(57)【要約】【課題】従来よりも安定かつ小型で低コストなミリ波パッシブイメージング装置を提供する。【解決手段】ミリ波パッシブイメージング装置は、物体から放射されるミリ波帯の熱雑音を受信するアンテナ部１と、アンテナ部１が受信した熱雑音を増幅する増幅部２ａと、増幅部２ａによって増幅された熱雑音に含まれる、所定の閾値電圧以上の瞬時電圧を検出する度にパルスを出力するパルス生成部６と、パルス生成部６から出力されるパルスの単位時間あたりの数を電圧信号に変換して、電圧信号を輝度信号４として出力するパルス数電圧変換部７とを備える。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体から放射されるミリ波帯の熱雑音を受信するアンテナと、
このアンテナが受信した熱雑音を増幅する増幅手段と、
この増幅手段によって増幅された熱雑音に含まれる、所定の閾値電圧以上の瞬時電圧を検出する度にパルスを出力するパルス生成手段と、
このパルス生成手段から出力されるパルスの単位時間あたりの数を電圧信号に変換して、電圧信号を輝度信号として出力するパルス数電圧変換手段とを備えることを特徴とするミリ波パッシブイメージング装置。
【請求項２】
請求項１記載のミリ波パッシブイメージング装置において、
前記閾値電圧は、前記増幅手段から出力される熱雑音の予想される平均電圧よりも高い値に設定されることを特徴とするミリ波パッシブイメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体から放射されるミリ波を受信して増幅し、画像を得るミリ波パッシブイメージング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、物体から放射されるミリ波帯の熱雑音（電磁波）を受信して増幅し、画像を得るミリ波パッシブイメージング装置が研究されている。このようなミリ波パッシブイメージング装置においては、高利得な低雑音アンプが必要である。ナイキストの定理（非特許文献１参照）より、３００Ｋにおいて平均熱雑音電力は−１７４ｄＢｍ／Ｈｚ（＝ｋＢＴ：ｋはボルツマン定数、Ｂは受信周波数帯域幅、Ｔは絶対温度  ）と極めて小さく、高利得なアンプがなければ十分大きな検波出力が得られない。検波出力が十分大きく得られないと、画像信号は検波器自らが発生する雑音に埋もれてしまうため、信号対雑音比Ｓ／Ｎが劣化する。その結果、見た目の画像が不明瞭になる。
【０００３】
次に、これまでに提案されたくつかの改良方法を示す。まず、特殊なダイオードを開発して、検波器の感度を向上する方法が提案されている（非特許文献２参照）。しかし、検波感度を上げることにはダイオードを構成する半導体の物理的な限界もあり、さらにアンプを製造するプロセスとダイオードを製造するプロセスとの違いから、１つの高周波集積回路にアンプとダイオードを混載することは困難である。また、受信周波数帯域幅Ｂを増加させることで受信電力を増加することも考えられるが、周辺部品の動作周波数帯域幅Ｂの制限から広帯域化にも限界がある。また、ミリ波画像には周波数なりの透過特性や反射特性があり、用いる周波数によって得られる画像の性質が異なる。よって、動作周波数帯域幅Ｂをあまり広くすると、本来得たかった画像とは異なる性質のものが含まれることとなり不都合である。
【０００４】
以上から、従来のミリ波パッシブイメージング装置においては、できるだけ高感度な検波器を利用し、かつ受信周波数帯域幅Ｂを許容できる範囲で大きくしたうえで、受信信号を十分増幅するために高利得なアンプを用いる必要があった（非特許文献３参照）。上記の状況で求められる低雑音アンプの特徴的な利得は２０〜４０ｄＢである。一方、１つの高周波集積回路内で安定的に得られる特徴的な利得は経験的に２０ｄＢ以下であり、さらにこの特徴的な利得は動作周波数に反比例して低下する傾向がある。何故ならば集積回路の持つ高周波アイソレーションが周波数に反比例して低下し、回路間の電磁結合が大きくなるためである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】本城和彦著，“マイクロ波半導体回路”，日刊工業新聞社，pp.95，ISBN4-526-03386-3，1993
【非特許文献２】H.P.Moyer，J.N.Schulman，J.J.Lynch，J.H.Schaffner，M.Sokolich，Y.Royter，R.L.Bowen，C.F.McGuire，M.Hu，and A.Schmitz，“W-Band Sb-Diode Detector MMICs for Passive Millimeter Wave Imaging”，IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS，VOL.18，NO.10，OCTOBER，pp.686-688，2008
