測距装置、形状測定装置及びそれらの方法
【課題】スペクトラム拡散レーダを用いた測距装置であって、低コストで精度の高い測距をすることができる測距装置を提供する。
【解決手段】一定のチップレートの符号によって拡散された送信波７５を放射する送信部７１と、反射波７６を受信する受信部７２と、送信波７５と反射波７６との相関と遅延時間との関係を示す相関波形を算出する相関部７３と、相関波形におけるピーク位置から、対象物までの距離を算出する距離算出部７４とを備え、相関部７３は、チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに遅延時間を変化させたときの相関波形を算出し、距離算出部７４は、相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、相関波形におけるピークに対応する遅延時間をレンジゲートよりも小さい分解能で算出することで、対象物までの距離を算出する。
【解決手段】一定のチップレートの符号によって拡散された送信波７５を放射する送信部７１と、反射波７６を受信する受信部７２と、送信波７５と反射波７６との相関と遅延時間との関係を示す相関波形を算出する相関部７３と、相関波形におけるピーク位置から、対象物までの距離を算出する距離算出部７４とを備え、相関部７３は、チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに遅延時間を変化させたときの相関波形を算出し、距離算出部７４は、相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、相関波形におけるピークに対応する遅延時間をレンジゲートよりも小さい分解能で算出することで、対象物までの距離を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトラム拡散レーダを用いて対象物までの距離を測定する測距装置、及び、その測距装置を用いて対象物の形状を測定する形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット、車両、船舶及び航空機等の移動体や、室内・室外から外界の状況を知りたい場合において、周囲の物体を認識し、その形状を認識することは重要である。特に移動体を自動走行させる場合には形状認識が危険回避の点などからより重要となる。また、人体の形状推定はセキュリティや介護を目的として社会的需要が大きい。このような物体形状推定の手段として、レーダを用いたイメージングシステムが注目されている。たとえば超広帯域（ＵＷＢ）信号を利用したＵＷＢレーダは近距離目標の形状を高い分解能で測定できることから、地中探査や非破壊検査の用途に多く用いられてきた。しかしながら、従来の地下探査レーダイメージングでは、測定結果から形状を推定する指定アルゴリズムが反復改良や繰り返し計算などに基づくものが多く、形状推定に時間がかかるため、前述したようなロボットなどのリアルタイム処理への直接の応用は困難であった。
【０００３】
そのため、本願発明者らは、リアルタイム処理を可能にする高速形状推定アルゴリズムとして、送信信号の送受信位置を変化させることによって得られる散乱波の遅延時間と送受信位置の関係と物体の形状との間に成り立つ可逆な変換関係を利用して物体の形状を推定するＳＥＡＢＥＤ（Ｓｈａｐｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＢＳＴ（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ） ａｎｄ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｗａｖｅｓ）法を開発し、提案してきた（例えば、特許文献１、非特許文献１乃至非特許文献５）。
【０００４】
ＳＥＡＢＥＤ法では、逆境界散乱変換の数式で形状を推定する。この逆境界散乱変換で得られる画像は近似解でなく数学的に厳密な解となっており、反復計算に基づかず、直接的に画像を得ることが可能である。ＳＥＡＢＥＤ法は、従来に比べて高精細でかつ、非常に高速に算出可能なイメージングアルゴリズムとなっている。
【特許文献１】特開２００６−３４３２０５号公報
【非特許文献１】阪本卓也、佐藤亨、「ＵＷＢパルスレーダシステムのためのノンパラメトリックな目標形状推定法」、電子情報通信学会技術研究報告、Ａ・Ｐ２００３−３６、１０３巻１２０号、１〜６頁、２００３年６月１９日
【非特許文献２】阪本卓也、佐藤亨、「パルスレーダを用いた高分解能形状推定のための位相補正法」、電子情報通信学会技術研究報告、Ａ・Ｐ２００４−７２、１０４巻２０２号、３７〜４２頁、２００４年７月２２日
【非特許文献３】Ｔａｋｕｙａ ＳＡＫＡＭＯＴＯ，Ｔｏｒｕ ＳＡＴＯ，“Ａ Ｔａｒｇｅｔ Ｓｈａｐｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ Ｐｕｌｓｅ Ｒａｄａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ”，ＩＥＩＣＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．Ｅ８７−Ｂ，Ｎｏ．５，ＭＡＹ ２００４，ｐｐ．１３５７−１３６５
【非特許文献４】木寺正平、阪本卓也、佐藤 亨、“ＵＷＢパルスレーダのためのバイスタティックアンテナ型高速物体像推定法の開発”電子情報通信学会 第３４回電磁界理論シンポジウム、ＥＭＴ−０５−５８、Ｎｏｖ． ２００５
【非特許文献５】Ｓｈｏｕｈｅｉ Ｋｉｄｅｒａ，Ｔａｋｕｙａ Ｓａｋａｍｏｔｏ，ａｎｄ Ｔｏｒｕ Ｓａｔｏ，“Ａ Ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ３−Ｄ Ｉｍａｇｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗｉｔｈ Ｌｉｎｅａｒ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａｓ ｆｏｒ ＵＷＢ Ｐｕｌｓｅ Ｒａｄａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ”ＩＥＥＥ ＡＰ−Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，ＵＳＮＣ／ＵＲＳＩ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒａｄｉｏ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｍｅｅｔｉｎｇ，ＡＭＥＲＥＭ Ｍｅｅｔｉｎｇ，ｐｐ．１０５７−１０６０，Ｊｕｌｙ， ２００６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、実際のイメージング応用においては、イメージの精度がその性能を決める大きな要素であることは言うまでもない。ＳＥＡＢＥＤ法を用いたイメージングの場合、レーダの測距精度に大きく依存する。リアルタイムイメージングのためにスペクトラム拡散レーダを用いた場合には、通常、シンボル時間長（符号のチップレートの逆数；レンジゲート）ごとにサンプリングを行うために、測定距離の精度（分解能）は符号のチップレートで決まる。
【０００６】
スペクトラム拡散レーダに使う拡散符号（ＰＮ符号）のレートは、通常の技術では、速くても数Ｇｃｐｓ程度に限られる。このレートで決まる測距精度は、数ｃｍ程度となる。たとえば、符号のチップレートが２．５Ｇｃｐｓの場合、チップ時間（レンジゲート）は、その逆数の０．４ｎｓとなるから、空中の電波の伝送速度を３×１０8ｍ／ｓとすると、チップ時間（レンジゲート）の間に電波が進む距離の２倍（ターゲットで反射した信号を受けるので往復距離となるため）である６ｃｍの分解能しか得られないことになる。
【０００７】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、従来のスペクトラム拡散レーダを用いた測距装置における測距精度の限界（分解能）を説明するための図である。図１１（ａ）は、実際にスペクトラム拡散レーダを用いてアンテナから４０〜５０ｃｍ（４４．６ｃｍ、４６．８ｃｍ、５０．３ｃｍ、５２．２ｃｍ）離れた位置に置かれた金属球までの距離を測定したときの位置関係を示す図である。この実測に用いたスペクトラム拡散レーダの拡散符号のチップレートは２．５Ｇｃｐｓである。
【０００８】
図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示された４つのケースにおける送信信号と受信信号との相関を示す図である。ここで、スペクトル拡散レーダによる測距では、搬送波を符号でスペクトル拡散してレーダ波として放射し、ターゲットからの反射波に対して、上記符号を遅延させたもので逆拡散し、逆拡散後の信号のうち、上記搬送波の周波数成分を抽出することが行われるが、図１１（ｂ）の横軸は、逆拡散に用いた符号の遅延時間、すなわち、ターゲットまでの距離を示し、図１１（ｂ）の縦軸は、逆拡散後の上記周波数成分の強度である。なお、図１１（ｂ）では、横軸の時間に対して滑らかな曲線データが得られているが、これは、上記周波数成分を抽出するフィルタ処理によるものであり、実際には、各曲線のピークが出ている０．４ｎｓごとの離散値が測定値である。この曲線から明らかなように、上記相関については、チップレートの逆数の時間（つまり、レンジゲート、本例では、０．４ｎｓ）ごとにしか測定できないため、本例のように、４６．８ｃｍと５０．３ｃｍの最大ピークが同じ位置で観測されてしまう。つまり、従来のように、最大ピークを検出するだけでは、この２つの距離差は区別できない。言い換えれば、従来の技術では、レンジゲート以下の分解能を得ることができないという問題がある。
【０００９】
ところが、イメージングの用途によっては、ｍｍオーダの精度が要求されるため、さらに１桁以上の精度の向上が求められる。
【００１０】
ここで、測距精度を上げるために拡散符号のビットレートを上げることが考えられるが、そのためには、高性能な符号発生器が必要となってコストが高くなるうえに、１桁だけビットレートを向上させるのに技術的にもかなりハードルが高い。
【００１１】
そこで、本願発明は、このような問題点に鑑み、スペクトラム拡散レーダを用いた測距装置であって、低コストで精度の高い測距をすることができる測距装置及びその測距装置を用いた精度の高い形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る測距装置は、スペクトラム拡散レーダを用いて対象物までの距離を測定する測距装置であって、一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、前記対象物に向けて放射する送信部と、前記対象物で反射された前記信号を受信する受信部と、前記受信部で受信された信号の波形と前記送信部から放射された信号の波形との相関が、前記放射から前記受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する相関部と、前記相関部で算出された相関波形におけるピークを特定することにより、前記対象物までの距離を算出する距離算出部とを備え、前記相関部は、前記チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに前記遅延時間を変化させた場合における前記相関の変化を示す相関波形を算出し、前記距離算出部は、前記相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、前記相関波形におけるピークに対応する遅延時間を前記レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、前記対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【００１３】
これにより、相関波形における２点を用いてピークに対応する遅延時間がレンジゲートよりも小さい分解能で算出されるので、簡易な方法、つまり、低コストで、かつ、チップレートで決まる距離精度（分解能）より細かい測距が可能になる。
【００１４】
なお、本発明の説明における相関波形の「ピーク」とは、相関波形の真の（あるいは、計算上の）ピークであり、言い換えると、相関波形を構成する離散的な実測点だけでなく、それらの実測点の間を補間する計算上の点も含めた全ての点の中で最大の相関を示す点である。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る形状測定装置は、スペクトラム拡散レーダを用いて対象物の形状を測定する形状測定装置であって、一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、前記対象物に向けて放射する複数の送信部と、前記対象物で反射された前記信号を受信する受信部と、前記受信部で受信された信号の波形と前記複数の送信部のうち受信された前記信号を放射した送信部から放射された信号の波形との相関が、前記放射から前記受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する相関部と、前記相関部で算出された相関波形におけるピークを特定することにより、前記複数の送信部から対象物までの距離を算出することによって擬似波面を抽出し、抽出した擬似波面と前記対象物の形状との関係に基づいて前記対象物の形状を推定する形状推定部とを備え、前記相関部は、前記チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに前記遅延時間を変化させた場合における前記相関の変化を示す相関波形を算出し、前記形状推定部は、前記相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、前記相関波形におけるピークに対応する遅延時間を前記レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、前記対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【００１６】
