JP4807136B2

JP4807136B2 - 波形観測方法と波形観測装置

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Publication number: JP4807136B2
Application number: JP2006123694A
Authority: JP
Inventors: 光範中村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2026-04-27
Also published as: JP2007292701A

Description

この発明は、進行波を送出して測定対象で反射する反射波を観測する波形観測方法と波形観測装置に関する。

従来から、ミリ波帯からテラヘルツ波帯の高周波の電磁波を用いて、反射波を観測することにより測定対象を判別する物体識別装置が知られている（特許文献１参照）。

かかる物体識別装置は、同期検波のためにテラヘルツ波の伝播経路長と同期検波用の経路長とを同一にする構造が用いられている。
特開２００５−２７０５７０号公報

このような物体識別装置にあっては、同期検波用の経路長を構成する同期検波用遅延器（経路）が必要となるが、車両においては測定対象と車両との間の距離が変化することによりテラヘルツ波伝播経路長と同じ長さの同期検波用遅延器を用意することは難しく、このため車両においては測定対象からの反射波を観測することができないという問題があった。

この発明の目的は、同期検波用遅延器を使用せずに測定対象の反射波を観測することのできる波形観測装置を提供することにある。

請求項１の発明は、テラヘルツ波パルスの進行波を所定の周期で繰り返し送出する送出手段と、その進行波が測定対象で反射する反射波を受波する受波手段と、この受波手段が受波した反射波の振幅値をその反射波を受波する毎に記憶していく反射波形観測手段とを備えた反射波の波形を観察する波形観測方法であって、
前記受波手段と前記測定対象との相対速度を検出し、
前記測定対象の移動により変化する前記測定対象と前記受波手段との間の前記反射波の伝播経路の経路変化量を、前記進行波の繰り返し周波数当たりの移動量として、前記相対速度とその繰り返し周波数とに基づいて算出し、
この算出された経路変化量と光速とに基づいて、前記反射波のサンプリング点間隔を算出し、
このサンプリング点間隔と、このサンプリング点間隔に対応する前記振幅値とから反射波の波形を観測することを特徴とする。

この発明によれば、同期検波用遅延器を使用せずに測定対象の反射波を観測することができる。

以下、この発明に係る波形観測装置の実施の形態である実施例を図面に基づいて説明する。

［第１実施例］
図１は、図示しない車両（移動体）に搭載される波形観測装置１００の構成を示したブロック図である。

この波形観測装置１００は、フェムト秒のパルス光（波長：１０５０nm,パルス幅１００fsec）を所定の一定周期（繰返周波数Ｆtx）で発生するパルス光発生器１０１と、このパルス光発生器１０１からパルス光が発生される毎にテラヘルツ波パルス（進行波）を測定対象Ｍに向けて送出する送信器（送出手段）１０２と、測定対象Ｍで反射するテラヘルツ波パルスの反射波（パルス反射波）を受波する受信器（受波手段）１０３と、相対速度検出用送受信器１０５と、受信器１０３が受波した反射波の波形を観測する反射波形観測手段（測定手段）１０４と、相対速度検出用送受信器１０５から出力される信号に基づいて車両と測定対象Ｍとの相対速度を検出する相対速度検出手段１０６と、この相対速度検出手段１０６が検出する相対速度Ｖとパルス光発生器１０１の繰り返し周波数Ｆtxとに基づいて測定対象Ｍの繰り返し周波数Ｆtx当たりの移動量（経路変化量）を算出する経路変化量算出手段１０７と、この経路変化量算出手段１０７が算出する経路変化量と光速ｃとに基づいてサンプリング点間隔を算出するサンプリング周期算出手段１０８とを備えている。

送信器１０２は、光伝導アンテナであって、低温成長させた半導体基板（例えば２００度〜３００度で成長させたＧａＡｓ基板）上に電極でアンテナ（例えばダイポール）を構成し、半導体基板に入射させるフェムト秒のパルス光の時間変化と印加電圧によってテラヘルツ波パルスを発生する。

