距離測定センサ及びこれを用いた距離測定方法
【課題】ＣＷ信号を継続的に送受信するＣＷモードと、所定時間の間のみにＣＷ信号を送受信するパルスモードで動作できる距離測定センサ及びこれを用いた高精密度の距離測定方法を提供する。
【解決手段】電力増幅器を制御する第１スイッチと;基準信号と受信信号を自身の入力信号として受け入れ、二つの信号の位相差を通して高周波信号の電力で表現される距離情報を生成する６ポート回路と;周波数固定発振器と前記６ポート回路との間に設置されて前記基準信号を制御する第２スイッチと;前記６ポート回路から発生する前記高周波信号の電力をＤＣ電圧に変換して演算処理可能なデータに変換し、距離データとして計算する中央演算処理装置と;を備えて距離測定センサを構成する。
【解決手段】電力増幅器を制御する第１スイッチと;基準信号と受信信号を自身の入力信号として受け入れ、二つの信号の位相差を通して高周波信号の電力で表現される距離情報を生成する６ポート回路と;周波数固定発振器と前記６ポート回路との間に設置されて前記基準信号を制御する第２スイッチと;前記６ポート回路から発生する前記高周波信号の電力をＤＣ電圧に変換して演算処理可能なデータに変換し、距離データとして計算する中央演算処理装置と;を備えて距離測定センサを構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定センサ及びこれを用いた距離測定方法に関するもので、より詳しくは、高周波信号を用いて遠隔で距離を測定するセンサ及びこれを用いた距離測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーダーセンサを用いた距離測定方法は、送受信する信号の類型によって、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）信号を用いる方法、パルスを用いる方法、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ）によって代表されるインパルス（Ｉｍｐｕｌｓｅ）を用いる方法に区分される。ＣＷ信号を用いる距離測定センサは、連続的な高周波信号を送受信し、二つの高周波信号の位相差を通して距離を測定する方式を適用する。また、この距離測定方式によると、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方法、ＦＳＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔｅｐｐｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方法などを用いて非常に小さい測定誤差を有する距離測定センサを製作可能になる。しかし、この距離測定方式では、ＣＷ信号を用いて高周波信号の送受信が行われるので、送信信号と受信信号が常に同時に伝達される。送信と受信が一つのアンテナを通して行われる場合、二つの信号を分離するためのアイソレーターやサーキュレーターなどが必要である。図１は、単一アンテナを用いる従来のレーダー送受信端を示す概略構成図である。図１に示すように、レーダー送受信端は、送信部１０３、アンテナ１０５、受信部１０４及び信号分離素子１０１を備えている。送信部１０３は、高周波信号を送信するためのもので、電力増幅器１０３１、カプラー１０３２及び周波数生成器１０３３を含む。信号分離素子１０１は、送信信号と受信信号を分離するためのもので、信号分離素子１０１としては、サーキュレーターまたはアイソレーターなどの素子が用いられる。信号分離素子１０１の特性によって送信信号の一部が受信信号に漏れて伝達されるが、参照番号１０２は、漏れる受信信号を示す。受信部１０４は、高周波信号を受信するためのもので、低雑音増幅器１０４１、基準信号との比較のためのミキサー１０４２及び高周波信号除去のための低域通過フィルター１０４３を含む。基準信号としては、送信部１０３に含まれたカプラー１０３２の出力信号を用いる。しかしながら、一般的に、アイソレーターとサーキュレーターは、その大きなサイズによって集積が不可能であり、分離特性も非常に低いという問題点を有する。
一方、送受信端に一つのアンテナの代りにそれぞれ異なるアンテナを用いる場合、送受信端から直接的に発生する漏洩信号の連結を防止することで、漏洩信号の影響を大幅に減少させることができる。図２は、送受信端に二つのアンテナをそれぞれ用いる従来のレーダー構造を示す概略構成図である。図２に示すように、レーダー送受信端は、送信部２０１及び受信部２０２を備えている。送信部２０１は、高周波信号を送信するためのもので、周波数生成器２０１４、カプラー２０１３、電力増幅器２０１２及び送信部用アンテナ２０１１を含む。受信部２０２は、高周波信号を受信するためのもので、低雑音増幅器２０２２、基準信号との比較のためのミキサー２０２３、高周波信号除去のための低域通過フィルター２０４４及び受信部用アンテナ６０２１を含む。
以上説明した従来のレーダーセンサでは、送信信号と受信信号をそれぞれ分離するために高価の分離装備を使用し、スーパーコンピュータで処理されるアルゴリズム、優れた方向性を有する大型のアンテナを用いて高い送信電力を送受信するので、送信端と受信端の分離特性を大いに考慮しなくても、センサ動作に無理はなかった。しかしながら、既存のレーダー方法は、超小型化レーダーを製作して多様な応用分野に用いるときに役立つ方法ではない。特に、周波数によって大きさが決定される二つのアンテナを用いる場合、センサ全体の大きさが大きくなり、よって、超小型化センサの製作が困難になる。また、二つのアンテナは、集積されたセンサに連結されることで、互いに近くに位置するようになる。その結果、二つのアンテナのカップリング効果によって送信信号の漏洩効果が発生し、この漏洩効果が受信端に悪影響を与える。この漏洩信号は、測定しようとする距離が遠くなる場合、実際に受信される信号より大きいときに問題となる。小さい信号を増幅するために受信端の利得を増加させると、送信端から受信された漏洩信号も増幅され、信号処理端を飽和させることで信号受信が不可能になる。したがって、センサの仕様によって決定される最大に測定可能な距離より実際に測定可能な距離が制限されるので、測定可能な距離においても誤差が増加する。このようにＣＷを用いる超小型レーダーセンサでは、送信漏洩信号による悪影響を避けられない。特に、情報が直流（ＤＣ）信号に存在する直接変換方式レーダーセンサでは、送信漏洩信号によって発生するＤＣオフセットによって情報が歪曲されるので、より大きな問題が発生する。既存のレーダーセンサでは、受信信号に複雑なアルゴリズムを導入し、高性能の中央処理装置を通して漏洩問題を減少させるか、追加的に構成した別途の回路を通して上述した問題の悪影響を最小化している。しかしながら、具現原理の限界のために、上述した問題を完全に解決することは困難である。
送信漏洩信号の影響は、ＣＷを用いるセンサに比べて、送信と受信が時間的に分離されたパルス信号やインパルス信号を用いるセンサでは大きな問題にならない。パルス信号やインパルス信号を用いるセンサは、送信信号が受信されるまでの時間を測定して距離を得るもので、受信時間の間に送信端が信号を送信しないので、送信信号による送信漏洩がない。しかしながら、時間差に基づいて距離を認識するセンサでは、送信信号と受信信号のオーバーラップ区間が存在すると、距離を認識することができない。すなわち、測定しようとする距離が短くて送信信号と受信信号が同時に受信される場合、距離情報自体を得られないので、最小測定可能な距離に制限が存在する。一般的に、パルスを用いて時間を測定するセンサでは、２０ｃｍ以下の距離を測定することが困難である。また、測定の精密性を高めるためには、短いパルス幅（広い帯域幅）を有する信号を送受信に用いるべきであり、センサの全体構成が非常に複雑になって回路設計が困難になる。パルス幅の減少にも限界があるので、測定精密性は、ＣＷ信号を用いたセンサに比べて低い。
一方、６個のポートを用いた６-ポート構造は、１９７０年代に、反射係数を精密に測定するＶＮＡ（Ｖｅｃｔｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｎａｌｙｚｅｒ）の代りとして提案された構造である。受動素子で示された６ポート回路の構成を図３に示した。図３に示すように、６ポート回路は、２個の入力ポートａ１，ａ２と、４個の出力ポートｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４とからなる。４個の出力ポートは、２個の入力ポートから受信される１個の基準信号ＬＯと他の１個の任意信号ＲＦとの線形関係で表示される。４個の出力ポートｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４の高周波信号は、電力検出器（図６を参照）及び低域通過フィルターを経て電圧に変換されるが、この４個の出力電圧を用いた数学的な計算過程を通して、任意信号ＲＦの反射係数を知ることができる。図３において、参照番号３０１は、位相を９０°及び１８０°に変化させるための方向性カプラーを示し、参照番号３０２は、基準信号ＬＯに対して両方向に同一の位相信号を送信するための９０°遅延伝送線を示し、参照番号３０３は、高周波信号を除去するための抵抗を示す。上記のような６ポート回路の構成及びこれを用いる方法は、特許文献１に開示されているので、それに対する詳細な説明は省略する。
