JPH09197042A

JPH09197042A - ミリ波カメラ装置

Info

Publication number: JPH09197042A
Application number: JP8034156A
Authority: JP
Inventors: Eiki Sen; 永喜銭; Eikichi Yamashita; 榮吉山下
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-01-17
Filing date: 1996-01-17
Publication date: 1997-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】多層誘電体基板を用いた平面アンテナ技術よ
り、小型軽量で安価なミリ波カメラ装置を実現する。【解決手段】多層誘電体基板１の上に設けたスロット
アンテナと検出素子を一体化してイメージング素子２を
形成する。このイメージング素子構造により、平面アン
テナ特有の表面波モードと低利得の問題を解決でき、従
来のイメージング素子に不可欠とされた半球型レンズを
不要とし、システムの小型軽量化と低コスト化を図るこ
とができる。このイメージング素子を所定のサンプリン
グ間隔で多数配列して作ったイメージングアレーを対物
レンズ３の像面に置き、目標物体から放射または反射さ
れたミり波信号を検出、処理することによって、雨・霧
等の悪天候においても、また衣服等の下に隠された場合
においても、目標物体の二次元または三次元画像を得る
ことが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空港の安全ゲート
における金属・非金属類武器及び密輸品の検出、衣服の
下に隠された拳銃等の検知、悪天候における航空機の着
陸支援、噴火中の火山の観測、または次世代衝突防止用
車載レーダ等に用いるミリ波帯イメージングセンサに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】ミリ波帯の電磁波は、可視光線・赤外線
に比べて雨・霧等による減衰が著しく小さく、またマイ
クロ波に比べて空間分解能が高いため、リモートまたは
近距離のイメージ・センシング手段として有効である。
特に、アンテナと検出素子を一体化した受信素子を多数
配列して作ったイメージングアレーは、従来の単体素子
を用いて機械的または電気的な走査を行なう方法に比べ
て、リアルタイムで高性能なイメージング手段を提供す
ることが可能である。

【０００３】図１１は例えば「ミリ波帯イメージングア
レー用八木・宇田アンテナの最適設計」（電子情報通信
学会論文誌Ｂ−ＩＩ、１９９２年７月）の４７２ページ
に示された従来のミリ波帯イメージングアレーの概略構
成図である。図において、１は誘電体基板、２は八木・
宇田アンテナ型イメージング素子、３は対物レンズ、３
０は基板１と同じ誘電率を持つ材料で作った半球型のレ
ンズである。また、各イメージング素子は、半波長アン
テナ２ａ、八木アンテナ素子２ｂ、検波素子２ｃ及び出
力取り出し用線路２ｄによって構成されている。

【０００４】次に動作について説明する。目標物体から
入射されたミリ波信号を対物レンズ３を用いて結像さ
せ、レンズの像面に置かれたイメージング素子によって
像信号をサンプリングし、信号机揮を経て目標物体の像
を再現する。なお、図１１に示したのは一次元アレーで
あるので、もう一つの方向に対して例えばステッピング
・モータを用いて走査することによって、物体の二次元
像を得ることができる。

【０００５】また、図１１のイメージングアレーにおい
ては、誘電体基板１の裏側に同じ材料から作った半球型
レンズ３０を付けることによって、基板モードによる表
面波を除去することができる。さらに、レンズ効果によ
って放射ビームをある程度絞り、アンテナ利得を向上さ
せ、対物レンズとのビーム整合を改善することができ
る。なお、図１２はこの半球型レンズ付きイメージング
素子の指向特性を示す図である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の半球型
レンズ付きイメージングアレーにおいて、収差による影
響を小さくするために、レンズの直径をアンテナ自体の
寸法よりかなり大きく取らなければならない。特にアレ
イの数が多い場合には、この半球型レンズの直径が数十
センチにする必要があり、製造コストが高くなるだけで
はなく、体積が非常に大きくなり、実用化するのが難し
い。従って、この種のイメージング・センサ装置は、今
まで核融合におけるプフズマ計測など極限られた分野で
しか利用されていない。

【０００７】また、図１２に示す従来のイメージング素
子の指向特性から分かるように、Ｅ面とＨ面の放射パタ
ーンの対称性が必ずしも理想的ではなく、得られた像に
歪みなどの悪影響を及ぼす可能性があり、ミリ波カメラ
が本来持つ性能を十分に発揮することができない。

