Wide-band electromagnetic-wave imaging apparatus
专利汇可以提供Wide-band electromagnetic-wave imaging apparatus专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a simple electromagnetic-wave imaging apparatus which assists an ultrasonic diagnostic apparatus by by sampling-converting the A-mode code signal of an ultrawide-band radar and making the frequency and time length suitable to the input to the ultrasonic diagnostic apparatus, and inputting them to its receiving and image acquisition system.
SOLUTION: A high-frequency oscillator 1 gives carriers in a VHF region to a step recovery diode 2, and they are converted into short repetitive pulses which have energy in a millimeter-wave region. The pulses are amplified properly by a transmitting amplifier 3 so as to reach the primary radiator 5 of the element antenna via a circulator 4. The electromagnetic-wave echo of a target 8 is received in a reverse route, it is amplified properly by a receiving amplifier 11 via the circulator 4, and it is sampled one time or higher at every repetitive cycle by a sampler diode 12 so as to be changed into a sample point row signal.
COPYRIGHT: (C)2000,JPO，下面是Wide-band electromagnetic-wave imaging apparatus专利的具体信息内容。
【発明の詳細な説明】
【０００１】 空中の電磁波と水中（人体中）の超音波を比較すると、伝搬速度の点で約１０の５乗の開きがあるが、最近、両者ともパルスエコー方式の観測系の比帯域幅で少なくとも数十％、場合によっては１００％以上にも及ぶ広帯域観測系が実用比されている。 すなわち数ＧＨｚ−数十ＧＨｚ程度の領域のＵｌｔｒａ Ｗｉｄｅ
ｂ ａｎｄ Ｒａｄａｒの研究領域においては、至近距離（数百波長程度まで）において数波長程度以下の距離分解能をもったＡモードエコー観測系が研究発表されている。 が、これをリアルタイムＢモード画像観察やドプラ計測に具体的に応用した例は知られていない。 一方超音波診断装置は２−１０ＭＨｚ程度の超音波を使用するが、振動子アレイや送受信機、ビームフォーマー（整相加算系）を含めた系全体でその程度の比帯域幅は既に汎用技術であり、産婦人科、内科等では２−３波長程度の距離および方位分解能を持った“極短距離リアルタイムソーナー”として日常の臨床診断上必要不可欠の道具とされてる。
【０００２】 本研究の提唱および実証したいのは、前者（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅｂ ａｎｄ Ｒａｄａｒ）のＡモードエコー信号をサンプリング変換して周波数および時間長を後者の入力に適するようにして後者の受信、
画像獲得系に入力する事でその技術を援用する事でもって簡易な電磁波イメージング装置として利用せんとするものである。 言い換えれば後者のアレイ探触子の代りに接続される所の、電磁波エコー信号群を超音波と類似の周波数領域および時間長に変換して与えるサンプリング変換器を含むＵｌｔｒａ Ｗｉｄｅｂ ａｎｄ Ｒａｄ
ａｒの送受信機ないしそのアレイ、および対応する簡易なアンテナないしアレイアンテナを実現せんとするものである。
