JP6993001B2 - 直接変換受信機および／または変調技法を使用するミリ波撮像システムおよび方法 - Google Patents

Description

（関連出願の引用）
本願は、先に出願の米国仮出願第６２／３７４，２８５号（２０１６年８月１２日出願）の米国特許法§１１９に基づく利益を主張し、上記出願の全内容は、任意の目的のためにその全体において参照により本明細書に引用される。

（研究開発に関する声明）
本発明は、国土安全保障省により授与された付与番号１４－ＤＨＳ－１１００ ＡＭ０２、および国家偵察局により授与された付与番号１５－ＵＳＧ－１０６４－ＭＯＤ０３の下での政府支援により為された。政府は、本発明における一定の権利を有する。

（技術分野）
本明細書に説明される例は、ミリ波撮像システムおよび方法に関する。ミリ波撮像システムにおける照明信号のための直接変換受信機および／または変調技法の使用を含む例が、説明される。

ミリ波（ｍｍＷ）撮像は、セキュリティスクリーニング、壁浸透感知および撮像、ならびに航空機または宇宙船から地球および人工構造物の画像を作製すること等の種々の用途を有する。

アクティブｍｍＷ撮像では、シーン内の着目領域（ＲＯＩ）が１つ以上の送信機によって照射される一方、シーンからの散乱エネルギーは、１つ以上のアンテナおよび受信機によって空間的にサンプリングされる。多くのアクティブイメージャは、アンテナアレイの機械的運動を活用し、合成開口レーダ（ＳＡＲ）画像を形成する。他のアクティブイメージャは、アクティブ電子走査アレイ（ＡＥＳＡ）等の位相アレイを使用する。位相アレイは、多数のアンテナ要素を活用し、大きい空間的にサンプリングされた開口を形成する。他のイメージャは、サンプリングされた開口を形成するように空間的に分散される送信機および受信機を備えている、多入力多出力（ＭＩＭＯ）アーキテクチャを使用する。

撮像システムの例が、本明細書に説明される。例示的撮像システムは、照明システムを含み得る。照明システムは、無線周波数信号を生成するように構成されている搬送波源と、搬送波源に結合され、デジタルシンボルを使用して無線周波数信号を変調し、照明信号を提供するように構成されている変調器と、変調器に結合され、照明信号を用いてシーンを照射するように構成されている複数のアンテナとを含み得る。撮像システムは、シーンからの照明信号の散乱から部分的にもたらされる散乱照明信号からエネルギーを受信するように構成されている直接変換受信機を含み得る。撮像システムは、直接変換受信機に結合され、散乱照明信号からのエネルギーに基づいて、シーンに関連付けられた画像データを提供するように構成されている撮像プロセッサを含み得る。

いくつかの例では、無線周波数信号は、３０～３００ＧＨｚの周波数を有する。

いくつかの例では、変調器は、２つ以上の位相を有する位相変調デジタルシンボルを使用して無線周波数信号を変調するように構成されている。

いくつかの例では、変調器は、２つ以上の振幅を有する振幅変調デジタルシンボルを使用して無線周波数信号を変調するように構成されている。

いくつかの例では、変調器は、複数のアンテナの各々のために、符号の組からのそれぞれのデジタル符号を使用して無線周波数信号を変調するように構成されている。いくつかの例では、符号の組は、平衡直交符号を含む。いくつかの例では、符号の組は、アダマール符号を含む。

いくつかの例では、撮像システムは、撮像プロセッサに結合され、画像データに基づいて画像を表示するように構成されているディスプレイを含み得、画像は、シーンの表現を備えている。

いくつかの例では、シーンは、人間を備えている。

いくつかの例では、直接変換受信機は、照明システムが照明信号を提供している時間の少なくとも一部中、エネルギーを受信するように構成されている。

いくつかの例では、直接変換受信機は、照明システムに結合され、直接変換受信機は、無線周波数信号の知識を使用して散乱照明信号からエネルギーを受信するように構成されている。

いくつかの例では、直接変換受信機は、散乱照明信号から受信されるエネルギーからの寄与、自己妨害、およびＤＣオフセットを含む受信機信号を生成するように構成され、撮像システムは、変調シンボルの１つの群に対応して受信される受信機信号を変調シンボルの別の群に対応して受信される受信機信号から減算し、散乱照明信号から受信されたエネルギーの寄与を自己妨害およびＤＣオフセットから分離するように構成されるポストプロセッサをさらに備えている。

方法の例が、本明細書に説明される。例示的方法は、デジタルシンボルを使用して無線周波数信号を変調し、照明信号を提供することと、複数のアンテナを使用して、照明信号を用いてシーンを照射することと、直接変換受信機を使用して、対象からの照明信号の散乱から部分的にもたらされる散乱照明信号からエネルギーを受信することと、散乱照明信号からのエネルギーに基づいて、シーンに関連付けられた画像データを生成することとを含み得る。

いくつかの例では、デジタルシンボルは、二位相シフトキーイング変調または四位相シフトキーイング変調を備えている。

いくつかの例では、受信することは、少なくとも部分的に、照射することと同時に起こる。

いくつかの例では、複数のアンテナは、照射中、静止している。

例示的方法は、複数のアンテナのうちのそれぞれのもののために、平衡直交符号を使用して照明信号を変調することを含み得る。

例示的方法は、画像データに基づいて、画像を表示することを含み得る。いくつかの例では、画像は、シーンの表現を備えている。

いくつかの例では、受信することは、位相シフトキーイング変調に基づいて受信することを含む。

いくつかの例では、受信することは、散乱照明信号からのエネルギーを直接変換受信機によって提供される自己妨害信号から分離することを含む。

いくつかの例では、エネルギーを分離することは、変調シンボルの群に関連付けられた受信機信号を減算することを含む。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
撮像システムであって、前記撮像システムは、
照明システムであって、前記照明システムは、
無線周波数信号を生成するように構成されている搬送波源と、
前記搬送波源に結合されている少なくとも１つの変調器であって、前記少なくとも１つの変調器は、デジタルシンボルを使用して前記無線周波数信号を変調し、照明信号を提供するように構成されている、少なくとも１つの変調器と、
前記少なくとも１つの変調器のうちのそれぞれのものに結合されている複数のアンテナであって、前記複数のアンテナは、前記照明信号を用いてシーンを照射するように構成されている、複数のアンテナと
を備えている、照明システムと、
前記シーンからの前記照明信号の散乱から部分的にもたらされる散乱照明信号からエネルギーを受信するように構成されている直接変換受信機と、
前記直接変換受信機に結合されている撮像プロセッサであって、前記撮像プロセッサは、前記散乱照明信号からのエネルギーに基づいて、前記シーンに関連付けられた画像データを提供するように構成されている、撮像プロセッサと
を備えている、撮像システム。
（項目２）
前記無線周波数信号は、３０～３００ＧＨｚの周波数を有する、項目１に記載の撮像システム。
（項目３）
前記変調器は、２つ以上の位相を有する位相変調デジタルシンボルを使用して前記無線周波数信号を変調するように構成されている、項目１に記載の撮像システム。
（項目４）
前記変調器は、２つ以上の振幅を有する振幅変調デジタルシンボルを使用して前記無線周波数信号を変調するように構成されている、項目１に記載の撮像システム。
（項目５）
前記変調器は、前記複数のアンテナの各々のために、符号の組からのそれぞれのデジタル符号を使用して前記無線周波数信号を変調するように構成されている、項目１に記載の撮像システム。
（項目６）
前記符号の組は、平衡直交符号を備えている、項目５に記載の撮像システム。
（項目７）
前記符号の組は、アダマール符号を備えている、項目６に記載の撮像システム。
（項目８）
前記撮像プロセッサに結合されているディスプレイをさらに備え、前記ディスプレイは、前記画像データに基づいて画像を表示するように構成され、前記画像は、前記シーンの表現を備えている、項目１に記載の撮像システム。
（項目９）
前記シーンは、人間を備えている、項目１に記載の撮像システム。
（項目１０）
前記直接変換受信機は、前記照明システムが前記照明信号を提供している時間の少なくとも一部中、前記エネルギーを受信するように構成されている、項目１に記載の撮像システム。
（項目１１）
前記直接変換受信機は、前記照明システムに結合され、前記直接変換受信機は、前記無線周波数信号の知識を使用して前記散乱照明信号から前記エネルギーを受信するように構成されている、項目１に記載の撮像システム。
（項目１２）
前記直接変換受信機は、前記散乱照明信号から受信されるエネルギーからの寄与、自己妨害、およびＤＣオフセットを含む受信機信号を生成するように構成され、前記撮像システムは、ポストプロセッサをさらに備え、前記ポストプロセッサは、前記散乱照明信号から受信されたエネルギーの寄与を前記自己妨害およびＤＣオフセットから分離するために、変調シンボルの１つの群に対応して受信される受信機信号を変調シンボルの別の群に対応して受信される受信機信号から減算するように構成されている、項目１に記載の撮像システム。
（項目１３）
前記撮像システムは、少なくとも２つの変調器を備え、前記少なくとも２つの変調器の各々は、それぞれのデジタル符号を使用して前記無線周波数信号を変調するように構成され、前記撮像システムは、少なくとも２つの受信機をさらに備え、前記少なくとも２つの受信機の各々は、前記少なくとも２つの変調器のうちの複数のものを用いて生成される照明信号の散乱を含む散乱照明信号を少なくとも部分的に同時に受信するように構成されている、項目１に記載の撮像システム。
（項目１４）
前記少なくとも２つの受信機は、それぞれのデジタル符号と前記散乱照明信号の一部との間の相関を使用して、前記少なくとも２つの変調器の各々の寄与を分離するように構成されている、項目１３に記載の撮像システム。
（項目１５）
シーンを撮像する方法であって、前記方法は、
デジタルシンボルを使用して無線周波数信号を変調し、照明信号を提供することと、
複数のアンテナを使用して、照明信号を用いて前記シーンを照射することと、
直接変換受信機を使用して、対象からの前記照明信号の散乱から部分的にもたらされる散乱照明信号からエネルギーを受信することと、
前記散乱照明信号からのエネルギーに基づいて、前記シーンに関連付けられた画像データを生成することと
を含む、方法。
（項目１６）
前記デジタルシンボルは、二位相シフトキーイング変調または四位相シフトキーイング変調を備えている、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
前記受信することは、少なくとも部分的に前記照射することと同時に起こる、項目１５に記載の方法。
（項目１８）
前記複数のアンテナは、前記照射中、静止している、項目１５に記載の方法。
（項目１９）
前記複数のアンテナのうちのそれぞれのもののために、平衡直交符号を使用して前記照明信号を変調することをさらに含む、項目１５に記載の方法。
（項目２０）
前記画像データに基づいて、画像を表示することをさらに含む、項目１５に記載の方法。
（項目２１）
前記画像は、前記シーンの表現を備えている、項目２０に記載の方法。
（項目２２）
前記受信することは、位相シフトキーイング変調に基づいて受信することを含む、項目１５に記載の方法。
（項目２３）
前記受信することは、前記散乱照明信号からのエネルギーを前記直接変換受信機によって提供される自己妨害信号から分離することを含む、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
前記エネルギーを分離することは、変調シンボルの群に関連付けられた受信機信号を減算することを含む、項目２３に記載の方法。
（項目２５）
前記照明信号は、複数の変調器によって生成され、前記複数の変調器の各変調器は、それぞれのデジタル符号を使用して前記無線周波数信号を変調するように構成され、前記受信することは、複数の受信機によって提供され、前記複数の受信機の各受信機は、前記複数の受信機によって生成される照明信号の散乱から部分的にもたらされるエネルギーを含む前記散乱照明信号を少なくとも部分的に同時に受信するように構成されている、項目１５に記載の方法。
（項目２６）
前記散乱照明信号への前記複数の変調器のそれぞれからの寄与を分離することをさらに含み、前記分離することは、それぞれのデジタル符号と前記散乱照明信号とを互いに関係付けることを含む、項目２５に記載の方法。

