(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知エリアに向けて周波数の異なる複数のマイクロ波を送信し、この検知エリア内に人体が存在する場合に、上記各マイクロ波が人体で反射されてドップラ効果により変調した各反射波を受信し、これら反射波とその送信波とをミキシングした後のＩＦ信号同士の位相差により人体までの距離を計測する人体検知センサにおいて、
上記各マイクロ波の反射波により得られる複数のＩＦ信号波形のそれぞれに対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行い、各ＩＦ信号波形中のリアル値、イマジナリ値及びスカラー値をそれぞれ求め、各ＩＦ信号波形中においてスカラー値が最大である周波数成分のリアル値及びイマジナリ値により各周波数成分の位相角を算出してこれらの位相差を求めることにより人体までの距離を計測する距離計測手段を備えていることを特徴とする人体検知センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視光線よりも低周波の電磁波を用いた能動型のセンサであるマイクロウエーブセンサにより成る人体検知センサに係る。特に、本発明は、周波数の異なる複数のマイクロ波を利用して人体までの距離を測定するようにしたセンサ（以下、「ＭＷセンサ」と呼ぶ）の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、防犯装置の一つとして、マイクロ波を検知エリアに向けて送信し、検知エリア内に人体が存在する場合には、その人体からの反射波（ドップラー効果によって変調したマイクロ波）を受信して人体（侵入者）を検知するＭＷセンサが知られている（例えば特開平７−３７１７６号公報）。
【０００３】
更に、ＭＷセンサの１タイプとして、周波数の異なる複数のマイクロ波を利用して物体までの距離を計測するようにしたものも知られている。この種のセンサは、例えば周波数の異なる２種類のマイクロ波を検知エリアに向けて送信し、それぞれの反射波に基づく２つのＩＦ信号の位相差を検出するようになっている。この位相差は、ターゲット（人体等の物体）までの距離に相関があり、ターゲットまでの距離が大きいほど位相差も大きくなる傾向がある。つまり、この位相差を求めることによりターゲットまでの距離を計測することが可能である。以下、この種のセンサにおけるＩＦ信号の位相差検出動作について説明する。
【０００４】
周波数の異なる２種類のマイクロ波の反射波に基づくＩＦ信号が図６（ａ）に示すような正弦波ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２（ターゲットまでの距離に応じた位相差を有している）である場合、これらＩＦ信号から成形される矩形波Ａ，Ｂは、それぞれ図６（ｂ）に示すようになる。そして、これら矩形波Ａ，Ｂの位相差（図中における矩形波の立ち上がり部分の位相差Δｔ）を検出することによってターゲットまでの距離を計測することが可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際にマイクロ波が人体によって反射される場合、その反射波は、人体の手足などの複雑な動きを行っている部分から反射されたものが含まれているため、多くの周波数成分を含んでいる。このため、実際に得られるＩＦ信号は、図７（ａ）に示すような複雑な波形として得られ、上述のような正弦波の状態では得られない。
【０００６】
このような複雑な波形として得られたＩＦ信号ＩＦｏｕｔ１，ＩＦｏｕｔ２から矩形波を成形した場合、図７（ｂ）に示すように、矩形波Ａ，Ｂ同士の位相差はターゲットまでの距離を正確に反映したものにならない可能性が高い。つまり、本来、ターゲットの位置は一定又は徐々に変化していくものであるため、各矩形波Ａ，Ｂ同士の位相差は常に一定かまたは徐々に変化していく（ターゲットが近づいて来る場合には位相差は徐々に小さくなり、ターゲットが遠ざかっていく場合には位相差は徐々に大きくなる）のが通常である。ところが、図７（ｂ）に示すものでは各矩形波Ａ，Ｂ同士の位相差はそれを反映したものとはなっていない。
【０００７】
つまり、この複数のマイクロ波を利用したＭＷセンサは、図６を用いて説明したように理論上はターゲットまでの距離を計測することができるものの、実際にターゲットまでの距離を正確に計測するためには更なる改良が必要とされるものであった。言い換えると、この種のセンサにおいてターゲットまでの距離を正確に計測するためには、上記ＩＦ信号の位相差の検出精度をいっそう高めることが必要不可欠であった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、周波数の異なる複数のマイクロ波を利用して検知エリア内の人体までの距離を測定するようにした人体検知センサに対し、人体からの反射波に多くの周波数成分が含まれている場合であっても各ＩＦ信号の位相差を高い精度で検出し、人体までの距離を正確に計測することができるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
