JP2006030022A - Distance measurement apparatus and distance measurement method using radio waves - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定物までの距離を、電波を利用して測定する距離測定装置及び距離測定方法に関する。 The present invention relates to a distance measuring device and a distance measuring method for measuring a distance to an object to be measured using radio waves.
非接触で被測定物までの距離を測定する距離測定装置として、FMCW方式の電波を利用した距離測定装置が公知である。FMCW方式は、周波数変調した連続波信号を送信波として被測定物に対して送信し、被測定物で反射して戻ってきた受信波と、送信波と、をミキシングしてビート信号を生成し、ビート信号の周波数から被測定物までの距離を測定する方式である(特許文献1)。 As a distance measuring device that measures the distance to the object to be measured in a non-contact manner, a distance measuring device that uses FMCW radio waves is known. The FMCW system transmits a frequency-modulated continuous wave signal as a transmission wave to the device under test, and generates a beat signal by mixing the received wave reflected by the device under test and the transmission wave. In this method, the distance from the frequency of the beat signal to the object to be measured is measured (Patent Document 1).
ミキシングにより得られるビート信号は、アナログ信号である。このため、ビート信号の周波数の値を求めるには、ビート信号をA/D変換し、これにより生成されたデータ系列を離散フーリエ変換し、離散フーリエ変換により得られた周波数のうち、振幅値が最大となる周波数の値を検出する必要がある。 The beat signal obtained by mixing is an analog signal. Therefore, in order to obtain the value of the frequency of the beat signal, the beat signal is A / D converted, the data series generated thereby is subjected to discrete Fourier transform, and the amplitude value of the frequencies obtained by the discrete Fourier transform is It is necessary to detect the maximum frequency value.
電波を利用した距離測定装置で高精度な距離測定を行うには、ビート信号の周波数を高精度に検出する必要がある。しかしながら、従来の電波を利用した距離測定装置では、近距離の被測定物までの距離を測定するには充分な精度が得られなかった。これについて、以下に詳細に説明する。 In order to perform highly accurate distance measurement with a distance measuring device using radio waves, it is necessary to detect the frequency of the beat signal with high accuracy. However, a conventional distance measuring device using radio waves cannot obtain a sufficient accuracy for measuring a distance to an object to be measured at a short distance. This will be described in detail below.
前述したミキシングにより、角周波数ωのビート信号(A・cos(ωt+φ))が得られたとすると、そのビート信号は、
A・cos(ωt+φ) = A・(eφejωt+e−φe−jωt)/2 ・・・ (1)
で表すことができる。ここで、Aはビート信号の振幅、φはビート信号の位相をそれぞれ示す。式(1)で表されるビート信号をフーリエ変換すると、
A · cos (ωt + φ) = A · (e φ e jωt + e -φ e -jωt) / 2 ··· (1)
It can be expressed as Here, A indicates the amplitude of the beat signal, and φ indicates the phase of the beat signal. When the beat signal represented by Equation (1) is Fourier transformed,
前述したように、電波を利用した距離測定装置では、ビート信号の周波数を検出するために、ミキシングにより得られたビート信号をA/D変換し、これにより生成されたデータ系列を、離散フーリエ変換している。このため、各周波数ωを有するビート信号のデータ系列を、離散フーリエ変換すると、図7aに示すように、角周波数“+ω”を中心とする四角形でポイントされたビート信号の実像と、角周波数“−ω”を中心とする三角形でポイントされたビート信号の鏡像と、の2つのsinc関数特性を有するスペクトラムが現れる。電波を利用した距離測定装置に搭載された演算部では、このような2つのスペクトラムを加算したスペクトラムを算出し、加算したスペクトラムの振幅値が最大となる周波数の値を算出することによりビート信号の周波数を算出している。 As described above, in a distance measuring device using radio waves, in order to detect the frequency of a beat signal, A / D conversion is performed on the beat signal obtained by mixing, and the data sequence generated thereby is subjected to discrete Fourier transform. is doing. For this reason, when the data series of the beat signal having each frequency ω is subjected to discrete Fourier transform, as shown in FIG. 7A, the real image of the beat signal pointed by a square centered on the angular frequency “+ ω” and the angular frequency “ A spectrum having two sinc function characteristics of a mirror image of a beat signal pointed by a triangle centered at −ω ″ appears. In the arithmetic unit mounted on the distance measuring device using radio waves, a spectrum obtained by adding these two spectra is calculated, and the value of the frequency at which the amplitude value of the added spectrum is maximized is calculated. The frequency is calculated.
