JP5883079B2 - Imaging system and method - Google Patents
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Description
本発明は、煙霧によって視認性が劣化する火災現場などで、照射したテラヘルツ波の反射波の２次元空間分布を得ることで、煙霧によって見えなくなった物を可視化するテラヘルツアクティブのイメージングシステム及びその方法に関する。 The present invention provides a terahertz active imaging system and method for visualizing an object that has become invisible due to fumes by obtaining a two-dimensional spatial distribution of reflected waves of the irradiated terahertz waves in a fire site where visibility is degraded by fumes. About.
電磁波の中で、波長の長いミリ波を用いて物体を可視化するイメージングシステムの一つにミリ波カメラがある。図６はそのイメージングシステムの構成を模式的に示す。図６において、高感度ミリ波受信器501は、周波数90 GHzのミリ波を受信する。パラボラアンテナ502は、特定の方向から飛来するミリ波信号を高感度ミリ波受信器501に伝える。モータ503は、パラボラアンテナ502を回転させ、アンテナの向きをある軸方向に回転させる。回転ステージ504は、高感度ミリ波受信器501、パラボラアンテナ502、モータ503を設置し、モータ503の回転軸を地面に平行な面内で回転させる。ベース台505は、システム全体を支える。 A millimeter wave camera is one of imaging systems that visualize objects using millimeter waves having a long wavelength in electromagnetic waves. FIG. 6 schematically shows the configuration of the imaging system. In FIG. 6, a highly sensitive millimeter wave receiver 501 receives a millimeter wave having a frequency of 90 GHz. The parabolic antenna 502 transmits a millimeter wave signal coming from a specific direction to the high sensitivity millimeter wave receiver 501. The motor 503 rotates the parabolic antenna 502 and rotates the direction of the antenna in a certain axial direction. The rotary stage 504 is provided with a highly sensitive millimeter wave receiver 501, a parabolic antenna 502, and a motor 503, and rotates the rotation axis of the motor 503 in a plane parallel to the ground. The base stand 505 supports the entire system.
このイメージングシステムは、物質が放射する熱輻射の強度の２次元分布を観測し、イメージを得る。このイメージングシステムでは、可視化に用いる電磁波が光でないため、光の無い夜間にも被観測物質を可視化することができる。また、ミリ波は非導電性物質に対する透過性が高いため、霧や砂塵などで視認性が著しく劣化した状況でも霧など砂塵で遮られることなく可視化像を得ることができる。 This imaging system obtains an image by observing a two-dimensional distribution of the intensity of thermal radiation emitted by a substance. In this imaging system, since the electromagnetic wave used for visualization is not light, the substance to be observed can be visualized even at night without light. In addition, since millimeter waves are highly permeable to non-conductive substances, a visualized image can be obtained without being blocked by dust such as fog even when visibility is significantly deteriorated due to fog or dust.
しかしながら、従来のイメージングシステムには、以下の解決すべき問題点がある。その一つは、空間分解能である。90GHzのミリ波の波長は3.33ミリと可視光に比べて波長が３桁程度長い。従って、光によるイメージングに比べて空間分解能が著しく劣化することになる。波長の短い光によるイメージングでは空間分解能は向上するが、煙霧を透過することができないため、煙霧によって視認性が劣化する火災現場で煙霧の中やその向こうのものを可視化することができない。周波数軸上でミリ波と光に挟まれた領域に位置するテラヘルツ波は、ミリ波より波長が短いため、ミリ波イメージングに比べて空間分解能が期待できる。 However, the conventional imaging system has the following problems to be solved. One is spatial resolution. The 90 GHz millimeter wave wavelength is 3.33 mm, which is about three orders of magnitude longer than visible light. Therefore, the spatial resolution is significantly deteriorated as compared with imaging with light. Spatial resolution is improved by imaging with light having a short wavelength, but since the smoke cannot be transmitted, it is impossible to visualize the inside or the other side of the smoke at a fire site where visibility is deteriorated by the smoke. Since the terahertz wave located in the region between the millimeter wave and the light on the frequency axis has a shorter wavelength than the millimeter wave, spatial resolution can be expected compared to millimeter wave imaging.
また、煙を構成する浮遊微粒子の粒子径0.1から1μｍよりは波長が十分に長いため、煙霧に遮られることなく空間を伝搬する。従って、使用する電磁波をミリ波からテラヘルツ波にすることにより、煙霧に対する透過性を維持したまま、空間分解能の改善を図ることができる。 Moreover, since the wavelength is sufficiently longer than the particle diameter of 0.1 to 1 μm of the suspended fine particles constituting the smoke, it propagates through the space without being blocked by the smoke. Therefore, by changing the electromagnetic wave used from millimeter wave to terahertz wave, it is possible to improve the spatial resolution while maintaining the permeability to the smoke.
