距離測定方法とその装置
本発明は、人体形状の測定などの距離測定装置に関するものであり、人体に沿ってホーンアンテナを昇降させ、十数ＧＨｚ程度のマイクロ波を周波数を変化させながら放射し、人体からの反射波と進行波との定在波を検出し、ＤＣ成分を除去した信号に対してフーリエ変換を行い、人体までの距離を算出する。
高精度に距離測定を行うため、検出した定在波の強度がほぼ一定となるように発信源にフィードバックを行う。
高精度に距離測定を行うため、検出した定在波の強度がほぼ一定となるように発信源にフィードバックを行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
この発明は、人体形状の測定などの距離測定に関する。
【背景技術】
【特許文献１】 特開２００２−３５７６５６号公報（ＥＰ１３６５２５６Ａ１）
特許文献１は、高周波を用いた距離測定を開示している。アンテナから指向性のある高周波を放射して、高周波の周波数を変化させながら、反射波と進行波とで構成される定在波の強度を測定する。得られた定在波の強度を周波数に関してフーリエ変換すると、対象物までの距離が得られる。
発明者らは、この技術を人体形状の測定、特にアパレル向きの人体形状の測定、に応用することを検討した。発明者はこの過程で、人体形状の測定の場合、反射波が微弱なため定在波も微弱で、しかも人体には反射波が特に微弱になる位置があることを見出した。人体の場合、衣服の内側の空気と人体との界面で屈折率等が変化するため、高周波の反射が生じる。しかしこの反射は微弱で、一般に進行波の中に僅かな反射波が存在するような状態となる。次に人体表面からの反射波の強度は場所によって変動する。これは、高周波の放射方向と人体表面が直角な場合には反射波が強いが、直角で無い場合、反射波の多くは受信用のアンテナに戻らないためである。
発明の概要
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、定在波の振幅をほぼ一定にして、高精度に距離測定ができるようにすることにある。
発明の構成
この発明の距離測定方法は、発振源から測定対象に向けてビーム状の波を送り、該波の反射に基づく定在波の強度を、前記波の周波数を変えながら測定して、フーリエ変換することにより、測定対象との距離を求める方法において、前記定在波の強度を検出して、該強度がほぼ一定となるように前記発振源にフィードバックして、波のエネルギーを変化させることを特徴とする。
この発明の距離測定装置は、測定対象に向けて発振源からビーム状の波を送り、該波の反射に基づく定在波の強度を、前記波の周波数を変えながら測定して、フーリエ変換することにより、測定対象との距離を求めるようにした装置において、前記定在波の強度を検出するための手段と、検出した強度がほぼ一定となるように前記発振源にフィードバックするための手段、とを設けたことを特徴とする。
好ましくは、測定対象が人体で、前記波が周波数５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚのマイクロ波である。例えば、発振源が周波数５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚ、特に好ましくは１０〜５０ＧＨｚのマイクロ波発振回路であり、さらに波を人体に沿って高さ方向や周方向にスキャンして、人体形状を求めるようにする。
また好ましくは、前記波をピックアップして検波した後、ＤＣ成分を除去したものの強度を、前記定在波の強度とする。
例えば、前記波をピックアップするためのピックアップ手段と、ピックアップした波を検波するための検波手段と、検波手段の出力からＤＣ成分を除去して出力するための除去手段とを設けて、該除去手段の出力を前記フィードバック手段に入力する。
発明の作用と効果
この発明では、定在波の振幅がほぼ一定となるように、発振源にフィードバックを加えるので、反射が弱い場合は発振源の出力が増して、高精度に距離を測定できる。ほぼ一定とは、例えば振幅を基準値の１／２〜２倍程度の範囲に収めることである。
人体形状を測定する場合、分解能はｃｍオーダーが要求されるので、波は周波数が５〜１００ＧＨｚのマイクロ波が好ましく、人体では一般に反射率が低く、しかも表面に凹凸があるため、反射波が種々の方向を向く。これらのため、定在波の振幅が小さくしかも振幅が変動することになりやすいが、発振源にフィードバックを加えて、定在波の振幅をほぼ一定にするので、高精度に人体形状を測定できる。
定在波をピックアップする場合、一般には定在波以外に進行波などもピックアップされ、しかも進行波の振幅が定在波よりも大きい場合が多い。ここで検波信号からＤＣ成分を除くと、進行波を除くことができ、正確に距離を測定できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施例の人体形状測定装置の正面図である。
図２は、実施例で用いたホーンアンテナの側面図である。
図３は、実施例の人体形状測定装置の信号処理系のブロック図である。
図４は、実施例の人体形状測定方法でのトラッキングアルゴリズムを示すフローチャートである。
