距離測定装置
【課題】単一の送信機から発信される高周波信号を単一の受信機で受信し、両者間の相対距離を高精度で測定する。
【解決手段】単一の送信機から発信された少なくとも周波数が異なる複数の測定信号によって変調され、かつ／またはスペクトル拡散された高周波信号、光信号或いは超音波信号を単一の受信機で受信して復調し、かつ／または逆拡散し、周波数が最も低い測定信号と同期発振器３３との同期を確立し保持した状態で、前記同期発振器３３から出力されるクロック信号を用い、前記複数の測定信号の一部あるいは全部の位相および／あるいは周波数を位相・周波数検出器３４によって検出することによって、両者間の相対距離を高精度で測定する。
【解決手段】単一の送信機から発信された少なくとも周波数が異なる複数の測定信号によって変調され、かつ／またはスペクトル拡散された高周波信号、光信号或いは超音波信号を単一の受信機で受信して復調し、かつ／または逆拡散し、周波数が最も低い測定信号と同期発振器３３との同期を確立し保持した状態で、前記同期発振器３３から出力されるクロック信号を用い、前記複数の測定信号の一部あるいは全部の位相および／あるいは周波数を位相・周波数検出器３４によって検出することによって、両者間の相対距離を高精度で測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、単一の送信機から少なくとも周波数が異なる複数の測定信号によって変調されかつ／またはスペクトル拡散された超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を単一の受信機で受信することによって、両者間の相対距離を高い精度で測定するためのものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の異なる周波数の無線信号を用いて距離を測定するシステムが提案されている。（例えば、特許文献１、２参照）
【特許文献１】米国特許第４０８７８１６号公報
【特許文献２】特開２００１−０５１０４４号
【０００３】
図４は、特許文献１に記載されている従来の「ＶＬＦ帯無線位置検知装置」の実施例である。図４において、「米国海軍ＶＬＦ通信局」から発信されるＶＬＦ信号（２０ｍｓｅｃ周期でｆ０とｆ０＋５０Ｈｚの間でＦＳＫされる電波）をアンテナ１０で受信し増幅器１１で増幅し、ＶＣＸＯ２２に同期したシンセサイザ２３の信号とミキサ１６でミキシングして中間周波信号を生成し、中間周波増幅器１２で増幅しリミッタ１８でリミットした後、前記ＶＣＸＯ２２の信号を分周器２４でＰ分の１に分周したものと位相比較器２０で比較し、その結果をループフイルタ２１に入力し、ループフイルタ２１の出力でＶＣＸＯ２２の発振周波数を制御している。
【０００４】
一方、リミッタ１８の出力は遅延時間測定器２５で分周器２４の出力を分周器２７で２０分周したタイミングで分周器２４の出力と比較する。検出した遅延時間から前記通信局までの距離を測定することができる。
図１１に示す従来の技術では、ＶＬＦ信号の周波数が（ｆ０とｆ０＋５０Ｈｚ）の間で変化するタイミングを受信側で正確に検出することが難しく誤差を生じるため、長距離で概略の測定は可能であるが、そのままでは３００ｍ以内の比較的に近い距離を高精度で測定するのが難しい問題点があった。
【０００５】
特許文献２に記載されている従来の「距離計測装置」では、距離測定対象に取り付けられる送信装置１ａは、発振器２からの搬送波信号を分周して、ミキサ４で搬送波信号と混合し、ＡＭの送信信号を作って送信しており、この送信信号には周波数ｆの搬送波信号と周波数ｆ±Δｆの２つの信号が含まれる。
受信装置１ｂは、バンドパスフィルタ８、９、１０で受信信号から周波数がｆ−Δｆ、ｆ、ｆ＋Δｆの３つの信号を分離して検出し、周波数がｆ−Δｆの信号を基準として、ミキサ１４、１５で周波数ｆと周波数ｆ＋Δｆの信号とのビート信号を得る。
距離演算器１６は、２つのビート信号の位相を検出するとともに、その位相差に基づいて距離測定対象との距離を演算するとされている。
しかしながら、前記搬送波信号の周波数と変調信号の周波数との比が大きくなると両者を直交させあるいは両者の同期を取ることが難しくなり、あるいは前記２つのビート信号の位相を検出するタイミングは任意のタイミングではなく、両者の直交点を基準として厳密に管理しなければ高精度の距離測定ができないなどの問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、単一の送信機から発信される同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の測定信号により変調されかつ／またはスペクトル拡散された超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を単一の受信機で受信することによって相対距離を測定するシステムにおいて、前記受信機に設けられた同期発振器と前記複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号との同期を確立して保持し、前記同期発振器から出力されるクロック信号を用いて前記複数の測定信号の一部あるいは全部の位相および／あるいは周波数を検出することによって、両者間の相対距離を高い精度で測定できる距離測定装置を安価に実現するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係わる距離測定装置は、単一の送信機から発信される同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の測定信号によって変調されかつ／またはスペクトル拡散された超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を受信するための受信機と、前記受信機の出力信号から前記複数の測定信号を復調しかつ／または逆拡散するための復調器と、前記復調しかつ／または逆拡散した複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号との同期を確立して保持するための同期発振器と、前記同期発振器から出力されるクロック信号を用いて前記複数の測定信号の一部あるいは全部の位相および／あるいは周波数を検出するため位相・周波数検出器とから構成されている。
【０００８】
前記復調器には同期検波器あるいは遅延検波器が用いられ、前記同期発振器は少なくともデジタル位相比較器と、チャージポンプ回路と、積分回路あるいはフエイズラグフイルタと、前記積分回路あるいはフエイズラグフイルタからの出力をデジタル信号に変換するためのアナログ・デジタル変換器と、前記アナログ・デジタル変換器のデータ出力によって位相および／あるいは周波数が制御される数値制御発振器と、同期確立・保持手段とから構成されている。
前記位相・周波数検出器は、前記複数の測定信号の一部あるいは全部の周波数および／あるいは位相を検出するために、前記同期発振器から出力されるクロック信号を用いて前記複数の測定信号を別に設けたアナログ・デジタル変換器によりデジタル信号に変換し、Ｓｉｎのルックアップテーブルとして０、１、０、−１を単位とし、Ｃｏｓｉｎのルックアップテーブルとして１、０、−１、０を単位とし、前記デジタル信号との積和演算を行っている。
【０００９】