これにより、相関波形における２点を用いてピークに対応する遅延時間がレンジゲートよりも小さい分解能で算出されるので、簡易な方法、つまり、低コストで、かつ、チップレートで決まる距離精度（分解能）より細かい測距が可能になり、高精度のイメージングが実現される。
【００１７】
また、複数の送信器から異なる符号を同時に送信するいわゆる符号多重化の技術が用いられるので、測定時間が圧倒的に短縮され、測定から信号処理も含めてリアルタイムのイメージングが可能になる。
【００１８】
なお、本発明は、以上のような構成を備える測距装置及び形状測定装置として実現されるだけでなく、それらの構成要素をステップとする測距方法及び形状測定方法として実現したり、そのステップを記述したプログラムとして実現したり、そのプログラムが記録されたＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体として実現したり、ＬＳＩ等の半導体集積回路で実現したりすることもできる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、簡易な方法で、拡散符号のチップレートに相当する距離間隔より細かい分解能での測距が可能となり、低コストで、かつ、精度の高い測距をすることができる測距装置及びその測距装置を用いた高精度の形状測定装置が実現される。
【００２０】
また、符号多重化の技術によってリアルタイムのイメージングが可能となり、ロボット等の移動体の状況を知るための測距装置及び形状測定装置として、その実用的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る測距装置及び形状測定装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
まず、本発明に係る測距測定装置の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態における測距装置７０の構成を示すブロック図である。なお、本図には、測距の対象となるターゲット（対象物）７７も併せて図示されている。
【００２４】
この測距装置７０は、スペクトラム拡散レーダを用いてターゲット７７までの距離を測定する装置であり、送信部７１、受信部７２、相関部７３及び距離算出部７４を備える。
【００２５】
送信部７１は、一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、ターゲット７７に向けて放射する処理部であり、例えば２６ＧＨｚ帯の正弦波（搬送波）を生成する発振器７１ａ、擬似ランダム（ＰＮ）符号（つまり、拡散符号）を生成するＰＮ符号発生器７１ｂ、上記正弦波を上記拡散符号で周波数拡散（変調）する拡散器７１ｃ及び拡散後の信号を送出する送信アンテナ７１ｄ等からなる。
【００２６】
受信部７２は、ターゲット７７で反射された信号を受信する処理部であり、例えば、受信アンテナ７２ａ等からなる。
【００２７】
相関部７３は、受信部７２で受信された信号の波形と送信部７１から放射された信号の波形との相関が、放射から受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する処理部であり、ＰＮ符号発生器７１ｂで発生された拡散符号を、遅延時間を変化（スイープ）させながら遅らせる可変遅延器７３ａ、受信アンテナ７２ａで受信された信号を可変遅延器７３ａから出力されたＰＮ符号で逆拡散（復調）する逆拡散器７３ｂ及び逆拡散後の信号のうち、発振器７１ａで生成される正弦波の周波数成分だけを通過させる狭帯域フィルタ７３ｃ等からなる。なお、この相関部７３は、チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに遅延時間を変化（スイープ）させた場合における相関の変化を示す相関波形を算出する。
【００２８】
距離算出部７４は、相関部７３で算出された相関波形におけるピークを特定することにより、測距装置７０（正確には送受信アンテナ）からターゲット７７までの距離を算出する処理部であり、より詳しくは、相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、相関波形におけるピークに対応する遅延時間を、レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、ターゲット７７までの距離を算出する。このための距離算出部７４は、例えば、専用のプログラム、ＣＰＵ、メモリ、入出力部等を備えるコンピュータ等で実現される。
【００２９】
この距離算出部７４は、相関波形において相関が最大となる点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点で挟まれるレンジゲートを特定し、それら２点のうち、遅延時間の小さい点と大きい点とをそれぞれ第１の点と第２の点とした場合に、第１の点の相関と第２の点の相関との比を算出し、算出した比に基づいて、レンジゲートにおけるピークの時間位置を特定し、特定したピークの時間位置に対応する遅延時間からターゲット７７までの距離を算出する。
【００３０】
具体的には、この距離算出部７４は、第１の点の相関と第２の点の相関との比がレンジゲートにおけるピークの時間位置、時間位置に対応する遅延時間、又は、時間位置に対応する（その時間で電波が進む）距離に依存してどのように変化するかを示す較正曲線７４ａを予め保持し、保持している較正曲線７４ａを参照することで、相関部７３で算出された相関波形から算出した比に対応する時間位置、遅延時間、又は、距離を特定することで、ターゲット７７までの距離を算出する。
【００３１】
ここで、較正曲線７４ａは、レンジゲートに対応する（その時間で電波が進む）距離よりも小さい距離の刻みで、上記比が距離に依存してどのように変化するかを示す曲線である。従って、この距離算出部７４は、較正曲線７４ａを参照することで、相関部７３で算出された相関波形から算出した比に対応する距離を特定することで、ターゲット７７までの距離を、レンジゲートよりも細かい分解能で算出する。
【００３２】
次に、以上のように構成される本実施の形態における測距装置７０の動作（つまり、測距の原理）について説明する。
【００３３】
まず、発振器７１ａで生成された信号は、ＰＮ符号発生器７１ｂで生成された拡散符号によって拡散器７１ｃで周波数拡散され、送信波（つまり、レーダ波）７５として、送信アンテナ７１ｄからターゲット７７に向かって出射される。次に、ターゲット７７で反射された反射波７６は、受信アンテナ７２ａで受信され、ＰＮ符号発生器７１ｂで生成された拡散信号を可変遅延器７３ａで時間ｔ１だけ遅らせた信号を用いて、逆拡散器７３ｂで逆拡散される。
【００３４】
ここで、可変遅延器７３ａでの遅延時間ｔ１が、送信波７５を送信してからターゲット７７で反射して受信されるまでにかかった時間と一致していれば、逆拡散器７３ｂに入る受信アンテナ７２ａからの信号に含まれる拡散符号と可変遅延器７３ａからの拡散符号とが一致するために、逆拡散器７３ｂによって発振器７１ａで生成される狭帯域信号が復元され、一方、上記時間が異なっていれば、逆拡散器７３ｂで逆拡散された後の信号は広帯域に拡散されたままとなる。したがって、逆拡散器７３ｂで逆拡散された信号を狭帯域フィルタ７３ｃに通すことで、拡散符号の遅延時間が、測距装置７０から出射されたレーダ波７５がターゲット７７に当たって反射してもどってくるまでの時間と一致したときにのみ、信号として抽出することができる。レーダ波７５がターゲット７７に当たって反射してもどってくるまでの時間は、電波がターゲット７７までの距離の２倍を伝送するのにかかった時間なので、測距装置７０からターゲット７７までの距離を計算することができる。
【００３５】
次に、本実施の形態における測距装置７０の距離算出部７４の詳細な動作について説明する。図２は、距離算出部７４の詳細な動作手順を示すフローチャートである。
【００３６】
距離算出部７４は、図３に示すように、相関部７３で算出された相関波形、つまり、可変遅延器７３ａでの遅延時間と狭帯域フィルタ７３ｃからの出力信号の強度との関係を示す曲線において、相関が最大となる点（図３では、点Ｐ１）とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点（図３では、点Ｐ２）で挟まれるレンジゲートを特定する（Ｓ１）。なお、距離算出部７４は、レンジゲートごとに対応する複数の較正曲線を保持している場合には、ここで特定したレンジゲートに対応する較正曲線を特定し、特定した較正曲線を用いて、後述するステップＳ３での処理を行う。
【００３７】
次に、距離算出部７４は、最大の相関を示す点（図３では、点Ｐ１）とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点（図３では、点Ｐ２）のうち、遅延時間の小さい点（図３では、点Ｐ１）の相関（図３では、約１１２ｄＢ）と遅延時間の大きい点（図３では、点Ｐ２）の相関（図３では、約９８ｄＢ）との比（約１４ｄＢ）を算出する（Ｓ２）。
【００３８】
そして、距離算出部７４は、予め保持している図４に示されるような較正曲線７４ａ（ここでは、ステップＳ１で特定したレンジゲートに対応する較正曲線）を参照することで、上記ステップＳ２で算出した比に対応する距離を特定する（Ｓ３）。なお、図４において、縦軸は、最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点のうち、遅延時間の小さい点の相関と遅延時間の大きい点の相関との比を示し、横軸は、ステップＳ１で特定されたレンジゲートにおけるピークの時間位置（本実施の形態では、測距装置７０とターゲットとの距離）を示す。
【００３９】
ここで、較正曲線７４ａは、図４に示されるように、事前の実測によって得られた曲線であり、レンジゲートに対応する距離よりも小さい距離の刻みで、上記比が距離に依存してどのように変化するかを実測し、得られたデータを滑らかな曲線にフィッティングしたものである。相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点のうち、遅延時間の小さい点（第１の点）の相関と遅延時間の大きい点（第２の点）の相関との比（縦軸の値）は、図４に示されるように、真のピークがそれら２点で挟まれるレンジゲートの左（遅延時間が小さい位置）に位置するほど、大きな値となるので、遅延時間とともに小さくなる（正から負になる）単調減少を示す。
【００４０】
このように、距離算出部７４は、較正曲線７４ａを参照することで、相関部７３で算出された相関波形から算出した比に対応する距離を特定し、レンジゲートよりも細かい分解能でターゲット７７までの距離を算出する。
【００４１】
なお、図４に示される較正曲線７４ａの横軸は、測距装置とターゲットまでの絶対距離であったが、距離算出部７４が内部に保持する較正曲線７４ａとしては、その横軸が、レンジゲート内での相対位置（例えば、０〜６０ｍｍ）であってもよい。その場合には、距離算出部７４は、ステップＳ１で特定したレンジゲートの位置に基づいて、レンジゲート単位（０．４ｎｓ単位、６０ｍｍ単位）で、オフセット距離（そのレンジゲートの左端に相当する距離）を特定し、さらに、ステップＳ２及びＳ３での処理において、レンジゲートより細かい距離（端数としての距離）を特定し、最後に、それらのオフセット距離と端数距離とを合計することで、レンジゲートよりも細かい分解能でターゲットまでの距離を算出することができる。
【００４２】
（実施の形態２）
次に、本発明に係る形状測定装置の実施の形態（実施の形態２）について説明する。
【００４３】
図５は、本発明の実施の形態２におけるスペクトラム拡散レーダを用いた形状測定装置８０の構成の一例を示す図である。
【００４４】
本実施の形態の形状測定装置８０は、図５に示すように、複数のレーダと形状推定回路によって構成される。すなわち、本実施の形態の形状測定装置８０は、互いに異なる位置に配置されたレーダ５１、５２、５３、５４と、レーダ５１〜５４から出力された信号を受ける形状推定回路５とを備えている。
【００４５】
レーダ５１〜５４の各々は、電気信号を生成する信号生成器と、信号生成器で生成された電気信号を送信電波として空間に放射する送信アンテナと、目標（ターゲット）の物体０で反射された送信電波の反射波を受信して受信波に変換する受信アンテナと、受信波を受ける受信器と、受信器の出力を受ける相関回路とを有している。すなわち、レーダ５１は、信号生成器２１と、送信アンテナ１１と、受信アンテナ１２と、受信器３１と、相関回路４１とを有している。レーダ５２は、信号生成器２２と、送信アンテナ１３と、受信アンテナ１４と、受信器３２と、相関回路４２とを有している。レーダ５３は、信号生成器２３と、送信アンテナ１５と、受信アンテナ１６と、受信器３３と、相関回路４３とを有している。レーダ５４は、信号生成器２４と、送信アンテナ１７と、受信アンテナ１８と、受信器３４と、相関回路４４とを有している。
【００４６】
なお、レーダの個数は４個に限られず、さらに多数であってもよい。また、ここでは簡単のために図５に示す平面内にレーダ５１〜５４が線状に配置されている例を説明するが、物体０の形状を平面的に測定するためにレーダが２次元のアレイ状に配置されたものであってもよい。また、送信アンテナと受信アンテナ（送受信アンテナ）は、符号を用いる場合、別個に設けられていることが好ましいが、１個のアンテナで兼用してもよい。また、送信電波は中心周波数に対する占有帯域幅の比である比帯域が２０％以上であることが好ましい。
【００４７】
次に、レーダ５１を例にとって測定動作を説明する。まず、信号生成器２１が例えば２６ＧＨｚ帯の正弦波（搬送波）を生成し、擬似ランダム（ＰＮ）符号で変調（周波数拡散）する。変調方法として例えば位相変調を行う。たとえばギルバートセルからなるダブルバランスミキサ回路に搬送波と擬似ランダム符号を入れて掛け合わせることで容易に位相変調された送信信号を生成することができる。送信アンテナ１１から送信波として放射された信号は物体０で反射され、その一部が受信アンテナ１２で受信される。そして、受信アンテナ１２から出力された受信波は、受信器３１で場合によっては増幅や整形（フィルタリング）などを受け、受信信号として相関回路４１に送られる。相関回路４１では、この受信信号と参照信号の相関を求めることによって相関波形が求められる。具体的には送信信号と同じＰＮ符号で受信信号を復調するいわゆる逆拡散を行い、搬送波でダウンコンバートすることで相関波形が求められる。
