム。
【請求項８】
マイクロ波により離れて撮像を実行する方法であって、
複数のアンテナ素子を有するアンテナアレイを設け（１１０５）、
前記アンテナ素子のそれぞれに方向係数をプログラムし（１１２０）、離れた領域を含む容積部分内のターゲットにマイクロ波照射を向かわせ（１１２５）、
前記ターゲットから反射された反射マイクロ波照射を受信し（１１３０）、
前記反射マイクロ波照射の強度を測定し（１１３５）、前記容積部分のマイクロ波画像内のボクセルの値を求め、
前記離れた領域内の対象物を識別するのに十分な解像度で前記マイクロ波画像を作成する（１１４５）
マイクロ波による撮像方法。
【請求項９】
請求項８に記載のマイクロ波による撮像方法であって、
前記複数のアンテナ素子を設けること（１１０５）は、
前記ターゲットに前記マイクロ波照射の送信ビームが向かう送信ビームパターンとなるように配列されたアンテナ素子の第１のアレイを設け、
前記ターゲットからのマイクロ波照射の受信ビームを受信する、前記送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンとなるように配列されたアンテナ素子の第２のアレイを設け、
前記ボクセルは、前記送信ビームと前記受信ビームとの交差部において形成される
マイクロ波による撮像方法。
【請求項１０】
請求項８に記載のマイクロ波による撮像方法であって、
前記容積部分内の対象物の光学画像を取り込み、
前記光学画像を表す光学画像データを生成し、
前記光学画像データから光学画像情報を抽出し、
前記光学画像データを使用して前記対象物に関連する前記容積部分内の対象領域を識別し（１２２０）
前記アレイを制御して前記対象領域内のターゲットのみを照射して、前記対象領域の前記マイクロ波画像を生成する
ことを更に有するマイクロ波による撮像方法。
【請求項１１】
請求項８に記載のマイクロ波による撮像方法であって、
前記マイクロ波画像を作成することは、前記離れた領域内の前記解像度が前記離れた領域よりも前記アレイに近い距離を有する領域における前記マイクロ波画像の付加的な解像度より粗い状態で前記マイクロ波画像を作成する
ことを更に有するマイクロ波による撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波撮像システム及びマイクロ波による撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、監視システムでは、施設をモニタするために、光学ビデオカメラを用いている。従来から、これらのカメラは、検査及び記録のために、監視下のエリアのアナログビデオ画像をセキュリティモニタリングセンタに送信してきた。多くの施設では、アナログビデオカメラは、デジタルカメラに置き換わりつつある。デジタルカメラは、監視下のエリア内の侵入者、誤動作又は火災の様子等のイベントを検出し、その静止画像を取り込む。デジタルカメラは、アナログビデオカメラを上回るいくつかの利点を有する。例えば、デジタルカメラは、無線によりリンクが可能であり、また電池のよる駆動が可能であるため、費用のかかる固定インフラストラクチャ（例えばビデオケーブル及び電力線）を設ける必要がなくなり、監視システムを安価で且つ容易に構築することができる。
【０００３】
しかし、デジタルカメラは、感度が制限され、光を通さない物品や隠された物品を撮像することができない。例えば、政府の建物、学校、空港、又は他の建造物等の施設の入り口において、従来のアナログカメラやデジタルカメラは、隠された武器又は他の禁制品（例えば、爆発物）を識別することができない。したがって、改良された監視システムに対するニーズに応えるべく、既存の光学システムに対する代わりに、種々のマイクロ波撮像システムが提案されている。マイクロ波放射は、一般に、高周波と赤外波との間の波長を有する電磁放射として定義される。マイクロ波放射は非電離放射であることから、中程度の電力レベルでは、既知の健康上のリスクを人間にもたらさない。更に、マイクロ波放射のスペクトル帯域においては、衣服、紙、プラスチック及び皮革等の大部分の誘電材料は、ほぼ透過するものである。したがって、マイクロ波撮像システムは、衣服を透過して、衣服によって隠されている物品を撮像する能力を有する。
【０００４】
現在、利用可能なマイクロ波撮像技術がいくつか存在する。例えば、１つの技術においては、マイクロ波検出器（以下、「アンテナ素子」と呼ぶ）のアレイを使用することにより、ターゲットに対するアクティブ型マイクロ波照射に応答して、人又は他の対象物に関連するターゲットによって放出されたパッシブ型マイクロ波放射又はターゲットから反射した反射マイクロ波放射のいずれかを捕捉する。ターゲット位置に対してアンテナ素子のアレイを走査すると共に／又は、送信又は検出されているマイクロ波放射の周波数（又は、波長）を調整することによって、人又は他の対象物の２次元画像又は３次元画像が作成される。
【０００５】
通常、マイクロ波撮像システムは、対象物との間でマイクロ波放射を送信や受信、反射させるための、送信アンテナアレイや受信アンテナアレイ、反射型アンテナアレイを有する。こうしたアンテナアレイは、従来のアナログ位相合成アレイ又は２値反射器アレイを使用して構成することができる。いずれの場合にも、アンテナアレイは、通常、本明細書ではターゲットと呼ぶ対象物の画像内の１つ又は複数のボクセルに相当する３Ｄ空間内の点又は領域／容積部分に向けて、いくつかの個々のマイクロ波放射を含むマイクロ波放射ビームを送る。これは、それぞれの位相シフト（アンテナ素子がマイクロ波放射のそれぞれの放射の位相を変更すること）を、アレイ内のそれぞれのアンテナ素子にプログラミングすることによって達成される。各アンテナ素子の位相シフトは、それぞれのアンテナ素子からのマイクロ波放射の全てが、実質的に同位相でターゲットに達するように選択される。プログラム可能なアンテナアレイの例は、特許文献１及び特許文献２に記載されている。
【０００６】
しかし、所望の解像度を維持するために、アンテナアレイの開口数（サイズ）は、距離に関して線形である。そのため、撮像距離が長くなると、アンテナアレイの開口のサイズ及びコストが、多くの状況で桁外れに高くなる場合がある。更に、遠く離れた距離における撮像は、システムの走査容積（すなわち、走査されるべきボクセル数が、距離と共に線形に増大する）を必然的に増加させ、マイクロ波撮像システムのコスト及び計算の複雑さを更に増加させる。
【特許文献１】米国特許出願第１０／９９７，４２２号
【特許文献２】米国特許出願第１０／９９７，５８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、離れた領域内の、禁制品等の対象物を識別するのに十分な解像度で離れたところのマイクロ波撮像を実行することが可能なマイクロ波撮像システム及びマイクロ波による撮像方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、コスト及び計算の複雑さが軽減され、離れたところのマイクロ波撮像を実行することが可能なマイクロ波撮像システム及びマイクロ波による撮像方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るマイクロ波撮像システムでは、複数のアンテナ素子を含むアンテナアレイが、離れた領域を含む容積部分内のターゲットにマイクロ波照射が向かうようにそれぞれの方向係数がプログラム可能にされ、ターゲットから反射された反射マイクロ波照射を受信するようにそれぞれの方向係数が更にプログラム可能にされている。プロセッサは、反射マイクロ波照射の強度を測定し、容積部分のマイクロ波画像内のボクセルの値を求める。そして、離れた領域内の対象物を識別するのに十分な解像度でマイクロ波画像を作成する。
【００１０】
