(57)【要約】      （修正有）【課題】相互間の距離を高精度で測定できる、距離測定装置および距離補正手段を提供する。【解決手段】第１の発受信手段１０１ａから少なくとも起点信号を含む無線信号を間欠発信し、第２の発受信手段１０１ｂで無線信号を受信すると、受信した無線信号から起点信号を復調するとともに内在する伝搬遅延誤差を安価な方法で補正し、復補正した起点信号と同期した距離測定信号を含む無線信号を時分割のタイミングで折返し発信し、第１の発受信手段において、第２の発受信手段から受信した距離測定信号を復調するとともに内在する伝搬遅延誤差を安価な方法で補正し、自局で生成した起点信号を基準として補正した距離測定信号の伝搬遅延位相もしくは伝搬遅延時間を測定して、相互間の距離を高精度で算出する。【選択図】図１
2013217754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線信号を用いて第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の距離を測定する距離測定装置において、
前記第１の発受信手段が、前記無線信号を時分割のタイミングでバースト信号として間欠発信するための第１の発信手段と、前記無線信号を時分割のタイミングで受信するための第１の受信手段と、前記第１の発信手段と第１の受信手段とを制御するための第１の制御手段と、前記第１の発信手段と第１の受信手段との間で、アンテナを時分割で切替えあるいは共有するための第１のアンテナ切替手段とから構成され、
前記第２の発受信手段が、前記無線信号を時分割のタイミングでバースト信号として間欠発信するための第２の発信手段と、前記無線信号を時分割のタイミングで受信するための第２の受信手段と、前記第２の発信手段と第２の受信手段とを制御するための第２の制御手段と、前記第２の発信手段と第２の受信手段との間で、アンテナを時分割で切替えあるいは共有するための第２のアンテナ切替手段とから構成され、
前記第１の発受信手段において、前記第１の受信手段が、少なくとも、第１の低雑音増幅器と、第１のミキサと、第１の中間周波フィルタと、第１の低伝搬遅延増幅・復調手段とを有し、かつ前記第１の制御手段が、少なくとも、第１の同期確立保持手段と、第１の距離測定手段と、第１の起点信号生成手段とを有し、
前記第２の発受信手段において、前記第２の受信手段が、少なくとも、第２の低雑音増幅器と、第２のミキサと、第２の中間周波フィルタと、第２の低伝搬遅延増幅・復調手段とを有し、かつ前記第２の制御手段が、少なくとも、第２の同期確立保持手段と、第２の距離測定信号生成手段とを有し、
前記第１および第２の発信手段および受信手段トータルの伝搬遅延時間が２０ナノ秒以下であり、前記第１および第２の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、かつ前記第１および第２の低伝搬遅延増幅・復調手段の伝搬遅延時間が５ナノ秒以下であり、前記第１、第２、あるいはこれらの両方の制御手段において、前記第１、第２、あるいはこれらの両方の受信手段への受信信号強度の変動に対し、前記伝搬遅延時間の変動が比較的に少ない定数部分について距離補正を行うことを特徴とする距離測定装置および距離補正手段。
【請求項２】
前記請求項第１項において、前記起点信号および距離測定信号がＡＳＫ変調されており、前記低伝搬遅延増幅・復調手段が、広帯域差動増幅手段、自動利得制御手段、ヒステリシス特性、広帯域コンパレータ、あるいはこれらの組合せを有することを特徴とする距離測定装置および距離補正手段。
【請求項３】
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が変動するのに対し、前記受信手段の伝搬遅延時間が変動する変動部分が２ナノ秒以内であることを特徴とする距離測定装置および距離補正手段。
【請求項４】
前記請求項第１項において、前記中間周波フィルタがパッシブ回路で構成され、かつ等価帯域幅が１００ＭＨｚ以上であり、前記低伝搬遅延増幅・復調手段が、少なくとも、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、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２００ＭＨｚ以上であることを特徴とする距離測定装置および距離補正手段。
【請求項５】
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もしくは距離測定信号の立ち上がり点、立下り点、あるいはゼロ交差点を２００ＭＨｚ以上の高い周波数のサンプリング信号によって検出し、前記検出されたタイミングで、単一もしくは複数のカウンタを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し保持させることを特徴とする距離測定装置および距離補正手段。