受信器１０３は、低温成長させた半導体基板で構成され、パルス発生器１０１のパルス光を同期検波光として用いてテラヘルツ波を検波する。また、受信器１０３は一回の検波で反射波形の一つの振幅値を検出するものである。

反射波形観測手段１０４は、図示しないＣＰＵとメモリと入出力インタフェース回路などから構成され、測定対象Ｍの反射波の時間波形を求めるものである。

相対速度検出用送受信器１０５は、フォトダイオードやメモリなどを有するレーザレーダなどで構成されるが、通常のレーダなどであってもよい。

相対速度検出手段１０６，経路変化量算出手段１０７およびサンプリング周期算出手段１０８は図示しないメモリとＣＰＵと入出力インタフェース回路などから構成されている。
［動作］
次に、上記のように構成される波形観測装置１００の動作を図２に示すフロー図に基づいて説明する。

ステップ３０１では、相対速度検出用送受信器１０５から測定対象Ｍに向けてレーザ光を照射し、測定対象Ｍから反射されるレーザ光を受光して測定対象Ｍと車両との相対速度Ｖを計測する。この相対速度Ｖの計測は従来技術を使用するのでその説明は省略する。

ステップ３０２では、相対速度Ｖと、発生器の繰返し周波数Ｆtxを用い、測定対象Ｍの繰返し周波数当たりの移動量（経路変化量）ｄrptを下記の（１）式により求める。

ｄrpt＝Ｖ／Ｆtx …（１）
そして、経路変化量ｄrptと光速ｃとに基づき、サンプリング点間隔Ｔsmpを下記の（２）式により求める。

Ｔsmp＝ｄrpt／ｃ …（２）
さらに、サンプリング点間隔Ｔsmpから下記の（３）により、サンプリング点数Ｎsplを求める。

Ｎspl＝Ｔmeas／Ｔsmp …（３）
ただし、Ｔmeasは時間波形の取得時間（反射波形のパルス幅の時間）である。

ここで、一例として、繰り返し周波数Ｆtxが７７ＭＨｚ、相対速度Ｖ＝１ｍ／secのとき、（１）式より、ｄrpt＝１２.９nmとなり、（２）式よりＴsmp＝０.０４３fsec (fsec＝femto・sec＝１０^-15sec)となり、（３）式よりＮspl＝2325581 ≒２４０万点(∵Tmeas＝１００psecと設定)となる。

ステップ３０３では、発生器１０１より繰返し周波数Ｆtxでフェムト秒レーザ光を発生させ、このパルス光を送信器１０２へ入射させる。そして、送信器１０２はテラヘルツ波パルスを発生し、測定対象Ｍへ向けて進行波として送出する。

ステップ３０４では、受信器１０３において、同期検波用のフェムト秒パルス光を受信すると同時に、測定対象Ｍで反射して空間中を進行するテラヘルツ波の反射波振幅値Ａrefを検出する。

ステップ３０５では、反射振幅値Arefの絶対値が所定の閾値以下であるか否かが判断され、ノーの場合は反射波を検出できなかったとしてステップ３０３に戻る。閾値以上であればイエスと判断されてステップ３０６へ進む。

ステップ３０６では、反射振幅値Arefの絶対値が閾値以上であった場合には、図示しないメモリにその反射波振幅値Arefを保存する。

ステップ３０７では、ステップ３０３と同様にして送信器１０２からテラヘルツ波パルスを発生させ、測定対象Ｍへ向けて進行波として送出する。

ステップ３０８では、受信器１０３において、同期検波用のフェムト秒パルス光を受信すると同時に、測定対象Ｍで反射して空間中を進行するテラヘルツ波の反射波振幅値Ａrefを検出する。

ステップ３０９では、反射波振幅値Arefの保存回数とステップ２で求めたサンプリング点数Ｎsplとが比較され、反射波振幅値Arefの保存回数がサンプリング点数Ｎsplより小さい場合、イエスと判断されてステップ３１０へ進む。

