JP7802182B2 - Data processing method, measurement system, and program - Google Patents
Data processing method, measurement system, and programInfo
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Description
本発明は、空間に生成する電磁波等の波動の周波数と空間の空間座標とによって値が定まる波動の計測データを、コンピュータを用いて処理するデータ処理方法、計測システム、及び、プログラムに関する。 The present invention relates to a data processing method, measurement system, and program for using a computer to process measurement data of waves whose values are determined by the frequency of waves such as electromagnetic waves generated in space and the spatial coordinates of the space.
従来、コンクリートや木材等の非金属の構造物の内部を非破壊で検査するレーダ装置が知られている。従来のレーダ装置は、平面上に複数のアンテナが配置されたアレイアンテナを有する。アレイアンテナは、例えば、平面アンテナ等のアンテナが一方向に並んだ構成を有し、送信用アレイアンテナと受信用アレイアンテナが近接して配置される。また、レーダ装置は、構造物の内部を精度よく計測するために、電磁波の周波数を設定された周波数間隔で変更しながら、広帯域の周波数で測定対象物を計測する。 Radar devices are known for non-destructively inspecting the interior of non-metallic structures such as concrete and wood. Conventional radar devices have an array antenna, in which multiple antennas are arranged on a flat surface. The array antenna, for example, has a configuration in which antennas such as planar antennas are aligned in one direction, with the transmitting array antenna and the receiving array antenna arranged in close proximity. Furthermore, to accurately measure the interior of a structure, radar devices measure the object at a wide frequency band while changing the frequency of the electromagnetic waves at set frequency intervals.
アレイアンテナを有するレーダ装置に関して、例えば、複数の平面アンテナで構成された送信用アレイアンテナと受信用アレイアンテナが共通の誘電体基板に形成されたレーダ装置が知られている(特開2015-095840号公報、以下、「特許文献1」)。従来のレーダ装置では、送信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向は、受信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向と平行である。受信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向における位置は、送信用アレイアンテナの隣接する平面アンテナの2つの位置の中間にある。 Regarding radar devices with array antennas, for example, radar devices in which a transmitting array antenna and a receiving array antenna composed of multiple planar antennas are formed on a common dielectric substrate are known (JP 2015-095840 A, hereinafter referred to as "Patent Document 1"). In conventional radar devices, the arrangement direction of the planar antennas of the transmitting array antenna is parallel to the arrangement direction of the planar antennas of the receiving array antenna. The position of the planar antennas of the receiving array antenna in the arrangement direction is midway between the positions of two adjacent planar antennas of the transmitting array antenna.
また、逆問題の解析を汎用的かつ高速に行い、物体内部の情報を簡便に映像化することができる散乱トモグラフィ方法が知られている(特許第6557747号公報、以下、「特許文献2」)。 In addition, a scattering tomography method is known that can perform general-purpose and high-speed analysis of inverse problems and easily visualize information about the interior of an object (Patent Publication No. 6557747, hereinafter referred to as "Patent Document 2").
計測したデータから構造物の内部を映像化するために、合成開口処理が利用される。合成開口処理には、大きく、ディフラクションスタッキング法などの足し込み法と、F-Kマイグレーション法などのフーリエ変換を利用するものがある。
実用的な演算時間を実現するためには、フーリエ変換を利用した合成開口処理が現実的である。
Synthetic aperture processing is used to visualize the interior of structures from the measured data. There are two main types of synthetic aperture processing: addition methods such as the diffraction stacking method, and Fourier transform methods such as the FK migration method.
To achieve a practical calculation time, synthetic aperture processing using Fourier transform is practical.
レーダ装置では、構造物の内部を正確に検査するために、計測における空間分解能が高いことが望まれる。一般に、電磁波等の周波数を有する波動の放射によって得られるデータの空間分解能は、計測対象の構造物と送信用アレイアンテナ及び受信用アレイアンテナの計測面との間の距離が相対的に近接し、かつ、計測データの計測間隔が小さい場合、波動の中心周波数の波長によって定まる。ここで、計測対象の構造物と送信用アレイアンテナ及び受信用アレイアンテナの計測面との間の距離は、例えば、アレイアンテナの配列長さの4分の1以下である。また、空間分解能は、アレイアンテナの各アンテナが配置される平面内の分解能である。 In radar equipment, high spatial resolution in measurements is desirable to accurately inspect the interior of structures. Generally, the spatial resolution of data obtained by emitting waves with frequencies such as electromagnetic waves is determined by the wavelength of the center frequency of the waves when the distance between the structure to be measured and the measurement surfaces of the transmitting array antenna and receiving array antenna is relatively short and the measurement interval for the measurement data is small. Here, the distance between the structure to be measured and the measurement surfaces of the transmitting array antenna and receiving array antenna is, for example, less than one-quarter of the array antenna arrangement length. Furthermore, spatial resolution is the resolution within the plane in which each antenna of the array antenna is arranged.
例えば、アレイアンテナの各アンテナが配置される平面に沿った計測データの計測間隔が十分に小さい場合の理論空間分解能は、電磁波の往復経路を考慮して、放射する波動の周波数が周波数帯域を持って掃引される場合、周波数帯域の中心周波数における波動の波長の4分の1になる。しかし、計測データの計測間隔が大きくなり、電磁波の最小波長の4分の1を超える場合、実際の計測における空間分解能は、理想空間分解能より大きくなる。場合によっては、実際の計測における空間分解能は、計測間隔になる。 For example, when the measurement interval of measurement data along the plane on which each antenna of an array antenna is arranged is sufficiently small, the theoretical spatial resolution is one-fourth of the wavelength of the wave at the center frequency of the frequency band when the frequency of the radiated wave is swept over a frequency band, taking into account the round-trip path of the electromagnetic wave. However, when the measurement interval of the measurement data becomes large and exceeds one-fourth of the minimum wavelength of the electromagnetic wave, the spatial resolution in actual measurements becomes larger than the ideal spatial resolution. In some cases, the spatial resolution in actual measurements becomes the measurement interval.
従来のレーダ装置では、低い周波数から高い周波数まで広い周波数帯域で電磁波を計測するため、電磁波の最大波長は長くなる。このため、アレイアンテナを構成する各アンテナは大きくなり、アレイアンテナにおけるアンテナの配列方向の長さは長くなる。その結果、送受信用アレイアンテナにおけるアンテナの配置間隔は長くなり、計測データの計測間隔は、放射される電磁波の最小波長の4分の1を超え易く、空間分解能は理論分解能より低下し、しかも、計測データにはエイリアシング成分が生じ易い。空間分解能を、理想とする理論空間分解能、すなわち、中心周波数における電磁波の波長の4分の1にするには、送受信用アレイアンテナ内でアンテナの配置数を増やして、配置間隔を短くしなければならない。しかし、前述の通り、広帯域のアンテナの大きさを小さくすることは困難であるため、配置間隔を短くすることも困難である。 Conventional radar devices measure electromagnetic waves over a wide frequency band, from low to high frequencies, resulting in a long maximum wavelength. This requires each antenna in an array antenna to be large, and the length of the antenna arrangement in the array antenna is long. As a result, the spacing between antennas in a transmitting/receiving array antenna becomes long, and the measurement interval for measurement data tends to exceed one-quarter of the minimum wavelength of the emitted electromagnetic waves. This reduces spatial resolution below the theoretical resolution, and the measurement data is prone to aliasing. To achieve the ideal theoretical spatial resolution, i.e., one-quarter of the wavelength of the electromagnetic waves at the center frequency, the number of antennas in the transmitting/receiving array antenna must be increased and the spacing between them shortened. However, as mentioned above, it is difficult to reduce the size of a wideband antenna, making it also difficult to shorten the spacing between antennas.
本発明は、アンテナの配置数を一定に維持したまま、計測における空間分解能を向上させることができるデータ処理方法、計測システム、及び、プログラムを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a data processing method, measurement system, and program that can improve spatial resolution in measurements while maintaining a constant number of antennas.
本発明の第1の観点は、
物体に放射した波動の散乱波を解析するデータ処理方法であって、
y軸上に配列された複数の送信点p1(x’1, y’1, z’1)から、前記物体に前記波動を放射し、
前記物体上の反射点(x, y, z)において反射率f(x, y, z)で反射した前記散乱波を、y軸上に配列された複数の受信点p2(x’2, y’2, z’2)で計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)として受信し、
前記計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)を式(1)より3重フーリエ変換してS(k’x1, k’x2, k’y1, k’y2, z’1, z’2, k)を求め、
x方向の計測間隔で定まるx方向のナイキスト波数をkx,nyqとすると、-kx1≦kx≦kx1(但し、kx,nyq≦kx1)の範囲でx方向の変数置換処理を行い、
y方向の計測間隔で定まるy’1方向のナイキスト波数をk’y1,nyqとし、y’2方向のナイキスト波数をk’y2,nyqとすると、-ky1≦k’y1≦ky1、かつ、-ky2≦k’y2≦ky2(但し、k’y1,nyq≦ky1、かつ、k’y2,nyq≦ky2)の範囲でy方向の変数置換処理を行い、
式(2)より3重逆フーリエ変換して、前記反射率f(x, y, z)を求める、
データ処理方法である。
但し、
x’ = x’1 = x’2
z’1= z’2 = 0
kは、伝播する前記波動の波数、
k’x1, k’y1, k’z1は、前記送信点p1(x’1, y’1, z’1)から前記反射点(x, y, z)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
k’x2, k’y2, k’z2は、前記反射点(x, y, z)から前記受信点p2(x’2, y’2, z’2)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
kx = k’x1 + k’x2, u = k’x1 - k’x2, ky = k’y1 + k’y2, v = k’y1 - k’y2
である。
A first aspect of the present invention is
A data processing method for analyzing scattered waves of waves radiated to an object, comprising:
The wave is emitted to the object from a plurality of transmitting points p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) arranged on the y-axis;
The scattered waves reflected with reflectivity f(x, y, z) at a reflection point (x, y, z) on the object are received as measurement values s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , y' 2 , z' 1 , z' 2 , k) at a plurality of reception points p 2 ( x ' 2 , y' 2 , z' 2 ) arranged on the y axis,
The measurement value s( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) is triple-Fourier transformed using equation (1) to obtain S( k'x1 , k'x2 , k'y1 , k'y2 , z'1 , z'2 , k),
If the Nyquist wave number in the x direction determined by the measurement interval in the x direction is kx ,nyq , then variable substitution processing in the x direction is performed within the range of -kx1 ≦ kx ≦ kx1 (where kx,nyq ≦ kx1 ),
If the Nyquist wave number in the y'1 direction determined by the measurement interval in the y direction is k'y1 ,nyq and the Nyquist wave number in the y'2 direction is k'y2 ,nyq , then variable substitution processing in the y direction is performed within the range of -ky1 ≦ k'y1 ≦ ky1 and -ky2 ≦ k'y2 ≦ ky2 (where k'y1 ,nyq ≦ ky1 and k'y2, nyq ≦ ky2 ),
The reflectance f(x, y, z) is calculated by performing a triple inverse Fourier transform using equation (2).
It is a data processing method.
however,
x' = x' 1 = x' 2
z' 1 = z' 2 = 0
k is the wave number of the propagating wave,
k' x1 , k' y1 , k' z1 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the transmitting point p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) and the reflecting point (x, y, z),
k' x2 , k' y2 , k' z2 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the reflection point (x, y, z) and the reception point p 2 (x' 2 , y' 2 , z' 2 ),
k x = k' x1 + k' x2 , u = k' x1 - k' x2 , k y = k' y1 + k' y2 , v = k' y1 - k' y2
is.
本発明の第2の観点は、
物体に放射した波動の散乱波を解析する計測システムであって、
送受信部であって、
y軸上に配列された複数の送信点p1(x’1, y’1, z’1)から、前記物体に前記波動を放射する送信部と、
前記物体上の反射点(x, y, z)において反射率f(x, y, z)で反射した前記散乱波を、y軸上に配列された複数の受信点p2(x’2, y’2, z’2)で計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)として受信する受信部と、
を有する送受信部と、
処理装置であって、
前記計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)を式(1)より3重フーリエ変換してS(k’x1, k’x2, k’y1, k’y2, z’1, z’2, k)を求める手順と、
x方向の計測間隔で定まるx方向のナイキスト波数をkx,nyqとすると、-kx1≦kx≦kx1(但し、kx,nyq≦kx1)の範囲でx方向の変数置換処理を行う手順と、
y方向の計測間隔で定まるy’1方向のナイキスト波数をk’y1,nyqとし、y’2方向のナイキスト波数をk’y2,nyqとすると、-ky1≦k’y1≦ky1、かつ、-ky2≦k’y2≦ky2(但し、k’y1,nyq≦ky1、かつ、k’y2,nyq≦ky2)の範囲でy方向の変数置換処理を行う手順と、
式(2)より3重逆フーリエ変換して、前記反射率f(x, y, z)を求める手順と、
を実行する処理装置と、
を有する、計測システムである。
但し、
x’ = x’1 = x’2
z’1= z’2 = 0
kは、伝播する前記波動の波数、
k’x1, k’y1, k’z1は、前記送信点p1(x’1, y’1, z’1)から前記反射点(x, y, z)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
k’x2, k’y2, k’z2は、前記反射点(x, y, z)から前記受信点p2(x’2, y’2, z’2)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
kx = k’x1 + k’x2, u = k’x1 - k’x2, ky = k’y1 + k’y2, v = k’y1 - k’y2
である。
A second aspect of the present invention is
A measurement system for analyzing scattered waves of waves radiated to an object, comprising:
A transceiver unit,
a transmitting unit that radiates the wave toward the object from a plurality of transmitting points p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) arranged on the y-axis;
a receiving unit that receives the scattered waves reflected with reflectivity f(x, y, z) at a reflection point (x, y, z) on the object as measurement values s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , y' 2 , z' 1 , z' 2 , k) at a plurality of receiving points p 2 (x' 2 , y ' 2 , z' 2 ) arranged on the y axis;
a transceiver unit having
A processing device,
a step of performing a triple Fourier transform on the measured values s( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) using equation (1) to obtain S( k'x1 , k'x2 , k'y1 , k'y2 , z'1 , z'2 , k);
When the Nyquist wave number in the x direction determined by the measurement interval in the x direction is kx ,nyq , a procedure for performing variable substitution processing in the x direction within the range of -kx1 ≦ kx ≦ kx1 (where kx,nyq ≦ kx1 ) is performed.
where the Nyquist wave number in the y'1 direction determined by the measurement interval in the y direction is k'y1 ,nyq and the Nyquist wave number in the y'2 direction is k'y2 ,nyq , a procedure for performing variable substitution processing in the y direction within the range of -ky1 ≦ k'y1 ≦ ky1 and -ky2 ≦k'y2 ≦ ky2 (where k'y1 ,nyq ≦ ky1 and k'y2, nyq ≦ ky2 );
A procedure of calculating the reflectance f(x, y, z) by triple inverse Fourier transform using equation (2);
a processing unit for executing the
The measurement system has the following features:
however,
x' = x' 1 = x' 2
z' 1 = z' 2 = 0
k is the wave number of the propagating wave,
k' x1 , k' y1 , k' z1 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the transmitting point p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) and the reflecting point (x, y, z),
k' x2 , k' y2 , k' z2 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the reflection point (x, y, z) and the reception point p 2 (x' 2 , y' 2 , z' 2 ),
k x = k' x1 + k' x2 , u = k' x1 - k' x2 , k y = k' y1 + k' y2 , v = k' y1 - k' y2
is.
