距離測定装置、及び距離測定方法
【課題】 定在波を利用した距離測定装置と同様に、「単純な構成」、「近距離測定が可能」、「測定誤差が小さい」という特徴を備え、かつドップラー効果による影響を実用上受けない距離測定装置及び距離測定方法を提供する。
【解決手段】 特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を出力する信号源１と、信号を波動として送信する送信部２と、送信された進行波ＶTと進行波ＶTが前記測定対象物６によって反射された反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出する混合波検出部３と、検出された混合波ＶCの周波数成分を分析する周波数成分分析部４と、分析されたデータをスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物６までの距離を演算する距離演算部５とからなる。
【解決手段】 特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を出力する信号源１と、信号を波動として送信する送信部２と、送信された進行波ＶTと進行波ＶTが前記測定対象物６によって反射された反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出する混合波検出部３と、検出された混合波ＶCの周波数成分を分析する周波数成分分析部４と、分析されたデータをスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物６までの距離を演算する距離演算部５とからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、距離測定装置及び距離測定方法に係わり、さらに詳しくは信号源から出力された進行波と、進行波が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、測定対象物までの距離を測定する距離測定装置及び距離測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電波を利用した距離測定装置としては、パルスレーダ、ＦＭＣＷレーダ等のレーダが知られている。
パルスレーダは、パルス信号を発信しそれが測定対象物によって反射されて戻ってくるまでの時間を計測することにより、測定対象物までの距離を求めるものである。また、ＦＭＣＷレーダは、周波数掃引した連続波を発信し発信信号と反射信号の周波数差から測定対象物までの距離を測定するものである。その他にも、スペクトル拡散レーダや符号化パルスレーダ等のレーダもあるが、これらはパルスレーダと同様に測定対象物までの信号の往復時間に基づき距離を測定している。
【０００３】
しかしながら、上述のレーダは基本的に測定対象物までの信号の往復時間を計測するものであり、数十ｍ以内での分解能が不足するため、数十ｍ以内の近距離の測定が困難であった。また、ＦＭＣＷレーダでは、発信信号と反射信号の周波数差から測定対象物までの距離を測定するため、発信信号の周波数変化のリニアリティーを必要とすることや、送信信号が受信側に漏れ込むことで「False Target（偽目標）」が発生するという問題があり、周波数変化のリニアリティーが満たすように発信信号を正確に出力することや、「False Target」の発生を防ぐために送信信号が受信側に漏れ込まないように送受信側のアンテナを分離する等の必要性があり、簡易な構造とすることが困難であった。
【０００４】
そこで、電磁波発生源から一つの周波数成分のみを有する電磁波を進行波として測定対象物に向けて送信したときに測定対象物からの反射（反射波）があれば定在波が発生する、という考えに基づいて、図２３に示すように、一つの周波数成分のみを有する電磁波をステップ状に周波数を切り替えながら測定対象物に送信し、この送信波と測定対象物によって反射された反射波との干渉によって発生した定在波を検出し、この定在波の振幅の変動周期を算出した結果に基づき、検出点と測定対象物との距離を求める距離測定装置がある（特許文献１参照。）。
【０００５】
特許文献１記載の距離測定装置では、一つの周波数成分のみを有する進行波と、進行波が測定対象物に反射した反射波とが干渉して発生する定在波を検出するので、ＦＭＣＷレーダ等のように、送信信号が受信側に漏れ込まないようにする必要性もなく簡易な構造とすることができた。また、パルスレーダやＦＭＣＷレーダ等の他のレーダに比べて、近距離測定であっても精度良く測定することが可能であった。
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の距離測定装置では、測定対象物と距離測定装置との移動速度が比較的遅く、計測時間内の移動距離が無視できるようなときには有効であったが、測定対象物と距離測定装置との移動速度が速く、計測時間内の移動距離が無視できないときには、ドップラー効果によって正しい測定値を得ることが困難であった。
【０００７】
そこで、移動する測定対象物に対しても正しく距離測定できるように、一つの周波数成分を有する信号の周波数を所定のステップ周波数で増加、減少させこれを進行波として送信し、この進行波が測定対象物に反射した反射波とが干渉して発生した定在波の振幅を検出し、検出した振幅に対応する信号を演算して、検出点と測定対象物との距離を求める距離測定装置がある（例えば、特許文献２、非特許文献１参照。）。
特許文献２及び非特許文献１記載の距離測定装置は、周波数を所定のステップ周波数で増加、減少させた進行波と、その反射波との干渉によって発生した定在波の振幅に対応する信号を演算して、検出点と測定対象物との距離、並びに、測定対象物との相対速度を同時に計測することが可能であった。また、特許文献１に記載の距離測定装置と同様に定在波を用いて検出点と測定対象物との距離を求めているので、距離測定装置として簡易な構造とすることができた。
【特許文献１】特開２００２−３５７６５６号公報
【特許文献２】特開２００４−３２５０８５号公報
【非特許文献１】「移動体の位置と速度が測定可能な定在波を用いた近距離高分解能レーダ」, 藤森新五, 上保徹志, 入谷忠光, 電子情報通信学会論文誌, vol.J87-B, no.3, pp.437-445, March 2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２及び非特許文献１記載の距離測定装置では、測定対象物が１つのときには、測定対象物までの距離と相対速度とを精度良く測定することができた。しかしながら、測定対象物が複数で、測定対象物同士の距離が接近し、速度差が大きいときには、各測定対象物の距離を一意的に決定できず、間違った測定結果が得られることがあった。
【０００９】
また、上述の特許文献１，２、非特許文献１に記載されているような定在波を利用した距離測定装置では、信号源から出力される信号は、図２３に示しているように、特定の帯域幅内の周波数ｆaの信号（波動）をΔｔの間出力し、その後周波数ｆa＋Δｆの信号をΔｔの間出力するように、ステップ状に周波数を切り替えている。信号源から出力された信号はアンテナ等の送信器から送信され、測定対象物に反射して反射波として検出点に返ってくる（到達する）。このとき、周波数ｆaの進行波と、周波数ｆaの進行波に対応する反射波とが検出点で干渉する（重なり合う）と、定在波が発生する。つまり、周波数ｆaの進行波を出力してから、この周波数ｆaに対応する反射波が検出点に到達するまでは定在波は発生せず、定在波が発生するためには、周波数ｆaの進行波の出力を始めてから、この周波数の進行波が測定対象物によって反射され、反射波が検出点に到達するための時間が必要であった。
したがって、周波数の切り替えの時間間隔Δｔは、周波数が変化してから定在波が生成されるまでの時間よりも小さくすることはできなかった。そのため、定在波を利用した距離測定装置は、取得した信号レベルと周波数の関係から距離スペクトルを算出し測定対象物までの距離を得るが、測定対象物が相対速度ｖで移動しているときには、ドップラー効果により距離スペクトルのピークがずれ、図２４に示すように、ｖ・Δｔ／Δｆ・ｆ0の測定誤差が発生していた。
【００１０】
本願発明は、係る問題に鑑み、定在波を利用した距離測定装置と同様に、「単純な構成」、「近距離測定が可能」、「測定誤差が小さい」という特徴を備え、かつドップラー効果による影響を実用上受けない距離測定装置及び距離測定方法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】
【００１１】
本願発明に係る距離測定装置は、特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を出力する信号源と、前記信号を波動として送信する送信部と、前記送信部から送信された波動又は前記信号源から出力された信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が前記測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出する混合波検出部と、前記混合波検出部により検出された混合波の周波数成分を分析する周波数成分分析部と、前記周波数成分分析部によって分析されたデータをスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を演算する距離演算部とからなることを特徴とするものである。
また、本願発明に係る距離測定方法は、特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を波動として送信し、前記送信した波動又は前記信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、前記検出した混合波の周波数成分を分析し、周波数成分分析によって分析されたデータをスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を演算することを特徴とする。
したがって、進行波と反射波との混合波を検出し、その混合波に基づいて測定対象物までの距離を演算しているので、進行波（送信信号）と反射波（受信信号）を分離する必要性がなく、単純で簡易な構造の距離測定装置とすることができる。また、定在波を利用した距離測定装置では、周波数を切り替えた後、その周波数に対応した反射波が検出点に返ってくるまで定在波が発生しない上、周波数を多数段階的に切り替えていく必要があり、それ故高速に距離測定をすることが原理的にできなかったが、定在波を利用しない本願発明は、周波数切り替えの概念がなく、故に原理的に周波数切り替えに要する時間というものが存在せず、定在波を利用した距離測定装置に比べて高速に距離測定が可能となる。
【００１２】
前記信号源は、それぞれが異なった単一周波数成分を発振する単一周波数発振器の複数と、前記複数の単一周波数発振器から発振された信号を合成する加算器からなるようにしてもよい。
【００１３】
また、前記信号源は、単一周波数成分を発振する単一周波数発振器と、前記単一周波数発振器から発振される信号に変調をかける変調器とからなるようにしてもよい。
【００１４】
また、前記信号源は、前記特定の帯域幅内の周波数成分を出力する雑音源からなるようにしてもよい。
【００１５】
また、前記周波数成分分析部は、前記混合波検出部により検出された混合波をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器からの出力データの周波数成分を分析し各周波数成分の大きさを演算する信号処理装置とからなるようにしてもよい。
【００１６】
また、前記周波数成分分析部は、複数のバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタの出力レベルを検出するレベル検出器とからなるようにしてもよい。
【００１７】
また、前記距離演算部は、前記周波数成分分析部によって分析されたデータをフーリエ解析することによって距離スペクトルを演算してもよい。
【００１８】
前記混合波検出部の複数を異なった位置に備え、前記周波数成分分析部は前記混合波検出部により検出された混合波毎に周波数成分を分析してなり、前記距離演算部は、得られた複数の混合波の周波数成分分析データを用いて距離スペクトルを演算してもよい。
【００１９】
さらに、別の本願発明に係る距離測定装置は、特定の周波数の搬送波を任意の周期信号で周波数変調した周波数変調信号を出力する信号源と、前記周波数変調信号を波動として送信する送信部と、前記送信部から送信された波動又は前記信号源から出力された周波数変調信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出する混合波検出部と、前記混合波検出部によって検出された混合波の振幅成分を検出する振幅成分検出部と、前記振幅成分検出部によって検出された振幅成分をスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を演算する距離演算部とからなる。
また、本願発明に係る距離測定方法は、特定の周波数の搬送波を任意の周期信号で周波数変調した信号を波動として送信し、前記送信された波動又は前記周波数変調した信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信された波動が前記測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、検出した混合波の振幅成分を検出し、前記振幅成分をスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を測定する。
したがって、進行波と反射波との混合波を検出し、その混合波に基づいて測定対象物までの距離を演算しているので、進行波（送信信号）が受信側に漏れ込まないように送受信側のアンテナを分離する等の必要性がなく、単純で簡易な構造の距離測定装置とすることができる。また、定在波を利用した距離測定装置では、周波数を切り替えた後、その周波数に対応した反射波が検出点に返ってくるまで定在波が発生しない上、周波数を多数段階的に切り替えていく必要があり、それ故高速に距離測定をすることが原理的にできなかったが、定在波を利用しない本願発明は、周波数切り替えの概念がなく、故に原理的に周波数切り替えに要する時間というものが存在せず、定在波を利用した距離測定装置に比べて高速に距離測定が可能となる。
【００２０】
また、前記距離演算部は、前記振幅成分検出部によって検出された振幅成分をフーリエ解析することによって距離スペクトルを演算してもよい。
【００２１】
前記混合波検出部の複数を異なった位置に備えてなり、前記振幅成分検出部は、前記混合波検出部により検出された混合波毎に振幅成分を検出してなり、前記距離演算部は、得られた複数の混合波の振幅成分データを用いて距離スペクトルを演算してもよい。
【００２２】
さらに、別の本願発明に係る距離測定装置は、第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調した二重変調信号を出力する信号源と、前記二重変調信号を波動として送信する送信部と、前記送信部から送信された波動又は前記信号源から出力された二重変調信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出する混合波検出部と、前記混合波検出部によって検出された混合波の振幅成分を検出する振幅成分検出部と、前記振幅成分検出部によって検出された振幅成分から特定の１つの周波数成分を選択する単一周波数選択部と、前記単一周波数選択部で得られた信号のレベルを検出する信号レベル検出部と、前記信号レベル検出部によって得られた信号レベルから測定対象物までの距離を演算する距離演算部とからなる。
また、本願発明に係る距離測定方法は、第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調した二重変調信号を波動として送信し、前記送信された波動又は前記二重変調信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、検出した混合波の振幅成分を検出し、前記振幅成分から特定の１つの周波数成分を選択し、選択された周波数成分の信号のレベルを検出し、前記信号レベルから測定対象物までの距離を測定する。
したがって、進行波と反射波との混合波を検出し、その混合波に基づいて測定対象物までの距離を演算しているので、進行波（送信信号）と反射波（受信信号）を分離する必要性がなく、単純で簡易な構造の距離測定装置とすることができる。また、定在波を利用した距離測定装置では、周波数を切り替えた後、その周波数に対応した反射波が検出点に返ってくるまで定在波が発生しない上、周波数を多数段階的に切り替えていく必要があり、それ故高速に距離測定をすることが原理的にできなかったが、定在波を利用しない本願発明は、周波数切り替えの概念がなく、故に原理的に周波数切り替えに要する時間というものが存在せず、定在波を利用した距離測定装置に比べて高速に距離測定が可能となる。
【００２３】
前記信号源が、前記第１変調信号を生成する第１変調信号と、前記第１変調信号によって変調された前記第２変調信号と、前記搬送波のそれぞれを生成してもよい。
また、前記信号源が、前記二重変調信号を予め記憶する二重変調信号記憶手段を備えていてもよい。
もしくは、前記信号源が、前記第２変調信号を予め記憶する第２変調信号記憶手段と、前記搬送波を生成する搬送波生成手段とを備えていてもよい。
【００２４】
前記第１変調信号を、特定の第１周期で階段状に増加又は減少する波形を描く信号とし、前記第２変調信号を、前記第１周期より短い周期の鋸波を前記第１変調信号で変調した信号としてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
以上にしてなる本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法は、進行波と測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出しているので、受信用アンテナに進行波が漏れ込まないようにする必要がなく、簡易な構造とすることができ低コスト、かつ大きさの小さな距離測定装置を得ることができる。
また、異なった複数の周波数成分を有する進行波とその反射波との混合波から距離スペクトルを求めることで、その大きさのピークとなる距離から測定対象物と混合波検出部との間の距離を求めることができる。
定在波を利用して測定対象物までの距離を測定するときには、進行波の周波数を切り替えてから定在波ができる時間より周波数切り替え時間を短くすることが原理的にできないため、ドップラー効果の影響を受けてしまい測定誤差が発生するが、本願発明では原理的に周波数切り替えの概念がないので、ドップラー効果の影響をほとんど無視できる程度にまで観測時間を短くすることが可能となり、測定対象物の移動速度及び移動方向に関係なく、正確な距離を測定することができる。
また、定在波を利用した距離測定装置では、測定することが困難であった複数の測定対象物同士の距離が接近し、かつその速度差が大きいときでも、各測定対象物の位置を正しく測定することができる。
【００２６】
また、混合波検出部の複数をそれぞれ異なった位置に備え、複数の混合波検出部によって検出された複数の混合波から距離スペクトルを求めるので、より信頼性および精度の高い距離測定を行うことができる。
【００２７】
また、信号源から二重変調信号を出力するときには、スペクトル解析を高速で実行可能な高コストのマイクロプロセッサ等を使用する必要性がなく、包絡線検波器、自乗検波器、同期検波器、直交検波器、バンドパスフィルタ、マッチドフィルタ等の機器で信号処理器を構成し、距離スペクトルの大きさ（信号レベル）を検出しているので、マイクロプロセッサ等を使用した信号処理器と略同じ処理速度の信号処理器を低コストで得ることができる。つまり、低コストかつ信号処理速度の速い距離測定装置を得ることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法は、図１、図８及び図１５に示すように、信号源１，９，１３から出力された信号を送信部２から波動として送信し、この波動（進行波ＶT）が測定対象物６によって反射された反射波ＶRを混合波検出部３で分離せず混合波として検出するものである。
本願発明における信号源は、特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を出力する、又は、特定の周波数の搬送波を任意の周期信号で周波数変調した周波数変調信号を出力する、もしくは、第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調した二重変調信号を出力するものである。つまり、信号源１，９，１３から出力される信号は、常に複数の異なった周波数成分を有する信号である。
