JP2009537012A - 超広帯域探測信号の支援により移動物体を検出するセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】モニタされる領域内で移動物体、例えば人間を検出するために使用することができるセンサを提供する。
【解決手段】第１の実施形態では、本発明のセンサは、第１及び第２のアンテナと、２つの出力部が設けられ、その第１の出力部が第１のアンテナの入力部／出力部に接続され、第２の出力部が第２のアンテナの入力部／出力部に接続されたパルス発生器とを含む。センサの出力回路は、２つの検出器から成り、第１の検出器の入力部は、第１のアンテナの入力部／出力部に接続され、第２の検出器の入力部は、第２のアンテナの入力部／出力部に接続される。第１の検出器の出力部は、差動増幅器の第１の入力部に接続される一方、第２の検出器の出力部は、その第２の入力部に接続される。差動増幅器の出力部は、低周波フィルタと、出力部が差動増幅器の入力部の一方に接続されたフィードバック装置とに接続される。低周波フィルタの出力部は、コンパレータ入力部に接続される。第２の変形では、センサの入力回路は、各々に２つの入力部が設けられた２つの検出器から成る。パルス発生器の第１の出力部は、第１のアンテナの入力部／出力部と第１の検出器の第２の入力部とに接続される。第１のアンテナの入力部／出力部は、第２の検出器の第１の入力部に接続される一方、パルス発生器の第２の出力部は、遅延を通じて第２の検出器の第２の入力部に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線工学の分野に関し、本発明のセンサによってモニタされる領域内で移動物体、例えば人間を検出するために使用することができる。

運動検出器の主な種類は、赤外線センサ、超音波検出器、物体運動容量型センサ、運動無線検出器、及び複合検出器である。
運動無線検出器は、マイクロ波帯域において作動する。放射及び受信は、１つ又は２つのアンテナによって行われる。無線アナンシエータが、エネルギ再反射によって検出容積区分を形成する。アナンシエータの感度区分は、特に、侵入者を検出することができない空間を残さない（閉じた建物内に取り付けられた時）。そのような検出器の働きは、ドップラー効果又はセンチメートル帯域における電波の干渉に基づいている。

ＭｃＥｗａｎに付与された特許（米国特許第５３６１０７０号）にある超広帯域信号を使用して移動物体を検出するセンサは、本発明の解決法に最も近い。このセンサは、人間をモニタする超広帯域レーダである。このレーダは、駆動発振器、無作為抽出装置、基準及び調節された遅延のためのユニット、２つのアンテナ、超広帯域（ＵＷＢ）信号発生器、及び感知信号検出器を含む。人間を検出し及びモニタするために、送信アンテナは、ＵＷＢパルス信号を放射し、受信アンテナは、人間から反射された信号を感知する。基準及び調節された遅延は、反射された信号が記録される距離によってある一定の領域を選択するために使用される。

そのようなセンサの利点は、以下の通りである。
−低レベルの放射を使用することを可能にする探測信号の広いスペクトル。
−パルス放射及び高いパルス持続時間による低電力消費。
−天候及び季節要因が信号伝播の条件にあまり影響を及ぼさない比較的低い周波数帯域の使用。

しかし、公知の解決法は、ある一定の欠点を有する。
まず、無線周波数帯域幅の使用量が高いこと、及びＨＦ波長帯及びＵＨＦ波長帯における電磁気干渉のレベルが大きいことがある。公知のセンサは、外部の場に対して高い感度を有し、全ての外部干渉信号を受信し、これは、頻繁に誤応答をもたらし、様々な気象条件における実際の作動条件でセンサを効率的に使用することを可能にしない。更に、公知のセンサは、他の電子装置にとって干渉源の恐れがある広帯域電磁パルスを放出する。

米国特許第５３６１０７０号

本発明の目的は、改善された耐干渉性を有し、設計が単純化され、周囲の電子機器に対して干渉せず、従って、その性能特性を改善し、約１〜５メートルの短い検出距離におけるその作動性を保証することを可能にするセンサを提供することである。

以上の目的を達成し、上述の技術的効果に到達するために、第１の実施形態による超広帯域探測信号を使用することによって移動物体を検出する本発明のセンサは、第１のアンテナ及び第２のアンテナと、第１の出力部が第１のアンテナの入力部／出力部に接続され、第２の出力部が第２のアンテナの入力部／出力部にそれぞれ接続された２つの出力部が作られたパルス発生器と、第１の検出器の入力部が第１のアンテナの入力部／出力部に接続され、第２の検出器の入力部が第２のアンテナの入力部／出力部に接続された２つの検出器を含む入力回路と、差動増幅器と、フィードバック装置と、低周波フィルタと、コンパレータとを含み、第１の検出器の出力部は、差動増幅器の第１の入力部に接続され、第２の検出器の出力部は、差動増幅器の第２の入力部に接続され、差動増幅器の出力部は、低周波フィルタの入力部と、センサの外部ノイズを抑制することを意図し、かつその出力部が差動増幅器入力部の一方に接続されたフィードバック装置の入力部とに接続され、低周波フィルタの出力部は、他の制御入力、すなわち、センサ作動閾値電圧が供給されるコンパレータの入力部に接続され、コンパレータの出力部は、センサアラーム信号を発生させることを意図している。

