JP2006292461A

JP2006292461A - 距離計

Info

Publication number: JP2006292461A
Application number: JP2005110770A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Mori; 浩昭森
Original assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Current assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】被測定物までの距離が近い場合の距離計測において、コストの増大を抑制することを目的とする。
【解決手段】前記測定用信号に同期して繰返し周期Ｔ１を有する第１の信号を発生し、又、前記反射信号に同期して繰返し周期Ｔ２を有する第２の信号を発生する信号発生手段と、前記第１の信号と第２の信号との位相差を検出する位相差検出手段と、前記第１の信号または第２の信号の繰返し数を計数する計数手段と、前記第１の信号と第２の信号とが同位相になるまでの前記繰返し数ｎ、前記第１の信号の繰返し周期Ｔ１、前記第２の信号の繰返し周期Ｔ２及び前記送受信時間ΔＴに基づいて送受信時間ΔＴを算出し、当該送受信時間ΔＴに基づき前記被測定物までの距離を求める演算手段とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、距離計に関する。

周知のように、電波式距離計の一種であるパルスレーダ方式距離計は、被測定物へパルス状の送信信号を送信し、当該被測定物により上記送信信号が反射されて受信されるまでの時間に基づき被測定物までの距離を計測するものである。例えば、特開平１１−３５２２１３号公報には、上記パルスレーダ方式距離計に関し、その計測精度の向上を目的とする技術が開示されている。
特開平１１−３５２２１３号公報

上記のようにパルスレーダ方式距離計では、パルス状の送信信号の送受信間の時間を直接測定することで被測定物までの距離を計測している。しかしながら、被測定物までの距離が数ｍ〜数十ｍという至近距離である場合、上記送信信号の送受信間の時間はｎｓｅｃオーダとなるため高精度な時間検出器を必要としていた。このような高精度な時間検出器は高価なものであり、距離計のトータルコストが増大するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、被測定物までの距離が近い場合の距離計測において、コストの増大を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、距離計に係わる第１の解決手段として、被測定物へ測定用信号を送信信号として送信してから前記被測定物により反射され反射信号として受信されるまでの送受信時間ΔＴに基づき前記被測定物までの距離を計測する距離計であって、前記測定用信号に同期して繰返し周期Ｔ１を有する第１の信号を発生し、又、前記反射信号に同期して繰返し周期Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）を有する第２の信号を発生し、尚且つ前記繰返し周期Ｔ１及び繰返し周期Ｔ２は前記送受信時間ΔＴに対して下記条件式（１）が成立する値で設定されている信号発生手段と、前記第１の信号と第２の信号との位相差を検出する位相差検出手段と、前記第１の信号または第２の信号の繰返し数を計数する計数手段と、前記第１の信号と第２の信号とが同位相になるまでの前記繰返し数ｎ、前記第１の信号の繰返し周期Ｔ１、前記第２の信号の繰返し周期Ｔ２及び前記送受信時間ΔＴに関する下記演算式（２）に基づいて送受信時間ΔＴを算出し、当該送受信時間ΔＴに基づき前記被測定物までの距離を求める演算手段とを具備する、という手段を採用する。

また、距離計に係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、信号発生手段は、繰返し周期Ｔ２＝ｋ・Ｔ１（０．９≦ｋ＜１）を有する第２の信号を発生し、演算手段は、前記第１の信号と第２の信号とが同位相になるまでの前記繰返し数ｎ、前記第１の信号の繰返し周期Ｔ１、前記第２の信号の繰返し周期Ｔ２＝ｋ・Ｔ１及び前記送受信時間ΔＴに関する下記演算式（３）に基づいて送受信時間ΔＴを算出する、という手段を採用する。

また、距離計に係わる第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記測定用信号、前記第１の信号及び前記第２の信号はパルス信号であることを特徴とする。

