JP2013003071A - 検出装置及び検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】送信手段(20)は、各送信パルスが所定の送信パルス繰り返し周期内に配置されるパルス列信号であって、各送信パルスの位相を当該送信パルス繰り返し周期内において段階的にシフトした送信パルス列信号を検出波として送出する。受信手段(30)は、反射波を受信して受信パルス列信号を形成し、受信パルス列信号をサンプリングして複数の受信パルスの波形データを出力する。信号処理手段(40)は、複数の受信パルスの各波形データの時間軸を各送信パルスの位相の段階的シフトに対応して調整し、各波形データを合成して一つの受信パルスの波形データを形成する。
【選択図】図16
Description
上記課題を達成する本発明の一つの形態の検出装置は、検出波を対象物に対して送信する送信手段と、上記検出波が当該対象物から反射した反射波を受信して受信信号を生成する受信手段と、上記受信信号を処理する信号処理手段と、を備える検出装置において、上記検出波は、複数の送信パルスが第1の周期で繰り返される送信パルス列信号であり、上記受信手段は、上記反射波を受信して複数のパルスを含む受信パルス列信号を生成し、当該受信パルス列信号を第2の周期で上記第2の周期より長い第3の周期の間にサンプリングして複数の受信パルス信号を形成し、上記信号処理手段は、上記複数の受信パルス信号の各々の時間軸を上記複数の受信パルス信号の各々と上記複数の送信パルスの各々との位相差に応じて補正し、補正された当該複数の受信パルス信号を合成して1つの受信パルス信号を形成することを特徴とする。
本発明の一つの形態の検出装置は、検出波を対象物に対して送出する送信手段と当該対象物からの反射波を受信する受信手段と信号処理手段とを備える検出装置において、上記送信手段は、各送信パルスが所定の送信パルス繰り返し周期内に配置されるパルス列信号であって、各送信パルスの位相を当該送信パルス繰り返し周期内において段階的にシフトした送信パルス列信号を上記検出波として送出し、上記受信手段は、上記反射波を受信して各受信パルスが同波形で位相が異なる受信パルス列信号を形成し、当該受信パルス列信号のレベルを所定のサンプリング周期のサンプリング信号でサンプリングして複数の受信パルスの波形データを出力し、上記信号処理手段は、上記複数の受信パルスの各波形データの時間軸を上記各送信パルスの位相の段階的シフトに対応して調整し、当該複数の受信パルスの各波形データを時系列的に配置して一つの受信パルスの波形データを形成する。
本発明は、説明の便宜のため以下のような順序で説明されている。
(1)等価時間サンプリング方式
(1−1)リングオシレーター
(1−2)PLL回路
(2)等価時間サンプリングレーダー方式
(3)等価時間サンプリング方式における制約
(4)本発明の実施例
(4−1)検出装置の構成の概略
(4−2)アンテナ系
(4−3)送信系
(4−4)受信系
(4−5)共通系
(4−6)コントローラーの制御動作例
(4−7)送信系の回路要素
(4−8)リング発振回路
(4−9)PLL回路
(4−10)遅延部
(4−11)パルス発生器
(5)実施例の効果
(5−1)従来の等価時間サンプリング方式の場合
(5−2)本実施例の等価時間サンプリング方式の場合
(6)むすび
まず、本発明の理解を容易にするために、先に先行する等価時間サンプリング方式の説明をし、続いて本発明の改良された等価時間サンプリング方式について説明する。
図1において、101〜105は供給されるアナログ信号Ainをデジタル信号に変換するAD変換器、107はAD変換器101〜105から出力された各デジタルデータを合成処理等する(一つの時間軸上に信号波形を合成する。)コントローラーである。106は各AD変換器101〜105及びコントローラー107にクロック信号CK1〜CK5を供給するクロック発生器である。
AD変換器のクロックは、例えば、リングオシレーターと呼ばれる発振回路で作られる。図5はリングオシレーターの構成例を示している。同図において、501〜505は遅延時間taで動作するインバーターである。奇数個のインバーター501〜505は環状(直列)に接続され、後端のインバーター505の出力は始端のインバーター501の入力となる。
このリングオシレーターの出力は常に制御していないとクロック周期が一定にならないため、通常はPLL回路を用いてクロック間隔を制御する。
図8は、PLL回路でリングオシレーターの周波数(クロック間隔)を一定にする例を示している。同図において、801は基準発振器、802は分周器、803は位相比較器、804はチャージポンプ、805はローパスフィルター、806はリングオシレーター、807は分周器である。
