JP3648236B2 - 超広帯域レーダの運動センサ - Google Patents

Description

【０００１】
米国政府は、ローレンス・リバモア・ナショナル・ラボラトリの運営に関する米国エネルギー庁とカリフォルニア大学との間の契約第Ｗ−７４０５−ＥＮＧ−４８号に準じて本発明の権利を有するものである。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に運動センサに係り、より詳細には、超広帯域レーダをベースとする運動センサに係る。
【０００３】
【従来の技術】
運動センサは、主として、超音波、受動赤外線（ＰＩＲ）及びレーダ検出器をベースとしている。超音波運動センサは、自動ドア開け機構や保安アラームに通常使用される。これらは、低コストであり、狭いビーム巾で動作することができる。しかしながら、超音波ビームは紙を含む薄い材料によって容易に阻止されてしまうので設置場所の選択が限定される。もう１つの欠点は、カーテンがなびいたり昆虫が飛ぶことによる反射で誤ってトリガーする傾向があることである。
【０００４】
ＰＩＲセンサは、おそらく最も頻繁に使用される家庭用の保安センサである。これらは、特殊なフレネルレンズを使用して、人間のような温かい物体の多数の熱像を形成する。人間が視界を横切ると、熱像は、ＩＲセンサ素子を横切ってスイープするときに周期的な変動を生じ、これが低コストの電子装置によって検出される。超音波の場合と同様に、ＰＩＲは、紙によって阻止される。更に、ＰＩＲは、レンジ（距離）調整機能をもたない。
【０００５】
ＦＭ−ＣＷレーダセンサは、スイープ周波数マイクロ波信号を放射し、そのエコーの周波数を現在の放射周波数と比較し、そのレンジに比例するビート周波数を発生する。ＦＭ−ＣＷレーダセンサは、低コストのマイクロ波発振器及び検出ダイオードと、音声周波数処理電子装置とを使用して、音声ビート周波数又はレンジを決定する。非レンジレーダセンサは、連続マイクロ波キャリアを単に放射し、移動物体からのドップラーシフトを聞くだけである。アンテナは、通常、低コストのダイキャストメタルホーンである。ＦＭ−ＣＷ及びドップラーレーダに対する主たる制約は、１）高いマイクロ波周波数を使用するために材料透過性が制限され、２）短いレーダ波長が音声周波数処理と組み合わせて使用されることにより雑音が生じ、３）周波数が混雑し、そして４）短レンジ動作が不良なことである。短レンジの性能は、送信用発振器の隣接するノイズ側波帯によって制約され、この発振器は、ギガヘルツ領域において１００Ｈｚ程度のランダム周波数変動すらもたないよう動作しなければなない。というのは、このような変動は、所望のビート周波数から区別できないからである。
【０００６】
【発明の概要】
超広帯域（ＵＷＢ）レーダの運動感知は、運動センサ技術の全く新しい解決策である。ＵＷＢレーダは、非常に短い電気的パルスの両方向フライト時間を計時するパルスエコーシステムとして動作する。キャリア周波数は使用されず、電圧パルスがアンテナに直接加えられる。
【０００７】
変調器による周波数のアップ変換は使用されないので、同調すべき周波数はない。ＵＷＢ送信スペクトルは、放射パルスのフーリエ変換であり、一般に数百メガヘルツないし数ギガヘルツに及ぶ。これは本来拡散スペクトルである。ＦＣＣによる周波数の割り当ては該当しない。更に、多数の独立したＵＷＢセンサを、干渉を生じることなく共通配置することができる。
【０００８】
周波数アップ変換を使用しないことにより、ＵＷＢスペクトルは、できるだけＤＣに接近して位置される。ほとんどの材料は、周波数と共に急激に増加する減衰を示すので、ＵＷＢレーダは、材料透過において非常に大きな利点を有する。テストにより、２００ｐｓのパルスは、石膏や木やコンクリートの壁を自由に貫通することが示されている。優れた材料透過性は、ＵＷＢセンサの基本的な利点であり、壁や機器パネルの後方、天井の上及び床下に設置できるようになる。
【０００９】
ＵＷＢレーダのレンジ（距離）は、パルス／エコーインターバルによって決定される。運動検出の場合に、センサは、固定のレンジでスタートしてそのレンジにおける平均レーダ反射度の変化を感知することにより動作する。これは、送信パルスの放射後に一定の遅延でサンプリングゲートを開き、次いで、それにより得られたサンプリングゲート出力を繰り返しパルスにわたって平均化することにより行われる。平均化されたサンプリングゲート出力の変化は、特定のレンジにおけるレーダ反射度の変化、ひいては、運動を表している。
【００１０】
目に見えない一定レンジの球状の殼が空間に効率的に投射され、その厚みは、レーダパルス巾に直接関係したものである。２つの説明のための実施形態において、１つのセンサは殼の厚みが１インチであり、他方は約１８インチである。
