JP2018169174A - 測距システム - Google Patents

Abstract

【課題】測距動作を簡略化する。【解決手段】送信波Ｓ１に乗せた送信同期信号Ｐ２を反射波Ｓ２から反射同期信号Ｐ２Ｘとして抽出して次の送信同期信号Ｐ２として送信波Ｓ１に乗せるような循環ループを形成し、循環ループの１の反射同期信号Ｐ２Ｘのタイミングから次の反射同期信号Ｐ２Ｘのタイミングまでの間のカウンタ１５Ａの計数結果に基づいて測距情報を得るようにしたことにより、比較的簡易な構成によって精度が高い測距情報が得られる測距システム１を実現できる。【選択図】図２

Description

本発明は測距システムに関し、特に測距結果の精度を高めようとするものである。

従来、測定対象までの距離に関する測距情報を得る手法として、測距信号としてレーザを用い、その位相、時間の変化に基づいて測距データを求めるものが提案されている（特許文献１及び２参照）。

特表２００６−５１８０３７号公報 特開２００７−２４０５１６号公報

この手法によって、人工衛星のような被測定対象までの距離を測定しようとする場合、レーザ光が透過する大気の影響による光の速度に変化が生ずる問題があるから、気温、気圧、湿度などについて簡便に補正できるようにできるだけ簡易な構成のものを用いることが実用性を高めるために重要であると考えられる。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、できるだけ簡易な構成によって、しかも高い精度で測距結果が得られるようにした測距システムを提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、測距部３から測距対象２に所定の空間伝播速度を有する送信波Ｓ１を送波し、当該送信波Ｓ１が測距対象２において反射して反射波Ｓ２として測距部３に戻って来たとき、送信波Ｓ１の送信時から反射波Ｓ２の受信時までの時間差から測距情報を取得する測距システム１において、測距部３は、搬送信号Ｐ１に同期信号Ｐ２を乗せてなる送信波Ｓ１を形成する送信データ形成部１３と、反射波Ｓ２に乗っている同期信号Ｐ１を反射同期信号Ｐ２Ｘとして抽出して反射同期信号Ｓ１８を形成する受信データ形成部１４とを具えると共に、反射同期信号Ｐ２Ｘに基づいて送信データ形成部１３において再度搬送信号Ｐ１に同期信号Ｐ２に乗せてなる送信波Ｓ１を再度形成する同期信号Ｐ２に係る循環ループを形成し、測距部３は、循環ループにおいて反射同期信号Ｐ２Ｘを得たとき、当該循環ループの１の反射同期信号Ｐ２Ｘのタイミングから次の反射同期信号Ｐ２Ｘのタイミングまでの間カウンタ１５Ａを計数動作をさせてカウンタ１５Ａの計数結果を測距情報として信号処理器１５Ｂに蓄積する測距信号処理部１０を具えるようにする。

本発明によれば、送信波に乗せた送信同期信号を反射波から反射同期信号として抽出して次の送信同期信号として送信波に乗せるような循環ループを形成し、循環ループの１の反射同期信号のタイミングから次の反射同期信号のタイミングまでの間のカウンタの計数結果に基づいて測距情報を得るようにしたことにより、比較的簡易な構成によって精度が高い測距情報が得られる測距システムを実現できる。

測距システムの全体構成を示す略線的ブロック図である。 測距部の詳細構成を示すブロック図である。 送受されるパルス列を示す信号波形図である。 第２の実施の形態を示すブロック図である。 送受される搬送波信号を示す信号波形図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）第１の実施の形態
図１において、１は全体として測距システムを示し、空間を移動する測距対象２に対して測距部３の送信器部１１からレーザ光でなる送信波Ｓ１を送波すると共に、測距対象２から反射して来る反射波Ｓ２を測距部３の受信器部１２において受波する。

測距部３は、図２に示すように、測距信号処理部１０の送信データ形成部１３において発生した送信パルス信号Ｓ１１を送信器部１１のレーザ１１Ａにおいてレーザパルスに変換して送信波Ｓ１として送波すると共に、受信器部１２の受光アンプ１２Ａに受信した反射波Ｓ２に基づいて反射パルス信号Ｓ１２を得て受信データ形成部１４に供給する。