【非特許文献３】Wayne Lam，Paul Lee，Larry Yujiri，John Berenz，and Jay Pearlman，“Millimeter-Wave Imaging Using Preamplified Diode Detector”，IEEE MICROWAVE AND GUIDED WAVE LETTERS，VOL.2，NO.7，JULY，pp.276-277，1992
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のように、従来のミリ波パッシブイメージング装置では、十分な検波出力を得るために、受信した雑音信号を大幅に増幅する必要があった。しかし、高利得なアンプを用いると、回路の発振による不具合が発生するため、アンプの発振対策が必要であった。従来は、発振防止のため、（ａ）より高感度な検波器を用いて必要な利得を減らす、（ｂ）動作周波数帯域幅Ｂを増加させて必要な利得を減らす、（ｃ）低利得の複数のアンプに分けて実装する、（ｄ）ヘテロダイン構成にして高周波と中間周波に分けて利得分配する、（ｄ）アンテナやフィーダーの持つ高周波損失の低減で利得を補う、等の対応が複合的に行われてきたが、いずれにせよ装置サイズが大きくなったり、経済性が損なわれたりするため、さらに良い手法が求められてきた。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来よりも安定かつ小型で低コストなミリ波パッシブイメージング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のミリ波パッシブイメージング装置は、物体から放射されるミリ波帯の熱雑音を受信するアンテナと、このアンテナが受信した熱雑音を増幅する増幅手段と、この増幅手段によって増幅された熱雑音に含まれる、所定の閾値電圧以上の瞬時電圧を検出する度にパルスを出力するパルス生成手段と、このパルス生成手段から出力されるパルスの単位時間あたりの数を電圧信号に変換して、電圧信号を輝度信号として出力するパルス数電圧変換手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明のミリ波パッシブイメージング装置の１構成例において、前記閾値電圧は、前記増幅手段から出力される熱雑音の予想される平均電圧よりも高い値に設定される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明においては、熱雑音から希に発生する大きなスパイク状信号に着目し、そのスパイク状信号の単位時間内での発生個数を数えることで、ミリ波パッシブイメージングにおける輝度情報を得る。熱雑音の振幅分布はレイリー分布であるため、平均電力に対して十分大きいピーク電力が発生する。この大きな受信信号だけを扱えば良いことから、必要利得が減少して、より安定な受信回路が得られる。このように、本発明では、従来と比べて増幅手段に要求される利得を減少させることができるので、増幅手段の安定性を向上させることができると共に、増幅手段の消費電力を減少させることができ、より小型で低コストなミリ波パッシブイメージング装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】物体から放射される熱雑音の波形の一例を示す図である。
【図２】レイリー分布の確率密度関数による計算結果の一例を示す図である。
【図３】熱雑音のピーク数と閾値電圧との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るミリ波パッシブイメージング装置のセンサ部の構成例を示すブロック図である。
【図５】従来のミリ波パッシブイメージング装置のセンサ部の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
まず、本発明の原理について詳細に説明していく。図１に物体から放射される熱雑音（ミリ波）の波形の一例を示す。熱雑音電圧の絶対値の平均値を平均電圧Ｖａｖｅ．と定義する。熱雑音の振幅はレイリー分布となっていることから、熱雑音の波形には平均電圧Ｖａｖｅ．を遥かに上回るピーク電圧値が見られる。これらのピーク電圧値の中で閾値電圧Ｖｔｈを超えるものを電圧ピークＶｐｅａｋと定義する。
次に、レイリー分布の確率密度関数Ｐ（ｖ）を下記に示す。
【００１２】
【数１】
2013036867.tif 000003
【００１３】
ｖは電圧振幅である。図２は式（１）のレイリー分布の確率密度関数Ｐ（ｖ）による計算結果の一例を示す図である。ここでは、パラメータであるσを０．３２Ｖとしている。図２の平均電圧Ｖａｖｅ．は０．４Ｖであり、また装置が５０Ω系であると仮定すれば平均電力は２ｍＷ（３ｄＢｍ）と算出される。ここで、確率密度関数の定義より、図２に示す確率密度−振幅電圧の分布で電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超える確率は面積Ｓと等しいことが分かる。
【００１４】
