JP3735721B2 - 電波近接センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続波の電波を放射して反射物体からの反射電波を検出し、反射物体までの距離を測定するために用いられる電波近接センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、連続波の電波を使用し反射物体までの距離を検出可能な電波近接センサとしては、図５に示すように、２つの周波数の連続波の電波を制御信号に基づき時間で切り替えて放射し、反射電波のドップラー信号を制御信号で同期検波してその位相差から距離を測定する２周波ＣＷ方式と、図６に示すように、時間により周波数を連続的に変化させる変調を加えた連続波の電波を放射し、反射電波と放射電波の周波数差から距離を測定するＦＭ−ＣＷ方式がある。
【０００３】
図５の２周波ＣＷ方式において、１は送信用アンテナ、２は発振器（発振回路）であり、３は発振制御回路である。発振器２は異なった２つの発振周波数の高周波を切り替えて出力可能なものであり、発振制御回路３は発振器２の発振周波数を時間により切り替える制御信号を出力するものであり、送信用アンテナ１は発振制御回路３の制御信号で制御された発振器２の高周波出力を電波として放射する。
【０００４】
受信用アンテナ４は送信用アンテナ１から放射された電波の反射物体からの反射電波を受信し、その受信信号がミキサ５に加えられる。ミキサ５には前記発振器２の高周波出力もカプラ等の結合手段６を介して加えられており、ここで、受信用アンテナ４の受信信号と発振器２の高周波出力とを混合し、前記反射物体との相対速度に応じて発生するドップラー信号を検出する。検波回路７はミキサ出力について発振制御回路３の制御信号に基づき発振器２のそれぞれの発振周波数毎に同期検波を行う。フィルタ回路８−１，８−２は、検波回路７で同期検波された前記発振周波数に対応する各出力からドップラー信号をそれぞれ抽出し、位相検出回路９で発振器２の２つの発振周波数に応じたフィルタ回路８−１，８−２のそれぞれの出力の位相差を検出し、これより距離測定結果が得られる。
【０００５】
図６のＦＭ−ＣＷ方式において、１は送信用アンテナ、２は発振器（発振回路）であり、１０は周波数変調回路である。送信用アンテナ１は周波数変調回路１０の変調信号で周波数変調された発振器２の高周波出力を電波として放射する。受信用アンテナ４は送信用アンテナ１から放射された電波の反射物体からの反射電波を受信し、その受信信号がミキサ５に加えられる。ミキサ５には前記発振器２の高周波出力もカプラ等の結合手段６を介して加えられており、ここで、受信用アンテナ４の受信信号と発振器２の高周波出力とを混合し、前記反射物体との相対速度に応じて発生するドップラー信号を含む周波数差信号を検出する。そして、前記周波数差信号を検波回路１１で検波した検波信号をフィルタ回路１２を通し、さらに周波数検出回路１３で周波数検出を行うことで距離測定結果が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した２つの方式のうち、前者は、距離の測定精度を上げるためには２つの周波数の差を大きくする必要があり、その結果、測定できる最大距離が短くなる欠点を有する。また、反射電波のドップラー効果による周波数変化をドップラー信号として検出する必要があるため、電波近接センサとの間で相対速度のない反射物体の検出及び距離の測定は不可能である。なお、相対速度のない反射物体の検出及び距離の測定については、２つの異なる周波数の連続波の電波を同時に送信し、反射電波を異なる送信周波数の信号と混合して検波することで行う方法も考えられるが、２つの異なる周波数の連続波の電波を制御信号に基づき時間で切り替えて放射する機構への適用が困難であることから、極めて周波数の近い信号を分離することが容易な、ドップラー信号として検出する方法が一般的に用いられている。
【０００７】
次に、後者は、電波近接センサとの間で相対速度のない反射物体の検出及び距離の測定は可能であるが、近距離の反射物体の検出及び距離の測定を行うためには周波数を変化させる範囲を極めて大きくしなければならず、またこの場合は、測定できる最大距離が短くなる欠点を有する。
【０００８】
本発明は、このような背景の下になされたもので、距離の測定精度の向上及び測定できる最大距離の延長の両立を図った電波近接センサを提供することを目的としている。
【０００９】
また、本発明は、電波近接センサとの間で相対速度を有しない反射物体の検出及び距離の測定が可能な電波近接センサを提供することをもう１つの目的としている。
【００１０】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願請求項１の発明に係る電波近接センサは、連続波の電波を放射して反射物体からの反射電波を検出する構成において、
異なった３つ以上の発振周波数の高周波を切り替えて出力する発振回路と、
前記発振回路の発振周波数を時間により切り替える制御信号を出力する発振制御回路と、
前記発振制御回路の制御信号で制御された前記発振回路の高周波出力を電波として放射する送信用アンテナと、
前記送信用アンテナから放射された電波の反射物体からの反射電波を受信する受信用アンテナと、
前記受信用アンテナの受信信号と前記発振回路の高周波出力とを混合し、前記反射物体との相対速度に応じて発生するドップラー信号を検出するミキサと、
前記ミキサ出力について前記発振制御回路の制御信号に基づき前記発振回路のそれぞれの発振周波数毎に同期検波を行う検波回路と、
前記検波回路で同期検波された前記発振周波数に対応する各出力からドップラー信号をそれぞれ抽出するための３つ以上のフィルタ回路と、