しかし、使用する電磁波をミリ波からテラヘルツ波に変えただけでは熱輻射の問題を解決できない。火災現場では煙霧は炎により加熱され高温になっている。そのため空間に漂う高温の煙霧自体が熱輻射という形で電磁波を発生している。煙霧の中やその背景にあるものを考えた場合、それらが煙霧より低温であった場合、煙霧漂う空間から放射される熱輻射は、煙霧によるものが支配的であり、煙霧の中やその背景にあるものからの熱輻射を捉えることは非常に困難である。 However, the problem of thermal radiation cannot be solved simply by changing the electromagnetic wave used from millimeter wave to terahertz wave. At the fire site, the fumes are heated by the flame and become hot. Therefore, high-temperature fumes floating in the space themselves generate electromagnetic waves in the form of heat radiation. Considering what is in or behind the fumes, if they are cooler than the fumes, the thermal radiation radiated from the haze-floating space is dominated by the fumes, and in the fumes and the background It is very difficult to capture the heat radiation from
本発明の課題は、物体が高温の煙霧の中にあっても可視化できるイメージングシステム及びその方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an imaging system and method capable of visualizing an object even in a hot fume.
上記課題を解決するために、本発明に係るイメージングシステムは、所定の帯域幅を持つ光を発生する光源と、前記光源から出射された光の強度を変調する光強度変調器と、前記光強度変調器からの光信号を複数の光信号に分波する光分波器と、前記光分波器で分波された光信号毎に異なる遅延時間で遅延させる複数の光遅延器と、前記複数の光遅延器で遅延された光信号を電磁波に変換して目標物に照射する複数の光電変換器と、前記目標物から反射された電磁波を検出する検出器を備え、前記光強度変調器と前記検出器とは、同期して動作させ、前記光強度変調器は、前記複数の光遅延器の数をＮとし、前記複数の光遅延器の遅延差の平均値をＤとした場合に、変調周波数を１／（２０×Ｎ×Ｄ）以下に設定することを特徴とする。
In order to solve the above problems, an imaging system according to the present invention includes a light source that generates light having a predetermined bandwidth, a light intensity modulator that modulates the intensity of light emitted from the light source, and the light intensity. An optical demultiplexer for demultiplexing an optical signal from the modulator into a plurality of optical signals, a plurality of optical delay devices for delaying each optical signal demultiplexed by the optical demultiplexer with a different delay time, and the plurality A plurality of photoelectric converters that convert the optical signal delayed by the optical delay device into an electromagnetic wave and irradiate the target, and a detector that detects the electromagnetic wave reflected from the target, and the light intensity modulator; When the detector is operated in synchronism, the light intensity modulator has N as the number of the plurality of optical delays, and D as an average delay difference of the plurality of optical delays, The modulation frequency is set to 1 / (20 × N × D) or less .
本発明によれば、煙霧から放射される熱輻射に対して物体に照射する電磁波の強度を強めることができ、物体が高温の煙霧の中にあっても可視化できるイメージングシステムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the intensity | strength of the electromagnetic wave irradiated to an object with respect to the thermal radiation radiated | emitted from a haze can be strengthened, and the imaging system which can be visualized even if an object exists in a high temperature fumes can be provided. .
まず、本発明のイメージングシステム及びその方法の原理を説明する。本発明は、物体の可視化にはテラヘルツ波を用い、高温の煙が発する熱輻射により煙の中やその奥にある物質を見つけるために、システム自体がテラヘルツ波を放射し、その反射波を捉えることで物体を可視化するアクティブイメージングシステムを採用する。 First, the principle of the imaging system and method of the present invention will be described. The present invention uses terahertz waves to visualize objects, and the system itself emits terahertz waves and captures the reflected waves in order to find the material in and behind the smoke by thermal radiation generated by high-temperature smoke. An active imaging system that visualizes objects is adopted.
煙霧環境下で照射するテラヘルツ波は、２つの波長の異なる光を光検出器に導入した時にその差の周波数に一致する周波数のテラヘルツ波が発生するフォトミキシングの手法を用いる。具体的には２つの光の内の一つにはレーザ光源からの光を用い、もう一つの光には線幅が広く干渉性の低い光を発する光源から発せられるインコヒーレントな光から特定の中心周波数・パスバンド幅で切り出した光を用いる。 A terahertz wave irradiated in a fume environment uses a photomixing technique in which when light having two different wavelengths is introduced into a photodetector, a terahertz wave having a frequency matching the difference frequency is generated. Specifically, light from a laser light source is used for one of the two lights, and the other light is specified from incoherent light emitted from a light source that emits light having a wide line width and low coherence. Light cut out at the center frequency / pass bandwidth is used.