【０００３】 一例として、腹部用ないし心臓用の２−
４ＭＨｚ領域の探触子を用いている超音波診断装置を流用して、２０−４０ＧＨｚ領域のＵｌｔｒａ Ｗｉｄｅ
ｂ ａｎｄ Ｒａｄａｒの各アンテナエレメントの送受信機のエコーを時間ずらしサンプリングにより時間軸変換して与えると、到達距離数数メートルの極短距離高分解能レーダーが得られる。 ここで、どちらの場合も１５
−３０ｆｒａｍｅ／ｓｅｃのリアルタイムＢモード像が容易に得られ、また到達限界距離は周波数によらず波長の数で言って数百波長、人体内部の超音波の場合は１５
ないし２０ｃｍ、空中のミリ波電磁波の場合は５−７ｍ
程度となる事が特徴である。 ここで、信号の時間軸伸長変換比および使用波長（周波数）は原理上は任意であり、広範囲な用途に適する様に再設計する事ができる。
【０００４】 以下図面を引用しつつ本発明の１実施例を解説する。 図１は本発明の好ましい実施例の１つを示すブロック図であって、これにはアレイ型イメージングシステムの１エレメント分しか描いてないが、同業者、
経験者、有識者には１エレメント分の構成図でアレイイメージングシステム全体を類推する事は容易であるから、以下先ず１エレメント分の送受信電子装置を説明する。
【０００５】 図１において、高周波発振器（１）は適切な周波数（例えば４０ＭＨｚ）と電力（例えば数十ないし数百ｍＷ）のＶＨＦ領域のキャリヤをステップリカバリーダイオード（２）に与えてこれをミリ波領域（例えば１０−６０ＧＨｚ）にエネルギーを持ち前記キャリヤと同じ繰り返し周波数の短い繰り返しパルスに変換せしめる。 この繰り返しパルスは送信アンプ（３）により適宜増幅され、サーキュレーター（４）を経由してエレメントアンテナの１次放射器（５）に至る。 エレメントアンテナは必要に応じて反射器（６）やレンズ（７）を具備し、また回転台（９）に搭載される事もある。
【０００６】 観測対象物であるターゲット（８）の投げ返して来る電磁波エコーは逆の経路で受信され、サーキュレーター（４）を経由、受信アンプ（１１）によ適宜増幅され、サンプラーダイオード（１２）により繰り返し周期ごとに少なくとも１回サンプリングされ、その結果、該繰り返し周期をサンプリング周期とするサンプル点列信号となる。 サンプリングの時刻（ないし位相）
をキャリヤとは相対的に徐々に遅らせてゆくと結果として得られるサンプル点列信号は前記のミリ波電磁波エコー信号をサンプリング変換で時間軸伸長してＭＨｚ領域の高周波信号と成した物となる。 このサンプル点列信号は原理的には直流からサンプリングレートの１／４までの周波数帯域を基底帯域とするアナログ信号と理解されるが、ここまでの送受信信号伝達系全体の特性を相似的に反映する事になるため実質帯域幅はさらに狭く、この場合、例えば１ＭＨｚから６ＭＨｚ程度に分布する。 これは超音波診断装置が体内に向けて送受信する超音波信号のスペクトラムと酷似している事に注目せねばならない。 そこでこのサンプル点列信号をナイキストフィルタの機能を兼ねる適当な帯域制限フィルタ（１３）により振似的な超音波エコー様の信号と成し、超音波診断装置（１６）の受信入力に供給する。
【０００７】ここで電磁波エコー信号の時間軸伸延のスケールファクターは送信パルスの時刻と受信サンプリングの時刻のずれを変化させる速さにより決り、この場合、例えば４０００回分のミリ波送信パルスに対応する４０００回分の電磁波エコーを用いてサンプリングの時刻をずらしながら１回分の疑似超音波エコーを作成するようにするならば、本質的に１サンプル毎に（４０ＭＨ
ｚの逆数で）２５ｎＳの時間を電磁波側のパルスエコー行程の１回分として用いる事になり、これは空間の電磁波伝搬距離にして往復合計で３０ｍ、エコー探査としての覆域の片道距離はその半分の１５ｍまでとなる。 ただし実際にはアンテナや給電線の内部での遅延とかがマスクして生ずる死感帯が一部に発生するので実際の履域はこれよりやや短い。 一方伸延された側では４０ｎＳのサンプリングレートで４０００サンプルが１セットとなり繰り返し周期を１６０μＳとする伸延エコー信号が疑似超音波エコー信号として得られる。 図中の（１５）はこの作業に必要なサンプリング時刻を順次ずらして行くための可変遅延回路、（１４）はこの行程をして後段において援用する超音波診断装置の超音波送信行程との協調をとらしめるためのタイミングコントローラーである。
即ち該タイミングコントローラー（１４）においては超音波診断装置の送信行程に合せてサンプラーダイオード（１２）におけるサンプリングとミリ波パルスの送信とが一致する様に可変遅延回路（１４）の制御パターンの設定時刻をセットする。 すなわち超音波診断装置の送信実行の時刻から時間が経過するに従ってミリ波側では電磁波エコーのサンプリング時刻を電磁波パルスの送信時刻から比例的に遅らせて行き、超音波側の１周期で１巡して元に戻る事になる。