一の形態では、アレイのサイズを最小にするために、マイクロ波撮像システムは、離れた領域において所望の解像度を生成するのに必要な周波数で動作する。更なる形態では、高周波数で動作するか又は所望の解像度を生成するのに十分なサイズのアレイで動作するが、複数のアンテナ素子が、ターゲットにマイクロ波照射の送信ビームが向かう送信ビームパターンとなるように配列されたアンテナ素子の第１のアレイと、ターゲットからのマイクロ波照射の受信ビームを受信する、送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンとなるように配列されたアンテナ素子の第２のアレイとを有するように、まばらにアンテナアレイを設けて構成される。ターゲットに関連するボクセルは、送信ビームと受信ビームの交差部で形成される。
【００１１】
別の形態では、容積部分の大きさ、したがってマイクロ波画像内のボクセル数を最小にするために、マイクロ波撮像システムは、容積部分内の対象物の光学画像を取り込み、光学画像を表す光学画像データを生成するように構成された光学撮像システムに拡張される。対象物に関連する容積部分内の対象領域を識別するためにプロセッサが使用するために、光学画像データから光学画像情報を抽出することができる。更に、プロセッサは、アレイを制御し、対象領域内のターゲットだけを照射して、その対象領域のみに関するマイクロ波画像を生成することができる。更に、別の形態では、離れた領域において、アレイに近い領域の解像度より粗い解像度を使用することによって、画像内のボクセル数も減らすことができる。
【００１２】
更に別の形態では、プロセッサは、容積部分内の複数のターゲットを走査し、これら複数のターゲットのそれぞれからの反射マイクロ波照射の強度を測定することによって、容積部分の前記マイクロ波画像を作成する。
【００１３】
また別の形態では、プロセッサに動作可能に結合して容積部分のマイクロ波画像を表示し、所定のフレームレートで連続したマイクロ波画像を表示するディスプレイを更に設けている。
【００１４】
別の形態では、マイクロ波撮像システムは、解像度を生成するのに必要な周波数で動作する。
【００１５】
本発明に係る方法は、マイクロ波により離れて撮像を実行する方法であって、複数のアンテナ素子を有するアンテナアレイを設け、アンテナ素子のそれぞれに方向係数をプログラムし（１１２０）、離れた領域を含む容積部分内のターゲットにマイクロ波照射を向かわせ、ターゲットから反射された反射マイクロ波照射を受信する。そして、反射マイクロ波照射の強度を測定し、容積部分のマイクロ波画像内のボクセルの値を求め、離れた領域内の対象物を識別するのに十分な解像度でマイクロ波画像を作成する。
【００１６】
一の形態では、複数のアンテナ素子を設けることは、ターゲットにマイクロ波照射の送信ビームが向かう送信ビームパターンとなるように配列されたアンテナ素子の第１のアレイを設け、ターゲットからのマイクロ波照射の受信ビームを受信する、送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンとなるように配列されたアンテナ素子の第２のアレイを設ける。そして、ボクセルは、送信ビームと受信ビームとの交差部において形成される。
【００１７】
別の形態では、容積部分内の対象物の光学画像を取り込み、光学画像を表す光学画像データを生成し、光学画像データから光学画像情報を抽出し、光学画像データを使用して対象物に関連する容積部分内の対象領域を識別し、アレイを制御して対象領域内のターゲットのみを照射して、対象領域のマイクロ波画像を生成している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１９】
本明細書では、マイクロ波放射及びマイクロ波照射という用語は、約１ＧＨｚ〜約１，０００ＧＨｚの周波数に対応する０．３ｍｍ〜３０ｃｍの波長を有する電磁放射の帯域を示している。したがって、マイクロ波放射及びマイクロ波照射という用語は、従来のマイクロ波放射及び一般にミリメートル波放射として知られているものも含む。本明細書では、「マイクロ波撮像システム」という用語は、マイクロ波周波数の範囲内で動作する撮像システムを示し、マイクロ波撮像システムによって得られる結果の画像は、本明細書で「マイクロ波画像」と呼ばれる。本明細書では、「離れた」という用語は、撮像装置と対象物との間の距離が約２．７４３ｍ（９フィート）以上であることを示している。一実施形態では、この「離れた」という用語は、撮像装置と対象物との間の距離が２．７４３ｍ〜１３７．２ｍ（９フィート〜４５０フィート）であることを示している。但し、本発明はこれに限定されない。
【００２０】
図１は本発明の一実施形態に係る、離れたところをマイクロ波により撮像を実行するマイクロ波撮像システム１０を示す概略図である。図１に示すように、マイクロ波撮像システム１０は、継続的に監視を行うのに使用されて、建造物内への進入点を制御するか、エリア（例えば、建物の廊下、部屋、又は建物の外）の通行人をモニタするか、移動車両から通行人をモニタするか、又は、個々の疑わしい者を遠隔でスクリーニングすることができる。
【００２１】
図１を見てわかるように、マイクロ波撮像システム１０は、アンテナ素子８０のアレイ５０の形態の撮像装置を有し、各アンテナ素子８０は、マイクロ波放射を送信、受信、及び／又は、反射して、十分な解像度を有するアレイ５０によってアドレス指定可能な容積部分１６０のマイクロ波画像を取り込むことが可能である（すなわち、所望の解像度の特定の倍率内で解像することができる容積）。図１では、容積部分１６０は、対象物１５０（例えば、スーツケース、図１に示す人の対象物又は任意の他の対象物品）を含む。それぞれのアンテナ素子８０は、ターゲットにマイクロ波放射ビームが向かうように、それぞれの方向係数（例えば、透過係数又は反射係数）がプログラム可能である。本明細書において用いられる限りにおいて、「ターゲット」という用語は、対象物１５０のマイクロ波画像内の１つ又は複数のボクセルに相当する、３Ｄ空間内の点又はエリア／容積を指す。更に、それぞれアンテナ素子８０は、ターゲットから反射した反射マイクロ波照射を受信するように、それぞれの方向係数（例えば、透過係数又は反射係数）を更にプログラム可能である。
【００２２】
一実施形態では、アレイ５０は、１つ又は複数のマイクロ波アンテナ６０への、及び／又は、１つ又は複数のマイクロ波アンテナ６０からの、マイクロ波放射を反射する反射型のアンテナ素子８０からなるパッシブ型プログラム可能反射器アレイである（後述するように、マイクロ波放射を透過する透過型のアンテナ素子８０であってもよい。）。例えば、それぞれの反射型のアンテナ素子８０は、それぞれの方向係数がプログラムされてターゲットに向けてマイクロ波アンテナ６０の１つから放出されたマイクロ波照射を反射することができる。更に、それぞれの反射型のアンテナ素子８０は、方向係数が更にプログラムされてターゲットから反射されるマイクロ波照射をマイクロ波アンテナ６０の１つに向けて反射することができる。なお、透過型にアンテナ素子８０については「反射」を「透過」に置き換えれば良いだけである。
【００２３】
単一のマイクロ波アンテナ６０は、マイクロ波放射の供給源と受信の両方の役割を果たすことができるが、別個のマイクロ波アンテナ６０を、アレイ５０を照射するとともにアレイ５０からの反射マイクロ波照射を受信するのに使用するようにしてもよい。図１に示される例は、供給源と受信とを別個のマイクロ波アンテナ６０で実現している。
【００２４】
別の実施形態では、アレイ５０は、アクティブ型アンテナ素子８０からなるアクティブ型の送信／受信アレイであり、各アクティブ型のアンテナ素子は、マイクロ波放射を生成し、送信することが可能であるとともに、反射マイクロ波放射を受信し、取り込むことが可能である。この実施形態では、アレイ５０がマイクロ波放射源として動作するため、マイクロ波源／受信アンテナ６０は使用されない。
【００２５】
動作時に、アレイ５０は、容積部分１６０にわたってマイクロ波放射を放出し、照射した容積部分１６０内の対象物１５０から反射した反射マイクロ波照射を受信して、その容積部分１６０のマイクロ波画像を取り込む。特に、マイクロ波撮像システム１０は、容積部分１６０内の複数のターゲットを走査して、それぞれのターゲットからの反射マイクロ波照射の強度を測定することによって、アレイ５０によってアドレス指定可能な容積部分１６０のマイクロ波画像を取り込む。各ターゲットからの測定強度は、容積部分１６０のマイクロ波画像内のボクセルを表す。一例として、アレイ５０は、容積部分内で１秒当たり数百万のターゲットを走査することを可能にする周波数で動作する。
