JP4924980B2 - 距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電波を用いて検知対象物までの距離を測定する距離測定装置に関する発明であり、特に近距離を測定する距離測定装置に関する発明である。

従来、電波を用いて距離を測定する方式としては、大きく２つの方式が知られている。１つはパルスレーダ方式で、もう１つは周波数変調方式（ＦＭ−ＣＷ方式）がある。

パルスレーダ方式は、電波をパルス信号で送信し、検知対象物で反射して受信されるまでの時間を測定することにより距離を測定するものである。このとき、電波をパルス信号で送信し、検知対象物で反射して受信されるまでの時間は次式で表される。
ｔ＝２Ｒ／ｃ …（式１）
（ただし、ｔ：電波をパルス信号で送信し、検知対象物で反射して受信されるまでの時間［ｓ］、Ｒ：距離測定装置から検知対象物までの距離［ｍ］、ｃ：光速（３×１０^８［ｍ／ｓ］）とする）

一方、周波数変調方式は、周波数を直線的に変調させて電波を出力し、出力される各周波数の電波を送信波として外部へ送信し、検知対象物にて反射する送信波を受信波としたとき、受信波が受信される時には送信波の周波数が変化しているため、検知対象物までの任意の距離ごとに、送信波と受信波から一定した周波数の差を持つビート信号が得られる。このビート信号をフーリエ変換することで導出したピークの周波数から距離を測定するものである。

しかしながら、通常、上記２つの方式で正確に測定可能な距離は２〜３ｍ以上で、近距離を正確に測定することは困難である。以下に詳細に説明する。

まず、パルスレーダ方式では、検知対象物までの距離が１ｍのとき、（式１）より、電波をパルス信号で送信し、検知対象物で反射して受信されるまでの時間は０．００７μｓと非常に短い。この短い時間から正確な距離を測定するためには、距離測定装置の演算部において高精度な演算処理が必要となるため回路構成が非常に複雑になる。したがって、一般的な電子部品による回路構成では、検知対象物までの近距離を正確に測定することは困難であった。

また、周波数変調方式で、ビート信号をフーリエ変換して正確な距離を測定するためには、周波数を変調させる範囲と、送信波が検知対象物で反射して受信されるまでの時間に以下の関係を満たす必要がある。
Ｂτ＞１ …（式２）
（Ｂ：周波数を変調させる範囲［Ｈｚ］、τ：送信波が検知対象物で反射して受信されるまでの時間［ｓ］）
ここで、送信波が検知対象物で反射して受信されるまでの時間τは検知対象物までの距離及び、光速で表現可能であり、次式で表される。
τ＝２Ｒ／ｃ …（式３）
（ただし、Ｒ：検知対象物までの距離［ｍ］、ｃ：光速（３×１０^８［ｍ／ｓ］）とする）
ここで、（式２）、（式３）より、 検知対象物までの距離Rを正確に導出するためには、光速と周波数を変調させる範囲の関係が、次式を満足する必要がある。
Ｒ＞ｃ／２Ｂ …（式４）
したがって、（式４）より、周波数変調方式で近距離を正確に測定するためには、周波数を変調させる範囲を広くすればよいことがわかる。しかしながら、例えば距離測定装置において電波を生成するために発振器を用いる場合、周波数を変調する範囲を広く、且つ検知対象物を検知するための所望の強度を得るためには、広帯域で発振する回路構成が求められるため、発振器の回路構成が複雑になる。対して、周波数を変調する範囲を狭く限定すると、発振器の簡単な回路構成で検知対象物を検知するための所望の強度を得ることが可能となるが、正確に近距離を測定することは困難である。以上のように、電波を用いて距離を測定する２つの方式では、近距離の測定は困難であった。

上記問題を解決するための従来の技術として、周波数を変調させる範囲が狭く、前記フーリエ変換の条件を満たさない場合でも、近距離を正確に測定可能としているものがある。これは、前記周波数変調方式と同様の方法で送信した送信波と受信波を基に電圧値を出力する。この電圧値は、任意の距離において周波数を直線的に変調させた場合、電圧値をプロットすると、一定の周波数及び振幅を持つ正弦波となる。この正弦波の周波数及び振幅は、任意の距離ごとに異なる。例えば、検知対象物が近距離である場合、送信波と受信波の周波数の差が小さくなるため、周波数は小さくなり、また、振幅は受信波の強度により決定されるため、大きくなる。

