(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的に広帯域を占有できる無線信号を利用し、複数の発受信手段間で時分割の双方向通信を行うことにより、安価な無線装置を用いて高精度で相互間の距離測定を実現する。【解決手段】比較的に広帯域を占有できる無線信号を利用し、第１発受信手段１０１ａが生成し時分割の期間保持している起点信号によってＯＯＫ（オンオフキーイング）変調した無線信号をバースト信号として間欠発信し、第２発受信手段１０１ｂにおいて受信した無線信号を振幅検波して増幅し方形波信号に変換して起点信号を復調し、復調した起点信号と同期を確立し保持した距離測定信号でＯＯＫ変調した無線信号を時分割のタイミングで折返し、第１発受信手段において受信した無線信号を振幅検波して増幅し方形波信号に変換して距離測定信号を復調し、自局で生成し保持している起点信号を基準として復調した距離測定信号との伝搬遅延時間差を測定して相互間の距離を高精度で算出する。【選択図】図１
2014020850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
比較的に広帯域を占有できる無線信号を用い、第１発受信手段と第２発受信手段とが伝搬路を介して双方向通信を行い、相互間の距離を高精度で測定するシステムにおいて、
前記第１発受信手段が、前記無線信号を時分割で発受信するための第１発信手段と第１受信手段と、前記第１発信手段と第１受信手段とに局発信号を供給するための第１局発手段と、前記第１発信手段と第１受信手段とを制御するための第１制御手段と、前記第１発信手段と第１受信手段とで、アンテナを個別に備え、アンテナを時分割で切替え、アンテナを共有し、あるいはこれらを組合せるための第１アンテナ手段とから構成され、
前記第２発受信手段が、前記無線信号を時分割で発受信するための第２発信手段と第２受信手段と、前記第２発信手段と第２受信手段とに局発信号を供給するための第２局発手段と、前記第２発信手段と第２受信手段とを制御するための第２制御手段と、前記第２発信手段と第２受信手段とが、アンテナを個別に備え、アンテナを時分割で切替え、アンテナを共有し、あるいはこれらを組合せるための第２アンテナ手段とから構成され、
前記第１発受信手段において、
前記第１制御手段が、少なくとも、距離測定の基準となる起点信号を生成し保持するための信号生成手段と、前記起点信号を基準として復調された距離測定信号の伝搬遅延時間あるいは伝搬遅延位相を測定し相互間の距離を算出するための距離測定手段とを有し、
前記第１発信手段が、少なくとも、別に生成した中間周波信号を前記起点信号によってＯＯＫ（オンオフキーイング）変調するための変調・増幅手段と、前記ＯＯＫ変調された中間周波信号の占有帯域幅を所定の帯域幅に制限するためのロールオフフィルタと、前記第１局発手段によって生成された局発信号とミキシングして所定の周波数に変換するためのミキサと、所定の出力まで増幅し前記第１アンテナ手段から空間に放射するための電力増幅器とを有し、前記起点信号によってＯＫＫ変調された無線信号をバースト信号として間欠発信し、
前記第１受信手段が、少なくとも、前記第１アンテナ手段によって受信した無線信号を増幅するための低雑音増幅器と、前記第１局発手段によって生成された局発信号とミキシングして中間周波信号に変換するためのミキサと、前記中間周波信号の帯域幅を制限するための中間周波フィルタと、前記中間周波信号を整流検波し、遅延検波し、あるいは別途生成した局発信号によって駈動される直交ミキサを用いて同期検波を行い、前記検波出力を高速のコンパレータを用いて増幅し方形波信号に変換して距離測定信号を復調するための振幅検波・低伝搬遅延増幅手段とを有し、前記復調した距離測定信号を前記第１制御手段の距離測定手段に出力し、
前記第２発受信手段において、
前記第２制御手段が、少なくとも、復調された起点信号と瞬時に同期を確立し前記起点信号が消滅した後も同期を保持できる同期確立・保持手段と、前記同期が保持された起点信号と同期した距離測定信号を生成するための信号生成手段とを有し、
前記第２発信手段が、少なくとも、前記距離測定信号によって別に生成した中間周波信号をＯＯＫ（オンオフキーイング）変調するための変調・増幅手段と、前記ＯＯＫ変調された中間周波信号の占有帯域幅を所定の帯域幅に制限するためのロールオフフィルタと、前記第２局発手段によって生成された局発信号とミキシングして所定の周波数に変換するためのミキサと、所定の出力まで増幅し前記第２アンテナ手段から空間に放射するための電力増幅器とを有し、前記第２制御手段によって生成された距離測定信号によってＯＯＫ変調した無線信号を時分割のタイミングで折返しバースト信号として発信し、
前記第２受信手段が、少なくとも、前記第２アンテナ手段によって受信した無線信号を増幅するための低雑音増幅器と、前記第２局発手段によって生成された局発信号とミキシングして中間周波信号に変換するためのミキサと、前記中間周波信号の帯域幅を制限するための中間周波フィルタと、前記中間周波信号を整流検波し、遅延検波し、あるいは別途生成した局発信号によって駈動される直交ミキサを用いて同期検波を行い、前記検波出力を高速のコンパレータを用いて増幅し方形波信号に変換して起点信号を復調するための振幅検波・低伝搬遅延増幅手段とを有し、前記復調した起点信号を前記第２制御手段の同期確立・保持手段に出力する
ことを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項２】
