JP2012185050A - Distance and speed measuring device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a distance and speed measuring device using a spread spectrum system for highly accurately measuring distance and speed.SOLUTION: A modulation code acquired by calculating the logical sum of a PN code and a periodical code is used as a spread code that conducts intensity modulation of irradiation light. The period of the periodical code is set as 6 times the pulse width or above. Such a modulation code has a sharp peak in autocorrelation function thereof enabling accurate calculation of distance up to a target object. In addition, in sampling of a beat signal of local light and reflected light, as the signal strength does not become 0 at the timing of code 1 in the periodical code, the beat signal can be highly accurately calculated so that the speed of the target object can be also highly accurately measured.

Description

本発明は、目標物に対して光を照射することにより、目標物の距離と速度を同時に測定する距離速度測定装置に関するものであり、特に拡散符号を用いて光を変調して照射するスペクトル拡散方式によるものである。   The present invention relates to a distance-velocity measuring apparatus that simultaneously measures the distance and speed of a target by irradiating the target with light. In particular, the present invention relates to a spread spectrum that modulates and irradiates light using a spread code It depends on the method.

目標物に光を照射し、その目標物による反射光を受光し、発光から受光までの時間を計測することで目標物までの距離を測定する方法が広く知られている。この方法では、散乱などによって測定精度が落ち、遠距離まで測定することができない。これを解決する方法として、スペクトル拡散方式による距離測定方法が知られている(特許文献1)。スペクトル拡散方式は、光をPN符号などの拡散符号で変調して目標物に照射し、受光した反射光から拡散符号を復調し、変調した拡散符号と復調した拡散符号とで相互相関を取り、その相関ピークの位置から目標物までの距離を測定する。また、特許文献1では、駆動回路によって直接に出力を拡散符号で変調する方式(直接変調方式)を取っている。   A method of measuring the distance to a target by irradiating the target with light, receiving the reflected light from the target, and measuring the time from light emission to light reception is widely known. In this method, the measurement accuracy decreases due to scattering and the like, and it is impossible to measure to a long distance. As a method for solving this, a distance measurement method using a spread spectrum method is known (Patent Document 1). The spread spectrum system modulates light with a spreading code such as a PN code and irradiates the target, demodulates the spreading code from the received reflected light, takes a cross-correlation between the modulated spreading code and the demodulated spreading code, The distance from the position of the correlation peak to the target is measured. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 employs a method (direct modulation method) in which an output is directly modulated with a spread code by a drive circuit.

また、特許文献2には、レーザー光を送信光とローカル光に分割し、送信光を擬似ランダム変調信号により変調し、送信光を目標物に照射して反射された光を受信し、その受信光とローカル光とのビート信号を生成し、ビート信号と擬似ランダム変調信号との相関信号の信号強度、周波数を解析することにより、目標物の距離、速度を測定することが記載されている。   Further, Patent Document 2 divides laser light into transmission light and local light, modulates the transmission light with a pseudo-random modulation signal, irradiates the target with the transmission light, and receives the reflected light. It describes that a beat signal of light and local light is generated and the distance and speed of a target are measured by analyzing the signal intensity and frequency of the correlation signal between the beat signal and the pseudo-random modulation signal.

特開2002−368720JP 2002-368720 A 特開2000−338243JP 2000-338243 A

スペクトル拡散方式において目標物の距離と速度を同時に測定しようとする場合、拡散符号で変調された光を照射するため、ドップラー周波数の算出のためビート信号をサンプリングする際に、符号が0の点でサンプリングしてしまう可能性があり、速度を高精度に測定することができなかった。   When the distance and speed of the target are to be measured simultaneously in the spread spectrum method, when the beat signal is sampled for calculating the Doppler frequency, the light modulated by the spread code is irradiated. There was a possibility of sampling, and the speed could not be measured with high accuracy.

そこで本発明の目的は、スペクトル拡散方式によって距離と速度を同時に測定する距離速度測定装置において、距離と速度の双方を高精度に測定する装置を実現することである。   Therefore, an object of the present invention is to realize an apparatus for measuring both distance and speed with high accuracy in a distance speed measurement apparatus that measures distance and speed simultaneously by a spread spectrum method.

第1の発明は、光を拡散符号で変調して目標物に照射し、目標物からの反射光を受信して目標物までの距離、および目標物の速度を測定するスペクトル拡散方式による距離速度測定装置において、一定周期のクロックに同期して第1拡散符号を生成する第1拡散符号生成手段と、クロックに同期して第1拡散符号の1ビット長よりも長い周期を有した周期符号を生成する周期符号生成手段と、第1拡散符号と周期符号との論理和をとって第2拡散符号を生成する第2拡散符号生成手段と、照射光を出力する光源と、照射光を第2拡散符号で変調し、目標物に照射する送信手段と、目標物によって反射された反射光を受信して受信信号を生成する第1受信手段と、反射光と照射光とを混合して受信し、ビート信号を生成する第2受信手段と、受信信号と第2拡散符号生成手段が生成した第2拡散符号との相関関数を算出することで目標物までの距離を測定すると共に、ビート信号を周期符号が1のタイミングでサンプリングしてフーリエ変換し、ビート信号の周波数であるドップラー周波数を算出することで目標物の速度を測定する距離速度演算部と、を有することを特徴とする距離速度測定装置である。   1st invention modulates light with a spreading code, irradiates the target, receives the reflected light from the target, and measures the distance to the target and the speed of the spread spectrum method for measuring the speed of the target In the measuring apparatus, a first spreading code generating means for generating a first spreading code in synchronization with a clock having a fixed period, and a periodic code having a period longer than 1 bit length of the first spreading code in synchronization with the clock. A periodic code generating means for generating; a second spreading code generating means for generating a second spreading code by taking the logical sum of the first spreading code and the periodic code; a light source for outputting the irradiation light; Transmitting means for modulating with a spreading code and irradiating the target, first receiving means for receiving the reflected light reflected by the target and generating a reception signal, and mixing the reflected light and irradiated light for reception Second receiving means for generating a beat signal; The distance to the target is measured by calculating the correlation function between the signal and the second spreading code generated by the second spreading code generation means, and the beat signal is sampled at the timing of the period code of 1 and Fourier transformed. And a distance speed calculation unit that measures a speed of a target by calculating a Doppler frequency that is a frequency of a beat signal.

