JP5653432B2

JP5653432B2 - 距離測定装置及び距離測定方法

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Description

本発明は、測定対象物までの距離を測定する距離測定装置及び距離測定方法に関する。

WO2009/050831A1は、測定対象物までの距離を測定するために、対象物に対して電磁波（たとえば、マイクロ波）の信号を送信し、対象物に反射された信号を受信して、電磁波が対象物まで往復する時間を測定し、またその間の位相の変化（位相差）を検出し、上記の時間を使用して粗距離測定を実施し、上記の位相差を使用して精密距離測定を実施し、これらを組み合わせて最終的な距離測定値を求める距離測定装置を開示している。上記の装置によれば、時間を使用した粗距離測定と位相差を使用した精密距離測定とを組み合わせるので、広いレンジにわたり、比較的高い精度の距離測定を実施することができる。

しかし、上記の装置において、後で説明するように位相差の検出による精密距離測定の精度は、時間を使用した粗距離測定の精度に制約されていた。

したがって、時間を使用した粗距離測定の精度の制約を受けない距離測定装置及び距離測定方法に対するニーズがある。

本発明による距離測定装置は、クロック周波数をｆ_１とする第１の擬似ランダム信号を発生する第１の擬似ランダム信号発生部と、第１の擬似ランダム信号と同一パターンで、前記クロック周波数ｆ_１より、わずかな周波数だけ低いｆ_２をクロック周波数とする第２の擬似ランダム信号を発生する第２の擬似ランダム信号発生部と、第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算器と、第１の周波数の搬送波を発生する第１の搬送波発生部と、第１の擬似ランダム信号により第１の周波数の搬送波を変調する第１の変調部と、変調された第１の周波数の搬送波を第１の周波数の変調送信信号として対象物に向けて送信する第１の送信部と、前記対象物から反射された、第１の周波数の変調送信信号を、第１の周波数の受信信号として受信する第１の受信部と、第１の周波数の変調受信信号を求めるように第１の周波数の受信信号と第２の擬似ランダムとを乗算する第２の乗算器と、第１の周波数の搬送波の一部を受け取り、互いに位相が直交する２成分である第１のＩ信号と第１のＱ信号とを出力する第１のハイブリッド結合器と、第２の乗算器の出力信号と第１のＩ信号とを乗算する第３の乗算器と、第２の乗算器の出力信号と第１のＱ信号とを乗算する第４の乗算器と、第１の乗算器の出力信号を低域濾波処理する第１のローパスフィルタと、第３の乗算器の出力信号を低域濾波処理する第２のローパスフィルタと、第４の乗算器の出力信号を低域濾波処理する第３のローパスフィルタと、第２及び第３のローパスフィルタの出力信号をそれぞれ個別に２乗演算する第１及び第２の２乗器と、第１及び第２の２乗器の出力信号を加算する加算器と、第１のローパスフィルタの出力信号の最大振幅値を検出した時に第１のパルスを発生する第１のパルス発生部と、前記加算器の出力信号の最大振幅値を検出した時に第２のパルスを発生する第２のパルス発生部と、第１のパルスの発生時刻から第２のパルスの発生時刻までの時間を測定する時間測定部と、を備える。

本発明による距離測定装置は、第２及び第３のローパスフィルタの出力から、第１の周波数の変調受信信号の位相を検出する第１の位相検出部と、第１の周波数よりも低い第２の周波数の搬送波を発生する第２の搬送波発生部と、第１の擬似ランダム信号により第２の周波数の搬送波を変調する第２の変調部と、変調された第２の周波数の搬送波を第２の周波数の変調送信信号として対象物に向けて送信する第２の送信部と、前記対象物から反射された、第２の周波数の変調送信信号を第２の周波数の受信信号として受信する第２の受信部と、第２の周波数の変調受信信号を求めるように第２の周波数の受信信号と第２の擬似ランダムとを乗算する第５の乗算器と、第２の周波数の搬送波の一部を受け取り、互いに位相が直交する２成分である第２のＩ信号と第２１のＱ信号とを出力する第２のハイブリッド結合器と、第５の乗算器の出力信号と第２のＩ信号とを乗算する第６の乗算器と、第５の乗算器の出力信号と第２のＱ信号とを乗算する第７の乗算器と、第６の乗算器の出力信号を低域濾波処理する第４のローパスフィルタと、第７の乗算器の出力信号を低域濾波処理する第５のローパスフィルタと、第４及び第５のローパスフィルタの出力から、第２の周波数の変調受信信号の位相を検出する第２の位相検出部と、前記時間測定部、第１の位相検出部及び第２の位相検出部の出力から、前記対象物までの距離を演算する距離演算部と、をさらに備える。