前記請求項第１項において、前記アンテナ手段に複数組のアンテナが設けられ、前記複数組のアンテナをアンテナ切替手段によって周期的に切替えながら前記受信手段が前記無線信号を受信し、前記受信手段によって起点信号あるいは距離測定信号を復調し、前記アンテナの切替え周期に合わせて複数組の同期確立・保持手段をセットしあるいはリセットすることによって、ダイバーシテイ効果による距離測定精度の改善が得られることを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項３】
前記請求項第１項において、前記アンテナ手段に複数組のアンテナが設けられ、前記複数組のアンテナの各々に複数組の受信手段を接続し、前記複数組の受信手段からの出力信号を比較・合成手段を用いて比較し合成することによって、ダイバーシテイ効果による距離測定精度の改善が得られることを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項４】
前記請求項第３項において、前記比較・合成手段がＯＲ回路であることを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項５】
前記請求項第１項において、前記受信手段において変換された方形波信号のデューティ比を監視して、無線信号の衝突・干渉あるいはマルチパスが発生したことを検知し、デューティ比が規定値を外れる箇所での測定値を除くことで距離測定精度を改善することを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項６】
前記請求項第１項において、前記受信手段への受信信号強度の変動に対し、前記振幅検波・低伝搬遅延増幅手段内部での伝搬遅延時間の変動が、要求される距離測定精度を満足するために必要な基準値内に制限されていることを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項７】
前記請求項第１項において、前記発受信手段内部において、自局の発信手段からの出力信号を、自局の受信手段への入力信号として折返して発受信し、距離測定を行うことによって、前記発受信手段あるいは自局の受信手段に内在する伝搬遅延位相あるいは伝搬遅延時間の定数部分と変数部分の一部あるいは全部とを測定し、前記測定結果を用いて距離測定信号の折返しのタイミングを補正し、相互間の距離測定結果を補正し、あるいはこれらの両方を行うことによって距離測定結果を補正することを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項８】
前記請求項第１項において、前記ロールオフフィルタ、中間周波フィルタ、あるいはこれらの両方がパッシブ回路で構成され、かつ等価帯域幅が伝搬遅延時間を低減するのに十分な広帯域であることを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項９】
前記請求項第１項において、前記振幅検波・低伝搬遅延増幅手段が、少なくとも、広帯域の直交ミキサ、高速の差動増幅器、高速のオペアンプ、高速のコンパレータ、高速の自動制御手段、高速のヒステリシス特性、あるいはこれらの組合せによって構成され、かつ等価帯域幅が受信信号強度の変動による伝搬遅延時間の変動を無視できる程度に低減するのに十分な広帯域であることを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項１０】
前記請求項第１項において、前記同期確立・保持手段が、前記復調された起点信号あるいは距離測定信号の立上り点、立下り点、あるいはゼロ交差点を、距離測定精度の要求を満足するのに足る高い周波数のサンプリング信号によって、任意の時間に短期間を限って検出し、前記検出されたタイミングで、複数組のカウンタあるいは数値制御発振器を順次にセットしあるいはリセットすることによって同期を確立・保持できる同期発振器であることを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項１１】
前記請求項第１項において、前記第１発受信手段が、自局で生成した起点信号を基準とし、前記復調した距離測定信号の伝搬遅延時間差あるいは伝搬遅延位相差を複数の繰返し周期ごとに測定して複数組の距離測定結果を取得し、距離がもっとも短い測定結果を選択し、あるいは距離が比較的に短い測結果を選択して平均値あるいは加重平均値を求めることを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項１２】
前記請求項第１項において、前記第２発受信手段が、前記第１発受信手段から発信された起点信号を含む無線信号を受信すると、前記受信した起点信号と高精度で同期した距離測定信号を含む無線信号を前記第１発受信手段に向けて、複数の周波数スロットあるいはタイムスロットからランダムに選択された周波数スロットあるいはタイムスロットで折返して発信することを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項１３】
前記請求項第１項において、前記発信手段が、前記入力された起点信号あるいは距離測定信号の占有帯域幅をロールオフフィルタによって直接制限した後に、前記局発生成手段によって生成された局発信号を直接ＯＯＫ変調し、電力増幅器によって所定の出力まで増幅して出力することを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項１４】
前記請求項第１項において、前記受信手段が、受信入力を低雑音増幅器によって増幅した後に振幅検波を行い、中間周波信号に変換した後に振幅検波を行い、あるいは前記局発信号あるいは別に生成した局発信号によって駈動される直交ミキサを用いて振幅検波を行うことを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項１５】
