WO2003104841A1

WO2003104841A1 - 距離測定方法および装置

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Publication number: WO2003104841A1
Application number: PCT/JP2003/007060
Authority: WO
Inventors: 徹志上保; 入谷　忠光
Original assignee: 株式会社島精機製作所
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2003-12-18
Also published as: CN1322335C; KR20040105758A; EP1512987A4; KR100684811B1; US20060023571A1; EP1512987A1; JPWO2003104841A1; US7145502B2; AU2003242019A1; CN1646936A

Abstract

　本発明の目的は、高分解能で距離を測定することができるようにすることである。周波数コントローラ７は電圧制御発振器２を制御して、２つの中心周波数ｆ１，ｆ２を含む範囲で信号源周波数ｆを変化させ、アンテナ４から進行波としてターゲット５に向けて送信させる。ターゲット５で反射する反射波と進行波とは干渉して、定在波を形成する。パワー検出器６は、定在波の振幅に対応するパワーを検出し、２つの中心周波数ｆ１，ｆ２に基づくフーリエ変換を、フーリエ変換手段１１，１２でそれぞれ行い、レーダ像関数Ｐ１（ｘ），Ｐ２（ｘ）を算出する。ターゲット５までの距離ｄは、２つのレーダ像関数の位相差がゼロクロスし、かつレーダ像関数の振幅が極大となる条件を満たすものとして特定される。位相差のゼロクロス点は、１次関数のゼロクロス点で、高分解能で特定することができる。

Description

明細書

距離測定方法および装置

【技術分野】

本発明は、定在波を利用して、測定対象物との間の距離を非接触で測定することができる距離測定方法および装置に関する。

【背景技術】

従来から、距離測定は基本的な物理量の測定の一つとして、多くの方法が用いられている。「距離」は、物理的な次元では「長さ」と同一であり、概念として重複している場合がある。同一の測定対象でも、測定器具を接触させないで測定する場合は「距離」になり、測定器具を接触させて測定する場合は「長さ」になると考えられることがある。長さの測定器具として基本的なものは、一定の基準で目盛が付されている定規である。

特開平 3— 1 4 4 3 0 6号公報には、導波管に軸方向に延びるスリットを設け、導波館内に電磁波の定在波を発生させ、導波管の外部からスリットを通して内部に複数の探針を挿入するスライダを軸方向に移動させて、探針によって検出される定在波の振幅に基づいて、スライダの位置を求めることができる測長器についての先行技術が開示されている。

また、本件出願人は、特開平 1 1一 2 3 0 7 3 4号公報で、直線状の導体路中に、周波数が周期的に変化するような周波数変調波による定在波を形成し、導体路の途中での定在波のエンベロープと変調信号との相関に基づいて、導体路に層位置を測定するリユアエンコーダについての先行技術を開示している。

さらに、本件発明者等は、測定対象との間に存在する伝搬媒質、例えば空間に対して電磁波で定在波を形成可能であることを見出して、特開平 1 1— 2 3 0 7 3 4号公報で導体路について適用している定在波を用いる考え方を発展させ、非接触で距離を測定可能な技術を、特願 2 0 0 1— 2 3 7 2 8 0号として提案している。

特開平 3— 1 4 4 3 0 6号公報ゃ特開平 1 1一 2 3 0 7 3 4号公報に開示されている先行技術では、定規に相当する導波管や導体路を、測定の基準となる位置と測定対象との間に設置し、測定対象とは機械的に接触しなければならない。特願 2 0 0 1— 2 3 7 2 8 0号で提案している技術では、空間を伝搬媒質とする電磁波などに形成される定在波を利用するので、測定対象とは非接触で距離を測定することができ、自動車などの移動体に搭載するレーダなどとしても利用することができる。

特願 2 0 0 1— 2 3 7 2 8 0号で提案している技術は、定在波を形成させる電磁波などの周波数を変化させ、検出する定在波の振幅と周波数との関係を示す検出信号関数を求め、検出信号関数が極値をとる周波数を測定対象までの距離に対応させている。しかしながら、後述するように、極値付近では検出信号関数の変化は小さくなり、極値の位置を正確に特定することは困難であり、分解能を高めるには限界がある。さらに、実際の測定では、検出信号関数にはノイズ成分が重畳してしまうので、振幅情報のみに基づいて極値の位置を特定すると誤差が大きくなつてしまうおそれもある。

位相の情報を利用しょうとしても、位相には、測定対象での反射による位相シフト量が含まれ、一般に正確な位相シフト量を求めることは困難であり、未知の量として考えなければならない。さらに、検出信号関数では、振幅の変化に比較して位相の変化は短周期の周期関数であり、振幅の極値付近でも位相シフト量と一定の関係にある位相が複数存在するので、位相シフト量を正確に求めることができても、振幅の極値を特定することは困難である。 ·

