(57)【要約】【課題】短時間で精度良く対象物の形状を推定できることができる形状測定装置を提供する。【解決手段】本発明に係る形状測定装置は、複数の搬送波を生成する複数の発振回路１２２と、変調信号を用いて前記複数の搬送波を変調する複数の送信回路１２４と、前記複数の送信回路１２４により変調された複数の搬送波を複数の放射波として放射する複数の送信アンテナ１３０Ａ〜１３０Ｃと、前記対象物で反射された前記複数の放射波それぞれの一部である複数の反射波を受信する複数の受信アンテナ１４０Ａ〜１４０Ｃと、前記複数の受信アンテナ１４０Ａ〜１４０Ｃで受信された前記複数の反射波と前記複数の放射波との相関を示す複数の相関波形を求める複数の受信回路１２５と、前記複数の相関波形に基づいて前記対象物の形状を推定する信号処理回路１５０とを備え、前記複数の搬送波それぞれの周波数は、独立に設定される。【選択図】図１
2011027514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の形状を推定する形状測定装置であって、
複数の搬送波を生成する複数の発振器と、
変調信号を用いて前記複数の搬送波を変調する複数の第１変調部と、
前記複数の第１変調部により変調された複数の搬送波を複数の放射波として放射する複数の送信アンテナと、
前記対象物で反射された前記複数の放射波それぞれの一部である複数の反射波を受信する複数の受信アンテナと、
前記複数の受信アンテナで受信された前記複数の反射波と前記複数の放射波との相関を示す複数の相関波形を求める複数の受信部と、
前記複数の相関波形に基づいて前記対象物の形状を推定する形状推定部とを備え、
前記複数の搬送波それぞれの周波数は、独立に設定される
形状測定装置。
【請求項２】
前記形状測定装置はさらに、
互いに異なる周波数を前記複数の発振器に設定する制御部を備える
請求項１記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記変調信号は擬似雑音符号であり、
前記複数の第１変調部のそれぞれは、前記擬似雑音符号を用いて２相位相変調する
請求項１または２記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記擬似雑音符号はＭ系列符号である
請求項３記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記複数の第１変調部は、同一の前記擬似雑音符号を用いて変調する
請求項３または４記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記形状測定装置はさらに、
前記複数の発振器に設定する周波数を動的に設定する制御部を備える
請求項１記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記形状測定装置は、さらに、
擬似雑音符号を生成する符号生成部と、
前記複数の第１変調部のそれぞれに対応し、前記擬似雑音符号の符号レートである符号周波数より低い周波数を有する矩形波を生成する矩形波生成部と、
前記複数の第１変調部のそれぞれに対応し、前記矩形波を用いて前記擬似雑音符号を変調することにより前記変調信号を生成する第２変調部とを備え、
各矩形波生成部で生成される矩形波の周波数は、他の矩形波生成部で生成される矩形波の周波数とは異なる
請求項１記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信信号を放射して目標の物体から反射した該送信信号の反射波を受信することによって該物体の形状を測定する形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット、車両、船舶及び航空機等の移動体や室内及び室外から外界の状況を知りたい場合において、周囲の物体を認識し、その形状を認識することは重要である。特に移動体を自動走行させる場合には形状認識が危険回避の点などからより重要となる。また、人体の形状推定はセキュリティや介護を目的として社会的需要が大きい。このような物体形状推定の手段として、レーダを用いたイメージングシステムが注目されている。たとえば、超広帯域（Ｕｌｔｒａ  Ｗｉｄｅ  Ｂａｎｄ：ＵＷＢ）信号を利用したＵＷＢレーダは近距離目標の形状を高い分解能で測定できることから、地中探査や非破壊検査の用途に多く用いられてきた。しかしながら、従来の地下探査レーダイメージングでは、測定結果から形状を推定する指定アルゴリズムが反復改良や繰り返し計算などに基づくものが多く、形状推定に時間がかかるため、前述したようなロボットなどのリアルタイム処理への直接の応用は困難であった。
【０００３】
この課題を解決するために、リアルタイム処理を可能にする高速形状推定アルゴリズムとして、送信信号の送受信位置を変化させることによって得られる散乱波の遅延時間と、送受信位置の関係と物体の形状との間に成り立つ可逆な変換関係とを利用して物体の形状を推定するＳＥＡＢＥＤ（Shape Estimation Algorithm based on BST(Boundary Scattering Transform) and Extraction of Directly scattered waves）法が開発されてきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このＳＥＡＢＥＤ法は、測定対象物は明確な境界を有する有体物であることを前提とし、当該境界を測定して「擬似波面」を得た後、この擬似波面を逆変換することで対象物の形状を求める技術である。
