JP3567191B2 - マイクロウエーブセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、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測定するようにしたＭＷセンサの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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７−３７１７６号公報）。
【０００３】
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ＩＦ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（人体等の物体）までの距離に相関があり、ターゲットまでの距離が大き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ＩＦ信号の位相差検出動作について説明する。
【０００４】
周波数の異なる２種類のマイクロ波の反射波に基づくＩＦ信号が図７（ａ）に示すような正弦波ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２（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ＩＦ信号から成形される矩形波Ａ，Ｂは、それぞれ図７（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Δｔ）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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際にマイクロ波が人体によって反射される場合、その反射波は、人体の手足などの複雑な動きを行っている部分から反射されたものが含まれているため、多くの周波数成分を含んでいる。このため、実際に得られるＩＦ信号は、図８（ａ）に示すような複雑な波形として得られ、上述のような正弦波の状態では得られない。
【０００６】
このような複雑な波形として得られたＩＦ信号ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２から矩形波を成形した場合、図８（ｂ）に示すように、矩形波Ａ，Ｂ同士の位相差はターゲットまでの距離を正確に反映したものにならない可能性が高い。つまり、本来、ターゲットの位置は一定又は徐々に変化していくものであるため、各矩形波Ａ，Ｂ同士の位相差は常に一定かまたは徐々に変化していく（ターゲットが近づいて来る場合には位相差は徐々に小さくなり、ターゲットが遠ざかっていく場合には位相差は徐々に大きくなる）のが通常である。ところが、図８（ｂ）に示すものでは各矩形波Ａ，Ｂ同士の位相差はそれを反映したものとはなっていない。
【０００７】
つまり、この複数のマイクロ波を利用したＭＷセンサは、図７を用いて説明したように理論上はターゲットまでの距離を計測することができるものの、実際にターゲットまでの距離を正確に計測するためには更なる改良が必要とされるものであった。
【０００８】
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、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測定するようにしたＭＷセンサに対し、ターゲットからの反射波に多くの周波数成分が含まれている場合であってもターゲットまでの距離を正確に計測することができるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
−発明の概要−
上記の目的を達成するために、本発明は、ＩＦ信号から成形される矩形波中のデータを所定時間に亘ってサンプリングしてこれらのＸＯＲ（排他的論理和）またはＸＮＯＲ（排他的否定論理和）を積分することにより個々の周波数成分の波形に含まれる誤差を相殺できるようにしている。
【００１０】
−解決手段−
具体的に、本発明は、検知エリアに向けて周波数の異なる複数のマイクロ波を送信し、この検知エリア内に物体が存在する場合に、各マイクロ波の物体による反射波を受信することにより物体検知を行うマイクロウエーブセンサを前提とする。このマイクロウエーブセンサに対し、各マイクロ波の反射波により得られる複数のＩＦ信号波形を矩形波として成形し、これらＩＦ信号の矩形波を所定時間に亘ってデータサンプリングしてこれらのＸＯＲ（排他的論理和）またはＸＮＯＲ（排他的否定論理和）を積分し、これをサンプリングデータ数で除した値を相関値として求め、この相関値に基づいて物体までの距離を計測する距離計測手段を備えさせている。
【００１１】
この特定事項により、ＭＷセンサによって人体等を検知する場合において、人体の手足などの複雑な動きに起因する多くの周波数成分が含まれている反射波を受けた場合であっても、各周波数成分の誤差を互いに相殺することができ、ターゲットまでの距離を正確に計測することができる。
【００１２】
ＩＦ信号をサンプリングする時間としては、物体によって反射される反射波に含まれる周波数成分のうち最も周波数の低い波形の１周期分の時間よりも長い時間に設定されている。例えば最も周波数の低い波形の周波数が１５Ｈｚである場合にサンプリング時間を０．２ｓｅｃに設定することなどが掲げられる。このように反射波に含まれる各周波数成分の波形の波長よりも長い時間に亘ってＩＦ信号をサンプリングすることにより、上記各周波数成分の誤差の相殺を確実に行うことができ、ターゲットまでの距離をよりいっそう正確に計測することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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、周波数の異なる２種類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ＭＷセンサに本発明を適用した場合について説明する。
【００１４】
−ＭＷセンサの構成説明−