送信データ形成部１３は、データ発生器１３Ａにおいて、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）……に示す順次続く循環期間の例えばＭ系列信号Ｐ１でなる疑似雑音信号を搬送情報としてその先頭位置に、初期値レジスタ１３Ｂにおいて形成した初期値データＳ１３でなる送信同期信号Ｐ２を同期情報として乗せることにより送信パルス信号Ｓ１１を形成し、当該送信パルス信号Ｓ１１を１の循環期間の反射同期信号Ｐ２Ｘが発生するまでの時間Ｔ１の間出力する。

受信データ形成部１４は、受信器部１２の受光アンプ１２Ａから反射パルス信号Ｓ１２が得られたとき、これをデータ検出器１４Ａ及び位相同期検出回路１４Ｂに受け、位相同期検出回路１４Ｂにおいて生成した位相同期検出信号Ｓ１４をデータ検出器１４Ａに与えることにより、反射波Ｓ２が有する反射タイミング信号と同期したデータ検出信号Ｓ１５を形成する。

この実施の形態の場合、位相同期検出回路１４Ｂは、受光アンプ１２Ａから送出される反射パルス信号Ｓ１２を位相比較器において基準信号の位相と位相比較し、その比較差結果をループフィルタにおいて平滑化した後、当該平滑値に基づいて電圧制御型発振器において対応する周波数の発振出力を得、この発振出力を位相比較器にフィードバックして位相差をなくすような発振出力を得るようにし、この結果反射波Ｓ２のタイミング信号と同期した位相同期検出信号Ｓ１４を得る。

位相同期検出信号Ｓ１４は、受光アンプ１２Ａの反射パルス信号Ｓ１２が与えられるデータ検出器１４Ａにおいて同期検出したタイミングで反射パルス信号Ｓ１２の電圧値を抽出してなるデータ検出信号Ｓ１５をデータ検出器１４Ａから同期検出器１４Ｃに供給する。

これに対して位相同期検出回路１４Ｂから送出された位相同期検出信号Ｓ１４はタイミング形成器１４Ｄに供給されて、送信パルス信号Ｓ１１のＭ系列信号Ｐ１のタイミングに相当するタイミング信号Ｓ１７をデータ発生器１３Ａに与えると共に、送信パルス信号Ｓ１１の送信同期信号Ｐ２のタイミングに相当するタイミング信号Ｓ１６を位相同期検出器１４Ｂに与える。

これによりタイミング形成器１４Ｄは、タイミング信号Ｓ１７のタイミングでデータ発生器１３Ａから１の循環期間（図３（Ａ））に続く次の循環期間（図３（Ｂ））のＭ系列信号Ｐ１のデータを発生させる。

これと共に、データ検出器１４Ａは、送信同期信号Ｐ２のタイミングで同期検出器１４Ｃから同期検出パルス信号Ｓ１８を送出させることによりデータ発生器１３Ａにおいて次の循環期間のＭ系列信号Ｐ１に乗せるべき送信同期信号Ｐ２として初期値レジスタ１３Ｂから初期値データＳ１３を取り込ませる。

かくして受信データ形成部１４は、反射波Ｓ２において１の循環期間の反射同期信号Ｐ２Ｘのタイミングで、データ発生器１３Ａに初期値データＳ１３を取り込ませるようなループを形成させることにより、１の循環期間の反射同期信号Ｐ２Ｘが受信データ形成部１４に戻って来たタイミングで、次のループの送信同期信号Ｐ２を乗せたＭ系列信号Ｐ１を送波するような循環動作を実行する。

図３（Ａ）に示すような送信データ形成部１３の新たなＭ系列信号Ｐ１及び同期信号Ｐ２の形成動作は、図３（Ｂ）、（Ｃ）……に示すように、その後送信波Ｓ１が測距対象２において反射されて反射波Ｓ２として戻って来るごとに新たなデータの発生動作をし、この結果測距対象２にはＭ系列信号Ｐ１に同期信号Ｐ２を乗せた送信波Ｓ１を順次継続的に送り出すことになる。