【０００８】本発明は上記のような問題を解消するため
になされたもので、体積が大きくコストの高い半球型の
レンズを用いなくても、対物レンズと効率良く整合でき
るイメージング素子を実現し、小型軽量で安価なミリ波
カメラ装置を実現することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
ミリ波カメラ装置は、多層誘電体基板の上に設けたスロ
ットアンテナと検波素子を一体化して作ったイメージン
グ素子を所定のサンプリング間隔で多数配列して形成し
たイメージングアレーと、目標物体を照射するためのミ
リ波送信機及び送信用アンテナと、目標物体から反射さ
れた信号を結像させるための対物レンズとを具備し、前
記イメージングアレーを対物レンズの像面に置き、各イ
メージング素子が独立に検出した信号の強度を増幅・処
理することによって、目標物体の二次元像を得ることを
特徴とするものである。

【００１０】また、本発明の請求項２に係るミリ波カメ
ラ装置は、多層誘電体基板の上に設けたスロットアンテ
ナと検波素子を一体化して作ったイメージング素子を所
定のサンプリング間隔で多数配列して形成したイメージ
ングアレーと、目標物体から放射されたミリ波信号を結
像させるための対物レンズと、当該ミリ波信号をヘテロ
ダイン検波するためのローカル信号を提供する手段とを
具備し、前記イメージングアレーを対物レンズの像面に
置き、各イメージング素子が独立に検出した中間周波数
信号の強度を増幅・処理することによって、目標物体の
二次元像を得ることを特徴とするものである。

【００１１】また、本発明の請求項３に係るミリ波カメ
ラ装置は、多層誘電体基板の上に設けたスロットアンテ
ナと検波素子を一体化して作ったイメージング素子を所
定のサンプリング間隔で多数配列して形成したイメージ
ングアレーと、周波数変調されたミリ波信号を目標物体
に照射するための送信機及び送信用アンテナと、当該ミ
リ波信号の一部を受信側へ分岐するための分岐手段と、
目標物体から反射された信号及び分岐された信号を結像
させるための対物レンズとを具備し、前記イメージング
アレーを対物レンズの像面に置き、各イメージング素子
が独立に検出したビート信号を増幅・処理することによ
って、目標物体の三次元像を得ることを特徴とするもの
である。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係るミリ波カメラ
装置の概略構成図である。目標物体５から放射または反
射されたミリ波信号を対物レンズ３を用いて結像させ、
当該レンズの像面に置かれたイメージングアレーの各素
子２によって独立に受信し、信号を増幅・処理すること
によって目標物体の像６を再現する。図１の中のイメー
ジング素子２は、異なる誘電率と誘電体中の１／４波長
に相当する厚みを持つ基板を重ねて作った多層誘電体基
板１の上に設けたスロットアンテナと検波素子を一体化
して形成したものである。このイメージング素子におい
ては、アンテナの寸法が自由空間中の半波長以下とな
り、基板モードによる表面波の発生を抑制でき、対物レ
ンズの絞り角と適合した放射パターンを持つなどの特徴
がある。

【００１３】本発明の請求項１に係るミリ波カメラ装置
は、目標物体にミリ波信号を照射するための送信機及び
送信アンテナを具備する能動型イメージングセンサであ
る。目標物体から反射されたミリ波信号を前記イメージ
ングアレーの各素子で強度検波し、得られたビデオ信号
を増幅・処理することによって、目標物体の二次元像を
得ることができる。

【００１４】本発明の請求項２に係るミリ波カメラ装置
は、目標物体にミリ波信号を照射することを必要としな
い受動型イメージングセンサである。目標物体から放射
された微弱なミリ波信号を予め用意したローカル信号と
混合させ、前記イメージングアレーの各素子でヘテロダ
イン検波し、得られた中間周波数信号を増幅・処理する
ことによって、目標物体の二次元像を得ることができ
る。

【００１５】本発明の請求項３に係るミリ波カメラ装置
は、周波数変調されたミリ波信号を目標物体に照射する
ための送信機及び送信用アンテナと、当該ミリ波信号の
一部を受信側へ分岐するための分岐手段とを具備し、前
記イメージングアレーの各素子をＦＭ−ＣＷレーダとし
て用いる。さらに、各素子で検出したビート信号を増幅
・処理することによって、目標物体の三次元像を得るこ
とができる。

