JP2013196018A - マルチリフレクタを用いて干渉対策をしたｆｍｃｗ対向センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】地面からの反射によるマイクロの干渉に基づく誤検知のない対向型マイクロ波センサを提供する。
【解決手段】監視対象領域の一端にマイクロ波の送受信装置を設置し、その他端にはリフレクタを設置し、該リフレクタに向けてマイクロ波を送信して該リフレクタからの反射波を受信することにより監視領域への物体の侵入の有無を感知する対向型マイクロ波センサシステムにおいて、高さにより受信レベルの変化する反射波パターンを受信して、地面や周辺の反射物から反射したマイクロ波の干渉による誤検知を排除した対向型マイクロ波センサシステム。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＦＭＣＷ方式の対向型マイクロウエーブセンサを内蔵する防犯センサシステムに関し、特に、誤報の発生を極力回避して信頼性を向上させた防犯センサを提供するものである。

従来、防犯装置の一つとして、マイクロ波を検知エリアに向けて送信し、検知エリア内に物体が存在する場合には、その物体からの反射波であるドップラー効果によって変調したマイクロ波を受信して物体を検知するマイクロウエーブセンサが知られている（特許文献１）、また、マイクロウエーブセンサの一つのタイプとして、周波数の異なる複数のマイクロ波を利用して検知エリア内に存在する人体などの検知対象物体までの距離を計測するようにしたものが提案されている（特許文献２）。この種のセンサでは、例えば、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ＩＦ信号の位相差を検出するようになっている。この位相差は、検知対象物体までの距離に相関があり、検知対象物体までの距離が大きいほど位相差も大きくなる傾向がある。この位相差を求めることにより検知対象物体までの距離を計測することが可能となる。また、この位相差の時間的な変化を認識することにより検知対象物体が移動しているか否かを判定することも可能となる。

しかしながら、従来の検知装置においては自然環境など様々な原因に元づいて誤報が発生することは避けられない。したがって、できるだけ誤報発生が生じないように、また、誤報発生の原因把握を容易にして不要な警備出動などを低減させることが必要となり、誤報発生防止ならびその誤報の原因の解明に有用な技術が多数提案されている。
例えば、検知エリア内に存在する物体からのマイクロ波の反射波を受信して、その物体が検知対象物体であるか否かを判別するマイクロウエーブセンサと、熱を発生する発熱手段と、これらのマイクロウエーブセンサおよび発熱手段を囲むとともに、筐体内面のほぼすべてを覆う断熱材とを備えることにより、周囲温度が極端に低くなるような条件下でも検知性能を低下させることなく正常に動作可能な防犯センサ（特許文献３）や、検知履歴表示回路により発報時を含む所定時間帯にわたってセンサ検知情報の履歴を監視エリアＶＡの映像に付加してモニタの画面に表示させることにより、誤報の原因の把握を容易にし不要な出動を低減することができる侵入検知装置（特許文献４）が提案されている。

さらに、屋外設置時の近距離の草木などによる誤報を極力回避するとともに、侵入者が遠距離で監視対象領域を横切るように動いた場合などでも的確に検出するために、検知エリア内の物体までの「相対距離」を求める距離認識手段と、上記検知エリア内の物体の「単位時間当たりの移動距離」を求める移動距離認識手段と、距離認識手段および移動距離認識手段の出力を受け、上記検知エリア内の物体までの「相対距離」が長いほど、物体検知判定のための閾値である「単位時間当たりの移動距離値」を小さく設定して物体検知判定動作を行う物体判定手段を備えているマイクロウエーブセンサ（特許文献５）や、レーダー装置が検知できる領域と監視したい領域との形状は必ずしも一致しないため、監視したい領域の外部に存在する物体に対して誤警報を出す可能性があるため、監視したい領域を複数の反射板で囲み、反射板からの受信信号および検知対象物からの受信信号から、それぞれの座標値を計算して比較し、検知対象物の座標値が、監視したい領域の内部に位置する場合には、その検知対象物を不審者などと判断して警報を出す装置（特許文献６）などが提案されているように誤検知を少なくして正確な情報を得るための努力がなされている。