本発明による距離測定装置は、第１の周波数の変調受信信号の位相を検出する第１の位相検出部の他に、第１の周波数よりも低い第２の周波数の変調受信信号の位相を検出する第２の位相検出部を備えているので、２以上の波長の電磁波を使用した位相検出を実施することができる。したがって、本発明による距離測定装置は、時間測定部の測定精度の制約を受けることなく、高精度の距離測定を実施することができる。

本発明による距離測定方法は、クロック周波数をｆ_１とする第１の擬似ランダム信号、及び第１の擬似ランダム信号と同一パターンで、前記クロック周波数ｆ_１より、わずかな周波数だけ低いｆ_２をクロック周波数とする第２の擬似ランダム信号を発生させるステップと、第１の周波数の搬送波を第１の擬似ランダム信号により変調した、第１の周波数の変調送信信号及び第１の周波数よりも低い第２の搬送波を第１の擬似ランダム信号により変調した、第２の周波数の変調送信信号を、対象物に向けて送信するステップと、前記対象物から反射された、第１及び第２の周波数の変調送信信号を第１及び第２の周波数の受信信号として受信するステップと、受信した第１及び第２の周波数の受信信号と第２の擬似ランダムとを乗算して第１及び第２の周波数の変調受信信号を求めるステップと、第１及び第２の周波数の変調受信信号と、第１及び第２の周波数の搬送波の、互いに位相が直交する２成分である第Ｉ信号及びＱ信号と、を乗算し、第１及び第２の周波数の変調受信信号のＩ成分及びＱ成分を求めるステップと、第１の周波数の変調受信信号のＩ成分及びＱ成分の、二乗和信号を求めるステップと、第１の擬似ランダム信号及び第２の擬似ランダム信号の乗算値のピーク値が検出された時刻から前記二乗和信号のピーク値が検出された時刻までの時間から、前記対象物までの粗距離測定値を求めるステップと、を含む。本発明による距離測定方法は、第１及び第２の周波数の変調受信信号のＩ成分及びＱ成分から、第１及び第２の周波数の変調受信信号の第１及び第２の位相測定値を求めるステップと、基準距離、予め求めた、前記基準距離に対応する第２の周波数の変調信号の第２の基準位相測定値、及び第２の位相測定値から求めた、第２のグループの複数の精密距離候補値の内、前記粗距離測定値に最も近い精密距離候補値を代表値とするステップと、前記基準距離、予め求めた、前記基準距離に対応する第１の周波数の変調信号の第１の基準位相測定値、及び第１の位相測定値から求めた、第１のグループの複数の精密距離候補値の内、前記代表値に最も近い精密距離候補値を距離測定値とするステップと、をさらに含む。また、位相による精密距離測定に使用される複数の周波数の信号に関し、最も低い周波数に対応する最も長い波長の１／４が、粗距離測定の精度よりも大きくなるように定め、隣接する２周波数の高い方の周波数に対応する波長の１／４が、隣接する２周波数の低い方の周波数の信号を使用した位相測定による距離測定精度よりも大きくなるように定めている。

本発明による距離測定方法は、上述のように、位相による精密距離測定に複数の周波数の信号を使用し、これらの複数の周波数の信号に関し、最も低い周波数に対応する最も長い波長の１／４が、粗距離測定の精度よりも大きくなるように定め、隣接する２周波数の高い方の周波数に対応する波長の１／４が、隣接する２周波数の低い方の周波数の信号を使用した位相測定による距離測定精度よりも大きくなるように定めている。

したがって、本発明による距離測定方法によれば、粗距離測定の精度の制約を受けることなく、より高精度の距離測定が実現できる。

本発明の一実施形態による距離測定方法においては、第１及び第２の周波数の変調送信信号を含む、周波数の異なる３以上の周波数の送信信号を使用して、第１及び第２のグループを含む３以上のグループの精密距離候補値から距離測定値が定められる。

本実施形態による距離測定方法においては、位相による精密距離測定に３以上の異なる周波数の信号を使用し、これらの３以上の異なる周波数の信号に関し、最も低い周波数に対応する最も長い波長の１／４が、粗距離測定の精度よりも大きくなるように定め、隣接する２周波数の高い方の周波数に対応する波長の１／４が、隣接する２周波数の低い方の周波数の信号を使用した位相測定による距離測定精度よりも大きくなるように定めている。

したがって、本実施形態による距離測定方法によれば、３以上の周波数の信号を使用することにより、２種類の周波数の信号を使用する場合よりもさらに高精度の距離測定を実現することができる。

