(57)【要約】【課題】  ２周波ＣＷ方式レーダを用いた移動体検知装置において、２つのドップラ信号間の位相差をＦＦＴ等の複雑な演算処理で求めると処理負荷が大きい。【解決手段】  ミキサ３２から時分割で交互に出力されるドップラ信号Ｄ１，Ｄ２を切替器３４で分離し、それぞれをＬＰＦ３６，３８で平滑化する。差分器４４は、平滑化されたＤ１，Ｄ２の差信号を生成する。差信号の振幅ＢはＤ１，Ｄ２相互の位相差Δφ及び元のドップラ信号の振幅Ａに応じて増減する。移動体までの距離Ｒは位相差Δφと比例関係にあり、Δφは信号強度比κ（≡Ｂ／Ａ）に比例する式で近似される。そこで、除算器５０でκを求め、これを距離Ｒを表す指標として用い、移動体検知を行う。【選択図】        図２
2006098099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体を検知する対象領域へ向けて、周波数が互いに異なる２種類の送信波を送出する送信手段と、
前記各送信波に対する反射波を受信する受信手段と、
前記送信波の種類毎に、当該送信波及び前記反射波からドップラ信号を抽出するドップラ信号抽出手段と、
前記各送信波に対応した２種類の前記ドップラ信号を線形的に合成した合成信号を生成し、当該合成信号と当該ドップラ信号との信号強度比を求める強度比算出手段と、
前記反射波を生じる前記移動体までの距離を前記信号強度比の関数として表す所定の関係式を設定され、当該関係式に基づいて前記信号強度比から前記移動体の測定距離を決定する距離決定手段と、
を有することを特徴とする移動体検知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の移動体検知装置において、
前記強度比算出手段は、前記合成信号として前記２種類のドップラ信号相互の差信号を生成し、
前記関係式は、前記信号強度比に比例して前記測定距離を定めるものであること、
を特徴とする移動体検知装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の移動体検知装置において、
前記関係式に応じた前記距離の前記移動体までの実際の距離に対する誤差が所定の許容限度以下であることに基づいて有効測距限界を設定され、前記測定距離が当該有効測距限界以下である場合に、前記移動体の検出判定を行う移動体判定手段を有すること、
を特徴とする移動体検知装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の移動体検知装置において、
前記測定距離に基づき、前記ドップラ信号の信号強度の減衰を補正して、前記移動体の前記送信波に対する反射断面積を求める反射断面積算出手段を有し、
前記移動体判定手段は、検知目的の移動体に応じた所定断面積範囲を設定され、前記測定距離が前記有効測距限界以下であることに加えて、前記反射断面積が当該断面積範囲内である場合に、前記移動体の検出判定を行うこと、
を特徴とする移動体検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２周波ＣＷ（Continuous Wave：連続波）レーダを用いて移動体を検知する移動体検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波を送受波して対象物までの距離を測定する手段として電波レーダが知られており、その方式としてＦＭＣＷ方式や２周波ＣＷ方式等がある。ＦＭＣＷ方式は、高精度の距離測定を行うために電波の周波数を可変制御するものであり、広い占有周波数帯域を必要とし、かつ近距離の測定を行うためには直線性の高い電圧制御型発振器が必要である。
【０００３】
一方、２周波ＣＷ方式は、周波数が僅かに異なる２種類の電波を監視空間に放射し、移動体からの反射波の位相を観察し、各周波数での反射波の間での位相差に基づいて移動体までの距離を求める。そのため、狭い占有周波数帯域幅で監視領域内の移動物体までの距離を、近距離でも高精度に測定できる。
【０００４】
２周波ＣＷ方式のミリ波レーダは衝突防止用の車載レーダ等に使用されている。また、同方式のマイクロ波レーダ（マイクロ波センサ）を用いて移動体を検出する移動体検知装置が提案されている。その移動体検知装置では、移動体までの距離と反射波の信号強度とに基づいて移動体の存在や性質等を検出し、検出された移動体が監視対象（人や車）であるかを判別することが行われる。
【０００５】
