JPH1164507A - 距離測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来、質問信号と応答信号間の時間差又は位
相差を検出して距離を測定する場合、質問信号又は応答
信号の波長で測定距離の精度が左右されていた。 【解決手段】 本発明は、上述の課題を解決するもの
で、測定距離と波長の関係を自動的に判定し時間差及び
又は位相差を最適に組み合わせて全距離に亙って高精度
の測定を可能とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電波による距離測定
方法に関し、詳しくは質問信号又は応答信号間の時間差
及び又は位相差を質問信号又は応答信号周波数の波長と
比較しその結果により、時間差及び又は位相差を最適に
組合わせ且つ系の遅延量デ−タ（制御及び処理による時
間及び位相遅延量の固定値）を用いて補正し、精度のよ
い測定を可能とする方法に関する。本発明は、移動する
車両、動物及び人間等に応答装置を装着して質問装置か
らの距離を測定することにより、その位置を把握するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】電波を使用して質問信号又は応答信号間
の位相差又は時間差を検出して距離を測定する方法とし
て２つの方法が提案されているが、以下にその概要を示
す。

【０００３】まず、従来の位相差検出による距離測定方
法では、距離が質問信号又は応答信号の１／２波長未満
の条件下であれば位相差のみの検出により距離測定は可
能であるが、位相差は質問信号又は応答信号波長の周期
関数であるので距離が１／２波長以上になると位相差の
みでは正確な測定が困難となる。

【０００４】一方、従来の時間差検出による距離測定方
法において、電波の質問信号又は応答信号の時間差を検
出する方法では、信号送出からその信号受信迄の遅延時
間差をカウンタ−で計測して距離を求めている。しかし
このカウンタ−方式は、距離が大きい場合は高精度で測
定出来るが距離が短い場合は超高速の高価なカウンタ−
が必要となる。例えば、１ｍの距離では電波の伝搬時間
は、０．００６７μｓｅｃであり、この様な短時間を計
測するにはクロック周波数として最低でも１５１ＭＨｚ
が必要となり、応答装置が質問を受けて応答する迄の応
答時間ジッタ−も数ｎｓｅｃ以下が要求されることは勿
論、実際の系の時間遅れは、通常数μｓｅｃあるので実
質的には測定不可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら以上説明
したような従来の技術では以下に示す問題点があった。 （１）質問信号と応答信号間の位相差又は時間差検出の
どちらか一つの方法だけで短い距離から長い距離までの
全区間を、高精度で測定することが難しい。 （２）さらに、系の遅延量デ−タは各応答装置毎に絶対
値に差があり距離測定精度に限界を生じさせる原因にな
っている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】質問装置から送出する質
問信号を、応答装置により受信し且つ各応答装置毎に固
有の遅延量デ−タを付加した応答信号を質問装置に返送
し、それを質問装置により受信して、送出した質問信号
と受信した応答信号間の時間差及び位相差の検出値から
前記各応答装置毎に固有の遅延量デ−タを用いて補正す
ることにより真の時間差及び真の位相差を求めて距離を
測定する手段を有する電波による距離測定方法であっ
て、前記真の時間差を自動的に質問信号又は応答信号周
波数の一波長に相当する時間値と比較して、それが一波
長に相当する時間差未満であれば前記真の位相差のみで
距離を算出し、それが一波長に相当する時間差以上であ
れば、真の時間差に対する質問信号又は応答信号周波数
の一波長に相当する時間の比の整数倍×１／２波長＋真
の位相差のみで算出した距離により算出する手段を有し
て、時間差及び又は位相差を最適に組合わせて全測定区
間に亙り高精度な距離算出を可能とする距離測定方法を
有する。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例を示す
ブロック図である。図１（ａ）は質問装置、図１（ｂ）
は応答装置の実施例を示す。以下に動作を示す。

【０００８】質問装置は、質問パルス発生回路１で生成
した信号を送信機２にて変調して周波数がｆ１である信
号を発生しこれをＳｔとして、アンテナ３から応答装置
へ送信する。これを質問信号とする。