前記同期発振器の同期確立・保持手段によって、基準となる最も低い周波数の測定信号と前記同期発振器とを同期状態とし、当該同期状態を保持し、少なくとも周波数が異なる測定信号の一部あるいは全部の周波数および／あるいは位相を検出し、前記検出結果から前記送信機と受信機との間の相対距離を高精度で測定するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の距離測定装置では、単一の送信機から発信された同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の測定信号によって変調されかつ／またはスペクトル拡散された超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を単一の受信機によって受信し、しかも前記送信機から前記受信機の方向に単方向の発信を行なうことによって、両者間の相対距離を高い精度で測定し、しかも安価に実現できるなどの利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明に係わる距離測定装置は、図１および請求項１に本発明の第１の形態を示すように、受信機のリミッター１８の出力を復調しかつ／または逆拡散するための復調器３２と、同期発振器３３と、位相・周波数検出器３４から構成され、復調器３２により復調しかつ／または逆拡散された複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号と同期発振器３３との同期を確立して保持し、前記同期発振器３３から出力されるクロック信号を用い、位相・周波数検出器３４によって前記測定信号の位相および／あるいは周波数を測定する。
【００１２】
図２および請求項２あるいは請求項３に本発明の第２の形態を示すように、同期発振器３３は、位相比較器１０３、フエイズラグフイルタ１０４、数値制御発振器１０５、分周期１０６、および同期保持手段１０２から構成される。
前記復調器３２には同期検波器あるいは遅延検波器が用いられ、前記復調器３２により復調しかつ／または逆拡散された測定信号の内周波数が低い０．５ＭＨｚの信号を同期確立信号として前記同期発振器３３に入力し、周波数が高い２ＭＨｚの信号は距離測定信号として帯域通過フイルタ１０１を介して位相・周波数検出器３４に接続されている。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の形態による距離測定装置の構成図である。図１において、１０はアンテナ、１１は高周波増幅器、１６はミキサ、１７は中間周波増幅器、１８はリミッター、２３はシンセサイザ、３１は基準発振器、３２は復調器、３３は同期発振器、３４は位相・周波数検出器、３５は接続端子である。
アンテナ１０で受信された高周波信号は、高周波増幅器１１によって増幅され、基準発振器３１に同期したシンセサイザ２３の出力信号とミキサ１６によって中間周波信号に変換され、中間周波増幅器１７によって増幅され、リミッタ１８によって振幅が抑圧されて復調器３２に入力されている。
【００１４】
復調器３２には同期検波器あるいは遅延検波器のいずれかが用いられ、受信した高周波信号から複数の測定信号を復調しかつ／または逆拡散して同期発振器３３あるいは位相・周波数検出器３４のいずれかに入力される。
まず、複数の測定信号の内周波数が低い同期確立信号（０．５ＭＨｚ）を復調しかつ／または逆拡散すると同期発振器３３に入力し、同期発振器３３が前記同期確立信号との同期を確立し同期を保持する。
次に、複数の測定信号の内周波数が高い距離測定信号（２ＭＨｚ）を復調しかつ／または逆拡散すると位相・周波数検出器３４に入力し、前記同期発振器３３から出力されるクロック信号（８ＭＨｚ）を基準として位相および／あるいは周波数が検出され、位相・周波数検出器３４のデータ出力が接続端子３５から外部に出力される。
【００１５】
前記接続端子３５から出力されるデータはＲＳ２３２Ｃなどのインターフエイスを介して外部のＰＤＡなどに転送され、前記ＰＤＡによって相対距離が演算され、演算結果が表示される。
同期確立信号が０．５ＭＨｚであり、距離測定信号が２ＭＨｚの場合、周波数の差が１．５ＭＨｚであるため、距離が２００ｍの時に位相差が３６０°となるので、位相差を検出することによって相対距離が高精度で測定できる。
前記位相差の測定精度が±０．５°程度が容易に実現できるので、相対距離の測定誤差は±３０ｃｍ程度以下となる。
【００１６】
（実施の形態２）
図２は本発明の第２の形態による距離測定装置の構成図である。図２において、１８はリミッター、３２は復調器、３３は同期発振器、３４は位相・周波数検出器、３５は接続端子、１０１は帯域通過フイルタ、１０２は同期保持手段、１０３は位相比較器、１０４は積分回路あるいはフエイズラグフイルタ、１０５は数値制御発振器、１０６は分周期、１１１〜１１４は接続端子である。
復調器３２には同期検波器あるいは遅延検波器のいずれかが用いられるが、同期検波器の方が復調信号のＳＮ比が良好であるが回路が複雑であり、移動通信では通常遅延検波が用いられている。
前記復調器３２により復調しかつ／または逆拡散された前記複数の測定信号の内、周波数が低い同期確立信号（０．５ＭＨｚ）は接続端子１１１を介して同期保持手段１０２に入力され、同期保持手段１０２の出力は位相比較器１０３の片方の入力端子に入力される。
一方、数値制御発振器１０５の出力は分周期１０６によって１６分周されて同期保持手段１０２を介して位相比較器１０３のもう一方の入力端子に入力される。
【００１７】
位相比較器１０３の出力信号はチャージポンプ回路を介して積分回路あるいはフエイズラグフイルタ１０４に接続されて積分され直流電圧となり、アナログ・デジタルコンバータによってデジタル信号に変換されて数値制御発振器１０５に入力され、前記数値制御発振器１０５の位相および／あるいは周波数を制御する。
最初、位相比較器１０３に入力される信号と分周期１０６の信号出力との間に周波数差および／あるいは位相差が生じており、前記周波数差および／あるいは位相差に応じたパルス信号が前記チャージポンプ回路から出力され、積分回路あるいはフエイズラグフイルタ１０４によって積分されて直流電圧に変換される。
【００１８】
一方、数値制御発振器１０５から出力されるクロック信号を分周期１０６によって１６分周した時の周波数が前記同期確立信号の周波数より高いときには、前記直流電圧は数値制御発振器１０５の周波数を下げる方向に変化し、逆に前記周波数が低い時には逆の方向に変化する。
同期が確立すると、接続端子１１３から同期確立信号が出力されるので、接続端子１１２に同期保持信号を入力することで同期が保持される。
同期が保持された状態で復調器３２によって周波数が２ＭＨｚの距離測定信号が復調しかつ／または逆拡散されると、帯域通過フイルタ１０１を介して位相・周波数検出器３４に入力され、前記数値制御発振器１０５から出力されるクロック信号を用いて前記距離測定信号の位相および／あるいは周波数が検出され、接続端子３５を介してデータ信号として外部に出力される。
【００１９】
位相・周波数検出器３４は、例えば、アナログ・デジタル変換器と積和演算器から構成され、前記同期発振器３３から出力される２ＭＨｚの距離測定信号に対しては周波数が４倍の８ＭＨｚのクロック信号を用い、前記アナログ・デジタル変換器によりデジタル信号に変換し、Ｓｉｎのルックアップテーブルとして０、１、０、−１を単位とし、Ｃｏｓｉｎのルックアップテーブルとして１、０、−１、０を単位とし、前記アナログ・デジタル変換器によって変換されたデジタル信号との積和演算を行うことによって、前記距離測定信号の周波数および／あるいは位相を検出する。
前記アナログ・デジタル変換器には、通常、８ビットから１０ビットの規模のものが用いられる。
【００２０】
