距離測定装置及び距離測定方法
【課題】構造を簡単にして、２つの送受信装置の間の距離を測定する。
【解決手段】第１送受信装置から、第１基準信号Ｓ１に基づいて、第１基準信号の半周期毎に搬送波の周波数又は位相を変化させた第１状態Ａと第２状態Ｂを有した送信信号Ｓ５を第２送受信装置に向けて送信する。第２送受信装置において、第１送受信装置からの受信信号を復調して、第１状態と第２状態とを検出する。第１状態と第２状態との受信期間が等しくなる半周期の期間だけ、所定周波数の返送搬送波を第１送受信装置に向けて送信し、第１送受信装置において、送信信号Ｓ５を、第２送受信装置から受信した返送搬送波Ｓ６により復調して、復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態の期間のうち少なくとも一方の期間の長さに基づいて距離を求める。
【解決手段】第１送受信装置から、第１基準信号Ｓ１に基づいて、第１基準信号の半周期毎に搬送波の周波数又は位相を変化させた第１状態Ａと第２状態Ｂを有した送信信号Ｓ５を第２送受信装置に向けて送信する。第２送受信装置において、第１送受信装置からの受信信号を復調して、第１状態と第２状態とを検出する。第１状態と第２状態との受信期間が等しくなる半周期の期間だけ、所定周波数の返送搬送波を第１送受信装置に向けて送信し、第１送受信装置において、送信信号Ｓ５を、第２送受信装置から受信した返送搬送波Ｓ６により復調して、復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態の期間のうち少なくとも一方の期間の長さに基づいて距離を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの送受信装置の間で信号を送受信して、それら２つの送受信装置間の距離を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を反射する対象物までの距離を測定する装置として、特許文献１に記載の装置が知られている。この装置は、送受信装置と、反射対象物との間でフェーズロックドループを形成して、その時の同期周波数から距離を測定するものである。
また、本発明者により発明された、特許文献２、３のように、送受信装置を２個１組として、２つの送受信装置間でフェーズロックドループを形成し、数ＭＨｚ程度の矩形波を数百乃至数ＧＨｚの高周波搬送波に載せて当該数ＭＨｚ程度の矩形波の位相遅れを検出する装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９８３０６
【特許文献２】特開２００８−０３２５３５
【特許文献３】特開２００８−１２２２５５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示の方法は、送信信号と、その反射波の受信信号との間で、同期のかかる周波数を検出して、その周波数から、送信器と反射物間の距離を測定する方法である。周波数を、順次、変更して、同期する周波数を検出するのが困難であるという問題がある。また、特許文献２、３の方法では、２つの送受信装置間でフェーズロックドループを用いることから、回路構成が複雑になる。
そこで本発明の目的は、構造簡単にして、精度の高い距離測定装置及び距離測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明は、第１送受信装置及び第２送受信装置から成り、第１送受信装置と第２送受信装置との間の距離を測定する距離測定装置において、第１送受信装置は、第２送受信装置に向けて信号を送信する第１送信アンテナと、第２送受信装置から信号を受信する第１受信アンテナと、所定の基準周波数の第１基準信号を出力する第１基準発振器と、第１基準発振器の出力する第１基準信号に基づいて、第１基準信号の半周期毎に搬送波の周波数又は位相を変化させた第１状態と第２状態を有した送信信号を第１送信アンテナに出力する変調器と、第１受信アンテナにより受信した受信信号により変調器の出力する送信信号を復調する第１復調器と、第１復調器により復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態の期間のうち少なくとも一方の期間の長さに基づいて距離を求める距離演算装置と、を有し、第２送受信装置は、第１送受信装置から送信された信号を受信し、第１送受信装置に向けて信号を送信する第２アンテナと、第２アンテナから受信された受信信号から第１状態と第２状態とを復調する第２復調器と、第２復調器の出力する信号が第１状態と第２状態の受信期間が等しくなるように、周波数と位相の制御された第２基準信号を出力する第２基準発振器と、所定周波数の返送搬送波を出力する返送搬送波発振器と、第２基準発振器の出力する第２基準信号の半周期毎に、第２アンテナの受信信号を第２復調器に出力し、搬送波発振器の出力する返送搬送波を第２アンテナに出力するように、第２アンテナを信号の受信と送信とを切り換える切換器と、を有することを特徴とする距離測定装置である。
【０００６】
尚、本発明において、第１送受信装置の第１送信アンテナと第１受信アンテナは必ずしも独立したアンテナとする必要は無い。例えば、サーキュレータ又はデュプレクサを用いることで、送受信兼用のアンテナを１つずつ、第１の送受信装置に設ける構成としても良い。第２送受信装置の第２アンテナは、送信と受信が切り換えられる１本のアンテナで構成される。変調器、第１復調器、第２復調器、搬送波発振器、第１基準発振器、第２基準発振器は、必要により、増幅器を含む。なお、第１復調器により復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態とは、送信信号における第１状態の周波数又は位相と、第２状態の周波数又は位相と、一致していても良いし、一致していなくとも良い。送信信号が２値を変調した信号であるから、返送搬送波で送信信号を復調した信号は、周波数又は位相について２値の状態が得られる。
【０００７】
本発明において、第１送受信装置の変調器の出力する送信信号の第１状態と第２状態とは、搬送波の周波数を異ならせたＦＳＫ変調や、搬送波の位相を異ならせたＰＳＫ変調を用いることができる。
【０００８】
第２の発明は、第１送受信装置から信号を第２送受信装置に送信し、第２送受信装置から信号を第１送受信装置に送信して、第１送受信装置において、送信信号と受信信号に基づいて第１送受信装置と第２送受信装置との間の距離を測定する距離測定方法において、第１送受信装置から、第１基準信号に基づいて、第１基準信号の半周期毎に搬送波の周波数又は位相を変化させた第１状態と第２状態を有した送信信号を第２送受信装置に向けて送信し、第２送受信装置において、第１送受信装置からの受信信号を復調して、第１状態と第２状態とを検出し、第１状態と第２状態の受信期間が等しくなる半周期の期間だけ、所定周波数の返送搬送波を第１送受信装置に向けて送信し、第１送受信装置において、送信信号を、第２送受信装置から受信した返送搬送波により復調して、復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態の期間のうち少なくとも一方の期間の長さに基づいて距離を求める距離測定方法である。なお、第１送受信装置において、送信信号が返送搬送波により復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態とは、送信信号における第１状態の周波数又は位相と、第２状態の周波数又は位相と、一致していても良いし、一致していなくとも良い。送信信号が２値を変調した信号であるから、返送搬送波で送信信号を復調した信号は、周波数又は位相について２値の状態が得られる。この２値の状態の期間の長さのうち、少なくとも一方の期間の長さにより、距離を測定することができる。もちろん、２つの状態のそれぞれの期間の長さから求められたそれぞれの距離の平均値を、求めるべき距離としても良い。また、後述するように、それぞれの期間の差の絶対値から距離を求めることもできる。
