JP5878335B2 - Observation device - Google Patents
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Description
本発明は、対象物の像を観察する装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for observing an image of an object.
従来、対象物に電波を照射して、対象物から生じる回折波に基づいて、対象物を観察する装置が知られている。例えば、対象物の強度像・位相像を観察する技術として、非特許文献1には、ミリ波を用いたイメージング装置が開示されている。この装置では、コンクリート構造物表層をミリ波で走査し、反射した電波の反射強度に基づいてコンクリート構造物内部の透視像を得ている。 2. Description of the Related Art Conventionally, an apparatus that irradiates a target with radio waves and observes the target based on a diffracted wave generated from the target is known. For example, as a technique for observing an intensity image / phase image of an object, Non-Patent Document 1 discloses an imaging apparatus using millimeter waves. In this apparatus, the surface layer of the concrete structure is scanned with millimeter waves, and a perspective image inside the concrete structure is obtained based on the reflected intensity of the reflected radio waves.
また、非特許文献2には、複数の角度から平面電波を対象物に全面照射し、その回折波を空間的に異なる位置において検波して得られた複数の回折分布又は回折像からフーリエ回折定理(Fourier Diffraction Theorem)を用いることにより、3次元または2.5次元の対象物内の媒質定数、複素屈折率分布を断層像として得る回折トモグラフィに関する技術が開示されている。 Further, Non-Patent Document 2 discloses a Fourier diffraction theorem based on a plurality of diffraction distributions or diffraction images obtained by irradiating a plane radio wave on the entire surface from a plurality of angles and detecting the diffracted waves at spatially different positions. A technique relating to diffraction tomography that obtains a medium constant and a complex refractive index distribution in a three-dimensional or 2.5-dimensional object as a tomographic image by using (Fourier Diffraction Theorem) is disclosed.
上記非特許文献1,2に記載された技術を用いた装置では、対象物は静止している状態であることが必要である。特に、上記非特許文献1記載の装置では、ミリ波の走査面に対して、対象物であるコンクリート構造体は相対的に移動することになるため、対象物において生じる反射波はドップラーシフトを受け、取得される像にひずみが生ずることになる。したがって、これらの装置で、SNを向上させつつ、移動している対象物の強度像・位相像を得るには、フレームレートが高く高速測定が可能な検波器を用いて、対象物が静止していると見做し得る期間に複数枚の画像を得ることが必要である。しかし、対象物が十分静止していると見做し得る時間内に複数回検出するには、高周波回路が必要となり、回路規模が大きくなるという問題がある。 In the apparatus using the techniques described in Non-Patent Documents 1 and 2, the target object needs to be in a stationary state. In particular, in the apparatus described in Non-Patent Document 1, the concrete structure that is the object moves relative to the millimeter wave scanning plane, so that the reflected wave generated in the object undergoes a Doppler shift. This will cause distortion in the acquired image. Therefore, in order to obtain an intensity image / phase image of a moving object while improving SN with these devices, the object is stationary using a detector capable of high-speed measurement with a high frame rate. It is necessary to obtain a plurality of images in a period that can be regarded as being. However, there is a problem that a high-frequency circuit is required to detect the object multiple times within a time period that can be regarded as sufficiently stationary, and the circuit scale increases.
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、信号取得レートが低い検波器を用いる場合であっても、移動している対象物の像(インピーダンス分布、複素屈折率分布)を得ることができる観察装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and even when a detector with a low signal acquisition rate is used, an image of a moving object (impedance distribution, complex refractive index distribution). An object of the present invention is to provide an observation apparatus capable of obtaining the above.
本発明の観察装置は、所定の周波数の信号を生成する信号発生部と、所定の周波数の信号を入力して電波を生成する電波源を有し、移動している対象物へ電波を照射する回折波発生部と、電波源による電波照射により対象物で生じた回折波のうち所定平面に到達した電波において対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に垂直な方向を第1方向とし、この第1方向に直交する所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に平行な方向を第2方向としたときに、所定平面上の各位置に到達した電波のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの、第2方向についての総和を表すデータを、第1方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、検出部から出力された所定平面上の第1方向の位置および時刻を変数とするデータについて、時刻変数に関する1次元フーリエ変換、周波数に関する1次元フーリエ変換、および第1方向に関する1次元フーリエ変換を行って、これらの1次元フーリエ変換により得られたデータを対象物の像として得る演算部と、を備えることを特徴とする。ここで第1方向は、対象物の移動方向に垂直な方向であり、第2方向は対象物の移動方向に平行な方向である。 The observation apparatus according to the present invention includes a signal generation unit that generates a signal having a predetermined frequency and a radio wave source that generates a radio wave by inputting the signal having the predetermined frequency, and irradiates the moving object with the radio wave. A direction on the predetermined plane in which the Doppler shift effect due to the movement of the object is constant in the radio wave that reaches the predetermined plane among the diffracted waves generated by the radio wave source from the diffracted wave generator and the radio wave source. When the direction perpendicular to the moving direction of the object is the first direction and the direction on the predetermined plane orthogonal to the first direction and the direction parallel to the moving direction of the object is the second direction, Data representing the sum in the second direction of data that changes in time with a frequency corresponding to the Doppler shift amount of the radio wave that has reached each position on the predetermined plane is output at each time for each position in the first direction. Detection unit and output from detection unit The data having the position and time in the first direction on the predetermined plane as variables are subjected to a one-dimensional Fourier transform for the time variable, a one-dimensional Fourier transform for the frequency, and a one-dimensional Fourier transform for the first direction. And an operation unit that obtains data obtained by one-dimensional Fourier transform as an image of the object. Here, the first direction is a direction perpendicular to the moving direction of the object, and the second direction is a direction parallel to the moving direction of the object.
本発明の観察装置では、移動している対象物は、電波源により電波が照射されて、回折波を発生させる。その回折波は、散乱方向に応じた量のドップラーシフトを受ける。その回折波は、検出部により検波される。所定平面に到達した電波において対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に垂直な方向を第1方向とし、この第1方向に直交する所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に平行な方向を第2方向とする。所定平面上の各位置に到達した電波のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの第2方向についての総和を表すデータが、第1方向の各位置について各時刻に検出部から出力される。演算部では、検出部から出力された所定平面上の第1方向の位置および時刻を変数とするデータについての時刻変数に関する1次元フーリエ変換と、周波数に関する1次元フーリエ変換と、第1方向に関する1次元フーリエ変換と、が行われて得られたデータが対象物の像として得られる。なお、上記電波とは、テラヘルツ波を含むものである。 In the observation apparatus of the present invention, a moving object is irradiated with a radio wave from a radio wave source to generate a diffracted wave. The diffracted wave undergoes an amount of Doppler shift corresponding to the scattering direction. The diffracted wave is detected by the detection unit. A direction on the predetermined plane in which the Doppler shift effect due to the movement of the object is constant in the radio wave reaching the predetermined plane is a direction perpendicular to the movement direction of the object as the first direction. A direction parallel to the direction of movement of the object is a second direction that is a direction on a predetermined plane orthogonal to each other. Data representing the sum in the second direction of data that changes in time with a frequency corresponding to the Doppler shift amount of the radio wave that has reached each position on the predetermined plane is received from the detection unit at each time for each position in the first direction. Is output. In the calculation unit, the one-dimensional Fourier transform related to the time variable, the one-dimensional Fourier transform related to the frequency, and the one related to the first direction for the data whose variables are the position and time in the first direction on the predetermined plane output from the detection unit. Data obtained by performing the dimensional Fourier transform is obtained as an image of the object. The radio waves include terahertz waves.
本発明の観察装置では、検出部が、所定平面に検波面を有し、該検波面において電波を受波して電気信号に変換する複数のアンテナを備え、複数のアンテナが、第1方向および第2方向に並設され、第2方向のアンテナは、その出力側で電気的に接続されてもよい。 In the observation apparatus of the present invention, the detection unit includes a detection surface on a predetermined plane, and includes a plurality of antennas that receive radio waves on the detection surface and convert them into electrical signals, and the plurality of antennas have a first direction and The antennas arranged in parallel in the second direction and electrically connected in the second direction may be electrically connected on the output side.
本発明の観察装置では、検出部が、所定平面に検波面を有し、該検波面において電波を受波して電気信号に変換する複数のアンテナを備え、複数のアンテナが、第1方向および第2方向に並設され、演算部が、第2方向のアンテナの出力の総和を得る各出力総和器を備えてもよい。 In the observation apparatus of the present invention, the detection unit includes a detection surface on a predetermined plane, and includes a plurality of antennas that receive radio waves on the detection surface and convert them into electrical signals, and the plurality of antennas have a first direction and The calculation unit may be provided in parallel with the second direction, and the calculation unit may include each output summer that obtains the sum of the outputs of the antennas in the second direction.
本発明の観察装置では、信号発生部から所定の周波数の信号を入力して、その入力した信号から第1参照電波を生成する第1参照電波発生部を更に備え、検出部が、検波面において、対象物で生じた回折波と第1参照電波とをヘテロダイン干渉させてもよい。 The observation apparatus according to the present invention further includes a first reference radio wave generation unit that inputs a signal having a predetermined frequency from the signal generation unit and generates a first reference radio wave from the input signal, and the detection unit is provided on the detection surface. The diffracted wave generated in the object and the first reference radio wave may be heterodyne interfered.
本発明の観察装置では、信号発生部から所定の周波数の信号を入力して、その入力した信号から第1参照信号を生成する第1参照信号発生部を更に備え、検出部が、第2方向のアンテナの出力の総和と第1参照信号とをヘテロダイン干渉させてもよい。 The observation apparatus according to the present invention further includes a first reference signal generation unit that inputs a signal having a predetermined frequency from the signal generation unit and generates a first reference signal from the input signal, and the detection unit has the second direction. The total sum of the antenna outputs and the first reference signal may be subjected to heterodyne interference.
本発明の観察装置では、対象物で生じた回折波のうち、対象物のフランフォーファー回折像の中心に現れる電波を入力して、その入力した電波を電気信号に変換したのちに、該電気信号から第2参照信号を生成する第2参照信号発生部を更に備え、検出部が、第2方向のアンテナの出力の総和と第2参照信号とをヘテロダイン干渉させてもよい。 In the observation apparatus of the present invention, among the diffracted waves generated in the object, a radio wave that appears at the center of the Franforfer diffraction image of the object is input, and after the input radio wave is converted into an electric signal, the electric signal is A second reference signal generation unit that generates a second reference signal from the signal may be further provided, and the detection unit may cause heterodyne interference between the sum of the antenna outputs in the second direction and the second reference signal.
本発明の観察装置では、対象物で生じた回折波のうち、対象物のフランフォーファー回折像の中心に現れる電波を入力して、その入力した電波を電気信号に変換したのちに、該電気信号から第2参照電波を生成する第2参照電波発生部を更に備え、検出部が、検波面において、対象物で生じた回折波と第2参照電波とをヘテロダイン干渉させてもよい。 In the observation apparatus of the present invention, among the diffracted waves generated in the object, a radio wave that appears at the center of the Franforfer diffraction image of the object is input, and after the input radio wave is converted into an electric signal, the electric signal is A second reference radio wave generation unit that generates a second reference radio wave from the signal may be further provided, and the detection unit may cause heterodyne interference between the diffracted wave generated by the object and the second reference radio wave on the detection surface.
本発明の観察装置では、演算部が、時刻変数に関する1次元フーリエ変換により得られたデータのうち、所定の周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域のデータについて、周波数に関する1次元フーリエ変換、および第1方向に関する1次元フーリエ変換を行うこととしてもよい。 In the observation apparatus according to the present invention, the calculation unit uses the one-dimensional Fourier related to the frequency for the data including the maximum Doppler shift frequency around the predetermined frequency among the data obtained by the one-dimensional Fourier transform related to the time variable. Transformation and one-dimensional Fourier transformation related to the first direction may be performed.
本発明の観察装置では、演算部が、時刻変数に関する1次元フーリエ変換により得られたデータのうち、所定の周波数の信号を変調器で変調した信号の周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域のデータについて、周波数に関する1次元フーリエ変換、および第1方向に関する1次元フーリエ変換を行うこととしてもよい。 In the observation apparatus of the present invention, the calculation unit sets the maximum Doppler shift frequency back and forth around the frequency of a signal obtained by modulating a signal of a predetermined frequency with a modulator among the data obtained by the one-dimensional Fourier transform relating to the time variable. One-dimensional Fourier transform relating to the frequency and one-dimensional Fourier transform relating to the first direction may be performed on the data in the included region.
本発明の観察装置では、対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、演算部が、速度検出部により検出された対象物の速度に基づいて、フーリエ変換の際に対象物の速度変化に関する補正を行うこととしてもよい。 The observation apparatus of the present invention further includes a speed detection unit that detects the moving speed of the object, and the calculation unit calculates the speed of the object during the Fourier transform based on the speed of the object detected by the speed detection unit. It is good also as correcting about a change.
本発明の観察装置では、回折波発生部が、広帯域の電波を生成する電波源を有することとしてもよい。また、回折波発生部が、前記電波としてパルス波を生成することとしてもよい。 In the observation apparatus of the present invention, the diffracted wave generator may include a radio wave source that generates a broadband radio wave. In addition, the diffracted wave generator may generate a pulse wave as the radio wave.
