特許 5692935 対象物を位置特定するための方法およびシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5692935

(24)【登録日】2015年2月13日

(45)【発行日】2015年4月1日

(54)【発明の名称】対象物を位置特定するための方法およびシステム

(51)【国際特許分類】

   G01S 13/74 20060101AFI20150312BHJP

   G01S 13/70 20060101ALI20150312BHJP

【ＦＩ】

   G01S13/74

   G01S13/70

【請求項の数】13

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2012-534734(P2012-534734)

(86)(22)【出願日】2010年10月19日

(65)【公表番号】特表2013-508713(P2013-508713A)

(43)【公表日】2013年3月7日

(86)【国際出願番号】FI2010050814

(87)【国際公開番号】WO2011048267

(87)【国際公開日】20110428

【審査請求日】2013年10月9日

(31)【優先権主張番号】20096076

(32)【優先日】2009年10月20日

(33)【優先権主張国】FI

(73)【特許権者】

【識別番号】512068592

【氏名又は名称】テクノロギアン トゥトキムスケスクス ヴェーテーテー オイ

(74)【代理人】

【識別番号】100080089

【弁理士】

【氏名又は名称】牛木 護

(74)【代理人】

【識別番号】100161665

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 知之

(74)【代理人】

【識別番号】100125081

【弁理士】

【氏名又は名称】小合 宗一

(72)【発明者】

【氏名】ヴィイカリ，ヴィッレ

(72)【発明者】

【氏名】セッパ，ヘイッキ

(72)【発明者】

【氏名】ヌンミラ，カイ

(72)【発明者】

【氏名】ヴァープラ，ティモ

【審査官】 三田村 陽平

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０７１２３１２９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００８−２０３９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２６４７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２０６１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１３８２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５２７０３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１０２７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１８０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Bruce G.Colpitts，Harmonic Radar Transceiver Design:Miniature Tags for Insect Tracking，IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION，米国，２００４年１１月，VOL.52,NO.11，p.2825-2832

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／００− ７／４２

Ｇ０１Ｓ １３／００−１３／９５

Ｇ０６Ｋ １９／００−１９／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

・対象物（１）は少なくとも一つの第１のタイプの信号を照射され、
・前記信号の反応を探知する、
対象物を位置特定するための方法において、
・前記対象物（１）は前記第１のタイプの信号を後方散乱するトランスポンダ（２）を取り付けられ、
・前記トランスポンダ（２）は、前記トランスポンダ（２）の後方散乱周波数に影響を与える第２のタイプの信号でも照射され、
・前記トランスポンダ（２）からの後方散乱信号は対象物を位置特定するために探知され、
・前記第１のタイプの信号はマイクロ波信号であり、
・前記トランスポンダ（２）は、第２のタイプの信号としての複数の超音波で照射され、
・前記複数の超音波を照射する複数の超音波送信器（４）は異なる変調を使用することを特徴とする方法。

【請求項2】

前記トランスポンダ（２）は、マイクロ波後方散乱用のアンテナを有する容量性MEMSマイクであり、
前記容量性MEMSマイクは、
上の振動膜と、下の振動膜と、前記上の振動膜および下の振動膜の間の上の空洞と、前記下の振動膜および容量性MEMSマイクの底の間の下の空洞とを備え、
前記上の空洞は中濃度のガスで満たされ、前記下の空洞は濃密ガスで満たされている
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

・対象物（１）は少なくとも一つの第１のタイプの信号を照射され、
・前記信号の反応を探知する、
対象物を位置特定するための方法において、
・前記対象物（１）は前記第１のタイプの信号を後方散乱するトランスポンダ（３）を取り付けられ、
・前記トランスポンダ（３）は、前記トランスポンダ（３）の後方散乱周波数に影響を与える第２のタイプの信号でも照射され、
・前記トランスポンダ（３）からの後方散乱信号は対象物を位置特定するために探知され、
・前記第１のタイプの信号はマイクロ波信号であり、
・前記トランスポンダ（３）は、第２のタイプの信号としての光で照射され、
・前記トランスポンダ（３）は、マイクロ波後方散乱用のループアンテナに集中素子なしで直接整合されるフォトダイオードからなることを特徴とする方法。

【請求項4】

少なくとも原則的に継続する信号が多数の送信器と共に第２のタイプの照射に使用されることを特徴とする請求項３に記載の方法。

【請求項5】

パルス信号源が第２のタイプの照射に使用されることを特徴とする請求項３に記載の方法。

【請求項6】

昆虫の位置特定あるいは追尾目的に使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。

【請求項7】

人の位置特定あるいは追尾目的に使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。

【請求項8】

車両の位置特定あるいは追尾目的に使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。

【請求項9】

・対象物（１）を少なくとも一つのタイプの信号で照射する手段（４，１４）と、
・前記第１のタイプの信号の反応を探知する探知手段（５，１５）と、
を備える対象物を位置特定するためのシステムにおいて、
・前記第１のタイプの信号を後方散乱し、前記トランスポンダ（２）からの後方散乱周波数に影響を与えるような別のタイプの信号にも反応する前記対象物（１）に取り付けられるトランスポンダ（２）と、
・前記トランスポンダ（２）の後方散乱周波数に影響を与える第２のタイプの信号でも前記トランスポンダ（２）を照射する第２の照射手段（４，１４，１４’）と、
をさらに備え、
・前記トランスポンダ（２）からの前記後方散乱信号は対象物を位置特定するために探知され、
・前記探知手段はマイクロ波受信器（５，１５）であり、
・前記第２の照射手段（４）は異なる変調を使用する複数の超音波送信器（４）であることを特徴とするシステム。