等価時間サンプリングレーダーは上述した等価時間サンプリング方式をレーダーに応用したものである。すなわち、送信機側から高周波パルス信号を送信アンテナで電磁波に変換して一定の時間間隔で対象物に対して繰り返し放射する。対象物で反射した電磁波を受信アンテナで高周波信号に変換して受信し、受信信号を1つのAD変換器でサンプリングする。この際、パルス信号の送出の度にAD変換器のサンプリングタイミングをずらして受信信号からデータの採取を行う。各回の送信パルス信号に対応するサンプリング値群を一つの時間軸上に時系列的に再配置することによって解像度が向上した受信信号が得られ、等価時間サンプリングレーダーを実現することができる。
等価時間サンプリング方式を採用することによる制約について説明する。等価時間サンプリングレーダーでは、送信パルスの繰り返し周期をtp、送信パルスの送出回数kp、AD変換器のサンプリング周期をtadとすると、kp=lcm(tp,tad)/tpの関係が成り立つようにする必要がある。ここで、lcm(tp,tad)はtp、tadの最小公倍数を意味する。このとき等価時間サンプリングレーダーのサンプリング周期tsは、ts=tad/kpとなる。
本発明では、受信系(受信機側)におけるAD変換のタイミングを順次ずらす等価時間サンプリングではなく、送信系(送信機側)に着目する。所定繰り返し発射周期内で各回の送信パルスの送出タイミングを順次にずらして送信(パルス位置変調(PPM)に類似の送信パルスの送信)し、被測定対象物からの反射波である受信信号のサンプリングを行い、各受信パルスについてのサンプリングデータ群(サンプリング点)のずれ(PPMパルス位置のずれ)を補正して一つの時間軸上に再構成することによって時間分解能を向上したサンプリング結果を得る。それにより、AD変換器における制約を減らして設計の自由度を向上する。
図12は、送信系(送信機)から出力される送信パルスの送出タイミングを説明する説明図である。同図において、点線の矢印は時間軸上における検出動作の開始位置(トリガーのタイミング)、実線の矢印は時間軸上における実際にパルスを送出した位置である。各点線のトリガー位置で被測定対象体からの受信信号のサンプリング(データ取り込み)が開始され、各実線の位置で被測定対象体に向けて送信パルスが送出される。この例では、説明の便宜上各トリガー位置は時間軸上に等間隔で配置されているが、これに限定されるものではない。トリガーのタイミング(あるいはデータ取り込み開始)とパルス送信のタイミングとのずれ(遅延時間)が所要の関係にあれば良い。
そして、図15に示すように、一つの時間軸上に各測定回の波形データをサンプリング時点の時間順に並べて再構成すると、等価的に10psecのサンプリングによる波形データが実現できる。
図16は、上述した送信信号(送信パルス)を順次シフトすることによって等価時間サンプリングを行う等価時間サンプリングレーダー(検出装置)の構成例を示している。
アンテナ系10は、送受信アンテナ11と方向性結合器(あるいはアンテナ切替器)11を備えている。送受信アンテナ11は高周波の送信信号を電磁波に変換して被測定対象物に向けて放射する。また、被測定対象物から反射して戻ってきた電磁波を高周波の受信信号に変換する。方向性結合器11は送信信号をアンテナ11に送り、受信信号を受信系30に送る。このため、アンテナ11を送信と受信で共用することができる。
送信系20は、コントローラー42から供給されるトリガー信号に対応して基準クロック信号から各パルスが所定時間ずつずれた高周波の送信パルス列を発生してアンテナ11に供給する(図12参照)。アンテナ11はこの送信パルスを電磁波として放出する。
受信系30は、受信信号の波形を整形し、基準クロック信号に同期したサンプリング信号で動作するAD変換器によって受信信号のレベルをデータ化する。受信系30は、コントローラー42から供給されるトリガー信号に対応して受信信号のサンプリングを開始する。得られたサンプリングデータはコントローラー42に記憶される。
共通系40は、基準信号発生器41、コントローラー42等を備えている。基準信号発生器41は、例えば、周波数変動が少ない水晶発振器を使用することができる。上述したように、基準信号発生器41から出力された基準クロック信号CLOCKは信号遅延部21、サンプリングクロック発生部35等に供給される。なお、分周器などを用いて基準信号発生器41が出力する基準クロック信号の周期(周波数)をコントローラー42によって調整可能である。
図33は、コントローラー42の動作の概要を説明するフローチャートである。
まず、コントローラー42には、検出装置の各部が動作可能な状態になっているときに、等価時間サンプリングにおける各種パラメーター等(送信パルスの繰り返し周期tp、AD変換器のサンプリング周期tad、送信パルスの送出回数kp、サンプリング周期ts等)が予め設定されている(図31参照)。
まず、コントローラー42は検出動作を開始するべくトリガー信号をインタフェースを介して送信系の信号遅延部21及び受信系のサンプリングクロック発生部35に送出する(ステップC12)。
