JP2002357658A - 周波数信号に対する処理方法及びこの処理方法の使用及び距離測定機器 - Google Patents
周波数信号に対する処理方法及びこの処理方法の使用及び距離測定機器Info
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Abstract
信号に対する処理方法ならびに相応の距離測定機器を提
供することである。 【解決手段】 上記課題は周波数信号に対する処理方法
においては周波数信号は2つの主成分に相応する2つの
周波数領域に分割され、周波数信号は2つの周波数領域
においてそれぞれ別個にフーリエ変換され、一方の周波
数領域において第1の複素時間信号に相応する周波数信
号のフーリエ変換されたものが発生され、他方の周波数
領域において第2の複素時間信号に相応する周波数信号
のフーリエ変換されたものが発生され、第2の時間信号
は第1の時間信号によって除算され、これによって第3
の時間信号が発生され、第3の時間信号がフーリエ変換
されることによって解決され、さらに上記課題は距離測
定機器においては測定区間は遅延区間を有することによ
って解決される。
Description
処理方法に関し、さらに本発明は周波数信号に対する処
理方法の使用に関し、さらに本発明は、送信器を有し、
受信器を有し、送信器から受信器へと経過する測定区間
及び送信器から受信器へと経過する少なくとも1つの基
準区間を有する、レーダー原理に基づいて電磁波によっ
て距離測定するための距離測定機器に関する。
る。この信号R(ω)は周波数スペクトルを記述し、周
波数ωに依存する振幅Rによって与えられる。これに相
応してここでは時間信号を時間tに依存する振幅rによ
って与えられる信号r(t)とする。
定のためには従来技術から音響波又は電磁波を利用する
様々な方法が周知である。この場合、音響波又は電磁波
が送信器からターゲットの方向に送信され、ターゲット
で反射され、受信器によって受信される。従って、充填
レベル測定のためには例えば電磁波が送信器から容器に
垂直に送信され、この容器に蓄積された媒体の表面で反
射され、受信器によって受信される。送信され反射され
た信号の伝播時間からこの場合送信器乃至は受信器から
この媒体の表面までの距離が直接的又は間接的に決定さ
れる。距離の直接的な決定のためには例えばパルス法を
使用する。このパルス法では距離測定のために短いパル
スから成る信号を使用する。この信号の伝播時間は非常
に短いという事実のために直接的な時間測定は実際には
排除され、この結果、サンプリング法が使用される。間
接的な距離決定は例えば周波数変調された時間的に連続
な高周波時間信号(Frequency Modulated Continuous W
ave、略してFMCW)を使用する方法によって行われ
る。この場合、連続的な周波数掃引において信号の周波
数がそれぞれ例えばリニアに大きくなり、この結果、反
射された信号の伝播時間は周波数掃引が反射の時点に到
達した周波数に対する差周波数を介して決定される。低
周波の差周波数を有する相応の時間信号は、大抵の場
合、一方で掃引信号が供給され他方で反射された信号が
供給されるミキサを介して発生される。
び信頼性を高めるためには、予め決定された既知の基準
区間を伝播する基準信号が使用される。この基準信号は
この場合送信器から反射表面を介して受信器に戻る本来
の測定区間を伝播する有効信号に対する正規化乃至は較
正として使用される。US4665403から例えばマ
イクロ波によって作動する充填レベル測定機器が公知で
あり、この充填レベル測定機器は基準線路の形式の基準
区間を有し、この基準線路には送信された信号が入力結
合され、この基準線路の端部で反射が行われ、この結
果、予め決定された既知の伝播区間に対する基準信号が
発生される。しかし、全基準区間が測定区間の一部分を
