(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）所定の周波数を発生する基準発振器と、
（２）前記基準発振器が発生する周波数により駆動されてＰＮ符号を発生する変調用符号発生器と、
（３）前記変調用符号発生器からの符号出力により符号変調された搬送波を測距ターゲットに対して送信する送信器と、
（４）前記測距ターゲットにより反射された前記搬送波を受信する受信器と、
前記基準発信器と微小に異なる周波数を発生する参照用発振器と、
（５）前記参照用発振器が発生する周波数により駆動されて前記変調用符号発生器と同一の符号を発生する参照用符合発生器と、
（６）前記変調用符号発生器が発生する変調用符号と、前記参照用符号発生器が発生する参照用符合との相関値により、第一のバースト状相関信号を生成する送信側測距相関器と、
（７）前記受信器が受信した受信符号と、前記参照用符号発生器が発生する参照用符合との相関値により、第二のバースト状相関信号を生成する受信側測距相関器と、
（８）前記送信側測距相関器が発生する第一のバースト状相関信号を積分処理することにより、低周波数の波形信号へと変換する送信側波形整形器と、
（９）前記受信側測距相関器が発生する第二のバースト状相関信号を積分処理することにより、低周波数の波形信号へと変換する受信側波形整形器と、
（１０）前記第一のバースト状相関信号と第二のバースト状相関信号との位相差を計測する手段と、
（１１）前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測する手段と、
（１２）前記第一のバースト状相関信号と第二のバースト状相関信号との位相差、及び前記送信側波形整形器の出力信号と前記受信側波形整形器の出力信号との位相差について、これらを組合せて用いることにより前記測距ターゲットまでの距離を換算する情報処理装置とを備えることを特徴とする測距装置。
【請求項２】
前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測する手段において、
（１）前記送信側波形整形器の出力信号及び前記受信側波形整形器の出力信号のうち、いずれか一方を第一の信号とし、他方を第二の信号とし、前記第一の信号を所定位相シフトしてその所定位相シフトした信号を第三の信号として出力する手段と、
（２）前記第一の信号と第二の信号とを乗算した信号を第四の信号として出力する手段と、
（３）前記第三の信号と第二の信号とを乗算した信号を第五の信号として出力する手段と、
（４）前記第四の信号と第五の信号との直流成分の比を求める手段とを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測する手段において、
（１）前記送信側波形整形器の出力信号及び前記受信側波形整形器の出力信号のうち、いずれか一方を第一の信号とし、他方を第二の信号とし、前記第一の信号を所定位相シフトしてその所定位相シフトした信号を第三の信号として出力する手段と、
（２）前記第一の信号と第二の信号とを乗算した信号を第四の信号として出力する手段と、
（３）前記第三の信号と第二の信号とを乗算した信号を第五の信号として出力する手段と、
（４）前記第四の信号の交流成分の通過を阻止し直流成分のみを通過させる手段と、
（５）前記第五の信号の交流成分の通過を阻止し直流成分のみを通過させる手段と、
（６）前記両直流成分を入力信号として除算する手段とを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項４】
前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測する手段において、
（１）前記送信側波形整形器の出力信号及び前記受信側波形整形器の出力信号のうち、いずれか一方を第一の信号とし、他方を第二の信号とし、前記第一の信号を所定位相シフトしてその所定位相シフトした信号を第三の信号として出力する手段と、
（２）前記第一の信号と第二の信号とを乗算した信号を第四の信号として出力する手段と、
（３）前記第三の信号と第二の信号とを乗算した信号を第五の信号として出力する手段と、
（４）前記第四の信号と第五の信号とを入力信号として除算しその除算した信号を第六の信号として出力する手段と、
（５）前記第六の信号の交流成分の通過を阻止し直流成分のみを通過させる手段とを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項５】
（１）所定の周波数を有する第一のＰＮ符号により符号変調された搬送波を、測距ターゲットに対して発信するステップと、
（２）前記測距ターゲットにより反射された前記搬送波を受信するステップと、
（３）前記第一のＰＮ符号と同一符号で、かつ微小に異なる周波数を有する第二のＰＮ符号を生成するステップと、
（４）前記第一のＰＮ符号と前記第二のＰＮ符号との相関値により、第一のバースト状相関信号を生成するステップと、
（５）前記受信搬送波の符号と前記第二のＰＮ符号との相関値により、第二のバースト状相関信号を生成するステップと、
（６）前記第一のバースト状相関信号を積分処理することにより、低周波の波形信号へと変換して、第一の波形信号を生成するステップと、
（７）前記第二のバースト状相関信号を積分処理することにより、低周波の波形信号へと変換して、第二の波形信号を生成するステップと、
