JP4448974B2

JP4448974B2 - マイクロウエーブセンサ

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Publication number: JP4448974B2
Application number: JP2004028103A
Authority: JP
Inventors: 正敏辻
Original assignee: Optex Co Ltd
Current assignee: Optex Co Ltd
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: US7176829B2; GB2410851A; US20050174278A1; GB0502374D0; FR2868543A1; JP2005221308A; GB2410851B; FR2868543B1

Description

本発明は、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、ＭＷセンサが検知対象としている物体の検知精度を向上するための対策に関する。

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（侵入者）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）を受信して人体を検知するＭＷセンサが知られている（例えば下記の特許文献１）。

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（人体等の検知対象物体）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。また、この位相差の時間的な変化を認識することにより検知エリア内の物体が移動しているか否かを判定することも可能である。これにより、例えば検知エリア内で移動している物体のみを、検知すべき物体（ターゲット）として判定することが可能になる。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。

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２（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２（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。また、この矩形波Ａ，Ｂの位相差の時間的な変化を認識することにより、検知エリア内の物体の移動を認識することが可能である。

ところで、この種のセンサを防犯用センサとして使用し、上記位相差の時間的な変化を認識して検知エリア内で移動している物体のみを、検知すべき物体（ターゲット）であると判定するようにした場合、以下に述べる不具合がある。

つまり、この種のセンサを屋外に設置した場合に、風による草木などの揺れによって上記矩形波Ａ，Ｂに位相差が生じ、これによって草木などを、検知すべき物体（ターゲット）であると誤検知（誤報）してしまう可能性がある。このような状況は、草木の揺れに限らず、降雨時やセンサ自身の振動（風の影響による振動）によっても引き起こされる。同様に、この種のセンサを屋内に設置した場合には、換気用のファンの回転動作や、風によるブラインドやカーテンの揺れによっても上記矩形波Ａ，Ｂに位相差が生じ、この場合にも人体以外の物体を、検知すべき物体であると誤検知してしまう可能性がある。

これらの不具合に鑑み、本発明の発明者は、人体などの検知すべき物体とそうでない物体との判別を正確に行って、誤報を回避することができるＭＷセンサについて既に提案している（下記の特許文献２）。具体的には、検知エリア内での物体の総移動距離を認識し、その総移動距離が所定距離を上回った場合にその物体が検知すべき物体であると判定する（草木などであれば総移動距離が上記所定距離を上回ることがないので、これによって判別する）ようにしている。以下、このような対策を「草木対策」と呼ぶ。
特開２００３−１２１５３２号公報特開２００３−２０７４６２号公報

上述したように検知エリア内での物体の総移動距離を認識することによって、検知すべき物体と草木等とを判別すること（上記草木対策）は有効であるが、これらを判別するためのレベル（草木対策レベル：検知すべき物体と草木等とを識別するための判定値となる距離）を適切に設定することは難しい。

つまり、草木対策レベルを低く（物体の総移動距離が短くても物体検知を行う状態に）設定してしまうと、風によって草木が数十ｃｍの範囲で揺れている状況では、この草木を検知対象物体であると認識してしまって誤報が発生してしまう。特に、この種のＭＷセンサは、検知エリア内の人体からの赤外線を受けて人体と周囲温度との差から侵入者を検知するＰＩＲセンサと組み合わされて使用される場合が多いが、このように草木対策レベルを低く設定した場合には、ＭＷセンサは常時発報した状態になってしまう可能性があり、ＰＩＲセンサ単体でセンサ装置を構成した場合と実質的に変わらなくなってしまい、組合せセンサとしての信頼性の低下を招いてしまう。

逆に、草木対策レベルを高く（物体の総移動距離が長く（例えば１００ｃｍ程度に）ならない限り物体検知を行わない状態に）設定してしまうと、検知エリア内を横切るように移動する人体（ＭＷセンサとの相対距離の変化が少ない移動状態の物体）に対しては検知することが困難になり、この場合にもＭＷセンサの信頼性を確保することができない。

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、上記草木対策を講じたＭＷセンサに対し、環境の変化に拘わりなく信頼性の高い物体検知動作を安定的に維持することができるＭＷセンサを提供することにある。