前記送信機（記載せず）から発信される少なくとも周波数が異なり直交する２つの測定信号をＡＳｉｎ（２πｆ１ｔ）、ＡＳｉｎ（２πｆ２ｔ）とすると、前記復調器３２により復調しかつ／または逆拡散される測定信号は、ＢＳｉｎ｛２πｆ１（ｔ＋ｔ０）＋（２πＤ／λ１）＋Φ｝、ＢＳｉｎ｛２πｆ２（ｔ＋ｔ０）＋（２πＤ／λ２）＋Φ｝で表される。
ここで、ｔ０＝前記送信機から発信される時間と前記復調器３２によって復調しかつ／または逆拡散される時間との間の時間差とする。
前記２つの測定信号を比較すると、前記時間差ｔ０が生じない時、すなわち相対距離がＤ＝０のとき、２πｆ１ｔ＝２πｆ２ｔ＝０°となるよう前記２つの測定信号が直交する時間を基準点として位相差を測定すると、位相差ΔΦ＝０が測定できることになる。
【００２１】
しかし、相対距離がＤ＞０となると前記時間差ｔ０が生じるので、２πｆ１（ｔ＋ｔ０）＝２πｆ２（ｔ＋ｔ０）＝０°が成立するように制御できれば、位相差ΔΦ＝（２πＤ／λ１）−２πＤ／λ２）が検出できるが、このような制御は非常に難しい。
そこで、前記同期発振器３３に同期確立・保持手段を設け前記２つの測定信号の内周波数の低い測定信号と同期させると、前記周波数の低い測定信号と前記同期発振器３３との間で｛２πｆ１（ｔ＋ｔ０）＋（２πＤ／λ１）＋Φ｝＝０となる直交点で同期が確立できるので、前記同期発振器３３から出力されるクロック信号で前記距離測定信号の位相を測定すると、位相差ΔΦ＝（２πＤ／λ１）−（２πＤ／λ２）が検出できることになる。
【００２２】
位相差ΔΦ＝（２πＤ／λ１）−（２πＤ／λ２）＝２πＤ｛（１／λ１）−（１／λ２）｝＝（Ｄ／Ｃ）｛２π（ｆ１−ｆ２）｝となり、前記送信機と受信機との間の相対距離Ｄ（ｍ）は、Ｄ＝（Ｃ×ΔΦ）／｛２π（ｆ１−ｆ２）｝から求めることができる。ここで、Ｃは光の速度とする。
例えば、ｆ１−ｆ２＝１．５ＭＨｚとすると、両者間の距離が２００ｍのとき、位相差はΔΦ＝３６０°となるので、前記位相差の測定精度を±０．５°とすると、距離の測定精度は±３０ｃｍとなり、高精度の距離の測定が可能となる。
【００２３】
同様に、周波数の異なる複数の測定信号を並列に発信する場合の例として、前記送信機から搬送波信号（周波数ｆ０）を変調信号（周波数ｆｍ）で振幅変調して生成した次の３つの送信信号、Ａｓｉｎ（２π（ｆ０―ｆｍ）ｔ−φ）、Ａｓｉｎ（２πｆ０ｔ）、Ａｓｉｎ（２π（ｆ０＋ｆｍ）ｔ＋φ）を発信するものとする。ここで、ｆ０＝搬送波信号の周波数、ｆｍ＝変調信号の周波数、φ＝搬送波信号と変調信号との位相差とする。
そこで、前記送信信号の内、所定の第１の信号を基準として他の第２、第３の信号との２つのビート信号を考えると、周波数が低い測定信号として、Ｂｓｉｎ（（２πｆｍ）ｔ―φ）、周波数が高い測定信号として、Ｂｓｉｎ（２（（２πｆｍ）ｔ―φ））を得る。
【００２４】
前記低い周波数の測定信号と高い周波数の測定信号とは直交関係にあるので、直交点では、Ｂｓｉｎ（（２πｆｍ）ｔ―φ）＝０、Ｂｓｉｎ（２（（２πｆｍ）ｔ―φ））＝０となり、従って、（（２πｆｍ）ｔ―φ）＝（２（（２πｆｍ）ｔ―φ））＝２（Ｎ−１）π の関係になっている。ここで、Ｎは正の整数とする。
前記受信機において前記送信機から発信された測定信号をＤ（ｍ）離れた地点で受信すると、前記低い周波数の測定信号はＢｓｉｎ（（２πｆｍ）ｔ―φ）＋（２πＤｆｍ／Ｃ））となり、前記高い周波数の測定信号はＢｓｉｎ（２（（２πｆｍ）ｔ―φ）＋２（２πＤｆｍ／Ｃ））となる。ここで、Ｃ＝光の速度とする。
【００２５】
前記同期発振器３３と前記低い周波数の測定信号との同期をとると、前記同期発振器３３のクロック信号と前記低い周波数の測定信号との位相差がなくなるので、（（２πｆｍ）ｔ―φ）＋（２πＤｆｍ／Ｃ））＝０°となることから、（（２πｆｍ）ｔ―φ）＝−（２πＤｆｍ／Ｃ）となる。
一方、前記低い周波数の測定信号と前記高い周波数の測定信号とは直交関係にあるので、（（２πｆｍ）ｔ―φ）＝２（（２πｆｍ）ｔ―φ）＝−（２πＤｆｍ／Ｃ）となる。
【００２６】
前記同期発振器３３の同期を保持した状態で、前記同期発振器３３から出力されるクロック信号を用いて前記高い周波数の測定信号の位相を測定すると、前記高い周波数の測定信号の位相ΔΦは、ΔΦ＝−（２πＤｆｍ／Ｃ）＋２（２πＤｆｍ／Ｃ））＝（２πＤｆｍ／Ｃ）となって、前記搬送波信号の位相と前記変調信号の位相との差φが消去され、従って、相対距離の測定誤差を削減することができる。
このことは、前記搬送波信号（周波数ｆ０）と変調信号（周波数ｆｍ）とを直交させあるいは両者の同期を取る必要がないことを意味する。
【００２７】
なお、前記同期発振器３３が前記復調しかつ／または逆拡散した複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号のゼロクロス点あるいは直交点のいずれか一方あるいは両方を検出し、前記検出結果に基づいて前記数値制御発振器の位相および／あるいは周波数を制御してクロック信号を生成することでも同様な効果が得あられる。
また、前記同期発振器３３がＤＳＰを含み、前記復調しかつ／または逆拡散した複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号のゼロクロス点あるいは直交点のいずれか一方あるいは両方と同期したクロック信号を生成することでも同様な効果が得られる。
【００２８】
図３は本発明の距離測定装置のタイミングチャートである。図３において、２０１、２０２は２つの測定信号の直交点、２０３ａ〜２０３ｄは時間軸、２０４は低い周波数の測定信号の遅延時間、２０５は同期確立時点、２０６は低い周波数の測定信号と高い周波数の測定信号との位相差、２１１ａ、２１１ｂは低い周波数の測定信号、２１１ｃ、２１１ｄは低い周波数のクロック信号、２１２ａ、２１２ｂは高い周波数の測定信号、２１２ｃ、２１２ｄは高い周波数のクロック信号である。
送信機側（記載せず）において、低い周波数の測定信号２１１ａと高い周波数の測定信号２１２ａとは直交点２０１、２０２においてお互いに直交しているものとする。
【００２９】
受信側（記載せず）において、低い周波数の測定信号２１１ｂは前記直交点２０１から遅延時間２０４だけ遅れて復調しかつ／または逆拡散されているものとする。
前記直交点２０１において低い周波数のクロック信号２１１ｃは低い周波数の測定信号２１１ｂと同期がずれており、遅延時間２０４後から同期確立制御を開始し、同期確立時点２０５において同期を確立し、同期を保持して低い周波数のクロック信号２１２ｃを継続して出力しているものとする。
【００３０】
高い周波数のクロック信号２１１ｄおよび２１２ｄは完全に同期しているので、同期を確立し、同期を保持している高い周波数のクロック信号２１２ｄを用いて復調しかつ／または逆拡散された高い周波数の測定信号２１２ｂの位相を位相・周波数検出器（記載せず）を用いて検出すると、前記検出結果が復調しかつ／または逆拡散された低い周波数の測定信号２１１ｂと高い周波数の測定信号２１２ｂとの位相差２０６となる。
前記同期確立点２０５において、低い周波数のクロック信号２１２ｃは低い周波数の測定信号２１１ｂは±０．１°以内の高い精度で同期を確立することが可能であるので、これと同期している高い周波数のクロック信号２１１ｄを用いて復調しかつ／または逆拡散された高い周波数の測定信号２１２ｂの位相を測定することで、前記位相差２０６を高い精度で検出することが可能となる。
【００３１】
