JP6716621B2 - 物体判定装置及びセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、装置の設置環境から伝わる微小な振動の影響を排除するために観察空間内に存在する静止していると仮定できる物体を判別する物体判定装置及び該装置を備えたセンサ装置に関する。

超音波は、その音響特性を利用して反射物体の検出や状態判定に適していることが知られている。

下記特許文献１には、超音波を出力してから反射波を受波するまでの時間から反射体の微小な変動を捉えて、例えば人体の呼吸などによる微動を検出する超音波センサについて開示されている。この超音波センサは、超音波としてパルス変調波（例えば８［ｋＨｚ］帯域幅の変調波）を利用し、反射波の波形の時間変動から胸郭の動きを具体的な距離の変化として検出することで微動の有無を判定する。

特開２０１６−１９３０２０号公報

ところで、特許文献２に開示されるような微動センシング技術においては、壁や天井などから伝わる振動によりセンサユニット自体が振動し、その精度が劣化することがある。

センサユニット自体の振動は目視確認できないほどの微細なもの（例えば振幅１［ｍｍ］未満、周期１［Ｈｚ］前後）であるが、何らかの固定手段を用いてもその振動抑制は不可避である。このような微細な振動は、反射体（対象物体）が生体・非生体に拘わらず、反射波の波形の時間変動として現れてしまい微動検出の誤差の原因となりかねない。つまり、センサユニット自体が振動の影響を受けてしまうと、対象物体の微動を捉えて正確に判断することは非常に困難であるという問題があった。

そこで、静止していることが仮定できる物体を別途手動設定して、その物体からの反射波成分を基準に反射波全体を時間方向に揃えて微動を検出することも考えられる。しかし、その設定には利用者の負担が大きく、室内の家具などのレイアウトが変更されると、その都度再設定しなければならず、より一層負担を強いられるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決しようとするものであり、人などの対象物体の微小な変位を検出する装置に壁や天井などから伝わる微細な振動の影響を排除するために要する物体であって、静止していると仮定できる物体を自動的に判別することができる物体判定装置及び該装置を備えたセンサ装置を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するために、本発明に係る物体判定装置は、物体に向けて送信波を間欠的に送波する送波部と、
前記物体において反射した反射波を受波する受波部と、
前記反射波に基づく反射波データのそれぞれから前記物体からの反射に対応する部分波形データを抽出する部分データ抽出部と、
一の前記送信波に対する反射波から３以上の前記部分波形データが抽出されると、該部分波形データ同士の位相特性の差を３以上の前記部分波形データの組み合わせについて求め、それぞれの組み合わせに関する前記差の時間変化が検出対象となる変位に基づいて設定された閾値以上と当該閾値未満に分かれたときに、前記時間変化が前記閾値未満の前記差を有する前記部分波形データを静止物体に対応すると判定する物体判定部と、
を有することを特徴とする。

また、本発明に係る物体判定装置において、前記物体判定部は、
前記位相特性からさらに群遅延を求め、前記差を前記部分波形データ同士の群遅延の差とするようにしてもよい。

また、本発明に係るセンサ装置は、上述した物体判定装置を有し、対象物体の前記変位を検出するセンサ装置であって、
前記センサ装置は、
前記物体判定装置の前記物体判定部が静止物体に対応すると判定した前記部分波形データの位相特性について一の前記送信波に対する当該部分波形データの位相特性と他の前記送信波に対する当該部分波形データの位相特性との差から当該他の前記送信波に対する前記反射波データの周波数特性を補正する補正部と、
複数の前記補正後の前記反射波データそれぞれの周波数特性から補正反射波データを求め、複数の前記補正反射波データの時間変化に基づき前記対象物体の変位情報を算出する変位情報算出部と、
前記変位情報を外部装置に出力する出力部と
を有することを特徴とする。

本発明の物体判定装置によれば、対象物体の微小な変位を検出する装置に壁や天井などから伝わる振動の影響を排除するために要する物体であって、静止していると仮定できる物体を自動的に判定することができるため、利用者が静止物体を設定する手間を省くことができる。

また、静止物体を判定する際に、部分波形データの位相特性をグラフ化すると実際には直線形状とならずに曲線形状となってしまうが、位相特性のグラフを最小２乗法により近似直線とする群遅延の差を用いることで、部分波形データ同士の時間変化の差を正確に求めることができる。よって、複数の物体の中から静止物体を確実に特定することができる。

また、本発明のセンサ装置によれば、物体判定装置により判定された静止物体が受ける振動に基づきセンサ装置が設置される壁や天井などから伝わる振動によってセンサ装置自体が振動する影響を排除することができるため、必ずしも理想的な環境とはいえない場所であっても人体の呼吸に伴う胸郭の動きのような微小な変位を正確に検出することができる。

（ａ）、（ｂ）は本発明に係る変位判定システムの概要を示す概念図である。 （ａ）はセンサユニットの機能ブロック図であり、（ｂ）は復調波処理部の機能ブロック図である。 送信波として送波される超音波（スイープ信号）の一例を示す波形図である。 ある送波時刻を原点とした反射波を模式的に示した波形図である。 異なる時刻で受波した反射波を復調した復調波を模式的に示した波形図である。 初期設定部で実施される処理内容を示したフローチャートである。 群遅延の概念を説明するための角周波数に対する位相特性のグラフである。 受波した反射波の復調波データと波形補正部による位相成分補正後の復調波データを重ねた模式図である。 センサユニットの一連の処理動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

なお、本明細書に添付する図面は、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺、縦横の寸法比、形状などについて、実物から変更し模式的に表現される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。従って、添付した図面を用いて説明する実施の形態により、本発明が限定されず、この形態に基づいて当業者などにより考え得る実施可能な他の形態、実施例及び運用技術などは全て本発明の範疇に含まれるものとする。