【請求項10】

前記トランスポンダ（２）は、マイクロ波後方散乱用のアンテナを有する容量性MEMSマイクであり、
前記容量性MEMSマイクは、
上の振動膜と、下の振動膜と、前記上の振動膜および下の振動膜の間の上の空洞と、前記下の振動膜および容量性MEMSマイクの底の間の下の空洞とを備え、
前記上の空洞は中濃度のガスで満たされ、前記下の空洞は濃密ガスで満たされている
ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。

【請求項11】

・対象物（１）を少なくとも一つのタイプの信号で照射する手段（４，１４）と、
・前記第１のタイプの信号の反応を探知する探知手段（５，１５）と、
を備える対象物を位置特定するためのシステムにおいて、
・前記第１のタイプの信号を後方散乱し、前記トランスポンダ（３）からの後方散乱周波数に影響を与えるような別のタイプの信号にも反応する前記対象物（１）に取り付けられるトランスポンダ（３）と、
・前記トランスポンダ（３）の後方散乱周波数に影響を与える第２のタイプの信号でも前記トランスポンダ（３）を照射する第２の照射手段（４，１４，１４’）と、
をさらに備え、
・前記トランスポンダ（３）からの前記後方散乱信号は対象物を位置特定するために探知され、
・前記探知手段はマイクロ波受信器（５，１５）であり、
・前記トランスポンダ（３）は、マイクロ波後方散乱用のループアンテナに集中素子なしで直接整合されるフォトダイオードからなることを特徴とするシステム。

【請求項12】

前記第２の照射手段（４，１４，１４’）は連続送信器（１４）であることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。

【請求項13】

前記第２の照射手段（４，１４，１４’）はパルス送信器（１４’）であることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は概ね対象物の位置特定および追尾に関する。

【0002】

本発明は特に、昆虫のような小さな対象物の位置特定および追尾に関する。

【背景技術】

【0003】

昆虫の位置特定および追尾には高調波レーダが用いられる。

【0004】

要求される高い送信電力と、機械的走査と、精度が制限を受けることと、が原因で、従来の高調波レーダには、屋内での昆虫追尾への適性を見いだせない。

【0005】

ＲＦＩＤ技術もまた、昆虫の位置特定および追尾に用いられる。当該技術は能動型のタグを必要とし、それらのタグは重く、そしてそれゆえに、小さな昆虫には適していない。

【0006】

受動型ＲＦＩＤタグの場合は、問題になるのは読取範囲の狭さである。

【0007】

リアルタイムでの昆虫の移動の精密な追尾は、異なる種毎の習性を研究する科学者にとって重要な手段である。極超短波ＲＦＩＤ技術に基く追尾システムはすでに開発されている。

【0008】

リモートセンシングおよび遠隔測定のそれぞれの昆虫追尾技術は、生物学的および農学的研究の要望に対して開発されている。遠隔測定技術では昆虫にはトランスポンダが着けられるのに対して、リモートセンシング技術は、対象との物理的相互作用を全く必要としない。当該技術の説明は、非特許文献１に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】米国特許第３７８１８７９号

【特許文献2】米国特許第５１８０９６９号

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】Ｄ．Ｒ．レイノルズ、Ｊ．Ｒ．ライリ共著、「昆虫の移動の調査のためのリモートセンシング、遠隔測定、およびコンピュータを使用する技術 既存および潜在的技術の概説」、コンピュータズ アンド エレクトロニクス イン アグリカルチャー誌、２００２年発行、第３５巻 第２０７頁〜第３０７頁

【非特許文献2】Ｅ．Ａ．キャパルディ、Ａ．Ｄ．スミス、Ｊ．Ｌ．オズボーン、Ｓ．Ｅ．ファールバッハ、Ｓ．Ｍ．ファリス、Ｄ．Ｒ．レイノルズ、Ａ．Ｓ．エドワーズ、Ａ．マーチン、Ｇ．Ｅ．ロビンソン、Ｇ．Ｍ．ポピー、Ｊ．Ｒ．ライリ共著、「高調波レーダによって露呈したミツバチの定位飛行の個体発生論」、ネイチャー誌、２０００年発行、第４０３巻 第５３７頁〜第５４０頁

【非特許文献3】Ｊ．Ｒ．ライリ、Ａ．Ｄ．スミス、Ｄ．Ｒ．レイノルズ、Ａ．Ｓ．エドワーズ、Ｊ．Ｌ．オズボーン、Ｉ．Ｈ．ウィリアムス、Ｎ．Ｌ．カレック、Ｇ．Ｍ．ポピー共著、「高調波レーダによるハチの追尾」、ネイチャー誌、１９９６年発行、第３７９巻 第２９頁〜第３０頁

【非特許文献4】Ｊ．Ｌ．オズボーン、Ｓ．Ｊ．クラーク、Ｒ．Ｊ．モリス、Ｉ．Ｈ．ウィリアムス、Ｊ．Ｒ．ライリ、Ａ．Ｄ．スミス、Ｄ．Ｒ．レイノルズ、Ａ．Ｓ．エドワーズ共著、「高調波レーダを使用するマルハナバチの採餌域および恒常性の地勢規模研究」、ジャーナル オブ アプライド エコロジー誌、１９９９年発行、第３６巻 第５１９頁〜第５３３頁

