JP4754292B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、送信周波数を時分割で切り換え、かつ複数の受信部で反射波を受信して移動物体に基づくドップラ信号を検出するレーダ装置に関し、特に、受信信号のスペクトルに現れるノイズと移動物体によるドップラ信号との弁別に関する。

従来、電波を照射し、物体によって反射された電波を受信し、その受信信号の遅延時間や信号の強さ、位相の変化などを利用して、物体までの距離、物体の存在する方位角度や相対速度を測定するマイクロ波レーダ装置がある。このレーダ装置は、移動物体の監視システム（以下、センサと呼ぶ）に利用されている。

電波による距離測定の方法としてはＦＭＣＷ（Frequency-Modulated Continuous Wave）方式、２周波ＣＷ（Continuous Wave）方式等が知られている。特に、２周波ＣＷ方式はわずかに異なる周波数の送信波を時分割で交互に切換えて送出するものである。この方式は、移動物体からの反射波を受信した受信信号に含まれるドップラ信号を各送信周波数毎に抽出し、そのドップラ信号の位相差に基づいて距離を測定するものであり、狭い占有周波数帯域幅で監視領域内の移動物体までの距離を近距離まで高精度に測定可能である。

一方、電波による角度測定の方法としては、アンテナ切換方式、フェーズドアレイ方式、モノパルス方式などがある。特にモノパルス方式は２つのアンテナで受信した信号の位相差を利用して反射波の到来方向が得られる方式であり、上述の他の方式よりも少ないアンテナで高い角度分解能を得ることが可能である。

下記特許文献１、２には、自動車用の衝突防止装置として測距に２周波ＣＷ方式、測角にモノパルス方式を利用した車載レーダ装置（以下、２周波ＣＷモノパルス方式と呼ぶ）が記載されている。

電波を利用したレーダは、風雨など天候の影響を受けにくく、監視範囲内での物体の位置を特定できることから、屋外における侵入検知センサとしても非常に有望視されている。

一般に２周波ＣＷモノパルス方式では、受信したドップラ信号を周波数解析しパワースペクトルのピークから物体の存在を判断し、また当該ピーク位置に対応するドップラ周波数での位相情報から距離及び角度を算出する。
特開２００３−２３２８５３号公報 特開２００２−７１７９３号公報

ところが、侵入検知センサの場合は、検知対象が人体などであり、車両等に比べて受信強度が弱く、パワースペクトルの明確なピークを得ることが難しい。図８は、人体からの反射波を含むパワースペクトルの一例を示す模式図である。同図に示すように、移動物体の存在に起因するスペクトル上の成分２と、その他の周波数範囲に現れるノイズによる成分との識別が困難であり、物体の検出精度が低下するという問題がある。

２周波ＣＷモノパルス方式は、その構成上、距離及び角度の測定値を２組得ることができる。特許文献２には、この各々の組の結果を平均することにより誤差を低減できることが示されている。すなわち、２組の平均により、ドップラ信号のピーク検出の精度を補った測定が可能となる。しかし、そもそもピークを検出できないような場合には、このような単純な平均による方法だけでは、物体を精度良く検出することができない。

ここで、人体が移動したときに発生するドップラ信号には、人体全体としての移動速度だけでなく、人体全体内での各部の移動速度成分も含んで検出される。そのため、ドップラ信号のスペクトル上において、人体に起因する周波数成分は人体全体の移動速度成分を中心として拡がり、このことがスペクトル上、先鋭なピークの形成を妨げる一因となり、ピークの検出をより困難とする要因となっている。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、２周波ＣＷモノパルス方式のセンサにおいて、移動物体に起因するドップラ信号が先鋭なピークを形成しない場合においても、当該ドップラ信号の検出を可能とし、移動物体の位置等の測定精度の向上が図られるレーダ装置を提供することを目的としている。

本発明に係るレーダ装置は、複数の受信部を備え、送信部から送信周波数が互いに異なる２種類の送信波を時分割送信し、前記各受信部それぞれによって前記各送信波に対する反射波を受信して、移動物体に基づくドップラ信号を検出するものにおいて、前記２種類の送信波に対し前記各受信部にて得られる受信信号それぞれについて周波数解析を行う手段と、前記各受信部毎に、前記各送信波それぞれに対応する前記周波数解析の結果に基づいて周波数成分毎に求めた前記反射波の伝播距離からなる距離情報を生成する距離情報生成手段と、前記複数の受信部に対応して生成された複数の前記距離情報に基づいて、前記受信信号の周波数スペクトルのうち前記移動物体の前記ドップラ信号を含む周波数範囲に対応した関心周波数帯域を抽出する関心帯域抽出手段と、を有するものである。

他の本発明に係るレーダ装置は、複数の受信部を備え、送信部から送信周波数が互いに異なる２種類の送信波を時分割送信し、前記各受信部それぞれによって前記各送信波に対する反射波を受信して、移動物体に基づくドップラ信号を検出するものにおいて、前記２種類の送信波に対し前記各受信部にて得られる受信信号それぞれについて周波数解析を行う手段と、前記送信波の種類毎に、前記各受信部に対応する前記周波数解析の結果に基づいて周波数成分毎に求めた前記反射波の到来角度からなる角度情報を生成する角度情報生成手段と、前記送信波の種類に対応して生成された２つの前記角度情報に基づいて、前記受信信号の周波数スペクトルのうち前記移動物体の前記ドップラ信号を含む周波数範囲に対応した関心周波数帯域を抽出する関心帯域抽出手段と、を有するものである。

