DE102004019361B4

DE102004019361B4 - Abstandsmessverfahren, Abstandsmessvorrichtung, die dieses verwendet, und Abstandsmessaufbau, der dieses verwendet

Info

Publication number: DE102004019361B4
Application number: DE102004019361.4A
Authority: DE
Inventors: Shingo Fujimori; Tetsuji Uebo; Tadamitsu Iritani
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: IRITANI, TADAMITSU, JP; UEBO, TETSUJI, JP; NEC Platforms Ltd
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: DE102004019361A1; US7233388B2; US20050018170A1; JP4328555B2; JP2004325085A

Abstract

Abstandsmessverfahren zur Messung eines Abstands zwischen einem Abstandsmesssystem (10) und einem Messobjekt (M), welches Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (1) eine erste elektromagnetische Welle als eine erste laufende Welle (D) in Richtung auf das Messobjekt (M) zu senden, wobei das Messobjekt (M) die erste laufende Welle (D) reflektiert, um eine erste reflektierte Welle (R) zu erzeugen, (2) eine Frequenz der ersten laufenden Welle zu ändern, (3) eine Amplitude einer ersten stehenden Welle (S) in einer ersten Position des Abstandsmesssystems (10) nachzuweisen und ein erstes Amplitudensignal zu erzeugen, das die Amplitude der ersten stehenden Welle darstellt, wobei die erste stehende Welle durch Interferenz zwischen der ersten reflektierten Welle und der ersten laufenden Welle erzeugt wird, und (4) unter Verwendung des ersten Amplitudensignals eine erste Berechnung durchzuführen, um gleichzeitig einen ersten Abstand zwischen der ersten Position und dem Messobjekt (M) sowie eine erste Relativgeschwindigkeit zwischen der ersten Position und dem Messobjekt (M) zu gewinnen.

Description

Hintergrund der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abstandsmessverfahren, das eine stehende elektromagnetische Welle verwendet, die durch Interferenz zwischen einer laufenden elektromagnetischen Welle und einer reflektierten elektromagnetischen Welle unabhängig von deren Frequenzen erzeugt wird, um dadurch einen Abstand zwischen einem Abstandsmesssystem und einem Messobjekt zu messen, und betrifft weiterhin eine Abstandsmessvorrichtung und einen Abstandsmessaufbau, die jeweils so ein Verfahren verwenden.
Als Abstandsmessvorrichtungen, die Funkwellen verwenden, ist Funkwellenradar bekannt, das Mikrowellen oder Millimeterwellen verwendet. Dieses Funkwellenradar wird je nach seiner Betriebsart in Impulsradar, FMCW-Radar und so weiter klassifiziert, und neuerdings sind auch Spreizspektrumradar und CDMA-Radar verfügbar.
Speziell sendet das Impulsradar ein Impulssignal in Richtung auf ein Messobjekt und misst eine Zeit von einem Augenblick, in dem das Impulssignal gesendet wird, bis zu einem Augenblick, in dem das Impulssignal nach Reflexion am Messobjekt zurückgekehrt ist, um dadurch einen Abstand von dem Radar zum Messobjekt zu gewinnen. Das FMCW-Radar sendet eine frequenzgewobbelte kontinuierliche Welle in Richtung auf ein Messobjekt und gewinnt einen Abstand vom Radar zum Messobjekt auf Basis eines Frequenzunterschieds zwischen einem Sendesignal und einem reflektierten Signal. In diesem Fall kann gleichzeitig auch die Bewegungsgeschwindigkeit des Messobjekts gemessen werden. Das Spreizspektrumradar und das CDMA-Radar sind im Grunde dasselbe wie das Impulsradar und messen jeweils den Abstand auf Basis einer Laufzeit zu und von dem Messobjekt.
Im Falle von Funkwellenradar ist jedoch der minimale nachweisbare Abstand mehrere zehn Meter oder mehr, weshalb das Problem besteht, dass die Messung schwierig wird, wenn sich das Messobjekt in einem kurzen Abstand befindet. Andererseits, im Falle von Doppler-Radar, das als ein anderes Radar als das obige Radar bekannt ist, besteht das Problem, dass es zwar einfach aufgebaut ist und die Messung ermöglicht, selbst wenn sich das Messobjekt in einem kurzen Abstand befindet, dass jedoch der Abstand zum Messobjekt nicht gemessen werden kann, wenn das Messobjekt gestoppt ist. Weiterhin besteht im Falle dieses konventionellen Radars das Problem, dass der Messfehler zunimmt oder die Messung unmöglich gemacht wird, wenn mehrere nahe beinander liegende Radargeräte gleichzeitig benutzt werden, da keiner ihrer Empfänger über Mittel verfügt, den Empfang der von den anderen Radargeräten gesendeten Signale zu vermeiden.
Im Hinblick darauf hat die JP-A-2002-357656 (Literatur 1) eine Technik vorgeschlagen, welche die Messung eines Abstands zu einem Messobjekt mit hoher Genauigkeit ermöglicht, selbst wenn sich das Messobjekt in einem kurzen Abstand befindet. Die Technik von Literatur 1 basiert auf der Idee, dass, wenn eine elektromagnetische Welle von einer Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen als laufende Welle in Richtung auf ein Messobjekt gesendet wird und eine vom Messobjekt reflektierte Welle auftritt, unabhängig von deren Frequenzen eine stehende Welle erzeugt wird. Speziell berechnet diese Technik eine Amplitudenperiode der stehenden Welle in einem Nachweispunkt, der um einen vorbestimmten Abstand von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen in Richtung auf das Messobjekt versetzt ist, und gewinnt einen Abstand zwischen dem Nachweispunkt und dem Messobjekt auf Basis der berechneten Periode.
Die Technik von Literatur 1 ist wirksam, wenn das Messobjekt und ein Abstandsmesssystem beide gestoppt sind oder sich mit derselben Geschwindigkeit bewegen (wenn die Relativgeschwindigkeit dazwischen null ist). Wenn die Relativgeschwindigkeit nicht null ist, besteht jedoch die Schwierigkeit, dass der Messfehler zunimmt, was eine genaue Messung des Abstands zum Messobjekt unmöglich macht.
Als andere Techniken in Bezug auf Abstandsmessung offenbart die JP-A-H05-203412 (Literatur 2) eine Vorrichtung, die eine Position misst, in der sich der Brechungsindex von Licht ändert, offenbart die JP-A-S38-1257 (Literatur 3) oder JP-A-S58-198781 (Literatur 4) eine Abstandsmessvorrichtung, die einen Lichtstrahl verwendet, und offenbart die JP-A-H06-160082 (Literatur 5) eine optische Abstandsmessvorrichtung. Die Techniken der Literaturen 2 bis 5 verwenden jedoch nicht einmal die stehende Welle und können den Abstand zum Messobjekt daher nicht genau messen.
Weiterhin offenbart die JP-A-S59-142485 (Literatur 6) ein Abstandsmessverfahren, und die JP-A-H05-281341 (Literatur 7) offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für Abstandsmessung. Die Technik von Literatur 6 ändert eine Frequenz, um eine Resonanzfrequenz zu messen, und gewinnt einen Abstand aus der Resonanzfrequenz. Die Technik von Literatur 7 betrifft die Messung eines Abstands auf Basis einer Periode einer stehenden Welle. Jedoch verwendet weder Literatur 6 noch Literatur 7 tatsächlich die stehende Welle und kann daher keine zufriedenstellende Messgenauigkeit erzielen.
Weiterhin offenbart die JP-A-2002-296344 (Literatur 8) oder die JP-A-H01-219583 (Literatur 9) eine Abstandsmessvorrichtung, und die JP-A-H02-304387 (Literatur 10) offenbart ein Abstandsmessverfahren, das Interferenz von elektromagnetischen Wellen verwendet.
Die Technik von Literatur 8 führt Abstandsmessung in Bezug auf ein stationäres Objekt durch die Verwendung eines Doppler-Sensors durch. Speziell wird der Abstand unter Verwendung einer Wellenform einer stehenden Welle zwischen dem Sensor und dem Messobjekt gemessen. Wenn jedoch die Relativgeschwindigkeit dazwischen nicht null ist, nimmt der Messfehler zu, so dass keine zufriedenstellende Messgenauigkeit erzielt werden kann.
Die Technik von Literatur 9 zielt darauf ab, Frequenzmodulation relativ zu einer Laserdiode mit hoher Genauigkeit im Lichtüberlagerungs-Interferenzverfahren durchzuführen, das Informationen aus Lichtschwebungen gewinnt, und verwendet einen Zähler zum Zählen von Signalen entsprechend einer Schwebungskomponente. Bei dieser Technik wird von einem Bandpassfilter Gebrauch gemacht, um nur die Frequenzkomponenten um die Schwebungskomponente herum zu extrahieren, und indem die Frequenz mit einem Modulationssignal wie z. B. einer Sägezahnwelle geändert wird, um einen Pegel entsprechend einem durch ein Sendesignal und ein Empfangssignal verursachten Lichtschwebungssignal zu messen, wird der Abstand gemessen. Zu diesem Zweck ist die Messung schwierig, wenn sich das Messobjekt in einem kurzen Abstand befindet.
