距離測定装置
【課題】距離測定装置において、測定期間の延長及び製造コストを抑えながら、測定可能な距離範囲を近距離側にも遠距離側にも拡げる。
【解決手段】距離測定装置においては、周波数制御回路により周波数掃引される送信波と反射波との合成波のパワーが検出され、その検出信号が、分析回路により、特定の処理期間、サンプリングされ、その周波数成分が分析される。そして、その分析結果を基に距離が算出される。上記周波数制御回路は、周波数掃引幅が互いに異なる掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３の各々に従って掃引する。従って、測定対象物までの距離が、近、中、遠距離のいずれであっても、上記検出信号の周波数を、分析回路により分析可能な周波数範囲内に収めることができ、各距離を測定することができる。しかも、近／遠距離側の測定範囲を拡げるために、上記処理期間を延ばしたり、分析回路を高速度の演算が可能なものにしたりしなくて済む。
【解決手段】距離測定装置においては、周波数制御回路により周波数掃引される送信波と反射波との合成波のパワーが検出され、その検出信号が、分析回路により、特定の処理期間、サンプリングされ、その周波数成分が分析される。そして、その分析結果を基に距離が算出される。上記周波数制御回路は、周波数掃引幅が互いに異なる掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３の各々に従って掃引する。従って、測定対象物までの距離が、近、中、遠距離のいずれであっても、上記検出信号の周波数を、分析回路により分析可能な周波数範囲内に収めることができ、各距離を測定することができる。しかも、近／遠距離側の測定範囲を拡げるために、上記処理期間を延ばしたり、分析回路を高速度の演算が可能なものにしたりしなくて済む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物までの距離をレーダ波又は超音波を用いて測定する距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーダ波又は超音波を利用して測定対象物までの距離を測定する技法として、定在波方式と、ＦＭ−ＣＷ方式とが知られており、それぞれの方式の距離測定装置が知られている。
【０００３】
いずれの方式の距離測定装置においても、信号源の発振周波数が掃引され、その掃引された発振周波数と同じ周波数の送信波が測定対象物に放射され、送信波と、その送信波が測定対象物で反射して生じた反射波との合成波が検出される。そして、その検出信号が増幅され、サンプリングされ、周波数分析され、その分析結果に基づいて測定対象物までの距離が算出される。
【０００４】
上記２方式における相違点は、送信波の周波数（以下、送信周波数という）の掃引の仕方である。従って、上記２方式においては、送信波と反射波との合成波形が異なり、合成波の検出部分、及び、検出信号に対する分析内容等も相違する。
【０００５】
以下、上記２方式の距離測定技法について詳述する。図８は、従来及び本発明の定在波方式による距離測定原理を示す。図８における上側の図において、第１象限の横軸は時間ｔを示し、縦軸は送信周波数ｆを示し、第２象限の横軸は任意の検出地点において検出される定在波のパワーｐを表す。上記検出地点は、送信波の放射地点と測定対象物とを通る直線上の任意の地点である。
【０００６】
この方式においては、送信周波数ｆの一定期間の保持と一定幅の上昇とが繰り返されるように送信周波数ｆが掃引される。この掃引により、送信周波数ｆが階段状に変調される（上記第１象限参照）。各周波数ｆにおける一定の保持期間は、レーダ波又は超音波が測定対象物までの間を伝搬して往復するのに必要な時間よりも長く設定されており、その保持期間毎に、送信波と、上記往復により位相が遅延した反射波とが干渉し、合成波として定在波が生成される。
【０００７】
上記検出地点における定在波パワーｐは、送信周波数の掃引に応じて周期的に増減する（上記第２象限参照）。この原理について図９を参照して説明する。ここでは、送信周波数が上昇するとする。この上昇により、検出地点Ｄ１と測定対象物Ｔ１との間の送信波ＷＴ及び反射波ＷＲの波数は増え、そのため、定在波ＷＳの波数が増加し、検出地点Ｄ１における定在波ＷＳの位相が変位する。これにより、検出地点Ｄ１における定在波ＷＳの振幅がＡ１からＡ２に変わり、振幅に比例する定在波パワーｐが変化する。従って、送信周波数の掃引により、検出地点Ｄ１における定在波ＷＳの位相が２π以上掃引されると、定在波パワーｐは周期性を持つようになる。
【０００８】
ここに、送信周波数の掃引による定在波パワーｐの変動周期と、測定対象物Ｔ１までの距離と、光速とを、それぞれ、Δｆ、ｄ、ｃとすると、下記の式（１）の関係式が成立する。
【０００９】
【数１】
【００１０】
従って、変動周期Δｆを求めることにより、距離ｄを算出することができる。ところで、定在波パワーｐを、任意の期間、検出すると、定在波パワーｐの時系列信号（以下、定在波パワー信号という）が得られ、定在波パワーｐを時間関数として表すことができる。しかしながら、上記式（１）は時間を変数に含まないので、定在波パワー信号と、式（１）とだけから、距離ｄを算出することはできない。
【００１１】
そこで、上記式（１）を時間領域の数式に変換することが考えられる。ここに、変動周期Δｆに対応する期間と、送信周波数の掃引幅と、掃引期間とを、それぞれ、Ｔｐ、ΔＦ、τとすると、下記式（２）が求まる（図８参照）。
【００１２】
【数２】
【００１３】
上記式（２）に上記式（１）を代入し、また、定在波パワー信号の周波数をｆｐ（＝１／Ｔｐ）とすると、周波数ｆｐについての下記式（３）が導き出される。
【００１４】
【数３】
【００１５】
従って、定在波パワー信号の周波数ｆｐを計測し、その計測値と、予め設定された掃引幅ΔＦ及び掃引期間τと、光速ｃとを、上記式（３）に代入することにより、距離ｄを求めることができる。
【００１６】
次に、図１０を参照して、従来及び本発明のＦＭ−ＣＷ方式による距離測定原理を説明する。この方式における送信波ＷＴは、その周波数を掃引期間τに周波数掃引幅ΔＦだけ連続掃引することにより、鋸波状にＦＭ変調された連続波（ＣＷ波）である。反射波ＷＲは、送信波ＷＴに対して時間的に遅れるが、その遅延時間Δｔは、レーダ波又は超音波が測定対象物までの距離ｄの空間を往復するのに必要な時間である。この遅延により送信波ＷＴと反射波ＷＲとの周波数には差が生じる。ここに、この周波数差、すなわち、ビート周波数をｆｂとすると、下記式（４）の関係式が成り立つ。
【００１７】
【数４】
【００１８】
遅延時間Δｔは、Δｔ＝２ｄ／ｃ（ｃ：光速）と表され、この式を上記式（４）に代入すると、ビート周波数ｆｂと距離ｄとの関係を示す下記式（５）が求められる。
【００１９】
【数５】
【００２０】
従って、ビート周波数ｆｂを測定し、上記式（５）に代入することにより、距離ｄを割り出すことができる。ビート周波数ｆｂは、送信波ＷＴと反射波ＷＲとの合成波から計測することができる。
【００２１】
図１１は、上記合成波ＷＣの波形を示す。送信周波数が掃引されると、合成波ＷＣにはうなりが生じ、合成波ＷＣの振幅は、ビート周波数ｆｂでもって増大、減少を繰り返す。そのため、合成波ＷＣを例えば包絡線検波することにより、合成波ＷＣから上記うなりの信号、すなわち、ビート信号を抽出して、その周波数を計測することにより、ビート周波数ｆｂを得ることができ、上記式（５）から距離ｄを算出することができる。
【００２２】
ところで、上記式（３）及び式（５）に示されるように、定在波パワー信号の周波数ｆｐとビート信号のビート周波数ｆｂとは距離ｄに応じて変化し、例えば、測定対象物が近いと低くなり、遠いと高くなる。そして、定在波パワー信号／ビート信号は、一般に、周波数成分分析回路（以下、分析回路という）等により、有限のサンプリング処理期間中にサンプリングされ、離散化され、さらに、それらの離散値が高速フーリエ変換（ＦＦＴ）され、これにより、定在波パワー信号の周波数ｆｐ／ビート信号のビート周波数ｆｂが計測される。
【００２３】
従って、従来の上記２方式のいずれの距離測定装置においても、測定対象物が装置に近過ぎると、図１２（ａ）に示されるように、定在波パワー信号の周波数ｆｐ／ビート信号のビート周波数ｆｂが低くなり過ぎて、上記サンプリング処理期間に、定在波パワー信号／ビート信号を１波長以上、サンプリングすることができないことがある。そのため、周波数ｆｐ／ビート周波数ｆｂを正確に求められないことがある。
【００２４】