−発明の概要−
上記の目的を達成するために、本発明は、周波数の異なる複数のマイクロ波の反射波により得られる複数のＩＦ信号波形のそれぞれに対してＦＦＴ処理を行い、ノイズ等の外乱の影響を最も受けていない周波数成分の位相角を算出し、これらの位相差を求めることにより人体までの距離を計測するようにしている。
【００１０】
−解決手段−
具体的に、本発明は、検知エリアに向けて周波数の異なる複数のマイクロ波を送信し、この検知エリア内に人体が存在する場合に、上記各マイクロ波が人体で反射されてドップラ効果により変調した各反射波を受信し、これら反射波とその送信波とをミキシングした後のＩＦ信号同士の位相差により人体までの距離を計測する人体検知センサを前提とする。この人体検知センサに対し、各マイクロ波の反射波により得られる複数のＩＦ信号波形のそれぞれに対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行い、各ＩＦ信号波形中のリアル値、イマジナリ値及びスカラー値をそれぞれ求め、各ＩＦ信号波形中においてスカラー値が最大である周波数成分のリアル値及びイマジナリ値により各周波数成分の位相角を算出してこれらの位相差を求めることにより人体までの距離を計測する距離計測手段を備えさせている。
【００１２】
この特定事項により、人体検知センサによって人体を検知する場合において、人体の手足などの複雑な動きに起因する多くの周波数成分が含まれている反射波を受けた場合であっても、各周波数成分のうち最もノイズ等の外乱の影響を受けていない周波数成分の位相角のみを使用して、これらの位相差を求めることができる。このため、高い精度でＩＦ信号の位相差を求めることができ、これによって人体までの距離を正確に計測することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、周波数の異なる２種類のマイクロ波を利用して人体（以下、単に物体と呼ぶ場合もある）までの距離を計測するようにしたＭＷセンサ（人体検知センサ）に本発明を適用した場合について説明する。
【００１４】
−ＭＷセンサの構成説明−
図１は本形態に係るＭＷセンサ１の回路構成を示している。この図に示すように、ＭＷセンサ１は、ＲＦモジュール２及び信号処理部３を備えている。
【００１５】
ＲＦモジュール２は、マイクロ波を発振する発振器２１、この発振器２１から発振されるマイクロ波の周波数を切り換えるための変調器２２、発振器２１から発振されたマイクロ波を検知エリアに向けて送信する送信アンテナ２３、人体等の物体によって反射したマイクロ波の反射波を受信する受信アンテナ２４、この受信されたマイクロ波と発振器２１の電圧波形とをミキシングして出力するミキサ２５を備えている。つまり、送信アンテナ２３から検知エリアに向けて送信されたマイクロ波は、検知エリア内に人体等が存在する場合、ドップラー効果によりその人体等からの反射波の周波数が変調されて受信アンテナ２４に受信される。この受信された反射波はミキサ２５によって発振器２１の電圧波形とミキシングされた後、ＲＦモジュール２からＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ０）として信号処理部３に出力されるようになっている。
【００１６】
一方、信号処理部３は、送信アンテナ２３から送信する各周波数のマイクロ波毎に対応して第１の出力ラインＬ１及び第２の出力ラインＬ２を備えている。各ラインＬ１，Ｌ２には、電源３１，３２，３３、ＩＦアンプ３４，３５、コンパレータ３６，３７が備えられ、ＩＦアンプ３４，３５の出力側には本形態の特徴とする距離計測手段としての距離計測演算部３８が設けられている。また、コンパレータ３６，３７の出力側には移動方向判別部３９が設けられている。
【００１７】
各ＩＦアンプ３４，３５は、第１スイッチＳＷ１を介してＲＦモジュール２の出力側に接続されている。この第１スイッチＳＷ１は、上記２種類のマイクロ波のうち一方が送信アンテナ２３から送信されている場合には第１の出力ラインＬ１に接続し、他方のマイクロ波が送信アンテナ２３から送信されている場合には第２の出力ラインＬ２に接続するように切り換えられる。つまり、一方のマイクロ波の送信時に人体等によって反射された反射波に係るＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ１）は第１の出力ラインＬ１に出力され、他方のマイクロ波の送信時に人体等によって反射された反射波に係るＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ２）は第２の出力ラインＬ２に出力される構成となっている。