【請求項６】
前記請求項第１項において、前記距離測定手段が、前記同期確立・保持手段の出力信号と前記起点信号生成手段の出力信号とを比較する比較手段と、前記比較した結果の内で両者の符号もしくは位相が同一でありあるいは異なる期間を検出する検出手段と、前記符号もしくは位相が同一でありあるいは異なる期間から両者間の相対距離を算出する距離算出手段と、前記定数部分について距離補正を行うための距離補正手段とを有することを特徴とする距離測定装置および距離補正手段。
【請求項７】
前記請求項第１項において、前記第２の発受信手段が、前記第１の発受信手段から発信された起点信号と識別信号と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と識別信号とを含む無線信号を前記第１の発受信手段に向けて、複数のタイムスロットからランダムに選択された時分割のタイミングで折返して発信することを特徴とする距離測定装置および距離補正手段。
【請求項８】
前記請求項第１項において、前記無線信号がミリ波帯の電磁波信号であることを特徴とする距離測定装置および距離補正手段。
【請求項９】
前記請求項第１項において、前記第１の発受信手段、前記第２の発受信手段、あるいはこれらの両方が、ミリ波レーダとしての機能を併せ持つことを特徴とする距離測定装置および距離補正手段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、第１の発受信手段と第２の発受信手段との間で、単一の無線周波数を用いて、時分割で相互間の通信を行うことによって、相互間の距離を高精度で測定できる距離測定装置および距離補正手段に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の無線通信機の間で相互通信を行ない相互間の距離を測定するための、距離補正手段を有する距離測定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】特願２０１１−２５３６３３号
【特許文献２】特開２００９−１６２４８８号公報
【特許文献３】特開２００１−０３３５４３号公報
【０００３】
図８、図９は、特許文献１に記載されている従来の「距離測定装置および距離補正手段」の実施例であり、第１および第２の制御手段において距離補正手段５２を設け、電波減衰時の距離測定精度の低下を防止するために、第１および第２の受信手段１３ａ、１３ｂへの受信信号強度を測定したＲＳＳＩ値を用いて、出荷時あるいは適時のタイミングで記憶させた補正係数を用いて距離の補正を行うよう構成されている。
一方、特許文献２に記載されている従来の「無線端末装置およびゲイン調整方法」の実施例では、往復時間の測定時に、送信信号と受信信号との信号レベルを合わせることで、電波減衰による距離測定精度の低下を防止するよう構成されている。
【０００４】
一方、特許文献３に記載されている従来の「距離検出方法及び距離検出装置」の実施例では、送受信系回路における信号遅延時間を、送受信信号を折り返し直接受信して得られた測定距離を用いて補正値としているが、現実の補正値は、本来受信信号強度によって変化させるべきものである。
前記のように、従来の距離測定精度の低下を防止するための手段は、受信機への受信信号強度の変動によって、中間周波増幅器の伝搬遅延時間が変動するために生じる距離の測定誤差を補正するための距離補正手段を付加するものであるが、装置を複雑にし、コスト高となるにも関わらず、規定の距離測定精度を維持するためには、詳細な温度補償あるいは経年変化補正を行う必要があるなどの問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、第１の発受信手段と第２の発受信手段との間で、単一の無線周波数を用いて、時分割で相互間の通信を行うことにより、相互間の距離を高精度でしかも短時間で測定できる距離測定装置および距離補正手段を、安価でしかも温度補償あるいは経年変化補正などを要さずに提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる距離測定装置では、前記第１の発受信手段が、起点信号を含む無線信号をバースト信号として、前記第２の発受信手段に向けて間欠発信し、前記第２の発受信手段が、前記第１の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の発受信手段に向けて、複数のタイムスロットからランダムに選択された時分割のタイミングで折返して発信し、前記第１の発受信手段において、前記第２の発受信手段から発信された無線信号を受信して前記距離測定信号を復調し、前記自局で生成した起点信号と同期したクロック信号を用いて前記復調した距離測定信号の伝搬遅延位相差もしくは伝搬遅延時間差を測定して、前記第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の距離を高精度で測定するよう構成されている。
