JP6299536B2 - 距離測定システム、距離測定装置、被測定装置、位置検出システム、距離測定方法、送信方法、及び位置検出方法 - Google Patents

距離測定システム、距離測定装置、被測定装置、位置検出システム、距離測定方法、送信方法、及び位置検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、無線波を用いた距離測定システム、距離測定装置、被測定装置、位置検出システム、距離測定方法、送信方法、及び位置検出方法に関する。
所定の測定対象までの距離を測定するために、レーザ光等の光や電磁波を利用した測距センサが用いられることがある。このような測距センサは、測定対象に光や電磁波を投光し、その反射光を受光することで、反射光を受光するまでの時間から距離を求めるものや、投光した光と反射光との間の位相差に基づいて距離を求めるものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２０６５４４号公報
上記測距センサでは、測定対象に対して投光し、かつその反射光を受光する必要があるため、例えば、測定対象との間に障害物がある場合や、測定対象が移動体である場合には、精度よく測定することができない。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、測定対象までの距離を精度よく測定することができる技術を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態である距離測定システムは、被測定装置と、前記被測定装置までの距離を求める距離測定装置と、を備えた距離測定システムであって、
前記被測定装置は、所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを、相互に位相を同期させて無線送信する送信部を備え、
前記距離測定装置は、前記第１信号及び前記第２信号を受信する受信部と、
受信した前記第１信号と、前記第２信号との位相差を求め、この位相差に基づいて前記距離測定装置から前記被測定装置までの距離を求める演算部と、を備えている。
また、本発明の一実施形態である距離測定装置は、被測定装置までの距離を求める距離測定装置であって、
相互に位相が同期されて無線送信された所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを受信する受信部と、
受信した前記第１信号と、前記第２信号との位相差を求め、この位相差に基づいて自装置から前記被測定装置までの距離を求める演算部と、を備えている。
本発明の一実施形態である被測定装置は、距離測定装置に当該距離測定装置までの距離を求めさせる被測定装置であって、
互いの位相差に基づいて前記距離測定装置から前記被測定装置までの距離を求めるための所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを、相互に位相を同期させて無線送信する送信部を備えている。
また、本発明の一実施形態である位置検出システムは、被検出装置と、前記被検出装置の位置を検出する位置検出装置と、を備えた位置検出システムであって、
前記被検出装置は、所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを、相互に位相を同期させて無線送信する送信部を備え、
前記位置検出装置は、複数の距離測定部と、前記複数の距離測定部それぞれが求めた前記複数の距離測定部から前記被検出装置までの距離に基づいて前記被検出装置の位置を検出する検出部とを備え、
前記複数の距離測定部は、それぞれ、前記第１信号及び前記第２信号を受信する受信部と、
受信した前記第１信号と、前記第２信号との位相差を求め、これら位相差に基づいて各距離測定部から前記被検出装置までの距離を求める演算部と、を備えている。
本発明によれば、測定対象までの距離を精度よく測定することができるとともに、測定対象の位置を精度よく検出することができる。
第１実施形態に係る位置検出システムの全体構成を示す図である。 被検出装置の要部構成を示すブロック図である。 第１パルス信号及び第２パルス信号を生成する際の態様を示す図である。 第１パルス信号の周波数スペクトラムの一部を示す図である。 距離測定部の構成を示すブロック図である。 変形例に係る被検出装置の要部構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る位置検出システムが備える被検出装置の要部構成を示すブロック図である。 パルス信号の周波数スペクトラムの一部を示す図である。 第２実施形態においてパルス信号を生成するのに用いられる２入力ΔΣ変調器を示す図である。
［本願発明の実施形態の説明］
距離測定の測定対象が移動体の場合、当該測定対象に既知の無線信号を送信させれば、上記従来例のように測定対象に投光しかつ反射光を受光せずとも、測定対象からの無線信号を受信し、この無線信号の位相に基づいて精度よく距離を求めることができる可能性がある。
ここで、測定対象に既知の無線信号を送信させる場合、無線信号を送信する測定対象側（送信側）と、受信側との間で、時刻同期していることが必要となる。距離を求めるための基準となる、測定対象から送信されたときの無線信号の位相を特定する必要があるからである。
しかし、送信側と受信側との間で時刻同期を行う場合、送信側及び受信側の双方に時刻に関する情報の授受を行うための機能が必要となり、構成が複雑になる。
また、測定対象側が送信する無線信号の電力は伝搬距離と相関があるため、受信した無線信号の受信電力に基づいて距離に関する情報を得ることができる。この場合、送信側と受信側との間で時刻同期を行うことなく距離に関する情報を得ることができるが、受信電力は距離以外の要因によって影響を受けやすく、位相に基づく距離測定と比較して測定精度が低くなる。