フィードバック装置が、オペアンプを含み、オペアンプのフィードバック回路に関する時定数Ｔｏｃが、Ｓを検出の容積区分において移動物体が通過する距離とし、Ｖｍｉｎをそのような物体がその動きの記録しながら移動していると考えられる最小速度として、比Ｔｏｃ≧Ｓ／Ｖｍｉｎに従うように選択されていることが好都合である本発明の装置の付加的な実施形態が可能である。

以上の目的を達成し、上述の技術的効果に到達するために、超広帯域探測信号を使用することによって移動物体を検出する本発明のセンサは、第１のアンテナ及び第２のアンテナと、２つの出力部が設けられたパルス発生器と、各々に２つの入力部が設けられた２つの検出器を含む入力回路とを含み、パルス発生器の第１の出力部は、第１のアンテナの入力部／出力部と第１の検出器の第２の入力部とに接続され、第１のアンテナの入力部／出力部は、第１の検出器の第１の入力部に接続され、第２のアンテナの出力部は、第２の検出器の第１の入力部に接続され、パルス発生器の第２の出力部は、遅延回路を通じて第２の検出器の第２の入力部に接続されており、本発明のセンサは、更に、差動増幅器と、フィードバック装置と、低周波フィルタと、コンパレータとを含み、第１の検出器の出力部は、差動増幅器の第１の入力部に接続され、第２の検出器の出力部は、差動増幅器の第２の入力部に接続され、差動増幅器の出力部は、低周波フィルタの入力部と、センサ外部干渉を抑制することを意図し、かつその出力部が差動増幅器の一方の入力部に接続されたフィードバック装置の入力部とに接続され、低周波フィルタの出力部は、他の入力、すなわち、センサ作動閾値電圧が供給されるコンパレータの入力部に接続され、コンパレータの出力部は、センサアラーム信号を発生させることを意図している。

本発明の装置の付加的な実施形態が可能であり、以下のことが好都合である。
−入力回路検出器の各々は、ダイオード、３つの抵抗器、及び３つのコンデンサを含み、ダイオードのカソードは、第１のコンデンサを通してパルス発生器、及び第１の抵抗器を通して本体に接続され、ダイオードのアノードは、第２のコンデンサを通してアンテナに接続され、ダイオードのアノードはまた、第２の抵抗器を通して、かつ、ピンが一方の側で第２の抵抗器と差動増幅器の入力部との間に接続され、他方の側で本体に接続された第３の抵抗器及び第３のコンデンサから成る並列回路を通して、差動増幅器入力部の一方にも接続されている。

−パルス発生器の第１の出力部は、アノードが第１のアンテナの入力部／出力部に接続され、かつカソードが第１の検出器の第２の入力部に接続されたダイオードを通して、第１のアンテナの入力部／出力部に接続されている。

−フィードバック装置は、負のフィードバックを有するオペアンプを含み、オペアンプのフィードバック回路に関する時定数Ｔｏｃは、Ｓを検出の容積区分において移動物体が通過する距離とし、Ｖｍｉｎをそのような物体がその動きの記録しながら移動していると考えられる最小速度として、比Ｔｏｃ≧Ｓ／Ｖｍｉｎに従うように選択される。

本発明の上述の利点及び具体的な特徴を添付図面を参照してある一定の好ましい実施形態を解説することにより以下に説明する。

第１の実施形態によるセンサは、第１のアンテナ１及び第２のアンテナ２を含む。パルス発生器３（ＰＧ）には、２つの出力部が作られ、それぞれ、その第１の出力部は、第１のアンテナ１の入力部／出力部に接続され、その第２の出力部は、第２のアンテナ２の入力部／出力部に接続されている。入力回路４は、２つの検出器５及び６を含む。第１の検出器５の入力部は、第１のアンテナ１の入力部／出力部に接続され、第２の検出器６の入力部は、第２のアンテナ２の入力部／出力部に接続されている。センサはまた、差動増幅器７（ＤＡ）、フィードバック装置８（ＦＢＤ）、低周波フィルタ９（ＬＦＦ）、及びコンパレータ１０（Ｃ）を含む。第１の検出器５の出力部は、ＤＡ７の第１の入力部に接続され、第２の検出器６の出力部は、ＤＡ７の第２の入力部に接続されている。ＤＡ７の出力部は、ＬＦＦ９の入力部及びＦＢＤ８の入力部に接続されている。ＦＢＤ８は、外部干渉を抑制することを意図しており、その出力部は、ＤＡ７の入力部の一方、例えば、第１の入力部又は第２の入力部に接続されている。ＬＦＦ９の出力部は、Ｃ１０の入力部に接続されている。作動閾値制御電圧が、コンパレータ１０の制御入力部に供給され、Ｃ１０の出力部は、センサアラーム信号を生成することを意図している。