上記のような６-ポート構造を用いた従来の距離測定センサでは、高周波信号が二つの入力ポートに同時に印加されるべきであるので、ＣＷ信号を用いた距離測定方法のみが使用可能である。さらに、このような距離測定センサを発展させ、ＣＷ信号を通した測定方法の長所をそのまま維持しながら、短所を克服するためにパルスモード動作を適用した遠隔距離測定センサと測定方法の開発が要求される。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４，１０４，５８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする技術的課題は、ＣＷ信号を継続的に送受信するＣＷモードと、所定時間の間のみにＣＷ信号を送受信するパルスモードで動作できる距離測定センサ及びこれを用いた高精密度の距離測定方法を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、送信漏洩信号の影響を除去すると同時に、最小限の電力を消耗しながらＣＷ信号を送受信し、測定距離の範囲を決定し、該当距離に存在する物体の情報のみを獲得し、測定する対象が多数個である場合、それぞれの情報を区分して検出できる距離測定センサ及びこれを用いた距離測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を達成するための本発明に係る距離測定センサは、基準信号と距離測定対象物体に送信される送信信号を生成する周波数固定発振器と；前記送信信号及び前記測定対象物体から反射される受信信号の送受信に用いられるアンテナと；前記送信信号を増幅するための電力増幅器と；前記受信信号を増幅するための低雑音増幅器と；前記電力増幅器を制御する第１スイッチと;前記基準信号と前記受信信号を自身の入力信号として受け入れ、二つの信号の位相差を通して高周波信号の電力で表現される距離情報を生成する６ポート回路と;前記周波数固定発振器と前記６ポート回路との間に設置されて前記基準信号を制御する第２スイッチと;前記６ポート回路から発生する前記高周波信号の電力をＤＣ電圧に変換するための高周波電力検出器と;前記高周波電力検出器から発生したＤＣ電圧を演算処理可能なデータに変換するＡＤＣと;前記周波数固定発振器で生成する信号の周波数、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの動作をそれぞれ制御するとともに、前記ＡＤＣの出力データを予め自身に入力されたアルゴリズムを通して距離データとして計算し、前記距離データを表示する中央演算処理装置と;を備えることを特徴とする。
また、前記アンテナは、前記送信信号及び前記受信信号の送受信に共通的に用いられるもので、前記アンテナの入力端子には、前記送信信号及び受信信号を互いに分離して受信するための方向性カプラーがさらに設置されることが好ましい。
そして、前記高周波電力検出器は、２個のトランジスタを用いた差動回路形態で構成されており、ＤＣオフセット電圧を除去することが好ましい。
一方、上記の技術的課題を解決するための本発明に係る距離測定方法の一例は、ＣＷ信号を特定時間の間にそれぞれ送受信し、送受信信号の位相比較を通して距離を測定するパルスモードを具現することを特徴とする。
一方、上記の技術的課題を解決するための本発明に係る距離測定方法の他の例は、前記第１スイッチを用いて前記電力増幅器の供給電力を制御し、前記第２スイッチを用いて前記６ポート回路の前記基準信号端に印加される基準信号を制御することでパルスモードを具現することを特徴とする。
このとき、測定距離によって前記距離測定センサの動作モードが異なることが好ましく、前記センサは、“ｔ（５１１） − ｔ（５０６） ＜ ０”を満足する近い距離では、ＣＷ信号を継続的に送受信するＣＷモードで動作し、“ｔ（５１１） − ｔ（５０６） ＞ ０”を満足する遠い距離では、ＣＷ信号を制御して特定時間の間のみに送受信するパルスモードで動作することが一層好ましい。
ただし、上記の式において、 ｔ（５１１）は、測定対象から反射されてセンサに受信される信号から測定対象までの距離による遅延時間を示し、ｔ（５０６）は、前記第１スイッチがオン（ＯＮ）状態になって前記電力増幅器を動作させる時間を示す。
また、前記基準信号が前記６ポート回路の入力端子に印加されるように、前記第２スイッチがオン（ＯＮ）状態にある時間を制御することで、測定しようとする対象の距離範囲を限定して信号を検出する。
【０００６】
さらに、前記送受信信号を制御し、多様な測定対象を実時間で区分して各信号を検出することもできる。
以下、本発明に係る距離測定センサを要約する。これは、基本的に距離測定６-ポート位相周波数分別器を用いた遠隔レーダーセンサと同様に送信と受信の二つのＣＷ周波数の位相を比較する。さらに、距離測定センサは、高周波信号を制御してパルスモードで動作可能な構造をさらに含み、遠隔レーダーセンサより優れている。また、測定しようとする距離が近い場合、距離測定センサは、ＣＷ信号を連続的に送受信して距離測定をし、測定しようとする距離が遠い場合、ＣＷ信号を所定時間の間のみに送受信するパルス動作を通して距離測定をする。
以下、本発明に係る距離測定方法の具体的な例を要約する。
６-ポート位相周波数分別器を用いた遠隔距離測定システムは、６ポート回路の入力端子で二つの高周波信号を受信し、二つの高周波信号の位相差を通して距離を測定するシステムである。この遠隔距離測定システムを活性化するためには、基準信号と対象から反射された受信信号が６ポート回路の入力端子に受信されるべきであり、一般的にＣＷで動作する。しかしながら、ＣＷで動作する場合、送信のために大きく増幅された送信電力が受信端に流れる送受信漏洩信号によってＤＣオフセット問題が発生し、最大に測定可能な距離が制限されるか、受信される小さい信号を増幅するために増幅端の利得を増加させる場合、漏洩信号による受信信号増幅端の飽和問題が発生することで、システム性能が低下する。上記のような問題を解決するために、送受信漏洩信号による影響の小さい近距離を測定する場合はＣＷでそのまま動作するが、測定しようとする距離が遠くなると、パルスで動作させる新しい構造を提案した。このような動作のために、２個のスイッチを使用する。一つのスイッチは、電力増幅器の電源部に連結して送信信号を制御し、他の一つは、基準信号が受信される伝送線に位置して基準信号が６ポート回路に入力されることを制御し、位相周波数分別器の動作を調節する。所定時間の間のみに電力増幅器の電源部を連結して高周波信号を送信し、基準信号に印加される信号を防いで漏洩信号による出力問題を除去する。対象から高周波信号が反射されて受信端に戻る場合、基準信号に連結されたスイッチを動作させ、基準信号と受信信号が６ポート位相周波数分別器の入力端子に印加される。その結果、距離測定システムは、二つの信号の位相差を通して距離及び速度情報を認識するようになる。距離測定システムをパルスで動作させる場合、送受信漏洩信号の問題を除去するのみならず、多様な対象を同時に測定することができ、特定の距離に位置した物体の情報のみを得られるなど、ＣＷ方式では不可能な探知が可能になる。さらに、センサにおいて電力消耗が最も大きい電力増幅器の電源制御を通して全体センサの電力消耗を減少させることができ、ユビキタスレーダーセンサシステムへの応用が可能であり、応用分野が一層多様に拡大すると期待される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、ＣＷ方式の距離測定センサをパルスモードで動作することで、より遠い距離でも正確な距離情報を得られる。また、センサにおいて最も電力消耗の多い素子である電力増幅器を必要によって制御することで、センサで要求される電力消耗量が大幅に減少し、携帯用システムやユビキタスシステムへと応用分野を拡大させることができる。そして、距離測定センサがパルスモードで動作するとき、受信信号が対象によって時間的な差をおいて検出されることで、測定しようとする多様な対象を分離して各信号を検出することができる。これと同様に、特定距離に位置した物体のみを認識しようとする場合も、時間範囲を設定し、設定された時間範囲によって距離を測定することができる。これをレーダーイメージセンサに導入する場合、特定距離に位置した対象のイメージ情報を確認することができ、より多くの応用分野への拡張が可能である。
一般的なパルスを用いる距離測定レーダーセンサは、送信信号の送信時間を確認し、受信信号の受信時間を測定し、その時間差を通して距離を確認する。この場合、距離が非常に近い場合は時間差が発生しないか、センサの応答速度以内に信号が検出されるので、二つの対象間の距離測定が不可能である。しかしながら、本発明は、ＣＷ方式に基づいているので、二つの対象の距離が近い場合も、非常に高い精密性を維持しながら距離を測定することができる。本発明に係る距離認識方法は、モードと関係なしにＣＷ方式の位相比較に基づいているので、時間差を測定する方式に比べて非常に高い精密性を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。下記の実施例は、本発明の内容を理解するために提示されたものに過ぎなく、当分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内で多様に変形可能であろう。よって、本発明の権利範囲は、このような実施例に限定されるものと解析されてはならない。また、本発明の名称及び全般的な説明は、距離測定に基づいているが、本発明の技術的思想をそのまま適用し、距離測定の他に速度測定を行うこともできる。