【０００７】
従来の距離測定装置が、距離を高精度で測定するために、前記発受信手段の受信手段および制御手段に「誤差検出・補正手段」を設け、受信信号強度の変動によって中間周波増幅器の伝搬遅延時間が変動するのを、受信信号強度に対応する補正値および補正係数を出荷時に記憶させ、記憶された補正値および補正係数を用いて距離の補正を行なっていたのに対して、この発明の距離測定装置では、受信信号強度の変動に対し中間周波増幅器の伝搬遅延時間の変動が十分に小さい値になるよう「低伝搬遅延増幅・復調手段」を採用することによって、従来必要であった複雑な構成の「誤差検出・補正手段」を削除することが可能となり、高精度の距離測定装置を安価に実現できることとなった。
【発明の効果】
【０００８】
このように、本発明の距離測定装置では、第１の発受信手段と第２の発受信手段との間で、単一の無線周波数を用いたバースト信号によって相互間の通信を行うことで、安価な装置によって、相互間の距離を短時間でしかも高精度に算出できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態による距離測定装置の構成図
【図２】本発明の第１の実施の形態による第１の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第２の発受信手段の構成図
【図４】本発明の第１の実施の形態によるタイミングチャート
【図５】本発明の第１の実施の形態による制御フローチャート
【図６】本発明の第１の実施の形態による同期確立・保持手段の構成図
【図７】本発明の第１の実施の形態による距離測定手段の構成図
【図８】従来の実施例を示す構成図
【図９】従来の他の実施例を示す構成図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明に係わる距離測定装置は、図１〜図５、および請求項１に本発明の第１の実施の形態を示すように、無線信号を用いて第１の発受信手段と第２の発受信手段との間の距離を測定する距離測定装置において、前記第１の発受信手段が、前記無線信号を時分割のタイミングでバースト信号として間欠発信するための第１の発信手段と、前記無線信号を時分割のタイミングで受信するための第１の受信手段と、前記第１の発信手段と第１の受信手段とを制御するための第１の制御手段と、前記第１の発信手段と第１の受信手段との間で、アンテナを時分割で切替えあるいは共有するための第１のアンテナ切替手段とから構成される。
【００１１】
前記第２の発受信手段が、前記無線信号を時分割のタイミングでバースト信号として間欠発信するための第２の発信手段と、前記無線信号を時分割のタイミングで受信するための第２の受信手段と、前記第２の発信手段と第２の受信手段とを制御するための第２の制御手段と、前記第２の発信手段と第２の受信手段との間で、アンテナを時分割で切替えあるいは共有するための第２のアンテナ切替手段とから構成される。
前記第１の発受信手段において、前記第１の受信手段が、少なくとも、第１の低雑音増幅器と、第１のミキサと、第１の中間周波フイルタと、第１の低伝搬遅延増幅・復調手段とを有し、かつ前記第１の制御手段が、少なくとも、第１の同期確立・保持手段と、第１の距離測定手段と、第１の起点信号生成手段とを有する。
【００１２】
前記第２の発受信手段において、前記第２の受信手段が、少なくとも、第２の低雑音増幅器と、第２のミキサと、第２の中間周波フィルタと、第２の低伝搬遅延増幅・復調手段とを有し、かつ前記第２の制御手段が、少なくとも、第２の同期確立・保持手段と、距離測定信号生成手段とを有し、前記第１および第２の発信手段および受信手段トータルの伝搬遅延時間が２０ナノ秒以下であり、前記第１および第２の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、かつ前記第１および第２の低伝搬増幅・復調手段の伝搬遅延時間が５ナノ秒以下であり、前記第１、第２、あるいはこれらの両方の制御手段において、前記第１、第２、あるいはこれらの両方の受信手段への受信信号強度の変動に対し、前記伝搬遅延時間の変動が比較的に少ない定数部分について固定的に距離補正を行うものとする。
【００１３】
また、請求項２に示すように、前記起点信号および距離測定信号がＡＳＫ変調もしくは振幅変調されており、前記低伝搬遅延増幅・復調手段が、広帯域差動増幅手段、自動利得制御手段、ヒステリシス特性、広帯域コンパレータ、あるいはこれらの組合せを有するものとする。