以上の説明では、ハードウエアを用いた積和演算器を用いて位相および／あるいは周波数を検出しているが、ＤＳＰあるいはマイクロコンピュータを用いてＦＦＴ演算を行ない、あるいはその他の既存の技術を採用することでも実現できる。ただし、ソフトウエアによるＦＦＴ演算では処理時間が長くかかるのでリアルタイムでの処理が難しくなることから、ハードウエアにより処理する方が処理時間、電流消費の面、およびコストの面などの点から望ましい。
【００３２】
また、前記送信機から超音波トランスデューサーあるいは超音波送波器を用いて超音波信号を発信し、前記受信機において超音波トランスデューサーあるいは超音波受波器を用いて超音波信号を受信し、あるいは前記送信機において発光ダイオードあるいはレーザーダイオードを用いて光信号を発信し、前記受信機においてホトダイオードを用いて光信号を受信することでも同様な効果が得られる。
【００３３】
また、前記送信機において、基準発振器に同期しあるいは直交した変調信号あるいはベースバンド信号を生成し、超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号の搬送波信号あるいは副搬送波を変調して発信することでも同様な効果が得られる。
また、前記送信機から同期しあるいは直交し少なくともチップレートが異なる複数のデジタル信号かつ／またはスペクトル拡散符号により変調されあるいは拡散されて発信されている場合には、前記受信機において複数の周波数が異なる測定信号に変換することができる。
また、前記送信機においてウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）のスペクトル拡散符号を発信しても同様な効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、上記のように構成されているため、単一の送信機あるいは単一の受信機との間の相対距離を高精度で測定することが可能となり、方向あるいは向かっている方向の測定と合わせれば、位置の標定が高精度で行なえることになる。
また、前記送信機および／あるいは受信機が、移動体に装着され、あるいは歩行者によって携帯されると、いつでもどこでもお互いの位置関係が即座に測定できることから、ユビキタスモバイルネットワークに適用可能となる。
相対距離の測定あるいは位置の標定が高精度で行なえることから、歩行者が交差点などの横断歩道を渡る場合に、横断歩道から逸脱しないように誘導し、あるいは歩行者の接近を車の運転者に警告するなどのシステムに利用可能である。
また、移動無線システムにおいて単一の基地局と携帯端末との間で方向と距離が測定可能となるので、高精度なカーナビゲーションシステムあるいは歩行者ナビゲーションシステムを実現することが可能となる。
【００３５】
また、送信機をアクテイブタグとし、複数の受信機をネットワークで結ぶことで、アクテイブタグの正確な位置が検知できることから、マーケットなどで顧客の移動経路を調査するための動線管理、貨物の移動集積を効率化するための物流管理、あるいは迷子の探索などに用いることができる。
また、前記アクテイブタグを家畜あるいは野生動物に携帯させて正確な位置が検知することで、バイオテレメトリなどに用いることができる。
【００３６】
また、送受信機を走行中の車両に装着することで、相互間の相対位置が高精度で測定できるので、高速道路での協調運転などに利用できる。
また、航行中の複数の船舶間、飛行中の複数の航空機間、あるいは走行中の複数の車両間などの間隔および方向を正確に測定できるので、衝突防止あるいは相互間の距離を維持するなどのシステムに活用することができる。
【００３７】
また、移動体と操縦者相互間の１対１の通信によって移動体との相対的な位置関係が正確に測定できることから、移動体のリモコンなどが安価な装置で可能となる。
また、本発明の距離測定技術は基盤技術であり、その他の多分野での応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施の形態１による距離測定装置の構成図
【図２】実施の形態２による距離測定装置の構成図
【図３】本発明の距離測定装置のタイミングチャート
【図４】従来の実施例を示す構成図
【符号の説明】
【００３９】
１０ アンテナ
１１ 高周波増幅器
１６ ミキサ
１７ 中間周波増幅器
２３ シンセサイザ
３１ 基準発振器
３２ 復調器
３３ 同期発振器
３４ 位相・周波数検出器
３５ 接続端子
【００４０】
１０１ 帯域通過フイルタ
１０２ 同期保持手段
１０３ 位相比較器
１０４ フエイズラグフイルタ
１０５ 数値制御発振器
１０６ 分周器
１１１〜１１４ 接続端子
【００４１】
２０１、２０２ 測定信号の直交点
２０３ａ〜２０３ｄ 時間軸
２０４ 遅延時間
２０５ 同期確立時点
２０６ 位相差
２１１ａ、２１１ｂ 低い周波数の測定信号
２１１ｃ、２１１ｄ 低い周波数のクロック信号
２１２ａ、２１２ｂ 高い周波数の測定信号
２１２ｃ、２１２ｄ 高い周波数のクロック信号
【技術分野】
【０００１】
この発明は、単一の送信機から少なくとも周波数が異なる複数の測定信号によって変調されかつ／またはスペクトル拡散された超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を単一の受信機で受信することによって、両者間の相対距離を高い精度で測定するためのものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の異なる周波数の無線信号を用いて距離を測定するシステムが提案されている。（例えば、特許文献１、２参照）
【特許文献１】米国特許第４０８７８１６号公報
【特許文献２】特開２００１−０５１０４４号
【０００３】
図４は、特許文献１に記載されている従来の「ＶＬＦ帯無線位置検知装置」の実施例である。図４において、「米国海軍ＶＬＦ通信局」から発信されるＶＬＦ信号（２０ｍｓｅｃ周期でｆ０とｆ０＋５０Ｈｚの間でＦＳＫされる電波）をアンテナ１０で受信し増幅器１１で増幅し、ＶＣＸＯ２２に同期したシンセサイザ２３の信号とミキサ１６でミキシングして中間周波信号を生成し、中間周波増幅器１２で増幅しリミッタ１８でリミットした後、前記ＶＣＸＯ２２の信号を分周器２４でＰ分の１に分周したものと位相比較器２０で比較し、その結果をループフイルタ２１に入力し、ループフイルタ２１の出力でＶＣＸＯ２２の発振周波数を制御している。
【０００４】
一方、リミッタ１８の出力は遅延時間測定器２５で分周器２４の出力を分周器２７で２０分周したタイミングで分周器２４の出力と比較する。検出した遅延時間から前記通信局までの距離を測定することができる。
図１１に示す従来の技術では、ＶＬＦ信号の周波数が（ｆ０とｆ０＋５０Ｈｚ）の間で変化するタイミングを受信側で正確に検出することが難しく誤差を生じるため、長距離で概略の測定は可能であるが、そのままでは３００ｍ以内の比較的に近い距離を高精度で測定するのが難しい問題点があった。
【０００５】
特許文献２に記載されている従来の「距離計測装置」では、距離測定対象に取り付けられる送信装置１ａは、発振器２からの搬送波信号を分周して、ミキサ４で搬送波信号と混合し、ＡＭの送信信号を作って送信しており、この送信信号には周波数ｆの搬送波信号と周波数ｆ±Δｆの２つの信号が含まれる。
受信装置１ｂは、バンドパスフィルタ８、９、１０で受信信号から周波数がｆ−Δｆ、ｆ、ｆ＋Δｆの３つの信号を分離して検出し、周波数がｆ−Δｆの信号を基準として、ミキサ１４、１５で周波数ｆと周波数ｆ＋Δｆの信号とのビート信号を得る。
距離演算器１６は、２つのビート信号の位相を検出するとともに、その位相差に基づいて距離測定対象との距離を演算するとされている。