【００２６】
容積部分１６０の監視を常時行うために、マイクロ波撮像システム１０は、容積部分１６０の連続したマイクロ波画像を取り込む。例えば、マイクロ波撮像システム１０は、約３０フレーム／秒のフレームレートで動作する。但し、マイクロ波撮像システム１０は、所望の画像品質に応じて、３０フレーム／秒より速いか、又は、遅いフレームレートで動作するようにしてもよい。マイクロ波撮像システム１０の走査周波数は、フレームレートの大きさより大きいため、画像フレームの取り込み中における容積部分１６０内の対象物１５０の任意の動きは、ソフトウェアで補償することができる。
【００２７】
図２は本発明の一実施形態に係るマイクロ波撮像システム１０の一例を概略的に示したブロック図である。  
図２に示すように、アンテナアレイ５０は、反射型のアンテナ素子８０を有し、各反射型のアンテナ素子は、それぞれの反射係数をプログラムしてマイクロ波照射を反射することが可能である。したがって、マイクロ波源６０ａが、マイクロ波照射ビーム６５をアンテナアレイ５０に向けて送信すると、反射型のアンテナ素子８０は、撮像される対象物１５０上のターゲット１５５に向けてマイクロ波照射７０を反射するようにプログラムされることができる。更に、ターゲット１５５から反射した反射マイクロ波照射９０がアンテナアレイ５０で受信されると、反射型のアンテナ素子８０は、マイクロ波照射９５をマイクロ波受信機６０ｂに向けて反射するようにプログラムされることができる。
【００２８】
マイクロ波撮像システム１０は、プロセッサ１００と、メモリ１１０と、ディスプレイ１２０とを更に有する。プロセッサ１００は、アレイ５０を制御して、ターゲット１５５から反射された受信マイクロ波放射を処理して、対象物１５０のマイクロ波画像を作成するために使用される任意のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又は、それらの組み合わせを有する。例えば、プロセッサ１００は、コンピュータプログラムの命令を実行するように構成される、１つ又は複数のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブル論理回路、デジタル信号プロセッサ、又は、他のタイプの処理装置と、プロセッサ１００によって使用される命令及び他のデータを記憶する１つ又は複数のメモリ（例えば、キャッシュメモリ）を有することが可能である。メモリ１１０は、ハードドライブ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、コンパクトディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、ＺＩＰ（登録商標）ドライブ、テープ駆動機構、データベース、若しくは、他のタイプの記憶装置、又は、記憶媒体を含むが、それらに限定されない、任意のタイプのデータ記憶装置を含む。
【００２９】
プロセッサ１００は、アンテナアレイ５０が、対象物１５０上の複数のターゲット１５５を照射するようにプログラムされて動作する。一例として、プロセッサ１００は、それぞれの振幅／位相遅延又は振幅／位相シフトをアレイ５０の個々のアンテナ素子８０のそれぞれの中にプログラムして、対象物１５０上の各ターゲット１５５に照射する。更に、プロセッサ１００は、それぞれの振幅／位相遅延又は振幅／位相シフトをアレイ５０の個々のアンテナ素子８０のそれぞれの中にプログラムして、対象物１５０上の各ターゲット１５５からの反射マイクロ波照射を受信する。位相シフトを使用する実施形態では、プログラムされる位相シフトは、２値位相シフトか、連続位相シフトのいずれかでよい。
【００３０】
更に、プロセッサ１００は、対象物１５０上の各ターゲット１５５からの、アレイ５０によって取り込まれた反射マイクロ波放射の強度を使用して、対象物１５０のマイクロ波画像を作成することが可能である。例えば、アレイ５０が反射器アレイである場合には、マイクロ波受信機６０ｂは、アレイ５０の各アンテナ素子８０から反射した反射マイクロ波放射を合成して、ターゲット１５５における反射マイクロ波放射の実効強度値を生成することが可能である。強度値は、プロセッサ１００に送られる。プロセッサ１００は、対象物１５０上のターゲット１５５に相当するピクセル又はボクセルの値として、強度値を使用する。反射マイクロ波放射が、ターゲット１５５（３Ｄ空間内のエリア／容積）の各マイクロ波画像について、ボクセルのエリア／容積の強度を表す他の実施形態では、プロセッサ１００は、対象物１５０の所望の画像のフーリエ変換成分を測定する。プロセッサ１００は、測定したフーリエ変換成分を使用して逆フーリエ変換を実行して、対象物１５０の画像を生成する。
【００３１】
結果として得られる対象物１５０のマイクロ波画像は、プロセッサ１００からディスプレイ１２０に送られて、マイクロ波画像を表示することができる。一例として、ディスプレイ１２０は、対象物１５０の３次元マイクロ波画像又は対象物１５０の１つ若しくは複数の１次元マイクロ波画像若しくは２次元マイクロ波画像を表示するための２次元ディスプレイである。但し、ディスプレイ１２０が、対象物１５０の３次元マイクロ波画像を表示することが可能な３次元ディスプレイであってもよい。
【００３２】
図３は本発明の一実施形態に係るマイクロ波放射を反射するアレイ５０の一例を示す概略的な斜視図である。  
図３に示すように、マイクロ波源６０ａから送信されたマイクロ波放射の供給源ビーム６５は、アレイ５０の種々のアンテナ素子８０によって受信される。マイクロ波源６０ａは、点状供給源、ホーンアンテナ又は任意の他のタイプのアンテナであれば良いが、それらに限定されず、アレイ５０を照射するのに十分な任意の供給源であれば良い。アレイ５０内のそれぞれのアンテナ素子８０は、それぞれの位相シフトがプログラムされて、ターゲット１５５に向けて反射マイクロ波放射の送信ビーム７０を送る。位相シフトは、ターゲット１５５における反射マイクロ波放射ビーム７０内のマイクロ波放射の全ての間で強め合う干渉が生じるように選択される。理想的には、アンテナ素子８０のそれぞれの位相シフトは、供給源（アンテナ素子８０）からターゲット１５５まで、反射マイクロ波放射７０の各マイクロ波放射について同じ位相遅延が生じるように調整される。
【００３３】
同様に、図３に示すように、ターゲット１５５から反射され、アレイ５０において受信されたマイクロ波放射の反射ビーム９０は、マイクロ波受信機６０ｂに向けた反射マイクロ波放射の受信ビーム９５として反射することができる。同様に、位相シフトは、マイクロ波受信機６０ｂにおける反射マイクロ波放射ビーム９０内のマイクロ波放射の全ての間で強め合う干渉を生じるように選択される。マイクロ波受信機６０ｂは、マイクロ波源６０ａと異なる空間位置に示されているが、マイクロ波源６０ａは、別個のアンテナとして又はマイクロ波受信機６０ｂの一部（例えば、共焦撮像システム）として、マイクロ波受信機６０ｂと同じ空間位置に配置することができる。
【００３４】
図４は本発明の一実施形態に係るマイクロ波照射を送るための透過型のアレイ５０を使用した携帯型のマイクロ波撮像システム１０の一例を示す概略的な斜視図である。  
図４に示すように、マイクロ波アンテナ（例えば、ホーン）６０は、マイクロ波源とマイクロ波受信機の両方として機能する。ホーン６０は、アレイ５０の背後に位置して、背後からアレイ５０を照射する（すなわち、アレイ５０は、ターゲット１５５とホーン６０との間にある）。
【００３５】
動作時には、ホーン６０から送信されたマイクロ波照射６５は、アレイ５０内のいくつかのアンテナ素子８０によって受信される。アレイ５０内のそれぞれのアンテナ素子８０は、それぞれの透過係数がプログラムされて、対象物１５０上のターゲット１５５に向けて透過マイクロ波照射４０を送る。透過係数は、ターゲット１５５におけるそれぞれのアンテナ素子８０からの透過マイクロ波照射４０が強め合う干渉を生じるように選択される。それぞれのターゲット１５５から反射された反射マイクロ波照射４５は、アレイ５０内のいくつかのアンテナ素子８０によって受信される。同様に、アレイ５０内のそれぞれのアンテナ素子８０は、それぞれの透過係数がプログラムされて、ホーン６０に向けて透過マイクロ波照射８５を送る。
