JP7644108B2 - 高周波検出方法および装置 - Google Patents

Description

本開示は高周波電子システムに関し、特に検出システムならびにそれを製造および使用する方法に関する。

高周波システムを用いて、オブジェクトまたはシーンから受信した放射線を検出した後に、検出された放射線を処理することによって画像を生成できる。アクティブおよびパッシブイメージングシステムの両方が存在する。アクティブイメージングでは、放射線源（例えば、テラヘルツ源）を用いてオブジェクトまたは視野を照らし、検出のための放射線を提供できる。パッシブイメージングでは照明源が存在しない。代わりに、このシステムはオブジェクトまたはシーン自体から放射された放射線を受信する。検出される放射線は単一の周波数（例えば、単一の周波数付近を中心とする帯域）であってもよいし、場合によっては複数の周波数（例えば、複数の別個の帯域または重複する帯域）であり得る。

特許文献１に多周波イメージングの方法および装置が提供されており、これは同じ期間にわたって異なる周波数の放射線を受信するように適合された少なくとも１つのテラヘルツ受信機と、画像プロセッサと、合成画像生成器とを有するイメージングシステムを記載している。画像プロセッサは、それぞれの周波数の各々における視野に関する画像データを提供し、合成画像生成器は画像プロセッサが提供した画像データの少なくとも一部から共通範囲に関する合成画像データを生成する。

加えて、放射線を１つ以上の検出器アレイに向けて方向付けるために、たとえば走査ミラーまたはリフレクタなどを用いて視野を走査できる。英国特許出願の特許文献２に記載されるとおり、テラヘルツ検出装置は、１つ以上の検出器と、視野を走査するための走査機構とを含んでもよく、この走査機構は、（ｉ）目的のオブジェクトの位置を決定するための検出システムと、（ｉｉ）検出システムの出力に少なくとも部分的に基づく制御信号を受信し、かつ走査機構のステアリングに用いるためのステアリング信号を送信することのできるステアリング機構とを含む。

しかし、任意の必要な空間的アライメントの要件を維持しながら、効率的かつスケーラブルな配置において最適化されたイメージングを提供するために、ソースまたはシーンから入手可能な放射線を完全に利用できる改善された検出システムおよび方法がなおも要求されている。加えて、効果的に機械加工できるレイアウトおよびコンポーネントを有するシステムがなおも要求されている。

国際公開第２０１３／１１７９２０号 英国特許出願公開第２５１９２３３号

実施形態によると、第１の検出器アレイと、第２の検出器アレイと、第１および第２の検出器アレイの間に置かれた、たとえば偏光プレートなどの偏光素子とを含む検出システムが提供される。偏光プレートは、第１の偏光を有する第１の放射線信号を第１の検出器アレイの方に通過させ、かつ第２の偏光を有する第２の放射線信号を第２の検出器アレイの方に反射するように配置される。いくつかの実施形態では、偏光プレートは第１および第２の検出器アレイに対して４５度の角度のワイヤグリッドを含み、第１の偏光は鉛直偏光であり、第２の偏光は水平偏光である。

いくつかの実施形態によると、第１の電子デバイスと、第２の電子デバイスと、電源と、不均等電力スプリッタとを含むシステムが提供される。特定の態様において、電源は導波路を介して不均等電力スプリッタの入力に結合されており、不均等電力スプリッタに電力信号（例えば、局部発振器信号）を送る。加えて、不均等電力スプリッタの第１の出力は導波路を介して第１の電子デバイスに結合され、不均等電力スプリッタの第２の出力は導波路を介して第２の電子デバイスに結合される。いくつかの実施形態において、不均等電力スプリッタは、第１の出力を通じて電力信号の第１の部分を提供し、第２の出力を通じて電力信号の第２の部分を提供するように構成され、ここで第１の部分は第２の部分より大きい。この不均等な電力信号は、異なるレベルの効率を有する１つ以上の周波数乗算器を駆動するために用いられてもよい。

いくつかの実施形態によると、検出システムが提供される。この検出システムは、たとえば第１の検出器ブロックと、局部発振器（ＬＯ：ｌｏｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）ソースと、１つ以上の中間周波数（ＩＦ：ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）処理回路とを含む。いくつかの実施形態において、第１の検出器ブロックは、１つ以上のヘテロダインミキサー素子と、ＬＯソースからのＬＯ信号を１つ以上のヘテロダインミキサー素子に提供するように構成された１つ以上のＬＯ入力導波路チャネルと、検出された無線周波数（ＲＦ：ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を１つ以上のヘテロダインミキサー素子に提供するように構成された１つ以上の導波路フィードホーンと、１つ以上のヘテロダインミキサー素子からのＩＦ信号を１つ以上のＩＦ処理回路に提供するように構成された１つ以上のＩＦ出力チャネルと、を含む。１つ以上の導波路フィードホーンおよび１つ以上のＬＯ入力導波路チャネルは第１の検出器ブロックの第１の軸に沿って伸長し、１つ以上のＩＦ出力チャネルは第１の検出器ブロックの第２の軸に沿って伸長し、この第１の軸と第２の軸とは垂直である。実施形態によると、入力チャネルと出力チャネルとは直交面にある。いくつかの例においては垂直と記載されるが、いくつかの実施形態は、導波路フィードホーンおよびＬＯ入力の少なくとも一方とは異なる非直交面にあるＩＦ出力チャネルを含んでもよい。

実施形態によると、第１の検出器アレイブロックと、第１の検出器アレイブロックの上に積み重ねられた第２の検出器アレイブロックと、を含む検出システムが提供される。この例において、第１および第２の検出器ブロックアレイの各々は、第１の軸に沿って伸長する少なくとも１つの信号入力と、第１の軸に沿って伸長する少なくとも１つの電力入力と、第２の軸に沿って伸長する少なくとも１つの信号出力と、を含み、この第１の軸と第２の軸とは垂直である。特定の態様において、第１および第２の検出器ブロックアレイの各々は、１つ以上のスタッキングノッチを含む。加えて、第１および第２の検出器ブロックアレイは、同一のモジュラーユニットであってもよい。加えて、第１および第２の検出器アレイブロックの各々に対する１つ以上の信号入力は、少なくとも２行のフィードホーンと、少なくとも２列のフィードホーンと、を含んでもよい（例えば、２ｘ２または２ｘ４アレイ）。

実施形態によると、スケーラブルなイメージングシステムのための検出モジュールが提供される。このモジュールは、第１の軸に沿って伸長する１つ以上の信号入力と、第１の軸に沿って伸長する１つ以上の電力入力と、第２の軸に沿って伸長する１つ以上の信号出力と、第１のスタッキングノッチと、を含んでもよく、この第１の軸と第２の軸とは垂直である。特定の態様において、信号入力は１つ以上の無線周波数フィードホーンを含み、電力入力は１つ以上の局部発振器チャネルを含み、信号出力は１つ以上の中間周波数出力チャネルを含む。実施形態によると、フィードホーンおよび発振器チャネルは第１の平面にあるのに対し、ＩＦチャネルは第２の直交面にある。モジュールは第２のスタッキングノッチをさらに含んでもよく、両方のノッチは角度を付けられてもよい。いくつかの実施形態において、モジュールは第１の側部と、第２の側部と、第３の側部と、第４の側部と、第５の側部と、第６の側部と、を含むブロックであり、ここで第１および第２の側部は検出モジュールの反対側であり、第３および第４の側部は検出モジュールの反対側であり、第５および第６の側部は検出モジュールの反対側である。加えて、いくつかの実施形態において、１つ以上の信号入力は第１の側部に位置し、１つ以上の電力入力は第２の側部に位置し、１つ以上の信号出力は第３または第４の側部に位置し、第１のスタッキングノッチは第５の側部に位置し、第２のスタッキングノッチは第６の側部に位置する。

実施形態によると、検出方法が提供される。この方法は、カメラの第１の検出器ブロックにおいて第１の偏光を有する第１の放射線信号を受信するステップであって、第１の放射線信号は放射線源から偏光プレートを通じて受信される、受信するステップと、カメラの第２の検出器ブロックにおいて第２の偏光を有する第２の放射線信号を受信するステップであって、第２の放射線信号は偏光プレートからの反射信号として放射線源から受信される、受信するステップと、第１の検出情報を形成するために第１の放射線信号を処理するステップと、第２の検出情報を形成するために第２の放射線信号を処理するステップと、を含んでもよい。いくつかの実施形態において、この方法は、処理するステップの前に、第１および第２の受信放射線信号の少なくとも一方を偏光回転素子に通過させるステップを含む。

