JP2007178140A - 物体検知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサの真下付近から遠方を含む所定の監視領域に対して物体の位置を精度良く計測することができる物体検知センサを提供すること。
【解決手段】監視領域を物体検知センサ２からの距離に応じて複数の監視区画１１，１２，１３に分割し、各区画を検知範囲とする複数のアンテナ３，４，５を切り替えて使用する。各アンテナ３，４，５の俯角方向のビーム幅は、物体検知センサ２の設置位置から遠い側を監視するアンテナほど小さくする。信号処理回路８において電波レーダの出力情報と電波照射経路とを照合することによって、設置した物体検知センサ２の真下を含む領域において物体の監視面内での位置を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、屋内及び屋外において物体の存在を検知し、特に人物のような物体を上方から検知する物体検知センサに関する。

屋内及び屋外の所定の領域を監視し侵入者を検知するセンサとして、一般的にカメラや赤外線を用いたセキュリティシステムがある。

天候や昼夜等の周囲の環境変化の影響を受けにくい物体検知センサとして、例えば、電波によるレーダを用い、予め記憶しておいた周辺状況周波数スペクトルと、侵入者が存在するときの周波数スペクトルとを比較することにより、侵入者を検知する検知装置が特許文献１に開示されている。

また別の例として、建物から建物外の所定の領域へ電波を放射したときの物体からの反射波に基づいて物体の侵入を検知するようにしたシステムが特許文献２に開示されている。
特開２０００−３３８２３１号公報 特開２００３−１８７３４２号公報

ところで、前記のような物体検知センサの技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。

例えば、特許文献２のように、地面に向けて下方に角度の狭いビームを放射するレーダセンサでは、建物の屋根付近などの高所にレーダセンサを設置した場合、放射電波と地面が交わる領域周辺でしか侵入者等を検知することができず、レーダセンサの真下付近から広い範囲の物体を検知することは困難であった。このことを、図１０を用いて詳しく説明する。

図１０（Ａ）は電波レーダを用いた一般的な物体検知センサ１４の設置形態を側面から見た図であり、図１０（Ｂ）は上側から見た平面図である。ここで、本明細書における監視面、監視領域、監視角度、頂点を図１０（Ａ），（Ｂ）を参照して定義する。水平面３４（例えば地面）の上の監視を行なう範囲を監視面３５、監視面３５から離れた場所に設定される頂点（例えば物体検知センサ１４を設置する場所）と監視面３５とで成す円錐状の三次元領域を監視領域１６と言う。

また図１０（Ａ）に示す側面図において、頂点から監視面３５に向かって成す監視領域１６の角度を監視角度αと言う。このような定義のもとで、監視領域１６は、頂点から監視面３５に向けて監視角度αを成して形成されると言うことができる。

さらに、物体検知センサ１４を頂点に設置し、電波を監視面３５に向けて放射するとき、物体検知センサ１４のアンテナを下方に向けることになるが、アンテナから放射されるビームの中心軸方向と水平面とがなす角度を俯角と言うこととする。

さて、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、アンテナに俯角を持たせることによって地面に向けて下方に放射する角度の狭いビームを用いた一般的な物体検知センサでは、検知可能な監視領域１６より建物１５に近い領域に存在する物体は検知することはできない。

そこで、検知不能領域を補うために、図１１に示すように下方に角度幅の広い電波を放射するアンテナを備えた物体検知センサ１７を使用することが考えられる。しかしこの場合は、物体検知センサ１７の真下からターゲットまでの距離を精度良く測定できないことがある。

このことを直立している人体１０を検知した場合について説明する。物体検知センサ１７と頭部までの距離が計測された場合、物体検知センサ１７を中心とし頭部までの距離を半径に持つ円周上で、なおかつ電波の放射経路内に収まっている破線１８上に対象物のあることが判断できる。足下までの距離が測定された場合も同様である。そのため監視面内での位置に換算すると両矢印１９の内側に対象物が存在するという情報しか得られず、その位置特定は不確定性の大きいものになり、例えば監視領域内に複数の物体が存在した場合に切り分けが困難である等の問題がある。