Die Technik von Literatur 10 ermöglicht die Messung eines kurzen Abstands unter Verwendung von Interferenz zwischen einer gesendeten elektromagnetischen Welle und einer von einem Hindernis (Messobjekt) reflektierten Welle. Speziell wird eine durch Senden einer elektromagnetischen Welle, Treffen auf das Hindernis und Reflexion am Hindernis erhaltene reflektierte Welle zu einem Messobjekt gemacht. Da die gesendete elektromagnetische Welle und die reflektierte Welle individuell genutzt werden, braucht es grundsätzlich beträchtliche Zeit, einmal eine Abstandsmessung durchzuführen, obgleich abhängig von einer Zeitdauer zur Übertragung der elektromagnetischen Welle und der Anzahl von deren Zyklen.
Kurze Darstellung der Erfindung:
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abstandsmessverfahren bereitzustellen, das, selbst wenn eine Relativgeschwindigkeit zwischen einem Messobjekt und einem Abstandsmesssystem nicht null ist, sowohl einen Abstand vom Abstandsmesssystem zum Messobjekt als auch die Relativgeschwindigkeit dazwischen gleichzeitig messen kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abstandsmessvorrichtung bereitzustellen, auf die das obige Abstandsmessverfahren angewandt wird.
Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abstandsmessaufbau bereitzustellen, der mehrere solche Abstandsmessvorrichtungen enthält.
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung ergeben sich im Verlauf der Beschreibung.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abstandsmessverfahren zur Messung eines Abstands zwischen einem Abstandsmesssystem und einem Messobjekt bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte, (1) eine erste elektromagnetische Welle als eine erste laufende Welle in Richtung auf das Messobjekt zu senden, wobei das Messobjekt die erste laufende Welle reflektiert, um eine erste reflektierte Welle zu erzeugen, (2) eine Frequenz der ersten laufenden Welle zu ändern, (3) eine Amplitude einer ersten stehenden Welle in einer ersten Position des Abstandsmesssystems nachzuweisen und ein erstes Amplitudensignal zu erzeugen, das die Amplitude der ersten stehenden Welle darstellt, wobei die erste stehende Welle durch Interferenz zwischen der ersten reflektierten Welle und der ersten laufenden Welle erzeugt wird, und (4) unter Verwendung des ersten Amplitudensignals eine erste Berechnung durchzuführen, um gleichzeitig einen ersten Abstand zwischen der ersten Position und dem Messobjekt sowie eine erste Relativgeschwindigkeit zwischen der ersten Position und dem Messobjekt zu gewinnen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Abstandsmessvorrichtung zur Messung eines Abstands zu einem Messobjekt bereitgestellt, welche Vorrichtung Folgendes aufweist: einen Generator für eine erste elektromagnetische Welle zur Erzeugung einer ersten elektromagnetischen Welle, einen ersten Sendeteil, der mit dem Generator für eine erste elektromagnetische Welle verbunden ist, zum Senden der ersten elektromagnetischen Welle als eine erste laufende Welle in Richtung auf das Messobjekt, wobei das Messobjekt die erste laufende Welle reflektiert, um eine erste reflektierte Welle zu erzeugen, einen ersten Frequenzsteuerteil, der mit dem Generator für eine erste elektromagnetische Welle verbunden ist, zum Ändern einer Frequenz der ersten laufenden Welle, einen ersten Amplitudennachweisteil zum Nachweisen einer Amplitude einer ersten stehenden Welle in einer ersten Position und Erzeugen eines ersten Amplitudensignals, das die Amplitude der ersten stehenden Welle darstellt, wobei die erste stehende Welle durch Interferenz zwischen der ersten reflektierten Welle und der ersten laufenden Welle erzeugt wird, und einen ersten Rechenteil, der mit dem ersten Amplitudennachweisteil verbunden ist, zur Durchführung einer ersten Berechnung unter Verwendung des ersten Amplitudensignals, um gleichzeitig einen ersten Abstand zwischen der ersten Position und dem Messobjekt und eine erste Relativgeschwindigkeit zwischen der ersten Position und dem Messobjekt zu gewinnen.
Gemäß noch einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abstandsmessaufbau zur Messung eines Abstands zu einem Messobjekt bereitgestellt, welcher Aufbau Folgendes aufweist: mehrere Abstandsmessvorrichtungen jeweils wie oben beschrieben, eine Synchronisationssteuervorrichtung, die mit den Abstandsmessvorrichtungen verbunden ist, zur Synchronisation des Betriebs der jeweils in den Abstandsmessvorrichtungen vorgesehenen ersten Rechenteile, und eine Koordinatenrechenvorrichtung, die mit den Abstandsmessvorrichtungen verbunden ist, zur Berechnung von Raumkoordinaten des Messobjekts auf Basis der jeweils in den Abstandsmessvorrichtungen gewonnenen ersten Abstände und ersten Relativgeschwindigkeiten und einer Positionsbeziehung der jeweils in den Abstandsmessvorrichtungen vorgesehenen ersten Amplitudennachweisteile.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 ist eine erläuternde Skizze, die eine Beziehung zwischen einer laufenden elektromagnetischen Welle und einer von einem Messobjekt reflektierten elektromagnetischen Welle zeigt, zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine erläuternde Skizze, die eine durch Interferenz zwischen der laufenden elektromagnetischen Welle und der reflektierten elektromagnetischen Welle erzeugte stehende elektromagnetische Welle zeigt, zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Blockdiagramm zur Beschreibung einer Abstandsmessvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine erläuternde Skizze, die Frequenzänderungen einer laufenden elektromagnetischen Welle und einer reflektierten elektromagnetischen Welle in zeitlicher Form mittels durchgezogener bzw. gestrichelter Linien zeigt;
5 ist ein Blockdiagramm zur Beschreibung einer Abstandsmessvorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Blockdiagramm zur Beschreibung einer Abstandsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
7 ist ein Blockdiagramm zur Beschreibung einer Abstandsmessvorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8 ist eine erläuternde Skizze zur Erläuterung eines Messprinzips in Übereinstimmung mit der in 7 gezeigten Abstandsmessvorrichtung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform:
Am Anfang erfolgt eine kurze Beschreibung der technischen Grundzüge eines Abstandsmessverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 wird nun eine Beschreibung des Prinzips gegeben, dass eine stehende elektromagnetische Welle S in einem Abstand d von einer Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 zu einem Messobjekt M ausgebildet wird. 1 zeigt eine Beziehung zwischen einer laufenden elektromagnetischen Welle D und einer vom Messobjekt M reflektierten elektromagnetischen Welle R in Bezug auf die laufende Welle D. 2 zeigt die durch Interferenz zwischen der laufenden Welle D und der reflektierten Welle R erzeugte stehende elektromagnetische Welle S.
Wenn in 1 eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz f von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 in Richtung auf das Messobjekt M in ein Fortpflanzungsmedium wie z. B. Luft oder Wasser gesendet wird, wird die elektromagnetische Welle als die laufende Welle D im Fortpflanzungsmedium übertragen oder sich fortpflanzen gelassen. Bei der laufenden Welle D ist ein Wert VD an einer in einem beliebigen Abstand x von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 liegenden Position durch die folgende Gleichung (1) als Funktion der Frequenz f und des Abstands x gegeben. VD(f, x) = exp(j2πf/c·x) (1) worin c die Lichtgeschwindigkeit darstellt.
Die laufende Welle D pflanzt sich in dem Fortpflanzungsmedium weiter fort und erreicht dann das in einem Abstand d von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 liegende Messobjekt M. Daraufhin wird die laufende Welle D an dem Messobjekt M reflektiert, um die reflektierte Welle R zu werden. Diese reflektierte Welle R wird im Fortpflanzungsmedium vom Messobjekt M in Richtung auf die Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 übertragen oder sich fortpflanzen gelassen. Bei der reflektierten Welle R ist ein Wert VR an einer in einem beliebigen Abstand x von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 liegenden Position durch die folgende Gleichung (2) als Funktion der Frequenz f und des Abstands x gegeben. VR(f, x) = MR·exp{j2πf/c·(2d – x)} (2)
Hierin stellt MR einen Reflexionskoeffizienten der elektromagnetischen Welle am Messobjekt M dar und ist durch die folgende Gleichung (3) gegeben, worin γ und Φ jeweils Konstanten darstellen. MR = γ·exp(jΦ) (3)
Wenn die laufende Welle D und die reflektierte Welle R miteinander interferieren, wird die stehende Welle S ausgebildet, wie in 2 gezeigt. Die Amplitude der stehenden Welle S wird in einem Nachweispunkt A2 gemessen, der um einen Abstand x1 von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 in Richtung auf das Messobjekt M versetzt ist.
