JP2004085473A - Distance measuring system - Google Patents

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JP2004085473A
JP2004085473A JP2002249339A JP2002249339A JP2004085473A JP 2004085473 A JP2004085473 A JP 2004085473A JP 2002249339 A JP2002249339 A JP 2002249339A JP 2002249339 A JP2002249339 A JP 2002249339A JP 2004085473 A JP2004085473 A JP 2004085473A
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Hirokazu Tatsubo
田壷 宏和
Satoru Inoue
井上 悟
Kazuo Takashima
高嶋 和夫
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a distance measuring system capable of quickly and precisely measuring a distance regardless of the distance to a target. <P>SOLUTION: A bandwidth of a scanning signal generated by a signal generator 12 according to the distance X operated by a distance operator 17 is controlled. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、目標物までの距離を測定する距離測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図13は例えば「信学技報 Vol.100 No.695 P161〜P166」に示された従来の距離測定装置を示す構成図であり、図において、1は目標物、2は周波数を逐次切り替えながら掃引信号を発信する信号発生器、3は信号発生器2から発信された掃引信号を目標物1に向けて送信するとともに、その掃引信号と目標物1に反射された掃引信号から為る定在波を受信するアンテナ、4はアンテナ3により受信された定在波の振幅を検出する定在波検出器、5は信号発生器2から発信される掃引信号の周波数を制御する周波数制御器、6は定在波検出器4により検出された定在波の振幅が極小値を取る掃引信号の周波数fを検出し、その周波数fに基づいてアンテナ3から目標物1までの距離xを演算する距離演算器である。
【0003】
次に動作について説明する。
アンテナ3から目標物1までの距離を測定する場合、信号発生器2が周波数制御器5の指示の下、周波数を逐次切り替えながら掃引信号を発信する。ただし、周波数制御器5は、目標物1までの距離に応じて信号発生器2から発信される掃引信号の周波数fを変更するが、その周波数fの帯域幅は目標物1までの距離が変化しても変更することはない。また、周波数を逐次切り替える際の周波数fの掃引ステップ幅も常に同一である。
【0004】
アンテナ3は、信号発生器2から掃引信号を受けると、その掃引信号を目標物1に向けて送信する。
また、アンテナ3は、目標物1に向けて送信した掃引信号と目標物1に反射された掃引信号から為る定在波を受信する。
定在波検出器4は、アンテナ3が定在波を受信すると、その定在波の振幅を検出する。
【0005】
距離演算器6は、定在波検出器4が定在波の振幅を検出すると、周波数制御器5からその定在波の振幅が極小値になるときの掃引信号の周波数f,fN+kを入力する。ただし、fはN番目に検出した極小値に係る掃引信号の周波数、fN+kはN+k番目に検出した極小値に係る掃引信号の周波数である。
そして、距離演算器6は、下記に示すように、その掃引信号の周波数fと周波数fN+kの周波数差fを求め、その周波数差fに基づいてアンテナ3から目標物1までの距離xを演算する。
=fN+k−f              (1)
x=k・v/(2f)            (2)
ただし、vは掃引信号の伝搬速度である。
【0006】
なお、図13の距離演算器6における最小探知距離xminと掃引信号の帯域幅fWmaxの間には次のような関係があるため、目標物1までの距離xが近くなる程、掃引信号の帯域幅fWmaxを広くする必要がある(図14を参照)。したがって、周波数制御器5は、目標物1までの距離xが近くても、遠くても測定することができるようにするため、最小探知距離xminに合わせて掃引信号の帯域幅fWmaxを設定している。
Wmax=v/(2xmin)         (3)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従来の距離測定装置は以上のように構成されているので、目標物1までの距離が近くても、遠くても測定することができる。しかし、最小探知距離xminに合わせて掃引信号の帯域幅fWmaxを設定しているため、目標物1までの距離が遠くなると、不要な周波数領域まで周波数を掃引することになる。したがって、周波数の掃引時間が長くなるため、測定結果を得るまでに長時間を要する課題があった。
また、目標物1までの距離が変化しても、周波数を逐次切り替える際の掃引信号の掃引ステップ幅を変更しないため、目標物1までの距離が遠くなる程、分解能が劣化して測定精度が劣化する課題があった。
【0008】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、目標物までの距離に関わらず、迅速かつ高精度に距離を測定することができる距離測定装置を得ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る距離測定装置は、距離演算手段により演算された距離に応じて信号発信手段から発信される掃引信号の帯域幅を制御するようにしたものである。
【0010】
この発明に係る距離測定装置は、距離演算手段により演算された距離に応じて信号発信手段から発信される掃引信号の掃引ステップ幅を制御するようにしたものである。
【0011】
この発明に係る距離測定装置は、距離演算手段により演算された距離に応じて信号発信手段から発信される掃引信号の帯域幅を制御するとともに、その掃引信号の掃引ステップ幅を制御するようにしたものである。
【0012】
この発明に係る距離測定装置は、周波数検出手段により検出された複数の周波数間の差分周波数を求め、掃引信号の伝搬速度を当該差分周波数で除算して目標物までの距離を演算するようにしたものである。
【0013】
この発明に係る距離測定装置は、目標物の停止位置を示す停止位置指令を入力すると、その停止位置を考慮して、掃引信号の帯域幅又は掃引ステップ幅を制御するようにしたものである。
【0014】
この発明に係る距離測定装置は、今回演算された距離と前回演算された距離とを比較して目標物の移動方向を判定し、その移動方向を考慮して、掃引信号の帯域幅又は掃引ステップ幅を制御するようにしたものである。
【0015】
この発明に係る距離測定装置は、今回演算された距離と前回演算された距離とを比較して目標物の移動位置を予測し、その移動位置を考慮して、掃引信号の帯域幅又は掃引ステップ幅を制御するようにしたものである。
【0016】
この発明に係る距離測定装置は、周波数検出手段が周波数を検出すると、掃引信号の伝搬速度を当該周波数で除算して目標物までの距離を演算するようにしたものである。
【0017】
この発明に係る距離測定装置は、周波数検出手段により検出された周波数の検出順位を計数し、その検出順位を考慮して目標物までの距離を演算するようにしたものである。
【0018】
この発明に係る距離測定装置は、定在波検出手段の検出結果をフーリエ変換して、極値を取る各掃引信号の周波数間の差分周波数を検出するようにしたものである。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による距離測定装置を示す構成図であり、図において、11は目標物、12は周波数を逐次切り替えながら目標物11に向けて掃引信号を発信する信号発生器(信号発信手段)、13は伝送路である。ただし、伝送路13は有線でも無線(空中)でもよい。また、目標物11は伝送路13や掃引信号の種類に応じて任意に選択することができる。
14は信号発生器12から発信された掃引信号と目標物11に反射された掃引信号から為る定在波の振幅Aを検出する定在波検出器(定在波検出手段)、15は定在波検出器14により検出された定在波の振幅Aが極小値を取る掃引信号の周波数f,fi+jを検出する極値周波数検出器(周波数検出手段)である。
【0020】
16は極値周波数検出器15により検出された掃引信号の周波数fと周波数fi+j間の差分周波数(以下、再現周波数間隔fという)を求める再現周波数間隔演算器、17は掃引信号の伝搬速度vを再現周波数間隔fで除算して目標物11までの距離xを演算する距離演算器である。なお、再現周波数間隔演算器16及び距離演算器17から距離演算手段が構成されている。
18は距離演算器17により演算された距離xに応じて信号発生器12から発信される掃引信号の帯域幅を制御する帯域幅制御器(制御手段)である。
【0021】
次に動作について説明する。
定在波検出器14から目標物11までの距離を測定する場合、信号発生器12が周波数を逐次切り替えながら目標物11に向けて掃引信号を発信する。ただし、信号発生器12から発信される掃引信号の帯域幅は、帯域幅制御器18の指示によって設定される。
信号発生器12から発信された掃引信号は、図11に示すように、目標物11により反射されることにより、伝送路13上に定在波Sが発生する。ただし、以下、目標物11における反射係数Γが“−1”であると仮定して説明を行う。
