JP2004012367A

JP2004012367A - Range-finding system and range-finding device using microwave

Info

Publication number: JP2004012367A
Application number: JP2002168424A
Authority: JP
Inventors: Kazusuke Yanagisawa; 柳沢　和介
Original assignee: Yokowo Co Ltd; Yokowo Mfg Co Ltd
Current assignee: Yokowo Co Ltd
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microwave range-finding system and its device capable of measuring the distance accurately by using the microwave even in the case of a short-distance object. <P>SOLUTION: When specifying the position of the object by transmitting the microwave and by detecting a reflected wave reflected by the object 15, transmission signals having at least two frequencies are transmitted from a transmission antenna 3, and the phase of each reflected wave is detected, to thereby measure the distance from the transmission/reception antenna 3, 4 to the object. In this case, assuming that the distance L to the object 15 is n×λ/2+▵L (0≤▵L<λ/2), the two frequencies are set so as to have a relation wherein n's in respective frequencies are equal or different by one. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近距離の物体でもマイクロ波によりその物体までの距離を測定し、物体の位置を特定することができるマイクロ波を用いた測距方式およびその装置に関する。さらに詳しくは、マイクロ波を用いながら、近距離の対象物により反射して戻る電波を少なくとも２つの周波数で位相の変化を検出することにより、その対象物の位置を特定するマイクロ波測距方式およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に測距を行う方法としては、超音波方式またはマイクロ波方式が実用化されており、超音波方式は比較的近距離の測距に、マイクロ波は遠距離の測距を行う場合に利用されている。また、近年では、上記方式の他に光学的な方法も実用化されている。
【０００３】
これらの方式において、超音波方式で測距を行わんとすると、音波の伝搬媒体は空気であるため、風などにより超音波の伝搬スピードに変化が生じ、周囲の環境が誤差要因となり、高精度の測距には不向きであるという問題がある。
【０００４】
また、マイクロ波方式では、電波の伝搬速度が早いため、対象物によりマイクロ波が反射して戻る時間を測定して距離を求める従来のパルスレーダ方式では、近距離を測定するには高速パルスと微小時間の測定を必要とし、また、ＦＭ−ＣＷ方式でも、さらに変調帯域幅（ＦＭ帯域幅）を極めて大きくとる必要があり、従来のマイクロ波方式では、近距離の測距を高精度に行うことはできない。光方式の場合も、その伝搬速度が早く、電波（マイクロ波）と同じ技術的問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、対象物の位置を正確に把握するために、マイクロ波を用いたレーダ方式（ｒａｄｉｏ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒａｎｇｉｎｇ）は、近距離の対象物の位置測定には不向きであり、他の超音波方式などでも、周囲環境により変化を受けやすく、正確には測定できないという問題がある。
【０００６】
一方、近年では、ロボットの発達などに伴い、ロボット前方の障害物の検出など、０．３〜１０ｍという近距離を、数ｃｍ程度の精度で正確に測定することが要求されてきている。さらに、たとえば風呂場などで老人などに事故が起きていないかを監視したり、トイレの自動水洗などで、人間の使用の有無をチェックするのにマイクロ波により監視することができれば非常に都合がよい。すなわち、これらのセンサとしては、赤外線を利用したセンサ（光検出器）が用いられているが、風呂場などでは、赤外線などの光では、蒸気などにより誤認しやすいし、トイレの人間検知では、センサが目の前にあるためセンサ部分にいたずらをされたり、人によっては隠しカメラで撮影されるというような不愉快な感覚をもつ人もあり、人間からは見えないように壁の背面に取り付けることが好ましいからである。この場合、マイクロ波ドップラセンサを利用することも考えられるが、マイクロ波ドップラセンサでは、検知範囲が広く遠くでも検知するし、人が静止した場合にはドップラセンサは機能しないため、トイレの自動洗浄のセンサには使用できない。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、近距離の物体でも、マイクロ波を用いて、正確にその距離を測定することができるマイクロ波測距方式およびその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるマイクロ波を用いた測距方式は、マイクロ波を送信し、対象物により反射した反射波を検出することにより、該対象物の位置を特定する測距方式であって、少なくとも２つの周波数の送信信号を用い、該少なくとも２つの周波数は、前記対象物までの距離をＬ＝ｎ・λ／２＋ΔＬ（ただし、λは送信波の波長、ｎは０または正の整数、０≦ΔＬ＜λ／２）として、ｎが等しいか１異なるように設定され、該少なくとも２つの周波数におけるそれぞれの反射波の位相を検出することにより、該対象物までの距離を測定することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、従来のマイクロ波を用いて、対象物により反射して戻ってくる反射波によりその時間を検出して距離を計算するレーダ方式と異なり、反射波の位相を検出することにより、その距離を計算しているため、０．３〜１０ｍというような非常に近距離を測定する場合でも、高速のパルスを形成したり、微小時間（非常に短い時間）を測定する必要がないため、信号処理が簡単であると共に、正確に測定することができる。この場合、１つの反射波だけでは、その位相は１／２波長の距離でリセットされるため測定することができないが、測定距離までの１／２波長の整数倍の数が同じか１異なるような関係の少なくとも２つの周波数の信号によりそれぞれの位相を検出することにより、両者の位相とマイクロ波の波長からその距離を計算することができる。