特開平７−３７１７６号公報 特開２００３−２０７４６２号公報 特開２００７−７１８２９号公報 特開２００７−４１７８５号公報 特開２００６−２３２３９号公報 ＷＯ２００３／０７５０３５号

対向型マイクロ波センサは、監視対象領域にマイクロ波の送受信装置を設置し、他端部にはリフレクタを設置する。監視領域に侵入した人物などによりマイクロ波が吸収されて受信装置で受信されるマイクロ波信号が弱くなることにより監視領域への侵入を検知する。
こうした対向型マイクロ波センサの現状の問題点としては、雪が地面に積もると侵入者がなくともリフレクタからの反射波が無くなり侵入者があったものと判断してしまう誤検知や、周辺の建造物等の物体からの反射波を誤検知することを挙げることができる。これは，空間を通って伝搬する直接波と地面や物体に反射して伝搬する反射波との干渉によって起こる。直接波と反射波の位相が反転し、かつそれらのレベルが同じであれば，受信電力はゼロとなるからである。この干渉による誤検知を防止するためには設置時にセンサやリフレクタの高さを調節して受信感度が低くならないようにするのであるが、雪が降ると、積雪によりセンサと反射面の高さが変わり、それによって反射波の位相が変わることになる。積雪量によっては、受信強度が大変小さくなりシステムの閾値を下回るため人が侵入したと誤判定することが生ずる。
本発明の目的は、対向型マイクロ波センサにおけるこれらの問題点をリフレクタの追加という簡便な手段により解消することを可能としたものである。

本発明は以下の技術的事項から構成される。
（１）監視対象領域の一端にマイクロ波の送受信装置を設置し、その他端にはリフレクタを設置し、該リフレクタに向けてマイクロ波を送信して該リフレクタからの反射波を受信することにより監視領域への物体の侵入の有無を感知する対向型マイクロ波センサシステムにおいて、高さにより受信レベルの変化する反射波パターンを受信して、地面や周辺の反射物から反射したマイクロ波の干渉による誤検知を排除したことを特徴とする対向型マイクロ波センサシステム。
（２）マイクロ波が、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）である上記（１）に記載の対向型マイクロ波センサシステム。
（３）少なくとも２個のリフレクタの距離が異なるようにリフレクタを設置する上記（１）または（２）に記載の対向型マイクロ波センサシステム。
（４）一方のリフレクタの受信感度が低下した時には他方のリフレクタの受信感度が高くなるようにリフレクタの距離を異なるようにする設置する上記（１）から（３）のいずれかに記載の対向鋳型マイクロ波センサシステム。
（５）複数のリフレクタより反射して受信された信号の強度が同時または少しの時間差で閾値を下回る場合には物体が監視対象領域に侵入したものと認識し、一方のリフレクタの受信強度のみが閾値を下回った時は誤検知として認識することで誤検知を防止する上記（１）から（４）のいずれかに記載の対向型マイクロ波センサシステム。
（６）マイクロ波の反射面の高さが変化しても誤検知を生ずることがない上記（１）から（５）のいずれかに記載の対向型マイクロ波センサシステム。

対向型マイクロ波センサにリフレクタを１つ追加するだけで、対向型マイクロ波センサシステムの積雪などによる誤検知を防ぐことができる。

従来の対向型マイクロ波センサシステムの人体などの物体を検出する原理を示す。 従来の対向型マイクロ波センサシステムでのマイクロ波の伝搬経路およびマイクロ波の位相を示す。 従来の対向型マイクロ波センサシステムにおいて、積雪があった場合のマイクロ波の伝搬経路およびマイクロ波の位相を示す。 従来の対向型マイクロ波センサにおいて、センサとリフレクタの高さと受信強度の関係を示す。 本発明の対向型マイクロ波センサにおいて、センサとリフレクタの高さと受信強度の関係を示す。 本発明おける対向型マイクロ波センサシステムのリフレクタの設置図を示す。 本発明におけるセンサシステムのリフレクタの高さと受信強度の関係の計算値、測定値を示す。

