ミリ波画像処理装置及びミリ波画像処理方法
【課題】 近傍界におけるアンテナ面上での球面波を考慮してマッチトフィルタ処理により画像化を行うことができるミリ波画像処理装置を提供する。
【解決手段】 ターゲットが放射する電波を受信するＴ字型アンテナ２と、前記Ｔ字型アンテナ２が受信した信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部９と、前記Ａ／Ｄ変換されたデータのうち、横系の変換出力と縦系の変換出力の信号の組み合わせで相関処理を行う相関処理部１１と、視野内の画素ごとにターゲットが焦点とする距離にあると想定して理論的に受信信号を生成した参照関数と前記Ｔ型アンテナが受信した球面波の受信信号との相関を取ってターゲットを画像化する画像化処理部１５を有している。
【解決手段】 ターゲットが放射する電波を受信するＴ字型アンテナ２と、前記Ｔ字型アンテナ２が受信した信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部９と、前記Ａ／Ｄ変換されたデータのうち、横系の変換出力と縦系の変換出力の信号の組み合わせで相関処理を行う相関処理部１１と、視野内の画素ごとにターゲットが焦点とする距離にあると想定して理論的に受信信号を生成した参照関数と前記Ｔ型アンテナが受信した球面波の受信信号との相関を取ってターゲットを画像化する画像化処理部１５を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動する又は静止している対象物が放射または反射するミリ波の電磁波を受信して、ターゲットとしての前記対象物の画像情報を得るミリ波画像処理装置及びミリ波画像処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人体等は、赤外線と共にミリ波を放射している場合がある。また、すべての物体は、その温度と放射係数により決定される強度でミリ波帯の電磁波を放射および反射している。ミリ波の水蒸気及び物質に対する透過性は、赤外線の水蒸気及び物質に対する透過性よりも高い。このようなミリ波を受信して画像処理を行うことにより、霧で視程が遮られた遠方の景色や、厚いコートを着用した近傍の人体等をターゲットとして監視をすることができる。例えば、航空機が霧の中を着陸したり、空港などでセキュリテイゲートを通過する搭乗者などを監視したりする場合である。
【０００３】
このようなターゲットを監視する方式としては、特許文献１に示すように、高精度な視野画像を取得して、監視を行う方式が提案されていた。特許文献１に示された技術は、高精度になるにつれて視野内の画像スキャンに時間がかかり移動対象物の画像化が困難になるのに対し、受信素子を複数設置して、スキャンの高速化を図ったものであった。
【０００４】
特許文献１において、画像を高精度化するには、アンテナの開口径を大きくする必要がある。しかしながら、ミリ波帯の大型アンテナは、非常に高い工作精度が要求され、その製造が難しく、また、使用環境の温度変化による熱膨張歪み誤差が無視できない。さらに、これらのアンテナは遠方界で十分な指向性と利得が出るように設計されているため、対象物が近距離にある場合には、分解能は却って低下してしまう。さらに、大型の高分解能アンテナで一定の視野角内をスキャンするためには、ビーム幅が鋭くなるほど、分解能あたりの積分時間が十分に得られず、感度が低下するなど、高精度な画像を得るのは困難であった。
【０００５】
そこで、特許文献２に示すように、アンテナの微少な歪み，接続ケーブルの温度特性などによる誤差の影響を抑えたレーダ装置が開発されている。特許文献２に示された技術は、対象物からのミリ波を２次元平面アンテナで受信し、その受信信号をＡ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換し、そのデジタル信号に対して信号処理部で信号処理して画像データを取得するものである。そして、前記特許文献２では、測定に先立ち、校正信号源から校正信号を出力し、信号処理部の補正器にて位相補正データを得て、測定データの補正を行っている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−３３１７２５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７７１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に示す処理方式では、遠方に位置するターゲットを監視する場合には、ターゲットからの放射信号は平面波と見なして、十分な高分解能画像を生成できるが、近傍界に位置するターゲットを監視する場合には、アンテナに入射するターゲットからの信号は距離が近いため、平面波とは見なせず、画像のボケを生じるという問題があった。
【０００８】
また、受信処理周波数帯域幅が広いほど高感度での受信が実現できるが、ミリ波のアンテナから受信部、さらにデジタル信号に変換するまで、全アンテナ系統の周波数帯域内の位相遅延量が同一でなければならない。これは、装置の製造を難しく高価にしていた。
【０００９】
本発明の目的は、ターゲットがアンテナ開口サイズに比べて十分遠くにある遠方界では従来とおりの２次元フーリエ変換処理で高精度画像を生成し、ターゲットが近くの近傍界では参照関数による相関処理で画像化を行い、高精度画像を生成できるミリ波画像処理装置及びミリ波画像処理方法を提供することにある。
【００１０】
さらに、本発明の目的は、装置の製造を容易にするため、全アンテナ系統の画像化に使用する全信号帯域に対する位相遅延量が揃っていなくても、系統毎に自由に補正が行え、位相特性を揃えることができるミリ波画像処理装置及び画像処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る画像処理方式を図１に基づいて説明する。二次元に展開されたアンテナとして、図１に示すように、縦系、横系に配列された複数のアンテナ２がアンテナ面１にＴ字型に配列されているものを例として考える。Ｔ字型以外にもＬ字型、三角形などいろいろな形が可能である。以下、アンテナ面１にＴ字型に配列された複数のアンテナ２を総称してＴ型アンテナ２という。
【００１２】
本発明においては、信号帯域内位相補正とアンテナ位相補正の２つの位相補正方式と、ターゲットの距離により遠方界画像化処理または近傍界画像化処理を組み合わせて高精細なターゲットの画像化を可能にする。
【００１３】
ところで、アンテナ面１は、環境温度の変化寒暖の差、或いは製造誤差等により完全な平面ではなく、歪みが発生する。前記歪みがアンテナ面１に発生すると、そのアンテナ面１に搭載されたＴ型アンテナ２の物理的な位置関係がずれてしまい、Ｔ型アンテナ２が受信する電波の位相にずれが発生し、高精度な画像データを取得することが不可能となる。
【００１４】
そこで、本発明の位相補正方式においては、ターゲット４からＴ型アンテナ２までの距離Ｒを波長λで割ったものがＴ型アンテナ２のそれぞれのアンテナで受信する電波の位相φであることに鑑み、校正信号発生部５からＴ型アンテナ２のそれぞれのアンテナまでの距離Ｒを波長λで割った計算式、すなわち、φ＝Ｒ／λに基づいて、Ｔ型アンテナ２のそれぞれのアンテナが受信する電波の位相を求めて置く。そして、実測した電波の位相と、計算された電波の位相との差を求め、アンテナ面１の歪み、すなわち、Ｔ型アンテナ２のそれぞれのアンテナが受信する電波の位相を補正する。
【００１５】
前記実測した電波の位相の情報は、次のようにして取得する。すなわち、Ｔ型アンテナ２のそれぞれのアンテナに対する校正信号発生部５からの距離及び位置が既知であるから、前記校正信号発生部５からミリ波帯の微弱電波をＴ型アンテナ２に向けて発射し、その電波をＴ型アンテナ２のそれぞれのアンテナで受信し、Ａ／Ｄ変換後、Ｔ型アンテナ２の全アンテナの信号間で相関積分処理をすることにより、各アンテナ間の位相差の実測データが得られる。
【００１６】
前記実測位相情報と、理論計算で求めた位相情報の差分から、各アンテナの位置歪み、受信系の電気長差（位相遅延）による位相歪み量を推定し、アンテナ位相歪み補正関数を作成し、観測時の信号を補正する。
【００１７】
