(57)【要約】【課題】簡易な構造と簡易な信号処理法によりターゲットの横方向の移動を高信頼度に検出できる、2周波CW方式マイクロ波センサ装置の提供。【解決手段】周波数の異なる第1及び第2のマイクロ波を送信し、第1及び第2のマイクロ波の送信方向にターゲットが存在する場合に、このターゲットからの第1及び第2のマイクロ波の反射波を受信し、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ターゲットまでの距離を計測する2周波CW方式のマイクロ波センサ装置において、一対のマイクロ波センサと、A/Dコンバータと、コンピュータとを備え、コンピュータが、ターゲットの横方向の位置xに対する角度誤差信号を算出し、当該角度誤差信号とターゲットの横方向の位置xとの関係をn次近似曲線（但しnは2以上の自然数）に基づき算出することによりターゲットの移動距離を算出する手段を備えることを特徴とするマイクロ波センサ装置。【選択図】図1
2015036666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数の異なる第1及び第2のマイクロ波を送信し、第1及び第2のマイクロ波の送信方向にターゲットが存在する場合に、このターゲットからの第1及び第2のマイクロ波の反射波を受信し、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ターゲットまでの距離を計測する2周波CW方式のマイクロ波センサ装置において、
一対のマイクロ波センサと、A/Dコンバータと、コンピュータとを備え、
コンピュータが、ターゲットの横方向の位置xに対する角度誤差信号を算出し、当該角度誤差信号とターゲットの横方向の位置xとの関係をn次近似曲線（但しnは2以上の自然数）に基づき算出することによりターゲットの移動距離を算出する手段を備えることを特徴とするマイクロ波センサ装置。
【請求項２】
前記n次近似曲線が、5次近時曲線であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波センサ装置。
【請求項３】
さらに、コンピュータが、ターゲットの移動速度vを、サンプリング時間tごとに計算した前記位置xの差分に基づき算出する手段を備えることを特徴とする請求項1または2に記載のマイクロ波センサ装置。
【請求項４】
前記マイクロ波センサが、マイクロ波センサユニットと、パルス発生器と、アンプ回路とを備えて構成され、
前記マイクロ波センサユニットが、2つの異なった周波数を時分割で出力する電圧制御発振器と、ダブルバランスドミキサーと、送信アンテナと、ダブルバランスドミキサー及び送信アンテナに接続されるパワーデバイダと、ダブルバランスドミキサーと接続される受信アンテナとを備えて構成されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のマイクロ波センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡易な構造と簡易な信号処理法によりターゲットの横方向の移動を高精度に検出できる、2周波CW（連続波）方式のマイクロ波センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
民生用防犯センサに、安価なCW方式のマイクロ波センサが広く用いられている。CW方式のセンサは、ドップラー効果を利用しているため、センサに近づく侵入者は検知できる。しかし、侵入者が監視エリアをセンサに対して水平に横切る場合、ターゲットがセンサに近づく移動距離は非常に小さいため、センサは侵入者を検知できず、通り抜け問題が発生することが知られている。その問題に対して、左右に並べた2台のセンサの出力レベルを比較するシーケンシャルロービング方式を用いてターゲットの横方向の位置を検出し、その検出した位置の時間の差分を取ることで移動距離を導出する手法が知られている（非特許文献1）。しかしながら、この手法では移動距離を導出するために、角度誤差信号の特性を1次の近似直線で置き換えてターゲット方向を推定しているため、測定結果は最大で2倍近くの誤差が生じることが示されている。
【０００３】