【００３６】
ホーン６０は、アレイ５０の各アンテナ素子８０からの透過マイクロ波放射８５を合成して、ターゲット１５５における反射マイクロ波放射４５の実効強度値を生成する。強度値は、プロセッサ１００に送られ、プロセッサ１００は、対象物１５０上のターゲット１５５に相当するピクセル又はボクセルの値として、強度値を使用する。プロセッサ１００は、対象物１５０の各ターゲット１５５からの、アレイ５０によって取り込まれた反射マイクロ波放射４５の強度を使用して、対象物１５０のマイクロ波画像を作成する。結果として得られる対象物１５０のマイクロ波画像は、プロセッサ１００からディスプレイ１２０に送られて、マイクロ波画像が表示される。
【００３７】
図５は、アンテナ素子２００のインピーダンス状態に応じて位相を変えて電磁放射を反射するように動作する反射型アンテナ素子２００（図１〜図４のアンテナ素子８０に相当する）の断面図を示す。反射型アンテナ素子２００は、アンテナ（パッチアンテナ２２０ａ）と非理想スイッチング素子（表面実装電界効果トランジスタ「ＦＥＴ」２２２）とを有する。
【００３８】
反射型アンテナ素子２００は、プリント回路基板基材２１４の表面上及び内側に形成され、表面実装ＦＥＴ２２２、パッチアンテナ２２０ａ、ドレインビアホール２３２、グランドプレーン２３６、及びソースビアホール２３８を有する。表面実装ＦＥＴ２２２は、平面パッチアンテナ２２０ａと反対側のプリント回路基板基材２１４に実装され、グランドプレーン２３６は、平面パッチアンテナ２２０ａと表面実装ＦＥＴ２２２との間に位置する。ドレインビアホール２３２は、表面実装ＦＥＴ２２２のドレイン２２８を平面パッチアンテナ２２０ａに接続し、ソースビアホール２３８は、表面実装ＦＥＴ２２２のソース２２６をグランドプレーン２３６に接続する。
【００３９】
特に、この実施形態では、反射器アンテナアレイは、ドライバ電子部品を含むコントローラ基板２４０に接続される。図５に示す例のコントローラ基板２４０は、グランドプレーン２４４、ドライブ信号ビアホール２４６、及びドライバ電子部品２４２を有する。コントローラ基板２４０はまた、反射器アンテナアレイのコネクタ２５０と互換性があるコネクタ２４８を含む。２つの基板のコネクタ２４８及び２５０は、例えば、ウェーブソルダリングを使用して互いに接続することができる。他の例として、ＦＥＴ２２２は、平面パッチアンテナ２２０ａと同じ側のプリント回路基板基材２１４に表面実装することもできる。更に、ドライバ電子部品２４２は、反射型アンテナ素子２００が組み込まれている同じプリント回路基板に直接はんだ付けすることもできる。
【００４０】
パッチアンテナ素子２２０ａは、反射型アンテナ素子２００のインピーダンスレベルに応じて、大きいか、又は、小さい位相シフトで反射するように機能する。反射型アンテナ素子２００は、アンテナ設計パラメータの関数であるインピーダンス特性を有する。アンテナの設計パラメータは、誘電材料の構造、誘電材料の厚さ、アンテナの形状、アンテナの長さ及び幅、給電点、並びにアンテナ金属層の厚さ等の物理的特性を含むが、それらに限定されない。
【００４１】
ＦＥＴ２２２（非理想スイッチング素子）は、その抵抗状態を変化させることによって、反射型アンテナ素子２００のインピーダンス状態を変化させる。低抵抗状態（例えば、閉回路又は「短絡」回路）は、低インピーダンスになる。逆に、高抵抗状態（例えば、開回路）は、高インピーダンスになる。性能特性が理想なスイッチング素子（本明細書では、「理想」スイッチング素子と呼ばれる。）は、その抵抗がその最低状態の場合には、事実上、ゼロインピーダンス（Ｚ＝０）をもたらし、その抵抗がその最高状態の場合には、事実上、無限インピーダンス（Ｚ＝∞）をもたらす。本明細書で説明するように、スイッチング素子は、そのインピーダンスがその最低状態（例えば、Ｚｏｎ＝０）の場合には「オン」になり、そのインピーダンスがその最高状態（例えば、Ｚｏｆｆ＝∞）の場合には「オフ」になる。理想スイッチング素子のオン及びオフのインピーダンス状態は、事実上、Ｚｏｎ＝０及びＺｏｆｆ＝∞であるため、理想スイッチング素子は、オン状態とオフ状態との間で、電磁放射を吸収することなく、最大位相シフトを生じさせることが可能である。すなわち、理想スイッチング素子は、０度の位相状態と１８０度の位相状態との間でスイッチングを生じさせることが可能である。理想スイッチング素子の場合、最大位相−振幅性能は、任意の有限非ゼロインピーダンスを示すアンテナによって実現可能である。
【００４２】
理想スイッチング素子とは対照的に、「非理想」スイッチング素子は、それぞれ、Ｚｏｎ＝０及びＺｏｆｆ＝∞のオン及びオフのインピーダンス状態を示さないスイッチング素子である。より正確に言うと、非理想スイッチング素子のオン及びオフのインピーダンス状態は、通常、例えば０<｜Ｚｏｎ｜<｜Ｚｏｆｆ｜＝∞のどこかにある。しかし、アプリケーションによっては、オン及びオフのインピーダンス状態は｜Ｚｏｆｆ｜≦｜Ｚｏｎ｜であってもよい。非理想スイッチング素子は、特定の周波数範囲内では（例えば、<１０ＧＨｚ）、理想なインピーダンス特性を示し、他の周波数範囲では（例えば、>２０ＧＨｚ）、かなり非理想なインピーダンス特性を示す可能性がある。
【００４３】
非理想スイッチング素子のオン及びオフのインピーダンス状態は、Ｚｏｎ＝０とＺｏｆｆ＝∞との間のどこかにあるため、非理想スイッチング素子は、必ずしも、対応するアンテナのインピーダンスとは無関係に、最大位相状態性能を提供しない。ここで、最大位相状態性能は、０度の位相状態と１８０度の位相状態との間のスイッチングを必要とする。本発明の一実施形態によれば、図５の反射型アンテナ素子２００は、最適位相性能を提供するように設計され、反射型アンテナ素子の最適位相状態性能は、反射素子が、０度の位相−振幅状態と１８０度の位相−振幅状態との間のスイッチングに最も近い状態にあるポイントである。この実施形態では、最適位相状態性能を達成するために、アンテナ素子２００は、非理想スイッチング素子（ＦＥＴ２２２）のインピーダンスの関数として構成される。例えば、アンテナ素子２００は、アンテナ素子２００のインピーダンスが、ＦＥＴ２２２のインピーダンス特性の関数であるように設計される。
【００４４】
更に、アンテナ素子２００は、オン状態にある非理想スイッチング素子（ＦＥＴ２２２）のインピーダンスＺｏｎ、及び、オフ状態にある非理想スイッチング素子２２２のインピーダンスＺｏｆｆの関数として構成されている。或る特定の実施形態において、反射型アンテナ素子２００の位相状態性能が最適化されるのは、アンテナ素子２００のインピーダンスがオン及びオフのインピーダンス状態Ｚｏｎ及びＺｏｆｆにある場合に非理想スイッチング素子２２２のインピーダンスの平方根に対して共役化させられるように、アンテナ素子２００の構成がなされている場合である。具体的には、アンテナ素子２００のインピーダンスは、対応する非理想スイッチング素子２２２のオン及びオフのインピーダンス状態Ｚｏｎ及びＺｏｆｆの幾何平均の複素共役である。この関係は、下記のように表わされる。
【００４５】
Ｚａｎｔｅｎｎａ＊＝（ＺｏｎＺｏｆｆ）１／２                式（１）
ここで、（）＊は複素共役を表す。上記関係式は、供給源インピーダンスと負荷インピーダンスとの間の複素反射係数に関する既知の公式を用いて導き出される。アンテナ素子２００である供給源及び非理想スイッチング素子２２２である負荷を選択して、オン状態反射係数が、オフ状態反射係数の逆に等しくなるように設定することによって、式（１）が得られることになる。
【００４６】
最適な位相−振幅性能を示すアンテナ素子２００の設計は、反射型アンテナ素子２００に用いられる特定の非理想スイッチング素子のオン及びオフのインピーダンスＺｏｎ及びＺｏｆｆを求めることを含む（この場合、ＦＥＴ２２２）。次に、アンテナ素子２００の設計パラメータが操作されて、上記式（１）において表わされた関係に整合するインピーダンスを有するアンテナ素子２００が得られる。Ｚｏｎ及びＺｏｆｆが別個の値になるように求められる限りにおいて、式（１）を満たすアンテナ素子２００を設計することが可能である。