【０００９】応答装置はＳｔである質問信号をアンテナ
４で受信し、増幅した後に帯域フィルタ−５を通し不要
な信号成分を除去する。応答装置内での信号の遅延量デ
−タはゼロでなく、また各応答装置毎に遅延量デ−タは
違っている。各応答装置では読出し専用メモリ（ＲＯ
Ｍ）６中にそれらの実際の値を書込んでおき、符号化し
て応答信号を変調し応答装置のアンテナ４から送出す
る。

【００１０】質問装置はアンテナ３から応答信号を受信
増幅後、帯域フィルタ−７で不要な信号成分を除去し、
その出力をＳｒとする。

【００１１】質問装置によって、ＳｔとＳｒ間の時間差
検波器８及び位相検波器９でＳｔとＳｒの位相差を検出
する。この場合、応答装置の遅延量デ−タをゼロとすれ
ば、ＳｔとＳｒ間の真の位相差は距離の正弦波関数とな
る。検出した時間差及び位相差出力をそれぞれＡ／Ｄ変
換器１０、１１によりデジタル信号に変換し、遅延量デ
−タによる補正値と共に制御回路１２に入力して計算す
れば精度よく自動距離測定が出来る。

【００１２】実際の応用例として、車間距離の測定につ
いて下記に示す。説明を簡単にする為に、一台の車両に
質問装置、もう一台の車両に応答装置を装着した場合
で、系の遅延量デ−タはゼロと仮定する。数ｍの距離を
電波による質問信号と応答信号間の時間差を計測して行
うのは困難を伴うが、位相差検出により行えば時間差計
測よりも容易に実現出来る。例えば、質問装置と応答装
置間の距離をＲ（ｍ）とし、この往復の距離２Ｒは質問
信号又は応答信号周波数ｆ１の波長λf1（ｍ）よりも短
いとすれば、距離Ｒを電波が往復する真の時間Ｔは次式
で表せる。 Ｔ＝２Ｒ［m］／300［m／μsec］（μsec） 但し，２Ｒ＜λf1……（１） 距離Ｒを信号が往復すれば、真の位相差Φは次式で与え
られる。 Φ＝２π（２Ｒ／λf1）（radian）但し、Φ＜２π …… （２） もし、Ｒが数ｍという短距離であればＴは非常に小さい
値となる。仮にＲ＝１ｍとすれば（１）式よりＴ＝０．
００６７μｓｅｃであり、この値を測定するには高価な
超高速カウンタ−が必要となる。しかし、波長λf1＝１
０ｍの周波数（ｆ１＝３０ＭＨｚ）を使用すれば、Φ＝
２π×２／１０であり検出は容易になる。この方法で
は、まず質問から応答迄の時間差を検出しそれが質問信
号又は応答信号周波数の一波長の整数長を電波が往復し
て進む時間長を越えているかどうか判定する。整数倍未
満ならば距離が質問信号又は応答信号の１／２波長未満
であるので（２）式より、真の位相差のみで距離が計算
出来る。整数倍以上であれば１／２波長以上であり距離
Ｒ＋は、真の時間差に対する質問信号又は応答信号周波
数の一波長に相当する時間（Ｔf1）の比の整数倍×１／
２波長＋真の位相差から求められる距離、 Ｒ＋ ＝Ｔ／Ｔf1の整数倍×１／２λf1＋（２）式で求めた距離 （但し、２Ｒ ≧λf1）……（３） で与えられ、真の時間差及び又は真の位相差を最適に組
合わせることにより短い距離から長い距離までの全区間
に亙り、高精度に計測可能とするものである。

