JP4096861B2 - 検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電波や赤外線等の電磁波による送信信号を射出し、これが物体に反射して反射信号が得られるか否かによって物体の存在を検出する検出装置に関するものである。

従来、電磁波を射出し、被検物体で反射した電磁波（反射信号）を受信することで物体の有無や物体までの距離を検出するセンサ（検出装置）が、種々の用途に利用されている。例えば、自動ドアや銀行のＡＴＭにおいて人が前に立ったことを検知して動作を開始するためのセンサや、自動車において車間距離を計測する装置（距離検出装置）等として利用されている。

距離検出装置は、船舶、航空機、気象観測装置、プラントなどの産業機器用途に広く使用される。距離検出装置の代表的なものとして、パルスレーダを応用したものが知られている。このパルスレーダは、送波として電磁波パルスを発生させ、対象物へ照射し、対象物から反射されてくる反射波を受信し、送波の送信時刻から反射波を受信した時刻の遅れ時間を計測することにより、その遅れ時間に、電磁波の伝播速度を乗じることにより距離を算出するものである。（特許文献１参照）

図９は、従来のパルスレーダの構成を示すブロック図である。

該パルスレーダは、数ＭＨｚの波長を発振する局部発振器１１や、該発振波長に基づいてインパルス波（送信信号）を生成するインパルス生成部１２、該送信波を射出するアンテナ１３、該送信信号が物体ｍに反射して戻ってきた反射波（反射信号）を受信するアンテナ１４、該反射信号の伸張処理を行う時間伸張処理部１５、伸張処理した信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部１６、該信号に基づいて遅延時間や電力強度の演算を行う演算器１７を備えている。

これらの構成により従来のパルスレーダは、下記ステップで距離を測定する。

１）アンテナ１３を通して空間にインパルスを周期的に照射し、
２）照射したインパルスが、物体に反射し、
３）反射したインパルスが、アンテナ１４から再度レーダに取り込まれ、
４）取り込まれたインパルスに時間伸張処理を施し、
５）時間伸張処理された波形をＡＤ変換器によってディジタル化し、
６）演算部によって、反射波の遅延時間や、電力強度を算出し、距離を求め、
７）演算結果としてのレーダと物体との距離を出力する。

なお、レーダと物体との距離は、照射波に対する反射波の遅延時間に比例する。このように物体で反射したインパルスを受信し、これに基づいて距離を検出しているが、この周期的に受信されるインパルスの全てについて遅延時間や電力強度の算出等の処理を行おうとしても、ＡＤ変換器等の処理速度が高速な波形変化に追随できないため、時間伸張処理を行ってからＡＤ変換や演算の処理を行っている。

図１０は、このときのサンプリングのタイミングを示したものである。図１０中、細線で示された受信波形は、アンテナ１４に連続的に受信される送波と反射波を示している。このように、送波と反射波は、周期的に受信されている。そこで、時間伸張処理部１５は、この信号を、送波と反射波の周期Ｌ１とずれたタイミング（時刻ｔ11 乃至ｔ17 ）で、
サンプリングすることにより、各反射波を時間的に伸長する。尚、図１０中の太線の波形が時間伸張処理された信号である。

この場合、サンプリングのタイミングｔ11乃至ｔ17 のそれぞれの間隔は、送波と反射
波の周期Ｌ１よりも若干長く、均等に設定されている（周期Ｌ２）。従って、反射波に着目すれば、時刻ｔ12 でサンプリングされる信号は、時刻ｔ11 でサンプリングされる信号よりも、反射波の進んだ位置の信号をサンプリングしている。さらに、時刻ｔ13 で、サ
ンプリングされる信号は、時刻ｔ12 でサンプリングされる信号よりも、反射波の進んだ
位置をサンプリングしている。これを、時刻ｔ11 乃至ｔ17 について実行し、結ぶことにより、受信された信号は、時間軸に対して拡張される、すなわち、時間伸張処理がなされることになる。尚、図１０の丸印は、各サンプリングタイミングでサンプリングされる位置を示す。
特開２００１−２６４４１９号公報

