侵入物識別装置
【課題】自然環境が変化しても、侵入者の侵入を識別する。
【解決手段】
無線送信回路１０は所定の送信信号を無線送信し、無線受信回路は送信された送信信号を受信信号として受信し、複素復調信号に復調する。特徴抽出器１６は、期間長ΔＴをそれぞれ有する解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいて複素復調信号の特徴を表す特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを抽出する。識別器１７は特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎに基づいて、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと、侵入者の非侵入時を表す参照特徴量パターンとを用いて、検知領域に侵入者が侵入したか否かを識別する。
【解決手段】
無線送信回路１０は所定の送信信号を無線送信し、無線受信回路は送信された送信信号を受信信号として受信し、複素復調信号に復調する。特徴抽出器１６は、期間長ΔＴをそれぞれ有する解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいて複素復調信号の特徴を表す特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを抽出する。識別器１７は特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎに基づいて、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと、侵入者の非侵入時を表す参照特徴量パターンとを用いて、検知領域に侵入者が侵入したか否かを識別する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知領域内に侵入物が侵入したことを電波を用いて識別する侵入物識別装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、線路などの検知領域内に侵入した侵入物を検知する様々な装置が採用されている。侵入物としては、車両、侵入者及び動物などが挙げられるが、防犯上、最も重要な侵入物は検知領域内の設備に危害を及ぼす可能性のある侵入者（人間）である。特許文献１に記載されている侵入検知装置は、送信信号を送信アンテナに供給する送信手段と、上記送信アンテナから放射された電波を受信する受信アンテナと、上記受信アンテナにより受信された受信信号の実部成分と虚部成分を復調する復調手段と、上記復調手段により復調された実部成分と虚部成分から為る複素信号を周波数データに変換し、変換した周波数データを構成する正の周波数と負の周波数との差分値が所定の閾値より大きい場合に、侵入物体の存在を認定する検知手段とを備える。これにより、送信アンテナ又は受信アンテナの風による揺れや、降雨等による地面などの反射率の変動に起因する上記複素信号の直線的な変化に起因する誤検知を防止する。
【０００３】
また、特許文献２に記載されている侵入物検知方法は、検知エリア内の侵入物を、電波を照射する送信手段を用いて検知する侵入物検知方法であって、前記侵入物に対して異なる方向から照射することによって前記侵入物において照射される領域の広さを異ならせるように、前記送信手段から異なる方向へ走査して、または複数の異なる位置に設けた前記送信手段から、電波を検知エリア内に送信する送信ステップと、前記送信ステップにより送信された前記電波の反射波を受信する受信ステップと、前記受信ステップにより受信された前記反射波に基づいて、受信波強度を測定する測定ステップと、前記送信ステップにおいて異なる方向から照射された領域の広さの差異に応じて、前記測定ステップにより測定された前記受信波強度に基づいて、前記侵入物が人体であるか否か判定する人体判定ステップとを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８７８１０３号公報。
【特許文献２】特許第３５２１８９９号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に係る侵入検知装置及び特許文献２に係る侵入物検知方法によれば、自然現象によって引き起こされる電波変動時にも、侵入者の侵入を知らせる警報を誤って発することがあった。例えば、特許文献１では、風や降雨等に自然環境の変化に起因する上記差分値の変動が上記しきい値よりも大きいときには、誤発報してしまうという課題があった。また、特許文献２では、受信波強度が所定の範囲内である場合には侵入物が人体であると判定するが、人体の侵入による受信波強度の変動の大きさにバラツキがある場合には、上記範囲を比較的広く設定する必要があり誤発報が発生しやすくなるという課題があった。
【０００６】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、環境が変化しても、従来技術に比較して正確に侵入物が侵入したことを識別できる侵入物識別装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る侵入物識別装置は、所定の送信信号を発生して送信アンテナを用いて無線送信する送信手段と、上記送信された送信信号を受信アンテナを用いて無線受信し、上記無線受信した送信信号を上記発生された送信信号を用いて直交検波して複素復調信号に復調する受信手段とを備えた侵入識別装置において、それぞれ所定の期間長を有する複数の解析期間において、上記複素復調信号から、上記各解析期間においても変化しかつ侵入物の侵入時と非侵入時とで異なるように変化する特徴量パターンを抽出する特徴抽出手段と、上記抽出された特徴量パターンに基づいて、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと、侵入物の非侵入時を表す参照特徴量パターンとのうちの少なくとも一方を用いて侵入物が侵入したか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号を出力する識別手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記侵入物識別装置において、上記特徴量パターンは、上記各解析期間において上記複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡を表す複数のベクトルの、大きさ及び方向の少なくとも一方の変化の時系列パターンを含むことを特徴とする。
【０００９】
また、上記侵入物識別装置において、上記特徴量パターンは、上記各解析期間における複素復調信号の周波数スペクトルのパターンを含むことを特徴とする。
【００１０】
さらに、上記侵入物識別装置において、上記特徴抽出手段は、上記各解析期間において、上記複素復調信号を上記周波数スペクトルにフーリエ変換又はウェーブレット変換することを特徴とする。
【００１１】
またさらに、上記侵入物識別装置において、上記特徴量パターンは、上記各解析期間における上記複素復調信号の共分散行列の分散の変化、もしくは固有値の変化の時系列パターンを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、上記侵入物識別装置において、上記特徴量パターンは、上記各解析期間において上記複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡の長さの変化、もしくは当該軌跡によって囲まれる領域の面積の変化の時系列パターンを含むことを特徴とする。
【００１３】
さらに、上記侵入物識別装置において、上記送信アンテナ及び受信アンテナはそれぞれ、アレーアンテナにてなることを特徴とする。
【００１４】
またさらに、上記侵入物識別装置において、上記各アレーアンテナは漏洩同軸ケーブルにてなることを特徴とする。
【００１５】
また、上記侵入物識別装置において、上記送信手段は、上記発生された送信信号をＰＮ符号信号を用いてスペクトル拡散して送信することを特徴とする。
【００１６】
さらに、上記侵入物識別装置において、上記受信手段は、上記ＰＮ符号信号を互いに異なる複数の遅延時間だけ遅延させて複数の遅延ＰＮ符号信号を発生し、上記受信信号を上記複数の遅延ＰＮ符号信号を用いて逆拡散して複数の逆拡散受信信号を発生し、上記複数の逆拡散信号をそれぞれ、上記発生された送信信号を用いて直交検波して複素復調信号に復調して出力し、上記侵入物識別装置は、上記複数の遅延時間に対応してそれぞれ設けられた複数の上記特徴抽出手段と、上記複数の遅延時間に対応してそれぞれ設けられた複数の上記識別手段と、上記各識別手段からの識別信号に基づいて上記侵入物の位置を決定する位置決定手段とをさらに備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る侵入物識別装置は、それぞれ所定の期間長を有する複数の解析期間において、複素復調信号から、各解析期間においても変化しかつ侵入物の侵入時と非侵入時とで異なるように変化する特徴量パターンを抽出する特徴抽出手段と、上記抽出された特徴量パターンに基づいて、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと、侵入物の非侵入時を表す参照特徴量パターンとのうちの少なくとも一方を用いて侵入物が侵入したか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号を出力する識別手段とを備えたので、侵入物の侵入時の複素復調信号に特有の特徴量パターンを抽出して、従来技術に比較して侵入物が侵入したことを正確に識別できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る侵入物識別装置１の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の特徴抽出器１６の構成を示すブロック図である。
【図３】図１の直交検波器１４からの複素復調信号の複素平面上でのベクトル軌跡Ｏｃを示すグラフである。
【図４】（ａ）は図２の特徴量パターン算出器３５によって設定される観測期間Ｔｏ及び解析期間Ｔａ１〜ＴａＮを示すタイミングチャートであり、（ｂ）は図２の特徴量パターン算出器３５によって算出される特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態２に係る侵入物識別装置１Ａの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る特徴抽出器１６Ａの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る特徴抽出器１６Ｂの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００２０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る侵入物識別装置１の構成を示すブロック図であり、図２は、図１の特徴抽出器１６の構成を示すブロック図である。また、図３は、図１の直交検波器１４からの複素復調信号の複素平面上でのベクトル軌跡Ｏｃを示すグラフであり、図４（ａ）は図２の特徴量パターン算出器３５によって設定される観測期間Ｔｏ及び解析期間Ｔａ１〜ＴａＮを示すタイミングチャートであり、図４（ｂ）は図２の特徴量パターン算出器３５によって算出される特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを示すグラフである。
