JP2014211394A

JP2014211394A - ディレーリフレクタを用いたマルチエリア監視システム

Info

Publication number: JP2014211394A
Application number: JP2013088537A
Authority: JP
Inventors: 辻　正敏; Masatoshi Tsuji; 正敏辻; 智裕三好; Tomohiro Miyoshi
Original assignee: PAL GIKEN KK; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: PAL GIKEN KK; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-11-13

Abstract

【課題】、死角が少なく、しかも廉価なマルチエリア監視システムの提供。【解決手段】マイクロ波センサとマイクロ波センサと対向する複数個のリフレクタとを備えるマルチエリア監視システムであって、前記複数個のリフレクタは、鉛直方向に所定の間隔で配置され、少なくとも一のリフレクタが、マイクロ波センサから放射されたマイクロ波を所定の遅延時間経過後に反射するディレーリフレクタであることを特徴とするマルチエリア監視システム。【選択図】図３

Description

本発明は、遅延時間を持つディレーリフレクタを用いたマルチエリア監視システムに関する。

従来、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、検知エリア内に物体が存在する場合には、その物体からの反射波である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物体を検知するマクロ波センサが知られている（特許文献１）。
また、マイクロ波センサの一つのタイプとして、周波数の異なる複数のマイクロ波を利用して検知エリア内に存在する人体などの検知対象物体までの距離を計測するようにしたものが提案されている（特許文献２)。

他方、建物の周回警備を行う防犯センサとして対向型マイクロ波（MW：Micro wave）センサが存在する。この対向型MWセンサは、周波数変調連続波（FMCW：Frequency Modulated Continuous-wave）方式の送受信機とコーナーリフレクタで構成されており、このセットを必要数配することで簡易に防犯システムを構築できるものである。

図１は、従来の対向型FMCW方式MWセンサの説明図である。
MWセンサ１より放射した電波を前方に置かれたリフレクタ２で反射させて、それを受信することで、MWセンサ１とリフレクタ２間に直径20cm程度のライン状の警戒エリアが作られる。もしその警戒エリアに侵入者が入ると、リフレクタからの反射波が無くなるか、もしくは強度が低下することで、センサシステムは人が侵入したと判定する。このセンサシステムにおいて警戒エリアを構成するためには上下に複数のセンサが必要となる。

軍事施設等のセキュリティーレベルの高い監視の場合、もし１つの監視エリアで地上数10cmの高さを監視することにした場合、侵入者はエリアを飛び越えることで侵入可能である。そこで、飛び越えを検出するために監視する高さを１ｍ付近まで上げた場合、今度はかがんでエリアをすり抜けることを検出できないことになる。
民間の防犯会社等の誤検知率低下を重視する監視の場合においては、複数のエリアを上下に設定し、それらの複数のエリアが同時に検知した場合にのみセンサは人が侵入したものとして判定する。こうすることにより、落ち葉や袋などの飛来物などによる誤検知や、地面反射波の干渉による誤検知を防ぐことが可能となる。
これら従来のシステムは、監視エリアへの侵入検知を信頼性あるものとするために、複数のセンサを必要とするものであるが、反面、システムの高額化を招いている。

特開平７−３７１７６号公報特開２００３−２０７４６２号公報

従来のマルチ監視エリアを構成する２つの方法を説明する。
１つ目の方法は、２台の異なる周波数のMWセンサ（Ａ、Ｂ）と２つのコーナーリフレクタ（ａ、ｂ）を１つのコーナーポスト５の上下に設置して、監視エリア（１）と（２）を設定する方法（図２（ａ）参照）である。
高信頼性防犯システムの場合、この２つのセンサの両方が同時に検知した際に発報信号を発生させることで木の葉や地面反射波による誤報を少なくすることが可能となる。またハイセキュリティー防犯システムの場合、２つのセンサのどちらかが検知した時に、発報信号を発生させることでくぐり抜けや飛び越えによる失報対策が可能となる。
この方法によれば、簡単に監視エリアを増やすことができるが、MWセンサが複数必要となるので、経済面で問題がある。