しかしながら、前記搬送波信号の周波数と変調信号の周波数との比が大きくなると両者を直交させあるいは両者の同期を取ることが難しくなり、あるいは前記２つのビート信号の位相を検出するタイミングは任意のタイミングではなく、両者の直交点を基準として厳密に管理しなければ高精度の距離測定ができないなどの問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、単一の送信機から発信される同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の測定信号により変調されかつ／またはスペクトル拡散された超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を単一の受信機で受信することによって相対距離を測定するシステムにおいて、前記受信機に設けられた同期発振器と前記複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号との同期を確立して保持し、前記同期発振器から出力されるクロック信号を用いて前記複数の測定信号の一部あるいは全部の位相および／あるいは周波数を検出することによって、両者間の相対距離を高い精度で測定できる距離測定装置を安価に実現するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係わる距離測定装置は、単一の送信機から発信される同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の測定信号によって変調されかつ／またはスペクトル拡散された超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を受信するための受信機と、前記受信機の出力信号から前記複数の測定信号を復調しかつ／または逆拡散するための復調器と、前記復調しかつ／または逆拡散した複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号との同期を確立して保持するための同期発振器と、前記同期発振器から出力されるクロック信号を用いて前記複数の測定信号の一部あるいは全部の位相および／あるいは周波数を検出するため位相・周波数検出器とから構成されている。
【０００８】
前記復調器には同期検波器あるいは遅延検波器が用いられ、前記同期発振器は少なくともデジタル位相比較器と、チャージポンプ回路と、積分回路あるいはフエイズラグフイルタと、前記積分回路あるいはフエイズラグフイルタからの出力をデジタル信号に変換するためのアナログ・デジタル変換器と、前記アナログ・デジタル変換器のデータ出力によって位相および／あるいは周波数が制御される数値制御発振器と、同期確立・保持手段とから構成されている。
前記位相・周波数検出器は、前記複数の測定信号の一部あるいは全部の周波数および／あるいは位相を検出するために、前記同期発振器から出力されるクロック信号を用いて前記複数の測定信号を別に設けたアナログ・デジタル変換器によりデジタル信号に変換し、Ｓｉｎのルックアップテーブルとして０、１、０、−１を単位とし、Ｃｏｓｉｎのルックアップテーブルとして１、０、−１、０を単位とし、前記デジタル信号との積和演算を行っている。
【０００９】
前記同期発振器の同期確立・保持手段によって、基準となる最も低い周波数の測定信号と前記同期発振器とを同期状態とし、当該同期状態を保持し、少なくとも周波数が異なる測定信号の一部あるいは全部の周波数および／あるいは位相を検出し、前記検出結果から前記送信機と受信機との間の相対距離を高精度で測定するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の距離測定装置では、単一の送信機から発信された同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の測定信号によって変調されかつ／またはスペクトル拡散された超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を単一の受信機によって受信し、しかも前記送信機から前記受信機の方向に単方向の発信を行なうことによって、両者間の相対距離を高い精度で測定し、しかも安価に実現できるなどの利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明に係わる距離測定装置は、図１および請求項１に本発明の第１の形態を示すように、受信機のリミッター１８の出力を復調しかつ／または逆拡散するための復調器３２と、同期発振器３３と、位相・周波数検出器３４から構成され、復調器３２により復調しかつ／または逆拡散された複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号と同期発振器３３との同期を確立して保持し、前記同期発振器３３から出力されるクロック信号を用い、位相・周波数検出器３４によって前記測定信号の位相および／あるいは周波数を測定する。
【００１２】
図２および請求項２あるいは請求項３に本発明の第２の形態を示すように、同期発振器３３は、位相比較器１０３、フエイズラグフイルタ１０４、数値制御発振器１０５、分周期１０６、および同期保持手段１０２から構成される。
前記復調器３２には同期検波器あるいは遅延検波器が用いられ、前記復調器３２により復調しかつ／または逆拡散された測定信号の内周波数が低い０．５ＭＨｚの信号を同期確立信号として前記同期発振器３３に入力し、周波数が高い２ＭＨｚの信号は距離測定信号として帯域通過フイルタ１０１を介して位相・周波数検出器３４に接続されている。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の形態による距離測定装置の構成図である。図１において、１０はアンテナ、１１は高周波増幅器、１６はミキサ、１７は中間周波増幅器、１８はリミッター、２３はシンセサイザ、３１は基準発振器、３２は復調器、３３は同期発振器、３４は位相・周波数検出器、３５は接続端子である。
アンテナ１０で受信された高周波信号は、高周波増幅器１１によって増幅され、基準発振器３１に同期したシンセサイザ２３の出力信号とミキサ１６によって中間周波信号に変換され、中間周波増幅器１７によって増幅され、リミッタ１８によって振幅が抑圧されて復調器３２に入力されている。
【００１４】
復調器３２には同期検波器あるいは遅延検波器のいずれかが用いられ、受信した高周波信号から複数の測定信号を復調しかつ／または逆拡散して同期発振器３３あるいは位相・周波数検出器３４のいずれかに入力される。
まず、複数の測定信号の内周波数が低い同期確立信号（０．５ＭＨｚ）を復調しかつ／または逆拡散すると同期発振器３３に入力し、同期発振器３３が前記同期確立信号との同期を確立し同期を保持する。
次に、複数の測定信号の内周波数が高い距離測定信号（２ＭＨｚ）を復調しかつ／または逆拡散すると位相・周波数検出器３４に入力し、前記同期発振器３３から出力されるクロック信号（８ＭＨｚ）を基準として位相および／あるいは周波数が検出され、位相・周波数検出器３４のデータ出力が接続端子３５から外部に出力される。
【００１５】
前記接続端子３５から出力されるデータはＲＳ２３２Ｃなどのインターフエイスを介して外部のＰＤＡなどに転送され、前記ＰＤＡによって相対距離が演算され、演算結果が表示される。
同期確立信号が０．５ＭＨｚであり、距離測定信号が２ＭＨｚの場合、周波数の差が１．５ＭＨｚであるため、距離が２００ｍの時に位相差が３６０°となるので、位相差を検出することによって相対距離が高精度で測定できる。