【００１０】
前記少なくとも２つの周波数の送信信号を電子同調可能な発振器を用いることにより、１個の発振器により交互に切り替えて送信すれば、２以上の周波数で対象物までの位相を検出することができ、従来と同様の簡単な回路構成で近距離の正確な位置を測定することができる。
【００１１】
前記少なくとも２つの周波数の反射波をそれぞれ局部発振器の信号と混合することにより中間周波信号を生成し、該中間周波信号の周波数を共に基準発振器の発振周波数に合せて前記反射波の位相の検出を行えば、１つの基準発振器を用いながら、２以上の周波数の位相を正確に測定することができる。
【００１２】
前記少なくとも２つの周波数の反射波をそれぞれ局部発振器の信号と混合することによりそれぞれの第１の中間周波信号を生成し、前記少なくとも２つの周波数の送信するマイクロ波の一部と前記局部発振器の信号と混合することによりそれぞれの第２の中間周波信号を生成し、前記第１の中間周波信号と第２の中間周波信号とを比較することにより、それぞれの反射波の位相の検出を行うこともできる。この場合、同じ周波数で、位相情報を有する信号と有しない信号とを比較することができるため、基準発振器を用いてＰＬＬ回路を形成しなくても、正確に受信信号の位相を検出することができる。
【００１３】
本発明によるマイクロ波測距装置は、電子同調が可能で少なくとも２つの周波数で発振するマイクロ波発振器と、該マイクロ波発振器の出力を送信する送信アンテナと、該送信アンテナにより送信された送信信号が対象物により反射した電波を受信する受信アンテナと、中間周波信号を生成するための電子同調が可能な局部発振器と、該局部発振器の信号と前記受信アンテナにより受信した受信信号とを混合する混合器と、該混合器より出力される中間周波信号の位相を検出する位相検出器とからなっている。
【００１４】
基準発振器と、該基準発振器の信号と前記混合器の出力との位相を比較する位相比較器とが設けられ、前記混合器の出力の中間周波信号の周波数が前記基準発振器の周波数と同じになるように前記位相比較器の出力を前記局部発振器にフィードバックするＰＬＬ回路が形成され、前記中間周波信号の位相を、前記基準発振器の位相を基準として前記位相検出器により検出する構成にすれば、少なくとも２つの受信信号の位相を正確に測定することができる。
【００１５】
ここに基準発振器とは、たとえば水晶発振器のように、経時変化を殆ど生じないで常に一定の周波数で発振し続ける発振器を意味する。
【００１６】
前記混合器および中間周波信号をそれぞれ第１の混合器、第１の中間周波信号とし、前記マイクロ波発振器の出力の一部を分配する第１のパワーデバイダと、前記局部発振器の出力の一部を分配する第２のパワーデバイダと、前記マイクロ波発振器の出力の一部と前記局部発振器の出力の一部とを混合する第２の混合器とがさらに設けられ、前記中間周波信号の位相を、前記第２の混合器の出力である第２の中間周波信号の位相を基準として前記位相検出器により検出する構成にすれば、基準発振器を設けてＰＬＬ回路を構成することなく、受信信号の位相を正確に検出することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明のマイクロ波を用いた測距方式およびその装置について説明をする。本発明によるマイクロ波測距装置は、図１にその一実施形態の構成例がブロック図で示されるように、電子同調が可能で少なくとも２つの周波数で発振するマイクロ波発振器１（ＶＣＯ１）の出力を送信アンテナ３により送信し、送信アンテナ３により送信された送信信号が対象物１５により反射した電波を受信アンテナ４により受信し、電子同調が可能な局部発振器５（ＶＣＯ２）からの信号と第１の混合器７（ＭＩＸ１）で混合して第１の中間周波信号ＩＦ１を生成し、その第１の中間周波信号ＩＦ１の位相を位相検出器８（ＰＣ１）により検出する構成になっている。
【００１８】
図１に示される例では、マイクロ波発振器１の出力の一部と局部発振器５の出力の一部とを混合して第２の中間周波信号ＩＦ２を生成する第２の混合器９（ＭＩＸ２）が設けられ、水晶発振器のような基準発振器１０の信号と第２の混合器９の出力である第２の中間周波信号ＩＦ２とを、位相比較器１２（ＰＣ２）により比較して同じ周波数になるように局部発振器５の発振周波数を制御するＰＬＬ回路が形成されている。その結果、マイクロ波発振器１の送信信号（すなわち受信信号）と局部発振器５の信号との第１および第２の中間周波信号ＩＦ１およびＩＦ２の周波数が基準発振器１０の発振周波数と同じになり、基準発振器１０の位相を基準にして第１の中間周波信号ＩＦ１の位相を検出し得る構成になっている。
【００１９】
マイクロ波発振器１は、ＶＣＯ（ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）などの電子的にチューニングすることができる発振器が用いられ、１個の発振器により２以上の周波数で発振し、それぞれの周波数の信号が送信アンテナ３より送信されるようになっている。しかし、固定周波数で発振する発振器を２以上設けて、それぞれからの信号を送信アンテナ３より送信させることもできる。局部発振器５も、マイクロ波発振器１と同様のＶＣＯなどの電子的にチューニングすることができる発振器が用いられる。
【００２０】
受信アンテナ４により受信した信号を局部発振器５の信号と第１の混合器７により混合して第１の中間周波信号ＩＦ１を生成し、その中間周波信号を基準発振器１０の位相を基準にして中間周波信号ＩＦ１の位相を検出する信号処理は従来の位相検出処理と同じであるが、図１に示される例では、２以上の周波数で発振するマイクロ波発振器１の発振周波数と局部発振器５の発振周波数とをそれぞれ同期させるため、マイクロ波発振器１の発振出力が第１のパワーデバイダ２（Ｐ／Ｄ）により分岐して、送信アンテナ３と第２の混合器９に送られるように構成され、局部発振器５の出力も第２のパワーデバイダ６により分岐して、第１の混合器７（ＭＩＸ１）と第２の混合器９（ＭＩＸ２）にそれぞれ入力されるように構成されている。