形成し、この結果、測定区間内に例えば部分透過性を有
する反射器を設け、送信された信号が基本的に完全にこ
の送信された信号を反射してしまう表面に到達する前
に、この部分透過性を有する反射器がこの送信された信
号の一部分を反射することも可能である。これに関して
は例としてDE4240491C2を参照してほしい。
問題を抱えている。非常に精確な距離測定のためには基
準区間のない簡単な装置ではしばしば十分ではない。し
かし、基準区間を使用する公知の方法では基準信号を評
価に取り入れることがしばしば困難である。とりわけパ
ルス法における理想的ではないパルス形態乃至はFMC
W法における分散及び振幅特性は評価を困難にし、この
結果、距離決定の精度及び信頼性は部分的に不十分であ
る。
の問題を回避乃至は補償するような、周波数信号に対す
る処理方法ならびに相応の距離測定機器を提供すること
である。
に対する処理方法においては、周波数信号はこの周波数
信号の2つの主成分に相応する少なくとも2つの周波数
領域に分割され、周波数信号はこれら2つの周波数領域
においてそれぞれ別個にフーリエ変換され、これによっ
て一方の周波数領域において第1の複素時間信号に相応
する周波数信号のフーリエ変換されたものが発生され、
他方の周波数領域において第2の複素時間信号に相応す
る周波数信号のフーリエ変換されたものが発生され、第
2の時間信号は第1の時間信号によって複素的に除算さ
れ、これによって第3の時間信号が発生され、この第3
の時間信号がフーリエ変換され、これによって処理され
た周波数信号が発生されることによって解決され、上記
課題は、距離測定機器においては、測定区間は遅延区間
を有することによって解決され、さらに上記課題は、距
離測定機器においては、複数の遅延区間が測定区間に対
して設けられており、それぞれ遅延区間のうちの1つは
測定区間に接続切り換え可能であり、又は、複数の遅延
区間が基準区間に対して設けられており、それぞれ遅延
区間のうちの1つは基準区間に接続切り換え可能である
ことによって解決される。
に対する本発明の処理方法は次のことを特徴とする。す
なわち、周波数信号がこの周波数信号の2つの主成分に
相応する少なくとも2つの周波数領域に分割され、周波
数信号はこれら2つの周波数領域においてそれぞれ別個
にフーリエ変換され、これによって一方の周波数領域に
おいて第1の複素時間信号に相応する周波数信号のフー
リエ変換されたものが発生され、他方の周波数領域にお
いて第2の複素時間信号に相応する周波数信号のフーリ
エ変換されたものが発生され、第2の時間信号は第1の
時間信号によって複素的に除算され、これによって第3
の時間信号が発生され、この第3の時間信号がフーリエ
変換され、これによって処理された周波数信号が発生さ
れることを特徴とする。
法は、前述のパルス法による距離測定の評価に直接適用
できる。同様に前述のFMCW法を使用する距離測定が
実施される場合には、付加的なステップが必要である。
すなわち、FMCW法の使用の際には、まず最初に時間
信号が、しかもミキサで発生された低周波信号が使用さ
れる。この低周波信号からフーリエ変換によってまず最
初に周波数信号がもとめられなければならない。
方法はなるほど広範に適用可能であるが、本発明の有利
な実施形態によれば、この方法はレーダー原理に基づく
パルス状電磁波乃至は時間的に連続する周波数変調され
た電磁波による距離測定の評価のために使用される。こ
れに関連して、有利には、さらに、周波数信号は測定区
間に沿った伝播時間に相応する有効信号と基準区間に沿
った伝播時間に相応する基準信号を含み、この周波数信
号の2つの主成分が有効信号乃至は基準信号に相応す
る。この場合、送信器から送信され表面で反射され受信
器により受信される有効信号は距離の本来の決定に使用
される。この有効信号の正規化乃至は較正は基準信号に