【００４８】
レーダ５２〜５４についてもレーダ５１と同時に同様の動作を行い、レーダ５１〜５４それぞれの相関波形を形状推定回路５に送る。レーダ５１〜５４の場所がそのまま測定位置となるため、第１〜第４の測定位置における相関波形が揃うことになる。
【００４９】
形状推定回路５は、後述するＳＥＡＢＥＤ法を用いて、レーダ５１〜５４から送られてきた相関波形の絶対値の極大位置を求め、擬似波面を抽出し、逆境界散乱変換によって物体の形状を出力する。この形状推定回路５は、実施の形態１における距離算出部７４と同一の機能を有する距離算出部５ａ、つまり、それらの相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、相関波形におけるピークに対応する遅延時間をレンジゲートよりも小さい分解能で算出することによって対象物までの距離を算出する距離算出部５ａを有する。この距離算出部５ａは、同様の手法によって、レンジゲートよりも小さい分解能で、相関波形における極大値及び極小値を特定する。
【００５０】
ここで、ＳＥＡＢＥＤ法の原理を説明する。ここでは、複数のアンテナを用いた符号多重の技術を利用したＳＥＡＢＥＤ法について説明する。
【００５１】
図６は、ＳＥＡＢＥＤ法における複数のアンテナの設置位置を説明するための図である。このＳＥＡＢＥＤ法では、測定対象物は明確な境界を有する有体物であることを前提とし、当該境界を測定して「擬似波面」を得る。この擬似波面を逆変換することで対象物の形状を求める。
【００５２】
この原理説明では、目標の物体０及び複数の送受信アンテナが同一平面内に存在すると仮定した２次元問題を扱い、電波の伝播は、ＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅ ｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）によるとする。この目標の物体０及び複数の送受信アンテナが存在する空間を「ｒ−空間（ｒ−ｄｏｍａｉｎ）」と呼称することとし、ｒ−空間で集合を表現する場合その表現を「ｒ−領域での表現」と呼称することとする。また、ｒ−空間の点を（ｘ，ｙ）で表現する。ここで、ｘ及びｙ（ｙ＞０）は、何れも真空中での送信パルスの中心波長λにより正規化される。各送受信アンテナは、無指向性であり、ｒ−空間のｘ軸上で所定の間隔（例えば等間隔）を空けて設置された各測定位置ｘｎ（ｎ＝１〜Ｎの整数）でモノサイクルパルスの送受信を繰り返すものとする。そして、送受信アンテナの測定位置（ｘ，ｙ）＝（Ｘ，０）における受信電界をｓ’（Ｘ，Ｙ）と定義し、送信から受信までの時間をｔ、真空中の光速をｃとした場合に、ＹをＹ＝（ｃ×ｔ）／（２×λ）と定義する。なお、ｙ＞０よりＹ＞０であり、また、送受信アンテナの測定位置ｘｎにおける電界の瞬時包絡線が最大となる時刻をｔ＝０とする。
【００５３】
さらに、雑音除去の観点からｓ’（Ｘ，Ｙ）のＹ方向に送信波形を用いた整合フィルタを適用し、この整合フィルタを適用して得られる受信波形を新たにｓ（Ｘ，Ｙ）とする。このｓ（Ｘ，Ｙ）を目標の物体０の形状を求めるデータとして用いる。ここで、（Ｘ，Ｙ）で表現される空間を「ｄ−空間（ｄ−ｄｏｍａｉｎ）」と呼称することとし、ｄ−空間で集合を表現する場合、その表現を「ｄ−領域での表現」と呼称することとする。Ｘ及びＹは、それぞれ送信パルスの中心波長及び送信パルスの中心時間長で正規化されている。
【００５４】
連続した境界面を持つ目標の物体０における複素誘電率ε（ｘ，ｙ）の変化が複数の区分的に微分可能な曲線の集合であるとする。即ち、目標の物体０における複素誘電率ε（ｘ，ｙ）が式（１）で表される。
【００５５】
【数１】
【００５６】
ここで、ｇｑ（ｘ）は、微分可能な１価関数であり、ｑ＝｛（ｘ，ｙ）｜ｙ＝ｇｑ（ｘ），ｘ∈Ｊｑ｝∈Ｈとする。Ｊｑは、関数ｇｑ（ｘ）の定義域である。ａｑは、ｑ∈Ｈに依存する正の定数であり、Ｈは、ｑ全体の集合である。Ｈの要素が「目標境界面」である。
【００５７】
ｄ−空間の部分集合Ｐを式（２）で定義する。
【００５８】
【数２】
【００５９】
連結な閉集合ｐ⊂Ｐを考え、領域Ｉｐを式（３）で定義する。
【００６０】
【数３】
【００６１】
任意のＸ∈Ｉｐに対し（Ｘ，Ｙ）∈ｐを満たすＹが唯一存在する場合にｐに対し定義域Ｉｐを有し、Ｙ＝ｆｐ（Ｘ）を満たす１価関数ｆｐ（Ｘ）が存在する。関数ｆｐ（Ｘ）が微分可能でかつ｜∂ｆｐ（Ｘ）／∂Ｘ｜≦１を満たすｐの集合をＧと定義し、このＧの要素を「擬似波面（Ｑｕａｓｉ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ）」と呼称することとする。
【００６２】
式（１）が満たされる場合、境界からの直接散乱波は、目標境界面（目標の物体０の表面、目標の物体０の形状を表す）の情報を保持している。以下では、簡単のため、直接波の伝播経路は全て真空であるとするが、伝播速度が一定で既知である媒質でも同様に成立する。
【００６３】
図７（ａ）、図７（ｂ）は、境界散乱変換を説明するための図である。図７（ａ）は、ｒ−領域における複素誘電率の変化の一例を示し、図７（ｂ）は、図７（ａ）に対応するｄ−領域の擬似波面を示す。
【００６４】
ｐがｑからの直接散乱に対応すると仮定すると、図７（ａ）から分かるように、送受信アンテナからｑの表す曲線Ｌｑへ下ろした垂線の長さと各送受信アンテナの位置との関係を用いることで、ｐ上の点（Ｘ，Ｙ）は、式（４）によって表される。この式（４）によって表される変換を境界散乱変換（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）と呼称することとする。
【００６５】
【数４】
【００６６】
但し、（ｘ，ｙ）は、ｑ上に存在する点である。
【００６７】
この境界散乱変換の逆変換を求めれば、受信波形から目標の物体０の形状を求めることができる。この逆変換は、式（５）のように求められる。この逆変換を逆境界散乱変換（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）と呼称することとする。
【００６８】
【数５】
【００６９】
なお、以上では、２次元の測定の場合について説明したが、ＳＥＡＢＥＤ法は３次元の測定へ容易に拡張可能である。また、各送受信アンテナが直線上に設置される場合について説明したが、任意の曲線に沿って設置される場合に対応する変換式も容易に求めることができる。
【００７０】
例えば、３次元の場合の境界散乱変換は式（６）のように表され、この逆変換は式（７）のように求められる。
【００７１】
【数６】
【００７２】
【数７】
【００７３】
式（５）（三次元測定の場合は式（７））を用いて受信波形から目標の物体０の形状を推定するＳＥＡＢＥＤ法では、具体的には、次のような処理を実行することで目標の物体０の形状を測定している。
【００７４】
図８は、ＳＥＡＢＥＤ法によって物体の形状を測定する際の処理手順を示すフローチャートである。
【００７５】
図８に示すように、ＳＥＡＢＥＤ法において、ステップＳ１０１として、形状測定装置８０は、図６に示すように、無指向性の複数の送受信アンテナが各測定位置ｘｎでモノサイクルパルスの送信パルスを送信し、目標の物体０で反射された送信パルスの反射波を受信し、受信波をＡ／Ｄ変換（アナログ／ディジタル変換）し、記憶する。
【００７６】
即ち、形状測定装置８０は、測定位置ｘ１において無指向性の送受信アンテナからモノサイクルパルスの送信パルスを送信し、目標の物体０により反射された送信パルスの反射波を受信し、受信波をＡ／Ｄ変換して第１受信信号を生成し、これを記憶する。これと並行して、測定位置ｘ１から所定の間隔だけ離れた測定位置ｘ２においても、送受信アンテナからモノサイクルパルスの送信パルスを送信し、目標の物体０によって反射された送信パルスの反射波を受信し、受信波をＡ／Ｄ変換して第２受信信号を生成し、記憶する。以下同様に、測定位置ｘ１から測定位置ｘＮまでの各測定位置ｘｎで、形状測定装置８０は、送受信アンテナからモノサイクルパルスの送信パルスを送信し、目標の物体０から反射した送信パルスの反射波を受信し、受信波をＡ／Ｄ変換し、記憶する。こうして測定位置ｘ１における第１受信信号から測定位置ｘＮにおける第Ｎ受信信号が得られる。
【００７７】
つまり、図５に示されるレーダ５１〜５４それぞれの相関波形が形状推定回路５に送られる。
【００７８】
次に、ステップＳ１０２において、形状測定装置８０の形状推定回路５は、第１乃至第Ｎの各受信信号に対し、当該受信信号の波形と参照信号の波形との相互相関を求めることによって、第１乃至第Ｎの各受信信号にそれぞれ対応する第１乃至第Ｎの相関波形を求める。相関関数ρ（τ）は、遅延時間をτ、参照信号をｒ（ｔ）、受信信号をｓ（ｔ）とすると、式（８）で与えられる。なお、積分範囲は、受信信号ｓ（ｔ）が存在する範囲である。
【００７９】
【数８】
【００８０】
ここで、参照信号の波形は、送信パルスの波形としており、これは、受信信号の波形が送信パルスの波形と同一形状であると仮定していることに相当する。この本ステップでの処理は、受信信号に整合フィルタを適用することに相当する。
【００８１】
次に、ステップＳ１０３において、形状推定回路５の距離算出部５ａは、第１乃至第Ｎの相関波形における極値（極大値及び極小値）を求める。
【００８２】
つまり、距離算出部５ａは、それらの相関波形において、最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、相関波形におけるピークに対応する遅延時間を、レンジゲートよりも小さい分解能で算出することによって、極値を求める。たとえば、距離算出部５ａは相関波形において相関が最大となる点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点で挟まれるレンジゲートを特定し、それら２点のうち、遅延時間の小さい点と大きい点とをそれぞれ第１の点と第２の点とした場合に、第１の点の相関と第２の点の相関との比を算出し、算出した比に基づいて、レンジゲートにおける真のピーク（極値）を特定する。より詳しくは、第１の点の相関と第２の点の相関との比がレンジゲートにおける真のピークの時間位置に依存してどのように変化するかを示す較正曲線７４ａを予め保持し、保持している較正曲線７４ａを参照することで、相関波形から算出した比に対応する真の極値を求める。
【００８３】
次に、ステップＳ１０４において、形状推定回路５は、近隣の極値同士を連結する。より具体的には、形状推定回路５が、式（９）を満たすように極値を連結する。
【００８４】
【数９】
【００８５】
ここで、極値Ｍｎの位置は、測定位置ｘｎにおいて得られた第ｎの相関波形から求められた極値のＸＹ平面における位置である。このように極値を連結して得られた曲線が擬似波面である。
【００８６】
次に、ステップＳ１０５において、形状推定回路５は、真の擬似波面を抽出する。ステップＳ１０４での処理によって得られた擬似波面には、雑音により生じたもの、振動的な部分を抽出したもの、及び、多重散乱により生じたもの等の不要な擬似波面が含まれている。このため、これらを取り除き、真に物体０の境界面を示す真の擬似波面を抽出する必要がある。この真の擬似波面の抽出では、第１に、式（１０）で定義される評価値ｗｐを用い、所定の閾値αよりも評価値ｗｐが大きい擬似波面を選択し、抽出する。閾値αは、その値を小さくし過ぎると不要な擬似波面が多く含まれ、その値を大きくし過ぎると真の擬似波面まで除去されてしまうので、評価値ｗｐの最大値を考慮の上、実験的、経験的に設定される。
【００８７】
【数１０】
【００８８】
評価値ｗｐは、擬似波面上における受信信号の振幅が大きく、しかもｆｐ（Ｘ）の定義域が広い範囲に渡るものについて大きな値をとる。
【００８９】
ここで、式（１０）のみによって真の擬似波面を抽出すると、例えば雑音に起因する擬似波面が有意な擬似波面の近くに存在する場合ではその評価値ｗｐが大きくなり、除去することができない場合が生じ得る。そのため、ｐ１，ｐ２∈Ｇ、ｐ１≠ｐ２、ｗｐ１≦ｗｐ２に対し（ｘ，ｙ）∈ｐ１かつ（ｘ，ｙ）∈ｐ２が成立する場合には、ｐ１→ｐ１’、ｐ１”（但し、ｐ１’∪ｐ１”＝ｐ１かつｐ１’∩ｐ１”＝ｐ１∩ｐ２）に擬似波面の分割を行って評価値ｗｐを求め不要な擬似波面を除去する。
【００９０】
そして、真の擬似波面の抽出は、第２に、第１フレネルゾーンとして知られる式（１１）で表されるＦｐを用いて式（１２）で定義される新たな評価値Ｗｐを用い、所定の閾値βよりも評価値Ｗｐが大きい擬似波面を選択し、抽出する。閾値βは、その値を小さくし過ぎると不要な擬似波面が多く含まれ、その値を大きくし過ぎると真の擬似波面まで除去されてしまうので、評価値Ｗｐの最大値を考慮の上、実験的、経験的に設定される。
【００９１】
【数１１】
【００９２】
【数１２】
【００９３】
評価値Ｗｐは、或る擬似波面のフレネルゾーン内に値の大きい別の境界面が存在する場合にはその値が低下する。ξ（ｘ）は重み関数であり、簡単のために、例えば、ξ（ｘ）＝１に設定する。
【００９４】
このように抽出された真の擬似波面は、各測定位置での送信パルスを送信してから、目標の物体０の表面における接平面に対し垂直に入射して反射した送信パルスの反射波を直接受信するまでの時間の集合である。
【００９５】
次に、ステップＳ１０６において、形状推定回路５は、ステップＳ１０５で抽出した真の擬似波面から式（５）を用いて物体０の形状を求める。
【００９６】
このように、ＳＥＡＢＥＤ法では、目標の物体０の形状を逆変換の式（５）により直接的に推定することができるので、極めて短時間で物体０の形状を測定することができる。
【００９７】