これらのレーダで使用される周波数は高く、特に、マイクロ波センサに使用が許可されている周波数は、Ｘバンド（１０．５ＧＨｚ帯）、Ｋバンド（２４．２ＧＨｚ帯）と非常に高く、得られた反射波の位相を直接測定することが難しい。そのため、放射したマイクロ波とその反射波とからドップラ信号を抽出し、ドップラ信号の位相を観察する。
【０００６】
具体的には、２周波ＣＷ方式で用いられるマイクロ波の送信周波数をｆ１，ｆ２、また各周波数での反射波から得られるドップラ信号相互間の位相差をΔφとすると、移動体までの距離Ｒは、次式で与えられる。
【０００７】
【数１】
2006098099.tif 000003
【０００８】
ここで、ｃは光速である。このように、ドップラ信号の位相差Δφを観測すれば、その値から移動体までの距離Ｒを求めることができる。ちなみに、速度ｖは、周波数ｆ１，ｆ２の送信波それぞれに対するドップラ信号の周波数をｆｄ１，ｆｄ２とすると、次式で与えられる。
【０００９】
【数２】
2006098099.tif 000004
【００１０】
ドップラ信号は、反射波を受信して得られた受信信号をミキサにより送信信号と混合することにより抽出することができる。受信された反射波は、目的とする移動体以外からの反射波などのノイズ成分を含み得るため、抽出されたドップラ信号は歪みを有し得る。そのため、ドップラ信号の波形から直接に求めた位相は十分な精度を得ることが難しい。そこで、従来は、下記特許文献１に示されるミリ波レーダ装置のように、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等のデジタル信号処理を行って、ドップラ信号から位相差Δφを求めている。
【特許文献１】特開２００１−３３５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＦＦＴ等のデジタル信号処理は複雑なデジタル回路や高速ＣＰＵ等を要する。そのため、それを用いた移動体検知装置が比較的高価なものとなるという問題があった。
【００１２】
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、２周波ＣＷ方式レーダを用いた移動体検知装置であって、簡易な回路で構成されるものを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る移動体検知装置は、移動体を検知する対象領域へ向けて、周波数が互いに異なる２種類の送信波を送出する送信手段と、前記各送信波に対する反射波を受信する受信手段と、前記送信波の種類毎に、当該送信波及び前記反射波からドップラ信号を抽出するドップラ信号抽出手段と、前記各送信波に対応した２種類の前記ドップラ信号を線形的に合成した合成信号を生成し、当該合成信号と当該ドップラ信号との信号強度比を求める強度比算出手段と、前記反射波を生じる前記移動体までの距離を前記信号強度比の関数として表す所定の関係式を設定され、当該関係式に基づいて前記信号強度比から前記移動体の測定距離を決定する距離決定手段と、を有するものである。
【００１４】
本発明によれば、抽出された２種類のドップラ信号Ｄ１，Ｄ２それぞれに係数ｋ１，ｋ２（ｋ１，ｋ２≠０）を乗じて合成した合成信号（ｋ１・Ｄ１＋ｋ２・Ｄ２）が生成される。ここで、係数ｋ１，ｋ２は正負いずれでもよい。合成信号の信号強度は、もとのドップラ信号Ｄ１，Ｄ２の信号強度を反映すると共に、ドップラ信号Ｄ１，Ｄ２の位相差Δφを反映して変化する。この合成信号ともとのドップラ信号との信号強度比κは、もとのドップラ信号Ｄ１，Ｄ２の信号強度の影響を除去されて、基本的に位相差Δφに応じて変化する。この信号強度比κは、近似的な位相差Δφの情報を与え、これを距離決定に用いることができる。また、位相差Δφのより高次の近似式を、信号強度比κの簡単な関数、例えば四則演算だけを用いた関数で構成し、これを距離決定に用いることができる。
【００１５】
他の本発明に係る移動体検知装置においては、前記強度比算出手段が、前記合成信号として前記２種類のドップラ信号相互の差信号を生成し、前記関係式が、前記信号強度比に比例して前記測定距離を定める。
【００１６】
本発明によれば、基本的に位相差Δφが０のとき信号強度比κは０であり、位相差Δφの増加と共に信号強度比κは単調に増加する。そこで、位相差Δφに代えて、信号強度比κに比例する値を用いて、移動体までの測定距離を決定する。
【００１７】