前記位相差の測定精度が±０．５°程度が容易に実現できるので、相対距離の測定誤差は±３０ｃｍ程度以下となる。
【００１６】
（実施の形態２）
図２は本発明の第２の形態による距離測定装置の構成図である。図２において、１８はリミッター、３２は復調器、３３は同期発振器、３４は位相・周波数検出器、３５は接続端子、１０１は帯域通過フイルタ、１０２は同期保持手段、１０３は位相比較器、１０４は積分回路あるいはフエイズラグフイルタ、１０５は数値制御発振器、１０６は分周期、１１１〜１１４は接続端子である。
復調器３２には同期検波器あるいは遅延検波器のいずれかが用いられるが、同期検波器の方が復調信号のＳＮ比が良好であるが回路が複雑であり、移動通信では通常遅延検波が用いられている。
前記復調器３２により復調しかつ／または逆拡散された前記複数の測定信号の内、周波数が低い同期確立信号（０．５ＭＨｚ）は接続端子１１１を介して同期保持手段１０２に入力され、同期保持手段１０２の出力は位相比較器１０３の片方の入力端子に入力される。
一方、数値制御発振器１０５の出力は分周期１０６によって１６分周されて同期保持手段１０２を介して位相比較器１０３のもう一方の入力端子に入力される。
【００１７】
位相比較器１０３の出力信号はチャージポンプ回路を介して積分回路あるいはフエイズラグフイルタ１０４に接続されて積分され直流電圧となり、アナログ・デジタルコンバータによってデジタル信号に変換されて数値制御発振器１０５に入力され、前記数値制御発振器１０５の位相および／あるいは周波数を制御する。
最初、位相比較器１０３に入力される信号と分周期１０６の信号出力との間に周波数差および／あるいは位相差が生じており、前記周波数差および／あるいは位相差に応じたパルス信号が前記チャージポンプ回路から出力され、積分回路あるいはフエイズラグフイルタ１０４によって積分されて直流電圧に変換される。
【００１８】
一方、数値制御発振器１０５から出力されるクロック信号を分周期１０６によって１６分周した時の周波数が前記同期確立信号の周波数より高いときには、前記直流電圧は数値制御発振器１０５の周波数を下げる方向に変化し、逆に前記周波数が低い時には逆の方向に変化する。
同期が確立すると、接続端子１１３から同期確立信号が出力されるので、接続端子１１２に同期保持信号を入力することで同期が保持される。
同期が保持された状態で復調器３２によって周波数が２ＭＨｚの距離測定信号が復調しかつ／または逆拡散されると、帯域通過フイルタ１０１を介して位相・周波数検出器３４に入力され、前記数値制御発振器１０５から出力されるクロック信号を用いて前記距離測定信号の位相および／あるいは周波数が検出され、接続端子３５を介してデータ信号として外部に出力される。
【００１９】
位相・周波数検出器３４は、例えば、アナログ・デジタル変換器と積和演算器から構成され、前記同期発振器３３から出力される２ＭＨｚの距離測定信号に対しては周波数が４倍の８ＭＨｚのクロック信号を用い、前記アナログ・デジタル変換器によりデジタル信号に変換し、Ｓｉｎのルックアップテーブルとして０、１、０、−１を単位とし、Ｃｏｓｉｎのルックアップテーブルとして１、０、−１、０を単位とし、前記アナログ・デジタル変換器によって変換されたデジタル信号との積和演算を行うことによって、前記距離測定信号の周波数および／あるいは位相を検出する。
前記アナログ・デジタル変換器には、通常、８ビットから１０ビットの規模のものが用いられる。
【００２０】
前記送信機（記載せず）から発信される少なくとも周波数が異なり直交する２つの測定信号をＡＳｉｎ（２πｆ１ｔ）、ＡＳｉｎ（２πｆ２ｔ）とすると、前記復調器３２により復調しかつ／または逆拡散される測定信号は、ＢＳｉｎ｛２πｆ１（ｔ＋ｔ０）＋（２πＤ／λ１）＋Φ｝、ＢＳｉｎ｛２πｆ２（ｔ＋ｔ０）＋（２πＤ／λ２）＋Φ｝で表される。
ここで、ｔ０＝前記送信機から発信される時間と前記復調器３２によって復調しかつ／または逆拡散される時間との間の時間差とする。
前記２つの測定信号を比較すると、前記時間差ｔ０が生じない時、すなわち相対距離がＤ＝０のとき、２πｆ１ｔ＝２πｆ２ｔ＝０°となるよう前記２つの測定信号が直交する時間を基準点として位相差を測定すると、位相差ΔΦ＝０が測定できることになる。
【００２１】
しかし、相対距離がＤ＞０となると前記時間差ｔ０が生じるので、２πｆ１（ｔ＋ｔ０）＝２πｆ２（ｔ＋ｔ０）＝０°が成立するように制御できれば、位相差ΔΦ＝（２πＤ／λ１）−２πＤ／λ２）が検出できるが、このような制御は非常に難しい。
そこで、前記同期発振器３３に同期確立・保持手段を設け前記２つの測定信号の内周波数の低い測定信号と同期させると、前記周波数の低い測定信号と前記同期発振器３３との間で｛２πｆ１（ｔ＋ｔ０）＋（２πＤ／λ１）＋Φ｝＝０となる直交点で同期が確立できるので、前記同期発振器３３から出力されるクロック信号で前記距離測定信号の位相を測定すると、位相差ΔΦ＝（２πＤ／λ１）−（２πＤ／λ２）が検出できることになる。
【００２２】
位相差ΔΦ＝（２πＤ／λ１）−（２πＤ／λ２）＝２πＤ｛（１／λ１）−（１／λ２）｝＝（Ｄ／Ｃ）｛２π（ｆ１−ｆ２）｝となり、前記送信機と受信機との間の相対距離Ｄ（ｍ）は、Ｄ＝（Ｃ×ΔΦ）／｛２π（ｆ１−ｆ２）｝から求めることができる。ここで、Ｃは光の速度とする。
例えば、ｆ１−ｆ２＝１．５ＭＨｚとすると、両者間の距離が２００ｍのとき、位相差はΔΦ＝３６０°となるので、前記位相差の測定精度を±０．５°とすると、距離の測定精度は±３０ｃｍとなり、高精度の距離の測定が可能となる。
【００２３】
同様に、周波数の異なる複数の測定信号を並列に発信する場合の例として、前記送信機から搬送波信号（周波数ｆ０）を変調信号（周波数ｆｍ）で振幅変調して生成した次の３つの送信信号、Ａｓｉｎ（２π（ｆ０―ｆｍ）ｔ−φ）、Ａｓｉｎ（２πｆ０ｔ）、Ａｓｉｎ（２π（ｆ０＋ｆｍ）ｔ＋φ）を発信するものとする。ここで、ｆ０＝搬送波信号の周波数、ｆｍ＝変調信号の周波数、φ＝搬送波信号と変調信号との位相差とする。
そこで、前記送信信号の内、所定の第１の信号を基準として他の第２、第３の信号との２つのビート信号を考えると、周波数が低い測定信号として、Ｂｓｉｎ（（２πｆｍ）ｔ―φ）、周波数が高い測定信号として、Ｂｓｉｎ（２（（２πｆｍ）ｔ―φ））を得る。
【００２４】
前記低い周波数の測定信号と高い周波数の測定信号とは直交関係にあるので、直交点では、Ｂｓｉｎ（（２πｆｍ）ｔ―φ）＝０、Ｂｓｉｎ（２（（２πｆｍ）ｔ―φ））＝０となり、従って、（（２πｆｍ）ｔ―φ）＝（２（（２πｆｍ）ｔ―φ））＝２（Ｎ−１）π の関係になっている。ここで、Ｎは正の整数とする。
前記受信機において前記送信機から発信された測定信号をＤ（ｍ）離れた地点で受信すると、前記低い周波数の測定信号はＢｓｉｎ（（２πｆｍ）ｔ―φ）＋（２πＤｆｍ／Ｃ））となり、前記高い周波数の測定信号はＢｓｉｎ（２（（２πｆｍ）ｔ―φ）＋２（２πＤｆｍ／Ｃ））となる。ここで、Ｃ＝光の速度とする。
【００２５】
前記同期発振器３３と前記低い周波数の測定信号との同期をとると、前記同期発振器３３のクロック信号と前記低い周波数の測定信号との位相差がなくなるので、（（２πｆｍ）ｔ―φ）＋（２πＤｆｍ／Ｃ））＝０°となることから、（（２πｆｍ）ｔ―φ）＝−（２πＤｆｍ／Ｃ）となる。
一方、前記低い周波数の測定信号と前記高い周波数の測定信号とは直交関係にあるので、（（２πｆｍ）ｔ―φ）＝２（（２πｆｍ）ｔ―φ）＝−（２πＤｆｍ／Ｃ）となる。
【００２６】