本発明の第3の観点は、
物体に放射した波動の散乱波を解析するプログラムであって、
計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)を式(1)より3重フーリエ変換してS(k’x1, k’x2, k’y1, k’y2, z’1, z’2, k)を求める手順と、
x方向の計測間隔で定まるx方向のナイキスト波数をkx,nyqとすると、-kx1≦kx≦kx1(但し、kx,nyq≦kx1)の範囲でx方向の変数置換処理を行う手順と、
y方向の計測間隔で定まるy’1方向のナイキスト波数をk’y1,nyqとし、y’2方向のナイキスト波数をk’y2,nyqとすると、-ky1≦k’y1≦ky1、かつ、-ky2≦k’y2≦ky2(但し、k’y1,nyq≦ky1、かつ、k’y2,nyq≦ky2)の範囲でy方向の変数置換処理を行う手順と、
式(2)より3重逆フーリエ変換して、反射率f(x, y, z)を求める手順と、
をコンピュータに実行させるプログラムである。
但し、
x’ = x’1 = x’2
z’1= z’2 = 0
kは、伝播する前記波動の波数、
k’x1, k’y1, k’z1は、前記送信点p1(x’1, y’1, z’1)から前記反射点(x, y, z)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
k’x2, k’y2, k’z2は、前記反射点(x, y, z)から前記受信点p2(x’2, y’2, z’2)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
kx = k’x1 + k’x2, u = k’x1 - k’x2, ky = k’y1 + k’y2, v = k’y1 - k’y2
である。
A third aspect of the present invention is
A program for analyzing scattered waves of waves radiated to an object,
The procedure involves triple Fourier transforming the measured values s( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) using equation (1) to obtain S( k'x1 , k'x2 , k'y1 , k'y2 , z'1 , z'2 , k), and
When the Nyquist wave number in the x direction determined by the measurement interval in the x direction is kx ,nyq , a procedure for performing variable substitution processing in the x direction within the range of -kx1 ≦ kx ≦ kx1 (where kx,nyq ≦ kx1 ) is performed.
where the Nyquist wave number in the y'1 direction determined by the measurement interval in the y direction is k'y1 ,nyq and the Nyquist wave number in the y'2 direction is k'y2 ,nyq , a procedure for performing variable substitution processing in the y direction within the range of -ky1 ≦ k'y1 ≦ ky1 and -ky2 ≦k'y2 ≦ ky2 (where k'y1 ,nyq ≦ ky1 and k'y2, nyq ≦ ky2 );
A procedure for calculating the reflectance f(x, y, z) by triple inverse Fourier transform using equation (2),
It is a program that causes a computer to execute the above.
however,
x' = x' 1 = x' 2
z' 1 = z' 2 = 0
k is the wave number of the propagating wave,
k' x1 , k' y1 , k' z1 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the transmitting point p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) and the reflecting point (x, y, z),
k' x2 , k' y2 , k' z2 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the reflection point (x, y, z) and the reception point p 2 (x' 2 , y' 2 , z' 2 ),
k x = k' x1 + k' x2 , u = k' x1 - k' x2 , k y = k' y1 + k' y2 , v = k' y1 - k' y2
is.
本発明の第4の観点は、
物体に放射した波動の散乱波を解析するデータ処理方法であって、
xy平面上に2次元に配列された複数の送信点p1(x’1, y’1, z’1)から、前記物体に前記波動を放射し、
前記物体上の反射点(x, y, z)において反射率f(x, y, z)で反射した前記散乱波を、xy平面上に2次元に配列された複数の受信点p2(x’2, y’2, z’2)で計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)として受信し、
前記計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)を式(1)より4重フーリエ変換してS(k’x1, k’x2, k’y1, k’y2, z’1, z’2, k)を求め、
x方向の計測間隔で定まるx’1方向のナイキスト波数をk’x1,nyqとし、x’2方向のナイキスト波数をk’x2,nyqとすると、-kx1≦k’x1≦kx1、かつ、-kx2≦k’x2≦kx2(但し、k’x1,nyq≦kx1、かつ、k’x2,nyq≦kx2)の範囲でx方向の変数置換処理を行い、
y方向の計測間隔で定まるy’1方向のナイキスト波数をk’y1,nyqとし、y’2方向のナイキスト波数をk’y2,nyqとすると、-ky1≦k’y1≦ky1、かつ、-ky2≦k’y2≦ky2(但し、k’y1,nyq≦ky1、かつ、k’y2,nyq≦ky2)の範囲でy方向の変数置換処理を行い、
式(2)より3重逆フーリエ変換して、前記反射率f(x, y, z)を求める、
データ処理方法である。
但し、
z’1= z’2 = 0
kは、伝播する前記波動の波数、
k’x1, k’y1, k’z1は、前記送信点p1(x’1, y’1, z’1)から前記反射点(x, y, z)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
k’x2, k’y2, k’z2は、前記反射点(x, y, z)から前記受信点p2(x’2, y’2, z’2)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
kx = k’x1 + k’x2, u = k’x1 - k’x2, ky = k’y1 + k’y2, v = k’y1 - k’y2
である。
A fourth aspect of the present invention is
A data processing method for analyzing scattered waves of waves radiated to an object, comprising:
The wave is emitted to the object from a plurality of transmitting points p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) arranged two-dimensionally on an xy plane;
The scattered waves reflected with reflectivity f(x, y, z) at a reflection point (x, y, z) on the object are received as measurement values s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , y' 2 , z' 1 , z' 2 , k) at a plurality of reception points p 2 (x' 2 , y' 2 , z ' 2 ) arranged two-dimensionally on the xy plane,
The measurement value s( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) is subjected to a quadruple Fourier transform using equation (1) to obtain S( k'x1 , k'x2 , k'y1 , k'y2 , z'1 , z'2 , k),
Let k'x1,nyq be the Nyquist wave number in the x'1 direction determined by the measurement interval in the x direction, and k'x2,nyq be the Nyquist wave number in the x'2 direction. Then, perform variable substitution processing in the x direction within the range of -kx1 ≦ k'x1 ≦ kx1 and -kx2 ≦ k'x2 ≦ kx2 (where k'x1 ,nyq ≦ kx1 and k'x2,nyq ≦ kx2 ),
If the Nyquist wave number in the y'1 direction determined by the measurement interval in the y direction is k'y1 ,nyq and the Nyquist wave number in the y'2 direction is k'y2 ,nyq , then variable substitution processing in the y direction is performed within the range of -ky1 ≦ k'y1 ≦ ky1 and -ky2 ≦ k'y2 ≦ ky2 (where k'y1 ,nyq ≦ ky1 and k'y2, nyq ≦ ky2 ),
The reflectance f(x, y, z) is calculated by performing a triple inverse Fourier transform using equation (2).
It is a data processing method.
however,
z' 1 = z' 2 = 0
k is the wave number of the propagating wave,
k' x1 , k' y1 , k' z1 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the transmitting point p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) and the reflecting point (x, y, z),
k' x2 , k' y2 , k' z2 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the reflection point (x, y, z) and the reception point p 2 (x' 2 , y' 2 , z' 2 ),
k x = k' x1 + k' x2 , u = k' x1 - k' x2 , k y = k' y1 + k' y2 , v = k' y1 - k' y2
is.
本発明の第5の観点は、
物体に放射した波動の散乱波を解析する計測システムであって、
送受信部であって、
xy平面上に2次元に配列された複数の送信点p1(x’1, y’1, z’1)から、前記物体に前記波動を放射する送信部と、
前記物体上の反射点(x, y, z)において反射率f(x, y, z)で反射した前記散乱波を、xy平面上に2次元に配列された複数の受信点p2(x’2, y’2, z’2)で計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)として受信する受信部と、
を有する送受信部と、
処理装置であって、
前記計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)を式(1)より4重フーリエ変換してS(k’x1, k’x2, k’y1, k’y2, z’1, z’2, k)を求める手順と、
x方向の計測間隔で定まるx’1方向のナイキスト波数をk’x1,nyqとし、x’2方向のナイキスト波数をk’x2,nyqとすると、-kx1≦k’x1≦kx1、かつ、-kx2≦k’x2≦kx2(但し、k’x1,nyq≦kx1、かつ、k’x2,nyq≦kx2)の範囲でx方向の変数置換処理を行う手順と、
y方向の計測間隔で定まるy’1方向のナイキスト波数をk’y1,nyqとし、y’2方向のナイキスト波数をk’y2,nyqとすると、-ky1≦k’y1≦ky1、かつ、-ky2≦k’y2≦ky2(但し、k’y1,nyq≦ky1、かつ、k’y2,nyq≦ky2)の範囲でy方向の変数置換処理を行う手順と、
式(2)より3重逆フーリエ変換して、前記反射率f(x, y, z)を求める手順と、
を実行する処理装置と、
を有する、計測システムである。
但し、
z’1= z’2 = 0
kは、伝播する前記波動の波数、
k’x1, k’y1, k’z1は、前記送信点p1(x’1, y’1, z’1)から前記反射点(x, y, z)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
k’x2, k’y2, k’z2は、前記反射点(x, y, z)から前記受信点p2(x’2, y’2, z’2)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
kx = k’x1 + k’x2, u = k’x1 - k’x2, ky = k’y1 + k’y2, v = k’y1 - k’y2
である。
A fifth aspect of the present invention is
A measurement system for analyzing scattered waves of waves radiated to an object, comprising:
A transceiver unit,
a transmitting unit that radiates the wave toward the object from a plurality of transmitting points p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) that are two-dimensionally arranged on an xy plane;
a receiving unit that receives the scattered waves reflected with reflectivity f(x, y, z) at a reflection point (x, y, z) on the object as measurement values s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , y' 2 , z' 1 , z' 2 , k) at a plurality of receiving points p 2 ( x' 2 , y' 2 , z' 2 ) that are two-dimensionally arranged on the xy plane;
a transceiver unit having
A processing device,
a step of performing a quadruple Fourier transform on the measured values s( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) using equation (1) to obtain S( k'x1 , k'x2 , k'y1 , k'y2 , z'1 , z'2 , k);
Let k'x1,nyq be the Nyquist wave number in the x'1 direction determined by the measurement interval in the x direction, and k'x2,nyq be the Nyquist wave number in the x'2 direction. Then, perform variable substitution processing in the x direction within the range of -kx1 ≦ k'x1 ≦ kx1 and -kx2 ≦ k'x2 ≦ kx2 (where k'x1 ,nyq ≦ kx1 and k'x2,nyq ≦ kx2 );
where the Nyquist wave number in the y'1 direction determined by the measurement interval in the y direction is k'y1 ,nyq and the Nyquist wave number in the y'2 direction is k'y2 ,nyq , a procedure for performing variable substitution processing in the y direction within the range of -ky1 ≦ k'y1 ≦ ky1 and -ky2 ≦k'y2 ≦ ky2 (where k'y1 ,nyq ≦ ky1 and k'y2, nyq ≦ ky2 );
A procedure of calculating the reflectance f(x, y, z) by triple inverse Fourier transform using equation (2);
a processing unit for executing the
The measurement system has the following features:
however,
z' 1 = z' 2 = 0
k is the wave number of the propagating wave,
k' x1 , k' y1 , k' z1 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the transmitting point p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) and the reflecting point (x, y, z),
k' x2 , k' y2 , k' z2 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the reflection point (x, y, z) and the reception point p 2 (x' 2 , y' 2 , z' 2 ),
k x = k' x1 + k' x2 , u = k' x1 - k' x2 , k y = k' y1 + k' y2 , v = k' y1 - k' y2
is.
本発明の第6の観点は、
物体に放射した波動の散乱波を解析するプログラムであって、
計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)を式(1)より4重フーリエ変換してS(k’x1, k’x2, k’y1, k’y2, z’1, z’2, k)を求める手順と、
x方向の計測間隔で定まるx’1方向のナイキスト波数をk’x1,nyqとし、x’2方向のナイキスト波数をk’x2,nyqとすると、-kx1≦k’x1≦kx1、かつ、-kx2≦k’x2≦kx2(但し、k’x1,nyq≦kx1、かつ、k’x2,nyq≦kx2)の範囲でx方向の変数置換処理を行う手順と、
y方向の計測間隔で定まるy’1方向のナイキスト波数をk’y1,nyqとし、y’2方向のナイキスト波数をk’y2,nyqとすると、-ky1≦k’y1≦ky1、かつ、-ky2≦k’y2≦ky2(但し、k’y1,nyq≦ky1、かつ、k’y2,nyq≦ky2)の範囲でy方向の変数置換処理を行う手順と、
式(2)より3重逆フーリエ変換して、反射率f(x, y, z)を求める手順と、
をコンピュータに実行させるプログラムである。
但し、
z’1= z’2 = 0
kは、伝播する前記波動の波数、
k’x1, k’y1, k’z1は、送信点p1(x’1, y’1, z’1)から反射点(x, y, z)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
k’x2, k’y2, k’z2は、前記反射点(x, y, z)から受信点p2(x’2, y’2, z’2)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
kx = k’x1 + k’x2, u = k’x1 - k’x2, ky = k’y1 + k’y2, v = k’y1 - k’y2
である。
A sixth aspect of the present invention is
A program for analyzing scattered waves of waves radiated to an object,
The procedure involves performing a quadruple Fourier transform on the measured values s( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) using equation (1) to obtain S ( k'x1 , k'x2, k'y1 , k'y2 , z'1 , z'2 , k), and
Let k'x1,nyq be the Nyquist wave number in the x'1 direction determined by the measurement interval in the x direction, and k'x2,nyq be the Nyquist wave number in the x'2 direction. Then, perform variable substitution processing in the x direction within the range of -kx1 ≦ k'x1 ≦ kx1 and -kx2 ≦ k'x2 ≦ kx2 (where k'x1 ,nyq ≦ kx1 and k'x2,nyq ≦ kx2 );
where the Nyquist wave number in the y'1 direction determined by the measurement interval in the y direction is k'y1 ,nyq and the Nyquist wave number in the y'2 direction is k'y2 ,nyq , a procedure for performing variable substitution processing in the y direction within the range of -ky1 ≦ k'y1 ≦ ky1 and -ky2 ≦k'y2 ≦ ky2 (where k'y1 ,nyq ≦ ky1 and k'y2, nyq ≦ ky2 );
A procedure for calculating the reflectance f(x, y, z) by triple inverse Fourier transform using equation (2),
It is a program that causes a computer to execute the above.
however,
z' 1 = z' 2 = 0
k is the wave number of the propagating wave,
k' x1 , k' y1 , k' z1 are the components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the transmitting point p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) and the reflecting point (x, y, z),
k' x2 , k' y2 , k' z2 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the reflection point (x, y, z) and the reception point p 2 (x' 2 , y' 2 , z' 2 ),
k x = k' x1 + k' x2 , u = k' x1 - k' x2 , k y = k' y1 + k' y2 , v = k' y1 - k' y2
is.
本発明のデータ処理方法、計測システム、及び、プログラムによれば、アンテナの配置数を一定に維持したまま、計測における空間分解能を向上させることができる。 The data processing method, measurement system, and program of the present invention make it possible to improve the spatial resolution in measurements while maintaining the number of antennas constant.
<第1実施形態>
以下、第1実施形態のデータ処理方法、計測システム、及び、プログラムについて、詳細に説明する。図1は、本実施形態のレーダ装置の構成を示す。図2は、図1に示すアレイアンテナの構成を示す。図3は、本実施形態のアレイアンテナと測定対象物との位置関係を説明する図である。本実施形態では、電磁波を空間に放射する波動として説明するが、電磁波の代わりにX線や超音波等の空間中に伝播する波動を用いてもよい。
First Embodiment
The data processing method, measurement system, and program of the first embodiment will be described in detail below. Fig. 1 shows the configuration of a radar device of this embodiment. Fig. 2 shows the configuration of the array antenna shown in Fig. 1. Fig. 3 is a diagram explaining the positional relationship between the array antenna of this embodiment and a measurement target. In this embodiment, electromagnetic waves are described as waves radiated into space, but waves that propagate through space, such as X-rays or ultrasound, may be used instead of electromagnetic waves.
本実施形態の計測システム1は、送受信部と、処理装置と、を有する。処理装置は、送受信部と一体に設けられてもよいし、送受信部とネットワークで接続された別の場所に設けられてもよい。以下の実施形態では、処理装置が送受信部と一体に設けられる例を説明する。 The measurement system 1 of this embodiment has a transceiver unit and a processing device. The processing device may be provided integrally with the transceiver unit, or may be provided in a separate location connected to the transceiver unit via a network. In the following embodiment, an example will be described in which the processing device is provided integrally with the transceiver unit.
図1に示す本実施形態のレーダ装置60は、送信用アレイアンテナ及び受信用アレイアンテナ(送受信部)を用いて、電磁波の周波数を掃引しながら、電磁波を送信アンテナから放射する。そして、レーダ装置60は、測定対象物の反射波を受信アンテナで受信して、計測データs(x’,y’,z’,k)を得る。計測データs(x’,y’,z’,k)は、x座標成分、y座標成分、及びz座標成分と電磁波の周波数とを変数とするデータである。 The radar device 60 of this embodiment shown in Figure 1 uses a transmitting array antenna and a receiving array antenna (transmitter/receiver) to emit electromagnetic waves from the transmitting antenna while sweeping the frequency of the electromagnetic waves. The radar device 60 then receives the reflected waves from the object to be measured using the receiving antenna to obtain measurement data s(x', y', z', k). The measurement data s(x', y', z', k) is data whose variables are the x-coordinate component, y-coordinate component, z-coordinate component, and the frequency of the electromagnetic waves.