【００１３】上記（１）〜（３）式は系の遅延量をゼロ
と仮定しているが実際の系には各応答装置毎に時間差及
び位相差の遅延量があり、これらを含めて処理する必要
がありその方法を具体的に説明する。ここで、質問信号
Ｓｔから応答信号Ｓｒまでの時間差及び位相差の検出値
をそれぞれＴｍ、Φｍとし，実際の系の時間差及び位相
差の遅延量をそれぞれＴｄ’、Φｄ’、各応答装置毎の
時間及び位相遅延量デ−タ（固定値）をそれぞれＴｄ、
Φｄ、質問信号又は応答信号周波数の一波長に相当する
時間（固定値）をＴf1、時間差の比較基準をＴｒとすれ
ば、次式が成立する。 Ｔｍ＝Ｔ＋Ｔｄ’ ここで、Ｔｄ’＝Ｔｄとすれば、 Ｔ＝Ｔｍ−Ｔｄ’ ＝Ｔｍ−Ｔｄ ………………………………………………………（４） となり、真の時間差は時間差の検出値と各応答装置毎の
時間遅延量デ−タの差によって表せる。次に、時間差の
比較基準を次式で表し、 Ｔｒ＝Ｔf1＋Ｔｄ（固定値） ＴｍとＴｒを比較する為にその差を取れば、Ｔｄ’＝Ｔ
ｄなので、 Ｔｍ−Ｔｒ＝Ｔ−Ｔf1＋Ｔｄ’−Ｔｄ ＝Ｔ−Ｔf1 ………………………………………………（５） となり、時間差の検出値と時間差の比較基準間の差をと
ることにより、真の時間差と質問信号又は応答信号周波
数の一波長に相当する時間との比較をすることが出来
る。位相差については、Φｄ’＝Φｄとすれば、 Φｍ＝Φ＋Φｄ’ ＝Φ＋Φｄ Φ＝Φｍ−Φｄ ………………………………………………………（６） となり、真の位相差は位相差の検出値と各応答装置毎の
位相遅延量デ−タの差によって表せる。従って、上記
（５）式により、Ｔｍ−Ｔｒ＜０の時の距離は質問信号
又は応答信号周波数の１／２波長未満なので、（６）式
の値を使い（２）式によって真の位相差のみで距離を算
出する。Ｔｍ−Ｔｒ≧０の時の距離は質問信号又は応答
信号周波数の１／２波長以上なので（３）式、即ちＴ／
Ｔf1の整数倍×１／２λf1＋（６）式の値を使い（２）
式によって真の位相差のみで算出した距離、で求められ
る。

【００１４】上記の車間距離計測について具体的な検出
値及び遅延量デ−タ等が下記の場合、 Ｔｍ＝３．０
２μｓ（ＳｔとＳｒ間の時間差検出値） Ｔｄ＝３．００μｓ（応答装置の時間遅延デ−タ） Φｍ＝１．３５π （ＳｔとＳｒ間の位相差検出値） Φｄ＝０．１５π （応答装置の位相遅延デ−タ） Ｔf1＝０．０３μｓ（質問信号又は応答信号周波数：ｆ
１＝３０ＭＨｚ） λf1＝１０ｍ （質問信号又は応答信号周波数：ｆ
１＝３０ＭＨｚ） （４）式より、Ｔ＝０．０２μｓ、（５）式より、Ｔｍ
−Ｔｒ＝Ｔ−Ｔf1＝０．０２μｓ−０．０３μｓ＜０で
あるので、距離は質問信号又は応答信号周波数の１／２
波長未満であり、（６）式より、Φ＝１．３５π−０．
１５π＝１．２０πを求めて（２）式に代入すれば、 １．２０π＝２π（２Ｒ／10） より、Ｒ＝３ｍが算出でき、この値は（１）式にＴ＝
０．０２μｓを代入して計算した値Ｒ＝３ｍと一致す
る。次に車両の移動により検出値のみが、Ｔｍ＝３．０
６μｓ、Φｍ＝１．７５πに変化した場合は、（４）式
より、Ｔ＝０．０６μｓ、（５）式より、Ｔｍ−Ｔｒ＝
Ｔ−Ｔf1＝０．０６μｓ−０．０３μｓ＞０であるの
で、距離は質問信号又は応答信号の１／２波長以上であ
り、位相差のみによる距離は（６）式より、Φ＝１．７
５π−０．１５π＝１．６０πを求めて（２）式に代入
すれば、 １．６０π＝２π（２Ｒ／10） より、Ｒ＝４ｍが算出できるので、（３）式より、求め
る距離は、 Ｒ＋＝０．０６／０．０３×１／２×１０＋４＝１４ｍ と算出できる。