【００４７】
対象とする周波数帯域にわたって非理想的なインピーダンス特性を示す、図５に示す表面実装ＦＥＴ２２２以外の別のタイプのスイッチング素子は表面実装ダイオードである。しかし、表面実装ダイオードは、表面実装ＦＥＴに比較して、対象とする周波数帯域にわたって改善されたインピーダンス特性を示し、表面実装ＦＥＴは、比較的安価であり、反射器アンテナアレイアプリケーションにおける使用のために、個々にパッケージングすることができる。
【００４８】
非理想スイッチング素子としてＦＥＴを利用する反射器アンテナアレイの場合、実現可能なビーム走査速度は、信号対雑音比、クロストーク、及びスイッチング時間を含むいくつかのファクターによって決まる。ＦＥＴの場合、スイッチング時間は、ゲート容量、ドレイン−ソース間容量、及びチャネル抵抗（すなわち、ドレイン−ソース間抵抗）によって決まる。チャネル抵抗は、実際には、空間依存性且つ時間依存性である。インピーダンス状態間のスイッチング時間を最短にするため、ＦＥＴのドレインは、常にＤＣ短絡状態にあることが好ましい。ドレインを電気的に浮いた状態にすると、大きいオフ状態チャネル抵抗、及び、パッチアンテナの巨大な平行板面積に起因する大きいドレイン−ソース間容量をもたらすので、ドレインは、常にＤＣ短絡状態にあることが好ましい。これは、アンテナがＤＣ短絡状態にあることが好ましいことを表わしているが、望まれるのは、アンテナがソースにおいて「ｒｆ短絡」状態になることだけである。したがって、アンテナの摂動を最小限に抑えるのに最適な位置において、追加のアンテナ／ドレインの短絡を施さなければならない。
【００４９】
反射型アンテナ素子２００において、パッチアンテナ２２０ａの代わりに他のタイプのアンテナを使用することができる。限定としてではなく、例として、他のアンテナタイプは、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、ループアンテナ、及び誘電体共振器タイプのアンテナを含む。さらに、他の実施形態では、反射型アンテナ素子２００は、ＦＥＴ２２２を可変コンデンサ（例えば、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）コンデンサ）と置き換えることによって、連続位相シフトアンテナ素子２００とすることができる。可変コンデサ搭載パッチによって、ＦＥＴ搭載パッチによって生成される２値位相シフトの代わりに、各アンテナ素子２００について連続位相シフトを達成することができる。連続位相合成アレイは、マイクロ波ビームを或るビーム走査パターンで任意の方向に方向制御するために、任意の所望の位相シフトを提供するように調整されることができる。
【００５０】
図６にアクティブタイプの送信／受信又は反射アレイで使用するためのアクティブタイプのアンテナ素子３００（図１〜図４のアンテナ素子８０に対応する）の例を示す。アクティブタイプのアンテナ素子３００は、それぞれのスイッチ３１５に接続されるアンテナ３１０を含む広帯域２値位相合成アンテナ素子である。スイッチ３１５は、例えば、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチ又は２極双投（ＤＰＤＴ）スイッチとすることができる。スイッチ３１５の動作状態は、それぞれのアンテナ素子３００の位相を制御する。例えば、スイッチ３１５の第１の動作状態では、アンテナ素子３００は第１の２値状態（例えば、０度）にあってもよく、一方、スイッチ３１５の第２の動作状態では、アンテナ素子３００は第２の２値状態（例えば、１８０度）にあってもよい。スイッチ３１５の動作状態は、スイッチ３１５の端子接続を規定する。例えば、第１の動作状態では、端子３１８は、給電線３１６をアンテナ３１０とスイッチ３１５との間で接続する閉（短絡回路）位置にあってもよく、一方端子３１９は開位置にあってもよい。各スイッチ３１５の動作状態は、各アンテナ素子３００の位相を個々に設定するために、制御回路（図示せず）によって独立に制御される。
【００５１】
本明細書において用いられる限りにおいて、対称アンテナ３１０という用語は、２つの給電点３１１又は３１３のいずれかにおいてタップで接続されるか、又は給電されて２つの逆の対称電界分布又は電流の一方を生じさせることが可能なアンテナを指す。図６に示すように、２つの逆対称電界分布は、そのミラー軸３５０に関して形状が対称を成す対称アンテナ３１０を利用して生成される。ミラー軸３５０は、アンテナ３１０を通って、２つの対称側３５２及び３５４を形成する。給電点３１１及び３１３は、アンテナ３１０のミラー軸３５０の両側３５２及び３５４に配置される。この実施形態では、給電点３１１及び３１３は、ミラー軸３５０に関してほぼ対称を成すようにアンテナ３１０上に配置される。例えば、ミラー軸３５０は、アンテナ３１０の１つの次元３６０（例えば、長さ、幅、高さ等）に対し平行に延びることが可能であり、給電点３１１及び３１３は、次元３６０の中点３７０近くに配置することが可能である。図６の場合、給電点３１１及び３１３は、図示のように、ミラー軸３５０の各側３５２及び３５４において、アンテナ３１０の中点３７０近くに配置されている。
【００５２】
対称アンテナ３１０は、Ａ及びＢで表示される２つの逆対称電界分布を生じさせることが可能である。電界分布Ａの大きさ（例えば、電力）は、電界分布Ｂの大きさとほぼ同じであるが、電界分布Ａの位相は、電界分布Ｂの位相と１８０度異なっている。したがって、電界分布Ａは、電気的周期が±１８０°の電界分布Ｂに類似している。
【００５３】
対称アンテナ３１０は、給電線３１６及び３１７を介して対称スイッチ３１５に接続されている。給電点３１１は、給電線３１６を介して対称スイッチ３１５の端子３１８に接続され、給電点３１３は、給電線３１７を介して対称スイッチ３１５の端子３１９に接続されている。本明細書で用いられる限りにおいて、対称スイッチという用語は、スイッチの２つの動作状態が端子３１８及び３１９に関して対称を成すＳＰＤＴスイッチ又はＤＰＤＴスイッチを表す。
【００５４】
例えば、ＳＰＤＴスイッチの第１の動作状態において、或るチャネル（チャネルαと呼ばれる）のインピーダンスが１０Ωで、別のチャネル（チャネルβと呼ばれる）のインピーダンスが１ｋΩであれば、ＳＰＤＴスイッチの第２の動作状態において、チャネルαのインピーダンスは１ｋΩで、チャネルβのインピーダンスは１０Ωになる。チャネルインピーダンスは、完全な開路又は短絡である必要はなく、或いは、実在する必要さえないことが理解されるべきである。さらに、クロストークが状態対称性である限りにおいて、チャネル間にはクロストークが生じる可能性がある。一般に、スイッチのＳパラメータマトリックスがスイッチの２つの動作状態に関して同じであれば（例えば、端子３１８と３１９との間において）、スイッチは対称性である。
【００５５】
ここで、図７（Ａ）及び（Ｂ）を参照すると、マイクロ波画像の所望の解像度を維持するために、アレイ５０の開口数は、距離に関して線形であるべきである。しかし、撮像距離が長くなると、アンテナアレイの開口のサイズ及びコストが、桁外れに高くなる。例えば、１メートル×１メートルのアレイが、１メートル離れたターゲットを撮像するのに使用されると仮定すると、１５０メートル離れたターゲットについて同じ解像度を維持するために、１５０メートル×１５０メートルのアレイが必要とされ、それは、多くの状況で実用的でない。マイクロ波撮像においてより高い周波数を使用することによって、与えられた距離に対してアレイ５０の開口のサイズが小さくなる。そのため、マイクロ波撮像システムの周波数を増加することによって、アレイ５０のサイズを増加することなく、より遠い距離における解像度が改善される。しかし、アレイ５０において必要とされるアンテナ素子８０の数は、波長に関して二乗となる。その結果、マイクロ波撮像システム５０の周波数を増加することは、アンテナ素子８０の数を増加させ、したがって、アレイ５０のコストを増加させる。