【発明の開示】

本発明の目的は、高分解能で距離を測定することができる距離測定方法および装置を提供することである。

本発明は、基準位置から測定対象までの距離を測定する方法であって、基準位置と測定対象との周囲に存在する伝搬媒質中で、該基準位置から該測定対象に向けて進行する進行波を、周波数を変化させながら発生させて、測定対象で反射する反射波と干渉させて定在波を生成する定在波生成段階と、

定在波生成段階で生成される定在波を検出する定在波検出段階と、

定在波検出段階で検出される定在波から、複数の異なる中心周波数に基づいて、基準位置から測定対象を通る仮想的な直線軸上の一点までの間隔を変数とする複数のレーダ像関数を、それぞれ算出するレーダ像算出段階と、

レーダ像算出段階で算出される複数のレーダ像関数間の位相差、およびいずれかのレーダ像関数の振幅が、予め定める条件を満たす間隔を、基準位置から測定対象までの距離として判別する距離判別段階とを含むことを特徴とする距離測定方法である。

また本発明は、前記測定対象として、距離測定の目的となる測定対象と、距離測定の基準となる測定対象と同時に測定することを特徴とする。

さらに本発明は、基準位置から測定対象までの距離を測定する装置であって、基準位置と測定対象との周囲に存在する伝搬媒質中に、該基準位置から該測定対象に向けて進行する進行波を、周波数を変化させながら発生させる進行波発生手段と、

進行波発生手段によって発生される進行波が、測定対象で反射して進行波発生手段側に戻る反射波と干渉して生成される定在波を検出して、該定在波に対応する信号を導出する定在波検出手段と、

定在波検出手段から導出される定在波に対応する信号を演算処理して、複数の異なる中心周波数に基づいて、基準位置から測定対象を通る仮想的な直線軸上の一点までの間隔を変数とする複数のレーダ像関数を、それぞれ算出するレーダ像算出手段と、

レーダ像算出手段によって算出される複数のレーダ像関数間の位相差、およびいずれかのレーダ像関数の振幅が、予め定める条件を満たす間隔を、基準位置から測定対象までの距離として判別する距離判別手段とを含むことを特徴とする距離測定装置である。

また本発明で、前記レーダ像算出手段は、フーリエ変換処理によって前記複数のレーダ像関数をそれぞれ算出し、

前記距離判別手段は、少なくとも 2つのレーダ像関数間の位相差が 0または円周率 _π の偶数倍のラジアン値となり、少なくともいずれかのレーダ像関数の振幅が極値となる間隔を、前記予め定める条件を満たす距離として判別することを特徴とする。

また本発明で、前記レーダ像算出手段は、前記定在波に対応する信号に、予め定める窓関数を用い、前記複数の異なる中心周波数に対して、共通の可変幅で、フーリエ変換処理を行って前記複数のレーダ像関数を算出することを特徴とする。また本発明で、前記進行波発生手段は、

発振周波数を制御可能で高周波信号を発生する発振器と、

発振器の発振周波数を予め定める範囲で周期的に変化させるコントローラと、発振器からの高周波信号を、前記伝搬媒質としての空間に電磁波による進行波として送信するアンテナとを含み、

前記定在波検出手段は、該アンテナを用いて前記定在波の検出を行うことを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。

図 1は、本発明の実施の一形態である距離測定装置 1の概略的な電気的構成を示すプロック図、および周波数 f に対する定在波の振幅の変化を示すグラフである。

図 2は、図 1の距離測定装置 1で、ターゲット 5の距離を特定するために用いる振幅および位相角の変化を示すグラフである。

図 3は、本発明の基礎となる距離測定装置 2 0略的な電気的構成を示すプロック図、および X軸上の位置の変化に対するレーダ像関数の振幅の変化を示すダラフである。

図 4は、図 3の距離測定装置 2 0で、周波数 f に対する定在波の振幅の変化を示すグラフである。

図 5は、図 3の距離測定装置 1で用いる窓関数をフーリェ変換した関数波形を示すグラフである。

図 6は、図 3の距離測定装置 1で可動ターゲットと固定ターゲットとを同時に測定した結果を示すグラフである。図 7は、図 3の距離測定装置 1で、ターゲット 5の距離を特定するために用いる振幅および位相角の変化を示すグラフである。

図 8は、図 1の実施形態で、距離を特定する手順を示すフローチャートである。図 9は、図 1の実施形態で、衣服 3 0を着用中の人体 3 1をターゲットとしている状態を模式的に示す図である。