【００１８】
また、各電源３１，３２は、上記第１スイッチＳＷ１に連動する第２スイッチＳＷ２を介してＲＦモジュール２の入力側に接続されている。この第２スイッチＳＷ２も、２種類のマイクロ波のうち何れのマイクロ波を送信アンテナ２３から送信するかによって各電源３１，３２に対する接続状態が切り換わるようになっている。つまり、この第２スイッチＳＷ２が一方の電源３１に接続している状態と他方の電源３２に接続している状態とで、変調器２２がマイクロ波の周波数を切り換え、これによって送信アンテナ２３から送信されるマイクロ波の周波数が切り換えられる構成となっている。
【００１９】
このようにして、各スイッチＳＷ１，ＳＷ２の切り換え動作に伴い、一方の周波数のマイクロ波が送信アンテナ２３から検知エリアに向けて送信され、その反射波に基づくＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ１）が信号処理部３の第１の出力ラインＬ１に出力されてこの第１の出力ラインＬ１において信号処理が行われる第１処理動作と、他方の周波数のマイクロ波が送信アンテナ２３から検知エリアに向けて送信され、その反射波に基づくＩＦ出力信号（ＩＦｏｕｔ２）が信号処理部３の第２の出力ラインＬ２に出力されてこの第２の出力ラインＬ２において信号処理が行われる第２処理動作とが所定時間間隔（例えば数ｍｓｅｃ）をもって切り換えられるようになっている。そして、各処理動作では、ＲＦモジュール２から出力されたＩＦ出力信号は、ＩＦアンプ３４，３５によって増幅され、このＩＦアンプ３４，３５からの出力が距離計測演算部３８及びコンパレータ３６，３７に与えられるようになっている。また、コンパレータ３６，３７によって矩形波に成形された信号は移動方向判別部３９に出力されるようになっている。
【００２０】
更に、上記各処理動作について詳述すると、検知エリア内に人体等が存在していない場合には、送信アンテナ２３から送信されたマイクロ波と受信アンテナ２４に受信されたマイクロ波との周波数は等しいため、ＩＦアンプ３４，３５からの出力信号におけるＩＦ周波数は「０」となり、コンパレータ３６，３７からは信号が出力されない。これに対し、検知エリア内に人体等が存在する場合には、送信アンテナ２３から送信されたマイクロ波の周波数に対して受信アンテナ２４に受信されたマイクロ波は変調されるため、コンパレータ３６，３７の出力信号波形に変化が生じ、この矩形波が移動方向判別部３９に出力されるようになっている。
【００２１】
−距離計測演算部３８の処理動作−
次に、ＩＦアンプ３４，３５からの出力信号波形を受ける距離計測演算部３８の処理動作について説明する。
【００２２】
この距離計測演算部３８では、各ＩＦアンプ３４，３５から受けた２種類のＩＦ信号波形のそれぞれに対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行い、各ＩＦ信号波形中においてレベルが最大である周波数成分の位相角を算出してこれらの位相差を求めることにより物体までの距離を計測するようにしている。具体的には、ＦＦＴ処理により、各ＩＦ信号波形中のリアル値、イマジナリ値及びスカラー値をそれぞれ求め、各ＩＦ信号波形中においてスカラー値が最大である周波数成分のリアル値及びイマジナリ値により各周波数成分の位相角を算出してこれらの位相差を求めることにより物体までの距離を計測するよう構成されている。
【００２３】
以下に距離計測演算部３８における演算式を示す。数式（１）は一方のＩＦ信号（ドップラー信号：ＩＦｏｕｔ１）に対するＦＦＴ処理により得られるフーリエ級数の各係数を求める式であり、数式（２）は他方のＩＦ信号（ドップラー信号：ＩＦｏｕｔ２）に対するＦＦＴ処理により得られるフーリエ級数の各係数を求める式である。各数式中のａ１，ａ２はリアル値、ｂ１，ｂ２はイマジナリ値である。そして、以下の数式（３）によって各周波数成分のスカラー値を求める。
【００２４】
【数１】
0003593630.tif 000002
【００２５】
【数２】
0003593630.tif 000003
【００２６】
【数３】
0003593630.tif 000004
【００２７】
そして、上記数式（３）によって求められた各周波数成分のスカラー値のうち、その値が最大である周波数成分のリアル値及びイマジナリ値を利用してその周波数成分の位相角を算出する。数式（４）は一方のＩＦ信号中の最大周波数成分のリアル値及びイマジナリ値からこのＩＦ信号の位相角を算出する式であり、数式（５）は他方のＩＦ信号中の最大周波数成分のリアル値及びイマジナリ値からこのＩＦ信号の位相角を算出する式である。
【００２８】
【数４】
0003593630.tif 000005
【００２９】
【数５】
0003593630.tif 000006
【００３０】