また、放射可能な電波の電力強度には電波法上の制限があり、図１１のように、監視面に向けて下方に、即ち鉛直方向に広角化したアンテナを使用した場合にはアンテナの利得が低下する。そのため、角度幅の狭い電波を放射するアンテナを使用した場合と比べて検知可能な最大距離が短くなることが避けられない。

そこで、本発明の目的は、センサの真下付近を含む所定の監視領域に対して最低限の装置規模で物体の位置を精度良く計測することができる物体検知センサを提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、本発明による物体検知センサは、アンテナから電波を放射して監視領域に存在する物体からの反射波を受信するレーダ装置と、前記レーダ装置の出力信号を入力して物体検知のための演算を行なう信号処理回路とを具備する。さらに、前記レーダ装置は、俯角が小さいものほど、ビーム幅が小さい複数のアンテナで構成される。このとき、これら複数のアンテナを選択することによって、１個のアンテナのビーム中心の俯角を変化させて、前記監視領域に対する物体検知が行なわれる。

監視角度が広い監視領域に対して、ビーム幅が監視角度よりも狭いアンテナを用いることが可能であり、さらに、検知すべき距離が遠いアンテナほど、ビーム幅が小さく、アンテナ利得を大きく設定することが可能となるので、センサの真下付近から遠方まで含む所定の監視領域に対して物体の位置を精度良く計測することが可能になる。

本発明によれば、センサの真下付近から遠方までを含む所定の監視領域に対して、最低限の装置規模で物体の位置を精度良く計測することができる物体検知センサを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施形態１）
本発明の実施形態１について図１、図２（Ａ），（Ｂ）、図３（Ａ），（Ｂ）及び図４を用いて説明する。

図１は、本実施形態１の物体検知センサ２の構成を示す図である。物体検知センサ２は、電波レーダ装置１と、電波レーダ装置１からの検知信号を処理する信号処理回路（ＰＲＯＣ）８と、信号処理回路８からの信号に基づきアンテナ切り替えを指令するアンテナ切替司令部（ＳＷ−ＣＴＲＬ）９とを含んで構成される。さらに、電波レーダ装置１は、３つの異なる俯角を持って設置されたアンテナ３，４，５と、アンテナ切替司令部９によってアンテナ３，４，５を切り替えるアンテナ切替スイッチ６と、アンテナ切替スイッチ６との間で送受信信号の授受を行なうとともに、信号処理回路８に検知信号を出力する高周波回路（ＲＦ）７とを含んで構成される。ここで電波レーダ装置１として、例えば２４ＧＨｚ帯レーダや７６ＧＨｚ帯レーダが用いられる。

図３（Ａ）を用いて物体検知原理として２周波ＣＷ（Continuous Wave）方式を採用した場合の電波レーダ装置１および電波レーダ装置１を含む物体検知センサ２の説明を詳細に行なう。

電波レーダ装置１は、送信系に変調器（ＭＯＤ）２０、発振器２１と送信アンテナ３ａ，４ａ，５ａを備え、受信系に受信アンテナ３ｂ，４ｂ，５ｂとミキサ２２、アナログ増幅回路２３、Ａ／Ｄ（Analog-to-Digital）コンバータ２４を備えている。

送信アンテナの俯角とビーム幅は各々異ならせるようにする。アンテナのビーム幅は俯角に応じて決定され、俯角が小さくなるほどビーム幅を小さくする。例えば高所に設置された電波レーダ装置１から遠方を監視する場合は、送信アンテナの俯角は小さくなり、それに応じてビーム幅が小さくすることにより、遠方においても十分な受信強度を得ることが可能となる。

また送信アンテナ同様に、各受信アンテナも各々異なる俯角とビーム幅をもっており、送信アンテナ同様、ビーム幅は俯角に応じて決定され、俯角が小さくなるほどビーム幅は小さくするように設定される。

送信アンテナと一対となる受信アンテナ（例えば３ａ，３ｂ）は各々同じ方向に向けられ、各々の俯角とビーム幅を、一致させることにより、監視領域内の物体からの反射波を十分な受信強度で得ることが可能となる。

