JP6970166B2

JP6970166B2 - レーダ装置

Info

Publication number: JP6970166B2
Application number: JP2019215104A
Authority: JP
Inventors: 嘉満長尾
Original assignee: 嘉満長尾
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2039-11-28
Also published as: JP2021085771A

Description

本発明は、測定対象の変動を検出するレーダ装置に関する。

従来、電波を測定対象に照射し、当該測定対象で反射される反射波のドップラーシフトを利用して、測定対象の変動（例えば振動状態や変位）を検出するレーダ装置が存在する。例えば、特許文献１には、電波の一種であるマイクロ波を人体に照射することで、人体に変動として現れる心拍や呼吸を検出する装置が開示されている。

特開２０１０−１２０４９３号公報

しかし、上述したようなレーダ装置は、測定対象に接触して測定を行う接触式のセンサ類と比べて外乱に弱い。例えば、測定対象に突発的な動きが加わると、測定対象で反射された反射波の受信量が減少し、測定対象の変動を正確に検出できないことがある。

本発明は、測定対象の変動を高精度に検出できるレーダ装置を提供することを目的とする。

本発明のレーダ装置は、対象物の測定部位に向かって所定周波数の第１電波を送信する第１送信アンテナ部と、前記第１送信アンテナ部とは異なる位置から前記測定部位に向かって前記第１電波と同じ周波数の第２電波を送信する第２送信アンテナ部と、互いに強め合う干渉を生じかつ前記測定部位で反射された前記第１電波および前記第２電波を受信して受信信号を出力する受信アンテナ部と、前記受信信号に基づいてドップラ信号を出力するレーダ部と、前記ドップラ信号に基づいて前記測定部位の変動を検出する検出部と、を備え、前記第１送信アンテナ部および前記第２送信アンテナ部の各配置は、前記第１電波および前記第２電波が互いに強め合う干渉を生じるように調整されていることを特徴とする。

本発明のレーダ装置において、第１送信アンテナ部および第２送信アンテナ部から送信される各電波（第１電波、第２電波）は、測定部位の付近で互いに重なり合い、強め合う干渉を生じた状態のまま測定部位で反射され、受信アンテナ部に受信される。これにより、受信アンテナ部は、上述の強め合う干渉の影響を受けた受信信号を出力し、レーダ部は、当該受信信号に対応するドップラ信号を出力する。
よって、本発明では、外乱などによって測定対象で反射された反射波の受信量が減少した場合であっても、受信信号において測定対象の変動に伴う特徴量が高められていることにより、レーダ部は、測定部位の変動状態に応じたドップラ信号を安定して出力することができる。これにより、検出部は、測定部位の変動を高精度に検出することができる。

本発明のレーダ装置は、前記第１送信アンテナ部を含む第１アンテナユニットと、前記第２送信アンテナ部を含む第２アンテナユニットと、を備え、前記第１アンテナユニットおよび前記第２アンテナユニットは、それぞれ前記受信アンテナ部を含むことが好ましい。
このような本発明によれば、強め合う干渉を生じた状態のまま測定部位で反射された電波を好適に受信することができる。

本発明の一実施形態にかかるレーダ装置の構成を示すブロック図。前記実施形態のレーダ部の構成を示す模式図。前記実施形態の２つの送信アンテナ部から送信される電波同士の干渉を説明するための模式図。前記実施形態の２つの送信アンテナ部の配置を説明するための模式図。本発明の実施例におけるドップラ信号の波形例を示すグラフ。本発明の比較例におけるドップラ信号の波形例を示すグラフ。前記実施形態の変形例を示す模式図。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るレーダ装置１の構成を示すブロック図である。本実施形態では、レーダ装置１によって測定される対象物を人間や動物などの生体とし、測定部位Ａを当該生体の胸部とする。以下では、生体の呼吸に伴う胸部の皮膚表面の微細な動き（変動）を検出する場合について説明する。