【０００５】
ＳＥＡＢＥＤ法は、境界散乱逆変換の数式で形状を推定できる。この境界散乱逆変換で得られる画像は近似解でなく数学的に厳密な解となっており、反復計算に基づかず、直接的に画像を得ることが可能である。これらの利点から、ＳＥＡＢＥＤ法は以前の手法に比べて高精細でかつ、非常に高速に算出可能なイメージングアルゴリズムとなっている。
【０００６】
また、ＳＥＡＢＥＤ法を用いた形状推定において、送受信アンテナを複数用意し、それぞれに対して異なる符号を割り当てる方法もある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３４３２０５号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／１３９６８７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＳＥＡＢＥＤ法による形状測定によると、信号の送受信を行う際に、送受信アンテナを移動すなわち走査させる必要がある。また、解析に必要となる十分高い信号対雑音電力（Ｓ／Ｎ）比を得るためには、送受信アンテナの移動を低速に行う必要がある。このため、測定に長時間が必要となり、ＳＥＡＢＥＤ法の高速処理が活かされず、測定から形状推定までの全体に必要な時間が長くなるという不具合が生じる。
【０００９】
また、特許文献２記載の複数の送受信アンテナを備える構成においては、短時間での測定が実現できるが、相互相関を最小限にするため、プリファードペアであるＭ系列（系列数が僅かである）やプリファードペアＭ系列同士の排他的論理和により生成されるＧｏｌｄ系列を使用することが必要である。このＧｏｌｄ系列の生成におけるＭ系列同士の相対シフト量は任意であり、一方のＭ系列を巡回シフトさせることにより多くのＧｏｌｄ系列を得ることができる。こうして得られるＧｏｌｄ系列同士の相互相関などはＷｅｌｃｈの下界を満たすことが知られている。したがって、Ｍ個の素子からのＮビットＧｏｌｄ系列を同時送信するレーダシステムにおいては、相互相関によるレンジサイドローブが避けられない。
【００１０】
このため特許文献２記載の方法においては、Ｓ／Ｎがある程度大きくなると信号対雑音干渉電力（Ｓ／（Ｉ＋Ｎ））比にフロアが生じ、推定精度がＷｅｌｃｈの下界によって規定される精度より改善することはない。
【００１１】
本願発明は、これらの課題を解決し、短時間で精度良く対象物の形状を推定できることができる形状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】
【００１２】
本発明の形状測定装置は、対象物の形状を推定する形状測定装置であって、複数の搬送波を生成する複数の発振器と、変調信号を用いて前記複数の搬送波を変調する複数の第１変調部と、前記複数の第１変調部により変調された複数の搬送波を複数の放射波として放射する複数の送信アンテナと、前記対象物で反射された前記複数の放射波それぞれの一部である複数の反射波を受信する複数の受信アンテナと、前記複数の受信アンテナで受信された前記複数の反射波と前記複数の放射波との相関を示す複数の相関波形を求める複数の受信部と、前記複数の相関波形に基づいて前記対象物の形状を推定する形状推定部とを備え、前記複数の搬送波それぞれの周波数は、独立に設定される。
【００１３】
この構成により、複数の第１変調部から複数の送信アンテナを介して同時に信号を放射し、対象物で反射された反射波を複数の受信アンテナを介して複数の受信部で複数の相関波形を求められる。よって、送信アンテナを走査することなく、一度の測定で複数の相関波形を得られるので、一度の測定で対象物の形状を推定できる。その結果、測定時間を大幅に短縮することが可能となり、また擬似雑音符号の相互相関値による制約を受けることなく高精度に対象物の形状を推定できる。
【００１４】
また、前記形状測定装置はさらに、互いに異なる周波数を前記複数の発振器に設定する制御部を備えてもよい。
【００１５】
この構成により、複数の受信アンテナそれぞれは、複数の送信アンテナから放射され、変調前の搬送波の中心周波数が互いに異なる複数の放射波に対応する複数の反射波を受信する。複数の受信部それぞれにおいて相関波形を求める際に、対応する送信アンテナ以外の送信アンテナから放射された放射波に対応する反射波の影響は、例えばフィルタなどで除去されるので、対象物の形状を確実に測定できる。
【００１６】
また、前記変調信号は擬似雑音符号であり、前記複数の第１変調部のそれぞれは、前記擬似雑音符号を用いて２相位相変調してもよい。
【００１７】
また、前記擬似雑音符号はＭ系列符号であってもよい。
【００１８】
この構成により、自己相関に優れたＭ系列符号を用いることで、受信部間のＳ／Ｎ比を大きくすることができ、より高精度に対象物の形状を推定できる。
【００１９】
また、前記複数の第１変調部は、同一の前記擬似雑音符号を用いて変調してもよい。
【００２０】
また、前記形状測定装置はさらに、前記複数の発振器に設定する周波数を動的に設定する制御部を備えてもよい。
【００２１】
この構成により、他の無線通信システムによる電波が反射波に重畳しても、その影響を低減できる。
【００２２】
