JP4705532B2 - 連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法に関するもので、より具体的には、マイクロ波の散乱波に所定の連続波を合成したビート信号について位相差を検出することでの連続波の設定およびビート信号に対する演算処理の改良に関する。
対象物体までの距離を測定する方法として、電波を利用して距離測定を行うレーダの技術が知られている。このレーダには各種方式の提案があり、送信波の変調の方法によって大別でき、無変調の連続波を送信する連続波方式（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）、パルス変調によるパルス波を送信するパルス方式、周波数変調による連続波を送信するＦＭＣＷ方式などがある。
対象物体が比較的に近距離にある場合は、パルス方式は高精度の時間分解能が要求されるため不利がありＣＷ方式やＦＭＣＷ方式を採用することが多い。ＣＷ方式は、例えば特許文献１，２などに見られるように、隣接する２つの周波数を送信する構成の提案があり、２周波による周波数差のビート信号から距離の測定が行える。また、ＦＭＣＷ方式は、対象物体が静止していても距離の測定を行うことができるが、距離の分解能の向上には周波数変調の帯域幅を広くする必要があり、電波法規上の規制から不都合がある。
特開平８−１６６４４３号公報
特許第３７３５７２１号公報
しかし、２周波によるＣＷ方式は、送信波の波長を越える距離の測定は不可能であり、対象物体までの距離が１波長以内に限られる欠点がある。つまり、２周波ｆ１，ｆ２でのビート信号から求まる距離が１波長λを越えるときには、位相差φは理論上は２π以上のはずが演算では２π以下の値になり理論値を確定できない問題がある。
そこで特許文献１，２などでは、２周波ｆ１，ｆ２でのビート信号から求まる距離が１波長λを越える場合について対策技術の提案があるが、検討したところ最大測定距離の拡大と高精度の測定との両立は十分とは言い難い。
この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、対象物体までの距離が１波長を越えているときでも１波長を越えていないときと同様に高精度で測定が行える連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法を提供することにある。
上記した目的を達成するために、本発明に係る連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法は、それぞれ近接した第１周波数ｆ１，第２周波数ｆ２，第３周波数ｆ３の異なる３つの周波数の連続波のマイクロ波を対象物体へ向けて照射し、前記対象物体からの散乱波と前記第１周波数ｆ１の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第２周波数ｆ２の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第３周波数ｆ３の連続波を合成した信号の３つの信号を得て、その３つの信号に基づいて前記対象物体までの距離を測定する方法であって、
前記対象物体からの散乱波と前記第１周波数ｆ１の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第２周波数ｆ２の連続波を合成した信号との位相差φＡを検出し、光の速度ｃにおいて対象物体までの距離ｄＡは、
ｄＡ＝ｃφＡ／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝
により算出し、前記対象物体からの散乱波と前記第１周波数ｆ１の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第３周波数ｆ３の連続波を合成した信号との位相差φＢを検出し、光の速度ｃにおいて対象物体までの距離ｄＢは、