【発明を実施するための最良の形態】

以下図面を参考にして本発明の好適な実施例を詳細に説明する。

図 1は、本発明の実施の一形態での距離測定のための概略的な構成を示す。距離測定装置 1は、外部から与えられる電圧に従って発振周波数を変えることができ、 Vol tage Control led Osci l lator から V C Oと略称される電圧制御発振器 2 から高周波の電気信号を発生させ、電力増幅やインピーダンス整合を行う伝送系 3を介してアンテナ 4に供給する。アンテナ 4は、供給される高周波の電気信号を電磁波に変換して、周囲の空間に送信する。アンテナ 4から送信される電磁波の進行方向で dの距離に、測定対象となるターゲット 5が存在すれば、ターゲット 5に入射する進行波と、ターゲット 5で反射する反射波との間での干渉で、定在波が発生する。アンテナ 4では、定在波に対応する電気信号を受信することができ、定在波の電力は、受信入力電圧の 2乗値であるパワーとして、定在波検出手段としてのパワー検出器 6によって検出する。電圧制御発振器 2の発振周波数は、周波数コントローラ 7から与えられる制御電圧で変化する。電圧制御発振器 2から発生する高周波信号の周波数は、発振周波数をそのまま使用したり、複数倍の周波数に遁倍したり、ヘテロダイン変換したりすることもできる。電圧制御発振器 2、アンテナ 4および周波数コントローラ 7は、進行波発生手段として機能する。

パワー検出器 6によって検出される定在波のパワーは、レーダ像算出手段 1 0 によって、レーダ像関数に変換される。レーダ像算出手段 1 0は、複数、たとえば 2つのフーリエ変換手段 1 1， 1 2を含む。第 1のフーリエ変換手段 1 1は、中心周波数 f 1， f 2のうちの第 1の中心周波数 f 1に関し、パワー関数 p 1 ( f , 0 ) をレーダ像関数 P I ( x ) に変換する。第 2のフーリエ変換手段 1 2 は、第 2の中心周波数 f 2に関し、パワー関数 p 2 ( f , 0) をレーダ像関数 Ρ 2 (χ) に変換する。

レーダ像算出手段 1 0は、汎用の中央演算装置（C PU) のプログラム処理によって、複数のフーリエ演算手段 1 1， 1 2として動作させることができる。また、デジタル信号プロセッサ（DS P) を用いて、高速化させることもできる。演算処理は、複数のデジタル信号プロセッサを並列動作させて、さらに高速化させることもできる。また、フーリエ演算処理専用の回路を形成して、高速化させることもできる。

図 2は、本実施形態でターゲット 1 5の位置を特定する条件を示す。図 2

(a) は、 2つのレーダ像関数 P I ( X ) , P 2 ( X ) の振幅変化を、それぞれ標準化して示す。図 2 (b) は、 2つのレーダ像関数 P l， P 2の位相 Θ 1 ,

0 2の変化を一点鎖線およぴニ点鎖線でそれぞれ示し、実線で位相差 Δ 0 の変化を示す。図 2 (a) および図 2 (b) の横軸は、 X = dを中心とする相対変位 Δ χを、 cZ2 i Bを単位として示す。図 2 ( c ) は、図 2 (b) の Δ χ = 0 付近の変化を横軸方向に拡大して示す。本実施形態では、図 2 (a) に示すような振幅の極大ピークがなだらかな変化であっても、図 2 (b) や図 2 (c) に示すように、 Δ Θ =0となる位置としてターゲット 1 5までの距離を正確に、高分解能で特定することができる。

図 3〜図 7は、本発明実施形,態で測定対象であるターゲット 1 5までの距離を特定することができる原理について示す。この原理の基本的な考え方は、特願 2 00 1 - 23 7 280に記載してある。

図 3は、（a ) で本発明の基礎となる距離測定装置 20の電気的な構成を示し、

(b) でレーダ像関数の振幅の変化を示す。図 3で図 1の実施形態に対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明を省略する。図 3では、図 1では 1つのターゲット 5を測定対象としている代りに、複数のターゲット 2 1〜2 nまでの距離 d 1〜 d nを同時に測定する場合について示す。

アンテナ 4から送信される電磁波信号は、ターゲット 2 1〜2 nに向って空間を進む進行波となる。進行波はターゲット 2 1〜2 nによって反射され、反射さ JP03/07060 れる反射波がアンテナ 4側に戻ると、進行波との間で干渉して定在波が生じることは、一般によく知られている。定在波が存在することによって、アンテナ 4から複数のターゲット 2 1〜 2 nを通る仮想的な直線である X軸上のある一点で観測される信号の振幅や電力は、進行波の信号源の周波数 ίに対して周期的に変化する。その周期は、 χ = 0である観測点から測定対象までの距離と逆比例の関係になる。距離測定装置 2 0は、定在波のこの性質を利用し、アンテナ 4の給電部を観測点として、測定対象までの距離 dを測定する。