これに加えて同期検出器１４Ｃは、データ発生器１３Ａに対して同期検出パルス信号Ｓ１８を供給するタイミングで、カウント開始パルスＳ２１を同期期間計数部１５のカウンタ１５Ａに供給する。

カウンタ１５Ａは、同期検出器１４Ｃから１の同期検出パルス信号Ｓ１８が得られるごとに、そのタイミングから次の同期検出パルス信号Ｓ１８が得られるまでの間計数動作してその計数結果データＳ１９を信号処理器１５Ｂに蓄積する。

同期期間計数部１５は、高安定水晶発振器１５Ｃの発振出力Ｓ２２をタイミング形成器１５Ｄに供給することにより、計数出力パルスＳ２３をカウンタ１５Ａに供給し、これによりカウンタ１５Ａが１のカウント開始パルスＳ２１が同期検出器１４Ｃから供給されたときから次のカウント開始パルスＳ２１が得られるまでの間、高安定水晶発振器１５Ｃから得られる高安定な発信出力Ｓ２２に基づいて発生するタイミング形成部１５Ｄの計数出力パルスＳ２３を計数する。

かくして同期期間計数部１５は、送信器部１１が送信波Ｓ１を送出した後反射波Ｓ２が戻って来た循環動作期間を表す計数結果データＳ１９を信号処理器１５Ｂに蓄積して行く。

以上の構成において、時点ｔ１において同期検出器１４Ｃから同期検出パルス信号Ｓ１８が与えられたとき、データ発生器１３Ａは図３（Ａ）に示すように、Ｍ系列信号Ｐ１に同期信号Ｐ２を乗せた送信パルス信号Ｓ１１をレーザ１１Ａに与えることにより、レーザ光でなる送信波Ｓ１を送信器部１１から送出する。

この送信波Ｓ１は測距対象２から反射して反射波Ｓ２として、時点ｔ１から時間Ｔ１だけ経過した時点ｔ２において受信器部１２の受光アンプ１２Ａに戻って来る。

このとき、位相同期検出回路１４Ｂにおいて、反射波Ｓ２に含まれるレーザ光の位相及び振動が、レーザ１１Ａから送波されて受光アンプ１２Ａに戻って来るまでの間に測距対象２が移動することにより変化したとき、これに対応して、受光したレーザ光の位相を位相同期検出回路１４Ｂにおいて検出してそのタイミングの変化を表す位相同期検出信号Ｓ１４に適合したタイミングをもつタイミング信号Ｓ１７及びＳ１６によってデータ発生器１３Ａ及び同期検出器１４Ｃを動作させ、これにより図３（Ｂ）に示すように、反射波Ｓ２の位相をもつＭ系列信号Ｐ１に送信同期信号Ｐ２を乗せた送信パルス信号Ｓ１１が時点ｔ２において送波される。

以下同様にして、測距部３は同期検出器１４Ｃにおいて同期信号Ｐ２を発生する時点ｔ１、ｔ２、ｔ３……ごとにデータ発生器１３Ａにおいて新たにＭ系列信号Ｐ１に同期信号Ｐ２を乗せた送信波Ｓ１を送波すると共に、その反射波Ｓ２を受信した時点ｔ２、ｔ３、ｔ４……においてまた新たな送信パルス信号Ｓ１１をデータ発生器１３Ａにおいて発生することにより、測距部３と測距対象２との間に繰返し搬送情報であるＭ系列信号Ｐ１に同期情報である同期信号Ｐ２を乗せた送信パルス信号Ｓ１１を順次循環させるように送信する。

この間において、同期検出器１４Ｃは時点ｔ１、ｔ２、ｔ３……において反射波Ｓ２に含まれる同期信号Ｐ２のタイミングでカウント開始パルスＳ２１を同期期間計数部１５のカウンタ１５Ａに供給して高安定水晶発振器１５Ｃの発信出力Ｓ２２に基づくカウント動作をすることにより、同期信号Ｐ２が供給される時点ｔ１、ｔ２、ｔ３……の同期信号発生時間の間高安定水晶発振器１５Ｃから供給される発信出力Ｓ２２に基づいて計数動作を繰返し、その結果信号処理器１５Ｂに対して時点ｔ１〜ｔ２、ｔ２〜ｔ３、ｔ３〜ｔ４……間の循環時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３……に対応する計数結果データＳ１９を順次格納して行く。