【００２１】
第２の混合器９の出力である第２の中間周波信号ＩＦ２は、基準発振器とする水晶発振器１０の信号と位相比較器１２（ＰＣ２）により比較し、両者の周波数、すなわち第２中間周波信号ＩＦ２の周波数と水晶発振器１０の発振周波数とが一致するように局部発振器５の発振周波数を制御するＰＬＬ回路が形成されている。その結果、マイクロ波発振器１の発振周波数と局部発振器５の発振周波数との差が水晶発振器１０の発振周波数と一致するように、マイクロ波発振器１の発振周波数が変っても、その都度局部発振器５の発振周波数が調整される。対象物により反射して戻ってくる受信信号も同じ周波数であるため、第１の混合器７で生成される第１の中間周波数も基準発振器１０の発振周波数と同じになる。しかし、第２の混合器９の出力である第２の中間周波信号ＩＦ２は、送信前の信号であるため、対象物までの距離の情報は入っていないが、第１の中間周波信号ＩＦ１は、反射波であるため、対象物までの距離に関係する位相情報を含んでおり、両者の位相は異なる。
【００２２】
たとえばマイクロ波発振器１の発振周波数を１０．５２５ＧＨｚとし、局部発振器５の発振周波数を１０．５１５ＧＨｚと設定しておき、基準発振器である水晶発振器１０の発振周波数として１０ＭＨｚのものを使用している場合、それぞれがそのままの周波数を維持すれば中間周波信号の周波数は１０ＭＨｚで、水晶発振器１０の発振周波数と同じになる。しかし、水晶発振器１０の発振周波数は温度などの周囲環境が変ってもその発振周波数は殆ど変化しないが、マイクロ波発振器１や局部発振器５は、周囲温度や動作時間によりその周波数が変動する。そこで、たとえば、両者の差である中間周波信号の周波数が、９ＭＨｚになった場合、水晶発振器１０の発振周波数に対して１ＭＨｚ低いため、位相比較器１２は局部発振器５の発振周波数を下げるように制御する。その結果、中間周波信号の周波数は高くなり、この関係が逆転すれば局部発振器５の発振周波数を高くするように制御し、ＰＬＬは、この動作を繰り返すことにより中間周波信号の周波数を水晶発振器１０の周波数と一致させる。
【００２３】
この関係は、マイクロ波発振器１の発振周波数を、異なる周波数である、たとえば１０．５１５ＧＨｚで発振させる場合には、局部発振器５の発振周波数を１０．５０５ＧＨｚになるように調整し、いずれの周波数で発振させる場合にも、中間周波信号は、常に水晶発振器１０の発振周波数と同じ周波数になるように調整される。その結果、受信アンテナ４により受信した受信信号と局部発振器５の信号とを第１の混合器７で混合して生成される第１中間周波信号ＩＦ１も、常に水晶発振器１０の発振周波数と同じ周波数で得られる。しかし、マイクロ波発振器１の発振周波数を変えた場合に、必ずしも中間周波信号の周波数を１０ＭＨｚに合せる必要はなく、別々の基準発振器の発振周波数に合せて中間周波信号の周波数が異なっても構わない。また、後述するように、それぞれの中間周波信号の周波数を、基準発振器の一定周波数に合せなくても、位相を検出することができる。
【００２４】
この第１の混合器７の出力である第１中間周波信号ＩＦ１は、中間周波増幅器１３を経て、位相検出器８（ＰＣ１）に水晶発振器１０の信号と共に入力され、水晶発振器１０の信号の位相を基準として検出する構成になっている。この位相検出器８は、一般的な位相検出用ＩＣを使用することができる。その結果、中間周波信号の位相変化、すなわち対象物により反射した反射波の位相を検出することができる。そして、マイクロ波発振器１の発振周波数を変化させると、その発振周波数における受信信号の位相を検出することができる。この２以上の周波数における位相を検出し、その出力を信号処理回路に送り、信号処理することにより、後述するように、送受信アンテナ３、４と対象物１５との距離Ｌを求めることができる。なお、水晶発振器１０の信号は、前述のＰＬＬ回路を構成するための信号とこの位相検出のための基準信号として使用するため、第３のパワーデバイダ１１により分岐されている。
【００２５】
つぎに、２以上の周波数でマイクロ波発振器１を発振させて、それぞれの周波数における対象物１５により反射する受信信号の位相を検出することにより、対象物１５までの距離Ｌを検出することができる理由について説明をする。
【００２６】
送受信アンテナ３、４により送受信される送信電力をＰ_ｔ、受信電力をＰ_ｒとすると、それぞれつぎにように表される。
Ｐ_ｔ＝Ａ_ｔｓｉｎωｔ　　　　　　　　　（１）
Ｐ_ｒ＝Ａ_ｒｓｉｎ（ωｔ＋２βＬ）　　　（２）
ここで、Ａ_ｔは送信電圧振幅、Ａ_ｒは受信電圧振幅、β＝２π／λ、λはマイクロ波信号の波長、Ｌは送受信アンテナ３、４と対象物１５との距離をそれぞれ示す。このＬは、マイクロ波の波長を用いてあらわすと、（３）式のようになる。
Ｌ＝ｎ・λ／２＋ΔＬ　（３）　但し、０≦ΔＬ＜λ／２、ｎは０または整数。
【００２７】
（２）式と（３）式とを整理すると（４）式となる。
Ｐ_ｒ＝Ａ_ｒｓｉｎ｛ωｔ＋２πｎ＋（４π／λ）・ΔＬ｝
＝Ａ_ｒｓｉｎ｛ωｔ＋（４π／λ）・ΔＬ｝
＝Ａ_ｒｓｉｎ｛ωｔ＋２π（２Ｌ／λ−ｎ）｝　　　（４）
（４）式におけるωを２つの周波数、すなわちω_１、ω_２に対応する波長をλ_１、λ_２とし、（４）式における位相量のみをθ_１、θ_２とすると、
θ_１＝２π（２Ｌ／λ_１−ｎ_１）　　　（５）
θ_２＝２π（２Ｌ／λ_２−ｎ_２）　　　（６）
この（５）、（６）式において、θ_１およびθ_２は測定可能量、λ_１およびλ_２は既知量であるが、ｎ_１およびｎ_２は不確定量で、Ｌが測定対象量であるため、２つの方程式で、未知数が３となり、Ｌが求まらない。
【００２８】
しかしながら、現在目的としているのは、近距離のレーダであるため、ｎ_１とｎ_２とに制約を加えることができ、ｎ_１＝ｎ_２またはｎ_１＝ｎ_２＋１となるように２つの信号の発振周波数を設定することができる。そうすることにより、式（５）および（６）から、Ｌを求めることができる。なお、ｎ_１＝ｎ_２またはｎ_１＝ｎ_２＋１となるように２つの信号の発振周波数を設定するには、２つの発振周波数を近くすることにより得られる。たとえば２つの発振周波数を１０．５２５ＧＨｚ（λ_１＝２．８５ｃｍ）と１０．５１５ＧＨｚ（λ_２＝２．８５３ｃｍ）とした場合に、対象物までの距離Ｌ_１＝０．３ｍ、Ｌ_２＝３ｍ、Ｌ_３＝１０ｍのときのｎ_１、ｎ_２およびΔＬを計算すると、表１のようになり、どの距離においても、前述のｎ_１とｎ_２との関係を満たすことができる。なお、短い距離を専用に測定する場合には、さらに周波数差を大きくすることができることは言うまでもない。なお、表１で、添字とは、λ、ｎ、ΔＬなどの添字（たとえばλ_１の１）を意味する。
【００２９】
【表１】

【００３０】