【0022】
定在波検出器14は、信号発生器12が目標物11に向けて掃引信号を発信することにより、伝送路13上に定在波Sが発生すると、その定在波の振幅Aを検出する。
定在波の振幅Aは、図2に示すように、掃引信号の周波数fに対して周期性をもった波形となる。
【0023】
極値周波数検出器15は、定在波検出器14が定在波の振幅Aを検出すると、その定在波の振幅Aが極小値を取る掃引信号の周波数f,fi+jを検出する。
ここで、信号発生器12から発信される掃引信号の周波数がfのとき、伝送路13上に発生する定在波Sの極小値の個数がi個であるとすると(図11を参照)、定在波検出器14から目標物11までの距離xは次のようになる。
x=i・v/(2f)               (4)
同様に、信号発生器12から発信される掃引信号の周波数がfi+jのとき、伝送路13上に発生する定在波Sの極小値の個数が(i+j)個であるとすると(図11を参照)、定在波検出器14から目標物11までの距離xは次のようになる。
x=(i+j)・v/(2fi+j)         (5)
【0024】
式(4),(5)からiを消去すると次のようになり、極小値を取る2つの周波数の差である再現周波数間隔fと、その間の極小値の個数jが分かれば、距離xを求めることができることが分かる。
x=j・v/{2(fi+j−f)}
=j・v/(2f)               (6)
【0025】
再現周波数間隔演算器16は、極値周波数検出器15が掃引信号の周波数f,fi+jを検出すると、その周波数fi+jから周波数fを減算して、再現周波数間隔fを演算する。
=fi+j−f             (7)
距離演算器17は、再現周波数間隔演算器16が再現周波数間隔fを演算すると、掃引信号の伝搬速度vと再現周波数間隔fを式(6)に代入して、定在波検出器14から目標物11までの距離xを演算する。
【0026】
なお、このときの極小値の個数jは、図3に示すように、極値周波数検出器15から周波数がfのときの定在波Sの極小値の個数iと、周波数がfi+jのときの定在波Sの極小値の個数(i+j)とを入力して、それらの差分である極小値の個数jを出力する極値カウンタ19を設ければ、簡単に得ることができるが、例えば、極値周波数検出器15が常にj=1となる周波数f,fi+1を検出するものであれば、極値カウンタ19は不要である。ただし、j=1に限る必要はなく、例えば、極値周波数検出器15が常にj=2となる周波数f,fi+2を検出するものであってもよい。
【0027】
帯域幅制御器18は、距離演算器17が定在波検出器14から目標物11までの距離xを演算すると、次回の演算に備えるため、その目標物11までの距離xに応じて信号発生器12から発信される掃引信号の帯域幅を制御する。
即ち、帯域幅制御器18は、式(6)から明らかなように、距離xが大きくなる程、再現周波数間隔fが小さくなるため、距離xが大きくなる程、例えば、掃引ステップ数を減らして、掃引信号の帯域幅を小さくする。これにより、不要な周波数領域での周波数掃引を回避することができるため、周波数の掃引時間を短くすることができる。
【0028】
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、距離演算器17により演算された距離xに応じて信号発生器12から発信される掃引信号の帯域幅を制御するように構成したので、目標物11までの距離に関わらず、迅速に距離を測定することができる効果を奏する。
【0029】
なお、この実施の形態1では、極値周波数検出器15が定在波の振幅Aが極小値を取る掃引信号の周波数f,fi+jを検出するものについて示したが、定在波の振幅Aが極大値を取る掃引信号の周波数f’,f’i+jを検出するようにしてもよい。
この場合、定在波検出器14から目標物11までの距離xは次のようになる。
x=(i’−1/2)・v/(2f’)       (8)
x=(i’+j’−1/2)・v/(2f’i+j)  (9)
以下、同様であるため説明を省略する。
【0030】
実施の形態2.
図4はこの発明の実施の形態2による距離測定装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
20は距離演算器17により演算された距離xに応じて信号発生器12から発信される掃引信号の掃引ステップ幅Δf(信号発生器12が掃引信号の周波数を切り替える際の切替幅)を制御するステップ幅制御器(制御手段)である。
【0031】
上記実施の形態1では、帯域幅制御器18が目標物11までの距離xに応じて信号発生器12から発信される掃引信号の帯域幅を制御し、掃引信号の掃引ステップ幅Δfは特に変更しないものについて示したが、ステップ幅制御器20が目標物11までの距離xに応じて信号発生器12から発信される掃引信号の掃引ステップ幅Δfを制御するようにしてもよい。
【0032】
即ち、定在波検出器14から目標物11までの距離xは、上述したように、式(6)を用いて演算することができるが、距離xにおける再現周波数間隔をf、掃引信号のステップ幅をΔfとすると、分解能Δxは次のようになる。

Figure 2004085473
ここで、Δf<<fであるため、式(10)は次のようになる。
Δx≒v・Δf/(2f )          (11)
【0033】
したがって、掃引ステップ幅Δfが一定の場合、再現周波数間隔fが小さくなる程(距離xが大きくなる程)、分解能Δxが劣化する。よって、常に分解能Δxを一定にするためには、距離xが大きくなるにしたがって掃引ステップ幅Δfを小さくする必要がある。
この実施の形態2では、ステップ幅制御器20が、距離演算器17により演算された距離xが変化しても、Δf/(2f )が一定になるように掃引ステップ幅Δfを制御する。
【0034】
以上で明らかなように、この実施の形態2によれば、距離演算器17により演算された距離xに応じて信号発生器12から発信される掃引信号の掃引ステップ幅Δfを制御するように構成したので、目標物11までの距離に関わらず、距離xの分解能Δxが一定になる結果、高精度に距離を測定することができる効果を奏する。
【0035】
実施の形態3.
上記実施の形態1では、帯域幅制御器18が目標物11までの距離xに応じて信号発生器12から発信される掃引信号の帯域幅を制御し、上記実施の形態2では、ステップ幅制御器20が目標物11までの距離xに応じて信号発生器12から発信される掃引信号の掃引ステップ幅Δfを制御するものについて示したが、図5に示すように、帯域幅制御器18とステップ幅制御器20の双方を搭載して、信号発生器12から発信される掃引信号の帯域幅と掃引ステップ幅Δfの両方を制御するようにしてもよい。
これにより、目標物11までの距離に関わらず、迅速かつ高精度に距離を測定することができる効果を奏する。
【0036】
実施の形態4.
図6はこの発明の実施の形態4による距離測定装置を示す構成図であり、図において、図5と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
21は目標物11の停止位置を示す停止位置指令を出力する停止位置指令器である。なお、停止位置指令器21は、例えば、目標物11が工作機械のアームに相当する場合、そのアームを目標位置に停止させる位置決め制御を実施する際、そのアームの目標位置を示す停止位置指令を工作機械に出力する制御回路に該当し、その停止位置指令を帯域幅制御器18及びステップ幅制御器20にも出力するようにしている。
【0037】
上記実施の形態1〜3では、帯域幅制御器18及びステップ幅制御器20が距離演算器17により演算された距離xに応じて掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを制御するものについて示したが、例えば、距離演算器17の演算結果が出力されていない初期段階では、帯域幅制御器18及びステップ幅制御器20が停止位置指令器21から出力される停止位置指令を入力し、その停止位置指令が示す目標物11の停止位置に応じて掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを制御するようにしてもよい。
【0038】
上記実施の形態1〜3の場合、距離演算器17の演算結果が出力されていない初期段階では、掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを予め用意されている初期値に設定する必要があるが、この実施の形態4では、目標物11の停止位置を示す停止位置指令を入力するようにしているので、距離演算器17の演算結果が出力されていない初期段階でも、目標物11までの概略の距離xを把握することができる。
したがって、掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを初期値に設定する場合よりも、掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを適正化することができる。
この実施の形態4によれば、初期段階から高精度に距離を測定することができる効果を奏する。
【0039】
なお、この実施の形態4では、距離演算器17の演算結果が出力されていない初期段階では、帯域幅制御器18及びステップ幅制御器20が停止位置指令器21から出力される停止位置指令にしたがって掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを制御し、距離演算器17から演算結果である距離xを受けると、以後、その距離xに応じて掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを制御することを想定しているが、距離演算器17の演算結果が出力されていない初期段階以外のときも、停止位置指令器21から出力される停止位置指令にしたがって掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを制御するようにしてもよい。
【0040】
実施の形態5.
