JP5382765B2 - 位置情報検出装置および位置情報検出方法 - Google Patents
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Description
下記特許文献1では、PN符号を用いて、測定対象物の距離解析を行うレーダ装置が提案されている。
しかし、擬似雑音信号の1周期分のサイズを大きくすると、遅延時間を求めるのに長時間を要し、迅速な距離解析ができない、といった問題がある。例えば、距離解析において、送信した擬似雑音信号と受信信号との相関関数を算出するとき、送信した擬似雑音信号の1周期分相当の遅延時間を範囲とする相関関数を算出するため、距離解析が短時間にできない。
この位置情報検出装置は、測定対象物に送信アンテナで電磁波を照射するとき、搬送波を用いて変調することなく、所定の信号を電磁波として出射する電磁波出射部と、
電磁波の照射された測定対象物からの反射波を受信アンテナで受信して反射信号を出力する受信部と、
前記所定の信号として、信号値が符号化された信号であって、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成される一定の信号長さの第1の符号化系列信号を生成する信号生成部と、
前記第1の符号化系列信号がビット方向にビット単位で1ビット以上シフトした信号である第2の符号化系列信号を1ビットずつシフトすることにより、前記反射信号との間で相関関数の値を算出し、この算出結果に基づいて、測定対象物の位置情報を求める信号処理・演算部と、
測定対象物の測定範囲の上限を設定する条件設定部と、を有し、
前記信号処理・演算部は、設定された測定対象物の測定範囲の上限に応じて前記第2の符号化系列信号のシフト量の上限値を定め、前記第2の符号化系列信号のシフト量が、前記上限値を超えるとき、前記相関関数の演算を終了する。
前記信号処理・演算部は、例えば、前記相関関数がピークを形成するとき、このピークにおける前記第2の符号化系列信号のシフト量の情報と、前記第2の符号化系列信号のデータ間の時間間隔とを用いて測定対象物の位置を求める。
なお、前記測定対象物は、例えば、コンクリートや地中等の物質内部にあり、前記位置情報は、前記測定対象物の、物質表面からの深さである。
測定対象物に送信アンテナで電磁波を照射するとき、搬送波を用いて変調することなく、信号値が所定長さで符号化された第1の符号化系列信号を電磁波として、測定対象物に向けて出射させるステップと、
電磁波の照射された測定対象物からの反射波を受信アンテナで受信して反射信号を出力するステップと、
前記第1の符号化系列信号がビット方向にビット単位で1ビット以上シフトした信号である第2の符号化系列信号を1ビットずつシフトすることにより、前記反射信号との間で相関関数の値を算出し、この算出結果に基づいて、測定対象物の位置情報を求めるステップと、
測定対象物の測定範囲の上限を、操作者の入力指示に応じて設定するステップと、を有し、
前記第1の符号化系列信号は、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成され、
前記位置情報を求めるステップでは、設定された測定対象物の測定範囲の上限に応じて前記第2の符号化系列信号のシフト量の上限値を定め、前記第2の符号化系列信号のシフト量が、前記上限値を超えるとき、前記相関関数の演算を終了する。
装置10は、測定対象物Xに照射した電磁波のうち測定対象物Xからの反射波を受信することにより得られる測定対象物Xの反射信号を用いて、測定対象物Xまでの奥行き方向に関する位置情報を求める装置である。
レーダ本体部12は、送信アンテナ部(電磁波出射部)16と、受信アンテナ部(受信部)18と、発振器(信号生成部)20と、アンプ22,24,26,28と、RFスイッチ30,32と、RFミキサ36と、ローパスフィルタ38,40と、AD変換器42と、を有する。アンプ24,26,28と、ミキサ36と、ローパスフィルタ38,40と、AD変換器42は、信号処理部13を形成する。
受信アンテナ部18も、送信アンテナ部16と同様に、複数の受信アンテナ18aにより構成され、各受信アンテナ18aは、測定対象物Xからの反射波を受信するように設けられる。複数の受信アンテナ18aは、測定対象物Xの形状を検出するために並列して設けられている。