レーダ装置60は、計測ユニット61と、データ処理ユニット(処理装置)66と、画像表示ユニット68とを有する。計測ユニット61は、送信用アレイアンテナ50と、受信用アレイアンテナ52と、高周波スイッチ58,59と、高周波回路62と、システム制御回路64とを有する。レーダ装置60は、10MHz以上、例えば10~20GHzの電磁波を放射するが、電磁波の周波数は、特に制限されない。 The radar device 60 has a measurement unit 61, a data processing unit (processing device) 66, and an image display unit 68. The measurement unit 61 has a transmitting array antenna 50, a receiving array antenna 52, high-frequency switches 58 and 59, a high-frequency circuit 62, and a system control circuit 64. The radar device 60 emits electromagnetic waves of 10 MHz or higher, for example, 10 to 20 GHz, although the frequency of the electromagnetic waves is not particularly limited.
図2に示されるように、送信用アレイアンテナ50は、一方向に配列された複数の送信アンテナ10aを有する。各送信アンテナ10aは、測定対象物に向けて電磁波を放射する。受信用アレイアンテナ52は、送信アンテナ10aの配列方向に沿って配列された複数の受信アンテナ10bを有する。各受信アンテナ10bは、測定対象物から反射した電磁波を受信する。
送信用アレイアンテナ50の送信アンテナ10aと、受信用アレイアンテナ52の受信アンテナ10bは、一平面上に配置される。この平面に測定対象物が対向するように、送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52が配置される。
2, the transmitting array antenna 50 has a plurality of transmitting antennas 10a arranged in one direction. Each transmitting antenna 10a radiates electromagnetic waves toward the object to be measured. The receiving array antenna 52 has a plurality of receiving antennas 10b arranged in the same direction as the transmitting antennas 10a. Each receiving antenna 10b receives electromagnetic waves reflected from the object to be measured.
The transmitting antennas 10a of the transmitting array antenna 50 and the receiving antennas 10b of the receiving array antenna 52 are arranged on the same plane. The transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52 are arranged so that the object to be measured faces this plane.
データ処理ユニット66は、複数の送信アンテナ10aによる測定対象物に向けた送信と、複数の受信アンテナ10bによる受信とによって得られる複数の計測データを処理し、測定対象物に関する画像データを算出する。本実施形態の送信アンテナ10a及び受信アンテナ10bは、基板に平面的にアンテナパターンが形成された平面アンテナであるが、平面アンテナに制限されない。 The data processing unit 66 processes multiple measurement data obtained by transmission to the measurement object by the multiple transmitting antennas 10a and reception by the multiple receiving antennas 10b, and calculates image data related to the measurement object. In this embodiment, the transmitting antennas 10a and receiving antennas 10b are planar antennas in which antenna patterns are formed in a plane on a substrate, but are not limited to planar antennas.
送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52は、測定対象物の面に平行に移動する。すなわち、送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52は、測定対象物の表面に沿って走査しながら計測する。送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52が移動するとき、システム制御回路64は、高周波回路62の動作を制御する。具体的には、送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52の移動距離の単位長さ毎に、送信アンテナ10aを高周波スイッチ58により切り替えつつ、電磁波を放射するように、システム制御回路64は、高周波回路62の動作を制御する。 The transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52 move parallel to the surface of the object to be measured. That is, the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52 perform measurements while scanning along the surface of the object to be measured. As the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52 move, the system control circuit 64 controls the operation of the high-frequency circuit 62. Specifically, the system control circuit 64 controls the operation of the high-frequency circuit 62 so that the transmitting antenna 10a is switched by the high-frequency switch 58 and electromagnetic waves are radiated for each unit length of movement of the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52.
レーダ装置60は、エンコーダ69を有する。エンコーダ69は、一定の移動距離ごとにパルス信号を発生する。エンコーダ69は、送信用アレイアンテナ50及び受信用アレイアンテナ52の移動を感知する。
このとき、個々の送信アンテナ10aから電磁波の放射が行われる度に、高周波スイッチ59は、複数の受信アンテナ10bを順次切り替えて、各受信アンテナ10bに受信させる。
The radar device 60 has an encoder 69. The encoder 69 generates a pulse signal every time the radar device 60 moves a certain distance. The encoder 69 detects the movement of the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52.
At this time, every time an electromagnetic wave is radiated from each of the transmitting antennas 10a, the high frequency switch 59 sequentially switches among the plurality of receiving antennas 10b, causing each receiving antenna 10b to receive the wave.
なお、送信用アレイアンテナ50から放射される電磁波の周波数を、一定の時間に、例えば10~20GHzの範囲で、設定された周波数間隔で掃引して、電磁波が放射される。したがって、高周波回路62から得られる計測データは送信アンテナ10aの送信した位置と、受信アンテナ10bの受信した位置と、周波数と、ターゲットの位置とによって値が定まるデータである。
このとき、送信アンテナ10aから放射された電磁波が測定対象物で反射したときの電磁波の反射波を、電磁波を放射した送信アンテナ10aに最も近い受信アンテナ10bで受信するように、高周波スイッチ59の動作が制御される。受信用マイクロ波増幅器(RFアンプ)は、送信する送信アンテナ10aと受信する受信アンテナ10bの対毎にゲインを変化させるように設定される場合がある。このとき、高周波回路62は、送信アンテナ10aと受信アンテナ10bの対の選択に応じてゲインを切り替える可変ゲイン増幅機能を有する。これにより、測定対象物中の欠陥等の検査可能な深度を大きくできる。
The frequency of the electromagnetic waves radiated from the transmitting array antenna 50 is swept at set frequency intervals within a range of, for example, 10 to 20 GHz for a fixed period of time, and the electromagnetic waves are radiated. Therefore, the measurement data obtained from the high-frequency circuit 62 is data whose value is determined by the position from which the transmitting antenna 10a transmits, the position from which the receiving antenna 10b receives, the frequency, and the position of the target.
At this time, the operation of the high-frequency switch 59 is controlled so that when an electromagnetic wave radiated from the transmitting antenna 10a is reflected by the object to be measured, the reflected wave of the electromagnetic wave is received by the receiving antenna 10b closest to the transmitting antenna 10a that radiated the electromagnetic wave. The receiving microwave amplifier (RF amplifier) may be set to change the gain for each pair of the transmitting antenna 10a that transmits and the receiving antenna 10b that receives the electromagnetic wave. In this case, the high-frequency circuit 62 has a variable gain amplification function that switches the gain depending on the selected pair of the transmitting antenna 10a and the receiving antenna 10b. This allows the depth that can be inspected for defects, etc. in the object to be measured to be increased.
本実施形態では、送信アンテナ10aと受信アンテナ10bの配列方向は平行であり、図2に示すように、配列方向をy方向とする。一方、送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52の移動方向(走査方向)を、x方向とする。送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52からみて、測定対象物のある方向(電磁波の送信方向)をz方向とする。In this embodiment, the arrangement directions of the transmitting antenna 10a and the receiving antenna 10b are parallel, and as shown in Figure 2, the arrangement direction is defined as the y direction. Meanwhile, the movement direction (scanning direction) of the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52 is defined as the x direction. When viewed from the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52, the direction in which the object to be measured is located (the direction in which electromagnetic waves are transmitted) is defined as the z direction.
なお、送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52の移動方向(走査方向)をy方向としてもよい。すなわち、送信アンテナ10aと受信アンテナ10bの配列方向と同じ方向に、移動(走査)してもよい。
また、送信用アレイアンテナ50が1つの送信アンテナ10aのみを有し、受信用アレイアンテナ52が複数の受信アンテナ10bを有してもよい。この場合も、送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52の移動方向(走査方向)をy方向としてもよい。すなわち、受信アンテナ10bの配列方向と同じ方向に、移動(走査)してもよい。
The movement direction (scanning direction) of the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52 may be the y direction. That is, they may move (scan) in the same direction as the arrangement direction of the transmitting antennas 10a and the receiving antennas 10b.
Alternatively, the transmitting array antenna 50 may have only one transmitting antenna 10a, and the receiving array antenna 52 may have multiple receiving antennas 10b. In this case, the movement direction (scanning direction) of the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52 may also be the y direction. In other words, they may move (scan) in the same direction as the arrangement direction of the receiving antennas 10b.
データ処理ユニット66は、送信用アレイアンテナ50及び受信用アレイアンテナ52による電磁波の送受信によって得られる計測データs(x’,y’,z’,k)を処理して、測定対象物の内部を表す画像データを作成する。データ処理ユニット66は、例えばコンピュータにより構成され、記憶部66aに記憶されているプログラムを呼び出して起動する。これにより、データ処理ユニット66の機能を発揮できる。すなわち、データ処理ユニット66は、ソフトウェアモジュールで構成される。画像表示ユニット68は、作成された画像データを用いて、測定対象物の内部の画像を表示する。 The data processing unit 66 processes the measurement data s(x', y', z', k) obtained by transmitting and receiving electromagnetic waves using the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52 to create image data representing the interior of the object to be measured. The data processing unit 66 is configured, for example, by a computer, and invokes and starts a program stored in the memory unit 66a. This enables the functions of the data processing unit 66 to be fulfilled. In other words, the data processing unit 66 is configured as a software module. The image display unit 68 uses the created image data to display an image of the interior of the object to be measured.
図2は、送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52を模式的に示す。送信アンテナ10aと受信アンテナ10bは、x方向の位置がΔLだけずれているが、以降の説明では、送信アンテナ10aと受信アンテナ10bのx方向の位置は、送信アンテナ10aと受信アンテナ10bの間の中間の丸印の点にあるものする。この丸印の点を、送受信点と呼ぶ。
なお、送信アンテナ10aと受信アンテナ10bのy方向のずれが無い場合もある。すなわち、Δy=0となる場合もある。また、送信アンテナ10aと受信アンテナ10bが共有される場合もある。すなわち、Δy=0、ΔL=0となる場合もある。
2 shows a schematic diagram of a transmitting array antenna 50 and a receiving array antenna 52. The transmitting antenna 10a and the receiving antenna 10b are offset in the x direction by ΔL, but in the following description, the x direction positions of the transmitting antenna 10a and the receiving antenna 10b are assumed to be at a circular point midway between the transmitting antenna 10a and the receiving antenna 10b. This circular point is called the transmitting and receiving point.
Note that there may be no misalignment in the y direction between the transmitting antenna 10a and the receiving antenna 10b. That is, there may be cases where Δy = 0. There may also be cases where the transmitting antenna 10a and the receiving antenna 10b are shared. That is, there may be cases where Δy = 0 and ΔL = 0.
したがって、測定対象物と送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52との位置関係は、図3に示すように表すことができる。
ここで、送受信点の座標をp(x’,y’,z’)とする。測定対象物の反射点(x,y,z)における反射率をf(x,y,z)とする。送受信点p(x’,y’,z’)における計測データをs(x’,y’,z’,k)とする。真空中の電磁波の伝播波長をλ0とする。媒質の比誘電率をεrとする。伝播する電磁波の波数をkとする。
Therefore, the positional relationship between the object to be measured, the transmitting array antenna 50, and the receiving array antenna 52 can be expressed as shown in FIG.
Here, the coordinates of the transmitting and receiving points are assumed to be p(x', y', z'). The reflectance at the reflection point (x, y, z) of the object to be measured is assumed to be f(x, y, z). The measurement data at the transmitting and receiving point p(x', y', z') is assumed to be s(x', y', z', k). The propagation wavelength of the electromagnetic wave in a vacuum is assumed to be λ0 . The relative dielectric constant of the medium is assumed to be εr . The wave number of the propagating electromagnetic wave is assumed to be k.
このとき、送受信点p(x’,y’,z’)における計測データs(x’,y’,z’,k)は、以下の式で表せる。
但し、
である。
In this case, the measurement data s(x', y', z', k) at the transmitting/receiving point p(x', y', z') can be expressed by the following equation.
however,
is.
式(1-1)では、電磁波を球面波で表しており、距離減衰は省略されている。この距離減衰は、以降の処理を行う上で影響が小さいため、省略されている。式(1-1)中の二段目の式の被積分関数の指数部をフーリエ変換の表記で表すと、以下の式となる。これは、式(1-1)の往復球面波を3次元の平面波に分解することに等しい。
ここで、(kx,ky,kz)は、送受信点p(x’,y’,z’)と反射点(x,y,z)の間で伝播する波動の往復球面波の波数ベクトルの成分である。但し、
を満たす。
In equation (1-1), electromagnetic waves are expressed as spherical waves, and distance attenuation is omitted. This distance attenuation is omitted because it has little effect on subsequent processing. When the exponent part of the integrand function in the second equation in equation (1-1) is expressed in Fourier transform notation, it becomes the following equation. This is equivalent to decomposing the round-trip spherical wave of equation (1-1) into three-dimensional plane waves.
Here, (k x , k y , k z ) are components of the wave vector of the round-trip spherical wave of the wave propagating between the transmitting/receiving point p(x', y', z') and the reflecting point (x, y, z).
Meet the following.
以下、式(1-3)に基づいて、計測データs(x’,y’,z’,k)から反射率f(x,y,z)を導出する。まず、式(1-3)を以下のように整理する。
Hereinafter, the reflectance f(x, y, z) is derived from the measurement data s(x', y', z', k) based on the formula (1-3). First, the formula (1-3) is rearranged as follows:
ここで、{ }の内側の積分は、(x,y,z)に関する3重フーリエ変換である。また、[ ]の内側の積分は、(kx,ky)に関する2重逆フーリエ変換である。そこで、式(1-5)の両辺を(x’,y’)に関して2重フーリエ変換を行う。関数f(x,y,z)の3重フーリエ変換後の関数をF(kx,ky,kz)とする。計測データs(x’,y’,z’,k)の2重フーリエ変換後の関数をS(kx,ky,z’,k)とする。このとき、式(1-5)は、以下の式で表される。
Here, the integral inside { } is a triple Fourier transform with respect to (x, y, z). Also, the integral inside [ ] is a double inverse Fourier transform with respect to (k x , k y ). Therefore, a double Fourier transform is performed on both sides of equation (1-5) with respect to (x', y'). Let F(k x , k y , k z ) be the function after the triple Fourier transform of function f( x , y , z ). Let S(k x , k y , z', k) be the function after the double Fourier transform of measurement data s( x' , y' , z', k). In this case, equation (1-5) is expressed as follows:
式(1-6)の2行目の式の両辺を(kx,ky,kz)について3重逆フーリエ変換すると、反射率f(x,y,z)が以下のように得られる。
When both sides of the second line of equation (1-6) are subjected to a triple inverse Fourier transform with respect to (k x , k y , k z ), the reflectance f(x, y, z) is obtained as follows:
ここで、本実施形態では、図3に示すように、送受信点p(x’,y’,z’)をxy平面に配置し、z’=0となるため、式(1-7)は以下のように表せる。
In this embodiment, as shown in FIG. 3, the transmitting and receiving point p(x', y', z') is arranged on the xy plane, and z'=0, so equation (1-7) can be expressed as follows:
以上のように、データ処理ユニット66は、計測データs(x’,y’,z’,k)に基づいて、反射率f(x,y,z)を求める。 As described above, the data processing unit 66 calculates the reflectance f(x, y, z) based on the measurement data s(x', y', z', k).
以下、図4を参照して、本実施形態のデータ処理方法、及び、プログラムについて説明する。図4は、本実施形態のデータ処理方法を示すフローチャートである。
まず、計測ユニット61が計測データs(x’,y’,0,k)を取得する(ステップS1-1)。そして、データ処理ユニット66は、計測データs(x’,y’,0,k)に対して、ヒルベルト変換を行う(ステップS1-2)。これにより、各送受信点における周波数データの虚数成分が得られる。
The data processing method and program of this embodiment will be described below with reference to Fig. 4. Fig. 4 is a flowchart showing the data processing method of this embodiment.
First, the measurement unit 61 acquires the measurement data s(x', y', 0, k) (step S1-1). Then, the data processing unit 66 performs a Hilbert transform on the measurement data s(x', y', 0, k) (step S1-2). This obtains the imaginary component of the frequency data at each transmitting and receiving point.
次に、データ処理ユニット66は、計測データs(x’,y’,0,k)に対して、(x’,y’)に関する2重フーリエ変換を行う(ステップS1-3)。これにより、式(1-6)に示されるように、S(kx,ky,0,k)が得られる。
次に、データ処理ユニット66は、S(kx,ky,0,k)に対して、変数置換を行う(ステップS1-4)。具体的には、式(1-4)を用いて、(kx,ky,k)の関数を(kx,ky,kz)の関数にする。これにより、S(kx,ky,kz)が得られる。
次に、データ処理ユニット66は、S(kx,ky,kz)に対して、(kx,ky,kz)に対して3重逆フーリエ変換を行う(ステップS1-5)。これにより、式(1-8)に示されるように、反射率f(x,y,z)が得られる。
Next, the data processing unit 66 performs a double Fourier transform with respect to (x', y') on the measurement data s(x', y', 0, k) (step S1-3), thereby obtaining S(k x , k y , 0, k) as shown in equation (1-6).