アンテナ 4から送信される信号である進行波 VTは、次の（1 ) 式で表される。

【数 1】

V τ ( f ， χ) = _e ^J~ … け）観測点から測定対象である各ターゲット 2 1〜2 nまでの距離を d l〜d nとすると、ターゲット 2 k ( k = 1 , 2， …， n) からの反射波 VR kは、次の

( 2 ) 式で表される。

【数 2】

ただし、 cは電磁波の速度、すなわち光速であり、 γ kは反射係数の大きさで、伝播損失も含む。 c^ kは、反射における位相シフト量であり、伝播による位相シフトは含まない。

定在波は、進行波 VTと反射波 VR kとの加法的合成によって発生し、その 2 乗値であるパワー関数 p ( ί， X ) は、（ 1 ) 式おょぴ（ 2 ) 式から、次の

( 3 ) 式のように求めることができる。【数 3】

+ y k 'sin( ~~ f +φん) (3)

=i c 図 4は、（3) 式に基づいて、測定対象が距離 dの位置に 1つ存在する場合に. X = 0の観測点であるアンテナ 4の給電部における定在波のパヮ一関数 P ( f ， 0) と信号源周波数 ίとの関係を示す。 P ( f ， 0) は信号源周波数 f に対して周期的に変化し、その周期は c/ (2 d) であって、観測点から測定対象までの距離 dと逆比例の関係にあることが判る。

そこで、観測される p ( f ， 0) が持つ周期情報を求めるために、 P ( f ， 0) を時間波形とみなし、フーリエ変換する。 p ( f ， ◦) のフーリエ変換 P ( X ) は、フーリエ変換公式

【数 4】

で、 (2 π) を 2 xZc、 tを f でそれぞれ置き換えて、次の（5) 式のように表すことができる。 P T/JP03/07060

【数 5】 p^{(x) =} L^⁰⁾^ ~ ^ '·· ⁽⁵⁾ 実際には、信号源周波数 f の可変範囲は有限であり、その中心周波数を f 0とし、可変幅を ί Βとすれば、次の（6 ) 式でレーダ像関数 Ρ ( X ) を求めることができる。

【数 6】

ここで、 w ( f ) は窓関数であり、次の（7) 式に示すブラックマン 'ハリス窓を好適に用いることができる。

【数 7】 w、 f リ = (0.423 + 0.498cos 2 κ + 0.0792cos(4 π ） } … （ 7 ) β β

ρ ( f ， 0) の直流分は何ら情報を持っていないので、予め除去しておいても差し支えない。また、通常アンテナ 4の給電部である X == 0の観測点では、進行波 VTに比較して反射波 VR kの信号レベルは非常に小さく、 γ k《 1であると考えられる。 y kの多項式としては、 γ kの 2次以上の項をほぼ 0とみなして無視することができる。これらの条件を加味すれば、（3 ) 式から p ( f , 0 ) は、次の（8) 式のように表すことができる。

【数 8】

( 6 ) 式、（ 7 ) 式および（ 8 ) 式から、レーダ像関数 Ρ ( X ) は、次の ( 9 ) 式のように計算することができる。 TJP03/07060

【数 9】

Ρ (χ) = ί ⁽ - ⁰⁾·Ρ^{( 0)}e /

… （9) 図 5は、（9) 式に用いる W ( X ) の規格化された関数形を示す。 W ( X ) は、窓関数 w ( X ) のフーリエ変換であり、（7) 式のブラックマン ·ハリス窓を用いるときは、次の（1 0) 式で表すことができる。

【数 1 0】

_W(x) =广 (

= 0.423 f B · S a ( ^)

c

+ 0.249 f B { S a j^- i - _π) + S a ^2nfB ' ^X + ^ }

c c

+ 0.0396 f B { S a (^2nJS ' ^x - 2 π) + S a ( ^2nJB ' ^X + 2 π) } - (10) c c

ただし、 S aは標本化関数であり、次の（1 1) 式で表される。

【数 1 1】

_{S a} ( r ) =^ … (11) て

図 6は、 2つのターゲット 2 1， 2 2で、一方のターゲット 2 1の距離 d 1を 0. 3 mから 5 Omまで変化させ、他方のターゲット 2 2の距離 d 2を 1 Omに固定するときのレーダ像関数 P ( X ) の絶対値 I P ( X ) Iについての数値計算結果を X〉 0の領域について示す。中心周波数 f 0 = 7. 7 5 GH zであり、 f B= 5 00MH zである。また、 y k = 0. 1とし、 φ ¾: = π としている。 ρ ( f ， 0) としては、（3) 式から直流分を除去したものを使用している。これらの計算結果には、 γ kの 2次以上の項も含まれている。複数のターゲット 2 1， 2 2の距離を同時に測定可能であり、一方の距離 d 2を事前に、または事後に他の方法で測定すれば、その測定値に基づいて他方の距離 d 1も較正することができる。