【０００９】
本方法発明においても、第１送受信装置の変調器の出力する送信信号の第１状態と第２状態とは、搬送波の周波数を異ならせたＦＳＫ変調や、搬送波の位相を異ならせたＰＳＫ変調を用いることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、第１送受信装置から第２送受信装置への送信信号は、第１基準信号の半周期毎に搬送波の周波数又は位相を変化させた第１状態と第２状態を有した信号である。この送信信号は、第２送受信装置において、復調されて、第１状態と第２状態とが検出される。そして、第１状態と第２状態の受信期間が等しくなる半周期の期間だけ、所定周波数の返送搬送波が、第２送受信装置から第１送受信装置に向けて送信される。第１送受信装置においては、第１送受信装置からの送信信号が、第２送受信装置から受信した返送搬送波により復調される。そして、復調された信号における第１状態又は第２状態の期間の長さに基づいて距離が求められる。このように、本発明では、第１送受信装置の第１状態と第２状態の受信期間が等しくなる半周期の期間が、第１送受信装置と第２送受信装置の往復の伝送路長を電磁波が伝搬するのに必要な伝搬時間だけ遅延した期間において、返送搬送波が第１送受信装置において受信される。したがって、遅延時間＋１周期／４だけ先行する第２状態とこれに続く第１状態とから成る送信信号の返送搬送波による復調により、第２状態と第１状態の復調である異なる２つの状態が検出される。この時、異なる２つの状態において、遅延時間が長くなる程、第２状態に対応する状態の期間が短く、第１状態に対応する状態の期間が長くなる。この２つの状態の期間のうち、少なくとも一方の期間の長さから、第１送受信装置と第２送受信装置との間の距離を求めることができる。また、復調した後の第１状態の期間と第２状態の期間の平均値から距離を求めることができる。これらの場合には、第１状態の期間の長さ、すなわち、半周期の期間が測定値に含まれているので、この半周期の期間だけ測定値を補正する必要がある。また、復調した後の第１状態の期間と第２状態の期間との差の絶対値により、距離を求めることができる。この場合には、それぞれの測定値に含まれる半周期の期間は相殺されるので、より正確に距離を求めることができる。なお、復調した後の第１状態を、期間の長い方を状態として定義すれば、差の絶対値ではなく、第１状態の期間から第２状態の期間を減じた値により、距離を求めることができる。このようにして、第１基準信号に同期した遅延信号を得ることができることから、距離を正確に測定することができる。
【００１１】
第１の発明においては、第２送受信装置は、受信と送信とを切り換える共通のアンテナを用いているので構造が簡単となる。また、切換器を用いて、第２送受信装置で受信された信号の第１状態と第２状態の受信期間が等しくなるように、第２基準信号の周波数と位相が制御されることから、簡単な構造で、第１送受信装置で生成される第１基準信号の第２送受信装置における受信信号に対して１周期／４の遅延をもって同期をとることができる。そして、この第２基準信号に同期して、第１状態と第２状態の受信期間が等しくなる半周期の期間において、返送搬送波が出力される。これにより、構造を簡単にして、正確な距離を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係る距離測定装置の第１送受信装置の構成図。
【図２】実施例１に係る距離測定装置の第１送受信装置の構成図。
【図３】実施例１に係る距離測定装置の動作を説明するためのタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、ブロック図を用いて本発明の具体的な実施例を説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
図１は、第１送受信装置１００の構成図である。第１基準発振器１０は、１ＭＨｚの方形波の第１基準信号Ｓ１を発振する発振器である。この第１基準信号Ｓ１は、ゲート回路であるトランジスタＴｒ1 のベース端子に入力し、第１基準信号Ｓ１のインバータ１１による反転第１基準信号Ｓ２は、ゲート回路であるトランジスタＴｒ２のベース端子に入力している。第１正弦波発振器１２は、２０ＭＨｚの正弦波の第１変調信号Ｓ３を発振する発振器である。また、第２正弦波発振器１３は、１２０ＭＨｚの正弦波の第２変調信号Ｓ４を発振する発振器である。第１変調信号Ｓ３は、トランジスタＴｒ１のコレクタ端子に入力し、第２変調信号Ｓ４は、トランジスタＴｒ２のコレクタ端子に入力している。トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２のエミッタは、変調器１５の変調信号入力端子に接続されている。変調器１５の搬送波入力端子には、搬送波発振器１４の出力する１８０ＭＨｚの正弦波である搬送波が入力している。
【００１５】
トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２とは、第１基準信号Ｓ１の半周期毎に、交互に、オンオフする。したがって、変調器１５の変調信号入力端子には、第１基準信号Ｓ１の半周期毎に、２０ＭＨｚの第１変調信号Ｓ３と、１２０ＭＨｚの第２変調信号Ｓ４とが、交互に、入力することになる。変調器１５は、マルチプレクサ、すなわち、振幅変調器、周波数シフタであり、上側帯波、すなわち、搬送波と変調信号との加算周波数の信号だけを分別するバンドパスフィルタを内在している。よって、変調器１５の出力する送信信号Ｓ５は、１ＭＨｚの第１基準信号Ｓ１の半周期毎に、２００ＭＨｚ（＝１８０＋２０ＭＨｚ）と、３００ＭＨｚ（＝１８０＋１２０ＭＨｚ）の正弦波となる。この送信信号Ｓ５は、送信増幅器１６により増幅されて、第１送信アンテナ１７より、電磁波として、第２送受信装置２００に向けて放射される。送信信号Ｓ５は、図３（ｂ）に示すように、１ＭＨｚの半周期毎に、周波数が２００ＭＨｚの第１状態Ａと、周波数が３００ＭＨｚの第２状態Ｂとの２状態を、交互に繰り返す信号となる。
【００１６】
以上が、第１送受信装置１００の送信系統の構成及び作用である。次に、第１送受信装置１００の受信系統の構成について説明する。第１受信アンテナ２０は、第２送受信装置２００からの返送搬送波を受信するアンテナである。第１受信アンテナ２０で受信された信号は、受信増幅器２１で増幅され、受信信号Ｓ６として、第２復調器２２に入力される。第２復調器２２の復調搬送波入力端子には、変調器１５の出力する送信信号Ｓ５が入力している。第２復調器２２の出力信号Ｓ７は、増幅器２３で増幅されて、バンドパスフィルタ２４に入力して、第１状態に対応した信号のみが抽出される。バンドパスフィルタ２４の出力信号は、包絡線検波器２５で方形波に波形整形される。そして、波形整形後の信号は積分器２６に入力して、多数周期の平均値として、第１状態の期間が出力される。この期間に基づいて、第１送受信装置１００と第２送受信装置２００との距離が求められる。距離演算装置は、バンドパスフィルタ２４、包絡線検波器２５、タイマ２６で構成されている。受信系統の作用については、第１受信アンテナ２０で受信される信号の形態が明らかになる第２送受信装置２００の説明の後で説明する。