上記技術は、任意の距離において得られる正弦波の電圧値をサンプリングしたものから検知対象物までの距離が算出可能な式を見出し、上記フーリエ変換の条件を満たさない場合でも、検知対象物までの近距離を算出可能としたものである（特許文献１参照）。

しかしながら、この式は、任意の距離における正弦波が全く歪みのない理想的な状態であることが前提であるため、例えば、検知対象物の動きにより、送信波が様々な方向へ反射し受信波の強度が変動すると、送信波と受信波を基に出力される電圧値がばらつくため、正弦波に歪みが生じ、正確な距離を算出できない。特に、近距離であるほど、検知対象物の動きによる影響を受けやすく、受信波の強度が大きく変動し、電圧値のばらつきが大きくなるため、正確な距離の算出が困難であった。

また、ドップラーセンサを用いて、一定の周波数で送信する電波が検知対象物で反射して受信されるとき、任意の距離において、送信される電波と受信される電波を基に出力される定在波が一定であることに着目し、任意の距離ごとに得られる定在波を予め基準値として記憶しておき、距離を測定する際に得られた定在波を測定値として、基準値と測定値の全データを比較することで、検知対象物までの距離を測定可能としたものがある（特許文献２参照）。

しかしながら、基準値と測定値の比較において、定在波の全データを比較しなければならないため、検知対象物の動きにより定在波の波形が歪んだ場合には、基準値と測定値を重ね合わせることができず、検知対象物までの近距離を正確に算出することは困難であった。また、距離測定装置の演算部において、メモリの容量が大きくなることや計算時間が長いことから回路構成が複雑になるという問題があった。

特開２００６−３２８９ 特開２００２ー２９６３４５

そこで、本発明はこれらの上記問題を解決するためになされたものであり、前記特許文献の課題であった、電波を用いて、近距離を測定するための複雑な回路構成を有することなく、且つ検知対象物の動きなどに関係なく、正確に検知対象物までの距離を、近距離においても測定可能な距離測定装置を提供することにある。

本発明の一態様によれば、周波数を直線的に変調させて電波を出力する発振部と、発振部から出力される任意の周波数の電波を送信波として外部へ送信する送信部と、検知対象物にて反射する送信波を受信波として受信する受信部と、送信波と受信波を基に電圧値を出力する検波部と、検波部により出力される電圧値から検知対象物までの距離を算出する演算部と、を有する距離測定装置において、演算部は、距離測定装置から任意の距離ごとに、異なる２つ以上の周波数の送信波および受信波より得られる少なくとも２つ以上の電圧値をもとに計算される、周波数と電圧値の傾きを基準値とし、任意の距離ごとの基準値を予め記憶したメモリ部を備え、距離測定装置から検知対象物の距離を測定する際は、基準値を計算する際に用いた周波数と同一の周波数の送信波および受信波より得られる電圧値から計算される、周波数と電圧値の傾きを測定値とし、メモリ部に予め設定された基準値と、測定値とを比較して距離を算出する計算部を備えたことを特徴とする距離測定装置が提供できる。

本発明の一態様によれば、基準値及び測定値は、検波部より出力される複数の電圧値における任意の周波数の送信波および受信波と、その直前または直後に発振された周波数の送信波および受信波より得られる２つの電圧値から計算される周波数と電圧値の傾きであることを特徴とする距離測定装置が提供できる。

本発明の一態様によれば、基準値及び測定値は、検波部より出力される複数の電圧値における最小値と最大値の２つの電圧値から計算される周波数と電圧値の傾きであることを特徴とする距離測定装置が提供できる。

本発明の一態様によれば、測定値が、予め設定された基準値と一致している場合には、一致している基準値で記憶された距離を算出し、基準値と一致しない場合には、測定値で得られた周波数と電圧値の傾きと、最も近似した周波数と電圧値の傾きの基準値で記憶された距離を算出することを特徴とする距離測定装置が提供できる。