２つ目の方法は、１つのFMCW方式のMWセンサ（Ａ）と２つのコーナーリフレクタ（ａ、ｂ）で構成する方法（図２（ｂ）参照）である。ここで、各コーナーリフレクタ（ａ、ｂ）は別個のコーナーポスト（５ａ、５ｂ）に設置して（１）と（３）の監視エリアを設定する方法である。この方法によれば、各リフレクタをマイクロ波が往復する時間が異なるため、２つのエリアを分離して監視することが可能である。すなわち、FMCW方式のMWセンサはターゲットの距離を検出できるので、リフレクタを水平方向に離れた場所に置くことで、１つのセンサで高さの異なる複数の監視エリアを設定し、それぞれを分離して監視することができる。しかしこの方法では、リフレクタを取り付ける複数のポールが必要であり、設置費がかかるという課題がある。また、複数のポールを水平方向に離れた場所に設置した場合、ポールの間の監視エリアが１つになるという課題がある（いわゆる死角ができる）。
なお、１つのMWセンサ（Ａ）と同一ポールに取り付けられた２つのコーナーリフレクタ（ａ、ｂ）を用いる構成では、MWセンサが２つのリフレクタの信号を分離できないため、侵入者を適切に検出することは難しい。

このような状況を鑑み、本発明は、死角が少なく、しかも廉価なマルチエリア監視システムを提供することを目的とする。

本発明は以下の技術的事項から構成される。
（１）マイクロ波センサとマイクロ波センサと対向する複数個のリフレクタとを備えるマルチエリア監視システムであって、前記複数個のリフレクタは、鉛直方向に所定の間隔で配置され、少なくとも一のリフレクタが、マイクロ波センサから放射されたマイクロ波を所定の遅延時間経過後に反射するディレーリフレクタであることを特徴とするマルチエリア監視システム。
（２）前記ディレーリフレクタが、アンテナ部と、導波管と、反射器とを備える上記（１）に記載のマルチエリア監視システム。
（３）前記ディレーリフレクタが、導波管の長さを可変とすることにより遅延時間を調節可能である上記（２）記載のマルチエリア監視システム。
（４）前記ディレーリフレクタの導波管と反射器とが同軸ケーブルを介して接続され、同軸ケーブルの長さを可変とすることにより遅延時間を調節可能である上記（２）記載のマルチエリア監視システム。
（５）前記ディレーリフレクタの導波管内で反射器の位置を移動することにより遅延時間を調節可能である上記（２）記載のマルチエリア監視システム。
（６）前記ディレーリフレクタのアンテナ部が、ホーンアンテナまたはパッチアンテナである上記（２）ないし（５）のいずれかに記載のマルチエリア監視システム。
（７）前記複数個のリフレクタの全てが、同一の柱部材に上下方向に所定の間隔で配置される上記（１）ないし（６）のいずれかに記載のマルチエリア監視システム。
（８）遅延時間が異なるディレーリフレクタを複数個備える上記（１）ないし（７）のいずれかに記載のマルチエリア監視システム。

本発明によれば、死角が少なく、しかも廉価なマルチエリア監視システムを提供することが可能となる。

従来の対向型FMCW方式MWセンサの説明図（ａ）従来のマルチエリア監視システムを構成する第１の方法および（ｂ）第２の方法の説明図本発明の第１実施形態例に係るディレーリフレクタを用いたマルチ監視エリアシステムの構成図本発明の第１実施形態例に係るディレーリフレクタの構成図本発明の第２実施形態例に係るディレーリフレクタの構成図本発明の第３実施形態例に係るディレーリフレクタの構成図本発明の第４実施形態例に係るディレーリフレクタの構成図本発明の第５実施形態例に係るディレーリフレクタの構成図実施例１に係る監視システムの構成図導波管の長さが３ｍと４ｍである場合のディレーリフレクタの受信信号実施例２に係る監視システムの構成図各リフレクタを遮断した場合と遮断しない場合の受信信号

［第１実施形態例］
［構成］
図３は、本発明の第１実施形態例に係るマルチ監視エリアシステムの構成図である。このマルチエリア監視システムは、MWセンサ１と、コーナーリフレクタ２と、ディレーリフレクタ４と、各リフレクタ（４、５）が配設されるコーナーポスト５とを主要な構成要素とする。実施形態例に係る監視システムは、監視対象領域にマイクロ波（MW）の送受信装置を設置し、他端部にはリフレクタを設置するいわゆる対向型マイクロ波センサを備えるものであって、監視対象領域に侵入した人物などによりMWが吸収されて受信装置で受信されるMW信号が弱くなることにより監視対象領域への侵入を検知するものである。

