定在波測距装置
【課題】 定在波測距装置において、距離測定の高精度と高速化を両立させる。
【解決手段】 信号送受信部２から周波数をステップ状に変化させた送信信号を送出させ、サンプリング部３では受信信号の定在波を送信信号の周波数に同期したタイミングでサンプリングする。第１の距離計測部２２で周波数ごとに空間伝播遅延時間に対応するサンプリング波形の振幅変動区間の時間幅に基づいて第１の距離値Ｒ１を算出するとともに、第２の距離計測部２３で振幅が変動する区間を除く領域の振幅情報を、送信信号の周波数ごとに並べて生成した振動波形の振動周期に基づいて第２の距離値Ｒ２を算出する。周波数ステップごとに距離値Ｒ１が得られるので、精度の高い距離値Ｒ２とともに高速化が図れる。
【解決手段】 信号送受信部２から周波数をステップ状に変化させた送信信号を送出させ、サンプリング部３では受信信号の定在波を送信信号の周波数に同期したタイミングでサンプリングする。第１の距離計測部２２で周波数ごとに空間伝播遅延時間に対応するサンプリング波形の振幅変動区間の時間幅に基づいて第１の距離値Ｒ１を算出するとともに、第２の距離計測部２３で振幅が変動する区間を除く領域の振幅情報を、送信信号の周波数ごとに並べて生成した振動波形の振動周期に基づいて第２の距離値Ｒ２を算出する。周波数ステップごとに距離値Ｒ１が得られるので、精度の高い距離値Ｒ２とともに高速化が図れる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定在波の観測に基づいて対象物までの距離を測定する定在波測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
送信信号と対象物からの反射信号に基づいて対象物までの距離を測定するレーダとして、とくに定在波を用いて対象物までの距離を測定する測距装置が特開２００２−３５７６５６号公報に開示されている。これは、送信信号の周波数をステップ状に周波数変調し、対象物からの反射信号により発生する定在波を送信周波数ごとに観測して、定在波間の位相の変化を検出することにより対象物までの距離を算出するものである。この方式は、送信信号送出から反射信号受信までの遅延時間に基づいて距離を算出する方式に比較して、近距離の距離測定においても高い精度が得られる。
ここで、上記公報に示された定在波による距離測定において、距離分解能と最大検知距離を両立させるためには、細かな周波数ステップで広い周波数範囲の周波数変調を行って、定在波の位相観測数を多くする必要がある。
【特許文献１】特開２００２−３５７６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、レーダに用いる伝播媒体としては電磁波、光、超音波などがあり、例えば車両周りの近傍検出などには簡便な超音波が多く使用されている。
しかし、伝播媒体に超音波を使用する場合には、その伝播速度が電磁波と比較した場合に６桁ほど小さいために、定在波の位相観測数を多くすると観測時間が長くなるという問題がある。
【０００４】
また、対象物との間に相対速度が発生している場合には、距離測定値に誤差が含まれてくるので、さらに精度を高めようとするとき、例えば特開２００４−３２５０８５公報には、周波数ステップの周波数差を異ならせた２つの定在波による測定を行って、上記誤差を補正する方法も提案されている。しかしこの方法では観測時間がさらに２倍必要になる。
以上のように、従来の定在波を使用した測距では高い精度は得られるが時間がかかるという問題を有している。
【０００５】
したがって本発明は、上記の問題点にかんがみ、伝播媒体にかかわらず高精度かつ高速に対象物までの距離を測定可能とした定在波測距装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため本発明は、周波数をステップ状に変化させた送信信号を送出して、対象物の反射による受信信号の定在波を送信信号の周波数に同期したタイミングでサンプリングするようにし、第１の距離計測部で周波数ごとに上記サンプリングされた信号における振幅が変動する区間の時間幅に基づいて第１の距離値を算出するとともに、第２の距離計測部で上記サンプリングされた信号における振幅が変動する区間を除く領域の振幅情報を、送信信号の周波数ごとに並べて生成した振動波形の振動周期に基づいて第２の距離値を算出して、出力制御部から第１の距離値と第２の距離値とに基づいて対象物までの距離信号を出力するものとした。
【発明の効果】
【０００７】
周波数ごとのサンプリング波形において振幅変動が発生している区間の時間幅は空間伝播遅延時間に対応するから、第１距離計測部ではこの遅延時間と媒体の伝播速度とに基づいて第１の距離値が高速に算出できる。
また、第２距離計測部２３では振幅が変動していない部分での振幅情報を周波数順に並べた振動波形の振動周期から第２の距離値を算出するから、第２の距離値は従来の定在波を使用した測距によるものと同じく高精度である。
したがって、たとえ伝播速度の低い媒体を用いた場合でも、高速に得られる第１の距離値と高精度の第２の距離値を相互補完して対象物までの距離測定の高精度化と高速化とが両立できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、発明の実施の形態を実施例により説明する。
図１は、第１の実施例の構成を示す図である。
測距装置１は、信号送受信部２、サンプリング部３および信号処理部４とからなっている。
信号送受信部２は、周波数可変発振器１１、この周波数可変発振器１１からの発振信号に基づいて超音波の送信信号を出力する超音波発振素子１２、超音波を受信して受信信号に変換する超音波受信素子１３、および超音波受信素子１３の受信信号を増幅する信号増幅器１４を有する。
超音波発振素子１２と超音波受信素子１３は互いに平行に同一方向に向けて設置され、超音波発振素子１２から照射された送信信号の対象物による反射信号が超音波受信素子１３に受信されるようになっている。