図１は、本明細書に説明される例に従って配置されるシステムの概略図である。

図２は、本明細書に説明される例に従って配置されるシステムの概略図である。

図３は、本明細書に説明される例による、非理想的アーチファクトを図示するＩ／Ｑ復調器の概略図である。

図４は、本明細書に説明される例に従って配置される撮像システムの概略図である。

図５は、ＭＩＭＯを利用し、本明細書に説明される例に従って配置される撮像システムの概略図である。

図６は、本明細書に説明される例に従って配置される方法のフローチャートである。

ある詳細が、説明される実施形態の十分な理解を提供するために下記に記載される。しかしながら、実施形態は、種々のこれらの特定の詳細を伴わずに実践され得ることが、当業者に明確であろう。いくつかの事例では、周知の回路、制御信号、タイミングプロトコル、および／またはソフトウェア動作は、説明される実施形態を不必要に不明瞭にすることを回避するために、詳細に示されていない。

アクティブｍｍＷ撮像への伝統的アプローチは、多くの場合、有意な課題を有している。機械的に走査されるＳＡＲ取得時間は、多くの場合、機械的運動の速度に起因して、時間がかかり、それは、至近距離の急速に移動する標的に対するモーションブラーにつながり得る。位相アレイＡＥＳＡベースのイメージャは、多くの場合、必要とされる送信機（ＴＸ）、受信機（ＲＸ）、および位相シフタ等の大量のＲＦハードウェアに起因して、高価であり、電力を大量消費し、かつ複雑である。ＭＩＭＯイメージャは、同様に、典型的に採用される多数の送信機および受信機に起因して、電力消費および複雑性に悩まされる。

ｍｍＷ撮像において使用される受信機の電力消費および複雑性を低減させるための１つのアプローチは、直接変換（ゼロＩＦまたはホモダインとも呼ばれる）受信機等の簡略化された受信機を採用することである。本明細書に説明される例は、直接変換（例えば、ホモダイン）受信機がコヒーレントミリ波（ｍｍＷ）アクティブ撮像および／またはチャネル推定のために使用されるときに観察され得る自己妨害および／またはＤＣオフセット障害を軽減することにおいて補助し得る。いくつかの例は、ＢＰＳＫ変調を使用する（例えば、照明システムにおいて平衡直交符号を用いる）変調符号化スキームを含む。この変調は、受信機Ｉ／Ｑ復調器におけるＤＣオフセットおよび搬送波源（例えば、局部発振器（ＬＯ））漏洩に起因する望ましくない成分からの所望の信号（例えば、ｍｍＷ画像に寄与する点状散乱体戻り）の分離を可能にし得る。本明細書に説明される変調技法は、概して、１つ以上のシンボルを使用し、例えば、シンボルは、変調技法において使用される各周波数、位相、および／または振幅によって表され得る。いくつかの実施形態では、シンボルは、１つ以上のビット等のデジタル値を表し、各シンボルは、１つ以上のビットのあるパターンに対応する位相状態、振幅状態、もしくはそれらの組み合わせを備え得る。

本明細書に説明される方法およびシステムは、直接変換（例えば、ホモダイン）受信機がコヒーレントミリ波（ｍｍＷ）アクティブ撮像および／またはチャネル推定のために使用されるときに観察され得る自己妨害およびＤＣオフセット障害を軽減し得る。本明細書に説明される例は、シーンを照射する照明システム（例えば、送信機）における符号化変調を活用し、それは、Ｉ／Ｑ復調器における非理想的半導体コンポーネントに起因する望ましくないＤＣオフセットの除去および／または低減、搬送波信号（例えば、局部発振器ＬＯ）フィードスルーによって引き起こされる自己妨害に起因する望ましくないＤＣ成分の除去および／または低減、ならびに雑音利得における平均化ベースの低減を介した撮像システムにおける改良された信号対雑音比（ＳＮＲ）を含むいくつかの利益を達成し得る。さらに、本明細書に説明される例は、いくつかの例において本明細書に説明される利益を保持しながら、同じ周波数上の複数の照明信号の分離を可能にするために、随意の平衡直交符号を伴う変調（例えば、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、または他の多重位相変調）を使用する。

いくつかの例示的システムは、多入力多出力（ＭＩＭＯ）ミリ波（ｍｍＷ）撮像を利用する。いくつかの例では、メタ表面アンテナが、使用され得、それは、柔軟かつ低コストの大規模ＭＩＭＯミリ波（ｍｍＷ）撮像を促進し得る。ＭＩＭＯ撮像システムは、撮像システムの受信機（ＲＸ）において、異なるアンテナ（例えば、異なる送信機（ＴＸ））から送信される信号を区別し得る。故に、撮像されているシーンを照射するために同時相互直交符号化照明（例えば、伝送）信号を利用し得る直交符号化アクティブ照明（ＯＣＡＩ）の例が、説明される。ＯＣＡＩは、不完全なＴＸおよびＲＸハードウェアによって導入される符号振幅および符号位相不平衡に対してロバストである一方、それは、本明細書に説明されるようなＲＸ自己妨害およびＤＣオフセット等の低コストの直接変換受信機の一般的な障害も軽減し得る。同時に、同時直交符号化照明波形が使用されるとき、ＯＣＡＩは、各送信機に起因する寄与部分への受信信号の分離を可能にし得る。

図１は、本明細書に説明される例に従って配置されるシステムの概略図である。システム１００は、照明システム１０２と、搬送波源１０４と、変調器１０６と、アンテナ１０８と、アンテナ１１０と、受信機１１２と、撮像プロセッサ１１４と、シーン１１６と、画像データ１１８とを含む。他の例では、追加の、より少ない、および／または再配置されたコンポーネントが、使用され得る。

システム１００は、シーン１１６を撮像するために使用され得るミリ波走査装置であり得る。概して、動作中、照明システム１０２は、照明信号をアンテナ１０８に提供し得、アンテナ１０８は、シーン１１６を照射するために使用され得る。照明信号は、散乱照明信号の形態においてシーン１１６から散乱され得る。散乱照明信号は、アンテナ１１０に入射し、受信機１１２によって受信され得る。撮像プロセッサ１１４は、散乱照明信号から受信されたエネルギーに基づいて、画像データを提供するために使用され得る。