図５は、実施例での、フーリエ変換信号からのバックグラウンド信号の除去を模式的に示す図である。
図６は、トラッキングを行わない場合の、フーリエ変換信号と高さ方向に沿った人体形状信号とを示す図である。
図７は、トラッキングを行った場合の、フーリエ変換信号と高さ方向に沿った人体形状信号とを示す図である。
図８は、トラッキングを行わない場合の高さ方向の人体形状信号を示す図である。
図９は、トラッキングを行った場合の高さ方向の人体形状信号を示す図である。
【実施例】
図１〜図９に、人体形状の測定を例に、実施例とその特性を示す。ただし距離の測定対象は任意で、例えば前方の車両との車間距離、障害物との距離の検出などに用いても良い。図１に人体形状測定装置２の外形を示すと、４は人が立つための台で、６はその周囲を取り巻くフレームで、支柱８を備えている。昇降台９は支柱８に沿って昇降し、１個〜複数個のホーンアンテナ１０を設ける。ホーンアンテナ１０は回折損などの少ない高周波用のアンテナで、アンテナの種類自体は任意である。
１２は高周波回路で、ホーンアンテナ１０に対して高周波を供給し、ホーンアンテナ１０中の進行波と人体からの反射波との定在波をピックアップして検波し、例えばＤＣ成分を除去した後に、信号処理部１４へ出力する。ホーンアンテナ１０を複数設ける場合、アンテナ毎に高周波の周波数を異ならせることが好ましい。信号処理部１４は、デジタルシグナルプロセッサやパーソナルコンピュータレベルの信号処理回路で構成し、求めた人体形状をモニタ１６などに出力すると共に、キーボード１８からの操作を受け付ける。
ホーンアンテナ１０の構造を図２に示すと、２１は導波管で、高周波発振回路からの高周波を受け入れ、先端の拡開されたホーン２２から高周波を放射する。導波管２１中にピックアップ２３を挿入して、ＧａＡｓショットキーダイオードなどの検波回路２４により検波し、コンデンサなどを用いたＤＣエリミネータ２５によりＤＣ成分を除去して、出力する。なおＤＣエリミネータ２５は設けなくてもよい。定在波検出用のピックアップ２３は、ホーンアンテナ１０とは別のアンテナ内に設けても良いが、高周波用の導波管やアンテナは高価で、送信用のホーンアンテナ１０内にピックアップ２３を設けることが好ましい。
図３に、用いた信号処理系を示すと、高周波発振回路２９からの高周波出力をホーンアンテナ１０を介して、人体２０に向けて放射する。用いる高周波は例えば１０〜１５ＧＨｚ程度で、衛星通信用などの比較的安価な高周波素子を用いることができ、進行方向に垂直な平面内でのビーム径は例えば２ｃｍ程度である。ホーンアンテナ１０内には高周波の進行波と反射波とが存在し、これらによって定在波が形成され、エネルギーとしては進行波の割合が圧倒的に大きい。そしてホーンアンテナ内の高周波をピックアップ２３でピックアップし、ＧａＡｓ系のショットキーダイオードなどを用いた検波回路２４で例えば半波相当に検波し、ＤＣエリミネータ２５でＤＣ成分を除去する。ＤＣ成分の多くは進行波に起因するもので、コンデンサでＤＣ成分を除去する代わりに、ＡＤ変換後の信号を差分あるいは微分してＤＣ成分を除去しても良い。
ＤＣエリミネータ２５からの信号は、振幅検出部２６にフィードバックされ、ＡＬＣ（自動レベル制御装置）２７へ入力されて、振幅に対する基準値との差が出力される。出力制御部２８は前記の差に応じたゲインで、高周波発振回路２９を駆動する。高周波発振回路２９の出力は、例えば基準出力の１／３〜３倍程度の範囲で変化する。これらの結果、ＤＣエリミネータ２５からの出力信号の振幅がほぼ一定となるように、高周波発振回路２９の出力にフィードバックが施され、これによって定在波のパワー（ＤＣエリミネータ２５からの出力）が小さい場合には進行波のパワー（エネルギー）を増し、検波回路２４で定在波を雑音に埋もれずに検波できるようにする。即ち振幅の小さな定在波を、振幅の大きな進行波の存在下に検波することは難しいが、定在波の振幅を増すと検波が容易になる。またＤＣエリミネータ２５からの出力が大きい時には、進行波のパワーを落として、ＤＣエリミネータからの信号強度をほぼ一定に保ち、これによって検波器２４等の飽和を防止する。
高周波回路１２は、１つの測定点に対して、周波数を例えば２５６通りなどに複数に変化させ、例えば中心周波数１２ＧＨｚに対して、周波数を１０〜１４ＧＨｚ、あるいは１１〜１３ＧＨｚなどに変化させ、周波数に関するフーリエ変換を可能にする。次に１つの測定点に対する最初の周波数で、ＡＬＣ２７を作動させて、以下同じ測定点では、ＡＬＣ２７の出力を一定にする。あるいはまた各周波数毎にＡＬＣ２７を独立して作動させ、用いたゲイン（ＡＬＣ２７出力制御部２８の出力）を後述のＦＦＴ３８へ入力して、ＡＤ変換信号とゲインとの比などをフーリエ変換しても良い。
ＡＤコンバータ３６は、ＤＣエリミネータ２５の出力信号をＡＤ変換し、ＡＤ変換した信号中のＤＣ成分は、距離ゼロの位置に現れるため意味が無く、これをＤＣエリミネータ３７によりデジタル的に処理する。例えばＡＤ変換した信号をＤＣ成分に相当する所定値だけレベルダウンした後、フーリエ変換を行い距離情報を得る。
