JPS5938555B2 - 移動物体検知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はドツプラ信号を検出してスイッチを働かせる移
動物体検出装置において、基準用の信号と受波信号との
位相差を通常状態においては一定の位相差に保つように
制御し、定常状態における装置の動作を安定に保つこと
を目的とするものである。

空間に超音波を発射しておき、この音波が監視空間にあ
る物体より反射されてくる信号を受波し物体が移動する
のに伴って発生する。

いわゆるドツプラ信号を検出して、スイッチを動作せし
め、監視空間中に存在する移動する物体、殊に人体を検
知する装置は従来より種々提案実施されている。

この装置は、例えば、ジョールーム、美術館、金庫室等
、夜間などは余人の侵入を許さず、室内の重要物件を持
ち去られることを防止する等の目的で使用する侵入者警
戒器等に特に重要な役割を果す。

しかしながら、従来、この種装置には、例えば、鍵束の
音、金属の接触音、落下衝撃、エヤーノズルよりの空気
の吹き出しなど外来超音波で誤報を生じ、風、エヤコン
等空気の乱れ、移動などにより誤報を生じるという欠点
があった。

これ等の誤報を生じる原因の一つは、受波信号の中に振
巾の大巾な変動が生じることにより、移動物体よりの信
号と、と記外乱ノイズとの区別を明確にしえない点にあ
る。

この障害を防止するために、従来用いられた方法は、い
わゆるフィルター技術を用いて、人体移動の際に発生す
るドツプラ偏移周波数の帯域を実１験、或いは計算によ
り求め、必要外の帯域に存在する成分をカットオフする
技術を用いて、丸乱の影響より逃れようとした。

ところが、この方法の最大の欠点は、外来ノイズの有す
るスペクトラムは、−概に規定しえず、送波信号の周波
数ｆ。

を中心として上下ランダムに分布するから、外乱のノイ
ズが偶然にも、用意したフィルムの帯域外であれば、こ
の方法は威力を発揮するが、逆に、フィルタの帯域中に
外乱の周波数成分を含む場合には、防止できないという
ことである。

又、外乱の影響を避けるために、別に提案された方法は
、受波信号を処理するにあたり、その信号成分を送波信
号の周波数ｆ。

より高い成分と低い成分とに分離して別々に検出し、こ
れ等のうちの一方が検出されるか又は、一方の成分が他
方より圧倒的に多い時に限って、スイッチを動作せしめ
る如くするものである。

この第二の方法の原理は、第一に物体の移動により発生
するドツプラ偏移はｆ。

に比べて北又は下の何れか一方であるという公知の事実
を用い、更に第二に雑音の有するスペクトラムは、概ね
、ｆｏに対して、上下両側に均等に発生するという仮定
をする。

この二つの原理の丑に立って、組立てられたものである
。

この方式に従えば、確かに先にあげた第一の方法よりは
、はるかに多くの外乱より避けることができるが、原理
の示すとこらに従えば、ｆｏに対して上下に非対称に発
生する雑音に対しては効果がないということになり、欠
点と言える。

更にこの方法の別の欠点は、ｆｏのと下の成分に分離す
る技術的困難さゆえの複雑化にある。

周知の如く、ドツプラ成分は、使用するエネルギー波、
超音波或いは電波の伝播速度と、移動物体の移動速度の
割合に比例して発生するが、例えば、４０ ＫＨｚの超
音波に対し、人の歩くのを検出しようとすれば、±２０
Ｈｚ程度より検出できなければならず、周波数偏移の割
合は、０．０５％という極めて優れたフィルタを使用し
なければならない。

従って通常使用されるフィルタでは実現がむずかしく、
実現にあたっては、例えば、直角位相検波等の技術をも
って実現しなければならなかった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、以下実施例
により詳細に説明する。

