JPWO2012056791A1

JPWO2012056791A1 - 距離測定装置

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Publication number: JPWO2012056791A1
Application number: JP2012540719A
Authority: JP
Inventors: 大滝　幸夫; 幸夫大滝; 高井　大輔; 大輔高井; 武種村; 崇佐野
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2031-08-11
Also published as: JP5379312B2; WO2012056791A1; CN103154767B; CN103154767A

Abstract

計算量が少なく、かつ距離の算出精度を十分に高めることができる距離測定方法を用いた距離測定装置を提供することを目的の一とする。本発明の距離測定装置（１１）は、基準発振器（１２）と、送信手段と、受信手段と、振幅位相測定部（２１）と、記憶部（２２）と、演算部（１７）と、を備え、前記演算部（１７）は、前記記憶部（２２）から取り出した複数チャンネルの受信振幅位相測定値を処理して、前記所定周波数範囲に、隣接チャンネルを含む周辺チャンネルよりも受信振幅が大きくなる極大値、または受信振幅が小さくなる極小値が存在するか否か判定し、前記極大値および前記極小値が存在しない場合は、前記所定周波数範囲における各隣接チャンネル間の位相差を平均し、該位相差平均値を用いて前記測定対象までの距離を算出することを特徴とする。

Description

本発明は、測定対象距離を往復した電波の位相を検出して距離測定に用いる距離測定装置に関する。

従来、電波を送信するマスタ通信装置と、マスタ通信装置から受けた電波を返信するスレーブ通信装置とを備えた距離測定システムがある。かかる距離測定システムでは、マスタ通信装置からスレーブ通信装置に対して電波を送信し、スレーブ通信装置が電波を受信するとともに受信電波に同期してマスタ通信装置へ電波を返信する。マスタ通信装置は、スレーブ通信装置から返信された電波を受信し、受信信号の位相情報からスレーブ通信装置までの距離を測定する。

マルチパス環境下では、マスタ通信装置とスレーブ通信装置との間を伝搬する電波として直接波の他にも反射波等の間接波が含まれる。直接波と間接波とが混在すると測定精度が低下するので、受信信号を高速フーリエ変換して直接波と間接波とを時間軸上で分離し、直接波のみの位相情報を取り出して距離測定に用いる測定方式がある（特許文献１）。たとえば、受信信号の受信周波数範囲を峡帯域の複数チャンネルに分け、チャンネルごとに受信信号を高速フーリエ変換して各チャンネルの直接波の位相を検出し、隣接チャンネル間の位相差から測定対象距離を測定する。

特開平１１−２６１４４４号公報

しかしながら、直接波と間接波とが時間的に近接すると、高速フーリエ変換で直接波だけを分離することが困難になるので、間接波の影響を受けて距離測定精度が低下する可能性がある。また、チャンネルごとに高速フーリエ変換するため、計算量が非常に大きくなって処理負荷が増大するという問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、フーリエ変換などを用いる方法と比較して計算量が少なく、かつ距離測定精度を十分に高めることができる距離測定装置を提供することを目的の一とする。

本発明の距離測定装置は、所定周波数範囲で周波数方向に連続する複数チャンネルにそれぞれ対応した周波数の発振信号を出力する基準発振器と、前記発振信号を用いて各チャンネルの送信信号を送信する送信手段と、前記各チャンネルの送信信号を受けた測定対象からチャンネル毎に返信される返信信号、または前記測定対象からのチャンネル毎の反射信号を受信する受信手段と、前記受信手段で受信した各返信信号または各反射信号の受信振幅位相をチャンネル毎に測定する振幅位相測定部と、前記振幅位相測定部でチャンネル毎に測定された受信振幅位相測定値を記憶可能な記憶部と、前記測定対象との間の距離を計算する演算部と、を備え、前記演算部は、前記記憶部から取り出した複数チャンネルの受信振幅位相測定値を処理して、前記所定周波数範囲に、隣接チャンネルを含む周辺チャンネルよりも受信振幅が大きくなる極大値、または受信振幅が小さくなる極小値が存在するか否か判定し、前記極大値および前記極小値が存在しない場合は、前記所定周波数範囲における各隣接チャンネル間の位相差を平均し、該位相差平均値を用いて前記測定対象までの距離を算出することを特徴とする。なお、信号強度は、振幅の二乗で表されるから、振幅を信号強度に読み替えることができる。

この構成では、隣接チャンネル間の位相差を平均化している。このため、フーリエ変換などの複雑な処理を行うことなく、マルチパス波に起因する受信信号の位相歪の影響を低減し、また、ノイズの影響を低減することができる。そしてこれにより、距離の算出に係る計算量を低減し、かつ距離の算出精度を十分に高めることができる。