また、請求項３に示すように、前記受信手段への受信信号強度が変動するのに対し、前記受信手段の伝搬遅延時間が変動する変動部分が２ナノ秒以内であるものとする。
また、請求項４に示すように、前記中間周波フィルタがパッシブ回路で構成され、かつ等価帯域幅が１００ＭＨｚ以上であり、前記低伝搬遅延増幅・復調手段が、少なくとも、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、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２００ＭＨｚ以上であるものとする。
【００１４】
また、請求項５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もしくは距離測定信号の立ち上がり点、立下り点、あるいはゼロ交差点を１ＧＨｚ以上の高い周波数のサンプリング信号によって検出し、前記検出されたタイミングで、単一もしくは複数のカウンタを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し・保持させる。
また、請求項６に示すように、前記距離測定手段が、前記同期確立・保持手段の出力信号と前記起点信号生成手段の出力信号とを比較する比較手段と、前記比較した結果の内で両者の符号もしくは位相が同一でありあるいは異なる期間を検出する検出手段と、前記符号もしくは位相が同一でありあるいは異なる期間から両者間の相対距離を算出する距離算出手段と、前記定数部分について距離補正を行うための距離補正手段とを有する。
【００１５】
また、請求項第７に示すように前記第２の発受信手段が、前記第１の発受信手段から発信された起点信号と識別信号と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と識別信号とを含む無線信号を前記第１の発受信手段に向けて、複数のタイムスロットからランダムに選択された時分割のタイミングで折返して発信する。
また、請求項８に示すように、前記無線信号がミリ波帯の電磁波信号であるものとする。
また、請求項９に示すように、前記第１の発受信手段、前記第２の発受信手段、あるいはこれらの両方が、ミリ波レーダとしての機能を併せ持つものとする。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態による距離測定装置の構成図である。図１において、１０１ａは第１の発受信手段、１０１ｂは第２の発受信手段、１１ａ、１１ｂは制御手段、１２ａ、１２ｂは発信手段、１３ａ、１３ｂは受信手段、１４ａ、１４ｂはアンテナ切替手段、１５ａ、１５ｂはアンテナ、１６は無線信号の伝搬路である。前記第１の発受信手段１０１ａと第２の発受信手段１０１ｂは、４０ＧＨｚ帯など、単一の周波数の無線信号を用い、時分割同時通信により、伝搬路１６を介して双方向通信を行い、相互間の相対距離を高精度で測定することができる。
【００１７】
なお、第１の発受信手段、第２の発受信手段、もしくはこれらの両方のアンテナは、高い利得の指向性アンテナが用いられ、お互いに対向して設置されているものとする。
また、４０ＧＨｚ帯では、等価等方輻射電力として２ｋＷが許容されており、第１の発受信手段と第２の発受信手段との間が見通しであれば、３００ｍ以上離れても相互通信が可能であり、かつ雨、霧、あるいは雪などの影響を受けない利点がある。
【００１８】
図２は本発明の第１の実施の形態による第１の発受信手段の構成図である。図２において、１０１ａは第１の発受信手段、１１ａは第１の制御手段、１２ａは第１の発信手段、１３ａは第１の受信手段、１４ａは第１のアンテナ切替手段、１５ａは第１のアンテナ、４１は前記第１のアンテナ切替手段の入出力端子、４２は前記第１の受信手段への入力端子、４３は低雑音増幅器、４４はミキサ、４５は局発信号発振器、４６は中間周波フィルタ、７１は低伝搬遅延増幅・復調手段、５０ａ、５０ｄは接続端子、５１は第１の同期確立・保持手段、５３は距離算出手段、５４は起点信号生成手段、５５は変調・増幅手段、５６はロールオフフィルタ、５７はミキサ、５８は電力増幅器、５９は前記第１の発信手段の出力端子、６０は距離測定出力端子である。
【００１９】
前記第１の制御手段１１ａの起点信号生成手段５４が間欠的に起動されて識別信号と起点信号を生成し、接続端子５０ｄを介して変調・増幅手段５５に入力され、変調された後規定の出力に増幅され、ロールオフフィルタ５６によって帯域が制限され、ミキサ５７によって局部発振器４５の出力と混合され、電力増幅器５８によって規定の電力まで増幅され、アンテナ切替手段１４ａによって切替えられてアンテナ１５ａから少なくとも起点信号を含む無線信号として空間に放射される。
【００２０】