また、本願発明における進行波は、信号源１，９，１３から出力された信号を送信部２から送信した波動、又は信号源１，９，１３から出力された信号である。つまり、本願発明における進行波は、常に複数の周波数成分を有する波動又は信号（信号波）である。また、本願発明に係る反射波は、常に複数の周波数成分を有する波動が測定対象物６によって反射された波動である。
そして、本願発明における混合波とは、前記進行波と前記反射波とが混合（合成）された波動である。つまり、複数の周波数成分を有する進行波と複数の周波数成分を有する前記反射波とが重ね合わさった波動が本願発明における混合波であり、単一の周波数成分を有する複数の波動（波）が重ね合わさった波動を示すものではない。
【００２９】
以下の実施例では、波動として電磁波を例に挙げて説明しているが、光、音波、電流、物質内を伝播する物質波等の波動も本願発明における波動である。
【００３０】
なお、上述の特許文献１，２、非特許文献１等で記載されている定在波を利用した距離測定装置では、信号源から出力される信号は、図２３に示すように、単一の周波数成分の周波数を時間的にステップ状に切り替える信号であり、本願発明のように常に異なった複数の周波数成分を有する信号ではない。また、この単一の周波数成分を有する信号に基づいて送信された進行波と、この単一周波数成分の進行波が測定対象物で反射された反射波との干渉によって発生した波動の振幅は、時間的な変化がなく、空間上の位置によって異なる値となる。具体的には、位置に対して振幅は周期関数となり、これを定在波という。
本願発明のように複数の周波数成分を有する信号に基づく進行波と反射波との干渉では、空間上の位置と混合波の振幅との関係は時間的な変化を伴い、定在波とは異なる現象となる。
したがって、本願発明に係る距離測定装置は、定在波を利用した距離測定装置とは異なる物理現象を利用しており原理的に異なるものである。
【実施例１】
【００３１】
以下に、本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法の第１実施例の技術的概要を説明する。
（技術的概要１）
図１は、本願発明に係る距離測定装置の概略を説明するための説明図である。本願発明に係る距離測定装置は、信号源１から出力された信号（進行波ＶT）が、送信部２から波動として測定対象物６に送信され、ｋ番目の測定対象物６によって反射された反射波ＶRkと進行波ＶTとの混合波ＶCを、混合波検出部３で検出し、周波数成分分析部４で混合波の周波数成分（ａ（ｆ，ｘs））を分析し、距離演算部５で距離スペクトルＲ（ｘ）を演算し、測定対象物６までの距離を測定するものである。
【００３２】
信号源１は、特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を出力するものであり、常に２つ以上の周波数成分が含まれる信号を出力する。具体的な例として、信号源１を、それぞれが異なった単一周波数成分の信号を発振する単一周波数発振器の複数と、前記複数の単一周波数発振器から発振された単一周波数成分の信号を合成する加算器とから構成し、常に２つ以上の周波数成分を有する信号を信号源１から出力させる。また、信号源１が、単一周波数成分を発振する単一周波数発振器と、この単一周波数発振器から発振される信号に周波数変調や振幅変調等の所定の変調をかける変調器とから構成し、特定の帯域幅内で異なった周波数成分を有する信号を出力するようにしてもよい。さらに、特定の帯域幅内の周波数成分を出力する雑音源から構成することもできる。特定の帯域幅内の周波数成分を出力する雑音源としては、例えば、雑音源から出力される信号をバンドパスフィルタで特定の帯域内の信号のみを通過させることによって実現することができる。
【００３３】
送信部２は、信号源１から出力された信号を波動として送信するためのアンテナ（又は電極）等の双方向性素子である。信号源１と送信部２との間に混合波検出部３を配置する場合には、該送信部２が反射波を受信する役割を担ってもよい。前記送信部２は、前記信号源１から出力された周波数成分の波動を出力し、出力された波動が測定対象物６に送信される。
【００３４】
なお、本願発明における進行波ＶTとは前記送信部２から送信される波動、及び信号源１から出力される信号を示す。
したがって、信号源１からの信号と送信部２を経由して返ってきた反射波の信号との混合波を前記混合波検出部３で検出する場合は、信号源１からの信号が進行波ＶTとなる。
【００３５】
混合波検出部３は、前記進行波ＶTと前記反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するものである。この混合波検出部３は、信号源１と送信部２とをつなぐ給電線の途中に、信号源１から出力される進行波ＶTと送信部２を経由して返ってきた反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するための、方向性を持たない結合器を設けることによって構成することができる。また、進行波ＶTと反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するための受信用アンテナ（又は電極）を、送信部２と測定対象物６との間の空間に設け、混合波検出部３とすることもできる。
【００３６】
前記周波数成分分析部４は、前記混合波検出部３によって検出された混合波ＶCの周波数成分を分析するものである。複数のバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタからの出力レベルを検出するためのレベル検出器とによって、前記周波数成分分析部４を構成して、各周波数成分の大きさを分析することもできる。
また、前記混合波検出部３によって検出された混合波をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換器から出力された混合波のデジタル信号をフーリエ変換等の周波数成分分析を行い、各周波数成分の大きさ（絶対値）ａ（ｆ，ｘs）を演算するソフトウエアを組み込んだ信号処理器とによって構成することもできる。
なお、前記混合波検出部３によって検出された混合波を直接前記ＡＤ変換器に出力してもよいが、混合波検出部３とＡＤ変換器の間にダウンコンバータ８（図２参照）を設けて、周波数を下げてからＡＤ変換器に入力するように構成してもよい。ダウンコンバータ８は、既知のダウンコンバータであればよく、例えば、ダウンコンバートしたい周波数を発振する局部発振器８ａと、混合波検出部３によって検出された混合波ＶCと前記局部発振器８ａからの周期信号をミキシングするミキサ（周波数変換器）８ｂとによって構成し、所望の周波数にダウンコンバートしてもよい。
【００３７】
前記距離演算部５は、前記周波数成分分析部４によって分析されたデータをスペクトル解析して距離スペクトルを求め、この距離スペクトルの大きさを演算し、距離スペクトルの大きさのピークに基づいて測定対象物６までの距離を演算するものである。スペクトル解析の手法としては、フーリエ変換に代表されるノンパラメトリック手法、或いはＡＲモデリング等のパラメトリック手法等の適宜のスペクトル解析手法により解析する。
【００３８】
（測定原理１）
以下に、本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法について、図１及び図２を用いてその測定原理について説明する。
【００３９】
信号源１から出力される進行波が、ｆ0−ｆW／２〜ｆ0＋ｆW／２の帯域幅の周波数成分を有し、各周波数成分に対する振幅Ａ（ｆ），位相θ（ｆ）であるとき、測定開始からの経過時間ｔ、位置ｘにおける進行波ＶTは以下の数式（１）のように表される。
【数１】
ただし、ｆは周波数、ｃは光速、ｘ軸上の任意の一点をｘ＝０としている。
【００４０】
ｋ番目の測定対象物６の距離をｄk、速度をｖk、反射係数の大きさと位相をそれぞれγk，φkとすれば、その測定対象物６からの反射波ＶRkは以下の数式（２）のように表すことができる。ただし、ｋ＝１，２，…である。
【数２】
【００４１】
このとき、ｘ＝ｘsの位置にある混合波検出部３で観測される混合波の信号ＶCは、以下の数式（３）のように表される
【数３】
【００４２】
混合波検出部３で検出される混合波ＶCをバンドパスフィルタを通し各周波数成分に分解する。あるいは、図２に示すように、ＡＤ変換器によってデジタル信号に変換し（Ｓ１００）、このデジタル信号をフーリエ変換等による周波数成分分析によって各周波数成分に分解する（Ｓ１０１）。
分解された周波数ｆの成分ＶC（ｆ，ｔ，ｘs）は、数式（３）における被積分成分（積分の中身）であり、以下の数式（４）である。
【数４】
【００４３】
この分解された周波数ｆの成分の振幅は、以下の数式（５）で表される。
【数５】
ただし、現実的に反射波の大きさは非常に小さいと考えてよいので、γk≪１として近似している。
【００４４】
ここでｔを十分小さくすることにより、ｖkｔ≒０とみなすことができれば（後述するシミュレーションにあるように、観測時間ｔ＝３．５［μｓｅｃ］、速度ｖk＝３００［ｋｍ／ｈ］のときでも、ｖkｔ≒０．２９［ｍｍ］となり、ｖkｔ≒０とみなすことができる。）、以下の数式（６）のよう近似できる。
【数６】
【００４５】
ところで、Ａ（ｆ）は信号源１の周波数特性を表しており、容易に知ることができるので既知のものと考えてよい。Ａ（ｆ）が定数Ａとみなせる場合には、
【数７】
あるいは、Ａ（ｆ）が定数でない場合（例えば、雑音源を用いた場合）には、Ａ（ｆ）で数式（６）を正規化すれば、
【数８】
となる。
前記数式（７）の定数Ａの値は距離に関する情報を何ら持たない。そこで、Ａ＝１とすれば、数式（７）は数式（８）と同じになるので、以下、振幅を表す数式として（８）を用いる。
【００４６】
数式（８）は、周波数ｆに対してｃ／２（ｄk−ｘs）の周期を持つ周期関数となっているのがわかる。したがって、これを例えばフーリエ変換に代表されるノンパラメトリック手法、あるいはＡＲモデリング等のパラメトリック手法によりスペクトル解析をすれば、混合波検出部３から測定対象までの距離ｄk−ｘsが得られる。
【００４７】
以下に、フーリエ変換によって距離を演算する例を示す。
フーリエ変換公式
【数９】
において、ω／２πを２ｘ／ｃに、ｔをｆに、ｆ（ｔ）をａ（ｆ，ｘs）に置き換える。その結果、距離スペクトルＲ（ｘ）が次のように求められる（Ｓ１０３（図２参照））。
【数１０】
ただし、Ｓa（ｚ）＝ｓｉｎ（ｚ）／ｚ
である。
【００４８】
数式（１０）によれば、Ｒ（ｘ）の大きさ（距離スペクトルの強度）｜Ｒ（ｘ）｜は、ｘ＝０，±（ｄk−ｘs）でピークとなることがわかる。現実的に混合波検出部３から測定対象物６までの距離ｄk−ｘsは正であるから、ｘ＞０に限定すれば、｜Ｒ（ｘ）｜がピークとなるｘの値が、混合波検出部３と測定対象物６との距離ｄk−ｘsである。つまり、｜Ｒ（ｘ）｜の値がピークとなるｘを求めることによって、混合波検出部３から測定対象物６までの位置を求めることができる（Ｓ１０４（図２参照））。
【００４９】
以上のように本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法では、進行波と測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出しているので、進行波と反射波を分離する必要がなく、簡易な構造とすることができ低コストで小さな距離測定装置を得ることができる。
また、異なった複数の周波数成分を有する進行波とその反射波との混合波から距離スペクトルを求めることで、その大きさのピークとなる距離から測定対象物と混合波検出部との間の距離を求めることができる。
定在波を利用して測定対象物までの距離を測定するときには、進行波の周波数を切り替えてから定在波ができる時間よりも観測時間を短くすることが原理的にできないため、ドップラー効果の影響を受けてしまい測定誤差が発生するが、本願発明では原理的に周波数切り替えの概念がなく、故にドップラー効果の影響をほとんど無視できる程度にまで観測時間を短くすることが可能となり、正確な距離を測定することができる。
【００５０】
（シミュレーション１）
つぎに上述の測定原理１に基づいて、図２で示す距離測定装置でのシミュレーションを行う。
図２で示した距離測定装置は、信号源１が２４．０００ＧＨｚ〜２４．０７５ＧＨｚの成分を一様に含む信号を出力し、送信部２から前記帯域幅内の成分を一様に含む進行波ＶTを測定対象物６，…，６に送信する。そして、ｋ番目の測定対象物６によって反射された反射波ＶRkと進行波ＶTとの混合波ＶC（ｔ，０）を混合波検出部３で検出する。なお、混合波検出部３の位置は、ｘs＝０としている。そして、検出された混合波ＶCは、ダウンコンバータ８によって０〜７５ＭＨｚにダウンコンバートされる。ダウンコンバートされたＶCは、ＡＤ変換器によってデジタル信号に変換され（Ｓ１００）、デジタル信号に変換されたＶC（ｆ，ｔ，０）をフーリエ変換して各周波数成分に分解する（Ｓ１０１）。そして、各周波数成分の振幅を求めるために、各周波数成分に分解した混合波ＶC（ｆ，ｔ，０）の絶対値を算出した後に（Ｓ１０２）、正規化した振幅ａ（ｆ，０）を求める。この正規化した振幅ａ（ｆ，０）をスペクトル解析によって距離スペクトルＲ（ｘ）を求め（Ｓ１０３）、距離スペクトルＲ（ｘ）の大きさ（強度）のピークから測定対象物６の位置を算出する（Ｓ１０４）。なお、測定対象物６の速度が、距離測定装置から遠ざかる方向を正、距離測定装置に近づく方向を負とする。
【００５１】
図２で示した距離測定装置のシミュレーションでは、進行波と反射波との混合波を３．５μｓｅｃ間にわたり観測する（ｔ＝３．５［μｓｅｃ］とする）。
シミュレーションは、信号源から出力される２４．０００ＧＨｚ〜２４．０７５ＧＨｚの成分を一様に含む信号を進行波とし、数式（３）に基づいて混合波ＶC（ｔ，０）を計算する。そして、混合波ＶCと−２４ＧＨｚの複素正弦波を乗算し、ダウンコンバートされたＶCを得る。つまり、混合波ＶCは、０〜７５ＭＨｚにダウンコンバートされる。
そして、ダウンコンバートされたＶCをフーリエ変換し、その絶対値から数式（８）（ａ（ｆ，０））を求める。そして、数式（１０）に従い、ａ（ｆ，０）をフーリエ変換し、距離スペクトルＲ（ｘ）及び距離スペクトルの大きさ（｜Ｒ（ｘ）｜）を求める。
【００５２】
（シミュレーション１−１）
図３は、測定対象物６が混合波検出部３から距離１０ｍ、時速０ｋｍで静止しているときをシミュレーションしたグラフである。図３（ａ）は、ダウンコンバートされた混合波（進行波＋反射波）の時間波形であり、計測時間の各時刻における瞬時値を示したグラフである（ダウンコンバートされたＶC（ｔ，０）のグラフである）。図３（ｂ）は、数式（８）で示したａ（ｆ，０）のグラフであり、各周波数成分の正規化した振幅を示している。図３（ｃ）は、図３（ｂ）によって求められたａ（ｆ，０）をスペクトル解析して距離と距離スペクトルの大きさ｜Ｒ（ｘ）｜の関係を表したグラフである。図３（ｃ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離１０ｍで大きなピーク値となっている。このことから、静止している状態では正しい距離が測定できる。
【００５３】
（シミュレーション１−２）
図４は、測定対象物６が混合波検出部３から距離１０ｍ、時速＋３００ｋｍで移動しているときをシミュレーションしたグラフである。図４（ａ）は、ダウンコンバートされた混合波（進行波＋反射波）の時間波形であり、計測時間の各時刻における瞬時値を示したグラフである（ダウンコンバートされたＶC（ｔ，０）のグラフである）。図４（ｂ）は、数式（８）で示したａ（ｆ，０）のグラフであり、各周波数成分の正規化した振幅を示している。図４（ｃ）は、図４（ｂ）によって求められたａ（ｆ，０）をスペクトル解析して距離と距離スペクトルの大きさ｜Ｒ（ｘ）｜の関係を表したグラフである。図４（ｃ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離１０ｍで大きなピーク値となっている。このことから、測定対象物が＋３００ｋｍで移動しているときも、シミュレーション１−１と同様に正しい距離が測定できる。
【００５４】
（シミュレーション１−３）
図５は、測定対象物６が混合波検出部３から距離４０ｍ、時速−５０ｋｍで移動しているときをシミュレーションしたグラフである。図５（ａ）は、ダウンコンバートされた混合波（進行波＋反射波）の時間波形であり、計測時間の各時刻における瞬時値を示したグラフである（ダウンコンバートされたＶC（ｔ，０）のグラフである）。図５（ｂ）は、数式（８）で示したａ（ｆ，０）のグラフであり、各周波数成分の正規化した振幅を示している。図５（ｃ）は、図５（ｂ）によって求められたａ（ｆ，０）をスペクトル解析して距離と距離スペクトルの大きさ｜Ｒ（ｘ）｜の関係を表したグラフである。図５（ｃ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離４０ｍで大きなピーク値となっている。このことから、測定対象物との距離、移動速度及び移動方向が変わっても正しい距離が測定できることがわかる。
【００５５】
（シミュレーション１−４）
図６は、測定対象物６が２つあり、一方の測定対象物６が混合波検出部３から距離５ｍ、時速＋１００ｋｍで移動し、他方の測定対象物６が混合波検出部３から距離１２．５ｍ、時速−３００ｋｍで移動しているときをシミュレーションしたグラフである。図６（ａ）は、ダウンコンバートされた混合波（進行波＋反射波）の時間波形であり、計測時間の各時刻における瞬時値を示したグラフである（ダウンコンバートされたＶC（ｔ，０）のグラフである）。図６（ｂ）は、数式（８）で示したａ（ｆ，０）のグラフであり、各周波数成分の正規化した振幅を示している。図６（ｃ）は、図６（ｂ）によって求められたａ（ｆ，０）をスペクトル解析して距離と距離スペクトルの大きさ｜Ｒ（ｘ）｜の関係を表したグラフである。図６（ｃ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離５ｍと１２．５ｍで大きなピーク値となっている。このことから、測定対象物が複数であっても、正しい距離が測定できることがわかる。また、１０ｍ以下の近距離でも正しい距離を測定することができる。 さらに、定在波を利用した距離測定装置では、測定することが困難であった複数の測定対象物同士の距離が接近し、速度差が大きいときでも、各測定対象物の位置を正しく測定することができる。
【００５６】
前述のシミュレーション１−１〜１−４からもわかるように、測定対象物の速度にかかわらず、測定対象物の距離を測定することができる。さらに、複数の測定対象物同士の距離が接近し、速度差が大きいときでも各測定対象物の位置を正しく測定することができる。
【００５７】
上述の説明では、１つの混合波検出部３で混合波を検出しているが、図７に示すように、複数の混合波検出部３，…，３をそれぞれ異なった位置ｘs1，…，ｘsNに配置してもよい。このように複数の混合波検出部３，…，３から検出された混合波ＶCは、混合波検出部３毎にＡＤ変換器でＡＤ変換し（Ｓ１１０）、デジタル信号に変換された混合波の信号をフーリエ変換し（Ｓ１１１）、その絶対値を算出して混合波検出部３毎の振幅ａ（ｆ，ｘsi）（ｉは、１，２，…，Ｎ，…）を求める。そして、任意の２つの振幅（例えば、ａ（ｆ，ｘs1）とａ（ｆ，ｘs2））の差を取ることにより、不要な直流成分（数式（８）の第１項）を除去し（Ｓ１１３）、不要な直流成分を除去した振幅ａ（ｆ，ｘsi）毎にスペクトル解析し距離スペクトルを求め（Ｓ１１４）、各距離スペクトルの平均化をした後に（Ｓ１１５）、距離スペクトルの大きさのピークから測定対象物６までの距離を演算する（Ｓ１１６）。これらは、例えば、任意の２つの振幅の差を取って不要な直流成分を除去する直流成分除去手段と、複数の距離スペクトルの平均を演算する距離スペクトル平均化手段とを前記距離演算部５に備えさせることによって実現することができる。
したがって、複数の混合波検出部３を設け、図７に示すような信号処理器を構成した場合、不要な直流成分の除去を行うことができる。また、各振幅ａ（ｆ，ｘsi）から得られた距離スペクトルを平均化し、ノイズ成分を低減させ、より正確に距離を測定できる。
【実施例２】
【００５８】
つぎに、本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法の第２実施例の技術的概要を説明する。
（技術的概要２）
図８は、本願発明に係る距離測定装置の概略を説明するための説明図である。本願発明に係る距離測定装置は、信号源９から出力された信号が、送信部２から波動として測定対象物６に送信され、ｋ番目の測定対象物６によって反射された反射波ＶRkと進行波ＶTとの混合波ＶCを、混合波検出部３で検出し、振幅成分検出部１０で混合波の振幅成分（ａ（ｔ，ｘs））を検出し、距離演算部１１で距離スペクトルＲ（ｘ）を演算し、測定対象物６までの距離を測定するものである。
【００５９】