もう一つの画像の劣化原因となる位相歪みに信号周波数帯域位相歪みがある。これは、それぞれＴ型アンテナ２のアンテナの受信系において、Ｔ型アンテナからＡ／Ｄ変換までの受信帯域内の周波数により決定される位相特性がＴ型アンテナ２の縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂ毎に異なることによる。この位相特性は、校正信号発生部５を用いて計測することができる。上記と同じ試験校正で発信周波数を信号帯域内で上限から下限周波数まで変化させ、基準とする縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂでの受信信号の組み合わせで相関積分処理を行うことにより、縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂの位相周波数特性Ｄ１を計測する。そして、図４に示すように、その特性Ｄ１の逆周波数特性のフィルタ関数Ｄ２をフーリエ変換して、時間関数のフィルタ係数Ｄ３を生成し、Ａ／Ｄ変換後のデータにトランスバーサルフィルタとして演算を行い、信号周波数帯域内位相補正を行う。
【００１８】
次に、ターゲット４とＴ型アンテナ２の距離に応じて、Ｔ型アンテナ２が受信するターゲット４からの電波について考察し、画像化処理部１３による画像化処理を切り替える。
【００１９】
すなわち、図１に示すように、Ｔ型アンテナ２が搭載されたアンテナ面１の開口寸法をＤとし、Ｔ型アンテナ２からターゲット４までの距離をＲとすると、Ｒ＜２Ｄ２／λの場合、すなわち、近傍界の場合（距離Ｒ１）、Ｔ型アンテナ２が受信する電波は球面波となる。Ｒ＞２Ｄ２／λの場合（距離Ｒ２）、すなわち、遠方界の場合、Ｔ型アンテナ２が受信する電波は平面波としてみなすことができる。
【００２０】
アンテナ面１の開口寸法を５０ｃｍとし、ターゲット４からの電波の周波数を９４ＧＨｚとすると、波長λは約３ｍｍとなるから、距離Ｒ＝｛２×（０．５）２｝／０．０００３＝１６６．７ｍとなる。したがって、ターゲット４とＴ型アンテナ２の間の距離を約１００ｍ以上に設定しないと、アンテナ面１の開口寸法が５０ｃｍであるＴ型アンテナ２でターゲット４からの電波を平面波として画像化することができなくなる。ターゲット４が近傍界、例えば５〜６ｍの位置にある場合には、従来の二次元FFTによる画像化では、ボケが生じる。
【００２１】
そこで、本発明に係るミリ波画像処理装置の画像化処理では、アンテナ面１の開口寸法に基づいて、Ｔ型アンテナ２が受信する電波の種類、すなわち球面波，平面波を、Ｔ型アンテナ２とターゲット４の間の距離Ｒに対応させて特定し、Ｔ型アンテナ２に対するターゲット４の距離に応じて、Ｔ型アンテナ２が受信する電波の種類が球面波である場合と、平面波である場合とに切り替えることにより、処理を使い分けることにしたものである。
【００２２】
すなわち、本発明に係るミリ波画像処理装置は、ターゲットが放射する電波を受信するＴ字型アンテナと、前記Ｔ字型アンテナが受信した信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換されたデータのうち、横系の変換出力と縦系の変換出力の信号の組み合わせで相関処理を行う相関処理部と、視野内の画素ごとに、ターゲットが焦点とする距離にあると想定して理論的に生成した受信信号を参照関数とし、前記Ｔ型アンテナが受信した球面波の相関処理出力と参照関数との相関を取ってターゲットを画像化する画像化処理部を有することを特徴とするものである。
【００２３】
また、前記Ａ／Ｄ変換部の出力を、あらかじめ測定された位相補正関数によるトランスバーサルフィルタで位相補正を行い、各アンテナ間の位相特性を揃える周波数帯域内位相特性補正部を有している。また、校正信号発信部からの受信処理位相実測値と理論値の電波の位相差に基づいて生成したアンテナ位相歪み補正関数を用いて、受信信号の位相歪みを補正するアンテナ位相特性補正部を有している。
【００２４】
本発明によれば、ターゲットからの電波を受信し、前記受信した信号をＡ／Ｄ変換する。そして、前記Ａ／Ｄ変換されたデータにＴ型アンテナ２の縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂの位相特性が等しくなるような周波数帯域内位相補正演算を行った後、横系の変換出力と縦系の変換出力の信号の組み合わせで相関処理を行う。さらに、校正信号発生部５の電波を受信したときの実測した相関出力位相と、校正信号発生部５の位置から計算した理論値の電波の位相との差に基づいて生成したアンテナ位相歪み補正関数を前記相関出力に複素乗算して、Ｔ型アンテナ２，接続ケーブルの歪み及び電気長（位相遅延）の変化を補正する。
【００２５】
前記位相歪み補正後の信号を画像処理部で処理を行い、ターゲットの形状の画像化を行う。この画像化を行う場合、遠方にある対象物を画像化するのと、近傍にある対象物を画像化するのでは方法が異なっている。
【００２６】
すなわち、遠方界のときは、T型アンテナ２の縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂで受信した信号の全ての組み合わせで相関処理した２次元出力データを二次元FFTすることにより、画像化処理を行う。これに対して、ターゲットが近傍界にあるときは、ターゲットが存在し、焦点を結ばせる距離の視野内の画素毎にターゲットがあると想定して理論的に相関処理後の受信信号を生成して参照関数とする。この参照関数は、画像化処理で出力される画素数分だけ準備される。そしてＴ型アンテナ２が受信した球面波の相関処理出力と前記参照関数との相関を取って画素毎の出力を計算し、ターゲット４の画像化処理を行う。
【００２７】
前記Ｔ字型アンテナは、横系と縦系とに複数のアンテナをＴ字状に配列し電波を受信する構成、或いは最低２組のアンテナを横系と縦系に直線状に移動させてＴ字状軌跡を形成することにより、電波を受信する構成のいずれを採用してもよいものである。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように本発明によれば、例えば９４ＧＨｚ帯のミリ波高周波を受信してターゲットの監視等を行うパッシブ方式において、縦、横の二次元に展開されたアンテナに対するターゲットの距離の如何に拘わらず、明瞭な画像データを取得することができる。さらに、アンテナや受信系が環境温度変化や機械的歪みを受け、受信信号が位相歪みを受けても、歪みによる位相補正を行って、常に高精細の画像データを取得できる。
【００２９】
さらに、画像化に利用する信号周波数帯域内の位相特性がアンテナ素子毎に異なっていても、位相補正で常に高精細な画像を生成することができる。これは、ハードウェアの要求仕様を緩和し、かつ画像化に使用できる周波数帯域を広げる事ができ、高感度化も実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。
図２に示すように、本発明の実施形態に係るミリ波画像処理装置は、受信処理表示部３と、校正信号発生部５とを有している。
【００３１】
前記校正信号発生部５は、前記受信処理表示部３の二次元に展開されたアンテナ２に対して既知の距離の位置に設置する。前記校正信号発生部５は、ターゲット４からのミリ波に相当する電波をアンテナ２に向けて発射する構成になっている。
【００３２】
前記受信処理表示部３は図１に示すように、二次元に展開されるアンテナの最も簡単な校正の一例として、１つのアンテナ面１に複数のアンテナ２をＴ字型に配列したアンテナを有している。以下、アンテナ面１にＴ字型に配列された複数のアンテナ２を総称してＴ型アンテナ２という。Ｔ型アンテナ２は、アンテナ面１の横方向に配列された複数の横系（Ｈ系）アンテナ２ａと、アンテナ面１の縦方向に配列された複数の縦系（Ｖ系）アンテナ２ｂとからなり、Ｈ系アンテナ２ａとＶ系アンテナ２ｂとは図１に示すようにＴ字状に組み合わされている。なお、図１に示すＴ字型アンテナ２は、横系と縦系とに複数のアンテナ２ａ，２ｂをＴ字状に配列して電波を受信する構成としたが、これに限られるものではない。最低２組のアンテナ２ａ，２ｂを横系と縦系に直線状に移動させてＴ字状軌跡を形成することにより、電波を受信する構成を採用してもよいものである。
【００３３】