これにより、フォトミキサから発生するテラヘルツ波は、広い線幅を有するインコヒーレントなものとなる。フォトミキサから発生するテラヘルツ波がインコヒーレントでかつ、光スプリッタと各フォトミキサをつなぐ光ファイバなどの光伝送媒体が10ns以上の遅延差を与えるため、各フォトミキサから発生されるテラヘルツ波は干渉性を喪失している。そのため、干渉縞の発生がなく、アレイ化により発せられるテラヘルツ波の強度が加算的に強まる。 Thereby, the terahertz wave generated from the photomixer becomes incoherent with a wide line width. The terahertz waves generated from the photomixers are incoherent, and the optical transmission medium such as the optical fiber connecting the optical splitter and each photomixer gives a delay difference of 10 ns or more. Is lost. For this reason, there is no generation of interference fringes, and the intensity of the terahertz wave generated by the arraying is additively increased.
よって、複数のフォトミキサを使うことで、煙によって隠れている探索物を、周りにある高温の煙から発せられるテラヘルツ領域の熱輻射より強い強度のテラヘルツ波で照らすことができ、煙霧の中やその奥にあるものが煙の熱輻射より強い強度のテラヘルツ波を反射することになる。 Therefore, by using multiple photomixers, it is possible to illuminate exploration objects hidden by smoke with terahertz waves that are stronger than the thermal radiation in the terahertz region emitted from the surrounding high-temperature smoke. What is behind it reflects terahertz waves that are stronger than the heat radiation of the smoke.
従って、各フォトミキサから発生され、加算的に強度が強まったテラヘルツ波で煙霧により視認性が劣化した場所を照らしながら、テラヘルツ波に対して感度を有するカメラやスキャナーなどテラヘルツ波の２次元平面内の強度分布を測る装置で、テラヘルツ波によって照らされた方向を見ると、煙霧の中やその奥にあるものが反射するテラヘルツ波によって作られる装置の位置でのテラヘルツ波の２次元平面内の強度分布を得ることができる。得られるテラヘルツ波の２次元平面内の強度分布は、前述したテラヘルツ波によって照らされた煙霧の中やその奥にある物からのテラヘルツ波の反射に他ならない。従って、煙霧の中や奥にあるものの可視化が実現される。 Therefore, a terahertz wave that is generated from each photomixer and has an additional increased intensity, and where the visibility is degraded due to fumes, is illuminated in a two-dimensional plane of the terahertz wave, such as a camera or scanner that is sensitive to terahertz waves. A device that measures the intensity distribution of the terahertz wave in the two-dimensional plane at the position of the device created by the terahertz wave reflected in the haze or behind it when looking at the direction illuminated by the terahertz wave Distribution can be obtained. The intensity distribution in the two-dimensional plane of the obtained terahertz wave is nothing but the reflection of the terahertz wave from the object or the object behind the smoke illuminated by the terahertz wave. Therefore, visualization of what is in or behind the smoke is realized.
次に、本発明の実施の形態に係るイメージングシステム及びその方法を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施例１のイメージングシステムの構成を示す図である。 Next, an imaging system and method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an imaging system according to a first embodiment of the present invention.
このイメージングシステムは、視認性の劣化した煙霧環境下で煙霧に隠れたものを可視化するテラヘルツアクティブイメージングシステムである。図１に示すイメージングシステムは、単一モード光レーザ101、インコヒーレント光源102、光バンドパスフィルタ103、光カプラ104、光増幅器105、光強度変調器106、光分波器107、光ファイバアレイ108、フォトミキサ109、レンズ114、ローパスフィルタ115、テラヘルツ波検出器二次元アレイ116、画像処理回路117、発振器118を有している。
This imaging system is a terahertz active imaging system that visualizes what is hidden in a haze under a haze environment with degraded visibility. An imaging system shown in FIG. 1 includes a single mode
インコヒーレント光源102は、線幅が広く干渉性の低い光を発するもので、例えば入力に信号を入れないファイバ光増幅器や半導体光増幅器などインコヒーレント光の光源である。光バンドパスフィルタ103は、インコヒーレント光源102から得られる広帯域の光から特定の周波数・パスバンド幅の光を取り出す。光カプラ104は、は単一モード光レーザ101からの光と光バンドパスフィルタ103からの光を合波させる。光増幅器105は、光カプラ104の出力を増幅する。単一モード光レーザ101、インコヒーレント光源102、光バンドパスフィルタ103、光カプラ104及び光増幅器105は、本発明の所定の帯域幅を持つ光をフォトミキシングにより発生させる光源に対応する。