このため、送信側と受信側との間で非同期であっても無線信号を用いて精度よく距離を測定できる方法が望まれる。
本発明者は、上記点に着目し、本発明を完成させた。
まず最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）本発明の一実施形態に係る距離測定システムは、
被測定装置と、前記被測定装置までの距離を求める距離測定装置と、を備えた距離測定システムであって、
前記被測定装置は、所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを、相互に位相を同期させて無線送信する送信部を備え、
前記距離測定装置は、前記第１信号及び前記第２信号を受信する受信部と、
受信した前記第１信号と、前記第２信号との位相差を求め、この位相差に基づいて前記距離測定装置から前記被測定装置までの距離を求める演算部と、を備えている。
上記のように構成された距離測定システムによれば、被測定装置において互いに位相同期した状態で送信された第１信号と第２信号とを受信し、その位相差を求めることで距離測定装置から被測定装置までの距離を求めるので、測定対象である被測定装置との間に障害物がある場合や、被測定装置が移動している場合であっても、精度よく距離を測定することができる。
また、第１信号と第２信号との位相差に基づいて距離を求めるので、被測定装置と距離測定装置との間で時刻同期している必要がなく、簡易な構成で精度よく距離を求めることができる。
（２）上記距離測定システムにおいて、
前記被測定装置の送信部は、前記第１信号と、前記第２信号とをデジタル信号として出力する信号出力部を備えていることが好ましい。
この場合、第１信号と第２信号との間の位相を同期させて送信することが容易となる。
（３）上記距離測定システムにおいて、
前記信号出力部は、前記第１信号及び前記第２信号をΔΣ変調することで得られる変調信号を前記デジタル信号として出力することが好ましい。
（４）さらにこの場合、
前記信号出力部は、前記第１信号及び前記第２信号の両方を含む変調信号を出力するものであることが好ましい。
この場合、第１信号及び第２信号は、一の変調信号に含められて出力されるので、第１信号と第２信号との間の位相を確実に同期させることができる。
（５）また、
前記第１信号の周波数と、前記第２信号の周波数とは、前記第１信号と前記第２信号とが単一のアンテナで送受信可能な値に設定されていることが好ましい。
この場合、単一のアンテナで第１信号及び第２信号を送受信できるので、構成を簡易にすることができる。
さらに、第１信号の周波数と第２信号の周波数とが、比較的狭い帯域内に含まれるので、周波数の相違に起因する両親号の伝送路特性に対する影響を抑制でき、より精度よく距離を求めることができる。
（６）また、本発明の一実施形態に係る距離測定装置は、
被測定装置までの距離を求める距離測定装置であって、
相互に位相が同期されて無線送信された所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを受信する受信部と、
受信した前記第１信号と、前記第２信号との位相差を求め、この位相差に基づいて自装置から前記被測定装置までの距離を求める演算部と、を備えている。
（７）本発明の一実施形態に係る被測定装置は、
距離測定装置に当該距離測定装置までの距離を求めさせる被測定装置であって、
互いの位相差に基づいて前記距離測定装置から前記被測定装置までの距離を求めるための所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを、相互に位相を同期させて無線送信する送信部を備えている。
上記構成の距離測定装置及び被測定装置によれば、距離測定装置から被測定装置までの距離を精度よく求めることができる。
（８）本発明の一実施形態に係る位置検出システムは、
被検出装置と、前記被検出装置の位置を検出する位置検出装置と、を備えた位置検出システムであって、
前記被検出装置は、所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを、相互に位相を同期させて無線送信する送信部を備え、
前記位置検出装置は、複数の距離測定部と、前記複数の距離測定部それぞれが求めた前記複数の距離測定部から前記被検出装置までの距離に基づいて前記被検出装置の位置を検出する検出部とを備え、
前記複数の距離測定部は、それぞれ、前記第１信号及び前記第２信号を受信する受信部と、
受信した前記第１信号と、前記第２信号との位相差を求め、これら位相差に基づいて各距離測定部から前記被検出装置までの距離を求める演算部と、を備えている。
上記構成の位置検出システムによれば、距離測定部から被検出装置までの距離を精度よく求めることができるので、被測定装置の位置を精度よく検出することができる。
［本願発明の実施形態の詳細］
以下、好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。
〔１ 第１実施形態について〕
図１は、第１実施形態に係る位置検出システムの全体構成を示す図である。
位置検出システム１は、被検出装置２と、被検出装置２の位置を検出する位置検出装置３とを備えている。
被検出装置２は、所定周波数である周波数ｆ１の第１信号と、周波数ｆ１と異なる周波数ｆ２の第２信号とを、相互に位相同期させて無線送信する機能を有している。
位置検出装置３は、被検出装置２が送信する第１信号及び第２信号を受信して被検出装置２までの距離を求める距離測定部４と、距離測定部４が求めた被検出装置２までの距離に基づいて被検出装置２の位置を検出する検出部５とを備えている。
位置検出装置３は、距離測定部４を複数（図例では３つ）備えている。各距離測定部４は、それぞれが被検出装置２からの第１信号及び第２信号を受信して被検出装置２までの距離を求める機能を有している。
図２は、被検出装置２の要部構成を示すブロック図である。