また、複数のアンテナを切り替えて使用するためのアンテナ切替スイッチ６を備えている。

発振器２１は、信号処理回路８からの指令に基づき、変調器２０からの変調信号に基づく周波数で高周波信号を発振する。発振器から発振された高周波信号はアンテナ切替司令部９からの指令に基づいて選択された１個のアンテナ、例えば送信アンテナ３ａからの照射波として予め設定された検知エリアに向けて照射される。照射された照射波は物体等で反射して受信アンテナ（例えば３ｂ）で受信される。

複数のアンテナを切り替える方法としては、アンテナ切替司令部９からの指令によりアンテナ３，４，５を例えば時間的に順次切り替えて使用することで電波照射領域全体を監視することができるようになる。アンテナ切替司令部は、信号処理回路８からの信号に基づき、電波を照射する送信アンテナを順次切り替えるとともに、その切替タイミングに同期して、対応する受信アンテナが選択される。

次にいずれか一対のアンテナ、例えばアンテナ３ａ，３ｂが選択された場合のレーダによる物体検知原理、即ち物体から電波レーダ装置１までの距離及び検知物体の移動速度の計測原理と出力情報を説明する。

２周波ＣＷ方式レーダの場合、発振器２１へ変調信号を入力し、図４に示すような２つの周波数ｆ１、ｆ２を信号処理回路８からの信号により時間的に切り替えながら電波を送信する。図４において、縦軸は周波数、横軸は時間である。送信アンテナ３ａから送信された電波は照射内の人体１０で反射され、返ってきた電波信号は受信アンテナ３ｂにより受信される。この受信信号はミキサ回路２２で発振信号とミキシングされることによって低周波信号が生成され、アナログ増幅回路２３へ出力される。アナログ増幅回路２３で増幅され出力された信号はＡ／Ｄコンバータ２４によってディジタル信号に変換された後、信号処理回路８に送られる。

信号処理回路８は、Ａ／Ｄコンバータ２４からのディジタル信号に対して高速フーリエ変換処理を施して周波数スペクトルを求める。監視領域内に移動物体が存在する場合、移動物体からの反射信号により、周波数スペクトル上にピークが観測され、ピークとなる周波数をドップラー周波数として抽出する。抽出したドップラー周波数と位相を計測することにより、以下に説明する原理によって物体の移動速度及び電波レーダ装置１から物体までの距離が算出される。

物体の移動速度（ｖ）は、次式（１）から、
ｖ＝ｃ×ｆｄ／（２ｆ） ・・・（１）
となる。ここで、ｃは光速、ｆｄはドップラー周波数、ｆは発振周波数である。

また抽出されたドップラー周波数ｆｄに対し送信周波数ｆ１と送信周波数ｆ２のそれぞれに対する位相を計測し、その位相差Φから２周波ＣＷ方式の原理に基づいて次式（２）により距離（Range）が、
Range＝ｃ×Φ／（４π×Δｆ） ・・・（２）
として算出される。ここで、Δｆ＝ｆ２−ｆ１である。

複数のアンテナを切り替える場合は、受信タイミングに応じて、いずれの受信アンテナで受信した信号かがわかることになる。従って、上述のように求められた物体の速度と距離に加えて、どの受信アンテナが監視している範囲に物体が存在するかを求めることができる。

なお、距離、速度検知の方式は、ＦＭ−ＣＷ方式やパルス方式を採用しても同じ効果が得られることは言うまでもない。これらの方式を採用した場合は、静止物も検知可能となるため侵入物体が移動していなくともその存在を検知することが可能となる。また、物体の方位角を検出することが求められる場合には、実施形態２で述べるモノパルス方式のほか、アンテナを機械的に回転させる方法、或いは電子的にビーム照射の方位角方向を変える方法等を採用しても良い。

