(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが独立したアンテナを備えたドップラーセンサモジュールであって、前記アンテナから移動物体に向けて送信信号を発信し、移動物体からの反射波である受信信号を前記アンテナで受信する、複数のドップラーセンサモジュールと、
複数の前記ドップラーセンサモジュールで受信した、それぞれの前記受信信号の位相が同一となるように補正する位相整合補正装置と、
前記位相整合補正装置で位相が補正された複数の前記受信信号を合成し、離散時間信号として出力する加算器と、
前記加算器から入力される離散時間信号から、複数の前記ドップラーセンサモジュールで計測された前記移動物体に関する基本周期を抽出する周波数解析装置と、
を備え、
前記周波数解析装置は、
前記加算器から入力される離散時間信号から、予め割り当てられた、それぞれ時間長が異なる基本周期候補区間に含まれる連続した離散点を抽出してパラレルに出力する複数の信号出力部と、
複数の前記信号出力部の各出力ポートから出力される信号の値を、同一ポートごとに足し合わせて、前記基本周期候補区間ごとの累積値を算出する加算部と、
前記基本周期候補区間ごとの前記累積値の絶対値を比較し、最も大きな前記累積値の絶対値を出力した前記加算部に値を出力した前記信号出力部を特定し、前記信号出力部に設定された区間の長さにより決定される距離を前記基本周期として抽出する演算部と、
を含むドップラーセンサユニット。
【請求項２】
請求項１に記載のドップラーセンサユニットにおいて、
前記位相整合補正装置は、
複数の前記ドップラーセンサモジュールのうち、基準となる前記ドップラーセンサモジュールから出力される第１受信信号と、他の前記ドップラーセンサモジュールから出力される第ｎ（ｎ≧２）受信信号とを複素乗算して位相差を算出し、前記位相差の複素共役信号と前記第ｎ受信信号とを複素乗算することにより、前記第ｎ受信信号の位相が前記第１受信信号の位相と同一となるように補正するドップラーセンサユニット。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のドップラーセンサユニットと、
複数の前記ドップラーセンサモジュールから送信信号を送信する方向及び受信信号を受信する方向を機械的に走査可能な機構を備えるドップラーセンサシステム。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のドップラーセンサユニットと、
複数の前記ドップラーセンサモジュールから送信信号を送信する方向及び受信信号を受信する方向を電子的に走査可能な機構を備えるドップラーセンサシステム。
【請求項５】
請求項１又は２に記載のドップラーセンサユニットを複数備え、
複数の前記ドップラーセンサユニットは、移動物体の正面方向にセンサ面が向くように少なくとも１台、移動物体の左右方向にセンサ面が向くようにそれぞれ少なくとも１台、移動物体の上下方向にセンサ面が向くようにそれぞれ少なくとも１台が配置されるドップラーセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドップラーセンサユニット及びドップラーセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、移動物体の動きを計測するためのセンサの１つとして、ドップラーセンサが用いられている。ドップラーセンサは、移動物体に向けて送信信号を照射し、移動物体からの反射波である受信信号を受信することにより、移動物体までの距離、移動物体の接近や離反を計測するセンサである（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−７４３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、ドップラーセンサは、送信出力が法律により制限されているため、移動物体までの計測距離が短く、計測可能な角度もセンサ正面の狭い角度に限られている。
【０００５】
本発明の目的は、移動物体の計測距離及び計測可能な角度をより拡大することができるドップラーセンサユニット及びドップラーセンサシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下のような解決手段により前記課題を解決する。
（１）それぞれが独立したアンテナを備えたドップラーセンサモジュールであって、前記アンテナから移動物体に向けて送信信号を発信し、移動物体からの反射波である受信信号を前記アンテナで受信する、複数のドップラーセンサモジュールと、複数の前記ドップラーセンサモジュールで受信した、それぞれの前記受信信号の位相が同一となるように補正する位相整合補正装置と、前記位相整合補正装置で位相が補正された複数の前記受信信号を合成し、離散時間信号として出力する加算器と、前記加算器から入力される離散時間信号から、複数の前記ドップラーセンサモジュールで計測された前記移動物体に関する基本周期を抽出する周波数解析装置と、を備え、前記周波数解析装置は、前記加算器から入力される離散時間信号から、予め割り当てられた、それぞれ時間長が異なる基本周期候補区間に含まれる連続した離散点を抽出してパラレルに出力する複数の信号出力部と、複数の前記信号出力部の各出力ポートから出力される信号の値を、同一ポートごとに足し合わせて、前記基本周期候補区間ごとの累積値を算出する加算部と、前記基本周期候補区間ごとの前記累積値の絶対値を比較し、最も大きな前記累積値の絶対値を出力した前記加算部に値を出力した前記信号出力部を特定し、前記信号出力部に設定された区間の長さにより決定される距離を前記基本周期として抽出する演算部と、を含むドップラーセンサユニット。