【０００９】
サンプリング部３は、周波数可変発振器１１からの発振信号を入力して送信信号と同期したサンプリングタイミング信号（例えば送信信号と同一周波数の矩形波）を生成するサンプリングタイミング生成回路１５と、上記サンプリングタイミング信号によるタイミングで信号増幅器１４の出力（すなわち増幅された受信信号）をサンプリング検出してそのサンプリングデータを後述する周波数ステップごとに蓄積する受信信号サンプリング回路１６を備える。
【００１０】
つぎに信号処理部は、周波数可変発振器１１に接続された送信周波数制御部２１、受信信号サンプリング回路１６に接続された第１距離計測部２２、送信周波数制御部２１と第１距離計測部２２とに接続された第２距離計測部２３、および第１距離計測部２２と第２距離計測部２３とに接続された出力制御部２５を有する。
【００１１】
送信周波数制御部２１は、周波数可変発振器１１の発振信号を制御することにより、超音波発振素子１２から送出される送信信号の周波数を制御する。
第１距離計測部２２は、受信信号サンプリング回路１６から出力されるサンプリングデータの振幅変動の情報に基づいて、送信信号と受信信号間の遅延時間から対象物までの距離を算出する。
【００１２】
第２距離計測部２３は、第１距離計測部２２で用いたサンプリングデータの固定振幅部分の振幅情報を周波数ステップごとに並べた振動波形の振動周波数（または振動周期）に基づいて対象物までの距離を算出する。
第１距離計測部２２および第２距離計測部２３で算出した対象物までの距離はそれぞれ出力制御部２５へ入力される。出力制御部２５は第１距離計測部２２と第２距離計測部２３から入力された２つの距離を基に所定の補完処理などを行い、測距装置としての最終的な距離信号を出力する。
【００１３】
以下、本実施例における測距の動作について説明する。
前述のように、送信周波数制御部２１は、周波数可変発振器１１を制御することにより、図２に示すように、超音波発振素子１２から送出される送信信号の周波数を最小周波数ｆ０からΔｆの周波数差で順次にステップ状に変化させる。
図２には、ステップ状の送信信号と、その反射信号による受信信号を時系列に重ねて示している。受信信号は送信信号に対して空間伝播の遅延時間をもって、送信信号と同様にステップ状に現れる。
【００１４】
受信信号サンプリング回路１６では、送信信号の周波数変化点（ｔ０、ｔ１、ｔ２、・・・）から所定の時間差Δｔのタイミングで受信信号の定在波の振幅をサンプリングする。これにより、周波数変化に応じて定在波の振幅に位相変化が現れる。
すなわち、図３は、対象物が距離１ｍの位置にあるとき、送信信号の周波数（送信周波数）を４０．０４ｋＨｚから０．０６ｋＨｚずつ変化させた場合の定在波の振幅変動例を示す。なお、図３では下方向に周波数を増大させている。
周波数変化点の時刻ｔｍから上述の時間差分後、すなわち時刻ｔｍ＋Δｔにおける振幅を見ると、周波数を変化させたことによって位相変化が発生していることがわかる。
【００１５】
さらに図４は、対象物までの異なる距離に対して、送信信号の周波数を４０ｋＨｚから５０ｋＨｚまで変化させて、周波数変化点から時間差Δｔの時点の振幅をサンプリングしたときの波形を示す。これから、反射する対象物までの距離が遠くなるにしたがってサンプリング波形の振動周波数が増している（周期が減じている）ことがわかる。
したがって、受信信号サンプリング回路１６でサンプリングした受信信号の定在波の、周波数ステップごとの振幅変動の状況から距離を求めることができる。
【００１６】
より詳細に説明すると、送信信号の周波数をｆ、受信信号の定在波の観測位置をｘ、振幅を１とすると、送信信号Ｓｔは一般的に式（１）で表される。
Ｓｔ（ｆ，ｘ）＝ｅｘｐ（ｊ・２πｆ・ｘ／Ｖ） ・・・（１）
ここで、Ｖは伝播媒体を伝播する速度で、超音波の場合約３４０ｍ／秒である。
距離ｄ（ｍ）の位置に対象物が存在し、その反射効率をγ、位相変化量をφ（ラジアン）とすると、反射信号Ｓｒは式（２）で表される。
Ｓｒ（ｆ，ｘ）＝γ・ｅｘｐ（ｊφ）・ｅｘｐ（ｊ・２πｆ・（２ｄ−ｘ）／Ｖ）
・・・（２）
【００１７】
式（１）、（２）より、送信信号と受信信号の合成信号Ａは式（３）のようになる。
Ａ（ｆ，ｘ）＝｜Ｓｔ（ｆ，ｘ）＋Ｓｒ（ｆ，ｘ）｜
＝｜ｅｘｐ（ｊ・２πｆ・ｘ／Ｖ）｛１＋γ・ｅｘｐ（ｊ・２πｆ・（２ｄ−ｘ）／Ｖ＋φ）｝｜ ・・・（３）
合成信号のパワーＰは式（４）のように表される。
Ｐ（ｆ，ｘ）＝｛Ａ（ｆ，ｘ）｝２
＝１＋γ２＋２γ・ｃｏｓ｛２πｆ・２（ｄ−ｘ）／Ｖ＋φ｝
・・・（４）
【００１８】
式（４）より、観測位置ｘ＝０（ｍ）で観測したときの合成信号のパワーＰ（ｆ，０）は、
Ｐ（ｆ，０）＝１＋γ２＋２γ・ｃｏｓ｛２πｆ・２ｄ／Ｖ＋φ｝ ・・・（５）
となり、式（５）のＰ（ｆ，０）は周波数ｆについて周期的であり、その周期はＶ／２ｄであることがわかる。
したがって、送信信号の周波数ごとに合成信号のパワーＰ（ｆ，０）の位相変動周期（あるいは周波数）を観測することにより対象物までの距離ｄを算出することができる。
【００１９】
本実施例の受信信号サンプリング回路１６では、図２における送信信号の１つの周波数ステップ、例えば時刻ｔ１からｔ２の周波数ステップにおいて、その周波数ｆ０＋Δｆの２逓倍周波数２・（ｆ０＋Δｆ）でサンプリングする。
ここで、受信信号はその空間伝播の遅延時間部分については周波数ｆ０で観測され、それ以降は周波数ｆ０＋Δｆで観測される。したがって、サンプリング波形は図５に実線で示すものとなり、遅延時間部分では周波数が異なることによって位相変化が生じ、振幅変動が起きる。なお、図５中破線は送信信号の周波数でサンプリングした場合を示す。
【００２０】
第１距離計測部２２では、この位相変化による振幅変動が発生している時間幅を計測して空間伝播遅延時間Δｔとし、次式で対象物までの距離Ｒ１を算出する。