ｄＢ＝ｃφＢ／｛４π（ｆ１＋ｆ３）｝
により算出し、１波長λＡを越える距離ＲＡおよび１波長λＢを越える距離ＲＢは、
ＲＡ＝ｄＡ＋ｎＡ・λＡ
ＲＢ＝ｄＢ＋ｎＢ・λＢ
により算出し、ここで整数ｎＡ，ｎＢは正値をとり距離ＲＡ，ＲＢの残差ｅを、
ｅ＝ＲＡ−ＲＢ
とおくとき、残差ｅが最小になる整数ｎＡ，ｎＢを決定し、決定した整数ｎＡ，ｎＢにより前記距離ＲＡ，ＲＢが同一値となる値を前記対象物体までの距離として求める手順を採る（請求項１）。
前記対象物体からの散乱波と前記第１周波数ｆ１の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第２周波数ｆ２の連続波を合成した信号との位相差φＡを検出し、光の速度ｃにおいて対象物体までの距離ｄＡは、
ｄＡ＝ｃφＡ／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝
により算出し、前記対象物体からの散乱波と前記第１周波数ｆ１の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第３周波数ｆ３の連続波を合成した信号との位相差φＢを検出し、光の速度ｃにおいて対象物体までの距離ｄＢは、
ｄＢ＝ｃφＢ／｛４π（ｆ１＋ｆ３）｝
により算出し、１波長λＡを越える距離ＲＡおよび１波長λＢを越える距離ＲＢは、
ＲＡ＝ｄＡ＋ｎＡ・λＡ
ＲＢ＝ｄＢ＋ｎＢ・λＢ
により算出し、ここで整数ｎＡ，ｎＢは正値をとり距離ＲＡ，ＲＢの残差ｅを、
ｅ＝ＲＡ−ＲＢ
とおくとき、残差ｅが最小になる整数ｎＡ，ｎＢを決定し、決定した整数ｎＡ，ｎＢにより前記距離ＲＡ，ＲＢが同一値となる値を前記対象物体までの距離として求める手順を採る（請求項１）。
したがって本発明では、測定に係る距離が１波長λＡを越えないときは、２周波ｆ１，ｆ２でのビート信号について位相差φＡを算出し、その位相差φＡから距離を高い分解能で確定することができる。
また、“ｄＡ＝ｃφＡ／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝”から明らかに、位置の決定精度は距離ｄに無関係であることから、対象物体までの距離ｄＡに関係なく最大測定可能距離以内の距離変動は、高精度で求めることができる。
さらに、２周波ｆ１，ｆ２でのビート信号から求まる距離が１波長λＡを越えるときには、第３周波数ｆ３を用いており、これによる２周波ｆ１，ｆ３でのビート信号の演算処理から距離ＲＢを求め、他方の２周波ｆ１，ｆ２による距離ＲＡとの残差ｅが最小となる整数ｎＡ，ｎＢを求めるので、その結果、２つの距離ＲＡ，ＲＢが同一値となる真値Ｒを確定できる。
本発明に係る連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法では、対象物体までの距離が１波長を越えているときでも、１波長を越えていないときと同様に高精度で測定が行える。
図１は、本発明の好適な一実施の形態を示している。本形態において、連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法は、異なる３つのマイクロ波を対象物体１０へ向けて照射し、当該対象物体１０からの散乱波には所定の連続波を合成してビート信号に変換し、そのビート信号について位相差を検出することにより対象物体１０までの距離を測定する方法である。測定系には、複数のマイクロ波センサ１，２，３を備え、対象物体１０へ向けて３つのマイクロ波ｆ１，ｆ２，ｆ３を照射する。そしてビート信号は２つの組み合わせを合成し、それらビート信号に対して演算処理を行う。