第２の実施形態によるセンサ（図１７）は、第１のアンテナ１及び第２のアンテナ２を含む。ＰＧ３には、２つの出力部が設けられる。入力回路４は、２つの検出器５及び６を含む。検出器５及び６の各々には、２つの入力部が設けられる。ＰＧ３の第１の出力部は、第１のアンテナ１の入力部／出力部、及び第１の検出器５の第２の入力部に接続されている。第１のアンテナ１の入力部／出力部は、第１の検出器５の第１の入力部に接続されている。第２のアンテナ２の出力部は、第２の検出器６の第１の入力部に接続され、ＰＧ３の第２の出力部は、付加的に導入された遅延回路１１を通して、第２の検出器６の第２の入力部に接続されている。センサはまた、ＤＡ７、ＦＢＤ８、ＬＦＦ９、及びＣ１０を含む。また、第１の実施形態におけるのと同様に、第１の検出器５の出力部は、ＤＡ７の第１の入力部に接続され、第２の検出器６の出力部は、ＤＡ７の第２の入力部に接続されている。ＤＡ７の出力部は、ＬＦＦ９の入力部、及びＦＢＤ８の入力部に接続されている。ＦＢＤ８は、外部干渉を抑制することを意図しており、その出力部は、ＤＡ７の入力部の一方、例えば、第１の入力部又は第２の入力部に接続されている。ＬＦＦ９の出力部は、Ｃ１０の入力部に接続されている。作動閾値制御電圧が、コンパレータ１０の制御入力部に供給され、Ｃ１０の出力部は、センサアラーム信号を生成することを意図している。

複合アンテナ１及び２の両方を使用する第１の実施形態とは対照的に、本発明の第２の実施形態は、一方の複合アンテナ１のみを使用し、第２のアンテナ２は、受信のみを意図している。更に、入力回路４は、若干異なって作られている。

入力回路４の検出器５及び６の各々（図１８）は、１つのダイオード、３つの抵抗器、及び３つのコンデンサを含む。各ダイオード（ＶＤ１又はＶＤ２）のカソードは、第１のコンデンサ（Ｃ１又はＣ２）を通してＰＧ３に接続され、第１の抵抗器（Ｒ１又はＲ２）を通して本体に接続されている。各ダイオード（ＶＤ１又はＶＤ２）のアノードは、第２のコンデンサ（Ｃ５又はＣ６）を通して、それぞれのアンテナ１又は２に接続されている。更に、各ダイオード（ＶＤ１又はＶＤ２）のアノードはまた、第２の抵抗器（Ｒ５又はＲ６）を通して、かつ、ピンが一方の側で第２の抵抗器（Ｒ５又はＲ６）とＤＡ７の入力部との間に接続され、他方の側で本体に接続された第３の抵抗器（Ｒ３又はＲ４）及び第３のコンデンサ（Ｃ３又はＣ４）を含む並列回路を通して、ＤＡ７のそれぞれの入力部の一方に接続されている。

ＰＧ３と第１のアンテナ１を分離する（図１８）ために、ＰＧ３の第１の出力部は、アノードが第１のアンテナ１の入力部／出力部に接続されたダイオード（ＶＤ３）を通して、第１のアンテナ１の入力部／出力部に接続することができる。

アンテナ１、２としてフレームアンテナを使用することが適切である。しかし、本発明の装置は、他の種類のアンテナを使用する可能性を妨げない。本発明のセンサ（図１）は、以下のように作動する。

その２つの出力部を備えたＰＧ３は、アンテナ１及び２によって放射されるナノ秒映像パルスを発生させ、同時に第１の検出器５及び第２の検出器６のダイオードをブランキング解除する。ＰＧ３によって発生されたパルスの持続時間は、第１の検出器５及び第２の検出器６のダイオードを開く時間隔、及び従ってセンサが離れた物体から反射された信号を受信する距離領域を決める。他方、ＰＧ３の最大発生周波数及び最小パルス繰返し数は、それぞれ、パルスの前縁時間及びパルス自体の持続時間によって決定されている。第１及び第２の検出器５、６のダイオードを開くのに必要な極めて短い時間は、受信機の入力回路４の入力部に対してアンテナ１、２によってもたらされる干渉の小さいレベルを保証する。第１及び第２の検出器５、６は、分岐電圧差がＤＡ７によって増幅されるゲート型ダイオード混合器を形成する。第１及び第２の検出器５、６による受信チェーンの間の可能な温度不均衡を除去するためにＦＢＤ８を使用する。第１及び第２のアンテナ１、２の領域内に外部物体が存在しない時にフィードバックの自動導入部は、ＤＡ７の出力部におけるゼロ出力信号を維持する。ＦＢＤ時定数は、第１及び第２のアンテナ１、２の間、並びに第１及び第２の検出器５、６の間に気象条件（雪、氷、温度）によって引き起こされる可能性がある緩やかな不均衡を除去するように選択されている。気象条件の変化は、変化が１０秒よりも長い時間の間に起こる緩やかな信号の変化をもたらす。同時に、活動する人間の動きによって引き起こされる信号の迅速な変化は、０．１〜１Ｈｚの周波数において起こり、信号のそのような迅速な変化は、ＤＡ７の出力部まで適正に通過する。

ＤＡ７の出力部から得られるような増幅された信号差は、約１Ｈｚの通過帯域及び約３ｄＢの利得を有するＬＦＦ９によって濾過される。ＬＦＦ９からの信号は、ＬＦＦ９からの入力信号の事前設定閾値レベルに到達した時に、ＴＴＬ（トランジスタ−トランジスタ論理）レベルで信号を発生させる高速コンパレータ１０に送信される。