搬送波源１０４は、ミリ波無線周波数（ＲＦ）源であり得る。概して、ミリ波ＲＦ源は、例えば、極高周波数（ＥＨＦ）帯域における３０～３００ギガヘルツ（ＧＨｚ）を有する信号を提供（例えば、生成）し得る。いくつかの例では、信号は、１７～３００ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数を有し得る。いくつかの例では、信号は、１０～３００ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数を有し得る。ミリ波ＲＦ源は、１～１０ｍｍの波長を有する信号を提供し得る。数ミリメートルほど（例えば、１～１０ｍｍ）の波長を有する信号は、有利なこととして、対象に関連付けられた画像データを生成するために、本明細書に説明されるように使用され得る。ミリ波信号は、有機材料（例えば、衣類）に対して透過性であり得るが、生物学的組織の奥深くまでは深く浸透しないこともあり（例えば、典型的には、１ｍｍを下回る浸透）、故に、セキュリティ目的のために対象の画像を生成するために安全に使用され得る。搬送波源１０４は、例えば、発振器によって実装され得る。

変調器１０６は、搬送波源１０４によって提供される無線周波数信号を変調し得る。いくつかの例では、変調器１０６は、位相シフトキーイング変調を利用し得る。二位相シフトキーイングが、いくつかの例では、使用され得る。四位相シフトキーイングが、いくつかの例では、使用され得る。２つ以上の位相を有する多重位相変調も、採用され得ることを理解されたい。いくつかの例では、変調器１０６は、無線周波数信号の振幅変調を提供し得る。さらなる例では、変調器１０６は、多重搬送波変調等の直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）変調をもたらし得る。変調器１０６によって提供される変調信号は、照明信号と称され得る。変調器は、いくつかのシンボル（例えば、いくつかの異なる位相、振幅、および／または周波数）を有する変調信号を提供し得る。いくつかの実施形態では、各シンボルは、１つ以上のビットを表し得る。

いくつかの例では、変調器１０６は、振幅および／または位相シフトキーイングに加えて、アンテナ１０８の各々のために、符号の組からのそれぞれの符号を使用して、無線周波数信号を変調し得る。このように、アンテナ１０８の各アンテナによって提供される照明信号は、そのそれぞれの符号を使用して識別され得る。いくつかの例では、符号の組は、アダマールまたはウォルシュアダマール符号等の平衡直交符号であり得る。

照明システム１０２は、変調器１０６に結合された搬送波源１０４を含み得る。照明システム１０２は、照明信号をアンテナ１０８に提供し得る。いくつかの例では、アンテナ１０８は、照明システム１０２自体の中に含まれ得る。照明システム１０２は、シーン１１６を照射するために位置付けられ得る筐体と一体であるか、それによって支持されるか、または別様にそれに結合され得る。例えば、照明システム１０２は、人物が本明細書に説明されるように撮像されるように立ち得る玄関内またはその上に提供され得る。他の実施形態では、照明システム１０２は、種々の無生物物体から成るシーン１１６のすぐ近くに配置され得る。

アンテナ１０８は、照明信号を使用してシーン１１６を照射するために位置付けられ得る。例えば、アンテナ１０８は、変調器１０６に結合され得、照明信号をシーン１１６に向かわせ得る。いくつかの例では、アンテナ１０８は、シーン１１６の照射中にシーン１１６に対して移動し得る。いくつかの例では、アンテナ１０８は、静止していることもある。１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、１６個、３２個、６４個、１２８個、または別の数のアンテナを含む任意の数のアンテナ１０８が、使用され得る。

アンテナ１１０は、シーン１１６からの照明信号の散乱からもたらされる１つ以上の散乱照明信号を受信するように位置付けられ得る。いくつかの例では、アンテナ１０８のうちのいくつかまたは全ては、アンテナ１１０を実装するために使用され得る。例えば、同じアンテナが、照明信号を伝送し、散乱照明信号からエネルギーを受信するために使用され得る。他の例では、アンテナ１１０の全てまたはそのうちのいくつかは、アンテナ１０８とは異なり得、例えば、シーン１１６を照射するための専用アンテナと、散乱照明信号を受信するための専用アンテナとが、提供され得る。１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、１６個、３２個、６４個、１２８個、または別の数のアンテナを含む任意の数のアンテナ１１０が、使用され得る。

いくつかの例では、アンテナ１０８および／またはアンテナ１１０は、１つ以上のメタ表面アンテナ（ＭＳＡ）を使用して実装され得る。メタ表面アンテナは、典型的には、サブ波長単位セルの高密度アレイを含み、それらは、例えば、給送される導波管または空洞であり得る。そのようなＭＳＡは、照射されているシーンをサンプリングし、圧縮撮像を促進し得る周波数ダイバースカオスビームパターンを生成することができる。別のＭＳＡアプローチは、サブ波長アイリスを伴う周波数ダイバースカオス空洞開口を使用する。

受信機１１２は、アンテナ１１０に結合され得、アンテナ１１０に入射する散乱照明信号からエネルギーを受信し得る。いくつかの例では、受信機１１２は、直接変換受信機を使用して実装され得る。

撮像プロセッサ１１４は、受信機１１２に結合され得る。撮像プロセッサ１１４は、シーン１１６に関連付けられ得る画像データ１１８を提供し得る。画像データ１１８は、散乱照明信号から受信機１１２によって受信されるエネルギーに基づき得る。画像データ１１８は、シーン１１６の全てまたは一部を表し得る。例えば、画像データ１１８は、シーン１１６の画像をレンダリングおよび／または表示するために使用され得るピクセルデータを含み得る。いくつかの例では、シーン１１６の画像は、シーン１１６内に含まれる人物のプライバシーを保存する画像（例えば、シーン１１６内に含まれる人物の表現、シーン１１６内に含まれる人物の輪郭、シーン１１６内に含まれる人物の漫画的形状等）であり得る。

画像データ１１８は、概して、照明システム１０２と受信機１１２との間のチャネル応答（例えば、チャネルインパルス応答）に基づき得る。

シーン１１６は、撮像が所望される１つ以上の物体を含み得る。例は、限定ではないが、人間、人間の一部、および動物を含む。いくつかの実施形態では、シーン１１６は、衣類のアイテム、金属アイテム、携帯電話等の電子デバイス、または財布、ブリーフケース、もしくはバックパック等の荷物等、人物または動物によって運搬されている物体、またはそれに取り付けられている物体を含む。いくつかの実施形態では、シーン１１６は、いくつかの禁制品または潜在的脅威物体のうちのいずれかが存在しているかどうかを決定することを目的として撮像され得る。

他の実施形態では、シーン１１６は、人間、人間の一部、または動物を含まないこともあるが、加えて、もしくは代わりに、１つ以上の無生物物体およびその構成部分を含み得る。シーン１１６のさらなる例は、自動車、飛行機、他の車両、または建物等の物体を含む。シーン１１６の他の例は、壁、天井、床、柱、鉄筋、パイプ、配線、または他の公共設備等の建物の部分を含む。シーン１１６のさらなる例は、地面および／または地面に少なくとも部分的に埋められる物体を含む。シーン１１６のまたさらなる例は、箱等の容器内の１つ以上の物体を含む。シーン１１６は、定位置に固定されるか、または静的である必要はない。いくつかの例では、シーン１１６は、例えば、物体がコンベヤベルト上の照明システム１０２を通り過ぎる場合における、または、人物がエスカレータ、動く歩道、もしくは他の運搬装置に乗りながら照明システム１０２を通り過ぎる場合における、照明システム１０２に対して移動する物体を含み得る。

動作中、いくつかの例では、受信機１１２は、照明システム１０２が照明信号をシーン１１６に向かわせている時間の少なくとも一部中、散乱照明信号からエネルギーを受信し得る。例えば、照射することおよび受信することは、いくつかの例では、部分的に同時に起こり得る。

いくつかの例では、照明システム１０２は、受信機１１２の動作が照明システム１０２の動作のある程度の知識を用いて起こり得るように、受信機１１２に結合され得る。例えば、受信機１１２は、搬送波源１０４に結合され得、散乱照明信号を受信するために、搬送波源１０４の既知の周波数を利用し得る。加えて、または代わりに、受信機１１２は、変調器１０６に結合され得、散乱照明信号を受信するために、変調器１０６によって実装される既知の変調スキームを利用し得る。

概して、本明細書に説明されるシステムは、照明システム（例えば、送信機ＴＸ）と、受信機（例えば、ＲＸ）と、応答を有するチャネルとを含み得る。いくつかの実施形態では、チャネルは、チャネルインパルス応答ｈ（ｔ）またはチャネル伝達関数Ｈ（ｆ）によって説明され得る。チャネル応答ｈ（ｔ）は、少なくとも部分的に、チャネル内に位置付けられ、例えば、照明システムによって少なくとも部分的に照射され、散乱照明信号を受信機に提供する対象（例えば、図１のシーン１１６）を特性評価し得る。チャネルｈ（ｔ）は、概して、（例えば、照明システムによって照射される）撮像システムの視野内の対象を撮像するために使用され得る情報を含む。