前記発振回路の発振周波数に応じた前記フィルタ回路のそれぞれの出力の位相差を検出する位相検出回路と、
前記位相検出回路の複数の出力を同時に用いることで、前記反射物体の距離を算出し出力する演算回路とを備え、
前記演算回路は、前記位相検出回路の出力である３つ以上の位相差を同時に用いることにより、前記反射物体の距離を、前記異なった３つ以上の発振周波数の３つ以上の周波数差それぞれから得られる測定可能最大距離の最小公倍数である距離まで算出することを特徴としている。
【００１２】
本願請求項２の発明に係る電波近接センサは、連続波の電波を放射して反射物体からの反射電波を検出する構成において、
異なった３つ以上の発振周波数の高周波をそれぞれ出力する発振回路と、
前記発振回路の高周波出力を電波として放射する送信用アンテナと、
前記送信用アンテナから放射された電波の反射物体からの反射電波を受信する受信用アンテナと、
前記受信用アンテナの受信信号と前記発振回路の高周波出力とを混合し、前記反射物体との相対速度に応じて発生するドップラー信号を検出するミキサと、
発振周波数の異なる前記発振回路のそれぞれの発振周波数に対応する各ミキサ出力からドップラー信号をそれぞれ抽出するための３つ以上のフィルタ回路と、
前記発振回路の発振周波数に応じた前記フィルタ回路のそれぞれの出力の位相差を検出する位相検出回路と、
前記位相検出回路の複数の出力を同時に用いることで、前記反射物体の距離を算出し出力する演算回路とを備え、
前記演算回路は、前記位相検出回路の出力である３つ以上の位相差を同時に用いることにより、前記反射物体の距離を、前記異なった３つ以上の発振周波数の３つ以上の周波数差それぞれから得られる測定可能最大距離の最小公倍数である距離まで算出することを特徴としている。
【００１３】
本願請求項３の発明に係る電波近接センサは、請求項１又は２において、前記受信用アンテナの出力と前記ミキサとの間に、時間に対して連続で位相を変化させる可変移相器を挿入することで、反射物体との相対速度が存在しない場合でも擬似ドップラー信号を発生させることを特徴としている。
【００１４】
本願請求項４の発明に係る電波近接センサは、請求項１，２又は３において、１つのアンテナを前記送信用アンテナと前記受信用アンテナとに共用したことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電波近接センサの実施の形態を図面に従って説明する。
【００１６】
図１乃至図３を用いて本発明に係る電波近接センサの第１の実施の形態を説明する。
【００１７】
図１は電波近接センサの構成図であって、１は送信用アンテナ、２２は発振器（発振回路）であり、２３は発振制御回路である。発振器２２は異なった３つ以上の発振周波数の高周波を切り替えて出力可能なものであり、発振制御回路２３は発振器２２の発振周波数を時間により切り替える制御信号を出力するものである。そして、発振制御回路２３の制御信号により発振周波数が短時間ずつ切り替えられた発振器２２の高周波の発振出力は、送信用アンテナ１から放射される。なお、切り替えられる発振周波数は３つ以上であればよいが、図１では３周波数の切り替えとして示している。
【００１８】
前記送信用アンテナ１から放射された電波は、反射物体が存在する場合に反射して受信用アンテナ４で受信され、その受信信号は可変移相器２４を経由してミキサ５に加えられる。ミキサ５には前記発振器２２の高周波出力もカプラ等の結合手段６で分配されて加えられており、ここで、受信用アンテナ４の受信信号と発振器２２の高周波出力とを混合し、前記反射物体との相対速度に応じて発生するドップラー信号を検出する。
【００１９】
なお、反射物体が電波近接センサとの間で相対速度を有さず、反射信号にドップラー効果による周波数変化が存在しない場合等は、受信用アンテナ４の出力とミキサ５との間に挿入された可変移相器２４で、時間に対し連続で位相を変化させて（例えば時間の経過に比例して位相を単調増加させて）擬似ドップラー信号を付加する。また、反射物体が電波近接センサとの間で相対速度を有するときは可変移相器２４は作動させないようにしてもよいし、あるいは前記ドップラー信号の周波数に対して前記擬似ドップラー信号の周波数が大きく異なるようにして混同を避けるようにすればよい。
【００２０】
検波回路７はミキサ出力について発振制御回路２３の制御信号に基づき発振器２２のそれぞれの発振周波数毎に同期検波を行う。フィルタ回路８−１，８−２，８−３は、検波回路７で同期検波された３つの発振周波数に対応する各出力からドップラー信号をそれぞれ抽出し、位相検出回路９−１，９−２，９−３で発振器２２の３つの発振周波数に応じたフィルタ回路８−１，８−２，８−３間の出力の位相差（それぞれのドップラー信号間の位相差）を検出する。位相検出回路９−１，９−２，９−３の出力は演算回路２５に入力され、反射物体までの距離が算出され、距離測定結果が出力される。
【００２１】
以下、電波近接センサの原理について説明する。
【００２２】
図５に示した従来の２周波ＣＷ方式では、２つの発振周波数のドップラー信号間の位相差を△Φ、２つの発振周波数ｆｌ，ｆ２の周波数差を△ｆ、光速をＣ、各々の信号の初期位相をφ１，φ２とすると、時間ｔの送信信号Ｖｔｌ（ｔ）及びＶｔ２（ｔ）は次のようになる。
Ｖｔ１（ｔ）＝ｓｉｎ（２πｆ１・ｔ＋φ１） …（１）
Ｖｔ２（ｔ）＝ｓｉｎ（２πｆ２・ｔ＋φ２） …（２）
【００２３】
反射物体で反射された後、受信された受信信号Ｖｒ１（ｔ），Ｖｒ２（ｔ）は、反射物体までの距離をＲ、光速をＣ、それぞれの目標との相対速度によって受信信号に重畳したドップラー波数をｆｄ１，ｆｄ２とすると
となる。
【００２４】
ここで、これらの周波数ｆ１＋ｆｄ１，ｆ２＋ｆｄ２の受信信号と、周波数ｆ１，ｆ２の送信信号をミキサで混合して検波すると、次式の中間周波数帯の信号ＶＩ１（ｔ），ＶＩ２（ｔ）が得られる。