また、前記形状測定装置は、さらに、擬似雑音符号を生成する符号生成部と、前記複数の第１変調部のそれぞれに対応し、前記擬似雑音符号の符号レートである符号周波数より低い周波数を有する矩形波を生成する矩形波生成部と、前記複数の第１変調部のそれぞれに対応し、前記矩形波を用いて前記擬似雑音符号を変調することにより前記変調信号を生成する第２変調部とを備え、各矩形波生成部で生成される矩形波の周波数は、他の矩形波生成部で生成される矩形波の周波数とは異ってもよい。
【００２３】
この構成により、周波数資源と符号資源とを有効に利用でき、より多くの送信アンテナ及び受信アンテナの使用が可能となるので、より高精度に対象物の形状を測定できる。
【発明の効果】
【００２４】
以上、本発明に係る形状測定装置では、短時間で精度良く対象物の形状を推定できることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施形態に係る形状測定装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２Ａ】形状推定の原理について説明する一例の図である。
【図２Ｂ】形状推定の原理について説明する他の一例の図である。
【図３】送受信ブロックの詳細な構成の一例を示すブロック図である。
【図４】発振制御回路及び発振回路の詳細な構成の一例を示すブロック図である。
【図５Ａ】各送受信ブロックにおける発振回路で生成される搬送波の周波数を模式的に示す図である。
【図５Ｂ】搬送波及び放射波のスペクトルを模式的に示す図である。
【図６】１６チャネル分を割り当てた場合の拡散前及び拡散後のスペクトルを示す図である。
【図７】各搬送波の適切な周波数離間について計算した結果を示すグラフである。
【図８】第２の実施形態に係る形状測定装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図９】送受信ブロックの詳細な構成の一例を示すブロック図である。
【図１０】第３の実施形態に係る形状測定装置のレイアウトを模式的に示す図である。
【図１１】搬送波及び放射波のスペクトルを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（第１の実施形態）
本実施形態に係る形状測定装置は、対象物の形状を推定する形状測定装置であって、複数の搬送波を生成する複数の発振器と、変調信号を用いて前記複数の搬送波を変調する複数の第１変調部と、前記複数の第１変調部により変調された複数の搬送波を複数の放射波として放射する複数の送信アンテナと、前記対象物で反射された前記複数の放射波それぞれの一部である複数の反射波を受信する複数の受信アンテナと、前記複数の受信アンテナで受信された前記複数の反射波と前記複数の放射波との相関を示す複数の相関波形を求める複数の受信部と、前記複数の相関波形に基づいて前記対象物の形状を推定する形状推定部とを備え、前記複数の搬送波それぞれの周波数は、独立に設定される。
【００２７】
これにより、本実施形態に係る形状測定装置は、短時間で精度良く対象物を測定することができる。
【００２８】
以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図１は、本実施形態に係る形状測定装置における構成の一例を示すブロック図である。
【００３０】
同図に示す形状測定装置１００は、集中制御部１１０と、複数の送受信ブロック１２０Ａ〜１２０Ｃと、送信アンテナ１３０Ａ〜１３０Ｃと、受信アンテナ１４０Ａ〜１４０Ｃと、信号処理回路１５０とを備える。なお、本実施形態では、送受信ブロックは３ブロックとして説明するが、３ブロック以外の複数ブロックでもよい。また、送受信ブロック１２０Ａ〜１２０Ｃ、送信アンテナ１３０Ａ〜１３０Ｃ及び受信アンテナ１４０Ａ〜１４０Ｃを特に区別しない場合は、それぞれ送受信ブロック１２０、送信アンテナ１３０及び受信アンテナ１４０と記載する。
【００３１】
集中制御部１１０は、制御部であって、互いに異なる周波数を送受信ブロック１２０Ａ〜１２０Ｃに設定する、例えば、マイクロコントローラ（マイコン）あるいはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのプログラマブルロジックデバイス内の論理回路である。
【００３２】
送受信ブロック１２０は、集中制御部１１０の制御に基づいた周波数で搬送波を生成し、生成した搬送波を拡散符号（ＰＮ符号）で変調する。また、受信アンテナ１４０が受信した反射波の波形と、送信アンテナ１３０から放射された放射波の波形との相関を示す相関波形を求める。この送受信ブロック１２０は、発振制御回路１２１、発振回路１２２、ＰＮ符号発生器１２３、送信回路１２４及び受信回路１２５を備える。この発振回路１２２の発振周波数及びＰＮ符号発生器１２３において生成される拡散符号は、集中制御部１１０により選択、切替あるいは変更可能となっている。したがって、送受信ブロック１２０に加え、集中制御部１１０と信号処理回路１５０とによって、レーダ動作が可能である。形状測定装置１００は、この送受信ブロック１２０を複数配置し、それをひとつの送受信ユニットとして扱い、これによって形状測定を行う。送受信ブロック１２０の詳細な構成については後述する。
【００３３】
送信アンテナ１３０は、送受信ブロック１２０で変調された搬送波を対象物であるターゲットへ放射波として放射する。
【００３４】