−発明の概要−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決手段は、上記草木対策レベルを決定する判定値となる距離の設定を変更可能とし、誤報が頻繁に発生する状況では草木対策レベルを高めるようにする一方、誤報が発生しにくい状況では、その状況に応じて草木対策レベルを低くして失報を少なくするように、環境変化に応じて設定を変更するようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、検知対象エリアに向けてマイクロ波を送信し、この検知対象エリア内に検知対象物体が存在する場合に、上記マイクロ波が検知対象物体で反射されてドップラ効果により変調した反射波を受信して物体検知動作を行うマイクロウエーブセンサを前提とする。例えば、周波数の異なる２種類のマイクロ波を送信し、このマイクロ波の送信方向に物体が存在する場合に、この物体による各マイクロ波の反射波を受信し、これら反射波とその送信波とをミキシングした後のＩＦ信号同士の位相差により物体までの距離を計測する２周波式マイクロウエーブセンサである。このマイクロウエーブセンサに対し、上記反射波を受けて検知エリア内に存在する物体の移動距離を計測し、その移動距離が、予め設定された物体判定移動距離以上であるときにのみ、その物体を、検知すべき物体であると判定する物体判定手段を備えさせる。そして、この物体判定手段が、予め設定された第１の所定時間内における物体検知動作が第１の所定回数以上であるときには、上記物体判定移動距離が長くなるように変更する一方、その後、予め設定された第２の所定時間内における物体検知動作が第２の所定回数未満であるときには、上記物体判定移動距離が短くなるように変更する構成としている。

この特定事項により、例えば風の影響によって草木が揺れたりセンサ自身が振動したりして誤報が頻発する状況では、物体判定移動距離が長くなるように設定を変更する。これにより、風の影響による草木の揺れやセンサ自身の振動が、この延長された物体判定移動距離以上に大きくならない限り、誤報が生じることが無くなり誤報発生要因を削減できる。一方、このように物体判定移動距離が長くなるように設定が変更された後、所定時間内（第２の所定時間内）における物体検知動作回数が少ない（第２の所定回数未満）ときには、失報を回避するために上記物体判定移動距離が短くなるように設定を変更する。このような動作により、現時点での環境条件（風の状態など）に適した物体判定移動距離が自動的に設定され、検知対象物体と草木などの非検知対象物体との識別が確実にでき、誤報及び失報を回避できて、物体の検知精度の高いＭＷセンサを得ることができる。

物体判定移動距離の変更動作としてより具体的には以下のものが掲げられる。先ず、物体判定移動距離を複数段階に変更可能にする。そして、物体判定手段が、物体判定移動距離を長くする変更動作時及び物体判定移動距離を短くする変更動作時共に一段階ずつ物体判定移動距離を変更していく構成としている。これよれば、物体判定移動距離が急激に変化することなく、環境に応じた最適な物体判定移動距離への収束性が良好に得られる。

また、一旦長く設定された物体判定移動距離を短くするかそのまま維持するかを選択するための動作として具体的には以下のものが掲げられる。つまり、物体判定移動距離を複数段階に変更可能にする。そして、物体判定手段が、上記物体判定移動距離を長くする変更が行われた後、物体判定移動距離を変更前の物体判定移動距離と仮定した場合の第２の所定時間内における物体検知動作が第２の所定回数未満であったときには、上記物体判定移動距離が短くなるように変更する一方、上記仮定した場合の第２の所定時間内における物体検知動作が第２の所定回数以上であったときには、現在設定されている物体判定移動距離を維持するようにしている。これにより、物体判定移動距離が頻繁に設定変更されてしまうといった状況を回避でき、制御の安定性を維持することができる。

本発明では、草木対策レベルを決定する判定値となる距離の設定を変更可能とし、誤報が頻繁に発生する状況では草木対策レベルを高めるようにする一方、誤報が発生しにくい状況では、その状況に応じて草木対策レベルを低くして失報を少なくするように、環境変化に応じて設定を変更するようにしている。このため、風の影響による草木の揺れやセンサ自身の振動に応じて、誤報や失報が生じ難い物体判定移動距離を自動的に設定することができ、ＭＷセンサの物体検知精度の向上を図ることができる。

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、ＭＷセンサを防犯センサとして使用した場合であって、周波数の異なる２種類のマイクロ波を利用して検知対象物体（侵入者等）を判定するようにしたＭＷセンサに本発明を適用した場合について説明する。

−ＭＷセンサの構成説明−
図１は本形態に係るセンサ装置としての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。

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対象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から検知対象エリアに向けて送信されたマイクロ波は、検知対象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。

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の出力側には物体判定手段としての物体判定部３８が設けられている。

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。

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。

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から検知対象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から検知対象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出力信号が、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物体判定部３８に出力されるようになっている。

更に、上記各処理動作について詳述すると、検知対象エリア内に人体等の物体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、検知対象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、この矩形波が物体判定部３８に出力されるようになっている。