MWセンサ１は、FMCW方式の対向型マイクロ波センサ１個からなる。MWセンサ１は、一本のコーナーポスト５に配設されたコーナーリフレクタ２およびディレーリフレクタ４と対向するように配置する。MWセンサ１は図示しない固定部材に配設されており、MWセンサ１による検知信号は、図示しない制御装置に送信される。

コーナーリフレクタ２は、アンテナ部と反射器とを備えて構成される。アンテナ部は電波を集約して受ける機器で、マイクロ波以上の周波数においては、通常、ホーンアンテナが用いられる。このホーンアンテナは、後部に設けられる反射器あるいは導波管の形状に応じた断面形状が与えられる。仮に断面を矩形とした場合には、開口端の開口面積を徐々に広くなした、底面を開放した角錐台型の構造とされる。ホーンアンテナ部分の長さを大きくとると指向性が鋭くなる。また、断面形状としての角錐あるいは円錐においてその頂角は中心角と呼ばれるが、これを小さくすることでも指向性を鋭くできるが、これには最適値が存在する。

ディレーリフレクタ４は、図４に示す如く、アンテナ部を構成するホーンアンテナ４１と、矩形導波管４２と、反射器４３とを備えて構成される。
ホーンアンテナ４１は、コーナーリフレクタのアンテナ部と同様にマイクロ波を集約して受けるための機器で、その後端には矩形導波管４２が接続されている。
矩形導波管４２は、ホーンアンテナ４１から反射器４３までに空間的距離を与えるための機器で、その後端には反射器４３が接続されている。矩形導波管４２の長さがｌ_dおよび内径ａを調節することにより、マイクロ波再放射の遅延時間ｔ_dを設定することが可能である（遅延時間ｔ_dの設定については後述する。）。矩形導波管４２は空洞でよいが、マイクロ波伝搬速度を低下させる媒体を中に存在させれば、実際の導波管長よりもさらに長い空間的距離を与えることが可能となる。
反射器４３は、ホーンアンテナで受けたマイクロ波を再放射するために反射するための機器で、導波管４２の端部を銅板でショートして構成されている。
なお、後述の実験では材料の入手のしやすさを考慮して遅延線路に直線導波管を用いるが、実用の際はベンド導波管やスパイラル導波管を用いて小形にすることが好ましい。例えば、１ｍの直線導波管と90°ベンド導波管を２つ用いて180°に折り返しながら直線導波管をメアンダ形状につなげていくことで小形にすることができる。

上記の如く構成されるディレーリフレクタ４は、ホーンアンテナ４１に入射した電磁波が導波管４２を通り、反射器４３で反射して導波管４２を戻り、一定時間遅れてホーンアンテナ４１より再放射するという機能を奏する。
ディレーリフレクタ４は、複数個設置してもよく、その場合には各ディレーリフレクタの遅延時間を異なるものとする。誤検知を防ぐために、複数の監視エリアで同時に検知した場合にのみ侵入があったと判定してもよい。

コーナーポスト５は、地面３に直立する長尺の部材で、上方にディレーリフレクタ４が配設され、下方にコーナーリフレクタ２が配設される。コーナーポスト５の長さは任意に設定することができ、リフレクタの数を増やす場合には、それに応じて長くすることも可能である。コーナーポスト５を中空構造とし、その内部にリフレクタ（２、４）に接続するケーブル類を収納するようにしてもよい。

［作用］
ディレーリフレクタ４で反射される信号は、コーナーリフレクタ２で反射する信号より遅れて反射される。そのためMWセンサ１でディレーリフレクタ４の信号を検出すると、検出信号は、実際の設置場所より遠くの場所におけるものとして検出される。すなわち、ディレーリフレクタ４は、コーナーリフレクタ２を図３の４’に配置した場合と同様の機能を奏する。
従って、MWセンサ１は、コーナーリフレクタ２とディレーリフレクタ４の信号をそれぞれ分離して扱うことができるので、２つのリフレクタを直立する一つのポールに設置しながらも、１つのセンサによって２つの監視エリアを独立して監視することが可能となる。
なお、MWセンサ１の近傍の監視が必要である場合には、近距離用の安価なセンサ（例えば、ＰＩＲ（Passive Infrared Ray）センサ）を付加し、監視エリアを増やしてもよい。