図に示すように、被検出装置２は、第１信号と、第２信号とを送信するための送信部６を備えている。
送信部６は、信号出力部７と、信号出力部７が出力する信号が与えられる第１バンドパスフィルタ（第１ＢＰＦ）８と、同じく信号出力部７が出力する信号が与えられる第２バンドパスフィルタ（第２ＢＰＦ）９と、アンテナ１０とを備えている。
信号出力部７は、制御部１１と、メモリ部１２とを備えている。
メモリ部１２は、その記憶領域に各種データを記憶する機能を有している。メモリ部１２は、第１パルス信号パターン１３と、第２パルス信号パターン１４とを記憶している。
第１パルス信号パターン１３は、予め生成された第１パルス信号をパターンとしてメモリ部１２に記憶させたものである。よって、メモリ部１２は、第１パルス信号パターン１３に従って信号を出力すれば、第１パルス信号を出力することができる。
同様に、第２パルス信号パターン１４も、予め生成された第２パルス信号をパターンとしてメモリ部１２に記憶させたものであり、メモリ部１２は、第２パルス信号パターン１４に従って信号を出力すれば、第２パルス信号を出力することができる。
第１パルス信号は、第１信号をΔΣ変調することによって得られたデジタル変調信号であり、主信号成分として第１信号を含んでいる。
また、第２パルス信号は、第２信号をΔΣ変調することによって得られたデジタル変調信号であり、主信号成分として第２信号を含んでいる。
図３は、第１パルス信号及び第２パルス信号を生成する際の態様を示す図である。
図に示すように、第１パルス信号（第２パルス信号）は、バンドパス型ΔΣ変調器（ＤＳＭ：Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｄｅｌｔａ−Ｓｉｇｍａ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）１５に第１信号（第２信号）を与えることによって予め生成される。
ΔΣ変調器１５は、与えられる第１信号（第２信号）に対してΔΣ変調を行い、量子化信号である第１パルス信号（第２パルス信号）を出力する。ΔΣ変調器１５のサンプリング周波数ｆＳは、ΔΣ変調器１５に与えられる第１信号の周波数ｆ１（第２信号の周波数ｆ２）よりも大きく設定される（ｆ１（ｆ２）＜ｆＳ）。
図４は、第１パルス信号の周波数スペクトラムの一部を示す図である。
図に示すように、第１パルス信号は、周波数ｆ１の第１信号を主信号成分として含んでいる。また、第１パルス信号は、周波数ｆ１近傍の帯域以外の他の帯域において、ΔΣ変調によって生じた量子化雑音成分を含んでいる。
なお、第２パルス信号の周波数スペクトラムも、周波数ｆ２の第２信号を主信号成分として含み、周波数ｆ２近傍の帯域以外の他の帯域に、ΔΣ変調によって生じた量子化雑音成分を含んでおり、図４とほぼ同様である。
図２に戻って、メモリ部１２は、上述のように第１信号及び第２信号をΔΣ変調することで生成された第１パルス信号及び第２パルス信号を、第１パルス信号及び第２パルス信号として出力するためのパターンとして記憶している。
メモリ部１２は、制御部１１の制御に応じて、第１パルス信号パターン１３及び第２パルス信号パターン１４に従って信号を出力することで、第１パルス信号及び第２パルス信号を出力する。
このように、被検出装置２の送信部６における信号出力部７は、第１信号を含む第１パルス信号を出力することで、第１信号をデジタル信号として出力する。また、信号出力部７は、第２信号を含む第２パルス信号を出力することで、第２信号をデジタル信号として出力する。
メモリ部１２は、出力した第１パルス信号を第１ＢＰＦ８に与え、第２パルス信号を第２ＢＰＦ９に与える。
第１ＢＰＦ８は、アナログのバンドパスフィルタであり、メモリ部１２から与えられるデジタル信号である第１パルス信号に含まれる信号成分の内、第１信号を含む周波数ｆ１近傍の信号成分をアナログ信号として通過させ、その他の帯域の量子化雑音成分の通過を阻止するよう構成されている。
第１ＢＰＦ８の後段には、アンテナ１０が接続されている。第１ＢＰＦ８は、当該第１ＢＰＦ８を通過するアナログ信号である通過信号をアンテナ１０に与える。
よって、第１ＢＰＦ８は、メモリ部１２から第１パルス信号が与えられると、周波数ｆ１近傍の信号成分を通過信号として通過させ、この通過信号に含まれる第１信号をアンテナ１０に与える。
第２ＢＰＦ９も、第１ＢＰＦ８と同様、アナログのバンドパスフィルタであり、メモリ部１２から与えられるデジタル信号である第２パルス信号に含まれる信号成分の内、第２信号を含む周波数ｆ２近傍の信号成分をアナログ信号として通過させ、その他の帯域の量子化雑音成分の通過を阻止するよう構成されている。
第２ＢＰＦ９の後段には、アンテナ１０が接続されている。第２ＢＰＦ９は、当該第２ＢＰＦ９を通過するアナログ信号である通過信号をアンテナ１０に与える。
よって、第２ＢＰＦ９は、メモリ部１２から第２パルス信号が与えられると、周波数ｆ２近傍の信号成分を通過信号として通過させ、この通過信号に含まれる第２信号をアンテナ１０に与える。
アンテナ１０は、第１ＢＰＦ８及び第２ＢＰＦ９から与えられた第１信号及び第２信号を空間に放射する。
このように、送信部６は、第１信号及び第２信号をアンテナ１０から無線送信することができる。
なお、第１信号の周波数ｆ１と、第２信号の周波数ｆ２とは、第１信号と第２信号とが単一のアンテナで送受信可能な値に設定されている。また、アンテナ１０においても、第１信号の周波数ｆ１と、第２信号の周波数ｆ２とに応じて、第１信号及び第２信号を共に放射することができるように設定されている。
制御部１１は、メモリ部１２を制御し、当該メモリ部１２に第１パルス信号及び第２パルス信号を出力させる機能を有している。
制御部１１は、メモリ部１２が第１パルス信号と第２パルス信号とを同時に出力するように制御する。これにより、メモリ部１２は、第１パルス信号に含まれる第１信号と、第２パルス信号に含まれる第２信号との間の位相の関係を常に同じ状態で出力することができる。