前記受信処理表示部３に組み込まれるＴ型アンテナ２は、アンテナ毎にそれぞれほぼ等しい電気的仕様を有する受信装置を備えている。前記受信装置は図２に示すように、低雑音増幅器（ＬＮＡ）６と、周波数変換部７と、対をなすローパスフィルタ８ａ及び８ｂと、Ａ／Ｄ変換部９と、周波数帯域内位相特性補正部１０を備えている。これらの構成は、横系アンテナ２ａと縦系アンテナ２ｂの系列毎に独立に備えられている。
【００３４】
さらに、前記受信処理表示部３は、Ｔ型アンテナ２の全ての系列のデータを入力とする相関器１１ａ及び積分器１１ｂを備えている。そして、積分器１１ｂの出力信号の位相を補正するアンテナ位相特性補正部１２と、画像化処理部１３と、表示部１５と、位相特性関数を発生する制御部１４を備えている。
【００３５】
前記低雑音増幅器６は、前記Ｔ型アンテナ２から出力される受信信号を増幅する。前記周波数変換部７は、Ｔ型アンテナ２が受信する受信信号に対して、横系及び縦系の全アンテナ２ａ，２ｂの系列がコヒーレントになるように位相同期された局部発信信号で周波数変換を行い、それぞれのアンテナ２ａ，２ｂの受信信号からベースバンドの複素信号であるＩＱ信号（アナログ信号）を出力し、そのＩ信号を一方のローパスフィルタ８ａに、残りのＱ信号を他方のローパスフィルタ８ｂにそれぞれ出力する。
【００３６】
前記ローパスフィルタ８ａ，８ｂは、周波数変換部のＩＱ出力信号がＡ／Ｄ変換のサンプリング周波数に対し、サンプリング定理を満足するように帯域制限を行い、高周波成分を除去する。前記Ａ／Ｄ変換部９は、ローパスフィルタ８ａ，８ｂで高周波成分が除去されたアナログのＩＱ信号（受信信号）をデジタル信号にＡ／Ｄ変換する。
【００３７】
前記周波数帯域内位相特性補正部１０は、スルー状態で前記Ａ／Ｄ変換部９からのデジタル信号を相関処理部１１に出力すると共に、後述する制御部１４で時間関数のフィルタ係数Ｄ３が設定された際に、前記フィルタ係数Ｄ３に基づいて、Ｔ型アンテナ２で受信されて復調された前記Ａ／Ｄ変換部９からのデジタル信号について、画像化に使用するベースバンド周波数帯域内の位相特性が横系及び縦系の全アンテナ２ａ，２ｂの系列とも等しくなるようにトランスバーサルフィルタ演算を実行し、その出力信号を前記相関器１１ａ及び前記積算器１１ｂに出力する。
【００３８】
前記相関器１１ａ及び積分器１１ｂは、前記周波数帯域内位相特性補正部１０からの出力信号を、Ｈ系アンテナ２ａとＶ系アンテナ２ｂの信号、すなわち縦系の変換出力と横系の変換出力の組み合わせで相関積分処理を行う。
【００３９】
前記制御部１４は、積分器１１ｂからの出力を、縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂの系列間の未補正の位相特性データＤ１として取得し、前記未補正の位相特性データＤ１の逆周波数特性のフィルタ関数Ｄ２をフーリエ変換により時間関数のフィルタ係数Ｄ３として生成する。前記制御部１４は、縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂ系の周波数帯域内位相特性補正部１０に前記フィルタ係数Ｄ３を設定する。さらに、前記制御部１４は、前記位相特性データＤ１に基づいて、アンテナ位相特性補正関数Ｄ４を生成し、そのアンテナ位相特性補正関数Ｄ４をアンテナ位相特性補正部１２に設定する。
【００４０】
前記アンテナ位相特性補正部１２は、前記相関器１１ａ及び前記積算器１１ｂからの相関出力に前記アンテナ位相特性補正関数Ｄ４を複素乗算して、Ｔ型アンテナ２の歪み及び電気長（位相遅延）、アンテナ２と受信信号処理部３とを接続するケーブルによる歪み及び電気長（位相遅延）の変化を補正する。
【００４１】
前記画像化処理部１３は、前記制御部１４からの指令に基づいて、ターゲットとの距離により遠方界のとき使用する画像処理するための二次元FFT処理機能、近傍界のとき使用する画像処理するための参照関数生成機能と、前記Ｔ型アンテナ２が受信し処理された前記相関器１１ａ及び前記積分器１１ｂの相関出力と前記参照関数の相関を取ってターゲットを画像化する相関処理機能を有している。前記画像化処理部１３は、視野内の画素ごとに、点ターゲットが焦点とする距離にあると想定して理論的に生成した相関積分出力を前記参照関数として生成する。前記表示部１５は、前記画像化処理部１３からの表示信号を可視映像として表示する。
【００４２】
次に、図２に示す本発明の実施形態に係るミリ波画像処理装置を用いて、ターゲットからのミリ波について画像処理する場合について説明する。
【００４３】
先ず、本発明の実施形態において、Ｔ型アンテナ２が受信する電波が平面波である、すなわち、図１に示すように、ターゲット４がＴ型アンテナ２に対して遠方の距離Ｒ２の位置に存在する場合について説明する。
【００４４】
前記Ｈ系及びＶ系のＴ型アンテナ２で受信された信号は、それぞれ低雑音増幅器６で増幅され、その増幅後の受信信号が周波数変換部７にそれぞれ入力する。縦系及び横系の全てのアンテナ２ａ，２ｂに対応する周波数変換部７は、Ｔ型アンテナ２の受信信号を周波数変換し、ベースバンド周波数の信号（ベースバンド信号）に変換する。全ての低雑音増幅器６の電気長（位相遅延）は安定しており、全ての周波数変換部７は、縦系及び横系の全アンテナ２ａ，２ｂに渡って位相が完全に同期した局部発信信号を用いて前記周波数変換を行う。
【００４５】
Ａ／Ｄ変換部９は、複数の周波数変換部７からの前記ベースバンド信号を受け取ると、アナログ信号である前記ベースバンド信号をデジタル信号に変換し、そのデジタル信号であるベースバンド信号を周波数帯域内位相特性補正部１０に出力する。
【００４６】
前記周波数帯域内位相特性補正部１０は、スルーの状態で前記Ａ／Ｄ変換部９からのデジタル信号を相関処理部１１に出力すると共に、制御部１４からの補正関数に基づいて、デジタル信号としての前記ベースバンド信号にトランスバーサルフィルタ処理を行い、各アンテナ系列間のベースバンド帯域内の位相特性が一定になるように補正を行う。
【００４７】
前記補正関数は次のように生成する。まず、校正信号発生器５が発信周波数を信号帯域内で上限から下限周波数まで変化させ、Ｔ型アンテナ２に向けて照射する。前記周波数帯域内位相特性補正部１０がスルーの状態で出力した前記Ａ／Ｄ変換部９からのデジタル信号について、相関処理部１１で相関処理を行い、制御部１４は、積分器１１ｂからの出力を、縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂの系列間の未補正の位相特性データとして取得する。
【００４８】
前記制御部１４は図４に示すように、前記未補正の位相歪み特性データＤ１の逆周波数特性であるフィルタ関数Ｄ２をフーリエ変換により時間関数のフィルタ係数Ｄ３として生成する。前記制御部１４は、縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂに対応する全ての周波数帯域内位相特性補正部１０に前記フィルタ係数Ｄ３を設定する。前記周波数帯域内位相特性補正部１０は図４に示すように、前記フィルタ係数Ｄ３を用いて、Ａ／Ｄ変換後のデータにトランスバーサルフィルタとして演算を行い、信号周波数帯域内位相補正を行う。
【００４９】
前記相関器１１ａ、積分器１１ｂおよびアンテナ位相特性補正部での処理を図３に基づいて説明する。
【００５０】
先ず、前記相関器１１ａがＴ型アンテナ２のＨ系アンテナ２ａとＶ系アンテナ２ｂの受信信号間で相関処理を行う場合について説明する。
【００５１】
図３に示すように、前記相関器１１ａは、Ｈ系アンテナ２ａとＶ系アンテナ２ｂの信号相互間で相関演算を行う。前記相関器１１ａによる相関処理により、遠方界にあるターゲットからの放射信号に対しては、Ｈ系アンテナ２ａとＶ系アンテナ２ｂで受信された信号間の、入射方向による位相差が検出され、全アンテナ２ａ，２ｂ間の相関を求めることにより、アンテナ面１に入射される全受信信号のベクトル合成された位相面を求める。
【００５２】
前記相関器１１ａはＨ系アンテナ２ａとＶ系アンテナ２ｂの全ての組み合わせについて相関演算を行い、図３に示すように二次元の相関データＤ４を取得する。前記積分器１１ｂは、前記相関器１１ａで相関処理された信号を長時間積分処理し、図３に示すような積分データＤ５を取得する。前記積分器１１ｂによる積分の結果、Ｔ型アンテナ２に対応した前記受信装置の内部で発生する内部雑音が抑圧され、内部雑音レベル以下の非常に微弱な受信信号も画像化することができる。同時に受信処理表示部３内の共通的なスプリアスが存在する場合、そのスプリアスは相関積分処理で抽出される。そのため、受信処理表示部３の局部発信信号としては、共通信号源の逓倍信号ではなく、フェーズドロック発信器等による位相が同期した独立の発信信号を使うことが望ましい。