〔レーダ装置の構成〕
図１に示すように、レーダ装置１は、ドップラセンサの一種である電波センサ２と、検出部３とを備えている。

電波センサ２は、第１アンテナユニット２１と、第２アンテナユニット２２と、レーダ部２３とを備えている。
第１アンテナユニット２１は、生体の測定部位Ａに対して所定周波数の電波（第１電波）を送信する第１送信アンテナ部２１Ｔと、生体で反射された反射波を受信する第１受信アンテナ部２１Ｒとを有する。第１送信アンテナ部２１Ｔおよび第１受信アンテナ部２１Ｒは、それぞれ１以上のアンテナ素子を含んで構成される。
同様に、第２アンテナユニット２２は、生体の測定部位Ａに対して所定周波数の電波（第２電波）を送信する第２送信アンテナ部２２Ｔと、生体で反射された反射波を受信する第２受信アンテナ部２２Ｒとを有する。第２送信アンテナ部２２Ｔおよび第２受信アンテナ部２２Ｒは、それぞれ１以上のアンテナ素子を含んで構成される。
なお、第１送信アンテナ部２１Ｔから送信される電波と、第２送信アンテナ部２２Ｔから送信される電波とは、周波数および位相が同一である。

以下、第１送信アンテナ部２１Ｔおよび第２送信アンテナ部２２Ｔを、単に送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔと称し、第１受信アンテナ部２１Ｒおよび第２受信アンテナ部２２Ｒを単に受信アンテナ部２１Ｒ，２２Ｒと称する場合がある。

また、第１アンテナユニット２１および第２アンテナユニット２２は、生体に対してそれぞれ異なる位置に配置される。これらの第１アンテナユニット２１および第２アンテナユニット２２の配置については、後述にて詳細に説明する。

レーダ部２３は、送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔに対して電波の送信信号を出力すると共に、受信アンテナ部２１Ｒ，２２Ｒから電波の受信信号を入力され、送信信号と受信信号との間の周波数の差に応じた２つのドップラ信号（Ｉ信号およびＱ信号）を出力する。

具体的には、レーダ部２３は、図２に示すように、発振器２３１、分配器２３２，２３３、移相器２３４およびミキサ２３５，２３６を含んで構成される。このレーダ部２３において、発振器２３１は、所定周波数（例えば２４ＧＨｚ）の送信信号を発振する。発振器２３１が出力する送信信号は、分配器２３２を介して、送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔに供給される。これにより、送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔから電波（例えばマイクロ波）が送信される。

また、レーダ部２３において、受信アンテナ部２１Ｒ，２２Ｒから入力された受信信号は、分配器２３３によって分配され、一方がミキサ２３５に供給され、他方が移相器２３４によりπ／２（９０°）シフトされ、ミキサ２３６に供給される。そして、発振器２３１からの送信信号は、分配器２３２を介してミキサ２３５，２３６に供給され、それぞれのミキサ２３５，２３６から２つのドップラ信号の出力が得られる。２つのドップラ信号は、基準となるＩ信号と、Ｉ信号から９０°シフトされたＱ信号とであり、各出力ポートから検出部３に出力される。

なお、Ｉ信号およびＱ信号は、それぞれ測定部位Ａの変動速度に比例した周波数を有しており、測定部位Ａの変動状態（接近または離反）により位相状態が変化する。具体的には、測定部位Ａが近づいてくる間、Ｉ信号はＱ信号よりπ／２進んでおり、測定部位Ａが遠ざかっていく間、Ｉ信号はＱ信号よりπ／２遅れる。

検出部３は、信号処理部３１と、データ処理部３２とを有する。
信号処理部３１は、レーダ部２３から得られたＩ信号およびＱ信号をそれぞれ信号処理することにより、生体の呼吸成分に対応する呼吸信号ＶＩ，ＶＱを得る。信号処理部３１の具体的構成は特に限定されない。例えば、信号処理部３１は、レーダ部２３から得られたドップラ信号から呼吸に相当する周波数成分（例えば０．１Ｈｚ〜０．５Ｈｚ）を抽出するバンドパスフィルタ、および、抽出されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器などを備える。