ここで、Δｆ≪ｆ１であれば、ｆｄ１≒ｆｄ２となるので、（５），（６）式の信号の位相差Δφを求めると、次のようになる。
Δφ＝４π（ｆ２−ｆ１）Ｒ／Ｃ＝４πΔｆ・Ｒ／Ｃ …（７）
従って、位相差Δφが得られれば、目標までの距離Ｒは（８）式で求められる。
Ｒ＝ＣΔφ／４πΔｆ …（８）
【００２５】
前記（８）式から明らかなように、周波数差Δｆを大きくすれば、距離Ｒに応じた位相差Δφも大きくなり距離の測定精度は向上する。しかしΔφがπを超えた場合は、位相差がΔφであるのかΔφ＋ｎπ（ｎ＝１，２，３，…）であるのかが特定できず、測定された距離が確定できなくなるため、測定精度向上のため周波数差Δｆを大きくすると測定できる最大距離が短くなる。２周波ＣＷ方式における測定距離と位相差の関係を図２（Ａ）に示す。
【００２６】
また、測定できる最大距離が長距離及び短距離である異なる２周波で距離の測定を行い、遠距離に目標の存在しないことを確認して短距離での検出を行う２周波ＣＷ方式も存在するが、精度よく距離の測定が行えるのは短距離に限られている。
【００２７】
本発明の電波近接センサでは、３つ以上の発振周波数を用い、それぞれで測定された位相差を同時に用いることで遠距離までの高精度の距離測定を可能としている。以下３つの発振周波数の場合を例として説明する。
【００２８】
３つの発振周波数をそれぞれｆｌ、ｆ２、ｆ３（ｆｌ＞ｆ２＞ｆ３）とすると、（９）式から（１１）式に示す３つの周波数差が得られる。
△ｆ（１−２）＝ｆｌ−ｆ２ …（９）
△ｆ（２−３）＝ｆ２−ｆ３ …（１０）
△ｆ（１−３）＝ｆｌ−ｆ３ …（１１）
【００２９】
ここで、△ｆ（１−２）を△ｆ（２−３）よりも小さく、△ｆ（１−３）を△ｆ（２−３）よりも大きくなるように周波数差を設定し、それぞれの周波数差に応じたドップラー信号間の位相差を△φ（１−２）、△φ（２−３）及び△φ（１−３）とすれば、測定距離と位相差の関係は図２（Ｂ）に示すようになる。
【００３０】
図２（Ｂ）から周波数差の大きい△ｆ（１−３）では、距離Ｒに応じた位相差△φ（１−３）も大きいことから距離の測定精度も高く得られ、この周波数差で位相差△φ（１−３）がπを超えた遠距離についても、周波数差の小さい△ｆ（１−２）の△φ（１−２）による測定結果から測定された距離を確定できる。
【００３１】
距離の確定が不可能となるのは、３つの周波数差の全てで位相差がπとなる点以遠となり、測定できる最大距離は、３つの周波数差のそれぞれの最大距離の最小公倍数の距離まで延長される。
【００３２】
演算回路２５による距離算出の原理について、３つの発振周波数の場合を例として更に説明する。
【００３３】
３つの周波数差△ｆ（１−２）、△ｆ（２−３）及び△ｆ（１−３）により測定される距離をＲ（１−２）、Ｒ（２−３）及びＲ（１−３）とすると、（８）式より
Ｒ（１−２）＝ＣΔφ（１−２）／４πΔｆ（１−２） …（１２）
Ｒ（２−３）＝ＣΔφ（２−３）／４πΔｆ（２−３） …（１３）
Ｒ（１−３）＝ＣΔφ（１−３）／４πΔｆ（１−３） …（１４）
となる。
【００３４】
また、それぞれの周波数差単独で測定可能な最大距離をそれぞれＲmax（１−２）、Ｒmax（２−３）、Ｒmax（１−３）とすると
Ｒmax（１−２）＝Ｃ／４Δｆ（１−２） …（１５）
Ｒmax（２−３）＝Ｃ／４Δｆ（２−３） …（１６）
Ｒmax（１−３）＝Ｃ／４Δｆ（１−３） …（１７）
となる。
【００３５】
ここで、３つの周波数差で測定される距離は同一であることから（１８）式が成立する。
（ｋ＋１）Ｒ（１−２）＝（ｍ＋１）Ｒ（２−３）＝（ｎ＋１）Ｒ（１−３）
（ｋ，ｍ，ｎ＝０，１，２，３，…） …（１８）
【００３６】
上述したとおり、単一の周波数差では（１５）〜（１７）式で求められる最大距離を超えた場合に距離の確定ができなくなるが、それぞれの最大距離の最小公倍数の距離までの範囲で（１８）式を成り立たせるｋ，ｍ及びｎの値は一つの組しかないため、ｋ，ｍ及びｎを演算回路２５により数値計算等で求めればよい。
【００３７】
もちろん周波数差の大きな△ｆ（１−３）で測定された距離に比べ、周波数差の小さな△ｆ（１−２）や△ｆ（２−３）により測定された距離の精度は低いことから、（１８）式の適用においては、等号の成立について誤差範囲を設けることとなる。
【００３８】
以上の方法により、周波数差が最も大きい△ｆ（１−３）の距離測定の精度で、周波数差が最も小さい△ｆ（１−２）のＲmax（１−２）よりも最大距離を更に遠くまで延長することが可能となる。
【００３９】
一例として、△ｆ（１−２）＝５ＭＨｚ、Δｆ（２−３）＝７．５ＭＨｚ、Δｆ（１−３）＝１２．５ＭＨｚとした場合は、（８）〜（１０）式より光速Ｃ＝３×１０８ｍ／ｓとすると、Ｒmax（１−２）＝５ｍ、Ｒmax（２−３）＝６ｍ、Ｒmax（１−３）＝１５ｍとなり、これらの最小公倍数３０ｍまで測定可能な最大距離を高精度に延長できる。
【００４０】
図３（Ａ）は２周波ＣＷ方式、同図（Ｂ）は本発明の電波近接センサのミキサ出力及び検波回路による同期検波後にフィルタ回路によりドップラー信号を抽出した結果をそれぞれ模式的に表したものであり、これらのドップラー信号間の位相差から距離を測定する。
【００４１】
また、反射物体からの反射電波の受信信号の周波数をＦ、時間ｔに対する可変移相器２４による位相変化量を２πｆｓ・ｔとすると、可変移相器の出力信号Ａ（ｔ）は
Ａ（ｔ）＝ｓｉｎ（２πＦｔ＋２πｆｓ・ｔ）
＝ｓｉｎ２π（Ｆ＋ｆｓ）ｔ …（１９）
となり、Ｆに対しθの周波数変化を付加できる。
【００４２】