【００５３】
前記積分器１１ｂから出力される積分データは、アンテナ位相特性補正部１２で二次元の補正関数が複素乗算され、アンテナの機械的歪みや、ケーブル長の歪みによる位相歪み成分が補正され、画像化処理部１３に出力される。
【００５４】
前記画像化処理部１３は、前記アンテナ位相特性補正部１２からのデータを処理して、表示部１５にターゲット４の画像データを表示させる。
【００５５】
アンテナ面１は、寒暖の差、或いは製造誤差等により歪みが発生する。前記歪みがアンテナ面１に発生すると、そのアンテナ面１に搭載されたＴ型アンテナ２の物理的な位置関係がずれてしまう。その結果、図５に示すように、計算で求められたＴ型アンテナ２が受信する電波の位相面Ｔ１と、実測した電波の位相面Ｔ２とがずれてしまい、高精度な画像データを取得することが不可能となる。例えば、ミリ波帯の９４GHzを使用した場合、８７ミクロン歪むと、１０度の位相誤差が生じて画像の劣化となって現れる。この誤差を修正するため、校正信号発信部５の出力をＴ型アンテナ２で受信し、その受信位相と理論値の差分を制御部１４で計算し、アンテナ位相特性補正部１２で補正を行う。
【００５６】
上記位相補正の理論値は次のように計算する。ターゲット４からＴ型アンテナ２までの距離Ｒを波長λで割ったものがＴ型アンテナ２で受信する電波の位相φであることに鑑み、ターゲット４からＴ型アンテナ２までの距離Ｒを波長λで割った計算式すなわち、φ＝Ｒ／λに基づいて、計算される。
【００５７】
次に、本発明の実施形態において、図１に示すように、Ｔ型アンテナ２に対してターゲット４が近傍界の距離Ｒ１に位置する場合の画像化処理について説明する。
【００５８】
縦系と横系のアンテナ２ａ、２ｂで受信されたターゲット４からの放射信号は、相関器１１ａ及び積分器１１ｂで縦系と横系のアンテナ２ａ，２ｂの受信信号が相関演算される。図３において、積分器１１ｂで出力される２次元の相関データは、遠方界にターゲットがある場合は現実のアンテナ面上の位相面分布を表しているが、ターゲットが近傍界にある場合は現実の位相面パターンとまったく異なる合成位相面となっている。したがって、前記相関データからターゲット４の画像を得るためには、参照関数を用いた相関処理を行う必要がある。
【００５９】
前記参照関数を用いた処理は、画像化処理部１３で行われる。すなわち、画像化処理部１３は図６に示すように、ターゲット４がある距離（焦点化する距離）Ｒ１を推定し、その距離Ｒ１で、視野面Ｓのある1点に電波源となる点ターゲットＴ１（ｘ１，ｙ１）が存在したときのアンテナ面１における位相φ（φＨｎ，φＶｎ）を計算する。位相φは、Ｒ１／λから求める。
【００６０】
前記画像化処理部１３は、前記位相の信号を縦系及び横系のアンテナ２ａ，２ｂで受信し、相関処理したとして計算した出力を参照関数として生成する。そして、前記画像化処理部１３は、前記参照関数と、実際に受信処理した相関積分出力の相関（共役複素数の乗算をして積分）を取ったものを、最初に仮定した点ターゲットの位置の出力成分とするマッチ＆フィルタ処理を行う。
【００６１】
以上説明した処理を画像化する視野面Ｓの全面で行い、前記画像化処理部１３は、視野内の画素ごとに、ターゲットが焦点とする距離にあると想定して理論的に生成した受信信号を参照関数とし、前記Ｔ型アンテナが受信した球面波の相関処理出力と参照関数との相関を取ってターゲットを画像化し、その画像信号を表示部１５に出力する。
【００６２】
したがって、本発明の実施形態によれば、例えば９４ＧＨｚ帯のミリ波高周波を受信してターゲットの監視等を行うパッシブ方式において、Ｔ型アンテナに対するターゲットの距離の如何に拘わらず、明瞭な画像データを取得することができる。さらに、アンテナや受信系が環境温度変化や機械的歪みを受け、受信信号が位相歪みを受けても、歪みによる位相補正を行って、常に高精細の画像データを取得できる。
【００６３】
さらに、画像化に利用する信号周波数帯域内の位相特性がアンテナ素子毎に異なっていても、位相補正で常に高精細な画像を生成することができる。これは、ハードウェアの要求仕様を緩和し、かつ画像化に使用できる周波数帯域を広げる事ができ、高感度化も実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上説明したように本発明によれば、例えば９４ＧＨｚ帯のミリ波高周波を受信してターゲットの監視等を行うパッシブ方式において、Ｔ型アンテナに対するターゲットの距離の如何に拘わらず、明瞭な画像データを取得することができる。
アンテナ歪み補正、信号帯域内位相補正機能を有するため、ハードウェアの実現性が高く、かつ製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態に係るミリ波画像処理装置の運用構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るミリ波画像処理装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るミリ波画像処理装置の相関積分処理とアンテナ位相特性補正処理を示す構成図である。
【図４】本発明の実施形態に係るミリ波画像処理装置の信号周波数帯域内位相補正の動作を説明する図。
【図５】実測値と理論値の位相のずれを説明する図である。
【図６】参照関数を用いた処理を説明する図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ アンテナ面
２ Ｔ型アンテナ
３ 受信処理表示部
４ ターゲット
５ 構成信号発生部
６ ＬＮＡ
７ 周波数変換部
８ ＬＰＦ
９ Ａ／Ｄ変換部
１０ 周波数帯域内位相特性補正部
１１ａ 相関器
１１ｂ 積分器
１２ アンテナ位相特性補正部
１３ 画像化処理部
１４ 制御部
１５ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動する又は静止している対象物が放射または反射するミリ波の電磁波を受信して、ターゲットとしての前記対象物の画像情報を得るミリ波画像処理装置及びミリ波画像処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人体等は、赤外線と共にミリ波を放射している場合がある。また、すべての物体は、その温度と放射係数により決定される強度でミリ波帯の電磁波を放射および反射している。ミリ波の水蒸気及び物質に対する透過性は、赤外線の水蒸気及び物質に対する透過性よりも高い。このようなミリ波を受信して画像処理を行うことにより、霧で視程が遮られた遠方の景色や、厚いコートを着用した近傍の人体等をターゲットとして監視をすることができる。例えば、航空機が霧の中を着陸したり、空港などでセキュリテイゲートを通過する搭乗者などを監視したりする場合である。
【０００３】
このようなターゲットを監視する方式としては、特許文献１に示すように、高精度な視野画像を取得して、監視を行う方式が提案されていた。特許文献１に示された技術は、高精度になるにつれて視野内の画像スキャンに時間がかかり移動対象物の画像化が困難になるのに対し、受信素子を複数設置して、スキャンの高速化を図ったものであった。
【０００４】
特許文献１において、画像を高精度化するには、アンテナの開口径を大きくする必要がある。しかしながら、ミリ波帯の大型アンテナは、非常に高い工作精度が要求され、その製造が難しく、また、使用環境の温度変化による熱膨張歪み誤差が無視できない。さらに、これらのアンテナは遠方界で十分な指向性と利得が出るように設計されているため、対象物が近距離にある場合には、分解能は却って低下してしまう。さらに、大型の高分解能アンテナで一定の視野角内をスキャンするためには、ビーム幅が鋭くなるほど、分解能あたりの積分時間が十分に得られず、感度が低下するなど、高精度な画像を得るのは困難であった。
【０００５】