ディレーリフレクタ４による遅延効果について説明する。導波管内の伝送速度がν_gで、導波管の長さがｌ_dの時、マイクロ波がホーンアンテナ４１に入射し、再びホーンアンテナ４１より再放射されるまでの遅延時間ｔ_dは、次の式１で求めることができる。ホーンアンテナ４１自体による遅延時間は、線路の遅延時間に対して影響が小さいものとして無視できる。

このディレーリフレクタは、FMCW方式のMWセンサによって実際に設置された場所よりΔｌの距離だけ遠くに設置されたものとして検出される。この遅延距離Δｌは、次の式２で求めることができる。ここでｃは光速である。

また導波管内の伝送速度ν_gは、導波管の内径ａより次の式３で求めることができる。

以上から、導波管の形状等を設計することにより、MWセンサと水平方向に等距離に設置された複数個のリフレクタを用いて、複数の監視エリアを死角を生じさせることなく、監視できることが理論上導ける。すなわち、本発明の監視システムにおいては、ディレーリフレクタを用いることにより、高さの異なる複数の監視エリアを１つのMWセンサにより独立して監視することができるので、従来の複数のセンサが必要な対向型センサを用いたマルチエリア監視システムと比べ、システム構築に必要な費用を廉価なものとすることが可能である。
以下では、同軸線路を用いたディレーリフレクタのその他の形態例について説明する。

［第２実施形態例］
図５は、第２実施形態例に係るディレーリフレクタの構成図である。第２実施形態例に係るディレーリフレクタは、ホーンアンテナ４１と、導波管４４と、同軸・導波管変換器４４と、コネクタ４８と、同軸ケーブル４５と、コネクタ４６と、遅延可変線路４７と、反射器４３とを備えて構成される。
ホーンアンテナ４１は、第１実施形態例と同様である。
ホーンアンテナ４１の後端には、同軸・導波管変換器４４が取り付けられる。同軸・導波管変換器４４は、導波管部分を通過してきたマイクロ波を同軸ケーブル４５内を伝搬できる信号に変換するための機器である。

同軸・導波管変換器４４の後部に、コネクタ４８を介して同軸ケーブル４５が接続される。同軸ケーブル４５の後端には、コネクタ４６を介して遅延可変線路４７が接続されており、遅延可変線路４７の端部には、反射器４３が取り付けられる。
遅延可変線路４７は、伝搬する信号に遅延を与えるための機器である。
第２実施形態例は、同軸・導波管変換器４４を用いることで同軸ケーブル４５とコネクタ４６および遅延可変線路４７を介して反射器４３が接続される点で第１実施形態例と相違する。
同軸ケーブル４５は、端部でコネクタ４６により線路長を可変することができるようにされており、これによっても遅延量を調節できるようになっている。

MWセンサ１より放射された電波は、ホーンアンテナ４１に入力され、同軸・導波管変換器４４、同軸ケーブル４５等を介して反射器４３で反射され、伝搬してきた経路を戻り、ホーンアンテナ４１より放射される。ホーンアンテナ４１から再放射される電波は、同軸ケーブルの線路長だけの遅延がある。同軸ケーブル４５は、端部でコネクタ４６により線路長を可変することができるようにされており、これにより遅延量を調節できるようになっている。すなわち、同軸ケーブルからなる遅延可変線路４７の長さを調節することにより、遅延時間を容易に調節することが可能である。

［第３実施形態例］
図６は、第３実施形態例に係るディレーリフレクタの構成図である。
第３実施形態例は、第２実施形態例において、ホーンアンテナ４１をパッチアンテナ４９に変えたものである。パッチアンテナ４９と同軸ケーブル４５とはコネクタ４８により接続されている。動作は、第２実施形態例のものと同様である。