信号源９は、特定の周波数の搬送波を任意の周期信号で周波数変調した周波数変調信号を出力するものであり、常に２つ以上の周波数成分が含まれる信号を出力する。具体的な例として、信号源９を、図９に示すように、特定の周波数の搬送波信号を発信する搬送波信号源９ａと、この搬送波信号を任意の周期信号で変調する変調信号源９ｂとから構成し、この信号源９から周波数変調信号を出力させる。他の具体例として、マイクロプロセッサを備えた周波数変調信号生成手段（図示しない）と、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の周波数変調信号を出力するためのデータを記憶させた周波数変調信号記憶手段（図示しない）とによって構成し、該周波数変調信号記憶手段に記憶されているデータを、該周波数変調信号生成手段が読み出し、周波数変調信号を生成するようにしてもよい。
【００６０】
送信部２は、信号源９から出力された信号を波動として送信するためのアンテナ（又は電極）等の双方向性素子である。信号源９と送信部２との間に混合波検出部３を配置する場合には、該送信部２が反射波を受信する役割を担ってもよい。前記送信部２は、前記信号源９から出力された周波数成分の波動を出力し、出力された波動が測定対象物６に送信される。
【００６１】
なお、本願発明における進行波ＶTとは、前記送信部２から送信される波動、及び信号源９から出力される信号を示す。
したがって、信号源９からの信号と送信部２を経由して返ってきた反射波の信号との混合波を前記混合波検出部３で検出する場合は、信号源９からの信号が進行波ＶTとなる。
【００６２】
混合波検出部３は、前記進行波ＶTと前記反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するものである。この混合波検出部３は、信号源９と送信部２をつなぐ給電線の途中に、信号源９から出力される進行波ＶTと送信部２を経由して返ってきた反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するための、方向性を持たない結合器を設けることによって構成することもできる。また、進行波ＶTと反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するための受信用アンテナ（又は電極）を、送信部２と測定対象物６との間の空間に設け、混合波検出部３としてもよい。
【００６３】
振幅成分検出部１０は、前記混合波検出部３によって検出された混合波ＶCの振幅成分を検出するものであり、包絡線検波器、自乗検波器、同期検波器、直交検波器等の機器のいずれかによって構成される。
【００６４】
前記距離演算部１１は、振幅成分検出部１０によって検出された振幅成分をスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、この距離スペクトルの大きさを演算し、距離スペクトルの大きさのピークに基づいて測定対象物６までの距離を演算するものである。スペクトル解析の手法としては、フーリエ変換に代表されるノンパラメトリック手法、あるいはＡＲモデリング等のパラメトリック手法等の適宜のスペクトル解析手法により解析する。
【００６５】
（測定原理２）
以下に、本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法について、図８及び図９を用いてその測定原理について説明する。
【００６６】
信号源９が、周波数ｆ0の搬送波信号源９ａと、この搬送波信号源９ａの搬送波を変調する変調信号源９ｂとから構成されるとき、測定開始からの経過時間ｔ、位置ｘにおける進行波ＶTは、以下の数式（１１）で表されるような周波数変調された連続波となる。
【数１１】
【００６７】
ただし、ｔは測定開始からの経過時間、ｍ（ｔ）は変調信号であり、振幅が１の任意の周期関数である。周波数変調の最大周波数偏移はｆD、中心周波数はｆ0とする。したがって、進行波ＶT（ｔ，ｘ）の瞬時周波数はｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）である。また、ｃは光速、θは位相であり、ｘ軸上の任意の一点をｘ＝０としている。
ｋ番目の測定対象物６の距離をｄk、速度をｖk、反射係数の大きさと位相をそれぞれγk、φkとすれば、その測定対象物６からの反射波は、以下の数式（１２）のように表すことができる。ただし、ｋ＝１，２，…である。
【数１２】
【００６８】
このとき、ｘ＝ｘsの位置にある混合波検出部３で検出される混合波の信号ＶCは、以下の数式（１３）のように表される。
【数１３】
【００６９】
そして、ＶCの振幅は、以下の数式（１４）で表される。
【数１４】
【００７０】
現実的に反射波の大きさは非常に小さいと考えてよいのでγk≪１であり、γkの２次以上の項は、ほぼ０として無視し得る。したがって、以下の数式（１５）のように近似できる。
【数１５】
【００７１】
ここでｔを十分小さくすることにより、ｖkｔ≒０とみなすことができれば（後述するシミュレーションにあるように、観測時間ｔ＝２０［μｓｅｃ］、速度ｖkｔ＝３００［ｋｍ／ｈ］のときでも、ｖkｔ≒１．７［ｍｍ］となり、ｖkｔ≒０とみなすことができる。）、以下の数式（１６）のように近似でき、速度ｖkの影響を除去できる。
【数１６】
【００７２】
さらに、以下の数式（１７）
【数１７】
として近似すれば、数式（１６）は、以下の数式（１８）となる。
【数１８】
ただし、定数Ａは本願発明においては、何ら情報を持たないので、Ａ＝１とした。
【００７３】
さて、数式（１８）は、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）に対してｃ／２（ｄk−ｘs）の周期を持つ周期関数となっているのがわかる。したがってこれを、例えばフーリエ変換に代表されるノンパラメトリック手法、あるいはＡＲモデリング等のパラメトリック手法によりスペクトル解析すれば、混合波検出部３から測定対象物６までの距離ｄk−ｘsが得られる。
以下に、フーリエ変換によって距離を算出する例を示す。
フーリエ変換公式（９）において、ｆ（ｔ）をａ（ｔ，ｘs）とし、ω／２πに、ｔを瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）に置き換える。ｄｆ＝ｆD・ｄｍ（ｔ）となるので、距離スペクトルＲ（ｘ）が、以下の数式（１９）のように求められる。
【数１９】
ただし、Ｓa（ｚ）＝ｓｉｎ（ｚ）／ｚ
である。
【００７４】
数式（１９）によれば、Ｒ（ｘ）の大きさ（距離スペクトルの強度）｜Ｒ（ｘ）｜は、ｚ＝０、±（ｄk−ｘs）でピークとなることがわかる。現実的に混合波検出部３から測定対象物６までの距離ｄk−ｘsは正であるから、ｘ＞０に限定すれば、｜Ｒ（ｘ）｜がピークとなるｘの値が、求めるべき距離ｄk−ｘsである。
【００７５】
以上のように本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法では、進行波と測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出しているので、進行波と反射波を分離する必要がなく、簡易な構造とすることができ低コストで小さな距離測定装置を得ることができる。
また、異なった複数の周波数成分を有する進行波とその反射波との混合波から距離スペクトルを求めることで、その大きさのピークとなる距離から測定対象物と混合波検出部との間の距離を求めることができる。
定在波を利用して測定対象物までの距離を測定するときには、進行波の周波数を切り替えてから定在波ができる時間よりも観測時間を短くすることが原理的にできないため、ドップラー効果の影響を受けてしまい測定誤差が発生するが、本願発明では原理的に周波数切り替えの概念がなく、故にドップラー効果の影響をほとんど無視できる程度にまで観測時間を短くすることが可能となり、正確な距離を測定することができる。
【００７６】
（シミュレーション２）
つぎに上述の測定原理２に基づいて、図９で示す距離測定装置でのシミュレーションを行う。
図９で示した距離測定装置の信号源９は、周波数ｆ0＝２４．０３７５ＧＨｚの搬送波信号を出力する搬送波信号源９ａと、変調信号ｍ（ｔ）が周波数５０ｋＨｚの正弦波で、最大周波数偏移ｆD＝３７．５ＭＨｚの変調信号源９ｂとを備え、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の信号を出力する。そして、送信部２から数式（１１）で表される進行波ＶTが送信される。ｋ番目の測定対象物６によって反射された反射波ＶRkと、前記進行波ＶTとの混合波ＶC（ｔ，０）を混合波検出部３で検出する。混合波ＶCの観測は、変調信号ｍ（ｔ）の１周期にわたり行う。したがって、ｔ＝１／５０［ｋＨｚ］＝２０［μｓｅｃ］である。なお、混合波検出部３の位置は、ｘs＝０としている。また、測定対象物６の速度が、距離測定装置から遠ざかる方向を正、距離測定装置に近づく方向を負としている。
検出された混合波ＶCは、包絡線検波器によって包絡線検波を行い、混合波の振幅成分ａ（ｔ，０）を検出する（Ｓ１２０）。そして、混合波の振幅成分ａ（ｔ，０）を検出すると、ＡＤ変換器によってデジタル信号に変換する（Ｓ１２１）。そして、デジタル変換された振幅ａ（ｔ，０）をスペクトル解析し、距離スペクトルＲ（ｘ）を求める（Ｓ１２２）。そして、求めた距離スペクトルの大きさのピークから測定対象物６の位置を演算する（Ｓ１２３）。
【００７７】
（シミュレーション２−１）
図１０は、測定対象物６が混合波検出部３の位置から距離１０ｍ、時速０ｋｍで静止しているときをシミュレーションしたグラフである。図３（ａ）は、変調信号ｍ（ｔ）と混合波の振幅ａ（ｔ，０）を示したグラフである。これを基に、スペクトル解析をして距離スペクトルの大きさを示したものが図１０（ｂ）である。図１０（ｂ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離１０ｍで大きなピーク値となっている。このことから、静止している状態では数十ｍ以内の近距離であっても正しい距離が測定できる。
【００７８】
（シミュレーション２−２）
図１１は、測定対象物６が混合波検出部３の位置から距離１０ｍ、時速＋３００ｋｍで移動しているときをシミュレーションしたグラフである。図１１（ａ）は、変調信号ｍ（ｔ）と混合波の振幅ａ（ｔ，０）を示したグラフである。これを基に、スペクトル解析をして距離スペクトルの大きさを示したものが図１１（ｂ）である。図１１（ｂ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離１０ｍで大きなピーク値となっている。このことから、測定対象物が＋３００ｋｍで移動しているときも、シミュレーション２−１と同様に正しい距離が測定できる。
【００７９】
（シミュレーション２−３）
図１２は、測定対象物６が混合波検出部３の位置から距離４０ｍ、時速−５０ｋｍで移動しているときをシミュレーションしたグラフである。図１２（ａ）は、変調信号ｍ（ｔ）と混合波の振幅ａ（ｔ，０）を示したグラフである。これを基に、スペクトル解析をして距離スペクトルの大きさを示したものが図１２（ｂ）である。図１２（ｂ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離４０ｍで大きなピーク値となっている。このことから、測定対象物の距離、移動速度及び移動方向が変わっても正しい距離が測定できる。
【００８０】
（シミュレーション２−４）
図１３は、２つの測定対象物６，６を測定している。一方の測定対象物６は、混合波検出部３の位置から距離５ｍ、時速＋１００ｋｍで移動し、他方の測定対象物６は、混合波検出部３の位置から距離１２．５ｍ、時速−３００ｋｍで移動しているときをシミュレーションしたグラフである。図１３（ａ）は、変調信号ｍ（ｔ）と混合波の振幅ａ（ｔ，０）を示したグラフである。これを基に、スペクトル解析をして距離スペクトルの大きさを示したものが図１３（ｂ）である。図１３（ｂ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離５ｍと１２．５ｍでそれぞれ大きなピーク値をとっている。このことから、測定対象物が複数であっても、正しい距離が測定できることがわかる。また、１０ｍ以下の近距離でも正しい距離を測定することができる。 さらに、定在波を利用した距離測定装置では、測定することが困難であった複数の測定対象物同士の距離が接近し、速度差が大きいときでも、各測定対象物の位置を正しく測定できる。
【００８１】
前述のシミュレーション２−１〜２−４からもわかるように、測定対象物の速度にかかわらず、測定対象物の距離を測定することができる。さらに、複数の測定対象物同士の距離が接近し、速度差が大きいときでも各測定対象物の位置を正しく測定することができる。
【００８２】
上述の説明では、１つの混合波検出部３で混合波を検出しているが、図１４に示すように、複数の混合波検出部３，…，３をそれぞれ異なった位置ｘs1，…，ｘsNに配置してもよい。このように複数の混合波検出部３，…，３から検出された混合波ＶCは、各混合波検出部３で検出された混合波ＶC毎に包絡線検波器によって包絡線を検波することで混合波の振幅成分（振幅ａ（ｔ，ｘsi）（ｉは、１，２，…，Ｎ，…））を検出し（Ｓ１３０）、検出された各振幅ａ（ｔ，ｘsi）をＡＤ変換器によってＡＤ変換し（Ｓ１３１）、デジタル信号に変換された各振幅のなかから任意の２つの振幅（例えば、ａ（ｔ，ｘs1）とａ（ｔ，ｘs2））の差を取ることにより、不要な直流成分（数式（８）の第１項）を除去し（Ｓ１３２）、不要な直流成分を除去した振幅ａ（ｔ，ｘsi）毎にスペクトル解析し距離スペクトルを求め（Ｓ１３３）、各距離スペクトルを平均化した後に（Ｓ１３４）、距離スペクトルの大きさのピークから測定対象物までの距離を演算する（Ｓ１３５）。これらは、例えば、任意の２つの振幅の差を取って不要な直流成分を除去する直流成分除去手段と、複数の距離スペクトルの平均を演算する距離スペクトル平均化手段とを前記距離演算部５に備えさせることによって実現することができる。なお、直流成分の除去をアナログ回路（差動増幅器など）で行い、その後にＡＤ変換を行ってもよい。
したがって、複数の混合波検出部３を設け、図１４に示すような信号処理器を構成した場合、不要な直流成分の除去を行うことができる。また、各振幅ａ（ｔ，ｘsi）から得られた距離スペクトルを平均化し、ノイズ成分を低減させ、より正確に距離を測定できる。
【実施例３】
【００８３】
以下に、本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法の第３実施例の技術的概要を説明する。
（技術的概要３）
図１５は、本願発明に係る距離測定装置の概略を説明するための説明図である。本願発明に係る距離測定装置は、信号源１３から出力された信号が、送信部２から波動として測定対象物６に送信され、ｋ番目の測定対象物６によって反射された反射波ＶRkと進行波ＶTとの混合波ＶCを混合波検出部３で検出し、この混合波ＶCを信号処理器１４で処理し、測定対象物６までの距離を求めるものである。信号処理器１４は、振幅成分検出部１５、単一周波数選択部１６、信号レベル検出部１７、距離演算部１８から構成し、前記振幅成分検出部１５で混合波の振幅成分（ａ（ｔ，ｘs））を検出し、前記単一周波数選択部１６で特定の周波数ｆBの成分のみの信号（Ｒ（ｘ（ｔ）））を選択し、選択した信号の信号レベル（｜Ｒ（ｘ（ｔ））｜）を前記信号レベル検出部１７で検出し、この信号レベルから測定対象物６までの距離を前記距離演算部１８で測定する。
【００８４】
信号源１３は、第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調した信号（二重変調信号）を出力するものであり、常に２つ以上の周波数成分が含まれる信号を出力するものである。
【００８５】
信号源１３の具体例としては、図１５に示すように、搬送波信号源１３ａと、第２変調信号源１３ｂと、第１変調信号源１３ｃとから信号源１３を構成する。前記第１変調信号源１３ｃは、特定の第１周期の第１変調信号ｘ（ｔ）を出力する。また、前記第２変調信号源１３ｂは、第２変調信号ｍ（ｔ）を出力するものであり、該第２変調信号ｍ（ｔ）は、第２変調信号源１３ｂで発振された特定の第２周期の周期信号を前記第１変調信号ｘ（ｔ）で周波数変調した信号である。前記搬送波信号源１３ａは、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の二重変調信号を出力するものであり、該搬送波信号源１３ａが発振した搬送波を前記第２変調信号ｍ（ｔ）で周波数変調する。
【００８６】
つまり、本願発明における信号源１３から出力される二重変調信号は、搬送波信号を第２変調信号ｍ（ｔ）で周波数変調したものであり、かつ、第２変調信号ｍ（ｔ）は第１変調信号ｘ（ｔ）で周波数変調したものである。よって、本願発明における二重変調信号は、搬送波信号を第２変調信号ｍ（ｔ）で周波数変調した後の信号を、第１変調信号ｘ（ｔ）で更に周波数変調したものでもなく、搬送波信号を第１変調信号ｘ（ｔ）で周波数変調した後の信号を、第２変調信号ｍ（ｔ）で更に周波数変調したものでもない。
【００８７】
また、他の信号源１３の具体例としては、図１６（ａ）に示すように、信号源１３を前記搬送波信号源１３ａ（搬送波生成手段）、第２変調信号生成手段１３ｄ、第２変調信号記憶手段１３ｅから構成する。前記第２変調信号記憶手段１３ｅは、第２変調信号ｍ（ｔ）を出力するためのデータを記憶し、前記第２変調信号生成手段１３ｄは、前記第２変調信号記憶手段１３ｅに記憶されているデータを読み出し、第２変調信号ｍ（ｔ）を出力する。そして、搬送波信号源１３ａは、特定の周波数の搬送波を発振し、この搬送波を前記第２変調信号ｍ（ｔ）で周波数変調し、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の二重変調信号を出力する。
前記第２変調信号生成手段１３ｄは、マイクロプロセッサ等によって構成されているが、予め記憶されているデータに基づいて第２変調信号を生成するだけなので、測定原理１及び２におけるフーリエ解析（周波数解析）で用いられるマイクロプロセッサに比べて低機能なプロセッサを使用することができ、低コストとすることができる。
【００８８】
さらに、図１６（ｂ）に示すように、マイクロプロセッサを備えた二重変調信号生成手段１３ｆと、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の二重変調信号を出力するためのデータを記憶させた二重変調信号記憶手段１３ｇとによって構成し、該二重変調信号記憶手段１３ｇに記憶されているデータを、該二重変調信号生成手段１３ｆが読み出し、二重変調信号を生成するようにしてもよい。
前記二重変調信号生成手段１３ｆもマイクロプロセッサを備えているが、フーリエ解析（周波数解析）で用いられるマイクロプロセッサより低機能なプロセッサを使用することができ、低コストとすることができる。
【００８９】
送信部２は、信号源１３から出力された信号を波動として送信するためのアンテナ（又は電極）等の双方向性素子である。信号源１３と送信部２との間に混合波検出部３を配置する場合には、該送信部２が反射波を受信する役割を担ってもよい。前記送信部２は、前記信号源１３から出力された周波数成分の波動を出力し、出力された波動が測定対象物６に送信される。
【００９０】
なお、本願発明における進行波ＶTとは前記送信部２から送信される波動、及び信号源１３から出力される信号を示す。
したがって、信号源１３からの信号と送信部２を経由して返ってきた反射波の信号との混合波を前記混合波検出部３で検出する場合は、信号源１３からの信号が進行波ＶTとなる。
【００９１】
混合波検出部３は、前記進行波ＶTと前記反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するものである。この混合波検出部３は、信号源１３と送信部２とをつなぐ給電線の途中に、信号源１３から出力される進行波ＶTと送信部２を経由して返ってきた反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するための、方向性を持たない結合器を設けることによって構成することができる。また、進行波ＶTと反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するための受信用アンテナ（又は電極）を送信部２と測定対象物６との間の空間に設け、混合波検出部３とすることもできる。
【００９２】
振幅成分検出部１５は、前記混合波検出部３によって検出された混合波ＶCの振幅成分を検出するものであり、包絡線検波器、自乗検波器、同期検波器、直交検波器等の機器のいずれかによって構成される。
【００９３】
前記単一周波数選択部１６は、前記振幅成分検出部１５によって検出された混合波ＶCの振幅成分の中から１つの周波数成分を選択するものであり、直交検波器やバンドパスフィルタ、マッチドフィルタ等の機器のいずれかによって構成される。
【００９４】
前記信号レベル検出部１７は、前記単一周波数選択部１６によって得られた信号のレベルを検出するものであり、包絡線検波器、自乗検波器等の機器のいずれかによって構成される。また、信号レベル検出部１７を、ＡＤ変換器、マイクロプロセッサ等によって構成し、前記単一周波数選択部１６からの出力信号をＡＤ変換し、マイクロプロセッサで信号レベルを演算することも可能である。