次に、熱雑音に閾値電圧Ｖｔｈを超えるピークが単位時間あたり何個現れるかを計算する。周波数帯域幅Ｂの狭帯域雑音は、その中心周波数をｆｃとすると、時間間隔１／ｆｃの間では振幅および位相は急変しないことが知られている。また、熱雑音の包絡線の変動周期は周波数帯域幅Ｂを上限としているため、最低限でも変動周期１／Ｂより早い応答速度で信号の強さを測定すれば、取りこぼしなく全てのピークを検出できる。よって、以降は最も効率の高い変動周期１／Ｂでピーク検出を行うことに話をしぼる。また、通常の受信器では比帯域Ｂ／ｆｃは１より小さい。よって、時間間隔１／ｆｃより変動周期１／Ｂは長くなり、１つのピークには周波数ｆｃの波が何周期か含まれていることになる。前述の閾値電圧Ｖｔｈを超える確率（面積Ｓ）と包絡線の変動周期１／Ｂを併せて考えると、熱雑音に単位時間に発生する、閾値電圧Ｖｔｈを超えるピークの数Ｎは以下の式で表される。
Ｎ＝Ｓ×Ｂ                                                      ・・・（２）
【００１５】
式（２）より、σ＝０．３２Ｖ、Ｂ＝２０ＧＨｚの場合のピーク数Ｎと閾値電圧Ｖｔｈとの関係を図３に示す。ただし、図３では、閾値電圧Ｖｔｈの代わりに、閾値電圧Ｖｔｈに対応する５０Ω系交流電力（ｄＢｍ）を横軸としている。図３から、平均電圧Ｖａｖｅ．＝０．４Ｖに対応する平均電力である２ｍＷ（３ｄＢｍ）よりも１２ｄＢ高い瞬時電力（１５ｄＢｍ）のピークが１秒間に１万個以上観察されることが分かる。つまり、これらのピークだけを計数すれば良いのであれば、低雑音アンプの利得は従来よりも１２ｄＢ低く設定できることになる。その結果、低雑音アンプの必要利得が減少し、回路の安定性が改善され、１つの集積回路で十分な装置性能が得られるようになる。
【００１６】
図４は本発明の実施の形態に係るミリ波パッシブイメージング装置のセンサ部の構成例を示すブロック図である。比較のため、従来のミリ波パッシブイメージング装置のセンサ部の構成を図５に示す。本実施の形態のミリ波パッシブイメージング装置は、アンテナ部１と、増幅部２ａと、パルス計数部５とを有する。パルス計数部５は、パルス生成部６と、パルス数電圧変換部７とから構成される。本実施の形態と従来との違いは、検波器３がパルス計数部５に変更されることと、増幅部２ａの利得が１２ｄＢ低減されることである。
【００１７】
アンテナ部１は、対象となる物体（不図示）から放射される熱雑音（ミリ波）を受信する。増幅部２ａは、アンテナ部１が受信した熱雑音を増幅する。ここで、図５に示す従来例では、増幅部２が例えば６ｄＢの利得を有する５段の低雑音アンプからなるのに対し、本実施の形態では、増幅部２ａが例えば６ｄＢの利得を有する３段の低雑音アンプから構成されており、上記のとおり増幅部２ａの利得が従来に対して１２ｄＢ低減されている。
【００１８】
パルス生成部６は、増幅部２ａから出力される熱雑音に含まれる、閾値電圧Ｖｔｈ以上の瞬時電圧を検出する度にパルスを出力する。パルス生成部６としては、周波数帯域幅Ｂ以上を持つフリップフロップやピークホールド回路等が利用可能である。閾値電圧Ｖｔｈは、図３で説明したとおり交流電力に換算した値で１５ｄＢｍとなる点の近辺に設定される。
【００１９】
パルス数電圧変換部７は、パルス生成部６から出力されるパルスの単位時間あたりの数Ｎを電圧信号に変換して、この電圧信号を輝度信号４として出力する。パルス数電圧変換部７としては、パルスカウンターや低域ろ波フィルター等が利用可能である。
図示しない信号処理部は、パルス数電圧変換部７から出力された輝度信号４を信号処理して物体のミリ波画像を生成し、このミリ波画像を表示する。
【００２０】
なお、図４に示した構成は２次元のミリ波画像の１画素に対応する。したがって、図４に示したセンサ部を２次元のアレイ状に多数配置して物体からの熱雑音を２次元で受信して２次元のミリ波画像を得るか、あるいはアンテナ部１を動かして物体を走査することにより２次元のミリ波画像を得る必要がある。
【００２１】
以上説明したように、本実施の形態では、従来と比べて低雑音アンプに要求される利得を減少させることができるので、低雑音アンプの安定性を向上させることができると共に、低雑音アンプの消費電力を減少させることができ、より小型で低コストなミリ波パッシブイメージング装置を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、物体から放射されるミリ波を受信して増幅し画像を得る技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００２３】
１…アンテナ部、２ａ…増幅部、５…パルス計数部、６…パルス生成部、７…パルス数電圧変換部。
【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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