Next, the data processing unit 66 performs variable substitution on S( kx , ky , 0, k) (step S1-4). Specifically, using equation (1-4), the function of ( kx , ky , k) is converted into a function of ( kx , ky , kz ). This results in S( kx , ky , kz ).
Next, the data processing unit 66 performs a triple inverse Fourier transform on S( kx , ky , kz ) (step S1-5), thereby obtaining the reflectance f( x , y , z ) as shown in equation (1-8).
記憶部66aは、本実施形態のデータ処理方法を実行するためのプログラムを記憶する。記憶部66aに記憶されたプログラムは、データ処理ユニット66に、本実施形態のデータ処理方法を実行させる。 The memory unit 66a stores a program for executing the data processing method of this embodiment. The program stored in the memory unit 66a causes the data processing unit 66 to execute the data processing method of this embodiment.
ここで、フーリエ変換処理における折り返し雑音とされるエイリアスデータについて説明する。アレイアンテナで計測する場合、アンテナのサイズ、走査間隔をナイキスト基準以下にしなければ、計測データにエイリアシングが発生する。エイリアシングとは、異なる周波数成分の連続信号が標本化によって区別できなくなることをいう。 Here, we will explain alias data, which is considered to be aliasing noise in Fourier transform processing. When measuring with an array antenna, aliasing will occur in the measurement data unless the antenna size and scanning interval are below the Nyquist criterion. Aliasing occurs when continuous signals with different frequency components become indistinguishable due to sampling.
図5は、エイリアシングの概念図を示す。空間的なサンプリング間隔から決定されるナイキスト波数をknyqと定義する。ナイキスト波数knyqは、以下の式(1-10)で表される。
ここで、Δx、Δyは、それぞれx軸方向、y軸方向の計測間隔である。
ナイキスト波数knyqを超える信号は、エイリアス(aliases)と呼ばれ、信号処理の中で折り返し雑音として扱われる。
5 shows a conceptual diagram of aliasing. The Nyquist wave number determined from the spatial sampling interval is defined as k nyq . The Nyquist wave number k nyq is expressed by the following equation (1-10).
Here, Δx and Δy are the measurement intervals in the x-axis and y-axis directions, respectively.
Signals exceeding the Nyquist wave number k nyq are called aliases and are treated as aliasing noise in signal processing.
図6は、第1実施形態の計測波形の一例を示す。ここで、電磁波の周波数を15GHz、比誘電率を1、計測間隔Δy = 7.5mm、計測幅562.5mm、点ターゲットの深さを原点直下120mmとする。ここで、原点からの距離yの位置で測定される波形の波数kyは、以下の式(1-11)で表される。
ここで、θtyは、最外縁送受信アンテナとターゲットを結ぶ線とz軸とのなす角度である。また、ナイキスト波数は、以下の式(1-12)で表される。
6 shows an example of a measured waveform in the first embodiment. Here, the frequency of the electromagnetic wave is 15 GHz, the relative dielectric constant is 1, the measurement interval Δy = 7.5 mm, the measurement width is 562.5 mm, and the depth of the point target is 120 mm directly below the origin. Here, the wave number k y of the waveform measured at a position a distance y from the origin is expressed by the following equation (1-11).
Here, θ ty is the angle between the line connecting the outermost transmitting/receiving antenna and the target and the z-axis. The Nyquist wave number is expressed by the following equation (1-12).
これより、ナイキスト基準は、以下の式(1-13)で表される。
この条件を満たさないy座標の波形、すなわち、図6におけるエイリアシング領域のデータは、全てエイリアスデータ(折り返し雑音)となる。
From this, the Nyquist criterion is expressed by the following equation (1-13).
Any waveform of the y coordinate that does not satisfy this condition, that is, data in the aliasing region in FIG. 6, will be alias data (aliasing noise).
上記の式から、電磁波の波長が短くなる、計測間隔が広がる、又は、ターゲットが計測面に近くなるほど、エイリアスデータが増加することが分かる。通常、エイリアスデータも信号処理の中で折り返し雑音として処理される。そのため、エイリアスデータの増加は、画像分解能の悪化、浅いターゲットの画像強度の低下、S/N比の悪化の原因となる。 From the above equation, we can see that the alias data increases as the wavelength of the electromagnetic wave becomes shorter, the measurement interval becomes longer, or the target becomes closer to the measurement surface. Normally, alias data is also treated as aliasing noise during signal processing. Therefore, an increase in alias data causes a deterioration in image resolution, a decrease in image intensity for shallow targets, and a deterioration in the S/N ratio.
以下、計測間隔Δx=10mm、計測間隔Δy=19.25mm、媒質中の最高周波数の波長λfmax=21.24mmとする。このとき、以下の式(1-14)が得られる。
このとき、ナイキスト基準を満たさず、x軸方向、y軸方向共に、エイリアシングが発生する。この場合のナイキスト波数は、以下の式(1-15)で表される。
In the following, it is assumed that the measurement interval Δx=10 mm, the measurement interval Δy=19.25 mm, and the wavelength of the maximum frequency in the medium λ fmax =21.24 mm. In this case, the following equation (1-14) is obtained.
In this case, the Nyquist criterion is not satisfied, and aliasing occurs in both the x-axis and y-axis directions. The Nyquist wave number in this case is expressed by the following equation (1-15).
最高周波数から求まる最大波数は、以下の式(1-16)で表される。
The maximum wave number obtained from the highest frequency is expressed by the following equation (1-16).
ここで、ステップS1-3におけるx軸に関するフーリエ変換は、図7で表される。また、ステップS1-3におけるy軸に関するフーリエ変換は、図8で表される。
図7より、x軸に関するフーリエ変換において、±kx,nyq上限とする波数が範囲Aに出力される。±kx,nyqを超える波数のデータは、エイリアスデータとして2kx,nyqを周期として折り返し現れる。よって、ステップS1-4の変数置換処理において、範囲Aではなく、±kxmaxを上限とする範囲A’で変数置換処理を行う。これにより、エイリアスデータを折り返し雑音として捨てるのではなく、実際に意味のあるデータとして変数置換処理に加えることにより、x軸方向の分解能を向上させ、更には浅いターゲットの画像強度をより強くさせることが可能になる。
y軸に関しても、同様に、図8に示すように、範囲Bではなく範囲B’で変数置換処理を行う。
Here, the Fourier transform for the x-axis in step S1-3 is shown in Fig. 7. Also, the Fourier transform for the y-axis in step S1-3 is shown in Fig. 8.
As shown in Figure 7, in the Fourier transform for the x-axis, wavenumbers with ± kx,nyq as their upper limit are output in range A. Data for wavenumbers exceeding ± kx,nyq appear as alias data, with a period of 2kx,nyq . Therefore, in the variable substitution process of step S1-4, variable substitution is performed not in range A but in range A' with ± kxmax as its upper limit. This allows the alias data to be added to the variable substitution process as actually meaningful data rather than discarded as aliasing noise, thereby improving the resolution in the x-axis direction and further increasing the image intensity of shallow targets.
Similarly, for the y-axis, variable substitution processing is performed in range B' instead of range B, as shown in FIG.
<第2実施形態>
以下、第2実施形態のデータ処理方法、計測システム、及び、プログラムについて、詳細に説明する。第1実施形態の送信用アレイアンテナ50及び受信用アレイアンテナ52は、一方向(図3ではy方向)に配列されるが、本実施形態は、送信用アレイアンテナ50及び受信用アレイアンテナ52の配列が異なる。本実施形態の送信用アレイアンテナ50及び受信用アレイアンテナ52は、平面状に配置される。
また、第1実施形態では、送信点と受信点の座標をいずれもp(x’,y’,z’)としたが、本実施形態では、送信点と受信点の座標が異なる。本実施形態では、図9に示すように、送信点p1(x’1,y’1,z’1)、受信点p2(x’2,y’2,z’2)が、xy平面に配列される。
Second Embodiment
The data processing method, measurement system, and program of the second embodiment will be described in detail below. The transmitting array antenna 50 and receiving array antenna 52 of the first embodiment are arranged in one direction (the y direction in FIG. 3), but the arrangement of the transmitting array antenna 50 and receiving array antenna 52 of this embodiment is different. The transmitting array antenna 50 and receiving array antenna 52 of this embodiment are arranged in a plane.
In the first embodiment, the coordinates of the transmission points and reception points are both p(x', y', z'), but in this embodiment, the coordinates of the transmission points and reception points are different. In this embodiment, as shown in Fig. 9, a transmission point p1 ( x'1 , y'1 , z'1 ) and a reception point p2 ( x'2 , y'2 , z'2 ) are arranged on the xy plane.
ここで、測定対象物の反射点(x,y,z)における反射率をf(x,y,z)とする。送信点p1(x’1,y’1,z’1)及び受信点p2(x’2,y’2,z’2)における計測データをs(x’1,x’2,y’1,y’2,z’1,z’2,k)とする。真空中の電磁波の伝播波長をλ0とする。媒質の比誘電率をεrとする。伝播する電磁波の波数をkとする。 Here, let f(x, y, z) be the reflectivity at the reflection point (x, y, z) of the object to be measured. Let s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , z' 1 ) and s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , y' 2 , z' 1 , z' 2 , k) be the measurement data at the transmission point p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) and the reception point p 2 (x' 2 , y' 2 , z ' 2 ) . Let λ 0 be the propagation wavelength of the electromagnetic wave in a vacuum. Let ε r be the relative dielectric constant of the medium. Let k be the wave number of the propagating electromagnetic wave.
このとき、計測データs(x’1,x’2,y’1,y’2,z’1,z’2,k)は、以下の式で表せる。
但し、
である。
In this case, the measurement data s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , y' 2 , z' 1 , z' 2 , k) can be expressed by the following equation.
however,
is.
式(2-1)では、電磁波を球面波で表しており、距離減衰は省略されている。この距離減衰は、以降の処理を行う上で影響が小さいため、省略されている。式(2-1)中の被積分関数の指数部をフーリエ変換の表記で表すと、以下の式となる。これは、式(2-1)の球面波を3次元の平面波に分解することに等しい。 In equation (2-1), electromagnetic waves are represented as spherical waves, and distance attenuation is omitted. This distance attenuation is omitted because it has little effect on subsequent processing. When the exponential part of the integrand in equation (2-1) is expressed in Fourier transform notation, it becomes the following equation. This is equivalent to decomposing the spherical wave in equation (2-1) into three-dimensional plane waves.
ここで、(k’x1,k’y1,k’z1)は、送信点から反射点までの間で伝搬する波動の球面波の波数ベクトルの成分である。また、(k’x2,k’y2,k’z2)は、反射点から受信点までの間で伝搬する波動の球面波の波数ベクトルの成分である。但し、
を満たす。
Here, ( k'x1 , k'y1 , k'z1 ) are the components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating from the transmitting point to the reflecting point, and ( k'x2 , k'y2 , k'z2 ) are the components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating from the reflecting point to the receiving point.
Meet the following.
以下、式(2-3)に基づいて、s(x’1,x’2,y’1,y’2,z’1,z’2,k)から反射率f(x,y,z)を導出する。まず、式(2-3)の両辺をx’1,x’2,y’1,y’2に関して4重フーリエ変換を行う。
Below, the reflectance f(x, y, z) is derived from s( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) based on equation (2-3). First, a quadruple Fourier transform is performed on both sides of equation (2-3) with respect to x'1 , x'2 , y'1 , y'2 .
式(2-5)の左辺を以下の式(2-6)のように書き換えて整理する。
すると、式(2-5)は、式(2-7)で表される。
The left side of equation (2-5) is rewritten and rearranged as equation (2-6) below.
Then, equation (2-5) is expressed as equation (2-7).
式(2-7)の両辺に以下の積分を行う。
The following integral is performed on both sides of equation (2-7).
ここで、以下の変数置換を行う。
Here, the following variable substitutions are made:
ここで、式(2-9)、式(2-10)から、以下の式が得られる。
Here, the following equation is obtained from equations (2-9) and (2-10).
この変数置換でのヤコビアンの絶対値|J|は式(2-12)、式(2-13)より以下の式でそれぞれ与えられる。
The absolute value |J| of the Jacobian in this variable substitution is given by the following equations from equations (2-12) and (2-13).
式(2-9)、式(2-10)、式(2-14)、式(2-15)を式(2-8)に代入して変数置換を行うと、以下の式が得られる。
Substituting equations (2-9), (2-10), (2-14), and (2-15) into equation (2-8) and performing variable substitution, the following equation is obtained.
ここで、式(2-16)の2行目右辺の(u,v)に関する積分は定数となるため、省略した。式(2-16)の両辺に(kx,ky,kz)について3重逆フーリエ変換を行うと、反射率f(x,y,z)が以下のように得られる。
Here, the integral with respect to (u, v) on the right-hand side of the second line of equation (2-16) is a constant and has been omitted. By performing a triple inverse Fourier transform on both sides of equation (2-16) with respect to (k x , k y , k z ), the reflectance f(x, y, z) is obtained as follows:
式(2-17)を解くために、(k’z1,k’z2,k)を(k’x1,k’x2,k’y1,k’y2,kz)又は(kx,u,ky,v,kz)で表す必要がある。
式(2-4)、式(2-11)を用いて整理し、また、送信点と受信点がいずれも原点を通るxy平面上に位置する場合、z’1=z’2=0となるため、式(2-17)は以下のように表せる。
To solve equation (2-17), it is necessary to express ( k'z1 , k'z2 , k) as ( k'x1 , k'x2 , k'y1 , k'y2 , kz ) or ( kx , u, ky , v, kz ).
By rearranging using equations (2-4) and (2-11), and if the transmitting point and receiving point are both located on the xy plane passing through the origin, z' 1 =z' 2 =0, so equation (2-17) can be expressed as follows:
以上のように、データ処理ユニット66は、計測データs(x’1,x’2,y’1,y’2,z’1,z’2,k)に基づいて、反射率f(x,y,z)を求める。 As described above, the data processing unit 66 obtains the reflectance f(x, y, z) based on the measurement data s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , y' 2 , z' 1 , z' 2 , k).
以下、図10を参照して、本実施形態のデータ処理方法、及び、プログラムについて説明する。図10は、本実施形態のデータ処理方法を示すフローチャートである。
まず、計測ユニット61が計測データs(x’1,x’2,y’1,y’2,z’1,z’2,k)を取得する(ステップS2-1)。そして、データ処理ユニット66は、計測データs(x’1,x’2,y’1,y’2,z’1,z’2,k)に対して、ヒルベルト変換を行う(ステップS2-2)。これにより、各計測点における周波数データの虚数成分が得られる。
The data processing method and program of this embodiment will be described below with reference to Fig. 10. Fig. 10 is a flowchart showing the data processing method of this embodiment.
First, the measurement unit 61 acquires the measurement data s ( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) (step S2-1). Then, the data processing unit 66 performs a Hilbert transform on the measurement data s ( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) (step S2-2). This obtains the imaginary component of the frequency data at each measurement point.
次に、データ処理ユニット66は、計測データs(x’1,x’2,y’1,y’2,z’1,z’2,k)に対して、(x’1,x’2,y’1,y’2)に関する4重フーリエ変換を行う(ステップS2-3)。これにより、式(2-6)に示されるように、S(k’x1,k’x2,k’y1,k’y2,0,0,k)が得られる。
次に、データ処理ユニット66は、S(k’x1,k’x2,k’y1,k’y2,0,0,k)に対して、変数置換を行う(ステップS2-4)。具体的には、式(2-9)、式(2-10)、式(2-14)、式(2-15)を用いて、(k’x1,k’x2,k’y1,k’y2,k)の関数を(kx,ky,kz)の関数にする。これにより、S(kx,ky,kz)が得られる。
次に、データ処理ユニット66は、S(kx,ky,kz)に対して、(kx,ky,kz)に対して3重逆フーリエ変換を行う(ステップS2-5)。これにより、式(2-18)に示されるように、反射率f(x,y,z)が得られる。
Next, the data processing unit 66 performs a quadruple Fourier transform of the measurement data s( x'1 , x'2 , y'1, y'2, z'1 , z'2 , k) with respect to ( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 ) (step S2-3), thereby obtaining S( k'x1 , k'x2, k'y1 , k'y2 , 0 , 0, k) as shown in equation (2-6).
