JP2007147406A

JP2007147406A - 物体探知装置

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Publication number: JP2007147406A
Application number: JP2005341230A
Authority: JP
Inventors: Toyohiko Tsujimoto; 豊彦辻本; Teruhito Takeda; 輝人武田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】比較的簡単な回路構成としながらも、対象物の材質を正確に求めることができる物体探知装置を提供する。
【解決手段】物体探知装置は、電磁波を間欠的に送波する送信器１と、対象物Ａで反射された送信器１からの電磁波を受波する受信器２と、電磁波を送信してから受信するまでに要した時間および媒質Ｂ中での電磁波の速度に基づいて対象物Ａまでの距離を算出する距離算出部２６と、複数の周波数についてそれぞれ送信器１が送波した電磁波の強度と受信器２が受波した電磁波の強度と対象物Ａまでの距離とから媒質Ｂおよび対象物Ａ間の境界面の反射係数を求め、各反射係数と媒質Ｂの比誘電率と電磁波の各周波数とを用いて対象物Ａの比誘電率を統計的に推定する比誘電率推定部２８と、この比誘電率に基づいて対象物Ａの材質を判断する材質判断部２９とを備える。送信器１は、電磁波としてＵＷＢの信号を送波する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波を対象物で反射させることにより対象物までの距離および対象物の材質を求めることができる物体探知装置に関するものである。

従来から、この種の物体探知装置として、電磁波を送信器から送波するとともに、対象物で反射された電磁波を受信器で受波し、電磁波を送信してから受信するまでに要した時間を用いて対象物までの距離を算出するものが提供されている。

また、送信器が送波した電磁波の強度と受信器が受波した電磁波の強度と対象物までの距離とが分かれば、対象物との間に存在する媒質と対象物との境界面の反射係数を求めることができる。この反射係数は、媒質および対象物における比誘電率などの電磁気的性質と、電磁波の周波数とで定まるので、前記反射係数と媒質の電磁気的性質と電磁波の周波数とが既知であれば、対象物の比誘電率を推定することができる。そして、対象物の比誘電率が分かれば、この比誘電率に基づいて対象物の材質を判断することができる。

ところで、対象物の比誘電率以外の電磁気的性質（導電率や透磁率）も未知のパラメータであるので、対象物の材質を正確に求めるためには、複数の周波数の電磁波について求めた反射係数から対象物の比誘電率を推定する必要がある。複数の周波数の電磁波を用いて対象物の比誘電率を推定する技術としては、たとえば特許文献１に記載の技術がある、特許文献１には、それぞれ異なる周波数の電磁波を発生する送信器（送信アンテナ）を２個設け、かつ各送信器を交互に駆動することにより、２つの周波数について反射係数を求めることが記載されている。
特開平６−２３０１４２号公報（第４−５頁、図１）

しかし、特許文献１に記載の構成では、２個の送信器が必要であり、かつ２個の送信器を駆動するためのタイミングの制御が必要であるから、回路構成が複雑である。また、対象物の材質をより正確に求めるためにさらに多くの周波数の電磁波について反射係数を求める場合には、さらに多くの送信器が必要になり、かつさらに多くの送信器を駆動するためのタイミングの制御が必要になるので、回路構成がより複雑になる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、比較的簡単な回路構成としながらも、対象物の材質を正確に求めることができる物体探知装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明では、探知領域に電磁波を間欠的に送波する送信器と、探知領域内に存在する対象物で反射された送信器からの電磁波を受波し電気信号である受波信号に変換する受信器と、電磁波が送波されてから受波されるまでに要した時間および対象物との間に存在している媒質の比誘電率から求まる媒質中での電磁波の速度に基づいて対象物までの距離を算出する距離算出部と、複数の周波数についてそれぞれ送信器が送波した電磁波の強度と受信器が受波した電磁波の強度と対象物までの距離とから媒質および対象物の境界面の反射係数を求め、各反射係数と媒質の比誘電率と電磁波の各周波数とを用いて対象物の比誘電率を統計的に推定する比誘電率推定部と、比誘電率推定部で推定された比誘電率に基づいて対象物の材質を判断する材質判断部とを備え、送信器は、前記電磁波としてＵＷＢの信号を送波することを特徴とする。