以下、物体検知センサの適用対象の例として、戸建住宅の屋外監視を採り上げる。勿論、本発明はこの適用に限定されない。また、以下では、監視領域を３つのアンテナで分割して物体検知を行なう場合を例に採って説明する。なお、監視領域を複数の区画に分割したときの各区画を監視区画と言うことにする。本実施例では簡単のために、監視領域を３つの監視区画に分割した例について説明するが、実際には、監視領域の分割は、分割した各監視区画にて、対象とする物体（例えば人体）からの反射波の受信強度がほぼ一定かつ十分な強度で得られるように決定される。具体的には、監視領域の大きさ、アンテナの設置高さ等に基づいて、必要なアンテナ数、各アンテナの俯角および俯角に応じたビーム幅が決定される。

図１では、監視領域は監視区画１１，１２，１３に分けられ、検知対象の物体としての人体１０が監視区画１１，１２に跨って存在している。

アンテナ３，４，５から放射されるビーム中心は、上記設置により、それぞれ互いに異なる角度、即ち俯角を成すこととなる。それにより、アンテナ３，４，５から、それぞれの監視区画１１，１２，１３に向けて電波が放射される。アンテナ３，４，５のそれぞれ下方への電波放射の広がり、即ち俯角方向のビーム幅は、各々異なり監視領域をカバーする角度よりも狭い。また送信アンテナと受信アンテナは1対となっており、各送信アンテナと受信アンテナの俯角とビーム幅は一致する。

図２（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ建物１５の壁の上方に設置した物体検知センサ２とその電波照射範囲を側面から見た図及び上側から見た平面図である。各アンテナはレーダ設置位置の真下からの距離が異なる監視区画１１，１２，１３を照射範囲としている。図２（Ａ）において、監視区画１１，１２，１３の全体によって監視角度αの監視領域が形成される。図２（Ａ），（Ｂ）においてφ１、φ２、φ３はアンテナの垂直方向のビーム幅を示し、θ１、θ２、θ３は水平方向のビーム幅を示す。

本実施形態では建物１５から遠い側を監視するアンテナほど俯角方向のビーム幅を小さくしている。そのため遠方を監視するアンテナほど利得が大きくなり、移動物体が遠方にあっても反射した電波を十分な受信強度で検知できる。さらに俯角を小さく設定することでより遠くまで監視することも可能となる。一方、近い側を監視するアンテナについては、俯角方向のビーム幅を大きくすることにより、一つのアンテナで監視できる範囲を距離方向に広く取ることができるので監視したい領域を少ないアンテナ数で隙間なく監視できるようになる。尚ビーム幅は俯角方向だけでなく、アンテナの俯角に応じて水平方向のビーム幅を小さくすることにより、アンテナから遠方を監視するようにしてもよい。

図５はアンテナ４ａ，４ｂの電波照射領域内で物体（人体１０）が検知された場合の図を示している。信号処理回路８はアンテナ４から放射される電波のビーム幅、俯角及び物体検知センサ２の設置高さ等を記憶しており、人体１０の頭部及び足下部で反射された電波から距離を計測することにより、人体１０の存在範囲にそれぞれ点線部２５，２６上にあることが判断される。点線部２５、２６を監視面に投影する演算を信号処理回路８が行なうことにより、人体１０の監視面内での距離が両矢印２７の範囲として算出される。両矢印２７の範囲は、図１１に示した両矢印１９の範囲よりも短く、図１１の場合に比べて目標物体の計測位置精度が向上している。

上記説明では、各監視区画を検知範囲とする一対の送受信アンテナを３対備えた構成を例に採って説明したが、送信アンテナ又は受信アンテナのいずれかを複数備えてそれらを切り替え、他方のアンテナは３監視区画１１、１２、１３の全体、即ち全ての監視領域をカバーするように構成しても良い。

送信アンテナを１つとし、受信アンテナを３つとする場合の構成例を、図３（Ｂ）に示す。この場合、送信アンテナ１００の俯角とビーム幅は送信アンテナ１００から放射される電波が監視領域全体に広がるようにし、受信アンテナ３ｂ，４ｂ，５ｂは各監視区画から反射波を受信できるようにそれぞれ俯角及びビーム幅を異ならせて設定する。この場合、第一の実施形態のように、送信アンテナの切替制御を不要にできる。