The
光強度変調器106は、光増幅器105から出力される光信号を強度変調するもので、光信号をオン／オフ変調する。光分波器107は、光強度変調器106から出力される光信号を複数の光信号に分波する。光ファイバアレイ108は、本発明の複数の光遅延器に対応し、光分波器107から出力される複数の光信号を、光信号毎に異なる遅延時間で遅延させるもので、光信号毎に例えば10ns以上の遅延差をつけて次段に供給する。複数のフォトミキサ109は、本発明の複数の光電変換器に対応し、光ファイバアレイ108で遅延された光信号を電磁波であるテラヘルツ波に変換して目標物に照射する。テラヘルツ波110は、各々のフォトミキサ109から発せられ空間上で合成されて煙霧111に伝搬する。物体112は、煙霧111中に存在するが、視認することはできない。
The
レンズ114は、物体112で反射したテラヘルツ波113を集める。ローパスフィルタ115は、テラヘルツ波113と同時に伝搬してくる高温の煙や物体112からの熱輻射成分を取り除くために設置され、テラヘルツ波成分のみを透過させる。テラヘルツ波検出器２次元アレイ116は、レンズ114の焦点位置に設置され、煙霧中に存在するが視認できない物体112により反射されたテラヘルツ波を２次元平面上のテラヘルツ波強度分布として検出する。画像処理回路117は、テラヘルツ波検出器２次元アレイ116の出力を、光強度変調器106の変調周波数と同じ周波数で同期検波し、煙霧中に存在する物体112を可視化する。発振器118は、光強度変調器106と画像処理回路116とを同期して動作させるための同期信号を生成する。レンズ114、ローパスフィルタ115、テラヘルツ波検出器２次元アレイ116、画像処理回路117及び発振器118は、本発明の検出器に対応する。
The lens 114 collects the terahertz wave 113 reflected by the object 112. The low-pass filter 115 is installed to remove the high-temperature smoke propagating simultaneously with the terahertz wave 113 and the heat radiation component from the object 112, and transmits only the terahertz wave component. The terahertz wave detector two-dimensional array 116 is installed at the focal position of the lens 114, and detects the terahertz wave reflected by the object 112 that exists in the smoke but cannot be seen as a terahertz wave intensity distribution on the two-dimensional plane. The
図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、単一モード光レーザ101の周波数、インコヒーレント光源102から発せられる光の帯域、光バンドパスフィルタ103から出力される光の中心周波数・パスバンド幅を示す図である。図２に示す例では、単一モード光レーザ101は、周波数194.0630 THzの光を発している。インコヒーレント光源102は、191.5600 THzから195.3000 THzの帯域で雑音を発生している。インコヒーレント光源102からの光を中心周波数193.3800 THz、パスバンド幅40 GHzに設定された光バンドパスフィルタ103に入力すると、図２（ｃ）に示すインコヒーレント光が得られる。このインコヒーレント光をフォトミキサ109に入力すると、フォトミキサ109は、単一モード光レーザ101の周波数194.0630THzと光バンドパスフィルタ103の中心周波数193.380THzとの差分周波数、即ち、フォトミキシングにより中心周波数683 GHzで且つ帯域幅40 GHzのインコヒーレントテラヘルツ波を得る。
2A, 2B, and 2C show the frequency of the
また、テラヘルツ波に変換される前の光子のライフタイムは数nsと考えられるため、フォトミキシングにおいて、図２（ｃ）に示されるように片方の光がインコヒーレントで、各々のフォトミキサ109に到達するまでの時間に10ns以上の差がでるように光ファイバアレイ108により遅延差を調整する。このため、各々のフォトミキサ109でテラヘルツ波が発生するタイミングは、前記遅延差だけずれている。 Further, since the lifetime of the photon before being converted into the terahertz wave is considered to be several ns, in photomixing, one light is incoherent as shown in FIG. The delay difference is adjusted by the optical fiber array so that a difference of 10 ns or more appears in the time to reach. Therefore, the timing at which the terahertz wave is generated in each photomixer 109 is shifted by the delay difference.
仮に、フォトミキサアレイが100個のフォトミキサ109で構成され、各々のタイミングのずれが10nsとすると、最初のフォトミキサ109がテラヘルツ波を発生し始めてから、最後のフォトミキサ109がテラヘルツ波を発生し始めるまでに10ns×(100-1)〜1μsのずれがある。実施例１では、全てのフォトミキサ109がテラヘルツ波を発生することによって、物体112を明るく照射させるので、フォトミキサ109がオンしている時間は1μsよりも長い例えば10μsという値をとることが求められる。 If the photomixer array is composed of 100 photomixers 109, and each timing shift is 10 ns, the first photomixer 109 starts to generate terahertz waves, and the last photomixer 109 generates terahertz waves. There is a deviation of 10 ns × (100-1) to 1 μs before starting. In the first embodiment, since all the photomixers 109 generate terahertz waves to irradiate the object 112 brightly, the time during which the photomixers 109 are on is required to take a value of, for example, 10 μs longer than 1 μs. It is done.
