JPH10239426A

JPH10239426A - 物標変位検出装置

Info

Publication number: JPH10239426A
Application number: JP5860397A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Arai; 郁男荒井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 1998-09-11

Abstract

(57)【要約】【目的】導体線路上の２点で捕えた信号を直接検波、
増幅して、物標の変位に応じた変化をベクトルの位相変
化として取り出し、この変化を直接利用して感知信号に
変える。【構成】物標の変位を検出するため、マイクロ波ドッ
プラーセンサ１を構成する高誘電体を使用したアンテナ
３の基板の裏側に検出部を設け、導体線路４上の（１／
８）波長離れた２点から信号を取り出し、ダイオード１
２、１２′によって検波し、平滑回路を構成する抵抗１
３、１３′とコンデンサ１４、１４′で不要な直流成分
等を除去し、物標の変位に応じて変化する信号をベクト
ルの位相変化として捕え、増幅したあと直接感知信号に
変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電波の反射を利用して
物体の変位量を非接触で検出する物標変位検出装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波帯における生体の反射・吸収
・透過特性をそれぞれ利用した生体計測が行われてい
る。なかでも、生体は反射計数が０．７以上の良い反射
体となることから、マイクロ波ドップラーセンサを用
い、体表反射を利用した変位計測が多く行われており、
身体各部の動きや呼吸による体表変位を検出している。

【０００３】このような変位計測は非接触で、着衣（動
物では体毛）のまま、また、新生児のように保育器内に
あるという特殊な状況下でも検出できるなど、超音波な
どの他の手段に比べマイクロ波を用いる利点は多い。

【０００４】ところで、これらのマイクロ波による検出
原理のほとんどは、マイクロ波ドップラーセンサを用い
た位相干渉法が使用されているが、検出感度が物標の距
離によって鋭敏に変化してしまうことから、９０゜位相
が異なる２つの位相干渉信号を作り、これらの信号をコ
ンピュータを使用して変位量を計測する方法が提案され
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のマイクロ波ドッ
プラーセンサを用いた物標変位検出装置にあっては、上
記の２つの位相干渉信号を使用してマイクロ波の反射信
号をベクトルとしてとらえ、そのベクトルが物標の変位
によって描く円弧の動きまたは、ベクトルの位相変化を
コンピュータで計算する方法で物標の変位を計測してい
るが、この物標が心拍等の場合動体の一部であるため、
この動体が大きく移動した場合には上記ベクトルが大き
く乱れるので計算が複雑となり、計算の回復が遅れるの
でしばらくの間計算不能に陥るという不都合があった。

【０００６】このため、従来は、その解決策として前記
２つの位相干渉信号から差分信号積算法や位相差検出法
等を用いているが、この方法ではそれぞれに異なった欠
点を持っていることから２つの方法を組み合わせること
によって双方の長所を併せ持った変位計測法を採用し改
善を計っている。このためには、コンピュータを使用し
た計算手段によって物標の変位量を求める必要があり、
どうしても装置全体が複雑にならざるを得ないという問
題があった。

【０００７】本発明は、マイクロ波ドップラーセンサに
使用するマイクロ波アンテナの周辺に設けた信号検出回
路の出力をそのまま利用し、計算手段を使用せず、ベク
トル信号の位相変化を直接感知信号に変換することで検
出の目的を達成している。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の物標変位検出装置においては、高誘電体を
使用したマイクロ波用アンテナの裏側に検出部用のプリ
ント基板を設け、このプリント基板にアンテナ駆動用の
マイクロ波発振器を含む検出回路を収納するようにし
て、高感度で小型なマイクロ波ドップラーセンサを形成
している。

【０００９】また、前記マイクロ波用アンテナを励振さ
せるための前記マイクロ波発振器の出力信号をアンテナ
に誘導する導体線路上の任意の（１／８）波長離れた２
点から受信信号を取り出して検波し、平滑して高域瀘波
器によって直流成分を遮断した後、それぞれの受信信号
を個別に増幅してマイクロ波用ドップラーセンサの出力
にしている。

【００１０】前記のマイクロ波ドップラーセンサの２つ
の出力は、物標の変位によりその大きさがそれぞれ変化
するが、それらの変化量は互いに相補的であって、一方
の出力の変化が小さい場合でも他方の出力の変化が大き
く、必ずどちらか一方または両方に変化量の感度があ
る。また、前記マイクロ波用ドップラーセンサの２つの
出力信号の振幅変化を直接音や光またはメータ等の感知
信号に変換して目的を達成している。

