JP4705532B2 - 連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法 - Google Patents

連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法 Download PDF

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Description

本発明は、連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法に関するもので、より具体的には、マイクロ波の散乱波に所定の連続波を合成したビート信号について位相差を検出することでの連続波の設定およびビート信号に対する演算処理の改良に関する。
対象物体までの距離を測定する方法として、電波を利用して距離測定を行うレーダの技術が知られている。このレーダには各種方式の提案があり、送信波の変調の方法によって大別でき、無変調の連続波を送信する連続波方式(CW:Continuous Wave)、パルス変調によるパルス波を送信するパルス方式、周波数変調による連続波を送信するFMCW方式などがある。
対象物体が比較的に近距離にある場合は、パルス方式は高精度の時間分解能が要求されるため不利がありCW方式やFMCW方式を採用することが多い。CW方式は、例えば特許文献1,2などに見られるように、隣接する2つの周波数を送信する構成の提案があり、2周波による周波数差のビート信号から距離の測定が行える。また、FMCW方式は、対象物体が静止していても距離の測定を行うことができるが、距離の分解能の向上には周波数変調の帯域幅を広くする必要があり、電波法規上の規制から不都合がある。
特開平8−166443号公報 特許第3735721号公報
しかし、2周波によるCW方式は、送信波の波長を越える距離の測定は不可能であり、対象物体までの距離が1波長以内に限られる欠点がある。つまり、2周波f1,f2でのビート信号から求まる距離が1波長λを越えるときには、位相差φは理論上は2π以上のはずが演算では2π以下の値になり理論値を確定できない問題がある。
そこで特許文献1,2などでは、2周波f1,f2でのビート信号から求まる距離が1波長λを越える場合について対策技術の提案があるが、検討したところ最大測定距離の拡大と高精度の測定との両立は十分とは言い難い。
この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、対象物体までの距離が1波長を越えているときでも1波長を越えていないときと同様に高精度で測定が行える連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法を提供することにある。
上記した目的を達成するために、本発明に係る連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法は、それぞれ近接した第1周波数f1,第2周波数f2,第3周波数f3の異なる3つの周波数の連続波のマイクロ波を対象物体へ向けて照射し、前記対象物体からの散乱波と前記第1周波数f1の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第2周波数f2の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第3周波数f3の連続波を合成した信号の3つの信号を得て、その3つの信号に基づいて前記対象物体までの距離を測定する方法であって、
前記対象物体からの散乱波と前記第1周波数f1の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第2周波数f2の連続波を合成した信号との位相差φAを検出し、光の速度cにおいて対象物体までの距離dAは、
dA=cφA/{4π(f1+f2)}
により算出し、前記対象物体からの散乱波と前記第1周波数f1の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第3周波数f3の連続波を合成した信号との位相差φBを検出し、光の速度cにおいて対象物体までの距離dBは、
dB=cφB/{4π(f1+f3)}
により算出し、1波長λAを越える距離RAおよび1波長λBを越える距離RBは、
RA=dA+nA・λA
RB=dB+nB・λB
により算出し、ここで整数nA,nBは正値をとり距離RA,RBの残差eを、
e=RA−RB
とおくとき、残差eが最小になる整数nA,nBを決定し、決定した整数nA,nBにより前記距離RA,RBが同一値となる値を前記対象物体までの距離として求める手順を採る(請求項1)。
したがって本発明では、測定に係る距離が1波長λAを越えないときは、2周波f1,f2でのビート信号について位相差φAを算出し、その位相差φAから距離を高い分解能で確定することができる。
また、“dA=cφA/{4π(f1+f2)}”から明らかに、位置の決定精度は距離dに無関係であることから、対象物体までの距離dAに関係なく最大測定可能距離以内の距離変動は、高精度で求めることができる。
さらに、2周波f1,f2でのビート信号から求まる距離が1波長λAを越えるときには、第3周波数f3を用いており、これによる2周波f1,f3でのビート信号の演算処理から距離RBを求め、他方の2周波f1,f2による距離RAとの残差eが最小となる整数nA,nBを求めるので、その結果、2つの距離RA,RBが同一値となる真値Rを確定できる。
本発明に係る連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法では、対象物体までの距離が1波長を越えているときでも、1波長を越えていないときと同様に高精度で測定が行える。
図1は、本発明の好適な一実施の形態を示している。本形態において、連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法は、異なる3つのマイクロ波を対象物体10へ向けて照射し、当該対象物体10からの散乱波には所定の連続波を合成してビート信号に変換し、そのビート信号について位相差を検出することにより対象物体10までの距離を測定する方法である。測定系には、複数のマイクロ波センサ1,2,3を備え、対象物体10へ向けて3つのマイクロ波f1,f2,f3を照射する。そしてビート信号は2つの組み合わせを合成し、それらビート信号に対して演算処理を行う。
マイクロ波センサ1,2,3は、マイクロ波の送信部および受信部を有し、受信した散乱波にはドップラ効果による周波数偏移(ドップラ偏移)を含むことになり、対象物体10についてドップラ偏移した信号を出力するようになっている。
つまり本発明にあっては、マイクロ波はそれぞれ近接した第1周波数f1,第2周波数f2,第3周波数f3とし、第1周波数f1と第2周波数f2との周波数差Δf1−f2によるビート信号について位相差φAを検出する。この位相差φAの検出は、例えばオシロスコープ等を用いて直接求める。そして、光の速度cにおいて対象物体10までの距離dAは、