（８）前記第一のバースト状相関信号と前記第二のバースト状相関信号との位相差を求め、その位相差から前記測距ターゲットまでの距離を算出し、これを第一の測距データとするステップと、
（９）前記第一の波形信号と前記第二の波形信号との位相差を求め、その位相差から前記測距ターゲットまでの距離を算出し、これを第二の測距データをするステップと、
（１０）前記第一の測距データと前記第二の測距データとを組合せて演算処理を行い、これにより最終的な測距データを得るステップとを含むことを特徴とする測距方法。
【請求項６】
前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測するステップにおいて、
（１）前記送信側波形整形器の出力信号及び前記受信側波形整形器の出力信号のうち、いずれか一方を第一の信号とし、他方を第二の信号とし、前記第一の信号を所定位相シフトしてその所定位相シフトした信号を第三の信号として出力するステップと、
（２）前記第一の信号と第二の信号とを乗算した信号を第四の信号として出力するステップと、
（３）前記第三の信号と第二の信号とを乗算した信号を第五の信号として出力するステップと、
（４）前記第四の信号と第五の信号との直流成分の比を求めるステップとを含むことを特徴とする請求項５に記載の測距方法。
【請求項７】
前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測するステップにおいて、
（１）前記送信側波形整形器の出力信号及び前記受信側波形整形器の出力信号のうち、いずれか一方を第一の信号とし、他方を第二の信号とし、前記第一の信号を所定位相シフトしてその所定位相シフトした信号を第三の信号として出力するステップと、
（２）前記第一の信号と第二の信号とを乗算した信号を第四の信号として出力するステップと、
（３）前記第三の信号と第二の信号とを乗算した信号を第五の信号として出力するステップと、
（４）前記第四の信号の交流成分の通過を阻止し直流成分のみを通過させるステップと、
（５）前記第五の信号の交流成分の通過を阻止し直流成分のみを通過させるステップと、
（６）前記両直流成分を入力信号として除算するステップとを含むことを特徴とする請求項５に記載の測距方法。
【請求項８】
前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測するステップにおいて、
（１）前記送信側波形整形器の出力信号及び前記受信側波形整形器の出力信号のうち、いずれか一方を第一の信号とし、他方を第二の信号とし、前記第一の信号を所定位相シフトしてその所定位相シフトした信号を第三の信号として出力するステップと、
（２）前記第一の信号と第二の信号とを乗算した信号を第四の信号として出力するステップと、
（３）前記第三の信号と第二の信号とを乗算した信号を第五の信号として出力するステップと、
（４）前記第四の信号と第五の信号とを入力信号として除算しその除算した信号を第六の信号として出力するステップと、
（５）前記第六の信号の交流成分の通過を阻止し直流成分のみを通過させるステップとを含むことを特徴とする請求項５に記載の測距方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、Ｍ系列等のＰＮ符号に符号変調された搬送波を用いる測距装置及び測距方法に関する。
【発明の属する技術分野】
【０００２】
【従来の技術】
従来、光パルスの反射を利用して測距ターゲットまでの距離を測定する方法として、前記光パルスが測距ターゲット対象物により反射されてくるまでの往復時間を観測するいわゆる「タイム・オブ・フライト法」がある。しかし、この方法における距離分解能は光の速度に直接依存する。また、パルス波形の影響が大きい。従って、近距離及び高分解能を要求される測距には不向きである。
【０００３】
また、光の送信波と受信波との位相差により対象物までの距離を測定する「位相差法」も広く用いられている。この方法は高い分解能を実現することができる。しかし、反射波の強度変化による計測値への影響が大きいため、反射波の強度調整を行う必要がある。このような強度調整は、機械的動作により行われるため、計測時間の高速化に対応することが困難である。例えば車両等移動体の計測を行うような場合には不向きである。
【０００４】
上記各方法の課題を解決し、特に車両等移動体を測定ターゲットとした測距を行う方法として、所定の周波数を有するＭ系列、又はＧＯＬＤ系列等のＰＮ符号を用いる方法が開発されている。すなわち、前記符号による符号変調された搬送波を測距ターゲットに対して送信し、そこで反射された反射波を受信して、送信波と受信波のＰＮ符号についてそれらの位相差を検出することにより、測距ターゲットまでの距離を算出するものである。ＰＮ符号は強い自己相関特性を有するため、従来の位相差法において問題となっていた強度調整の必要がない。また外来光等の影響を受けにくい点において優れる。しかしながら、分解能を向上するためにはＰＮ符号の周波数を十分に高くする必要がある。ＰＮ符号の周波数を決定するためには、一般的にクロック回路等の発振器を使用する。しかしそのような高周波をしかも高精度に発振するために多大なコストを要する。
【０００５】
このような課題に鑑みて、ＰＮ符号を用いた測距方法に改良を加えた例として特開平１１−５２０５０号公報に記載された技術がある。以下に図を参照して説明する。図９において、基準発振器１０１が所定周波数により変調用符号発生器１０２を駆動し、Ｍ系列やＧＯＬＤ系列等のＰＮ符号を発生する。送信器１０４は変調用符号発生器１０２からの符号出力により符号変調された赤外線やミリ波等の搬送波１３１を測距ターゲット１２０に向けて送信する。送信器１０４から送出された搬送波１３１は、測距ターゲット１２０において反射され、その反射波１３２が受信器１０５において受信される。