また、本明細書において、添付する各図を参照した以下の説明において、方向乃至位置を示すために上、下、左、右の語を使用した場合、これはユーザが各図を図示の通りに見た場合の上、下、左、右に一致する。

以下、本発明の好適な実施形態として、本発明に係る物体判定装置及びセンサ装置を人物の状態を検知する生体検知技術に応用した実施形態について説明する。

本発明に係る物体判定装置及びセンサ装置を応用した変位判定システム１について、図１〜９を適宜参照しながら説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は、変位判定システム１を模式的に示した図である。各図に示すように、変位測定システム１は、対象物体と、この対象物体の近傍に配置される参照物体とが存在する観察空間（部屋）内における上方（天井や壁面）に取り付けられるセンサユニット（請求項におけるセンサ装置に相当）１０と、センサユニット１０からの信号を無線又は有線で受信し、例えば胸郭付近の動きが無くなった場合には呼吸停止の可能性があるとして図示しない所定の通知先である警備会社などに通報する制御装置２０とで構成される。

本実施形態において、センサユニット１０により変位を検出する対象物体は、ベッド１１に仰向きに横臥した就寝中の人体１２であり、検出対象となる微小な変位は呼吸に伴う胸郭の動きである。
また、参照物体とは、ベッド１１の近傍に配置される家具や床であり、常時静止していることを条件としている。本実施形態では、その存在と位置（センサユニット１０からの距離）が既知とする。

なお、センサユニット１０から机１３及び床１４までの距離は、キーボードやマウスを含んで構成される不図示の設定入力手段から入力されて、不図示の設定条件記憶部に記憶されている。又は、後述する初期設定部１１０ｃにより自動的に計測されて設定条件記憶部に記憶されてもよい。

また、センサユニット１０は、対象物体及び参照物体に送信波を送波して確実に受信波が受けられる位置に設置される。本実施形態では、センサユニット１０が横たわる人のほぼ真上の天井に下向きに向けられている。センサユニット１０は、天井や壁などの設置箇所から微小な振動を受けることが不可避であるが、本発明によりその振動の影響を排除できるものである。

次に、図２を参照しながらセンサユニット１０の構成について説明する。
センサユニット１０の筐体外部には、送信波を送波する送波部として機能するスピーカー１０１と、スピーカー１０１から送波された送信波が対象物体及び参照物体にて反射した反射波を受信波として受波する受波部として機能するマイク１０２が設けられている。図２（ａ）に示すように、スピーカー１０１の送波部分とマイク１０２の受波部分は、それぞれ対象物体や参照物体に向いた状態でセンサユニット１０の下方（設置面と対向する面）に配置されている。

センサユニット１０の内部構成としては、変調波記憶部１０３と、Ｄ／Ａ変換部１０４と、スピーカーアンプ１０５と、マイクアンプ１０６と、Ａ／Ｄ変換部１０７と、送受波制御部１０８と、受信波復調部１０９と、復調波処理部１１０と、復調波記憶部１１１と、出力部１１２とを備えている。また、特許請求の範囲に記載された「物体判定装置」は、本実施形態におけるスピーカー１０１、Ｄ／Ａ変換部１０４及びスピーカーアンプ１０５で構成される「送波部」と、マイク１０２、マイクアンプ１０６及びＡ／Ｄ変換部１０７で構成される「受波部」と、後述する復調波処理部１１０の「部分データ抽出部１１０ａ」と、後述する復調波処理部１１０の「周波数解析部１１０ｂ」と、後述する復調波処理部１１０の「初期設定部１１０ｃ」とで構成される。

変調波記憶部１０３は、超音波帯域におけるパルス性変調波やバースト波などのデジタル信号を記憶しており、例えば半導体メモリやハードディスクドライブなどから構成される。ここで、パルス性変調波とは、周波数を直線的に変化させた周波数変調波や、Ｍ系列などを使った位相変調波を指し、復調して物体の位置をパルス的に捉えることで高精度に距離を測ることができる。また、バースト波とは、単一の周波数（例えば４０［ｋＨｚ］）の信号を非常に短い時間（１［ｍｓ］未満）で出力するもので、復調処理ではその包絡線検波を行い、そのピーク位置で距離を測ることができる。

本実施形態の変調波記憶部１０３は、パルス性変調波であるスイープ信号のデジタルデータを予め記憶している。図３のグラフ３０は、スイープ信号の波形を例示したものであり、グラフ３１は、当該スイープ信号の時間の時間−周波数特性を例示したものである。スイープ信号は、振幅は一定ながらも周波数が時間的に変化する性質を有する信号であり、図３の例では周波数が時間経過と共に徐々に下降してゆく。このような信号を用いることで、単純なパルス信号を出力するよりも受信パワーが確保され、測距結果の分解能が向上することが知られている。例えば、周波数を３２［ｋＨｚ］から２４［ｋＨｚ］の幅で周波数を変化させることで、センサユニット１０からの距離について約２ｃｍの分解能とすることができる。

以下、本実施形態では、可聴域外のスイープ信号を送信波として採用するのでスピーカー１０１から送波される送信波を「超音波」として表記する。

Ｄ／Ａ変換部１０４は、送受波制御部１０８の出力指示に従ったタイミングで変調波記憶部１０３からスイープ信号のデジタルデータを読み出して、読み出したデジタルデータをＤ／Ａ変換する。

スピーカーアンプ１０５は、Ｄ／Ａ変換部１０４から出力したアナログデータを増幅してスピーカー１０１を駆動する。これにより、スピーカー１０１から対象物体及び参照物体に向けて超音波が送波される。送波された超音波は、対象物体及び参照物体にて反射し、この反射した反射波をマイク１０２で受波する。マイク１０２で受波した反射波は、電気信号（アナログ信号）に変換される。