受信アンテナ１４０は、送信アンテナ１３０から放射された放射波がターゲットで反射された反射波の一部を受信する。
【００３５】
信号処理回路１５０は、形状推定部であって、各送受信ブロック１２０で求められた複数の相関波形に基づいて、ターゲットの形状を推定する、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。
【００３６】
次に、この形状測定装置１００による形状推定の原理について説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、形状推定方法について説明するための図である。
【００３７】
形状測定装置１００で用いられる形状推定方法はＳＥＡＢＥＤ法と呼ばれている。このＳＥＡＢＥＤ法において、実空間内に存在するターゲットＴはその表面（境界面）を指示する座標（x, y, z）の集合として表される。これをここでは実空間での位置表記と表現することにする。また、ターゲットＴの表面（境界面）を指示する指標として、受信アンテナ１４０からターゲットＴまでの距離と方位（到来方向）を考えることができる。
【００３８】
図２Ａは、受信アンテナ１４０と、ターゲットＴとの位置を模式的に示す図である。送信電波の放射点（X, Y, 0）と、その放射点から放射され、ターゲットＴの表面（境界面）の点Ａで反射された電波が戻ってくる場合、その反射波の強度が座標（X, Y, 0）において最大となるとき、それによってターゲットＴまでの距離Ｚが定義される。ここで、ターゲットＴの境界面のある点Ａの情報を（X, Y, Z）と表現するとき、（X, Y, Z）にはターゲットＴの境界面までの距離と方位の情報を含んでいる。この（X, Y, Z）座標空間を擬似波面空間での位置表記と表現することにする。
【００３９】
このとき、実空間での位置表記と擬似波面空間での位置表記との間に可逆な変換関係が存在することがわかっており、実空間から擬似波面空間への変換を境界散乱変換（BST）、その逆、擬似波面空間から実空間への変換を境界散乱逆変換（IBST）と呼ぶ。図２Ｂは、この実空間と擬似波面空間との変換を模式的に示す図である。この場合、例えば、境界散乱逆変換は、式１で示すように極めて簡単な変換式で表現できる。この変換関係を利用するものがＳＥＡＢＥＤ法である。
【００４０】
【数１】
2011027514.tif 000003
【００４１】
一般にレーダによる測距や測位を行う場合には、ターゲットＴまでの距離と方位が測定量として得られる。したがって、式１あるいはＳＥＡＢＥＤ法によると、レーダ測定によって得られた情報に対して境界散乱逆変換を施すことにより、ターゲットＴの境界面の座標を推定できる。
【００４２】
次に、図３以下を用い、本実施形態に係る形状測定装置１００についてより詳しく説明する。
【００４３】
図３は、送受信ブロック１２０の詳細な構成の一例を示すブロック図である。上述したように、送受信ブロック１２０は、発振制御回路１２１、発振回路１２２、ＰＮ符号発生器１２３、送信回路１２４及び受信回路１２５を備える。なお、同図に示すように、送受信ブロック１２０は、さらに、分配器Ｄ１を備える。また、同図には、集中制御部１１０、送信アンテナ１３０、受信アンテナ１４０及び信号処理回路１５０も示されている。
【００４４】
発振制御回路１２１は、集中制御部１１０からの信号及び発振回路１２２で生成された搬送波の周波数に応じて出力電圧を調整する。
【００４５】
発振回路１２２は、搬送波として例えば２６ＧＨｚ帯の正弦波を生成する。また、発振回路１２２は、搬送波の周波数を、発振制御回路１２１の出力電圧に応じた周波数とする。つまり、発振回路１２２は、集中制御部１１０の指示に応じた周波数を有する搬送波を生成する発振器である。このような発振制御回路１２１及び発振回路１２１は、例えばＰＬＬ（Phase-locked loop）シンセサイザである。
【００４６】
図４は、発振制御回路１２１及び発振回路１２２の詳細な構成の一例を示すブロック図である。なお、同図には、集中制御部１１０も示されている。
【００４７】
発振制御回路１２１は、基準周波数発生器１６１と、分周器１６２と、位相比較器１６３と、ループフィルタ１６４とを備える。
【００４８】
基準周波数発生器１６１は、位相比較器１６３における位相の比較対象となる基準周波数を有する基準信号を生成する。この基準周波数により発振回路１２２で生成される搬送波の中心周波数の設定可能間隔が規定される。基準周波数発生器１６１は、例えば４５ＭＨｚの基準信号を生成する。
【００４９】
分周器１６２は、発振回路１７１で生成された信号を、集中制御部１１０からの信号に応じた分周比で分周することで、位相比較用の信号を生成する。この分周比は、例えば１／１９２である。
【００５０】
位相比較器１６３は、基準周波数発生器１６１で生成された基準信号と、分周器１６２で生成された位相比較用の信号との位相差に応じたパルス幅を有する誤差信号を出力する。
【００５１】
ループフィルタ１６４は、位相比較器１６３から出力されるパルス状の誤差信号を直流電圧に変換し、発振回路１２２へ出力する。つまり、ループフィルタ１６４は、誤差信号のパルス幅に応じた電圧を発振回路１２２へ出力する。
【００５２】
発振回路１２２は、具体的には、電圧制御発振器１７１及び逓倍器１７２を備える。
【００５３】
電圧制御発振器１７１は、入力される電圧に応じた周波数を有する信号を生成することで、例えば周波数が８．８ＧＨｚの信号を生成する。