発振器20は、アンプ22に供給する符号化系列信号(第1の符合化系列信号)の生成と、アンプ24に供給する符号化系列信号(第2の符合化系列信号)の生成を繰り返し行う。その際、アンプ24に供給する符号化系列信号は、アンプ22に供給する符号化系列信号の生成のタイミングに対して遅延することなく(遅延ゼロの状態で)生成されるが、この符号化系列信号が生成される度に一定時間の増大幅で遅延していく。符号化系列信号の生成は、後述するように、遅延時間あるいは符号化系列信号のデータポイント上の遅延シフト量が、設定された上限値を超えるとき終了する。この後、RFスイッチ30,32により、送信アンテナ部16および受信アンテナ部18の作用する送信アンテナ16aおよび受信アンテナ18aが変更される。この変更後、上述した符合化系列信号の生成が、上述した遅延ゼロの状態から再度繰り返される。なお、符号化系列信号として、信号値が所定長さで符号化され、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成された信号が用いられる。ビット方向とは、信号値の配列方向をいう。このような符号化系列信号として、例えば、PN符号化系列信号が好適に用いられる。PN符号化系列信号は、M系列あるいはGold系列の符号を用いた信号であることが好ましく、特に、M系列が後述する相関特性の点で好ましい。
なお、M系列とは、発振器20が、シフトレジスタ符号発生器を有し、このシフトレジスタ符号発生器は、m段(mは自然数)のシフトレジスタと、シフトレジスタの各段の状態の論理結合をシフトレジスタの入力へフィードバックする論理回路とで構成されるとき、信号長さLが2m−1で表されたものをいう。Gold系列は、2つのM系列を、同期してビットごとに加算したものである。従って2つの符号発生器の位相関係は不変であり、生成される系列の長さはもとになる系列の長さと同じ長さであるが、M系列にはならないものである。
PN符号化系列信号は、一例を挙げると以下のように作成されるPN系列符号のデータを用いて信号化したものである。
次数k=5、符号系列の長さn=31とし、係数h1=1,h2=1,h3=0,h4=1,h5=1とし、初期値a0=1,a1=1,a2=0,a3=1,a4=0としたとき下記式(1)に示す漸化式で一意的にPN系列符号C={ak}(kは自然数)を求めることができる。
この符号化系列信号を生成するために用いられる系列符号C,Tq1・C,Tq2・Cは、互いに直交する特性を有するので、生成される符号化系列信号も互いに直交する性質を有する。
すなわち、系列符号CとC’は自己相関性を持ち、かつ略直交性を有するといえる。
このようなPN系列符号の値を0,1として時系列信号としたのがPN符号化系列信号である。
発振器20は、このようなPN符号化系列信号を生成する。
図2は、PN符合化系列信号の一例を示す図である。
パラレル・シリアル変換器48,50を用いるのは、符号化系列信号を高速化させるためである。また、クロック信号発生器56を用いるのは、パラレル・シリアル変換器48,50のシリアル信号として発生しアンプ22及びアンプ24に送られる2つの符号化系列信号を同期あるいは遅延時間を制御するためである。同期あるいは遅延時間を制御するのは、アンプ24に送られる符号化系列信号を、後述するミキサ36にてミキシング処理を行うことにより、受信アンテナ部18からの反射信号との間で相関関数を作成するためである。
発振器20は、演算装置(コンピュータ)14からのパルス信号、あるいは図示されない制御装置からのパルス信号、に応じて、符号化系列信号を、電磁波の伝送信号として繰り返し生成する。
RFスイッチ30は、測定対象物Xの位置の情報を分布として得るために、発振器20からの信号に応じて送信アンテナ16aの送信位置を変えて電磁波を出射させるために用いる。
RFスイッチ32は、測定対象物Xの位置の情報を分布として得るために、発振器20からの信号、あるいは図示されない制御装置からの信号、に応じて受信アンテナ18aの受信位置を変えて反射波を受信するために用いる。
アンプ26は、RFスイッチ32にて得られた反射信号を増幅する。
ミキサ36に供給される符号化系列信号は、発振器20で繰り返し生成され、しかも、生成されるタイミングが、符号化系列信号のデータ間の時間間隔Δtずつ、すなわち、符号化系列信号の1ビットずつ、ビット方向にシフトしている。このときのシフトによる遅延は、送信アンテナ部16に供給する符号化系列信号の生成のタイミングを基準とした遅延である。