マイクアンプ１０６は、マイク１０２で変換されたアナログ信号を増幅する。

Ａ／Ｄ変換部１０７は、マイクアンプ１０６で増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換して送受波制御部１０８の出力指示に従って受信波復調部１０９に出力する。

送受波制御部１０８は、超音波を送波するタイミングを制御する機能と、超音波と反射波との対応付けを行う機能を有する。
本実施形態において、超音波の送波タイミングは２００［ｍｓ］毎である。また、本実施の形態において、人体１２の呼吸などに伴う胸郭の動きの有無を判定するために必要な計測回数Ｌは１５である。
なお、送波回数は、検出対象となる変位の種類に応じて適宜設定可能である。

本実施形態では、図３に示すスイープ信号（符号３０）の時間長を１２８［ｍｓ］とし、図１に示すセンサユニット１０が人体１２の直上２［ｍ］程の位置に取り付けられているとする。

受信波復調部１０９は、Ａ／Ｄ変換部１０７が出力したデジタル信号を復調して復調後のデジタルデータを反射波データとして出力する。スイープ信号が復調された反射波データにはパルス性の波形が現れる。

図４には、反射波データ４０が、模式的に示されている。反射波データ４０中のピーク４１は机１３からの反射、ピーク４２は人体１２からの反射、ピーク４３は床１４からの反射に対応する成分である。
図４において、横軸は時間を表している。反射波データ４０の原点は、後述する部分データ抽出部１１０ａが、復調された反射波データに含まれており図示しない回り込み波のピークに一致させたものである。スピーカー１０１からマイク１０２へ回り込んで直接受波される回り込み波は、センサユニット１０の振動による影響を受けないため、反射波データの原点は常に送信波の送信時刻から一定時間後となる。また、ピーク時間はほぼ超音波の往復時間を表し、往復時間が長いとセンサユニット１０から超音波を反射させた物体までの距離が遠く、短いと距離が近いことを表している。なお、本実施形態において、反射波データの長さは１２８［ｍｓ］である。

復調波処理部１１０は、受信波復調部１０９で復調された反射波データを補正処理してセンサユニット１０自体の振動の影響を排除し、対象物体の微細な変位に関する変位情報を求めて出力部１１２に出力する。
復調波処理部１１０は、部分データ抽出部１１０ａと、周波数解析部１１０ｂと、初期設定部１１０ｃと、波形補正部１１０ｄと、変位情報算出部１１０ｅとを備えている。

ここで、センサユニット１０が振動を受けたときの影響と、本発明による対策方法の概要について説明する。
図５は、センサユニット１０が振動している間に受波した３回分の反射波の反射波データを模式的に示したものである。なお図５では、理解容易のために、実際の変動の様子を大幅に誇張して描画している。

図５（ｂ）は、センサユニット１０が振動して人体１２、机１３及び床１４に近づいた場合であり、そのピーク時刻は図中の一点鎖線で示す図５（ａ）の反射波データのピーク時刻よりも図中の矢印で示すように左側にずれて早く検出されていることがわかる。また、図５（ｃ）は、センサユニット１０が振動して人体１２、机１３及び床１４から遠ざかった場合であり、そのピーク時刻は図中の一点鎖線で示す図５（ａ）の反射波データのピーク時刻よりも図中の矢印で示すように右側にずれて遅く検出されていることがわかる。

センサユニット１０が振動すると人体１２の微動によるピーク時刻変化にセンサユニット１０の振動によるピーク時刻変動が重畳されるため、ピーク時刻変化から単純に人体１２の微動を判定できない。一方で、何れの時刻においても、机１３若しくは床１４は不動であるから、両者の反射に関するピーク時刻の変動は、センサユニット１０の振動によるものと考えることができる。

そこで本発明では、静止物体である机１３又は床１４を参照物体とし、この参照物体に関するピーク時刻を基準に対象物体である人体１２に関するピーク時刻を補正して、擬似的にセンサユニット１０が振動していない場合のピークの時刻変化が得られるようにしている。つまり、図５（ａ）〜（ｃ）の反射波データを時間方向にずらして参照物体に関するピーク時刻を基準に揃えることを意味する。これにより、対象物体の僅かな変位であっても、正確に判定することができるようになる。

部分データ抽出部１１０ａは、受信波復調部１０９が出力した反射波データからピーク時刻を中心とする所定の時間幅のデータを抽出する（切り出す）手段である。そのため、部分データ抽出部１１０ａは、電源投入後動作が安定する所定期間に切り出しのための時間窓を物体ごとに初期設定する。
すなわち、部分データ抽出部１１０ａは、反射波データの中に超音波の送波時刻と各物体までの距離を基準にした探索区間を定め、その探索区間において振幅の値の絶対値を求め、当該値が所定の閾値以上の時間区間においてピーク時刻を探索してそのピーク時刻を中心とする所定の時間幅の時間窓を決定する。つまり、各物体に対して反射波データの原点から時間窓の始端までの時間と原点から時間窓の終端までの時間が決定される。時間窓の幅は、例えば１０［ｍｓ］とすることができる。また上記閾値は、雑音成分を排除可能なように設定される。
そして、決定された時間窓は、以降に出力される反射波データに対する共通設定となる。以上のように部分データ抽出部１１０ａは、出力される反射波データのそれぞれに、対応する各送信波の送信時点を基準とする時間において物体ごとに共通に定められた時間窓を適用して各物体からの反射に対応する波形データを抽出する。

例えば図４に示す反射波データが出力された場合、部分データ抽出部１１０ａは、机１３、人体１２、床１４のそれぞれに対する時間窓を適用して、反射波データから各物体に係る部分波形データを切り出す。そして、切り出した時間以外は振幅０とする。