特許文献１における電波センサの受信回路方式では、時間伸張処理部において、送信のインパルス生成部とは別に、受信サンプリングタイミング生成用として局部発振回路を持つ必要があった。また、受信波形をＡＤ変換器で処理し、有効な情報を切り出す必要があった。即ち、局部発振や、ＡＤ変換部及び演算部が必要であり、装置構成が複雑であると共に消費電力が大きくなる問題があった。

また、通信などで広く利用される電波による影響を受け易いという問題があった。

そこで本発明は、このような従来の技術の問題点を解決することを目的とする。即ち本発明は、物体を検知する距離を予め特定することによって、回路規模を最小限に抑え、装置構成の簡素化を図った。これにより小型化、低電圧化、低消費電力化、低コスト化が要求されるシーンで活用可能とした。

また、複数のサンプリング値を用いることにより、妨害波に対する耐性を向上させた。

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。

本発明の検出装置は、パルス状の電磁波による送信信号を所定の周期で射出し、該送信信号が物体で反射されたときの反射信号を受信し、該反射信号に基づいて物体の存在を検出する検出装置において、
送信信号が入射した物体からの反射信号を受信する受信部と、
前記周期毎に、前記送信信号の射出からの遅延時間により規定される少なくとも３点のサンプリングタイミングにおいて前記反射信号をサンプリングするサンプリング部と、
Ｎ点目のサンプリング値とＮ−１点目のサンプリング値の組み合わせの各々について、サンプリング値の差分を算出する差分処理部と、
各組み合わせの差分の絶対値を積算または平均し、得られた積算値または平均値を閾値と比較して物体の存在を判定し、判定結果を出力する判定部とを有する。

本発明の検出装置は、パルス状の電磁波による送信信号を所定の周期で射出し、該送信信号が物体で反射されたときの反射信号を受信し、該反射信号に基づいて物体の存在を検出する検出装置において、
送信信号が入射した物体からの反射信号を受信する受信部と、
前記周期毎に、前記送信信号の射出からの遅延時間により規定される２点のサンプリングタイミングにおいて前記反射信号をサンプリングするサンプリング部と、
前記周期毎に、１点目のサンプリング値と２点目のサンプリング値の差分を算出する差分処理部と、
前記差分の値に基づいて物体の存在を判定し、判定結果を出力する判定部とを有し、
前記判定部が、所定期間内に得られた周期毎の差分の値から差分の乱れの大きさを求め、前記差分の乱れの大きさが所定値以上の場合に２点目のサンプリングタイミングを規定する遅延時間の設定を変更する。

本発明の検出装置は、パルス状の電磁波による送信信号を所定の周期で射出し、該送信信号が物体で反射されたときの反射信号を受信し、該反射信号に基づいて物体の存在を検出する検出装置において、
送信信号が入射した物体からの反射信号を受信する受信部と、
前記所定の周期毎に、前記送信信号の射出からの遅延時間により規定される３点のサンプリングタイミングにおいて前記反射信号をサンプリングするサンプリング部と、
前記周期毎に、１点目のサンプリング値と２点目のサンプリング値の第１の差分と、１点目のサンプリング値と３点目のサンプリング値の第２の差分とを算出する差分処理部と、
前記第１の差分と第２の差分のいずれかの値に基づいて物体の存在を判定し、判定結果を出力する判定部とを有し、
前記判定部が、所定期間内に得られた周期毎の第１の差分と第２の差分のそれぞれの値から第１の差分と第２の差分のそれぞれの乱れの大きさを求め、乱れの大きさが小さいほうの差分の値を前記判定に用いる。

なお、本発明において送信信号は、電波や赤外線、レーザ光などの電磁波による信号である。

本発明によれば、物体を検知する距離を予め特定することによって、回路規模を抑え、装置構成の簡素化を図った検出装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。以下の実施の形態の構成は例示であり、本発明は実施の形態の構成に限定されない。

〈実施形態１〉
図１は、本発明に係るパルスセンサ（検出装置）１の構成を示すブロック図である。

本形態のパルスセンサ１は、局部発振器１１や、インパルス生成部１２、アンテナ１３，１４、遅延回路２、サンプリング部３、ノイズ除去部４、判定部５を備えている。

この局部発信器１１は、数ＧＨｚのクロック信号を生成してインパルス生成部１２に供給する。

インパルス生成部１２は、局部発信器１１から供給されたクロック信号に基づいて、急峻なパルス（インパルス）状の送信信号を生成し、アンテナ１３及び遅延回路２に出力する。