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、ＲＦモジュール２及び信号処理部３を備えている。
【００１５】
ＲＦモジュール２は、マイクロ波を発振する発振器２１、この発振器２１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２２、発振器２１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２３、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２４、この受信されたマイクロ波と発振器２１の電圧波形とをミキシングして出力するミキサ２５を備えている。つまり、送信アンテナ２３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２４に受信される。この受信された反射波はミキサ２５によって発振器２１の電圧波形とミキシングされた後、ＲＦモジュール２からＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ０）として信号処理部３に出力されるようになっている。
【００１６】
一方、信号処理部３は、送信アンテナ２３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Ｌ１及び第２の出力ラインＬ２を備えている。各ラインＬ１，Ｌ２には、電源３１，３２，３３、ＩＦアンプ３４，３５、コンパレータ３６，３７が備えられ、コンパレータ３６，３７の出力側には本形態の特徴とする距離計測手段としての距離計測演算部３８が設けられている。
【００１７】
各ＩＦアンプ３４，３５は、第１スイッチ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スイッチ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Ｌ１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Ｌ２に接続するように切り換えられる。つまり、一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ＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ１）は第１の出力ラインＬ１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ＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ２）は第２の出力ラインＬ２に出力される構成となっている。
【００１８】
また、各電源３１，３２は、上記第１スイッチＳＷ１に連動する第２スイッチＳＷ２を介してＲＦ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３１，３２に対する接続状態が切り換わるようになっている。つまり、この第２スイッチＳＷ２が一方の電源３１に接続している状態と他方の電源３２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、これによって送信アンテナ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。
【００１９】
このようにして、各スイッチ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ＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ１）が信号処理部３の第１の出力ラインＬ１に出力されてこの第１の出力ラインＬ１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ＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ２）が信号処理部３の第２の出力ラインＬ２に出力されてこの第２の出力ラインＬ２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、ＲＦモジュール２から出力されたＩＦ出力信号は、ＩＦアンプ３４，３５によって増幅され、このＩＦアンプ３４，３５からの出力がコンパレータ３６，３７によって矩形波に成形された後に距離計測演算部３８に出力されるようになっている。
【００２０】
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２３から送信されたマイクロ波と受信アンテナ２４に受信されたマイクロ波との周波数は等しいため、ＩＦアンプ３４，３５からの出力信号におけるＩＦ周波数は「０」となり、コンパレータ３６，３７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２３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２４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３６，３７の出力信号波形に変化が生じ、この矩形波が距離計測演算部３８に出力されるようになっている。
【００２１】
−距離計測演算部３８の処理動作−
次に、コンパレータ３６，３７からの出力信号波形を受ける距離計測演算部３８の処理動作について説明する。
【００２２】
この距離計測演算部３８では、各コンパレータ３６，３７から受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波Ａ，Ｂを所定時間に亘ってデータサンプリングしてこれらのＸＮＯＲ（排他的否定論理和）を積分し、これをサンプリングデータ数で除した値を相関値として求める。そして、この相関値に基づいて人体等の物体までの距離を計測するようにしている。以下に詳しく説明する。
【００２３】
今、各コンパレータ３６，３７から受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波を図２に示す波形Ａ，Ｂとする。これら波形に対し、以下の式（１）によって、所定時間に亘ってデータサンプリングしてこれらのＸＮＯＲ（図２の最下段の波形参照）を積分し、これをサンプリングデータ数ｎで除した値を相関値として求める。