第１図において、１は発振器で、高周波信号を発振し、
増巾器２で増巾した後送波器３に印加する。

周波数は例えば４０ ＫＨｚである。送波器３は加えら
れた信号に対応した超音波を監視空間に向けて発射し、
超音波は監視空間にある物体により反射され、空間中で
合成された信号として受波器４に達して電気信号に変換
され、増巾器５により増巾され、位相差検出回路Ａに加
えられる。

６は移相回路で、発振器１の出力を移相し、基準の信号
として位相差検出回路Ａのもう一方の入力に加えられる
。

増巾器５の出力を信号ｋ、移相回路６の出力を信号ｇと
し、位相差検出回路Ａは、信号ｇと信号にとの純粋の位
相差の検出器として作用する。

この位相差を検出する方法としては例えば、信号ｇ、ｋ
を夫々リミッタ７．９により矩形波に変換し、この矩形
波の立りがり部分を微分回路８．１０により夫々検出す
れば微分回路８，１０の出力は夫々信号ｇ信号にの立五
かりに対応したパルスを発生するから、このパルスｓ
、 Ｒラフリップフロップ１１のセットパルス、リセッ
トパルスとして使用すると、フリップフロラ７°１１の
出力の矩形波は、丁度、信号ｇ、にの位相差に比例した
デユーティとなる。

従ってこのフリップフロップ１１の出力を積分回路１２
によって積分すると、この積分出力として、入力信号の
位相差をあられす信号を得ることができ、信号処理回路
１３で警報を発することができる。

一方、受波信号がその中に移動物体よりの反射即ち、ト
ラップ偏移信号を含む場合の位相差について説明する。

受波信号のうちのある部分は、固定物体よりの受波信号
成分で、この成分は周波数が送波信号とわからないから
第２図のような校正信号σｔとある位相差θ。

をもって存在する。他の部分は、偏移成分であって、送
波信号との差の周期で回転する回転ベクトルとなる。

ＯＡは固定反射成分合成成分のベクトルである。

にｔはドツプラ偏移成分のベクトルであって、Ａ点を中
心として半径ＡＢの長さで回転するから、反射波の合成
ベクトルＯＢは０点を中心として円弧ＢＪ：を端点とし
て回転するベクトルとなる。

従来性われている検出方法は、このベクトルを包絡線検
波或いは、位相検波等の方法によりドツプラ成分として
信号をとり出しているが本発明は振巾とは関りなく、σ
ｔとσｔの位相差θのみを純粋にとり出す。

にｔベクトル即ち、偏移成分が校正信号より高い周波数
成分を有するならば、このベクトルは反時計方向に回転
し、その位相の時量的変化は第３図イに示すようになる
。

逆に低い周波数成分を有するならば、その変化は第３図
口に示すようになる。

当然のことなから偏移成分がない時はハのようになるで
あろう。

ハにおいて、若干の揺動を描くのは、温度等の変動によ
り金成分の位相が若干ふらつくためである６さてこのよ
うにして得られる信号の特徴は第３図より明らかなごと
く、偏移周波数がｆ。

の北側ならば、右トりののこぎり波、ｆｏの下側ならば
右下りののこぎり波が得られるものであり、更に重要な
ことは、この波を得るのに何らのフィルターを使用して
いない点である。

つぎに、この回路の外乱に対する応答を説明する。

まず外部より超音波が到来するとき殊に自然界に発生す
る外来ノイズの場合は、校正用信号に対してランダムで
あるから、フリップフロップ１１を制御するリセット信
号Ｒは全くランダムになる。