いずれかの移動物体が第１及び第２のアンテナ１、２の領域内に現れると、その物体から反射された信号が、第１及び第２のアンテナ１、２によって受信され、入力回路４によって検出されることになる。アンテナは、離間して配置されているので、それらのアンテナによって受信された信号は、それらの信号の形状、振幅、及び遅延において異なり、出力信号は、ＤＡ７の出力部に現れ、この出力信号は、Ｃ１０における事前設定閾値と比較された後に、アラーム信号を発生させるために使用されることになる。

本発明の装置においては、超広帯域探測信号を使用する。ＰＧ３のパルス持続時間は、数十ナノ秒であり、一方では、極めて低い電力消費（数キロヘルツ又は数十キロヘルツの繰返し数において）を決め、他方では、放射される超低出力信号に関して様々な気象条件における良好な耐干渉性を保証しながら１０〜３００ＭＨｚの広い周波数領域において作動することを可能にする。センサを取り囲む他の電子機器に対して干渉することなく、信号を使用することができる放射された信号のレベルは、極めて低い。

例えば、電圧振幅Ｖ＝１．５Ｖ及び負荷Ｒ＝５０オームにおいて、本発明のセンサによって消費される瞬間電力Ｗｐは、以下のようになる。
Ｗｐ＝Ｖ²／Ｒ＝（１．５）²／５０＝０．０４５Ｗ
パルス繰返し期間Ｔ＝１００μｓ及びパルス持続時間τ＝３０ｎｓにおける平均電圧値Ｖａｖは、以下のようになる。

ＰＧ３信号の平均電力ＷＡＶは、以下のようになる。

実際には、アンテナシステムは、ＰＧ３エネルギの一部分のみを放射し、第１及び第２のアンテナ１、２を含むこのアンテナシステムによって作り出された場は、部分的に補償されることになっているので、放射される電力は、更に小さいことになる。

図１に示す個々の機能的構成要素の構成を以下でより詳細に説明する。
ＰＧ３（図２）は、ＲＳ−トリガ及びＤ−トリガに基づくＲＣ−マルチバイブレータである。ＲＳ−トリガＤ１は、振幅Ａ＝３Ｖ、周波数１０ｋＨｚ、パルスエッジ持続時間１ｎｓ、及びＡ／２＝１．５Ｖに等しい一定成分を有する矩形波を発生させるマルチバイブレータである。論理１及び論理０を設定するための入力における貯留コンデンサＣ１及びＣ２、並びにフィードバック回路内の抵抗器Ｒ１及びＲ２のシーケンスは、対応する蛇行半周期の持続時間及び出力パルス繰返し数を形成する。ダイオードＶＤ１及びＶＤ２は、それぞれ、コンデンサＣ１及びＣ２の充電及び放電の過程を加速するように機能する。

Ｄ−トリガＤ２は、事前設定パラメータを有する映像パルスを形成するために使用され、その持続時間は、フィードバック長、特定の集積回路の信号の内部遅延、及びコンデンサＣ３の容量によって決定される。並列に取り付けられたトランジスタＶＴ１及びＶＴ２に基づく２つのエミッタフォロワは、入力装置分岐部の隔離のために使用されている。

ＰＧ３（図２）は、以下のように作動する。
電源ＯＮに切り換えた後、トリガＤ１は、例えば、論理０に対応する状態にリセットする。コンデンサＣ１は、緩やかな充電を開始し（図３）、充電中は論理０が、論理０回路の入力に入り、従って、トリガＤ１をゼロ化する。トリガＤ１に関する論理０回路Ｒの入力部におけるコンデンサＣ１の充電／放電のグラフを図３Ａに示している。この時、コンデンサＣ２は充電を開始し、このコンデンサＣ２が完全に充電された後、論理０は、論理１回路の入力部に入り、トリガＤ１は、論理１の状態に設定される。トリガＤ１に関する論理１回路Ｓの入力部におけるコンデンサＣ２の充電／放電のグラフを図３Ｂに示している。従って、事前設定周波数を有する蛇行部がトリガＤ１の非反転出力部Ｑ１からトリガＤ２のタイミング入力部に入るグラフを図３Ｃに示している。コンデンサＣ１及びＣ２の充電及び放電の持続時間は、蛇行半周期の持続時間及び発生器の出力パルスの繰返し数を決める。トリガＤ２は、蛇行部前面で応答しながら、フィードバック回路に沿った信号経路及びトリガ内部遅延に等しい時間にわたって論理１の値を取得する。トリガＤ２の非反転出力部Ｑ２における電圧の依存性を図３Ｄに示している。
その結果、ＰＧ３は、図４に示す形状を備えた持続時間３０ｎｓ、振幅１．５５Ｖ、パルスエッジ１ｎｓ、及び繰返し数１０ｋＨｚを有する２つの出力パルスを発生させる。

センサの入力回路４は、２−ダイオード混合器である（図５）。ＰＧ３からのストローブパルスが存在しない時に、ダイオード（ＶＤ１及びＶＤ２）は、１００ｍＶに等しい正のオフセット電圧によってブランキングされている。定格のオフセットは、抵抗器Ｒ１及びＲ２に基づいて供給電圧抵抗性Ｌ−分割器の使用によって設定されている。容積縮小の値Ａｒｅｄは、以下の公式によって計算されている。

