JP2005308646A - ２周波測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回路構成を複雑化することなく、測距範囲を２πまで拡大することができるようにした２周波測距装置を提供すること
【解決手段】 ２つの発振周波数に対応したドップラ信号を検出するドップラユニット１１と、そのドップラユニットで検出された１つの発振周波数ｆ２に基づくドップラ信号ｆ２ｄから接近離反を判定する接近離反判定部１６と、ドップラユニット１１から検出される２つの発振周波数ｆ１，ｆ２に基づくドップラ信号ｆ１ｄ，ｆ２ｄと、接近離反判定部の判定結果から対象物までの距離を測定する測距判定部１７を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ドップラセンサを用いて所定の位置から対象物までの相対的な接近／離反を精度よく検出することができる２周波測距装置に関する。

便器の自動水洗装置，自動便座装置，車両用のセキュリティシステムには、人等の対象物の動きの状態をセンサにより検出して所定の動作を行わせるセンサシステムが搭載されている。この種のセンサシステムでは、何れも人の接近，離反，停止，不在等を検出するために、マイクロ波センサや赤外線センサを用いるのが一般的である。

電波を用いて対象物までの距離を検出する方法として、ドップラセンサを用いたものがある。このドップラセンサを用いた測距装置としては、異なる２つの周波数の信号を送出し、その送出した信号に基づく対象物からの反射波とで得られるそれぞれのドップラ信号の位相差から距離を測定する２周波ドップラセンサが知られている。この２周波ドップラセンサによる対象物までの距離Ｒの測定は、下記式により求めるようになっている。
Ｒ＝ｃΔφ／４πΔｆ （１）
但し、Ｒ：対象物（移動体）までの距離
ｃ：光速
Δφ：２つのドップラ波の位相差
Δｆ：２つの周波数の周波数差

上記の式（１）によれば、位相差Δφが大きくなるほど距離Ｒが大きくなることが明らかであるが、Δφがπを超えると位相差が確定できなくなるため、Δφがπを越えない範囲で使用する必要がある。また、測距の範囲を大きくするためには、周波数差Δｆを小さくすれば良いが、周波数差Δｆを小さくするほど２つの周波数の発振周波数の安定精度が高く要求されるため、限度がある。

係る問題を解決するため、特許文献１に開示された発明において、複数のΔｆを発生する構成を持ち、Δｆが小さい受信波により対象物までの大まかな距離を把握し、その値を参照して大きなΔｆに基づいて測距精度を上げて目標物までの距離を正確に測定するようにしたものが提案されている。
特開平８−１６６４４３

しかしながら、上述した特許文献１に開示された発明では、異なるΔｆを生成するためには、少なくとも３種類の周波数の信号を生成する必要があるので、局部発信器も少なくとも３つ用意する必要があるばかりでなく、それにともない回路構成も複雑化してしまうという問題がある。

本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、回路構成を複雑化することなく、測距範囲を２πまで拡大することができるようにした２周波測距装置を提供することにある。

上記した目的を達成するため、本発明の２周波測距装置は、２つの発振周波数に対応したドップラ信号を検出する２周波ドップラ信号検出手段と、前記２周波ドップラ信号検出手段で検出された１つの発振周波数に基づくドップラ信号から接近離反を判定する接近離反判定手段と、前記２周波ドップラ信号検出手段から検出される２つの発振周波数に基づくドップラ信号と、前記接近離反判定手段の判定結果から対象物までの距離を測定する測距手段とを備えて構成した。

ここで、前記測距手段は、例えば前記接近離反判定手段の判定結果から、２つのドップラ信号の位相差を特定し、その特定した位相差に基づいて前記対象物までの距離を求めるものとしたり、前記接近離反判定手段の判定結果に基づき、前記２周波ドップラ信号検出手段から求められる２つの距離候補の中から、正しい距離を決定することができる。

２つの発振周波数のドップラ信号の位相差が、例えば−９０度と＋２７０度，−１７０度と＋１９０度や−１８０度と＋１８０度など、位相差が異なるがπの前後で同一波形を有するものがある。ただし、位相差の極性が異なり、その極性は、接近／離反により異なる。そこで、接近離反判定手段の判定結果に基づき、一意に特定できる。

そこで、距離判定手段では、接近離反判定部１６から得られるそのときの接近／離反情報に基づき、Δｆの値を変えることなく、位相差を２π（３６０度）の範囲まで測距することができる。

なお、距離を測定する対象物は、「物」はもちろんのことの「人など」も含むことができることは言うまでもない。また、２周波ドップラ信号検出手段は、実施の形態ではドップラユニットに対応する。そして、ドップラユニットは、例えば２出力ドップラセンサとすることができる。一例としては、ドップラユニットは、局部発振器と、当該局部発振器の出力ラインの端部に設けたアンテナと、当該出力ライン上のλ／８の距離だけ離れた２つの混合器とから構成することができる。