図４は、本発明の実施例に係る距離測定センサを示すブロック図である。本発明の実施例に係る距離測定センサは、ＣＷ信号のみを用いる既存の６ポート回路による距離測定センサに、パルス動作のための構造を適用したものである。図４に示すように、周波数固定発振器４０５は、安定した高周波信号を生成し、所望の周波数で高周波信号を制御して送信する役割をする。このような周波数の制御は、中央演算処理装置４０７によって行われるが、中央演算処理装置４０７は、周波数を制御する以外にも、パルス動作のための回路である第１スイッチ４０１及び第２スイッチ４０６のスイッチ動作も制御する。第１スイッチ４０１は、高周波信号を増幅して伝送する電力増幅器４０２への電源供給を制御するためのスイッチであり、第２スイッチ４０６は、カプラー４１３から発生して６ポート回路４０８の二つの入力ポートのうちＬＯ端に送信される基準信号ＬＯを制御するためのスイッチである。高周波送受信信号は、アンテナ４０４を通して送受信されるが、この送受信信号を互いに分離して受けるために、電力増幅器４０２とアンテナ４０４との間に方向性カプラー４０３が設置される。アンテナ４０４によって受信された受信信号ＲＦは、方向性カプラー４０３で分離された後、低雑音増幅器４０９によって増幅されて６ポート回路４０８のＲＦユニットに入力される。６ポート回路４０８は、図３に示した従来技術と同一のものを用いる。６ポート回路４０８によって分けられた４個の高周波信号の電力は、高周波電力検出器４１０によってＤＣ電圧に変換される。変換された電圧の大きさは、低雑音増幅と非線型増幅などを通して信号処理部４１１によって効果的に得られる。信号処理部４１１を通過した増幅信号は、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ―ｔｏ―Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）４１２によってデジタル信号に変換される。ＡＤＣ４１２から送信される距離及び速度情報は、中央演算処理装置４０７に予め入力されたアルゴリズムを通して実時間で計算され、その計算結果が実時間で表示される。以上の説明において、６ポート回路４０８は、基準信号ＬＯと受信信号ＲＦとの位相差を通して距離（及び／または速度）を認識する役割をするので、６-ポート位相／周波数分別器とも称される。
第１スイッチ４０１及び第２スイッチ４０６は、パルス動作のための回路であり、二つのスイッチ４０１，４０６が全てオン（ＯＮ）状態である場合、本発明の実施例に係る距離測定センサは、従来の６-ポートを用いた距離測定センサと同様に、ＣＷ信号を送受信して距離情報を獲得する。上記のような動作は、測定しようとする距離が近い場合に行われる。測定しようとする距離が遠くなると、受信信号の大きさが減少するので、この受信信号の大きさを検出するためには、受信信号を増幅して認識可能な信号レベルにすべきである。送信信号の一部は、送受信分離器を通して常に受信端に受信されるが、測定しようとする距離が遠くなるほど受信信号が小さくなり、受信信号が送信漏洩信号より非常に小さくなる。この場合、小さい受信信号を得るために高い利得で増幅すると、送信漏洩信号も高い利得で増幅されることで、受信端の信号検出端が飽和状態になる。したがって、測定しようとする距離が遠くなるほど、送受信端間の漏洩信号の影響が増加するので、既存のＣＷ方式では測定可能な距離が非常に制限的である。
送信漏洩信号が発生する理由は、送受信端を分離する分離器の特性が良好でないためである。移動通信システムを初めとする無線通信で多く用いられるサーキュレーターとアイソレーターは、その特性が−２０ｄＢ程度である。この場合、送信漏洩信号除去回路は、カプラーの位相を用いてサーキュレーターとアイソレーターの良好でない特性を除去できるが、これも−４０ｄＢ以上の分離特性を得ることができない。したがって、回路構成を通した分離特性の向上は、センサの全体大きさを大きくするが、その特性には限界がある。送信漏洩信号の発生は、送信信号が電力増幅器を通過して伝送される場合に発生する。したがって、送信漏洩信号が発生する時間にセンサを動作させないことで、送信漏洩信号の影響を大幅に減少させることができる。ＣＷ方式で動作する６ポート回路構造を用いた距離測定センサは、二つの高周波信号、すなわち、基準信号ＬＯと受信信号ＲＦが同時に存在する場合のみに距離情報を得られるので、基準信号の制御によってセンサの動作を制御することができる。高周波が対象から反射されて戻る時間の間に時間的な差が存在するので、送信期間には、基準信号に伝達される信号をオフにし、送信漏洩信号による結果が表れないように具現し、受信期間には、基準信号は伝達し、電力増幅器をオフにして距離情報を獲得する。
上記のような動作は、図５に示した時間による信号の変化を確認することで容易に知ることができる。図５は、図４のセンサがパルスモードで動作する場合、使用するクロック信号とこれによる各送受信信号の時間に対する変化を示すグラフである。参照番号５０１は、電力増幅器４０２の動作を制御するように第１スイッチ４０１に供給される第１クロック信号である。第１クロック信号５０１において、参照番号５０６は、第１スイッチ４０１がオン（ＯＮ）状態になって電力増幅器４０２を動作させる時間であり、参照番号５０７は、第１スイッチ４０１がオフ（ＯＦＦ）状態になって電力増幅器４０２を動作させない時間であり、この時間の間にはセンサの電力消耗を減少させることができる。参照番号５０２は、図４のアンテナ４０４を通して送信する高周波信号の時間による変化を示すグラフである。図５は、本実施例のセンサにおいて、互いに異なる周波数の高周波信号を送受信して位相差を比較する方法で距離測定を行う場合を示したもので、参照番号５０８は、電力増幅器４０２で増幅されてアンテナ４０４を通して送信する第１高周波信号を示し、参照番号５０９は、次の周期に周波数固定発振器４０５で生成された他の周波数の第２高周波信号を示す。互いに異なる二つの周波数による位相差をそれぞれ比較することで、本実施例のセンサで距離測定が行われる。一方、参照番号５０３は、測定対象から反射されて戻る受信信号を検出するために基準信号ＬＯを制御する第２スイッチ４０６に印加する第２クロック信号を示す。第２クロック信号５０３によって６ポート回路４０８の基準信号として受信される高周波信号５０４において、参照番号５１０は、受信信号が受信される前まで基準信号を連結しない時間を示す。このときに発生する送信漏洩信号は、センサの出力に影響を与えない。参照番号５０５は、測定対象から反射されてセンサに受信される信号を示すもので、測定対象までの距離によって遅延時間５１１が発生することが分かる。距離測定を行うためには、受信信号５０５と基準信号ＬＯとのオーバーラップ時間５１５が必ず存在すべきである。一方、多様な対象を測定しようとする場合、第２スイッチ４０６を作動させるための信号は、第２クロック信号５０３の代りに第３クロック信号５１２のように信号がオン（ＯＮ）になるクロック信号として追加することもできる。
以上、図５の参照番号に対して説明してきたので、以下では、これら信号と関連した本発明のセンサを用いた測定方法を、図４及び図５に基づいて説明する。図４のセンサをパルスモードで動作させるためには、第１及び第２スイッチ４０１，４０６をそれぞれ図５に示した第１及び第２クロック信号５０１，５０３と一緒に動作させるべきである。センサがパルスモードで動作する場合、第１スイッチ４０１には第１クロック信号５０１が伝達される。第１クロック信号５０１がオン（ＯＮ）になる時間の間に電力増幅器４０２が動作するので、高周波信号は、電力増幅器４０２で増幅されてアンテナ４０４を通して測定対象に送られる。この時間の間、第２スイッチ４０６が第２クロック信号５０３を受信してオフ（ＯＦＦ）状態を維持し、６ポート回路４０８の入力信号として送信される基準信号ＬＯが存在しないことが理想的である。したがって、送信漏洩信号が受信端に印加される場合も、基準信号が存在せず、６ポート回路４０８の出力信号が発生しないか、無用になるので、送信漏洩信号による影響が除去される。物体から反射されて戻る受信信号が参照番号５１１の遅延時間を有する場合、参照番号５０５の信号が６ポート回路４０８のＲＦユニットに受信される。このとき、第２スイッチ４０６を通して基準信号を供給し、参照番号５０４の波形信号が６ポート回路４０８のＬＯ端に入力されると、基準信号と受信信号との間の位相差が６ポート回路４０８によって認識されるので、使用者は所望の距離情報を得ることができる。距離測定センサが上述した情報を受信する場合は、二つの高周波信号が同時に６ポート回路４０８の入力端子に入力されるべきであり、第２スイッチ４０６の動作に要される遅延時間５１０と、第１スイッチ４０１の駆動に要される時間５０６と、受信信号の受信に要される遅延時間５１１は、数学式１のような関係を有する。さらに、基準信号と受信信号が同時に６ポート回路の入力端子に入力される時間５１５も、必ず存在すべきである。
【０００９】
（数学式１）
０ ＜ ｔ（５１１） ＜ ｔ（５１０） ＜ ｔ（５０６）
上記の数学式１において、ｔ（５１１）は、測定対象から反射されてセンサに受信される信号から測定対象までの距離による遅延時間を示し、ｔ（５１０）は、第２スイッチ４０６の動作に要される遅延時間を示し、ｔ（５０６）は、前記第１スイッチがオン（ＯＮ）状態になって前記電力増幅器を動作させる時間を示す。
