(57)【要約】【課題】ＦＭＣＷ方式において、変調周波数幅で決まる距離の量子化単位より高い精度での測距を簡易に実現する。【解決手段】ＦＭＣＷ方式の出力である中間周波数信号を解析し発信器の周波数制御へフィードバックをかけ、中間周波数信号を周波数掃引の区切りをまたがった時間的に連続した正弦波とし、周波数掃引時間より長い時間にわたった高い精度での中間周波数信号の周波数を測定、または周波数制御信号の情報から従来困難とされた距離の量子化単位より高い精度での測距をおこなう。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数が可変の高周波信号を発信する発信器と、周期的な掃引期間の各周期の間に前記高周波信号が所定の周波数変化を示すように前記発振器を制御する周波数制御装置と、音波、電波、光波などを媒体として前記高周波信号を所定の検知対象領域に放射する放射手段と、所定の検知対象領域に存在する物体からの反射信号を受信する受信手段と、前記高周波信号と前記反射信号とを周波数混合し前記高周波信号と前記反射信号との周波数の差に等しい周波数を持つ中間周波数信号を発生する周波数混合手段と、前記中間周波数信号に基づいて前記周波数制御装置へフィードバックをかけ前記高周波信号の掃引時間および周波数変化率の少なくとも一方を制御するフィードバック手段とを有し、前記中間周波数信号に基づいて検知対象物体の所定の検知対象領域における有無および前記放射手段から検知対象物体までの距離の少なくとも一方を検知するＦＭＣＷ方式。
【請求項２】
各掃引の中間周波数信号が掃引をまたがって時間的に連続した信号波なるように発信周波数範囲、掃引時間をフィードバック制御し、周波数掃引時間より長い時間にわたって中間周波数信号周波数を測定する請求項１のＦＭＣＷ方式。
【請求項３】
中間周波数信号が周波数掃引をまたがって時間的に連続となったことをフィードバック信号から判断する信号判定手段を具備する請求項１乃至請求項３のＦＭＣＷ方式。
【請求項４】
周波数制御装置の周波数制御情報から検知対象までの距離を算出する請求項１乃至３いずれかに記載のＦＭＣＷ方式。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、所定の検知対象領域に音波・電波・光波等を放射し、反射を検知・解析することにより検知対象領域内の物体の有無検知や対象までの距離、位置等を検出するセンサ技術における測距方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ）方式は静止物体検知でき、また対象までの測距が可能なであるため、とくに電波探知装置として電波高度計や接岸用電波測距装置、液面計等として広く用いられている。また近年になって車両検知、人体検知など新しい分野でも用いられるようになってきた。
【０００３】
またＦＭＣＷ方式は測距方式として広く用いられているパルス方式に対し、高速なパルス発生回路、スイッチ等が必要なく製作が容易であるという特徴から、今後の広がりが期待される方式である。なお、ＦＭＣＷ方式の技術は従来から公知であり、例えば特許第３２３００１６号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ＦＭＣＷ方式では変調周波数幅で決まる距離の量子化単位より高い精度、距離分解能での測距は困難で、高い精度、距離分解能を得るためには広い変調周波数幅をとることが必要であるとされている。
【０００５】
しかし、変調周波数幅を広げるには技術的、コスト的な限界があり、また電波法等の制限により十分な変調周波数幅をとることが困難な場合も多い。この結果十分な高い精度、距離分解能での測距を行なうことはできなかった。
【０００６】
本課題に関し特許２９３６０４７号では、周波数掃引において掃引速度を変化させ、その条件下でＦＭＣＷの出力を周波数解析し、そのスペクトラムの振る舞いから高い精度での測距を行なう手法が示されているが、この手法は周波数掃引毎にＦＦＴ等の多大なる計算量をもつ処理を必要とするため、高速な測定は困難であり、また高い能力をもつ演算装置が必要なため装置そのものが高価になる。
【０００７】
また周波数掃引毎に出力の周波数解析を行なうことから、測距を行なう距離が短く周波数掃引時間内に十分な波数が得られない場合には正常に動作しないという問題点も挙げられる。
