(57)【要約】超広帯域レーダ動きセンサが関心領域に戦略的に配置され、無線アドホックネットワークと通信して、遠隔領域の監視を提供する。動きセンサにインパルスレーダ、心拍及び呼吸監視を組み合わせることでさらに識別を向上させる。
2009539272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の低電力超広帯域（ＵＷＢ）レーダ動きセンサを関心領域に配置するステップと、
前記領域でＵＷＢレーダ信号を発信し、前記動きセンサのうちの少なくとも１つの動きセンサによって前記信号を受信して受信信号を生成するステップと、
前記受信信号を解析して、前記領域内で動きが発生したかどうかを決定し、前記領域内で動きが発生した場合に警報信号を生成するステップと、
前記警報信号を無線アドホックネットワークに伝達して、転送警報信号を生成するステップと、
前記転送警報信号を通報先に送信するステップと、
を含む関心領域を監視するための方法。
【請求項２】
前記低電力ＵＷＢレーダ動きセンサの各センサが、中央処理モジュールと、衛星利用測位モジュールと、送受信通信モジュールと、電力および制御モジュールと、レーダ検出センサモジュールと、を含む複数の作動的に接続された電子機器モジュールを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
各センサがＵＷＢトランシーバを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ＵＷＢレーダ信号を発信ステップが、ＵＷＢ信号を連続的に発信することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ＵＷＢレーダ信号を発信ステップが、ＵＷＢ信号を周期的に発信することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記警報信号を無線アドホックネットワークに伝達するステップが、前記警報信号をマザーノードに送信することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記無線アドホックネットワークが複数のノードを含み、前記警報信号がＵＷＢレーダによってマザーノードに送信される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記無線アドホックネットワークが複数のＵＷＢトランシーバノードを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記転送警報信号を通報先に送信するステップが、衛星信号を生成するように前記転送警報信号を衛星に伝達することを含み、前記衛星が前記衛星信号を通報先に伝達する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記警報信号を無線アドホックネットワークに伝達するステップが、前記警報信号を前記無線アドホックネットワークのアドホックノードに直接送信することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記無線アドホックネットワークが複数のＵＷＢトランシーバノードを含み、前記ネットワークの各ノードが前記複数のセンサのうちのそれぞれ異なるセンサに取り付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記トランシーバが全方位ループアンテナを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記センサがレンジゲーテッドレーダセンサを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記センサがデュアルレンジゲートセンサを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記センサが複合レンジゲートセンサを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
警報の原因の動きを追跡するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記警報の原因の心拍数および／または呼吸数を検出するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
関心領域に配置される複数の低電力超広帯域（ＵＷＢ）レーダ動きセンサと、
前記領域でＵＷＢレーダ信号を発信する手段であって、前記信号の少なくとも一部分が前記動きセンサのうちの少なくとも１つの動きセンサによって受信されて受信信号を生成する、信号発信手段と、
前記受信信号を解析して、前記領域内で動きが発生したかどうかを決定し、前記領域内で動きが発生した場合に警報信号を生成する手段と、
前記警報信号の少なくとも一部分を無線アドホックネットワークに伝達して転送警報信号を生成する手段と、
前記転送警報信号を通報先に送信する手段と、
を含む、関心領域を監視するための装置。
【請求項１９】
前記低電力ＵＷＢレーダ動きセンサの各センサが、中央処理モジュールと、衛星利用測位モジュールと、送受信通信モジュールと、電力および制御モジュールと、レーダ検出センサモジュールと、を含む複数の作動的に接続された電子機器モジュールを備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
各センサがＵＷＢトランシーバを備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記発信手段がＵＷＢ信号を連続的に発信する手段を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
前記発信手段がＵＷＢ信号を周期的に発信する手段を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２３】
前記警報信号を無線アドホックネットワークに伝達する手段が、前記警報信号をマザーノードに伝達する手段を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２４】
前記無線アドホックネットワークが複数のノードを含み、前記警報信号がＵＷＢレーダによりマザーノードに送信される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２５】
前記無線アドホックネットワークが複数のＵＷＢトランシーバノードを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２６】
