マイクロ波ドップラーセンサ
【課題】 ドップラーセンサ自身の持つノイズや蛍光灯などの影響によるノイズの影響を受けることなく高精度に動体を検出することができるマイクロ波ドップラーセンサを提供すること。
【解決手段】 局部発振器１１からの出力信号を送信アンテナ１３から出射し、対象物２０からの反射波を受信アンテナ１４で受信する。出力信号は、第１ミキサ１２に直接注入し、第２位相器１７を介して第２ミキサ１８に注入する。反射波は、第１位相器１６を介して第１ミキサに入力し、第２ミキサへは直接入力する。各位相器は位相を９０度遅らせる。動体からの反射波は、ドップラー効果により周波数変調されるので、各ミキサから混合信号として出力されるドップラー信号は位相差が１８０度生じる。第２ミキサによる混合信号を負帰還増幅器１９を用いて局部発振器１１で生成される信号を振幅変調する。ノイズ等の不要な振幅性雑音成分は位相差が生じないため抑圧される。
【解決手段】 局部発振器１１からの出力信号を送信アンテナ１３から出射し、対象物２０からの反射波を受信アンテナ１４で受信する。出力信号は、第１ミキサ１２に直接注入し、第２位相器１７を介して第２ミキサ１８に注入する。反射波は、第１位相器１６を介して第１ミキサに入力し、第２ミキサへは直接入力する。各位相器は位相を９０度遅らせる。動体からの反射波は、ドップラー効果により周波数変調されるので、各ミキサから混合信号として出力されるドップラー信号は位相差が１８０度生じる。第２ミキサによる混合信号を負帰還増幅器１９を用いて局部発振器１１で生成される信号を振幅変調する。ノイズ等の不要な振幅性雑音成分は位相差が生じないため抑圧される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波ドップラーセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、一般的なホモダイン検波によるドップラーセンサの一例を示している。図１に示すように、局部発振器１の出力が、ミキサ２並びに送信アンテナ３に接続されている。また、ミキサ２には、受信アンテナ４にて受信した受信信号も入力され、そこにおいて受信信号と局部発振器１からの出力信号とが周波数混合される。さらに、そのミキサ２の出力が、動体検出判定部５に与えられ、動体の有無を判断するようになる。
【０００３】
すなわち、送信アンテナ３から出射された出力信号は、その前方に位置する対象物６に到達し、そこで反射された反射波が受信アンテナ４で受信される。この受信アンテナ４で受信した受信信号の周波数つまり反射波の周波数は、対象物６が固定されているとすると、出力信号の送信周波数、つまり局部発振器１の発振周波数と同一となる。従って、ミキサ２の出力は、０Ｈｚ（直流）となる。
【０００４】
一方、対象物６が移動する動体の場合、ドップラー効果により反射波の周波数は送信周波数と異なる。従って、動体である対象物６からの反射波を受信アンテナ４で受信した場合のミキサ２の出力は、所定周波数の交流信号となる。そして、その周波数は、対象物６の移動速度などに応じた値となり、例えば１００Ｈｚとなる。
【０００５】
そこで、動体検出判定部５は、バンドパスフィルタ，増幅器並びにＣＰＵなどから構成され、例えば、ミキサ２から出力される信号の周波数が、３Ｈｚから２００Ｈｚの場合に、動体を検出したと判定するようにしている。そして、このようなドップラーセンサを応用した人体検知装置としては、例えば特許文献１等に開示されたものがある。
【０００６】
係るドップラーセンサには、以下に示す問題がある。すなわち、マイクロ波ドップラーセンサでは、マイクロ波を生成する局部発振器にマイクロ波帯での発振を可能としたＦＥＴ等の半導体が用いられている。このようなＦＥＴを用いた発振器は、一般的に振幅性雑音が多く含まれており、この振幅性雑音成分が検波出力であるミキサ２の出力、すなわちドップラー信号に現れることで動体検出判定部５ではＳＮ比の劣化による誤動作が生じ、高精度に動体を検出することができない。
【０００７】
別の問題として、ドップラーセンサを設置した付近に蛍光灯が存在した場合、その蛍光灯の放電により反射波が変調されるため、誤動作を生じる。つまり、商用電源周波数は５０Ｈｚとすると、蛍光灯の放電周期はその２倍の１００Ｈｚとなる。
【０００８】
従って、蛍光灯が消灯しているときには、蛍光管は放電しないので単なる固定物となり、ミキサ２から出力される信号の周波数は０Ｈｚ（直流信号）になる。一方、蛍光灯が点灯している場合には、放電と非放電を繰り返すことになり、放電時の蛍光管の反射率と、非放電時の反射率の相違から、受信アンテナ４にて受信される信号は、振幅変調がかかる。さらに、実際には、放電による反射は、多方向から受信アンテナ４に入射するので、複雑な振幅変調となる。従って、ミキサ２から出力される信号は、固定物の場合の直流信号に係る振幅変調された変調波が重畳されることになる。そのため、動体からの反射によるものと同じ１００Ｈｚ及びその高調波がミキサ２から出力されることになる。その結果、動体検出判定部５は、例えば、ミキサ２から１００Ｈｚの信号が出力された場合、正規の検出対象であるか、蛍光灯（蛍光管）からの反射波かを区別することができず、誤判定するおそれがある。
【０００９】
係る問題を解決するためには、例えば、動体検出判定部５に不要な帯域を排除するため、適宜バンドパスフィルタ等のフィルタを設けることが考えられる。さらに、蛍光灯の影響を排除するには、振幅性雑音成分である１００Ｈｚだけを検出しないようにノッチフィルタを設けることが考えられるが、蛍光灯の影響を完全になくすためには、１００Ｈｚの高調波成分まで考慮しなければならず複雑なフィルタ等を設計しなければならない。しかし、このような構成をとったとしても局部発振器が元来持つ振幅性雑音成分は広帯域に分布しているため、必要する周波数帯にも振幅性雑音成分が存在し振幅性雑音成分を抑圧する根本的な解決策とはならない。
【００１０】
この問題を解決するための従来技術としては、特許文献２がある。この特許文献２に開示された発明は、ドップラーセンサに２つミキサを設け、２つのミキサの出力の位相差を１８０度として差動増幅器に入力することで同相成分である雑音成分のみを抑圧し、逆相成分であるドップラー信号成分を伸張するようにしたものである。
【００１１】
具体的には図２に示すように、所定周波数の出力信号を生成する信号生成手段１１と、信号生成手段１１で生成された出力信号を出力する送信アンテナ１３と、送信アンテナ１３から出力された出力信号の反射波を受信する受信アンテナ１４と、前記反射波と前記出力信号とを周波数混合するミキサと、そのミキサから出力される混合信号に基づいて動体を検出する動体検出判定部１５と、を備えたマイクロ波ドップラーセンサにおいて、前記ミキサを２個（第１ミキサ１２および第２ミキサ１８）設けるとともに、それら２個のミキサに対してそれぞれ前記反射波と前記出力信号を注入して周波数混合するようにし、前記２つのミキサ１２，１８への前記出力信号の各注入経路並びに、前記受信信号の各入力経路を流れる信号の位相を変更する位相器１６，１７を設け、前記２つのミキサから出力される混合信号の位相差が１８０度になるようにし、また、前記２つのミキサの出力を差動増幅器１０で差動増幅する構成として振幅性雑音成分を抑圧するようにされている。
【特許文献１】特開２００１−２８３３４７号公報
【特許文献２】特開２００４−８５３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した特許文献２の発明によれば、蛍光灯等の影響を排除することができる。しかし、係るドップラーセンサには、以下に示す問題がある。すなわち、蛍光灯等からの振幅性雑音成分の影響をなくすためには、差動増幅器の増幅段において２つのミキサ出力からの雑音成分レベルを正確に合わせ込む必要があるため、その調整が煩雑である。また、一度２つのミキサ出力からの雑音成分レベルを正確に合わせ込むことができても、ミキサ出力の経時変化や温度特性により雑音成分レベルの均衡が崩れることが考えられ、その場合、微量な不均衡でも振幅性雑音成分の抑圧性能が著しく悪化する。
【００１３】