本発明は、接近／離反を測距する際の条件に加えたことにより、同一波形であっても弁別でき、回路構成を複雑化することなく、測距範囲を２πまで拡大することができる。

図１は、本発明の好適な一実施の形態を示している。図１に示すように、本実施の形態の２周波測距装置１０は、２つの異なる周波数（ｆ１，ｆ２）の信号を出力し、それぞれの反射波に基づくドップラ信号（ｆ１ｄ，ｆ２ｄ）を出力するドップラユニット１１と、ドップラユニット１１から出力される第１ドップラ信号ｆ１ｄを検出する第１サンプルホールド回路１２と、ドップラユニット１１から異なる時刻に出力される第２ドップラ信号ｆ２ｄをそれぞれ検出する第２，３サンプルホールド回路１３，１４と、それらドップラユニット１１と各サンプルホールド回路１２から１４の動作を制御する２値化回路１５と、第２，第３サンプルホールド回路１３，１４で検出された異なる時刻の第２ドップラ信号ｆ２ｄに基づいて目標物の接近離反を検知する接近離反検出部１６と、その接近離反検出部１６で検出された目標物の移動方向（接近／離反）と第１，第２サンプルホールド回路１２，１３で検出された周波数の異なる第１，第２ドップラ信号ｆ１ｄ，ｆ２ｄに基づき目標物までの距離を求める距離判定部１７を備えている。

ドップラユニット１１は、ホーンアンテナ（送信アンテナ，受信アンテナを兼ねる）ＨＡと、第１，第２混合器Ｍ１，Ｍ２と、電圧制御局部発振器ＶＣＯとから構成される。そして、電圧制御局部発振器ＶＣＯが生成したマイクロ波をホーンアンテナＨＡから発射し、反射してきたマイクロ波を当該ホーンアンテナＨＡで受信し、第１，第２混合器M１，Ｍ２は、それら電圧制御局部ＶＣＯから出力された信号と、ホーンアンテナで受信した目標物からの反射波を混合（ホモダイン検波）してドップラ信号を生成し出力する。第１混合器Ｍ１の出力は、第３サンプルホールド回路１４に与えられ、第２混合器Ｍ２の出力は、第１，第２サンプルホールド回路１２，１３に与えられる。

また、２値化回路１５は、所定の周波数で２値化信号（Ｌｏｗ／Ｈｉｇｈ）を出力する。この２値化信号を電圧制御局部発振器ＶＣＯに与えるとともに、各サンプルホールド回路１２から１４に与える。これにより、電圧制御局部発振器ＶＣＯは、２値化信号がＬｏｗのときに周波数ｆ１の信号を出力し、Ｈｉｇｈのときに周波数ｆ２の信号を出力する。よって、ホーンアンテナＨＡからは、所定の周期（２値化信号の反転する周期）で、周波数ｆ１と周波数ｆ２の信号が交互に発射され、第１，第２混合器Ｍ１，Ｍ２からはそれぞれ対応するドップラ信号ｆ１ｄ，ｆ２ｄがホモダイン検波されて出力される。なお、本実施の形態では、電圧制御局部発振器ＶＣＯを用いて２つの周波数ｆ１，ｆ２の信号を生成し出力するようにしたが、２つの局部発振器を用いて構成してももちろん良い。

上記のごとく２値化回路１５の出力は、各サンプルホールド回路１２から１４に与えられるので、第１サンプルホールド回路１２は、２値化回路１５の出力がＬｏｗのときの第２混合器Ｍ２からの出力をサンプルホールドすることにより周波数ｆ１に基づくドップラ信号ｆ１ｄを取得できる。同様に、第２サンプルホールド回路１３は、２値化回路１５の出力がＨｉｇｈのときの第２混合器Ｍ２からの出力をサンプルホールドすることにより周波数ｆ２に基づくドップラ信号ｆ２ｄを取得でき、第３サンプルホールド回路１４は、２値化回路１５の出力がＨｉｇｈのときの第１混合器Ｍ１からの出力をサンプルホールドすることにより周波数ｆ２に基づくドップラ信号ｆ２ｄを取得できる。

また、第１，第２混合器Ｍ１，Ｍ２は互いに出力が９０度位相差を持つように配置されている。具体的には、ホーンアンテナＨＡと一体に形成された導波管の他端を閉塞し、その他端に局部発振器を設ける。そして、同一線路上にホーンアンテナＨＡ，第１混合器Ｍ１，第２混合器Ｍ２，電圧制御局部発振器ＶＣＯを設け、隣接する第１，第２混合器Ｍ１，Ｍ２をλ／８だけ距離を置くことにより構成できる。