従って積分回路１２を通過した信号出力には固定反射成
分に代表される値、もしくはそれを中心に若干を振れを
生ずる程度の信号となり、この振れはわずかである。

又、風等による影響は、要するに伝播径路中の状態変化
による振巾の変動が主成分と考えられる。

周知の事実として、第４図に掲げたのは、振巾変調され
た波形のベクトルによる説明図である。

同図によれば振巾変調波は、搬送信号内とｇを中心とし
て右左両方向にバランスして回転するベクトルをｇＳ２
ｇｒとの合成信号ｐｔとして表現されてきている。

この説に従えば、振巾変化がいかにあろうと、合成波の
基準用の信号に対する位相は全く変動せず一定のままで
あることは明白である。

このベクトルｇ Ｓ ２ｇ ｒは北、下、側帯波となっ
てあられれるため、フィルターを用いれば検出されてく
るのは当然であり、又、Ｌ工夫々に分離すれば、と工夫
々にバランスして出現することも明らかであるがドツプ
ラ信号検出の目的の為には全く不必要なものであり、と
下両側帯波に分離した北で改めて打ち消す必要など全く
不必要でナンセンスとさえ言いうるものである。

北記の説明によって明らかなように、本発明は受波信号
成分が基準用の信号とどのような位相差をもち、どのよ
うな時間変化を示すかを調べることにより、信号に含ま
れる偏移成分を検出しうるちのであるが、若干の問題点
を含む、即ち、固定位相分が、基準用の信号に対して０
度或いは３６０度近傍に存在する場合に問題がある。

何故なら第５図のように定常状態においてわずかの変動
を生じている場合には殆んど問題ないが、第６図に示す
ように、差が０度或いは３６０度の近傍にあると位相差
検出出力に跳躍が生じる。

これは０度〜３６０度を０−Ｖ（ｖｏｌｔ）の電圧変化
として表現することにより生じる矛盾である。

従って実際にはわずかな角度変化にも関わらず、あたか
も急激な変化が発生しているような出力があられれてい
ることになる。

つまり、位相差検出回路Ａの出力が第３図に対応するよ
うな波形となるためには移動体が存在しないときには位
相差検出回路Ａの出力位相差（基準となる信号σ）と、
移動体が存在しないときの受波信号との位相差）が３６
０°又はぼ近辺でないことが必要である。

即ち第８図に示したような基準となる信号σｔと、受波
信号（固定反射物体）ＯＡ・・・との位相差が小さい場
合では第９図に示す位相差検出回路入出力特性のために
空気のゆらぎ、ノイズ等の外乱でと述したところの第６
図に示すような跳躍現象を生じ、このような跳躍現象が
生じると、０°から３６０°へ、３６０°から００への
位相回転があたかも生じたようになり誤動作の原因とな
るわけである。

本発明はこのような跳躍現象を防止するためのものであ
って、本発明の基本的な原理は位相差検出回路Ａの出力
より移動体が存在していないときの位相差を検出し、こ
の位相差が００或いは３６（ｆ近辺のときには基準信号
ＯＲの位相を移相回路６により移相し理想的には例えば
１８０°（必ずしも１８０°の必要はない）の位相差に
なるように制御してやることである。

具体的には位相差検出回路入出力を移動体の速度に比し
て十分大きな時定数の積分器１４に入力し、この出力を
移相回路６に入力して位相をシフトさせト述の跳躍を除
去するのである。

つまり位相が第１０図に示すＡ２の場合であれば移相回
路６の移相量が■よりＯの状態になるように移相量を増
加させ、逆に位相がＡ１の状態なら＠より０の状態とな
るように移相量を減少させるのである。

即ち定常状態であるＯの状態となるように移相を制御す
るわけで、この場合移相回路６の移相量は３６００あれ
ばよい。

第９図に示す特性を有する位相差検出回路Ａは受波信号
と基準の信号σｔの位相差を検出しているため移相回路
６の移相量を増加させることは位相量の減少になり、才
た移相回路６の移相量を減少させることは位相量を増加
させることにより結果位相量が制御され上述の跳躍が解
消できるのである。