【００１７】
図２は、第２送受信装置２００の構成を示したブロック図である。第１送受信装置１００の第１送信アンテナ１７から放射された信号は、第２アンテナ４０で受信される。第２アンテナ４０の出力信号は、切換器４１に入力している。切換器４１は、第２基準発振器４２の出力する１ＭＨｚの方形波である第２基準信号Ｓ１０の半周期毎に、第２アンテナ４０の出力する信号を、受信端子Ｒと、送信端子Ｓとに、通過させるように切り換え制御する。
【００１８】
第２アンテナ４０で受信された信号Ｓ９は、図３（ｃ）に示すように、切換器４１の受信端子Ｒを介して、増幅器４６に入力し、増幅器４６の出力する信号Ｓ１１は、第２復調器４７に入力している。また、第２復調器４７の復調搬送波入力端子には、返送搬送波発振器４８の発振する１８０ＭＨｚの正弦波である返送搬送波Ｓ１２が入力している。また、第２復調器４７の出力は、２０ＭＨｚ帯域のみの信号を抽出するバンドパスフィルタ４９と、１２０ＭＨｚ帯域のみの信号を抽出するバンドパスフィルタ５０とに入力している。そして、バンドパスフィルタ４９の出力信号Ｓ１４は、増幅器５１で増幅されて、第１検波回路５３に入力している。バンドパスフィルタ５０の出力信号Ｓ１５は、増幅器５２で増幅されて、第２検波回路５４に入力している。バンドパスフィルタ４９の出力信号Ｓ１４は、２０ＭＨｚの正弦波であり、第１状態Ａの復調であるから、上記の第１状態Ａに対応した状態を示している。また、バンドパスフィルタ５０の出力信号Ｓ１５は、１２０ＭＨｚの正弦波であり、第２状態Ｂの復調であるから、上記の第２状態Ｂに対応した状態を示している。これらの出力信号Ｓ１４、Ｓ１５は、１ＭＨｚの半周期の中だけ現れる。第１検波回路５３、第２検波回路５４は、正弦波の包絡線を検波して、図３（ａ）のような方形波にして出力する回路である。第１検波回路５３の出力は第１積分回路５６に入力し、第２検波回路５４の出力は第２積分回路５７に入力している。第１積分回路５６と第２積分回路５７は、共に、方形波を積分して、平均された直流レベルとする回路である。第１積分回路５６と第２積分回路５７の出力は、比較器５８の非反転入力端子、反転入力端子に、それぞれ、入力している。比較器５８の出力する制御信号Ｓ１６は、増幅器５９を介して、中心周波数１ＭＨｚを発信する発振器を内在した電圧制御発振器４３に入力している。
【００１９】
第２基準発振器４２は、電圧制御発振器４３とその出力を方形波に変換する２値化回路４４とから成る。電圧制御発振器４３は、比較器５８から出力される制御信号Ｓ１６の電圧レベルに応じて、１ＭＨｚの基準信号の位相と周波数を制御する装置である。すなわち、比較器５８の出力する制御信号Ｓ１６の電圧レベルが零となるように、電圧制御発振器４３の出力する信号の周波数と位相とが制御されることになる。そして、電圧制御発振器４３の出力する正弦波に同期した方形波が２値化回路４４により得られる。２値化回路４４の出力が、第２基準信号Ｓ１０となる。したがって、第２基準信号Ｓ１０は、第２送受信装置２００で受信された状態の第１基準信号に対して、Ｔ／２の時間遅れをもって同期することになる。ただし、Ｔは、図３（ａ）に示すように、第１基準信号Ｓ１の半周期の長さである。
【００２０】
また、返送搬送発振器４８の出力する返送搬送波Ｓ１２は、増幅器５５で増幅されて、切換器４１の送信端子Ｓを介して、第２アンテナ４０から、電波として、第１送受信装置１００に向けて放射される。
【００２１】
第２基準信号Ｓ１０は、図３（ｄ）に示すように、１ＭＨｚの半周期を受信期間とし、受信信号のその半周期において第１状態と第２状態との期間が等しくなるタイミングで立ち上がる方形波の信号である。第２基準信号Ｓ１０は、周波数と位相とがフィードバック制御されているので、この受信期間において、復調後の２０ＭＨｚの第１状態と１２０ＭＨｚの第２状態の期間の長さが等しくなる状態で、周波数と位相とが安定する。この状態において、第２復調器４７の入力信号Ｓ１１は、図３（ｅ）に示すように、１ＭＨｚの正確に１周期／４（Ｔ／２）の第１状態である２００ＭＨｚと、これに続く正確に１周期／４（Ｔ／２）の第２状態である３００ＭＨｚの正弦波となる。したがって、バンドパスフィルタ４９の出力信号Ｓ１４は、図３（ｆ）に示すように、１ＭＨｚの正確に１周期／４（Ｔ／２）だけ２０ＭＨｚの正弦波となる。また、バンドパスフィルタ５０の出力信号Ｓ１５は、図３（ｇ）に示すように、１ＭＨｚの正確に１周期／４（Ｔ／２）だけ１２０ＭＨｚの正弦波となる。この第１状態の立ち上がり時刻ｔ３は、図３（ａ）に示す、第１送受信装置１００における第１基準信号Ｓ１の立ち上がり時刻ｔ１に対して、Δｔ１＋Ｔ／２だけ遅延する。Δｔ１は、第１送受信装置１００から第２送受信装置２００までの電波の遅延時間となる。
【００２２】
切換器４１が、送信端子Ｓに切り換えられた１ＭＨｚの半周期の送信期間だけ、図３（ｈ）に示すように、１８０ＭＨｚの正弦波である返送搬送波Ｓ１２が、第２アンテナ４０から第１送受信装置１００に向けて放射される。
【００２３】
この返送搬送波Ｓ１２は、図１に示す第１送受信装置１００の第１受信アンテナ２０により受信される。そして、第１復調器２２に入力する受信信号Ｓ６は、図３（ｉ）に示すように、この受信信号Ｓ６の立ち上がり時刻ｔ５は、第２送受信装置２００において、送信される返送搬送波１２の立ち上がり時刻ｔ４より、Δｔ２だけ遅延する。この遅延時間Δｔ２は、第２送受信装置２００から第１送受信装置１００までの電波の伝搬遅延時間である。
【００２４】
次に、この１８０ＭＨｚの正弦波の受信信号Ｓ６は、第１送受信装置１００における送信信号Ｓ５を復調搬送波として、第１復調器２２において、復調される。したがって、第１復調器２２の出力のうち低域の側帯波（すなわち、差周波数）だけ抽出すると、第１復調器２２の出力信号Ｓ７は、図３（ｊ）に示すように、２０ＭＨｚと１２０ＭＨｚの正弦波が、１ＭＨｚの半周期において、期間を分けて現れる信号となる。２００ＭＨｚの第１状態Ａの送信信号で復調された期間は、２０ＭＨｚの第１状態Ａとなり、３００ＭＨｚの第２状態Ｂの送信信号で復調された期間は、１２０ＭＨｚの第２状態Ｂとなる。
【００２５】
今、仮に、伝搬遅延時間Δｔ１とΔｔ２が零であるとする。すると、第１復調器２２は、１周期／４（Ｔ／２）の期間において、３００ＭＨｚの第２状態Ｂと、この期間に続く、１周期／４（Ｔ／２）の期間において、２００ＭＨｚの第１状態Ａにある送信信号を送信する期間において、１８０ＭＨｚの返送搬送波を入力することになる。したがって、第１復調器２２の出力信号Ｓ７は、１ＭＨｚの半周期において、１周期／４（Ｔ／２）の期間、１２０ＭＨｚの第２状態Ｂとなり、この期間に続く１周期／４（Ｔ／２）の期間、２０ＭＨｚの第１状態Ａとなる。第１復調器２２の出力信号Ｓ７において、第１状態Ａの期間長ΔＴａは、次式で表される。
【数１】
ただし、Δｔ１＋Δｔ２は、往復の伝搬遅延時間である。
また、第２状態Ｂの期間長ΔＴｂは、次式で表される。
【数２】
【００２６】
そこで、バンドパスフィルタ２４を、第１状態Ａの２０ＭＨｚ帯域のみを検出するフィルタとする。すると、包絡線検波器２５による出力信号Ｓ９は、図３（ｋ）に示すように、第１状態Ａの期間長ΔＴａだけＨレベルとなる信号となる。そして、１ＭＨｚの周期で繰り返して出力される出力信号Ｓ９を積分器２６により積分して、平均化された直流レベルをある。この直流レベルＭが、（１）式のΔＴａに比例している。したがって、次式が成立する。