【００２１】
図１において、侵入物識別装置１は、信号発生器１１を備えた無線送信回路１０と、送信アンテナ１２と、受信アンテナ１３と、直交検波器１４を備えた無線受信回路９と、メモリ１５，２０と、特徴抽出器１６と、識別器１７と、学習サンプルデータメモリ１８と、学習器１９と、識別結果出力器２１とを備えて構成される。また、図２において、特徴抽出器１６は、差分ベクトル算出器３１と、変化量算出器３３と、特徴量パターン算出器３５と、メモリ３２，３４とを備えて構成される。ここで、差分ベクトル算出器３１、変化量算出器３３、特徴量パターン算出器３５、学習器１９及び識別器１７は、具体的にはＣＰＵ又はディジタル・シグナル・プロセッサ（以下、ＤＳＰという。）によって構成される。また、侵入物識別装置１は、無線送信回路１０及び無線受信回路９が送信アンテナ１２及び受信アンテナ１３を用いて互いに無線通信可能な領域である検知領域を有する。
【００２２】
詳細後述するように、本実施形態に係る侵入物識別装置１は、所定の送信信号を発生して送信アンテナ１２を用いて無線送信する無線送信回路１０と、上記送信された送信信号を受信アンテナ１３を用いて無線受信し、上記無線受信した送信信号を上記発生された送信信号を用いて直交検波して複素復調信号に復調する無線受信回路９とを備えた侵入識別装置１において、それぞれ所定の期間長ΔＴを有する複数の解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいて、上記複素復調信号から、上記各解析期間においても変化しかつ侵入者の侵入時と非侵入時とで異なるように変化する特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを抽出する特徴抽出器１６と、上記抽出された特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎに基づいて、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと、侵入者の非侵入時を表す参照特徴量パターンと用いて侵入者が侵入したか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号Ｓ１７を出力する識別器１７とを備えたことを特徴としている。
【００２３】
図１において、無線送信回路１０は、信号発生器１１によって発生された所定の送信信号を送信アンテナ１２に出力して電波として放射するとともに、上記送信信号を直交検波器１４に出力する。送信アンテナ１２によって放射された電波は受信アンテナ１３によって受信信号として受信される。直交検波器１４は、信号発生器１１からの送信信号を用いて、上記受信信号を複素復調信号の実部である同相成分及び虚部である直交成分に直交検波してメモリ１５に出力する。
【００２４】
図２において、差分ベクトル算出器３１は、始めに、メモリ１５に記憶された複素復調信号の同相成分及び直交成分をそれぞれ１／１６秒周期でサンプリングして離散化する。図３に、サンプリングタイミングｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４でそれぞれサンプリングされた複素復調信号Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｃ３，Ｓｃ４の一例を、複素平面上にプロットして示す。図３に示すように、複素復調信号は複素平面上でベクトル軌跡Ｏｃを描く。次に、差分ベクトル算出器３１は、各連続する２つのサンプリングタイミングにおける複素復調信号Ｓｃ１，Ｓｃ２，…の同相成分の差及び直交成分の差を算出することにより、複素復調信号の複素平面上でのベクトル軌跡Ｏｃを表す差分ベクトルＶ１２，Ｖ２３，Ｖ３４，…を算出してメモリ３２に出力する。例えば、図３において、差分ベクトルＶ１２の同相成分はタイミングｔ２における複素復調信号Ｓｃ２の同相成分Ｉ２からタイミングｔ２における複素復調信号Ｓｃ１の同相成分Ｉ１を減算することによって算出され、差分ベクトルＶ１２の直交成分はタイミングｔ２における複素復調信号Ｓｃ２の直交成分Ｑ２からタイミングｔ２における複素復調信号Ｓｃ１の直交成分Ｑ１を減算することによって算出される。
【００２５】
図２において、変化量算出器３３は、メモリ３２に記憶された差分ベクトルＶ１２，Ｖ２３，Ｖ３４，…に基づいて、各連続する２つの差分ベクトルがなす角度を算出する。例えば、図３において、ベクトルＶ１２とベクトルＶ２３とがなす角度θ１２が算出され、ベクトルＶ２３とベクトルＶ３４とがなす角度θ２３が算出される。そして、変化量算出器３３は、算出された各角度θ１２，θ２３，…の余弦ｃｏｓθ１２，ｃｏｓθ２３，…（以下、ｃｏｓθの時系列パターンという。）を算出してメモリ３４に出力する。
【００２６】
次に、特徴量パターン算出器３５は、図４（ａ）に示すように、所定の長さの期間長を有する観測期間Ｔｏを設定し、観測期間Ｔｏ内に期間長ΔＴをそれぞれ有する複数Ｎ個の解析期間Ｔａ１，Ｔａ２，…，ＴａＮを設ける。ここで、観測期間Ｔｏの長さは、侵入物識別装置１の検知領域内を侵入者が通過するために必要とされる時間期間（例えば、１秒〜２秒である。）よりも十分長い値に設定され、例えば、５秒〜１０秒の範囲内の値を有する。また、各解析期間Ｔａ１，Ｔａ２，…，ＴａＮの長さΔＴは、侵入物識別装置１の検知領域内を侵入者が通過するために必要とされる時間期間以下の値に設定され、例えば、２秒である。さらに、隣り合う解析期間Ｔａ１，Ｔａ２，…，ＴａＮは互いに一部が重なるように設けられる。
【００２７】
さらに、特徴量パターン算出器３５は、図４（ｂ）に示すように、メモリ３４に記憶されたｃｏｓθの時系列パターンに基づいて、各解析期間Ｔａ１，Ｔａ２，…，ＴａＮにおけるｃｏｓθの時系列パターンを１つのグラフにプロットする。そして、最大の値を有する解析期間のｃｏｓθの時系列パターンと、最小の値を有するｃｏｓθの時系列パターンとを、特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎとしてそれぞれ識別器１７に出力する。
【００２８】
ここで、送信アンテナ１２から放射された電波が侵入者に当たると上記電波は散乱されるので、複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃは、侵入者が存在しないときの点を中心に円を描いて滑らかに変化するという特徴を有する。一方、送信アンテナ１２及び受信アンテナ１３が揺れたときや、降雨等による地面などの反射率の変動が生じたときには、複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃは細い楕円か直線の形状で振動するという特徴を有する。さらに、侵入者の侵入時の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの変化は、自然現象に起因する変化に比較して、短時間であるという特徴を有する。このため、図４（ａ）に示すように、侵入物識別装置１の検知領域内を侵入者が通過するために必要とされる時間期間よりも十分長い観測期間Ｔｏを設け、侵入物識別装置１の検知領域内を侵入者が通過するために必要とされる時間期間以下の期間長ΔＴを有する解析期間Ｔａ１〜ＴａＮを設けることにより、侵入者が侵入した期間Ｔ２を含む解析期間Ｔａと、侵入者が侵入していない期間Ｔ１又はＴ３のみを含む解析期間Ｔａとを得ることができる。さらに、侵入者が侵入した期間Ｔ２を含む解析期間Ｔａにおけるベクトル軌跡Ｏｃのｃｏｓθの時系列パターンは、侵入者が侵入していない期間Ｔ１又はＴ３を含む解析期間Ｔａにおけるベクトル軌跡Ｏｃのｃｏｓθの時系列パターンに比較して大きい値を有する。このため、図４（ａ）に示すように、観測期間Ｔｏ内に侵入者が侵入した場合は、特徴量パターン算出器３５によって算出される特徴量パターンＦｍａｘは、侵入者が侵入した期間Ｔ２の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの特徴を表し、特徴量パターンＦｍｉｎは侵入者が侵入していない期間Ｔ１又はＴ３の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの特徴を表す。
【００２９】
図１において、学習サンプルデータメモリ１８は、侵入者の侵入時か非侵入時かを識別する識別ラベルをそれぞれ有する、特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎの複数の学習特徴量パターンを予め記憶している。学習器１９は、学習特徴量パターンメモリ１８からの学習特徴量パターン及び侵入者の侵入時及び非侵入時の特徴量抽出器１６からの特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎの実測値を用いて学習を行い、侵入者の侵入時及び非侵入時の特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎの代表的なパターンを作成し、侵入物の侵入時を表わす参照特徴量パターン及び侵入物の非侵入時を表わす参照特徴量パターンとしてメモリ２０に出力する。識別器１７は、特徴量抽出器１６からの特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎに基づいて、メモリ２０に記憶された侵入物の侵入時を表わす参照特徴量パターン及び侵入物の非侵入時を表わす参照特徴量パターン、特徴量抽出器１６を用いてパターン認識処理を行い、特徴量パターンＦｍａｘが侵入者の侵入を表わすか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号Ｓ１７を発生して識別結果出力器２１に出力する。識別結果出力器２１はスピーカ及びディスプレイ装置であって、侵入者の侵入を示す識別信号Ｓ１７に応答して、スピーカから所定の警報音を出力し、かつディスプレイ装置上に所定の警告表示を行う。
【００３０】
従って、本実施形態に係る侵入物識別装置１によれば、連続する２つの差分ベクトルの間の角度θを用いて特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを算出するので、特徴量パターンＦｍａｘによって、検知領域に侵入者が侵入したときに複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃが滑らかに変化するという特徴を抽出することができる。
【００３１】
また、侵入物識別装置１の検知領域内を侵入者が通過するために必要とされる時間期間よりも十分長い観測期間Ｔｏを設け、侵入物識別装置１の検知領域内を侵入者が通過するために必要とされる時間期間以下の期間長ΔＴを有する解析期間Ｔａ１〜ＴａＮを設けることにより、侵入者が侵入した期間Ｔ２を含む解析期間Ｔａの特徴量パターンＦｍａｘと、侵入者が侵入していない期間Ｔ１又はＴ３のみを含む解析期間Ｔａの特徴量パターンＦｍｉｎとを得ることができる。そして、識別器１７は特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎに基づいてパターン認識処理を行うので、侵入者の侵入を雨や風による自然現象に起因する複素復調信号の変動と区別して、従来技術に比較して高い精度で識別できる。また、侵入者の侵入による複素復調信号の変化が自然現象に起因する複素復調信号の変化に比較して比較的短時間に集中するという特徴を抽出することができる。
【００３２】
さらに、識別結果出力器２１によって侵入者の侵入をディスプレイ装置上に表示し、音で知らせるように構成したので、監視作業員の監視作業を容易にすることができる。
