JP5692935B2 - 対象物を位置特定するための方法およびシステム - Google Patents
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Description
D.R.レイノルズ、J.R.ライリ共著、「昆虫の移動の調査のためのリモートセンシング、遠隔測定、およびコンピュータを使用する技術 既存および潜在的技術の概説」、コンピュータズ アンド エレクトロニクス イン アグリカルチャー誌、2002年発行、第35巻 第207頁〜第307頁 E.A.キャパルディ、A.D.スミス、J.L.オズボーン、S.E.ファールバッハ、S.M.ファリス、D.R.レイノルズ、A.S.エドワーズ、A.マーチン、G.E.ロビンソン、G.M.ポピー、J.R.ライリ共著、「高調波レーダによって露呈したミツバチの定位飛行の個体発生論」、ネイチャー誌、2000年発行、第403巻 第537頁〜第540頁 J.R.ライリ、A.D.スミス、D.R.レイノルズ、A.S.エドワーズ、J.L.オズボーン、I.H.ウィリアムス、N.L.カレック、G.M.ポピー共著、「高調波レーダによるハチの追尾」、ネイチャー誌、1996年発行、第379巻 第29頁〜第30頁 J.L.オズボーン、S.J.クラーク、R.J.モリス、I.H.ウィリアムス、J.R.ライリ、A.D.スミス、D.R.レイノルズ、A.S.エドワーズ共著、「高調波レーダを使用するマルハナバチの採餌域および恒常性の地勢規模研究」、ジャーナル オブ アプライド エコロジー誌、1999年発行、第36巻 第519頁〜第533頁 E.T.カント、A.D.スミス、D.R.レイノルズ、J.L.オズボーン共著、「高調波レーダによる地勢を越える蝶の飛行経路の追尾」、王立生物科学学会議事録、2005年4月発行、第272巻 第1565号 第785頁〜第790頁 O.オヴァスカイネン、A.D.スミス、J.L.オズボーン、D.R.レイノルズ、N.L.カレック、A.P.マーチン、K.ニィテポルド、I.ハンスキー共著、「高調波レーダによる蝶の移動の追尾が、居住年数の移動距離への影響を明らかにする」、全米科学アカデミー議事録、2008年12月発行、第105巻 第49号 第19090頁〜第19095頁 G.P.スヴェンソン、P.G.ヴァルール、D.R.レイノルズ、A.D.スミス、J.R.ライリ、T.C.ベーカー、G.M.ポピー、C.ルーステット共著、「高調波レーダにより監視されるカブラヤガにおける交尾阻害」、エントモロギア エクスペリメンタリス エト アプリケータ誌、2001年発行、第101巻 第111頁〜第121頁 G.L.ルーヴェイ、I.A.N.ストリンガー、C.D.デヴァイン、M.カンテリエリ共著、「高調波レーダ‐地上での無脊椎動物の移動を研究するための安価なタグを用いる方法」、ニュージーランド ジャーナル オブ エコロジー誌、1997年発行、第21巻 第2号 第187頁〜第193頁 R.D.ブラジー、E.S.ミラー、M.E.レディング、M.G.クライン、B.ニュッズ、H.ジュ共著、「行動研究でキンケクチブトゾウムシを追尾する高調波レーダのためのトランスポンダ」、米国農学会 英国議事録、2005年発行、第48巻 第2号 第831頁〜第838頁 J.R.ライリ、A.D.スミス共著、「低高度における昆虫の飛行の調査用の高調波レーダのための考察」、コンピュータズ アンド エレクトロニクス イン アグリカルチャー誌、オランダ アムステルダム エルゼビア出版 2002年発行、第3巻号 第151頁〜第169頁 E.T.カント、A.D.スミス、D.R.レイノルズ、J.L.オズボーン共著、「高調波レーダによる地勢を越える蝶の飛行経路の追尾」、王立生物科学学会議事録、2005年4月発行、第272巻 第1565号 第785頁〜第790頁 B.G.コルピッツ、G.ボワトー共著、「高調波レーダ送受信機の設計 昆虫追尾のための小型タグ」、電気電子技術者協会 アンテナズ アンド プロパゲーション議事録、2004年11月発行、第52巻 第11号 第2825頁〜第2832頁 D.E.N.デイヴィス、R.J.クレンシュ共著、「能動型トランスポンダ内蔵二周波数二次レーダ」、電気電子技術者協会 エレクトロニクス書簡、1973年12月発行、第9巻 第25号 第592頁〜第593頁 V.