さらに他の本発明に係るレーダ装置は、複数の受信部を備え、送信部から送信周波数が互いに異なる２種類の送信波を時分割送信し、前記各受信部それぞれによって前記各送信波に対する反射波を受信して、移動物体に基づくドップラ信号を検出するものにおいて、前記２種類の送信波に対し前記各受信部にて得られる受信信号それぞれについて周波数解析を行う手段と、前記各受信部毎に、前記各送信波に対応する前記周波数解析の結果に基づいて周波数成分毎に求めた前記反射波の伝播距離からなる距離情報を生成する距離情報生成手段と、前記送信波の種類毎に、前記各受信部に対応する前記周波数解析の結果に基づいて周波数成分毎に求めた前記反射波の到来角度からなる角度情報を生成する角度情報生成手段と、前記複数の受信部に対応して生成された複数の前記距離情報及び前記送信波の種類に対応して生成された２つの前記角度情報に基づいて、前記受信信号の周波数スペクトルのうち前記移動物体の前記ドップラ信号を含む周波数範囲に対応した関心周波数帯域を抽出する関心帯域抽出手段と、を有するものである。

別の本発明に係るレーダ装置においては、前記関心帯域抽出手段が、各周波数成分での前記複数の距離情報相互の相関に基づいて前記関心周波数帯域を抽出する。

また別の本発明に係るレーダ装置においては、前記関心帯域抽出手段が、各周波数成分での前記複数の角度情報相互の相関に基づいて前記関心周波数帯域を抽出する。

さらに別の本発明に係るレーダ装置においては、前記関心帯域抽出手段が、さらに前記各周波数成分にて、前記受信信号の前記周波数スペクトルの強度を考慮して前記関心周波数帯域を抽出する。

また他の本発明に係るレーダ装置は、前記関心周波数帯域内における前記距離情報及び前記角度情報それぞれの変動幅が所定の許容値以下の周波数範囲である共通属性帯域を求め、当該共通属性帯域を単一の前記移動物体に対応するものとしてラベル付けを行うラベリング手段を有する。

さらに他の本発明に係るレーダ装置は、前記関心周波数帯域内における前記距離情報、前記角度情報及び、前記受信信号の前記周波数スペクトルの強度それぞれの変動幅が所定の許容値以下の周波数範囲である共通属性帯域を求め、当該共通属性帯域を単一の前記移動物体に対応するものとしてラベル付けを行うラベリング手段を有する。

本発明によれば、個々の受信部にて、２種類の周波数の送信波それぞれに対応する受信信号に基づいて、受信信号の各周波数成分に対応する反射波の伝播距離が算出される。周波数の関数として得られる伝播距離である距離情報は、受信部の数に対応して、複数得られる。また、複数の受信部それぞれにより得られる受信信号に基づいて、受信信号の各周波数成分に対応する反射波の到来角度が算出される。周波数の関数として得られる到来角度である角度情報は、送信波の周波数の種類に対応して、２つ得られる。

距離情報や角度情報は、受信信号の周波数成分が実際には物体からの反射に基づくものではなく、ノイズによるものであっても形式的に算出される。しかしながら、距離情報や角度情報のうちノイズに起因する周波数範囲では、算出値のばらつきが大きくなる。また、受信部の数に応じて複数得られる距離情報相互間においては、同じ周波数成分での伝播距離の算出値の間にはノイズに起因する周波数範囲では原理的に関連が存在しない。同様に、送信周波数の種類に応じて複数得られる角度情報相互間においても、同じ周波数成分での到来角度の算出値の間にはノイズに起因する周波数範囲では原理的に関連が存在しない。

これに対して、受信信号の周波数成分が物体からの反射に基づくものである場合には、送信周波数や受信部を変えても、得られる距離や角度の算出値は一致又は同程度となることを期待できる。ここで、その物体が人体のように速度分布に拡がりを有するものである場合には、周波数スペクトル上でピークが形成されにくい。しかし、この場合には、距離情報や角度情報のうち当該物体の速度分布に対応した周波数範囲では、距離や角度の算出値は当該物体との実際の距離や角度に基づく、ほぼ一定の値となることを期待できる。

よって、距離情報や角度情報において、ノイズに起因する周波数範囲と実際の物体からの反射波に起因する周波数範囲とでは、算出値の分布形態に差異が存在する。本発明によれば、複数の距離情報の組み合わせ、複数の角度情報の組み合わせ、又はそれら両情報をさらに組み合わせることにより、距離情報や角度情報での算出値の分布形態の差異に基づいて、移動物体によるドップラ信号の周波数範囲をノイズの周波数範囲から精度良く弁別することができる。また、受信信号の周波数スペクトルのうち同一の物体の反射波の周波数範囲での強度もほぼ一定となることを期待できるので、当該強度を距離情報や角度情報と組み合わせることで、さらに弁別精度を向上させることが可能となる。

そして、本発明によれば、移動物体からのドップラ信号を精度良く抽出することができることにより、移動物体の位置を精度良く検知することができる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係る侵入検知装置の概略の構成を示すブロック図である。本装置は２周波ＣＷモノパルス方式のレーダ装置をセンサとして含み、監視領域に出現する人等の移動物体を検知するものであり、送信部１０、２つの受信部２０，２２、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換部３０、信号処理部４０、記憶部５０、及び出力部６０を含んで構成される。

送信部１０は、電圧制御発振器１００、切換信号発生器１０２及び送信アンテナ１０４を含んで構成される。電圧制御発振器１００は、異なる２つの周波数ｆ_１，ｆ_２を有するマイクロ波帯の送信信号Ｗ_１，Ｗ_２を発生可能に構成され、Ｗ₁，Ｗ₂の切り換えは切換信号発生器１０２により制御される。