【０００６】
参照用符号発生器１０８は変調用符号発生器１０２と同一の符号を発生する。参照用発振器１０７は、基準発振器１０１とは微小に異なる周波数で参照用符号発生器１０８を駆動し、前記変調用符号とは微小に周波数の異なる参照用符号を発生させる。送信側測距相関器１０９は、変調用符号発生器１０２からの変調用符号と参照用符号発生器１０８からの参照用符号との相関値を求め、これにより送信側相関信号を生成する。一方、受信側測距相関器１１０は、受信器が受信した反射波１３２の符号と参照用符号発生器１０８からの参照用符号との相関値を求め、これにより受信側相関信号を生成する。
【０００７】
さて、上述のように参照用符号は変調用符号及び反射波の符号と微小に異なる周波数に設定されている。従って参照用符号と変調用符号、及び参照用符号と反射波の符号とはある一定の間隔において位相の完全な一致（位相同期）を見ることとなる。そしてこのとき送信側相関信号及び受信側相関信号においてピーク信号が出現する。すなわち変調用符号と参照用符号、及び反射波の符号と参照用符号の位相同期はそれぞれ図１０のピーク信号Ａ１、Ａ２、…及びＢ１、Ｂ２、…として示される。反射波１３２の符号は、測距ターゲット１２０までの距離に比例した位相遅れを有するものであるから、送信側相関信号と受信側相関信号のピーク信号出現の時間差ΔＴを検出することにより両信号の位相差を求め、その値を演算器により換算して測距ターゲット１２０までの距離を算出することができる。
【０００８】
この方法においては、高い分解能の測距を行うことが可能である。例えば基準発振器１０１の発振周波数ｆ1を３０ＭＨｚ、参照用発振器１０７の発振周波数ｆ2をｆ１よりも３１０Ｈｚ低い周波数、ＰＮ符号の周期長Ｎを３１、ＰＮ符号における１チップ時間をＴｃとした場合、測距可能な最大距離Ｒｍａｘは、【式１３】により、
【式１３】
Ｒｍａｘ＝ｃＮＴｃ／２
（ただしＴｃ＝１／ｆ１、またｃは光速を表し３×１０3ｍ／ｓ）
で表される。上記数値を適用すると、Ｒｍａｘは、約１５５ｍとなる。ここで、送信側測距相関器１０９及び受信側測距相関器１１０の出力信号を、１０ＫＨｚのクロック周波数において計測（サンプリング）するものと仮定すると、０．１５５ｍの分解能を得る。先述のタイムオブフライト法においては、分解能を向上するためにＰＮ符号の１チップ時間を短縮する必要がある。従って同等の分解能（０．１５５ｍ）を実現するためには、約９６７ＭＨｚの発振器が必要となる。このように、変調用符号と参照用符号、及び反射波の符号と参照用符号の相関信号を利用することにより、より高い分解能を実現できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
今、移動中の車両について、その車両が一定区間の一端に進入したことと、もう一端に達したこととを、路面上からその車両高を計測することにより検出し、車両による区間内旅行時間を計測して、その速度を計測する装置について考える。このような装置においては、種々の条件によりその旅行区間を１ｍ前後とすることが一般的である。そして車両がこの旅行区間を１２０Ｋｍ／ｈにおいて走行するものと仮定すると、区間内走行時間はわずか３０ｍｓｅｃとなる。従って、車両速度を１０％の誤差範囲において測定しようとすれば、３ｍｓｅｃ以下の時間間隔において車両の存在確認を行う必要がある。しかも、反射光の受信状況が悪く１サンプリングが無効となるような場合を考慮すると、相関信号を多数検出することが望ましく、そのためにはより短い周期でのサンプリングが要求される。
【００１０】
さて、上記方法においては、変調用符号と参照用符号、及び反射波の符号と参照用符号との相関信号の位相が完全に一致する際に出現するピーク信号をサンプリングすることによって測距を行う。このようにきわめて近似した周波数を有する信号どうしを用いた場合、これらの信号の位相が一致する周期はきわめて長くなる。例えば上記方法（周波数差３１０Ｈｚ）において位相同期は０．１ｓｅｃごとに起こる。従って、例えば１０ＫＨｚのクロック周波数（すなわち０．１ｍｓｅｃごと）といった短い周期でのサンプリングを行うこと自体は可能であっても、その間に検出可能な相関信号のピーク数は自ずと限定されることとなる。その結果、特に反射光の受信状況が悪い場合には測定値に大きな誤差を生じる結果となる。また逆に、測定精度を向上しようとすれば測定時間を長くせざるをえず、実用に適しないものとなる。
【００１１】
さらに、このように変調用符号（及び受信信号の符号）と参照用符号との周波数差が非常に微小な場合において、位相が完全に一致した際のピーク信号を検出するためには、送信側及び受信側の相関器において厳密な相関検出を行うことが必須である。両符号の位相は時間の経過に伴って
▲１▼ 位相の「ずれ」を生じる段階
▲２▼ 「ずれ」が拡大する段階
▲３▼ 「ずれ」が最大となる段階
▲４▼ 「ずれ」が逆に少なくなる段階
▲５▼ 位相が完全に一致する段階
の段階を繰り返す。これらの段階において、「▲５▼位相が完全に一致する段階」のみを「位相同期状態」として検出することが必須である。仮に相関器における相関検出がある程度ラフなものであって、位相のずれが多少あったとしてもそれを「位相同期状態」とみなしてしまうようであれば、位相同期を示すピーク信号が多数出現することになる。そして相関信号全体としてはバースト状の相関信号となる。従って、正確な測定を行うためには位相検出精度の高い（位相同期の検出を厳密に行うことができる）相関器を用いる必要があり、コスト上昇の一因となっていた。