［第４および第５実施形態例］
図７は、本発明の第４実施形態例に係るディレーリフレクタの構成図であり、図８は、本発明の第５実施形態例に係るディレーリフレクタの構成図である。
第４および第５実施形態例は、ホーンアンテナ４１に導波管４４を接続し、導波管４４の後端に反射器４３が取り付けられているものにおいて、反射器の位置を可変にする二態様を示している。
第４実施形態例（図７）においては、反射器４３の位置を導波管４４内部で移動できるようにすることで、導波管として機能する線路長を可変としている。
第５実施形態例（図８）においては、継手部を有する導波管を連結し、導波管４４自体の長さを変えることで、導波管として機能する線路長を可変としている。
第４および第５実施形態例おいても、MWセンサ１より放射されたマイクロ波はホーンアンテナ４１に入り、導波管４４を通り、反射器４３で反射され、ホーンアンテナ４１より再放射される。

以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明は何ら実施例に限定されるものではない。

［構成］
図９は、実施例１に係る監視システムの構成図である。
MWセンサ１とディレーリフレクタ４との距離ｄは９ｍとして設置した。MWセンサ１とディレーリフレクタ４の高さｈ₁はいずれも90ｃｍである。ディレーリフレクタ４は、導波管の長さｌ_dが３ｍのものと４ｍのものの２種類を準備した。
MWセンサ１は、FMCW方式の対向型センサPMS−4.5LS（株パル技研）を用いた。このMWセンサ１は、発振周波数24.114〜24.186GHz、アンテナ半値角4.5°の性能を持つものである。MWセンサ１の受信信号は、図示しない制御装置に送信され、FFTの信号処理によってターゲットの距離に対する信号レベルに変換して解析される。FFTのサンプリング周期は５μS、サンプル数は128個、距離分解能は２ｍである。

ディレーリフレクタ４は、図４に示す形態のものを用いた。
導波管４２のスペックは、形状：WRJ−220（内径寸法：10.668×4.318ｍｍ）、フランジ：FUBR220、材質：銅、めっき：なし、減衰量：0.4dB/mである。ホーンアンテナ４１は、開口サイズが64×53ｍｍ、アンテナ利得が20.8dBiの性能を持つものである。

［実験結果］
図１０は、各々長さ３ｍと４ｍの導波管から構成されたディレーリフレクタ４の反射波についてFFTの信号処理を施した受信信号のグラフである。ここで、横軸は距離、縦軸は受信信号レベルを表している。この信号レベルは、基準値によって正規化された値である。ここで基準値は、ディレーリフレクタをコーナーリフレクタ（形状：三角錐、縦171×横192×深117mm）に置き換えた時のMWセンサの受信レベルを100倍にした値である。

３ｍの導波管４２ａを備えるディレーリフレクタ４ａでの実験においては、９ｍと12.8ｍの２箇所で反射波の信号が表れた。９ｍの箇所で検出された信号は、ホーンアンテナ４１ａに当たった信号がそこで直ぐに反射したものである。12.8ｍの箇所で検出された信号は、３ｍの導波管を往復して再びホーンアンテナ４１ａより放射された信号である。導波管４２ａを往復した信号はMWセンサ１によって、実際にリフレクタ４ａを設置した９ｍより3.8ｍ遠い場所に設置されたリフレクタの反射信号として測定された。

４ｍの導波管４２ｂを備えるディレーリフレクタ４ｂでの実験においては、９ｍと14.2ｍの２箇所で反射波の信号が選出され、導波管導波管４２ｂを往復した信号は、設置した場所より５．２ｍ遠い場所で測定された。
３ｍの導波管４２ａと４ｍの導波管４２ｂの遅延時間でΔｌを式（２）、（３）を用いて計算すると、それぞれ3.7ｍ、4.9ｍであり、測定結果は理論値に近い値を示した。
図１０のグラフにおいて、３ｍの導波管４２ａの時の距離12.8ｍの信号レベルと４ｍの導波管４２ｂの時の距離14.2ｍの信号レベルをみると、それぞれ9.25と8.4である。このレベル差が導波管１ｍ分を往復した際の損失を表している。これより信号が導波管を１ｍ通過した時の損失を計算すると、0.42dB/mであり、導波管のデータシートの値とほぼ一致した。