本発明は、上述した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上述した問題を解決し、簡単な構成でもって局部発振器内で発生しているノイズや蛍光灯などの外部ノイズの影響を受けることなく高いＳＮ比のドップラー信号により動体検出部で高精度に動体を検出することができるマイクロ波ドップラーセンサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した目的を達成するため、本発明に係るマイクロ波ドップラーセンサは、所定周波数の出力信号を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段で生成された前記出力信号を出力する前記送信アンテナと、前記送信アンテナから出力された前記出力信号の反射波を受信する受信アンテナと、前記反射波と、前記出力信号を周波数混合するミキサと、前記ミキサから出力される混合信号に基づいて動体を検出する動体検出手段とを備えたマイクロ波ドップラーセンサを前提とし、前記ミキサを２個設けるとともに、それら２個のミキサに対してそれぞれ前記反射波と前記出力信号を注入して周波数混合するようにし、前記２つのミキサへの前記反射波の各注入経路並びに、前記受信信号の各入力経路のすくなくとも一箇所に、その経路を流れる信号の位相を変更する位相変更手段を設け、前記２つのミキサの一方の出力から前記信号生成手段に負帰還するための負帰還信号を生成する負帰還信号生成手段を設け、前記出力信号は前記負帰還信号を基に振幅変調されるように構成し、前記動体検出手段は、前記２つのミキサの他方の出力に接続されるようにした。
【００１５】
そして、好ましくは、前記位相変更手段は、動体からの反射波を受信した場合に、前記２つのミキサから出力される混合信号の位相差が１８０度になるように構成することである。
【００１６】
送信アンテナから出力された出力信号は、対象物で反射して戻ってくる。そして、その反射波が受信アンテナを介して受信される。このとき、対象物が移動する動体の場合、反射波は、ドップラー効果により周波数変調される。従って、反射波の周波数と出力信号の周波数が異なるため、ミキサから混合信号として出力されるドップラー信号は、所定の周波数からなる交流成分を含むものとなる。対象物が固定されている場合には、ドップラー効果が生じないので、反射波の周波数は出力信号と同じである。従って、ミキサから出力される混合信号は、０Ｈｚとなる。この相違に基づき、動体検出手段は動体の有無を判定できる。
【００１７】
そして、本発明では、一方のミキサの出力を局部発振器に負帰還し、信号生成手段に変調をかけることによって２つのミキサの出力において同相成分である振幅性雑音成分は抑圧され、逆相となるドップラー信号成分は伸張され、高いＳＮ比を得ることができ、動体検出手段での動体検出の精度が向上する。点灯している蛍光灯からの反射波の場合、振幅性雑音成分であるので、位相差は生じない。よって、局部発振器内で発生している振幅性雑音成分や回路中に飛び込んできたノイズの場合も、同様に抑圧できる。
【００１８】
さらにまた、負帰還信号には外部から回路中に飛び込む振幅性雑音成分や局部発振器等において発生する振幅性雑音成分を負帰還成分として含んでおり、その信号で信号生成手段の出力信号に振幅変調を行うため、ミキサ出力の経時変化や温度特性によって雑音のレベルが変化したとしても、動体検出は他方の１つのミキサの出力だけを利用しているため抑圧特性や伸張特性への影響を極めて少なくすることができる。
【００１９】
従って、本発明では、ドップラー信号のＳＮ比が高くなることで動体検出判定部での誤動作がなく、高精度に動体を検出することができる。そして、複雑なフィルタを設けること必要がないので、小型かつ簡単な回路構成を採ることができる。また、経時変化や温度特性によりミキサ出力の均衡が崩れることがなくなり安定したドップラー信号を得ることができる。
【００２０】
そして、２つのミキサから出力される各混合信号のうち、少なくとも一方は位相変更手段により位相を変更（遅らせる／進める）して、２つの混合信号の位相差が１８０度となるように調整した場合には、逆相となるドップラー信号成分は２倍に伸張され、より高いＳＮ比を得ることができ、動体検出判定部での動体検出の精度が向上する。なお、本発明では、位相差は必ずしも１８０度に限ることなく所定の値とすることができる。例えば９０度とした場合にはドップラー信号成分は約１．４倍に伸張される。
【００２１】
さらに好ましくは、前記送信アンテナと前記受信アンテナは、１つのアンテナにより構成されるように構成することである。送信アンテナ並びに受信アンテナを１つのアンテナで構成すると、発振器からアンテナに給電する導波管やマイクロストリップライン等の導波路に特定の距離を離してミキサを配置すると言った簡単な構造でマイクロ波ドップラーセンサを形成できる。さらに、位相差は２つのミキサ間の距離を変えることにより変更できるので、位相差の合わせ込み等、設計や製造も容易である。
【００２２】
ここで、１つのアンテナとは、図５に示すように導波管の先端をホーン状にしたアンテナ３（ホーンアンテナ）のように、物理的に１個のものはもちろんのこと、図６に示す２枚のパターンからなるパッチアンテナのようなものも１つのアンテナに含まれる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、動体からの反射波の場合には、２つの混合信号の位相差が生じ、固定物からの反射波の場合には位相差が生じないので、一方の混合信号の出力を負帰還信号として用い、局部発振器の出力に振幅変調をかけることで、振幅性雑音成分である局部発振器元来のノイズや点灯する蛍光灯からの反射波の影響による振幅性雑音成分、またノイズが直接ミキサ等の回路などに混入した場合等に発生する不要な振幅性雑音成分を抑圧することができる。さらに、同相であるドップラー信号成分は伸張されるため、ドップラー信号のＳＮ比を高くでき、動体検出判定部において誤動作無く高精度に動体を検出することができる。また従来技術のように２つの混合信号を差動増幅器により増幅しないため経時変化や温度特性でミキサ出力の均衡が崩れたとしても影響を受けることがなく不要な振幅性雑音成分の抑圧性能が悪化することもない。また、複雑なフィルタ等を構成する必要なく、簡単な構成でもって振幅性雑音成分の影響を受けることなく高精度に動体を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図３は、本発明の第１の実施の形態を示している。図に示すように、局部発振器１１の出力が第１ミキサ１２並びに送信アンテナ１３に接続されている。また、第１ミキサ１２には、受信アンテナ１４にて受信した受信信号も入力され、そこにおいて受信信号に基づく信号と局部発振器１１から出力信号とが周波数混合される。受信アンテナ１４と第１ミキサ１２の間に第１位相器１６を挿入配置し、当該受信信号をその第１位相器１６を経由して第１ミキサ１２に入力するようにしている。そして、第１ミキサ１２において、第１位相器１６にて位相が変えられた受信信号と、局部発振出力（送信信号）とが周波数混合される。第１位相器１６は、位相を９０度遅延させるものであり、具体的には、λ／４の線路長を持つパターンにより構成する。
【００２５】
この第１ミキサ１２で周波数混合された信号が動体検出判定部１５に与えられ、動体の有無を判断するようになる。すなわち、後述するように、送信アンテナ１３から出射された出力信号（マイクロ波）は、その前方に位置する対象物２０に到達し、そこで反射された反射波が受信アンテナ１４で受信される。この受信アンテナ１４で受信した受信信号の周波数つまり反射波の周波数は、対象物２０が固定されているとすると、出力信号の送信周波数、つまり局部発振器１の発振周波数と同一となる。従って、交流成分がなく、第１位相器１６で位相が変えられた（９０度遅延された）としても第１ミキサ１２の出力は、０Ｈｚ（直流）となる。
【００２６】
一方、対象物２０が移動する動体の場合、ドップラー効果により反射波の周波数は送信周波数と異なる。従って、動体である対象物２０からの反射波を受信アンテナ１４で受信した場合の第１ミキサ１２の出力は、所定周波数の交流信号となる。そこで、動体検出判定部１５は、たとえば、第１ミキサ１２から入力された信号の周波数が、所定周波数（特定の周波数あるいは所定範囲の周波数）の場合に、動体があると判定する。また、対象物２０が固定物の場合には、第１ミキサ１２の出力が０Ｈｚ（直流）、つまり、振幅が０となることから、出力レベルが一定以上の場合に動体があると判定することもできる。さらに、判定方法・アルゴリズムはこれらに限るものではなく、各種のものを適用できる。
【００２７】