一方、測定対象物が装置から遠過ぎると、図１２（ｂ）に示されるように、周波数ｆｐ／ビート周波数ｆｂが高くなり過ぎて、サンプリング周波数の１／２以上になることがある。そのため、ナイキストのサンプリング定理が満たされず、エイリアシングが発生し、周波数ｆｐ／ビート周波数ｆｂの高精度な算出が困難なことがある。
【００２５】
すなわち、図１３に示されるように、装置から測定対象物までの距離が、上記分析回路等により分析可能な周波数範囲に対応した距離範囲よりも短いか、又は長いと、上記の距離に応じた周波数の定在波パワー信号／ビート信号が得られたとしても、その周波数を計測することができず、従って、距離測定が困難になる。そのため、測定可能な距離範囲を近距離側にも遠距離側にも拡げたいという要望があった。
【００２６】
そこで、上記要望に応えるため、上記分析回路において、上記サンプリング処理期間を長くし、かつ、上記サンプリング周波数を高くすることが考えられる。しかしながら、サンプリング処理期間が長くなると、測定に要する期間（以下、測定期間という）が長くなってしまう。また、サンプリング周波数が高周波になると、計算量が膨大になって計算時間が長くなり、従って、測定期間が長くなるので、それを防ぐには、高速度の演算が可能な高性能な分析回路が必要になり、製造コストが上がってしまう。
【００２７】
ところで、送信信号の周波数をシフトし、目標対象で反射された反射波を基に目標対象までの距離を測定し、目標対象が近ければ送信信号の周波数シフトを大きくし、遠ければ周波数シフトを小さくして再測定する距離測定システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この距離測定システムにおいては、周波数シフトを大きく、又は小さくすることにより、測定対象が近距離又は遠距離の範囲に特化され、各距離の範囲の測定精度が向上する。
【００２８】
また、測定対象物までの距離をＦＭ−ＣＷ方式により測定し、その測定された距離が基準距離未満であれば、定在波方式により距離を測定し直すレーダ装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。また、３種類以上の周波数変調がなされた送信信号を分割して放射し、目標で反射された受信波と上記送信信号とを混合してビート信号を生成し、このビート信号を基に目標までの距離を算出するレーダ装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、上記の距離測定システム及びレーダ装置においては、上記問題を解決することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特表２００３−５０５６９９号公報
【特許文献２】特開２００９−０５８３３５号公報
【特許文献３】特開２００９−２８８２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
本発明は、上記の従来の問題を解決するためになされたものであり、測定期間の延長及び製造コストの増加を抑えながら、測定可能な距離範囲を近距離側にも遠距離側にも拡げることができる距離測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記目的を達成するために本発明の距離測定装置は、信号源の発振周波数を掃引する周波数掃引部と、前記周波数掃引部により掃引される発振周波数に対応した周波数の送信波を放射する送信部と、前記送信波が測定対象物により反射されて生じた反射波を受信する受信部と、前記送信波と前記反射波との合成波のパワー又は振幅を検出する検出部と、前記検出部による検出信号を特定の処理期間、サンプリングして、そ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る分析結果に基づいて測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備えた距離測定装置において、前記周波数掃引部は、前記発振周波数の掃引幅が互いに異なる複数の掃引パターンを予め記憶しており、それらの掃引パターンのうち、掃引幅が広い掃引パターンから順に、その掃引パターンに従って掃引することを特徴とすることを特徴とする。
【００３２】
この距離測定装置においては、前記周波数掃引部は、前記掃引パターンに従った掃引を開始した後、前記距離算出部が距離を最初に算出すると、次の順以降の掃引パターンによる掃引を中止することが望ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、記憶された掃引パターンのいずれかに従った掃引により、測定対象物までの距離に比例する検出信号の周波数を、測定対象物までの距離に係わらず、周波数成分分析部により分析可能な周波数範囲内に収めることができる。従って、測定可能な距離範囲を近距離側にも遠距離側にも拡げることができる。しかも、近距離側の測定範囲を拡げるために低周波の検出信号に対応して周波数成分分析部の処理期間を延ばさなくて済むので、測定期間の延長を防ぐことができる。また、遠距離側の測定範囲を拡げるために高周波の検出信号に対応して周波数成分分析部を高速度の演算が可能な高性能なものにしなくて済むので、製造コストを抑えることができる。さらに、近距離から優先的に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る距離測定装置の電気的ブロック図。
【図２】上記装置における送信周波数の掃引パターンを示す図。
【図３】上記装置における定在波パワーの検出信号の周波数と測定対象物までの距離との関係を示す図。
【図４】上記装置における送信周波数の掃引処理のフローチャート。
【図５】上記実施形態の一変形例に係る距離測定装置の送信周波数の掃引パターンを示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る距離測定装置の電気的ブロック図。
【図７】上記装置における送信周波数の掃引パターンを示す図。
【図８】（ａ）（ｂ）は従来及び本発明の定在波方式による距離測定原理を説明するための図。
【図９】上記方式において送信周波数が上昇したときの任意の地点における定在波パワー変動を示す図。
【図１０】従来及び本発明のＦＭ−ＣＷ方式による距離測定原理を説明するための図
【図１１】上記方式における送信波と反射波との合成波形図。
【図１２】（ａ）（ｂ）は従来の距離測定装置において測定対象物が装置に近過ぎるときと装置から遠過ぎるときの定在波パワー信号／ビート信号波形を示す図。
【図１３】上記定在波パワー信号／ビート信号の周波数と測定対象物までの距離との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の各種実施形態に係る距離測定装置について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る距離測定装置の構成を示す。この距離測定装置１は、装置から測定対象物Ｔ１までの距離ｄを定在波方式により測定する距離測定装置である。
【００３６】
距離測定装置１は、信号源１０と、周波数制御回路１１と、帯域選択回路１２と、送受信回路１３とを備える。周波数制御回路１１は、信号源１０の発振周波数を掃引する。帯域選択回路１２は、上記発振周波数の掃引幅が互いに異なる複数の掃引パターンのいずれかを選択する。送受信回路１３は、上記発振周波数に対応した周波数、具体的には、発振周波数と同じ周波数を有するレーダ波又は超音波である送信波ＷＴを放射する。また、送受信回路１３は、送信波ＷＴが測定対象物Ｔ１により反射されて生じた反射波ＷＲを受信する。
【００３７】
また、距離測定装置１は、パワー検出回路１４と、時間軸変換回路１５と、増幅回路１６と、周波数成分分析回路（以下、分析回路という）１７と、距離算出回路１８とをさらに備える。パワー検出回路１４は、送信波ＷＴと反射波ＷＲとの合成波である定在波のパワーを検出する。時間軸変換回路１５は、パワー検出回路１４による検出信号の時間軸を圧縮又は伸長する。増幅回路１６は、時間軸変換回路１５により時間軸が圧縮又は伸長された検出信号を増幅し、分析回路１７は、増幅後の検出信号の周波数成分を分析する。距離算出回路１８は、分析回路１７による分析結果から距離ｄを算出する。
【００３８】
信号源１０は、例えば電圧制御発振回路等により構成され、周波数制御回路１１から信号源１０に入力される電圧に対応した周波数で発振し、その発振周波数を有した信号を送受信回路１３に出力する。
【００３９】