ヴィイカリ、J.サエボー、S.チェン、M.カンタネン、M.アル−ヌアイミ、T.ヴァープラ、A.ランミネン、P.ホールビョーナー、A.アラスタロ、T.マッティラ、H.セッパ、P.プルスラ、A.リュードベリ共著、「交通弱者検知用の自動車の相互変調レーダのための技術的解決法」、スペイン バルセロナ 電気電子技術者協会 第69回車両技術部会会議議事録、2009年4月26〜29日 V.ヴィイカリ、H.セッパ、T.マッティラ、A.アラスタロ共著、「無線強誘電体共振センサ」、電気電子技術者協会 ウルトラソニックス、フェロエレクトリック アンド フリークエンシー コントロール議事録、2009年投稿 V.ヴィイカリ、H.セッパ共著、「相互変調歪みに基く無線MEMSセンサ構想」、電気電子技術者協会 センサーズ ジャーナル誌、2009年発行 D.サイコーダキス、W.モルダー、C.チーチー、Z.ヘピン、J.L.ヴォラキス共著、「携帯型低出力高調波レーダシステム及び昆虫追尾用共形タグ」、電気電子技術者協会 アンテナズ アンド プロパゲーション書簡、2008年発行、第7巻 第444頁〜第447頁 http://www.recco.com J.ローランド、G.マッキノン、C.バックハウス、P.D.テイラー共著、「昆虫上のより小型のレーダタグ」、ネイチャー誌、1996年発行、第381巻 第120頁 D.マスカンツォニ、H.ウォーリン共著、「高調波レーダ 野外での昆虫追尾の新しい方法」 http://www.massa.com/datasheets/E-188-220%20Datasheet%20090427.pdf
各前記対象物に取り付けられる各前記トランスポンダは、マイクロ波によって、そして超音波か光のどちらか一方によって発光し、後方散乱マイクロ波信号が検知される。
本セクションでは、超音波によって起動するマイクロ波トランスポンダによる昆虫追尾技術について検討する。本出願の出願人は超音波MEMS装置を開発し、記載されたシステムの実施において役立ち得るいくつかの発明を有する。
追尾の構想は図1に示される。追尾される昆虫1はとても小さい超音波マイク2を取り付けられ、当該超音波マイク2は、超音波パルスの拡声器4から前記超音波マイク2までの伝播時間を測定するために用いられる。前記超音波パルスの伝播距離は前記伝播時間と、既知の空中における音速と、に関係している。前記ターゲット2は既知の各位置におかれた3つの異なる拡声器4からの距離を測定するために取り付けられる。前記ターゲット(タグ)はマイクロ波放射に同時にさらされ、当該マイクロ波信号は、また超音波でタグを照らすことによって、前記タグにおいて変調される。前記変調マイクロ波信号はマイクロ波アンテナ5へと返される。前記マイクロ波は光速で伝播し、光速は超音波の速度よりも何ケタも大きいので、前記変調マイクロ波信号の到達時間は拡声器の既知の位置からのターゲットの距離を計算するために使用され得る。各前記拡声器4は異なる変調を使用することによって識別できる。
前記無線超音波マイク要素2は、既存の容量性MEMSマイクと同類であることもあり得、当該容量性MEMSマイクは例えば携帯電話に幅広く使用される。容量性MEMSマイクの配置図は図2に示される。
膜の動力学的反応
前記超音波マイクの膜の動力学的反応は、mを片持ち梁の有効質量、xを片持ち梁の変位、ηを減衰係数、kを有効バネ定数、Fを片持ち梁に作用する外力とすると、次式で与えられる。
前記無線超音波センサは、センサ要素に電気的に整合されるアンテナからなる。無線センサの配置図がその電気的等価回路と共に図4に示されている。
前記トランスポンダは、読取装置によって連続して電磁的に照らされる。
Greaderを読取アンテナの増幅率、Gtranspをトランスポンダアンテナの増幅率、λrfを電磁波長、そして、rrfを読取装置とトランスポンダ間の距離とすると、次式で与えられる。
前記追尾システムの距離分解能は、大気中の音速を
複数のターゲットは、音響周波数の分割、電磁周波数の分割、あるいはその両方を用いて識別され得る。前記音響周波数の分割は、それぞれが異なる共振周波数を有するようにマイク要素を寸法決定することによって実現される。周波数の分割は、個別の読取システムを必要とするかもしれない、ひいては実行が困難であるかもしれない。