これにより送信部６は、第１信号の位相と、第２信号の位相とが互いに同位相となるように位相同期させて無線送信するように構成されている。
図５は、距離測定部４の構成を示すブロック図である。なお、図例では、一の距離測定部４を示しているが、他の距離測定部４も同様の構成である。
距離測定部４は、アンテナ１６を介して被検出装置２から送信される第１信号及び第２信号を含む受信信号を受信する受信部１７と、受信した第１信号及び第２信号に基づいて被検出装置２までの距離を求める演算部１８とを備えている。
受信部１７は、単一のアンテナであるアンテナ１６によって第１信号及び第２信号含む受信信号を受信すると、受信信号に対して増幅処理やＡ／Ｄ変換処理等を行う。受信部１７は、Ａ／Ｄ変換等の処理がなされた受信信号を演算部１８に与える。
演算部１８は、受信信号に含まれる第１信号の位相を検出するための第１位相検出部１９と、受信信号に含まれる第２信号の位相を検出するための第２位相検出部２０とを備えている。
受信部１７からの受信信号は、第１位相検出部１９及び第２位相検出部２０それぞれに与えられる。
第１位相検出部１９は、受信信号が与えられると、当該受信信号に含まれる第１信号の信号成分から第１信号の位相を検出し出力する機能を有している。
第２位相検出部２０は、受信信号が与えられると、当該受信信号に含まれる第２信号の信号成分から第２信号の位相を検出して出力する機能を有している。
また、演算部１８は、第１位相検出部１９が出力する第１信号の位相、及び第２位相検出部２０が出力する第２信号の位相が与えられ、両位相の位相差を求める加算器２１と、加算器２１が出力する両位相の位相差に基づいて自装置である距離測定部４から被検出装置２までの距離を求める処理部２２とを備えている。
ここで、距離測定部４の演算部１８において行われる、距離測定部４から被検出装置２までの距離を求めるための演算について説明する。
第１信号が被検出装置２から送信されたときの信号Ｔｘ１を下記式（１）のように示すと、第１信号が距離測定部４において受信されたときの信号Ｒｘ１は、下記式（２）のように示すことができる。
Ｔｘ１ ＝ Ａｃｏｓ（ω１ｔ） ・・・（１）
Ｒｘ１ ＝ Ａｅ−αｒｃｏｓ（ω１（ｔ−τ））
＝ Ａｅ−αｒｃｏｓ（ω１ｔ−ω１τ） ・・・（２）
上記式（１）（２）中、ｔは時刻、τは第１信号が送信されてから受信されるまでに要する時間、Ａは振幅、ω１は第１信号の角周波数、ｒは距離測定部４から被検出装置２までの距離、αは距離に応じた信号の減衰特性を示す定数を示している。
また、同様に、第２信号が被検出装置２から送信されたときの信号Ｔｘ２を下記式（３）のように示すと、第２信号が距離測定部４において受信されたときの信号Ｒｘ２は、下記式（４）のように示すことができる。
Ｔｘ２ ＝ Ａｃｏｓ（ω２ｔ） ・・・（３）
Ｒｘ２ ＝ Ａｅ−αｒｃｏｓ（ω２（ｔ−τ））
＝ Ａｅ−αｒｃｏｓ（ω２ｔ−ω２τ） ・・・（４）
上記式（３）（４）中、ω２は第２信号の角周波数を示している。
上記式（２）、及び式（４）において、第１信号と第２信号とは、互いに同位相となるように位相同期した状態で被検出装置２から無線送信されるので、ｔは式（２）と式（４）との関係においては同一と考えることができる。
また、第１信号と第２信号とは、共に被検出装置２から送信されて距離測定部４で受信されるので、τも式（２）と式（４）との関係においては同一と考えることができる。
よって、第１信号が距離測定部４において受信されたときの信号であるＲｘ１の位相と、第２信号が距離測定部４において受信されたときの信号であるＲｘ２の位相との位相差Δθは、上記式（２）及び式（４）より、下記式（５）のように示すことができる。
位相差Δθ ＝ ω２τ−ω１τ
＝ （ω２−ω１）τ ・・・（５）
ω１及びω２は、既知の値である。また、τは、下記式（６）のように表すことができる。
τ ＝ ｒ ／ ｃ ・・・（６）
上記式（６）中、ｒは、上述と同様、距離測定部４から被検出装置２までの距離を示している。ｃは、電磁波の速度を示している。
よって、Ｒｘ１の位相と、Ｒｘ２の位相の位相差Δθが得られれば、距離測定部４から被検出装置２までの距離であるｒを求めることができる。
上述のように、演算部１８において、第１位相検出部１９は、受信した第１信号の位相を検出し、第２位相検出部２０は、受信した第２信号の位相を検出する。
さらに、加算器２１は、両検出部１９、２０から与えられる第１信号の位相及び第２信号の位相から位相差を求める。
つまり、両検出部１９、２０及び加算器２１は、Ｒｘ１の位相と、Ｒｘ２の位相の位相差Δθを求める。
加算器２１は、求めた位相差Δθを処理部２２に与える。処理部２２は、与えられた位相差Δθを用いて、上記式（５）及び式（６）に従って演算を行い、距離測定部４から被検出装置２までの距離ｒを求める。
以上のようにして、距離測定部４は、距離測定部４から被検出装置２までの距離を求めることができる。
つまり、被測定装置としての被検出装置２と、距離測定装置としての距離測定部４とは、距離測定部４から被検出装置２までの距離を求める距離測定システムを構成している。
上記距離測定システムによれば、被検出装置２（被測定装置）において互いに位相同期した状態で送信された第１信号と第２信号とを受信し、その位相差を求めることで距離測定部４（距離測定装置）から被検出装置２までの距離を求めるので、測定対象である被検出装置２との間に障害物がある場合や、被検出装置２が移動している場合であっても、精度よく距離を測定することができる。
また、第１信号と第２信号との位相差に基づいて距離を求めるので、被検出装置２と距離測定部４との間で時刻同期している必要がなく、簡易な構成で精度よく距離を求めることができる。
また、本実施形態では、信号出力部７が、第１信号及び第２信号をデジタル信号である第１パルス信号及び第２パルス信号として出力するので、第１信号と第２信号との間の位相を同期させて送信することが容易となる。