周波数制御回路１１（周波数掃引部を構成）は、信号源１０への入力電圧を掃引することにより信号源１０の発振周波数を掃引し、これにより、送信波ＷＴの周波数（以下、送信周波数という）を掃引する。周波数制御回路１１は、予め設定された上記発振周波数の掃引時の下限値に、帯域選択回路１２により選択された掃引パターンの周波数掃引幅を加えることにより、発振周波数の上限値を算出する。そして、周波数制御回路１１は、上記発振周波数を上記の下限値から上記の上限値までの範囲で、一定の周波数間隔で上昇掃引し、各周波数毎に一定の保持期間だけ、その周波数の値を維持する。この保持期間は、送受信回路１３と測定対象物Ｔ１との間のレーダ波又は超音波による往復時間よりも長く設定されており、その保持期間毎に、周波数の異なる定在波が発生する。上記掃引処理において、発振周波数は下降掃引されてもよい。ここに、上記周波数掃引幅の掃引に要する期間を掃引期間という。
【００４０】
送信周波数は、周波数制御回路１１による掃引処理により、上記図８に示されるような階段状に変調される。上記周波数間隔及び保持期間は、それぞれ、１掃引パターンによる掃引中は同じであるが、各掃引パターン毎に、異なっていても、又は同じであってもよい。上記周波数間隔及び保持期間は、図８に図示された例に限定されない。
【００４１】
帯域選択回路１２（周波数掃引部を構成）は、メモリ及びマイクロプロセッサにより構成され、このメモリには３種類の上記掃引パターンが予め格納されている。各掃引パターンには、周波数掃引幅と、掃引期間とが設定されている。周波数掃引幅は、各掃引パターン毎に互いに異なり、測定したい距離に応じて設定され、詳しくは、その距離が短いほど広く設定されている。各掃引パターンの掃引期間は互いに同じである。上記マイクロプロセッサは、３種類の掃引パターンのうち、周波数掃引幅が広い掃引パターンから順に選択する。上記掃引パターンの種類数は上記に限定されず、また、各掃引パターンの掃引期間は互いに異なっていてもよい。
【００４２】
送受信回路１３（送信部、受信部）は、パッチアンテナ等により構成される。送受信回路１３は、周波数制御回路１１により周波数掃引された発振周波数と同じ周波数の送信波ＷＴを測定対象物Ｔ１に放射する。また、送受信回路１３は、送信波ＷＴが測定対象物Ｔ１により反射されて生じた反射波ＷＲを受信する。信号源１０と送受信回路１３とは、送信波ＷＴ及び反射波ＷＲを伝搬するマクロストリップ線路等の信号伝送線路１９により電気的に結ばれている。なお、反射波ＷＲは微弱であるので、反射波ＷＲが信号源１０の信号発振に与える影響等は無視する。
【００４３】
パワー検出回路１４（検出部）は、信号伝送線路１９中の特定地点における定在波のパワーを検出するダイオード等により構成される。パワー検出回路１４による検出信号は、上記定在波パワー信号に相当し、送信周波数が掃引されると、検出値が周期的に変動する。
【００４４】
ところで、周波数掃引幅が同じであっても、掃引期間が変われば、すなわち、掃引速度が異なれば、定在波パワー信号の周波数は変わる（図８参照）。従って、掃引期間を考慮した補正をすることなく、定在波パワー信号の周波数から単純に距離ｄを算出すると、距離ｄは不正確な値になる。従って、距離ｄの正確な値を得るためには、定在波パワー信号の時間軸を、掃引期間に応じた圧縮／伸長率で圧縮又は伸長し、掃引期間が基準掃引期間であるときの時間軸に変換する補正が必要になる。
【００４５】
そこで、時間軸変換回路１５は、帯域選択回路１２により選択された掃引パターンの掃引期間の情報を周波数制御回路１１から取得し、その取得した掃引期間に応じた圧縮／伸長率で、上記検出信号を時間軸方向に圧縮／伸長し、上記補正を行う。この補正においては、基準掃引期間に対する上記掃引期間の比を求め、その比の逆数を上記圧縮／伸長率とする。
【００４６】
増幅回路１６は、時間軸変換回路１５により時間軸変換された検出信号の波高値が、分析回路１７による分解能に応じた値になるよう増幅する。
【００４７】
分析回路１７（周波数成分分析部）は、増幅回路１６により増幅された検出信号をサンプリングし、符号化し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）することにより、検出信号の周波数を計測する。
【００４８】
距離算出回路１８（距離算出部）は、分析回路１７により計測された検出信号の周波数を基に、上記式（３）を用いて距離ｄを算出する。この算出処理においては、上記式（３）のｆｐ、ΔＦ、τに、それぞれ、上記検出信号の周波数、帯域選択回路１２により選択された掃引パターンの周波数掃引幅、上記基準掃引期間が代入され、距離ｄが算出される。距離算出回路１８は、上記３種類の掃引パターンによる掃引において、距離ｄが最初に算出されたとき、その算出を通知する通知信号を周波数制御回路１１に送出する。周波数制御回路１１は、上記通知信号を、掃引パターンによる掃引後の特定の待ち期間に受信したとき、次の順以降の掃引パターンによる掃引を中止する。
【００４９】
図２は、上記３種類の掃引パターンに基づいて周波数制御回路１１により掃引された送信周波数の時間的変化を示す。３種類の掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、掃引期間が互いに略同じであり、かつ、周波数掃引幅が互いに異なり、従って、周波数掃引幅を掃引期間で除して得られる周波数掃引速度が相違する。送信周波数の下限値は一定なので、各掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３による掃引において、掃引される送信周波数の上限値は互いに異なる。各掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、その周波数掃引幅が、掃引パターンＰ１で最も広く、次に、掃引パターンＰ２、Ｐ３の順に広く、この順で帯域選択回路１２により選択される。掃引パターンＰ１による掃引後、及び掃引パターンＰ２による掃引後は、それぞれ、上記待ち期間が経過してから、次の順の掃引パターンに基づく掃引が開始される。
【００５０】
ところで、上記式（３）に示されるように、掃引期間τが一定で、距離ｄが短い又は長いときには、周波数掃引幅ΔＦを広く又は狭くすることにより、周波数ｆｐ（本実施形態ではパワー検出回路１４による検出信号の周波数）を特定の周波数範囲内に収めることができる。
【００５１】
そこで、本実施形態においては、測定したい距離範囲を、近距離、中距離、遠距離（以下、近・中・遠距離という）に分割し、掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３の周波数掃引幅（ΔＦ）を、それぞれ、上記近・中・遠距離に対応した掃引幅に設定する。
【００５２】
ここで、この対応関係について説明する。図３に示されるように、測定対象物Ｔ１が装置から近距離の位置に在るときには、掃引パターンＰ１の掃引により生じる上記検出信号の周波数が、分析回路１７により分析可能な周波数範囲内に収まるように、掃引パターンＰ１の周波数掃引幅が設定されている。また、測定対象物Ｔ１が中距離の位置に在るときには、掃引パターンＰ２の掃引により生じる上記検出信号の周波数が上記周波数範囲内に収まるように、掃引パターンＰ２の周波数掃引幅が設定されている。また、測定対象物Ｔ１が遠距離の位置に在るときには、掃引パターンＰ３の掃引により生じる上記検出信号の周波数が上記周波数範囲内に収まるように、掃引パターンＰ３の周波数掃引幅が設定されている。
【００５３】
次に、周波数制御回路１１における送信周波数の掃引処理について、図２に加えて、図４を参照して説明する。図４は、上記掃引処理の手順を示す。周波数制御回路１１は、変数ｉを１とし（Ｓ１）、掃引パターンＰｉに従った掃引を開始し（Ｓ２）、その後の上記待ち期間内に、距離算出回路１８からの上記通知信号を受信すると（Ｓ３でＹｅｓ）、次の順以降の掃引パターンによる掃引を中止する（Ｓ４）。上記掃引パターンＰｉによる掃引後、上記待ち期間内に通知信号が受信されず（Ｓ３でＮｏ）、かつ、変数ｉ＝３でなければ（Ｓ５でＮｏ）、周波数制御回路１１は、変数ｉをインクリメントし（Ｓ６）、処理をＳ２に戻す。Ｓ５の処理において、変数ｉ＝３であれば（Ｓ５でＹｅｓ）、掃引を終了する。
【００５４】
本実施形態の距離測定装置１においては、掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３のいずれかに従った掃引により、距離ｄに比例する上記検出信号の周波数を、距離ｄが近距離、中距離、又は遠距離のいずれであったとしても、上記分析可能な周波数範囲内に収めることができる。従って、測定可能な距離範囲を近距離側にも遠距離側にも拡げることができる。しかも、近距離側の測定範囲を拡げるために低周波の上記検出信号に対応して分析回路１７の処理期間を延ばさなくて済むので、測定期間の延長を防ぐことができる。また、遠距離側の測定範囲を拡げるために高周波の上記検出信号に対応して分析回路１７を高速度の演算が可能な高性能なものにしなくて済み、また、増幅回路１６は高周波対応のものにしなくて済むので、製造コストを抑えることができる。