いくつかの実施形態によると、検出器ブロックを製造する方法が提供される。この方法は、第１の無線周波数（ＲＦ）チャネル部分と、第１の局部発振器（ＬＯ）チャネル部分と、第１の中間周波数（ＩＦ）チャネル部分と、偏光回転部分と、第１のミキサー装着キャビティと、を含む第１のハウジングコンポーネントを機械加工するステップと、第２の無線周波数（ＲＦ）チャネル部分と、第２の局部発振器（ＬＯ）チャネル部分と、第２の中間周波数（ＩＦ）チャネル部分と、偏光回転部分と、第２のミキサー装着キャビティと、を含む第２のハウジングコンポーネントを機械加工するステップとを含んでもよい。付加的なステップは、第１および第２の装着キャビティの少なくとも一方の中にヘテロダインミキサーを装着するステップと、第１の検出器ブロックを形成するために第１のハウジングコンポーネントを第２のハウジングコンポーネントに取り付けるステップと、を含んでもよい。加えて、いくつかの場合には、第１のＲＦチャネル部分および第１のＬＯチャネル部分は第１のハウジングコンポーネントの第１の軸に沿って機械加工され、第１のＩＦチャネル部分は第１のハウジングの第２の垂直軸に沿って機械加工され、第２のＲＦチャネル部分および第２のＬＯチャネル部分は第２のハウジングコンポーネントの第１の軸に沿って機械加工され、第２のＩＦチャネル部分は第２のハウジングの第２の垂直軸に沿って機械加工される。第２の検出器ブロックを第１の検出器ブロックに取り付けることによって、統合アレイを形成できる。

本明細書に組み込まれて本明細書の一部を形成する添付の図面は、さまざまな実施形態を例示する。

図１Ａと図１Ｂは、いくつかの実施形態による検出システムを示す図である。 図２Ａ－図２Ｃは、いくつかの実施形態による導波路部分を示す図である。 図３は、いくつかの実施形態によるシステムを示す概略図である。 図４Ａと図４Ｂは、いくつかの実施形態によるブロックを示す図である。 図５Ａ－図５Ｃは、いくつかの実施形態による回転および分割コンポーネントを示す図である。 図６は、実施形態による画像形成を示す図である。 図７は、実施形態による画像形成を示す図である。 図８は、実施形態による画像形成を示す図である。 図９は、実施形態による画像形成を示す図である。 図１０は、いくつかの実施形態によるプロセスを示す流れ図である。 図１１は、いくつかの実施形態によるプロセスを示す流れ図である。 図１２Ａ－図１２Ｃは、いくつかの実施形態による検出器ブロックおよびアセンブリプロセスを示す図である。 図１３Ａと図１３Ｂは、いくつかの実施形態によるシステムを示す図である。

セキュリティ部門において、人々が有する脅威の検出および識別は重要な関心領域である。特に、脅威が拡大する前にそれを解消できるように、かなりの距離、屋外環境、およびリアルタイムにて検出を達成できるシステムがなおも必要とされている。しかし、特にパッシブシステムにとって、こうした検出および識別は、屋外の天候、大気、地理、および季節による条件の変化に対処する能力を必要とすることがある。この開示の態様は、リアルタイムの脅威分析のために望まれる時間的および空間的アライメントを維持しながら最大限の信号捕捉を可能にする検出器セットアップおよびジオメトリを用いて、これらの要求に対処する。本明細書に記載されるシステムおよび方法は、武器、脅威、違法物品、および盗難品の検出および識別のために使用でき、かつ屋内環境にも屋外環境にも配置されてもよい。

実施形態によると、偏光ビームコンバイナを用いて１つ以上の検出器の視野の位置合わせおよび重ね合わせを行い、これを導波路偏光回転子および調整可能な局部発振器電力とともに用いることで、広範囲の周波数の使用を可能にしながら同時にコストを低減して、コンパクトかつ構成可能なフロントエンド受信機モジュールレイアウトを提供する。本開示の態様は、複数の周波数の使用、または二重偏光単一周波数データの同時捕捉、または上記の任意の組み合わせを可能にする。たとえば、いくつかの実施形態は、１～４の周波数を用いてデータを捕捉するために用いられてもよい。

図１Ａおよび図１Ｂは、いくつかの実施形態による検出システム１００を示す。たとえばこのシステムは、テラヘルツカメラなどの高周波検出システムなどであってもよい。図１Ｂは、図１Ａに示されるシステム１００の上面図を示す。

ここで図１Ａを参照すると、システム１００は第１の検出器アレイ１０２と、第２の検出器アレイ１０４と、たとえば偏光プレートなどの偏光素子１０６とを含み得る。図１Ａに示されるとおり、偏光プレート１０６は検出器アレイ１０２、１０４の間に置かれることによって、ソース１０８からの放射線信号１１０を検出器アレイ１０２、１０４へ通過および反射の少なくとも一方を行ってもよい。実施形態によると、第１の偏光（例えば、鉛直偏光）を有する第１の放射線信号１１２は偏光プレート１０６を通過して第１の検出器アレイ１０２に向かい、第２の偏光（例えば、水平偏光）を有する第２の放射線信号１１４は偏光プレート１０６から反射されて第２の検出器アレイ１０４に向かう。図１Ａおよび図１Ｂの例示において、両方の放射線信号がソース１０８から出ており、ソース１０８はたとえば、検出システム１００に向かって放射線１１０を放射する１人以上の人間などであり得る。その他のソースはたとえば、車両もしくは構造物などの単一の目的オブジェクトか、または複数のオブジェクトを有するシーン全体などを含んでもよい。加えて、ソース１０８からの放射線信号１１０は、アクティブ検出システムと同様に実際には二次ソース（図示せず）から生じていてもよい。この場合、信号１１０はソース１０８から反射してシステム１００に向かってもよい。すなわち、システム１００はパッシブまたはアクティブ検出実施の一部であってもよい。

いくつかの実施形態によると、システム１００は、偏光プレート１０６と第１または第２の検出器アレイ１０２、１０４のいずれかとの間に置かれる任意の光学素子を必要としない。図１Ａおよび図１Ｂには２つの検出器アレイブロック１０２、１０４が示されているが、システム１００において、たとえばアレイ１０２、１０４の頂部または隣接部などに追加のアレイブロックが使用されてもよい。さらに、システム１００は間隔を置かれた検出器アレイブロック１０２、１０４によって示されているが、いくつかの実施形態において、これらのアレイは接合されてもよい。たとえばいくつかの実施形態においては、図１２Ａ～１２Ｃに示されるとおり、検出器アレイブロック１０２がアレイブロック１０４の頂部に積み重ねられてもよいし、ブロック１０４のすぐ隣に置かれて接続されてもよい。こうした場合には、偏光プレート１０６を使用しなくてもよい。

検出器アレイ１０２、１０４の各々は、たとえばフィードホーン１１６、１１８、１２０などの１つ以上の入力チャネルを含んでもよい。実施形態によると、フィードホーンはソース１０８からの放射線を捕捉し、受信した信号を後続処理のためにシステムの他の部分に送る。たとえば、フィードホーン１１６は偏光プレートを通過した放射線１１２を捕捉でき、フィードホーン１１８および１２０は偏光プレート１０６から反射された放射線１１４を捕捉してもよい。この例においては円形の導波路が示されているが、他の形の導波路（例えば、楕円形または矩形の導波路）も使用されてもよい。

いくつかの実施形態によると、第１の検出器アレイは、第１の幅を有し、かつ第１の幅以上の間隔を有する第１の複数のフィードホーンを含み、第２の検出器アレイは、第２の幅を有し、かつ第２の幅以上の間隔を有する第２の複数のフィードホーンを含む。すなわち、複数のフィードホーンは実質的に間隔を置かれてもよい。加えて、第１の検出器アレイのフィードホーンの間に第１の処理回路が位置でき、第２の検出器アレイのフィードホーンの間に第２の処理回路が位置する。

図１Ａにおいてはそれぞれ２ｘ２および２ｘ４アレイとして示されているが、第１の検出器アレイ１０２はアレイの水平方向および鉛直方向の各々に２つより多いフィードホーンを有してもよく、同様に第２の検出器アレイ１０４はアレイの水平方向および鉛直方向の各々に２つより多いフィードホーンを有してもよい。実施形態によると、たとえば図４Ａ、図４Ｂ、および図１２Ａ～１２Ｃに示されるとおり、検出器アレイブロック１０２、１０４は複数のサブブロックで形成されてもよい。

図１Ｂに示されるとおり、いくつかの実施形態によると、偏光プレート１０６は、第１および第２の検出器アレイ１０２、１０４の各々に対して４５度の角度で位置合わせされてもよい。しかし、たとえば１つ以上の検出器１０２、１０４の特定のアライメントまたは間隔によって、特定の配置においてはプレート１０６が異なる角度で位置合わせされてもよい。すなわち、偏光プレートは４５度より大きい角度または小さい角度で位置合わせされてもよい。いくつかの実施形態において、偏光プレートはワイヤグリッド構造を含む。この例において、ワイヤグリッドはソース１０８からの鉛直偏光放射線１１２を通過させる一方で、ソース１０８からの水平偏光放射線は反射するように動作する。ワイヤグリッドおよび水平／鉛直偏光が記載されているが、場合によっては多層誘電偏光子プレートおよび周波数選択性表面が用いられてもよい。平坦なプレートとして示されているが、偏光プレート１０６は平坦な表面を有する必要はなく、レンズまたはその他の湾曲構造の形を取り得る。実施形態によると、偏光素子（例えば、１０６）は、通過モードおよび反射モードの両方において低い挿入損失を有する。特定の態様において、偏光素子は自由空間偏光デュプレクサまたはオルトモードトランスデューサとして動作する。