【００１１】

【作用】上記のように構成された物標変位検出装置によ
れば、マイクロ波用ドップラーセンサを小型、軽量にで
きるばかりか高感度を維持することができるため、対象
物標が小さいものであっても容易に近づけることが可能
であるばかりか、必要に応じて目標物体に密着させて検
出することもできる。逆に、高感度であるため遠く離れ
て測定しても容易に検出が可能である。

【００１２】また、前記マイクロ波用ドップラーセンサ
の出力信号が低周波であるから、ケーブルによる延長も
容易であり、前記マイクロ波ドップラーセンサと検出表
示装置を遠く離して設置することも可能である。

【００１３】しかも、コンピュータや複雑な装置を使用
せずに視覚や聴覚によって感知する信号に簡単に変換す
ることが可能であるため、装置全体を小型、軽量にする
ことが容易である。

【００１４】

【実施例】実施例について図面を参照して説明すると、
図５は、本発明のマイクロ波ドップラーセンサ部の鳥瞰
図を示しており、高誘電率のアンテナプリント基板２２
の上にアンテナ３を設け、その裏側に検出部プリント基
板２３が背面同志を合わせるようにして設けている。ま
た、３層プリント基板において中央の層を共通の接地基
板として使用し、一方の層をアンテナ用とし、他方の層
に検出部用の回路を設けても同様の結果が得られる。従
って、アンテナの部分と検出部の部分の２枚の基板を一
体としてマイクロ波ドップラーセンサ１を構成するよう
にしている。

【００１５】そして、前記アンテナ３のほぼ中心部に励
振用の給電部２１があって、ここから前記アンテナプリ
ント基板２２を貫通して裏側の前記検出部プリント基板
２３の導体線路４を使用してマイクロ波発振器２に接続
している。

【００１６】図２において、点線で囲った部分が前記マ
イクロ波ドップラーセンサ１で、この中には、マイクロ
波発振器２とマイクロ波用の前記アンテナ３が収納され
ていて、前記マイクロ波発振器２と前記アンテナ３を結
ぶ導体線路４上の（１／８）波長（（１／４）波長の整
数倍を加えてもよい）離れた任意の２点Ｐ1、Ｐ2から検
波増幅器５、５'を通して信号を取り出している。従っ
て、この取り出した２つの信号の間には常にπ／２の位
相差があることが判る。

【００１７】マイクロ波による変位物体計測の一般的な
環境は、図２に示すように計測対象となる動く反射体
（以下、物標と呼ぶ）８とそれ以外の静止反射体（以
下、固定物と呼ぶ）１０として表すことができる。

【００１８】前記マイクロ波ドップラーセンサ１内の前
記マイクロ波発振器２から出たマイクロ波の送信信号は
導体線路４によって前記アンテナ３に導かれ、ここから
マイクロ波の送信信号すなわち、照射信号７として放射
される。

【００１９】この前記マイクロ波の照射信号７は、変位
する物標８と固定物１０によって反射され、それぞれの
合成波である反射信号９となって前記アンテナ３により
捕えられ受信信号となる。

【００２０】ここで、前記送信信号と前記受信信号が合
成されることによって、導体線路４の上には定在波が発
生し、この定在波の振幅が検出信号の対象となる。この
導体線路４上の任意の（１／８）波長離れた２点からこ
の信号を取り出し、検波増幅器５、５′を通してそれぞ
れの出力信号６、６′を得るようにする。いま、これに
関し、図２をもとに数式を使用して検出原理の概要を説
明する。

【００２１】計測対象とする物体にマイクロ波を照射し
た場合、前記アンテナ３からの照射信号７、をＥtと
し、前記アンテナ３からｒm離れた物標８およびｒs離れ
た固定物１０の双方からの反射信号９をＥs（固定物１
０からの反射信号）＋Ｅm（物標８からの反射信号）と
して、前記アンテナ３によって受信し、ここに発生した
定在波の中から物標の変位情報となる信号を取り出し、
これをベクトルＥmの位相変化として検出する過程を数
式で表すと以下のようなる。

【００２２】発生した定在波の、まず、Ｐ1点における
合成電圧は、照射信号７と反射信号９が合成されたもの
であり、

【数１】として表される。

【数１】Ｅ1＝Ｅt＋Ｅs＋Ｅm

【００２３】ここで各信号を次のようにおく。

【００２４】

【数２】Ｅt＝ｅtexp(jωt) Ｅs＝ｅsexp{j(ωt-2βrs-θ)} Ｅm＝ｅmexp{j(ωt-2βrm-θ)}

【００２５】ただし、ωはマイクロ波の角周波数、βは
2π/λ、ｒs、ｒm はそれぞれ固定物１０および物標８
までの距離、θは任意位相、ｅt、ｅs、ｅm は各信号の
振幅である。従って、