【０００７】
（２）  （１）に記載のドップラーセンサユニットにおいて、前記位相整合補正装置は、複数の前記ドップラーセンサモジュールのうち、基準となる前記ドップラーセンサモジュールから出力される第１受信信号と、他の前記ドップラーセンサモジュールから出力される第ｎ（ｎ≧２）受信信号とを複素乗算して位相差を算出し、前記位相差の複素共役信号と前記第ｎ受信信号とを複素乗算することにより、前記第ｎ受信信号の位相が前記第１受信信号の位相と同一となるように補正する。
【０００９】
（３）  （１）又は（２）に記載のドップラーセンサユニットと、複数の前記ドップラーセンサモジュールから送信信号を送信する方向及び受信信号を受信する方向を機械的に走査可能な機構を備えるドップラーセンサシステム。
【００１０】
（４）  （１）又は（２）に記載のドップラーセンサユニットと、複数の前記ドップラーセンサモジュールから送信信号を送信する方向及び受信信号を受信する方向を電子的に走査可能な機構を備えるドップラーセンサシステム。
【００１１】
（５）  （１）又は（２）に記載のドップラーセンサユニットを複数備え、複数の前記ドップラーセンサユニットは、移動物体の正面方向にセンサ面が向くように少なくとも１台、移動物体の左右方向にセンサ面が向くようにそれぞれ少なくとも１台、移動物体の上下方向にセンサ面が向くようにそれぞれ少なくとも１台が配置されるドップラーセンサシステム。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るドップラーセンサユニット及びドップラーセンサシステムによれば、移動物体の計測距離及び計測可能な角度をより拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態におけるドップラーセンサユニット１の構成を説明する図である。
【図２】周波数解析装置４０の構成を説明する図である。
【図３】信号出力部４０ａにおける処理の一例を説明する図である。
【図４】信号出力部４０ａにおける処理の一例を説明する図である。
【図５】ドップラーセンサシステム２の構成及び機能を説明する図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、ドップラーセンサシステム２Ａの構成及び機能を説明する図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｃ）は、ドップラーセンサシステム２Ｂの構成及び機能を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明に係るドップラーセンサユニット及びドップラーセンサシステムの実施形態について説明する。具体的には、本発明に係るドップラーセンサユニットを第１実施形態で説明し、本発明に係るドップラーセンサシステムを第２〜第４実施形態で説明する。
なお、本明細書に添付した図面は、いずれも模式図であり、理解しやすさ等を考慮して、各部の形状、縮尺、縦横の寸法比等を、実物から変更又は誇張している。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態におけるドップラーセンサユニットの構成を説明する図である。図１に示すように、第１実施形態のドップラーセンサユニット（以下、「ＤＳユニット」ともいう）１は、ドップラーセンサ部１０、位相整合補正装置２０、加算器３０、周波数解析装置４０及び生体情報解析装置５０を備えている。第１実施形態のＤＳユニット１は、例えば、生体等の移動物体計測装置として機能する。
なお、ＤＳユニット１は、上記各部が１つの筐体内に収納されていてもよいし、各部が個別に配置されていてもよい。例えば、ＤＳユニット１として、ドップラーセンサ部１０、位相整合補正装置２０及び加算器３０が１つの筐体内に収納され、周波数解析装置４０及び生体情報解析装置５０が外部装置として接続されていてもよい。
【００１６】
＜ドップラーセンサ部１０＞
ドップラーセンサ部１０は、ドップラーセンサモジュール１１ａ、１１ｂ、１１ｃ及び１１ｄにより構成されている。以下、ドップラーセンサモジュール１１ａ〜１１ｄを総称して「ＤＳモジュール」又は「ＤＳモジュール１１」ともいう。
なお、図１では、複数のＤＳモジュール１１が隣接して等間隔に配置されている様子を示しているが、実際には、各ＤＳモジュール１１は、それぞれ異なる場所に配置されている。
【００１７】
ＤＳモジュール１１は、ＤＳモジュール本体１２及びアンテナ１３を備えている。ＤＳモジュール本体１２は、送受信用のアンテナ１３から移動物体（不図示）に向けて送信波となる送信信号を照射し、移動物体からの反射波となる受信信号をアンテナ１３で受信することにより、移動物体までの距離、移動物体の接近や離反を計測する装置である。各ＤＳモジュール本体１２から出力される受信信号ｘ１（ｔ）〜ｘ４（ｔ）は、位相整合補正装置２０（後述）に送られる。なお、図１では、ドップラーセンサ部１０を４個のＤＳモジュール１１ａ〜１１ｄで構成する例について示しているが、ＤＳモジュール１１は、少なくとも２個あればよく、５個以上設けてもよい。
【００１８】
＜位相整合補正装置２０＞