データ処理部３２は、例えば演算部および記憶部を備えて構成され、演算部が記憶部に記憶された解析プログラムを読み込み実行することにより、信号処理部３１から入力される呼吸信号ＶＩ，ＶＱの解析処理を行う。ここで、呼吸信号ＶＩ，ＶＱは、生体の呼吸に伴う測定部位Ａの変動速度に比例した周波数を有しており、呼吸信号ＶＩ，ＶＱの位相差は、生体の呼吸に伴う測定部位Ａの変動の方向（接近方向または離間方向）に対応している。このため、データ処理部３２は、呼吸信号ＶＩ，ＶＱを解析処理することにより、測定部位Ａの変動を検出することができ、ひいては、生体の呼吸数などの解析情報を演算することができる。
なお、データ処理部３２による解析処理の具体的手法については、公知技術を利用できるため、詳細な説明を省略する。

データ処理部３２から出力される解析情報は、不図示の表示部などに表示される。
また、レーダ装置１が、車両などの乗物に搭載され、当該車両の運転者の呼吸数を計測する装置である場合、データ処理部３２から出力される解析情報は、車両のコントロールユニットなどに入力されてもよい。この場合、車両のコントロールユニットは、入力される解析情報に基づいて運転者の体調を判断することができ、その結果、運転者の体調に基づいた車両制御を行うことができる。

〔電波の挙動〕
一般に、送信点から受信点に至る電波経路が複数存在する場合において、経路長差が変動することによって電波の受信強さが変動することを、フェージング現象という。
例えば２本の電波経路の経路長差が波長λの整数倍であるとき、各径路を伝搬する電波同士の位相が一致する（同位相になる）ため、強め合う干渉が生じ、電波の受信強さが強まる。一方、２本の電波経路の経路長差が波長λの１／２の奇数倍であるとき、各径路を伝搬する電波同士の位相が逆になるため、弱め合う干渉が生じ、電波の受信強さが弱まる。したがって、経路長差が変動することにより、電波の受信強さは強まったり、弱まったりし、フェージング現象を生じる。
このようなフェージング現象は、一般には好ましくない現象とされており、フェージング現象の影響を避けるための技術が開発されている。

これに対して、本実施形態では、２つの送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔが互いに異なる方向から測定部位Ａに電波を送信することにより、測定部位Ａの付近においてフェージング現象の強め合う干渉を意図的に生じさせている。すなわち、送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔは、それぞれが送信した電波が生体の測定部位Ａの付近で重なり合い、互いに強め合う干渉を生じるように配置されている（図３参照）。なお、図３では、強め合う干渉が生じているエリアＥを破線で囲って示している。

本実施形態では、２つの送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔから同位相の電波が送信されているため、これらの電波に強め合う干渉を生じさせる条件としては、第１送信アンテナ部２１Ｔから測定部位Ａまでの距離Ｌ１と、第２送信アンテナ部２２Ｔから測定部位Ａまでの距離Ｌ２とが等しいことが好ましい（図４参照）。あるいは、第１送信アンテナ部２１Ｔから送信される電波と第２送信アンテナ部２２Ｔから送信される電波とが測定部位Ａの付近で同位相であればよいため、距離Ｌ１と距離Ｌ２との差が電波の波長λの整数倍に調整されていてもよい。
このような条件を満たすように送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔを配置するためには、受信信号の強さを観測しながら、第１アンテナユニット２１および第２アンテナユニット２２の少なくとも一方の配置を調整してもよい。

また、本実施形態において、第１送信アンテナ部２１Ｔによる電波の送信方向（第１送信方向）が基線Ｂに対して成す角度をθ１とし、第２送信アンテナ部２２Ｔによる電波の送信方向（第２送信方向）が基線Ｂに対して成す角度をθ２とする。なお、基線Ｂは、測定部位Ａの面に対して略垂直な線とする。
この場合、角度θ１，θ２は、０°＜θ１＜９０°，０°＜θ２＜９０°の範囲で任意に調整可能である。ただし、角度θ１，θ２がより大きい方が、「強め合う干渉」が生じるエリアをより大きくすることができる。
なお、送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔの角度θ１，θ２は、互いに同じでもよいし、異なってもよい。

以上の条件を満たす送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔから送信される各電波は、測定部位Ａの付近で互いに重なり合い、強め合う干渉を生じた状態になったまま測定部位Ａで反射され、受信アンテナ部２１Ｒ，２２Ｒに受信される。すなわち、受信アンテナ部２１Ｒ，２２Ｒは、上述の強め合う干渉を受けた受信信号を出力し、レーダ部２３は、当該受信信号に基づくドップラ信号（Ｉ信号およびＱ信号）を出力する。