故に、照明システムと受信機との間のチャネルインパルス応答（ＣＩＲ）ｈ（ｔ）を決定することが、望ましい。例えば、本明細書に説明されるもの等のアクティブミリ波撮像用途では、ｈ（ｔ）は、観察されるシーンを再構成するために使用される情報を含み、観察されるシーンは、撮像されている対象の表面を構成する点状散乱体の高密度アレイから成ると見なされ得る。

ＣＩＲは、以下のように与えられ得るコヒーレント単一トーン信号用いた試験下のチャネルを励起する照明システムを考慮することによって推定され得、それは、以下のように与えられ、

式中、φは、位相オフセットであり、ｆは、信号周波数であり、ｔは、時間を表す。受信機場所において、受信信号は、以下のように与えられ得、

式中、Ｈ（ｊ２πｆ）は、ｈ（ｔ）に対応する周波数応答表現（例えば、チャネル伝達関数（ＣＴＦ））であり、｜．｜は、絶対値演算子を表し、＜Ｈ（ｊ２ｆ）は、Ｈ（ｊ２πｆ）の位相を与え、ｊ＝ｓｑｒｔ（－１）は、虚数単位である。直接変換（例えば、ホモダイン）受信機を使用してＨ（ｊ２πｆ）を取得するために、信号ｒ（ｔ）（例えば、図１の受信機１１２等の受信機によって受信される信号）は、以下の同位相項ｒ_Ｉ（ｔ）および直角位相項ｒ_Ｑ（ｔ）を取得するために、Ｉ／Ｑ復調器を使用してＤＣにダウンコンバージョンされ得、

式中、ｎ_Ｉ（ｔ）およびｎ_Ｑ（ｔ）は、雑音項であり、＊は、畳み込み演算子を表し、ｈ_ＬＰ（ｔ）は、ローパスフィルタのインパルス応答であり、それは、乗算演算子によって引き起こされ得る高周波数積を軽減するために使用される。このように、推定される周波数応答

は、以下によって取得されることができ、

式中、Ｔ_ｓは、サンプリング時間である。

図２は、本明細書に説明される例に従って配置されるシステムの概略図である。図２のシステム２００は、いくつかの例では、図１のシステム１００を実装するために使用され得、および／または、それを使用して実装され得る。システム２００は、照明システム２０２と、チャネル２０４と、受信機２０６とを含む。受信機２０６は、Ｉ／Ｑ復調器２０８と、フィルタ２１０と、フィルタ２１２とを含み得る。

照明システム２０２は、いくつかの例では、図１の搬送波源１０４を使用して実装され得る。図２の例では、いかなる変調も、存在しないこともあり、単一トーン周波数が、照明システム２０２によって提供され得る。例えば、図１の変調器１０６は、照明システム２０２において存在しないこともある。故に、照明システム２０２は、図２に示されるように、照明信号としてｓ（ｔ）を提供し得る。

そのチャネルインパルス応答ｈ（ｔ）を介して表され得るチャネル２０４は、照明信号によって照射される対象に関する画像データを生成するために使用され得る情報を含む。

受信機２０６は、Ｉ／Ｑ復調器２０８と、フィルタ２１０と、フィルタ２１２とを含む。対象からの散乱照明信号は、受信機２０６のアンテナ（図２に図示せず）に入射し、Ｉ／Ｑ復調器２０８に提供され得る。Ｉ／Ｑ復調器２０８は、受信されたエネルギーを復調し得る。Ｉ／Ｑ復調器２０８は、照明システム２０２から信号ｓ（ｔ）を受信し得、それは、復調を実施するために使用され得る。例えば、照明システム２０２の信号出力（例えば、無線周波数信号）を受信することによって、Ｉ／Ｑ復調器２０８は、照明周波数（例えば、信号ｓ（ｔ）の周波数）の知識を有し得、それは、チャネルから受信されたエネルギーを復調するために使用され得る。フィルタ２１０およびフィルタ２１２は、ローパスフィルタとして実装され得、Ｉ／Ｑ復調器２０８またはシステムの他のコンポーネントのより高い周波数アーチファクトを除去し得る。

図２のシステム２００は、フィルタ２１０およびフィルタ２１２の出力において使用される加算器を通して加算されている雑音信号ｎ_Ｑ（ｔ）およびｎ_Ｉ（ｔ）によってそれぞれ示されるような雑音の効果も含む。加算器は、電子システムまたはチャネルのいずれかにおいて生じる雑音信号の重ね合わせのモデルを表し、必ずしも、任意の特定のコンポーネントを表すわけではない。雑音は、全ての例に存在し得るが、図２は、いくつかの例において撮像システムにおける雑音がモデル化され得る様子を図示する。

周波数｛ｆ_１：ｆ：ｆ_ｕ｝（式中、ｆ_ｌが最も低い周波数であり、ｆ_ｕが最も高い周波数であり、ｆが周波数間隔である）の所与の組に関する周波数応答推定値

を取得するために、照射および受信は、各周波数におけるｒ_Ｑ（ｔ）およびｒ_Ｉ（ｔ）を取得するために、各周波数に対して繰り返され得る。信号ｒ_Ｑおよびｒ_Ｉは、撮像プロセッサ、例えば、図１の撮像プロセッサ１１４に提供され得る。撮像プロセッサは、例えば、式５を実装し、受信機出力信号ｒ_Ｉおよびｒ_Ｑに基づいて、チャネル推定値を取得し得る。チャネル推定値は、チャネル内の１つ以上の対象の画像をレンダリングおよび／または表示するために使用される画像データであり得る。

いくつかの例では、図２のＩ／Ｑ復調器２０８等のＩ／Ｑ復調器を含むミキサデバイスは、理想的ではないこともあり、ダウンコンバージョンされた信号ｒ_Ｉ（ｔ）およびｒ_Ｑ（ｔ）に歪みを導入し得る。起こり得る歪みの例は、高次高調波出力、（例えば、図２の照明システム２０２からの）望ましくない搬送波源フィードスルーに起因する自己妨害、および／または、ミキサの出力（例えば、図２のＩ／Ｑ復調器２０８の出力）におけるＤＣオフセットを含む。

図３は、本明細書に説明される例による、非理想的アーチファクトを図示するＩ／Ｑ復調器の概略図である。図３に示されるＩ／Ｑ復調器２０８は、図２に示されるようなＩ／Ｑ復調器２０８によって実装され、および／または、それを実装するために使用され得る。Ｉ／Ｑ復調器２０８は、照明システム２０２から情報（例えば、搬送波信号ｓ（ｔ））を受信し得るミキサ３０２を含む。自己妨害信号３０４は、ｍ（ｔ）として示され、それは、加算器３０６においてチャネルから受信される信号に加算される。望ましくない応答ｍ（ｔ）は、受信機のポートからの搬送波源（例えば、局部発振器）クロストークに起因する自己妨害を表し、受信機のポートにおいて、照明システムからの情報が、ミキサ入力に提供され、チャネルから受信されたエネルギーが、受信機に提供され、後続反射が。出力に戻る。自己妨害は、伝送および受信アンテナ間の近距離（エバネッセント）または遠距離電磁結合に起因すること、および／または、受信機および／または送信機を備えているコンポーネントのポート間の望ましくない結合に起因し得ることを理解されたい。この自己妨害効果ｍ（ｔ）は、ミキサ入力に接続されるアンテナシステムが着目帯域幅にわたって不完全な反射係数を有するとき、特に顕著であり得る。

項ｄ_Ｑ（ｔ）およびｄ_Ｉ（ｔ）は、それぞれ、ＤＣオフセット３０８およびＤＣオフセット３１０を表し、それらは、Ｉ／Ｑ復調器におけるミキサ（例えば、ミキサ３０２）を実装するために使用される半導体デバイスにおける内部不平衡に起因するゆっくりと時間とともに変化するＤＣオフセットを指す。

故に、実践では、自己妨害およびＤＣオフセット信号は、Ｉ／Ｑ復調器を利用する直接変換受信機からの出力信号ｒ_Ｑならびにｒ_Ｉを歪ませ得る。

高次高調波（例えば、図２のフィルタ２１０および／またはフィルタ２１２によって生成される）も、受信機の出力に存在し得、それは、伝達関数ｈ_ＬＰ（ｔ）を有する１つ以上の線形フィルタを使用して軽減され得る。しかしながら、自己妨害およびＤＣオフセット（例えば、ｍ（ｔ）ならびにｄ_Ｑ（ｔ）およびｄ_Ｉ（ｔ））は、非線形効果であり得、概して、線形フィルタを使用して効果的に軽減されないこともある。図２を参照して説明されるように計算される周波数応答推定値