なお、図１では、ホーンアンテナＨＡ，第１混合器Ｍ１，第２混合器Ｍ２，電圧制御局部発振器ＶＣＯを線で接続しているが、これは、信号の伝達経路等を示すために便宜的に記載したものである。そして、ホーンアンテナさらにはそれに続く導波管は立体回路であって内部は空間となっており、その空間内の適宜位置に各部品を設置することで、信号の伝送・注入を行う。もちろん、図示省略されているが電圧制御局部発振器ＶＣＯから出力される局部発振信号は各ミキサに注入される。

また、図２に示すように、ドップラユニット１１は、マイクロストリップラインを用いた平面回路によっても構成することができる。すなわち、直線状のマイクロストリップラインＳＬに対し、端から所定の間隔をおいてパッチアンテナＰＡ，第１混合器Ｍ１，第２混合器Ｍ２，電圧制御局部発振器ＶＣＯを接続する。そして、第１，第２混合器Ｍ１，Ｍ２間の間隔をλ／８離すようにする。もちろん、具体的な回路構成は、図示したものに限られないのは言うまでもない。なお、以下の説明では、ドップラユニット１１を構成するアンテナとして、ホーンアンテナＨＡを用いた例を説明するが、図２に示すようなパッチアンテナＰＡを用いた平面回路でも同様である。

上記した各構成にすると、例えば第１混合器Ｍ１を基準にすると、ホーンアンテナＨＡ等からの反射波は、λ／８遅れて第２混合器Ｍ２に入力される一方、電圧制御局部発振器ＶＣＯからの入力はλ／８早く第２混合器Ｍ２に入力される。このため、第１混合器Ｍ１と第２混合器Ｍ２の出力の位相差はλ／４（９０度）となる。

図３は、接近／離反時の第１混合器Ｍ１と第２混合器Ｍ２の出力の位相に関する概念説明図である。ドップラ信号が発生すると、第１混合器Ｍ１の出力と第２混合器Ｍ２の出力は９０度の位相差が発生する。位相の変化という観点から接近時の信号を考えると、点Ｐ１から点Ｐ２に対して変化するのに対し、離反時の信号は点Ｐ２から点Ｐ１への変化となる。

すなわち、接近時と離反時においては、一方の混合器からの信号を基準に考えると他方の混合器からの位相は反転することになる。この位相差を利用して、混合器から出力される信号を二値化し、２つの信号を比較することによって接近か離反かを判断することができる。つまり、接近離反検出部１６は、第２サンプルホールド回路１３の出力ｆ２ｄと、第３サンプルホールド回路１４の出力ｆ２ｄを受け取るとともに、両信号の位相差（どちらが進んでいるか）を求め、第２混合器Ｍ２の出力に基づく第２サンプルホールド回路１３の信号の方が進んでいる場合には接近と判断し、第１混合器Ｍ１の出力に基づく第３サンプルホールド回路１４の信号の方が進んでいる場合には離反と判断する。

ドップラ波は、波長の１／２の距離（送信周波数ｆ＝２４．２ＧＨｚだとすると、たとえば０．６２ｃｍ相当距離）を移動すると１サイクル発生する。そこで、接近／離反に関しては、λ／２の移動（１サイクル分の位相の変化）があれば、接近／離反を判定することができる。

なお、本実施の形態の２周波測距装置１０では、１つの電圧制御局部発振器ＶＣＯを用いて、その局部発振信号を２つの混合器Ｍ１，Ｍ２に供給するようにしたため、周波数の安定性を考慮する必要はなく、単に位相が異なる２つのドップラ信号を用いて、接近しているか離反しているかのみを判定すればよい。この他の煩雑な回路を必要としない。

なおまた、上述した例では、ｆ２ｄに基づいて接近／離反を判定するようにしたが、ｆ１ｄに基づいて判定するようにしてももちろん良い。さらに、サンプルホールド回路により分離される前の第１，第２混合器Ｍ１，Ｍ２からの出力に基づいて接近／離反を判定するようにしても良い。この場合には、点として出力信号を見たときの両者の信号から接近／離反を判定するようにすればよい。

距離判定部１７は、２つ異なる周波数のドップラ信号ｆ１ｄ，ｆ２ｄと接近／離反信号に基づき以下の原理にしたがって目標物までの距離を求める。まず、図４に基づいて、一方のドップラ信号ｆ１ｄを基準にして他方のドップラ信号ｆ２ｄの位相を考察する。図４は、ｆ１ｄを基準とし、ｆ２ｄの位相差が＋９０度，−９０度，＋２７０度の場合をそれぞれ示している。そして、ドップラ信号を点線で示し、このドップラ信号を２値化した波形を実線で示している。実線で示した２値化信号の立ち上がりを基準として各信号の位相差を検出する。