【００１１】
検出殼の位置は、サンプリングゲート遅延を調整することによってセットされる。この遅延調整は容易に行われ、性能上の不利益を伴わないブランクレンジを指すようにダウン方向に調整することができる。ユーザが検出レンジを調整できることは、ＵＷＢセンサの別の顕著な特徴である。
【００１２】
ＵＷＢ運動センサのコストは、競合するセンサと同程度であり、従って、多くの用途に対し最も適切なセンサ技術として確実に選択されよう。近いうちに、ＵＷＢセンサは、標準在庫部品として作られることになろう。最終的には、シリコンのアプリケーション指向集積回路（ＡＳＩＣ）が全てのセンサ電子装置を組み込むことになろう。
【００１３】
ＵＷＢ運動センサ電子装置は、検出殻を光学的に投射するために発光ダイオードやＰＩＮホトダイオードのような電気−光学トランスジューサにも接続することができる。これは、ペンシルビーム感知、即ち「光サーベル」動作が所望される場合に、特に有用である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１を参照すれば、自走式発振器（ＰＲＩ発生器）２０は、レーダパルス繰り返しインターバル（ＰＲＩ）を形成する。典型的に、このインターバルは１μｓである。ノイズ発生器２２は、ＰＲＩ発生器２２に接続され、以下に述べる目的でＰＲＩにランダムな変化を導入する。ＰＲＩ発生器２０の出力は、２つの遅延手段、即ち送信経路２６の固定基準遅延手段２４と、受信（ゲートパルス）経路３０の調整可能な遅延手段２８とを駆動する。遅延手段２８は、レンジ（距離）調整手段３２によって調整される。
【００１５】
基準遅延手段２４は、一般に、受信経路３０の最小遅延にマッチングするようにセットされ、又、アンテナ供給ライン等の遅延を考慮するようにセットされてもよい。基準遅延手段２４の出力は、送信パルスを発生するインパルス（又はステップ）発生器３４を駆動する。ＰＲＩ発生器２０又は基準遅延手段２４が充分に迅速な立上り時間をもつパルスを発生する場合には、インパルス（又はステップ）発生器３４を省略してもよい。さもなくば、発生器３４は、適当な送信パルスを発生するのに使用される。送信パルスは、通常、ガウス形状の電圧パルスに似ている。一般に、これは、変調されたＲＦパルスではない。ＵＷＢレーダは、キャリア周波数を使用しないという点で従来のレーダとは異なる。むしろ、ＰＲＩだけ離間された個々のパルスのシーケンスがアンテナに直接付与される。
【００１６】
送信パルスは、送信アンテナ３６により直接放射される。多数のＵＷＢアンテナが一般に使用されており、その最も一般的なものは、エンドファイア（縦型）アンテナである。好ましい実施形態では、簡単なワイヤダイポール及び広帯域の「蝶ネクタイ」ダイポールの両方が使用される。それらの共振特性により、放出される放射線にリンギングが生じるが、以下に述べるように、この作用を使用する。
【００１７】
多くのアンテナは、周波数の増加と共に利得の増加を示すので、送信アンテナに付与されるステップ入力は、そのステップの導関数の放射、即ちインパルスを生じる。図５及び６の実施形態においては、送信アンテナに電圧ステップが付与される。送信及び受信アンテナの両供給ラインは、当業者に知られた種々の目的でスペクトル制限即ち整形フィルタを含む。
【００１８】
受信アンテナ３８は、ＵＷＢ検出器（受信器又はサンプル装置）４０に接続され、これは、参考としてここに取り上げる本発明と同時に出願された「超広帯域受信器（Ultra-Wideband Receiver）」と題する米国特許出願０８／０４４，７４５に開示されている。このＵＷＢ検出器は、テクトロニクス社及びヒューレットパッカード社によりそれらの標準的なサンプリングオシロスコープに組み込まれたような広帯域サンプリング回路でもよい。サンプリング装置４０は、調整可能な遅延手段２８の出力によりインパルス（又はステップ）発生器４２を経てゲート動作即ちストローブされ、従って、サンプル装置４０は、ターゲット４４への両方向エコー時間に対応する空間内のポイントをサンプリングする。ここでも、調整可能な遅延パルスが充分に短い立上り時間を有する場合には、インパルス／ステップ発生器４２を省略することができる。
【００１９】
ＵＷＢ検出器４０の出力は、積分器４６において、レーダのＰＲＩより実質的に長い時定数、典型的に運動センサでは１０ｍｓで平均化される。１μｓのＰＲＩでは、１０，０００個のパルスが平均化される。この平均値は、レーダ反射の和及び他のレーダクラッタ、例えば、直接的なアンテナ対アンテナ結合を表す。
【００２０】