第2の発明は、光を拡散符号で変調して目標物に照射し、目標物からの反射光を受信して目標物までの距離、および目標物の速度を測定するスペクトル拡散方式による距離速度測定装置において、一定周期のクロックに同期して第1拡散符号を生成する第1拡散符号生成手段と、クロックに同期して第1拡散符号の1ビット長よりも長い周期を有した周期符号を生成する周期符号生成手段と、第1拡散符号と周期符号との論理和をとって第2拡散符号を生成する第2拡散符号生成手段と、光源と、第2拡散符号にしたがって符号が0のときに出力が第1の値b1、符号が1のときに出力が前記第1の値b1よりも大きい第2の値b2、となるよう光源を駆動して、第2拡散符号で変調された照射光を生成し、目標物に前記照射光を照射する送信手段と、目標物によって反射された反射光を受信して受信信号を生成する第1受信手段と、反射光と照射光とを混合して受信し、ビート信号を生成する第2受信手段と、受信信号と第2拡散符号生成手段が生成した第2拡散符号との相関関数を算出することで目標物までの距離を測定すると共に、ビート信号を周期符号が1のタイミングでサンプリングしてフーリエ変換し、ビート信号の周波数であるドップラー周波数を算出することで目標物の速度を測定する距離速度演算部と、を有することを特徴とする距離速度測定装置である。   The second invention modulates light with a spread code to irradiate the target, receives the reflected light from the target, and measures the distance to the target and the speed of the target using the spread spectrum method. In the measuring apparatus, a first spreading code generating means for generating a first spreading code in synchronization with a clock having a fixed period, and a periodic code having a period longer than 1 bit length of the first spreading code in synchronization with the clock. A cyclic code generating means for generating, a second spreading code generating means for generating a second spreading code by taking the logical sum of the first spreading code and the periodic code, a light source, and a code of 0 according to the second spreading code. When the output is a first value b1, and when the code is 1, the light source is driven so that the output is a second value b2 that is larger than the first value b1, and modulated by the second spreading code. Generates irradiation light and sends the irradiation light to the target. Means, first receiving means for receiving the reflected light reflected by the target and generating a received signal, second receiving means for receiving the mixed reflected light and irradiated light and generating a beat signal, The distance to the target is measured by calculating the correlation function between the received signal and the second spreading code generated by the second spreading code generation means, and the beat signal is sampled at the timing of the period code of 1 and Fourier transformed. And a distance speed calculation unit that measures a speed of the target by calculating a Doppler frequency that is a frequency of a beat signal.

第1、2の発明における目標物の距離の算出では、受信信号と第2拡散符号との相関関数を直接算出するのではなく、受信信号から第2拡散符号を復号し、その復号した第2拡散符号と第2拡散符号生成手段が生成した第2拡散符号との相関関数を算出するようにしてもよい。   In the calculation of the target distance in the first and second inventions, the correlation function between the received signal and the second spreading code is not directly calculated, but the second spreading code is decoded from the received signal and the decoded second A correlation function between the spread code and the second spread code generated by the second spread code generation means may be calculated.

第3の発明は、第2の発明において、距離速度演算部は、ビート信号の出力のうち、反射光の符号が1で照射光の符号が0のときの干渉の時間帯の信号強度をb2/b1倍して補正する、ことを特徴とする距離速度測定装置である。   In a third aspect based on the second aspect, the distance / velocity calculation unit calculates the signal intensity in the interference time zone when the sign of the reflected light is 1 and the sign of the irradiated light is 0 out of the output of the beat signal. This is a distance / velocity measuring apparatus characterized by correcting by multiplying / b1.

第4の発明は、第1の発明から第3の発明において、ビート信号のサンプリングは、サンプリングタイミングをずらして2回以上サンプリングを行うことを特徴とする距離速度測定装置である。   According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, the beat signal is sampled twice or more at different sampling timings.

第5の発明は、第3の発明において、ビート信号のサンプリングは、クロック位相からπ/2遅延したタイミングと、3π/2遅延したタイミングの2回行うことを特徴とする距離速度測定装置である。   According to a fifth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, the beat signal sampling is performed twice, at a timing delayed by π / 2 and a timing delayed by 3π / 2 from the clock phase. .

第6の発明は、第1の発明から第5の発明において、周期符号の周期は、符号のパルス幅の6倍以上とすることを特徴とする距離速度測定装置である。   A sixth aspect of the present invention is the distance velocity measuring apparatus according to any one of the first to fifth aspects of the present invention, wherein the period of the periodic code is 6 times or more the code pulse width.

第7の発明は、第1の発明から第6の発明において、周期符号の周期は、測定する目標物の最大速度をV、光源の波長をλとして、λ/(4V)以下とすることを特徴とする距離速度測定装置である。   In a seventh aspect based on the first to sixth aspects, the period of the periodic code is set to λ / (4V) or less, where V is the maximum velocity of the target to be measured and λ is the wavelength of the light source. This is a characteristic distance velocity measuring device.

第1、2の発明によると、ビート信号をサンプリングする際に、周期符号の符号1のタイミングにおいては信号強度が0とはならないので、目標物の速度を共に高精度に測定することができる。また、周期パルス信号の周期を第1拡散符号の1ビット長よりも長くしているため、第2拡散符号の自己相関ピークは高く、目標物の距離を測定する際も精度を悪化させることがない。   According to the first and second inventions, when the beat signal is sampled, the signal intensity does not become zero at the timing of the code 1 of the periodic code, so that the speed of the target can be measured with high accuracy. In addition, since the period of the periodic pulse signal is longer than the 1-bit length of the first spreading code, the autocorrelation peak of the second spreading code is high, and accuracy may be deteriorated when measuring the distance of the target. Absent.

また、第3の発明によると、より高精度に目標物の速度を測定することができる。   Further, according to the third invention, the speed of the target can be measured with higher accuracy.

