JP4195506B2 - 飛行時間による無線位置システム - Google Patents

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Description

米国合衆国政府は、米国合衆国エネルギ庁とカリフォルニア大学との間で締結された契約番号Ｗ−７４０５−ＥＮＧ−４８にしたがって、ローレンス・リバモア国立研究所の活動のために本発明に関する権利を有する。
発明の背景
発明の分野
本発明は高分解能の位置測定システムに関し、とくに、約１０フィート未満のレンジにわたって動作する、サブミリメートルの分解能を持つ飛行時間による無線位置システムに関する。
関連技術の説明
機械技術に依存しない位置検知技術には、以下のような多種多様なものが使用できる。
（１）ＴＶカメラや複雑な画像追跡アルゴリズムを採用した赤外線または光学システム、
（２）超音波システム、および
（３）連続波（ＣＷ）無線周波数のフリンジ計測および位相測定システム、
などである。
赤外線または光学システムは非常に高価なため、商用として位置検知を行うアプリケーションには殆ど実際的ではない。超音波システムは非常に不正確かつ信頼性に欠ける。連続波（ＣＷ）無線周波数のフリンジ計測および位相測定システムは、厳しい多重パス問題の影響を受けるとともに、位置検知データの曖昧さを伴う。これらの従来システムのいずれによっても高分解能を得ることができないし、それらのシステムは非常に高価である。
高分解能で低コストの位置検知であれば、インターラクティブなメディア技術、ロボット工学、自動車の乗車位置検知、デジタル手術、および高分解能の位置検知が必要な多種多様なアプリケーションに適用することができる。
発明の要約
本発明は、送信したＲＦパルスの直接の飛行時間（time-of-flight）を測定する複空電（bi-static）形のレーダ構成に基礎を置いている。このシステムは、約１ピコ秒、すなわち電磁パルスに対する自由空間距離で約０．０１インチのオーダのジッタで約１〜１０フィートの範囲にわたり飛行時間を測定できる。このシステムは非常に低コストの要素でインプリメントでき、したがって、大容量コンピュータゲームおよび仮想現実システムで使用できる。
本発明は、電磁パルスの飛行時間を測定するための装置として特徴付けできる。この装置は、送信タイミング信号に応答して電磁パルスのシーケンスを送信する送信機と、受信タイミング信号に応答して前記電磁パルスのシーケンスを制御されたタイミングでサンプリングし、そのサンプルリングに応じてサンプル信号を発生する受信機とを備える。タイミング回路は、送信タイミング信号を送信機に供給するとともに受信タイミング信号を受信機に供給する。前記シーケンスのパルスの送信と受信機によるサンプリングとの間の時間が遅延量のレンジ（a range of delays）にわたり掃引されるように、受信タイミング信号が受信機に電磁パルスのシーケンスをサンプリングさせる。検出回路により生成されたサンプル信号は、サンプル信号および前記タイミング回路に応じて前記シーケンスのパルスの送信機および受信機間の飛行時間を表している。この受信タイミング信号は、前記シーケンスのパルスがパルス繰返しレートで且つ遅延量のレンジの異なる遅延量を用いてサンプルされ、サンプル信号が受信パルスの振幅を等価な時間で表すような掃引周期で遅延量のレンジにわたり掃引される。受信機の自動ゲイン制御回路は、等価な時間サンプル信号の振幅を制御する。信号プロセッサは、サンプル信号を解析して前記シーケンスの電磁パルスの飛行時間を指示する。例えば、このシステムはパルス検出回路を有し、この回路は、サンプル信号が前記遅延量のレンジにわたる掃引中にしきい値に達したときパルス検出信号を発生する。掃引の初めと前記パルス検出信号の発生との間の時間は、前記シーケンスのパルスの飛行時間を示している。
本発明の別の側面によれば、タイミング回路は、パルスレート・クロックと、既知のケーブル遅延時間を有し、かつ前記パルスレート・クロックを送信機に接続するケーブルと、パルスレート・クロックの信号をケーブルから送信タイミング信号に変える送信機内の回路とを有する。パルスレート・クロックに結合された制御遅延回路は、ケーブル遅延時間を補償するように時間的に遅延したパルスレート・クロックの信号に応じて受信機にて受信タイミング信号を生成する。
受信タイミング信号は、電圧制御遅延回路を含む制御可能遅延回路を使って生成できる。電圧制御遅延回路の制御入力端に結合させた電圧ランプ波発生器は、受信タイミング信号を遅延させた掃引を行う。この電圧ランプ波発生器はデジタル／アナログ変換器を使って、またはアナログ量のランプ波発生器を使ってインプリメントできる。一実施例によれば、指数関数的な変換特性を有するアナログ量のランプ波発生器が使用され、電圧制御遅延回路は、遅延量のレンジにわたるほぼリニアな遅延を与える制御入力に応じて相補的な指数関数遅延をインプリメントする。
このシステムは、送信機の位置を数個の自由度で検出できるように、互いに離れて置いて複数の受信機を有していてもよい。
本発明はまた、約１０フィートの未満のレンジで目標体の位置を検出する方法として特徴付けすることができる。この方法は以下のステップから成る。すなわち、
（１）目標体に送信機を取り付け、
（２）送信機から電磁パルスのシーケンスを送信し、
（３）送信機から受信機への電磁パルスの飛行時間を検出し、そして、