第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号との相関をとって得られる基準信号を説明するための図である。対象物検出信号と基準信号との関係を示す図である。本発明の一実施形態による距離測定装置の構成を示す図である。本発明の一実施形態による距離測定方法を説明するための流れ図である。本発明の実施形態による距離測定方法による測定結果を示す図である。

本発明による距離測定装置は、対象物に対して電磁波（たとえば、マイクロ波）の信号を送信し、対象物に反射された信号を受信して、電磁波が対象物まで往復する時間を測定し、またその間の位相の変化（位相差）を検出し、上記の時間を使用して粗距離測定を実施し、上記の位相差を使用して精密距離測定を実施し、これらを組み合わせて最終的な距離測定値を求める装置である。

最初に、時間による距離測定の原理を説明する。

第１の擬似ランダム信号のクロック周波数をｆ_１、第２の擬似ランダム信号のクロック周波数をｆ_２とし、各擬似ランダム信号の繰り返しパターンは同一とする。ここでｆ_１＞ｆ_２とする。

送信される第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号との相関をとって得られる基準信号が最大値となる周期をＴ_Ｂとすると、このＴ_Ｂ間に含まれる第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号の波数の差がちょうど第１及び第２の擬似ランダム信号の繰り返しパターンの１周期の波数Ｎになる。

すなわち、
Ｔ_Ｂ・ｆ_１＝Ｔ_Ｂ・ｆ_２＋Ｎ
である。上記を整理するとＴ_Ｂは次式で与えられる。
Ｔ_Ｂ＝Ｎ／（ｆ_１−ｆ_２） (1)

すなわち、２つのクロック周波数の差が小さいほど、基準信号が最大値となる周期Ｔ_Ｂは大きくなる。

具体的に、第１及び第２の擬似ランダム信号を、同一繰り返しパターンの７ビットのＭ系列信号Ｍ_１及びＭ_２とする。第１及び第２の擬似ランダム信号の繰り返しパターンの１周期の波数Ｎは２^７−１＝127である。ｆ_１＝100.004MHZ 、ｆ_２＝99.996MHZ とすると、Ｔ_Ｂ＝15.875msとなる。

図１は、第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号との相関をとって得られる基準信号を説明するための図である。図１（ａ）は、第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号との相関をとった結果の信号を示す図である。図１（ａ）の横軸は時間を表し、縦軸は信号の大きさを表す。具体的に、縦軸の値の＋Ｅは、両信号の相関が１であること、すなわち両信号が同じであることを示し、縦軸の値の−Ｅは、両信号の相関が０である、すなわち両信号が異なることを示す。図１（ａ）のＲ１で示す時間領域において、両信号の位相は一致していないので、両信号の相関はランダムに０または１となる。図１（ａ）のＲ２で示す時間領域において、両信号の位相は一致しているので、両信号の相関は、一定の時間にわたり１となる。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す信号をローパスフィルタに通した結果の信号を示す図である。この信号が基準信号である。図１（ａ）のＲ１で示す時間領域に対応する図１（ｂ）の領域において基準信号は０であるが、図１（ａ）のＲ２で示す時間領域に対応する図１（ｂ）の領域において基準信号は最大値を示す。

つぎに、距離測定装置によって、第１の擬似ランダム信号で変調された送信信号が対象物へ送信され、対象物で反射され、受信信号として受信されるまでの伝播時間をτとする。この受信信号を第２の擬似ランダム信号で復調し、コヒーレント検波して得られる対象物検出信号のパルス状信号が発生する時刻を、基準信号のパルス状信号発生時刻から計測した時間差をＴ_Ｄとすると、Ｔ_Ｄ間に発生する第２の擬似ランダム信号の波数は、Ｔ_Ｄ間に発生する第１の擬似ランダム信号の波数より、τ時間に発生する第１の擬似ランダム信号の波数だけ少ないので、次式が成立する。
Ｔ_Ｄ・ｆ_２＝Ｔ_Ｄ・ｆ_１−τ・ｆ_１

上式を整理するとＴ_Ｄは次式で与えられる。
Ｔ_Ｄ＝τ・ｆ_１／（ｆ_１−ｆ_２） (2)

すなわち、伝播時間τは、ｆ_１／（ｆ_１−ｆ_２）倍だけ時間的に拡大され、あるいは低速化されたＴ_Ｄとして計測される。この計測時間の拡大されることにより、本発明は本質的に短距離測定に適した距離測定装置であるといえる。

具体的に、ｆ_１＝100,004MHz，ｆ_２＝99,996MHzであるので、伝播時間τは、12,500倍に拡大され次式が得られる。
Ｔ_Ｄ＝12,500・τ (3)
時間Ｔ_Ｄは上記基準信号の周期Ｔ_Ｂごとに得られる。