【数３】
また、第１送受信装置１００と第２送受信装置２００との間の距離Ｌは、次式で得られる。
【数４】
Ｔは、既知の値（０．５μｓ）であるので、積分器２６の出力値Ｍから、第１送受信装置１００と第２送受信装置２００との間の距離Ｌを求めることができる。ただし、ｃは高速度である。これらの演算はコンピュータにより実施できる。したがって、距離演算装置は、コンピュータを含むものである。
【００２７】
また、バンドパスフィルタ２４を第２状態Ｂの１２０ＭＨｚ帯域のみを検出するフィルタにすると、包絡線検波器２５による出力信号Ｓ９は、第２状態Ｂの期間長ΔＴｂだけＨレベルとなる信号となる。したがって、ΔＴｂは、（２）式で表されるので、距離Ｌは次式で表される。
【数５】
したがって、積分器２６の出力値Ｍから、（５）式により、距離Ｌを求めることができる。
【００２８】
また、バンドパスフィルタ２４を、２０ＭＨｚの第１状態Ａと１２０ＭＨｚの第２状態Ｂとの２つの状態を、それぞれ、検出する２台のフィルタとして、それぞれの出力を積分する２つの積分器を設けるとすると、上記の手法により、それぞれ、距離が求めれる。この２つの方法で求めた距離の相加平均値を、第１送受信装置１００と第２受信装置２００との間の距離とすることができる。
【００２９】
さらに、バンドパスフィルタ２４を、２０ＭＨｚの第１状態Ａと１２０ＭＨｚの第２状態Ｂとの２つの状態を、それぞれ、検出する場合には、次のように、Ｔを介在させることなく、次式により、距離Ｌを求めることができる。ただし、第１状態Ａの期間の長さを検出する積分器２６の出力値をＭ１、第２状態Ｂの期間の長さを検出する積分器２６の出力値をＭ２とする。
【数６】
よって、
【数７】
このように、往復距離Ｌは、積分器の出力値をＭ１とＭ２の差だけで、求めることができる。上記において、ΔＴａ≧ΔＴｂである。この関係を満たすように、第１状態と第２状態とが定義れる。また、測定可能な最大距離では、ΔＴａ＝Ｔ、ΔＴｂ＝０となる。したがって、（６）式より、測定可能最大往復距離ＬMAX は、次式で表される。
【数８】
【数９】
すなわち、往復の伝搬遅延時間Δｔ１＋Δｔ２が、第１基準信号の１周期の１／４、すなわち、Ｔ／２となる範囲までである。Ｌは、第１送受信装置と第２送受信装置間の往復距離として定義しているので、実際の距離Ｌ／２の測定可能最大値は、片道の遅延時間が、第１基準信号の１周期の１／８、すなわち、Ｔ／４までの範囲である。第１基準信号の周波数を１ＭＨｚとすると、７５ｍまで、測定可能となる。
【００３０】
上記実施例では、第１状態Ａと第２状態Ｂとは、１ＭＨｚの第１基準信号の半周期毎に、周波数を変化させたＦＳＫ変調が用いられている。これを、周波数は一定で、１ＭＨｚの第１基準信号の半周期毎に、位相をπだけ変化させた、ＢＰＳＫ変調を用いても良い。
【００３１】
第２送受信装置が複数存在する場合には、第２送受信装置毎に、第１状態と第２状態と返送搬送波の周波数を、異なる値に設定すれば良い。このようにすれば、第２送受信装置が複数存在しても、それぞれの距離を測定することができる。第１送受信装置は、第２送受信装置に対して、一対一に対応させて用いても良いし、１台の第１送受信装置だけ用いて、タイムシャーリングにより、異なる第２送受信装置に対して、異なる周波数で、送信及び受信して、距離を測定しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、第１送受信装置をリーダとし、第２送受信装置をタグとするような、移動体における距離、位置を求めるのに用いることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１００…第１送受信装置
２００…第２送受信装置
１２…第１正弦波発振器
１３…第２正弦波発振器
１４…搬送波発振器
１５…変調器
２２…第１復調器
４１…切換器
４２…第２基準発振器
４７…第２復調器
４８…返送搬送波発振器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの送受信装置の間で信号を送受信して、それら２つの送受信装置間の距離を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を反射する対象物までの距離を測定する装置として、特許文献１に記載の装置が知られている。この装置は、送受信装置と、反射対象物との間でフェーズロックドループを形成して、その時の同期周波数から距離を測定するものである。
また、本発明者により発明された、特許文献２、３のように、送受信装置を２個１組として、２つの送受信装置間でフェーズロックドループを形成し、数ＭＨｚ程度の矩形波を数百乃至数ＧＨｚの高周波搬送波に載せて当該数ＭＨｚ程度の矩形波の位相遅れを検出する装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９８３０６
【特許文献２】特開２００８−０３２５３５
【特許文献３】特開２００８−１２２２５５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示の方法は、送信信号と、その反射波の受信信号との間で、同期のかかる周波数を検出して、その周波数から、送信器と反射物間の距離を測定する方法である。周波数を、順次、変更して、同期する周波数を検出するのが困難であるという問題がある。また、特許文献２、３の方法では、２つの送受信装置間でフェーズロックドループを用いることから、回路構成が複雑になる。
そこで本発明の目的は、構造簡単にして、精度の高い距離測定装置及び距離測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明は、第１送受信装置及び第２送受信装置から成り、第１送受信装置と第２送受信装置との間の距離を測定する距離測定装置において、第１送受信装置は、第２送受信装置に向けて信号を送信する第１送信アンテナと、第２送受信装置から信号を受信する第１受信アンテナと、所定の基準周波数の第１基準信号を出力する第１基準発振器と、第１基準発振器の出力する第１基準信号に基づいて、第１基準信号の半周期毎に搬送波の周波数又は位相を変化させた第１状態と第２状態を有した送信信号を第１送信アンテナに出力する変調器と、第１受信アンテナにより受信した受信信号により変調器の出力する送信信号を復調する第１復調器と、第１復調器により復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態の期間のうち少なくとも一方の期間の長さに基づいて距離を求める距離演算装置と、を有し、第２送受信装置は、第１送受信装置から送信された信号を受信し、第１送受信装置に向けて信号を送信する第２アンテナと、第２アンテナから受信された受信信号から第１状態と第２状態とを復調する第２復調器と、第２復調器の出力する信号が第１状態と第２状態の受信期間が等しくなるように、周波数と位相の制御された第２基準信号を出力する第２基準発振器と、所定周波数の返送搬送波を出力する返送搬送波発振器と、第２基準発振器の出力する第２基準信号の半周期毎に、第２アンテナの受信信号を第２復調器に出力し、搬送波発振器の出力する返送搬送波を第２アンテナに出力するように、第２アンテナを信号の受信と送信とを切り換える切換器と、を有することを特徴とする距離測定装置である。