この場合、θ_１＞θ_２、すなわちΔＬ_１＞ΔＬ_２であれば、ｎ_１＝ｎ_２であり、θ_１＜θ_２、すなわちΔＬ_１＜ΔＬ_２であれば、ｎ_１＝ｎ_２＋１となる。したがって、このような２つの発振周波数で、それぞれの反射波の位相θ_１およびθ_２を検出することにより、式（５）および（６）から、Ｌおよびｎ_１（ｎ_２）を求めることができる。すなわち、図１に示される構成で、λ_１とλ_２の２つの周波数を用いて、θ_１とθ_２とを測定することにより、後は信号処理回路で演算処理をすることにより、送受信アンテナ３、４と対象物との近い距離Ｌを検出することができる。
【００３１】
以上の説明から明らかなように、本発明によるマイクロ波を用いた測距方式は、マイクロ波を送信し、対象物１５により反射した反射波を検出することにより、対象物の位置を特定する場合に、少なくとも２つの周波数の送信信号を用い、その２つの周波数は、対象物１５までの距離が１／２波長の整数倍の数が等しいか１異なるように設定され、その少なくとも２つの周波数におけるそれぞれの反射波の位相を検出することにより、対象物までの距離を測定するものである。
【００３２】
上記例では、周波数が２つの場合について説明をしたが、３以上の周波数で行うことにより、２以上の検出した位相の平均化を測ることができ、より位相を正確に検出することができるため、信頼性を向上させることができる。
【００３３】
前述の図１に示される例では、マイクロ波発振器１により発振する信号と、局部発振器５により発振する信号とを第２混合器９で混合して、その中間周波信号の周波数が水晶発振器１０の発振周波数と同じになるようにＰＬＬ回路を形成したが、図２にブロック図が示されるように、混合器７により生成した中間周波信号ＩＦを直接位相比較器１２により水晶発振器１０の発振周波数と比較して、両者の周波数が等しくなるように局部発振器５の発振周波数を調整するＰＬＬ回路を形成しても、マイクロ波発振器１の発振周波数を変えれば、その変えた周波数に対して受信信号から得られる中間周波信号も、その都度水晶発振器１０の発振周波数と等しくなるように局部発振器５の発振周波数が調整される。なおこの場合、第２の混合器および各パワーデバイダは不要となる。
【００３４】
さらに、このような水晶発振器（基準発振器）１０と位相比較器１２からなるＰＬＬ回路を形成しないで、同じ周波数で、位相情報を含む信号と位相情報を含まない信号とを比較することによっても、対象物の位置による位相の変化を位相検出器８により直接検出することもできる。この構成例が図３に示されている。すなわち、図３に示される回路は、図１の水晶発振器１０とＰＬＬ回路を構成する位相比較器１２とが削除されたもので、後は図１に示される構成と同じであり、その説明を省略する。
【００３５】
この構成にしても、第２の混合器９の出力である第２の中間周波信号ＩＦ２は、送信前のマイクロ波信号に基づくもので、対象物の位置とは関係ない信号の中間周波信号であり、第１の混合器７の出力である第１の中間周波信号ＩＦ１は、対象物により反射した受信信号の中間周波信号であるため、対象物までの距離に依存する位相情報を含んでいる。一方、送信前の信号も対象物により反射して受信される信号も同じ発振器を使用してしているため、同じ周波数であり、局部発振器５も同じ発振器であるため、第１および第２の中間周波信号は同じ周波数になる。すなわち温度による周波数ドリフトなどがあっても、そのドリフトは第１および第２の中間周波信号に同じように変化するため、第１および第２の中間周波信号ＩＦ１、ＩＦ２の周波数は同じになる。その結果、同じ周波数の中間周波信号で、一方のみ位相が変化するため、第２の中間周波信号ＩＦ２を基準として、第１の中間周波信号ＩＦ１の位相変化を位相検出器８により検出することができる。
【００３６】
前述の各例では、マイクロ波発振器１を電子同調可能な発振器を用いて、発振周波数を変化させる例であったが、固定発振器で別々の発振器として用いることもできる。
【００３７】
以上のように、本発明によれば、近距離の位置を測定するのに、送受信アンテナから対象物までの距離に対して、λ（波長）／２の整数倍が等しいか１だけ異なるような２以上の周波数で発振させて、それぞれの反射波の位相を検出しているため、その発振波長（λ）と検出した位相とから、対象物までの距離Ｌを測定することができる。その結果、近距離のための非常に小さい反射時間を検出する必要がなく、近距離でもマイクロ波により非常に正確に測定することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、３０ｃｍ〜１０ｍ程度の非常に近距離でもマイクロ波を用いながら、正確にその対象物までの距離を測定することができる。その結果、ロボットのセンサとして非常に有効であり、風呂場などの湯気の影響を受けやすい場所や、風などで超音波測定に影響を受けやすい場所などでも正確にその距離を測定することができると共に、トイレの自動洗浄のセンサなどにも壁の裏に設置して、人間の目に触れない状態で人の使用の有無などを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロ波を用いた測距装置の一実施形態を示す構成図である。
【図２】図１の簡略化した構成例を示すブロック図である。
【図３】図１の簡略化した構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　　マイクロ波発振器
３　　送信アンテナ
４　　受信アンテナ
５　　局部発振器
７　　第１の混合器
８　　位相検出器
９　　第２の混合器
１０　　水晶発振器
１２　　位相比較器
１５　　対象物[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a distance measuring method using microwaves, which can measure a distance to an object at a short distance by using a microwave and specify a position of the object, and a device therefor. More specifically, a microwave ranging method for identifying a position of an object by detecting a change in phase of at least two frequencies of a radio wave reflected and returned by an object in a short distance while using a microwave, and Regarding the device.