図１に示すように、ＤＳモジュール１１ａ〜１１ｄと加算器３０との間は、それぞれ信号線Ｌ１〜Ｌ４により接続されている。位相整合補正装置２０は、信号線Ｌ１〜Ｌ４に、後述する複素共役回路２０１〜２０４及び複素乗算回路２１１〜２１８がそれぞれ接続されている。以下、各ＤＳモジュール１１ａ〜１１ｄに対応する位相整合補正装置２０の構成及び機能について説明する。
【００１９】
ＤＳモジュール１１ａに接続された信号線Ｌ１には、接続点Ｊ１、Ｊ２及び複素乗算回路２１２が設けられている。信号線Ｌ１は、接続点Ｊ１において信号線Ｌ１１と接続されている。信号線Ｌ１１は、接続点Ｊ１と複素乗算回路２１２（後述）との間に設けられた信号線である。信号線Ｌ１１には、複素共役回路２０１及び複素乗算回路２１１が設けられている。複素共役回路２０１は、入力された受信信号の複素共役信号を生成する回路である。例えば、複素共役回路２０１は、受信信号ｘ１（ｔ）が入力すると、複素共役信号としてｘ１＊（ｔ）を出力する。「＊」は、複素共役（共役複素数）であることを示している。なお、複素共役回路２０１の機能は、複素共役回路２０２〜２０４に共通する。
【００２０】
複素共役回路２０１で生成された複素共役信号は、信号線Ｌ１１を介して複素乗算回路２１１に入力する。また、複素共役回路２０１で生成された複素共役信号ｘ１＊（ｔ）は、信号線Ｌ１１に設けられた接続点Ｊ３、Ｊ４及びＪ５から信号線Ｌ２２、Ｌ３２及びＬ４２を介して複素乗算回路２１３、２１５及び２１７（後述）にそれぞれ入力する。
【００２１】
複素乗算回路２１１は、入力した２つの信号を乗算して出力する回路である。複素乗算回路２１１には、複素共役回路２０１で生成された複素共役信号が入力する。複素乗算回路２１１には、信号線Ｌ１の接続点Ｊ２に接続された信号線（符号略）を介して、ＤＳモジュール１１ａからの受信信号ｘ１（ｔ）が入力する。複素乗算回路２１１において、受信信号ｘ１（ｔ）と複素共役信号ｘ１＊（ｔ）とを乗算して得られた信号は、重み係数ｗ１として複素乗算回路２１２に入力する。一方、複素乗算回路２１２には、信号線Ｌ１を介して受信信号ｘ１（ｔ）が入力する。複素乗算回路２１２において、重み係数ｗ１と受信信号ｘ１（ｔ）とを乗算して得られた信号は、位相差が補正された受信信号ｘ１（ｔ）として加算器３０に入力する。なお、後述する重み係数ｗ２〜ｗ４は、複素数の虚数部を含むため、実際には、例えばｗ２＊と表現すべきであるが、図１及び明細書においては、「＊」を省略した形式で表記する。
【００２２】
ＤＳモジュール１１ｂに接続された信号線Ｌ２には、接続点Ｊ６及び複素乗算回路２１４が設けられている。複素乗算回路２１４には、信号線Ｌ２を介して受信信号ｘ２（ｔ）が入力する。また、前述のように、信号線Ｌ１１の接続点Ｊ３には、信号線Ｌ２２が接続されている。信号線Ｌ２２は、接続点Ｊ３と複素乗算回路２１４との間に設けられた信号線であり、複素乗算回路２１３及び複素共役回路２０２が設けられている。複素乗算回路２１３には、信号線Ｌ２２を介して、複素共役回路２０１で生成された複素共役信号ｘ１＊（ｔ）が入力する。一方、複素乗算回路２１３には、信号線Ｌ２の接続点Ｊ６に接続された信号線Ｌ２１を介して、ＤＳモジュール１１ｂからの受信信号ｘ２（ｔ）が入力する。複素乗算回路２１３において、受信信号ｘ２（ｔ）と複素共役信号ｘ１＊（ｔ）とを乗算して得られた信号は、複素共役回路２０２に入力する。複素共役回路２０２では、受信信号ｘ２（ｔ）と複素共役信号ｘ１＊（ｔ）とを乗算して得られた信号の複素共役信号が生成される。この複素共役信号は、重み係数ｗ２として複素乗算回路２１４に入力する。複素乗算回路２１４において、重み係数ｗ２と受信信号ｘ２（ｔ）とを乗算して得られた信号は、位相差が補正された受信信号ｘ２（ｔ）として加算器３０に入力する。
【００２３】
ＤＳモジュール１１ｃに接続された信号線Ｌ３には、接続点Ｊ７及び複素乗算回路２１６が設けられている。複素乗算回路２１６には、信号線Ｌ３を介して受信信号ｘ３（ｔ）が入力する。また、前述のように、信号線Ｌ１１の接続点Ｊ４には、信号線Ｌ３２が接続されている。信号線Ｌ３２は、接続点Ｊ４と複素乗算回路２１６との間に設けられた信号線であり、複素乗算回路２１５及び複素共役回路２０３が設けられている。複素乗算回路２１５には、信号線Ｌ３２を介して、複素共役回路２０１で生成された複素共役信号ｘ１＊（ｔ）が入力する。一方、複素乗算回路２１５には、信号線Ｌ３の接続点Ｊ７に接続された信号線Ｌ３１を介して、ＤＳモジュール１１ｃからの受信信号ｘ３（ｔ）が入力する。複素乗算回路２１５において、受信信号ｘ３（ｔ）と複素共役信号ｘ１＊（ｔ）とを乗算して得られた信号は、複素共役回路２０３に入力する。複素共役回路２０３では、受信信号ｘ３（ｔ）と複素共役信号ｘ１＊（ｔ）とを乗算して得られた信号の複素共役信号が生成される。この複素共役信号は、重み係数ｗ３として複素乗算回路２１６に入力する。複素乗算回路２１６において、重み係数ｗ３と受信信号ｘ２（ｔ）とを乗算して得られた信号は、位相差が補正された受信信号ｘ３（ｔ）として加算器３０に入力する。
【００２４】
ＤＳモジュール１１ｄに接続された信号線Ｌ４には、接続点Ｊ８及び複素乗算回路２１８が設けられている。複素乗算回路２１８には、信号線Ｌ４を介して受信信号ｘ４（ｔ）が入力する。また、前述のように、信号線Ｌ１１の接続点Ｊ５には、信号線Ｌ４２が接続されている。信号線Ｌ４２は、接続点Ｊ５と複素乗算回路２１８との間に設けられた信号線であり、複素乗算回路２１７及び複素共役回路２０４が設けられている。複素乗算回路２１７には、信号線Ｌ４２を介して、複素共役回路２０１で生成された複素共役信号ｘ１＊（ｔ）が入力する。一方、複素乗算回路２１７には、信号線Ｌ４の接続点Ｊ８に接続された信号線Ｌ４１を介して、ＤＳモジュール１１ｄからの受信信号ｘ４（ｔ）が入力する。複素乗算回路２１７において、受信信号ｘ４（ｔ）と複素共役信号ｘ１＊（ｔ）とを乗算して得られた信号は、複素共役回路２０４に入力する。複素共役回路２０４では、受信信号ｘ４（ｔ）と複素共役信号ｘ１＊（ｔ）とを乗算して得られた信号の複素共役信号が生成される。この複素共役信号は、重み係数ｗ４として複素乗算回路２１８に入力する。複素乗算回路２１８において、重み係数ｗ４と受信信号ｘ４（ｔ）とを乗算して得られた信号は、位相差が補正された受信信号ｘ４（ｔ）として加算器３０に入力する。