公知のマイクロ波センサとしては、例えば発明者が特許文献1で提案した、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存在する物体からの各マイクロ波の反射波に基づいて物体検知動作を行うマイクロ波センサにおいて、上記各反射波に基づいて検知エリア内に存在する物体までの相対距離の単位時間当たりの変化量を計測し、その変化量が所定量以上であるときにのみ、その物体を、検知すべき物体であると判定する物体判定手段を備えているマイクロ波センサがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2003−207462号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】竹本英治・佐藤安弘・藤本卓也：「2周波ドップラー方式侵入犯検知センサ」，システム制御情報学会研究発表講演会講演論文集，Vol.48，pp.13-14（2004）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
防犯センサシステムでは、より精度の高い検出方法が求められており、より詳細には、ターゲットを検知するときに用いる移動距離の閾値を狭くし、車・草木の揺れ・ノイズなどによる誤検知を減らすことが求められている。
【０００７】
CW方式のセンサにおいては、上述したように監視エリアを水平方向に移動する動きを検知することが難しく、非特許文献1の手法を用いても、測定結果に最大で2倍近くの誤差が生じるという問題がある。フェイズドアレー等のアンテナを機械的に動かしてビームを左右に走査する方式やモノパルス方式も知られているが、民生用途ではコストがかかり過ぎるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明では、簡易な構造と簡易な信号処理法によりターゲットの横方向の移動を高精度に検出できる、2周波CW方式マイクロ波センサ装置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】
【０００９】
発明者は、角度誤差信号のフィッティングにおいて従来用いられた近似直線を、実際の角度誤差信号に近いn次の関数を用いた近似曲線にすることでフィッティングミスを減らし、測定誤差を低減させシステムの検知精度を上げること可能とした。
【００１０】
すなわち、本発明は、以下の技術手段から構成される。
第1の発明は、周波数の異なる第1及び第2のマイクロ波を送信し、第1及び第2のマイクロ波の送信方向にターゲットが存在する場合に、このターゲットからの第1及び第2のマイクロ波の反射波を受信し、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ターゲットまでの距離を計測する2周波CW方式のマイクロ波センサ装置において、一対のマイクロ波センサと、A/Dコンバータと、コンピュータとを備え、コンピュータが、ターゲットの横方向の位置xに対する角度誤差信号を算出し、当該角度誤差信号とターゲットの横方向の位置xとの関係をn次近似曲線（但しnは2以上の自然数）に基づき算出することによりターゲットの移動距離を算出する手段を備えることを特徴とするマイクロ波センサ装置である。
第2の発明は、第1の発明において、前記n次近似曲線が、5次近時曲線であることを特徴とする。
第3の発明は、第1または2の発明において、さらに、コンピュータが、ターゲットの移動速度vを、サンプリング時間tごとに計算した前記位置xの差分に基づき算出する手段を備えることを特徴とする。
第4の発明は、第1ないし3のいずれかの発明において、前記マイクロ波センサが、マイクロ波センサユニットと、パルス発生器と、アンプ回路とを備えて構成され、前記マイクロ波センサユニットが、2つの異なった周波数を時分割で出力する電圧制御発振器と、ダブルバランスドミキサーと、送信アンテナと、ダブルバランスドミキサー及び送信アンテナに接続されるパワーデバイダと、ダブルバランスドミキサーと接続される受信アンテナとを備えて構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡易な構造と簡易な信号処理法によりターゲットの横方向の移動を高精度に検出できる、2周波CW方式のマイクロ波センサ装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例に係る2周波CW方式マイクロ波センサ装置の構成図
【図２】実施例に係るマイクロ波センサの構成図
【図３】マイクロ波センサ正面方向に対して横移動するターゲットの反射信号
【図４】ターゲットの横方向位置に対する角度誤差信号
【図５】横方向の位置に対して測定された信号レベル
【図６】横方向の位置に対する角度誤差信号
【図７】横方向の位置に対するターゲットまでの距離