図２は、対象物検出信号と基準信号との関係を示す図である。基準信号は、周期Ｔ_Ｂごとに発生する。対象物検出信号は、基準信号から、測定装置及び対象物間の信号伝播時間τによって定まるＴ_Ｄだけ遅れて発生する。

ここで伝播時間τは、搬送波である電磁波の伝播速度をｖ、距離測定装置から対象物までの距離をｘとするとτ＝２ｘ／ｖであるから、この式を式（２）へ代入して次式が得られる。
ｘ＝（ｆ_１−ｆ_２）・ｖ・Ｔ_Ｄ／（２ｆ_１） (4)
したがって、時間差Ｔ_Ｄを測定し、その測定値を式（４）へ代入することにより、距離ｘを計算することができる。

つぎに、位相による距離測定の原理を説明する。

距離測定装置から対象物までの距離をｘ、送信信号と受信信号との位相差をθ、搬送波である電磁波の波長をλとすると、次式が成立する。

この式を変形して、次式が得られる。

このようにして位相差を求めることにより、距離測定装置から対象物までの距離ｘを求めることができる。

ここで、（-π、π）の間の位相差をθ’で表し、正の整数をｎで表すと次式が得られる。

通常の方法で位相を測定する場合には、（-π、π）の間の位相差θ’が測定される。（-π、π）の間の位相差θ’を測定しても、式（５）から距離の絶対値を求めることはできない。したがって、一般的には、対象物の基準位置を定め、基準位置に対応する距離及び位相を求め、（-π、π）の範囲内で基準位置からの位相差を測定することにより、基準位置からの距離を求める方法が実施される。たとえば、基準位置に対応する距離を求める場合に、上述した時間による距離測定が実施される。

上記の時間による距離測定及び位相による距離測定は、公知の方法である。本発明の特徴的な構成については、後で詳細に説明する。

つぎに、本発明の一実施形態による距離測定装置の構成を説明する。

図３は、本発明の一実施形態による距離測定装置の構成を示す図である。本発明の一実施形態による距離測定装置は、４個の部分、部分Ａ、部分Ｂ、部分Ｃ及び部分Ｄを含む。部分Ａは、対象物検出信号の発生時刻と、基準信号の発生時刻との時間差Ｔ_Ｄを求める部分である。部分Ｂは、第１の周波数を使用して位相を検出する部分である。部分Ｃは、第１の周波数よりも低い第２の周波数の搬送波を使用して位相を検出する部分である。部分Ｄは、部分Ａ、部分Ｂ及び部分Ｃの出力を組み合わせて距離測定値を求める部分である。

部分Ａは、基準信号を生成する部分と、第１の周波数の変調送信信号を生成する部分と、第１の周波数の変調受信信号を求める部分と、対象物検出信号を求める部分と、対象物検出信号の発生時刻と、基準信号の発生時刻との時間差Ｔ_Ｄを求める部分と、を含む。本実施形態において、第１の周波数は、１０ＧＨｚである。時間差Ｔ_Ｄを求める部分は、図３の時間計測部(時間測定部)１３９である。

基準信号を生成する部分は、クロック周波数をｆ_１とする第１の擬似ランダム信号擬似ランダム信号を発生する第１の擬似ランダム信号発生器１０１と、第１の擬似ランダム信号と同一パターンで、前記クロック周波数ｆ_１より、わずかな周波数だけ低いｆ_２をクロック周波数とする第２の擬似ランダム信号を発生する第２の擬似ランダム信号発生器１０３と、第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算器１０５と、第１の乗算器の出力信号を低域濾波処理する第１のローパスフィルタ１２３と、第１のローパスフィルタ１２３の出力信号の最大振幅値を検出した時に第１のパルスを発生する第１のパルス発生器（最大値検出器）１３５と、を含む。上記第１のパルスが、基準信号である（図２）。

第１の周波数の変調送信信号を生成する部分は、第１の周波数（１０ＧＨｚ）の搬送波を発生する第１の搬送波発生器１０７と、第１の搬送波発生器１０７の出力を分配する分配器１０８と、第１の擬似ランダム信号により第１の周波数の搬送波を変調する第１の変調器１０９と、変調された第１の周波数の搬送波を第１の周波数の変調送信信号として対象物第Ｏに向けて送信する第１の送信器１１１と、を含む。第１の送信機は、第１の送信アンテナＴ１を備えている。