図7はこの発明の実施の形態5による距離測定装置を示す構成図であり、図において、図5と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
22は距離演算器17により今回演算された距離x1と前回演算された距離x0とを比較して、目標物11の移動方向を判定する距離比較器(制御手段)である。
【0041】
上記実施の形態1〜3では、帯域幅制御器18及びステップ幅制御器20が距離演算器17により演算された距離xに応じて掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを制御するものについて示したが、目標物11が絶えず移動しているような場合、定在波検出器14が定在波の振幅Aを検出してから、距離演算器17が距離xを演算するまでの間も移動することが考えられるので、迅速かつ高精度に距離を測定するために制御した掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfが最適値でなくなることが起こり得る。
【0042】
そこで、この実施の形態5では、距離比較器22が距離演算器17により今回演算された距離x1と前回演算された距離x0とを比較して、目標物11の移動方向を判定し、帯域幅制御器18及びステップ幅制御器20が、目標物11の移動方向を考慮して、掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを制御するようにする。
【0043】
具体的には、目標物11の移動方向が定在波検出器14から遠ざかる方向にある場合には、距離比較器22が距離演算器17により演算された距離x1に対して所定の設定値を加算し、帯域幅制御器18及びステップ幅制御器20が、その加算結果に応じて掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを制御するようにする。
一方、目標物11の移動方向が定在波検出器14に近づく方向にある場合には、距離比較器22が距離演算器17により演算された距離x1から所定の設定値を減算し、帯域幅制御器18及びステップ幅制御器20が、その減算結果に応じて掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを制御するようにする。
これにより、目標物11が絶えず移動しているような場合でも、迅速かつ高精度に距離を測定することができる効果を奏する。
【0044】
実施の形態6.
上記実施の形態5では、距離演算器17により今回演算された距離x1と前回演算された距離x0とを比較して目標物11の移動方向を判定し、その移動方向を考慮して、掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを制御するものについて示したが、距離演算器17により今回演算された距離x1と前回演算された距離x0とを比較して目標物11の移動位置を予測し、その移動位置を考慮して、掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを制御するようにしてもよい。
【0045】
具体的には、距離比較器22が距離演算器17により今回演算された距離x1と前回演算された距離x0から移動距離x0−x1を計算するとともに、前回演算時t0と今回演算時t1の時間差t0−t1を計算する。
そして、距離比較器22は、その移動距離x0−x1を時間差t0−t1で除算して、目標物11の移動速度eを計算する。
e=(x0−x1)/(t0−t1)         (12)
距離比較器22は、上記のようにして、目標物11の移動速度eを計算すると、定在波検出器14が定在波の振幅Aを検出してから、距離演算器17が距離xを演算するまでに要する時間Tと、目標物11の移動速度eと、距離演算器17により今回演算された距離x1とから目標物11の移動位置x2を予測する。
x2=x1+e・T                 (13)
【0046】
帯域幅制御器18及びステップ幅制御器20は、距離比較器22が目標物11の移動位置x2を予測すると、その移動位置x2に応じて掃引信号の帯域幅や掃引ステップ幅Δfを制御するようにする。
これにより、目標物11が絶えず移動しているような場合でも、迅速かつ高精度に距離を測定することができる効果を奏する。
【0047】
実施の形態7.
図8はこの発明の実施の形態7による距離測定装置を示す構成図であり、図において、図4と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
23は極値周波数検出器15が定在波の振幅Aが極小値(または極大値)を取る掃引信号の周波数fmin(またはfmax)を検出すると、掃引信号の伝搬速度vを周波数fmin(またはfmax)で除算して目標物11までの距離xを演算する距離演算器(距離演算手段)である。
【0048】
上記実施の形態1〜6では、再現周波数間隔演算器16が極値周波数検出器15により検出された周波数f,fi+jから再現周波数間隔fを求め、距離演算器17が掃引信号の伝搬速度vを再現周波数間隔fで除算して目標物11までの距離xを演算するものについて示したが、極値周波数検出器15が定在波の振幅Aが極小値(または極大値)を取る掃引信号の周波数fmin(またはfmax)を検出すると、距離演算器23が掃引信号の伝搬速度vを周波数fmin(またはfmax)で除算して目標物11までの距離xを演算するようにしてもよい。
【0049】
即ち、この実施の形態7では、再現周波数間隔演算器16を搭載せず、下記に示すように、定在波の振幅Aが極小値(または極大値)を取る掃引信号の周波数fmin(またはfmax)に基づいて目標物11までの距離xを演算する(図9を参照)。
x=v/(2fmin)            (14)
x=v/(4fmax)            (15)
【0050】
ここで、例えば、掃引信号の伝搬速度vが3×10m/s、距離xの測定範囲が1cm<x<2cmであるとすると、測定に必要な周波数fminの帯域幅は7.5GHzとなる。また、測定に必要な周波数fmaxの帯域幅は3.75GHzとなる。
7.5GHz<fmin<15GHz
3.75GHz<fmax<7.5GHz
同様の条件により、上記実施の形態1の式(4)に当て嵌めると、測定に必要な再現周波数間隔fは7.5GHzから15GHzの範囲となる。
7.5GHz<f<15GHz
【0051】
ただし、上記実施の形態1〜6では、少なくとも極小値(または極大値)となる周波数を2つ見つけなければ、再現周波数間隔fを求めることができないため、測定に必要な周波数fの帯域幅は30GHzとなる。即ち、距離xの測定範囲の下限値である1cmに着目すると、その下限値に対応する再現周波数間隔fの上限値(=15GHz)において、±15GHzの帯域幅が必要となるので、測定に必要な周波数fの帯域幅は30GHzとなる。
したがって、この実施の形態7によれば、定在波の振幅Aが極小値を取る掃引信号の周波数fminを検出する場合、上記実施の形態1〜6よりも、掃引信号の帯域幅を1/4にすることができるため、掃引時間を短縮することができる。なお、定在波の振幅Aが極大値を取る掃引信号の周波数fmaxを検出する場合には、上記実施の形態1〜6よりも、掃引信号の帯域幅を1/8にすることができる。
【0052】
また、距離xの分解能Δxについて考えると、信号発生器12の掃引開始周波数をf、掃引ステップ幅をΔf、ステップ数をnとすると、信号発生器12の駆動周波数fは、次のように表される。
=f+Δf・(n−1)            (16)
駆動周波数fにおいて、振幅Aが極小値(または極大値)となる距離をxとすると、分解能Δxは次のように表される。
Figure 2004085473
【0053】
式(17)において、f>>Δfとすると、式(17)は次のように表される。
Δx≒v/{2・Δf(n+f/Δf)}  (18)
式(18)は、掃引ステップ数nの値が小さい程、分解能Δxが粗いことを示している。
したがって、この実施の形態7におけるステップ幅制御器20は、分解能Δxが一定になるように、ステップ数nの値に応じて掃引ステップ幅Δfを変化させる。
【0054】
例えば、総ステップ数が100、n=1,2,・・・,100のときの掃引ステップ幅がΔf,Δf,・・・,Δf100であるときは、1+f/Δf=2+f/Δf=・・・=n+f/Δfとなれば、式(18)の右辺は一定値となる。
また、式(18)の右辺を一定値にするために、例えば、ステップ幅制御器20のステップ幅を次のようにすれば、一定の分解能にて測定が可能となる。
Figure 2004085473
【0055】
以上で明らかなように、この実施の形態7によれば、極値周波数検出器15が定在波の振幅Aが極小値(または極大値)を取る掃引信号の周波数fmin(またはfmax)を検出すると、距離演算器23が掃引信号の伝搬速度vを周波数fmin(またはfmax)で除算して目標物11までの距離xを演算するように構成したので、上記実施の形態1〜6よりも迅速に距離を測定することができる効果を奏する。
【0056】
なお、この実施の形態7では、ステップ幅制御器20が目標物11までの距離xに応じて信号発生器12から発信される掃引信号の掃引ステップ幅Δfを制御するものについて示したが、帯域幅制御器18が目標物11までの距離xに応じて信号発生器12から発信される掃引信号の帯域幅を制御するようにしてもよい。
【0057】
実施の形態8.
図10はこの発明の実施の形態8による距離測定装置を示す構成図であり、図において、図8と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
24は極値周波数検出器15により検出された周波数fmin(またはfmax)の検出順位を計数する極値カウンタ(距離演算手段)である。
【0058】
上記実施の形態7では、特に言及していないが、信号発生器12は、通常、周波数fを一番低い状態から除々に高くしていくため、極値周波数検出器15は、定在波の振幅Aが極小値(または極大値)を取る複数の周波数のうち、最も周波数が低い周波数fmin(またはfmax)を検出する。
しかし、周波数が低い周波数fmin(またはfmax)よりも、周波数が高い周波数fmin(またはfmax)の方が、図9に示すように、振幅Aの極小値(または極大値)の検出点が急峻になり、検出精度が向上すると考えられる。
【0059】
そこで、この実施の形態8では、極値カウンタ24が極値周波数検出器15により検出された周波数fmin(またはfmax)の検出順位mを計数し、その検出順位mを考慮して目標物11までの距離xを演算する。
x=m・v/(2fmin)        (19)
x=(m−1/2)・v/(2fmax)  (20)
以下、上記実施の形態7と同様であるため説明を省略する。
この実施の形態8によれば、上記実施の形態7よりも、距離の測定精度を高めることができる効果を奏する。
【0060】
実施の形態9.