【００５４】
逓倍器１７２は、電圧制御発振器１７１で生成された信号の周波数を逓倍することで搬送波を生成する。例えば、逓倍器１７２は、電圧制御発振器１７１で生成された信号を３逓倍することで、２６．４ＧＨｚの搬送波を生成する。
【００５５】
このように構成された発振制御回路１２１及び発振回路１２２は、集中制御部１１０から設定された周波数を有する搬送波を生成する。この搬送波の周波数を割り当てる一例を以下に示す。送受信ブロック１２０では、電圧制御発振器１７１で生成された信号の周波数を３逓倍し、２６．４ＧＨｚの搬送波を得る構成を基本構成としている。送受信ブロック１２０において、基準周波数発生器１６１における基準信号の周波数を４５ＭＨｚとし、分周器１６２の分周比を１／１９２とした場合、電圧制御発振器１７１は８．６４ＧＨｚの信号を生成する。集中制御部１１０は、分周比を変更するための命令を発行する。なお、命令は、ＲＯＭ（Read Only Memory：読出専用メモリ）やＰＣ（コンピュータ）など、外部から与えることもできる。整数分周の単純な例では、基準信号の周波数と同じ４５ＭＨｚステップで電圧制御発振器１７１の中心周波数を設定可能となる。つまり、逓倍器１７２から出力される搬送波は、４５ＭＨｚの３倍の１３５ＭＨｚステップとなる。
【００５６】
発振回路１２２で生成された搬送波は、分配器Ｄ１を介して送信回路１２４及び受信回路１２５へ伝送される。
【００５７】
ＰＮ符号発生器１２３は、符号生成部であって、擬似雑音（ＰＮ）符号を生成する。そのチップレートは例えば２．５Ｇｂｐｓ（２．５Ｇｃｐｓ）である。ＰＮ符号としては、例えば、自己相関に優れたＭ系列符号を用いることで、各送受信ブロック間のＳ／Ｎ比を大きくすることができ、より精度の高いイメージングが可能になる。また、ＰＮ符号としてＭ系列符号を組み合わせたＧｏｌｄ符号を用いてもよい。
【００５８】
送信回路１２４は、第１変調部であって、ＰＮ符号発生器１０７で生成されたＰＮ符号を用いて、発振回路１２２で生成された搬送波を変調、すなわち周波数拡散する。変調方法として例えば位相変調を行う。送信回路１２４は、例えばギルバートセルからなるダブルバランスミキサ回路１４１に搬送波とＰＮ符号を入れて掛け合わせることで、容易に位相変調された送信信号を生成することができる。ダブルバランスミキサ回路１４１で生成された送信信号は、バンドパスフィルタ１４２を通過して、所望の帯域のみが送信アンテナ１３０へ伝送される。
【００５９】
送信アンテナ１３０から放射波として放射された信号は物体で反射されて反射波となり、反射波の一部が受信アンテナ１４０で受信される。
【００６０】
受信回路１２５は、受信アンテナ１４０で受信された反射波の波形と、送信アンテナ１３０から放射された放射波の波形とに基づいてこれらの相関を示す相関波形を求める。受信回路１２５は、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）１５１と、逆拡散ミキサ１５２と、分配器Ｄ２と、移相器１５３と、直交同期復調器１５４ｉ及び１５３ｑとを備える。
【００６１】
ＬＮＡ１５１は、受信アンテナ１４０で受信された反射波を増幅し、受信信号として逆拡散ミキサ１５２へ出力する。なお、増幅後に整形（フィルタリング）などを受け逆拡散ミキサ１５２に出力されてもよい。
【００６２】
逆拡散ミキサ１５２は、送信回路１２４で拡散に用いた符号と同じＰＮ符号を用いて、受信信号を復調する逆拡散を行う。逆拡散された信号は、分配器Ｄ２により２分配され、直交同期復調器１５４ｉ及び１５４ｑへ入力される。
【００６３】
移相器１５３は、搬送波と同一の周波数を有し、互いに位相が直交する波形を生成し、直交検波器１５４ｉ及び１５４ｑへ出力する。
【００６４】
直交同期復調器１５４ｉ及び１５４ｑは、逆拡散ミキサ１５２で逆拡散された受信信号を直交同期検波することで、Ｉ相およびＱ相の相関波形を求める。
【００６５】
このような構成により、送受信ブロック１２０はターゲットＴの形状を推定するための相関波形を求める。
【００６６】
ここで、この形状測定装置１００において、それぞれの送受信ブロック１２０Ａ、１２０Ｂ及び１２０Ｃに互いに異なる発振周波数を割り当てておけば、送信アンテナ１３０Ａ、１３０Ｂ及び１３０Ｃから同時に放射波を送信した場合に、次のような効果が得られる。
【００６７】
受信アンテナ１４０Ａ、１４０Ｂ及び１４０Ｃは、当該受信アンテナ１４０が対応する送受信ブロック１２０とは異なる送受信ブロック１２０から送信された放射波と、対応する送受信ブロック１２０から送信された放射波とのそれぞれに対応する反射波を同時に受信する。この反射波を逆拡散ミキサ１５２で逆拡散した信号である受信信号は異なる発振周波数の集合である。この受信信号を直交同期復調器１５４ｉ及び１５４ｑより復調した場合、当該送受信ブロック１２０以外の送受信ブロック１２０に対応する送信アンテナ１２０から放射された放射波に対応する反射波に基づく受信信号は、位相が定まらないので、それを不要波としてフィルタ等で除去することができる。
【００６８】
すなわち、本実施形態の形状測定装置１００は、各々の送受信ブロック１２０を切り替えて動作させることなく、同時に全ての測定位置のデータを得ることができる。これにより、イメージングのための測定時間を、送受信ブロック１２０を切り替える場合の約１／３に低減できる。
【００６９】
