CN104704386A - 无线传感器装置 - Google Patents

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Abstract

提供能够对静止的对象物进行检测的无线传感器装置。具有：天线(1)，放射发送信号，对发送信号被对象物反射后的反射信号进行接收；发送电路(2)，生成发送信号，具备将发送信号输出的输出端子(2a)；检波电路(3)，连接于发送电路(2)的输出端子(2a)，在从发送电路(2)将发送信号发送的过程中，对发送信号的一部分和天线(1)接收到的反射信号进行检波；信号处理电路(4)，连接于检波电路(3)，对从检波电路(3)输出的信号进行处理；以及控制电路(5)，连接于发送电路(2)，对发送电路(2)进行控制；在天线(1)与输出端子(2a)之间具有移相器(6)，控制电路(5)对移相器(6)进行控制，以交替重复以第一移相量进行收发动作的第一期间和以第二移相量进行收发动作的第二期间的方式进行控制。

Description

无线传感器装置
技术领域
本发明涉及无线传感器装置，特别涉及能够对静止的检测对象进行检测的无线传感器装置。
背景技术
以往，提出了使用电波对到检测对象的距离进行测定的传感器、对检测对象的运动进行检测并对检测对象的有无或接近进行检测的传感器等。
近年来，这样的使用电波的传感器能够以非接触的方式对检测对象的运动进行检测从而正在研究在各种各样的领域中的应用。
专利文献1记载的通信传感器装置900中，如图4所示，具备：发送被调制电路901进行了数字调制的高频信号的发送电路；放射高频信号的发送天线902；接收来自通信对方侧的信号和来自对象物的反射波的接收天线902；将从接收天线902输出的接收信号通过解调电路903解调并将来自通信对方侧的信号作为接收数据取入的接收电路；在从发送电路发送高频信号的过程中，将合成信号进行相位检波的相位检波电路904，该合成信号是使向接收天线902供电的高频信号的一部分和被接收天线902接收到的来自对象物的反射波即反射波接收信号进行干扰而得到的信号；以及将从相位检波电路904输出的检波信号进行信号处理，进行对象物的位置变化检测的信号处理电路905。
公开了一种通信传感器装置的技术，即：在从发送电路发送高频信号的过程中，通过将使向接收天线902供电的高频信号的一部分和被接收天线902接收到的反射波接收信号相干扰的合成信号进行相位检波，从而能够用在数据通信中使用的信号使数据通信和传感在同时以同一频率实现。
现有技术文献
专利文献
WO2011/142211
发明内容
发明要解决的课题
但是，在上述的以往技术中，由于对检测对象的位置变化进行检测，因此存在有运动的检测对象能够检测而无法对静止的检测对象进行检测的课题。
本发明用于解决上述课题，目的在于提供一种能够对静止的检测对象进行检测的无线传感器装置。
用于解决课题的手段
为解决该课题，技术方案1记载的无线传感器装置，具有：天线，放射发送信号，对发送信号在检测对象进行反射后的反射信号进行接收；发送电路，生成上述发送信号，具备对上述发送信号进行输出的输出端子；检波电路，连接于上述发送电路的上述输出端子，在从上述发送电路发送上述发送信号的过程中，对上述发送信号的一部分和由上述天线接收到的上述反射信号进行检波；信号处理电路，连接于上述检波电路，对从上述检波电路输出的信号进行处理；以及控制电路，连接于上述发送电路，对上述发送电路进行控制；该无线传感器装置的特征在于，在上述天线与上述输出端子之间具有移相器，上述控制电路控制上述移相器，控制成以第一移相量进行收发动作的第一期间和以第二移相量进行收发动作的第二期间交替重复，并且，对基于上述第一期间的上述反射信号和上述第二期间的上述反射信号的来自上述信号处理电路的输出进行运算，从而对检测对象进行检测。