または、本発明の距離測定装置は、所定周波数範囲で周波数方向に連続する複数チャンネルにそれぞれ対応した周波数の発振信号を出力する基準発振器と、前記発振信号を用いて各チャンネルの送信信号を送信する送信手段と、前記各チャンネルの送信信号を受けた測定対象からチャンネル毎に返信される返信信号、または前記測定対象からのチャンネル毎の反射信号を受信する受信手段と、前記受信手段で受信した各返信信号または各反射信号の受信振幅位相をチャンネル毎に測定する振幅位相測定部と、前記振幅位相測定部でチャンネル毎に測定された受信振幅位相測定値を記憶可能な記憶部と、前記測定対象との間の距離を計算する演算部と、を備え、前記演算部は、前記記憶部から取り出した複数チャンネルの受信振幅位相測定値を処理して、前記所定周波数範囲に、隣接チャンネルを含む周辺チャンネルよりも受信振幅が大きくなる極大値、または受信振幅が小さくなる極小値が存在するか否か判定し、前記極大値が存在し、かつ、前記極小値が存在しない場合、または、前記極小値が存在し、かつ、前記極大値が存在しない場合は、隣接チャンネル間のうちで振幅差が最大または最小となる隣接チャンネル間を特定し、特定した隣接チャンネル間の前記位相差を用いて前記測定対象までの距離を算出することを特徴とするものでも良い。

この構成では、振幅差が極大または極小となる隣接チャンネル間を特定し、その隣接チャンネル間の位相差を用いて距離を算出している。振幅差が極大または極小となる隣接チャネル間ではマルチパス波の影響が小さいため、フーリエ変換などの複雑な処理を行うことなく測定対象とアンテナとの距離を高い精度で算出することができる。よって、この構成により、距離の算出に係る計算量を低減し、かつ距離の算出精度を十分に高めることができる。

または、本発明の距離測定装置は、所定周波数範囲で周波数方向に連続する複数チャンネルにそれぞれ対応した周波数の発振信号を出力する基準発振器と、前記発振信号を用いて各チャンネルの送信信号を送信する送信手段と、前記各チャンネルの送信信号を受けた測定対象からチャンネル毎に返信される返信信号、または前記測定対象からのチャンネル毎の反射信号を受信する受信手段と、前記受信手段で受信した各返信信号または各反射信号の受信振幅位相をチャンネル毎に測定する振幅位相測定部と、前記振幅位相測定部でチャンネル毎に測定された受信振幅位相測定値を記憶可能な記憶部と、前記測定対象との間の距離を計算する演算部と、を備え、前記演算部は、前記記憶部から取り出した複数チャンネルの受信振幅位相測定値を処理して、前記所定周波数範囲に、隣接チャンネルを含む周辺チャンネルよりも受信振幅が大きくなる極大値、または受信振幅が小さくなる極小値が存在するか否か判定し、前記極大値および前記極小値が存在する場合は、前記極大値となる周波数位置から前記極小値となる周波数位置までの各隣接チャンネル間の位相差の平均値を用いて前記測定対象までの距離を算出することを特徴とするものでも良い。

この構成では、振幅の極大値を与えるチャンネルと極小値を与えるチャンネルとの間の位相差の平均値を用いることにより、フーリエ変換などの複雑な処理を行うことなく、マルチパス波の影響をキャンセルしている。このため、距離の算出に係る計算量を低減し、かつ距離の算出精度を十分に高めることができる。

または、本発明の距離測定装置は、所定周波数範囲で周波数方向に連続する複数チャンネルにそれぞれ対応した周波数の発振信号を出力する基準発振器と、前記発振信号を用いて各チャンネルの送信信号を送信する送信手段と、前記各チャンネルの送信信号を受けた測定対象からチャンネル毎に返信される返信信号、または前記測定対象からのチャンネル毎の反射信号を受信する受信手段と、前記受信手段で受信した各返信信号または各反射信号の受信振幅位相をチャンネル毎に測定する振幅位相測定部と、前記振幅位相測定部でチャンネル毎に測定された受信振幅位相測定値を記憶可能な記憶部と、前記測定対象との間の距離を計算する演算部と、を備え、前記演算部は、前記記憶部から取り出した複数チャンネルの受信振幅位相測定値を処理して、前記所定周波数範囲に、隣接チャンネルを含む周辺チャンネルよりも受信振幅が大きくなる極大値、または受信振幅が小さくなる極小値が存在するか否か判定し、前記極大値および前記極小値が存在しない場合は、前記所定周波数範囲における各隣接チャンネル間の位相差を平均し、該位相差平均値を用いて前記測定対象までの距離を算出し、前記極大値が存在し、かつ、前記極小値が存在しない場合、または、前記極小値が存在し、かつ、前記極大値が存在しない場合は、隣接チャンネル間のうちで振幅差が最大または最小となる隣接チャンネル間を特定し、特定した隣接チャンネル間の前記位相差を用いて前記測定対象までの距離を算出し、前記極大値および前記極小値が存在する場合は、前記極大値となる周波数位置から前記極小値となる周波数位置までの各隣接チャンネル間の位相差の平均値を用いて前記測定対象までの距離を算出することを特徴とするものでも良い。