本発明によれば、距離測定装置から任意の距離ごとに、異なる２つ以上の周波数の送信波および受信波より得られる少なくとも２つ以上の電圧値をもとに計算される、周波数と電圧値の傾きから、任意の距離ごとに一定の周波数及び振幅を持つ正弦波の傾きを求めることができることに着目したものであり、周波数と電圧値の傾きを基準値と測定値で比較することで距離を算出することができるため、検知対象物の動きなどにより、電圧値が多少ばらついても、正弦波の傾きを確実に得ることができることから、検知対象物の動きに関係なく正確に距離を算出可能であり、特に検知対象物の動きの影響を受ける近距離も正確に算出可能である。また、少数の周波数及び電圧値から傾きを形成するため、メモリ部のメモリの容量を小さくすることができ、計算部での計算時間を短くすることが可能となるため、回路構成を簡単にすることができる。以上のことより、従来では困難であった、簡単な回路構成の距離測定装置で、電波を用いて検知対象物までの近距離を算出することが可能となる。

以下、本発明を図面に基づいて、詳細に説明する。

図１は、本発明における距離測定装置の構成図の一例である。図１において、距離測定装置１は、周波数を直線的に変調させて電波を出力する発振部３と、発振部３から出力される任意の周波数の電波を送信波６として外部へ送信する送信部５と、検知対象物２０にて反射する送信波６を受信波８として受信する受信部７と、送信波６と受信波８を基に電圧値を出力する検波部９と、検波部９により出力される電圧値から検知対象物２０までの距離を算出する演算部１１から構成されている。さらに、演算部１１は、距離測定装置１から任意の距離ごとに、異なる２つ以上の周波数の送信波および受信波より得られる少なくとも２つ以上の電圧値をもとに計算される、周波数と電圧値の傾きを基準値とし、任意の距離ごとの基準値を予め記憶したメモリ部１３を備え、距離測定装置１から検知対象物２０の距離を測定する際は、基準値を計算する際に用いた周波数と同一の周波数の送信波および受信波より得られる電圧値から計算される、周波数と電圧値の傾きを測定値とし、メモリ部１３に予め設定された基準値と、測定値とを比較して距離を算出する計算部１５で構成されている。

図２に、横軸を時間ｔ、縦軸を周波数ｆとしたときの送信波６及び受信波８の波形図を示す。図１の送信部５から送信される送信波６が、検知対象物２０で反射し受信波８として受信される時には、受信波８は送信波６に対して△ｔだけ遅れて受信されるため、送信波６の周波数は変化している。発振部３で周波数を直線的に変調させることから、検知対象物２０までの距離ごとに、送信波６と受信波８から一定した周波数の差△ｆを持つビート信号が得られる。

図３に上記ビート信号を電圧値で出力した波形の理想図を示す。任意の距離において、検波部９から出力される電圧値４１や４５をプロットすると、それぞれ一定の周波数と振幅ｆ１、△Ｐ１やｆ２、△Ｐ２を持つ正弦波４３、４７となる。この正弦波４３の周波数及び振幅は、任意の距離ごとに異なる。例えば、検知対象物２０が近距離であるほど、図２の送信波６と受信波８の周波数の差△ｆが小さくなるため、周波数は小さくなり、また、振幅は受信波８の強度により決定されるため、大きくなる。図３では、周波数ｆ１の正弦波４３が、周波数ｆ２の正弦波４７よりも近距離ということになる。ここで、本明細書における近距離とは、１ｃｍ〜２ｍ程度の範囲を指す。

しかしながら、図４に図３の周波数ｆ１を電圧値で出力した波形の実際図を示すと、距離測定装置１を電子部品などで構成する場合、電子部品の性能や、また、検知対象物の動きにより、電圧値５１がばらつくことにより、正弦波５３は図３のような理想的な正弦波４３とはならず多少の歪みを生じる。よって、基準値と測定値を比較して距離を算出する方法として、任意の距離ごとに得られる正弦波の全データを一致させることで距離を算出しようとすると、正弦波５３のような歪みにより基準値と測定値が必ずしも一致しないため、距離の算出は困難である。特に、近距離であるほど、検知対象物２０の動きによる影響を受けやすく、受信波の強度が大きく変動するため、正弦波の歪みが大きくなり、正確な距離の算出が困難となる。