【００２４】
【数１】
【００２５】
この相関値は、２種類の矩形波Ａ，Ｂが一致している場合（位相差０の場合）には「１」となり、この２種類の矩形波Ａ，Ｂの位相差が１８０°である場合には「０」となる値として求められる。図３は、この２種類の矩形波Ａ，Ｂの位相差と相関値との関係を示すグラフである。
【００２６】
このようにして求めた相関値を利用し、以下の式（２）によって物体までの距離Ｒを求めることが可能となる。
【００２７】
【数２】
【００２８】
ここで、Δφは矩形波Ａ，Ｂの位相差、Δλは発振器２１から発振される２種類のマイクロ波の周波数差である。
【００２９】
このようにして、相関値を求め、これを利用して物体までの距離を算出する場合、多くの波形の位相差が平均化され、個々の波形に含まれている誤差が相殺されることになる。このため、物体からの反射波に多くの周波数成分が含まれている場合であっても物体までの距離を正確に計測することが可能になる。
【００３０】
図４は、相関値と物体までの距離との関係を示すグラフである。
【００３１】
尚、ＩＦ信号をサンプリングする時間は、ＩＦｏｕｔで検出されるドップラー信号に含まれる周波数成分のうち最も周波数の低い波形の１周期分の時間よりも十分に長い時間に設定することが好ましい。これは、サンプリング長さを長く設定するほど上記誤差を確実に相殺することができるためである。以下に、このサンプリング長さを短く設定した場合と長く設定した場合とにおける誤差の相殺度合いについて説明する。
【００３２】
今、第１の出力ラインＬ１で得られたＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１）を図５で示す波形とし、第２の出力ラインＬ２で得られたＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ２）を図６で示す波形とした場合について説明する。
【００３３】
各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）には、異なる２つの反射波の合成波として得られている。具体的には、第１の出力ラインＬ１で得られたＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１）は反射波α１とβ１との合成波として得られ、第２の出力ラインＬ２で得られたＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ２）は反射波α２とβ２との合成波として得られている。また、ここでは、各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）の位相差が９０°である（ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ２）がＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１）よりも９０°だけ位相が遅れている）場合について説明する。つまり、本来の上記相関値は図３によれば「０．５」となるべきものとして設定する。
【００３４】
そして、各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）の１波長に対し３６ポイントのサンプリングを行う。各ポイントにおけるデータのＸＮＯＲによって成形される矩形波として「Ｈｉ」となる部分を○印で、「Ｌｏ」となる部分を×印で、一方の波形の電圧値のみが「０」である部分を●印で、それぞれ各波形上に示している。つまり、各サンプリングポイントにおいて、各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）が共に正または共に負であるポイントでは成形される矩形波は「Ｈｉ」となるため上記○印を付している。また、各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）の一方が正で他方が負であるポイントでは成形される矩形波は「Ｌｏ」となるため上記×印を付している。更に、各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）の一方が正または負の値であって他方が「０」であるポイントでは上記●印を付している。
【００３５】
そして、上記各サンプリングポイントにおいて、「Ｈｉ」部分を「１」、「Ｌｏ」部分を「０」、一方の波形の電圧値のみが「０」である部分を「０．５」として相関値を計算した。
【００３６】
この場合、各ＩＦ信号の前半の半波長分（図５及び図６における時間Ｔ１）の相関値は「１１．５／１８＝０．６４」となっている。一方、各ＩＦ信号の後半の半波長分（図５及び図６における時間Ｔ２）の相関値は「６．５／１８＝０．３６」となっている。このように、ＩＦ信号をサンプリングする時間が短い場合には本来の相関値（ここでは各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）の位相差を９０°に設定しているため本来の相関値は「０．５」である）が得られない可能性がある。
【００３７】
これに対し、各ＩＦ信号の１波長分（図５及び図６における時間Ｔ１及びＴ２）に亘ってサンプリングを行った場合の相関値は「１８／３６＝０．５」となっており、本来の相関値が得られる。このように、サンプリング長さを長く設定するほど上記誤差を確実に相殺することができる。
【００３８】
−その他の実施形態−
上述した実施形態では、距離計測演算部３８が、所定時間に亘ってデータサンプリングした２種類のＩＦ信号波形の矩形波のＸＮＯＲ（排他的否定論理和）を積分し、これをサンプリングデータ数で除した値を相関値として求めるようにしていた。本発明は、これに限らず、所定時間に亘ってデータサンプリングした２種類のＩＦ信号波形の矩形波のＸＯＲ（排他的論理和）を積分し、これをサンプリングデータ数で除した値を相関値として求めるようにしてもよい。
【００３９】