此外，技术方案2记载的无线传感器装置，在技术方案1记载的无线传感器装置中，上述第一移相量与上述第二移相量之差为π/4(弧度，以下表示为rad)。
发明效果
根据技术方案1的发明，控制电路对移相器进行控制，以交替重复以第一移相量进行收发动作的第一期间和以第二移相量进行收发动作的第二期间的方式进行控制，并且对来自基于第一期间的反射信号和第二期间的反射信号的信号处理电路的输出进行运算，从而对检测对象进行检测，因此，能够从第一期间的反射信号和第二期间的反射信号提取相互正交的成分。由此，即使检测对象是静止物体也能够对检测对象的有无进行检测。
根据技术方案2的发明，使第一移相量与第二移相量之差为π/4(rad)，因此第一期间的反射信号与第二期间的反射信号的相位差为π/2(rad)，能够高灵敏度地检测相互正交的成分，所以即使检测对象是静止物体也能够高灵敏度地进行检测。
如上所述，根据本发明，能够提供能够对静止的检测对象进行检测的无线传感器装置。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的无线传感器装置的动作概要的图。
图2是表示本发明的实施方式的无线传感器装置的结构的框图。
图3是本发明的实施方式的无线传感器装置的动作定时图。
图4是表示以往技术的通信传感器装置的结构的图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式的无线传感器装置进行说明。
首先，利用图1对本实施方式的无线传感器装置100的动作概要进行说明。无线传感器装置100如图1所示，放射发送信号，检测出来自检测对象的反射信号而进行检测对象的检测。
接着，利用图2对无线传感器装置100的结构进行说明。图2是表示无线传感器装置100的结构的框图。
无线传感器装置100如图2所示，具备天线1、具有输出端子2a的发送电路2、检波电路3、信号处理电路4、控制电路5和移相器6。
此外，无线传感器装置100中具有其他未图示的电源电路，向无线传感器装置100的各部供给动作所需的电力。
天线1经移相器6连接于发送电路2的输出端子2a，放射发送信号，对发送信号被检测对象反射后的反射信号进行接收。
发送电路2生成发送信号，向输出端子2a输出发送信号。
检波电路3连接于发送电路2的输出端子2a，在发送电路2对发送信号进行发送的过程中，对从输出端子2a输出的发送信号的一部分和从天线1放射并被检测对象反射而由天线1接收到的反射信号进行检波。
信号处理电路4连接于检波电路3，至少具有在从检波电路3输出的检波输出信号中将比发送信号的频率高的频率的信号除去的低通滤波器(以下表示为LPF)的功能，进行从检波电路3输出的检波输出信号的信号处理，将其结果向控制电路5输出。
控制电路5连接于发送电路2、信号处理电路4和移相器6。
控制电路5对发送电路2的动作状态进行控制，并取得来自信号处理电路4的输出信号，进行来自检测对象的伴随呼吸的体动、伴随心跳的体表运动等的检测、检测有无的判断等。
进而，控制电路5输出控制信号，该控制信号控制移相器6，以使得交替地重复以第一移相量进行收发动作的第一期间和以第2移相量进行收发动作的第二期间。
移相器6按照控制电路5的控制信号，进行对发送信号提供第一移相量φ1的动作、以及提供比第一移相量φ1大π/4(rad)的第二移相量φ2的动作，使向发送信号提供的移相量变化。另外，可以构成为第一移相量φ1是0(零)(rad)，或者成为规定的值。
接着，利用图3对无线传感器装置100的动作进行说明。
控制电路5如图3所示，在从时刻T1到T2的时间t1的期间(第一期间)向移相器6输出提供第一移相量φ1的控制信号V1，输出对发送电路2进行控制以使得从输出端子2a输出发送信号的发送输出控制信号，发送信号从发送电路2的输出端子2a输出，被移相器6提供第一移相量φ1，从天线1放射。
从天线1放射的发送信号的一部分被检测对象反射，作为反射信号被天线1接收。
