JPWO2014057651A1

JPWO2014057651A1 - 無線センサ装置

Info

Publication number: JPWO2014057651A1
Application number: JP2014540738A
Authority: JP
Inventors: 竇　元珠; 元珠竇
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2016-08-25
Also published as: WO2014057651A1; CN104704386A

Abstract

【課題】静止している対象物を検出することができる無線センサ装置を提供する。【解決手段】送信信号を放射し、送信信号が対象物で反射した反射信号を受信するアンテナ１と、送信信号を生成し、送信信号を出力する出力端子２ａを備えた送信回路２と、送信回路２の出力端子２ａに接続され、送信回路２から送信信号を送信中に、送信信号の一部とアンテナ１で受信された反射信号と、を検波する検波回路３と、検波回路３に接続され、検波回路３から出力される信号を処理する信号処理回路４と、送信回路２に接続され、送信回路２を制御する制御回路５と、を有し、アンテナ１と出力端子２ａとの間に移相器６を有し、制御回路５は移相器６を制御し、第１の移相量で送受信動作を行う第１の期間と、第２の移相量で送受信動作を行う第２の期間と、が交互に繰り返されるように制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、無線センサ装置に関し、特に、静止している検出対象を検出することができる無線センサ装置に関する。

従来から、電波を用いて検出対象までの距離を測定するセンサや、検出対象の動きを検出し検出対象の有無や接近を検出するセンサなどが提案されている。

近年、このような電波を用いたセンサが非接触で検出対象の動きを検出できることから様々な分野での応用が検討されている。

特許文献１に記載の通信センサ装置９００では、図４に示すように、変調回路９０１によりデジタル変調された高周波信号を送信する送信回路と、高周波信号を放射する送信アンテナ９０２と、通信相手からの信号と対象物からの反射波を受信する受信アンテナ９０２と、受信アンテナ９０２から出力される受信信号を復調回路９０３により復調して通信相手からの信号を受信データとして取り込む受信回路と、送信回路から高周波信号送信中に、受信アンテナ９０２へ給電した高周波信号の一部と受信アンテナ９０２で受信された対象物からの反射波である反射波受信信号とを干渉させた合成信号を位相検波する位相検波回路９０４と、位相検波回路９０４から出力される検波信号を信号処理して対象物の位置変化検出を行う信号処理回路９０５と、を備えている。

送信回路から高周波信号送信中に、受信アンテナ９０２へ給電した高周波信号の一部と受信アンテナ９０２で受信された反射波受信信号とを干渉させた合成信号を位相検波することで、データ通信に使用している信号を用いてデータ通信とセンシングとを同時に同一周波数で実現できる通信センサ装置の技術が開示されている。

ＷＯ２０１１／１４２２１１

しかしながら、上述した従来技術においては、検出対象の位置変化を検出するため、動きの有る検出対象は検出することができるが、静止している検出対象を検出することができないという課題があった。

本発明は、上述した課題を解決するもので、静止している検出対象を検出することができる無線センサ装置を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、請求項１に記載の無線センサ装置は、送信信号を放射し、送信信号が検出対象で反射した反射信号を受信するアンテナと、前記送信信号を生成し、前記送信信号を出力する出力端子を備えた送信回路と、前記送信回路の前記出力端子に接続され、前記送信回路から前記送信信号を送信中に、前記送信信号の一部と前記アンテナで受信された前記反射信号と、を検波する検波回路と、前記検波回路に接続され、前記検波回路から出力される信号を処理する信号処理回路と、前記送信回路に接続され、前記送信回路を制御する制御回路と、を有する無線センサ装置において、前記アンテナと前記出力端子との間に移相器を有し、前記制御回路は前記移相器を制御し、第１の移相量で送受信動作を行う第１の期間と、第２の移相量で送受信動作を行う第２の期間と、が交互に繰り返されるように制御するとともに、前記第１の期間の前記反射信号と、前記第２の期間の前記反射信号と、に基づく前記信号処理回路からの出力を演算することによって検出対象を検出することを特徴とする。