ここで、本発明の実施例として第１送信方向の角度θ１および第２送信方向の角度θ２がそれぞれ６０°である場合のレーダ装置１を用い、測定部位Ａの変動を測定するためのドップラ信号を取得した（図５参照）。
また、本発明の比較例として、第１送信方向の角度θ１と、第２送信方向の角度θ２がそれぞれ０°である場合（互いに平行である場合）のレーダ装置１を用い、測定部位Ａの変動を測定するためのドップラ信号を取得した（図６参照）。
なお、実施例および比較例において、測定部位Ａは、呼吸中の生体である。また、図５および図６では、横軸が時間であり、縦軸が信号出力であり、測定中のＩ信号およびＱ信号の各波形を示している。通常、Ｉ信号およびＱ信号間の位相は９０°ずれているが、図５および図６では、測定中の測定部位Ａの変動の影響により、グラフ上の位相のずれが視認し難くなっている。

実施例（図５）と、比較例（図６）とを比較すると、得られたドップラ信号に明確な違いがあることがわかる。
実施例（図５）において、受信アンテナ部２１Ｒ，２２Ｒの各受信信号が上述の強め合う干渉を受けており、これらの受信信号が１つにまとめられることで、外乱（生体の体動による電波の逸れ等）の影響が低減され、レーダ部２３から出力されるＩ信号およびＱ信号のそれぞれに呼吸の特徴量が明確に表れている。
一方、比較例（図６）では、受信アンテナ部２１Ｒ，２２Ｒの各受信信号において上述の強め合う干渉が生じておらず、レーダ部２３から出力されるＩ信号およびＱ信号のそれぞれは、呼吸がないときに得られる信号との差異が小さい。
しがたって、実施例は、比較例よりも、生体の呼吸を高精度に測定できることが明らかである。

なお、本実施形態において、測定部位Ａは、生体の胸部などであり、生体の呼吸に伴う微細な変動を生じる部位であるため、厳密には、生体が呼吸している間、上述で調整した距離Ｌ１と距離Ｌ２との差は変動している。ただし、生体の呼吸に伴う測定部位Ａの変動量は、本実施形態で使用する電波の波長λの幅に対して十分に小さいため、強め合う干渉に対する影響は無視できる程度である。

〔本実施形態の効果〕
本実施形態のレーダ装置１では、外乱などによって測定部位Ａで反射された反射波の受信量が減少した場合であっても、受信信号において測定部位Ａの変動に伴う特徴量が高められていることにより、レーダ部２３は、測定部位Ａの変動状態に応じたドップラ信号を安定して出力することができる。これにより、検出部３は、測定部位Ａの変動を高精度に検出することができる。特に、本実施形態のレーダ装置１は、生体の呼吸の有無を確認する場合に有用である。

また、本実施形態のレーダ装置１では、第１アンテナユニット２１および第２アンテナユニット２２が、それぞれ、送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔおよび受信アンテナ部２１Ｒ，２２Ｒを有している。このような構成によれば、強め合う干渉を生じた状態のまま測定部位Ａで反射された電波を好適に受信することができる。

〔変形例〕
本発明は、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれるものである。

前記実施形態のレーダ装置１は、第１アンテナユニット２１および第２アンテナユニット２２を備えているが、本発明はこれに限られない。例えば、送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔおよび受信アンテナ部２１Ｒ，２２Ｒは、ユニット化されず、それぞれ個別に配置されてもよい。
また、前記実施形態のレーダ装置１は、２つの受信アンテナ部２１Ｒ，２２Ｒを有しているが、いずれか一方の受信アンテナ部２１Ｒ，２２Ｒを有するように構成されてもよい。このような変形例において、いずれか一方の受信アンテナ部２１Ｒ，２２Ｒは、測定部位Ａで反射された電波（第１電波および第２電波が重なった電波）を受信可能に配置されればよい。
例えば、図７に示すように、変形例のレーダ装置における電波センサ２Ａは、２つの送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔと、１つの受信アンテナ部２１Ｒとを備えている。この変形例において、送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔは、測定部位Ａの付近で強め合う干渉が生じるように電波を送信し、受信アンテナ部２１Ｒは、当該測定部位Ａで反射された電波を受信する。このような変形例でも、前記実施形態と同様の効果を奏する。
また、図７に示す変形例では、送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔから測定部位Ａまでの各距離Ｌ１，Ｌ２を調整する際、送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔの角度θ１，θ２をそれぞれ変えてもよい。