本発明の距離測定装置において、前記演算部は、前記極大値および前記極小値が存在する場合であって前記極大値が二以上存在する場合に、一の極大値となる周波数位置から、他の一の極大値となる周波数位置までの各隣接チャネル間の位相差の平均値を算出し、前記位相差の平均値から前記測定対象までの距離を算出することがある。また、前記演算部は、前記極大値および前記極小値が存在する場合であって前記極小値が二以上存在する場合に、一の極小値となる周波数位置から、他の一の極小値となる周波数位置までの各隣接チャネル間の位相差の平均値を算出し、前記位相差の平均値から前記測定対象までの距離を算出することがある。この構成では、振幅の極大値を与えるチャンネル間、または極小値を与えるチャンネル間の位相差の平均値を用いることにより、フーリエ変換などの複雑な処理を行うことなく、マルチパス波の影響をキャンセルしている。このため、距離の算出に係る計算量を低減し、かつ距離の算出精度を十分に高めることができる。

本発明の距離測定装置によれば、計算量の大きい高速フーリエ変換を用いることなく、直接波と間接波とを分離することができ、演算負荷を軽減でき、かつマルチパス環境下であっても精度の高い距離測定を実現できる。

本発明の一実施の形態に係る距離測定装置の構成を示すブロック図である。図１に示す距離測定装置での距離測定動作のフロー図である。極値を有さないパターンの振幅−周波数特性の例を示す図である。下に凸の極値を１つだけ有するパターンの振幅−周波数特性、振幅差−周波数特性の例を示す図である。上に凸の極値を１つだけ有するパターンの振幅−周波数特性、振幅差−周波数特性の例を示す図である。複数の極値を有するパターンの振幅−周波数特性の例を示す図である。シミュレーションモデルおよび距離測定の方法について示す図である。実施例において、縦軸を測定端末と反射壁との距離、横軸を測定端末間の距離、とした場合の受信信号の振幅の極値の分布を示す図である。実施例において、縦軸を測定端末と反射壁との距離、横軸を測定端末間の距離、とした場合の距離測定精度の分布を示す図である。比較例において、縦軸を反射壁からの距離、横軸を測定端末間の距離、とした場合の距離測定精度の分布を示す図である。

図１は、本発明の一実施の形態に係る距離測定装置の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態に係る距離測定装置１１は、チャンネル数に対応した複数の発振周波数で発振可能な基準発振器１２と、基準発振器１２から出力される発振信号を用いて各チャンネルに対応した距離測定用の送信信号を生成する送信部１３と、送信部１３から出力される送信信号を電波にて放射する送信用アンテナ１４とを有する送信系を備える。送信部１３は、ミキサ、バンドパスフィルタ、パワーアンプなどを含んで構成され、発振周波数を用いて送信信号をＲＦ信号にアップコンバートする。例えば、２４０５ＭＨｚから２４８０ＭＨｚの周波数範囲において、２．５ＭＨｚ間隔のチャンネルのそれぞれで送信信号を生成して送信できるように構成されている。

また、距離測定装置１１は、受信用アンテナ１５と、受信用アンテナ１５で受けた電波を受信信号に変換して出力する受信部１６と、受信部１６から出力される受信信号から距離測定を行う演算部１７とを有する受信系を備える。受信部１６は、ローノイズアンプ、ミキサ、バンドパスフィルタなどを含んで構成され、上記送信系で各送信信号を送信したチャンネル毎に受信できるように構成されている。演算部１７は、受信信号の振幅および位相を測定する振幅位相測定部２１と、振幅位相測定部２１で測定された測定結果であるチャンネル毎の受信信号の振幅および位相を記憶する記憶部２２と、記憶部２２に記憶した各チャンネルの受信信号の振幅データをもとに振幅特性を判定する振幅特性判定部２３と、振幅特性判定部２３によって判定された振幅特性に応じて距離計算に必要なチャンネル間の位相差を求める位相差計算部２４と、チャンネル間の位相差の所定周波数範囲での平均値を計算する平均値計算部２５と、振幅特性判定部２３、位相差計算部２４、平均値計算部２５からの情報をもとに距離計算を行う距離計算部２６と、を含んで構成される。なお、演算部１７の構成や機能は、ハードウェアで実現しても良いし、ソフトウェアで実現しても良い。また、記憶部２２は、演算部１７外に設けられていても良い。

なお、ここでは、送信系と受信系が分離された態様の距離測定装置１１を示しているが、例えば、基準発振器１２を共用し、また送信アンテナ１４と受信用アンテナ１５とを一体化してもよい。