【非特許文献5】Ｅ．Ｔ．カント、Ａ．Ｄ．スミス、Ｄ．Ｒ．レイノルズ、Ｊ．Ｌ．オズボーン共著、「高調波レーダによる地勢を越える蝶の飛行経路の追尾」、王立生物科学学会議事録、２００５年４月発行、第２７２巻 第１５６５号 第７８５頁〜第７９０頁

【非特許文献6】Ｏ．オヴァスカイネン、Ａ．Ｄ．スミス、Ｊ．Ｌ．オズボーン、Ｄ．Ｒ．レイノルズ、Ｎ．Ｌ．カレック、Ａ．Ｐ．マーチン、Ｋ．ニィテポルド、Ｉ．ハンスキー共著、「高調波レーダによる蝶の移動の追尾が、居住年数の移動距離への影響を明らかにする」、全米科学アカデミー議事録、２００８年１２月発行、第１０５巻 第４９号 第１９０９０頁〜第１９０９５頁

【非特許文献7】Ｇ．Ｐ．スヴェンソン、Ｐ．Ｇ．ヴァルール、Ｄ．Ｒ．レイノルズ、Ａ．Ｄ．スミス、Ｊ．Ｒ．ライリ、Ｔ．Ｃ．ベーカー、Ｇ．Ｍ．ポピー、Ｃ．ルーステット共著、「高調波レーダにより監視されるカブラヤガにおける交尾阻害」、エントモロギア エクスペリメンタリス エト アプリケータ誌、２００１年発行、第１０１巻 第１１１頁〜第１２１頁

【非特許文献8】Ｇ．Ｌ．ルーヴェイ、Ｉ．Ａ．Ｎ．ストリンガー、Ｃ．Ｄ．デヴァイン、Ｍ．カンテリエリ共著、「高調波レーダ‐地上での無脊椎動物の移動を研究するための安価なタグを用いる方法」、ニュージーランド ジャーナル オブ エコロジー誌、１９９７年発行、第２１巻 第２号 第１８７頁〜第１９３頁

【非特許文献9】Ｒ．Ｄ．ブラジー、Ｅ．Ｓ．ミラー、Ｍ．Ｅ．レディング、Ｍ．Ｇ．クライン、Ｂ．ニュッズ、Ｈ．ジュ共著、「行動研究でキンケクチブトゾウムシを追尾する高調波レーダのためのトランスポンダ」、米国農学会 英国議事録、２００５年発行、第４８巻 第２号 第８３１頁〜第８３８頁

【非特許文献10】Ｊ．Ｒ．ライリ、Ａ．Ｄ．スミス共著、「低高度における昆虫の飛行の調査用の高調波レーダのための考察」、コンピュータズ アンド エレクトロニクス イン アグリカルチャー誌、オランダ アムステルダム エルゼビア出版 ２００２年発行、第３巻号 第１５１頁〜第１６９頁

【非特許文献11】Ｅ．Ｔ．カント、Ａ．Ｄ．スミス、Ｄ．Ｒ．レイノルズ、Ｊ．Ｌ．オズボーン共著、「高調波レーダによる地勢を越える蝶の飛行経路の追尾」、王立生物科学学会議事録、２００５年４月発行、第２７２巻 第１５６５号 第７８５頁〜第７９０頁

【非特許文献12】Ｂ．Ｇ．コルピッツ、Ｇ．ボワトー共著、「高調波レーダ送受信機の設計 昆虫追尾のための小型タグ」、電気電子技術者協会 アンテナズ アンド プロパゲーション議事録、２００４年１１月発行、第５２巻 第１１号 第２８２５頁〜第２８３２頁

【非特許文献13】Ｄ．Ｅ．Ｎ．デイヴィス、Ｒ．Ｊ．クレンシュ共著、「能動型トランスポンダ内蔵二周波数二次レーダ」、電気電子技術者協会 エレクトロニクス書簡、１９７３年１２月発行、第９巻 第２５号 第５９２頁〜第５９３頁

【非特許文献14】Ｖ．ヴィイカリ、Ｊ．サエボー、Ｓ．チェン、Ｍ．カンタネン、Ｍ．アル−ヌアイミ、Ｔ．ヴァープラ、Ａ．ランミネン、Ｐ．ホールビョーナー、Ａ．アラスタロ、Ｔ．マッティラ、Ｈ．セッパ、Ｐ．プルスラ、Ａ．リュードベリ共著、「交通弱者検知用の自動車の相互変調レーダのための技術的解決法」、スペイン バルセロナ 電気電子技術者協会 第６９回車両技術部会会議議事録、２００９年４月２６〜２９日

【非特許文献15】Ｖ．ヴィイカリ、Ｈ．セッパ、Ｔ．マッティラ、Ａ．アラスタロ共著、「無線強誘電体共振センサ」、電気電子技術者協会 ウルトラソニックス、フェロエレクトリック アンド フリークエンシー コントロール議事録、２００９年投稿

【非特許文献16】Ｖ．ヴィイカリ、Ｈ．セッパ共著、「相互変調歪みに基く無線ＭＥＭＳセンサ構想」、電気電子技術者協会 センサーズ ジャーナル誌、２００９年発行

【非特許文献17】Ｄ．サイコーダキス、Ｗ．モルダー、Ｃ．チーチー、Ｚ．ヘピン、Ｊ．Ｌ．ヴォラキス共著、「携帯型低出力高調波レーダシステム及び昆虫追尾用共形タグ」、電気電子技術者協会 アンテナズ アンド プロパゲーション書簡、２００８年発行、第７巻 第４４４頁〜第４４７頁