【００１２】
そこで本発明の課題は、ＰＮ符号に符号変調された搬送波を用いる測距方法において、（１）高分解能を有し（２）短時間測定が可能で（３）高精度の測距方法を提供することである。またそのような測距方法を実現するための測距装置を低コストで提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み、相関器の位相検出精度に起因して変調用符号と参照用符号の相関信号がバースト状相関信号となることについて、これをむしろ単位時間あたりの検出ピーク数増加を招く好ましい事象として捕らえる。そしてこれを利用し、測定ターゲットの距離を測定するものである。
【００１４】
すなわち上記課題を解決するための本発明の測距装置は、（１）所定の周波数を発生する基準発振器と、（２）前記基準発振器が発生する周波数により駆動されてＰＮ符号を発生する変調用符号発生器と、（３）前記変調用符号発生器からの符号出力により符号変調された搬送波を測距ターゲットに対して送信する送信器と、（４）前記測距ターゲットにより反射された前記搬送波を受信する受信器と、（５）前記基準発信器と微小に異なる周波数を発生する参照用発振器と、（６）前記参照用発振器が発生する周波数により駆動されて前記変調用符号発生器と同一の符号を発生する参照用符合発生器と、（７）前記変調用符号発生器が発生する変調用符号と、前記参照用符号発生器が発生する参照用符合との相関値により、第一のバースト状相関信号を生成する送信側測距相関器と、（８）前記受信器が受信した受信符号と、前記参照用符号発生器が発生する参照用符合との相関値により、第二のバースト状相関信号を生成する受信側測距相関器と、（９）前記送信側測距相関器が発生する第一のバースト状相関信号を積分処理することにより、低周波数の波形信号へと変換する送信側波形整形器と、（１０）前記受信側測距相関器が発生する第二のバースト状相関信号を積分処理することにより、低周波数の波形信号へと変換する受信側波形整形器と、（１１）前記第一のバースト状相関信号と第二のバースト状相関信号との位相差を計測する手段と、（１２）前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測する手段と、（１３）前記第一のバースト状相関信号と第二のバースト状相関信号との位相差、及び前記送信側波形整形器の出力信号と前記受信側波形整形器の出力信号との位相差について、これらを組合せて用いることにより前記測距ターゲットまでの距離を換算する情報処理装置とを備えることを特徴とする。本発明においては、従来の方法においては厳禁とされていたバースト状相関信号をあえて発生させ、これらの位相差を検出する。これにより単位時間あたりの情報取得量が増加して測定精度が向上する。またバースト状信号において出現する多数のピーク信号について、積分処理を行うことによってより低周波の信号へと変換することが可能である。従ってそれら積分後の信号についても位相差を測定し、これを補完データとして用いることにより、測定時誤差が少なくなる。
【００１５】
また本発明の測距装置は、前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測する手段において、（１）前記送信側波形整形器の出力信号及び前記受信側波形整形器の出力信号のうち、いずれか一方を第一の信号とし、他方を第二の信号とし、前記第一の信号を所定位相シフトしてその所定位相シフトした信号を第三の信号として出力する手段と、（２）前記第一の信号と第二の信号とを乗算した信号を第四の信号として出力する手段と、（３）前記第三の信号と第二の信号とを乗算した信号を第五の信号として出力する手段と、（４）前記第四の信号と第五の信号との直流成分の比を求める手段とを備えてなることを特徴とする。これにより、積分処理後の信号間位相差を効率的に求めることができる。
【００１６】
また本発明の測距装置は、前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測する手段において、（１）前記送信側波形整形器の出力信号及び前記受信側波形整形器の出力信号のうち、いずれか一方を第一の信号とし、他方を第二の信号とし、前記第一の信号を所定位相シフトしてその所定位相シフトした信号を第三の信号として出力する手段と、（２）前記第一の信号と第二の信号とを乗算した信号を第四の信号として出力する手段と、（３）前記第三の信号と第二の信号とを乗算した信号を第五の信号として出力する手段と、（４）前記第四の信号の交流成分の通過を阻止し直流成分のみを通過させる手段と、（５）前記第五の信号の交流成分の通過を阻止し直流成分のみを通過させる手段と、（６）前記両直流成分を入力信号として除算する手段とを備えてなることを特徴とする。これにより、積分処理後の信号間位相差を効率的に求めることができる。
【００１７】