前記転送警報信号を通報先に送信する手段が、衛星信号を生成するように前記転送警報信号を衛星に伝達する手段を含み、前記衛星が前記衛星信号を通報先に伝達する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２７】
前記無線アドホックネットワークが複数のＵＷＢトランシーバノードを含み、前記ネットワークの各ノードが前記複数のセンサのうちのそれぞれ異なるセンサに取り付けられる、請求項１８に記載の装置。
【請求項２８】
前記トランシーバが全方位ループアンテナを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２９】
前記センサがレンジゲーテッドレーダセンサを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項３０】
前記センサがデュアルレンジゲートセンサを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項３１】
前記センサが複合レンジゲートセンサを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項３２】
警報の原因となる動きを追跡する手段をさらに含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項３３】
前記警報の原因の心拍数および／または呼吸数を検出する手段をさらに含む、請求項３２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２００６年１月３０日出願の「Ｓｔｒａｔｅｇｉｃ  ａｄ  ｈｏｃ  ｌｏｗ  ｐｏｗｅｒ  ｕｌｔｒａ−ｗｉｄｅｂａｎｄ  （ＵＷＢ）  ｒｅａｒ  ｇｕａｒｄ  ｓｅｎｓｏｒｓ（ＲＧＳ）」と称する米国特許仮出願第６０／７６３，８１５号の優先権を主張する。本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２００６年１月３０日出願の「Ｌｏｗ−Ｐｏｗｅｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  ＵＷＢ  Ｒａｄａｒ  Ｓｅｎｓｏｒｓ」と称する米国特許仮出願第６０／７６３，７８５号の優先権を主張する。本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２００６年１月３０日出願の「Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ，ａｎｄ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ  Ｕｌｔｒａ−ｗｉｄｅｂａｎｄ  Ｒａｄａｒ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ」と称する米国特許仮出願第６０／７６３，８１４号の優先権を主張する。
【０００２】
米国政府は、米国エネルギー省とカリフォルニア大学との間のローレンス・リバモア国立研究所の運営のための契約第Ｗ−７４０５−ＥＮＧ−４８号に従って、本発明に権利を有する。
【技術分野】
【０００３】
本発明は超広帯域レーダ技術に関し、より詳細には、無線超広帯域（ＵＷＢ）センサおよびネットワークに関する。
【背景技術】
【０００４】
軍事用および民生用両方のための多様な環境を確実に監視するために、無線分散システムの開発が行なわれている。動きの検出は、国境管理、インフラストラクチャ保護、およびネットワークを中心とした（ネットワークセントリック）戦争への適用に極めて有用であり得る。現在、相互接続された独立センサのネットワークを利用する境界セキュリティシステムはほとんど存在しない。多くの境界侵入検出ネットワークは、広範なインフラストラクチャを事前にセットアップする必要がある。ごく最近のシステムの中には、監視される境界全体の周りにある設定された深さで配置された埋設ケーブルの長さを利用するものがある。他には、一連のカメラまたは他の動きセンサを使用するものもある。これらの選択は全て、センサ自体のため、または電力およびデータ通信のいずれのためにも、かなりのインフラストラクチャを必要とする。また、現在のシステムの大部分は、監視される境界に沿ったどこで侵入が発生したかを決定することができない。さらに、現在の技術では、信頼できる目標識別の方法は得られない。一部のシステムは、侵入者のおおよその大きさを推定し、その情報を用いて単純に識別を実行しようとする。
【０００５】
放射されたインパルスおよびステップ周波数システムに基づく超広帯域レーダによって目標を識別する能力は、これまで多くの独立した研究者によって研究されてきた。これらの努力は主に、以下の信号処理法に分類される。
【０００６】
ウィグナ分布（ＷＤ）は、自己相関関数およびフーリエ変換を結合して、複合時間・周波数ドメインで信号を表わす。この技術は、目標から後方散乱する信号を分類するのに非常に有用である。研究者は、イルカが同様の方法でＷＤを使用して水中の目標を分類していると推測した（Ｇａｕｎａｕｒｄら、１９９６年）（Ｓｔｉｆｏｒｓら、２０００年）。
【０００７】
ウェーブレット変換は、超広帯域レーダエコーの非定常特性を観察するのに有用な時間−周波数手法である。高時間分解能の大帯域幅事象および優れた周波数分解能の定常事象を突きとめる能力は、ＵＷＢ目標応答に見られるような信号およびシステムのインパルス応答を識別する場合において魅力的である。ウェーブレット理論は、時間および周波数分解能のトレードオフを全ての点で均等にすることを可能にする。目標インパルス応答の特異点の定位および分類は、信号を検出し、かつ識別するための最良の方法であることがわかっている（Ｃｈａｍｂｅｒｓら、１９９３年）。ＵＷＢレーダに関連する興味深い不連続点は、インパルス反射およびそれらの派生物を生じる異なる表面からの反射から生じる。これらの特徴の検出は、目標の大きさ、向き、および形状に関する指標を提供する。利点：（１）帯域制限事象および時間制限事象を、最適限界に近い分解能グリッド上に定位することができる。（２）ある範囲のスケールに亘るウェーブレット最大減衰の追跡が、局所的不連続点の特徴付けを可能にし、目標測定の重要な補助になる。（３）ウェーブレット変換を使用する解析は物理的プロセスに密接に対応し、分散伝搬を見るのに従来の方法より適した枠組を提供する（Ｊｏｕｎｙら、１９９２年、１９９４年）（Ｆａｒｇｕｅｓら、１９９３年）。
【０００８】