【数１】は、

【００２６】

【数３】Ｅ1＝［ｅt＋ｅsexp{-j(2βrs+θ)} ＋ｅmexp{-j(2βrm+θ)}]exp(jωt)

【００２７】となるが、一般の環境ではｅs、ｅm《ｅt
であるからＥ1の振幅ｅ1を一次近似式で表せば、

【００２８】

【数４】ｅ1＝ｅt＋ｅscos(2βrs+θ)＋ｅmcos(2βrm+θ)

【００２９】が得られ、これはＰ1点における直線検波
の出力電圧に等しい。同様にして、Ｐ1から（１／８）
波長離れたＰ2点の検波出力ｅ2を求めれば

【数５】のようになり、

【数４】よりも９０゜位相の異なる信号が得られる。

【００３０】

【数５】ｅ2＝ｅt＋ｅssin(2βrs+θ)＋ｅmsin(2βrm+θ)

【００３１】

【数４】と

【数５】は反射信号９を直交成分に分解したものであ
り、これらをまとめてベクトル図で表すと図３のように
示すことができる。

【００３２】ここで、ベクトルＯは

【数４】と

【数５】の第１項と第２項による照射信号７と固定物１
０からの反射信号Ｅt＋Ｅsを表しており、これは固定成
分（直流）いわゆるオフセットであるため測定には不要
の信号である。一方、第３項の物標８からの反射信号Ｅ
mのベクトルは図３のＳで示すように反射信号Ｅt＋Ｅs
のベクトルＯを中心に円弧を描くようになり、Ｓは物標
８までの距離ｒmが（１／２）波長変位するごとに１回
転することになる。

【００３３】このとき、ベクトルＳの振幅変化は無視で
き、位相のみが変化すると考えて良い。従って、物標の
変位を知るためには、ベクトルＳの円周上の移動距離を
測定するか、ベクトルＳの位相角の変化を測定すればよ
いことが判る。

【００３４】しかし、直接観測できるのは、Ｅであるか
らこの観測値の中からベクトルＳの動きを測定するため
には、不要成分であるオフセットベクトルＯを除去しな
くてはならない。

【００３５】図１は、前記マイクロ波ドップラーセンサ
の検出部と本発明の物標変位検出装置全体構成のを示し
たもので、点線で囲った検出部１１の前記マイクロ波発
振器２と前記アンテナ３を結んでいる前記導体線路４の
上の（１／８）波長離れた任意の点Ｐ1とＰ2から取り出
した２つの信号は、検波用のダイオード１２と１２′に
よってそれぞれ検波される。

【００３６】前記それぞれ検波された信号は抵抗１３、
１３′とコンデンサ１４、１４′によって構成される平
滑回路の出力である。図２において、アンテナ３と物標
８の間の平均距離をｒmoとし、物標８が周期的にｍ(t)
だけ微小変位するとすれば、

【００３７】

【数６】ｒm＝ｒmo＋ｍ(t) とおける。このｍ(t)が検出したい信号である。ここ
で、

【数６】を

【数４】に代入し、ｍ(t)＝０の周りでテイラー展開し
て一次近似で示せば、

【００３８】

【数７】ｅ1≒ｅt＋ｅscos(2βrs+θ)＋ｅmcos(2βrmo+θ) −2βｅmm(t)sin(2βrmo+θ)

【００３９】となり、さらに、これを高域瀘波器１５に
よって直流成分を除去すれば、

【００４０】

【数８】

【００４１】が得られる。同様にＰ2から取り出した高
域瀘波器１５′の出力は、

【００４２】

【数９】

【００４３】となり、

【数８】

【数９】は更に、増幅回路１６と１６′に加えられ必要
な振幅にして出力信号６、６′を得ている。前記出力信
号６、６′はこのあと目的に合わせた信号変換装置１７
を通し感知装置１８によって検出される。

【００４４】ここで、前記出力信号６と６′との合成ベ
クトルを図によって示すと図４のようになるが、図３で
示した目標とする物標８の変位の状況を表しているｍ1
とｍ2は、この場合原点を中心として変化するようにな
り、前記物標８の変位が少なければ前記ｍ1とｍ2の移動
幅は小さく、また、変位が大きくなればその移動幅はそ
の分だけ大きくなる。