図１Ａおよび図１Ｂに示されるとおり、このシステムは走査機構１２６をさらに含んでもよい。走査機構１２６は、入来する放射線をたとえばアレイ１０２、１０４などの１つ以上の検出器に向けて反射する１つ以上の可動ミラーに基づいていてもよい。検出器（単数または複数）が視野に対する走査ラスターに効果的に従うようにミラー（単数または複数）を走査する（例えば、動かす）ことによって、画像が回復されてもよい。ミラー（単数または複数）は、間隔を置いた走査線を含む走査ラスターを生成するように動いてもよく、走査ラスターを生成するために、ミラーは異なる方向に異なる態様で動き得る。たとえば、ミラーは第１の軸に関する往復運動をすることで、走査線間隔を設定するための第２の軸に関するステップ回転と結合された走査線を作成してもよい。構造的には、いくつかの実施形態において、走査機構は（ｉ）第１の軸の周りの回転のために装着されたミラー構造物と、（ｉｉ）ミラー構造物を支えるための中間支持構造物であって、この中間支持構造物は第２の軸の周りの回転のために装着される、中間支持構造物と、（ｉｉｉ）中間支持構造物を支えるためのベース支持構造物と、（ｉｖ）ミラー構造物が第１の軸の周りを回転するように駆動するために、一部が中間支持構造物に装着され、一部がミラー構造物に装着されたミラー駆動機構と、（ｖ）中間支持構造物が第２の軸の周りを回転するように駆動するために、一部がベース支持構造物に装着され、一部が中間支持構造物に装着された中間駆動機構と、を含んでもよく、それによってミラー構造物は第１および第２の軸のいずれか一方または両方の周りを回転するように駆動され得る。ミラー自体は、補強リブを有するかまたは有さない薄い（例えば、０．５ｍｍ）シートを含む薄い金属（例えば、アルミニウム）ミラーであってもよい。

視野の連続的検出において注視野を走査するために、適応走査ミラーが用いられてもよい。この文脈における「視野」とは、検出システムまたは１つ以上の検出器素子のいずれかによって見られるかまたは検知されるシーンの範囲を示すことが意図されている。すなわち、「視野」とは、たとえば走査ミラー（単数または複数）の動きなどによって検出器が現在イメージングまたは検知しているシーンの範囲を示すことが意図されている。たとえば、あるシーンに関する連続的なフレームを与えるためのイメージングにおいて、各フレームが視野を示すこととなる。この文脈における「注視野」とは、検出器を動かさずに走査ミラー（単数または複数）をステアリングすることによってシステム／検出器がアクセス可能となり得るシーンの最大範囲を示すことが意図されている。検出システム１００に関して、注視野は、検出システムが目的のオブジェクトを検出できる角度範囲を示す。実施形態によると、検出器出力はグラフィカルデータに変換されて、検出された視野のスクリーンに基づく表現をサポートし、かつたとえば組み合わされて注視野の合成画像を形成してもよい。加えて、異なる帯域の視野が組み合わされて視野の合成画像を形成してもよい。

ここで図２Ａを参照すると、いくつかの実施形態による検出器アレイ１０２の一部分の断面図が示されている。フィードホーン１１６および局部発振器（ＬＯ）チャネル２０２を含む、実施形態によるさまざまな導波路チャネルの一部分が示されている。さらに詳細部Ａは、いくつかの実施形態による、たとえばフィードホーン１１６またはＲＦ経路に対する接続された導波路のチャネルなどの１つ以上のチャネル内に位置し得る偏光回転素子２０４を示す。偏光素子２０４は、チャネルに沿って信号の偏光を回転させる（例えば、水平偏光から鉛直偏光へ）または逆も同様）ことができ、かつ多段階モード変換を含んでもよい。これはたとえば、後続処理のための信号を調製するため、またはチャネルの長さに沿った伝播損失を低減させるためなどであってもよい。後続処理は、たとえばミキサー段階２０６におけるものであってもよい。実施形態によると、３ステップモード変換器が提供され、ここで各ステップは前者からの１つのモードを後者に結合することによって、各ステップに電界配向を約３０度回転させる。いくつかの実施形態によると、２ステップ回転が提供され、各ステップには４５度の回転が伴う。図２Ａは、ミキサー段階２０６からのたとえばＩＦ信号などの信号出力２０８も示しており、この信号出力２０８は上方および下方の少なくとも一方に、かつフィードホーン１１６およびＬＯチャネル２０２の平面に対して垂直に伸長する。すなわち、出力信号チャネルは入力信号チャネル（例えば、フィードホーンおよびＬＯチャネル）と直交してもよい。実施形態によると、ＩＦ出力チャネル２０８は、信号を移送するための同軸ケーブルを含んでもよい。

いくつかの実施形態において、図２Ｂおよび図２Ｃに示されるとおり、たとえば検出器アレイ１０２、１０４のチャネルなどの導波路は、２つの半体として機械加工されてから接続されてもよい。図２Ｂは、いくつかの場合において損失を低減するように頂部の広い壁に沿って（すなわち、より広い断面に沿って）分割されたミラー半体導波路を用いた低損失導波路を示す。この例において、第１の半体２１０は第２の半体２１２と組み合わされて、分割部２１４を有する導波路を形成することによって、分割部は導波路チャネルのより広い頂面および底面に沿っている。他の場合には、図２Ｃに示されるとおり、分割部２２６が結果として得られる導波路のより短い側壁を通るように、第１の半体２２２および第２の半体２２４によって導波路が形成されてもよい。いくつかの配置においては、分割部２１４を有することによって、分割部２２６を有するよりも少ない損失がもたらされる場合もある。よっていくつかの実施形態によると、回転素子２０４を用いて、信号を高損失分割導波路（例えば、２２６）から低損失分割導波路（例えば、２１４）に回転させ得る。入力信号によっては、配置を逆転してもよい。

金属ブロックのいずれかの面に適切な寸法のスロットを機械加工することによって、導波路が最も容易に形成される。図２Ｂに示されるとおり、抵抗損を最小化するために、たとえば３０ＧＨｚより高い周波数などのより高い周波数においては、しばしば導波路の広い壁の中央点において導波路を分割する必要がある。なぜなら、より高い周波数においては電流が流れる際に抵抗損が支配的になるからであり、これは表皮効果によって制限されるため、表面仕上げが非常に重要になる。加えて、矩形導波路内の電流は広い壁に沿って移動し、狭い壁を降りる。したがって、伝播する信号は広い壁の小さい間隙の影響は比較的受けにくいが、間隙は電流に対する開回路を効果的に生じるため、狭い壁の間隙は信号損失を生じる。

特定の態様において、広い壁に対して狭い壁を横切って導波路が分割されるときに損失が増加する問題は、周波数に依存する。周波数が増加するにつれて、表面間の任意の小さな間隙が波長のより大きな部分を効果的に表すために、損失が増加する。クランプねじに必要とされる空間が小さくなるため、導波路を一緒にクランプすることがますます難しくなり、よって間隙を閉じることがより難しくなる。本開示の態様は、比較的低い周波数（例えば、１２５ＧＨｚ）において偏光回転子を使用し、かつ偏光回転子をできる限り短く保つことによって、この問題を軽減させる。

ここで図３を参照すると、いくつかの実施形態による検出システム３００の概略図が提供されている。それぞれブロック３０８、３１０、および３１２のフィードホーンであってもよい入力３０２、３０４、および３０６において、放射線が受信され得る。いくつかの実施形態において、ブロック３０８は検出器アレイ１０２に対応してもよく、ブロック３１０および３１２の各々は検出器アレイ１０４の一部を形成してもよい。入力３０２、３０４、３０６において受信される放射線信号の各々は、素子３１４ａ、３１４ｂ、および３１４ｃとして示されるミキサー素子に送られる。いくつかの実施形態において、１つ以上の受信信号は、ミキサーによって処理される前に、たとえば任意の偏光回転素子３１６などによって回転されてもよい。ミキサーからの、たとえば１つ以上の中間周波数（ＩＦ）信号などの処理済み信号は、各ブロックの出力（３１８ａ、３１８ｂ、３１８ｃ）に送られた後に、低ノイズ増幅器（ＬＮＡ：ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）（３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃ）、電力検出器（３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｃ）、およびアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ：ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）（３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃ）による追加の処理を受ける。追加の処理はフィルタリングを含んでもよい。次いでデジタル信号は画像生成器３２４に送られて、検出された放射線に基づく画像が形成されてもよく、たとえば３０２、３０４、および３０６において受信された放射線を用いてオブジェクトまたはシーンの合成画像が形成されてもよい。画像処理３２４は、たとえばコンピュータまたはモニタなどの表示システム３３６に結合されるか、またはその一部であってもよい。いくつかの実施形態において、ＩＦ信号は、各ブロック内の同軸ケーブルを用いて出力される。

このシステムは３つのミキサー素子または入力を伴って示されているが、このシステムはより多いかまたはより少ない素子によって実施され得る。たとえば、システム３００は拡張されて第４のセットの入力フィードホーンを含んでもよく、その各々が対応するミキサーおよび処理回路のセットを有し得る。