は、実践では、所望されない項を含み得、それは、以下のように表され得、

式中、Ｍ（ｊ２πｆ）は、自己妨害ｍ（ｔ）の周波数応答であり、ｄ（ｊ２πｆ）は、複素数値ＤＣオフセットを表し、ｎ（ｊ２πｆ）は、複素数値システム雑音である。Ｍ（ｊ２πｆ）およびｄ（ｊ２πｆ）を補正するために、それらは、推定され得る。

故に、いくつかの例では、システム較正が、本明細書に説明される撮像システムにおける自己妨害の周波数応答を推定するために、および／または、本明細書に説明される撮像システムに存在する複素数値ＤＣオフセットを推定するために実施され得る。図２を参照すると、較正は、Ｈ（ｊ２πｆ）を０に設定することによって、例えば、ＲＦ整合を用いてＩ／Ｑ復調器２０８（例えば、Ｉ／Ｑ復調器２０８のミキサ）の入力を終了することによって実施され得る。

故に、動作中、システム較正が、実施され得、受信機出力信号ｒ_Ｉおよびｒ_Ｑは、

を取得するために使用され得、それは、Ｈ（ｊ２πｆ）がゼロに設定される式６を精査すると、複素数値ＤＣオフセットに加算される自己妨害の周波数応答に等しい。

システム較正後、撮像システムは、対象を照射し、本明細書に説明される散乱照明信号のエネルギーを受信するために使用され得る。較正中に取得された自己妨害の周波数応答および複素数値ＤＣオフセットの値は、計算された

を調節するために、例えば、図１の撮像プロセッサ１１４および／または受信機１１２によって使用され得る。例えば、受信機出力信号ｒ_Ｉおよびｒ_Ｑは、

を計算するために使用され得、較正中に取得された自己妨害の周波数応答および複素数値ＤＣオフセットは、その値から減算され得る。

いくつかの例では、Ｍ（ｊ２πｆ）およびｄ（ｊ２πｆ）は、時間および温度とともに変化する。故に、システム較正は、有利なこととして、繰り返し実施され得、いくつかの例では、連続的に（例えば、各対象照射に先立って、および／または、いくつかの回数の対象照射後に）実施され得る。本明細書に説明される撮像システムでは、頻繁な較正は、利用可能なコヒーレント積分時間を損ない得、したがって、達成可能な信号対雑音比（ＳＮＲ）対して有害な影響を及ぼし得る。いくつかの例では、較正ネットワーク（例えば、システム較正中に受信機入力を整合させるために使用されるインピーダンスネットワーク）は、多数のＴＸおよびＲＸポート（例えば、ＴＸおよび／またはＲＸアンテナあたり１つ）を有し得る空間的に多様な撮像システムにおいて複雑かつ高価であり得る。いくつかの例では、スーパヘテロダイン受信機が、ＤＣから離れるように受信機の中間周波数（ＩＦ）をオフセットすることによって、自己妨害およびＤＣオフセットを軽減するために使用され得るが、スーパヘテロダイン受信機アーキテクチャは、オフセット信号源（例えば、オフセット局部発振器ＬＯ）ならびに潜在的に複雑なＩＦフィル処理およびＩＦフィルタ較正システムの必要性に起因して、より高いコストおよび複雑性を導入し得る。

本明細書に説明される例は、照明システム（例えば、送信機）によって提供（例えば、放射）される照明信号のために符号化変調を採用することによって、撮像システム受信機に存在するＤＣオフセットおよび／または自己妨害を軽減する。

図４は、本明細書に説明される例に従って配置される撮像システムの概略図である。図４の撮像システム４００の全てまたは一部は、いくつかの例では、システム１００の全てまたは一部を実装するために使用され得、および／または、それによって実装され得る。撮像システム４００は、搬送波源４０２と、変調器４０４（変調制御信号４０６を使用して制御される）と、チャネル４０８と、直接変換受信機４１０とを含む。直接変換受信機４１０は、Ｉ／Ｑ復調器４１２と、フィルタ４１４と、フィルタ４１６とを含む。

搬送波源４０２は、単一トーン源であり得、それは、本明細書に説明されるようなミリ波源であり得る。搬送波源４０２は、搬送波信号（例えば、単一トーン信号）ｃ（ｔ）を提供し得る。いくつかの例では、搬送波源４０２は、発振器を使用して実装され得、ｃ（ｔ）は、発振器信号であり得る。

変調器４０４は、変調制御信号４０６、ｐ（ｔ）によって制御される０°または１８０°位相シフトを用いて単一トーン信号ｃ（ｔ）を変調し、照明信号ｓ（ｔ）を生産し得る。

推定されるべきチャネル４０８、および直接変換受信機４１０は、例えば、図１－３を参照して本明細書に説明されるように実装され得る。

本明細書に説明されるように、変調器４０４は、図４に示されるように、二位相シフトキーイング変調を使用し得るが、多重位相変調、四位相シフトキーイング変調、直交周波数分割変調、および／または振幅変調を含む他の変調技法も、使用され得る。変調器４０４は、変調を制御するために変調制御信号４０６を利用し得る。変調制御信号４０６は、いくつかのシンボルから構成され得、シンボルは、例えば、＋１／－１のシーケンスであり得、および／または、符号（例えば、アダマール符号）のシーケンスであり得る。いくつかの実施形態では、シンボルは、１つ以上のビットに対応するようにデジタル的にエンコードされ得る個別的な振幅および位相状態を備え得る。

図４の例を参照すると、ＢＰＳＫ変調を使用して、照明信号ｓ（ｔ）は、以下のように表され得、

式中、伝送されるシンボルは、ｐｉ｛－１，＋１｝によって表され、ｒｅｃｔ（ｔ）は、以下のように記載され得る矩形パルスであり、

式中、Ｔは、変調制御信号４０６のパルス期間である。

チャネルがチャネルコヒーレンス帯域幅Ｂ＞（１／Ｔ）を有すると考え、チャネル伝達関数Ｈ（ｊ２πｆ）は、（ｆ－Ｂ／２）～（ｆ＋Ｂ／２）の周波数範囲を伴う平坦チャネルとして見なされ得、したがって、チャネル４０８から直接変換受信機４１０に提供される受信信号ｒ（ｔ）は、のように記載され得る。

のように記載され得る。

Ｉ／Ｑ復調器４１２、フィルタ４１４、およびフィルタ４１６によって提供されるダウンコンバージョンおよびローパスフィルタ処理後、同位相および直角位相受信信号は、以下のように記載され得、

式中、ｄ_Ｉおよびｄ_Ｑは、それぞれ、ＩおよびＱチャネルにおけるｄｃオフセットを表す。サンプリング後、受信信号は、以下のように表され得、

式中、ｉ＝｛１，２，３・・・｝は、送信機－受信機システムを通る複数のシンボルの各々に対応する。

このように、受信信号へのチャネルの寄与の符号は、変調シンボル（例えば、ＢＰＳＫシンボルｐ_ｉ）に応じて変化することに留意されたい。しかしながら、自己妨害Ｍ（ｊ２πｆ）およびｄｃオフセットｄ［ｉ］は、変調シンボル（例えば、ＢＰＳＫシンボル）に応じて符号を変化させない。このように、ポストプロセッサ（例えば、図１の撮像プロセッサ１１４）は、自己妨害およびＤＣオフセットの影響を除去し得る。例えば、複数（例えば、２つ、４つ）の連続的変調シンボルからの受信信号は、減算され得る。減算は、２つのシンボル（例えば、自己妨害およびＤＣオフセット信号）間の一定の影響を排除し得るが、チャネルからの寄与を保持し得、それは、減算において利用されたシンボルの数に従って正規化され得る。

ｉ＝｛１，３，５，・・・｝に対してｐ_ｉ＝＋１であり、ｉ＝｛２，４，６，・・・｝に対してｐ_ｉ＝－１であるＢＰＳＫ変調を使用する例を検討する。推定される

は、以下のように表され得、

式中、ｎ_２は、２つの連続的サンプルの雑音平均であり、Ｈ（ｊ２πｆ）およびｄ［ｉ］は継時的に変化しなかったと仮定する。自己妨害およびＤＣオフセット軽減に加えて、以下のように表され得る推定量の正規化平均二乗誤差（ＮＭＳＥ）は、

前述の雑音平均化により、３ｄＢ（ゼロ平均雑音を仮定する）だけ減少することに留意されたい。概して、

のように与えられる連続的測定値ｒ［ｉ］の奇数倍（例えば、

を伴う２Ｎ）の合計は、２ＮのＮＭＳＥ減少につながる。

いくつかの例では、変調器（例えば、変調器４０４）は、加えて、変調制御信号（例えば、ｐ（ｔ））シーケンスのために、平衡直交符号等の符号、例えば、アダマールシーケンスを利用し、複数の送信機から同時に送信された受信信号の分離を可能にし得る。例えば、複数の符号からのそれぞれの符号が、特定の送信機（例えば、アンテナ）のためのｃ（ｔ）を変調するために使用され得る。各アンテナは、それぞれの符号を用いて変調された信号を伝送し得る。符号の平衡性質は、ＤＣオフセットおよび自己妨害を軽減するために有用であり得、直交性質は、受信機と送信機の各々との間のチャネルの推定を可能にし得る。例えば、長さ２８の２７個のアダマール符号を用いて、単一の受信機と最大２７個の並列送信機との間のチャネルは、全てまたは部分的に同時に推定され得る。