近い距離範囲では、送信信号が迅速にセンサに受信されるので、この方法は、既存のＣＷ方式と同一の方法になる。したがって、センサの動作は、次の数学式２のように時間的に区分される。
【００１０】
（数学式２）
ｔ（５１１） − ｔ（５０６） ＞ 0 [パルスモード]
ｔ（５１１） − ｔ（５０６） ＜ 0 [ＣＷモード]
送信漏洩信号は、センサ構造によって発生する代表的なＤＣオフセットの原因となる。センサ構造で発生するＤＣオフセットの他に、回路自体で起こるＤＣオフセットも存在するが、これを最小化するために、高周波電力検出器４１０を、従来のダイオードを用いた構造でない２個のトランジスタ６０２，６０３を用いた差動回路形態で図６のように構成した。この電力検出器は、一側のダイオード整合を通して電力を検出するという面で既存の電力検出器と同一の動作をする。しかしながら、高周波信号をＤＣ電圧に変換する過程で一側のトランジスタに発生するＤＣオフセット電圧は、電力検出と関係しない他側のトランジスタにも同一に発生するので、これら二つの差のみを検出すれば、高周波電力検出器から発生するＤＣオフセット電圧を理想的に除去することができる。
一方、本発明に係る６ポート回路を用いた距離測定センサは、パルスモードを具現することで、測定する距離範囲を決定するか、多様な測定対象に対する情報を確認することができる。測定する距離情報は、信号が対象から反射されて戻る時間によって決定される。したがって、測定する距離範囲は、この時間の範囲設定を通して決定される。図５に示した参照番号５０３の信号を基準信号に印加する場合、出力信号を通して得られる距離は、次の数学式３を満足する遅延時間を有する物体から得られる。
【００１１】
（数学式３）
ｔ(５１０) ＜ ｔ（５１１） ＜ ｔ（５１０） ＋ ｔ（５１６）
距離範囲は、時間ｔ（５１６）によって決定されるので、この時間によって所望の距離範囲が決定される。例えば、３ｍと５ｍにそれぞれ２個の物体がある場合、発生する遅延時間は、３ｍの距離に位置した物体では２０ｎｓ、５ｍの距離に位置した物体では３３ｎｓである。５ｍの距離に位置した物体のみの正確な距離情報を得るために、センサは、時間ｔ（５１０）とｔ（５１６）をそれぞれ３０ｎｓと５ｎｓに設定することができる。この場合、センサによって得られる情報は、３０ｎｓ以上３５ｎｓ以下の遅延時間を発生する物体に対する情報であるので、３ｍの距離に位置した物体の距離情報は表れない。このように二つの物体が近くに存在する場合、距離範囲を決定する時間ｔ（５１６）を一層小さい値に設定すると、二つの物体をそれぞれ区分することができる。しかしながら、既存のパルス方式の場合、距離範囲を決定する時間によって距離正確度を決定するが、本発明に係るセンサの時間ｔ(516)は、単純に距離範囲を設定するもので、実際の距離測定は送受信周波数の位相差によって得られる。したがって、本発明に係る距離測定の正確度は、既存のパルス方式を通して具現したものより非常に優れている。
図５において参照番号５１２のクロック信号を第２スイッチ４０６に印加すると、基準信号が二回オン（ＯＮ）状態になる時間５１３，５１４が存在するので、距離情報はそれぞれ二回得られる。したがって、この得られた距離情報に基づいて二つの物体を区分することができ、それぞれの距離情報も非常に高い正確性を有して得られる。これは、多様な物体を含む実際の応用で非常に有用に用いられる原理であり、一層高い距離正確性を期待できるという側面で他の距離測定センサより優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】単一アンテナを用いる従来のレーダー送受信端を示す概略構成図である。
【図２】二つのアンテナを送受信端にそれぞれ用いる従来のレーダー構造を示す概略構成図である。
【図３】受動素子で示された６-ポート構造を示す回路図である。
【図４】本発明の実施例に係る距離測定センサを示すブロック図である。
【図５】図４のセンサがパルスモードで動作するときに用いるクロック信号と、これによる各送受信信号の時間に対する変化を示すグラフである。
【図６】図４のセンサで用いられる高周波電力検出器を差動形態で構成した例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００１３】
１０１ 送信信号と受信信号を分離するための信号分離素子
１０２ 漏洩される受信信号
１０３，２０１ 送信部
１０４，２０２ 受信部
３０１ 方向性カプラー
３０２ 遅延伝送線
３０３ 高周波信号除去用抵抗
４０１ 電力増幅器電源供給制御用第１スイッチ
４０２ 電力増幅器
４０３ 送・受信信号分離のための方向性カプラー
４０４ アンテナ
４０５ 周波数固定発振器
４０６ 基準信号制御用第２スイッチ
４０７ 中央演算処理装置
４０８ ６ポート回路
４０９ 低雑音増幅器
４１０ 高周波電力検出器
４１１ 信号処理部
４１２ ＡＤＣ
４１３ 基準信号を発生させるためのカプラー
５０１ 電力増幅器動作制御用第１クロック信号
５０２ 送信高周波信号
５０３ 第２スイッチに印加される第２クロック信号
５０４ 第２クロック信号によって６ポート回路の基準信号として入力される高周波信号
５０５ 測定対象から反射されてセンサに受信される信号
５０６ 電力増幅器を動作させる時間
５０７ 電力増幅器を動作させない時間
５０８ アンテナを通して送信する第１高周波信号
５０９ 二つの周波数を用いて測定する場合、次の周期に周波数固定発振器で生成された他の周波数の第２高周波信号
５１０ 受信信号が入力される前まで基準信号を連結しない時間
５１１ 対象までの距離によって遅延された時間
５１２ 測定対象が２個である場合、これを検出するために第２スイッチを作動させる第３クロック信号
５１３ 近く存在する対象１を検出しようとする基準信号
５１４ 対象１より遠く存在する対象２を検出しようとする基準信号
５１５ 基準信号と受信信号が同時に６ポート回路の入力端子に印加される時間
５１６ 基準信号が６ポート回路の入力端子に印加されるように第２スイッチがオン（ＯＮ）状態にある時間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定センサ及びこれを用いた距離測定方法に関するもので、より詳しくは、高周波信号を用いて遠隔で距離を測定するセンサ及びこれを用いた距離測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーダーセンサを用いた距離測定方法は、送受信する信号の類型によって、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）信号を用いる方法、パルスを用いる方法、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ）によって代表されるインパルス（Ｉｍｐｕｌｓｅ）を用いる方法に区分される。ＣＷ信号を用いる距離測定センサは、連続的な高周波信号を送受信し、二つの高周波信号の位相差を通して距離を測定する方式を適用する。また、この距離測定方式によると、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方法、ＦＳＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔｅｐｐｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方法などを用いて非常に小さい測定誤差を有する距離測定センサを製作可能になる。しかし、この距離測定方式では、ＣＷ信号を用いて高周波信号の送受信が行われるので、送信信号と受信信号が常に同時に伝達される。送信と受信が一つのアンテナを通して行われる場合、二つの信号を分離するためのアイソレーターやサーキュレーターなどが必要である。図１は、単一アンテナを用いる従来のレーダー送受信端を示す概略構成図である。図１に示すように、レーダー送受信端は、送信部１０３、アンテナ１０５、受信部１０４及び信号分離素子１０１を備えている。送信部１０３は、高周波信号を送信するためのもので、電力増幅器１０３１、カプラー１０３２及び周波数生成器１０３３を含む。信号分離素子１０１は、送信信号と受信信号を分離するためのもので、信号分離素子１０１としては、サーキュレーターまたはアイソレーターなどの素子が用いられる。信号分離素子１０１の特性によって送信信号の一部が受信信号に漏れて伝達されるが、参照番号１０２は、漏れる受信信号を示す。受信部１０４は、高周波信号を受信するためのもので、低雑音増幅器１０４１、基準信号との比較のためのミキサー１０４２及び高周波信号除去のための低域通過フィルター１０４３を含む。基準信号としては、送信部１０３に含まれたカプラー１０３２の出力信号を用いる。しかしながら、一般的に、アイソレーターとサーキュレーターは、その大きなサイズによって集積が不可能であり、分離特性も非常に低いという問題点を有する。
一方、送受信端に一つのアンテナの代りにそれぞれ異なるアンテナを用いる場合、送受信端から直接的に発生する漏洩信号の連結を防止することで、漏洩信号の影響を大幅に減少させることができる。図２は、送受信端に二つのアンテナをそれぞれ用いる従来のレーダー構造を示す概略構成図である。図２に示すように、レーダー送受信端は、送信部２０１及び受信部２０２を備えている。送信部２０１は、高周波信号を送信するためのもので、周波数生成器２０１４、カプラー２０１３、電力増幅器２０１２及び送信部用アンテナ２０１１を含む。受信部２０２は、高周波信号を受信するためのもので、低雑音増幅器２０２２、基準信号との比較のためのミキサー２０２３、高周波信号除去のための低域通過フィルター２０４４及び受信部用アンテナ６０２１を含む。