また、第4、5の発明によると、少なくとも1つのサンプリングは、信号の立ち上がり、立ち下がりに入らないようにすることができるので、より精度よく速度を測定することができる。   Further, according to the fourth and fifth inventions, at least one sampling can be prevented from entering the rising edge or falling edge of the signal, so that the speed can be measured with higher accuracy.

また、第6、7の発明によると、第2拡散符号の自己相関関数のピークがより鋭くなるため、距離測定の精度をより向上させることができる。   Further, according to the sixth and seventh inventions, the peak of the autocorrelation function of the second spreading code becomes sharper, so that the accuracy of distance measurement can be further improved.

実施例1の距離速度測定装置の構成を示した図。The figure which showed the structure of the distance speed measuring apparatus of Example 1. FIG. 変調符号の構成を説明する図。The figure explaining the structure of a modulation code. 変調符号の自己相関関数と周期符号の周期Tとの関係を示した図。The figure which showed the relationship between the autocorrelation function of a modulation code, and the period T of a period code. ビート信号の波形を示した図。The figure which showed the waveform of the beat signal. 実施例2の距離速度測定装置の構成を示した図。The figure which showed the structure of the distance speed measuring apparatus of Example 2. FIG. ビート信号の波形を示した図。The figure which showed the waveform of the beat signal. ドップラー周波数をシミュレーションにより算出した結果を示した図。The figure which showed the result of having calculated the Doppler frequency by simulation. ドップラー周波数をシミュレーションにより算出した結果を示した図。The figure which showed the result of having calculated the Doppler frequency by simulation. クロック位相と受信信号の関係を示した図。The figure which showed the relationship between a clock phase and a received signal. クロック位相と受信信号の関係を示した図。The figure which showed the relationship between a clock phase and a received signal. クロック位相と受信信号の関係を示した図。The figure which showed the relationship between a clock phase and a received signal. クロック位相と受信信号の関係を示した図。The figure which showed the relationship between a clock phase and a received signal.

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.

図1は、実施例1の距離速度測定装置の構成について示した図である。実施例1の距離速度測定装置は、レーザー10と、強度変調器11と、符号発生回路12と、フォトダイオード13A、Bと、距離速度演算部14と、スプリッタ15、16と、によって構成されている。   FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the distance velocity measuring apparatus according to the first embodiment. The distance velocity measuring apparatus according to the first embodiment includes a laser 10, an intensity modulator 11, a code generation circuit 12, photodiodes 13A and 13B, a distance velocity calculation unit 14, and splitters 15 and 16. Yes.

レーザー10は、連続光を発光する狭帯域なレーザー光源であり、その中心波長はたとえば1500nmである。レーザー10から出力される光は、スプリッタ15によって分割され、一方は目標物に照射する照射光、他方はビート信号を生成するローカル光として用いる。ローカル光はフォトダイオード13Aに入力される。   The laser 10 is a narrow-band laser light source that emits continuous light, and its center wavelength is, for example, 1500 nm. The light output from the laser 10 is divided by the splitter 15, one of which is used as irradiation light for irradiating the target and the other is used as local light for generating a beat signal. Local light is input to the photodiode 13A.

符号生成回路12は、一定周期τのクロックに同期してPN符号(本発明における第1拡散符号)と周期符号を生成し、PN符号と周期符号との論理和をとって変調符号(本発明における第2拡散符号)を生成する(図2参照)。周期符号は、周期Tでパルス幅τの周期パルスである。周期Tはパルス幅τの整数倍である。PN符号はパルス幅(1ビット長)τのM系列やGold系列などの符号である。   The code generation circuit 12 generates a PN code (first spreading code in the present invention) and a periodic code in synchronization with a clock having a fixed period τ, and takes a logical sum of the PN code and the periodic code to generate a modulation code (the present invention). 2) (see FIG. 2). The periodic code is a periodic pulse having a period T and a pulse width τ. The period T is an integer multiple of the pulse width τ. The PN code is a code such as an M series or a Gold series having a pulse width (1 bit length) τ.

強度変調器11は、レーザー10が出力する照射光を、符号生成回路12が生成する変調符号によって符号1で照射孔をほぼ透過し、符号0で光強度が0に強度変調する。その変調された照射光は、レンズ17を通して目標物に照射される。   The intensity modulator 11 transmits the irradiation light output from the laser 10 almost through the irradiation hole with the code 1 by the modulation code generated by the code generation circuit 12, and intensity-modulates the light intensity to 0 with the code 0. The modulated irradiation light is irradiated to the target through the lens 17.

図3は、変調符号の自己相関関数と周期符号の周期Tとの関係を示した図である。周期Tが大きくなるほど自己相関関数のピークが鋭くなることがわかる。特に周期Tが6τ以上であれば、自己相関関数のピークは十分に鋭く、距離測定を高精度に行うことができる。   FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the autocorrelation function of the modulation code and the period T of the periodic code. It can be seen that the peak of the autocorrelation function becomes sharper as the period T increases. In particular, when the period T is 6τ or more, the peak of the autocorrelation function is sufficiently sharp, and distance measurement can be performed with high accuracy.

目標物に照射されて反射された反射光は、レンズ18を通して受光し、スプリッタ16によって分割され、一方はフォトダイオード13Bに入力され、他方はローカル光と混合されてフォトダイオード13Aに入力される。フォトダイオード13Bでは、反射光が電気信号である受信信号に変換され、受信信号は距離速度演算部14に入力される。また、フォトダイオード13Aでは、ローカル光と反射光の混合によりビート信号に変換され、ビート信号は距離速度演算部14に入力される。   The reflected light that is irradiated and reflected by the target is received through the lens 18 and divided by the splitter 16, one of which is input to the photodiode 13B, and the other is mixed with the local light and input to the photodiode 13A. In the photodiode 13 </ b> B, the reflected light is converted into a received signal that is an electrical signal, and the received signal is input to the distance / speed calculator 14. In the photodiode 13 </ b> A, the beat signal is converted into a beat signal by mixing the local light and the reflected light, and the beat signal is input to the distance speed calculation unit 14.