前記請求項第１項から請求項第１４項のいずれかにおいて、前記発受信手段が、前記ＯＯＫ変調方式あるいは振幅検波方式以外の、任意の広帯域変調方式あるいは任意の広帯域復調方式を適用することを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【請求項１６】
前記請求項第１項において、前記無線信号が、広い帯域幅を占有できる周波数帯、準ミリ波帯、あるいはミリ波帯の電波であることを特徴とする時分割双方向通信による距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、比較的に広帯域を占有できる無線信号を利用し、安価な装置を用いて実現できる、時分割双方向通信による距離測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発信手段から発信される無線信号を、受信手段で受信することによって、発信手段と受信手段との間の距離を測定する装置が提案されている。（例えば、特許文献１〜３参照）
【特許文献１】特開Ｈ１１−２１１８１８号公報
【特許文献２】特開Ｈ１０−２６８０２８号公報
【特許文献３】特開２００８−３０４１９２号公報
【０００３】
図７は、特許文献１に記載されている従来の「距離測定機」の実施例である。図７において、位置Ｂの送信機１は基準信号で変調された送信信号を送信し、これを受信した位置Ａの中継機２は周波数を変換した中継信号を送信する。位置Ｃの距離測定機３は、送信機１の送信信号と、中継機２の中継信号をともに受信し、元の基準信号を復調して位相差を検出し、これにより距離ｘ、距離ｙを算出するとされている。
しかしながら、中継機２が周波数を変換した同時送受信方式であり、送信機１とは別に中継機２を設置する必要があり、中継２が時分割方式の場合には適用できず、あるいは中継機２が設置されていない場所では距離測定ができない問題点がある。
【０００４】
また、特許文献２では、人工衛星１７の概算距離値に基づいてＰＮコード発生部１１で最適なコード系列を選択して、該コード系列の送信ＰＮコードを発生し、この送信ＰＮコードの信号を人工衛星に送信して、その折返した信号を受信し、その受信ＰＮコードを上記概算距離値に基づいた最適なコード系列から選択し、選択した受信ＰＮコードと送信ＰＮコードとより、人工衛星１７の距離を測定するように構成したものであるとされている。
しかしながら、人工衛星でＰＮコードを時分割で折り返す場合に、短時間でかつ高精度で同期を確立し、前記ＰＮコードが消滅した後も、長時間に渡り同期を維持するのが難しく、回路が複雑となり、高価となる問題点がある。
【０００５】
また、特許文献３では、第１の送受信機１０００から第２の送受信機２０００へ、周波数ｆ1／ＭＮの矩形波ＤTで周波数ｆ1の搬送波をＱＰＳＫ変調し、送信する。第２の送受信機２０００は、コスタスループにより搬送波を再生し、矩形波Ｄ２を復調する。この後周波数ｆ２（≠ｆ1）の搬送波を生成して、復調した矩形波で周波数ｆ２の搬送波をＱＰＳＫ変調し、第２の送受信機２０００から第１の送受信機１０００へ逆送信する。
【０００６】
第１の送受信機１０００はここから周波数ｆ1／ＭＮの矩形波ＤRを復調する。矩形波ＤRをＭ逓倍し、矩形波ＤTを生成する１／Ｍ分周器１５の入力である１／Ｎ分周器１４との位相差を検出する。位相差は、第１の送受信機１０００から第２の送受信機２０００までの距離の２倍を電波が通過した時間差であるとされている。
しかしながら、第１の送受信機１０００と第２の送受信機２０００は、異なる周波数で送受信する必要があり、時分割で通信する場合には適用できず、周波数の割り当てが難しいのと、高価となる問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、比較的に広帯域を占有できる無線信号を利用し、安価な無線装置を用い、時分割双方向通信による距離測定装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係わる時分割双方向通信による距離測定装置では、第１発受信手段生成し時分割の期間保持している起点信号によってＯＯＫ（オンオフキーイング）変調した無線信号をバースト状の無線信号としてアンテナから空間に間欠的に発信し、第２発受信手段において前記無線信号をアンテナで受信して増幅し、整流検波を行い、遅延検波を行い、あるいは直交ミキサを用いて同期検波を行って起点信号を復調し、前記復調した起点信号を超高速のコンパレータを用いて増幅して方形波信号に変換し、前記方形波信号に変換した起点信号と高精度で同期を確立し、前記起点信号が消滅した後も少なくとも時分割の期間中基準発振器の精度で同期を保持することで、前記起点信号と高精度で同期した距離測定信号を生成し、前記生成した距離測定信号によってＯＯＫ変調した無線信号を時分割のタイミングで前記第１発受信手段に向けて折返して発信する。
【０００９】
前記第１発受信手段において、前記第２発受信手段から発信された無線信号をアンテナで受信して増幅し、整流検波を行い、遅延検波を行い、あるいは直交ミキサを用いて同期検波を行って距離測定信号を復調し、前記復調した距離測定信号を超高速のコンパレータを用いて増幅して方形波信号に変換し、自局において生成し保持している点信号を基準として前記方形波信号に変換した距離測定信号との伝搬遅延時間あるいは伝搬遅延位相を測定することで、前記第２発受信手段との間の相対距離を高精度で算出することができる。
なお、前記第２発受信手段において複数組のアンテナの各々と接続した受信手段を複数組設け、前記複数組の受信手段で復調した起点信号をＯＲ回路を用いて合成することで、ダイバーシテイ効果が得られる。
【００１０】