切換信号発生器１０２は、電圧制御発振器１００におけるＷ₁，Ｗ₂の発生を時分割で切換えるための切換タイミング信号を発生する。切換周波数は、基本的に、本装置が検知対象とする物体の移動によって発生し得るドップラ周波数の２倍以上に設定される。

送信アンテナ１０４は、電圧制御発振器１００が出力する送信信号を空中へ送出する。

受信部２０は受信アンテナ１２０、ミキサ１２２及び切換器１２４を含んで構成され、同様に、受信部２２は受信アンテナ１２１、ミキサ１２３及び切換器１２５を含んで構成される。

受信アンテナ１２０，１２１はそれぞれ、送信部１０が送出した送信波に対する反射波を受信し、受信信号をミキサ１２２，１２３へ伝える。受信アンテナ１２０，１２１はモノパルス測角できるよう、指向性特性が同じ２つのアンテナで構成され、かつ所定の間隔を置いて配置される。センサから監視領域を臨む向きを基準として、右側のアンテナをアンテナＲとしその信号系統をＲチャンネル、また左側のアンテナをアンテナＬとしその信号系統をＬチャンネルとする。

ここで、アンテナＲとアンテナＬとの間隔は、モノパルス測角の原理から送信波の波長より短く設定される。例えば、送信波の周波数を２４ＧＨｚ帯とし、受信アンテナ間隔をその半波長に設定する場合、具体的な間隔は６ｍｍ程度となる。なお、モノパルス測角の原理については後述する。原理的にはこの２つの受信アンテナの位置の違いに起因して、アンテナＲ，Ｌそれぞれによって測定される物体までの距離に差異が生じる。しかし、その差異は、本装置が対象とする物体までの距離（例えば１ｍや１０ｍ）に比べ極めて小さく、両アンテナＲ，Ｌによる測定距離は実質的に同じと考えることができる。さらに、２つの受信アンテナの指向性特性が同じであり、アンテナＲ，Ｌが受信対象とする空間は実質的に一致する。つまり、アンテナＲ，Ｌは同じ空間からの反射波を受信するので、Ｒ，Ｌチャンネルそれぞれの受信信号にて検知される移動物体に基づくドップラスペクトルは、基本的に同じとなる。

ミキサ１２２，１２３はそれぞれ、受信アンテナ１２０，１２１からの受信信号と、電圧制御発振器１００からの送信信号をミキシングしドップラ信号を生成する。

切換器１２４，１２５はそれぞれ、ミキサ１２２，１２３から出力されるドップラ信号を、切換信号発生器１０２が出力する切換タイミング信号に連動して振り分ける。これら切換器１２４，１２５により、ミキサ１２２，１２３で生成されたドップラ信号が、送信信号Ｗ_１に対応するドップラ信号と送信信号Ｗ_２に対応するドップラ信号とに分離される。

Ａ／Ｄ変換部３０は、切換器１２４，１２５から得られたドップラ信号に、適切な帯域制限を行い、信号処理部４０で扱えるデジタルデータに変換する。ここで、適切な帯域制限とは、ナイキスト周波数、つまりデジタル変換する際のサンプリング周波数の１／２以下の周波数のみに帯域を制限することである。

信号処理部４０は、Ａ／Ｄ変換部３０から入力される波形データに基づいて、監視領域内の物体の位置を特定する処理を行うと共に、監視領域に侵入者がいるかどうかの判断を行い、結果を出力部６０へ伝える。信号処理部４０は、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）計算部１４０、距離算出部１４２、角度算出部１４４、ノイズ帯域除去部１４６、物体位置特定部１４８、判定部１５０を含んで構成される。

ＦＦＴ計算部１４０は、Ａ／Ｄ変換部３０から順次入力される波形データから所定時間幅分のデータを取り出して周波数解析を行い、強度と位相とを得る。ここで、Ｒチャンネルの送信信号Ｗ_１に対応するドップラ信号から求めた位相を位相情報φ_Ｒ１(f)、送信信号Ｗ_２に対応するドップラ信号から求めた位相を位相情報φ_Ｒ２(f)とする。同様にＬチャンネルに関する送信信号Ｗ_１，Ｗ_２に対応するドップラ信号からそれぞれ求めた位相を位相情報φ_Ｌ１(f)，φ_Ｌ２(f)とする。また、送信信号Ｗ_１，Ｗ_２に対応するＲチャンネルのドップラ信号から求めた強度情報をＰ_Ｒ１(f)，Ｐ_Ｒ２(f)、Ｌチャンネルのドップラ信号から求めた強度情報をＰ_Ｌ１(f)，Ｐ_Ｌ２(f)とする。

距離算出部１４２は、ＦＦＴ計算部１４０で得られた位相情報に基づき、後述する処理を行って、物体とセンサとの距離に関する距離情報を生成する。距離算出部１４２は、Ｒチャンネルの位相情報φ_Ｒ１(f)，φ_Ｒ２(f)からＲチャンネルの距離情報Ｄ_Ｒ(f)を生成し、同様にＬチャンネルの位相情報φ_Ｌ１(f)，φ_Ｌ２(f)からＬチャンネルの距離情報Ｄ_Ｌ(f)を生成する。

角度算出部１４４は、ＦＦＴ計算部１４０で得られた位相情報に基づき、後述する処理を行って、センサに対する物体の方位角度に関する角度情報を生成する。角度算出部１４４は、送信信号Ｗ_１に対するドップラ信号の位相情報φ_Ｒ１(f)，φ_Ｌ１(f)から角度情報θ_１(f)を生成し、同様に送信信号Ｗ_２に対するドップラ信号の位相情報φ_Ｒ２(f)，φ_Ｌ２(f)から角度情報θ_２(f)を生成する。

