JP2007242030A - 侵入防止警報器 - Google Patents

Abstract

【課題】空間をモニタするための侵入防止警報器を提供する。
【解決手段】侵入防止警報器、例えば車両侵入防止警報器は、アンテナ装置１を有するマイクロ波送受信機を用いて、モニタされる空間内への動きを検出する。このタイプの既存の侵入防止警報器と異なり、アンテナ装置９、１０は、異なる空間的容積に対応する空間にビームを送信し、その回路アーキテクチャは、異なるビームに対応するデータを処理するための１対のチャンネル４を準備する。プロセッサ３は、両方のチャンネルの出力を用いて警報器の作動を開始する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間をモニタするための侵入防止警報器に関する。

このような警報器の典型は、車両内部をモニタするための侵入防止警報器である。
公知の車両侵入防止警報器は、窓を通って車内に入ってくる腕のような侵入を超音波又は高周波電磁波を用いて検出する。後者の典型は、車両のすぐ近く又は車内で動く物体を検出するように設計されたマイクロ波送受信機である。これを確実に達成するために、振幅閾値検出を用いてターゲットの大きさ及び範囲に基づいて明確な識別をもたらすことができる。システムは、動くターゲットにのみ敏感であり、警報器が応答することができるドップラー周波数の範囲は限られており、従って、ゆっくり動くターゲットのみが感知される。残念ながら、車庫の扉のようなゆっくり動く広範囲のターゲットは、ドップラーシフトの低いより長い範囲で大きなリターンを生成し、このような信号を確実に拒絶することは困難であることが確認されている。

ＥＰ−Ａ−１０３９３１３ 英国特許出願第０７００６４２．２号

この限界を回避する試みにおいて、一部の警報器製造業者は、ある一定の形式のレンジゲートを用いたが、このような手段には、周波数領域でのかなりの帯域幅シフト、又は時間領域で非常に短いイベントを捉えるための非常に高い処理帯域幅のいずれかが必要である。１つの提案では、送信信号は、２つの異なる周波数の組合せであり（ＥＰ−Ａ−１０３９３１３）、その特性が反射信号において比較される。

本発明は、異なる空間的視野に対応する複数のビームを空間内に放射するための送信機及びアンテナ装置と、異なる放射ビームに対応するアンテナ装置によって受信された反射エネルギを同時に処理するための第１及び第２の信号処理チャンネルを含む受信機とを含んで両方のチャンネルの出力に応答する、空間をモニタするための侵入防止警報器を提供する。
異なる空間的容積に対応するビームの同時処理は、モニタされている空間に対して外部にある物体からの誤警報の拒絶を容易にする。

受信機は、誤警報の拒絶を助けるために更に別の同時比較を行うことを可能にする更に別の処理チャンネルを含むことができる。この比較は、異なる利得において１つの空間的視野に対応する反射エネルギ間で行われる比較を含むことができる。潜在的脅威が現実である可能性が高いか否かを識別するために、分析中にビームの異なる対を順に比較することができる。比較は、振幅、位相、又は時間変動ベースでの公知の脅威状況を表す基準パターンとの比較を含むことができる。このような基準パターンは、ルックアップテーブルとして記憶することができる。

アンテナ装置は、異なる空間的視野に対応するビームを発生するように切換可能な移相器を含むことができる。アンテナ装置は、１対のパッチアンテナ、又は反射器パッチの両側に配置された１対の交互に駆動されるパッチを含むことができ、また、切換可能な放射器、導波器、又は反射器を含むことができる。アンテナ装置は、本出願人の現在特許出願中の英国特許出願第０７００６４２．２号に開示及び請求するアンテナ構造のいずれかを含むことができる。
受信機は、平衡混合器、好ましくは、平衡トランジスタ混合器を含むことができる。

モニタされる空間は、車両内部か、又は例えば破壊者の存在を検出する目的で鉄道客車の近くの動きを検出するために客車を取り囲む空間のような車両の外部とすることができる。代替的に、非車両用途では、モニタされる空間は、空き地又は安全のために視覚的にもモニタされる領域とすることができる。
送信機は、あらゆる電磁周波数、特にあらゆるマイクロ波周波数、例えば２ＧＨｚと３００ＧＨｚの間で作動することができ、好ましい形態においては、作動の周波数は、２と１０ＧＨｚの間にある。
ここで、本発明を実施する方法を添付図を参照して一例としてより詳細に以下に説明する。