そこで、特許文献２に示すように、アンテナの微少な歪み，接続ケーブルの温度特性などによる誤差の影響を抑えたレーダ装置が開発されている。特許文献２に示された技術は、対象物からのミリ波を２次元平面アンテナで受信し、その受信信号をＡ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換し、そのデジタル信号に対して信号処理部で信号処理して画像データを取得するものである。そして、前記特許文献２では、測定に先立ち、校正信号源から校正信号を出力し、信号処理部の補正器にて位相補正データを得て、測定データの補正を行っている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−３３１７２５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７７１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に示す処理方式では、遠方に位置するターゲットを監視する場合には、ターゲットからの放射信号は平面波と見なして、十分な高分解能画像を生成できるが、近傍界に位置するターゲットを監視する場合には、アンテナに入射するターゲットからの信号は距離が近いため、平面波とは見なせず、画像のボケを生じるという問題があった。
【０００８】
また、受信処理周波数帯域幅が広いほど高感度での受信が実現できるが、ミリ波のアンテナから受信部、さらにデジタル信号に変換するまで、全アンテナ系統の周波数帯域内の位相遅延量が同一でなければならない。これは、装置の製造を難しく高価にしていた。
【０００９】
本発明の目的は、ターゲットがアンテナ開口サイズに比べて十分遠くにある遠方界では従来とおりの２次元フーリエ変換処理で高精度画像を生成し、ターゲットが近くの近傍界では参照関数による相関処理で画像化を行い、高精度画像を生成できるミリ波画像処理装置及びミリ波画像処理方法を提供することにある。
【００１０】
さらに、本発明の目的は、装置の製造を容易にするため、全アンテナ系統の画像化に使用する全信号帯域に対する位相遅延量が揃っていなくても、系統毎に自由に補正が行え、位相特性を揃えることができるミリ波画像処理装置及び画像処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る画像処理方式を図１に基づいて説明する。二次元に展開されたアンテナとして、図１に示すように、縦系、横系に配列された複数のアンテナ２がアンテナ面１にＴ字型に配列されているものを例として考える。Ｔ字型以外にもＬ字型、三角形などいろいろな形が可能である。以下、アンテナ面１にＴ字型に配列された複数のアンテナ２を総称してＴ型アンテナ２という。
【００１２】
本発明においては、信号帯域内位相補正とアンテナ位相補正の２つの位相補正方式と、ターゲットの距離により遠方界画像化処理または近傍界画像化処理を組み合わせて高精細なターゲットの画像化を可能にする。
【００１３】
ところで、アンテナ面１は、環境温度の変化寒暖の差、或いは製造誤差等により完全な平面ではなく、歪みが発生する。前記歪みがアンテナ面１に発生すると、そのアンテナ面１に搭載されたＴ型アンテナ２の物理的な位置関係がずれてしまい、Ｔ型アンテナ２が受信する電波の位相にずれが発生し、高精度な画像データを取得することが不可能となる。
【００１４】
そこで、本発明の位相補正方式においては、ターゲット４からＴ型アンテナ２までの距離Ｒを波長λで割ったものがＴ型アンテナ２のそれぞれのアンテナで受信する電波の位相φであることに鑑み、校正信号発生部５からＴ型アンテナ２のそれぞれのアンテナまでの距離Ｒを波長λで割った計算式、すなわち、φ＝Ｒ／λに基づいて、Ｔ型アンテナ２のそれぞれのアンテナが受信する電波の位相を求めて置く。そして、実測した電波の位相と、計算された電波の位相との差を求め、アンテナ面１の歪み、すなわち、Ｔ型アンテナ２のそれぞれのアンテナが受信する電波の位相を補正する。
【００１５】
前記実測した電波の位相の情報は、次のようにして取得する。すなわち、Ｔ型アンテナ２のそれぞれのアンテナに対する校正信号発生部５からの距離及び位置が既知であるから、前記校正信号発生部５からミリ波帯の微弱電波をＴ型アンテナ２に向けて発射し、その電波をＴ型アンテナ２のそれぞれのアンテナで受信し、Ａ／Ｄ変換後、Ｔ型アンテナ２の全アンテナの信号間で相関積分処理をすることにより、各アンテナ間の位相差の実測データが得られる。
【００１６】
前記実測位相情報と、理論計算で求めた位相情報の差分から、各アンテナの位置歪み、受信系の電気長差（位相遅延）による位相歪み量を推定し、アンテナ位相歪み補正関数を作成し、観測時の信号を補正する。
【００１７】
もう一つの画像の劣化原因となる位相歪みに信号周波数帯域位相歪みがある。これは、それぞれＴ型アンテナ２のアンテナの受信系において、Ｔ型アンテナからＡ／Ｄ変換までの受信帯域内の周波数により決定される位相特性がＴ型アンテナ２の縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂ毎に異なることによる。この位相特性は、校正信号発生部５を用いて計測することができる。上記と同じ試験校正で発信周波数を信号帯域内で上限から下限周波数まで変化させ、基準とする縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂでの受信信号の組み合わせで相関積分処理を行うことにより、縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂの位相周波数特性Ｄ１を計測する。そして、図４に示すように、その特性Ｄ１の逆周波数特性のフィルタ関数Ｄ２をフーリエ変換して、時間関数のフィルタ係数Ｄ３を生成し、Ａ／Ｄ変換後のデータにトランスバーサルフィルタとして演算を行い、信号周波数帯域内位相補正を行う。
【００１８】
次に、ターゲット４とＴ型アンテナ２の距離に応じて、Ｔ型アンテナ２が受信するターゲット４からの電波について考察し、画像化処理部１３による画像化処理を切り替える。
【００１９】
すなわち、図１に示すように、Ｔ型アンテナ２が搭載されたアンテナ面１の開口寸法をＤとし、Ｔ型アンテナ２からターゲット４までの距離をＲとすると、Ｒ＜２Ｄ２／λの場合、すなわち、近傍界の場合（距離Ｒ１）、Ｔ型アンテナ２が受信する電波は球面波となる。Ｒ＞２Ｄ２／λの場合（距離Ｒ２）、すなわち、遠方界の場合、Ｔ型アンテナ２が受信する電波は平面波としてみなすことができる。
【００２０】
アンテナ面１の開口寸法を５０ｃｍとし、ターゲット４からの電波の周波数を９４ＧＨｚとすると、波長λは約３ｍｍとなるから、距離Ｒ＝｛２×（０．５）２｝／０．０００３＝１６６．７ｍとなる。したがって、ターゲット４とＴ型アンテナ２の間の距離を約１００ｍ以上に設定しないと、アンテナ面１の開口寸法が５０ｃｍであるＴ型アンテナ２でターゲット４からの電波を平面波として画像化することができなくなる。ターゲット４が近傍界、例えば５〜６ｍの位置にある場合には、従来の二次元FFTによる画像化では、ボケが生じる。
【００２１】
そこで、本発明に係るミリ波画像処理装置の画像化処理では、アンテナ面１の開口寸法に基づいて、Ｔ型アンテナ２が受信する電波の種類、すなわち球面波，平面波を、Ｔ型アンテナ２とターゲット４の間の距離Ｒに対応させて特定し、Ｔ型アンテナ２に対するターゲット４の距離に応じて、Ｔ型アンテナ２が受信する電波の種類が球面波である場合と、平面波である場合とに切り替えることにより、処理を使い分けることにしたものである。
【００２２】
すなわち、本発明に係るミリ波画像処理装置は、ターゲットが放射する電波を受信するＴ字型アンテナと、前記Ｔ字型アンテナが受信した信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換されたデータのうち、横系の変換出力と縦系の変換出力の信号の組み合わせで相関処理を行う相関処理部と、視野内の画素ごとに、ターゲットが焦点とする距離にあると想定して理論的に生成した受信信号を参照関数とし、前記Ｔ型アンテナが受信した球面波の相関処理出力と参照関数との相関を取ってターゲットを画像化する画像化処理部を有することを特徴とするものである。
【００２３】