この構成によれば、送信器が電磁波としてＵＷＢの信号を送波するので、複数の周波数の電磁波を１個の送信器から送波することができる。すなわち、従来構成のように送信器を複数個設ける必要はなく、かつ複数個の送信器を駆動するためのタイミングの制御も不要であるから、回路構成は比較的簡単になる。したがって、比較的簡単な回路構成としながらも、複数の周波数の電磁波について反射係数を求めることにより対象物の材質を正確に求めることができる。なお、ＦＣＣ（米国連邦通信委員会）による定義では、スペクトルのピークから１０ｄＢ下の点で測定した帯域幅が５００ＭＨｚ以上の帯域をもつか、比帯域が２０％以上のものをＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅＢａｎｄ）という。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記対象物の表面で反射された電磁波が受波されてから対象物の裏面で反射された電磁波が受波されるまでに要した時間と、前記比誘電率推定部で推定された比誘電率から求まる対象物中での電磁波の速度とを用いて、対象物の表面と裏面との間の厚み寸法を算出する厚み算出部を備えることを特徴とする。

この構成によれば、対象物の比誘電率から求まる対象物中での電磁波の速度を用いて対象物の厚み寸法を求めることができる。ここで、対象物の比誘電率は請求項１の構成により正確に求まるので、対象物の厚み寸法も正確に求めることができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記距離算出部および前記比誘電率推定部で用いられる前記媒質の比誘電率を設定する比誘電率設定部を備えることを特徴とする。

この構成によれば、比誘電率推定部においては、実際の媒質の比誘電率を設定することによって対象物の比誘電率をより正確に求めることができる。また、距離算出部においては、媒質の材質によって異なる媒質中での電磁波の速度を、実際の媒質の比誘電率から求めることができるので、対象物までの距離をより正確に求めることができる。

本発明は、送信器が電磁波としてＵＷＢの信号を送波するので、複数の周波数の電磁波を１個の送信器から送波することができる。すなわち、送信器を複数個設ける必要のない比較的簡単な回路構成としながらも、複数の周波数の電磁波について反射係数を求めることにより対象物の材質を正確に求めることができるという利点がある。

本実施形態の物体探知装置は、図１に示すように、電磁波を探知領域に送波する送信器１と、探知領域内に物体探知装置とは離れて存在する対象物Ａで反射された送信器１からの電磁波を受波する受信器２、および受信器２の出力に基づいて対象物Ａまでの距離や対象物Ａの材質等を求める信号処理部３、さらに信号処理部３で求めた距離や材質等を表示する表示部４を備えている。

送信器１は、発振回路５が接続されたタイミング制御回路６を有し、電磁波を送波するタイミングの基準となる基準信号をこのタイミング制御回路６から一定周期で間欠的に出力する。タイミング制御回路６の出力は、基準信号を所定回数（ここでは２回）受けるごとに１回の頻度でタイミング信号を出力するパルス制御回路７に入力される。タイミング信号は送信器１が電磁波を送波するタイミングを決定するものであって、これにより、送信器１は電磁波をタイミング信号と同じ周期（以下「送波周期」という）で間欠的に繰り返し送波することになる。したがって、パルス制御回路７において基準信号に対するタイミング信号の頻度を小さくすれば、送信器１から単位時間に出力される電磁波のパルス数が減少し、放射する電力を低減することができ、送信器１の消費電力を抑えることができる。パルス制御回路７の出力は後段のパルス駆動回路８に入力される。パルス駆動回路８では、タイミング信号のタイミングに合わせて後段の短パルス生成回路９を駆動する信号を生成する。短パルス生成回路９は、パルス駆動回８から出力された信号の立下がり時に、ＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅＢａｎｄ）の短パルスを生成する。短パルス生成回路９は、ステップリカバリーダイオード（ＳＲＤ）などを用いて構成され、パルス幅が数十〜数百ｐｓのＵＷＢの短パルスを生成する。短パルス生成回路９の出力はＢＰＦ（帯域通過フィルタ）１０を通してＵＷＢ用の送信アンテナ１１に出力される。これにより、送信アンテナ１１からはＵＷＢの短パルスの信号が電磁波として前記送波周期で繰り返し放射されることになる。