【０００８】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的はＦＭＣＷ方式において、限られた変調周波数幅で距離の量子化単位より高い精度、距離分解能での測距を簡易に実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係わる測距方式は、周波数が可変の高周波信号を発信する発信器と、周期的な掃引期間の一周期の間に前記高周波信号が所定の周波数変化率を示すように前記発振器を制御する周波数制御装置と、音波・電波・光波などを媒体として前記高周波信号を所定の検知対象領域に放射する放射手段と、所定の検知対象領域に存在する物体からの反射信号を受信する受信手段と、前記高周波信号と前記反射信号とを周波数混合し前記高周波信号と前記反射信号との周波数の差に等しい周波数を持つ中間周波数信号を発生する周波数混合手段と、前記中間周波数信号に基づいて前記周波数制御装置へフィードバックをかけ前記高周波信号の掃引時間および周波数変化率の少なくとも一方を制御するフィードバック手段とを有し、前記中間周波数信号に基づいて検知対象物体の所定の検知対象領域における有無および前記放射手段から検知対象物体までの距離の少なくとも一方を検知するものである。
【００１０】
上記に加えてさらに、各掃引の中間周波数信号が掃引をまたがって時間的に連続した信号波なるように発信周波数範囲、掃引時間をフィードバック制御し、周波数掃引時間より長い時間にわたって中間周波数信号周波数を測定するＦＭＣＷ方式である。すなわち、上記フィードバック手段を用い、中間周波数信号を周波数掃引の区切りをまたがった時間的に連続した信号波とし、この中間周波数信号の周波数を周波数掃引時間に制限を受けない十分長い時間にわたって測定することにより高い精度、距離分解能での測定を可能とする。
【０００１１】
上記に加えてさらに、中間周波数信号が周波数掃引をまたがって時間的に連続となったことをフィードバック信号から判断する信号判定手段を具備するものである。すなわち、中間周波数信号が時間的に連続した信号波となったことを判定する信号判定手段を具備することにより、時間的に連続していない状態での測距の防止、検知対象の移動に対する追従など測距の安定性、高速性の向上を図ることができる。
【００１２】
上記に加えてさらに、周波数制御装置の周波数制御情報から検知対象までの距離を算出するものである。すなわち、中間周波数信号の周波数を測定する代わりに、上記信号判定手段が中間周波数信号が時間的に連続した信号波となったという信号を出力した時点での周波数制御情報を距離情報に換算することにより、中間周波数信号周波数を直接測定するよりも高速に測距をおこなうことも可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の係わるＦＭＣＷ測距方式について例をあげ詳しく説明する。図１は本発明に係わるＦＭＣＷ測距法の運用図、図２は実施例１に係わるＦＭＣＷ測距法を実現するＦＭＣＷセンサの概略構成を示す図である。
【００１４】
本ＦＭＣＷ測距方式は、センサ１から検知対象とする領域２へ高周波信号を放射し、領域２に存在する検知の対象となる物体３から反射された高周波信号を受信・解析し物体３の有無の判定、物体３までの距離Ｌの測定を行うことを目的としたものである。ＦＭＣＷ測距方式とは物体３までの距離を測定するため領域２へ放射する高周波信号に周波数で変調した連続波を用いる手法である。なお、図１においてセンサ１と物体３との相対速度は０である。
【００１５】
上記目的のため、ＦＭＣＷ測距方式を実現するセンサ１は高周波信号を発生すると共に周波数変調可能な発信器４と、発信器４の発信周波数を制御する周波数制御装置５と、発信器４で発信された高周波信号を音波・電波・光波等を媒体として前記領域１に放射する放射手段６を具備する。発信器４で発信される高周波信号は、代表的には正弦波であるが、後述の中間周波数信号を得られるものであれば、どのような波形を用いてもよい。この放射手段６の具体的な形態は上記媒体の種類によって異なる。すなわち、媒体が音波であればスピーカー、電波であればアンテナ、光波であれば発光器がそれぞれ用いられる。周波数制御装置５は、図３に示す通り、あるひとつの掃引期間の間に高周波信号の周波数を下限値から上限値まで変化させるように発信器４を制御する。すなわち、このときの単位時間あたりの周波数変化が周波数変化率に相当する。この掃引期間は周期的に設けられている。なお、上限値から下限値の方向へ周波数を変化させるようにしてもよい。また、図３では時間に対して直線状に周波数を変化させているが、時間に対して曲線状に周波数を変化させるようにしてもよい。