また、本実施形態では、第１信号の周波数ｆ１と、第２信号の周波数ｆ２とが、第１信号と第２信号とが単一のアンテナで送受信可能な値に設定されている。
よって、単一のアンテナであるアンテナ１０、１６によって第１信号及び第２信号を送受信できるので、構成を簡易にすることができる。
さらに、第１信号の周波数ｆ１と第２信号の周波数ｆ２とが、比較的狭い帯域内に含まれるので、周波数の相違に起因する両信号の伝送路特性に対する影響を抑制でき、より精度よく距離を求めることができる。
上記実施形態において、Ｒｘ１の位相と、Ｒｘ２の位相の位相差Δθは、０から２πの範囲で変位する。しかし、距離測定部４から被検出装置２までの距離ｒの値や、第１信号と第２信号の周波数差によっては、Ｒｘ１の位相又はＲｘ２の位相が一周することがある。この場合、位相が一周したとしても、位相差Δθは０から２πの範囲で変位するため、演算部１８は、位相差ΔθのみからではＲｘ１の位相又はＲｘ２の位相が一周したことを認識することができない。このため、測定する距離ｒの上限値を予め設定しておき、前記上限値の範囲で測定したとしてもＲｘ１の位相又はＲｘ２の位相が一周しないように、第１信号と第２信号の周波数差を予め設定しておくことができる。
これによって、前記上限値の範囲で距離ｒを測定する場合、Ｒｘ１の位相又はＲｘ２の位相が一周する範囲で距離ｒを測定することができ、位相差Δθのみで距離ｒを測定することができる。
例えば、測定する距離ｒの上限値を５ｍに設定した場合、上記式（５）、式（６）から、位相差Δθは、電磁波の速度ｃを３×１０８ｍ／ｓとすると、下記式（７）のよう表される。
位相差Δθ ＝ （ω２−ω１）τ
＝ ３６０×（ｆ２−ｆ１）×（５／（３×１０８））
＝ ５×（ｆ２−ｆ１） ・・・（７）
位相差Δθは、０から２πの範囲で変位させたいので、（ｆ２ − ｆ１）の範囲は、下記式（８）のようになる。
０ ≦ ５×（ｆ２ − ｆ１） ≦ ３６０
０ ≦ （ｆ２ − ｆ１） ≦ ６０ （ＭＨｚ） ・・・（８）
上記のように、測定する距離ｒの上限値を５ｍに設定した場合、第１信号の周波数ｆ１と第２信号の周波数ｆ２との周波数差を、６０ＭＨｚ以下に設定すれば、Ｒｘ１の位相又はＲｘ２の位相が一周するまでの範囲内で、距離測定を行うことができる。
このように、測定する距離ｒの上限値を設定すれば、予め設定された測定範囲について適切に測定することができるように、第１信号の周波数ｆ１と第２信号の周波数ｆ２との周波数差を設定することができる。
なお、測定する距離ｒに上限値を設定せずに距離ｒを測定する場合、上述のように、演算部１８は、位相差ΔθのみからではＲｘ１の位相又はＲｘ２の位相が一周したことを認識することができないが、位相差Δθに加えて、受信電力の減衰も考慮すれば、Ｒｘ１の位相又はＲｘ２の位相が一周したか否かを判定することができる。
受信電力の減衰は距離ｒと相関があるからであり、Ｒｘ１の位相又はＲｘ２の位相が一周したか否かを、受信電力の減衰によって判定できるからである。
図１に戻って、距離測定部４は、演算部１８が求めた、距離測定部４から被検出装置２までの距離ｒを示す距離情報を検出部５に与える。
検出部５は、各距離測定部４から与えられる距離情報によって、各距離測定部４それぞれが求めた当該各距離測定部４から被検出装置２までの距離ｒを取得することができる。
各距離測定部４は、互いに異なる位置に設置され、各設置位置から被検出装置２までの距離を測定している。よって、検出部５は、各距離測定部４の設置位置、及び各距離測定部４がそれぞれ求めた距離ｒに基づいて、被検出装置２の位置を検出することができる。
以上のように、本実施形態の位置検出システムによれば、各距離測定部４が求める距離ｒに基づいて被検出装置２の位置を検出することができるので、各距離測定部から被検出装置２までの距離を精度よく求めることができ、被検出装置２の位置を精度よく検出することができる。
なお、本実施形態の位置検出システムでは、距離測定部４を３つ備えている場合を例示したが、距離測定部４を少なくとも２つ備えていれば、検出部５によって被検出装置２の位置を検出することができる。
ただし、より精度よく被検出装置２の位置を検出するためには、距離測定部４を３つ以上備えていることが好ましい。
本実施形態に係る被検出装置２の信号出力部７は、第１パルス信号パターン１３、及び第２パルス信号パターン１４を記憶したメモリ部１２から第１パルス信号、及び第２パルス信号を出力するように構成したが、例えば、図６に示すように、信号出力部７が、複数（図例では２つ）の第１メモリ部１２ａ、及び第２メモリ部１２ｂを備えている場合、第１メモリ部１２ａに第１パルス信号パターン１３を記憶させ、第２メモリ部１２ｂに第２パルス信号パターン１４を記憶させ、第１パルス信号及び第２パルス信号を別々のメモリ部１２ａ、１２ｂから出力するように構成してもよい。
ただし、この場合、制御部１１は、第１メモリ部１２ａから出力される第１パルス信号の位相と、第２メモリ部１２ｂから出力される第２パルス信号の位相とが、互いに同位相となるように位相同期するように制御する。
〔２ 第２実施形態について〕
図７は、第２実施形態に係る位置検出システムが備える被検出装置２の要部構成を示すブロック図である。
本実施形態の被検出装置２は、メモリ部１２に１つのパルス信号パターン２５が記憶され、このパルス信号パターン２５に基づいてメモリ部１２が出力するパルス信号には、第１信号及び第２信号の両方が含まれている点において、上記第１実施形態と相違している。その他の点については、第１実施形態と同様なので説明を省略する。
図７において、本実施形態のメモリ部１２は、１つのパルス信号パターン２５を記憶している。パルス信号パターン２５は、予め生成されたパルス信号をパターンとしてメモリ部１２に記憶させたものである。よって、メモリ部１２は、パルス信号パターン２５に従って信号を出力することで、パルス信号を出力することができる。