ここで、図４において、異なる２つの周波数ｆａ、ｆｂの送信波６及び受信波８より得られる２つの電圧値Ｖａ、Ｖｂをもとに周波数と電圧値の傾き５０を計算すると、傾き５０から正弦波５３の傾きを特定できることが分る。任意の距離ごとに、傾き５０も異なることから、傾き５０を基準値として、図１のメモリ部１３に予め記憶しておき、距離の測定時に、周波数ｆａ、ｆｂより得られる２つの電圧値をもとに計算される、周波数と電圧値の傾きを測定値として、基準値と測定値を比較することで、距離を算出することができる。任意の周波数と電圧値の傾きを比較しているため、正弦波５３が多少歪んでも、傾き５０から正弦波５３の傾きが分るため、検知対象物２０の動きなどに関係なく、距離を算出することができる。特に、検知対象物２０の動きによる影響を受けやすく、受信波の強度が大きく変動するため、正弦波の歪みが大きくなる近距離においても、正確な距離を算出することができる。また、傾き５０は、例えば、２つの周波数及び電圧値ｆａ、Ｖａとｆｂ、Ｖｂのみで計算されることで、メモリ部１３のメモリの容量を小さくすることができ、計算部１５での計算時間を短くすることが可能となるため、回路構成を簡単にできる。

図５に、任意の距離ごとに得られる任意の複数の周波数及び電圧値から計算される傾きを基準値として記憶した一例を示す。
図１のメモリ部１３に、基準値として予め任意の距離ごとに得られる任意の周波数と電圧値を基に計算される傾きＡ〜Ｚを記憶しておく。このとき、測定値がＢであるならば、基準値と測定値を比較して、距離が０．２ｍであると算出することができる。

図６に、周波数の離れている２つの電圧値から計算される傾きと、任意の周波数とその直前または直後に発振された周波数より得られる２つの電圧値から計算される傾きを示す。
任意の２つの周波数と電圧値を基に計算される複数の傾きを示す。ここで、基準値及び測定値を、周波数の離れているｆｃとｆｆの２つの電圧値Ｖｃ及びＶｆから計算される傾き８０としてしまうと、電圧値６１のプロットは正弦波６３であるため、基準値及び測定値は必ずしも正弦波６３の傾きとはならない。
よって、基準値及び測定値を確実に正弦波の傾きと同等にするためには、例えば、周波数ｆｃの電圧値Ｖｃと、その直前または直後に発振された周波数ｆｄまたはｆｅの電圧値ＶｄまたはＶｅから周波数と電圧値の傾き６０や７０を計算することで、正弦波６３の傾きを確実に得ることができるため、任意の距離ごとに正確な基準値及び測定値を設定することができ、近距離においても正確に距離を算出することができる。

また、図７に、任意の距離において検波部より出力される電圧値の最小値と最大値の２つの電圧値より計算される傾きを示す。図７の最小値Ｖｈと最大値Ｖｇは、任意の距離における正弦波の振幅の最小値及び最大値となるため、この２つの電圧値Ｖｈ、Ｖｇで計算された傾き９０は正弦波の傾きとなる。したがって、正弦波の傾きを確実に得ることができるため、近距離においても正確に距離を算出することができる。

任意の距離において、検知対象物２０の動きにより基準値と測定値に多少のずれが生じる可能性がある。そこで、測定値が予め記憶されている基準値と一致する場合には、測定値と一致した基準値で記憶された距離を算出し、基準値と一致しない場合には、測定値と最も近似した基準値で記憶される距離を算出することで、正確な距離を算出することができる。図８に基準値と測定値が一致しない場合に正確な近距離を算出する方法の一例を示す。図５のように基準値が記憶されており、測定値がｘであるとする。このとき、まず、測定値ｘと基準値Ａを比較して、測定値ｘが基準値Ａより小さい場合には、測定値は０．１ｍ以下と算出する。測定値ｘが基準値Ａより大きい場合には、続いて基準値Ｂと比較を行う。ここで、測定値ｘが基準値Ｂより小さい場合には、測定値ｘは、基準値Ａより大きく、基準値Ｂより小さいことから、検知対象物２０は、０．１ｍ以上０．２ｍ以下の距離に存在することが分る。ここで、例えば、基準値Ａが１、Ｂが２であるとし、測定値ｘが１．６である場合、基準値Ａと測定値の差の絶対値は０．６、基準値Ｂと測定値の差の絶対値は０．４であることから、基準値Ｂと測定値の差の絶対値が、基準値Ａと測定値の差の絶対値よりも小さいことから、測定値を約０．２ｍと算出することができる。