【００１６】
また、物体２からの反射波を受信・解析するために、前記領域１から到来する反射信号を受信する受信手段７と周波数混合手段８を具備する。受信手段７の具体的な形態は上記媒体の種類に対応するものであり、音波であればマイクロホン、電波であればアンテナ、光波であれば受光器がそれぞれ用いられる。この受信手段７は、通常は放射手段８の近傍に設置されるが、測定値に影響を与えない程度の距離をおいて設置されることもある。発信器４で周波数変調して発信され、放射手段６から放射され、検知の対象となる物体３によって反射され、受信手段７を経て入力される受信波（すなわち反射信号）と、発信器４で周波数変調して発信され直接入力される参照波（すなわち高周波信号）とを周波数混合手段８により周波数混合することで、受信波と参照波の周波数差を周波数として持つ中間周波数信号が得られる。この中間周波数信号の周波数はセンサ１と物体２の間の距離Ｌに関する距離情報を含んでおり、従来行われているＦＭＣＷ測距ではこの中間周波数信号の周波数を周波数測定装置９で測定し、装置諸元を加味して演算処理することによりその距離情報を抽出している。
【００１７】
本発明が特徴とするところは、上述した従来行われているＦＭＣＷ測距法を実現するＦＭＣＷセンサに中間周波数信号を解析し周波数制御装置へフィードバックをかけるフィードバック手段１０を具備するところである。
【００１８】
放射手段６および受信手段７から物体２までの距離測定において、図３のようにフィードバックがかかっていない周波数掃引ＦＭ１によって発生した時間的に不連続な中間周波数信号ＩＦ１を、サンプリング・解析し周波数掃引にフィードバックをかけ、掃引周波数ＦＭ２を制御し、中間周波数信号ＩＦ２が時間的に連続となるようにする。すなわち、図３の左上図において、フィードバックがかかっていない状態で、ひとつの掃引周期内の時間の経過と共に高周波信号ＦＭ１の発信周波数が下限値から上限値まで変化している。このときの波形の傾きが周波数変化率を表す。そして次の周期においても同じ動作が繰り返される。これに対応して描かれた図３の左下図は、中間周波数信号の時間に対する振幅波形を表している。そして、左側の掃引周期の波形の終端（右端）と右側の掃引周期の波形の始端（左端）とにズレが生じた状態になっている。図３の右上図において、掃引周期にフィードバックがかかった高周波信号の発信周波数掃引状態を太い実線で示し、掃引周期にフィードバックがかかる前の発信周波数掃引状態を細い点線で示す。これに対応して描かれた図３右下図は、中間周波数信号の時間に対する振幅波形を表したものである。左側の掃引周期の波形の終端と右側の掃引周期の波形の始端とが一致して、一連の連続した波形を形成している。現実的には、波形の終端と始端とを完全に一致させることは難しいので、終端と始端との差違の大きさが所定値よりも小さくなったときに両者が一致したものとみなして、以後の処理を行なうことができる。また、連続点において波形が滑らかに（すなわち微分可能に）接続している必要はない。
【００１９】
フィードバック手段１０では、中間周波数信号波形が図４に示すような中間周波数信号が点ａのような時間的な不連続点を持つ波形である場合、掃引開始の点と振幅及び傾きが等しい点ｂおよび、掃引時間Ｔｂを算出し、周波数掃引を時間Ｔｂで終了するよう周波数制御装置にフィードバックをかける。
【００２０】
点ｂは振幅値と直前直後の振幅値との差分で求められる振幅変化量が点ａと等しい点を波形にわたって検索していくことによって簡単に求めることができる。この処理は信号振幅読み取りと、差分処理のみで構成可能であるため極めて簡易な演算処理であるといえる。
【００２１】