【００５５】
また、近距離から優先的に測定することができる。また、測定対象の距離範囲が、近距離、中距離、遠距離に分割され、掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３はそれらの距離にそれぞれ対応しているので、各距離の測定精度の向上を図ることができる。
【００５６】
また、現在の（順の）掃引パターンに従った送信周波数掃引により、測定対象物までの距離ｄが（最初に）算出されたときには、次の順以降の掃引パターンに基づく掃引は中止され、測定対象物までの距離が、この算出された距離ｄに確定する。従って、距離測定に要する時間を短縮すると共に、距離測定に要する消費電力を削減することができる。
【００５７】
本実施形態の距離測定装置１は、例えば、車両に搭載され、その車両の後部又はコーナと壁等の障害物（測定対象物）との距離を測定するバックセンサ又はコーナセンサに適用することができる。距離測定装置１においては、測定対象物までの距離が近距離から優先して測定されるので、車両の近距離に在る障害物を遠距離の障害物よりも早く検知することができる。従って、上記車両に、距離測定装置１による測定結果を音又は光でユーザに通知する通知回路を設けた場合、その通知回路により近距離の障害物の存在を素早く通知することができる。そのため、ユーザが近距離の障害物を認知するまでの期間を短くすることができ、車両と障害物との衝突可能性を低くすることができる。
【００５８】
（第１の実施形態の変形例）
図５は、上記第１の実施形態の一変形例に係る距離測定装置１における送信周波数の時間的変化を示す。周波数制御回路１１は、帯域選択回路１２により選択される掃引パターンを、各掃引パターン毎に、複数回、例えば３回、繰り返す。周波数制御回路１１は、それらの各回の間にも、また、各掃引パターンによる掃引の間にも、上記待ち期間を設け、それら待ち期間中に上記通知信号を受信すると、次回以降の掃引、又は、次の順以降の掃引パターンによる掃引を中止する。
【００５９】
上記変形例においては、各掃引パターン毎に、その掃引パターンによる送信周波数の掃引が繰り返されるので、測定漏れが生じ難くなり、従って、距離測定の信頼性向上を図ることができる。また、本変形例においても、上記第１の実施形態の距離測定装置による各種効果と同等の効果が得られる。なお、本変形例も、車両に適用可能である。
【００６０】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る距離測定装置の構成を示す。この距離測定装置１は、ＦＭ−ＣＷ方式により距離ｄを測定する距離測定装置である。
【００６１】
距離測定装置１は、信号源２０と、周波数制御回路２１と、帯域選択回路２２と、送受信回路２３と、ビート信号成分検出回路（以下、ビート検出回路という）２４と、増幅回路２５と、周波数成分分析回路（以下、分析回路という）２６と、距離算出回路２７と、信号伝送線路２８とを備える。
【００６２】
信号源２０、帯域選択回路２２（周波数掃引部を構成）、送受信回路２３（送信部、受信部）、及び信号伝送線路２８は、それぞれ、上記第１の実施形態の信号源１０、帯域選択回路１２、送受信回路１３、及び信号伝送線路１９と同等の構成である。帯域選択回路２２は、帯域選択回路１２と同等の３種類の掃引パターンを予め記憶している。掃引パターンの種類数は上記に限定されない。
【００６３】
周波数制御回路２１（周波数掃引部を構成）は、信号源２０への入力電圧を掃引することにより信号源２０の発振周波数を掃引し、これにより、送信周波数を掃引する。周波数制御回路２１は、予め設定された上記発振周波数の掃引時の下限値に、帯域選択回路１２により選択された掃引パターンの周波数掃引幅を加えることにより、発振周波数の上限値を算出する。そして、周波数制御回路２１は、上記発振周波数を上記の下限値から上記の上限値までの範囲で、上記発振周波数を連続して上昇掃引する。この掃引処理により、送信周波数は、上記図１０に示されるような鋸波状に変調される。この変調により、送信波ＷＴと反射波ＷＲとの合成波形は上記図１１に示す波形となり、合成波はビート信号を含む。上記掃引処理において、発振周波数は下降掃引されてもよい。
【００６４】
ビート検出回路２４（検出部）は、信号伝送線路２８中の特定地点における上記合成波の振幅を検出し、すなわち、合成波を包絡線検波し、その合成波からビート信号を抜き出す包絡線検波回路等により構成される。
【００６５】
増幅回路２５（増幅部）と分析回路２６（周波数成分分析部）とは、それぞれ、上記の増幅回路１６と分析回路１７とによる定在波パワー検出信号への処理を上記ビート信号に施す。
【００６６】
距離算出回路２７（距離算出部）は、分析回路２６により計測された検出信号の周波数を基に、上記式（５）を用いて距離ｄを算出する。この算出処理においては、式（５）のｆｂ、ΔＦ、τに、それぞれ、上記ビート信号の周波数（ビート周波数）、帯域選択回路１２により選択される掃引パターンの周波数掃引幅、上記掃引パターンの掃引期間が代入され、距離ｄが算出される。距離算出回路２７は、上記第１の実施形態の距離算出回路１８と同様に通知信号を送出する機能を有し、周波数制御回路２１は、上記第１の実施形態の周波数制御回路１１と同じように上記通知信号の受信に基づいて掃引を中止する機能（上記図４参照）を有する。
【００６７】
図７は、上記３種類の掃引パターンに基づいて周波数制御回路２１により掃引された送信周波数の時間的変化を示す。上記図２に図示の掃引処理においては、送信周波数が階段状に変調されたのに対して、図７に示す掃引処理においては、送信周波数が周波数制御回路２１により連続して掃引され、直線状に変調される。
【００６８】
本実施形態の距離測定装置１においても、上記第１の実施形態と同等の各種効果を奏することができる。なお、本実施形態も、第１の実施形態と同様に、車両に適用することができる。
【００６９】
なお、本発明は、上記第１の実施形態、その変形例、及び第２の実施形態の構成に限定されるものでなく、使用目的に応じ、様々な変形が可能である。例えば、周波数制御回路１１又は周波数制御回路２１による発振周波数の掃引処理において、任意の発振周波数を周波数掃引幅の中心又は上限とし、この中心又は上限の発振周波数を基準に発振周波数を掃引してもよい。また、帯域選択回路１２又は帯域選択回路２２は、掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３のうち、掃引速度が速い掃引パターンから順に、その掃引パターンに従って掃引しても構わない。また、送受信回路１３はホーンアンテナであってもよいし、信号伝送線路１９の代わりとして導波管が用いられ、パワー検出回路１４が方向性結合器により構成されていても構わない。また、上記変形例と上記第２の実施形態とを組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１ 距離測定装置
１０、２０ 信号源
１１、２１ 周波数制御回路（周波数掃引部を構成）
１２、２２ 帯域選択回路（周波数掃引部を構成）
１３、２３ 送受信回路（送信部、受信部）
１４ パワー検出回路（検出部）
１７、２６ 周波数成分分析回路（周波数成分分析部）
１８、２７ 距離算出回路（距離算出部）
２４ ビート成分検出回路（検出部）
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 掃引パターン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物までの距離をレーダ波又は超音波を用いて測定する距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーダ波又は超音波を利用して測定対象物までの距離を測定する技法として、定在波方式と、ＦＭ−ＣＷ方式とが知られており、それぞれの方式の距離測定装置が知られている。
【０００３】
いずれの方式の距離測定装置においても、信号源の発振周波数が掃引され、その掃引された発振周波数と同じ周波数の送信波が測定対象物に放射され、送信波と、その送信波が測定対象物で反射して生じた反射波との合成波が検出される。そして、その検出信号が増幅され、サンプリングされ、周波数分析され、その分析結果に基づいて測定対象物までの距離が算出される。