マイクロ波センサ１，２，３は、マイクロ波の送信部および受信部を有し、受信した散乱波にはドップラ効果による周波数偏移（ドップラ偏移）を含むことになり、対象物体１０についてドップラ偏移した信号を出力するようになっている。
つまり本発明にあっては、マイクロ波はそれぞれ近接した第１周波数ｆ１，第２周波数ｆ２，第３周波数ｆ３とし、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との周波数差Δｆ１−ｆ２によるビート信号について位相差φＡを検出する。この位相差φＡの検出は、例えばオシロスコープ等を用いて直接求める。そして、光の速度ｃにおいて対象物体１０までの距離ｄＡは、
ｄＡ＝ｃφＡ／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝ …（１５）
により算出する。
ｄＡ＝ｃφＡ／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝ …（１５）
により算出する。
さらに、距離ｄＡがビート信号の１波長λＡを越えるとき、第１周波数ｆ１と第３周波数ｆ３との周波数差Δｆ１−ｆ３によるビート信号について位相差φＢを検出する。この位相差φＢの検出処理も、位相差φＡの場合と同様にすることができる。すると、光の速度ｃにおいて対象物体１０までの距離ｄＢは、
ｄＢ＝ｃφＢ／｛４π（ｆ１＋ｆ３）｝ …（１７）
により算出できる。このとき、１波長λＡを越えた距離ＲＡおよび１波長λＢを越えた距離ＲＢは、
ＲＡ＝ｄＡ＋ｎＡ・λＡ …（１８）
ＲＢ＝ｄＢ＋ｎＢ・λＢ …（１９）
により算出する。ここで整数ｎＡ，ｎＢは正値をとり距離ＲＡ，ＲＢの残差ｅを、
ｅ＝ＲＡ−ＲＢ …（２０）
とおくとき、残差ｅが最小になる整数ｎＡ，ｎＢを決定し、決定した整数ｎＡ，ｎＢにより同一値となる距離ＲＡ，ＲＢを距離ｄの真値Ｒとする手順を採る。
演算処理としては、マイクロ波センサ１，２において送信部から出力する送信波Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）を、
Ｖ１（ｔ）＝Ａｃｏｓ２πｆ１ｔ …（１）
Ｖ２（ｔ）＝Ａｃｏｓ２πｆ２ｔ …（２）
とおくとき、対象物体１０へ向かう照射波Ｖｔ（ｔ）は、
Ｖｔ（ｔ）＝Ａｃｏｓ２πｆ１ｔ＋Ａｃｏｓ２πｆ２ｔ …（３）
と表すことができ、式（３）において、Ａは振幅、ｆ１，ｆ２は周波数、ｔは時間である。
対象物体１０から反射（散乱）した反射波Ｖｒ（ｔ）は、
Ｖｒ（ｔ）＝αＡｃｏｓ２πｆ１（ｔ−τ）＋αＡｃｏｓ２πｆ２（ｔ−τ）
…（４）
と表すことができ、式（４）において、αは減衰係数である。
ｄＢ＝ｃφＢ／｛４π（ｆ１＋ｆ３）｝ …（１７）
により算出できる。このとき、１波長λＡを越えた距離ＲＡおよび１波長λＢを越えた距離ＲＢは、
ＲＡ＝ｄＡ＋ｎＡ・λＡ …（１８）
ＲＢ＝ｄＢ＋ｎＢ・λＢ …（１９）
により算出する。ここで整数ｎＡ，ｎＢは正値をとり距離ＲＡ，ＲＢの残差ｅを、
ｅ＝ＲＡ−ＲＢ …（２０）
とおくとき、残差ｅが最小になる整数ｎＡ，ｎＢを決定し、決定した整数ｎＡ，ｎＢにより同一値となる距離ＲＡ，ＲＢを距離ｄの真値Ｒとする手順を採る。
演算処理としては、マイクロ波センサ１，２において送信部から出力する送信波Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）を、
Ｖ１（ｔ）＝Ａｃｏｓ２πｆ１ｔ …（１）
Ｖ２（ｔ）＝Ａｃｏｓ２πｆ２ｔ …（２）
とおくとき、対象物体１０へ向かう照射波Ｖｔ（ｔ）は、
Ｖｔ（ｔ）＝Ａｃｏｓ２πｆ１ｔ＋Ａｃｏｓ２πｆ２ｔ …（３）
と表すことができ、式（３）において、Ａは振幅、ｆ１，ｆ２は周波数、ｔは時間である。
対象物体１０から反射（散乱）した反射波Ｖｒ（ｔ）は、
Ｖｒ（ｔ）＝αＡｃｏｓ２πｆ１（ｔ−τ）＋αＡｃｏｓ２πｆ２（ｔ−τ）
…（４）