天线1所接收到的反射信号被移相器6再次提供第一移相量φ1并返回到输出端子2a，发送中的发送信号的一部分和反射信号被输入检波电路3。
将发送信号的振幅设为A，将设频率为f时的角频率2πf设为ω，将Vo用(式1)表示，将反射信号的振幅设为B，将Vr用(式2)表示，其中，θ1表示相对于第一期间的发送信号Vo的、反射信号Vr的相位改变角度(相位差)。
Vo＝A·cosωt······(式1)
Vr＝B·cos(ωt+θ1)···(式2)
如上述那样，B是反射信号的振幅，通过以(式1)表示的振幅A从天线1放射的发送信号在被检测对象反射并再次返回到天线1为止的期间的传送路径中受到的衰减(传送损失)、和发送信号由于被检测对象反射时的反射率而受到的衰减(反射损失)，反射信号的振幅衰减到B而被接收。
当在检波电路3中进行发送信号Vo和反射信号Vr的乘法运算，在检波电路3的输出中，输出(式3)所示的检波输出Vd。
Vd＝Vo×Vr
＝A·B{cosωt·cos(ωt+θ1)}
＝(A·B/2)cos(2ωt+θ1)+(A·B/2)cosθ1··(式3)
(式3)的前半项中，角频率为2ωT，是发送频率的2倍的频率成分，因此能够通过信号处理电路4的LPF功能进行除去。发送频率的2倍的频率成分被除去后的第1期间的信号处理电路4的输出信号Vp1用式(4)表示。
Vp1＝(A·B/2)cosθ1···(式4)
对于Vp1而言，由于当检测对象运动时θ1根据该运动而变化，所以根据θ1的变化，Vp1变化。因此，通过检测Vp1的变化，能够对检测对象的运动进行检测。
此外，在检测对象是静止物的情况下，通过与检测对象之间的距离而决定的θ1的值是固定的，所以输出由(式4)算出的固定的值的直流信号。
控制电路5将第一期间的信号处理电路4的输出信号Vp1进行模拟数字信号变换，并作为被数字化了的数据存储在控制电路5所包含的存储电路中。
控制电路5输出对发送电路2进行控制的发送输出控制信号以使在时刻T2不从发送电路2向输出端子2a输出发送信号，在到时刻T3为止的时间t2的期间，将发送动作停止。
接着，控制电路5在从时刻T3到T4的时间t1的期间(第二期间)，输出对移相器6提供第二移相量φ2的控制信号V2，并输出发送输出控制信号，该发送输出控制信号以使发送信号从输出端子2a输出的方式对发送电路2进行控制，发送信号被从发送电路2的输出端子2a输出，通过移相器6被提供第二移相量φ2，从天线1放射。
从天线1放射的发送信号的一部分被检测对象反射，作为反射信号被天线1接收。
被天线1接收到的反射信号通过可变移相器6再次被提供第二移相量φ2并返回到输出端子2a，发送中的发送信号的一部分和反射信号被输入检波电路3。
与上述同样地，发送信号Vo由(式1)表示，反射信号Vr如(式5)那样表示。其中，θ2表示相对第二期间的发送信号Vo的、反射信号Vr的相位改变角度(相位差)。
Vr＝B·cos(ωt+θ2)···(式5)
检波电路3的输出Vd与(式3)同样地计算则得到(式6)。
Vd＝Vo×Vr
＝A·B{cosωt·cos(ωt+θ2)}
＝(A·B/2)cos(2ωt+θ2)+(A·B/2)cosθ2
··(式6)
与上述同样地，(式6)的前半项表示的信号成分被信号处理电路4的LPF功能除去后的第二期间的信号处理电路4的输出信号Vp2用式(7)表示。
Vp2＝(A·B/2)cosθ2···(式7)
Vp2也与Vp1同样地，当检测对象运动时θ2根据该运动而变化，所以根据θ2的变化而输出变化，但在检测对象是静止物的情况下，由与检测对象之间的距离决定的θ2的值是固定的，所以输出由(式7)计算的固定的值的直流信号。
控制电路5将第二期间的信号处理电路4的输出信号Vp2进行模拟数字信号变换，并作为被数字化了的数据值存储在控制电路5包含的存储电路中。
控制电路5输出对发送电路2进行控制的发送输出控制信号以使在时刻T4不从发送电路2将发送信号向输出端子2a输出，在到时刻T5为止的时间t2的期间，将发送动作停止。在时刻T5以后，以将从时刻T1起的动作同样地重复的方式进行动作。