一方、受信器２は、ＵＷＢの短パルスの信号を受波するためのＵＷＢ用の受信アンテナ１２を有する。受信アンテナ１２では受波した電磁波（ＵＷＢの短パルスの信号）を電気信号である受波信号に変換し、受波信号は高周波成分を増幅する高周波増幅回路１３を介してミキサ１４の１つの入力に入力される。ミキサ１４は、送信器１で生成されるＵＷＢの短パルスと等価なパルスを生成する回路と共にダウンコンバータを構成するものであって、前記受波信号を比較的低い周波数帯域に変換して出力する。すなわち、ミキサ１４の他の入力には、発振回路１５とタイミング制御回路１６とパルス制御回路１７とパルス駆動回路１８と短パルス生成回路１９とフィルタ２０とで構成された送信器１側と同様の回路にて生成されるパルスが入力される。

信号処理部３は、受信器２で繰り返し受信されるＵＷＢの短パルス（パルス幅が数十〜数百ｐｓ）の信号の波形を高分解能で再現するために、サンプリングの時間分解能を数〜数十ｐｓとすることができる所謂等価サンプリングを採用している。すなわち、信号処理部３は、ミキサ１４の出力にフィルタ２１を介して接続された積分回路２２を有し、この積分回路２２で数〜数十ｐｓの区間について受波信号の振幅の平均値を取り出す。具体的には、積分回路２２には送信器１の送波周期よりも数〜数十ｐｓだけ大きい（あるいは小さい）サンプリング周期が受信器２のタイミング制御回路１６から入力されており、積分回路２２はサンプリング周期毎に、送波周期とサンプリング周期との差分である数〜数十ｐｓの区間について受波信号の振幅の平均値を取り出す処理を行う。ここで、積分回路２２が、短パルスの複数回分にわたって前記処理を繰り返すより、受波信号の波形の全体を再現することができる。積分回路２２の出力はＡ／Ｄ変換回路２３に入力され、Ａ／Ｄ変換回路２３でアナログ値がデジタル値に変換される。Ａ／Ｄ変換回路２３もまたタイミング制御回路１６に接続され、前記サンプリング周期で動作する。結果的に、信号処理部３においては、Ａ／Ｄ変換回路２３のサンプリング周期より、はるかに高い時間分解能（送波周期とサンプリング周期との差分である数〜数十ｐｓ）で受波信号の波形を再現することができるので、非常に高速のサンプリングを行ったことと等価になる。

上述した構成によって、Ａ／Ｄ変換回路２３からは数〜数十ｐｓの時間分解能でサンプリングされかつ量子化および符号化された受波信号が出力されることになり、このＡ／Ｄ変換回路２３の出力は後段の不要波除去部２４に入力される。不要波除去部２４は、入力された受波信号から、対象物Ａで反射されて受波器２に到達した電磁波（以下「反射波」という）の成分以外の不要な信号成分、すなわち外来の雑音成分や、送信器１から受信器２に直接到達した電磁波（以下「直接波」という）の成分を除去する。これにより、不要波除去部２４からは反射波の成分のみが出力されることになる。また、Ａ／Ｄ変換回路２３の出力は、直接波の到達時刻を検出する直接波到達時間検出部２５にも入力される。

ところで、本実施形態の信号処理部３は、不要波除去部２４および直接波到達時間検出部２５の出力を用いて対象物Ａまでの距離を算出する機能と、不要波除去部２４の出力を用いて対象物Ａの材質を判別する機能と、不要波除去部２４の出力を用いて対象物Ａの厚み寸法を算出する機能とを有している。以下では、これらの機能を実現する構成について順に説明する。

まず、対象物Ａまでの距離を算出する構成について説明する。信号処理部３は、不要波除去部２４および直接波到達時間検出部２５の出力に接続された距離算出部２６を有する。距離算出部２６では、電磁波が送波されてから受波されるまでに要した時間に、物体探知装置と対象物Ａとの間に存在している媒質Ｂ（ここでは空気）中での電磁波の速度を乗じることによって、対象物Ａまでの往復距離を求め、この往復距離を２で除することにより対象物Ａまでの距離（片道距離）を算出する。本実施形態では、不要波除去部２４の出力から反射波を受波した時刻を検出し、この時刻と直接波到達時間検出部２５から出力される直接波の到達時刻との差を、電磁波が送波されてから受波されるまでに要した時間として用いている。媒質Ｂ中での電磁波の速度ｖ_１は、媒質Ｂの比誘電率ε_γ１を用いて以下のように求まる。

