JP2000304862A - 少なくとも１つの目標物の距離測定方法 - Google Patents
少なくとも１つの目標物の距離測定方法Info
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- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 達成可能な精度と所要のコストの関係を改善
し、とりわけ必要なパルス数と必要な測定時間とを改善
し、少数のパルス、それどころか１つのパルスでも高い
距離測定精度が達成されるように構成することである。 【解決手段】 少なくとも１つの受信時点を検出するた
めに、入力信号（ｅ）を比較関数と比較し、該比較関数
は、先行して検出され、記憶された基準関数（ｒ）の種
々異なる時間インターバルだけずらされた例値であり、
もっとも近似する比較関数に相応する時間インターバル
から受信時点を少なくとも近似的に検出する。
し、とりわけ必要なパルス数と必要な測定時間とを改善
し、少数のパルス、それどころか１つのパルスでも高い
距離測定精度が達成されるように構成することである。 【解決手段】 少なくとも１つの受信時点を検出するた
めに、入力信号（ｅ）を比較関数と比較し、該比較関数
は、先行して検出され、記憶された基準関数（ｒ）の種
々異なる時間インターバルだけずらされた例値であり、
もっとも近似する比較関数に相応する時間インターバル
から受信時点を少なくとも近似的に検出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項１の上位概
念による、少なくとも１つの目標物の距離測定方法であ
って、送信器から少なくとも１つの光学的パルスを目標
物に対して送信し、少なくとも１つのパルスの反射を受
信器により捕獲し、受信信号（ｅ）に変換し、記憶し、
それぞれ伝搬時間を入力信号の受信時点から検出し、そ
こから距離を計算する方法に関する。この種の方法はと
りわけ距離測定装置、例えば構造物および土地測定の際
に使用される。
念による、少なくとも１つの目標物の距離測定方法であ
って、送信器から少なくとも１つの光学的パルスを目標
物に対して送信し、少なくとも１つのパルスの反射を受
信器により捕獲し、受信信号（ｅ）に変換し、記憶し、
それぞれ伝搬時間を入力信号の受信時点から検出し、そ
こから距離を計算する方法に関する。この種の方法はと
りわけ距離測定装置、例えば構造物および土地測定の際
に使用される。
【０００２】
【従来の技術】ＤＥ−Ａ４１３３１９６から、上位概念
記載の方法が公知である。この方法では、距離を検出す
べき目標物により反射されて戻る複数の光学的パルスか
ら入力信号が統合される。これらの複数の光学的パルス
は時間分解能を改善するためにそれぞれ異なる内部遅延
を伴って送信される。前記の入力信号が最大に達する時
点から、伝搬時間が導出され、そこから距離が計算され
る。
記載の方法が公知である。この方法では、距離を検出す
べき目標物により反射されて戻る複数の光学的パルスか
ら入力信号が統合される。これらの複数の光学的パルス
は時間分解能を改善するためにそれぞれ異なる内部遅延
を伴って送信される。前記の入力信号が最大に達する時
点から、伝搬時間が導出され、そこから距離が計算され
る。
【０００３】この方法の欠点は、距離の検出が結局は個
々の測定値または場合によっては少数の測定値に基づい
ていることである。回避できないことだが、これら個々
の測定値または少数の測定値にノイズが重畳されると、
その結果にも大きなエラーが伴うことになる。
々の測定値または場合によっては少数の測定値に基づい
ていることである。回避できないことだが、これら個々
の測定値または少数の測定値にノイズが重畳されると、
その結果にも大きなエラーが伴うことになる。
【０００４】ＤＥ−Ａ３６２０２２６から、パルスを繰
り返し送信し、同じ伝搬時間に相応する受信信号のサン
プリング値を加算することによって入力信号のノイズを
緩和することが公知である。しかし特に高い分解能を達
成したい場合には、パルス数の増加が必要であり、ひい
ては測定時間が延長される。
り返し送信し、同じ伝搬時間に相応する受信信号のサン
プリング値を加算することによって入力信号のノイズを
緩和することが公知である。しかし特に高い分解能を達
成したい場合には、パルス数の増加が必要であり、ひい
ては測定時間が延長される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、達成
可能な精度と所要のコストの関係を改善し、とりわけ必
要なパルス数と必要な測定時間とを改善し、少数のパル
ス、それどころか１つのパルスでも高い距離測定精度が
達成されるように構成することである。
可能な精度と所要のコストの関係を改善し、とりわけ必
要なパルス数と必要な測定時間とを改善し、少数のパル
ス、それどころか１つのパルスでも高い距離測定精度が
達成されるように構成することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明によ
り、少なくとも１つの受信時点を検出するために、入力
信号を比較関数と比較し、該比較関数は、先行して検出
され、記憶された基準関数の種々異なる時間インターバ
ルだけずらされた例値であり、もっとも相似する比較関
数に相応する時間インターバルから受信時点を少なくと
も近似的に検出することによって解決される。
り、少なくとも１つの受信時点を検出するために、入力