【００３３】
なお、上記実施形態において、特徴量パターン算出器３５は、各解析期間において、連続する２つの差分ベクトル間の角度θの余弦（ｃｏｓθ）の時系列パターンを特徴量パターンとして抽出した。しかしながら、本発明はこれに限られず、特徴量パターンは、各解析期間において複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡Ｏｃを表す複数の差分ベクトルの、大きさ及び方向の少なくとも一方の変化の時系列パターンを含めばよい。具体的には、上記特徴量パターンは、連続する又は所定の時間間隔だけ離れた２つの差分ベクトル間の角度と、上記２つの差分ベクトルのうちの少なくとも一方の差分ベクトルの大きさと、上記角度の三角関数と、上記角度の三角関数の絶対値とのうちの少なくとも１つに基づいて算出される所定の値の時系列パターンであってもよい。例えば、上記所定の値は、連続する２つの差分ベクトルがなす角度、上記角度の三角関数の値、上記角度の三角関数の値の絶対値、上記角度といずれか一方の差分ベクトルの大きさに基づいて算出される値、上記角度の余弦といずれか一方の差分ベクトルの大きさとの積の値、及び差分ベクトルの大きさのうちのいずれか１つであってもよい。これにより、侵入者の侵入時の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの特徴である滑らかな変化を表す特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを抽出でき、比較的少ない演算量で特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを算出できる。
【００３４】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る侵入物識別装置１Ａの構成を示すブロック図である。侵入物識別装置１Ａは、信号発生器１１及び乗算器４１を備えた無線送信回路１０Ａと、送信アレーアンテナ４３と、受信アレーアンテナ４６と、終端器４４，４５と、ＰＮ符号発生器４２と、無線受信回路９Ａと、複数Ｍ個のメモリ１５−１〜１５−Ｍと、複数Ｍ個の特徴抽出器１６−１〜１６−Ｍと、複数Ｍ個の識別器１７−１〜１７−Ｍと、学習特徴量パターンメモリ１８と、学習器１９と、メモリ２０と、位置決定器２２と、識別結果出力器２１とを備えて構成される。ここで、送信アレーアンテナ４３は複数Ｌ個の送信アンテナ４３−１〜４３−Ｌとしてそれぞれ機能する複数Ｌ個のスリットを有しかつ線状に配置された漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ（Ｌｅａｋｙ Ｃｏａｘｉａｌ Ｃａｂｌｅ））にてなる。また、受信アレーアンテナは、複数Ｌ個の受信アンテナ４６−１〜４６−Ｌとしてそれぞれ機能する複数Ｌ個のスリットを有しかつ線状に配置された漏洩同軸ケーブルにてなる。さらに、無線受信回路９Ａは、遅延器４７と、複数Ｍ個の乗算器４８−１〜４８−Ｍと、複数Ｍ個の直交検波器１４−１〜１４−Ｍとを備えて構成される。
【００３５】
詳細後述するように、本実施形態に係る侵入物識別装置１Ａは、漏洩同軸ケーブルにて成る送信アレーアンテナ４３及び受信アレーアンテナ４６を備え、無線送信回路１０Ａにおいて送信信号をＰＮ符号信号を用いてスペクトル拡散して送信し、無線通信回路９Ａにおいて、上記ＰＮ符号信号を互いに異なる複数の遅延時間ΔＤ１〜ΔＤＭだけ遅延させて複数の遅延ＰＮ符号信号を発生し、受信信号を上記複数の遅延ＰＮ符号信号を用いて逆拡散して複数の逆拡散受信信号を発生し、上記複数の各逆拡散信号をそれぞれ複素復調信号に復調して出力したことを特徴としている。また、複数の遅延時間ΔＤ１〜ΔＤＭに対応して設けられた識別器１７−１〜１７−Ｍからの識別信号Ｓ１７−１〜Ｓ１７−Ｍに基づいて侵入者の位置を決定する位置決定器２２をさらに備えたことを特徴としている。
【００３６】
ＰＮ符号発生器４２は、ＰＮ符号信号を発生して乗算器４１及び遅延器４７に出力する。無線送信回路１０は、信号発生器１１によって発生された所定の送信信号にＰＮ符号信号を乗算することにより、送信信号をスペクトル拡散して送信アレーアンテナ４３を用いて電波として放射するとともに、上記送信信号を直交検波器１４−１〜１４−Ｍに出力する。送信アレーアンテナ４３によって放射された電波は受信アレーアンテナ４６によって受信信号として受信され、乗算器４８−１〜４８−Ｍに出力される。ここで、終端器４４は、送信アレーアンテナ４３によって放射されずに残った電波を吸収し、終端器４５は受信アレーアンテナ４６によって受信された電波のうち、乗算器４８−１〜４８−Ｍと反対側に進行する電波を吸収する。
【００３７】
受信信号は、送信アレーアンテナ４３と受信アレーアンテナ４６との間の互いに異なる複数の伝搬経路に依存して様々な遅延時間を持って受信される。このことを考慮し、遅延器４７は、ＰＮ符号発生器４２によって発生されたＰＮ符号信号を、互いに異なる複数Ｍ個の遅延量ΔＤ１〜ΔＤＭだけ遅延させて、各遅延された遅延ＰＮ符号信号を乗算器４８−１〜４８−Ｍにそれぞれ出力する。乗算器４８−１〜４８−Ｍはそれぞれ、入力される受信信号に入力される遅延ＰＮ符号信号を乗算することにより受信信号を逆拡散して逆拡散受信信号を発生し、直交検波器１４−１〜１４−Ｍに出力する。
【００３８】
直交検波器１４−１〜１４−Ｍ、メモリ１５−１〜１５−Ｍ、特徴抽出器１６−１〜１６−Ｍ及び識別器１７−１〜１７−Ｍはそれぞれ、実施の形態１に係る直交検波器１４、メモリ１５、特徴抽出器１６及び識別器１７と同様に構成されるので、その動作の説明を省略する。識別器１７−１〜１７−Ｍはそれぞれ、識別器１７と同様に、入力される特徴量パターンＦｍａｘが侵入者の侵入を示すか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号Ｓ１７−１〜Ｓ１７−Ｍを発生して位置決定器２２に出力する。位置決定器２２はＣＰＵ又はＤＳＰにてなり、識別信号Ｓ１７−１〜Ｓ１７−Ｍのうち侵入者の侵入を示す識別信号Ｓ１７−ｍに対応する遅延量ΔＤｍに基づいて、侵入者の位置（例えば、受信アレーアンテナ４６の左端から侵入者までの距離である。）を決定し、当該決定結果及び侵入者の侵入を示す信号を識別結果出力器２１に出力する。これに応答して、識別結果出力器２１は、スピーカから所定の警報音を出力し、かつディスプレイ装置上に侵入者の位置を示す警告表示を行う。
【００３９】
本実施形態によれば、実施の形態１に比較して、送信アレーアンテナ４３及び受信アレーアンテナ４６を用いたので、侵入物識別装置１Ａの検知領域を広げることができる。特に、送信アレーアンテナ４３及び受信アレーアンテナ４６を漏洩同軸ケーブルを用いて実現したので、当該漏洩同軸ケーブルの長手方向に一様に上記検知領域を広げることができる。さらに、互いに異なる遅延時間ΔＤ１〜ΔＤＭにそれぞれ対応する複素復調信号を発生し、遅延時間ΔＤ１〜ΔＤＭにそれぞれ対応する複素復調信号毎にベクトル軌跡Ｏｃの変化の特徴を抽出し、侵入者の侵入を識別するので、実施の形態１に比較して識別精度を向上し侵入者の位置を特定できる。またさらに、ＰＮ符号を用いて送信信号をスペクトル拡散させるので、実施の形態１に比較して妨害波や干渉波への耐性を向上できる。
【００４０】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る特徴抽出器１６Ａの構成を示すブロック図である。特徴抽出器１６Ａは、周波数変換器５１と、メモリ５２と、特徴量パターン算出器３５Ａとを備えて構成される。本実施形態に係る特徴抽出器１６Ａは、特徴量パターン算出器３５Ａにおいて、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける複素復調信号の周波数スペクトルのパターンを抽出したことを特徴としている。
【００４１】
図６において、周波数変換器５１及び特徴量パターン算出器３５Ａは、具体的にはＣＰＵ又はＤＳＰによって構成される。周波数変換器５１は、実施の形態１における特徴量パターン算出器３５と同様に、所定の長さの期間長を有する観測期間Ｔｏを設定し、観測期間Ｔｏ内に期間長ΔＴをそれぞれ有する複数Ｎ個の解析期間Ｔａ１，Ｔａ２，…，ＴａＮを設ける（図４（ａ）参照。）。そして、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮ毎に、メモリ１５に記憶された複素復調信号を周波数スペクトルＺ（ｆ）（ｆは周波数である。）にフーリエ変換してメモリ５２に出力する。さらに、特徴量パターン算出器３５Ａは、メモリ５２に記憶された各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける周波数スペクトルＺ（ｆ）を１つのグラフにプロットする。そして、最大の周波数スペクトルＺ（ｆ）を有する解析期間の周波数スペクトルＺ（ｆ）のパターンと、最小の周波数スペクトルＺ（ｆ）を有する解析期間の周波数スペクトルＺ（ｆ）のパターンとを、特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎとして識別器１７に出力する。
【００４２】
一般に、侵入者の侵入時の複素復調信号は、送信アンテナ１２及び受信アンテナ１３の揺れや、降雨等による地面などの反射率の変動などの自然現象の変動時の複素復調信号に比較して低周波成分を多く含む。このため、図４（ａ）に示すように、観測期間Ｔｏ内に侵入者が侵入した場合は、特徴量パターン算出器３５Ａによって算出される特徴量パターンＦｍａｘは、侵入者が侵入した期間Ｔ２の複素復調信号の周波数成分の特徴を表し、特徴量パターンＦｍｉｎは侵入者が侵入していない期間Ｔ１又はＴ３の複素復調信号の周波数成分の特徴を表す。
【００４３】
本実施形態は、侵入者の侵入時の複素復調信号の周波数スペクトルを表す特徴量パターンを算出して、侵入者の侵入を検知できるという効果を奏する。
【００４４】
なお、特徴量パターン算出器３５Ａにおいて、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける複素復調信号の周波数スペクトルのパターンを抽出したが、本発明はこれに限られず、上記周波数スペクトルのパターンを含む特徴量パターンを抽出すればよい。例えば、特徴量パターン算出器３５Ａにおいて、周波数スペクトルＺ（ｆ）のパターンに代えて、以下の値Ｚａ又はＺｂのパターンを抽出してもよい。
【００４５】
【数１】
【００４６】
【数２】
【００４７】
値Ｚａは、各周波数ｆにおける複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの回転成分の大きさを表し、値Ｚｂは、複素復調信号の回転に依存しない各周波数成分の大きさを表す。いずれの値も、複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの回転の向きに依存しないので、学習特徴量パターンのデータ量を少なくすることができる。
【００４８】
また、本実施形態において周波数変換器５１は複素復調信号を周波数スペクトルにフーリエ変換したが、本発明はこれに限られず、複素復調信号を周波数スペクトルにウェーブレット変換してもよい。フーリエ変換又はウェーブレット変換を用いることにより、複素復調信号を比較的容易に周波数変換できる。
【００４９】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る特徴抽出器１６Ｂの構成を示すブロック図である。特徴抽出器１６Ｂは、行列計算器６１と、メモリ６２と、特徴量パターン算出器３５Ｂとを備えて構成される。本実施形態に係る特徴抽出器１６Ｂは、特徴量パターン算出器３５Ｂにおいて、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける複素復調信号の共分散行列の分散の変化の時系列パターンを抽出したことを特徴としている。