また他の本発明に係る移動体検知装置は、前記関係式に応じた前記距離の前記移動体までの実際の距離に対する誤差が所定の許容限度以下であることに基づいて有効測距限界を設定され、前記測定距離が当該有効測距限界以下である場合に、前記移動体の検出判定を行う移動体判定手段を有するものである。
【００１８】
２周波ＣＷ方式レーダにおいては、移動体の距離が送受信の原点から遠ざかるにつれて、位相差Δφの絶対値は０から増加し、位相差Δφの絶対値がπ［rad］となる距離が理論的な測距限界となる。本発明によれば、移動体検知装置から理論的な測距限界までのうち、移動体検知装置寄りの所定範囲内において、測定距離の誤差が小さくなるように設定され、当該範囲内が移動体検知の対象領域とされる。ここで、信号強度比κに対する位相差Δφの変化は、送受信の原点に近い側において好適に直線的であるという性質を有する。そこで特に、信号強度比κに比例して測定距離を定めるという簡単な関係式で、比較的小さな誤差の許容限度で比較的大きな有効測距限界を得ることができる。
【００１９】
別の本発明に係る移動体検知装置は、前記測定距離に基づき、前記ドップラ信号の信号強度の減衰を補正して、前記移動体の前記送信波に対する反射断面積を求める反射断面積算出手段を有し、前記移動体判定手段が、検知目的の移動体に応じた所定断面積範囲を設定され、前記測定距離が前記有効測距限界以下であることに加えて、前記反射断面積が当該断面積範囲内である場合に、前記移動体の検出判定を行う。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ドップラ信号の位相差Δφに相当する情報を簡易な回路で生成することができ、移動体検知装置の構成が簡素化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。本実施形態は、本発明に係る移動体検知装置を侵入者検知に適用した侵入者検知装置である。図１は、本発明に係る移動体検知装置の基本的な構成を示す機能ブロック図である。送信手段２は監視対象領域に向けて、周波数ｆ１，ｆ２の２種類の送信波を時分割で交互に送出する。周波数ｆ１，ｆ２は、波形に相違がほとんど現れない程度に近い値とする。受信手段４は、各送信波に対する反射波を受信する。ドップラ信号抽出手段６は、送信波の種類毎に、送信波及びその送信波に対する反射波からドップラ信号を抽出する。強度比算出手段８は、各送信波に対応して抽出された２種類のドップラ信号Ｄ１，Ｄ２を線形的に重ね合わせた合成信号Ｕを生成し、合成信号Ｕとドップラ信号との信号強度比を求める。距離決定手段１０は、反射波を生じる移動体までの距離Ｒを信号強度比κの関数として表す所定の関係式を予め設定され、その関係式に基づいて信号強度比κから移動体の測定距離を決定する。反射断面積算出手段１２は、ドップラ信号の送受信波の経路長に応じた信号強度減衰を補正して、移動体の反射断面積を求める。移動体判定手段１４は、関係式に応じた距離の誤差が所定の許容限度以下であることに基づいて、予め有効測距限界を設定され、その範囲内で検知対象とする移動体が存在するか否かを判定する。
【００２２】
図２は、本実施形態に係る侵入者検知装置の回路ブロック図である。矩形波発生器２０、電圧制御型発振器２２、送信アンテナ２４が送信手段２を構成し、また受信手段４として受信アンテナ３０を、そしてドップラ信号抽出手段６としてミキサ３２、切替器３４、ＬＰＦ３６，３８、アンプ４０，４２を有している。矩形波発生器２０は、２つの周波数ｆ１，ｆ２の送信波を切り替える周期Δｔの切り替えタイミングに同期して切替クロックを生成する。電圧制御型発振器２２は、矩形波発生器２０が生成する切替クロックに連動して一定時間ずつ時分割で、電圧に応じて周波数を交互に切り替えながら、周波数ｆ１，ｆ２のマイクロ波帯の送信信号を生成し、送信アンテナ２４へ出力する。送信アンテナ２４は、入力された送信信号を送信波として空間へ放射する。
【００２３】
受信アンテナ３０は、送信波が物体にて反射された反射波を空間から受信し、受信信号をミキサ３２へ出力する。ミキサ３２は、電圧制御型発振器２２で発生されている送信信号と、その送信信号に対応して得られた受信信号とをミキシングする。ミキシングの結果、送信信号と受信信号との周波数差で変動する信号が得られる。この周波数差は送信波を反射した物体が移動している場合のドップラ効果により生じ、ミキサ３２は、この差周波数の信号をドップラ信号として抽出する。
【００２４】