前記実施形態では、第１アンテナユニット２１および第２アンテナユニット２２が１つのレーダ部２３に接続されているが、本発明はこれに限られない。例えば、レーダ装置１は、第１アンテナユニット２１に接続されるレーダ部２３と、第２アンテナユニット２２に接続される他のレーダ部２３とを、それぞれ有していてもよい。このような変形例では、２つのレーダ部２３のそれぞれからドップラ信号（Ｉ信号およびＱ信号）が出力されるため、信号処理部３１は、計４つの信号をそれぞれ処理できるように構成されることが好ましい。また、２つのレーダ部２３から出力されるドップラ信号は、重畳処理されてもよいし、選択的に利用されてもよい。

前記実施形態では、２つの送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔから同位相の電波が送信されているが、本発明はこれに限られない。例えば、２つの送信アンテナ部２１Ｔ，２２Ｔから逆位相の電波が送信されてもよい。このような変形例では、電波に強め合う干渉を生じさせる条件として、距離Ｌ１と距離Ｌ２との差が電波の波長λの１／２の奇数倍の整数倍に調整されていてもよい。

前記実施形態では、レーダ装置１の測定対象を人間や動物などの生体とし、この生体の呼吸に伴う胸部の皮膚表面の微細な動き（変動）を検出する場合について説明しているが、本発明はこれに限られない。例えば、前記実施形態において、信号処理部３１は、レーダ部２３から得られたドップラ信号から呼吸に相当する周波数成分を抽出するだけでなく、心拍に相当する周波数成分を抽出してもよい。
また、本発明は、測定対象が生体であることに限定されず、様々な測定対象の変動（例えば振動状態や変位）を検出するレーダ装置に利用可能である。

１…レーダ装置、２…電波センサ、２１…第１アンテナユニット、２１Ｒ…第１受信アンテナ部、２１Ｔ…第１送信アンテナ部、２２…第２アンテナユニット、２２Ｒ…第２受信アンテナ部、２２Ｔ…第２送信アンテナ部、２３…レーダ部、２３１…発振器、２３２，２３３…分配器、２３４…移相器、２３５，２３６…ミキサ、３…検出部、３１…信号処理部、３２…データ処理部、Ａ…測定部位。

Claims

対象物の測定部位に向かって所定周波数の第１電波を送信する第１送信アンテナ部と、
前記第１送信アンテナ部とは異なる位置から前記測定部位に向かって前記第１電波と同じ周波数の第２電波を送信する第２送信アンテナ部と、
前記測定部位で反射された前記第１電波および前記第２電波を受信して受信信号を出力する受信アンテナ部と、
前記受信信号に基づいてドップラ信号を出力するレーダ部と、
前記ドップラ信号に基づいて前記測定部位の変動を検出する検出部と、を備え、
前記第１送信アンテナ部による前記第１電波の送信方向である第１送信方向と、前記第２送信アンテナ部による前記第２電波の送信方向である第２送信方向とは、前記測定部位で交わるように互いに異なる方向であり、
前記第１送信アンテナ部から前記測定部位までの距離Ｌ１と、前記第２送信アンテナ部から前記測定部位までの距離Ｌ２とは互いに等しいか、または、前記距離Ｌ１と前記距離Ｌ２との差が前記所定周波数による波長の整数倍であることを特徴とするレーダ装置。
請求項１に記載のレーダ装置において、
前記第１送信アンテナ部を含む第１アンテナユニットと、
前記第２送信アンテナ部を含む第２アンテナユニットと、を備え、
前記第１アンテナユニットおよび前記第２アンテナユニットは、それぞれ前記受信アンテナ部を含むことを特徴とするレーダ装置。