なお、フォトダイオード13A、Bに替えて、フォトトランジスタなどの他の受光素子を用いてもよい。また、レーザー10からレンズ17、フォトダイオード13Aに至る光伝送路、およびレンズ18からフォトダイオード13A、Bに至る光伝送路には、光ファイバーを用いることができる。もちろん空間を伝搬させてもよい。また、スプリッタ15、16に替えて光カプラを用いてもよい。   Instead of the photodiodes 13A and 13B, other light receiving elements such as phototransistors may be used. An optical fiber can be used for the optical transmission path from the laser 10 to the lens 17 and the photodiode 13A and the optical transmission path from the lens 18 to the photodiodes 13A and B. Of course, space may be propagated. Further, an optical coupler may be used in place of the splitters 15 and 16.

距離速度演算部14では、フォトダイオード13Bからの受信信号を用いて目標物の距離を以下のようにして算出する。距離速度演算部14は復号器と相関器を有し、受信信号から変調符号を復号する。そして、その復号した変調符号と、符号発生回路からの変調符号との相互相関を相関器によって算出する。この相互相関関数のピーク位置によって、照射光が目標物によって反射されて戻ってくるまでの時間が分かり、目標物までの距離を算出することができる。ここで変調符号は、図3に示したように自己相関関数のピークが鋭い符号であるから、高精度に目標物の距離を算出することができる。   The distance / velocity calculation unit 14 calculates the distance of the target as follows using the received signal from the photodiode 13B. The distance speed calculation unit 14 includes a decoder and a correlator, and decodes a modulation code from the received signal. Then, a cross-correlation between the decoded modulation code and the modulation code from the code generation circuit is calculated by a correlator. From the peak position of the cross-correlation function, the time until the irradiated light is reflected by the target and returned can be known, and the distance to the target can be calculated. Here, since the modulation code is a code with a sharp peak of the autocorrelation function as shown in FIG. 3, the distance of the target can be calculated with high accuracy.

一方、距離速度演算部14では、フォトダイオード13Aからのビート信号をサンプリングしてFFTをすることでビート信号の周波数を算出し、その周波数(ドップラー周波数)から目標物の速度を算出する。ビート信号は、図4に示すように、正弦波の信号において、変調符号の符号1のタイミングでは信号強度が保持され、符号0のタイミングでは信号強度が0となった信号である。ここで、変調符号はPN符号と周期符号との論理和をとった符号であるから、その周期符号の符号1となる周期Tのタイミングでは信号強度が必ず保持されている。したがって、周期符号の符号1のタイミングでビート信号をサンプリングすることで、信号強度が0となるタイミングを回避して信号強度が保持された状態を必ずサンプリングすることができ、ビート信号の周波数を高精度に算出することができる。なお、周期Tは、照射光の波長をλ、目標物の最大速度をVとして、λ/(4V)以下とすることが望ましい。速度Vによって発生するドラップ周波数fd=2V/λをフーリエ解析を用いてスペクトル解析すると、サンプリング周波数fs≧2fd=4V/λで、周期T=1/fs≦1/(2fd)=λ/(4V)となるためである。   On the other hand, the distance speed calculation unit 14 calculates the frequency of the beat signal by sampling the beat signal from the photodiode 13A and performing FFT, and calculates the speed of the target from the frequency (Doppler frequency). As shown in FIG. 4, the beat signal is a signal in which the signal strength is maintained at the timing of the code 1 of the modulation code and the signal strength is 0 at the timing of the code 0 in the sine wave signal. Here, since the modulation code is a code obtained by ORing the PN code and the periodic code, the signal strength is always held at the timing of the period T that is the code 1 of the periodic code. Therefore, by sampling the beat signal at the timing of the code 1 of the periodic code, it is possible to always sample the state in which the signal strength is maintained while avoiding the timing when the signal strength becomes 0, and the frequency of the beat signal is increased. It can be calculated with accuracy. The period T is preferably λ / (4V) or less, where λ is the wavelength of the irradiation light and V is the maximum velocity of the target. When a spectrum analysis is performed on the droop frequency fd = 2V / λ generated by the velocity V using Fourier analysis, the sampling frequency fs ≧ 2fd = 4V / λ and the cycle T = 1 / fs ≦ 1 / (2fd) = λ / (4V ).

ビート信号のサンプリング手順についてより詳しく説明する。まず、周期τで位相差π/2のタイミングをずらして2回サンプリングを行う。図4において点線の矢印と直線の矢印で示したタイミングである。2回サンプリングを行うのは、反射光がフォトダイオード13Aに到達するタイミングが不定であるために、ビート信号の立ち上がり、立ち下がりのタイミングでサンプリングをしてしまわないようにするためである。2回サンプリングすれば、これにより得られる2つのサンプリングデータのうち、少なくとも一方はビート信号の立ち上がり、立ち下がりを回避することができる。もちろん、2回以上サンプリングを行ってもよい。2回のサンプリングのタイミングは、たとえばクロック位相のπ/2と3π/2のタイミングである。ローカル光と反射光の時間遅延を考慮して、遅延時間分サンプリングのタイミングを遅らせてもよい。   The beat signal sampling procedure will be described in more detail. First, sampling is performed twice by shifting the timing of the phase difference π / 2 at the period τ. In FIG. 4, the timing is indicated by dotted arrows and straight arrows. The reason for sampling twice is to prevent sampling at the rise and fall timing of the beat signal because the timing at which the reflected light reaches the photodiode 13A is indefinite. If sampling is performed twice, at least one of the two sampling data obtained thereby can avoid the rise and fall of the beat signal. Of course, sampling may be performed twice or more. The timing of the two samplings is, for example, the timing of π / 2 and 3π / 2 of the clock phase. In consideration of the time delay between the local light and the reflected light, the sampling timing may be delayed by the delay time.

次に、2組のサンプリングデータのうち一方を選択し、他方を破棄する。相関器での参照光の受信時刻を参照して、受信時刻がkT+T/4とkT+3T/4のどちらに近いかを判定し、kT+T/4に近い場合はクロックの3π/2遅延のタイミングでサンプリングしたデータを保持し、kT+3T/4に近い場合はクロックのπ/2遅延のタイミングでサンプリングしたデータを保持する。ここで、kは正の整数、Tは周期符号の周期である。   Next, one of the two sets of sampling data is selected and the other is discarded. Referring to the reception time of the reference light at the correlator, it is determined whether the reception time is close to kT + T / 4 or kT + 3T / 4. If it is close to kT + T / 4, sampling is performed at the timing of 3π / 2 delay of the clock. If it is close to kT + 3T / 4, the data sampled at the timing of the π / 2 delay of the clock is held. Here, k is a positive integer and T is the period of the periodic code.