［構成］
図１１は、実施例２に係る監視システムの構成図である。
コーナーリフレクタ２とディレーリフレクタ４の２つを同一距離に設置して、監視エリアを上下に作り、マルチエリア監視システムの実用性を確かめる実験を行った。この実験においては、片方のエリアを遮った後、MWセンサ１が監視エリアを通過した物体を正常に検出できるかを確認した。
MWセンサ１と２つのリフレクタ（２、４）との距離は９ｍとした。MWセンサ１とディレーリフレクタ４の高さｈ₁は90ｃｍ、コーナーリフレクタ２の高さｈ₂は50ｃｍとした。
ディレーリフレクタ４の導波管の長さｌ_dは４ｍで、実施例１のディレーリフレクタ４ｂと同じ構成である。
MWセンサ１およびリフレクタ（２、４）間の監視エリアの遮断は、人がエリア内に入ることで行った。

［実験結果］
図１２は、ディレーリフレクタ４とコーナーリフレクタ２を設置したマルチエリア監視システムにおいて、それぞれのリフレクタ（２、４）を遮った際の測定結果である。
遮断が無い場合は、図１２の細い実線グラフで示すように、２つのリフレクタ（２、４）の反射波のいずれもがMWセンサ１で検出された。図１２では、距離９ｍの箇所のコーナーリフレクタの信号レベルは19であり、基準値100より小さいが、これはコーナーリフレクタ２の高さを低くしたことで、MWセンサ１の指向性の影響が出たためと推察される。
コーナーリフレクタ２を遮った時には、ディレーリフレクタ４の反射信号のみがMWセンサ１で検出された。図１２の太い実線グラフでは先の細い実線グラフと対比して、距離９ｍの信号レベルが下がっているが、これはコーナーリフレクタ４の監視エリアに人が入ったことを示している。

他方、ディレーリフレクタ４を遮った時には、コーナーリフレクタ２の反射信号のみがMWセンサ１で検出された。図１２の破線グラフでは、先の実線グラフと対比して、距離14.2ｍの信号レベルが下がっているが、これはディレーリフレクタ４の監視のエリアに人が入ったことを示している。
以上のとおりであり、コーナーリフレクタ２と、ディレーリフレクタ４をMWセンサ１から同じ距離で上下に並べて設置した本監視システムにおいて、２つのエリアをそれぞれ独立して同時監視することが可能であることが確認された。

１：MWセンサ
２：コーナーリフレクタ
３：地面
４：ディレーリフレクタ
５：コーナーポスト
４１：ホーンアンテナ
４２：導波管
４３：反射器
４４：同軸・導波管変換器
４５：同軸ケーブル
４６：コネクタ
４７：遅延可変線路
４８：コネクタ
４９：パッチアンテナ
（１）、（２）、（３）：監視エリア

Claims

マイクロ波センサとマイクロ波センサと対向する複数個のリフレクタとを備えるマルチエリア監視システムであって、
前記複数個のリフレクタは、鉛直方向に所定の間隔で配置され、少なくとも一のリフレクタが、マイクロ波センサから放射されたマイクロ波を所定の遅延時間経過後に反射するディレーリフレクタであることを特徴とするマルチエリア監視システム。
前記ディレーリフレクタが、アンテナ部と、導波管と、反射器とを備えることを特徴とする請求項１のマルチエリア監視システム。
前記ディレーリフレクタが、導波管の長さを可変とすることにより遅延時間を調節可能であることを特徴とする請求項２のマルチエリア監視システム。
前記ディレーリフレクタの導波管と反射器とが同軸ケーブルを介して接続され、同軸ケーブルの長さを可変とすることにより遅延時間を調節可能であることを特徴とする請求項２のマルチエリア監視システム。
前記ディレーリフレクタの導波管内で反射器の位置を移動することにより遅延時間を調節可能であることを特徴とする請求項２のマルチエリア監視システム。
前記ディレーリフレクタのアンテナ部が、ホーンアンテナまたはパッチアンテナであることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかのマルチエリア監視システム。
前記複数個のリフレクタの全てが、同一の柱部材に上下方向に所定の間隔で配置されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかのマルチエリア監視システム。
遅延時間が異なるディレーリフレクタを複数個備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかのマルチエリア監視システム。