ｆ１ｄとｆ２ｄの位相差が９０度ずれる位置は、＋９０度と−９０度の２点ある。そして、それら両信号ｆ１ｄ，ｆ２ｄの正負の違いは、対象物が接近しているか離反しているかにより生じる。すなわち、図５に示すように、ドップラ信号が発生すると、ｆ１ｄとｆ２ｄの出力に位相差が発生し、位相の変化という観点から考えると接近の場合は点Ｐ１から点Ｐ２に対して変化するのに対し、離反の場合は点Ｐ２から点Ｐ１に変化する。したがって、接近時と離反時とでは、一方のドップラ信号からの信号を基準に考えると、他方のドップラ信号の位相は反転することになる。換言すると、一方のドップラ信号（たとえばｆ１ｄ）に対する他方のドップラ信号（たとえばｆ２ｄ）の位相差が接近のときにプラスとなり、離反のときにマイナスとなる。

したがって、たとえばｆ１ｄの信号のａ点を基準とすると、接近している場合にはｆ２ｄはｆ１ｄよりも後に発生するため、ａ点から９０度遅れてｃ点にて立ち上がる波形（＋９０度）となり、離反しているときはｆ２ｄがｆ１ｄより先に発生するためｄ点で立ち上がる波形（−９０度）となる。しかし、このｆ２ｄがｆ１ｄに対して−９０度の位相差を持つ波形と、ａ点に遅れてｅ点の位置で立ち上がる２７０度進んだ位相差を持つｆ２ｄの波形はまったく同じとなり、区別できない。

図示は省略するが、位相差が−１７０度と＋１９０度や−１８０度と＋１８０度など、πの前後にΔφの値が存在することになり、正しい波形を確定できない。そこで、従来の問題でも説明したが、通常の２周波測距装置では、位相差が０から１８０度（π）の範囲内で測定するようにしている。上記例示列挙した例からも明らかなように、同一の波形を持つ信号の位相差は、プラスとマイナスのペアとなる。そして、上述したごとく、接近か離反により位相差の極性が反転することから、接近／離反が特定されると、同一波形のどちらであるかが判別できる。そこで、距離判定部１７では、第１，第２サンプルホールド回路１２，１３から得られるｆ１ｄ，ｆ２ｄと、接近離反判定部１６から得られるそのときの接近／離反情報に基づき、Δφがπを超えた値であるのか、πを超える前の値かを識別する。これにより、Δｆの値を変えることなく、Δφを２π（３６０度）まで測距することができる。つまり、測距範囲が倍になる。

そして、Δφが算出されたならば、目標物までの具体的な距離は、下記式により求める。
Ｒ＝ｃΔφ／４πΔｆ
但し、Ｒ：対象物（移動体）までの距離
ｃ：光速
Δφ：２つのドップラ波の位相差
Δｆ：２つの周波数の周波数差

また、上述した例では、先に正しい位相差φを特定し、それに基づいて距離を求めたが、本発明はこれに限ることはなく、２つのドップラ信号ｆ１ｄ，ｆ２ｄに基づいて２つの距離候補を求め、接近離反判定部１６の判定結果に基づき、その２つの距離候補の中から、正しい距離を決定するようにしてもよい。

本発明の一実施の形態を示すブロック構成図である。 ドップラユニットの別の例を示す図である。 図１に示す２つの混合器出力の接近／離反時の位相関係を示す説明図である。 作用を説明する図である。 作用を説明する図である。

符号の説明

１０ ２周波測距装置
１１ ドップラユニット
１２ 第１サンプルホールド回路
１３ 第２サンプルホールド回路
１４ 第３サンプルホールド回路
１５ ２値化回路
１６ 接近離反判定部
１７ 距離判定部
ＨＡ ホーンアンテナ
Ｍ１，Ｍ２ 第１，第２混合器
ＶＣＯ 電圧制御局部発振器

Claims (3)

1. ２つの発振周波数に対応したドップラ信号を検出する２周波ドップラ信号検出手段と、
   前記２周波ドップラ信号検出手段で検出された１つの発振周波数に基づくドップラ信号から接近離反を判定する接近離反判定手段と、
   前記２周波ドップラ信号検出手段から検出される２つの発振周波数に基づくドップラ信号と、前記接近離反判定手段の判定結果から対象物までの距離を測定する測距手段とを備えたことを特徴とする２周波測距装置。
2. 前記測距手段は、前記接近離反判定手段の判定結果から、２つのドップラ信号の位相差を特定し、その特定した位相差に基づいて前記対象物までの距離を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載の２周波測距装置。
3. 前記測距手段は、前記接近離反判定手段の判定結果に基づき、前記２周波ドップラ信号検出手段から求められる２つの距離候補の中から、正しい距離を決定することを特徴とする請求項１に記載の２周波測距装置。

Images