ＦＦＴ３８は、高速フーリエ変換などにより、ＡＤ変換しＤＣ成分を除去した信号をフーリエ変換する。このフーリエ変換は周波数に関するフーリエ変換で、特許文献１に記載のように、フーリエ変換信号のピークはアンテナ１０から人体までの距離に対応する。なおＡＤ変換した信号を微分フィルタなどで処理してＤＣ成分を除き、前記の振幅検出部２６へ入力しても良い。またＡＤコンバータ３６によりＡＤ変換した信号をＦＦＴ３８でフーリエ変換した後、ＤＣエリミネータ３７でＤＣ成分を除去するようにしても良い。
フーリエ変換信号には、アンテナ内の反射や人体以外の背景での反射などに対する信号が含まれている。そこで人体がない場合のフーリエ変換信号をバックグラウンド信号記憶部３９に記憶し、差分部４０で人体がある場合のフーリエ変換信号との差分を求める。このようにしてフーリエ変換からバックグラウンドに起因する信号を除いて、信号の有効部分を抽出する。
バックグラウンド信号の除去を、図５に模式的に示す。実線はＦＦＴ３８から入力されたフーリエ変換信号で、ＤＣ成分に相当する分のレベルシフト後、フーリエ変換したものである。このフーリエ変換信号から、バックグラウンド信号として記憶した破線の信号を引き算して、人体に起因するフーリエ変換信号のピークを取り出す。なおバックグラウンドを差分する代わりに、人体とのおおよその距離は既知なので、この範囲の信号のみをピックアップする窓関数を用いてもよい。しかしこのような窓関数の使用は、後述のトラッキングと類似の処理で、精度の向上には限界がある。
これ以外に例えば一対のカメラ３０，３１を用いて人体を測定し、人体の立体視画像を作成し、アウトライン抽出部３２で人体のアウトライン形状を抽出する。カメラ３０，３１では着衣の人体形状を撮影したので、実際の人体表面はアウトライン抽出部３２で抽出した人体形状よりも、内側に存在するはずである。あるいはまた測定前に、人の体重と身長、体脂肪率などを測定して、年齢などを加味して、大まかな体型を推定し、アウトライン抽出部３２の信号の代わりに用いてもよい。さらにカメラ３０，３１やアウトライン抽出部３２などは、設けなくてもよい。
一方昇降台９は、昇降駆動部３４により昇降し、所定の高さ範囲で人体の表面形状をスキャンする。また左右動駆動部３５は、ホーンアンテナ１０を例えば左右に首振り運動させ、あるいは左右に位置をシフトさせて、人体からの大きな信号が得られる点から、スキャンが開始されるようにする。なお昇降駆動部３４や左右動駆動部３５の構成は任意であり、左右動駆動部３５は設けなくてもよい。
比較部４１はスキャンの開始時に、所定のいき値以上の信号が得られているかどうかをチェックし、所定のいき値以上の信号が得られるように、左右動駆動部３５を動作させて、ホーンアンテナ１０の向きを変更する。トラッキング部４２は、ホーンアンテナ１０を昇降させて人体形状をスキャンする過程で、各高さでのホーンアンテナと人体との距離を測定すると共に、前回の測定点、もしくはそれ以前の複数の測定点から予想される、次の人体表面との距離の合理的な範囲を求め、この範囲内の信号を抽出するように、トラッキングを行う。合理的な範囲とは、人体表面の連続性が保たれる、あるいは人体表面の凹凸の範囲との意味である。比較部４１やトラッキング部４２の処理の詳細を図４に示す。
図４の測定開始時点で、ホーンアンテナはスキャン範囲の上端もしくは下端にあり、比較部４１へ入力されるフーリエ変換信号の最大値を検出し、最大値がいき値以上かどうかをチェックする。最大値の値が小さく、いき値以下の場合、左右動駆動部３５によりホーンアンテナの向きを変えて、より強い信号が得られる位置を探すなどの処理を行う。
スキャン範囲の上端もしくは下端でいき値以上の最大値が得られると、トラッキングを開始する。トラッキングを開始すると、人体との距離を変数「トラッキング位置」として更新しながら保持し、例えば５ｍｍずつホーンアンテナの位置を変えて、測定点を上下に移動させ、次の最大値を求める。この最大値は差分部４０の出力中の最大値で、人体との距離に対応する。最大値を検出する範囲は検索範囲として制限され、前回の測定点での人体との距離に対して、例えば±１ｃｍ以内、あるいは±５ｍｍ以内などに制限される。前回の測定点だけでなく、前回までの複数の測定点を用いる場合、これらの測定点を外挿して得られる点に対して±５ｍｍ程度に検索範囲を制限する。そして検索範囲内でのフーリエ変換信号の最大値を検出する。
得られた最大値に対していき値判断を行い、いき値以上の最大値が得られた場合、測定は有効で、新たな測定点での人体に対する距離が得られたものとする。いき値以上の最大値が得られなかった場合、次回のいき値判断でのいき値を例えば５〜１０％程度低下させる、あるいは人体の凹凸が激しいものとして、最大値を検索する範囲を例えば±５ｍｍから±７ｍｍなどのように増加させる。そして今回測定した最大値の扱いは任意であるが、例えば有効な最大値が得られなかったものとして、検出した最大値を無効にする。以上の処理を、最終測定点まで繰り返すと、１つのスキャンラインに沿った人体の形状が得られる。