更に、上述した送信系20の要部(信号遅延部、モノサイクルパルス発生部)の具体的な構成例について説明する。
図18は、リング発振回路211を説明する図である。この例では5段のインバーターIV1〜IV5で環状に構成されている。各インバーターIVは同じ動作特性を持っている。各インバーターIVに入力された入力信号は時間tdだけ遅れて出力信号として出力される。インバーターIVの入力レベルと出力レベルをそれぞれVHとVLで表す。例えば、VHは電源電圧(例えば5Vや3.3V)、VLは共通電圧(例えば、0Vやグランド電位)とする。例えば、インバーターIV1の出力電圧がある時間t0で電圧VLから電圧VHに変化した場合、インバーターIV2の出力電圧はt0+td遅延して、電圧VHから電圧VLに変化する。
図18に示したリング発振回路211は温度などの外因の影響で発振周波数が変化しやすい傾向がある。実施例では、図17に示したように、PLL回路212を用いてリング発振回路211の周波数を安定に制御している。また、PLL回路212でリング発振回路211の周波数を制御することによってインバーターIV1〜IV5の遅延時間を調整する。各インバーターIV1〜IV5は、例えば、図示しないインバーターの回路電源の電圧やMOSトランジスターのバックゲート電圧を変えることによって出力波形の立ち上がり・立ち下がり特性が調整可能になされている。この制御電圧をPLL回路212で形成する。
上述したように、PLL回路212は遅延部213を制御する電圧信号を生成する。図17に示すように、遅延部213を構成する遅延素子は、リング発振回路211を構成するインバーターと同じ回路構成のインバーターを使用している。2つのインバーターを一組として一段遅延素子を構成し、これを所要遅延時間に対応して複数段縦列接続して遅延部213を構成している。実施例では遅延素子D1〜D6の六段構成としているが、これに限定されない。遅延素子としてのインバーターはPLL回路212から供給される電圧信号のレベルによって遅延時間tdが設定される。一段の遅延素子Dの遅延時間Δtは2tdとなっている。例えば、遅延素子D1〜D6は、100psecの遅延時間に設定される(インバーター1つ当たりの遅延時間tdが50psec)。遅延部213は一端に入力される基準クロック信号CLOCKを遅延して遅延素子D1〜D6の各出力端にそれぞれ遅延信号V1〜V6を出力する。
図22はパルス発生回路222を説明する説明図である。パルス発生回路223〜225もパルス発生回路222と同様に構成されるのでその説明は省略する。モノサイクルパルス(短パルス)の形成は、以下に説明するものに限らるものではなく、例えば、特開2007−274681に開示されている短パルス形成の技術を使用することが出来る。
電流源I1〜I3は、予め定められた所定の電流値を流す。例えば、電流源I1は1mA、電流源I2は2mA、電流源I3は1mA流すように設定される。電流の向きは、電流源記号内の矢印方向(下向き)である。
図22〜図27は、パルス発生回路222のスイッチSW1〜SW3の動作態様を示している。
なお、送信パルスの基準時間位置に対するずれとこの送信パルスの受信データの対応が判っていればコントローラー42で時間軸を調整して受信波形の合成ができるので、信号選択器221におけるモノサイクルパルスの選択順序は任意の順序で設定しも良い。
図11及び図31,図32を参照して従来例の等価時間サンプリング方式(一定周期で送信パルスを送信し、受信パルス毎に受信側のサンプリング位置をシフトする形式)と本発明の実施例の等価時間サンプリング方式(送信パルス側の各パルス位置をシフト(パルス位置変調)し、受信側のサンプリング間隔を一定とする形式)との効果の差異について説明する。
既述したように(図11参照)、パルス発射の繰り返し周期をtp、ADのサンプリング周期をtad、パルスの送出回数をkpとすると、kp=lcm(tp, tad)/tp なる関係がある。ここで、lcm(a,b)はa,bの最小公倍数である。パルスの送出回数は等価時間サンプリング周期が最小となるようにした場合のパルス発射の繰り返し数である。
図32に示すように、実施例ではパルス発射の繰り返し周期tpは10000psecに選定するが、送信パルスの位置(位相)を各送信パルス発射の繰り返し周期tp毎にシフトする。この周期tp内でパルス位置変調(PPM)信号のように送信パルスの位置を移動すると、AD変換器のサンプリング点をシフトした場合と同様の結果を得ることが出来る。
また、実施例の発明(検出装置)を別の表現で示せば、検出波を対象物に対して送出する送信手段と当該対象物からの反射波を受信する受信手段と信号処理手段とを備える検出装置において、上記送信手段は、各送信パルスが所定の送信パルス繰り返し周期内に配置されるパルス列信号であって、各送信パルスの位相を当該送信パルス繰り返し周期内において予め段階的にシフトした送信パルス列信号を上記検出波として送出し、上記受信手段は、上記反射波を受信して各受信パルスが同波形で位相が異なる受信パルス列信号を形成し、当該受信パルス列信号のレベルを所定のサンプリング周期のサンプリング信号でサンプリングして複数の受信パルスの波形データを出力し、上記信号処理手段は、上記複数の受信パルスの各波形データの時間軸を上記各送信パルスの位相の段階的シフトに対応して調整し、当該複数の受信パルスの各波形データを時系列的に配置して一つの受信パルスの波形データを形成するもの、であるとも言える。