図12はこの発明の実施の形態9による距離測定装置を示す構成図であり、図において、図8と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
25は定在波検出部14の検出結果をフーリエ変換して、再現周波数間隔fを検出するフーリエ変換器(周波数検出手段)である。
【0061】
上記実施の形態1〜6では、極値周波数検出器15が定在波検出器14により検出された定在波の振幅Aが極小値を取る掃引信号の周波数f,fi+jを検出し、再現周波数間隔演算器16が掃引信号の周波数f,fi+jから再現周波数間隔fを求めるものについて示したが、フーリエ変換器25が定在波検出部14の検出結果をフーリエ変換して、再現周波数間隔fを検出するようにしてもよい。
【0062】
具体的には、フーリエ変換器25は、定在波検出部14の検出結果をフーリエ変換して定在波の振幅Aのスペクトルを解析すると特徴的な周波数が現われ、その特徴的な周波数が再現周波数間隔fに相当するので、その特徴的な周波数を距離演算器23に出力するようにする。
これにより、迅速かつ高精度に再現周波数間隔fを検出することができるとともに、目標物11を複数設けた場合においても、同時に複数の目標物による定在波の特徴的な周波数を求めることが可能となる。
【0063】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、距離演算手段により演算された距離に応じて信号発信手段から発信される掃引信号の帯域幅を制御するように構成したので、目標物までの距離に関わらず、迅速に距離を測定することができる効果がある。
【0064】
この発明によれば、距離演算手段により演算された距離に応じて信号発信手段から発信される掃引信号の掃引ステップ幅を制御するように構成したので、目標物までの距離に関わらず、高精度に距離を測定することができる効果がある。
【0065】
この発明によれば、距離演算手段により演算された距離に応じて信号発信手段から発信される掃引信号の帯域幅を制御するとともに、その掃引信号の掃引ステップ幅を制御するように構成したので、目標物までの距離に関わらず、迅速かつ高精度に距離を測定することができる効果がある。
【0066】
この発明によれば、周波数検出手段により検出された複数の周波数間の差分周波数を求め、掃引信号の伝搬速度を当該差分周波数で除算して目標物までの距離を演算するように構成したので、構成の複雑化を招くことなく、高精度に目標物までの距離を演算することができる効果がある。
【0067】
この発明によれば、目標物の停止位置を示す停止位置指令を入力すると、その停止位置を考慮して、掃引信号の帯域幅又は掃引ステップ幅を制御するように構成したので、停止位置付近を高精度に距離を測定することができる効果がある。
【0068】
この発明によれば、今回演算された距離と前回演算された距離とを比較して目標物の移動方向を判定し、その移動方向を考慮して、掃引信号の帯域幅又は掃引ステップ幅を制御するように構成したので、目標物が絶えず移動しているような場合でも、迅速かつ高精度に距離を測定することができる効果がある。
【0069】
この発明によれば、今回演算された距離と前回演算された距離とを比較して目標物の移動位置を予測し、その移動位置を考慮して、掃引信号の帯域幅又は掃引ステップ幅を制御するように構成したので、目標物が絶えず移動しているような場合でも、迅速かつ高精度に距離を測定することができる効果がある。
【0070】
この発明によれば、周波数検出手段が周波数を検出すると、掃引信号の伝搬速度を当該周波数で除算して目標物までの距離を演算するように構成したので、更に迅速に距離を測定することができる効果がある。
【0071】
この発明によれば、周波数検出手段により検出された周波数の検出順位を計数し、その検出順位を考慮して目標物までの距離を演算するように構成したので、更に距離の測定精度を高めることができる効果がある。
【0072】
この発明によれば、定在波検出手段の検出結果をフーリエ変換して、極値を取る各掃引信号の周波数間の差分周波数を検出するように構成したので、複数の目標物までの距離を迅速かつ高精度に測定することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1による距離測定装置を示す構成図である。
【図2】定在波の振幅を示す説明図である。
【図3】この発明の実施の形態1による距離測定装置を示す構成図である。
【図4】この発明の実施の形態2による距離測定装置を示す構成図である。
【図5】この発明の実施の形態3による距離測定装置を示す構成図である。
【図6】この発明の実施の形態4による距離測定装置を示す構成図である。
【図7】この発明の実施の形態5による距離測定装置を示す構成図である。
【図8】この発明の実施の形態7による距離測定装置を示す構成図である。
【図9】定在波の振幅を示す説明図である。
【図10】この発明の実施の形態8による距離測定装置を示す構成図である。
【図11】伝送路上に発生する定在波を示す説明図である。
【図12】この発明の実施の形態9による距離測定装置を示す構成図である。
【図13】従来の距離測定装置を示す構成図である。
【図14】目標物までの距離と掃引信号の帯域幅の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
11 目標物、12 信号発生器(信号発信手段)、13 伝送路、14 定在波検出器(定在波検出手段)、15 極値周波数検出器(周波数検出手段)、16 再現周波数間隔演算器(距離演算手段)、17 距離演算器(距離演算手段)、18 帯域幅制御器(制御手段)、19 極値カウンタ、20 ステップ幅制御器(制御手段)、21 停止位置指令器、22 距離比較器(制御手段)、23 距離演算器(距離演算手段)、24 極値カウンタ(距離演算手段)、25 フーリエ変換器(周波数検出手段)。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a distance measuring device for measuring a distance to a target.
[0002]
[Prior art]
FIG. 13 is a configuration diagram showing a conventional distance measuring device shown in, for example, “IEICE Technical Report {Vol. 100} No. 695 P161 to P166”. In FIG. The signal generator 3 for transmitting the sweep signal transmits the sweep signal transmitted from the signal generator 2 toward the target 1, and a stationary signal generated from the sweep signal and the sweep signal reflected on the target 1. An antenna for receiving a wave, 4 a standing wave detector for detecting the amplitude of the standing wave received by the antenna 3, 5 a frequency controller for controlling the frequency of a sweep signal transmitted from the signal generator 2, 6 Is a distance for detecting the frequency f of the sweep signal in which the amplitude of the standing wave detected by the standing wave detector 4 takes a minimum value, and calculating the distance x from the antenna 3 to the target 1 based on the frequency f. It is an arithmetic unit.
[0003]
Next, the operation will be described.
When measuring the distance from the antenna 3 to the target 1, the signal generator 2 transmits a sweep signal while sequentially switching the frequency under the instruction of the frequency controller 5. However, the frequency controller 5 changes the frequency f of the sweep signal transmitted from the signal generator 2 in accordance with the distance to the target 1, and the bandwidth of the frequency f varies with the distance to the target 1. It does not change. In addition, the sweep step width of the frequency f when the frequency is sequentially switched is always the same.
[0004]
When receiving the sweep signal from the signal generator 2, the antenna 3 transmits the sweep signal toward the target 1.
The antenna 3 receives a sweep signal transmitted toward the target 1 and a standing wave generated from the sweep signal reflected by the target 1.
When the antenna 3 receives a standing wave, the standing wave detector 4 detects the amplitude of the standing wave.
[0005]
When the standing wave detector 4 detects the amplitude of the standing wave, the distance calculator 6 outputs the frequency f of the sweep signal when the amplitude of the standing wave becomes a minimum value from the frequency controller 5.N, FN + kEnter Where fNIs the frequency of the sweep signal related to the Nth detected minimum value, fN + kIs the frequency of the sweep signal related to the N + k-th detected minimum value.
Then, the distance calculator 6 calculates the frequency f of the sweep signal as shown below.NAnd frequency fN + kFrequency difference fpAnd the frequency difference fpIs calculated based on the distance x from the antenna 3 to the target 1.
fp= FN + k−fN(1)
x = k · v / (2fp) (2)
Here, v is the propagation speed of the sweep signal.
[0006]
The minimum detection distance x in the distance calculator 6 in FIG.minAnd the bandwidth f of the sweep signalWmaxHas the following relationship, the smaller the distance x to the target 1, the closer the bandwidth f of the sweep signalWmaxNeeds to be widened (see FIG. 14). Therefore, the frequency controller 5 sets the minimum detection distance x so that the distance x to the target 1 can be measured whether the distance x is short or long.minAnd the bandwidth f of the sweep signalWmaxIs set.
fWmax= V / (2xmin) (3)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional distance measuring device is configured as described above, it can measure whether the distance to the target 1 is short or long. However, the minimum detection distance xminAnd the bandwidth f of the sweep signalWmaxIs set, when the distance to the target 1 increases, the frequency is swept to an unnecessary frequency region. Therefore, there is a problem that it takes a long time to obtain a measurement result because the frequency sweep time becomes long.