以上説明した従来のレーダーセンサでは、送信信号と受信信号をそれぞれ分離するために高価の分離装備を使用し、スーパーコンピュータで処理されるアルゴリズム、優れた方向性を有する大型のアンテナを用いて高い送信電力を送受信するので、送信端と受信端の分離特性を大いに考慮しなくても、センサ動作に無理はなかった。しかしながら、既存のレーダー方法は、超小型化レーダーを製作して多様な応用分野に用いるときに役立つ方法ではない。特に、周波数によって大きさが決定される二つのアンテナを用いる場合、センサ全体の大きさが大きくなり、よって、超小型化センサの製作が困難になる。また、二つのアンテナは、集積されたセンサに連結されることで、互いに近くに位置するようになる。その結果、二つのアンテナのカップリング効果によって送信信号の漏洩効果が発生し、この漏洩効果が受信端に悪影響を与える。この漏洩信号は、測定しようとする距離が遠くなる場合、実際に受信される信号より大きいときに問題となる。小さい信号を増幅するために受信端の利得を増加させると、送信端から受信された漏洩信号も増幅され、信号処理端を飽和させることで信号受信が不可能になる。したがって、センサの仕様によって決定される最大に測定可能な距離より実際に測定可能な距離が制限されるので、測定可能な距離においても誤差が増加する。このようにＣＷを用いる超小型レーダーセンサでは、送信漏洩信号による悪影響を避けられない。特に、情報が直流（ＤＣ）信号に存在する直接変換方式レーダーセンサでは、送信漏洩信号によって発生するＤＣオフセットによって情報が歪曲されるので、より大きな問題が発生する。既存のレーダーセンサでは、受信信号に複雑なアルゴリズムを導入し、高性能の中央処理装置を通して漏洩問題を減少させるか、追加的に構成した別途の回路を通して上述した問題の悪影響を最小化している。しかしながら、具現原理の限界のために、上述した問題を完全に解決することは困難である。
送信漏洩信号の影響は、ＣＷを用いるセンサに比べて、送信と受信が時間的に分離されたパルス信号やインパルス信号を用いるセンサでは大きな問題にならない。パルス信号やインパルス信号を用いるセンサは、送信信号が受信されるまでの時間を測定して距離を得るもので、受信時間の間に送信端が信号を送信しないので、送信信号による送信漏洩がない。しかしながら、時間差に基づいて距離を認識するセンサでは、送信信号と受信信号のオーバーラップ区間が存在すると、距離を認識することができない。すなわち、測定しようとする距離が短くて送信信号と受信信号が同時に受信される場合、距離情報自体を得られないので、最小測定可能な距離に制限が存在する。一般的に、パルスを用いて時間を測定するセンサでは、２０ｃｍ以下の距離を測定することが困難である。また、測定の精密性を高めるためには、短いパルス幅（広い帯域幅）を有する信号を送受信に用いるべきであり、センサの全体構成が非常に複雑になって回路設計が困難になる。パルス幅の減少にも限界があるので、測定精密性は、ＣＷ信号を用いたセンサに比べて低い。
一方、６個のポートを用いた６-ポート構造は、１９７０年代に、反射係数を精密に測定するＶＮＡ（Ｖｅｃｔｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｎａｌｙｚｅｒ）の代りとして提案された構造である。受動素子で示された６ポート回路の構成を図３に示した。図３に示すように、６ポート回路は、２個の入力ポートａ１，ａ２と、４個の出力ポートｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４とからなる。４個の出力ポートは、２個の入力ポートから受信される１個の基準信号ＬＯと他の１個の任意信号ＲＦとの線形関係で表示される。４個の出力ポートｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４の高周波信号は、電力検出器（図６を参照）及び低域通過フィルターを経て電圧に変換されるが、この４個の出力電圧を用いた数学的な計算過程を通して、任意信号ＲＦの反射係数を知ることができる。図３において、参照番号３０１は、位相を９０°及び１８０°に変化させるための方向性カプラーを示し、参照番号３０２は、基準信号ＬＯに対して両方向に同一の位相信号を送信するための９０°遅延伝送線を示し、参照番号３０３は、高周波信号を除去するための抵抗を示す。上記のような６ポート回路の構成及びこれを用いる方法は、特許文献１に開示されているので、それに対する詳細な説明は省略する。
上記のような６-ポート構造を用いた従来の距離測定センサでは、高周波信号が二つの入力ポートに同時に印加されるべきであるので、ＣＷ信号を用いた距離測定方法のみが使用可能である。さらに、このような距離測定センサを発展させ、ＣＷ信号を通した測定方法の長所をそのまま維持しながら、短所を克服するためにパルスモード動作を適用した遠隔距離測定センサと測定方法の開発が要求される。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４，１０４，５８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする技術的課題は、ＣＷ信号を継続的に送受信するＣＷモードと、所定時間の間のみにＣＷ信号を送受信するパルスモードで動作できる距離測定センサ及びこれを用いた高精密度の距離測定方法を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、送信漏洩信号の影響を除去すると同時に、最小限の電力を消耗しながらＣＷ信号を送受信し、測定距離の範囲を決定し、該当距離に存在する物体の情報のみを獲得し、測定する対象が多数個である場合、それぞれの情報を区分して検出できる距離測定センサ及びこれを用いた距離測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を達成するための本発明に係る距離測定センサは、基準信号と距離測定対象物体に送信される送信信号を生成する周波数固定発振器と；前記送信信号及び前記測定対象物体から反射される受信信号の送受信に用いられるアンテナと；前記送信信号を増幅するための電力増幅器と；前記受信信号を増幅するための低雑音増幅器と；前記電力増幅器を制御する第１スイッチと;前記基準信号と前記受信信号を自身の入力信号として受け入れ、二つの信号の位相差を通して高周波信号の電力で表現される距離情報を生成する６ポート回路と;前記周波数固定発振器と前記６ポート回路との間に設置されて前記基準信号を制御する第２スイッチと;前記６ポート回路から発生する前記高周波信号の電力をＤＣ電圧に変換するための高周波電力検出器と;前記高周波電力検出器から発生したＤＣ電圧を演算処理可能なデータに変換するＡＤＣと;前記周波数固定発振器で生成する信号の周波数、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの動作をそれぞれ制御するとともに、前記ＡＤＣの出力データを予め自身に入力されたアルゴリズムを通して距離データとして計算し、前記距離データを表示する中央演算処理装置と;を備えることを特徴とする。
また、前記アンテナは、前記送信信号及び前記受信信号の送受信に共通的に用いられるもので、前記アンテナの入力端子には、前記送信信号及び受信信号を互いに分離して受信するための方向性カプラーがさらに設置されることが好ましい。
そして、前記高周波電力検出器は、２個のトランジスタを用いた差動回路形態で構成されており、ＤＣオフセット電圧を除去することが好ましい。
一方、上記の技術的課題を解決するための本発明に係る距離測定方法の一例は、ＣＷ信号を特定時間の間にそれぞれ送受信し、送受信信号の位相比較を通して距離を測定するパルスモードを具現することを特徴とする。
一方、上記の技術的課題を解決するための本発明に係る距離測定方法の他の例は、前記第１スイッチを用いて前記電力増幅器の供給電力を制御し、前記第２スイッチを用いて前記６ポート回路の前記基準信号端に印加される基準信号を制御することでパルスモードを具現することを特徴とする。
このとき、測定距離によって前記距離測定センサの動作モードが異なることが好ましく、前記センサは、“ｔ（５１１） − ｔ（５０６） ＜ ０”を満足する近い距離では、ＣＷ信号を継続的に送受信するＣＷモードで動作し、“ｔ（５１１） − ｔ（５０６） ＞ ０”を満足する遠い距離では、ＣＷ信号を制御して特定時間の間のみに送受信するパルスモードで動作することが一層好ましい。
ただし、上記の式において、 ｔ（５１１）は、測定対象から反射されてセンサに受信される信号から測定対象までの距離による遅延時間を示し、ｔ（５０６）は、前記第１スイッチがオン（ＯＮ）状態になって前記電力増幅器を動作させる時間を示す。
また、前記基準信号が前記６ポート回路の入力端子に印加されるように、前記第２スイッチがオン（ＯＮ）状態にある時間を制御することで、測定しようとする対象の距離範囲を限定して信号を検出する。
【０００６】
さらに、前記送受信信号を制御し、多様な測定対象を実時間で区分して各信号を検出することもできる。