【００４５】

【数８】と

【数９】は、上記のｍ1とｍ2間を移動するベクトルの直
交成分を表しており、両方が同時に０になることはな
く、必ずどちらか一方または両方が変化している。例え
ば、ベクトルがｅ1′軸上で変化しているときは、

【数７】のsin項が０となって変化を読みとれないが、
一方のｅ2′のcos項は１となっており最も大きく変化し
ていることになる。従って、

【数８】と

【数９】の両方の変化分をそのまま音や光またはメータ
等に変えることによって、常に、前記物標の変位を感知
できるようにすることもできるし、必要に応じてディス
プレイ等を使用して前記物標の変位状況を表示して観測
することもできる。

【００４６】信号変換装置１７は、感知装置１８を聴覚
に頼るか、視覚に頼るか場合によっては触覚に頼るか、
その内容によって電圧・周波数変換装置、振幅変調装置
や単なる増幅装置その他を選択して使用するようにな
る。

【００４７】図６は、出力信号６、６′を電圧・周波数
変換器３１によって電圧の変化を周波数の変化に変える
ようにしている。すなわち、物標８が変位していないと
きの平均周波数をｆ0とした場合、物標８の変化に伴い
±△ｆだけ周波数が変化するようにする。

【００４８】例えば、ｆ0を１ｋＨｚとすると、前記物
標８が静止している場合には、増幅器３２、３２′によ
って増幅された１ｋＨｚの周波数は、スピーカ３３、３
３′を通して音声として聞かれる。ここで、物標８が変
位するとその変位量と変位方向によって１ｋＨｚの音声
が前記物標８の変位分△ｆだけ高低に変化することにな
り、物標８の変位状況をを確認することができる。

【００４９】図７は、出力信号６、６′を振幅変調器に
加え搬送波を変調するようにしたもので、この方式では
搬送周波数ｆ0の振幅が物標８の変位によって変化する
ようにしたものである。

【００５０】例えば、搬送周波数に低周波発振器３４の
周波数１ｋＨｚを使用し、これを出力信号６、６′によ
って振幅変調したとすると、物標８に変位がない場合は
増幅器３２、３２′で増幅されたこの１ｋＨｚがスピー
カ３３、３３′からある一定の強度の音声として聞かれ
る。しかし、物標８が変位するとその変位量と変位方向
に応じて音声の強度が変化し前記物標８の変位状況を知
らせる。

【００５１】図８は、図６と同様に出力信号６、６′を
電圧・周波数変換器３７、３７′によって電圧の変化を
周波数の変化に変えるようにしている。すなわち、物標
８が変位していないときの周波数をｆ0とした場合、物
標８の変化に伴い±△ｆだけ周波数が変化することにな
る。

【００５２】従って、前記物標８が静止している時の周
波数ｆ0を２Ｈｚとした場合、増幅器３２、３２′によ
って増幅され前記平均周波数２Ｈｚの周期で発光ダイオ
ード３８、３８′を点滅することになる。ここで、物標
８が変位するとその変位量と変位方向によって前記周波
数２Ｈｚが△ｆだけ変化することになり、これに応じて
光の点滅周期が変化するため物標８の変位状況を確認す
ることができる。

【００５３】図９は、出力信号６、６′を目視によって
確認するもので、ＣＲＴ３９の偏向板に対し出力信号６
はＸ軸偏向板４０へ、出力信号６′はＹ軸偏向板へそれ
ぞれ接続することによって、ＣＲＴ３９には図４に示し
た図形を得ることができる。ＣＲＴの代わりに、液晶や
プラズマディスプレイ等を使用しても全く同様の効果が
得られることは勿論である。

【００５４】すなわち、物標８が静止しているときは中
央一点に留まっているが、前記物標８が変位すると、そ
の変位量と変位方向に従って中心点から移動する。例え
ば、前記物標８の測定状況が図３と同じ状況にあれば、
図３および図４のｍ1、ｍ2と同じような波形が現れる。

【００５５】図１０は、出力信号６、出力信号６′をそ
れぞれｅ1振幅メータ４３、ｅ2振幅メータ４３′に加え
て物標８の変位を監視するもので、この場合は前記物標
８が静止しているときそれぞれのメータのｅ1用指針４
４およびｅ2用指針４４′の位置を中央にしておけば、
前記物標８の変位に応じて前記ｅ1用指針４４およびｅ2
用指針４４′は左右に振れ変位の状況を確認しようとす
るもので、前記物標８の微小な変位の監視に有効であ
る。