（４）飛行時間を処理して目標体の位置を指示する、
ステップである。
前記飛行時間を検出するステップは、制御されたタイミングで前記パルスのシーケンスをサンプリングして受信機における送信パルスの等価な時間表現値を生成する処理と、この等価時間信号を処理して前記飛行時間を指示する処理を有する。
上述したように、本発明では、１０ナノ秒未満の飛行時間値のレンジにわたって動作するようにしたため、優れた精度を呈する。本発明に係るシステムは、１０フィート未満のレンジにわたりサブミリメートルの感度でインプリメントできる。
本発明のほかの側面および効果は、以下に続く図面、詳細な説明、およびクレームを検討することで理解できる。
図の簡単な説明
図１は、本発明に係る電磁パルスの直接的な飛行時間の測定に基づく位置センサの簡単化した構成図である。
図２は、本発明に係る上記位置センサのブロック図である。
図３は、本発明に係る位置検出器内の受信機および送信機の、より詳細な機能ブロック図である。
図４は、本発明に係る位置センサのタイミング回路およびほかの部分の電気的構成図である。
図５は、本発明に係る位置センサ用の送信機の電気的構成図である。
図６は、本発明に係る位置センサ用の受信機の電気的構成図である。
図７は、本発明に従ってインプリメントされた頭部位置検知システムの簡単な構成図である。
好適な実施例の詳細な説明
本発明の好適な実施例を、図を参照して詳細に説明する。図において、図１は、基本的概念を説明するものである。とくに、本発明に係る位置センサには、送信機１０が含まれ、この送信機は位置を検知する対象体１１上に取り付けられる。この送信機１０は、制御回路１４からタイミングケーブル１３を介して供給される送信タイミング信号に応じてＲＦパルス１２から成るシーケンスを発生させる。この制御回路１４には受信機１５が結合しており、受信機は、受信タイミング信号に応じた制御タイミングでＲＦパルスをサンプリングするサンプル回路を含む。このセンサ制御回路１４は、送信機１０からのパルスの送信と受信機１５によるサンプリングとの間の、遅延量のレンジにわたり正確に制御され且つ掃引された時間で前記電磁パルスのシーケンスがサンプリングされるように、制御遅延回路１６を通して受信機１５に受信タイミング信号を供給する。この受信機はライン１７にサンプル信号を発生し、このサンプル信号がセンサ制御回路１４に供給される。センサ制御回路は、送信機１０から受信機１５に至るＲＦパルス１２の飛行時間の指示するサンプル信号の特性を検出する。図１に示すシステムでは、第１の追加の受信機１８および第２の追加の受信機１９がこのシステムに含まれている。
この受信機１８および１９はタイミングケーブル２０および２１により制御回路１４にそれぞれ接続され、またＲＦパルス１２を制御されたタイミングでサンプリングする。受信機１５、１８および１９にしたがって検出された飛行時間を処理して目標体１１の位置を指示することができ、本発明にしたがう多数の自由度と優れた分解能を得る。また、送信機１０と受信機１５、１８、１９との間の括弧２２により指示されたレンジ（距離）は、１０フィート未満にする。
本発明に従うこのセンサの動作は、図２のブロック図に関連してより良く理解できる。このシステムはタイミングパルス発生器５０に基づくもので、この発生器は、図２に関して説明される実施例では約２メガヘルツのパルス繰返しレートでクロックを発生する。このタイミングパルス発信器から発生したパルスレートクロックは、ケーブル５１を通して送信機のパルス発生器５２に供給される。このパルス発生器は、公称値で２．０ギガヘルツに中心周波数を合わせた如くのＲＦパルスを発生し、このＲＦパルスが約２メガヘルツのパルス繰返しレートでアンテナ５４を通して送信機５３により送信される。
このタイミングパルス発信器５０はまた、制御遅延回路５５に結合されている。制御遅延回路５５は受信タイミング信号をライン５６を通して受信ストローブ発生器５７に供給する。受信ストローブ発生器５７は、前記パルス繰返しレートで受信機５８中のサンプルゲートをストローブするが、その時間は送信機がＲＦパルスを放射する時間に比べて遅延される。
制御遅延回路５５はスタート／ストップ回路５９により制御され、このスタート／ストップ回路は、この説明している例では約７０ヘルツで発振する掃引回路を有する。したがって、この掃引発信器は１００ヘルツ未満の周波数で発振するように設計されている。ＮＴＳＣビデオに適合可能な約１６キロヘルツで掃引す別のシステムをインプリメントすることもできる。この発信器はライン６０を通して掃引遅延回路５５にランプ波信号を供給し、掃引遅延回路はストローブ発生器５７が発生するストローブのタイミングを制御する。スタート／ストップ回路５９は、各掃引の開始時にスタート信号を発生し、またライン６１のパルス検出信号に応答してストップ信号を発生する。ライン６１のパルス検出信号は、ＲＦパルスのシーケンスのサンプルに応答して受信機５８により生成される。受信機５８がＲＦパルスを検出したとき、ライン６１上のパルス検出信号はスタート／ストップ回路５９にストップ信号を出させる。スタート信号はカウンタ６２を開始させるのに使用され、ストップ信号はカウンタ６２を止めるのに使用される。カウンタは、各掃引の開始時において、説明の例では約１０メガヘルツの計測レートで計測を開始し、ストップ信号を受信したときに計測を停止する。ストップ信号を受信したときのカウンタ６２の計測値は、送信機から受信機に伝搬したＲＦパルスの飛行時間を示している（掃引開始時のストローブパルスの遅延量と、パルス検出信号が発生したときのストローブパルスの遅延量との差）。この計測値は、送信機５３の位置を決める情報として使用するプロセッサ６３に供給される。