特異点展開法に基づく消滅パルス（E-pulse）識別方式は、超広帯域−レーダ目標識別に一般的に使用される。この手法は、散乱目標がレーダの周波数範囲で有意の自然な応答を発生する場合に使用することができる。目標によって散乱する電界を、早期時間応答および後期時間応答に分割することができる。後期時間応答の開始は、最後の散乱放射が目標から受信アンテナまで伝わるのに要する最大時間量と定義される。早期時間は、励起波形が目標を横切り、目標散乱中心からの定位された正反射が大部分を占める応答を作成するとき、強制応答期間に対応する。後期時間応答は、励起波形が通過した後に存在する自由振動期間である。
【０００９】
早期時間応答は非常に複雑であるが、後期時間応答は、目標の形状によって決定される固有振動数で振動する減衰シヌソイドの有限和に分解することができる。Ｅパルスは、後期時間応答に現われる目標の特定自然共振を打ち消すように設計された、過渡的な有限期間の波形である。したがって、後期時間目標応答との畳込みが行なわれるときに、Ｅパルスは異なる固有振動数特性を有する目標間の区別のために使用することができる。正しいＥパルスは、最小エネルギーでの畳込みによって、Ｅパルスの予め定められたライブラリから識別される。
【００１０】
後期時間Ｅパルス手法はアスペクトに依存しない。目標の共振周波数は励起波形に依存しないので、後期時間Ｅパルス手法は、目標に対する入射波形のアスペクト角に関係なく機能する。後期時間Ｅパルス手法を使用する不利な点は、目標の共振応答が得られる場合に、それがしばしば低信号強度を有することができる。研究者は、この技術が雑音環境ではかなりよく機能することを実証した。しかしながら、ＳＮＲが低すぎる場合、曖昧な結果が得られる（Ｍｏｏｎｅｙら、２０００年）。
【００１１】
より高い信号強度の早期時間応答を使用する、より複雑な方法が望ましいこともある。早期時間手法は、正反射のアスペクトに依存する時間的位置から生じる周波数ドメイン正弦関数をキャンセルする。早期時間手法はより明確な結果を出すことができるが、各々の異なるアスペクト角の目標に対し、Ｅパルスを定義しなければならない。最適な目標識別のために、研究者は後期時間応答のためのＥパルス時間ドメイン解析と、早期時間応答の周波数ドメインキャンセルを組み合わせた方法を開発した（Ｒｏｔｈｗｅｌｌら、１９９４年）。
【００１２】
幾人かの研究者がＥパルス法を研究、開発、および改善し続けている。（Ｒｏｔｈｗｅｌｌら、１９８５年、１９８６年、１９９５年、Ｃｈｅｎら、１９８６年、１９９４年、Ｒｏｓｓら、１９９０年、１９９４年、１９９８年、Ｌｉら、１９９８年、Ｄａｍｊａｎｓｃｈｉｔｚら、１９９９年）。上記の方法は、単一の目標だけを考慮している。複数の目標の場合、孤立した目標と比較して、システムの相互結合の効果および固有振動数差を考慮しなければならない。従来のＥパルス解析の欠点は、後期時間解析のために目標の固有振動数に関する事前知識が要求され、かつ早期時間解析のためにアスペクト角の関数としての目標散乱中心の位置および伝達関数が要求されることである。Ｅパルスの直接的な抽出を、それらの応答の事前知識無しに可能にするために開発が行なわれている。さらに、早期時間／後期時間複合法から冗長性を排除し、計算処理要求を軽減する手段が最近発表された。
【００１３】
３次統計量を使用する手法は、従来の２次手法を使用して観察することのできない、非ガウス信号および非線形性に関する情報を明らかにすることができる。高次スペクトル（ＨＯＳ）手法はしばしば音声処理に使用されており、かつ、超広帯域レーダで、目標の形状およびテクスチャ特性に関するバイスペクトルシグネチャを抽出することによって目標を分類するために使用されてきた（Ｍａｒｍａｒｅｌｉｓら、１９９２年）。
【００１４】
Ｋｅｒｎａｌ法は、未知のインパルス応答を持つブラックボックスシステムとして目標を処理することを含むＨＯＳ技術である。様々な目標の入射波形およびリターン信号から構成される実験データは、インパルス応答を記述しかつ分類する、可変次数のモデルを開発するために使用される。未知の目標からの後方散乱エコーおよび入射インパルスは、最もよく適合するインパルス応答モデルを決定するために使用される。
【００１５】
目標のおおよその時間的インパルス応答を得る１つの方法は、周波数ドメイン物理光学系（ＦＤＰＯ）によるものである。この技術は、目標に比べて波長が非常に短い周波数で、進行波を誘発しない角度の場合にだけ正確である。時間ドメイン物理光学系（ＴＤＰＯ）は、大量の散乱データをより効率的に解析することができるので、大きいファセットを持つ目標に対する応答モデルを作成するのにより適しているであろう（Ｓｋｉｎｎｅｒら、１９９３年）。これらの手法の最大誤差は、本体に沿った表面の電流位相の非線形伝搬のため、伝搬方向に湾曲した目標のモデリングに存する。Ｓｋｉｎｎｅｒは、高精度の結果を出すためには、目標のファセット化(facetization)の知識が要求されることも報告している。
【００１６】
これまでの研究（Ａｂｒａｈａｍａｓｓｏｎら、１９９１年）で、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）手法を使用して、球状誘電体目標の後方散乱レーダ断面の形状関数が予測されている。目標の識別は、散乱構造からのエコーを使用して抽出された目標共振を用いて実行される。ＦＤＰＯと呼ばれる別の計算方法（Ｓｋｉｎｎｅｒら、１９９３年）は、高精度の結果を出すためには、目標のファセット化(facetization)の知識が要求されることを報告している。より最近の研究（Ｍｏｏｎｅｙら、２０００年）は、Ｅパルス目標識別のためにエネルギー識別番号（ＥＤＮ）統計を使用する。この研究から、Ｍ個の目標の１群から目標を識別する確率を決定するための理論的方法が構築された。
【００１７】
上記の研究結果は、目標の反射から受け取ったエネルギーを使用する識別方法のための一連の知識を著しく増大させるが、そのような技術は一般的に高い電力を使用し、その結果、反射エネルギーが著しく強くなる。
【００１８】
したがって、必要なインフラストラクチャを最小限に止めて高速で展開する能力を備えた、低電力の展開型センサネットワークが利用可能であることが望ましい。そのようなシステムは、目標が境界を通過するときに、それをアクティブに検出し、識別し、かつ追跡することができることが望ましい。本発明は、そのような装置およびそれらの動作方法を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の目的は、アドホック低電力超広帯域（ＵＷＢ）レーダリアガード(rear guard)センサおよびそのようなセンサのネットワークを提供することである。
【００２０】
他の目的は、低電力ネットワークＵＷＢレーダセンサを提供することである。
【００２１】
さらに他の目的は、ＵＷＢレーダセンサネットワークによる協働検出、識別、および追跡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
これらおよび他の目的は、本明細書の開示に基づいて明らかになる。