以下、本発明に係る距離測定センサを要約する。これは、基本的に距離測定６-ポート位相周波数分別器を用いた遠隔レーダーセンサと同様に送信と受信の二つのＣＷ周波数の位相を比較する。さらに、距離測定センサは、高周波信号を制御してパルスモードで動作可能な構造をさらに含み、遠隔レーダーセンサより優れている。また、測定しようとする距離が近い場合、距離測定センサは、ＣＷ信号を連続的に送受信して距離測定をし、測定しようとする距離が遠い場合、ＣＷ信号を所定時間の間のみに送受信するパルス動作を通して距離測定をする。
以下、本発明に係る距離測定方法の具体的な例を要約する。
６-ポート位相周波数分別器を用いた遠隔距離測定システムは、６ポート回路の入力端子で二つの高周波信号を受信し、二つの高周波信号の位相差を通して距離を測定するシステムである。この遠隔距離測定システムを活性化するためには、基準信号と対象から反射された受信信号が６ポート回路の入力端子に受信されるべきであり、一般的にＣＷで動作する。しかしながら、ＣＷで動作する場合、送信のために大きく増幅された送信電力が受信端に流れる送受信漏洩信号によってＤＣオフセット問題が発生し、最大に測定可能な距離が制限されるか、受信される小さい信号を増幅するために増幅端の利得を増加させる場合、漏洩信号による受信信号増幅端の飽和問題が発生することで、システム性能が低下する。上記のような問題を解決するために、送受信漏洩信号による影響の小さい近距離を測定する場合はＣＷでそのまま動作するが、測定しようとする距離が遠くなると、パルスで動作させる新しい構造を提案した。このような動作のために、２個のスイッチを使用する。一つのスイッチは、電力増幅器の電源部に連結して送信信号を制御し、他の一つは、基準信号が受信される伝送線に位置して基準信号が６ポート回路に入力されることを制御し、位相周波数分別器の動作を調節する。所定時間の間のみに電力増幅器の電源部を連結して高周波信号を送信し、基準信号に印加される信号を防いで漏洩信号による出力問題を除去する。対象から高周波信号が反射されて受信端に戻る場合、基準信号に連結されたスイッチを動作させ、基準信号と受信信号が６ポート位相周波数分別器の入力端子に印加される。その結果、距離測定システムは、二つの信号の位相差を通して距離及び速度情報を認識するようになる。距離測定システムをパルスで動作させる場合、送受信漏洩信号の問題を除去するのみならず、多様な対象を同時に測定することができ、特定の距離に位置した物体の情報のみを得られるなど、ＣＷ方式では不可能な探知が可能になる。さらに、センサにおいて電力消耗が最も大きい電力増幅器の電源制御を通して全体センサの電力消耗を減少させることができ、ユビキタスレーダーセンサシステムへの応用が可能であり、応用分野が一層多様に拡大すると期待される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、ＣＷ方式の距離測定センサをパルスモードで動作することで、より遠い距離でも正確な距離情報を得られる。また、センサにおいて最も電力消耗の多い素子である電力増幅器を必要によって制御することで、センサで要求される電力消耗量が大幅に減少し、携帯用システムやユビキタスシステムへと応用分野を拡大させることができる。そして、距離測定センサがパルスモードで動作するとき、受信信号が対象によって時間的な差をおいて検出されることで、測定しようとする多様な対象を分離して各信号を検出することができる。これと同様に、特定距離に位置した物体のみを認識しようとする場合も、時間範囲を設定し、設定された時間範囲によって距離を測定することができる。これをレーダーイメージセンサに導入する場合、特定距離に位置した対象のイメージ情報を確認することができ、より多くの応用分野への拡張が可能である。
一般的なパルスを用いる距離測定レーダーセンサは、送信信号の送信時間を確認し、受信信号の受信時間を測定し、その時間差を通して距離を確認する。この場合、距離が非常に近い場合は時間差が発生しないか、センサの応答速度以内に信号が検出されるので、二つの対象間の距離測定が不可能である。しかしながら、本発明は、ＣＷ方式に基づいているので、二つの対象の距離が近い場合も、非常に高い精密性を維持しながら距離を測定することができる。本発明に係る距離認識方法は、モードと関係なしにＣＷ方式の位相比較に基づいているので、時間差を測定する方式に比べて非常に高い精密性を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。下記の実施例は、本発明の内容を理解するために提示されたものに過ぎなく、当分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内で多様に変形可能であろう。よって、本発明の権利範囲は、このような実施例に限定されるものと解析されてはならない。また、本発明の名称及び全般的な説明は、距離測定に基づいているが、本発明の技術的思想をそのまま適用し、距離測定の他に速度測定を行うこともできる。
図４は、本発明の実施例に係る距離測定センサを示すブロック図である。本発明の実施例に係る距離測定センサは、ＣＷ信号のみを用いる既存の６ポート回路による距離測定センサに、パルス動作のための構造を適用したものである。図４に示すように、周波数固定発振器４０５は、安定した高周波信号を生成し、所望の周波数で高周波信号を制御して送信する役割をする。このような周波数の制御は、中央演算処理装置４０７によって行われるが、中央演算処理装置４０７は、周波数を制御する以外にも、パルス動作のための回路である第１スイッチ４０１及び第２スイッチ４０６のスイッチ動作も制御する。第１スイッチ４０１は、高周波信号を増幅して伝送する電力増幅器４０２への電源供給を制御するためのスイッチであり、第２スイッチ４０６は、カプラー４１３から発生して６ポート回路４０８の二つの入力ポートのうちＬＯ端に送信される基準信号ＬＯを制御するためのスイッチである。高周波送受信信号は、アンテナ４０４を通して送受信されるが、この送受信信号を互いに分離して受けるために、電力増幅器４０２とアンテナ４０４との間に方向性カプラー４０３が設置される。アンテナ４０４によって受信された受信信号ＲＦは、方向性カプラー４０３で分離された後、低雑音増幅器４０９によって増幅されて６ポート回路４０８のＲＦユニットに入力される。６ポート回路４０８は、図３に示した従来技術と同一のものを用いる。６ポート回路４０８によって分けられた４個の高周波信号の電力は、高周波電力検出器４１０によってＤＣ電圧に変換される。変換された電圧の大きさは、低雑音増幅と非線型増幅などを通して信号処理部４１１によって効果的に得られる。信号処理部４１１を通過した増幅信号は、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ―ｔｏ―Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）４１２によってデジタル信号に変換される。ＡＤＣ４１２から送信される距離及び速度情報は、中央演算処理装置４０７に予め入力されたアルゴリズムを通して実時間で計算され、その計算結果が実時間で表示される。以上の説明において、６ポート回路４０８は、基準信号ＬＯと受信信号ＲＦとの位相差を通して距離（及び／または速度）を認識する役割をするので、６-ポート位相／周波数分別器とも称される。
第１スイッチ４０１及び第２スイッチ４０６は、パルス動作のための回路であり、二つのスイッチ４０１，４０６が全てオン（ＯＮ）状態である場合、本発明の実施例に係る距離測定センサは、従来の６-ポートを用いた距離測定センサと同様に、ＣＷ信号を送受信して距離情報を獲得する。上記のような動作は、測定しようとする距離が近い場合に行われる。測定しようとする距離が遠くなると、受信信号の大きさが減少するので、この受信信号の大きさを検出するためには、受信信号を増幅して認識可能な信号レベルにすべきである。送信信号の一部は、送受信分離器を通して常に受信端に受信されるが、測定しようとする距離が遠くなるほど受信信号が小さくなり、受信信号が送信漏洩信号より非常に小さくなる。この場合、小さい受信信号を得るために高い利得で増幅すると、送信漏洩信号も高い利得で増幅されることで、受信端の信号検出端が飽和状態になる。したがって、測定しようとする距離が遠くなるほど、送受信端間の漏洩信号の影響が増加するので、既存のＣＷ方式では測定可能な距離が非常に制限的である。
送信漏洩信号が発生する理由は、送受信端を分離する分離器の特性が良好でないためである。移動通信システムを初めとする無線通信で多く用いられるサーキュレーターとアイソレーターは、その特性が−２０ｄＢ程度である。この場合、送信漏洩信号除去回路は、カプラーの位相を用いてサーキュレーターとアイソレーターの良好でない特性を除去できるが、これも−４０ｄＢ以上の分離特性を得ることができない。したがって、回路構成を通した分離特性の向上は、センサの全体大きさを大きくするが、その特性には限界がある。送信漏洩信号の発生は、送信信号が電力増幅器を通過して伝送される場合に発生する。したがって、送信漏洩信号が発生する時間にセンサを動作させないことで、送信漏洩信号の影響を大幅に減少させることができる。ＣＷ方式で動作する６ポート回路構造を用いた距離測定センサは、二つの高周波信号、すなわち、基準信号ＬＯと受信信号ＲＦが同時に存在する場合のみに距離情報を得られるので、基準信号の制御によってセンサの動作を制御することができる。高周波が対象から反射されて戻る時間の間に時間的な差が存在するので、送信期間には、基準信号に伝達される信号をオフにし、送信漏洩信号による結果が表れないように具現し、受信期間には、基準信号は伝達し、電力増幅器をオフにして距離情報を獲得する。