本発明は、監視対象領域の一端にマイクロ波の送受信装置を設置し、その他端にはリフレクタを設置し、該リフレクタに向けてマイクロ波を送信して該リフレクタからの反射波を受信することにより監視領域への物体の侵入の有無を感知する対向型マイクロ波センサシステムにおいて、高さにより受信レベルの変化する反射波パターンを受信して、地面や周辺の反射物から反射したマイクロ波の干渉による誤検知を排除した対向型マイクロ波センサシステムに関するものである。
本発明は、高さにより受信レベルの変化する反射波パターンを受信することにより誤検知を防止するものであり、例えば、複数のリフレクタを離れた位置に設置する、２つのリフレクタを設置する場合には、２つのリフレクタはリフレクタ間の距離を異なるように設置するか、または地面からの高さが異なるように設置すると、一方のリフレクタの受信感度が低下した時にもう一方のリフレクタの受信感度が高くなるようになすことができる。こうして異なる位置に置かれたリフレクタからの反射波は、ＦＭＣＷ方式では周波数が異なって受信されるためにＦＦＴの信号処理により個々のリフレクタの受信信号は分離することができ、別々の信号として判定することができる。ここで、システムの判定基準として、２つのリフレクタより反射した受信信号の強度が同時または少しの時間差で閾値を下回った場合を人または物体の通過と認識し、片方の受信強度のみが閾値を下回った場合は積雪などの影響として処理することにより誤検知を防ぐことができる。

［従来の対向型マイクロ波センサシステム］
対向型マイクロ波センサシステムについて説明する。
従来の対向型マイクロ波センサは図１に記載の構成を有し、マイクロは送受信器とリフレクタが監視対象領域の両端に設置されている。送信されたマイクロ波はリフレクタにより反射され受信機に検知されるが、人や物体の監視対象領域への侵入は、マイクロ波の反射光を遮ることとなり受信器での受信信号強度が低下することで検知する。リフレクタからの反射波の強度は、受信機で直接受信されるマイクロ波と、地面に反射して受信されるマイクロ波の総和となる。地面で反射されたマイクロ波はその位相が逆転するため受信機の位置では、直接反射波と打ち消し合うため受信電界は弱くなることがあるため、送受信器およびリフレクタの高さ、位置を調整して設置することによりこれを回避している（図２）。
ところが、積雪などにより地面と送受信器およびリフレクタの地面（雪面）からの高さが変化すると、図３に示すように、リフレクタからの直接反射波と地面に反射した波との位相が反対となり受信電界が弱くなる現象が発生することがある。このことはセンサの誤検知に通じる。また、付近の建物などの物体からの反射波が誤検知の原因の一つともなっていることもある。

［本発明の対向型マイクロ波センサシステム］
送受信器とリフレクタの地面からの高さを変化させて受信機での反射波の受信電界を測定すると、図４に示すように、反射波を遮る物体がなくても、高さの変化に応じて電界強度は変化する。したがって、図４の谷の位置では受信強度は弱くなっているために実在しない物体を検知したものと判断される。すなわち、積雪などによる地面の高さの変化は誤検知を誘導するものであり、特に、雪国などではこれを避けることが必要である。
本発明では、複数のリフレクタを設置することに特徴を有するものであり、地面からの高さを異なる位置に複数のリフレクタを設置するか、または複数のリフレクタと送受信器との距離を異なる値にすることにより従来の問題点を解決するものである。図５には、２個のリフレクタを設置し、設置する高さを変えることにより受信電界強度を示したものである。例えば、マイクロ波を遮る物体が存在しない場合であっては、リフレクタ１とリフレクタ２からの反射波の受信電界は地面からの高さに応じて図５に示すような２つの異なるパターンとなり、同時に受信電界強度が閾値を超えて低下することはない。しかしながら、マイクロ波を遮る物体が存在した場合には、リフレクタ１およびリフレクタ２からの反射波は受信できないこととなるから、両リフレクタからの信電界が同時に閾値を超えて低下することとなる。
こうして、監視対象領域での物体の存在の有無が検知される。