Ｒ１＝Ｖ・Δｔ／２ ・・・（６）
第１距離計測部２２は算出した距離Ｒ１を出力制御部２５へ出力するとともに、空間伝播遅延時間Δｔから後の振幅情報を第２距離計測部２３へ出力する。
【００２１】
第２距離計測部２３は各式をもって詳述した位相変動周期に基づいて対象物までの距離を求める。
第２距離計測部２３が第１距離計測部２２から取得する振幅情報は、送信信号の周波数に応じて変化し、先の図５に示したサンプリング波形もその信号強度が周波数別に大きく変動する。
第２距離計測部２３では、この振幅情報を周波数順に並べ替えて、図４に示したと同様な周波数ステップごとの振動波形を求め、式（５）のパワーＰの位相変動周期から対象物までの距離Ｒ２を算出する。
【００２２】
本実施例では、送信周波数制御部２１、周波数可変発振器１１および超音波発振素子１２が発明における送信手段を構成し、超音波受信素子１３および信号増幅器１４が受信手段を構成している。
また、サンプリングタイミング生成回路１５と受信信号サンプリング回路１６からなるサンプリング部３が、サンプリング手段を構成している。
【００２３】
本実施例は以上のように構成され、１つの周波数ステップの時間幅内で、送信信号に同期したサンプルタイミングで受信信号をサンプリングするものとし、第１距離計測部２２では周波数ステップごとのサンプリング波形において振幅変動が発生している時間幅を空間伝播遅延時間として、この遅延時間と媒体の伝播速度とに基づいて距離Ｒ１を算出するから、いわゆるデータ更新周期が短く、高速に対象物までの距離が求められる。
一方、第２距離計測部２３では同じサンプリング波形において振幅が変動していない部分での振幅情報を周波数順に並べた振動波形の振動周期（あるいは周波数）から距離Ｒ２を算出するから、従来の定在波を使用した測距と同じく高精度に対象物までの距離が求められる。
【００２４】
したがって、出力制御部２５は、第１、第２距離計測部２２、２３から高速ではあるが精度は少し低い距離Ｒ１と、高精度であるがデータ更新に時間がかかる距離Ｒ２とを取得するので、設定に応じて、速やかに距離Ｒ１を出力し、その後距離Ｒ２を出力することができ、あるいは距離Ｒ１とＲ２を相互補完した距離信号を出力することができる。
とくに補完については、距離Ｒ２をベースとする場合、第２距離計測部からの次の距離出力があるまでの間、距離Ｒ１を用いて距離変化を補うことにより、実質的にデータ更新周期を高速化することができる。
このため、伝播媒体として伝播速度の遅い超音波を用いたにもかかわらず、定在波測距による測定の高精度化と車載用としても十分な高速化とが共に達成される。
【００２５】
なお、上記実施例では、送信信号の周波数を図２に示すように最小周波数ｆ０からΔｆの周波数差で順次に高くなっていくように変化させたが、変形例として、比較的大きな周波数差で高低を繰り返しながら上昇させることもできる。
図６はその一例を示し、これは、先の図２における時間軸の前半と後半を交互に並べたものに相当する。すなわち、周波数の全数がｎであるとき、送信周波数制御部２１は周波数可変発振器１１を制御して、前半の最小周波数ｆ０から中間周波数ｆ０＋（（ｎ／２）−１）・Δｆまでの周波数ステップと、中間周波数ｆ０＋（ｎ／２）・Δｆから最大周波数ｆ０＋（ｎ−１）・Δｆまでの周波数ステップとを交互に設定して、時刻ｔ０からｔ１の間は最小周波数ｆ０、時刻ｔ１からｔ２の間はｆ０＋（ｎ／２）・Δｆ、時刻ｔ２からｔ３の間はｆ０＋Δｆ、時刻ｔ３からｔ４の間はｆ０＋（（ｎ／２）＋１）・Δｆ、時刻ｔ４からｔ５の間はｆ０＋２Δｆのように、送信周波数を変化させる。
【００２６】
これによれば、例えば時刻ｔ１からｔ２の周波数ステップにおける受信信号は、遅延時間部分では周波数ｆ０で観測され、その後はｆ０＋（ｎ／２）・Δｆで観測されるから、遅延時間部分の周波数差が（ｎ／２）・Δｆと大きくなり、図７に示すようにサンプリング波形における遅延時間部分の振幅変動がとくに顕著に現れる。なお、図中、実線は送信信号の周波数の２逓倍周波数でサンプリングし、破線は送信信号の周波数でサンプリングした場合を示している。
【００２７】
送信信号の周波数が変化していくと、図８に示すように、その変化に応じてそれぞれのサンプリング波形の信号強度が周波数別に大きく変動する。
第２距離計測部２３では、この振幅情報を周波数順に並べ替えて、周波数ステップごとの振動波形を観測する。
この変形例では、上述のようにサンプリング波形における遅延時間部分の振幅変動が顕著に現れるので、空間伝播遅延時間Δｔをより一層精度よく観測でき、第１距離計測部２２で算出する距離Ｒ１の精度が向上するという利点が得られる。
【００２８】
つぎに第２の実施例について説明する。
図９は第２の実施例の構成を示す。
測距装置１Ａは、信号送受信部２、サンプリング部３および信号処理部４Ａとからなっている。
信号処理部４Ａには相対速度算出部２４を含み、相対速度算出部２４は第１距離計測部２２、第２距離計測部２３Ａ、および出力制御部２５Ａにそれぞれ接続している。
相対速度算出部２４は、第１距離計測部２２の出力に基づいて対象物との相対速度を算出し、その結果を第２距離計測部２３Ａと出力制御部２５Ａへ出力する。第２距離計測部２３Ａと出力制御部２５Ａにおける処理は後述する。
その他の構成は第１の実施例と同じである。
【００２９】
相対速度算出部２４は、第１距離計測部２２で算出された距離Ｒ１の周波数ステップごとの変化を観測して、対象物との相対速度を算出する。
距離Ｒ１の周波数ステップごとの変化は、周波数ステップが所定時間ごとに変化していくことから、時間経過における距離Ｒ１の変化であり、相対速度となる。
【００３０】
第１の実施例では、相対速度がないものとして、送信信号と受信信号の合成信号のパワーを式（５）で表したが、対象物との間で相対速度があるときは、合成信号のパワーＰは、相対速度をｓ、時刻ｔｋにおける対象物までの距離をｄｋとして、時間のパラメータが入った次式で表される。