したがって、説明の例では、７０ヘルツのスタート／ストップ回路を用いて、約１４ミリ秒持続するランプ波が生成される。送信機によるＲＦパルスの送信と受信ストローブ発生器による受信機のストローブとの間の遅延は、前記ランプ波に応じたレンジにわたって掃引される。２メガヘルツのパルス繰返しレートを用いた場合、パルス間の時間は約５００ナノ秒である。１０フィートの伝搬に対する送信機による送信と受信機による受信との間の遅延は、およそ１０ナノ秒となると考えられる。このため、受信ストローブ発生器により発生する受信ストローブのタイミングは、送信機に対するケーブル遅延を補償する時間で開始し、かつ送信機の位置を正確に検出するために約１０ナノ秒毎に変化する遅延量のレンジにわたり掃引させることができる。１４ミリ秒持続するランプ波および２メガヘルツのパルス繰返しレートを用いる場合、受信機は遅延回路５５の掃引毎におよび２８，６００パルスをサンプリングすることになる。
図２に示すように、受信機におけるＲＦパルスは線７０で説明する如く変化する振幅曲線を描くことができる。２ギガヘルツのパルス発生器は、およそ５００ピコ秒の周期時間を有することになり、１００ピコ秒未満の立上がり区間での立上がり時間となる。このパルスの立上がり区間は、点７１で指示したように、強いパルスとして現れる。この強いパルスの後には、概略的に７２で示すノイズ領域が続き、このノイズ領域が送信パルスの反射および他の効果に基づいている。ノイズは、第２のパルスが発生する時間までに、領域７３で指示される如く、実時間のパルス周期の開始時において低いレベルまで減衰する。
この実時間のパルスは、線８０で示すように、等価な時間信号が生成されるように、遅延時間のレンジにわたってサンプリングされることになる。しかし、この線は、１４ミリ秒の等価な時間サンプル幅について７０ヘルツの繰返し周期を持つ平均パルスの形状を仮定している。このパルスの等価な周期時間は、およそ１．４キロヘルツの等価な時間パルス周波数に対して、およそ７００マイクロ秒となる。このため、受信機は、自動ゲイン制御を備えたオーディオ周波数のアンプと、しきい値検出器とを有する。点８１で示すように、しきい値到達の検出があったときに、パルス検出信号がライン６１に発生される。
図２に同様に示すように、タイミングパルス発信器５０は、アクロスケーブル８５などで他の送信機に接続し、またアクロスケーブル８６などで他の受信機に接続して、複雑な位置検出システムを作ることができる。
このタイミングパルス発信器５０は、同様のシステムまたは他のＲＦ機器からの干渉を減らすために、周波数変調またはディザ処理することができる。
図３に、本発明に係る飛行時間センサのさらに詳細な構成図が与えられている。図３の実施例では、約２．５メガヘルツのパルス繰返し周波数が示してあり、これは４分周回路１０１に接続された１０メガヘルツのクロック１００により生成される。この４分周回路１０１の出力は、ライン１０２上のパルスレートクロックとなる。この信号はタイミングケーブル１０４に結合したドライバ１０３に供給される。このタイミングケーブルは送信ユニットに結合されており、このユニットはドライバ１０５、このドライバ１０５に応答するパルス形成ネットワーク１０６、ライン１０８に例えば２ギガヘルツのゲート制御された（ゲーテッド：gated）ＲＦパルスを発生するマイクロ波発信器１０７とを有する。ライン１０８は送信アンテナ１０９に結合しており、この送信アンテナは受信アンテナ１１１にＲＦパルス１１０を送信する。
ライン１０２のパルスタイミング信号はトリガ信号として電圧制御遅延回路１１２に供給される。この電圧制御遅延回路の出力はパルス形成ネットワーク１１４を駆動し、このネットワークはサンプル・ホールドゲート１１５をストローブするために使用される。このゲートは受信アンテナ１１１に接続されるとともに、保持コンデンサ１１６に送信パルスのサンプルを供給する。この保持コンデンサはアンプ１１７を駆動してライン１１８にサンプル信号を生成する。このサンプル信号はコンパレータ１１９に供給され、このコンパレータがしきい値１２０に対してサンプル信号を比較する。同様に、サンプル信号ライン１１８によりピーク値検出回路１３９が駆動される。この検出回路はダイオード１２０およびコンデンサ１２１に基づいて構成される。このピーク値検出回路の出力はアンプ１２２に供給され、このアンプが前記アンプ１１７に自動ゲイン制御機能を与える。この自動ゲイン制御用のアンプは入力抵抗１２３を有し、この抵抗が微分アンプ１２４の第１の入力端に接続されている。微分アンプ１２４の第２の入力端は参照電圧１２５に接続されている。アンプ１２４のフィードバック経路にはコンデンサ１２６が接続されている。