実現可能な追尾範囲を概算してみよう。超音波周波数が40kHzで、超音波源の音響出力が1mWであると想定する。同等の性能の装置が非特許文献21に記載されている。大気中の音響インピーダンスは410Ns/m2である。
このセクションでは、昆虫追尾のためのフォトダイオードベースのトランスポンダシステムを検討する。図6aと図6bにしたがって、昆虫1は、走査レーザ14によって作動する光感知トランスポンダ3を取り付けられ、当該走査レーザ14は前記昆虫と前記トランスポンダ3を照らす。前記レーザ信号は変調され、前記トランスポンダ3を照らすときにマイクロ波周波数で変調後方散乱を引き起こす。
前記トランスポンダはアンテナに整合されるフォトダイオードからなる。トランスポンダの配置図は図7の上部に、図7の下部のその電気的等価回路と共に示される。
前記ダイオードに流れる電流は取り込まれた光によって生み出される電流に等しい、そして、ダイオードの両端電圧は次式のように表せる。
負荷から見た前記ダイオード(図7)のインピーダンスは次式となる。
前記トランスポンダの変換効率は、ΔCj=Cj,max−Cj0とすると、次式となる。
追尾分解能は前記走査レーザのビーム幅によって制限を受ける。実際には、前記レーザビーム幅はmmであってもよい。追尾速度は受信器の分解能帯域幅Bresに依存し、当該分解能帯域幅はレーザの変調周波数fmによって制限を受ける。Bres<fm/10であることが要求される場合、測定(再読込)レートはfm/10となる。例えば、追尾空間が10000のセルに分割され、変調周波数が1MHzの2つのレーザが追尾に使用されることを想定することが、5Hzの再読込レート(昆虫の位置が毎秒5回上書きされる)を生じさせる。
複数のターゲットは、光波長の分割、電磁周波数の分割、あるいはその両方を用いて識別され得る。光波長の分割は、異なる波長を感知する各フォトダイオードを使用して実現される。前記光波長の分割は、光フィルターを必要とするかもしれない、そして、3つの異なる波長帯域を可能にすることもあり得る。電磁周波数の分割は、異なる周波数に整合された各トランスポンダを使用して実現される。前記電磁周波数の分割もまた、識別可能なトランスポンダの数を9つにし得る、3つの異なる波長帯域を許容する。
前記レーザの照射を1mW/cm2と想定する。この照射量は、通常の使用においては安全であるべきである。その安全性は、人の目により安全な140nm波長を使用することによって増大させることができる。
れ得る。
7×7mmまでのスポットを生み出すために使用されることもあり得る。また、1kHzの走査レート(市販のスキャナとして標準的である)のレーザスキャナが7×7mmのスポットで使用されると想定すれば、0.5mm2の領域が1秒でスキャンされることもあり得る。
Claims (13)
- ・対象物(1)は少なくとも一つの第1のタイプの信号を照射され、
・前記信号の反応を探知する、
対象物を位置特定するための方法において、
・前記対象物(1)は前記第1のタイプの信号を後方散乱するトランスポンダ(2)を取り付けられ、
・前記トランスポンダ(2)は、前記トランスポンダ(2)の後方散乱周波数に影響を与える第2のタイプの信号でも照射され、
・前記トランスポンダ(2)からの後方散乱信号は対象物を位置特定するために探知され、
・前記第1のタイプの信号はマイクロ波信号であり、
・前記トランスポンダ(2)は、第2のタイプの信号としての複数の超音波で照射され、
・前記複数の超音波を照射する複数の超音波送信器(4)は異なる変調を使用することを特徴とする方法。 - 前記トランスポンダ(2)は、マイクロ波後方散乱用のアンテナを有する容量性MEMSマイクであり、
前記容量性MEMSマイクは、
上の振動膜と、下の振動膜と、前記上の振動膜および下の振動膜の間の上の空洞と、前記下の振動膜および容量性MEMSマイクの底の間の下の空洞とを備え、
前記上の空洞は中濃度のガスで満たされ、前記下の空洞は濃密ガスで満たされている
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - ・対象物(1)は少なくとも一つの第1のタイプの信号を照射され、
・前記信号の反応を探知する、