Further, even if the distance to the target 1 changes, the sweep step width of the sweep signal when changing the frequency sequentially does not change, so that as the distance to the target 1 increases, the resolution deteriorates and the measurement accuracy decreases. There was a problem of deterioration.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to provide a distance measuring device that can quickly and accurately measure a distance regardless of a distance to a target.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A distance measuring device according to the present invention controls a bandwidth of a sweep signal transmitted from a signal transmitting unit according to a distance calculated by a distance calculating unit.
[0010]
The distance measuring device according to the present invention controls the sweep step width of the sweep signal transmitted from the signal transmitting means according to the distance calculated by the distance calculating means.
[0011]
The distance measuring device according to the present invention controls the bandwidth of the sweep signal transmitted from the signal transmitting means according to the distance calculated by the distance calculating means, and controls the sweep step width of the sweep signal. Things.
[0012]
The distance measuring device according to the present invention calculates a difference frequency between a plurality of frequencies detected by the frequency detection means, and calculates a distance to a target by dividing a propagation speed of the sweep signal by the difference frequency. Things.
[0013]
The distance measuring device according to the present invention is configured such that, when a stop position command indicating a stop position of a target is input, the bandwidth of the sweep signal or the sweep step width is controlled in consideration of the stop position.
[0014]
The distance measuring device according to the present invention compares the distance calculated this time with the distance calculated last time to determine the moving direction of the target, and in consideration of the moving direction, the bandwidth or the sweep step of the sweep signal. The width is controlled.
[0015]
The distance measuring device according to the present invention compares a currently calculated distance with a previously calculated distance to predict a moving position of a target, and in consideration of the moving position, a bandwidth of a sweep signal or a sweep step. The width is controlled.
[0016]
In the distance measuring device according to the present invention, when the frequency detecting means detects the frequency, the propagation speed of the sweep signal is divided by the frequency to calculate the distance to the target.
[0017]
The distance measuring apparatus according to the present invention is configured to count the order of detection of the frequencies detected by the frequency detecting means and calculate the distance to the target in consideration of the order of detection.
[0018]
The distance measuring apparatus according to the present invention is configured to perform a Fourier transform on a detection result of the standing wave detecting means to detect a difference frequency between the frequencies of the respective sweep signals having an extreme value.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing a distance measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, reference numeral 11 denotes a target, and 12 denotes a signal generator for transmitting a sweep signal toward the target 11 while sequentially switching frequencies. (Signal transmission means), 13 is a transmission path. However, the transmission path 13 may be wired or wireless (in the air). The target 11 can be arbitrarily selected according to the transmission path 13 and the type of the sweep signal.
Reference numeral 14 denotes a standing wave detector (standing wave detecting means) for detecting the amplitude A of a standing wave generated from the sweep signal transmitted from the signal generator 12 and the sweep signal reflected by the target 11, and 15 denotes a standing wave detector. The frequency f of the sweep signal in which the amplitude A of the standing wave detected by the standing wave detector 14 takes a minimum value.i, Fi + jIs an extreme frequency detector (frequency detecting means).
[0020]
16 is the frequency f of the sweep signal detected by the extreme frequency detector 15iAnd frequency fi + jDifference frequency (hereinafter, reproduction frequency interval fWA reproduction frequency interval calculator 17 for determining the propagation speed v of the sweep signal is used to calculate the reproduction frequency interval f.WIs a distance calculator that calculates the distance x to the target 11 by dividing by. It should be noted that a distance calculation means is constituted by the reproduction frequency interval calculator 16 and the distance calculator 17.
Reference numeral 18 denotes a bandwidth controller (control means) that controls the bandwidth of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 according to the distance x calculated by the distance calculator 17.
[0021]
Next, the operation will be described.
When measuring the distance from the standing wave detector 14 to the target 11, the signal generator 12 transmits a sweep signal toward the target 11 while sequentially switching the frequency. However, the bandwidth of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 is set by an instruction of the bandwidth controller 18.
As shown in FIG. 11, the sweep signal transmitted from the signal generator 12 is reflected by the target object 11 to generate a standing wave S on the transmission path 13. However, the following description is made on the assumption that the reflection coefficient Γ of the target 11 is “−1”.
[0022]
The standing wave detector 14 detects the amplitude A of the standing wave when the standing wave S is generated on the transmission line 13 by the signal generator 12 transmitting the sweep signal toward the target 11. .
The amplitude A of the standing wave is a waveform having a periodicity with respect to the frequency f of the sweep signal, as shown in FIG.
[0023]
When the standing wave detector 14 detects the amplitude A of the standing wave, the extreme frequency detector 15 detects the frequency f of the sweep signal at which the amplitude A of the standing wave takes the minimum value.i, Fi + jIs detected.
Here, the frequency of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 is fiAt this time, if the number of the minimum values of the standing wave S generated on the transmission line 13 is i (see FIG. 11), the distance x from the standing wave detector 14 to the target 11 is Become like
x = iv / (2fi) (4)
Similarly, the frequency of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 is fi + jAt this time, if the number of the minimum values of the standing wave S generated on the transmission line 13 is (i + j) (see FIG. 11), the distance x from the standing wave detector 14 to the target 11 is It looks like this:
x = (i + j) .v / (2fi + j) (5)
[0024]
When i is eliminated from the equations (4) and (5), the following is obtained.WIt can be seen that the distance x can be obtained if the number j of the local minimum value is known.
x = j · v / {2 (fi + j−fi)}
= Jv / (2fW) (6)
[0025]
The reproduction frequency interval calculator 16 determines that the extreme frequency detector 15 has the frequency f of the sweep signal.i, Fi + jIs detected, the frequency fi + jTo frequency fiIs subtracted to obtain the reproduction frequency interval fWIs calculated.
fW= Fi + j−fi(7)
The distance calculating unit 17 calculates the reproduction frequency interval fWIs calculated, the propagation speed v of the sweep signal and the reproduction frequency interval fWIs substituted into Expression (6), and the distance x from the standing wave detector 14 to the target 11 is calculated.
[0026]
At this time, the number j of the local minimum values is determined by the frequency f from the local frequency detector 15 as shown in FIG.iThe number i of the minimum values of the standing wave S at the timei + jCan be easily obtained by inputting the number (i + j) of the minimum values of the standing wave S at the time of (1) and providing an extreme value counter 19 that outputs the number j of the minimum values, which is the difference between them. For example, the frequency f at which the extreme frequency detector 15 always becomes j = 1i, Fi + 1, The extreme value counter 19 is unnecessary. However, it is not necessary to limit to j = 1. For example, the frequency f at which the extreme frequency detector 15 always becomes j = 2i, Fi + 2May be detected.
[0027]
When the distance calculator 17 calculates the distance x from the standing wave detector 14 to the target 11, the bandwidth controller 18 generates a signal according to the distance x to the target 11 in preparation for the next calculation. The bandwidth of the sweep signal transmitted from the detector 12 is controlled.
That is, as is clear from equation (6), the bandwidth controller 18 sets the reproduction frequency interval f as the distance x increases.WTherefore, as the distance x increases, for example, the number of sweep steps is reduced, and the bandwidth of the sweep signal is reduced. As a result, frequency sweeping in unnecessary frequency regions can be avoided, and the frequency sweeping time can be shortened.
[0028]
As is clear from the above, according to the first embodiment, the bandwidth of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 is controlled according to the distance x calculated by the distance calculator 17. This has the effect that the distance can be quickly measured regardless of the distance to the target 11.
[0029]
In the first embodiment, the extreme frequency detector 15 detects the frequency f of the sweep signal in which the amplitude A of the standing wave takes the minimum value.i, Fi + jIs shown, but the frequency f 'of the sweep signal where the amplitude A of the standing wave takes the maximum value is shown.i, F 'i + jMay be detected.
In this case, the distance x from the standing wave detector 14 to the target 11 is as follows.
x = (i'-1 / 2) .v / (2f 'i) (8)
x = (i '+ j'-1 / 2) .v / (2f'i + j) (9)
Hereinafter, since it is the same, description is omitted.
[0030]
Embodiment 2 FIG.
FIG. 4 is a configuration diagram showing a distance measuring apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts, and a description thereof will be omitted.
Reference numeral 20 controls the sweep step width Δf of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 in accordance with the distance x calculated by the distance calculator 17 (switching width when the signal generator 12 switches the frequency of the sweep signal). It is a step width controller (control means).
[0031]
In the first embodiment, the bandwidth controller 18 controls the bandwidth of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 according to the distance x to the target 11, and the sweep step width Δf of the sweep signal is particularly changed. Although not shown, the step width controller 20 may control the sweep step width Δf of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 according to the distance x to the target 11.