ここで図１に戻り、ホーンアンテナ１０を複数設け、アンテナ間の干渉を防止するため高周波の周波数などを変えて、同時に複数のラインに沿ってスキャンする。そしてアンテナの数が少ない場合、フレーム６を回動させてスキャンを繰り返す。このようなスキャンを繰り返すと、人体表面の３次元形状を得ることができる。
図６はトラッキングを行わず、スキャンの過程でのフーリエ変換信号の最大値を単純に人体との距離信号として用いた例である。実線はフーリエ変換信号を示し、７００ｍｍ付近と９００ｍｍ付近に２つのピークがあり、９００ｍｍ付近のピークが大きいので、これが距離信号となる。フーリエ変換信号のピークを単純に距離信号として高さ方向に沿って求めた人体形状信号を、ドットで示す。なおフーリエ変換信号と人体形状信号とは、横軸の位置を変えてある。図６のようにトラッキングを行わないと、人体形状信号が不連続にジャンプしている。
これに対して図７は、同じフーリエ変換信号に対して、前回の測定点での距離信号から所定の範囲内の最大値のみを抽出するようにした際の結果である。フーリエ変換信号のピークは２つに分裂しているが、人体形状信号は連続した線として得られている。
図８は、図６の測定を１スキャンライン分行った場合の、人体形状信号を示している。また図９は、図７の測定を１スキャンライン分行った場合の、人体形状信号を示している。トラッキングを行わない場合、高さ８００〜９００ｍｍ付近で、人体形状信号が不自然に変動する。これに対してトラッキングを行うと、このようなノイズを除くことができる。
トラッキングを行わない場合に、図６，図８のような不自然な結果が得られることには、ホーンアンテナから直進した位置の測定点以外での、例えば人体からの反射が、影響しているものと思われる。そしてこのような反射は、高周波の周波数を増してビーム径を絞れば、小さくすることができる。例えば周波数を２倍にすれば、ビーム径は約１／２になり、図６の距離９００ｍｍ付近での信号は、強度が減少するはずである。しかしながら周波数を増すと、民生用の高周波素子を用いることができず、回路コストが急増する。そこでトラッキングを行うことにより、衛星通信などに用いられる民生用の高周波素子を用いて、人体形状を測定することができる。
実施例では、定在波の振幅が小さい測定点で、放射する高周波のパワー（エネルギー）を増すので、定在波が雑音に埋もれて検出できなくなることがない。また定在波の振幅が大きな測定点では、高周波のパワーを小さくするので、検波回路などの飽和を防止できる。これらのため、定在波の振幅にかかわらず、ほぼ一定の振幅の定在波を発生させ、高精度に距離を測定できる。実施例では、マイクロ波などの高周波を用いたが、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の超音波を用いても良い。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【技術分野】
この発明は、人体形状の測定などの距離測定に関する。
【背景技術】
【特許文献１】 特開２００２−３５７６５６号公報（ＥＰ１３６５２５６Ａ１）
特許文献１は、高周波を用いた距離測定を開示している。アンテナから指向性のある高周波を放射して、高周波の周波数を変化させながら、反射波と進行波とで構成される定在波の強度を測定する。得られた定在波の強度を周波数に関してフーリエ変換すると、対象物までの距離が得られる。
発明者らは、この技術を人体形状の測定、特にアパレル向きの人体形状の測定、に応用することを検討した。発明者はこの過程で、人体形状の測定の場合、反射波が微弱なため定在波も微弱で、しかも人体には反射波が特に微弱になる位置があることを見出した。人体の場合、衣服の内側の空気と人体との界面で屈折率等が変化するため、高周波の反射が生じる。しかしこの反射は微弱で、一般に進行波の中に僅かな反射波が存在するような状態となる。次に人体表面からの反射波の強度は場所によって変動する。これは、高周波の放射方向と人体表面が直角な場合には反射波が強いが、直角で無い場合、反射波の多くは受信用のアンテナに戻らないためである。
発明の概要
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、定在波の振幅をほぼ一定にして、高精度に距離測定ができるようにすることにある。
発明の構成
この発明の距離測定方法は、発振源から測定対象に向けてビーム状の波を送り、該波の反射に基づく定在波の強度を、前記波の周波数を変えながら測定して、フーリエ変換することにより、測定対象との距離を求める方法において、前記定在波の強度を検出して、該強度がほぼ一定となるように前記発振源にフィードバックして、波のエネルギーを変化させることを特徴とする。
この発明の距離測定装置は、測定対象に向けて発振源からビーム状の波を送り、該波の反射に基づく定在波の強度を、前記波の周波数を変えながら測定して、フーリエ変換することにより、測定対象との距離を求めるようにした装置において、前記定在波の強度を検出するための手段と、検出した強度がほぼ一定となるように前記発振源にフィードバックするための手段、とを設けたことを特徴とする。