−物体判定部３８の説明−
次に、コンパレータ３６，３７からの出力信号波形を受ける物体判定部３８について説明する。この物体判定部３８は、上記各コンパレータ３６，３７の出力信号波形を受け、これに基づいて、検知エリア内に存在する物体のＭＷセンサ１に対する相対的な移動距離を検知するものである。また、この物体判定部３８は、この検知した物体の相対的な移動距離に基づいて検知エリア内の物体が検知すべき物体であるか否かを判別し、物体が検知すべきもの（人体等の検知対象物体）である場合にのみ物体検知信号を発信するようになっている。

具体的には、センサ１から物体までの相対距離を算出していき、この相対距離が、予め設定された値（本発明でいう物体判定移動距離）よりも大きいときにのみ物体判定部３８から物体検知信号が発信（発報）されるようになっている。

この物体の相対的な移動距離の計測動作は以下のとおりである。先ず、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２（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２（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ようになっている。そして、この矩形波Ａ，Ｂの位相差の時間的な変化を認識することにより、検知エリア内の物体の移動を認識し、この物体の総移動距離を計測する。

本発明の特徴は、計測した物体の総移動距離に基づきその物体が検知すべき物体（人体等）であるか否かを判定するための「物体判定移動距離」の設定手法にある。以下、この物体判定移動距離の設定手法について説明する。

この物体判定移動距離としては２種類（２段階）が切り換え可能になっている。具体的に、一つは２０ｃｍであり、もう一つは１００ｃｍである。つまり、物体判定移動距離が２０ｃｍに設定された場合には、検知エリア内の物体が２０ｃｍ移動した場合に物体検知を行ってＭＷセンサ１が発報することになる。一方、物体判定移動距離が１００ｃｍに設定された場合には、検知エリア内の物体が１００ｃｍ移動しない限り物体検知を行わない（ＭＷセンサ１が発報しない）ことになる。つまり、本形態におけるＭＷセンサ１は、上記草木対策を行わない状態、草木対策を行い且つ物体判定移動距離が２０ｃｍに設定された状態、草木対策を行い且つ物体判定移動距離が１００ｃｍに設定された状態とが切り換え可能となっている。これらの切り換え動作について以下に図３のフローチャートに沿って説明する。

先ず、ＭＷセンサ１の起動時には、草木対策を実行していない（草木対策非実行）状態となる（ステップＳＴ１）。この状態では、検知エリア内の物体移動によって信号レベルがトリガレベルを超えた時点で発報することになる。この状態で、ステップＳＴ２では、１分間に５回以上の発報が行われたか否かを判定する。この判定がＹＥＳである場合には、風の影響による草木の揺れなどによって発報（誤報）が頻発する状態にあり、正確な物体検知動作を行うことができない状況にあると判断し、ステップＳＴ３で草木対策を実行する。このときの草木対策のレベルとしては、上記物体判定移動距離を２０ｃｍに設定する「草木対策レベル：弱」である。つまり、検知エリア内の物体の移動量が２０ｃｍ未満である場合には発報せず、この移動量が２０ｃｍを越えた時点で物体検知を行ってＭＷセンサ１が発報するように設定が切り換えられる。一方、ステップＳＴ２の判定がＮＯである場合には、草木の揺れなどによる誤報が頻発する状況にはないとして草木対策の非実行状態を維持する。

草木対策レベルが「弱」に設定された状態において、ステップＳＴ４で、１０分間、トリガレベルを超える信号が発生していない（発報がない）状態にあったか否かを判定し、この判定がＹＥＳであった場合には、風が止んだため草木の揺れなどによる誤報は生じ難い状況になったと判断し、ステップＳＴ１に戻って、草木対策を解除する。

一方、ステップＳＴ４の判定がＮＯであった場合には、ステップＳＴ５に移り、１分間に５回以上の発報が行われたか否かを判定する。この判定がＹＥＳである場合には、風の影響による草木の揺れなどによって未だに発報（誤報）が頻発する状態にあり、正確な物体検知動作を行うことができない状況にあると判断し、ステップＳＴ６で草木対策レベルを変更する。このときの草木対策のレベルとしては、上記物体判定移動距離を１００ｃｍに設定する「草木対策レベル：強」である。つまり、検知エリア内の物体の移動量が１００ｃｍ未満である場合には発報せず、この移動量が１００ｃｍに達した時点で物体検知を行ってＭＷセンサ１が発報するように設定が切り換えられる。一方、ステップＳＴ５の判定がＮＯである場合には、上記草木対策レベルを「弱」に設定したことで、草木の揺れなどによる誤報は生じ難い状況になったと判断し、ステップＳＴ３に戻って、草木対策レベルが「弱」の状態を維持する。

上述したように草木対策レベルが「強」に設定された状態では、検知エリア内の物体の移動量が１００ｃｍ以上に達しない限り物体検知を行わないので、ＭＷセンサ１の誤報を回避することができる。