また、前記第１発受信手段および第２発受信手段の内部の伝搬遅延時間の合計が各々２０ナノ秒以下であり、前記第１発受信手段および第２発受信手段受信手段を構成する、中間周波フィルタの伝搬遅延時間が１０ナノ秒以下であり、前記直交ミキサおよび超高速のコンパレータの伝搬遅延時間が５ナノ秒以下であり、前記受信手段への受信信号強度が変動するのに対応して、前記直交ミキサおよび超高速のコンパレータの伝搬遅延時間の変動が５００ピコ秒以下であるものとする。
また、前記第１発受信手段および第２発受信手段の内部の伝搬遅延時間が、受信信号強度の変化に対応して、変動が比較的に少ない定数部分、変動が比較的に大きい変動部分、あるいはこれらの両方について距離補正を行うことで、高精度の距離測定を実現することができる。
【発明の効果】
【００１１】
前述のように、本発明の時分割双方向通信による距離測定装置によって、比較的に広帯域を占有できる無線信号を利用し、第１発受信手段と第２発受信手段との間で時分割による双方向通信を行うことによって相互間の距離測定を高精度で実現できる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるシステム構成図
【図２】本発明の第１の実施の形態による発受信手段の構成図
【図３】本発明の第１の実施の形態による相互間距離測定のためのタイミングチャート
【図４】従来の狭帯域発受信手段による距離測定誤差の測定データ
【図５】従来の狭帯域発受信手段による距離測定誤差の他の測定データ
【図６】本発明の同期確立・保持手段の構成図とタイミングチャート
【図７】従来の実施例を示す構成図
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態によるシステムの構成図である。図１において、１０１ａは第１発受信手段、１０１ｂは第２発受信手段、１１ａ、１１ｂは制御手段、１２ａ、１２ｂは発信手段、１３ａ、１３ｂは受信手段、１４ａ、１４ｂは局発手段、１５ａ、１５ｂはアンテナ切替手段、１６ａ、１６ｂはアンテナ、１７ａ、１７ｂは無線信号の伝搬路である。
【００１４】
図１および請求項１に示すように、比較的に広帯域を占有できる無線信号を用い、第１発受信手段１０１ａと第２発受信手段１０１ｂとが伝搬路１７ａ、１７ｂを介して双方向通信を行い、相互間の距離を高精度で測定するシステムにおいて、前記第１発受信手段１０１ａが、前記無線信号を発受信するための第１発信手段１２ａと第１受信手段１３ａと、前記第１発信手段と第１受信手段とに局発信号を供給するための第１局発手段１４ａと、前記第１発信手段と第１受信手段とを制御するための第１制御手段１１ａと、前記第１発信手段と第１受信手段とで、アンテナを個別に備え、アンテナを時分割で切替え、アンテナを共有し、あるいはこれらを組合せるための第１アンテナ手段１５ａとから構成され、
【００１５】
前記第２発受信手段１０１ｂが、前記無線信号を時分割で発受信するための第２発信手段１２ｂと第２受信手段１３ｂと、前記第２発信手段と第２受信手段とに局発信号を供給するための第２局発手段１４ｂと、前記第２発信手段と第２受信手段とを制御するための第２制御手段１１ｂと、前記第２発信手段と第２受信手段とが、アンテナを個別に備え、アンテナを時分割で切替え、アンテナを共有し、あるいはこれらを組合せるための第２アンテナ手段１５ｂとから構成される。
【００１６】
図２は本発明の第１の実施の形態による発受信手段の構成図である。図２において、１０１ａ、１０１ｂは第１および第２発受信手段、１１は制御手段、１２は発信手段、１３は受信手段、１４は局発手段、１５はアンテナ切替手段、１６はアンテナ手段、４１ａ、４１ｂはアンテナ切替手段の入出力端子、４２ａ、４２ｂは受信手段への入力端子、４３ａ、４３ｂは低雑音増幅器、４４ａ、４４ｂはミキサ、４５は局発信号発振器、４６ａ、４６ｂは中間周波フィルタ、４７ａ、４７ｂは振幅検波・低伝搬遅延増幅手段、４８は比較・合成回路、４９ａ、４９ｂは制御手段の入出力端子、５０は同期確立・保持手段、５１は距離測定手段、５２は信号生成手段、５３は測定データの出力端子、５４は変調・増幅手段、５５はロールオフフィルタ、５６はミキサ、５７は電力増幅器、５８は発信手段の出力端子、５９ａ〜５９ｃは接続端子、６０ａ〜６０ｄは信号入出力端子である。
【００１７】
図２、請求項１、請求項３、および請求項４に示すように、前記第１発受信手段１０１ａにおいて、前記第１制御手段１１が、少なくとも、距離測定の基準となる起点信号を生成し保持するための信号生成手段５２と、前記起点信号を基準として復調された距離測定信号の伝搬遅延時間あるいは伝搬遅延位相を測定し相互間の距離を算出するための距離測定手段５１とを有し、前記第１発信手段１２が、少なくとも、別に生成した中間周波信号を前記起点信号によってＯＯＫ（オンオフキーイング）変調するための変調・増幅手段５４と、前記ＯＯＫ変調された中間周波信号の占有帯域幅を所定の帯域幅に制限するためのロールオフフィルタ５５と、前記第１局発手段１４ａによって生成された局発信号とミキシングして所定の周波数に変換するためのミキサ５６と、所定の出力まで増幅し前記第１アンテナ手段から空間に放射するための電力増幅器５７とを有し、前記起点信号によってＯＫＫ変調された無線信号をバースト信号として間欠発信する。
【００１８】
前記第１受信手段１３が、少なくとも、前記無線信号を受信するための第１アンテナ手段１６−１、１６−２と、前記２組のアンテナをそれぞれ接続端子４２ａ、４２ｂを介して接続するためのアンテナ切替手段１５と、受信した無線信号を増幅するための複数の低雑音増幅器４３ａ、４３ｂと、前記第１局発手段１４によって生成された局発信号とミキシングして中間周波信号に変換するための複数のミキサ４４ａ、４４ｂと、前記中間周波信号の帯域幅を制限するための複数の中間周波フィルタ４６ａ、４６ｂと、前記中間周波信号を整流検波し、遅延検波し、あるいは別途生成した局発信号によって駈動される直交ミキサを用いて同期検波を行い、前記検波出力を高速のコンパレータを用いて増幅し方形波信号に変換して距離測定信号を復調するための複数の振幅検波・低伝搬遅延増幅手段４７ａ、４７ｂとを有し、前記複数の振幅検波・低伝搬遅延増幅手段から出力される方形波信号を、例えばＯＲ回路で構成される比較・合成回路４８によって比較・合成して出力し、前記復調した距離測定信号を、接続端子４９ａを介して、前記第１制御手段１１の距離測定手段５１に出力する。