電圧制御遅延回路は、ランプ波発生器１２８により供給される、ライン１２７上のランプ波信号に応じて制御される。このライン１２７上のランプ波信号により、電圧制御の遅延量が、タイミングケーブル１０４の遅延量と送信ユニットから受信機までの予測される飛行時間値のレンジとに相当する遅延量のレンジにわたって掃引される。このランプ波発生器１２８はランプ波クロック１３０により駆動される。このランプ波クロックはこの説明の例では、ライン１０２のパルス繰返し周波数を２16で分割し、ライン１３１に４０ヘルツの信号を生成することで発生させている。この４０ヘルツの信号は２値格納素子１３２に供給される。ランプ波クロックの立上がり区間では、２値格納素子１３２の出力はハイにセットされ、この結果、ＡＮＤゲート１３３が使用可能になり、レンジカウンタ１３４に１０メガヘルツのクロックを供給する。レンジカウンタは、コンパレータ１１９によりライン１１８のサンプル信号が前記しきい値を越える状態が検出されるまで１０メガヘルツのレートでカウントアップする。その越えた時点で、２値格納素子１３２がリセットされ、これによりＡＮＤゲート１３３が使用禁止になり、レンジカウンタ１３４を止める。レンジカウンタのデータは次いでバス１３５を経由して信号プロセッサに送出することができる。同様に、４０ヘルツの各ランプ波の立上がり区間では、リセット信号が制御回路１３６に供給され、この制御回路がカウンタ１３４をリセットし、次の掃引に備える。したがって、図３では、２．５メガヘルツの繰返し周波数が１０メガヘルツのクロックから作り出される。このパルス繰返し周波数は、タイミングケーブルを通して送信ユニットを駆動する。このため、ＤＣ電力およびクロックを伝送する低コストの光ケーブルを用いてインプリメントすることもできる。送信機はパルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）を備え、このネットワークがゲーテッドＲＦ発信器を変調して、例えば２ギガヘルツの中心周波数で示すように、ＲＦの１周期を発生する。この単一周期のＲＦは送信アンテナから受信アンテナに伝搬する。受信ユニットのサンプル・ホールド回路は、電圧制御遅延回路およびパルス形成ネットワークから得たゲートパルスで駆動されたとき、受信信号をサンプルする。このホールド回路の出力は自動ゲイン制御のアンプで増幅され、しきい値コンパレータに印加される。アンプ１１７の出力はＲＦパルスの等価時間を模写したもので、これが４０ヘルツのレート、すなわち前記ランプ波発生器の掃引速度で繰り返す。
ピーク値検出器は等価な時間サンプル信号中の最大パルス振幅を検出するとともに、自動ゲイン制御のアンプを駆動して、その等価時間パルスのピーク振幅値を制御レベル、この例では典型的な−１ピーク・ボルトに保持する。コンパレータは典型的には、−０．５ボルトにセットされ、飛行時間レンジまたはアンテナ方向により生じる変動に関わらず、等価な時間パルスを、最大レベルを有する精密な一定割合で検出する。
この等価時間信号は、ランプ波回路と遅延回路により制御された電圧とにより決められた１〜１０フィートのレンジ掃引を表わす。ランプ波がその掃引を開始すると、１０メガヘルツのクロックをレンジカウンタにゲーティングすることでレンジカウンタをスタートさせるように２進数値がトグルされる。等価時間パルスが正確に検出される掃引位置では、レンジカウンタはストップし、精密なレンジカウント値を読出用に供する。このサイクルは２５ミリ秒のレートで繰り返される。１０メガヘルツのカウントレートを用いると、フルスケールは２５０，０００のカウント値で表わされ、すなわち１０フィートとなり、そこで、デジタル分解能は、およそ０．０００６インチである。しかしながら。本システムでは、２５ミリ秒の更新レートにおいてアナログノイズにより約０．０１インチに限定される。デジタル平均を採用してジッタを減らすようにしてもよい。
電圧制御遅延回路１１２は、およそ１０ナノ秒の時間定数を持つ基本的な指数関数の高速電圧ランプ波を使って、時間軸上にリニアなレンジ掃引を発生させる。このランプ波は、ランプ波回路において基本的な指数関数ランプ波と組み合わせられる。この実時間ランプ波と等価時間ランプ波の両方がそれらのカーブの同一部分上で動作し、共同でリニアは掃引を成す。
受信機、送信機およびタイミング回路の別の例の代表的な電気的構成図を図４〜図６に示す。図４は、本発明に係るシステムのためのタイミング回路を図説している。
このタイミング回路は７０ヘルツの発信器を有し、この発信器はＮＡＮＤ（ナンド）ゲート２００および２０１を使って形成されている。各ＮＡＮＤゲートの入力は互いに結合され、インバータとして動作する。第１のＮＡＮＤゲート２００はその出力を第２のＮＡＮＤゲート２０１の入力に結合させている。第２のＮＡＮＤゲート２０１はフィードバック系のコンデンサ２０２を通して第１のＮＡＮＤゲート２００の入力に接続されている。同様に、ＮＡＮＤゲート２００の出力は抵抗２０３を通してそのゲートの入力に接続されている。この７０ヘルツのクロックは、コンデンサ２０４および抵抗２０５から成るＲＣ微分器を通してフリップフロップに接続されている。ＲＣ微分器は＋５ボルト電源に接続されている。このフリップフロップはＮＡＮＤゲート２０６およびＮＡＮＤゲート２０７に基づいている。ＮＡＮＤゲート２０６の出力がＮＡＮＤゲート２０７の一方の入力に接続されている。このＮＡＮＤゲート２０７の出力がＮＡＮＤゲート２０６の一方の入力に接続されている。このＮＡＮＤゲート２０６の第１の入力は、コンデンサ２０４および抵抗２０５に基づくＲＣ回路の出力に相当する。ＮＡＮＤゲート２０７の第２の入力は、分岐点２０８でのしきい値検出回路の出力に相当する。この分岐点２０８でのしきい値検出回路は、図６で説明する受信機により発生されるサンプル信号ＲＸを受信するように接続した抵抗２０９と、＋５ボルト電源に接続された抵抗２１０となら成る。