一方、前記第２の発受信手段１１ｂから空間へ放射された少なくとも距離測定信号を含む無線信号は、アンテナ１５ａによって受信され、アンテナ切替手段１４ａによって切替えられて接続端子４２に入力されると、低雑音増幅器４２によって増幅され、ミキサ４４によって局発信号発振器４５の出力信号と混合されて中間周波信号に変換され、中間周波フィルタ４６によって選択された後、低伝搬遅延増幅・復調手段７１によって増幅されて前記距離測定信号が復調され、接続端子５０ａを介して第１の制御手段１１ａの同期確立・保持手段５１によって前記距離測定信号との同期を確立して保持し、前記保持された距離測定信号の遅延位相あるいは遅延時間を、前記起点信号生成手段５４によって生成された起点信号を基準として前記距離測定手段５３によって測定し、前記第２の発受信手段１０１との距離を高精度で測定し、測定結果を接続端子６０を介して外部の表示装置（記載せず）に転送する。
【００２１】
前記第１の受信手段１３ａにおいて伝搬遅延を生じる主な要素は、中間周波フィルタ４６と、低伝搬遅延増幅・復調手段７１、およびその他の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、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、前記低伝搬遅延増幅・復調手段７１では、伝搬遅延時間の絶対値が小さいものが実現できれば、受信信号強度の変動に対して伝搬遅延時間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。
【００２２】
前記低伝搬遅延増幅・復調手段７１は、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を用いると、等価帯域幅として１０ＧＨｚ程度以上の広帯域が実現できることから、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３０ピコ秒程度の小さな変動であり、一方、固定部分が７０ピコ秒程度のものが実現できることから、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変動しない固定値部分を補正することで、距離測定誤差を±１５ｃｍ程度に抑えることができる。
【００２３】
なお、前記第１および第２の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、かつ前記第１および第２の低伝搬遅延増幅・復調手段の伝搬遅延時間が５ナノ秒以下であり、前記第１、第２、あるいはこれらの両方の制御手段において、前記伝搬遅延時間の内、前記第１および第２の受信手段への受信信号強度の変動に対して変動の少ない定数部分について距離補正を行うものとする。
また、前記起点信号および距離測定信号がＡＳＫ変調されており、前記低伝搬遅延増幅・復調手段の等価帯域幅を広帯域化することで、受信信号強度の変化に対して伝搬遅延の変動を無視できる程度に削減することができる。
【００２４】
また、前記受信手段への受信信号強度が変動するのに対し、前記受信手段の伝搬遅延時間が変動する変動部分が２ナノ秒以内であり、前記中間周波フィルタがパッシブ回路で構成され、前記低伝搬遅延増幅・復調手段が、少なくとも、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、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。
【００２５】
その他に、低雑音増幅器４３、ミキサ４４などにも伝搬遅延が存在するが、これらはいずれも等価帯域幅を１ＧＨｚ以上とすることで、受信信号強度の変動に対し、前記伝搬遅延の変動はいずれも無視できる程度に小さくすることができる。
また、前記第１の制御手段、第２の制御手段、あるいはこれらの両方の同期確立・保持手段では、前記復調された起点信号もしくは距離測定信号のゼロ交差点を１ＧＨｚ以上の高い周波数のサンプリング信号によって検出し、前記サンプリング信号を分周して距離測定信号を生成するための単一もしくは複数のカウンタを、前記ゼロ交差点のタイミングでセットしあるいはリセットすることで、同期誤差によって生じる距離測定誤差を±１５ｃｍ以下に軽減することができる。
【００２６】
図３は本発明の第１の実施の形態による第２の発受信手段の構成図である。図３において、１０１ｂは第２の発受信手段、１１ｂは第２の制御手段、１２ｂは第２の発信手段、１３ｂは前記第２の受信手段、１４ｂは第２のアンテナ切替手段、１５ｂはアンテナ、４１は前記第２のアンテナ切替手段の入出力端子、４２は前記第２の受信手段への入力端子、４３は低雑音増幅器、４４はミキサ、４５は局発信号発振器、４６は中間周波フィルタ、４７は低伝搬遅延増幅・復調手段、５０ａ、５０ｄは接続端子、５１は第２の同期確立・保持手段、６１は距離測定信号生成手段、５５は変調・増幅手段、５６はロールオフフィルタ、５７はミキサ、５８は電力増幅器、５９は前記第２の発信手段の出力端子である。