また、前記Ａ／Ｄ変換部の出力を、あらかじめ測定された位相補正関数によるトランスバーサルフィルタで位相補正を行い、各アンテナ間の位相特性を揃える周波数帯域内位相特性補正部を有している。また、校正信号発信部からの受信処理位相実測値と理論値の電波の位相差に基づいて生成したアンテナ位相歪み補正関数を用いて、受信信号の位相歪みを補正するアンテナ位相特性補正部を有している。
【００２４】
本発明によれば、ターゲットからの電波を受信し、前記受信した信号をＡ／Ｄ変換する。そして、前記Ａ／Ｄ変換されたデータにＴ型アンテナ２の縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂの位相特性が等しくなるような周波数帯域内位相補正演算を行った後、横系の変換出力と縦系の変換出力の信号の組み合わせで相関処理を行う。さらに、校正信号発生部５の電波を受信したときの実測した相関出力位相と、校正信号発生部５の位置から計算した理論値の電波の位相との差に基づいて生成したアンテナ位相歪み補正関数を前記相関出力に複素乗算して、Ｔ型アンテナ２，接続ケーブルの歪み及び電気長（位相遅延）の変化を補正する。
【００２５】
前記位相歪み補正後の信号を画像処理部で処理を行い、ターゲットの形状の画像化を行う。この画像化を行う場合、遠方にある対象物を画像化するのと、近傍にある対象物を画像化するのでは方法が異なっている。
【００２６】
すなわち、遠方界のときは、T型アンテナ２の縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂで受信した信号の全ての組み合わせで相関処理した２次元出力データを二次元FFTすることにより、画像化処理を行う。これに対して、ターゲットが近傍界にあるときは、ターゲットが存在し、焦点を結ばせる距離の視野内の画素毎にターゲットがあると想定して理論的に相関処理後の受信信号を生成して参照関数とする。この参照関数は、画像化処理で出力される画素数分だけ準備される。そしてＴ型アンテナ２が受信した球面波の相関処理出力と前記参照関数との相関を取って画素毎の出力を計算し、ターゲット４の画像化処理を行う。
【００２７】
前記Ｔ字型アンテナは、横系と縦系とに複数のアンテナをＴ字状に配列し電波を受信する構成、或いは最低２組のアンテナを横系と縦系に直線状に移動させてＴ字状軌跡を形成することにより、電波を受信する構成のいずれを採用してもよいものである。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように本発明によれば、例えば９４ＧＨｚ帯のミリ波高周波を受信してターゲットの監視等を行うパッシブ方式において、縦、横の二次元に展開されたアンテナに対するターゲットの距離の如何に拘わらず、明瞭な画像データを取得することができる。さらに、アンテナや受信系が環境温度変化や機械的歪みを受け、受信信号が位相歪みを受けても、歪みによる位相補正を行って、常に高精細の画像データを取得できる。
【００２９】
さらに、画像化に利用する信号周波数帯域内の位相特性がアンテナ素子毎に異なっていても、位相補正で常に高精細な画像を生成することができる。これは、ハードウェアの要求仕様を緩和し、かつ画像化に使用できる周波数帯域を広げる事ができ、高感度化も実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。
図２に示すように、本発明の実施形態に係るミリ波画像処理装置は、受信処理表示部３と、校正信号発生部５とを有している。
【００３１】
前記校正信号発生部５は、前記受信処理表示部３の二次元に展開されたアンテナ２に対して既知の距離の位置に設置する。前記校正信号発生部５は、ターゲット４からのミリ波に相当する電波をアンテナ２に向けて発射する構成になっている。
【００３２】
前記受信処理表示部３は図１に示すように、二次元に展開されるアンテナの最も簡単な校正の一例として、１つのアンテナ面１に複数のアンテナ２をＴ字型に配列したアンテナを有している。以下、アンテナ面１にＴ字型に配列された複数のアンテナ２を総称してＴ型アンテナ２という。Ｔ型アンテナ２は、アンテナ面１の横方向に配列された複数の横系（Ｈ系）アンテナ２ａと、アンテナ面１の縦方向に配列された複数の縦系（Ｖ系）アンテナ２ｂとからなり、Ｈ系アンテナ２ａとＶ系アンテナ２ｂとは図１に示すようにＴ字状に組み合わされている。なお、図１に示すＴ字型アンテナ２は、横系と縦系とに複数のアンテナ２ａ，２ｂをＴ字状に配列して電波を受信する構成としたが、これに限られるものではない。最低２組のアンテナ２ａ，２ｂを横系と縦系に直線状に移動させてＴ字状軌跡を形成することにより、電波を受信する構成を採用してもよいものである。
【００３３】
前記受信処理表示部３に組み込まれるＴ型アンテナ２は、アンテナ毎にそれぞれほぼ等しい電気的仕様を有する受信装置を備えている。前記受信装置は図２に示すように、低雑音増幅器（ＬＮＡ）６と、周波数変換部７と、対をなすローパスフィルタ８ａ及び８ｂと、Ａ／Ｄ変換部９と、周波数帯域内位相特性補正部１０を備えている。これらの構成は、横系アンテナ２ａと縦系アンテナ２ｂの系列毎に独立に備えられている。
【００３４】
さらに、前記受信処理表示部３は、Ｔ型アンテナ２の全ての系列のデータを入力とする相関器１１ａ及び積分器１１ｂを備えている。そして、積分器１１ｂの出力信号の位相を補正するアンテナ位相特性補正部１２と、画像化処理部１３と、表示部１５と、位相特性関数を発生する制御部１４を備えている。
【００３５】
前記低雑音増幅器６は、前記Ｔ型アンテナ２から出力される受信信号を増幅する。前記周波数変換部７は、Ｔ型アンテナ２が受信する受信信号に対して、横系及び縦系の全アンテナ２ａ，２ｂの系列がコヒーレントになるように位相同期された局部発信信号で周波数変換を行い、それぞれのアンテナ２ａ，２ｂの受信信号からベースバンドの複素信号であるＩＱ信号（アナログ信号）を出力し、そのＩ信号を一方のローパスフィルタ８ａに、残りのＱ信号を他方のローパスフィルタ８ｂにそれぞれ出力する。
【００３６】
前記ローパスフィルタ８ａ，８ｂは、周波数変換部のＩＱ出力信号がＡ／Ｄ変換のサンプリング周波数に対し、サンプリング定理を満足するように帯域制限を行い、高周波成分を除去する。前記Ａ／Ｄ変換部９は、ローパスフィルタ８ａ，８ｂで高周波成分が除去されたアナログのＩＱ信号（受信信号）をデジタル信号にＡ／Ｄ変換する。
【００３７】
前記周波数帯域内位相特性補正部１０は、スルー状態で前記Ａ／Ｄ変換部９からのデジタル信号を相関処理部１１に出力すると共に、後述する制御部１４で時間関数のフィルタ係数Ｄ３が設定された際に、前記フィルタ係数Ｄ３に基づいて、Ｔ型アンテナ２で受信されて復調された前記Ａ／Ｄ変換部９からのデジタル信号について、画像化に使用するベースバンド周波数帯域内の位相特性が横系及び縦系の全アンテナ２ａ，２ｂの系列とも等しくなるようにトランスバーサルフィルタ演算を実行し、その出力信号を前記相関器１１ａ及び前記積算器１１ｂに出力する。
【００３８】
前記相関器１１ａ及び積分器１１ｂは、前記周波数帯域内位相特性補正部１０からの出力信号を、Ｈ系アンテナ２ａとＶ系アンテナ２ｂの信号、すなわち縦系の変換出力と横系の変換出力の組み合わせで相関積分処理を行う。
【００３９】
前記制御部１４は、積分器１１ｂからの出力を、縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂの系列間の未補正の位相特性データＤ１として取得し、前記未補正の位相特性データＤ１の逆周波数特性のフィルタ関数Ｄ２をフーリエ変換により時間関数のフィルタ係数Ｄ３として生成する。前記制御部１４は、縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂ系の周波数帯域内位相特性補正部１０に前記フィルタ係数Ｄ３を設定する。さらに、前記制御部１４は、前記位相特性データＤ１に基づいて、アンテナ位相特性補正関数Ｄ４を生成し、そのアンテナ位相特性補正関数Ｄ４をアンテナ位相特性補正部１２に設定する。
【００４０】
前記アンテナ位相特性補正部１２は、前記相関器１１ａ及び前記積算器１１ｂからの相関出力に前記アンテナ位相特性補正関数Ｄ４を複素乗算して、Ｔ型アンテナ２の歪み及び電気長（位相遅延）、アンテナ２と受信信号処理部３とを接続するケーブルによる歪み及び電気長（位相遅延）の変化を補正する。
【００４１】