いくつかの実施形態において、局部発振器（ＬＯ）信号は、ミキサーよりも少ないＬＯソースを用いてシステム３００のミキサーに提供される。たとえば、図３に示される例において、単一のＬＯソース３２６がミキサー３１４ａ～ｃの各々にＬＯ信号を提供する。実施形態によると、これは１つ以上の電力分配器３２８ａ、３２８ｂと、場合によってはたとえばダブラまたはトリプラなどの１つ以上の周波数乗算器３３０ａ～ｃとを用いて達成される。たとえば、ソース３２６からの元のＬＯ信号は分配器３２８ａに提供されてもよく、次に分配器３２８ａは信号を分配器３２８ｂと、任意の乗算器３３０ａとに提供する。乗算器３３０を用いて、ソース３２６が提供したものよりも高い周波数のＬＯ信号をミキサー３１４ａに提供してもよい。同様に、分配器３２８ｂは、ミキサー３１４ｂおよび３１４ｃに対する任意の乗算器３３０ｂおよび３３０ｃに信号を提供してもよい。このことに関して、ブロック３０８、３１０、および３１２の各々は、異なる周波数／波長における動作のために構成され得る。こうした構成はたとえば、ミキサーの設計ならびに入力フィードホーン（例えば、１１６、１１８、および１２０）の形状および寸法などを含み得る。したがって、処理回路３２４によって異なる波長の放射線信号の検出、処理、および使用が行われて、複数の波長におけるデータを用いて合成画像が形成されてもよい。たとえば増幅器３３２などの１つ以上の増幅器を用いて、ソース、分配器、乗算器、およびミキサーの少なくとも１つの間の信号を強化してもよい。他の増幅器は図３の例に示されていない。

フィードホーンのサイズは、選択された光学部品に対する最適な結合を提供するように選択されるべきであり、間隔は用途に応じた最適なカバレッジを提供するように選択されるべきである。

特定の態様において、コンポーネントは、できる限り広範囲の回路動作条件にわたるＲＦ結合回路から反射されるＬＯ電力の量を最小化するように最適化される。これは反射されたＬＯ信号が伝播して１つ以上のＬＯ電力スプリッタに戻ることを制限し、よってチャネル間の干渉を制限する。反射の問題をさらに低減させるために、たとえばマジックＴ（Ｍａｇｉｃ－Ｔ）または３ｄＢハイブリッド分岐ガイドカプラなどの９０度３ｄＢハイブリッド電力スプリッタを実現し得る。

いくつかの実施形態によると、分配器３２８ａおよび３２８ｂの１つ以上は、図５Ａ～５Ｃに関して記載されるとおりの不均等分配器である。いくつかの実施形態によると、乗算器３３０ａおよび３３０ｂはダブラであるのに対し、乗算器３３０ｃはトリプラである。いくつかの実施形態において、乗算器の１つ以上は必要でない。たとえば、いくつかの実施形態において乗算器３３０ａは省略されてもよい。

いくつかの実施形態によると、共通の局部発振器ソース３２６が提供され、異なるオーダの周波数乗算器（例えば、ダブラおよびトリプラ）を用いて周波数が乗算されて、サブハーモニックミキサーが実現される。たとえば、ミキサー３１４ａ～ｃはそれぞれ周波数１２５ＧＨｚ、２５０ＧＨｚ、および３７５ＧＨｚを中心とする帯域で動作してもよく、それは６２．５ＧＨｚ、１２５ＧＨｚ、および１８７．５ＧＨｚの局部発振器周波数を使用できる。この例において、ベース局部発振器ソース３２６は、６２．５ＧＨｚにて動作する約１００ｍＷを提供するガン（Ｇｕｎｎ）発振器であってもよい。これは、たとえば分配器３２８ａなどのスプリッタを用いて２つの等しい信号に分割される。このスプリッタは、たとえば標準的なマジックティーなどの均等電力スプリッタであってもよいし、図５Ａ～５Ｃに関して記載されるとおりの不均等スプリッタであってもよい。スプリッタ出力の一方の半分は１２５ＧＨｚアレイ（この例におけるブロック３０８）をポンピングし、第２の半分は電力増幅器（例えば、この例における増幅器３３２）に入力されて約４００ｍＷの信号を与え、次いでこの信号を用いて周波数乗算器３３０ｂおよび３３０ｃがポンピングされる。この周波数例においてサブハーモニックミキサーが使用されるとき、この場合には乗算器３３０ａは必要ない。いくつかの実施形態において、構成可能な不均等電力分配器を用いて、１２５ＧＨｚアレイおよび電力増幅器に最適電力を提供することによって、システムが最適化される。各周波数ミキサーアレイは類似の局部発振器電力を必要とし、それはこの例においては３０～４０ｍＷである。しかし、ダブラの典型的な効率は４０％であるのに対し、トリプラは１５％である。このことは、たとえばマジックティーなどの均等電力スプリッタの使用によって、２５０ＧＨｚアレイ（例えば、この例におけるブロック３１０）に対する過剰な電力（８０ｍＷ）が生成され、３７５ＧＨｚアレイ（例えば、この例におけるブロック３１２）に対する限界電力が生成される結果となり得ることを意味する。マジックティーなどの従来の電力スプリッタは、入力電力が均等に半分に分割されることに依拠するが、もしこうしたアプローチがこの実施形態に使用されれば、結果として過剰な電力が１２５ＧＨｚダブラ（例えば、乗算器３３０ｂ）に供給され、不十分な電力が１８７．５ＧＨｚトリプラ（例えば、乗算器３３０ｃ）に供給される。したがって、通常はダブラよりも効率が低いトリプラに十分な電力を供給するために、電力増幅器を過剰仕様にする必要があり、かつダブラに対する電力は不必要に弱められるだろう（そうでなければダブラが損傷され得る）。これはコストがかかり、かつＬＯ信号の無駄になるだけでなく、既存の技術によって達成することが困難である可能性があり、より高い電気バイアス電力および熱除去の要件がもたらされる。よって実施形態によると、局部発振器ポンプ電力を任意に２つ以上の経路に分割できる構成可能な電力分配器が用いられることによって、各局部発振器アームの乗算器に対する電力がそれぞれの電力要件に従って分配される。実施形態によると、分配器３２８ａおよび３２８ｂの少なくとも一方は構成可能である。よって、送られる電力が各それぞれの乗算器に対するピーク効率入力電力要件と適合するように、電力分割を各周波数アームと適合させることによって、全体的なシステムＬＯ電力要件（およびコスト）を最小化するシステムを提供できる。

いくつかの実施形態によると、第４の周波数の放射線を受信および処理するように構成された１つ以上のブロックが提供されてもよい。たとえば、１つ以上のブロックは５００ＧＨｚにて構成されてもよい。こうしたブロックに対するミキサーは、同じＬＯソースを用いて、たとえば図３に示されるＬＯ経路の１つ以上における追加の分配器およびダブラの少なくとも一方などによって、同様に動作できる。いくつかの実施形態において、このブロックはサブブロックまたはアレイ１０２、１０４であってもよい。

いくつかの実施形態によると、ＬＯソース３２６は１つ以上の周波数における複数の出力を有してもよく、最初の分配器３２８ａおよび乗算器３３０ａの少なくとも一方は必要なくてもよい。いくつかの実施形態において、分配器３２８ａおよび乗算器３３０ａの１つ以上は局部発振器ソース３２６に統合されることによって、ソース３２６は構成可能な電力の複数の周波数信号を提供する。例として２つの出力が用いられているが、この実施は追加の不均等電力スプリッタおよび乗算器の少なくとも一方を使用することによって拡張され得る。

ここで図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、いくつかの実施形態による１つ以上の検出器アレイブロックが示されている。これらは、たとえばアレイ１０２、１０４およびブロック３０８、３１０、３１２に対応してもよい。アレイ１０２、１０４などのアレイは、単一のブロックとして（例えば、図４Ａに示されるとおり）形成され得る。加えて、アレイ１０２、１０４などのアレイは、複数のブロックから（例えば、図４Ｂに示されるとおりに２つのブロックによって）形成されて、複数の行および列のフィードホーンを有する複合検出ブロックを形成し得る。加えて、実施形態によると、各サブブロックは図１２Ａに関して示されるとおりに２つの部分から形成されてもよく、図１２Ａは半体ブロック部分１２０２を別の半体ブロック部分１２０４に取り付けることを示している。

ここで図４Ａを参照すると、いくつかの実施形態によるブロック４００が提供される。いくつかの場合には、検出器アレイ１０２、１０４の１つ以上がブロック４００を含んでもよい。ブロック４００は１つ以上の信号入力４０２と、１つ以上の二次入力４０４と、１つ以上の出力４０６とを含む。たとえば、信号入力４０２は、図１Ａ、図１Ｂ、図２、および図３に示される複数の検出器フィードホーン１１６、１１８、または１２０に対応してもよい。同様に、二次入力（単数または複数）４０４は、たとえば図２Ａおよび図３に関して記載されるものなどのＬＯ信号入力であってもよい。出力（単数または複数）４０６は、たとえば図３に関連して記載されるとおりのミキサーからの１つ以上のＩＦ信号などの、検出された信号出力であってもよい。実施形態によると、入力は同じ平面において提供されるのに対し、出力は直交面において提供される。図４Ａの例において、入力４０２、４０４はｚ軸に沿って提供されるのに対し、出力４０６はｘ軸に沿って提供される。各々の入力４０２、４０４はブロック４００を通ってｚ軸に沿って伸長するのに対し、各々の出力４０６は直交する方式でブロック４００を通ってｘ軸に沿って伸長する。実施形態によると、処理回路が出力４０６に接続されてもよい。たとえば、ブロック４００から出力される信号を処理するために、複数の処理回路ユニットがｙ軸方向にあってもよい。同様に、ｙ軸方向に追加のブロック（例えば、４００）が積み重ねられて、検出器を延長してもよい。回路素子４６０ａ～ｎを有する類似の配置が図４Ｂに示されている。図３に関して示されるとおり、こうした回路はたとえば１つ以上のＬＮＡ、広帯域電力検出器、およびＡＤＣの少なくとも１つを含み得る。いくつかの実施形態において、熱的手段（例えば、ボロメーター）によって、または振幅変調（ＡＭ：ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）検出器を用いることによって、広帯域マイクロ波電力をベースバンド信号に変換するために電力検出器が用いられる。加えて処理回路は、たとえばＬＮＡまたはＡＤＣのいずれかの側などに１つ以上のフィルタを含み得る。実施形態によると、たとえば３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｃなどの電力検出器は、帯域全体にわたる電力を検出し、その電力に関連する電圧を出力する。