[0002]
[Prior art]
In general, as a method of performing distance measurement, an ultrasonic method or a microwave method has been put into practical use.The ultrasonic method is used for relatively short distance measurement, and the microwave is used for long distance measurement. It's being used. In recent years, optical methods other than the above methods have been put to practical use.
[0003]
In these systems, if the distance measurement is to be performed by the ultrasonic method, the propagation medium of the sound wave is air, and the propagation speed of the ultrasonic wave changes due to wind, etc., and the surrounding environment becomes an error factor. There is a problem that it is not suitable for distance measurement.
[0004]
In the microwave system, since the propagation speed of radio waves is high, the conventional pulse radar system that measures the time required for the microwave to reflect and return from the object to determine the distance uses a high-speed pulse to measure a short distance. The measurement of a very short time is required, and the modulation bandwidth (FM bandwidth) also needs to be extremely large in the FM-CW method. In the conventional microwave method, short-distance ranging is performed with high accuracy. It is not possible. The optical system also has a high propagation speed and has the same technical problems as radio waves (microwaves).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in order to accurately grasp the position of an object, a radar method using microwaves (radio detection and ranging) is not suitable for measuring the position of an object at a short distance, and other ultrasonic waves. Even in the method, there is a problem that the measurement is easily affected by the surrounding environment and the measurement cannot be performed accurately.
[0006]
On the other hand, in recent years, with the development of robots, it has been required to accurately measure a short distance of 0.3 to 10 m with an accuracy of about several cm, such as detecting an obstacle in front of the robot. Furthermore, it would be very convenient to be able to monitor the elderly, for example, for accidents in bathrooms, etc., and to monitor by microwaves to check for the use of humans, such as in automatic flushing of toilets. Good. That is, sensors (light detectors) using infrared light are used as these sensors, but in a bathroom or the like, light such as infrared light is easily misidentified due to steam or the like. Since the sensor is in front of you, the sensor part is tampered with, or some people have a disagreeable feeling that they are taken with a hidden camera, so it should be mounted on the back of the wall so that it can not be seen by humans Is preferred. In this case, it is conceivable to use a microwave Doppler sensor.However, a microwave Doppler sensor can detect a wide range of detection even if it is far away, and when a person is stationary, the Doppler sensor does not function. It cannot be used for sensors.
[0007]
The present invention has been made in view of such a situation, and provides a microwave ranging method and a device capable of accurately measuring the distance of a short-distance object using a microwave. With the goal.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The ranging method using a microwave according to the present invention is a ranging method that specifies a position of an object by transmitting a microwave and detecting a reflected wave reflected by the object. Using a transmission signal of a frequency, the at least two frequencies indicate the distance to the object by L = n · λ / 2 + ΔL (where λ is the wavelength of the transmission wave, n is 0 or a positive integer, and 0 ≦ ΔL < [lambda] / 2), n is set to be equal or different from each other, and the distance to the object is measured by detecting the phase of each reflected wave at the at least two frequencies.
[0009]
According to the present invention, unlike the conventional radar system in which the distance is calculated by detecting the time by the reflected wave reflected by the object and returning by using the microwave, the phase of the reflected wave is detected. Since the distance is calculated, there is no need to form a high-speed pulse or measure a very short time (very short time) even when measuring a very short distance such as 0.3 to 10 m. Therefore, signal processing is simple and accurate measurement can be performed. In this case, it is impossible to measure the phase of only one reflected wave because the phase is reset at a distance of 1/2 wavelength, but the number of integral multiples of 1/2 wavelength up to the measurement distance is the same or different. By detecting the respective phases using signals of at least two frequencies having the above relationship, the distance can be calculated from the phases of the two and the wavelength of the microwave.
[0010]
By using the electronically tunable oscillator to transmit the transmission signals of the at least two frequencies and transmitting the signals alternately by one oscillator, it is possible to detect the phase up to the object at two or more frequencies. With a simple circuit configuration similar to that described above, it is possible to measure an accurate position at a short distance.
[0011]
An intermediate frequency signal is generated by mixing the reflected waves of the at least two frequencies with the signal of the local oscillator, and the frequency of the intermediate frequency signal is also adjusted to the oscillation frequency of the reference oscillator to detect the phase of the reflected wave. If it is performed, the phase of two or more frequencies can be accurately measured while using one reference oscillator.
[0012]
Generating respective first intermediate frequency signals by mixing the reflected waves of the at least two frequencies with the signals of the local oscillator, respectively, and transmitting a part of the microwaves of the at least two frequencies and the signal of the local oscillator; To generate respective second intermediate frequency signals by mixing the first intermediate frequency signal with the second intermediate frequency signal, thereby detecting the phase of each reflected wave. it can. In this case, since the signal having the phase information and the signal having no phase information can be compared at the same frequency, the phase of the received signal can be accurately detected without forming the PLL circuit using the reference oscillator. it can.
[0013]
A microwave ranging device according to the present invention includes a microwave oscillator capable of electronic tuning and oscillating at at least two frequencies, a transmission antenna transmitting an output of the microwave oscillator, and a transmission signal transmitted by the transmission antenna. A receiving antenna for receiving a radio wave reflected by an object, an electronically tunable local oscillator for generating an intermediate frequency signal, and a mixer for mixing the signal of the local oscillator with the received signal received by the receiving antenna And a phase detector for detecting the phase of the intermediate frequency signal output from the mixer.
[0014]
A reference oscillator and a phase comparator for comparing the phase of the signal of the reference oscillator and the output of the mixer are provided, and the frequency of the intermediate frequency signal at the output of the mixer becomes the same as the frequency of the reference oscillator. A PLL circuit that feedbacks the output of the phase comparator to the local oscillator is formed, and the phase of the intermediate frequency signal is detected by the phase detector with reference to the phase of the reference oscillator. The phases of the two received signals can be accurately measured.
[0015]
Here, the reference oscillator means an oscillator, such as a crystal oscillator, which oscillates at a constant frequency with almost no change over time.