【００２５】
上記のように構成された位相整合補正装置２０において、Ｎ（本例では４）個のＤＳモジュール１１のうち、ｎ（ｎ＝１，…，Ｎ）番目のＤＳモジュール１１から出力される受信信号は、下記の式（１）及び（２）で表される。
【００２６】
【数１】
0006956427.tif 000002
【００２７】
【数２】
0006956427.tif 000003
【００２８】
但し、各記号の意味は、以下の通りである。
ｊ：虚数単位
φｎ（ｔ）：ＤＳモジュールの位置の違いにより生じる位相成分
ηｎ（ｔ）：雑音の成分
ｓｎ（ｔ）：移動物体（生体）から計測される信号成分
Ａｎ（ｔ）：振幅
Φ（ｔ）：計測する移動物体に由来する位相成分
【００２９】
次に、位相整合補正装置２０において、ＤＳモジュール１１ａ〜１１ｄから出力される受信信号ｘｎ（ｔ）の位相成分φｎ（ｔ）を補正する動作を、図１を参照しながら説明する。
ＤＳモジュール１１ａから出力された受信信号ｘ１（ｔ）は、信号線Ｌ１の接続点Ｊ１から複素共役回路２０１に入力する。複素共役回路２０１では、受信信号ｘ１（ｔ）の複素共役信号ｘ１＊（ｔ）が生成され、複素乗算回路２１１に入力する。一方、信号線Ｌ１に送信された受信信号ｘ１（ｔ）は、複素乗算回路２１２に入力すると共に、接続点Ｊ２から複素乗算回路２１１に入力する。複素乗算回路２１１において、受信信号ｘ１（ｔ）と複素共役信号ｘ１＊（ｔ）とが乗算されると、虚数部が消えて、複素乗算回路２１１から出力される重み係数ｗ１は「１」となる。そのため、複素乗算回路２１２の出力は、ＤＳモジュール１１ａから出力された受信信号ｘ１（ｔ）と実質的に同じとなる。
なお、重み係数ｗｎは、下記の式（３）により求められる。
【００３０】
【数３】
0006956427.tif 000004
ここで、Ｅ［  ］は、ノイズ除去のためにアンサンブル平均を算出することを示している。アンサンブル平均は、下記の式（４）で求めることができる。
【００３１】
【数４】
0006956427.tif 000005
なお、ノイズ除去を行わない場合は、式（３）からＥ［  ］を除いた下記の式（５）により重み係数ｗｎを求めることができる。
【００３２】
【数５】
0006956427.tif 000006
【００３３】
ＤＳモジュール１１ｂから出力された受信信号ｘ２（ｔ）は、信号線Ｌ２の接続点Ｊ６から複素乗算回路２１３に入力する。複素乗算回路２１３では、ＤＳモジュール１１ａ側の複素共役回路２０１で生成された複素共役信号ｘ１＊（ｔ）と受信信号ｘ２（ｔ）とが乗算される。複素乗算回路２１３で乗算された信号は、複素共役回路２０２に入力する。複素共役回路２０２では、受信信号ｘ２（ｔ）と複素共役信号ｘ１＊（ｔ）とが乗算された信号の複素共役信号が生成される。複素共役回路２０２で生成された複素共役信号は、ＤＳモジュール１１ａから出力された受信信号ｘ１（ｔ）と、ＤＳモジュール１１ｂから出力される、補正前の受信信号ｘ２（ｔ）との位相差の成分を含む重み係数ｗ２として複素乗算回路２１４へ入力される。複素乗算回路２１４においては、重み係数ｗ２と受信信号ｘ２（ｔ）とが乗算され、ＤＳモジュール１１ａとＤＳモジュール１１ｂとの位相差が補正された受信信号ｘ２（ｔ）が出力される。
【００３４】
ＤＳモジュール１１ｃから出力された受信信号ｘ３（ｔ）は、信号線Ｌ３の接続点Ｊ７から複素乗算回路２１５に入力する。複素乗算回路２１５では、ＤＳモジュール１１ａ側の複素共役回路２０１で生成された複素共役信号ｘ１＊（ｔ）と受信信号ｘ３（ｔ）とが乗算される。複素乗算回路２１５で乗算された信号は、複素共役回路２０３に入力する。複素共役回路２０３では、受信信号ｘ３（ｔ）と複素共役信号ｘ１＊（ｔ）とが乗算された信号の複素共役信号が生成される。複素共役回路２０３で生成された複素共役信号は、ＤＳモジュール１１ａから出力された受信信号ｘ１（ｔ）と、ＤＳモジュール１１ｃから出力される、補正前の受信信号ｘ３（ｔ）との位相差の成分を含む重み係数ｗ３として複素乗算回路２１６へ入力する。複素乗算回路２１６においては、重み係数ｗ３と受信信号ｘ３（ｔ）とが乗算され、ＤＳモジュール１１ａとＤＳモジュール１１ｃとの位相差が補正された受信信号ｘ３（ｔ）が出力される。
【００３５】
ＤＳモジュール１１ｄから出力された受信信号ｘ４（ｔ）は、信号線Ｌ４の接続点Ｊ８から複素乗算回路２１７に入力する。複素乗算回路２１７では、ＤＳモジュール１１ａ側の複素共役回路２０１で生成された複素共役信号ｘ１＊（ｔ）と受信信号ｘ４（ｔ）とが乗算される。複素乗算回路２１７で乗算された信号は、複素共役回路２０４に入力する。複素共役回路２０４では、受信信号ｘ４（ｔ）と複素共役信号ｘ１＊（ｔ）とが乗算された信号の複素共役信号が生成される。複素共役回路２０４で生成される複素共役信号は、ＤＳモジュール１１ａから出力された受信信号ｘ１（ｔ）と、ＤＳモジュール１１ｄから出力される、補正前の受信信号ｘ４（ｔ）との位相差の成分を含む重み係数ｗ４として複素乗算回路２１８へ入力される。複素乗算回路２１８においては、重み係数ｗ４と受信信号ｘ４（ｔ）とが乗算され、ＤＳモジュール１１ａとＤＳモジュール１１ｄとの位相差が補正された受信信号ｘ４（ｔ）が出力される。