ここで図４Ｂを参照して、実施形態によると、第１のブロック（例えば、ブロック４００）が第２のブロック（例えば、４５０）と組み合わされて、たとえばアレイ１０２、１０４などの単一の検出アレイブロックを形成できる。この例において、ブロック４５０の入力４５２および４５４はｚ軸に沿って伸長し、出力４５６は垂直のｘ軸に沿って伸長する。この入力および出力の配置が与えられるとき、処理回路４６０ａ～ｎは、入力４５２によるソースからの信号捕捉を妨げることも、入力４５４へのＬＯの伝達を阻害することもなく、ブロック４００、４５０の外表面においてｙ軸方向に積み重ねられ得る。回路４６０ａ～ｎはアレイのブロック４００側に示されているが、このスタック（積み重ね）はアレイの他方の側（例えば、ブロック４５０側）にも提供されてもよい。このことに関して、処理回路の第１のスタック４６０ａ～ｎはアレイの１つの側部に提供されてもよく、処理回路の第２のスタック４６７０ａ～ｎはアレイの第２の側部に提供されてもよく、入力信号（例えば、ＲＦ入力）はアレイの第３の側部に提供されてもよく、いくつかの実施形態においては、別の入力信号（例えば、ＬＯ）がアレイの第４の側部に提供され得る。回路４６０ａ～ｎはたとえば、１つ以上のＬＮＡ、ＡＭ（エンベロープ）電力検出器、およびＡＤＣの少なくとも１つ、ならびに場合によってはフィルタを含んでもよい。図４Ｂに示されるとおり、いくつかの実施形態によると、ブロック４００、４５０の頂部または底部には入力も出力も存在しなくてもよい。

図４Ｂのアレイは２つの接続されたブロックによって示されているが、実施形態はそれに限定されない。たとえば、実施形態によると、たとえばアレイ１０２、１０４などの検出器アレイは、直接接続されていないブロックで形成されてもよく、２つより多くのブロックでも形成され得る。たとえば、処理回路４６０ａ～ｎは、アレイの２つのサブブロックの間（例えば、ブロック４００および４５０の間）に置かれ得る。場合によっては３つのサブブロックが、第１および第２のブロックの間、ならびに第２および第３のブロックの間に置かれた回路とともに用いられ得る。こうした配置において、第１および第２のブロックの間の回路は、第１または第２のブロックの一方または両方からの信号を処理できるのに対し、第２および第３のブロックの間の回路は、第２および第３のブロックの一方または両方からの信号を処理できる。加えて、たとえば第１または第３のブロックからの信号を処理するために、アレイの外側部の１つ以上に別の回路スタックが提供され得る。３つのブロックを用いて説明したが、実施形態によると、アレイの幅を３ブロックより大きく延長するためにこの配置を繰り返すことができる。たとえば追加のブロック４００、４５０を積み重ねることなどによって、検出アレイをｙ方向に拡張することもできる。実施形態によると、アレイブロック４００、４５０の上側および下側の表面には入力も出力も存在しないため、妨害なしに別のブロックを積み重ねることができる。いくつかの実施形態は６つの一次側部を有するブロック４００、４５０を含み、入力および出力の少なくとも一方は外側部に露出している（例えば、入力および出力の少なくとも一方はｘ方向およびｚ方向にある）が、頂部または底部（例えば、ｙ方向）にはない。図１２Ａおよび図１２Ｂに示されるとおり、ノッチ１２０６によって積み重ねをさらに改善できる。

実施形態によると、最大４つの検出周波数帯域に対して検出システムを最適化してもよい。たとえば、アレイ１０２、１０４の各々は、図４Ｂに示されるとおりに組み合わされたブロック４００、４５０などの２つのブロックを含んでもよい。この場合、各々の入力フィードホーン４５２および後続処理は異なる周波数帯域に対応でき、最大４つの周波数帯域の多周波検出を可能にする。実施形態によると、帯域幅はミキサー、ＩＦ増幅器、およびエンベロープ検出器の少なくとも１つの組み合わせによって設定されてもよい。いくつかの実施形態において、帯域は導波路に対する中央周波数の＋／－２０％である。

ここで図５Ａ～図５Ｃを参照すると、いくつかの実施形態による１つ以上の不均等電力分配器および偏光回転子の少なくとも一方のジオメトリが示されている。図５Ａに示されるとおり、不均等電力分配器５００は入力５０２と、出力５０４および５０６とを含んでもよい。出力５０４における電力は、５０６における出力と異なっていてもよい。加えて、図５Ｂの詳細図に示されるとおり、１つ以上のチャネル（すなわち、入力、第１の出力、または第２の出力）は偏光回転素子５０８を含んでもよい。こうした回転素子は、図５Ｃの５１４ａ～ｃとしてさらに示されている。図５Ｃにさらに示されるとおり、不均等電力分配は、分割部における２つの導波路開口部によって達成されてもよい。すなわち、第１の導波路開口部５１０は第２の導波路開口部５１２よりも小さいことによって、出力５０４よりも出力５０６の方に多くの電力が向けられてもよい。この例においては、回転素子５１４ａ～ｃのために、入力５０２または出力５０４、５０６における信号とは異なる偏光によって導波路電力分割が行われる。特定の態様において、電力分割の比率は、導波路が分割される地点における導波路の相対的高さに対してほぼ線形従属であってもよい。もし分割部が導波路の高さ（狭い寸法）の半分であれば、電力は均等に分割される。もし分割部がたとえば高さの２０％であれば、電力は８０：２０に分割され、他も同様である。

実施形態によると、図５Ａ～図５Ｃをさらに参照すると、各ポートにおける偏光子回転子の統合によって、不均等構成可能電力スプリッタを達成できる。次いで、たとえばコンポーネントのバルクを第１の向きに機械加工して、導波路分割部が広い壁の中央に来るように配置できる。さらに、このアプローチを利用して、電力増幅器と乗算器との間で使用され得る単一のＣＮＣ機械加工が容易な結合マニホルドにＬＯ電力ネットワークを完全に統合する手段を提供できる。特定の態様において、このアプローチは、全体のシステムレイアウト要件に応じて導波路の向きを任意に９０度回転させる能力を提供する。こうしたＬＯネットワークマニホルドは、コストを低減すること、コンポーネント間のフランジの必要をなくすこと、および大幅にコンパクトなシステムの実現を可能にすることの少なくとも１つを行い得る。

実施形態によると、検出システムは、地球の大気の最適な特徴を利用するために最適化された屋外（または屋内）シーンからの時間的および空間的に位置合わせされた多周波データを提供する。それを行う際に、本開示の態様は、脅威事項の正確な性質の判定における意思決定プロセスを大きく支援できるある程度の材料の特異性を可能にするデータを提供する。人間の組織は特異的性質を有するため、それを用いて雑然とした屋外シーンにおいてリアルタイムで人間のシグネチャーを示すこともできる。

地球の大気は、観察される周波数の大気の透過率によって独自の照度特性を提供し、それはシーンの上に存在する水蒸気の量および検出に使用される波長によって定められる。２つの現象がこの効果を支配する。第１に、水分子はミリメートルからテラヘルツドメインにおける回転共鳴を有するため、それは特定の周波数において光子を吸収する。これらの線から離れた周波数において、水分子は光子を通し、これは水ウィンドウとして理解されてもよい。加えて、波長が短くなると大気を通る有効経路の長さが長くなり、減衰が増加する。透過率が最高である周波数においては、地球の大気は透明であるため、ミリメートル波検出の際に、空間の冷たいバックグラウンドが非常に高いコントラストを提供する。すなわち、観察中の屋外シーンは「冷たい」空の照度に支配される。地球の大気の透過率が低い周波数において、シーンは、シーンの上の空気柱からの「暖かい」照度に支配される。実施形態によると、異なるコントラストタイプが達成されるカラーシーンを提供するために、高透過率、中程度透過率および低透過率の波長の混合が必要とされる。実験調査によって、これらの波長は約１２５ＧＨｚ、２５０ＧＨｚ、および３７５ＧＨｚを中心とする約３５ＧＨｚの幅の帯域であることが定められた。