[0016]
A first power divider for distributing a part of the output of the microwave oscillator, wherein the mixer and the intermediate frequency signal are a first mixer and a first intermediate frequency signal, respectively, and a part of an output of the local oscillator; And a second mixer that mixes a part of the output of the microwave oscillator and a part of the output of the local oscillator, and further adjusts the phase of the intermediate frequency signal. If the phase detector detects the phase of the second intermediate frequency signal output from the second mixer, the phase of the received signal can be reduced without providing a reference oscillator and configuring a PLL circuit. The phase can be accurately detected.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, a description will be given of a distance measuring method using a microwave and an apparatus therefor according to the present invention with reference to the drawings. As shown in a block diagram in FIG. 1 of a configuration example of one embodiment of the microwave distance measuring apparatus according to the present invention, the output of a microwave oscillator 1 (VCO1) capable of electronic tuning and oscillating at at least two frequencies. Is transmitted by the transmission antenna 3, the transmission signal transmitted by the transmission antenna 3 is reflected by the object 15, the radio wave is received by the reception antenna 4, and the signal from the local oscillator 5 (VCO 2) capable of electronic tuning is combined with the first signal. The mixer 7 (MIX1) generates a first intermediate frequency signal IF1, and the phase of the first intermediate frequency signal IF1 is detected by a phase detector 8 (PC1).
[0018]
In the example shown in FIG. 1, a second mixer 9 (MIX2) for mixing a part of the output of the microwave oscillator 1 and a part of the output of the local oscillator 5 to generate a second intermediate frequency signal IF2. The signal of the reference oscillator 10 such as a crystal oscillator and the second intermediate frequency signal IF2 which is the output of the second mixer 9 are compared by the phase comparator 12 (PC2) to have the same frequency. Thus, a PLL circuit for controlling the oscillation frequency of the local oscillator 5 is formed. As a result, the frequencies of the first and second intermediate frequency signals IF1 and IF2 of the transmission signal (ie, the reception signal) of the microwave oscillator 1 and the signal of the local oscillator 5 become the same as the oscillation frequency of the reference oscillator 10, and The configuration is such that the phase of the first intermediate frequency signal IF1 can be detected with reference to the phase of the oscillator 10.
[0019]
As the microwave oscillator 1, an oscillator that can be electronically tuned such as a VCO (Voltage Controlled Oscillator) is used. One oscillator oscillates at two or more frequencies, and a signal of each frequency is transmitted from the transmitting antenna 3. It is to be sent. However, it is also possible to provide two or more oscillators that oscillate at a fixed frequency and transmit signals from each of them to the transmitting antenna 3. As the local oscillator 5, an oscillator that can be electronically tuned, such as a VCO similar to the microwave oscillator 1, is used.
[0020]
The signal received by the receiving antenna 4 is mixed with the signal of the local oscillator 5 by the first mixer 7 to generate a first intermediate frequency signal IF1. The signal processing for detecting the phase of the frequency signal IF1 is the same as the conventional phase detection processing, but in the example shown in FIG. 1, the oscillation frequency of the microwave oscillator 1 oscillating at two or more frequencies and the oscillation of the local oscillator 5 In order to synchronize the respective frequencies, the oscillation output of the microwave oscillator 1 is branched by the first power divider 2 (P / D) and sent to the transmission antenna 3 and the second mixer 9, The output of the local oscillator 5 is also branched by the second power divider 6 and input to the first mixer 7 (MIX1) and the second mixer 9 (MIX2).
[0021]
A second intermediate frequency signal IF2, which is an output of the second mixer 9, is compared with a signal of a crystal oscillator 10 serving as a reference oscillator by a phase comparator 12 (PC2), and both frequencies, that is, a second intermediate frequency signal A PLL circuit for controlling the oscillation frequency of the local oscillator 5 is formed so that the frequency of the IF 2 matches the oscillation frequency of the crystal oscillator 10. As a result, even if the oscillation frequency of the microwave oscillator 1 changes so that the difference between the oscillation frequency of the microwave oscillator 1 and the oscillation frequency of the local oscillator 5 matches the oscillation frequency of the crystal oscillator 10, the local oscillator 5 Is adjusted. Since the received signal reflected back by the object has the same frequency, the first intermediate frequency generated by the first mixer 7 is also the same as the oscillation frequency of the reference oscillator 10. However, since the second intermediate frequency signal IF2 output from the second mixer 9 is a signal before transmission, it does not include information on the distance to the object, but the first intermediate frequency signal IF1 is , Since it is a reflected wave, it contains phase information related to the distance to the object, and the two phases are different.
[0022]
For example, when the oscillation frequency of the microwave oscillator 1 is set to 10.525 GHz, the oscillation frequency of the local oscillator 5 is set to 10.515 GHz, and the oscillation frequency of the crystal oscillator 10 as the reference oscillator is 10 MHz. If the respective frequencies are maintained as they are, the frequency of the intermediate frequency signal is 10 MHz, which is the same as the oscillation frequency of the crystal oscillator 10. However, the oscillation frequency of the crystal oscillator 10 hardly changes even if the surrounding environment such as temperature changes, but the microwave oscillator 1 and the local oscillator 5 fluctuate depending on the ambient temperature and the operation time. Therefore, for example, if the frequency of the intermediate frequency signal, which is the difference between the two, becomes 9 MHz, the phase comparator 12 lowers the oscillation frequency of the local oscillator 5 because it is 1 MHz lower than the oscillation frequency of the crystal oscillator 10. Control. As a result, the frequency of the intermediate frequency signal increases, and if this relationship is reversed, the local oscillator 5 is controlled to increase the oscillation frequency, and the PLL repeats this operation to reduce the frequency of the intermediate frequency signal to the crystal oscillator 10. Frequency.
[0023]
When the oscillation frequency of the microwave oscillator 1 is oscillated at a different frequency, for example, 10.515 GHz, the oscillation frequency of the local oscillator 5 is adjusted to be 10.505 GHz. Also in the case of oscillating, the intermediate frequency signal is adjusted so as to always have the same frequency as the oscillation frequency of the crystal oscillator 10. As a result, the first intermediate frequency signal IF1 generated by mixing the reception signal received by the reception antenna 4 and the signal of the local oscillator 5 with the first mixer 7 is always at the same frequency as the oscillation frequency of the crystal oscillator 10. Is obtained. However, when the oscillation frequency of the microwave oscillator 1 is changed, the frequency of the intermediate frequency signal does not necessarily need to be adjusted to 10 MHz, and the frequency of the intermediate frequency signal may be different in accordance with the oscillation frequency of a separate reference oscillator. . Also, as described later, the phase can be detected without adjusting the frequency of each intermediate frequency signal to a constant frequency of the reference oscillator.