前記画像化処理部１３は、前記制御部１４からの指令に基づいて、ターゲットとの距離により遠方界のとき使用する画像処理するための二次元FFT処理機能、近傍界のとき使用する画像処理するための参照関数生成機能と、前記Ｔ型アンテナ２が受信し処理された前記相関器１１ａ及び前記積分器１１ｂの相関出力と前記参照関数の相関を取ってターゲットを画像化する相関処理機能を有している。前記画像化処理部１３は、視野内の画素ごとに、点ターゲットが焦点とする距離にあると想定して理論的に生成した相関積分出力を前記参照関数として生成する。前記表示部１５は、前記画像化処理部１３からの表示信号を可視映像として表示する。
【００４２】
次に、図２に示す本発明の実施形態に係るミリ波画像処理装置を用いて、ターゲットからのミリ波について画像処理する場合について説明する。
【００４３】
先ず、本発明の実施形態において、Ｔ型アンテナ２が受信する電波が平面波である、すなわち、図１に示すように、ターゲット４がＴ型アンテナ２に対して遠方の距離Ｒ２の位置に存在する場合について説明する。
【００４４】
前記Ｈ系及びＶ系のＴ型アンテナ２で受信された信号は、それぞれ低雑音増幅器６で増幅され、その増幅後の受信信号が周波数変換部７にそれぞれ入力する。縦系及び横系の全てのアンテナ２ａ，２ｂに対応する周波数変換部７は、Ｔ型アンテナ２の受信信号を周波数変換し、ベースバンド周波数の信号（ベースバンド信号）に変換する。全ての低雑音増幅器６の電気長（位相遅延）は安定しており、全ての周波数変換部７は、縦系及び横系の全アンテナ２ａ，２ｂに渡って位相が完全に同期した局部発信信号を用いて前記周波数変換を行う。
【００４５】
Ａ／Ｄ変換部９は、複数の周波数変換部７からの前記ベースバンド信号を受け取ると、アナログ信号である前記ベースバンド信号をデジタル信号に変換し、そのデジタル信号であるベースバンド信号を周波数帯域内位相特性補正部１０に出力する。
【００４６】
前記周波数帯域内位相特性補正部１０は、スルーの状態で前記Ａ／Ｄ変換部９からのデジタル信号を相関処理部１１に出力すると共に、制御部１４からの補正関数に基づいて、デジタル信号としての前記ベースバンド信号にトランスバーサルフィルタ処理を行い、各アンテナ系列間のベースバンド帯域内の位相特性が一定になるように補正を行う。
【００４７】
前記補正関数は次のように生成する。まず、校正信号発生器５が発信周波数を信号帯域内で上限から下限周波数まで変化させ、Ｔ型アンテナ２に向けて照射する。前記周波数帯域内位相特性補正部１０がスルーの状態で出力した前記Ａ／Ｄ変換部９からのデジタル信号について、相関処理部１１で相関処理を行い、制御部１４は、積分器１１ｂからの出力を、縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂの系列間の未補正の位相特性データとして取得する。
【００４８】
前記制御部１４は図４に示すように、前記未補正の位相歪み特性データＤ１の逆周波数特性であるフィルタ関数Ｄ２をフーリエ変換により時間関数のフィルタ係数Ｄ３として生成する。前記制御部１４は、縦系及び横系アンテナ２ａ，２ｂに対応する全ての周波数帯域内位相特性補正部１０に前記フィルタ係数Ｄ３を設定する。前記周波数帯域内位相特性補正部１０は図４に示すように、前記フィルタ係数Ｄ３を用いて、Ａ／Ｄ変換後のデータにトランスバーサルフィルタとして演算を行い、信号周波数帯域内位相補正を行う。
【００４９】
前記相関器１１ａ、積分器１１ｂおよびアンテナ位相特性補正部での処理を図３に基づいて説明する。
【００５０】
先ず、前記相関器１１ａがＴ型アンテナ２のＨ系アンテナ２ａとＶ系アンテナ２ｂの受信信号間で相関処理を行う場合について説明する。
【００５１】
図３に示すように、前記相関器１１ａは、Ｈ系アンテナ２ａとＶ系アンテナ２ｂの信号相互間で相関演算を行う。前記相関器１１ａによる相関処理により、遠方界にあるターゲットからの放射信号に対しては、Ｈ系アンテナ２ａとＶ系アンテナ２ｂで受信された信号間の、入射方向による位相差が検出され、全アンテナ２ａ，２ｂ間の相関を求めることにより、アンテナ面１に入射される全受信信号のベクトル合成された位相面を求める。
【００５２】
前記相関器１１ａはＨ系アンテナ２ａとＶ系アンテナ２ｂの全ての組み合わせについて相関演算を行い、図３に示すように二次元の相関データＤ４を取得する。前記積分器１１ｂは、前記相関器１１ａで相関処理された信号を長時間積分処理し、図３に示すような積分データＤ５を取得する。前記積分器１１ｂによる積分の結果、Ｔ型アンテナ２に対応した前記受信装置の内部で発生する内部雑音が抑圧され、内部雑音レベル以下の非常に微弱な受信信号も画像化することができる。同時に受信処理表示部３内の共通的なスプリアスが存在する場合、そのスプリアスは相関積分処理で抽出される。そのため、受信処理表示部３の局部発信信号としては、共通信号源の逓倍信号ではなく、フェーズドロック発信器等による位相が同期した独立の発信信号を使うことが望ましい。
【００５３】
前記積分器１１ｂから出力される積分データは、アンテナ位相特性補正部１２で二次元の補正関数が複素乗算され、アンテナの機械的歪みや、ケーブル長の歪みによる位相歪み成分が補正され、画像化処理部１３に出力される。
【００５４】
前記画像化処理部１３は、前記アンテナ位相特性補正部１２からのデータを処理して、表示部１５にターゲット４の画像データを表示させる。
【００５５】
アンテナ面１は、寒暖の差、或いは製造誤差等により歪みが発生する。前記歪みがアンテナ面１に発生すると、そのアンテナ面１に搭載されたＴ型アンテナ２の物理的な位置関係がずれてしまう。その結果、図５に示すように、計算で求められたＴ型アンテナ２が受信する電波の位相面Ｔ１と、実測した電波の位相面Ｔ２とがずれてしまい、高精度な画像データを取得することが不可能となる。例えば、ミリ波帯の９４GHzを使用した場合、８７ミクロン歪むと、１０度の位相誤差が生じて画像の劣化となって現れる。この誤差を修正するため、校正信号発信部５の出力をＴ型アンテナ２で受信し、その受信位相と理論値の差分を制御部１４で計算し、アンテナ位相特性補正部１２で補正を行う。
【００５６】
上記位相補正の理論値は次のように計算する。ターゲット４からＴ型アンテナ２までの距離Ｒを波長λで割ったものがＴ型アンテナ２で受信する電波の位相φであることに鑑み、ターゲット４からＴ型アンテナ２までの距離Ｒを波長λで割った計算式すなわち、φ＝Ｒ／λに基づいて、計算される。
【００５７】
次に、本発明の実施形態において、図１に示すように、Ｔ型アンテナ２に対してターゲット４が近傍界の距離Ｒ１に位置する場合の画像化処理について説明する。
【００５８】
縦系と横系のアンテナ２ａ、２ｂで受信されたターゲット４からの放射信号は、相関器１１ａ及び積分器１１ｂで縦系と横系のアンテナ２ａ，２ｂの受信信号が相関演算される。図３において、積分器１１ｂで出力される２次元の相関データは、遠方界にターゲットがある場合は現実のアンテナ面上の位相面分布を表しているが、ターゲットが近傍界にある場合は現実の位相面パターンとまったく異なる合成位相面となっている。したがって、前記相関データからターゲット４の画像を得るためには、参照関数を用いた相関処理を行う必要がある。
【００５９】
前記参照関数を用いた処理は、画像化処理部１３で行われる。すなわち、画像化処理部１３は図６に示すように、ターゲット４がある距離（焦点化する距離）Ｒ１を推定し、その距離Ｒ１で、視野面Ｓのある1点に電波源となる点ターゲットＴ１（ｘ１，ｙ１）が存在したときのアンテナ面１における位相φ（φＨｎ，φＶｎ）を計算する。位相φは、Ｒ１／λから求める。
【００６０】
前記画像化処理部１３は、前記位相の信号を縦系及び横系のアンテナ２ａ，２ｂで受信し、相関処理したとして計算した出力を参照関数として生成する。そして、前記画像化処理部１３は、前記参照関数と、実際に受信処理した相関積分出力の相関（共役複素数の乗算をして積分）を取ったものを、最初に仮定した点ターゲットの位置の出力成分とするマッチ＆フィルタ処理を行う。
【００６１】
以上説明した処理を画像化する視野面Ｓの全面で行い、前記画像化処理部１３は、視野内の画素ごとに、ターゲットが焦点とする距離にあると想定して理論的に生成した受信信号を参照関数とし、前記Ｔ型アンテナが受信した球面波の相関処理出力と参照関数との相関を取ってターゲットを画像化し、その画像信号を表示部１５に出力する。