アンテナ（射出部に相当）１３は、インパルス生成部１２から入力された送信信号を電波として射出する。

アンテナ（受信部に相当）１４は、アンテナ１３から射出された送信信号のうち、物体ｍに反射された反射波（反射信号）を受信し、これを電気信号としてサンプリング部３に出力している。

遅延回路２は、インパルス生成部１２から入力された信号に遅延時間を与えてサンプリング部に出力している。この遅延時間は、公知の如何なる手段を用いて与えても良い。例えばＬＣ回路乃至はＲＣ回路の時定数で設定しておくことで与えても良い。

サンプリング部３は、遅延回路２から入力された信号に基づいて前記送信信号の射出から所定の遅延時間後にアンテナ１４からの信号（反射信号）をサンプリングする。これによりサンプリング部３は送信信号と同期させたタイミングで反射信号をサンプリングしている。なお、このサンプリングタイミングは、予め被検物体が装置１からどのくらいの距
離に位置したときに検出するのかを決めておき、この検出する位置に該物体が存在したときに、該物体からの反射信号が受信するタイミングとしている。即ち、このときの送信信号の射出から反射信号の受信までの遅延時間を予め求めておき、送信信号に該遅延時間を与えるように遅延回路２を構成し、サンプリング部３が該遅延時間を与えられた信号の受信を契機にサンプリングを行う。

ノイズ除去部４は、ローパスフィルタやハイパスフィルタ等、公知のノイズ除去手段からなっており、サンプリング部３から入力された信号からノイズ、特に高調波を除去し、該信号を判定部５に出力する。

判定部５は、前記ノイズ除去部４を介してサンプリング部３でサンプリングした値を閾値と比較して物体の存在を判定し、判定結果を出力する。本実施形態では、該サンプリング値が閾値以上であるか否かを判定し、閾値以上であれば、物体が存在したために反射信号が得られたものと判定し、所定の信号（物体が存在する旨の信号）を出力する。具体的には、閾値以上であれば判定結果として反射信号の電力強度に比例した信号（電圧変化）を出力し、閾値以下であれば電圧変化を出力しない。

図２は、物体検出時のサンプリングの説明図である。尚、図中、太線の矢印がサンプリングタイミングを示し、丸印が各サンプリングタイミングでサンプリングされる位置を示す。

上記構成の検出装置１は、パルス状の照射波（送信信号）を一定の周期Ｌ１で射出し、予め設定された遅延時間Ｌ３後に反射波（反射信号）をサンプリングする。この反射波が存在する（即ち閾値以上の信号が入力された）と判定部５で判定した場合、反射波の電力強度に比例した電圧変化を出力することで後段の装置に物体の検出を通知する。なお、反射波が特定の遅延時間Ｌ３後に存在しない場合は、電圧変化は出力されない。

このように本実施形態では、照射波と同期したタイミングで反射波をサンプリングし、反射波の有無により物体の存在を検出している。

ここで照射波を射出する周期Ｌ１は、任意に設定して良いが、例えば数μｓｅｃ〜数十μｓｅｃとするのが良い。この範囲を超えて周期Ｌ１を極端に長くすると、照射される電波の総電力が小さくなり、十分な検知距離が得られなくなってくる。また、周期Ｌ１を極端に短くすると、パルス生成部の消費電力の増加や、汎用的なデバイスを利用できないといったデメリットが生じることがある。

また、物体の存在を検出する位置としては、例えば検出装置１と物体との距離が１ｃｍ〜１００ｃｍとなる位置とするのが良く、特に５ｃｍ〜５０ｃｍが望ましい。

このように物体の存在を検出することにより、例えば、住宅のドアノブの付近に検出装置１を設置し、人の手（物体）が近づいたら（所定の位置に存在したら）、該ドアのロックの駆動装置（不図示）に通知し、ロックを解除させるような制御が可能になる。