【００５０】
図７において、行列計算器６１及び特徴量パターン算出器３５Ｂは、具体的にはＣＰＵ又はＤＳＰによって構成される。行列計算器６１は、解析期間の期間長ΔＴより短い所定の期間長を有するサブ観測期間毎に、メモリ１５に記憶された複素復調信号の同相成分及び直交成分から共分散行列を算出し、当該共分散行列の分散を算出してメモリ６２に出力する。特徴量パターン算出器３５Ｂは、実施の形態１における特徴量パターン算出器３５と同様に、所定の長さの期間長を有する観測期間Ｔｏを設定し、観測期間Ｔｏ内に期間長ΔＴをそれぞれ有する複数Ｎ個の解析期間Ｔａ１，Ｔａ２，…，ＴａＮを設ける（図４（ａ）参照。）。そして、メモリ６２に記憶された分散を用いて、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮ毎に分散の時系列パターンを１つのグラフにプロットする。そして、最大の分散を有する解析期間の分散の時系列パターンと、最小の分散を有する解析期間の分散の時系列パターンとを、特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎとして識別器１７に出力する。
【００５１】
上述したように、侵入者の侵入時の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃは、円を描いて滑らかに変化するという特徴を有する。このため、侵入者の侵入時の複素復調信号の分散は、非侵入時の複素復調信号の分散よりも大きくなる。従って、図４（ａ）に示すように、観測期間Ｔｏ内に侵入者が侵入した場合は、特徴量パターン算出器３５Ａによって算出される特徴量パターンＦｍａｘは、侵入者が侵入した期間Ｔ２の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの特徴を表し、特徴量パターンＦｍｉｎは侵入者が侵入していない期間Ｔ１又はＴ３の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの特徴を表す。
【００５２】
本実施形態は、侵入者の侵入時の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃを表す特徴量を算出して、侵入者の侵入を検知できるという効果を奏する。
【００５３】
なお、本実施形態において、特徴量パターン算出器３５Ｂにおいて、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける複素復調信号の共分散行列の分散の変化の時系列パターンを抽出したが、本発明はこれに限られず、上記共分散行列の分散の変化、もしくは固有値の変化の時系列パターンを抽出すればよい。例えば、特徴量パターン算出器３５Ｂにおいて、複素復調信号の共分散行列の固有値の時系列パターンを抽出してもよい。ここで、上記固有値の値が大きい順に第１主成分、第２主成分という。
【００５４】
また、特徴量パターン算出器３５Ｂにおいて、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいて複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡の長さの変化、もしくは当該軌跡によって囲まれる領域の面積の変化の時系列パターンを抽出してもよい。例えば、複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃ長さ（軌道長）Ｌｏ及びベクトル軌跡Ｏｃによって囲まれる領域の面積（軌道面積）Ａｏはそれぞれ、複素復調信号の同相成分Ｉ（ｉ）及びＱ（ｉ）（ｉはサブ解析期間内のサンプリングタイミングである。）を用いて、次式で表される。
【００５５】
【数３】
【００５６】
【数４】
【００５７】
軌道長Ｌｏ及び軌道面積Ａｏにおいて、サブ解析期間内の全てのサンプリングタイミングｉに対して総和を算出する。侵入者の侵入時の複素復調信号の軌道長Ｌｏ及び軌道面積Ａｏは、非侵入時の複素復調信号の軌道長Ｌｏ及び軌道面積Ａｏに比較して大きい値を有するという特徴を有する。
【００５８】
なお、実施の形態２に係る侵入物識別装置１Ａにおいて、特徴抽出器１６−１〜１６−Ｍに代えて、実施の形態３に係る特徴抽出器１６Ａ又は実施の形態４に係る特徴抽出器１６Ｂを用いてもよい。
【００５９】
また、上記各実施形態において、特徴抽出器１６，１６−１〜１６−Ｍによって抽出される特徴量パターンは、（１）各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいて複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡を表す複数のベクトルの、大きさ及び方向の少なくとも一方の変化の時系列パターンを含む特徴量パターン、（２）各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける複素復調信号の周波数スペクトルのパターンを含む特徴量パターン、（３）各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける複素復調信号の共分散行列の分散の変化、もしくは固有値の変化の時系列パターンを含む特徴量パターン、又は（４）各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいて複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡の長さの変化、もしくは当該軌跡によって囲まれる領域の面積の変化の時系列パターンを含む特徴量パターンであった。しかしながら、本発明はこれに限られず、特徴抽出器１６，１６−１〜１６−Ｍは、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいて、複素復調信号から、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいても変化しかつ侵入物の侵入時と非侵入時とで異なるように変化する特徴量パターンを抽出すればよい。
【００６０】
さらに、上記各実施形態において、識別器１７，１７−１〜１７−Ｍは、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと侵入者の非侵入時を表す参照特徴量パターンとを用いたが、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと侵入者の非侵入時を表す参照特徴量パターンとのうちの少なくとも一方を用いればよい。
【００６１】
またさらに、上記各実施形態において、侵入物識別装置１及び１Ａは検知領域内に侵入者が侵入したことを識別したが、本発明はこれに限られず、犬及び猫などの小動物である侵入物が検知領域内に侵入したことを識別してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上詳述したように、本発明に係る侵入物識別装置は、それぞれ所定の期間長を有する複数の解析期間において、複素復調信号から、各解析期間においても変化しかつ侵入物の侵入時と非侵入時とで異なるように変化する特徴量パターンを抽出する特徴抽出手段と、上記抽出された特徴量パターンに基づいて、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと、侵入物の非侵入時を表す参照特徴量パターンとのうちの少なくとも一方を用いて侵入物が侵入したか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号を出力する識別手段とを備えたので、侵入物の侵入時の複素復調信号に特有の特徴量パターンを抽出して、従来技術に比較して侵入物が侵入したことを正確に識別できる。
【符号の説明】
【００６３】
１，１Ａ 侵入物識別装置、９，９Ａ 無線受信回路、１０，１０Ａ 無線送信回路、１１ 信号発生器、１２ 送信アンテナ、１３ 受信アンテナ、１４，１４−１〜１４−Ｍ 直交検波器、１５，１５−１〜１５−Ｍ，２０，３２，５２，６２ メモリ、１６ 特徴抽出器、１７，１７−１〜１７−Ｍ 識別器、１８ 学習特徴量パターンメモリ、１９ 学習器、２１ 識別結果出力器、２２ 位置決定器、３１ ベクトル算出器、３３ 変動量算出器、３５，３５Ａ，３５Ｂ 特徴量パターン算出器、４１，４８−１〜４８−Ｍ 乗算器、４２ ＰＮ符号発生器、４３ 送信アレーアンテナ、４４，４５ 終端器、４６ 受信アレーアンテナ、４７ 遅延器、５１ 周波数変換器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知領域内に侵入物が侵入したことを電波を用いて識別する侵入物識別装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、線路などの検知領域内に侵入した侵入物を検知する様々な装置が採用されている。侵入物としては、車両、侵入者及び動物などが挙げられるが、防犯上、最も重要な侵入物は検知領域内の設備に危害を及ぼす可能性のある侵入者（人間）である。特許文献１に記載されている侵入検知装置は、送信信号を送信アンテナに供給する送信手段と、上記送信アンテナから放射された電波を受信する受信アンテナと、上記受信アンテナにより受信された受信信号の実部成分と虚部成分を復調する復調手段と、上記復調手段により復調された実部成分と虚部成分から為る複素信号を周波数データに変換し、変換した周波数データを構成する正の周波数と負の周波数との差分値が所定の閾値より大きい場合に、侵入物体の存在を認定する検知手段とを備える。これにより、送信アンテナ又は受信アンテナの風による揺れや、降雨等による地面などの反射率の変動に起因する上記複素信号の直線的な変化に起因する誤検知を防止する。
【０００３】
また、特許文献２に記載されている侵入物検知方法は、検知エリア内の侵入物を、電波を照射する送信手段を用いて検知する侵入物検知方法であって、前記侵入物に対して異なる方向から照射することによって前記侵入物において照射される領域の広さを異ならせるように、前記送信手段から異なる方向へ走査して、または複数の異なる位置に設けた前記送信手段から、電波を検知エリア内に送信する送信ステップと、前記送信ステップにより送信された前記電波の反射波を受信する受信ステップと、前記受信ステップにより受信された前記反射波に基づいて、受信波強度を測定する測定ステップと、前記送信ステップにおいて異なる方向から照射された領域の広さの差異に応じて、前記測定ステップにより測定された前記受信波強度に基づいて、前記侵入物が人体であるか否か判定する人体判定ステップとを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８７８１０３号公報。
【特許文献２】特許第３５２１８９９号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に係る侵入検知装置及び特許文献２に係る侵入物検知方法によれば、自然現象によって引き起こされる電波変動時にも、侵入者の侵入を知らせる警報を誤って発することがあった。例えば、特許文献１では、風や降雨等に自然環境の変化に起因する上記差分値の変動が上記しきい値よりも大きいときには、誤発報してしまうという課題があった。また、特許文献２では、受信波強度が所定の範囲内である場合には侵入物が人体であると判定するが、人体の侵入による受信波強度の変動の大きさにバラツキがある場合には、上記範囲を比較的広く設定する必要があり誤発報が発生しやすくなるという課題があった。