さらに、位相を９０度遅延させる第２位相器１７並びに第２ミキサ１８を設け、局部発振器１１の出力を第２位相器１７を介して第２ミキサ１８に与えるとともに、受信アンテナ１４で受信した受信信号を第２ミキサ１８に与えるようにしている。これにより、第２ミキサ１８では、局部発振出力（送信信号）を第２位相器１７にて位相が９０度遅延された信号と、受信信号とが周波数混合される。この第２ミキサ１８の出力は、負帰還信号を生成する負帰還増幅器１９に入力される。
【００２８】
負帰還増幅器１９は、第２ミキサ１８から与えられる入力信号の交流成分のみを通過させるためのコンデンサと差動アンプからなる。この差動アンプの反転入力端子にはコンデンサの出力が入力され、差動アンプの非反転入力端子には局部発振器１１の基準電圧となる直流電圧が供給されるような構成となっている。このようにすることで負帰還増幅器１９の出力は、局部発振器１１の基準電圧を第２ミキサ１８の逆相となる出力で変調した信号となり、局部発振器１５を負帰還信号により振幅変調することとなる。
【００２９】
次に、上述した構成の装置の作用・動作原理を説明しつつ、本発明のドップラーセンサの機能を説明する。局部発振器１１から出力される信号は、送信アンテナ１３から出射され、その前方に位置する対象物２０に到達し、そこで反射された反射波が受信アンテナ１４で受信される。
【００３０】
この受信アンテナ１４で受信した受信信号の周波数つまり反射波の周波数は、対象物２０が固定されているとすると、出力信号の送信周波数、つまり局部発振器１１の発振周波数と同一となる。また、対象物２０が動体の場合には、ドップラー効果により、反射波の周波数は出力信号の送信周波数と異なる。なお、本実施の形態では、局部発振器１１から出力される局部発振信号と反射波との周波数差は１００Ｈｚとする。
【００３１】
従って、まず対象物２０が動体とすると、第１ミキサ１２では、局部発振器１１からの信号が注入されるとともに、受信アンテナ１４で受信したドップラー信号が第１位相器１６にて位相が９０度遅らされた信号が入力される。従って、第１ミキサ１２の出力は、第１位相器１６がない場合に比べて位相が９０度遅れた信号が出力されることになる。
【００３２】
一方、第２ミキサ１８では、局部発振器１１からの信号が第２位相器１７を通過することにより位相が９０度遅れ、係る位相遅れした信号が注入されるとともに、受信アンテナ１４で受信したドップラー信号は、そのまま位相遅れを生じることなく第２ミキサ１８に与えられる。従って、第２ミキサ１８の出力は、第２位相器１７がない場合に比べて位相が９０度進んだ信号が出力されることになる。
【００３３】
従って、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８からそれぞれ出力される混合信号の位相差は、１８０度となる。よって、一方のミキサ（ここでは、第２ミキサ１８）から出力される混合信号を、局部発振器１１の基準電圧を正転入力とした負帰還増幅器の反転入力への入力とすることで局部発振器１１の出力は振幅性雑音成分の逆相で振幅変調されることになり、振幅性雑音成分は抑圧される。なお、本実施の形態では、局部発振器１１の駆動電圧に対して変調を加えることで局部発振器１１の出力信号に振幅変調を与えるようにしたが、本発明は、係る構成に限定されるものではなく、局部発振器１１の出力信号に対して振幅変調を与えるようにできる構成であればどのような構成でもよい。
【００３４】
一方、対象物２０が固定されている場合には、対象物２０にて反射してもドップラー効果は起こらず、反射波の周波数は送信アンテナ１３から出射された信号、つまり、局部発振器１１から出力される信号の周波数と同一となる。従って、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８の出力は０Ｈｚとなる。よって、連続的な信号となるので、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８の出力において、位相差は考える必要が無く、各出力の位相差は０とみなせ、振幅性雑音成分も発生しないため第１ミキサ１２の出力は０となる。
【００３５】
また、局部発振器１１が元来もつ振幅性雑音成分や、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８並びにその他の回路中に外部雑音や装置内部のＣＰＵに起因する雑音が誘導して振幅性雑音成分となるようなことがある。これらの雑音は、受信アンテナ１４で受信した信号に対する振幅変調と同様に扱えるため、局部発振器１１で生成される信号に含まれる負帰還信号により抑圧され、やはり、第１ミキサ１２の出力は０となる。
【００３６】
また、蛍光灯が点灯している場合を考えると、以下のようになる。商用電源（５０Ｈｚ）で点灯している蛍光灯（蛍光管）の放電周期は、その２倍の１００Ｈｚとなる。そのため、蛍光灯で反射された反射波を受信アンテナ１４で受信すると、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８の出力は、局部発振器１１から出力される信号に対し、係る１００Ｈｚの振幅変調がかかった信号となる。しかし、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８の出力は同相であるので、局部発振器１１で生成される信号に含まれる負帰還信号により抑圧され、第１ミキサ１２の出力は０となる。
【００３７】
ここで、本発明の構成により抑圧される振幅性雑音成分について数式を用いて説明する。図４は、図３に記載の回路を振幅性雑音成分抑圧の説明のために特化して記載した等価構成図である。なお、図中において送信アンテナ１３と受信アンテナ１４は一体化して記載し、また第１ミキサ１２と第２ミキサ１８に位相差を１８０度として、そのための位相器は図示省略している。
【００３８】
第１ミキサ１２と第２ミキサ１８はホモダイン検波器として動作し、それぞれＩＦ１、ＩＦ２が出力される。ＩＦ２の出力は、負帰還増幅器１９において局部発振器１１作動のための基準電圧Ｖｒｅｆに反転して重畳され、局部発振器の駆動電源Ｖｃｃとなる。
【００３９】
局部発振器１１内の動作を等価的に記載すると、局部発振器１１に入力された電圧Ｖｃｃは、局部発振器１１内に存在する振幅性雑音成分であるところの等価雑音源ＶｎとＶｃｃに含まれる帰還電圧ＶＦＢが混合（図中、変調器Ｍとして記載）する形となる。この変調器の出力は振幅制御電圧ＶＧＣとして局部発振器１１を作動させ振幅変調した出力信号を生成している。
【００４０】
局部発振器から第２ミキサまでの変調感度Ｋａと帰還電圧ＶＦＢは式（１），（２）の形で表すことができ、以下の式変形により抑圧効果は（７）式として表すことができる。（７）式からわかる様に、振幅性雑音成分によるＩＦ２のノイズ成分は負帰還利得（Ｋａ×Ｋｂ）分抑圧される。これは局部発振器１１の振幅性雑音成分が抑圧されていることを示し、よって、ＩＦ１の振幅性雑音成分も抑圧される。
【数１】
ここで、負帰還なしの時に振幅性雑音成分によるＩＦ２のノイズ（ΔＶＩＦ２′）は、（６）式のようになる。
【００４１】
ΔＶＩＦ２′＝Ｋａ・ΔＶｎ ……（６）
よって、負帰還による抑圧効果は、（７）式で表される。
【数２】
【００４２】
一方、対象物２０が動体の場合に生じる周波数変調されたドップラー信号を受信した場合には、ＩＦ１とＩＦ２のドップラー信号成分は逆相であるため、ＩＦ１からは所定レベルの信号が出力される。一方、対象物２０が一般の固定物の場合はもちろんのこと、点灯している蛍光灯であっても、ＩＦ１の出力は０となる。よって、動体検出判定部１５は、ＩＦ１の出力が所定レベル以上の信号があるか否かにより、動体の有無を判断することができる。具体的には、比較器により構成することができる。
【００４３】
そして、係る構成を採ると、雑音により振幅変調がされても、係る雑音に基づく部分は局部発振器１１で生成される信号に含まれる負帰還信号により抑圧されるので、ドップラー信号に雑音が重畳して振幅変調されても、ＩＦ１の出力はドップラー信号のみに基づく信号となる。その結果、動体検出判定部１５は誤動作することなく高精度に判定処理をすることができる。
【００４４】
ところで、上述した第１の実施の形態を実現するための装置構成としては、例えば図５に示すような導波管を用いたタイプと、図６に示すようなマイクロストリップラインを用いた平面回路で構成するタイプなどがある。すなわち、図５に示すように、導波管３０の一端をホーン状に開口したアンテナ３１にするとともに、他端を閉塞した構成を採る。アンテナ３１は、送信アンテナと受信アンテナを兼用する。そして、係る他端に局部発振器１１を設ける。そして、同一線路上に局部発振器１１，第１ミキサ１２，第２ミキサ１８，アンテナ３１（送信アンテナ，受信アンテナ）を設ける。このとき、隣接する機器間の距離は適宜に設定できるが、少なくとも第１ミキサ１２，第２ミキサ１８間の距離は、λ／４だけ離すようにする。これにより、図３に示した回路と等価な立体回路が構成される。