この計数結果データＳ１９の値はレーザ波が測距部３から距離対象２までの間を往復する時間に相当する値になるので、測距部３が送信波Ｓ１を送信した時点から反射波Ｓ２を送信した時点までの時間差Ｔｐｄは、次式

によって信号処理器１５Ｂにおいて演算により求めることができる。

また測距部３から測距対象２までの距離Ｄｉｓは、次式

によって、信号処理器１５Ｂにおける演算により求めることができる。

この結果、測距対象２が飛行体で現在位置が徐々に変化して行く場合には、測距部３から測距対象２までの距離の変化に対応してカウンタ１５Ａの計数値が変化することにより、その都度時間差Ｔｐｄを表す測距データを信号処理器１５Ｂに蓄積する。

かくするにつき、測距システム１の測距動作は、測距部３と測距対象２との間を送信波１及び反射波２を循環動作させるだけの比較的簡易な構成で時間及び距離の測定をなし得ると共に、その時間及び距離の計数結果は、高安定水晶発振器１５Ｃの発信出力Ｓ２０の精度に基づいて高い精度を実現できる。

また、測距部３から測距対象２までの間の大気は、気候条件に応じてレーザ光の伝播条件に影響を与えることによって送信パルス信号Ｓ１１の到達時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３……に影響が生ずるが、計数結果データＳ１９について、大気の温度、気圧及び湿度に関する補償条件を加えることにより、補償することができる。

（２）第２の実施の形態
図４は第２の実施の形態を示すもので、図２との対応部分に同一符号を付して示す。

この場合送信器部１１Ｘを構成する送信機１１ＡＸから送波される送信波Ｓ１Ｘは、送信データ形成部１３において初期値レジスタ１３Ｂから供給される初期値データＳ１３をデータ発生器１３ＡＸにおいて、図５（Ａ）に示すように、所定の時間の間１００［ＭＨｚ］の正弦波でなる同期信号Ｐ２Ｘをプリアンブル信号Ｓ１１Ｘとして発生させ、このプリアンブル信号Ｓ１１Ｘを搬送信号形成部２０において搬送波発振器２１で発生させた１０［ＧＨｚ］の正弦波でなる搬送波信号Ｓ２５に対して変調器２２において変調させ、これを送信信号Ｓ１１Ｙとして送信器部１１Ｘの送信機１１ＡＸから送信波Ｓ１Ｘとして送波する。

かくして送信波Ｓ１Ｘは、時点ｔ１において所定の時間の間同期信号Ｐ２Ｘを乗せてなる変調波信号として時点ｔ２において測距対象２において反射して反射波Ｓ２Ｘとして受信器部１２Ｘの受信機１２ＡＸにおいて受信される。

受信機１２ＡＸにおいて受信して得られた搬送受信信号Ｓ１２Ｙは搬送信号形成部２０の復調器２３において復調されて搬送波から取り出された受信信号Ｓ１２Ｘがデータ検出器１４Ａに供給され、データ検出器１４Ａにおいて初期値レジスタ１３Ｂから得られた初期値データＳ１３がパルス信号成分Ｓ１５として同期検出器１４Ｂに供給される。

この結果送信データ形成部１３は、図２の測距信号処理部１０と同様にして、図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）……に示すように、プリアンブル信号Ｓ１１Ｘとして送波された同期信号Ｐ２Ｘが反射同期信号Ｐ２ＸＸとして循環ループを形成する。

かくして図４の第２の実施の形態の場合は、１の循環ループの送信同期信号Ｐ２Ｘとして用いられる初期値データＳ１３が１００［ＭＨｚ］の搬送波同期信号として測距対象２に送波されると共に反射同期信号Ｐ２ＸＸとして反射されて戻って来ることにより、受信データ形成部１４の同期検出器１４Ｃにおいて検出される点について図２の測距部３と同様の作用が得られ、これにより当該検出された同期信号をカウント開始パルスＳ２１として同期期間計数部１５のカウンタ１５Ａのカウント動作を開始させた後、次の循環ループの反射同期信号Ｐ２ＸＸを検出したとき当該カウンタ１５Ａのカウント値を計数結果データＳ１９として信号処理器１５Ｂに保存するといった図２の測距部と同様のカウント動作を行うことになる。