信号を比較関数と比較し、該比較関数は、先行して検出
され、記憶された基準関数の種々異なる時間インターバ
ルだけずらされた例値であり、もっとも相似する比較関
数に相応する時間インターバルから受信時点を少なくと
も近似的に検出することによって解決される。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明により、入力信号の全ての
形態が伝搬時間の検出に利用される。これにより、ノイ
ズの重畳された個別サンプリング値に依存して結果の異
なることが大いに緩和される。ただ１つの光学的パルス
から得られた入力信号の評価から、比較的に高い精度と
比較的に小さな測定不確実性をもって距離が検出され
る。さらに本発明の方法により、複数の目標物をただ１
回の測定で検出し、区別することができる。このことは
とりわけ測定距離が大きい場合に有利である。距離が大
きい場合にはビーム拡散によりただ１つの目標物におけ
るビーム強度が不定だからである。
形態が伝搬時間の検出に利用される。これにより、ノイ
ズの重畳された個別サンプリング値に依存して結果の異
なることが大いに緩和される。ただ１つの光学的パルス
から得られた入力信号の評価から、比較的に高い精度と
比較的に小さな測定不確実性をもって距離が検出され
る。さらに本発明の方法により、複数の目標物をただ１
回の測定で検出し、区別することができる。このことは
とりわけ測定距離が大きい場合に有利である。距離が大
きい場合にはビーム拡散によりただ１つの目標物におけ
るビーム強度が不定だからである。
【０００８】以下本発明を、図面に基づき詳細に説明す
る。
る。
【０００９】
【実施例】図１の装置は計算ユニット１を有し、この計
算ユニットは装置の制御と測定値の評価とに用いられ
る。この計算ユニットには、命令を入力するための入力
ユニット２，例えばキーボードと、結果を出力するため
の出力ユニット３，例えば液晶表示器が接続されてい
る。発振器５の出力信号のサイクルを計数するカウンタ
４が計算ユニット１と接続されている。このカウンタ４
は信号を送信器６に出力する。発振器５はアナログ／デ
ジタル変換器７をも制御する。この変換器７は受信器８
に後置接続されており、計算ユニット１の入力側にも接
続されている。
算ユニットは装置の制御と測定値の評価とに用いられ
る。この計算ユニットには、命令を入力するための入力
ユニット２，例えばキーボードと、結果を出力するため
の出力ユニット３，例えば液晶表示器が接続されてい
る。発振器５の出力信号のサイクルを計数するカウンタ
４が計算ユニット１と接続されている。このカウンタ４
は信号を送信器６に出力する。発振器５はアナログ／デ
ジタル変換器７をも制御する。この変換器７は受信器８
に後置接続されており、計算ユニット１の入力側にも接
続されている。
【００１０】発振器５は例えば周波数２０ＭＨｚ、すな
わち５０ｎｓの期間の電気信号を形成する。それぞれ例
えば２０００サイクル後にカウンタ４は１つの信号を送
信器６に送出し、この信号により送信器は短時間の光学
的パルスを出力する。パルスは１つの目標物、または光
円錐体のそれぞれ一部と交差する複数の目標物により反
射され、受信器８によりこの反射が捕獲され、電気受信
信号ｅ（図２の上）に変換される。受信信号ｅは、受信
器およびこれに接続された電子回路の周波数特性が制限
されているため、時間的に比較的強く延ばされることが
ある。この信号はすでに述べたように発振器５により制
御されるＡ／Ｄ変換器７によってサンプリング増分Δ＝
５０ｎｓの間隔でサンプリングされる。相応の値ｅ（ｎ
Δ），ｎ＝０,..,Ｎ、ここで図示の例ではＮ＝３２，が
計算ユニット１により記憶される。ここでメモリアドレ
スは、カウンタ４から送出されたそれぞれの数ｎから導
出される。この数は、送信器６による光学的パルスの送
信をトリガした信号を基準にしたサンプリング時点の尺
度である。
わち５０ｎｓの期間の電気信号を形成する。それぞれ例
えば２０００サイクル後にカウンタ４は１つの信号を送
信器６に送出し、この信号により送信器は短時間の光学
的パルスを出力する。パルスは１つの目標物、または光
円錐体のそれぞれ一部と交差する複数の目標物により反
射され、受信器８によりこの反射が捕獲され、電気受信
信号ｅ（図２の上）に変換される。受信信号ｅは、受信
器およびこれに接続された電子回路の周波数特性が制限
されているため、時間的に比較的強く延ばされることが
ある。この信号はすでに述べたように発振器５により制
御されるＡ／Ｄ変換器７によってサンプリング増分Δ＝
５０ｎｓの間隔でサンプリングされる。相応の値ｅ（ｎ
Δ），ｎ＝０,..,Ｎ、ここで図示の例ではＮ＝３２，が
計算ユニット１により記憶される。ここでメモリアドレ
スは、カウンタ４から送出されたそれぞれの数ｎから導
出される。この数は、送信器６による光学的パルスの送
信をトリガした信号を基準にしたサンプリング時点の尺
度である。
【００１１】計算ユニット１での評価のために、基準関
数ｒが使用される（図２の中央）。この基準関数はさら
に下で説明するようにして求められたものである。基準
関数ｒの値は、所定の基準増分の間隔で相次いで現れる
箇所で使用される。基準増分は有利にはそれぞれ固定の
時間差δ、例えばサンプリング増分Δの端数部分δ＝Δ
／Ｍに相応する。ここでＭは１＞の整数であり、具体的
な例ではＭ＝８である。値ｒ（ｉδ），ｉ＝０,...,Ｍ
Ｎは計算ユニット１に固定的に記憶されている。比較的