【００９５】
前記距離演算部１８は、前記信号レベル検出部１７によって検出された信号レベルのピークに基づいて測定対象物６までの距離を演算するものである。
【００９６】
（測定原理３）
以下に、本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法について、図１５〜図１９を用いてその測定原理を説明する。
【００９７】
信号源１３が、第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調して、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の二重変調信号を出力するとき、測定開始からの経過時間ｔ、位置ｘにおける進行波ＶTは、以下の数式（２０）で示す周波数変調された連続波となる。
【数２０】
【００９８】
ただし、ｔは測定開始からの経過時間、ｃは光速であり、Ａは振幅、θは位相、ｘ軸上の任意の一点をｘ＝０としている。また、ｍ（ｔ）は、第２変調信号であり、図１６及び以下の数式（２１）で示す鋸波とする。
【数２１】
ただし、[]は、その値を超えない最大の整数値を表す。ｍ（ｔ）は、図１６に示すように周波数ｆm、最小値−１、最大値＋１の鋸波である。
なお、図１６で示した鋸波の復帰時間は０であるが、復帰時間を有する鋸波（つまり、三角波）であってもよい。
【００９９】
ｘ（ｔ）は、ｍ（ｔ）の周波数ｆmを変化させるための第１変調信号であり、図１７及び以下の数式（２２）で表されるように、瞬時値が第１周期ＴでΔｘずつ増加する階段状（ステップ状の）の信号とする。
【数２２】
【０１００】
つまり、ｘ（ｔ）＝ＮΔｘ，（Ｎ＝１，２，…）のとき、ｍ（ｔ）の周波数ｆmが、以下の数式（２３）となるよう、ｍ（ｔ）を周波数変調する。
【数２３】
【０１０１】
なお、ｘ（ｔ）を特定の第１周期ＴでΔｘずつ増加する階段状の信号としているが、原理的にはｘ（ｔ）をΔｘずつ減少する階段状の信号としても同様である。以下では、ｘ（ｔ）をΔｘずつ増加する階段状の信号について説明する。
【０１０２】
自明なことであるが、第１変調信号の第１周期Ｔは、第２変調信号の鋸波の周期（繰り返し時間）より長い。また、第２変調信号の鋸波の周期は、搬送波の周期より長い。
【０１０３】
ｋ番目の測定対象物６の距離をｄk、速度をｖk、反射係数の大きさと位相をそれぞれγk，φkとすれば、その測定対象物６からの反射波ＶRkは、以下の数式（２４）のように表すことができる。ただし、ｋ＝１，２…である。
【数２４】
【０１０４】
このとき、ｘ＝ｘsの位置にある混合波検出部３で検出される混合波の信号ＶCは、以下の数式（２５）のように表される。
【数２５】
【０１０５】
そして、信号ＶCの振幅は以下の数式（２６）で表される。
【数２６】
【０１０６】
現実的に、反射波の大きさは非常に小さいと考えてよいので、γk≪１であり、γkの２次以上の項は、ほぼ０として無視し得る。したがって、以下の数式（２７）のように近似できる。
【数２７】
【０１０７】
ここで、ｔを十分小さくすることにより、ｖkｔ≒０とみなすことができれば、以下の数式（２８）のように近似でき、速度ｖkの影響を除去できる。
【数２８】
【０１０８】
さらに、以下の数式（２９）
【数２９】
として近似すれば、数式（２８）は、以下の数式（３０）となる。
【数３０】
ただし、定数Ａは本願発明においては、何ら情報を持たないので、Ａ＝１とした。
【０１０９】
ｘ（ｔ）＝ＮΔｘのとき、ｋ番目のその測定対象物６に対応する振幅成分ｆkは、ａ（ｔ，ｘs）の位相を微分して以下の数式（３１）のように求められる。
【数３１】
【０１１０】
ｘ（ｔ）＝ＮΔｘが測定対象物６と混合波検出部間の距離ｄk−ｘsに等しいとき、ｆkは以下の数式（３２）で与えられる周波数ｆBとなる。
【数３２】
【０１１１】
したがって、ａ（ｔ，ｘs）を直交検波器やバンドパスフィルタ等の単一周波数選択部１６を通し、周波数ｆBの成分のみを選択し、その信号レベルを検出すれば、ｘ（ｔ）＝ＮΔｘの距離に測定対象物６が存在するか否かを知ることができる。
【０１１２】
周波数ｆBの成分を選択するための単一周波数選択部１６として、直交検波器を用いる場合、ｘ（ｔ）＝ＮΔｘにおける直交検波出力Ｒ（ｘ（ｔ））は、以下の数式（３３）となる。
【数３３】
なお、直交検波出力Ｒ（ｘ（ｔ））を距離スペクトルと称す。
【０１１３】
距離スペクトルＲ（ｘ（ｔ））のレベル（大きさ）は、その絶対値で表される。つまり、｜Ｒ（ｘ（ｔ））｜は、以下の数式（３４）となる。
【数３４】
【０１１４】
以上のように本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法では、進行波と測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出しているので、進行波と反射波を分離する必要がなく、簡易な構造とすることができ低コストで小さな距離測定装置を得ることができる。
また、異なった複数の周波数成分を有する進行波とその反射波との混合波から距離スペクトルを求めることで、その大きさのピークとなる距離から測定対象物と混合波検出部との間の距離を求めることができる。
定在波を利用して測定対象物までの距離を測定するときには、進行波の周波数を切り替えてから定在波ができる時間よりも観測時間を短くすることが原理的にできないため、ドップラー効果の影響を受けてしまい測定誤差が発生するが、本願発明では原理的に周波数切り替えの概念がなく、故にドップラー効果の影響をほとんど無視できる程度にまで観測時間を短くすることが可能となり、正確な距離を測定することができる。
また、スペクトル解析を高速で実行可能なマイクロプロセッサ等を使用することなく、包絡線検波器、自乗検波器、同期検波器、直交検波器、バンドパスフィルタ、マッチドフィルタ等の機器で信号処理器を構成し、距離スペクトルの大きさ（信号レベル）を検出しているので、マイクロプロセッサ等を使用した信号処理器と略同じ処理速度の信号処理器を低コストで得ることができる。つまり、低コストでも、信号処理速度の速い距離測定装置を得ることができるようになる。
【０１１５】
（シミュレーション３）
つぎに上述の測定原理３に基づいて、図１９，２１で示す距離測定装置でのシミュレーションを行う。
このシミュレーションでは、図１９，２１に示すように、周波数ｆ0＝２４．１ＧＨｚの正弦波、最大周波数偏移ｆD＝３７．５ＭＨｚ、第１変調信号の変調周期Ｔ＝２０μｓｅｃ、第１変調信号の瞬時値の増加量Δｘ＝０．２ｍ、第２変調信号ｍ（ｔ）の周波数を決めるための定数η＝１／７５とし、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の信号を出力する。そして、送信部２から数式（２０）で表される進行波ＶTが送信される。ｋ番目の測定対象物６によって反射された反射波ＶRkと、前記進行波ＶTとの混合波ＶC（ｔ，０）を混合波検出部３で検出する。検出された混合波ＶCに基づいて、信号処理器１９（２４）は測定対象物６の位置を演算する。
【０１１６】
（シミュレーション３−１）
図１９は、信号処理器１９を振幅成分を検出するための包絡線検波器２０、周波数ｆB＝１ＭＨｚの成分のみを選択するための直交検波器２１、信号レベルを検出するレベル検出器２２、距離演算部２３から構成した距離測定装置の説明図である。
図２０は、２つの測定対象物６，６が、ｄ1＝１２ｍ、ｄ2＝２０ｍにそれぞれ位置し、ｄ1＝１２ｍに位置する測定対象物６の反射係数γ1＝０．０１、位相φ1＝πとし、ｄ2＝２０ｍに位置する測定対象物６の反射係数γ2＝０．０１、位相φ2＝πとし、シミュレーションをしたときの位置（ｘ（ｔ））と距離スペクトルの大きさ｜Ｒ（ｘ（ｔ））｜とを示したグラフである。図２０からも分かるように、距離スペクトルの大きさは、１２ｍと２０ｍでピークとなっている。このことから、マイクロプロセッサ等の代わりに直交検波器等を用いても、正しい距離が測定できる。
【０１１７】
（シミュレーション３−２）
図２１は、信号処理器２４を振幅成分検出用包絡線検波器２５、２つのバンドパスフィルタ２６ａ，２６ｂ、信号レベル検出用包絡線検波器２７、距離演算部２８とから構成した距離測定装置の説明図である。
図２２は、２つの測定対象物６，６が、ｄ1＝１２ｍ、ｄ2＝２０ｍにそれぞれ位置し、ｄ1＝１２ｍに位置する測定対象物６の反射係数γ1＝０．０１、位相φ1＝πとし、ｄ2＝２０ｍに位置する測定対象物６の反射係数γ2＝０．０１、位相φ2＝πとし、バンドパスフィルタは、選択する周波数ｆB＝１ＭＨｚ、Ｑ＝２０として、シミュレーションをしたときの位置（ｘ（ｔ））と距離スペクトルの大きさ｜Ｒ（ｘ（ｔ））｜とを示したグラフである。
図２２からも分かるように、距離スペクトルの大きさは、１２ｍと２０ｍでピークとなっている。このことから、マイクロプロセッサ等の代わりにバンドパスフィルタ等を用いても、正しい距離が測定できる。本例では２つのバンドパスフィルタを直列接続しているが，バンドパスフィルタの数は２に限定されるものではなく、当然ながら必要に応じて任意の数を用いることができる。
【０１１８】
なお、上述の説明では、１つの混合波検出部３で混合波を検出しているが、複数の混合波検出部３，…，３をそれぞれ異なった位置に配置し、それらから検出された混合波に基づいて距離スペクトルを求め、測定対象物６の位置を計測することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】第１実施形態の距離測定装置の概略を説明したブロック図である。
【図２】第１実施形態において、シミュレーションを行う距離測定装置の説明図である。
【図３】第１実施形態において、距離１０ｍ、時速０ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図４】第１実施形態において、距離１０ｍ、時速＋３００ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図５】第１実施形態において、距離４０ｍ、時速−５０ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図６】第１実施形態において、距離５ｍ、時速＋１００ｋｍ、及び距離１２．５ｍ、時速−３００ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図７】第１実施形態において、複数の混合波検出部を備えた距離測定装置の説明図である。
【図８】第２実施形態の距離測定装置の概略を説明したブロック図である。
【図９】第２実施形態において、シミュレーションを行う距離測定装置の説明図である。
【図１０】第２実施形態において、距離１０ｍ、時速０ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１１】第２実施形態において、距離１０ｍ、時速＋３００ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１２】第２実施形態において、距離４０ｍ、時速−５０ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１３】第２実施形態において、距離５ｍ、時速＋１００ｋｍ、及び距離１２．５ｍ、時速−３００ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１４】第２実施形態において、複数の混合波検出部を備えた距離測定装置の説明図である。
【図１５】第３実施形態の距離測定装置の概略を説明したブロック図である。
【図１６】第３実施形態における信号源の別実施例を説明したブロック図である。
【図１７】第２変調信号の波形を説明したグラフである。
【図１８】第１変調信号の波形を説明したグラフである。
【図１９】第３実施形態において、直交検波器を用いた距離測定装置の説明図である。
【図２０】第３実施形態において、直交検波器を用いた距離測定装置で、距離１２ｍ、及び距離２０ｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図２１】第３実施形態において、バンドパスフィルタを用いた距離測定装置の説明図である。
【図２２】第３実施形態において、バンドパスフィルタを用いた距離測定装置で、距離１２ｍ、及び距離２０ｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図２３】定在波を利用した距離測定装置における信号源の周波数についての説明図である。
【図２４】定在波を利用した距離測定装置におけるドップラー効果の影響を説明した図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 信号源
２ 送信部
３ 混合波検出部
４ 周波数成分分析部
５ 距離演算部
６ 測定対象物
７ 信号処理器
８ ダウンコンバータ
８ａ 局部発振器
８ｂ ミキサ
９ 信号源
９ａ 搬送波信号源
９ｂ 変調信号源
１０ 振幅成分検出部
１１ 距離演算部
１２ 信号処理器
１３ 信号源
１３ａ 搬送波信号源
１３ｂ 第２変調信号源
１３ｃ 第１変調信号源
１３ｄ 第２変調信号生成手段
１３ｅ 第２変調信号記憶手段
１３ｆ 二重変調信号生成手段
１３ｇ 二重変調信号記憶手段
１４ 信号処理器
１５ 振幅成分検出部
１６ 単一周波数選択部
１７ 信号レベル検出部
１８ 距離演算部
１９ 信号処理器
２０ 包絡線検波器
２１ 直交検波器
２２ レベル検出器
２３ 距離演算部
２４ 信号処理器
２５ 振幅成分検出用包絡線検波器
２６ バンドパスフィルタ
２７ 信号レベル検出用包絡線検波器
２８ 距離演算部
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、距離測定装置及び距離測定方法に係わり、さらに詳しくは信号源から出力された進行波と、進行波が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、測定対象物までの距離を測定する距離測定装置及び距離測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電波を利用した距離測定装置としては、パルスレーダ、ＦＭＣＷレーダ等のレーダが知られている。
パルスレーダは、パルス信号を発信しそれが測定対象物によって反射されて戻ってくるまでの時間を計測することにより、測定対象物までの距離を求めるものである。また、ＦＭＣＷレーダは、周波数掃引した連続波を発信し発信信号と反射信号の周波数差から測定対象物までの距離を測定するものである。その他にも、スペクトル拡散レーダや符号化パルスレーダ等のレーダもあるが、これらはパルスレーダと同様に測定対象物までの信号の往復時間に基づき距離を測定している。
【０００３】
しかしながら、上述のレーダは基本的に測定対象物までの信号の往復時間を計測するものであり、数十ｍ以内での分解能が不足するため、数十ｍ以内の近距離の測定が困難であった。また、ＦＭＣＷレーダでは、発信信号と反射信号の周波数差から測定対象物までの距離を測定するため、発信信号の周波数変化のリニアリティーを必要とすることや、送信信号が受信側に漏れ込むことで「False Target（偽目標）」が発生するという問題があり、周波数変化のリニアリティーが満たすように発信信号を正確に出力することや、「False Target」の発生を防ぐために送信信号が受信側に漏れ込まないように送受信側のアンテナを分離する等の必要性があり、簡易な構造とすることが困難であった。
【０００４】
そこで、電磁波発生源から一つの周波数成分のみを有する電磁波を進行波として測定対象物に向けて送信したときに測定対象物からの反射（反射波）があれば定在波が発生する、という考えに基づいて、図２３に示すように、一つの周波数成分のみを有する電磁波をステップ状に周波数を切り替えながら測定対象物に送信し、この送信波と測定対象物によって反射された反射波との干渉によって発生した定在波を検出し、この定在波の振幅の変動周期を算出した結果に基づき、検出点と測定対象物との距離を求める距離測定装置がある（特許文献１参照。）。
【０００５】
特許文献１記載の距離測定装置では、一つの周波数成分のみを有する進行波と、進行波が測定対象物に反射した反射波とが干渉して発生する定在波を検出するので、ＦＭＣＷレーダ等のように、送信信号が受信側に漏れ込まないようにする必要性もなく簡易な構造とすることができた。また、パルスレーダやＦＭＣＷレーダ等の他のレーダに比べて、近距離測定であっても精度良く測定することが可能であった。
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の距離測定装置では、測定対象物と距離測定装置との移動速度が比較的遅く、計測時間内の移動距離が無視できるようなときには有効であったが、測定対象物と距離測定装置との移動速度が速く、計測時間内の移動距離が無視できないときには、ドップラー効果によって正しい測定値を得ることが困難であった。
【０００７】
そこで、移動する測定対象物に対しても正しく距離測定できるように、一つの周波数成分を有する信号の周波数を所定のステップ周波数で増加、減少させこれを進行波として送信し、この進行波が測定対象物に反射した反射波とが干渉して発生した定在波の振幅を検出し、検出した振幅に対応する信号を演算して、検出点と測定対象物との距離を求める距離測定装置がある（例えば、特許文献２、非特許文献１参照。）。
特許文献２及び非特許文献１記載の距離測定装置は、周波数を所定のステップ周波数で増加、減少させた進行波と、その反射波との干渉によって発生した定在波の振幅に対応する信号を演算して、検出点と測定対象物との距離、並びに、測定対象物との相対速度を同時に計測することが可能であった。また、特許文献１に記載の距離測定装置と同様に定在波を用いて検出点と測定対象物との距離を求めているので、距離測定装置として簡易な構造とすることができた。
【特許文献１】特開２００２−３５７６５６号公報
【特許文献２】特開２００４−３２５０８５号公報
【非特許文献１】「移動体の位置と速度が測定可能な定在波を用いた近距離高分解能レーダ」, 藤森新五, 上保徹志, 入谷忠光, 電子情報通信学会論文誌, vol.J87-B, no.3, pp.437-445, March 2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２及び非特許文献１記載の距離測定装置では、測定対象物が１つのときには、測定対象物までの距離と相対速度とを精度良く測定することができた。しかしながら、測定対象物が複数で、測定対象物同士の距離が接近し、速度差が大きいときには、各測定対象物の距離を一意的に決定できず、間違った測定結果が得られることがあった。
【０００９】
また、上述の特許文献１，２、非特許文献１に記載されているような定在波を利用した距離測定装置では、信号源から出力される信号は、図２３に示しているように、特定の帯域幅内の周波数ｆaの信号（波動）をΔｔの間出力し、その後周波数ｆa＋Δｆの信号をΔｔの間出力するように、ステップ状に周波数を切り替えている。信号源から出力された信号はアンテナ等の送信器から送信され、測定対象物に反射して反射波として検出点に返ってくる（到達する）。このとき、周波数ｆaの進行波と、周波数ｆaの進行波に対応する反射波とが検出点で干渉する（重なり合う）と、定在波が発生する。つまり、周波数ｆaの進行波を出力してから、この周波数ｆaに対応する反射波が検出点に到達するまでは定在波は発生せず、定在波が発生するためには、周波数ｆaの進行波の出力を始めてから、この周波数の進行波が測定対象物によって反射され、反射波が検出点に到達するための時間が必要であった。
したがって、周波数の切り替えの時間間隔Δｔは、周波数が変化してから定在波が生成されるまでの時間よりも小さくすることはできなかった。そのため、定在波を利用した距離測定装置は、取得した信号レベルと周波数の関係から距離スペクトルを算出し測定対象物までの距離を得るが、測定対象物が相対速度ｖで移動しているときには、ドップラー効果により距離スペクトルのピークがずれ、図２４に示すように、ｖ・Δｔ／Δｆ・ｆ0の測定誤差が発生していた。
【００１０】
本願発明は、係る問題に鑑み、定在波を利用した距離測定装置と同様に、「単純な構成」、「近距離測定が可能」、「測定誤差が小さい」という特徴を備え、かつドップラー効果による影響を実用上受けない距離測定装置及び距離測定方法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】
【００１１】
本願発明に係る距離測定装置は、特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を出力する信号源と、前記信号を波動として送信する送信部と、前記送信部から送信された波動又は前記信号源から出力された信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が前記測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出する混合波検出部と、前記混合波検出部により検出された混合波の周波数成分を分析する周波数成分分析部と、前記周波数成分分析部によって分析されたデータをスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を演算する距離演算部とからなることを特徴とするものである。