[0032]
That is, as described above, the distance x from the standing wave detector 14 to the target 11 can be calculated using Expression (6).WIf the step width of the sweep signal is Δf, the resolution Δx is as follows.
Figure 2004085473
Here, Δf << fWTherefore, equation (10) becomes as follows.
Δx ≒ v · Δf / (2fW 2) (11)
[0033]
Therefore, when the sweep step width Δf is constant, the reproduction frequency interval fWIs smaller (the distance x is larger), the resolution Δx is degraded. Therefore, in order to keep the resolution Δx constant, it is necessary to reduce the sweep step width Δf as the distance x increases.
In the second embodiment, even if the distance x calculated by the distance calculator 17 changes, the step width controller 20 determines that Δf / (2fW 2) Is controlled so that the sweep step width Δf is constant.
[0034]
As is apparent from the above, according to the second embodiment, the sweep step width Δf of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 is controlled according to the distance x calculated by the distance calculator 17. Therefore, regardless of the distance to the target 11, the resolution Δx of the distance x becomes constant, so that there is an effect that the distance can be measured with high accuracy.
[0035]
Embodiment 3 FIG.
In the first embodiment, the bandwidth controller 18 controls the bandwidth of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 in accordance with the distance x to the target 11, and in the second embodiment, the step width control is performed. Although the device 20 controls the sweep step width Δf of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 according to the distance x to the target 11, the bandwidth controller 18 and the bandwidth controller 18 as shown in FIG. Both of the step width controllers 20 may be mounted to control both the bandwidth of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 and the sweep step width Δf.
Accordingly, there is an effect that the distance can be measured quickly and accurately regardless of the distance to the target 11.
[0036]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 6 is a configuration diagram showing a distance measuring apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as in FIG.
A stop position commander 21 outputs a stop position command indicating the stop position of the target 11. For example, when the target 11 corresponds to an arm of a machine tool, the stop position commander 21 issues a stop position command indicating a target position of the arm when performing positioning control for stopping the arm at the target position. This corresponds to a control circuit that outputs to the machine tool, and the stop position command is also output to the bandwidth controller 18 and the step width controller 20.
[0037]
Embodiments 1 to 3 show that the bandwidth controller 18 and the step width controller 20 control the bandwidth of the sweep signal and the sweep step width Δf according to the distance x calculated by the distance calculator 17. However, for example, in an initial stage in which the calculation result of the distance calculator 17 is not output, the bandwidth controller 18 and the step width controller 20 input the stop position command output from the stop position commander 21, and The bandwidth of the sweep signal and the sweep step width Δf may be controlled according to the stop position of the target 11 indicated by the stop position command.
[0038]
In the first to third embodiments, in the initial stage in which the calculation result of the distance calculator 17 is not output, it is necessary to set the bandwidth of the sweep signal and the sweep step width Δf to the prepared initial values. However, in the fourth embodiment, since the stop position command indicating the stop position of the target 11 is input, even in the initial stage in which the calculation result of the distance calculator 17 is not output, the distance to the target 11 is not increased. The approximate distance x can be grasped.
Therefore, the bandwidth of the sweep signal and the sweep step width Δf can be optimized as compared with the case where the bandwidth of the sweep signal and the sweep step width Δf are set to the initial values.
According to the fourth embodiment, there is an effect that the distance can be measured with high accuracy from the initial stage.
[0039]
In the fourth embodiment, in the initial stage in which the calculation result of the distance calculator 17 is not output, the bandwidth controller 18 and the step width controller 20 transmit the stop position command output from the stop position command device 21 to the stop position command. Accordingly, when the bandwidth and the sweep step width Δf of the sweep signal are controlled and the distance x which is the calculation result is received from the distance calculator 17, the bandwidth and the sweep step width Δf of the sweep signal are controlled in accordance with the distance x thereafter. However, even in the initial stage when the calculation result of the distance calculator 17 is not output, the bandwidth of the sweep signal and the sweep step in accordance with the stop position command output from the stop position command device 21 are assumed. The width Δf may be controlled.
[0040]
Embodiment 5 FIG.
FIG. 7 is a block diagram showing a distance measuring apparatus according to Embodiment 5 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG.
Reference numeral 22 denotes a distance comparator (control means) that compares the distance x1 calculated this time by the distance calculator 17 with the distance x0 calculated last time to determine the moving direction of the target 11.
[0041]
Embodiments 1 to 3 show that the bandwidth controller 18 and the step width controller 20 control the bandwidth of the sweep signal and the sweep step width Δf according to the distance x calculated by the distance calculator 17. However, in the case where the target 11 is constantly moving, the moving object moves from when the standing wave detector 14 detects the amplitude A of the standing wave to when the distance calculator 17 calculates the distance x. Therefore, the bandwidth of the sweep signal and the sweep step width Δf controlled for quickly and accurately measuring the distance may become non-optimal.
[0042]
Therefore, in the fifth embodiment, the distance comparator 22 compares the distance x1 calculated this time by the distance calculator 17 with the distance x0 calculated last time to determine the moving direction of the target 11, and determines the bandwidth. The controller 18 and the step width controller 20 control the bandwidth of the sweep signal and the sweep step width Δf in consideration of the moving direction of the target 11.
[0043]
Specifically, when the moving direction of the target 11 is away from the standing wave detector 14, the distance comparator 22 sets a predetermined value to the distance x1 calculated by the distance calculator 17. The addition is performed, and the bandwidth controller 18 and the step width controller 20 control the bandwidth of the sweep signal and the sweep step width Δf according to the addition result.
On the other hand, when the moving direction of the target 11 is in the direction approaching the standing wave detector 14, the distance comparator 22 subtracts a predetermined set value from the distance x1 calculated by the distance calculator 17 to obtain a bandwidth. The controller 18 and the step width controller 20 control the bandwidth of the sweep signal and the sweep step width Δf according to the result of the subtraction.
Thus, even when the target 11 is constantly moving, the distance can be measured quickly and accurately.
[0044]
Embodiment 6 FIG.
In the fifth embodiment, the moving direction of the target 11 is determined by comparing the distance x1 calculated this time by the distance calculator 17 and the distance x0 calculated last time, and the sweep signal is considered in consideration of the moving direction. Controlling the bandwidth and the sweep step width Δf, the distance calculator 17 compares the distance x1 calculated this time with the distance x0 calculated last time to predict the moving position of the target 11, and The bandwidth of the sweep signal and the sweep step width Δf may be controlled in consideration of the moving position.
[0045]
Specifically, the distance comparator 22 calculates the moving distance x0−x1 from the distance x1 calculated this time by the distance calculator 17 and the distance x0 calculated last time, and also calculates the time difference between the previous calculation time t0 and the current calculation time t1. Calculate t0-t1.
Then, the distance comparator 22 calculates the moving speed e of the target 11 by dividing the moving distance x0-x1 by the time difference t0-t1.
e = (x0−x1) / (t0−t1) (12)
When the distance comparator 22 calculates the moving speed e of the target 11 as described above, the distance calculator 17 calculates the distance x after the standing wave detector 14 detects the amplitude A of the standing wave. The moving position x2 of the target 11 is predicted from the time T required for the calculation, the moving speed e of the target 11, and the distance x1 calculated this time by the distance calculator 17.
x2 = x1 + e · T (13)
[0046]
When the distance comparator 22 predicts the moving position x2 of the target 11, the bandwidth controller 18 and the step width controller 20 control the bandwidth of the sweep signal and the sweep step width Δf according to the moving position x2. To
Thus, even when the target 11 is constantly moving, the distance can be measured quickly and accurately.
[0047]
Embodiment 7 FIG.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a distance measuring apparatus according to Embodiment 7 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as in FIG.
Reference numeral 23 denotes a frequency f of the sweep signal in which the amplitude A of the standing wave takes the minimum value (or the maximum value) by the extreme frequency detector 15.min(Or fmax) Is detected, the propagation speed v of the swept signal is changed to the frequency fmin(Or fmax) Is a distance calculator (distance calculating means) that calculates the distance x to the target 11 by dividing the distance x by the distance.
[0048]
In the first to sixth embodiments, the reproduction frequency interval calculator 16 calculates the frequency f detected by the extreme frequency detector 15.i, Fi + jFrom the reproduction frequency interval fWIs calculated, and the distance calculator 17 determines the propagation speed v of the sweep signal as the reproduction frequency interval f.W, The distance x to the target 11 is calculated, but the extreme frequency detector 15 detects the frequency f of the sweep signal in which the amplitude A of the standing wave takes the minimum value (or the maximum value).min(Or fmax), The distance calculator 23 changes the propagation speed v of the sweep signal to the frequency f.min(Or fmax) May be used to calculate the distance x to the target 11.