対象物を位置特定するための方法において、
・前記対象物(1)は前記第1のタイプの信号を後方散乱するトランスポンダ(3)を取り付けられ、
・前記トランスポンダ(3)は、前記トランスポンダ(3)の後方散乱周波数に影響を与える第2のタイプの信号でも照射され、
・前記トランスポンダ(3)からの後方散乱信号は対象物を位置特定するために探知され、
・前記第1のタイプの信号はマイクロ波信号であり、
・前記トランスポンダ(3)は、第2のタイプの信号としての光で照射され、
・前記トランスポンダ(3)は、マイクロ波後方散乱用のループアンテナに集中素子なしで直接整合されるフォトダイオードからなることを特徴とする方法。 - 少なくとも原則的に継続する信号が多数の送信器と共に第2のタイプの照射に使用されることを特徴とする請求項3に記載の方法。
- パルス信号源が第2のタイプの照射に使用されることを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 昆虫の位置特定あるいは追尾目的に使用されることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
- 人の位置特定あるいは追尾目的に使用されることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
- 車両の位置特定あるいは追尾目的に使用されることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
- ・対象物(1)を少なくとも一つのタイプの信号で照射する手段(4,14)と、
・前記第1のタイプの信号の反応を探知する探知手段(5,15)と、
を備える対象物を位置特定するためのシステムにおいて、
・前記第1のタイプの信号を後方散乱し、前記トランスポンダ(2)からの後方散乱周波数に影響を与えるような別のタイプの信号にも反応する前記対象物(1)に取り付けられるトランスポンダ(2)と、
・前記トランスポンダ(2)の後方散乱周波数に影響を与える第2のタイプの信号でも前記トランスポンダ(2)を照射する第2の照射手段(4,14,14’)と、
をさらに備え、
・前記トランスポンダ(2)からの前記後方散乱信号は対象物を位置特定するために探知され、
・前記探知手段はマイクロ波受信器(5,15)であり、
・前記第2の照射手段(4)は異なる変調を使用する複数の超音波送信器(4)であることを特徴とするシステム。 - 前記トランスポンダ(2)は、マイクロ波後方散乱用のアンテナを有する容量性MEMSマイクであり、
前記容量性MEMSマイクは、
上の振動膜と、下の振動膜と、前記上の振動膜および下の振動膜の間の上の空洞と、前記下の振動膜および容量性MEMSマイクの底の間の下の空洞とを備え、
前記上の空洞は中濃度のガスで満たされ、前記下の空洞は濃密ガスで満たされている
ことを特徴とする請求項9に記載のシステム。 - ・対象物(1)を少なくとも一つのタイプの信号で照射する手段(4,14)と、
・前記第1のタイプの信号の反応を探知する探知手段(5,15)と、
を備える対象物を位置特定するためのシステムにおいて、
・前記第1のタイプの信号を後方散乱し、前記トランスポンダ(3)からの後方散乱周波数に影響を与えるような別のタイプの信号にも反応する前記対象物(1)に取り付けられるトランスポンダ(3)と、
・前記トランスポンダ(3)の後方散乱周波数に影響を与える第2のタイプの信号でも前記トランスポンダ(3)を照射する第2の照射手段(4,14,14’)と、
をさらに備え、
・前記トランスポンダ(3)からの前記後方散乱信号は対象物を位置特定するために探知され、
・前記探知手段はマイクロ波受信器(5,15)であり、
・前記トランスポンダ(3)は、マイクロ波後方散乱用のループアンテナに集中素子なしで直接整合されるフォトダイオードからなることを特徴とするシステム。 - 前記第2の照射手段(4,14,14’)は連続送信器(14)であることを特徴とする請求項11に記載のシステム。
- 前記第2の照射手段(4,14,14’)はパルス送信器(14’)であることを特徴とする請求項11に記載のシステム。
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