また、本願発明に係る距離測定方法は、特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を波動として送信し、前記送信した波動又は前記信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、前記検出した混合波の周波数成分を分析し、周波数成分分析によって分析されたデータをスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を演算することを特徴とする。
したがって、進行波と反射波との混合波を検出し、その混合波に基づいて測定対象物までの距離を演算しているので、進行波（送信信号）と反射波（受信信号）を分離する必要性がなく、単純で簡易な構造の距離測定装置とすることができる。また、定在波を利用した距離測定装置では、周波数を切り替えた後、その周波数に対応した反射波が検出点に返ってくるまで定在波が発生しない上、周波数を多数段階的に切り替えていく必要があり、それ故高速に距離測定をすることが原理的にできなかったが、定在波を利用しない本願発明は、周波数切り替えの概念がなく、故に原理的に周波数切り替えに要する時間というものが存在せず、定在波を利用した距離測定装置に比べて高速に距離測定が可能となる。
【００１２】
前記信号源は、それぞれが異なった単一周波数成分を発振する単一周波数発振器の複数と、前記複数の単一周波数発振器から発振された信号を合成する加算器からなるようにしてもよい。
【００１３】
また、前記信号源は、単一周波数成分を発振する単一周波数発振器と、前記単一周波数発振器から発振される信号に変調をかける変調器とからなるようにしてもよい。
【００１４】
また、前記信号源は、前記特定の帯域幅内の周波数成分を出力する雑音源からなるようにしてもよい。
【００１５】
また、前記周波数成分分析部は、前記混合波検出部により検出された混合波をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器からの出力データの周波数成分を分析し各周波数成分の大きさを演算する信号処理装置とからなるようにしてもよい。
【００１６】
また、前記周波数成分分析部は、複数のバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタの出力レベルを検出するレベル検出器とからなるようにしてもよい。
【００１７】
また、前記距離演算部は、前記周波数成分分析部によって分析されたデータをフーリエ解析することによって距離スペクトルを演算してもよい。
【００１８】
前記混合波検出部の複数を異なった位置に備え、前記周波数成分分析部は前記混合波検出部により検出された混合波毎に周波数成分を分析してなり、前記距離演算部は、得られた複数の混合波の周波数成分分析データを用いて距離スペクトルを演算してもよい。
【００１９】
さらに、別の本願発明に係る距離測定装置は、特定の周波数の搬送波を任意の周期信号で周波数変調した周波数変調信号を出力する信号源と、前記周波数変調信号を波動として送信する送信部と、前記送信部から送信された波動又は前記信号源から出力された周波数変調信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出する混合波検出部と、前記混合波検出部によって検出された混合波の振幅成分を検出する振幅成分検出部と、前記振幅成分検出部によって検出された振幅成分をスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を演算する距離演算部とからなる。
また、本願発明に係る距離測定方法は、特定の周波数の搬送波を任意の周期信号で周波数変調した信号を波動として送信し、前記送信された波動又は前記周波数変調した信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信された波動が前記測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、検出した混合波の振幅成分を検出し、前記振幅成分をスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を測定する。
したがって、進行波と反射波との混合波を検出し、その混合波に基づいて測定対象物までの距離を演算しているので、進行波（送信信号）が受信側に漏れ込まないように送受信側のアンテナを分離する等の必要性がなく、単純で簡易な構造の距離測定装置とすることができる。また、定在波を利用した距離測定装置では、周波数を切り替えた後、その周波数に対応した反射波が検出点に返ってくるまで定在波が発生しない上、周波数を多数段階的に切り替えていく必要があり、それ故高速に距離測定をすることが原理的にできなかったが、定在波を利用しない本願発明は、周波数切り替えの概念がなく、故に原理的に周波数切り替えに要する時間というものが存在せず、定在波を利用した距離測定装置に比べて高速に距離測定が可能となる。
【００２０】
また、前記距離演算部は、前記振幅成分検出部によって検出された振幅成分をフーリエ解析することによって距離スペクトルを演算してもよい。
【００２１】
前記混合波検出部の複数を異なった位置に備えてなり、前記振幅成分検出部は、前記混合波検出部により検出された混合波毎に振幅成分を検出してなり、前記距離演算部は、得られた複数の混合波の振幅成分データを用いて距離スペクトルを演算してもよい。
【００２２】
さらに、別の本願発明に係る距離測定装置は、第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調した二重変調信号を出力する信号源と、前記二重変調信号を波動として送信する送信部と、前記送信部から送信された波動又は前記信号源から出力された二重変調信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出する混合波検出部と、前記混合波検出部によって検出された混合波の振幅成分を検出する振幅成分検出部と、前記振幅成分検出部によって検出された振幅成分から特定の１つの周波数成分を選択する単一周波数選択部と、前記単一周波数選択部で得られた信号のレベルを検出する信号レベル検出部と、前記信号レベル検出部によって得られた信号レベルから測定対象物までの距離を演算する距離演算部とからなる。
また、本願発明に係る距離測定方法は、第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調した二重変調信号を波動として送信し、前記送信された波動又は前記二重変調信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、検出した混合波の振幅成分を検出し、前記振幅成分から特定の１つの周波数成分を選択し、選択された周波数成分の信号のレベルを検出し、前記信号レベルから測定対象物までの距離を測定する。
したがって、進行波と反射波との混合波を検出し、その混合波に基づいて測定対象物までの距離を演算しているので、進行波（送信信号）と反射波（受信信号）を分離する必要性がなく、単純で簡易な構造の距離測定装置とすることができる。また、定在波を利用した距離測定装置では、周波数を切り替えた後、その周波数に対応した反射波が検出点に返ってくるまで定在波が発生しない上、周波数を多数段階的に切り替えていく必要があり、それ故高速に距離測定をすることが原理的にできなかったが、定在波を利用しない本願発明は、周波数切り替えの概念がなく、故に原理的に周波数切り替えに要する時間というものが存在せず、定在波を利用した距離測定装置に比べて高速に距離測定が可能となる。
【００２３】
前記信号源が、前記第１変調信号を生成する第１変調信号と、前記第１変調信号によって変調された前記第２変調信号と、前記搬送波のそれぞれを生成してもよい。
また、前記信号源が、前記二重変調信号を予め記憶する二重変調信号記憶手段を備えていてもよい。
もしくは、前記信号源が、前記第２変調信号を予め記憶する第２変調信号記憶手段と、前記搬送波を生成する搬送波生成手段とを備えていてもよい。
【００２４】
前記第１変調信号を、特定の第１周期で階段状に増加又は減少する波形を描く信号とし、前記第２変調信号を、前記第１周期より短い周期の鋸波を前記第１変調信号で変調した信号としてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
以上にしてなる本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法は、進行波と測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出しているので、受信用アンテナに進行波が漏れ込まないようにする必要がなく、簡易な構造とすることができ低コスト、かつ大きさの小さな距離測定装置を得ることができる。
また、異なった複数の周波数成分を有する進行波とその反射波との混合波から距離スペクトルを求めることで、その大きさのピークとなる距離から測定対象物と混合波検出部との間の距離を求めることができる。
定在波を利用して測定対象物までの距離を測定するときには、進行波の周波数を切り替えてから定在波ができる時間より周波数切り替え時間を短くすることが原理的にできないため、ドップラー効果の影響を受けてしまい測定誤差が発生するが、本願発明では原理的に周波数切り替えの概念がないので、ドップラー効果の影響をほとんど無視できる程度にまで観測時間を短くすることが可能となり、測定対象物の移動速度及び移動方向に関係なく、正確な距離を測定することができる。
また、定在波を利用した距離測定装置では、測定することが困難であった複数の測定対象物同士の距離が接近し、かつその速度差が大きいときでも、各測定対象物の位置を正しく測定することができる。
【００２６】
また、混合波検出部の複数をそれぞれ異なった位置に備え、複数の混合波検出部によって検出された複数の混合波から距離スペクトルを求めるので、より信頼性および精度の高い距離測定を行うことができる。
【００２７】
また、信号源から二重変調信号を出力するときには、スペクトル解析を高速で実行可能な高コストのマイクロプロセッサ等を使用する必要性がなく、包絡線検波器、自乗検波器、同期検波器、直交検波器、バンドパスフィルタ、マッチドフィルタ等の機器で信号処理器を構成し、距離スペクトルの大きさ（信号レベル）を検出しているので、マイクロプロセッサ等を使用した信号処理器と略同じ処理速度の信号処理器を低コストで得ることができる。つまり、低コストかつ信号処理速度の速い距離測定装置を得ることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法は、図１、図８及び図１５に示すように、信号源１，９，１３から出力された信号を送信部２から波動として送信し、この波動（進行波ＶT）が測定対象物６によって反射された反射波ＶRを混合波検出部３で分離せず混合波として検出するものである。
本願発明における信号源は、特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を出力する、又は、特定の周波数の搬送波を任意の周期信号で周波数変調した周波数変調信号を出力する、もしくは、第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調した二重変調信号を出力するものである。つまり、信号源１，９，１３から出力される信号は、常に複数の異なった周波数成分を有する信号である。
また、本願発明における進行波は、信号源１，９，１３から出力された信号を送信部２から送信した波動、又は信号源１，９，１３から出力された信号である。つまり、本願発明における進行波は、常に複数の周波数成分を有する波動又は信号（信号波）である。また、本願発明に係る反射波は、常に複数の周波数成分を有する波動が測定対象物６によって反射された波動である。
そして、本願発明における混合波とは、前記進行波と前記反射波とが混合（合成）された波動である。つまり、複数の周波数成分を有する進行波と複数の周波数成分を有する前記反射波とが重ね合わさった波動が本願発明における混合波であり、単一の周波数成分を有する複数の波動（波）が重ね合わさった波動を示すものではない。
【００２９】
以下の実施例では、波動として電磁波を例に挙げて説明しているが、光、音波、電流、物質内を伝播する物質波等の波動も本願発明における波動である。
【００３０】
なお、上述の特許文献１，２、非特許文献１等で記載されている定在波を利用した距離測定装置では、信号源から出力される信号は、図２３に示すように、単一の周波数成分の周波数を時間的にステップ状に切り替える信号であり、本願発明のように常に異なった複数の周波数成分を有する信号ではない。また、この単一の周波数成分を有する信号に基づいて送信された進行波と、この単一周波数成分の進行波が測定対象物で反射された反射波との干渉によって発生した波動の振幅は、時間的な変化がなく、空間上の位置によって異なる値となる。具体的には、位置に対して振幅は周期関数となり、これを定在波という。
本願発明のように複数の周波数成分を有する信号に基づく進行波と反射波との干渉では、空間上の位置と混合波の振幅との関係は時間的な変化を伴い、定在波とは異なる現象となる。
したがって、本願発明に係る距離測定装置は、定在波を利用した距離測定装置とは異なる物理現象を利用しており原理的に異なるものである。
【実施例１】
【００３１】
以下に、本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法の第１実施例の技術的概要を説明する。
（技術的概要１）
図１は、本願発明に係る距離測定装置の概略を説明するための説明図である。本願発明に係る距離測定装置は、信号源１から出力された信号（進行波ＶT）が、送信部２から波動として測定対象物６に送信され、ｋ番目の測定対象物６によって反射された反射波ＶRkと進行波ＶTとの混合波ＶCを、混合波検出部３で検出し、周波数成分分析部４で混合波の周波数成分（ａ（ｆ，ｘs））を分析し、距離演算部５で距離スペクトルＲ（ｘ）を演算し、測定対象物６までの距離を測定するものである。
【００３２】
信号源１は、特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を出力するものであり、常に２つ以上の周波数成分が含まれる信号を出力する。具体的な例として、信号源１を、それぞれが異なった単一周波数成分の信号を発振する単一周波数発振器の複数と、前記複数の単一周波数発振器から発振された単一周波数成分の信号を合成する加算器とから構成し、常に２つ以上の周波数成分を有する信号を信号源１から出力させる。また、信号源１が、単一周波数成分を発振する単一周波数発振器と、この単一周波数発振器から発振される信号に周波数変調や振幅変調等の所定の変調をかける変調器とから構成し、特定の帯域幅内で異なった周波数成分を有する信号を出力するようにしてもよい。さらに、特定の帯域幅内の周波数成分を出力する雑音源から構成することもできる。特定の帯域幅内の周波数成分を出力する雑音源としては、例えば、雑音源から出力される信号をバンドパスフィルタで特定の帯域内の信号のみを通過させることによって実現することができる。
【００３３】
送信部２は、信号源１から出力された信号を波動として送信するためのアンテナ（又は電極）等の双方向性素子である。信号源１と送信部２との間に混合波検出部３を配置する場合には、該送信部２が反射波を受信する役割を担ってもよい。前記送信部２は、前記信号源１から出力された周波数成分の波動を出力し、出力された波動が測定対象物６に送信される。
【００３４】
なお、本願発明における進行波ＶTとは前記送信部２から送信される波動、及び信号源１から出力される信号を示す。
したがって、信号源１からの信号と送信部２を経由して返ってきた反射波の信号との混合波を前記混合波検出部３で検出する場合は、信号源１からの信号が進行波ＶTとなる。
【００３５】
混合波検出部３は、前記進行波ＶTと前記反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するものである。この混合波検出部３は、信号源１と送信部２とをつなぐ給電線の途中に、信号源１から出力される進行波ＶTと送信部２を経由して返ってきた反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するための、方向性を持たない結合器を設けることによって構成することができる。また、進行波ＶTと反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するための受信用アンテナ（又は電極）を、送信部２と測定対象物６との間の空間に設け、混合波検出部３とすることもできる。
【００３６】
前記周波数成分分析部４は、前記混合波検出部３によって検出された混合波ＶCの周波数成分を分析するものである。複数のバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタからの出力レベルを検出するためのレベル検出器とによって、前記周波数成分分析部４を構成して、各周波数成分の大きさを分析することもできる。
また、前記混合波検出部３によって検出された混合波をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換器から出力された混合波のデジタル信号をフーリエ変換等の周波数成分分析を行い、各周波数成分の大きさ（絶対値）ａ（ｆ，ｘs）を演算するソフトウエアを組み込んだ信号処理器とによって構成することもできる。
なお、前記混合波検出部３によって検出された混合波を直接前記ＡＤ変換器に出力してもよいが、混合波検出部３とＡＤ変換器の間にダウンコンバータ８（図２参照）を設けて、周波数を下げてからＡＤ変換器に入力するように構成してもよい。ダウンコンバータ８は、既知のダウンコンバータであればよく、例えば、ダウンコンバートしたい周波数を発振する局部発振器８ａと、混合波検出部３によって検出された混合波ＶCと前記局部発振器８ａからの周期信号をミキシングするミキサ（周波数変換器）８ｂとによって構成し、所望の周波数にダウンコンバートしてもよい。
【００３７】
前記距離演算部５は、前記周波数成分分析部４によって分析されたデータをスペクトル解析して距離スペクトルを求め、この距離スペクトルの大きさを演算し、距離スペクトルの大きさのピークに基づいて測定対象物６までの距離を演算するものである。スペクトル解析の手法としては、フーリエ変換に代表されるノンパラメトリック手法、或いはＡＲモデリング等のパラメトリック手法等の適宜のスペクトル解析手法により解析する。
【００３８】
（測定原理１）
以下に、本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法について、図１及び図２を用いてその測定原理について説明する。
【００３９】
信号源１から出力される進行波が、ｆ0−ｆW／２〜ｆ0＋ｆW／２の帯域幅の周波数成分を有し、各周波数成分に対する振幅Ａ（ｆ），位相θ（ｆ）であるとき、測定開始からの経過時間ｔ、位置ｘにおける進行波ＶTは以下の数式（１）のように表される。
【数１】
ただし、ｆは周波数、ｃは光速、ｘ軸上の任意の一点をｘ＝０としている。
【００４０】
ｋ番目の測定対象物６の距離をｄk、速度をｖk、反射係数の大きさと位相をそれぞれγk，φkとすれば、その測定対象物６からの反射波ＶRkは以下の数式（２）のように表すことができる。ただし、ｋ＝１，２，…である。
【数２】
【００４１】
このとき、ｘ＝ｘsの位置にある混合波検出部３で観測される混合波の信号ＶCは、以下の数式（３）のように表される
【数３】
【００４２】
混合波検出部３で検出される混合波ＶCをバンドパスフィルタを通し各周波数成分に分解する。あるいは、図２に示すように、ＡＤ変換器によってデジタル信号に変換し（Ｓ１００）、このデジタル信号をフーリエ変換等による周波数成分分析によって各周波数成分に分解する（Ｓ１０１）。
分解された周波数ｆの成分ＶC（ｆ，ｔ，ｘs）は、数式（３）における被積分成分（積分の中身）であり、以下の数式（４）である。
【数４】
【００４３】
この分解された周波数ｆの成分の振幅は、以下の数式（５）で表される。
【数５】
ただし、現実的に反射波の大きさは非常に小さいと考えてよいので、γk≪１として近似している。
【００４４】
ここでｔを十分小さくすることにより、ｖkｔ≒０とみなすことができれば（後述するシミュレーションにあるように、観測時間ｔ＝３．５［μｓｅｃ］、速度ｖk＝３００［ｋｍ／ｈ］のときでも、ｖkｔ≒０．２９［ｍｍ］となり、ｖkｔ≒０とみなすことができる。）、以下の数式（６）のよう近似できる。
【数６】