前記同期発振器３３の同期を保持した状態で、前記同期発振器３３から出力されるクロック信号を用いて前記高い周波数の測定信号の位相を測定すると、前記高い周波数の測定信号の位相ΔΦは、ΔΦ＝−（２πＤｆｍ／Ｃ）＋２（２πＤｆｍ／Ｃ））＝（２πＤｆｍ／Ｃ）となって、前記搬送波信号の位相と前記変調信号の位相との差φが消去され、従って、相対距離の測定誤差を削減することができる。
このことは、前記搬送波信号（周波数ｆ０）と変調信号（周波数ｆｍ）とを直交させあるいは両者の同期を取る必要がないことを意味する。
【００２７】
なお、前記同期発振器３３が前記復調しかつ／または逆拡散した複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号のゼロクロス点あるいは直交点のいずれか一方あるいは両方を検出し、前記検出結果に基づいて前記数値制御発振器の位相および／あるいは周波数を制御してクロック信号を生成することでも同様な効果が得あられる。
また、前記同期発振器３３がＤＳＰを含み、前記復調しかつ／または逆拡散した複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号のゼロクロス点あるいは直交点のいずれか一方あるいは両方と同期したクロック信号を生成することでも同様な効果が得られる。
【００２８】
図３は本発明の距離測定装置のタイミングチャートである。図３において、２０１、２０２は２つの測定信号の直交点、２０３ａ〜２０３ｄは時間軸、２０４は低い周波数の測定信号の遅延時間、２０５は同期確立時点、２０６は低い周波数の測定信号と高い周波数の測定信号との位相差、２１１ａ、２１１ｂは低い周波数の測定信号、２１１ｃ、２１１ｄは低い周波数のクロック信号、２１２ａ、２１２ｂは高い周波数の測定信号、２１２ｃ、２１２ｄは高い周波数のクロック信号である。
送信機側（記載せず）において、低い周波数の測定信号２１１ａと高い周波数の測定信号２１２ａとは直交点２０１、２０２においてお互いに直交しているものとする。
【００２９】
受信側（記載せず）において、低い周波数の測定信号２１１ｂは前記直交点２０１から遅延時間２０４だけ遅れて復調しかつ／または逆拡散されているものとする。
前記直交点２０１において低い周波数のクロック信号２１１ｃは低い周波数の測定信号２１１ｂと同期がずれており、遅延時間２０４後から同期確立制御を開始し、同期確立時点２０５において同期を確立し、同期を保持して低い周波数のクロック信号２１２ｃを継続して出力しているものとする。
【００３０】
高い周波数のクロック信号２１１ｄおよび２１２ｄは完全に同期しているので、同期を確立し、同期を保持している高い周波数のクロック信号２１２ｄを用いて復調しかつ／または逆拡散された高い周波数の測定信号２１２ｂの位相を位相・周波数検出器（記載せず）を用いて検出すると、前記検出結果が復調しかつ／または逆拡散された低い周波数の測定信号２１１ｂと高い周波数の測定信号２１２ｂとの位相差２０６となる。
前記同期確立点２０５において、低い周波数のクロック信号２１２ｃは低い周波数の測定信号２１１ｂは±０．１°以内の高い精度で同期を確立することが可能であるので、これと同期している高い周波数のクロック信号２１１ｄを用いて復調しかつ／または逆拡散された高い周波数の測定信号２１２ｂの位相を測定することで、前記位相差２０６を高い精度で検出することが可能となる。
【００３１】
以上の説明では、ハードウエアを用いた積和演算器を用いて位相および／あるいは周波数を検出しているが、ＤＳＰあるいはマイクロコンピュータを用いてＦＦＴ演算を行ない、あるいはその他の既存の技術を採用することでも実現できる。ただし、ソフトウエアによるＦＦＴ演算では処理時間が長くかかるのでリアルタイムでの処理が難しくなることから、ハードウエアにより処理する方が処理時間、電流消費の面、およびコストの面などの点から望ましい。
【００３２】
また、前記送信機から超音波トランスデューサーあるいは超音波送波器を用いて超音波信号を発信し、前記受信機において超音波トランスデューサーあるいは超音波受波器を用いて超音波信号を受信し、あるいは前記送信機において発光ダイオードあるいはレーザーダイオードを用いて光信号を発信し、前記受信機においてホトダイオードを用いて光信号を受信することでも同様な効果が得られる。
【００３３】
また、前記送信機において、基準発振器に同期しあるいは直交した変調信号あるいはベースバンド信号を生成し、超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号の搬送波信号あるいは副搬送波を変調して発信することでも同様な効果が得られる。
また、前記送信機から同期しあるいは直交し少なくともチップレートが異なる複数のデジタル信号かつ／またはスペクトル拡散符号により変調されあるいは拡散されて発信されている場合には、前記受信機において複数の周波数が異なる測定信号に変換することができる。
また、前記送信機においてウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）のスペクトル拡散符号を発信しても同様な効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、上記のように構成されているため、単一の送信機あるいは単一の受信機との間の相対距離を高精度で測定することが可能となり、方向あるいは向かっている方向の測定と合わせれば、位置の標定が高精度で行なえることになる。
また、前記送信機および／あるいは受信機が、移動体に装着され、あるいは歩行者によって携帯されると、いつでもどこでもお互いの位置関係が即座に測定できることから、ユビキタスモバイルネットワークに適用可能となる。
相対距離の測定あるいは位置の標定が高精度で行なえることから、歩行者が交差点などの横断歩道を渡る場合に、横断歩道から逸脱しないように誘導し、あるいは歩行者の接近を車の運転者に警告するなどのシステムに利用可能である。
また、移動無線システムにおいて単一の基地局と携帯端末との間で方向と距離が測定可能となるので、高精度なカーナビゲーションシステムあるいは歩行者ナビゲーションシステムを実現することが可能となる。
【００３５】
また、送信機をアクテイブタグとし、複数の受信機をネットワークで結ぶことで、アクテイブタグの正確な位置が検知できることから、マーケットなどで顧客の移動経路を調査するための動線管理、貨物の移動集積を効率化するための物流管理、あるいは迷子の探索などに用いることができる。
また、前記アクテイブタグを家畜あるいは野生動物に携帯させて正確な位置が検知することで、バイオテレメトリなどに用いることができる。
【００３６】
また、送受信機を走行中の車両に装着することで、相互間の相対位置が高精度で測定できるので、高速道路での協調運転などに利用できる。
また、航行中の複数の船舶間、飛行中の複数の航空機間、あるいは走行中の複数の車両間などの間隔および方向を正確に測定できるので、衝突防止あるいは相互間の距離を維持するなどのシステムに活用することができる。
【００３７】
また、移動体と操縦者相互間の１対１の通信によって移動体との相対的な位置関係が正確に測定できることから、移動体のリモコンなどが安価な装置で可能となる。
また、本発明の距離測定技術は基盤技術であり、その他の多分野での応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施の形態１による距離測定装置の構成図
【図２】実施の形態２による距離測定装置の構成図
【図３】本発明の距離測定装置のタイミングチャート
【図４】従来の実施例を示す構成図