好ましくは、測定対象が人体で、前記波が周波数５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚのマイクロ波である。例えば、発振源が周波数５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚ、特に好ましくは１０〜５０ＧＨｚのマイクロ波発振回路であり、さらに波を人体に沿って高さ方向や周方向にスキャンして、人体形状を求めるようにする。
また好ましくは、前記波をピックアップして検波した後、ＤＣ成分を除去したものの強度を、前記定在波の強度とする。
例えば、前記波をピックアップするためのピックアップ手段と、ピックアップした波を検波するための検波手段と、検波手段の出力からＤＣ成分を除去して出力するための除去手段とを設けて、該除去手段の出力を前記フィードバック手段に入力する。
発明の作用と効果
この発明では、定在波の振幅がほぼ一定となるように、発振源にフィードバックを加えるので、反射が弱い場合は発振源の出力が増して、高精度に距離を測定できる。ほぼ一定とは、例えば振幅を基準値の１／２〜２倍程度の範囲に収めることである。
人体形状を測定する場合、分解能はｃｍオーダーが要求されるので、波は周波数が５〜１００ＧＨｚのマイクロ波が好ましく、人体では一般に反射率が低く、しかも表面に凹凸があるため、反射波が種々の方向を向く。これらのため、定在波の振幅が小さくしかも振幅が変動することになりやすいが、発振源にフィードバックを加えて、定在波の振幅をほぼ一定にするので、高精度に人体形状を測定できる。
定在波をピックアップする場合、一般には定在波以外に進行波などもピックアップされ、しかも進行波の振幅が定在波よりも大きい場合が多い。ここで検波信号からＤＣ成分を除くと、進行波を除くことができ、正確に距離を測定できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施例の人体形状測定装置の正面図である。
図２は、実施例で用いたホーンアンテナの側面図である。
図３は、実施例の人体形状測定装置の信号処理系のブロック図である。
図４は、実施例の人体形状測定方法でのトラッキングアルゴリズムを示すフローチャートである。
図５は、実施例での、フーリエ変換信号からのバックグラウンド信号の除去を模式的に示す図である。
図６は、トラッキングを行わない場合の、フーリエ変換信号と高さ方向に沿った人体形状信号とを示す図である。
図７は、トラッキングを行った場合の、フーリエ変換信号と高さ方向に沿った人体形状信号とを示す図である。
図８は、トラッキングを行わない場合の高さ方向の人体形状信号を示す図である。
図９は、トラッキングを行った場合の高さ方向の人体形状信号を示す図である。
【実施例】
図１〜図９に、人体形状の測定を例に、実施例とその特性を示す。ただし距離の測定対象は任意で、例えば前方の車両との車間距離、障害物との距離の検出などに用いても良い。図１に人体形状測定装置２の外形を示すと、４は人が立つための台で、６はその周囲を取り巻くフレームで、支柱８を備えている。昇降台９は支柱８に沿って昇降し、１個〜複数個のホーンアンテナ１０を設ける。ホーンアンテナ１０は回折損などの少ない高周波用のアンテナで、アンテナの種類自体は任意である。
１２は高周波回路で、ホーンアンテナ１０に対して高周波を供給し、ホーンアンテナ１０中の進行波と人体からの反射波との定在波をピックアップして検波し、例えばＤＣ成分を除去した後に、信号処理部１４へ出力する。ホーンアンテナ１０を複数設ける場合、アンテナ毎に高周波の周波数を異ならせることが好ましい。信号処理部１４は、デジタルシグナルプロセッサやパーソナルコンピュータレベルの信号処理回路で構成し、求めた人体形状をモニタ１６などに出力すると共に、キーボード１８からの操作を受け付ける。
ホーンアンテナ１０の構造を図２に示すと、２１は導波管で、高周波発振回路からの高周波を受け入れ、先端の拡開されたホーン２２から高周波を放射する。導波管２１中にピックアップ２３を挿入して、ＧａＡｓショットキーダイオードなどの検波回路２４により検波し、コンデンサなどを用いたＤＣエリミネータ２５によりＤＣ成分を除去して、出力する。なおＤＣエリミネータ２５は設けなくてもよい。定在波検出用のピックアップ２３は、ホーンアンテナ１０とは別のアンテナ内に設けても良いが、高周波用の導波管やアンテナは高価で、送信用のホーンアンテナ１０内にピックアップ２３を設けることが好ましい。
図３に、用いた信号処理系を示すと、高周波発振回路２９からの高周波出力をホーンアンテナ１０を介して、人体２０に向けて放射する。用いる高周波は例えば１０〜１５ＧＨｚ程度で、衛星通信用などの比較的安価な高周波素子を用いることができ、進行方向に垂直な平面内でのビーム径は例えば２ｃｍ程度である。ホーンアンテナ１０内には高周波の進行波と反射波とが存在し、これらによって定在波が形成され、エネルギーとしては進行波の割合が圧倒的に大きい。そしてホーンアンテナ内の高周波をピックアップ２３でピックアップし、ＧａＡｓ系のショットキーダイオードなどを用いた検波回路２４で例えば半波相当に検波し、ＤＣエリミネータ２５でＤＣ成分を除去する。ＤＣ成分の多くは進行波に起因するもので、コンデンサでＤＣ成分を除去する代わりに、ＡＤ変換後の信号を差分あるいは微分してＤＣ成分を除去しても良い。