【００１６】

【実施例】

（第１実施例）図２は本発明の第１実施例を示す図であ
る。図において、１から５は、図１と同一であるので説
明を省略する。７はミリ波発振器、８は振幅変調器、９
は変調用信号発生器、１０は送信アンテナである。１１
は各イメージング素子で検出したビデオ信号を選択する
ためのスイッチ回路、１２は選択したビデオ信号を増幅
するための増幅器、１３はＡ／Ｄ変換器、１４は画像表
示装置である。

【００１７】次に動作について説明する。目標物体５へ
向けて振幅変調されたミリ波を放射し、反射波を対物レ
ンズ３を用いて結像させ、レンズの像面に置かれたイメ
ージングアレーの各素子２によってビデオ検波を行な
う。各イメージング素子のビデオ信号をスイッチ回路１
１で順次に取り出し、例えばロックインアンプを用いて
増幅した後、Ａ／Ｄ変換器１３を経て、最終的にはコン
ピュータなど画像表示装置へ出力する。

【００１８】また、図３は第１実施例に係るイメージン
グアレーの構成を示す斜視図である。図において、１
ａ、１ｃ、１ｅは同じく比誘電率１０．０のアルミナ基
板、１ｂ１ｄは同じく比誘電率３．８の石英基板であ
る。なお、各基板の厚みは、基板中の１／４波長になる
ように決める。これらの基板を重ねて作った多層誘電体
基板１の上に、一波長のスロット２ｅを二本平行に並べ
てツインスロットを形成し、検波素子２ｃと一体化して
イメージング素子２を構成する。また、３１は低域通過
型フィルタ、３２は出力取り出し用のコプレーナ導波
路、３３は地導体である。

【００１９】図４は、図３の中の各イメージング素子の
指向特性を、６０ＧＨｚで測定した結果を示す図であ
る。図１２の八木・宇田アンテナ型イメージング素子の
指向特性と比べて、Ｅ面とＨ面の放射パターンの対称性
が改善されていることが分かる。また、Ｅ面とＨ面の３
ｄＢビーム幅はそれぞれ約４０度と３０度で、Ｆ値が１
〜２程度の対物レンズの絞り角と効率良く整合すること
ができる。さらに、図１２の八木・宇田アンテナ型イメ
ージングアレーは、半球型レンズを含めて厚みが約５セ
ンチであるに対して、図３のイメージングアレーの厚み
が５層基板を合わせても僅か２．５ミリで、図１２の従
来構造の約１／２０まで薄くすることができた。

【００２０】また、図３に示すのようにイメージング素
子を並べてアレーを構成する際、隣接する素子の間の相
互結合が重要な問題となる。素子間のクロストークが大
きいと、得られた像に悪影響を与えることになる。一
方、ナイキストのサンプリング条件を満足するために
は、素子間隔を約自由空間中の半波長にすることが要求
される。図５は素子間隔が０．５λ０と０．５５λ０の
場合において、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法を用い
て素子間のクロストークを解析した結果を示す図であ
る。図５の解析結果から分かるように、図４に示すイメ
ージングアレーにおいては、素子間隔を半波長程度にし
ても、クロストークのレベルが６０ＧＨｚにおいて−２
０ｄＢ以下となり、素子間の結合により像の再現に悪影
響を及ぼす心配はない。

【００２１】図６は第１実施例に係るミリ波カメラ装置
のポイント・ソースに対する回折像を示す図である。図
において、点線はガウスビーム伝搬理論による計算結
果、実線は図３の中の任意一つのイメージング素子を水
平方向に走査して得られた実験結果、黒丸は図３の中の
六つのイメージング素子でサンプリングして得られた実
験結果である。図６の結果からは、第１実施例に係るミ
リ波カメラ装置により回折限界の空間分解能を実現でき
ることが分かる。勿論、６０ＧＨｚのミリ波の波長が５
ミリで、可視光の波長の約１万倍であるので、光学カメ
ラが１ミクロン程度の空間分解能を持つに対して、ミリ
波カメラの分解能が１センチ程度と自らの限界がある。
しかし一方、可視光センサ・赤外線センサが使用できな
い雨・雪・霧など悪天候においても、また衣服などによ
って隠された場合においても、ミリ波カメラを用いれ
ば、目標物体を検出することが可能であるので、従来の
可視光センサ・赤外線センサの限界を超えるセンサ装置
を実現することができる。