Sind der Abstand d von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 zum Messobjekt M, der Abstand x1 von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 zum Nachweispunkt A2 und ein Abstand d1 vom Messobjekt M zum Nachweispunkt A2 gegeben, wird die folgende Gleichung (4) erhalten. d1 = d – x1 (4)
Daher ist eine am Nachweispunkt A2 nachgewiesene Amplitude SP der stehenden Welle S durch die folgende Gleichung (5) als Funktion der Frequenz f und des Abstands x1 gegeben, worin die Lichtgeschwindigkeit c verwendet wird. SP(f, x1) = {1 + γ² + 2γcos(2πf/c·2d1 + Φ)}^1/2 (5)
Speziell ist die Amplitude SP der stehenden Welle S in der Position, in der der Nachweispunkt A2 liegt, periodisch in Bezug auf die f der von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 erzeugten laufenden Welle D, und ihre Periode FT (beachte: mit der Dimension der Frequenz) wird c/2d1 und ist somit umgekehrt proportional zum Abstand d1 vom Nachweispunkt A2 zum Messobjekt M. Indem die Frequenz f der laufenden Welle D geändert wird, können daher veränderliche Perioden der Amplitude SP der stehenden Welle in der Position, in der sich der Nachweispunkt A2 befindet, gewonnen werden. Dies macht es möglich, den Abstand d1 zum Messobjekt M zu messen.
Unter Bezugnahme auf 3 wird nun eine Beschreibung eines Abstandsmesssystems oder einer Abstandsmessvorrichtung 10A gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben.
Die Abstandsmessvorrichtung 10A enthält einen Generator für elektromagnetische Wellen 11A, zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle, einen Sender 12A, der als Übergangsteil mit dem Generator für elektromagnetische Wellen 11A verbunden ist, zum Senden der elektromagnetischen Welle als laufende Welle D in Richtung auf ein Messobjekt M, einen Detektor 13A, der in einer vom Sender 12A in Richtung auf das Messobjekt M versetzten Position angeordnet ist, zum Nachweis einer stehenden Welle S, d. h. einer aus der laufenden Welle D und einer reflektierten Welle R zusammengesetzten Welle, um ein Nachweisergebnis zu erzeugen, und einen Signalprozessor 14A, der mit dem Generator für elektromagnetische Wellen 11A und dem Detektor 13A verbunden ist. Der Signalprozessor 14A steuert eine Frequenz der vom Generator für elektromagnetische Wellen 11A erzeugten elektromagnetischen Welle. Dabei dient der Generator für elektromagnetische Wellen 11A als Frequenzsteuerteil. Weiterhin berechnet der Signalprozessor 14A eine in Bezug auf so eine Frequenz veränderliche Amplitudenperiode der stehenden Welle S unter Verwendung des vom Detektor 13A erhaltenen Nachweisergebnisses und berechnet auf Basis eines Ergebnisses der Berechnung weiterhin einen Abstand (ein Intervall) vom Messobjekt M zum Detektor 13A.
Die Abstandsmessvorrichtung 10A misst den Abstand d1 zwischen dem Nachweispunkt A2 und dem Messobjekt M unter Verwendung der stehenden Welle S. Speziell weist sie die Amplitude der stehenden Welle S nach, und auf Basis der nachgewiesenen Amplituden kalkuliert sie eine Relativgeschwindigkeit v zwischen der Abstandsmessvorrichtung 10A und dem Messobjekt M ein, um dadurch den Abstand d1 und die Relativgeschwindigkeit v gleichzeitig zu berechnen.
Aus einer Zeit t, der Relativgeschwindigkeit v, dem Abstand d von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 zum Messobjekt M, dem Abstand x1 von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 zum Nachweispunkt A2 und dem Abstand d1 vom Messobjekt zum Nachweispunkt A2 wird d2 erhalten, wie durch die folgenden Gleichungen (6) gegeben. d2 = d1 – v·t, d1 = d – x1 (6)
Die Amplitude SP der stehenden Welle S und SPO, was das Quadrat der Amplitude SP darstellt, sind durch die folgenden Gleichungen (7) bzw. (8) (nachfolgend gemeinsam als ”die Grundgleichung” bezeichnet) jeweils als Funktionen der Frequenz f der elektromagnetischen Welle, des Abstands x1 und der Zeit t gegeben, wobei die Konstanten γ und Φ des Reflexionskoeffizienten MR der elektromagnetischen Welle am Messobjekt M und die Lichtgeschwindigkeit c verwendet werden. SP(f, x1, t) = {1 + γ² + 2γcos(2πf/c·2d2 + Φ)}^1/2 (7) SPO(f, x1, t) = {1 + γ² + 2γcos(2πf/c·2d2 + Φ)} (8)
Andererseits, wenn es mehrere Messobjekte M gibt (ein Abstand von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen zu jedem Messobjekt wird durch d_k, k = 1, 2, ..., n dargestellt), sind SP(f, x1, t) und SPO(f, x1, t) durch die folgenden Gleichungen (9) bzw. (10) gegeben.
worin jeweils γ << 1.
Bei der Abstandsmessung wird die Frequenz der von der Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1 erzeugten elektromagnetischen Welle in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Muster oder regellos veränderlich gesteuert vergrößert und verkleinert. Zum Beispiel wird die Frequenz der elektromagnetischen Welle unter Verwendung einer vorbestimmten Schrittfrequenz vergrößert und verkleinert, um eine Signalform mit einem Muster schrittweiser Vergrößerung/Verkleinerung zu erhalten.
Unter Bezugnahme auf 4 zusammen mit 3 wird nun ein Beispiel unter Verwendung des obigen vorbestimmten Musters beschrieben, das die Frequenz der elektromagnetischen Welle auf die einfachste Weise vergrößert und verkleinert. 4 zeigt Frequenzänderungen in zeitlicher Form in Bezug auf die vom Generator für elektromagnetische Wellen 11A erzeugte laufende Welle D und die vom Messobjekt M reflektierte Welle R, wobei τ eine Verzögerungszeit der reflektierten Welle R relativ zu der laufenden Welle D darstellt, Δts eine messbare Zeit darstellt und Δf eine Schrittfrequenz darstellt.
Nach der schrittweisen Vergrößerung/Verkleinerung der Frequenz f der laufenden Welle D mit der Schrittfrequenz Δf in Übereinstimmung mit einem Muster schrittweiser Vergrößerung/Verkleinerung weist der Detektor 13A die Amplitude der stehenden Welle S in einem beliebigen Zeitpunkt nach Verstreichen der Verzögerungszeit τ nach und erzeugt unter der Steuerung des Signalprozessors 14A ein Amplitudensignal. Dabei dient der Detektor 13A als Amplitudennachweisteil und dient der Signalprozessor 14A als Nachweissteuerteil. Der beliebige Zeitpunkt wird durch den Signalprozessor 14A gesteuert, der dabei als Zeiteinstellteil dient. In Abhängigkeit von dem Amplitudensignal dient der Signalprozessor 14A als Rechenteil zur Durchführung einer vorbestimmten Berechnung.
Nach der Vergrößerung der Schrittfrequenz Δf von einer Frequenz f_G aus ändert sich die Frequenz f der laufenden Welle D auf f_G + Δf. Da die laufende Welle bei ihrer Fortpflanzung im Fortpflanzungsmedium mit der konstanten Geschwindigkeit (der Lichtgeschwindigkeit c) übertragen wird, ändert sich die Wellenlänge der laufenden Welle D. Daher ändert sich die im Fortpflanzungsmedium zwischen dem Generator für elektromagnetische Wellen 11A und dem Messobjekt M ausgebildete stehende Welle S so, dass sich die Werte des vom Detektor 13A erzeugten Amplitudensignals ändern. Der Generator für elektromagnetische Wellen 11A oder der Sender 12A wiederholen den Prozess, die Frequenz f der laufenden Welle D mit der Schrittfrequenz Δf zu ändern, bis sie eine Frequenz f_G + f_B erreicht, wie in 4 gezeigt.