本発明の実施例における図１の距離測定装置１は送信部５、受信部７、検波部９などが一体の構成であるが、特に限定はなく、それぞれを別体で構成してもよい。

本発明の実施例における傾きは任意の距離ごとの周波数と電圧値で計算していたが、周波数を時間及び周期で表現し、時間及び周期と電圧値により、傾きを計算する方法でもよい。この場合は近距離であるほど、周期が長く、振幅の大きい正弦波となる。また、本発明の実施例における傾きは、２つの任意の周波数及び電圧値から計算していたが、２つの任意の周波数及び電圧値に限定することはなく、メモリの容量や計算時間を考慮しながら、簡単な回路構成で近距離が算出できれば、３つ以上の任意の周波数及び電圧値で傾きを計算しても構わない。

本発明の基準値の距離を設定する際は、距離測定装置１の使用者が、欲しい距離や分解能を考慮して自由に決定すればよい。さらに、基準値と測定値を比較して距離を算出する方法は、本発明の図８の一例に限定せず、基準値と測定値が一致する場合には、基準値に記憶されている距離を、一致しない場合には、測定値と近似した基準値に記憶されている距離を算出できれば、何でも良い。

距離測定装置の構成図の一例 横軸を時間、縦軸を周波数としたときの送信波及び受信波の波形図 ビート信号を電圧値で出力した波形の理想図 図３の周波数ｆ１を電圧値で出力した波形の実際図 任意の距離ごとに得られる任意の複数の周波数及び電圧値から計算される傾き を基準値として記憶した一例 周波数の離れている２つの電圧値から計算される傾きと、任意の周波数とその 直前または直後に発振された周波数より得られる２つの電圧値から計算される 傾き 任意の距離において検波部より出力される電圧値の最小値と最大値の２つの電 圧値より計算される傾き 基準値と測定値が一致しない場合に正確に距離を算出する方法の一例

符号の説明

１…距離測定装置
３…発振部
５…送信部
６…送信波
７…受信部
８…受信波
９…検波部
１１…演算部
１３…メモリ部
１５…計算部
２０…検知対象物
４１、４５、５１、６１、７１…電圧値
４３、４７、５３、６３、７３…正弦波
５０、６０、７０、８０、９０…周波数と電圧値で計算される傾き

Claims (4)

1. 周波数を直線的に変調させて電波を出力する発振部と、前記発振部から出力される任意の周波数の電波を送信波として外部へ送信する送信部と、検知対象物にて反射する送信波を受信波として受信する受信部と、送信波と受信波を基に電圧値を出力する検波部と、前記検波部により出力される電圧値から検知対象物までの距離を算出する演算部と、を有する距離測定装置において、前記演算部は、距離測定装置から任意の距離ごとに、異なる２つ以上の周波数の送信波および受信波より得られる少なくとも２つ以上の電圧値をもとに計算される、周波数と電圧値の傾きを基準値とし、任意の距離ごとの基準値を予め記憶したメモリ部を備え、距離測定装置から検知対象物の距離を測定する際は、基準値を計算する際に用いた周波数と同一の周波数の送信波および受信波より得られる電圧値から計算される、周波数と電圧値の傾きを測定値とし、前記メモリ部に予め設定された基準値と、測定値とを比較して距離を算出する計算部を備えたことを特徴とする距離測定装置。
2. 前記基準値及び測定値は、前記検波部より出力される複数の電圧値における任意の周波数の送信波および受信波と、その直前または直後に発振された周波数の送信波および受信波より得られる２つの電圧値から計算される周波数と電圧値の傾きであることを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
3. 前記基準値及び測定値は、前記検波部より出力される複数の電圧値における最小値と最大値の２つの電圧値から計算される周波数と電圧値の傾きであることを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
4. 前記測定値が、予め設定された基準値と一致している場合には、一致している基準値で記憶された距離を算出し、基準値と一致しない場合には、測定値で得られた周波数と電圧値の傾きと、最も近似した周波数と電圧値の傾きの基準値で記憶された距離を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の距離測定装置。
   
   
   

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