図 3の距離測定装置 20で、問題を単純化して、 x = 0の観測点からターゲット 2 1〜2 nの 1つまでの距離 dを判別する場合を想定する。伝播損失を含む反射係数を γ とし、伝播による位相シフトを含まないで反射に伴う位相シフト量を φ とすると、（9) 式から次の（1 2) 式に示すようなレーダ像関数 P ( X ) が得られる。

【数 1 2】

P (x) = yW(x-d) _e^_e-'—^{x-^d'+ vW(x + d) _e-^j'_e- ^{x^ … (12) ここで、 W ( x ) は、図 5に示すように、 X = 0である中心から 3 X c ( 2 f B) 以上離れた領域では、ほぼ 0とみなすことができる。これは、ブラックマン -ハリス窓では、他の窓関数に比べて主部以外の成分が非常に小さくなるという性質によるものである。したがって、 d〉 l . 5 X c/ (2 f B) とすれば、 x = dの近傍において W (x + d) = 0となり、（ 1 2) 式のレーダ像関数 P

( X ) は次の（1 3) 式のように近似することができる。

【数 1 3】

P(x) = yW(x-d) _e e"^J~ … （13) 図 7は、図 3の距離測定装置 20で、（ 1 3) 式に基づき、 X = 0の観測点からターゲット 2 1〜2 nの 1つまでの距離 dを判別するレーダ像関数 P ( X ) の x == d付近での部分的な形状を示す。図 7 ( a ) は、規格化した振幅 I P ( X ) Iの変化を示し、図 7 ( b ) はラジアン値で表す位相 Z P ( X ) の変化を示す。 f Oは前述のように 7. 75 GH zであり、 f O/ f B = 30となるように、 f B = 2 58MH zとしている。横軸は、 x = dを中心とする変位 Δ xを、 c Z (2 f B) 単位で示す。図 7および（1 3) 式によれば、レーダ像関数の振幅 I P ( X ) Iが極大となる点、または位相 Z P ( X ) = となる点を探索すれば距離 dが求められることが判る。しかしながら、位相シフト量 φ は未知であり、しかも図⁷ (b) では、土 π の範囲に折畳んで表示されているので、一π ^ φ <+ π の範囲で φ 値が求められても、複数の変位 Δ χが対応してしまい、距離 dを判別することはできない。レーダ像関数の振幅 I P ( X ) Iはなだらかな山形状の変化を示し、その極大位置を精密に特定することは困難であり、高分解能で測定を行うには限界がある。しかも、実際の測定ではランダムなノイズが重畳し、極大位置の判定をさらに困難にしてしまう。位相シフト量 Φ が少なくとも一 π≤ψく + π の範囲で既知であれば、位相 Ζ Ρ (χ) = かつ振幅 i P ( X ) Iが極大という条件を満たせば距離 dを特定することができる。しカゝし、位相 ( X ) の変化は急峻で、振幅 I P ( X ) Iの極大値付近でも複数の変位 Δ χに対応してしまい、極大位置を特定する補助とはなりにくい。

そこで、図 1 ( a ) に示す本実施形態のレーダ像算出手段 1 0では、図 1 (b) に示すように、異なる複数の中心周波数 ί 1， ί 2を設定し、 2つのフーリエ変換手段 1 1， 1 2で 2つのレーダ像関数 Ρ 1 ( χ ) , Ρ 2 ( X ) を得て、図 2に示すような、それらの振幅と位相差とから距離 dを求めるようにしている。図 8は、本実施形態の距離測定装置 1で距離 dを特定する概略的な手順を示す。ステップ s 0から手順を開始し、ステップ s iでは、周波数コントローラ 7が電圧制御発振器 2の中心周波数 f 0と可変幅 f B 0とを設定して発振させ、ステツプ s 2ではアンテナ 4から f 0 ± 1/2 X f B 0の範囲で信号源周波数 f が変化する進行波を送信させる。信号源周波数は、進行波に対する反射波がアンテナ 4 に戻ってきて干渉を起して定在波を形成するための充分な時間安定である必要がある。しかし、距離 dが光速 cに比較して短距離であり、必要な時間は短い。周波数コントローラ 7がデジタル制御で電圧制御発振器 2の発振周波数を制御する場合は、信号源周波数の変化はステップ状となるので、定在波を形成するための充分な時間条件を満たすことができる。