Wird die Messung in dem Zustand durchgeführt, in dem die Frequenz der laufenden Welle D in Übereinstimmung mit dem in 4 gezeigten vorbestimmten Muster geändert wird, ist (f/c)·2d2 + Φ im cos in der obigen Gleichung (8) der Grundgleichung bei t = 0 durch einen Ausdruck einer Beziehung 1 von (f_G/c)·2d1 + Φ gegeben, aber bei t = T durch einen Ausdruck einer Beziehung 2 von ((f_G + f_B)/c)·2(d1 – v·T) + Φ gegeben. Ein Ausdruck einer Beziehung 3 ist gegeben durch [2{d1·f_B – v·T(f_G + f_B)}/c = k1], was erhalten wird, indem 2{d1·f_B – v·T(f_G + f_B)}/c, was einen Wert von (Ausdruck von Beziehung 2 – Ausdruck von Beziehung 1) darstellt, zu k1 gesetzt wird. Ähnlich, in Bezug auf (f/c)·2d2 + Φ im cos in der obigen Gleichung (8) der Grundgleichung wird 2{d1·f_B + v·T(f_G – f_B)}/c, was einen durch Subtraktion eines Wertes (f/c)·2d2 + Φ bei t = T von dessen Wert bei t = 2T erhaltenen Wert darstellt, zu k2 gesetzt, um dadurch einen Ausdruck einer Beziehung 4 zu erhalten, gegeben durch [2{d1·f_B + v·T(f_G – f_B)}/c = k2]. Durch Lösen von simultanen Gleichungen in Bezug auf die Variable d1 und die Relativgeschwindigkeit aus dem Ausdruck der Beziehung 3 und dem Ausdruck der Beziehung 4 werden ein Ausdruck einer Beziehung 5 von d1 = c{k1(1 – f_B/f_G) + k2(1 + f_B/f_G)}/(4·f_B) und ein Ausdruck einer Beziehung 6 von v = c·(k2 – k1)/(4Tf_G) erhalten.
Hierin stellen k1 und k2 die aus den Perioden der Amplitude SP gewonnen Werte – in Bezug auf die Frequenzen f der laufenden Welle D – der stehenden Welle S dar, die erzeugt wird, wenn die Frequenz f von f_G auf f_G + f_B und von f_G + f_B auf f_G geändert wird. Daher ist es möglich, den Abstand d1 vom Messobjekt M zum Nachweispunkt A2 und die Relativgeschwindigkeit v dazwischen gleichzeitig zu gewinnen. Speziell, indem durch die vorbestimmte Berechnung im Signalprozessor 14A die Fourier-Transformation oder dergleichen auf die Funktion der Grundgleichung angewandt wird, kann die Periode der Frequenz f berechnet werden, so dass k1 in dem Ausdruck der Beziehung 3 gewonnen werden kann. Ähnlich, indem die Frequenz f von f_G + f_B auf f_G geändert wird, wie in 4 gezeigt, kann k2 in dem Ausdruck der Beziehung 4 gewonnen werden. Auf Basis der so gewonnenen k1 und k2 kann der Signalprozessor 14A den Abstand d1 vom Detektor 13A zum Messobjekt M und die Relativgeschwindigkeit v zwischen dem Abstandsmesssystem einschließlich des Generators für elektromagnetische Wellen 11A und des Detektors 13A und dem Messobjekt M gewinnen. Dabei dient der Signalprozessor 14A als Rechenteil.
Wenn der Abstand x1 vom Generator für elektromagnetische Wellen 11A zum Detektor 13A bekannt ist, kann der Abstand d vom Generator für elektromagnetische Wellen 11A zum Messobjekt M gewonnen werden, und wenn die Geschwindigkeit des obigen Abstandsmesssystems bekannt ist, kann auch die Geschwindigkeit des Messobjekts M gewonnen werden. Außerdem, statt die Perioden der Amplitude SP der stehenden Welle S in Bezug auf die Frequenzen f der laufenden Welle D zu gewinnen, indem zwei oder mehr Frequenzen f gewonnen werden, die die Funktion, die die Amplitude SP der stehenden Welle S in Bezug auf die Frequenz f der laufenden Welle D definiert, maximal und minimal machen, ist es möglich, den Abstand d zwischen dem Messobjekt M und dem Generator für elektromagnetische Wellen 11A auf Basis jener gewonnenen Frequenzen f zu gewinnen. Weiterhin ist es möglich, die Relativgeschwindigkeit v und den Abstand d aus einem Ergebnis zu gewinnen, das durch Anwenden der Fourier-Transformation auf die Funktion der Grundgleichung erhalten wird, was erhalten wird, wenn die Frequenz f der laufenden Welle D von f_G auf f_G + f_B und von f_G + f_B auf f_G geändert wird.
In Übereinstimmung mit der Abstandsmessvorrichtung wie oben beschrieben ist es möglich, den Abstand d1 vom Detektor 13A zum Messobjekt M und die Relativgeschwindigkeit v zwischen dem Abstandsmesssystem und dem Messobjekt M gleichzeitig zu messen. Und da die Messung nicht durch die Zeit beeinflusst wird, in der die vom Generator für elektromagnetische Wellen 11A erzeugte elektromagnetische Welle am Messobjekt M reflektiert wird und zum Detektor 13A zurückkehrt, kann der Abstand zum Messobjekt M genau gemessen werden, selbst wenn er ein kurzer Abstand von einigen zehn Zentimeter oder weniger ist. Weiterhin, selbst wenn die Amplituden SP von mehreren zwischen dem Detektor 13A und mehreren Messobjekten M ausgebildeten stehenden Wellen S gleichzeitig gemessen werden, können jeweils veränderliche Perioden der Amplituden SP der stehenden Wellen gewonnen werden, indem die Fourier-Transformation auf ein Amplitudensignal angewandt wird, das durch den Detektor 13A erhalten wird, um die Perioden zu gewinnen. Daher ist es möglich, jeweils die Abstände d1 und die Relativgeschwindigkeiten v zwischen den mehreren Messobjekten M und dem Nachweispunkt A2 zu messen.
Unter Bezugnahme auf 5 wird nun eine Beschreibung einer Abstandsmessvorrichtung 10B gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben.
Die Abstandsmessvorrichtung 10B enthält einen Generator für elektromagnetische Wellen 11B, zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle, einen Sender 12B, der mit dem Generator für elektromagnetische Wellen 11B verbunden ist, zum Senden der elektromagnetischen Weile als laufende Welle D in Richtung auf ein Messobjekt M, einen Detektor 13B, der in einer vom Sender 12B in Richtung auf das Messobjekt M versetzten Position angeordnet ist, zum Nachweis einer stehenden Welle S, um ein Nachweisergebnis zu erzeugen, und einen Signalprozessor 14B, der mit dem Detektor 13B verbunden ist, zur Berechnung eines Abstands (Intervalls) d1 vom Messobjekt M zum Detektor 13B und einer Relativgeschwindigkeit v zwischen der Abstandsmessvorrichtung 10B und dem Messobjekt M auf Basis des Nachweisergebnisses.
Der Generator für elektromagnetische Wellen 11B enthält einen Emissionsteil 4 zum Emittieren einer elektromagnetischen Welle und einen Frequenzsteuerteil 5, der mit dem Emissionsteil 4 und dem Signalprozessor 14B verbunden ist, zur schrittweisen Steuerung einer Frequenz der vom Emissionsteil 4 emittierten elektromagnetischen Welle. Als Emissionsteil 4 kann man zum Beispiel von einer Wechselstromzufuhr Gebrauch machen, die ein Signal mit einer konstanten Frequenz ausgeben kann. Der Signalprozessor 14B dient weiterhin zur Steuerung des Frequenzsteuerteils 5, um die Frequenz der elektromagnetischen Welle auf einen vorbestimmten Wert einzustellen. Der Signalprozessor 14B, der Generator für elektromagnetische Wellen 11B und der Sender 12B dienen gemeinsam als die obige Quelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen A1, während der Detektor 13B und der Signalprozessor 14B gemeinsam als der obige Nachweispunkt A2 dienen.
Als Sender 12B wird zum Beispiel von einer Sendeantenne mit Verstärker Gebrauch gemacht. Der Sender 12B sendet die vom Emissionsteil 4 emittierte elektromagnetische Welle als laufende Welle D in ein Fortpflanzungsmedium wie z. B. Luft oder Wasser oder in ein Vakuum. Wird daher die Frequenz der vom Emissionsteil 4 emittierten elektromagnetischen Welle durch den Frequenzsteuerteil 5 geändert, wird natürlich auch die Frequenz der laufenden Welle D geändert.
Als Detektor 13B wird zum Beispiel von einer Antenne, einem Amplitudendetektor oder einem Quadratdetektor Gebrauch gemacht. Der Detektor 13B weist die Amplitude der stehenden Welle S nach. Der Detektor 13B ist dafür eingerichtet, einen Strom, eine Spannung oder ein ähnliches Maß, das zum Beispiel gleich der Amplitude der stehenden Welle S oder proportional zum Quadrat der Amplitude ist, als ein Amplitudensignal auszugeben, das die Amplitude der stehenden Welle S darstellt.
Der Signalprozessor 14B enthält einen Aufzeichnungsteil in Form von zum Beispiel einem digitalen Signalprozessor (DSP) oder einem Speicher zum Aufzeichnen von eingegebenen Daten und einen Rechenteil zum Rechnen mit den im Aufzeichnungsteil aufgezeichneten Daten. Der Abstand d1 und die Relativgeschwindigkeit v können gleichzeitig vom Rechenteil berechnet werden.
