JP2006153477A - 距離測定装置及び距離測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】定在波を利用した距離測定装置において、短時間で正確に測定対象までの距離を測定する。
【解決手段】本発明の距離測定装置１は、異なる周波数の出力信号を同時に複数発振する発振器群６と、発振器群６で発振された各周波数と同一周波数の送信信号を測定対象へ送出する超音波発信素子群７と、送信信号の測定対象による反射信号を検出する広帯域超音波受信素子８と、反射信号を周波数成分ごとに分解して周波数成分ごとの受信信号を生成するデジタルフィルタ群９と、受信信号と同一周波数の出力信号を信号合成して周波数成分ごとの合成信号を生成する信号合成部４と、周波数成分ごとの合成信号の位相変動周期を検出し、測定対象までの距離を算出する信号処理部５とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、定在波を利用した距離測定装置に係り、特に短時間で正確に測定対象までの距離を測定する距離測定装置及びその方法に関する。

電波や光などの進行波が物体に当たると反射し、進行波と逆向きに進む反射波が形成される。そして、進行波と反射波は干渉して定在波を形成する。このようにして形成される定在波を使用して測定対象までの距離を測定する距離測定装置の従来例として、例えば特開２００２−３５７６５６号公報（特許文献１）が開示されている。

この従来例では、送信周波数を階段状に周波数変調しながら送信し、対象物からの反射信号により発生する定在波を各々の送信周波数毎に観測し、観測された定在波間の位相の変化を検出することで対象物までの距離を算出しており、空中伝播の遅延時間を用いて距離を検出する他のレーダ方式と異なり最小検知距離を小さくできるという利点がある。
特開２００２−３５７６５６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、距離分解能と最大検知距離を両立させるために、細かな周波数ステップで広い周波数範囲の周波数変調を行うので、定在波の位相観測数を多くしなければならない。

ここで、従来例では電磁波を使用しているので位相観測数を増やすことができるものの、近傍検出などに一般的に使用される超音波センサに上記方式を採用すると、伝播に使用する媒体が音波であるために伝播速度（音速）が電磁波と比較して６桁ほど小さくなり、所定距離を高分解能で距離計測するために定在波の観測数を多くすると、観測時間が長くなってしまうという問題点があった。

さらに、特許文献１に開示された従来例では送信周波数を時分割で送信しているために、時間領域を分ける必要があった。したがって、従来例の方法で超音波を媒体に用いると、５ｍ遠方の物体からの反射が受信されるまでの時間は、約３０ミリ秒（＝５×２/３４０）必要となり、例えば６４回の周波数ステップ変調を行った場合には、１回の距離測定に１．９秒を要してしまう。したがって、自動車用センサに求められる観測周期（１００ミリ秒前後）を満足することができなかった。

上述した課題を解決するために、本発明の距離測定装置は、測定対象までの距離を測定する距離測定装置であって、異なる周波数の出力信号を同時に複数発振する発振手段と、前記出力信号と同一周波数の送信信号を前記測定対象へ送出する送信手段と、前記送信信号の前記測定対象による反射信号を検出する受信手段と、前記反射信号を周波数成分ごとに分解して周波数成分ごとの受信信号を生成する信号分配手段と、前記周波数成分ごとの受信信号と、前記受信信号と同一周波数の出力信号とを信号合成して周波数成分ごとの合成信号を生成する信号合成手段と、前記周波数成分ごとの合成信号の位相変動周期を検出し、前記測定対象までの距離を算出する信号処理手段とを備えることを特徴とする。

本発明の距離測定方法は、測定対象までの距離を測定する距離測定方法であって、異なる周波数の出力信号を同時に複数発振する発振ステップと、前記出力信号と同一周波数の送信信号を前記測定対象へ送出する送信ステップと、前記送信信号の前記測定対象による反射信号を検出する受信ステップと、前記反射信号を周波数成分ごとに分解して周波数成分ごとの受信信号を生成する信号分配ステップと、前記周波数成分ごとの受信信号と、前記受信信号と同一周波数の出力信号とを信号合成して周波数成分ごとの合成信号を生成する信号合成ステップと、前記周波数成分ごとの合成信号の位相変動周期を検出し、前記測定対象までの距離を算出する信号処理ステップとを含むことを特徴とする。