【００４５】
また、図６に示すように、直線状のマイクロストリップライン４０に対し、端から局部発振器１１，第１ミキサ１２，第２ミキサ１８，アンテナ４１（送信アンテナ，受信アンテナ）を設ける（少なくとも第１ミキサ１２と第２ミキサ１８と間の距離はλ／４だけ離す）ことにより、図３に示した回路と等価な平面回路が構成される。もちろん、具体的な回路構成は、図示したものに限られないのは言うまでもない。アンテナ４１も、矩形状の２つのパターンから構成されるパッチアンテナとしたが、このパターン形状も各種のものを用いることができる。
【００４６】
図５，図６に示す構成にすると、各素子等が直線状に形成された導波路（導波管３０，マイクロストリップライン４０）の適宜位置に配置された簡単な構成となるとともに、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８との配置位置（距離）を調整することにより、位相差の調整が行える。
【００４７】
図７は本発明の第２の実施の形態を示している。本実施の形態では、第１の実施の形態を基本とし、回路中に設ける位相器２１の設置位置を異ならせている。すなわち、位相器２１は、局部発振器１１と第１ミキサ１２との間に挿入配置する。そして、受信アンテナ１４で受信した受信信号は、位相器２１を介することなく第１ミキサ１２と第２ミキサ１８に入力するようにした。さらに、第２ミキサ１８に対し、局部発振器１１の局部発振信号も位相器２１を介することなくそのまま注入している。そして、ここで用いる位相器２１は、１８０度位相を遅らせる機能を持たせている。
【００４８】
係る構成をとると、対象物２０が動体の場合、受信アンテナ１４で受信したドップラー信号はそのまま第１ミキサ１２に入力されるが、局部発振器１１から出力される局部発振信号は、１８０度位相が遅れて第１ミキサ１２に注入される。そのため、第１ミキサ１２の出力は、局部発振信号を基準に１８０度の位相差が生じる。一方、第２ミキサ１８の出力は、２つの入力経路に位相器がないので、位相遅れはない。よって、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８との出力の位相差は１８０度となり、いずれか一方のミキサ（ここでは、第２ミキサ１８）の出力信号を負帰還信号とし、この信号を基に局部発振器１１の出力信号の振幅を制御することで振幅性雑音成分を抑圧するようにしているので第１の実施の形態と同様に不要な振幅性雑音成分は抑圧される。
【００４９】
なお、対象物２０が固定物の場合には、位相差の遅れは関係ないため、点灯する蛍光灯か否かを問わず、局部発振器１１で生成される信号に含まれる負帰還信号により抑圧されるので、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８の出力は共に０となる。よって、動体検出判定部１５は、第１の実施の形態と同様に、第１ミキサ１２の出力が所定レベル以上の信号があるか否かにより、動体の有無を判断することができる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上述した第１の実施の形態と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５０】
なおまた、位相を１８０度遅らす位相器２１は、上述した実施の形態に限ることは無く、例えば図８に示すように、受信アンテナ１４と第１ミキサ１２との間に挿入してもよいし、さらには、第２ミキサ１８側の経路に挿入してもよい。
【実施例】
【００５１】
本発明の効果を実証するため、本発明に係るドップラーセンサを作成し実際の振幅性雑音成分の抑圧効果を測定した。図９は対象物２０が固定されている場合における図４に記載のＩＦ１とＩＦ２の出力状態を表したものである。図９（ａ）は、負帰還増幅器１９を削除した場合のＩＦ１とＩＦ２の出力を比較したものであり、ＩＦ１とＩＦ２には振幅性製雑音成分が現れている。一方、図９（ｂ）は、本発明を適用した場合のＩＦ１とＩＦ２の出力を比較したものでありＩＦ１，ＩＦ２とも振幅性雑音成分が抑圧されていることが確認できる。なお、ＩＦ１とＩＦ２から出力されるドップラー信号の位相差は１８０度となるように位相を設定している。
【００５２】
図１０は対象物２０が移動（ドップラーセンサの前で金属板を前後させている）している場合におけるＩＦ１とＩＦ２の出力状態を表したものである。図１０（ａ）は、本発明を適用せず、負帰還増幅器１９を用いない場合のＩＦ１とＩＦ２の出力を比較したものであり、ＩＦ１とＩＦ２の位相差はおよそ１８０度となり逆相で出力されていることがわかる。
【００５３】
図１０（ｂ）は、本発明を適用した場合のＩＦ１とＩＦ２の出力を比較したものである。ＩＦ２の信号はＩＦ２の出力を用いて局部発振器１１へ負帰還をかけることで局部発振器１１の出力信号を振幅変調しているため、局部発振器１１で生成される信号に含まれる負帰還信号により、ドップラー信号は抑圧され出力されない状態となる。また振幅性雑音成分も同様に負帰還信号に含まれているため、抑圧され、ＩＦ２の出力はドップラー信号成分、雑音成分共に抑圧されていることが確認できる。
【００５４】
これに対し、ＩＦ１の出力は、ＩＦ２の出力を用いて局部発振器１１へ負帰還をかけることで局部発振器１１の出力信号を振幅変調しているため、局部発振器１１で生成される信号に含まれる負帰還信号により、負帰還信号と同相であるドップラー信号成分は伸張し、逆相となる振幅性雑音成分が抑圧される。この結果、図１０（ａ）のＩＦ１の出力信号に比べて明らかにＳＮ比が改善されていることが確認でき、本発明の効果の高さを確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】従来例を示す図である。
【図２】引用文献１の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の等価構成図である。
【図５】第１の実施の形態を実際に構築する場合の立体回路の一例を示す図である。
【図６】第１の実施の形態を実際に構築する場合の平面回路の一例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の変形例を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の変形例を示す図である。
【図９】本発明において移動物体が無い場合の効果を表す特性図である。
【図１０】本発明において移動物体が存在する場合の効果を表す特性図である。
【符号の説明】
【００５６】
１１ 局部発振器
１２ 第１ミキサ
１３ 送信アンテナ
１４ 受信アンテナ
１５ 動体検出判定部
１６ 第１位相器
１７ 第２位相器
１８ 第２ミキサ
１９ 負帰還増幅器
２０ 対象物
２１ 位相器
３０ 導波管
３１ アンテナ
４０ マイクロストリップライン
４１ アンテナ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波ドップラーセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、一般的なホモダイン検波によるドップラーセンサの一例を示している。図１に示すように、局部発振器１の出力が、ミキサ２並びに送信アンテナ３に接続されている。また、ミキサ２には、受信アンテナ４にて受信した受信信号も入力され、そこにおいて受信信号と局部発振器１からの出力信号とが周波数混合される。さらに、そのミキサ２の出力が、動体検出判定部５に与えられ、動体の有無を判断するようになる。
【０００３】
すなわち、送信アンテナ３から出射された出力信号は、その前方に位置する対象物６に到達し、そこで反射された反射波が受信アンテナ４で受信される。この受信アンテナ４で受信した受信信号の周波数つまり反射波の周波数は、対象物６が固定されているとすると、出力信号の送信周波数、つまり局部発振器１の発振周波数と同一となる。従って、ミキサ２の出力は、０Ｈｚ（直流）となる。
【０００４】
一方、対象物６が移動する動体の場合、ドップラー効果により反射波の周波数は送信周波数と異なる。従って、動体である対象物６からの反射波を受信アンテナ４で受信した場合のミキサ２の出力は、所定周波数の交流信号となる。そして、その周波数は、対象物６の移動速度などに応じた値となり、例えば１００Ｈｚとなる。