Next, the data processing unit 66 performs variable substitution on S( k'x1 , k'x2 , k'y1 , k'y2 , 0,0,k) (step S2-4). Specifically, using equations (2-9), (2-10), (2-14), and (2-15), the function of ( k'x1 , k'x2 , k'y1 , k'y2 , k) is converted into a function of ( kx , ky , kz ). This results in S( kx , ky , kz ).
Next, the data processing unit 66 performs a triple inverse Fourier transform on S( kx , ky , kz ) (step S2-5), thereby obtaining the reflectance f( x , y , z ) as shown in equation (2-18).
記憶部66aは、本実施形態のデータ処理方法を実行するためのプログラムを記憶する。記憶部66aに記憶されたプログラムは、データ処理ユニット66に、本実施形態のデータ処理方法を実行させる。 The memory unit 66a stores a program for executing the data processing method of this embodiment. The program stored in the memory unit 66a causes the data processing unit 66 to execute the data processing method of this embodiment.
ここで、電磁波の周波数を4.46484GHz、比誘電率を10、計測間隔Δx’1 = 38.5mm、計測間隔Δx’2 = 38.5mm、計測間隔Δy’1 = 38.5mm、計測間隔Δy’2 = 38.5mm、計測幅616mm、媒質中の最高周波数の波長λfmax= 21.24mmとする。このとき、以下の式(2-20)が得られる。
このとき、ナイキスト基準を満たさず、x’1軸方向、x’2軸方向、y’1軸方向、y’2軸方向のそれぞれに、エイリアシングが発生する。この場合のナイキスト波数は、以下の式(2-21)で表される。
Here, the frequency of the electromagnetic wave is 4.46484 GHz, the relative dielectric constant is 10, the measurement interval Δx' 1 = 38.5 mm, the measurement interval Δx' 2 = 38.5 mm, the measurement interval Δy' 1 = 38.5 mm, the measurement interval Δy' 2 = 38.5 mm, the measurement width is 616 mm, and the wavelength of the maximum frequency in the medium λ fmax = 21.24 mm. In this case, the following equation (2-20) is obtained.
In this case, the Nyquist criterion is not satisfied, and aliasing occurs in each of the x'1 - axis direction, x'2- axis direction, y'1- axis direction, and y'2- axis direction. The Nyquist wave number in this case is expressed by the following equation (2-21).
最高周波数から求まる最大波数は、以下の式(2-22)で表される。
The maximum wave number obtained from the highest frequency is expressed by the following equation (2-22).
ここで、ステップS2-3におけるx’1軸、x’2軸に関するフーリエ変換は、図11で表される。また、ステップS2-3におけるy’1軸、y’2軸に関するフーリエ変換は、図12で表される。
図11より、x’1軸、x’2軸に関するフーリエ変換において、それぞれ、±k’x1,nyq、±k’x2,nyqを上限とする波数が範囲Aに出力される。±k’x1,nyq、±k’x2,nyqを超える波数のデータは、エイリアスデータとして、それぞれ、2k’x1,nyq、2k’x2,nyqを周期として折り返し現れる。よって、ステップS2-4の変数置換処理において、範囲Aではなく、それぞれ、±k’x1max、±k’x2maxを上限とする範囲A’で変数置換処理を行う。これにより、エイリアスデータを折り返し雑音として捨てるのではなく、実際に意味のあるデータとして変数置換処理に加えることにより、x’1軸、x’2軸方向の分解能を向上させ、更には浅いターゲットの画像強度をより強くさせることが可能になる。
y’1軸、y’2軸に関しても、同様に、図12に示すように、範囲Bではなく、それぞれ、±k’y1max、±k’y2maxを上限とする範囲B’で変数置換処理を行う。
Here, the Fourier transforms for the x'1 axis and x'2 axis in step S2-3 are shown in Fig. 11. Also, the Fourier transforms for the y'1 axis and y'2 axis in step S2-3 are shown in Fig. 12.
11, in the Fourier transform for the x'1 axis and the x'2 axis, wavenumbers with upper limits of ± k'x1,nyq and ±k'x2 ,nyq are output in range A. Data with wavenumbers exceeding ± k'x1,nyq and ±k'x2 ,nyq appear as alias data, repeating in cycles of 2k'x1,nyq and 2k'x2 ,nyq , respectively. Therefore, in the variable substitution process of step S2-4, variable substitution is performed not in range A but in range A' with upper limits of ± k'x1max and ± k'x2max , respectively. In this way, by adding the alias data to the variable substitution process as actually meaningful data rather than discarding it as aliasing noise, it is possible to improve the resolution in the x'1 axis and x'2 axis directions and further increase the image intensity of shallow targets.
Similarly, for the y'1 axis and y'2 axis, as shown in FIG. 12, variable substitution processing is performed not within range B but within range B' having upper limits of ±k' y1max and ±k' y2max , respectively.
<第3実施形態>
以下、第3実施形態のデータ処理方法、計測システム、及び、プログラムについて、詳細に説明する。第2実施形態では、送信用アレイアンテナ50及び受信用アレイアンテナ52は、平面状に配置されるが、本実施形態は、送信用アレイアンテナ50及び受信用アレイアンテナ52の配列が異なる。本実施形態の送信用アレイアンテナ50及び受信用アレイアンテナ52は、直線状に配置される。
具体的には、本実施形態では、送信アンテナ10a及び受信アンテナ10bは、図13に示すように、y方向に配列される。送信用アレイアンテナ50及び受信用アレイアンテナ52の移動方向(走査方向)を、x方向とする。送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52からみて、測定対象物のある方向(電磁波の送信方向)をz方向とする。
なお、送信用アレイアンテナ50及び受信用アレイアンテナ52の移動方向(走査方向)をy方向としてもよい。
Third Embodiment
The data processing method, measurement system, and program of the third embodiment will be described in detail below. In the second embodiment, the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52 are arranged in a plane, but in this embodiment, the arrangement of the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52 is different. In this embodiment, the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52 are arranged in a straight line.
Specifically, in this embodiment, the transmitting antennas 10a and receiving antennas 10b are arranged in the y direction as shown in Fig. 13. The movement direction (scanning direction) of the transmitting array antenna 50 and receiving array antenna 52 is defined as the x direction. The direction toward the object to be measured (the transmission direction of electromagnetic waves) as viewed from the transmitting array antenna 50 and receiving array antenna 52 is defined as the z direction.
The movement direction (scanning direction) of the transmitting array antenna 50 and the receiving array antenna 52 may be the y direction.
したがって、測定対象物と送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52との位置関係は、図13に示すように表すことができる。
ここで、送信点の座標をp1(x’1,y’1,z’1)、受信点の座標をp2(x’2,y’2,z’2)とする。測定対象物の反射点(x,y,z)における反射率をf(x,y,z)とする。p2(x’2,y’2,z’2)における計測データをs(x’1,x’2,y’1,y’2,z’1,z’2,k)とする。真空中の電磁波の伝播波長をλ0とする。媒質の比誘電率をεrとする。伝播する電磁波の波数をkとする。
Therefore, the positional relationship between the object to be measured, the transmitting array antenna 50, and the receiving array antenna 52 can be expressed as shown in FIG.
Here, let the coordinates of the transmitting point be p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) and the coordinates of the receiving point be p 2 (x' 2 , y' 2 , z' 2 ). Let the reflectance at the reflection point (x, y, z) of the object to be measured be f(x, y, z). Let the measurement data at p 2 (x' 2 , y' 2 , z' 2 ) be s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , y' 2 , z' 1 , z' 2 , k). Let the propagation wavelength of the electromagnetic wave in a vacuum be λ 0. Let the relative dielectric constant of the medium be ε r . Let the wave number of the propagating electromagnetic wave be k.
このとき、計測データs(x’1,x’2,y’1,y’2,z’1,z’2,k)は、以下の式で表せる。
但し
である。
In this case, the measurement data s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , y' 2 , z' 1 , z' 2 , k) can be expressed by the following equation.
however
is.
式(3-1)では、電磁波を球面波で表しており、距離減衰は省略されている。この距離減衰は、以降の処理を行う上で影響が小さいため、省略されている。式(3-1)中の二段目の式の被積分関数の指数部をフーリエ変換の表記で表すと、以下の式となる。これは、式(3-1)の球面波を3次元の平面波に分解することに等しい。 In equation (3-1), electromagnetic waves are represented as spherical waves, and distance attenuation is omitted. This distance attenuation is omitted because it has little effect on subsequent processing. If the exponential part of the integrand function in the second equation in equation (3-1) is expressed in Fourier transform notation, it becomes the following equation. This is equivalent to decomposing the spherical wave in equation (3-1) into three-dimensional plane waves.
ここで、(k’x1,k’y1,k’z1)は、送信点から反射点までの間で伝搬する波動の球面波の波数ベクトルの成分である。また、(k’x2,k’y2,k’z2)は、反射点から受信点までの間で伝搬する波動の球面波の波数ベクトルの成分である。但し、
を満たす。
Here, ( k'x1 , k'y1 , k'z1 ) are the components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating from the transmitting point to the reflecting point, and ( k'x2 , k'y2 , k'z2 ) are the components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating from the reflecting point to the receiving point.
Meet the following.
ここで、送信点p1(x’1,y’1,z’1)と受信点p2(x’2,y’2,z’2)のx座標が等しいことから、x’=x’1=x’2とすると、式(3-3)は以下の式で表される。
Here, since the x coordinates of transmission point p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) and reception point p 2 (x' 2 , y' 2 , z' 2 ) are equal, if we set x' = x' 1 = x' 2 , equation (3-3) can be expressed as follows:
ここで、以下の変数置換を行う。
式(3-6)から以下の式が得られる。
Here, the following variable substitutions are made:
The following equation is obtained from equation (3-6):
式(3-7)からヤコビアンの絶対値を計算すると、以下の式が得られる。
Calculating the absolute value of the Jacobian from equation (3-7) gives the following equation:
式(3-6)、式(3-8)を式(3-5)に代入して変数置換を行うと、以下の式が得られる。
Substituting equations (3-6) and (3-8) into equation (3-5) and performing variable substitution, the following equation is obtained.
ここで、式(3-9)の2行目のuに関する積分は、定数となるため省略した。式(3-9)の両辺に(x,y1,y2)について3重逆フーリエ変換を行うと、以下の式が得られる。
Here, the integral with respect to u in the second line of equation (3-9) is omitted because it is a constant. When a triple inverse Fourier transform is performed on both sides of equation (3-9) with respect to (x, y 1 , y 2 ), the following equation is obtained.
式(3-10)の左辺を以下の式のように書き換えて整理する。
すると、式(3-10)は、以下の式で表される。
The left side of equation (3-10) is rewritten and rearranged as follows:
Then, equation (3-10) is expressed as follows:
式(3-12)の両辺に以下の積分を行うと、以下の式が得られる。
By performing the following integral on both sides of equation (3-12), the following equation is obtained:
ここで、(k’y1,k’y2)、(k’z1,k’z2)に対して、以下の変数置換を定義する。
Here, the following variable substitutions are defined for (k' y1 , k' y2 ) and (k' z1 , k' z2 ).
ここで、式(3-14)から、以下の式が得られる。
この変数置換でのヤコビアンの絶対値は、以下の式で与えられる。
Here, the following equation is obtained from equation (3-14):
The absolute value of the Jacobian under this variable substitution is given by the following formula:
式(3-1)、式(3-15)、式(3-17)を式(3-13)に代入して、変数置換を行うと、以下の式が得られる。
Substituting equations (3-1), (3-15), and (3-17) into equation (3-13) and performing variable substitution, the following equation is obtained.
ここで、式(3-18)の2行目右辺のvに関する積分は、定数となるため省略した。式(3-18)の両辺に(kx,ky,kz)について3重逆フーリエ変換を行うと、反射率f(x,y,z)が以下のように得られる。
ここで、原点を通るx’-y’平面に計測面を合わせるため、z’=0とすると、式(3-19)は、以下のように表される。
Here, the integral with respect to v on the right-hand side of the second line of equation (3-18) is omitted because it is a constant. When a triple inverse Fourier transform is performed on both sides of equation (3-18) with respect to (k x , k y , k z ), the reflectance f(x, y, z) is obtained as follows:
Here, if z'=0 is set in order to align the measurement surface with the x'-y' plane passing through the origin, equation (3-19) can be expressed as follows:
式(3-20)を解くために、kを(k’y1,k’y2,kz)又は(ky,v,kz)で表す必要がある。
式(3-4)、式(3-6)、式(3-15)、及び、仮定より得られる以下の式(3-21)の4つの式の連立方程式を解く。
To solve equation (3-20), k must be expressed as (k' y1 , k' y2 , k z ) or (k y , v, k z ).
The four simultaneous equations, Equation (3-4), Equation (3-6), Equation (3-15), and Equation (3-21) obtained from the assumption, are solved.
これより、kは以下の式で表される。
From this, k is expressed by the following formula.
以上のように、データ処理ユニット66は、計測データs(x’1,x’2,y’1,y’2,z’1,z’2,k)に基づいて、反射率f(x,y,z)を求める。 As described above, the data processing unit 66 obtains the reflectance f(x, y, z) based on the measurement data s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , y' 2 , z' 1 , z' 2 , k).
以下、図14を参照して、本実施形態のデータ処理方法、及び、プログラムについて説明する。図14は、本実施形態のデータ処理方法を示すフローチャートである。
まず、計測ユニット61が計測データs(x’,y’1,y’2,0,0,k)を取得する(ステップS3-1)。そして、データ処理ユニット66は、計測データs(x’,y’1,y’2,0,0,k)に対して、ヒルベルト変換を行う(ステップS3-2)。これにより、各計測点における周波数データの虚数成分が得られる。
The data processing method and program of this embodiment will be described below with reference to Fig. 14. Fig. 14 is a flowchart showing the data processing method of this embodiment.
First, the measurement unit 61 acquires the measurement data s(x', y'1 , y'2 , 0, 0, k) (step S3-1). Then, the data processing unit 66 performs a Hilbert transform on the measurement data s(x', y'1 , y'2 , 0, 0, k) (step S3-2). This obtains the imaginary component of the frequency data at each measurement point.
次に、データ処理ユニット66は、計測データs(x’,y’1,y’2,0,0,k)に対して、(x’,y’1,y’2)に関する3重フーリエ変換を行う(ステップS3-3)。これにより、式(3-11)に示されるように、S(kx,k’y1,k’y2,0,0,k)が得られる。
次に、データ処理ユニット66は、S(kx,k’y1,k’y2,0,0,k)に対して、変数置換を行う(ステップS3-4)。具体的には、式(3-14)、式(3-15)を用いて、(kx,k’y1,k’y2,k)の関数を(kx,ky,v,k)の関数にする。これにより、S(kx,ky,v,0,0,k)が得られる。
次に、データ処理ユニット66は、S(kx,ky,v,0,0,k)に対して、(kx,ky,kz)に対して3重逆フーリエ変換を行う(ステップS3-5)。これにより、式(3-20)に示されるように、反射率f(x,y,z)が得られる。
Next, the data processing unit 66 performs a triple Fourier transform with respect to (x', y' 1 , y' 2 ) on the measurement data s(x', y' 1 , y' 2 , 0, 0, k) (step S3-3), thereby obtaining S(k x , k' y1 , k' y2 , 0, 0, k) as shown in equation (3-11).
Next, the data processing unit 66 performs variable substitution on S( kx , k'y1 , k'y2 , 0,0,k) (step S3-4). Specifically, using equations (3-14) and (3-15), the function of ( kx , k'y1 , k'y2 , k) is converted into a function of ( kx , ky , v, k). This results in S( kx , ky , v, 0,0,k).
Next, the data processing unit 66 performs a triple inverse Fourier transform on S( kx , ky , v, 0, 0, k) to ( kx , ky , kz ) (step S3-5), thereby obtaining the reflectance f(x, y, z) as shown in equation (3-20).
記憶部66aは、本実施形態のデータ処理方法を実行するためのプログラムを記憶する。記憶部66aに記憶されたプログラムは、データ処理ユニット66に、本実施形態のデータ処理方法を実行させる。 The memory unit 66a stores a program for executing the data processing method of this embodiment. The program stored in the memory unit 66a causes the data processing unit 66 to execute the data processing method of this embodiment.
ここで、電磁波の周波数を4.46484GHz、比誘電率を10、計測間隔Δx = 10mm、計測間隔Δy’1 = 38.5mm、計測間隔Δy’2 = 38.5mm、計測幅616mm、媒質中の最高周波数の波長λfmax= 21.24mmとする。このとき、以下の式(3-23)が得られる。
このとき、ナイキスト基準を満たさず、x軸方向、y’1軸方向、y’2軸方向のそれぞれに、エイリアシングが発生する。この場合のナイキスト波数は、以下の式(3-24)で表される。
Here, the frequency of the electromagnetic wave is 4.46484 GHz, the relative dielectric constant is 10, the measurement interval Δx = 10 mm, the measurement interval Δy' 1 = 38.5 mm, the measurement interval Δy' 2 = 38.5 mm, the measurement width is 616 mm, and the wavelength of the maximum frequency in the medium λ fmax = 21.24 mm. In this case, the following equation (3-23) is obtained.