【００４５】
ところで、Ａ（ｆ）は信号源１の周波数特性を表しており、容易に知ることができるので既知のものと考えてよい。Ａ（ｆ）が定数Ａとみなせる場合には、
【数７】
あるいは、Ａ（ｆ）が定数でない場合（例えば、雑音源を用いた場合）には、Ａ（ｆ）で数式（６）を正規化すれば、
【数８】
となる。
前記数式（７）の定数Ａの値は距離に関する情報を何ら持たない。そこで、Ａ＝１とすれば、数式（７）は数式（８）と同じになるので、以下、振幅を表す数式として（８）を用いる。
【００４６】
数式（８）は、周波数ｆに対してｃ／２（ｄk−ｘs）の周期を持つ周期関数となっているのがわかる。したがって、これを例えばフーリエ変換に代表されるノンパラメトリック手法、あるいはＡＲモデリング等のパラメトリック手法によりスペクトル解析をすれば、混合波検出部３から測定対象までの距離ｄk−ｘsが得られる。
【００４７】
以下に、フーリエ変換によって距離を演算する例を示す。
フーリエ変換公式
【数９】
において、ω／２πを２ｘ／ｃに、ｔをｆに、ｆ（ｔ）をａ（ｆ，ｘs）に置き換える。その結果、距離スペクトルＲ（ｘ）が次のように求められる（Ｓ１０３（図２参照））。
【数１０】
ただし、Ｓa（ｚ）＝ｓｉｎ（ｚ）／ｚ
である。
【００４８】
数式（１０）によれば、Ｒ（ｘ）の大きさ（距離スペクトルの強度）｜Ｒ（ｘ）｜は、ｘ＝０，±（ｄk−ｘs）でピークとなることがわかる。現実的に混合波検出部３から測定対象物６までの距離ｄk−ｘsは正であるから、ｘ＞０に限定すれば、｜Ｒ（ｘ）｜がピークとなるｘの値が、混合波検出部３と測定対象物６との距離ｄk−ｘsである。つまり、｜Ｒ（ｘ）｜の値がピークとなるｘを求めることによって、混合波検出部３から測定対象物６までの位置を求めることができる（Ｓ１０４（図２参照））。
【００４９】
以上のように本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法では、進行波と測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出しているので、進行波と反射波を分離する必要がなく、簡易な構造とすることができ低コストで小さな距離測定装置を得ることができる。
また、異なった複数の周波数成分を有する進行波とその反射波との混合波から距離スペクトルを求めることで、その大きさのピークとなる距離から測定対象物と混合波検出部との間の距離を求めることができる。
定在波を利用して測定対象物までの距離を測定するときには、進行波の周波数を切り替えてから定在波ができる時間よりも観測時間を短くすることが原理的にできないため、ドップラー効果の影響を受けてしまい測定誤差が発生するが、本願発明では原理的に周波数切り替えの概念がなく、故にドップラー効果の影響をほとんど無視できる程度にまで観測時間を短くすることが可能となり、正確な距離を測定することができる。
【００５０】
（シミュレーション１）
つぎに上述の測定原理１に基づいて、図２で示す距離測定装置でのシミュレーションを行う。
図２で示した距離測定装置は、信号源１が２４．０００ＧＨｚ〜２４．０７５ＧＨｚの成分を一様に含む信号を出力し、送信部２から前記帯域幅内の成分を一様に含む進行波ＶTを測定対象物６，…，６に送信する。そして、ｋ番目の測定対象物６によって反射された反射波ＶRkと進行波ＶTとの混合波ＶC（ｔ，０）を混合波検出部３で検出する。なお、混合波検出部３の位置は、ｘs＝０としている。そして、検出された混合波ＶCは、ダウンコンバータ８によって０〜７５ＭＨｚにダウンコンバートされる。ダウンコンバートされたＶCは、ＡＤ変換器によってデジタル信号に変換され（Ｓ１００）、デジタル信号に変換されたＶC（ｆ，ｔ，０）をフーリエ変換して各周波数成分に分解する（Ｓ１０１）。そして、各周波数成分の振幅を求めるために、各周波数成分に分解した混合波ＶC（ｆ，ｔ，０）の絶対値を算出した後に（Ｓ１０２）、正規化した振幅ａ（ｆ，０）を求める。この正規化した振幅ａ（ｆ，０）をスペクトル解析によって距離スペクトルＲ（ｘ）を求め（Ｓ１０３）、距離スペクトルＲ（ｘ）の大きさ（強度）のピークから測定対象物６の位置を算出する（Ｓ１０４）。なお、測定対象物６の速度が、距離測定装置から遠ざかる方向を正、距離測定装置に近づく方向を負とする。
【００５１】
図２で示した距離測定装置のシミュレーションでは、進行波と反射波との混合波を３．５μｓｅｃ間にわたり観測する（ｔ＝３．５［μｓｅｃ］とする）。
シミュレーションは、信号源から出力される２４．０００ＧＨｚ〜２４．０７５ＧＨｚの成分を一様に含む信号を進行波とし、数式（３）に基づいて混合波ＶC（ｔ，０）を計算する。そして、混合波ＶCと−２４ＧＨｚの複素正弦波を乗算し、ダウンコンバートされたＶCを得る。つまり、混合波ＶCは、０〜７５ＭＨｚにダウンコンバートされる。
そして、ダウンコンバートされたＶCをフーリエ変換し、その絶対値から数式（８）（ａ（ｆ，０））を求める。そして、数式（１０）に従い、ａ（ｆ，０）をフーリエ変換し、距離スペクトルＲ（ｘ）及び距離スペクトルの大きさ（｜Ｒ（ｘ）｜）を求める。
【００５２】
（シミュレーション１−１）
図３は、測定対象物６が混合波検出部３から距離１０ｍ、時速０ｋｍで静止しているときをシミュレーションしたグラフである。図３（ａ）は、ダウンコンバートされた混合波（進行波＋反射波）の時間波形であり、計測時間の各時刻における瞬時値を示したグラフである（ダウンコンバートされたＶC（ｔ，０）のグラフである）。図３（ｂ）は、数式（８）で示したａ（ｆ，０）のグラフであり、各周波数成分の正規化した振幅を示している。図３（ｃ）は、図３（ｂ）によって求められたａ（ｆ，０）をスペクトル解析して距離と距離スペクトルの大きさ｜Ｒ（ｘ）｜の関係を表したグラフである。図３（ｃ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離１０ｍで大きなピーク値となっている。このことから、静止している状態では正しい距離が測定できる。
【００５３】
（シミュレーション１−２）
図４は、測定対象物６が混合波検出部３から距離１０ｍ、時速＋３００ｋｍで移動しているときをシミュレーションしたグラフである。図４（ａ）は、ダウンコンバートされた混合波（進行波＋反射波）の時間波形であり、計測時間の各時刻における瞬時値を示したグラフである（ダウンコンバートされたＶC（ｔ，０）のグラフである）。図４（ｂ）は、数式（８）で示したａ（ｆ，０）のグラフであり、各周波数成分の正規化した振幅を示している。図４（ｃ）は、図４（ｂ）によって求められたａ（ｆ，０）をスペクトル解析して距離と距離スペクトルの大きさ｜Ｒ（ｘ）｜の関係を表したグラフである。図４（ｃ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離１０ｍで大きなピーク値となっている。このことから、測定対象物が＋３００ｋｍで移動しているときも、シミュレーション１−１と同様に正しい距離が測定できる。
【００５４】
（シミュレーション１−３）
図５は、測定対象物６が混合波検出部３から距離４０ｍ、時速−５０ｋｍで移動しているときをシミュレーションしたグラフである。図５（ａ）は、ダウンコンバートされた混合波（進行波＋反射波）の時間波形であり、計測時間の各時刻における瞬時値を示したグラフである（ダウンコンバートされたＶC（ｔ，０）のグラフである）。図５（ｂ）は、数式（８）で示したａ（ｆ，０）のグラフであり、各周波数成分の正規化した振幅を示している。図５（ｃ）は、図５（ｂ）によって求められたａ（ｆ，０）をスペクトル解析して距離と距離スペクトルの大きさ｜Ｒ（ｘ）｜の関係を表したグラフである。図５（ｃ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離４０ｍで大きなピーク値となっている。このことから、測定対象物との距離、移動速度及び移動方向が変わっても正しい距離が測定できることがわかる。
【００５５】
（シミュレーション１−４）
図６は、測定対象物６が２つあり、一方の測定対象物６が混合波検出部３から距離５ｍ、時速＋１００ｋｍで移動し、他方の測定対象物６が混合波検出部３から距離１２．５ｍ、時速−３００ｋｍで移動しているときをシミュレーションしたグラフである。図６（ａ）は、ダウンコンバートされた混合波（進行波＋反射波）の時間波形であり、計測時間の各時刻における瞬時値を示したグラフである（ダウンコンバートされたＶC（ｔ，０）のグラフである）。図６（ｂ）は、数式（８）で示したａ（ｆ，０）のグラフであり、各周波数成分の正規化した振幅を示している。図６（ｃ）は、図６（ｂ）によって求められたａ（ｆ，０）をスペクトル解析して距離と距離スペクトルの大きさ｜Ｒ（ｘ）｜の関係を表したグラフである。図６（ｃ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離５ｍと１２．５ｍで大きなピーク値となっている。このことから、測定対象物が複数であっても、正しい距離が測定できることがわかる。また、１０ｍ以下の近距離でも正しい距離を測定することができる。 さらに、定在波を利用した距離測定装置では、測定することが困難であった複数の測定対象物同士の距離が接近し、速度差が大きいときでも、各測定対象物の位置を正しく測定することができる。
【００５６】
前述のシミュレーション１−１〜１−４からもわかるように、測定対象物の速度にかかわらず、測定対象物の距離を測定することができる。さらに、複数の測定対象物同士の距離が接近し、速度差が大きいときでも各測定対象物の位置を正しく測定することができる。
【００５７】
上述の説明では、１つの混合波検出部３で混合波を検出しているが、図７に示すように、複数の混合波検出部３，…，３をそれぞれ異なった位置ｘs1，…，ｘsNに配置してもよい。このように複数の混合波検出部３，…，３から検出された混合波ＶCは、混合波検出部３毎にＡＤ変換器でＡＤ変換し（Ｓ１１０）、デジタル信号に変換された混合波の信号をフーリエ変換し（Ｓ１１１）、その絶対値を算出して混合波検出部３毎の振幅ａ（ｆ，ｘsi）（ｉは、１，２，…，Ｎ，…）を求める。そして、任意の２つの振幅（例えば、ａ（ｆ，ｘs1）とａ（ｆ，ｘs2））の差を取ることにより、不要な直流成分（数式（８）の第１項）を除去し（Ｓ１１３）、不要な直流成分を除去した振幅ａ（ｆ，ｘsi）毎にスペクトル解析し距離スペクトルを求め（Ｓ１１４）、各距離スペクトルの平均化をした後に（Ｓ１１５）、距離スペクトルの大きさのピークから測定対象物６までの距離を演算する（Ｓ１１６）。これらは、例えば、任意の２つの振幅の差を取って不要な直流成分を除去する直流成分除去手段と、複数の距離スペクトルの平均を演算する距離スペクトル平均化手段とを前記距離演算部５に備えさせることによって実現することができる。
したがって、複数の混合波検出部３を設け、図７に示すような信号処理器を構成した場合、不要な直流成分の除去を行うことができる。また、各振幅ａ（ｆ，ｘsi）から得られた距離スペクトルを平均化し、ノイズ成分を低減させ、より正確に距離を測定できる。
【実施例２】
【００５８】
つぎに、本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法の第２実施例の技術的概要を説明する。
（技術的概要２）
図８は、本願発明に係る距離測定装置の概略を説明するための説明図である。本願発明に係る距離測定装置は、信号源９から出力された信号が、送信部２から波動として測定対象物６に送信され、ｋ番目の測定対象物６によって反射された反射波ＶRkと進行波ＶTとの混合波ＶCを、混合波検出部３で検出し、振幅成分検出部１０で混合波の振幅成分（ａ（ｔ，ｘs））を検出し、距離演算部１１で距離スペクトルＲ（ｘ）を演算し、測定対象物６までの距離を測定するものである。
【００５９】
信号源９は、特定の周波数の搬送波を任意の周期信号で周波数変調した周波数変調信号を出力するものであり、常に２つ以上の周波数成分が含まれる信号を出力する。具体的な例として、信号源９を、図９に示すように、特定の周波数の搬送波信号を発信する搬送波信号源９ａと、この搬送波信号を任意の周期信号で変調する変調信号源９ｂとから構成し、この信号源９から周波数変調信号を出力させる。他の具体例として、マイクロプロセッサを備えた周波数変調信号生成手段（図示しない）と、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の周波数変調信号を出力するためのデータを記憶させた周波数変調信号記憶手段（図示しない）とによって構成し、該周波数変調信号記憶手段に記憶されているデータを、該周波数変調信号生成手段が読み出し、周波数変調信号を生成するようにしてもよい。
【００６０】
送信部２は、信号源９から出力された信号を波動として送信するためのアンテナ（又は電極）等の双方向性素子である。信号源９と送信部２との間に混合波検出部３を配置する場合には、該送信部２が反射波を受信する役割を担ってもよい。前記送信部２は、前記信号源９から出力された周波数成分の波動を出力し、出力された波動が測定対象物６に送信される。
【００６１】
なお、本願発明における進行波ＶTとは、前記送信部２から送信される波動、及び信号源９から出力される信号を示す。
したがって、信号源９からの信号と送信部２を経由して返ってきた反射波の信号との混合波を前記混合波検出部３で検出する場合は、信号源９からの信号が進行波ＶTとなる。
【００６２】
混合波検出部３は、前記進行波ＶTと前記反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するものである。この混合波検出部３は、信号源９と送信部２をつなぐ給電線の途中に、信号源９から出力される進行波ＶTと送信部２を経由して返ってきた反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するための、方向性を持たない結合器を設けることによって構成することもできる。また、進行波ＶTと反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するための受信用アンテナ（又は電極）を、送信部２と測定対象物６との間の空間に設け、混合波検出部３としてもよい。
【００６３】
振幅成分検出部１０は、前記混合波検出部３によって検出された混合波ＶCの振幅成分を検出するものであり、包絡線検波器、自乗検波器、同期検波器、直交検波器等の機器のいずれかによって構成される。
【００６４】
前記距離演算部１１は、振幅成分検出部１０によって検出された振幅成分をスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、この距離スペクトルの大きさを演算し、距離スペクトルの大きさのピークに基づいて測定対象物６までの距離を演算するものである。スペクトル解析の手法としては、フーリエ変換に代表されるノンパラメトリック手法、あるいはＡＲモデリング等のパラメトリック手法等の適宜のスペクトル解析手法により解析する。
【００６５】
（測定原理２）
以下に、本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法について、図８及び図９を用いてその測定原理について説明する。
【００６６】
信号源９が、周波数ｆ0の搬送波信号源９ａと、この搬送波信号源９ａの搬送波を変調する変調信号源９ｂとから構成されるとき、測定開始からの経過時間ｔ、位置ｘにおける進行波ＶTは、以下の数式（１１）で表されるような周波数変調された連続波となる。
【数１１】
【００６７】
ただし、ｔは測定開始からの経過時間、ｍ（ｔ）は変調信号であり、振幅が１の任意の周期関数である。周波数変調の最大周波数偏移はｆD、中心周波数はｆ0とする。したがって、進行波ＶT（ｔ，ｘ）の瞬時周波数はｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）である。また、ｃは光速、θは位相であり、ｘ軸上の任意の一点をｘ＝０としている。
ｋ番目の測定対象物６の距離をｄk、速度をｖk、反射係数の大きさと位相をそれぞれγk、φkとすれば、その測定対象物６からの反射波は、以下の数式（１２）のように表すことができる。ただし、ｋ＝１，２，…である。
【数１２】
【００６８】
このとき、ｘ＝ｘsの位置にある混合波検出部３で検出される混合波の信号ＶCは、以下の数式（１３）のように表される。
【数１３】
【００６９】
そして、ＶCの振幅は、以下の数式（１４）で表される。
【数１４】
【００７０】
現実的に反射波の大きさは非常に小さいと考えてよいのでγk≪１であり、γkの２次以上の項は、ほぼ０として無視し得る。したがって、以下の数式（１５）のように近似できる。
【数１５】
【００７１】
ここでｔを十分小さくすることにより、ｖkｔ≒０とみなすことができれば（後述するシミュレーションにあるように、観測時間ｔ＝２０［μｓｅｃ］、速度ｖkｔ＝３００［ｋｍ／ｈ］のときでも、ｖkｔ≒１．７［ｍｍ］となり、ｖkｔ≒０とみなすことができる。）、以下の数式（１６）のように近似でき、速度ｖkの影響を除去できる。
【数１６】
【００７２】
さらに、以下の数式（１７）
【数１７】
として近似すれば、数式（１６）は、以下の数式（１８）となる。
【数１８】
ただし、定数Ａは本願発明においては、何ら情報を持たないので、Ａ＝１とした。
【００７３】
さて、数式（１８）は、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）に対してｃ／２（ｄk−ｘs）の周期を持つ周期関数となっているのがわかる。したがってこれを、例えばフーリエ変換に代表されるノンパラメトリック手法、あるいはＡＲモデリング等のパラメトリック手法によりスペクトル解析すれば、混合波検出部３から測定対象物６までの距離ｄk−ｘsが得られる。
以下に、フーリエ変換によって距離を算出する例を示す。
フーリエ変換公式（９）において、ｆ（ｔ）をａ（ｔ，ｘs）とし、ω／２πに、ｔを瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）に置き換える。ｄｆ＝ｆD・ｄｍ（ｔ）となるので、距離スペクトルＲ（ｘ）が、以下の数式（１９）のように求められる。
【数１９】
ただし、Ｓa（ｚ）＝ｓｉｎ（ｚ）／ｚ
である。
【００７４】
数式（１９）によれば、Ｒ（ｘ）の大きさ（距離スペクトルの強度）｜Ｒ（ｘ）｜は、ｚ＝０、±（ｄk−ｘs）でピークとなることがわかる。現実的に混合波検出部３から測定対象物６までの距離ｄk−ｘsは正であるから、ｘ＞０に限定すれば、｜Ｒ（ｘ）｜がピークとなるｘの値が、求めるべき距離ｄk−ｘsである。
【００７５】
以上のように本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法では、進行波と測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出しているので、進行波と反射波を分離する必要がなく、簡易な構造とすることができ低コストで小さな距離測定装置を得ることができる。
また、異なった複数の周波数成分を有する進行波とその反射波との混合波から距離スペクトルを求めることで、その大きさのピークとなる距離から測定対象物と混合波検出部との間の距離を求めることができる。
定在波を利用して測定対象物までの距離を測定するときには、進行波の周波数を切り替えてから定在波ができる時間よりも観測時間を短くすることが原理的にできないため、ドップラー効果の影響を受けてしまい測定誤差が発生するが、本願発明では原理的に周波数切り替えの概念がなく、故にドップラー効果の影響をほとんど無視できる程度にまで観測時間を短くすることが可能となり、正確な距離を測定することができる。
【００７６】
（シミュレーション２）
つぎに上述の測定原理２に基づいて、図９で示す距離測定装置でのシミュレーションを行う。
図９で示した距離測定装置の信号源９は、周波数ｆ0＝２４．０３７５ＧＨｚの搬送波信号を出力する搬送波信号源９ａと、変調信号ｍ（ｔ）が周波数５０ｋＨｚの正弦波で、最大周波数偏移ｆD＝３７．５ＭＨｚの変調信号源９ｂとを備え、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の信号を出力する。そして、送信部２から数式（１１）で表される進行波ＶTが送信される。ｋ番目の測定対象物６によって反射された反射波ＶRkと、前記進行波ＶTとの混合波ＶC（ｔ，０）を混合波検出部３で検出する。混合波ＶCの観測は、変調信号ｍ（ｔ）の１周期にわたり行う。したがって、ｔ＝１／５０［ｋＨｚ］＝２０［μｓｅｃ］である。なお、混合波検出部３の位置は、ｘs＝０としている。また、測定対象物６の速度が、距離測定装置から遠ざかる方向を正、距離測定装置に近づく方向を負としている。
検出された混合波ＶCは、包絡線検波器によって包絡線検波を行い、混合波の振幅成分ａ（ｔ，０）を検出する（Ｓ１２０）。そして、混合波の振幅成分ａ（ｔ，０）を検出すると、ＡＤ変換器によってデジタル信号に変換する（Ｓ１２１）。そして、デジタル変換された振幅ａ（ｔ，０）をスペクトル解析し、距離スペクトルＲ（ｘ）を求める（Ｓ１２２）。そして、求めた距離スペクトルの大きさのピークから測定対象物６の位置を演算する（Ｓ１２３）。