第１の周波数の変調受信信号を求める部分は、対象物Ｏから反射された、第１の周波数の変調送信信号を、第１の周波数の受信信号として受信する第１の受信器１１３と、第１の周波数の変調受信信号を求めるように第１の周波数の受信信号と第２の擬似ランダムとを乗算する第２の乗算器１１５と、第２の乗算器１１５の出力を分配する分配器１２０と、を含む。第１の受信器１１３は、第１の受信アンテナＲ１を備えている。

対象物検出信号を求める部分は、第１の周波数の搬送波の一部を受け取り、互いに位相が直交する２成分である第１のＩ信号と第１のＱ信号とを出力する第１のハイブリッド結合器１１７と、第２の乗算器１１５の出力信号と第１のＩ信号とを乗算する第３の乗算器１１９と、第２の乗算器１１５の出力信号と第１のＱ信号とを乗算する第４の乗算器１２１と、第３の乗算器１１９の出力信号を低域濾波処理する第２のローパスフィルタ１２５と、第４の乗算器１２１の出力信号を低域濾波処理する第３のローパスフィルタ１２７と、第２のローパスフィルタ１２５の出力信号を２乗演算する第１の２乗器１２９と、第３のローパスフィルタ１２７の出力信号を２乗演算する第２の２乗器１３１と、第１及び第２の２乗器の出力信号を加算する加算器１３３と、加算器１３３の出力信号の最大振幅値を検出した時に第２のパルスを発生する第２のパルス発生器（最大値検出器）１３７と、を含む。上記第２のパルスが対象物検出信号である（図２）。

第１の周波数の変調受信信号の位相を検出する部分である部分Ｂは、第１の位相検出部１４１である。第１の位相検出部１４１は、第２のローパスフィルタ１２５の出力信号を監視し、時間

における最大値をI’とする。ここで、

は、搬送波の第１の周波数である。同様に、第３のローパスフィルタ１２７の出力信号を監視し、同じ時間における最大値をQ’とする。変調受信信号の位相θは、以下の式によって求められる。

ここで、I’及びQ’の符合を考慮することにより、-π及びπの間の位相を求めることができる。

部分Ｃは、第２の周波数の変調送信信号を生成する部分と、第２の周波数の変調受信信号を求める部分と、第２の周波数の変調受信信号の位相を検出する部分と、を含む。本実施形態において、第２の周波数は、２ＧＨｚである。

第２の周波数の変調送信信号を生成する部分は、第２の周波数（２ＧＨｚ）の搬送波を発生する第２の搬送波発生器１４３と、第２の搬送波発生器１４３の出力を分配する分配器１４４と、第１の擬似ランダム信号により第２の周波数の搬送波を変調する第２の変調器１４５と、変調された第２の周波数の搬送波を第２の周波数の変調送信信号として対象物に向けて送信する第２の送信器１４７と、を含む。第２の送信器１４７は、第２の送信アンテナＴ２を備えている。

第２の周波数の変調受信信号を求める部分は、対象物から反射された、第２の周波数の変調送信信号を、第２の周波数の受信信号として受信する第２の受信器１４９と、第２の周波数の変調受信信号を求めるように第２の周波数の受信信号と第２の擬似ランダムとを乗算する第５の乗算器１５１と、第５の乗算器１５１の出力を分配する分配器１５６と、を含む。第２の受信器１４９は、第２の受信アンテナＲ２を備えている。

第２の周波数の変調受信信号の位相を検出する部分は、第２の周波数の搬送波の一部を受け取り、互いに位相が直交する２成分である第２のＩ信号と第２のＱ信号とを出力する第２のハイブリッド結合器１５３と、第５の乗算器１５１の出力信号と第２のＩ信号とを乗算する第６の乗算器１５５と、第５の乗算器１５１の出力信号と第２のＱ信号とを乗算する第７の乗算器１５７と、第６の乗算器１５５の出力信号を低域濾波処理する第４のローパスフィルタ１５９と、第７の乗算器１５７の出力信号を低域濾波処理する第５のローパスフィルタ１６１と、第２の位相検出部１６３と、を含む。

第２の位相検出部１６３は、第４のローパスフィルタ１５９の出力信号を監視し、時間

における最大値をI’とする。ここで、

は、搬送波の第２の周波数である。同様に、第５のローパスフィルタ１６１の出力信号を監視し、同じ時間における最大値をQ’とする。変調受信信号の位相θは、以下の式によって求められる。

部分Ａ、部分Ｂ及び部分Ｃの出力を組み合わせて距離測定値を求める部分Ｄは、距離演算部１６５である。

つぎに、本発明の一実施形態による距離測定方法について説明する。上述のように、距離測定は、基準信号の周期Ｔ_Ｂごとに実施することができる。上述の例では、Ｔ_Ｂ＝15.875msである。