この方法は、２つ以上のパルスを平均化することによって実施できる。しかしながら、多数の、即ち１，０００ないし１０，０００個のパルスを平均化するのが好ましい。送信されるパルスは、典型的に、そのパルス巾が約５ｎｓ以下でありそして更に好ましくは約１ｎｓ以下である。ＰＲＩは、典型的に、１００ｎｓないし１００ｍｓである。
【００２１】
サンプリングされるレンジにおいてレーダの反射度が変化する場合には、平均値も変化し、この変化が微分器４８によって感知される。微分器４８の出力は、比較回路５０をトリガーし、これは次いでアラームを作動する。比較器５０は、微分器４８の出力をプリセット値Ｖrefと比較する。感度は、Ｖrefにより制御される。
【００２２】
簡単化のために、本発明は、アナログ積分器及び微分器を使用する。デジタルの等効物も、複雑さは増すが使用できる。直線システムでは、積分器及び微分器の順序を交換してもよい。更に、カスケード状の積分及び微分プロセスは、周波数ドメインでのバンドパスフィルタに類似しており、従って、バンドパスフィルタ５２は、この結合された機能に使用される。典型的なフィルタ定数は、人間の運動感知の場合に低い周波数の端が１Ｈｚでありそして高い周波数の端が１０Ｈｚである。
【００２３】
ＵＷＢパルス／エコーシステム５４は、通常、図２に示すように一定のサンプリング遅延又は一定のレンジで動作する。短いインパルスが放射されることにより、有効な球状殻５６が空間に投射される。この殻の厚みは、サンプリングインパルス巾に直接関係しており、これは、一般に送信パルス巾Ｔに等しくセットされる。従って、一定レンジの殻は、厚みがｃＴ／２であり、但し、ｃはパルスの速度である。
【００２４】
図３ＡないしＤは、図５のＵＷＢレーダから得られるデータを示している。横軸は、２秒のラップタイムに対応する低速時間軸である。縦軸は、ＵＷＢ検出器−積分器−微分器からの出力である。図３ＡないしＤにおいて、人間の手を２秒の時間軸内で殼に入れそしてそこから出し、それにより得られる信号がレーダとターゲットとの間の多数のレンジ（図３Ａでは１フィート、図３Ｂでは４フィート、図３Ｃ及びＤでは１５インチ）及び多数の材料（図３Ｃでは６インチのテキストブック、図３Ｄでは２インチのコンクリート）について示されている。手を入れたり出したりしたことが明確に示されている。
【００２５】
図４は、ＵＷＢレーダの運動検出器に使用するように設計された差動ＵＷＢ受信器を示している。広帯域ダイポールアンテナ５８は、ねじれ対送信ライン６０に接続される。ライン対６０の各ワイヤは、キャパシタＣ１又はＣ２と直列抵抗器Ｒ１又はＲ２とを経て演算増幅器Ａ１又はＡ２の正の入力に接続される。Ｃ１−Ｒ１及びＣ２−Ｒ２の接合点は、一対のダイオードＤ１、Ｄ２に接続され、そのアノードはこれら接合点に接続されそしてカソードは互いに接続される。ゲートパルスは、Ｄ１−Ｄ２間の共通カソード接合点に付与される。ゲートパルスラインはキャパシタＣｓを含む。入力ライン対６０及びゲートパルス入力ラインは全て抵抗器ＲＴに終端される。Ａ１、Ａ２の正の入力は、抵抗器Ｒ３、Ｒ４を経て＋ＢＩＡＳ電圧に各々接続される。又、Ａ１、Ａ２の正の入力は、キャパシタＣ３、Ｃ４を経て接地される。Ａ１、Ａ２に充分な入力キャパシタンスがある場合又はＲＦ除去が必要又は所望されない場合には、Ｃ３及びＣ４を省略することができる。Ａ１の出力はＣ５及びＲ５を経て演算増幅器Ａ３の負の入力に接続され、そしてＡ２の出力はＡ３の正の入力に接続される。Ａ３の出力は、キャパシタＣ６及び並列可変抵抗器Ｒ６を経てＡ３の負の入力にフィードバックされる。抵抗器Ｒ６は、感度を制御するように調整される。Ａ１、Ａ２の負の入力は、Ｃ７及びＲ７を経て一緒に接続され、そしてＣ８及び並列抵抗Ｒ８を経てＡ１、Ａ２の出力に接続される。
【００２６】
ここに示す実施形態では、Ｃ１＝Ｃ２＝２２ｐＦ、Ｒ１＝Ｒ２＝１０Ｋ、ＲＴ＝６８Ω、Ｄ１及びＤ２はＭ−パルスＭＰ２６１２ダイオードであり、ゲートパルスは、−８Ｖで、２００ｐｓの縁及び１μｓのＰＲＩをもち、メタリックス社のステップ回復ダイオードＭＭＤ８０５−８２８入力により０．５ｐＦキャパシタを介して発生され、Ｒ３＝Ｒ４＝１０Ｍ、＋ＢＩＡＳ＝＋５Ｖ、Ｃ３＝Ｃ４＝０．０１μＦ、Ａ１−Ａ３はＴＬ０７４のＯＰアンプ、Ｃ５＝２２０μＦ、Ｒ５＝１Ｋ、Ｃ６＝０．２μＦ、Ｒ６＝１００Ｋ（可変）、Ｃ７＝４．７μＦ、Ｒ７＝４７Ｋ、Ｃ８＝３３００ｐＦ、Ｒ８＝２．２Ｍである。Ｃ３、Ｃ４が省略される場合には、Ｃ１＝Ｃ２＝０．０１μＦである。
【００２７】