ＮＡＮＤゲート２０６および２０７から成るフリップフロップの出力は抵抗２１１を介してコネクタ２１２に供給される。このコネクタ２１２は信号プロセッサを駆動するもので、信号プロセッサはカウンタ２１３およびメモリ２１４から成る。１０メガヘルツのクロック２１５はＮＡＮＤゲート２１６を駆動する。このＮＡＮＤゲート２１６に対する第２の入力はコネクタ２１２からの信号であり、ＮＡＮＤゲート２１６の出力を使用可能および使用禁止にしてカウンタ２１３を駆動する。同様に、コネクタ２１２からの信号がメモリ用のリードストローブとしてライン２１７上で、またカウンタを適宜な回路構成によってリセットするリセット信号としてライン２１６上で使用される。このため、ＮＡＮＤゲート２００および２０１から成る前記発信器の各周期の開始点で使用可能にされ、受信したサンプル信号ＲＸがマイナスのしきい値よりも下がったときにターンオフされる。
図４のシステムにはまた、インバータ２２０およびインバータ２２１から成るパルスクロックが示されている。インバータ２２０の出力は抵抗２２２を介してその入力に接続されている。インバータ２２１の出力はコンデンサ２２３を介してインバータ２２０の入力に接続されている。インバータ２２１の出力は、２メガヘルツのクロックとなってライン２２４に供給される。この信号はインバータ２２５を通して分岐点２２６に供給される。分岐点２２６とアースとの間にはコンデンサ２２７が接続されている。分岐点２２６と送信ケーブル２２９との間にはコンデンサ２２８が接続されている。この送信ケーブルは、１２フィートの同軸音声ケーブルに結合したＲＣＡ音声プラグといったものである。同様に、送信クロックに重なるケーブル２２９を通して送信機に電源を供給するため、コイル２３０がケーブル２２９から＋５ボルト電源に接続されている。
ライン２２４のパルスクロックはまた抵抗２３１を通じライン２２４に接続される遅延回路に供給される。抵抗２３１はインバータ２３２の入力に接続され、可変コンデンサ２３３を通してアースされる。可変コンデンサ２３３はパルスクコックに粗い遅延を与える。インバータ２３２の出力は抵抗２３４を通してインバータ２３５の入力に供給される。インバータ２３５の入力はまたランプ波発生器（概略的には符号２４６）によって駆動される。インバータ２３６を通したインバータ２３５の出力はコンデンサ２３７を通して受信ストローブ発生器に供給される。コンデンサ２３７はインバータ２３６と分岐点２３８との間に接続される。ダイオード２３９のアノードは分岐点２３６に接続され、カソードはアースに接続されている。抵抗２４０は分岐点２３８と５ボルト電源との間に接続される。分岐点２３８はまた高速トランジスタ２４１のエミッタに接続される。トランジスタ２４１のベースはアースに結合される。トランジスタ２４１のコレクタはライン２４２のストローブ信号ＳＴＢを供給する。また、トランジスタ２４１のコレクタは抵抗２４３を通して＋５ボルト電源に接続される。
ランプ波発生器２４６は基本的にはアナログの指数関数ランプ波発生器である。このランプ波発生器はデジタル／アナログ変換器によって置き換えることができ、この変換器はデジタル的にアナログ値のシーケンスをインバータ２３５の入力に供給して同期発信器を使い遅延を制御させる。図示したアナログ版ではＮＡＮＤゲート２００の出力の７０ヘルツのクロックが抵抗２５１およびコンデンサ２５２を通してライン２５０に供給され、トランジスタ２５３のベースに至る。同じく、抵抗２５４が抵抗２５３のベースとアースとの間に接続されている。トランジスタ２５３のエミッタはアースに接続されている。トランジスタ２５３のコレクタは抵抗２５５を通して＋５ボルト電源に接続されている。同様に、そのコレクタはコンデンサ２５６を通してアースに接続されている。抵抗２５７は＋５ボルト電源に接続され、インバータ２３５の入力に至る。抵抗２５８はトランジスタ２５３のコレクタに接続され、インバータ２３５の入力に至る。また、制御可能なコンデンサ２５９がインバータ２３５の入力からアースにかけて接続されている。この回路は、指数関数の変換関数を有する範囲にインバータ２３５の入力をバイアスする機能を有する。ランプ波発生器２４６は相補的な指数変換関数を発生して、インバータ２３５の出力の遅延全体にリニアランプ波を与える。生成される遅延量のレンジのスパンにわたって、可変コンデンサ２５９により精密な制御が提供される。
また、図４に示すのはバッテリを使った電源である。電源にはバッテリ２７０が含まれる。このバッテリはスイッチ２７１に接続されており、このスイッチが、回路に分離した５ボルト電源を与えるレベル変換器２７２および２７３を駆動する。
この説明の実施例では、前記送信タイミング信号および受信タイミング信号は１個のクロックを使用して生成されるが、別のシステムでは、ケーブルロープ無しに、受信機および送信機で別々に位置させた分離同期クロックを備えたタイミング回路を採用することもができる。