また、上記実施形態では、周波数の異なる２種類のマイクロ波を利用して物体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物体までの距離を計測するようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、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測定するようにしたＭＷセンサに対し、ＩＦ信号から成形される矩形波中のデータを所定時間に亘ってサンプリングしてこれらのＸＯＲ（排他的論理和）またはＸＮＯＲ（排他的否定論理和）を積分することにより個々の周波数成分の波形に含まれる誤差を相殺して物体までの距離を計測できるようにしている。このため、人体等を検知する場合において、人体の手足などの複雑な動きに起因する多くの周波数成分が含まれている反射波を受けた場合であっても、各周波数成分の誤差を互いに相殺することができ、人体等の物体までの距離を正確に計測することができる。
【００４１】
また、ＩＦ信号をサンプリングする時間として、物体によって反射される反射波に含まれる周波数成分のうち最も周波数の低い波形の１周期分の時間よりも長い時間に設定した場合には、比較的長い時間に亘ってＩＦ信号をサンプリングすることにより、上記各周波数成分の誤差の相殺を確実に行うことができ、物体までの距離をよりいっそう正確に計測することが可能となり、ＭＷセンサの信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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】各コンパレータから受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波及びそれらのＸＮＯＲ（排他的否定論理和）波形を示す図である。
【図３】２種類の矩形波の位相差と相関値との関係を示す図である。
【図４】物体までの距離と相関値との関係を示す図である。
【図５】サンプリング長さを短く設定した場合と長く設定した場合とにおける誤差の相殺度合いについて説明するための図である。
【図６】ＩＦ信号が正弦波である場合における各ＩＦ信号及びそれにより得られた矩形波を示す図である。
【図７】従来例における各ＩＦ信号及びそれにより得られた矩形波を示す図である。
【図８】従来例において反射波が多くの周波数成分を含んでいる場合における各ＩＦ信号及びそれにより得られた矩形波を示す図である。
【符号の説明】
１ マイクロウエーブセンサ
３８ 距離計測演算部（距離計測手段）
【発明の属する技術分野】
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、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測定するようにしたＭＷセンサの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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７−３７１７６号公報）。
【０００３】
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ＩＦ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（人体等の物体）までの距離に相関があり、ターゲットまでの距離が大き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ＩＦ信号の位相差検出動作について説明する。
【０００４】
周波数の異なる２種類のマイクロ波の反射波に基づくＩＦ信号が図７（ａ）に示すような正弦波ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２（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ＩＦ信号から成形される矩形波Ａ，Ｂは、それぞれ図７（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Δｔ）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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際にマイクロ波が人体によって反射される場合、その反射波は、人体の手足などの複雑な動きを行っている部分から反射されたものが含まれているため、多くの周波数成分を含んでいる。このため、実際に得られるＩＦ信号は、図８（ａ）に示すような複雑な波形として得られ、上述のような正弦波の状態では得られない。
【０００６】
このような複雑な波形として得られたＩＦ信号ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２から矩形波を成形した場合、図８（ｂ）に示すように、矩形波Ａ，Ｂ同士の位相差はターゲットまでの距離を正確に反映したものにならない可能性が高い。つまり、本来、ターゲットの位置は一定又は徐々に変化していくものであるため、各矩形波Ａ，Ｂ同士の位相差は常に一定かまたは徐々に変化していく（ターゲットが近づいて来る場合には位相差は徐々に小さくなり、ターゲットが遠ざかっていく場合には位相差は徐々に大きくなる）のが通常である。ところが、図８（ｂ）に示すものでは各矩形波Ａ，Ｂ同士の位相差はそれを反映したものとはなっていない。
【０００７】
つまり、この複数のマイクロ波を利用したＭＷセンサは、図７を用いて説明したように理論上はターゲットまでの距離を計測することができるものの、実際にターゲットまでの距離を正確に計測するためには更なる改良が必要とされるものであった。
【０００８】
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、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測定するようにしたＭＷセンサに対し、ターゲットからの反射波に多くの周波数成分が含まれている場合であってもターゲットまでの距離を正確に計測することができるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