なお、本実施形態では３つの送受信ブロック１２０を用いているが、送受信ブロック１２０の個数を増やすことでより高精度なイメージングができるようになるのに加え、送受信ブロック１２０を同時に動作し、計測することができるため、送受信ブロック１２０の個数を増やすことで精度を上げても測定時間の増加を抑えることができる。
【００７０】
図５Ａ及び図５Ｂは、各送受信ブロック１２０における発振回路１２２で生成される搬送波の周波数と、拡散後の波形である放射波のスペクトルとを模式的に示す図である。
【００７１】
送受信ブロック１２０Ａ、１２０Ｂ及び１２０Ｃは、図５Ａに示すように発振回路１２２における発振周波数がそれぞれＦ１、Ｆ２、Ｆ３になるように制御されているものとする。このとき、それぞれの送信回路１２４において、同一のＰＮ符号を用いて発振回路出力のスペクトルを拡散するものとすると、形状測定装置１０１から送信される電波のスペクトルは図５Ｂの模式図で表現したようになっている。
【００７２】
図５Ｂに示すように、拡散後、すなわち放射波のスペクトルは互いに重なり合っているが、レーダの動作として互いに影響がないように設計することができる。この理由を図６及び図７を用いて以下で説明する。
【００７３】
図６は、下端周波数を２５．９２０ＧＨｚとし、上端周波数２８．０８０ＧＨｚまで１６チャネル分を割り当てた場合の拡散前及び拡散後のスペクトルを示す図である。なお、図６においては拡散前の各スペクトルと拡散後の各スペクトルを重ねて示しているが、この拡散符号が同一のＰＮ符号であっても、異なる系列、位相を有するＰＮ符号であっても問題ない。ただし、周波数を分割多重化することによって、その割り当て方法によっては拡散後の平均電力が増加するため、平均送信電力が法規の定める制限を超えないように設計するものとする。この例では、同一のＰＮ符号を用いて拡散を行い、１６チャネル分を同時に送信し、受信では同じＰＮ符号を用いて逆拡散を行い、直交検波に関しては送信時に使用したものと同一の周波数で検波する場合のみ、検出信号が得られる。
【００７４】
その際、一般に搬送波の周波数を多重化すると、相互のＰＮ符号における直交性が崩れ、結果として相関波形の信号対雑音・干渉比（抑圧比）が低下する。そのため、相関波形における抑圧比を実用上問題のないレベルに維持できるように、搬送波の周波数間隔を適切に設定することが必要である。搬送波の周波数が互いにＰＮ符号の拡散帯域幅（例えば、５ＧＨｚ）以上離れていれば、直交性が保たれていると見なしてもよい。しかしながら、そのような周波数間隔を有する搬送波を用いたシステムを構成すると、著しい帯域幅（例えば、３つのブロックでシステムを構成した場合、１５ＧＨｚ）を占有することになると同時に、図４のような一つの電圧制御発振器１７１だけで搬送波として用いるすべての搬送波の周波数を生成するという簡便性は失われる。そこで、図７を用い、適切な周波数間隔、言い換えると周波数離間の設定について説明する。
【００７５】
図７は、送受信ブロック１２０における各搬送波の適切な周波数離間について計算した結果を示すグラフである。具体的には、２つの送受信ブロック１２０それぞれにおける搬送波の中心周波数が、ある周波数だけ離れている場合の２つの送受信ブロック１２０間の影響度を示すグラフである。
【００７６】
同図の横軸は、自ブロックにおける搬送波の周波数を基準とした場合、他ブロックにおける搬送波の周波数と基準の差分である周波数オフセットの比率を示す。縦軸は、自ブロックと他ブロックとの相互の影響度のレベルを示す。なお、複数の送受信ブロック１２０を区別するため、ここでは２つの送受信ブロック１２０についてのみ考慮し、「自ブロック」を送受信ブロック１０２Ａ、「他ブロック」を送受信ブロック１０２Ｂとする。計算では自ブロックと他ブロック間相互の影響度を吟味しており、自他間信号レベルとは他ブロックの周波数の放射波を自ブロックの周波数で受信処理した際の自他間の信号レベルの差分を意味し、自他間雑音・干渉とはその際の非信号成分（雑音と干渉）の強度を意味している。
【００７７】
周波数オフセットが０ｐｐｍの場合、自ブロックと他ブロックとは等価なものと見なせる。
【００７８】
また、周波数オフセットが１ｐｐｍ程度以下の場合、自他間信号のレベルがほぼ０ｄＢであるため自他ブロックを区別できない、すなわち、影響度が大きく、周波数の離間が全く不十分であることを示している。
【００７９】
また、周波数オフセットが１００ｐｐｍより大きい場合、自他間信号のレベルが非信号成分のレベルより小さくなり、４０ｄＢという実用上十分なＳ／（Ｎ＋Ｉ）比（信号対雑音・干渉比）を確保できている。したがって、少なくとも周波数オフセットとして１００ｐｐｍ以上（本実施形態の周波数帯では２．６４ＭＨｚ以上）離れていれば、互いに影響を及ぼさず十分といえる。つまり、集中制御部１１０は、周波数オフセットが１００ｐｐｍ以上を満たすように、各送受信ブロック１２０に対して周波数を設定すればよい。
【００８０】
なお、周波数オフセットをさらに大きくすると、自他間信号レベルのみならず雑音・干渉レベルも低下することからわかるように、さらに高いＳ／Ｎ比を要求する場合には、周波数離間を十分大きくしておくことが望ましい。
【００８１】
また、本発明で使用する電圧制御発振器１７１が生成する信号のスペクトルは帯域幅がせいぜい１０ＭＨｚである。これを考慮し、発振制御回路１２１及び発振回路１２２として用いたＰＬＬシンセサイザを分数分周型のシンセサイザとすれば、図６で示したものより十分細かい間隔で周波数を割り当てることが可能である。