【図８】式3の近似曲線における各次数の係数
【図９】横方向の位置に対して計算された移動距離
【図１０】最大誤差率の最大値、平均値、最小値
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、シーケンシャルロービング方式を用いてターゲットの侵入を検知する2周波CW方式マイクロ波センサ装置を用いて、角度誤差の変化よりターゲットの横方向の移動距離を導出する技術を開示するものである。ここで、シーケンシャルロービング方式とは、隣接する2つのアンテナの角度から受信する反射波の受信レベルの割合に基づいて、ターゲットの角度を演算する手法である。
本発明のマイクロ波センサは、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つの中間周波数（IF）信号の位相差を検出する。この位相差は、ターゲット（人体等の検知対象物体）までの距離に相関があるため、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。
【００１４】
本発明では、左右に並べた2周波CW方式センサの感度は同一のものを用い、角度誤差信号のフィッティングにおいて、角度誤差信号をn次近似曲線とみなした処理を行うことで測定誤差を低減させている。ここで、n次近似直線は5次近時曲線とすることが好ましい。すなわち、ターゲットの位置は、角度誤差信号の特性を5次の関数を用いて表した近似曲線で推定され、移動速度はターゲットの位置の時間差をとることで求められる。
本発明によれば、シーケンシャルロービング方式とCW方式センサを用いたシンプルな構成を保ちながら、例えば誤差を72%小さくすることが可能である
【００１５】
以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明は実施例により何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００１６】
≪構成≫
図1は、本実施例に係る2周波CW方式マイクロ波センサ装置1の構成図である。
本実施例の2周波CW方式マイクロ波センサ装置1は、2個のマイクロ波センサ10L、10Rと、A/Dコンバータ20と、コンピュータ30とを備えて構成される。
マイクロ波センサ10L、10Rは、それぞれ角度θだけ外側に向けられている。
マイクロ波センサ10Lからのドップラー出力信号をvd1L、vd2Lとし、マイクロ波センサ10Rからのドップラー出力信号をvd1R、vd2Rとする。これらドップラー出力信号は、A/Dコンバータ20でデジタル信号に変換され、コンピュータ（PC）30に取り込まれ、そこでvd1Lとvd2Lの位相検出と、vd1Lとvd1Rの振幅検出が行われる。
【００１７】
図2は、マイクロ波センサ10の構成図である。
マイクロ波センサ10は、マイクロ波センサユニット11と、パルス発生器12と、アンプ回路13とを備えて構成される。
マイクロ波センサユニット11は、電圧制御発振器(Voltage-controlled oscillator、以下「VCO」という)101と、パワーデバイダ102と、ダブルバランスドミキサー(Double balanced mixer)103と、送信アンテナ104Txと、受信アンテナ105Rxとを備えて構成される。VCO101より2つの異なった周波数f1とf2が時分割で出力され、送信アンテナ104Txより放射されるとともにその一部はミキサー103に入力される。ターゲットより反射された電波は受信アンテナ105Rxで受信し、ミキサー103に入力される。ミキサー103の出力はアンプ回路13に取り込まれ、f1の反射波はアンプAMP1で、f2の反射波はアンプAMP2で増幅され、それぞれvd1、vd2として出力される。各アンプの特性は、帯域1〜100Hz、ゲイン90dBである。
【００１８】
表1に実施例で用いたマイクロ波センサ10L、10Rのスペックを示す。これは欧州の無線規格に基づいて設定されている。
［表1］
2015036666.tif 000003
【００１９】
≪横方向移動物体の検出方法≫
コンピュータ30は、演算装置と記憶装置を備え、記憶装置には横方向移動物体を検出するための演算を行うプログラムが記憶されている。このプログラムは、ターゲットの横方向の位置xに対する角度誤差信号を算出し、当該角度誤差信号とターゲットの横方向の位置xとの関係をn次近似曲線（但しnは2以上の自然数）に基づき算出することによりターゲットの移動距離を算出する手段を備えている。
