WO2003036327A1 - Capteur d'hyperfrequence - Google Patents

Description

明 細 書 マイクロウエーブセンサ 技術分野

本発明は、 可視光線よりも低周波の電磁波を用いた能動型のセンサであるマイ クロウエーブセンサ （以下、 「MWセンサ」 という） に係る。 特に、 本発明は、 検知物体を特定するのに有効なセンシング技術の改良に関するものである。 背景技術

従来より、 防犯装置の一つとして、 マイクロ波を検知エリアに向けて送信し、 検知エリア内に人体が存在する場合には、 その人体からの反射波 （ドップラー効 果によって変調したマイクロ波） を受信して人体 （侵入者） を検知する MWセン サが知られている （例えば特開平 7— 3 7 1 7 6号公報） 。

更に、 MWセンサの 1タイプとして、 周波数の異なる複数のマイクロ波を利用 して物体までの距離を計測するようにしたものも知られている。 この種のセンサ は、 例えば周波数の異なる 2種類のマイクロ波を検知エリアに向けて送信し、 そ れぞれの反射波に基づく 2つの I F信号の位相差を検出するようになっている。 この位相差は、 ターゲット （人体等の検知対象物体） までの距離に相関があり、 ターゲットまでの距離が長いほど位相差も大きくなる傾向がある。 つまり、 この 位相差を求めることによりターゲットまでの距離を計測することが可能である。 以下、 この種のセンサにおける I F信号の位相差検出動作について説明する。 周波数の異なる 2種類のマイクロ波の反射波に基づく I F信号が図 3 ( a ) に 示すような正弦波 I F out 1， I F out 2 (ターゲットまでの距離に応じた位相 差を有している） である場合、 これら I F信号から成形される矩形波 A , Bは、 それぞれ図 3 ( b ) に示すようになる。 そして、 これら矩形波 A， Bの位相差 （ 図中における矩形波の立ち上がり部分の位相差 Δ t ) を検出することによってタ ーゲットまでの距離を計測することが可能になる。

ところで、 この種のセンサを防犯用センサとして使用する場合、 人体 （侵入者 ) のみを検知し、 その他の小動物などの物体を検知しないようにしておくことが 望ましい。 図 2は、 検知物体が人体である場合と小動物 （猫など） である場合と におけるセンサからの距離と反射波の信号レベルとの関係の一例を示している。 この図からも判るように、 検知物体が人体である場合、 センサから遠い位置に 存在するほど信号レベルは低くなつていく。 一方、 検知物体が小動物である場合 、 センサからの距離が極端に短い位置に存在する際には反射波の信号レベルは低 い。 これはセンサの受信アンテナの指向性に起因するものである。 つまり、 セン サからの距離が極端に短い位置に小動物が存在する場合には、 受信アンテナは指 向性の弱い斜め下方から反射波を受けることになるので信号レベルは低くなる。 そして、 センサからの距離がある程度遠い位置に小動物が存在する場合には、 上 記人体の場合と同様に、 センサから遠い位置に存在するほど信号レベルは低くな つてい'く。 但し、 小動物は人体に比べて小型であるので、 反射波の信号レベルは 全体的に低くなっている。

ところで、 これまでの MWセンサでは、 予め設定されたトリガレベル以上の信 号レベルが入力される状況となった際に物体検知信号の発信 （発報） を行うよう になっている。

このため、 比較的遠距離 （例えば 8 mの位置） に存在する侵入者をも検知可能 にしようとすると、 トリガレベルを低く設定する必要がある。 ところが、 この場 合には、 小動物を検知してしまう可能性が高くなつてしまう。 例えば、 図 2に破 線で示すトリガレベルを設定した場合には、 比較的遠距離に存在する侵入者が検 知可能である反面、 センサから 3 m程度の位置に存在する小動物をも検知してし まうことになる。

逆に、 小動物を検知しないようにトリガレベルを高く設定した場合には、 比較 的遠距離に存在する侵入者を検知することができなくなってしまう。 例えば、 図 2に一点鎖線で示すトリガレベルを設定した場合には、 小動物を検知することは ないもののセンサから 7 m付近に存在する侵入者を検知することができなくなつ てしまう。

本発明は、 かかる点に鑑みてなされたものであり、 その目的とするところは、 マイク口波を利用して物体を検知するようにした MWセンサに対し、 検知物体の 大きさを認識できるようにし、 この検知物体が検知対象とすべき大きさの物体で あるのか否かを判断して、 誤報を回避することができる MWセンサを提供するこ とにある。 発明の開示