ここで、Ｅｓは、供給電圧Ｖ、Ｅｏｆｆは、オフセット電圧Ｖ。である。

ブランキングオフセットは、耐干渉性を改善し、誤応答の率を低減するために回路に導入されている。ストローブパルスは、ダイオードＶＤ１及びＶＤ２のアノードに供給され、それらのダイオードをブランキング解除し、それと同時に第１及び第２のアンテナ１、２によって放射される。ストローブパルスの時間にわたって、第１及び第２のアンテナ１、２は信号を受信し、ストローブパルスが存在しない時には、受信はしない。コンデンサＣ１及びＣ２は、それぞれ、ダイオードＶＤ１及びＶＤ２を通してパルスによって充電される。コンデンサを充電又は放電する過程を図６に示している。

物体から反射されたパルスの受信によって引き起こされたコンデンサＣ１及びＣ２における電圧不均衡のために、センサ応答が起こる。そのような場合には、分岐間、すなわち、入力回路４の第１の出力部と第２の出力部の間の電圧差は、数ミリボルトであり、この電圧差は、次に、ＤＡ７において増幅される。

センサのための第１及び第２のアンテナ１、２として、対応する方向ダイアグラム（図８）を有するフレームアンテナ（図７）を使用することが適切である。

フレームアンテナは、ワイヤの１巻回から作られており、矩形のフレームを形成している。振幅及び電流振動位相は、実際には、その全周囲に沿って一定である。送信するフレームアンテナ電流においてはこのフレームの対向する素子の方向は反対であるので、対向する素子によって放射される電磁波は、正確に１８０°だけ位相シフトしている。従って、フレーム平面に直交する方向に放射の完全補償が起こり、他の方向における補償は不完全であるが、アンテナから離れる時に補償は増していく。放射強度最大値は、フレーム平面にある方向に対応する。フレームアンテナは、銅ワイヤから作ることができる。例えば、１２０ｃｍの長さ（正方形の辺は、３０ｃｍ）を有するワイヤは、２００ＭＨｚの放射信号中心周波数に対応する。その結果、第１及び第２のアンテナ１、２は、図９に示す信号を放射する。

フレームアンテナは、様々な建築物構造に極めて近く、例えば、建築物入口上のコンクリートカバー上、壁表面上又は土壌の下、アスファルト層の下、又は壁の裏側に配置することができる。建築物構造表面の影響の下で、アンテナ抵抗は、１０Ω〜１２０Ωまで広く変化する。従って、フレームアンテナを設置するためのパラメータは、実験的に選択することができる。従って、例えば、フレームアンテナを地上に架ける最適な高さは、センサの以上の作動モードに関して、波長の０．１２から０．２２までとすることができることが実験的に見出されている。

３つのオペアンプに基づく２段増幅器（図１０）は、差動増幅器７（図１）として使用される。第１段は、センサ入力回路４のコンデンサからの電圧を２５倍に増幅するために使用され、負のフィードバックを有するオペアンプ上の電圧中継器の並列接続として作られる。形状を図１１に示す信号Ｕｉｎは、入力回路の第１及び第２の検出器５、６の出力部からＤＡ７の入力部に入ってくる。
第１段における各増幅器の利得係数は、以下の式に等しい。

抵抗器Ｒ２及びＲ４の各々は、１０キロオームに等しい抵抗値を有し、Ｒ１の抵抗値は、８００オームである。増幅器Ａ１及びＡ２は、入力回路４の異なる分岐出力からの信号を増幅する。

ＤＡ７の第２段は、第１段のチャンネル内の電圧差を４０倍に増幅するために使用される。概略的には、第２段は、負のフィードバックを有するオペアンプＡ３である。第２段増幅器の利得係数は、以下の公式によって計算される。

回路のこの実施例では、抵抗器Ｒ３及びＲ５の各々は、５００オーム、抵抗器Ｒ７及びＲ８は、２２キロオーム、Ｒ６は、１００キロオームの抵抗値を有する。その結果、形状を図１１に示す信号Ｕｏｕｔが、ＤＡ７の出力部において得られる。

ＤＡ７の出力部からの信号は、ＦＢＤ８及びＬＦＦ９の入力部に入る（図１）。
ＬＦＦ９は、負のフィードバック（図１２）及びバターワース周波数特性（図１３）を有するオペアンプに基づいて作られる。低周波フィルタ９は、帯域幅〜１Гц及びこの帯域幅における利得係数〜３ｄＢ、並びに３Ｈｚの周波数における圧縮比１６ｄＢを有することを図１３に見ることができる。

周囲温度の変化及び第１及び第２のアンテナ１、２を取り囲む強力な電子干渉の影響は、供給電圧に等しいコンパレータ１０の出力部における一定電圧の出現とセンサの不正確な働きとをもたらす。これらの影響を抑制するために、ＤＡ７の出力部からの入力信号が供給され、かつ出力部がＤＡ７の入力部の一方（第１又は第２の）に接続されたフィードバック装置８（図１）が回路に導入される。フィードバック装置８（図１４）は、負のフィードバックを有するオペアンプを含む。オペアンプフィードバック回路の時定数ＲＣは、センサによって記録される移動物体の最小速度を判断し、以下の比率によって決めることができる。

ここで、Ｔｆｂは、秒で表したフィードバック回路に関する時定数であり、Ｓは、メートルで表したセンサによる検出の容積区分において物体が通過する距離であり、Ｖｍｉｎは、１秒当たりのメートル数で表したセンサによって記録される移動物体の最小速度である。