【００２７】
前記第１の発受信手段１１ａから空間へ放射された起点信号を含む無線信号が、アンテナ１５ｂによって受信され、アンテナ切替手段１４ｂによって切替えられて接続端子４２に入力されると、低雑音増幅器４２によって増幅され、ミキサ４４によって局発信号発振器４５の出力と混合されて中間周波信号に変換され、中間周波フィルタ４６によって選択された後、低伝搬遅延増幅・復調手段７１によって増幅されて前記起点信号が復調され、接続端子５０ａを介して第２の制御手段１１ｂの同期確立・保持手段５１によって前記起点信号との同期を確立して保持し、前記同期保持された起点信号の位相あるいは遅延時間と同期した距離測定信号を、前記距離測定信号生成手段６１によって生成し、前記生成された距離測定信号を接続端子５０ｄ介して第２の発信手段１２ｂに転送する。
【００２８】
前記第２の制御手段１１ｂの距離測定信号生成手段６１が時分割のタイミングで起動されて識別信号と距離測定信号が生成され、接続端子５０ｄを介して変調・増幅手段５５に入力され、変調されたのち規定の出力に増幅され、ロールオフフィルタ５６によって帯域が制限され、ミキサ５７によって局部発振器４５の出力と混合された後、電力増幅器５８によって規定の電力まで増幅され、アンテナ切替手段１４ｂによって切替えられてアンテナ１５ｂばから空間に放射される。
【００２９】
前記第２の受信手段１３ｂにおいて伝搬遅延時間を生じる主な要素は、比較的に帯域の狭い中間周波フィルタ４６と、低伝搬遅延増幅・復調手段７１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、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、前記低伝搬遅延増幅・復調手段７１では、伝搬遅延時間の絶対値を１ナノ秒以下に小さくすることで、受信信号強度の変動に対して伝搬遅延時間の変動も小さくなるので、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できる。
【００３０】
前記低伝搬遅延増幅・復調手段７１は、超高速の差動増幅器、超高速のオペアンプ、あるいは超高速のコンパレータなどの組合せであり、等価帯域幅として１０ＧＨｚ程度以上が実現できることから、伝搬遅延時間の絶対値が１００ピコ秒以下を実現でき、受信信号強度の変動に対して３０ピコ秒程度の変動であるとすると、固定部分が７０ピコ秒程度であり、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変動しない固定値部分を補正することで、距離測定誤差を１ｃｍ程度に抑えることができる。なお、中間周波フィルタ４６の帯域幅を１ＧＨｚにできれば、伝搬遅延時間が１ナノ秒であり、３０ｃｍ相当の遅延に改善できることになる。
【００３１】
なお、実用上許容できるのは、前記第１および第２の発信手段および受信手段トータルの伝搬遅延時間が２０ナノ秒程度以下であり、前記第１および第２の中間周波フィルタの伝搬遅延時間が１０ナノ秒程度以下であり、かつ前記第１および第２の低伝搬遅延増幅・復調手段の伝搬遅延時間が５ナノ秒程度以下である。
【００３２】
その他に、低雑音増幅器４３、ミキサ４４などにも伝搬遅延が存在するが、いずれも無視できる程度に小さい。
また、前記第１の制御手段、第２の制御手段、あるいはこれらの両方が同期確立・保持手段を有し、前記復調された起点信号もしくは距離測定信号の立ち上がり、立下り、あるいはゼロ交差点を高い周波数のサンプリング信号によって検出し、周波数安定度の高い基準信号を分周して距離測定信号を生成するためのリセット付きカウンタを、前記検出したタイミングでセットしあるいはリセットすることで、高精度の同期を確立し、起点信号が消滅したのちも同期を安定に保持できるので、同期誤差によって生じる距離測定誤差を削減することができる。
【００３３】
図４は、本発明の第１の実施の形態による距離測定装置のタイミングチャートである。図４において、２１ａは第１の発受信手段１０１ａから発信される起点信号、２１ｂは第２の発受信手段１０１ｂよって復調される起点信号、２２は前記第１の発受信手段から第２の発受信手段に向けて起点信号が伝搬する伝搬経路、２３ａは前記第２の発受信手段よって復調された起点信号に同期して生成される距離測定信号、２３ｂは前記第１の発受信手段によって復調された距離測定信号、２４は前記第２の発受信手段から第１の発受信手段に向けて距離測定信号が伝搬する伝搬経路である。
【００３４】