【０００６】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、環境が変化しても、従来技術に比較して正確に侵入物が侵入したことを識別できる侵入物識別装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る侵入物識別装置は、所定の送信信号を発生して送信アンテナを用いて無線送信する送信手段と、上記送信された送信信号を受信アンテナを用いて無線受信し、上記無線受信した送信信号を上記発生された送信信号を用いて直交検波して複素復調信号に復調する受信手段とを備えた侵入識別装置において、それぞれ所定の期間長を有する複数の解析期間において、上記複素復調信号から、上記各解析期間においても変化しかつ侵入物の侵入時と非侵入時とで異なるように変化する特徴量パターンを抽出する特徴抽出手段と、上記抽出された特徴量パターンに基づいて、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと、侵入物の非侵入時を表す参照特徴量パターンとのうちの少なくとも一方を用いて侵入物が侵入したか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号を出力する識別手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記侵入物識別装置において、上記特徴量パターンは、上記各解析期間において上記複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡を表す複数のベクトルの、大きさ及び方向の少なくとも一方の変化の時系列パターンを含むことを特徴とする。
【０００９】
また、上記侵入物識別装置において、上記特徴量パターンは、上記各解析期間における複素復調信号の周波数スペクトルのパターンを含むことを特徴とする。
【００１０】
さらに、上記侵入物識別装置において、上記特徴抽出手段は、上記各解析期間において、上記複素復調信号を上記周波数スペクトルにフーリエ変換又はウェーブレット変換することを特徴とする。
【００１１】
またさらに、上記侵入物識別装置において、上記特徴量パターンは、上記各解析期間における上記複素復調信号の共分散行列の分散の変化、もしくは固有値の変化の時系列パターンを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、上記侵入物識別装置において、上記特徴量パターンは、上記各解析期間において上記複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡の長さの変化、もしくは当該軌跡によって囲まれる領域の面積の変化の時系列パターンを含むことを特徴とする。
【００１３】
さらに、上記侵入物識別装置において、上記送信アンテナ及び受信アンテナはそれぞれ、アレーアンテナにてなることを特徴とする。
【００１４】
またさらに、上記侵入物識別装置において、上記各アレーアンテナは漏洩同軸ケーブルにてなることを特徴とする。
【００１５】
また、上記侵入物識別装置において、上記送信手段は、上記発生された送信信号をＰＮ符号信号を用いてスペクトル拡散して送信することを特徴とする。
【００１６】
さらに、上記侵入物識別装置において、上記受信手段は、上記ＰＮ符号信号を互いに異なる複数の遅延時間だけ遅延させて複数の遅延ＰＮ符号信号を発生し、上記受信信号を上記複数の遅延ＰＮ符号信号を用いて逆拡散して複数の逆拡散受信信号を発生し、上記複数の逆拡散信号をそれぞれ、上記発生された送信信号を用いて直交検波して複素復調信号に復調して出力し、上記侵入物識別装置は、上記複数の遅延時間に対応してそれぞれ設けられた複数の上記特徴抽出手段と、上記複数の遅延時間に対応してそれぞれ設けられた複数の上記識別手段と、上記各識別手段からの識別信号に基づいて上記侵入物の位置を決定する位置決定手段とをさらに備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る侵入物識別装置は、それぞれ所定の期間長を有する複数の解析期間において、複素復調信号から、各解析期間においても変化しかつ侵入物の侵入時と非侵入時とで異なるように変化する特徴量パターンを抽出する特徴抽出手段と、上記抽出された特徴量パターンに基づいて、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと、侵入物の非侵入時を表す参照特徴量パターンとのうちの少なくとも一方を用いて侵入物が侵入したか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号を出力する識別手段とを備えたので、侵入物の侵入時の複素復調信号に特有の特徴量パターンを抽出して、従来技術に比較して侵入物が侵入したことを正確に識別できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る侵入物識別装置１の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の特徴抽出器１６の構成を示すブロック図である。
【図３】図１の直交検波器１４からの複素復調信号の複素平面上でのベクトル軌跡Ｏｃを示すグラフである。
【図４】（ａ）は図２の特徴量パターン算出器３５によって設定される観測期間Ｔｏ及び解析期間Ｔａ１〜ＴａＮを示すタイミングチャートであり、（ｂ）は図２の特徴量パターン算出器３５によって算出される特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態２に係る侵入物識別装置１Ａの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る特徴抽出器１６Ａの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る特徴抽出器１６Ｂの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００２０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る侵入物識別装置１の構成を示すブロック図であり、図２は、図１の特徴抽出器１６の構成を示すブロック図である。また、図３は、図１の直交検波器１４からの複素復調信号の複素平面上でのベクトル軌跡Ｏｃを示すグラフであり、図４（ａ）は図２の特徴量パターン算出器３５によって設定される観測期間Ｔｏ及び解析期間Ｔａ１〜ＴａＮを示すタイミングチャートであり、図４（ｂ）は図２の特徴量パターン算出器３５によって算出される特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを示すグラフである。
【００２１】
図１において、侵入物識別装置１は、信号発生器１１を備えた無線送信回路１０と、送信アンテナ１２と、受信アンテナ１３と、直交検波器１４を備えた無線受信回路９と、メモリ１５，２０と、特徴抽出器１６と、識別器１７と、学習サンプルデータメモリ１８と、学習器１９と、識別結果出力器２１とを備えて構成される。また、図２において、特徴抽出器１６は、差分ベクトル算出器３１と、変化量算出器３３と、特徴量パターン算出器３５と、メモリ３２，３４とを備えて構成される。ここで、差分ベクトル算出器３１、変化量算出器３３、特徴量パターン算出器３５、学習器１９及び識別器１７は、具体的にはＣＰＵ又はディジタル・シグナル・プロセッサ（以下、ＤＳＰという。）によって構成される。また、侵入物識別装置１は、無線送信回路１０及び無線受信回路９が送信アンテナ１２及び受信アンテナ１３を用いて互いに無線通信可能な領域である検知領域を有する。
【００２２】
詳細後述するように、本実施形態に係る侵入物識別装置１は、所定の送信信号を発生して送信アンテナ１２を用いて無線送信する無線送信回路１０と、上記送信された送信信号を受信アンテナ１３を用いて無線受信し、上記無線受信した送信信号を上記発生された送信信号を用いて直交検波して複素復調信号に復調する無線受信回路９とを備えた侵入識別装置１において、それぞれ所定の期間長ΔＴを有する複数の解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいて、上記複素復調信号から、上記各解析期間においても変化しかつ侵入者の侵入時と非侵入時とで異なるように変化する特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを抽出する特徴抽出器１６と、上記抽出された特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎに基づいて、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと、侵入者の非侵入時を表す参照特徴量パターンと用いて侵入者が侵入したか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号Ｓ１７を出力する識別器１７とを備えたことを特徴としている。
【００２３】
図１において、無線送信回路１０は、信号発生器１１によって発生された所定の送信信号を送信アンテナ１２に出力して電波として放射するとともに、上記送信信号を直交検波器１４に出力する。送信アンテナ１２によって放射された電波は受信アンテナ１３によって受信信号として受信される。直交検波器１４は、信号発生器１１からの送信信号を用いて、上記受信信号を複素復調信号の実部である同相成分及び虚部である直交成分に直交検波してメモリ１５に出力する。
【００２４】
図２において、差分ベクトル算出器３１は、始めに、メモリ１５に記憶された複素復調信号の同相成分及び直交成分をそれぞれ１／１６秒周期でサンプリングして離散化する。図３に、サンプリングタイミングｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４でそれぞれサンプリングされた複素復調信号Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｃ３，Ｓｃ４の一例を、複素平面上にプロットして示す。図３に示すように、複素復調信号は複素平面上でベクトル軌跡Ｏｃを描く。次に、差分ベクトル算出器３１は、各連続する２つのサンプリングタイミングにおける複素復調信号Ｓｃ１，Ｓｃ２，…の同相成分の差及び直交成分の差を算出することにより、複素復調信号の複素平面上でのベクトル軌跡Ｏｃを表す差分ベクトルＶ１２，Ｖ２３，Ｖ３４，…を算出してメモリ３２に出力する。例えば、図３において、差分ベクトルＶ１２の同相成分はタイミングｔ２における複素復調信号Ｓｃ２の同相成分Ｉ２からタイミングｔ２における複素復調信号Ｓｃ１の同相成分Ｉ１を減算することによって算出され、差分ベクトルＶ１２の直交成分はタイミングｔ２における複素復調信号Ｓｃ２の直交成分Ｑ２からタイミングｔ２における複素復調信号Ｓｃ１の直交成分Ｑ１を減算することによって算出される。
【００２５】
図２において、変化量算出器３３は、メモリ３２に記憶された差分ベクトルＶ１２，Ｖ２３，Ｖ３４，…に基づいて、各連続する２つの差分ベクトルがなす角度を算出する。例えば、図３において、ベクトルＶ１２とベクトルＶ２３とがなす角度θ１２が算出され、ベクトルＶ２３とベクトルＶ３４とがなす角度θ２３が算出される。そして、変化量算出器３３は、算出された各角度θ１２，θ２３，…の余弦ｃｏｓθ１２，ｃｏｓθ２３，…（以下、ｃｏｓθの時系列パターンという。）を算出してメモリ３４に出力する。