上記のような動作は、図５に示した時間による信号の変化を確認することで容易に知ることができる。図５は、図４のセンサがパルスモードで動作する場合、使用するクロック信号とこれによる各送受信信号の時間に対する変化を示すグラフである。参照番号５０１は、電力増幅器４０２の動作を制御するように第１スイッチ４０１に供給される第１クロック信号である。第１クロック信号５０１において、参照番号５０６は、第１スイッチ４０１がオン（ＯＮ）状態になって電力増幅器４０２を動作させる時間であり、参照番号５０７は、第１スイッチ４０１がオフ（ＯＦＦ）状態になって電力増幅器４０２を動作させない時間であり、この時間の間にはセンサの電力消耗を減少させることができる。参照番号５０２は、図４のアンテナ４０４を通して送信する高周波信号の時間による変化を示すグラフである。図５は、本実施例のセンサにおいて、互いに異なる周波数の高周波信号を送受信して位相差を比較する方法で距離測定を行う場合を示したもので、参照番号５０８は、電力増幅器４０２で増幅されてアンテナ４０４を通して送信する第１高周波信号を示し、参照番号５０９は、次の周期に周波数固定発振器４０５で生成された他の周波数の第２高周波信号を示す。互いに異なる二つの周波数による位相差をそれぞれ比較することで、本実施例のセンサで距離測定が行われる。一方、参照番号５０３は、測定対象から反射されて戻る受信信号を検出するために基準信号ＬＯを制御する第２スイッチ４０６に印加する第２クロック信号を示す。第２クロック信号５０３によって６ポート回路４０８の基準信号として受信される高周波信号５０４において、参照番号５１０は、受信信号が受信される前まで基準信号を連結しない時間を示す。このときに発生する送信漏洩信号は、センサの出力に影響を与えない。参照番号５０５は、測定対象から反射されてセンサに受信される信号を示すもので、測定対象までの距離によって遅延時間５１１が発生することが分かる。距離測定を行うためには、受信信号５０５と基準信号ＬＯとのオーバーラップ時間５１５が必ず存在すべきである。一方、多様な対象を測定しようとする場合、第２スイッチ４０６を作動させるための信号は、第２クロック信号５０３の代りに第３クロック信号５１２のように信号がオン（ＯＮ）になるクロック信号として追加することもできる。
以上、図５の参照番号に対して説明してきたので、以下では、これら信号と関連した本発明のセンサを用いた測定方法を、図４及び図５に基づいて説明する。図４のセンサをパルスモードで動作させるためには、第１及び第２スイッチ４０１，４０６をそれぞれ図５に示した第１及び第２クロック信号５０１，５０３と一緒に動作させるべきである。センサがパルスモードで動作する場合、第１スイッチ４０１には第１クロック信号５０１が伝達される。第１クロック信号５０１がオン（ＯＮ）になる時間の間に電力増幅器４０２が動作するので、高周波信号は、電力増幅器４０２で増幅されてアンテナ４０４を通して測定対象に送られる。この時間の間、第２スイッチ４０６が第２クロック信号５０３を受信してオフ（ＯＦＦ）状態を維持し、６ポート回路４０８の入力信号として送信される基準信号ＬＯが存在しないことが理想的である。したがって、送信漏洩信号が受信端に印加される場合も、基準信号が存在せず、６ポート回路４０８の出力信号が発生しないか、無用になるので、送信漏洩信号による影響が除去される。物体から反射されて戻る受信信号が参照番号５１１の遅延時間を有する場合、参照番号５０５の信号が６ポート回路４０８のＲＦユニットに受信される。このとき、第２スイッチ４０６を通して基準信号を供給し、参照番号５０４の波形信号が６ポート回路４０８のＬＯ端に入力されると、基準信号と受信信号との間の位相差が６ポート回路４０８によって認識されるので、使用者は所望の距離情報を得ることができる。距離測定センサが上述した情報を受信する場合は、二つの高周波信号が同時に６ポート回路４０８の入力端子に入力されるべきであり、第２スイッチ４０６の動作に要される遅延時間５１０と、第１スイッチ４０１の駆動に要される時間５０６と、受信信号の受信に要される遅延時間５１１は、数学式１のような関係を有する。さらに、基準信号と受信信号が同時に６ポート回路の入力端子に入力される時間５１５も、必ず存在すべきである。
【０００９】
（数学式１）
０ ＜ ｔ（５１１） ＜ ｔ（５１０） ＜ ｔ（５０６）
上記の数学式１において、ｔ（５１１）は、測定対象から反射されてセンサに受信される信号から測定対象までの距離による遅延時間を示し、ｔ（５１０）は、第２スイッチ４０６の動作に要される遅延時間を示し、ｔ（５０６）は、前記第１スイッチがオン（ＯＮ）状態になって前記電力増幅器を動作させる時間を示す。
近い距離範囲では、送信信号が迅速にセンサに受信されるので、この方法は、既存のＣＷ方式と同一の方法になる。したがって、センサの動作は、次の数学式２のように時間的に区分される。
【００１０】
（数学式２）
ｔ（５１１） − ｔ（５０６） ＞ 0 [パルスモード]
ｔ（５１１） − ｔ（５０６） ＜ 0 [ＣＷモード]
送信漏洩信号は、センサ構造によって発生する代表的なＤＣオフセットの原因となる。センサ構造で発生するＤＣオフセットの他に、回路自体で起こるＤＣオフセットも存在するが、これを最小化するために、高周波電力検出器４１０を、従来のダイオードを用いた構造でない２個のトランジスタ６０２，６０３を用いた差動回路形態で図６のように構成した。この電力検出器は、一側のダイオード整合を通して電力を検出するという面で既存の電力検出器と同一の動作をする。しかしながら、高周波信号をＤＣ電圧に変換する過程で一側のトランジスタに発生するＤＣオフセット電圧は、電力検出と関係しない他側のトランジスタにも同一に発生するので、これら二つの差のみを検出すれば、高周波電力検出器から発生するＤＣオフセット電圧を理想的に除去することができる。
一方、本発明に係る６ポート回路を用いた距離測定センサは、パルスモードを具現することで、測定する距離範囲を決定するか、多様な測定対象に対する情報を確認することができる。測定する距離情報は、信号が対象から反射されて戻る時間によって決定される。したがって、測定する距離範囲は、この時間の範囲設定を通して決定される。図５に示した参照番号５０３の信号を基準信号に印加する場合、出力信号を通して得られる距離は、次の数学式３を満足する遅延時間を有する物体から得られる。
【００１１】
（数学式３）
ｔ(５１０) ＜ ｔ（５１１） ＜ ｔ（５１０） ＋ ｔ（５１６）
距離範囲は、時間ｔ（５１６）によって決定されるので、この時間によって所望の距離範囲が決定される。例えば、３ｍと５ｍにそれぞれ２個の物体がある場合、発生する遅延時間は、３ｍの距離に位置した物体では２０ｎｓ、５ｍの距離に位置した物体では３３ｎｓである。５ｍの距離に位置した物体のみの正確な距離情報を得るために、センサは、時間ｔ（５１０）とｔ（５１６）をそれぞれ３０ｎｓと５ｎｓに設定することができる。この場合、センサによって得られる情報は、３０ｎｓ以上３５ｎｓ以下の遅延時間を発生する物体に対する情報であるので、３ｍの距離に位置した物体の距離情報は表れない。このように二つの物体が近くに存在する場合、距離範囲を決定する時間ｔ（５１６）を一層小さい値に設定すると、二つの物体をそれぞれ区分することができる。しかしながら、既存のパルス方式の場合、距離範囲を決定する時間によって距離正確度を決定するが、本発明に係るセンサの時間ｔ(516)は、単純に距離範囲を設定するもので、実際の距離測定は送受信周波数の位相差によって得られる。したがって、本発明に係る距離測定の正確度は、既存のパルス方式を通して具現したものより非常に優れている。
図５において参照番号５１２のクロック信号を第２スイッチ４０６に印加すると、基準信号が二回オン（ＯＮ）状態になる時間５１３，５１４が存在するので、距離情報はそれぞれ二回得られる。したがって、この得られた距離情報に基づいて二つの物体を区分することができ、それぞれの距離情報も非常に高い正確性を有して得られる。これは、多様な物体を含む実際の応用で非常に有用に用いられる原理であり、一層高い距離正確性を期待できるという側面で他の距離測定センサより優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】単一アンテナを用いる従来のレーダー送受信端を示す概略構成図である。
【図２】二つのアンテナを送受信端にそれぞれ用いる従来のレーダー構造を示す概略構成図である。
【図３】受動素子で示された６-ポート構造を示す回路図である。
【図４】本発明の実施例に係る距離測定センサを示すブロック図である。
【図５】図４のセンサがパルスモードで動作するときに用いるクロック信号と、これによる各送受信信号の時間に対する変化を示すグラフである。
【図６】図４のセンサで用いられる高周波電力検出器を差動形態で構成した例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００１３】
１０１ 送信信号と受信信号を分離するための信号分離素子
１０２ 漏洩される受信信号
１０３，２０１ 送信部
１０４，２０２ 受信部
３０１ 方向性カプラー
３０２ 遅延伝送線
３０３ 高周波信号除去用抵抗
４０１ 電力増幅器電源供給制御用第１スイッチ
４０２ 電力増幅器