Ｐ（ｆ，０，ｔ）＝｛Ａ（ｆ，０，ｔ）｝２
＝１＋γ２＋２γ・ｃｏｓ｛４πｆ・｛ｄｋ
＋ｓ・（ｔ−ｔｋ）｝／Ｖ＋φ｝ ・・・（７）
すなわち、観測に要する時間をＴとすれば、合成信号のパワーの位相変動周期は、Ｖ／｛２（ｄ＋ｓ・Ｔ）｝に一般化されるから、距離ｄを求めるのに相対速度ｓの情報を必要とする。
【００３１】
そこで、本実施例の第２距離計測部２３Ａでは、相対速度算出部２４で算出された相対速度ｓを式（７）に代入するとともに、第１距離計測部２２からのサンプリング波形において振幅が変動していない部分での振幅情報を周波数順に並べた振動波形の振動周期（あるいは周波数）を観測することにより、距離Ｒ２を算出する。
出力制御部２５Ａは第１の実施例における出力制御部２５と同様に距離Ｒ１とＲ２を相互補完などした距離信号を出力するとともに、相対速度算出部２４から入力された相対速度も要求に応じて出力する。
【００３２】
本実施例は以上のように構成され、相対速度算出部２４により第１距離計測部２２で得た距離Ｒ１の、周波数ステップごとの変化、すなわち時間経過に対する変化から相対速度ｓを求め、この相対速度を第２距離計測部２３Ａでの振動波形観測に用いる。このため、実際に相対速度があるにもかかわらず当該相対速度ｓの情報を欠くときに生じる「相対速度による誤差」を抑えることができる。
したがって、とくに走行路上の先行車など対象物との相対速度が始終変動する車両用として、有効である。
【００３３】
なお、第１の実施例の変形例は第２の実施例にもそのまま適用可能である。
また、各実施例では信号媒体として超音波を用いたが、もちろんこれに限定されることなく、電磁波や赤外線等を含む光など任意に選択できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１の実施例の構成を示す図である。
【図２】送信信号と受信信号を示す図である。
【図３】送信周波数を変化させたときの定在波の振幅変動を示す図である。
【図４】送信周波数を変化させたときの、対象物との距離変化による振幅変動の周波数の変化を示す図である。
【図５】１つの周波数ステップにおけるサンプリング結果を示す図である。
【図６】変形例における送信信号と受信信号を示す図である。
【図７】変形例における１つの周波数ステップにおけるサンプリング結果を示す図である。
【図８】サンプリング波形の周波数ごとの変化を示す図である。
【図９】第２の実施例の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１、１Ａ 測距装置
２ 信号送受信部
３ サンプリング部
４、４Ａ 信号処理部
１１ 周波数可変発振器
１２ 超音波発振素子
１３ 超音波受信素子
１４ 信号増幅器
１５ サンプリングタイミング生成回路
１６ 受信信号サンプリング回路
２１ 送信周波数制御部
２２ 第１距離計測部
２３、２３Ａ 第２距離計測部
２４ 相対速度算出部
２５、２５Ａ 出力制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定在波の観測に基づいて対象物までの距離を測定する定在波測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
送信信号と対象物からの反射信号に基づいて対象物までの距離を測定するレーダとして、とくに定在波を用いて対象物までの距離を測定する測距装置が特開２００２−３５７６５６号公報に開示されている。これは、送信信号の周波数をステップ状に周波数変調し、対象物からの反射信号により発生する定在波を送信周波数ごとに観測して、定在波間の位相の変化を検出することにより対象物までの距離を算出するものである。この方式は、送信信号送出から反射信号受信までの遅延時間に基づいて距離を算出する方式に比較して、近距離の距離測定においても高い精度が得られる。
ここで、上記公報に示された定在波による距離測定において、距離分解能と最大検知距離を両立させるためには、細かな周波数ステップで広い周波数範囲の周波数変調を行って、定在波の位相観測数を多くする必要がある。
【特許文献１】特開２００２−３５７６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、レーダに用いる伝播媒体としては電磁波、光、超音波などがあり、例えば車両周りの近傍検出などには簡便な超音波が多く使用されている。
しかし、伝播媒体に超音波を使用する場合には、その伝播速度が電磁波と比較した場合に６桁ほど小さいために、定在波の位相観測数を多くすると観測時間が長くなるという問題がある。
【０００４】
また、対象物との間に相対速度が発生している場合には、距離測定値に誤差が含まれてくるので、さらに精度を高めようとするとき、例えば特開２００４−３２５０８５公報には、周波数ステップの周波数差を異ならせた２つの定在波による測定を行って、上記誤差を補正する方法も提案されている。しかしこの方法では観測時間がさらに２倍必要になる。
以上のように、従来の定在波を使用した測距では高い精度は得られるが時間がかかるという問題を有している。
【０００５】
したがって本発明は、上記の問題点にかんがみ、伝播媒体にかかわらず高精度かつ高速に対象物までの距離を測定可能とした定在波測距装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため本発明は、周波数をステップ状に変化させた送信信号を送出して、対象物の反射による受信信号の定在波を送信信号の周波数に同期したタイミングでサンプリングするようにし、第１の距離計測部で周波数ごとに上記サンプリングされた信号における振幅が変動する区間の時間幅に基づいて第１の距離値を算出するとともに、第２の距離計測部で上記サンプリングされた信号における振幅が変動する区間を除く領域の振幅情報を、送信信号の周波数ごとに並べて生成した振動波形の振動周期に基づいて第２の距離値を算出して、出力制御部から第１の距離値と第２の距離値とに基づいて対象物までの距離信号を出力するものとした。