ステップ３１０では、ステップ３０８で検出した反射波振幅値Ａrefを図示しないメモリに保存し、ステップ３０７へ戻る。

そして、反射波振幅値Arefの保存回数がサンプリング点数Ｎspl以上になるまで、ステップ７ないしステップ３１０の処理動作が繰り返し行われる。

反射波振幅値Arefの保存回数がサンプリング点数Ｎspl以上になると、ステップ３０９でノーと判断されてステップ３１１へ進む。

ステップ３１１では、メモリ番号間の時間間隔を（２）式で求めたサンプリング点間隔Tsmpと定め、その時間間隔と反射波振幅とを関連づけることで、反射波の波形を再現することができる。すなわち、反射波の波形を観察することができることになる。

反射波形の観測により測定対象Ｍの材質の認識（分光分析）や、波形観測装置１００と測定対象Ｍとの間の距離をマイクロメートルオーダで検出することができる。

この第１実施例によれば、相対速度Ｖの計測に基づき、サンプリング点間隔を算出処理し、このサンプリング点間隔（時間間隔）と反射波振幅とを関連づけるので、従来例に示す同期検波用遅延器を使用せずに測定対象の反射波を観測することができ、このため装置の小型化を図ることができる。
［他の例］
ところで、フェムト秒パルス光のパルス幅Ｔpwとサンプリング点間隔Ｔsmpとの関係が、
Ｔpw＞Ｔsmp …（２−１）
である場合、時間経過による経路変化量が小さく、周囲のサンプリング点におけるテラヘルツ波パルスの強度は主信号成分で変わらないため、観測波形取得後に強度の平均処理を行うことでノイズによる変動成分を小さくすることができる。

ここでは、ステップ３１１の処理が終了した後、データ点数Ｎavを、
Ｎav＝Ｔpw／Ｔsmpの整数部 …（２−２）
と定め、データ点数Nav毎に平均化処理を行う。

このように行うことにより、理論上ほぼ等しい値をとる観測波形の観測範囲において平均化処理などの周囲の値との比較演算を行うことで、ノイズによる影響を抑えることができる。
［第２実施例］
この第２実施例では、大気中にテラヘルツ波を伝播させたとき、大気中においては必ず水蒸気によるテラヘルツ波の減衰が存在することから、その減衰の周波数特性を予め調べておき、この減衰周波数特性に基づいて観測した反射波形の誤差の補正を行うものである。

すなわち、計測したテラヘルツ波の周波数特性を調べ、水蒸気による減衰が生じる周波数で減衰が観測されれば計測は正常に行われたと判断し、水蒸気による減衰が生じる周波数で減衰が観測されず、他の周波数において減衰が確認された場合は、その周波数の差分の補正を行うことで、正確な計測値を得ることができる。

これは、主に相対速度の計測において生ずる相対速度の計測誤差に起因する現象であり、この補正を行うために、大気中に存在する水蒸気の急峻な減衰を指標として用いて、サンプリング点間隔を補正する。

なお、水蒸気は、その分子運動等の作用でテラヘルツ波帯の一部において電磁波を吸収する周波数帯域が図５に示すように複数存在しており、このような周波数帯域においては急峻な減衰特性を持つことが知られている。この特性を指標としてもちいることで、前述した補正が可能となる。以下、第２実施例の波形観測装置２００について説明する。

図３は、第２実施例の波形観測装置２００の構成を示したブロック図である。図３において、１０９はサンプリング周期算出手段１０８で観測する反射波の波形を周波数解析（ＦＦＴ変換）する周波数解析手段、１１０は周波数解析手段が解析した周波数解析と既知の値とを比較して反射波の波形を補正する補正手段である。
［動作］
次に、第２実施例の波形観測装置２００の動作を図４に示すフロー図に基づいて説明する。なお、ステップ３０１ないしステップ３１１は第１実施例の処理動作と同じなのでその説明は省略する。

ステップ３１２では、観測した反射波形の周波数解析であるＦＦＴ変換が行われる。

ステップ３１３では、所定帯域（例えば、水蒸気の吸収減衰帯域に基づき３０ＧＨｚ帯）において、所定帯域の低周波及び高周波側に対し、６ｄＢ以上の減衰を急峻減衰として確認（検出）し、この検出したときの周波数を計測減衰周波数帯域ｆmeasとして記憶する。