図１を参照すると、侵入防止警報器は、車両侵入防止警報器であり、マイクロ波送受信機である。アンテナ装置１は、マイクロプロサッサ３によってデジタル／アナログ変換器３ａを通じて発生される負荷サイクル波形Ｘによって送信機の発振器２からのパルスＣＷ（連続波）ｒｆエネルギで駆動される。
アンテナ装置は、侵入防止警報器が設けられた車両の内部の中に様々なビームを放射するように配向される。従って、マイクロ波放射線の連続パルスは、車両内部を照射する。

車両の固定構造からの反射エネルギ、及びあらゆる移動物体からのドップラーリターンは、アンテナ装置１で受信される。受信機は、端子Ａ、Ｂにドップラー信号を給送し、アナログ信号処理手段４への入力を形成し、その出力は、次に、警報開始出力端子Ｃを有するマイクロプロサッサ３に接続される。
出力周波数ｆ₀を有する発振器２の出力パワーは、全体的に参照符号５で示す混成カプラによってアンテナ装置１と平衡混合器６の間で分割される。混成カプラ７は、アンテナ装置ポートの単向二路通信をもたらし、ＲＦ駆動装置のアンテナ装置１への送信を可能にする一方、そのパワーへの直接結合から混合器６のＲＦポートを分離する。発振器ＣＷパルスは、アンテナ装置によって放射され、反射エネルギがそれによって収集される。周波数ｆ₀（車両内部から）及び周波数ｆ₀±ｆ_d（移動物体からのドップラーリターン）のこの反射エネルギは、混成カプラ７を用いる結果としてパワーが均等に分割され、それによって半分のパワーが平衡混合器６へ通される。混合器６の出力は、各パルスの継続中に、経時的な連続振幅がドップラー周波数ｆ_dを形成するパルスを含み、これらは、端子Ａ、Ｂに給送される。

本発明により、送受信機の受信機部分のアナログ信号処理手段４は、１つよりも多い、この場合２つの信号処理チャンネルで構成され、これは、発振器２によって駆動されるアンテナ装置から放射された異なる空間ビームから反射されるエネルギを処理する。
異なるビームは、異なる空間的視野（容積）に対応し、アンテナ装置１を形成するアンテナ装置給送装置と２つのパッチ９、１０との間に配置された電子移相器８を作動することによって得ることができる。電子移相器８は、マイクロプロセッサ３によって制御される。

図３を参照すると、１つの可能な実施において、２つのパッチ９、１０が並列に配置され、混成カプラ７の出力からストリップ１１を通じて給送される。ストリップ１１は、ＰＩＮ切換ダイオード１４、１５によって実施される電子移相器８の制御下でストリップ１２、１３に接続する。ストリップ１６の追加ループが設けられる。ダイオードの１つの設定を用いて、ストリップ１１は、直接ストリップ１２に接続するが、ループ１６を通じて間接的にストリップ１３に接続し、その結果、ビームＤ（図４）がパッチの左に方向付けられるように、パッチ９、１０が直角位相で駆動される。ダイオードの別の設定を用いて、ストリップ１１は、直接ストリップ１３に接続し、かつループ１６を通じてストリップ１２に接続し、それによってパッチ９、１０は、今度は、ビームＥ（図４）がパッチの右に方向付けられるように直角位相で駆動される。ダイオードの第３の設定を用いて、ストリップ１１は、ストリップ１２、１３に直接給送し、それによってパッチ９、１０は、互いに同位相で駆動され、中心ビームＦを生成する（図４）。