本発明に係る距離測定装置及びその方法では、異なる周波数の出力信号を同時に複数発振して測定対象へ送信し、反射信号を周波数成分ごとに分解して対応する出力信号と合成し、周波数成分ごとの合成信号を生成して位相変動周期を検出することによって物体までの距離を測定するので、対象物までの距離を短時間で正確に測定することができる。

以下、本発明に係わる距離測定装置および距離測定方法の実施例を図面に基づいて説明する。

図１は本実施例に係る距離測定装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施例の距離測定装置１は、信号送信部２と、信号受信部３と、信号合成部４と、信号処理部５とから構成されている。

そして、信号送信部２は、異なる周波数の出力信号をそれぞれ発振する複数の発振器２１によって構成された発振器群（発振手段）６と、発振器２１で発振された周波数と同一周波数の送信信号（超音波）を測定対象へ送出する複数の超音波発信素子２２によって構成された超音波発信素子群（送信手段）７とを備えている。ただし、本実施例では複数の発振器２１を設けることによって同時に複数の周波数を発振できるようにしているが、複数の周波数を同時に発振できるものであれば、その他の方法や手段であってもよい。

信号受信部３は、送信信号の測定対象による反射信号を検出する広帯域超音波受信素子（受信手段）８と、反射信号を周波数成分ごとに分解して周波数成分ごとの受信信号を生成するデジタルフィルタ群（信号分配手段）９とを備えている。ただし、ここでは反射信号を周波数成分に分解する手段としてデジタルフィルタを用いているが、コンデンサや抵抗を使ったフィルタ回路でも実現することができ、反射信号を周波数成分に分解できるものであれば、その他の方法や手段であってもよい。

信号合成部（信号合成手段）４は、周波数成分ごとの受信信号と同一周波数の出力信号を信号合成して周波数成分ごとの合成信号を生成する信号加算器群１０を備えている。

信号処理部（信号処理手段）５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭなどから構成され、送信信号の出力を制御する送信信号制御部４１と、信号合成部４より出力される合成信号群の位相解析を行うＤＳＰ回路４２と、信号処理された信号から物体の検出を行う物標認識ロジック部４３とを備えている。そして、信号処理部５は、信号合成部４で生成された周波数成分ごとの合成信号の位相変動周期を検出し、測定対象までの距離を算出している。ここで、発振器群６を構成する各発振器２１の間で、発振する周波数の間隔を等間隔にしておくことにより、ＤＳＰ回路４２で行われる信号解析を容易にすることができる。また、発振器２１の個数を２の累乗個にして、発振される周波数の数を２の累乗個にすることによって、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を容易に行うことができるようになる。

次に、本実施例の距離測定装置１の基本動作を図２に基づいて説明する。図２は本実施例の距離測定装置１による距離測定処理を示すフローチャートである。図２に示すように、まず信号処理部５の送信信号制御部４１から信号送信部２に対して送信命令が送られ（Ｓ２０１）、この送信命令に応じて発振器群６内の各発振器２１が発振動作を開始し、超音波発信素子群７の対応する超音波発信素子２２から送信信号である超音波が前方に向けて送信される（Ｓ２０２）。

送信された超音波は前方の物体で反射し、反射信号は距離に応じた時間遅延後に広帯域超音波受信素子８で検出される（Ｓ２０３）。ここで、広帯域超音波受信素子８は、信号送信部２から送信されるすべての超音波を受信できるような広い周波数帯域を持ち、感度よく受信することの可能な超音波帯域素子である。

そして、広帯域超音波受信素子８で検出された反射信号は、デジタルフィルタ群９内のデジタルフィルタで送信時の各周波数に信号分解され、周波数成分ごとの受信信号が生成される（Ｓ２０４）。生成された周波数成分ごとの受信信号は信号合成部４に出力され、信号加算器群１０により各発振器２１で発振された出力信号と合成されて、周波数成分ごとの合成信号が生成される（Ｓ２０５）。この合成信号が擬似定在波となる。

ここで、生成される周波数成分ごとの合成信号は信号処理部５内のＤＳＰ回路４２に出力され、ＤＳＰ回路４２では送信周波数に応じた合成信号の位相変化により前方の物体までの距離を算出する（Ｓ２０６）。そして、物標認識ロジック部４３ではＤＳＰ回路４２で検出された距離検出結果に基づいて前方に存在する物体を認識して車両ＣＰＵなどへ物標存在情報を送信して（Ｓ２０７）、本実施例の距離測定装置１による距離測定処理を終了する。