【０００５】
そこで、動体検出判定部５は、バンドパスフィルタ，増幅器並びにＣＰＵなどから構成され、例えば、ミキサ２から出力される信号の周波数が、３Ｈｚから２００Ｈｚの場合に、動体を検出したと判定するようにしている。そして、このようなドップラーセンサを応用した人体検知装置としては、例えば特許文献１等に開示されたものがある。
【０００６】
係るドップラーセンサには、以下に示す問題がある。すなわち、マイクロ波ドップラーセンサでは、マイクロ波を生成する局部発振器にマイクロ波帯での発振を可能としたＦＥＴ等の半導体が用いられている。このようなＦＥＴを用いた発振器は、一般的に振幅性雑音が多く含まれており、この振幅性雑音成分が検波出力であるミキサ２の出力、すなわちドップラー信号に現れることで動体検出判定部５ではＳＮ比の劣化による誤動作が生じ、高精度に動体を検出することができない。
【０００７】
別の問題として、ドップラーセンサを設置した付近に蛍光灯が存在した場合、その蛍光灯の放電により反射波が変調されるため、誤動作を生じる。つまり、商用電源周波数は５０Ｈｚとすると、蛍光灯の放電周期はその２倍の１００Ｈｚとなる。
【０００８】
従って、蛍光灯が消灯しているときには、蛍光管は放電しないので単なる固定物となり、ミキサ２から出力される信号の周波数は０Ｈｚ（直流信号）になる。一方、蛍光灯が点灯している場合には、放電と非放電を繰り返すことになり、放電時の蛍光管の反射率と、非放電時の反射率の相違から、受信アンテナ４にて受信される信号は、振幅変調がかかる。さらに、実際には、放電による反射は、多方向から受信アンテナ４に入射するので、複雑な振幅変調となる。従って、ミキサ２から出力される信号は、固定物の場合の直流信号に係る振幅変調された変調波が重畳されることになる。そのため、動体からの反射によるものと同じ１００Ｈｚ及びその高調波がミキサ２から出力されることになる。その結果、動体検出判定部５は、例えば、ミキサ２から１００Ｈｚの信号が出力された場合、正規の検出対象であるか、蛍光灯（蛍光管）からの反射波かを区別することができず、誤判定するおそれがある。
【０００９】
係る問題を解決するためには、例えば、動体検出判定部５に不要な帯域を排除するため、適宜バンドパスフィルタ等のフィルタを設けることが考えられる。さらに、蛍光灯の影響を排除するには、振幅性雑音成分である１００Ｈｚだけを検出しないようにノッチフィルタを設けることが考えられるが、蛍光灯の影響を完全になくすためには、１００Ｈｚの高調波成分まで考慮しなければならず複雑なフィルタ等を設計しなければならない。しかし、このような構成をとったとしても局部発振器が元来持つ振幅性雑音成分は広帯域に分布しているため、必要する周波数帯にも振幅性雑音成分が存在し振幅性雑音成分を抑圧する根本的な解決策とはならない。
【００１０】
この問題を解決するための従来技術としては、特許文献２がある。この特許文献２に開示された発明は、ドップラーセンサに２つミキサを設け、２つのミキサの出力の位相差を１８０度として差動増幅器に入力することで同相成分である雑音成分のみを抑圧し、逆相成分であるドップラー信号成分を伸張するようにしたものである。
【００１１】
具体的には図２に示すように、所定周波数の出力信号を生成する信号生成手段１１と、信号生成手段１１で生成された出力信号を出力する送信アンテナ１３と、送信アンテナ１３から出力された出力信号の反射波を受信する受信アンテナ１４と、前記反射波と前記出力信号とを周波数混合するミキサと、そのミキサから出力される混合信号に基づいて動体を検出する動体検出判定部１５と、を備えたマイクロ波ドップラーセンサにおいて、前記ミキサを２個（第１ミキサ１２および第２ミキサ１８）設けるとともに、それら２個のミキサに対してそれぞれ前記反射波と前記出力信号を注入して周波数混合するようにし、前記２つのミキサ１２，１８への前記出力信号の各注入経路並びに、前記受信信号の各入力経路を流れる信号の位相を変更する位相器１６，１７を設け、前記２つのミキサから出力される混合信号の位相差が１８０度になるようにし、また、前記２つのミキサの出力を差動増幅器１０で差動増幅する構成として振幅性雑音成分を抑圧するようにされている。
【特許文献１】特開２００１−２８３３４７号公報
【特許文献２】特開２００４−８５３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した特許文献２の発明によれば、蛍光灯等の影響を排除することができる。しかし、係るドップラーセンサには、以下に示す問題がある。すなわち、蛍光灯等からの振幅性雑音成分の影響をなくすためには、差動増幅器の増幅段において２つのミキサ出力からの雑音成分レベルを正確に合わせ込む必要があるため、その調整が煩雑である。また、一度２つのミキサ出力からの雑音成分レベルを正確に合わせ込むことができても、ミキサ出力の経時変化や温度特性により雑音成分レベルの均衡が崩れることが考えられ、その場合、微量な不均衡でも振幅性雑音成分の抑圧性能が著しく悪化する。
【００１３】
本発明は、上述した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上述した問題を解決し、簡単な構成でもって局部発振器内で発生しているノイズや蛍光灯などの外部ノイズの影響を受けることなく高いＳＮ比のドップラー信号により動体検出部で高精度に動体を検出することができるマイクロ波ドップラーセンサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した目的を達成するため、本発明に係るマイクロ波ドップラーセンサは、所定周波数の出力信号を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段で生成された前記出力信号を出力する前記送信アンテナと、前記送信アンテナから出力された前記出力信号の反射波を受信する受信アンテナと、前記反射波と、前記出力信号を周波数混合するミキサと、前記ミキサから出力される混合信号に基づいて動体を検出する動体検出手段とを備えたマイクロ波ドップラーセンサを前提とし、前記ミキサを２個設けるとともに、それら２個のミキサに対してそれぞれ前記反射波と前記出力信号を注入して周波数混合するようにし、前記２つのミキサへの前記反射波の各注入経路並びに、前記受信信号の各入力経路のすくなくとも一箇所に、その経路を流れる信号の位相を変更する位相変更手段を設け、前記２つのミキサの一方の出力から前記信号生成手段に負帰還するための負帰還信号を生成する負帰還信号生成手段を設け、前記出力信号は前記負帰還信号を基に振幅変調されるように構成し、前記動体検出手段は、前記２つのミキサの他方の出力に接続されるようにした。
【００１５】
そして、好ましくは、前記位相変更手段は、動体からの反射波を受信した場合に、前記２つのミキサから出力される混合信号の位相差が１８０度になるように構成することである。
【００１６】
送信アンテナから出力された出力信号は、対象物で反射して戻ってくる。そして、その反射波が受信アンテナを介して受信される。このとき、対象物が移動する動体の場合、反射波は、ドップラー効果により周波数変調される。従って、反射波の周波数と出力信号の周波数が異なるため、ミキサから混合信号として出力されるドップラー信号は、所定の周波数からなる交流成分を含むものとなる。対象物が固定されている場合には、ドップラー効果が生じないので、反射波の周波数は出力信号と同じである。従って、ミキサから出力される混合信号は、０Ｈｚとなる。この相違に基づき、動体検出手段は動体の有無を判定できる。
【００１７】
そして、本発明では、一方のミキサの出力を局部発振器に負帰還し、信号生成手段に変調をかけることによって２つのミキサの出力において同相成分である振幅性雑音成分は抑圧され、逆相となるドップラー信号成分は伸張され、高いＳＮ比を得ることができ、動体検出手段での動体検出の精度が向上する。点灯している蛍光灯からの反射波の場合、振幅性雑音成分であるので、位相差は生じない。よって、局部発振器内で発生している振幅性雑音成分や回路中に飛び込んできたノイズの場合も、同様に抑圧できる。
【００１８】
さらにまた、負帰還信号には外部から回路中に飛び込む振幅性雑音成分や局部発振器等において発生する振幅性雑音成分を負帰還成分として含んでおり、その信号で信号生成手段の出力信号に振幅変調を行うため、ミキサ出力の経時変化や温度特性によって雑音のレベルが変化したとしても、動体検出は他方の１つのミキサの出力だけを利用しているため抑圧特性や伸張特性への影響を極めて少なくすることができる。