ノイズ帯域除去部１４６は、距離算出部１４２で生成されたＲチャンネル、Ｌチャンネルそれぞれに関する距離情報Ｄ_Ｒ(f)，Ｄ_Ｌ(f)及び、角度算出部１４４で生成された送信信号Ｗ_１，Ｗ_２それぞれに関する角度情報θ_１(f)，θ_２(f)に基づき、それらの間の相関関係を利用した後述する処理を行って、ミキサ１２２，１２３にて得られるドップラ信号の周波数スペクトルのうち、ノイズ信号を含む帯域を除外し、物体の位置特定が可能な信号を含む有効周波数帯域（関心周波数帯域）を抽出する。ここでいうノイズとは、物体の存在以外によって発生する不要な信号を意味し、暗騒音によるものや、機器に発生するスパイクノイズなど様々なものを含むものである。一方、有効周波数帯域には、物体からの反射波に基づくドップラ信号が含まれる。

物体位置特定部１４８は、ノイズ帯域除去部１４６にて得られた有効周波数帯域の距離情報と角度情報とに基づいて、後述するラベリング処理を実行する。監視領域に複数物体がある場合は、有効周波数帯域のうち各物体に対応する部分を判別、分離し、それぞれの位置、速度、反射断面積を特定し、物体情報として判定部へ出力する。

判定部１５０は、物体位置特定部１４８にて生成された物体情報から、侵入判定を行う。侵入と判定した場合には出力部６０へ通知する。

記憶部５０は、ノイズ帯域除去部１４６で利用する距離差及び角度差の閾値や、判定部１５０で利用する監視領域、対象とすべき反射強度の閾値などの情報を保存しておく。

出力部６０は、判定部１５０からの侵入者ありとの通知を受けると、光や音によって警報を発したり、本装置に接続された通信回線を介して監視センターなどへ異常検出信号を送信する。

次に本装置の動作について説明する。図２は、本装置の全体的な動作を示す概略のフロー図である。送信部１０が送信信号Ｗ_１，Ｗ_２を時分割で交互に送信する動作に同期して、波形データが取得される（Ｓ２００）。各送信信号に対する反射波は、受信アンテナ１２０，１２１により受信され、Ｒチャンネル及びＬチャンネルそれぞれの受信信号が得られる。各チャンネルの受信信号はミキサ１２２，１２３にて送信信号をミキシングされ、ドップラ信号に変換された後、送信信号Ｗ_１に対する信号と送信信号Ｗ_２に対する信号とに分離される。これら各チャンネルの送信信号別に分離されたドップラ信号は、Ａ／Ｄ変換部３０により、所定周波数でサンプリングされデジタルデータに変換され波形データが生成される。生成された波形データはＡ／Ｄ変換部３０内のメモリに蓄積される。

信号処理部４０により、受信信号から得られた波形データから物体の距離と方位角度とを特定し、監視領域内での物体の二次元位置を求める処理が行われる（Ｓ２０５）。その処理の詳細については後述する。

二次元位置特定処理Ｓ２０５により得られた情報に基づいて、監視領域内に検知対象サイズの物体が存在するか否かが判定される（Ｓ２１０）。すなわち、処理Ｓ２０５によって得られた物体の大きさが所定条件、例えば、人体とみなせる大きさ以上である等の条件を満たし、かつ検出された位置が予め設定された監視領域内であるかが判断される。ここで、物体が複数検出されている場合は、それぞれ個別に判断する。

監視領域内に検知対象サイズの物体が検出された場合には（Ｓ２１０）、当該物体の監視領域内に存在している時間が測定される。具体的には、信号処理部４０は、検出された物体ごとにタイマを割り当てて計時する。処理Ｓ２１０にて物体が検出された場合、当該物体が、既にタイマが起動中の物体であるか判断される（Ｓ２１５）。タイマが起動していなければ、当該物体にタイマを割り当てて起動し、計時が開始される（Ｓ２２０）。

このタイマは監視領域外の木の枝が揺れるなどして監視領域に一瞬だけ入った物体を侵入者として検知しないためのもので、一定時間、監視領域内に滞在した場合に侵入者と判断するためのものである。この目的から、判定処理Ｓ２１０にて、物体が監視領域外であると判定された場合には、当該物体に割り当てたタイマをクリアする（Ｓ２２５）。一方、起動している全てのタイマのうちいずれか１つでも規定値を超えている場合は、そのタイマに対応する物体は侵入者として取り扱い（Ｓ２３０）、出力部６０へ警報の発生を指示する（Ｓ２３５）。出力部６０は、光や音によって警報を発したり、通信回線で監視センターなどへ異常検出信号を送信する。処理Ｓ２３０にて、起動中のタイマのいずれも規定値を超えていなければ、処理Ｓ２００〜Ｓ２３０の監視処理を反復する。

続いて、信号処理部４０での二次元位置特定処理Ｓ２０５を説明する。図３は、当該処理の概略のフロー図である。まず、Ａ／Ｄ変換部３０にて生成された波形データは、ＦＦＴ計算部１４０により周波数解析され、ドップラ信号の位相情報φ_Ｒ１(f)，φ_Ｒ２(f)，φ_Ｌ１(f)，φ_Ｌ２(f)及び強度情報Ｐ_Ｒ１(f)，Ｐ_Ｒ２(f)，Ｐ_Ｌ１(f)，Ｐ_Ｌ２(f)が算出される（Ｓ２５０）。ここで、各位相情報、各強度情報は周波数ｆの関数であり、この周波数はドップラ周波数ｆ_ｄに対応する。得られた位相情報は距離算出部１４２での距離計算Ｓ２５５、及び角度算出部１４４での角度計算Ｓ２６０に用いられる。