【００１９】
前記第２発受信手段１０１ｂにおいて、前記第２制御手段１１が、少なくとも、復調された起点信号と瞬時に同期を確立し前記起点信号が消滅した後も同期を保持できる同期確立・保持手段５０と、前記同期が保持された起点信号と同期した距離測定信号を生成するための信号生成手段５２とを有し、前記第２発信手段１２が、少なくとも、前記距離測定信号によって別に生成した中間周波信号をＯＯＫ（オンオフキーイング）変調するための変調・増幅手段５４と、前記ＯＯＫ変調された中間周波信号の占有帯域幅を所定の帯域幅に制限するためのロールオフフィルタ５５と、前記第２局発手段によって生成された局発信号とミキシングして所定の周波数に変換するためのミキサ５６と、所定の出力まで増幅し前記第２アンテナ手段１６から空間に放射するための電力増幅器５７とを有し、前記第２制御手段によって生成された距離測定信号によってＯＯＫ変調された無線信号を時分割のタイミングで折返しバースト信号として発信し、
【００２０】
前記第２受信手段１３が、少なくとも、前記無線信号を受信するための第２アンテナ手段１６−１、１６−２と、前記２組のアンテナをそれぞれ接続端子４２ａ、４２ｂを介して接続するためのアンテナ切替手段１５と、受信した無線信号を増幅するための複数の低雑音増幅器４３ａ、４３ｂと、前記第１局発手段１４によって生成された局発信号とミキシングして中間周波信号に変換するための複数のミキサ４４ａ、４４ｂと、前記中間周波信号の帯域幅を制限するための複数の中間周波フィルタ４６ａ、４６ｂと、前記受信入力信号を整流検波、包絡線検波、遅延検波などの非同期式の振幅検波をし、あるいは別途生成した局発信号によって駈動される直交ミキサを用いて同期式の振幅検波を行い、前記振幅検波出力を高速のコンパレータを用いて増幅し方形波信号に変換して距離測定信号を復調するための複数の振幅検波・低伝搬遅延増幅手段４７ａ、４７ｂとを有し、前記複数の振幅検波・低伝搬遅延増幅手段から出力される方形波信号を、例えばＯＲ回路で構成される比較・合成回路４８によって比較・合成して出力し、前記復調した起点信号を、接続端子４９ａを介して、前記第２制御手段１１の同期確立・保持手段５０に出力する。
【００２１】
また、図２および請求項２に示すように、アンテナ手段１６ａ、１６ｂ、あるいはこれらの両方に複数組のアンテナが設けられ、前記複数組のアンテナをアンテナ切替手段１５ａ、１５ｂ、或いはこれらの両方によって周期的に切替えながら前記受信手段１３ａ、１３ｂ、あるいはこれらの両方が前記無線信号を受信し、前記受信手段によって起点信号あるいは距離測定信号を復調し、前記アンテナの切替え周期に合わせて複数組の同期確立・保持手段をセットしあるいはリセットすることによって、ダイバーシテイ効果による距離測定精度の改善が得られる。
また、図２および請求項３に示すように、前記アンテナ手段に複数組のアンテナが設けられ、前記複数組のアンテナの各々に複数組の受信手段を接続し、前記複数組の受信手段からの出力信号を比較・合成手段を用いて比較し合成することによって、ダイバーシテイ効果による距離測定精度の改善が得られる。
また、図２および請求項４に示すように、前記比較・合成手段がＯＲ回路である。
【００２２】
また、請求項５に示すように、前記受信手段において変換された方形波信号のデューティ比を監視して無線信号の衝突・干渉あるいはマルチパスが発生したことを検知し、デューティ比が規定値を外れる箇所での測定値を除くことで距離測定精度を改善することができる。
また、請求項６に示すように、前記受信手段への受信信号強度の変動に対し、前記振幅検波・低伝搬遅延増幅手段内部での伝搬遅延時間の変動が、要求される距離測定精度を満足するために必要な基準値内に制限されているものとする。
【００２３】
また、請求項７に示すように、前記発受信手段内部において、自局の発信手段からの出力信号を、自局の受信手段への入力信号として折返して発受信し、距離測定を行うことによって、前記発受信手段あるいは自局の受信手段に内在する伝搬遅延位相あるいは伝搬遅延時間の定数部分と変数部分の一部あるいは全部とを測定し、前記測定結果を用いて距離測定信号の折返しのタイミングを補正し、相互間の距離測定結果を補正し、あるいはこれらの両方を行うことによって距離測定結果を補正する。
また、請求項８に示すように、前記ロールオフフィルタ、中間周波フィルタ、あるいはこれらの両方がパッシブ回路で構成され、かつ等価帯域幅が伝搬遅延時間を低減するのに十分な広帯域である。
【００２４】
また、請求項９に示すように、前記振幅検波・低伝搬遅延増幅手段が、少なくとも、広帯域の直交ミキサ、高速の差動増幅器、高速のオペアンプ、高速のコンパレータ、高速の自動制御手段、高速のヒステリシス特性、あるいはこれらの組合せによって構成され、かつ等価帯域幅が受信信号強度の変動による伝搬遅延時間の変動を無視できる程度に低減するのに十分な広帯域である。
また、図６および請求項１０に示すように、前記同期確立・保持手段が、前記復調された起点信号あるいは距離測定信号の立上り点、立下り点、あるいはゼロ交差点を、距離測定精度の要求を満足するのに足る高い周波数のサンプリング信号によって、任意の時間に短期間を限って検出し、前記検出されたタイミングで、複数組のカウンタあるいは数値制御発振器を順次にセットしあるいはリセットすることによって同期を確立・保持できる同期発振器である。