切替器３４は、矩形波発生器２０の生成する切替クロックに同期して送信周波数ｆ１，ｆ２それぞれに対応するドップラ信号Ｄ１，Ｄ２に分離し、それぞれを低域通過フィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）３６，３８へ振り分けて出力する。ＬＰＦ３６，３８はドップラ信号Ｄ１，Ｄ２から不要な高周波成分を除去し、それぞれをアンプ４０，４２へ出力する。アンプ４０，４２は入力されたドップラ信号Ｄ１，Ｄ２の信号波形を適度なレベルに増幅して出力する。
【００２５】
図３は、上述したミキサ３２、切替器３４及びＬＰＦ３６，３８の動作を説明する信号波形の模式図である。図３（ａ）は矩形波発生器２０の生成する切替クロックに同期した送信波の切り替わるタイミングを示している。このように送信波の周波数が周期Δｔで交互にｆ１とｆ２とに切り替わることに対応して、ミキサ３２では、図３（ｂ）に示すように、ドップラ信号Ｄ１，Ｄ２が周期Δｔで時分割で交互に抽出される。すなわち、送信周波数がｆ１の期間に対応してドップラ信号Ｄ１が得られ、送信周波数がｆ２の期間に対応してドップラ信号Ｄ２が得られる。切替器３４からＬＰＦ３６，３８に入力されたドップラ信号Ｄ１，Ｄ２はそれぞれ切替クロックに同期して断続的になっている。そこで、ＬＰＦ３６，３８のカットオフ周波数はそれぞれ切替クロックよりも低い周波数に設定され、当該カットオフ周波数より高い周波数成分を除去し、断続的なドップラ信号Ｄ１，Ｄ２それぞれを平滑化する。図３（ｃ）は、ＬＰＦ３６，３８それぞれから出力される平滑化されたドップラ信号Ｄ１，Ｄ２の波形を示している。なお、図３（ｂ）（ｃ）において、縦軸は信号電圧を表している。
【００２６】
図２の構成において、差分器４４、整流器４６，４８、除算器５０が強度比算出手段８を構成する。除算器５０は距離決定手段１０としての機能も有する。差分器４４には、アンプ４０，４２にて増幅されたドップラ信号Ｄ１，Ｄ２が入力される。差分器４４は、合成信号Ｕ（≡ｋ１・Ｄ１＋ｋ２・Ｄ２）として、ドップラ信号Ｄ１，Ｄ２を線形加算（減算）して合成信号を生成する。本実施形態では、ドップラ信号Ｄ１，Ｄ２の差信号を生成する。例えば、差分器４４は、ｋ１＝１、ｋ２＝−１とした場合の合成信号である差信号Ｕ’（≡Ｄ１−Ｄ２）を出力する。この差信号Ｕ’は一般的に脈動波となり、整流器４６はその波形の実効値Ｂeを出力する。この実効値Ｂeが差信号Ｕ’の強度とされる。これに対応して、ドップラ信号の強度を、整流器４８により得られるドップラ信号の波形の実効値Ａeで定義する。ここで、周波数ｆ１，ｆ２での送信波の強度は同じに設定され、それぞれに対する反射波の強度も基本的に同じと推定されることから、ドップラ信号Ｄ１，Ｄ２の強度も互いに等しいとして取り扱うことが可能である。そこで本装置では、ドップラ信号Ｄ１のみに基づいてドップラ信号の強度を定め、回路構成の簡略化を図っている。すなわち、整流器４８にドップラ信号Ｄ１を入力し、その実効値Ａeをドップラ信号の強度としている。
【００２７】
除算器５０は、整流器４６，４８それぞれから差信号の実効値Ｂe、ドップラ信号の実効値Ａeを入力され、Ｂe／Ａeを算出する。このＢe／Ａeは、差信号Ｕ’とドップラ信号との信号強度比κに相当し、後述する関係式に基づいて移動体までの距離Ｒに対応付けられる。
【００２８】
反射断面積算出手段１２は、乗算器５２，５４により構成される。乗算器５２の２つの入力端子にはそれぞれ除算器５０から距離Ｒを入力され、Ｒの２乗値を出力する。乗算器５４は、乗算器５２の出力であるＲ２と、整流器４８の出力であるＡeとを入力され、それらの積に応じた出力を生成する。ドップラ信号の強度は、装置と移動体との距離の２乗に反比例して減衰する。そこでドップラ信号の強度に対応するＡeに距離の２乗であるＲ２を乗じることで、その距離減衰を補正し、反射を生じた移動体の反射断面積Ｓに対応する結果を得ることができる。
【００２９】
移動体判定手段１４に相当する侵入判定部５６は、移動体までの距離Ｒの情報を除算器５０の出力から取得し、また移動体の反射断面積Ｓの情報を乗算器５４の出力から取得し、それらに基づいて監視対象領域における移動体の存在や、それが侵入者であるかの判定を行う。
【００３０】
なお、除算器５０からは信号強度比κを出力するように構成し、侵入判定部５６において距離Ｒ及び反射断面積Ｓを後述する関係式に基づいて求めても同様である。
【００３１】