【００５６】
より高い周波数の大きなアレイ又は小さなアレイを使用して、離れたマイクロ波撮像を実施することが可能なアレイ５０を製造するコストを下げるために、図７（Ａ）に示すように、アレイ５０内に、それぞれ、相補的な送信アンテナアレイ５１０及び受信アンテナアレイ５２０を設けることによって、アレイ５０のアンテナ素子８０の数を減らすことができる。送信アレイ５１０及び受信アレイ５２０のアンテナ素子８０は、それぞれのパターンで配列される。送信アレイ５１０のアンテナ素子８０のパターンは、受信アレイ５２０のアンテナ素子８０のパターンに対して相補的である。具体的には、送信アレイ５１０のアンテナ素子８０のパターンは、受信アレイ５２０のアンテナ素子８０のパターンに直交する。相補的な送信アンテナアレイ５１０及び受信アンテナアレイ５２０は、それぞれ、図７（Ｂ）に示すように、それぞれ、相補的な送信マイクロ波ビームパターン５３０及び受信マイクロ波ビームパターン５４０を生成する。ターゲットのマイクロ波画像は、それぞれ、相補的な送信マイクロ波ビームパターン５３０及び受信マイクロ波ビームパターン５４０の交差部５５０で形成される。より具体的には、生成される画像は、それぞれ、送信マイクロ波ビーム５３０及び受信マイクロ波ビーム５４０の容積積分した交差積である。こうした送信／受信「十字線」は、小径特徴部の解像を可能にする。そのため、送信ビーム５３０の不足を、受信ビーム５４０で補償することができ、また、その逆も可能である。
【００５７】
ここで、図７（Ａ）の詳細を考えると、送信アレイ５１０は２行のアンテナ素子を含み、一方、受信アレイ５２０は２列のアンテナ素子を有する。しかし、一般に、図７（Ａ）に示す設計は、Ｍ≫ｍである長方形ｍ＊Ｍ送信アレイ５１０パターン及びＮ≫ｎである長方形Ｎ＊ｎ受信アレイ５２０パターンとして表すことができる。例えば、個数が、ｎ＊ｍアンテナ素子からなると規定される場合、Ｎ＊Ｍアンテナ素子の密な四角形アレイは、（Ｎ／ｍ）＊（Ｍ／ｎ）個からなる。図７（Ａ）に従って設計したアレイでは、それぞれ、送信アレイ５１０及び受信アレイ５２０の間で共有される交差個数を有する、Ｎ＋Ｍ−１の個数だけが存在する。図７（Ｂ）に示すように、送信アレイ５１０は、垂直楕円ビームパターンで送信ビーム５３０を生成し、一方、受信アレイ５２０は、水平楕円ビームパターンで受信ビーム５４０を生成する。本明細書において用いられる限りにおいて、「水平（垂直）楕円パターン」は、ビームの焦点スポットが楕円であり、楕円の長軸が水平（垂直）であることを意味する。ターゲットのマイクロ波画像は、それぞれ、相補的な送信マイクロ波ビームパターン５３０及び受信マイクロ波ビームパターン５４０の交差部５５０で形成される。
【００５８】
図７（Ａ）に示す相補的な送信アンテナアレイ５１０及び受信アンテナアレイ５２０は、それぞれ、図３に示す元の密なアレイと比較して、アレイ５０の総アンテナ素子が大幅に減少するように、著しく減少した数のアンテナ素子からなる。この素子数の減少は、直接、コストの低減になる。アレイのコストが密なアレイの面積（Ａ）に比例する密なアレイ（図３に示すアレイ等）と対照的に、図７（Ａ）に示す相補的で素子数が減少したアレイ５１０及び５２０のコストは、Ａの平方根のみに比例し、大幅なコスト節約を達成する。更に、高い解像度を有するアドレス指定可能な容積部分（以降で、アドレス指定可能視野（ＡＦＯＶ）と呼ぶ）は、図３の密なアレイと、図７（Ａ）に示す相補的な、素子数が減少したアレイ５１０及び５２０との間で変わらない。その理由は、相補的アレイの全体の大きさ及び最小ピッチが、元の密なアレイと同じであるためである。
【００５９】
送信アレイ５１０及び受信アレイ５２０が、それぞれ、図７（Ａ）に示すように、反射器アレイである場合、アレイ５１０及び５２０は、アレイ５１０及び５２０に対してマイクロ波ビームを送信し、また、アレイ５１０及び５２０からマイクロ波ビームを受信するように設計されたマイクロ波源及びマイクロ波受信機によって無線で給電される)。図７（Ａ）では、それぞれ、楕円マイクロ波照射ビーム（又は扇ビーム）６５及び９５で、反射器アレイ５１０及び５２０に給電する注文製のホーン６０ａ及び６０ｂが示されている。各注文製のホーン６０ａ及び６０ｂは、正確な位相面を実現するために、高アスペクト比放射開口及びその放射開口における差し込まれたレンズを有する。マイクロ波源６０ａは狭いが長い開口を有するホーンであり、一方、マイクロ波受信機６０ｂは広いが短い開口を有するホーンである。図７（Ａ）に示す特定のホーン給電装置の代わりに、他のタイプの注文製のホーン給電装置が可能である。例えば、本発明の実施形態と共に、漏洩導波路、円柱レンズ、円柱ミラー或いは他のタイプの注文製のホーンが使用されてもよい。注文製のホーンのタイプによらず、注文製のホーン給電装置放射器のアンテナパターンは、主ローブの２つの主平面のビーム幅の間に高いアスペクト比を持てばよい（すなわち、給電装置は、送信アレイ５１０又は受信アレイ５２０を照射するのにほぼ最適な扇状ビームの楕円を生成する）。更に、マイクロ波源６０ａ及びマイクロ波受信機６０ｂは、ホーン６０ａ及び６０ｂの相補的なアスペクト比のために、別個の、並べて配置されない放射器であればよい。
【００６０】
但し、他の例として、マイクロ波源６０ａ及びマイクロ波受信機６０ｂは、並べて配置された放射器であっても勿論かまわない。更に、他の例として、送信及び受信アレイ５１０及び５２０は、それぞれ、透過型のアレイであってもよく、透過型のアレイでは、ホーン６０ａ及び６０ｂが、図４に示すように、アレイ５０の背後に位置して、送信アレイ５１０及び受信アレイ５２０を、それぞれ、背後から照射すればよい（すなわち、アレイ５１０及び５２０は、ターゲットと、ホーン６０ａ及び６０ｂとの間にある）。更に、他の例として、アレイ５１０又は５２０の一方が、前面を照射される反射器アレイであり、他方のアレイ５１０又は５２０が背後から照射される透過型のアレイである、ハイブリッドな構成とすることも可能である。
【００６１】
ここで、図８を参照すると、離れた距離における撮像は、アレイのサイズ及び／又はコストを増加させる可能性があるだけでなく、システムの走査容積を必ず増加させることがわかる（走査すべきボクセル数が、距離と共に直線的に増加する）。したがって、疎な（相補的な送信／受信）アンテナアレイを使用するのに加えて、又は、その代わりにマイクロ波撮像システムは、光学撮像システムによってマイクロ波撮像システムを補強する「二峰性(bi-modal)」撮像システム８００内に含まれることができる。本明細書において用いられる限りにおいて、「光学撮像システム」という用語は、可視光又は近赤外周波数範囲で動作する撮像システムを示し、光学撮像システムによって得られる結果の画像は、その画像を、マイクロ波撮像システムによって得られるマイクロ波画像と区別するために、「光学画像」と呼ぶ。
【００６２】
光学撮像システムは、対象物１５０からの反射光を受信して、対象物１５０の光学画像を取り込むカメラ８１０を有する。反射光は、レンズ（図示せず）によって、カメラ８１０内のセンサ（図示せず）に向けて送られる。一例として、センサは、対象物１５０の光学画像を取り込み、光学画像を表す光学画像データを生成する複数のピクセルを有する。また、光学撮像システムは、対象物１５０を光で照射する光源（図示せず）を有する。光源は、可視光又は近赤外光の任意の適した供給源とすることができる。例えば、光源は、１つ又は複数の点光源、１つ又は複数のコリメートした、又は、整構造の光源、１つ又は複数の光源アレイ、或いは、光学撮像システムにおいて使用するのに適した光源の任意の他の組み合わせ等の、１つ又は複数の発光素子を有するものとすることができる。
【００６３】
光学画像データは、対象物１５０のマイクロ波画像を取り込むときにマイクロ波撮像システムによって使用される。例えば、一例としては、光学画像データは、マイクロ波撮像システムによってアドレス指定可能な容積部分１６０内の対象となる空間領域１６５（すなわち、データ点）を識別するのに使用される。対象となる空間領域に対応する識別されたデータ点を使用して、対象となる空間領域１６５に向けてマイクロ波放射を送ることができる。