また本発明の測距装置は、前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測する手段において、（１）前記送信側波形整形器の出力信号及び前記受信側波形整形器の出力信号のうち、いずれか一方を第一の信号とし、他方を第二の信号とし、前記第一の信号を所定位相シフトしてその所定位相シフトした信号を第三の信号として出力する手段と、（２）前記第一の信号と第二の信号とを乗算した信号を第四の信号として出力する手段と、（３）前記第三の信号と第二の信号とを乗算した信号を第五の信号として出力する手段と、（４）前記第四の信号と第五の信号とを入力信号として除算しその除算した信号を第六の信号として出力する手段と、（５）前記第六の信号の交流成分の通過を阻止し直流成分のみを通過させる手段とを備えてなることを特徴とする。これにより、積分処理後の信号間位相差を効率的に求めることができる。
【００１８】
また本発明の測距方法は、（１）所定の周波数を有する第一のＰＮ符号により符号変調された搬送波を、測距ターゲットに対して発信するステップと、（２）前記測距ターゲットにより反射された前記搬送波を受信するステップと、（３）前記第一のＰＮ符号と同一符号で、かつ微小に異なる周波数を有する第二のＰＮ符号を生成するステップと、（４）前記第一のＰＮ符号と前記第二のＰＮ符号との相関値により、第一のバースト状相関信号を生成するステップと、（５）前記受信搬送波の符号と前記第二のＰＮ符号との相関値により、第二のバースト状相関信号を生成するステップと、（６）前記第一のバースト状相関信号を積分処理することにより、低周波の波形信号へと変換して、第一の波形信号を生成するステップと、（７）前記第二のバースト状相関信号を積分処理することにより、低周波の波形信号へと変換して、第二の波形信号を生成するステップと、（８）前記第一のバースト状相関信号と前記第二のバースト状相関信号との位相差を求め、その位相差から前記測距ターゲットまでの距離を算出し、これを第一の測距データとするステップと、（９）前記第一の波形信号と前記第二の波形信号との位相差を求め、その位相差から前記測距ターゲットまでの距離を算出し、これを第二の測距データとするステップと、（１０）前記第一の測距データと前記第二の測距データとを組合せて演算処理を行い、これにより最終的な測距データを得るステップとを含むことを特徴とする。本発明においては、従来の方法においては厳禁とされていたバースト状相関信号をあえて発生させ、これらの位相差を検出する。これにより単位時間あたりの情報取得量が増加して測定精度が向上する。またバースト状信号において出現する多数のピーク信号について、積分処理を行うことによってより低周波の信号へと変換することが可能である。従ってそれら積分後の信号についても位相差を測定し、これを補完データとして用いることにより、測定時誤差が少なくなる。
【００１９】
また本発明の測距方法は、前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測するステップにおいて、（１）前記送信側波形整形器の出力信号及び前記受信側波形整形器の出力信号のうち、いずれか一方を第一の信号とし、他方を第二の信号とし、前記第一の信号を所定位相シフトしてその所定位相シフトした信号を第三の信号として出力するステップと、（２）前記第一の信号と第二の信号とを乗算した信号を第四の信号として出力するステップと、（３）前記第三の信号と第二の信号とを乗算した信号を第五の信号として出力するステップと、（４）前記第四の信号と第五の信号との直流成分の比を求めるステップとを含むことを特徴とする。これにより、積分処理後の信号間位相差を効率的に求めることができる。
【００２０】
また本発明の測距方法は、前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測するステップにおいて、（１）前記送信側波形整形器の出力信号及び前記受信側波形整形器の出力信号のうち、いずれか一方を第一の信号とし、他方を第二の信号とし、前記第一の信号を所定位相シフトしてその所定位相シフトした信号を第三の信号として出力するステップと、（２）前記第一の信号と第二の信号とを乗算した信号を第四の信号として出力するステップと、（３）前記第三の信号と第二の信号とを乗算した信号を第五の信号として出力するステップと、（４）前記第四の信号の交流成分の通過を阻止し直流成分のみを通過させるステップと、（５）前記第五の信号の交流成分の通過を阻止し直流成分のみを通過させるステップと、（６）前記両直流成分を入力信号として除算するステップとを含むことを特徴とする。これにより、積分処理後の信号間位相差を効率的に求めることができる。
【００２１】
また本発明の測距方法は、前記送信側波形整形器の出力信号と、前記受信側波形整形器の出力信号との位相差を計測するステップにおいて、（１）前記送信側波形整形器の出力信号及び前記受信側波形整形器の出力信号のうち、いずれか一方を第一の信号とし、他方を第二の信号とし、前記第一の信号を所定位相シフトしてその所定位相シフトした信号を第三の信号として出力するステップと、（２）前記第一の信号と第二の信号とを乗算した信号を第四の信号として出力するステップと、（３）前記第三の信号と第二の信号とを乗算した信号を第五の信号として出力するステップと、（４）前記第四の信号と第五の信号とを入力信号として除算しその除算した信号を第六の信号として出力するステップと、（５）前記第六の信号の交流成分の通過を阻止し直流成分のみを通過させるステップとを含むことを特徴とする。これにより、積分処理後の信号間位相差を効率的に求めることができる。
【００２２】