Weiterhin empfängt der Signalprozessor 14B vom Frequenzsteuerteil 5 Informationen in Bezug auf die Frequenz der elektromagnetischen Welle (nachfolgend einfach als ”Frequenzinformationen” bezeichnet), um dadurch den Frequenzsteuerteil 5 zu steuern, und sendet bei Empfang des Amplitudensignals vom Detektor 13B ein Empfangsbestätigungssignal zum Frequenzsteuerteil 5.
Übrigens sind der Sender 12B und der Detektor 13B zwar getrennt vorgesehen, sie können aber miteinander vereint sein, um eine Antenne gemeinsam zu benutzen.
In Übereinstimmung mit der Abstandsmessvorrichtung 10B können der Abstand d1 und die Relativgeschwindigkeit v durch die Funktion des Rechenteils des Signalprozessors 14B gleichzeitig berechnet werden, und daher kann selbst dann, wenn die Relativgeschwindigkeit v zwischen dem Messobjekt M und der Abstandsmessvorrichtung 10B nicht null ist, d. h. sich entweder das Messobjekt M oder die Abstandsmessvorrichtung 10B bewegt oder sich beide mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen, die Messung genau durchgeführt werden, was mit der Technik von Literatur 1 schwierig war.
Wird daher diese Abstandsmessvorrichtung 10B zum Beispiel in einem beweglichen Körper wie z. B. einem Fahrzeug eingebaut, typisiert durch ein Kraftfahrzeug oder einen Zug oder ein Segelschiff, kann außer einem Abstand und einer Relativgeschwindigkeit in Bezug auf ein sich voraus bewegendes Zielfahrzeug eine Geschwindigkeit des sich voraus bewegenden Zielfahrzeugs gewonnen werden, und sie kann daher in einem Heckkollisionsvermeidungssystem, einem System zum Halten eines konstanten Abstands relativ zu dem sich voraus bewegenden Zielfahrzeug oder dergleichen verwendet werden. Außerdem kann außer einem Abstand und einer Relativgeschwindigkeit in Bezug auf ein folgendes Zielfahrzeug eine Geschwindigkeit des folgenden Zielfahrzeugs gewonnen werden, und die Vorrichtung kann daher in einem Einparkhilfesystem, einem Kollisionsvermeidungssystem zum Vermeiden einer Kollision mit dem folgenden Zielfahrzeug, einem System zum Halten eines konstanten Abstands relativ zu dem folgenden Zielfahrzeug oder dergleichen verwendet werden. Abgesehen davon kann sie auch in einem Seitenhilfesystem in Bezug auf Hindernisse auf den rechten und linken Seiten verwendet werden.
Die Abstandsmessvorrichtung 10B wird für wirkungsvoll nutzbar für Fahrunterstützung in einem beweglichen Körper oder dergleichen erachtet. Aus ihrer Grundfunktion kann sie jedoch einen Abstand und eine Relativgeschwindigkeit in Bezug auf ein Messobjekt wie z. B. einen Gegenstand, einen Menschen oder ein lebendes Geschöpf in einer beliebigen Richtung gewinnen. Daher kann ein so gestaltetes System natürlich die Abstandsmessvorrichtung 10B verwenden.
Es wird nun eine Beschreibung des Betriebs der Abstandsmessvorrichtung 10B gegeben.
Am Anfang, wenn der Frequenzsteuerteil 5 den Emissionsteil 4 ein Sendesignal mit der Frequenz f_G ausgeben lässt, sendet der Sender 12B als Antwort auf den Empfang des Sendesignals eine laufende Welle D in Richtung auf das Messobjekt M in das Fortpflanzungsmedium. Dabei werden vom Frequenzsteuerteil 5 Frequenzinformationen des Sendesignals zum Signalprozessor 14B gesendet. Die vom Sender 12B gesendete laufende Welle D pflanzt sich im Fortpflanzungsmedium fort, um das Messobjekt M zu erreichen, und wird dann am Messobjekt M reflektiert, um eine reflektierte Welle R zu werden, die sich dann in einer der laufenden Welle D entgegengesetzten Richtung in Richtung auf den Sender 12B im Fortpflanzungsmedium fortpflanzt. Folglich interferieren die laufende Welle D und die reflektierte Welle R miteinander, so dass zwischen dem Sender 12B und dem Messobjekt M eine stehende Welle S im Fortpflanzungsmedium ausgebildet wird.
Die Amplitude der stehenden Welle S wird vom Detektor 13B nachgewiesen. Der Detektor 13B sendet ein der Amplitude der stehenden Welle S entsprechendes Amplitudensignal als Nachweissignal zum Signalprozessor 14B. Als Antwort auf den Empfang des Nachweissignals zeichnet der Signalprozessor 14B mittels des Aufzeichnungsteils die Werte des Nachweissignals in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung mit den Frequenzinformationen des vom Frequenzsteuerteil 5 gesendeten Ausgangssignals auf und sendet gleichzeitig ein Empfangsbestätigungssignal zum Frequenzsteuerteil 5.
Der Frequenzsteuerteil 5 ändert die Frequenz des vom Emissionsteil 5 zu emittierenden Sendesignals mit der Schrittfrequenz Δf von der Frequenz f_G aus in einem konstanten Intervall, das länger ist als die Zeit τ, die durch den Messbereich bestimmt wird und in der die laufende Welle D am Messobjekt M reflektiert wird und als die reflektierte Welle R zum Detektor 13B zurückkehrt. Folglich ändert sich die Frequenz der vom Sender 12B gesendeten laufenden Welle D auf f_G + Δf. Da sich jedoch die laufende Welle D mit der konstanten Geschwindigkeit (der Lichtgeschwindigkeit) fortpflanzt, ändert sich die Wellenlänge der laufenden Welle D. Daher ändert sich die im Fortpflanzungsmedium zwischen dem Sender 12B und dem Messobjekt M ausgebildete stehende Welle S so, dass sich die Amplitude der vom Detektor 13B nachgewiesenen stehenden Welle S und daher die Werte des vom Detektor 13B zum Signalprozessor 14B gesendeten Nachweissignals ändern. Die Werte des Nachweissignals werden mittels des Aufzeichnungsteils des Signalprozessors 14B in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung mit den Frequenzinformationen des vom Emissionsteil 4 ausgegebenen Sendesignals aufgezeichnet. Weiterhin ändert der Frequenzsteuerteil 5 die Frequenz des vom Emissionsteil 4 zu emittierenden Sendesignals mit der Schrittfrequenz Δf in dem konstanten Intervall. Im dem Generator für elektromagnetische Wellen 11B wird so eine Verarbeitung wiederholt, bis die Frequenz des Sendesignals, d. h. die Frequenz der laufenden Welle D, die Frequenz f_G + f_B erreicht oder damit zusammenfällt, wie in 4 gezeigt.
Im Signalprozessor 14B erzeugt der Rechenteil die Funktion der obigen Grundgleichung aus den im Aufzeichnungsteil aufgezeichneten Frequenzinformationen des Ausgangssignals und Werten des Nachweissignals und wendet die Fourier-Transformation oder dergleichen auf die erzeugte Funktion an. Als Folge kann die Periode der aus den Frequenzinformationen des Ausgangssignals und des Nachweissignals zusammengesetzten Funktion berechnet werden. Daher kann das durch den obigen Ausdruck der Beziehung 3 gegebene k1 gewonnen werden. Ähnlich, indem die Frequenz von f_G + f_B auf f_G geändert wird, wie in 4 gezeigt, kann das durch den obigen Ausdruck der Beziehung 4 gegebene k2 gewonnen werden. Auf Basis der so gewonnenen k1 und k2 können der obige Abstand d1 und die Relativgeschwindigkeit v gewonnen werden.
Im Falle der Abstandsmessvorrichtung 10B beruht der Abstand d1 vom Detektor 13B zum Messobjekt M auf der Periode der Amplitude der stehenden Welle S in Bezug auf die Frequenz des Ausgangssignals und wird durch die Zeit vom Augenblick des Sendens der laufenden Welle D durch den Sender 12B bis zum Augenblick der Ankunft der reflektierten Welle R am Detektor 13B nach der Reflexion der laufenden Welle D am Messobjekt M nicht beeinflusst. Selbst wenn daher der Abstand d1 zum Messobjekt M ein kurzer Abstand von einigen zehn Zentimeter oder weniger ist, kann er genau gemessen werden. Andererseits, wenn es mehrere Messobjekte M gibt, so dass mehrere stehende Wellen S zwischen der Abstandsmessvorrichtung 10B und den mehreren Messobjekten M ausgebildet werden, entspricht ein durch den Detektor 13B erhaltenes Nachweissignal Werten, die jeweils eine Kombination von Amplituden der mehreren stehenden Wellen S darstellen. Indem jedoch die Fourier-Transformation oder dergleichen auf die aus den im Aufzeichnungsteil des Signalprozessors 14B aufgezeichneten Frequenzinformationen des Ausgangssignals und Werten des Nachweissignals zusammengesetzte Funktion der Grundgleichung angewandt wird, können jeweils veränderliche Perioden der Amplituden der stehenden Wellen S gewonnen werden. Daher können auch die Abstände zwischen den mehreren Messobjekten M und dem Detektor 13B jeweils gemessen werden.