図５は、マイクロ電力のＵＷＢレーダ運動センサの回路図である。一連のＣＭＯＳ論理ゲート（１１で示す）がＰＲＩ発生器（３３ｋＨｚ発振器）２１を形成し、これは、バッファゲート（Ｉ２）を経て遅延回路２３ａ、ｂ及びインパルス発生器２５ａ、ｂに接続される。ノイズ発生器１９が発振器２１に接続される。遅延手段２３ａは単にワイヤであり（即ち、遅延なし）、一方、遅延手段２３ｂはスイッチＳに関連した抵抗器で形成される。インパルスは、最終的に、カリフォルニア州、サニーベールのメタリックス社により供給されるステップ回復ダイオード（ＳＲＤ）によって発生され、１００ｐｓ又はそれより速い遷移を発生するように指定される。送信（Ｔ）及び受信（Ｒ）アンテナは、６インチの蝶ネクタイ型ダイポールであるか又は３インチのワイヤモノポールである。ＯＰアンプ（Ｉ３）で形成されたＵＷＢ受信器２７は、図４に示した形式のもので、回路に関連した種々のキャパシタの形態の積分器及び微分器を含む。ゲートパルス経路及びＵＷＢ受信器にあるスイッチＳは、レンジ（６フィート又は１２フィート）を選択するのに使用される。アラーム回路２９は、ＯＰアンプ１４より成り、バイポーラ比較器と、検出後にアラームを鳴らすための駆動回路とを含む。ＩＣはＩ１＝ＣＤ４０６９、Ｉ２＝７４ＨＣ０４、Ｉ３＝ＴＬＣ２７Ｌ４、Ｉ４＝ＴＬＣ２７Ｌ２である。＋３Ｖ電圧レギュレータ及び＋６Ｖペンライトバッテリは図示されていない。デューティサイクルが低く且つ消費電力が小さいので、バッテリは、連続動作で数年持続する。
【００２８】
図６は、２ｎｓの送信パルス巾で動作するＶＨＦ保安アラーム回路を示している。１８インチのダイポールアンテナ３１に送られる波形は本質的に電圧ステップであり、これはアンテナによりリンギング状態で効果的に微分される。ＰＲＩ発生器（１００ｋＨｚ発振器）２１、並びに送信及び受信（ストローブ）経路のバッファは、７４ＨＣ０４インバータであるＣＭＯＳ ＩＣ Ｉ１及びＩ２によって形成される。このＩＣのコストは＄０．５０未満であり、０から２００ｎｓまでの安定な、ジッタのない遅延を発生する。遅延手段２３ａは遅延を与えず、一方、遅延手段２３ｂはポテンショメータＲで形成される。インパルス発生器２５ａ、ｂは、トランジスタＱ１＝２Ｎ５１０９及びＱ２＝２Ｎ２３６９を含む。ノイズ発生器１９は、発振器２１に接続される。ダイポールアンテナの２つの半部分３１ａ、ｂは、ＵＷＢ受信器２７の入力に接続され、これは、アラーム回路２９を駆動する。ＩＣは、Ｉ３＝ＴＬＣ２７Ｌ４及びＩ４＝ＴＬＣ２７Ｌ２円残増幅器である。ショットキーダイオードＤは、１Ｎ５７１１である。レンジ遅延調整は、ストローブラインの簡単なポテンショメータＲによって与えられる。この回路は図５同様である。これはバッテリで動作し、そのアンテナは長さが６インチではなく１ｍである。
【００２９】
従って、本発明は、平均化回路を用いて固定レンジセルにおいてＲＣＳ（レーダ断面）平均化を行いそして平均化されたＲＣＳの変化を検出することに基づいている。固定レンジでスタートしそして多数の戻りパルスが平均化される。次いで、平均値の変化が運動として感知される。
【００３０】
又、本発明は、平均化を用いてレンジスイープにわたってＲＣＳ平均化を行いそしてその平均化されたＲＣＳの変化を検出することを含む。実質上全てのパルス／エコーレーダが、あるスパンにわたって調整可能な遅延又はレンジ遅延をスイープしながら比較的少数のパルスを平均化し、個々の「ブリップ」が示されるようにする。本発明においては、平均化の時定数をレンジ走査時間より大きくセットし、全スイープを平均化することができる。この平均値の変化は、レンジスイープ内のどこかの運動を表す。
【００３１】
個々の「ブリップ」又は特定レンジにおけるターゲットは、平均化プロセスによって減少されるが、ノイズレベルも平均化プロセスによって等しく減少され、ブリップ内の変化に対する信号対雑音比は、同じままである。人間からのＵＷＢ反射は、縦横角度によって著しく変化するから、平均化レンジスイープ内を移動する人は、検出可能な変動を発生する。このスイープ平均化技術は、ＵＷＢ運動センサハードウェアに対して簡単化するように意図される。
【００３２】
又、本発明は、平均化回路を用いてレンジスパンにわたり運動を検出しそして平均化されたＲＣＳの変化を検出するアンテナリングダウン方法も含むものである。図７は、迅速に立上る電圧ステップにより励起されたときに送信／受信ダイポール対により発生された典型的なアンテナリングダウンを示している。ＵＷＢ運動センサは、主として、送信パルスの先縁のフライト時間に対応する検出レンジにおいて動作する。先縁に後続するリンギングは、時間的には後で現れるが、空間内では、リンギングは、固定のサンプリング遅延に対しレーダに接近したレンジで現れる。従って、所与のレンジ遅延設定値に対し、リンギングパルスは、先導パルスに対応する最も外側の検出殻と、リンギングの周期性により位置された次々に内側の検出殼とを発生する。
【００３３】