また、請求項２に記載の無線センサ装置は、請求項１に記載の無線センサ装置において、前記第１の移相量と、前記第２の移相量の差はπ／４（ラジアン、以下ｒａｄと表す）であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、制御回路は移相器を制御し、第１の移相量で送受信動作を行う第１の期間と、第２の移相量で送受信動作を行う第２の期間と、が交互に繰り返されるように制御するとともに、第１の期間の反射信号と、第２の期間の反射信号と、に基づく信号処理回路からの出力を演算することによって検出対象を検出するので、第１の期間の反射信号と第２の期間の反射信号から、互いに直交する成分を抽出することができる。このことによって、検出対象が静止物体であっても検出対象の有無を検出することができる。

請求項２の発明によれば、第１の移相量と、第２の移相量の差をπ／４（ｒａｄ）としたので、第１の期間の反射信号と第２の期間の反射信号の位相差がπ／２（ｒａｄ）となり、互いに直交する成分を感度良く検出することができるので、検出対象が静止物体であっても感度良く検出することができる。

以上により、本発明によれば、静止している検出対象を検出することができる無線センサ装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る無線センサ装置の動作概要を示す図である。本発明の実施形態に係る無線センサ装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る無線センサ装置の動作タイミング図である。従来技術の通信センサ装置の構成を示す図である。

［実施形態］
以下に本発明の実施形態における無線センサ装置について説明する。

まず始めに本実施形態における無線センサ装置１００の動作概要について図１を用いて説明する。無線センサ装置１００は図１に示すように、送信信号を放射し、検出対象からの反射信号を検出し検出対象の検知を行う。

次に無線センサ装置１００の構成について図２を用いて説明する。図２は無線センサ装置１００の構成を示すブロック図である。

無線センサ装置１００は図２に示すように、アンテナ１と、出力端子２ａを有する送信回路２と、検波回路３と、信号処理回路４と、制御回路５と、移相器６と、を備えている。

また無線センサ装置１００にはその他に図示しない電源回路を有しており、無線センサ装置１００の各部に動作に必要な電力を供給する。

アンテナ１は、移相器６を介して送信回路２の出力端子２ａに接続されており、送信信号を放射し、送信信号が検出対象で反射した反射信号を受信する。

送信回路２は、送信信号を生成し、出力端子２ａに送信信号を出力する。

検波回路３は、送信回路２の出力端子２ａに接続され、送信回路２が送信信号を送信中に、出力端子２ａから出力される送信信号の一部と、アンテナ１から放射され検出対象で反射されてアンテナ１で受信された反射信号と、を検波する。

信号処理回路４は、検波回路３に接続され、検波回路３から出力される検波出力信号から、送信信号の周波数より高い周波数の信号を除去するローパスフィルタ（以下ＬＰＦと表す）の機能を少なくとも有し、検波回路３から出力される検波出力信号の信号処理を行い、その結果を制御回路５へ出力する。

制御回路５は、送信回路２と、信号処理回路４と、移相器６と、に接続されている。

制御回路５は、送信回路２の動作状態を制御し、また信号処理回路４からの出力信号を取得し、検出対象からの呼吸に伴う体動や、心拍に伴う体表面の動き等の検出や検出有無の判断等を行う。

更に制御回路５は、移相器６を、第１の移相量で送受信動作を行う第１の期間と、第２移相量で送受信動作を行う第２の期間と、が交互に繰り返されるように制御する制御信号を出力する。

移相器６は、制御回路５の制御信号に従い、送信信号に対し第１の移相量φ１を与える動作および、第１の移相量φ１に対しπ／４（ｒａｄ）大きな移相量を与える第２の移相量φ２を与える動作を行い、送信信号に与える移相量を変化させる。なお、第１の移相量φ１は０（零）（ｒａｄ）であっても、また所定の値となるように構成されていても良い。