と表すことができ、式（４）において、αは減衰係数である。
対象物体１０までの往復時間τは、
τ＝２ｄ／ｃ …（５）
と表すことができ、式（５）において、ｄは対象物体１０までの距離、ｃは光の速度である。
τ＝２ｄ／ｃ …（５）
と表すことができ、式（５）において、ｄは対象物体１０までの距離、ｃは光の速度である。
受信部が出力した受信波はミキサ４へ取り込み、当該ミキサ４においてそれぞれ連続波を合成してビート信号を出力する。つまり、ビート信号波Ｖｃ１，Ｖｃ２は、反射波Ｖｒ（ｔ），送信波Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の合成となり、
Ｖｃ１＝αＡ＾２［ｃｏｓ２πｆ１ｔ・ｃｏｓ２πｆ１（ｔ−τ）］
＋αＡ＾２［ｃｏｓ２πｆ１ｔ・ｃｏｓ２πｆ２（ｔ−τ）］ …（６）
Ｖｃ２＝αＡ＾２［ｃｏｓ２πｆ２ｔ・ｃｏｓ２πｆ１（ｔ−τ）］
＋αＡ＾２［ｃｏｓ２πｆ２ｔ・ｃｏｓ２πｆ２（ｔ−τ）］ …（７）
と表すことができる。これらの式（６），（７）は、三角関数の積の公式（８）
ｃｏｓαｃｏｓβ＝ｃｏｓ（α−β）／２＋ｃｏｓ（α＋β）／２ …（８）
を使って変形し、以下の式（９），（１０）を得る。
Ｖｃ１＝αＡ＾２［ｃｏｓ２πｆ１ｔ・ｃｏｓ２πｆ１（ｔ−τ）］
＋αＡ＾２［ｃｏｓ２πｆ１ｔ・ｃｏｓ２πｆ２（ｔ−τ）］ …（６）
Ｖｃ２＝αＡ＾２［ｃｏｓ２πｆ２ｔ・ｃｏｓ２πｆ１（ｔ−τ）］
＋αＡ＾２［ｃｏｓ２πｆ２ｔ・ｃｏｓ２πｆ２（ｔ−τ）］ …（７）
と表すことができる。これらの式（６），（７）は、三角関数の積の公式（８）
ｃｏｓαｃｏｓβ＝ｃｏｓ（α−β）／２＋ｃｏｓ（α＋β）／２ …（８）
を使って変形し、以下の式（９），（１０）を得る。
Ｖｃ１＝［αＡ＾２／２］［ｃｏｓ｛（２πｆ１−２πｆ１）ｔ＋２πｆ１τ｝
＋ｃｏｓ｛（２πｆ１＋２πｆ１）ｔ−２πｆ１τ｝
＋ｃｏｓ｛（２πｆ１−２πｆ２）ｔ＋２πｆ２τ｝
＋ｃｏｓ｛（２πｆ１＋２πｆ２）ｔ−２πｆ２τ｝］
…（９）
Ｖｃ２＝［αＡ＾２／２］［ｃｏｓ｛（２πｆ２−２πｆ１）ｔ＋２πｆ１τ｝
＋ｃｏｓ｛（２πｆ２＋２πｆ１）ｔ−２πｆ１τ｝
＋ｃｏｓ｛（２πｆ２−２πｆ２）ｔ＋２πｆ２τ｝
＋ｃｏｓ｛（２πｆ２＋２πｆ２）ｔ−２πｆ２τ｝］
…（１０）
ここで、２πｆ１，２πｆ１＋２πｆ２，２πｆ２と直流成分をフィルタで取り除き、それぞれ以下の式（１１），（１２）になる。
＋ｃｏｓ｛（２πｆ１＋２πｆ１）ｔ−２πｆ１τ｝
＋ｃｏｓ｛（２πｆ１−２πｆ２）ｔ＋２πｆ２τ｝
＋ｃｏｓ｛（２πｆ１＋２πｆ２）ｔ−２πｆ２τ｝］
…（９）
Ｖｃ２＝［αＡ＾２／２］［ｃｏｓ｛（２πｆ２−２πｆ１）ｔ＋２πｆ１τ｝
＋ｃｏｓ｛（２πｆ２＋２πｆ１）ｔ−２πｆ１τ｝
＋ｃｏｓ｛（２πｆ２−２πｆ２）ｔ＋２πｆ２τ｝
＋ｃｏｓ｛（２πｆ２＋２πｆ２）ｔ−２πｆ２τ｝］
…（１０）
ここで、２πｆ１，２πｆ１＋２πｆ２，２πｆ２と直流成分をフィルタで取り除き、それぞれ以下の式（１１），（１２）になる。
Ｖｃ１＝［αＡ＾２／２］［ｃｏｓ｛（２πｆ１−２πｆ２）ｔ＋２πｆ２τ｝］
…（１１）
Ｖｃ２＝［αＡ＾２／２］［ｃｏｓ｛（２πｆ２−２πｆ１）ｔ＋２πｆ１τ｝］
…（１２）
そして、式（１１），式（１２）で表されるビート信号波について位相差φＡを求めると、
φＡ＝（２πｆ１＋２πｆ２）τ …（１３）
となり、往復時間τは式（５）の関係があるので位相差φＡは、
φＡ＝４π（ｆ１＋ｆ２）ｄ／２ …（１４）
で表すことができる。したがって、対象物体１０までの距離ｄＡは、ビート信号（ｆ１・ｆ２，ｆ２・ｆ１）の２周波の位相差φＡから、
ｄＡ＝ｃφＡ／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝ …（１５）