−発明の概要−
上記の目的を達成するために、本発明は、ＩＦ信号から成形される矩形波中のデータを所定時間に亘ってサンプリングしてこれらのＸＯＲ（排他的論理和）またはＸＮＯＲ（排他的否定論理和）を積分することにより個々の周波数成分の波形に含まれる誤差を相殺できるようにしている。
【００１０】
−解決手段−
具体的に、本発明は、検知エリアに向けて周波数の異なる複数のマイクロ波を送信し、この検知エリア内に物体が存在する場合に、各マイクロ波の物体による反射波を受信することにより物体検知を行うマイクロウエーブセンサを前提とする。このマイクロウエーブセンサに対し、各マイクロ波の反射波により得られる複数のＩＦ信号波形を矩形波として成形し、これらＩＦ信号の矩形波を所定時間に亘ってデータサンプリングしてこれらのＸＯＲ（排他的論理和）またはＸＮＯＲ（排他的否定論理和）を積分し、これをサンプリングデータ数で除した値を相関値として求め、この相関値に基づいて物体までの距離を計測する距離計測手段を備えさせている。
【００１１】
この特定事項により、ＭＷセンサによって人体等を検知する場合において、人体の手足などの複雑な動きに起因する多くの周波数成分が含まれている反射波を受けた場合であっても、各周波数成分の誤差を互いに相殺することができ、ターゲットまでの距離を正確に計測することができる。
【００１２】
ＩＦ信号をサンプリングする時間としては、物体によって反射される反射波に含まれる周波数成分のうち最も周波数の低い波形の１周期分の時間よりも長い時間に設定されている。例えば最も周波数の低い波形の周波数が１５Ｈｚである場合にサンプリング時間を０．２ｓｅｃに設定することなどが掲げられる。このように反射波に含まれる各周波数成分の波形の波長よりも長い時間に亘ってＩＦ信号をサンプリングすることにより、上記各周波数成分の誤差の相殺を確実に行うことができ、ターゲットまでの距離をよりいっそう正確に計測することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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、周波数の異なる２種類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ＭＷセンサに本発明を適用した場合について説明する。
【００１４】
−ＭＷセンサの構成説明−
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、ＲＦモジュール２及び信号処理部３を備えている。
【００１５】
ＲＦモジュール２は、マイクロ波を発振する発振器２１、この発振器２１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２２、発振器２１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２３、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２４、この受信されたマイクロ波と発振器２１の電圧波形とをミキシングして出力するミキサ２５を備えている。つまり、送信アンテナ２３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２４に受信される。この受信された反射波はミキサ２５によって発振器２１の電圧波形とミキシングされた後、ＲＦモジュール２からＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ０）として信号処理部３に出力されるようになっている。
【００１６】
一方、信号処理部３は、送信アンテナ２３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Ｌ１及び第２の出力ラインＬ２を備えている。各ラインＬ１，Ｌ２には、電源３１，３２，３３、ＩＦアンプ３４，３５、コンパレータ３６，３７が備えられ、コンパレータ３６，３７の出力側には本形態の特徴とする距離計測手段としての距離計測演算部３８が設けられている。
【００１７】
各ＩＦアンプ３４，３５は、第１スイッチ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スイッチ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Ｌ１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Ｌ２に接続するように切り換えられる。つまり、一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ＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ１）は第１の出力ラインＬ１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ＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ２）は第２の出力ラインＬ２に出力される構成となっている。
【００１８】
また、各電源３１，３２は、上記第１スイッチＳＷ１に連動する第２スイッチＳＷ２を介してＲＦ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３１，３２に対する接続状態が切り換わるようになっている。つまり、この第２スイッチＳＷ２が一方の電源３１に接続している状態と他方の電源３２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、これによって送信アンテナ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。
【００１９】