次に、本装置において距離Ｒの情報を求める原理について説明する。図４は、移動体までの距離ＲがＲa，Ｒb，Ｒc（Ｒa＜Ｒb＜Ｒc）の場合におけるドップラ信号Ｄ１，Ｄ２の信号波形を示す模式図である。また、図５は、図４に示す場合に対応したドップラ信号Ｄ１，Ｄ２の差信号Ｕ’の信号波形を示す模式図である。ここで２種類の周波数ｆ１，ｆ２は近い値に設定されているため、この周波数の差による位相のずれは省略できるものとする。
【００３２】
（１）式に示されるように、距離Ｒに比例して２つのドップラ信号Ｄ１，Ｄ２間の位相差Δφは増加する。図４（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、距離ＲがＲa，Ｒb，Ｒc（Ｒa＜Ｒb＜Ｒc）の場合を表しており、距離Ｒが大きいほど位相差Δφが拡大する。位相差Δφが−π〜π［rad］の範囲では、２つのドップラ信号の差分は位相差Δφの絶対値が大きいほど大きくなる。これに対応して、図５に示すように、距離Ｒが増加するほど、差信号Ｕ’の振幅が大きくなる。
【００３３】
差信号Ｕ’の振幅をＢ、位相をθとし、ドップラ信号Ｄ１，Ｄ２それぞれの振幅をＡ１，Ａ２、位相差をΔφとすると、任意の時刻ｔにおいて次式が成立する。
【００３４】
Ｂｃｏｓ(ωt+θ)＝Ａ１cos(ωt)−Ａ２cos(ωt+Δφ)  …（３）
【００３５】
ドップラ信号Ｄ１，Ｄ２は同一の移動体からの反射波に基づくものであり、それらの振幅Ａ１，Ａ２は同じとみなせるので、Ａ１＝Ａ２＝Ａとし、三角関数の加法定理に基づいて（３）式の両辺を展開すると、
Ｂｃｏｓ(ωt)cos(θ)−Ｂsin(ωt)sin(θ)
＝Ａcos(ωt)｛１−cos(Δφ)｝＋Ａsin(ωt)sin(Δφ)  …（４）
となる。（４）式が任意のωｔで成立する条件は次式となる。
【００３６】
Ｂｃｏｓ(θ)＝Ａ｛１−cos(Δφ)｝  …（５）
Ｂｓｉｎ(θ)＝−Ａsin(Δφ)        …（６）
【００３７】
（５）（６）式の両辺を２乗して、加算、整理すると、振幅Ａ，Ｂは共に０以上であるので、
Ｂ＝Ａ｛２−２cos(Δφ)｝１／２    …（７）
となる。この式より、差信号Ｕ’の振幅Ｂは位相差Δφから求められることが分かる。（７）式をΔφについて解くと、
｜Δφ|＝cos−１(１-κ２/２)      …（８）
となる。ここで、信号強度比κ＝Ｂ／Ａを用いた。この式から、差分後の振幅と差分前の振幅とから位相差Δφの絶対値が求められ、（１）式に基づいて距離Ｒを求めることができることが理解される。
【００３８】
図６は、（８）式の関係を表すグラフであり、横軸がκ、縦軸が|Δφ|である。この図に示されるように、|Δφ|はκの取り得る値の範囲（０≦κ≦２）のうち、０からほぼ中程まで直線的に変化する。このことは、（８）式の右辺をマクローリン級数に展開し、例えば、その第２項までで近似すると、
Δφ＝κ＋κ３/２４
であることからも分かる。すなわちκが０から１前後までの範囲ではκの高次の項の寄与が小さく、Δφは右辺第１項の影響を支配的に受けて直線的に変化する。このことから、κの０寄りに、κに適当な係数を乗じた次式で定義されるΔφ’がΔφの好適な近似を与える範囲を設定できることが理解される。
【００３９】
Δφ’＝ακ      …（９）
【００４０】
また、この（９）式を（１）式に代入して得られる次式により、Δφ’から距離Ｒを求めることができる。このように（８）式の真値Δφにより距離Ｒを求めることもできるが、（９）式の近似値Δφ'を用いることで、簡略的に距離Ｒを求めることができる。
【００４１】
【数３】
2006098099.tif 000005
【００４２】
ここで、係数αは、監視対象とする距離範囲と当該範囲内での許容誤差とに基づいて決定される。例えば、係数αは、設定された監視対象の距離範囲内において近似値Δφ'から求めた距離Ｒと真値Δφから求めた距離との誤差（すなわち、近似値Δφ'と真値Δφとの誤差）が小さくなるように定められる。図７は、ΔφとΔφ’との比較結果を示すグラフである。この図は、κを０から２まで変化させたときのΔφと、Δφが０°から９０°の範囲で誤差を小さくするようにαを設定した場合のΔφ’との関係を示している。係数αは例えば、監視対象とする距離範囲における誤差の絶対値の累積値が最小になるように定めることができる。図において横軸がΔφ、左側の縦軸がΔφ’を表し、実線の曲線６０がΔφに対するΔφ’の関係を示している。また、傾き１の点線の直線６２は真値（すなわちΔφそのもの）をプロットしたものであり、一点鎖線の曲線６４は誤差ε（≡Δφ’−Δφ）を表している。誤差εのスケールは右側の縦軸に表されている。係数αを調整することにより、曲線６０が変形し、曲線６４の勾配や頂点の位置が変動する。