このように可変移相器２４により、受信信号について時間ｔに対し連続で位相を変化させ、このときの位相変化量を２πｆｓ・ｔとすると、目標で反射されたされた後、受信された（３），（４）式の受信信号Ｖｒｌ（ｔ），Ｖｒ２（ｔ）は、擬似ドップラー信号の周波数ｆｓだけ偏移した次の式の信号Ｖｒｓｌ（ｔ），Ｖｒｓ２（ｔ）に変換される。
Ｖｒｓ１（ｔ）＝ｓｉｎ｛２π（ｆｄ１＋ｆｓ）ｔ−４πｆ１・Ｒ／Ｃ＋φ１｝
…（２０）
Ｖｒｓ２（ｔ）＝ｓｉｎ｛２π（ｆｄ２＋ｆｓ）ｔ−４πｆ２・Ｒ／Ｃ＋φ２｝
…（２１）
よって、これらの信号と周波数ｆｌ，ｆ２の送信信号をミキサで混合して検波すると、擬似ドップラー信号により次式の中間周波数帯の信号ＶＩＳｌ（ｔ），ＶＩＳ２（ｔ）が得られる。
ＶＩＳｌ（ｔ）＝ｓｉｎ（２πｆｓ・ｔ−４πｆ１・Ｒ／Ｃ） …（２２）
ＶＩＳ２（ｔ）＝ｓｉｎ（２πｆｓ・ｔ−４πｆ２・Ｒ／Ｃ） …（２３）
【００４３】
反射物体が電波近接センサとの間で相対速度が存在せず反射信号にドップラー効果による周波数変化がない場合等においては、上述の可変移相器による擬似ドップラー信号を用いることで２周波ＣＷ方式では不可能な物体の検出及び距離の測定が可能となる。
【００４４】
上述の第１の実施の形態における原理の説明では、３つの異なる発振周波数を用いる場合を例としているが、４つ以上の異なる発振周波数を用いる場合は、得られる周波数差が多数となり、測定できる最大距離の延長が更に可能となる。
【００４５】
図４は電波近接センサの第２の実施の形態を示す。この第２の実施の形態では、発振周波数を切り替える代わりに、３つの異なる周波数で発振する発振器３２−１，３２−２，３２−３を用い、これに対応させて送信用アンテナ１、受信用アンテナ４、可変移相器２４、ミキサ５及びカプラ等の結合手段６を設けている。そして、各発振器３２−１，３２−２，３２−３に対応したミキサ５の出力に含まれるドップラー信号を、フィルタ回路８−１，８−２，８−３でそれぞれ抽出する。これ以降の処理は前述の第１の実施の形態と同様である。また、動作原理も発振周波数の切り替えを行わない点を除けば第１の実施の形態と同じであり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４６】
なお、各実施の形態において発振制御回路、検波回路、フィルタ回路、位相検出回路及び演算回路は、アナログ回路又はデジタル回路で構成することができることはいうまでも無く、信号処理プロセッサなどを用いることも可能である。
【００４７】
また、送信用アンテナと受信用アンテナは、サーキュレータ等を用いて送信波と受信波の分離を行うことで共用化することも可能である。
【００４８】
また、反射物体と電波近接センサの間に相対速度が必ず存在する場合においては、可変移相器を省略することも可能である。
【００４９】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電波近接センサによれば、距離の測定精度の向上及び測定できる最大距離の延長を両立することができるとともに、電波近接センサとの間で相対速度を有しない反射物体の検出及び距離の測定が可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電波近接センサの第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】（Ａ）は２周波ＣＷ方式、（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態の場合の測定距離と位相差との関係図である。
【図３】（Ａ）は２周波ＣＷ方式、（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態の場合におけるミキサ出力及びドップラー信号の模式図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図５】２周波ＣＷ方式の電波近接センサの構成図である。
【図６】ＦＭ−ＣＷ方式の電波近接センサの構成図である。
【符号の説明】
１ 送信用アンテナ
２，２２，３２−１，３２−２，３２−３ 発振器
３，２３ 発振制御回路
４ 受信用アンテナ
５ ミキサ
６ 結合手段
７，１１ 検波回路
８−１，８−２，８−３，１２ フィルタ回路
９，９−１，９−２，９−３ 位相検出回路
１０ 周波数変調回路
２４ 可変移相器
２５ 演算回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続波の電波を放射して反射物体からの反射電波を検出し、反射物体までの距離を測定するために用いられる電波近接センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、連続波の電波を使用し反射物体までの距離を検出可能な電波近接センサとしては、図５に示すように、２つの周波数の連続波の電波を制御信号に基づき時間で切り替えて放射し、反射電波のドップラー信号を制御信号で同期検波してその位相差から距離を測定する２周波ＣＷ方式と、図６に示すように、時間により周波数を連続的に変化させる変調を加えた連続波の電波を放射し、反射電波と放射電波の周波数差から距離を測定するＦＭ−ＣＷ方式がある。
【０００３】
図５の２周波ＣＷ方式において、１は送信用アンテナ、２は発振器（発振回路）であり、３は発振制御回路である。発振器２は異なった２つの発振周波数の高周波を切り替えて出力可能なものであり、発振制御回路３は発振器２の発振周波数を時間により切り替える制御信号を出力するものであり、送信用アンテナ１は発振制御回路３の制御信号で制御された発振器２の高周波出力を電波として放射する。
【０００４】