リンギングの利点は、多数のレンジが運動感知のためにアクティブになるので効果的なレンジスイープを発生することである。更に、レンジスイープハードウェアが排除され、簡単なダイポールアンテナを使用することができる。
【００３４】
この技術、即ち平均化レンジスイープの別の利点は、ターゲットが外部検出殻を回避するように管理する場合にも、内側の殼が依然作用することである。この状態は、外側のレンジ殻からのターゲットエコーが小さ過ぎて検出できない場合に生じる。又、ＵＷＢ運動検出器をオフにセットせずに人間がそこまで歩けることも防止する。
【００３５】
アンテナがリングダウンするときには、リンギングの振幅が減少する。次々のリンギングサイクルが接近したレンジにおいて現れるので、減少した振幅は一定の感度を維持する助けとなる。
【００３６】
米国ＦＣＣ規定に対する良好な適合性を与えるリングダウン波形を放射する更に別の方法は、１）同調回路又はバンドパスフィルタを電圧インパルス／ステップでショック励起するか、又は２）電圧インパルス／ステップを用いて発振器を変調することを含む。第１のケースは、周波数櫛形発生器の高調波を選択することに類似しており、周波数櫛形発生器は、図１にインパルス／ステップ発生器３４で示されており、そして同調回路／バンドパスフィルタ３５は、インパルス／ステップ発生器３４と送信アンテナ３６との間に挿入された要素である。同調回路／バンドパスフィルタの一定のＱ又は減衰係数は、各繰り返しにおいて減衰した正弦波を招く。この減衰した波形を、共振又は非共振アンテナ３６に付与することができる。
【００３７】
第２のリングダウン方法は、ステップ発生器３４とアンテナ３６との間に変調発振器を挿入することを含む。図１２Ａは、リングダウン波形を発生する変調コルピッツＲＦ発振回路を示している。コルピッツ発振器は公知である。しかしながら、この発振器は、変調方法が異なる。コルピッツ発振器８０は、ＣＭＯＳ論理インバータ８２により変調包絡線整形ネットワーク８４を経て駆動され、このネットワークは、キャパシタ８３及び直列抵抗８５を含む。この整形ネットワーク８４の抵抗−キャパシタ部品の値は、１未満のＱ（１発振サイクル未満）からほぼ無限大（定常発振）までのほぼ任意の有効減衰係数を与えるように調整することができる。動作に際し、ＣＭＯＳインバータからの負に向かう論理遷移は、この整形ネットワークを経て結合されて、コルピッツ発振器のトランジスタＱ１をオンにバイアスし、そしてこの発振器は、整形回路により与えられる減衰する駆動電流に対応して、減少する振幅の限定された数のサイクルを発生する。ステップ回復ダイオード８６及びバイアス抵抗器８８は、ＣＭＯＳインバータからの駆動信号を先鋭化するために含まれており、急速始動の駆動信号をコルピッツ発振器に与えて、図１２Ｂの発振器出力データにより明らかなように発振確立時間の不足を生じさせる。発振器が低速の確立時間を有する場合には、レーダレンジの境界が先鋭にならない。トランジスタＱ１は、モトローラＭＭＢＲ９２０Ｌであり、論理インバータはテキサス・インスルーメント７４ＨＣ０４であり、そしてステップ回復ダイオードは、通常のコンピュータ用ダイオード、形式１Ｎ４１４８である。
【００３８】
好ましい減衰係数は、レンジゲート内で一定の運動感度、典型的に３７％ポイントまで減衰するのに１０ないし１００サイクル、を維持する傾向のあるものである。変調包絡線は、減衰した正弦波以外のものにセットされるが、取り締まり当局の規定に放射が適合するように放射スペクトルを制御する助けとして変調包絡線の形状が使用されるとき以外はあまり好ましくない。
【００３９】
本発明は、更に、ランダム又は擬似ランダムなディザ型ＰＲＩ動作も含む。図８Ａは、ＰＲＩが定常状態であり即ちディザ状態でないときのＵＷＢ放射スペクトルを示している。これは、パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）の高調波に位置したスペクトル線より成る。スペクトル線によって形成された包絡線は、単一のインパルスによって形成されるスペクトルと形状が同一である（背の高いスパイクはローカルＴＶ局である）。
【００４０】
ランダムノイズ又はコード発生された擬似ランダムＰＲＩ変調即ちディザが図８Ｂに示すように付加された場合には、単一インパルスの形状に似せるように放射スペクトルを分散することができる。個々の線に集中したエネルギーは分散されるので、スペクトルのピーク振幅は減少される。従って、従来の受信器への干渉が減少され、熱ノイズに似たものとなる。
【００４１】
ＰＲＩディザ作用は、パルス繰り返しインターバルのみに作用し、パルス／エコー遅延時間には作用しない。ほとんどの市販のサンプリング回路はＰＲＩディザを許容しないが、本発明に使用される受信回路は、ＰＲＩ変動との優れた独立性を有している。