振幅特性判定部２３は、受信周波数範囲の受信信号の振幅データをもとに振幅特性をパターン分けする。具体的には、受信信号の振幅特性パターンが極値を有さないパターン（単調増加または減少）、下に凸の極値（極小値）を１つだけ有するパターン、上に凸の極値（極大値）を１つだけ有するパターン、複数の極値を有するパターンのいずれのパターンであるかを判定する。そして、判定パターンに基づいて、その後の距離測定のための処理内容を切り替える。位相差計算部２４は、送信部１３から各チャンネルの送信信号を送信した送信時間を時間基準にして振幅位相測定部２１において測定された各チャンネルの位相から、隣接チャンネル間の位相差を特定する。送信部１３から送信される各チャンネルの送信時間は、基準発振器１２の発振動作または発振信号に同期してもよい。なお、本発明では隣接チャンネル間の位相差測定方法は上記方法に限定されない。

次に、以上のように構成された距離測定装置１１による距離測定動作について説明する。本実施の形態では、送信信号を受けた中継器（トランスポンダ）が、距離測定装置１１に対して位相を同期させた信号を送信し、これを受けた距離測定装置１１が受信信号から距離を測定するいわゆる二次レーダ方式の場合について説明するが、測定対象に対して発した信号を単純に反射し、その反射波を受信して距離を計測するいわゆる一次レーダ方式にも同様に適用可能である。

まず、距離測定装置１１は、各チャンネルの送信信号を所定間隔で順番に送信する。例えば、基準発振器１２が各チャンネルに対応した発振周波数の発振信号を生成して順番に送信部１３へ供給し、送信部１３が各チャンネルに対応した発振周波数の発振信号を用いて周波数変換された送信信号を生成する。複数チャンネルで構成される周波数範囲やチャンネル数（隣接チャンネル間隔）については、用途などに応じて適宜設定することが望ましい。ここでは、２４０５ＭＨｚ〜２４８０ＭＨｚの周波数範囲において２．５ＭＨｚ間隔の３２チャンネルの送信信号を発生させることとする。この場合、約６０ｍまでの距離を測定することが可能である。

測定対象である中継器（トランスポンダ）は、距離測定装置１１から送信された距離測定用の送信信号を受信し、受信した送信信号に位相を同期させた送信信号を生成して送信する。中継器（トランスポンダ）は、チャンネル毎に受信される送信信号に対応して、受信チャンネルと同一チャンネルの送信信号を順次返信する。したがって、距離測定装置１１からは各チャンネルの送信信号が順番に送信され、中継器（トランスポンダ）からは各チャンネルの送信信号が順番に返信される。

以下に、距離測定装置１１が中継器（トランスポンダ）から返信された各チャンネルの返信信号を受信してから距離測定完了までの処理内容について詳しく説明する。

図２は本実施の形態に係る距離測定装置１１における距離測定のフロー図である。距離測定装置１１は、中継器（トランスポンダ）からチャンネル毎に順番に送信（応答送信）された送信信号を受信すると、演算部１７の振幅位相測定部２１が各チャンネルの受信信号の振幅および位相を測定する（ステップ１０１）。振幅位相測定部２１で測定された測定結果（チャンネル毎の受信信号の振幅および位相）は、記憶部２２に記憶される。

その後、振幅特性判定部２３が、記憶部２２に記憶された各チャンネルの受信信号の振幅データをもとに振幅−周波数特性を求め、求められた振幅−周波数特性における極大値（ＰＥＡＫ）または極小値（ＮＵＬＬ）の数をカウントする（ステップ１０２）。ここで、受信信号の振幅データは、例えば３２チャンネルの離散データであるから、受信信号の振幅データから得られる振幅−周波数特性は、周波数軸上では離散的なものである。つまり、受信信号の振幅データから求めることができる極大値、極小値は、厳密な意味での極大値、極小値ではない。一方で、上述のように十分なチャンネル数の信号を用いることによって、極大値または極小値に近似する値が得られるため、ここではこのような近似的な値を含めて「極大値」、「極小値」と称する。

なお、上述の極大値、極小値は、対象チャンネルにおける振幅の大きさと、他チャンネルにおける振幅の大きさとの比較によって求められる。極大値とは、各チャンネルの振幅値を周波数軸方向に配列した振幅−周波数特性曲線において、周波数方向に連続的に増加してある位置から連続的に減少している場合の最大値をいう。全周波数範囲（全てのチャンネル）において極大値は１つとは限らない。極小値とは、振幅−周波数特性曲線において、周波数方向に連続的に減少してある位置から連続的に増加している場合の最小値をいう。全周波数範囲（全てのチャンネル）において極小値は１つとは限らない。