本発明によれば、被測定物までの距離が短く、送受信時間ΔＴが小さい場合であっても、繰返し周期Ｔ１を有する第１の信号と繰返し周期Ｔ２を有する第２の信号とが同位相になるまでの第１の信号または第２の信号の繰返し数ｎを求めるだけで上記演算式（２）から送受信時間ΔＴを算出することができるので送受信時間ΔＴを直接測定する必要がない。従って、高精度な時間検出器を必要とせず、コストの増大を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る距離計の機能構成を示すブロック図である。図１において、符号１は測定用信号発生部、２は振幅変調器、３は送信部、４は送信アンテナ、５は受信アンテナ、６は受信部、７はパルス信号発生部、８は位相差検出回路、９はカウンタ回路１０は距離演算部、１１は表示部、Ｓは送信電波、Ｒは反射電波、Ｗは被測定物である。

測定用信号発生部１は、測定用パルス信号ａ１と該測定用パルス信号ａ１に同期すると共に繰返し周期Ｔ１を有する第１のパルス信号ｂ１とを生成し、測定用パルス信号ａ１を振幅変調器２へ出力する一方、第１のパルス信号ｂ１を位相差検出回路８及びカウンタ回路９へ出力する。振幅変調器２は、上記測定用パルス信号ａ１を被変調信号として自ら発振した所定周波数の搬送波を振幅変調するものであり、当該振幅変調によって生成した振幅変調信号ａ２を送信部３に出力する。送信部３は、振幅変調信号ａ２を電力増幅し、送信信号ａ３として送信アンテナ４に出力する。送信アンテナ４は、送信信号ａ３を送信電波Ｓとして被測定物Ｗに向けて放射する。

受信アンテナ５は、上記送信電波Ｓが被測定物Ｗに反射して発生する反射電波Ｒを捉え、
受信信号ｃ１として受信部６に出力する。この受信信号ｃ１は、微弱な振幅を有する信号であり、受信部６はこのような受信信号ｃ１を電圧増幅すると共に復調を行うことにより受信パルス信号ｃ２を生成してパルス信号発生部７に出力する。すなわち、上記受信パルス信号ｃ２は振幅変調信号ａ２が復調され、測定用パルス信号ａ１が再生されたものである。パルス信号発生部７は、受信パルス信号ｃ２をトリガ信号とすることによって当該受信パルス信号ｃ２に同期すると共に繰返し周期Ｔ２＝ｋ・Ｔ１（ｋは係数：０≦ｋ＜１）を有する第２のパルス信号ｂ２を発生して位相差検出回路８出力する。

位相差検出回路８は、上記第１のパルス信号ｂ１と第２のパルス信号ｂ２との位相差を検出するものであり、当該位相差が零となり第１のパルス信号ｂ１と第２のパルス信号ｂ２とが同位相になるとタイミング信号ｄ１をカウンタ回路９に出力する。カウンタ回路９は、上記第１のパルス信号ｂ１の入力開始からタイミング信号ｄ１が入力されるまでの期間における第１のパルス信号ｂ１のパルス数（パルス信号ｂ１の繰返し数）を計数するものであり、その計数値ｎを距離演算部１０に出力する。

距離演算部１０は、上記繰返し周期Ｔ１、係数ｋ及び下記演算式（３）を記憶すると共に、当該繰り返し周期Ｔ１、係数ｋ、下記演算式（３）及び上記計数値ｎに基づいて測定用パルス信号ａ１と受信パルス信号ｃ２との時間差ΔＴ（送受信時間）を算出し、さらに当該送受信時間ΔＴと下記演算式（４）に基づいて本距離計と被測定物Ｗまでの距離Ｌを算出して表示部１１に出力する。なお、下記演算式（４）における定数ｃは電波（送信電波Ｓ及び反射電波Ｒ）の伝播速度である。表示部１１は、例えば液晶パネルであり、上記距離Ｌを表示する。

次に、このように構成された本距離計の動作について図２を用いて詳細に説明する。

図２は測定用信号ａ１、第１のパルス信号ｂ１、受信パルス信号ｃ２及び第２のパルス信号ｂ２のタイミングチャート図である。図２のように、測定用信号発生部１は測定用信号ａ１に同期して繰返し周期Ｔ１を有する第１のパルス信号ｂ１を生成し、また、パルス信号発生部７は、受信パルス信号ｃ２に同期して、繰返し周期Ｔ２を有する第２のパルス信号ｂ２を発生する。図２に示すように測定用信号ａ１と受信パルス信号ｃ２との間には、被測定物Ｗまでの距離Ｌによって送受信にかかる時間（送受信時間）ΔＴが生じることになる。すなわち、第１のパルス信号ｂ１と第２のパルス信号ｂ２とには初期位相差として送受信時間ΔＴのずれがある。