【非特許文献18】http://www.recco.com

【非特許文献19】Ｊ．ローランド、Ｇ．マッキノン、Ｃ．バックハウス、Ｐ．Ｄ．テイラー共著、「昆虫上のより小型のレーダタグ」、ネイチャー誌、１９９６年発行、第３８１巻 第１２０頁

【非特許文献20】Ｄ．マスカンツォニ、Ｈ．ウォーリン共著、「高調波レーダ 野外での昆虫追尾の新しい方法」

【非特許文献21】http://www.massa.com/datasheets/E-188-220%20Datasheet%20090427.pdf

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

使用される前記リモートセンシング技術は、例えばレーダ、ビデオグラフィックや他の光学技術、エックス線画像化、そして、受動型および能動型の音響技術を包含する。レーダ信号の地面や植物からの激しいクラッタのせいで、レーダは飛行中の昆虫か群れをなしている昆虫を追尾するためにのみ使用できる。

【0012】

光学的リモートセンシング技術は一般的に、ビデオカメラと、自動的にターゲットを識別しその位置を計算するパターン認識ソフトウェアと、に基く。３次元追尾は３Ｄビデオカメラか、或いは立体視カメラを必要とする。ビデオグラフィック技術は、可視波長に加えて、赤外線や熱波長においても実現される。赤外線や熱波長は暗視能力を提供する。ビデオグラフィック技術の欠点は、比較的小さな観測量、信頼できないパターン（ひいては昆虫）探知、および、測距や立体視カメラに伴う技術的障害である。

【0013】

昆虫の動作はまた光センサでも監視される。最も簡単なシステムでは、特定の明度で発光し、透過光或いは散光を評価する。当該透過光或いは散光は昆虫の存在時に変化する。より洗練された技術では、散光によって昆虫の羽音を検出できる。

【0014】

音響技術は能動型と受動型のものに分類可能である。能動型の技術はソーダ（音響探知及び測距）を用いる。ソーダは電磁波の代わりに音波を利用する以外はレーダの動作原理を共有する。ソーダは飛んでいる或いは動いている昆虫だけを探知することができる。受動型の音響追尾技術は空間的に分布する各マイクで、追尾される昆虫の立てる音を記録し、異なる位置で記録される音を相互の関係を比較することによって昆虫の位置を求める。

【0015】

リモートセンシング技術は昆虫への物理的な接触を必要としない。そして、それ故に、昆虫の習性に影響を与えない。しかしながら、遠隔測定技術と比較すると、リモートセンシング技術は通常、狭い探知範囲と信頼できないターゲットの識別とで劣っている。

【0016】

遠隔測定技術は、無線自動識別（ＲＦＩＤ）と高調波レーダを包含する。ＲＦＩＤでは、追尾される昆虫には受動型ＲＦＩＤタグか能動型トランスポンダが取り付けられる。受動型ＲＦＩＤタグは能動型のものよりも小型であるが、より狭い範囲とより低い追尾精度が提供される。ほとんど全部の他の追尾技術を上回る、ＲＦＩＤ追尾原理の利点は、多数のターゲットを同時に追尾し識別するために使用できることである。

【0017】

前記の高調波レーダの構想は高調波レーダと、レーダ信号によって発光する時の調和振動数においてレーダ反射を生じるトランスポンダと、に基く。従来のレーダを上回る高調波レーダの利点は、例えば地面或いは植物等のクラッタを生じる物体に近接する、小さなターゲットを追尾できることである。

【0018】

したがって、本発明の目的は対象物の位置特定と追尾のための新しい方法および装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本発明は超音波或いは光検知と、対象物で生じるマイクロ波後方散乱と、に基く軽量トランスポンダを主として使用することを基礎とする。
各前記対象物に取り付けられる各前記トランスポンダは、マイクロ波によって、そして超音波か光のどちらか一方によって発光し、後方散乱マイクロ波信号が検知される。

【0020】

本発明に従って、前記技術は無線超音波マイクを活用し、当該無線超音波マイクはマイクロ波トランスポンダとして使用される。超音波パルスは、ターゲットからそれぞれの様々な位置の超音波拡声器までの距離を測定することに使用される。

【0021】

適切なアンテナを有する光センサもまたトランスポンダとして使用されるかもしれない。

【0022】

より詳細には、本発明の方法は請求項１の特徴部の記載によって特徴づけられる。

【0023】

一方、本発明のシステムは請求項１０の記載によって特徴づけられる。

【0024】

一方、本発明の利用法は請求項１８の記載によって特徴づけられる。

【0025】

重要な利点が本発明の助けによって得られる。

【0026】

既存の高調波レーダやＲＦＩＤに基く昆虫追尾方法と比較すると、双方の技術は、屋内或いは野外の檻での昆虫追尾のための高い性能を提供することができる。

【0027】

本発明は緻密な（ミリ精度）屋内アリーナや檻での昆虫の位置特定を提供し、そして、それは比較的簡単なシステムで実施できる。本発明は軽量なトランスポンダもまた提供する。