受信用アンテナ４は送信用アンテナ１から放射された電波の反射物体からの反射電波を受信し、その受信信号がミキサ５に加えられる。ミキサ５には前記発振器２の高周波出力もカプラ等の結合手段６を介して加えられており、ここで、受信用アンテナ４の受信信号と発振器２の高周波出力とを混合し、前記反射物体との相対速度に応じて発生するドップラー信号を検出する。検波回路７はミキサ出力について発振制御回路３の制御信号に基づき発振器２のそれぞれの発振周波数毎に同期検波を行う。フィルタ回路８−１，８−２は、検波回路７で同期検波された前記発振周波数に対応する各出力からドップラー信号をそれぞれ抽出し、位相検出回路９で発振器２の２つの発振周波数に応じたフィルタ回路８−１，８−２のそれぞれの出力の位相差を検出し、これより距離測定結果が得られる。
【０００５】
図６のＦＭ−ＣＷ方式において、１は送信用アンテナ、２は発振器（発振回路）であり、１０は周波数変調回路である。送信用アンテナ１は周波数変調回路１０の変調信号で周波数変調された発振器２の高周波出力を電波として放射する。受信用アンテナ４は送信用アンテナ１から放射された電波の反射物体からの反射電波を受信し、その受信信号がミキサ５に加えられる。ミキサ５には前記発振器２の高周波出力もカプラ等の結合手段６を介して加えられており、ここで、受信用アンテナ４の受信信号と発振器２の高周波出力とを混合し、前記反射物体との相対速度に応じて発生するドップラー信号を含む周波数差信号を検出する。そして、前記周波数差信号を検波回路１１で検波した検波信号をフィルタ回路１２を通し、さらに周波数検出回路１３で周波数検出を行うことで距離測定結果が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した２つの方式のうち、前者は、距離の測定精度を上げるためには２つの周波数の差を大きくする必要があり、その結果、測定できる最大距離が短くなる欠点を有する。また、反射電波のドップラー効果による周波数変化をドップラー信号として検出する必要があるため、電波近接センサとの間で相対速度のない反射物体の検出及び距離の測定は不可能である。なお、相対速度のない反射物体の検出及び距離の測定については、２つの異なる周波数の連続波の電波を同時に送信し、反射電波を異なる送信周波数の信号と混合して検波することで行う方法も考えられるが、２つの異なる周波数の連続波の電波を制御信号に基づき時間で切り替えて放射する機構への適用が困難であることから、極めて周波数の近い信号を分離することが容易な、ドップラー信号として検出する方法が一般的に用いられている。
【０００７】
次に、後者は、電波近接センサとの間で相対速度のない反射物体の検出及び距離の測定は可能であるが、近距離の反射物体の検出及び距離の測定を行うためには周波数を変化させる範囲を極めて大きくしなければならず、またこの場合は、測定できる最大距離が短くなる欠点を有する。
【０００８】
本発明は、このような背景の下になされたもので、距離の測定精度の向上及び測定できる最大距離の延長の両立を図った電波近接センサを提供することを目的としている。
【０００９】
また、本発明は、電波近接センサとの間で相対速度を有しない反射物体の検出及び距離の測定が可能な電波近接センサを提供することをもう１つの目的としている。
【００１０】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願請求項１の発明に係る電波近接センサは、連続波の電波を放射して反射物体からの反射電波を検出する構成において、
異なった３つ以上の発振周波数の高周波を切り替えて出力する発振回路と、
前記発振回路の発振周波数を時間により切り替える制御信号を出力する発振制御回路と、
前記発振制御回路の制御信号で制御された前記発振回路の高周波出力を電波として放射する送信用アンテナと、
前記送信用アンテナから放射された電波の反射物体からの反射電波を受信する受信用アンテナと、
前記受信用アンテナの受信信号と前記発振回路の高周波出力とを混合し、前記反射物体との相対速度に応じて発生するドップラー信号を検出するミキサと、
前記ミキサ出力について前記発振制御回路の制御信号に基づき前記発振回路のそれぞれの発振周波数毎に同期検波を行う検波回路と、
前記検波回路で同期検波された前記発振周波数に対応する各出力からドップラー信号をそれぞれ抽出するための３つ以上のフィルタ回路と、
前記発振回路の発振周波数に応じた前記フィルタ回路のそれぞれの出力の位相差を検出する位相検出回路と、
前記位相検出回路の複数の出力を同時に用いることで、前記反射物体の距離を算出し出力する演算回路とを備え、
前記演算回路は、前記位相検出回路の出力である３つ以上の位相差を同時に用いることにより、前記反射物体の距離を、前記異なった３つ以上の発振周波数の３つ以上の周波数差それぞれから得られる測定可能最大距離の最小公倍数である距離まで算出することを特徴としている。
【００１２】
本願請求項２の発明に係る電波近接センサは、連続波の電波を放射して反射物体からの反射電波を検出する構成において、
異なった３つ以上の発振周波数の高周波をそれぞれ出力する発振回路と、
前記発振回路の高周波出力を電波として放射する送信用アンテナと、
前記送信用アンテナから放射された電波の反射物体からの反射電波を受信する受信用アンテナと、
前記受信用アンテナの受信信号と前記発振回路の高周波出力とを混合し、前記反射物体との相対速度に応じて発生するドップラー信号を検出するミキサと、
発振周波数の異なる前記発振回路のそれぞれの発振周波数に対応する各ミキサ出力からドップラー信号をそれぞれ抽出するための３つ以上のフィルタ回路と、
前記発振回路の発振周波数に応じた前記フィルタ回路のそれぞれの出力の位相差を検出する位相検出回路と、
前記位相検出回路の複数の出力を同時に用いることで、前記反射物体の距離を算出し出力する演算回路とを備え、