図9のように、ビート信号(ヘテロダイン信号)の受信時刻がクロック位相の0〜π/2の間にある場合、クロック立ち上がりや、π/2遅延のタイミングでは、ビート信号の立ち上がりに入る可能性があり、サンプリング時刻として使用することができない。一方、クロック立ち上がりや、3π/2遅延のタイミングではサンプリング可能である。また、図10のように、ビート信号の受信時刻がクロック位相のπ/2〜πの間にある場合、同様にビート信号の立ち上がりに入る可能性から、π/2遅延やπ遅延のタイミングはサンプリング時刻として使用できず、クロック立ち上がりもスパイクノイズ発生の可能性があるため使用することはできない。そのため、3π/2遅延のタイミングのみが使用可能である。また、図11のように、受信時刻がπ〜3π/2の間にある場合、同様にビート信号の立ち上がりに入る可能性から、クロック立ち下がりや3π/2遅延のタイミングはサンプリング時刻として使用できず、クロック立ち上がりもスパイクノイズ発生の可能性があるため使用することはできない。そのため、クロックπ/2遅延のタイミングのみが使用可能である。また、図12のように、受信時刻が3π/2〜2πにある場合、ート信号の立ち上がりに入る可能性から、3π/2遅延のタイミングやクロック立ち上がりはサンプリング時刻として使用できない。そのため、クロックπ/2遅延やクロック立ち上がりのタイミングがサンプリングタイミングとして使用可能である。以上図9〜12から、クロックのπ/2遅延と3π/2遅延のタイミングの2つのタイミングでサンプリングすれば、受信時刻に位相のずれがあったとしても、2つのタイミングのうち少なくとも一方は正しくサンプリングすることができることがわかる。   As shown in FIG. 9, when the reception time of the beat signal (heterodyne signal) is between 0 and π / 2 of the clock phase, there is a possibility that the rise of the beat signal may be entered at the timing of clock rise or π / 2 delay. And cannot be used as sampling time. On the other hand, sampling is possible at the timing of clock rise or 3π / 2 delay. Also, as shown in FIG. 10, when the beat signal reception time is between π / 2 to π of the clock phase, the timing of π / 2 delay or π delay is the same because of the possibility of entering the rise of the beat signal. It cannot be used as the sampling time, and the clock rise cannot be used because spike noise may occur. Therefore, only 3π / 2 delay timing can be used. In addition, as shown in FIG. 11, when the reception time is between π and 3π / 2, the timing of the clock falling or 3π / 2 delay can be used as the sampling time because of the possibility of entering the rising of the beat signal. In addition, the clock rise cannot be used because spike noise may occur. Therefore, only clock π / 2 delay timing can be used. Also, as shown in FIG. 12, when the reception time is 3π / 2 to 2π, the timing of 3π / 2 delay or the clock rise cannot be used as the sampling time because of the possibility of entering the rise of the signal. Therefore, the clock π / 2 delay or the clock rise timing can be used as the sampling timing. 9 to 12, if sampling is performed at two timings of the clock π / 2 delay and 3π / 2 delay, even if there is a phase shift in the reception time, at least one of the two timings is correct. It can be seen that sampling is possible.

次に、サンプリングデータのうち、周期符号の符号1のタイミングのデータのみを残す。これにより、サンプリング周期はτからTへと変換される。   Next, of the sampling data, only the data at the timing of code 1 of the periodic code is left. As a result, the sampling period is converted from τ to T.

次に、周期がTに変換されたサンプリングデータをFFTしてドップラー周波数fdを算出し、そのドップラー周波数fdからλ*fd/2(λは照射光の波長)によって目標物の速度を算出する。   Next, the Doppler frequency fd is calculated by performing FFT on the sampling data whose period is converted to T, and the velocity of the target is calculated from the Doppler frequency fd by λ * fd / 2 (λ is the wavelength of the irradiation light).

以上、実施例1の距離速度測定装置によれば、スペクトル拡散方式の距離速度測定装置において、ドップラー周波数を高精度に算出することができ、目標物の速度を高精度に測定することができる。また、照射光を変調する変調符号の自己相関関数のピークが鋭いため、目標物の距離も高精度に測定することができる。   As described above, according to the distance velocity measuring apparatus of the first embodiment, in the spread spectrum distance velocity measuring apparatus, the Doppler frequency can be calculated with high accuracy, and the speed of the target can be measured with high accuracy. Further, since the peak of the autocorrelation function of the modulation code that modulates the irradiation light is sharp, the distance of the target can also be measured with high accuracy.

図は、実施例2の距離速度測定装置の構成について示した図である。実施例2の距離速度測定装置は、レーザー20と、駆動回路21と、符号生成回路22と、フォトダイオード23A、Bと、距離速度演算部24と、スプリッタ25、26と、によって構成されている。符号生成回路22は、実施例1の符号生成回路12と同様であり、PN符号と周期符号との論理和をとって変調符号を生成する。   The figure shows the configuration of the distance velocity measuring apparatus of the second embodiment. The distance velocity measuring apparatus according to the second embodiment includes a laser 20, a drive circuit 21, a code generation circuit 22, photodiodes 23A and B, a distance velocity calculation unit 24, and splitters 25 and 26. . The code generation circuit 22 is the same as the code generation circuit 12 of the first embodiment, and generates a modulation code by taking a logical sum of a PN code and a periodic code.