車両１７にアンテナ装置を取り付ける１つの可能な配向が、図５及び図６に示されている。ＰＩＮダイオード１４、１５を切り換えて、前方向ローブパターンＤ、又は後方向ローブパターンＥ、又は中心ローブパターンＦのいずれかを生成することができる。
ここで、アナログ信号処理手段４を参照すると、入力は、マイクロプロセッサ３の制御下で電子スイッチ１８、１９により、同じくマイクロプロセッサ３によって制御される電子移相器と同期して切り換えられる。警報は、総電流消費を低減して柔軟な処理をもたらすために、負荷サイクル（波形Ｘ）にされる。発振器及び混合器の両方は、振幅及び周波数の両方における移行を最小にしてオフからオン状態への迅速な切換が可能である。安定までの時間は、一般的に５μｓよりも短い。増幅器チェーンへの入力は、負荷サイクル期間にわたる集積による利得低減を制御するために、サンプル／ホールド回路２０、２１を通じたものである。

作動の１つのモードにおいて（図２）、マイクロプロセッサは、交互に送信（及び従って受信）されるパルスが前方ビームＤ及び後方ビームＥにそれぞれ対応するように電子移相器を制御し、電子スイッチ１８、１９は、前方ビームＤに対応する反射エネルギのパルスがスイッチ１８（端子Ａ）を通過し、後方ビームＥに対応する反射エネルギのパルスがスイッチ１９（端子Ｂ）を通過するように、同期して制御される。マイクロプロセッサは、２つのチャンネルの信号の振幅を比較するために用いられる。

振幅が一方のチャンネルで他方のチャンネルよりも大きいことが見出された場合、脅威が車両の対応する端部からきていると仮定することができる。ＰＩＮダイオードが、次に切り換えられ、それによって中心ビームＦが送信され、脅威に関連するビームが他方のチャンネルで受信されるのと交互して反射エネルギが一方のチャンネルで受信される。チャンネルの信号の振幅が同じ（所定の限界内）であることが見出された場合、これは、脅威が、示された端部からの車両内への侵入に起因することを示している。一方、車両の一端における脅威を示すチャンネルの振幅が、中心ビームに対応するチャンネルの振幅よりも大きいことが見出された場合、これは、脅威が、車両の外部の何かによって起こっていることを示している。

同様に、１つが前方ビームを表し、１つが後方ビームを表す時に、スイッチ１８、１９によって給送されるチャンネル間の振幅の比較において振幅がほぼ同じであることが見出された場合、これらのチャンネルのいずれか一方の信号と図６のビームＦに対応する信号との間で交互パルスでこのようなパターンを送信することにより、比較を再び行うことができる。ビームＦに対応する振幅が非常に低ければ、これは、脅威が干渉信号に関連することを示している。これは、信号に関する相互相関演算を実行することによって確認され、これらが信号源から起こることを確認することができる。

車両の１つの特定の端部から来て経時的に振幅が増加する信号は、単一の移動物体によって発生する可能性が最も高い。両端で見られて経時的にかなり一定の振幅の信号は、干渉源から発生した可能性が最も高い。従って、処理チャンネルに伝えられるビームの時間変動性もまたモニタすることができる。
作動のこの第１のモードにおいて、前方及び後方空間的視野を表す２つの信号は、センサに近いと振幅は同様であることになるが、脅威に向くビームからの信号の振幅は、センサからの距離が増加するにつれて次第に優性になることになる。従って、２つの振幅の比率及びその相対変化率は、センサからの脅威の相対距離の尺度である。これらの振幅比を用いることにより、センサからの特定の距離に対応して車両内に区域を確立することができる。追加信号処理は、次に、特定の脅威区域から発していることが既知の信号に集中することができ、又は比率が車両の外側のセンサからの距離に対応する場合は、信号は無視することができる。

作動のこの第１のモードにおいて、異なるビームは、異なる空間的視野に対応する。作動の第２のモードは、第１のモードと共に用いることができ、その場合、異なるビームは、同一の空間的視野に対応するが、今度は異なる利得でのものである。
一例として、ＰＩＮダイオードは、前方ビームＤが発生される状態に留まることができるが、チャンネルスイッチ１８、１９は、異なる利得のビームに同期させることができる。これは、様々な方法で実行することができる。最初に、送信されるパルス幅は、長短パルス間で交互に替えることができ、これらは、それに基づいてスイッチ１８、１９によって給送される増幅器チェーン間で分割することができる。代替的に、パルス幅は、変化しないままとすることができ、チャンネル内の利得は、一方のチャンネルが他方のチャンネルよりも速い速度で又は一方のチャンネルが他方のチャンネルよりも低い閾値でサンプル及びホールド２０、２１を作動することによって異なるようにすることができる。