一方、２５は前記第１の発受信手段の発信のタイミングから第２の発受信手段の発信のタイミングまでの時分割の間隔、２６は前記第１の発受信手段から発信される起点信号と前記第１の発受信手段によって復調される距離測定信号との位相差、２７ａは前記第１の発受信手段の発信手段の時間軸、２７ｂは前記第１の発受信手段の受信手段の時間軸、２８ａは前記第２の発受信手段の受信手段の時間軸、２８ｂは前記第２の発受信手段の発信手段の時間軸である。
あるいは前記時分割の間隔２５に対して複数のタイムススロットを設け、ランダムに選択して折り返すことによって、複数の第２の発受信手段との間の距離が測定可能となるメリットが得られる。
【００３５】
前記第１の発受信手段から発信される前記起点信号２１ａをＡＳｉｎ（２πｆ１ｔ）とすると、前記起点信号２１ａが、距離Ｌ（ｍ）の伝搬経路２２を伝搬し、前記第２の発受信手段によって受信され、起点信号２１ｂとして復調されると、ＢＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋（２πＬｆ１／Ｃ）｝に位相が変化する。
前記復調された起点信号２１ｂと同期した距離測定信号２３ａを生成すると、生成された距離測定信号２３ａは、同じくＢＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋（２πＬｆ１／Ｃ）｝で表される。
【００３６】
前記時分割の間隔２５の後に、前記生成された距離測定信号２３ａが、前記第２の発受信手段から発信され、再び、距離Ｌ（ｍ）の伝搬経路１６を伝搬し、前記第１の発受信手段で復調される距離測定信号２３ｂは、ＣＳｉｎ｛２πｆ１ｔ＋（４πＬｆ１／Ｃ）｝で表わされる。ここで、Ｃは光の速度とする。
そこで、前記第１の発受信手段で生成された起点信号２１ａと同期しあるいは直交し、周波数が前記起点信号の整数倍のクロック信号を用い、前記復調された距離測定信号２３ｂの位相を測定すると、前記第１の発受信手段で生成された起点信号２１ａと前記第１の発受信手段で復調された距離測定信号２３ｂとの位相差２６が測定され、ΔΦ＝｛４πＬｆ１／Ｃ｝となることから、Ｌ＝｛ＣΔΦ／４πｆ１｝から、距離Ｌ（ｍ）が算出できる。
【００３７】
なお、距離測定の際に、伝搬位相差を測定する代わりに、伝搬遅延時間差を測定しても同様な効果が得られる。
また、前記算出された距離の中には、前記発受信手段に内在する伝搬遅延によって距離の測定誤差が生じるので、適正な距離補正手段を設ける必要がある。
また、前記内存する伝搬遅延の内、受信信号強度の変化によって前記伝搬遅延が変動する部分については、距離の補正が難しいので、絶対値を極力小さく抑えることで安価な距離補正手段が実現できる。
【００３８】
図５は、本発明の第１の実施の形態による制御フローチャートである。図５において、３１はスタート、３２は第１発受信手段の制御ステップ、３３は第２発受信手段の制御ステップ、３４は第１発受信手段の制御ステップ、３５はＥＮＤである。
前記第１発受信手段の制御ステップ３２では、第１発受信手段で、起点信号を生成し、起点信号を含む無線信号を間欠発信し、前記第２発受信手段の制御ステップ３３では、受信した無線信号から低伝搬遅延増幅・復調手段によって起点信号を復調して同期を検出・保持し、当該保持した起点信号と同期した距離測定信号を生成し、距離測定信号を含む無線信号を複数のタイムスロットからランダムに選択された時分割のタイミングで折返し発信する。
【００３９】
更に、前記第１発受信手段の制御ステップ３４では、受信した無線信号から低伝搬遅延増幅・復調手段によって起点信号を復調して同期を検出・保持し、最初に発信した起点信号を基準として当該保持した距離測定信号の遅延位相もしくは遅延時間を測定し、主として受信手段に内在する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固定的な部分を補正して距離を算出する。
また、同期を瞬時に確立しかつ長時間同期を維持する手段として、図６に示す同期検出・保持手段５１が設けられる。
【００４０】
図６は、本発明の第１の実施の形態による同期確立・保持手段の構成図である。図６において、５１は同期確立・保持手段、６１は距離測定信号生成手段、７１は低伝搬遅延増幅・復調手段、８１は基準発振器、８２はリセット付きカウンタ、８３は位相同期発振器、８４は同期検出手段、５０ａ、８６は接続端子である。
前記リセットカウンタ８２を複数組設けることによって、複数のタイミングで同期を確立して保持し、距離の測定を前記複数のタイミングに対応して行い、複数回の測定値の平均値をとることで、距離の測定精度を改善することができる。
【００４１】