ここで、繰返し周期Ｔ１、Ｔ２及び送受信時間ΔＴとの間に、Ｔ２＜Ｔ１及び下記条件式（１）が成立するように上記繰返し周期Ｔ１、Ｔ２の値を設定すると、図２のように第１のパルス信号ｂ１と第２のパルス信号ｂ２とは、ある時間Ｔｓ＝ｎ・Ｔ１で同位相になる。ｎは同位相になるまでの第１のパルス信号ｂ１のパルス数（計数値）である。また、同位相になるまでの第１のパルス信号ｂ１のパルス数と第２のパルス信号ｂ２のパルス数は同じ値となる。

この時の送受信時間ΔＴ、繰返し周期Ｔ１、Ｔ２及び同位相になる時間Ｔｓとの間には下記演算式（２）が成立する。

ここで、繰返し周期Ｔ２＝ｋ・Ｔ１（０≦ｋ＜１）とすると、上記演算式（２）式に代入して下記演算式（３）が得られる。

上記演算式（３）に第１のパルス信号ｂ１の周期Ｔ１、係数ｋ、第１のパルス信号ｂ１と第２のパルス信号ｂ２とが同位相になる時間Ｔｓまでのパルス数ｎを代入することによって送受信時間ΔＴを求めることができる。このように、上記演算式（３）はノギスの原理を利用している。ノギスの原理とは、本尺よりも小さい副尺を利用して小さい寸法を読み取る方法であり、ここでは本尺が周期Ｔ１、副尺が周期Ｔ２＝ｋ・Ｔ１、小さい寸法が送受信時間ΔＴに相当する。

上記条件式（１）は、第１のパルス信号ｂ１と第２のパルス信号ｂ２とが同位相になるための条件であり、この条件を満たさなければ当該第１のパルス信号ｂ１と第２のパルス信号ｂ２との位相差が同位相になるタイミングが存在しなくなり、上記演算式（３）が成立しなくなってしまう。従って、予め求めたい距離Ｌから送受信時間ΔＴの予想値を算出しておき、当該予想値と上記条件式（１）とに基づいて繰返し周期Ｔ１の値を設定しておく必要がある。

例えば、送受信時間ΔＴを１ｎｓオーダで求めたい場合は、繰返し周期Ｔ２をＴ２＝０．９Ｔ１（ｋ＝０．９）とし、繰返し周期Ｔ１を１０ｎｓとすると上記条件式（１）を満たすので上記演算式（３）が成立し、第１のパルス信号ｂ１と第２のパルス信号ｂ２とが同位相になるまでのパルス数ｎから送受信時間ΔＴを算出することができる。

また、より精度良く送受信時間ΔＴを求めるには、繰返し周期Ｔ２を繰返し周期Ｔ１に極力近づければ良い。例えば、繰返し周期Ｔ２をＴ２＝０．９５Ｔ１（ｋ＝０．９５）とし、繰返し周期Ｔ１を１０ｎｓとすると送受信時間ΔＴは０．５ｎｓオーダで求めることが可能となる。このように、実用上は測定精度を上げるために０．９≦ｋ＜１とすることが望ましい。

このように、位相差検出回路８は、繰返し周期Ｔ１を有する第１のパルス信号ｂ１と繰返し周期Ｔ２＝ｋ・Ｔ１を有する第２のパルス信号ｂ２とが同位相になる時間Ｔｓまで位相差検出を行い、カウンタ回路９は、この期間、第１のパルス信号ｂ１のパルス数をカウントしていく（ただし、このパルス数に一番目のパルスは含まない）。そして、位相差検出回路８は、第１のパルス信号ｂ１と第２のパルス信号ｂ２とが同位相になると、タイミング信号ｄ１をカウンタ回路９に出力し、当該カウンタ回路９は、タイミング信号ｄ１が入力されるまでの第１のパルス信号ｂ１のパルス数（計数値ｎ）を距離演算部１０へ出力する。