フィードバック処理の他の実施例として図５を用いて説明する。図５の上図は高周波信号の周波数変化を示すものであり、下図の細い点線は中間周波数波形を示すものであり、下図の太い実線は中間周波数波形の積算値（始点からの積分値）を示すものである。まず、点ａの振幅が０になるように掃引開始を調整し、次に中間周波数信号の積算が０となる点ｂを探すことにより掃引周波数Ｔｂを求めることもできる。この場合掃引時間Ｔを中間周波数信号の積算が０となる点に収束させる処理を行なうこともできる。この処理も積算処理、比較処理のみで構成可能であるため極めて簡易な演算処理であるといえる。
【００２２】
上記の実施例では、周波数変化率を固定したまま掃引時間（掃引周期）を変化させることにより、中間周波数波形を連続させているが、これとは逆に、掃引時間は固定したまま周波数下限値または上限値を変化させる（すなわち、周波数変化率を変化させる）ことで中間周波数波形を連続させるようにしてもよい。あるいは、掃引時間と周波数変化率を両方とも変化させることで中間周波数波形を連続させるようにしてもよい。このように中間周波数信号を時間的に連続な信号とすることにより、中間周波数信号ＩＦ２の周波数を周波数測定装置９で周波数掃引時間の影響を受けることなく測定でき、その結果、精密な測距を簡易な演算処理で実現することが可能となる。例えば、周波数測定装置９が中間周波数信号のピークを検出してその間隔から周波数を求めるものであるとすると、従来の技術においてはひとつの掃引周期内で短時間のうちに中間周波数信号の周波数を測定しなければならず誤差が大きくなる可能性があったが、本発明においては複数の掃引周期にわたって中間周波数信号の周波数を測定することができるので、誤差が平均化されて、結果として高精度の測定が可能となる。また、従来の技術においては、極めて短時間のうちに演算処理を行なうために高速の演算装置が必要としており、システム全体の高価格化を招いていた。本発明においては、複数の掃引周期にわたっての測定が許容されるので、動作速度が比較的遅い安価な演算装置を用いても十分に高精度の計測が可能となる。
【００２３】
なお図６のように中間周波数信号が時間的に連続となったことをフィードバック信号から判断する信号判定手段１１を具備し、フィードバック信号の時間的変化、内容などを監視し、フィードバック信号が定常状態となったら信号を出力するようにすることにより、中間周波数信号が時間的に連続していない状態での測距の防止、検知対象の移動に対する追従など測距の安定性、高速性の向上を図ることができる。
【００２４】
またフィードバック信号が測距情報をもっている場合、フィードバックが定常状態に達した瞬間の測距情報をとりだすことも可能である。
【００２５】
またフィードバック手段１０はＰＬＬ等アナログ回路で構成することもでき、この場合信号判定手段１１の定常状態信号をもって中間周波数信号の周波数測定を行なうこととなる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係わるＦＭＣＷ測距方式を用いることにより、従来では困難とされていた、限られた周波数帯域幅での高精度測距が簡易な演算処理で高速に可能となり、その工業的利点が絶大である等、実用上多大なる効果を奏し得る物である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるＦＭＣＷ法の運用図
【図２】本発明に係わるＦＭＣＷ法を実現するセンサの構成図
【図３】フィードバックによる中間周波数信号の時間的な連続化の概念図
【図４】中間周波数信号の時間的な連続化を実現する周波数掃引時間を示す図
【図５】中間周波数信号の時間的な連続化を実現するフィードバックを示す図
【図６】本発明に係わるＦＭＣＷ測距法を実現するセンサの構成に信号判定手段を付加した図
【符号の説明】
１　　センサ
２　　検知対象とする領域
３　　物体
４　　発信器
５　　周波数制御装置
６　　放射手段
７　　受信手段
８　　周波数混合手段
９　　周波数測定装置
１０　　フィードバック手段
１１　　信号判定手段
【図１】
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【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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