[0049]
That is, in the seventh embodiment, the reproduction frequency interval calculator 16 is not mounted, and the frequency f of the sweep signal at which the amplitude A of the standing wave takes the minimum value (or the maximum value) is set as shown below.min(Or fmax) Is calculated based on the distance x to the target 11 (see FIG. 9).
x = v / (2fmin) (14)
x = v / (4fmax) (15)
[0050]
Here, for example, the propagation speed v of the sweep signal is 3 × 108Assuming that the measurement range of m / s and the distance x is 1 cm <x <2 cm, the frequency f required for the measurement isminIs 7.5 GHz. In addition, the frequency f required for measurementmaxIs 3.75 GHz.
7.5 GHz <fmin<15 GHz
3.75 GHz <fmax<7.5 GHz
Under the same conditions, when applied to the equation (4) of the first embodiment, the reproduction frequency interval f required for measurement is obtained.WIs in the range of 7.5 GHz to 15 GHz.
7.5 GHz <fW<15 GHz
[0051]
However, in the first to sixth embodiments, if at least two frequencies having the minimum value (or the maximum value) are not found, the reproduction frequency interval fWCannot be obtained, the bandwidth of the frequency f required for the measurement is 30 GHz. That is, when focusing on 1 cm which is the lower limit of the measurement range of the distance x, the reproduction frequency interval f corresponding to the lower limit is set.WIn the upper limit value (= 15 GHz), a bandwidth of ± 15 GHz is required, so that the bandwidth of the frequency f required for measurement is 30 GHz.
Therefore, according to the seventh embodiment, the frequency f of the sweep signal in which the amplitude A of the standing wave takes the minimum value is obtained.minIs detected, the bandwidth of the sweep signal can be reduced to 1/4 of that in Embodiments 1 to 6, so that the sweep time can be shortened. Note that the frequency f of the sweep signal in which the amplitude A of the standing wave takes the maximum valuemaxIs detected, the bandwidth of the sweep signal can be reduced to 1/8 of that in the first to sixth embodiments.
[0052]
Considering the resolution Δx of the distance x, the sweep start frequency of the signal generator 12 is f0When the sweep step width is Δf and the number of steps is n, the driving frequency f of the signal generator 12 isnIs expressed as follows.
fn= F0+ Δf · (n−1) (16)
Drive frequency fn, The distance at which the amplitude A has a minimum value (or a maximum value) is xnThen, the resolution Δx is expressed as follows.
Figure 2004085473
[0053]
In equation (17), f0If >> f, equation (17) is expressed as follows.
Δx ≒ v / {2 ・ Δf (n + f0/ Δf)2} (18)
Equation (18) indicates that the smaller the value of the sweep step number n, the coarser the resolution Δx.
Therefore, the step width controller 20 in the seventh embodiment changes the sweep step width Δf according to the value of the number of steps n so that the resolution Δx is constant.
[0054]
For example, when the total number of steps is 100 and n = 1, 2,...1, Δf2, ..., Δf100Is 1 + f0/ Δf1= 2 + f0/ Δf2= ... = n + f0/ ΔfnThen, the right side of Expression (18) becomes a constant value.
If the step width of the step width controller 20 is set as follows in order to set the right side of the equation (18) to a constant value, for example, the measurement can be performed with a constant resolution.
Figure 2004085473
[0055]
As is clear from the above, according to the seventh embodiment, the extreme frequency detector 15 detects the frequency f of the sweep signal in which the amplitude A of the standing wave takes the minimum value (or the maximum value).min(Or fmax), The distance calculator 23 changes the propagation speed v of the sweep signal to the frequency f.min(Or fmax) To calculate the distance x to the target 11, so that the distance can be measured more quickly than in the first to sixth embodiments.
[0056]
In the seventh embodiment, the step width controller 20 controls the sweep step width Δf of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 in accordance with the distance x to the target 11. The width controller 18 may control the bandwidth of the sweep signal transmitted from the signal generator 12 according to the distance x to the target 11.
[0057]
Embodiment 8 FIG.
FIG. 10 is a configuration diagram showing a distance measuring apparatus according to Embodiment 8 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 8 denote the same or corresponding parts, and a description thereof will be omitted.
24 is the frequency f detected by the extreme frequency detector 15.min(Or fmax) Is an extreme value counter (distance calculation means) for counting the detection order.
[0058]
Although not particularly mentioned in the seventh embodiment, since the signal generator 12 usually gradually increases the frequency f from the lowest state, the extreme frequency detector 15 detects the standing wave. Among a plurality of frequencies in which the amplitude A takes a minimum value (or a maximum value), the frequency f having the lowest frequency fmin(Or fmax) Is detected.
However, the lower frequency fmin(Or fmax) Than the frequency fmin(Or fmax9) is considered that the detection point of the minimum value (or the maximum value) of the amplitude A becomes steeper as shown in FIG. 9 and the detection accuracy is improved.
[0059]
Therefore, in the eighth embodiment, the extreme value counter 24 detects the frequency f detected by the extreme value frequency detector 15.min(Or fmax) Is counted, and the distance x to the target 11 is calculated in consideration of the detection order m.
x = m · v / (2fmin) (19)
x = (m − /) · v / (2fmax) (20)
Hereinafter, the description is omitted because it is the same as in the seventh embodiment.
According to the eighth embodiment, there is an effect that the accuracy of distance measurement can be improved as compared with the seventh embodiment.
[0060]
Embodiment 9 FIG.
FIG. 12 is a configuration diagram showing a distance measuring apparatus according to Embodiment 9 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as in FIG. 8 denote the same or corresponding parts, and a description thereof will be omitted.
Reference numeral 25 denotes a Fourier transform of the detection result of the standing wave detection unit 14, and a reproduction frequency interval fW(Fourier transformer) (frequency detecting means) for detecting.
[0061]
In the first to sixth embodiments, the extreme frequency detector 15 detects the frequency f of the swept signal in which the amplitude A of the standing wave detected by the standing wave detector 14 has a minimum value.i, Fi + jIs detected, and the reproduction frequency interval calculator 16 calculates the frequency f of the sweep signal.i, Fi + jFrom the reproduction frequency interval fWHas been shown, but the Fourier transformer 25 performs a Fourier transform on the detection result of the standing wave detector 14 to obtain the reproduction frequency interval f.WMay be detected.
[0062]
Specifically, the Fourier transformer 25 performs a Fourier transform on the detection result of the standing wave detector 14 and analyzes the spectrum of the amplitude A of the standing wave, whereby a characteristic frequency appears, and the characteristic frequency is reproduced. Frequency interval fWTherefore, the characteristic frequency is output to the distance calculator 23.
As a result, the reproduction frequency interval f can be quickly and accurately determined.WCan be detected, and even when a plurality of targets 11 are provided, the characteristic frequency of the standing wave by the plurality of targets can be obtained at the same time.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the bandwidth of the sweep signal transmitted from the signal transmitting means is controlled in accordance with the distance calculated by the distance calculating means. The distance can be measured quickly.
[0064]
According to the present invention, since the sweep step width of the sweep signal transmitted from the signal transmission means is controlled in accordance with the distance calculated by the distance calculation means, high precision is achieved regardless of the distance to the target. Has the effect that the distance can be measured.
[0065]
According to the present invention, since the bandwidth of the sweep signal transmitted from the signal transmission means is controlled according to the distance calculated by the distance calculation means, and the sweep step width of the sweep signal is controlled, There is an effect that the distance can be measured quickly and accurately regardless of the distance to the target.
[0066]
According to the present invention, a difference frequency between a plurality of frequencies detected by the frequency detection unit is obtained, and the distance to the target is calculated by dividing the propagation speed of the sweep signal by the difference frequency. There is an effect that the distance to the target can be calculated with high accuracy without causing a complicated configuration.
[0067]
According to the present invention, when the stop position command indicating the stop position of the target is input, the bandwidth or the sweep step width of the sweep signal is controlled in consideration of the stop position. There is an effect that the distance can be measured with high accuracy.
[0068]
According to the present invention, the moving direction of the target is determined by comparing the currently calculated distance with the previously calculated distance, and the bandwidth or the sweep step width of the sweep signal is controlled in consideration of the moving direction. Therefore, even when the target is constantly moving, the distance can be measured quickly and accurately.
[0069]
According to the present invention, the movement position of the target is predicted by comparing the distance calculated this time with the distance calculated last time, and the bandwidth or the sweep step width of the sweep signal is controlled in consideration of the movement position. Therefore, even when the target is constantly moving, the distance can be measured quickly and accurately.