に小さい搬送波領域の下方では、これらの値はゼロであ
り、その上方でも同じようにゼロであるか、または指数
的に降下する。従って基準関数ｒはインターバル［０，
ＮΔ］を越えて継続することができる。最も簡単な場合
では、インターバルの外ではｒ（ｉδ）＝０にセットさ
れる。次に基準関数ｒから、比較関数ｖm、ｍ＝０,...,
ＭＮが順次形成される。これはそれぞれ固定の時間イン
ターバルだけずらされた、基準関数ｒの例値によって生
成される。時間インターバルは、ここでは基準増分δに
相応する基本インターバルの倍数ｍδである。比較関数
ｖmは必要であれば、さらに他の手段で変形することが
できる。これは例えばビーム広がりを補償するため適切
な係数により乗算することによって行う。この形式の変
形を無視すれば、 （１） ｖm＝（ｉδ）＝ｒ（（ｉ−ｍ）δ） が当てはまる。
数ｒが使用される（図２の中央）。この基準関数はさら
に下で説明するようにして求められたものである。基準
関数ｒの値は、所定の基準増分の間隔で相次いで現れる
箇所で使用される。基準増分は有利にはそれぞれ固定の
時間差δ、例えばサンプリング増分Δの端数部分δ＝Δ
／Ｍに相応する。ここでＭは１＞の整数であり、具体的
な例ではＭ＝８である。値ｒ（ｉδ），ｉ＝０,...,Ｍ
Ｎは計算ユニット１に固定的に記憶されている。比較的
に小さい搬送波領域の下方では、これらの値はゼロであ
り、その上方でも同じようにゼロであるか、または指数
的に降下する。従って基準関数ｒはインターバル［０，
ＮΔ］を越えて継続することができる。最も簡単な場合
では、インターバルの外ではｒ（ｉδ）＝０にセットさ
れる。次に基準関数ｒから、比較関数ｖm、ｍ＝０,...,
ＭＮが順次形成される。これはそれぞれ固定の時間イン
ターバルだけずらされた、基準関数ｒの例値によって生
成される。時間インターバルは、ここでは基準増分δに
相応する基本インターバルの倍数ｍδである。比較関数
ｖmは必要であれば、さらに他の手段で変形することが
できる。これは例えばビーム広がりを補償するため適切
な係数により乗算することによって行う。この形式の変
形を無視すれば、 （１） ｖm＝（ｉδ）＝ｒ（（ｉ−ｍ）δ） が当てはまる。
【００１２】各比較関数ｖmにより、これと受信信号ｅ
との間の相似性の尺度として、相似関数が計算される。
ここでは相関係数ｆが用いられ、この相関関数は２つの
関数間のスカラー積に相応する。ｅのサンプリング値が
存在せず、ｖmに対するサンプリング値しか存在しない
時点、すなわちｉ mod Ｍ≠０である時点に対しては値
ｅ（ｉδ）＝０にセットされる。従って相関係数に対し
ては以下の式が得られる。
との間の相似性の尺度として、相似関数が計算される。
ここでは相関係数ｆが用いられ、この相関関数は２つの
関数間のスカラー積に相応する。ｅのサンプリング値が
存在せず、ｖmに対するサンプリング値しか存在しない
時点、すなわちｉ mod Ｍ≠０である時点に対しては値
ｅ（ｉδ）＝０にセットされる。従って相関係数に対し
ては以下の式が得られる。
【００１３】
【数１】
【００１４】ただし、ｍ＝０,...,ＭＮ、この関数は図
２の下に示されている。
２の下に示されている。
【００１５】次に、受信信号ｅに特に相似し、これを比
較的よく表しているような比較関数を検出する。この検
出は、関数ｆの次のような最大値を検出することにより
行われる。すなわち、前記の関数の値が所定の閾値εを
越える最大値を検出することにより行われる。この閾値
は測定条件、とりわけ予期される障害の大きさに適合す
ることができる。相応する時間ｍkδ、ｋ＝１,...,Ｋ
は、光学的パルスの目標物１,...,Ｋにおける反射の近
似的受信時点を表す。図２に示された例ではＫ＝２であ
る。しかしこれより大きな数も可能である。
較的よく表しているような比較関数を検出する。この検
出は、関数ｆの次のような最大値を検出することにより
行われる。すなわち、前記の関数の値が所定の閾値εを
越える最大値を検出することにより行われる。この閾値
は測定条件、とりわけ予期される障害の大きさに適合す
ることができる。相応する時間ｍkδ、ｋ＝１,...,Ｋ
は、光学的パルスの目標物１,...,Ｋにおける反射の近
似的受信時点を表す。図２に示された例ではＫ＝２であ
る。しかしこれより大きな数も可能である。
【００１６】最大値の時点を基準にして補間することに
より、比較的に高い時間分解能を達成するために受信時
点をさらに正確に検出することができる。最も簡単でと
りわけ適する手段では、最大値が比較的広く離れるよう
にし、比較関数が重ならないか、ほとんど重ならないよ
うにする。すなわち種々異なる目標物における反射が重
ならないか、ほとんど重ならないようにする。個々の最
大値がそれ自体で処理され、相関関数ｆがそれぞれ補間
関数により補間され、次にそれが最大値に達する時間Ｔ
kが正確な受信時点として検出される。例えば、点
（（ｍk−１）δ、ｆ（（ｍk−１）δ））、（ｍkδ、
ｆ（ｍkδ））および（（ｍk＋１）δ、ｆ（（ｍk＋
１）δ））により定められる二次関数を取り扱うなら、
次式のようになる。
より、比較的に高い時間分解能を達成するために受信時
点をさらに正確に検出することができる。最も簡単でと
りわけ適する手段では、最大値が比較的広く離れるよう
にし、比較関数が重ならないか、ほとんど重ならないよ
うにする。すなわち種々異なる目標物における反射が重
ならないか、ほとんど重ならないようにする。個々の最
大値がそれ自体で処理され、相関関数ｆがそれぞれ補間