In this case, the Nyquist criterion is not satisfied, and aliasing occurs in each of the x-axis direction, y'1- axis direction, and y'2- axis direction. The Nyquist wave number in this case is expressed by the following equation (3-24).
最高周波数から求まる最大波数は、以下の式(3-25)で表される。
The maximum wave number obtained from the highest frequency is expressed by the following equation (3-25).
ここで、ステップS3-3におけるx軸に関するフーリエ変換は、図15で表される。また、ステップS3-3におけるy’1軸、y’2軸に関するフーリエ変換は、図16で表される。
図15より、x軸に関するフーリエ変換において、それぞれ、±kx,nyq、±k’x2,nyqを上限とする波数が範囲Aに出力される。±kx,nyqを超える波数のデータは、エイリアスデータとして、2kx,nyqを周期として折り返し現れる。よって、ステップS3-4の変数置換処理において、範囲Aではなく、それぞれ、±kxmaxを上限とする範囲A’で変数置換処理を行う。これにより、エイリアスデータを折り返し雑音として捨てるのではなく、実際に意味のあるデータとして変数置換処理に加えることにより、x軸方向の分解能を向上させ、更には浅いターゲットの画像強度をより強くさせることが可能になる。
y’1軸、y’2軸に関しても、第2実施形態と同様に、図16に示すように、範囲Bではなく、それぞれ、±k’y1max、±k’y2maxを上限とする範囲B’で変数置換処理を行う。
Here, the Fourier transform for the x-axis in step S3-3 is shown in Fig. 15. Moreover, the Fourier transform for the y'1 axis and y'2 axis in step S3-3 is shown in Fig. 16.
15, in the Fourier transform for the x-axis, wavenumbers with upper limits of ± kx,nyq and ±k'x2 ,nyq are output in range A. Data with wavenumbers exceeding ± kx, nyq appear as alias data, repeating with a period of 2kx,nyq . Therefore, in the variable substitution process of step S3-4, variable substitution is performed not in range A but in range A' with upper limits of ± kxmax . In this way, by adding the alias data to the variable substitution process as actually meaningful data rather than discarding it as aliasing noise, it becomes possible to improve the resolution in the x-axis direction and further increase the image intensity of shallow targets.
As for the y'1 axis and y'2 axis, similarly to the second embodiment, as shown in FIG. 16, variable substitution processing is performed not within range B but within range B' having upper limits of ±k' y1max and ±k' y2max , respectively.
(シミュレーション結果)
以下、第3実施形態のデータ処理方法をコンピュータシミュレーションした結果について説明する。シミュレーション条件は、以下の通りである。
(Simulation results)
The results of a computer simulation of the data processing method of the third embodiment will be described below. The simulation conditions are as follows:
・使用周波数帯域fmin~fmax:DC~4.46484GHz
・中心周波数fc:2.23242GHz
・中心周波数の真空中の波長λ0c:134.38mm
・媒質の比誘電率εr:10
・媒質中の中心周波数の波長λc:42.50mm
・媒質中の最高周波数の波長λfmax:21.24mm
・計測数Nx:128pt
・計測間隔Δx:10mm
・計測幅:1280mm
・計測数Ny’1:16pt
・計測間隔Δy’1:38.5mm
・計測幅:616mm
・計測数Ny’2:16pt
・計測間隔Δy’2:38.5mm
・計測幅:616mm
・点ターゲット1の座標(単位:mm):(640,307,20)
・点ターゲット2の座標(単位:mm):(640,307,200)
・Frequency band used f min to f max : DC to 4.46484 GHz
・Center frequency fc: 2.23242GHz
Wavelength λ 0c of center frequency in vacuum: 134.38 mm
Relative dielectric constant ε r of the medium: 10
Wavelength λc of the center frequency in the medium: 42.50 mm
・Wavelength λ fmax of the highest frequency in the medium: 21.24 mm
・Number of measurements Nx: 128pt
Measurement interval Δx: 10 mm
Measurement width: 1280 mm
Number of measurements N y'1 : 16 pt
Measurement interval Δy'1: 38.5 mm
Measurement width: 616 mm
Number of measurements N y'2 : 16 pt
Measurement interval Δy'2: 38.5 mm
Measurement width: 616 mm
Coordinates of point target 1 (unit: mm): (640, 307, 20)
Coordinates of point target 2 (unit: mm): (640, 307, 200)
図17は、比較例1のデータ処理方法でシミュレーションした点ターゲット1のxz平面画像を示す。図18は、実施例1のデータ処理方法でシミュレーションした点ターゲット1のxz平面画像を示す。図19は、比較例1のデータ処理方法でシミュレーションした点ターゲット1のyz平面画像を示す。図20は、実施例1のデータ処理方法でシミュレーションした点ターゲット1のyz平面画像を示す。
図21は、比較例1と実施例1の点ターゲット1のx軸方向の波形を示す。図22は、比較例1と実施例1の点ターゲット1のy軸方向の波形を示す。図23は、比較例1と実施例1の点ターゲット1のz軸方向の波形を示す。図21~図23において、いずれも実施例1は実線で示され、比較例1は破線で示される。
Fig. 17 shows an xz plane image of the point target 1 simulated by the data processing method of Comparative Example 1. Fig. 18 shows an xz plane image of the point target 1 simulated by the data processing method of Example 1. Fig. 19 shows a yz plane image of the point target 1 simulated by the data processing method of Comparative Example 1. Fig. 20 shows a yz plane image of the point target 1 simulated by the data processing method of Example 1.
Fig. 21 shows waveforms in the x-axis direction of the point target 1 of Comparative Example 1 and Example 1. Fig. 22 shows waveforms in the y-axis direction of the point target 1 of Comparative Example 1 and Example 1. Fig. 23 shows waveforms in the z-axis direction of the point target 1 of Comparative Example 1 and Example 1. In all of Figs. 21 to 23, Example 1 is shown by a solid line, and Comparative Example 1 is shown by a dashed line.
図24は、比較例1のデータ処理方法でシミュレーションした点ターゲット2のxz平面画像を示す。図25は、実施例1のデータ処理方法でシミュレーションした点ターゲット2のxz平面画像を示す。図26は、比較例1のデータ処理方法でシミュレーションした点ターゲット2のyz平面画像を示す。図27は、実施例1のデータ処理方法でシミュレーションした点ターゲット2のyz平面画像を示す。
図28は、比較例1と実施例1の点ターゲット2のx軸方向の波形を示す。図29は、比較例1と実施例1の点ターゲット2のy軸方向の波形を示す。図30は、比較例1と実施例1の点ターゲット2のz軸方向の波形を示す。図28~図30において、いずれも実施例1は実線で示され、比較例1は破線で示される。
Fig. 24 shows an xz plane image of the point target 2 simulated by the data processing method of Comparative Example 1. Fig. 25 shows an xz plane image of the point target 2 simulated by the data processing method of Example 1. Fig. 26 shows a yz plane image of the point target 2 simulated by the data processing method of Comparative Example 1. Fig. 27 shows a yz plane image of the point target 2 simulated by the data processing method of Example 1.
Fig. 28 shows waveforms in the x-axis direction of the point target 2 of Comparative Example 1 and Example 1. Fig. 29 shows waveforms in the y-axis direction of the point target 2 of Comparative Example 1 and Example 1. Fig. 30 shows waveforms in the z-axis direction of the point target 2 of Comparative Example 1 and Example 1. In all of Figs. 28 to 30, Example 1 is shown by a solid line, and Comparative Example 1 is shown by a dashed line.
比較例1では、本実施形態におけるステップS3-4の変数置換処理において、範囲Aで変数置換処理を行った。実施例1では、本実施形態におけるステップS3-4の変数置換処理において、範囲Aではなく、それぞれ、±kxmaxを上限とする範囲A’で変数置換処理を行った。以下、実施例1における±kxmaxを上限とする範囲A’での変数置換処理を超分解能処理と呼ぶ。 In Comparative Example 1, in the variable substitution process of step S3-4 in this embodiment, the variable substitution process was performed in range A. In Example 1, in the variable substitution process of step S3-4 in this embodiment, the variable substitution process was performed in range A' with ±k xmax as the upper limit, rather than range A. Hereinafter, the variable substitution process in Example 1 in range A' with ±k xmax as the upper limit will be referred to as super-resolution processing.
図17~図30より、比較例1に比べて、超分解能処理を行う実施例1によれば、点ターゲット1、2のいずれにおいても、x軸方向、y軸方向の分解能が向上することが確認された。 From Figures 17 to 30, it was confirmed that, compared to Comparison Example 1, Example 1, which performs super-resolution processing, improves the resolution in the x-axis and y-axis directions for both point targets 1 and 2.
<第4実施形態>
本実施形態では、第3実施形態において生じ得るノイズを低減する。y軸方向に関する計測データsは、送信アンテナからターゲットまで伝播する電磁波の振幅をt、ターゲットの反射率を1、ターゲットから受信アンテナまで伝播する電磁波の振幅をrとすると、以下の式(4-1)で表される。
Fourth Embodiment
In this embodiment, noise that may occur in the third embodiment is reduced. Measurement data s in the y-axis direction is expressed by the following equation (4-1), where t is the amplitude of the electromagnetic wave propagating from the transmitting antenna to the target, r is the reflectivity of the target, and r is the amplitude of the electromagnetic wave propagating from the target to the receiving antenna.
このとき、ナイキスト周波数以下の振幅成分をt0、r0とし、n回の折り返し振幅成分(エイリアスデータ)をtn、rnとすると、tとrは、それぞれ以下の式(4-2)で表される。
In this case, if the amplitude components below the Nyquist frequency are t 0 and r 0 and the n-times aliased amplitude components (alias data) are t n and r n , t and r are respectively expressed by the following equation (4-2).
式(4-2)を式(4-1)に代入すると、以下の式(4-3)が得られる。
Substituting equation (4-2) into equation (4-1), the following equation (4-3) is obtained.
第3実施形態で示した超分解能処理は、例えば、ステップS3-4の変数置換時に、図16で示される(k’y1,k’y2)空間において、以下の式(4-4)で示されるように、送信アンテナの切替えに起因するk’y1と、受信アンテナに起因するk’y2がどちらもナイキスト波数以下の範囲内にある場合には、エイリアスデータ(折り返し雑音成分)を含む成分は、信号処理の中で全て雑音成分となる。
In the super-resolution processing shown in the third embodiment, for example, during variable substitution in step S3-4, in the ( k'y1 , k'y2 ) space shown in Figure 16, if k'y1 caused by switching the transmitting antenna and k'y2 caused by the receiving antenna are both within a range equal to or less than the Nyquist wave number, as shown in the following equation (4-4), all components including alias data (aliasing noise components) become noise components in the signal processing.
このとき、式(4-3)は、式(4-5)のように表される。
ここで、実線で囲んだr0t0は信号成分であり、破線で囲んだ部分はノイズ成分である。
In this case, equation (4-3) is expressed as equation (4-5).
Here, r 0 t 0 surrounded by a solid line is a signal component, and the part surrounded by a dashed line is a noise component.
次に、変数置換時にk’y1のみが1回の折り返し雑音領域に入る場合には、式(4-6)の条件となり、式(4-3)は式(4-7)で表される。
ここで、実線で囲んだr0t1は信号成分であり、破線で囲んだ部分はノイズ成分である。
Next, when only k' y1 falls within the aliasing noise region once during variable substitution, the condition of equation (4-6) is met, and equation (4-3) is expressed as equation (4-7).
Here, r 0 t 1 surrounded by a solid line is a signal component, and the part surrounded by a dashed line is a noise component.
次に、変数置換時にk’y2が2回の折り返し雑音領域に入る場合には、式(4-8)の条件となり、式(4-3)は式(4-9)で表される。
ここで、実線で囲んだr2t1は信号成分であり、破線で囲んだ部分はノイズ成分である。
Next, when k' y2 falls into the double aliasing noise region during variable substitution, the condition of equation (4-8) is met, and equation (4-3) is expressed as equation (4-9).
Here, r 2 t 1 surrounded by a solid line is a signal component, and the part surrounded by a dashed line is a noise component.
ここで、図5に示したのと同様、送信アンテナ計測点のy’1座標、受信アンテナ計測点のy’2座標が、ターゲットに近い場合、すなわち、ターゲットの直上付近にある場合、y’1、y’2軸方向の計測データの空間周波数は、それぞれ低くなる。反対に、y’1座標、y’2座標が、ターゲットから遠くなるに従い、y’1、y’2軸方向の計測データの空間周波数は、それぞれ高くなる。そして、その地点の波数がナイキスト波数を超えたときに、折り返し雑音(エイリアス)成分として計測データに含まれる。このように、エイリアスデータ成分(折り返し雑音成分)は、相対的にターゲットから遠い地点で発生する傾向がある。そのため、距離減衰によりナイキスト波数以下のデータ成分と比較して、振幅の大きさが小さくなる。そのため、以下の式(4-10)が一般的に成立する。
As shown in Figure 5, when the y'1 coordinate of the transmitting antenna measurement point and the y'2 coordinate of the receiving antenna measurement point are close to the target, i.e., when they are located directly above the target, the spatial frequencies of the measurement data in the y'1 and y'2 axis directions are low. Conversely, as the y'1 and y'2 coordinates move farther from the target, the spatial frequencies of the measurement data in the y'1 and y'2 axis directions are higher. When the wave number at that point exceeds the Nyquist wave number, it is included in the measurement data as an aliasing noise component. In this way, alias data components (aliasing noise components) tend to occur at points relatively far from the target. Therefore, due to distance attenuation, their amplitudes are smaller than those of data components below the Nyquist wave number. Therefore, the following equation (4-10) generally holds true.
これより、rnとtnに関する2次の項の大きさは、r0或いはt0含む項に対して小さくなる。これは、以下の式(4-11)で表される。
As a result, the magnitude of the second-order terms related to r n and t n becomes smaller than the terms including r 0 or t 0. This is expressed by the following equation (4-11).
更に、減衰率が小さな空中とは異なり、減衰率が大きなコンクリート内部や地中を電磁波が伝播する場合には、距離減衰に加えて媒質に起因する減衰率によりrnとtnの大きさは、より小さくなる。このとき、式(4-11)は、以下の式(4-12)のように表される。
Furthermore, unlike air, where the attenuation rate is small, when electromagnetic waves propagate through concrete or underground, where the attenuation rate is large, the magnitudes of r n and t n become smaller due to the attenuation rate caused by the medium in addition to the attenuation due to distance. In this case, equation (4-11) can be expressed as the following equation (4-12).
よって、式(4-5)、式(4-7)、式(4-9)、式(4-12)からtnとrnに関する2次の項は、それ以外の項に対して相対的にS/N比が悪いデータとなる。そのため、S/N比を改善するためには、rnとtnに関する2次の項を、ステップS3-4の変数置換処理において、選択的に除外すれば良い。このとき、式(4-3)は、以下の式(4-13)で表される。
ここで、実線で囲んだ成分のみを変数置換処理で利用し、破線で囲んだ部分は変数置換処理で利用しない。
Therefore, the quadratic terms related to t n and r n in equations (4-5), (4-7), (4-9), and (4-12) result in data with a relatively poor S/N ratio compared to the other terms. Therefore, in order to improve the S/N ratio, the quadratic terms related to r n and t n can be selectively excluded in the variable substitution process of step S3-4. In this case, equation (4-3) can be expressed as the following equation (4-13).
Here, only the components enclosed by solid lines are used in the variable substitution process, and the parts enclosed by dashed lines are not used in the variable substitution process.
このように、減衰率が大きな媒質を電磁波が伝播する場合には、変数置換処理時に式(4-13)で表されるフィルタを利用することにより、3次元画像のS/N比の劣化を抑制できる。これは(k’y1,k’y2)空間における「十字型k’y1-k’y2フィルタ」として表される。図31は、十字型k’y1-k’y2フィルタの概念図である。 In this way, when electromagnetic waves propagate through a medium with a large attenuation rate, the degradation of the S/N ratio of a 3D image can be suppressed by using the filter expressed by equation (4-13) during variable substitution processing. This is expressed as a "cross-shaped k'y1 - k'y2 filter" in the ( k'y1 , k'y2 ) space. Figure 31 is a conceptual diagram of the cross-shaped k'y1 - k'y2 filter.