【００２２】図７は第１実施例に係るミリ波カメラ装置
を用いて、一辺の長さが１２センチの正三角形の金属板
のイメージング結果を示す図である。図７（ａ）はター
ゲットの写真で、（ｂ）は実験で得られたミリ波像であ
る。図７の実験結果から分かるように、第１実施例に係
るミリ波カメラ装置を用いれば、寸法が数センチ程度の
ターゲットに対しても画像化をすることが可能である。
また、目標物体を照射する方法を改良すれば、得られた
像の質をさらに改善することができる。

【００２３】なお、図３に示す六素子イメージングアレ
ーの実験の場合には、走査なしで六つの画素しか得るこ
とができないので、ステッピング・モータによる走査と
併用することによって、ターゲットを識別するために必
要な画素数を得ることにした。しかし、図３において、
基板の上に必要な数のイメージング素子を二次元的に配
列すれば、機械的な走査をする必要はなくなる。また、
高速のスイッチ回路を用いれば、リアルタイムで目標物
体の二次元像を得ることが可能である。

【００２４】（第２実施例）目標物体にミリ波を照射す
ることが不都合な場合には、目標物体から放射された微
弱なミリ波信号をイメージングアレーによって検出する
能動型イメージングが有効である。図８は本発明の第２
実施例を示す図である。図８において、１から１４は図
２と同一であるので説明を省略する。１５目標物体から
放射されたミリ波と予め用意したローカル信号とを混合
させるための準光学ダイプレクサー、１６は中間周波数
信号増幅器である。

【００２５】次に動作について説明する。通常の物体か
ら放射された電磁波は非常に微弱であるが、予めローカ
ル信号を用意し、各イメージング素子でヘテロダイン検
波を行ない、検出した中間周波数信号を増幅・処理すれ
ば、目標物体の二次元像を得ることができる。第２実施
例に係るミリ波カメラ装置は、基本的には第１実施例に
係るミリ波カメラ装置と同等な空間分解能を持つ。さら
に、第２実施例においては、コヒーレントなミリ波信号
を用いて目標物体を照射する必要がないので、複雑な形
状を有する物体に対しても良いミリ波像を得ることが可
能である。第２実施例に係るミリ波カメラ装置は、近距
離センサとしても、また火山観測などのためのリモート
・センサとしても有効である。

【００２６】（第３実施例）図９は本発明の第３実施例
を示す図である。図９において、１から１４は図２と同
一であるので説明を省略する。１７は周波数変調された
ミリ波信号を得るための電圧制御発振器（ＶＣＯ）、１
８は送信アンテナからのミリ波信号の一部を受信側へ分
岐するためのビーム・スプリッター、１９は各イメージ
ング素子によって検出したピート信号を分析処理して、
目標物体の三次元像を算出するための信号処理器であ
る。

【００２７】次に動作について説明する。周波数変調さ
れたミリ波を送信アンテナ１０を用いて目標物体へ放射
させると同時に、当該ミリ波信号の一部をビーム・スプ
リッター１８を用いてイメージングアレー側へ分岐させ
る。一つのイメージング素子が目標物体のある部分から
反射された信号しか受信しないので、該素子が検出した
ビート周波数が目標物体のこの部分のレンジ（距離）に
対応する。このように、イメージングアレーの各素子を
ＦＭ−ＣＷレーダとして動作させることによって目標物
体の三次元像を得ることが可能である。

【００２８】図１０は図９のミリ波カメラ装置を用いて
目標物体の三次元像を算出する方法を説明する図であ
る。ビート信号の周波数が物体の奥行きの深さに比例す
るので、図１０（ａ）のような形状を有する物体に対し
ては、図１０（ｂ）に示すような三次元分布図が得られ
る。なお、変調周波数の帯域幅が５００ＭＨｚの場合に
は、距離方向の分解能が約３０センチである。第３実施
例に係るミリ波カメラ装置は、例えば前方道路に存在す
る複数の車両または障害物を同時に検出するための車載
用イメージング・レーダとして有効である。

【００２９】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
従来のミリ波イメージングアレーで不可欠とされた半球
型レンズが不要となり、システムの小型軽量化と低コス
ト化を図ることができ、セキュリティ等の分野へ安価で
高性能なミリ波カメラ装置を提供することが可能であ
る。

【００３０】本発明の請求項１によれば、目標物体にミ
リ波を照射し、反射された信号をイメージングアレーで
ビデオ検波することによって、目標物体の二次元像を得
ることができる。この発明は、衣服の下に隠された金属
・非金属類武器の検出などを目的とする近距離センサと
して、従来のセンサ装置の限界を超える効果がある。