ステップ s 3では、パワー検出器 6がアンテナ 4に入力する定在波の振幅に対応するパワー p ( f ， 0) を検出する。中心周波数 f 0から ± 1/2 X f B 0の範囲では、反射係数 γ および位相シフト量 φ は一定とみなすことができる。次のステップ s 4では、検出されるパワー p ( f , 0) のうち、図 1 (b) に示すように、 f 1 ± 1 2 X f B 1の範囲と、 f 2 ± 1/2 X f B 2の範囲とが抽出され、フーリエ変換手段 1 1 , 1 2 でそれぞれ F F T ( Fast Fourier Transfer) などのフーリエ変換処理でレーダ像関数 P 1 (x)， P 2 (x) にそれぞれ変換され、（1 3) 式から次の（1 4) 式および（1 5) 式が得られる。なお、 2つの周波数範囲の選択は、バンドパスフィルタを使用したり、周波数コントローラ 7からフーリエ変換手段 1 1， 1 2に信号源周波数 ίについての制御信号を与えて周波数変化のタイミングの時間的な差に基づいて行うことができる。【数 1 4】

Ρ 1 (x) = yW(x-d)_e ^JV~ … （¹⁴)

P 2 (x)= y W(x-d)_e*g^J~^(x~^d) - (15) 図 2 (a) は、（ 1 4) 式および（ 1 5) 式で示されるレーダ像関数 P 1 (x), P 2 (X) の規格化された振幅を示す。 2つのレーダ像関数の振幅は同一となる _c なお、定在波に対応する関数形によっては、ターゲットの存在位置で、振幅が極小値をとるような場合も考えられる。図 2 (b) および図 2 (c) は、 f B l = f B 2 = f B、 f lZ f B l = 30、 f 2/ f B 2 = 3 2とするときの位相 θ 1 , θ 2の変化を一点鎖線および二点鎖線でそれぞれ示し、位相差 Δ Θ = 0 1 _ 0 2の変化を実線で示す。位相差 Δ 0 は、 Δ χ = 0である x = dを含む複数の位置でゼロクロスして 0となっているように見える。ただし、位相差 Δ 0 = 0は、一般的には 2 π の整数倍の位相差があることを示している。したがって、次の（1 6) 式が得られる。 Δ 0 = 0 1— 6 2=ZP 1 (x) -Z P 2 (x)

= E X (x -d) X (f 2 - f 1 )

= 2 πΝ (ただし、 N=0， ± 1， ± 2, ·'·) … (16)

(16) 式で Δ θ = 0とすると、次の（1 7) 式の関係が導かれる。

【数 1 6】

X = d +Ν—— -—— … (17)

2(/2-/1)

(1 7) 式から、 x = dを中心に、 cZ CS ( f 2 - f 1 )) 毎に位相の一致点が存在することが判る。これらの一致点のうち、図 2示すように、（a) に示すレーダ像関数の振幅が極大となる条件を満たす点がターゲット 5までの距離 d を与える。 2つのレーダ像関数 P I ( X ) , P 2 ( X ) 間の位相差 Δ 0 は、 x = dの近傍で Xに対して 1次関数となり、 Δ 0 = 0となる点を高い精度で判別することができる。ランダムなノィズが存在しても、レーダ像関数の振幅の極値付近では位相差のゼロクロス点は単一であり、位相差にはランダムなノイズの影響は反映されにくいので、正確に位相の一致点を判別することができる。

図 8のステップ s 5では、レーダ像関数の振幅 I P 1 ( X ) Iまたは | P 2 ( x ) Iが極大で、かつ 2つのレーダ像関数 P 1 (x)， P 2 ( X ) 間の位相差 Δ 0 =0となる位置をターゲット 5の位置として、距離 dを特定する。ステップ s 6で手順を終了する。本実施形態では、 2つの中心周波数 f 1， f 2のパワー信号を共通のパワー信号から抽出するようにしているけれども、信号源周波数 ί を中心周波数 f 1， ί 2毎に変化させて、定在波検出のタイミングを分けてそれぞれ検出するようにすることもできる。

図 9は、本実施形態の距離測定装置 1を用いて、衣服 30を着用している人体 31の表面までの距離を非接触で測定する状態を模式的に示す。衣服 30が電気絶縁性であれば、電磁波を通過させ、人体 3 1の表面で反射を生じさせ、定在波を形成させることができる。本実施形態では定在波に基づく距離測定を高精度で行うことができるので、衣服 3 0と人体 3 1の皮膚の表面との間の間隔なども正確に反映させて、距離測定を行うことができる。人体 3 1までの距離を複数点で測定すれば、寸法を計測することができる。たとえば光学的な測定で、衣服 3 0 を着用する人体 3 1までの距離を非接触で測定しようとしても、衣服 3 0の表面形状しか測定することができない。