表示第一期间的、反射信号Vr相对于发送信号Vo的相位改变角度的θ1，是发送信号被从输出端子2a输出、被提供由移相器6提供的第一移相量φ1并供给到天线1、被提供移相量φo和从天线1经过移相器6从而被提供第一移相量φ1、并且到返回到输出端子2a为止的合计，该移相量φo是基于从天线1放射并被检测对象反射的反射信号返回到天线1所经过的路线的长度而决定的，因此如(式8)那样表示。
θ1＝φ1+φo+φ1＝φo+2φ1···(式8)
表示第二期间的、反射信号Vr相对于发送信号Vo的相位改变角度的θ2，是发送信号被从输出端子2a输出、被提供由移相器6提供的第二移相量φ2并供给到天线1、被提供移相量φo和从天线1经过移相器6从而被提供第二移相量φ2、并且到返回到输出端子2a为止的合计，该移相量φo是基于从天线1放射并被检测对象反射的反射信号返回到天线1所经过的路线的长度而决定的，因此如(式9)那样表示。
θ2＝φ2+φo+φ2＝φo+2φ2···(式9)
第二移相量φ2与第一移相量φ1相比大π/4(rad)移相量，所以φ2能够如(式10)那样表示。
φ2＝φ1+π/4···(式10)
将(式10)代入(式9)则得到(式11)。
θ2＝φo+2(φ1+π/4)＝θ1+π/2···(式11)
将(式11)代入(式7)则能够得到(式12)。
Vp2＝(A·B/2)cos(θ1+π/2)
＝－(A·B/2)sinθ1···(式12)
如以上那样，在第一期间以第一移相量对发送信号进行发送，接收其反射信号，并且，在第二期间以比第一移相量大π/4(rad)的移相量对发送信号进行发送，接收其反射信号，则由于第一期间的反射信号和第二期间的反射信号的相位差相差π/2(rad)，所以能够高灵敏度地检测相互正交的成分。
控制电路5根据存储的Vp1和Vp2合计各自的平方的值，算出(式13)及(式14)的计算结果。
(Vp1)2+(Vp2)2＝(A·B/2)2(sin2θ1+cos2θ1)，
由于(sin2θ1+cos2θ1)为1，因此，
(Vp1)2+(Vp2)2＝(A·B/2)2···(式13)
(式13)是从第1期间的反射信号得到的Vp1和从第2期间的反射信号得到的Vp2的平方和，所以信号处理电路的输出Vp的大小的绝对值|Vp|能够由(式14)求出。
如(式14)所示，通过运算从反射信号得到的信号处理电路4的输出Vp1及Vp2，能够检测不依赖于反射信号的移相量θ1及θ2的|Vp|，因此即使检测对象是静止物体也能够对检测对象进行检测。
在没有检测对象的情况下，由于发送信号不会被检测对象反射，所以(式14)的B为“0”(零)，|Vp|也为“0”(零)。此外，在|Vp|≠0的情况下存在反射信号，存在将发送信号反射的检测对象。
控制电路5根据进行(式14)的计算的结果，判断检测对象的有无，将结果输出。
此外，通过实验事先存储根据从天线1到检测对象的距离而检测的|Vp|的值，从而还能够推定到检测对象的距离。
在检测对象有运动的情况下，如上述那样，根据检测对象的运动，(式4)的θ1及(式7)的θ2变化，所以还能够通过以第一移相量进行收发动作的第一期间的Vp1或者以第二移相量进行收发动作的第二期间的Vp2的变动对检测对象的运动进行检测。
此外，在第二移相量φ2是相对于第一移相量φ1、从π/4(rad)进一步偏移了Δθ(rad)的移相量的情况下，(式10)如下述那样表示。
φ2＝φ1+π/4+Δθ···(式15)
将(式15)代入(式9)则得到(式16)。
θ2＝φo+2(φ1+π/4+Δθ)＝θ1+π/2+2Δθ··(式16)
将(式16)代入(式7)则能够得到(式17)。
Vp2＝(A·B/2)cos(θ1+π/2+2Δθ)
＝－(A·B/2)sin(θ1+2Δθ)···(式17)