図15、図16に示されるkxmax、k’y1max、k’y2maxは、ターゲットの位置あるいはアンテナの指向性に依存する。ここで、計測面近傍(z=0)のターゲットまで計測対象に含めば、式(4-14)で示すように、アンテナの指向性θbx,θbyによって最大値が決定されてもよい。
但し、
である。
15 and 16 depend on the position of the target or the directivity of the antenna. If targets in the vicinity of the measurement plane (z=0) are included in the measurement target, the maximum values may be determined by the directivities θ bx and θ by of the antenna, as shown in equation (4-14).
however,
is.
(シミュレーション結果1)
以下、第4実施形態のデータ処理方法をコンピュータシミュレーションした結果について説明する。まず、第3実施形態と同じシミュレーション条件で、浅深度ターゲットの画像強度の改善効果を検証する。
超分解能処理では、失われていたエイリアスデータを用いる。そのため、超分解能処理が無い場合と比較して、ターゲット画像強度(画像振幅)が増加する。この効果は、深深度ターゲットよりも、エイリアスデータの多い浅深度ターゲットの方が大きい。すなわち、エイリアシングによって低減していた浅深度ターゲットの画像強度は、超分解能処理によって大きく回復する。
(Simulation result 1)
The results of a computer simulation of the data processing method of the fourth embodiment will be described below. First, the effect of improving the image intensity of a shallow depth target will be verified under the same simulation conditions as in the third embodiment.
Super-resolution processing uses the alias data that was lost. As a result, the target image intensity (image amplitude) increases compared to when super-resolution processing is not performed. This effect is greater for shallow targets with a large amount of alias data than for deep targets. In other words, the image intensity of shallow targets, which has been reduced by aliasing, is largely restored by super-resolution processing.
図32は、4つの点ターゲットのシミュレーション結果を示す。各点ターゲットの水平位置は計測面中央で、深さは、20mm、200mm、400mm、600mmである。図32において、超分解能処理を行った実施例1は実線で示され、超分解能処理を行わない比較例1は破線で示される。3次元画像振幅の大きさは、深さ20mmのターゲットの超分解能処理を行わない振幅を1として正規化されている。 Figure 32 shows the simulation results for four point targets. The horizontal position of each point target is the center of the measurement surface, and the depths are 20 mm, 200 mm, 400 mm, and 600 mm. In Figure 32, Example 1, in which super-resolution processing was performed, is shown by a solid line, and Comparative Example 1, in which super-resolution processing was not performed, is shown by a dashed line. The magnitude of the 3D image amplitude is normalized such that the amplitude of the 20 mm deep target without super-resolution processing is 1.
ターゲットの深さが浅いほど、超分解能処理の効果でターゲットの画像振幅が強くなる。シミュレーションデータでは距離減衰を考慮しているため、深いターゲットの振幅が非常に小さくなり、回復効果を直接比較することが難しい。そのため、同じ深さのターゲットの振幅について、超分解能処理を行わない3次元画像振幅に対する超分解能処理を行った3次元画像振幅の比を回復率として定義する。図33は、各点ターゲットの回復率を示す。図33より、ターゲットが浅いほど、エイリアスデータが多いため、超分解能処理による回復率が大きいことが分かる。深さ20mmでは、回復率は6倍に達する。一方、ターゲットが深いほど、エイリアスデータは少なくなり、回復率は小さくなる。深さ600mmでは、回復率は1.2倍程度である。 The shallower the target depth, the stronger the target image amplitude due to the effect of super-resolution processing. Because distance attenuation is taken into account in the simulation data, the amplitude of deep targets becomes very small, making it difficult to directly compare the recovery effects. Therefore, for the amplitude of targets at the same depth, the recovery rate is defined as the ratio of the 3D image amplitude with super-resolution processing to the 3D image amplitude without super-resolution processing. Figure 33 shows the recovery rate for each point target. Figure 33 shows that the shallower the target, the greater the recovery rate due to super-resolution processing, as there is more alias data. At a depth of 20 mm, the recovery rate reaches 6 times. On the other hand, the deeper the target, the less alias data there is and the smaller the recovery rate. At a depth of 600 mm, the recovery rate is approximately 1.2 times.
以上より、超分解能処理によってエイリアスデータを用いることにより、画像振幅強度が改善することが確認された。特に、エイリアスデータの多い浅いターゲットの画像において、顕著な改善が見られる。これは、主に、浅深度ターゲット画像のS/N比の改善として3次元画像に反映される。 From the above, it was confirmed that using alias data through super-resolution processing improves image amplitude intensity. Significant improvements are seen, particularly in images of shallow targets with a large amount of alias data. This is primarily reflected in 3D images as an improvement in the S/N ratio of shallow-depth target images.
(シミュレーション結果2)
以下、第3実施形態、第4実施形態のデータ処理方法をコンピュータシミュレーションした結果について説明する。シミュレーション条件は、以下の通りである。
・使用周波数帯域fmin~fmax:DC~4.46484GHz
・中心周波数fc:2.23242GHz
・中心周波数の真空中の波長λ0c:134.38mm
・媒質の比誘電率εr:5
・媒質中の中心周波数の波長λc:60.1mm
・媒質中の最高周波数の波長λfmax:30.05mm
・走査方向の計測間隔Δx:10mm
・計測数Nx:115pt
・計測幅:1150mm
・送信アンテナの計測間隔Δy1:38.5mm
・送信アンテナ数Ny1:12
・受信アンテナの計測間隔Δy2:38.5mm
・受信アンテナ数Ny2:12pt
・計測幅:481.25mm
(Simulation result 2)
The results of computer simulations of the data processing methods of the third and fourth embodiments will be described below. The simulation conditions are as follows:
・Frequency band used f min to f max : DC to 4.46484 GHz
・Center frequency fc: 2.23242GHz
Wavelength λ 0c of center frequency in vacuum: 134.38 mm
Relative dielectric constant ε r of the medium: 5
Wavelength λc of the center frequency in the medium: 60.1 mm
・Wavelength λ fmax of the highest frequency in the medium: 30.05 mm
Measurement interval in scanning direction Δx: 10 mm
・Number of measurements Nx: 115pt
Measurement width: 1150 mm
Measurement interval of transmitting antenna Δy1: 38.5 mm
Number of transmitting antennas N y1 : 12
Measurement interval of receiving antenna Δy2: 38.5 mm
Number of receiving antennas N y2 : 12pt
Measurement width: 481.25 mm
以下、鉄筋コンクリート試験体を計測した結果を示す。計測に用いた送信アンテナと受信アンテナのレイアウトを、図34に示す。試験体は、z座標の異なる複数の鉄筋を内部に有する。図35は、超分解能処理を行わない、試験体の3次元画像である。図36は、超分解能処理を行った、試験体の3次元画像である。図35、図36において、複数の鉄筋のz座標が示されている。図35と図36を比較すると、超分解能処理を行った図36の方が、全体的に鉄筋の画像が細くなっており、画像分解能の向上が確認できた。また、深さ35mm、45mmの鉄筋の画像強度が強くなっており、浅深度ターゲットの画像振幅の回復効果も確認できた。一方、鉄筋と鉄筋の間に干渉縞のような不要なノイズ(エイリアシングノイズ)が新たに発生していることも確認できた。 The results of measurements on a reinforced concrete specimen are shown below. The layout of the transmitting and receiving antennas used for the measurements is shown in Figure 34. The specimen contains multiple rebars with different z-coordinates. Figure 35 is a 3D image of the specimen without super-resolution processing. Figure 36 is a 3D image of the specimen with super-resolution processing. The z-coordinates of multiple rebars are shown in Figures 35 and 36. Comparing Figure 35 and Figure 36, the image of the rebars in Figure 36, which underwent super-resolution processing, is thinner overall, confirming improved image resolution. In addition, the image intensity of the rebars at depths of 35 mm and 45 mm is stronger, confirming the recovery effect of the image amplitude of shallow depth targets. However, it was also confirmed that new unwanted noise (aliasing noise) such as interference fringes was generated between the rebars.
次に、第4実施形態、図31で説明した十字型k’y1-k’y2フィルタを適用した。図37は、十字型k’y1-k’y2フィルタを適用して超分解能処理を行った、試験体の3次元画像である。十字型k’y1-k’y2フィルタを適用しないで超分解能処理を行った、試験体の3次元画像である図36と、十字型k’y1-k’y2フィルタを適用して超分解能処理を行った図37を比較すると、十字型k’y1-k’y2フィルタにより、鉄筋画像の分解能や浅深度鉄筋画像の強度の劣化を抑制しつつ、干渉縞ノイズ(エイリアシングノイズ)を低減できることが確認できた。 Next, the cross-shaped k'y1 - k'y2 filter described in the fourth embodiment and FIG. 31 was applied. FIG . 37 is a 3D image of a test specimen subjected to super-resolution processing using a cross-shaped k'y1 - k'y2 filter. Comparing FIG . 36, which is a 3D image of a test specimen subjected to super-resolution processing without applying a cross-shaped k'y1 - k'y2 filter, with FIG. 37, which is a 3D image of a test specimen subjected to super-resolution processing using a cross-shaped k'y1-k'y2 filter, it was confirmed that the cross-shaped k'y1 - k'y2 filter can reduce interference fringe noise (aliasing noise) while suppressing degradation in the resolution of rebar images and the intensity of shallow-depth rebar images.
続いて、十字型k’y1-k’y2フィルタが分解能に与える影響を、シミュレーションデータを用いて評価した。シミュレーションの条件は、第3実施形態と同様である。
図38は、比較例2と実施例2の点ターゲット1のx軸方向の波形を示す。図39は、比較例2と実施例2の点ターゲット1のy軸方向の波形を示す。図40は、比較例2と実施例2の点ターゲット1のz軸方向の波形を示す。図41は、比較例2と実施例2の点ターゲット2のx軸方向の波形を示す。図42は、比較例2と実施例2の点ターゲット2のy軸方向の波形を示す。図43は、比較例2と実施例2の点ターゲット2のz軸方向の波形を示す。
図38~図43において、いずれも実施例2は実線で示され、比較例2は破線で示される。
Next, the influence of the cross-shaped k' y1 -k' y2 filter on the resolution was evaluated using simulation data, under the same conditions as in the third embodiment.
FIG. 38 shows waveforms in the x-axis direction of point target 1 in Comparative Example 2 and Example 2. FIG. 39 shows waveforms in the y-axis direction of point target 1 in Comparative Example 2 and Example 2. FIG. 40 shows waveforms in the z-axis direction of point target 1 in Comparative Example 2 and Example 2. FIG. 41 shows waveforms in the x-axis direction of point target 2 in Comparative Example 2 and Example 2. FIG. 42 shows waveforms in the y-axis direction of point target 2 in Comparative Example 2 and Example 2. FIG. 43 shows waveforms in the z-axis direction of point target 2 in Comparative Example 2 and Example 2.
In all of FIGS. 38 to 43, Example 2 is indicated by a solid line, and Comparative Example 2 is indicated by a dashed line.
比較例2では、第3実施形態におけるステップS3-4の変数置換処理において、十字型k’y1-k’y2フィルタを適用しないで、それぞれ、±kxmaxを上限とする範囲A’で変数置換処理を行った。実施例2では、第3実施形態におけるステップS3-4の変数置換処理において、十字型k’y1-k’y2フィルタを適用して、それぞれ、±kxmaxを上限とする範囲A’で変数置換処理を行った。
図38~図43より、十字型k’y1-k’y2フィルタを適用して超分解能処理を行っても、x軸、y軸、z軸のいずれも画像分解能にほとんど影響を与えていないことが確認された。
In Comparative Example 2, the variable substitution process in step S3-4 in the third embodiment was performed in a range A' with ±k xmax as the upper limit without applying the cross-shaped k' y1 -k' y2 filter. In Example 2, the variable substitution process in step S3-4 in the third embodiment was performed in a range A' with ±k xmax as the upper limit with applying the cross-shaped k' y1 -k' y2 filter.
38 to 43, it was confirmed that even when super-resolution processing was performed using the cross-shaped k' y1 -k' y2 filter, there was almost no effect on the image resolution in any of the x-axis, y-axis, and z-axis.
<第5実施形態>
本実施形態では、第2実施形態において生じ得るノイズを低減する。第4実施形態では、第3実施形態において、十字型k’y1-k’y2フィルタを適用して超分解能処理を行った。本実施形態では、第2実施形態において、十字型k’x1-k’x2フィルタと十字型k’y1-k’y2フィルタを適用して、超分解能処理を行う。図44は、十字型k’x1-k’x2フィルタの概念図である。すなわち、本実施形態では、第2実施形態において、図44に示す十字型k’x1-k’x2フィルタと図31に示す十字型k’y1-k’y2フィルタの両方を適用して超分解能処理を行う。
Fifth Embodiment
In this embodiment, noise that may occur in the second embodiment is reduced. In the fourth embodiment, super-resolution processing is performed by applying a cross-shaped k'y1 - k'y2 filter in the third embodiment. In this embodiment, super-resolution processing is performed by applying a cross-shaped k'x1 - k'x2 filter and a cross-shaped k'y1 - k'y2 filter in the second embodiment. FIG. 44 is a conceptual diagram of the cross-shaped k'x1 - k'x2 filter. That is, in this embodiment, super-resolution processing is performed by applying both the cross-shaped k'x1 - k'x2 filter shown in FIG. 44 and the cross-shaped k'y1 - k'y2 filter shown in FIG. 31 in the second embodiment.
k’x1max、k’x2max、k’y1max、k’y2maxは、ターゲットの位置あるいはアンテナの指向性に依存する。ここで、計測面近傍(z=0)のターゲットまで計測対象に含めば、式(5-1)で示すように、アンテナの指向性θbx,θbyによって最大値が決定されてもよい。
但し、
である。
k' x1max , k' x2max , k' y1max , and k' y2max depend on the position of the target or the directivity of the antenna. If targets in the vicinity of the measurement plane (z=0) are included in the measurement targets, the maximum values may be determined by the directivities θ bx and θ by of the antenna, as shown in equation (5-1).
however,
is.
10a 送信アンテナ
10b 受信アンテナ
50 送信用アレイアンテナ
52 受信用アレイアンテナ
60 レーダ装置
61 計測ユニット
64 システム制御回路
66 データ処理ユニット
68 画像表示ユニット
58、59 高周波スイッチ
62 高周波回路
69 エンコーダ
10a: transmitting antenna 10b: receiving antenna 50: transmitting array antenna 52: receiving array antenna 60: radar device 61: measuring unit 64: system control circuit 66: data processing unit 68: image display units 58 and 59: high frequency switch 62: high frequency circuit 69: encoder
Claims (13)
xy平面上に2次元に配列された複数の送信点p1(x’1, y’1, z’1)から、前記物体に前記波動を放射し、
前記物体上の反射点(x, y, z)において反射率f(x, y, z)で反射した前記散乱波を、xy平面上に2次元に配列された複数の受信点p2(x’2, y’2, z’2)で計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)として受信し、
前記計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)を式(1)より4重フーリエ変換してS(k’x1, k’x2, k’y1, k’y2, z’1, z’2, k)を求め、
x方向の計測間隔で定まるx’1方向のナイキスト波数をk’x1,nyqとし、x’2方向のナイキスト波数をk’x2,nyqとすると、-kx1≦k’x1≦kx1、かつ、-kx2≦k’x2≦kx2(但し、k’x1,nyq≦kx1、かつ、k’x2,nyq≦kx2)の範囲でx方向の変数置換処理を行い、
y方向の計測間隔で定まるy’1方向のナイキスト波数をk’y1,nyqとし、y’2方向のナイキスト波数をk’y2,nyqとすると、-ky1≦k’y1≦ky1、かつ、-ky2≦k’y2≦ky2(但し、k’y1,nyq≦ky1、かつ、k’y2,nyq≦ky2)の範囲でy方向の変数置換処理を行い、
式(2)より3重逆フーリエ変換して、前記反射率f(x, y, z)を求める、
データ処理方法。
但し、
z’1= z’2 = 0
kは、伝播する前記波動の波数、
k’x1, k’y1, k’z1は、前記送信点p1(x’1, y’1, z’1)から前記反射点(x, y, z)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
k’x2, k’y2, k’z2は、前記反射点(x, y, z)から前記受信点p2(x’2, y’2, z’2)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
kx = k’x1 + k’x2, u = k’x1 - k’x2, ky = k’y1 + k’y2, v = k’y1 - k’y2
である。 A data processing method for analyzing scattered waves of waves radiated to an object, comprising:
The wave is emitted to the object from a plurality of transmitting points p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) arranged two-dimensionally on an xy plane;
The scattered waves reflected with reflectivity f(x, y, z) at a reflection point (x, y, z) on the object are received as measurement values s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , y' 2 , z' 1 , z' 2 , k) at a plurality of reception points p 2 (x' 2 , y' 2 , z ' 2 ) arranged two-dimensionally on the xy plane,
The measurement value s( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) is subjected to a quadruple Fourier transform using equation (1) to obtain S( k'x1 , k'x2 , k'y1 , k'y2 , z'1 , z'2 , k),
Let k'x1,nyq be the Nyquist wave number in the x'1 direction determined by the measurement interval in the x direction, and k'x2,nyq be the Nyquist wave number in the x'2 direction. Then, perform variable substitution processing in the x direction within the range of -kx1 ≦ k'x1 ≦ kx1 and -kx2 ≦ k'x2 ≦ kx2 (where k'x1 ,nyq ≦ kx1 and k'x2,nyq ≦ kx2 ),
If the Nyquist wave number in the y'1 direction determined by the measurement interval in the y direction is k'y1 ,nyq and the Nyquist wave number in the y'2 direction is k'y2 ,nyq , then variable substitution processing in the y direction is performed within the range of -ky1 ≦ k'y1 ≦ ky1 and -ky2 ≦ k'y2 ≦ ky2 (where k'y1 ,nyq ≦ ky1 and k'y2, nyq ≦ ky2 ),
The reflectance f(x, y, z) is calculated by performing a triple inverse Fourier transform using equation (2).