本実施の形態の距離測定装置１１は、全チャンネルの受信信号の振幅−周波数特性を、極大値（ＰＥＡＫ）と極小値（ＮＵＬＬ）の組み合わせである（ＰＥＡＫ数，ＮＵＬＬ数）で分類し、（０，０）、（１，０）、（０，１）、（≧１，≧１）の４つのパターンのいずれに該当するかを検出する。

具体的には、振幅特性判定部２３は、ステップ１０２でカウントされた極大値の数から、極大値の有無を判定する（ステップ１０３）。また、ステップ１０２でカウントされた極小値の数から、極小値の有無を判定する（ステップ１０４、ステップ１０５）。そして、判定の結果をもとに、図３のような極値を有さないパターン（０，０）、図４の振幅−周波数特性のような下に凸の極値を１つだけ有するパターン（１，０）、図５の振幅−周波数特性のような上に凸の極値を１つだけ有するパターン（０，１）、図６のような複数の極値を有するパターン（≧１，≧１）のいずれかに場合分けする。図４および図５には、振幅−周波数特性（図４上および図５上）と併せて振幅差−周波数特性（図４下および図５下）を示す。なお、ここでは、極大値の有無を判定した後に、極小値の有無を判定しているが、極小値の有無を判定した後に、極大値の有無を判定しても良いし、極大値の有無と、極小値の有無とを同時に判定しても良い。

上述のステップ１０３およびステップ１０４によって、極大値が存在せず、極小値も存在しないと判定された場合（図３）には、ステップ１０６へ移行し、ステップ１０３およびステップ１０４によって、極大値が存在せず、極小値が存在すると判断された場合（図４の振幅−周波数特性）、またはステップ１０３およびステップ１０５によって、極大値が存在し、極小値が存在しないと判断された場合（図５の振幅−周波数特性）には、ステップ１０７へ移行し、また、ステップ１０３およびステップ１０５によって、極大値が存在し、極小値も存在すると判断された場合（図６）には、ステップ１０８へ移行する。

ステップ１０３〜１０５で、極大値や極小値の有無を振幅特性パターンの場合分けの基準にしているのは、コヒーレントなマルチパス波の影響は、振幅−周波数特性において、極大値または極小値という形で良く表れるためである。このように、極大値または極小値を用いて、マルチパス波の影響を考慮した距離の算出を行うことで、複雑な計算手法を用いずとも、精度良く距離を求めることができる。

図３に示すように極大値および極小値が存在しないパターンではステップ１０６において、位相差の平均値が算出される。このために、位相差測定部２４においてチャンネル毎の位相を計算し、隣接チャネル間の位相差（単に「位相差」などと呼ぶ場合がある。）を検出している。各チャンネルの位相は、距離測定装置１１から中継器までの往復距離に対応しており、距離測定装置１１がチャンネルの送信信号を送信してから当該チャンネルの返信信号を中継器から受信するまでの遅延時間として計測される。平均値計算部２５が位相差の算術平均値を算出する。図３のような極値を有さないパターンの場合には、特定の隣接チャネル間の位相差のみを用いて距離を算出すると、その位相差がマルチパス波の影響を大きく受けたものである場合に、測定精度が低下してしまうことがある。本実施の形態では、各隣接チャンネル間の位相差を全周波数範囲に亘って計算し、それら複数の位相差を平均化しているので、マルチパス波の影響を緩和することができ、精度良く距離を求めることができる。図３に示すように、周波数範囲に存在するチャンネルＣＨ_１〜ＣＨ_Ｎにおける各隣接チャネル間の位相差の平均値を算出することになる。

なお、距離測定精度を高めるという意味においては、平均値の算出に係る標本の数は多いことが望ましいから、例えば、３２チャンネルの送信信号を用いる場合には、これらから求めることができる全ての位相差の平均値、つまり、３１区間の位相差の平均値を求めるのが望ましい。ただし、本発明をこれに限る必要はなく、目的とする精度や要求される計算時間、距離測定装置の構成、などに応じて、標本の数は適宜設定することができる。

図４の振幅−周波数特性に示すように極大値が存在せず、極小値が存在するパターン、または図５の振幅−周波数特性に示すように極大値が存在し、極小値が存在しないパターンではステップ１０７において、極大値または極小値における位相差が算出される。このため、位相差測定部２４において測定された隣接チャンネル間の位相差のうち、振幅差が最大（振幅差の絶対値が最大）となる隣接チャネル間の位相差を抽出する。図４の振幅−周波数特性のような下に凸の極値を１つだけ有するパターンや、図５の振幅−周波数特性のような上に凸の極値を１つだけ有するパターンの場合には、極大値または極小値をとるチャンネルにおいてマルチパス波の影響が最も強く、隣接チャネル間の振幅差が最大となる区間においてマルチパス波の影響が最も弱いためである。振幅差が最大となる区間は、例えば、図４においてＰ_ｋで表わされる区間であり、図５においてＰ_ｋで表わされる区間である。なお、振幅差が最大となる区間が二つ以上存在する場合には、距離の算出において、一方の区間における位相差のみを用いても良いし、二つの区間の位相差の平均値を用いても良い。