本発明においては、バースト状相関信号を生成するために、従来用いられてきた相関検出精度の高い高価な相関器ではなく、むしろある程度ラフな位相同期検出を行う相関器を用いることが好ましいことは明らかである。従って、装置のコストを低く押さえることが可能となる。またバースト状相関信号における多数の信号ピークを利用することにより、単位測定時間内に検出可能な信号ピーク数すなわち測定データ数が多数となる。従って、測定時間短縮及び測距精度向上の効果を得る。
【００２３】
またこれらバースト状相関信号を積分処理して低周波の波形信号を生成し、これら波形信号の位相差からも測距データを得ることができる。このデータと積分前の相関信号による測距データとを照らし合わせて最終的な測距値を算出することにより、測定時のエラー等に起因する誤差が抑制される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について、図を参照して以下に説明する。図１は、本発明の測距装置における装置構成概略一例を示すブロック図である。図１を参照すると、測距装置は、所定の周波数を発生する基準発振器１０１と、基準発振器１０１が発生する周波数により駆動されてＰＮ符号を発生する変調用符号発生器１０２と、変調用符号発生器１０２からの符号出力により符号変調された搬送波１３１をドライバ１０３を介して測距ターゲット１２０に対して発信する送信器１０４と、測距ターゲット１２０により反射された搬送波１３２を受信する受信器１０５と、基準発信器１０１と微小に異なる周波数を発生する参照用発振器１０７と、参照用発振器１０７が発生する周波数により駆動されて変調用符号発生器１０２と同一の符号を発生する参照用符合発生器１０８と、変調用符号発生器１０２が発生する変調用符号と参照用符号発生器１０８が発生する参照用符合との相関値を求めて相関信号を発生する送信側測距相関器１０９と、受信器１０５が受信した搬送波１３２の受信符号と参照用符号発生器１０８が発生する参照用符合との相関値を求めて相関信号を発生する受信側測距相関器１１０と、送信側測距相関器１０９が発生する相関信号と受信側測距相関器１１０が発生する相関信号とからこれら信号間の位相差を検出するための距離カウンタ１１５及び相関計数カウンタ１１５と、送信側測距相関器１０９が発生する相関信号を低周波の波形信号に変換する送信側波形整形器１１１と、受信側測距相関器１１０が発生する相関信号を低周波の波形信号へと変換する受信側波形整形器１１２と、送信側波形整形器１１１の出力信号と、受信側波形整形器１１２の出力信号との位相差を計測する位相計測器１１３と、距離カウンタ１１５及び相関計数カウンタ１１６が計測した第一のデータと位相計測器１１３が計測した第二のデータとを演算処理することにより測距ターゲット１２０までの距離を求める情報処理装置１１４とにより構成される。
【００２５】
次に図１に示した測距装置を用いた測距の手順について説明する。基準発信器１０１が所定周波数を発生し、変調用符号発生器１０２を駆動して、前記所定周波数の第一のＰＮ符号を発生させる。第一のＰＮ符号はドライバ１０３及び送信側測距相関器１０９へと送出される。ドライバ１０３はＰＮ符号変調された搬送波１３１を発生し、送信器１０４がその搬送波１３１を測距ターゲット１２０へと発信する。このときの搬送波１３１としては、光、赤外線、レーザ等の電磁波あるいは超音波等の音波などが適用される。また送信器１０４及び後述する受信器１０５等各機器については、使用する搬送波１３１に応じたものを適宜選択する。
【００２６】
前記搬送波１３１は、測距ターゲット１２０において反射される。受信器１０５はその反射波１３２を受信する。受信された反射波１３２のＰＮ符号はアンプ１０６により適度な強度に増幅され、受信側測距相関器１１０に送出される。
【００２７】
参照用符号発生器１０７は、変調用符号発生器１０２が発生する第一のＰＮ符号と同一符号で、かつ微小に周波数の異なる第二のＰＮ符号を発生する。このときの周波数は、後述する送信側測距相関器１０９及び受信側測距相関器１１０における相関処理において支障ない範囲において適宜選択されるものとする。
【００２８】
第二のＰＮ符号は、送信側測距相関器１０９及び受信側測距相関器１１０へと送出される。送信側測距相関器１０９においては第一のＰＮ符号と第二のＰＮ符号との相関値が、受信側測距相関器１１０においては受信した反射波１３２のＰＮ符号と第二のＰＮ符号との相関値がそれぞれ演算される。そしてそれら相関値からそれぞれ相関信号が発生される。このとき送信側測距相関器１０９から出力される送信側相関信号、及び受信側測距相関器１１０から出力される受信側相関信号は、図２に示されるようにピーク信号が複数集合したバースト状信号となる。次に距離カウンタ１１５及び相関計数カウンタ１１６が、送信側相関信号と受信側相関信号との位相差を計測する。
【００２９】
以下、図１に示した装置についてその具体的回路構成一例を図４に示すとともに、上記位相差の計測過程についてより詳細に説明する。コード１がクロック１に従ってシフトレジスタ４０１を、同様にコード２がクロック２に従ってシフトレジスタ４０２を伝搬する。フェーズシフタ４０３がクロック２の位相を調整（例えばπ／２だけシフト）することにより、２相クロックが形成される。そしてこの２相クロックをＥＸＮＯＲ論理回路４０４に入力すると、フルアダー４０５のタイミングが制御されて相関検出が行われる。このときの相関検出について概要を図５に示す。
【００３０】
▲１▼ 図５（ａ）はＣ１（コード１）とＣ２（コード２）との位相が同期している状態であり、ＣＬＫ（クロック２）のタイミングにおいてビット単位の相関が検出されている。