Die Beschreibung wurde oben zu dem Fall gegeben, in dem die Frequenz des vom Emissionsteil 4 emittierten Sendesignals von der Anfangsfrequenz f_G auf f_G + f_B und dann von f_G + f_B auf f_G geändert wird. Statt dessen kann die Messung jedoch durchgeführt werden, indem von f_G auf f_G + f_B und dann wieder von f_G auf f_G + f_B gewechselt wird, indem von f_G + f_B auf f_G und dann von f_G auf f_G + f_B gewechselt wird, oder indem von f_G + f_B auf f_G und dann wieder von f_G + f_B auf f_G gewechselt wird. Weiterhin kann die Messung durchgeführt werden, indem von f_G auf f_G + f_B und dann regellos von f_G + f_B auf f_G gewechselt wird, oder indem wie f_G, f_G + f_B, f_G + Δf, f_G + f_B – Δf, f_G + 2Δf, f_G + f_B – 2Δf, ..., f_G + f_B, f_G gewechselt wird.
In Bezug auf die als der obige Ausdruck der Beziehung 3 bis zum Ausdruck der Beziehung 6 gegebenen Gleichungen muss man Werte anwenden, die der Messbedingung genügen. Außerdem kann man im Signalprozessor 14B, statt die Perioden der Amplitude der stehenden Welle S in Bezug auf die Frequenzen des Ausgangssignals (Sendesignals) zu gewinnen, zwei oder mehr Frequenzen der Frequenzen des Ausgangssignals (Sendesignals) gewinnen, die die Funktion, die die Amplitude der stehenden Welle S definiert, maximal oder minimal machen, um dadurch den Abstand zwischen dem Messobjekt M und dem Sender 12B auf Basis dieser gewonnenen Frequenzen zu gewinnen.
Unter Bezugnahme auf 6 wird nun eine Beschreibung einer Abstandsmessvorrichtung 10C gemäß einer Ausführungsform gegeben, die nicht von den Ansprüchen erfasst ist, aber das Verständnis der Erfindung erleichtert.
Die Abstandsmessvorrichtung 10C enthält einen Generator für elektromagnetische Wellen 11C mit einem Lichtemissionsteil 6 und einem Frequenzsteuerteil 5, die miteinander verbunden sind, eine optische Vorrichtung mit einem Spektroskop 7 und einem reflektierenden Spiegel 8, einen Detektor 13C und einen Signalprozessor 14C, der mit dem Detektor 13C und dem Frequenzsteuerteil 5 verbunden ist. Die Intensität von Licht, wie eine elektromagnetische Welle, das vom Lichtemissionsteil 6 des Generators für elektromagnetische Wellen 11C zu emittieren ist, wird durch den Signalprozessor 14C periodisch geändert, wodurch unter Verwendung einer zwischen dem Spektroskop 7 und dem Messobjekt M ausgebildeten stehenden Welle S ein Abstand zum Messobjekt M gemessen wird.
Auf Basis eines vom Detektor 13C erzeugten Nachweissignals erfolgt eine Berechnung eines Abstands d vom Spektroskop 7 zum Messobjekt M, der d1 + L in 6 wird, wie später im Detail beschrieben wird. Die Berechnungsmethode ist dieselbe wie bei der obigen Abstandsmessvorrichtung 10B.
Als Lichtemissionsteil 6 wird zum Beispiel von einem Laser oder einer Leuchtdiode Gebrauch gemacht, der bzw. die Lichtemission erzeugen kann, so dass eine Veränderung der Lichtstärke eine konstante Frequenz hat. Der Frequenzsteuerteil 5 ist mit dem Lichtemissionsteil 6 verbunden und hat die Funktion, die Frequenz der Lichtstärkeveränderung der Lichtemission vom Lichtemissionsteil 6 zu steuern. Speziell kann der Frequenzsteuerteil 5 als Grundfunktion Informationen in Bezug auf die Frequenz der Lichtstärkeveränderung der Lichtemission vom Lichtemissionsteil 6 (z. B. einen numerischen Wert der Frequenz der Lichtstärkeveränderung der Lichtemission vom Lichtemissionsteil 6) oder ein Signal oder dergleichen mit einer Frequenz gleich der Frequenz der Lichtstärkeveränderung der Lichtemission vom Lichtemissionsteil 6 ausgeben.
Das Spektroskop 7 ist zwischen dem Lichtemissionsteil 6 und dem Messobjekt M angeordnet und enthält einen Strahlteiler und so weiter. Das Spektroskop 7 teilt das vom Lichtemissionsteil 6 emittierte Licht in zwei Strahlen und entlässt einen der Strahlen als laufende Welle D in ein zwischen dem Spektroskop 7 und dem Messobjekt M vorhandenes Fortpflanzungsmedium. Dementsprechend wird auf dieselbe Weise wie oben in Bezug auf die obige Abstandsmessvorrichtung 10A oder 10B beschrieben eine stehende Welle S zwischen dem Spektroskop 7 und dem Messobjekt M ausgebildet. Das Spektroskop 7 dient weiterhin dazu, einen vom Messobjekt M reflektierten rücklaufenden Strahl (einen reflektierten Strahl als eine reflektierte Welle R) in Richtung auf den Detektor 13C zu reflektieren.
Der seitlich des Spektroskops 7 angeordnete reflektierende Spiegel 8 reflektiert den anderen der vom Spektroskop 7 geteilten Strahlen wieder in Richtung auf das Spektroskop 7. Der vom reflektierende Spiegel 8 reflektierte Strahl durchläuft das Spektroskop 7 und läuft weiter in Richtung auf den Detektor 13C. Das heißt, der vom Messobjekt M reflektierte rücklaufende Strahl (reflektierte Strahl) und der vom reflektierende Spiegel 8 reflektierte Strahl werden vom Spektroskop 7 zusammen in Richtung auf den Detektor 13C gesendet.
Der Detektor 13C ist mit dem Signalprozessor 14C verbunden und weist die Amplitude einer Lichtstärkeveränderung nach, die die Summen der Lichtstärken sowohl des vom Messobjekt M reflektierten rücklaufenden Strahls (reflektierten Strahls) als auch des vom reflektierenden Spiegel 8 reflektierten Strahls darstellt, oder weist das Quadrat von deren Amplituden nach. Der Detektor 13C enthält eine Vorrichtung, die ein elektrisches Signal entsprechend einer Einfallslichtstärke gewinnen kann, wie z. B. einen Photodetektor, der eine Einfallslichtstärke in eine Spannung umwandelt und die Spannung ausgibt. Von einem vom Photodetektor ausgegebenen elektrischen Signal (Nachweissignal) kann ein Strom, eine Spannung oder ein ähnliches Maß ausgegeben werden, das gleich der Amplitude SP der Lichtstärkeveränderung ist, was als der Amplitude SP der stehenden Welle S äquivalent angesehen werden kann, oder das proportional zum Quadrat der Amplitude SP der Lichtstärkeveränderung ist.
Der Signalprozessor 14C enthält einen Aufzeichnungsteil in Form von zum Beispiel einem digitalen Signalprozessor (DSP) oder einem Speicher zum Aufzeichnen von eingegebenen Daten und einen Rechenteil zum Rechnen mit den im Aufzeichnungsteil aufgezeichneten Daten. Der Abstand d (d1 + L) vom Spektroskop 7 zum Messobjekt M und die Relativgeschwindigkeit v dazwischen können gleichzeitig vom Rechenteil berechnet werden. Der Signalprozessor 14C ist außerdem mit dem Frequenzsteuerteil 5 des Generators für elektromagnetische Wellen 11C verbunden, wie oben beschrieben. Zu diesem Zweck empfängt der Signalprozessor 14C vom Frequenzsteuerteil 5 Informationen in Bezug auf die Frequenz des vom Lichtemissionsteil 6 des Generators für elektromagnetische Wellen 11C emittierten Lichts (nachfolgend einfach als ”Frequenzinformationen des Ausgangssignals” bezeichnet), um dadurch den Frequenzsteuerteil 5 zu steuern, und sendet bei Empfang des Nachweissignals vom Detektor 13C ein Empfangsbestätigungssignal an den Frequenzsteuerteil 5.