図５は、本発明に係る送信機のインプリメンテーションを図示している。この送信機は図４に示すケーブル２２９に接続することができるコネクタ３００を有する。このケーブルは、送信機のパルス形成ネットワークにＤＣ電力と送信クロックを与える。そこで、コネクタ３００はコイル３０１を介してライン３０２に接続されている。また、コネクタ３００はコンデンサ３０３を介して分岐点３０４に接続されている。抵抗３０５が分岐点３０４とライン３０２の間に接続されている。ダイオード３０６のカソードは分岐点３０４に接続され、そのアノードはアースに接続されている。ダイオード３０７のアノードは分岐点３０４に接続れ、そのカソードはライン３０２に接続されている。ライン３０２はコンデンサ３０８を介してアースに至る。分岐点３０４はインバータ３０９および３１０を直列に介して接続され、これらのインバータが入力信号を形作る。インバータ３１０の出力はコンデンサ３１１を通して分岐点３１２に供給される。ダイオード３１３のアノードは分岐点３１２に結合されている。ダイオード３１３のカソードはアースに結合されている。分岐点３１２は抵抗３１４を介してライン３０２に接続されている。また、分岐点３１２は抵抗３１５を介して高速トランジスタ３６１のエミッタに接続されている。この高速トランジスタ３１６のベースはコイル３１７を介してアースに接続されている。このトランジスタ３１６のコレクタは送信アンテナ３１８に接続されている。また、そのコレクタはコイル３１９を介して分岐点３２０に結合している。分岐点３２０は抵抗３２１を介してライン３０２に、またコンデンサ３２２を通してアースに接続されている。送信アンテナ３１８は抵抗３２３およびコンデンサ３２４を通してアースに接続されている。したがって、送信機は無線周波数のエネルギを持つ短いバーストを送信アンテナ３１８に発生させる。このアンテナは、垂直方向に分極されたアンテナ、円状に分極されたアンテナ、クロスダイポールまたはこの分野で既知の他のインプリメンテーションに基づくアンテナであってもよい。また、このアンテナはディザさせてよいし、または、さもなければ受信機の感度を改善するように操作してもよい。
このパルスＲＦシステムを使用すると、非常に低い平均電力で済むので、ＦＣＣ、パート１５の規定に従うことができる。
図６は、本発明に係るシステムとともに使用した受信機を図示している。この受信機は、受信アンテナ３５０と、ダイオード３５１によるシングルダイオードのサンプルゲートとを有する。ダイオード３５１のカソードは受信アンテナ３５０に接続されている。また、図４のライン２４２から伝達されるストローブ信号は、コンデンサ３５２を通してダイオード３５１のカソードに供給される。抵抗３５３がダイオード３５１のカソードとアースとの間に接続されている。ダイオード３５１のアノードは分岐点３５４に結合されている。コンデンサ３５５は分岐点３５４とアースとの間のサンプル電圧を保持する。抵抗３５６が分岐点３５４と＋５ボルト電源との間に接続されている。分岐点３５４はコンデンサ３５６を通してトランジスタ３５７のベースに接続されている。このトランジスタ３５７のエミッタはアースに接続されている。抵抗３５８がトランジスタ３５７のコレクタからベースに至るフィードバック経路に介挿されている。このトランジスタ３５７のコレクタはコンデンサ３９８を通して、フィードバック経路に抵抗３６０を挿入したインバータ３５９で始まる一連のオーディオアンプに結合されている。このインバータ３５９の出力はコンデンサ３６１および抵抗３６２を介してインバータ３６３の入力に接続されている。インバータ３６３はその出力から入力に至るフィードバック経路に並列に接続された抵抗３６４とコンデンサ３６５を有する。また、インバータ３６３の出力はコンデンサ３６６および抵抗３６７を通してインバータ３６８の入力に接続されている。インバータ３６８はそのフィードバック経路に並列に接続された抵抗３６９およびコンデンサ３７０を有する。インバータ３６８の出力は、等価時間サンプル信号となってライン３７１に出力される。この信号は抵抗３７２を介してインバータ３７３の入力に供給される。インバータ３７３の出力はダイオード３７４のアノードに供給される。ダイオード３７４のカソードは分岐点３７５に接続されており、この分岐点がコンデンサ３７６を通ってアースに接続されている。また、抵抗３７７が分岐点３７５とインバータ３７３の入力端との間に接続されている。分岐点３７５は抵抗３７８を通してインバータ３７９の入力端に接続されている。インバータ３７９はそのフィードバック経路にコンデンサ３８０を有するとともに、その入力が抵抗３８１を通してアースに接続されている。このインバータ３７９の出力端は抵抗３８２を通してトランジスタ３５７のコレクタに接続されており、コンデンサ３７６に基づき発生された電圧に応じて前記一連のアンプに自動ゲイン制御が与えられる。
ライン３７１の等価時間信号はまたコンデンサ３８３および抵抗３８４を通して分岐点３８５に結合されている。分岐点３８５はコンデンサ３８６を通してアースに、また抵抗３８７を通してアースに接続されている。この分岐点はまたビデオ出力コネクタ３８８に接続されており、解析回路に接続できる。
このライン３７１の信号は、等価時間信号ＲＸとして、図４に示すしきい値検出器に供給される。
抵抗およびコンデンサの値は、この例示回路について図４〜６に示されている。ＮＡＮＤゲートは７４ＨＣ００であり、また、受信機ではインバータがＭＣ１４０６９ＵＢのインバータを使ってインプリメントされていることを除いて、インバータは７４ＡＣ０４である。