【００２５】
また、請求項１１に示すように、前記第１発受信手段が、自局で生成した起点信号を基準とし、前記復調した距離測定信号の伝搬遅延時間差あるいは伝搬遅延位相差を複数の繰返し周期ごとに測定して複数組の距離測定結果を取得し、距離がもっとも短い測定結果を選択し、あるいは距離が比較的に短い測結果を選択して平均値あるいは加重平均値を求める。
また、請求項１２に示すように、前記第２発受信手段が、前記第１発受信手段から発信された起点信号を含む無線信号を受信すると、前記受信した起点信号と高精度で同期した距離測定信号を含む無線信号を前記第１発受信手段に向けて、複数の周波数スロットあるいはタイムスロットからランダムに選択された周波数スロットあるいはタイムスロットで折返して発信する。
【００２６】
また、請求項１３に示すように、前記発信手段が、前記入力された起点信号あるいは距離測定信号の占有帯域幅をロールオフフィルタによって直接制限した後に、前記局発生成手段によって生成された局発信号を直接ＯＯＫ変調し、電力増幅器によって所定の出力まで増幅して出力する。
また、請求項１４に示すように、前記受信手段が、受信入力を低雑音増幅器によって増幅した後に整流検波あるいは包絡線検波あるいは遅延検波などの非同期式の振幅検波を行い、中間周波信号に変換した後に整流検波あるいは包絡線検波あるいは遅延検波などの非同期式の振幅検波を行い、あるいは前記局発生成手段によって生成された局発信号によって駈動される直交ミキサを用いて同期式の振幅検波を行うことによって、回路構成を簡略化でき安価となり、あるいは高効率の振幅検波が可能となる。
また、請求項１５に示すように、前記発受信手段が、前記ＯＯＫ変調方式あるいは振幅検波方式以外の、任意の広帯域変調方式あるいは任意の広帯域復調方式を適用することでも同様な効果が得られる。
また、請求項１６に示すように、前記無線信号が、広い帯域幅を占有できる周波数帯、準ミリ波帯、あるいはミリ波帯の電波である。
【００２７】
また、前記伝搬遅延位相あるいは伝搬遅延時間は伝搬路１６を経由して無線信号が伝搬した際の他に、受信手段１３の内部においても伝搬遅延を生じ、その主な要因は、中間周波フィルタ４６と、振幅検波・低伝搬遅延増幅手段４７、およびその他の電子回路あるいは電子部品によるものである。前記中間周波フィルタ４６によって生じる伝搬遅延は帯域幅によって決まるが、受信信号強度の変動に対して影響を受ける度合いが少なくほぼ一定の値を呈するのに対して、前記振幅検波・低伝搬遅延増幅手段４７では受信信号強度の変動に対して伝搬遅延が大きく変動するので、広帯域化することで伝搬遅延時間が無視できる程度に短いものが実現できれば、受信信号強度の変動に対しても伝搬遅延の変動が十分小さく、したがって、距離の測定誤差が小さく、距離の測定精度を高くすることが可能となる。
【００２８】
また、前記振幅検波・低伝搬遅延増幅手段４７に、広帯域・超高速の差動増幅器、広帯域・超高速のオペアンプ、広帯域・超高速のコンパレータ、あるいはこれらの組合せを用いると、等価帯域幅として１０ＧＨｚ程度以上の広帯域化が実現できるので、伝搬遅延時間の絶対値が１００ピコ秒以下であり、受信信号強度の変動に対して１０ピコ秒程度の小さな変動となり、一方、定数部分が９０ピコ秒程度のものが実現でき、前記中間周波フィルタ４６の伝搬遅延時間とともに、受信信号強度の変動に対して固定値部分を補正することで、距離測定誤差を±数ｃｍ程度に抑えることができる。
【００２９】
また、実用上許容できる値として、前記中間周波フィルタ４６の伝搬遅延時間を１０ナノ秒以下とし、かつ前記振幅検波・低伝搬遅延増幅手段４７の伝搬遅延時間を５ナノ秒以下に抑えると、前記制御手段１１において、前記受信手段１３の伝搬遅延時間の内、受信信号強度の変動に対して伝搬遅延時間の変動が少ない、定数部分について距離補正を行うことで高精度の距離測定が可能となる。
また、前記無線信号に準ミリ波帯あるいはミリ波帯を用い、前記起点信号および距離測定信号がＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫ、あるいはこれらの組合せによりデジタル変調されており、前記振幅検波・低伝搬遅延増幅手段４７の等価帯域幅を広帯域化してＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫ、あるいはこれらの組合せによりデジタル復調することで、受信信号強度の変化に対して伝搬遅延時間の変動を無視できる程度に削減することができる。
【００３０】
また、前記受信手段１３の受信信号強度が変動するのに対し、前記受信手段１３の伝搬遅延時間が変化する変数部分が２ナノ秒以内であり、かつ前記中間周波フィルタ４６がパッシブ回路で構成され、前記振幅検波・低伝搬遅延増幅手段４７が、少なくとも、広帯域差動増幅手段、広帯域自動利得制御手段、広帯域ヒステリシス特性、広帯域コンパレータ、超高速の差動増幅器、超高速のオペアンプ、超高速のコンパレータ、あるいはこれらの組合せによって構成されているものとする。
また、前記発信手段が、前記入力された起点信号あるいは距離測定信号の占有帯域幅をロールオフフィルタによって直接制限した後に、前記ロールオフフィルタからの出力信号を用い、前記局発生成手段によって生成された局発信号を直接ＯＯＫ変調し、電力増幅器によって所定の出力まで増幅して出力することでも同様な効果がえられる。
【００３１】