本発明によれば、信号取得レートが低い検波器を用いる場合であっても、移動している対象物の像を得ることができる。 According to the present invention, even when a detector with a low signal acquisition rate is used, an image of a moving object can be obtained.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
本実施形態の観察装置は、移動している対象物に電波(テラヘルツ波を含む)が照射された際に生じるドップラーシフト効果を利用し、特に、対象物で生じた回折波の進行方向とドップラーシフト量との間に一定の関係が存在することを利用して、対象物の像を取得するものである。初めに、図1を用いて、本実施形態の観察装置による対象物の像の取得について原理的な事項について説明する。 The observation apparatus of the present embodiment uses the Doppler shift effect that is generated when a moving object is irradiated with radio waves (including terahertz waves), and in particular, the traveling direction of the diffracted wave generated by the object and the Doppler. An image of the object is acquired by utilizing the fact that there is a certain relationship with the shift amount. First, with reference to FIG. 1, a principle matter regarding acquisition of an image of an object by the observation apparatus of the present embodiment will be described.
図1は、本実施形態の観察装置による対象物の像の取得の原理を説明する図である。この図には、ξη座標系およびuv座標系が示されている。ξ軸およびu軸は、互いに平行である。η軸およびv軸は、互いに平行である。観察対象である対象物2はξη平面上に存在する。 FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of acquisition of an image of an object by the observation apparatus of the present embodiment. In this figure, the ξη coordinate system and the uv coordinate system are shown. The ξ axis and the u axis are parallel to each other. The η axis and the v axis are parallel to each other. The object 2 to be observed exists on the ξη plane.
対象物2はξη平面上で−η方向に移動しているものとする。ξη平面に垂直な方向に進む電波L0が対象物2に照射されるとする。この電波L0は例えば平面波である。対象物2に電波L0が照射されることにより生じる回折波L1〜L3は、様々な方向に進み、また、対象物2の移動によりドップラーシフトを受ける。対象物2の移動方向と同じ方向に散乱方向ベクトル成分を有する回折波L1は、周波数が高くなる。対象物2の移動方向に散乱方向ベクトル成分を有しない回折波L2は、周波数が変化しない。対象物2の移動方向と逆の方向に散乱方向ベクトル成分を有する回折波L3は、周波数が低くなる。これらの回折波L1〜L3は、uv平面に到達する。 It is assumed that the object 2 is moving in the -η direction on the ξη plane. It is assumed that the object 2 is irradiated with a radio wave L0 traveling in a direction perpendicular to the ξη plane. The radio wave L0 is, for example, a plane wave. The diffracted waves L <b> 1 to L <b> 3 generated by irradiating the object 2 with the radio wave L <b> 1 travel in various directions and undergo a Doppler shift due to the movement of the object 2. The diffracted wave L1 having the scattering direction vector component in the same direction as the moving direction of the object 2 has a high frequency. The frequency of the diffracted wave L2 having no scattering direction vector component in the moving direction of the object 2 does not change. The diffracted wave L3 having the scattering direction vector component in the direction opposite to the moving direction of the object 2 has a low frequency. These diffracted waves L1 to L3 reach the uv plane.
速度ベクトルVで移動する対象物2に周波数ω0をもつ電波を照射したときに、対象物2で生じる回折波を静止観測点で観測すると、ドップラー効果によるドップラーシフト周波数ωdが加わった回折波の周波数は、下記(1)式で表される。(1)式では、対象物2への入射単位ベクトルをs0とし、対象物2で生じた回折波の散乱方向を示す散乱単位ベクトルをsとしている。 When the object 2 moving at the velocity vector V is irradiated with a radio wave having the frequency ω 0 , when the diffracted wave generated at the object 2 is observed at a stationary observation point, the diffracted wave with the Doppler shift frequency ω d due to the Doppler effect Is expressed by the following equation (1). In the equation (1), the incident unit vector to the object 2 is s 0, and the scattering unit vector indicating the scattering direction of the diffracted wave generated by the object 2 is s.
例えば、電波源が、静止している観測者に向かって速度Vで移動している場合を考える。この場合、移動物体自体から電波を発しているため、入射ベクトルs0は0としてよい。また散乱単位ベクトルsと速度ベクトルVとがなす角度は0度であるから、散乱単位ベクトルsと速度ベクトルVの内積は単に速さ|V|となる。したがって、この場合、(1)式は(2)式で表すことができ、観測者は、元の周波数ω0よりも(|V|/c)ω0だけ高い周波数を観測することとなる。 For example, consider a case where the radio wave source is moving at a velocity V toward a stationary observer. In this case, since the radio wave is emitted from the moving object itself, the incident vector s 0 may be zero. Further, since the angle formed by the scattering unit vector s and the velocity vector V is 0 degree, the inner product of the scattering unit vector s and the velocity vector V is simply the speed | V |. Therefore, in this case, the equation (1) can be expressed by the equation (2), and the observer observes a frequency that is higher than the original frequency ω 0 by (| V | / c) ω 0 .
また、(1)式において、電波の速さcに比べて速さ|V|は十分小さい場合、(3)式が導かれる。(3)式において、λは電波の波長を表す。(3)式はドップラーシフト量ωdは、(s−s0)と移動物体の速度ベクトルVの内積に比例することを表している。 Further, in the equation (1), when the speed | V | is sufficiently smaller than the radio wave velocity c, the equation (3) is derived. In equation (3), λ represents the wavelength of the radio wave. Expression (3) indicates that the Doppler shift amount ω d is proportional to the inner product of (s−s 0 ) and the velocity vector V of the moving object.
(3)式より、速度Vと入射ベクトルs0が一定の場合、ある位置で観測される回折波のドップラーシフト周波数は散乱角と一対一で対応することがわかる。したがって、そのドップラーシフト周波数での波の複素振幅値は、回折波のその散乱角における複素振幅値を与える。回折波の最大検波角をθmaxとすれば、得られるドップラーシフト周波数の最大値は±BWである。BWを(4)式に示す。 From equation (3), it can be seen that when the velocity V and the incident vector s 0 are constant, the Doppler shift frequency of the diffracted wave observed at a certain position has a one-to-one correspondence with the scattering angle. Therefore, the complex amplitude value of the wave at the Doppler shift frequency gives the complex amplitude value at the scattering angle of the diffracted wave. If the maximum detection angle of the diffracted wave and theta max, the maximum value of the resulting Doppler shift frequency is ± B W. B W is shown in equation (4).
ところで、回折波の検波面を無限遠方においたときに得られる回折波パターンが対象物の角度スペクトルとして得られる。これは無限遠方での第1次ボルン近似式である(5)式により確かめられる。 By the way, a diffracted wave pattern obtained when the detection surface of the diffracted wave is placed at infinity is obtained as an angle spectrum of the object. This can be confirmed by Equation (5) which is a first-order Born approximation at infinity.
上記(5)式において、f1(s,s0)は散乱強度(scattering amplitude)であり、Fは散乱ポテンシャルである。ベクトルKは2π(s−s0)/λである。λは電波の波長を表す。(5)式は散乱ポテンシャルFをベクトルr空間でフーリエ変換された結果がK空間での散乱強度f1になることを表している。K空間とは角度スペクトルまたは空間周波数Kそのものである。電波の場合、対象物外での電波の速度をc0、対象物内の電波の速度分布をc(r)とすれば、散乱ポテンシャルFは以下の(6)式で表される。 In the above equation (5), f 1 (s, s 0 ) is a scattering amplitude, and F is a scattering potential. The vector K is 2π (s−s 0 ) / λ. λ represents the wavelength of the radio wave. Equation (5) represents that the result of Fourier transform of the scattering potential F in the vector r space is the scattering intensity f 1 in the K space. The K space is an angular spectrum or a spatial frequency K itself. In the case of radio waves, assuming that the velocity of radio waves outside the object is c 0 and the velocity distribution of radio waves inside the object is c (r), the scattering potential F is expressed by the following equation (6).
すなわち物体の空間周波数Kが、フランフォーファー回折面に現れる。また空間周波数Kは、速度Vとの内積によりドップラーシフト周波数ωdに変換される。以上、2つのことから、対象物の空間周波数スペクトルは、ドップラーシフト周波数スペクトルに現れることがわかる。 That is, the spatial frequency K of the object appears on the Franforfer diffraction surface. The spatial frequency K is transformed into the Doppler shift frequency omega d by the inner product of the velocity V. As described above, it can be seen from the two things that the spatial frequency spectrum of the object appears in the Doppler shift frequency spectrum.
(第1実施形態)
本実施形態の観察装置1は、以上に説明した原理に基づいて、対象物2の像を取得するものである。図2は、第1実施形態の観察装置1の構成を示す図である。本実施形態の観察装置1は、図2に示すように、信号発生部SG、回折波発生部10、検出部20、および演算部30を備える。
(First embodiment)
The observation apparatus 1 according to the present embodiment acquires an image of the object 2 based on the principle described above. FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the observation apparatus 1 according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the observation apparatus 1 of the present embodiment includes a signal generation unit SG, a diffracted wave generation unit 10, a detection unit 20, and a calculation unit 30.
信号発生部SGは、電波を発生させるための信号を生成する手段であり、周波数ω0の正弦波sin(ω0t)の信号を回折波発生部10に出力する。 The signal generator SG is a means for generating a signal for generating radio waves, and outputs a sine wave sin (ω 0 t) signal having a frequency ω 0 to the diffracted wave generator 10.
回折波発生部10は、信号発生部SGから信号を入力して電波を生成し、対象物2へ電波を照射して回折波を発生させる手段である。回折波発生部10は、トランスデューサ12を備える。トランスデューサ12は、信号発生部SGから信号を入力して電波を生成し、移動している対象物へ電波を照射する。トランスデューサ12は、複数のアンテナから構成され、各アンテナに信号発生部SGからの信号が入力される。トランスデューサ12に用いられるアンテナとしてはパラボラアンテナ、ボウタイアンテナ、ダイポールアンテナ、テーパードスロットアンテナ等の種々のアンテナを用いることができる。アンテナは平面形状であり、トランスデューサ12から出力される電波の波長の半分程度の寸法を有することが好ましい。各アンテナに入力される信号は、対象物2に平面波が入射されるように位相関係が所定の量に保たれている。トランスデューサ12は、複数のアンテナにより平面波を出力し、この平面波を対象物2へ照射する。本実施形態では、各アンテナに同一の位相を有する正弦波が入力される。このため、トランスデューサから出力される電波は、図2に示すZ軸方向に進行する平面波となる。なお、隣り合うアンテナに入力される信号の位相差が一定量の場合、Z軸に対して、位相差の量に応じた角度を有する平面波が出射される。なお、本明細書において、ξ軸方向、u軸方向、X軸方向、第1方向は互いに平行な向きであり、η軸方向、v軸方向、Y軸方向、第2方向は、互いに平行な向きである。 The diffracted wave generator 10 is means for generating a diffracted wave by inputting a signal from the signal generator SG to generate a radio wave and irradiating the object 2 with the radio wave. The diffracted wave generator 10 includes a transducer 12. The transducer 12 receives a signal from the signal generator SG to generate a radio wave, and irradiates the moving object with the radio wave. The transducer 12 includes a plurality of antennas, and a signal from the signal generator SG is input to each antenna. As an antenna used for the transducer 12, various antennas such as a parabolic antenna, a bow tie antenna, a dipole antenna, and a tapered slot antenna can be used. It is preferable that the antenna has a planar shape and has a size of about half of the wavelength of the radio wave output from the transducer 12. The phase relationship of signals input to the antennas is maintained at a predetermined amount so that a plane wave is incident on the object 2. The transducer 12 outputs a plane wave from a plurality of antennas, and irradiates the object 2 with the plane wave. In this embodiment, a sine wave having the same phase is input to each antenna. For this reason, the radio wave output from the transducer becomes a plane wave traveling in the Z-axis direction shown in FIG. When the phase difference between signals input to adjacent antennas is a fixed amount, a plane wave having an angle corresponding to the amount of the phase difference with respect to the Z axis is emitted. In this specification, the ξ-axis direction, u-axis direction, X-axis direction, and first direction are parallel to each other, and the η-axis direction, v-axis direction, Y-axis direction, and second direction are parallel to each other. The direction.
トランスデューサ12は、この平面波を対象物2へ照射する。平面波が対象物2に照射されると、対象物2において様々な方向に散乱する回折波が生じる。対象物2で生じた回折波は、検出部20に到達する。 The transducer 12 irradiates the object 2 with this plane wave. When the object 2 is irradiated with a plane wave, diffracted waves scattered in various directions are generated in the object 2. The diffracted wave generated by the object 2 reaches the detection unit 20.
対象物2はξη平面上で−η方向(図2における−Y方向)に移動しているものとすると、検出部20に到達した回折波において対象物2の移動に因るドップラーシフト周波数が一定となる第1方向は、ξ軸に平行なu方向(図2におけるX方向)である。この第1方向に直交する第2方向は、η軸に平行なv方向(図2におけるY方向)である。検出部20は、検波面上の各位置に到達した電波のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの第2方向(v方向)についての総和を表すデータを、第1方向(u方向)の各位置について各時刻に出力することができる。 Assuming that the object 2 is moving in the −η direction (−Y direction in FIG. 2) on the ξη plane, the Doppler shift frequency due to the movement of the object 2 is constant in the diffracted wave reaching the detection unit 20. The first direction is the u direction (X direction in FIG. 2) parallel to the ξ axis. The second direction orthogonal to the first direction is the v direction (Y direction in FIG. 2) parallel to the η axis. The detection unit 20 generates data representing the sum in the second direction (v direction) of data that temporally changes at a frequency corresponding to the Doppler shift amount of the radio wave that has reached each position on the detection surface in the first direction ( For each position in the u direction), it can be output at each time.