よって行われ、この基準信号は既知の予め決定された基
準区間を伝播することによって得られる。
少なくとも有効信号乃至は基準信号の半値幅だけ離れて
いる場合には、本発明の方法はとりわけ精確かつ確実な
結果をもたらすということが判明した。有利には、有効
信号の最大値は基準信号の最大値から少なくとも有効信
号乃至は基準信号の大きさの10%の幅だけ離れてい
る。とりわけ有利には有効信号の最大値は基準信号の最
大値から有効信号乃至は基準信号の大きさの10%の幅
の倍数だけ、有利には少なくとも5倍だけ離れている。
らに有利には大きな信号バンド幅が使用されることによ
って実施される。すなわち、有利には少なくとも500
MHzの周波数信号の変調ハンド幅が設けられる。この
ためにパルス法を使用する際には十分に短いパルス持続
時間が必要であり、他方でFMCW法を使用する際には
相応に大きな周波数偏移が使用されなければならない。
理方法は電磁波の所定の周波数領域に限定されない。し
かし、本発明の有利な実施形態では、電磁波としてとり
わけ可視又は赤外線スペクトル領域の光が使用される。
この場合、本発明の有利な実施形態では基準区間はレン
ズ表面における光の反射によって形成される。電磁波と
してとりわけ可視又は赤外線スペクトル領域の光を使用
する際には、本発明の他の有利な実施形態では、測定区
間及び/又は基準区間は少なくとも部分的に光導波路と
して構成される。原理的には、電磁波として光を使用す
る際には、先に言及された周波数変調は光の周波数の変
調だけを意味しないと見なされる。むしろ光強度も周波
数変調され得る。この結果、光は「変調されたキャリ
ア」として作用する。
としてマイクロ波が使用され、このマイクロ波は共通の
送受信アンテナを介して送受信されるか又は送信アンテ
ナを介して送信され受信アンテナを介して受信される。
この場合、本発明の有利な実施形態では、基準区間は送
受信アンテナ乃至は送信アンテナの予め決定された位置
におけるマイクロ波の反射によって形成される。特に有
利には、送受信アンテナ乃至は送信アンテナの予め決定
された位置は送受信アンテナ乃至は送信アンテナの端部
によって形成される。なぜなら、この端部では理想的で
はないインピーダンス終端のために送信された信号の部
分的な反射が行われるからである。
は、冒頭に記述された距離測定機器を前提として本発明
の第1の技術思想によれば、測定区間が遅延区間を有す
ることを特徴とする。従って、有効信号を基準信号から
明確に分離するために、これら2つの信号の相互の時間
的な分離は、基準区間の大きな長さを介して行われるの
ではなくて、測定区間に付加的に遅延区間が統合される
ことによって行われる。
た送信器から受信器までの電磁波の伝播時間は、基準区
間に沿った送信器から受信器までの電磁波の伝播時間よ
りも大きい。遅延区間を含む測定区間に沿った電磁波の
伝播速度と基準区間に沿った電磁波の伝播速度が等しい
場合、これは遅延区間を含む測定区間が基準区間よりも
長いことを意味する。この場合、とりわけ有利には、遅
延区間の最初から遅延区間の最後までの電磁波の伝播時
間は基準区間に沿った送信器から受信器までの電磁波の
伝播時間よりも大きい。これは遅延区間乃至は基準区間
に沿った伝播速度が等しい場合に遅延区間が基準区間よ
りも長いことを意味する。
課題を解決する本発明の距離測定機器は、冒頭に記述さ
れた距離測定機器を前提として、複数の遅延区間が設け
られており、それぞれ遅延区間のうちの1つは測定区間
に又は基準区間に接続切り換え可能であることを特徴と
する。この場合、原理的には、遅延区間は、選択的に測
定区間又は基準区間に接続切り換えされることに適して
いることが可能である。しかし、本発明の有利な実施形
態によれば、少なくとも2つの異なる遅延区間が設けら
れ、これらの少なくとも2つの異なる遅延区間がそれぞ