【０００４】
上記２方式における相違点は、送信波の周波数（以下、送信周波数という）の掃引の仕方である。従って、上記２方式においては、送信波と反射波との合成波形が異なり、合成波の検出部分、及び、検出信号に対する分析内容等も相違する。
【０００５】
以下、上記２方式の距離測定技法について詳述する。図８は、従来及び本発明の定在波方式による距離測定原理を示す。図８における上側の図において、第１象限の横軸は時間ｔを示し、縦軸は送信周波数ｆを示し、第２象限の横軸は任意の検出地点において検出される定在波のパワーｐを表す。上記検出地点は、送信波の放射地点と測定対象物とを通る直線上の任意の地点である。
【０００６】
この方式においては、送信周波数ｆの一定期間の保持と一定幅の上昇とが繰り返されるように送信周波数ｆが掃引される。この掃引により、送信周波数ｆが階段状に変調される（上記第１象限参照）。各周波数ｆにおける一定の保持期間は、レーダ波又は超音波が測定対象物までの間を伝搬して往復するのに必要な時間よりも長く設定されており、その保持期間毎に、送信波と、上記往復により位相が遅延した反射波とが干渉し、合成波として定在波が生成される。
【０００７】
上記検出地点における定在波パワーｐは、送信周波数の掃引に応じて周期的に増減する（上記第２象限参照）。この原理について図９を参照して説明する。ここでは、送信周波数が上昇するとする。この上昇により、検出地点Ｄ１と測定対象物Ｔ１との間の送信波ＷＴ及び反射波ＷＲの波数は増え、そのため、定在波ＷＳの波数が増加し、検出地点Ｄ１における定在波ＷＳの位相が変位する。これにより、検出地点Ｄ１における定在波ＷＳの振幅がＡ１からＡ２に変わり、振幅に比例する定在波パワーｐが変化する。従って、送信周波数の掃引により、検出地点Ｄ１における定在波ＷＳの位相が２π以上掃引されると、定在波パワーｐは周期性を持つようになる。
【０００８】
ここに、送信周波数の掃引による定在波パワーｐの変動周期と、測定対象物Ｔ１までの距離と、光速とを、それぞれ、Δｆ、ｄ、ｃとすると、下記の式（１）の関係式が成立する。
【０００９】
【数１】
【００１０】
従って、変動周期Δｆを求めることにより、距離ｄを算出することができる。ところで、定在波パワーｐを、任意の期間、検出すると、定在波パワーｐの時系列信号（以下、定在波パワー信号という）が得られ、定在波パワーｐを時間関数として表すことができる。しかしながら、上記式（１）は時間を変数に含まないので、定在波パワー信号と、式（１）とだけから、距離ｄを算出することはできない。
【００１１】
そこで、上記式（１）を時間領域の数式に変換することが考えられる。ここに、変動周期Δｆに対応する期間と、送信周波数の掃引幅と、掃引期間とを、それぞれ、Ｔｐ、ΔＦ、τとすると、下記式（２）が求まる（図８参照）。
【００１２】
【数２】
【００１３】
上記式（２）に上記式（１）を代入し、また、定在波パワー信号の周波数をｆｐ（＝１／Ｔｐ）とすると、周波数ｆｐについての下記式（３）が導き出される。
【００１４】
【数３】
【００１５】
従って、定在波パワー信号の周波数ｆｐを計測し、その計測値と、予め設定された掃引幅ΔＦ及び掃引期間τと、光速ｃとを、上記式（３）に代入することにより、距離ｄを求めることができる。
【００１６】
次に、図１０を参照して、従来及び本発明のＦＭ−ＣＷ方式による距離測定原理を説明する。この方式における送信波ＷＴは、その周波数を掃引期間τに周波数掃引幅ΔＦだけ連続掃引することにより、鋸波状にＦＭ変調された連続波（ＣＷ波）である。反射波ＷＲは、送信波ＷＴに対して時間的に遅れるが、その遅延時間Δｔは、レーダ波又は超音波が測定対象物までの距離ｄの空間を往復するのに必要な時間である。この遅延により送信波ＷＴと反射波ＷＲとの周波数には差が生じる。ここに、この周波数差、すなわち、ビート周波数をｆｂとすると、下記式（４）の関係式が成り立つ。
【００１７】
【数４】
【００１８】
遅延時間Δｔは、Δｔ＝２ｄ／ｃ（ｃ：光速）と表され、この式を上記式（４）に代入すると、ビート周波数ｆｂと距離ｄとの関係を示す下記式（５）が求められる。
【００１９】
【数５】
【００２０】
従って、ビート周波数ｆｂを測定し、上記式（５）に代入することにより、距離ｄを割り出すことができる。ビート周波数ｆｂは、送信波ＷＴと反射波ＷＲとの合成波から計測することができる。
【００２１】
図１１は、上記合成波ＷＣの波形を示す。送信周波数が掃引されると、合成波ＷＣにはうなりが生じ、合成波ＷＣの振幅は、ビート周波数ｆｂでもって増大、減少を繰り返す。そのため、合成波ＷＣを例えば包絡線検波することにより、合成波ＷＣから上記うなりの信号、すなわち、ビート信号を抽出して、その周波数を計測することにより、ビート周波数ｆｂを得ることができ、上記式（５）から距離ｄを算出することができる。
【００２２】
ところで、上記式（３）及び式（５）に示されるように、定在波パワー信号の周波数ｆｐとビート信号のビート周波数ｆｂとは距離ｄに応じて変化し、例えば、測定対象物が近いと低くなり、遠いと高くなる。そして、定在波パワー信号／ビート信号は、一般に、周波数成分分析回路（以下、分析回路という）等により、有限のサンプリング処理期間中にサンプリングされ、離散化され、さらに、それらの離散値が高速フーリエ変換（ＦＦＴ）され、これにより、定在波パワー信号の周波数ｆｐ／ビート信号のビート周波数ｆｂが計測される。
【００２３】
従って、従来の上記２方式のいずれの距離測定装置においても、測定対象物が装置に近過ぎると、図１２（ａ）に示されるように、定在波パワー信号の周波数ｆｐ／ビート信号のビート周波数ｆｂが低くなり過ぎて、上記サンプリング処理期間に、定在波パワー信号／ビート信号を１波長以上、サンプリングすることができないことがある。そのため、周波数ｆｐ／ビート周波数ｆｂを正確に求められないことがある。
【００２４】
一方、測定対象物が装置から遠過ぎると、図１２（ｂ）に示されるように、周波数ｆｐ／ビート周波数ｆｂが高くなり過ぎて、サンプリング周波数の１／２以上になることがある。そのため、ナイキストのサンプリング定理が満たされず、エイリアシングが発生し、周波数ｆｐ／ビート周波数ｆｂの高精度な算出が困難なことがある。
【００２５】
すなわち、図１３に示されるように、装置から測定対象物までの距離が、上記分析回路等により分析可能な周波数範囲に対応した距離範囲よりも短いか、又は長いと、上記の距離に応じた周波数の定在波パワー信号／ビート信号が得られたとしても、その周波数を計測することができず、従って、距離測定が困難になる。そのため、測定可能な距離範囲を近距離側にも遠距離側にも拡げたいという要望があった。
【００２６】
そこで、上記要望に応えるため、上記分析回路において、上記サンプリング処理期間を長くし、かつ、上記サンプリング周波数を高くすることが考えられる。しかしながら、サンプリング処理期間が長くなると、測定に要する期間（以下、測定期間という）が長くなってしまう。また、サンプリング周波数が高周波になると、計算量が膨大になって計算時間が長くなり、従って、測定期間が長くなるので、それを防ぐには、高速度の演算が可能な高性能な分析回路が必要になり、製造コストが上がってしまう。
【００２７】
ところで、送信信号の周波数をシフトし、目標対象で反射された反射波を基に目標対象までの距離を測定し、目標対象が近ければ送信信号の周波数シフトを大きくし、遠ければ周波数シフトを小さくして再測定する距離測定システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この距離測定システムにおいては、周波数シフトを大きく、又は小さくすることにより、測定対象が近距離又は遠距離の範囲に特化され、各距離の範囲の測定精度が向上する。
【００２８】
また、測定対象物までの距離をＦＭ−ＣＷ方式により測定し、その測定された距離が基準距離未満であれば、定在波方式により距離を測定し直すレーダ装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。また、３種類以上の周波数変調がなされた送信信号を分割して放射し、目標で反射された受信波と上記送信信号とを混合してビート信号を生成し、このビート信号を基に目標までの距離を算出するレーダ装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、上記の距離測定システム及びレーダ装置においては、上記問題を解決することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特表２００３−５０５６９９号公報