なお、ＤＳモジュール１１の出力として、Ｉ信号とＱ信号（２つの信号の位相差は９０°）がある場合、Ｉ信号を実数部、Ｑ信号を虚数部に割り当てることにより、受信した信号を複素数で表すことができる。この複素数で表される情報に基づいて、上述した位相整合補正装置２０の複素共役回路、複素乗算回路の演算を行うようにしてもよい。
【００３６】
＜加算器３０＞
加算器３０は、位相整合補正装置２０で位相が補正された受信信号ｘ１（ｔ）〜ｘ４（ｔ）を、下記の式（６）に基づいて合成して、加算信号ｘ（ｔ）を出力する回路である。加算器３０で合成された加算信号ｘ（ｔ）は、周波数解析装置４０に出力される。
【００３７】
【数６】
0006956427.tif 000007
【００３８】
＜周波数解析装置４０＞
周波数解析装置４０は、加算器３０から出力された加算信号ｘ（ｔ）から、各ＤＳモジュール１１で計測された移動物体に関する周期スペクトルを抽出する装置である。具体的には、周波数解析装置４０は、基本周期の違いによって重なった波形を分離して、周期スペクトルを出力する回路である。周波数解析装置４０は、入力される波の基本周期に関する事前情報がなくても、波を分離することができる。
なお、周波数解析装置４０は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）等により専用回路を構成してもよいし、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｒ）で実現することもできる。
【００３９】
図２は、周波数解析装置４０の構成を説明する図である。
図２に示すように、本実施形態の周波数解析装置４０は、ｋ（ｋ＝１・・・Ｖ）個の信号出力部４０ａ１、４０ａ２、・・・、４０ａＶと、これに対応するｖ（ｖ＝１、２、・・・、Ｖ）個の積算器として機能する加算器４０ｂ１、４０ｂ２、・・・、４０ｂＶと、最大値検出部４５を備えている。
【００４０】
信号出力部４０ａ１、４０ａ２、・・・、４０ａＶ（以下、「信号出力部４０ａ」ともいう）は、入力される信号ｘ（ｔ）を標本化してパラレルに出力する標本化回路である。より具体的には、信号出力部４０ａ１、４０ａ２、・・・、４０ａＶは、入力される信号ｘ（ｔ）から、予め割り当てられた、それぞれ時間長が異なる区間（基本周期候補区間）に含まれる連続した離散点を抽出してパラレルに出力する。すなわち、基本周波数区間において、抽出する離散点の数（サンプル数）は、信号出力部４０ａ１、４０ａ２、・・・、４０ａＶのそれぞれで異なる。より具体的には、信号出力部４０ａ１、４０ａ２、・・・、４０ａＶは、予め割り当てられた周期の範囲に応じて抽出された、異なるサンプル数を出力ポートから繰り返し出力する。なお、信号出力部４０ａ１、４０ａ２、・・・、４０ａＶに入力される信号ｘ（ｔ）は、離散時間信号である。
【００４１】
例えば、入力する信号ｘ（ｔ）が１４４サンプルであり、信号出力部４０ａ１に設定された、予想される周期の範囲が３サンプルである場合、信号出力部４０ａ１は、連続する３サンプルを４８回繰り返し出力する。また、信号出力部４０ａ２に設定された、予想される周期の範囲が４サンプルである場合、信号出力部４０ａ２は、連続する４サンプルを３６回繰り返し出力する。なお、繰り返し出力する回数を、信号出力部４０ａ１、４０ａ２、・・・、４０ａＶにおいて一律にしてもよい。本実施形態では、信号出力部４０ａ１、４０ａ２、・・・、４０ａＶのうち、信号出力部４０ａ１のサンプル数が最も少なく、信号出力部４０ａ２から順にサンプル数を増やした例を示している。
【００４２】
加算器（加算部）４０ｂ１、４０ｂ２、４０ｂｖ、４０ｂＶは、信号出力部４０ａ１、４０ａ２、・・・、４０ａＶの出力ポートからそれぞれ入力される各サンプルの値を、同一ポートごとに足し合わせて、基本周期候補区間ごとの累積値を算出する回路である。加算器４０ｂ１、４０ｂ２、・・・、４０ｂＶｄは、それぞれに保存している値と、新たに入力される値とを加算し、その加算結果を更新する。
【００４３】
最大値検出部（演算部）４５は、加算器４０ｂ１、４０ｂ２、・・・、４０ｂＶｄの加算結果（累積値）の絶対値を比較し、最も大きな加算結果の絶対値を出力した加算器にサンプル値を出力した信号出力部を特定し、その信号出力部に設定された区間（標本化される最初の離散点と最後の離散点との間）の長さにより決定される距離を基本周期として抽出する。
なお、最大値検出部４５において、加算結果の絶対値の比較方法は、上記に限定されない。例えば、加算器４０ｂ１、４０ｂ２、・・・、４０ｂＶｄでの加算結果について、加算の回数で除算して得た平均値の絶対値を比較するようにしてもよい。また、例えば、加算器４２ａ〜４２ｄのすべての演算結果を正規化して比較するようにしてもよい。
【００４４】
図３及び図４は、信号出力部４０ａにおける処理の一例を説明する図である。以下の説明において、信号出力部４０ａＸ、４０ａＹは、例えば、４０ａ１、４０ａ２、・・・、４０ａＶのいずれかである。
図３は、予想される周期の範囲が８サンプルである場合の例を示している。図３において、信号出力部４０ａＸの出力ポート数は「８」である。このとき、パラメータｇ（予想される周期を１区間の長さとして入力波形を分割した場合、入力波形の初めから数えた該当区間の順番）＝０、１、２、３の場合の各出力ポートそれぞれの値（出力値）はほぼ等しく、同じ波形が出現している。このため、同一の出力ポートごとに出力される信号の値をそれぞれ足し合わせることで、振幅の値が大きな波形となる。したがって、８サンプルが１周期であると判断することができる。