また、水道の出水・止水を制御する自動水栓付きの蛇口（不図示）に検出装置１を設け、該検出装置１が人の手（物体）が近づいたことを検出した場合に、これを該自動水栓に通知して水を出させ、人の手が遠ざかったことを検出した場合に、この手が存在しなくなったこと（物体の不存在）を該自動水栓に通知して水を止めるといった制御が可能となる。

このように本実施形態によれば、従来装置（図９）と比較して時間伸張処理用の局部発
信器１８やＡ／Ｄ変換部１６を用いずに簡素な構成で物体の存在を検出することができる。

なお、本実施形態では、物体が存在した場合のサンプリング値がプラスになるようにサンプリングを行った例を示したが、サンプリング値がマイナスになるようにサンプリングを行った場合に、閾値以上とはマイナスの値が大きい（電圧値が閾値以下）、即ち電位差が大きい場合とする。

〈実施形態２〉
図３は、本発明の実施形態２としての検出装置１０を示すブロック図、図４は検出装置１０におけるサンプリングの説明図である。

本実施形態は、前述の実施形態１と比較し、一つの反射信号当たり遅延時間を変えて複数回サンプリングし、この複数サンプリングした値について判定するようにした構成が異なり、その他の構成は略同じである。特に本実施形態の検出装置１０は、一つの反射信号当たり遅延時間を変えてＮ回（本例では２回）サンプリングし、前記判定部が、Ｎ回目にサンプリングした値とＮ−１回目にサンプリングした値との差分について閾値以上であるか否かを判定している。

なお、前述の実施形態１と同一の要素には同符号を付して再度の説明を省略する。

図中、遅延回路２ａ、サンプリング部３ａ、ノイズ除去部４ａは、図４の矢印ａ（１回目）のタイミングでサンプリングを行う要素、遅延回路２ｂ、サンプリング部３ｂ、ノイズ除去部４ｂは、図４の矢印ｂ（２回目）のタイミングでサンプリングを行う要素である。これらの遅延回路２ａ，２ｂ、サンプリング部３ａ，３ｂ、ノイズ除去部４ａ，４ｂは、それぞれ前述の遅延回路２、サンプリング部３、ノイズ除去部４と同じ機能である。

なお、遅延回路２ａと遅延回路２ｂとでは、遅延時間を僅かに異ならせている。これにより、遅延回路２ａ、サンプリング部３ａ及びノイズ除去部４ａが、図４の矢印ａ（１回目）のタイミングでサンプリングした信号（１回目のサンプリング値）を差分処理部６に入力し、遅延回路２ｂ、サンプリング部３ｂ及びノイズ除去部４ｂが、図４の矢印ｂ（２回目）のタイミングでサンプリングした信号（２回目のサンプリング値）を差分処理部６に入力する。このとき１回目のサンプリング位置と２回目のサンプリング位置とがパルス幅の半分からパルス幅程度異なるように、例えば反射波の最大値と最小値とがサンプリングできるように遅延回路２ａ，２ｂの遅延時間を設定している。

そして差分処理部６は、１回目のサンプリング値と２回目のサンプリング値の差分を求め、判定部５に出力している。

判定部５は、該差分処理部６で求めた差分が所定の閾値以上であるか否かを判定し、閾値以上であれば物体が存在する旨の信号を出力する。

このように本実施形態の構成であれば、アマチュア無線や携帯電話等の通信機器のような比較的長い波長の信号（妨害波）が反射信号と重畳した場合、複数のサンプリング値が同程度に妨害波の影響を受け、共に上がる或いは下がることになるので、その差分を取ることで妨害波の影響を除くことができる。

従って本実施形態によれば、前述の効果に加え、妨害波に対する耐性を向上させることができる。

〈変形例〉
上記実施形態では、２回サンプリングを行う例を示したが、これに限らず、遅延回路２、サンプリング部３をＮ組設けて（ノイズ除去部４は任意）、Ｎ回サンプリングを行っても良い。図５は、遅延回路２、サンプリング部３、ノイズ除去部４を３組設けて、３回サンプリングを行う検出装置２０のブロック図であり、図６は、この検出装置２０におけるサンプリングの説明図である。