上記の目的を達成するために、 本発明は、 物体によって反射されるマイクロ波 (反射波） に基づいてその物体までの距離を計測するばかりでなく、 その反射波 の信号レベルをも検知し、 これらによって検知物体の大きさを認識できるように している。

具体的に、 本発明は、 検知対象エリアに向けてマイクロ波を送信し、 この検知 対象ェリァ内に物体が存在する場合に、 マイク口波の反射波を受信して物体まで の距離を計測する MWセンサを前提とする。 この MWセンサに対し、 上記計測さ れた物体までの距離とその物体からの反射波の信号レベルとに基づいて物体の大 きさを判別し、 物体の大きさが所定以上である場合にのみ物体検知信号を発信す る物体検知手段を備えさせている。

この物体検知手段による物体検知信号の発信動作を行うための具体構成として は、 計測された物体までの距離に応じて、 物体検知信号を発信すべき反射波の信 号レベルの値が変更されたトリガレベルを予め設定しておき、 このトリガレベル を超える信号レベルの反射波を受信したときにのみ物体検知手段が物体検知信号 を発信する構成としている。

これら特定事項により、 センサから物体までの距離とその物体からの反射波の 信号レベルとによつて検知物体の大きさを認識することができる。 例えば防犯用 センサとして適用した場合には、 検知物体が、 検知対象とすべき人体 （侵入者） であるのか、 非検知対象とすべき小動物であるのかを判別して、 検知対象とすべ き人体である場合にのみ物体検知手段に物体検知信号を発信させることができる 。 このため、 誤報を回避することができてセンサの信頼性の向上を図ることがで きる。

また、 このマイクロウエーブセンサの具体的な使用形態としては防犯センサで ある。 つまり、 検知対象とする物体を人体とし、 検知物体の大きさが人体以上で ある場合にのみ物体検知手段が物体検知信号を発信するよう構成している。 図面の簡単な説明

図 1は、 実施形態に係る MWセンサの回路構成を示す図である。

図 2は、 検知物体が人体である場合と小動物である場合とにおけるセンサから の距離と反射波の信号レベルとの関係を示す図である。

図 3は、 従来例における各 I F信号及びそれにより得られた矩形波を示す図で ある。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 ここでは、 MWセンサ を防犯センサとして使用した場合であって、 周波数の異なる 2種類のマイクロ波 を利用して検知対象物体 （侵入者等） までの距離を計測するようにした MWセン サに本発明を適用した場合について説明する。

一 MWセンサの構成説明一

図 1は本形態に係る MWセンサ 1の回路構成を示している。 この図に示すよう に、 MWセンサ 1は、 R Fモジュール 2及び信号処理部 3を備えている。

R Fモジュール 2は、 マイクロ波を発振する発振器 2 1、 この発振器 2 1から 発振されるマイクロ波の周波数を切り換えるための変調器 2 2、 発振器 2 1から 発振されたマイクロ波を検知エリアに向けて送信する送信アンテナ 2 3、 人体等 の物体によって反射したマイクロ波の反射波を受信する受信アンテナ 2 4、 この 受信されたマイクロ波と発振器 2 1の電圧波形とをミキシングして出力するミキ サ 2 5を備えている。 つまり、 送信アンテナ 2 3から検知エリアに向けて送信さ れたマイクロ波は、 検知エリア内に人体等が存在する場合、 ドップラー効果によ りその人体等からの反射波の周波数が変調されて受信アンテナ 2 4に受信される 。 この受信された反射波はミキサ 2 5によって発振器 2 1の電圧波形とミキシン グされた後、 R Fモジュール 2から I F出力信号 （ I F out O ) として信号処理 部 3に出力されるようになっている。

一方、 信号処理部 3は、 送信アンテナ 2 3から送信する各周波数のマイクロ波 毎に対応して第 1の出力ライン L 1及び第 2の出力ライン L 2を備えている。 各 ライン L l， L 2には、 電源 3 1， 32， 33、 I Fアンプ 34， 35、 コンパ レータ 36, 3 7が備えられ、 コンパレータ 36, 3 7の出力側には本形態の特 徴とする物体検知手段としての物体検知判定部 38が設けられている。