次に、無線センサ装置１００の動作について図３を用いて説明する。

制御回路５は、図３に示すように、時刻Ｔ１からＴ２までの時間ｔ１の間（第１の期間）に移相器６に第１の移相量φ１を与える制御信号Ｖ１を出力し、送信信号が出力端子２ａから出力されるように送信回路２を制御する送信出力制御信号を出力し、送信信号は、送信回路２の出力端子２ａから出力され移相器６で第１の移相量φ１を与えられ、アンテナ１から放射される。

アンテナ１から放射された送信信号の一部は、検出対象で反射され、反射信号としてアンテナ１で受信される。

アンテナ１で受信された反射信号は、移相器６で再び第１の移相量φ１を与えられて出力端子２ａまで戻り、送信中の送信信号の一部と反射信号と、が検波回路３に入力される。

送信信号の振幅をＡ、周波数をｆとしたときの角周波数２πｆをωとして、Ｖｏを（式１）で表し、反射信号の振幅をＢとして、Ｖｒを（式２）で表す、但し、θ１は第１の期間の送信信号Ｖｏに対する反射信号Ｖｒの位相変移角度（位相差）を表す。

Ｖｏ＝Ａ・ｃｏｓωｔ・・・・・・（式１）

Ｖｒ＝Ｂ・ｃｏｓ（ωｔ＋θ１）・・・（式２）

前述のように、Ｂは反射信号の振幅であり、（式１）で表される振幅Ａでアンテナ１から放射された送信信号が、検出対象で反射されて再びアンテナ１まで戻ってくるまでの間の伝送路で受ける減衰（伝送損失）と、相信号が検出対象で反射される際の反射率によって受ける減衰（反射損失）によって、反射信号の振幅がＢまで減衰して受信されたことになる。

検波回路３で送信信号Ｖｏと反射信号Ｖｒの乗算が行われると、検波回路３の出力には（式３）で表される検波出力Ｖｄが出力される。

Ｖｄ＝Ｖｏ×Ｖｒ
＝Ａ・Ｂ｛ｃｏｓωｔ・ｃｏｓ（ωｔ＋θ１）｝
＝（Ａ・Ｂ／２）ｃｏｓ（２ωｔ＋θ１）＋（Ａ・Ｂ／２）ｃｏｓθ１・・（式３）

（式３）の前半の項は、角周波数が２ωＴとなっており、送信周波数の２倍の周波数成分のため、信号処理回路４のＬＰＦ機能によって除去することができる。送信周波数の２倍の周波数成分が除去された第１期間の信号処理回路４の出力信号Ｖｐ１は、式（４）で表される。

Ｖｐ１＝（Ａ・Ｂ／２）ｃｏｓθ１・・・（式４）

Ｖｐ１は、検出対象が動くとその動きによってθ１が変化するので、θ１の変化によってＶｐ１が変化する。そのため、Ｖｐ１の変化を検出することで検出対象の動きを検出することができる。

また、検出対象が静止物の場合には、検出対象との距離によってきまるθ１の値が一定のため、（式４）で算出される固定の値の直流信号が出力されることとなる。

制御回路５は、第１の期間の信号処理回路４の出力信号Ｖｐ１をアナログ・デジタル信号変換し、デジタル化されたデータとして制御回路５に含まれる記憶回路に記憶する。

制御回路５は、時刻Ｔ２で送信回路２から出力端子２ａに送信信号が出力されないように送信回路２を制御する送信出力制御信号を出力し、時刻Ｔ３までの時間ｔ２の間、送信動作を停止する。

次に、制御回路５が、時刻Ｔ３からＴ４までの時間ｔ１の間（第２の期間）に移相器６に第２の移相量φ２を与える制御信号Ｖ２を出力し、送信信号が出力端子２ａから出力されるように送信回路２を制御する送信出力制御信号を出力し、送信信号は、送信回路２の出力端子２ａから出力され移相器６で第２の移相量φ２を与えられ、アンテナ１から放射される。