【発明の効果】
【０００７】
周波数ごとのサンプリング波形において振幅変動が発生している区間の時間幅は空間伝播遅延時間に対応するから、第１距離計測部ではこの遅延時間と媒体の伝播速度とに基づいて第１の距離値が高速に算出できる。
また、第２距離計測部２３では振幅が変動していない部分での振幅情報を周波数順に並べた振動波形の振動周期から第２の距離値を算出するから、第２の距離値は従来の定在波を使用した測距によるものと同じく高精度である。
したがって、たとえ伝播速度の低い媒体を用いた場合でも、高速に得られる第１の距離値と高精度の第２の距離値を相互補完して対象物までの距離測定の高精度化と高速化とが両立できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、発明の実施の形態を実施例により説明する。
図１は、第１の実施例の構成を示す図である。
測距装置１は、信号送受信部２、サンプリング部３および信号処理部４とからなっている。
信号送受信部２は、周波数可変発振器１１、この周波数可変発振器１１からの発振信号に基づいて超音波の送信信号を出力する超音波発振素子１２、超音波を受信して受信信号に変換する超音波受信素子１３、および超音波受信素子１３の受信信号を増幅する信号増幅器１４を有する。
超音波発振素子１２と超音波受信素子１３は互いに平行に同一方向に向けて設置され、超音波発振素子１２から照射された送信信号の対象物による反射信号が超音波受信素子１３に受信されるようになっている。
【０００９】
サンプリング部３は、周波数可変発振器１１からの発振信号を入力して送信信号と同期したサンプリングタイミング信号（例えば送信信号と同一周波数の矩形波）を生成するサンプリングタイミング生成回路１５と、上記サンプリングタイミング信号によるタイミングで信号増幅器１４の出力（すなわち増幅された受信信号）をサンプリング検出してそのサンプリングデータを後述する周波数ステップごとに蓄積する受信信号サンプリング回路１６を備える。
【００１０】
つぎに信号処理部は、周波数可変発振器１１に接続された送信周波数制御部２１、受信信号サンプリング回路１６に接続された第１距離計測部２２、送信周波数制御部２１と第１距離計測部２２とに接続された第２距離計測部２３、および第１距離計測部２２と第２距離計測部２３とに接続された出力制御部２５を有する。
【００１１】
送信周波数制御部２１は、周波数可変発振器１１の発振信号を制御することにより、超音波発振素子１２から送出される送信信号の周波数を制御する。
第１距離計測部２２は、受信信号サンプリング回路１６から出力されるサンプリングデータの振幅変動の情報に基づいて、送信信号と受信信号間の遅延時間から対象物までの距離を算出する。
【００１２】
第２距離計測部２３は、第１距離計測部２２で用いたサンプリングデータの固定振幅部分の振幅情報を周波数ステップごとに並べた振動波形の振動周波数（または振動周期）に基づいて対象物までの距離を算出する。
第１距離計測部２２および第２距離計測部２３で算出した対象物までの距離はそれぞれ出力制御部２５へ入力される。出力制御部２５は第１距離計測部２２と第２距離計測部２３から入力された２つの距離を基に所定の補完処理などを行い、測距装置としての最終的な距離信号を出力する。
【００１３】
以下、本実施例における測距の動作について説明する。
前述のように、送信周波数制御部２１は、周波数可変発振器１１を制御することにより、図２に示すように、超音波発振素子１２から送出される送信信号の周波数を最小周波数ｆ０からΔｆの周波数差で順次にステップ状に変化させる。
図２には、ステップ状の送信信号と、その反射信号による受信信号を時系列に重ねて示している。受信信号は送信信号に対して空間伝播の遅延時間をもって、送信信号と同様にステップ状に現れる。
【００１４】
受信信号サンプリング回路１６では、送信信号の周波数変化点（ｔ０、ｔ１、ｔ２、・・・）から所定の時間差Δｔのタイミングで受信信号の定在波の振幅をサンプリングする。これにより、周波数変化に応じて定在波の振幅に位相変化が現れる。
すなわち、図３は、対象物が距離１ｍの位置にあるとき、送信信号の周波数（送信周波数）を４０．０４ｋＨｚから０．０６ｋＨｚずつ変化させた場合の定在波の振幅変動例を示す。なお、図３では下方向に周波数を増大させている。
周波数変化点の時刻ｔｍから上述の時間差分後、すなわち時刻ｔｍ＋Δｔにおける振幅を見ると、周波数を変化させたことによって位相変化が発生していることがわかる。
【００１５】
さらに図４は、対象物までの異なる距離に対して、送信信号の周波数を４０ｋＨｚから５０ｋＨｚまで変化させて、周波数変化点から時間差Δｔの時点の振幅をサンプリングしたときの波形を示す。これから、反射する対象物までの距離が遠くなるにしたがってサンプリング波形の振動周波数が増している（周期が減じている）ことがわかる。
したがって、受信信号サンプリング回路１６でサンプリングした受信信号の定在波の、周波数ステップごとの振幅変動の状況から距離を求めることができる。
【００１６】
より詳細に説明すると、送信信号の周波数をｆ、受信信号の定在波の観測位置をｘ、振幅を１とすると、送信信号Ｓｔは一般的に式（１）で表される。
Ｓｔ（ｆ，ｘ）＝ｅｘｐ（ｊ・２πｆ・ｘ／Ｖ） ・・・（１）
ここで、Ｖは伝播媒体を伝播する速度で、超音波の場合約３４０ｍ／秒である。
距離ｄ（ｍ）の位置に対象物が存在し、その反射効率をγ、位相変化量をφ（ラジアン）とすると、反射信号Ｓｒは式（２）で表される。
Ｓｒ（ｆ，ｘ）＝γ・ｅｘｐ（ｊφ）・ｅｘｐ（ｊ・２πｆ・（２ｄ−ｘ）／Ｖ）
・・・（２）
【００１７】
式（１）、（２）より、送信信号と受信信号の合成信号Ａは式（３）のようになる。