前記演算回路は、前記位相検出回路の出力である３つ以上の位相差を同時に用いることにより、前記反射物体の距離を、前記異なった３つ以上の発振周波数の３つ以上の周波数差それぞれから得られる測定可能最大距離の最小公倍数である距離まで算出することを特徴としている。
【００１３】
本願請求項３の発明に係る電波近接センサは、請求項１又は２において、前記受信用アンテナの出力と前記ミキサとの間に、時間に対して連続で位相を変化させる可変移相器を挿入することで、反射物体との相対速度が存在しない場合でも擬似ドップラー信号を発生させることを特徴としている。
【００１４】
本願請求項４の発明に係る電波近接センサは、請求項１，２又は３において、１つのアンテナを前記送信用アンテナと前記受信用アンテナとに共用したことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電波近接センサの実施の形態を図面に従って説明する。
【００１６】
図１乃至図３を用いて本発明に係る電波近接センサの第１の実施の形態を説明する。
【００１７】
図１は電波近接センサの構成図であって、１は送信用アンテナ、２２は発振器（発振回路）であり、２３は発振制御回路である。発振器２２は異なった３つ以上の発振周波数の高周波を切り替えて出力可能なものであり、発振制御回路２３は発振器２２の発振周波数を時間により切り替える制御信号を出力するものである。そして、発振制御回路２３の制御信号により発振周波数が短時間ずつ切り替えられた発振器２２の高周波の発振出力は、送信用アンテナ１から放射される。なお、切り替えられる発振周波数は３つ以上であればよいが、図１では３周波数の切り替えとして示している。
【００１８】
前記送信用アンテナ１から放射された電波は、反射物体が存在する場合に反射して受信用アンテナ４で受信され、その受信信号は可変移相器２４を経由してミキサ５に加えられる。ミキサ５には前記発振器２２の高周波出力もカプラ等の結合手段６で分配されて加えられており、ここで、受信用アンテナ４の受信信号と発振器２２の高周波出力とを混合し、前記反射物体との相対速度に応じて発生するドップラー信号を検出する。
【００１９】
なお、反射物体が電波近接センサとの間で相対速度を有さず、反射信号にドップラー効果による周波数変化が存在しない場合等は、受信用アンテナ４の出力とミキサ５との間に挿入された可変移相器２４で、時間に対し連続で位相を変化させて（例えば時間の経過に比例して位相を単調増加させて）擬似ドップラー信号を付加する。また、反射物体が電波近接センサとの間で相対速度を有するときは可変移相器２４は作動させないようにしてもよいし、あるいは前記ドップラー信号の周波数に対して前記擬似ドップラー信号の周波数が大きく異なるようにして混同を避けるようにすればよい。
【００２０】
検波回路７はミキサ出力について発振制御回路２３の制御信号に基づき発振器２２のそれぞれの発振周波数毎に同期検波を行う。フィルタ回路８−１，８−２，８−３は、検波回路７で同期検波された３つの発振周波数に対応する各出力からドップラー信号をそれぞれ抽出し、位相検出回路９−１，９−２，９−３で発振器２２の３つの発振周波数に応じたフィルタ回路８−１，８−２，８−３間の出力の位相差（それぞれのドップラー信号間の位相差）を検出する。位相検出回路９−１，９−２，９−３の出力は演算回路２５に入力され、反射物体までの距離が算出され、距離測定結果が出力される。
【００２１】
以下、電波近接センサの原理について説明する。
【００２２】
図５に示した従来の２周波ＣＷ方式では、２つの発振周波数のドップラー信号間の位相差を△Φ、２つの発振周波数ｆｌ，ｆ２の周波数差を△ｆ、光速をＣ、各々の信号の初期位相をφ１，φ２とすると、時間ｔの送信信号Ｖｔｌ（ｔ）及びＶｔ２（ｔ）は次のようになる。
Ｖｔ１（ｔ）＝ｓｉｎ（２πｆ１・ｔ＋φ１） …（１）
Ｖｔ２（ｔ）＝ｓｉｎ（２πｆ２・ｔ＋φ２） …（２）
【００２３】
反射物体で反射された後、受信された受信信号Ｖｒ１（ｔ），Ｖｒ２（ｔ）は、反射物体までの距離をＲ、光速をＣ、それぞれの目標との相対速度によって受信信号に重畳したドップラー波数をｆｄ１，ｆｄ２とすると
【００２４】
ここで、これらの周波数ｆ１＋ｆｄ１，ｆ２＋ｆｄ２の受信信号と、周波数ｆ１，ｆ２の送信信号をミキサで混合して検波すると、次式の中間周波数帯の信号ＶＩ１（ｔ），ＶＩ２（ｔ）が得られる。
Δφ＝４π（ｆ２−ｆ１）Ｒ／Ｃ＝４πΔｆ・Ｒ／Ｃ …（７）
従って、位相差Δφが得られれば、目標までの距離Ｒは（８）式で求められる。
Ｒ＝ＣΔφ／４πΔｆ …（８）
【００２５】
前記（８）式から明らかなように、周波数差Δｆを大きくすれば、距離Ｒに応じた位相差Δφも大きくなり距離の測定精度は向上する。しかしΔφがπを超えた場合は、位相差がΔφであるのかΔφ＋ｎπ（ｎ＝１，２，３，…）であるのかが特定できず、測定された距離が確定できなくなるため、測定精度向上のため周波数差Δｆを大きくすると測定できる最大距離が短くなる。２周波ＣＷ方式における測定距離と位相差の関係を図２（Ａ）に示す。
【００２６】
また、測定できる最大距離が長距離及び短距離である異なる２周波で距離の測定を行い、遠距離に目標の存在しないことを確認して短距離での検出を行う２周波ＣＷ方式も存在するが、精度よく距離の測定が行えるのは短距離に限られている。
【００２７】
本発明の電波近接センサでは、３つ以上の発振周波数を用い、それぞれで測定された位相差を同時に用いることで遠距離までの高精度の距離測定を可能としている。以下３つの発振周波数の場合を例として説明する。
【００２８】
３つの発振周波数をそれぞれｆｌ、ｆ２、ｆ３（ｆｌ＞ｆ２＞ｆ３）とすると、（９）式から（１１）式に示す３つの周波数差が得られる。
△ｆ（１−２）＝ｆｌ−ｆ２ …（９）
△ｆ（２−３）＝ｆ２−ｆ３ …（１０）
△ｆ（１−３）＝ｆｌ−ｆ３ …（１１）
【００２９】