関数により補間され、次にそれが最大値に達する時間Ｔ
kが正確な受信時点として検出される。例えば、点
（（ｍk−１）δ、ｆ（（ｍk−１）δ））、（ｍkδ、
ｆ（ｍkδ））および（（ｍk＋１）δ、ｆ（（ｍk＋
１）δ））により定められる二次関数を取り扱うなら、
次式のようになる。
【００１７】
【数２】
【００１８】別の手段によれば受信時点は次のようにし
てより正確に検出される。すなわち、予め検出した比較
関数ｖmk、ｋ＝１,...,Ｋを小さな時間だけずらすこと
により、これが受信信号ｅに最適に近似するよう適合す
るのである。次の項により
てより正確に検出される。すなわち、予め検出した比較
関数ｖmk、ｋ＝１,...,Ｋを小さな時間だけずらすこと
により、これが受信信号ｅに最適に近似するよう適合す
るのである。次の項により
【００１９】
【数３】
【００２０】列ベクトルｅ＝（ｅ（ｎΔ）、ｎ＝
０,....,Ｎ）と相応のａ＝（ａk、ｋ＝１,...,Ｋ）によ
る１次式が得られる。
０,....,Ｎ）と相応のａ＝（ａk、ｋ＝１,...,Ｋ）によ
る１次式が得られる。
【００２１】（５） ｅ＝Ｖａ ここで、Ｖnk＝ｖmk（ｎΔ）＝ｒ（ｎΔ−ｍkδ）、ｎ
＝０,..,Ｎ、ｋ＝１,...,Ｋ すなわち
＝０,..,Ｎ、ｋ＝１,...,Ｋ すなわち
【００２２】
【数４】
【００２３】この式は、連続的時間変数に一般化され
る。このために基準関数ｒが支持値から出発して、連続
的な、すなわち整数インターバル［０，ＮΔ］で定義さ
れる関数に補充される。この関数はできるだけ連続的、
有利には少なくとも一度連続的に微分可能である。これ
は例えば二次Spline関数により行うことができる。基準
関数ｒは指示されたインターバルを越えて広がることが
できる。これはこの基準関数をそこでゼロにセットする
ことにより行われる。択一的に、指数的減衰を仮定する
ことができる。この場合比較関数ｖmは、指示されたイ
ンターバルで一次関数ｖ Tにより同じように置換するこ
とができる。これにより離散的変数ｍの箇所に実変数Ｔ
が発生する： （７） ｖ T（ｎΔ）＝ｒ（ｎΔ−Ｔ） これによりＶも実変数の関数に補充される： （８） Ｖ（Ｔ）nk＝ｖ Tk（ｎΔ）＝ｒ（ｎΔ−Ｔ
k）、ｎ＝０,...,Ｎ，ｋ＝１,...,Ｋ ここでＴ1,...,ＴkはベクトルＴに統合されている。
る。このために基準関数ｒが支持値から出発して、連続
的な、すなわち整数インターバル［０，ＮΔ］で定義さ
れる関数に補充される。この関数はできるだけ連続的、
有利には少なくとも一度連続的に微分可能である。これ
は例えば二次Spline関数により行うことができる。基準
関数ｒは指示されたインターバルを越えて広がることが
できる。これはこの基準関数をそこでゼロにセットする
ことにより行われる。択一的に、指数的減衰を仮定する
ことができる。この場合比較関数ｖmは、指示されたイ
ンターバルで一次関数ｖ Tにより同じように置換するこ
とができる。これにより離散的変数ｍの箇所に実変数Ｔ
が発生する： （７） ｖ T（ｎΔ）＝ｒ（ｎΔ−Ｔ） これによりＶも実変数の関数に補充される： （８） Ｖ（Ｔ）nk＝ｖ Tk（ｎΔ）＝ｒ（ｎΔ−Ｔ
k）、ｎ＝０,...,Ｎ，ｋ＝１,...,Ｋ ここでＴ1,...,ＴkはベクトルＴに統合されている。
【００２４】近似的初期値Ｔk＝ｍkδから出発して、正
確な受信時間が検出される。これは、ｅの近似値をａと
Ｔの変形により最適化することにより行われる。このた
めにｅとＶ（Ｔ）ａとの平均二乗間隔の最小箇所（最小
の位） （９） Ｆ（ａ，Ｔ）＝‖ｅ−Ｖ（Ｔ）ａ‖ が検出される。まず最適化がａにしたがって実行され
る。Ｆ（ａ，Ｔ）は （１０） ａ＝Ｖ（Ｔ）+ ｅ に対して最小である。ここでＶ（Ｔ）+は、写像Ｖ
（Ｔ）の擬似反転である。この写像は、Ｖ（Ｔ）の像空
間にベクトルを、Ｖ（Ｔ）の中心の補集合におけるその
一義的検出された原像にそれぞれ形成する。一方、この
写像は、像空間の補集合においてベクトルを０に写像す
る。これについては、J.Stoer:Einfuehrung indie nume
rische Mathematik I, Heidelberger TB 105,Springer-
Verlag 1976,S.184ff.を参照。
確な受信時間が検出される。これは、ｅの近似値をａと
Ｔの変形により最適化することにより行われる。このた
めにｅとＶ（Ｔ）ａとの平均二乗間隔の最小箇所（最小
の位） （９） Ｆ（ａ，Ｔ）＝‖ｅ−Ｖ（Ｔ）ａ‖ が検出される。まず最適化がａにしたがって実行され
る。Ｆ（ａ，Ｔ）は （１０） ａ＝Ｖ（Ｔ）+ ｅ に対して最小である。ここでＶ（Ｔ）+は、写像Ｖ
（Ｔ）の擬似反転である。この写像は、Ｖ（Ｔ）の像空
間にベクトルを、Ｖ（Ｔ）の中心の補集合におけるその
一義的検出された原像にそれぞれ形成する。一方、この
写像は、像空間の補集合においてベクトルを０に写像す
る。これについては、J.Stoer:Einfuehrung indie nume
rische Mathematik I, Heidelberger TB 105,Springer-
Verlag 1976,S.184ff.を参照。
【００２５】しかしＶ（Ｔ）+ ｅの具体的な計算のため
に、マトリクスＶ（Ｔ）+を検出する必要はない。これ
は既知の数量方法によって行うことができる。これは例
えば、ハウスホールド変換（Housholder-Transformatio
n）を用いたＱＲ分解である。（例えば、G.H.Golub,Ch.