４０３ 送・受信信号分離のための方向性カプラー
４０４ アンテナ
４０５ 周波数固定発振器
４０６ 基準信号制御用第２スイッチ
４０７ 中央演算処理装置
４０８ ６ポート回路
４０９ 低雑音増幅器
４１０ 高周波電力検出器
４１１ 信号処理部
４１２ ＡＤＣ
４１３ 基準信号を発生させるためのカプラー
５０１ 電力増幅器動作制御用第１クロック信号
５０２ 送信高周波信号
５０３ 第２スイッチに印加される第２クロック信号
５０４ 第２クロック信号によって６ポート回路の基準信号として入力される高周波信号
５０５ 測定対象から反射されてセンサに受信される信号
５０６ 電力増幅器を動作させる時間
５０７ 電力増幅器を動作させない時間
５０８ アンテナを通して送信する第１高周波信号
５０９ 二つの周波数を用いて測定する場合、次の周期に周波数固定発振器で生成された他の周波数の第２高周波信号
５１０ 受信信号が入力される前まで基準信号を連結しない時間
５１１ 対象までの距離によって遅延された時間
５１２ 測定対象が２個である場合、これを検出するために第２スイッチを作動させる第３クロック信号
５１３ 近く存在する対象１を検出しようとする基準信号
５１４ 対象１より遠く存在する対象２を検出しようとする基準信号
５１５ 基準信号と受信信号が同時に６ポート回路の入力端子に印加される時間
５１６ 基準信号が６ポート回路の入力端子に印加されるように第２スイッチがオン（ＯＮ）状態にある時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準信号と距離測定対象物体に送信される送信信号を生成する周波数固定発振器と；
前記送信信号及び前記測定対象物体から反射される受信信号の送受信に用いられるアンテナと；
前記送信信号を増幅するための電力増幅器と；
前記受信信号を増幅するための低雑音増幅器と；
前記電力増幅器を制御する第１スイッチと;
前記基準信号と前記受信信号を自身の入力信号として受け入れ、二つの信号の位相差を通して高周波信号の電力で表現される距離情報を生成する６ポート回路と;
前記周波数固定発振器と前記６ポート回路との間に設置されて前記基準信号を制御する第２スイッチと;
前記６ポート回路から発生する前記高周波信号の電力をＤＣ電圧に変換するための高周波電力検出器と;
前記高周波電力検出器から発生したＤＣ電圧を演算処理可能なデータに変換するＡＤＣと;
前記周波数固定発振器で生成する信号の周波数、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの動作をそれぞれ制御するとともに、前記ＡＤＣの出力データを予め自身に入力されたアルゴリズムを通して距離データとして計算し、前記距離データを表示する中央演算処理装置と;を備える距離測定センサ。
【請求項２】
前記アンテナは、前記送信信号及び前記受信信号の送受信に共通的に用いられるもので、前記アンテナの入力端子には、前記送信信号及び受信信号を互いに分離して受信するための方向性カプラーがさらに設置されることを特徴とする請求項１に記載の距離測定センサ。
【請求項３】
前記高周波電力検出器は、２個のトランジスタを用いた差動回路形態で構成されており、ＤＣオフセット電圧を除去することを特徴とする請求項１に記載の距離測定センサ。
【請求項４】
請求項１による距離測定センサを用いて距離を測定する方法において、ＣＷ信号を特定時間の間にそれぞれ送受信し、送受信信号の位相比較を通して距離を測定するパルスモードを具現することを特徴とする距離測定方法。
【請求項５】
請求項１による距離測定センサを用いて距離を測定する方法において、前記第１スイッチを用いて前記電力増幅器の供給電力を制御し、前記第２スイッチを用いて前記６ポート回路の前記基準信号端に印加される基準信号を制御することで、パルスモードを具現することを特徴とする距離測定方法。
【請求項６】
測定距離によって前記距離測定センサの動作モードが異なることを特徴とする請求項５に記載の距離測定方法。
【請求項７】
前記センサは、
“ｔ（５１１） − ｔ（５０６） ＜ ０”を満足する近い距離では、ＣＷ信号を継続的に送受信するＣＷモードで動作し、
“ｔ（５１１） − ｔ（５０６） ＞ ０”を満足する遠い距離では、ＣＷ信号を制御し、特定時間の間のみに送受信するパルスモードで動作することを特徴とする請求項６に記載の距離測定方法。
（上記の式において、 ｔ（５１１）は、測定対象から反射されてセンサに受信される信号から測定対象までの距離による遅延時間を示し、ｔ（５０６）は、前記第１スイッチがオン（ＯＮ）状態になって前記電力増幅器を動作させる時間を示す。）
【請求項８】
前記基準信号が前記６ポート回路の入力端子に印加されるように、前記第２スイッチがオン（ＯＮ）状態にある時間を制御することで、測定対象の距離範囲を限定して信号を検出することを特徴とする請求項５に記載の距離測定方法。
【請求項９】
前記送受信信号を制御し、多様な測定対象を実時間で区分して各信号を検出することを特徴とする請求項５に記載の距離測定方法。
【請求項１】
基準信号と距離測定対象物体に送信される送信信号を生成する周波数固定発振器と；
前記送信信号及び前記測定対象物体から反射される受信信号の送受信に用いられるアンテナと；
前記送信信号を増幅するための電力増幅器と；
前記受信信号を増幅するための低雑音増幅器と；
前記電力増幅器を制御する第１スイッチと;
前記基準信号と前記受信信号を自身の入力信号として受け入れ、二つの信号の位相差を通して高周波信号の電力で表現される距離情報を生成する６ポート回路と;
前記周波数固定発振器と前記６ポート回路との間に設置されて前記基準信号を制御する第２スイッチと;
前記６ポート回路から発生する前記高周波信号の電力をＤＣ電圧に変換するための高周波電力検出器と;
前記高周波電力検出器から発生したＤＣ電圧を演算処理可能なデータに変換するＡＤＣと;
前記周波数固定発振器で生成する信号の周波数、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの動作をそれぞれ制御するとともに、前記ＡＤＣの出力データを予め自身に入力されたアルゴリズムを通して距離データとして計算し、前記距離データを表示する中央演算処理装置と;を備える距離測定センサ。
【請求項２】
前記アンテナは、前記送信信号及び前記受信信号の送受信に共通的に用いられるもので、前記アンテナの入力端子には、前記送信信号及び受信信号を互いに分離して受信するための方向性カプラーがさらに設置されることを特徴とする請求項１に記載の距離測定センサ。
【請求項３】
前記高周波電力検出器は、２個のトランジスタを用いた差動回路形態で構成されており、ＤＣオフセット電圧を除去することを特徴とする請求項１に記載の距離測定センサ。
【請求項４】
請求項１による距離測定センサを用いて距離を測定する方法において、ＣＷ信号を特定時間の間にそれぞれ送受信し、送受信信号の位相比較を通して距離を測定するパルスモードを具現することを特徴とする距離測定方法。
【請求項５】
請求項１による距離測定センサを用いて距離を測定する方法において、前記第１スイッチを用いて前記電力増幅器の供給電力を制御し、前記第２スイッチを用いて前記６ポート回路の前記基準信号端に印加される基準信号を制御することで、パルスモードを具現することを特徴とする距離測定方法。
【請求項６】
測定距離によって前記距離測定センサの動作モードが異なることを特徴とする請求項５に記載の距離測定方法。
【請求項７】
前記センサは、
“ｔ（５１１） − ｔ（５０６） ＜ ０”を満足する近い距離では、ＣＷ信号を継続的に送受信するＣＷモードで動作し、
“ｔ（５１１） − ｔ（５０６） ＞ ０”を満足する遠い距離では、ＣＷ信号を制御し、特定時間の間のみに送受信するパルスモードで動作することを特徴とする請求項６に記載の距離測定方法。
（上記の式において、 ｔ（５１１）は、測定対象から反射されてセンサに受信される信号から測定対象までの距離による遅延時間を示し、ｔ（５０６）は、前記第１スイッチがオン（ＯＮ）状態になって前記電力増幅器を動作させる時間を示す。）
【請求項８】
前記基準信号が前記６ポート回路の入力端子に印加されるように、前記第２スイッチがオン（ＯＮ）状態にある時間を制御することで、測定対象の距離範囲を限定して信号を検出することを特徴とする請求項５に記載の距離測定方法。
【請求項９】
前記送受信信号を制御し、多様な測定対象を実時間で区分して各信号を検出することを特徴とする請求項５に記載の距離測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−３１６０６６（Ｐ２００７−３１６０６６Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２９６１９（Ｐ２００７−１２９６１９）
【出願日】平成１９年５月１５日（２００７．５．１５）
【出願人】（３０４０５１２８５）コリア アドバンスト インスティチュート オブ サイエンス アンド テクノロジー (32)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１５日（２００７．５．１５）
【出願人】（３０４０５１２８５）コリア アドバンスト インスティチュート オブ サイエンス アンド テクノロジー (32)
【Ｆターム（参考）】
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