検出部20は、複数のY方向に延在するトランスデューサdnにより構成される。トランスデューサdnは、検出部20に到達した電波を受波し、電気信号に変換する手段である。検出部20では、X方向に向かってN個のトランスデューサdn(n=1,2,…,N)が並設されている。図2では、そのうち一つのトランスデューサdnを示している。各トランスデューサは、物理的にはY方向に向かって並設されるM個のアンテナdn (m)(m=1,2,…,M)により構成されている。すなわち、アンテナdn (m)は、第1方向(X方向)および第2方向(Y方向)に並設されている。各アンテナdn (m)は、電波を受波して電気信号に変換する。各アンテナdn (m)が検出部20の1つの画素に相当し、各アンテナdn (m)が検波面を形成する。本実施形態では、検出部20の検波面は、対象物2のフランフォーファー回折像面または結像面のいずれでもないフレネル回折像面に配置されている。 Detector 20 is constituted by the transducer d n extending in a plurality of Y-direction. Transducer d n is to reception radio waves reaching the detection unit 20 is means for converting into an electric signal. In the detection unit 20, N pieces of transducers d n (n = 1,2, ... , N) toward the X direction is arranged. In FIG. 2, of which shows one transducer d n. Each transducer is physically M antennas d n which is arranged toward the Y-direction (m) (m = 1,2, ..., M) are constituted by. That is, the antenna d n (m) is arranged in parallel in the first direction (X direction) and the second direction (Y direction). Each antenna d n (m) receives radio waves and converts them into electrical signals. Each antenna d n (m) corresponds to one pixel of the detection unit 20, and each antenna d n (m) forms a detection surface. In the present embodiment, the detection surface of the detection unit 20 is disposed on the Fresnel diffraction image surface of the object 2 that is neither the Francophor diffraction image surface nor the imaging surface.
Y方向に向かって並設されるM個のアンテナdn (m)は、出力側で電気的に接続されている。各トランスデューサdnは、各アンテナdn (m)からの出力信号in (m)(t)を電気的な接続により合波し、時刻毎に変数mについて1からMまで総和された信号in(t)を出力する。すなわち、本実施形態では、アンテナdn (m)が2次元に配置されているが、各アンテナdn (m)のY軸方向の電気的接続により、Y軸方向に長尺なトランスデューサdnが、X軸方向に並設された1次元トランスデューサと同様の構成を有する。各トランスデューサdnにおいて出力される信号in(t)を(7)式に示す。 M antennas d n (m) arranged in parallel in the Y direction are electrically connected on the output side. Each transducer d n, the output signal i n (m) multiplexes the electrical connection of the (t), the signal i which is the sum from 1 for the variable m for each time until M from each antenna d n (m) n (t) is output. That is, in this embodiment, the antenna d is n (m) are arranged in a two-dimensional, the electrical connection in the Y-axis direction of each antenna d n (m), elongated in the Y-axis direction transducer d n However, it has the same structure as the one-dimensional transducer arranged in parallel in the X-axis direction. The signal i n (t) which is output at each transducer d n shown in equation (7).
演算部30は、検出部20から出力された信号in(t)について所定の演算を行って対象物2の像を得る。この演算内容について以下に説明する。 The calculation unit 30 performs a predetermined calculation on the signal i n (t) output from the detection unit 20 to obtain an image of the object 2. The details of this calculation will be described below.
演算部30は、各トランスデューサdnから出力される信号in(t)を取得し、(8)式に示すように、この信号in(t)について時刻変数tに関する1次元フーリエ変換を行う。(8)式においてωは時間周波数を表す変数であり、FTtは、時刻変数tに関するフーリエ変換の演算を表す記号である。 Calculating section 30 acquires a signal i n outputted from each transducer d n (t), as shown in equation (8), performs one-dimensional Fourier transform relates to the time variable t on this signal i n (t) . In equation (8), ω is a variable representing a time frequency, and FT t is a symbol representing a Fourier transform operation relating to the time variable t.
検出部20の各トランスデューサdnには、種々の周波数を有する散乱波が入射する。したがって、検出部20において検出される電波は、種々の周波数成分を含むものとなる。ここで、(8)式のように、信号in(t)を時刻変数tに関して1次元フーリエ変換すると、検出部20の検波面がフラウンフォーファ回折像面に配置された場合に得られる周波数分布と同様の周波数分布が得られる。すなわち、フレネル面に配置される検出部20により検出された不規則な周波数分布が、信号in(t)が時刻変数tに関する1次元フーリエ変換により、規則的な周波数分布に変換される。 Each transducer d n of the detector 20, the scattered waves having various frequencies are incident. Therefore, the radio wave detected by the detection unit 20 includes various frequency components. Here, when the signal i n (t) is subjected to a one-dimensional Fourier transform with respect to the time variable t as shown in the equation (8), it is obtained when the detection surface of the detection unit 20 is arranged on the Fraunhofer diffraction image surface. A frequency distribution similar to the frequency distribution is obtained. That is, the irregular frequency distribution detected by the detection unit 20 arranged on the Fresnel surface is converted into a regular frequency distribution by the one-dimensional Fourier transform of the signal i n (t) with respect to the time variable t.
以降、信号In(ω)をI(n,ω)と表記する。変数nは、トランスデューサdnの第1方向の位置を表す。(8)式により得られた信号I(n,ω)には、トランスデューサ12から出射された電波の周波数ω0を中心にドップラースペクトルが含まれている。演算部30は、信号I(n,ω)から時間周波数ω0を中心に最大ドップラーシフト周波数BW((4)式)を前後に含むように周波数領域を切り出し((9)式)、位置nにおけるドップラーシフト周波数スペクトルI(n,ωd)を得る。なお、(9)式は、右辺のI(n,ω−ω0)を周波数[−BW〜BW]の範囲で切り出す操作を表している。 Hereinafter, the signal I n (ω) is expressed as I (n, ω). The variable n represents a first position of the transducer d n. The signal I (n, ω) obtained by the equation (8) includes a Doppler spectrum centering on the frequency ω 0 of the radio wave emitted from the transducer 12. The calculation unit 30 cuts out the frequency domain from the signal I (n, ω) so as to include the maximum Doppler shift frequency B W (Equation (4)) around the time frequency ω 0 (Equation (9)), position A Doppler shift frequency spectrum I (n, ω d ) at n is obtained. Equation (9) represents an operation of cutting out I (n, ω−ω 0 ) on the right side in a frequency range [−B W to B W ].
ドップラーシフト周波数スペクトルI(n,ωd)は、対象物2のY方向の空間周波数スペクトルを表す。対象物2のフランフォーファー回折像をGと表記すると、(9)式は(10)式のように表すことができる。 The Doppler shift frequency spectrum I (n, ω d ) represents the spatial frequency spectrum of the object 2 in the Y direction. When the franc forfer diffraction image of the object 2 is expressed as G, the expression (9) can be expressed as the expression (10).
(10)式において、FTnは変数nに関するフーリエ変換を表す。またH(x)はX方向の2次位相(Quadratic phase)である。ここで、xは第1方向と平行な方向であり、フランフォーファー回折像面上の座標を表す。2次位相Hは、検出部20の配置される位置により決まる値であり、検出部20の検波面が対象物2のフランフォーファー回折像面(x−y面)に配置された場合には、2次位相H(x)は1となる。本実施形態では、検出部20の検波面は、フランフォーファー回折像面または結像面のいずれでもない位置に配置される。この場合、像のボケがこの2次位相H(x)として現れる。この2次位相H(x)は、対象物2を測定する前にあらかじめ測定して得ることができる値である。 In equation (10), FT n represents a Fourier transform with respect to the variable n. H (x) is a quadratic phase in the X direction. Here, x is a direction parallel to the first direction and represents coordinates on the Franforfer diffraction image plane. The secondary phase H is a value determined by the position where the detection unit 20 is arranged, and when the detection surface of the detection unit 20 is arranged on the Franforfer diffraction image plane (xy plane) of the object 2. The secondary phase H (x) is 1. In the present embodiment, the detection surface of the detection unit 20 is disposed at a position that is neither the Franforfer diffraction image plane nor the imaging plane. In this case, the blur of the image appears as this secondary phase H (x). This secondary phase H (x) is a value that can be obtained by measuring in advance before measuring the object 2.
演算部30は、(11)式に示すように、(10)式の左辺を2次位相H(x)で除算した後に、位置変数x、および時間周波数変数ωdにてフーリエ変換することにより、対象物2の複素振幅像gを得る。(11)式において、FT(x,ωd)は、位置変数xおよび時間周波数変数ωdに関するフーリエ変換を表している。 Calculation unit 30, as shown in (11), by Fourier transform at the left side of (10) after dividing a secondary phase H (x), the position variable x, and the time-frequency variable omega d A complex amplitude image g of the object 2 is obtained. In (11), FT (x, .omega.d) represents the Fourier transform on the position variables x and the time-frequency variable omega d.
図3は、以上のような演算処理を行う本実施形態における演算部30の構成を示す図である。演算部30は、第1フーリエ変換部31と、特定領域切出部34と、第2フーリエ変換部32と、第3フーリエ変換部33とを備える。第1フーリエ変換部31は、uv平面上の位置uおよび時刻tを変数とする信号in(t)について時刻変数tに関する1次元フーリエ変換(上記(8)式)を行う。特定領域切出部34は、この1次元フーリエ変換で得られた信号I(n,ω)から時間周波数ω0を中心に最大ドップラーシフト周波数BW(上記(4)式)を前後に含むように周波数領域を切り出す(上記(9)式)。第2フーリエ変換部32は、この切り出したデータについて時間周波数ωdに関する1次元フーリエ変換(上記(11)式の時間周波数ωdに関するフーリエ変換)を行う。第3フーリエ変換部33は、第1の第4フーリエ変換部33A、2次位相除算部36、及び第2の第4フーリエ変換部33Bを備えている。第1の第4フーリエ変換部33A及び第2の第4フーリエ変換部33Bは、変数xに関するフーリエ変換(上記(11)式の変数xに関するフーリエ変換)、又は変数xに関する逆フーリエ変換を行う。2次位相除算部36は、(11)式に示すように、第1の第3フーリエ変換部33Aから出力されるデータを2次位相H(x)で除算する。フーリエ変換部に着目すると、本実施例では、演算部30が時刻変数に関する1次元フーリエ変換を行う第1フーリエ変換部31と、周波数に関する1次元フーリエ変換を行う第2フーリエ変換部32と、第1方向に関する1次元フーリエ変換を行う第3フーリエ変換部33とを備えている。なお、第2フーリエ変換部32、第1の第4フーリエ変換部33Aおよび第2の第4フーリエ変換部33Bの位置は入れ替えても良い。第2フーリエ変換部32と第3フーリエ変換部33は、時間周波数ωdおよび変数xに関する2次元フーリエ変換部を構成する。 FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the calculation unit 30 in the present embodiment that performs the calculation processing as described above. The calculation unit 30 includes a first Fourier transform unit 31, a specific region extraction unit 34, a second Fourier transform unit 32, and a third Fourier transform unit 33. The first Fourier transform unit 31 performs a one-dimensional Fourier transform (the above equation (8)) on the time variable t for the signal i n (t) having the position u on the uv plane and the time t as variables. The specific region cutout unit 34 includes the maximum Doppler shift frequency B W (the above expression (4)) around the time frequency ω 0 from the signal I (n, ω) obtained by the one-dimensional Fourier transform. The frequency domain is cut out (the above equation (9)). The second Fourier transform unit 32 performs this extracted data time-frequency omega d 1-dimensional Fourier transform relates to ((11) Fourier transform with respect to time-frequency omega d of expression). The third Fourier transform unit 33 includes a first fourth Fourier transform unit 33A, a secondary phase division unit 36, and a second fourth Fourier transform unit 33B. The first fourth Fourier transform unit 33A and the second fourth Fourier transform unit 33B perform Fourier transform related to the variable x (Fourier transform related to the variable x in equation (11) above) or inverse Fourier transform related to the variable x. The secondary phase division unit 36 divides the data output from the first third Fourier transform unit 33A by the secondary phase H (x) as shown in the equation (11). Focusing on the Fourier transform unit, in this embodiment, the arithmetic unit 30 performs a first Fourier transform unit 31 that performs a one-dimensional Fourier transform on a time variable, a second Fourier transform unit 32 that performs a one-dimensional Fourier transform on a frequency, A third Fourier transform unit 33 that performs one-dimensional Fourier transform in one direction. Note that the positions of the second Fourier transform unit 32, the first fourth Fourier transform unit 33A, and the second fourth Fourier transform unit 33B may be interchanged. The second Fourier transform unit 32 and the third Fourier transformer 33 constitutes a two-dimensional Fourier transform unit to time-frequency omega d and variable x.