【００２０】
図3は、ターゲットが2周波マイクロ波センサの正面方向で横移動したときの一般的な出力信号である。図3中、点線がセンサ10Lの反射信号のレベルLvLを、実線がセンサ10Rの反射信号のレベルをLvRを表している。感度が同一のセンサを用いることで、2つのセンサ出力を左右対称とすることができる。また、左右のセンサは、正面方向に対して各々角度θだけ開いて設けられていることで、ターゲットまでの正面方向の距離yが大きくなるに従い、各々のセンサ出力のピークの間隔は広くなる。
【００２１】
図4はターゲットの横方向の位置ｘに対する角度誤差信号εを示すグラフである。角度誤差信号εは、ターゲットの位置がセンサ正面からどれだけずれているかを示しており、LvLとLvRを、以下の式1に代入することで求めることができる。
【００２２】
［式1］
2015036666.tif 000004
【００２３】
2つのセンサがターゲットに反応するとき、式1の値は−1から＋1の範囲で変化するように正規化されている。センサの指向性を考慮するとLvLとLvRは、それぞれのセンサの正面で最大値を取るので、ターゲットが中央より左側に位置するときεは-、中央に位置するときεは0、右側に位置するときεは+となる。また、ターゲットとセンサ10L、10Rの正面方向の距離yが大きくなるほどピークの間隔は左右に広がる。そのため角度誤差信号を1次近似直線とみなすと、yが大きくなるにつれて、εの傾きは小さくなる。角度誤差信号を1次近似直線としてみなしたときに、近似直線の傾きの逆数をgとすると、ターゲットの横方向の位置ｘは以下の式2で近似することができる。傾きの逆数gの値はセンサ固有であり、既知の値である。
【００２４】
［式2］
2015036666.tif 000005
【００２５】
次に、角度誤差信号と横方向の位置xの関係を精度よく近似するために、n次の近似曲線を求める。xはεと係数giを用いて以下の式3で表される。
［式3］
2015036666.tif 000006
【００２６】
このときの係数giの値はセンサ固有の値であり、最小二乗法によって測定値とフィッティングさせて求める。ここで、距離yが大きくなるにつれて、εの曲線は変化するので、距離yによって係数giは異なる値をとる。
【００２７】
式3のxの近似曲線を距離yのパラメータを含んだ関数とすると、以下の式4で表される。ここで、ai、bi、ciは、距離yに対する係数giの近似曲線を最小二乗法で求めた係数である。
【００２８】
［式4］
2015036666.tif 000007
【００２９】
2周波CW方式マイクロ波センサを用いたときのターゲットまでの距離Rは以下の式5で求めることができる。ここでΔφはvd1とvd2の位相差、Δfは2つの周波数f1とf2の差、cは光速である。
【００３０】
［式5］
2015036666.tif 000008
また、ターゲットまでの距離Rの横方向の位置xと正面方向の距離yとの関係は以下の式6で表される。
【００３１】
［式6］
2015036666.tif 000009
【００３２】
ターゲットがセンサ正面方向に位置するとき、yとRの値はほぼ等しくなるのでyをRに置き換えると、式4は以下の式7で表される。
［式7］
2015036666.tif 000010
【００３３】
式7は角度誤差信号が変化する範囲で成立する。この範囲を検出可能範囲と定義する。検出可能範囲は、センサの出力パワー、受信感度、ターゲットにより異なる。ターゲットの移動速度vはサンプリング時間tごとに計算した横方向の位置xの差分を取ることによって求められ、以下の式8で表される。
【００３４】
［式8］
2015036666.tif 000011
≪測定方法と結果≫
【００３５】
実施例（図1）のシステム構成に係る2周波CW方式マイクロ波センサ装置1を用いて、人の横方向移動の検出を行った。
A/D変換はNI USB-6009(ナショナルインスツルメンツ)を用いた、位相検出と振幅検出の信号処理は計測ソフトLabVIEW(ナショナルインスツルメンツ)を用いた。信号収録のサンプリングレートは4kHzであり、信号レベルはサンプリング数4000個を平均して計算される。
センサの放射方向に対する角度は、角度誤差信号が線形に近くなるθ=10°とする。
測定方法は、以下のとおりである。
【００３６】
身長1.7mの人が秒速1.4m/sでセンサに対して横に40m移動する。移動するときの正面方向の距離yは10、15、20mの3種類とする。移動方向は左から右とし、各距離において3回ずつ測定する。