なお、人体 3 1の特定の部位など、狭い部分を測定するためには、信号源周波数を高くすればよい。測定可能な領域の大きさは、電磁波の波長のオーダであると考えられる。人体 3 1などを対象とする場合は、 3 0 G H _Zで波長が 1 c mとなるので、 3 0 G H z〜 6 0 G H z程度の周波数を使用すればよい。距離は近いので、微小な出力でも測定可能である。

図 9のような測定では、衣服 3 0の下に隠された導電性の物体 3 2も検知することができる。検知用の電磁波を走查すれば、物体 3 2の像を形成することもでさる。

距離測定装置 1では、図 3に示すような複数ターゲットの同時測定も、同様に可能である。図 3 ( b ) に示すような、レーダ像関数の振幅の複数ピークに対して、それぞれ位相差に基づく距離の特定を高分解能で行うことができる。 1つのターゲットを基準として、予め距離を他の方法で測定しておいたり、事後に測定することによって、.測定対象となるターゲットについての距離も、基準となるターゲットの距離に基づいて、高精度で特定することができる。

本実施形態の距離測定装置 1は、特願 2 0 0 1— 2 3 7 2 8 0で提案しているようなレーダ装置としても使用することができる。また、自動車搭載センサゃ路側センサなど、高度道路交通システム（ I T S ) を実現するために必要な距離測定を高精度で実現することができる。さらに、液面レベル計、船舶等の接岸計、航空機などの高度計、地滑り計測など、高分解能かつ絶対値計測が必要な分野に適用することができる。

また、本発明の考え方は、空間を伝搬媒質とする電磁波ばかりではなく、たとえば空気を伝搬媒質とする音波にも適用することができる。音速は温度で変化するけれども、基準となるターゲットを同時に測定することによって、音速が未知でも、測定対象までの距離を正確に測定することができる。伝搬媒質として、水などの液中や土壌などの固体中では、その液体や固体を利用することもできる。伝搬媒質の境界、たとえば液面や地表面では、表面波に生じる定在波を距離計測に利用することができる。さらに、光など波長が短い波動を使用する場合、電磁波自体の波動ではなく、その振幅変化を波動として定在波を形成させ、距離測定に利用することができる。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。従って、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。

【産業上の利用可能性】

以上のように本発明によれば、定在波生成段階で、基準位置と測定対象との周囲に存在する伝搬媒質中で、基準位置から測定対象に向けて進行する進行波を、周波数を変化させながら発生させ、測定対象で反射する反射波と干渉させて定在波を生成するので、定規に相当する測定具を測定対象に接触させる必要はなく、自由に移動する測定対象であっても距離を測定することができる。定在波検出段階で定在波を検出し、検出される定在波から、レーダ像算出段階で複数の異なる中心周波数に基き、基準位置から測定対象を通る仮想的な直線軸上の一点までの間隔を変数とする複数のレーダ像関数を、それぞれ算出する。中心周波数の差が、中心周波数の絶対値に比較して小さければ、算出されるレーダ像関数には、測定対象での反射が同等に影響する。距離判別段階では、レーダ像算出段階で算出される複数のレーダ像関数間の位相差、およびいずれかのレーダ像関数の振幅が、予め定める条件を満たす間隔を、基準位置から測定対象までの距離として判別する。測定対象での反射による位相シフトの影響は、位相差では相殺され、また位相差の変化の周期は各レーダ像関数の位相の変化の周期よりも大きくなるので、レーダ像関数の振幅が予め定める条件を満たす間隔を、位相差から高分解能で特定することができる。また本発明によれば、測定対象として、距離測定の目的となる測定対象と、距離測定の基準となる測定対象と同時に測定するので、両者への距離の相対的な違いを高分解能で求めることができる。距離測定の基準となる測定対象への距離を、事前にまたは事後に直接測定することによって、その距離に基づき、距離測定の目的となる測定対象への絶対的な距離も、非接触で正確に特定することができる。さらに本発明によれば、進行波発生手段が基準位置と測定対象との周囲に存在する伝搬媒質中に、基準位置から測定対象に向けて進行する進行波を、周波数を変化させながら発生させるので、伝搬媒質中には進行波と測定対象で反射する反射波との干渉で定在波が生成される。定在波検出手段は、伝搬媒質中に生成されている定在波を検出するので、定規に相当する測定具を測定対象に接触させる必要はなく、自由に移動する測定対象であっても距離を測定することができる。レーダ像算出手段は、定在波検出手段によって検出される定在波から、複数の異なる中心周波数に基き、基準位置から測定対象を通る仮想的な直線軸上の一点までの間隔を変数とする複数のレーダ像関数を、それぞれ算出する。中心周波数の差が、中心周波数の絶対値に比較して小さければ、算出されるレーダ像関数には、測定対象での反射が同等に影響する。距離判別手段は、レーダ像算出手段によつて算出される複数のレ一ダ像関数間の位相差、およびいずれかのレーダ像関数の振幅が、予め定める条件を満たす間隔を、基準位置から測定対象までの距離として判別する。測定対象での反射による位相シフトの影響は、位相差では相殺され、また位相差の変化の周期は各レーダ像関数の位相の変化の周期よりも大きくなるので、レーダ像関数の振幅が予め定める条件を満たす間隔を、位相差から高分解能で特定することができる。