【０００６】
尚、本発明において、第１送受信装置の第１送信アンテナと第１受信アンテナは必ずしも独立したアンテナとする必要は無い。例えば、サーキュレータ又はデュプレクサを用いることで、送受信兼用のアンテナを１つずつ、第１の送受信装置に設ける構成としても良い。第２送受信装置の第２アンテナは、送信と受信が切り換えられる１本のアンテナで構成される。変調器、第１復調器、第２復調器、搬送波発振器、第１基準発振器、第２基準発振器は、必要により、増幅器を含む。なお、第１復調器により復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態とは、送信信号における第１状態の周波数又は位相と、第２状態の周波数又は位相と、一致していても良いし、一致していなくとも良い。送信信号が２値を変調した信号であるから、返送搬送波で送信信号を復調した信号は、周波数又は位相について２値の状態が得られる。
【０００７】
本発明において、第１送受信装置の変調器の出力する送信信号の第１状態と第２状態とは、搬送波の周波数を異ならせたＦＳＫ変調や、搬送波の位相を異ならせたＰＳＫ変調を用いることができる。
【０００８】
第２の発明は、第１送受信装置から信号を第２送受信装置に送信し、第２送受信装置から信号を第１送受信装置に送信して、第１送受信装置において、送信信号と受信信号に基づいて第１送受信装置と第２送受信装置との間の距離を測定する距離測定方法において、第１送受信装置から、第１基準信号に基づいて、第１基準信号の半周期毎に搬送波の周波数又は位相を変化させた第１状態と第２状態を有した送信信号を第２送受信装置に向けて送信し、第２送受信装置において、第１送受信装置からの受信信号を復調して、第１状態と第２状態とを検出し、第１状態と第２状態の受信期間が等しくなる半周期の期間だけ、所定周波数の返送搬送波を第１送受信装置に向けて送信し、第１送受信装置において、送信信号を、第２送受信装置から受信した返送搬送波により復調して、復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態の期間のうち少なくとも一方の期間の長さに基づいて距離を求める距離測定方法である。なお、第１送受信装置において、送信信号が返送搬送波により復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態とは、送信信号における第１状態の周波数又は位相と、第２状態の周波数又は位相と、一致していても良いし、一致していなくとも良い。送信信号が２値を変調した信号であるから、返送搬送波で送信信号を復調した信号は、周波数又は位相について２値の状態が得られる。この２値の状態の期間の長さのうち、少なくとも一方の期間の長さにより、距離を測定することができる。もちろん、２つの状態のそれぞれの期間の長さから求められたそれぞれの距離の平均値を、求めるべき距離としても良い。また、後述するように、それぞれの期間の差の絶対値から距離を求めることもできる。
【０００９】
本方法発明においても、第１送受信装置の変調器の出力する送信信号の第１状態と第２状態とは、搬送波の周波数を異ならせたＦＳＫ変調や、搬送波の位相を異ならせたＰＳＫ変調を用いることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、第１送受信装置から第２送受信装置への送信信号は、第１基準信号の半周期毎に搬送波の周波数又は位相を変化させた第１状態と第２状態を有した信号である。この送信信号は、第２送受信装置において、復調されて、第１状態と第２状態とが検出される。そして、第１状態と第２状態の受信期間が等しくなる半周期の期間だけ、所定周波数の返送搬送波が、第２送受信装置から第１送受信装置に向けて送信される。第１送受信装置においては、第１送受信装置からの送信信号が、第２送受信装置から受信した返送搬送波により復調される。そして、復調された信号における第１状態又は第２状態の期間の長さに基づいて距離が求められる。このように、本発明では、第１送受信装置の第１状態と第２状態の受信期間が等しくなる半周期の期間が、第１送受信装置と第２送受信装置の往復の伝送路長を電磁波が伝搬するのに必要な伝搬時間だけ遅延した期間において、返送搬送波が第１送受信装置において受信される。したがって、遅延時間＋１周期／４だけ先行する第２状態とこれに続く第１状態とから成る送信信号の返送搬送波による復調により、第２状態と第１状態の復調である異なる２つの状態が検出される。この時、異なる２つの状態において、遅延時間が長くなる程、第２状態に対応する状態の期間が短く、第１状態に対応する状態の期間が長くなる。この２つの状態の期間のうち、少なくとも一方の期間の長さから、第１送受信装置と第２送受信装置との間の距離を求めることができる。また、復調した後の第１状態の期間と第２状態の期間の平均値から距離を求めることができる。これらの場合には、第１状態の期間の長さ、すなわち、半周期の期間が測定値に含まれているので、この半周期の期間だけ測定値を補正する必要がある。また、復調した後の第１状態の期間と第２状態の期間との差の絶対値により、距離を求めることができる。この場合には、それぞれの測定値に含まれる半周期の期間は相殺されるので、より正確に距離を求めることができる。なお、復調した後の第１状態を、期間の長い方を状態として定義すれば、差の絶対値ではなく、第１状態の期間から第２状態の期間を減じた値により、距離を求めることができる。このようにして、第１基準信号に同期した遅延信号を得ることができることから、距離を正確に測定することができる。
【００１１】
第１の発明においては、第２送受信装置は、受信と送信とを切り換える共通のアンテナを用いているので構造が簡単となる。また、切換器を用いて、第２送受信装置で受信された信号の第１状態と第２状態の受信期間が等しくなるように、第２基準信号の周波数と位相が制御されることから、簡単な構造で、第１送受信装置で生成される第１基準信号の第２送受信装置における受信信号に対して１周期／４の遅延をもって同期をとることができる。そして、この第２基準信号に同期して、第１状態と第２状態の受信期間が等しくなる半周期の期間において、返送搬送波が出力される。これにより、構造を簡単にして、正確な距離を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係る距離測定装置の第１送受信装置の構成図。
【図２】実施例１に係る距離測定装置の第１送受信装置の構成図。
【図３】実施例１に係る距離測定装置の動作を説明するためのタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、ブロック図を用いて本発明の具体的な実施例を説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
図１は、第１送受信装置１００の構成図である。第１基準発振器１０は、１ＭＨｚの方形波の第１基準信号Ｓ１を発振する発振器である。この第１基準信号Ｓ１は、ゲート回路であるトランジスタＴｒ1 のベース端子に入力し、第１基準信号Ｓ１のインバータ１１による反転第１基準信号Ｓ２は、ゲート回路であるトランジスタＴｒ２のベース端子に入力している。第１正弦波発振器１２は、２０ＭＨｚの正弦波の第１変調信号Ｓ３を発振する発振器である。また、第２正弦波発振器１３は、１２０ＭＨｚの正弦波の第２変調信号Ｓ４を発振する発振器である。第１変調信号Ｓ３は、トランジスタＴｒ１のコレクタ端子に入力し、第２変調信号Ｓ４は、トランジスタＴｒ２のコレクタ端子に入力している。トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２のエミッタは、変調器１５の変調信号入力端子に接続されている。変調器１５の搬送波入力端子には、搬送波発振器１４の出力する１８０ＭＨｚの正弦波である搬送波が入力している。