【００２３】
本発明の実施形態は、戦略的に展開され、かつ無線アドホックネットワークと一体化されるＵＷＢレーダ低電力センサを利用して、クラッタが多い(cluttered)都市部のような厳しい伝搬環境で長距離検出能力を提供する。センサネットワークは侵入検出のための常時監視を提供し、戦略的関心領域から遠く離れた通報先に情報を中継する。一実施形態で使用されるセンサノードは、一定レンジのＵＷＢレーダ信号の反射を使用し、そのレンジに顕著な特異な動きがある場合、警報を生成する。このセンサネットワークは、ノード間通信、エキスフィルトレーション（ｅｘｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）通信、ジオロケーション、および動き検出における短距離用途向けである。しかし、無線アドホックネットワークと組み合わされたとき、それらは超長距離監視能力を達成することができる。同じセンサネットワークを、動物によって生じる侵入と人間によって生じる侵入とを区別するように変更することもできる。さらに、本発明で提示する戦略的センサネットワークは、侵入検出に限定されず、少々変更することにより、関心領域から遠く離れた通報先にセンサデータを常時報告するように、様々な種類の化学および生物兵器薬剤を検出することを可能にすることができる。個々のノードは無線センサ、ＧＰＳ電子機器（例えば、ＧＰＳ送信機及び受信器）、ローカル通信および処理能力を含む。複数のノードは相互にネットワーク接続し、リモート監視ステーションと通信する長距離アップリンクとして働く“マザー”ノードと通信する。
【００２４】
戦略的に重要な領域についての動きの検出は、インフラストラクチャの保護のみならず、戦術的戦場における狙撃兵の保護および反乱活動のサイレントモニタリングのようなネットワークセントリック戦闘用途にも極めて有用である。また、遠距離から種々の化学および生物兵器薬剤を検出する能力は、あらゆる政府機関にとって非常に重要である。
【００２５】
本発明の戦略的アドホック低電力ＵＷＢセンサネットワークは、居住地監視、環境観察、健康管理、ホームオートメーション、およびスマートホーム／オフィス環境のような民生用の多様な環境を確実に監視するために使用することができる。動きの検出は、国境管理、インフラストラクチャ保護、およびネットワークセントリック戦闘用途に極めて有用になり得る。無線リンクを介してリモートモニタにセンサデータを報告することのできる、迅速に展開可能(deployable)な自己設定型(self-configuring)センサネットワークの必要性が存在する。無線分散システムもまた、居住地監視、環境観察、健康管理、ホームオートメーション、およびスマートホーム／オフィス環境のような民生用の多様な環境を確実に監視するために使用される。
【００２６】
本明細書に記載する協働識別センサをネットワーク接続して、人間の活動の検出、追跡、および識別を達成することができる。これらのセンサの低電力ネットワークは動きを検出し、動きを追跡し、かつ優勢な移動物体が人間であったか否かを確実に決定する。幾つかのＵＷＢの概念を組み合わせることが、この方法の鍵になる。第一は、マイクロインパルスレーダを使用し、小型電池で一度に数ヶ月間連続して確実に動作することのできる、低電力動きセンサである。第二はデュアルレーダ動き追跡システムである。第三は心拍数および呼吸数（ＨＲＲ）レーダ装置である。これらの３つの装置を１つのセンサパッケージに組み合わせることで、ネットワーク構成で実現されたときにこの問題に対処する、独自の解決策をもたらすセンサが得られる。
【００２７】
本開示に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を示し、詳細な説明と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。
【発明の詳細な説明】
【００２８】
本発明の一実施形態は、関心のあるデータを常時監視し、無線アドホックネットワークを用いて発生源から遠く離れた通報先に情報を中継するように、戦略的に重要な領域に配置することのできる低電力ＵＷＢ無線センサネットワークである。この戦略的センサネットワークは、一定レンジのレーダ信号の反射を検査して、そのレンジに顕著な特異な動きがある場合には警報を生成する各ノードで、下述のようなレーダセンサを使用する。これらのセンサノードで使用されるＵＷＢ信号は、信号妨害のみならずマルチパス現象に対しても固有の耐性を有し、かつ無権限者が検出することは非常に難しい。したがって、センサノードは、狭帯域シグナリングスキームに基づく現在利用可能な無線センサネットワークが役に立たない領域で、常時監視してデータを報告するために、秘匿性のみならず厳しい伝搬環境における高性能をも達成することができる。
【００２９】
本明細書で時に「ガーディアンセンサ」と呼ばれる本発明の低電力センサは、現場に無作為に点在するのとは対照的に、戦略的に重要な領域の周辺に配置することができる。ネットワーク動作は、無線周波数エネルギーの広帯域超短パルスを送信し、かつこれらのパルスを遠隔的に受信することによる超広帯域（ＵＷＢ）信号を使用する。無線アドホックネットワーク（ＵＷＢおよび従来型）は、当業界で公知である。動き検知は環境を連続的に測定し、変化が発生したときに警報を生成することによって達成される。以下で詳述するように、各センサノードは、アナログデジタル変換能力およびシリアル（ＲＳ２３２またはＵＳＢ）データ転送能力のみならず、全方位アンテナによる超広帯域マイクロインパルスレーダ（ＭＩＲ）一定レンジ送受信能力をも持つ、埋込みプロセッサボードを含む。このセンサは命令による自己較正が可能であり、命令により感度および検出レンジ（直径）を調整することができる。さらに、これらのセンサは、命令によりセンサの状態を報告することが可能であり、かつマルチパス（クラッタが多い(cluttered)環境）に対して頑健であり、干渉に強い。動き検出センサは、従来の標準および手段では検出することが難しい低ＲＦエネルギーを放射する、秘匿ＵＷＢ回路を使用する。
【００３０】
図１および図２は、アドホックネットワークによる戦略的検出を提供することができる例示のアーキテクチャを説明する。図１は、複数の低電力ＵＷＢリアガード(rear guard)センサ（ＲＧＳ）ノード１０が関心領域の周囲に分散して配置され、センサデータの収集をマザーノード１２に転送する構成を示す。マザーノードは次いで、アドホックネットワークのノードの１つ、例えばノード１４に情報を中継し、ノードは当該情報をその通報先１６に中継することで、長距離監視能力が可能になる。本発明の実施形態では、無線アドホックネットワークのノードはＲＧＳノードからの情報を中継するだけであり、アドホックネットワークノードで処理および意思決定は実行されない。アドホックネットワークのノードは、通信距離を改善するために、情報を増幅して転送する。戦略的関心領域に関する全ての情報がＲＧＳネットワークによって提供される。