以上のような構成により、本実施形態の観察装置1は、信号取得レートが低い検出部20を用いる場合であっても移動している対象物2の像を高感度に得ることができる。たとえば、Y方向にM個、X方向にN個の画素を有する2次元検出器に比べM倍の速度で高速に、移動している対象物2の像を得ることができる。また、本実施形態の観察装置1では、Y方向に向かって並設されるM個のアンテナの出力側が電気的に接続されていても、個々のアンテナが検波する信号を分離することができる。その結果、照射電波を走査することなく2次元回折像を得ることができる。 With the configuration described above, the observation apparatus 1 of the present embodiment can obtain an image of the moving object 2 with high sensitivity even when the detection unit 20 having a low signal acquisition rate is used. For example, an image of the moving object 2 can be obtained at a speed M times faster than a two-dimensional detector having M pixels in the Y direction and N pixels in the X direction. Moreover, in the observation apparatus 1 of this embodiment, even if the output sides of M antennas arranged in parallel in the Y direction are electrically connected, signals detected by the individual antennas can be separated. As a result, a two-dimensional diffraction image can be obtained without scanning the irradiation radio wave.
(第2実施形態)
第2実施形態の観察装置1Aは、第1実施形態の観察装置1と比較しての検出部および演算部の構成が異なる。それ以外の点は第1実施形態と同じ構成を備える。
(Second Embodiment)
The observation device 1A of the second embodiment is different in the configuration of the detection unit and the calculation unit from the observation device 1 of the first embodiment. Other points are the same as those in the first embodiment.
本実施形態に係る検出部は、所定平面に検波面を有し、該検波面において電波を受波して電気信号に変換する複数のアンテナを備え、複数のアンテナが、第1方向および第2方向に並設される。具体的には、検出部は、M個のアンテナdn (m)がY方向(第2方向)に並んで構成される。第2方向に並んだm番目のアンテナdn (m)は、各位置において検出されたデータを各時刻に出力する。本実施形態に係る検出部では、Y方向に向かって並設されるM個のアンテナdn (m)は、出力側で電気的に接続されていない。 The detection unit according to the present embodiment includes a detection surface on a predetermined plane, and includes a plurality of antennas that receive radio waves on the detection surface and convert them into electrical signals, and the plurality of antennas includes a first direction and a second direction. It is juxtaposed in the direction. Specifically, the detection unit is configured with M antennas d n (m) arranged in the Y direction (second direction). The mth antennas d n (m) arranged in the second direction output data detected at each position at each time. In the detector according to the present embodiment, M-number of antennas d n which is arranged toward the Y-direction (m) is not electrically connected on the output side.
演算部30Aは、第1フーリエ変換部31と、特定領域切出部34と、第2フーリエ変換部32と、第3フーリエ変換部33とに加え、Y方向にM個並んだ検出部の出力を入力し、第1から第Mまでの第2方向のアンテナdn (m)の出力の総和を出力する演算器である各出力総和器35を備える。各出力総和器35は、様々な位置に配置することができる。演算部30Aの演算器構成の一例を図4に示す。図4に示すように、各出力総和器35が、第1フーリエ変換部31の前段に配置される場合、各出力総和器35は、M個のアンテナdn (m)が出力するM個の信号を所定の時間間隔で取得し、所定の時間間隔毎にM個の信号の総和を算出し、結果を第1フーリエ変換部31に出力する。その後段は、第1実施形態の演算部30と同じ演算器構成となるため、説明は省略する。 In addition to the first Fourier transform unit 31, the specific region cutout unit 34, the second Fourier transform unit 32, and the third Fourier transform unit 33, the arithmetic unit 30A outputs the outputs of M detection units arranged in the Y direction. Are provided, and each output summing device 35 is a computing unit that outputs the sum of the outputs of the antennas dn (m) in the second direction from the first to the M- th . Each output summer 35 can be arranged in various positions. An example of the calculator configuration of the calculator 30A is shown in FIG. As shown in FIG. 4, when each output summation device 35 is arranged in the preceding stage of the first Fourier transform unit 31, each output summation device 35 has M pieces of output from M antennas d n (m) . Signals are acquired at predetermined time intervals, the sum of M signals is calculated at predetermined time intervals, and the result is output to the first Fourier transform unit 31. Since the subsequent stage has the same computing unit configuration as the computing unit 30 of the first embodiment, description thereof is omitted.
各出力総和器35が第1フーリエ変換部31と第2フーリエ変換部32との間に配置される場合の演算部30Aの演算器構成を図5および図6に示す。図5に示すように各出力総和器35が第1フーリエ変換部31と特定領域切出部34との間に配置される場合、演算部30Aでは、M個のアンテナdn (m)からの出力について時刻変数tに関する1次元フーリエ変換を行うM個の第1フーリエ変換部311〜31Mが配置され、第1フーリエ変換部311〜31Mの後段に第1フーリエ変換部311〜31Mからの出力の総和を出力する各出力総和器35が配置される。その後段に配置される特定領域切出部34以降は、第1実施形態の演算部30と同じ演算器構成となるため、説明は省略する。 FIG. 5 and FIG. 6 show the arithmetic unit configuration of the arithmetic unit 30 </ b> A when each output summer 35 is arranged between the first Fourier transform unit 31 and the second Fourier transform unit 32. As shown in FIG. 5, when each output summer 35 is disposed between the first Fourier transform unit 31 and the specific region cutout unit 34, the computation unit 30 </ b > A receives from the M antennas d n (m) . M first Fourier transform units 311 to 31M that perform one-dimensional Fourier transform on the time variable t with respect to the output are arranged, and outputs of the outputs from the first Fourier transform units 311 to 31M are arranged after the first Fourier transform units 311 to 31M. Each output summer 35 that outputs the sum is arranged. Subsequent to the specific region cutout unit 34 arranged in the subsequent stage has the same arithmetic unit configuration as the arithmetic unit 30 of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
図6に示すように各出力総和器35が特定領域切出部34と第2フーリエ変換部32との間に配置される場合、演算部30Aでは、M個の第1フーリエ変換部311〜31Mからの出力について周波数の切り出しを行うM個の特定領域切出部341〜34Mが配置され、特定領域切出部341〜34Mの後段に特定領域切出部341〜34Mからの出力の総和を出力する各出力総和器35が配置される。その後段に配置される第2フーリエ変換部32以降は、第1実施形態の演算部30と同じ演算器構成となるため、説明は省略する。 As shown in FIG. 6, when each output summer 35 is arranged between the specific region cutout unit 34 and the second Fourier transform unit 32, the arithmetic unit 30 </ b> A has M first Fourier transform units 311 to 31M. M specific area cutouts 341 to 34M that perform frequency cut-out on the output from the are output, and the sum of the outputs from the specific area cutouts 341 to 34M is output after the specific area cutouts 341 to 34M. Each output summer 35 is arranged. Since the second Fourier transform unit 32 and subsequent components arranged in the subsequent stage have the same arithmetic unit configuration as the arithmetic unit 30 of the first embodiment, description thereof will be omitted.
各出力総和器35が第2フーリエ変換部32の後段に配置される場合の演算部30Aの演算器構成を図7および図8に示す。図7に示すように各出力総和器35が第2フーリエ変換部32と第3フーリエ変換部33との間に配置される場合、演算部30Aでは、M個の特定領域切出部341〜34Mからの出力について時間周波数ωdに関する1次元フーリエ変換を行うM個の第2フーリエ変換部321〜32Mが配置され、第2フーリエ変換部321〜32Mの後段に第2フーリエ変換部321〜32Mからの出力の総和を出力する各出力総和器35が配置される。その後段に配置される第3フーリエ変換部33は、第1実施形態の演算部30と同じ演算器構成となるため、説明は省略する。 FIG. 7 and FIG. 8 show the arithmetic unit configuration of the arithmetic unit 30A in the case where each output summer 35 is arranged at the subsequent stage of the second Fourier transform unit 32. As shown in FIG. 7, when each output summer 35 is arranged between the second Fourier transform unit 32 and the third Fourier transform unit 33, the arithmetic unit 30 </ b> A has M specific region cutout units 341 to 34 </ b> M. the second Fourier transform unit of the M performing one-dimensional Fourier transform with respect to time-frequency omega d for output from 321~32M is disposed from the second Fourier transform unit 321~32M downstream of the second Fourier transform unit 321~32M Each output summing device 35 for outputting the sum of the outputs is arranged. Since the 3rd Fourier-transform part 33 arrange | positioned in the latter stage becomes the same calculator structure as the calculating part 30 of 1st Embodiment, description is abbreviate | omitted.
図8に示すように各出力総和器35が第3フーリエ変換部33の後段に配置される場合、演算部30Aでは、M個の第3フーリエ変換部331〜33Mの後段に第3フーリエ変換部331〜33Mからの出力の総和を出力する各出力総和器35が配置される。 As shown in FIG. 8, when each output summer 35 is arranged at the subsequent stage of the third Fourier transform unit 33, the arithmetic unit 30 </ b> A has the third Fourier transform unit at the subsequent stage of the M third Fourier transform units 331 to 33 </ b> M. Each output sum total 35 which outputs the sum total of the output from 331-33M is arrange | positioned.
次に、各出力総和器35の出力について説明する。各出力総和器35が第1フーリエ変換部31と第2フーリエ変換部32の間にある場合、各出力総和器35は、(12)式に示すように、時間周波数ω(=ω0+ωd)毎にM個の前段の演算器からの出力の総和を得る。ここでIn (m)(ω)は、第1フーリエ変換部31のY方向にm番目に配置されたアンテナdn (m)の出力データin (m)(t)を時刻変数tに関してフーリエ変換した第1フーリエ変換部31の出力信号を表している。フーリエ変換の線形性により(12)式中辺のフーリエ演算子FTtは、総和演算子Σと交換可能であることから、(12)式最右辺を得る。 Next, the output of each output summer 35 will be described. When each output summation device 35 is between the first Fourier transform unit 31 and the second Fourier transform unit 32, each output summation device 35 has a time frequency ω (= ω 0 + ω d as shown in the equation (12). ) To obtain the sum of the outputs from the M preceding arithmetic units. Here, I n (m) (ω) represents the output data i n (m) (t) of the antenna d n (m) arranged in the Y direction of the first Fourier transform unit 31 with respect to the time variable t. The output signal of the first Fourier transform unit 31 subjected to Fourier transform is shown. Since the Fourier operator FT t in the middle side of the equation (12) can be exchanged with the summation operator Σ due to the linearity of the Fourier transform, the rightmost side of the equation (12) is obtained.
(12)式において、最右辺の時刻変数tに関する1次元フーリエ変換演算子FTtが作用する項は、M個のアンテナdn (m)が出力する波形in (m)(t)の1〜Mまでの総和in(t)を表している。すなわち、演算部30Aが備える各出力総和器35は、第1実施形態における検出部20が出力する信号を時間変数tに関してフーリエ変換した信号を出力する。したがって、第2実施形態は、第1実施形態に示す、Y方向の総和を各時刻に出力する検出部20の一部を演算部30Aに含む構成であるといえる。 In the expression (12), the term on which the one-dimensional Fourier transform operator FT t acts on the time variable t on the rightmost side is 1 of the waveform i n (m) (t) output from the M antennas d n (m). Represents the sum i n (t) from ~ M. In other words, each output summer 35 provided in the arithmetic unit 30A outputs a signal obtained by Fourier transforming the signal output from the detection unit 20 in the first embodiment with respect to the time variable t. Therefore, it can be said that 2nd Embodiment is a structure which includes a part of the detection part 20 which outputs the sum total of a Y direction shown in 1st Embodiment in each time in 30 A of arithmetic parts.
一方、各出力総和器35が第2フーリエ変換部32より後段にある場合、各出力総和器35は、(13)式に示すように、時刻毎にM個の前段の演算器からの出力の総和を得る。ここでin (m)(t)は、第mの第2フーリエ変換部32mの出力を表している。また、in (m)(t)の時刻変数tに関する1次元フーリエ変換は、In (m)(ωd)と表す。(13)式の右辺の1次元フーリエ変換演算子FTω −1が作用する項は、第2フーリエ変換部32mの出力である。したがって、特定領域切出部34の入力は(14)式左辺に示される周波数ω0だけ周波数シフトした信号In (m)(ω0+ωd)である。さらに(14)式の最右辺は、M個の検出部が出力する波形in (m)(t)の1〜Mまでの時刻毎の総和を表している。すなわち、演算部30Aに設けた各出力総和器35の出力は、第1実施形態における検出部20が出力する信号と一致することから、第2実施形態は、第1実施形態の第2方向の総和を表すデータを各時刻に出力する検出部20の一部を演算部30Aに含む構成であるといえる。 On the other hand, when each output summation device 35 is in the subsequent stage from the second Fourier transform unit 32, each output summation device 35 outputs the output from the M preceding operation units at each time as shown in the equation (13). Get the sum. Here, i n (m) (t) represents the output of the m-th second Fourier transform unit 32m. Further, the one-dimensional Fourier transform relating to the time variable t of i n (m) (t) is expressed as I n (m) (ω d ). The term on which the one-dimensional Fourier transform operator FT ω −1 on the right side of the equation (13) acts is the output of the second Fourier transform unit 32m. Therefore, the input of the specific region cutout unit 34 is a signal I n (m) (ω 0 + ω d ) shifted by the frequency ω 0 shown on the left side of the equation (14). Further, the rightmost side of the equation (14) represents the sum of the waveforms i n (m) (t) output from the M detection units for each time from 1 to M. That is, since the output of each output summer 35 provided in the calculation unit 30A matches the signal output from the detection unit 20 in the first embodiment, the second embodiment is the second direction of the first embodiment. It can be said that the calculation unit 30A includes a part of the detection unit 20 that outputs data representing the sum at each time.