【００４５】
図４は、予想される周期の範囲が７サンプルである場合の例を示している。図４において、信号出力部４０ａＹの出力ポート数は「７」である。このとき、パラメータｇ＝０、１、２、３の場合の各出力ポートそれぞれの値（出力値）は異なり、バラバラの値となる。このため、同一の出力ポートごとに値を足し合わせると互いに打ち消し合い、振幅の値が小さな波形となる。
【００４６】
このように、周期が一致している波の離散値を足していくと、段々と絶対値が大きくなる。一方、周期が一致していない波の離散値を足しも互いに打ち消し合うため絶対値は大きくならない。したがって、絶対値が最も大きくなる加算器に対応する信号出力部の抽出区間の長さを検出することにより、基本周期を容易に発見することができる。
また、最大値検出部４５は、最も大きな積算結果を１となるようにすべての積算結果の絶対値を正規化し、正規化された積層結果の絶対値と、０以上１以下の閾値とを比較して、入力される離散時間信号に含まれる信号の数と、それぞれの周期と、を判定することができる。
なお、上述した周波数解析装置４０は、特願２０２０−００６１２８の明細書及び図面に記載された周期フィルタ（５）を適用したものである。
【００４７】
＜生体情報解析装置５０＞
生体情報解析装置５０は、周波数解析装置４０から出力された周期スペクトルを解析して、移動物体（生体）の有無、移動方向（接近／離反）、移動速度、呼吸数、心拍等の生体情報を検出する装置である。
生体情報解析装置５０による解析結果は、例えば、通信回線（不図示）を介して、管理者の操作するパーソナルコンピュータ（以下、「管理者側ＰＣ」ともいう）に出力される。
【００４８】
上述した第１実施形態のＤＳユニット１によれば、例えば、以下のような効果を奏する。
第１実施形態のＤＳユニット１は、位相整合補正装置２０において、各ＤＳモジュール１１からの受信信号ｘ１（ｔ）〜ｘ４（ｔ）の位相が同一となるように補正されるため、それらの信号を加算器３０で加算することにより、信号数の分だけ出力を大きくすることができる。したがって、第１実施形態のＤＳユニット１においては、移動物体の計測距離及び計測可能な角度をより拡大することができる。なお、複数の受信信号を単純に加算すると、信号同士が打ち消し合い、出力が小さくなることがある。しかし、第１実施形態ＤＳユニット１によれば、各ＤＳモジュール１１からの受信信号の位相が同一なるように補正されることにより、信号同士の打ち消し合いを生じることがない。そのため、各ドップラーセンサ部１０（図１参照）がどのように配置されていても、より大きな出力を得ることができる。また、計測中の移動物体（計測対象物）の位置が変化すると、受信信号の位相関係も変化してしまうが、本実施形態のＤＳユニット１によれば、方向が変化する信号に対して自動的に補正、合成が行われるため、移動物体を自動追尾することも可能となる。
【００４９】
上述した第１実施形態のＤＳユニット１は、ＤＳモジュール１１から発信される送信信号（送信波）を異なる方向に順次走査することにより、不特定多数の人の生体計測が可能となる。以下、送信信号及び受信信号の走査機構を備えたドップラーセンサシステム２（第２実施形態）及び２Ａ（第３実施形態）の構成について説明する。ドップラーセンサシステム２及び２Ａは、少なくとも１つのＤＳユニット１と、送信信号及び受信信号の走査機構を備えることにより構成されるシステムである。
【００５０】
（第２実施形態）
図５は、ドップラーセンサシステム２の構成及び機能を説明する図である。第２実施形態のドップラーセンサシステム（以下、「ＤＳシステム」ともいう）２は、第１実施形態のＤＳユニット１と、このＤＳユニット１を機械的に走査する機構（後述）を備えている。第２実施形態のＤＳシステム２は、例えば、生体計測の対象となる複数の被験者（移動物体）Ｐが存在している室内に設置される。
図５に示すように、第２実施形態のＤＳシステム２は、ＤＳユニット１を機械的に走査する機構として、ＤＳモジュール走査装置６０を備えている。第２実施形態のＤＳシステム２において、ＤＳユニット１の基本的な構成は第１実施形態と同じであるため、第１実施形態と同じ構成部材には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００５１】
ＤＳモジュール走査装置６０は、センサ保持部６１、センサ駆動部６２及び駆動制御部６３により構成されている。
センサ保持部６１は、ＤＳユニット１を保持する部分である。本形態におけるＤＳユニット１は、例えば、ドップラーセンサ部１０、位相整合補正装置２０及び加算器３０が１つの筐体内に収納され、周波数解析装置４０及び生体情報解析装置５０が外部装置として接続されている。図５では、上記各部を収納した１つの筐体としてのＤＳユニット１を示しており、周波数解析装置４０、生体情報解析装置５０の図示を省略している。
センサ保持部６１は、回転軸ａ１でセンサ駆動部６２と連結されている。図５において、回転軸ａ１を通り、ＤＳユニット１のセンサ面と直交する線がセンサ軸ａ２となる。
【００５２】
センサ駆動部６２は、回転軸ａ１を中心としてセンサ保持部６１を矢印方向Ａ１に沿って回動させる機能と、回転軸ａ３を中心としてセンサ保持部６１を図中の矢印方向Ａ２に沿って回動させる機能を有する。回転軸ａ３は、鉛直方向と一致する。