【００７７】
（シミュレーション２−１）
図１０は、測定対象物６が混合波検出部３の位置から距離１０ｍ、時速０ｋｍで静止しているときをシミュレーションしたグラフである。図３（ａ）は、変調信号ｍ（ｔ）と混合波の振幅ａ（ｔ，０）を示したグラフである。これを基に、スペクトル解析をして距離スペクトルの大きさを示したものが図１０（ｂ）である。図１０（ｂ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離１０ｍで大きなピーク値となっている。このことから、静止している状態では数十ｍ以内の近距離であっても正しい距離が測定できる。
【００７８】
（シミュレーション２−２）
図１１は、測定対象物６が混合波検出部３の位置から距離１０ｍ、時速＋３００ｋｍで移動しているときをシミュレーションしたグラフである。図１１（ａ）は、変調信号ｍ（ｔ）と混合波の振幅ａ（ｔ，０）を示したグラフである。これを基に、スペクトル解析をして距離スペクトルの大きさを示したものが図１１（ｂ）である。図１１（ｂ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離１０ｍで大きなピーク値となっている。このことから、測定対象物が＋３００ｋｍで移動しているときも、シミュレーション２−１と同様に正しい距離が測定できる。
【００７９】
（シミュレーション２−３）
図１２は、測定対象物６が混合波検出部３の位置から距離４０ｍ、時速−５０ｋｍで移動しているときをシミュレーションしたグラフである。図１２（ａ）は、変調信号ｍ（ｔ）と混合波の振幅ａ（ｔ，０）を示したグラフである。これを基に、スペクトル解析をして距離スペクトルの大きさを示したものが図１２（ｂ）である。図１２（ｂ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離４０ｍで大きなピーク値となっている。このことから、測定対象物の距離、移動速度及び移動方向が変わっても正しい距離が測定できる。
【００８０】
（シミュレーション２−４）
図１３は、２つの測定対象物６，６を測定している。一方の測定対象物６は、混合波検出部３の位置から距離５ｍ、時速＋１００ｋｍで移動し、他方の測定対象物６は、混合波検出部３の位置から距離１２．５ｍ、時速−３００ｋｍで移動しているときをシミュレーションしたグラフである。図１３（ａ）は、変調信号ｍ（ｔ）と混合波の振幅ａ（ｔ，０）を示したグラフである。これを基に、スペクトル解析をして距離スペクトルの大きさを示したものが図１３（ｂ）である。図１３（ｂ）からもわかるように、距離スペクトルの大きさは、距離５ｍと１２．５ｍでそれぞれ大きなピーク値をとっている。このことから、測定対象物が複数であっても、正しい距離が測定できることがわかる。また、１０ｍ以下の近距離でも正しい距離を測定することができる。 さらに、定在波を利用した距離測定装置では、測定することが困難であった複数の測定対象物同士の距離が接近し、速度差が大きいときでも、各測定対象物の位置を正しく測定できる。
【００８１】
前述のシミュレーション２−１〜２−４からもわかるように、測定対象物の速度にかかわらず、測定対象物の距離を測定することができる。さらに、複数の測定対象物同士の距離が接近し、速度差が大きいときでも各測定対象物の位置を正しく測定することができる。
【００８２】
上述の説明では、１つの混合波検出部３で混合波を検出しているが、図１４に示すように、複数の混合波検出部３，…，３をそれぞれ異なった位置ｘs1，…，ｘsNに配置してもよい。このように複数の混合波検出部３，…，３から検出された混合波ＶCは、各混合波検出部３で検出された混合波ＶC毎に包絡線検波器によって包絡線を検波することで混合波の振幅成分（振幅ａ（ｔ，ｘsi）（ｉは、１，２，…，Ｎ，…））を検出し（Ｓ１３０）、検出された各振幅ａ（ｔ，ｘsi）をＡＤ変換器によってＡＤ変換し（Ｓ１３１）、デジタル信号に変換された各振幅のなかから任意の２つの振幅（例えば、ａ（ｔ，ｘs1）とａ（ｔ，ｘs2））の差を取ることにより、不要な直流成分（数式（８）の第１項）を除去し（Ｓ１３２）、不要な直流成分を除去した振幅ａ（ｔ，ｘsi）毎にスペクトル解析し距離スペクトルを求め（Ｓ１３３）、各距離スペクトルを平均化した後に（Ｓ１３４）、距離スペクトルの大きさのピークから測定対象物までの距離を演算する（Ｓ１３５）。これらは、例えば、任意の２つの振幅の差を取って不要な直流成分を除去する直流成分除去手段と、複数の距離スペクトルの平均を演算する距離スペクトル平均化手段とを前記距離演算部５に備えさせることによって実現することができる。なお、直流成分の除去をアナログ回路（差動増幅器など）で行い、その後にＡＤ変換を行ってもよい。
したがって、複数の混合波検出部３を設け、図１４に示すような信号処理器を構成した場合、不要な直流成分の除去を行うことができる。また、各振幅ａ（ｔ，ｘsi）から得られた距離スペクトルを平均化し、ノイズ成分を低減させ、より正確に距離を測定できる。
【実施例３】
【００８３】
以下に、本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法の第３実施例の技術的概要を説明する。
（技術的概要３）
図１５は、本願発明に係る距離測定装置の概略を説明するための説明図である。本願発明に係る距離測定装置は、信号源１３から出力された信号が、送信部２から波動として測定対象物６に送信され、ｋ番目の測定対象物６によって反射された反射波ＶRkと進行波ＶTとの混合波ＶCを混合波検出部３で検出し、この混合波ＶCを信号処理器１４で処理し、測定対象物６までの距離を求めるものである。信号処理器１４は、振幅成分検出部１５、単一周波数選択部１６、信号レベル検出部１７、距離演算部１８から構成し、前記振幅成分検出部１５で混合波の振幅成分（ａ（ｔ，ｘs））を検出し、前記単一周波数選択部１６で特定の周波数ｆBの成分のみの信号（Ｒ（ｘ（ｔ）））を選択し、選択した信号の信号レベル（｜Ｒ（ｘ（ｔ））｜）を前記信号レベル検出部１７で検出し、この信号レベルから測定対象物６までの距離を前記距離演算部１８で測定する。
【００８４】
信号源１３は、第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調した信号（二重変調信号）を出力するものであり、常に２つ以上の周波数成分が含まれる信号を出力するものである。
【００８５】
信号源１３の具体例としては、図１５に示すように、搬送波信号源１３ａと、第２変調信号源１３ｂと、第１変調信号源１３ｃとから信号源１３を構成する。前記第１変調信号源１３ｃは、特定の第１周期の第１変調信号ｘ（ｔ）を出力する。また、前記第２変調信号源１３ｂは、第２変調信号ｍ（ｔ）を出力するものであり、該第２変調信号ｍ（ｔ）は、第２変調信号源１３ｂで発振された特定の第２周期の周期信号を前記第１変調信号ｘ（ｔ）で周波数変調した信号である。前記搬送波信号源１３ａは、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の二重変調信号を出力するものであり、該搬送波信号源１３ａが発振した搬送波を前記第２変調信号ｍ（ｔ）で周波数変調する。
【００８６】
つまり、本願発明における信号源１３から出力される二重変調信号は、搬送波信号を第２変調信号ｍ（ｔ）で周波数変調したものであり、かつ、第２変調信号ｍ（ｔ）は第１変調信号ｘ（ｔ）で周波数変調したものである。よって、本願発明における二重変調信号は、搬送波信号を第２変調信号ｍ（ｔ）で周波数変調した後の信号を、第１変調信号ｘ（ｔ）で更に周波数変調したものでもなく、搬送波信号を第１変調信号ｘ（ｔ）で周波数変調した後の信号を、第２変調信号ｍ（ｔ）で更に周波数変調したものでもない。
【００８７】
また、他の信号源１３の具体例としては、図１６（ａ）に示すように、信号源１３を前記搬送波信号源１３ａ（搬送波生成手段）、第２変調信号生成手段１３ｄ、第２変調信号記憶手段１３ｅから構成する。前記第２変調信号記憶手段１３ｅは、第２変調信号ｍ（ｔ）を出力するためのデータを記憶し、前記第２変調信号生成手段１３ｄは、前記第２変調信号記憶手段１３ｅに記憶されているデータを読み出し、第２変調信号ｍ（ｔ）を出力する。そして、搬送波信号源１３ａは、特定の周波数の搬送波を発振し、この搬送波を前記第２変調信号ｍ（ｔ）で周波数変調し、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の二重変調信号を出力する。
前記第２変調信号生成手段１３ｄは、マイクロプロセッサ等によって構成されているが、予め記憶されているデータに基づいて第２変調信号を生成するだけなので、測定原理１及び２におけるフーリエ解析（周波数解析）で用いられるマイクロプロセッサに比べて低機能なプロセッサを使用することができ、低コストとすることができる。
【００８８】
さらに、図１６（ｂ）に示すように、マイクロプロセッサを備えた二重変調信号生成手段１３ｆと、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の二重変調信号を出力するためのデータを記憶させた二重変調信号記憶手段１３ｇとによって構成し、該二重変調信号記憶手段１３ｇに記憶されているデータを、該二重変調信号生成手段１３ｆが読み出し、二重変調信号を生成するようにしてもよい。
前記二重変調信号生成手段１３ｆもマイクロプロセッサを備えているが、フーリエ解析（周波数解析）で用いられるマイクロプロセッサより低機能なプロセッサを使用することができ、低コストとすることができる。
【００８９】
送信部２は、信号源１３から出力された信号を波動として送信するためのアンテナ（又は電極）等の双方向性素子である。信号源１３と送信部２との間に混合波検出部３を配置する場合には、該送信部２が反射波を受信する役割を担ってもよい。前記送信部２は、前記信号源１３から出力された周波数成分の波動を出力し、出力された波動が測定対象物６に送信される。
【００９０】
なお、本願発明における進行波ＶTとは前記送信部２から送信される波動、及び信号源１３から出力される信号を示す。
したがって、信号源１３からの信号と送信部２を経由して返ってきた反射波の信号との混合波を前記混合波検出部３で検出する場合は、信号源１３からの信号が進行波ＶTとなる。
【００９１】
混合波検出部３は、前記進行波ＶTと前記反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するものである。この混合波検出部３は、信号源１３と送信部２とをつなぐ給電線の途中に、信号源１３から出力される進行波ＶTと送信部２を経由して返ってきた反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するための、方向性を持たない結合器を設けることによって構成することができる。また、進行波ＶTと反射波ＶRkとの混合波ＶCを検出するための受信用アンテナ（又は電極）を送信部２と測定対象物６との間の空間に設け、混合波検出部３とすることもできる。
【００９２】
振幅成分検出部１５は、前記混合波検出部３によって検出された混合波ＶCの振幅成分を検出するものであり、包絡線検波器、自乗検波器、同期検波器、直交検波器等の機器のいずれかによって構成される。
【００９３】
前記単一周波数選択部１６は、前記振幅成分検出部１５によって検出された混合波ＶCの振幅成分の中から１つの周波数成分を選択するものであり、直交検波器やバンドパスフィルタ、マッチドフィルタ等の機器のいずれかによって構成される。
【００９４】
前記信号レベル検出部１７は、前記単一周波数選択部１６によって得られた信号のレベルを検出するものであり、包絡線検波器、自乗検波器等の機器のいずれかによって構成される。また、信号レベル検出部１７を、ＡＤ変換器、マイクロプロセッサ等によって構成し、前記単一周波数選択部１６からの出力信号をＡＤ変換し、マイクロプロセッサで信号レベルを演算することも可能である。
【００９５】
前記距離演算部１８は、前記信号レベル検出部１７によって検出された信号レベルのピークに基づいて測定対象物６までの距離を演算するものである。
【００９６】
（測定原理３）
以下に、本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法について、図１５〜図１９を用いてその測定原理を説明する。
【００９７】
信号源１３が、第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調して、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の二重変調信号を出力するとき、測定開始からの経過時間ｔ、位置ｘにおける進行波ＶTは、以下の数式（２０）で示す周波数変調された連続波となる。
【数２０】
【００９８】
ただし、ｔは測定開始からの経過時間、ｃは光速であり、Ａは振幅、θは位相、ｘ軸上の任意の一点をｘ＝０としている。また、ｍ（ｔ）は、第２変調信号であり、図１６及び以下の数式（２１）で示す鋸波とする。
【数２１】
ただし、[]は、その値を超えない最大の整数値を表す。ｍ（ｔ）は、図１６に示すように周波数ｆm、最小値−１、最大値＋１の鋸波である。
なお、図１６で示した鋸波の復帰時間は０であるが、復帰時間を有する鋸波（つまり、三角波）であってもよい。
【００９９】
ｘ（ｔ）は、ｍ（ｔ）の周波数ｆmを変化させるための第１変調信号であり、図１７及び以下の数式（２２）で表されるように、瞬時値が第１周期ＴでΔｘずつ増加する階段状（ステップ状の）の信号とする。
【数２２】
【０１００】
つまり、ｘ（ｔ）＝ＮΔｘ，（Ｎ＝１，２，…）のとき、ｍ（ｔ）の周波数ｆmが、以下の数式（２３）となるよう、ｍ（ｔ）を周波数変調する。
【数２３】
【０１０１】
なお、ｘ（ｔ）を特定の第１周期ＴでΔｘずつ増加する階段状の信号としているが、原理的にはｘ（ｔ）をΔｘずつ減少する階段状の信号としても同様である。以下では、ｘ（ｔ）をΔｘずつ増加する階段状の信号について説明する。
【０１０２】
自明なことであるが、第１変調信号の第１周期Ｔは、第２変調信号の鋸波の周期（繰り返し時間）より長い。また、第２変調信号の鋸波の周期は、搬送波の周期より長い。
【０１０３】
ｋ番目の測定対象物６の距離をｄk、速度をｖk、反射係数の大きさと位相をそれぞれγk，φkとすれば、その測定対象物６からの反射波ＶRkは、以下の数式（２４）のように表すことができる。ただし、ｋ＝１，２…である。
【数２４】
【０１０４】
このとき、ｘ＝ｘsの位置にある混合波検出部３で検出される混合波の信号ＶCは、以下の数式（２５）のように表される。
【数２５】
【０１０５】
そして、信号ＶCの振幅は以下の数式（２６）で表される。
【数２６】
【０１０６】
現実的に、反射波の大きさは非常に小さいと考えてよいので、γk≪１であり、γkの２次以上の項は、ほぼ０として無視し得る。したがって、以下の数式（２７）のように近似できる。
【数２７】
【０１０７】
ここで、ｔを十分小さくすることにより、ｖkｔ≒０とみなすことができれば、以下の数式（２８）のように近似でき、速度ｖkの影響を除去できる。
【数２８】
【０１０８】
さらに、以下の数式（２９）
【数２９】
として近似すれば、数式（２８）は、以下の数式（３０）となる。
【数３０】
ただし、定数Ａは本願発明においては、何ら情報を持たないので、Ａ＝１とした。
【０１０９】
ｘ（ｔ）＝ＮΔｘのとき、ｋ番目のその測定対象物６に対応する振幅成分ｆkは、ａ（ｔ，ｘs）の位相を微分して以下の数式（３１）のように求められる。
【数３１】
【０１１０】
ｘ（ｔ）＝ＮΔｘが測定対象物６と混合波検出部間の距離ｄk−ｘsに等しいとき、ｆkは以下の数式（３２）で与えられる周波数ｆBとなる。
【数３２】
【０１１１】
したがって、ａ（ｔ，ｘs）を直交検波器やバンドパスフィルタ等の単一周波数選択部１６を通し、周波数ｆBの成分のみを選択し、その信号レベルを検出すれば、ｘ（ｔ）＝ＮΔｘの距離に測定対象物６が存在するか否かを知ることができる。
【０１１２】
周波数ｆBの成分を選択するための単一周波数選択部１６として、直交検波器を用いる場合、ｘ（ｔ）＝ＮΔｘにおける直交検波出力Ｒ（ｘ（ｔ））は、以下の数式（３３）となる。
【数３３】
なお、直交検波出力Ｒ（ｘ（ｔ））を距離スペクトルと称す。
【０１１３】
距離スペクトルＲ（ｘ（ｔ））のレベル（大きさ）は、その絶対値で表される。つまり、｜Ｒ（ｘ（ｔ））｜は、以下の数式（３４）となる。
【数３４】
【０１１４】
以上のように本願発明に係る距離測定装置及び距離測定方法では、進行波と測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出しているので、進行波と反射波を分離する必要がなく、簡易な構造とすることができ低コストで小さな距離測定装置を得ることができる。
また、異なった複数の周波数成分を有する進行波とその反射波との混合波から距離スペクトルを求めることで、その大きさのピークとなる距離から測定対象物と混合波検出部との間の距離を求めることができる。
定在波を利用して測定対象物までの距離を測定するときには、進行波の周波数を切り替えてから定在波ができる時間よりも観測時間を短くすることが原理的にできないため、ドップラー効果の影響を受けてしまい測定誤差が発生するが、本願発明では原理的に周波数切り替えの概念がなく、故にドップラー効果の影響をほとんど無視できる程度にまで観測時間を短くすることが可能となり、正確な距離を測定することができる。
また、スペクトル解析を高速で実行可能なマイクロプロセッサ等を使用することなく、包絡線検波器、自乗検波器、同期検波器、直交検波器、バンドパスフィルタ、マッチドフィルタ等の機器で信号処理器を構成し、距離スペクトルの大きさ（信号レベル）を検出しているので、マイクロプロセッサ等を使用した信号処理器と略同じ処理速度の信号処理器を低コストで得ることができる。つまり、低コストでも、信号処理速度の速い距離測定装置を得ることができるようになる。
【０１１５】
（シミュレーション３）
つぎに上述の測定原理３に基づいて、図１９，２１で示す距離測定装置でのシミュレーションを行う。
このシミュレーションでは、図１９，２１に示すように、周波数ｆ0＝２４．１ＧＨｚの正弦波、最大周波数偏移ｆD＝３７．５ＭＨｚ、第１変調信号の変調周期Ｔ＝２０μｓｅｃ、第１変調信号の瞬時値の増加量Δｘ＝０．２ｍ、第２変調信号ｍ（ｔ）の周波数を決めるための定数η＝１／７５とし、瞬時周波数ｆ0＋ｆD・ｍ（ｔ）の信号を出力する。そして、送信部２から数式（２０）で表される進行波ＶTが送信される。ｋ番目の測定対象物６によって反射された反射波ＶRkと、前記進行波ＶTとの混合波ＶC（ｔ，０）を混合波検出部３で検出する。検出された混合波ＶCに基づいて、信号処理器１９（２４）は測定対象物６の位置を演算する。
【０１１６】
（シミュレーション３−１）
図１９は、信号処理器１９を振幅成分を検出するための包絡線検波器２０、周波数ｆB＝１ＭＨｚの成分のみを選択するための直交検波器２１、信号レベルを検出するレベル検出器２２、距離演算部２３から構成した距離測定装置の説明図である。
図２０は、２つの測定対象物６，６が、ｄ1＝１２ｍ、ｄ2＝２０ｍにそれぞれ位置し、ｄ1＝１２ｍに位置する測定対象物６の反射係数γ1＝０．０１、位相φ1＝πとし、ｄ2＝２０ｍに位置する測定対象物６の反射係数γ2＝０．０１、位相φ2＝πとし、シミュレーションをしたときの位置（ｘ（ｔ））と距離スペクトルの大きさ｜Ｒ（ｘ（ｔ））｜とを示したグラフである。図２０からも分かるように、距離スペクトルの大きさは、１２ｍと２０ｍでピークとなっている。このことから、マイクロプロセッサ等の代わりに直交検波器等を用いても、正しい距離が測定できる。
【０１１７】
（シミュレーション３−２）
図２１は、信号処理器２４を振幅成分検出用包絡線検波器２５、２つのバンドパスフィルタ２６ａ，２６ｂ、信号レベル検出用包絡線検波器２７、距離演算部２８とから構成した距離測定装置の説明図である。
図２２は、２つの測定対象物６，６が、ｄ1＝１２ｍ、ｄ2＝２０ｍにそれぞれ位置し、ｄ1＝１２ｍに位置する測定対象物６の反射係数γ1＝０．０１、位相φ1＝πとし、ｄ2＝２０ｍに位置する測定対象物６の反射係数γ2＝０．０１、位相φ2＝πとし、バンドパスフィルタは、選択する周波数ｆB＝１ＭＨｚ、Ｑ＝２０として、シミュレーションをしたときの位置（ｘ（ｔ））と距離スペクトルの大きさ｜Ｒ（ｘ（ｔ））｜とを示したグラフである。
図２２からも分かるように、距離スペクトルの大きさは、１２ｍと２０ｍでピークとなっている。このことから、マイクロプロセッサ等の代わりにバンドパスフィルタ等を用いても、正しい距離が測定できる。本例では２つのバンドパスフィルタを直列接続しているが，バンドパスフィルタの数は２に限定されるものではなく、当然ながら必要に応じて任意の数を用いることができる。
【０１１８】
なお、上述の説明では、１つの混合波検出部３で混合波を検出しているが、複数の混合波検出部３，…，３をそれぞれ異なった位置に配置し、それらから検出された混合波に基づいて距離スペクトルを求め、測定対象物６の位置を計測することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】第１実施形態の距離測定装置の概略を説明したブロック図である。