【００１９】
従って、本発明では、ドップラー信号のＳＮ比が高くなることで動体検出判定部での誤動作がなく、高精度に動体を検出することができる。そして、複雑なフィルタを設けること必要がないので、小型かつ簡単な回路構成を採ることができる。また、経時変化や温度特性によりミキサ出力の均衡が崩れることがなくなり安定したドップラー信号を得ることができる。
【００２０】
そして、２つのミキサから出力される各混合信号のうち、少なくとも一方は位相変更手段により位相を変更（遅らせる／進める）して、２つの混合信号の位相差が１８０度となるように調整した場合には、逆相となるドップラー信号成分は２倍に伸張され、より高いＳＮ比を得ることができ、動体検出判定部での動体検出の精度が向上する。なお、本発明では、位相差は必ずしも１８０度に限ることなく所定の値とすることができる。例えば９０度とした場合にはドップラー信号成分は約１．４倍に伸張される。
【００２１】
さらに好ましくは、前記送信アンテナと前記受信アンテナは、１つのアンテナにより構成されるように構成することである。送信アンテナ並びに受信アンテナを１つのアンテナで構成すると、発振器からアンテナに給電する導波管やマイクロストリップライン等の導波路に特定の距離を離してミキサを配置すると言った簡単な構造でマイクロ波ドップラーセンサを形成できる。さらに、位相差は２つのミキサ間の距離を変えることにより変更できるので、位相差の合わせ込み等、設計や製造も容易である。
【００２２】
ここで、１つのアンテナとは、図５に示すように導波管の先端をホーン状にしたアンテナ３（ホーンアンテナ）のように、物理的に１個のものはもちろんのこと、図６に示す２枚のパターンからなるパッチアンテナのようなものも１つのアンテナに含まれる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、動体からの反射波の場合には、２つの混合信号の位相差が生じ、固定物からの反射波の場合には位相差が生じないので、一方の混合信号の出力を負帰還信号として用い、局部発振器の出力に振幅変調をかけることで、振幅性雑音成分である局部発振器元来のノイズや点灯する蛍光灯からの反射波の影響による振幅性雑音成分、またノイズが直接ミキサ等の回路などに混入した場合等に発生する不要な振幅性雑音成分を抑圧することができる。さらに、同相であるドップラー信号成分は伸張されるため、ドップラー信号のＳＮ比を高くでき、動体検出判定部において誤動作無く高精度に動体を検出することができる。また従来技術のように２つの混合信号を差動増幅器により増幅しないため経時変化や温度特性でミキサ出力の均衡が崩れたとしても影響を受けることがなく不要な振幅性雑音成分の抑圧性能が悪化することもない。また、複雑なフィルタ等を構成する必要なく、簡単な構成でもって振幅性雑音成分の影響を受けることなく高精度に動体を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図３は、本発明の第１の実施の形態を示している。図に示すように、局部発振器１１の出力が第１ミキサ１２並びに送信アンテナ１３に接続されている。また、第１ミキサ１２には、受信アンテナ１４にて受信した受信信号も入力され、そこにおいて受信信号に基づく信号と局部発振器１１から出力信号とが周波数混合される。受信アンテナ１４と第１ミキサ１２の間に第１位相器１６を挿入配置し、当該受信信号をその第１位相器１６を経由して第１ミキサ１２に入力するようにしている。そして、第１ミキサ１２において、第１位相器１６にて位相が変えられた受信信号と、局部発振出力（送信信号）とが周波数混合される。第１位相器１６は、位相を９０度遅延させるものであり、具体的には、λ／４の線路長を持つパターンにより構成する。
【００２５】
この第１ミキサ１２で周波数混合された信号が動体検出判定部１５に与えられ、動体の有無を判断するようになる。すなわち、後述するように、送信アンテナ１３から出射された出力信号（マイクロ波）は、その前方に位置する対象物２０に到達し、そこで反射された反射波が受信アンテナ１４で受信される。この受信アンテナ１４で受信した受信信号の周波数つまり反射波の周波数は、対象物２０が固定されているとすると、出力信号の送信周波数、つまり局部発振器１の発振周波数と同一となる。従って、交流成分がなく、第１位相器１６で位相が変えられた（９０度遅延された）としても第１ミキサ１２の出力は、０Ｈｚ（直流）となる。
【００２６】
一方、対象物２０が移動する動体の場合、ドップラー効果により反射波の周波数は送信周波数と異なる。従って、動体である対象物２０からの反射波を受信アンテナ１４で受信した場合の第１ミキサ１２の出力は、所定周波数の交流信号となる。そこで、動体検出判定部１５は、たとえば、第１ミキサ１２から入力された信号の周波数が、所定周波数（特定の周波数あるいは所定範囲の周波数）の場合に、動体があると判定する。また、対象物２０が固定物の場合には、第１ミキサ１２の出力が０Ｈｚ（直流）、つまり、振幅が０となることから、出力レベルが一定以上の場合に動体があると判定することもできる。さらに、判定方法・アルゴリズムはこれらに限るものではなく、各種のものを適用できる。
【００２７】
さらに、位相を９０度遅延させる第２位相器１７並びに第２ミキサ１８を設け、局部発振器１１の出力を第２位相器１７を介して第２ミキサ１８に与えるとともに、受信アンテナ１４で受信した受信信号を第２ミキサ１８に与えるようにしている。これにより、第２ミキサ１８では、局部発振出力（送信信号）を第２位相器１７にて位相が９０度遅延された信号と、受信信号とが周波数混合される。この第２ミキサ１８の出力は、負帰還信号を生成する負帰還増幅器１９に入力される。
【００２８】
負帰還増幅器１９は、第２ミキサ１８から与えられる入力信号の交流成分のみを通過させるためのコンデンサと差動アンプからなる。この差動アンプの反転入力端子にはコンデンサの出力が入力され、差動アンプの非反転入力端子には局部発振器１１の基準電圧となる直流電圧が供給されるような構成となっている。このようにすることで負帰還増幅器１９の出力は、局部発振器１１の基準電圧を第２ミキサ１８の逆相となる出力で変調した信号となり、局部発振器１５を負帰還信号により振幅変調することとなる。
【００２９】
次に、上述した構成の装置の作用・動作原理を説明しつつ、本発明のドップラーセンサの機能を説明する。局部発振器１１から出力される信号は、送信アンテナ１３から出射され、その前方に位置する対象物２０に到達し、そこで反射された反射波が受信アンテナ１４で受信される。
【００３０】
この受信アンテナ１４で受信した受信信号の周波数つまり反射波の周波数は、対象物２０が固定されているとすると、出力信号の送信周波数、つまり局部発振器１１の発振周波数と同一となる。また、対象物２０が動体の場合には、ドップラー効果により、反射波の周波数は出力信号の送信周波数と異なる。なお、本実施の形態では、局部発振器１１から出力される局部発振信号と反射波との周波数差は１００Ｈｚとする。
【００３１】
従って、まず対象物２０が動体とすると、第１ミキサ１２では、局部発振器１１からの信号が注入されるとともに、受信アンテナ１４で受信したドップラー信号が第１位相器１６にて位相が９０度遅らされた信号が入力される。従って、第１ミキサ１２の出力は、第１位相器１６がない場合に比べて位相が９０度遅れた信号が出力されることになる。
【００３２】
一方、第２ミキサ１８では、局部発振器１１からの信号が第２位相器１７を通過することにより位相が９０度遅れ、係る位相遅れした信号が注入されるとともに、受信アンテナ１４で受信したドップラー信号は、そのまま位相遅れを生じることなく第２ミキサ１８に与えられる。従って、第２ミキサ１８の出力は、第２位相器１７がない場合に比べて位相が９０度進んだ信号が出力されることになる。
【００３３】
従って、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８からそれぞれ出力される混合信号の位相差は、１８０度となる。よって、一方のミキサ（ここでは、第２ミキサ１８）から出力される混合信号を、局部発振器１１の基準電圧を正転入力とした負帰還増幅器の反転入力への入力とすることで局部発振器１１の出力は振幅性雑音成分の逆相で振幅変調されることになり、振幅性雑音成分は抑圧される。なお、本実施の形態では、局部発振器１１の駆動電圧に対して変調を加えることで局部発振器１１の出力信号に振幅変調を与えるようにしたが、本発明は、係る構成に限定されるものではなく、局部発振器１１の出力信号に対して振幅変調を与えるようにできる構成であればどのような構成でもよい。