【００６４】
図９は本発明の一実施形態に係るマイクロ波撮像システムが光学撮像システムによって補強される画像処理システム４００のブロック図である。  
図９に示すように、画像処理システム４００は、光学画像プロセッサ１８０及びマイクロ波画像プロセッサ１００を有する。光学画像プロセッサ１８０は、画像プロセッサ４２０及び抽出プロセッサ４３０を有する。一例としては、画像プロセッサ４２０及び抽出プロセッサ４３０は、以下で述べる機能を実行するように構成されたＡＳＩＣ回路又はＦＰＧＡ回路である。別の例としては、画像プロセッサ４２０及び抽出プロセッサ４３０は、以下で述べる機能を実現するアルゴリズムを実行する汎用プロセッサ内で結合される。
【００６５】
光学画像プロセッサ１８０は、カメラ８１０（図８では示さず）内のセンサ１５０から、光学画像を表す画像データ１７０を受信する。複数のカメラが存在する場合、各カメラは、光学画像プロセッサ１８０に別個の光学画像を供給すればよい。更に、使用される光源に応じて、光学画像プロセッサ１８０は、光源の照射パターンに関する情報を得る必要が更にある場合がある。
【００６６】
画像データ１７０は、Ａ／Ｄ変換器４１０によってアナログからデジタルへ変換され、デジタル画像データ１７０を処理する画像プロセッサ４２０に送られる。例えば、センサ１５０が、カラーフィルタアレイを組み込むカラーセンサである場合、画像プロセッサ４２０は、画像をデモザイク処理することができる。デモザイク処理は、各ピクセルロケーションについての抜けているカラー値を、近傍ピクセルから補間するプロセスである。多くのデモザイク処理が今日の当該技術分野で既知である。限定としてではなく、例として、種々のデモザイク処理方法は、ピクセル複製、双一次補間、及びメディアン補間を含む。画像プロセッサ４２０が実行することができる他のタイプの処理は、ノイズフィルタリング及び画像強調を含む。
【００６７】
抽出プロセッサ４３０は、画像プロセッサ４２０から処理された画像データを受け取るように接続され、処理された画像データから光学画像情報１７５を抽出するように動作する。画像データ１７０から光学画像情報１７５を抽出するのに使用することができる、多くの高速且つ簡単な、既知のアルゴリズムが存在する。例えば、一例としては、抽出プロセッサ４３０は、３次元画像用の画像作成アルゴリズムを使用して、対象物の３Ｄ表面を抽出する。３次元画像の画像作成プロセスの例は、米国特許出願第１０／３９２，７５８号に記載されており、照射勾配を使用して、対象物からの反射照射の強度特性及び／又はスペクトル特性を空間的に変えて、対象物の表面上の空間ロケーションにおける表面勾配が求められる。表面勾配は、次に、対象物の３次元画像を作成するのに使用される。他の３次元画像作成プロセスは、レーザ三角測量法、立体撮像、構造光及びフォトメトリックステレオ(ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ  ｓｔｅｒｅｏ)を含む。例えば、種々の３次元画像作成プロセスは、Ｈｏｒｎ他著[Ｔｏｗａｒｄ  Ｏｐｔｉｍａｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐａｔｔｅｒｎｓ](ＩＥＥＥ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｅｃｅｎｔ  Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  ３−Ｄ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ,  Ｏｔｔａｗａ,  Ｏｎｔａｒｉｏ,  Ｃａｎａｄａ,  Ｍａｙ  １２−１５,  １９９７,  ｐｐ.２８−３５)及びＢｅｒａｌｄｉｎ他著[Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｆｌｙｉｎｇ−Ｓｐｏｔ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ](ＩＥＥＥ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｅｃｅｎｔ  Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  ３−Ｄ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ,  Ｂａｎｆｆ,  Ａｌｂｅｒｔｔａ,  Ｃａｎａｄａ,  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ６−１０,  ２００３,  ｐｐ.２９−３６)に記載されている。
【００６８】
別の例としては、抽出プロセッサ４３０は、対象である対象物の特徴部を抽出する。本明細書において使用される限りにおいて、「対象物の特徴部」は、対象物の測定値、対象物の表面又は対象物内の構成要素、或いは、対象物の他の印を含むものであればよい。さらなる例としては、抽出プロセッサ４３０は、所望の画像データ１７０からの任意の他の情報を抽出する。
【００６９】
光学画像情報１７５は、抽出プロセッサ４３０によって、マイクロ波画像を作成する時に使用するためのマイクロ波プロセッサ１００に出力される。また、光学画像情報１７５は、抽出プロセッサ４３０からディスプレイ１２０に送信される。マイクロ波プロセッサ１００は、送受信ロジック４４０、Ａ／Ｄ変換器４５０及び画像作成プロセッサ４６０を有する。一例としては、送受信ロジック４４０及び画像作成プロセッサ４６０は、以下で述べる機能を実行するように構成されたＡＳＩＣ回路又はＦＰＧＡ回路である。別の実施形態では、送受信ロジック４４０及び画像作成プロセッサ４６０は、は、以下で述べる機能を実現するアルゴリズムを実行する汎用プロセッサ内で結合される。
【００７０】
つまり、送受信ロジック４４０は、受信マイクロ波ノード（例えば、マイクロ波受信機６０ｂ）から、対象物に関連するターゲットから反射したマイクロ波照射強度を表すマイクロ波測定値４８０を受け取る。マイクロ波測定値４８０は、Ａ／Ｄ変換器４５０によってアナログからデジタルへ変換され、対象物のマイクロ波画像を作成するために、画像作成プロセッサ４６０に送られる。画像作成プロセッサ４６０は、対象物のマイクロ波画像を表すマイクロ波画像データ４９０を生成し、マイクロ波画像データ４９０をディスプレイ１２０に送信する。
【００７１】
この実施形態によれば、抽出プロセッサ４３０によって出力された光学画像情報１７５は、送受信ロジック４４０及び画像作成プロセッサ４６０の一方又は両方で受け取られる。一例としては、光学画像情報１７５は、対象物に関連する対象となる空間領域に対応するデータ点を識別する。一例としては、送受信ロジック４４０は、光学画像情報１７５を使用して、対象となる空間領域（又は領域）に向けてマイクロ波放射を送るための送信命令４７０を送信マイクロ波ノード（例えば、マイクロ波源６０ａ）に供給する。別の例としては、画像作成プロセッサ４６０は、光学画像情報１７５を使用して、識別されたデータ点に対応する測定値４８０を使用して、マイクロ波画像を作成する。
【００７２】
光学画像情報１７５によって、識別されている対象物が占める実際の容積部分が確認されて、容積内のどんなデータ点を実際に求める必要があるかが決定される。そのため、空間の離散的なサンプリング時に、関連するデータ点のみがアドレス指定される必要がある。解析すべき最大許容可能容積及び遭遇する可能性のある最小値に応じて、計算負荷を、大幅に減らすことができる。
【００７３】
ここで、図１０を参照すると、マイクロ波画像内のボクセル数を減らすための別のオプションは、可変サイズボクセルを使用することである。図１０は、可変サイズボクセルを使用したマイクロ波撮像システムの動作の一例を示している。図１０では、アンテナアレイ５０は、警察車両又は軍事車両等の車両６００に搭載される。アレイ５０が反射器アレイである例では、１つ又は複数のマイクロ波アンテナ６０も車両に搭載され、アレイ５０を照射するように配置される。アレイ５０は、容積部分１６０内の対象物１５０のマイクロ波画像を取り込むために、容積部分１６０にわたってマイクロ波放射を放出する。マイクロ波画像は、車両の内部に位置する１つ又は複数のディスプレイ１２０上に表示することができる。