【００４２】
例えば、１０，０００個のパルスといった高レベルのパルス積分は、受信器における干渉を平均化除去し、従って、同調回路が周波数ドメインにおいて行うものを時間ドメインにおいて行うので、ある形式の時間ドメイン同調である。しかしながら、干渉信号の周波数がレーダＰＲＦの倍数に接近している場合には、平均化信号に現れるビート周波数が形成され得る（これは、実際には観察されていないが）。ＰＲＩディザを適用することにより、同じ量の平均化が行われるが、ビート周波数を形成する定常ＰＲＦはない。ＰＲＩディザは、それ自体独特ではなく、ここではＵＷＢ運動センサに使用される。
【００４３】
本発明によれば、ノイズスペクトルは、ＵＷＢ検出帯域巾より上に存在しなければならない。これは、ＵＷＢ検出器の出力に現れる残留ディザノイズを減少又は排除し、ＵＷＢ検出器に課せられるノイズ除去要件を容易にする。
【００４４】
本発明は、更に、二重レンジ運動感知を用いた絶対速度測定を提供する。自動車及び他の用途においては、運動感知及び速度測定が所望される。図９は、以下に述べる２つの方法のいずれかに基づいて２つの検出殻を投影する二重検出殻機構を示している。ターゲット６２がＲ１及びＲ２において殻６４及び６６を横切るときに、ＵＷＢ運動センサ６８により検出される運動信号が発生される。Ｒ１及びＲ２から生じる検出事象間の時間差を用いて半径方向速度を決定することができる。二重レンジの原理は、２つ以上の殼又はレンジへと拡張することができる。
【００４５】
１つの二重検出機構は、時間マルチプレクスされる二重レンジ動作である。図１０は、時間マルチプレクスレンジ回路が追加された図１の構成を示している。方形波発振器７０は、ＰＲＦよりゆっくりとした速度、例えば、０．５ＰＲＦで動作し、従って、レーダは、ある周期中はＲ１でそしてある周期中はＲ２というようにレンジを交互に切り換える。検出レンジが交番されるときに、アナログスイッチ７２が同期してトグルされ、ＵＷＢ検出器からの２つのレンジ信号が個別の積分器及び運動検出回路７４ａ、ｂへ送られる。その他の部品は、図１と同様である。
【００４６】
方形波の周期は、Ｒ１及びＲ２に関連した最も短い進行時間よりも相当に短いものである。実際に、Ｒ１及びＲ２は１フィート異なり、最も高速な自動車環境の場合には、Ｒ１−Ｒ２の進行は、数ミリ秒であり、方形波発振器の〜１μｓ周期よりも相当に長いものである。
【００４７】
従って、僅かな回路を追加するだけで、速度を測定することができる。この特徴は、追加アンテナを必要としない。ドップラー技術とは異なり、非常に低い速度を測定することができる。
【００４８】
他の二重検出機構は、一方のチャンネルに遅延が挿入されるような二重受信チャンネルに基づいている。図１１は、追加の完全な受信チャンネル３０ｂが付加された図１の基本的な運動検出器を用いた二重殻の速度測定機構を示している。第２の受信器４０ｂは、アンテナ供給線にケーブル遅延７６を挿入することにより異なるレンジにおいて感知を行う。或いは又、ストローブライン、例えば、受信器４０ａへのライン３０ａに遅延７８を挿入することができる。その他の部品は、図１及び１０と同様である。
【００４９】
このシステムは、付加的なアンテナ及び完全な受信器を必要とし、従って、時間マルチプレクスの二重レンジシステムには好ましくない。
【００５０】
ＵＷＢ運動センサの独特の特徴は、材料透過性に優れ、先鋭に境界定めされ、アクティブなレンジを調整でき、低コストであり、多センサ動作であり、そして潜在的に単一チップで実施できることである。この特徴構成により、主として想像で範囲が限定されている多数の新たな用途に適用できることとなる。幾つかのより顕著な用途は、次の通りである。
【００５１】
保安システム：ＵＷＢ運動センサは、壁の後ろ、天井の上及び床下に配置することができる。１つの考えられる家庭用の設置では、ＵＷＢ運動センサが屋内の各部屋の上に配置され、それらの検出レンジが６フィートにセットされる。このレンジにおいては、検出殻は、人を検出するが床の付近のペットの検出は除外するレベルまで到達する。図５の１００ｐｓ運動センサの１つのテストでは、センサが壁を通して廊下へと向けられ、そして廊下の巾の大部分をまたぐようにレンジがセットされた。廊下の離れた方の壁に人がへばり付く場合には、検出を逃れることができるが、それを知らない人は常に検出される。
【００５２】
車庫のドアの前方のエリアは、ＵＷＢセンサを泥棒から見えないように車庫内に配置することにより保護することができ、この場合の設置は簡単である。
【００５３】