以上で説明したＳＥＡＢＥＤ法では、式（５）や式（７）で表されるような逆境界散乱変換の数式で形状を推定できる。この逆境界散乱変換で得られる画像は近似解でなく数学的に厳密な解となっており、反復計算に基づかず、直接的に画像を得ることが可能である。これらの利点から、ＳＥＡＢＥＤ法は以前の手法に比べて高精細でかつ、非常に高速に算出可能なイメージングアルゴリズムとなっている。
【００９８】
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、本実施の形態における形状測定装置８０のように、スペクトル拡散レーダと較正曲線とを用いて、実際に擬似波面を測定した例を示す。なお、測定対象物は、アンテナから２７ｃｍ先の、幅３３ｃｍ、深さ１１ｃｍの中華なべである。また、この測定では、較正曲線を用いたことの効果を確認するために、符号多重をすることなく、送受アンテナを隣接した状態で、Ｘ軸方向２４ｃｍ、Ｙ軸方向２４ｃｍを１ｃｍ刻みで走査し、測距した値をプロットしている。図９（ａ）が実際の距離（真の擬似波面）で、図９（ｂ）が本実施の形態の形状測定装置８０で測定した距離（擬似波面）である。測定誤差のＲＭＳ値は、０．１６ｃｍで、較正曲線を用いない従来の方法での精度の６ｃｍを大きく上回る高い精度での測定ができている。
【００９９】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示された擬似波面を元にＳＥＡＢＥＤ法にて形状推定した結果を示している。図１０（ａ）は、実際の形状、図１０（ｂ）は、本実施の形態の形状測定装置８０による形状推定の結果である。推定画像誤差のＲＭＳ値は、１．２ｍｍであり、本実施の形態の形状測定装置８０によって十分高精度なイメージングが実現できているのが分かる。
【０１００】
以上のように、本実施の形態における形状測定装置８０によれば、形状推定回路５の距離算出部５ａが、レンジゲートよりも細かい分解能で、第１乃至第Ｎの相関波形における極値（極大値及び極小値）を求めるので、低コストで、かつ、従来よりも高い精度で対象物の形状が特定される。
【０１０１】
また、本実施の形態における形状測定装置８０によれば、複数の送信器から異なる符号を同時に送信するいわゆる符号多重化の技術が用いられるので、測定時間が圧倒的に短縮され、測定から信号処理も含めてリアルタイムのイメージングが可能になる。
【０１０２】
以上、本発明に係る測距装置及び形状測定装置について、実施の形態１及び２を用いて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。これらの実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で変形を施して得られる形態や、これらの実施の形態の構成要素を任意に組み合わせて実現される形態も本発明に含まれる。
【０１０３】
たとえば、上記実施の形態では、較正曲線７４ａは、図４に示されるように、横軸が対象物までの距離であったが、本発明は、このような較正曲線だけに限られない。横軸が可変遅延器７３ａでの遅延時間であったり、そのレンジゲートにおける相対的な遅延時間であってもよい。較正曲線を参照して得られた遅延時間を距離に換算することで、ターゲットまでの距離を算出できるからである。
【０１０４】
また、上記実施の形態では、較正曲線７４ａは、図４に示されるように、１つのレンジゲートを対象としたものだけが示されたが、レーダの検知領域における全てのレンジゲートにおいても同様の較正曲線を準備しておいてもよい。これにより、どのレンジゲート内にターゲットがあっても正確な距離測定が可能になる。もちろん、各レンジゲートについて、予め、第１の点の相関と第２の点の相関との比と距離との関係を測定しておき、それぞれのレンジゲートに対応する較正曲線を作成しておけば、より正確な測定が可能になる。
【０１０５】
また、どのレンジゲート内にターゲットがあるか分からない一般の測距方法としては、予めとり得る複数のレンジゲートに対応する較正曲線を保持しておき、通常の測定によって図３に示される相関波形を取得し、その相関波形において相関が最大となる点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点で挟まれるレンジゲートを特定し、そのレンジゲートに対応する較正曲線を選択して用いることで、レンジゲート内の位置を推定すればよい。
【０１０６】
また、上記実施の形態では、２つの隣接する点の相関比だけで、較正曲線を形成したが、たとえば、最大ピークとその両隣の信号強度の３つの点について、同様に較正曲線に相当するテーブルを作成してもおいてもよい。さらに多くの点を用いて較正しておくことで、より正確な測距が可能になる。ただし、その分だけ、システム構成が複雑になり、処理に時間がかかるという欠点もある。
【０１０７】
また、実施の形態２では、形状推定回路５内に１つの距離算出部５ａが設けられたが、４つのレーダ５１〜５４それぞれに、各レーダで得られた距離を算出する距離算出部が設けられてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、スペクトラム拡散レーダを用いて対象物までの距離を測定する測距装置及び対象物の形状を測定する形状測定装置として、例えば、ロボット、車両、船舶及び航空機等の移動体や、室内・室外から外界の状況を知るための装置として、利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の実施の形態１における測距装置の構成を示すブロック図
【図２】同測距装置の距離算出部の詳細な動作手順を示すフローチャート
【図３】同測距装置の相関部で算出された相関波形の例を示す図
【図４】同測距装置の距離算出部が予め保持している較正曲線の例を示す図
【図５】本発明の実施の形態２における形状測定装置の構成を示すブロック図
【図６】ＳＥＡＢＥＤ法におけるアンテナの設置位置を説明するための図
【図７】（ａ）、（ｂ）は、境界散乱変換を説明するための図
【図８】ＳＥＡＢＥＤ法によって物体の形状を測定する処理手順を示すフローチャート
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態２における形状測定装置によって実際に擬似波面を測定した結果を説明するための図
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示された擬似波面を元にＳＥＡＢＥＤ法にて形状推定した結果を説明するための図
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、従来のスペクトラム拡散レーダを用いた測距装置における測距精度の限界（分解能）を説明するための図
【符号の説明】
【０１１０】
０、７７ 物体（ターゲット）
５ 形状推定回路
５ａ 距離算出部
１１、１３、１５、１７ 送信アンテナ
１２、１４、１６、１８ 受信アンテナ
２１〜２４ 信号生成器
３１〜３４ 受信器
４１〜４４ 相関回路
５１〜５４ レーダ
７０ 測距装置
７１ 送信部
７１ａ 発振器
７１ｂ ＰＮ符号発生器
７１ｃ 拡散器
７１ｄ 送信アンテナ
７２ 受信部
７２ａ 受信アンテナ
７３ 相関部
７３ａ 可変遅延器
７３ｂ 逆拡散器
７３ｃ 狭帯域フィルタ
７４ 距離算出部
７４ａ 較正曲線
７５ 送信波
７６ 反射波
８０ 形状測定装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトラム拡散レーダを用いて対象物までの距離を測定する測距装置、及び、その測距装置を用いて対象物の形状を測定する形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット、車両、船舶及び航空機等の移動体や、室内・室外から外界の状況を知りたい場合において、周囲の物体を認識し、その形状を認識することは重要である。特に移動体を自動走行させる場合には形状認識が危険回避の点などからより重要となる。また、人体の形状推定はセキュリティや介護を目的として社会的需要が大きい。このような物体形状推定の手段として、レーダを用いたイメージングシステムが注目されている。たとえば超広帯域（ＵＷＢ）信号を利用したＵＷＢレーダは近距離目標の形状を高い分解能で測定できることから、地中探査や非破壊検査の用途に多く用いられてきた。しかしながら、従来の地下探査レーダイメージングでは、測定結果から形状を推定する指定アルゴリズムが反復改良や繰り返し計算などに基づくものが多く、形状推定に時間がかかるため、前述したようなロボットなどのリアルタイム処理への直接の応用は困難であった。
【０００３】
そのため、本願発明者らは、リアルタイム処理を可能にする高速形状推定アルゴリズムとして、送信信号の送受信位置を変化させることによって得られる散乱波の遅延時間と送受信位置の関係と物体の形状との間に成り立つ可逆な変換関係を利用して物体の形状を推定するＳＥＡＢＥＤ（Ｓｈａｐｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＢＳＴ（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ） ａｎｄ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｗａｖｅｓ）法を開発し、提案してきた（例えば、特許文献１、非特許文献１乃至非特許文献５）。
【０００４】
ＳＥＡＢＥＤ法では、逆境界散乱変換の数式で形状を推定する。この逆境界散乱変換で得られる画像は近似解でなく数学的に厳密な解となっており、反復計算に基づかず、直接的に画像を得ることが可能である。ＳＥＡＢＥＤ法は、従来に比べて高精細でかつ、非常に高速に算出可能なイメージングアルゴリズムとなっている。
【特許文献１】特開２００６−３４３２０５号公報
【非特許文献１】阪本卓也、佐藤亨、「ＵＷＢパルスレーダシステムのためのノンパラメトリックな目標形状推定法」、電子情報通信学会技術研究報告、Ａ・Ｐ２００３−３６、１０３巻１２０号、１〜６頁、２００３年６月１９日
【非特許文献２】阪本卓也、佐藤亨、「パルスレーダを用いた高分解能形状推定のための位相補正法」、電子情報通信学会技術研究報告、Ａ・Ｐ２００４−７２、１０４巻２０２号、３７〜４２頁、２００４年７月２２日
【非特許文献３】Ｔａｋｕｙａ ＳＡＫＡＭＯＴＯ，Ｔｏｒｕ ＳＡＴＯ，“Ａ Ｔａｒｇｅｔ Ｓｈａｐｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ Ｐｕｌｓｅ Ｒａｄａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ”，ＩＥＩＣＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．Ｅ８７−Ｂ，Ｎｏ．５，ＭＡＹ ２００４，ｐｐ．１３５７−１３６５
【非特許文献４】木寺正平、阪本卓也、佐藤 亨、“ＵＷＢパルスレーダのためのバイスタティックアンテナ型高速物体像推定法の開発”電子情報通信学会 第３４回電磁界理論シンポジウム、ＥＭＴ−０５−５８、Ｎｏｖ． ２００５
【非特許文献５】Ｓｈｏｕｈｅｉ Ｋｉｄｅｒａ，Ｔａｋｕｙａ Ｓａｋａｍｏｔｏ，ａｎｄ Ｔｏｒｕ Ｓａｔｏ，“Ａ Ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ３−Ｄ Ｉｍａｇｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗｉｔｈ Ｌｉｎｅａｒ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａｓ ｆｏｒ ＵＷＢ Ｐｕｌｓｅ Ｒａｄａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ”ＩＥＥＥ ＡＰ−Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，ＵＳＮＣ／ＵＲＳＩ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒａｄｉｏ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｍｅｅｔｉｎｇ，ＡＭＥＲＥＭ Ｍｅｅｔｉｎｇ，ｐｐ．１０５７−１０６０，Ｊｕｌｙ， ２００６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、実際のイメージング応用においては、イメージの精度がその性能を決める大きな要素であることは言うまでもない。ＳＥＡＢＥＤ法を用いたイメージングの場合、レーダの測距精度に大きく依存する。リアルタイムイメージングのためにスペクトラム拡散レーダを用いた場合には、通常、シンボル時間長（符号のチップレートの逆数；レンジゲート）ごとにサンプリングを行うために、測定距離の精度（分解能）は符号のチップレートで決まる。
【０００６】
スペクトラム拡散レーダに使う拡散符号（ＰＮ符号）のレートは、通常の技術では、速くても数Ｇｃｐｓ程度に限られる。このレートで決まる測距精度は、数ｃｍ程度となる。たとえば、符号のチップレートが２．５Ｇｃｐｓの場合、チップ時間（レンジゲート）は、その逆数の０．４ｎｓとなるから、空中の電波の伝送速度を３×１０8ｍ／ｓとすると、チップ時間（レンジゲート）の間に電波が進む距離の２倍（ターゲットで反射した信号を受けるので往復距離となるため）である６ｃｍの分解能しか得られないことになる。
【０００７】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、従来のスペクトラム拡散レーダを用いた測距装置における測距精度の限界（分解能）を説明するための図である。図１１（ａ）は、実際にスペクトラム拡散レーダを用いてアンテナから４０〜５０ｃｍ（４４．６ｃｍ、４６．８ｃｍ、５０．３ｃｍ、５２．２ｃｍ）離れた位置に置かれた金属球までの距離を測定したときの位置関係を示す図である。この実測に用いたスペクトラム拡散レーダの拡散符号のチップレートは２．５Ｇｃｐｓである。
【０００８】