前記低伝搬遅延増幅・復調手段７１から、接続端子５０ａを介して、復調した起点信号が出力され、位相同期発振器８３により２００ＭＨｚ程度以上の高い周波数のサンプリング信号を生成し、前記サンプリング信号を用いて前記復調された起点信号の立上り点あるいは立下り点あるいはゼロ交差点を同期検出手段８４により検出してカウンタ８２をセットしあるいはリセットし、前記起点信号と同期した距離測定信号を距離測定信号生成手段６１に供給する。したがって、前記距離測定信号は、基準発振器８１の安定度と同じ安定度の周波数を、起点信号が消滅した後も、長時間に渡って保持することができる。
【００４２】
図７は、本発明の第１の実施の形態による距離測定手段の構成図である。図７において、５３は距離測定手段、５１は同期確立・保持手段、５４は起点信号生成手段、８３は位相同期発振器、９１は比較手段（ＸＯＲロジック）、９２はゲート回路（ＡＮＤロジック）、９３は検出手段（バイナリカウンタ）、９４は距離算出・補正手段（ＣＰＵ）、９６および６０は接続端子である。
【００４３】
前記比較手段（ＸＯＲロジック）９１において、同期確立・保持手段５１により保持された距離測定信号と、起点信号生成手段５４により生成された起点信号とが比較され、両者が一致するときには位相同期発振器８３のパルス信号を阻止し、両者が不一致の時には位相同期発振器８３からのパルス信号を検出手段（バイナリカウンタ）９３に向けて通過させるために、ゲート回路（ＡＮＤロジック）９２が設けられる。
すなわち、比較手段９１において両者が一致するときにはゲート回路９２によって位相同期発振器８３からのパルス信号が阻止され、両者が不一致の時にはパルス信号を通過させる。
したがって、両者が不一致の場合にバイナリカウンタ９３が位相同期発振器８３の出力パルスで駈動され、ＣＰＵ９４によってパルス数が読み取られて両者間の距離が算出され、前記定数部分について距離補正を行う。
【００４４】
前記読み取られたパルス信号の数は、第１の送受信機と第２の送受信機に内在する伝搬遅延時間と、両者間の距離によって生じる伝搬遅延時間とのトータルの伝搬遅延時間が測定できるので、トータルの伝搬遅延時間から前記送受信機に内在する伝搬遅延時間の定数部分あるいは固定部分を差し引いたものが、両者間の距離に比例した伝搬遅延時間として算出され、両者間の補正された距離が測定できる。
前記送受信機に内在する伝搬遅延時間の内、受信信号強度の変動に影響されるものは等価帯域幅を広くして極力小さく抑え、受信信号強度に影響されない固定的なものを距離補正値として差し引くことによって、距離の測定精度を改善することができる。
【００４５】
以上の説明では、発受信手段が、周波数帯域が比較的に広い無線信号を利用し、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、あるいは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を補正する方法について述べたが、そのためには、無線信号として、広い帯域幅を占有できる３０ＧＨｚ帯以上のミリ波帯の電磁波信号あるいは光信号を利用することが望ましい。
【００４６】
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。
また、前記第１の発受信手段、前記第２の発受信手段、あるいはこれらの両方が、相互通信により距離を測定する機能の他に、従来のミリ波レーダ（反射波を検知して距離を測定する）としての機能を付加しあるいは共有することによって、２重の距離測定手段を持たせることが可能となり、信頼性を向上できるメリットが得られ、かついずれか一方が相互通信機能を有さない場合でも相手方との距離を測定することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明によれば、複数の発受信手段の間で、複数のタイムスロットからランダムに選択された時分割のタイミングによる相互通信を行うことによって、短時間に、高精度で、しかも安価な装置を用いて、相互間の距離を高精度で測定することが可能となる。
例えば、高速道路を走行中の車と車の間の距離と方向が瞬時にしかも高精度で測定可能となり、協調運転あるいは衝突防止装置などに応用することができ、あるいは、歩行者あるいはロボットなどの自律移動の誘導あるいは制御が可能となる。
なお、本発明の距離測定技術は基盤技術であり、上記以外に多分野での利用が期待できる。
【符号の説明】
【００４８】
１０１ａ                第１の発受信手段
１０１ｂ                第２の発受信手段
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】
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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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