以上のように図４の第２の実施の形態の場合は、測距部３から測距対象２との間を往復する送信波Ｓ１Ｘ及び反射波Ｓ２Ｘが正弦波周波数信号を用いることにより、当該測距部３と測距対象２との間の測距情報を図２の場合のレーザ信号に代わって正弦波信号を用いて検出できることになる。

かくするにつき、送信波及び反射波を利用して同期信号を繰り返し循環させると共に、当該同期信号を受信したタイミングでカウンタにより測距部３と測距対象２との間の測距時間及び距離をカウンタによるカウント動作に基づいて簡易に得ることができると同時に、カウンタが高安定水晶発振器１５Ｃの高い精度でカウント動作をさせることができることにより、測距情報を高い精度で得ることができる。

この第２の実施の形態の場合の測距部３から測距対象２までの距離ＤｉｓＸは、次式

によって、信号処理器１５Ｂにおける演算により求めることができる。

本発明は空間にある測距対象を測距検出する場合に適用できる。

１……測距システム、２……測距対象、３……測距部、１１、１１Ｘ……送信器部、１１Ａ……レーザ、１１ＡＸ……送信機、１２、１２Ｘ……受信器部、１２Ａ……受光アンプ、１２ＡＸ……受信機、１３……送信データ形成部、１３Ａ、１３ＡＸ……データ発生器、１３Ｂ……初期値レジスタ、１４……受信データ形成部、１４Ａ……データ検出器、１４Ｂ……位相同期検出回路、１４Ｃ……同期検出器、１４Ｄ……タイミング形成器、１５……同期期間計数部、１５Ａ……カウンタ、１５Ｂ……信号処理器、１５Ｃ……高安定水晶発振器、１５Ｄ……タイミング形成器、２０……搬送信号形成部、２１……搬送波発振器、２２……変調器、２３……復調器。

Claims (5)

1. 測距部から測距対象に所定の空間伝播速度を有する送信波を送波し、当該送信波が上記測距対象において反射して反射波として上記測距部に戻って来たとき、上記送信波の送信時から上記反射波の受信時までの時間差から測距情報を取得する測距システムにおいて、
   上記測距部は、搬送信号に同期信号を乗せてなる上記送信波を形成する送信データ形成部と、上記反射波に乗っている上記同期信号を反射同期信号として抽出して反射同期信号を形成する受信データ形成部とを具えると共に、上記反射同期信号に基づいて上記送信データ形成部において再度上記搬送信号に上記同期信号に乗せてなる上記送信波を再度形成する上記同期信号に係る循環ループを形成し、
   上記測距部は、上記循環ループにおいて上記反射同期信号を得たとき、当該循環ループの１の反射同期信号のタイミングから次の反射同期信号のタイミングまでの間カウンタを計数動作をさせて上記カウンタの計数結果を測距情報として信号処理器に蓄積する測距信号処理部を具える
   ことを特徴とする測距システム。
2. 上記信号処理器は、上記カウンタの計数結果を上記循環ループの１の反射同期信号のタイミングから次の反射同期信号のタイミングまでの測距時間を上記測距情報として求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の測距システム。
3. 上記信号処理器は、上記カウンタの計数結果を上記循環ループの１の反射同期信号のタイミングから次の反射同期信号のタイミングまでの測距時間を上記測距情報として、上記測距時間に係る測距情報に対して上記所定の空間伝播速度を乗算することにより測距距離に係る測距情報として求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の測距システム。
4. 上記送信波の空間伝播信号としてレーザ光を用いる
   ことを特徴とする請求項１に記載の測距システム。
5. 上記送信波の空間伝播信号として正弦波信号を用いる
   ことを特徴とする請求項１に記載の測距システム。

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