距離算出部１４２は、Ｒチャンネル、Ｌチャンネルそれぞれの位相情報に基づいて周波数毎に距離値を計算する。これにより、Ｒチャンネルの距離情報Ｄ_Ｒ(f)、Ｌチャンネルの距離情報Ｄ_Ｌ(f)が得られる。ここで距離は２周波ＣＷ方式の原理に基づいて計算され、具体的には次式により、各周波数成分ごとに算出される。

この式において、Ｄは距離［ｍ］、ｃは光速［ｍ／ｓ］、ΔφはＷ_１に対する位相情報とＷ_２に対する位相情報とから与えられる位相差［rad］を表す。

また、ドップラ周波数は対象物体の移動速度に対応しており、その対応関係は次式で与えられる。

この式において、ｖはセンサとの相対速度［ｍ／ｓ］、ｃは光速［ｍ／ｓ］、ｆは送信周波数［Ｈｚ］、ｆ_ｄはドップラ周波数［Ｈｚ］である。

角度算出部１４４は、各送信信号それぞれに対する位相情報に基づいて周波数毎に反射波が到来する方位角度を計算する。これにより、送信周波数ｆ_１での角度情報θ_１(f)、送信周波数ｆ_２での角度情報θ_２(f)が得られる。ここで角度はモノパルスレーダの原理に基づいて計算され、具体的には次式により、各周波数成分ごとに算出される。

この式において、θはセンサを中心とした方位角度［deg］、ｃは光速［ｍ／ｓ］、ΔφはＲチャンネルの位相情報とＬチャンネルの位相情報とから与えられる位相差［rad］、ｄはアンテナの配置間隔［ｍ］、ｆは送信周波数［Ｈｚ］を表す。

ここで、受信アンテナ１２０，１２１の間隔ｄを送信波長λの半分に設定すると、

である。この場合、上記θを与える（３）式は、位相差Δφだけをパラメータとした次式に単純化できる。

処理Ｓ２５５、Ｓ２６０で求めた距離情報Ｄ_Ｒ(f)，Ｄ_Ｌ(f)及び角度情報θ_１(f)，θ_２(f)は、受信部２０，２２にて抽出されたドップラ信号の周波数スペクトルのうち、物体からの反射波に基づく成分を含む有効周波数帯域と、ノイズ成分からなる帯域とを弁別する処理に用いられる（Ｓ２６５）。ノイズ帯域除去部１４６は、有効周波数帯域を求め、距離情報Ｄ_Ｒ(f)，Ｄ_Ｌ(f)及び角度情報θ_１(f)，θ_２(f)それぞれから、不要なノイズ部分を除去し、有効周波数帯域における距離情報Ｄ_Ｒ(f) とＤ_Ｌ(f)とを平均した距離情報Ｄ_Ａｖｅ(f)及び、角度情報θ_１(f)とθ_２(f)とを平均した角度情報θ_Ａｖｅ(f)を生成し出力する。

このノイズ帯域除去部１４６における処理についてさらに詳しく説明する。距離角度変換によって、距離情報はＤ_Ｒ(f)とＤ_Ｌ(f)とが対で得られ、角度情報もθ_１(f)とθ_２(f)とが対で得られている。

本装置の構成では２つの受信アンテナ１２０，１２１の位置が近いので、各アンテナから物体までの距離は同じと見なすことができる。すなわち、センサにて物体からの反射波が受信される場合には、基本的に、反射波の各周波数に対応する距離は、距離情報Ｄ_Ｒ(f)と距離情報Ｄ_Ｌ(f)とで同じ値となる。

また、角度情報に関しても、同じ一対のアンテナで受信した信号に基づいて生成したものであるので、基本的に、反射波の各周波数に対応する角度は、角度情報θ_１(f)と角度情報θ_２(f)とで同じ値となる。

ここで、（２）式から理解されるようにドップラ信号の周波数ｆ_ｄは、物体の速度ｖに対応する。従って監視空間に移動物体が存在する場合は、その移動速度に対応する周波数帯域に反射波による信号成分が検出される。一方、反射波による信号成分の周波数帯域以外の周波数帯域は、ノイズ成分が検出される。

図４のグラフ３５０，３５２は、ドップラ周波数成分ごとの距離情報の一例を示す模式図であり、横軸がドップラ周波数、縦軸が距離を表す。グラフ３５０はＤ_Ｌ(f)を表し、グラフ３５２は当該Ｄ_Ｌ(f)と対を成して生成されるＤ_Ｒ(f)を表す。移動物体からの反射波が有る周波数成分に対する距離の算出値の分布３００，３０２は、距離情報Ｄ_Ｒ(f)，Ｄ_Ｌ(f)それぞれにおいて、ほぼ等しい値となり、一方、反射波が無い周波数成分に対する距離の算出値の分布３０４，３０６の距離軸方向の範囲は幅広い。さらに、距離情報Ｄ_Ｒ(f)とＤ_Ｌ(f)との間においても、移動物体からの反射波が有る周波数成分に対する距離の算出値の分布３００の距離の値と分布３０２の距離の値とは相関を有し、それらの値は基本的に等しくなり、一方、反射波が無い周波数成分に対する距離の算出値の分布３０４と分布３０６との間には基本的に相関がない。ここでは、図４により、距離情報の例を示したが、角度情報についても同様である。