この場合、光強度変調器106は、所定の周波数に設定された変調周波数を持つ変調信号によりオン／オフ変調する。変調周波数は、50kHzで、それ以上早い変調周波数を用いることは望ましくない。一般的な形にすると、フォトミキサ109の数をＮとし、光ファイバアレイ108の遅延差の平均値をＤとした場合に、光強度変調器106は、変調周波数を
１／（２０×Ｎ×Ｄ）以下に設定する。
In this case, the
図３は、本発明の実施例１のイメージングシステムの照明用テラヘルツ波がオン／オフするタイミングを示す図である。遅延差Ｄを10とした場合に、図３に示すように、10×Ｎ（ｎｓ）が全部のフォトミキサ109のオンになるのに必要な時間である。オンになっている時間を10×Ｎ（ｎｓ）の10倍にする。また、フォトミキサ109は、変調信号によりオンとオフとを繰り返すので、オフの時間も10×Ｎ（ｎｓ）の10倍必要である。従って、変調周期は、10×Ｎ（ｎｓ）の20倍になる。即ち、変調周波数は、1/(200×Ｎ)（ｎｓ）以下となる。
FIG. 3 is a diagram illustrating timings when the terahertz wave for illumination of the imaging system according to the first embodiment of the present invention is turned on / off. Assuming that the delay difference D is 10, as shown in FIG. 3, 10 × N (ns) is the time required for all the photomixers 109 to be turned on. The time that is turned on is set to 10
以上のことから、各々のフォトミキサ109から出されるテラヘルツ波はお互いに干渉性を喪失する。そのため、フォトミキサ109の数を増やすことで、煙霧環境を照らすテラヘルツ波110は干渉縞を発生させることなく、その強度は加算的に増えることになる。フォトミキサ109としては、光を照射することで一時的に電導度が高くなる半絶縁性半導体基板上に金属で微小ギャップを形成する金属―半導体―金属光伝導スイッチや高速のPINフォトダイオード、単一走行キャリアフォトダイオードなどが考えられる。フォトダイオードの台数には制限がないが、光分波器107の分岐が増えてフォトミキサ109一台あたりに供給される光強度が、フォトミキサの許容光入力強度を著しく下回るのは望ましくない。その場合、光カップラ104と光増幅器105の間に分岐を入れ、光増幅器105からフォトミキサ109までを並列化し、フォトミキサ109に供給する光強度を、その許容光入力強度に近いレベルにすればよい。
From the above, the terahertz waves emitted from the respective photomixers 109 lose their mutual coherence. Therefore, by increasing the number of photomixers 109, the intensity of the terahertz wave 110 that illuminates the haze environment does not generate interference fringes and increases. As the photomixer 109, a metal-semiconductor-metal photoconductive switch, a high-speed PIN photodiode, a single-layer metal gap formed on a semi-insulating semiconductor substrate whose electrical conductivity temporarily increases when irradiated with light, One traveling carrier photodiode can be considered. Although the number of photodiodes is not limited, it is not desirable that the light intensity supplied per photomixer 109 due to an increase in the number of branches of the
煙は燃焼によって生じた浮遊微粒子とガスが空気に混ざり合ったもので、浮遊微粒子の大きさはおおむね0.1から1μｍである。フォトミキサ109から発せられるテラヘルツ波の波長は100から1000μｍで、浮遊微粒子より２ケタ以上長い。そのため、この浮遊微粒子によってテラヘルツ波は散乱されることはない。これに対し、燃焼生成ガスのうちで、水、シアン化水素、塩化水素、亜硫酸ガス、ホルムアルデヒドはテラヘルツ帯に固有の吸収スペクトルを持ち、テラヘルツ波を吸収する。 Smoke is a mixture of suspended particulates and gas generated by combustion mixed with air, and the size of suspended particulates is about 0.1 to 1 μm. The wavelength of the terahertz wave emitted from the photomixer 109 is 100 to 1000 μm, which is two digits longer than the suspended fine particles. Therefore, terahertz waves are not scattered by the suspended fine particles. On the other hand, among combustion generated gases, water, hydrogen cyanide, hydrogen chloride, sulfurous acid gas, and formaldehyde have an absorption spectrum unique to the terahertz band and absorb terahertz waves.