いくつかの例では、複数の空間的に分散されるＴＸおよびＲＸ（例えば、空間的に分散される伝送アンテナおよび受信アンテナ）が、使用され得、それは、いくつかの例では、ＲＯＩサイズおよび達成可能な分解能を改良し得る。移動するシーンに起因するモーションブラーを最小化するために、データ取得時間は、有利に最小化され得る。故に、いくつかの例では、多入力多出力（ＭＩＭＯ）処理は、いくつかまたは全てのＴＸおよびＲＸを同時に動作させるために使用され得る。しかしながら、同時のＴＸおよびＲＸ動作を促進するために、各受信機において異なるＴＸからの信号を区別する能力が、使用され得、したがって、ＴＸ信号は、分離可能でなければならない。

故に、本明細書に説明される例は、本明細書に説明されるようなＲＸ自己妨害およびＤＣオフセット障害を同時に軽減しながら、受信機においてＴＸ信号を分離するために平衡二進直交符号を利用する大規模ＭＩＭＯ ｍｍＷ撮像のための直交符号化アクティブ照明（ＯＣＡＩ）アプローチを使用するシステムおよび方法を含む。

図５は、ＭＩＭＯを利用し、本明細書に説明される例に従って配置される撮像システムの概略図である。撮像システム５００は、搬送波源５０２と、変調器５０４を含む複数（Ｋ個）の変調器と、アンテナ５０６と、対象５０８と、アンテナ５１０と、受信機５１２を含む複数（Ｌ個）の受信機とを含む。受信機５１２等の各受信機は、直接変換受信機５１４と、スイッチ５１６とを含み得る。撮像システム５００は、いくつかの例では、図１のシステム１００を実装するために使用され得、および／または、それによって実装され得る。

局部発振器を使用して実装され得る搬送波源５０２は、単一トーン信号を変調器５０４等の複数の変調器の各々に提供し得る。いくつかの例では、１つの搬送波源が、信号を複数の変調器に提供し得る。いくつかの例では、各々がそれぞれの変調器に無線周波数信号を提供する複数の搬送波源が、提供され得る。

複数の変調器が、提供され得る。概して、各変調器は、１つのアンテナのための照明信号を生成するために、搬送波源５０２によって提供される無線周波数信号を変調し得る。しかしながら、いくつかの例では、１つの変調器によって生成される照明信号が、複数のアンテナに提供され得る。図５の例では、各変調器は、１つのアンテナのために照明信号を生成し得る。故に、図５のＫ個の変調器は、それぞれのＫ個のアンテナ、例えば、アンテナ１０８に結合し得る。

変調器５０４等の図５の変調器は、図１－図４等を参照して本明細書に説明される技法を実装し、受信機における自己妨害および／またはＤＣオフセットの影響を低減させ得る。例えば、変調器５０４等の各変調器は、ＢＰＳＫおよび／またはＱＰＳＫ等の位相シフトキーイングを実装し得る。さらに、受信機が複数のアンテナからの信号を区別することを可能にするために、変調器５０４等の図５の変調器は、各アンテナのための符号に対応する１つ以上のシンボルを使用して変調し得る。故に、図５に示される変調制御信号ｓ_ｉ，ｋは、各アンテナに対して異なり得る。

概して、直交符号は、概して、ＧＨｚ搬送波源のより低い周波数（例えば、ｋＨｚおよび／またはＭＨｚ）変調において、変調器５０４等の本明細書に説明される変調器によって導入され得る。Ｍの符号長さを使用する図５のｋ番目の変調器（およびアンテナ１０８のｋ番目のアンテナ）からの照明信号（例えば、伝送される信号）は、以下のように表されることができ、

式中、ｓ_ｉ，ｋ∈｛－１，＋１｝は、ｌ番目の送信機のｉ番目の二進符号シンボルであり、ｒｅｃｔ_Ｔ（ｔ）は、符号シンボル期間０≦ｔ＜Ｔにわたる単位矩形である。

本明細書に説明されるように、変調器およびアンテナ１０８によって提供される照明信号は、対象５０８等のシーン内の対象から散乱され得る。散乱照明信号は、アンテナ１１０に入射し得、それは、散乱照明信号からのエネルギーを受信機５１２等の受信機に提供し得る。受信機は、Ｉ／Ｑ復調器および１つ以上のフィルタを含み得る直接変換受信機５１４等の直接変換受信機を含み得る。概して、本明細書に説明される直接変換受信機のうちのいずれかは、受信機５１２および／または直接変換受信機５１４を実装するために使用され得る。各受信機は、例えば、シンボル期間Ｔにおいて受信信号をサンプリングするためのスイッチ５１６等のスイッチとしてモデル化されるサンプリングシステムを含み得る。いくつかの実施形態では、サンプリングシステムは、連続時間連続数値アナログ入力信号を個別的な時間個別的な数値信号に変換するアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を含み得る。そのような実施形態では、ＡＤＣのサンプリング側面は、スイッチ５１６としてモデル化され得る。

図５のアンテナ１１０からｌ番目の受信機に提供される受信信号は、以下のように記載され得る。

受信機、例えば、直接変換受信機５１４およびスイッチ５１６によるダウンコンバージョンおよびサンプリング後、受信信号は、以下のように表され得る。

ｌ番目の受信機からのＭ個の受信されたサンプルをベクトルに連結すること（これは、例えば、ポストプロセッサおよび／または画像プロセッサによって実施され得る）は、ベクトルｒ_ｌ＝［ｒ_１［０］ｒ_１［１］・・・ｒ_ｌ［＜－１］］^Ｔをもたらし、式中、（．）^Ｔは、共役演算子であり、線形ベクトル式ｒ_ｌ＝Ｓｇ_１＋ｄ_ｌ１＋ｖ_ｌにつながり、式中、各行列要素［Ｓ］_{（ｉ＋１），ｋ}＝ｓ_{（ｉ＋１），ｋ}、［ｇ_ｌ］_ｋ＝Ｇ_ｋ，ｌ（ｊｗ）であり、１は、全てのもののベクトルであり、［ｖ_ｌ］_{（ｉ＋１）}＝ｖ_ｌ［ｉ］である。

使用される符号は、互いに直交、例えば、

であり得、式中、Ｉは、単位行列である。さらに、使用される符号は、平衡、例えば、

であり、Ｚは、全てゼロのベクトルであり得る。

このように、チャネル伝達関数が、以下のような最小二乗の意味において取得されるベクトルｇ＾_ｌとして（例えば、本明細書に説明されるポストプロセッサおよび／または画像プロセッサによって）推定され得、

式中、

は、Ｓの共役転置を表す。いくつかの例では、アダマール符号が、使用され得、それは、アダマール行列の列から取得され得る。

このように、本明細書に説明されるように、照明システムは、シーンを照射するために提供され得る。照明システムは、位相シフトキーイング、多重位相変調、および／または平衡直行符号を含む変調技法を利用し得る。故に、直接変換受信機が、直接変換受信機によって生成される自己妨害および／またはＤＣオフセット信号を最小化し、低減させ、および／または補償しながら使用され得る。

受信機出力信号から、チャネルについての情報、例えば、チャネルインパルス応答ｈ（ｔ）が、本明細書に説明されるように取得され得る。チャネルに関連する画像データが、生成され得、画像データに基づく画像が、例えば、図１の撮像プロセッサ１１４を利用して、２Ｄおよび／または３Ｄにおいてレンダリングおよび／または表示され得る。図１の撮像プロセッサ１１４は、いくつかの例では、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）および／または中央処理ユニット（ＣＰＵ）等の種々のプロセッサを使用して実装され得る。

３Ｄ ｍｍＷ画像再構成は、シーン内の反射率係数｛ρｎ｝を推定するために対象の周波数依存性後方散乱測定値の連結（例えば、シーンｇ＾）を使用する逆問題であると考えられ得る。対応する順モデルは、以下のように表され得、

式中、ρ＝［ρ１，ρ２，・・・，ρ_Ｎ］^Ｔであり、Ｈは、測定値とシーン内の反射率との間の関係を表す測定行列を表し、Ｖは、雑音である。適宜、シーンに関連付けられた画像データの再構成は、以下を解くことを伴い得、

それは、最小ノルム解正則化を伴う最小二乗（ＬＳ）アプローチを表す。Ｈは、典型的には、劣決定され得るので、後者が、有利であり得る。いくつかの例では、センサが、再構成ボリュームを特定の数のボクセルに、例えば、人間サイズの標的に対して約２００，０００ボクセル（１．６ｃｍ×０．６ｃｍ×０．６ｃｍ）に制限するために使用され得る。種々の撮像アプローチが、上記の数値問題を解決し、画像データを生成するために使用され得る。例えば、ＧＰＵ加速ＧＭＲＥＳアルゴリズムが、いくつかの例では、使用され得る。