[0070]
According to this invention, when the frequency detecting means detects the frequency, the propagation speed of the sweep signal is divided by the frequency to calculate the distance to the target, so that the distance can be measured more quickly. There is an effect that can be done.
[0071]
According to the present invention, the detection order of the frequencies detected by the frequency detection means is counted, and the distance to the target is calculated in consideration of the detection order, so that the distance measurement accuracy can be further improved. There is an effect that can be.
[0072]
According to the present invention, the detection result of the standing wave detecting means is Fourier-transformed, and the difference frequency between the frequencies of the sweep signals having the extreme values is detected. There is an effect that measurement can be performed quickly and with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a distance measuring device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the amplitude of a standing wave.
FIG. 3 is a configuration diagram showing a distance measuring device according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a distance measuring device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram showing a distance measuring device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram showing a distance measuring apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram showing a distance measuring device according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a distance measuring device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the amplitude of a standing wave.
FIG. 10 is a configuration diagram showing a distance measuring device according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating a standing wave generated on a transmission path.
FIG. 12 is a configuration diagram showing a distance measuring apparatus according to Embodiment 9 of the present invention.
FIG. 13 is a configuration diagram showing a conventional distance measuring device.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing a relationship between a distance to a target and a bandwidth of a sweep signal.
[Explanation of symbols]
11 target, 12 signal generator (signal transmitting means), 13 transmission line, 14 standing wave detector (standing wave detecting means), 15 extreme frequency detector (frequency detecting means), 16 reproduction frequency interval calculator (Distance calculation means), 17 distance calculator (distance calculation means), 18 bandwidth controller (control means), 19 extreme value counter, 20 step width controller (control means), 21 stop position commander, 22 distance comparison Unit (control means), 23 ° distance calculator (distance calculator), 24 ° extreme value counter (distance calculator), 25 ° Fourier transformer (frequency detector).

Claims (10)

目標物に向けて掃引信号を発信する信号発信手段と、上記信号発信手段から発信された掃引信号と上記目標物に反射された掃引信号から為る定在波の振幅を検出する定在波検出手段と、上記定在波検出手段により検出された定在波の振幅が極値を取る上記掃引信号の周波数を検出する周波数検出手段と、上記周波数検出手段により検出された掃引信号の周波数に基づいて上記定在波検出手段から上記目標物までの距離を演算する距離演算手段と、上記距離演算手段により演算された距離に応じて上記信号発信手段から発信される掃引信号の帯域幅を制御する制御手段とを備えた距離測定装置。Signal transmitting means for transmitting a sweep signal toward a target; standing wave detection for detecting the amplitude of a standing wave generated from the sweep signal transmitted from the signal transmitting means and the sweep signal reflected by the target Means, frequency detecting means for detecting the frequency of the sweep signal, in which the amplitude of the standing wave detected by the standing wave detecting means takes an extreme value, and based on the frequency of the sweep signal detected by the frequency detecting means. Distance calculating means for calculating the distance from the standing wave detecting means to the target, and controlling the bandwidth of the sweep signal transmitted from the signal transmitting means according to the distance calculated by the distance calculating means. A distance measuring device comprising control means. 目標物に向けて掃引信号を発信する信号発信手段と、上記信号発信手段から発信された掃引信号と上記目標物に反射された掃引信号から為る定在波の振幅を検出する定在波検出手段と、上記定在波検出手段により検出された定在波の振幅が極値を取る上記掃引信号の周波数を検出する周波数検出手段と、上記周波数検出手段により検出された掃引信号の周波数に基づいて上記定在波検出手段から上記目標物までの距離を演算する距離演算手段と、上記距離演算手段により演算された距離に応じて上記信号発信手段から発信される掃引信号の掃引ステップ幅を制御する制御手段とを備えた距離測定装置。Signal transmitting means for transmitting a sweep signal toward a target; standing wave detection for detecting the amplitude of a standing wave generated from the sweep signal transmitted from the signal transmitting means and the sweep signal reflected by the target Means, frequency detecting means for detecting the frequency of the sweep signal, in which the amplitude of the standing wave detected by the standing wave detecting means takes an extreme value, and based on the frequency of the sweep signal detected by the frequency detecting means. A distance calculating means for calculating a distance from the standing wave detecting means to the target, and a sweep step width of a sweep signal transmitted from the signal transmitting means in accordance with the distance calculated by the distance calculating means. A distance measuring device comprising: 目標物に向けて掃引信号を発信する信号発信手段と、上記信号発信手段から発信された掃引信号と上記目標物に反射された掃引信号から為る定在波の振幅を検出する定在波検出手段と、上記定在波検出手段により検出された定在波の振幅が極値を取る上記掃引信号の周波数を検出する周波数検出手段と、上記周波数検出手段により検出された掃引信号の周波数に基づいて上記定在波検出手段から上記目標物までの距離を演算する距離演算手段と、上記距離演算手段により演算された距離に応じて上記信号発信手段から発信される掃引信号の帯域幅を制御するとともに、その掃引信号の掃引ステップ幅を制御する制御手段とを備えた距離測定装置。Signal transmitting means for transmitting a sweep signal toward a target; standing wave detection for detecting the amplitude of a standing wave generated from the sweep signal transmitted from the signal transmitting means and the sweep signal reflected by the target Means, frequency detecting means for detecting the frequency of the sweep signal, in which the amplitude of the standing wave detected by the standing wave detecting means takes an extreme value, and based on the frequency of the sweep signal detected by the frequency detecting means. Distance calculating means for calculating the distance from the standing wave detecting means to the target, and controlling the bandwidth of the sweep signal transmitted from the signal transmitting means according to the distance calculated by the distance calculating means. And a control means for controlling a sweep step width of the sweep signal. 距離演算手段は、周波数検出手段により検出された複数の周波数間の差分周波数を求め、掃引信号の伝搬速度を当該差分周波数で除算して目標物までの距離を演算することを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の距離測定装置。The distance calculation means calculates a difference frequency between the plurality of frequencies detected by the frequency detection means, and calculates a distance to a target by dividing a propagation speed of the sweep signal by the difference frequency. The distance measuring device according to any one of claims 1 to 3. 制御手段は、目標物の停止位置を示す停止位置指令を入力すると、その停止位置を考慮して、掃引信号の帯域幅又は掃引ステップ幅を制御することを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の距離測定装置。The control means, upon input of a stop position command indicating a stop position of the target, controls the bandwidth of the sweep signal or the sweep step width in consideration of the stop position. The distance measuring device according to claim 1. 制御手段は、距離演算手段により今回演算された距離と前回演算された距離とを比較して目標物の移動方向を判定し、その移動方向を考慮して、掃引信号の帯域幅又は掃引ステップ幅を制御することを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の距離測定装置。The control means compares the distance calculated this time by the distance calculation means with the previously calculated distance to determine the moving direction of the target, and in consideration of the moving direction, the bandwidth of the sweep signal or the sweep step width. The distance measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein the distance measuring device is controlled. 制御手段は、距離演算手段により今回演算された距離と前回演算された距離とを比較して目標物の移動位置を予測し、その移動位置を考慮して、掃引信号の帯域幅又は掃引ステップ幅を制御することを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の距離測定装置。The control means compares the distance calculated this time by the distance calculation means with the distance calculated last time to predict the moving position of the target, and in consideration of the moving position, the bandwidth of the sweep signal or the sweep step width. The distance measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein the distance measuring device is controlled. 距離演算手段は、周波数検出手段が周波数を検出すると、掃引信号の伝搬速度を当該周波数で除算して目標物までの距離を演算することを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の距離測定装置。4. The distance calculation means according to claim 1, wherein when the frequency detection means detects the frequency, the propagation speed of the sweep signal is divided by the frequency to calculate the distance to the target. 2. The distance measuring device according to claim 1. 距離演算手段は、周波数検出手段により検出された周波数の検出順位を計数し、その検出順位を考慮して目標物までの距離を演算することを特徴とする請求項8記載の距離測定装置。9. The distance measuring apparatus according to claim 8, wherein the distance calculating means counts the order of detection of the frequency detected by the frequency detecting means, and calculates the distance to the target in consideration of the detected order. 周波数検出手段は、定在波の振幅が極値を取る掃引信号の周波数を検出する代わりに、定在波検出手段の検出結果をフーリエ変換して、極値を取る各掃引信号の周波数間の差分周波数を検出することを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の距離測定装置。Instead of detecting the frequency of the sweep signal in which the amplitude of the standing wave takes an extreme value, the frequency detecting means performs a Fourier transform on the detection result of the standing wave detecting means, and calculates the frequency between each sweep signal in which the extreme value takes an extreme value. The distance measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein a difference frequency is detected.
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