【００４３】
ここで、本装置に設定する監視対象距離範囲（有効測距限界Ｒt）について考察する。位相差Δφの取り得る範囲は−１８０°から１８０°である。なお、位相差の正負は、反射波を生じる移動体が装置に対して接近しているか、装置から遠ざかっているかに応じて決まる。装置の理論的な測距限界Ｒmaxは|Δφ|が１８０°のときのＲ、すなわち（１）式においてΔφ＝πとした場合のＲにより与えられる。また（１）式から理解されるように、Ｒmaxは送信波の２種類の周波数ｆ１，ｆ２の周波数差に応じて定まる。例えば、本装置は、マイクロ波の２４ＧＨｚ帯にて５ＭＨｚの差を有するｆ１，ｆ２を使用し、これによりＲmaxは１５ｍとなる。
【００４４】
装置がＲmaxより遠方の移動体からの反射波を受信した場合、位相差Δφが１８０°を超える。その場合、Δφ＝１８０°を境として折り返しが生じ、計算上、Ｒ＜Ｒmaxとなり、擬似的に移動体が測距限界Ｒmaxより内側に存在することを示す結果が得られる。この問題は、測距限界に余裕を持たせることで或る程度回避可能である。
【００４５】
図８は、測距限界Ｒmaxが１５ｍである場合であって、図７に示す設定、つまり位相差Δφ＝０〜９０°にて誤差を小さくするようにαを設定した場合における、Δφ’に基づく距離Ｒと真の距離Ｒとを対比するグラフである。図において、横軸が（１）式を用いて算出される距離、縦軸が移動体までの実際の距離である。実線の曲線７０は、Δφに代えて（９）式のΔφ’を用いて（１）式から算出した距離と実際の距離との関係を示すものである。点線の直線７２は、（８）式で与えられるΔφを用いて（１）式から算出した距離と実際の距離との関係を示すものである。
【００４６】
本装置では、除算器５０にて得られる信号強度比κを距離Ｒを示す指標として用い、侵入判定部５６における判定を行う。上述のように係数αを設定したとき、ΔφとΔφ'との誤差が小さいΔφ＝０〜９０°を監視範囲として設定する。つまり、有効測距限界ＲtをＲmaxの半分に設定し、誤差が大きくなるＲt以上については監視範囲としない。このように構成することで、例えば、信号強度比κを用いた簡単な四則演算による代数関数を用いてΔφを定め、それに基づいて距離Ｒを判定することができ、回路構成や演算処理が簡単となる。特に本装置で採用するようにκに比例するという関係式でΔφを表すこととした場合、その効果は顕著である。この効果に加えて、Ｒmax側の領域を使わないように構成することで、上述の折り返しによる誤検出を抑制しやすくなる効果が得られる。
【００４７】
なお、Ｒmaxは送信波の２種類の周波数ｆ１，ｆ２の周波数差に反比例するので、この周波数差（ｆ１−ｆ２）の絶対値を小さくすることにより、Ｒmaxを遠方まで延ばすことが可能である。ちなみに、発振器がどれだけ精度良く小さな周波数差での信号出力が可能であるか、すなわち、発振器の安定性に依存してＲmaxの上限が制限される。
【００４８】
例えば、上述のようにΔφ＝０〜９０°にて誤差を小さくするように設定する場合において、上述のように（ｆ１−ｆ２）を５ＭＨｚとする場合、Ｒmaxが１５ｍであり、有効測距限界Ｒtは７．５ｍとなる。ここで、さらに大きな有効測距限界Ｒtとして例えば１０ｍが必要とされるならば、差（ｆ１−ｆ２）を縮小して測距限界Ｒmaxを２０ｍに設定すればよい。
【００４９】
ちなみに、Δφ＝０〜９０°に対して例えば、κの１次の項しか含まない（９）式のΔφ’であっても誤差は３°程度内である。これは、Ｒtを１０ｍとする場合にて、距離に換算すると最大で３０ｃｍ程度の誤差であり、例えば、侵入者検知に必要な精度での距離判定が可能である。
【００５０】
以上、移動体の距離の判定について述べた。次に、本装置における反射断面積に基づく移動物体の識別の原理について説明する。上述したように、反射断面積Ｓは信号強度比κとドップラ信号の実効値Ａeとを用いて、乗算器５２，５４によりＡe・κ２を算出することにより求められる。
【００５１】
反射断面積Ｓは電波をどれだけ多く反射するかの指標であり、人の反射断面積を基準とした相対的な反射断面積はおおよそ、下表に示すものとなることが知られている。
【００５２】
【表１】
2006098099.tif 000006
【００５３】