▲２▼ 図５（ｂ）はＣ１とＣ２との位相が若干ずれている状態であるが、ＣＬＫのタイミングにおいてビット単位での相関には問題がなく、相関が検出されている。
▲３▼ 図５（ｃ）は図５（ｂ）よりもさらに位相がずれた状態であるが、ＣＬＫのタイミングにおいてビット単位での相関には問題がなく、相関が検出されている。
▲４▼ 図５（ｄ）は位相が大幅にずれた状態で、ＣＬＫのタイミングではビット単位の相関が検出できなくなっている。
▲５▼ 図５（ｅ）はさらに位相がずれている状態で、ＣＬＫのタイミングに関わらず相関が検出できなくなっている。
▲６▼ 図５（ｆ）は位相のずれがさらに大きくなることにより、逆に初期状態に近づく。従って、ＣＬＫのタイミングで相関が検出されている。
▲７▼ 図５（ｇ）は位相のずれが初期状態と同じ（位相同期）になっている。
以降、▲１▼〜▲７▼の状態を繰り返すことになる。従って、観測される相関信号は、各符号間の周波数差に応じたバースト状のパルス列となる。
【００３１】
各符号のクロック周波数ｆ１、ｆ２の各速度をω１、ω２、符号長をＮとすると、各符号系列Ｃstream１（ｔ）及びＣstream２（ｔ）を以下のように定義することができる。
【式１】
Ｃstream１＝Ｃ１（ｔ）ｃｏｓ（ω１／Ｎ）
Ｃstream２＝Ｃ２（ｔ）ｃｏｓ（ω２／Ｎ）
次に符号系列及び位相が一致する条件を求める。ここでは符号系列が同じであることから、Ｃ１（ｔ）、Ｃ２（ｔ）、Ｃ（ｔ）は等しい。従って、【式１】により、
【式２】
−２ｓｉｎ{（ω１＋ω２）ｔ／２Ｎ）}
×ｓｉｎ{（ω１−ω２）ｔ／２Ｎ}＝０
が導かれる。ここで【式２】を満たす条件は、
【式３】
（ω１―ω２）／２Ｎ＝ｎπ  （ｎ＝０，１，２，…）
であることから、
【式４】
（ｆ１−ｆ２）／Ｎ＝ｎ  （ｎ＝０，１，２，…）
となり、符号長Ｎを一周期としたときの周波数差で位相検出が行われることがわかる。
【００３２】
さて一方、これらの相関信号を、それぞれ送信側波形整形器１１１及び受信側波形整形器１１２において積分処理することにより、図３に示されるような低周波の波形信号へと変換する。そのうえで、送信側波形信号と受信側波形信号との位相差を、位相計測器１１３により求める。このとき、送信側波形信号及び受信側波形信号は振幅変動がないので、ピートダウン法等を適用することにより、精密な位相差計測を行うことができる。以下、その詳細を説明する。
【００３３】
図６に示されるように、位相計測器１１３は、位相器６０１、乗算器６０２及び６０３、ローパスフィルタ６０４及び６０５、除算器６０６を有する。送信側波形整形器１１１の出力をＳ１（ｔ）、受信側波形整形器１１２の出力をＳ２（ｔ）とするとこれらは、
【式５】
Ｓ１（ｔ）＝Ａ１（ｅｊωｔ＋ｅ−ｊωｔ）／２
Ｓ２（ｔ）＝Ａ２{ｅｊ（ωｔ−ψ）＋ｅ−ｊ（ωｔ−ψ）}／２
ただしＡ１，Ａ２：信号振幅、ω：角周波数、ψ：位相差
で表される。次に、Ｓ１（ｔ）とＳ２（ｔ）を乗算器６０２に入力すると、その出力は、
【式６】
Ｓ１（ｔ）×Ｓ２（ｔ）
＝Ａ１Ａ２{ｅｊ（ωｔ−ψ）＋ｅ−ｊ（ωｔ−ψ）
＋ｅｊψ＋ｅ−ｊψ}／４
となる。この信号をローパスフィルタ６０４に入力して直流成分のみを取り出すと、その出力ＤＣ１は、
【式７】
ＤＣ１＝Ａ１Ａ２（ｅｊψ＋ｅ−ｊψ）／４
となる。
【００３４】
さらにＳ１（ｔ）をγ（ｒａｄ）だけ位相シフトした信号をＳ３（ｔ）は、
【式８】
Ｓ３（ｔ）＝Ａ１{ｅｊ（ωｔ−γ）＋ｅ−ｊ（ωｔ−γ）}
と表され、Ｓ２（ｔ）とＳ３（ｔ）とを乗算器６０３に入力すると、その出力は、
【式９】
Ｓ３（ｔ）×Ｓ２（ｔ）
＝Ａ１Ａ２{ｅｊ（２ωｔ−γ−ψ）＋ｅ−ｊ（ωｔ―γ―ψ）
＋ｅｊ（ψ−γ）＋ｅ−ｊ（ψ−γ））／４
となる。この出力をローパスフィルタ６０５に入力して直流成分のみを取り出すと、その出力ＤＣ２は、
【式１０】
ＤＣ２＝Ａ１Ａ２{ｅｊ（ψ−γ）＋ｅ−ｊ（ψ−γ）}／４
となる。
【式７】の信号及び【式１０】の信号を除算器６０６に入力すると、その出力Ｒは、
【式１１】
Ｒ＝ＤＣ２／ＤＣ１
＝{ｅｊ（ψ−γ）＋ｅ−ｊ（ψ−γ）}／（ｅｊψ＋ｅ−ｊψ）となり、振幅の項（Ａ１、Ａ２）が消去されて位相差ψと既知の位相遅延量γとの和が出力されるので、振幅によらない位相差計測が可能となる。特に【式１１】においてγがπ／２であるときには、
【式１２】
Ｒ＝ｔａｎψ
となる。
【００３５】
これら位相差のデータ、すなわち相関信号による第一の位相差計測データと、波形信号による第二の位相差データとをそれぞれ情報処理装置１１４に入力する。そしてエラーレート等の計測条件を加味し、演算処理を行うことにより、測距ターゲットまでの距離を高精度に算出することができる。
【００３６】
ここでは乗算器６０２及び６０３の出力信号をそれぞれローパスフィルタ６０４及び６０５に入力して直流成分のみを通過させたうえで除算器６０６に入力している。しかしその他にも、乗算器６０２及び６０３の出力信号を直接除算器６０６に入力してまずそれらの比を算出し、その後に除算器６０６の出力信号をローパスフィルタに入力して直流成分を通過させるようにすることができる。
【００３７】
上記の方法においては、送信側測距相関器及び受信側測距相関器としてあえてラフな位相同期検出を行う相関器を用いることによってバースト状信号を発生させる。そして出現する多数のピークを情報として利用することにより、高精度な測距を行うことが可能となる。
【００３８】
【実施例】