レーザー20は、連続光を発光する狭帯域なレーザー光源であり、駆動回路21によって光強度が制御される。駆動回路21は、符号生成回路22からの変調符号に基づいて、レーザー20から出力される照射光の光強度が、符号1に対して光強度b2、符号0に対して光強度b1(<b2)となるように制御する。レーザー20から出力される照射光は、スプリッタ25によって分割され、一方は目標物に照射する照射光、他方はビート信号を生成するローカル光として用いる。照射光はレンズ27を通して目標物に照射され、ローカル光はフォトダイオード13Aに入力される。   The laser 20 is a narrow-band laser light source that emits continuous light, and the light intensity is controlled by the drive circuit 21. Based on the modulation code from the code generation circuit 22, the drive circuit 21 has the light intensity of the irradiation light output from the laser 20 as the light intensity b 2 for the code 1 and the light intensity b 1 (<b 2 for the code 0). ). Irradiation light output from the laser 20 is divided by a splitter 25, one of which is used as irradiation light for irradiating a target and the other is used as local light for generating a beat signal. The irradiation light is irradiated onto the target through the lens 27, and the local light is input to the photodiode 13A.

目標物に照射されて反射された反射光は、レンズ28を通して受光し、スプリッタ26によって分割され、一方はフォトダイオード23Bに入力され、他方はローカル光と混合されてフォトダイオード23Aに入力される。フォトダイオード23Bでは、反射光が電気信号である受信信号に変換され、受信信号は距離速度演算部24に入力される。また、フォトダイオード23Aでは、ローカル光と反射光の混合によりビート信号に変換され、ビート信号は距離速度演算部24に入力される。   The reflected light irradiated and reflected on the target is received through the lens 28 and divided by the splitter 26. One is input to the photodiode 23B, and the other is mixed with the local light and input to the photodiode 23A. In the photodiode 23 </ b> B, the reflected light is converted into a received signal that is an electrical signal, and the received signal is input to the distance / speed calculator 24. Further, in the photodiode 23 </ b> A, the beat signal is converted into a beat signal by mixing local light and reflected light, and the beat signal is input to the distance speed calculation unit 24.

距離速度演算部24では、実施例1の場合と同様にして、フォトダイオード23Bからの受信信号を用いて目標物の距離を算出する。変調符号は実施例1のように自己相関関数のピークが鋭い符号であるから、高精度に目標物の距離を算出することができる。   The distance / velocity calculation unit 24 calculates the distance of the target using the received signal from the photodiode 23B in the same manner as in the first embodiment. Since the modulation code is a code with a sharp peak of the autocorrelation function as in the first embodiment, the distance of the target can be calculated with high accuracy.

また、距離速度演算部24では、フォトダイオード23Aからのビート信号をサンプリングしてFFTをすることでビート信号の周波数を算出し、その周波数(ドップラー周波数)から目標物の速度を算出する。   The distance speed calculation unit 24 calculates the frequency of the beat signal by sampling the beat signal from the photodiode 23A and performing FFT, and calculates the speed of the target from the frequency (Doppler frequency).

ここで、実施例1の場合はローカル光は連続光であったが、実施例2ではローカル光は変調符号により強度変調された光である。そのため、実施例2のビート信号の波形は、実施例1のビート信号の波形よりも正弦波から崩れた波形となり、ビート信号の周波数の測定精度が悪化してしまう。このような波形の崩れは、ローカル光の変調符号の符号0と、反射光の変調符号の符号1とで干渉する場合、または、ローカル光の変調符号の符号1と、反射光の変調符号の符号0とで干渉する場合とがあるためである。この2つの場合のうち、ビート信号をサンプリングするのは反射光の変調符号の符号1のタイミングであるので(詳細なサンプリング手法にしては後述)、その場合について、信号強度をb2/b1倍して補正し、より正弦波に近い波形とすることで、ビート信号の周波数をより正確に算出することができる。図6は、この補正を行ったビート信号の波形について示した図である。正弦波に近い波形が得られていることがわかる。なお、この補正は、以下に示すビート信号のサンプリングの後に行う。   Here, in the case of the first embodiment, the local light is continuous light, but in the second embodiment, the local light is light whose intensity is modulated by a modulation code. Therefore, the waveform of the beat signal of the second embodiment is a waveform that is more distorted from the sine wave than the waveform of the beat signal of the first embodiment, and the measurement accuracy of the frequency of the beat signal is deteriorated. Such waveform collapse is caused by interference between the code 0 of the local light modulation code and the code 1 of the reflected light modulation code, or between the code 1 of the local light modulation code and the modulation code of the reflected light. This is because there is a case of interference with the code 0. Of these two cases, the beat signal is sampled at the timing of code 1 of the modulation code of the reflected light (detailed sampling method will be described later). In this case, the signal intensity is multiplied by b2 / b1. Thus, the frequency of the beat signal can be calculated more accurately by making the waveform closer to a sine wave. FIG. 6 is a diagram showing the waveform of the beat signal subjected to this correction. It can be seen that a waveform close to a sine wave is obtained. This correction is performed after sampling the beat signal described below.

ビート信号のサンプリング手順についてより詳しく説明する。ビート信号のサンプリングは、実施例1の場合と同様に、サンプリングタイミングをずらして2回行う。図6のように、補正後のビート信号には、ローカル光の立ち上がりや立ち下がりの部分でスパイクノイズが発生可能性があるので、これを回避するようなサンプリングを行う必要がある。そこで、サンプリングタイミングは、クロック位相のπ/2と3π/2のタイミングの2回行う。これにより、スパイクノイズを回避してサンプリングを行うことができる。ローカル光と反射光の時間遅延を考慮して、遅延時間分サンプリングのタイミングを遅らせてもよい。すなわち、遅延時間をφとして、クロック位相の(π/2)+φと(3π/2)+φのタイミングでサンプリングを行うようにしてもよい。   The beat signal sampling procedure will be described in more detail. The beat signal is sampled twice with a different sampling timing, as in the first embodiment. As shown in FIG. 6, in the beat signal after correction, spike noise may occur at the rising and falling portions of the local light. Therefore, it is necessary to perform sampling to avoid this. Therefore, the sampling timing is performed twice, that is, π / 2 and 3π / 2 of the clock phase. Thereby, it is possible to perform sampling while avoiding spike noise. In consideration of the time delay between the local light and the reflected light, the sampling timing may be delayed by the delay time. That is, sampling may be performed at a timing of (π / 2) + φ and (3π / 2) + φ of the clock phase, where φ is the delay time.