【００１５】
トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２とは、第１基準信号Ｓ１の半周期毎に、交互に、オンオフする。したがって、変調器１５の変調信号入力端子には、第１基準信号Ｓ１の半周期毎に、２０ＭＨｚの第１変調信号Ｓ３と、１２０ＭＨｚの第２変調信号Ｓ４とが、交互に、入力することになる。変調器１５は、マルチプレクサ、すなわち、振幅変調器、周波数シフタであり、上側帯波、すなわち、搬送波と変調信号との加算周波数の信号だけを分別するバンドパスフィルタを内在している。よって、変調器１５の出力する送信信号Ｓ５は、１ＭＨｚの第１基準信号Ｓ１の半周期毎に、２００ＭＨｚ（＝１８０＋２０ＭＨｚ）と、３００ＭＨｚ（＝１８０＋１２０ＭＨｚ）の正弦波となる。この送信信号Ｓ５は、送信増幅器１６により増幅されて、第１送信アンテナ１７より、電磁波として、第２送受信装置２００に向けて放射される。送信信号Ｓ５は、図３（ｂ）に示すように、１ＭＨｚの半周期毎に、周波数が２００ＭＨｚの第１状態Ａと、周波数が３００ＭＨｚの第２状態Ｂとの２状態を、交互に繰り返す信号となる。
【００１６】
以上が、第１送受信装置１００の送信系統の構成及び作用である。次に、第１送受信装置１００の受信系統の構成について説明する。第１受信アンテナ２０は、第２送受信装置２００からの返送搬送波を受信するアンテナである。第１受信アンテナ２０で受信された信号は、受信増幅器２１で増幅され、受信信号Ｓ６として、第２復調器２２に入力される。第２復調器２２の復調搬送波入力端子には、変調器１５の出力する送信信号Ｓ５が入力している。第２復調器２２の出力信号Ｓ７は、増幅器２３で増幅されて、バンドパスフィルタ２４に入力して、第１状態に対応した信号のみが抽出される。バンドパスフィルタ２４の出力信号は、包絡線検波器２５で方形波に波形整形される。そして、波形整形後の信号は積分器２６に入力して、多数周期の平均値として、第１状態の期間が出力される。この期間に基づいて、第１送受信装置１００と第２送受信装置２００との距離が求められる。距離演算装置は、バンドパスフィルタ２４、包絡線検波器２５、タイマ２６で構成されている。受信系統の作用については、第１受信アンテナ２０で受信される信号の形態が明らかになる第２送受信装置２００の説明の後で説明する。
【００１７】
図２は、第２送受信装置２００の構成を示したブロック図である。第１送受信装置１００の第１送信アンテナ１７から放射された信号は、第２アンテナ４０で受信される。第２アンテナ４０の出力信号は、切換器４１に入力している。切換器４１は、第２基準発振器４２の出力する１ＭＨｚの方形波である第２基準信号Ｓ１０の半周期毎に、第２アンテナ４０の出力する信号を、受信端子Ｒと、送信端子Ｓとに、通過させるように切り換え制御する。
【００１８】
第２アンテナ４０で受信された信号Ｓ９は、図３（ｃ）に示すように、切換器４１の受信端子Ｒを介して、増幅器４６に入力し、増幅器４６の出力する信号Ｓ１１は、第２復調器４７に入力している。また、第２復調器４７の復調搬送波入力端子には、返送搬送波発振器４８の発振する１８０ＭＨｚの正弦波である返送搬送波Ｓ１２が入力している。また、第２復調器４７の出力は、２０ＭＨｚ帯域のみの信号を抽出するバンドパスフィルタ４９と、１２０ＭＨｚ帯域のみの信号を抽出するバンドパスフィルタ５０とに入力している。そして、バンドパスフィルタ４９の出力信号Ｓ１４は、増幅器５１で増幅されて、第１検波回路５３に入力している。バンドパスフィルタ５０の出力信号Ｓ１５は、増幅器５２で増幅されて、第２検波回路５４に入力している。バンドパスフィルタ４９の出力信号Ｓ１４は、２０ＭＨｚの正弦波であり、第１状態Ａの復調であるから、上記の第１状態Ａに対応した状態を示している。また、バンドパスフィルタ５０の出力信号Ｓ１５は、１２０ＭＨｚの正弦波であり、第２状態Ｂの復調であるから、上記の第２状態Ｂに対応した状態を示している。これらの出力信号Ｓ１４、Ｓ１５は、１ＭＨｚの半周期の中だけ現れる。第１検波回路５３、第２検波回路５４は、正弦波の包絡線を検波して、図３（ａ）のような方形波にして出力する回路である。第１検波回路５３の出力は第１積分回路５６に入力し、第２検波回路５４の出力は第２積分回路５７に入力している。第１積分回路５６と第２積分回路５７は、共に、方形波を積分して、平均された直流レベルとする回路である。第１積分回路５６と第２積分回路５７の出力は、比較器５８の非反転入力端子、反転入力端子に、それぞれ、入力している。比較器５８の出力する制御信号Ｓ１６は、増幅器５９を介して、中心周波数１ＭＨｚを発信する発振器を内在した電圧制御発振器４３に入力している。
【００１９】
第２基準発振器４２は、電圧制御発振器４３とその出力を方形波に変換する２値化回路４４とから成る。電圧制御発振器４３は、比較器５８から出力される制御信号Ｓ１６の電圧レベルに応じて、１ＭＨｚの基準信号の位相と周波数を制御する装置である。すなわち、比較器５８の出力する制御信号Ｓ１６の電圧レベルが零となるように、電圧制御発振器４３の出力する信号の周波数と位相とが制御されることになる。そして、電圧制御発振器４３の出力する正弦波に同期した方形波が２値化回路４４により得られる。２値化回路４４の出力が、第２基準信号Ｓ１０となる。したがって、第２基準信号Ｓ１０は、第２送受信装置２００で受信された状態の第１基準信号に対して、Ｔ／２の時間遅れをもって同期することになる。ただし、Ｔは、図３（ａ）に示すように、第１基準信号Ｓ１の半周期の長さである。
【００２０】
また、返送搬送発振器４８の出力する返送搬送波Ｓ１２は、増幅器５５で増幅されて、切換器４１の送信端子Ｓを介して、第２アンテナ４０から、電波として、第１送受信装置１００に向けて放射される。
【００２１】
第２基準信号Ｓ１０は、図３（ｄ）に示すように、１ＭＨｚの半周期を受信期間とし、受信信号のその半周期において第１状態と第２状態との期間が等しくなるタイミングで立ち上がる方形波の信号である。第２基準信号Ｓ１０は、周波数と位相とがフィードバック制御されているので、この受信期間において、復調後の２０ＭＨｚの第１状態と１２０ＭＨｚの第２状態の期間の長さが等しくなる状態で、周波数と位相とが安定する。この状態において、第２復調器４７の入力信号Ｓ１１は、図３（ｅ）に示すように、１ＭＨｚの正確に１周期／４（Ｔ／２）の第１状態である２００ＭＨｚと、これに続く正確に１周期／４（Ｔ／２）の第２状態である３００ＭＨｚの正弦波となる。したがって、バンドパスフィルタ４９の出力信号Ｓ１４は、図３（ｆ）に示すように、１ＭＨｚの正確に１周期／４（Ｔ／２）だけ２０ＭＨｚの正弦波となる。また、バンドパスフィルタ５０の出力信号Ｓ１５は、図３（ｇ）に示すように、１ＭＨｚの正確に１周期／４（Ｔ／２）だけ１２０ＭＨｚの正弦波となる。この第１状態の立ち上がり時刻ｔ３は、図３（ａ）に示す、第１送受信装置１００における第１基準信号Ｓ１の立ち上がり時刻ｔ１に対して、Δｔ１＋Ｔ／２だけ遅延する。Δｔ１は、第１送受信装置１００から第２送受信装置２００までの電波の遅延時間となる。