【００１５】上記の距離計測では、（４）〜（６）式に
おいて実際の系での時間差及び位相差の遅延量Ｔｄ’、
Φｄ’が、各応答装置毎の時間差及び位相差の遅延量デ
−タＴｄ、Φｄに等しいという前提を置いているが、現
実にはＴｄ’、Φｄ’にはジッタ−（揺らぎ）成分があ
り、計測の精度を左右する。従って、系の測定精度を考
慮して各応答装置毎の時間差及び位相差の遅延量デ−タ
Ｔｄ、Φｄに対するジッタ−成分の許容率を、時間差の
遅延量デ−タに対するジッタ−許容率、 δt＝±（Ｔｄ’−Ｔｄ）／Ｔｄ×１００％…………………………（７） 位相差の遅延量デ−タに対するジッタ−許容率、 δφ＝±（Φｄ’−Φｄ）／Φｄ×１００％…………………………（８） と定義しておき、実測した時間差及び位相差の遅延量デ
−タのジッタ−成分がこの許容範囲内、例えば、上記
（７）及び（８）式よりδt＝±５％、δφ＝±７％と
設定すれば、Ｔｄ’＝３．００μｓ±０．１５μｓ、Φ
ｄ’＝０．１５π±０．０１πの範囲内であれば、Ｔ
ｄ’＝Ｔｄ、Φｄ’＝Φｄ、とみなして（４）〜（６）
式による距離計算を実行することも可能である。従っ
て、実測値のジッタ−許容率をシステム毎に設定して距
離測定の精度維持及び信頼度を高めることが出来る。

【００１６】

【発明の効果】本発明は時間差及び位相差検出の基準信
号である質問信号又は応答信号の波長に応じて測定距離
を自動判定し、時間差及び又は位相差の検出値を最適に
組合わせて全距離に亙って高精度の測定を簡易に且つ低
コストで実現可能である。さらに、システム毎に各応答
装置毎遅延量デ−タに対するジッタ−許容率を設定して
距離測定の精度維持と信頼度向上を図ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる実施例で、図１ａ）は質問装
置、図１ｂ）は応答装置である。

【符号の説明】

１…質問パルス発生回路、２…質問装置の送信機、３…
質問装置アンテナ、４…応答装置アンテナ，５…応答装
置帯域フィルタ−、６…応答装置読出し専用メモリ（Ｒ
ＯＭ）、７…質問装置帯域フィルタ−、８…時間差検波
器、９…位相検波器、１０、１１…Ａ／Ｄ変換器、１２
…制御回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質問装置から送出する質問信号を、応答
   装置により受信し且つ各応答装置毎に固有の遅延量デ−
   タを付加した応答信号を質問装置に返送し、それを質問
   装置により受信して、送出した質問信号と受信した応答
   信号間の時間差及び位相差の検出値から前記各応答装置
   毎に固有の遅延量デ−タを用いて補正することにより真
   の時間差及び真の位相差を求めて距離を測定する手段を
   有する電波による距離測定方法。
2. 【請求項２】 前記真の時間差を自動的に質問信号又は
   応答信号周波数の一波長に相当する時間値と比較して、
   それが一波長に相当する時間差未満であれば前記真の位
   相差のみで距離を算出し、それが一波長に相当する時間
   差以上であれば、真の時間差に対する質問信号又は応答
   信号周波数の一波長に相当する時間の比の整数倍×１／
   ２波長＋真の位相差のみで算出した距離により算出する
   手段を有して、時間差及び又は位相差を最適に組合わせ
   て全測定区間に亙り高精度な距離算出を可能とする距離
   測定方法。