【００２６】
次に、特徴量パターン算出器３５は、図４（ａ）に示すように、所定の長さの期間長を有する観測期間Ｔｏを設定し、観測期間Ｔｏ内に期間長ΔＴをそれぞれ有する複数Ｎ個の解析期間Ｔａ１，Ｔａ２，…，ＴａＮを設ける。ここで、観測期間Ｔｏの長さは、侵入物識別装置１の検知領域内を侵入者が通過するために必要とされる時間期間（例えば、１秒〜２秒である。）よりも十分長い値に設定され、例えば、５秒〜１０秒の範囲内の値を有する。また、各解析期間Ｔａ１，Ｔａ２，…，ＴａＮの長さΔＴは、侵入物識別装置１の検知領域内を侵入者が通過するために必要とされる時間期間以下の値に設定され、例えば、２秒である。さらに、隣り合う解析期間Ｔａ１，Ｔａ２，…，ＴａＮは互いに一部が重なるように設けられる。
【００２７】
さらに、特徴量パターン算出器３５は、図４（ｂ）に示すように、メモリ３４に記憶されたｃｏｓθの時系列パターンに基づいて、各解析期間Ｔａ１，Ｔａ２，…，ＴａＮにおけるｃｏｓθの時系列パターンを１つのグラフにプロットする。そして、最大の値を有する解析期間のｃｏｓθの時系列パターンと、最小の値を有するｃｏｓθの時系列パターンとを、特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎとしてそれぞれ識別器１７に出力する。
【００２８】
ここで、送信アンテナ１２から放射された電波が侵入者に当たると上記電波は散乱されるので、複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃは、侵入者が存在しないときの点を中心に円を描いて滑らかに変化するという特徴を有する。一方、送信アンテナ１２及び受信アンテナ１３が揺れたときや、降雨等による地面などの反射率の変動が生じたときには、複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃは細い楕円か直線の形状で振動するという特徴を有する。さらに、侵入者の侵入時の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの変化は、自然現象に起因する変化に比較して、短時間であるという特徴を有する。このため、図４（ａ）に示すように、侵入物識別装置１の検知領域内を侵入者が通過するために必要とされる時間期間よりも十分長い観測期間Ｔｏを設け、侵入物識別装置１の検知領域内を侵入者が通過するために必要とされる時間期間以下の期間長ΔＴを有する解析期間Ｔａ１〜ＴａＮを設けることにより、侵入者が侵入した期間Ｔ２を含む解析期間Ｔａと、侵入者が侵入していない期間Ｔ１又はＴ３のみを含む解析期間Ｔａとを得ることができる。さらに、侵入者が侵入した期間Ｔ２を含む解析期間Ｔａにおけるベクトル軌跡Ｏｃのｃｏｓθの時系列パターンは、侵入者が侵入していない期間Ｔ１又はＴ３を含む解析期間Ｔａにおけるベクトル軌跡Ｏｃのｃｏｓθの時系列パターンに比較して大きい値を有する。このため、図４（ａ）に示すように、観測期間Ｔｏ内に侵入者が侵入した場合は、特徴量パターン算出器３５によって算出される特徴量パターンＦｍａｘは、侵入者が侵入した期間Ｔ２の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの特徴を表し、特徴量パターンＦｍｉｎは侵入者が侵入していない期間Ｔ１又はＴ３の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの特徴を表す。
【００２９】
図１において、学習サンプルデータメモリ１８は、侵入者の侵入時か非侵入時かを識別する識別ラベルをそれぞれ有する、特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎの複数の学習特徴量パターンを予め記憶している。学習器１９は、学習特徴量パターンメモリ１８からの学習特徴量パターン及び侵入者の侵入時及び非侵入時の特徴量抽出器１６からの特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎの実測値を用いて学習を行い、侵入者の侵入時及び非侵入時の特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎの代表的なパターンを作成し、侵入物の侵入時を表わす参照特徴量パターン及び侵入物の非侵入時を表わす参照特徴量パターンとしてメモリ２０に出力する。識別器１７は、特徴量抽出器１６からの特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎに基づいて、メモリ２０に記憶された侵入物の侵入時を表わす参照特徴量パターン及び侵入物の非侵入時を表わす参照特徴量パターン、特徴量抽出器１６を用いてパターン認識処理を行い、特徴量パターンＦｍａｘが侵入者の侵入を表わすか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号Ｓ１７を発生して識別結果出力器２１に出力する。識別結果出力器２１はスピーカ及びディスプレイ装置であって、侵入者の侵入を示す識別信号Ｓ１７に応答して、スピーカから所定の警報音を出力し、かつディスプレイ装置上に所定の警告表示を行う。
【００３０】
従って、本実施形態に係る侵入物識別装置１によれば、連続する２つの差分ベクトルの間の角度θを用いて特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを算出するので、特徴量パターンＦｍａｘによって、検知領域に侵入者が侵入したときに複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃが滑らかに変化するという特徴を抽出することができる。
【００３１】
また、侵入物識別装置１の検知領域内を侵入者が通過するために必要とされる時間期間よりも十分長い観測期間Ｔｏを設け、侵入物識別装置１の検知領域内を侵入者が通過するために必要とされる時間期間以下の期間長ΔＴを有する解析期間Ｔａ１〜ＴａＮを設けることにより、侵入者が侵入した期間Ｔ２を含む解析期間Ｔａの特徴量パターンＦｍａｘと、侵入者が侵入していない期間Ｔ１又はＴ３のみを含む解析期間Ｔａの特徴量パターンＦｍｉｎとを得ることができる。そして、識別器１７は特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎに基づいてパターン認識処理を行うので、侵入者の侵入を雨や風による自然現象に起因する複素復調信号の変動と区別して、従来技術に比較して高い精度で識別できる。また、侵入者の侵入による複素復調信号の変化が自然現象に起因する複素復調信号の変化に比較して比較的短時間に集中するという特徴を抽出することができる。
【００３２】
さらに、識別結果出力器２１によって侵入者の侵入をディスプレイ装置上に表示し、音で知らせるように構成したので、監視作業員の監視作業を容易にすることができる。
【００３３】
なお、上記実施形態において、特徴量パターン算出器３５は、各解析期間において、連続する２つの差分ベクトル間の角度θの余弦（ｃｏｓθ）の時系列パターンを特徴量パターンとして抽出した。しかしながら、本発明はこれに限られず、特徴量パターンは、各解析期間において複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡Ｏｃを表す複数の差分ベクトルの、大きさ及び方向の少なくとも一方の変化の時系列パターンを含めばよい。具体的には、上記特徴量パターンは、連続する又は所定の時間間隔だけ離れた２つの差分ベクトル間の角度と、上記２つの差分ベクトルのうちの少なくとも一方の差分ベクトルの大きさと、上記角度の三角関数と、上記角度の三角関数の絶対値とのうちの少なくとも１つに基づいて算出される所定の値の時系列パターンであってもよい。例えば、上記所定の値は、連続する２つの差分ベクトルがなす角度、上記角度の三角関数の値、上記角度の三角関数の値の絶対値、上記角度といずれか一方の差分ベクトルの大きさに基づいて算出される値、上記角度の余弦といずれか一方の差分ベクトルの大きさとの積の値、及び差分ベクトルの大きさのうちのいずれか１つであってもよい。これにより、侵入者の侵入時の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの特徴である滑らかな変化を表す特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを抽出でき、比較的少ない演算量で特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎを算出できる。
【００３４】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る侵入物識別装置１Ａの構成を示すブロック図である。侵入物識別装置１Ａは、信号発生器１１及び乗算器４１を備えた無線送信回路１０Ａと、送信アレーアンテナ４３と、受信アレーアンテナ４６と、終端器４４，４５と、ＰＮ符号発生器４２と、無線受信回路９Ａと、複数Ｍ個のメモリ１５−１〜１５−Ｍと、複数Ｍ個の特徴抽出器１６−１〜１６−Ｍと、複数Ｍ個の識別器１７−１〜１７−Ｍと、学習特徴量パターンメモリ１８と、学習器１９と、メモリ２０と、位置決定器２２と、識別結果出力器２１とを備えて構成される。ここで、送信アレーアンテナ４３は複数Ｌ個の送信アンテナ４３−１〜４３−Ｌとしてそれぞれ機能する複数Ｌ個のスリットを有しかつ線状に配置された漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ（Ｌｅａｋｙ Ｃｏａｘｉａｌ Ｃａｂｌｅ））にてなる。また、受信アレーアンテナは、複数Ｌ個の受信アンテナ４６−１〜４６−Ｌとしてそれぞれ機能する複数Ｌ個のスリットを有しかつ線状に配置された漏洩同軸ケーブルにてなる。さらに、無線受信回路９Ａは、遅延器４７と、複数Ｍ個の乗算器４８−１〜４８−Ｍと、複数Ｍ個の直交検波器１４−１〜１４−Ｍとを備えて構成される。
【００３５】
詳細後述するように、本実施形態に係る侵入物識別装置１Ａは、漏洩同軸ケーブルにて成る送信アレーアンテナ４３及び受信アレーアンテナ４６を備え、無線送信回路１０Ａにおいて送信信号をＰＮ符号信号を用いてスペクトル拡散して送信し、無線通信回路９Ａにおいて、上記ＰＮ符号信号を互いに異なる複数の遅延時間ΔＤ１〜ΔＤＭだけ遅延させて複数の遅延ＰＮ符号信号を発生し、受信信号を上記複数の遅延ＰＮ符号信号を用いて逆拡散して複数の逆拡散受信信号を発生し、上記複数の各逆拡散信号をそれぞれ複素復調信号に復調して出力したことを特徴としている。また、複数の遅延時間ΔＤ１〜ΔＤＭに対応して設けられた識別器１７−１〜１７−Ｍからの識別信号Ｓ１７−１〜Ｓ１７−Ｍに基づいて侵入者の位置を決定する位置決定器２２をさらに備えたことを特徴としている。
【００３６】
ＰＮ符号発生器４２は、ＰＮ符号信号を発生して乗算器４１及び遅延器４７に出力する。無線送信回路１０は、信号発生器１１によって発生された所定の送信信号にＰＮ符号信号を乗算することにより、送信信号をスペクトル拡散して送信アレーアンテナ４３を用いて電波として放射するとともに、上記送信信号を直交検波器１４−１〜１４−Ｍに出力する。送信アレーアンテナ４３によって放射された電波は受信アレーアンテナ４６によって受信信号として受信され、乗算器４８−１〜４８−Ｍに出力される。ここで、終端器４４は、送信アレーアンテナ４３によって放射されずに残った電波を吸収し、終端器４５は受信アレーアンテナ４６によって受信された電波のうち、乗算器４８−１〜４８−Ｍと反対側に進行する電波を吸収する。