単一のＵＷＢ ＶＨＦセンサを家の中央に配置し、家全体の周りに見えない検出殼を投射する検出レンジにセットし、単一の低コストセンサで完全に家を保護することができる。この概念は図６のシステムを用いて首尾良くテストされた。
【００５４】
警察の仕事については、行動を監視されるべき部屋の外部にＵＷＢセンサを個別に配置することができる。図６のバッテリ付勢式のＵＷＢ ＶＨＦレーダを用いて、隣接する室内の人のほんの僅かな動きでも検出されるように感度を高くセットすることができる。生きた人間がじっとしたままセンサを作動させずにいられるとは思えない。
【００５５】
新規な仮定向け用途：ＵＷＢセンサは、隠れた照明スイッチ及びドア開け器具として使用するために接続箱に組み込むことができる。将来の家は、壁の付近に見えない領域を有し、そこで手を振って照明を点灯させることができる。戸口は隠されたＵＷＢセンサによって監視され、ドアを開いて照明を点灯させることができる。ＵＷＢセンサは、身体障害者の助けにもなる。
【００５６】
インテリジェントな用途：プラスチックパネルを通して動作しそして近距離で動作するという独特な能力により、ＵＷＢセンサは、人又は人の手の存在を感知し、それに応じて応答するインテリジェント用途に使用できる。照明を点灯し、ドアを開き、機械を安全上又は便宜上オフにし、オーブンを切る、等々を行うことができる。
【００５７】
災害作業用の生命検出器：地震や雪崩で埋もれた被災者を高感度のＵＷＢ検出器で探索することができる。ＵＷＢレーダの優れた透過能力と、優れた近距離動作及び高感度とによって、ＦＭ−ＣＷレーダを用いた従来の作業が向上される。図６のＵＷＢ ＶＨＦレーダは、１０フィートの距離での呼吸及びおそらくは心臓鼓動を検出した。
【００５８】
医療用途：図５の１００ｐｓＵＷＢレーダは、ほぼゼロの距離（表面接触）において心臓鼓動及び動脈の脈拍を検出した。ほとんどの検出信号は皮膚の動きによるものであるが、より深部の成分であることも考えられる。現時点では、医療についての意義は分かっていない。ＵＷＢ放射レベルは、マイクロ波への連続露出に関するＯＳＨＡの限界よりも遥かに低い。
【００５９】
自動車衝突センサ：ほとんどのレーダ団体は、自動車用のミリメータ波（ＭＭＷ）レーダに焦点を合わせている。これらレーダに対する現在の設計コストは、＄５００以上である。これらレーダのあるものは、ＭＭＷレーダ波長と機械的な振動が同様の大きさであるために、非常に雑音が多い。更に、ＭＭＷレーダは、水、泥及び雪カバーを貫通できないために風防ワイパーを必要とする。ＭＭＷレーダの提案者は、レーダの波長がターゲットの寸法と同程度であるときにレーダが最も良く機能するという事実を見落としている。
【００６０】
従って、自動車の感知には、１又は２メータ波長のＶＨＦレーダが最も適している。
【００６１】
ＵＷＢのＶＨＦレーダアンテナは、プラスチック本体区分又はウインドウに埋め込まれた基本的なワイヤダイポールで構成できる。ダイポールの全長は０．５−１．０ｍ程度でなければならないが、相当に短いダイポールでも機能する。というのは、限定された検出レンジと、車の大きなレーダ断面とにより、高いシステムロスでも動作できるからである。
【００６２】
無指向性アンテナでは、１ないし１０フィートの検出レンジが実際的である。尾灯及びパーキングライトのレンズに埋め込まれたアンテナを用いると、乗物の後部、側部及び前部をカバーするように検出殻を投射することができる。これらのアンテナは、低コストの同軸ケーブルを用いて中央のＵＷＢモジュールへ接続される。ＵＷＢモジュールのコストは、＄１０程度である。鋭く制御された合成ビーム巾を得るために、最終的に、三角測量法が使用される。
【００６３】
ＵＷＢ運動感知は、３つのレベルのアラーム弁別を与える。即ち、レーダ断面即ち物体のサイズと、正確な検出レンジと、速度測定である。これら弁別は全て乗物の速度に合わせて容易にスケール決めできる。
【００６４】
本発明の範囲から逸脱せずに上記実施形態において変更や修正がなされ得るので、本発明は、請求の範囲のみによって限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＵＷＢレーダ運動センサのブロック図である。
【図２】ＵＷＢレーダの一定レンジ殻を示す図である。
【図３Ａ】種々のＵＷＢレーダ運動検出信号を示す図である。
【図３Ｂ】種々のＵＷＢレーダ運動検出信号を示す図である。
【図３Ｃ】種々のＵＷＢレーダ運動検出信号を示す図である。
【図３Ｄ】種々のＵＷＢレーダ運動検出信号を示す図である。
【図４】ＵＷＢレーダ運動検出器におけるＵＷＢ受信器の回路図である。
【図５】ＵＷＢレーダ運動センサの回路図である。
【図６】ＶＨＦ中間レンジのＵＷＢレーダ運動センサの回路図である。