F.van Loan:Matrix Computations, North Oxford Acade
mic, London 1986,Ch.6.1,6.2 参照） そこで式（９）は次式により表される。
に、マトリクスＶ（Ｔ）+を検出する必要はない。これ
は既知の数量方法によって行うことができる。これは例
えば、ハウスホールド変換（Housholder-Transformatio
n）を用いたＱＲ分解である。（例えば、G.H.Golub,Ch.
F.van Loan:Matrix Computations, North Oxford Acade
mic, London 1986,Ch.6.1,6.2 参照） そこで式（９）は次式により表される。
【００２６】 （１１） Ｆ（Ｔ）＝‖ｅ−Ｖ（Ｔ）Ｖ（Ｔ）+ ｅ‖ Ｖ（Ｔ）Ｖ（Ｔ）+は、Ｐ（Ｔ）の、比較関数ｖTK、ｋ
＝１,...,Ｋによって規定的に表されるベクトル空間へ
の投影である。従って式（９）は （１２） Ｆ（Ｔ）＝‖ｅ−Ｐ（Ｔ）ｅ‖＝‖（１−Ｐ
（Ｔ））ｅ‖ に相応する。すなわち、ｅとｖ TK、ｋ＝１,..,Ｋによっ
て規定的に表されるベクトル空間へのその投影との間隔
の最小箇所が、Ｔ＝（Ｔ1,...,Ｔk）の関数として求め
られる。
＝１,...,Ｋによって規定的に表されるベクトル空間へ
の投影である。従って式（９）は （１２） Ｆ（Ｔ）＝‖ｅ−Ｐ（Ｔ）ｅ‖＝‖（１−Ｐ
（Ｔ））ｅ‖ に相応する。すなわち、ｅとｖ TK、ｋ＝１,..,Ｋによっ
て規定的に表されるベクトル空間へのその投影との間隔
の最小箇所が、Ｔ＝（Ｔ1,...,Ｔk）の関数として求め
られる。
【００２７】非線形関数Ｆ（Ｔ）の最小箇所は、公知の
数値方法によって検出することができる。これは例えば
最大勾配法、またはＦの勾配のゼロ位置を線形近似の反
復法（ニュートン法）を用いて検出することである。こ
れについては例えば、E.Stiefel:Einfuehrung in die n
umerische Mathematik,Teubner Studienbuecher Mathem
atik,B.G.Teubner 1976,S.83f 参照。しかし改善された
収束法による方法が有利である。これは次の刊行物に記
載されている：D.W.Marquardt:An Algorithm for Least
-Squares Estimation of Nonlinear Parameters, SIAM
Journal on Applied Mathematics 11(1963),431-441 お
よび K.Levenberg:A Method for the Solution of Cert
ain Non-Linear Problems in Least Squares, Quarterl
y of Applied Mathematics 2(1944),164-168。
数値方法によって検出することができる。これは例えば
最大勾配法、またはＦの勾配のゼロ位置を線形近似の反
復法（ニュートン法）を用いて検出することである。こ
れについては例えば、E.Stiefel:Einfuehrung in die n
umerische Mathematik,Teubner Studienbuecher Mathem
atik,B.G.Teubner 1976,S.83f 参照。しかし改善された
収束法による方法が有利である。これは次の刊行物に記
載されている：D.W.Marquardt:An Algorithm for Least
-Squares Estimation of Nonlinear Parameters, SIAM
Journal on Applied Mathematics 11(1963),431-441 お
よび K.Levenberg:A Method for the Solution of Cert
ain Non-Linear Problems in Least Squares, Quarterl
y of Applied Mathematics 2(1944),164-168。
【００２８】受信時点Ｔkから次に、ゼロ点の設定に依
存する固定項Ｔ0のそれぞれの加算により、光学的パル
スの伝搬時間Ｌk＝Ｔ0＋Ｔkが検出され、そこからｋ番
目の目標物の距離が非常に簡単に （１３） ｘk＝ｃ／２・Ｌk にしたがって検出される。ここでｃは光速度である。
存する固定項Ｔ0のそれぞれの加算により、光学的パル
スの伝搬時間Ｌk＝Ｔ0＋Ｔkが検出され、そこからｋ番
目の目標物の距離が非常に簡単に （１３） ｘk＝ｃ／２・Ｌk にしたがって検出される。ここでｃは光速度である。
【００２９】Ｔk、ｋ＝１,...,ＫによりＶ（Ｔ）も既知
である。従って式（１０）により、目標物１,...,Ｋを
重み付ける係数ａk、ｋ＝１,...,Ｋも計算できる。
である。従って式（１０）により、目標物１,...,Ｋを
重み付ける係数ａk、ｋ＝１,...,Ｋも計算できる。
【００３０】基準関数の検出は種々の手段で行うことが
できる。図３ａによれば、検出は図１の装置の主要部分
を含む構成によって行われる。これは、計算ユニット
１，カウンタ４および発振器５、並びに送信器６と、後
置接続されたＡ／Ｄ変換器７を備えた受信器８を有す
る。カウンタ４と送信器６との間には、遅延素子９が挿
入されている。さらに基準目標物１０，例えば板が設け
られており、この板は送信器６と受信器８から所定の距
離に設置されている。
できる。図３ａによれば、検出は図１の装置の主要部分
を含む構成によって行われる。これは、計算ユニット
１，カウンタ４および発振器５、並びに送信器６と、後
置接続されたＡ／Ｄ変換器７を備えた受信器８を有す
る。カウンタ４と送信器６との間には、遅延素子９が挿
入されている。さらに基準目標物１０，例えば板が設け
られており、この板は送信器６と受信器８から所定の距
離に設置されている。
【００３１】発振器５のそれぞれ２０００サイクル後
に、カウンタ４は信号を遅延素子９に送出し、遅延素子
はこれを所定の遅延をもって送信器６にさらに導通し、