このようにして、各スイッチ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ＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ１）が信号処理部３の第１の出力ラインＬ１に出力されてこの第１の出力ラインＬ１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ＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ２）が信号処理部３の第２の出力ラインＬ２に出力されてこの第２の出力ラインＬ２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、ＲＦモジュール２から出力されたＩＦ出力信号は、ＩＦアンプ３４，３５によって増幅され、このＩＦアンプ３４，３５からの出力がコンパレータ３６，３７によって矩形波に成形された後に距離計測演算部３８に出力されるようになっている。
【００２０】
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２３から送信されたマイクロ波と受信アンテナ２４に受信されたマイクロ波との周波数は等しいため、ＩＦアンプ３４，３５からの出力信号におけるＩＦ周波数は「０」となり、コンパレータ３６，３７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２３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２４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３６，３７の出力信号波形に変化が生じ、この矩形波が距離計測演算部３８に出力されるようになっている。
【００２１】
−距離計測演算部３８の処理動作−
次に、コンパレータ３６，３７からの出力信号波形を受ける距離計測演算部３８の処理動作について説明する。
【００２２】
この距離計測演算部３８では、各コンパレータ３６，３７から受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波Ａ，Ｂを所定時間に亘ってデータサンプリングしてこれらのＸＮＯＲ（排他的否定論理和）を積分し、これをサンプリングデータ数で除した値を相関値として求める。そして、この相関値に基づいて人体等の物体までの距離を計測するようにしている。以下に詳しく説明する。
【００２３】
今、各コンパレータ３６，３７から受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波を図２に示す波形Ａ，Ｂとする。これら波形に対し、以下の式（１）によって、所定時間に亘ってデータサンプリングしてこれらのＸＮＯＲ（図２の最下段の波形参照）を積分し、これをサンプリングデータ数ｎで除した値を相関値として求める。
【００２４】
【数１】
この相関値は、２種類の矩形波Ａ，Ｂが一致している場合（位相差０の場合）には「１」となり、この２種類の矩形波Ａ，Ｂの位相差が１８０°である場合には「０」となる値として求められる。図３は、この２種類の矩形波Ａ，Ｂの位相差と相関値との関係を示すグラフである。
【００２６】
このようにして求めた相関値を利用し、以下の式（２）によって物体までの距離Ｒを求めることが可能となる。
【００２７】
【数２】
ここで、Δφは矩形波Ａ，Ｂの位相差、Δλは発振器２１から発振される２種類のマイクロ波の周波数差である。
【００２９】
このようにして、相関値を求め、これを利用して物体までの距離を算出する場合、多くの波形の位相差が平均化され、個々の波形に含まれている誤差が相殺されることになる。このため、物体からの反射波に多くの周波数成分が含まれている場合であっても物体までの距離を正確に計測することが可能になる。
【００３０】
図４は、相関値と物体までの距離との関係を示すグラフである。
【００３１】
尚、ＩＦ信号をサンプリングする時間は、ＩＦｏｕｔで検出されるドップラー信号に含まれる周波数成分のうち最も周波数の低い波形の１周期分の時間よりも十分に長い時間に設定することが好ましい。これは、サンプリング長さを長く設定するほど上記誤差を確実に相殺することができるためである。以下に、このサンプリング長さを短く設定した場合と長く設定した場合とにおける誤差の相殺度合いについて説明する。
【００３２】
今、第１の出力ラインＬ１で得られたＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１）を図５で示す波形とし、第２の出力ラインＬ２で得られたＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ２）を図６で示す波形とした場合について説明する。
【００３３】
各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）には、異なる２つの反射波の合成波として得られている。具体的には、第１の出力ラインＬ１で得られたＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１）は反射波α１とβ１との合成波として得られ、第２の出力ラインＬ２で得られたＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ２）は反射波α２とβ２との合成波として得られている。また、ここでは、各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）の位相差が９０°である（ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ２）がＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１）よりも９０°だけ位相が遅れている）場合について説明する。つまり、本来の上記相関値は図３によれば「０．５」となるべきものとして設定する。
【００３４】