また、各出力総和器35が、第1フーリエ変換部31の前段にある場合は、(15)式に示すように、時刻毎にM個の前段の検出部20Aからの出力の総和を得る。ここで、in (m)(t)は、Y方向に並んだM個の検出部20Aのうち、Y方向にm番目に並んだ出力を表している。(15)式の右辺は、M個の検出部が出力する波形in (m)(t)の1〜Mまでの総和を表している。すなわち、演算部30Aが備える各出力総和器35の出力は、第1実施形態における検出部20が出力する信号と一致することから、第2実施形態は、第1実施形態のY方向の総和を表すデータを各時刻に出力する検出部20の一部を、演算部30Aに含む構成であるといえる。 Further, when each output summation device 35 is in the preceding stage of the first Fourier transform unit 31, as shown in the equation (15), the sum of the outputs from the M preceding detection units 20A is obtained for each time. Here, i n (m) (t) represents the m-th order output in the Y direction among the M detection units 20A arranged in the Y direction. The right side of the equation (15) represents the sum of 1 to M of the waveforms i n (m) (t) output by the M detection units. That is, since the output of each output summation device 35 provided in the arithmetic unit 30A matches the signal output from the detection unit 20 in the first embodiment, the second embodiment uses the sum in the Y direction of the first embodiment. It can be said that the calculation unit 30A includes a part of the detection unit 20 that outputs data to be represented at each time.
(第3実施形態) (Third embodiment)
第1、2実施形態では、対象物2で生じた回折波を直接検出部20、20Aで検波する構成を示した。第3実施形態は、ヘテロダイン計測を用いて、対象物2で生じた回折波を検波する構成について説明する。ヘテロダイン計測とは、対象物2の情報を含んだ回折波に既知の参照波を乗算器で乗算した信号を検波する方法である。特に、乗算後の出力に含まれる差周波数成分を用いることが多い。差周波数成分は、物体波と参照波との差の周波数成分である。このような、差周波数成分を用いることで、低周波数領域において演算を行うことができるので、アナログ的にもデジタル的にも信号処理が容易になるという利点がある。またヘテロダイン計測は、物体波と参照波との差信号を得ることから、対象物による変調成分のみを強調するという作用があり、微小信号変化の検波にも利用される計測方法である。 In the first and second embodiments, the configuration in which the diffracted wave generated in the object 2 is directly detected by the detection units 20 and 20A is shown. 3rd Embodiment demonstrates the structure which detects the diffracted wave produced in the target object 2 using heterodyne measurement. The heterodyne measurement is a method of detecting a signal obtained by multiplying a diffracted wave including information on the object 2 by a known reference wave by a multiplier. In particular, the difference frequency component included in the output after multiplication is often used. The difference frequency component is a frequency component of the difference between the object wave and the reference wave. By using such a difference frequency component, calculation can be performed in a low frequency region, so that there is an advantage that signal processing becomes easy both analogly and digitally. Heterodyne measurement is a measurement method that has the effect of emphasizing only the modulation component due to the object because it obtains the difference signal between the object wave and the reference wave, and is also used for detection of minute signal changes.
図9に、第3実施形態の観察装置1Bの構成を示す。観察装置1Bは、信号発生部SG、回折波発生部10、検出部20B、演算部30B、および参照電波発生部40(第1参照電波発生部)を備えている。信号発生部SG、および回折波発生部10は、第1または第2実施形態で説明した構成と同じである。 FIG. 9 shows the configuration of the observation apparatus 1B of the third embodiment. The observation apparatus 1B includes a signal generator SG, a diffracted wave generator 10, a detector 20B, a calculator 30B, and a reference radio wave generator 40 (first reference radio wave generator). The signal generator SG and the diffracted wave generator 10 are the same as those described in the first or second embodiment.
検出部20Bは、複数のY方向に延在するトランスデューサdnに加え、自乗検波器21とローパスフィルタ22を備えている。また、演算部30Bの構成は、第1実施形態で説明した演算部30とほぼ同様の構成であるが、特定領域切出部34が切り出す中心周波数が、ω0でなくΩである点で演算部30と異なる。 Detecting unit 20B, in addition to the transducer d n extending in a plurality of Y-direction, and a square law detector 21 and a low pass filter 22. The configuration of the arithmetic unit 30B has substantially the same configuration as the arithmetic unit 30 described in the first embodiment, calculated in terms center frequency which a particular region cutout unit 34 cuts out a Ω rather than omega 0 Different from part 30.
参照電波発生部40は、信号発生部SGから所定の周波数の信号を入力して、その入力した信号を変調器で変調した後に、当該変調後の信号から参照電波(第1参照電波)を生成する。参照電波発生部40は、信号発生部SGが出力する正弦波を信号r(t)として取得する。参照電波発生部40は、周波数シフター41とトランスデューサ42とを備える。周波数シフター41は周波数ω0のサイン波を周波数ω0+Ωへと遷移させる。 The reference radio wave generation unit 40 receives a signal of a predetermined frequency from the signal generation unit SG, modulates the input signal with a modulator, and then generates a reference radio wave (first reference radio wave) from the modulated signal. To do. The reference radio wave generator 40 acquires a sine wave output from the signal generator SG as a signal r (t). The reference radio wave generator 40 includes a frequency shifter 41 and a transducer 42. Frequency shifter 41 shifts the sine wave of frequency ω 0 to the frequency ω 0 + Ω.
トランスデューサ42は、周波数シフター41から出力される周波数ω0+Ωの正弦波を取得し、電波を発生させる。トランスデューサ42は、回折波発生部10が備えるトランスデューサ12と同様なものであり、複数のアンテナから構成され、対象物2に平面波が入射するように各アンテナへの入力信号の位相関係が所定の量に保たれている。本実施形態では、各アンテナに同一の位相を有する正弦波が入力されている。このため、トランスデューサ42から出力される電波は、平面波となる。なお、各アンテナに入力される信号の位相差が一定量の場合、Z軸に対して位相差の量に応じた角度を有する平面波が出射される。 The transducer 42 acquires a sine wave having a frequency ω 0 + Ω output from the frequency shifter 41 and generates a radio wave. The transducer 42 is the same as the transducer 12 included in the diffracted wave generator 10 and is composed of a plurality of antennas. The phase relationship of the input signals to each antenna is a predetermined amount so that a plane wave is incident on the object 2. It is kept in. In this embodiment, a sine wave having the same phase is input to each antenna. For this reason, the radio wave output from the transducer 42 is a plane wave. When the phase difference between signals input to each antenna is a fixed amount, a plane wave having an angle corresponding to the amount of the phase difference with respect to the Z axis is emitted.
以上のように構成された観察装置1Bでは、検出部20Bが、回折波発生部10において対象物2から生じた回折電波と、参照電波発生部40からの参照電波を受波する。回折電波は、ドップラー効果の影響を受けることにより、ドップラーシフト周波数ωdだけ遷移し、周波数ω0+ωdを有する。この回折電波の信号はsin(ω0+ωd)tとする。これを第1の波と呼ぶ。一方、参照電波発生部40から発せられる電波は、周波数ω0+Ωを有する。この参照電波の信号を、sin(ω0+Ω)tとする。これを第2の波と呼ぶ。このような第1の波と第2の波とが検出部20Bに入力されることにより、これらの波の重ね合わせた信号が検出部20Bのトランスデューサdnから出力される。 In the observation apparatus 1 </ b> B configured as described above, the detection unit 20 </ b> B receives the diffracted radio wave generated from the object 2 in the diffracted wave generation unit 10 and the reference radio wave from the reference radio wave generation unit 40. Due to the influence of the Doppler effect, the diffracted radio wave transits by the Doppler shift frequency ω d and has a frequency ω 0 + ω d . The signal of this diffracted radio wave is assumed to be sin (ω 0 + ω d ) t. This is called the first wave. On the other hand, the radio wave emitted from the reference radio wave generator 40 has a frequency ω 0 + Ω. This reference radio wave signal is defined as sin (ω 0 + Ω) t. This is called the second wave. By this first wave and a second wave is input to the detection unit 20B, signal superposition of these waves are output from the transducer d n of the detection unit 20B.
検出部20Bのトランスデューサdnの後段には自乗検波器21と、ローパスフィルタ22が設けられている。自乗検波器21は、(16)式のように、第1の波と第2の波の和を自乗して、出力する。(16)式右辺の第3項は、(17)式のように分解することができる。よって、自乗検波器21の出力は、第1の波および第2の波の和周波差2ω0+Ω+ωdと、第1の波および第2の波の差周波数Ω−ωdを含む項に分解することができる。ローパスフィルタ22は、自乗検波器21の出力のうち、差周波成分のみを抜き出して演算部30Bへ出力する。ローパスフィルタ22から出力される信号in(t)は、周波数Ωを中心としてドップラーシフト周波数ωdを前後に含む。このようにして、検出部20Bが、検波面において、対象物2で生じた回折波と参照電波とをヘテロダイン干渉させる。 A square law detector 21 downstream of the transducer d n of the detection unit 20B, a low-pass filter 22 is provided. The square detector 21 squares the sum of the first wave and the second wave and outputs it, as shown in equation (16). The third term on the right side of equation (16) can be decomposed as in equation (17). Therefore, the output of the square detector 21 is decomposed into terms including the sum frequency difference 2ω 0 + Ω + ω d of the first wave and the second wave and the difference frequency Ω−ω d of the first wave and the second wave. can do. The low-pass filter 22 extracts only the difference frequency component from the output of the square detector 21 and outputs it to the calculation unit 30B. The signal i n (t) output from the low-pass filter 22 includes a Doppler shift frequency ω d around the frequency Ω. In this manner, the detection unit 20B causes heterodyne interference between the diffracted wave generated by the object 2 and the reference radio wave on the detection surface.
演算部30Bは、検出部20Bの出力に対して、所定の演算を行うことにより対象物2の像を得る。すなわち、演算部30Bは、第1フーリエ変換部31により時間波形in(t)を時刻変数tに関してフーリエ変換してIn(ω)を出力する。特定領域切出部34は、周波数Ωを中心に最大ドップラーシフト周波数BW(上記(4)式)を前後に含む周波数領域を切り出す。この処理を数学的に表すと、(18)式のようになる。 The calculation unit 30B obtains an image of the object 2 by performing a predetermined calculation on the output of the detection unit 20B. That is, the calculation unit 30B performs Fourier transform on the time waveform i n (t) with respect to the time variable t by the first Fourier transform unit 31 and outputs I n (ω). The specific region cutout unit 34 cuts out a frequency region including the maximum Doppler shift frequency B W (the above expression (4)) before and after the frequency Ω. When this processing is expressed mathematically, it becomes as shown in equation (18).
特定領域切出部34の後段において行われる演算、および演算器構成は、上記第1、第2実施形態と同様であるため、説明は省略する。以上のような演算を行うことにより、対象物2の像を得ることができる。 The calculations performed at the subsequent stage of the specific area cutout unit 34 and the calculator configuration are the same as those in the first and second embodiments, and thus the description thereof is omitted. By performing the above calculation, an image of the object 2 can be obtained.
なお、本実施形態では、検出部20Bのトランスデューサdnは、第1実施形態と同様のものを用いた。すなわち、検出部20Bは、Y方向に延在するトランスデューサdnがX軸方向に並設された1次元トランスデューサを備えるものとして説明した。ただし、検出部20Bは、このような構成に限定されるものではない。例えば、検出部20Bのトランスデューサdnは、第2実施形態で説明したM個のアンテナdn (m)がY方向(第2方向)に並んで構成され、Y方向に向かって並設されるM個のアンテナdn (m)は、出力側で電気的に接続されていないものであってもよい。この場合、演算部30Bは、第2実施形態で説明した演算部30A(図4〜8)のように、1〜Mまでの総和を得る各出力総和器35を備える必要がある。 In the present embodiment, the transducer d n of the detection unit 20B, were the same as in the first embodiment. That is, the detection unit 20B has been described as comprising a one-dimensional transducer the transducer d n extending in the Y direction are arranged in parallel in the X-axis direction. However, the detection unit 20B is not limited to such a configuration. For example, the transducer d n of the detection unit 20B, a second embodiment of M described in Embodiment antenna d n (m) is formed side by side in the Y-direction (second direction), it is arranged towards the Y direction The M antennas d n (m) may not be electrically connected on the output side. In this case, the calculation unit 30B needs to include each output summation device 35 that obtains the sum of 1 to M, like the calculation unit 30A (FIGS. 4 to 8) described in the second embodiment.
(第4実施形態)
第3実施形態では、参照電波発生部40で生成された参照電波を第2の波として検出部20Bに入力した。本実施形態は、電波とは異なる波を検出部に入力するものである。
(Fourth embodiment)
In the third embodiment, the reference radio wave generated by the reference radio wave generation unit 40 is input to the detection unit 20B as the second wave. In the present embodiment, a wave different from the radio wave is input to the detection unit.
図10に、第4実施形態の観察装置1Cの構成を示す。本実施形態の観察装置1Cは、第3実施形態の観察装置1Bが備える検出部20B、参照電波発生部40に代えて、検出部20C、第1参照信号発生部40Cを備えている。検出部20Cは、入力信号の和を計算する和算器23をトランスデューサdnと自乗検波器21の間に備えている。検出部20Cおよび第1参照信号発生部40C以外の構成は、第3実施形態の観察装置1Bと同じである。 FIG. 10 shows a configuration of an observation apparatus 1C according to the fourth embodiment. An observation apparatus 1C according to the present embodiment includes a detection unit 20C and a first reference signal generation unit 40C instead of the detection unit 20B and the reference radio wave generation unit 40 included in the observation apparatus 1B according to the third embodiment. The detection unit 20 < / b > C includes a summer 23 for calculating the sum of input signals between the transducer dn and the square detector 21. The configuration other than the detection unit 20C and the first reference signal generation unit 40C is the same as that of the observation device 1B of the third embodiment.