In Übereinstimmung mit dieser Abstandsmessvorrichtung 10C kann durch den Detektor 13C die Amplitude der Lichtstärkeveränderung nachgewiesen werden, die die Summen der Lichtstärken sowohl des vom Messobjekt M reflektierten rücklaufenden Strahls (reflektierten Strahls) als auch des vom reflektierenden Spiegel 8 reflektierten Strahls darstellt. Diese Amplitude der Lichtstärkeveränderung hat die gleiche Größe wie die Amplitude einer Lichtstärkeveränderung, die die Summen der Lichtstärken am Ort des Spektroskops 7 sowohl des vom Messobjekt M reflektierten rücklaufenden Strahls (reflektierten Strahls) als auch des vom reflektierenden Spiegel 8 reflektierten Strahls darstellt. Die Größe der Amplitude wird gleich derjenigen der Amplitude der stehenden Welle S in einer um einen Abstand L vom Spektroskop 7 in Richtung auf das Messobjekt M versetzten Position, wenn L der Abstand zwischen dem Spektroskop 7 und dem reflektierenden Spiegel 8 ist. Wenn daher der Abstand L zwischen dem Spektroskop 7 und dem reflektierenden Spiegel 8 bekannt ist, und weil man den Abstand d1 zwischen dem Messobjekt M und der um den Abstand L vom Spektroskop 7 in Richtung auf das Messobjekt M versetzten Position gewinnen kann, können der Abstand d (d1 + L) vom Spektroskop 7 zum Messobjekt M und die Relativgeschwindigkeit v zwischen der Abstandsmessvorrichtung 10C und dem Messobjekt M gleichzeitig vom Rechenteil des Signalprozessors 14C berechnet werden. Selbst wenn die Relativgeschwindigkeit v zwischen dem Messobjekt M und der Abstandsmessvorrichtung 10C nicht null ist, d. h. entweder sich das Messobjekt M oder die Abstandsmessvorrichtung 10C bewegt oder sich beide mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen, kann die Messung genau durchgeführt werden, was mit der Technik von Literatur 1 schwierig war.
Übrigens dienen der Signalprozessor 14C, der Generator für elektromagnetische Wellen 11C und das Spektroskop 7 gemeinsam als der obige Generator für elektromagnetische Wellen A1. Das Spektroskop 7, der reflektierende Spiegel 8, der Detektor 13C und der Signalprozessor 14C dienen gemeinsam als der obige Nachweispunkt A2.
Bei der obigen Abstandsmessvorrichtung 10C kann die durch das Spektroskop 7 und den reflektierenden Spiegel 8 gebildete Vorrichtung eine andere Konfiguration als die in 6 dargestellte haben. Solange der Detektor 13C die Amplitude einer Lichtstärkeveränderung nachweisen kann, die die Summen der Lichtstärken sowohl des vom Generator für elektromagnetische Wellen 11C in Richtung auf das Messobjekt M emittierten Strahls als auch des vom Messobjekt M reflektierten rücklaufenden Strahls (reflektierten Strahls) darstellt, oder das Quadrat von deren Amplitude nachweisen kann, kann eine andere Konfiguration verwendet werden, wie z. B. einen teilweise reflektierenden Spiegel als optische Vorrichtung zu verwenden. Andererseits kann der Lichtemissionsteil 6 des Generators für elektromagnetische Wellen 11C ein Infrarotlichtemissionsteil sein, der Infrarotlicht emittiert, und kann die optische Vorrichtung eine sein, die das Infrarotlicht als laufende Welle D entlassen kann. Indem in diesem Fall die Frequenz des vom Infrarotlichtemissionsteil emittierten Infrarotlichts veränderlich gesteuert wird, so dass die von der optischen Vorrichtung entlassene laufende Welle D und eine vom Messobjekt M reflektierte Welle M miteinander interferieren, um eine stehende Welle S auszubilden, kann die Amplitude einer Lichtstärkeveränderung oder das Quadrat von deren Amplitude durch den Detektor 13C gewonnen werden.
Unter Bezugnahme auf 7 wird nun eine Beschreibung einer Abstandsmessvorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. In dieser Ausführungsform ist die ganze in 7 gezeigte Abstandsmessvorrichtung als Abstandsmessaufbau 1 bezeichnet.
Der Abstandsmessaufbau 1 enthält zwei Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2, die jeweils der Abstandsmessvorrichtung in einer der obigen Ausführungsformen entsprechen, einen Controller 3, der als Synchronisationssteuerteil zur Steuerung der Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 dient, um die Verarbeitung des Nachweises der Amplituden von stehenden Wellen S zu synchronisieren, und gleichzeitig zur Berechnung der Abstände von einem Messobjekt M zu jeweiligen Detektoren der Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 und Relativgeschwindigkeiten v dazwischen auf Basis der Ergebnisse von Berechnungen von Signalen entsprechend den nachgewiesenen Amplituden, und eine Recheneinheit 2, die als Koordinatenrechenteil zur Berechnung von Raumkoordinaten des Messobjekts M auf Basis der jeweils durch die Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 gewonnenen Abstände und einer Relativposition zwischen den Detektoren der Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 dient.
Der Controller 3 betreibt die Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 synchron miteinander, so dass elektromagnetische Wellen gleichzeitig von den Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 in ein Fortpflanzungsmedium entlassen werden. Der Recheneinheit 2 werden die von Signalprozessoren der Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 berechneten Abstände zwischen den Detektoren und dem Messobjekt M eingegeben. Die Raumkoordinaten des Messobjekts M können aus den eingegebenen Abständen und der Relativposition zwischen den Detektoren der Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 berechnet werden.
8 ist eine Prinzipskizze, die eine geometrische Beziehung zwischen den jeweiligen Teilen und dem Messobjekt M zeigt, zur Erläuterung des Prinzips einer vom Abstandsmessaufbau 1 durchgeführten Abstandsmessung.
Wenn die Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 synchron vom Controller 3 gesteuert werden, gleichzeitig elektromagnetische Wellen zu entlassen, werden stehende Wellen S (S1, S2) zwischen den jeweiligen Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 und dem Messobjekt M ausgebildet, so dass Berechnungen der Abstände d1 und d2 von den jeweiligen Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 zum Messobjekt M und der Relativgeschwindigkeiten dazwischen durchgeführt werden. Wenn die berechneten Abstände d1 und d2 in die Recheneinheit 2 eingegeben werden, berechnet die Recheneinheit 2, wenn ein Abstand zwischen den Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 gleich r ist, wie in 8 dargestellt, einen Abstand d rvon einem Mittelpunkt r/2 dazwischen zum Messobjekt M unter Verwendung der folgenden Gleichung (11). d = {(d1)^2/2 + (d2)²/2 + r²/4}^1/2 (11)
Danach erfolgt eine Berechnung eines zwischen einer Halbierungslinie eines Segments r zwischen den Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 und einem zwischen dem Mittelpunk r/2 und dem Messobjekt M verbindenden Segment ausgebildeten Winkels θ unter Verwendung der folgenden Gleichung (12). sinθ = {(d1)² – (d2)²}/2rd (12)
Folglich kann unter Verwendung des durch die Gleichung (11) gewonnenen Abstands d und des durch die Gleichung (12) gewonnenen Winkels θ eine Relativposition zwischen den Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 und dem Messobjekt M erfasst werden. Übrigens, wenn drei oder mehr Messvorrichtungen vorgesehen sind, kann eine Positionsbeziehung zwischen den Abstandsmessvorrichtungen und dem Messobjekt M dreidimensional erfasst werden.
Wenn in Übereinstimmung mit dem Abstandsmessaufbau 1 die Abstandsmessvorrichtungen 10-1 und 10-2 zum Beispiel an Frontscheinwerfern oder Rücklichtern eines Kraftfahrzeugs als Beispiel für den beweglichen Körper angeordnet werden, kann die Relativabstandsmessung wirkungsvoll erreicht werden. In diesem Fall erkennt man leicht, dass ein für Emission von Infrarotlicht eingerichteter Infrarotlichtemissionsteil als Lichtemissionsteil verwendet werden kann, und die Frequenz des Infrarotlichts kann durch einen Signalprozessor veränderlich gesteuert werden.
Die vorliegende Erfindung ist in einem weiten Bereich von Gebieten anwendbar. Zum Beispiel wird die vorliegende Erfindung wirkungsvoll in einem künstlichen Satelliten oder einem Luftschiff eingebaut.