図３（Ｂ）において、アンテナ切り替え司令部９は、信号処理回路８からの送信信号の出力タイミングに基づき、順次３つの受信アンテナ３ｂ、４ｂ、５ｂの切り替え制御を行なう。

また、図示しないが、送信アンテナを複数とし、受信アンテナを単数とすることもできる。

この場合、送信アンテナは、監視領域を複数に分割した監視区画をそれぞれカバーするように俯角及びビーム幅を設定する。他方、受信アンテナでは監視領域全体から反射波を受信できるように俯角及びビーム幅を設定する。

そして、送信アンテナを順次切替えて、電波送信し、信号処理回路８にて、送信した送信アンテナの監視区画と受信した反射波の信号を対応付けし、物体の検知判断を行なう。

従って、第一の実施形態のような受信アンテナの切替制御を不要にできる。

以上のように送信アンテナか受信アンテナのいずれか一方を一つのアンテナで広角化することにより、装置の小型化、低コスト化が実現できる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２について図６（Ａ），（Ｂ）及び図７を用いて説明する。本実施形態２では、方位角を計測するためにモノパルス方式が採用される。本実施形態２の物体検知センサの基本構成は、図１及び図３に示す通りである。モノパルス方式では、受信アンテナは２分割され、分割された２個の受信アンテナから受信された電力の和信号と差信号から方位角が算出される。和信号（Ｓｕｍ）と差信号（Ｄｉｆｆ）のそれぞれの方位角依存強度は図６（Ａ）のようになり、これから、差信号に対する和信号の比Ｄｉｆｆ／Ｓｕｍを求めると図６（Ｂ）のようになる。算出した比を縦軸に与え、それを図６（Ｂ）の曲線へ辿ると、角度を表す横軸に方位角θtが求められる。以上の演算が信号処理回路８で行なわれる。

モノパルス方式で用いられるアンテナの構成例を図７に示す。各アンテナはパッチアンテナを用いて構成され、それぞれ３対の送受信アンテナが平面状に並べられる。送信アンテナ３ａ，４ａ，５ａのそれぞれに給電点が設けられる。また、受信アンテナ３ｂはアンテナ３ｂ１とアンテナ３ｂ２に分割され、受信アンテナ４ｂはアンテナ４ｂ１とアンテナ４ｂ２に分割され、受信アンテナ５ｂはアンテナ５ｂ１とアンテナ５ｂ２に分割され、それぞれに給電点が設けられる。３対の送受信アンテナのビーム中心には互いに異なる俯角が与えられる。本実施例では、送信アンテナ３ａ，受信アンテナ３ｂ１、３ｂ２の上半分の給電線が長く、送信アンテナ５ａ、受信アンテナ５ｂ１、５ｂ２の下半分の給電線が長く設定することによりアンテナの指向性を調整する。このように給電線の長さでアンテナの指向性を調整することにより、アンテナ面を１つの平面上で実現することができ、物理的にアンテナ面を傾ける機構を設ける必要がないため、小型化、低コスト化することが可能となる。

なお、パッチアンテナ以外のアンテナでも前記モノパルス方式を実現可能であることは言うまでもない。また、モノパルス方式では、物体までの距離については求めることができないが、方位角を算出したアンテナの区別で、そのアンテナの監視区画内に物体が存在することが識別可能である。なお、前記実施形態１の２周波ＣＷ方式等と併用することにより、物体までの方位角と距離の両方を求めることが可能となるため、さらに精度良く物体の存在範囲を求めることができる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３について図８を用いて説明する。本実施形態３では、監視領域の分割区画数がさらに増加され、それに伴って物体検知センサのアンテナ数が増加される。なお、俯角方向のビーム幅は、各監視区画で地面上の同一高さの物体（人体など）から反射される電波の受信強度がほぼ一定になるように設計されるため、建物１５から遠い側を監視するアンテナほど小さくなる。監視領域を例えば７つの区画に分けた場合の物体検知センサ３０が図８に示される。このように分割数を細かくすることで、監視面内の距離において、両矢印の範囲が狭くなり、目標物体の計測位置精度がさらに向上する。