dA=cφA/{4π(f1+f2)} …(15)

により算出する。
さらに、距離dAがビート信号の1波長λAを越えるとき、第1周波数f1と第3周波数f3との周波数差Δf1−f3によるビート信号について位相差φBを検出する。この位相差φBの検出処理も、位相差φAの場合と同様にすることができる。すると、光の速度cにおいて対象物体10までの距離dBは、

dB=cφB/{4π(f1+f3)} …(17)

により算出できる。このとき、1波長λAを越えた距離RAおよび1波長λBを越えた距離RBは、

RA=dA+nA・λA …(18)
RB=dB+nB・λB …(19)

により算出する。ここで整数nA,nBは正値をとり距離RA,RBの残差eを、

e=RA−RB …(20)

とおくとき、残差eが最小になる整数nA,nBを決定し、決定した整数nA,nBにより同一値となる距離RA,RBを距離dの真値Rとする手順を採る。
演算処理としては、マイクロ波センサ1,2において送信部から出力する送信波V1(t),V2(t)を、

V1(t)=Acos2πf1t …(1)
V2(t)=Acos2πf2t …(2)

とおくとき、対象物体10へ向かう照射波Vt(t)は、

Vt(t)=Acos2πf1t+Acos2πf2t …(3)

と表すことができ、式(3)において、Aは振幅、f1,f2は周波数、tは時間である。
対象物体10から反射(散乱)した反射波Vr(t)は、

Vr(t)=αAcos2πf1(t−τ)+αAcos2πf2(t−τ)
…(4)

と表すことができ、式(4)において、αは減衰係数である。
対象物体10までの往復時間τは、

τ=2d/c …(5)

と表すことができ、式(5)において、dは対象物体10までの距離、cは光の速度である。
受信部が出力した受信波はミキサ4へ取り込み、当該ミキサ4においてそれぞれ連続波を合成してビート信号を出力する。つまり、ビート信号波Vc1,Vc2は、反射波Vr(t),送信波V1(t),V2(t)の合成となり、

Vc1=αA^2[cos2πf1t・cos2πf1(t−τ)]
+αA^2[cos2πf1t・cos2πf2(t−τ)] …(6)

Vc2=αA^2[cos2πf2t・cos2πf1(t−τ)]
+αA^2[cos2πf2t・cos2πf2(t−τ)] …(7)

と表すことができる。これらの式(6),(7)は、三角関数の積の公式(8)

cosαcosβ=cos(α−β)/2+cos(α+β)/2 …(8)

を使って変形し、以下の式(9),(10)を得る。
Vc1=[αA^2/2][cos{(2πf1−2πf1)t+2πf1τ}
+cos{(2πf1+2πf1)t−2πf1τ}
+cos{(2πf1−2πf2)t+2πf2τ}
+cos{(2πf1+2πf2)t−2πf2τ}]
…(9)

Vc2=[αA^2/2][cos{(2πf2−2πf1)t+2πf1τ}
+cos{(2πf2+2πf1)t−2πf1τ}
+cos{(2πf2−2πf2)t+2πf2τ}
+cos{(2πf2+2πf2)t−2πf2τ}]
…(10)

ここで、2πf1,2πf1+2πf2,2πf2と直流成分をフィルタで取り除き、それぞれ以下の式(11),(12)になる。
Vc1=[αA^2/2][cos{(2πf1−2πf2)t+2πf2τ}]
…(11)

Vc2=[αA^2/2][cos{(2πf2−2πf1)t+2πf1τ}]
…(12)

そして、式(11),式(12)で表されるビート信号波について位相差φAを求めると、

φA=(2πf1+2πf2)τ …(13)

となり、往復時間τは式(5)の関係があるので位相差φAは、

φA=4π(f1+f2)d/2 …(14)

で表すことができる。したがって、対象物体10までの距離dAは、ビート信号(f1・f2,f2・f1)の2周波の位相差φAから、

dA=cφA/{4π(f1+f2)} …(15)