パルス信号は、第１信号及び第２信号をΔΣ変調することによって得られたデジタル変調信号であり、主信号成分として第１信号及び第２信号の両方を含んでいる。
図８は、パルス信号の周波数スペクトラムの一部を示す図である。
図に示すように、本実施形態のパルス信号は、周波数ｆ１の第１信号を主信号成分として含んでいる。また、パルス信号は、周波数ｆ２の第２信号も主信号成分として含んでいる。
パルス信号は、周波数ｆ１近傍の帯域及び周波数ｆ２近傍の帯域以外の他の帯域において、ΔΣ変調によって生じた量子化雑音成分を含んでいる。
このようなパルス信号は、変調対象の信号を受け付けるための入力ポートを２つ有している２入力のΔΣ変調器を用いて生成される。
なお、この２入力のΔΣ変調器については、後に説明する。
図７に戻って、メモリ部１２は、第１信号及び第２信号をΔΣ変調することで生成されたパルス信号を、パルス信号として出力するためのパターンとして記憶している。
メモリ部１２は、制御部１１の制御に応じて、パルス信号パターン２５に従って信号を出力することで、パルス信号を出力する。
このように、信号出力部７は、第１信号及び第２信号の両方を含むパルス信号を出力する。
メモリ部１２は、出力したパルス信号を第１ＢＰＦ８及び第２ＢＰＦ９それぞれに与える。
第１ＢＰＦ８は、上述のように、メモリ部１２からパルス信号が与えられると、第１信号を含む周波数ｆ１近傍の信号成分を通過信号として通過させ、他の帯域の信号成分の通過を阻止するよう構成されている。
よって、第１ＢＰＦ８は、第２信号や量子化雑音成分等が含まれる他の帯域の信号成分の通過を阻止し、通過信号に含まれる第１信号の通過を許容して第１信号をアンテナ１０に与える。
第２ＢＰＦ９は、上述のように、メモリ部１２からパルス信号が与えられると、第２信号を含む周波数ｆ２近傍の信号成分を通過信号として通過させ、他の帯域の信号成分の通過を阻止するよう構成されている。
よって、第２ＢＰＦ９は、第１信号や量子化雑音成分等が含まれる他の帯域の信号成分の通過を阻止し、通過信号に含まれる第２信号の通過を許容して第２信号をアンテナ１０に与える。
アンテナ１０は、第１ＢＰＦ８及び第２ＢＰＦ９から与えられた第１信号及び第２信号を空間に放射する。
これにより、被検出装置２の送信部６は、第１信号及び第２信号をアンテナ１０から無線送信する。
上記被検出装置２が送信する第１信号及び第２信号は、距離測定部４（図５）に受信され、距離測定部４から被検出装置２までの距離を求めるのに用いられたり、検出部５（図１）によって被検出装置２の位置を検出するのに用いられる。
距離測定部４は、第１実施形態で説明したように、受信時の第１信号の位相と第２信号の位相との間の位相差によって距離測定部４から被検出装置２までの距離を求める。
よって、第１信号と第２信号とが送信時において互いに同じ位相となるように精度よく位相同期されていなければ、距離測定部４は、距離測定部４から被検出装置２までの距離を精度よく求めることができない。
この点、本実施形態では、信号出力部７が、第１信号及び第２信号をΔΣ変調することで得られる、第１信号及び第２信号の両方を含むパルス信号を出力するので、被検出装置２は、第１信号と第２信号とを無線送信する際に、第１信号と第２信号との間の位相を確実に同期させることができる。これにより、距離測定部４に、距離測定部４から被検出装置２までの距離を精度よく求めさせることができる。
〔３ 第２実施形態における２入力ΔΣ変調器について〕
図９は、第２実施形態においてパルス信号を生成するのに用いられる２入力ΔΣ変調器３０を示している。
図９のΔΣ変調器３０は、第１信号Ｕ１が入力される第１入力ポート３１ａ、第２信号Ｕ２が入力される第２入力ポート３１ｂ、及びパルス信号を出力する単一の出力ポート３１ｃを備えている。ΔΣ変調器３０は、複数の入力ポート３１ａ，３１ｂそれぞれに対応する複数のループフィルタ（第１ループフィルタ３２、第２ループフィルタ３３）と、加算器３４と、量子化器３５と、を備えている。
複数のループフィルタ３２，３３は、それぞれ、対応する入力ポート３１ａ，３１ｂに接続された第１入力部３２ａ，３３ａと、フィードバック経路３６ａ，３６ｂを介して量子化器３５の出力側に接続された第２入力部３２ｂ，３３ｂと、を備えている。
第１入力部３２ａ，３３ａには、対応する入力ポート３１ａ，３１ｂに入力された入力信号Ｕ１，Ｕ２が入力される。第２入力部３２ｂ，３３ｂには、量子化器３５の出力Ｖのフィードバック信号Ｖが入力される。
複数のループフィルタ３２，３３は、それぞれ、差分器３２０ａ，３３０ａを備えている。差分器３２０ａ，３３０ａには、それぞれ、第１入力部３２ａ，３３ａに接続された第１経路３２０ｄ，３３０ｄと、第２入力部３２ｂ，３３ｂに接続された第２経路３２０ｅ，３３０ｅと、が接続されている。差分器３２０ａ，３３０ａは、それぞれ、入力信号Ｕ１，Ｕ２と、量子化器３５からのフィードバック信号Ｖとの差分Ｕ１−Ｖ，Ｕ２−Ｖを求める。
差分器３２０ａ，３３０ａによって求められた差分Ｕ１−Ｖ，Ｕ２−Ｖは、各ループフィルタ３２，３３に設けられた内部フィルタ３２０ｂ，３３０ｂに入力される。なお、第１ループフィルタ３２の内部フィルタ３２０ｂの伝達関数をＬ１（ｚ）と表現し、第２ループフィルタ３３の内部フィルタ３３０ｂの伝達関数をＬ２（ｚ）と表現する。
各内部フィルタ３２０ｂ，３３０ｂの出力Ｌ１（ｚ）（Ｕ１（ｚ）−Ｖ（ｚ）），Ｌ２（ｚ）（Ｕ２（ｚ）−Ｖ（ｚ））は、各ループフィルタ３２，３３に設けられた加算器３２０ｃ，３３０ｃに与えられる。
各加算器３２０ｃ，３３０ｃには、第１入力部３２ａ，３３ａに入力される入力信号Ｕ１，Ｕ２を加算器３２０ｃ，３３０ｃに入力させるためのフィードフォワード経路３２０ｆ，３３０ｆが接続されている。したがって、各加算器３２０ｃ，３３０ｃは、入力信号Ｕ１，Ｕ２と、内部フィルタ３２０ｂ，３３０ｂの出力Ｌ１（ｚ）（Ｕ１（ｚ）−Ｖ（ｚ）），Ｌ２（ｚ）（Ｕ２（ｚ）−Ｖ（ｚ））と、を加算する。