図３は本発明の第１の実施の形態による相互間距離測定のためのタイミングチャート例である。図３において、２１ａは第１発受信手段で時分割の期間中も継続して生成される起点信号、２２は起点信号を含む無線信号が１ｍｓのバースト信号として間欠送信され空間を伝搬する伝搬経路、２１ｂは第２発受信手段によって復調され同期・保持される起点信号、２３ａは同期・保持された起点信号に同期して生成される距離測定信号、２４は距離測定信号を含む無線信号が時分割の間隔２５でバースト信号として折返され空間を伝搬する伝搬経路、２３ｂは第１発受信手段によって復調される距離測定信号、２６ａ、２６ｂは第１発受信手段で生成された起点信号と受信した距離測定信号との伝搬遅延時間差とする。
【００３２】
前記第１発受信手段から送信される起点信号２１ａを方形波信号ｈ（ｔ）で表すと、前記起点信号２１ａが距離Ｌ（ｍ）の空間の伝搬経路２２を伝搬し、前記第２発受信手段によって復調されると、復調された起点信号２１ｂは、光の速度をCとすると、ｈ（ｔ−Ｌ／Ｃ）となり、前記復調された起点信号２１ｂと同期誤差が０で同期した距離測定信号２３ａを生成し、前記時分割の間隔２５（＝ｔｄ）の後に前記第１発受信手段に向けて折返し発信され、再び、距離Ｌ（ｍ）の空間の伝搬経路２４を伝搬し、前記第１発受信手段で復調されると、復調された距離測定信号２３ｂはｈ（ｔ−２Ｌ／Ｃ−ｔｄ）となる。
【００３３】
一方、前記第１発受信手段で生成された起点信号２１ａは、時分割のタイミングｔｄ後には、ｈ（ｔ−ｔｄ）で表わされるので、前記ｔｄ後の起点信号２１ａを基準として、前記復調された距離測定信号２３ｂとの時間差２６ａおよび２６ｂを測定すると、δｔ＝２Ｌ／Ｃとなることから、Ｌ＝Ｃδｔ／２から、距離Ｌ（ｍ）が算出できる。
ここで、ｈ（ｔ）の繰り返し周期をＴとすると、Ｔ＞２Ｌ／Ｃを満足する必要があり、繰返し周期を１μsとすると、Ｌ＜１５０ｍから測定可能距離が求められる。
【００３４】
なお、算出された距離には、前記第１および第２発受信手段に内在する伝搬遅延時間が含まれるので、フィルタなどにより生じる固定値分については発受信手段を広帯域化することで可能な限り削減するとともに補正値を設けて補正し、受信信号強度の変化によって生じる変動値分については中間周波増幅器に超高速のコンパレータを採用することで無視できる程度にまで軽減することで対策が可能である。
また、従来のＴＯＡ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ａｒｒｉｖａｌ）方式では単発のパルスにより遅延時間を測定しているのに対して、本発明では伝搬遅延時間を必要なサイクル分２６ａ、２６ｂ、−−−だけ継続して測定できるので、例えば１ｍｓのバースト期間中に４００回の測定を行い、平均値を求めることで測定精度を２０倍に高めることが可能となり、あるいは距離が比較的に短く測定されたものを直接波によるものと判定することで測定精度の改善が期待できる。
【００３５】
図４は、従来の狭帯域発受信手段による距離測定誤差の測定データである。図４において、１０１ａは従来の狭帯域の第１発受信手段、１０１ｂは従来の狭帯域の第２発受信手段、２０１は波長短縮率で割算して伝搬距離に換算した可変長の同軸ケーブル、２００ａは距離測定誤差の測定データである。
前記第１発受信手段１０１ａから起点信号によって変調された高周波信号をバースト信号として間欠発信し、同軸ケーブル２０１を経由し、前記第２発信手段１０１ｂで前記起点信号で変調された高周波信号を受信して復調し、復調した起点信号と順次に同期を確立・保持して距離測定信号を生成し、時分割のタイミングで前記距離測定で変調された高周波信号を折返し、同軸ケーブル２０１を経由して前記第１発受信手段１０１ａによって受信して復調し、復調した距離測定信号の伝搬遅延位相を自局で生成した起点信号を基準として測定し、距離測定誤差の測定データ２００ａを求めたものであり、同軸ケーブル２０１の長さが長くなるに連れて距離測定誤差が生じており、しかも、距離測定誤差が波打っていることが分かる。
【００３６】
図５は、従来の狭帯域発受信手段による距離測定誤差の他の測定データである。図５において、従来の狭帯域の第１発受信手段１０１ａと従来の狭帯域の第２発受信手段１０１ｂとの間を、固定長の同軸ケーブル２０１ａ、２０１ｂと、可変減衰器２０２とを介して接続し、図４と同様な手順で、可変抵抗器２０１の減衰量を変化させながら距離測定を行い、距離測定誤差の測定データを図２００ｂに示している。
前記可変減衰器２０２の伝搬遅延時間は減衰量の変化でもほぼ一定であると考えられることから、距離測定誤差が生じる原因が受信信号強度が変化するためであると判断できる。
なお、測定誤差が波打っている原因は受信手段のＡＧＣ（自動利得制御機能）によることが、前記機能をＯＦＦとすることで直線にこてで確認されている。
【００３７】
図６は、本発明の同期確立・保持手段の構成図とタイミングチャートである。図６において、１０１ａは第１発受信手段、１０１ｂは第２発受信手段、８１ａ、８１ｂは基準発振器、８２は起点信号生成およびＯＫＫ変調器、８３は電力増幅器、８４は位相同期発振器、８５は受信部、８６は検波・低伝搬遅延増幅器、８７はゼロ交差点検出器、８８はリセット付きカウンタ、８９は同期信号出力端子、９１は検波出力信号、９２は方形波出力信号、９３ａ、９３ｂはゼロ交差点検出出力、９４は同期信号出力、９５は同期誤差である。
【００３８】
前記第１発受信手段１０１ａにおいて、基準発振器８１ａで基準信号が生成され、起点信号生成およびＯＫＫ変調器８２によって前記基準信号と同期した繰返し周期が1μsの起点信号を生成し、ＯＯＫ変調された高周波信号を出力し、電力増幅器８３によって所定の出力に増幅され、アンテナ１６ａから無線信号として空間に放射される。