実施形態によると、有用性を最大化するために、画像は最短時間で、最高の熱感受性を伴い、かつ可能な限り最高の空間分解能を伴って生成される。これらの要件の最初の２つは、通常は対立する。シーンの熱感受性には、次の等式が適用される。
ΔＴ＝Ｔ_ｓｙｓ／（ｔ ｘ Ｂ）^１／２、
ここでΔＴは、空間的に分解された領域の間の最小分解可能温度差である。変数Ｔ_ｓｙｓは検出器エレクトロニクスのシステムノイズ温度であり、ｔはサンプルを収集するためにかかった時間であり、Ｂは検出器の帯域幅である。

いくつかの実施形態で用いられるヘテロダイン検出器については、システム帯域幅が固定されているため、熱感受性を改善するための選択肢は、Ｔ_ｓｙｓを減少させることおよび統合時間ｔを増加させることである。しかし、Ｔ_ｓｙｓを改善する余地はアレイ全体を冷却すること以外にほとんどないかもしれず、これは実行不可能であり得る。統合時間ｔを増加させることは可能だが、代わりにフレーム更新速度が犠牲になる。よって、実施形態によると、検出器の数を増やすことによって、最速のフレーム速度を維持する改善が提供される。このことによって、各検出器はより多くの時間シーンを観察できる。実施形態によると、検出器の数は鉛直方向および水平方向の両方に増加でき、加えて検出器アレイは、間に置かれたプレートによって対にされ得る。さらに、積み重ね可能な多周波検出器構成が記載され、これは最大３つ以上の周波数帯域の組み合わせによる任意の数の検出器を組み込むようにスケーリングされ得る。

実施形態によると、偏光子素子および電力分配器が検出システムに統合される。これら２つのコンポーネントが組み合わされて動作することによって、多周波データ検索のほぼ完璧な空間的および時間的アライメントを提供するコンパクトな多重光学供給システムを可能にできる。実施形態は、鉛直平面に検出器を反復方式で積み重ねることによって検出器カウントをスケーリングするための手段も提供する。

実施形態によると、各検出器の視野を重ね合わせるために、検出器アレイのフィードホーンに非常に近接して置かれた直線偏光グリッドを用いて、仮想アレイが形成される。たとえば、図６に概略図が示されており、これは６０２において直線偏光グリッドを通過して第１のセットのフィードホーンに向かう入射放射線と、６０４において第２のセットのフィードホーンの方に反射する入射放射線と、６０６の検出データの組み合わせとを示す。この例において、偏光グリッドは鉛直に直線偏光された放射線にとっては完全に透明であるが、水平に偏光された放射線は完全に反射する。直交アレイ（たとえばアレイ１０２、１０４など）の間に４５度にて置かれるとき、水平に偏光された放射線は、６０６において鉛直に偏光されたアレイと重なり合う鉛直アレイとして現れる。この特定の例において、「鉛直」および「水平」という用語は、直交する軸を区別することが意図されている。

実際には、通常２～５％の少量の信号が、散乱およびワイヤグリッドビームコンバイナ内での抵抗損によって失われる。この損失を受容することによって、非常にコンパクトかつ構成可能なフィードホーンの積み重ね配置を実現できる。偏光ビームコンバイナからの各偏光出力におけるフィードホーンを重複させるか、または間隔を置くことによって、完全に多用途かつ構成可能な「仮想」２Ｄアレイが可能である。これは複数の周波数、複数の重複する偏光、またはたとえばスパースアレイなどの任意のアレイレイアウトで作製され得る。たとえば、１つのアレイ（例えば、１０２）は第１の周波数または周波数セットに対して構成されてもよく、一方で第２のアレイ（例えば、１０４）は第２の周波数または周波数セットに対して構成されてもよい。これに関して、２次元での捕捉によって多周波検出を達成できる。代替的には、両方のアレイ（例えば、１０２、１０４）を同じ周波数で構成することによって、その周波数の鉛直偏光放射線が捕捉され（例えば、６０２）、かつその周波数の水平偏光放射線が捕捉されて（例えば、６０４）、単一周波数検出に対する合成物６０６が形成され得る。実施形態によると、この準２Ｄアレイのレイアウトを適応走査のために設計できる。たとえば、走査ミラーを小さく速いインクリメントでディザリングすることによって、スパースアレイを「充填」できる。２つの偏光の組み合わせによって、追加の現象論的情報を集め得る。

実施形態によると、偏光グリッドビームコンバイナを重なり合うビームとともに用いることによって、視野の各位置に対する信号収集が２倍になる。

ここで図７を参照すると、いくつかの実施形態によると、受信した放射線の偏光に対する検出システム７００が概略的に示されている。この例において、鉛直偏光を有する視野からの放射線は、素子７１０を通過してフィードホーン７０２および７０４に向かう。同時に、その視野からの水平偏光放射線は、素子７１０から反射されてフィードホーン７０６および７０８に向かう。図７に示されるとおり、フィードホーン７０２、７０４、７０６、および７０８において受信された検出データを組み合わせて、その視野の合成表現を形成できる。実施形態によると、フィードホーン７０２および７０４は互いに間隔を置かれており、フィードホーン７０６および７０８も同様である。したがって図７に示されるとおり、水平および鉛直の信号情報は、出力において部分的に重複してもよい。

実施形態によると、システムの検出器レイアウトはスパースアレイを形成する。

いくつかの実施形態によると、フィードホーン７０２、７０４、７０６、および７０８はすべて、同じ波長の放射線に対して構成される。偏光素子７１０を２セットのアレイとともに用いることによって、使用可能な受信および処理された放射線の量が効果的に２倍にされる。

実施形態によると、図７および図８に示された間隔を置いた配置を、多周波検出システムに適用できる。すなわち、フィードホーン７０２、７０４、７０６、および７０８を異なる周波数に対して最適化してもよい。

ここで図８を参照すると、ＬＯソース８０２、８０６およびＩＦ処理回路８０４、８０８を伴う実施形態によって、システム７００がさらに示されている。実施形態によると、複数のフィードホーンは十分に間隔を置かれているので、ＩＦ処理回路８０４、８０８はフィードホーンの間に物理的に位置していてもよい。こうした回路はたとえば、１つ以上のＬＮＡ、電力検出器、およびＡＤＣの少なくとも１つなどを含んでもよい。これは、たとえば図４Ａおよび図４Ｂに関して示された直交チャネル配置などを用いて行われてもよい。このセットアップによって、鉛直および水平アレイの少なくとも一方の両方に対して、視界の幅Ｘｎを必要なだけ遠くまで延長できる。高さも、たとえばブロックの積み重ねまたはブロックの高さの変動などによって所望の高さに設定できる。このことによって、視野の時間的および空間的対応の損失を伴わない幅広い捕捉（フィードホーンの数の増加）が可能になる。その結果得られる、幅２および高さ４の間隔を置かれた複数のフィードホーンを有する一対の検出器アレイによる画像表示９００が図９に示されている。図９に図示されるとおり、アレイ（すなわち画像捕捉）の幅および高さを、必要に応じていずれの次元にもＸｎ延長できる。いくつかの実施形態において、複数のフィードホーンの間に置かれる回路のサイズによって定められる距離によって、複数のフィードホーンは間隔を置かれる。たとえば、フィードホーンは回路のサイズに等しい距離、そのサイズの１．５倍、またはそのサイズの２倍の距離にて配置されてもよい。

実施形態によると、図７～図９に示される複合分割偏光素子のビームフットプリントに示されるとおり、開示されるシステムは、交互の偏光を有するｎ素子に延長され得る「仮想」２Ｄイメージングアレイを作製できる。

ここで図１０を参照すると、いくつかの実施形態による検出方法１０００が提供される。このプロセスは、たとえば実施形態による図１Ａおよび図１Ｂ、図３、ならびに図１３Ａおよび図１３Ｂの１つ以上に関して記載される検出システムなどを用いて実行されてもよい。たとえば、このプロセスはテラヘルツカメラによって実行されてもよい。

方法１０００はステップｓ１０１０から始まってもよく、このステップは、カメラの第１の検出器ブロックにおいて第１の偏光を有する第１の放射線信号を受信することを含み、ここで第１の放射線信号は放射線源から偏光プレートを通じて受信される。ステップｓ１０２０において、プロセス１０００は、カメラの第２の検出器ブロックにおいて第２の偏光を有する第２の放射線信号を受信することを含み、ここで第２の放射線信号は偏光プレートからの反射信号として放射線源から受信される。ステップｓ１０４０およびｓ１０５０において、信号が処理され、その処理は、たとえば図３および図４に関して記載されるとおり、第１の検出情報を形成するために第１の放射線信号を処理することと、第２の検出情報を形成するために第２の放射線信号を処理することとを含む。この処理は、たとえば信号をミキサーに送り、中間周波数信号を生成し、ＬＮＡ、Ｐ．Ｄ．、およびＡＤＣの１つ以上によって信号をさらに処理することを含み得る。いくつかの実施形態によると、たとえば図６～図９に関して記載されるとおり、検出情報は、検出された放射線信号が対応する視野の少なくとも一部の２次元画像を構築するために用いられ得る画像データである。場合によっては、検出情報は所与のチャネルが受信した放射線の強度を示すデジタルマグニチュードである。

いくつかの実施形態において、プロセス１０００は任意のステップｓ１０３０を含み、ここでは第１および第２の受信放射線信号の少なくとも一方が後続処理の前に偏光回転素子を通過する。