装置の実用的な実施形態では、時定数は、移動物体の最小速度に対応する、例えば１２秒とすることができる。ＤＡ７の入力部の一方において信号が存在しない時、ＦＢＤ８は、自動的にＤＡ７の出力信号を設定し、それに対応してコンパレータ１０の信号をゼロに設定する。

あらゆる公知の集積コンパレータ、例えば、ＭＡＸ９２２チップに基づいて作られたコンパレータをコンパレータ１０（図１）として使用することができる。このチップを使用する時、１５０ｍＶに等しいセンサブランキング解除閾値電圧が、抵抗性Ｌ−分割器によってＣ１０の制御入力部に供給される。後で必要に応じて処理することができるセンサアラーム信号を発生させることを意図したＣ１０の出力部から信号を取得する（例えば、その信号は、光又は音のアラームをＯＮにするために増幅することができる）。コンパレータ１０の出力部における信号の典型的な信号の形状を図１５及び図１６に示している。

これらの依存性（図１５、図１６）を有する最初の２つのパルスは、人間の静かな歩行に対応し、最後の２つのパルスは、走行に対応する。センサから１メートルの距離においては、上述の装置の信号／ノイズ比は、歩行に関しては約２０であり、走行に関しては約１４０であった。第１及び第２のアンテナ１、２から２メートルの距離においては、信号／ノイズ比は、歩行に関しては３〜５であり、走行に関しては７〜１１である。これらの例は、移動物体を検出する本発明のセンサを効率的に使用する可能性を示している。

最も近い類似の解決法（米国特許第５３６１０７０号）とは対照的に、本発明の装置は、差動増幅器４において同時に起こる外部干渉（平面波）を補償することを可能にする２つのアンテナの対称接続を使用する。第１及び第２のアンテナ１、２のＰＧ３への接続は、それらのアンテナ内の反対方向の電流を保証し、従って、離れた領域において放射は出現せず、そのことは、発生した干渉のレベルを大きく低減するのを助ける。センサ受信装置の入力回路に関する別の概略的な解決法は、距離及び放射信号スペクトルの幅により、感度領域を自動的に調節することを可能にする。超広帯域探測信号は、放射のため及びストローブ信号としての両方で使用される。パルス持続時間は、帯域幅及びセンサ作動に関する範囲の両方を決める。本出願人の調査が示したように、本発明のセンサは、アンテナから１〜５メートルの距離における移動物体を検出するのに適している。

センサ耐干渉性は、ＰＧ３からセンサ入力回路４のチャンネルへの非対称なパルスの供給（図１７）により、更に増強することができる。このレイアウトにおいて、第１のアンテナ１は、望ましい信号及び干渉信号を放射及び受信するために使用され、第２のアンテナ２は、干渉信号のみを受信するために使用される。入力回路４によって第１及び第２のアンテナの出力部からそのような信号を検出した後に、干渉信号は、ＤＡ４において差し引かれる。

本発明の第２の実施形態は、遅延回路が導入され、入力回路４が別様に実現されるという点で第１の実施形態とは異なる。
入力回路４は、各々に２つの入力部が作られている２つの検出器を含む。ＰＧ３からの映像パルスは、ダイオードをブランキング解除するために入力回路４の第１の検出器５の第２の入力部に供給され、パルス持続時間（３０ｎｓ）に等しい遅延を有する信号遅延回路１１（図１７）を通して、遅延を有した状態でダイオードをブランキング解除するために第２の検出器６の第２の入力部に供給される。また、ＰＧ３からのパルスは、放射するために第１のアンテナ１に直接供給される。第１の実施形態とは対照的に、本発明の第２の実施形態では、第１及び第２のアンテナ１、２を通してストローブパルスは放射されない。アンテナ１、２は、それぞれ、検出器５、６の第１の入力部に接続されている（図１７、図１８）。入力回路内の検出器の各々は、１つのダイオード、３つの抵抗器、及び３つのコンデンサを含む。ダイオード（ＶＤ１又はＶＤ２）のカソードは、第１のコンデンサ（Ｃ１又はＣ２）を通してＰＧ３、及び第１の抵抗器（Ｒ１又はＲ２）を通して本体に接続される。ダイオード（ＶＤ１又はＶＤ２）のアノードは、第２のコンデンサ（Ｃ５又はＣ６）を通してそれぞれのアンテナ１又は２に接続される。また、ダイオード（ＶＤ１又はＶＤ２）のアノードは、第２の抵抗器（Ｒ５又はＲ６）を通して、かつ、ピンが一方の側で第２の抵抗器（Ｒ５又はＲ６）とＤＡ７の入力部との間に接続され、他方の側で本体に接続された第３の抵抗器（Ｒ３又はＲ４）及び第３のコンデンサ（Ｃ３又はＣ４）を含む並列回路を通して、それぞれのＤＡ７の入力部の一方に接続される。第１のアンテナは、受信−送信を行い、第２のコンデンサ（Ｃ５）及び入力回路４の第１の入力部／出力部に接続される。第２のアンテナは、受信を行い、第２のコンデンサ（Ｃ６）及び入力回路４の第１の入力部に接続される。入力回路４の第２の入力部は、それぞれ、第１のコンデンサ（Ｃ１及びＣ２）にストローブパルスを供給するために使用される。