アンテナ１で受信された反射信号は、可変移相器６で再び第２の移相量φ２を与えられて出力端子２ａまで戻り、送信中の送信信号の一部と反射信号と、が検波回路３に入力される。

前述と同様に送信信号Ｖｏは（式１）で表わされ、反射信号Ｖｒは（式５）のように表される。但し、但しθ２は第２の期間の送信信号Ｖｏに対する反射信号Ｖｒの位相変移角度（位相差）を表す。

Ｖｒ＝Ｂ・ｃｏｓ（ωｔ＋θ２）・・・（式５）

検波回路３の出力Ｖｄは、（式３）と同様に計算すると（式６）が得られる。

Ｖｄ＝Ｖｏ×Ｖｒ
＝Ａ・Ｂ｛ｃｏｓωｔ・ｃｏｓ（ωｔ＋θ２）｝
＝（Ａ・Ｂ／２）ｃｏｓ（２ωｔ＋θ２）＋（Ａ・Ｂ／２）ｃｏｓθ２・・（式６）

前述と同様に、（式６）の前半の項で示される信号成分が信号処理回路４のＬＰＦ機能によって除去された第２の期間の信号処理回路４の出力信号Ｖｐ２は、式（７）で表される。

Ｖｐ２＝（Ａ・Ｂ／２）ｃｏｓθ２・・・（式７）

Ｖｐ２もＶｐ１と同様に、検出対象が動くとその動きによってθ２が変化するので、θ２の変化によって出力が変化するが、検出対象が静止物の場合には、検出対象との距離によってきまるθ２の値が一定のため、（式７）で計算される固定の値の直流信号が出力されることとなる。

制御回路５は、第２の期間の信号処理回路４の出力信号Ｖｐ２をアナログ・デジタル信号変換し、デジタル化されたデータ値として制御回路５に含まれる記憶回路に記憶する。

制御回路５は、時刻Ｔ４で送信回路２から送信信号が出力端子２ａに出力されないように送信回路２を制御する送信出力制御信号を出力し、時刻Ｔ５までの時間ｔ２の間、送信動作を停止する。時刻Ｔ５以降は時刻Ｔ１からの動作を同様に繰り返すよう動作する。

第１の期間の、送信信号Ｖｏに対する反射信号Ｖｒの位相変移角度を表すθ１は、送信信号が、出力端子２ａから出力され、移相器６によって与えられる第１の移相量φ１を与えられてアンテナ１に供給され、アンテナ１から放射されて検出対象で反射された反射信号がアンテナ１に戻ってくるまでの経路の長さによる移相量φｏと、アンテナ１から移相器６を経ることによって第１の移相量φ１を与えられ、出力端子２ａに戻ってくるまでの合計なので、（式８）のように表される。

θ１＝φ１＋φｏ＋φ１＝φｏ＋２φ１・・・（式８）

第２の期間の、送信信号Ｖｏに対する反射信号Ｖｒの位相変移角度を表すθ２は、送信信号が、出力端子２ａから出力され、移相器６によって与えられる第２の移相量φ２を与えられてアンテナ１に供給され、アンテナ１から放射されて検出対象で反射された反射信号がアンテナ１に戻ってくるまでの経路の長さによる移相量φｏと、アンテナ１から移相器６を経ることによって第２の移相量φ２を与えられ、出力端子２ａに戻ってくるまでの合計なので、（式９）のように表される。

θ２＝φ２＋φｏ＋φ２＝φｏ＋２φ２・・・（式９）

第２の移相量φ２は、第１の移相量φ１よりπ／４（ｒａｄ）移相量が大きいのでφ２は（式１０）のように表すことができる。

φ２＝φ１＋π／４・・・（式１０）

（式１０）を（式９）に代入すると（式１１）を得る。
θ２＝φｏ＋２（φ１＋π／４）＝θ１＋π／２・・・（式１１）

（式１１）を（式７）に代入すると、（式１２）を得ることができる。

Ｖｐ２＝（Ａ・Ｂ／２）ｃｏｓ（θ１＋π／２）
＝−（Ａ・Ｂ／２）ｓｉｎθ１・・・（式１２）

以上のように、第１の期間に第１の移相量で送信信号を送信し、その反射信号を受信するとともに、第２の期間に第１の移相量よりπ／４（ｒａｄ）大きい移相量で送信信号を送信し、その反射信号を受信すると、第１の期間の反射信号と第２の期間の反射信号の位相差がπ／２（ｒａｄ）異なるので、互いに直交する成分を感度良く検出することができる。