第1参照信号発生部40Cは、周波数シフター41を備えるが、トランスデューサ42を備えていない点で、第3実施形態の参照電波発生部40と異なる。第1参照信号発生部40Cは、信号発生部SGが出力する正弦波を信号r(t)として入力し、入力した信号を周波数シフター41で変調して第1参照信号を生成する。周波数シフター41は周波数ω0の正弦波を周波数ω0+Ωへと遷移させる。周波数ω0+Ωをもつ第1参照信号r’(t)を第2の波として生成し、検出部20Cに出力する。 The first reference signal generation unit 40C includes a frequency shifter 41, but differs from the reference radio wave generation unit 40 of the third embodiment in that the transducer 42 is not included. The first reference signal generator 40C receives the sine wave output from the signal generator SG as a signal r (t), and modulates the input signal with the frequency shifter 41 to generate a first reference signal. Frequency shifter 41 shifts the sine wave of the frequency omega 0 to frequency ω 0 + Ω. A first reference signal r ′ (t) having a frequency ω 0 + Ω is generated as a second wave and output to the detection unit 20C.
回折波発生部10において対象物から生じた回折波は、第1の波として検出部20Cに出力される。一方、第1参照信号r’(t)は、第2の波として検出部20Cの和算器23に出力される。和算器23は、第1の波と第2の波を時刻毎に和算し、その結果を時刻毎に自乗検波器21に出力する。すなわち、和算器23は、第3実施形態において、アンテナdnで第1の波と第2の波が合波することと同等の作用を有する。検出部20Cにおいて、和算器23の後段に配置される自乗検波器21以降の処理は、第3実施形態と同じである。このように、検出部20Cは、第2方向のアンテナの出力の総和と第1参照信号r’(t)とをヘテロダイン干渉させている。 The diffracted wave generated from the object in the diffracted wave generator 10 is output as a first wave to the detector 20C. On the other hand, the first reference signal r ′ (t) is output to the adder 23 of the detection unit 20C as the second wave. The adder 23 adds the first wave and the second wave for each time, and outputs the result to the square detector 21 for each time. In other words, adder 23, in the third embodiment has the same operation and the first wave and the second wave in the antenna d n is multiplexed. In the detection unit 20C, the processing after the square detector 21 arranged in the subsequent stage of the adder 23 is the same as that in the third embodiment. As described above, the detection unit 20C causes heterodyne interference between the total sum of the antenna outputs in the second direction and the first reference signal r ′ (t).
なお、和算器23、自乗検波器21およびローパスフィルタ22をまとめてヘテロダイン検波器24と称する。ヘテロダイン検波器24は、図11に示すように乗算器21Aおよびローパスフィルタ22から構成でもよい。この構成の場合、第1の波および第2の波r’(t)が乗算器21Aに入力される。乗算器において、(17)式に示す第1と第2の波の和周波数および差周波数が現れる。すなわち乗算器21Aは、和算器23と自乗検波器21をあわせたものと同等の役割を果たす。その結果、乗算器21Aおよびローパスフィルタ22から構成されるヘテロダイン検波器24(図11)は、和算器23、自乗検波器21およびローパスフィルタ22から構成されるヘテロダイン検波器24(図10)と、同じ信号を出力する。 The adder 23, the square detector 21 and the low-pass filter 22 are collectively referred to as a heterodyne detector 24. The heterodyne detector 24 may include a multiplier 21A and a low-pass filter 22 as shown in FIG. In the case of this configuration, the first wave and the second wave r ′ (t) are input to the multiplier 21A. In the multiplier, the sum frequency and the difference frequency of the first and second waves shown in the equation (17) appear. That is, the multiplier 21 </ b> A plays a role equivalent to a combination of the adder 23 and the square detector 21. As a result, the heterodyne detector 24 (FIG. 11) including the multiplier 21A and the low-pass filter 22 is different from the heterodyne detector 24 (FIG. 10) including the adder 23, the square detector 21 and the low-pass filter 22. , Output the same signal.
なお、本実施形態では、検出部20Cのトランスデューサdnは、第1実施形態と同様のものを用いた。すなわち、検出部20Cは、複数のY方向に延在するトランスデューサdnとして説明した。ただし、検出部20Cは、このような構成に限定されるものではない。例えば、検出部20Cのトランスデューサdnは、第2実施形態で説明したM個のアンテナdn (m)がY方向(第2方向)に並んで構成され、Y方向に向かって並設されるM個のアンテナdn (m)は、出力側で電気的に接続されていないものであってもよい。この場合、演算部30Cは、第2実施形態で説明した演算部30A(図4〜8)のように、1〜Mまでの総和を得る各出力総和器35を備える必要がある。 In the present embodiment, the transducer d n of the detection unit 20C, were the same as in the first embodiment. That is, the detection unit 20C has been described as a transducer d n extending in a plurality of Y-direction. However, the detection unit 20C is not limited to such a configuration. For example, the transducer d n of the detection unit 20C, a second embodiment of M described in Embodiment antenna d n (m) is formed side by side in the Y-direction (second direction), it is arranged towards the Y direction The M antennas d n (m) may not be electrically connected on the output side. In this case, the calculation unit 30C needs to include each output summer 35 that obtains the sum of 1 to M, like the calculation unit 30A (FIGS. 4 to 8) described in the second embodiment.
(第5実施形態)
第3、4実施形態では、信号発生部SGが生成する正弦波を参照信号源として、参照電波発生部40、参照信号発生部40Cがそれぞれ参照電波、参照信号を生成し、出力する構成を示した。第5実施形態の観察装置1Dは、回折波を参照信号の信号発生源とする点で、第3、4実施形態と異なる。それ以外の点は、第3、4実施形態と同じである。
(Fifth embodiment)
In the third and fourth embodiments, the reference radio wave generation unit 40 and the reference signal generation unit 40C generate and output a reference radio wave and a reference signal, respectively, using a sine wave generated by the signal generation unit SG as a reference signal source. It was. The observation apparatus 1D of the fifth embodiment is different from the third and fourth embodiments in that a diffracted wave is used as a signal generation source of a reference signal. The other points are the same as in the third and fourth embodiments.
対象物2の無限遠方または無限遠方とみなされるほど十分離れた位置で対象物2から生じる回折波を観察すれば、対象物2のフランフォーファー回折像を得る。フランフォーファー回折像における像の中心の波は、0次回折波と呼ばれる。フランフォーファー回折像の中心には散乱の影響を受けなかった波または散乱の影響が少ない波が現れる。したがって0次回折波および0次回折波とみなされる回折波は、対象物2による散乱の影響を受けなかった波または散乱の影響が少ない波である。このような、対象物2による散乱の影響を受けなかった波または散乱の影響が少ない波を略0次回折波と呼ぶこととする。 If a diffracted wave generated from the object 2 is observed at a position sufficiently distant from the object 2 so as to be regarded as an infinite distance or an infinite distance, a Francophor diffraction image of the object 2 is obtained. The wave at the center of the image in the Franforfer diffraction image is called the 0th-order diffraction wave. A wave that is not affected by scattering or a wave that is less affected by scattering appears at the center of the Franforfer diffraction image. Therefore, the 0th-order diffracted wave and the diffracted wave regarded as the 0th-order diffracted wave are a wave that is not affected by scattering by the object 2 or a wave that is less affected by scattering. Such a wave that is not affected by scattering by the object 2 or a wave that is less affected by scattering is referred to as a substantially zeroth-order diffracted wave.
略0次回折波とは、散乱方向の単位ベクトルsと対象物2の速度ベクトルVが略直交するとき、(3)式に示すドップラーシフト周波数ωdが略0となる散乱単位ベクトルsを持つ回折波のことである。上記第3実施形態および第4実施形態で説明した第2の波は、対象物2に照射されていない波であるため、ドップラーシフト周波数ωdが0の波であるといえる。したがって、略0次回折波は、参照波である第2の波として利用できる。 The substantially zero-order Oriha, when unit vectors s and the object 2 velocity vector V of the scattering direction is substantially perpendicular, with scattering unit vector s as a Doppler shift frequency omega d is substantially 0 as shown in (3) It is a diffracted wave. Second wave described in the third and fourth embodiments are the waves that are not irradiated to the object 2, it can be said that the Doppler shift frequency omega d is a wave of 0. Therefore, the substantially zeroth-order diffracted wave can be used as the second wave that is the reference wave.
図12に、第5実施形態の観察装置1Dの構成を示す。観察装置1Dでは、回折波発生部10および検出部20との間にアンテナdrを備えている。第4実施形態では、参照電波発生部40Cが信号発生部SGからの信号を入力しているのに対し、本実施形態では、第2参照信号発生部40Dがアンテナdrからの信号を入力する点で、第4実施形態と異なる。それ以外の点は、第4実施形態と同じである。 FIG. 12 shows a configuration of an observation apparatus 1D according to the fifth embodiment. In the observation apparatus 1D, an antenna dr is provided between the diffracted wave generator 10 and the detector 20. In the fourth embodiment, while the reference wave generator 40C is inputting a signal from the signal generator SG, in the present embodiment, the second reference signal generating unit 40D inputs a signal from the antenna d r This is different from the fourth embodiment. Other points are the same as in the fourth embodiment.
つまり、第2参照信号発生部40Dは、対象物2のフランフォーファー回折像の中心に現れる電波を入力して、その入力した電波を電気信号に変換したのちに周波数シフター41で変調した信号である第2参照信号を生成する。そして、検出部20において、第2方向のアンテナの出力の総和と第2参照信号とをヘテロダイン干渉させる。以下、具体的に説明する。 In other words, the second reference signal generation unit 40D is a signal that is modulated by the frequency shifter 41 after inputting the radio wave that appears at the center of the franphofer diffraction image of the object 2 and converting the input radio wave into an electrical signal. A second reference signal is generated. Then, the detection unit 20 causes heterodyne interference between the sum of the outputs of the antennas in the second direction and the second reference signal. This will be specifically described below.
アンテナdrは、対象物2から十分離れた面に配置される。アンテナdrは、回折波発生部10から出力された回折電波を受信し、電気信号に変換した出力信号r(t)を出力する。アンテナdrは、対象物2の電波によるフランフォーファー回折像またはフランフォーファー回折像面とみなせる位置であって、その像の中心に配置されているため、アンテナdrが検波する波は略0次回折波とみなすことができる。したがって、アンテナdrが出力する波形r(t)は、第2の波として利用可能である。アンテナdrは、出力信号r(t)を第2参照信号発生部40Dに出力する。第2参照信号発生部40Dは、周波数シフター41により周波数ω-0の正弦波を周波数ω0+Ωへと遷移させたうえで、周波数ω0+Ωをもつ第2参照信号r’(t)を第2の波として、検出部20に出力する。検出部20以降の処理は、第4実施形態と同じであるため、説明は省略する。 The antenna dr is disposed on a surface sufficiently away from the object 2. Antenna d r receives the diffracted wave outputted from the diffraction wave generator 10, and outputs an output signal r converted into an electrical signal (t). Antenna d r is a position which can be regarded as furan Forfar diffraction image or furan Forfar diffraction image plane by radio waves of the object 2, since it is located at the center of the image, the wave antenna d r is detected is substantially It can be regarded as a 0th-order diffracted wave. Accordingly, the antenna d waveform r outputs r (t) is available as a second wave. Antenna d r outputs the output signal r (t) to a second reference signal generating unit 40D. Second reference signal generating unit 40D is a sine wave of a frequency .omega. 0 after having allowed to transition to the frequency omega 0 + Omega by frequency shifter 41, the second reference signal r having the frequency ω 0 + Ω '(t) of the It outputs to the detection part 20 as 2 waves. Since the process after the detection part 20 is the same as 4th Embodiment, description is abbreviate | omitted.
上記のように、本実施形態では、アンテナdrで受信した回折電波を電気信号に変換し、検出部20へ第2の波として出力している。ここで、アンテナdrで受信した回折電波を周波数シフター(第2参照電波発生部)により周波数ω-0の正弦波を周波数ω0+Ωへと遷移させたうえで、アンテナにより電波(第2参照電波)に変換し、電波として第2の波を検出部20のトランスデューサdnに出力してもよい。この場合、第3実施形態と同様に、第1の波と第2の波とが検出部20に入力されることにより、これらの波の重ね合わせた信号が検出部20のトランスデューサdnから出力される。この場合、検出部20以降の処理は、第3実施形態と同じであるため、説明は省略する。 As described above, in this embodiment, it converts the diffracted wave received by the antenna d r into electrical signals, and outputs a second wave to the detector 20. Here, after moves it a sine wave of a frequency .omega. 0 to the frequency omega 0 + Omega by diffraction waves the frequency shifter received by the antenna d r (second reference radio wave generating unit), a radio wave by the antenna (second reference converted to radio waves) may output the second wave of the electric wave to the transducer d n of the detection unit 20. In this case, as in the third embodiment, since the first wave and the second wave is input to the detection unit 20, signal superposition of these waves is output from the transducer d n of the detection unit 20 Is done. In this case, the processing after the detection unit 20 is the same as that in the third embodiment, and thus description thereof is omitted.