【００５６】図１１は、図６から図１０までのように物
標８の変位をその瞬間を確認するのと異なり、前記物標
８の変位状況を記録に残そうとするもので、この場合
も、前記出力信号６、６′の適切な大きさの電圧をレコ
ーダ４５に接続することによって実現することができ
る。

【００５７】ここで、出力信号６はｅ1記録用針４６
に、出力信号６′はｅ2記録用針４６′に接続すること
によって、記録紙４７に前記物標８の変位状況を連続的
に記録することができる。前記物標８が静止していると
きは一本の線となるが、前記物標８の変位量と変位方向
に従ってそれぞれｅ1記録用針４６、ｅ2記録用針４６′
は変動し記録する。この図のｅ1振幅記録４８は出力信
号６、ｅ2振幅記録４８′は出力信号６′をそれぞれ記
録した結果の例を示している。

【００５８】図６から図１１まで多くの実施例を示した
が、これらはそれぞれ単独に使用することが可能である
が、また、それぞれを必要に応じて組み合わせて使用す
ることも可能である。また、表示器としてスペクトラム
アナライザ等を用いて、呼吸や心拍動の周波数成分また
は周期を表示することも可能である。

【００５９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００６０】マイクロ波ドップラーセンサ部が小型、軽
量なだけでなく出力信号が低周波であることから、前記
マイクロ波ドップラーセンサ部を検出装置から容易に引
き離して使用することを可能にしている。また、本発明
によれば、コンピュータ等を使用した複雑な計算過程を
必要としないため、装置を安価にすることが可能であ
る。

【００６１】前記マイクロ波ドップラーセンサ部が小
型、軽量であるばかりか高感度であるため、ベッドサイ
ドに接地したり、哺乳器の中の新生児心拍動や呼吸のよ
うな小さな変位の検出等に使用することも可能である。

【００６２】前記物標の変位をベクトルの位相変化とし
て捕えているため、確実に変位を捕えることができる。
さらに、前記出力信号を直接音や光に変えて、感知可能
な信号に変換することが容易であり、また、場合によっ
ては前記出力信号の変化をレコーダで記録したりディス
プレイに表示し、観測、監視することも容易である。

【００６３】また、高感度であるため、部屋等の隅に前
記マイクロ波ドップラーセンサを配置することによっ
て、人を含むマイクロ波反射物体の動きや変位を簡単に
検出することが可能である。

【００６４】また、前記マイクロ波ドップラーセンサを
がれきの隙間に挿入することによって、震災等によって
崩壊した建物の下になった人物の発見、救出にも役だて
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】マイクロ波ドップラーセンサ内の検出部回路と
本発明の物標変位検出装置全体の構成を示す。

【図２】物標変位の検出課程の動作内容および原理説明
図である。

【図３】物標変位を検出するために取り出した出力信号
を説明するベクトル図である。

【図４】物標変位を検出した最終出力信号のベクトル説
明図である。

【図５】マイクロ波ドップラーセンサの鳥瞰図である。

【図６】出力回路の聴感による実施例。

【図７】出力回路の聴感による実施例。

【図８】出力回路の視感による実施例。

【図９】出力回路の視感による実施例。

【図１０】出力回路の視感による実施例。

【図１１】出力回路の視感による実施例。

【符号の説明】

２マイクロ波発振器４導体線路５、５′ 検波増幅器８物標１０固定物１１検出部１５、１５′ 高域瀘波器１６、１６′、３２、３２′ 増幅器１７信号変換装置１８感知装置２１給電部３１、３１′、３７、３７′ 電圧・周波数変換器３４低周波発振器３５、３５′ 振幅変調器４０Ｘ軸偏向板４１Ｙ軸偏向板４２物標変位映像４６Ｅ1記録用針４６′Ｅ2記録用針４７記録紙４８Ｅ1記録４８′Ｅ2記録

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高誘電体を使用したアンテナを設ける手
段と、前記アンテナの裏側にプリント基板を設ける手段
と、前記プリント基板上にマイクロ波発振器を設け、そ
の出力信号を導体線路を通して前記アンテナを励振させ
て電波として送信信号を放射する手段と、前記送信信号
が物標に当たって反射してきた電波を前記アンテナで受
け、前記導体線路上に発生する定在波の大きさを任意の
（１／８）波長離れた２点からそれぞれ検波、平滑およ
び増幅する手段と、前記増幅した信号を音または光に変
換して感知するように構成した物標変位検出装置。
【請求項２】物標の変位状況をメータやレコーダで表
示したり、ＣＲＴ等のディスプレイ等を使用して文字お
よび図形として表現し、検出するように構成した前記請
求項１記載の物標変位検出装置。