【0028】

本発明はまた関連する利点を提供するいくつかの別の実施例を有する。

【0029】

本発明とその利点のより完璧な理解のために、本発明をここで実施例の助けと以下の図面を参照することで説明する。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明における昆虫に追尾のために用いられる無線超音波マイクを取り付けた場合の状況を示す。

【図2】一般的な容量性のＭＥＭＳマイクの配置図を示す。マイクの電気的等価回路は可変コンデンサ（灰色）として表わされてもよい。

【図3】機械的に整合される超音波マイクの原理を示す。

【図4】無線超音波マイクの配置図（左）とその電気的等価回路（右）を示す。

【図5a】超音波トランスポンダの変換効率を音響距離の関数として評価したグラフを示す。

【図5b】超音波トランスポンダのマイクロ波探知範囲を音響距離の関数として評価したグラフを示す。

【図6a】本発明における、連続走査レーザとフォトダイオードトランスポンダによる追尾原理の概略図を示す。レーザ信号は連続レーザ（左図）或いはパルスレーザ（右図）であってもよい。

【図6b】本発明における、パルス走査レーザとフォトダイオードトランスポンダによる追尾原理の概略図を示す。

【図7】本発明における、トランスポンダ内のフォトダイオードの配線図（上）と、その等価回路（下）を示す。

【図8】本発明における、放射照度の関数としての接合キャパシタンスの変化に関するグラフを示す。

【図9】本発明における、異なる背景放射照度レベルでのトランスポンダ内のフォトダイオードのマイクロ波探知範囲のグラフを示す。

【図10】本発明における、放射照度の関数としての１．５ＧＨｚにおけるフォトダイオードの測定されたインピーダンス（マーカー）と計算されたインピーダンス（線）のグラフを示す。

【図11】本発明における光起動マイクロ波トランスポンダの写真を示す。

【図12】トランスポンダの測定変調レーダ断面積（ＲＣＳ）のグラフを示す。各曲線は異なる各放射照度レベルに対するものである。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下に、本発明の理論と実施例をより徹底的に考察する。

【実施例1】

【0032】

複合超音波およびマイクロ波による追尾
本セクションでは、超音波によって起動するマイクロ波トランスポンダによる昆虫追尾技術について検討する。本出願の出願人は超音波ＭＥＭＳ装置を開発し、記載されたシステムの実施において役立ち得るいくつかの発明を有する。

【0033】

追尾原理
追尾の構想は図１に示される。追尾される昆虫１はとても小さい超音波マイク２を取り付けられ、当該超音波マイク２は、超音波パルスの拡声器４から前記超音波マイク２までの伝播時間を測定するために用いられる。前記超音波パルスの伝播距離は前記伝播時間と、既知の空中における音速と、に関係している。前記ターゲット２は既知の各位置におかれた３つの異なる拡声器４からの距離を測定するために取り付けられる。前記ターゲット（タグ）はマイクロ波放射に同時にさらされ、当該マイクロ波信号は、また超音波でタグを照らすことによって、前記タグにおいて変調される。前記変調マイクロ波信号はマイクロ波アンテナ５へと返される。前記マイクロ波は光速で伝播し、光速は超音波の速度よりも何ケタも大きいので、前記変調マイクロ波信号の到達時間は拡声器の既知の位置からのターゲットの距離を計算するために使用され得る。各前記拡声器４は異なる変調を使用することによって識別できる。

【0034】

超音波マイク要素
前記無線超音波マイク要素２は、既存の容量性ＭＥＭＳマイクと同類であることもあり得、当該容量性ＭＥＭＳマイクは例えば携帯電話に幅広く使用される。容量性ＭＥＭＳマイクの配置図は図２に示される。

【0035】

前記ＭＥＭＳマイクは、固体の壁に支えられ、後方に空洞を有する振動膜から成る。前記膜は電導性を有し、平行板コンデンサの一方の電極を形成する。前記コンデンサの他方の電極は固定され、前記空洞の底の上に位置する。音圧は前記膜を動かし、前記コンデンサのキャパシタンスを変化させる。

【0036】

容量性ＭＥＭＳマイクに付随する欠点は、音波が振動膜と有効に対応しないことである。前記対応は、一つの空洞の代わりに二つ以上の空洞を用いることに基く機械的整合技術を利用することによって、改善されてもよい。整合超音波マイクの一例が図３に描写されている。

【0037】

上の空洞は、音圧が比較的大きな振幅を振動膜に引き起こすように、中濃度のガスで満たされている。上の振動膜は前記上の空洞内で超音波振動を引き起こす。この振動はその結果下の膜を作動させる。下の空洞は濃密ガスで満たされ、前記下の膜の振幅は前記上の膜の振幅よりも小さい。この構造はマイクの超音波対応を、マイクの帯域幅を犠牲にして改善する。

【0038】

図２に提示されるものと類似の微小超音波マイクは１×１×１ｍｍ程度の小ささで、２ｍｇよりも軽いと想定する。

【0039】

無線マイクの理論上の電気音響反応
膜の動力学的反応
前記超音波マイクの膜の動力学的反応は、ｍを片持ち梁の有効質量、ｘを片持ち梁の変位、ηを減衰係数、ｋを有効バネ定数、Ｆを片持ち梁に作用する外力とすると、次式で与えられる。