ここで、△ｆ（１−２）を△ｆ（２−３）よりも小さく、△ｆ（１−３）を△ｆ（２−３）よりも大きくなるように周波数差を設定し、それぞれの周波数差に応じたドップラー信号間の位相差を△φ（１−２）、△φ（２−３）及び△φ（１−３）とすれば、測定距離と位相差の関係は図２（Ｂ）に示すようになる。
【００３０】
図２（Ｂ）から周波数差の大きい△ｆ（１−３）では、距離Ｒに応じた位相差△φ（１−３）も大きいことから距離の測定精度も高く得られ、この周波数差で位相差△φ（１−３）がπを超えた遠距離についても、周波数差の小さい△ｆ（１−２）の△φ（１−２）による測定結果から測定された距離を確定できる。
【００３１】
距離の確定が不可能となるのは、３つの周波数差の全てで位相差がπとなる点以遠となり、測定できる最大距離は、３つの周波数差のそれぞれの最大距離の最小公倍数の距離まで延長される。
【００３２】
演算回路２５による距離算出の原理について、３つの発振周波数の場合を例として更に説明する。
【００３３】
３つの周波数差△ｆ（１−２）、△ｆ（２−３）及び△ｆ（１−３）により測定される距離をＲ（１−２）、Ｒ（２−３）及びＲ（１−３）とすると、（８）式より
Ｒ（１−２）＝ＣΔφ（１−２）／４πΔｆ（１−２） …（１２）
Ｒ（２−３）＝ＣΔφ（２−３）／４πΔｆ（２−３） …（１３）
Ｒ（１−３）＝ＣΔφ（１−３）／４πΔｆ（１−３） …（１４）
となる。
【００３４】
また、それぞれの周波数差単独で測定可能な最大距離をそれぞれＲmax（１−２）、Ｒmax（２−３）、Ｒmax（１−３）とすると
Ｒmax（１−２）＝Ｃ／４Δｆ（１−２） …（１５）
Ｒmax（２−３）＝Ｃ／４Δｆ（２−３） …（１６）
Ｒmax（１−３）＝Ｃ／４Δｆ（１−３） …（１７）
となる。
【００３５】
ここで、３つの周波数差で測定される距離は同一であることから（１８）式が成立する。
（ｋ＋１）Ｒ（１−２）＝（ｍ＋１）Ｒ（２−３）＝（ｎ＋１）Ｒ（１−３）
（ｋ，ｍ，ｎ＝０，１，２，３，…） …（１８）
【００３６】
上述したとおり、単一の周波数差では（１５）〜（１７）式で求められる最大距離を超えた場合に距離の確定ができなくなるが、それぞれの最大距離の最小公倍数の距離までの範囲で（１８）式を成り立たせるｋ，ｍ及びｎの値は一つの組しかないため、ｋ，ｍ及びｎを演算回路２５により数値計算等で求めればよい。
【００３７】
もちろん周波数差の大きな△ｆ（１−３）で測定された距離に比べ、周波数差の小さな△ｆ（１−２）や△ｆ（２−３）により測定された距離の精度は低いことから、（１８）式の適用においては、等号の成立について誤差範囲を設けることとなる。
【００３８】
以上の方法により、周波数差が最も大きい△ｆ（１−３）の距離測定の精度で、周波数差が最も小さい△ｆ（１−２）のＲmax（１−２）よりも最大距離を更に遠くまで延長することが可能となる。
【００３９】
一例として、△ｆ（１−２）＝５ＭＨｚ、Δｆ（２−３）＝７．５ＭＨｚ、Δｆ（１−３）＝１２．５ＭＨｚとした場合は、（８）〜（１０）式より光速Ｃ＝３×１０８ｍ／ｓとすると、Ｒmax（１−２）＝５ｍ、Ｒmax（２−３）＝６ｍ、Ｒmax（１−３）＝１５ｍとなり、これらの最小公倍数３０ｍまで測定可能な最大距離を高精度に延長できる。
【００４０】
図３（Ａ）は２周波ＣＷ方式、同図（Ｂ）は本発明の電波近接センサのミキサ出力及び検波回路による同期検波後にフィルタ回路によりドップラー信号を抽出した結果をそれぞれ模式的に表したものであり、これらのドップラー信号間の位相差から距離を測定する。
【００４１】
また、反射物体からの反射電波の受信信号の周波数をＦ、時間ｔに対する可変移相器２４による位相変化量を２πｆｓ・ｔとすると、可変移相器の出力信号Ａ（ｔ）は
Ａ（ｔ）＝ｓｉｎ（２πＦｔ＋２πｆｓ・ｔ）
＝ｓｉｎ２π（Ｆ＋ｆｓ）ｔ …（１９）
となり、Ｆに対しθの周波数変化を付加できる。
【００４２】
このように可変移相器２４により、受信信号について時間ｔに対し連続で位相を変化させ、このときの位相変化量を２πｆｓ・ｔとすると、目標で反射されたされた後、受信された（３），（４）式の受信信号Ｖｒｌ（ｔ），Ｖｒ２（ｔ）は、擬似ドップラー信号の周波数ｆｓだけ偏移した次の式の信号Ｖｒｓｌ（ｔ），Ｖｒｓ２（ｔ）に変換される。
Ｖｒｓ１（ｔ）＝ｓｉｎ｛２π（ｆｄ１＋ｆｓ）ｔ−４πｆ１・Ｒ／Ｃ＋φ１｝
…（２０）
Ｖｒｓ２（ｔ）＝ｓｉｎ｛２π（ｆｄ２＋ｆｓ）ｔ−４πｆ２・Ｒ／Ｃ＋φ２｝
…（２１）
よって、これらの信号と周波数ｆｌ，ｆ２の送信信号をミキサで混合して検波すると、擬似ドップラー信号により次式の中間周波数帯の信号ＶＩＳｌ（ｔ），ＶＩＳ２（ｔ）が得られる。
ＶＩＳｌ（ｔ）＝ｓｉｎ（２πｆｓ・ｔ−４πｆ１・Ｒ／Ｃ） …（２２）
ＶＩＳ２（ｔ）＝ｓｉｎ（２πｆｓ・ｔ−４πｆ２・Ｒ／Ｃ） …（２３）
【００４３】
反射物体が電波近接センサとの間で相対速度が存在せず反射信号にドップラー効果による周波数変化がない場合等においては、上述の可変移相器による擬似ドップラー信号を用いることで２周波ＣＷ方式では不可能な物体の検出及び距離の測定が可能となる。
【００４４】
上述の第１の実施の形態における原理の説明では、３つの異なる発振周波数を用いる場合を例としているが、４つ以上の異なる発振周波数を用いる場合は、得られる周波数差が多数となり、測定できる最大距離の延長が更に可能となる。
【００４５】
図４は電波近接センサの第２の実施の形態を示す。この第２の実施の形態では、発振周波数を切り替える代わりに、３つの異なる周波数で発振する発振器３２−１，３２−２，３２−３を用い、これに対応させて送信用アンテナ１、受信用アンテナ４、可変移相器２４、ミキサ５及びカプラ等の結合手段６を設けている。そして、各発振器３２−１，３２−２，３２−３に対応したミキサ５の出力に含まれるドップラー信号を、フィルタ回路８−１，８−２，８−３でそれぞれ抽出する。これ以降の処理は前述の第１の実施の形態と同様である。また、動作原理も発振周波数の切り替えを行わない点を除けば第１の実施の形態と同じであり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４６】