【００２２】
切換器４１が、送信端子Ｓに切り換えられた１ＭＨｚの半周期の送信期間だけ、図３（ｈ）に示すように、１８０ＭＨｚの正弦波である返送搬送波Ｓ１２が、第２アンテナ４０から第１送受信装置１００に向けて放射される。
【００２３】
この返送搬送波Ｓ１２は、図１に示す第１送受信装置１００の第１受信アンテナ２０により受信される。そして、第１復調器２２に入力する受信信号Ｓ６は、図３（ｉ）に示すように、この受信信号Ｓ６の立ち上がり時刻ｔ５は、第２送受信装置２００において、送信される返送搬送波１２の立ち上がり時刻ｔ４より、Δｔ２だけ遅延する。この遅延時間Δｔ２は、第２送受信装置２００から第１送受信装置１００までの電波の伝搬遅延時間である。
【００２４】
次に、この１８０ＭＨｚの正弦波の受信信号Ｓ６は、第１送受信装置１００における送信信号Ｓ５を復調搬送波として、第１復調器２２において、復調される。したがって、第１復調器２２の出力のうち低域の側帯波（すなわち、差周波数）だけ抽出すると、第１復調器２２の出力信号Ｓ７は、図３（ｊ）に示すように、２０ＭＨｚと１２０ＭＨｚの正弦波が、１ＭＨｚの半周期において、期間を分けて現れる信号となる。２００ＭＨｚの第１状態Ａの送信信号で復調された期間は、２０ＭＨｚの第１状態Ａとなり、３００ＭＨｚの第２状態Ｂの送信信号で復調された期間は、１２０ＭＨｚの第２状態Ｂとなる。
【００２５】
今、仮に、伝搬遅延時間Δｔ１とΔｔ２が零であるとする。すると、第１復調器２２は、１周期／４（Ｔ／２）の期間において、３００ＭＨｚの第２状態Ｂと、この期間に続く、１周期／４（Ｔ／２）の期間において、２００ＭＨｚの第１状態Ａにある送信信号を送信する期間において、１８０ＭＨｚの返送搬送波を入力することになる。したがって、第１復調器２２の出力信号Ｓ７は、１ＭＨｚの半周期において、１周期／４（Ｔ／２）の期間、１２０ＭＨｚの第２状態Ｂとなり、この期間に続く１周期／４（Ｔ／２）の期間、２０ＭＨｚの第１状態Ａとなる。第１復調器２２の出力信号Ｓ７において、第１状態Ａの期間長ΔＴａは、次式で表される。
【数１】
ただし、Δｔ１＋Δｔ２は、往復の伝搬遅延時間である。
また、第２状態Ｂの期間長ΔＴｂは、次式で表される。
【数２】
【００２６】
そこで、バンドパスフィルタ２４を、第１状態Ａの２０ＭＨｚ帯域のみを検出するフィルタとする。すると、包絡線検波器２５による出力信号Ｓ９は、図３（ｋ）に示すように、第１状態Ａの期間長ΔＴａだけＨレベルとなる信号となる。そして、１ＭＨｚの周期で繰り返して出力される出力信号Ｓ９を積分器２６により積分して、平均化された直流レベルをある。この直流レベルＭが、（１）式のΔＴａに比例している。したがって、次式が成立する。
【数３】
また、第１送受信装置１００と第２送受信装置２００との間の距離Ｌは、次式で得られる。
【数４】
Ｔは、既知の値（０．５μｓ）であるので、積分器２６の出力値Ｍから、第１送受信装置１００と第２送受信装置２００との間の距離Ｌを求めることができる。ただし、ｃは高速度である。これらの演算はコンピュータにより実施できる。したがって、距離演算装置は、コンピュータを含むものである。
【００２７】
また、バンドパスフィルタ２４を第２状態Ｂの１２０ＭＨｚ帯域のみを検出するフィルタにすると、包絡線検波器２５による出力信号Ｓ９は、第２状態Ｂの期間長ΔＴｂだけＨレベルとなる信号となる。したがって、ΔＴｂは、（２）式で表されるので、距離Ｌは次式で表される。
【数５】
したがって、積分器２６の出力値Ｍから、（５）式により、距離Ｌを求めることができる。
【００２８】
また、バンドパスフィルタ２４を、２０ＭＨｚの第１状態Ａと１２０ＭＨｚの第２状態Ｂとの２つの状態を、それぞれ、検出する２台のフィルタとして、それぞれの出力を積分する２つの積分器を設けるとすると、上記の手法により、それぞれ、距離が求めれる。この２つの方法で求めた距離の相加平均値を、第１送受信装置１００と第２受信装置２００との間の距離とすることができる。
【００２９】
さらに、バンドパスフィルタ２４を、２０ＭＨｚの第１状態Ａと１２０ＭＨｚの第２状態Ｂとの２つの状態を、それぞれ、検出する場合には、次のように、Ｔを介在させることなく、次式により、距離Ｌを求めることができる。ただし、第１状態Ａの期間の長さを検出する積分器２６の出力値をＭ１、第２状態Ｂの期間の長さを検出する積分器２６の出力値をＭ２とする。
【数６】
よって、
【数７】
このように、往復距離Ｌは、積分器の出力値をＭ１とＭ２の差だけで、求めることができる。上記において、ΔＴａ≧ΔＴｂである。この関係を満たすように、第１状態と第２状態とが定義れる。また、測定可能な最大距離では、ΔＴａ＝Ｔ、ΔＴｂ＝０となる。したがって、（６）式より、測定可能最大往復距離ＬMAX は、次式で表される。
【数８】
【数９】
すなわち、往復の伝搬遅延時間Δｔ１＋Δｔ２が、第１基準信号の１周期の１／４、すなわち、Ｔ／２となる範囲までである。Ｌは、第１送受信装置と第２送受信装置間の往復距離として定義しているので、実際の距離Ｌ／２の測定可能最大値は、片道の遅延時間が、第１基準信号の１周期の１／８、すなわち、Ｔ／４までの範囲である。第１基準信号の周波数を１ＭＨｚとすると、７５ｍまで、測定可能となる。
【００３０】
上記実施例では、第１状態Ａと第２状態Ｂとは、１ＭＨｚの第１基準信号の半周期毎に、周波数を変化させたＦＳＫ変調が用いられている。これを、周波数は一定で、１ＭＨｚの第１基準信号の半周期毎に、位相をπだけ変化させた、ＢＰＳＫ変調を用いても良い。
【００３１】
第２送受信装置が複数存在する場合には、第２送受信装置毎に、第１状態と第２状態と返送搬送波の周波数を、異なる値に設定すれば良い。このようにすれば、第２送受信装置が複数存在しても、それぞれの距離を測定することができる。第１送受信装置は、第２送受信装置に対して、一対一に対応させて用いても良いし、１台の第１送受信装置だけ用いて、タイムシャーリングにより、異なる第２送受信装置に対して、異なる周波数で、送信及び受信して、距離を測定しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、第１送受信装置をリーダとし、第２送受信装置をタグとするような、移動体における距離、位置を求めるのに用いることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１００…第１送受信装置
２００…第２送受信装置
１２…第１正弦波発振器
１３…第２正弦波発振器
１４…搬送波発振器
１５…変調器
２２…第１復調器
４１…切換器
４２…第２基準発振器
４７…第２復調器
４８…返送搬送波発振器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１送受信装置及び第２送受信装置から成り、第１送受信装置と第２送受信装置との間の距離を測定する距離測定装置において、
前記第１送受信装置は、
前記第２送受信装置に向けて信号を送信する第１送信アンテナと、
前記第２送受信装置から信号を受信する第１受信アンテナと、
所定の基準周波数の第１基準信号を出力する第１基準発振器と、
前記第１基準発振器の出力する第１基準信号に基づいて、第１基準信号の半周期毎に搬送波の周波数又は位相を変化させた第１状態と第２状態を有した送信信号を前記第１送信アンテナに出力する変調器と、
前記第１受信アンテナにより受信した受信信号により前記変調器の出力する前記送信信号を復調する第１復調器と、