【特許文献２】特開２００９−０５８３３５号公報
【特許文献３】特開２００９−２８８２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
本発明は、上記の従来の問題を解決するためになされたものであり、測定期間の延長及び製造コストの増加を抑えながら、測定可能な距離範囲を近距離側にも遠距離側にも拡げることができる距離測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記目的を達成するために本発明の距離測定装置は、信号源の発振周波数を掃引する周波数掃引部と、前記周波数掃引部により掃引される発振周波数に対応した周波数の送信波を放射する送信部と、前記送信波が測定対象物により反射されて生じた反射波を受信する受信部と、前記送信波と前記反射波との合成波のパワー又は振幅を検出する検出部と、前記検出部による検出信号を特定の処理期間、サンプリングして、そ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る分析結果に基づいて測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備えた距離測定装置において、前記周波数掃引部は、前記発振周波数の掃引幅が互いに異なる複数の掃引パターンを予め記憶しており、それらの掃引パターンのうち、掃引幅が広い掃引パターンから順に、その掃引パターンに従って掃引することを特徴とすることを特徴とする。
【００３２】
この距離測定装置においては、前記周波数掃引部は、前記掃引パターンに従った掃引を開始した後、前記距離算出部が距離を最初に算出すると、次の順以降の掃引パターンによる掃引を中止することが望ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、記憶された掃引パターンのいずれかに従った掃引により、測定対象物までの距離に比例する検出信号の周波数を、測定対象物までの距離に係わらず、周波数成分分析部により分析可能な周波数範囲内に収めることができる。従って、測定可能な距離範囲を近距離側にも遠距離側にも拡げることができる。しかも、近距離側の測定範囲を拡げるために低周波の検出信号に対応して周波数成分分析部の処理期間を延ばさなくて済むので、測定期間の延長を防ぐことができる。また、遠距離側の測定範囲を拡げるために高周波の検出信号に対応して周波数成分分析部を高速度の演算が可能な高性能なものにしなくて済むので、製造コストを抑えることができる。さらに、近距離から優先的に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る距離測定装置の電気的ブロック図。
【図２】上記装置における送信周波数の掃引パターンを示す図。
【図３】上記装置における定在波パワーの検出信号の周波数と測定対象物までの距離との関係を示す図。
【図４】上記装置における送信周波数の掃引処理のフローチャート。
【図５】上記実施形態の一変形例に係る距離測定装置の送信周波数の掃引パターンを示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る距離測定装置の電気的ブロック図。
【図７】上記装置における送信周波数の掃引パターンを示す図。
【図８】（ａ）（ｂ）は従来及び本発明の定在波方式による距離測定原理を説明するための図。
【図９】上記方式において送信周波数が上昇したときの任意の地点における定在波パワー変動を示す図。
【図１０】従来及び本発明のＦＭ−ＣＷ方式による距離測定原理を説明するための図
【図１１】上記方式における送信波と反射波との合成波形図。
【図１２】（ａ）（ｂ）は従来の距離測定装置において測定対象物が装置に近過ぎるときと装置から遠過ぎるときの定在波パワー信号／ビート信号波形を示す図。
【図１３】上記定在波パワー信号／ビート信号の周波数と測定対象物までの距離との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の各種実施形態に係る距離測定装置について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る距離測定装置の構成を示す。この距離測定装置１は、装置から測定対象物Ｔ１までの距離ｄを定在波方式により測定する距離測定装置である。
【００３６】
距離測定装置１は、信号源１０と、周波数制御回路１１と、帯域選択回路１２と、送受信回路１３とを備える。周波数制御回路１１は、信号源１０の発振周波数を掃引する。帯域選択回路１２は、上記発振周波数の掃引幅が互いに異なる複数の掃引パターンのいずれかを選択する。送受信回路１３は、上記発振周波数に対応した周波数、具体的には、発振周波数と同じ周波数を有するレーダ波又は超音波である送信波ＷＴを放射する。また、送受信回路１３は、送信波ＷＴが測定対象物Ｔ１により反射されて生じた反射波ＷＲを受信する。
【００３７】
また、距離測定装置１は、パワー検出回路１４と、時間軸変換回路１５と、増幅回路１６と、周波数成分分析回路（以下、分析回路という）１７と、距離算出回路１８とをさらに備える。パワー検出回路１４は、送信波ＷＴと反射波ＷＲとの合成波である定在波のパワーを検出する。時間軸変換回路１５は、パワー検出回路１４による検出信号の時間軸を圧縮又は伸長する。増幅回路１６は、時間軸変換回路１５により時間軸が圧縮又は伸長された検出信号を増幅し、分析回路１７は、増幅後の検出信号の周波数成分を分析する。距離算出回路１８は、分析回路１７による分析結果から距離ｄを算出する。
【００３８】
信号源１０は、例えば電圧制御発振回路等により構成され、周波数制御回路１１から信号源１０に入力される電圧に対応した周波数で発振し、その発振周波数を有した信号を送受信回路１３に出力する。
【００３９】
周波数制御回路１１（周波数掃引部を構成）は、信号源１０への入力電圧を掃引することにより信号源１０の発振周波数を掃引し、これにより、送信波ＷＴの周波数（以下、送信周波数という）を掃引する。周波数制御回路１１は、予め設定された上記発振周波数の掃引時の下限値に、帯域選択回路１２により選択された掃引パターンの周波数掃引幅を加えることにより、発振周波数の上限値を算出する。そして、周波数制御回路１１は、上記発振周波数を上記の下限値から上記の上限値までの範囲で、一定の周波数間隔で上昇掃引し、各周波数毎に一定の保持期間だけ、その周波数の値を維持する。この保持期間は、送受信回路１３と測定対象物Ｔ１との間のレーダ波又は超音波による往復時間よりも長く設定されており、その保持期間毎に、周波数の異なる定在波が発生する。上記掃引処理において、発振周波数は下降掃引されてもよい。ここに、上記周波数掃引幅の掃引に要する期間を掃引期間という。
【００４０】
送信周波数は、周波数制御回路１１による掃引処理により、上記図８に示されるような階段状に変調される。上記周波数間隔及び保持期間は、それぞれ、１掃引パターンによる掃引中は同じであるが、各掃引パターン毎に、異なっていても、又は同じであってもよい。上記周波数間隔及び保持期間は、図８に図示された例に限定されない。
【００４１】
帯域選択回路１２（周波数掃引部を構成）は、メモリ及びマイクロプロセッサにより構成され、このメモリには３種類の上記掃引パターンが予め格納されている。各掃引パターンには、周波数掃引幅と、掃引期間とが設定されている。周波数掃引幅は、各掃引パターン毎に互いに異なり、測定したい距離に応じて設定され、詳しくは、その距離が短いほど広く設定されている。各掃引パターンの掃引期間は互いに同じである。上記マイクロプロセッサは、３種類の掃引パターンのうち、周波数掃引幅が広い掃引パターンから順に選択する。上記掃引パターンの種類数は上記に限定されず、また、各掃引パターンの掃引期間は互いに異なっていてもよい。
【００４２】
送受信回路１３（送信部、受信部）は、パッチアンテナ等により構成される。送受信回路１３は、周波数制御回路１１により周波数掃引された発振周波数と同じ周波数の送信波ＷＴを測定対象物Ｔ１に放射する。また、送受信回路１３は、送信波ＷＴが測定対象物Ｔ１により反射されて生じた反射波ＷＲを受信する。信号源１０と送受信回路１３とは、送信波ＷＴ及び反射波ＷＲを伝搬するマクロストリップ線路等の信号伝送線路１９により電気的に結ばれている。なお、反射波ＷＲは微弱であるので、反射波ＷＲが信号源１０の信号発振に与える影響等は無視する。
【００４３】
パワー検出回路１４（検出部）は、信号伝送線路１９中の特定地点における定在波のパワーを検出するダイオード等により構成される。パワー検出回路１４による検出信号は、上記定在波パワー信号に相当し、送信周波数が掃引されると、検出値が周期的に変動する。