Data processing methods.
however,
z' 1 = z' 2 = 0
k is the wave number of the propagating wave,
k' x1 , k' y1 , k' z1 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the transmitting point p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) and the reflecting point (x, y, z),
k' x2 , k' y2 , k' z2 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the reflection point (x, y, z) and the reception point p 2 (x' 2 , y' 2 , z' 2 ),
k x = k' x1 + k' x2 , u = k' x1 - k' x2 , k y = k' y1 + k' y2 , v = k' y1 - k' y2
is.
式(4)で定まるy’1方向の最大波数をk’y1maxとし、y’2方向の最大波数をk’y2maxとすると、-k’y1max≦k’y1≦k’y1max、かつ、-k’y2max≦k’y2≦k’y2maxの範囲でy方向の変数置換処理を行う、
請求項1に記載のデータ処理方法。 If the maximum wave number in the x'1 direction determined by equation (3) is k'x1max and the maximum wave number in the x'2 direction is k'x2max , then variable substitution processing in the x direction is performed within the range of -k'x1max ≦ k'x1 ≦ k'x1max and -k'x2max ≦ k'x2 ≦ k'x2max ,
If the maximum wave number in the y'1 direction determined by equation (4) is k'y1max and the maximum wave number in the y'2 direction is k'y2max , variable substitution processing in the y direction is performed within the ranges -k'y1max ≦ k'y1 ≦ k'y1max and -k'y2max ≦k'y2 ≦ k'y2max .
The data processing method according to claim 1 .
前記y方向の変数置換処理において、k’y1,nyq≦|k’y1|≦k’y1max、かつ、k’y2,nyq≦|k’y2|≦k’y2maxの範囲を選択的に除外して、y方向の前記変数置換処理を行う、
請求項2に記載のデータ処理方法。 In the variable substitution process in the x direction, the ranges of k'x1 ,nyq ≦| k'x1 |≦ k'x1max and k'x2,nyq ≦| k'x2 |≦ k'x2max are selectively excluded, and the variable substitution process in the x direction is performed;
In the variable substitution process in the y direction, the ranges of k' y1,nyq ≦|k' y1 |≦k' y1max and k' y2,nyq ≦|k' y2 |≦k' y2max are selectively excluded, and the variable substitution process in the y direction is performed.
The data processing method according to claim 2 .
請求項1~3のいずれかに記載のデータ処理方法。
The wave number and wave vector components of the wave satisfy the formula (5).
The data processing method according to any one of claims 1 to 3.
送受信部であって、
xy平面上に2次元に配列された複数の送信点p1(x’1, y’1, z’1)から、前記物体に前記波動を放射する送信部と、
前記物体上の反射点(x, y, z)において反射率f(x, y, z)で反射した前記散乱波を、xy平面上に2次元に配列された複数の受信点p2(x’2, y’2, z’2)で計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)として受信する受信部と、
を有する送受信部と、
処理装置であって、
前記計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)を式(1)より4重フーリエ変換してS(k’x1, k’x2, k’y1, k’y2, z’1, z’2, k)を求める手順と、
x方向の計測間隔で定まるx’1方向のナイキスト波数をk’x1,nyqとし、x’2方向のナイキスト波数をk’x2,nyqとすると、-kx1≦k’x1≦kx1、かつ、-kx2≦k’x2≦kx2(但し、k’x1,nyq≦kx1、かつ、k’x2,nyq≦kx2)の範囲でx方向の変数置換処理を行う手順と、
y方向の計測間隔で定まるy’1方向のナイキスト波数をk’y1,nyqとし、y’2方向のナイキスト波数をk’y2,nyqとすると、-ky1≦k’y1≦ky1、かつ、-ky2≦k’y2≦ky2(但し、k’y1,nyq≦ky1、かつ、k’y2,nyq≦ky2)の範囲でy方向の変数置換処理を行う手順と、
式(2)より3重逆フーリエ変換して、前記反射率f(x, y, z)を求める手順と、
を実行する処理装置と、
を有する、計測システム。
但し、
z’1= z’2 = 0
kは、伝播する前記波動の波数、
k’x1, k’y1, k’z1は、前記送信点p1(x’1, y’1, z’1)から前記反射点(x, y, z)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
k’x2, k’y2, k’z2は、前記反射点(x, y, z)から前記受信点p2(x’2, y’2, z’2)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
kx = k’x1 + k’x2, u = k’x1 - k’x2, ky = k’y1 + k’y2, v = k’y1 - k’y2
である。 A measurement system for analyzing scattered waves of waves radiated to an object, comprising:
A transceiver unit,
a transmitting unit that radiates the wave toward the object from a plurality of transmitting points p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) that are two-dimensionally arranged on an xy plane;
a receiving unit that receives the scattered waves reflected with reflectivity f(x, y, z) at a reflection point (x, y, z) on the object as measurement values s(x' 1 , x' 2 , y' 1 , y' 2 , z' 1 , z' 2 , k) at a plurality of receiving points p 2 ( x' 2 , y' 2 , z' 2 ) that are two-dimensionally arranged on the xy plane;
a transceiver unit having
A processing device,
a step of performing a quadruple Fourier transform on the measured values s( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) using equation (1) to obtain S( k'x1 , k'x2 , k'y1 , k'y2 , z'1 , z'2 , k);
Let k'x1,nyq be the Nyquist wave number in the x'1 direction determined by the measurement interval in the x direction, and k'x2,nyq be the Nyquist wave number in the x'2 direction. Then, perform variable substitution processing in the x direction within the range of -kx1 ≦ k'x1 ≦ kx1 and -kx2 ≦ k'x2 ≦ kx2 (where k'x1 ,nyq ≦ kx1 and k'x2,nyq ≦ kx2 );
where the Nyquist wave number in the y'1 direction determined by the measurement interval in the y direction is k'y1 ,nyq and the Nyquist wave number in the y'2 direction is k'y2 ,nyq , a procedure for performing variable substitution processing in the y direction within the range of -ky1 ≦ k'y1 ≦ ky1 and -ky2 ≦k'y2 ≦ ky2 (where k'y1 ,nyq ≦ ky1 and k'y2, nyq ≦ ky2 );
A procedure of calculating the reflectance f(x, y, z) by triple inverse Fourier transform using equation (2);
a processing unit for executing the
A measurement system having:
however,
z' 1 = z' 2 = 0
k is the wave number of the propagating wave,
k' x1 , k' y1 , k' z1 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the transmitting point p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) and the reflecting point (x, y, z),
k' x2 , k' y2 , k' z2 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the reflection point (x, y, z) and the reception point p 2 (x' 2 , y' 2 , z' 2 ),
k x = k' x1 + k' x2 , u = k' x1 - k' x2 , k y = k' y1 + k' y2 , v = k' y1 - k' y2
is.
式(3)で定まるx’1方向の最大波数をk’x1maxとし、x’2方向の最大波数をk’x2maxとすると、-k’x1max≦k’x1≦k’x1max、かつ、-k’x2max≦k’x2≦k’x2maxの範囲でx方向の変数置換処理を行い、
式(4)で定まるy’1方向の最大波数をk’y1maxとし、y’2方向の最大波数をk’y2maxとすると、-k’y1max≦k’y1≦k’y1max、かつ、-k’y2max≦k’y2≦k’y2maxの範囲でy方向の変数置換処理を行う、
請求項5に記載の計測システム。 The processing device includes:
If the maximum wave number in the x'1 direction determined by equation (3) is k'x1max and the maximum wave number in the x'2 direction is k'x2max , then variable substitution processing in the x direction is performed within the range of -k'x1max ≦ k'x1 ≦ k'x1max and -k'x2max ≦ k'x2 ≦ k'x2max ,
If the maximum wave number in the y'1 direction determined by equation (4) is k'y1max and the maximum wave number in the y'2 direction is k'y2max , variable substitution processing in the y direction is performed within the ranges -k'y1max ≦ k'y1 ≦ k'y1max and -k'y2max ≦k'y2 ≦ k'y2max .
The measurement system according to claim 5 .
前記x方向の変数置換処理において、k’x1,nyq≦|k’x1|≦k’x1max、かつ、k’x2,nyq≦|k’x2|≦k’x2maxの範囲を選択的に除外して、x方向の前記変数置換処理を行う手順と、
前記y方向の変数置換処理において、k’y1,nyq≦|k’y1|≦k’y1max、かつ、k’y2,nyq≦|k’y2|≦k’y2maxの範囲を選択的に除外して、y方向の前記変数置換処理を行う手順と、
を実行する、
請求項6に記載の計測システム。 The processing device includes:
a step of selectively excluding a range of k'x1 ,nyq ≦| k'x1 |≦ k'x1max and k'x2 ,nyq ≦| k'x2 |≦ k'x2max in the variable substitution process in the x direction, and performing the variable substitution process in the x direction;
a step of selectively excluding a range of k' y1,nyq ≦|k' y1 |≦k' y1max and k' y2,nyq ≦|k' y2 |≦k' y2max in the variable substitution process in the y direction;
To execute
The measurement system of claim 6 .
請求項5~7のいずれかに記載の計測システム。
The wave number and wave vector components of the wave satisfy the formula (5).
The measurement system according to any one of claims 5 to 7.
計測値s(x’1, x’2, y’1, y’2, z’1, z’2, k)を式(1)より4重フーリエ変換してS(k’x1, k’x2, k’y1, k’y2, z’1, z’2, k)を求める手順と、
x方向の計測間隔で定まるx’1方向のナイキスト波数をk’x1,nyqとし、x’2方向のナイキスト波数をk’x2,nyqとすると、-kx1≦k’x1≦kx1、かつ、-kx2≦k’x2≦kx2(但し、k’x1,nyq≦kx1、かつ、k’x2,nyq≦kx2)の範囲でx方向の変数置換処理を行う手順と、
y方向の計測間隔で定まるy’1方向のナイキスト波数をk’y1,nyqとし、y’2方向のナイキスト波数をk’y2,nyqとすると、-ky1≦k’y1≦ky1、かつ、-ky2≦k’y2≦ky2(但し、k’y1,nyq≦ky1、かつ、k’y2,nyq≦ky2)の範囲でy方向の変数置換処理を行う手順と、
式(2)より3重逆フーリエ変換して、反射率f(x, y, z)を求める手順と、
をコンピュータに実行させるプログラム。
但し、
z’1= z’2 = 0
kは、伝播する前記波動の波数、
k’x1, k’y1, k’z1は、送信点p1(x’1, y’1, z’1)から反射点(x, y, z)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
k’x2, k’y2, k’z2は、前記反射点(x, y, z)から受信点p2(x’2, y’2, z’2)の間で伝播する前記波動の球面波の波数ベクトルの成分、
kx = k’x1 + k’x2, u = k’x1 - k’x2, ky = k’y1 + k’y2, v = k’y1 - k’y2
である。 A program for analyzing scattered waves of waves radiated to an object,
The procedure involves performing a quadruple Fourier transform on the measured values s( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) using equation (1) to obtain S ( k'x1 , k'x2, k'y1 , k'y2 , z'1 , z'2 , k), and
Let k'x1,nyq be the Nyquist wave number in the x'1 direction determined by the measurement interval in the x direction, and k'x2,nyq be the Nyquist wave number in the x'2 direction. Then, perform variable substitution processing in the x direction within the range of -kx1 ≦ k'x1 ≦ kx1 and -kx2 ≦ k'x2 ≦ kx2 (where k'x1 ,nyq ≦ kx1 and k'x2,nyq ≦ kx2 );
where the Nyquist wave number in the y'1 direction determined by the measurement interval in the y direction is k'y1 ,nyq and the Nyquist wave number in the y'2 direction is k'y2 ,nyq , a procedure for performing variable substitution processing in the y direction within the range of -ky1 ≦ k'y1 ≦ ky1 and -ky2 ≦k'y2 ≦ ky2 (where k'y1 ,nyq ≦ ky1 and k'y2, nyq ≦ ky2 );
A procedure for calculating the reflectance f(x, y, z) by triple inverse Fourier transform using equation (2),
A program that causes a computer to execute the following.
however,
z' 1 = z' 2 = 0
k is the wave number of the propagating wave,
k' x1 , k' y1 , k' z1 are the components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the transmitting point p 1 (x' 1 , y' 1 , z' 1 ) and the reflecting point (x, y, z),
k' x2 , k' y2 , k' z2 are components of the wave vector of the spherical wave of the wave propagating between the reflection point (x, y, z) and the reception point p 2 (x' 2 , y' 2 , z' 2 ),
k x = k' x1 + k' x2 , u = k' x1 - k' x2 , k y = k' y1 + k' y2 , v = k' y1 - k' y2
is.
式(4)で定まるy’1方向の最大波数をk’y1maxとし、y’2方向の最大波数をk’y2maxとすると、-k’y1max≦k’y1≦k’y1max、かつ、-k’y2max≦k’y2≦k’y2maxの範囲でy方向の変数置換処理を行う手順と、
をコンピュータに更に実行させる、請求項9に記載のプログラム。 where the maximum wave number in the x'1 direction determined by equation (3) is k'x1max and the maximum wave number in the x'2 direction is k'x2max , a procedure for performing variable substitution processing in the x direction within the range of -k'x1max ≦ k'x1 ≦ k'x1max and -k'x2max ≦ k'x2 ≦ k'x2max ;
When the maximum wave number in the y'1 direction determined by equation (4) is k'y1max and the maximum wave number in the y'2 direction is k'y2max , a procedure of performing variable substitution processing in the y direction within the ranges -k'y1max ≦ k'y1 ≦ k'y1max and -k'y2max ≦ k'y2 ≦k'y2max ;
The program according to claim 9, further causing a computer to execute the following:
前記y方向の変数置換処理において、k’y1,nyq≦|k’y1|≦k’y1max、かつ、k’y2,nyq≦|k’y2|≦k’y2maxの範囲を選択的に除外して、y方向の前記変数置換処理を行う手順と、
をコンピュータに更に実行させる、請求項10に記載のプログラム。 a step of selectively excluding a range of k'x1 ,nyq ≦| k'x1 |≦ k'x1max and k'x2 ,nyq ≦| k'x2 |≦ k'x2max in the variable substitution process in the x direction, and performing the variable substitution process in the x direction;
a step of selectively excluding a range of k' y1,nyq ≦|k' y1 |≦k' y1max and k' y2,nyq ≦|k' y2 |≦k' y2max in the variable substitution process in the y direction;
The program according to claim 10, further causing a computer to execute the following:
請求項9~11のいずれかに記載のプログラム。 The measurement value s( x'1 , x'2 , y'1 , y'2 , z'1 , z'2 , k) is a value of the scattered wave received at a plurality of receiving points p2 (x'2, y'2 , z'2 ) arranged two-dimensionally on the xy plane, which is a wave radiated to the object from a plurality of transmitting points p1 ( x'1 , y'1, z'1) arranged two-dimensionally on the xy plane and reflected at the reflecting point (x, y, z ) on the object with the reflectivity f ( x , y , z).
The program according to any one of claims 9 to 11.
請求項9~11のいずれかに記載のプログラム。
The wave number and wave vector components of the wave satisfy the formula (5).
The program according to any one of claims 9 to 11 .
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