図６は、本明細書に説明される例に従って配置される方法のフローチャートである。方法６００は、ブロック６０２を含み、ブロック６０４が続き得、ブロック６０６が続き得、ブロック６０８が続き得る。他の例では、追加の、より少ない、および／または異なるブロックが、使用され得る。図１－図５を参照して説明されるもの等の本明細書に説明されるシステムおよびデバイスは、方法６００の全ておよび／または一部を実装するために使用され得る。

方法６００は、ブロック６０２において、無線周波数信号を変調し、照明信号を提供することを含む。例えば、図１の変調器１０６は、図１の搬送波源１０４を変調し得る。本明細書に説明されるように、種々の変調技法が、位相シフトキーイング（二および／または四）、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）、および／または振幅シフトキーイングを含む種々の技法を使用して、１つ以上の伝送されるシンボルを提供するために使用され得る。いくつかの例では、ブロック６０２における変調は、加えて、または代わりに、平衡直交符号等の符号を用いて変調することを含み得る。異なる符号が、いくつかの例では、照明信号を放射するであろう各アンテナのための無線周波数信号を変調するために使用され得る。

ブロック６０４において、シーンが、照明信号を用いて照射され得る。いくつかの例では、図１のアンテナ１０８等の複数のアンテナが、照射することを実行するために使用される。アンテナは、いくつかの例では、照明信号をシーンに向かって放射するように位置付けられ得る（例えば、シーンが位置し得る玄関内に位置付けられる）。ブロック６０４中、いくつかの例では、アンテナは、静止であり得る（例えば、アンテナは、対象の周りで移動する必要はないが、いくつかの例では、それらは、移動し得る）。

ブロック６０６において、エネルギーが、シーンからの照明信号の散乱から部分的にもたらされる散乱照明信号から、直接変換受信機（例えば、図１の受信機１１２）を使用して受信され得る。いくつかの例では、ブロック６０６は、ブロック６０４と完全および／または部分的に同時に起こり得る。本明細書に説明されるように、照明信号の変調は、直接変換受信機によって生成される自己妨害および／またはＤＣオフセット信号の影響を最小化しながら、および／または、それを低減させながら、直接変換受信機が（例えば、シーンを含む）チャネルについての情報を回収することを可能にし得る。受信機および／またはポストプロセッサは、散乱照明信号からのエネルギーを直接変換受信機によって生成される自己妨害信号から分離し得る。例えば、受信されたエネルギーの連続したシンボルが、減算され得、それは、自己妨害および／またはＤＣオフセットに起因する寄与を完全および／または部分的に消去し得る。ブロック６０６において入射エネルギーを受信するために使用されるアンテナ（例えば、図１のアンテナ１１０）は、いくつかの例では、ブロック６０６中、静止であり得る。いくつかの例では、受信中、照明システムから受信された情報は、受信機動作（例えば、搬送波周波数および／または変調スキームの知識）を促進するために使用され得る。

ブロック６０８において、対象に関連付けられた画像データが、受信されたエネルギーに基づいて生成され得る。例えば、図１の撮像プロセッサ１１４が、画像データを生成し得る。画像データは、いくつかの例では、受信機によって取得されたチャネルについての情報に基づき得る。２Ｄおよび／または３Ｄ画像が、画像データを使用してレンダリングおよび／または表示され得る。

本明細書に説明される撮像システムおよび方法の例は、種々の分野における、および／または種々のシーンを撮像するための使用を見出し得る。例は、人員スクリーニング（例えば、衣類の真下に位置付けられ、人間の眼に外部から可視ではないこともある禁制品を識別するために１人以上の人間を撮像すること）、武器検出（例えば、人間の眼に可視ではないこともある武器を識別するために１人以上の人間および／または１つ以上のバッグまたは他の容器を撮像すること）、偵察、自律ロボット、非破壊試験、構造評価、および／または遠隔感知（例えば、オペレータから遠隔の環境を撮像すること）を含む。いくつかの例では、撮像されるべきシーンは、１つ以上の無生物物体およびその構成部分を含む。これは、自動車、航空機、他の車両、または建物等の物体を含むことができる。シーンの他の例は、壁、天井、床、柱、パイプ、配線、または他の公共設備等の建物の部分を含む。さらなる例は、地面および／または地面に少なくとも部分的に埋められる物体を含む。シーンのまたさらなる例は、箱等の容器内の１つ以上の物体を含む。

遠隔感知用途に対して、照明システムおよび受信機は、感知されるべき環境内に位置付けられ得る。本明細書に説明される受信機信号および／または画像データ等のデータは、環境の全てもしくは一部の画像のレンダリングのために、環境から別の場所（例えば、遠隔および／または集中ワークステーション）に伝送され得る。

（実施例）
実装される実施例は、Ｋ帯域（例えば、１７～２６ＧＨｚ）ｍｍＷ撮像設定を使用して説明される。実装される実施例では、ＤＣオフセットおよびＬＯ漏洩の抑制は、平衡直交符号によって変調されるＢＰＳＫ源を使用して達成される。一実施例では、ＤＣオフセットは、３５倍を上回って低減させられ、受信機感度は、４０ｄＢ（１０，０００倍）を上回って改良された。

ＤＣオフセット対周波数が、Ｋ帯域（１７～２６ＧＨｚ）ミリ波受信機に対して測定された。本明細書に説明されるＩ／Ｑ復調器の非理想性に起因する周波数依存性ＤＣオフセットは、Ｉ／Ｑ復調器の出力におけるＤＣ信号の大きいピーク間変動（帯域幅にわたって０．０３５Ｖ ｐｋ－ｐｋを上回る）の形態において容易に明白であった。

同じＫ帯域（１７～２６ＧＨｚ）ミリ波受信機に対する測定されたＤＣオフセット対周波数が、本明細書に説明される方法を適用した後に観察された。前述のＩ／Ｑ復調器の非理想性に起因する周波数依存性ＤＣオフセットは、大幅に低減させられるように示され、Ｉ／Ｑ復調器の出力におけるＤＣ信号のピーク間変動は、測定帯域幅にわたって０．００１Ｖ ｐｋ－ｐｋを下回るように低減させられていた。これは、望ましくないＤＣオフセットの約３５倍の低減である。

受信機感度が、本明細書に説明される方法を適用することに先立って直接変換ｍｍＷ撮像受信機に対して測定された。雑音フロア（最小識別可能信号）は、比較的に不良であり、例えば、２０ＧＨｚの周波数において、受信機の雑音フロアは、約－６０ｄＢｍであった。これは、自己妨害エネルギーの存在に起因し得る。

受信機感度は、本明細書に説明される方法を使用すると、改良された。同じ受信機が、本明細書に説明される自己妨害軽減アプローチの実施例を採用した後に測定された。受信機の雑音フロアは、有意に改良された。例えば、２０ＧＨｚの同じ周波数において、雑音フロアは、－１００ｄＢｍよりも良好に改良された。これは、４０ｄＢ（１０，０００倍）を上回る改良であった。

本明細書に説明されるＯＣＡＩ技法を使用するシステムの実装される実施例も、説明される。このアプローチによって提供される符号化利得は、シンボル長さ３２の符号を使用して、イメージャの信号対雑音比（ＳＮＲ）性能を最大１５ｄＢ改良した。Ｋ帯域（例えば、１７．５ＧＨｚ～２６．５ＧＨｚ）において動作する２４個の同時ＴＸおよび７２個の同時ＲＸを有するカスタム大規模ＭＩＭＯ ｍｍＷイメージャが、使用された。例示的イメージャは、周波数ダイバースメタ表面アンテナを介した空間符号化およびシーンのＯＣＡＩを介した時間符号化の両方を活用した。

ＯＣＡＩスキームが開発されたプロトタイプの大規模ＭＩＭＯ ｍｍＷイメージャが、１２個のモジュールに群化されるＬ＝７２個のＲＸおよびＫ＝２４個のＴＸを含んでいた。再構成においてエイリアシング効果を回避するために不規則なグリッド上に配置されるこれらのモジュールは、人間スケールのシーンにおいて画像を取得することが可能である２．１×２．１ｍメタ表面開口を形成した。メタ表面ＴＸ／ＲＸアンテナは、ミルズクロス構成を形成する水平（ＴＸ）および垂直（ＲＸ）向きサブ波長スロットアイリスを伴う２Ｄ不規則形カオス空洞アンテナであった。アンテナ放射パターンは、周波数ダイバースであり、シーンを照射する周波数に応じてカオスアンテナパターンを形成した。このアプローチは、空間的にエンコードされた後方散乱シーン情報を含むＲＯＩの周波数依存性後方散乱測定をもたらした。

各アンテナは、段階的ＦＭ大規模ＭＩＭＯ測定を実装する関連付けられた送信機または受信機を有していた。イメージャシステムの無線周波数（ＲＦ）範囲は、１７．５ＧＨｚ～２６．５ＧＨｚであり、Ｎ＝１０１周波数ステップおよび－１００ｄＢＦＳの平均システム雑音フロアを伴うＫ帯域スペクトル全体を対象とした。長さＭ＝３２のアダマール符号に基づくＯＣＡＩスキームが、使用された。全ての２４個の送信機および７２個の受信機が、ＭＩＭＯ測定を行うために並列に動作した。