次に、クロック位相のπ/2と3π/2のタイミングでサンプリングした2組のサンプリングデータのうち、一方を選択し、他方を破棄する。これは実施例1で説明したことと同様にして選択する。   Next, one of the two sets of sampling data sampled at the timings of π / 2 and 3π / 2 of the clock phase is selected, and the other is discarded. This is selected in the same manner as described in the first embodiment.

次に、サンプリングデータのうち、周期符号の符号1のタイミングのデータのみを残す。これにより、サンプリング周期はτからTへと変換される。このデータは、ローカル光の変調符号の符号0と反射光の変調符号の符号1とで干渉した場合と、ローカル光の変調符号の符号1と反射光の変調符号の符号1とで干渉した場合のデータとを含んでいる。   Next, of the sampling data, only the data at the timing of code 1 of the periodic code is left. As a result, the sampling period is converted from τ to T. When the data interferes with the code 0 of the local light modulation code and the code 1 of the reflected light modulation code, and when the data interferes with the code 1 of the local light modulation code and the code 1 of the reflected light modulation code. Data.

次に、サンプリングしたデータが、ローカル光の変調符号の符号0と反射光の変調符号の符号1とで干渉した場合と、ローカル光の変調符号の符号1と反射光の変調符号の符号1とで干渉した場合とのどちらであるかを判定する。ローカル光の変調符号の符号0と反射光の変調符号の符号1とで干渉した場合のデータである場合には、信号強度をb2/b1倍する補正を行う。ローカル光の変調符号の符号1と反射光の変調符号の符号1とで干渉した場合のデータである場合には、信号強度を補正せず維持する。   Next, when the sampled data interferes with code 0 of the local light modulation code and code 1 of the reflected light modulation code, code 1 of the local light modulation code and code 1 of the reflected light modulation code, It is determined whether the interference occurs in the case of. In the case of data in the case of interference between the code 0 of the local light modulation code and the code 1 of the reflected light modulation code, correction is performed to increase the signal intensity by b2 / b1. In the case of data in the case of interference between code 1 of the local light modulation code and code 1 of the reflected light modulation code, the signal intensity is maintained without correction.

次に、上記補正がされたサンプリングデータをFFTしてドップラー周波数を算出し、そのドップラー周波数から目標物の速度を算出する。   Next, the Doppler frequency is calculated by performing FFT on the corrected sampling data, and the speed of the target is calculated from the Doppler frequency.

図7は目標物の速度を1m/sとした場合、図8は11.11m/sとした場合のドップラー周波数をシミュレーションにより求めた結果である。1ビット長τは5ns、周期符号の周期Tは30nsとした。また、それぞれの場合について、雑音無し、SNRが0dB、−10dB、−20dBの4通りでシミュレーションを行った。目標物の速度1m/sの場合、実際のドップラー周波数1.29MHzとの間に0.2485MHzの誤差があり、11.11m/sの場合、実際のドップラー周波数14.337MHzとの間に0.011MHzの誤差があった。この結果から、実施例2の距離速度測定装置によって高精度に目標物の速度を測定できることがわかる。また、目標物の速度が速いほど高精度に測定できることが推察される。また、SNRが−20dBまでの範囲では、雑音に影響されずに目標物の速度を測定できることがわかる。   FIG. 7 shows the result of the simulation of the Doppler frequency when the speed of the target is 1 m / s, and FIG. 8 shows the Doppler frequency when the speed is 11.11 m / s. The 1-bit length τ is 5 ns, and the period T of the periodic code is 30 ns. In each case, the simulation was performed with no noise and four SNRs of 0 dB, −10 dB, and −20 dB. When the target speed is 1 m / s, there is an error of 0.2485 MHz with respect to the actual Doppler frequency of 1.29 MHz, and with 11.11 m / s, there is an error of 0.15 with respect to the actual Doppler frequency of 14.337 MHz. There was an error of 011 MHz. From this result, it can be seen that the speed of the target can be measured with high accuracy by the distance velocity measuring apparatus of the second embodiment. Moreover, it is guessed that it can measure with high precision, so that the speed of a target object is high. In addition, it can be seen that the speed of the target can be measured without being affected by noise in the range of SNR up to -20 dB.

以上、実施例2の距離速度測定装置によれば、スペクトル拡散方式の距離速度測定装置において、スパイクノイズを回避するようにサンプリングし、信号強度の補正を行っているため、ドップラー周波数を高精度に算出することができ、目標物の速度を高精度に測定することができる。また、実施例1の距離速度測定装置と同様に、高精度に目標物の距離を測定することができる。実施例1の距離速度測定装置で用いた強度変調器は高価であるため、これを用いない実施例2の距離速度測定装置は実施例1の距離速度測定装置よりも安価に製造できる利点がある。   As described above, according to the distance-velocity measuring apparatus of the second embodiment, sampling is performed so as to avoid spike noise and the signal intensity is corrected in the spread-spectrum-type distance-velocity measuring apparatus. The speed of the target can be measured with high accuracy. Further, the distance of the target can be measured with high accuracy in the same manner as the distance velocity measuring apparatus of the first embodiment. Since the intensity modulator used in the distance velocity measuring apparatus according to the first embodiment is expensive, the distance velocity measuring apparatus according to the second embodiment that does not use the intensity modulator can be manufactured at a lower cost than the distance velocity measuring apparatus according to the first embodiment. .

本発明は、車載レーダ装置などに応用することができる。   The present invention can be applied to an on-vehicle radar device and the like.