れ測定区間だけに接続切り換えされるか、又は、少なく
とも2つの異なる遅延区間が設けられ、これらの少なく
とも2つの異なる遅延区間が基準区間だけに接続切り換
えされるかのいずれかである。
えした場合に測定区間に沿った送信器から受信器への電
磁波の伝播時間が基準区間に沿った送信器から受信器へ
の電磁波の伝播時間とは異なるような遅延区間がそれぞ
れ接続切り換えされる。これには、測定区間乃至は基準
区間に沿った電磁波の伝播速度が等しい場合に遅延区間
が接続切り換えされた際に測定区間の長さが基準区間の
長さとは異なることが相応する。従って、測定区間又は
基準区間に接続切り換え可能な遅延区間のために、有効
信号乃至は基準信号に対して明らかに異なる伝播時間が
得られる。
備され、測定区間に又は基準区間に接続切り換えされる
ことによって、それぞれこれらの遅延区間のうちのちょ
うど1つが「アクティブ」な遅延区間として使用され
る。こうして、測定距離すなわち送信された有効信号を
反射する表面から送信器乃至は受信器までの距離の非常
に大きな領域に対して、有効信号と基準信号との間に明
白な伝播時間差が生じることが可能である。すなわち、
有効信号と基準信号との間の時間的間隔があまりにも小
さい場合には、簡単に比較的長い遅延区間が接続切り換
えされる。この結果、有効信号と基準信号との間に十分
に大きな時間的な間隔が生じる。
周波数領域の使用に限定されない。しかし、本発明の有
利な実施形態によれば、電磁波としてとりわけ可視又は
赤外線スペクトル領域の光が設けられ、遅延区間は光学
的スイッチによって接続切り換え乃至は遮断切り換え可
能である。とりわけこの場合光学的スイッチとして透過
型LCDセルが使用される。
の処理方法ならびに本発明の距離測定機器を実施する多
数の方法がある。これについては、主請求項に従属する
特許請求項及び図面に関連して本発明の有利な実施例の
次の詳しい記述を参照されたい。
説明する。
よる距離測定機器の構成が概略的に見て取れる。この距
離測定機器は測定区間1及び基準区間2を有する。測定
区間1は送信器3から表面4に向かい、この表面4で送
信器3から送信された信号が反射され、受信器5へと戻
る。2つの遅延区間6が設けられており、これら2つの
遅延区間6は基準区間2に接続切り換え可能である。
て取れる距離測定機器では電磁波として可視スペクトル
領域の光が使用される。これによって遅延区間6を含む
基準区間2を光導波路として構成することができる。基
準区間2に対する光導波路6の接続切り換え乃至は遮断
切り換えは図1には概略的にしか図示されていない光学
的スイッチ7を介して行われる。この光学的スイッチ7
は透過型LCDセルとして構成されている。
遅延区間6は異なった長さを有する。外側の乃至は上の
遅延区間6は内側の乃至は下の遅延区間6より長い。こ
の結果、送信器3から表面4を経てさらに受信器5まで
の距離によって決定される測定区間1の長さに依存し
て、常に測定区間1に沿った有効信号の伝播時間乃至は
基準区間2に沿った基準信号の伝播時間が十分に異なる
ような、遅延区間6を含む基準区間2の長さが選択され
る。
対する測定区間1に沿った有効信号の伝播時間の十分に
大きな差は、本発明の第2の有利な実施例の図2から見
て取れる距離測定機器では、遅延区間6が測定区間1に
統合されていることによって得られる。この場合、図2
では、この本発明の第2の有利な実施例の遅延区間6が
基準区間2よりも大きな長さを有することは概略的にし
か示されていない。これによって、送信器3乃至は受信
器5から有効信号を反射する表面4までの距離には依存
せずに、遅延区間6を含む測定区間1が基準区間2より
も長いことが保証される。
信号に対する処理方法の経過が概略的に図3に図示され
ている。この処理方法はFMCW法の例において記述さ
れる。最上部には距離測定機器の受信器5から得られる