【００４４】
ところで、周波数掃引幅が同じであっても、掃引期間が変われば、すなわち、掃引速度が異なれば、定在波パワー信号の周波数は変わる（図８参照）。従って、掃引期間を考慮した補正をすることなく、定在波パワー信号の周波数から単純に距離ｄを算出すると、距離ｄは不正確な値になる。従って、距離ｄの正確な値を得るためには、定在波パワー信号の時間軸を、掃引期間に応じた圧縮／伸長率で圧縮又は伸長し、掃引期間が基準掃引期間であるときの時間軸に変換する補正が必要になる。
【００４５】
そこで、時間軸変換回路１５は、帯域選択回路１２により選択された掃引パターンの掃引期間の情報を周波数制御回路１１から取得し、その取得した掃引期間に応じた圧縮／伸長率で、上記検出信号を時間軸方向に圧縮／伸長し、上記補正を行う。この補正においては、基準掃引期間に対する上記掃引期間の比を求め、その比の逆数を上記圧縮／伸長率とする。
【００４６】
増幅回路１６は、時間軸変換回路１５により時間軸変換された検出信号の波高値が、分析回路１７による分解能に応じた値になるよう増幅する。
【００４７】
分析回路１７（周波数成分分析部）は、増幅回路１６により増幅された検出信号をサンプリングし、符号化し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）することにより、検出信号の周波数を計測する。
【００４８】
距離算出回路１８（距離算出部）は、分析回路１７により計測された検出信号の周波数を基に、上記式（３）を用いて距離ｄを算出する。この算出処理においては、上記式（３）のｆｐ、ΔＦ、τに、それぞれ、上記検出信号の周波数、帯域選択回路１２により選択された掃引パターンの周波数掃引幅、上記基準掃引期間が代入され、距離ｄが算出される。距離算出回路１８は、上記３種類の掃引パターンによる掃引において、距離ｄが最初に算出されたとき、その算出を通知する通知信号を周波数制御回路１１に送出する。周波数制御回路１１は、上記通知信号を、掃引パターンによる掃引後の特定の待ち期間に受信したとき、次の順以降の掃引パターンによる掃引を中止する。
【００４９】
図２は、上記３種類の掃引パターンに基づいて周波数制御回路１１により掃引された送信周波数の時間的変化を示す。３種類の掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、掃引期間が互いに略同じであり、かつ、周波数掃引幅が互いに異なり、従って、周波数掃引幅を掃引期間で除して得られる周波数掃引速度が相違する。送信周波数の下限値は一定なので、各掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３による掃引において、掃引される送信周波数の上限値は互いに異なる。各掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、その周波数掃引幅が、掃引パターンＰ１で最も広く、次に、掃引パターンＰ２、Ｐ３の順に広く、この順で帯域選択回路１２により選択される。掃引パターンＰ１による掃引後、及び掃引パターンＰ２による掃引後は、それぞれ、上記待ち期間が経過してから、次の順の掃引パターンに基づく掃引が開始される。
【００５０】
ところで、上記式（３）に示されるように、掃引期間τが一定で、距離ｄが短い又は長いときには、周波数掃引幅ΔＦを広く又は狭くすることにより、周波数ｆｐ（本実施形態ではパワー検出回路１４による検出信号の周波数）を特定の周波数範囲内に収めることができる。
【００５１】
そこで、本実施形態においては、測定したい距離範囲を、近距離、中距離、遠距離（以下、近・中・遠距離という）に分割し、掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３の周波数掃引幅（ΔＦ）を、それぞれ、上記近・中・遠距離に対応した掃引幅に設定する。
【００５２】
ここで、この対応関係について説明する。図３に示されるように、測定対象物Ｔ１が装置から近距離の位置に在るときには、掃引パターンＰ１の掃引により生じる上記検出信号の周波数が、分析回路１７により分析可能な周波数範囲内に収まるように、掃引パターンＰ１の周波数掃引幅が設定されている。また、測定対象物Ｔ１が中距離の位置に在るときには、掃引パターンＰ２の掃引により生じる上記検出信号の周波数が上記周波数範囲内に収まるように、掃引パターンＰ２の周波数掃引幅が設定されている。また、測定対象物Ｔ１が遠距離の位置に在るときには、掃引パターンＰ３の掃引により生じる上記検出信号の周波数が上記周波数範囲内に収まるように、掃引パターンＰ３の周波数掃引幅が設定されている。
【００５３】
次に、周波数制御回路１１における送信周波数の掃引処理について、図２に加えて、図４を参照して説明する。図４は、上記掃引処理の手順を示す。周波数制御回路１１は、変数ｉを１とし（Ｓ１）、掃引パターンＰｉに従った掃引を開始し（Ｓ２）、その後の上記待ち期間内に、距離算出回路１８からの上記通知信号を受信すると（Ｓ３でＹｅｓ）、次の順以降の掃引パターンによる掃引を中止する（Ｓ４）。上記掃引パターンＰｉによる掃引後、上記待ち期間内に通知信号が受信されず（Ｓ３でＮｏ）、かつ、変数ｉ＝３でなければ（Ｓ５でＮｏ）、周波数制御回路１１は、変数ｉをインクリメントし（Ｓ６）、処理をＳ２に戻す。Ｓ５の処理において、変数ｉ＝３であれば（Ｓ５でＹｅｓ）、掃引を終了する。
【００５４】
本実施形態の距離測定装置１においては、掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３のいずれかに従った掃引により、距離ｄに比例する上記検出信号の周波数を、距離ｄが近距離、中距離、又は遠距離のいずれであったとしても、上記分析可能な周波数範囲内に収めることができる。従って、測定可能な距離範囲を近距離側にも遠距離側にも拡げることができる。しかも、近距離側の測定範囲を拡げるために低周波の上記検出信号に対応して分析回路１７の処理期間を延ばさなくて済むので、測定期間の延長を防ぐことができる。また、遠距離側の測定範囲を拡げるために高周波の上記検出信号に対応して分析回路１７を高速度の演算が可能な高性能なものにしなくて済み、また、増幅回路１６は高周波対応のものにしなくて済むので、製造コストを抑えることができる。
【００５５】
また、近距離から優先的に測定することができる。また、測定対象の距離範囲が、近距離、中距離、遠距離に分割され、掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３はそれらの距離にそれぞれ対応しているので、各距離の測定精度の向上を図ることができる。
【００５６】
また、現在の（順の）掃引パターンに従った送信周波数掃引により、測定対象物までの距離ｄが（最初に）算出されたときには、次の順以降の掃引パターンに基づく掃引は中止され、測定対象物までの距離が、この算出された距離ｄに確定する。従って、距離測定に要する時間を短縮すると共に、距離測定に要する消費電力を削減することができる。
【００５７】
本実施形態の距離測定装置１は、例えば、車両に搭載され、その車両の後部又はコーナと壁等の障害物（測定対象物）との距離を測定するバックセンサ又はコーナセンサに適用することができる。距離測定装置１においては、測定対象物までの距離が近距離から優先して測定されるので、車両の近距離に在る障害物を遠距離の障害物よりも早く検知することができる。従って、上記車両に、距離測定装置１による測定結果を音又は光でユーザに通知する通知回路を設けた場合、その通知回路により近距離の障害物の存在を素早く通知することができる。そのため、ユーザが近距離の障害物を認知するまでの期間を短くすることができ、車両と障害物との衝突可能性を低くすることができる。
【００５８】
（第１の実施形態の変形例）
図５は、上記第１の実施形態の一変形例に係る距離測定装置１における送信周波数の時間的変化を示す。周波数制御回路１１は、帯域選択回路１２により選択される掃引パターンを、各掃引パターン毎に、複数回、例えば３回、繰り返す。周波数制御回路１１は、それらの各回の間にも、また、各掃引パターンによる掃引の間にも、上記待ち期間を設け、それら待ち期間中に上記通知信号を受信すると、次回以降の掃引、又は、次の順以降の掃引パターンによる掃引を中止する。
【００５９】
上記変形例においては、各掃引パターン毎に、その掃引パターンによる送信周波数の掃引が繰り返されるので、測定漏れが生じ難くなり、従って、距離測定の信頼性向上を図ることができる。また、本変形例においても、上記第１の実施形態の距離測定装置による各種効果と同等の効果が得られる。なお、本変形例も、車両に適用可能である。