Ａ（ｆ，ｘ）＝｜Ｓｔ（ｆ，ｘ）＋Ｓｒ（ｆ，ｘ）｜
＝｜ｅｘｐ（ｊ・２πｆ・ｘ／Ｖ）｛１＋γ・ｅｘｐ（ｊ・２πｆ・（２ｄ−ｘ）／Ｖ＋φ）｝｜ ・・・（３）
合成信号のパワーＰは式（４）のように表される。
Ｐ（ｆ，ｘ）＝｛Ａ（ｆ，ｘ）｝２
＝１＋γ２＋２γ・ｃｏｓ｛２πｆ・２（ｄ−ｘ）／Ｖ＋φ｝
・・・（４）
【００１８】
式（４）より、観測位置ｘ＝０（ｍ）で観測したときの合成信号のパワーＰ（ｆ，０）は、
Ｐ（ｆ，０）＝１＋γ２＋２γ・ｃｏｓ｛２πｆ・２ｄ／Ｖ＋φ｝ ・・・（５）
となり、式（５）のＰ（ｆ，０）は周波数ｆについて周期的であり、その周期はＶ／２ｄであることがわかる。
したがって、送信信号の周波数ごとに合成信号のパワーＰ（ｆ，０）の位相変動周期（あるいは周波数）を観測することにより対象物までの距離ｄを算出することができる。
【００１９】
本実施例の受信信号サンプリング回路１６では、図２における送信信号の１つの周波数ステップ、例えば時刻ｔ１からｔ２の周波数ステップにおいて、その周波数ｆ０＋Δｆの２逓倍周波数２・（ｆ０＋Δｆ）でサンプリングする。
ここで、受信信号はその空間伝播の遅延時間部分については周波数ｆ０で観測され、それ以降は周波数ｆ０＋Δｆで観測される。したがって、サンプリング波形は図５に実線で示すものとなり、遅延時間部分では周波数が異なることによって位相変化が生じ、振幅変動が起きる。なお、図５中破線は送信信号の周波数でサンプリングした場合を示す。
【００２０】
第１距離計測部２２では、この位相変化による振幅変動が発生している時間幅を計測して空間伝播遅延時間Δｔとし、次式で対象物までの距離Ｒ１を算出する。
Ｒ１＝Ｖ・Δｔ／２ ・・・（６）
第１距離計測部２２は算出した距離Ｒ１を出力制御部２５へ出力するとともに、空間伝播遅延時間Δｔから後の振幅情報を第２距離計測部２３へ出力する。
【００２１】
第２距離計測部２３は各式をもって詳述した位相変動周期に基づいて対象物までの距離を求める。
第２距離計測部２３が第１距離計測部２２から取得する振幅情報は、送信信号の周波数に応じて変化し、先の図５に示したサンプリング波形もその信号強度が周波数別に大きく変動する。
第２距離計測部２３では、この振幅情報を周波数順に並べ替えて、図４に示したと同様な周波数ステップごとの振動波形を求め、式（５）のパワーＰの位相変動周期から対象物までの距離Ｒ２を算出する。
【００２２】
本実施例では、送信周波数制御部２１、周波数可変発振器１１および超音波発振素子１２が発明における送信手段を構成し、超音波受信素子１３および信号増幅器１４が受信手段を構成している。
また、サンプリングタイミング生成回路１５と受信信号サンプリング回路１６からなるサンプリング部３が、サンプリング手段を構成している。
【００２３】
本実施例は以上のように構成され、１つの周波数ステップの時間幅内で、送信信号に同期したサンプルタイミングで受信信号をサンプリングするものとし、第１距離計測部２２では周波数ステップごとのサンプリング波形において振幅変動が発生している時間幅を空間伝播遅延時間として、この遅延時間と媒体の伝播速度とに基づいて距離Ｒ１を算出するから、いわゆるデータ更新周期が短く、高速に対象物までの距離が求められる。
一方、第２距離計測部２３では同じサンプリング波形において振幅が変動していない部分での振幅情報を周波数順に並べた振動波形の振動周期（あるいは周波数）から距離Ｒ２を算出するから、従来の定在波を使用した測距と同じく高精度に対象物までの距離が求められる。
【００２４】
したがって、出力制御部２５は、第１、第２距離計測部２２、２３から高速ではあるが精度は少し低い距離Ｒ１と、高精度であるがデータ更新に時間がかかる距離Ｒ２とを取得するので、設定に応じて、速やかに距離Ｒ１を出力し、その後距離Ｒ２を出力することができ、あるいは距離Ｒ１とＲ２を相互補完した距離信号を出力することができる。
とくに補完については、距離Ｒ２をベースとする場合、第２距離計測部からの次の距離出力があるまでの間、距離Ｒ１を用いて距離変化を補うことにより、実質的にデータ更新周期を高速化することができる。
このため、伝播媒体として伝播速度の遅い超音波を用いたにもかかわらず、定在波測距による測定の高精度化と車載用としても十分な高速化とが共に達成される。
【００２５】
なお、上記実施例では、送信信号の周波数を図２に示すように最小周波数ｆ０からΔｆの周波数差で順次に高くなっていくように変化させたが、変形例として、比較的大きな周波数差で高低を繰り返しながら上昇させることもできる。
図６はその一例を示し、これは、先の図２における時間軸の前半と後半を交互に並べたものに相当する。すなわち、周波数の全数がｎであるとき、送信周波数制御部２１は周波数可変発振器１１を制御して、前半の最小周波数ｆ０から中間周波数ｆ０＋（（ｎ／２）−１）・Δｆまでの周波数ステップと、中間周波数ｆ０＋（ｎ／２）・Δｆから最大周波数ｆ０＋（ｎ−１）・Δｆまでの周波数ステップとを交互に設定して、時刻ｔ０からｔ１の間は最小周波数ｆ０、時刻ｔ１からｔ２の間はｆ０＋（ｎ／２）・Δｆ、時刻ｔ２からｔ３の間はｆ０＋Δｆ、時刻ｔ３からｔ４の間はｆ０＋（（ｎ／２）＋１）・Δｆ、時刻ｔ４からｔ５の間はｆ０＋２Δｆのように、送信周波数を変化させる。
【００２６】
これによれば、例えば時刻ｔ１からｔ２の周波数ステップにおける受信信号は、遅延時間部分では周波数ｆ０で観測され、その後はｆ０＋（ｎ／２）・Δｆで観測されるから、遅延時間部分の周波数差が（ｎ／２）・Δｆと大きくなり、図７に示すようにサンプリング波形における遅延時間部分の振幅変動がとくに顕著に現れる。なお、図中、実線は送信信号の周波数の２逓倍周波数でサンプリングし、破線は送信信号の周波数でサンプリングした場合を示している。
【００２７】
送信信号の周波数が変化していくと、図８に示すように、その変化に応じてそれぞれのサンプリング波形の信号強度が周波数別に大きく変動する。