時間信号r(t)が図示されている。この時間信号r
(t)は基準信号S1(t)及び有効信号S2(t)の
和を受信器5の増幅率g(t)で乗算することから得ら
れる。この時間信号r(t)は受信器5においてここに
は図示されていないミキサによって発生される。本発明
の第3の有利な実施例による処理方法を適用する周波数
信号を発生するために、時間信号r(t)はフーリエ変
換され、この結果、周波数信号R(ω)が得られる。図
3から見て取れるように、この周波数信号R(ω)は基
本的に2つの主成分を有し、これら2つの主成分は基準
信号S1(t)乃至は有効信号S2(t)に相応する。
やこの周波数信号R(ω)のこれら2つの主成分のうち
のそれぞれ一方を有する2つの互いに異なる周波数領域
に分割される。この結果、2つの周波数信号R1(ω)
及びR2(ω)が得られる。これら2つの周波数信号R
1(ω)及びR2(ω)は次いでそれぞれフーリエ変換
され、これにより第1の複素時間信号r1(t)及び第
2の複素時間信号r2(t)が、基準信号乃至は有効信
号に相応して、得られる。その後で、第2の時間信号r
2(t)が第1の時間信号r1(t)によって複素的に
除算され、これが時間信号sg(t)をもたらす。この
時間信号sg(t)はさらにフーリエ変換され、これに
よって処理された周波数信号Sg(ω)が得られる。こ
の処理された周波数信号は今や基準信号で正規化乃至は
較正されており、送信器3乃至は受信器5から表面4ま
での距離を決定するためにこの距離測定機器において周
知のやり方で後続処理される。
施例による距離測定機器が見て取れる。この距離測定機
器は電磁波として可視スペクトル領域の光を使用する。
送信器3としてレーザーダイオードが設けられている。
このレーザーダイオードから送信された光はレンズ8に
よって一方で測定区間1へ他方で基準区間2へ入力結合
される。測定区間1はさらに偏向ミラー9、10を介し
て表面4に向かう。この表面4で光が反射される。反射
された光は集光レンズ11に入射し、この集光レンズ1
1によって遅延区間6の入力側にフォーカスされる。遅
延区間6は光導波路から形成される。遅延区間6を形成
する光導波路は、図4から少なくとも概略的に見て取れ
るように、基準区間2を形成する光導波路と少なくとも
ちょうど同じ長さを有する。こうして常に遅延区間6を
含む測定区間1に沿った有効信号の伝播時間が基準区間
2に沿った基準信号の伝播時間より明らかに長いことが
保証される。この結果、有効信号は基準信号から明確に
分離され、これにより本発明の方法は問題なく適用され
る。
が設けられている本発明の第1の有利な実施例の距離測
定機器の概略図である。
発明の第2の有利な実施例の距離測定機器の概略図であ
る。
から得られる周波数信号に対する処理方法の概略図であ
る。
な実施例の距離測定機器の構成の概略図である。
Claims (14)
- 【請求項1】 周波数信号に対する処理方法において、 周波数信号は該周波数信号の2つの主成分に相応する少
なくとも2つの周波数領域に分割され、前記周波数信号
はこれら2つの周波数領域においてそれぞれ別個にフー
リエ変換され、これによって一方の周波数領域において
第1の複素時間信号に相応する前記周波数信号のフーリ
エ変換されたものが発生され、他方の周波数領域におい
て第2の複素時間信号に相応する前記周波数信号のフー
リエ変換されたものが発生され、前記第2の時間信号は
前記第1の時間信号によって複素的に除算され、これに
よって第3の時間信号が発生され、該第3の時間信号が
フーリエ変換され、これによって処理された周波数信号
が発生されることを特徴とする、周波数信号に対する処
理方法。 - 【請求項2】 周波数信号は測定区間(1)に沿った伝
播時間に相応する有効信号と基準区間(2)に沿った伝
播時間に相応する基準信号を含み、前記周波数信号の2