光学的パルスが送信器により発射される。基準目標物１
０で反射された光学的パルスは受信器８の出力側に基準
受信信号を発生する。この信号はＡ／Ｄ変換器７で、サ
ンプリング増分Δに相応する時間間隔でサンプリングさ
れる。このようにして検出された支持値は計算ユニット
１に供給され、そこでそれぞれ所定のサンプリング時点
に配属され、記憶される。
に、カウンタ４は信号を遅延素子９に送出し、遅延素子
はこれを所定の遅延をもって送信器６にさらに導通し、
光学的パルスが送信器により発射される。基準目標物１
０で反射された光学的パルスは受信器８の出力側に基準
受信信号を発生する。この信号はＡ／Ｄ変換器７で、サ
ンプリング増分Δに相応する時間間隔でサンプリングさ
れる。このようにして検出された支持値は計算ユニット
１に供給され、そこでそれぞれ所定のサンプリング時点
に配属され、記憶される。
【００３２】送信器６を、遅延素子９を介してそれぞれ
トリガすることにより、信号の遅延は次の遅延値に置換
される、τi、ｉ＝０,...,Ｉ−１、τ0＜...τI-1、初
期値はτ0＝０。このことは基準受信信号の相応の時間
的シフトに表れる。発振器５により制御される信号のサ
ンプリングは遅延なしに行われるから、これは初期値を
基準にしたそれぞれのサンプリング時点の遅延値τiだ
けの先行に相応する。Ｉ個の信号のサンプリングと記憶
の後に、基準関数ｒが統合される。これは、各支持値を
そのサンプリング時点に配属することにより行う。遅延
値に対しては、τi＝ｉδ、ｉ＝０,...,Ｉ−１を選択す
ることができる。次に支持値は、固定の間隔で順次継続
する。この間隔は基準増分δに相応する。そうでない場
合には、基準関数ｒの値を基準増分の整数倍に相応する
箇所で、式（１）での適用のために補間により検出しな
ければならない。この手段は実質的に、ＤＥ−Ａ−４２
３３１９６で、目標物の距離測定の際に適用されるもの
に相応する。自明であるが、送信器６による光学的パル
スの送信をトリガする信号の代わりに、同じ作用により
基準受信信号を遅延することもできる。
トリガすることにより、信号の遅延は次の遅延値に置換
される、τi、ｉ＝０,...,Ｉ−１、τ0＜...τI-1、初
期値はτ0＝０。このことは基準受信信号の相応の時間
的シフトに表れる。発振器５により制御される信号のサ
ンプリングは遅延なしに行われるから、これは初期値を
基準にしたそれぞれのサンプリング時点の遅延値τiだ
けの先行に相応する。Ｉ個の信号のサンプリングと記憶
の後に、基準関数ｒが統合される。これは、各支持値を
そのサンプリング時点に配属することにより行う。遅延
値に対しては、τi＝ｉδ、ｉ＝０,...,Ｉ−１を選択す
ることができる。次に支持値は、固定の間隔で順次継続
する。この間隔は基準増分δに相応する。そうでない場
合には、基準関数ｒの値を基準増分の整数倍に相応する
箇所で、式（１）での適用のために補間により検出しな
ければならない。この手段は実質的に、ＤＥ−Ａ−４２
３３１９６で、目標物の距離測定の際に適用されるもの
に相応する。自明であるが、送信器６による光学的パル
スの送信をトリガする信号の代わりに、同じ作用により
基準受信信号を遅延することもできる。
【００３３】Ｓ／Ｎ比を向上させるため、基準関数ｒの
検出の際に、順次実行される複数の測定の結果を加算ま
たは平均化することができる。これはＤＥ−Ａ−３６２
０２２６に、目標物の距離測定と関連して記載されてい
る。加算はデジタルで行うことができる。しかし測定値
をアナログで、例えば電荷として蓄積し、加算し、和を
初めてデジタルに変換することもできる。これは同様の
関係がＤＥ−Ａ−４４４０６１３に記載されている。
検出の際に、順次実行される複数の測定の結果を加算ま
たは平均化することができる。これはＤＥ−Ａ−３６２
０２２６に、目標物の距離測定と関連して記載されてい
る。加算はデジタルで行うことができる。しかし測定値
をアナログで、例えば電荷として蓄積し、加算し、和を
初めてデジタルに変換することもできる。これは同様の
関係がＤＥ−Ａ−４４４０６１３に記載されている。
【００３４】２つの方法、すなわち時間分解能の微細化
とＳ／Ｎ比の改善は、すでに上に基準受信信号の検出に
対して記載されたように、通常の測定動作でも、時間的
分解能および受信信号ｅのＳ／Ｎ比の改善のために単独
でも、共にでも使用することができる。ただしこれによ
り必要なパルス数が増大しても、比較的に大きな欠点が
生じないことが前提である。図１の装置はこの場合、相
応に補充される。
とＳ／Ｎ比の改善は、すでに上に基準受信信号の検出に
対して記載されたように、通常の測定動作でも、時間的
分解能および受信信号ｅのＳ／Ｎ比の改善のために単独
でも、共にでも使用することができる。ただしこれによ
り必要なパルス数が増大しても、比較的に大きな欠点が
生じないことが前提である。図１の装置はこの場合、相
応に補充される。
【００３５】図３ｂに示された、基準受信信号の時間的
分解能を改善するための手段では、基準目標物１０の距
離を変化させる。初期値ｄから始まり順次、距離ｄ＋ｃ
τi／２，ｉ＝０,...,Ｉ−１において測定される。この
ことにより同じように受信信号が遅延され、しかも遅延
素子を使用する必要がない。しかしここでは、受信信号
の強度がビーム拡幅により基準目標物１０の距離の二乗
に比例して減衰することを考慮しなければならない。
分解能を改善するための手段では、基準目標物１０の距
離を変化させる。初期値ｄから始まり順次、距離ｄ＋ｃ
τi／２，ｉ＝０,...,Ｉ−１において測定される。この
ことにより同じように受信信号が遅延され、しかも遅延
素子を使用する必要がない。しかしここでは、受信信号
の強度がビーム拡幅により基準目標物１０の距離の二乗
に比例して減衰することを考慮しなければならない。
【００３６】基準関数ｒの支持値を測定値または測定値
の和として直接的に検出する代わりに、複雑な方法を適
用することもできる。このために、可能な基準関数ｒの
集合を有限次元のベクトル空間に換算する項が立てられ
る。このようにすれば、基準関数ｒが固定数の等間隔の