図４は、本発明の一実施形態による距離測定方法を説明するための流れ図である。

表１は、本実施形態の距離測定方法を説明するための数値例を示す表である。表１において、測定ＩＱ値は、部分Ａによって得られた時間差Ｔ_Ｄから求まる粗距離測定値に相当する。測定ＩＱ値は、種々の要因による測定誤差のため実距離に対してばらついている。理論角度は、実距離と後で説明する基準距離との差に対応する理論上の位相の値である。測定角度は、第１または第２の周波数を使用して検出された位相の値に相当する。

本実施形態において、第１の周波数は１０ＧＨｚ、第１の周波数に対応する第１の波長は３０ｍｍ、第２の周波数は２ＧＨｚ、第２の周波数に対応する第２の波長は１５０ｍｍである。

以下の図４の各ステップは、部分Ｄ（図３の距離演算部１６５）によって実施される。

図４のステップＳ０１０において、基準距離に配置された測定対象物の距離測定が実施され、第１及び第２の周波数の変調受信信号の第１及び第２の位相測定値が求められる。基準距離に対応する、第１及び第２の位相測定値は、第１及び第２の位相基準値として、図３には図示しない記憶装置に記憶させる。

表１において、基準距離は１５０ｍｍである。基準距離に対応する第１の位相測定値は４０度であり、基準距離に対応する第２の位相測定値は１６０度である。

図４のステップＳ０２０において、測定対象物の距離測定が実施される。すなわち、粗距離測定値、第１及び第２の位相測定値が求められる。

表１において、実距離１６５ｍｍに対して、粗距離測定値１４０ｍｍ、第１の位相測定値３５度及び第２の位相測定値２４０度が求められる。

図４のステップＳ０３０において、第２の位相基準値及び第２の位相測定値から第２のグループの精密距離候補値が求められる。

ここで、第２の波長は１５０ｍｍであるので、式（５）の角度の単位をラジアンから度に変更すると、以下の式が得られる。

ここで、Δｘは、精密距離候補値の、基準距離からの偏差を表す。

表１において、第２の位相基準値は１６０度であり、第２の位相測定値は２４０度である。したがって、位相差は８０度である。この値を式（６）のθ’に代入すると、

となる。基準距離は、１５０ｍｍであるので、第２のグループの精密距離候補値は、
９１．６７ｍｍ、１６６．６７ｍｍ、２４１．６７ｍｍ
を含む。

図４のステップＳ０４０において、第２のグループの精密距離候補値の中で、粗距離測定値に最も近い値を第２のグループの代表値とする。

表１において、粗距離測定値は１４０ｍｍであるので、第２のグループの代表値は１６６．６７ｍｍとなる。

図４のステップＳ０５０において、第１の位相基準値及び第１の位相測定値から第１のグループの精密距離候補値が求められる。

ここで、第１の波長は３０ｍｍであるので、式（５）の角度の単位をラジアンから度に変更すると、以下の式が得られる。

表１において、第１の位相基準値は４０度であり、第２の位相測定値は３５度である。したがって、位相差は−５度である。この値を式（７）のθ’に代入すると、

となる。基準距離は、１５０ｍｍであるので、第１のグループの精密距離候補値は、
１４９．７９ｍｍ、１６４．７９ｍｍ、１７９．７９ｍｍ
を含む。

図４のステップＳ０６０において、第１のグループの精密距離候補値の中で、第２のグループの代表値に最も近い値を距離測定値とする。

表１において、第２のグループの代表値は１６６．６７ｍｍであるので、距離測定値は、１６４．７９ｍｍとなる。

第２の周波数の信号を使用した場合に、位相１度当たりの測定距離は、式（６）から０．２１ｍｍである。他方、第１の周波数の信号を使用した場合に、位相１度当たりの測定距離は、式（７）から０．０４ｍｍである。このように、第１の周波数を使用した場合の測定距離精度は、第２の周波数を使用した場合の測定距離精度の５倍となる。

また、第２の周波数の信号を使用した場合に、第２のグループの精密距離候補値の間の間隔は、７５ｍｍ（第２の波長の１／２）である。他方、第１の周波数の信号を使用した場合に、第１のグループの精密距離候補値の間の間隔は、１５ｍｍ（第１の波長の１／２）である。