ここでｖは空気中での電磁波の速度（３×１０^８（ｍ／ｓ））である。本実施形態では媒質Ｂが空気（比誘電率ε_γ１＝１）であるからｖ_１＝ｖとなる。

ところで、距離算出部２６における距離分解能は、上述した受波信号のサンプリングの時間分可能に相当しており、サンプリングの時間分解能が高いほど距離を算出する際の分解能は高くなる。本実施形態の信号処理部３では、上述したように等価サンプリングを採用することによりサンプリングの時間分解能を数〜数十ｐｓと高くしているので、距離算出部２６における距離分解能は比較的高くなる。たとえば、サンプリングの分解能を１ｐｓとした場合の空気中での距離分解能は、時間分解能に空気中での電磁波の速度（光速）を乗じることによって求まり、１（ｐｓ）×３×１０^８（ｍ／ｓ）＝３００（μｍ）となる。この距離分解能は対象物Ａまでの往復距離に相当するので、対象物Ａまでの片道距離に換算すると距離分解能は１５０（μｍ）になる。サンプリングの分解能を１０ｐｓとした場合は、同様の計算により、距離分解能は１．５（ｍｍ）となる。

次に、対象物Ａの材質を判別する構成について説明する。信号処理部３は、不要波除去部２４の出力に接続され、対象物Ａの比誘電率を推定する比誘電率推定部２８を有する。比誘電率推定部２８には距離算出部２６の出力も接続される。比誘電率推定部２８における比誘電率の推定方法については後述する。比誘電率推定部２８の出力は、対象物Ａの比誘電率に基づいて対象物Ａの材質を判断する材質判断部２９に入力される。材質判断部２９には色々な材質の比誘電率が材質に対応づけて予め記憶された比誘電率データ記憶部３０が接続されており、材質判別部２９は、比誘電率推定部２８から受けた比誘電率に近似する比誘電率を比誘電率データ記憶部３０から選択し、この比誘電率に対応する材質を対象物Ａの材質と判断する。なお、以下の表１は幾つかの材質の比誘電率を示したものである。比誘電率データ記憶部３０においては、物体探知装置の用途に応じて対象物Ａとなり得る材質と比誘電率との組を記憶しておくことにより、正確な材質の判別が可能になる。

比誘電率推定部２８において対象物Ａの比誘電率を推定する方法について以下に説明する。

図２は、媒質Ｂから対象物Ａに電界強度Ｅｉの電磁波が入射したときの様子を模式的に示したものである。Ｅｒは対象物Ａで反射された電磁波の電界強度である。このときの媒質Ｂと対象物Ａとの境界面Ｘにおける反射係数Ｒは、以下の式で表される。

このように反射係数Ｒは電界強度Ｅｒと電界強度Ｅｉとの比で表されるので、送信器１から受信器２に直接到達した直接波の強度と、対象物Ａで反射されて受波器に到達した反射波の強度と、距離算出部２６で算出された距離とに基づいて反射係数を算出することができる。すなわち比誘電率推定部２８では、距離算出部２６で算出された距離だけ電磁波が媒質Ｂ中を往復する間の電磁波の強度の減衰量を算出し、反射波の強度に当該減衰量を加えた値と、直接波の強度との比を算出することにより反射係数を求めている。また、上記の数２において、Ｚ_１、Ｚ_２はそれぞれ媒質Ｂと対象物Ａとの波動インピーダンスである。各波動インピーダンスＺ_１、Ｚ_２は、媒質Ｂの誘電率をε_１、対象物Ａの誘電率をε_２とし、媒質Ｂの導電率をσ_１、対象物Ａの導電率をσ_２とし、媒質Ｂの透磁率をμ_１、対象物Ａの透磁率をμ_２とすれば、それぞれ以下の式で表される。