図４はこれら５つのガスによる伝搬損の最悪値を周波数ごとに計算してプロットしたグラフである。ここで伝搬損はその周波数の±20 GHzの平均となっている。313、403、463、595、683、833、921 GHzの周波数において伝搬損が極小値を示すことが、図４より明らかである。実施例１では、前述したように、フォトミキサ109から発せられるテラヘルツ波の周波数683 GHzを中心とし、その帯域は40 GHzであるから、燃焼生成ガスによる吸収は低く抑えられる。図４から明らかなように、テラヘルツ波の周波数を、313、403、463、595、833、921 GHzのいずれかに設定することによっても、燃焼生成ガスによる吸収は低く抑えることができる。 FIG. 4 is a graph in which the worst values of propagation losses due to these five gases are calculated and plotted for each frequency. Here, the propagation loss is an average of ± 20 GHz of the frequency. It is clear from FIG. 4 that the propagation loss has a minimum value at frequencies of 313, 403, 463, 595, 683, 833, and 921 GHz. In the first embodiment, as described above, since the terahertz wave frequency emitted from the photomixer 109 is centered on the frequency 683 GHz and its band is 40 GHz, the absorption by the combustion product gas can be suppressed to a low level. As can be seen from FIG. 4, the absorption by the combustion product gas can be kept low by setting the frequency of the terahertz wave to any one of 313, 403, 463, 595, 833, and 921 GHz.
その場合、光バンドパスフィルタ103の中心周波数を193.7510、193.6600、193.6000、193.4680、193.2300、193.1420 THzのいずれかに設定すればよい。また、帯域も40 GHzに限ることはなく、20 GHzから150GHz付近まで任意の値を取ることが可能である。また、313、403、463、595、683、833、921 GHzのいずれかのテラヘルツ波を発生するために、光バンドパスフィルタ103の中心周波数を194.3760、194.4660、194.5260、194.6580、194.7460、194.8960、194.9840 THzのいずれかに設定してもかまわない。
In that case, the center frequency of the
なお、図４に示すスペクトルの計算には、下記に示す非特許文献２によるスペクトルデータ、及び非特許文献３によるスペクトル強度の計算式を用いた。
For the calculation of the spectrum shown in FIG. 4, the following spectral data according to
非特許文献２;
H. M. Pickett et al. , “Submillimeter, millimeter, and microwave spectral line catalog,” J. Quant. Spectrosc. &Rad, Transfer, vol. 60,pp.883-890,1998.
非特許文献３;
J. S. Melinger et al., ”THz detection of small molecule vapors in the atmospheric transmission windows,” Optics Express, vol. 6,pp6788-6807,2012.
HM Pickett et al., “Submillimeter, millimeter, and microwave spectral line catalog,” J. Quant. Spectrosc. & Rad, Transfer, vol. 60, pp.883-890, 1998.
JS Melinger et al., “THz detection of small molecule vapors in the atmospheric transmission windows,” Optics Express, vol. 6, pp 6788-6807, 2012.
図５は、フォトミキサ109が離れたところに設置された反射率10%の対象物がどのぐらいの強度でテラヘルツ波を反射するかを計算により求めた結果を示す図である。ここでは中心周波数595 GHz、帯域50GHzとし、煙などによって対象物に到達するまでにテラヘルツ波は3dBの減衰を受けるとしている。 FIG. 5 is a diagram illustrating a result obtained by calculating how much the target object having a reflectance of 10% installed at a place where the photomixer 109 is separated reflects the terahertz wave. Here, the center frequency is 595 GHz and the band is 50 GHz, and it is assumed that the terahertz wave is attenuated by 3 dB before reaching the object due to smoke or the like.
また、黒い点線と実線はプランクの公式を用いて計算した500℃の黒体が放射する輻射の中心周波数595 GHz、帯域50GHz の強度とその１０倍の値を示している。直線aはフォトミキサ109の出力が20μWで利得が20dBの場合である。
The black dotted line and the solid line indicate the intensity of the central frequency of 595 GHz and the band of 50 GHz emitted by a black body at 500 ° C. calculated using Planck's formula and a
なお、フォトミキサによって被写体が照射されるテラヘルツ波の単位面積当たりの強度は、等方性アンテナの場合に比べて利得分だけ増加したとして計算している。この場合、物体112がフォトミキサ109から30 cm程度離れると、物体112が反射するテラヘルツ波の強度は500℃の黒体輻射と同じレベルになっており、それより離れたところにあるものをアクティブイメージングできないことを意味している。直線bは直線aのフォトミキサ109を８台並べた場合である。この場合、インコヒーレント化とアレイ化による加算の効果でフォトミキサ109から70 cmまでの距離で物体112が反射するテラヘルツ波の強度は500℃の黒体輻射のレベルを上回っている。 It is calculated that the intensity per unit area of the terahertz wave irradiated to the subject by the photomixer is increased by a gain compared to the case of the isotropic antenna. In this case, when the object 112 is about 30 cm away from the photomixer 109, the intensity of the terahertz wave reflected by the object 112 is at the same level as the black body radiation at 500 ° C, and the object that is further away from it is active. This means that imaging is not possible. A straight line b is a case where eight photo mixers 109 of the straight line a are arranged. In this case, the intensity of the terahertz wave reflected by the object 112 at a distance of 70 cm from the photomixer 109 exceeds the level of black body radiation at 500 ° C. due to the effect of addition by incoherence and arraying.