Claims

Abstandsmessverfahren zur Messung eines Abstands zwischen einem Abstandsmesssystem (10) und einem Messobjekt (M), welches Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (1) eine erste elektromagnetische Welle als eine erste laufende Welle (D) in Richtung auf das Messobjekt (M) zu senden, wobei das Messobjekt (M) die erste laufende Welle (D) reflektiert, um eine erste reflektierte Welle (R) zu erzeugen, (2) eine Frequenz der ersten laufenden Welle zu ändern, (3) eine Amplitude einer ersten stehenden Welle (S) in einer ersten Position des Abstandsmesssystems (10) nachzuweisen und ein erstes Amplitudensignal zu erzeugen, das die Amplitude der ersten stehenden Welle darstellt, wobei die erste stehende Welle durch Interferenz zwischen der ersten reflektierten Welle und der ersten laufenden Welle erzeugt wird, und (4) unter Verwendung des ersten Amplitudensignals eine erste Berechnung durchzuführen, um gleichzeitig einen ersten Abstand zwischen der ersten Position und dem Messobjekt (M) sowie eine erste Relativgeschwindigkeit zwischen der ersten Position und dem Messobjekt (M) zu gewinnen.
Abstandsmessverfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin die folgenden Schritte umfasst: eine zweite elektromagnetische Welle als eine zweite laufende Welle in Richtung auf das Messobjekt (M) zu senden, so dass das Messobjekt (M) die zweite laufende Welle reflektiert, um eine zweite reflektierte Welle zu erzeugen, eine Frequenz der zweiten laufenden Welle zu ändern, eine Amplitude einer zweiten stehenden Welle in einer zweiten Position des Abstandsmesssystems (10) nachzuweisen und ein zweites Amplitudensignal zu erzeugen, das die Amplitude der zweiten stehenden Welle darstellt, wobei die zweite stehende Welle durch Interferenz zwischen der zweiten reflektierten Welle und der zweiten laufenden Welle erzeugt wird, und unter Verwendung des zweiten Amplitudensignals eine zweite Berechnung durchzuführen, um einen zweiten Abstand zwischen der zweiten Position und dem Messobjekt (M) und eine zweite Relativgeschwindigkeit zwischen der zweiten Position und dem Messobjekt (M) zu gewinnen.
Abstandsmessverfahren gemäß Anspruch 2, das weiterhin den Schritt umfasst, die Durchführung der ersten Berechnung und die Durchführung der zweiten Berechnung zu synchronisieren.
Abstandsmessverfahren gemäß Anspruch 2, das weiterhin den Schritt umfasst, auf Basis der ersten und zweiten Abstände, der ersten und zweiten Relativgeschwindigkeiten und der ersten und zweiten Positionen Raumkoordinaten des Messobjekts zu berechnen.
Abstandsmessverfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt (2) umfasst, die Frequenz der ersten laufenden Welle schrittweise zu ändern.
Abstandsmessverfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der Schritt (3) nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit von einem Augenblick an durchgeführt wird, in dem die Frequenz der ersten laufenden Welle geändert wird.
Abstandsmessverfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die vorbestimmte Zeit länger eingestellt wird als eine Zeit von dem Augenblick an, in dem die Frequenz der ersten laufenden Welle geändert wird, bis zu einem Augenblick, in dem die erste laufende Welle (D) die erste Position als die erste reflektierte Welle (R) erreicht.
Abstandsmessverfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die Frequenz der ersten laufenden Welle in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Muster geändert wird.
Abstandsmessverfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die Frequenz der ersten laufenden Welle regellos geändert wird.
Abstandsmessvorrichtung (10) zur Messung eines Abstands zu einem Messobjekt (M), welche Vorrichtung Folgendes aufweist: einen Generator für eine erste elektromagnetische Welle (11A), zur Erzeugung einer ersten elektromagnetischen Welle, einen ersten Sendeteil (12A), der mit dem Generator für eine erste elektromagnetische Welle (11A) verbunden ist, zum Senden der ersten elektromagnetischen Welle als eine erste laufende Welle (D) in Richtung auf das Messobjekt, wobei das Messobjekt (M) die erste laufende Welle (D) reflektiert, um eine erste reflektierte Welle zu erzeugen, einen ersten Frequenzsteuerteil, der mit dem Generator für eine erste elektromagnetische Welle (11A) verbunden ist, zum Ändern einer Frequenz der ersten laufenden Welle, einen ersten Amplitudennachweisteil (13A) zum Nachweisen einer Amplitude einer ersten stehenden Welle in einer ersten Position und Erzeugen eines ersten Amplitudensignals, das die Amplitude der ersten stehenden Welle darstellt, wobei die erste stehende Welle durch Interferenz zwischen der ersten reflektierten Welle und der ersten laufenden Welle erzeugt wird, und einen ersten Rechenteil (14A), der mit dem ersten Amplitudennachweisteil (13A) verbunden ist, zur Durchführung einer ersten Berechnung unter Verwendung des ersten Amplitudensignals, um gleichzeitig einen ersten Abstand zwischen der ersten Position und dem Messobjekt (M) und eine erste Relativgeschwindigkeit zwischen der ersten Position und dem Messobjekt (M) zu gewinnen.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 10, die weiterhin Folgendes aufweist: einen Generator für eine zweite elektromagnetische Welle, zur Erzeugung einer zweiten elektromagnetischen Welle, einen zweiten Sendeteil, der mit dem Generator für eine zweite elektromagnetische Welle verbunden ist, zum Senden der zweiten elektromagnetischen Welle als eine zweite laufende Welle in Richtung auf das Messobjekt, wobei das Messobjekt (M) die zweite laufende Welle reflektiert, um eine zweite reflektierte Welle zu erzeugen, einen zweiten Frequenzsteuerteil, der mit dem Generator für eine zweite elektromagnetische Welle verbunden ist, zum Ändern einer Frequenz der zweiten laufenden Welle, einen zweiten Amplitudennachweisteil zum Nachweisen einer Amplitude einer zweiten stehenden Welle in einer zweiten Position und Erzeugen eines zweiten Amplitudensignals, das die Amplitude der zweiten stehenden Welle darstellt, wobei die zweite stehende Welle durch Interferenz zwischen der zweiten reflektierten Welle und der zweiten laufenden Welle erzeugt wird, und einen zweiten Rechenteil, der mit dem zweiten Amplitudennachweisteil verbunden ist, zur Durchführung einer zweiten Berechnung unter Verwendung des zweiten Amplitudensignals, um einen zweiten Abstand zwischen der zweiten Position und dem Messobjekt (M) und eine zweite Relativgeschwindigkeit zwischen der zweiten Position und dem Messobjekt (M) zu gewinnen.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 11, die weiterhin einen Synchronisationssteuerteil (3) aufweist, der mit den ersten und zweiten Rechenteilen verbunden ist, zur Synchronisation der Durchführung der ersten Berechnung und der Durchführung der zweiten Berechnung.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 11, die weiterhin einen Koordinatenrechenteil (2) aufweist, der mit den ersten und zweiten Rechenteilen verbunden ist, zur Berechnung von Raumkoordinaten des Messobjekts auf Basis der ersten und zweiten Abstände, der ersten und zweiten Relativgeschwindigkeiten und der ersten und zweiten Positionen.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 10, bei dem der erste Frequenzsteuerteil (5) einen Schrittsteuerteil aufweist, der die Frequenz der ersten laufenden Welle schrittweise ändert.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 14, die weiterhin einen Nachweissteuerteil aufweist, der mit dem ersten Amplitudennachweisteil (13A) und dem Schrittsteuerteil verbunden ist und dazu dient, den ersten Amplitudennachweisteil (13A) zu veranlassen, den Nachweis der Amplitude der ersten stehenden Welle nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit von einem Augenblick an durchzuführen, in dem die Frequenz der ersten laufenden Welle geändert wird.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 15, die weiterhin einen Zeiteinstellteil (14A) aufweist, der mit dem Nachweissteuerteil und dem ersten Frequenzsteuerteil (5) verbunden ist und dazu dient, die vorbestimmte Zeit länger einzustellen als eine Zeit von dem Augenblick an, in dem die Frequenz der ersten laufenden Welle geändert wird, bis zu einem Augenblick, in dem die erste laufende Welle (D) die erste Position als die erste reflektierte Welle (R) erreicht.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der der erste Frequenzsteuerteil (5) die Frequenz der ersten laufenden Welle in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Muster ändert.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der der erste Frequenzsteuerteil die Frequenz der ersten laufenden Welle regellos ändert.
Abstandsmessaufbau zur Messung eines Abstands zu einem Messobjekt, welcher Aufbau Folgendes aufweist: mehrere Abstandsmessvorrichtungen jeweils gemäß Anspruch 10, eine Synchronisationssteuervorrichtung, die mit den Abstandsmessvorrichtungen verbunden ist, zur Synchronisation des Betriebs der jeweils in den Abstandsmessvorrichtungen vorgesehenen ersten Rechenteile, und eine Koordinatenrechenvorrichtung, die mit den Abstandsmessvorrichtungen verbunden ist, zur Berechnung von Raumkoordinaten des Messobjekts auf Basis der jeweils in den Abstandsmessvorrichtungen gewonnenen ersten Abstände und ersten Relativgeschwindigkeiten und einer Positionsbeziehung der jeweils in den Abstandsmessvorrichtungen vorgesehenen ersten Amplitudennachweisteile.