任意のステップｓ１０６０において、いくつかの実施形態によると、方法１０００は、放射線源の１つ以上の特性を示す画像を形成するために第１および第２の検出情報を組み合わせることをさらに含む。画像を形成するために検出情報を組み合わせることは、たとえば図３に関連して示されるとおり、画像処理３２４および表示システム３３６の少なくとも一方によって行われてもよい。いくつかの実施形態において、組み合わせることは、図６～図９に関して記載されるとおりに行われる。

実施形態によると、第１の検出情報に対応する画像の部分（例えば、第１のフィードホーンで検出された信号から生成された情報）と、第２の検出情報に対応する画像の部分（例えば、第２のフィードホーンで検出された信号から生成された情報）とは画像において完全に重複するか、または第１の検出情報に対応する画像の部分と、第２の検出情報に対応する画像の部分とは画像において部分的に重複するか、または第１の検出情報に対応する画像の部分と、第２の検出情報に対応する画像の部分とは画像においてまったく重複しない。

実施形態によると、第１の検出情報に対応する画像の部分と、第２の検出情報に対応する画像の部分とは画像において部分的に重複するか、またはまったく重複しない（すなわち、完全に重複しない）。この例において、第１の検出器は、第１の幅を有し、かつ第１の幅以上の間隔を有する第１の複数のフィードホーンを含み、第２の検出器は、第２の幅を有し、かつ第２の幅以上の間隔を有する第２の複数のフィードホーンを含む。この例において、第１の放射線信号を処理することは、第１の複数のフィードホーンのうちの２つのフィードホーンの間に位置する第１の処理回路において少なくとも部分的に実行されてもよく、第２の放射線信号を処理することは、第１の複数のフィードホーンのうちの２つのフィードホーンの間に位置する第２の処理回路において少なくとも部分的に実行され得る。加えて、実施形態によると、第１の複数のフィードホーンは高さおよび幅がどちらも２より大きいフィードホーンのアレイに配置され、第２の複数のフィードホーンは高さおよび幅がどちらも２より大きいフィードホーンのアレイに配置される。

実施形態によると、処理素子は、異なる周波数（および異なる検出器アレイの少なくとも一方）において生成された画像データを色分けするように適合されることによって、複合画像データは、異なる周波数において生成された画像データからの複合的色分けを含むようにできる。この複合的色分けは、表面を特徴付けるために用いられ得る。たとえば、反射金属は低い周波数および高い周波数の両方において環境の温度であることが示されるだろうが、皮膚はより低い周波数においてのみ環境の温度であることが示されるだろう。より高い周波数においては、皮膚は体温であることが示されるだろう。よって、異なる周波数からの複合的色分けは、皮膚を金属とは異なる色として示すと考えられる。データを画像中の画素に割り当てて、指定された特徴を有する範囲を識別できる。

実施形態によると、検出器アレイは自身のアナログＩＦ信号を１つ以上のＬＮＡ、ＡＭ検出器、およびデジタイザに送り、それらは最終的にＩＦ信号をデジタル信号に変換してフィルタリングする。これは、たとえばステップｓ１０４０およびステップｓ１０５０の一部であってもよい。この例において、処理素子（例えば、３２４および３２６の少なくとも一方）は、それぞれの検出器の選択されたセットからフィルタリングされたデジタル信号を受け取り、セット内の各検出器に画像の色を割り当て、次いで画像信号３３５の各画素に対する信号を加えることによって、それらの画素は、検出器チャネルの選択されたセットに対する異なる周波数にて受信された色の組み合わせである色で表示されるだろう。実施形態によると、アレイは位置合わせされないことがあるため、それらが生成するデータが少なくとも視野における目的の共通範囲にわたって対応することを確実にするために、何らかの調整が必要かもしれない。

実施形態によると、本明細書に記載される検出システムは、ヘテロダインミキサーを使用できる。たとえば、フィードホーンのアレイは、入来する放射線を導波路を介してダイオードに基づくミキサーに送るとともに、中間周波数（ＩＦ）出力を処理回路に送る。フィードホーンは、周波数に従って導波路に同じ結合係数を与えるようにサイズがスケーリングされる。ミキサーにおいて、入来信号は、たとえば局部発振器（ＬＯ）などから提供される参照信号と組み合わされ、参照信号は周波数制御を組み込んでもよい。ミキサーは、たとえばショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）ダイオードなどの非線形素子を含んでもよく、これは放射線を参照信号の整数倍数と組み合わせて、ＩＦを含む和信号および差信号を生成する。実施形態によると、サブハーモニックミキサーが用いられてもよい。ＩＦ信号は通常、受信されるテラヘルツ放射線および参照信号と比べて周波数が低く、典型的にＩＦは０．１～４０ＧＨｚであるのに対して、入力放射線および参照ＬＯ信号は１００～５００ＧＨｚである。ここでＩＦ信号は比較的低周波数であるため、それを容易にフィルタリングし、増幅し、エンベロープ（ＡＭ）検出して、受信したテラヘルツ放射線の強度に正比例する強度の電圧を生成でき、その後視野に関する画像を形成するために使用できる。実施形態によると、エンベロープ検出は省略され得る。特定の態様において、１つ以上のデジタイザはＧＨｚ（または数十ＧＨｚ）のクロック速度で動作する。

ここで図１１を参照すると、いくつかの実施形態による製造プロセス１１００が提供される。たとえばプロセス１１００は、実施形態による１つ以上の検出器アレイ１０２、１０４、ならびに図４Ａおよび図４Ｂに示される１つ以上のブロックの少なくとも一方を製造するために用いられてもよい。同様にプロセス１１００は、図１３Ａに示されるシステム１３００の１つ以上の素子（例えば、素子１３０２および１３０４）を製造するために用いられてもよい。図１２Ａは、いくつかの実施形態およびプロセス１１００による第１の機械加工されたハウジングコンポーネント１２０２と、第２の機械加工されたハウジングコンポーネント１２０４との組み合わせを示す。

プロセス１１００はステップｓ１１１０から始まってもよく、このステップは、第１の無線周波数（ＲＦ）チャネル部分と、第１の局部発振器（ＬＯ）チャネル部分と、第１の中間周波数（ＩＦ）チャネル部分と、偏光回転部分と、第１のミキサー装着キャビティとを含む第１のハウジングコンポーネントを機械加工することを含む。同様に、ステップｓ１１２０は、第２の無線周波数（ＲＦ）チャネル部分と、第２の局部発振器（ＬＯ）チャネル部分と、第２の中間周波数（ＩＦ）チャネル部分と、偏光回転部分と、第２のミキサー装着キャビティとを含む第２のハウジングコンポーネントを機械加工することを含む。いくつかの実施形態において、プロセス１１００は任意のステップｓ１１３０～ｓ１１５０を含む。ステップｓ１１３０において、第１および第２の装着キャビティの少なくとも一方にヘテロダインミキサーが装着される。ステップｓ１１４０において、第１の検出器ブロックを形成するために第１および第２のハウジングコンポーネントが取り付けられる。ステップｓ１１５０において、第２の検出器ブロックが第１の検出器ブロックに取り付けられて、たとえばアレイ１０２、１０４またはブロック４００、４５０などの統合ブロックが形成される。第１および第２の検出器ブロックを取り付けることは、第１の検出器ブロックの外表面を第２の検出器ブロックの外表面に取り付けることを含んでもよく、ここで第１の検出器ブロックの外表面は、ＲＦおよびＬＯチャネル部分と同じ平面、かつＩＦチャネル部分と直交する平面に形成される。

いくつかの実施形態において、第１および第２のブロックは直接取り付けられず、代わりにそれらの間に処理回路が置かれる。したがってプロセス１１００は、第１および第２のブロックの間に処理回路を提供するステップを含んでもよい。

実施形態によると、偏光プレートの第１の側部に１つ以上のブロックを形成し、次いで偏光プレートの第２の側部に１つ以上のブロックを形成するために、プロセス１１００が繰り返されてもよい。したがってプロセス１１００は、検出器ブロックの間に偏光プレートを（例えば、４５度の角度で）置くことを含んでもよい。

ここで図１２Ａを参照すると、コンポーネント１２０２および１２０４を取り付けることによって、ブロック１２００を形成できる。ブロック１２００は、アレイブロック１０２、１０４、４００、および４５０か、またはアレイブロック１０２、１０４、４００、および４５０のサブブロックの１つ以上であってもよい。図１２Ａに示されるとおり、ブロック１２００はノッチ１２０６を含んでもよい。たとえば、第１のノッチ１２０６ａはブロック１２００の第１の表面１２０８（例えば、下側表面）に提供されてもよく、一方で第２のノッチ１２０６ｂは反対側の表面（例えば、上側表面）に提供される。いくつかの実施形態において、これらのノッチは角度を付けられる。しかし、他の実施形態において、これらのノッチはブロック表面１２０８に対して垂直であってもよい。図１２Ａにさらに示されるとおり、第１および第２のノッチ１２０６ａ、１２０６ｂは互いに位置合わせされ得る。たとえばこれらのノッチは、たとえばアレイ１０２、１０４、およびシステム１００などに対して、アレイサイズを鉛直方向に拡張するために複数のブロック１２００を積み重ねるために用いられてもよい。これは例として、図１２Ｂにおいて積み重ねられた配置のブロック１２００によって示されている。この例においてはブロック１２１０がブロック１２１２の頂部に積み重ねられており、いくつかの実施形態においては同一の積み重ねモジュールであってもよい。同じフィードホーンサイズを有する同一のブロックが示されているが、異なる周波数（すなわちフィードホーンサイズ）に対するブロック１２００が、１つ以上のノッチ１２０６を含む全体的に同じ形状およびサイズを有してもよく、よって積み重ねられ得る。図１２Ａ～図１２Ｃの例において、スタッキングノッチ１２０６を含む表面上にはＲＦ入力、ＬＯ入力、またはＩＦ出力が存在しない。図１２Ｃに示されるとおり、たとえば図６～図９に関連して考察されたとおり、（ｎ_１ブロックによる）鉛直方向および（ｎ_２ブロックによる）水平方向の両方にアレイサイズを延長するようにブロック１２００が配置されてもよい。ブロック１２００は信号入力またはフィードホーン１２１４と、電力入力またはＬＯチャネル１２１６と、信号出力またはＩＦチャネル１２１８とを含んでもよい。図１２Ａに示されるとおり、入力１２１４、１２１６は第１の軸に沿って伸長するのに対し、出力１２１８は第２の垂直軸に沿って伸長する。