となる。ここで、距離ｄＡの最大測定可能距離λＡは、位相差φＡが２πである場合に相当し、
λＡ＝２πｃ／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝
＝ｃ／２（ｆ１＋ｆ２） …（１６）
と表すことができる。
…（１１）
Ｖｃ２＝［αＡ＾２／２］［ｃｏｓ｛（２πｆ２−２πｆ１）ｔ＋２πｆ１τ｝］
…（１２）
そして、式（１１），式（１２）で表されるビート信号波について位相差φＡを求めると、
φＡ＝（２πｆ１＋２πｆ２）τ …（１３）
となり、往復時間τは式（５）の関係があるので位相差φＡは、
φＡ＝４π（ｆ１＋ｆ２）ｄ／２ …（１４）
で表すことができる。したがって、対象物体１０までの距離ｄＡは、ビート信号（ｆ１・ｆ２，ｆ２・ｆ１）の２周波の位相差φＡから、
ｄＡ＝ｃφＡ／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝ …（１５）
となる。ここで、距離ｄＡの最大測定可能距離λＡは、位相差φＡが２πである場合に相当し、
λＡ＝２πｃ／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝
＝ｃ／２（ｆ１＋ｆ２） …（１６）
と表すことができる。
例えば、ｆ１＝２４．１５２ＧＨｚ，ｆ２＝２４．１５０ＧＨｚである場合は、光速ｃを３×１０＾１０ｃｍ／ｓとすると、式（１６）から最大測定可能距離λＡは、
λＡ＝３×１０＾１０／（２×４８．３０２×１０＾９）
＝０．３１０５４６１４７［ｃｍ］
となる。したがって、対象物体１０までの距離ｄＡは、周波数ｆ１，ｆ２の周波数差Δｆ１−ｆ２によるビート信号の位相差φＡから求まる。ここで周波数差Δｆ１−ｆ２は、Δｆ１−ｆ２＝ｆ１−ｆ２＝２４．１５２ＧＨｚ−２４．１５０ＧＨｚ＝２ＭＨｚであり、このときビート信号の位相差φＡと距離ｄＡとの関係は、図２に示すように正比例の関係を示す。同図から明らかなように、位相差φＡを１度の精度で検出することでは距離ｄＡは０．００１ｃｍ、すなわち１０μｍの精度で決定することができ、位相差φＡの測定精度に応じて距離ｄＡの測定が高精度に行える。
λＡ＝３×１０＾１０／（２×４８．３０２×１０＾９）
＝０．３１０５４６１４７［ｃｍ］
となる。したがって、対象物体１０までの距離ｄＡは、周波数ｆ１，ｆ２の周波数差Δｆ１−ｆ２によるビート信号の位相差φＡから求まる。ここで周波数差Δｆ１−ｆ２は、Δｆ１−ｆ２＝ｆ１−ｆ２＝２４．１５２ＧＨｚ−２４．１５０ＧＨｚ＝２ＭＨｚであり、このときビート信号の位相差φＡと距離ｄＡとの関係は、図２に示すように正比例の関係を示す。同図から明らかなように、位相差φＡを１度の精度で検出することでは距離ｄＡは０．００１ｃｍ、すなわち１０μｍの精度で決定することができ、位相差φＡの測定精度に応じて距離ｄＡの測定が高精度に行える。
また、式（１５）から明らかに、位置の決定精度は距離ｄに無関係であることから、対象物体１０までの距離ｄＡが１ｍでも、あるいは１０倍の１０ｍであっても、最大測定可能距離λＡ以内の距離変動は、１０μｍという高精度で決定し得ることがわかる。
そして本発明では、距離ｄＡがビート信号の１波長λＡを越えるときは、第１周波数ｆ１と第３周波数ｆ３との周波数差によるビート信号の演算処理を行う。これは上記した第１周波数ｆ１，第２周波数ｆ２における演算処理と同様の演算処理を行うものであり、任意の時間間隔ΔＴ毎に交互に切り替えてデータを取得する。
つまり、対象物体１０までの距離ｄＢは、周波数ｆ１，ｆ３の周波数差Δｆ１−ｆ３によるビート信号の位相差φＢから求まり、以下の式（１７）で求めることができる。
ｄＢ＝ｃφＢ／｛４π（ｆ１＋ｆ３）｝ …（１７）
そして、１波長λＡを越えた距離ＲＡおよび１波長λＢを越えた距離ＲＢは、ｆ１，ｆ２およびｆ１，ｆ３という周波数の対において同一であるはずであり、式（１４），（１５），（１６），（１７）から一般的に以下の式（１８），（１９）で表すことができる。