【００６０】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る距離測定装置の構成を示す。この距離測定装置１は、ＦＭ−ＣＷ方式により距離ｄを測定する距離測定装置である。
【００６１】
距離測定装置１は、信号源２０と、周波数制御回路２１と、帯域選択回路２２と、送受信回路２３と、ビート信号成分検出回路（以下、ビート検出回路という）２４と、増幅回路２５と、周波数成分分析回路（以下、分析回路という）２６と、距離算出回路２７と、信号伝送線路２８とを備える。
【００６２】
信号源２０、帯域選択回路２２（周波数掃引部を構成）、送受信回路２３（送信部、受信部）、及び信号伝送線路２８は、それぞれ、上記第１の実施形態の信号源１０、帯域選択回路１２、送受信回路１３、及び信号伝送線路１９と同等の構成である。帯域選択回路２２は、帯域選択回路１２と同等の３種類の掃引パターンを予め記憶している。掃引パターンの種類数は上記に限定されない。
【００６３】
周波数制御回路２１（周波数掃引部を構成）は、信号源２０への入力電圧を掃引することにより信号源２０の発振周波数を掃引し、これにより、送信周波数を掃引する。周波数制御回路２１は、予め設定された上記発振周波数の掃引時の下限値に、帯域選択回路１２により選択された掃引パターンの周波数掃引幅を加えることにより、発振周波数の上限値を算出する。そして、周波数制御回路２１は、上記発振周波数を上記の下限値から上記の上限値までの範囲で、上記発振周波数を連続して上昇掃引する。この掃引処理により、送信周波数は、上記図１０に示されるような鋸波状に変調される。この変調により、送信波ＷＴと反射波ＷＲとの合成波形は上記図１１に示す波形となり、合成波はビート信号を含む。上記掃引処理において、発振周波数は下降掃引されてもよい。
【００６４】
ビート検出回路２４（検出部）は、信号伝送線路２８中の特定地点における上記合成波の振幅を検出し、すなわち、合成波を包絡線検波し、その合成波からビート信号を抜き出す包絡線検波回路等により構成される。
【００６５】
増幅回路２５（増幅部）と分析回路２６（周波数成分分析部）とは、それぞれ、上記の増幅回路１６と分析回路１７とによる定在波パワー検出信号への処理を上記ビート信号に施す。
【００６６】
距離算出回路２７（距離算出部）は、分析回路２６により計測された検出信号の周波数を基に、上記式（５）を用いて距離ｄを算出する。この算出処理においては、式（５）のｆｂ、ΔＦ、τに、それぞれ、上記ビート信号の周波数（ビート周波数）、帯域選択回路１２により選択される掃引パターンの周波数掃引幅、上記掃引パターンの掃引期間が代入され、距離ｄが算出される。距離算出回路２７は、上記第１の実施形態の距離算出回路１８と同様に通知信号を送出する機能を有し、周波数制御回路２１は、上記第１の実施形態の周波数制御回路１１と同じように上記通知信号の受信に基づいて掃引を中止する機能（上記図４参照）を有する。
【００６７】
図７は、上記３種類の掃引パターンに基づいて周波数制御回路２１により掃引された送信周波数の時間的変化を示す。上記図２に図示の掃引処理においては、送信周波数が階段状に変調されたのに対して、図７に示す掃引処理においては、送信周波数が周波数制御回路２１により連続して掃引され、直線状に変調される。
【００６８】
本実施形態の距離測定装置１においても、上記第１の実施形態と同等の各種効果を奏することができる。なお、本実施形態も、第１の実施形態と同様に、車両に適用することができる。
【００６９】
なお、本発明は、上記第１の実施形態、その変形例、及び第２の実施形態の構成に限定されるものでなく、使用目的に応じ、様々な変形が可能である。例えば、周波数制御回路１１又は周波数制御回路２１による発振周波数の掃引処理において、任意の発振周波数を周波数掃引幅の中心又は上限とし、この中心又は上限の発振周波数を基準に発振周波数を掃引してもよい。また、帯域選択回路１２又は帯域選択回路２２は、掃引パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３のうち、掃引速度が速い掃引パターンから順に、その掃引パターンに従って掃引しても構わない。また、送受信回路１３はホーンアンテナであってもよいし、信号伝送線路１９の代わりとして導波管が用いられ、パワー検出回路１４が方向性結合器により構成されていても構わない。また、上記変形例と上記第２の実施形態とを組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１ 距離測定装置
１０、２０ 信号源
１１、２１ 周波数制御回路（周波数掃引部を構成）
１２、２２ 帯域選択回路（周波数掃引部を構成）
１３、２３ 送受信回路（送信部、受信部）
１４ パワー検出回路（検出部）
１７、２６ 周波数成分分析回路（周波数成分分析部）
１８、２７ 距離算出回路（距離算出部）
２４ ビート成分検出回路（検出部）
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 掃引パターン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号源の発振周波数を掃引する周波数掃引部と、
前記周波数掃引部により掃引される発振周波数に対応した周波数の送信波を放射する送信部と、
前記送信波が測定対象物により反射されて生じた反射波を受信する受信部と、
前記送信波と前記反射波との合成波のパワー又は振幅を検出する検出部と、
前記検出部による検出信号を特定の処理期間、サンプリングして、そ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る分析結果に基づいて測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備えた距離測定装置において、
前記周波数掃引部は、前記発振周波数の掃引幅が互いに異なる複数の掃引パターンを予め記憶しており、それらの掃引パターンのうち、掃引幅が広い掃引パターンから順に、その掃引パターンに従って掃引することを特徴とすることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記周波数掃引部は、前記掃引パターンに従った掃引を開始した後、前記距離算出部が距離を最初に算出すると、次の順以降の掃引パターンによる掃引を中止す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１】
信号源の発振周波数を掃引する周波数掃引部と、
前記周波数掃引部により掃引される発振周波数に対応した周波数の送信波を放射する送信部と、
前記送信波が測定対象物により反射されて生じた反射波を受信する受信部と、
前記送信波と前記反射波との合成波のパワー又は振幅を検出する検出部と、
前記検出部による検出信号を特定の処理期間、サンプリングして、そ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る分析結果に基づいて測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備えた距離測定装置において、
前記周波数掃引部は、前記発振周波数の掃引幅が互いに異なる複数の掃引パターンを予め記憶しており、それらの掃引パターンのうち、掃引幅が広い掃引パターンから順に、その掃引パターンに従って掃引することを特徴とすることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記周波数掃引部は、前記掃引パターンに従った掃引を開始した後、前記距離算出部が距離を最初に算出すると、次の順以降の掃引パターンによる掃引を中止することを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２３２０５３（Ｐ２０１１−２３２０５３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１００２１４（Ｐ２０１０−１００２１４）
【出願日】平成２２年４月２３日（２０１０．４．２３）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２３日（２０１０．４．２３）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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