以上のように、本実施形態に係る観察装置1Dでは、ヘテロダイン計測において参照信号源を信号発生部SGから得るのでなく、物体からの回折波のうちドップラー周波数偏移を受けていない略0次回折波を信号r(t)として利用している。このように、略0次回折波を参照波として用いることにより、第3および第4実施形態と同様にヘテロダイン計測を行うことができる。 As described above, in the observation apparatus 1D according to the present embodiment, the reference signal source is not obtained from the signal generation unit SG in the heterodyne measurement, but the substantially zeroth order diffraction that is not subjected to the Doppler frequency shift among the diffracted waves from the object. A wave is used as the signal r (t). As described above, by using the substantially zeroth-order diffracted wave as the reference wave, heterodyne measurement can be performed as in the third and fourth embodiments.
(第6実施形態)
上記第1〜第5実施形態では、検出部の検波面が、対象物2のフレネル回折像面に配置されている場合について説明した。本実施形態では、検出部の検波面が、対象物2のフレネル回折像面とは異なる面に配置されている場合の演算器構成を、検出部の検波面が、対象物2のフレネル回折像面に配置されている第1実施形態の演算器30と比較して説明する。なお、誘電体レンズ等を用いることにより、検出部の検波面に形成される対象物2の像を、フレネル回折像、フランフォーファー回折像、物体像に相互に変換することが可能である。
(Sixth embodiment)
In the said 1st-5th embodiment, the case where the detection surface of a detection part was arrange | positioned at the Fresnel diffraction image surface of the target object 2 was demonstrated. In the present embodiment, a computing unit configuration in which the detection surface of the detection unit is arranged on a surface different from the Fresnel diffraction image surface of the object 2, and the detection surface of the detection unit is a Fresnel diffraction image of the object 2. A description will be given in comparison with the computing unit 30 of the first embodiment arranged on the surface. By using a dielectric lens or the like, it is possible to mutually convert the image of the object 2 formed on the detection surface of the detection unit into a Fresnel diffraction image, a Francophor diffraction image, and an object image.
検出部の検波面が、対象物2のフレネル回折像面とは異なる面に配置されている場合には、上記第1〜第5実施形態と比較して演算器の構成が異なる。図13は、検出部の検波面が、対象物2のフランフォーファー回折像面に配置されている場合の演算器構成を示している。この場合の演算器30Fは、図13に示すように、第1実施形態における演算器30と比較して、第3フーリエ変換部33が、第1の第4フーリエ変換部33Aのみにより構成される点で異なり、その他の構成は同じである。この第1の第4フーリエ変換部33Aは、変数xに関するフーリエ変換(上記(11)式の変数xに関するフーリエ変換)を行う。 When the detection surface of the detection unit is arranged on a surface different from the Fresnel diffraction image surface of the object 2, the configuration of the computing unit is different from that of the first to fifth embodiments. FIG. 13 shows a computing unit configuration in the case where the detection surface of the detection unit is arranged on the Franforfer diffraction image surface of the object 2. As shown in FIG. 13, in this case, the computing unit 30F includes the third Fourier transform unit 33 only by the first fourth Fourier transform unit 33A as compared with the computing unit 30 in the first embodiment. In other respects, other configurations are the same. The first fourth Fourier transform unit 33A performs a Fourier transform on the variable x (Fourier transform on the variable x in the above equation (11)).
図14は、検出部の検波面が、対象物2の結像面に配置されている場合の演算器構成を示している。この場合の演算器30Gは、図14に示すように、第3フーリエ変換部33が、第1の第4フーリエ変換部33A、2次位相除算部36、及び第2の第4フーリエ変換部33Bを備えている。すなわち、この演算器30Gの構成は、第1実施形態における演算器30と等しい。第1の第4フーリエ変換部33A及び第2の第4フーリエ変換部33Bは、変数xに関するフーリエ変換(上記(11)式の変数xに関するフーリエ変換)、又は変数xに関する逆フーリエ変換を行う。2次位相除算部36は、(11)式に示すように、第1の第4フーリエ変換部33Aから出力されるデータを2次位相H(x)で除算する。 FIG. 14 shows a computing unit configuration in the case where the detection surface of the detection unit is arranged on the imaging plane of the object 2. In the arithmetic unit 30G in this case, as shown in FIG. 14, the third Fourier transform unit 33 includes a first fourth Fourier transform unit 33A, a secondary phase division unit 36, and a second fourth Fourier transform unit 33B. It has. That is, the configuration of the calculator 30G is the same as that of the calculator 30 in the first embodiment. The first fourth Fourier transform unit 33A and the second fourth Fourier transform unit 33B perform Fourier transform related to the variable x (Fourier transform related to the variable x in equation (11) above) or inverse Fourier transform related to the variable x. The secondary phase division unit 36 divides the data output from the first fourth Fourier transform unit 33A by the secondary phase H (x) as shown in the equation (11).
フーリエ変換部に着目すると、演算部30F,30Gのいずれにおいても、時刻変数に関する1次元フーリエ変換を行う第1フーリエ変換部31と、周波数に関する1次元フーリエ変換を行う第2フーリエ変換部32と、第1方向に関する1次元フーリエ変換を行う第3フーリエ変換部33とを備えている。なお、第2フーリエ変換部32と第3フーリエ変換部33の位置は入れ替えても良い。対象物2のフレネル回折像面とは異なる面に配置されている場合には、本実施形態の演算器構成を、第2〜5実施形態に適用することができる。例えば、検出部の検波面が、対象物2のフランフォーファー回折像面に配置されている場合、第2実施形態の演算部30Aの第3フーリエ変換部33(図4〜8)に代えて、本実施形態の演算部30Fの第3フーリエ変換部33(図13)を用いることとしてもよい。同様に、検出部の検波面が、対象物2の結像面に配置されている場合、第2実施形態の演算部30Aの第3フーリエ変換部33(図4〜8)に代えて、本実施形態の演算部30Gの第3フーリエ変換部33(図14)を用いることとしても良い。 Focusing on the Fourier transform unit, in both of the arithmetic units 30F and 30G, a first Fourier transform unit 31 that performs a one-dimensional Fourier transform on a time variable, a second Fourier transform unit 32 that performs a one-dimensional Fourier transform on a frequency, And a third Fourier transform unit 33 that performs a one-dimensional Fourier transform in the first direction. Note that the positions of the second Fourier transform unit 32 and the third Fourier transform unit 33 may be interchanged. When the object 2 is arranged on a different surface from the Fresnel diffraction image surface, the arithmetic unit configuration of the present embodiment can be applied to the second to fifth embodiments. For example, when the detection surface of the detection unit is arranged on the Franforfer diffraction image surface of the target object 2, instead of the third Fourier transform unit 33 (FIGS. 4 to 8) of the calculation unit 30A of the second embodiment. The third Fourier transform unit 33 (FIG. 13) of the calculation unit 30F of the present embodiment may be used. Similarly, when the detection surface of the detection unit is disposed on the imaging plane of the target object 2, this is replaced with the third Fourier transform unit 33 (FIGS. 4 to 8) of the calculation unit 30 </ b> A of the second embodiment. It is good also as using the 3rd Fourier-transform part 33 (FIG. 14) of the calculating part 30G of embodiment.
なお、検出部の検波面が、対象物2の結像面に配置されている場合、式(11)中の2次位相H(x)は実質1と見なすことができる。また、第1の第4フーリエ変換部33A及び第2の第4フーリエ変換部33Bが互いに打ち消しあう演算を行うことから、実質的には、演算部30Gの第3フーリエ変換部33では演算が行われていないこととなる。しかしながら、検出部の検波面が、対象物2の結像面に配置されていることにより、検出部において得られる像は、空間的に第1方向に関する1次元フーリエ変換が行われたものである。観察装置全体としてみれば第1方向に関する1次元フーリエ変換が行われているといえる。 In addition, when the detection surface of the detection unit is disposed on the imaging surface of the object 2, the secondary phase H (x) in Equation (11) can be regarded as substantially 1. In addition, since the first fourth Fourier transform unit 33A and the second fourth Fourier transform unit 33B perform computations that cancel each other, the computation is substantially performed by the third Fourier transform unit 33 of the computation unit 30G. It will not be. However, since the detection surface of the detection unit is arranged on the imaging plane of the target object 2, the image obtained by the detection unit is spatially subjected to a one-dimensional Fourier transform in the first direction. . If it sees as the whole observation apparatus, it can be said that the one-dimensional Fourier transformation regarding the 1st direction is performed.
このような構成により、本実施形態の観察装置においても、信号取得レートが低い検出部を用いる場合であっても移動している対象物2の像を高感度に得ることができる。また、本実施形態の観察装置では、Y方向に向かって並設されるM個のアンテナの出力側が電気的に接続されていても、個々のアンテナが検波する信号を分離することができる。その結果、照射電波を走査することなく2次元回折像を得ることができる。たとえば、Y方向にM個、X方向にN個の画素を有する2次元検出器に比べM倍の速度で高速に、移動している対象物2の像を得ることができる。更に、検出部の検波面が、対象物2のフレネル回折像面とは異なる面に配置されている場合においても、対象物2の像を適切に得ることができる。 With such a configuration, even in the observation apparatus of the present embodiment, an image of the moving object 2 can be obtained with high sensitivity even when a detection unit with a low signal acquisition rate is used. Moreover, in the observation apparatus of this embodiment, even if the output sides of M antennas arranged in parallel in the Y direction are electrically connected, signals detected by the individual antennas can be separated. As a result, a two-dimensional diffraction image can be obtained without scanning the irradiation radio wave. For example, an image of the moving object 2 can be obtained at a speed M times faster than a two-dimensional detector having M pixels in the Y direction and N pixels in the X direction. Furthermore, even when the detection surface of the detection unit is arranged on a surface different from the Fresnel diffraction image surface of the object 2, an image of the object 2 can be appropriately obtained.
(変形例)
以上説明した、第1〜第6実施形態の観察装置では、検出部の検波面が、第1方向と第2方向とで同じ種類の回折像面に配置される実施形態について説明した。しかし、検出部の検波面は、第1方向と第2方向に結像作用の異なる誘電体レンズ等により、第1方向と第2方向とで異なる種類の回折像面が形成された面に配置されてもよい。この場合、観察装置では、第1方向に形成される回折像面に対応した演算器が用いられる。
(Modification)
In the observation apparatus of the first to sixth embodiments described above, the embodiment in which the detection surface of the detection unit is arranged on the same type of diffraction image plane in the first direction and the second direction has been described. However, the detection surface of the detection unit is arranged on a surface on which different types of diffraction image surfaces are formed in the first direction and the second direction by dielectric lenses having different imaging effects in the first direction and the second direction. May be. In this case, in the observation apparatus, an arithmetic unit corresponding to the diffraction image plane formed in the first direction is used.
例えば、検出部の検波面が、第1方向において対象物2のフレネル回折像が形成される面であって、第2方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置された場合、第1実施形態の演算器30を用いることで、対象部2の像を得ることができる。また、検出部の検波面が、第1方向において対象物2のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第2方向において対象物のフレネル回折像が形成される面に配置された場合、第6実施形態の演算器30Fを用いることで、対象部2の像を得ることができる。したがって、検出部の検波面が、第1方向と第2方向に結像作用の異なる誘電体レンズ等により、第1方向と第2方向とで異なる種類の回折像面が形成された面に配置された場合であっても、以上で説明した、演算部30,30F,30Gにより、対象部2の像を得ることができる。 For example, the detection surface of the detection unit is a surface on which the Fresnel diffraction image of the object 2 is formed in the first direction, and is disposed on the surface on which the Franforfer diffraction image of the object is formed in the second direction. In this case, an image of the target portion 2 can be obtained by using the computing unit 30 of the first embodiment. In addition, the detection surface of the detection unit is disposed on the surface on which the franphofer diffraction image of the object 2 is formed in the first direction and on which the Fresnel diffraction image of the object is formed in the second direction. In this case, an image of the target unit 2 can be obtained by using the computing unit 30F of the sixth embodiment. Therefore, the detection surface of the detection unit is disposed on a surface on which different types of diffraction image surfaces are formed in the first direction and the second direction by dielectric lenses having different imaging effects in the first direction and the second direction. Even in such a case, the image of the target portion 2 can be obtained by the arithmetic units 30, 30F, and 30G described above.
以上説明した、第1〜第6実施形態の観察装置では、対象物2の速度が変化するとドップラー信号に周波数変調が生じて、最終的に得られる対象物2の像が流れ方向に伸縮する。このような伸縮を補正するために、本実施形態の観察装置は、対象物2の移動速度を検出する速度検出部を更に備えることとしても良い。そして、演算部は、速度検出部により検出された対象物2の速度に基づいて、時間方向の1次元フーリエ変換または2次元フーリエ変換の際に対象物2の速度変化に関する補正を行うこととしても良い。または、速度検出部より検出された対象物2の速度に基づいて、検出部の撮影タイミングを図ってもよい。 In the observation apparatuses of the first to sixth embodiments described above, when the speed of the object 2 changes, frequency modulation occurs in the Doppler signal, and the finally obtained image of the object 2 expands and contracts in the flow direction. In order to correct such expansion and contraction, the observation apparatus of the present embodiment may further include a speed detection unit that detects the moving speed of the object 2. The calculation unit may perform correction related to the speed change of the target object 2 in the time direction one-dimensional Fourier transform or two-dimensional Fourier transform based on the speed of the target object 2 detected by the speed detection unit. good. Or based on the speed of the target object 2 detected by the speed detector, the photographing timing of the detector may be set.