また本発明によれば、レーダ像算出手段は、フーリエ変換処理によって複数のレーダ像関数をそれぞれ算出するので、実時間信号から周波数空間の複素関数として、測定対象での反射の影響を振幅に対する反射係数と共に、位相シフト量として含むレーダ像関数を算出することができる。距離判別手段は、少なくとも 2 つのレーダ像関数間の位相差が 0または円周率 π の偶数倍のラジアン値となり、少なくともいずれかのレーダ像関数の振幅が極値となる間隔を、予め定める条件を満たす距離として判別する。位相差を 2 π を周期とする ± π の範囲で考慮すれば、位相差のゼロク口ス位置を基準に距離を判別することができる。

また本発明によれば、レーダ像算出手段は、定在波に対応する信号に、予め定める窓関数を用い、複数の異なる中心周波数に対して、共通の可変幅で、フーリェ変換処理を行って複数のレーダ像関数を算出する。進行波発生手段によって発生される進行波の周波数の可変範囲は有限であり、窓関数でフーリェ変換処理を行う際の周波数範囲を狭めて、フーリェ変換処理の容易化を図ることができる。また本発明によれば、進行波発生手段は、発振周波数を制御可能で高周波信号を発生する発振器と、発振器の発振周波数を予め定める範囲で周期的に変化させるコントローラと、発振器からの高周波信号を、伝搬媒質としての空間に電磁波による進行波として送信するアンテナとを含むので、普遍的な空間を伝搬媒質として、非接触で距離を測定することができる。電磁波を反射しないものは測定対象から除外されるので、隠蔽された物体や衣服を着用している人体などの測定対象までの距離を測定することも可能となる。定在波検出手段は、電磁波を送信するアンテナを用いて定在波の検出を行うので、従来のレーダと同様な測定対象の探索と距離の測定とを行うこともできる。

Claims

請求の範囲

1 . 基準位置から測定対象までの距離を測定する方法であって、

基準位置と測定対象との周囲に存在する伝搬媒質中で、該基準位置から該測定対象に向けて進行する進行波を、周波数を変化させながら発生させて、測定対象で反射する反射波と干渉させて定在波を生成する定在波生成段階と、

レーダ像算出段階で算出される複数のレ一ダ像関数間の位相差、およびいずれかのレーダ像関数の振幅が、予め定める条件を満たす間隔を、基準位置から測定対象までの距離として判別する距離判別段階とを含むことを特徴とする距離測定方法。

2 . 前記測定対象として、距離測定の目的となる測定対象と、距離測定の基準となる測定対象と同時に測定することを特徴とする請求項 1記載の距離測定方法。

3 . 基準位置から測定対象までの距離を測定する装置であって、

基準位置と測定対象との周囲に存在する伝搬媒質中に、該基準位置から該測定対象に向けて進行する進行波を、周波数を変化させながら発生させる進行波発生手段と、

レーダ像算出手段によって算出される複数のレーダ像関数間の位相差、およびいずれかのレーダ像関数の振幅が、予め定める条件を満たす間隔を、基準位置から測定対象までの距離として判別する距離判別手段とを含むことを特徴とする距離測定装置。

4 . 前記レーダ像算出手段は、フーリエ変換処理によって前記複数のレーダ像関数をそれぞれ算出し、

前記距離判別手段は、少なくとも 2つのレーダ像関数間の位相差が 0または円周率 π の偶数倍のラジアン値となり、少なくともいずれかのレーダ像関数の振幅が極値となる間隔を、前記予め定める条件を満たす距離として判別することを特徴とする請求項 3記載の距離測定装置。

5 . 前記レーダ像算出手段は、前記定在波に対応する信号に、予め定める窓関数を用い、前記複数の異なる中心周波数に対して、共通の可変幅で、フーリエ変換処理を行って前記複数のレーダ像関数を算出することを特徴とする請求項 4記載の距離測定装置。

6 . 前記進行波発生手段は、

発振周波数を制御可能で高周波信号を発生する発振器と、

前記定在波検出手段は、該アンテナを用いて前記定在波の検出を行うことを特徴とする請求項 3〜 5のいずれかに記載の距離測定装置。