周波数解析部１１０ｂは、受信波復調部１０９から入力された反射波データと、部分データ抽出部１１０ａで切り出された各物体の部分波形データをフーリエ変換処理し、得られた周波数特性（位相特性や振幅特性）をそれぞれ復調波記憶部１１１に記憶させる。

計測処理開始後、ｉ回目の計測で得られた反射波データをｈ_ｉ（ｎ）（ｎ＝０，…，Ｎ−１）とし、ｈ_ｉ（ｎ）から切り出された部分波形データｇ_ｉ（ｎ）のフーリエ変換処理の式は、下記数１のようになる。

ここで、Ｎは、１回の計測で得られる反射波データの時間長（例えば１２８［ｍｓ］）をサンプリング間隔（例えば８［ｋＨｚ］）で乗じた１回の計測に対するサンプリング点数であり、例えば１０２４（＝１２８［ｍｓ］×８［ｋＨｚ］）となる。

また、部分データ抽出部１１０ａで切り出された一つの参照物体に対する部分波形データの周波数特性は、上記数１を書き換えた下記数２のφ_ｉ（ω）で表される。

式中の添え字ｉは計測インデックス、つまりは動作開始後の適当な時刻、例えば時間窓を決定した時刻を基準に送受波制御部１０８で超音波を送波後、反射波を受波したときのそれぞれの反射波について与えられる識別番号であり、以下、適宜最新時刻（現時刻）を表わす。また、位相項φ_ｉ（ω）は、２πのジャンプが無いアンラップ処理が施されたものとするが、この位相項φ_ｉ（ω）には、センサユニット１０と参照物体として設定された床１４との距離の情報が保持されている。

また、周波数解析部１１０ｂは、反射波データに上記数１のフーリエ変換を施して得られた周波数特性Ｈ_ｉ（ω）（位相特性、振幅特性）と、選定された参照物体に対応する部分波形データにフーリエ変換を施して得られた周波数特性φ_ｉ（ω）（位相特性）を復調波記憶部１１１に記憶させる。

初期設定部１１０ｃは、部分データ抽出部１１０ａで切り出された各部分波形データのピークを比較して、何れのピークが参照物体である机１３（又は床１４）なのか、何れのピークが対象物体である人体１２なのかを決定する。

ここで、図６のフローチャートを参照しながら初期設定部１１０ｃで実施される処理内容について説明する。
まず、各時刻（前述した計測インデックスにも対応する時刻）で超音波を送受波し（ＳＴ１）、マイク１０２で受波した反射波を復調して復調後のデジタルデータを反射波データとして出力する（ＳＴ２）。

次に、部分データ抽出部１１０ａは、電源投入後、動作が安定した時刻において決定した所定の時間窓を用いて反射波データから各物体に対応する部分波形データを切り出し（ＳＴ３）、下記数３を用いて切り出した各物体の部分波形データにそれぞれフーリエ変換を施し、得られた結果を復調波記憶部１１１に記憶させる（ＳＴ４）。なお、フーリエ変換された各部分波形データは、時間窓で切り出した部分以外の振幅値を０とし、時間長は１２８［ｍｓ］となる。

式中の添え字ｉは上記数２と同じである。また、添え字ｋは、添え字ｉで表される計測インデックスを有する復調波の中で、切り出されたピークの番号である。つまり、図４でいうと、ピーク４１が０、ピーク４２が１、ピーク４３が２となる。

次に、上記数３で得られた結果が、復調波記憶部１１１に所定時間数分だけ記憶されているか否かの判断を行う（ＳＴ５）。つまり、本実施形態では、１５回の計測を行って判定しているため、ＳＴ５では１５回の計測が行われているか否かの判断となる。

このとき、所定時間数分だけ記憶されていない場合（ＳＴ５−Ｎｏ）は、再度Ｓ１に戻ってＳ１〜Ｓ４の処理を行う。
また、所定時間数分だけ記憶されている場合（ＳＴ５−Ｙｅｓ）は、次に、同じ計測インデックスｉについて、順次２つのピークを選んで所定時間数分記憶した位相φ_ｉ，ｋ（ω）同士の差を総当たりで求め、復調記憶部１１１に記憶させる（ＳＴ６）。

但し、ＳＴ６の処理における「位相の差」は、単にφ_ｉ，ｋ（ω）の減算ではなく、以下のように位相特性から距離情報が抽出可能な群遅延の考え方を導入する。
図７には、角周波数ωに対する位相特性φのグラフが示されている。反射波を復調して理想的なインパルスが得られる場合、位相特性のグラフ５１は直線形状となるが、実際にはインパルスにはならず、図７のように位相特性のグラフは曲線形状となる。また、この位相特性５１の傾きの逆符号（−Δφ／Δω）は、パルスの時間原点からの距離（時間原点からの時間幅）に対応することが知られている。そこで初期設定部１１０ｃは、ω（０〜π）の０付近、π付近の一定幅ε_ωを除いたωの区間について最小２乗法により図中の点線で示す近似直線５２を求め、傾きの逆符号である群遅延の値を求めている。なお、ε_ωは適宜設計パラメータとしてπ／１０などとする。

また、以下の説明では、計測タイミングｉについて、ｋ番目のパルスに対する群遅延をτ_ｉ，ｋと表す。本実施形態では、切り出される部分波形データが３つあるので、差の組み合わせはΔτ_ｉ，０＝τ_ｉ，０−τ_ｉ，１、Δτ_ｉ，１＝τ_ｉ，１−τ_ｉ，２、Δτ_ｉ，２＝τ_ｉ，２−τ_ｉ，０の３つとなる。よって、ＳＴ６による処理において、所定時間数分のΔτ_ｉ，ｐを参照し、ｐを固定してｉを変化させたときの時間変化を求めた場合、
ｐ＝０：Δτ_{−１４，０}、Δτ_{−１３，０}…Δτ_−１，０、Δτ_０，０
ｐ＝１：Δτ_{−１４，１}、Δτ_{−１３，１}…Δτ_−１，１、Δτ_０，１
ｐ＝２：Δτ_{−１４，２}、Δτ_{−１３，２}…Δτ_−１，２、Δτ_０，２
となる。