ここで、式（５）及び式（６）から、第２の波長の１／４は、第２のグループの精密距離候補値の間の間隔の１／２に相当する。したがって、一般的に、複数の周波数の信号を使用して位相による精密距離測定を実施する場合に、最も低い周波数に対応する最も長い波長の１／４（本例では、第２の波長の１／４である３７．５ｍｍ）が、粗距離測定の精度よりも大きくなるように設定すべきである。このように設定することにより、図４のステップＳ０４０において、粗距離測定値に基づいて、第２のグループの精密距離候補値の中から第２のグループの代表値を選択することが可能になる。留意すべき点は、最も低い周波数に対応する最も長い波長は、粗距離測定の精度によって制約されている点である。

また、式（５）及び式（７）から、第１の波長の１／４は、第１のグループの精密距離候補値の間の間隔の１／２に相当する。したがって、一般的に、複数の周波数の信号を使用して位相による精密距離測定を実施する場合に、隣接する２周波数の高い方の周波数（第１の周波数である１０ＧＨｚ）に対応する波長の１／４（本例では、第１の波長の１／４である７．５ｍｍ）が、隣接する２周波数の低い方の周波数（第２の周波数である２ＧＨｚ）を使用した場合の位相測定による距離測定精度よりも大きくなるように設定すべきである。このように設定することにより、図４のステップＳ０６０において、第２のグループの代表値に基づいて、第１のグループの精密距離候補値の中から距離測定値を選択することが可能になる。留意すべき点は、複数の周波数を使用することにより、精密距離測定の精度は、粗距離測定の精度による制約を受けないようにすることができる点である。

上記において二つの周波数を使用する方法を説明した。一般的には、上記の隣接する２周波数の関係を満たすようにしながら、３以上周波数を使用して距離測定を実施してもよい。理論的には、上記の隣接する２周波数の関係を満たすようにしながら、使用する電磁波の周波数を徐々に増加させてゆくことにより、精密距離測定の精度を制約なしに向上させることができる。

図５は、本発明の実施形態による距離測定方法による測定結果を示す図である。図５の横軸は測定対象物までの距離を表す。図５の縦軸は、距離の測定値（左目盛）及び測定誤差（右目盛）を表す。図５のＡ１は、距離の測定値を示し、図５のＡ２は、測定誤差を示す。図５からわかるように測定誤差は、距離に対して周期的に変化している。この周期は、第１の周波数（１０ＧＨｚ）の波長（３０ｍｍ）の１／２である。測定誤差の振幅の大きさは、第１の周波数の搬送波を使用した位相演算の誤差に対応する。

本発明によれば、時間による距離測定とともに、複数の周波数の搬送波を使用して位相による距離測定を行うことにより、測定対象物までの距離の絶対値を高い精度で得ることができる。また、上述した所定の方法によって複数の周波数の搬送波を組み合わせて使用することにより、時間による距離測定（粗距離測定）の精度の制約を受けずに、高い測定精度を実現することができる。