【００３１】また、本発明の請求項２によれば、目標物
体にミリ波を照射することが不都合な場合においても、
目標物体から放射された微弱なミリ波信号をイメージン
グアレーでヘテロダイン検波することによって、目標物
体の二次元像を得ることができる。この発明は、近距離
センサとしても、また火山観測等のためのリモート・セ
ンサとしても有効である。

【００３２】また、本発明の請求項３によれば、目標物
体に周波数変調されたミリ波を照射し、イメージングア
レーの各素子をＦＭ−ＣＷレーダとして利用することに
よって、目標物体の三次元像を得ることができる。この
発明は、従来のＦＭ−ＣＷレーダの限界を超え、次世代
の自動車衝突防止用イメージングレーダとして極めて有
望である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るミリ波カメラ装置の概略構成を示
す図である。

【図２】本発明の第１実施例を示す図である。

【図３】本発明の第１実施例に係るイメージングアレー
の構成を示す斜視図である。

【図４】図３の中の各イメージング素子の指向特性の実
験結果を示す図である。

【図５】図３のイメージングアレーにおける素子間結合
特性の解析結果を示す図である。

【図６】本発明の第１実施例に係るミリ波カメラの結像
性能を示す図である。

【図７】（ａ）本発明の第１実施例に係る三角形金属板
ターゲットの写真、（ｂ）実験で得られたミリ波像。

【図８】本発明の第２実施例を示す図である。

【図９】本発明の第３実施例を示す図である。

【図１０】本発明の実施例３における物体の三次元像を
算出する方法を説明する図である。

【図１１】従来のイメージングアレーの概略構成を示す
図である。

【図１２】図１１の中の各イメージング素子の指向特性
を示す図である。

【符号の説明】

１、１ａ〜１ｅ誘電体基板２イメージング素子２ａ半波長アンテナ２ｂ八木アンテナ素子２ｃ検波素子２ｄ出力取り出し２ｅスロット３対物レンズ４衣服等の被覆物５目標物体６目標物体の像７ミリ波発振器８振幅変調器９変調信号発生器１０送信アンテナ１１スイッチ回路１２ビデオ信号増幅器１３Ａ／Ｄ変換器１４画像表示装置１５準光学ダイプレクサー１６中間周波数信号増幅器１７電圧制御発振器１８ビーム・スプリッター１９信号処理器３０半球型レンズ３１低域通過型フィルタ３２コプレーナ導波路３３地導体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多層誘電体基板の上に設けたスロットアン
テナと検波素子を一体化して作ったイメージング素子を
所定のサンプリング間隔で多数配列して形成したイメー
ジングアレーと、目標物体を照射するためのミリ波送信
機及び送信用アンテナと、目標物体から反射された信号
を結像させるための対物レンズとを具備し、前記イメー
ジングアレーを対物レンズの像面に置き、各イメージン
グ素子が独立に検出した信号の強度を増幅・処理するこ
とによって、目標物体の二次元像を得ることを特徴とす
るミリ波カメラ装置
【請求項２】多層誘電体基板の上に設けたスロットアン
テナと検波素子を一体化して作ったイメージング素子を
所定のサンプリング間隔で多数配列して形成したイメー
ジングアレーと、目標物体から放射されたミリ波信号を
結像させるための対物レンズと、当該ミリ波信号をヘテ
ロダイン検波するためのローカル信号を提供する手段と
を具備し、前記イメージングアレーを対物レンズの像面
に置き、各イメージング素子が独立に検出した中間周波
数信号の強度を増幅・処理することによって、目標物体
の二次元像を得ることを特徴とするミリ波カメラ装置。
【請求項３】多層誘電体基板の上に設けたスロットアン
テナと検波素子を一体化して作ったイメージング素子を
所定のサンプリング間隔で多数配列して形成したイメー
ジングアレーと、周波数変調されたミリ波信号を目標物
体に照射するための送信機及び送信用アンテナと、当該
ミリ波信号の一部を受信側へ分岐するための分岐手段
と、目標物体から反射された信号及び分岐された信号を
結像させるための対物レンズとを具備し、前記イメージ
ングアレーを対物レンズの像面に置き、各イメージング
素子が独立に検出したピート信号を増幅・処理すること
によって、目標物体の三次元像を得ることを特徴とする
ミリ波カメラ装置。