一方、前記放射された無線信号は第２発受信手段１０１ｂのアンテナ１６ｂによって受信され、受信部８５によって直接増幅され、増幅後中間周波信号に変換され、検波・低伝搬遅延増幅器８６によって、直接非同期式の振幅検波がされ、中間周波信号に変換されて非同期式の振幅検波がされ、あるいは直交ミキサ（quadrature mixer、複素ミキサとも言う）を用いて同期式の振幅検波がされ、前記振幅検波された出力信号９１が超高速コンパレータによって増幅され方形波出力信号９２に変換され、前記方形波出力信号９２の立上り点、立下り点、もしくはゼロ交差点を比較的に高い周波数のクロック（数１００ＭＨｚ）を用いて任意の短時間（数μｓ）の間で検出し、検出した２か所以上の立上り点もしくはゼロ交差点９３ａ、９３ｂのタイミングで、前記比較的に高い周波数のクロック信号で駆動されるリセット付きカウンタをリセットすることで、瞬時（数μｓ以内）に同期を確立でき、前記起点信号の消滅後も、基準発振器の精度で時分割のタイミングの間も同期信号出力９４の同期を保持できる。
【００３９】
例えば、高安定の水晶発振器から出力される基準信号（３２ＭＨｚ）に同期した位相同期発振器の出力信号（５００ＭＨｚ）を前記カウンタで分周し、受信した起点信号と同期した距離測定信号９４を出力すると、同期確立誤差９５は±１ｎｓ程度となり、距離測定誤差として±３０ｃｍが実現できることになり、更にサンプリング周波数を高くすることで、距離の測定精度を数ｃｍ以下に改善することができる。
また、前記第２発受信手段にリセット付きカウンタを複数組設け、複数組のアンテナを切替えながらゼロ交差点出力を検出してリセットすることで複数組の距離測定信号を生成して順次折返し、あるいは複数組のアンテナにそれぞれ受信回路を接続し、複数組の方形波出力信号をＯＲ回路で合成し、合成した受信出力からゼロ交差点を検出してカウンタをリセットすることでも、いずれも同様にダイバーシテイ効果が得られ、路面での反射によって生じる距離測定誤差を軽減できる。
なお、前者は特に低速走行時あるいは停止時の距離測定に改善の効果が大きく、後者は全般に渡って効果が大きい。
【００４０】
以上の説明では、複数の発受信手段が、相互間で時分割双方向通信を行い、高精度で相互間の距離測定を行うために、周波数帯域が比較的に広く占有できる無線信号を利用し、受信信号強度の変動に対して伝搬遅延時間の変動が小さい回路構成を採り、受信信号強度の変動に対して伝搬遅延時間の変動が少ない定数部分について距離補正を行い、あるいは前記定数部分と変数部分の一部あるいは全部について距離補正を行う方法について述べたが、そのためには、無線信号として、数１００ＭＨｚ以上の広い帯域幅を占有できる周波数帯、例えば、準ミリ波帯あるいはミリ波帯の電波、あるいは光信号を利用することが望ましい。
【００４１】
また、前記第１、第２、あるいはこれらの両方の発受信手段において、前記発信手段からの出力信号を、前記受信手段への入力信号として折返し、距離測定を行うことによって、前記発受信手段あるいは受信手段の伝搬遅延時間の定数部分と変数部分の一部あるいは全部とを測定し、前記測定結果を用い、前記複数発受信手段相互間の距離測定結果を補正することができる。
また、前記発受信手段の回路構成の中でも、大きな伝搬遅延時間を有する中間周波フィルタ、ロールオフフィルタ、あるいはその他の電子部品あるいは電子回路の影響が大きいので、可能な限り等価通過帯域幅を広くして、トータルの伝搬遅延時間を小さく抑えることが必要である。
【００４２】
また、前記発受信手段には、移動体間の相互通信、移動体間の距離測定、移動体と基地局間の相互通信、移動体と基地局間の距離測定、あるいはこれらの組合せの機能を統合できることは言うまでもない。
また、前記同期確立・保持手段が複数組のカウンタあるいは数値制御発振器を有し、かつ前記アンテナが間隔を置いて設けられた複数組のアンテナを有し、前記複数組のカウンタあるいは数値制御発振器が前記複数組のアンテナと連動しあるいは同期して切り替えられ、複数組の距離の測定結果を取得することで、マルチパスによって生じる距離の測定誤差を軽減することができる。
【００４３】
また、前記複数組の距離測定結果から、距離をもっとも短く測定した結果を選択し、あるいは距離を比較的に短く測定した結果を選択して平均値あるいは加重平均値を求めることで、マルチパスによって生じる距離測定誤差を軽減することができる。
また、前記移動体間の相互通信、あるいは移動体間の距離測定を行う場合、前記アンテナが円偏波指向性アンテナに切替え可能であり、指向性の方向をお互いに対向させることによって、マルチパスの影響を軽減することができる。
また、前記発受信手段が、前記ＯＯＫ変調方式あるいは振幅検波方式以外の、任意の変復調方式を有することでも同様な効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明によれば、複数発受信手段の間で、時分割による双方向通信を行い、高精度で相互間の距離測定を行うための安価な距離測定装置が実現できる。
また、前記距離測定装置に、高速道路を走行中の車車間の相互通信装置、車車間の距離測定装置、車両周辺の障害物検知装置、あるいはこれらの一部あるいは全部を統合することで、協調運転あるいは衝突防止装置などの安全運転支援システムに応用でき、あるいは、歩行者を含めた交通安全支援システムに適用できる。
なお、本発明は基盤技術に関するものであり、上記以外に多分野での利用が期待できる。
【符号の説明】
【００４５】
１０１ａ                第１発受信手段
１０１ｂ                第２発受信手段
１１ａ、１１ｂ          制御手段
１２ａ、１２ｂ          発信手段
１３ａ、１３ｂ          受信手段
１４ａ、１４ｂ          アンテナ切替手段
１５ａ、１５ｂ          アンテナ
【図１】
2014020850.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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