ステップ３１４では、上述の計測減衰周波数帯域ｆmeasと、図５に示すように、データベースに記憶してある水蒸気による既知の減衰帯域とを比較する。ここでは、第一から第三の水蒸気吸収帯域ｆwv(n)（例えば１.１〜１.２ＴＨｚ帯、１.４ＴＨｚ帯、１.７ＴＨｚ帯の既知の水蒸気吸収特性）のうちの１つを選択し（ここでは第１の水蒸気吸収帯域ｆwv(n)を選択したものとする。）、この選択した水蒸気吸収帯域ｆwv(ｎ)の水蒸気吸収特性と、計測減衰周波数帯域ｆmeasとを比較し、反射波の減衰帯域（計測減衰周波数帯域ｆmeas）と水蒸気特性とが合致しているか否かを判断する。合致している場合（イエスの場合）には、サンプリング点間隔Ｔsmpが適切であった、すなわち正確な計測が行われたとして終了する。ノーの場合にはステップ３１５へ進む。

ステップ３１５では、相対速度Ｖと既知の相対速度誤差ΔＶを用いて、誤差率Ｅrrを
Ｅrr=Ｖ/ΔＶ …（３−１）
と算出し、既知の水蒸気吸収帯域ｆwv（ｎ）と誤差率Ｅrrにより、探索周波数帯域Δｆexpを
Δｆexp＝ｆwv（ｎ）・Ｋ・Ｅrr …（３−２）（∵Ｋ：任意係数、例えば１）
と算出し、ｆwv（ｎ）±０.５Δｆexp内においてステップ３１３で記憶した計測減衰周波数帯域ｆmeas（ｎ）を検出する。

すなわち、ｆwv（ｎ）を中心とし、左右０.５Δｆexpの帯域内に計測減衰周波数帯域ｆmeas（ｎ）が存在するかどうかを確認する。

ここで、ｆwv（ｎ）を中心とし、左右０.５Δｆexpの帯域内に計測減衰周波数帯域ｆmeas（ｎ）が存在しない場合、例えばＫ＜１０の範囲でＫの値を大きくし、より広範囲に渡って計測減衰周波数帯域ｆmeas（ｎ）の存在を確認する。

そして、ｆwv（ｎ）を中心とし、左右０.５Δｆexpの帯域内に計測減衰周波数帯域ｆmeas（ｎ）が存在する場合は、既知の水蒸気吸収帯域ｆwv（ｎ）と計測減衰周波数帯域ｆmeas（ｎ）の差分をシフト量ｆshiftとして算出する。

ステップ３１６では、シフト量が算出できたか否かが判断され、イエスの場合にはステップ３１７へ進み、ノーの場合にはステップ３１８へ進む。

ステップ３１８では、第一の水蒸気吸収帯域ｆwv（ｎ）を第二または第三の水蒸気吸収帯域ｆwv（ｎ）に変更し、ステップ３１４へ戻る。そして、シフト量が算出するまで、ステップ３１４ないしステップ３１６，３１８の処理動作が繰り返し行われる。

ステップ３１７では、算出したシフト量ｆshiftに基づき、サンプリング点間隔Ｔsmpを補正し、計測結果すなわち計測（観測）した反射波形の補正を行う。例えば、
Ｔspl←Ｔspl＋１／ｆshift・Ｎspl
と補正し、反射波形の補正を行う。

この第２実施例では、サンプリング点間隔Ｔsmpを補正して反射波形の補正を行っているが、パルス光発生器１０１の繰返周波数Ｆtxを変えて測定を再度やり直すようにしてもよい。