【００８２】
以上のように、本実施形態に係る形状測定装置１００は、複数の送受信ブロック１２０Ａ〜１２０Ｃを有し、各送受信ブロック１２０Ａ〜１２０Ｃは互いに異なる周波数を中心周波数とする搬送波を生成する。各送受信ブロック１２０Ａ〜１２０Ｃは、ＰＮ符号を用いて搬送波を位相変調し、相関波形を求める。信号処理回路１５０は、送受信ブロック１２０Ａ〜１２０Ｃで求められた複数の相関波形を基に、ターゲットの形状を推定する。
【００８３】
これにより、一度の測定で複数の相関波形を得られるので、一度の測定で対象物の形状を推定できる。このため、測定時間を大幅に短縮することが可能となり、また擬似雑音符号の相互相関値による制約を受けることなく高精度に対象物の形状を推定できる。また、送受信ブロック１２０は、他の送受信ブロック１２０の影響を低減し、確実に対象物の形状を高精度に測定できる。
【００８４】
なお、ＰＬＬシンセサイザにおける分周器１６２では、前置分周器（プリスケーラ）を含んでいてもよい。局部発振信号源の発振周波数が高くても、前置分周器を置くことによって動作周波数の低い発振制御回路を使ってＰＬＬを構成できる。
【００８５】
また、各送受信ブロック１２０がＰＮ符号発生器１２３を備えず、形状測定装置１００が１つのＰＮ符号発生器１２３を備える構成であってもよい。
【００８６】
また、集中制御部１１０は、各送受信ブロック１２０に設定する周波数と動的に切り替えてもよい。これにより、他の無線通信システムによる電波が反射波に重畳しても、その影響を低減できる。
【００８７】
（第２の実施形態）
本実施形態に係る形状測定装置は、第１の実施形態に係る形状測定装置１００と比較して、さらに、各第１変調部である各送信回路１２４に対応し、ＰＮ符号の符号レートである符号周波数より低い周波数を有する矩形波を生成する矩形波生成部と、各第１変調部に対応し、ＰＮ符号を矩形波で変調することにより対応する第１変調部に出力する変調信号を生成する第２変調部とを備え、各矩形波生成部で生成される矩形波の周波数は、他の矩形波生成部で生成される矩形波の周波数とは異なる。これにより、本実施形態に係る形状測定装置は、各送受信ブロックにおける搬送波の周波数が同じ場合でも、短時間で精度良く対象物を測定することができる。
【００８８】
以下、本発明の第２の実施形態について、第１の実施形態と異なる点を中心に図面を参照しながら説明する。
【００８９】
図８は、第２の実施形態に係る形状測定装置の構成の一例を示すブロック図である。
【００９０】
同図に示す形状測定装置２００は、図１に示す第１の実施形態に係る形状測定装置１００と比較して、送受信ブロック２２０Ａ〜２２０Ｃそれぞれにおいて、さらに変調波発生器２２１及びＰＮ符号変調器２２２を備える。なお、送受信ブロック２２０Ａ〜２２０Ｃを特に区別しない場合、送受信ブロック２２０と記載する。
【００９１】
図９は、送受信ブロック２２０の詳細な構成の一例を示すブロック図である。
【００９２】
変調波発生器２２１は、矩形波生成部であって、ＰＮ符号発生器１２３で生成されるＰＮ符号の符号レートに対して十分小さい周波数を有する矩形波を生成する。変調波発生器２２１は、矩形波の周波数を数ｋＨｚから数１００ｋＨｚ程度に選び、ＰＮ符号の基本周波数と干渉しないように選択することが必要である。
【００９３】
ＰＮ符号変調器２２２は、第２変調部であって、ＰＮ符号発生器１２３で生成されたＰＮ符号を、変調波発生器２２１で生成された矩形波で変調することにより、変調ＰＮ符号を生成する。
【００９４】
ダブルバランスミキサ回路１４１は、搬送波を変調ＰＮ符号により拡散する。この拡散された搬送波は第１の実施形態と同様に送信アンテナ１３０から送信され、受信アンテナ１４０により受信される。
【００９５】
ここで、本実施形態に係る形状測定装置２００における受信回路１２５において、逆拡散ミキサ１５２で逆拡散され、さらに直交同期復調器１５４ｉ及び１５４ｑで検波された後の信号としては、変調波発生器２２１で生成された矩形波の周波数成分が出力される。したがって、受信回路１２５の出力に対して、適切なフィルタ（中心周波数が矩形波の周波数であり、当該矩形波のナイキスト帯域幅を有するバンドパスフィルタにより、基本波成分のみを取り出すようにすることが望ましい）を施すことにより、必要な信号のみを抽出することができる。
【００９６】
すなわち、各変調波発生器２２１で生成される矩形波の周波数について、互いに干渉し合わない組み合わせ、例えば、互いにハーモニックな関係にない組み合わせ、さらにはフィルタにおけるエイリアシングの影響が排他的となる組み合わせを選択する必要がある。そのために必要な矩形波の周波数やベースバンドフィルタの設計事項は、デジタル回路、すなわち本発明では集中制御部１１０で容易に管理することができる。
【００９７】
以上のように、本実施形態に係る形状測定装置２００は、異なる周波数を有する矩形波により各送受信ブロック２２０におけるＰＮ符号を変調し、変調することで生成した変調ＰＮ符号により、各送受信ブロック２２０における搬送波を変調する。これにより、複数の送受信ブロック２２０が同時に信号の送信及び受信と、データの取得をすることが可能となり、形状推定までに要する時間を大幅に短縮できる。
【００９８】
なお、本実施形態では、複数の送受信ブロック１２０における各発振制御回路１２１に対し、集中制御部１１０から同一の周波数を設定してもよい。
【００９９】