従って、この範囲内で高温の煙霧の中やその後ろにあるもののアクティブイメージングが可能になる。直線cはフォトミキサ１台の出力が30μWで利得が30dB、それが８台集まったアレイになっている場合である。この場合、フォトミキサ109から6 mの距離まで、反射テラヘルツ波の強度が500℃の黒体輻射を上回ることになる。従って、この範囲まで、高温の煙霧の中やその後ろにあるもののアクティブイメージングが可能になる。直線dはフォトミキサ109が100台集まった場合で、この場合には、10 ｍ以上離れていてもアクティブイメージングは可能である。 Therefore, active imaging of what is in or behind the hot fumes within this range is possible. The straight line c is a case where the output of one photomixer is 30 μW, the gain is 30 dB, and an array of eight units is collected. In this case, up to a distance of 6 m from the photomixer 109, the intensity of the reflected terahertz wave exceeds the black body radiation at 500 ° C. Therefore, up to this range, active imaging of what is in and behind the hot fumes is possible. The straight line d is when 100 photomixers 109 are gathered. In this case, active imaging is possible even if they are separated by 10 m or more.
以上の結果により、中心周波数と帯域幅を適切に調整したインコヒーレントテラヘルツ波を放射するフォトミキサ109をアレイ化することにより、フォトミキサアレイから離れたところで、高温の煙霧により覆われた物質112が、高温の煙霧が発する熱輻射より明るくテラヘルツ波を反射する状況を実現することができることは明らかである。物質のテラヘルツ波に対する反射率は実際は一定ではなく、0から100％までその材質固有の反射率を有している。従って、反射されるテラヘルツ波の強度は反射する物体の材質によって異なり、煙霧中に存在する物体112で反射されたテラヘルツ波113の強度の空間分布は、煙の中にある物のそれ自体とその位置を反映したものになっている。 Based on the above results, by arranging the photomixer 109 that emits an incoherent terahertz wave whose center frequency and bandwidth are appropriately adjusted, the substance 112 covered with high-temperature fumes is separated from the photomixer array. Obviously, it is possible to realize a situation in which terahertz waves are reflected brighter than the heat radiation generated by high-temperature fumes. The reflectivity of a substance to terahertz waves is not actually constant, and has a reflectivity specific to the material from 0 to 100%. Therefore, the intensity of the reflected terahertz wave differs depending on the material of the object to be reflected, and the spatial distribution of the intensity of the terahertz wave 113 reflected by the object 112 present in the haze is determined by the object itself in the smoke and its It reflects the position.
従って、レンズ114及びテラヘルツ波検出器二次元アレイ116、画像処理回路117を用いてテラヘルツ波113の強度の空間分布を求めることにより、煙111によって視認できないもの112を可視化することができる。
Therefore, by obtaining the spatial distribution of the intensity of the terahertz wave 113 using the lens 114, the terahertz wave detector two-dimensional array 116, and the
ここで、ローパスフィルタ115は、1 THzより高い周波数成分の信号がテラヘルツ波検出器二次元アレイ116に到達することを阻止するために、テラヘルツ波検出器二次元アレイ116の前に設置してある。 Here, the low-pass filter 115 is installed in front of the terahertz wave detector two-dimensional array 116 in order to prevent a signal having a frequency component higher than 1 THz from reaching the terahertz wave detector two-dimensional array 116. .
1 THzより高い周波数の信号は、高温の煙や背景が発する熱輻射を意味している。なお、実施例１においてテラヘルツ波検出器にショットキー障壁ダイオード、焦電素子などを用いることを想定している。また、実施例１ではテラヘルツ波113の強度の空間分布を得るために、検出器の二次元アレイを用いたが、それ以外に、可動ミラーと１次元アレイを組み合わせたスキャナーや、可動ステージを用いた１台の検出器の２次元空間スキャンなどの方式を適用することも可能である。 A signal with a frequency higher than 1 THz means hot radiation from the hot smoke or background. In the first embodiment, it is assumed that a terahertz wave detector uses a Schottky barrier diode, a pyroelectric element, or the like. In the first embodiment, a two-dimensional array of detectors is used to obtain the spatial distribution of the intensity of the terahertz wave 113. In addition, a scanner that combines a movable mirror and a one-dimensional array, or a movable stage is used. It is also possible to apply a method such as a two-dimensional space scan of a single detector.
本発明は、画像処理装置などに利用可能である。 The present invention can be used for an image processing apparatus or the like.