この第２実施例によれば、第１実施例と同様な効果を得ることができる他に、上記の補正を行うことにより正確な反射波形を観測することができる。
［第３実施例］
図６は、第３実施例の波形観測装置３００の構成を示したブロック図である。図６において、４１０９は測定対象Ｍと受信器１０３との間の距離ｄを求める距離計測手段、４１１０は距離ｄを反射波が進行するのに要する進行時間Ｔtrvを算出する進行時間算出手段、４１１１は進行時間Ｔtrvと相対速度Ｖとに基づいてパルス光発生器１０１の繰返周波数Ｆtxを演算する繰返周波数演算手段である。
［動作］
次に、第３実施例の波形観測装置３００の動作を図７に示すフロー図に基づいて説明する。なお、ステップ３０２ないしステップ３１１までの処理動作は第１実施例と同じ処理動作なので、その説明は省略する。

ステップ５０１では、相対速度検出用送受信器１０５から測定対象Ｍに向けてレーザ光を射出し、測定対象Ｍから反射されるレーザ光を受光して測定対象Ｍと車両との相対速度Ｖと、測定対象Ｍと車両との間の距離ｄ（図６参照）を計測する。

ステップ５０２では、進行時間算出手段４１１０が上記の距離ｄと光速ｃを用いて距離ｄの進行時間Ｔtrvを求める。

Ｔtrv＝ｄ／ｃ …（３−４）
また、ステップ５０２では、繰返周波数演算手段４１１１が進行時間Ｔtrvと相対速度Ｖを用いて繰返周波数Ｆtxを設定する。例えば、繰返周波数Ｆtxの初期値Ｆtx０、進行時間Ｔtrvを用いて、受信器１０５に、発生器１０１からの同期検波光と測定対象Ｍからの反射光を同時に照射するため、繰返周波数Ｆtxはこれらの値を用いて算出することが可能となる。

Ｆtx＝Ｇ（Ｔtrv，Ｆtx０，Ｖ） …（３−５）
ここで、例えば、Ｆtx０＝７７ＭＨｚ, 進行時間Ｔtrv＝５ｍ／ｃ［ｍ／ｓ］＝１６.６７nsec，相対速度Ｖ＝１ｍ／ｓ（＝３.６ｋｍ／ｈ）としたとき、繰返周波数Ｆtxは６０.１２ＭＨｚと算出される。

ここで、例えば図８に示すように、繰返周波数（繰返し周期）Ｆtxが７７ＭＨｚのとき、１.９ｍ毎に測定点（反射波を観測可能な位置）が存在する。しかし、途中の位置で反射波を観測する場合には、繰返周波数Ｆtxを変更することで観測することができる。例えば、測定対象Ｍが２.５ｍ毎の測定点では、繰返周波数Ｆtxを６０ＭＨｚにすれば観測が可能となる。

ステップ５１２では、計測終了したか否かが判断され、イエスであれば終了し、ノーであればステップ５１３へ進む。

ステップ５１３では、相対速度Ｖとステップ３０２で求めた前回のサンプリング周期（サンプリング点間隔Ｔsmp）に基づき繰返周波数Ｆtxを再設定してステップ３０２へ戻る。

そして、計測が終了するまで、ステップ３０２〜３１１，ステップ５１２，５１３の処理動作が繰り返し行われる。

この第３実施例によれば、第１実施例と同様な効果が得られる他に、測定対象Ｍの相対移動速度に基づいて繰返周波数Ｆtxを再設定するものであるから、測定対象Ｍからの反射波を確実に観測することができる。

上記実施例は、いずれも送信器１０２からテラヘルツ波帯を中心周波数としたときのテラヘルツ波パルスを発生させる場合について説明したが、特定の周波数に限定されるものではなく、例えばミリ波帯やマイクロ波帯を中心周波数としたパルスを発生させてもよい。

また、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば、第３実施例に第２実施例の周波数解析手段１０９と補正手段１１０とを組み合わせてもよく、この発明を逸脱しない範囲で種々に設計変更できることは勿論である。

この発明に係る第１実施例の波形観測装置の構成を示したブロック図である。図１に示す波形観測装置の処理動作を示したフロー図である。第２実施例の波形観測装置の構成を示したブロック図である。第２実施例の波形観測装置の処理動作を示したフロー図である。水蒸気の減衰の周波数特性を示したグラフである。第３実施例の波形観測装置の構成を示したブロック図である。第３実施例の波形観測装置の処理動作を示したフロー図である。反射波の観測ができる測定対象の位置と繰返周波数との関係を示した説明図である。