この速度検出部は、任意のものが用いられ得るが、移動速度とドップラーシフト量との間の関係を利用して、検波面の回折波到達位置における信号の周波数を検出することでも対象物2の移動速度を求めることができる。この場合、速度検出部は、例えば、検出部の検波面の一部に対象物2の移動速度を求めるためのアンテナが独立して設けられていてもよい。 This speed detector may be any one, but the object 2 can also be detected by detecting the frequency of the signal at the diffracted wave arrival position on the detection surface using the relationship between the moving speed and the Doppler shift amount. Can be obtained. In this case, for example, an antenna for obtaining the moving speed of the object 2 may be independently provided on a part of the detection surface of the detection unit.
以上の説明では、ξη平面上で対象物2が一方向に移動する場合について説明した。本発明は、ξη平面に垂直なζ方向に対象物2が往復移動する場合にも適用可能である。この場合、検波面において径方向にドップラーシフトが生じるので、周方向に画素構造を有し各画素が放射状に延在する検出器が用いられる。 In the above description, the case where the object 2 moves in one direction on the ξη plane has been described. The present invention is also applicable when the object 2 reciprocates in the ζ direction perpendicular to the ξη plane. In this case, since a Doppler shift occurs in the radial direction on the detection surface, a detector having a pixel structure in the circumferential direction and each pixel extending radially is used.
以上の説明では、対象物の像を、入射波と同じ方向に回折する透過波を検出部で取得する実施形態を主に示したが、入射波の方向と反対方向に回折する波である反射波で取得してもよいことは、明らかである。電波源として、ドップラーシフト量を感度よく検出する上では、単一周波数を有する電波の利用が考えられるが、これに限定されない。例えば、広帯域周波数を含む電波を用いることで、位相物体の深さに関する情報も取得可能となる。各周波数成分のドップラーシフトを計測するためには、広帯域の電波として、各周波数成分間の位相関係が一定であるものを用いることが考えられる。このような電波源として、例えばパルス波を用いることができる。 In the above description, the embodiment in which the transmitted wave that diffracts the image of the object in the same direction as the incident wave is acquired by the detection unit has been mainly described. It is clear that it may be acquired with waves. In order to detect the Doppler shift amount with high sensitivity as a radio wave source, use of a radio wave having a single frequency is conceivable, but is not limited thereto. For example, information on the depth of the phase object can be acquired by using a radio wave including a broadband frequency. In order to measure the Doppler shift of each frequency component, it is conceivable to use a broadband radio wave having a constant phase relationship between the frequency components. As such a radio wave source, for example, a pulse wave can be used.
上記第1〜第6実施形態では、入射波ベクトルs0は、Z軸に平行であり、速度Vとの内積が0であるから、(8)式はωd=k・Vと表した。ただし、入射波ベクトルs0はZ軸に平行ではなくてもよい。この場合、種々の入射方向s0にて波を入力し、その回折波を検出部で取得し、演算部にて入射方向s0毎のI(n,ωd)を得て、フーリエ回折定理(Fourier diffraction theorem)やフーリエ断層定理(Fourier slice theorem)により3次元像複素振幅を復元することもできる。入射波s0の入射角の制御は回折波発生部のトランスデューサを構成する複数のアンテナからの位相を制御することで、平面波の入射角を変化させることができる。 In the first to sixth embodiments, since the incident wave vector s 0 is parallel to the Z axis and the inner product with the velocity V is 0, the equation (8) is expressed as ω d = k · V. However, the incident wave vector s 0 may not be parallel to the Z axis. In this case, waves are input in various incident directions s 0 , the diffracted waves are acquired by the detector, and I (n, ω d ) for each incident direction s 0 is obtained by the arithmetic unit, and the Fourier diffraction theorem. The 3D image complex amplitude can also be restored by (Fourier diffraction theorem) or Fourier slice theorem. The incident angle of the incident wave s 0 can be controlled by controlling the phases from a plurality of antennas constituting the transducer of the diffracted wave generating unit, thereby changing the incident angle of the plane wave.
上記実施形態の観察装置によれば、信号取得レートが低い検出部を用いる場合であっても移動している対象物2の像を高感度に得ることができる。たとえば、Y方向にM個、X方向にN個の画素を有する2次元検出器に比べM倍の速度で高速に、移動している対象物2の像を得ることができる。またY方向に向かって並設されるM個のアンテナの出力側が電気的に接続されていても,個々のアンテナが検波する信号を分離することができ、照射電波を走査することなく結果2次元回折像を得ることができる。
このとき、変調周波数に対応した画像が直接得られるため、画像を実時間表示することも可能となる。さらに、チップ内演算機能カメラを用いれば、速度の再構成画像を検出器から直接出力することも可能である。
According to the observation device of the above embodiment, an image of the moving object 2 can be obtained with high sensitivity even when a detection unit with a low signal acquisition rate is used. For example, an image of the moving object 2 can be obtained at a speed M times faster than a two-dimensional detector having M pixels in the Y direction and N pixels in the X direction. Even if the output sides of M antennas arranged side by side in the Y direction are electrically connected, the signals detected by the individual antennas can be separated, resulting in a two-dimensional result without scanning the irradiation radio waves. A diffraction image can be obtained.
At this time, since an image corresponding to the modulation frequency is directly obtained, the image can be displayed in real time. Furthermore, if an on-chip arithmetic function camera is used, a reconstructed image of speed can be output directly from the detector.
上記実施形態の観察装置によれば、対象物2の移動方向のセンサーアレイ数を減らすことができ、システムの安価小型化が実現するのと同時に、受波後のアナログ−デジタル変換の際の量子化ノイズ、オペアンプ等のノイズ重畳の低減が図ることができる。そのため、精度のよくイメージングを行うことが可能となる。 According to the observation apparatus of the above embodiment, the number of sensor arrays in the moving direction of the object 2 can be reduced, and the system can be reduced in cost and size. At the same time, the quantum at the time of analog-to-digital conversion after reception is reduced. Noise superimposition and noise superimposition such as operational amplifiers can be reduced. Therefore, it is possible to perform imaging with high accuracy.
1,1B,1C,1D…観察装置、10…回折波発生部、12…トランスデューサ、20,20B,20C…検出部、21…自乗検波器、21A…乗算器、22…ローパスフィルタ、23…和算器、24…ヘテロダイン検波器、30,30A,30B,30C…演算部、31…第1フーリエ変換部、32…第2フーリエ変換部、33…第3フーリエ変換部、33A,33B…第4フーリエ変換部、34…特定領域切出部、35…各出力総和器、36…2次位相除算部、40…参照電波発生部、40C…第1参照信号発生部、40D…第2参照信号発生部、41…周波数シフター、42…トランスデューサ、SG…信号発生部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1B, 1C, 1D ... Observation apparatus, 10 ... Diffraction wave generation part, 12 ... Transducer, 20, 20B, 20C ... Detection part, 21 ... Square detector, 21A ... Multiplier, 22 ... Low-pass filter, 23 ... Sum Arithmetic unit, 24 ... heterodyne detector, 30, 30A, 30B, 30C ... arithmetic unit, 31 ... first Fourier transform unit, 32 ... second Fourier transform unit, 33 ... third Fourier transform unit, 33A, 33B ... fourth Fourier transform unit 34... Specific region cutout unit 35. Each output summation unit 36. Secondary phase division unit 40. Reference radio wave generation unit 40 C. First reference signal generation unit 40 D. , 41... Frequency shifter, 42... Transducer, SG.
Claims (10)
前記所定の周波数の信号を入力して電波を生成する電波源を有し、移動している対象物へ前記電波を照射する回折波発生部と、
前記電波源による電波照射により前記対象物で生じた回折波のうち所定平面に到達した電波において前記対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に垂直な方向を第1方向とし、この第1方向に直交する前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に平行な方向を第2方向としたときに、前記所定平面上の各位置に到達した電波のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータの、前記第2方向についての総和を表すデータを、前記第1方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、
前記検出部から出力された前記所定平面上の前記第1方向の位置および時刻を変数とするデータについて、時刻変数に関する1次元フーリエ変換、周波数に関する1次元フーリエ変換、および前記第1方向に関する1次元フーリエ変換を行って、これらの1次元フーリエ変換により得られたデータを前記対象物の像として得る演算部と、
を備え、
前記検出部が、前記所定平面に検波面を有し、該検波面において前記電波を受波して電気信号に変換する複数のアンテナを備え、
前記複数のアンテナが、前記第1方向および前記第2方向に並設され、前記第2方向に並設された前記複数のアンテナからの出力は合波され、前記第2方向についての総和を表すデータとして前記演算部に出力される、観察装置。 A signal generator for generating a signal of a predetermined frequency;
A diffracted wave generating unit that has a radio wave source that generates a radio wave by inputting a signal of the predetermined frequency, and irradiates the moving object with the radio wave;
The direction on the predetermined plane in which the Doppler shift effect due to the movement of the object is constant in the radio wave that reaches the predetermined plane among the diffracted waves generated by the radio wave source by the radio wave source, When the direction perpendicular to the moving direction of the object is the first direction and the direction on the predetermined plane orthogonal to the first direction and the direction parallel to the moving direction of the object is the second direction , Data representing the sum in the second direction of data that temporally changes at a frequency corresponding to the Doppler shift amount of the radio wave that has reached each position on the predetermined plane, for each position in the first direction. A detector that outputs the time, and
For data having the position and time in the first direction on the predetermined plane output from the detection unit as variables, a one-dimensional Fourier transform with respect to a time variable, a one-dimensional Fourier transform with respect to a frequency, and a one-dimensional with respect to the first direction An arithmetic unit that performs Fourier transform and obtains data obtained by the one-dimensional Fourier transform as an image of the object;
With
The detection unit has a detection surface on the predetermined plane, and includes a plurality of antennas that receive the radio waves and convert them into electrical signals on the detection surface,
The plurality of antennas are juxtaposed in the first direction and the second direction, and outputs from the plurality of antennas juxtaposed in the second direction are combined to represent the sum in the second direction. An observation device that is output as data to the arithmetic unit .
前記検出部が、前記検波面において、前記対象物で生じた回折波と前記第1参照電波とをヘテロダイン干渉させる請求項1に記載の観察装置。 A first reference radio wave generator that inputs a signal of the predetermined frequency from the signal generator and generates a first reference radio wave from the input signal;
The observation device according to claim 1 , wherein the detection unit causes heterodyne interference between a diffracted wave generated by the object and the first reference radio wave on the detection surface.
前記検出部が、前記第2方向のアンテナの出力の総和と前記第1参照信号とをヘテロダイン干渉させる請求項1に記載の観察装置。 A first reference signal generator that inputs the signal of the predetermined frequency from the signal generator and generates a first reference signal from the input signal;
Wherein the detection unit, the observation apparatus according to the sum and the first reference signal at the output of the second direction of the antenna to Claim 1 for heterodyne interference.
前記検出部が、第2方向のアンテナの出力の総和と前記第2参照信号とをヘテロダイン干渉させる請求項1に記載の観察装置。 Of the diffracted waves generated by the object, a radio wave that appears at the center of the franphofer diffraction image of the object is input, the input radio wave is converted into an electric signal, and then a second reference is made from the electric signal. A second reference signal generator for generating a signal;
The observation device according to claim 1 , wherein the detection unit causes heterodyne interference between a sum of outputs of antennas in a second direction and the second reference signal.
前記検出部が、前記検波面において、前記対象物で生じた回折波と前記第2参照電波とをヘテロダイン干渉させる請求項1に記載の観察装置。 Of the diffracted waves generated by the object, a radio wave that appears at the center of the franphofer diffraction image of the object is input, the input radio wave is converted into an electric signal, and then a second reference is made from the electric signal. A second reference radio wave generator for generating radio waves;
The observation apparatus according to claim 1 , wherein the detection unit causes heterodyne interference between a diffracted wave generated by the object and the second reference radio wave on the detection surface.
請求項1に記載の観察装置。 Among the data obtained by the one-dimensional Fourier transform related to the time variable, the arithmetic unit performs one-dimensional Fourier transform related to the frequency with respect to data in a region including the maximum Doppler shift frequency around the predetermined frequency, and Performing a one-dimensional Fourier transform on the first direction;
The observation apparatus according to claim 1 .
請求項3〜6の何れか1項に記載の観察装置。 Of the data obtained by the one-dimensional Fourier transform relating to the time variable, data of a region including the maximum Doppler shift frequency around the frequency of the signal obtained by modulating the signal of the predetermined frequency with a modulator. A one-dimensional Fourier transform for the frequency and a one-dimensional Fourier transform for the first direction;
The observation apparatus according to any one of claims 3 to 6 .
前記演算部が、前記速度検出部により検出された前記対象物の速度に基づいて、前記フーリエ変換の際に前記対象物の速度変化に関する補正を行う、
請求項1〜7の何れか1項に記載の観察装置。 A speed detector for detecting the moving speed of the object;
Based on the speed of the object detected by the speed detection unit, the calculation unit performs correction related to the speed change of the object during the Fourier transform.
The observation apparatus according to any one of claims 1 to 7 .
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