上述のように、移動物体からの反射波が有る周波数成分においては、距離情報Ｄ_Ｒ(f)及び距離情報Ｄ_Ｌ(f)、角度情報θ_１(f)及び角度情報θ_２(f)各々に対し強い相関がある。逆に移動物体からの反射波がない周波数成分では相関がない。ノイズ帯域除去部１４６は、この性質を利用して、距離情報Ｄ_Ｒ(f)，Ｄ_Ｌ(f)と角度情報θ_１(f)，θ_２(f)とから反射波のない周波数成分を除去し、残った周波数を物体からの反射による周波数成分（有効周波数帯域）として抽出する。その具体的な処理を以下に示す。

ノイズ帯域除去部１４６は距離算出部１４２から得られた距離情報Ｄ_Ｒ(f)，Ｄ_Ｌ(f)について周波数成分ごとに差を求め、差の絶対値を計算し、その絶対値が所定の閾値Ｄ_Ｅｒｒよりも大きい周波数を抽出し、距離ノイズ周波数とする。図４は、この処理の模式的な説明図である。グラフ３５４は、グラフ３５０，３５２に示すＤ_Ｒ(f)とＤ_Ｌ(f)との差の絶対値を表している。その差の絶対値が、当該グラフ３５４に点線で示す閾値Ｄ_Ｅｒｒより大きい周波数が距離ノイズ周波数とされる。グラフ３５６に斜線で示す範囲３５８が距離ノイズ周波数に相当する帯域である。

周波数が距離ノイズ周波数の帯域に属するか否かを示す状態値として距離ノイズ識別値Ｄ_Ｎ(f)を以下のように定義する。

角度情報に対しても上記距離情報と同様の処理が行われる。すなわち、角度算出部１４４から得られた角度情報θ_１(f)，θ_２(f)について周波数成分ごとに差を求め、差の絶対値を計算し、その絶対値が所定の閾値θ_Ｅｒｒよりも大きい周波数を角度ノイズ周波数とする。そして、周波数が角度ノイズ周波数の帯域に属するか否かを示す状態値として角度ノイズ識別値θ_Ｎ(f)を以下のように定義する。

ここで、距離誤差に関する閾値Ｄ_Ｅｒｒ及び角度誤差に関する閾値θ_Ｅｒｒは予め記憶部５０に記憶しておく。これら閾値は、例えば、実験的に求めた、反射波の有無それぞれにおける距離・角度の算出値のばらつき具合より定めることができる。

ノイズ帯域除去部１４６は次に、距離ノイズ周波数と角度ノイズ周波数とのどちらか一方にでも含まれている周波数は、物体からの反射による周波数成分ではないものとして、後の位置検出に用いる計算対象から除外し、残された周波数成分を有効周波数帯域として抽出する。すなわち、Ｄ_Ｎ(f)・θ_Ｎ(f)を計算し、その値が０であるときノイズ領域とし、一方、その値が１であるとき有効周波数帯域とする。

ここで述べる有効周波数帯域とは、距離情報、角度情報からノイズ周波数成分を除外した周波数成分を意味し、複数の連続する成分を１つにまとめたものではないことに留意する。

次に、距離情報Ｄ_Ｒ(f)，Ｄ_Ｌ(f)の有効周波数帯域ごとにＤ_Ｒ(f)，Ｄ_Ｌ(f)を平均し、平均距離情報Ｄ_Ａｖｅ(f)を求める。角度についても同様にして、平均角度情報θ_Ａｖｅ(f)を求める。

なお、上述の構成は、距離誤差閾値Ｄ_Ｅｒｒと角度誤差閾値θ_Ｅｒｒが一定である例である。この点に関して、同じ物体の場合、物体が遠くなるほどセンサから見た時の角度が小さくなる。そこで、距離が大きい場合ほど角度誤差閾値を小さくするようにしてもよい。その場合、例えば、距離の誤差情報｜Ｄ_Ｒ(f)−Ｄ_Ｌ(f)｜と距離誤差閾値Ｄ_Ｅｒｒによって、有効周波数帯域の平均距離情報Ｄ_Ａｖｅ(f)を先に求め、この平均距離情報Ｄ_Ａｖｅ(f)に応じて角度誤差閾値θ_Ｅｒｒを変化させ、角度の誤差情報｜θ_１(f)−θ_２(f)｜から角度情報の有効周波数帯域を抽出するという手順とすることができる。

例えば、物体の幅が５０ｃｍの場合、センサからの距離が１ｍであれば２８度の広がりを持って測定され、距離が５ｍの場合は６度、１０ｍの場合は３度となり、そのように角度誤差閾値θ_Ｅｒｒを設定することができる。

なお、有効周波数帯域の抽出方法は上述のものに限らない。例えば、距離情報同士の相関関係と角度情報同士の相関関係とのいずれか一方だけを用いて有効周波数帯域を抽出する構成も可能である。

また、ＦＦＴ計算部１４０で求めた強度情報Ｐ_Ｒ１(f)，Ｐ_Ｒ２(f)，Ｐ_Ｌ１(f)，Ｐ_Ｌ２(f)に関しても、距離情報、角度情報と同様に、物体からの反射に基づく周波数帯域では強度のばらつきが小さく、ノイズ部分ではばらつきが大きくなり、また、各チャンネル及び各周波数毎の強度情報間にて物体からの反射に基づく周波数帯域では強い相関があり、ノイズ部分では相関が弱くなることが起こる。そこで、この強度情報の相関を利用して有効周波数帯域とノイズ部分との弁別をすることも可能である。その際、強度情報による弁別を距離情報、角度情報による弁別と組み合わせることにより、精度の高い有効周波数帯域の抽出が実現され得る。

また、ＦＦＴ計算部１４０で求めた強度情報に対し、閾値処理を行ってパワーの低いノイズを除いてから前述の処理を行ってもよい。また、監視空間に移動物体が存在しない場合のノイズ成分の強度を記憶部５０に記憶して、物体が存在する時の成分との差分を利用することにより有効周波数帯域の抽出を行ってもよい。