ここで図１３Ａおよび図１３Ｂを参照すると、いくつかの実施形態による検出システム１３００の画像が提供される。図１３Ａに示されるとおり、システム１３００は第１および第２の検出器アレイ１３０２および１３０４を含み、その間に偏光プレート１３０６が置かれている。処理回路１３０８は積み重ねられた構成で提供され、画像処理１３１０に対する出力を有する。分配器１３１４ａおよび１３１４ｂを有するソース１３１２によって、ＬＯ信号が提供される。図１３Ｂはシステム１３００の別の角度を示しており、偏光プレート１３０６と、プレートのワイヤグリッド１３２０部分との詳細を表記している。

実施形態は例として１２５ＧＨｚ、２５０ＧＨｚ、３７５ＧＨｚ、および５００ＧＨｚを使用するが、他の周波数セットが用いられてもよい。たとえば、６０、１２０、２４０、３６０、および４８０ＧＨｚが用いられてもよい。この周波数セットは、大気中の酸素の吸収特性に関する。

本開示の態様は、センチメートルからミリメートル未満の範囲の波長における電磁スペクトルを用いた電磁的検出のための走査方法および装置に関する。特定の実施形態は、電磁スペクトルの高周波またはテラヘルツ領域に適用されてもよく、それは多くの用途に対する特定の利益を有し、小さいシステムにおいて高分解能を提供する。この文脈における高周波およびテラヘルツという用語は、ミリメートル付近、ミリメートル、およびミリメートル未満の範囲（例えば、３０ＧＨｚ～１ＴＨｚ）の波長における電磁スペクトルを示し得る。

本明細書において本開示のさまざまな実施形態を説明しているが、それらは単なる例として提供されたものであり、限定ではないことが理解されるべきである。よって本開示の広さおよび範囲は、上述の例示的実施形態のいずれかによって限定されるべきではない。一般的に、本明細書で用いられるすべての用語は、異なる意味が明確に与えられるとき、およびその用語が用いられる文脈から示されるときの少なくとも一方の場合を除いて、関連技術分野における通常の意味によって解釈されるべきである。ａ／ａｎ／ｔｈｅ素子、装置、コンポーネント、手段、ステップなどに対するすべての参照は、別様に明確に述べられていない限り、その素子、装置、コンポーネント、手段、ステップなどの少なくとも１つの実例を示すものとしてオープンに解釈されるべきである。上述の素子のすべての可能な変形の任意の組み合わせは、本明細書において別様に示されるか、または別様に文脈によって明確に否定されない限り、本開示に包含される。

加えて、上述されて図面に示されたプロセスは一連のステップとして示されているが、これは単に例示のために行われたものである。したがって、いくつかのステップが追加されてもよく、いくつかのステップが省略されてもよく、ステップの順序が再配置されてもよく、いくつかのステップが並行して行われてもよいことが予期される。すなわち、あるステップが別のステップに後続または先行することが明確に記載されるとき、およびあるステップが別のステップに後続または先行する必要があることが絶対的であるときの少なくとも一方の場合を除いて、本明細書に開示される任意の方法のステップは、開示された正確な順序で行われる必要はない。

Claims (14)

1. 検出システム（３００）であって、
   第１の検出器ブロック（３０８、３１０、３１２、４００）と、
   局部発振器（ＬＯ）ソース（３２６）と、
   １つ以上の中間周波数（ＩＦ）処理回路（３２０、３２１、３２２、４６０）と、を含み、
   前記第１の検出器ブロックは、
   １つ以上のヘテロダインミキサー素子（３１４）と、
   前記ＬＯソースからのＬＯ信号を前記１つ以上のヘテロダインミキサー素子に提供するように構成された１つ以上のＬＯ入力導波路チャネル（２０２、４０４）と、
   検出された無線周波数（ＲＦ）信号を前記１つ以上のヘテロダインミキサー素子に提供するように構成された１つ以上の導波路フィードホーン（１１６、４０２）と、
   前記１つ以上のヘテロダインミキサー素子からのＩＦ信号を前記１つ以上のＩＦ処理回路に提供するように構成された１つ以上のＩＦ出力チャネル（２０８、４０６）と、を含み、
   前記１つ以上の導波路フィードホーンおよび前記１つ以上のＬＯ入力導波路チャネルは前記第１の検出器ブロックの第１の軸に沿って伸長し、前記１つ以上のＩＦ出力チャネルは前記第１の検出器ブロックの第２の軸に沿って伸長し、前記第１の軸と前記第２の軸とは垂直であり
   前記１つ以上の導波路フィードホーンは、前記第１の検出器ブロックの第１面に露出され、
   前記１つ以上のＬＯ入力導波路チャネルの入力は、前記第１の検出器ブロックの第２面に露出され、
   前記第２面は、前記第１の検出器ブロックの前記第１面の反対側である、
   システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、
   前記第１の検出器ブロックは、複数の前記ヘテロダインミキサー素子と、前記第１の検出器ブロックの表面上のアレイに構成された複数の前記導波路フィードホーンと、複数の前記ＩＦ処理回路と、を含み、
   前記複数のＩＦ処理回路は積み重ねられた構成で配置される、システム。
3. 請求項１または請求項２に記載のシステムであって、
   前記第１の検出器ブロックに隣接する第２の検出器ブロック（４５０）をさらに含み、前記第２の検出器ブロックは、第２の複数のヘテロダインミキサー素子と、前記第２の検出器ブロックの表面上のアレイに構成された第２の複数の導波路フィードホーンと、を含む、システム。
4. 請求項３に記載のシステムであって、
   第２の複数のＩＦ処理回路をさらに含み、前記第２の複数のＩＦ処理回路も積み重ねられた構成で配置される、システム。
5. 請求項３または４に記載のシステムであって、
   前記第１の検出器ブロックの前記複数の導波路フィードホーンは第１の周波数に対してサイズが定められ、前記第２の検出器ブロックの前記第２の複数の導波路フィードホーンは第２の異なる周波数に対してサイズが定められる、システム。
6. 請求項３～５のいずれかに記載のシステムであって、
   前記第１および前記第２の検出器ブロックの少なくとも一方は偏光回転素子を含む、システム。
7. 請求項３～６のいずれかに記載のシステムであって、
   前記ＬＯソースは不均等電力スプリッタによって前記第１または前記第２の検出器ブロックに結合される、システム。
8. 請求項３～７のいずれかに記載のシステムであって、
   前記第１および前記第２の検出器ブロックに対して放射線を通過または反射させるように配置された偏光プレートをさらに含む、システム。
9. 請求項３～８のいずれかに記載のシステムであって、
   第３の検出器ブロックと、第４の検出器ブロックとを含み、
   前記第３及び第４の検出器ブロックは、前記第１及び第２の検出器ブロックの上に積み重ねられ、
   前記第３及び第４の検出器ブロックは、１つ以上のスタッキングノッチを用いて前記第１及び第２の検出器ブロックの上に取り付けられる、
   システム。
10. 請求項３～９のいずれかに記載のシステムであって、
    前記第１および前記第２の検出器ブロックの少なくとも一つには、１つ以上の角度が付けられたスタッキングノッチが設けられている、
    システム。
11. 請求項３～１０のいずれかに記載のシステムであって、
    前記第１の検出器ブロックの前記複数の導波路フィードホーンは、第１の中央周波数を有する放射線に対してサイズが定められ、前記第２の検出器ブロックの前記複数の導波路フィードホーンは、第２の中央周波数を有する放射線に対してサイズが定められ、
    前記第１の中央周波数は２５０ＧＨｚであり、前記第２の中央周波数は３７５ＧＨｚである、システム。
12. 請求項３～９のいずれかに記載のシステムであって、
    前記第１および前記第２の検出器ブロックの前記複数の導波路フィードホーンは、同じ中央周波数を有する放射線に対してサイズが定められる、システム。
13. 請求項１２に記載のシステムであって、
    前記中央周波数は１２５ＧＨｚまたは２５０ＧＨｚである、システム。
14. 請求項３～１３のいずれかに記載のシステムであって、
    前記ＩＦ処理回路の少なくとも１つは、前記第１または前記第２の検出器ブロックの２つのＲＦフィードホーンの間に位置する、システム。

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