【0040】

【数1】

【0041】

前記膜がその機械的共振周波数で作動する時、振動の振幅は、調和力の振幅を

【0042】

【数2】

【0043】

とし、前記共振膜の機械的品質係数を

【0044】

【数3】

【0045】

とし、ω_mを前記膜の機械的共振周波数とすると、次式で与えられる。

【0046】

【数4】

【0047】

音圧によるその力は、ｐを前記音圧、Ａを前記膜の有効領域とすると、Ｆ＝ｐＡで与えられる。これを式（３．２）に代入すると次式が得られる。

【0048】

【数5】

【0049】

音源から距離ｒ_acでの最大音圧は、音の音響出力をＰ_acとし、空気中の音響インピーダンスをＺ_ac＝ｃ_acρ_acとし、音速を

【0050】

【数6】

【0051】

とし、空気密度をρ_acとすると、次式で与えられる。

【0052】

【数7】

【0053】

電磁変調効率
前記無線超音波センサは、センサ要素に電気的に整合されるアンテナからなる。無線センサの配置図がその電気的等価回路と共に図４に示されている。

【0054】

前記超音波マイクの等価キャパシタンスは、（平行板コンデンサで微小変位のものを想定して）ε₀を真空の誘電率、Ａをコンデンサの表面領域、ｇ₀を初期間隔（そしてＣ₀を初期キャパシタンス）、そしてｘを前記膜の変位とすると、次式となる。

【0055】

【数8】

【0056】

前記無線センサはマイクロ波信号で照らされ、前記アンテナは、Ｒ_aを前記アンテナの抵抗とすると、

【0057】

【数9】

【0058】

の最大電圧を生み出す電力Ｐ_r,transpを受取る。

【0059】

前記超音波は前記膜を作動させ、当該膜は、を最大振幅、ω_acを前記超音波の角速度とすると、

【0060】

【数10】

【0061】

で振動するものと仮想する。前記アンテナと前記マイクの間の共役整合（Ｒ_a＝Ｒ_m、ω_rfＬ＝１／（ω_rfＣ₀））を仮想すると、前記アンテナの抵抗を越える変調電圧、すなわち放射電圧は次式となる。

【0062】

【数11】

【0063】

対応する電力は次式となる。

【0064】

【数12】

【0065】

変調後と受信された電力の間の比率、すなわち変換効率は次式となる。

【0066】

【数13】

【0067】

式（３．４）と式（３．７）を式（３．８）に代入すると次式が得られる。

【0068】

【数14】

【0069】

電磁的検出距離
前記トランスポンダは、読取装置によって連続して電磁的に照らされる。

【0070】

前記トランスポンダによるその受信電力は、Ｐ_t,readerを前記読取装置の送信電力、
Ｇreaderを読取アンテナの増幅率、Ｇ_transpをトランスポンダアンテナの増幅率、λ_rfを電磁波長、そして、ｒ_rfを読取装置とトランスポンダ間の距離とすると、次式で与えられる。

【0071】

【数15】

【0072】

前記トランスポンダは受信信号を変調し、それを読取装置へとまき散らし返す。

【0073】

前記トランスポンダによる前記受信電力は、Ｅを前記トランスポンダの変調あるいは変換効率とすると、次式となる。

【0074】

【数16】

【0075】

式（３．１１）を検出距離について解くと、次式が得られる。

【0076】

【数17】

【0077】

式（３．９）を式（３．１２）に代入すると次式が得られる。

【0078】

【数18】

【0079】

追尾分解能と速度
前記追尾システムの距離分解能は、大気中の音速を

【数19】

とし、パルスの継続時間をτとすると、次式で与えられる超音波パルスの物理長に比例する。

【0080】

【数20】

【0081】

経験則として、前記パルスの継続時間は信号帯域幅Ｂに反比例する。したがって、前記距離分解能は次式で与えられ得る。

【0082】

【数21】

【0083】

例えば、前記距離分解能は１０ｋＨｚの帯域幅で、おおよそ３ｃｍとなる。その距離測定精度は、信号雑音比に依存するものよりも良いかもしれない。

【0084】

パルスの反復周波数はスピーカと前記ターゲットの間の距離Ｌによって次式のように制限を受ける。

【0085】

【数22】

【0086】

追尾測定周波数はまたスピーカの数Ｎによって制限を受け、次式で与えられる。

【0087】

【数23】

【0088】

例えば、最大距離がＬ＝３３ｍでスピーカの数がＮ＝１０のとき、位置再読込レートは１ｋＨｚ（１測定毎秒）となる。

【0089】

複数のターゲットの識別
複数のターゲットは、音響周波数の分割、電磁周波数の分割、あるいはその両方を用いて識別され得る。前記音響周波数の分割は、それぞれが異なる共振周波数を有するようにマイク要素を寸法決定することによって実現される。周波数の分割は、個別の読取システムを必要とするかもしれない、ひいては実行が困難であるかもしれない。

【0090】

３つの異なる電磁周波数帯域と３つの音響帯域の場合を想定すると、９つのトランスポンダを同時に追尾し識別することができる。

【0091】

実現可能な性能概算
実現可能な追尾範囲を概算してみよう。超音波周波数が４０ｋＨｚで、超音波源の音響出力が１ｍＷであると想定する。同等の性能の装置が非特許文献２１に記載されている。大気中の音響インピーダンスは４１０Ｎｓ／ｍ²である。