つの主成分は前記有効信号乃至は前記基準信号に相応す
ることを特徴とする、請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 パルス状電磁波によって乃至は時間的に
連続する周波数変調された電磁波によってレーダー原理
に基づいて距離測定を評価するための請求項1又は2記
載の方法の使用。 - 【請求項4】 電磁波としてとりわけ可視又は赤外線ス
ペクトル領域の光が使用され、測定区間(1)及び/又
は基準区間(2)は少なくとも部分的に光導波路として
構成されていることを特徴とする、請求項3記載の使
用。 - 【請求項5】 レーダー原理に基づいて電磁波によって
距離測定するための距離測定機器であって、送信器
(3)を有し、受信器(5)を有し、前記送信器(3)
から前記受信器(5)へと経過する測定区間(1)及び
前記送信器(3)から前記受信器(5)へと経過する少
なくとも1つの基準区間(2)を有する、レーダー原理
に基づいて電磁波によって距離測定するための距離測定
機器において、 前記測定区間(1)は遅延区間(6)を有することを特
徴とする、レーダー原理に基づいて電磁波によって距離
測定するための距離測定機器。 - 【請求項6】 遅延区間(6)は基準区間(2)よりも
長いことを特徴とする、請求項5記載の距離測定機器。 - 【請求項7】 電磁波として、とりわけ可視又は赤外線
スペクトル領域の光が設けられ、遅延区間(6)は光導
波路として構成されていることを特徴とする、請求項5
又は6記載の距離測定機器。 - 【請求項8】 基準区間(2)は少なくとも部分的に光
導波路として構成されていることを特徴とする、請求項
5〜7のうちの1項記載の距離測定機器。 - 【請求項9】 レーダー原理に基づいて電磁波によって
距離測定するための距離測定機器であって、送信器
(3)を有し、受信器(5)を有し、前記送信器(3)
から前記受信器(5)へと経過する測定区間(1)及び
前記送信器(3)から前記受信器(5)へと経過する少
なくとも1つの基準区間(2)を有する、レーダー原理
に基づいて電磁波によって距離測定するための距離測定
機器において、 複数の遅延区間(6)が前記測定区間(1)に対して設
けられており、それぞれ前記遅延区間(6)のうちの1
つは前記測定区間(1)に接続切り換え可能であり、又
は、複数の遅延区間(6)が前記基準区間(2)に対し
て設けられており、それぞれ前記遅延区間(6)のうち
の1つは前記基準区間(2)に接続切り換え可能である
ことを特徴とする、レーダー原理に基づいて電磁波によ
って距離測定するための距離測定機器。 - 【請求項10】 遅延区間(6)が接続切り換えされた
場合に測定区間(1)に沿った送信器(3)から受信器
(5)への電磁波の伝播時間が、基準区間(2)に沿っ
た前記送信器(3)から前記受信器(5)への電磁波の
伝播時間とは異なるような遅延区間(6)がそれぞれ接
続切り換えされることを特徴とする、請求項9記載の距
離測定機器。 - 【請求項11】 遅延区間(6)が接続切り換えされた
場合に測定区間(1)の長さが基準区間(2)の長さと
は異なることを特徴とする、請求項10記載の距離測定
機器。 - 【請求項12】 電磁波としてとりわけ可視又は赤外線
スペクトル領域の光が設けられており、遅延区間(6)
は光学的スイッチ(7)によって接続切り換え乃至は遮
断切り換え可能であることを特徴とする、請求項9〜1
1のうちの1項記載の距離測定機器。 - 【請求項13】 光学的スイッチ(7)として透過型L
CDセルが設けられていることを特徴とする、請求項1
2記載の距離測定機器。 - 【請求項14】 遅延区間(6)は光導波路として構成
されていることを特徴とする、請求項12又は13記載
の距離測定機器。
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