【００３１】
図２は、ＲＧＳノードをアドホックネットワークノードと組み合わせて、遠隔通報先への即時中継のために検知されたデータをネットワークに直接報告する、本発明の別の構成を示す。例えばＲＧＳノード２０は、アドホックノード２２に取り付けられる。この構成では、アドホックネットワークノードと組み合わされたＲＧＳノードは、戦略的領域における関心事象を常時監視し、検出されたデータを遠隔通報先に即座に報告することが可能である。
【００３２】
ネットワーク動作の実施形態は、無線周波数エネルギーの広帯域超短パルスを送信し、これらのパルスを遠隔的に受信することによる超広帯域（ＵＷＢ）信号を使用する。動き検知は、環境を連続的に測定し、変化が発生したときに警報を発生することによって達成される。マイクロパワーインパルスレーダ（ＭＩＲ）センサは、そのよく定義されたレンジゲートにより、独自の能力を提供する。例えば、高精度のレンジゲートを持つＭＩＲ電子トリップワイヤは、施設の周りに防護「フェンス」を形成することができる。フェンスの内側または外側の全ての動きは無視される。フェンスに人間が侵入すると、警報が生成される。デュアルレンジゲートセンサは突破の方向を提供する。これらのセンサは、遠隔交換および報告が可能であるように無線通信により構成される。
【００３３】
図３のブロック図に示す通り、本発明のセンサの例示的実施形態は、最小限５つのコンポーネントまたはモジュール、すなわち中央処理モジュール（ＣＰＵ）３０、衛星利用測位モジュール（ＧＰＳ）３２、送受信通信モジュール（ＣＯＭＭＳ）３４、電力および制御モジュール３６、レーダ検出センサモジュール（ＲＤＳ）３８、を有する要素（ノード）のネットワークから構成される。５つのモジュールは全て、共通の電力および制御バス４０によって制御される。システムはまた、２Ｄセル３．６Ｖバッテリ、シャーシ、および３つのアンテナモジュールを有する。センサは、長寿命（１年を越える）の侵入検出ネットワークをもたらすように、超広帯域超低電力システムとして設計される。非常に低いバッテリの消耗（３ｍＷ）で１５メートルの円内の検出を、レーダリターン信号の積分によって達成することができる。回路設計は、受信した反射エネルギーを平均して、非常に高精度のレンジゲーテッド時間窓中の動きを検出する。システムは、任意の個数のモジュール、センサの型、およびパッケージングの設計に対して容易に適応可能である。
【００３４】
本発明で使用される全方位ループアンテナは、３６０度全部の検出範囲を可能にする。ＲＤＳは、最大半径約２０フィートまで任意の特定のレンジに設定することが可能な、レンジゲーテッドレーダセンサである。センサのレンジは名目上、センサの周囲の直径３０フィートの検出半球、すなわち“バブル”に設定される。正確に言うと、バブルは約２フィートの厚さの寸法を有する。このゾーンのどこかで動く物体は、センサによって受信されるレーダ反射に変化を生じさせる。これらの変化は閾値回路をトリガし、検出警報を生成する。
【００３５】
超低振幅かつ低電圧のインパルスの放射および検出に基づき、システムおよびレーダは、受信信号および異なる物質間の境界からの反射を正確に検出するために、非常に高感度の窓、すなわちレンジゲート、を有する。ハードウェアパッケージは超小型であり、低電力要件を有する。試験したＭＩＲ無線およびレーダユニットからの平均放射力は１０マイクロワット未満であり、数ギガヘルツにわたって広がっており、干渉および傍受が共に事実上排除される。
【００３６】
ネットワーク動作は、無線周波数エネルギーの広帯域超短パルスを送信し、かつこれらのパルスを遠隔的に受信することによる超広帯域（ＵＷＢ）信号を使用する。ＵＷＢ通信は、狭帯域搬送周波数よりむしろ短い（１ｎｓ未満）パルスを使用して、情報を送信する。このタイプのキャリアレスＲＦ通信については、能力、レンジ、浸透(penetration)、および信頼性に関して、あまり知られていない。
【００３７】
動き検知は、環境を継続的に測定し、変化が発生したときに警報を生成することによって達成される。マイクロパワーインパルスレーダ（ＭＩＲ）センサは、そのよく定義されたレンジゲートにより、独自の能力を提供する。例えば、高精度のレンジゲートを持つＭＩＲ電子トリップワイヤは、施設の周りに防護「フェンス」を形成することができる。フェンスの内側または外側の全ての動きは無視される。フェンスに人間が侵入すると、警報が生成される。デュアルレンジゲートセンサは、追加的な検出および識別情報として、突破の方向を提供する。これらのセンサは、遠隔交換および報告が可能であるように無線通信により構成される。
【００３８】
単純な検出の先を行って、ＵＷＢセンサは、レーダリターン信号特性の解析に基づき、侵入者に関する情報を提供する。特に、それは侵入警報が１人の人間、複数の人間によって、または偶発的に野生生物によって引き起こされたかどうかを決定するのに有用である。目標識別能力は偽陽性警報率を著しく減少させる。
【００３９】
本超広帯域超低電力システムは、反射信号の捕捉および解析の能力が非常に限定された、長寿命（１年を越える）の侵入検出ネットワークを提供する。非常に低いバッテリの消耗（３ｍＷ）で１５メートルの円内の検出を、レーダリターン信号の積分によって達成することができる。回路設計は、受信した反射エネルギーを平均して、非常に高精度のレンジゲーテッド時間窓中の動きを検出する。ガーディアンシステムでは、目標を識別するために一般的に使用される特徴的な特異点および周波数成分は、かなりの程度までフィルタリングして取り除かれる。
【００４０】
さらに、これまでの手法は、ほとんどが金属製の目標および静止目標に対して実証されてきた。目標のファセット化(facetization)の知識は通常未知であり、人体、車等が検出ゾーンを移動するにつれてしばしば急速に変化する。さらに、関心のある目標は一般的に動いており、予測不可能な速度および経路で移動する。
【００４１】
ＲＤＳは、最大半径約２０フィートまで任意の特定のレンジに設定することが可能な、レンジゲーテッドレーダセンサである。センサのレンジは名目上、センサの周囲の直径３０フィートの検出半球、すなわち“バブル”に設定される。正確に言うと、バブルは約２フィートの厚さの寸法を有する。このゾーンのどこかで動く物体は、センサによって受信されるレーダ反射に変化を生じさせる。これらの変化は閾値回路をトリガし、検出警報を生成させる。
【００４２】