ここで、ωは電磁波の角周波数である。ｊは虚数単位である。数２〜数４をまとめると、反射係数Ｒは以下の式で表すことができる。

ここで、媒質Ｂおよび対象物Ａの誘電率ε_１、ε_２は、媒質Ｂの比誘電率をε_γ１、対象物Ａの比誘電率をε_γ２とし、真空の誘電率をε_０とすると、ε_１＝ε_０ε_γ１、ε_２＝ε_０ε_γ２でそれぞれ表される。したがって、反射係数Ｒは、媒質Ｂおよび対象物Ａの比誘電率ε_γ１、ε_γ２と、媒質Ｂおよび対象物Ａの導電率σ_１、σ_２と、媒質Ｂおよび対象物Ａの透磁率μ_１、μ_２と、電磁波の角周波数ωとで表されることになる。なお、本実施形態では媒質Ｂの比誘電率以外の電磁気的性質（導電率および透磁率）については、導電率σ_１＝０、比透磁率μ_γ１＝１（透磁率μ_１は真空の透磁率をμ_０とすると、比透磁率μ_γ１を用いてμ_１＝μ_０μ_γ１で表される）とそれぞれ仮定している。すなわち、上述のように直接波の強度と反射波の強度と距離算出部２６で算出された距離とに基づいて反射係数Ｒを求めれば、この反射係数Ｒと媒質Ｂの比誘電率（ここではε_γ１＝１）と電磁波の周波数とを用いることにより対象物Ａの比誘電率を推定することができる。

ところで、対象物Ａの比誘電率以外の電磁気的性質（導電率や透磁率）も未知のパラメータであるので、対象物Ａの材質を正確に求めるためには、複数の周波数の電磁波について求めた反射係数から対象物Ａの比誘電率を求める必要があるが、本実施形態では、上述したように送信器１がＵＷＢの信号を電磁波として送波しているから、送信器１からは広い周波数帯域にわたる電磁波、つまり複数の周波数の電磁波が送波されることになる。そして、比誘電率推定部２８は、複数の周波数について、各周波数ごとに直接波の強度と反射波の強度と距離算出部２６で算出された距離とに基づいて反射係数をそれぞれ求め、求まった複数の反射係数の各々と媒質Ｂの比誘電率と電磁波の各周波数とを用いることにより、対象物Ａの比誘電率を統計的に推定する。すなわち、複数の反射係数の各々と媒質Ｂの比誘電率と電磁波の各周波数とを用いれば複数の比誘電率が求まるので、たとえば、これら複数の比誘電率の平均値をとることにより複数の比誘電率から統計的に対象物Ａの比誘電率を推定する。

結果的に、本実施形態の物体探知装置は、複数の周波数の電磁波を用いて対象物Ａの比誘電率を統計的に求めることにより、対象物Ａの材質を正確に求めることができるという利点がある。なお、図２におけるＥｔは媒質Ｂと対象物Ａとの境界面Ｘを透過して対象物Ａ内に入射した電磁波の電界強度である。このように対象物Ａ内に透過する電磁波は、媒質Ｂから対象物Ａに入射する電磁波の振幅に対して以下の透過係数Ｔを乗じた振幅を有する。

次に、対象物Ａの厚み寸法を算出する構成について説明する。信号処理部３は、不要波除去部２４の出力に接続された厚み判別部（厚み算出部）３１を有し、この厚み判別部３１では、不要波除去部２４で再現された受波信号の波形のうち、対象物Ａで反射された反射波に相当する反射波パターンを解析し、対象物Ａの表面（媒質Ｂとの境界面）での反射波（以下「表面反射波」という）と、対象物Ａの表面を透過し対象物Ａの裏面で反射された反射波（以下「裏面反射波」という）との間に生じる時間差に、対象物Ａ中での電磁波の速度を乗じることにより、対象物Ａの表面との裏面との間の往復距離を求め、この往復距離を２で除することにより、対象物Ａの表面と裏面との間の厚み寸法を算出する。対象物Ａ中での電磁波の速度Ｖ_２は、上述の数１と同様に対象物Ａの比誘電率ε_γ２を用いて以下の式で表されるので、厚み判別部３１は、比誘電率推定部２８から対象物Ａの比誘電率ε_γ２を受け、この比誘電率ε_γ２を用いて対象物Ａ中での電磁波の速度Ｖ_２を求める。