以上のようにして、有効周波数帯域に関する情報が得られると、それを用いて物体位置特定部１４８が処理を開始する。まず、物体位置特定部１４８は、ノイズ帯域除去部１４６によって抽出された有効周波数帯域の平均距離情報Ｄ_Ａｖｅ(f)と平均角度情報θ_Ａｖｅ(f)とから、同じ距離、同じ角度、同じ移動速度（周波数成分が連続する）のものを同じ物体からの反射信号と判定し、固有のラベル付け(以下、ラベリング)を行う（Ｓ２７０）。

人が移動したときなど様々な速度を持った物体が移動している場合は、図４の分布３００，３０２における距離の例のように、距離情報や角度情報の広い周波数帯域において同じ距離や角度となる。

この性質を利用して、隣り合う周波数の距離や角度の値が近い場合は１つのグループにまとめ(以下、グルーピング)、それぞれにラベリングを行う。

グルーピングの条件としては例えば、距離及び角度がＡ／Ｄ変換部３０で得られる一定時間中に人間が移動できる移動範囲内であるという条件や、人の発生させるドップラ周波数範囲という条件や、単に距離が±０．５ｍ以内、角度が±１度以内という条件でもよい。例えば、この条件は検出したい物体の特性に合わせて設定する。また、この条件は記憶部５０に予め保存しておき、必要な時に読み出して利用するように構成できる。

有効周波数帯域の全てのドップラ周波数に対して、速度の近い物体が複数存在する場合、それらのドップラ周波数が周波数軸で連続になり、ノイズ除去処理の結果、連続する有効周波数帯域内に複数の物体が存在する場合がある。図５はそのような例を示す模式図である。同図のＩＤ１，ＩＤ２，ＩＤ３はそれぞれラベリングされた周波数帯域である。これらのうちＩＤ１とＩＤ２とが、連続する有効帯域内に複数の物体が存在する例である。ＩＤ１，ＩＤ２に対応する２つの物体が同じ距離で存在し、かつ移動速度が近くドップラの周波数が連続しているために、距離情報においては１つの物体として抽出される。しかし、角度情報が異なるため、結果として２つの物体としてラベリングされる。ちなみに、グルーピングの条件である距離や角度を有効帯域抽出処理のように、検出したい物体のサイズに合わせておくことで、ＩＤ１，ＩＤ２のような場合を２つの物体へと分離できる。

次に物体位置特定部１４８は、ラベリングによって分離されたラベルごとに、距離、角度、速度、強度の代表値を計算し、二次元平面にマッピングする（Ｓ２７５）。強度は強度情報Ｐ_Ｒ１(f)，Ｐ_Ｒ２(f)，Ｐ_Ｌ１(f)，Ｐ_Ｌ２(f)を周波数ごとに平均し、距離情報や角度情報の有効周波数帯域に対応する部分のみを抽出した平均強度情報Ｐ_Ａｖｅ(f)を利用する。ここで距離、角度、速度は一致するが、強度が著しく異なる場合は、平均の対象から除外するか、或いは、別の物体としてラベリングを行うようにしてもよい。

代表値の計算は、各ラベルに含まれる値の平均値や、平均強度情報Ｐ_Ａｖｅ(f)での重み付け平均により算出し、ラベルごとに物体情報とする。

図６は、マッピングする二次元平面の座標系の設定例を示す模式図である。マッピングする二次元平面は、例えば、図６（ａ）に示すように、センサ４００の正面方向をｙ軸、右方向をｘ軸とするような座標系や、図６（ｂ）に示すように、センサ４００をポール４０２の上に設置して斜め下を監視した場合に地面平面上の奥行き方向をｙ軸、横方向をｘ軸とするような地面上の座標系とすることができる。

図７はマッピングの例を示す模式図である。図７には、図５にてＩＤ１，ＩＤ２，ＩＤ３とラベリングされた物体の位置が示されている。

物体位置特定部１４８は続いて、再ラベリング処理Ｓ２８０を行う。人体のように様々な速度成分を持つ物体はドップラ周波数の周波数帯域が広いが、一様に分布するとは限らず周波数軸上のところどころでドップラ成分が不連続となる場合がある。この場合、ラベリング処理Ｓ２７０において、同じ物体にもかかわらずラベルが分断されてしまう。これを一つにまとめるために、再ラベリングを行う。

マッピングによって得られた二次元位置上での各ラベルの位置と速度と強度とが近い場合には、それらのラベルの結合を行って１つのラベルとする。なお、ここでは、不連続点が存在した場合に１つのラベルとするか否かの判定を二次元平面上にマッピングしてから行うようにしているが
、処理Ｓ２７０の段階で距離情報、角度情報の各々について行ってもよい。

結合の判断は、ラベリング処理Ｓ２７０の判断と同様、Ａ／Ｄ変換部３０で得られる一定時間中に人間が移動できる距離範囲、人の発生させるドップラ周波数範囲などを考慮して行うことができる。

この再ラベリングに伴い、各ラベルの物体情報を更新する。二次元平面上にマッピングされた距離情報、角度情報は、物体の大きさに応じて広がりを持つ。前述のように二次元平面上で１つの物体としてラベリングされた後、ラベリングされた範囲を物体の大きさの判定に用いることもできる。

これは、物体は大きさに応じて、各部位からの距離と角度とが異なるが、周波数スペクトル上から、物体が存在することに起因して発生する情報が含まれる周波数帯域を有効周波数帯域として抽出することにより、物体の大きさ情報を求めることができるものである。