駆動制御部６３は、センサ保持部６１が所定の方向に回動するようにセンサ駆動部６２の動作を制御する。駆動制御部６３は、管理者の操作するＰＣに接続されている。管理者は、自らの操作するＰＣを介して、センサ保持部６１（ＤＳユニット１）の回動方向、回動量等を制御することができる。
【００５３】
ＤＳシステム２においては、例えば、以下に示すような（１）〜（３）の動作が実行される。
（１）ＤＳユニット１のセンサ軸ａ２が空間内の方向Ｄ１へ向くようにセンサ保持部６１を回動させて生体計測を開始し、生体情報解析装置５０の解析結果を管理者側ＰＣに出力する。
（２）ＤＳユニット１のセンサ軸ａ２が空間内の方向Ｄ２へ向くようにセンサ保持部６１を回動させて生体計測を開始し、生体情報解析装置５０の解析結果を管理者側ＰＣに出力する。
（３）ＤＳユニット１のセンサ軸ａ２が空間内の方向Ｄ３へ向くようにセンサ保持部６１を回動させて生体計測を開始し、生体情報解析装置５０の解析結果を管理者側ＰＣに出力する。
【００５４】
第２実施形態のドップラーセンサシステム２において、上記（１）〜（３）の動作を繰り返し実行することにより、不特定多数の被験者Ｐの生体情報を検出することができる。また、個々の被験者Ｐに関する情報と、空間内に存在する方向及び位置関係を結び付けることもできる。
【００５５】
（第３実施形態）
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、ドップラーセンサシステム２Ａの構成及び機能を説明する図である。第３実施形態のＤＳ（ドップラーセンサ）システム２Ａは、第１実施形態のＤＳユニット１と、このＤＳユニット１（ドップラーセンサ部１０）から送信信号を送信する方向及び受信信号を受信する方向を電子的に走査する機構（後述）を備えている。第３実施形態のＤＳシステム２Ａは、例えば、生体計測の対象となる複数の被験者Ｐ（図５参照）が存在している室内に設置される。なお、図６では、第３実施形態のＤＳシステム２Ａにおいて、アンテナモジュール１３０のみを図示すると共に、被験者Ｐ（以下、単に「被験者」ともいう）等の図示を省略している。
【００５６】
第３実施形態において、１つのアンテナモジュール１３０は、例えば、図１に示すドップラーセンサ部１０における１つのアンテナ１３とその周辺回路に相当する。
図６に示すように、アンテナモジュール１３０は、４つの送受信用のアンテナ１３１と、それぞれのアンテナ１３１に接続された４つのアンプ１３２により構成されている。本実施形態において、アンテナモジュール１３０は、送受信用のアンテナモジュールとして構成されている。各アンテナ１３１からは、送信信号の反射波として受信信号AT１（ｔ）、AT２（ｔ）、AT３（ｔ）及びAT４（ｔ）が出力される。各アンテナ１３１から出力された受信信号AT１（ｔ）〜AT４（ｔ）は、それぞれアンプ１３２で増幅された後、位相調整装置１３３に入力する。アンプ１３２による信号の増幅は、受信信号と送信信号の両方に対して行ってもよいし、受信信号に対してのみ行ってもよい。なお、アンテナ１３１とアンプ１３２の組み合わせは、少なくとも２つあればよく、５以上あってもよい。
【００５７】
位相調整装置１３３は、接続された各アンテナ１３１において、送信信号を送信する方向及び受信信号を受信する方向を電子的に調整する回路である。具体的には、位相調整装置１３３において、各アンテナ１３１に与える位相をそれぞれ早めたり、遅くしたりすることにより、送信信号を送信する方向及び受信信号を受信する方向を電子的に調整することができる。
【００５８】
図６（Ａ）は、各アンテナ１３１に与える位相をそれぞれθ分だけ早くした例を示している。各アンテナ１３１に与える位相をそれぞれθ分だけ早くすることにより、各アンテナ１３１において、送信信号を送信する方向及び受信信号を受信する方向を、例えば、図の左側に向けることができる。
【００５９】
図６（Ｂ）は、各アンテナ１３１に与える位相のずれをそれぞれゼロとした例を示している。各アンテナ１３１に与える位相のずれをそれぞれゼロとすることにより、各アンテナ１３１において、送信信号を送信する方向及び受信信号を受信する方向を図中の正面側に向けることができる。
【００６０】
図６（Ｃ）は、各アンテナ１３１に与える位相をそれぞれθ分だけ遅くした例を示している。各アンテナ１３１に与える位相をそれぞれθ分だけ遅くすることにより、各アンテナ１３１において、送信信号を送信する方向及び受信信号を受信する方向を、例えば、図の右側に向けることができる。
【００６１】
第３実施形態のドップラーセンサシステム２Ａにおいて、上記図６（Ａ）〜図６（Ｃ）の動作を繰り返し実行することにより、不特定多数の被験者の生体情報を計測することができる。また、個々の被験者に関する情報と、空間内に存在する方向及び位置関係を結び付けることもできる。
なお、第３実施形態のドップラーセンサシステム２Ａにおいて、送信用のアンテナモジュールと受信用アンテナモジュールとを別々に設けた構成としてもよい。
【００６２】
（第４実施形態）
図７（Ａ）〜（Ｃ）は、ドップラーセンサシステム２Ｂの構成及び機能を説明する図である。図７（Ａ）〜（Ｃ）では、ＤＳシステム２Ｂを構成するＤＳユニット１ａ〜１ｅのうち、ＤＳユニット１ａを、送信信号を送信する方向及び受信信号を受信する方向が略水平となるように設置した状態において、ＤＳユニット１ａ〜１ｅを正面から見たときの左右方向をＸ（Ｘ１−Ｘ２）方向、上下方向をＹ（Ｙ１−Ｙ２）方向、前後方向をＺ（Ｚ１−Ｚ２）方向とする。
【００６３】