ＤＣエリミネータ２５からの信号は、振幅検出部２６にフィードバックされ、ＡＬＣ（自動レベル制御装置）２７へ入力されて、振幅に対する基準値との差が出力される。出力制御部２８は前記の差に応じたゲインで、高周波発振回路２９を駆動する。高周波発振回路２９の出力は、例えば基準出力の１／３〜３倍程度の範囲で変化する。これらの結果、ＤＣエリミネータ２５からの出力信号の振幅がほぼ一定となるように、高周波発振回路２９の出力にフィードバックが施され、これによって定在波のパワー（ＤＣエリミネータ２５からの出力）が小さい場合には進行波のパワー（エネルギー）を増し、検波回路２４で定在波を雑音に埋もれずに検波できるようにする。即ち振幅の小さな定在波を、振幅の大きな進行波の存在下に検波することは難しいが、定在波の振幅を増すと検波が容易になる。またＤＣエリミネータ２５からの出力が大きい時には、進行波のパワーを落として、ＤＣエリミネータからの信号強度をほぼ一定に保ち、これによって検波器２４等の飽和を防止する。
高周波回路１２は、１つの測定点に対して、周波数を例えば２５６通りなどに複数に変化させ、例えば中心周波数１２ＧＨｚに対して、周波数を１０〜１４ＧＨｚ、あるいは１１〜１３ＧＨｚなどに変化させ、周波数に関するフーリエ変換を可能にする。次に１つの測定点に対する最初の周波数で、ＡＬＣ２７を作動させて、以下同じ測定点では、ＡＬＣ２７の出力を一定にする。あるいはまた各周波数毎にＡＬＣ２７を独立して作動させ、用いたゲイン（ＡＬＣ２７出力制御部２８の出力）を後述のＦＦＴ３８へ入力して、ＡＤ変換信号とゲインとの比などをフーリエ変換しても良い。
ＡＤコンバータ３６は、ＤＣエリミネータ２５の出力信号をＡＤ変換し、ＡＤ変換した信号中のＤＣ成分は、距離ゼロの位置に現れるため意味が無く、これをＤＣエリミネータ３７によりデジタル的に処理する。例えばＡＤ変換した信号をＤＣ成分に相当する所定値だけレベルダウンした後、フーリエ変換を行い距離情報を得る。
ＦＦＴ３８は、高速フーリエ変換などにより、ＡＤ変換しＤＣ成分を除去した信号をフーリエ変換する。このフーリエ変換は周波数に関するフーリエ変換で、特許文献１に記載のように、フーリエ変換信号のピークはアンテナ１０から人体までの距離に対応する。なおＡＤ変換した信号を微分フィルタなどで処理してＤＣ成分を除き、前記の振幅検出部２６へ入力しても良い。またＡＤコンバータ３６によりＡＤ変換した信号をＦＦＴ３８でフーリエ変換した後、ＤＣエリミネータ３７でＤＣ成分を除去するようにしても良い。
フーリエ変換信号には、アンテナ内の反射や人体以外の背景での反射などに対する信号が含まれている。そこで人体がない場合のフーリエ変換信号をバックグラウンド信号記憶部３９に記憶し、差分部４０で人体がある場合のフーリエ変換信号との差分を求める。このようにしてフーリエ変換からバックグラウンドに起因する信号を除いて、信号の有効部分を抽出する。
バックグラウンド信号の除去を、図５に模式的に示す。実線はＦＦＴ３８から入力されたフーリエ変換信号で、ＤＣ成分に相当する分のレベルシフト後、フーリエ変換したものである。このフーリエ変換信号から、バックグラウンド信号として記憶した破線の信号を引き算して、人体に起因するフーリエ変換信号のピークを取り出す。なおバックグラウンドを差分する代わりに、人体とのおおよその距離は既知なので、この範囲の信号のみをピックアップする窓関数を用いてもよい。しかしこのような窓関数の使用は、後述のトラッキングと類似の処理で、精度の向上には限界がある。
これ以外に例えば一対のカメラ３０，３１を用いて人体を測定し、人体の立体視画像を作成し、アウトライン抽出部３２で人体のアウトライン形状を抽出する。カメラ３０，３１では着衣の人体形状を撮影したので、実際の人体表面はアウトライン抽出部３２で抽出した人体形状よりも、内側に存在するはずである。あるいはまた測定前に、人の体重と身長、体脂肪率などを測定して、年齢などを加味して、大まかな体型を推定し、アウトライン抽出部３２の信号の代わりに用いてもよい。さらにカメラ３０，３１やアウトライン抽出部３２などは、設けなくてもよい。
一方昇降台９は、昇降駆動部３４により昇降し、所定の高さ範囲で人体の表面形状をスキャンする。また左右動駆動部３５は、ホーンアンテナ１０を例えば左右に首振り運動させ、あるいは左右に位置をシフトさせて、人体からの大きな信号が得られる点から、スキャンが開始されるようにする。なお昇降駆動部３４や左右動駆動部３５の構成は任意であり、左右動駆動部３５は設けなくてもよい。