各加算器３２０ｃ，３３０ｃの出力（各ループフィルタ３２，３３の出力）Ｙ１，Ｙ２は、加算器３４によって加算される。
加算器３４の出力Ｙは、量子化器３５に与えられる。本実施形態の量子化器３５は、２レベル量子化器であり、１ｂｉｔのパルス列を量子化信号（ΔΣ変調信号）Ｖとして出力する。この量子化信号ＶがΔΣ変調器３０の出力信号となる。なお、出力信号Ｖは、フィードバック経路３６ａ，３６ｂを介して各ループフィルタ３２，３３に与えられる。
図９のΔΣ変調器３０の出力Ｖは、下記の式（９）のように表される（式（９）においてＮ＝２の場合）。式（９）において、ＳＴＦｉ（ｚ）は第ｉ入力信号Ｕｉ（ｚ）についての第ｉ信号伝達関数であり、ＮＴＦ（ｚ）は、ΔΣ変調器３０全体での雑音伝達関数であり、Ｅ（ｚ）は雑音伝達関数である。

ここで、
第１ループフィルタ３２の内部フィルタ３２０ｂは、第１雑音伝達関数ＮＴＦ１（ｚ）を用いて示される伝達関数Ｌ１（ｚ）を持つ。第１雑音伝達関数ＮＴＦ１（ｚ）は、第１ループフィルタ３２に入力される第１信号の周波数ｆ１近傍の帯域における量子化雑音を抑制する特性（バンドストップ特性）を有するものである。
第２ループフィルタ３３の内部フィルタ３３０ｂは、第２雑音伝達関数ＮＴＦ２（ｚ）を用いて示される伝達関数Ｌ２（ｚ）を持つ。第２雑音伝達関数ＮＴＦ２（ｚ）は、第２ループフィルタ３３に入力される第２信号の周波数ｆ２近傍の帯域における量子化雑音を抑制する特性（バンドストップ特性）を有するものである。
以上のように構成されたΔΣ変調器３０は、第１入力ポート３１ａに入力された第１信号と、第２入力ポート３１ｂに入力された第２信号ろを、同時に一つの単一の出力信号Ｖ（ｚ）であるパルス信号に含めて出力することができる。
つまり、上記ΔΣ変調器３０によって、図８に示す周波数スペクトラムとなるパルス信号を生成することができる。
〔４ その他〕
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
例えば、上記各実施形態では、被検出装置２が、メモリ部１２（第１メモリ部１２ａ、第２メモリ部１２ｂ）に記憶されたパルス信号パターンを出力することで、パルス信号（第１パルス信号、第２パルス信号）を出力する場合を例示したが、被検出装置２が、第１信号及び第２信号のいずれか一方を含むパルス信号、又は第１信号及び第２信号の両方含むパルス信号を生成するためのΔΣ変調器を備えていてもよい。この場合、被検出装置２は、パルス信号を生成しつつ第１信号及び第２信号を送信することができる。
また、本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 位置検出システム
２ 被検出装置（被測定装置）
３ 位置検出装置
４ 距離測定部
５ 検出部
６ 送信部
７ 信号出力部
８ 第１バンドパスフィルタ
９ 第２バンドパスフィルタ
１０ アンテナ
１１ 制御部
１２ メモリ部
１２ａ 第１メモリ部
１２ｂ 第２メモリ部
１３ 第１パルス信号パターン
１４ 第２パルス信号パターン
１５ ΔΣ変調器
１６ アンテナ
１７ 受信部
１８ 演算部
１９ 第１位相検出部
２０ 第２位相検出部
２１ 加算器
２２ 処理部
２５ パルス信号パターン
３０ ΔΣ変調器
３１ａ 入力ポート
３１ｂ 入力ポート
３１ｃ 出力ポート
３２ 第１ループフィルタ
３２ａ 第１入力部
３２ｂ 第２入力部
３３ 第２ループフィルタ
３３ａ 第１入力部
３３ｂ 第２入力部
３４ 加算器
３５ 量子化器
３６ａ，３６ｂ フィードバック経路
３２０ａ，３３０ａ 差分器
３２０ｂ，３３０ｂ 内部フィルタ
３２０ｃ，３３０ｃ 加算器
３２０ｄ，３３０ｄ 第１経路
３２０ｅ，３３０ｅ 第２経路
３２０ｆ，３３０ｆ フィードフォーワード経路

Claims (10)

  1. 被測定装置と、前記被測定装置までの距離を求める距離測定装置と、を備えた距離測定システムであって、
    前記被測定装置は、所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを、相互に位相を同期させて無線送信する送信部を備え、
    前記距離測定装置は、前記第１信号及び前記第２信号を受信する受信部と、
    受信した前記第１信号と、前記第２信号との位相差を求め、この位相差に基づいて前記距離測定装置から前記被測定装置までの距離を求める演算部と、を備え、
    前記被測定装置の送信部は、前記第１信号と、前記第２信号とをデジタル信号として出力する信号出力部を備え、
    前記信号出力部は、前記第１信号及び前記第２信号をΔΣ変調することによって得られたデジタル変調信号を出力するための信号パターンを記憶したメモリ部と、
    前記デジタル変調信号を前記メモリ部から出力させることで、位相同期した前記第１信号及び前記第２信号をデジタル信号として出力させる制御部と、を備えている
    距離測定システム。
  2. 前記信号出力部は、前記第１信号及び前記第２信号の両方を含むデジタル変調信号を出力する請求項１に記載の距離測定システム。
  3. 前記第１信号の周波数と、前記第２信号の周波数とは、前記第１信号と前記第２信号とが単一のアンテナで送受信可能な値に設定されている請求項１又は請求項２に記載の距離測定システム。
  4. 被測定装置までの距離を求める距離測定装置であって、
    前記被測定装置によって無線送信される、相互に位相同期された所定周波数の第１信号、及び前記第１信号と異なる周波数の第２信号であって、前記第１信号及び前記第２信号をΔΣ変調することによって得られたデジタル変調信号を出力するための信号パターンを記憶したメモリ部から出力されることでデジタル信号として出力されて無線送信される前記第１信号及び前記第２信号を受信する受信部と、
    受信した前記第１信号と、前記第２信号との位相差を求め、この位相差に基づいて自装置から前記被測定装置までの距離を求める演算部と、を備えている距離測定装置。