前記第１復調器により復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態の期間のうち少なくとも一方の期間の長さに基づいて前記距離を求める距離演算装置と、
を有し、
前記第２送受信装置は、
前記第１送受信装置から送信された信号を受信し、前記第１送受信装置に向けて信号を送信する第２アンテナと、
前記第２アンテナから受信された受信信号から前記第１状態と前記第２状態とを復調する第２復調器と、
前記第２復調器の出力する信号が前記第１状態と前記第２状態の受信期間が等しくなるように、周波数と位相の制御された第２基準信号を出力する第２基準発振器と、
所定周波数の返送搬送波を出力する返送搬送波発振器と、
前記第２基準発振器の出力する第２基準信号の半周期毎に、前記第２アンテナの受信信号を前記第２復調器に出力し、前記搬送波発振器の出力する前記返送搬送波を前記第２アンテナに出力するように、前記第２アンテナを信号の受信と送信とを切り換える切換器と、
を有することを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記第１送受信装置の変調器の出力する前記送信信号の前記第１状態と前記第２状態とは、前記搬送波の周波数を異ならせたＦＳＫ変調であることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記第１送受信装置の変調器の出力する前記送信信号の前記第１状態と前記第２状態とは、前記搬送波の位相を異ならせたＰＳＫ変調であることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項４】
第１送受信装置から信号を第２送受信装置に送信し、第２送受信装置から信号を第１送受信装置に送信して、第１送受信装置において、送信信号と受信信号に基づいて第１送受信装置と第２送受信装置との間の距離を測定する距離測定方法において、
前記第１送受信装置から、第１基準信号に基づいて、第１基準信号の半周期毎に搬送波の周波数又は位相を変化させた第１状態と第２状態を有した送信信号を前記第２送受信装置に向けて送信し、
前記第２送受信装置において、前記第１送受信装置からの受信信号を復調して、前記第１状態と前記第２状態とを検出し、前記第１状態と前記第２状態の受信期間が等しくなる前記半周期の期間だけ、所定周波数の返送搬送波を前記第１送受信装置に向けて送信し、
前記第１送受信装置において、前記送信信号を、前記第２送受信装置から受信した前記返送搬送波により復調して、復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態の期間のうち少なくとも一方の期間の長さに基づいて前記距離を求める距離測定方法。
【請求項５】
前記第１送受信装置の出力する前記送信信号の前記第１状態と前記第２状態は、前記搬送波の周波数を異ならせたＦＳＫ変調であることを特徴とする請求項４に記載の距離測定方法。
【請求項６】
前記第１送受信装置の変調器の出力する前記送信信号の前記第１状態と前記第２状態とは、前記搬送波の位相を異ならせたＰＳＫ変調であることを特徴とする請求項４に記載の距離測定方法。
【請求項１】
第１送受信装置及び第２送受信装置から成り、第１送受信装置と第２送受信装置との間の距離を測定する距離測定装置において、
前記第１送受信装置は、
前記第２送受信装置に向けて信号を送信する第１送信アンテナと、
前記第２送受信装置から信号を受信する第１受信アンテナと、
所定の基準周波数の第１基準信号を出力する第１基準発振器と、
前記第１基準発振器の出力する第１基準信号に基づいて、第１基準信号の半周期毎に搬送波の周波数又は位相を変化させた第１状態と第２状態を有した送信信号を前記第１送信アンテナに出力する変調器と、
前記第１受信アンテナにより受信した受信信号により前記変調器の出力する前記送信信号を復調する第１復調器と、
前記第１復調器により復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態の期間のうち少なくとも一方の期間の長さに基づいて前記距離を求める距離演算装置と、
を有し、
前記第２送受信装置は、
前記第１送受信装置から送信された信号を受信し、前記第１送受信装置に向けて信号を送信する第２アンテナと、
前記第２アンテナから受信された受信信号から前記第１状態と前記第２状態とを復調する第２復調器と、
前記第２復調器の出力する信号が前記第１状態と前記第２状態の受信期間が等しくなるように、周波数と位相の制御された第２基準信号を出力する第２基準発振器と、
所定周波数の返送搬送波を出力する返送搬送波発振器と、
前記第２基準発振器の出力する第２基準信号の半周期毎に、前記第２アンテナの受信信号を前記第２復調器に出力し、前記搬送波発振器の出力する前記返送搬送波を前記第２アンテナに出力するように、前記第２アンテナを信号の受信と送信とを切り換える切換器と、
を有することを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記第１送受信装置の変調器の出力する前記送信信号の前記第１状態と前記第２状態とは、前記搬送波の周波数を異ならせたＦＳＫ変調であることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記第１送受信装置の変調器の出力する前記送信信号の前記第１状態と前記第２状態とは、前記搬送波の位相を異ならせたＰＳＫ変調であることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項４】
第１送受信装置から信号を第２送受信装置に送信し、第２送受信装置から信号を第１送受信装置に送信して、第１送受信装置において、送信信号と受信信号に基づいて第１送受信装置と第２送受信装置との間の距離を測定する距離測定方法において、
前記第１送受信装置から、第１基準信号に基づいて、第１基準信号の半周期毎に搬送波の周波数又は位相を変化させた第１状態と第２状態を有した送信信号を前記第２送受信装置に向けて送信し、
前記第２送受信装置において、前記第１送受信装置からの受信信号を復調して、前記第１状態と前記第２状態とを検出し、前記第１状態と前記第２状態の受信期間が等しくなる前記半周期の期間だけ、所定周波数の返送搬送波を前記第１送受信装置に向けて送信し、
前記第１送受信装置において、前記送信信号を、前記第２送受信装置から受信した前記返送搬送波により復調して、復調された信号における周波数又は位相に関する異なる２つの状態の期間のうち少なくとも一方の期間の長さに基づいて前記距離を求める距離測定方法。
【請求項５】
前記第１送受信装置の出力する前記送信信号の前記第１状態と前記第２状態は、前記搬送波の周波数を異ならせたＦＳＫ変調であることを特徴とする請求項４に記載の距離測定方法。
【請求項６】
前記第１送受信装置の変調器の出力する前記送信信号の前記第１状態と前記第２状態とは、前記搬送波の位相を異ならせたＰＳＫ変調であることを特徴とする請求項４に記載の距離測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２０３０３６（Ｐ２０１１−２０３０３６Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６９３０３（Ｐ２０１０−６９３０３）
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]