符号の説明

１００波形観測装置
１０２送信器（送出手段）
１０３受信器（受波手段）
１０４反射波形観測手段
１０６相対速度検出手段
１０７経路変化量算出手段
１０８サンプリング周期算出手段

Claims

テラヘルツ波パルスの進行波を所定の周期で繰り返し送出する送出手段と、その進行波が測定対象で反射する反射波を受波する受波手段と、この受波手段が受波した反射波の振幅値をその反射波を受波する毎に記憶していく反射波形観測手段とを備えた反射波の波形を観察する波形観測方法であって、
前記受波手段と前記測定対象との相対速度を検出し、
前記測定対象の移動により変化する前記測定対象と前記受波手段との間の前記反射波の伝播経路の経路変化量を、前記進行波の繰り返し周波数当たりの移動量として、前記相対速度とその繰り返し周波数とに基づいて算出し、
この算出された経路変化量と光速とに基づいて、前記反射波のサンプリング点間隔を算出し、
このサンプリング点間隔と、このサンプリング点間隔に対応する前記振幅値とから反射波の波形を観測することを特徴とする波形観測方法。
テラヘルツ波パルスの進行波を所定の周期で繰り返し送出する送出手段と、その進行波が測定対象で反射する反射波を受波する受波手段と、この受波手段が受波した反射波の振幅値をその反射波を受波する毎に記憶していく反射波形観測手段とを移動体に設けて反射波の波形を観察する波形観測方法であって、
前記移動体と前記測定対象との相対速度を検出し、
前記移動体の移動により変化する前記測定対象と前記受波手段との間の前記反射波の伝播経路の経路変化量を、前記進行波の繰り返し周波数当たりの移動量として、前記相対速度とその繰り返し周波数とに基づいて算出し、
この算出された経路変化量と光速とに基づいて、前記反射波のサンプリング点間隔を算出し、
このサンプリング点間隔と、このサンプリング点間隔に対応する前記振幅値とから反射波の波形を観測することを特徴とする波形観測方法。
テラヘルツ波パルスの進行波を所定の周期で繰り返し送出する送出手段と、その進行波が測定対象で反射する反射波を受波する受波手段と、この受波手段が受波した反射波の振幅値をその反射波を受波する毎に記憶していく反射波形観測手段とを移動体に設けた波形観測装置であって、
前記移動体と前記測定対象との相対速度を検出する相対速度検出手段と、
前記移動体の移動により変化する前記測定対象と前記受波手段との間の前記反射波の伝播経路の経路変化量を、前記進行波の繰り返し周波数当たりの移動量として、前記相対速度とその繰り返し周波数とに基づいて算出する経路変化量算出手段と、
この経路変化量算出手段が算出する経路変化量と光速とに基づいて、前記反射波のサンプリング点間隔を算出するサンプリング周期算出手段とを備え、
このサンプリング周期算出手段が算出したサンプリング点間隔と、このサンプリング点間隔に対応する前記振幅値とから反射波の波形を観測することを特徴とする波形観測装置。
前記振幅値を平均化処理して反射波の波形を観測することを特徴とする請求項３に記載の波形観測装置。
前記測定対象と前記受波手段との間の距離を計測する距離計測手段と、
この距離間を進行するのに要する反射波の進行時間を算出する進行時間算出手段と、
この進行時間算出手段が算出する進行時間と前記相対速度とに基づいて前記進行波の繰返し周期を設定する繰返周期設定手段とを備えることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の波形観測装置。
観測される前記反射波の波形に基づいて周波数解析を行う周波数解析手段と、
前記反射波の伝播経路に存在する物質の周波数特性と前記周波数解析とに基づき前記反射波の波形を補正する補正手段とを備えることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１つに記載の波形観測装置。
前記伝播経路は大気を含み、
前記物質は水蒸気を含み、
前記周波数特性の周波数帯域は、ミリ波帯からテラヘルツ波帯であることを特徴とする請求項６に記載の波形観測装置。