本発明の一実施例を示す。基準発振器１０１の発振周波数ｆ1を２０．００ＭＨｚ、参照用発振器１０７の発振周波数ｆ2を２０．０１ＭＨｚ、ＰＮ符号の周期長Ｎを６３とする。そして発振周波数ｆ1において駆動される変調用符号のビット長（ここでは５０ｎｓｅｃ）に対して相関器が検出可能な位相の時間的「ずれ」、（すなわち周波数の異なる両信号の位相がずれを生じていてもそれを「同期状態」として検出することが可能な限界値）を、１％、３％、５％、７％、１０％、及び２０％とする。このとき相関器から出力される相関信号をそれぞれ観測し、出現する相関信号パルス数を計測した。その結果を図７に示す。図７を参照すると、相関器が検出可能な「ずれ」が３％以下では相関パルス数が１であるのに対し、５％以上においては相関パルス数が増加していくことがわかる。
【００３９】
本願は、相関信号としてバースト状のパルス信号を生じせしめ、これを利用して測距を行うものである。上記の結果から、相関器が検出可能な位相のずれが大であるほど相関パルスの数が増加して好ましいことが明らかである。このことを逆にいえば、本願発明において使用する相関器は、位相のずれに対してある程度相関検出能が低いものであるほうがむしろ好ましいということになり、比較的低価格な装置で高精度の測定を行うことができる。
【００４０】
本発明における他の実施例を以下に示す。図１に示した測距装置を用い、測定ターゲット１２０の距離を測定した場合について、測距可能な最大距離及び分解能の一例を示す。基準発振器１０１の発振周波数ｆ1を５０．００ＭＨｚ、参照用発振器１０７の発振周波数ｆ2を５０．０３ＭＨｚ、ＰＮ符号の周期長Ｎを６３、チップ時間をＴｃとする。
【００４１】
送信側符号発生器１０２によって生成されるＰＮ符号と参照用符号発生器１０７よって生成されるＰＮ符号との相関、及び受信信号１２１のＰＮ符号と参照用符号発生器１０７によって生成されるＰＮ符号との相関は、図８のようになる。
【００４２】
このとき測距可能な最大距離Ｒｍａｘは、【式１３】により、
【式１３】
Ｒｍａｘ＝ｃＮＴｃ／２
（ただしＴｃ＝１／ｆ１、またｃは光速を表し３×１０3ｍ／ｓ）
で表される。
【式１３】に上記に示した数値を適用すると、Ｒｍａｘは１８９ｍとなる。また、図７に示されるΔＴは、
【式１４】
ΔＴ＝Ｎ／（ｆ１−ｆ２）
により２．１ｍｓｅｃと求められる。
【００４３】
最初の送信側相関信号ピーク▲１▼が出現した時点において、距離カウンタ１１５はこれを測定開始パルスとみなして相関計数カウンタ１１６を駆動し、相関計数カウンタは時間計測を開始する。最終の受信側相関信号ピーク▲５▼´が出現した時点において、距離カウンタ１１５はこれを測定終了パルスとみなして相関計数カウンタ１１６に対して測定終了命令を発生する。このようにして、ΔＴｒが測定される。測距ターゲット１２０の距離が、積分相関信号の周期ΔＴの時間内において変動しないものとすると、
【式１５】
Δｔ1＝Δｔ2＝Δｔ3＝Δｔ4＝Δｔ5＝・・・＝Δｔn
（ただしｎは１、２、３、・・・で、相関計数カウンタのカウント値）
とみなせるので、ΔＴｒは、
【式１６】
ΔＴｒ＝Δｔ1＋ｎＴｃＮ
で表され、従ってΔｔ1は、
【式１７】
Δｔ1＝ΔＴｒ―ｎＴｃＮ
と表される。従って、ΔＴｒを測定することにより、測距データＲが【式１７】により、
【式１８】
Ｒ＝（ΔＴｒ―ｎＴｃＮ）Ｒｍａｘ／ΔＴ
と求められる。今、ΔＴｒを１ＭＨｚの周波数で計測したとすれば、Ｒは約０．０３ｍの分解能により計測することが可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明の測距装置及び測距方法によれば、ＰＮ符号に符号変調された搬送波を用い、高分解能及び高精度の測距が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の測距装置における装置構成一例を示すブロック図である。
【図２】  送信側相関信号、及び受信側相関信号の概略図である。
【図３】  送信側波形信号及び受信側波形信号の概略図である。
【図４】  本発明の測距装置における距離相関検出回路の構成一例を示すブロック図である。
【図５】  本発明における相関信号ピーク検出過程を説明するための図である。
【図６】  本発明の測距装置における位相計測器の構成一例を示すブロック図である。
【図７】  信号位相差と検出されパルス数と関係を示すグラフである。
【図８】  本発明の実施例を説明するための、バースト状相関信号概略図である。
【図９】  従来の測距装置構成一例を示すブロック図である。
【図１０】  従来の測距方法における送信側相関信号、及び受信側相関信号の概略図である。
【符号の説明】
１０１  基準発振器
１０２  変調用符号発生器
１０３  ドライバ
１０４  送信器
１０５  受信器
１０６  アンプ
１０７  参照用発振器
１０８  参照用符号発生器
１０９  送信側測距相関器
１１０  受信側測距相関器
１１１  送信側波形整形器
１１２  受信側波形整形器
１１３  位相計測器
１１４  情報処理装置
１１５  距離カウンタ
１１６  相関計数カウンタ
１２０  測距ターゲット
１３１  搬送波
１３２  反射波
４０１、４０２  シフトレジスタ
４０３  フェーズシフタ
４０４  ＥＸＮＯＲ論理回路
４０５  フルアダー
６０１  位相器
６０２、６０３  乗算器
６０４、６０５  ローパスフィルタ
６０６  除算器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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