図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示された４つのケースにおける送信信号と受信信号との相関を示す図である。ここで、スペクトル拡散レーダによる測距では、搬送波を符号でスペクトル拡散してレーダ波として放射し、ターゲットからの反射波に対して、上記符号を遅延させたもので逆拡散し、逆拡散後の信号のうち、上記搬送波の周波数成分を抽出することが行われるが、図１１（ｂ）の横軸は、逆拡散に用いた符号の遅延時間、すなわち、ターゲットまでの距離を示し、図１１（ｂ）の縦軸は、逆拡散後の上記周波数成分の強度である。なお、図１１（ｂ）では、横軸の時間に対して滑らかな曲線データが得られているが、これは、上記周波数成分を抽出するフィルタ処理によるものであり、実際には、各曲線のピークが出ている０．４ｎｓごとの離散値が測定値である。この曲線から明らかなように、上記相関については、チップレートの逆数の時間（つまり、レンジゲート、本例では、０．４ｎｓ）ごとにしか測定できないため、本例のように、４６．８ｃｍと５０．３ｃｍの最大ピークが同じ位置で観測されてしまう。つまり、従来のように、最大ピークを検出するだけでは、この２つの距離差は区別できない。言い換えれば、従来の技術では、レンジゲート以下の分解能を得ることができないという問題がある。
【０００９】
ところが、イメージングの用途によっては、ｍｍオーダの精度が要求されるため、さらに１桁以上の精度の向上が求められる。
【００１０】
ここで、測距精度を上げるために拡散符号のビットレートを上げることが考えられるが、そのためには、高性能な符号発生器が必要となってコストが高くなるうえに、１桁だけビットレートを向上させるのに技術的にもかなりハードルが高い。
【００１１】
そこで、本願発明は、このような問題点に鑑み、スペクトラム拡散レーダを用いた測距装置であって、低コストで精度の高い測距をすることができる測距装置及びその測距装置を用いた精度の高い形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る測距装置は、スペクトラム拡散レーダを用いて対象物までの距離を測定する測距装置であって、一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、前記対象物に向けて放射する送信部と、前記対象物で反射された前記信号を受信する受信部と、前記受信部で受信された信号の波形と前記送信部から放射された信号の波形との相関が、前記放射から前記受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する相関部と、前記相関部で算出された相関波形におけるピークを特定することにより、前記対象物までの距離を算出する距離算出部とを備え、前記相関部は、前記チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに前記遅延時間を変化させた場合における前記相関の変化を示す相関波形を算出し、前記距離算出部は、前記相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、前記相関波形におけるピークに対応する遅延時間を前記レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、前記対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【００１３】
これにより、相関波形における２点を用いてピークに対応する遅延時間がレンジゲートよりも小さい分解能で算出されるので、簡易な方法、つまり、低コストで、かつ、チップレートで決まる距離精度（分解能）より細かい測距が可能になる。
【００１４】
なお、本発明の説明における相関波形の「ピーク」とは、相関波形の真の（あるいは、計算上の）ピークであり、言い換えると、相関波形を構成する離散的な実測点だけでなく、それらの実測点の間を補間する計算上の点も含めた全ての点の中で最大の相関を示す点である。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る形状測定装置は、スペクトラム拡散レーダを用いて対象物の形状を測定する形状測定装置であって、一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、前記対象物に向けて放射する複数の送信部と、前記対象物で反射された前記信号を受信する受信部と、前記受信部で受信された信号の波形と前記複数の送信部のうち受信された前記信号を放射した送信部から放射された信号の波形との相関が、前記放射から前記受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する相関部と、前記相関部で算出された相関波形におけるピークを特定することにより、前記複数の送信部から対象物までの距離を算出することによって擬似波面を抽出し、抽出した擬似波面と前記対象物の形状との関係に基づいて前記対象物の形状を推定する形状推定部とを備え、前記相関部は、前記チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに前記遅延時間を変化させた場合における前記相関の変化を示す相関波形を算出し、前記形状推定部は、前記相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、前記相関波形におけるピークに対応する遅延時間を前記レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、前記対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【００１６】
これにより、相関波形における２点を用いてピークに対応する遅延時間がレンジゲートよりも小さい分解能で算出されるので、簡易な方法、つまり、低コストで、かつ、チップレートで決まる距離精度（分解能）より細かい測距が可能になり、高精度のイメージングが実現される。
【００１７】
また、複数の送信器から異なる符号を同時に送信するいわゆる符号多重化の技術が用いられるので、測定時間が圧倒的に短縮され、測定から信号処理も含めてリアルタイムのイメージングが可能になる。
【００１８】
なお、本発明は、以上のような構成を備える測距装置及び形状測定装置として実現されるだけでなく、それらの構成要素をステップとする測距方法及び形状測定方法として実現したり、そのステップを記述したプログラムとして実現したり、そのプログラムが記録されたＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体として実現したり、ＬＳＩ等の半導体集積回路で実現したりすることもできる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、簡易な方法で、拡散符号のチップレートに相当する距離間隔より細かい分解能での測距が可能となり、低コストで、かつ、精度の高い測距をすることができる測距装置及びその測距装置を用いた高精度の形状測定装置が実現される。
【００２０】
また、符号多重化の技術によってリアルタイムのイメージングが可能となり、ロボット等の移動体の状況を知るための測距装置及び形状測定装置として、その実用的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る測距装置及び形状測定装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
まず、本発明に係る測距測定装置の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態における測距装置７０の構成を示すブロック図である。なお、本図には、測距の対象となるターゲット（対象物）７７も併せて図示されている。
【００２４】
この測距装置７０は、スペクトラム拡散レーダを用いてターゲット７７までの距離を測定する装置であり、送信部７１、受信部７２、相関部７３及び距離算出部７４を備える。
【００２５】
送信部７１は、一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、ターゲット７７に向けて放射する処理部であり、例えば２６ＧＨｚ帯の正弦波（搬送波）を生成する発振器７１ａ、擬似ランダム（ＰＮ）符号（つまり、拡散符号）を生成するＰＮ符号発生器７１ｂ、上記正弦波を上記拡散符号で周波数拡散（変調）する拡散器７１ｃ及び拡散後の信号を送出する送信アンテナ７１ｄ等からなる。
【００２６】
受信部７２は、ターゲット７７で反射された信号を受信する処理部であり、例えば、受信アンテナ７２ａ等からなる。
【００２７】
相関部７３は、受信部７２で受信された信号の波形と送信部７１から放射された信号の波形との相関が、放射から受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する処理部であり、ＰＮ符号発生器７１ｂで発生された拡散符号を、遅延時間を変化（スイープ）させながら遅らせる可変遅延器７３ａ、受信アンテナ７２ａで受信された信号を可変遅延器７３ａから出力されたＰＮ符号で逆拡散（復調）する逆拡散器７３ｂ及び逆拡散後の信号のうち、発振器７１ａで生成される正弦波の周波数成分だけを通過させる狭帯域フィルタ７３ｃ等からなる。なお、この相関部７３は、チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに遅延時間を変化（スイープ）させた場合における相関の変化を示す相関波形を算出する。
【００２８】
距離算出部７４は、相関部７３で算出された相関波形におけるピークを特定することにより、測距装置７０（正確には送受信アンテナ）からターゲット７７までの距離を算出する処理部であり、より詳しくは、相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、相関波形におけるピークに対応する遅延時間を、レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、ターゲット７７までの距離を算出する。このための距離算出部７４は、例えば、専用のプログラム、ＣＰＵ、メモリ、入出力部等を備えるコンピュータ等で実現される。
【００２９】
この距離算出部７４は、相関波形において相関が最大となる点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点で挟まれるレンジゲートを特定し、それら２点のうち、遅延時間の小さい点と大きい点とをそれぞれ第１の点と第２の点とした場合に、第１の点の相関と第２の点の相関との比を算出し、算出した比に基づいて、レンジゲートにおけるピークの時間位置を特定し、特定したピークの時間位置に対応する遅延時間からターゲット７７までの距離を算出する。
【００３０】
具体的には、この距離算出部７４は、第１の点の相関と第２の点の相関との比がレンジゲートにおけるピークの時間位置、時間位置に対応する遅延時間、又は、時間位置に対応する（その時間で電波が進む）距離に依存してどのように変化するかを示す較正曲線７４ａを予め保持し、保持している較正曲線７４ａを参照することで、相関部７３で算出された相関波形から算出した比に対応する時間位置、遅延時間、又は、距離を特定することで、ターゲット７７までの距離を算出する。
【００３１】
ここで、較正曲線７４ａは、レンジゲートに対応する（その時間で電波が進む）距離よりも小さい距離の刻みで、上記比が距離に依存してどのように変化するかを示す曲線である。従って、この距離算出部７４は、較正曲線７４ａを参照することで、相関部７３で算出された相関波形から算出した比に対応する距離を特定することで、ターゲット７７までの距離を、レンジゲートよりも細かい分解能で算出する。
【００３２】
次に、以上のように構成される本実施の形態における測距装置７０の動作（つまり、測距の原理）について説明する。
【００３３】
まず、発振器７１ａで生成された信号は、ＰＮ符号発生器７１ｂで生成された拡散符号によって拡散器７１ｃで周波数拡散され、送信波（つまり、レーダ波）７５として、送信アンテナ７１ｄからターゲット７７に向かって出射される。次に、ターゲット７７で反射された反射波７６は、受信アンテナ７２ａで受信され、ＰＮ符号発生器７１ｂで生成された拡散信号を可変遅延器７３ａで時間ｔ１だけ遅らせた信号を用いて、逆拡散器７３ｂで逆拡散される。
【００３４】
ここで、可変遅延器７３ａでの遅延時間ｔ１が、送信波７５を送信してからターゲット７７で反射して受信されるまでにかかった時間と一致していれば、逆拡散器７３ｂに入る受信アンテナ７２ａからの信号に含まれる拡散符号と可変遅延器７３ａからの拡散符号とが一致するために、逆拡散器７３ｂによって発振器７１ａで生成される狭帯域信号が復元され、一方、上記時間が異なっていれば、逆拡散器７３ｂで逆拡散された後の信号は広帯域に拡散されたままとなる。したがって、逆拡散器７３ｂで逆拡散された信号を狭帯域フィルタ７３ｃに通すことで、拡散符号の遅延時間が、測距装置７０から出射されたレーダ波７５がターゲット７７に当たって反射してもどってくるまでの時間と一致したときにのみ、信号として抽出することができる。レーダ波７５がターゲット７７に当たって反射してもどってくるまでの時間は、電波がターゲット７７までの距離の２倍を伝送するのにかかった時間なので、測距装置７０からターゲット７７までの距離を計算することができる。
【００３５】
次に、本実施の形態における測距装置７０の距離算出部７４の詳細な動作について説明する。図２は、距離算出部７４の詳細な動作手順を示すフローチャートである。
【００３６】
距離算出部７４は、図３に示すように、相関部７３で算出された相関波形、つまり、可変遅延器７３ａでの遅延時間と狭帯域フィルタ７３ｃからの出力信号の強度との関係を示す曲線において、相関が最大となる点（図３では、点Ｐ１）とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点（図３では、点Ｐ２）で挟まれるレンジゲートを特定する（Ｓ１）。なお、距離算出部７４は、レンジゲートごとに対応する複数の較正曲線を保持している場合には、ここで特定したレンジゲートに対応する較正曲線を特定し、特定した較正曲線を用いて、後述するステップＳ３での処理を行う。