ＲＡ＝ｄＡ＋ｎＡ・λＡ …（１８）
ＲＢ＝ｄＢ＋ｎＢ・λＢ …（１９）
ここでｎＡ，ｎＢは正の整数であり、λＡ、λＢは波長の長さ、ｄＡ、ｄＢは図３に示すように、１波長以内の距離ｄを示している。図３から分かるように、式（１８），（１９）に示す距離ＲＡ，ＲＢは本来同じ距離ｄであり、距離ＲＡ，ＲＢの残差ｅを、
ｅ＝ＲＡ−ＲＢ …（２０）
とおくとき、距離ｄの真値Ｒは距離ＲＡ，ＲＢと同一値になるはずである。したがって、残差ｅが最小になる整数ｎＡ，ｎＢを決定することができれば、式（１８），（１９）から真値Ｒを求めることができる。
ＲＢ＝ｄＢ＋ｎＢ・λＢ …（１９）
ここでｎＡ，ｎＢは正の整数であり、λＡ、λＢは波長の長さ、ｄＡ、ｄＢは図３に示すように、１波長以内の距離ｄを示している。図３から分かるように、式（１８），（１９）に示す距離ＲＡ，ＲＢは本来同じ距離ｄであり、距離ＲＡ，ＲＢの残差ｅを、
ｅ＝ＲＡ−ＲＢ …（２０）
とおくとき、距離ｄの真値Ｒは距離ＲＡ，ＲＢと同一値になるはずである。したがって、残差ｅが最小になる整数ｎＡ，ｎＢを決定することができれば、式（１８），（１９）から真値Ｒを求めることができる。
１波長を越えた距離ＲＡ，ＲＢと、１波長λを越えない距離ｄＡ，ｄＢとは、図４に示すように、正の整数ｎＡ，ｎＢにより関連させることができ、残差ｅが最小になる整数ｎＡ，ｎＢは容易に決定できる。すなわち、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との周波数差によるビート信号の位相差φＡと、第１周波数ｆ１と第３周波数ｆ３との周波数差によるビート信号の位相差φＢとを測定し、これら位相差φＡ，φＢから求めた最大測定可能距離λＡ，λＢにより整数ｎＡ，ｎＢを決定することができる。
このように本発明にあっては、測定に係る距離ｄが１波長λＡを越えないときは、２周波ｆ１，ｆ２でのビート信号について位相差φＡを算出し、その位相差φＡから距離ｄを高い分解能で確定することができる。
さらに、２周波ｆ１，ｆ２でのビート信号から求まる距離ｄＡが１波長λＡを越えるときには、第３周波数ｆ３を用いており、これによる２周波ｆ１，ｆ３でのビート信号の演算処理から距離ＲＢを求め、他方の２周波ｆ１，ｆ２による距離ＲＡとの残差ｅが最小となる整数ｎＡ，ｎＢを求めるので、その結果、２つの距離ＲＡ，ＲＢが同一値となる真値Ｒを確定できる。したがって、対象物体１０までの距離ｄが１波長を越えているときでも、１波長を越えていないときと同様に高精度で測定が行える。
本発明にあっては、対象物体１０が移動中であってももちろん距離測定を行うことができ、そして対象物体１０が静止していても距離測定を行うことができ、このため応用範囲が広がるメリットがある。また本発明では、３つの周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３において２周波を選定することでビート信号は２つの組み合わせとし、それぞれ演算処理することから、２周波による連続波方式マイクロ波センサの構成が２台分あるものと等価である。これは演算処理において、２周波によるビート信号それぞれの位相差φＡ，φＢを求めるので、それぞれは独立に扱うこともでき、もしも一方の２周波構成が故障した場合には他方の２周波構成のみを機能させて一般的な２周波による距離測定を実行でき、障害発生時の対応能力が高い。
本発明の効果を実証するため、図５に示すような距離測定のシミュレーションを行った。つまり、測定系は前述した図１に示す構成とし、対象物体１０は２０ｃｍの距離にあるものとした。
３つのマイクロ波はそれぞれ周波数を、ｆ１＝２４．１５２ＧＨｚ，ｆ２＝２４．１５０ＧＨｚ，ｆ３＝２４．１４９ＧＨｚとした。演算した結果、位相差φＡは１４４．９６°、位相差φＢは１４４．４８°となる。そして、最大測定可能距離λＡ，λＢは、