負のストローブパルスが、遮断コンデンサの機能を行う第１のコンデンサ（Ｃ１及びＣ２）を通してダイオード（ＶＤ１及びＶＤ２）のカソードに供給され、従って、それらのダイオードをブランキング解除する。第１のコンデンサ（Ｃ１及びＣ２）の電気容量及び第１の抵抗器（Ｒ１及びＲ２）の抵抗値は、パルス自体の形状を変形させることなく、電圧一定成分の除去を保証するように選択される。例えば、本発明の装置の実用的な実施形態では、コンデンサＣ１及びＣ２は、１ｎＦの電気容量を有し、抵抗器Ｒ１及びＲ２は、５０オームの抵抗値を有する。第３のコンデンサ（Ｃ３及びＣ４）は、１０ｎＦの電気容量を有し、入ってくるストローブパルスによって充電される。ストローブパルスが非対称に供給されるので、信号と干渉の両方は、ストローブパルス持続時間にわたって第１の検出器５（第１のチャンネルにおいて）の第３のコンデンサ（Ｃ３）に蓄積され、干渉のみが、第２の検出器６（第２のチャンネルにおいて）の第３のコンデンサ（Ｃ４）に蓄積される。次に、差動増幅器４は、第３のコンデンサ（Ｃ３及びＣ４）から電圧を差し引き、これは、望ましい信号を遮断し、かつ耐干渉性を増強することを可能にする。パルス持続時間及び遅延が等しくなるように（例えば、３０ｎｓ）選択されるので、この入力回路４は、３０ｎｓよりも長い持続時間を有する干渉を除去することを可能にする。パルス干渉を含むより高周波数の干渉は、第１のコンデンサ（Ｃ１及びＣ２）において除去される。装置のこの実施形態では、コンデンサＣ５及びＣ６は、２２０ｐＦの電気容量を有し、抵抗器Ｒ５及びＲ６は、抵抗値１０キロオームを有し、抵抗器Ｒ３及びＲ４は、各々、抵抗値５００キロオームを有する。ダイオードＶＤ３は、ＰＧ３と第１のアンテナ１を分離するために使用される。パルス発生器の第１の出力部は、アノードが第１のアンテナ１の入力部／出力部に接続され、かつカソードが第１の検出器５の第２の入力部に接続されたダイオードＶＤ３を通して、第１のアンテナ１の入力部／出力部に接続される。

遅延回路１１（図１７）は、インバータ及び容量型積分器（図１９）に基づいて２段にすることができる。映像パルスは、第１のインバータを通った時に、その極性を反対の極性に変える。容量型積分器Ｒ１Ｃ１は、映像パルス前面持続時間を増加させる。この論理素子、すなわち、容量型積分器の識別レベルが一定に維持されるので、第２のインバータの出力部におけるこの映像パルスは、Ｕｃが第１段の出力部における信号である入力部における状態に対して遅延シフトするようになる（図２０）。遅延回路１１の第２段の作動は、以上のものに極めて類似している。回路のこの実施形態では、コンデンサＣ１及びＣ２は、３９ｐＦの電気容量を有し、抵抗器Ｒ１は、５１０オーム、抵抗器Ｒ２は、１キロオームの定格抵抗値を有する。対応する論理素子、例えば、ＫＰ１５５４ＬＮ１は、インバータとして使用することができる。

上記に関して、第２の実施形態による本発明のセンサは、本発明の第１の実施形態に関して最初の方で説明したものと極めて類似して作動する。第２の実施形態は、外部の場に対する耐干渉性を有利に増強したが、超広帯域探測信号が第１のアンテナ１だけによって放射され、かつ信号の差し引きの間にはノイズが増大するので、第１の実施形態に比べて幾分感度は低い。

両方の革新的センサ実施形態の利点のうちでも、とりわけ、構造的単純性及び実現容易性、低電力消費、低コスト、極めて高い感度、センサを取り囲む電子機器に対する電磁放射の影響の欠如、あらゆる気象条件における作動の可能性、及びあらゆる表面のもとに堅固に取り付けられる可能性があると考えられる。

本発明のセンサの上述の実施形態は、網羅的ではなく、特許請求の範囲並びに図１〜図１７に示すレイアウトによって実現することができる多くの変更及び修正をそこに行うことができることは、当業者によって理解されるであろう。

産業上の利用可能性
超広帯域探測信号を使用して移動物体を検出する本発明のセンサの上述の実施形態は、様々なセキュリティシステムにおいて約１〜５メートルの短い距離で移動物体を検出する業界に適用することができる。

第１の実施形態によるセンサ機能的配置図である。 図１のパルス発生器の配線図である。 図２の発生器によって形成される出力映像パルスのグラフである。 図２の発生器に関する出力映像パルス形状を示す図である。 図１の入力回路の配線図である。 図５の入力回路のコンデンサに関する充電及び放電の進行のグラフである。 アンテナの外観を示す図である。 図７のアンテナに関する指向性の図である。 図７のアンテナによって放射される信号の慨形を示す図である。 図１の差動増幅器の配線図である。 図１０の差動増幅器の入力部及び出力部における信号の形状を示す図である。 図１の低周波フィルタの配線図である。 図１２のフィルタの周波数特性を示す図である。 図１のフィードバック装置の配線図である。 本発明の第１の実施形態による第１及び第２のアンテナから１メートルの距離において動いている人間に対して取得された時間に対するセンサ出力電圧の実験的依存性を示す図である。 ２メートルの距離に関する図１６と同じ図である。 第２の実施形態による本発明のセンサの概略図である。 図１７の入力回路の配線図である。 図１７の遅延回路の配線図である。 図１９の遅延回路によって作られた信号時間遅延に関するグラフである。