如以上那样，在第一期间以第一移相量对发送信号进行发送并接收其反射信号、并且第二移相量φ2是相对于第一移相量φ1从π/4(rad)进一步偏移了Δθ(rad)的移相量的情况下，虽然包含从π/4(rad)偏移了移相量2Δθ(rad)的量的误差，但是能够检测与由(式4)表示的第一期间的反射信号正交的成分。
如以上说明的那样，控制电路5控制移相器6，控制成以第一移相量进行收发动作的第一期间和以第2移相量进行收发动作的第二期间交替重复，并且，运算基于第一期间的反射信号和第二期间的反射信号的来自信号处理电路4的输出，因此能够从第一期间的反射信号和第二期间的反射信号提取相互正交的成分。由此，即使检测对象是静止物体也能够对检测对象的有无进行检测。
由于使第一移相量与第二移相量之差为π/4(rad)，所以第一期间的反射信号与第二期间的反射信号的相位差为π/2(rad)，即使检测对象是静止物体也能够高灵敏度地进行检测。
如以上所述，根据本发明的实施方式的无线传感器装置100，能够提供能够检测静止的检测对象的无线传感器装置。
如以上那样，具体说明了本发明的实施方式的无线传感器装置100，但本发明不限定于上述的实施方式，在不脱离主旨的范围内能够进行各种变更来实施。例如能够如下那样变形实施，这些实施方式也属于本发明的技术范围。
(1)本实施方式中，例示第一移相量与第二移相量之差为π/4(rad)的情况进行了说明，但也可以使第一移相量与第二移相量之差从π/4(rad)变更为其他值来实施。
(2)本实施方式中，在没有检测对象的情况下，将输出Vp设为“0”(零)进行了说明，但由于电路结构、使用部件的偏差等，即使没有检测对象有时也有少量的输出，因此也可以构成为，规定检测对象的检测阈值而判断检测对象的有无。
(3)本实施方式中，示出按每1次的发送期间将移相量变更的例子进行了说明，但也可以控制为，使提供第一移相量的第一期间以及提供第二移相量的第二期间中包含多个进行发送动作的期间。
(4)本实施方式中，仅涉及LPF的功能而对信号处理电路4的功能进行了说明，但除此以外也可以具有放大、采样等功能。
(5)本实施方式中，示出了控制电路5运算基于第一期间的反射信号和第二期间的反射信号的来自信号处理电路4的输出的例子进行了说明，但关于进行运算的功能，可以具有信号处理电路，也可以在控制电路、信号处理电路之外具备独立的运算功能而构成。
(6)本实施方式中，以不进行对发送信号赋予信息的调制的结构进行了说明，但也可以构成为能够进行调制，该情况下，信号处理电路的LPF功能优选的是，将截止频率设定得比调制信号的频率低。
符号说明
1    天线
2    发送电路
2a   输出端子
3    检波电路
4    信号处理电路
5    控制电路
6    移相器
100  无线传感器装置

Claims (2)

1.一种无线传感器装置，具有：
天线，放射发送信号，接收发送信号被检测对象反射后得到的反射信号；
发送电路，生成上述发送信号，具备输出上述发送信号的输出端子；
检波电路，与上述发送电路的上述输出端子连接，在从上述发送电路发送上述发送信号的过程中，对上述发送信号的一部分和由上述天线接收到的上述反射信号进行检波；
信号处理电路，与上述检波电路连接，对从上述检波电路输出的信号进行处理；以及
控制电路，与上述发送电路连接，对上述发送电路进行控制；
该无线传感器装置的特征在于，
在上述天线与上述输出端子之间具有移相器，
上述控制电路控制上述移相器，控制成以第一移相量进行收发动作的第一期间和以第二移相量进行收发动作的第二期间交替地重复，并且
对基于上述第一期间的上述反射信号和上述第二期间的上述反射信号的、来自上述信号处理电路的输出进行运算，从而对检测对象进行检测。
2.如权利要求1记载的无线传感器装置，其特征在于，
上述第一移相量与上述第二移相量之差为π/4的弧度。
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