次に、本実施例の距離測定装置１による定在波を利用しての距離の測定方法を説明する。図３に送信信号と受信信号と合成信号の一例を示す。図３に示すように、送信信号と受信信号とを合成すると、擬似定在波の合成信号を得ることができる。

そして、送信周波数をｆ、定在波の観測位置をｘ、信号振幅を１とすると、送信信号Vtは一般的に、式（１）で表される。
Vt(f, x) = exp(j 2πf・x/C)
‥ （１）
ここで、Ｃは媒体を伝播する速度で超音波を用いた場合、約３４０[m/s]である。距離ｄ[ｍ]の位置に物体が存在し、反射効率をγ、位相変化量をφとすると、反射信号Vrは式（２）で表される。

Vr(f, x) = γ・exp(jφ)・exp(j 2πf・(2d-x)/C) ‥ （２）


式（１）および式（２）より、送信信号と受信信号の合成信号aは式（３）のようになる。

a(f, x) = |Vt(f,x) + Vr(f,x)|
= |exp(j 2πf・x/C){1+ γ・exp(j 2πf・2(d-x)/C + φ) }| ‥ （３）
また、合成信号のパワーPは式（４）のように表される。

P(f，x) = {a (f, x)}2
= 1+ γ2+ 2γcos[2πf・2(d-x)/C + φ] ‥ （４）


式（４）より、観測位置ｘ＝０[ｍ]で観測したときの合成信号のパワーP（f，0）は、
P(f，0) = 1+ γ2+ 2γcos[2πf・2d/C + φ] ‥ （５）
となり、式（５）のP(f，0)は送信周波数fについて周期的であり、その周期はＣ／２ｄであることがわかる。よって、送信周波数ごとに合成信号のパワーP(f，0)の位相変動周期を観測することによって、物体までの距離ｄを検出することができる。

ここで、１ｍの距離に反射物体が存在したとき、送信信号の周波数を４０．０４ｋＨｚから４０．２２ｋＨｚまで変化させた場合の送信信号の周波数と合成信号の位相変化の関係を図４に示す。図４において、時刻Ｔで合成信号をサンプリング検出すると、そのサンプリング検出値が振動していることがわかる。物標までの距離が変化すると、この振動の周期が変わるため、合成信号をサンプリング検出し、振動周期を観測することで反射物体までの距離を計測することができる。

従来では、送信周波数を時分割で送信していたために、時間領域を分ける必要があったので、１回の距離測定に長時間を要してしまう。これにより、自動車用センサに求められる観測周期（１００ミリ秒前後）を満足することができなかった。

そこで、本実施例の距離測定装置１では、異なる周波数の出力信号を同時に複数発振して測定対象へ送信し、反射信号を周波数成分ごとに分解して対応する出力信号と合成し、周波数成分ごとの合成信号を生成して位相変動周期を検出することによって物体までの距離を測定するので、１００ミリ秒以内の短時間で距離を測定することができる（請求項１、９の効果）。

また、本実施例の距離測定装置１では、複数の発振器２１を設けて異なる周波数を複数発振するようにしたので、簡単な構成で複数の周波数を同時に発振することができる（請求項２の効果）。

さらに、本実施例の距離測定装置１では、発振器群６で発振される複数の周波数を、最大周波数から最小周波数までの間を等間隔に分割した周波数にすることにより、ＤＳＰ回路４２で行われる信号解析を容易にすることができる。（請求項４、１０の効果）。

また、本実施例の距離測定装置１では、発振器群６で発振される複数の周波数の数を２の累乗個にすることによって、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を容易に行うことができる（請求項５、１１の効果）。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。図５は本実施例の距離測定装置による距離測定の制御処理を示すフローチャートである。ただし、距離測定装置の構成は実施例１と同一なので、説明は省略する。

図５に示すように、まず前回距離を測定したときの測定結果を検出し（Ｓ５０１）、前回検出された物体までの距離に基づいて、今回の距離測定における精度を設定する（Ｓ５０２）。このとき設定される距離測定の精度としては、「近距離高精度」と「遠距離粗精度」がある。ただし、ここでは距離測定の精度を２段階で設定しているが、３段階以上の精度を設定するようにしてもよい。

次に、設定された距離測定の精度に基づいて切り替えを行い（Ｓ５０３）、「近距離高精度の測距」が必要と判断された場合には、最小発振周波数の発振器から最大発振周波数の発振器までの間で周波数間隔が等間隔となるように、複数の発振器２１の中から必要な発振器のみを動作させるように設定する（Ｓ５０４）。