図６に示すように極大値が存在し、極小値も存在するパターンではステップ１０８において、極値間の位相差の平均値を算出する。このため、位相差測定部２４において測定された隣接チャンネル間の位相差を用いて、平均値計算部２５が位相差の算術平均値を算出する。ただし、ここでは、極値を与えるチャンネルと、別の極値を与えるチャンネルとの間の区間において、位相差の平均値を算出する。図６のような複数の極値を有するパターンの場合には、極値を与えるチャネル（例えば、ＣＨａ）と別の極値を与えるチャネル（例えば、ＣＨｂ）との間において、隣接チャネル間の位相差を累積することにより、マルチパス波の影響を相殺することができるためである。なお、上記平均値は、極大値を与えるチャンネルと、極小値を与えるチャンネルとの間において求めても良いし、極大値を与える二つのチャンネルの間、または極小値を与える二つのチャネルの間において求めても良い。

その後、上述のステップ１０６〜１０８によって得られる算出結果を元に、距離計算部２６は、測定対象である中継器と距離測定装置１１との距離を計算する（ステップ１０９）。図３に示すパターンに対応してステップ１０６において位相差の平均値を求めている場合、距離Ｌ（ｍ）は、次式によって求められる。なお、式中、Δφ_ａ（ｒａｄ）はステップ１０６において得られた位相差の算術平均値を表し、ｃ（ｍ・ｓ^−１）は光速を表し、Δｆ（Ｈｚ）は隣接チャンネルの周波数間隔を表す。また、Ｎは測定範囲における区間の数を表し、Δφ_ｉは第ｉの区間における位相差（ｒａｄ）を表す。なお、下記式では、測定範囲内の全区間において算術平均を求めているが、算術平均の計算に係る区間数は適宜変更することができる。

また、図４または図５に示すパターンに対応してステップ１０７において振幅差が最大となる隣接チャネル間の位相差を抽出している場合、距離Ｌ（ｍ）は、次式によって求められる。なお、式中、Δφ_ｂ（ｒａｄ）はステップ１０７において得られた位相差、すなわち、振幅差が最大となる隣接チャネル間の位相差を表し、ｃ（ｍ・ｓ^−１）は光速を表し、Δｆ（Ｈｚ）は隣接チャンネルの周波数間隔を表す。

また、図６に示すパターンに対応してステップ１０８において極値間の位相差の平均値を求めている場合、距離Ｌ（ｍ）は、次式によって求められる。なお、式中、Δφ_ｃ（ｒａｄ）はステップ１０８において得られた位相差の算術平均値（極値を与えるチャンネル間での位相差の算術平均値）を表し、ｃ（ｍ・ｓ^−１）は光速を表し、Δｆ（Ｈｚ）は隣接チャンネルの周波数間隔を表す。また、ｂ−ａは平均値の算出に係る区間の数（極値を与えるチャンネル間の区間の数）を表し、Δφ_ｉは第ｉの区間における位相差（ｒａｄ）を表す。つまり、ここでは、第ａの区間〜第ｂ−１の区間についての算術平均を求めていることになる。

このように本実施の形態によれば、受信信号の極大値および極小値の状態に応じて適切な演算処理を適用することで、フーリエ変換を用いることなくマルチパス波の影響を低減できるので演算負荷を軽減でき、また受信信号の状態に応じて異なる演算処理を適用することで、フーリエ変換を用いた距離測定装置より高い精度で距離測定を行うことができる。

なお、以上の説明では、受信信号の振幅−周波数特性のパターンを図３〜図６の４パターンに分類して、各パターンに応じて距離計算方式を切り替えているが、振幅−周波数特性のパターンと距離計算方式とが１対１で対応していれば、当該振幅−周波数特性パターンに対しては高い距離測定精度を実現できる。したがって、用途によっては、ステップ１０６、１０７、１０８のいずれか少なくとも１つを実行できるように構成してもよい。

次に、本実施の形態に係る距離測定装置１１に基づいて行った振幅の周波数応答と距離誤差についてのシミュレーション結果を示す。

二次レーダ方式を用いたシミュレーションモデルを図７（Ａ）に示す。シミュレーションモデルでは、マスタ２０１（距離測定装置１１に相当）、スレーブ２０２（中継器に相当）、および反射壁２０３を想定する。周波数範囲は２４０２．５ＭＨｚ〜２４８０ＭＨｚ、チャンネルの間隔は２．５ＭＨｚ、チャンネル数は３２とした。