第２の方法は、検出、追跡、および識別のための３つの専用レーダセンサを単一のパッケージ内に組み合わせることを含む。この実施形態では、レーダセンサは特に、侵入検出、追跡、ならびに心拍数および呼吸数（ＨＲＲ）検出のような機能を実行するように設計されている。これらのセンサを組み合わせ、かつ協働ネットワーキング技術を使用することにより、非常に正確な識別および追跡システムがもたらされる。図４は、検出、追跡、ならびに心拍数および呼吸数（ＨＲＲ）監視のための３つの個別センサを組み合わせた識別センサの例示的な実装を示す。図では、各センサユニット（５１〜５５）は、動き測定境界（６１〜６５）をそれぞれセットアップする動きセンサを含む。動きセンサは、本明細書に記載する一定レンジゲートＵＷＢレーダセンサを含む。各センサユニット（５１〜５５）はまた、デュアルレンジゲートＵＷＢレーダセンサ、およびＵＷＢ心拍数および呼吸数モニタをも含む。タイミングおよび信号レベルを解析することによって、測定境界内の侵入者の位置を決定することができる。識別向上の１つの方法は、ネットセントリックまたは協働識別である。この概念は、ノードがネットワーク構成で展開されるように設計されるという事実を強化する。これは、ネットワーク内のどの所与のノードよりもはるかに優れた識別能力を可能にする潜在性を有する。ネットワーク検出可能なレーダセンサは、協働通信を介して識別をもたらす。ネットワーク内のノードは、既知の位置にあり、したがって、検出されたノードおよび検出時間を監視することによって、ネットワークを通過する侵入者の基本経路を見出すことができる。この情報は侵入経路、検出の時間、ならびに侵入者の起点および行先を提供することができる。
【００４３】
信号の収集および解析を改善するために、信号処理法を適用することができる。そのような方法は擬似ウィグナ分布、ウェーブレット変換、消滅パルス(Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ  Ｐｕｌｓｅ)、バイスペクトル解析(Ｂｉｓｐｅｃｔｒａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ)、およびＫｅｒｎｅｌ法を含む。
【００４４】
さらなる識別および検出能力は、他のタイプのセンサを既存のレーダセンサパッケージにより統合または補強することによって獲得することができる。例えば、侵入者が身に付けている金属物体の存在を検出し、または衣服の有無に基づいて人と動物とを区別するために、高感度磁力計を追加することができる。別の方法では、マイクロフォンまたは振動センサを使用して、目標によって発生したノイズ、または目標が検出領域を歩いて移動するときに生じる振動が捕捉される。侵入の画像を撮影し、かつ画像認識アルゴリズムをデータに対して実行するために、低電力カメラを使用することもある。
【００４５】
ＲＦパルスが正確に同期して送出される特化したセンサにより、大型の電子的に操縦可能なアンテナアレイを形成することができる。潜在的目標がネットワークを通過するときに、それらを撮像することができる。
【００４６】
こうして、本発明のセンサの低電力ネットワークは動きを検出し、動きを追跡し、かつ優勢な移動物体が人間であったか否かを確実に決定する。この方法の鍵は、幾つかの装置を組み合わせることである。第一は、マイクロインパルスレーダを使用し、小型電池で一度に数ヶ月間連続して確実に動作することのできる、低電力動きセンサである。第二はデュアルレーダ動き追跡システムである。第三は心拍数および呼吸数（ＨＲＲ）レーダ装置である。これらの３つの装置を１つのセンサパッケージ内に組み合わせて、ネットワーク構成で実現したときに、この問題に対処する、独自の解決策がもたらされる。
【００４７】
上述の通り、ＣＤＳセンサは、単一のパッケージ内に組み合わされた複数のマイクロインパルスレーダセンサから構成される。１つのセンサは全方位バブルセンサである。このセンサは、それ自体の周囲に設定された直径のレーダ“バブル”を確立することができる。この“バブル”が擬似反射レーダ目標（人間など）によって破られると、それを検出し、かつ知らせることができる。さらに、指向性“レンジゲーテッド”レーダユニットがパッケージに含まれる。このセンサは、約１２０゜の視野を有する指向性センサである。このセンサは、その視野内の目標までの距離を決定することができる。さらに、目標の心拍数および呼吸数を見出すために、このセンサからのデータを長期間にわたって積分することができる。それが不可能である場合、第３センサをパッケージ内で使用することができる。このセンサは特に、設定された距離にある目標の心拍数を決定するように設計される。“レンジゲーテッド”センサは目標までの距離を見出すために使用され、このセンサは、その距離で心拍数または呼吸数を探索するように設定される。
【００４８】
既存のセンサのこの独自の組合せは、ネットワークの一部として使用して、高度境界セキュリティシステムを形成するように意図されている。全方位レーダセンサは、各センサパッケージ、すなわち、ネットワーク接続されたセンサ“ノード”の周りに、レーダ“バブル”を確立するために使用される。これらのノードは、ある意味でそれらの検出領域がそれらの両側の２つのセンサノードをカバーするように意図された、それらの指向性“レンジゲーテッド”レーダセンサを有する。これは、それらが向かいのセンサバブル内の目標を追跡することを可能にする。
【００４９】
本発明で使用可能なセンサおよびネットワークの概念を有するＵＷＢ検出および追跡システムの実施形態は、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願第１０／９５０，２０９号に記載されている。この出願は、第１の低電力超広帯域レーダにより個人または動物からの第１のリターンレーダ信号を生成し、第２の低電力超広帯域レーダにより個人または動物からの第２のリターンレーダ信号を生成し、第１の低電力マイクロパワーレーダを第２の低電力超広帯域レーダから一定の距離に維持することを含む、個人または動物を検出および追跡するためのシステムを提供する。
【００５０】
通信におけるトランシーバの位置推定を利用するネットワークの実施形態は、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願第１０／８３４，７０６号に提示されている。この出願は、本発明で使用可能なセンサおよびネットワーク構成を含む。この出願は、位置推定によって不明の無線受信器を定位するために、タイムオブフライトデータの統計処理と連結された無線通信インタフェースを使用するシステムおよび方法を記載している。そのような発明は、ネットワークノードの位置が重要と思われる、土壌中の水または空気中の化学物質の環境監視のようなセンサネットワーク用途に適用することができる。さらに、該実施形態は、建物内、洞窟内、およびトンネル内のような衛星利用測位システム（ＧＰＳ）が利用できない領域で動作するように構成することができる。