[0024]
The first intermediate frequency signal IF1, which is the output of the first mixer 7, is input to the phase detector 8 (PC1) together with the signal of the crystal oscillator 10 via the intermediate frequency amplifier 13, and the phase of the signal of the crystal oscillator 10 Is configured to be detected on the basis of. As the phase detector 8, a general phase detection IC can be used. As a result, the phase change of the intermediate frequency signal, that is, the phase of the reflected wave reflected by the target object can be detected. When the oscillation frequency of the microwave oscillator 1 is changed, the phase of the received signal at the oscillation frequency can be detected. By detecting the phase at the two or more frequencies, sending the output to a signal processing circuit, and performing signal processing, the distance L between the transmitting / receiving antennas 3, 4 and the object 15 can be obtained as described later. The signal of the crystal oscillator 10 is branched by the third power divider 11 to be used as a signal for configuring the above-described PLL circuit and a reference signal for phase detection.
[0025]
Next, by oscillating the microwave oscillator 1 at two or more frequencies and detecting the phase of the received signal reflected by the object 15 at each frequency, the distance L to the object 15 can be detected. The reason will be described.
[0026]
The transmit power P _t transmitted and received by the receiving antenna 3 _and 4. The received power and P _r, is expressed as following, respectively.
P _t = A _t sin ωt (1)
P _r = A _r sin (ωt + 2βL) (2)
Here, A _t represents the transmission voltage amplitude, A _r is the received voltage amplitude, β = 2π / λ, λ is the wavelength of the microwave signal, L is the distance between the transmitting and receiving antennas 3, 4 and the object 15, respectively. This L is expressed by equation (3) when expressed using the wavelength of the microwave.
L = n · λ / 2 + ΔL (3) where 0 ≦ ΔL <λ / 2, and n is 0 or an integer.
[0027]
Equations (2) and (3) are rearranged into equation (4).
P _r = A _r sin {ωt + 2πn + (4π / λ) · ΔL}
= A _r sin {ωt + (4π / λ) · ΔL}
= A _r sin {ωt + 2π (2L / λ−n)} (4)
If ω in equation (4) is two frequencies, that is, the wavelengths corresponding to ω ₁ and ω ₂ are λ ₁ and λ _2, and only the phase amount in equation (4) is θ ₁ and θ ₂ ,
θ ₁ = 2π (2L / λ ₁ −n ₁ ) (5)
θ ₂ = 2π (2L / λ ₂ −n ₂ ) (6)
In the equations (5) and (6), θ ₁ and θ ₂ are measurable quantities, λ ₁ and λ ₂ are known quantities, but n ₁ and n ₂ are uncertain quantities, and L is a quantity to be measured. Because of this, the unknown is 3 in the two equations, and L cannot be obtained.
[0028]
However, because we are currently interested in short-range radar, we can impose constraints on n ₁ and n ₂ , so that the two signals are such that n ₁ = n ₂ or n ₁ = n ₂ +1. Oscillation frequency can be set. By doing so, L can be determined from equations (5) and (6). Note that setting the oscillation frequencies of the two signals so that n ₁ = n ₂ or n ₁ = n ₂ +1 is obtained by making the two oscillation frequencies close to each other. For example, when the two oscillation frequencies are 10.525 GHz (λ ₁ = 2.85 cm) and 10.515 GHz (λ ₂ = 2.853 cm), the distances L ₁ = 0.3 m and L ₂ = 3 m to the object , L ₃ = 10 m, and n ₁ , n ₂ and ΔL are calculated as shown in Table 1. The relationship between n ₁ and n ₂ can be satisfied at any distance. When a short distance is measured exclusively, it goes without saying that the frequency difference can be further increased. In Table 1, the suffix means a suffix such as λ, n, ΔL (for example, ₁ of λ1).
[0029]
[Table 1]

[0030]
In this case, if θ ₁ > θ ₂ , that is, ΔL ₁ > ΔL ₂ , then n ₁ = n ₂ , and if θ ₁ <θ ₂ , that is, ΔL ₁ <ΔL ₂ , then n ₁ = n ₂ +1. Become. Therefore, by detecting the phases θ ₁ and θ ₂ of the respective reflected waves at such two oscillation frequencies, it is possible to obtain L and n ₁ (n ₂ ) from equations (5) and (6). it can. That is, the configuration shown in FIG. 1 is used to measure θ ₁ and θ ₂ using the two frequencies λ ₁ and λ ₂ , and then to perform arithmetic processing in the signal processing circuit. It is possible to detect a short distance L between 3, 4 and the object.
[0031]
As is clear from the above description, the distance measurement method using the microwave according to the present invention transmits the microwave and detects the reflected wave reflected by the object 15 to specify the position of the object. The transmission signals of at least two frequencies are used, and the two frequencies are set so that the distance to the object 15 is equal to or different from the integral multiple of a half wavelength by one, and The distance to the target is measured by detecting the phase of each reflected wave.
[0032]
In the above example, the case where there are two frequencies has been described. However, by performing at three or more frequencies, the averaging of two or more detected phases can be measured, and the phase can be more accurately detected. , Reliability can be improved.
[0033]
In the example shown in FIG. 1 described above, the signal oscillated by the microwave oscillator 1 and the signal oscillated by the local oscillator 5 are mixed by the second mixer 9 and the frequency of the intermediate frequency signal is Although the PLL circuit is formed so as to have the same oscillation frequency, the intermediate frequency signal IF generated by the mixer 7 is directly compared with the oscillation frequency of the crystal oscillator 10 by the phase comparator 12 as shown in the block diagram of FIG. In comparison, even if a PLL circuit that adjusts the oscillation frequency of the local oscillator 5 so that the two frequencies are equal to each other is formed, if the oscillation frequency of the microwave oscillator 1 is changed, the changed frequency The oscillation frequency of the local oscillator 5 is adjusted so that the obtained intermediate frequency signal becomes equal to the oscillation frequency of the crystal oscillator 10 each time. In this case, the second mixer and each power divider become unnecessary.