車両のシェル内の物体は、移動物体によって乱された全体場に基づいて、Ｒがアンテナ装置からの距離である場合に１／Ｒから１／Ｒ²法則で振幅が変化する傾向にある。外部物体は、自由空間レーダの場合のように、小型物体では、１／Ｒ⁴法則で減衰する傾向にあり、走行トラック又は他の大型車両のような大型物体では１／Ｒ²から１／Ｒ⁴法則に向う傾向にある。
ここで、チャンネル内の信号の変化率を比較することにより、低減された利得の一方を他方と比較すると、利得がどの法則で減衰しているか、及び従って評価されている移動物体が車両の内部又は外部のいずれにあるかを判断することができる。
信号の時間変動性は、各チャンネルの信号の導関数を取り、その導関数を比較することによって比較することができる。

作動の別のモードにおいて、チャンネルの各々における信号（振幅又は時間変化のいずれか）が、記憶された基準パターンと比較され、又は信号の導関数が、記憶された基準パターンと比較される。このような基準パターンは、ルックアップテーブルに又は分散メモリの他の形式として記憶することができる。
物体が車両の容積内を移動している時の振幅変化の導関数は、閉鎖中の車庫の扉又は駐車中の車両のような外部の物体によって起こるものとは全く異なることが見出されている。

図７及び図８を参照すると、交互形式のアンテナ装置を図１のアーキテクチャに用いることができる。これは、図３に９、１０、９ａ、１０ａで示すような１対のアンテナ装置から成る。この場合、６つの空間的視野（ＧからＬ）に対応するビームを発生することができる（図８）。
アンテナ装置は、４つのビームＧからＪが、図９に示すように延びるように車両内に配置することができる。ビームの１つのみが一度に発生される。４つのビームのいずれか２つは、２つの処理チャンネル内で互いに又はアンテナのそれぞれの対からの信号が同じ相対利得で同相で合計される時に生成される中心ビームと比較することができる。同様に、視野のいずれも、異なる利得レベルでそれ自身と比較することができ、チャンネルの信号は、基準信号又はその導関数と比較することができる。

各チャンネルの入力部でサンプル／ホールド回路２０、２１に続いて、帯域幅限定増幅器チェーンが設けられ、ドップラーリターンから、マイクロプロセッサ３のアナログ／デジタル変換器によって要求される十分なダイナミックレンジをもたらすレベルまで信号を上げることができる。チャンネルの信号の振幅識別、従って侵入防止警報器の空間識別をもたらすために、アナログ／デジタル変換器の後に、センサソフトウエアによって選択された応答パターンに要求されるような振幅又は時間領域の両方の加重応答を有する複数のソフトウエアベースの閾値検出器が続くことができる。これらは、並列で用いて相対的な振幅識別をもたらすか、又は直列で用いて信号の分類をもたらすか、又は必要に応じて直列／並列のあらゆる組合せで用いて、着信信号の正確な識別をもたらすことができる。ゼロボルトに対するどの所定の閾値の相対レベルもその閾値の相対利得の尺度であるから、感度設定の主要な方法は、１つ又は複数の適切な閾値の使用によるものとすることができる。

ＲＦ回路及びアナログ利得段は、特に迅速な負荷サイクルのために及びオンデマンドの負荷サイクルの変化に耐えるように設計されるので、警報器の作動は、非常に柔軟に行うことができる。選択的アテンションを用いて時間領域及び空間的の両方で作動を集中させる場合は、もはや警報器を常時作動的にしておく必要はない。サンプル及びホールド受信機は、低減した負荷サイクルでは有効利得の劇的シフトがないことを意味し、負荷サイクル比は、広い限界内で変化させることができる。同時処理は、脅威から派生する信号の認識を可能にするために、低減負荷サイクルにおいてでさえも常にアクティブである。信号パターンが選択された状態で、警報器は、遙かに迅速な分析速度に強化され、脅威が現実であり、持続し、有効な警報であるかを判断することができる。正しい基準に合わなければ、アクションは取られず、警報器は、低電流消費のモニタリング状態に戻る。