【００３７】
次に、距離算出部７４は、最大の相関を示す点（図３では、点Ｐ１）とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点（図３では、点Ｐ２）のうち、遅延時間の小さい点（図３では、点Ｐ１）の相関（図３では、約１１２ｄＢ）と遅延時間の大きい点（図３では、点Ｐ２）の相関（図３では、約９８ｄＢ）との比（約１４ｄＢ）を算出する（Ｓ２）。
【００３８】
そして、距離算出部７４は、予め保持している図４に示されるような較正曲線７４ａ（ここでは、ステップＳ１で特定したレンジゲートに対応する較正曲線）を参照することで、上記ステップＳ２で算出した比に対応する距離を特定する（Ｓ３）。なお、図４において、縦軸は、最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点のうち、遅延時間の小さい点の相関と遅延時間の大きい点の相関との比を示し、横軸は、ステップＳ１で特定されたレンジゲートにおけるピークの時間位置（本実施の形態では、測距装置７０とターゲットとの距離）を示す。
【００３９】
ここで、較正曲線７４ａは、図４に示されるように、事前の実測によって得られた曲線であり、レンジゲートに対応する距離よりも小さい距離の刻みで、上記比が距離に依存してどのように変化するかを実測し、得られたデータを滑らかな曲線にフィッティングしたものである。相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点のうち、遅延時間の小さい点（第１の点）の相関と遅延時間の大きい点（第２の点）の相関との比（縦軸の値）は、図４に示されるように、真のピークがそれら２点で挟まれるレンジゲートの左（遅延時間が小さい位置）に位置するほど、大きな値となるので、遅延時間とともに小さくなる（正から負になる）単調減少を示す。
【００４０】
このように、距離算出部７４は、較正曲線７４ａを参照することで、相関部７３で算出された相関波形から算出した比に対応する距離を特定し、レンジゲートよりも細かい分解能でターゲット７７までの距離を算出する。
【００４１】
なお、図４に示される較正曲線７４ａの横軸は、測距装置とターゲットまでの絶対距離であったが、距離算出部７４が内部に保持する較正曲線７４ａとしては、その横軸が、レンジゲート内での相対位置（例えば、０〜６０ｍｍ）であってもよい。その場合には、距離算出部７４は、ステップＳ１で特定したレンジゲートの位置に基づいて、レンジゲート単位（０．４ｎｓ単位、６０ｍｍ単位）で、オフセット距離（そのレンジゲートの左端に相当する距離）を特定し、さらに、ステップＳ２及びＳ３での処理において、レンジゲートより細かい距離（端数としての距離）を特定し、最後に、それらのオフセット距離と端数距離とを合計することで、レンジゲートよりも細かい分解能でターゲットまでの距離を算出することができる。
【００４２】
（実施の形態２）
次に、本発明に係る形状測定装置の実施の形態（実施の形態２）について説明する。
【００４３】
図５は、本発明の実施の形態２におけるスペクトラム拡散レーダを用いた形状測定装置８０の構成の一例を示す図である。
【００４４】
本実施の形態の形状測定装置８０は、図５に示すように、複数のレーダと形状推定回路によって構成される。すなわち、本実施の形態の形状測定装置８０は、互いに異なる位置に配置されたレーダ５１、５２、５３、５４と、レーダ５１〜５４から出力された信号を受ける形状推定回路５とを備えている。
【００４５】
レーダ５１〜５４の各々は、電気信号を生成する信号生成器と、信号生成器で生成された電気信号を送信電波として空間に放射する送信アンテナと、目標（ターゲット）の物体０で反射された送信電波の反射波を受信して受信波に変換する受信アンテナと、受信波を受ける受信器と、受信器の出力を受ける相関回路とを有している。すなわち、レーダ５１は、信号生成器２１と、送信アンテナ１１と、受信アンテナ１２と、受信器３１と、相関回路４１とを有している。レーダ５２は、信号生成器２２と、送信アンテナ１３と、受信アンテナ１４と、受信器３２と、相関回路４２とを有している。レーダ５３は、信号生成器２３と、送信アンテナ１５と、受信アンテナ１６と、受信器３３と、相関回路４３とを有している。レーダ５４は、信号生成器２４と、送信アンテナ１７と、受信アンテナ１８と、受信器３４と、相関回路４４とを有している。
【００４６】
なお、レーダの個数は４個に限られず、さらに多数であってもよい。また、ここでは簡単のために図５に示す平面内にレーダ５１〜５４が線状に配置されている例を説明するが、物体０の形状を平面的に測定するためにレーダが２次元のアレイ状に配置されたものであってもよい。また、送信アンテナと受信アンテナ（送受信アンテナ）は、符号を用いる場合、別個に設けられていることが好ましいが、１個のアンテナで兼用してもよい。また、送信電波は中心周波数に対する占有帯域幅の比である比帯域が２０％以上であることが好ましい。
【００４７】
次に、レーダ５１を例にとって測定動作を説明する。まず、信号生成器２１が例えば２６ＧＨｚ帯の正弦波（搬送波）を生成し、擬似ランダム（ＰＮ）符号で変調（周波数拡散）する。変調方法として例えば位相変調を行う。たとえばギルバートセルからなるダブルバランスミキサ回路に搬送波と擬似ランダム符号を入れて掛け合わせることで容易に位相変調された送信信号を生成することができる。送信アンテナ１１から送信波として放射された信号は物体０で反射され、その一部が受信アンテナ１２で受信される。そして、受信アンテナ１２から出力された受信波は、受信器３１で場合によっては増幅や整形（フィルタリング）などを受け、受信信号として相関回路４１に送られる。相関回路４１では、この受信信号と参照信号の相関を求めることによって相関波形が求められる。具体的には送信信号と同じＰＮ符号で受信信号を復調するいわゆる逆拡散を行い、搬送波でダウンコンバートすることで相関波形が求められる。
【００４８】
レーダ５２〜５４についてもレーダ５１と同時に同様の動作を行い、レーダ５１〜５４それぞれの相関波形を形状推定回路５に送る。レーダ５１〜５４の場所がそのまま測定位置となるため、第１〜第４の測定位置における相関波形が揃うことになる。
【００４９】
形状推定回路５は、後述するＳＥＡＢＥＤ法を用いて、レーダ５１〜５４から送られてきた相関波形の絶対値の極大位置を求め、擬似波面を抽出し、逆境界散乱変換によって物体の形状を出力する。この形状推定回路５は、実施の形態１における距離算出部７４と同一の機能を有する距離算出部５ａ、つまり、それらの相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、相関波形におけるピークに対応する遅延時間をレンジゲートよりも小さい分解能で算出することによって対象物までの距離を算出する距離算出部５ａを有する。この距離算出部５ａは、同様の手法によって、レンジゲートよりも小さい分解能で、相関波形における極大値及び極小値を特定する。
【００５０】
ここで、ＳＥＡＢＥＤ法の原理を説明する。ここでは、複数のアンテナを用いた符号多重の技術を利用したＳＥＡＢＥＤ法について説明する。
【００５１】
図６は、ＳＥＡＢＥＤ法における複数のアンテナの設置位置を説明するための図である。このＳＥＡＢＥＤ法では、測定対象物は明確な境界を有する有体物であることを前提とし、当該境界を測定して「擬似波面」を得る。この擬似波面を逆変換することで対象物の形状を求める。
【００５２】
この原理説明では、目標の物体０及び複数の送受信アンテナが同一平面内に存在すると仮定した２次元問題を扱い、電波の伝播は、ＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅ ｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）によるとする。この目標の物体０及び複数の送受信アンテナが存在する空間を「ｒ−空間（ｒ−ｄｏｍａｉｎ）」と呼称することとし、ｒ−空間で集合を表現する場合その表現を「ｒ−領域での表現」と呼称することとする。また、ｒ−空間の点を（ｘ，ｙ）で表現する。ここで、ｘ及びｙ（ｙ＞０）は、何れも真空中での送信パルスの中心波長λにより正規化される。各送受信アンテナは、無指向性であり、ｒ−空間のｘ軸上で所定の間隔（例えば等間隔）を空けて設置された各測定位置ｘｎ（ｎ＝１〜Ｎの整数）でモノサイクルパルスの送受信を繰り返すものとする。そして、送受信アンテナの測定位置（ｘ，ｙ）＝（Ｘ，０）における受信電界をｓ’（Ｘ，Ｙ）と定義し、送信から受信までの時間をｔ、真空中の光速をｃとした場合に、ＹをＹ＝（ｃ×ｔ）／（２×λ）と定義する。なお、ｙ＞０よりＹ＞０であり、また、送受信アンテナの測定位置ｘｎにおける電界の瞬時包絡線が最大となる時刻をｔ＝０とする。
【００５３】
さらに、雑音除去の観点からｓ’（Ｘ，Ｙ）のＹ方向に送信波形を用いた整合フィルタを適用し、この整合フィルタを適用して得られる受信波形を新たにｓ（Ｘ，Ｙ）とする。このｓ（Ｘ，Ｙ）を目標の物体０の形状を求めるデータとして用いる。ここで、（Ｘ，Ｙ）で表現される空間を「ｄ−空間（ｄ−ｄｏｍａｉｎ）」と呼称することとし、ｄ−空間で集合を表現する場合、その表現を「ｄ−領域での表現」と呼称することとする。Ｘ及びＹは、それぞれ送信パルスの中心波長及び送信パルスの中心時間長で正規化されている。
【００５４】
連続した境界面を持つ目標の物体０における複素誘電率ε（ｘ，ｙ）の変化が複数の区分的に微分可能な曲線の集合であるとする。即ち、目標の物体０における複素誘電率ε（ｘ，ｙ）が式（１）で表される。
【００５５】
【数１】
【００５６】
ここで、ｇｑ（ｘ）は、微分可能な１価関数であり、ｑ＝｛（ｘ，ｙ）｜ｙ＝ｇｑ（ｘ），ｘ∈Ｊｑ｝∈Ｈとする。Ｊｑは、関数ｇｑ（ｘ）の定義域である。ａｑは、ｑ∈Ｈに依存する正の定数であり、Ｈは、ｑ全体の集合である。Ｈの要素が「目標境界面」である。
【００５７】
ｄ−空間の部分集合Ｐを式（２）で定義する。
【００５８】
【数２】
【００５９】
連結な閉集合ｐ⊂Ｐを考え、領域Ｉｐを式（３）で定義する。
【００６０】
【数３】
【００６１】
任意のＸ∈Ｉｐに対し（Ｘ，Ｙ）∈ｐを満たすＹが唯一存在する場合にｐに対し定義域Ｉｐを有し、Ｙ＝ｆｐ（Ｘ）を満たす１価関数ｆｐ（Ｘ）が存在する。関数ｆｐ（Ｘ）が微分可能でかつ｜∂ｆｐ（Ｘ）／∂Ｘ｜≦１を満たすｐの集合をＧと定義し、このＧの要素を「擬似波面（Ｑｕａｓｉ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ）」と呼称することとする。
【００６２】
式（１）が満たされる場合、境界からの直接散乱波は、目標境界面（目標の物体０の表面、目標の物体０の形状を表す）の情報を保持している。以下では、簡単のため、直接波の伝播経路は全て真空であるとするが、伝播速度が一定で既知である媒質でも同様に成立する。
【００６３】
図７（ａ）、図７（ｂ）は、境界散乱変換を説明するための図である。図７（ａ）は、ｒ−領域における複素誘電率の変化の一例を示し、図７（ｂ）は、図７（ａ）に対応するｄ−領域の擬似波面を示す。
【００６４】
ｐがｑからの直接散乱に対応すると仮定すると、図７（ａ）から分かるように、送受信アンテナからｑの表す曲線Ｌｑへ下ろした垂線の長さと各送受信アンテナの位置との関係を用いることで、ｐ上の点（Ｘ，Ｙ）は、式（４）によって表される。この式（４）によって表される変換を境界散乱変換（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）と呼称することとする。
【００６５】
【数４】
【００６６】
但し、（ｘ，ｙ）は、ｑ上に存在する点である。
【００６７】
この境界散乱変換の逆変換を求めれば、受信波形から目標の物体０の形状を求めることができる。この逆変換は、式（５）のように求められる。この逆変換を逆境界散乱変換（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）と呼称することとする。
【００６８】
【数５】
【００６９】
なお、以上では、２次元の測定の場合について説明したが、ＳＥＡＢＥＤ法は３次元の測定へ容易に拡張可能である。また、各送受信アンテナが直線上に設置される場合について説明したが、任意の曲線に沿って設置される場合に対応する変換式も容易に求めることができる。
【００７０】
例えば、３次元の場合の境界散乱変換は式（６）のように表され、この逆変換は式（７）のように求められる。
【００７１】
【数６】
【００７２】
【数７】
【００７３】
式（５）（三次元測定の場合は式（７））を用いて受信波形から目標の物体０の形状を推定するＳＥＡＢＥＤ法では、具体的には、次のような処理を実行することで目標の物体０の形状を測定している。
【００７４】
図８は、ＳＥＡＢＥＤ法によって物体の形状を測定する際の処理手順を示すフローチャートである。
【００７５】
図８に示すように、ＳＥＡＢＥＤ法において、ステップＳ１０１として、形状測定装置８０は、図６に示すように、無指向性の複数の送受信アンテナが各測定位置ｘｎでモノサイクルパルスの送信パルスを送信し、目標の物体０で反射された送信パルスの反射波を受信し、受信波をＡ／Ｄ変換（アナログ／ディジタル変換）し、記憶する。
【００７６】
即ち、形状測定装置８０は、測定位置ｘ１において無指向性の送受信アンテナからモノサイクルパルスの送信パルスを送信し、目標の物体０により反射された送信パルスの反射波を受信し、受信波をＡ／Ｄ変換して第１受信信号を生成し、これを記憶する。これと並行して、測定位置ｘ１から所定の間隔だけ離れた測定位置ｘ２においても、送受信アンテナからモノサイクルパルスの送信パルスを送信し、目標の物体０によって反射された送信パルスの反射波を受信し、受信波をＡ／Ｄ変換して第２受信信号を生成し、記憶する。以下同様に、測定位置ｘ１から測定位置ｘＮまでの各測定位置ｘｎで、形状測定装置８０は、送受信アンテナからモノサイクルパルスの送信パルスを送信し、目標の物体０から反射した送信パルスの反射波を受信し、受信波をＡ／Ｄ変換し、記憶する。こうして測定位置ｘ１における第１受信信号から測定位置ｘＮにおける第Ｎ受信信号が得られる。
【００７７】