【００３４】
一方、対象物２０が固定されている場合には、対象物２０にて反射してもドップラー効果は起こらず、反射波の周波数は送信アンテナ１３から出射された信号、つまり、局部発振器１１から出力される信号の周波数と同一となる。従って、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８の出力は０Ｈｚとなる。よって、連続的な信号となるので、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８の出力において、位相差は考える必要が無く、各出力の位相差は０とみなせ、振幅性雑音成分も発生しないため第１ミキサ１２の出力は０となる。
【００３５】
また、局部発振器１１が元来もつ振幅性雑音成分や、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８並びにその他の回路中に外部雑音や装置内部のＣＰＵに起因する雑音が誘導して振幅性雑音成分となるようなことがある。これらの雑音は、受信アンテナ１４で受信した信号に対する振幅変調と同様に扱えるため、局部発振器１１で生成される信号に含まれる負帰還信号により抑圧され、やはり、第１ミキサ１２の出力は０となる。
【００３６】
また、蛍光灯が点灯している場合を考えると、以下のようになる。商用電源（５０Ｈｚ）で点灯している蛍光灯（蛍光管）の放電周期は、その２倍の１００Ｈｚとなる。そのため、蛍光灯で反射された反射波を受信アンテナ１４で受信すると、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８の出力は、局部発振器１１から出力される信号に対し、係る１００Ｈｚの振幅変調がかかった信号となる。しかし、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８の出力は同相であるので、局部発振器１１で生成される信号に含まれる負帰還信号により抑圧され、第１ミキサ１２の出力は０となる。
【００３７】
ここで、本発明の構成により抑圧される振幅性雑音成分について数式を用いて説明する。図４は、図３に記載の回路を振幅性雑音成分抑圧の説明のために特化して記載した等価構成図である。なお、図中において送信アンテナ１３と受信アンテナ１４は一体化して記載し、また第１ミキサ１２と第２ミキサ１８に位相差を１８０度として、そのための位相器は図示省略している。
【００３８】
第１ミキサ１２と第２ミキサ１８はホモダイン検波器として動作し、それぞれＩＦ１、ＩＦ２が出力される。ＩＦ２の出力は、負帰還増幅器１９において局部発振器１１作動のための基準電圧Ｖｒｅｆに反転して重畳され、局部発振器の駆動電源Ｖｃｃとなる。
【００３９】
局部発振器１１内の動作を等価的に記載すると、局部発振器１１に入力された電圧Ｖｃｃは、局部発振器１１内に存在する振幅性雑音成分であるところの等価雑音源ＶｎとＶｃｃに含まれる帰還電圧ＶＦＢが混合（図中、変調器Ｍとして記載）する形となる。この変調器の出力は振幅制御電圧ＶＧＣとして局部発振器１１を作動させ振幅変調した出力信号を生成している。
【００４０】
局部発振器から第２ミキサまでの変調感度Ｋａと帰還電圧ＶＦＢは式（１），（２）の形で表すことができ、以下の式変形により抑圧効果は（７）式として表すことができる。（７）式からわかる様に、振幅性雑音成分によるＩＦ２のノイズ成分は負帰還利得（Ｋａ×Ｋｂ）分抑圧される。これは局部発振器１１の振幅性雑音成分が抑圧されていることを示し、よって、ＩＦ１の振幅性雑音成分も抑圧される。
【数１】
ここで、負帰還なしの時に振幅性雑音成分によるＩＦ２のノイズ（ΔＶＩＦ２′）は、（６）式のようになる。
【００４１】
ΔＶＩＦ２′＝Ｋａ・ΔＶｎ ……（６）
よって、負帰還による抑圧効果は、（７）式で表される。
【数２】
【００４２】
一方、対象物２０が動体の場合に生じる周波数変調されたドップラー信号を受信した場合には、ＩＦ１とＩＦ２のドップラー信号成分は逆相であるため、ＩＦ１からは所定レベルの信号が出力される。一方、対象物２０が一般の固定物の場合はもちろんのこと、点灯している蛍光灯であっても、ＩＦ１の出力は０となる。よって、動体検出判定部１５は、ＩＦ１の出力が所定レベル以上の信号があるか否かにより、動体の有無を判断することができる。具体的には、比較器により構成することができる。
【００４３】
そして、係る構成を採ると、雑音により振幅変調がされても、係る雑音に基づく部分は局部発振器１１で生成される信号に含まれる負帰還信号により抑圧されるので、ドップラー信号に雑音が重畳して振幅変調されても、ＩＦ１の出力はドップラー信号のみに基づく信号となる。その結果、動体検出判定部１５は誤動作することなく高精度に判定処理をすることができる。
【００４４】
ところで、上述した第１の実施の形態を実現するための装置構成としては、例えば図５に示すような導波管を用いたタイプと、図６に示すようなマイクロストリップラインを用いた平面回路で構成するタイプなどがある。すなわち、図５に示すように、導波管３０の一端をホーン状に開口したアンテナ３１にするとともに、他端を閉塞した構成を採る。アンテナ３１は、送信アンテナと受信アンテナを兼用する。そして、係る他端に局部発振器１１を設ける。そして、同一線路上に局部発振器１１，第１ミキサ１２，第２ミキサ１８，アンテナ３１（送信アンテナ，受信アンテナ）を設ける。このとき、隣接する機器間の距離は適宜に設定できるが、少なくとも第１ミキサ１２，第２ミキサ１８間の距離は、λ／４だけ離すようにする。これにより、図３に示した回路と等価な立体回路が構成される。
【００４５】
また、図６に示すように、直線状のマイクロストリップライン４０に対し、端から局部発振器１１，第１ミキサ１２，第２ミキサ１８，アンテナ４１（送信アンテナ，受信アンテナ）を設ける（少なくとも第１ミキサ１２と第２ミキサ１８と間の距離はλ／４だけ離す）ことにより、図３に示した回路と等価な平面回路が構成される。もちろん、具体的な回路構成は、図示したものに限られないのは言うまでもない。アンテナ４１も、矩形状の２つのパターンから構成されるパッチアンテナとしたが、このパターン形状も各種のものを用いることができる。
【００４６】
図５，図６に示す構成にすると、各素子等が直線状に形成された導波路（導波管３０，マイクロストリップライン４０）の適宜位置に配置された簡単な構成となるとともに、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８との配置位置（距離）を調整することにより、位相差の調整が行える。
【００４７】
図７は本発明の第２の実施の形態を示している。本実施の形態では、第１の実施の形態を基本とし、回路中に設ける位相器２１の設置位置を異ならせている。すなわち、位相器２１は、局部発振器１１と第１ミキサ１２との間に挿入配置する。そして、受信アンテナ１４で受信した受信信号は、位相器２１を介することなく第１ミキサ１２と第２ミキサ１８に入力するようにした。さらに、第２ミキサ１８に対し、局部発振器１１の局部発振信号も位相器２１を介することなくそのまま注入している。そして、ここで用いる位相器２１は、１８０度位相を遅らせる機能を持たせている。
【００４８】
係る構成をとると、対象物２０が動体の場合、受信アンテナ１４で受信したドップラー信号はそのまま第１ミキサ１２に入力されるが、局部発振器１１から出力される局部発振信号は、１８０度位相が遅れて第１ミキサ１２に注入される。そのため、第１ミキサ１２の出力は、局部発振信号を基準に１８０度の位相差が生じる。一方、第２ミキサ１８の出力は、２つの入力経路に位相器がないので、位相遅れはない。よって、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８との出力の位相差は１８０度となり、いずれか一方のミキサ（ここでは、第２ミキサ１８）の出力信号を負帰還信号とし、この信号を基に局部発振器１１の出力信号の振幅を制御することで振幅性雑音成分を抑圧するようにしているので第１の実施の形態と同様に不要な振幅性雑音成分は抑圧される。
【００４９】