本発明の範囲から逸脱することなく、変更を勿論行うことができる。例えば、パルス幅を変更することができるように、マイクロプロセッサのパルス繰返し数も変更することができる。プログラムミング入力／出力としての端子を設けることができる。
混合器は、オートダイン原理で作動することができる。このような混合器は、アンテナ装置及び混合器に対するローカル発振器駆動装置の両方に給送する供給源と位相が合わない信号を拒絶する特性を有する。特に、それは、それ自体のローカル発振器と周波数の位相が合わず、かつドップラーヘッドの干渉時間内に戻る信号と空間的に位相が合わない搬送波供給源から派生した信号ポート上の振幅変調信号を拒絶する特性を有する。拒絶は、約１５から２０ｄＢの程度であり、これは、電子レンジのようなインコヒーレントな干渉源を拒絶する警報器の性能に貢献するので有用である。

送受信機は、モニタリングモードにおいて、警報器が、２つのアナログチャンネルに接続されたマイクロプロセッサチャンネルで可変利得を用いて低レベル信号を見るように配置することができる。２つのアナログチャンネルは、用いられるアンテナ装置モードの数に基づいて、空間分解能をもたらすアンテナ装置モードで用いられる。ＡＭ変調信号の高い固有の拒絶を有する発振器／平衡混合器オートダインの利点は、これらが空間的に干渉しなければ、信号振幅の変化をターゲットの変動範囲により容易に相関させることができることである。シングルエンド混合器又は自励発振混合器を用いると、それがリターン信号又はあらゆる干渉信号の位相及びマグニチュードの変化に同等に敏感であるので、このような相関は非常に困難である。情報の２つ又はそれよりも多くのチャンネルが相互相関される状況においては、空間的に変化する信号成分に対するシステムの一貫性は、非常に重要である。

発振器２の作動の典型的な周波数は、２．４５ＧＨｚであるが、あらゆるマイクロ波周波数（２ＧＨｚと３００ＧＨｚの間）での作動が可能である。発振器のパルス繰返し数は、典型的に１ｋＨｚであるが、信号分析負荷によって要求されるような０．１から１０ｋＨｚのいずれかとすることができるであろう。発振器の負荷サイクルは、典型的に０．１であるが、分析要件によって要求されるような０．０１から０．５のいずれかとすることができると考えられる。パルス繰返し数及びパルス幅は、分析を実行するソフトウエアの制御下で独立に変化させることができる。

上記説明において、アンテナ装置からの各パルスは、特定の空間的視野に対応するが、ビームがパルス内で異なる視野に変化することが可能であり、例えば、図９の４つのビームは、各パルス中に連続して選択することができる。
パッチ９、１０の代わりに、放射要素は、スロットとすることができる。混成カプラに適する実施例は、「ウィルキンソン」カプラであるが、必要であれば他のタイプの混成カプラを用いることができると考えられる。

説明したパッチ９、１０、９ａ、１０ａの代用として、本出願人の現在特許出願中の英国特許出願第０７００６４２．２号に開示するアンテナ装置のいずれか、特に、反射器パッチの両側に２つのパッチを含み、２つのパッチが例えばＰＩＮスイッチを通じて交互に駆動される本出願人の現在特許出願中の特許出願の図１５に示す３つのパッチの装置を用いることができる。この場合、パッチは、図４に示すビームＦのような中心ビームを発生するように同時に駆動することはできず、従って、中心ビームは、それぞれの外側パッチが駆動される時に生成されるビームを低減利得で合計することによって生成される。同じ技術を使用して、図３のパッチ９、１０で中心ビームを生成することができると考えられる。
上述の侵入防止警報器は、車両侵入防止警報器であるが、この警報器は、モニタされるあらゆる空間又は領域内への侵入を検出するために用いることができる。すなわち、例えば、警報器は、破壊防止装置として鉄道客車の外側に取り付けることができるであろう。同様に、警報器は、建物内の空間又は屋外をモニタするために用いることができると考えられる。