つまり、図５に示されるレーダ５１〜５４それぞれの相関波形が形状推定回路５に送られる。
【００７８】
次に、ステップＳ１０２において、形状測定装置８０の形状推定回路５は、第１乃至第Ｎの各受信信号に対し、当該受信信号の波形と参照信号の波形との相互相関を求めることによって、第１乃至第Ｎの各受信信号にそれぞれ対応する第１乃至第Ｎの相関波形を求める。相関関数ρ（τ）は、遅延時間をτ、参照信号をｒ（ｔ）、受信信号をｓ（ｔ）とすると、式（８）で与えられる。なお、積分範囲は、受信信号ｓ（ｔ）が存在する範囲である。
【００７９】
【数８】
【００８０】
ここで、参照信号の波形は、送信パルスの波形としており、これは、受信信号の波形が送信パルスの波形と同一形状であると仮定していることに相当する。この本ステップでの処理は、受信信号に整合フィルタを適用することに相当する。
【００８１】
次に、ステップＳ１０３において、形状推定回路５の距離算出部５ａは、第１乃至第Ｎの相関波形における極値（極大値及び極小値）を求める。
【００８２】
つまり、距離算出部５ａは、それらの相関波形において、最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、相関波形におけるピークに対応する遅延時間を、レンジゲートよりも小さい分解能で算出することによって、極値を求める。たとえば、距離算出部５ａは相関波形において相関が最大となる点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点で挟まれるレンジゲートを特定し、それら２点のうち、遅延時間の小さい点と大きい点とをそれぞれ第１の点と第２の点とした場合に、第１の点の相関と第２の点の相関との比を算出し、算出した比に基づいて、レンジゲートにおける真のピーク（極値）を特定する。より詳しくは、第１の点の相関と第２の点の相関との比がレンジゲートにおける真のピークの時間位置に依存してどのように変化するかを示す較正曲線７４ａを予め保持し、保持している較正曲線７４ａを参照することで、相関波形から算出した比に対応する真の極値を求める。
【００８３】
次に、ステップＳ１０４において、形状推定回路５は、近隣の極値同士を連結する。より具体的には、形状推定回路５が、式（９）を満たすように極値を連結する。
【００８４】
【数９】
【００８５】
ここで、極値Ｍｎの位置は、測定位置ｘｎにおいて得られた第ｎの相関波形から求められた極値のＸＹ平面における位置である。このように極値を連結して得られた曲線が擬似波面である。
【００８６】
次に、ステップＳ１０５において、形状推定回路５は、真の擬似波面を抽出する。ステップＳ１０４での処理によって得られた擬似波面には、雑音により生じたもの、振動的な部分を抽出したもの、及び、多重散乱により生じたもの等の不要な擬似波面が含まれている。このため、これらを取り除き、真に物体０の境界面を示す真の擬似波面を抽出する必要がある。この真の擬似波面の抽出では、第１に、式（１０）で定義される評価値ｗｐを用い、所定の閾値αよりも評価値ｗｐが大きい擬似波面を選択し、抽出する。閾値αは、その値を小さくし過ぎると不要な擬似波面が多く含まれ、その値を大きくし過ぎると真の擬似波面まで除去されてしまうので、評価値ｗｐの最大値を考慮の上、実験的、経験的に設定される。
【００８７】
【数１０】
【００８８】
評価値ｗｐは、擬似波面上における受信信号の振幅が大きく、しかもｆｐ（Ｘ）の定義域が広い範囲に渡るものについて大きな値をとる。
【００８９】
ここで、式（１０）のみによって真の擬似波面を抽出すると、例えば雑音に起因する擬似波面が有意な擬似波面の近くに存在する場合ではその評価値ｗｐが大きくなり、除去することができない場合が生じ得る。そのため、ｐ１，ｐ２∈Ｇ、ｐ１≠ｐ２、ｗｐ１≦ｗｐ２に対し（ｘ，ｙ）∈ｐ１かつ（ｘ，ｙ）∈ｐ２が成立する場合には、ｐ１→ｐ１’、ｐ１”（但し、ｐ１’∪ｐ１”＝ｐ１かつｐ１’∩ｐ１”＝ｐ１∩ｐ２）に擬似波面の分割を行って評価値ｗｐを求め不要な擬似波面を除去する。
【００９０】
そして、真の擬似波面の抽出は、第２に、第１フレネルゾーンとして知られる式（１１）で表されるＦｐを用いて式（１２）で定義される新たな評価値Ｗｐを用い、所定の閾値βよりも評価値Ｗｐが大きい擬似波面を選択し、抽出する。閾値βは、その値を小さくし過ぎると不要な擬似波面が多く含まれ、その値を大きくし過ぎると真の擬似波面まで除去されてしまうので、評価値Ｗｐの最大値を考慮の上、実験的、経験的に設定される。
【００９１】
【数１１】
【００９２】
【数１２】
【００９３】
評価値Ｗｐは、或る擬似波面のフレネルゾーン内に値の大きい別の境界面が存在する場合にはその値が低下する。ξ（ｘ）は重み関数であり、簡単のために、例えば、ξ（ｘ）＝１に設定する。
【００９４】
このように抽出された真の擬似波面は、各測定位置での送信パルスを送信してから、目標の物体０の表面における接平面に対し垂直に入射して反射した送信パルスの反射波を直接受信するまでの時間の集合である。
【００９５】
次に、ステップＳ１０６において、形状推定回路５は、ステップＳ１０５で抽出した真の擬似波面から式（５）を用いて物体０の形状を求める。
【００９６】
このように、ＳＥＡＢＥＤ法では、目標の物体０の形状を逆変換の式（５）により直接的に推定することができるので、極めて短時間で物体０の形状を測定することができる。
【００９７】
以上で説明したＳＥＡＢＥＤ法では、式（５）や式（７）で表されるような逆境界散乱変換の数式で形状を推定できる。この逆境界散乱変換で得られる画像は近似解でなく数学的に厳密な解となっており、反復計算に基づかず、直接的に画像を得ることが可能である。これらの利点から、ＳＥＡＢＥＤ法は以前の手法に比べて高精細でかつ、非常に高速に算出可能なイメージングアルゴリズムとなっている。
【００９８】
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、本実施の形態における形状測定装置８０のように、スペクトル拡散レーダと較正曲線とを用いて、実際に擬似波面を測定した例を示す。なお、測定対象物は、アンテナから２７ｃｍ先の、幅３３ｃｍ、深さ１１ｃｍの中華なべである。また、この測定では、較正曲線を用いたことの効果を確認するために、符号多重をすることなく、送受アンテナを隣接した状態で、Ｘ軸方向２４ｃｍ、Ｙ軸方向２４ｃｍを１ｃｍ刻みで走査し、測距した値をプロットしている。図９（ａ）が実際の距離（真の擬似波面）で、図９（ｂ）が本実施の形態の形状測定装置８０で測定した距離（擬似波面）である。測定誤差のＲＭＳ値は、０．１６ｃｍで、較正曲線を用いない従来の方法での精度の６ｃｍを大きく上回る高い精度での測定ができている。
【００９９】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示された擬似波面を元にＳＥＡＢＥＤ法にて形状推定した結果を示している。図１０（ａ）は、実際の形状、図１０（ｂ）は、本実施の形態の形状測定装置８０による形状推定の結果である。推定画像誤差のＲＭＳ値は、１．２ｍｍであり、本実施の形態の形状測定装置８０によって十分高精度なイメージングが実現できているのが分かる。
【０１００】
以上のように、本実施の形態における形状測定装置８０によれば、形状推定回路５の距離算出部５ａが、レンジゲートよりも細かい分解能で、第１乃至第Ｎの相関波形における極値（極大値及び極小値）を求めるので、低コストで、かつ、従来よりも高い精度で対象物の形状が特定される。
【０１０１】
また、本実施の形態における形状測定装置８０によれば、複数の送信器から異なる符号を同時に送信するいわゆる符号多重化の技術が用いられるので、測定時間が圧倒的に短縮され、測定から信号処理も含めてリアルタイムのイメージングが可能になる。
【０１０２】
以上、本発明に係る測距装置及び形状測定装置について、実施の形態１及び２を用いて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。これらの実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で変形を施して得られる形態や、これらの実施の形態の構成要素を任意に組み合わせて実現される形態も本発明に含まれる。
【０１０３】
たとえば、上記実施の形態では、較正曲線７４ａは、図４に示されるように、横軸が対象物までの距離であったが、本発明は、このような較正曲線だけに限られない。横軸が可変遅延器７３ａでの遅延時間であったり、そのレンジゲートにおける相対的な遅延時間であってもよい。較正曲線を参照して得られた遅延時間を距離に換算することで、ターゲットまでの距離を算出できるからである。
【０１０４】
また、上記実施の形態では、較正曲線７４ａは、図４に示されるように、１つのレンジゲートを対象としたものだけが示されたが、レーダの検知領域における全てのレンジゲートにおいても同様の較正曲線を準備しておいてもよい。これにより、どのレンジゲート内にターゲットがあっても正確な距離測定が可能になる。もちろん、各レンジゲートについて、予め、第１の点の相関と第２の点の相関との比と距離との関係を測定しておき、それぞれのレンジゲートに対応する較正曲線を作成しておけば、より正確な測定が可能になる。
【０１０５】
また、どのレンジゲート内にターゲットがあるか分からない一般の測距方法としては、予めとり得る複数のレンジゲートに対応する較正曲線を保持しておき、通常の測定によって図３に示される相関波形を取得し、その相関波形において相関が最大となる点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点で挟まれるレンジゲートを特定し、そのレンジゲートに対応する較正曲線を選択して用いることで、レンジゲート内の位置を推定すればよい。
【０１０６】
また、上記実施の形態では、２つの隣接する点の相関比だけで、較正曲線を形成したが、たとえば、最大ピークとその両隣の信号強度の３つの点について、同様に較正曲線に相当するテーブルを作成してもおいてもよい。さらに多くの点を用いて較正しておくことで、より正確な測距が可能になる。ただし、その分だけ、システム構成が複雑になり、処理に時間がかかるという欠点もある。
【０１０７】
また、実施の形態２では、形状推定回路５内に１つの距離算出部５ａが設けられたが、４つのレーダ５１〜５４それぞれに、各レーダで得られた距離を算出する距離算出部が設けられてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、スペクトラム拡散レーダを用いて対象物までの距離を測定する測距装置及び対象物の形状を測定する形状測定装置として、例えば、ロボット、車両、船舶及び航空機等の移動体や、室内・室外から外界の状況を知るための装置として、利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の実施の形態１における測距装置の構成を示すブロック図
【図２】同測距装置の距離算出部の詳細な動作手順を示すフローチャート
【図３】同測距装置の相関部で算出された相関波形の例を示す図
【図４】同測距装置の距離算出部が予め保持している較正曲線の例を示す図
【図５】本発明の実施の形態２における形状測定装置の構成を示すブロック図
【図６】ＳＥＡＢＥＤ法におけるアンテナの設置位置を説明するための図
【図７】（ａ）、（ｂ）は、境界散乱変換を説明するための図
【図８】ＳＥＡＢＥＤ法によって物体の形状を測定する処理手順を示すフローチャート
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態２における形状測定装置によって実際に擬似波面を測定した結果を説明するための図
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示された擬似波面を元にＳＥＡＢＥＤ法にて形状推定した結果を説明するための図
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、従来のスペクトラム拡散レーダを用いた測距装置における測距精度の限界（分解能）を説明するための図
【符号の説明】
【０１１０】
０、７７ 物体（ターゲット）
５ 形状推定回路
５ａ 距離算出部
１１、１３、１５、１７ 送信アンテナ
１２、１４、１６、１８ 受信アンテナ
２１〜２４ 信号生成器
３１〜３４ 受信器
４１〜４４ 相関回路
５１〜５４ レーダ
７０ 測距装置
７１ 送信部
７１ａ 発振器
７１ｂ ＰＮ符号発生器
７１ｃ 拡散器
７１ｄ 送信アンテナ
７２ 受信部
７２ａ 受信アンテナ
７３ 相関部
７３ａ 可変遅延器
７３ｂ 逆拡散器
７３ｃ 狭帯域フィルタ
７４ 距離算出部
７４ａ 較正曲線
７５ 送信波
７６ 反射波
８０ 形状測定装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペクトラム拡散レーダを用いて対象物までの距離を測定する測距装置であって、
一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、前記対象物に向けて放射する送信部と、
前記対象物で反射された前記信号を受信する受信部と、
前記受信部で受信された信号の波形と前記送信部から放射された信号の波形との相関が、前記放射から前記受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する相関部と、
前記相関部で算出された相関波形におけるピークを特定することにより、前記対象物までの距離を算出する距離算出部とを備え、
前記相関部は、前記チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに前記遅延時間を変化させた場合における前記相関の変化を示す相関波形を算出し、
前記距離算出部は、前記相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、前記相関波形におけるピークに対応する遅延時間を前記レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする測距装置。
【請求項２】