【図２】第１実施形態において、シミュレーションを行う距離測定装置の説明図である。
【図３】第１実施形態において、距離１０ｍ、時速０ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図４】第１実施形態において、距離１０ｍ、時速＋３００ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図５】第１実施形態において、距離４０ｍ、時速−５０ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図６】第１実施形態において、距離５ｍ、時速＋１００ｋｍ、及び距離１２．５ｍ、時速−３００ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図７】第１実施形態において、複数の混合波検出部を備えた距離測定装置の説明図である。
【図８】第２実施形態の距離測定装置の概略を説明したブロック図である。
【図９】第２実施形態において、シミュレーションを行う距離測定装置の説明図である。
【図１０】第２実施形態において、距離１０ｍ、時速０ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１１】第２実施形態において、距離１０ｍ、時速＋３００ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１２】第２実施形態において、距離４０ｍ、時速−５０ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１３】第２実施形態において、距離５ｍ、時速＋１００ｋｍ、及び距離１２．５ｍ、時速−３００ｋｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１４】第２実施形態において、複数の混合波検出部を備えた距離測定装置の説明図である。
【図１５】第３実施形態の距離測定装置の概略を説明したブロック図である。
【図１６】第３実施形態における信号源の別実施例を説明したブロック図である。
【図１７】第２変調信号の波形を説明したグラフである。
【図１８】第１変調信号の波形を説明したグラフである。
【図１９】第３実施形態において、直交検波器を用いた距離測定装置の説明図である。
【図２０】第３実施形態において、直交検波器を用いた距離測定装置で、距離１２ｍ、及び距離２０ｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図２１】第３実施形態において、バンドパスフィルタを用いた距離測定装置の説明図である。
【図２２】第３実施形態において、バンドパスフィルタを用いた距離測定装置で、距離１２ｍ、及び距離２０ｍの測定対象物の距離測定のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図２３】定在波を利用した距離測定装置における信号源の周波数についての説明図である。
【図２４】定在波を利用した距離測定装置におけるドップラー効果の影響を説明した図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 信号源
２ 送信部
３ 混合波検出部
４ 周波数成分分析部
５ 距離演算部
６ 測定対象物
７ 信号処理器
８ ダウンコンバータ
８ａ 局部発振器
８ｂ ミキサ
９ 信号源
９ａ 搬送波信号源
９ｂ 変調信号源
１０ 振幅成分検出部
１１ 距離演算部
１２ 信号処理器
１３ 信号源
１３ａ 搬送波信号源
１３ｂ 第２変調信号源
１３ｃ 第１変調信号源
１３ｄ 第２変調信号生成手段
１３ｅ 第２変調信号記憶手段
１３ｆ 二重変調信号生成手段
１３ｇ 二重変調信号記憶手段
１４ 信号処理器
１５ 振幅成分検出部
１６ 単一周波数選択部
１７ 信号レベル検出部
１８ 距離演算部
１９ 信号処理器
２０ 包絡線検波器
２１ 直交検波器
２２ レベル検出器
２３ 距離演算部
２４ 信号処理器
２５ 振幅成分検出用包絡線検波器
２６ バンドパスフィルタ
２７ 信号レベル検出用包絡線検波器
２８ 距離演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を出力する信号源と、
前記信号を波動として送信する送信部と、
前記送信部から送信された波動又は前記信号源から出力された信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が前記測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出する混合波検出部と、
前記混合波検出部により検出された混合波の周波数成分を分析する周波数成分分析部と、
前記周波数成分分析部によって分析されたデータをスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を演算する距離演算部と、
からなることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記信号源は、それぞれが異なった単一周波数成分を発振する単一周波数発振器の複数と、前記複数の単一周波数発振器から発振された信号を合成する加算器からなる請求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記信号源は、単一周波数成分を発振する単一周波数発振器と、前記単一周波数発振器から発振される信号に変調をかける変調器とからなる請求項１記載の距離測定装置。
【請求項４】
前記信号源は、前記特定の帯域幅内の周波数成分を出力する雑音源からなる請求項１記載の距離測定装置。
【請求項５】
前記周波数成分分析部は、前記混合波検出部により検出された混合波をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器からの出力データの周波数成分を分析し各周波数成分の大きさを演算する信号処理装置とからなる請求項１〜４のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項６】
前記周波数成分分析部は、複数のバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタの出力レベルを検出するレベル検出器とからなる請求項１〜４のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項７】
前記距離演算部は、前記周波数成分分析部によって分析されたデータをフーリエ解析することによって距離スペクトルを演算する請求項１〜６のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項８】
前記混合波検出部の複数を異なった位置に備えてなり、
前記周波数成分分析部は、前記混合波検出部により検出された混合波毎に周波数成分を分析してなり、
前記距離演算部は、得られた複数の混合波の周波数成分分析データを用いて距離スペクトルを演算する請求項１〜７のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項９】
測定対象物までの距離を測定する距離測定方法であって、
特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を波動として送信し、
前記送信した波動又は前記信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、
前記検出した混合波の周波数成分を分析し、
周波数成分分析によって分析されたデータをスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を演算することを特徴とする距離測定方法。
【請求項１０】
測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
特定の周波数の搬送波を任意の周期信号で周波数変調した周波数変調信号を出力する信号源と、
前記周波数変調信号を波動として送信する送信部と、
前記送信部から送信された波動又は前記信号源から出力された周波数変調信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出する混合波検出部と、
前記混合波検出部によって検出された混合波の振幅成分を検出する振幅成分検出部と、
前記振幅成分検出部によって検出された振幅成分をスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を演算する距離演算部と、
からなることを特徴とする距離測定装置。
【請求項１１】
前記距離演算部は、前記振幅成分検出部によって検出された振幅成分をフーリエ解析することによって距離スペクトルを演算する請求項１０記載の距離測定装置。
【請求項１２】
前記混合波検出部の複数を異なった位置に備えてなり、
前記振幅成分検出部は、前記混合波検出部により検出された混合波毎に振幅成分を検出してなり、
前記距離演算部は、得られた複数の混合波の振幅成分データを用いて距離スペクトルを演算する請求項１０又は１１に記載の距離測定装置。
【請求項１３】
測定対象物までの距離を測定する距離測定方法であって、
特定の周波数の搬送波を任意の周期信号で周波数変調した信号を波動として送信し、
前記送信された波動又は前記周波数変調した信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信された波動が前記測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、
検出した混合波の振幅成分を検出し、
前記振幅成分をスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を測定することを特徴とする距離測定方法。
【請求項１４】
測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調した二重変調信号を出力する信号源と、
前記二重変調信号を波動として送信する送信部と、
前記送信部から送信された波動又は前記信号源から出力された二重変調信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出する混合波検出部と、
前記混合波検出部によって検出された混合波の振幅成分を検出する振幅成分検出部と、
前記振幅成分検出部によって検出された振幅成分から特定の１つの周波数成分を選択する単一周波数選択部と、
前記単一周波数選択部で得られた信号のレベルを検出する信号レベル検出部と、
前記信号レベル検出部によって得られた信号レベルから測定対象物までの距離を演算する距離演算部とからなることを特徴とする距離測定装置。
【請求項１５】
前記信号源は、前記第１変調信号を生成する第１変調信号と、前記第１変調信号によって変調された前記第２変調信号と、前記搬送波のそれぞれを生成してなる、
又は、前記二重変調信号を予め記憶する二重変調信号記憶手段を備えてなる、
もしくは、前記第２変調信号を予め記憶する第２変調信号記憶手段と、前記搬送波を生成する搬送波生成手段とを備えてなる請求項１４記載の距離測定装置。
【請求項１６】
前記第１変調信号は、特定の第１周期で階段状に増加又は減少する波形を描いてなり、
前記第２変調信号は、前記第１周期より短い周期の鋸波を前記第１変調信号で変調したものである請求項１４記載又は１５記載の距離測定装置。
【請求項１７】
測定対象物までの距離を測定するための距離測定方法であって、
第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調した二重変調信号を波動として送信し、
前記送信された波動又は前記二重変調信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、
検出した混合波の振幅成分を検出し、
前記振幅成分から特定の１つの周波数成分を選択し、
選択された周波数成分の信号のレベルを検出し、
前記信号レベルから測定対象物までの距離を測定することを特徴とする距離測定方法。
【請求項１】
測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を出力する信号源と、
前記信号を波動として送信する送信部と、
前記送信部から送信された波動又は前記信号源から出力された信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が前記測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出する混合波検出部と、
前記混合波検出部により検出された混合波の周波数成分を分析する周波数成分分析部と、
前記周波数成分分析部によって分析されたデータをスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を演算する距離演算部と、
からなることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記信号源は、それぞれが異なった単一周波数成分を発振する単一周波数発振器の複数と、前記複数の単一周波数発振器から発振された信号を合成する加算器からなる請求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記信号源は、単一周波数成分を発振する単一周波数発振器と、前記単一周波数発振器から発振される信号に変調をかける変調器とからなる請求項１記載の距離測定装置。
【請求項４】
前記信号源は、前記特定の帯域幅内の周波数成分を出力する雑音源からなる請求項１記載の距離測定装置。
【請求項５】
前記周波数成分分析部は、前記混合波検出部により検出された混合波をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器からの出力データの周波数成分を分析し各周波数成分の大きさを演算する信号処理装置とからなる請求項１〜４のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項６】
前記周波数成分分析部は、複数のバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタの出力レベルを検出するレベル検出器とからなる請求項１〜４のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項７】
前記距離演算部は、前記周波数成分分析部によって分析されたデータをフーリエ解析することによって距離スペクトルを演算する請求項１〜６のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項８】
前記混合波検出部の複数を異なった位置に備えてなり、
前記周波数成分分析部は、前記混合波検出部により検出された混合波毎に周波数成分を分析してなり、
前記距離演算部は、得られた複数の混合波の周波数成分分析データを用いて距離スペクトルを演算する請求項１〜７のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項９】
測定対象物までの距離を測定する距離測定方法であって、
特定の帯域幅内において異なった複数の周波数成分を有する信号を波動として送信し、
前記送信した波動又は前記信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、
前記検出した混合波の周波数成分を分析し、
周波数成分分析によって分析されたデータをスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を演算することを特徴とする距離測定方法。
【請求項１０】
測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
特定の周波数の搬送波を任意の周期信号で周波数変調した周波数変調信号を出力する信号源と、
前記周波数変調信号を波動として送信する送信部と、
前記送信部から送信された波動又は前記信号源から出力された周波数変調信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出する混合波検出部と、
前記混合波検出部によって検出された混合波の振幅成分を検出する振幅成分検出部と、
前記振幅成分検出部によって検出された振幅成分をスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を演算する距離演算部と、
からなることを特徴とする距離測定装置。
【請求項１１】
前記距離演算部は、前記振幅成分検出部によって検出された振幅成分をフーリエ解析することによって距離スペクトルを演算する請求項１０記載の距離測定装置。
【請求項１２】
前記混合波検出部の複数を異なった位置に備えてなり、
前記振幅成分検出部は、前記混合波検出部により検出された混合波毎に振幅成分を検出してなり、
前記距離演算部は、得られた複数の混合波の振幅成分データを用いて距離スペクトルを演算する請求項１０又は１１に記載の距離測定装置。
【請求項１３】
測定対象物までの距離を測定する距離測定方法であって、
特定の周波数の搬送波を任意の周期信号で周波数変調した信号を波動として送信し、
前記送信された波動又は前記周波数変調した信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信された波動が前記測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、
検出した混合波の振幅成分を検出し、
前記振幅成分をスペクトル解析することによって距離スペクトルを求め、測定対象物までの距離を測定することを特徴とする距離測定方法。
【請求項１４】
測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調した二重変調信号を出力する信号源と、
前記二重変調信号を波動として送信する送信部と、
前記送信部から送信された波動又は前記信号源から出力された二重変調信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出する混合波検出部と、
前記混合波検出部によって検出された混合波の振幅成分を検出する振幅成分検出部と、
前記振幅成分検出部によって検出された振幅成分から特定の１つの周波数成分を選択する単一周波数選択部と、
前記単一周波数選択部で得られた信号のレベルを検出する信号レベル検出部と、
前記信号レベル検出部によって得られた信号レベルから測定対象物までの距離を演算する距離演算部とからなることを特徴とする距離測定装置。
【請求項１５】
前記信号源は、前記第１変調信号を生成する第１変調信号と、前記第１変調信号によって変調された前記第２変調信号と、前記搬送波のそれぞれを生成してなる、
又は、前記二重変調信号を予め記憶する二重変調信号記憶手段を備えてなる、
もしくは、前記第２変調信号を予め記憶する第２変調信号記憶手段と、前記搬送波を生成する搬送波生成手段とを備えてなる請求項１４記載の距離測定装置。
【請求項１６】
前記第１変調信号は、特定の第１周期で階段状に増加又は減少する波形を描いてなり、
前記第２変調信号は、前記第１周期より短い周期の鋸波を前記第１変調信号で変調したものである請求項１４記載又は１５記載の距離測定装置。
【請求項１７】
測定対象物までの距離を測定するための距離測定方法であって、
第１変調信号によって予め周波数変調された第２変調信号で特定の周波数の搬送波を二重に周波数変調した二重変調信号を波動として送信し、
前記送信された波動又は前記二重変調信号のいずれか一方からなる進行波と、前記送信部から送信された波動が測定対象物によって反射された反射波との混合波を検出し、
検出した混合波の振幅成分を検出し、
前記振幅成分から特定の１つの周波数成分を選択し、
選択された周波数成分の信号のレベルを検出し、
前記信号レベルから測定対象物までの距離を測定することを特徴とする距離測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２００７−９３５７６（Ｐ２００７−９３５７６Ａ）
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５４４８５（Ｐ２００６−５４４８５）
【出願日】平成１８年３月１日（２００６．３．１）
【出願人】（０００１７３７０６）財団法人雑賀技術研究所 (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１日（２００６．３．１）
【出願人】（０００１７３７０６）財団法人雑賀技術研究所 (11)
【Ｆターム（参考）】
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