本発明による侵入防止警報器のアーキテクチャの図である。 図１に示す様々な回路要素の作動のためのタイミング図である。 図１に示すアンテナ装置の１つの特定的な実施例の図である。 図３のアンテナ装置によって生成することができるビームを示す図である。 車両内で図３のアンテナ装置によって生成することができる２つのビームを示す図である。 車両内で図３のアンテナ装置によって生成することができる単一ビームを示す図である。 図３に示すものに対するアンテナ装置の代替形態の図である。 図７のアンテナ装置によって生成することができるビームを示す図である。 車両内で図７のアンテナ装置によって生成することができる４つのビームを示す図である。 車両内で図７のアンテナ装置によって生成することができる１対のビームを示す図である。

符号の説明

１、９、１０ アンテナ装置
４ １対のチャンネル

Claims (19)

1. 空間をモニタするための侵入防止警報器であって、
   異なる空間的視野に対応する複数のビームを空間内に放射するための送信機及びアンテナ装置と、
   異なる放射ビームに対応する前記アンテナ装置によって受信された反射エネルギを同時に処理するための第１及び第２の信号処理チャンネルを含む受信機と、
   を含み、
   両方のチャンネルの出力に応答する、
   ことを特徴とする警報器。
2. 前記アンテナ装置は、２つ又はそれよりも多くの別々の放射要素を含むことを特徴とする請求項１に記載の侵入防止警報器。
3. 前記アンテナ装置は、前記異なる空間的視野に対応するビームを発生させるために切換可能な手段を含むことを特徴とする請求項２に記載の侵入防止警報器。
4. 前記アンテナ装置によって見られる空間的容積に対応する前記反射エネルギの利得を調節する手段を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の侵入防止警報器。
5. 前記送信機は、可変幅のパルスを送信することができることを特徴とする請求項４に記載の侵入防止警報器。
6. 前記送信機は、可変パルス繰返し数のパルスを送信することができることを特徴とする請求項４に記載の侵入防止警報器。
7. 処理チャンネルが、所定の閾値を超える反射エネルギの一連のパルスを統合するために配置され、該閾値は、統合されるパルスの数を変化させるために可変であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の侵入防止警報器。
8. 前記第１及び第２の処理チャンネルの少なくとも一方の出力を既知の脅威に対応する基準信号と比較する手段を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の侵入防止警報器。
9. 前記比較手段は、前記出力の振幅を前記基準信号と比較するために配置されていることを特徴とする請求項８に記載の侵入防止警報器。
10. 前記比較手段は、前記出力の時間変動挙動を前記基準信号と比較するために配置されていることを特徴とする請求項８に記載の侵入防止警報器。
11. 前記比較は、前記出力の導関数に対して行われることを特徴とする請求項１０に記載の侵入防止警報器。
12. 平衡混合器が、該混合器の出力で干渉信号を排除するために前記受信エネルギをローカル発振器と混合するために設けられていることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の侵入防止警報器。
13. 前記アンテナ装置は、電磁放射線を放射するために配置されていることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の侵入防止警報器。
14. 電磁放射線の周波数は、２ＧＨｚと３００ＧＨｚの間にあることを特徴とする請求項１３に記載の侵入防止警報器。
15. 車両警報器であることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の侵入防止警報器。
16. 車両侵入防止警報器であることを特徴とする請求項１５に記載の侵入防止警報器。
17. 前記第１及び第２の信号処理チャンネルは、車両の前部又は後部の視野に対応する反射エネルギを該車両の該前部及び後部の両方を取り囲む視野に対応する反射エネルギと比較するために配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の車両侵入防止警報器。
18. 前記第１及び第２の処理チャンネルは、１つの利得での１つの空間的視野に対応する反射エネルギを異なる利得でのその空間的視野に対応する反射エネルギと比較するために配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の車両侵入防止警報器。
19. モニタされる空間内への侵入を検出する方法であって、
    異なる空間的容積に対応する複数のビームをアンテナ装置から空間内に放射する段階と、
    前記アンテナ装置で異なるビームに対応する反射エネルギを受信し、同時に第１及び第２の信号処理チャンネル内で該反射エネルギを処理する段階と、
    両方のチャンネルの出力に応答して警報器を作動する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。

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