そして、各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）の１波長に対し３６ポイントのサンプリングを行う。各ポイントにおけるデータのＸＮＯＲによって成形される矩形波として「Ｈｉ」となる部分を○印で、「Ｌｏ」となる部分を×印で、一方の波形の電圧値のみが「０」である部分を●印で、それぞれ各波形上に示している。つまり、各サンプリングポイントにおいて、各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）が共に正または共に負であるポイントでは成形される矩形波は「Ｈｉ」となるため上記○印を付している。また、各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）の一方が正で他方が負であるポイントでは成形される矩形波は「Ｌｏ」となるため上記×印を付している。更に、各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）の一方が正または負の値であって他方が「０」であるポイントでは上記●印を付している。
【００３５】
そして、上記各サンプリングポイントにおいて、「Ｈｉ」部分を「１」、「Ｌｏ」部分を「０」、一方の波形の電圧値のみが「０」である部分を「０．５」として相関値を計算した。
【００３６】
この場合、各ＩＦ信号の前半の半波長分（図５及び図６における時間Ｔ１）の相関値は「１１．５／１８＝０．６４」となっている。一方、各ＩＦ信号の後半の半波長分（図５及び図６における時間Ｔ２）の相関値は「６．５／１８＝０．３６」となっている。このように、ＩＦ信号をサンプリングする時間が短い場合には本来の相関値（ここでは各ＩＦ信号（ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２）の位相差を９０°に設定しているため本来の相関値は「０．５」である）が得られない可能性がある。
【００３７】
これに対し、各ＩＦ信号の１波長分（図５及び図６における時間Ｔ１及びＴ２）に亘ってサンプリングを行った場合の相関値は「１８／３６＝０．５」となっており、本来の相関値が得られる。このように、サンプリング長さを長く設定するほど上記誤差を確実に相殺することができる。
【００３８】
−その他の実施形態−
上述した実施形態では、距離計測演算部３８が、所定時間に亘ってデータサンプリングした２種類のＩＦ信号波形の矩形波のＸＮＯＲ（排他的否定論理和）を積分し、これをサンプリングデータ数で除した値を相関値として求めるようにしていた。本発明は、これに限らず、所定時間に亘ってデータサンプリングした２種類のＩＦ信号波形の矩形波のＸＯＲ（排他的論理和）を積分し、これをサンプリングデータ数で除した値を相関値として求めるようにしてもよい。
【００３９】
また、上記実施形態では、周波数の異なる２種類のマイクロ波を利用して物体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物体までの距離を計測するようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、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測定するようにしたＭＷセンサに対し、ＩＦ信号から成形される矩形波中のデータを所定時間に亘ってサンプリングしてこれらのＸＯＲ（排他的論理和）またはＸＮＯＲ（排他的否定論理和）を積分することにより個々の周波数成分の波形に含まれる誤差を相殺して物体までの距離を計測できるようにしている。このため、人体等を検知する場合において、人体の手足などの複雑な動きに起因する多くの周波数成分が含まれている反射波を受けた場合であっても、各周波数成分の誤差を互いに相殺することができ、人体等の物体までの距離を正確に計測することができる。
【００４１】
また、ＩＦ信号をサンプリングする時間として、物体によって反射される反射波に含まれる周波数成分のうち最も周波数の低い波形の１周期分の時間よりも長い時間に設定した場合には、比較的長い時間に亘ってＩＦ信号をサンプリングすることにより、上記各周波数成分の誤差の相殺を確実に行うことができ、物体までの距離をよりいっそう正確に計測することが可能となり、ＭＷセンサの信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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】各コンパレータから受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波及びそれらのＸＮＯＲ（排他的否定論理和）波形を示す図である。
【図３】２種類の矩形波の位相差と相関値との関係を示す図である。
【図４】物体までの距離と相関値との関係を示す図である。
【図５】サンプリング長さを短く設定した場合と長く設定した場合とにおける誤差の相殺度合いについて説明するための図である。
【図６】ＩＦ信号が正弦波である場合における各ＩＦ信号及びそれにより得られた矩形波を示す図である。
【図７】従来例における各ＩＦ信号及びそれにより得られた矩形波を示す図である。
【図８】従来例において反射波が多くの周波数成分を含んでいる場合における各ＩＦ信号及びそれにより得られた矩形波を示す図である。
【符号の説明】
１ マイクロウエーブセンサ
３８ 距離計測演算部（距離計測手段）
Claims (2)
- 検知エリアに向けて周波数の異なる複数のマイクロ波を送信し、この検知エリア内に物体が存在する場合に、各マイクロ波の物体による反射波を受信することにより物体検知を行うマイクロウエーブセンサにおいて、
上記各マイクロ波の反射波により得られる複数のＩＦ信号波形を矩形波として成形し、これらＩＦ信号の矩形波を所定時間に亘ってデータサンプリングしてこれらのＸＯＲ（排他的論理和）またはＸＮＯＲ（排他的否定論理和）を積分し、これをサンプリングデータ数で除した値を相関値として求め、この相関値に基づいて物体までの距離を計測する距離計測手段を備えていることを特徴とするマイクロウエーブセンサ。 - 請求項１記載のマイクロウエーブセンサにおいて、
ＩＦ信号をサンプリングする時間は、物体によって反射される反射波に含まれる周波数成分のうち最も周波数の低い波形の１周期分の時間よりも長い時間に設定されていることを特徴とするマイクロウエーブセンサ。
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