このようにして各ＩＦ信号波形中においてスカラー値が最大である周波数成分のリアル値及びイマジナリ値により各周波数成分の位相角を算出した後、数式（６）により、これらの位相差を求める。
【００３１】
【数６】
0003593630.tif 000007
【００３２】
図２（ａ）（ｂ）における左側のグラフは、各ドップラー信号における各周波数成分の出力レベルの一例を示しており、右側の座標は、スカラー値が最大である周波数成分（左側のグラフにおいてＨを付した周波数成分）のリアル値Ｒｅ（座標の横軸）及びイマジナリ値Ｉｍ（座標の縦軸）により得られた位相角（θ１，θ２）を示している。つまり、この座標上の位相角（θ１，θ２）同士の差によって物体までの距離が計測できることになる。
【００３３】
これにより、本ＭＷセンサ１によって人体等を検知する場合において、人体の手足などの複雑な動きに起因する多くの周波数成分が含まれている反射波を受けた場合であっても、各周波数成分のうち最もノイズ等の外乱の影響を受けていない周波数成分の位相角のみを使用して、これらの位相差を求めることができる。このため、高い精度でＩＦ信号の位相差を求めることができ、これによって物体までの距離を正確に計測することが可能となる。図３は、上記位相差と物体までの距離との関係を示すグラフである。
【００３４】
−物体移動方向の認識処理動作−
次に、上記移動方向判別部３９による物体の移動方向の認識動作について説明する。
【００３５】
この移動方向判別部３９では、各コンパレータ３６，３７から受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波Ａ，Ｂを比較し、これらＩＦ信号波形同士の相対的な位相進み度合いを認識することによって、検知エリア内の物体がＭＷセンサ１に近づく方向に移動しているか遠ざかる方向に移動しているかを判別するようになっている。そして、２つのＩＦ信号波形のうち周波数の低いマイクロ波の反射波により得られたＩＦ信号波形が周波数の高いマイクロ波の反射波により得られたＩＦ信号波形よりも進んでいる場合には検知エリア内の物体がＭＷセンサ１に近づく方向に移動していると判別する。一方、周波数の高いマイクロ波の反射波により得られたＩＦ信号波形が周波数の低いマイクロ波の反射波により得られたＩＦ信号波形よりも進んでいる場合には検知エリア内の物体がＭＷセンサ１から遠ざかる方向に移動していると判別するようになっている。以下、この判別動作について詳述する。
【００３６】
今、各コンパレータ３６，３７から受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波が図４に示す波形Ａ，Ｂの状態であったとする。そして、これら波形のＸＮＯＲ波形（図４の最下段の波形）を成形する。そして、このＸＮＯＲ波形のＨｉとＬｏとの切り換わり時であって、ＨｉからＬｏに切り換わる時点（例えば図４に矢印Ｉ，ＩＩを付した時点）における各ＩＦ信号の矩形波Ａ，Ｂの値を検知する。図４の場合、このＨｉからＬｏへの切り換わる時点（矢印Ｉ，ＩＩを付した２つのそれぞれの時点）では、矩形波ＢがＬｏである場合には矩形波ＡはＬｏからＨｉに切り換わるタイミング（矢印ＩＩ）であり、矩形波ＢがＨｉである場合には矩形波ＡはＨｉからＬｏに切り換わるタイミング（矢印Ｉ）である。この状態が検出されることで、周波数の低いマイクロ波によるＩＦ信号波形の矩形波Ａが周波数の高いマイクロ波によるＩＦ信号波形の矩形波Ｂよりも位相が進んでいることが認識できる。この場合、移動方向判別部３９は、検知エリア内の物体がＭＷセンサ１に近づく方向に移動していると判別する。尚、この場合のＸＮＯＲ波形がＨｉからＬｏに切り換わる時点では、常に、矩形波ＢはＬｏまたはＨｉの状態が継続し、矩形波ＡはＨｉからＬｏまたはＬｏからＨｉへ切り換わるタイミングとなっているので、これらの矩形波Ａ，Ｂのうちの何れかの状態を検出することにより検知エリア内の物体がＭＷセンサ１に近づく方向に移動していると判別することもできる。
【００３７】
一方、各コンパレータ３６，３７から受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波が図５に示す波形Ａ，Ｂである場合、これら波形のＸＮＯＲ波形は図５の最下段のようになる。そして、このＸＮＯＲ波形のＨｉとＬｏとの切り換わり時であって、ＨｉからＬｏに切り換わる時点（例えば図５に矢印III，IVを付した時点）における各ＩＦ信号の矩形波Ａ，Ｂの値を検知する。図５の場合、このＨｉからＬｏへの切り換わる時点（矢印III，IVを付した２つのそれぞれの時点）では、矩形波ＡがＬｏである場合には矩形波ＢはＬｏからＨｉに切り換わるタイミング（矢印IV）であり、矩形波ＡがＨｉである場合には矩形波ＢはＨｉからＬｏに切り換わるタイミング（矢印III）である。この状態が検出されることで、周波数の高いマイクロ波によるＩＦ信号波形の矩形波Ｂが周波数の低いマイクロ波によるＩＦ信号波形の矩形波Ａよりも位相が進んでいることが認識できる。この場合、移動方向判別部３９は、検知エリア内の人体がＭＷセンサ１から遠ざかる方向に移動していると判別する。尚、この場合のＸＮＯＲ波形がＨｉからＬｏに切り換わる時点では、常に、矩形波ＡはＬｏまたはＨｉの状態が継続し、矩形波ＢはＨｉからＬｏまたはＬｏからＨｉへ切り換わるタイミングとなっているので、これらの矩形波Ａ，Ｂのうちの何れかの状態を検出することにより検知エリア内の人体がＭＷセンサ１から遠ざかる方向に移動していると判別することもできる。