図７（Ａ）に示されるシミュレーションモデルを用いる場合、マスタ２０１が送信信号を送信すると、スレーブ２０２は送信信号を受信するが、スレーブ２０２が受信する受信信号は、直接波２１１と反射波２１２とが合成された合成波である（図７（Ｂ）参照）。合成波を受けると、スレーブ２０２はマスタ２０１からの合成波と位相が同期した信号に同期して返信信号を送信する。その結果、マスタ２０１は、スレーブ２０２からの返信信号に関して、直接波２２１と反射波２２２とが合成された合成波を受ける（図７（Ｃ）参照）。測定端末（マスタ２０１またはスレーブ２０２）と反射壁２０３との距離ｄ_１、測定端末間の距離ｄ_２は可変となっており、装置によって測定される測定端末間の距離と、実際の測定端末間の距離とを比較することで、測定精度の確認が行われる。

図８は上記シミュレーションモデルに基づいた測定結果であり、縦軸を、測定端末と反射壁２０３との距離（ｍ）、横軸を、測定端末間の距離（ｍ）、とした場合の振幅−周波数特性の極値の分布を示す。図中の各領域は、対象となる条件での極値の数に対応している。図８から分かるように、（ＰＥＡＫ，ＮＵＬＬ）のパターンが（≧１，≧１）となる図中上側の領域、つまり、測定端末と反射壁２０３との距離が大きい条件では、極大値および極小値が存在する。また、（ＰＥＡＫ，ＮＵＬＬ）のパターンが（０，０）となる図中下側の領域、つまり、測定端末と反射壁２０３との距離が小さい条件では、極大値および極小値が存在しない。そして、これらの領域の間に相当する条件では、（１，０）、（０，１）が混在しており極大値または極小値のいずれかが存在する。

図９は、縦軸を、測定端末と反射壁２０３との距離（ｍ）、横軸を、測定端末間の距離（ｍ）、とした場合の距離測定精度の分布を示している。図中の各領域は、シミュレーション値と真の値との差、すなわち測定誤差の大きさによって区分けされており、領域Ａは測定誤差が小さいことを示し、領域Ｂは測定誤差が僅かに存在することを示す。実施例の測定範囲全域において測定誤差が十分に小さくなっていることが分かる。

フーリエ変換およびフーリエ逆変換を用いる従来方式の距離測定装置の測定精度を比較例としてシミュレーションした。測定系などの条件は、上記シミュレーションと同様である。

図１０は、縦軸を、測定端末と反射壁２０３との距離（ｍ）、横軸を、測定端末間の距離（ｍ）、とした場合の距離測定精度の分布を示す。図中の各領域は、実測値と真の値との差、すなわち測定誤差の大きさによって区分けされており、領域Ａは測定誤差が小さいことを示し、領域Ｂは測定誤差が僅かに存在することを示し、領域Ｃは測定誤差が大きいことを示す。フーリエ変換およびフーリエ逆変換を用いる方式では、実施例（本発明の方式）と比較して、測定精度が低いことが分かる。

以上に述べたように、本発明の距離測定装置では、受信信号に応じた適切な演算処理を行っている。このため、フーリエ変換などの複雑な処理を行うことなくマルチパス波の影響を低減することができる。つまり、距離を算出する際の計算量が少なく、かつ精度が十分に高められた距離測定装置が提供される。

なお、上記実施の形態において、添付図面に示されている構成などは、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。

本発明の距離測定装置は、測定対象の距離を測定するレーダ、ＧＰＳその他の各種用途に用いることができる。

本出願は、２０１０年１０月２６日出願の特願２０１０−２３９６３０に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims

所定周波数範囲で周波数方向に連続する複数チャンネルにそれぞれ対応した周波数の発振信号を出力する基準発振器と、
前記発振信号を用いて各チャンネルの送信信号を送信する送信手段と、
前記各チャンネルの送信信号を受けた測定対象からチャンネル毎に返信される返信信号、または前記測定対象からのチャンネル毎の反射信号を受信する受信手段と、
前記受信手段で受信した各返信信号または各反射信号の受信振幅位相をチャンネル毎に測定する振幅位相測定部と、
前記振幅位相測定部でチャンネル毎に測定された受信振幅位相測定値を記憶可能な記憶部と、
前記測定対象との間の距離を計算する演算部と、
を備え、
前記演算部は、前記記憶部から取り出した複数チャンネルの受信振幅位相測定値を処理して、前記所定周波数範囲に、隣接チャンネルを含む周辺チャンネルよりも受信振幅が大きくなる極大値、または受信振幅が小さくなる極小値が存在するか否か判定し、
前記極大値および前記極小値が存在しない場合は、前記所定周波数範囲における各隣接チャンネル間の位相差を平均し、該位相差平均値を用いて前記測定対象までの距離を算出することを特徴とする距離測定装置。
所定周波数範囲で周波数方向に連続する複数チャンネルにそれぞれ対応した周波数の発振信号を出力する基準発振器と、
前記発振信号を用いて各チャンネルの送信信号を送信する送信手段と、
前記各チャンネルの送信信号を受けた測定対象からチャンネル毎に返信される返信信号、または前記測定対象からのチャンネル毎の反射信号を受信する受信手段と、
前記受信手段で受信した各返信信号または各反射信号の受信振幅位相をチャンネル毎に測定する振幅位相測定部と、
前記振幅位相測定部でチャンネル毎に測定された受信振幅位相測定値を記憶可能な記憶部と、
前記測定対象との間の距離を計算する演算部と、
を備え、
前記演算部は、前記記憶部から取り出した複数チャンネルの受信振幅位相測定値を処理して、前記所定周波数範囲に、隣接チャンネルを含む周辺チャンネルよりも受信振幅が大きくなる極大値、または受信振幅が小さくなる極小値が存在するか否か判定し、
前記極大値が存在し、かつ、前記極小値が存在しない場合、または、前記極小値が存在し、かつ、前記極大値が存在しない場合は、隣接チャンネル間のうちで振幅差が最大または最小となる隣接チャンネル間を特定し、特定した隣接チャンネル間の前記位相差を用いて前記測定対象までの距離を算出することを特徴とする距離測定装置。
所定周波数範囲で周波数方向に連続する複数チャンネルにそれぞれ対応した周波数の発振信号を出力する基準発振器と、
前記発振信号を用いて各チャンネルの送信信号を送信する送信手段と、
前記各チャンネルの送信信号を受けた測定対象からチャンネル毎に返信される返信信号、または前記測定対象からのチャンネル毎の反射信号を受信する受信手段と、
前記受信手段で受信した各返信信号または各反射信号の受信振幅位相をチャンネル毎に測定する振幅位相測定部と、
前記振幅位相測定部でチャンネル毎に測定された受信振幅位相測定値を記憶可能な記憶部と、
前記測定対象との間の距離を計算する演算部と、
を備え、
前記演算部は、前記記憶部から取り出した複数チャンネルの受信振幅位相測定値を処理して、前記所定周波数範囲に、隣接チャンネルを含む周辺チャンネルよりも受信振幅が大きくなる極大値、または受信振幅が小さくなる極小値が存在するか否か判定し、
前記極大値および前記極小値が存在する場合は、前記極大値となる周波数位置から前記極小値となる周波数位置までの各隣接チャンネル間の位相差の平均値を用いて前記測定対象までの距離を算出することを特徴とする距離測定装置。
所定周波数範囲で周波数方向に連続する複数チャンネルにそれぞれ対応した周波数の発振信号を出力する基準発振器と、
前記発振信号を用いて各チャンネルの送信信号を送信する送信手段と、
前記各チャンネルの送信信号を受けた測定対象からチャンネル毎に返信される返信信号、または前記測定対象からのチャンネル毎の反射信号を受信する受信手段と、
前記受信手段で受信した各返信信号または各反射信号の受信振幅位相をチャンネル毎に測定する振幅位相測定部と、
前記振幅位相測定部でチャンネル毎に測定された受信振幅位相測定値を記憶可能な記憶部と、
前記測定対象との間の距離を計算する演算部と、
を備え、
前記演算部は、前記記憶部から取り出した複数チャンネルの受信振幅位相測定値を処理して、前記所定周波数範囲に、隣接チャンネルを含む周辺チャンネルよりも受信振幅が大きくなる極大値、または受信振幅が小さくなる極小値が存在するか否か判定し、
前記極大値および前記極小値が存在しない場合は、前記所定周波数範囲における各隣接チャンネル間の位相差を平均し、該位相差平均値を用いて前記測定対象までの距離を算出し、
前記極大値が存在し、かつ、前記極小値が存在しない場合、または、前記極小値が存在し、かつ、前記極大値が存在しない場合は、隣接チャンネル間のうちで振幅差が最大または最小となる隣接チャンネル間を特定し、特定した隣接チャンネル間の前記位相差を用いて前記測定対象までの距離を算出し、
前記極大値および前記極小値が存在する場合は、前記極大値となる周波数位置から前記極小値となる周波数位置までの各隣接チャンネル間の位相差の平均値を用いて前記測定対象までの距離を算出することを特徴とする距離測定装置。
前記演算部は、
前記極大値および前記極小値が存在する場合であって前記極大値が二以上存在する場合に、一の極大値となる周波数位置から、他の一の極大値となる周波数位置までの各隣接チャネル間の位相差の平均値を算出し、前記位相差の平均値から前記測定対象までの距離を算出することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の距離測定装置。
前記演算部は、
前記極大値および前記極小値が存在する場合であって前記極小値が二以上存在する場合に、一の極小値となる周波数位置から、他の一の極小値となる周波数位置までの各隣接チャネル間の位相差の平均値を算出し、前記位相差の平均値から前記測定対象までの距離を算出することを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の距離測定装置。