角度誤差信号を近似曲線として表すときの式3における次数nは、5次以上で角度誤差信号とよくフィッティングするためにn=5とし、式2における次数n=1の場合(近似直線)の結果と比較する。
【００３７】
図5に、測定された各距離における標準的な横方向の位置に対する左右2つのセンサ10R、10Lの出力信号レベルを示す。図6に図5のデータを式1に代入して得られた各距離における角度誤差信号を示す。マーカーが測定値である。測定したy=10、15、20mにおける角度誤差信号を式3で表される近似曲線にしたときに求まる係数を表2に示す。
［表2］
2015036666.tif 000012
【００３８】
図7に各距離における標準的な横方向の位置に対するターゲットまでの距離の測定結果と、式6を用いて計算した実際のターゲットまでの距離の理論値を示す。図6及び図7から、測定値は理論値に概ね一致していることが確認できる。
【００３９】
次に、式4を用いて係数ai、bi、ci (i=0,1,2,...,5)を求める。図8は表2のデータをプロットしたものである。プロットした点をフィットするように2次の関数で近似させたときの係数の値を表3に示す。
［表3］
2015036666.tif 000013
【００４０】
図6のグラフの実線部は、表3のai、bi、ciの値と距離y値として10、15、20をそれぞれ式4に代入し、求まる角度誤差信号の近似曲線x(ε,y)である。近似曲線は測定値によくフィッティングしていることが分かる。
【００４１】
図9に式7と式8を用いて計算されたy=10、15、20mにおける横方向の位置に対する物体の移動距離の3回測定分の結果をまとめて示す。計算された移動距離の最大値と最小値(閾値)は破線で示されている。計算された移動距離の閾値の上限と下限は近似直線を用いた場合2.59m/s、0.46m/sであり、その範囲は2.13m/sであることが分かる。近似曲線を用いた場合の上限と下限は2.13m/s、0.89m/sであり、閾値の範囲は1.24m/sである。
この結果から、5次の近似曲線を用いることで閾値の範囲を72%狭めることができ、誤差の精度が向上することが分かる。
【００４２】
また、測定においての検出可能範囲での移動距離の計算値と理論値(実際に歩いた移動距離1.4m)との差が一番大きい値を理論値で割ったものを最大誤差率と定義する。各距離においての最大誤差率の3回測定分の最大値、平均値、最小値を近似直線と近似曲線の場合でそれぞれ求めた結果を図10に示す。3回測定分の最大誤差率の平均値は、近似直線の場合、y=10、15、20mのとき61.6%、58.5%、72.9%であるのに対し、近似曲線の場合、33.0%、38.1%、32.2%である。
従来と実施例を比較すると誤差はy=10、15、20mにおいて28.6%、20.4%、40.7%減少しており、近似曲線を用いたフィッティングにより、誤差を軽減できることが確認できた。
以上に説明した実施例の2周波CW方式マイクロ波センサ装置1は、簡易な構造と簡易な信号処理法で、ターゲットの横方向の移動を高精度に検出できるので、民生用途の屋外防犯マイクロ波センサとしての利用が大いに期待できるものである。
【符号の説明】
【００４３】
1  2周波CW方式マイクロ波センサ装置
10  マイクロ波センサ
20  A/Dコンバータ
30  コンピュータ（PC）
11  マイクロ波センサユニット
12  パルス発生器
13  アンプ回路
101  電圧制御発振器(VCO)
102  パワーデバイダ
103  ダブルバランスドミキサー
104  送信アンテナTx
105  受信アンテナRx
【図１】
2015036666.tif 000014
【図２】
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【図３】
2015036666.tif 000016
【図４】
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【図５】
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【図６】
2015036666.tif 000019
【図７】
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【図８】
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【図９】
2015036666.tif 000022
【図１０】
2015036666.tif 000023