イメージャは、最大１０ＨｚのフレームレートでフレームあたりＫ×Ｌ×Ｍ×Ｎ≒５．６×１０９測定値を取得した。予期される分解能は、イメージャ開口の正面１ｍの距離において、範囲が１．６ｃｍであり、交差範囲が０．６ｃｍであった。

大規模ＭＩＭＯ ｍｍＷイメージャを使用する分解能標的の測定および画像再構成は、ＯＣＡＩをイネーブルにしない第２のイメージャプロトタイプの結果と比較された。後者は、同じメタ表面開口を使用したが、測定値は、全ての異なるＲＸ／ＴＸアンテナ組み合わせを連続的にスイッチ閉にするためにスイッチベースの信号分配ネットワークを使用する単一のＲＸ／ＴＸペアによって取得された。ＯＣＡＩ事例におけるフレームレートは、７Ｈｚであった一方、非ＯＣＡＩ事例では、各フレームは、有意なスイッチング速度ペナルティを有する非ＯＣＡＩ連続取得に起因して、取得するために≒３０秒かかった。分解能標的は、３０ｍｍ、２０ｍｍ、および７ｍｍの幅ならびに間隔を伴う一連の平行金属ストリップから成っていた。標的は、イメージャの１ｍ正面に設置された。ＯＣＡＩに起因する画像品質改良が、画像均一性および形状定義における目に見える改良から明白であった。有用な分解能も、改良された。

前述から、具体的実施形態が例証を目的として本明細書に説明されたが、種々の修正が、請求される技術の範囲に留まりながら成され得ることを理解されたい。

Claims (26)

1. 撮像システムであって、前記撮像システムは、
   照明システムであって、前記照明システムは、
   平衡符号を備え、複数の連続したデジタルシンボルを含む複数のデジタルシンボルを使用して複数の搬送波源から複数の変調された無線周波数信号を生成することと、
   前記複数の変調された無線周波数信号に少なくとも基づいて、照明信号を提供することと
   を行うように構成されている、照明システムと、
   前記照明システムに結合されている複数のアンテナであって、前記複数のアンテナは、前記照明信号に少なくとも基づいてシーンを照射するように構成されている、複数のアンテナと、
   複数の直接変換受信機であって、前記複数の直接変換受信機の各々は、前記シーンからの前記照明信号の散乱から部分的にもたらされる散乱照明信号からのエネルギーおよび部分的に自己妨害信号からのエネルギーを受信するように構成されている、複数の直接変換受信機と、
   前記複数の直接変換受信機に結合されている撮像プロセッサであって、前記撮像プロセッサは、前記散乱照明信号からのエネルギーに基づいて、前記シーンに関連付けられた画像データを提供するように構成されている、撮像プロセッサと
   を備え、前記シーンに関連付けられた前記画像データを生成することは、前記散乱照明信号からのエネルギーを前記自己妨害信号からのエネルギーから分離することを含み、前記分離することは、前記自己妨害信号に起因する寄与を消去するように、受信されたエネルギーの前記複数の連続したデジタルシンボルを減算することに少なくとも基づいている、撮像システム。
2. 前記複数の変調された無線周波数信号のうちの１つの変調された無線周波数信号は、３０～３００ＧＨｚの周波数を有する、請求項１に記載の撮像システム。
3. 前記複数の変調された無線周波数信号を生成することは、２つ以上の位相を有する位相変調されたデジタルシンボルを使用することに少なくとも基づいている、請求項１に記載の撮像システム。
4. 前記複数の変調された無線周波数信号を生成することは、２つ以上の振幅を有する振幅変調されたデジタルシンボルを使用することに少なくとも基づいている、請求項１に記載の撮像システム。
5. 前記複数の変調された無線周波数信号を生成することは、前記複数のアンテナの各々のために、平衡符号の組からのそれぞれのデジタル符号を使用することに少なくとも基づいている、請求項１に記載の撮像システム。
6. 前記平衡符号の組は、平衡直交符号を備えている、請求項５に記載の撮像システム。
7. 前記平衡符号の組は、アダマール符号を備えている、請求項６に記載の撮像システム。
8. 前記撮像プロセッサに結合されているディスプレイをさらに備え、前記ディスプレイは、前記画像データに基づいて画像を表示するように構成され、前記画像は、前記シーンの表現を備えている、請求項１に記載の撮像システム。
9. 前記シーンは、人間を備えている、請求項１に記載の撮像システム。
10. 前記複数の直接変換受信機の各々は、前記照明システムが前記照明信号を提供している時間の少なくとも一部中、前記散乱照明信号から前記エネルギーを受信するように構成されている、請求項１に記載の撮像システム。
11. 前記複数の直接変換受信機の各々は、前記照明システムに結合され、前記複数の直接変換受信機の各々は、無線周波数信号の知識を使用して前記散乱照明信号から前記エネルギーを受信するように構成されている、請求項１に記載の撮像システム。
12. 前記複数の直接変換受信機の各々は、前記散乱照明信号から受信された前記エネルギーからの寄与、自己妨害信号、およびＤＣオフセットを含む受信機信号を生成するように構成され、前記撮像システムは、ポストプロセッサをさらに備え、前記ポストプロセッサは、前記散乱照明信号から受信された前記エネルギーの寄与を前記自己妨害信号および前記ＤＣオフセットから分離するために、平衡符号から選択される変調シンボルの第１のサブセットに対応して受信される受信機信号を、別の平衡符号から選択される変調シンボルの第２のサブセットに対応して受信される受信機信号から減算するように構成されている、請求項１に記載の撮像システム。
13. 前記複数の変調された無線周波数信号を生成することは、それぞれのデジタル符号を使用することに少なくとも基づき、前記撮像システムは、少なくとも２つの受信機をさらに備え、前記少なくとも２つの受信機の各々は、散乱照明信号を少なくとも部分的に同時に受信するように構成されている、請求項１に記載の撮像システム。
14. 前記少なくとも２つの受信機は、それぞれのデジタル符号と前記散乱照明信号の一部との間の相関を使用して、変調寄与を分離するように構成されている、請求項１３に記載の撮像システム。
15. シーンを撮像する方法であって、前記方法は、
    平衡符号を備え、複数の連続したデジタルシンボルを含む複数のデジタルシンボルを使用して複数の無線周波数信号を変調することにより、複数の照明信号を提供することと、
    複数のアンテナを使用して、前記複数の照明信号を用いて前記シーンを照射することと、
    複数の直接変換受信機を使用して、対象からの前記複数の照明信号の散乱から部分的にもたらされる散乱照明信号からのエネルギーおよび部分的に自己妨害信号からのエネルギーを受信することと、
    前記散乱照明信号からのエネルギーに基づいて、前記シーンに関連付けられた画像データを生成することと
    を含み、前記シーンに関連付けられた前記画像データを生成することは、前記散乱照明信号からのエネルギーを前記自己妨害信号からのエネルギーから分離することを含み、前記分離することは、前記自己妨害信号に起因する寄与を消去するように、受信されたエネルギーの前記複数の連続したデジタルシンボルを減算することに少なくとも基づいている、方法。
16. 前記複数の連続したデジタルシンボルは、二位相シフトキーイング変調または四位相シフトキーイング変調を備えている、請求項１５に記載の方法。
17. 前記受信することは、少なくとも部分的に前記照射することと同時に起こる、請求項１５に記載の方法。
18. 前記複数のアンテナは、前記照射中、静止している、請求項１５に記載の方法。
19. 前記複数のアンテナのうちのそれぞれのもののために、平衡直交符号を使用して前記複数の照明信号を変調することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
20. 前記画像データに基づいて、画像を表示することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
21. 前記画像は、前記シーンの表現を備えている、請求項２０に記載の方法。
22. 前記受信することは、位相シフトキーイング変調に基づいて受信することを含む、請求項１５に記載の方法。
23. 前記受信することは、前記散乱照明信号からのエネルギーを前記複数の直接変換受信機によって提供される前記自己妨害信号から分離することを含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記エネルギーを分離することは、変調シンボルの群に関連付けられた受信機信号を減算することを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記複数の照明信号は、それぞれの平衡デジタル符号を使用することに少なくとも基づいて生成され、前記受信することは、前記複数の直接変換受信機によって提供され、前記複数の直接変換受信機の各直接変換受信機は、前記複数の直接変換受信機によって生成される前記照明信号の散乱から部分的にもたらされるエネルギーを含む前記散乱照明信号を少なくとも部分的に同時に受信するように構成されている、請求項１５に記載の方法。
26. 前記散乱照明信号への寄与を分離することをさらに含み、前記分離することは、それぞれの平衡デジタル符号と前記散乱照明信号とを互いに関係付けることを含む、請求項２５に記載の方法。
    

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