【００３７】
受信信号は、送信アレーアンテナ４３と受信アレーアンテナ４６との間の互いに異なる複数の伝搬経路に依存して様々な遅延時間を持って受信される。このことを考慮し、遅延器４７は、ＰＮ符号発生器４２によって発生されたＰＮ符号信号を、互いに異なる複数Ｍ個の遅延量ΔＤ１〜ΔＤＭだけ遅延させて、各遅延された遅延ＰＮ符号信号を乗算器４８−１〜４８−Ｍにそれぞれ出力する。乗算器４８−１〜４８−Ｍはそれぞれ、入力される受信信号に入力される遅延ＰＮ符号信号を乗算することにより受信信号を逆拡散して逆拡散受信信号を発生し、直交検波器１４−１〜１４−Ｍに出力する。
【００３８】
直交検波器１４−１〜１４−Ｍ、メモリ１５−１〜１５−Ｍ、特徴抽出器１６−１〜１６−Ｍ及び識別器１７−１〜１７−Ｍはそれぞれ、実施の形態１に係る直交検波器１４、メモリ１５、特徴抽出器１６及び識別器１７と同様に構成されるので、その動作の説明を省略する。識別器１７−１〜１７−Ｍはそれぞれ、識別器１７と同様に、入力される特徴量パターンＦｍａｘが侵入者の侵入を示すか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号Ｓ１７−１〜Ｓ１７−Ｍを発生して位置決定器２２に出力する。位置決定器２２はＣＰＵ又はＤＳＰにてなり、識別信号Ｓ１７−１〜Ｓ１７−Ｍのうち侵入者の侵入を示す識別信号Ｓ１７−ｍに対応する遅延量ΔＤｍに基づいて、侵入者の位置（例えば、受信アレーアンテナ４６の左端から侵入者までの距離である。）を決定し、当該決定結果及び侵入者の侵入を示す信号を識別結果出力器２１に出力する。これに応答して、識別結果出力器２１は、スピーカから所定の警報音を出力し、かつディスプレイ装置上に侵入者の位置を示す警告表示を行う。
【００３９】
本実施形態によれば、実施の形態１に比較して、送信アレーアンテナ４３及び受信アレーアンテナ４６を用いたので、侵入物識別装置１Ａの検知領域を広げることができる。特に、送信アレーアンテナ４３及び受信アレーアンテナ４６を漏洩同軸ケーブルを用いて実現したので、当該漏洩同軸ケーブルの長手方向に一様に上記検知領域を広げることができる。さらに、互いに異なる遅延時間ΔＤ１〜ΔＤＭにそれぞれ対応する複素復調信号を発生し、遅延時間ΔＤ１〜ΔＤＭにそれぞれ対応する複素復調信号毎にベクトル軌跡Ｏｃの変化の特徴を抽出し、侵入者の侵入を識別するので、実施の形態１に比較して識別精度を向上し侵入者の位置を特定できる。またさらに、ＰＮ符号を用いて送信信号をスペクトル拡散させるので、実施の形態１に比較して妨害波や干渉波への耐性を向上できる。
【００４０】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る特徴抽出器１６Ａの構成を示すブロック図である。特徴抽出器１６Ａは、周波数変換器５１と、メモリ５２と、特徴量パターン算出器３５Ａとを備えて構成される。本実施形態に係る特徴抽出器１６Ａは、特徴量パターン算出器３５Ａにおいて、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける複素復調信号の周波数スペクトルのパターンを抽出したことを特徴としている。
【００４１】
図６において、周波数変換器５１及び特徴量パターン算出器３５Ａは、具体的にはＣＰＵ又はＤＳＰによって構成される。周波数変換器５１は、実施の形態１における特徴量パターン算出器３５と同様に、所定の長さの期間長を有する観測期間Ｔｏを設定し、観測期間Ｔｏ内に期間長ΔＴをそれぞれ有する複数Ｎ個の解析期間Ｔａ１，Ｔａ２，…，ＴａＮを設ける（図４（ａ）参照。）。そして、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮ毎に、メモリ１５に記憶された複素復調信号を周波数スペクトルＺ（ｆ）（ｆは周波数である。）にフーリエ変換してメモリ５２に出力する。さらに、特徴量パターン算出器３５Ａは、メモリ５２に記憶された各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける周波数スペクトルＺ（ｆ）を１つのグラフにプロットする。そして、最大の周波数スペクトルＺ（ｆ）を有する解析期間の周波数スペクトルＺ（ｆ）のパターンと、最小の周波数スペクトルＺ（ｆ）を有する解析期間の周波数スペクトルＺ（ｆ）のパターンとを、特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎとして識別器１７に出力する。
【００４２】
一般に、侵入者の侵入時の複素復調信号は、送信アンテナ１２及び受信アンテナ１３の揺れや、降雨等による地面などの反射率の変動などの自然現象の変動時の複素復調信号に比較して低周波成分を多く含む。このため、図４（ａ）に示すように、観測期間Ｔｏ内に侵入者が侵入した場合は、特徴量パターン算出器３５Ａによって算出される特徴量パターンＦｍａｘは、侵入者が侵入した期間Ｔ２の複素復調信号の周波数成分の特徴を表し、特徴量パターンＦｍｉｎは侵入者が侵入していない期間Ｔ１又はＴ３の複素復調信号の周波数成分の特徴を表す。
【００４３】
本実施形態は、侵入者の侵入時の複素復調信号の周波数スペクトルを表す特徴量パターンを算出して、侵入者の侵入を検知できるという効果を奏する。
【００４４】
なお、特徴量パターン算出器３５Ａにおいて、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける複素復調信号の周波数スペクトルのパターンを抽出したが、本発明はこれに限られず、上記周波数スペクトルのパターンを含む特徴量パターンを抽出すればよい。例えば、特徴量パターン算出器３５Ａにおいて、周波数スペクトルＺ（ｆ）のパターンに代えて、以下の値Ｚａ又はＺｂのパターンを抽出してもよい。
【００４５】
【数１】
【００４６】
【数２】
【００４７】
値Ｚａは、各周波数ｆにおける複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの回転成分の大きさを表し、値Ｚｂは、複素復調信号の回転に依存しない各周波数成分の大きさを表す。いずれの値も、複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの回転の向きに依存しないので、学習特徴量パターンのデータ量を少なくすることができる。
【００４８】
また、本実施形態において周波数変換器５１は複素復調信号を周波数スペクトルにフーリエ変換したが、本発明はこれに限られず、複素復調信号を周波数スペクトルにウェーブレット変換してもよい。フーリエ変換又はウェーブレット変換を用いることにより、複素復調信号を比較的容易に周波数変換できる。
【００４９】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る特徴抽出器１６Ｂの構成を示すブロック図である。特徴抽出器１６Ｂは、行列計算器６１と、メモリ６２と、特徴量パターン算出器３５Ｂとを備えて構成される。本実施形態に係る特徴抽出器１６Ｂは、特徴量パターン算出器３５Ｂにおいて、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける複素復調信号の共分散行列の分散の変化の時系列パターンを抽出したことを特徴としている。
【００５０】
図７において、行列計算器６１及び特徴量パターン算出器３５Ｂは、具体的にはＣＰＵ又はＤＳＰによって構成される。行列計算器６１は、解析期間の期間長ΔＴより短い所定の期間長を有するサブ観測期間毎に、メモリ１５に記憶された複素復調信号の同相成分及び直交成分から共分散行列を算出し、当該共分散行列の分散を算出してメモリ６２に出力する。特徴量パターン算出器３５Ｂは、実施の形態１における特徴量パターン算出器３５と同様に、所定の長さの期間長を有する観測期間Ｔｏを設定し、観測期間Ｔｏ内に期間長ΔＴをそれぞれ有する複数Ｎ個の解析期間Ｔａ１，Ｔａ２，…，ＴａＮを設ける（図４（ａ）参照。）。そして、メモリ６２に記憶された分散を用いて、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮ毎に分散の時系列パターンを１つのグラフにプロットする。そして、最大の分散を有する解析期間の分散の時系列パターンと、最小の分散を有する解析期間の分散の時系列パターンとを、特徴量パターンＦｍａｘ，Ｆｍｉｎとして識別器１７に出力する。
【００５１】
上述したように、侵入者の侵入時の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃは、円を描いて滑らかに変化するという特徴を有する。このため、侵入者の侵入時の複素復調信号の分散は、非侵入時の複素復調信号の分散よりも大きくなる。従って、図４（ａ）に示すように、観測期間Ｔｏ内に侵入者が侵入した場合は、特徴量パターン算出器３５Ａによって算出される特徴量パターンＦｍａｘは、侵入者が侵入した期間Ｔ２の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの特徴を表し、特徴量パターンＦｍｉｎは侵入者が侵入していない期間Ｔ１又はＴ３の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃの特徴を表す。
【００５２】
本実施形態は、侵入者の侵入時の複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃを表す特徴量を算出して、侵入者の侵入を検知できるという効果を奏する。
【００５３】
なお、本実施形態において、特徴量パターン算出器３５Ｂにおいて、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける複素復調信号の共分散行列の分散の変化の時系列パターンを抽出したが、本発明はこれに限られず、上記共分散行列の分散の変化、もしくは固有値の変化の時系列パターンを抽出すればよい。例えば、特徴量パターン算出器３５Ｂにおいて、複素復調信号の共分散行列の固有値の時系列パターンを抽出してもよい。ここで、上記固有値の値が大きい順に第１主成分、第２主成分という。
【００５４】
また、特徴量パターン算出器３５Ｂにおいて、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいて複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡の長さの変化、もしくは当該軌跡によって囲まれる領域の面積の変化の時系列パターンを抽出してもよい。例えば、複素復調信号のベクトル軌跡Ｏｃ長さ（軌道長）Ｌｏ及びベクトル軌跡Ｏｃによって囲まれる領域の面積（軌道面積）Ａｏはそれぞれ、複素復調信号の同相成分Ｉ（ｉ）及びＱ（ｉ）（ｉはサブ解析期間内のサンプリングタイミングである。）を用いて、次式で表される。
【００５５】
【数３】
【００５６】
【数４】
【００５７】
軌道長Ｌｏ及び軌道面積Ａｏにおいて、サブ解析期間内の全てのサンプリングタイミングｉに対して総和を算出する。侵入者の侵入時の複素復調信号の軌道長Ｌｏ及び軌道面積Ａｏは、非侵入時の複素復調信号の軌道長Ｌｏ及び軌道面積Ａｏに比較して大きい値を有するという特徴を有する。
【００５８】
なお、実施の形態２に係る侵入物識別装置１Ａにおいて、特徴抽出器１６−１〜１６−Ｍに代えて、実施の形態３に係る特徴抽出器１６Ａ又は実施の形態４に係る特徴抽出器１６Ｂを用いてもよい。
【００５９】