また、初期設定部１１０ｃは、群遅延同士の差（Δτ_ｉ，ｐ）を復調波記憶部１１１に所定時間数分（１５時点分）だけ記憶させるが、新たな計測インデックスについて群遅延の差を求めたら、最古の群遅延の差を削除するようにしている。そのため、復調波記憶部１１１には、常に最新のデータを含めて１５時点分の群遅延同士の差が、ｐ＝０、ｐ＝１及びｐ＝２のそれぞれについて記憶される。

図６のフローチャートに戻り、ＳＴ６において同じ計測インデックスｉについて、総当たりで群遅延τ_ｉ，ｋ同士の差Δτ_ｉ，ｐを求めると、次に、求めたΔτ_ｉ，ｐ（ｐ＝０，１，２）の時間変化がそれぞれ所定の閾値未満か否かを判断する（ＳＴ７）。

ＳＴ７の処理で使用される閾値は、検出対象である微小な変位に基づいて適宜設定される値である。そのため、例えば対象物体である人体１２の呼吸に伴う胸郭の動きを検出対象とした場合、横たわる人体１２の胸郭は鉛直方向（上下方向）に約１［ｃｍ］程度変位する。つまり、検出したい変位の標準的な量を基準として経験的に得られる値（例えば１［ｃｍ］の１／１０にあたる１［ｍｍ］に相当する値）を設定すればよい。このように閾値を設定すれば、少なくとも人体１２を含む組み合わせは、静止している机１３と床１４との組み合わせよりも時間変化が大きく閾値を確実に越える値となるため、人体１２が含まれる組み合わせを容易に判別することができる。

ＳＴ７の処理において、時間変化が閾値未満であると判定された場合（ＳＴ７−Ｙｅｓ）、これら部分波形データに該当する物体は共に時間変化が小さく動きが無いと判定し（ＳＴ８）、この結果を動き情報（組み合わせの中に動く物体が含まれているか否かの情報）として復調波記憶部１１１に記憶させる（ＳＴ１０）。つまり、閾値との比較対象がｐ＝２のときは、過去の１４個のΔτ_{−１４，２}、Δτ_{−１３，２}…Δτ_−１，２と最新のΔτ_０，２との差が閾値未満となるため、何れの物体も静止しているもの、すなわち机１３と床１４の組み合わせであると判定される。
一方、時間変化が閾値以上であると判定された場合（ＳＴ７−Ｎｏ）、これら部分波形データに該当する物体のうちの何れか一方に動き（変位）のある物体が含まれると判定し（ＳＴ９）、この結果を動き情報として復調波記憶部１１１に記憶させる（ＳＴ１０）。つまり、閾値との比較対象がｐ＝０のときは、過去の１４個のΔτ_{−１４，０}、Δτ_{−１３，０}…Δτ_―１，０と最新のΔτ_０，０との差のうち半数以上が閾値以上となるため、この組み合わせの中に人体１２が含まれていると判定される。また、ｐ＝１でも同様である。

上記ＳＴ１０の処理が終わると、次に部分波形データの全ての組み合わせについて比較したか否かを判断する（ＳＴ１１）。
このとき、全ての組み合わせについて比較していない場合は（ＳＴ１１−Ｎｏ）、再度ＳＴ６に戻ってＳＴ６〜ＳＴ１０までの処理を適宜行う。
一方、全ての組み合わせについて比較した場合は（ＳＴ１１−Ｙｅｓ）、最終処理として、復調波記憶部１１１に記憶した動き情報に基づき、ｐ＝０、１、２の結果から静止物体を特定し、静止物体のうち、何れかの静止物体を波形補正部１１０ｄにおける補正処理の基準とする参照物体として選定する（ＳＴ１２）。本実施形態において、ピーク４１とピーク４３に対応する物体は静止物体である机１３、床１４であり、ピーク４２に対応する物体は移動物体である人体１２と判定され、本実施形態では床１４を参照物体として選定している。勿論、参照物体として机１３を選定してもよい。

なお、ステップＳＴ１２において、何れのｋに対応するΔτ_ｉ，ｐの組が静止物体に対応するものかを判定する際に、上記のように時間変化が大きいΔτ_ｉ，ｐの組と時間変化が小さなΔτ_ｉ，ｐの組に分かれることを条件とする。これは超音波を反射した物体が全て静止物体の場合や、全て動物体であり動く方向が異なる場合には、判定が困難となり利用者に参照物体の手動設定を依頼すべく、その旨の表示が求められるからである。よって、観察空間内に存在する物体は、対象物体が１つ、参照物体となり得る静止物体が２つ以上の合計３つ以上存在するものとする。

波形補正部１１０ｄは、周波数解析部１１０ｂでフーリエ変換処理された結果を用いて、反射波データを補正する。すなわち、反射波データについての周波数特性を、参照物体からの反射成分の周波数特性のうち位相特性で補正する。

波形補正部１１０ｄは、復調波記憶部１１１に記憶される参照物体の部分波形データをフーリエ変換して得られた位相情報をφ_{ｉ−Ｌ＋１}（ω），…，φ_ｉ（ω）、すなわちφ_ｉ−１４（ω），…，φ_ｉ（ω）と、反射波データをフーリエ変換して得られた結果をＨ_{ｉ−Ｌ＋１}（ω）, … , Ｈ_ｉ（ω）、すなわちＨ_ｉ−１４（ω）, … , Ｈ_ｉ（ω）として、下記数４を用いて補正処理を行う。これにより、現在時刻を基準としてある過去の時刻についてどの程度の振動の影響があるかを判定することができる。