このような状況において、ステップＳＴ７では以下の判定動作が行われている。つまり、この状況で、仮に草木対策レベルが「弱」に設定されていると仮定した場合に、１０分間、発報がない状態にあったか否かを判定し、この判定がＹＥＳであった場合には、上記草木対策レベルを「弱」に変更した（戻した）としても誤報は生じ難い状況（環境）になったと判断し、ステップＳＴ３に戻って、草木対策レベルを「弱」の状態に戻す。これにより、失報を抑制する草木対策レベルに設定される。

一方、ステップＳＴ７の判定がＮＯであった場合には、ステップＳＴ６に移り草木対策レベルが「強」の状態を維持する。

以上の動作が繰り返されることにより環境変化（風の変化など）に応じた適切な物体判定移動距離が設定されながら検知対象エリア内の物体検知動作が行われる。

以上のように、本形態では、草木対策レベルを決定する判定値となる上記物体判定移動距離を変更可能とし、誤報が頻繁に発生する状況では草木対策レベルを高めるようにする一方、誤報が発生しにくい状況では、その状況に応じて草木対策レベルを低くして失報を少なくするように、環境変化に応じて設定を変更するようにしている。このため、風の影響による草木の揺れやセンサ自身の振動に応じて、誤報や失報が生じ難い物体判定移動距離を自動的に設定することができ、ＭＷセンサ１の物体検知精度の向上を図ることができる。

−その他の実施形態−
上述した実施形態では、周波数の異なる２種類のマイクロ波を利用して検知物体までの距離を計測するようにしたＭＷセンサ１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検知物体までの距離を計測するようにしたものや、ステレオ方式やその他の方式によって検知物体までの距離を計測するようにしたものにも適用可能である。また、ＰＩＲセンサと組み合わされて使用されるＭＷセンサにも適用可能である。

また、上記実施形態では、草木対策として物体判定移動距離を２０ｃｍにする場合と１００ｃｍにする場合とを切り換え可能にした。本発明はこれに限らず、物体判定移動距離を３段階以上に切り換え可能にしてもよい。また、物体判定移動距離の値としても上記のものに限るものではない。

更に、上記実施形態では、非検知対象物として草木を例に掲げて説明した。これに限らず、風によりブラインドやカーテンが揺れている状況や、換気用のファンが回転している状況においても、これらを非検知対象物として認識することが可能である。

加えて、本発明によれば、風や地震や大型車両の通過などによってＭＷセンサ１自身が振動してしまって、検知エリア内の物体との間の相対位置が移動する状況においても、検知物体が、検知対象とすべき人体（侵入者）であるのか、非検知対象とすべき草木等であるのかを良好に判定することが可能である。

また、本発明のＭＷセンサ１は防犯センサ以外の用途にも適用可能である。

実施形態に係るＭＷセンサの回路構成を示すブロック図である。草木対策レベルの切り換え動作を説明するためのフローチャート図である。物体移動距離の計測原理を説明するための波形図である。

符号の説明

１ＭＷセンサ
３８物体判定部（物体判定手段）

Claims

検知対象エリアに向けてマイクロ波を送信し、この検知対象エリア内に検知対象物体が存在する場合に、上記マイクロ波が検知対象物体で反射されてドップラ効果により変調した反射波を受信して物体検知動作を行うマイクロウエーブセンサにおいて、
上記反射波を受けて検知エリア内に存在する物体の移動距離を計測し、その移動距離が、予め設定された物体判定移動距離以上であるときにのみ、その物体を、検知すべき物体であると判定する物体判定手段を備えており、
上記物体判定手段は、予め設定された第１の所定時間内における物体検知動作が第１の所定回数以上であるときには、上記物体判定移動距離が長くなるように変更する一方、その後、予め設定された第２の所定時間内における物体検知動作が第２の所定回数未満であるときには、上記物体判定移動距離が短くなるように変更する構成とされており、
上記物体判定移動距離は複数段階に変更可能であって、上記物体判定手段は、上記物体判定移動距離を長くする変更が行われた後、物体判定移動距離を変更前の物体判定移動距離と仮定した場合の第２の所定時間内における物体検知動作が第２の所定回数未満であったときには、上記物体判定移動距離が短くなるように変更する一方、上記仮定した場合の第２の所定時間内における物体検知動作が第２の所定回数以上であったときには、現在設定されている物体判定移動距離を維持する構成とされていること
を特徴とするマイクロウェーブセンサ。
請求項１記載のマイクロウェーブセンサにおいて、
上記物体判定手段は、上記物体判定移動距離を長くする変更動作時及び上記物体判定移動距離を短くする変更動作時共に一段階ずつ上記物体判定移動距離を変更していく構成とされていることを特徴とするマイクロウェーブセンサ。