【００７４】
但し、図１０からわかるように、アレイ５０からの距離が増加すると、ボクセルサイズも増加する。したがって、マイクロ波画像の解像度は、アレイ５０に近い領域（例えば、領域６１０）に比べて、離れた領域（例えば、領域６２０）において粗い。セキュリティアプリケーションでは、固定の爆発物又は他の武器によって生じる損害量は、距離に依存する。結果として、遠距離における粗い解像度と近距離における高い解像度は、セキュリティ脅威を識別するのに十分である可能性がある。
【００７５】
図１１は本発明の一実施形態に係るセキュリティアプリケーションにおける離れたマイクロ波撮像のためのプロセス１１００の一例を示すフローチャートである。  
最初に、ブロック１１０５及び１１１０にて、プログラム可能なアンテナ素子のアレイが、離れた領域を含むアドレス指定可能容積部分を撮像するために設けられる。ブロック１１１５にて、離れた領域内の、禁制品等の対象物を識別するのに必要とされる解像度が求められる。その後、ブロック１１２０及びブロック１１２５にて、アレイ内の個々のアンテナ素子は、容積部分内のターゲットに向けてマイクロ波照射を送るように、それぞれの方向係数がプログラムされる。ターゲットから反射されたマイクロ波照射は、アレイ内の個々のアンテナ素子に、それぞれの付加的な方向係数をプログラムすることによって、ブロック１１３０にてアレイにおいて受信される。
【００７６】
ブロック１１３５にて、ターゲットから反射された反射マイクロ波照射の強度は、容積部分のマイクロ波画像内のボクセル値を求めるために測定される。ブロック１１４０にて、そのときのマイクロ波画像に走査されるべきターゲットが更に存在する場合、対象物上の他のターゲットから反射された反射マイクロ波照射の強度を測定するために、アンテナ素子は、ブロック１１２０〜１１３５にて再びプログラムされる。そのときの走査が終了する場合、ブロック１１４５にて、容積部分のマイクロ波画像は、測定されたボクセル値の全てから求められた解像度で作成される。
【００７７】
図１２は本発明の一実施形態に係る、離れたところのマイクロ波撮像を実行するためのプロセスの一例を示すフローチャートである。  
最初に、ブロック１２０５にて、プログラム可能なアンテナ素子のアレイが、離れた領域を含むアドレス指定可能容積部分を撮像するために設けられる。アドレス指定可能な容積部分内の離れたターゲットにおいて禁制品等の対象物を識別するのに高い周波数が必要とされる例では、アレイは、アレイ内のアンテナ素子の数を減らすために疎なアンテナアレイであることができる。一例としては、疎なアレイは、アレイ内に相補的な送信アンテナアレイ及び受信アンテナアレイを含むことによって、形成することができる。
【００７８】
ブロック１２１０にて、容積内のターゲットにおいて禁制品を識別するのに必要とされる解像度が、アレイからのターゲットの距離に基づいて求められる。ブロック１２１５にて、マイクロ波撮像システムが、走査容積部分を最小にしながら、十分な解像度でターゲットのマイクロ波画像を取り込むために、光学撮像システムによって補強できるかどうかについて判定が行われる。こうした二峰性撮像システムが存在する場合、ブロック１２２０にて、マイクロ波撮像システムによってアドレス指定可能な容積内の対象領域（ＲＯＩ）が、光学撮像システムによって識別される。
【００７９】
その後、二峰性撮像システムが存在しない場合、ブロック１２２５にて、アレイ内の個々のアンテナ素子のそれぞれが、ブロック１２３０にて、容積（又はＲＯＩ）内のターゲットに向けてマイクロ波照射を送るように、それぞれの方向係数をプログラムされる。ターゲットから反射されたマイクロ波照射は、アレイ内の個々のアンテナ素子にそれぞれの付加的な方向係数をプログラムすることによって、ブロック１２３５にてアレイにおいて受信される。
【００８０】
ブロック１２４０にて、ターゲットから反射された反射マイクロ波照射の強度は、対象物のマイクロ波画像内のボクセル値を求めるために測定される。ブロック１２４５にて、そのときのマイクロ波画像に走査されるべきターゲットが更に存在する場合、ブロック１２１０にて、他のターゲットの解像度が、可変解像度を可能にするために再び求められ、次に、容積部分（又はＲＯＩ）内の他のターゲットから反射された反射マイクロ波照射の強度を測定するために、アンテナ素子は、ブロック１２２５〜１２４０にて再びプログラムされる。マイクロ波画像内にさらなるターゲットが存在しない場合、ブロック１２５０にて、そのときの走査が終了し、容積部分（又はＲＯＩ）のマイクロ波画像は、測定されたボクセル値の全てから求められた解像度で作成される。
【００８１】
当業者には明らかなように、本出願書において説明された新規の概念は、さまざまな適用範囲にわたって修正及び変更を加えることが可能である。したがって、本発明の技術的な範囲は、記載された特定の例のいずれにも限定されるべきではなく、本出願の特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の一実施形態に係る、離れたところをマイクロ波により撮像を実行するマイクロ波撮像システムを示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るマイクロ波撮像システムの一例を概略的に示したブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るマイクロ波放射を反射するアレイの一例を示す概略的な斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るマイクロ波照射を送るための透過型のアレイを使用した携帯型のマイクロ波撮像システムの一例を示す概略的な斜視図である。
【図５】アンテナ素子のインピーダンス状態に応じて位相を変えて電磁放射を反射するように動作する反射型アンテナ素子の断面図である。
【図６】アクティブタイプの送信／受信又は反射アレイで使用するためのアクティブタイプのアンテナ素子の例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る疎なアンテナアレイ構成の一例を示す概略図である。
【図８】本発明のマイクロ波撮像システムと共に光学（可視光）撮像システムを組み込む撮像システムの一例を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るマイクロ波撮像システムが光学撮像システムによって補強される画像処理システムのブロック図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る可変サイズボクセルを使用したマイクロ波撮像システムの一例の動作を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係るセキュリティアプリケーションにおける離れたマイクロ波撮像のためのプロセスの一例を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の一実施形態に係る、離れたところのマイクロ波撮像を実行するためのプロセスの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８３】
１０  マイクロ波撮像システム
５０  アンテナアレイ
８０  アンテナ素子
１００  プロセッサ
１７５  光学画像情報
１５５  ターゲット
１６０  容積部分
１６５  対象領域
５１０  第１のアレイ
５２０  第２のアレイ
５３０  送信ビーム
５４０  受信ビーム
５５０  交差部
８００  光学撮像システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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