このように設定するのは、式（６）、（７）に示すように、距離分解能Δｄが発振周波数の周波数幅Ｆに依存し、最大検知距離Ｄが周波数間隔Δｆに依存するためである。

Δｄ ＝ Ｃ／（２・Ｆ） ‥ （６）
Ｄ ＝ Ｃ／（４・Δｆ） ‥ （７）
ここで、Ｃは伝播速度（超音波の場合は音速で３４０ｍ／秒）である。式（６）に示すように周波数幅Ｆ（最大周波数と最小周波数の幅）を大きくすることにより、距離分解能Δｄが小さくなり高精度の検出が可能となる。したがって、必要とされる測定精度に応じて、発振する最大周波数と最小周波数の幅を変化させることにより、適切な検出精度を設定することができる。

また、式（７）に示すように、周波数間隔ΔＦを小さくすることにより、最大検知距離Ｄを大きくすることができる。したがって、測定対象までの距離に応じて、発振する周波数の間隔を変化させることにより、適切な最大検知距離を設定することができる。

例えば、４０ｋＨｚから１０Ｈｚ刻みに４５．１１ｋＨｚまで５１２個の発振器を備えている装置において、近距離高精度の距離測定を超音波で行うとして、最大検知距離２．０ｍ、分解能０．０３ｍで検出したい場合には、４０ｋＨｚから４０Ｈｚきざみに４５．１１ｋＨｚまで１２８個の発振器を動作させればよいことになる。

一方、ステップＳ５０３において「遠距離粗精度」に切り替えられた場合には、発振する周波数の間隔を狭くし、必要とされる測定精度を満たすだけの最大周波数と最小周波数の幅になるように設定する。例えば、最小発振周波数の発振器から周波数順に必要な精度での観測に十分な個数の発振器のみを動作させるように設定する（Ｓ５０６）。この遠距離粗精度の設定において、最大検知距離８．５ｍ、分解能１ｍで検出したい場合には、４０ｋＨｚから４５．１１ｋＨｚまで５１２個備えられている発振器のうち、４０ｋＨｚから１０Ｈｚきざみに４０．１５ｋＨｚまで１６個の発振器を動作させればよいことになる。

このようにしてステップＳ５０４における近距離高精度、あるいはステップＳ５０５における遠距離粗精度の設定が完了したら、距離の測定動作を行って（Ｓ５０６）本実施例の距離測定装置による距離測定の制御処理を終了する。

上述したように、本実施例の距離測定装置１では、測定対象までの距離に応じて発振する周波数の間隔を変化させることにより、適切な最大検知距離を設定することができる（請求項６、１２の効果）。

また、本実施例の距離測定装置１では、必要とされる測定精度に応じて、発振する最大周波数と最小周波数の幅を変化させることにより、適切な検出精度を設定することができる（請求項７、１３の効果）。

さらに、本実施例の距離測定装置１では、最大周波数から最小周波数までの間を等間隔に分割した周波数を発振するように設定したことにより、近距離高精度の検出に必要な発振器のみを動作させるので、信号検出やＤＳＰ回路４２での信号処理を軽減することができ、安定した検出が可能になる（請求項４、１０の効果）。

また、本実施例の距離測定装置１では、発振する周波数の間隔を狭くし、必要とされる測定精度を満たすだけの最大周波数と最小周波数の幅になるように設定したことにより、遠距離粗精度の検出に必要な発振器のみを動作させるので、信号検出やＤＳＰ回路４２での信号処理を軽減することができ、安定した検出が可能になる（請求項８、１４の効果）。

次に、本発明の実施例３を図面に基づいて説明する。図６は本実施例に係る距離測定装置の構成を示すブロック図である。

図６に示すように、本実施例の距離測定装置６１は、超音波発信素子６２を広帯域の超音波発信が可能なものとして、１つの発信素子によって複数の周波数の送信信号を送信できるようにしたものである。

ただし、その他の構成は実施例１と同様の構成となるので、詳しい説明は省略する。

このように、本実施例の距離測定装置６１では、広帯域の発信素子を使用したので、複数の発信素子を設ける必要がなくなり、簡単な構成にすることができる（請求項３の効果）。

以上、本発明の距離測定装置について、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。例えば、実施例では送信信号として超音波を例にして説明したが、電波等その他の信号であってもよい。