［本発明のマルチリフレクタ対向型センサシステムの詳細な説明］
干渉による受信強度について詳細に説明する。図６には、ＦＭＣＷ方式を用いたＭＷセンサとリフレクタを設置した概念図を示す。ＭＷセンサ１とリフレクタ２は、距離ｄを離し、ＭＷセンサ１とリフレクタ２の地面からの高さをｈとして設置されている。電波が地面に対してθで入射した際，反射角は入射角と同じθである。長さlはセンサ１から地面の反射点３までの距離である。ＭＷセンサより放射された電波は、センサから放射される電波とリフレクタから反射される電波が共に空間を通るルートＡ（図中１から２のルート）と、センサ１からの放射波が空間を通り、リフレクタ２からの反射波が地面に当たって戻ってくるルートＢ（１から２から３から１のルート）と、放射波が地面に当たり，反射波が空間を通るルートＣ（１から３から２から１のルート）、放射波と反射波共に地面に当たるルートＤ（１から３から２から３から１のルート）の４ルートがある。Ａ〜Ｄのルートの受信電界ＥＡ〜ＥＤは、以下数式（１）で示されるようにして求めることができる。ここでΓは地面の反射係数である。αは指向性係数であり、センサのアンテナとリフレクタの垂直角度方向に対する放射強度比を表す。

受信点での電界ＥｒはＥ_A〜Ｅ_Dの総和となり、次の数式となる。
Ｅｒ＝Ｅ_A＋Ｅ_B＋Ｅ_C＋Ｅ_D

直接波と反射波の位相が一致すれば受信強度Ｅｒは強くなり、位相が反転すれば弱くなる。そしてＥｒは距離ｄと高さｈをパラメータとして決定される。設置される２つのリフレクタの位置は、片方のリフレクタの受信感度が低下した時にはもう片方のリフレクタの受信感度が高くなるように２つのリフレクタの距離ｄが異なるように設置する。異なる距離に置かれたリフレクタからの反射波は、ＦＭＣＷ方式では周波数が異なって受信されるため、ＦＦＴの信号処理により２つのリフレクタの受信信号は分離することができ、別々の信号として判定することができる。そして、システムの判定基準では、２つのリフレクタより反射した受信信号の強度が同時または少しの時間差で閾値を下回った時を人の通過と認識し、片方の受信強度が閾値を下回った時は、積雪の影響として処理することで誤検知を防ぐことができる。

［実験と結果］
実験で用いたＦＭＣＷセンサはライン対向型センサＰＭＳ‐４．５ＬＳ（株パル技研）であり、発振周波数２４．１１４〜２４．１８６ＧＨｚ、アンテナ半値角４．５度、コーナーリフレクタは、縦１７１×横１９２×深１１７mmの三角錐の形状である。受信信号の処理は、受信波形をＦＦＴで処理し、ターゲットの距離に応じた信号レベルに分解して解析した。隣接するターゲットの分解能力は４．５ｍであった。設置場所は平らなコンクリートの上とし、センサとリフレクタ間の距離ｄは２４ｍと３０ｍで２回実験した。この距離ｄの値は，片方の受信電力が低くなるセンサの高さの時にもう一方の受信レベルが高くなる距離であり、数式（1）を用いて確かめた。
図７は、高さｈを５６〜８０ｃｍまで変えた時の２つのリフレクタに対する受信信号の計算値と測定値を示した。この高さｈの値は実際の設置環境で問題になる高さ範囲である。受信強度は、直接波の受信電界強度Ｅ０を１として正規化した。計算値の地面の反射係数Γは距離ｄが高さｈより十分大きいことより−１とする。指向性係数αは、センサのアンテナ放射特性より０．３として計算した。グレーの線が計算値，黒線が測定値であり、破線がセンサとリフレクタ間の距離ｄが２４ｍであり、実線では距離ｄが３０ｍの場合である。