【0092】

大気中における４０ｋＨｚの音波長は８ｍｍである。前記膜の表面領域は４００×４００μｍで、間隔は２００μｍである。前記膜の厚さは１μｍで、その有効質量は０．３μｇである。マイク要素の初期キャパシタンスはＣ₀＝ε₀Ａ／ｇ₀＝１４ｆＦである。また、マイクの電気的品質係数は５ＧＨｚにおいて１００であり、当該電気的品質係数は２２Ωの直列抵抗をもたらす。超音波追尾システムの概算パラメータを表１に示す。前記トランスポンダの電気的変調効率はｒ_acの関数として図５ａに示される。図５ｂは前記トランスポンダのマイクロ波探知範囲を超音波領域の関数として示す。例えば、音響的距離が６ｍで、マイクロ波周波数が２ＧＨｚな場合、前記トランスポンダは６ｍの距離から探知可能である。

【0093】

【表1】

【0094】

スキャンレーザとマイクロ波トランスポンダによる追尾
このセクションでは、昆虫追尾のためのフォトダイオードベースのトランスポンダシステムを検討する。図６ａと図６ｂにしたがって、昆虫１は、走査レーザ１４によって作動する光感知トランスポンダ３を取り付けられ、当該走査レーザ１４は前記昆虫と前記トランスポンダ３を照らす。前記レーザ信号は変調され、前記トランスポンダ３を照らすときにマイクロ波周波数で変調後方散乱を引き起こす。

【0095】

前記変調レーザ信号はパルス（図６ａ）か連続（図６ｂ）のどちらかであってもよい。連続信号が使用される場合は、ターゲットの位置は、変調マイクロ波信号が探知された瞬間における、少なくとも２つのレーザビームの交点である。パルスレーダ信号が使用される場合は、ターゲットへの距離を時間遅延から求めることができ、単発のレーザビームで十分である。連続とパルスレーダの双方の追尾原理は図６ｂ（連続）と図６ａ（パルス）に示される。

【0096】

トランスポンダの光起電力応答
前記トランスポンダはアンテナに整合されるフォトダイオードからなる。トランスポンダの配置図は図７の上部に、図７の下部のその電気的等価回路と共に示される。

【0097】

フォトダイオードに取り込まれた光子はダイオード中に電子と正孔の対を生み出す。その手順は定電流源を使って説明でき、Ｒλを前記ダイオードの応答度（通常は〜０．５Ａ／Ｗ）とすると、当該定電流源の電流は、取り込まれた光のパワーＰ_Lの関数として次式で与えられる。

【0098】

【数24】

【0099】

ダイオード電流は、ηを理想係数、ｋ＝１．３８・１０^-23Ｊ／Ｋをボルツマン定数、Ｔを温度、ｅ＝１．６０・１０^-19Ｃを電気素量、Ｉ_satを飽和電流、そして、Ｖ_Dをダイオードの両端電圧とすると、次式で与えられる。

【0100】

【数25】

【0101】

シャント抵抗と負荷抵抗、Ｒ_shとＺ_L（図７）は極めて大きいものと想定する。
前記ダイオードに流れる電流は取り込まれた光によって生み出される電流に等しい、そして、ダイオードの両端電圧は次式のように表せる。

【0102】

【数26】

【0103】

前記電圧は接合抵抗とキャパシタンスの両方に影響を及ぼす。前記ダイオードの小信号接合抵抗は次式となる。

【0104】

【数27】

【0105】

前記接合キャパシタンスは、Φ_iを接合部位電位、γを空乏容量で、均一にドープされた接合では０．５とすると、次式で与えられる。

【0106】

【数28】

【0107】

電磁的探知距離
負荷から見た前記ダイオード（図７）のインピーダンスは次式となる。

【0108】

【数29】

【0109】

前記接合抵抗は比較的低い照射量においては極めて大きく、無限であると想定してもよい。例えば、ＢＰＶ１０フォトダイオードチップ（ビシェイ・セミコンダクターズ社製）の接合抵抗は暗状態で２５ＭΩ、１ｍＷ／ｃｍ²の照射下で５．８ｋΩである。加えて、前記シャント抵抗は一般的にＭΩ規模であり、無視することができる。

【0110】

式（４．６）は次式になる。

【0111】

【数30】

【0112】

前記ダイオードは変調光源に照らされ、その負荷インピーダンスは直流に対して無限大である。前記変調光は前記ダイオードの順方向バイアスを変え、接合キャパシタンスを変化させる。交流接合キャパシタンスは変調後方散乱を引き起こす。
前記トランスポンダの変換効率は、ΔＣ_j＝Ｃ_j,max−Ｃ_j0とすると、次式となる。

【0113】

【数31】

【0114】

前記トランスポンダのマイクロ波探知距離は式（３．１２）で与えられる。

【0115】

追尾分解能および速度
追尾分解能は前記走査レーザのビーム幅によって制限を受ける。実際には、前記レーザビーム幅はｍｍであってもよい。追尾速度は受信器の分解能帯域幅Ｂ_resに依存し、当該分解能帯域幅はレーザの変調周波数ｆ_mによって制限を受ける。Ｂ_res＜ｆ_m／１０であることが要求される場合、測定（再読込）レートはｆ_m／１０となる。例えば、追尾空間が１００００のセルに分割され、変調周波数が１ＭＨｚの２つのレーザが追尾に使用されることを想定することが、５Ｈｚの再読込レート（昆虫の位置が毎秒５回上書きされる）を生じさせる。