ただし、対象物Ａの厚み寸法を算出するには電磁波が対象物Ａの表面を透過する必要があるので、対象物Ａの厚み寸法を算出する機能は、比誘電率ε_γ２が１＜ε_γ２＜２０程度の範囲にある材質（たとえば木など）を対象物Ａとした場合に有効である。また、本実施形態の厚み判別部３１では、電磁波の位相情報（振幅の正負）に基づいて表面反射波と裏面反射波とを識別している。つまり、媒質Ｂから対象物Ａに入射する際に反射された電磁波（表面反射波）と、対象物Ａから媒質Ｂに入射する際に反射された電磁波（裏面反射波）とでは、反射係数の正負が反転することは上述した数２の関係から自明であって、結果的に、表面反射波と裏面反射波とでは位相が１８０度ずれる（振幅の正負が逆転する）ことになるので、このことを利用して表面反射波と裏面反射波とを識別できる。

さらに、１個の対象物Ａであっても表面と裏面とのそれぞれにおける反射係数を求めるようにすれば、表面についてのみ反射係数を求める場合よりも多くの反射係数を求めることができるので、比誘電率推定部２８に対して厚み判別部３１から表面反射波と裏面反射波とのそれぞれの強度を出力するとともに、比誘電率推定部２８で、対象物Ａの表面と裏面とのそれぞれにおける反射係数を求める構成とすることによって、より多くの反射係数を比誘電率推定部２８で採用することができる。これにより、比誘電率の推定の精度を向上させ、材質の判断の精度を向上させることができる。

上述したように、本実施形態の信号処理部３によれば、対象物Ａまでの距離と対象物Ａの材質と対象物Ａの厚み寸法とを求めることができる。そして、表示部４は、これらの結果（距離、材質、厚み寸法）を全て表示可能に構成される。

また、本実施形態では、物体探知装置を用いて空気中に存在する対象物Ａを探知する例を示しており、媒質Ｂは空気であるから媒質の比誘電率ε_γ１を１としているが、たとえばコンクリート壁や石膏ボード等の壁材の裏側（壁うら）に存在する対象物Ａの探知（所謂壁うら探知）、あるいはコンクリート壁やその他の媒質Ｂ中に埋設された対象物Ａの探知などに本発明の物体探知装置を用いてもよく、この場合には媒質Ｂの比誘電率ε_γ１は物体検知装置と対象物Ａとの間に存在する壁材等の媒質Ｂの材質によって変化する。そこで、本実施形態では、距離算出部２６および比誘電率推定部２８に接続された比誘電率設定部２７を信号処理部３に設け、距離の算出時および比誘電率の推定時に用いる媒質Ｂの比誘電率を比誘電率設定部２７で設定できる構成としてある。この比誘電率設定部２７は、使用者が比誘電率の値を手動操作によって入力する構成を採用しているが、物体探知装置を使用する度に媒質Ｂの比誘電率を測定しこの測定結果を比誘電率として設定する構成でもよい。

以下に、上述の物体探知装置を用いて対象物Ａまでの距離および対象物Ａの材質を求める例を、図３，４を参照して説明する。ただし、ここでは媒質Ｂが空気（比誘電率ε_γ１＝１）、対象物Ａが金属（比誘電率ε_γ２＝∞）の場合を例示する。

この例では、送信器１から送波された電磁波（直接波Ｉ１に相当）は、図３に示すように対象物Ａの表面で全て反射され、結果的に、直接波Ｉ１と反射波Ｒ１とが受信器２で受波される。図４にはこのとき受信器２から出力される受波信号を、縦軸を振幅、横軸を時間として示している。このような受波信号を受けた信号処理部３は、距離算出部２６において、図４における直接波Ｉ１と反射波Ｒ１との時間差Ｔ１、および媒質Ｂ（空気）中での電磁波の速度を用いて対象物Ａまでの距離を算出する。さらに、比誘電率推定部２８において、直接波Ｉ１の強度と反射波Ｒ１の強度と先に求めた対象物Ａまでの距離とを用いて反射係数Ｒを求める。そして、上記の数５に対して、この反射係数Ｒと媒質の比誘電率ε_γ１＝１と電磁波の角周波数ωとを代入することにより、対象物Ａの比誘電率ε_γ２を推定する。電磁波は対象物Ａの表面で反射される際に、図４のように位相が１８０度ずれており（つまり振幅の正負が逆転しており）、反射係数ＲはＲ＝−１となるので、比誘電率推定部２８は、対象物Ａの比誘電率をε_γ２＝∞と推定し、材質判断部２９はこの比誘電率に基づいて対象物Ａの材質を金属と判断する。