前記距離算出部は、前記相関波形において相関が最大となる点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点で挟まれるレンジゲートを特定し、それら２点のうち、遅延時間の小さい点と大きい点とをそれぞれ第１の点と第２の点とした場合に、前記第１の点の相関と前記第２の点の相関との比を算出し、算出した比に基づいて、前記レンジゲートにおけるピークの時間位置を特定し、特定したピークの時間位置に対応する遅延時間から前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の測距装置。
【請求項３】
前記距離算出部は、前記第１の点の相関と前記第２の点の相関との比が前記レンジゲートにおけるピークの時間位置、前記時間位置に対応する遅延時間、又は、前記時間位置に対応する前記距離に依存してどのように変化するかを示す較正曲線を予め保持し、保持している前記較正曲線を参照することで、前記関波形から算出した前記比に対応する前記時間位置、前記遅延時間、又は、前記距離を特定することで、前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする請求項２記載の測距装置。
【請求項４】
前記較正曲線は、前記レンジゲートに対応する距離よりも小さい距離の刻みで、前記比が前記距離に依存してどのように変化するかを示す曲線であり、
前記距離算出部は、前記較正曲線を参照することで、前記相関波形から算出した前記比に対応する前記距離を特定することで、前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする請求項３記載の測距装置。
【請求項５】
スペクトラム拡散レーダを用いて対象物までの距離を測定する測距方法であって、
一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、前記対象物に向けて放射する送信ステップと、
前記対象物で反射された前記信号を受信する受信ステップと、
前記受信ステップで受信された信号の波形と前記送信ステップで放射された信号の波形との相関が、前記放射から前記受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する相関ステップと、
前記相関ステップで算出された相関波形におけるピークを特定することにより、前記対象物までの距離を算出する距離算出ステップとを含み、
前記相関ステップでは、前記チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに前記遅延時間を変化させた場合における前記相関の変化を示す相関波形を算出し、
前記距離算出ステップでは、前記相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、前記相関波形におけるピークに対応する遅延時間を前記レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする測距方法。
【請求項６】
スペクトラム拡散レーダを用いて対象物の形状を測定する形状測定装置であって、
一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、前記対象物に向けて放射する複数の送信部と、
前記対象物で反射された前記信号を受信する受信部と、
前記受信部で受信された信号の波形と前記複数の送信部のうち受信された前記信号を放射した送信部から放射された信号の波形との相関が、前記放射から前記受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する相関部と、
前記相関部で算出された相関波形におけるピークを特定することにより、前記複数の送信部から対象物までの距離を算出することによって擬似波面を抽出し、抽出した擬似波面と前記対象物の形状との関係に基づいて前記対象物の形状を推定する形状推定部とを備え、
前記相関部は、前記チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに前記遅延時間を変化させた場合における前記相関の変化を示す相関波形を算出し、
前記形状推定部は、前記相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、前記相関波形におけるピークに対応する遅延時間を前記レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項７】
スペクトラム拡散レーダを用いて対象物の形状を測定する形状測定方法であって、
一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、複数の送信部から前記対象物に向けて放射する送信ステップと、
前記対象物で反射された前記信号を受信する受信ステップと、
前記受信ステップで受信された信号の波形と前記複数の送信部のうち受信された前記信号を放射した送信部から放射された信号の波形との相関が、前記放射から前記受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する相関ステップと、
前記相関ステップで算出された相関波形におけるピークを特定することにより、前記複数の送信部から対象物までの距離を算出することによって擬似波面を抽出し、抽出した擬似波面と前記対象物の形状との関係に基づいて前記対象物の形状を推定する形状推定ステップとを含み、
前記相関ステップでは、前記チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに前記遅延時間を変化させた場合における前記相関の変化を示す相関波形を算出し、
前記形状推定ステップでは、前記相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、前記相関波形におけるピークに対応する遅延時間を前記レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする形状測定方法。
【請求項１】
スペクトラム拡散レーダを用いて対象物までの距離を測定する測距装置であって、
一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、前記対象物に向けて放射する送信部と、
前記対象物で反射された前記信号を受信する受信部と、
前記受信部で受信された信号の波形と前記送信部から放射された信号の波形との相関が、前記放射から前記受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する相関部と、
前記相関部で算出された相関波形におけるピークを特定することにより、前記対象物までの距離を算出する距離算出部とを備え、
前記相関部は、前記チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに前記遅延時間を変化させた場合における前記相関の変化を示す相関波形を算出し、
前記距離算出部は、前記相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、前記相関波形におけるピークに対応する遅延時間を前記レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする測距装置。
【請求項２】
前記距離算出部は、前記相関波形において相関が最大となる点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点で挟まれるレンジゲートを特定し、それら２点のうち、遅延時間の小さい点と大きい点とをそれぞれ第１の点と第２の点とした場合に、前記第１の点の相関と前記第２の点の相関との比を算出し、算出した比に基づいて、前記レンジゲートにおけるピークの時間位置を特定し、特定したピークの時間位置に対応する遅延時間から前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の測距装置。
【請求項３】
前記距離算出部は、前記第１の点の相関と前記第２の点の相関との比が前記レンジゲートにおけるピークの時間位置、前記時間位置に対応する遅延時間、又は、前記時間位置に対応する前記距離に依存してどのように変化するかを示す較正曲線を予め保持し、保持している前記較正曲線を参照することで、前記関波形から算出した前記比に対応する前記時間位置、前記遅延時間、又は、前記距離を特定することで、前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする請求項２記載の測距装置。
【請求項４】
前記較正曲線は、前記レンジゲートに対応する距離よりも小さい距離の刻みで、前記比が前記距離に依存してどのように変化するかを示す曲線であり、
前記距離算出部は、前記較正曲線を参照することで、前記相関波形から算出した前記比に対応する前記距離を特定することで、前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする請求項３記載の測距装置。
【請求項５】
スペクトラム拡散レーダを用いて対象物までの距離を測定する測距方法であって、
一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、前記対象物に向けて放射する送信ステップと、
前記対象物で反射された前記信号を受信する受信ステップと、
前記受信ステップで受信された信号の波形と前記送信ステップで放射された信号の波形との相関が、前記放射から前記受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する相関ステップと、
前記相関ステップで算出された相関波形におけるピークを特定することにより、前記対象物までの距離を算出する距離算出ステップとを含み、
前記相関ステップでは、前記チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに前記遅延時間を変化させた場合における前記相関の変化を示す相関波形を算出し、
前記距離算出ステップでは、前記相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、前記相関波形におけるピークに対応する遅延時間を前記レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする測距方法。
【請求項６】
スペクトラム拡散レーダを用いて対象物の形状を測定する形状測定装置であって、
一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、前記対象物に向けて放射する複数の送信部と、
前記対象物で反射された前記信号を受信する受信部と、
前記受信部で受信された信号の波形と前記複数の送信部のうち受信された前記信号を放射した送信部から放射された信号の波形との相関が、前記放射から前記受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する相関部と、
前記相関部で算出された相関波形におけるピークを特定することにより、前記複数の送信部から対象物までの距離を算出することによって擬似波面を抽出し、抽出した擬似波面と前記対象物の形状との関係に基づいて前記対象物の形状を推定する形状推定部とを備え、
前記相関部は、前記チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに前記遅延時間を変化させた場合における前記相関の変化を示す相関波形を算出し、
前記形状推定部は、前記相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、前記相関波形におけるピークに対応する遅延時間を前記レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項７】
スペクトラム拡散レーダを用いて対象物の形状を測定する形状測定方法であって、
一定のチップレートで表現される拡散符号によってスペクトラム拡散された信号を生成し、複数の送信部から前記対象物に向けて放射する送信ステップと、
前記対象物で反射された前記信号を受信する受信ステップと、
前記受信ステップで受信された信号の波形と前記複数の送信部のうち受信された前記信号を放射した送信部から放射された信号の波形との相関が、前記放射から前記受信までの遅延時間に依存してどのように変化するかを示す相関波形を算出する相関ステップと、
前記相関ステップで算出された相関波形におけるピークを特定することにより、前記複数の送信部から対象物までの距離を算出することによって擬似波面を抽出し、抽出した擬似波面と前記対象物の形状との関係に基づいて前記対象物の形状を推定する形状推定ステップとを含み、
前記相関ステップでは、前記チップレートに対応する時間長であるレンジゲートごとに前記遅延時間を変化させた場合における前記相関の変化を示す相関波形を算出し、
前記形状推定ステップでは、前記相関波形において最大の相関を示す点とその点に隣接する前後２点のうち相関の大きい点とを用いて、前記相関波形におけるピークに対応する遅延時間を前記レンジゲートよりも小さい分解能で算出することにより、前記対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする形状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２２２５９２（Ｐ２００９−２２２５９２Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６８２８７（Ｐ２００８−６８２８７）
【出願日】平成２０年３月１７日（２００８．３．１７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１７日（２００８．３．１７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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