【0116】

複数のターゲットの識別
複数のターゲットは、光波長の分割、電磁周波数の分割、あるいはその両方を用いて識別され得る。光波長の分割は、異なる波長を感知する各フォトダイオードを使用して実現される。前記光波長の分割は、光フィルターを必要とするかもしれない、そして、３つの異なる波長帯域を可能にすることもあり得る。電磁周波数の分割は、異なる周波数に整合された各トランスポンダを使用して実現される。前記電磁周波数の分割もまた、識別可能なトランスポンダの数を９つにし得る、３つの異なる波長帯域を許容する。

【0117】

実現可能な性能概算
前記レーザの照射を１ｍＷ／ｃｍ²と想定する。この照射量は、通常の使用においては安全であるべきである。その安全性は、人の目により安全な１４０ｎｍ波長を使用することによって増大させることができる。

【0118】

前記トランスポンダは、ビシェイ・セミコンダクターズ社製のＢＰＶ１０フォトダイオードチップに基き得る。当該フォトダイオードチップのパラメータを表２に示す。

【0119】

【表2】

【0120】

照射の関数としての接合キャパシタンスを図８に示す。

【0121】

変調効率は背景照射量に依存する。異なる背景照射量における、前記トランスポンダのマイクロ波探知範囲を図９に示す。マイクロ波関連量の各パラメータは表１に示されるそれに等しい。例えば、前記トランスポンダは０．８ｍＷ／ｃｍ²の背景照射において１ＧＨｚで１０ｍの距離から探知し得る。オフィスにおける標準的な輝度レベルは５００ルクスであり、当該輝度レベルは、使用スペクトルに依存するおおよそ０．１ｍＷ／ｃｍ²の照射に相当する。

【0122】

異なる各照射量における１．５ＧＨｚでのダイオードのインピーダンスの実部と嘘部の測定値を算出曲線と共に図１０に示す。算出においては、ダイオードの理想係数をη＝１、接合外形パラメータをγ＝０．５と想定する。

【0123】

インピーダンスの算出値と測定値は十分に一致し、図７のフォトダイオードの単純モデルが無線光探知器を設計するために使用できることを示す。図１０はまた、比較的低い照射量において極めて強い変調が達成されることを示す。したがって、レーザ出力が１ｍＷに制限される、低出力なクラス１レーザスキャナでさえ、ターゲットの位置決めに使用さ
れ得る。

【0124】

前記トランスポンダの写真を図１１に示す。むき出しのダイオードチップの入手困難のため、本実験においてはパッケージ化されたフォトダイオードが使用される。低重量に最適化されたアンテナを伴うむき出しのフォトダイオードチップは軽量で小型のトランスポンダを可能にするだろう。例えば、１ｍｍ×１ｍｍ×０．５ｍｍサイズのシリコンダイオードチップはおおよそ０．５ｍｇの重さである。同様に、ループアンテナは直径０．１ｍｍの銅線で製造され、集中素子なしでダイオードに直接整合され得る。測定に使用されるループサイズと等しいループサイズのそのようなアンテナは、非特許文献９の標準的な高調波レーダトランスポンダ（３ｍｇ）の重量に匹敵するトランスポンダ重量を提供する３ｍｇの重さである。また、トランスポンダのサイズと重量の減少は、測定のためにより高いマイクロ波の各周波数を使用することによって達成され得る。しかしながら、これはより小さい効果的なフォトダイオード領域ひいてはより強いレーザ照射を必要とする。

【0125】

図１２は、０．１ｍＷ／ｃｍ²程度の低さの照射量において十分な変調が起きることを示す。パッケージ化されたフォトダイオードの代わりにむき出しのダイオードチップを使用する場合、照射量は２０倍高いべきであり、クラス１レーザ（出力１ｍＷ）がサイズで
７×７ｍｍまでのスポットを生み出すために使用されることもあり得る。また、１ｋHzの走査レート（市販のスキャナとして標準的である）のレーザスキャナが７×７ｍｍのスポットで使用されると想定すれば、０．５ｍｍ²の領域が１秒でスキャンされることもあり得る。

【0126】

要約すると、本発明は対象物を位置特定するための方法およびシステムに関する。前記方法において、対象物１、主として昆虫は少なくとも一つの第１のタイプの信号で照らされ、前記信号の反応を探知する。前記対象物１は前記第１のタイプの信号を後方散乱するトランスポンダ２，３を取り付けられる。前記トランスポンダ２，３は、前記トランスポンダ２，３の後方散乱周波数に影響を与える第２のタイプの信号でも照らされる。そして、前記トランスポンダ２，３からの後方散乱信号は対象物を位置特定するために探知される。

【0127】

本発明の好適な解決策においては、前記トランスポンダ２，３は第２のタイプの信号としての超音波かまたは光で照らされる。

【0128】

本発明の別の好適な解決策においては、前記第１のタイプの信号はマイクロ波信号である。

【0129】

本発明の別の好適な解決策においては、少なくとも原則的に継続する信号が多数の送信器と共に第２のタイプの照射に使用される。

【0130】

本発明の別の好適な解決策においては、パルス信号源１４’が第２のタイプの照射に使用される。

【0131】

本発明の別の好適な解決策においては、前記方法は昆虫の位置特定あるいは追尾に使用される。

【0132】

本発明の別の好適な解決策においては、前記方法は人の位置特定あるいは追尾に使用される。

【0133】

本発明の別の好適な解決策においては、前記方法は車両の位置特定あるいは追尾に使用される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5a】

【図5b】

【図6a】

【図6b】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】