そして、波形補正部１１０ｄは、上記数４で得られたＸ_ｉ，ｍ（ω）を現時刻における補正後の反射波データとして復調波記憶部１１１に記憶させる。

図８は、波形補正部１１０ｄによる補正前の反射波データと、補正後の反射波データを重ねた模式図である。図中において実線は補正後の反射波データ、点線は補正前の反射波データであり、各物体から反射した反射波の各受信時刻における波形の違いが把握できる状態となっている。波形補正部１１０ｄによる補正を行うことで、センサユニット１０が受けた振動がキャンセルされ、ピーク６１に示すように人体１２の胸郭の動きを示す本来の波形を得ることができる。

なお、参照物体は、初期設定部１１０ｃで選定されるが、これと同時に反射波データから対象物体を特定することも可能である。よって、波形補正部１１０ｄは、選定された参照物体の位相特性に基づき反射波データの位相特性を補正しているが、これに限定されることはなく、反射波データの中から少なくとも人体１２に該当する部分波形データを時間窓で切り出し、この部分波形データの位相特性を、選定された参照物体の部分波形データの位相特性で補正するようにしてもよい。

変位情報算出部１１０ｅは、復調波記憶部１１１に記憶されている補正後の反射波データを計測回数Ｌ（１５時点分）だけ読み出し、変位情報を算出して出力部１１２に出力する。

変位情報算出部１１０ｅは、読み出したＸ_ｉ，ｍ（ω）を下記数５を用いて逆フーリエ変換処理し、その結果である補正反射波データをｘ_ｉ，ｍ（ｎ）, ｍ=０，…，１４（＝Ｌ−１）とする。ここで、ｎは反射波についての（離散的な）時間インデックスを表し、ｎが大きいほどセンサユニット１０から遠い位置を表している。この結果は、参照物体に関する反射のピーク時刻を基準に時間方向にずらして揃えた結果になっている。

また、変位情報算出部１１０ｅは、上記数５により求めた補正反射波データを用いて現時刻から過去所定数分の補正反射波データの時間変化から対象物体の変位情報（すなわち、人体１２の胸郭の変位）を算出する。仮に人体１２が完全静止しているとすると、Ｌ個の系列ｘ_ｉ，ｍ（ｎ），ｍ=０，…，１４（＝Ｌ−１）の中の人体１２に対応したｎの範囲Ｎ_０≦ｎ≦Ｎ_１は同じ値を持つことになる。
そこで、現フレームを含む直近Ｌ個の系列の変動度合いを評価することで人体１２の呼吸による胸郭の動き判定を行うことができる。

すなわち、下記数６を用いてｘ_ｉ，ｍ（ｎ）の直近の１５（＝Ｌ）個の平均応答系列を算出する。

そして、平均応答系列ｙ_ｉ（ｎ）と時間領域の信号ｘ_ｉ，ｍ（ｎ）から下記数７若しくは数８を用いて変位情報Ｅ_１，ｉ（又はＥ_２，ｉ）を算出して出力部１１２に出力する。

復調波記憶部１１１は、復調波処理部１１０の処理に関わる情報を記憶する。例えば、周波数解析部１１０ｂで得られた反射波データや部分波形データの周波数特性、初期設定部１１０ｃの初期設定に関わる情報として群遅延同士の差や物体の動き情報、波形補正部１１０ｄで補正された反射波データを記憶する。

出力部１１２は、変位情報算出部１１５ｅで算出された変位情報Ｅ_１，ｉ（又はＥ_２，ｉ）を制御装置２０に出力する。

制御装置２０は、センサユニット１０との間で有線又は無線通信可能に接続されている。制御装置２０は、センサユニット１０との間及び所定の通知先との間で各種情報を通信（有線、無線は問わず）する通信部２１と、各時刻において得られた変位情報をセンサユニット１０から受信しそれが予め設定された閾値（停止判定閾値）以下となることが所定時間継続しているか否かの判定を行う判定部２２と、通信部２１と判定部２２を制御する制御部２３とを備えている。

本実施形態の変位判定システム１は、検出対象である人体１２の胸郭の変位（動き）を観察しており、予め設定された閾値として人体１２の呼吸が止まっていることが判定可能な停止判定閾値が設定されている。そのため、制御装置２０は、判定部２２により変位情報Ｅ_１，ｉ（又はＥ_２，ｉ）が停止判定閾値を下回った状態が所定時間継続していると判定した場合は、人体１２の呼吸が止まった可能性があると判定し、通信部２１を介して所定の通知先に通報する処理を行う。

次に、図９を参照しながら上述した第１実施形態のセンサユニット１０の処理動作について説明する。
ここでは、図１に示す観察空間内において、対象物体となる人体１２がベッド１１に横たわり、参照物体となり得る静止物体として机１３及び床１４が存在するものとし、本実施形態では参照物体として床１４が選定されるとして説明する。

まず、センサユニット１０を用いて人体１２の呼吸に伴う胸郭の動きを検出するにあたり、２つの初期設定を行う。１つ目の初期設定（ＳＴ２１）は、初期設定部１１０ｃの構成で説明した処理（図６に示すフローチャート）に沿った処理を行うため、ここでは説明を省略する。

次に、２つ目の初期設定（ＳＴ２２）として、変調波記憶部１０８に記憶されている超音波をスピーカー１０１から送波し、マイク１０２で受波した反射波を復調して時間窓を決定する。この処理では、前述したＳＴ２１の初期設定（図６に示すフローチャート）の過程で決定した時間窓をそのまま使用すればよい。また、部分データ抽出部１１０ａの説明で述べた手順に則り、再度参照物体についての時間窓を決定してもよい。