ミキシング処理では、遅延した符号化系列信号をa(t+Δ)とし、反射信号をb(t)としたとき、a(t+Δ)×b(t)の演算を行う。ここでΔは、遅延時間であり、Δ=k・Δt(kは自然数であり、データポイント上の1ビットのシフト量を表す)である。
なお、上記ミキシング処理による相関演算は、ミキサ36を用いずに、コンピュータにて行うこともできる。この場合、アンプ24,26の出力信号を直接コンピュータで取り込み、ミキサ36、ローパスフィルタ38,40、アンプ28は不要となる。
アンプ28は、低周波成分の信号を増幅する。ローパスフィルタ40は、増幅によって低周波成分の信号に含まれるノイズ成分を除去する。
AD変換器42は、低周波成分の信号をデジタル信号とし、コンピュータである演算装置14に供給する。
条件設定部44および位置情報算出部45は、演算装置14であるコンピュータにおいてソフトウェアを実行することで形成されるモジュールにより構成される。
条件設定部44は、測定対象物Xがどこに位置するか、その上限となる(奥行き方向で最も遠い)位置、具体的には、電磁波の出射方向の、レーダ本体部12から測定対象Xまでの奥行き情報の上限値を、図示されないマウスやキーボード等を用いて操作者が指示入力することにより設定する。この設定された奥行き情報の上限値から、上記遅延時間Δの上限値を定める。
具体的には、条件設定部44において測定対象の奥行き情報の上限値が入力されると、奥行き情報の上限値を、電磁波の伝播速度で除算し2倍することにより、遅延時間Δの上限値が設定される。符号化系列信号のデータ間の時間間隔Δtは定められているので、遅延時間Δをデータ間の時間間隔Δtで除算することにより、ビット方向のシフト量、すなわち、データポイント上のシフト量の上限値が定まる。この上限値は、発振器20に送られ、符合化系列信号を生成するときの、遅延時間Δの制御に用いられる。
位置情報算出部45は、発振器20で生成される符号化系列信号の遅延時間Δが増えるたびに、符号化系列信号の1周期に相当する時間の間、AD変換器42を介して供給される信号の値を用いて測定対象物Xの位置情報を求める。
図4に示す相関関数は、増幅された符号化系列信号と、増幅された反射信号とをミキシング処理した結果であるので、相関関数の縦軸は反射信号の電圧の単位となっている。ここで、図中のピークAで、相関関数の値は最大となっている。このピークAの両側では、受信アンテナ18a等の特性によりオーバーシュートが発生し、波形がボトムを形成している。
図4に示す相関関数の結果において、ピークAにおける遅延時間をΔ1とすると、遅延時間Δ1に電磁波の伝播速度を乗算した値の半分を、レーダ装置10から測定対象物Xまでの距離を示す位置情報として求める。
このように、位置情報算出部45は、相関関数のSN比を向上させ、かつ、短い計算時間で、測定対象物Xの位置情報を含んだ相関関数を算出することができる。算出された相関関数は、図示されないディスプレイやプリンタに出力される。
このようなレーダ装置10では、PN符号化系列信号等の符合化系列信号の電磁波を、ベースバンド伝送方式で、測定対象物Xに向けて送信アンテナ部16から出射させる。
次に、電磁波の照射された測定対象物Xからの反射波をアンテナ受信部18にて受信して反射信号を出力する。
信号処理部13あるいは演算装置14では、電磁波の符号化系列信号(第1の符合化系列信号)がビット方向にビット単位で、1ビット以上シフトした信号である符号化系列信号(第2の符合化系列信号)を、1ビットシフトする度に参照信号(LO)としてミキサ36にてミキシング処理を行う。これにより、反射信号(RF)との間でミキシング処理をすることにより、相関関数の値を算出する。この算出した関数に基づいて、測定対象物Xの位置情報を求める。ここで用いる符号化系列信号は、信号値、例えば1ビットの信号値が所定長さで符号化された信号であって、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成されている信号である。
なお、送信アンテナ16aから照射された電磁波の一部は反射することなく、受信アンテナ18aで直接受信されるが、この受信による信号を位置情報における基準として、測定対象物Xの位置情報を補正して求める。