制御回路５は、記憶したＶｐ１およびＶｐ２からそれぞれの２乗の値を合算し、（式１３）および（式１４）の計算結果を算出する。
（Ｖｐ１）^２＋（Ｖｐ２）^２＝（Ａ・Ｂ／２）^２（ｓｉｎ^２θ１＋ｃｏｓ^２θ１）
であり、（ｓｉｎ^２θ１＋ｃｏｓ^２θ１）は１であるから

（Ｖｐ１）^２＋（Ｖｐ２）^２＝（Ａ・Ｂ／２）^２・・・（式１３）

（式１３）は第１期間の反射信号から得られたＶｐ１と、第２期間の反射信号から得られたＶｐ２の２乗和であるので、信号処理回路の出力Ｖｐの大きさの絶対値｜Ｖｐ｜は（式１４）で求めることができる。

｜Ｖｐ｜＝√｛（Ｖｐ１）^２＋（Ｖｐ２）^２｝＝（Ａ・Ｂ／２）・・・（式１４）

（式１４）で示したように、反射信号から得られる信号処理回路４の出力Ｖｐ１およびＶｐ２を演算することによって、反射信号の移相量θ１およびθ２に依存しない｜Ｖｐ｜を検出することができるので、検出対象が静止物体であっても検出対象を検出することができる。

検出対象が無い場合には、検出対象で送信信号が反射されることはないので、（式１４）のＢが”０”（零）となり｜Ｖｐ｜も”０”（零）となる。また｜Ｖｐ｜≠０であれば反射信号が存在することとなり、送信信号を反射する検出対象が存在することとなる。

制御回路５は、（式１４）の計算を行った結果から、検出対象の有無を判断し、結果を出力する。

また、実験によって、アンテナ１から検出対象までの距離によって検出される｜Ｖｐ｜の値をあらかじめ記憶しておくことで、検出対象までの距離を推定することもできる。

検出対象に動きがある場合、先述のように、検出対象の動きによって（式４）のθ１および（式７）のθ２が変化するので、第１の移相量で送受信動作を行う第１の期間のＶｐ１または、第２の移相量で送受信動作を行う第２の期間のＶｐ２の変動から検出対象の動きを検出することもできる。

また、第２の移相量φ２が、第１の移相量φ１に対してπ／４（ｒａｄ）から更にΔθ（ｒａｄ）ずれた移相量であった場合には（式１０）は、下記のように表される。

φ２＝φ１＋π／４＋Δθ・・・（式１５）

（式１５）を（式９）に代入すると（式１６）を得る。
θ２＝φｏ＋２（φ１＋π／４＋Δθ）＝θ１＋π／２＋２Δθ・・・（式１６）

（式１６）を（式７）に代入すると、（式１７）を得ることができる。

Ｖｐ２＝（Ａ・Ｂ／２）ｃｏｓ（θ１＋π／２＋２Δθ）
＝−（Ａ・Ｂ／２）ｓｉｎ（θ１＋２Δθ）・・・（式１７）

以上のように、第１の期間に第１の移相量で送信信号を送信し、その反射信号を受信するとともに、第２の移相量φ２が、第１の移相量φ１に対してπ／４（ｒａｄ）から更にΔθ（ｒａｄ）ずれた移相量であった場合であっても、π／４（ｒａｄ）からずれた移相量２Δθ（ｒａｄ）分の誤差は含まれるが、（式４）で表される第１の期間の反射信号と直交する成分を検出することができる。