各 I Fアンプ 34， 35は、 第 1スィッチ SW1を介して RFモジュール 2の 出力側に接続されている。 この第 1スィッチ SW1は、 上記 2種類のマイクロ波 のうち一方が送信アンテナ 23から送信されている場合には第 1の出力ライン L 1に接続し、 他方のマイクロ波が送信アンテナ 23から送信されている場合には 第 2の出力ライン L 2に接続するように切り換えられる。 つまり、 一方のマイク 口波の送信時に人体等によって反射された反射波に係る I F出力信号 （I Fout 1) は第 1の出力ライン L 1に出力され、 他方のマイクロ波の送信時に人体等に よって反射された反射波に係る I F出力信号 （ I Fout2) は第 2の出力ライン L 2に出力される構成となっている。

また、 各電源 3 1, 32は、 上記第 1スィッチ SW1に連動する第 2スィッチ SW2を介して R Fモジュール 2の入力側に接続されている。 この第 2スイッチ SW2も、 2種類のマイクロ波のうち何れのマイクロ波を送信アンテナ 23から 送信するかによって各電源 3 1, 32に対する接続状態が切り換わるようになつ ている。 つまり、 この第 2スィッチ SW2がー方の電源 3 1に接続している状態 と他方の電源 3 2に接続している状態とで、 変調器 22がマイクロ波の周波数を 切り換え、 これによつて送信アンテナ 23から送信されるマイクロ波の周波数が 切り換えられる構成となっている。

このようにして、 各スィッチ SW1， SW2の切り換え動作に伴い、 一方の周 波数のマイクロ波が送信アンテナ 23から検知エリアに向けて送信され、 その反 射波に基づく I F出力信号 （ I Foutl) が信号処理部 3の第 1の出力ライン L 1に出力されてこの第 1の出力ライン L 1において信号処理が行われる第 1処理 動作と、 他方の周波数のマイクロ波が送信アンテナ 23から検知エリアに向けて 送信され、 その反射波に基づく I F出力信号 （ I Fout2) が信号処理部 3の第 2の出力ライン L 2に出力されてこの第 2の出力ライン L 2において信号処理が 行われる第 2処理動作とが所定時間間隔 （例えば数 msec) をもって切り換えられ るようになっている。 そして、 各処理動作では、 R Fモジュール 2から出力され た I F出力信号が、 I Fアンプ 3 4， 3 5によって増幅され、 この I Fアンプ 3 4 , 3 5からの出力がコンパレータ 3 6 , 3 7によって矩形波に成形された後に 物体検知判定部 3 8に出力されるようになっている。

更に、 上記各処理動作について詳述すると、 検知エリア内に人体等が存在して いない場合には、 送信アンテナ 2 3から送信されたマイクロ波と受信アンテナ 2 4に受信されたマイクロ波との周波数は等しいため、 I Fアンプ 3 4， 3 5から の出力信号における I F周波数は 「0」 となり、 コンパレータ 3 6 , 3 7からは 信号が出力されない。 これに対し、 検知エリア内に人体等が存在する場合には、 送信アンテナ 2 3から送信されたマイクロ波の周波数に対して受信アンテナ 2 4 に受信されたマイクロ波は変調されるため、 コンパレータ 3 6 , 3 7の出力信号 波形に変化が生じ、 この矩形波が物体検知判定部 3 8に出力されるようになって いる。

一物体検知判定部 3 8の説明—

次に、 コンパレータ 3 6， 3 7からの出力信号波形を受ける物体検知判定部 3 8について説明する。 この物体検知判定部 3 8は、 上記各コンパレータ 3 6 , 3 7の出力信号波形を受け、 これに基づいて検知物体 （人体等） までの距離を計測 するものである。 また、 この物体検知判定部 3 8は、 検知した物体からの反射波 の信号レベルを認識し、 上記計測した検知物体までの距離と、 この信号レベルと に基づいて物体の大きさを判別し、 物体の大きさが所定以上の大きさである場合 にのみ物体検知信号を発信するようになっている。

具体的には、 物体までの距離とその物体からの反射波の信号レベルとを関連付 けたトリガレベルを予め設定しておき、 反射波の受信レベルがこのトリガレベル を超える状況であるときにのみ物体検知判定部 3 8から物体検知信号が発信 （発 報） されるようになつている。 このトリガレベルとしては、 図 2に実線で示すよ うに、 検知物体までの距離が長くなるほど、 物体の検知判断を行う信号レベルを 次第に小さくしていくように設定している。 尚、 このトリガレベルの傾斜角度は 、 センサの設置環境や受信アンテナの指向性などに応じて設定されている。