第４実施形態のＤＳシステム２Ｂは、ＤＳユニット１を複数方向に向けて複数台設置している点が第２及び第３実施形態のＤＳシステムと相違する。第４実施形態のＤＳシステム２Ｂは、例えば、生体計測の対象となる複数の被験者Ｐ（図５参照）が存在している室内において、被験者Ｐの側方に向くように設置される。なお、図７（Ａ）〜（Ｃ）では、第４実施形態のＤＳシステム２Ｂにおいて、ＤＳユニット１ａ〜１ｅの筐体のみを図示すると共に、被験者Ｐの図示を省略している。
【００６４】
図７（Ａ）に示すように、第４実施形態のドップラーセンサシステム２Ｂは、ＤＳユニット１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ及び１ｅを備えている。このうち、ＤＳユニット１ａは、図７（Ａ）に示すように、被験者の正面方向（Ｚ１方向）にセンサ面Ｓが向くように設置されている。
図７（Ａ）に示すように、ＤＳユニット１ａの左右方向（Ｘ方向）には、ＤＳユニット１ｂ及び１ｃが設置されている。ＤＳユニット１ｂ及び１ｃは、図７（Ｂ）に示すように、被験者の左右方向（Ｘ１−Ｘ２方向）にセンサ面Ｓが向くようにそれぞれ設置されている。
【００６５】
図７（Ａ）に示すように、ＤＳユニット１ａの上下方向（Ｙ方向）には、ＤＳユニット１ｄ及び１ｅが設置されている。ＤＳユニット１ｄ及び１ｅは、図７（Ｃ）に示すように、被験者の上下方向（Ｙ１−Ｙ２方向）にセンサ面Ｓが向くようにそれぞれ設置されている。
ＤＳユニット１ａ〜１ｅは、それぞれ所定の場所に設置された状態で送信信号の送信及び受信信号の受信を行う。なお、ＤＳユニット１ａ〜１ｅにおける送信信号及び受信信号の送受信は、すべて同時に実施してもよいし、所定の順番で１台ずつ又は複数台ずつ実施してもよい。なお、図７（Ａ）〜（Ｃ）では、センサ面Ｓを概念的に示しており、実際のセンサ面とは異なる。
【００６６】
第４実施形態のＤＳシステム２Ｂは、ＤＳユニット１ａ〜１ｅから送信信号の送信及び受信信号の受信を行うことにより、不特定多数の被験者の生体情報を計測することができる。また、個々の被験者に関する情報と、空間内に存在する方向及び位置関係を結び付けることもできる。また、第４実施形態のＤＳシステム２Ｂによれば、ＤＳユニット１ａ〜１ｅから送信信号を送信する方向及び受信信号を受信する方向を走査する必要がないので、計測のレスポンスを向上させることができる。更に、第４実施形態のＤＳシステム２Ｂは、ＤＳユニット１ａ〜１ｅのそれぞれの位置が固定されているため、例えば、健康状態に異常のある被験者の位置を特定することもできる。
【００６７】
（変形形態）
第１実施形態のＤＳユニット１において、前述した位相整合補正装置２０の機能は、図１に示すようなデジタル回路で実現する例に限らず、ソフトウェアで実現するようにしてもよい。例えば、ＣＰＵ等の演算処理装置、位相補正処理を実行するためのアプリケーションソフトウェア、ＯＳ等を格納したＲＯＭ、演算処理装置がプログラムを実行する上で一時的に必要とされるデータを格納するためのＲＡＭ等を備えたコンピュータシステムを用いて、演算処理装置がＲＯＭからアプリケーションソフトウェアやＯＳを読み込み、これらアプリケーションソフトウェアやＯＳをＲＡＭに展開させながら演算処理を行うことにより、位相整合補正装置２０の機能を実現することができる。
【００６８】
第２実施形態のＤＳシステム２において、ＤＳユニット１を保持したＤＳモジュール走査装置６０を、複数設置してもよい。
第３実施形態のＤＳシステム２Ａにおいて、ＤＳユニット１を機械的に走査する機構（第２実施形態）を適用してもよい。
【００６９】
第４実施形態のＤＳシステム２Ｂにおいて、ＤＳユニット１ａ〜１ｅを設置する間隔、被験者に対する角度等は適宜に設定可能であり、上記の例に限定されない。また、ＸＹＺの各方向に配置するＤＳユニット１の個数は、使用目的等に応じて適宜に設定可能であり、上記の例に限定されない。例えば、被験者の正面方向（Ｚ１方向）にセンサ面Ｓが向くように、複数のＤＳユニット１を設置してもよい。更に、第４実施形態のＤＳシステム２Ｂにおいて、ＤＳユニット１ａ〜１ｅを機械的に走査する機構（第２実施形態）を適用してもよいし、電子的に走査する機構（第３実施形態）を適用してもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１，１ａ〜１ｅ：ドップラーセンサユニット（ＤＳユニット）
２，２Ａ，２Ｂ：ドップラーセンサシステム（ＤＳシステム）
１０：ドップラーセンサ部
１１，１１ａ〜１１ｄ：ドップラーセンサモジュール（ＤＳモジュール）
２０：位相整合補正装置
３０：加算器
４０：周波数解析装置
５０：生体情報解析装置
６０：モジュール走査装置
１３０：アンテナモジュール
１３１：アンテナ
１３２：アンプ
１３３：位相調整装置
【要約】
【課題】移動物体の計測距離及び計測可能な角度をより拡大することができるドップラーセンサユニットを提供すること。
【解決手段】ドップラーセンサユニット１は、移動物体に向けて送信信号を発信し、移動物体からの反射波である受信信号を受信する、複数のドップラーセンサモジュール１１と、複数のドップラーセンサモジュール１１で受信した、それぞれの前記受信信号の位相が同一となるように補正する位相整合補正装置２０と、位相整合補正装置２０で位相が補正された複数の前記受信信号を合成する加算器３０と、を備える。
【選択図】図１【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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