【００５１】
したがって、本発明の実施形態は、複数の低電力超広帯域（ＵＷＢ）レーダ動きセンサを関心領域に配置するステップと、該領域でＵＷＢレーダ信号を発信するステップと、動きセンサのうちの少なくとも１つの動きセンサによって信号を受信して受信信号を生成するステップと、受信信号を解析して領域内で動きが発生したかどうかを決定するステップと、領域内で動きが発生した場合には、警報信号を生成するステップと、警報信号を無線アドホックネットワークに伝達して転送警報信号を生成するステップと、転送警報信号を通報先に送信するステップと、を含む、関心領域を監視するための方法を含む。低電力ＵＷＢレーダ動きセンサの各センサは、中央処理モジュール、衛星利用測位モジュール、送受信通信モジュール、電力および制御モジュール、ならびにレーダ検出センサモジュールを含む、複数の作動的に接続された電子機器モジュールである。各センサは代替的に、ＵＷＢトランシーバとすることができる。ＵＷＢ信号は連続的に、または周期的に発信することができる。警報信号を無線アドホックネットワークに伝達するステップは、警報信号をマザーノードに送信することを含むことができる。無線アドホックネットワークは複数のノードを含み、それらはＵＷＢトランシーバノードとすることができる。さらに、転送警報信号を通報先に送信するステップは、転送警報信号を衛星に伝達して衛星信号を生成することを含み、そして衛星は衛星信号を通報先に伝達する。警報信号は、無線アドホックネットワークのアドホックノードに直接伝達することができる。（特許請求の範囲を含めた本出願の目的において、信号が伝達または送信されるなどの全ての教示は、信号の一部分だけが伝達または送信されるという教示を含む）。ネットワークの各ノードは、異なるセンサに取り付けることができる。トランシーバは全方位ループアンテナを含むことができる。センサは、レンジゲーテッドレーダセンサ、デュアルレンジゲートセンサ、または複合レンジゲートセンサを含むことができる。該方法はまた、警報の原因となる動きを追跡し、かつ警報の原因の心拍数および／または呼吸数を検出することを含んでもよい。本発明の他の実施形態は、上記の方法を実行するための装置を教示する。
【００５２】
参考文献:
【００５３】
Rothwell, E.J.,Nyquist, DP, Chen, KM,
Drachman, B., (1985) Radar Target Discrimination Using the Extinction-Pulse
Technique, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-33. No. 9,
September.
【００５４】
Chen, K.M.,Nyquist, D.P., Rothwell, E.J.,
Webb, L.L., Drachman, B., (1986) Radar Targe Discrimination by Convolution of
Radar Return with Extinction-Pulses and Single-ModeExtraction Signals, IEEE
Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, No. 7.
【００５５】
Rothwell, E .,Chen, K M., Nyquist, D.P.,
Gharsallah, N., Drachman, B., (1986) FrequencyDomain E-Pulse Synthesis and
Target Discrimination, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 34,
896-904, July 1986.
【００５６】
Ross, J. E.,Rothwell, E.J., Nyquist, D.P.,
Chen, K.M., (1990) Multiple Target Discrimination Using E-Pulse Techniques,
Antennas and Propagation Society International Symposium, 1990 AP-S, 'Merging
Technologies for the 90's/ Digest 7-11, VOL. 3, 1342-1345.
【００５７】
Abrahamasson,S., Brunsmark, B., Baunaurd,
G. C, and Stifors, H. C, (1991), Target Identification By Means of Impulse
Radar, Automatic Object Recognition SPIE Vol. 1471. Jouny, L,(1992) Wavelet
decomposition of UWB radar signals, Antennas and Propagation Society
International Symposium, held in conjunction with: URSI Radio Science Meeting
and Nuclear EMP Meeting, IEEE, 18-25 July. Jouny, L, (1992) Target description
using wavelet transform, Acoustics, Speech, and Signal Processing, ICASSP-92,
1992 IEEE International Conference on, Vol. 4, 289-292.
【００５８】
Marmarelis,V.Z., Sheby, D., Kisenwether,
E.C., Erdley, T.A.,(1992) Target materialcharacterization using high-order
signal processing of ultra-wideband radar data,Telesystems Conference, NTC-92,
National, 19-20 May, 1/17-1/24.
【００５９】
Chambers, C, Cloude, S.R., Smith, P.D.,
Milne, A., Trafford, K., Parkes, D.M., (1993) Wavelet processing of ultra
wideband radar signals, Antenna and Propagation Problems of Ultrawideband
Radar, IEEE Colloquium.