図6(b)は、図6(a)に示す例と同様に、鉄筋の埋設されたコンクリートに対して、1つの送信アンテナ16aと1つの受信アンテナ18aを用いて得られる相関関数から作られた受信結果の濃淡分布である。図6(b)では、測定に用いるアンテナの位置に対する鉄筋の深さ方向位置は、測定に用いるアンテナが移動することにより、変わる。したがって、図6(b)に示すように、上記横方向位置の変化により、鉄筋の反射により形成されるピークBの位置を示す部分は双曲線形状をなす。このように、レーダ装置10は、測定対象物Xの位置を求めることもできる。
12 レーダ本体部
13 信号処理部
14 演算装置
16 送信アンテナ部
18 受信アンテナ部
20 発振器
22,24,26,28 アンプ
30,32 RFスイッチ
36,40 RFミキサ
42 AD変換器
44 条件設定部
45 位置情報算出部
46 FPGA
48,50 パラレル・シリアル変換器
52,54 同期信号分割器
56 クロック信号発生器
Claims (6)
- 測定対象物に電磁波を照射することにより測定対象物からの反射波を受信して信号処理を行い、測定対象物の位置情報を求める位置情報検出装置であって、
測定対象物に送信アンテナで電磁波を照射するとき、搬送波を用いて変調することなく、所定の信号を電磁波として出射する電磁波出射部と、
電磁波の照射された測定対象物からの反射波を受信アンテナで受信して反射信号を出力する受信部と、
前記所定の信号として、信号値が符号化された信号であって、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成される一定の信号長さの第1の符号化系列信号を生成する信号生成部と、
前記第1の符号化系列信号がビット方向にビット単位で1ビット以上シフトした信号である第2の符号化系列信号を1ビットずつシフトすることにより、前記反射信号との間で相関関数の値を算出し、この算出結果に基づいて、測定対象物の位置情報を求める信号処理・演算部と、
測定対象物の測定範囲の上限を設定する条件設定部と、を有し、
前記信号処理・演算部は、設定された測定対象物の測定範囲の上限に応じて前記第2の符号化系列信号のシフト量の上限値を定め、前記第2の符号化系列信号のシフト量が、前記上限値を超えるとき、前記相関関数の演算を終了することを特徴とする位置情報検出装置。 - 前記信号生成部は、前記第1の符号化系列信号を繰り返し生成し、前記電磁波出射部は、繰り返し生成された前記第1の符合化系列信号の電磁波を照射する請求項1に記載の位置情報検出装置。
- 前記信号処理・演算部は、前記相関関数の波形がピークを形成するとき、このピークにおける前記第2の符号化系列信号のシフト量の情報と、前記第2の符号化系列信号のデータ間の時間間隔とを用いて測定対象物の位置を求める請求項1または2のいずれか1項に記載の位置情報検出装置。
- 前記第1の符合化系列信号は、PN符号を用いた信号である請求項1〜3のいずれか1項に記載の位置情報検出装置。
- 前記測定対象物は、物質内部にあり、
前記位置情報は、前記測定対象物の物質表面からの深さである請求項1〜4のいずれか1項に記載の位置情報検出装置。 - 測定対象物に電磁波を照射することにより測定対象物からの反射波を受信して信号処理を行い、測定対象物の位置情報を求める位置情報検出方法であって、
測定対象物に送信アンテナで電磁波を照射するとき、搬送波を用いて変調することなく、信号値が所定長さで符号化された第1の符号化系列信号を電磁波として、測定対象物に向けて出射させるステップと、
電磁波の照射された測定対象物からの反射波を受信アンテナで受信して反射信号を出力するステップと、
前記第1の符号化系列信号がビット方向にビット単位で1ビット以上シフトした信号である第2の符号化系列信号を1ビットずつシフトすることにより、前記反射信号との間で相関関数の値を算出し、この算出結果に基づいて、測定対象物の位置情報を求めるステップと、
測定対象物の測定範囲の上限を、操作者の入力指示に応じて設定するステップと、を有し、
前記第1の符号化系列信号は、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成され、
前記位置情報を求めるステップでは、設定された測定対象物の測定範囲の上限に応じて前記第2の符号化系列信号のシフト量の上限値を定め、前記第2の符号化系列信号のシフト量が、前記上限値を超えるとき、前記相関関数の演算を終了することを特徴とする位置情報検出方法。
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