【図７】ダイポールアンテナ対のリングダウンを示す図である。
【図８Ａ】非ディザ型及びディザ型ＰＲＩ動作によるＵＷＢスペクトルを示す図である。
【図８Ｂ】非ディザ型及びディザ型ＰＲＩ動作によるＵＷＢスペクトルを示す図である。
【図９】二重殻の速度測定を説明する図である。
【図１０】時間マルチプレクスされる二重レンジ殻速度測定システムを示す回路図である。
【図１１】二重遅延速度測定システムを示す回路図である。
【図１２Ａ】変調コルピッツＲＦ発振回路の回路図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａの回路からの出力信号を示す図である。

Claims (25)

1. 超広帯域（ＵＷＢ）レーダパルスを送信し、固定レンジからの反射パルスを検出し、繰り返しパルスに対し検出パルスを平均化し、そして平均値の変化を測定する、という段階を備えたことを特徴とする方法。
2. 固定レンジからの反射パルスを検出する上記段階は、送信パルスの放射後に固定の遅延でサンプリングゲートを開くことによって行う請求項１に記載の方法。
3. レンジを調整することを更に含む請求項１に記載の方法。
4. 約１，０００ないし１０，０００個のパルスを平均化する請求項１に記載の方法。
5. 送信パルスのパルス繰り返し周波数にディザ作用を与えることを含む請求項１に記載の方法。
6. ５ｎｓ未満のパルス巾でＵＷＢレーダパルスを送信することを含む請求項１に記載の方法。
7. １ｎｓ未満のパルス巾でＵＷＢレーダパルスを送信することを含む請求項１に記載の方法。
8. ２つの異なるレンジからの信号を測定しそして２つのレンジからの信号間の時間差から速度を決定する請求項１に記載の方法。
9. アンテナのリングダウンによって生じた反射パルスを検出することを更に含む請求項１に記載の方法。
10. 同調回路又はバンドパスフィルタをショック励起することにより送信レーダパルスを形成することを更に含む請求項１に記載の方法。
11. 発振器を変調することによって送信レーダパルスを形成することを更に含む請求項１に記載の方法。
12. 上記レーダパルスは、キャリア周波数なしに送信される請求項１に記載の方法。
13. パルス繰り返しインターバル発生器と、上記パルス繰り返しインターバル発生器に接続された固定基準遅延手段と、上記基準遅延手段に接続された送信パルス発生器と、上記送信パルス発生器に接続された送信アンテナと、上記パルス繰り返しインターバル発生器に接続された調整可能な遅延手段と、上記調整可能な遅延手段に接続されたゲートパルス発生器と、上記ゲートパルス発生器に接続されたＵＷＢレーダ受信器と、上記ＵＷＢ受信器に接続された受信アンテナと、上記ＵＷＢ受信器に接続された信号処理手段とを備えたことを特徴とする超広帯域（ＵＷＢ）レーダの運動センサ。
14. 上記信号処理手段に接続されたアラーム手段を更に備えた請求項１３に記載のセンサ。
15. 上記パルス繰り返しインターバル発生器に接続されたノイズ発生器を更に備えた請求項１３に記載のセンサ。
16. 上記調整可能な遅延手段に接続されたレンジ調整手段を更に備えた請求項１３に記載のセンサ。
17. 上記信号処理手段は、積分器の後に微分器を備えている請求項１３に記載のセンサ。
18. 上記信号処理手段は、バンドパスフィルタである請求項１３に記載のセンサ。
19. 上記パルス繰り返しインターバル発生器は、ディザ型パルス発生器である請求項１３に記載のセンサ。
20. ２つの固定レンジ間を繰り返し切り換えるために上記調整可能な遅延手段に接続された方形波発振器と、ＵＷＢ受信器の出力を各レンジに対する個別の運動検出器に対して切り換えるためにＵＷＢ受信器の出力及び方形波発振器に接続されたアナログスイッチとを更に備えた請求項１３に記載のセンサ。
21. 上記ゲートインパルス発生器に接続された第２ＵＷＢレーダ受信器と、該第２ＵＷＢレーダ受信器に接続された第２の受信アンテナと、該第２受信アンテナと上記第２のＵＷＢ受信器との間或いは上記ゲートインパルス発生器と上記ＵＷＢ受信器の１つとの間に配置された遅延線とを更に備えた請求項１３に記載のセンサ。
22. 上記ＵＷＢレーダ受信器は、約１，０００ないし１０，０００個のパルスを平均化する請求項１３に記載のセンサ。
23. 上記送信及び受信アンテナは、アンテナリングダウンを示すダイポール対で形成される請求項１３に記載のセンサ。
24. 上記送信パルス発生器は、ショック励起される同調回路又はバンドパスフィルタより成る請求項１３に記載のセンサ。
25. 上記送信パルス発生器は、変調発振器より成る請求項１３に記載のセンサ。

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