以上の説明した本発明に係るレーダ装置によれば、移動物体によるドップラスペクトルのピークが明確でない場合でも、良好な位置の測定が可能になる。このため、反射が弱い物体や、様々な速度を有する物体位置など、幅広い物体に関して検出が可能になり、当該レーダ装置を用いた侵入検知装置は、失報や誤報を低減でき信頼性の向上が図られる。

実施形態に係る侵入検知装置の概略の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る侵入検知装置の全体的な動作を示す概略のフロー図である。 信号処理部での二次元位置特定処理の概略のフロー図である。 ノイズ帯域除去部による有効周波数帯域の抽出処理の模式的な説明図である。 ラベリングの一例を説明する模式図である。 マッピングする二次元平面の座標系の設定例を示す模式図である。 マッピングの例を示す模式図である。 人体からの反射波を含むパワースペクトルの一例を示す模式図である。

符号の説明

１０ 送信部、２０，２２ 受信部、３０ Ａ／Ｄ変換部、４０ 信号処理部、５０ 記憶部、６０ 出力部、１００ 電圧制御発振器、１０２ 切換信号発生器、１０４ 送信アンテナ、１２０、１２１ 受信アンテナ、１２２，１２３ ミキサ、１２４，１２５ 切換器、１４０ ＦＦＴ計算部、１４２ 距離算出部、１４４ 角度算出部、１４６ ノイズ帯域除去部、１４８ 物体位置特定部、１５０ 判定部。

Claims (6)

1. 複数の受信部を備え、送信部から送信周波数が互いに異なる２種類の送信波を時分割送信し、前記各受信部それぞれによって前記各送信波に対する反射波を受信して、移動物体に基づくドップラ信号を検出するレーダ装置において、
   前記２種類の送信波に対し前記各受信部にて得られる受信信号それぞれについて周波数解析を行う手段と、
   前記各受信部毎に、前記各送信波それぞれに対応する前記周波数解析の結果に基づいて周波数成分毎に求めた前記反射波の伝播距離からなる距離情報を生成する距離情報生成手段と、
   前記複数の受信部に対応して生成された複数の前記距離情報の各周波数成分における相関に基づいて、前記受信信号の周波数スペクトルのうち前記移動物体の前記ドップラ信号を含む周波数範囲に対応した関心周波数帯域を抽出する関心帯域抽出手段と、
   を有し、前記関心周波数帯域の周波数成分を移動物体に基づくドップラ信号として検出することを特徴とするレーダ装置。
2. 複数の受信部を備え、送信部から送信周波数が互いに異なる２種類の送信波を時分割送信し、前記各受信部それぞれによって前記各送信波に対する反射波を受信して、移動物体に基づくドップラ信号を検出するレーダ装置において、
   前記２種類の送信波に対し前記各受信部にて得られる受信信号それぞれについて周波数解析を行う手段と、
   前記送信波の種類毎に、前記各受信部に対応する前記周波数解析の結果に基づいて周波数成分毎に求めた前記反射波の到来角度からなる角度情報を生成する角度情報生成手段と、
   前記送信波の種類に対応して生成された２つの前記角度情報の各周波数成分における相関に基づいて、前記受信信号の周波数スペクトルのうち前記移動物体の前記ドップラ信号を含む周波数範囲に対応した関心周波数帯域を抽出する関心帯域抽出手段と、
   を有し、前記関心周波数帯域の周波数成分を移動物体に基づくドップラ信号として検出することを特徴とするレーダ装置。
3. 複数の受信部を備え、送信部から送信周波数が互いに異なる２種類の送信波を時分割送信し、前記各受信部それぞれによって前記各送信波に対する反射波を受信して、移動物体に基づくドップラ信号を検出するレーダ装置において、
   前記２種類の送信波に対し前記各受信部にて得られる受信信号それぞれについて周波数解析を行う手段と、
   前記各受信部毎に、前記各送信波に対応する前記周波数解析の結果に基づいて周波数成分毎に求めた前記反射波の伝播距離からなる距離情報を生成する距離情報生成手段と、
   前記送信波の種類毎に、前記各受信部に対応する前記周波数解析の結果に基づいて周波数成分毎に求めた前記反射波の到来角度からなる角度情報を生成する角度情報生成手段と、
   各周波数成分における前記複数の受信部に対応して生成された複数の前記距離情報の相関及び各周波数成分における前記送信波の種類に対応して生成された２つの前記角度情報の相関に基づいて、前記受信信号の周波数スペクトルのうち前記移動物体の前記ドップラ信号を含む周波数範囲に対応した関心周波数帯域を抽出する関心帯域抽出手段と、
   を有し、前記関心周波数帯域の周波数成分を移動物体に基づくドップラ信号として検出することを特徴とするレーダ装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のレーダ装置において、
   前記関心帯域抽出手段は、さらに前記各周波数成分にて、前記複数の受信信号の前記周波数スペクトルの強度の相関を考慮して前記関心周波数帯域を抽出すること、を特徴とするレーダ装置。
5. 請求項３に記載のレーダ装置において、
   前記関心周波数帯域内における前記距離情報及び前記角度情報それぞれの変動幅が所定の許容値以下の周波数範囲である共通属性帯域を求め、当該共通属性帯域を単一の前記移動物体に対応するものとしてラベル付けを行うラベリング手段を有すること、を特徴とするレーダ装置。
6. 請求項３に記載のレーダ装置において、
   前記関心周波数帯域内における前記距離情報、前記角度情報及び、前記受信信号の前記周波数スペクトルの強度それぞれの変動幅が所定の許容値以下の周波数範囲である共通属性帯域を求め、当該共通属性帯域を単一の前記移動物体に対応するものとしてラベル付けを行うラベリング手段を有すること、を特徴とするレーダ装置。

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