【００６２】
したがって、本発明の実施形態によれば、例えば９４ＧＨｚ帯のミリ波高周波を受信してターゲットの監視等を行うパッシブ方式において、Ｔ型アンテナに対するターゲットの距離の如何に拘わらず、明瞭な画像データを取得することができる。さらに、アンテナや受信系が環境温度変化や機械的歪みを受け、受信信号が位相歪みを受けても、歪みによる位相補正を行って、常に高精細の画像データを取得できる。
【００６３】
さらに、画像化に利用する信号周波数帯域内の位相特性がアンテナ素子毎に異なっていても、位相補正で常に高精細な画像を生成することができる。これは、ハードウェアの要求仕様を緩和し、かつ画像化に使用できる周波数帯域を広げる事ができ、高感度化も実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上説明したように本発明によれば、例えば９４ＧＨｚ帯のミリ波高周波を受信してターゲットの監視等を行うパッシブ方式において、Ｔ型アンテナに対するターゲットの距離の如何に拘わらず、明瞭な画像データを取得することができる。
アンテナ歪み補正、信号帯域内位相補正機能を有するため、ハードウェアの実現性が高く、かつ製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態に係るミリ波画像処理装置の運用構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るミリ波画像処理装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るミリ波画像処理装置の相関積分処理とアンテナ位相特性補正処理を示す構成図である。
【図４】本発明の実施形態に係るミリ波画像処理装置の信号周波数帯域内位相補正の動作を説明する図。
【図５】実測値と理論値の位相のずれを説明する図である。
【図６】参照関数を用いた処理を説明する図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ アンテナ面
２ Ｔ型アンテナ
３ 受信処理表示部
４ ターゲット
５ 構成信号発生部
６ ＬＮＡ
７ 周波数変換部
８ ＬＰＦ
９ Ａ／Ｄ変換部
１０ 周波数帯域内位相特性補正部
１１ａ 相関器
１１ｂ 積分器
１２ アンテナ位相特性補正部
１３ 画像化処理部
１４ 制御部
１５ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットからの電波を受信する２次元に配列したアンテナと、
前記アンテナが受信した信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記Ａ／Ｄ変換されたデータ信号の組み合わせで相関処理を行う相関処理部と、
視野内の画素ごとに、ターゲットが焦点とする距離にあると想定して理論的に生成した受信信号を参照関数とし、前記アンテナが受信した信号の相関処理出力と参照関数との相関を取ってターゲットを画像化する画像化処理部を有することを特徴とするミリ波画像処理装置。
【請求項２】
前記Ａ／Ｄ変換部の出力を、あらかじめ測定された位相補正関数によるトランスバーサルフィルタで位相補正を行い、前記Ｔ型アンテナの縦系及び横系アンテナ間の位相特性を揃える周波数帯域内位相特性補正部を有することを特徴とする請求項１に記載のミリ波画像処理装置。
【請求項３】
校正信号発信部からの受信処理による実測値の位相と理論値の電波の位相との差に基づいて生成したアンテナ位相歪み補正関数を用いて、受信信号の位相歪みを補正するアンテナ位相特性補正部を有することを特徴とする請求項１に記載のミリ波画像処理装置。
【請求項４】
前記アンテナとして、横系と縦系とに複数のアンテナをＴ字状に配列したＴ型アンテナを用いたことを特徴とする請求項１に記載のミリ波画像処理装置。
【請求項５】
前記アンテナとして、アンテナを横系と縦系に直線状に移動させてＴ字状軌跡を形成することにより、時分割に電波を受信するアンテナを用いたことを特徴とする請求項１に記載のミリ波画像処理装置。
【請求項６】
ターゲットからの電波を受信する受信ステップと、
前記受信した信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換ステップと、
前記Ａ／Ｄ変換されたデータのうち、横系の変換出力と縦系の変換出力の信号の組み合わせで相関処理を行う相関処理ステップと、
視野内の画素ごとにターゲットが焦点とする距離にあると想定して理論的な受信信号を参照関数として生成する参照関数生成ステップと、
Ｔ型アンテナで受信した球面波のアンテナ間の相関出力と前記参照関数との相関を取ってターゲットの画像を生成するマッチ＆フィルタステップを実行することを特徴とするミリ波画像処理方法。
【請求項７】
２組以上のアンテナを横系と縦系に直線状に移動させてＴ字状軌跡を形成することにより、電波を受信することを特徴とする請求項６に記載のミリ波画像処理方法。
【請求項１】
ターゲットからの電波を受信する２次元に配列したアンテナと、
前記アンテナが受信した信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記Ａ／Ｄ変換されたデータ信号の組み合わせで相関処理を行う相関処理部と、
視野内の画素ごとに、ターゲットが焦点とする距離にあると想定して理論的に生成した受信信号を参照関数とし、前記アンテナが受信した信号の相関処理出力と参照関数との相関を取ってターゲットを画像化する画像化処理部を有することを特徴とするミリ波画像処理装置。
【請求項２】
前記Ａ／Ｄ変換部の出力を、あらかじめ測定された位相補正関数によるトランスバーサルフィルタで位相補正を行い、前記Ｔ型アンテナの縦系及び横系アンテナ間の位相特性を揃える周波数帯域内位相特性補正部を有することを特徴とする請求項１に記載のミリ波画像処理装置。
【請求項３】
校正信号発信部からの受信処理による実測値の位相と理論値の電波の位相との差に基づいて生成したアンテナ位相歪み補正関数を用いて、受信信号の位相歪みを補正するアンテナ位相特性補正部を有することを特徴とする請求項１に記載のミリ波画像処理装置。
【請求項４】
前記アンテナとして、横系と縦系とに複数のアンテナをＴ字状に配列したＴ型アンテナを用いたことを特徴とする請求項１に記載のミリ波画像処理装置。
【請求項５】
前記アンテナとして、アンテナを横系と縦系に直線状に移動させてＴ字状軌跡を形成することにより、時分割に電波を受信するアンテナを用いたことを特徴とする請求項１に記載のミリ波画像処理装置。
【請求項６】
ターゲットからの電波を受信する受信ステップと、
前記受信した信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換ステップと、
前記Ａ／Ｄ変換されたデータのうち、横系の変換出力と縦系の変換出力の信号の組み合わせで相関処理を行う相関処理ステップと、
視野内の画素ごとにターゲットが焦点とする距離にあると想定して理論的な受信信号を参照関数として生成する参照関数生成ステップと、
Ｔ型アンテナで受信した球面波のアンテナ間の相関出力と前記参照関数との相関を取ってターゲットの画像を生成するマッチ＆フィルタステップを実行することを特徴とするミリ波画像処理方法。
【請求項７】
２組以上のアンテナを横系と縦系に直線状に移動させてＴ字状軌跡を形成することにより、電波を受信することを特徴とする請求項６に記載のミリ波画像処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２５６１７１（Ｐ２００７−２５６１７１Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８３１１９（Ｐ２００６−８３１１９）
【出願日】平成１８年３月２４日（２００６．３．２４）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２４日（２００６．３．２４）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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