比較部４１はスキャンの開始時に、所定のいき値以上の信号が得られているかどうかをチェックし、所定のいき値以上の信号が得られるように、左右動駆動部３５を動作させて、ホーンアンテナ１０の向きを変更する。トラッキング部４２は、ホーンアンテナ１０を昇降させて人体形状をスキャンする過程で、各高さでのホーンアンテナと人体との距離を測定すると共に、前回の測定点、もしくはそれ以前の複数の測定点から予想される、次の人体表面との距離の合理的な範囲を求め、この範囲内の信号を抽出するように、トラッキングを行う。合理的な範囲とは、人体表面の連続性が保たれる、あるいは人体表面の凹凸の範囲との意味である。比較部４１やトラッキング部４２の処理の詳細を図４に示す。
図４の測定開始時点で、ホーンアンテナはスキャン範囲の上端もしくは下端にあり、比較部４１へ入力されるフーリエ変換信号の最大値を検出し、最大値がいき値以上かどうかをチェックする。最大値の値が小さく、いき値以下の場合、左右動駆動部３５によりホーンアンテナの向きを変えて、より強い信号が得られる位置を探すなどの処理を行う。
スキャン範囲の上端もしくは下端でいき値以上の最大値が得られると、トラッキングを開始する。トラッキングを開始すると、人体との距離を変数「トラッキング位置」として更新しながら保持し、例えば５ｍｍずつホーンアンテナの位置を変えて、測定点を上下に移動させ、次の最大値を求める。この最大値は差分部４０の出力中の最大値で、人体との距離に対応する。最大値を検出する範囲は検索範囲として制限され、前回の測定点での人体との距離に対して、例えば±１ｃｍ以内、あるいは±５ｍｍ以内などに制限される。前回の測定点だけでなく、前回までの複数の測定点を用いる場合、これらの測定点を外挿して得られる点に対して±５ｍｍ程度に検索範囲を制限する。そして検索範囲内でのフーリエ変換信号の最大値を検出する。
得られた最大値に対していき値判断を行い、いき値以上の最大値が得られた場合、測定は有効で、新たな測定点での人体に対する距離が得られたものとする。いき値以上の最大値が得られなかった場合、次回のいき値判断でのいき値を例えば５〜１０％程度低下させる、あるいは人体の凹凸が激しいものとして、最大値を検索する範囲を例えば±５ｍｍから±７ｍｍなどのように増加させる。そして今回測定した最大値の扱いは任意であるが、例えば有効な最大値が得られなかったものとして、検出した最大値を無効にする。以上の処理を、最終測定点まで繰り返すと、１つのスキャンラインに沿った人体の形状が得られる。
ここで図１に戻り、ホーンアンテナ１０を複数設け、アンテナ間の干渉を防止するため高周波の周波数などを変えて、同時に複数のラインに沿ってスキャンする。そしてアンテナの数が少ない場合、フレーム６を回動させてスキャンを繰り返す。このようなスキャンを繰り返すと、人体表面の３次元形状を得ることができる。
図６はトラッキングを行わず、スキャンの過程でのフーリエ変換信号の最大値を単純に人体との距離信号として用いた例である。実線はフーリエ変換信号を示し、７００ｍｍ付近と９００ｍｍ付近に２つのピークがあり、９００ｍｍ付近のピークが大きいので、これが距離信号となる。フーリエ変換信号のピークを単純に距離信号として高さ方向に沿って求めた人体形状信号を、ドットで示す。なおフーリエ変換信号と人体形状信号とは、横軸の位置を変えてある。図６のようにトラッキングを行わないと、人体形状信号が不連続にジャンプしている。
これに対して図７は、同じフーリエ変換信号に対して、前回の測定点での距離信号から所定の範囲内の最大値のみを抽出するようにした際の結果である。フーリエ変換信号のピークは２つに分裂しているが、人体形状信号は連続した線として得られている。
図８は、図６の測定を１スキャンライン分行った場合の、人体形状信号を示している。また図９は、図７の測定を１スキャンライン分行った場合の、人体形状信号を示している。トラッキングを行わない場合、高さ８００〜９００ｍｍ付近で、人体形状信号が不自然に変動する。これに対してトラッキングを行うと、このようなノイズを除くことができる。
トラッキングを行わない場合に、図６，図８のような不自然な結果が得られることには、ホーンアンテナから直進した位置の測定点以外での、例えば人体からの反射が、影響しているものと思われる。そしてこのような反射は、高周波の周波数を増してビーム径を絞れば、小さくすることができる。例えば周波数を２倍にすれば、ビーム径は約１／２になり、図６の距離９００ｍｍ付近での信号は、強度が減少するはずである。しかしながら周波数を増すと、民生用の高周波素子を用いることができず、回路コストが急増する。そこでトラッキングを行うことにより、衛星通信などに用いられる民生用の高周波素子を用いて、人体形状を測定することができる。
実施例では、定在波の振幅が小さい測定点で、放射する高周波のパワー（エネルギー）を増すので、定在波が雑音に埋もれて検出できなくなることがない。また定在波の振幅が大きな測定点では、高周波のパワーを小さくするので、検波回路などの飽和を防止できる。これらのため、定在波の振幅にかかわらず、ほぼ一定の振幅の定在波を発生させ、高精度に距離を測定できる。実施例では、マイクロ波などの高周波を用いたが、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の超音波を用いても良い。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振源から測定対象に向けてビーム状の波を送り、該波の反射に基づく定在波の強度を、前記波の周波数を変えながら測定して、フーリエ変換することにより、測定対象との距離を求める方法において、