なお、各実施の形態において発振制御回路、検波回路、フィルタ回路、位相検出回路及び演算回路は、アナログ回路又はデジタル回路で構成することができることはいうまでも無く、信号処理プロセッサなどを用いることも可能である。
【００４７】
また、送信用アンテナと受信用アンテナは、サーキュレータ等を用いて送信波と受信波の分離を行うことで共用化することも可能である。
【００４８】
また、反射物体と電波近接センサの間に相対速度が必ず存在する場合においては、可変移相器を省略することも可能である。
【００４９】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電波近接センサによれば、距離の測定精度の向上及び測定できる最大距離の延長を両立することができるとともに、電波近接センサとの間で相対速度を有しない反射物体の検出及び距離の測定が可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電波近接センサの第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】（Ａ）は２周波ＣＷ方式、（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態の場合の測定距離と位相差との関係図である。
【図３】（Ａ）は２周波ＣＷ方式、（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態の場合におけるミキサ出力及びドップラー信号の模式図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図５】２周波ＣＷ方式の電波近接センサの構成図である。
【図６】ＦＭ−ＣＷ方式の電波近接センサの構成図である。
【符号の説明】
１ 送信用アンテナ
２，２２，３２−１，３２−２，３２−３ 発振器
３，２３ 発振制御回路
４ 受信用アンテナ
５ ミキサ
６ 結合手段
７，１１ 検波回路
８−１，８−２，８−３，１２ フィルタ回路
９，９−１，９−２，９−３ 位相検出回路
１０ 周波数変調回路
２４ 可変移相器
２５ 演算回路
Claims (4)
- 連続波の電波を放射して反射物体からの反射電波を検出する電波近接センサにおいて、
異なった３つ以上の発振周波数の高周波を切り替えて出力する発振回路と、
前記発振回路の発振周波数を時間により切り替える制御信号を出力する発振制御回路と、
前記発振制御回路の制御信号で制御された前記発振回路の高周波出力を電波として放射する送信用アンテナと、
前記送信用アンテナから放射された電波の反射物体からの反射電波を受信する受信用アンテナと、
前記受信用アンテナの受信信号と前記発振回路の高周波出力とを混合し、前記反射物体との相対速度に応じて発生するドップラー信号を検出するミキサと、
前記ミキサ出力について前記発振制御回路の制御信号に基づき前記発振回路のそれぞれの発振周波数毎に同期検波を行う検波回路と、
前記検波回路で同期検波された前記発振周波数に対応する各出力からドップラー信号をそれぞれ抽出するための３つ以上のフィルタ回路と、
前記発振回路の発振周波数に応じた前記フィルタ回路のそれぞれの出力の位相差を検出する位相検出回路と、
前記位相検出回路の複数の出力を同時に用いることで、前記反射物体の距離を算出し出力する演算回路とを備え、
前記演算回路は、前記位相検出回路の出力である３つ以上の位相差を同時に用いることにより、前記反射物体の距離を、前記異なった３つ以上の発振周波数の３つ以上の周波数差それぞれから得られる測定可能最大距離の最小公倍数である距離まで算出することを特徴とする電波近接センサ。 - 連続波の電波を放射して反射物体からの反射電波を検出する電波近接センサにおいて、
異なった３つ以上の発振周波数の高周波をそれぞれ出力する発振回路と、
前記発振回路の高周波出力を電波として放射する送信用アンテナと、
前記送信用アンテナから放射された電波の反射物体からの反射電波を受信する受信用アンテナと、
前記受信用アンテナの受信信号と前記発振回路の高周波出力とを混合し、前記反射物体との相対速度に応じて発生するドップラー信号を検出するミキサと、
発振周波数の異なる前記発振回路のそれぞれの発振周波数に対応する各ミキサ出力からドップラー信号をそれぞれ抽出するための３つ以上のフィルタ回路と、
前記発振回路の発振周波数に応じた前記フィルタ回路のそれぞれの出力の位相差を検出する位相検出回路と、
前記位相検出回路の複数の出力を同時に用いることで、前記反射物体の距離を算出し出力する演算回路とを備え、
前記演算回路は、前記位相検出回路の出力である３つ以上の位相差を同時に用いることにより、前記反射物体の距離を、前記異なった３つ以上の発振周波数の３つ以上の周波数差それぞれから得られる測定可能最大距離の最小公倍数である距離まで算出することを特徴とする電波近接センサ。 - 前記受信用アンテナの出力と前記ミキサとの間に、時間に対して連続で位相を変化させる可変移相器を挿入することで、反射物体との相対速度が存在しない場合でも擬似ドップラー信号を発生させる請求項１又は２記載の電波近接センサ。
- １つのアンテナを前記送信用アンテナと前記受信用アンテナとに共用した請求項１，２又は３記載の電波近接センサ。
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