この表は、例えば、自動車は人に比べ１００倍程度、強い電力を反射するのに対し、鳥は人の１／１００程度しか反射しないことを表している。また、動物の場合は、体の構成物質のほとんどが水分であり、電波に対する反射断面積はセンサから見た反射物体の断面積に比例すると考えられる。このため、人よりも小さい小動物の反射断面積は人よりも小さくなる。そこで、検知を望まない小動物の反射断面積を本装置で予め測定しておき、侵入者監視中に測定された反射断面積と比較することで、小動物の侵入に対しては検知しないようにすることができる。同様に、自動車等の反射断面積とも比較することで、監視範囲に侵入した物体が人か自動車か等の区別も可能である。
【００５４】
なお、一般にドップラ信号の振幅は物体が移動しているため、基本的に常に変動している。このため、測定される反射断面積も常時変動し、設定された反射断面積との比較を安定して行うことが難しい。そこで、反射断面積の一定時間に亘る積分値や平均値を移動体の識別等の処理に用いることで、反射断面積の安定した比較判定を行うことができる。
【００５５】
次に、本装置の動作を具体的な例を用いつつ説明する。ここでは、Ｒmax＝１０ｍの本装置を壁や柱に設置し、そのマイクロ波センサを中心として５ｍの範囲を監視範囲とする例を述べる。この場合、有効測距限界Ｒt＝５ｍの範囲内で距離Ｒの誤差が最小となるように（９）式のαが定められる。例えば、本装置の侵入判定部５６以外の各部２０〜５４はアナログ回路で構成することができ、侵入判定部５６は、除算器５０から距離Ｒに応じた電圧値の出力信号を、また乗算器５４から反射断面積Ｓに応じた電圧値の出力信号を入力される。侵入判定部５６は、例えば、Ａ／Ｄ変換器及びマイクロプロセッサ等の演算手段を備え、Ａ／Ｄ変換器にて、除算器５０、乗算器５４からの電圧信号をデジタル値に変換し、侵入者検知の判定のための演算処理を行う。
【００５６】
本装置は、マイクロ波を一定周期で繰り返して送受信し、反射波に基づいてドップラ信号を抽出する動作を行う一方で、得られたドップラ信号に基づいて、距離Ｒ，反射断面積Ｓを求め、侵入判定を行う動作を行う。
【００５７】
図９は、ドップラ信号に基づく侵入判定処理を説明するフロー図である。侵入判定部５６は、図９のフローで繰り返される処理の各サイクルにおいて、除算器５０の出力電圧値に基づいて、移動体までの距離Ｒを算出し（Ｓ１００）、また乗算器５４の出力電圧値に基づいて、移動体の反射断面積Ｓを算出する（Ｓ１０５）。
【００５８】
侵入判定部５６は、処理Ｓ１０５で得た反射断面積Ｓが人に対応した値であるか否かを判断する（Ｓ１１０）。例えば、反射断面積Ｓが所定の範囲内であることにより、検知された移動体が人と判断する。なお、ここで用いる所定の閾値は、予め実験によって、鳥や犬などの小動物と人間、及び自動車などの大型物と人間とを区別できる値に設定される。
【００５９】
侵入判定部５６は、検知された移動体を人や人よりも大きな物と判断した場合（Ｓ１１０）、処理Ｓ１００で求めた移動体までの距離Ｒが監視範囲内であるか否かを判断する（Ｓ１１５）。
【００６０】
判断処理Ｓ１１０及びＳ１１５での判定が共に真である場合には、人又は人よりも大きな物が監視範囲に存在することになる。侵入判定部５６は、誤検出を抑制するために、この状態が所定時間内に所定回数発生した場合に、侵入者が検知されたと判断して異常検知の出力を行う。具体的には、処理Ｓ１１０及びＳ１１５の判定が共に真となる関心イベントが起こると、そのときタイマーが起動していなければ（Ｓ１２０）、これを起動する（Ｓ１２５）。また、関心イベントが発生した場合には、カウンタの値を１ずつインクリメントする（Ｓ１３０）。
【００６１】
当該処理サイクルにて、そのカウント値が所定数に達さず（Ｓ１３５）、また、タイマーもタイムアップしなかった場合は、カウンタの値を維持し、タイマーの計時を継続しつつ処理Ｓ１００に戻り、次の処理サイクルを始める。
【００６２】
一方、ある処理サイクルにおいて、そのカウント値が所定数に達すると（Ｓ１３５）、監視範囲に検知対象とする何かが存在する可能性が高いため、侵入発生と判断し、異常検知の出力を行う（Ｓ１４０）。これに対して、ある処理サイクルにおいて、タイマーがタイムアップすると（Ｓ１４５）、異常検知の出力は行わずに、カウンタ及びタイマーをリセットして（Ｓ１５０）処理Ｓ１００に戻り、次の処理サイクルを始める。
【００６３】
なお、処理Ｓ１１０，Ｓ１１５にて関心イベントの発生が否定された場合にも、処理Ｓ１００に戻り、次の処理サイクルが開始される。
【００６４】