図７にみられるように、計算値と測定値は、受信強度が強くなるセンサの高さと低くなる高さはほぼ一致しており、ｄ＝２４ｍとｄ＝３０ｍの受信強度は互いに反対となった。センサの高さ６１ｃｍでは、ｄ＝３０ｍの時に受信レベルは０．３と落ち込むが、ｄ＝２４ｍでは１．７となり，片方の受信感度が悪くなった際にもう片方の受信感度は高くなった。よって２つのリフレクタを用いることで地面反射波による誤報を防ぐことができることが分かった。センサの高さが高くなると測定値では受信強度の強弱が小さくなった。これはセンサの高さが高くなると、電波の地面の入射角θが大きくなり、指向性係数αの値が設定値０．３より小さくなり、地面反射波の影響が小さくなるためである。
以上の試験結果から、本発明の対向型マイクロ波センサは地面の高さが変動した場合であっても正確に侵入物を検知できることが明らかとなった。

本発明では，防犯用対向型ＭＷセンサで直接波と地面からの反射波との干渉によって起こる受信感度の低下あるいは誤感知の問題を解決するものであり、複数のリフレクタをセンサより異なる距離に設置し、それぞれの反射信号が閾値を下回った時に人の通過と判断することにより誤感知が排除された。本発明は、これまでにない斬新なアイデアに基づくものであり、実験結果は理論による計算値とよく一致し、センサの地面からの高さの変動による受信強度が低下に基づく誤検知を防ぐことに役立つことが確認された。本発明によって防犯センサなどの検知感度、正確性が向上させることができ、公共の治安維持などに大きく貢献するものである。

１：マイクロ波送受信器
２：リフレクタ
３：地面
ｄ：マイクロ波送受信器とリフレクタ間の距離
ｈ:マイクロ波送受信器とリフレクタの地面からの高さ
ｌ：反射点と送受信器の距離
θ：マイクロ波の地面での反射角度

Claims (6)

1. 監視対象領域の一端にマイクロ波の送受信装置を設置し、その他端にはリフレクタを設置し、該リフレクタに向けてマイクロ波を送信して該リフレクタからの反射波を受信することにより監視領域への物体の侵入の有無を感知する対向型マイクロ波センサシステムにおいて、高さにより受信レベルの変化する反射波パターンを受信して、地面や周辺の反射物から反射したマイクロ波の干渉による誤検知を排除したことを特徴とする対向型マイクロ波センサシステム。
2. マイクロ波が、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）である請求項１に記載の対向型マイクロ波センサシステム。
3. 少なくとも２個のリフレクタの距離が異なるようにリフレクタを設置する請求項１または２に記載の対向型マイクロ波センサシステム。
4. 一方のリフレクタの受信感度が低下した時には他方のリフレクタの受信感度が高くなるようにリフレクタの距離を異なるようにする設置する請求項１から３のいずれかに記載の対向型マイクロ波センサシステム。
5. 複数のリフレクタより反射して受信された信号の強度が同時または少しの時間差で閾値を下回る場合には物体が監視対象領域に侵入したものと認識し、一方のリフレクタの受信強度のみが閾値を下回った時は誤検知として認識することで誤検知を防止する請求項１から４のいずれかに記載の対向型マイクロ波センサシステム。
6. マイクロ波の反射面の高さが変化しても誤検知を生ずることがない請求項１から５のいずれかに記載の対向型マイクロ波センサシステム。