λＡ＝３×１０＾１０／（２×４８．３０２×１０＾９）
＝０．３１０５４６１４７［ｃｍ］
λＢ＝３×１０＾１０／（２×４８．３０１×１０＾９）
＝０．３１０５５２５７７［ｃｍ］
となる。また、１波長以内の距離ｄＡ，ｄＢは、
ｄＡ＝ｃφＡ／（４×１８０°×４８．３０２×１０＾９）
＝０．１２５０４６５８２［ｃｍ］
ｄＢ＝ｃφＢ／（４×１８０°×４８．３０２×１０＾９）
＝０．１２４６３５１０１［ｃｍ］
となり、式（１８），（１９）により対象物体１０までの距離ｄつまり１波長を越えた距離ＲＡ，ＲＢは、
ＲＡ＝０．１２５０４６５８２＋０．３１０５４６１４７×ｎＡ［ｃｍ］
ＲＢ＝０．１２４６３５１０１＋０．３１０５５２５７７×ｎＢ［ｃｍ］
となる。また、式（２０）に示す残差ｅの最小条件から整数ｎＡ，ｎＢは何れも６４と求まり、その結果、距離ｄの真値Ｒは２０ｃｍと求まる。ここに、シミュレーションの結果は距離ｄを高精度に決定できることを示しており、実用性が十分に高いことを確認した。
λＡ＝３×１０＾１０／（２×４８．３０２×１０＾９）
＝０．３１０５４６１４７［ｃｍ］
λＢ＝３×１０＾１０／（２×４８．３０１×１０＾９）
＝０．３１０５５２５７７［ｃｍ］
となる。また、１波長以内の距離ｄＡ，ｄＢは、
ｄＡ＝ｃφＡ／（４×１８０°×４８．３０２×１０＾９）
＝０．１２５０４６５８２［ｃｍ］
ｄＢ＝ｃφＢ／（４×１８０°×４８．３０２×１０＾９）
＝０．１２４６３５１０１［ｃｍ］
となり、式（１８），（１９）により対象物体１０までの距離ｄつまり１波長を越えた距離ＲＡ，ＲＢは、
ＲＡ＝０．１２５０４６５８２＋０．３１０５４６１４７×ｎＡ［ｃｍ］
ＲＢ＝０．１２４６３５１０１＋０．３１０５５２５７７×ｎＢ［ｃｍ］
となる。また、式（２０）に示す残差ｅの最小条件から整数ｎＡ，ｎＢは何れも６４と求まり、その結果、距離ｄの真値Ｒは２０ｃｍと求まる。ここに、シミュレーションの結果は距離ｄを高精度に決定できることを示しており、実用性が十分に高いことを確認した。
さらに、ｆ１＝２４．１５２ＧＨｚ，ｆ２＝２４．１５０ＧＨｚ，ｆ１−ｆ２＝２ＭＨｚとした場合、従来の計算による距離の算出方法では、位相差φに基づいて求めることができる最大距離λは、φ＝２πとすると、
λ＝ｃφ／｛４π（ｆ１−ｆ２）｝
＝ｃ２π／｛４π（ｆ１−ｆ２）｝
＝ｃ／｛２（ｆ１−ｆ２）｝
＝３×１０＾１０／（２×２×１０＾６）
＝７５００［ｃｍ］
となり、
位相差φが１°の精度で検出可能な場合の検出距離精度ｄは、
ｄ＝（ｃπ／１８０）／｛４π（ｆ１−ｆ２）｝
＝（３×１０＾１０／１８０）／（４×２×１０＾６）
＝２０．８３３［ｃｍ］
となる。
λ＝ｃφ／｛４π（ｆ１−ｆ２）｝
＝ｃ２π／｛４π（ｆ１−ｆ２）｝
＝ｃ／｛２（ｆ１−ｆ２）｝
＝３×１０＾１０／（２×２×１０＾６）
＝７５００［ｃｍ］
となり、
位相差φが１°の精度で検出可能な場合の検出距離精度ｄは、
ｄ＝（ｃπ／１８０）／｛４π（ｆ１−ｆ２）｝
＝（３×１０＾１０／１８０）／（４×２×１０＾６）
＝２０．８３３［ｃｍ］
となる。
これに対し、ｆ１，ｆ２のビート周波数が同条件で、オシロスコープ等により直接測定した位相差φＡから求める最大距離λＡは、φＡ＝２πとして、式（１６）から
ｆ１＋ｆ２＝２４．１５２ＧＨｚ＋２４．１５０ＧＨｚ＝４８．３０２ＧＨｚ
となるので、
λＡ＝ｃφＡ／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝
＝ｃ２π／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝
＝３×１０＾１０／（２×４８．３０２×１０＾９）
＝０．３１０５［ｃｍ］
となり、