前記定在波の強度を検出して、該強度がほぼ一定となるように前記発振源にフィードバックして、波のエネルギーを変化させることを特徴とする、距離測定方法。
【請求項２】
測定対象が人体で、前記波が周波数５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚのマイクロ波であることを特徴とする、請求の範囲第１項の距離測定方法。
【請求項３】
前記波をピックアップして検波した後、ＤＣ成分を除去したものの強度を、前記定在波の強度とすることを特徴とする、請求の範囲第１項の距離測定方法。
【請求項４】
測定対象に向けて発振源からビーム状の波を送り、該波の反射に基づく定在波の強度を、前記波の周波数を変えながら測定して、フーリエ変換することにより、測定対象との距離を求めるようにした装置において、
前記定在波の強度を検出するための手段と、検出した強度がほぼ一定となるように前記発振源にフィードバックするための手段、とを設けたことを特徴とする、距離測定装置。
【請求項５】
測定対象が人体で、前記発振源が周波数５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚのマイクロ波発振回路であり、さらに波を人体に沿ってスキャンして、人体形状を求めるようにしたことを特徴とする、請求の範囲第４項の距離測定装置。
【請求項６】
前記波をピックアップするためのピックアップ手段と、ピックアップした波を検波するための検波手段と、検波手段の出力からＤＣ成分を除去して出力するための除去手段とを設けて、該除去手段の出力を前記フィードバック手段に入力するようにしたことを特徴とする、請求の範囲第４項の距離測定装置。
【請求項１】
発振源から測定対象に向けてビーム状の波を送り、該波の反射に基づく定在波の強度を、前記波の周波数を変えながら測定して、フーリエ変換することにより、測定対象との距離を求める方法において、
前記定在波の強度を検出して、該強度がほぼ一定となるように前記発振源にフィードバックして、波のエネルギーを変化させることを特徴とする、距離測定方法。
【請求項２】
測定対象が人体で、前記波が周波数５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚのマイクロ波であることを特徴とする、請求の範囲第１項の距離測定方法。
【請求項３】
前記波をピックアップして検波した後、ＤＣ成分を除去したものの強度を、前記定在波の強度とすることを特徴とする、請求の範囲第１項の距離測定方法。
【請求項４】
測定対象に向けて発振源からビーム状の波を送り、該波の反射に基づく定在波の強度を、前記波の周波数を変えながら測定して、フーリエ変換することにより、測定対象との距離を求めるようにした装置において、
前記定在波の強度を検出するための手段と、検出した強度がほぼ一定となるように前記発振源にフィードバックするための手段、とを設けたことを特徴とする、距離測定装置。
【請求項５】
測定対象が人体で、前記発振源が周波数５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚのマイクロ波発振回路であり、さらに波を人体に沿ってスキャンして、人体形状を求めるようにしたことを特徴とする、請求の範囲第４項の距離測定装置。
【請求項６】
前記波をピックアップするためのピックアップ手段と、ピックアップした波を検波するための検波手段と、検波手段の出力からＤＣ成分を除去して出力するための除去手段とを設けて、該除去手段の出力を前記フィードバック手段に入力するようにしたことを特徴とする、請求の範囲第４項の距離測定装置。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０９５０５８
【国際公開日】平成１６年１１月４日（２００４．１１．４）
【発行日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５０５６９６（Ｐ２００５−５０５６９６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００４１１１
【国際出願日】平成１６年３月２４日（２００４．３．２４）
【出願人】（０００１５１２２１）株式会社島精機製作所 (357)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年１１月４日（２００４．１１．４）
【発行日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００４１１１
【国際出願日】平成１６年３月２４日（２００４．３．２４）
【出願人】（０００１５１２２１）株式会社島精機製作所 (357)
【Ｆターム（参考）】
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