この場合、例えば、Ｎ回目のサンプリング値とＮ−１回目のサンプリング値の差分の絶対値を取り、各絶対値を積算して所定の閾値と比較し、閾値以上であれば物体が存在する旨の信号を出力する。

比較的長い波長の妨害波は、図６（ｂ）に示すように一様な傾き変化と見なすことができるため、本実施形態のように複数の差分を積算する構成であれば、妨害波の影響を相殺できる。

また、複数の差分を求めた場合、積算に限らず、平均値を求めるなど、他の統計的処理をし、閾値と比較して反射信号の有無を求めても良い。

〈実施形態３〉
図７は、本発明に係る実施形態３としての検出装置３０を示すブロック図、図８はこの検出装置３０におけるサンプリングの説明図である。本実施形態は、前述の実施形態２と比べ、複数の反射信号についてノイズレベルを求め、該ノイズレベルに基づいてサンプリングタイミングを変更する構成が異なり、その他の構成は略同じである。このため、同一機能の要素には、同符号を付すなどして再度の説明を省略している。

本実施形態の検出装置３０は、所定の周期ｈ１で送信信号を射出しているため、略同周期ｈ１で反射信号が得られ、この周期ｈ１毎にサンプリング及び判定を行っている。

このとき反射信号の波長に近いノイズ成分が反射信号に重畳すると、この周期ｈ１毎にサンプリングした値に乱れが生じることになる。

そこで本実施形態の検出装置３０は、周期ｈ１毎にサンプリングした値の差分を比較し、この乱れの大きさ（ノイズレベル）を求め、このノイズレベルが所定値以上であれば、遅延時間を切り換える旨の信号（切換信号）を遅延回路２ｂに通知する。

遅延回路２ｂは、このノイズレベルに基づく切換信号を受信した場合に遅延時間を切り換える。

従って、反射信号のノイズレベルが高い場合には、サンプリングタイミングを切り換えるようにしている。

例えば、図８（ａ）に示す矢印ａ，ｂのタイミングでサンプリングを行っている場合（パターン１）に、判定部５が所定期間内に差分処理部６から受信した差分を比較し、このノイズレベルが閾値以上と判断すると、遅延回路２ｂに切換信号を通知し、該遅延回路２ｂが遅延時間を切り換えて矢印ａ，ｃのタイミングでサンプリングを行う（パターン２）ようにしている。

このように本実施形態によれば、前述の効果に加えて反射信号の波長に近いノイズに対する耐性が向上する。

なお、上記の例では、ノイズレベルが高くなったときに他方のサンプリングタイミングに切り換えているが、これに限らず、判定部５が一定期間で遅延時間を切り換えるように切換信号を遅延回路２ｂに送信し、パターン１とパターン２でサンプリングを行わせ、それぞれの差分を判定して、ノイズレベルの低いパターンに切り換えるように切換信号を遅延回路２ｂに送信しても良い。

〈変形例〉
上記の例では、遅延時間を切り換えることで判定するサンプリングタイムを換えていたが、これに限らず常に複数のサンプリングを行い、このうちノイズレベルの低いサンプリング値或いは差分を採用する構成でも良い。

例えば図５に示すように、遅延回路２ａ、サンプリング部３ａ、ノイズ除去部４ａ或いは、遅延回路２ｂ、サンプリング部３ｂ、ノイズ除去部４ｂ或いは、遅延回路２ｃ、サンプリング部３ｃ、ノイズ除去部４ｃにより、それぞれ図８の矢印ａ、矢印ｂ、矢印ｃのタイミングでサンプリングを行う。そして差分処理部６は、矢印ａと矢印ｂのタイミングでサンプリングした値の差分Δ１、および矢印ａと矢印ｃのタイミングでサンプリングした値の差分Δ２を求めて判定部５に出力する。

判定部５は、所定期間内に受信した差分Δ１と差分Δ２のノイズレベルをそれぞれ求めて比較し、ノイズレベルの低い差分を採用する。即ち、ノイズレベルの低い差分を受信したタイミングで物体を検出した旨の信号（判定結果）を出力する。