以上の説明したように、制御回路５が移相器６を制御し、第１の移相量で送受信動作を行う第１の期間と、第２移相量で送受信動作を行う第２の期間と、が交互に繰り返されるように制御するとともに、第１の期間の反射信号と第２の期間の反射信号と、に基づく信号処理回路４からの出力を演算するので、第１の期間の反射信号と第２の期間の反射信号から、互いに直交する成分を抽出することができる。このことによって、検出対象が静止物体であっても検出対象の有無を検出することができる。

第１の移相量と、第２の移相量の差をπ／４（ｒａｄ）としたので、第１の期間の反射信号と第２の期間の反射信号の位相差がπ／２（ｒａｄ）となり、で、検出対象が静止物体であっても感度良く検出することができる。

以上述べたように、本発明の実施形態による無線センサ装置１００によれば、静止している検出対象を検出することができる無線センサ装置を提供することができる。

以上のように、本発明の実施形態に係る無線センサ装置１００を具体的に説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能である。例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。

（１）本実施形態において、第１の移相量と第２の移相量の差がπ／４（ｒａｄ）の場合を例示して説明を行ったが、第１の移相量と第２の移相量の差をπ／４（ｒａｄ）から変更して実施しても良い。

（２）本実施形態において、検出対象が無い場合、出力Ｖｐが”０”（零）として説明したが、回路構成や使用部品のばらつき等で、検出対象がなくても若干の出力が出てしまう場合もあるので、検出対象の検出閾値を定めて検出対象の有無を判断するように構成しても良い。

（３）本実施形態において、１回の送信期間ごとに移相量を変更する例を示して説明したが、第１の移相量を与える第１の期間および第２の移相量を与える第２の期間に複数の送信動作を行う期間が含まれるよう制御しても良い。

（４）本実施形態において、信号処理回路４の機能をＬＰＦの機能のみにふれて説明を行ったが、そのほかに増幅、サンプリング等の機能を有していても良い。

（５）本実施形態において、制御回路５が、第１の期間の反射信号と第２の期間の反射信号と、に基づく信号処理回路４からの出力を演算する例を示して説明を行ったが、演算を行う機能は、信号処理回路が有していても良く、また制御回路や信号処理回路とは別に、独立した演算機能を備えて構成しても良い。

（６）本実施形態において、送信信号に情報を与える変調を行わない構成で説明を行ったが、変調を行えるように構成しても良い、その場合、信号処理回路のＬＰＦ機能はカットオフ周波数を変調信号の周波数より低く設定するのが望ましい。

１アンテナ
２送信回路
２ａ出力端子
３検波回路
４信号処理回路
５制御回路
６移相器
１００無線センサ装置

Claims

送信信号を放射し、送信信号が検出対象で反射した反射信号を受信するアンテナと、
前記送信信号を生成し、前記送信信号を出力する出力端子を備えた送信回路と、
前記送信回路の前記出力端子に接続され、前記送信回路から前記送信信号を送信中に、前記送信信号の一部と前記アンテナで受信された前記反射信号と、を検波する検波回路と、
前記検波回路に接続され、前記検波回路から出力される信号を処理する信号処理回路と、
前記送信回路に接続され、前記送信回路を制御する制御回路と、を有する無線センサ装置において、
前記アンテナと前記出力端子との間に移相器を有し、
前記制御回路は前記移相器を制御し、第１の移相量で送受信動作を行う第１の期間と、第２の移相量で送受信動作を行う第２の期間と、が交互に繰り返されるように制御するとともに、
前記第１の期間の前記反射信号と、前記第２の期間の前記反射信号と、に基づく前記信号処理回路からの出力を演算することによって検出対象を検出することを特徴とする無線センサ装置。
請求項１に記載の無線センサ装置において、前記第１の移相量と、前記第２の移相量の差はπ／４（ラジアン）であることを特徴とする無線センサ装置。