また、上記各実施形態において、特徴抽出器１６，１６−１〜１６−Ｍによって抽出される特徴量パターンは、（１）各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいて複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡を表す複数のベクトルの、大きさ及び方向の少なくとも一方の変化の時系列パターンを含む特徴量パターン、（２）各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける複素復調信号の周波数スペクトルのパターンを含む特徴量パターン、（３）各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおける複素復調信号の共分散行列の分散の変化、もしくは固有値の変化の時系列パターンを含む特徴量パターン、又は（４）各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいて複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡の長さの変化、もしくは当該軌跡によって囲まれる領域の面積の変化の時系列パターンを含む特徴量パターンであった。しかしながら、本発明はこれに限られず、特徴抽出器１６，１６−１〜１６−Ｍは、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいて、複素復調信号から、各解析期間Ｔａ１〜ＴａＮにおいても変化しかつ侵入物の侵入時と非侵入時とで異なるように変化する特徴量パターンを抽出すればよい。
【００６０】
さらに、上記各実施形態において、識別器１７，１７−１〜１７−Ｍは、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと侵入者の非侵入時を表す参照特徴量パターンとを用いたが、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと侵入者の非侵入時を表す参照特徴量パターンとのうちの少なくとも一方を用いればよい。
【００６１】
またさらに、上記各実施形態において、侵入物識別装置１及び１Ａは検知領域内に侵入者が侵入したことを識別したが、本発明はこれに限られず、犬及び猫などの小動物である侵入物が検知領域内に侵入したことを識別してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上詳述したように、本発明に係る侵入物識別装置は、それぞれ所定の期間長を有する複数の解析期間において、複素復調信号から、各解析期間においても変化しかつ侵入物の侵入時と非侵入時とで異なるように変化する特徴量パターンを抽出する特徴抽出手段と、上記抽出された特徴量パターンに基づいて、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと、侵入物の非侵入時を表す参照特徴量パターンとのうちの少なくとも一方を用いて侵入物が侵入したか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号を出力する識別手段とを備えたので、侵入物の侵入時の複素復調信号に特有の特徴量パターンを抽出して、従来技術に比較して侵入物が侵入したことを正確に識別できる。
【符号の説明】
【００６３】
１，１Ａ 侵入物識別装置、９，９Ａ 無線受信回路、１０，１０Ａ 無線送信回路、１１ 信号発生器、１２ 送信アンテナ、１３ 受信アンテナ、１４，１４−１〜１４−Ｍ 直交検波器、１５，１５−１〜１５−Ｍ，２０，３２，５２，６２ メモリ、１６ 特徴抽出器、１７，１７−１〜１７−Ｍ 識別器、１８ 学習特徴量パターンメモリ、１９ 学習器、２１ 識別結果出力器、２２ 位置決定器、３１ ベクトル算出器、３３ 変動量算出器、３５，３５Ａ，３５Ｂ 特徴量パターン算出器、４１，４８−１〜４８−Ｍ 乗算器、４２ ＰＮ符号発生器、４３ 送信アレーアンテナ、４４，４５ 終端器、４６ 受信アレーアンテナ、４７ 遅延器、５１ 周波数変換器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の送信信号を発生して送信アンテナを用いて無線送信する送信手段と、
上記送信された送信信号を受信アンテナを用いて無線受信し、上記無線受信した送信信号を上記発生された送信信号を用いて直交検波して複素復調信号に復調する受信手段とを備えた侵入識別装置において、
それぞれ所定の期間長を有する複数の解析期間において、上記複素復調信号から、上記各解析期間においても変化しかつ侵入物の侵入時と非侵入時とで異なるように変化する特徴量パターンを抽出する特徴抽出手段と、
上記抽出された特徴量パターンに基づいて、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと、侵入物の非侵入時を表す参照特徴量パターンとのうちの少なくとも一方を用いて侵入物が侵入したか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号を出力する識別手段とを備えたことを特徴とする侵入物識別装置。
【請求項２】
上記特徴量パターンは、上記各解析期間において上記複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡を表す複数のベクトルの、大きさ及び方向の少なくとも一方の変化の時系列パターンを含むことを特徴とする請求項１記載の侵入物識別装置。
【請求項３】
上記特徴量パターンは、上記各解析期間における複素復調信号の周波数スペクトルのパターンを含むことを特徴とする請求項１記載の侵入物識別装置。
【請求項４】
上記特徴抽出手段は、上記各解析期間において、上記複素復調信号を上記周波数スペクトルにフーリエ変換又はウェーブレット変換することを特徴とする請求項３記載の侵入物識別装置。
【請求項５】
上記特徴量パターンは、上記各解析期間における上記複素復調信号の共分散行列の分散の変化、もしくは固有値の変化の時系列パターンを含むことを特徴とする請求項１記載の侵入物識別装置。
【請求項６】
上記特徴量パターンは、上記各解析期間において上記複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡の長さの変化、もしくは当該軌跡によって囲まれる領域の面積の変化の時系列パターンを含むことを特徴とする請求項１記載の侵入物識別装置。
【請求項７】
上記送信アンテナ及び受信アンテナはそれぞれ、アレーアンテナにてなることを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか１つに記載の侵入物識別装置。
【請求項８】
上記各アレーアンテナは漏洩同軸ケーブルにてなることを特徴とする請求項７記載の侵入物識別装置。
【請求項９】
上記送信手段は、上記発生された送信信号をＰＮ符号信号を用いてスペクトル拡散して送信することを特徴とする請求項１乃至８のうちのいずれか１つに記載の侵入物識別装置。
【請求項１０】
上記受信手段は、上記ＰＮ符号信号を互いに異なる複数の遅延時間だけ遅延させて複数の遅延ＰＮ符号信号を発生し、上記受信信号を上記複数の遅延ＰＮ符号信号を用いて逆拡散して複数の逆拡散受信信号を発生し、上記複数の逆拡散信号をそれぞれ、上記発生された送信信号を用いて直交検波して複素復調信号に復調して出力し、
上記侵入物識別装置は、
上記複数の遅延時間に対応してそれぞれ設けられた複数の上記特徴抽出手段と、
上記複数の遅延時間に対応してそれぞれ設けられた複数の上記識別手段と、
上記各識別手段からの識別信号に基づいて上記侵入物の位置を決定する位置決定手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項９記載の侵入物識別装置。
【請求項１】
所定の送信信号を発生して送信アンテナを用いて無線送信する送信手段と、
上記送信された送信信号を受信アンテナを用いて無線受信し、上記無線受信した送信信号を上記発生された送信信号を用いて直交検波して複素復調信号に復調する受信手段とを備えた侵入識別装置において、
それぞれ所定の期間長を有する複数の解析期間において、上記複素復調信号から、上記各解析期間においても変化しかつ侵入物の侵入時と非侵入時とで異なるように変化する特徴量パターンを抽出する特徴抽出手段と、
上記抽出された特徴量パターンに基づいて、侵入物の侵入時を表す参照特徴量パターンと、侵入物の非侵入時を表す参照特徴量パターンとのうちの少なくとも一方を用いて侵入物が侵入したか否かを識別し、当該識別結果を示す識別信号を出力する識別手段とを備えたことを特徴とする侵入物識別装置。
【請求項２】
上記特徴量パターンは、上記各解析期間において上記複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡を表す複数のベクトルの、大きさ及び方向の少なくとも一方の変化の時系列パターンを含むことを特徴とする請求項１記載の侵入物識別装置。
【請求項３】
上記特徴量パターンは、上記各解析期間における複素復調信号の周波数スペクトルのパターンを含むことを特徴とする請求項１記載の侵入物識別装置。
【請求項４】
上記特徴抽出手段は、上記各解析期間において、上記複素復調信号を上記周波数スペクトルにフーリエ変換又はウェーブレット変換することを特徴とする請求項３記載の侵入物識別装置。
【請求項５】
上記特徴量パターンは、上記各解析期間における上記複素復調信号の共分散行列の分散の変化、もしくは固有値の変化の時系列パターンを含むことを特徴とする請求項１記載の侵入物識別装置。
【請求項６】
上記特徴量パターンは、上記各解析期間において上記複素復調信号が複素平面上で離散的に変化するときの軌跡の長さの変化、もしくは当該軌跡によって囲まれる領域の面積の変化の時系列パターンを含むことを特徴とする請求項１記載の侵入物識別装置。
【請求項７】
上記送信アンテナ及び受信アンテナはそれぞれ、アレーアンテナにてなることを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか１つに記載の侵入物識別装置。
【請求項８】
上記各アレーアンテナは漏洩同軸ケーブルにてなることを特徴とする請求項７記載の侵入物識別装置。
【請求項９】
上記送信手段は、上記発生された送信信号をＰＮ符号信号を用いてスペクトル拡散して送信することを特徴とする請求項１乃至８のうちのいずれか１つに記載の侵入物識別装置。
【請求項１０】
上記受信手段は、上記ＰＮ符号信号を互いに異なる複数の遅延時間だけ遅延させて複数の遅延ＰＮ符号信号を発生し、上記受信信号を上記複数の遅延ＰＮ符号信号を用いて逆拡散して複数の逆拡散受信信号を発生し、上記複数の逆拡散信号をそれぞれ、上記発生された送信信号を用いて直交検波して複素復調信号に復調して出力し、
上記侵入物識別装置は、
上記複数の遅延時間に対応してそれぞれ設けられた複数の上記特徴抽出手段と、
上記複数の遅延時間に対応してそれぞれ設けられた複数の上記識別手段と、
上記各識別手段からの識別信号に基づいて上記侵入物の位置を決定する位置決定手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項９記載の侵入物識別装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２４３２３１（Ｐ２０１０−２４３２３１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８９８９９（Ｐ２００９−８９８９９）
【出願日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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