定在波を利用した距離測定装置に係り、特に短時間で正確に測定対象までの距離を測定するための技術として極めて有用である。

本発明の実施例１に係る距離測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る距離測定装置による距離測定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る距離測定装置における送信信号と受信信号、合成信号の一例を示す図である。 送信信号の周波数を４０．０４ｋＨｚから４０．２２ｋＨｚまで変化させた場合の送信信号の周波数と合成信号の位相変化の関係を示す図である。 本発明の実施例２に係る距離測定装置による距離測定の制御処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例３に係る距離測定装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、６１ 距離測定装置
２ 信号送信部
３ 信号受信部
４ 信号合成部（信号合成手段）
５ 信号処理部（信号処理手段）
６ 発振器群（発振手段）
７ 超音波発信素子群（送信手段）
８ 広帯域超音波受信素子（受信手段）
９ デジタルフィルタ群（信号分配手段）
１０ 信号加算器群
２１ 発振器
２２ 超音波発信素子
４１ 送信信号制御部
４２ ＤＳＰ回路
４３ 物標認識ロジック部
６２ 広帯域超音波発信素子

Claims (14)

1. 測定対象までの距離を測定する距離測定装置であって、
   異なる周波数の出力信号を同時に複数発振する発振手段と、
   前記出力信号と同一周波数の送信信号を前記測定対象へ送出する送信手段と、
   前記送信信号の前記測定対象による反射信号を検出する受信手段と、
   前記反射信号を周波数成分ごとに分解して周波数成分ごとの受信信号を生成する信号分配手段と、
   前記周波数成分ごとの受信信号と、前記受信信号と同一周波数の出力信号とを信号合成して周波数成分ごとの合成信号を生成する信号合成手段と、
   前記周波数成分ごとの合成信号の位相変動周期を検出し、前記測定対象までの距離を算出する信号処理手段と
   を備えることを特徴とする距離測定装置。
2. 前記発振手段は、それぞれ異なる周波数を発振する複数の発振器によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記送信手段は、広帯域の発信素子であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の距離測定装置。
4. 前記発振手段で発振される複数の周波数は、最大周波数から最小周波数までの間を等間隔に分割した周波数であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の距離測定装置。
5. 前記発振手段で発振される複数の周波数の数は、２の累乗個であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
6. 前記発振手段は、前記測定対象までの距離に応じて、発振する周波数の間隔を変化させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の距離測定装置。
7. 前記発振手段は、必要とされる測定精度に応じて、発振する最大周波数と最小周波数の幅を変化させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の距離測定装置。
8. 前記発振手段は、発振する周波数の間隔を狭くし、必要とされる測定精度を満たすだけの最大周波数と最小周波数の幅にすることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の距離測定装置。
9. 測定対象までの距離を測定する距離測定方法であって、
   異なる周波数の出力信号を同時に複数発振する発振ステップと、
   前記出力信号と同一周波数の送信信号を前記測定対象へ送出する送信ステップと、
   前記送信信号の前記測定対象による反射信号を検出する受信ステップと、
   前記反射信号を周波数成分ごとに分解して周波数成分ごとの受信信号を生成する信号分配ステップと、
   前記周波数成分ごとの受信信号と、前記受信信号と同一周波数の出力信号とを信号合成して周波数成分ごとの合成信号を生成する信号合成ステップと、
   前記周波数成分ごとの合成信号の位相変動周期を検出し、前記測定対象までの距離を算出する信号処理ステップと
   を含むことを特徴とする距離測定方法。
10. 前記発振ステップで発振される複数の周波数は、最大周波数から最小周波数までの間を等間隔に分割した周波数であることを特徴とする請求項９に記載の距離測定方法。
11. 前記発振ステップで発振される複数の周波数の数は、２の累乗個であることを特徴とする請求項９または１０のいずれかに記載の距離測定方法。
12. 前記発振ステップで発振される周波数の間隔は、前記測定対象までの距離に応じて変化されることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の距離測定方法。
13. 前記発振ステップで発振される周波数は、最大周波数と最小周波数の幅が必要とされる測定精度に応じて変化されることを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の距離測定方法。
14. 前記発振ステップでは、発振される周波数の間隔を狭くし、必要とされる測定精度を満たすだけの最大周波数と最小周波数の幅にすることを特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の距離測定方法。

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