尚、 物体までの距離、 物体の大きさ及ぴ受信信号電力 （信号レベル） の間には 以下の関係式 （1) が成立している。 この式 （1) を用いることによって、 物体 までの距離と受信信号電力 （信号レベル） とから物体の大きさを判別することが 可能になる。

Pr= σ G²Ptl/ { (4 π) ³ d⁴} … （1 )

Pr :受信電力、 Pt :送信電力、 G ： アンテナゲイン、 λ ：波長、

σ ： レーダ断面積 （物体の大きさ） 、 d ：距離、 R ：負荷抵抗

このようにトリガレベルを設定したことにより、 例えば、 物体までの距離が 4 mであった場合、 信号レベルが 0. 6 Vrmsを越えていない限り物体検知信号が発 信されることはない。 言い換えると、 センサからの距離が 4mの位置にある物体 であって信号レベルが 0. 6Vrmsを越えているものは侵入者であると判断し、 こ の場合には物体検知信号を発信する。 一方、 センサからの距離が 4mの位置にあ る物体であっても信号レベルが 0. 6Vrmsを越えていないものは小動物であると 判断し、 この場合には物体検知信号を発信しないようにしている。

以上、 説明したように、 本形態では、 検知物体が、 検知対象とすべき人体 （侵 入者） であるのか、 非検知対象とすべき小動物であるのかをその大きさを認識す ることによって判別して、 検知対象とすべき物体である場合にのみ物体検知判定 部 3 8が物体検知信号を発信するようになっている。 このため、 誤報を回避する ことができ、 信頼性の高い MWセンサ 1を提供することができる。

一その他の実施形態一

上述した実施形態では、 周波数の異なる 2種類のマイクロ波を利用して検知物 体までの距離を計測するようにした MWセンサ 1について説明した。 本発明はこ れに限らず、 周波数の異なる 3種類以上のマイクロ波を利用して検知物体までの 距離を計測するようにしてもよい。 また、 パルス方式や FM— CW方式の MWセ ンサに適用することも可能である。

また、 上記トリガレベルは上述したものに限らない。 例えば図 2上において、 傾斜の異なるトリガレベルを設定したり、 曲線形状や一部分で折れ曲がった形状 のトリガレベルを設定することも可能である。

また、 本発明の MWセンサ 1は防犯センサ以外の用途にも適用可能である。 産業上の利用可能性 以上のように、 本発明のマイクロウエーブセンサは、 マイクロ波を利用して物 体までの距離を計測するようにした MWセンサに対し、 物体によって反射される マイクロ波に基づいてその物体までの距離を計測するばかりでなく、 その反射波 の信号レベルをも検知し、 これらによって検知物体の大きさを認識できるように している点で優れている。 このため、 検知対象とすべき物体の大きさを予め特定 しておくことができ、 その特定した大きさの物体のみを検知することが可能とな り、 誤報を回避することができてセンサの信頼性の向上を図ることができ、 例え ば防犯用センサとして適用した場合にも、 検知物体が、 検知対象とすべき人体 （ 侵入者） であるのか、 非検知対象とすべき小動物であるのかを判別して、 検知対 象とすべき物体である場合にのみ物体検知手段が物体検知信号を発信することに なり、 信頼 1"生の高い MWセンサとして有効に用いられる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 検知対象エリアに向けてマイクロ波を送信し、 この検知対象エリア内に物 体が存在する場合に、 マイクロ波の反射波を受信して物体までの距離を計測する マイク口ウェーブセンサにおいて、

上記計測された物体までの距離とその物体からの反射波の信号レベルとに基づ いて物体の大きさを判別し、 物体の大きさが所定以上である場合にのみ物体検知 信号を発信する物体検知手段を備えていることを特徴とするマイク口ウェーブセ ンサ。

2 . 計測された物体までの距離に応じて、 物体検知信号を発信する反射波の信 号レベルの値が変更されたトリガレベルが予め設定されており、

物体検知手段は、 このトリガレベルを超える信号レベルの反射波を受信したと きにのみ物体検知信号を発信するよう構成されていることを特徴とする請求の範 囲第 1項に記載のマイク口ウエーブセンサ。

3 . 検知対象とする物体は人体であって、

物体検知手段は、 検知物体の大きさが人体以上である場合にのみ物体検知信号 を発信するよう構成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項または第 2項 に記載のマイク口ウェーブセンサ。