このサンプル回路では、シングル・エンドのシングル・ダイオードによるサンプルゲートが使用されており、このサンプルゲートが低電力および高効率で動作し、本発明で必要とされる、高速レートでの小信号のサンプリングが達成される。発明時に所有しており、現在、本発明と同一の譲り受け人により所有されている、超広帯域受信機（Ultra-Wide Band Receiver）の名称の、本発明者の同時係属の米国特許出願、出願番号０８／０４４，７４５号、１９９３年４月１２日出願、で説明されているトポロジの如く、他の受信機トポロジを使用することもできる。かかる出願は別の受信機トポロジを教示するために参照用に組み入れられる。
図７は、本発明にしたがってインプリメントされた簡単な頭部位置検知システムを示す。このシステムにおいて、送信機５００がユーザの頭部セット５０１に取り付けられ、この頭部セットをコンピュータシステム５０２のユーザが被るようになっている。受信機ボックス５０３がコンピュータシステム５０２に取り付けられ、ケーブル５０４を介して標準マウスインターフーイスに接続されている。受信機ボックス５０３は第１の受信機５０５、第２の受信機５０６および第３の受信機５０７を有し、それぞれの受信機は送信機５０１が発生したパルスの飛行時間測定を成す。受信機ボックス５０３が生成する、送信機５００から３つの受信機５０５、５０６、５０７のそれぞれへの飛行時間を指示するデータは、頭部セット５０１に取り付けた送信機５００の正確な位置検出のために使用できる。ユーザは小径の同軸ケーブル５０８で受信機ボックス５０３に繋がれ、前述した実施例におけるタイミングを与える。コンピュータシステム５０２は標準モニタ５１０およびキーボード５１１を有するので、これを使用して、本発明にしたがって生成した位置データに基づきインターラクティブなコンピュータプログラミングを実行するようにしてもよい。送信機および受信機の各種の配置を駆使して三角法で測定するようにし、送信機５００に対する６個の軸情報、すなわち並進運動のｘ，ｙ，ｚおよび回転運動の３軸を提供するようにしてもよい。
したがって、無線周波パルスの直接の飛行時間測定に基づいて、非常に高分解能の位置検知システムが提供される。このシステムは簡素で、高精度で、この種の情報を提供するについて従来システムに比べて非常に改善されている。
このシステムは、およそ１０ドル未満のコストの部品を用いて制作された、サブミリメートルの分解能を提供する能力を有する。本発明は、インターラクティブなメディアシステム、ロボット工学、自動車の乗車位置検知、デジタル手術、および高分解能の位置検知が望まれる他の多種多様のアプリケーションに適用することができる。
本発明の好適な実施例の上述した説明は図示および説明の目的に提供されてきた。かかる説明は網羅的であることや、開示した詳細な形式に本発明を限定することを意図していない。言うまでもなく、この分野に精通した専門家には多くの修正や変形が明らかである。意図していることは、本発明の範囲が以下のクレームおよびその均等範囲によって決まるということである。
クレームされることは以下のようである。

Claims (22)

  1. 目標体の位置を検出する装置であって、
    前記目標体に配置され、送信タイミング信号に応答して電磁パルスのシーケンスを送信する受信機と、
    受信タイミング信号に応答して前記電磁パルスのシーケンスを制御されたタイミングでサンプリングし、そのサンプルリングに応じてサンプル信号を発生する受信機と、
    前記送信タイミング信号を前記送信機に供給するとともに前記受信タイミング信号を前記受信機に供給する回路であって、前記シーケンスのパルスの前記送信機による送信と前記受信機によるサンプリングとの間の時間が、所定の遅延範囲にわたって掃引されるように、前記受信タイミング信号が前記受信機に前記電磁パルスのシーケンスをサンプリングさせるタイミング回路と、
    前記サンプル信号が掃引中にしきい値に達したとき、前記タイミング回路の制御下で、前記受信器によって発生された前記サンプル信号に応じてパルス検出信号を発生するパルス検出回路と、
    前記パルス検出回路に結合され、かつ前記パルス検出信号に応じて前記目標体の位置を表示する信号プロセッサと
    を備えた装置。
  2. 前記パルス検出信号は、前記送信機から直接に伝搬してきた送信パルスの受信を表す信号である、請求項１記載の装置。
  3. 前記タイミング回路は、
    パルスレート・クロックと、
    ケーブル遅延時間を有し、かつ前記パルスレート・クロックを前記送信機に接続するケーブルと、
    前記送信機の位置にあって、前記パルスレート・クロックの信号を前記ケーブルから前記送信タイミング信号に変える回路と、
    前記パルスレート・クロックに結合され、かつ前記ケーブル遅延を補償するように時間的に遅延した前記パルスレート・クロックの信号に応じて前記受信機において前記受信タイミング信号を生成する制御遅延回路と
    を有する、請求項１記載の装置。
  4. 前記タイミング回路は、
    クロックパルスを発生する発信器と、
    前記送信タイミング信号としての既知の伝搬遅延量で前記クロックパルスを前記送信機に送信する回路と、
    前記クロックパルスを受信するとともに、前記既知の伝搬遅延量に対応する時間にほぼ始まり、前記送信機から前記受信機までの電磁パルスの飛行時間の最大予想レンジにほぼ終わる範囲にわたる掃引における制御可能な値だけ時間的に遅延した前記受信タイミング信号を発生する制御可能遅延回路と