10、20:レーザー
11:強度変調器
12、22:符号生成回路
13A、B、23A、B:フォトダイオード
14、24:距離速度演算部
15、16、25、26:スプリッタ
21:駆動回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20: Laser 11: Intensity modulator 12, 22: Code generation circuit 13A, B, 23A, B: Photodiode 14, 24: Distance speed calculation part 15, 16, 25, 26: Splitter 21: Drive circuit

Claims (7)

光を拡散符号で変調して目標物に照射し、前記目標物からの反射光を受信して目標物までの距離、および前記目標物の速度を測定するスペクトル拡散方式による距離速度測定装置において、
一定周期のクロックに同期して第1拡散符号を生成する第1拡散符号生成手段と、
前記クロックに同期して前記第1拡散符号の1ビット長よりも長い周期を有した周期符号を生成する周期符号生成手段と、
前記第1拡散符号と前記周期符号との論理和をとって第2拡散符号を生成する第2拡散符号生成手段と、
照射光を出力する光源と、
前記照射光を前記第2拡散符号で変調し、前記目標物に照射する送信手段と、
前記目標物によって反射された反射光を受信して受信信号を生成する第1受信手段と、
前記反射光と前記照射光とを混合して受信し、ビート信号を生成する第2受信手段と、
前記受信信号と前記第2拡散符号生成手段が生成した前記第2拡散符号との相関関数を算出することで前記目標物までの距離を測定すると共に、前記ビート信号を前記周期符号が1のタイミングでサンプリングしてフーリエ変換し、前記ビート信号の周波数であるドップラー周波数を算出することで前記目標物の速度を測定する距離速度演算部と、
を有することを特徴とする距離速度測定装置。
In a distance velocity measuring apparatus by a spread spectrum method that modulates light with a diffusion code and irradiates a target, receives reflected light from the target, and measures the distance to the target, and the velocity of the target,
First spreading code generating means for generating a first spreading code in synchronization with a clock of a fixed period;
Periodic code generating means for generating a periodic code having a period longer than one bit length of the first spreading code in synchronization with the clock;
Second spreading code generating means for generating a second spreading code by taking the logical sum of the first spreading code and the periodic code;
A light source that outputs irradiation light;
Transmitting means for modulating the irradiation light with the second spreading code and irradiating the target;
First receiving means for receiving reflected light reflected by the target and generating a received signal;
A second receiving means for receiving the mixed reflected light and the irradiated light and generating a beat signal;
The distance to the target is measured by calculating a correlation function between the received signal and the second spreading code generated by the second spreading code generation means, and the beat signal is a timing at which the periodic code is 1. A distance speed calculation unit that measures the speed of the target by calculating a Doppler frequency, which is a frequency of the beat signal,
A distance velocity measuring device characterized by comprising:
光を拡散符号で変調して目標物に照射し、前記目標物からの反射光を受信して目標物までの距離、および前記目標物の速度を測定するスペクトル拡散方式による距離速度測定装置において、
一定周期のクロックに同期して第1拡散符号を生成する第1拡散符号生成手段と、
前記クロックに同期して前記第1拡散符号の1ビット長よりも長い周期を有した周期符号を生成する周期符号生成手段と、
前記第1拡散符号と前記周期符号との論理和をとって第2拡散符号を生成する第2拡散符号生成手段と、
光源と、
前記第2拡散符号にしたがって符号が0のときに出力が第1の値b1、符号が1のときに出力が前記第1の値b1よりも大きい第2の値b2、となるよう前記光源を駆動して、前記第2拡散符号で変調された照射光を生成し、前記目標物に前記照射光を照射する送信手段と、
前記目標物によって反射された反射光を受信して受信信号を生成する第1受信手段と、
前記反射光と前記照射光とを混合して受信し、ビート信号を生成する第2受信手段と、
前記受信信号と前記第2拡散符号生成手段が生成した前記第2拡散符号との相関関数を算出することで前記目標物までの距離を測定すると共に、前記ビート信号を前記周期符号が1のタイミングでサンプリングしてフーリエ変換し、前記ビート信号の周波数であるドップラー周波数を算出することで前記目標物の速度を測定する距離速度演算部と、
を有することを特徴とする距離速度測定装置。
In a distance velocity measuring apparatus by a spread spectrum method that modulates light with a diffusion code and irradiates a target, receives reflected light from the target, and measures the distance to the target, and the velocity of the target,
First spreading code generating means for generating a first spreading code in synchronization with a clock of a fixed period;
Periodic code generating means for generating a periodic code having a period longer than one bit length of the first spreading code in synchronization with the clock;
Second spreading code generating means for generating a second spreading code by taking the logical sum of the first spreading code and the periodic code;
A light source;
According to the second spreading code, when the code is 0, the output is the first value b1, and when the code is 1, the output is the second value b2, which is larger than the first value b1. Driving means for generating irradiation light modulated by the second spreading code and irradiating the target with the irradiation light;
First receiving means for receiving reflected light reflected by the target and generating a received signal;
A second receiving means for receiving the mixed reflected light and the irradiated light and generating a beat signal;
The distance to the target is measured by calculating a correlation function between the received signal and the second spreading code generated by the second spreading code generation means, and the beat signal is a timing at which the periodic code is 1. A distance speed calculation unit that measures the speed of the target by calculating a Doppler frequency, which is a frequency of the beat signal,
A distance velocity measuring device characterized by comprising:
前記距離速度演算部は、前記ビート信号の出力のうち、前記反射光の符号が1で前記照射光の符号が0のときの干渉の時間帯の信号強度をb2/b1倍して補正する、ことを特徴とする請求項2に記載の距離速度測定装置。   The distance speed calculation unit corrects the signal intensity in the interference time zone when the sign of the reflected light is 1 and the sign of the irradiation light is 0 out of the output of the beat signal by b2 / b1. The distance velocity measuring apparatus according to claim 2. 前記ビート信号のサンプリングは、サンプリングタイミングをずらして2回以上サンプリングを行うことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の距離速度測定装置。   The distance / speed measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein the beat signal is sampled twice or more at different sampling timings. 前記ビート信号のサンプリングは、クロック位相からπ/2遅延したタイミングと、3π/2遅延したタイミングの2回行うことを特徴とする請求項3に記載の距離速度測定装置。   4. The distance / velocity measuring apparatus according to claim 3, wherein the beat signal is sampled twice at a timing delayed by π / 2 and a timing delayed by 3π / 2 from a clock phase. 前記周期符号の周期は、符号のパルス幅の6倍以上とすることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の距離速度測定装置。   6. The distance-velocity measuring apparatus according to claim 1, wherein a period of the periodic code is 6 times or more a pulse width of the code. 前記周期符号の周期は、測定する目標物の最大速度をV、前記光源の波長をλとして、λ/(4V)以下とすることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の距離速度測定装置。   The period of the periodic code is set to λ / (4V) or less, where V is the maximum velocity of the target to be measured and λ is the wavelength of the light source. The distance velocity measuring device described in 1.
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