[0034]
Further, without forming such a PLL circuit including the crystal oscillator (reference oscillator) 10 and the phase comparator 12, a signal containing phase information and a signal not containing phase information can be compared at the same frequency. A change in phase due to the position of the object can be directly detected by the phase detector 8. An example of this configuration is shown in FIG. That is, the circuit shown in FIG. 3 has the same configuration as that shown in FIG. 1 except that the crystal oscillator 10 of FIG. 1 and the phase comparator 12 constituting the PLL circuit are omitted. Omitted.
[0035]
Even in this configuration, the second intermediate frequency signal IF2, which is the output of the second mixer 9, is based on the microwave signal before transmission, and is an intermediate frequency signal of a signal irrespective of the position of the object. Since the first intermediate frequency signal IF1, which is the output of the first mixer 7, is an intermediate frequency signal of the received signal reflected by the target, the first intermediate frequency signal IF1 includes phase information depending on the distance to the target. . On the other hand, both the signal before transmission and the signal reflected and received by the object use the same oscillator, so they have the same frequency, and the local oscillator 5 is also the same oscillator. The intermediate frequency signal has the same frequency. That is, even if there is a frequency drift due to temperature or the like, the drift changes in the same way for the first and second intermediate frequency signals, so that the first and second intermediate frequency signals IF1 and IF2 have the same frequency. As a result, the phase of only one of the intermediate frequency signals changes at the same frequency, so that the phase detector 8 can detect the phase change of the first intermediate frequency signal IF1 with reference to the second intermediate frequency signal IF2. it can.
[0036]
In each of the above-described examples, the microwave oscillator 1 is an example in which the oscillation frequency is changed using an electronically tunable oscillator, but a fixed oscillator may be used as a separate oscillator.
[0037]
As described above, according to the present invention, when measuring a short distance position, an integer multiple of λ (wavelength) / 2 is equal to or different from the distance from the transmitting / receiving antenna to the object by one. Oscillation is performed at two or more frequencies, and the phase of each reflected wave is detected. Therefore, the distance L to the object can be measured from the oscillation wavelength (λ) and the detected phase. As a result, it is not necessary to detect a very short reflection time for a short distance, and it is possible to measure very accurately by a microwave even at a short distance.
[0038]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the distance to the target object can be measured accurately using a microwave even at a very short distance of about 30 cm to 10 m. As a result, it is very effective as a sensor for a robot, and can accurately measure the distance even in places such as a bathroom where the steam is easily affected or where the wind is easily affected by ultrasonic measurement. At the same time, a sensor for automatic cleaning of a toilet can be installed behind a wall to detect the presence or absence of use of a person without being touched by human eyes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a distance measuring apparatus using a microwave according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a simplified configuration example of FIG. 1;
FIG. 3 is a block diagram showing a simplified configuration example of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 microwave oscillator 3 transmitting antenna 4 receiving antenna 5 local oscillator 7 first mixer 8 phase detector 9 second mixer 10 crystal oscillator 12 phase comparator 15 target

Claims

A distance measurement system for transmitting a microwave and detecting a reflected wave reflected by an object to specify the position of the object, using a transmission signal of at least two frequencies, wherein the at least two frequencies are The distance to the object is L = n · λ / 2 + ΔL (where λ is the wavelength of the transmission wave, n is 0 or a positive integer, 0 ≦ ΔL <λ / 2), and n is equal to or different from one another. And measuring the distance to the object by detecting the phases of the respective reflected waves at the at least two frequencies.

2. The distance measuring method according to claim 1, wherein the transmission signals of the at least two frequencies are transmitted by switching the oscillation frequency sequentially by one oscillator by using an electronically tunable oscillator.

Each of the reflected waves of the at least two frequencies is mixed with a signal of a local oscillator to generate a respective intermediate frequency signal, and the frequency of the respective intermediate frequency signal is adjusted to the oscillation frequency of a reference oscillator to generate the respective reflected wave. 3. The distance measuring method according to claim 1, wherein the phase detection is performed.

Generating respective first intermediate frequency signals by mixing the reflected waves of the at least two frequencies with the signals of the local oscillator, respectively, and transmitting a part of the microwaves of the at least two frequencies and the signal of the local oscillator; And generating a second intermediate frequency signal by mixing the first and second intermediate frequency signals, and detecting the phase of each reflected wave by comparing the first and second intermediate frequency signals. The distance measuring method according to 1 or 2.

A microwave oscillator capable of electronic tuning and oscillating at at least two frequencies, a transmitting antenna for transmitting an output of the microwave oscillator, and receiving a microwave in which a transmission signal transmitted by the transmitting antenna is reflected by an object A receiving antenna, an electronically tunable local oscillator for generating an intermediate frequency signal, a mixer for mixing the signal of the local oscillator with a received signal received by the receiving antenna, and an output from the mixer A microwave distance measuring device comprising a phase detector for detecting a phase of the intermediate frequency signal.

A reference oscillator and a phase comparator for comparing the phase of the signal of the reference oscillator and the output of the mixer are provided, and the frequency of the intermediate frequency signal at the output of the mixer becomes the same as the frequency of the reference oscillator. Thus, a PLL circuit for feeding back the output of the phase comparator to the local oscillator is formed, and the phase of the intermediate frequency signal is detected by the phase detector with reference to the phase of the reference oscillator. The microwave ranging device according to claim 5.

A first power divider for distributing a part of the output of the microwave oscillator, wherein the mixer and the intermediate frequency signal are a first mixer and a first intermediate frequency signal, respectively, and a part of an output of the local oscillator; And a second mixer for mixing a part of the output of the microwave oscillator and a part of the output of the local oscillator, wherein the first intermediate frequency signal 6. The microwave distance measuring apparatus according to claim 5, wherein the phase of the second intermediate frequency signal, which is the output of the second mixer, is detected by the phase detector.