【符号の説明】
【００３９】
１０ アンテナ
１１ 高周波増幅器
１６ ミキサ
１７ 中間周波増幅器
２３ シンセサイザ
３１ 基準発振器
３２ 復調器
３３ 同期発振器
３４ 位相・周波数検出器
３５ 接続端子
【００４０】
１０１ 帯域通過フイルタ
１０２ 同期保持手段
１０３ 位相比較器
１０４ フエイズラグフイルタ
１０５ 数値制御発振器
１０６ 分周器
１１１〜１１４ 接続端子
【００４１】
２０１、２０２ 測定信号の直交点
２０３ａ〜２０３ｄ 時間軸
２０４ 遅延時間
２０５ 同期確立時点
２０６ 位相差
２１１ａ、２１１ｂ 低い周波数の測定信号
２１１ｃ、２１１ｄ 低い周波数のクロック信号
２１２ａ、２１２ｂ 高い周波数の測定信号
２１２ｃ、２１２ｄ 高い周波数のクロック信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を用いて距離を測定するシステムにおいて、
同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の測定信号によって変調されかつ／またはスペクトル拡散された超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を受信するための受信機と、前記受信機の出力信号から前記複数の測定信号を復調しかつ／または逆拡散するための復調器と、前記復調しかつ／または逆拡散した複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号との同期を確立して保持するための同期発振器と、前記同期発振器から出力されるクロック信号を用いて前記複数の測定信号の一部あるいは全部の位相および／あるいは周波数を検出するための位相・周波数検出器とから構成され、前記位相および／あるいは周波数の検出結果から相対距離を測定することを特徴とする距離測定装置
【請求項２】
前記同期発振器が、少なくとも位相比較器と、チャージポンプ回路と、積分回路あるいはフエイズラグフイルタと、前記積分回路あるいはフエイズラグフイルタからの出力信号をデジタル信号に変換するためのアナログ・デジタル変換器と、数値制御発振器と、前記数値制御発振器の出力周波数を分周するための分周器と、同期確立・保持手段とから構成され、前記アナログ・デジタル変換器のデータ出力を用いて前記数値制御発振器の位相および／あるいは周波数を制御してクロック信号を生成することを特徴とする請求項第１項に記載する距離測定装置
【請求項３】
前記同期発振器が、前記復調しかつ／または逆拡散した複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号のゼロクロス点あるいは直交点のいずれか一方あるいは両方を検出し、前記検出結果に基づいて前記数値制御発振器の位相および／あるいは周波数を制御してクロック信号を生成することを特徴とする請求項第１項に記載する距離測定装置
【請求項４】
前記同期発振器が、少なくともＤＳＰを含み、前記復調しかつ／または逆拡散した複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号のゼロクロス点あるいは直交点のいずれか一方あるいは両方と同期したクロック信号を生成することを特徴とする請求項第３項に記載する距離測定装置
【請求項５】
前記位相・周波数検出器において、前記複数の測定信号の位相および／あるいは周波数を検出するために、前記同期発振器から出力されるクロック信号を用いて前記複数の測定信号をアナログ・デジタル変換器によりデジタル信号に変換し、Ｓｉｎのルックアップテーブルとして０、１、０、−１を単位とし、Ｃｏｓｉｎのルックアップテーブルとして１、０、−１、０を単位とし、前記デジタル信号との積和演算を行うことを特徴とする請求項第１項に記載する距離測定装置
【請求項１】
超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を用いて距離を測定するシステムにおいて、
同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の測定信号によって変調されかつ／またはスペクトル拡散された超音波信号あるいは高周波信号あるいは光信号を受信するための受信機と、前記受信機の出力信号から前記複数の測定信号を復調しかつ／または逆拡散するための復調器と、前記復調しかつ／または逆拡散した複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号との同期を確立して保持するための同期発振器と、前記同期発振器から出力されるクロック信号を用いて前記複数の測定信号の一部あるいは全部の位相および／あるいは周波数を検出するための位相・周波数検出器とから構成され、前記位相および／あるいは周波数の検出結果から相対距離を測定することを特徴とする距離測定装置
【請求項２】
前記同期発振器が、少なくとも位相比較器と、チャージポンプ回路と、積分回路あるいはフエイズラグフイルタと、前記積分回路あるいはフエイズラグフイルタからの出力信号をデジタル信号に変換するためのアナログ・デジタル変換器と、数値制御発振器と、前記数値制御発振器の出力周波数を分周するための分周器と、同期確立・保持手段とから構成され、前記アナログ・デジタル変換器のデータ出力を用いて前記数値制御発振器の位相および／あるいは周波数を制御してクロック信号を生成することを特徴とする請求項第１項に記載する距離測定装置
【請求項３】
前記同期発振器が、前記復調しかつ／または逆拡散した複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号のゼロクロス点あるいは直交点のいずれか一方あるいは両方を検出し、前記検出結果に基づいて前記数値制御発振器の位相および／あるいは周波数を制御してクロック信号を生成することを特徴とする請求項第１項に記載する距離測定装置
【請求項４】
前記同期発振器が、少なくともＤＳＰを含み、前記復調しかつ／または逆拡散した複数の測定信号の内最も周波数が低い測定信号のゼロクロス点あるいは直交点のいずれか一方あるいは両方と同期したクロック信号を生成することを特徴とする請求項第３項に記載する距離測定装置
【請求項５】
前記位相・周波数検出器において、前記複数の測定信号の位相および／あるいは周波数を検出するために、前記同期発振器から出力されるクロック信号を用いて前記複数の測定信号をアナログ・デジタル変換器によりデジタル信号に変換し、Ｓｉｎのルックアップテーブルとして０、１、０、−１を単位とし、Ｃｏｓｉｎのルックアップテーブルとして１、０、−１、０を単位とし、前記デジタル信号との積和演算を行うことを特徴とする請求項第１項に記載する距離測定装置
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２１０３７２（Ｐ２００９−２１０３７２Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５２９１９（Ｐ２００８−５２９１９）
【出願日】平成２０年３月４日（２００８．３．４）
【出願人】（３９５００７２９９）有限会社アール・シー・エス (51)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月４日（２００８．３．４）
【出願人】（３９５００７２９９）有限会社アール・シー・エス (51)
【Ｆターム（参考）】
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