一例として、人が距離Ｒが０ｍの位置から１０ｍの位置へ一直線にほぼ等速で離れる動作をした場合における本装置による距離Ｒの検知結果を図１０に、また反射断面積Ｓの検知結果を図１１に示す。図１０の縦軸に表す距離Ｒの単位はメートル［ｍ］である。また図１１の縦軸の反射断面積Ｓは対数目盛で表され、乗算器５４の出力電圧を表しており、単位はボルト［Ｖ］である。なお、図１０，図１１の横軸は共に時間ｔである。図１０に点線で示す水平線は監視範囲である有効測距限界Ｒt＝５ｍを示しており、処理Ｓ１１５ではこのＲt以下に移動体が存在するか否かが判定される。一方、図１１にＳ＝０．０５Ｖに点線で示す水平線は、移動体が人とそれより小さい物とを区別するために設定される閾値であり、処理Ｓ１１０での判定にて用いられる。
【００６５】
監視対象とされる人は計測開始から５秒より少し前から移動を開始し、それに応じて距離Ｒがほぼ直線的に増加し始め、また反射断面積Ｓが設定された閾値以上に増加する。距離Ｒは、信号強度比κを用いた（９）式に基づいて算出されるため、上述したようにＲtを超えると誤差が大きくなり、実際の到達点である１０ｍまでは測定値が達しないが、Ｒt以下での移動中においては良好な精度で距離Ｒの測定値が得られる。この例では、時刻ｔ＝０から、距離Ｒが５ｍに達する時刻ｔ２までの間、処理Ｓ１１５の判定結果は真となる。また、処理Ｓ１１０に関しては、その閾値を超える時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間、判定結果は真となる。侵入判定部５６は、処理Ｓ１１０と処理Ｓ１１５とが共に真となる時刻ｔ１からｔ２における各処理サイクルにて、カウンタの値をインクリメントし、それが所定値に達すると侵入発生と判断し、異常検知の出力処理Ｓ１４０を行う。
【００６６】
上述したように、本装置によれば、ドップラ信号の位相差Δφを求めるために、ＦＦＴ等の複雑な演算処理や、逆余弦関数を含む（８）式を直接計算する演算処理、又はその演算結果を予めテーブルとして格納するメモリ等の構成要素が不要である。本装置は簡易な構成のアナログ回路でΔφを求め、距離Ｒや反射断面積Ｓの情報を取得する。すなわち、装置構成が簡単となりコストも低減可能であるため、侵入者検知装置の導入が容易となり防犯に貢献し得る。
【００６７】
本実施形態では本発明を侵入者検知装置に適用したが、他の用途の装置にも適用することができる。例えば、自動水洗トイレの人体検知、ドアやゲートの自動開閉のための人体や車両の検知、標識や看板、掲示板の自動アナウンスのための人体検知、照明や機器の電源の自動オン／オフ、車上荒し防止のための人体検知、周辺の障害物の検知や認識に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る移動体検知装置の基本的な構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本実施形態に係る侵入者検知装置の回路ブロック図である。
【図３】ミキサ、切替器及びＬＰＦの動作を説明する信号波形の模式図である。
【図４】移動体までの距離Ｒに応じて位相差が異なるドップラ信号Ｄ１，Ｄ２の信号波形を示す模式図である。
【図５】図４に示す場合に対応したドップラ信号Ｄ１，Ｄ２の差信号Ｕ’の信号波形を示す模式図である。
【図６】位相差Δφと信号強度比κとの関係を表すグラフである。
【図７】ΔφとΔφ’との比較結果を示すグラフである。
【図８】信号強度比κに比例するΔφ’を用いて算出される距離Ｒと正しい距離Ｒとを対比するグラフである。
【図９】ドップラ信号に基づく侵入判定処理を説明するフロー図である。
【図１０】距離Ｒの測定例を示すグラフである。
【図１１】反射断面積Ｓの測定例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６９】
２  送信手段、４  受信手段、６  ドップラ信号抽出手段、８  強度比算出手段、１０  距離決定手段、１２  反射断面積算出手段、１４  移動体判定手段、２０  矩形波発生器、２２  電圧制御型発振器、２４  送信アンテナ、３０  受信アンテナ、３２  ミキサ、３４  切替器、３６，３８  ＬＰＦ、４０，４２  アンプ、４４  差分器、４６，４８  整流器、５０  除算器、５２，５４  乗算器、５６  侵入判定部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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