位相差φが１°の精度で検出可能な場合の検出距離精度ｄＡは、式（１５）から
ｄＡ＝（ｃπ／１８０）／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝
＝（ｃ／１８０）／｛（４（ｆ１＋ｆ２））
＝（３×１０＾１０／１８０）／（４×４８．３０２×１０＾９）
＝０．０００８６［ｃｍ］
となる。
ｆ１＋ｆ２＝２４．１５２ＧＨｚ＋２４．１５０ＧＨｚ＝４８．３０２ＧＨｚ
となるので、
λＡ＝ｃφＡ／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝
＝ｃ２π／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝
＝３×１０＾１０／（２×４８．３０２×１０＾９）
＝０．３１０５［ｃｍ］
となり、
位相差φが１°の精度で検出可能な場合の検出距離精度ｄＡは、式（１５）から
ｄＡ＝（ｃπ／１８０）／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝
＝（ｃ／１８０）／｛（４（ｆ１＋ｆ２））
＝（３×１０＾１０／１８０）／（４×４８．３０２×１０＾９）
＝０．０００８６［ｃｍ］
となる。
このように、ｆ１−ｆ２＝２ＭＨｚの波の位相差から、ｆ１＋ｆ２＝４８ＧＨｚの波の位相差に相当する距離分解能を得ることができる。換言すると、４８ＧＨｚ／２ＭＨｚ＝２４０００倍に位相差の増幅作用が生じていると言える。
１，２，３ マイクロ波センサ
４ ミキサ
１０ 対象物体
４ ミキサ
１０ 対象物体
Claims (2)
- それぞれ近接した第１周波数ｆ１，第２周波数ｆ２，第３周波数ｆ３の異なる３つの周波数の連続波のマイクロ波を対象物体へ向けて照射し、前記対象物体からの散乱波と前記第１周波数ｆ１の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第２周波数ｆ２の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第３周波数ｆ３の連続波を合成した信号の３つの信号を得て、その３つの信号に基づいて前記対象物体までの距離を測定する方法であって、
前記対象物体からの散乱波と前記第１周波数ｆ１の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第２周波数ｆ２の連続波を合成した信号との位相差φＡを検出し、光の速度ｃにおいて前記対象物体までの距離ｄＡは、
ｄＡ＝ｃφＡ／｛４π（ｆ１＋ｆ２）｝
により算出し、
前記対象物体からの散乱波と前記第１周波数ｆ１の連続波を合成した信号と前記対象物体からの散乱波と前記第３周波数ｆ３の連続波を合成した信号との位相差φＢを検出し、光の速度ｃにおいて前記対象物体までの距離ｄＢは、
ｄＢ＝ｃφＢ／｛４π（ｆ１＋ｆ３）｝
により算出し、１波長λＡを越える距離ＲＡおよび１波長λＢを越える距離ＲＢは、
ＲＡ＝ｄＡ＋ｎＡ・λＡ
ＲＢ＝ｄＢ＋ｎＢ・λＢ
により算出し、ここで整数ｎＡ，ｎＢは正値をとり前記距離ＲＡ，ＲＢの残差ｅを、
ｅ＝ＲＡ−ＲＢ
とおくとき、前記残差ｅが最小になる整数ｎＡ，ｎＢを決定し、決定した整数ｎＡ，ｎＢにより前記距離ＲＡ，ＲＢが同一値となる値を前記対象物体までの距離として求めることを特徴とする連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法。 - 前記位相差φＡ，φＢは、オシロスコープの出力に基づいて求めることを特徴とする請求項１に記載の連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法。
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