第１１図は移相回路６の位相シフトを示すベクトル図で
ある。

第７図は移相回路６の一例を示し、Ｑは可変抵抗素子、
例えばＦＥＴで制御入力により入出力間の移相量が変化
するものである。

然してこの制御入力として、位相差検出回路Ａの出力に
より制御すれば、定帯状態においては第６図のような跳
躍現象がなくなり安定した動作が期待できるものである
。

ところで上述したように積分器１４の出力を移相回路６
に入れ位相をシフトさせるものであるから第１２図に示
すように積分器１４の出力ヲコンパレーータ１５１，１
５２を介して各コンパレータでと述の位相Ａ１．Ａ２を
夫々検出し、この検出出力で、移相回路６の移相量を制
御するようにしてもよい。

尚上述の位相の制御は移動体の存在時及びノイズ等の外
乱存在時には行なわれず、移動体が存在しないときのみ
動作するように積分器１４は構成される。

つぎに、この得られた位相差検出回路Ａの出力信号を用
いてスイッチを働かせるには、信号処理回路１３として
位相差検出出力の交流分を増巾検波して動作させる方法
、位相差信号の傾斜を求めるため微分したのち、これ等
の信号を直流増巾して得た信号をもってスイッチングす
る方法、あるいは、跳躍パルスを利用してスイッチさせ
る方法等の手段がある。

叙上のように本発明は、発振器の出力により送波器で超
音波を監視空間に発射し、受波器で受波した受波信号と
前記発振器の出力を移相回路により移相した基準の信号
との位相差の回転を検出して警報を発する如くしたから
、外来雑音に対してきわめて安定な動作をし、温度差、
風等による動作もきわめて安定であり、しかもフィルタ
ー類を一切用いず、調整ポイントがなく、回路がきわめ
て小数の部品で構成でき、又、位相差検出回路の出力の
信号で入力信号を移相し、常に検出位相差を一定の値に
制御するから、固定位相分が校正用信号に対して０度又
は３６０度近傍に存在する場合にも跳躍現象がなく、安
定に動作し、更に、位相差の回転方向を検出し、この回
転の出力を微分増巾し検波して警報を発する如くしたか
ら、常に安定な動作ができるという効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明移動物体検知方式の一実施例のブロック
回路図、第２図は同上のベクトル図、第３図は同上の検
出信号波形図、第４図は同上の振巾変調された波形のベ
クトル説明図、第５図は定常状態の位相差検出出力波形
図、第６図は同との跳躍状態の位相差検出出力波形図、
第７図は同との移相回路の具体回路図、第８図は同上の
跳躍現象を説明するベクトル図、第９図は同上使用の位
相差検出回路の特性図、第１０図及び第１１図は同上使
用の移相回路の動作説明図、第１２図は跳躍防止のため
の他の回路例を示すブロック図である。 １・・・・・・発振器、３・・・・・・送波器、４・・
・・・・受波器、６・・・・・・移相回路、１３・・・
・・・信号処理回路、Ａ・・・・・・位相差検出回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波領域の周波数信号を発振する発振器、該発振
   器からの周波数信号で１駆動された超音波を監視空間に
   向けて発射する送波器、発振器からの出力を所定位相だ
   け移相させた信号を発生する移相回路、監視空間にある
   物体から反射された超音波を受波する受波器を備えると
   共に、移相回路からの信号を矩形波に変換する第１のリ
   ミッタと受波器で電気信号に変換された受波信号を矩形
   波に変換する第２のリミッタと第１のリミッタの出力の
   立五りを微分する第１の微分回路と第２のリミッタの出
   力の立丑りを微分する第２の微分回路と第１の微分回路
   の出力をリセット信号とし第２の微分回路の出力をセッ
   ト信号とするフリップフロップと該フリップフロップの
   出力を積分する積分回路とからなる位相差検出回路、該
   積分回路の積分出力より位相差の回転を検出する信号処
   理回路を備えて成ることを特徴とする移動物体検知装置
   。 ２ 前記位相差検出回路の出力信号で旧記移相回路を検
   出位相差が一定となるように制御するようにして成るこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の移動物体検
   知装置。