【０００８】かかるサンプリング変換でもって高度に繰り返し性の信号から時間軸伸延した信号を得る場合、変換して得られた信号の比帯域幅は元の信号の物と本質的に同じであり、高々サンプラーのアパーチュアが有限幅である事のみが高域低下として効く。 そこで、得られた疑似超音波エコー信号を超音波診断装置に入力するにつけて最も肝要な点は、エコー信号として画像化可能な有効情報量の損失を最低限に維持する事であり、そのためには超音波診断装置側の能力を十分に生かし切る必要がある。 そのためにはパルスエコー観測系としての比帯域幅がもとより大きい超音波診断装置の特性を電磁波側の帯域制限性により制限してはならない。 前者の値は産婦人科などで汎用される普通の技術常識的なレベルで探触子の特性も合め７０％ないし１００％近くもあり、１３
０％以上の設計も稀ではない。 本実施例の様な系では電磁波側での帯域制限要素の最も支配的なのはアンテナ（エレメントアンテナ）であり、次が送信パルスのスペクトラムと受信系の、特にサンプラーの時間アパーチュアに由来する周波数特性であり、適切な設計によればそれら以外の要素はあまり支配的でない様にする事ができる。
【０００９】そこで本実施例ではサンプリング変換の結果のサンプル点列信号が理想的なナイキストフィルタで連続信号に直された結果において、後続の超音波診断装置の受信系の持つ周波数特性のみが支配的であり得る程度の広帯域性を確保するように、特にアンテナ系の帯域制限性に留意している。 適切な設計例の１つにおいては、１次放射器（５）として自己補対アンテナ（ｓｅｌ
ｆ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｙ ａｎｔｅｎｎａ）が用いられている。 自己補対アンテナの一例としてはスパイラルアンテナ、ボータイ（蝶ネクタイ）アンテナ、自己補対的（逆補対的ではない）対数周期アンテナなどがある。 これらの自己補対構造においては通過域の比帯域幅１００％は常識技術により容易に得られる特性であり、３００％とかも難なく可能である。
【００１０】また１次放射器が如何に広帯域でも反射器やレンズが顕著な周波数特性を持ってはならない。 本実施例においては反射器（６）は只の金属板でありグレーティング構造などによる回折効果を利用した物ではないので、周波数毎に伝達時間メインローブが変わる様な物ではない。 またレンズ（７）は光学的な意味で只の凸レンズであり、その採用する誘電体も使用域で本質的に色がなく無色透明なテフロン（登録商標）とかポリエチレンとかで出来ている。
【００１１】 以上のような構成上の工夫により、本実施例では、電磁波（ミリ波）信号測からサンプリング変換を介して疑似超音波信号側までを通しで考えて、超音波診断装置（１６）の図示せぬ内部周波数特性が唯一支配的である様に設計されている。
【００１２】 このため援用する超音波診断装置の固有の能力が完全に利用され、得られるイメージの画質ないし獲得情報量が最高に維持される。
【００１３】 尚、以上の説明は単一のエレメントに関する物だが、これを用いてアレイ化して高速走査したりする事は同業者、経験者ないし有識者には常識技術の援用により容易に実施できる事である。 また逆に只の機械式スキャナとなる様に回転台（９）にさらにモーターおよびモーターコントローラー（１０）を外付してこれを別途援用された超音波診断装置（１６）から制御せしめる事も容易にできる。
【００１４】 即ち本発明の実施によれば汎用される超音波診断装置がその能力を１００％生かしてミリ波電磁波イメージングに利用される事が出来、簡易なミリ波電磁波イメージング装置として衝突防止用、侵入者発見同定用、霧中、煙中ないし完全暗黒中のナビゲーション用として有益に利用される事ができる。
図１は本発明の１つの好ましい実施例における全体の構成を示す模式図である。 これにおいて、 （１）高周波発振器 （２）ステップリカバリーダイオード （３）送信アンプ （４）サーキュレーター （５）１次放射器 （６）反射器 （７）レンズ （８）ターゲット （９）回転台 （１０）モーターおよびモーターコントローラー （１１）受信アンプ （１２）サンプラーダイオード （１３）帯域制限フィルタ （１４）タイミングコントローラー （１５）可変遅延回路 （１６）超音波診断装置
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