距離演算部１０は、上記計数値ｎを上記演算式（３）に代入することによって送受信時間ΔＴを算出し、さらに被測定物Ｗまでの距離Ｌを上記演算式（４）に基づいて算出して距離計測結果として表示部１１へ出力する。

なお、上記の送受信時間ΔＴには測定用信号ａ１が生成されてから、振幅変調器２、送信部３を経由し、送信アンテナ４から送信電波Ｓとして放射されるまでの間の処理時間と、受信信号ｃ１として受信され、受信部６を経由して受信パルス信号ｃ２になるまでの処理時間とが含まれることになる。これらの処理時間は距離計測結果の誤差要因となるので、上記距離演算部１０は、送受信時間ΔＴの算出値から上記処理時間を差し引くことで補正を行っている。

以上のように、本距離計によると、繰返し周期Ｔ１を有する第１のパルス信号ｂ１と繰返し周期Ｔ２を有する第２のパルス信号ｂ２とが同位相になった時間Ｔｓまでのパルス数（計数値ｎ）を求めるだけで送受信時間ΔＴを算出することができるので送受信時間ΔＴを直接測定する必要がない。従って、高精度な時間検出器を必要とせず、コストの増大を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。

（１）上記実施形態では距離計測に電波方式を採用したが、これに限定されず、超音波、
光、レーザ等を用いても良い。

（２）上記実施形態において、カウンタ回路９は、第１のパルス信号ｂ１のパルス数をカウントしていたが、これに限らず、第２のパルス信号ｂ２のパルス数をカウントしても良い。

本発明の一実施形態に係る距離計の機能構成ブロック図である。本発明の一実施形態に係る距離計測原理を示すタイムチャート図面である。

符号の説明

１…測定用信号発生部、２…振幅変調器、３…送信部、４…送信アンテナ、５…受信アンテナ、６…受信部、７…パルス信号発生部、８…位相差検出回路、９…カウンタ回路、１０…距離演算部、１１…表示部、Ｓ…送信電波、Ｒ…受信電波、Ｗ…被測定物

Claims

被測定物へ測定用信号を送信信号として送信してから前記被測定物により反射され反射信号として受信されるまでの送受信時間ΔＴに基づき前記被測定物までの距離を計測する距離計であって、
前記測定用信号に同期して繰返し周期Ｔ１を有する第１の信号を発生し、又、前記反射信号に同期して繰返し周期Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）を有する第２の信号を発生し、尚且つ前記繰返し周期Ｔ１及び繰返し周期Ｔ２は前記送受信時間ΔＴに対して下記条件式（１）が成立する値で設定されている信号発生手段と、
前記第１の信号と第２の信号との位相差を検出する位相差検出手段と、
前記第１の信号または第２の信号の繰返し数を計数する計数手段と、
前記第１の信号と第２の信号とが同位相になるまでの前記繰返し数ｎ、前記第１の信号の繰返し周期Ｔ１、前記第２の信号の繰返し周期Ｔ２及び前記送受信時間ΔＴに関する下記演算式（２）に基づいて送受信時間ΔＴを算出し、当該送受信時間ΔＴに基づき前記被測定物までの距離を求める演算手段と
を具備することを特徴とする距離計。
信号発生手段は、繰返し周期Ｔ２＝ｋ・Ｔ１（０．９≦ｋ＜１）を有する第２の信号を発生し、
演算手段は、前記第１の信号と第２の信号とが同位相になるまでの前記繰返し数ｎ、前記第１の信号の繰返し周期Ｔ１、前記第２の信号の繰返し周期Ｔ２＝ｋ・Ｔ１及び前記送受信時間ΔＴに関する下記演算式（３）に基づいて送受信時間ΔＴを算出することを特徴とする請求項１記載の距離計。
前記測定用信号、前記第１の信号及び前記第２の信号はパルス信号であることを特徴とする請求項１または２記載の距離計。