次に、上述の物体探知装置を用いて対象物Ａまでの距離および対象物Ａの厚み寸法を求める例を、図５，６を参照して説明する。ただし、ここでは媒質Ｂが空気（比誘電率ε_γ１＝１）、対象物Ａが木材（比誘電率ε_γ２＝４）の場合を例示する。なお、以下では対象物Ａ中での電磁波の減衰がないものとして説明する。

この例では、送信器１から送波された電磁波（直接波Ｉ１に相当）は、図５に示すように対象物Ａの表面（反射係数Ｒ＝−１／３）で一部が反射され、残りが対象物Ａの表面を透過して対象物Ａ内に入射する。ここで、直接波Ｉ１の振幅を１とすれば、対象物Ａの表面で反射された反射波Ｒ１の振幅は−１／３となり、対象物Ａ内に入射した電磁波の振幅は上記の数６より２／３となる。対象物Ａ内に入射した電磁波は、対象物Ａの裏面（反射係数１／３）で一部（振幅は２／３×１／３＝２／９となる）が反射され、残りが対象物Ａの裏面を透過して対象物Ａ外に出射される。さらに対象物Ａの裏面で反射された電磁波は、対象物Ａの表面（反射係数Ｒ＝１／３）で一部が反射され、残りの反射波Ｒ２（振幅は２／９×４／３＝８／２７となる）が対象物Ａの表面を透過して媒質Ｂ内に入射する。そして、直接波Ｉ１と反射波Ｒ１および反射波Ｒ２とが受信器２で受波される。図６にはこのとき受信器２から出力される受波信号を、縦軸を振幅、横軸を時間として示している。

図６に示す受波信号を受けた信号処理部３は、距離算出部２６において、図６における直接波Ｉ１と反射波Ｒ１との時間差Ｔ１、および媒質Ｂ（空気）中での電磁波の速度を用いて対象物Ａまでの距離を算出する。さらに、不要波除去部２４からは、対象物Ａで反射された反射波Ｒ１，Ｒ２の成分のみが厚み判別部３１に出力される。厚み判別部３１は、反射波Ｒ１と反射波Ｒ２との時間差Ｔ２、および対象物Ａ中での電磁波の速度を用いて、対象物の厚み寸法ｔを求める。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。同上に例示する対象物での電磁波の反射を示す説明図である。同上に例示する対象物（金属）での電磁波の反射を示す説明図である。同上の受波信号の波形を示す説明図である。同上に例示する対象物（木材）での電磁波の反射を示す説明図である。同上の受波信号の波形を示す説明図である。

符号の説明

１送信器
２受信器
２６距離算出部
２７比誘電率設定部
２８比誘電率推定部
２９材質判断部
３１厚み判別部（厚み算出部）
Ａ対象物
Ｂ媒質

Claims

探知領域に電磁波を間欠的に送波する送信器と、探知領域内に存在する対象物で反射された送信器からの電磁波を受波し電気信号である受波信号に変換する受信器と、電磁波が送波されてから受波されるまでに要した時間および対象物との間に存在している媒質の比誘電率から求まる媒質中での電磁波の速度に基づいて対象物までの距離を算出する距離算出部と、複数の周波数についてそれぞれ送信器が送波した電磁波の強度と受信器が受波した電磁波の強度と対象物までの距離とから媒質および対象物の境界面の反射係数を求め、各反射係数と媒質の比誘電率と電磁波の各周波数とを用いて対象物の比誘電率を統計的に推定する比誘電率推定部と、比誘電率推定部で推定された比誘電率に基づいて対象物の材質を判断する材質判断部とを備え、送信器は、前記電磁波としてＵＷＢの信号を送波することを特徴とする物体探知装置。
前記対象物の表面で反射された電磁波が受波されてから対象物の裏面で反射された電磁波が受波されるまでに要した時間と、前記比誘電率推定部で推定された比誘電率から求まる対象物中での電磁波の速度とを用いて、対象物の表面と裏面との間の厚み寸法を算出する厚み算出部を備えることを特徴とする請求項１記載の物体探知装置。
前記距離算出部および前記比誘電率推定部で用いられる前記媒質の比誘電率を設定する比誘電率設定部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の物体探知装置。