第２距離計測部２３では、この振幅情報を周波数順に並べ替えて、周波数ステップごとの振動波形を観測する。
この変形例では、上述のようにサンプリング波形における遅延時間部分の振幅変動が顕著に現れるので、空間伝播遅延時間Δｔをより一層精度よく観測でき、第１距離計測部２２で算出する距離Ｒ１の精度が向上するという利点が得られる。
【００２８】
つぎに第２の実施例について説明する。
図９は第２の実施例の構成を示す。
測距装置１Ａは、信号送受信部２、サンプリング部３および信号処理部４Ａとからなっている。
信号処理部４Ａには相対速度算出部２４を含み、相対速度算出部２４は第１距離計測部２２、第２距離計測部２３Ａ、および出力制御部２５Ａにそれぞれ接続している。
相対速度算出部２４は、第１距離計測部２２の出力に基づいて対象物との相対速度を算出し、その結果を第２距離計測部２３Ａと出力制御部２５Ａへ出力する。第２距離計測部２３Ａと出力制御部２５Ａにおける処理は後述する。
その他の構成は第１の実施例と同じである。
【００２９】
相対速度算出部２４は、第１距離計測部２２で算出された距離Ｒ１の周波数ステップごとの変化を観測して、対象物との相対速度を算出する。
距離Ｒ１の周波数ステップごとの変化は、周波数ステップが所定時間ごとに変化していくことから、時間経過における距離Ｒ１の変化であり、相対速度となる。
【００３０】
第１の実施例では、相対速度がないものとして、送信信号と受信信号の合成信号のパワーを式（５）で表したが、対象物との間で相対速度があるときは、合成信号のパワーＰは、相対速度をｓ、時刻ｔｋにおける対象物までの距離をｄｋとして、時間のパラメータが入った次式で表される。
Ｐ（ｆ，０，ｔ）＝｛Ａ（ｆ，０，ｔ）｝２
＝１＋γ２＋２γ・ｃｏｓ｛４πｆ・｛ｄｋ
＋ｓ・（ｔ−ｔｋ）｝／Ｖ＋φ｝ ・・・（７）
すなわち、観測に要する時間をＴとすれば、合成信号のパワーの位相変動周期は、Ｖ／｛２（ｄ＋ｓ・Ｔ）｝に一般化されるから、距離ｄを求めるのに相対速度ｓの情報を必要とする。
【００３１】
そこで、本実施例の第２距離計測部２３Ａでは、相対速度算出部２４で算出された相対速度ｓを式（７）に代入するとともに、第１距離計測部２２からのサンプリング波形において振幅が変動していない部分での振幅情報を周波数順に並べた振動波形の振動周期（あるいは周波数）を観測することにより、距離Ｒ２を算出する。
出力制御部２５Ａは第１の実施例における出力制御部２５と同様に距離Ｒ１とＲ２を相互補完などした距離信号を出力するとともに、相対速度算出部２４から入力された相対速度も要求に応じて出力する。
【００３２】
本実施例は以上のように構成され、相対速度算出部２４により第１距離計測部２２で得た距離Ｒ１の、周波数ステップごとの変化、すなわち時間経過に対する変化から相対速度ｓを求め、この相対速度を第２距離計測部２３Ａでの振動波形観測に用いる。このため、実際に相対速度があるにもかかわらず当該相対速度ｓの情報を欠くときに生じる「相対速度による誤差」を抑えることができる。
したがって、とくに走行路上の先行車など対象物との相対速度が始終変動する車両用として、有効である。
【００３３】
なお、第１の実施例の変形例は第２の実施例にもそのまま適用可能である。
また、各実施例では信号媒体として超音波を用いたが、もちろんこれに限定されることなく、電磁波や赤外線等を含む光など任意に選択できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１の実施例の構成を示す図である。
【図２】送信信号と受信信号を示す図である。
【図３】送信周波数を変化させたときの定在波の振幅変動を示す図である。
【図４】送信周波数を変化させたときの、対象物との距離変化による振幅変動の周波数の変化を示す図である。
【図５】１つの周波数ステップにおけるサンプリング結果を示す図である。
【図６】変形例における送信信号と受信信号を示す図である。
【図７】変形例における１つの周波数ステップにおけるサンプリング結果を示す図である。
【図８】サンプリング波形の周波数ごとの変化を示す図である。
【図９】第２の実施例の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１、１Ａ 測距装置
２ 信号送受信部
３ サンプリング部
４、４Ａ 信号処理部
１１ 周波数可変発振器
１２ 超音波発振素子
１３ 超音波受信素子
１４ 信号増幅器
１５ サンプリングタイミング生成回路
１６ 受信信号サンプリング回路
２１ 送信周波数制御部
２２ 第１距離計測部
２３、２３Ａ 第２距離計測部
２４ 相対速度算出部
２５、２５Ａ 出力制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数をステップ状に変化させた送信信号を送出する送信手段と、
送信信号が対象物で反射した反射信号を検出してこれを受信信号として出力する受信手段と、
前記受信信号の定在波を前記送信信号の周波数に同期したタイミングでサンプリングするサンプリング手段と、
該サンプリング手段でサンプリングされた信号において、周波数ごとに振幅が変動する区間の時間幅に基づいて第１の距離値を算出する第１の距離計測部と、
前記サンプリングされた信号における前記振幅が変動する区間を除く領域の振幅情報を、前記送信信号の周波数ごとに並べて生成した振動波形の振動周期に基づいて第２の距離値を算出する第２の距離計測部と、
前記第１の距離計測部で算出した第１の距離値と前記第２の距離計測部で算出した第２の距離値とに基づいて、対象物までの距離信号を出力する出力制御部とを有することを特徴とする定在波測距装置。
【請求項２】
前記第１の距離計測部で算出された距離の周波数ステップごとの変化に基づいて、対象物の相対速度を算出する相対速度算出部を備え、
前記第２の距離計測部は、前記相対速度算出部で算出された相対速度を用いて、当該第２の距離計測部で算出する第２の距離値の相対速度による誤差を補正することを特徴とする請求項１記載の定在波測距装置。