なお、対象物２０が固定物の場合には、位相差の遅れは関係ないため、点灯する蛍光灯か否かを問わず、局部発振器１１で生成される信号に含まれる負帰還信号により抑圧されるので、第１ミキサ１２と第２ミキサ１８の出力は共に０となる。よって、動体検出判定部１５は、第１の実施の形態と同様に、第１ミキサ１２の出力が所定レベル以上の信号があるか否かにより、動体の有無を判断することができる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上述した第１の実施の形態と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５０】
なおまた、位相を１８０度遅らす位相器２１は、上述した実施の形態に限ることは無く、例えば図８に示すように、受信アンテナ１４と第１ミキサ１２との間に挿入してもよいし、さらには、第２ミキサ１８側の経路に挿入してもよい。
【実施例】
【００５１】
本発明の効果を実証するため、本発明に係るドップラーセンサを作成し実際の振幅性雑音成分の抑圧効果を測定した。図９は対象物２０が固定されている場合における図４に記載のＩＦ１とＩＦ２の出力状態を表したものである。図９（ａ）は、負帰還増幅器１９を削除した場合のＩＦ１とＩＦ２の出力を比較したものであり、ＩＦ１とＩＦ２には振幅性製雑音成分が現れている。一方、図９（ｂ）は、本発明を適用した場合のＩＦ１とＩＦ２の出力を比較したものでありＩＦ１，ＩＦ２とも振幅性雑音成分が抑圧されていることが確認できる。なお、ＩＦ１とＩＦ２から出力されるドップラー信号の位相差は１８０度となるように位相を設定している。
【００５２】
図１０は対象物２０が移動（ドップラーセンサの前で金属板を前後させている）している場合におけるＩＦ１とＩＦ２の出力状態を表したものである。図１０（ａ）は、本発明を適用せず、負帰還増幅器１９を用いない場合のＩＦ１とＩＦ２の出力を比較したものであり、ＩＦ１とＩＦ２の位相差はおよそ１８０度となり逆相で出力されていることがわかる。
【００５３】
図１０（ｂ）は、本発明を適用した場合のＩＦ１とＩＦ２の出力を比較したものである。ＩＦ２の信号はＩＦ２の出力を用いて局部発振器１１へ負帰還をかけることで局部発振器１１の出力信号を振幅変調しているため、局部発振器１１で生成される信号に含まれる負帰還信号により、ドップラー信号は抑圧され出力されない状態となる。また振幅性雑音成分も同様に負帰還信号に含まれているため、抑圧され、ＩＦ２の出力はドップラー信号成分、雑音成分共に抑圧されていることが確認できる。
【００５４】
これに対し、ＩＦ１の出力は、ＩＦ２の出力を用いて局部発振器１１へ負帰還をかけることで局部発振器１１の出力信号を振幅変調しているため、局部発振器１１で生成される信号に含まれる負帰還信号により、負帰還信号と同相であるドップラー信号成分は伸張し、逆相となる振幅性雑音成分が抑圧される。この結果、図１０（ａ）のＩＦ１の出力信号に比べて明らかにＳＮ比が改善されていることが確認でき、本発明の効果の高さを確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】従来例を示す図である。
【図２】引用文献１の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の等価構成図である。
【図５】第１の実施の形態を実際に構築する場合の立体回路の一例を示す図である。
【図６】第１の実施の形態を実際に構築する場合の平面回路の一例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の変形例を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の変形例を示す図である。
【図９】本発明において移動物体が無い場合の効果を表す特性図である。
【図１０】本発明において移動物体が存在する場合の効果を表す特性図である。
【符号の説明】
【００５６】
１１ 局部発振器
１２ 第１ミキサ
１３ 送信アンテナ
１４ 受信アンテナ
１５ 動体検出判定部
１６ 第１位相器
１７ 第２位相器
１８ 第２ミキサ
１９ 負帰還増幅器
２０ 対象物
２１ 位相器
３０ 導波管
３１ アンテナ
４０ マイクロストリップライン
４１ アンテナ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数の出力信号を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段で生成された前記出力信号を出力する前記送信アンテナと、
前記送信アンテナから出力された前記出力信号の反射波を受信する受信アンテナと、
前記反射波と、前記出力信号を周波数混合するミキサと、
前記ミキサから出力される混合信号に基づいて動体を検出する動体検出手段とを備えたマイクロ波ドップラーセンサにおいて、
前記ミキサを２個設けるとともに、それら２個のミキサに対して、それぞれ前記反射波と前記出力信号を注入して周波数混合するようにし、前記２つのミキサへの前記出力信号の各注入経路並びに、前記反射波の各入力経路の少なくとも一箇所に、その経路を流れる信号の位相を変更する位相変更手段を設け、
前記２つのミキサの一方の出力から前記信号生成手段に負帰還するための負帰還信号を生成する負帰還信号生成手段を設け、前記出力信号は前記負帰還信号を基に振幅変調されるように構成し、
前記動体検出手段は、前記２つのミキサの他方の出力に接続されたことを特徴とするマイクロ波ドップラーセンサ。
【請求項２】
前記位相変更手段は、動体からの反射波であるドップラー信号を受信した場合に、前記２つのミキサから出力される混合信号の位相差が１８０度になるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波ドップラーセンサ。
【請求項３】
前記送信アンテナと前記受信アンテナは一つのアンテナにより構成され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ドップラーセンサ。
【請求項１】
所定周波数の出力信号を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段で生成された前記出力信号を出力する前記送信アンテナと、
前記送信アンテナから出力された前記出力信号の反射波を受信する受信アンテナと、
前記反射波と、前記出力信号を周波数混合するミキサと、
前記ミキサから出力される混合信号に基づいて動体を検出する動体検出手段とを備えたマイクロ波ドップラーセンサにおいて、
前記ミキサを２個設けるとともに、それら２個のミキサに対して、それぞれ前記反射波と前記出力信号を注入して周波数混合するようにし、前記２つのミキサへの前記出力信号の各注入経路並びに、前記反射波の各入力経路の少なくとも一箇所に、その経路を流れる信号の位相を変更する位相変更手段を設け、
前記２つのミキサの一方の出力から前記信号生成手段に負帰還するための負帰還信号を生成する負帰還信号生成手段を設け、前記出力信号は前記負帰還信号を基に振幅変調されるように構成し、
前記動体検出手段は、前記２つのミキサの他方の出力に接続されたことを特徴とするマイクロ波ドップラーセンサ。
【請求項２】
前記位相変更手段は、動体からの反射波であるドップラー信号を受信した場合に、前記２つのミキサから出力される混合信号の位相差が１８０度になるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波ドップラーセンサ。
【請求項３】
前記送信アンテナと前記受信アンテナは一つのアンテナにより構成され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ドップラーセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−１２１２３７（Ｐ２００７−１２１２３７Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１７４１１（Ｐ２００５−３１７４１１）
【出願日】平成１７年１０月３１日（２００５．１０．３１）
【出願人】（３９１００１８４８）ユピテル工業株式会社 (238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月３１日（２００５．１０．３１）
【出願人】（３９１００１８４８）ユピテル工業株式会社 (238)
【Ｆターム（参考）】
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