以上説明したように、本発明の実施例によれば従来の等価時間サンプリング方式に比べて設計の自由度が増す。また、所要の送信パルスの送信回数を減らすことが出来るので好都合である。
Claims (9)
- 検出波を対象物に対して送信する送信手段と、前記検出波が当該対象物から反射した反射波を受信して受信信号を生成する受信手段と、前記受信信号を処理する信号処理手段と、を備える検出装置であって、
前記検出波は、複数の送信パルスが第1の周期で繰り返される送信パルス列信号であり、
前記受信手段は、前記反射波を受信して複数のパルスを含む受信パルス列信号を生成し、当該受信パルス列信号を第2の周期で前記第2の周期より長い第3の周期の間にサンプリングして複数の受信パルス信号を形成し、
前記信号処理手段は、前記複数の受信パルス信号の各々の時間軸を前記複数の受信パルス信号の各々と前記複数の送信パルスの各々との位相差に応じて補正し、補正された当該複数の受信パルス信号を合成して1つの受信パルス信号を形成する、ことを特徴とする検出装置。 - 前記検出装置内部又は外部で前記第3の周期のトリガー信号を生成し、
前記送信手段及び前記受信手段は、前記トリガー信号に応答して動作する、ことを特徴とする請求項1に記載の検出装置。 - 前記複数の受信パルス信号の合成は、1つの時間軸上に当該複数の受信パルス信号のデータを時系列的に配置することで行われる、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の検出装置。
- 前記送信手段は前記複数の送信パルスの位相設定に関わる第1のPLL回路を含み、前記受信手段は前記サンプリングに関わる第2のPLL回路を含み、前記第1及び第2のPLL回路は基準発振器を共通にする、ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の検出装置。
- 前記検出波が、電磁波、音波、及び光波のいずれかである、請求項1乃至4のいずれかに記載の検出装置。
- 検出波を対象物に対して送信する送信装置であって、
前記検出波を前記対象物に対して送信する送信手段を含み、
前記検出波は、複数の送信パルスが第1の周期で繰り返される送信パルス列信号であり、
前記対象物から反射した反射波は受信装置に受信され、受信パルスが繰り返される受信パルス列信号が生成され、当該受信パルス列信号は第2の周期で前記第2の周期より長い第3の周期の間にサンプリングされ複数の受信パルス信号が生成され、前記複数の受信パルス信号の各々の時間軸は前記複数の受信パルス信号の各々と前記複数の送信パルスの各々との位相差に応じて補正され、補正された当該複数の受信パルス信号は合成されて1つの受信パルス信号が形成される、ことを特徴とする送信装置。 - 送信された検出波が対象物から反射した反射波を受信する受信装置であって、
受信手段と、信号処理手段と、を含み、
前記検出波は、複数の送信パルスが第1の周期で繰り返される送信パルス列信号であり、
前記受信手段は、前記反射波を受信して複数のパルスを含む受信パルス列信号を生成し、当該受信パルス列信号を第2の周期で前記第2の周期より長い第3の周期の間にサンプリングして複数の受信パルス信号を形成し、
前記信号処理手段は、前記複数の受信パルス信号の各々の時間軸を前記複数の受信パルス信号の各々と前記複数の送信パルスの各々との位相差に応じて補正し、補正された当該複数の受信パルス信号を合成して1つの受信パルス信号を形成する、ことを特徴とする受信装置。 - 検出波を対象物に対して送信し、当該対象物から反射した反射波を受信して前記反射波を検出する検出方法であって、
複数の送信パルスが第1の周期で繰り返される送信パルス列信号である前記検出波を前記対象物に送信する過程と、
前記反射波を受信して受信パルスが繰り返される受信パルス列信号を生成し、当該受信パルス列信号を第2の周期で前記第2の周期より長い第3の周期の間にサンプリングし、複数の受信パルス信号を生成する過程と、
前記複数の受信パルス信号の各々の時間軸を前記複数の受信パルス信号の各々と前記複数の送信パルスの各々との位相差に応じて補正し、補正された当該複数の受信パルス信号を合成して1つの受信パルス信号を形成する過程と、を含む検出方法。 - 供給されるトリガー信号に応答して前記検出波の送信及び前記反射波の受信の動作が開始される、ことを特徴とする請求項8に記載の検出方法。
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