【請求項３】
周波数をステップ状に変化させた送信信号を送出する送信手段と、
送信信号が対象物で反射した反射信号を検出してこれを受信信号として出力する受信手段と、
前記受信信号の定在波を前記送信信号の周波数に同期したタイミングでサンプリングするサンプリング手段と、
該サンプリング手段でサンプリングされた信号において、周波数ごとに振幅が変動する区間の時間幅に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部とからなることを特徴とする定在波測距装置。
【請求項４】
前記送信手段は、送信信号として、最小周波数から中間周波数までの周波数ステップと、中間周波数から最大周波数までの周波数ステップとを交互に送出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の定在波測距装置。
【請求項５】
前記送信手段は超音波発振素子を備え、受信手段は超音波受信素子を備えて、前記送信信号の媒体を超音波としたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の定在波測距装置。
【請求項６】
定在波測距装置における距離測定方法であって、
周波数をステップ状に変化させた送信信号を送出し、
受信信号の定在波を前記送信信号の周波数に同期したタイミングでサンプリングし、
サンプリングされた信号において、周波数ごとに振幅が変動する区間の時間幅に基づいて第１の距離値を算出するとともに、
前記サンプリングされた信号における前記振幅が変動する区間を除く領域の振幅情報を、前記送信信号の周波数ごとに並べて、その振動波形の振動周期に基づいて第２の距離値を算出して、
前記第１の距離値と前記第２の距離値とに基づいて、対象物までの距離信号を出力するようにしたことを特徴とする定在波測距装置における距離測定方法。
【請求項１】
周波数をステップ状に変化させた送信信号を送出する送信手段と、
送信信号が対象物で反射した反射信号を検出してこれを受信信号として出力する受信手段と、
前記受信信号の定在波を前記送信信号の周波数に同期したタイミングでサンプリングするサンプリング手段と、
該サンプリング手段でサンプリングされた信号において、周波数ごとに振幅が変動する区間の時間幅に基づいて第１の距離値を算出する第１の距離計測部と、
前記サンプリングされた信号における前記振幅が変動する区間を除く領域の振幅情報を、前記送信信号の周波数ごとに並べて生成した振動波形の振動周期に基づいて第２の距離値を算出する第２の距離計測部と、
前記第１の距離計測部で算出した第１の距離値と前記第２の距離計測部で算出した第２の距離値とに基づいて、対象物までの距離信号を出力する出力制御部とを有することを特徴とする定在波測距装置。
【請求項２】
前記第１の距離計測部で算出された距離の周波数ステップごとの変化に基づいて、対象物の相対速度を算出する相対速度算出部を備え、
前記第２の距離計測部は、前記相対速度算出部で算出された相対速度を用いて、当該第２の距離計測部で算出する第２の距離値の相対速度による誤差を補正することを特徴とする請求項１記載の定在波測距装置。
【請求項３】
周波数をステップ状に変化させた送信信号を送出する送信手段と、
送信信号が対象物で反射した反射信号を検出してこれを受信信号として出力する受信手段と、
前記受信信号の定在波を前記送信信号の周波数に同期したタイミングでサンプリングするサンプリング手段と、
該サンプリング手段でサンプリングされた信号において、周波数ごとに振幅が変動する区間の時間幅に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部とからなることを特徴とする定在波測距装置。
【請求項４】
前記送信手段は、送信信号として、最小周波数から中間周波数までの周波数ステップと、中間周波数から最大周波数までの周波数ステップとを交互に送出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の定在波測距装置。
【請求項５】
前記送信手段は超音波発振素子を備え、受信手段は超音波受信素子を備えて、前記送信信号の媒体を超音波としたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の定在波測距装置。
【請求項６】
定在波測距装置における距離測定方法であって、
周波数をステップ状に変化させた送信信号を送出し、
受信信号の定在波を前記送信信号の周波数に同期したタイミングでサンプリングし、
サンプリングされた信号において、周波数ごとに振幅が変動する区間の時間幅に基づいて第１の距離値を算出するとともに、
前記サンプリングされた信号における前記振幅が変動する区間を除く領域の振幅情報を、前記送信信号の周波数ごとに並べて、その振動波形の振動周期に基づいて第２の距離値を算出して、
前記第１の距離値と前記第２の距離値とに基づいて、対象物までの距離信号を出力するようにしたことを特徴とする定在波測距装置における距離測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−１７２９３（Ｐ２００７−１７２９３Ａ）
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９９３２０（Ｐ２００５−１９９３２０）
【出願日】平成１７年７月７日（２００５．７．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月７日（２００５．７．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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