次に、観察空間内に存在する対象物体及び参照物体に向けて超音波を送波し、各物体から反射した反射波を受波する（ＳＴ２３）。すなわち、送受波制御部１０８において、変調波記憶部１０３から送波する超音波のデジタルデータを読み出し、Ｄ／Ａ変換器１０４でアナログデータに変換した後、スピーカーアンプ１０５を通じてスピーカー１０１から対象物体と参照物体に向けて送波する。また、各物体からの反射波をマイク１０２で受波し、マイクアンプ１０６でアナログ信号を増幅後、Ａ／Ｄ変換器１０７でアナログ信号をデジタル信号に変換する。

次に、デジタル信号に変換された反射波の復調処理を行う（ＳＴ２４）。つまり、受信波復調部１０９において、Ａ／Ｄ変換器１０７で変換されたデジタル信号を復調して反射波データを出力する。

次に、周波数解析部１１０ｂは、上記数１を用いて受信波復調部１０９で復調された反射波データにフーリエ変換を施して周波数特性Ｈ_ｉ（ω）を得る（ＳＴ２５）。得られたＨ_ｉ（ω）は、最新回の送波によるものとなるため、復調波記憶部１１１に記憶させると同時に、既に記憶されているＨ_ｉ−Ｌ（ω）（つまりＬ回前の送波によるもの）を削除して更新する（ＳＴ２６）。

また、ＳＴ２５、２６の処理と平行して、部分データ抽出部１１０ａは、受信波復調部１０９で復調された反射波データから、ＳＴ２２で設定された時間窓を用いて選定した参照物体に対応する部分波形データを切り出す。そして、周波数解析部１１０ｂにおいて、切り出した参照物体の反射波データについて上記数２に従いフーリエ変換を施して位相特性φ_ｉ（ω）を得る（ＳＴ２７）。得られたφ_ｉ（ω）は、最新回の送波によるものとなるため、復調波記憶部１１１に記憶させると同時に、既に記憶されているφ_ｉ−Ｌ（ω）（つまりＬ回前の送波によるもの）を削除して更新する（ＳＴ２８）。

下記ＳＴ２９〜３１の処理は、１５（＝Ｌ）回の送波による１５フレーム分について繰り返すものであるが、処理量の削減を図るため、再利用可能な処理結果は都度復調波記憶部１１１に更新記憶させて後の時点に読み出すような構成となっている。以下では、必要に応じて再利用する処理として説明する。

波形補正部１１０ｄは、復調波記憶部１１１に記憶されている反射波データの周波数特性Ｈ_ｉ（ω）と、参照物体の部分波形データの位相情報φ_ｉ（ω）を読み出す（ＳＴ２９）。これらは最新フレームのものとなる。

次に、波形補正部１１０ｄは、上記数４に従い、反射波データを位相成分について補正してＸ_ｉ，ｍ（ω）を求め、復調波記憶部１１１に記憶させる（ＳＴ３０）。最新フレームの場合にはｍ＝０となるので、指数成分のカッコ内はゼロとなり、Ｘ_ｉ,０（ω）＝Ｈ_ｉ（ω）となる。

次に、変位情報算出部１１０ｅは、波形補正部１１０ｄで補正処理されたＸ_ｉ，ｍ（ω）について上記数５を用いて逆フーリエ変換を施して時間領域の信号ｘ_ｉ，ｍ（ｎ）に戻す（ＳＴ３１）。過去フレームについては、既に記憶済みであるので、上述したように実際にはＳＴ２９〜ＳＴ３１をＬ回繰り返す必要は無い。

次に、変位情報算出部１１０ｅは、ＳＴ２９〜ＳＴ３１の処理を経て得たｘ_ｉ，ｍ（ｎ）から現在時刻を含む直近Ｌ回分の平均応答系列ｙ_ｉ（ｎ）を上記数６により算出し、得られた平均応答系列ｙ_ｉ（ｎ）と時間領域の信号ｘ_ｉ，ｍ（ｎ）から上記数７又は数８を用いて変位情報Ｅ_１，ｉ（又はＥ_２，ｉ）を求める（ＳＴ３２）。

そして、求めた変位情報Ｅ_１，ｉ（又はＥ_２，ｉ）を出力部１１２に出力する（ＳＴ３３）。本実施形態では図１に示す制御装置２０に出力する。ＳＴ３３の処理が終了すると、図中Ａに沿って再度ＳＴ２３に戻って、次フレームの処理を行う。

また、制御装置２０は、センサユニット１０から入力した変位情報に基づき、人体１２の呼吸に伴う胸郭の動きが正常であるか否かの判定を行い、異常があった場合、つまり呼吸が停止していると判定した場合は、所定の通知先への警報出力を行う。

［本発明の作用・効果］
以上説明したように、本実施形態に係る物体判定装置及びセンサ装置（センサユニット１０）は、観察空間内に存在する３以上の物体の中から静止していると仮定できる物体を判定する機能を備えている。つまり、対象物体及び対象物体の近傍に静止した状態で配置された２つ以上の参照物体が存在する観察空間に設置されたセンサユニット１０は、まずスピーカー１０１から対象物体及び参照物体に送信波である超音波を送波し、その反射波をマイク１０２で受波する。次に、受波した反射波を復調した反射波データから参照物体に対応する部分波形データを共通の時間窓で切り出して周波数解析して位相特性を所定時間数分だけ記憶させる。そして、記憶させた部分波形データ同士の位相特性の差（群遅延の差）を総当たり的に求め、時間変化が所定の閾値以上の組と閾値未満の組に分かれたときに、時間変化が閾値未満の組の部分波形データに対応する物体が静止した物体、すなわち変位判定システム１における参照物体として選定可能な物体であると判定する。