となる。ここで、距離dAの最大測定可能距離λAは、位相差φAが2πである場合に相当し、

λA=2πc/{4π(f1+f2)}
=c/2(f1+f2) …(16)

と表すことができる。
例えば、f1=24.152GHz,f2=24.150GHzである場合は、光速cを3×10^10cm/sとすると、式(16)から最大測定可能距離λAは、

λA=3×10^10/(2×48.302×10^9)
=0.310546147[cm]

となる。したがって、対象物体10までの距離dAは、周波数f1,f2の周波数差Δf1−f2によるビート信号の位相差φAから求まる。ここで周波数差Δf1−f2は、Δf1−f2=f1−f2=24.152GHz−24.150GHz=2MHzであり、このときビート信号の位相差φAと距離dAとの関係は、図2に示すように正比例の関係を示す。同図から明らかなように、位相差φAを1度の精度で検出することでは距離dAは0.001cm、すなわち10μmの精度で決定することができ、位相差φAの測定精度に応じて距離dAの測定が高精度に行える。
また、式(15)から明らかに、位置の決定精度は距離dに無関係であることから、対象物体10までの距離dAが1mでも、あるいは10倍の10mであっても、最大測定可能距離λA以内の距離変動は、10μmという高精度で決定し得ることがわかる。
そして本発明では、距離dAがビート信号の1波長λAを越えるときは、第1周波数f1と第3周波数f3との周波数差によるビート信号の演算処理を行う。これは上記した第1周波数f1,第2周波数f2における演算処理と同様の演算処理を行うものであり、任意の時間間隔ΔT毎に交互に切り替えてデータを取得する。
つまり、対象物体10までの距離dBは、周波数f1,f3の周波数差Δf1−f3によるビート信号の位相差φBから求まり、以下の式(17)で求めることができる。

dB=cφB/{4π(f1+f3)} …(17)

そして、1波長λAを越えた距離RAおよび1波長λBを越えた距離RBは、f1,f2およびf1,f3という周波数の対において同一であるはずであり、式(14),(15),(16),(17)から一般的に以下の式(18),(19)で表すことができる。
RA=dA+nA・λA …(18)
RB=dB+nB・λB …(19)

ここでnA,nBは正の整数であり、λA、λBは波長の長さ、dA、dBは図3に示すように、1波長以内の距離dを示している。図3から分かるように、式(18),(19)に示す距離RA,RBは本来同じ距離dであり、距離RA,RBの残差eを、

e=RA−RB …(20)

とおくとき、距離dの真値Rは距離RA,RBと同一値になるはずである。したがって、残差eが最小になる整数nA,nBを決定することができれば、式(18),(19)から真値Rを求めることができる。
1波長を越えた距離RA,RBと、1波長λを越えない距離dA,dBとは、図4に示すように、正の整数nA,nBにより関連させることができ、残差eが最小になる整数nA,nBは容易に決定できる。すなわち、第1周波数f1と第2周波数f2との周波数差によるビート信号の位相差φAと、第1周波数f1と第3周波数f3との周波数差によるビート信号の位相差φBとを測定し、これら位相差φA,φBから求めた最大測定可能距離λA,λBにより整数nA,nBを決定することができる。
このように本発明にあっては、測定に係る距離dが1波長λAを越えないときは、2周波f1,f2でのビート信号について位相差φAを算出し、その位相差φAから距離dを高い分解能で確定することができる。
さらに、2周波f1,f2でのビート信号から求まる距離dAが1波長λAを越えるときには、第3周波数f3を用いており、これによる2周波f1,f3でのビート信号の演算処理から距離RBを求め、他方の2周波f1,f2による距離RAとの残差eが最小となる整数nA,nBを求めるので、その結果、2つの距離RA,RBが同一値となる真値Rを確定できる。したがって、対象物体10までの距離dが1波長を越えているときでも、1波長を越えていないときと同様に高精度で測定が行える。
本発明にあっては、対象物体10が移動中であってももちろん距離測定を行うことができ、そして対象物体10が静止していても距離測定を行うことができ、このため応用範囲が広がるメリットがある。また本発明では、3つの周波数f1,f2,f3において2周波を選定することでビート信号は2つの組み合わせとし、それぞれ演算処理することから、2周波による連続波方式マイクロ波センサの構成が2台分あるものと等価である。これは演算処理において、2周波によるビート信号それぞれの位相差φA,φBを求めるので、それぞれは独立に扱うこともでき、もしも一方の2周波構成が故障した場合には他方の2周波構成のみを機能させて一般的な2周波による距離測定を実行でき、障害発生時の対応能力が高い。
本発明の効果を実証するため、図5に示すような距離測定のシミュレーションを行った。つまり、測定系は前述した図1に示す構成とし、対象物体10は20cmの距離にあるものとした。
3つのマイクロ波はそれぞれ周波数を、f1=24.152GHz,f2=24.150GHz,f3=24.149GHzとした。演算した結果、位相差φAは144.96°、位相差φBは144.48°となる。そして、最大測定可能距離λA,λBは、