（実施形態４）
本発明の実施形態４について図９を用いて説明する。図９に示すように、物体検知センサ２は、建物１５から離れた場所に設置することも可能である。外灯や立ち木等の柱状の物３２に設置することにより、物体検知センサ２が設置されていることを侵入者に察知され難くすることができる。

また、前記実施形態１の場合のように、建物１５に物体検知センサ２を設置した場合、本発明により、物体検知センサ２の真下付近の物体検知が可能になるが、電波はアンテナから扇状に放射されるため、図２（Ｂ）に示すように真下付近の水平方向の検知可能な範囲は狭くなる。本実施形態４では、柱状の物３２の位置に物体検知センサ２を設置することにより、建物１５に設置した場合の真下付近の水平方向の検知可能範囲を広げることができる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、ＦＡシステム、セキュリティシステム等において利用可能である。

本発明の実施形態１に係る物体検知センサの構成を示す図である。 本発明の実施形態１の物体検知センサを説明するための図であり、（Ａ）は水平方向から見た見取り図、（Ｂ）は平面図を示す。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施形態１の物体検知センサの回路構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態１において、２周波ＣＷ方式の変調信号を説明するための図である。 本発明の実施形態１における監視面内での距離測定方法を説明するための水平方向から見た見取り図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施形態２で採用されるモノパルス方式による方位角測定原理を示す図である。 本発明の実施形態２で用いるモノパルス方式のアンテナを説明するための平面図である。 本発明の実施形態３を説明するための水平方向から見た見取り図である。 本発明の実施形態４を説明するための水平方向から見た見取り図である。 本発明の前提として検討した電波放射角度の狭いレーダセンサを説明するための図であり、（Ａ）は水平方向から見た見取り図、（Ｂ）は平面図を示す。 本発明の前提として検討した電波放射角度の広い電波レーダを説明するための水平方向から見た見取り図である。

符号の説明

１ 電波レーダ装置
２，１４，１７，３０ 物体検知センサ
３，４，５ アンテナ
３ａ，４ａ，５ａ，１００ 送信アンテナ
３ｂ，４ｂ，５ｂ 受信アンテナ
６ アンテナ切替スイッチ
７ 高周波回路
８ 信号処理回路
９ アンテナ切替司令部
１０ 人体
１１，１２，１３ 監視区画
１５ 建物
１６ 監視領域
２０ 変調器
２１ 発振器
２２ ミキサ回路
２３ アナログ増幅回路
２４ Ａ／Ｄコンバータ
３２ 外灯や立ち木等の柱状の物
３４ 水平面
３５ 監視面

Claims (5)

1. アンテナから電波を放射して監視領域に存在する物体からの反射波を受信するレーダ装置と、前記レーダ装置の出力信号を入力して物体検知のための演算を行なう信号処理回路を具備してなる物体検知センサであって、
   前記レーダ装置は、俯角が小さいほどビーム幅が小さく、前記監視領域を分割した監視区画ごとに設けた複数のアンテナを有し、所定の高さに配置されることを特徴とする物体検知センサ。
2. 前記アンテナは、監視領域全体に電波を放射する単数の送信アンテナと、俯角が小さいほどビーム幅が小さく、前記監視領域を分割した監視区画ごとに設けた複数の受信アンテナからなる請求項１に記載の物体検知センサ。
3. 前記アンテナは、俯角が小さいほどビーム幅が小さく、前記監視領域を分割した監視区画ごとに電波を放射する複数の送信アンテナと、監視領域全体からの電波を受信する単数の受信アンテナからなる請求項１に記載の物体検知センサ。
4. 前記アンテナは、俯角に応じたビーム幅の電波を監視領域に放射する送信アンテナと、物体からの反射波を当該俯角に応じたビーム幅にて受信する受信アンテナとの組を所定の俯角ごとの複数組にて前記監視領域を複数の監視区画に分割する請求項１に記載の物体検知センサ。
5. 前記監視領域は前記アンテナの設置場所付近から遠方までの広い範囲であって、前記俯角によって前記監視領域を複数に分割した請求項１乃至請求項４に記載の物体検知センサ。

Images