支持箇所を有する二次Spline関数の空間に存在すること
をほぼ前提とすることができる。ここでも指数的減衰を
考慮することができる。基準関数ｒは、有限数の実パラ
メータにより固定される。
の和として直接的に検出する代わりに、複雑な方法を適
用することもできる。このために、可能な基準関数ｒの
集合を有限次元のベクトル空間に換算する項が立てられ
る。このようにすれば、基準関数ｒが固定数の等間隔の
支持箇所を有する二次Spline関数の空間に存在すること
をほぼ前提とすることができる。ここでも指数的減衰を
考慮することができる。基準関数ｒは、有限数の実パラ
メータにより固定される。
【００３７】このパラメータを検出するため、時間的に
ずらされた基準受信信号ｅni，ｎ＝０,...,Ｎ、ｉ＝
０,...,Ｉ−１（ここでｅniは遅延τiおよびサンプリン
グ時点ｎΔにおける値を表す）のサンプリング値を、相
応に時間的にずらされた基準関数の例値を重畳すること
によりできるだけ正確に近似する。このために平均二乗
間隔の最小位が次式に従い
ずらされた基準受信信号ｅni，ｎ＝０,...,Ｎ、ｉ＝
０,...,Ｉ−１（ここでｅniは遅延τiおよびサンプリン
グ時点ｎΔにおける値を表す）のサンプリング値を、相
応に時間的にずらされた基準関数の例値を重畳すること
によりできるだけ正確に近似する。このために平均二乗
間隔の最小位が次式に従い
【００３８】
【数５】
【００３９】基準関数ｒを表すパラメータの関数として
求められる。ここでｗni，ｎ＝０,...,Ｉ−１は重み付
け係数であり、最も簡単な場合には全て１に等しくセッ
トされる。遅延が遅延素子９により形成されるなら、ｉ
＝０,...,Ｉ−１に対してａi＝１をセットすることがで
きる。遅延が基準目標物１０のシフトにより形成される
なら、係数ａiは、距離が入力信号の強度に及ぼす影響
を考慮しなければならない。しかし係数ａiを同様に可
変と見なし、式（１４）の最小化から検出することもで
きる。遅延値は基準増分の倍数とすることができるが、
等間隔でない別の値でもよい。
求められる。ここでｗni，ｎ＝０,...,Ｉ−１は重み付
け係数であり、最も簡単な場合には全て１に等しくセッ
トされる。遅延が遅延素子９により形成されるなら、ｉ
＝０,...,Ｉ−１に対してａi＝１をセットすることがで
きる。遅延が基準目標物１０のシフトにより形成される
なら、係数ａiは、距離が入力信号の強度に及ぼす影響
を考慮しなければならない。しかし係数ａiを同様に可
変と見なし、式（１４）の最小化から検出することもで
きる。遅延値は基準増分の倍数とすることができるが、
等間隔でない別の値でもよい。
【図１】本発明の方法を実施するのに適した装置のブロ
ック回路図である。
ック回路図である。
【図２】受信信号、基準関数、および受信信号と、基準
関数を時間的にずらすことにより作成された比較関数と
の間の内積により形成された相関関数を時間について示
す線図である。
関数を時間的にずらすことにより作成された比較関数と
の間の内積により形成された相関関数を時間について示
す線図である。
【図３ａ】第１の方法による、基準関数の検出のための
概略図である。
概略図である。
【図３ｂ】第２の方法による、基準関数の検出のための
概略図である。
概略図である。
１ 計算ユニット ２ 入力ユニット ３ 出力ユニット ４ カウンタ ５ 発振器 ６ 送信器 ７ Ａ／Ｄ変換器 ８ 受信器 ９ 遅延素子 １０ 基準目標物 ｅ 受信信号 ｒ 基準関数 ｆ 相関関数 Δ サンプリング増分 δ 基準増分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルンハルト ゲヒター スイス国 バルガッハ カプフシュトラー セ ４ベー (72)発明者 ゲオルク オラヴェック スイス国 ディーポルツアウ エアレンヴ ェーク 10 (72)発明者 エルンスト ラムスアイアー スイス国 ヴィートナウ エゲトホルツシ ュトラーセ 11 (72)発明者 エスター ルティスハウザー スイス国 ヴォルフハルデン ヒンターエ ッグ 173
Claims (20)
- 【請求項１】 少なくとも１つの目標物の距離測定方法
であって、 送信器から少なくとも１つの光学的パルスを目標物に対
して送信し、 少なくとも１つのパルスの反射を受信器により捕獲し、
受信信号（ｅ）に変換し、記憶し、それぞれ伝搬時間を
入力信号の受信時点から検出し、そこから距離を計算す
る方法において、 少なくとも１つの受信時点を検出するために、入力信号
（ｅ）を比較関数と比較し、 該比較関数は、先行して検出され、記憶された基準関数
（ｒ）の種々異なる時間インターバルだけずらされた例
値であり、 もっとも相似する比較関数に相応する時間インターバル
から受信時点を少なくとも近似的に検出する、ことを特
徴とする方法。 - 【請求項２】 少なくとも１つの受信時点の少なくとも
近似的な検出には、予め定められた固定のインターバル
に相応する複数の比較関数を基礎とする、請求項１記載
の方法。 - 【請求項３】 予め定められた固定のインターバルは固
定の基本インターバルの整数倍である、請求項２記載の
方法。 - 【請求項４】 次のような比較関数だけを使用する、す
なわち受信信号（ｅ）に対する相似の尺度を表す相似関
数がそれぞれ、所定の閾値（ε）を越える局所的最大値
を形成するような比較関数だけを使用する、請求項２ま
たは３記載の方法。 - 【請求項５】 相似関数として相関関数（ｒ）を使用す
る、請求項４記載の方法。 - 【請求項６】 相関関数の関数値はそれぞれ、受信信号
（ｅ）と比較関数との間スカラー積として計算される、
請求項５記載の方法。 - 【請求項７】 近似的に検出された受信時点から出発し
て、時間インターバル間の補間により正確な受信時点を
検出する、請求項２から６までのいずれか１項記載の方
法。 - 【請求項８】 補間を、支持値間で連続的な関数に補充
される相関関数（ｆ）の局所的最大値の検出によって行
う、請求項４から６までのいずれか１項記載の方法。 - 【請求項９】 補間を少なくとも一部では次のように実