１０１ 単一モード光レーザ
１０２ インコヒーレント光源
１０３ 光バンドパスフィルタ
１０４ 光カプラ
１０５ 光増幅器
１０６ 光強度変調器
１０７ 光分波器
１０８ 光ファイバアレイ
１０９ フォトミキサ
１１０ テラヘルツ波
１１１ 煙霧
１１２ 物体
１１３ 反射したテラヘルツ波
１１４ レンズ
１１５ ローパスフィルタ
１１６ テラヘルツ波検出器二次元アレイ
１１７ 画像処理回路
１１８ 発振器
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記光源から出射された光の強度を変調する光強度変調器と、
前記光強度変調器からの光信号を複数の光信号に分波する光分波器と、
前記光分波器で分波された光信号毎に異なる遅延時間で遅延させる複数の光遅延器と、
前記複数の光遅延器で遅延された光信号を電磁波に変換して目標物に照射する複数の光電変換器と、
前記目標物から反射された電磁波を検出する検出器を備え、
前記光強度変調器と前記検出器とは、同期して動作させ、
前記複数の光遅延器の数をＮとし、前記複数の光遅延器の遅延差の平均値をＤとした場合に、前記光強度変調器は、変調周波数を１／（２０×Ｎ×Ｄ）以下に設定することを特徴とするイメージングシステム。 A light source that generates light having a predetermined bandwidth;
A light intensity modulator that modulates the intensity of light emitted from the light source;
An optical demultiplexer for demultiplexing an optical signal from the optical intensity modulator into a plurality of optical signals;
A plurality of optical delay devices for delaying with different delay time for each optical signal demultiplexed by the optical demultiplexer;
A plurality of photoelectric converters that convert the optical signals delayed by the plurality of optical delay devices into electromagnetic waves and irradiate the target;
A detector for detecting electromagnetic waves reflected from the target;
The light intensity modulator and the detector are operated synchronously,
When the number of the plurality of optical delay devices is N and the average value of the delay differences of the plurality of optical delay devices is D, the light intensity modulator has a modulation frequency of 1 / (20 × N × D). An imaging system characterized by the following settings.
前記インコヒーレント光源から特定の周波数・パスバンド幅で光信号を取り出すフィルタと、
レーザ光源からの光信号と前記フィルタから出力される光信号を合波する光カプラとを備え、
前記複数の光電変換器の各々は、前記レーザ光源からの光信号の周波数と前記フィルタから出力される光信号の周波数との差の周波数のテラヘルツ波を発生することを特徴とする請求項１記載のイメージングシステム。 The light source is an incoherent light source that emits light having a wide line width and low coherence,
A filter for extracting an optical signal at a specific frequency / pass bandwidth from the incoherent light source;
An optical coupler for combining an optical signal from a laser light source and an optical signal output from the filter;
Each of the plurality of photoelectric converters according to claim 1 Symbol, characterized in that to generate the terahertz wave having a frequency difference between the frequency of the optical signal and the frequency of the optical signal output from the filter from the laser light source Imaging system.
前記光強度変調ステップで得られた光信号を複数の光信号に分波する光分波ステップと、
分波された光信号毎に異なる遅延時間で遅延させる光遅延ステップと、
遅延された光信号を電磁波に変換して目標物に照射する光電変換ステップと、
前記目標物から反射された電磁波を検出器により検出する検出ステップを備え、
前記光強度変調器と前記検出器とは、同期して動作させ、
前記光強度変調器は、前記複数の光遅延器の数をＮとし、前記複数の光遅延器の遅延差の平均値をＤとした場合に、変調周波数を１／（２０×Ｎ×Ｄ）以下に設定することを特徴とするイメージング方法。 A light intensity modulation step of modulating the intensity of light emitted from a light source that generates light having a predetermined bandwidth by a light intensity modulator;
An optical demultiplexing step for demultiplexing the optical signal obtained in the optical intensity modulation step into a plurality of optical signals;
An optical delay step for delaying each demultiplexed optical signal with a different delay time;
A photoelectric conversion step of converting the delayed optical signal into an electromagnetic wave and irradiating the target;
A detection step of detecting an electromagnetic wave reflected from the target by a detector;
The light intensity modulator and the detector are operated synchronously,
The light intensity modulator has a modulation frequency of 1 / (20 × N × D) where N is the number of the plurality of optical delay devices and D is an average delay difference of the plurality of optical delay devices. An imaging method comprising the following settings.
レーザ光源からの光信号と前記フィルタから出力される光信号を合波するステップとを備え、
前記光電変換ステップは、前記レーザ光源からの光信号の周波数と前記フィルタから出力される光信号の周波数との差の周波数のテラヘルツ波を発生することを特徴とする請求項４記載のイメージング方法。 Extracting an optical signal at a specific frequency / pass bandwidth by a filter from an incoherent light source that emits light having a wide line width and low coherence;
Combining the optical signal from the laser light source and the optical signal output from the filter,
The imaging method according to claim 4 , wherein the photoelectric conversion step generates a terahertz wave having a frequency difference between an optical signal frequency from the laser light source and an optical signal frequency output from the filter.
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