λA=3×10^10/(2×48.302×10^9)
=0.310546147[cm]
λB=3×10^10/(2×48.301×10^9)
=0.310552577[cm]

となる。また、1波長以内の距離dA,dBは、

dA=cφA/(4×180°×48.302×10^9)
=0.125046582[cm]
dB=cφB/(4×180°×48.302×10^9)
=0.124635101[cm]

となり、式(18),(19)により対象物体10までの距離dつまり1波長を越えた距離RA,RBは、

RA=0.125046582+0.310546147×nA[cm]
RB=0.124635101+0.310552577×nB[cm]

となる。また、式(20)に示す残差eの最小条件から整数nA,nBは何れも64と求まり、その結果、距離dの真値Rは20cmと求まる。ここに、シミュレーションの結果は距離dを高精度に決定できることを示しており、実用性が十分に高いことを確認した。
さらに、f1=24.152GHz,f2=24.150GHz,f1−f2=2MHzとした場合、従来の計算による距離の算出方法では、位相差φに基づいて求めることができる最大距離λは、φ=2πとすると、
λ=cφ/{4π(f1−f2)}
=c2π/{4π(f1−f2)}
=c/{2(f1−f2)}
=3×10^10/(2×2×10^6)
=7500[cm]
となり、
位相差φが1°の精度で検出可能な場合の検出距離精度dは、
d=(cπ/180)/{4π(f1−f2)}
=(3×10^10/180)/(4×2×10^6)
=20.833[cm]
となる。
これに対し、f1,f2のビート周波数が同条件で、オシロスコープ等により直接測定した位相差φAから求める最大距離λAは、φA=2πとして、式(16)から
f1+f2=24.152GHz+24.150GHz=48.302GHz
となるので、
λA=cφA/{4π(f1+f2)}
=c2π/{4π(f1+f2)}
=3×10^10/(2×48.302×10^9)
=0.3105[cm]
となり、
位相差φが1°の精度で検出可能な場合の検出距離精度dAは、式(15)から
dA=(cπ/180)/{4π(f1+f2)}
=(c/180)/{(4(f1+f2))
=(3×10^10/180)/(4×48.302×10^9)
=0.00086[cm]
となる。
このように、f1−f2=2MHzの波の位相差から、f1+f2=48GHzの波の位相差に相当する距離分解能を得ることができる。換言すると、48GHz/2MHz=24000倍に位相差の増幅作用が生じていると言える。
本発明に係る連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定系を示す構成図である。 2周波のビート信号について位相差と距離との関係を示すグラフ図である。 3周波による2組のビート信号について波長と位相差との関係を示すグラフ図である。 3周波による2組のビート信号について距離の確定を説明する模式図である。 本発明に係る距離測定のシミュレーションを説明するブロック図である。
符号の説明
1,2,3 マイクロ波センサ
4 ミキサ
10 対象物体

Claims (2)

  1. それぞれ近接した第1周波数f1,第2周波数f2,第3周波数f3の異なる3つの周波数の連続波のマイクロ波を対象物体へ向けて照射し、前記対象物体からの散乱波と前記第1周波数f1の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第2周波数f2の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第3周波数f3の連続波を合成した信号の3つの信号を得て、その3つの信号に基づいて前記対象物体までの距離を測定する方法であって、
    前記対象物体からの散乱波と前記第1周波数f1の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第2周波数f2の連続波を合成した信号との位相差φAを検出し、光の速度cにおいて前記対象物体までの距離dAは、
    dA=cφA/{4π(f1+f2)}
    により算出し、
    前記対象物体からの散乱波と前記第1周波数f1の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第3周波数f3の連続波を合成した信号との位相差φBを検出し、光の速度cにおいて前記対象物体までの距離dBは、
    dB=cφB/{4π(f1+f3)}
    により算出し、1波長λAを越える距離RAおよび1波長λBを越える距離RBは、
    RA=dA+nA・λA
    RB=dB+nB・λB
    により算出し、ここで整数nA,nBは正値をとり前記距離RA,RBの残差eを、
    e=RA−RB
    とおくとき、前記残差eが最小になる整数nA,nBを決定し、決定した整数nA,nBにより前記距離RA,RBが同一値となる値を前記対象物体までの距離として求めることを特徴とする連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法。
  2. 前記位相差φA,φBは、オシロスコープの出力に基づいて求めることを特徴とする請求項1に記載の連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法。
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