  5. 距離測定装置に当該距離測定装置までの距離を求めさせる被測定装置であって、
    互いの位相差に基づいて前記距離測定装置から前記被測定装置までの距離を求めるための所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを、相互に位相を同期させて無線送信する送信部を備え、
    前記送信部は、前記第１信号と、前記第２信号とをデジタル信号として出力する信号出力部を備え、
    前記信号出力部は、前記第１信号及び前記第２信号をΔΣ変調することによって得られたデジタル変調信号を出力するための信号パターンを記憶したメモリ部と、
    前記デジタル変調信号を前記メモリ部から出力させることで、位相同期した前記第１信号及び前記第２信号をデジタル信号として出力させる制御部と、を備えている
    被測定装置。
  6. 被検出装置と、前記被検出装置の位置を検出する位置検出装置と、を備えた位置検出システムであって、
    前記被検出装置は、所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを、相互に位相を同期させて無線送信する送信部を備え、
    前記位置検出装置は、複数の距離測定部と、前記複数の距離測定部それぞれが求めた前記複数の距離測定部から前記被検出装置までの距離に基づいて前記被検出装置の位置を検出する検出部とを備え、
    前記複数の距離測定部は、それぞれ、前記第１信号及び前記第２信号を受信する受信部と、
    受信した前記第１信号と、前記第２信号との位相差を求め、これら位相差に基づいて各距離測定部から前記被検出装置までの距離を求める演算部と、を備え、
    前記被測定装置の送信部は、前記第１信号と、前記第２信号とをデジタル信号として出力する信号出力部を備え、
    前記信号出力部は、前記第１信号及び前記第２信号をΔΣ変調することによって得られたデジタル変調信号を出力するための信号パターンを記憶したメモリ部と、
    前記デジタル変調信号を前記メモリ部から出力させることで、位相同期した前記第１信号及び前記第２信号をデジタル信号として出力させる制御部と、を備えている
    位置検出システム。
  7. 距離測定装置から被測定装置までの距離を求める距離測定方法であって、
    前記被測定装置が、所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを、相互に位相を同期させて無線送信する送信ステップと、
    前記距離測定装置が、前記第１信号及び前記第２信号を受信する受信ステップと、
    前記距離測定装置が受信した前記第１信号と、前記第２信号との位相差を求め、この位相差に基づいて前記距離測定装置から前記被測定装置までの距離を求める演算ステップと、を含み、
    前記送信ステップは、前記第１信号及び前記第２信号をΔΣ変調することによって得られたデジタル変調信号を出力するための信号パターンを記憶したメモリ部から、前記デジタル変調信号を出力させることで、位相同期した前記第１信号及び前記第２信号をデジタル信号として出力させる制御ステップを含む
    距離測定方法。
  8. 距離測定装置から被測定装置までの距離を求める距離測定方法であって、
    前記被測定装置によって無線送信される、相互に位相同期された所定周波数の第１信号、及び前記第１信号と異なる周波数の第２信号であって、前記第１信号及び前記第２信号をΔΣ変調することによって得られたデジタル変調信号を出力するための信号パターンを記憶したメモリ部から出力されることでデジタル信号として出力されて無線送信される前記第１信号及び前記第２信号を受信する受信ステップと、
    受信した前記第１信号と、前記第２信号との位相差を求め、この位相差に基づいて自装置から前記被測定装置までの距離を求める演算ステップと、を含む
    距離測定方法。
  9. 互いの位相差に基づいて距離測定装置から被測定装置までの距離を求めるための所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを前記被測定装置から前記距離測定装置へ送信する送信方法であって、
    前記第１信号と、前記第２信号とを、相互に位相を同期させて無線送信する送信ステップを含み、
    前記送信ステップは、前記第１信号及び前記第２信号をΔΣ変調することによって得られたデジタル変調信号を出力するための信号パターンを記憶したメモリ部から、前記デジタル変調信号を出力させることで、位相同期した前記第１信号及び前記第２信号をデジタル信号として出力させる制御ステップを含む
    送信方法。
  10. 被検出装置の位置を検出する位置検出方法であって、
    前記被検出装置が、所定周波数の第１信号と、前記第１信号と異なる周波数の第２信号とを、相互に位相を同期させて無線送信する送信ステップと、
    前記被検出部までの距離を測定する複数の距離測定部が前記第１信号及び前記第２信号を受信する受信ステップと、
    前記複数の距離測定部それぞれにより受信された前記第１信号と、前記第２信号との位相差を求め、これら位相差に基づいて各距離測定部から前記被検出装置までの距離を求める演算ステップと、
    前記複数の距離測定部それぞれが測定した前記複数の距離測定部から前記被検出装置までの距離に基づいて前記被検出装置の位置を検出する検出ステップとを含み、
    前記送信ステップは、前記第１信号及び前記第２信号をΔΣ変調することによって得られたデジタル変調信号を出力するための信号パターンを記憶したメモリ部から、前記デジタル変調信号を出力させることで、位相同期した前記第１信号及び前記第２信号をデジタル信号として出力させる制御ステップを含む
    位置検出方法。
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