また、各送受信ブロック１２０がＰＮ符号発生器１２３を備えず、形状測定装置１２０が少なくとも１つのＰＮ符号発生器１２３を備えてもよい。
【０１００】
（第３の実施形態）
本実施形態に係る形状測定装置は、複数の送受信ブロックそれぞれにおいて生成される搬送波の中心周波数が互いに異なり、さらに、複数の送受信ブロックそれぞれにおいて生成されるＰＮ符号が互いに異なっている。これにより、周波数資源と符号資源とを有効に利用できるので、より多くの送受信ブロックを備えることができる。その結果、より高精度にターゲットの形状を推定できる。以下、本発明の第３の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【０１０１】
図１０は、第３の実施形態に係る形状測定装置のレイアウトを模式的に示す図である。
【０１０２】
同図に示す形状測定装置３００は、３×３の格子状に配置された送受信ブロック３２０を備える。なお、送受信ブロック３２０の回路構成は、送受信ブロック１２０と同様である。また、送信アンテナ１３０及び受信アンテナ１４０について、特に図示していないが、それぞれ対応する送受信ブロック３２０に対応して配置されている。例えば、送信アンテナ１３０及び受信アンテナ１４０それぞれは、対応する送受信ブロック３２０が配置された領域に隣接して配置されている。
【０１０３】
本実施形態では、各送受信ブロック３２０に相異なる周波数を割り当てながら、相異なるＰＮ符号も割り当てている。図１０では周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を有する送受信ブロック３２０のアレーと、符号Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を有する送受信ブロック３２０のアレーとが互いに格子状に配置された構成である。ただし、配置に関しては、このような格子状の配置に限ったものではなく、さらに周波数や符号の割り当てについても任意に割り当ててよい。
【０１０４】
このように、本実施形態に係る形状測定装置３００は、複数の送受信ブロック３２０の列ごとに搬送波の中心周波数を異なる周波数とし、行ごとに異なるＰＮ符号を割り当てる。これにより、本実施形態に係る形状測定装置３００は、周波数資源と符号資源とを有効に利用できるので、より多くの送受信ブロックを備えることができる。具体的には、形状測定装置３００における、拡散後、すなわち放射波のスペクトルは図１１のように表せる。同図から明らかなように、ＰＮ符号が異なる場合、ＰＮ符号が同一の場合と比較して、符号資源とを有効に利用できるので、より多くの送受信ブロック３２０を備えることができ、その結果、より高精度にターゲットの形状を推定できる。
【０１０５】
以上、本発明に係る形状測定装置について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施形態に施したものや、異なる実施形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【０１０６】
例えば、送受信ブロック１２０として、送信ＩＣチップ、受信ＩＣチップ、ベースバンドチップなど複数のチップセットおよび送受信アンテナを回路基板上に集積したモジュールを用いても良いし、さらに送信、受信及びベースバンドの機能を統合し、送受信アンテナを集積したＲＦ−ＬＳＩを用いても良い。また、送受信ブロック１２０は互いに異なるチップに実装しても良いし、送受信ブロック１２０の１つと、当該送受信ブロック１２０の１つに対応する送信アンテナ１３０及び受信アンテナ１４０とを１つのチップに実装してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の形状測定装置は、自動車、船舶、航空機、ロボットなど、種々の機器に危険回避の手段などとして利用可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１００、２００、３００    形状測定装置
１１０    集中制御部
１２０Ａ〜１２０Ｃ、２２０Ａ〜２２０Ｃ、３２０    送受信ブロック
１２１    発振制御回路
１２２    発振回路
１２３    ＰＮ符号発生器
１２４    送信回路
１２５    受信回路
１３０Ａ〜１３０Ｃ    送信アンテナ
１４０Ａ〜１４０Ｃ    受信アンテナ
１４１    ダブルバランスミキサ回路
１４２    バンドパスフィルタ
１５０    信号処理回路
１５１    ＬＮＡ
１５２    逆拡散ミキサ
１５３    移相器
１５４ｉ、１５４ｑ    直交同期復調器
１６１    基準周波数発生器
１６２    分周器
１６３    位相比較器
１６４    ループフィルタ
１７１    電圧制御発振器
１７２    逓倍器
２２１    変調波発生器
２２２    ＰＮ符号変調器
Ｄ１、Ｄ２    分配器
Ｔ    ターゲット
【図１】
2011027514.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2011027514.tif 000014
【図１０】
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【図１１】
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