符号の説明

１、２ アンテナ
３ パルス発生器
５ 第１の検出器
６ 第２の検出器
７ 差動増幅器

Claims (6)

1. 超広帯域探測信号を使用して移動物体を検出するためのセンサであって、
   第１のアンテナ及び第２のアンテナと、
   ２つの出力部が設けられ、第１の出力部が前記第１のアンテナの入力部／出力部に接続され、第２の出力部が前記第２のアンテナの入力部／出力部にそれぞれ接続されたパルス発生器と、
   ２つの検出器を含み、第１の検出器の入力部が前記第１のアンテナの前記入力部／出力部に接続され、第２の検出器の入力部が前記第２のアンテナの前記入力部／出力部に接続された入力回路と、
   差動増幅器と、
   フィードバック装置と、
   低周波フィルタと、
   コンパレータと、
   を含み、
   前記第１の検出器の出力部が、前記差動増幅器の第１の入力部に接続され、前記第２の検出器の出力部が、該差動増幅器の第２の入力部に接続され、該差動増幅器の出力部が、前記低周波フィルタの入力部と、センサの外部ノイズを抑制することを意図し、かつ該差動増幅器入力部の一方にその出力部が接続された前記フィードバック装置の入力部とに接続され、該低周波フィルタの出力部が、他の制御入力、すなわち、センサ作動閾値電圧が供給される前記コンパレータの入力部に接続され、該コンパレータの出力部が、センサアラーム信号を発生させることを意図している、
   ことを特徴とするセンサ。
2. 前記フィードバック装置は、負のフィードバックを有するオペアンプを含み、該オペアンプの該フィードバック回路に関する時定数Ｔｏｃが、Ｓを検出の容積区分において移動物体が通過する距離とし、Ｖｍｉｎをそのような物体がその動きを記録しながら移動していると考えられる最小速度として、比Ｔｏｃ≧Ｓ／Ｖｍｉｎに従うように選択されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 超広帯域探測信号を使用して移動物体を検出するためのセンサであって、
   第１のアンテナ及び第２のアンテナと、
   ２つの出力部が設けられたパルス発生器と、
   各々に２つの入力部が設けられた２つの検出器を含む入力回路と、
   を含み、
   前記パルス発生器の第１の出力部が、前記第１のアンテナの入力部／出力部と第１の検出器の第２の入力部とに接続され、該第１のアンテナの該入力部／出力部は、該第１の検出器の第１の入力部に接続され、前記第２のアンテナの出力部が、第２の検出器の第１の入力部に接続され、該パルス発生器の第２の出力部が、遅延回路を通じて該第２の検出器の第２の入力部に接続されており、
   差動増幅器と、
   フィードバック装置と、
   低周波フィルタと、
   コンパレータと、
   を更に含み、
   前記第１の検出器の出力部が、前記差動増幅器の第１の入力部に接続され、前記第２の検出器の出力部が、該差動増幅器の第２の入力部に接続され、該差動増幅器の出力部が、前記低周波フィルタの入力部と、センサ外部干渉を抑制することを意図し、かつ該差動増幅器の一方の入力部にその出力部が接続された前記フィードバック装置の入力部とに接続され、該低周波フィルタの出力部が、他の入力、すなわち、センサ作動閾値電圧が供給される前記コンパレータの入力部に接続され、該コンパレータの出力部が、センサアラーム信号を発生させることを意図している、
   ことを特徴とするセンサ。
4. 前記入力回路における前記検出器の各々は、ダイオード、３つの抵抗器、及び３つのコンデンサを含み、該ダイオードのカソードは、第１のコンデンサを通して前記パルス発生器に、かつ第１の抵抗器を通して本体に接続され、該ダイオードのアノードは、第２のコンデンサを通して前記アンテナに接続され、該ダイオードのアノードはまた、第２の抵抗器を通して、かつ、ピンが一方の側で該第２の抵抗器と前記差動増幅器の前記入力部との間に接続され、他方の側で該本体に接続された第３の抵抗器及び第３のコンデンサから成る並列回路を通して、該差動増幅器入力部の一方に接続されていることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
5. 前記パルス発生器の前記第１の出力部は、前記第１のアンテナの前記入力部／出力部に、アノードが該第１のアンテナの該入力部／出力部に接続され、かつカソードが前記第１の検出器の前記第２の入力部に接続されたダイオードを通して接続されていることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
6. 前記フィードバック装置は、負のフィードバックを有するオペアンプを含み、該オペアンプの該フィードバック回路に関する時定数Ｔｏｃが、Ｓを検出の容積区分において移動物体が通過する距離とし、Ｖｍｉｎをそのような物体がその動きを記録しながら移動していると考えられる最小速度として、比Ｔｏｃ≧Ｓ／Ｖｍｉｎに従うように選択されることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。

Images