【００３８】
このように、本形態では、検知エリアに送信された各マイクロ波の反射波に基づく複数のＩＦ信号の相対的な位相進み度合いを認識することによって物体の移動方向を認識することができる。つまり、多数の物体位置データを取得してこれらデータの比較演算処理といった煩雑な処理動作を必要とすることなしに物体の移動方向を迅速且つ正確に認識することができる。
【００３９】
−その他の実施形態−
上述した実施形態では、周波数の異なる２種類のマイクロ波を利用して物体までの距離の計測及び物体の移動方向の判別を行うようにしたＭＷセンサに本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、周波数の異なる３種類以上のマイクロ波を利用して物体までの距離の計測及び物体の移動方向の判別を行うようにしてもよい。
【００４０】
また、上記実施形態では、移動方向判別部３９が、各コンパレータ３６，３７から受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波のＸＮＯＲを成形し、この波形のＨｉとＬｏとの切り換わり時であって、ＨｉからＬｏに切り換わる時点における各ＩＦ信号の矩形波の値を検知することで２種類のＩＦ信号波形同士の相対的な位相進み度合いを認識するようにしていた。本発明は、これに限らず、ＸＮＯＲ波形がＬｏからＨｉに切り換わる時点における各ＩＦ信号の矩形波の値を検知するようにしてもよい。また、各コンパレータ３６，３７から受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波のＸＯＲ（排他的論理和）を成形し、この波形のＨｉとＬｏとの切り換わり時における各ＩＦ信号の矩形波の値を検知するようにしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、周波数の異なる複数のマイクロ波を利用して人体までの距離を測定するようにした人体検知センサに対し、周波数の異なる複数のマイクロ波の反射波により得られる複数のＩＦ信号波形のそれぞれに対してＦＦＴ処理を行い、ノイズ等の外乱の影響を最も受けていない周波数成分の位相角を算出し、これらの位相差を求めることにより人体までの距離を計測するようにしている。このため、人体の手足などの複雑な動きに起因する多くの周波数成分が含まれている反射波を受けた場合であっても、最もノイズ等の外乱の影響を受けていない周波数成分の位相角のみを使用して、これらの位相差を求めることができる。このため、高い精度でＩＦ信号の位相差を求めることができ、これによって人体までの距離を正確に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るＭＷセンサの回路構成を示す図である。
【図２】各ドップラー信号における各周波数成分の出力レベルの一例及びスカラー値が最大である周波数成分のリアル値及びイマジナリ値により得られる位相角を示す図である。
【図３】２種類のＩＦ信号波形の位相差と物体までの距離との関係を示すグラフである。
【図４】物体がセンサに近づく状態において各コンパレータから受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波及びそれらのＸＮＯＲ波形を示す図である。
【図５】物体がセンサから遠ざかる状態において各コンパレータから受けた２種類のＩＦ信号波形の矩形波及びそれらのＸＮＯＲ波形を示す図である。
【図６】従来例における各ＩＦ信号及びそれにより得られた矩形波を示す図である。
【図７】従来例において反射波が多くの周波数成分を含んでいる場合における各ＩＦ信号及びそれにより得られた矩形波を示す図である。
【符号の説明】
１        マイクロウエーブセンサ
３８      距離計測演算部（距離計測手段）
【図１】
0003593630.tif 000008
【図２】
0003593630.tif 000009
【図３】
0003593630.tif 000010
【図４】
0003593630.tif 000011
【図５】
0003593630.tif 000012
【図６】
0003593630.tif 000013
【図７】
0003593630.tif 000014