これにより、センサユニット１０が設置される壁や天井などから伝わる振動によってセンサユニット１０自体が振動する影響を排除するために要する物体であって、観察空間内に存在する物体のうち静止していると仮定できる物体を自動的に判定することができる。そのため、変位判定システム１を導入するにあたり、利用者が観察空間内に存在する静止している物体を参照物体として設定する手間を省くことができる。

また、参照物体を選定する際に、共通の時間窓で切り出した部分波形データの位相特性をグラフ化すると実際には直線形状とならずに曲線形状となってしまうため、位相特性のグラフを最小２乗法により近似直線とする群遅延の差を用いることで正確に静止物体を判定することができる。

［その他の実施形態について］
ところで、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下に示すように使用環境などに応じて適宜変更して実施することもできる。

図６に示すフロー図を用いて説明した初期設定部１１０ｃで実施される処理では、位相差を部分波形データについて総当りに全ての組み合わせについて求めてから、ステップＳＴ１２にて時間変化が大きい位相差の組と時間変化が小さな位相差の組に分かれることを条件として静止物体を選定しているが、それに限られない。
反射波データに４以上のピークが含まれている場合、そのうちの３のピークについての部分波形データから求めた位相差の時間変化を所定の閾値と比較し、時間変化が大きい位相差の組と小さな位相差の組に分かれたら、静止物体の判定が可能な状態になったとしてステップＳＴ１１の条件分岐においてステップＳＴ１２に進み、時間変化が大きい位相差の組と小さな位相差の組に分かれなかったらステップＳＴ６に戻ることとしてもよい。
これにより反射波データに４以上のピークが含まれている場合に処理量軽減を図ることができる。

また、上述した実施形態においては、波形補正部１１０ｄが計測回数Ｌと同数の反射波データを単位として補正する例を示したが、補正する単位は２以上でＬとは異なる個数Ｍとすることもできる。
但し、Ｍ＜Ｌとした場合、変位情報算出部１１０ｅはＭ個の反射波データを単位として変位情報を算出して反射波データＬ個分の変位情報を統合する。
またＭ＞Ｌとした場合、変位情報算出部１１０ｅは共通の基準で補正されたＭ個の反射波データ中のＬ個を用いて変位情報を算出する。

さらに、上述した実施形態では、公共施設（病院や介護施設など）や一般家庭に設置して呼吸停止を異常状態として検知する構成で説明したが、これに限定されない。他の応用例としては、例えばセンサユニット１０を、無人の銀行ＡＴＭブース、駅構内や商業施設内に設置されるトイレなどに設置し、泥酔者などの不審者を検知する生体検知システムとして利用することもできる。

例えば無人銀行ＡＴＭに採用した場合は、不審者が銀行ＡＴＭブースに入室してきて、そのまま床面（参照物体）に横たわって寝入ることを検出できる。このとき、不審者の呼吸が止まったことの他に、体を横たえて安静状態となったと判定されるとその旨外部に通報することもできる。また、入室後、活動状態を維持して、そのまま退出すると特に通報処理はしないようにすれば不要な警報出力を抑制することができる。

また、上述した実施形態では、超音波センサを高所に取り付けて略直下に向けるものとしていたが、これに限られない。例えば壁にもたれて酔いつぶれる不審者を検出する場合には、超音波センサを斜め下向き、あるいは横向きにしても全く同様の判定手法でそのような不審者の検出ができる。
このように、本発明の範囲を超えない形態で実現が可能となる。

１…変位判定システム
１０…センサユニット
１１…ベッド
１２…人体
１３…机
１４…床
２０…制御装置（２１…通信部、２２…判定部、２３…制御部）
１０１…スピーカー
１０２…マイク
１０３…変調波記憶部
１０４…Ｄ／Ａ変換部
１０５…スピーカーアンプ
１０６…マイクアンプ
１０７…Ａ／Ｄ変換部
１０８…送受波制御部
１０９…受信波復調部
１１０…復調波処理部（１１０ａ…部分データ抽出部、１１０ｂ…周波数解析部、１１０ｃ…初期設定部、１１０ｄ…波形補正部、１１０ｅ…変位情報算出部）
１１１…復調波記憶部
１１２…出力部

Claims (3)

1. 物体に向けて送信波を間欠的に送波する送波部と、
   前記物体において反射した反射波を受波する受波部と、
   前記反射波に基づく反射波データのそれぞれから前記物体からの反射に対応する部分波形データを抽出する部分データ抽出部と、
   一の前記送信波に対する反射波から３以上の前記部分波形データが抽出されると、該部分波形データ同士の位相特性の差を３以上の前記部分波形データの組み合わせについて求め、それぞれの組み合わせに関する前記差の時間変化が検出対象となる変位に基づいて設定された閾値以上と当該閾値未満に分かれたときに、前記時間変化が前記閾値未満の前記差を有する前記部分波形データを静止物体に対応すると判定する物体判定部と、
   を有することを特徴とする物体判定装置。
2. 前記物体判定部は、
   前記位相特性からさらに群遅延を求め、前記差を前記部分波形データ同士の群遅延の差とすることを特徴とした請求項１に記載の物体判定装置。
3. 請求項１又は２に記載の物体判定装置を有し、対象物体の前記変位を検出するセンサ装置であって、
   前記センサ装置は、
   前記物体判定装置の前記物体判定部が静止物体に対応すると判定した前記部分波形データの位相特性について一の前記送信波に対する当該部分波形データの位相特性と他の前記送信波に対する当該部分波形データの位相特性との差から当該他の前記送信波に対する前記反射波データの周波数特性を補正する補正部と、
   複数の前記補正後の前記反射波データそれぞれの周波数特性から補正反射波データを求め、複数の前記補正反射波データの時間変化に基づき前記対象物体の変位情報を算出する変位情報算出部と、
   前記変位情報を外部装置に出力する出力部と
   を有することを特徴とするセンサ装置。