    を有する、請求項１記載の装置。
  5. 前記信号プロセッサは、前記掃引の初めから前記パルス検出信号の発生までカウントレートでカウントして前記送信機の位置を表すカウンタ出力を発生させるカウンタを備える、請求項４記載の装置。
  6. 前記制御可能遅延回路は、制御入力端を有する電圧制御遅延回路及びその電圧制御遅延回路の前記制御入力端に結合させた電圧ランプ波発生器を含み、前記受信タイミング信号を掃引する回路である、請求項４記載の装置。
  7. 前記電圧ランプ波発生器はデジタル／アナログ変換器を備える、請求項６記載の装置。
  8. 前記電圧ランプ波発生器は、アナログの指数関数ランプ波発生器を備え、前記電圧制御遅延回路は前記制御入力端の電圧の指数関数である遅延量を生成する構成を有する、請求項６記載の装置。
  9. 前記受信機は自動ゲイン制御回路を有する、請求項１記載の装置。
  10. 前記送信タイミング信号によって、前記送信機は、パルス繰返しレートで前記電磁パルスのシーケンスを送信し、そして、前記受信タイミング信号によって、前記所定の遅延範囲にわたって所定の掃引周期で掃引が行なわれて、前記シーケンスのパルスが、前記パルス繰返しレートで、前記所定の遅延範囲における異なる遅延量を用いてサンプリングされ、このようにサンプリングされた信号は、各受信パルスの振幅をこれと等価な時間で表す、請求項１記載の装置。
  11. 前記受信機は、前記サンプル信号の振幅をこれと等価な時間で制御する自動ゲイン制御回路を有する、請求項１０記載の装置。
  12. 前記掃引周期は１６キロヘルツ未満の掃引速度で繰り返される、請求項１０記載の装置。
  13. 前記掃引周期は１００ヘルツ未満の掃引速度で繰り返される、請求項１０記載の装置。
  14. 前記パルス繰返しレートは約１メガヘルツより大きい値である、請求項１２記載の装置。
  15. 前記受信器から離れて設けられ、前記タイミング回路および前記信号プロセッサに結合されて、追加のサンプル信号を発生する少なくとも１つの付加的な受信器を有する、請求項１記載の装置。
  16. 目標体の位置を検出する装置であって、
    前記目標体に配置され、約１メガヘルツよりも大きいパルス繰返しレートの送信タイミング信号に応答してマイクロ波パルスのシーケンスを送信する送信機と、
    アンテナと、前記アンテナに結合され、受信タイミング信号に応じて、前記パルス繰返しレートでかつ制御されたタイミングで前記アンテナで受信された信号をサンプリングするサンプルゲートと、前記サンプルゲートに結合され、前記シーケンスのパルスをサンプリングしてこれと等価な時間サンプル信号を生成する自動ゲイン制御回路を有するアンプとを有する受信機と、
    前記送信タイミング信号を前記送信機に供給するとともに前記受信タイミング信号を前記受信機に供給する回路であって、前記シーケンスのパルスの前記送信機による送信と前記受信機によるサンプリングとの間の時間が、約１０ミリ秒よりも大きく、２０ナノ秒未満の遅延範囲にわたって掃引されるように、前記受信タイミング信号が前記受信機に前記電磁パルスのシーケンスをサンプリングさせるタイミング回路と、
    前記受信機に結合され、かつ前記等価な時間サンプル信号に応じて１０フィート未満のレンジ以内で前記目標体の位置を表示する信号プロセッサと
    を備えた装置。
  17. 前記信号プロセッサは、１メガヘルツよりも大きいレートで前記等価な時間サンプル信号をサンプリングする、請求項１６記載の装置。
  18. 前記受信器から離れて設けられ、前記タイミング回路および前記信号プロセッサに結合されて、追加のサンプル信号を発生する少なくとも１つの付加的な受信器を有する、請求項１６記載の装置。
  19. １０フィート未満のレンジで目標体の位置を検出する方法であって、
    前記目標体に送信機を取り付け、
    タイミング回路から、送信タイミング信号を前記送信機に供給するとともに、受信タイミング信号を受信機に供給し、
    前記送信タイミング信号に応答して、前記送信機から電磁パルスのシーケンスを送信し、
    前記シーケンスのパルスの送信と受信機によるサンプリングとの間の時間が所定の遅延範囲にわたって掃引して、前記送信機から前記受信機への前記電磁パルスの飛行時間を検出し、
    前記飛行時間を処理して前記目標体の位置を示す、
    ステップを備えた方法。
  20. 前記飛行時間は１０ナノ秒未満である、請求項１９記載の方法。
  21. 前記飛行時間を検出するステップは、
    制御されたタイミングで前記パルスのシーケンスをサンプリングして前記受信機における送信パルスのこれと等価な時間で表わす値を生成し、
    前記等価な時間で表わす値を処理して前記飛行時間を示す、
    ステップを有する、請求項１９記載の方法。
  22. 前記受信器に設けられたクロックから生成されるクロック信号を、予測可能な遅延量を持つタイミングケーブルを通して前記送信機に供給することによって、前記送信のステップと前記サンプリングのステップとを同期させ、次いで、前記クロック信号および前記予測可能な遅延量に応じてサンプリングステップの処理タイミングを制御するステップを有する、請求項２１記載の方法。
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