このような構成あっても上記実施形態３と同様の効果が得られる。

〈その他〉
本発明は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施形態では、検出装置１が送信信号を射出するためのインパルス生成部１２やアンテナ１３を備えたが、本発明はこれに限らず反射信号を受信する要素１２，１４，２，３，４，５で構成しても良い。この場合、他の装置が所定周期ｈ１で送信信号を射出し、本発明の検出装置がこの送信信号及び反射信号を受信し、該送信信号の受信から所定の遅延時間で反射信号のサンプリングを行う。このように送信信号を射出する装置が別体であっても前述の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明に係る実施形態１としての検出装置のブロック図 実施形態１におけるサンプリングタイミングの説明図 本発明に係る実施形態２としての検出装置のブロック図 実施形態２におけるサンプリングタイミングの説明図 実施形態２に係る変形例としての検出装置のブロック図 実施形態２の変形例におけるサンプリングタイミングの説明図 本発明に係る実施形態３としての検出装置のブロック図 実施形態３におけるサンプリングタイミングの説明図 従来の検出装置のブロック図 従来の検出装置におけるサンプリングタイミングの説明図

符号の説明

１，１０，２０，３０ 検出装置
２，２ａ，２ｂ，２ｃ 遅延回路
３，３ａ，３ｂ，３ｃ サンプリング部
４，４ａ，４ｂ，４ｃ ノイズ除去部
５ 判定部
６ 差分処理部
１１ 局部発信器
１１ 局部発振器
１２ インパルス生成部
１３，１４ アンテナ
１５ 時間伸張処理部
１６ 変換部
１７ 演算器
１８ 局部発信器

Claims (3)

1. パルス状の電磁波による送信信号を所定の周期で射出し、該送信信号が物体で反射されたときの反射信号を受信し、該反射信号に基づいて物体の存在を検出する検出装置において、
   送信信号が入射した物体からの反射信号を受信する受信部と、
   前記周期毎に、前記送信信号の射出からの遅延時間により規定される少なくとも３点のサンプリングタイミングにおいて前記反射信号をサンプリングするサンプリング部と、
   Ｎ点目のサンプリング値とＮ−１点目のサンプリング値の組み合わせの各々について、サンプリング値の差分を算出する差分処理部と、
   各組み合わせの差分の絶対値を積算または平均し、得られた積算値または平均値を閾値と比較して物体の存在を判定し、判定結果を出力する判定部とを有する検出装置。
2. パルス状の電磁波による送信信号を所定の周期で射出し、該送信信号が物体で反射されたときの反射信号を受信し、該反射信号に基づいて物体の存在を検出する検出装置において、
   送信信号が入射した物体からの反射信号を受信する受信部と、
   前記周期毎に、前記送信信号の射出からの遅延時間により規定される２点のサンプリングタイミングにおいて前記反射信号をサンプリングするサンプリング部と、
   前記周期毎に、１点目のサンプリング値と２点目のサンプリング値の差分を算出する差分処理部と、
   前記差分の値に基づいて物体の存在を判定し、判定結果を出力する判定部とを有し、
   前記判定部が、所定期間内に得られた周期毎の差分の値から差分の乱れの大きさを求め、前記差分の乱れの大きさが所定値以上の場合に２点目のサンプリングタイミングを規定する遅延時間の設定を変更する検出装置。
3. パルス状の電磁波による送信信号を所定の周期で射出し、該送信信号が物体で反射されたときの反射信号を受信し、該反射信号に基づいて物体の存在を検出する検出装置において、
   送信信号が入射した物体からの反射信号を受信する受信部と、
   前記所定の周期毎に、前記送信信号の射出からの遅延時間により規定される３点のサン
   プリングタイミングにおいて前記反射信号をサンプリングするサンプリング部と、
   前記周期毎に、１点目のサンプリング値と２点目のサンプリング値の第１の差分と、１点目のサンプリング値と３点目のサンプリング値の第２の差分とを算出する差分処理部と、
   前記第１の差分と第２の差分のいずれかの値に基づいて物体の存在を判定し、判定結果を出力する判定部とを有し、
   前記判定部が、所定期間内に得られた周期毎の第１の差分と第２の差分のそれぞれの値から第１の差分と第２の差分のそれぞれの乱れの大きさを求め、乱れの大きさが小さいほうの差分の値を前記判定に用いる検出装置。

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