【００６０】
Ilavarasan, P., Ross, J.E., Rothwell, E.J.,
Chen K. M., Nyquist, D. P., (1993) Performance of an Automated Radar Target
Discrimination Scheme Using E Pulses and S Pulses, IEEE Transactions on
Antennas and Propagation, Vol. 41, No. 5.
【００６１】
Skinner, Jeffrey B., Donohoe, Patrick J.,
and Ingels, Franklin, M., (1993), Simulation of Target Responses to High
Frequency Ultra Wideband Radar Signals Using the Physical Optics Impulse
Response, Proceedings of the IEEE, 0094-2898.
【００６２】
Jouny, L; Kanapathipillai, M. (1994) Neural
network adaptive wavelet classification of radar targets, Geoscience and Remote
Sensing Symposium, IGARSS '94. 'Surface and Atmospheric Remote Sensing:
Technologies, Data Analysis and Interpretation', International, Volume: 4, 8-12
August, Vol. 4, 1889 -1891.
【００６３】
Rothwell, E.J., Chen, K.M., Nyquist, D.P.,
Ross, J.E., Bebermeyer, R., (1994) A radar target discrimination scheme using
the discrete wavelet transform for reduced data sforogeAntennas and
Propagation, IEEE Transactions, Vol.42 Issue 7, 1033 -1037.
【００６４】
Rothwell, E. J., Chen, K. M., Nyquist, D.
P., Ilavarasan, P., Ross, J. E., Bebermeyer, R., Li, Q., (1994) A General
E-pulse Scheme Arisingfrom the Dual Early-Time/Late-Time Behavior of Radar
Scatterers, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 42, No. 9.
【００６５】
Chen, K.M., Rothwell, EJ., Nyquist, D.P.,
Bebermeyer, R., Li, Q., Tsai, C.Y., Norman, A., (1995) Ultra-wideband/short-pulse
radar for target identification and detection-laboratory study, Radar
Conference, Record of the IEEE 1995 International, 8-11 May 1995, 450-455.
【００６６】
Fargues, M.P., Brooks, W. A., (1995)
Comparative study of time- frequency and time-scale transforms for
ultra-wideband radar transient signal detection, Radar, Sonar and Navigation,
IEE Proceedings, Vol. 142, Issue: 5, October, 236 -242.
【００６７】
Gaunaurd, G.C., Strifors, H.C., (1996)
Signal analysis by means of time-frequency (Wignertype) distributions-applications
to sonar and radar echoes, SPIE Proceedings, Vol. 84, Issue 9, 1231-1248.
【００６８】
Ilavaransan, L.P., Ross, J.E., Rothwell,
E.J., Chen, K.M., Nyquist, D.P., (1998) Radar Target Identification Using a
Combined Early- Time/Late-Time E-Pulse Technique Q, IEEE Transactions on
Antennas and Propagation, Vol. 46. No. 9.
【００６９】
LoVetri, J., Primak, S., van Leersum,
B.J.A.M., Zwamborn, A.P.M., (1998) Feasibility study into the identification of
landmines using UWB radar: an analysis using synthesized dαta,Ultra- Wideband
Short- Pulse Electromagnetics 4, 1998 , 14-19 June 1998, 425-432.
【００７０】
Primak, Serguei L., LoVetri, Joe,
Damjanschitz, Zsuzsanna, and Kashyap, Satish, (1999) Auto-Regressive
Filter-Based E-Pulse Discriminating Scheme, IEEE Transactions on Antennas and
Propagation, Vol. 47, No. 1.
【００７１】
Mooney, Joe E., Ding, Zhi, Riggs, Lloyd,
S., (2000) Performance Analysis of an Automated E-Pulse Target Discrimination
Scheme, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 48, No. 3. 
【００７２】
Strifors, Hans C, Friedmann, Anders,
Abrahamson, Steffan, Gaunaurd, Guillermo C, (2000) Comparison of the relative
merits for target recognition by ultrawideband radar based on emitted impulse
or step frequency, Proceedings of the IEEE, Vol. 4050, 2-11, Automatic Target
Recognition.
【００７３】
前述の出願、およびそこに引用されまたはそれらのプロセキューション中に引用された全ての文書（「出願引用文書」）、および出願引用文書に引用または参照された全ての文書、および本出願に引用または参照される全ての文書（「本出願引用文書」）、ならびに本出願引用文書に引用または参照される全ての文書は、本明細書に示されまたは参照により本明細書に組み込まれるいずれかの文書に示されたいずれかの製品の任意の製造者の指図書、説明書、製品仕様書、および製品シートと共に、ここに参照により本明細書に組み込まれ、本発明の実施に使用することができる。
【００７４】
本発明の上記記載は、例証および説明のために提示したものであって、全てを網羅すること、または開示した厳密な形に発明を限定することを意図したものではない。上記教示に照らして多くの変更および変形が可能である。開示した実施形態は、本発明の原理およびその実施化を説明し、それによって他の当業者が本発明を種々の実施形態で、予想される特定の使用に適したあらゆる変更を加えて、最大限に活用することを可能にすることを意図したにすぎない。本発明の範囲は、添付する特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】戦略的アドホック低電力ＵＷＢリアガード(rear guard)センサネットワークの実施形態を示す。
【図２】戦略的アドホック低電力ＵＷＢリアガード(rear guard)センサネットワークの別の構成を示す。
【図３】例示的センサノードのブロック図を示す。
【図４】検出、追跡、ならびに心拍数および呼吸数（ｈｒｒ）監視のための３つの個別センサを組み合わせた識別センサの使用を示す。
【図１】
2009539272.tif 000003
【図２】
2009539272.tif 000004
【図３】
2009539272.tif 000005
【図４】
2009539272.tif 000006
【国際調査報告】
2009539272.tif 000007
2009539272.tif 000008
2009539272.tif 000009
2009539272.tif 000010