行する、すなわち受信信号（ｅ）の、受信時点に相応す
る比較関数により定められるベクトル空間からの間隔
が、比較関数により定められるベクトル空間から出発し
て最小となるように実行し、ここで前記比較関数は近似
的に検出された受信時点に相応する、請求項７または８
記載の方法。 - 【請求項１０】 受信信号（ｅ）を、それぞれ固定のサ
ンプリング増分（Δ）の間隔で順次連続する時点でサン
プリングする、請求項１から９までのいずれか１項記載
の方法。 - 【請求項１１】 基準関数（ｒ）を、基準増分（δ）の
間隔で順次連続する一連の箇所で検出する、請求項１か
ら１０までのいずれか１項記載の方法。 - 【請求項１２】 基準増分（δ）は、整数＞１により分
割されたそれぞれのサンプリング増分（Δ）に相応す
る、請求項１０または１１記載の方法。 - 【請求項１３】 基準関数（ｒ）を検出するために、少
なくとも１つの光学的パルスを基準目標物（１０）に送
信し、相応の基準入力信号を基準関数（ｒ）の支持値の
検出のためにサンプリングする、請求項１から１２まで
のいずれか１項記載の方法。 - 【請求項１４】 時間的分解能を改善するために、基準
入力信号を種々異なる遅延値だけ時間的にずらす、請求
項１３記載の方法。 - 【請求項１５】 基準入力信号の時間的シフトを、送信
器（６）による光学的パルスの送信の遅延、または基準
入力信号の遅延により行う、請求項１４記載の方法。 - 【請求項１６】 基準入力信号の時間的シフトを、基準
目標物（１０）の距離の変化により行う、請求項１４記
載の方法。 - 【請求項１７】 Ｓ／Ｎ比を改善するために、光学的パ
ルスの送信および基準入力信号のサンプリングを繰り返
し、基準関数（ｒ）の支持値を形成するために同じ伝搬
時間に相応するサンプリング値を加算または平均化す
る、請求項１３から１６までのいずれか１項記載の方
法。 - 【請求項１８】 基準関数（ｒ）を支持値から出発して
補間により、連続的、有利には少なくとも一度連続的に
微分可能な関数に補充する、請求項１０から１７までの
いずれか１項記載の方法。 - 【請求項１９】 基準関数（ｒ）に対して項をたて、当
該項にしたがって基準関数が有限個のパラメータにより
固定可能であり、 パラメータを、基準入力信号と、遅延値だけ時間的にず
らされた基準関数の例値との比較から検出する、請求項
１４から１７までのいずれか１項記載の方法。 - 【請求項２０】 パラメータを検出するため、遅延値だ
け時間的にずらされた、基準関数（ｒ）の例値の重畳か
らの基準入力信号の間隔を最小にする、請求項１９記載
の方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP99106840A EP1043603A1 (de) | 1999-04-06 | 1999-04-06 | Verfahren zur Messung der Entfernung mindestens eines Ziels |
| EP99106840.4 | 1999-04-06 | ||
| US09/542,879 US6516286B1 (en) | 1999-04-06 | 2000-04-04 | Method for measuring the distance to at least one target |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000304862A true JP2000304862A (ja) | 2000-11-02 |
| JP4843128B2 JP4843128B2 (ja) | 2011-12-21 |
Family
ID=26152957
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000105448A Expired - Lifetime JP4843128B2 (ja) | 1999-04-06 | 2000-04-06 | 少なくとも１つの目標物の距離測定方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1043603A1 (ja) |
| JP (1) | JP4843128B2 (ja) |
| AT (1) | ATE232306T1 (ja) |
| CA (1) | CA2304083C (ja) |
| DE (1) | DE50001197D1 (ja) |
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| WO2015098469A1 (ja) * | 2013-12-27 | 2015-07-02 | 株式会社リコー | 測距装置、電子機器、測距方法、測距プログラム |
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- 1999-04-06 EP EP99106840A patent/EP1043603A1/de not_active Withdrawn
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- 2000-04-04 DE DE50001197T patent/DE50001197D1/de not_active Expired - Lifetime
- 2000-04-04 AT AT00107292T patent/ATE232306T1/de active
- 2000-04-05 CA CA2304083A patent/CA2304083C/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-04-06 JP JP2000105448A patent/JP4843128B2/ja not_active Expired - Lifetime
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