Claims

クロック周波数をｆ_１とする第１の擬似ランダム信号を発生する第１の擬似ランダム信号発生部と、
第１の擬似ランダム信号と同一パターンで、前記クロック周波数ｆ_１より、わずかな周波数だけ低いｆ_２をクロック周波数とする第２の擬似ランダム信号を発生する第２の擬似ランダム信号発生部と、
第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算器と、
第１の周波数の搬送波を発生する第１の搬送波発生部と、
第１の擬似ランダム信号により第１の周波数の搬送波を変調する第１の変調部と、
変調された第１の周波数の搬送波を第１の周波数の変調送信信号として対象物に向けて送信する第１の送信部と、
前記対象物から反射された、第１の周波数の変調送信信号を、第１の周波数の受信信号として受信する第１の受信部と、
第１の周波数の変調受信信号を求めるように第１の周波数の受信信号と第２の擬似ランダムとを乗算する第２の乗算器と、
第１の周波数の搬送波の一部を受け取り、互いに位相が直交する２成分である第１のＩ信号と第１のＱ信号とを出力する第１のハイブリッド結合器と、
第２の乗算器の出力信号と第１のＩ信号とを乗算する第３の乗算器と、
第２の乗算器の出力信号と第１のＱ信号とを乗算する第４の乗算器と、
第１の乗算器の出力信号を低域濾波処理する第１のローパスフィルタと、
第３の乗算器の出力信号を低域濾波処理する第２のローパスフィルタと、
第４の乗算器の出力信号を低域濾波処理する第３のローパスフィルタと、
第２及び第３のローパスフィルタの出力信号をそれぞれ個別に２乗演算する第１及び第２の２乗器と、
第１及び第２の２乗器の出力信号を加算する加算器と、
第１のローパスフィルタの出力信号の最大振幅値を検出した時に第１のパルスを発生する第１のパルス発生部と、
前記加算器の出力信号の最大振幅値を検出した時に第２のパルスを発生する第２のパルス発生部と、
第１のパルスの発生時刻から第２のパルスの発生時刻までの時間を測定する時間測定部と、
第２及び第３のローパスフィルタの出力から、第１の周波数の変調受信信号の位相を検出する第１の位相検出部と、
第１の周波数よりも低い第２の周波数の搬送波を発生する第２の搬送波発生部と、
第１の擬似ランダム信号により第２の周波数の搬送波を変調する第２の変調部と、
変調された第２の周波数の搬送波を第２の周波数の変調送信信号として対象物に向けて送信する第２の送信部と、
前記対象物から反射された、第２の周波数の変調送信信号を第２の周波数の受信信号として受信する第２の受信部と、
第２の周波数の変調受信信号を求めるように第２の周波数の受信信号と第２の擬似ランダムとを乗算する第５の乗算器と、
第２の周波数の搬送波の一部を受け取り、互いに位相が直交する２成分である第２のＩ信号と第２１のＱ信号とを出力する第２のハイブリッド結合器と、
第５の乗算器の出力信号と第２のＩ信号とを乗算する第６の乗算器と、
第５の乗算器の出力信号と第２のＱ信号とを乗算する第７の乗算器と、
第６の乗算器の出力信号を低域濾波処理する第４のローパスフィルタと、
第７の乗算器の出力信号を低域濾波処理する第５のローパスフィルタと、
第４及び第５のローパスフィルタの出力から、第２の周波数の変調受信信号の位相を検出する第２の位相検出部と、
前記時間測定部、第１の位相検出部及び第２の位相検出部の出力から、前記対象物までの距離を演算する距離演算部と、を備え、前記搬送波の前記第２の周波数は、前記時間測定部による距離測定精度を考慮して定めた、距離測定装置。
クロック周波数をｆ_１とする第１の擬似ランダム信号、及び第１の擬似ランダム信号と同一パターンで、前記クロック周波数ｆ_１より、わずかな周波数だけ低いｆ_２をクロック周波数とする第２の擬似ランダム信号を発生させるステップと、
第１の周波数の搬送波を第１の擬似ランダム信号により変調した、第１の周波数の変調送信信号及び第１の周波数よりも低い第２の周波数の搬送波を第１の擬似ランダム信号により変調した、第２の周波数の変調送信信号を、対象物に向けて送信するステップと、
前記対象物から反射された、第１及び第２の周波数の変調送信信号を第１及び第２の周波数の受信信号として受信するステップと、
受信した第１及び第２の周波数の受信信号と第２の擬似ランダムとを乗算して第１及び第２の周波数の変調受信信号を求めるステップと、
第１及び第２の周波数の変調受信信号と、第１及び第２の周波数の搬送波の、互いに位相が直交する２成分である第Ｉ信号及びＱ信号と、を乗算し、第１及び第２の周波数の変調受信信号のＩ成分及びＱ成分を求めるステップと、
第１の周波数の変調受信信号のＩ成分及びＱ成分の、二乗和信号を求めるステップと、
第１の擬似ランダム信号及び第２の擬似ランダム信号の乗算値のピーク値が検出された時刻から前記二乗和信号のピーク値が検出された時刻までの時間から、前記対象物までの粗距離測定値を求めるステップと、
第１及び第２の周波数の変調受信信号のＩ成分及びＱ成分から、第１及び第２の周波数の変調受信信号の第１及び第２の位相測定値を求めるステップと、
基準距離、予め求めた、前記基準距離に対応する第２の周波数の変調信号の第２の基準位相測定値、及び第２の位相測定値から求めた、第２のグループの複数の精密距離候補値の内、前記粗距離測定値に最も近い精密距離候補値を代表値とするステップと、
前記基準距離、予め求めた、前記基準距離に対応する第１の周波数の変調信号の第１の基準位相測定値、及び第１の位相測定値から求めた、第１のグループの複数の精密距離候補値の内、前記代表値に最も近い精密距離候補値を距離測定値とするステップと、を含む距離測定方法であって、
位相による精密距離測定に使用される複数の周波数の信号に関し、最も低い周波数に対応する最も長い波長の１／４が、粗距離測定の精度よりも大きくなるように定め、隣接する２周波数の高い方の周波数に対応する波長の１／４が、隣接する２周波数の低い方の周波数の信号を使用した位相測定による距離測定精度よりも大きくなるように定めた距離測定方法。
第１及び第２の周波数の変調送信信号を含む、周波数の異なる３以上の周波数の送信信号を使用して、第１及び第２のグループを含む３以上のグループの精密距離候補値から距離測定値が定められる請求項２に記載の距離測定方法。