このような電波を利用した距離測定装置では、ビート信号の周波数が高いとき(アンテナから被測定物までの距離が遠いとき)は、図7aに示したように、ビート信号の実像“+ω”と鏡像“−ω”の各々のスペクトラムが、お互いに離れる。このため、実像(及び鏡像)のスペクトラムの振幅値が最大となる周波数の値と、加算したスペクトラムの振幅値が最大となる周波数の値と、の間の誤差は無い(又は小さい)。従って、ビート信号の周波数が高いとき(アンテナから被測定物までの距離が遠いとき)は、電波を利用した距離測定装置で検出されるビート信号の周波数の誤差が無い(又は小さい)。 In such a distance measuring apparatus using radio waves, when the frequency of the beat signal is high (when the distance from the antenna to the object to be measured is long), as shown in FIG. Each spectrum of the mirror image “−ω” is separated from each other. For this reason, there is no (or small) error between the frequency value at which the amplitude value of the spectrum of the real image (and mirror image) becomes maximum and the frequency value at which the amplitude value of the added spectrum becomes maximum. Therefore, when the frequency of the beat signal is high (when the distance from the antenna to the object to be measured is long), there is no (or small) error in the frequency of the beat signal detected by the distance measuring device using radio waves.
一方、ビート信号の周波数が低いとき(アンテナから被測定物までの距離が近いとき)は、図7bに示すように、ビート信号の実像“+ω”と鏡像“−ω”の各々のスペクトラムが、お互いに近づく。このため、実像(及び鏡像)のスペクトラムの振幅値が最大となる周波数の値と、加算したスペクトラムの振幅値が最大となる周波数の値と、の間に誤差が発生する。従って、従来の電波を利用した距離測定装置では、ビート信号の周波数が低いとき(アンテナから被測定物までの距離が近いとき)に、検出されるビート信号の周波数に誤差が発生し、近距離にある被測定物までの距離の測定を行うのに充分な精度が得られなかった。 On the other hand, when the frequency of the beat signal is low (when the distance from the antenna to the object to be measured is short), the spectrum of each of the real image “+ ω” and the mirror image “−ω” of the beat signal is as shown in FIG. Approach each other. For this reason, an error occurs between the frequency value at which the amplitude value of the spectrum of the real image (and mirror image) is maximum and the frequency value at which the amplitude value of the added spectrum is maximum. Therefore, in the conventional distance measuring device using radio waves, when the frequency of the beat signal is low (when the distance from the antenna to the object to be measured is short), an error occurs in the frequency of the detected beat signal, and the short distance However, it was not possible to obtain sufficient accuracy to measure the distance to the object to be measured.
本発明は、以上のような課題に対してなされたものであり、その目的は、近距離の被測定物までの距離を精度良く測定することができる電波を利用した距離測定装置及び距離測定方法を実現することにある。 The present invention has been made with respect to the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a distance measuring device and a distance measuring method using radio waves that can accurately measure the distance to an object to be measured at a short distance. Is to realize.
本発明の構成は、アンテナから被測定物に対し、周波数が一定の範囲で時間に対して変移する電波を送信する送信系と、アンテナを介し、被測定物で反射した電波を受信する受信系と、送信した電波で受信した電波を直交検波することにより、送信した電波の周波数と受信した電波の周波数の差分の周波数成分と、送信した電波と同じ位相と、を有する差分の周波数成分の同相成分と、送信した電波の周波数と受信した電波の周波数の差分の周波数成分と、送信した電波とπ/2異なる位相と、を有する差分の周波数成分の直交成分と、を検出する周波数検出部と、差分の周波数成分の同相成分と直交成分をA/D変換し、データ系列を生成するA/D変換部と、生成された差分の周波数成分の同相成分と直交成分のデータ系列を演算することにより、アンテナから被測定物までの距離を測定する演算部と、を備え、演算部は、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の直交関係に関する誤差を算出し、算出された誤差に基づいて、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の直交関係に関する誤差を補正する誤差補正回路と、誤差が補正された差分の周波数成分の同相成分のデータ系列を実部とし、誤差が補正された差分の周波数成分の直交成分のデータ系列を虚部とした誤差が補正された複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより、アンテナから被測定物までの距離を測定する回路と、を備えていることを特徴とする。 The configuration of the present invention includes a transmission system that transmits radio waves whose frequency changes with time in a certain range from an antenna to a device under test, and a reception system that receives radio waves reflected by the device under test via an antenna. And the same frequency of the difference frequency component having the same phase as that of the transmitted radio wave by performing quadrature detection of the radio wave received by the transmitted radio wave. A frequency detection unit that detects a component, a frequency component of a difference between the frequency of the transmitted radio wave and a frequency of the received radio wave, and an orthogonal component of the difference frequency component having a phase that is π / 2 different from that of the transmitted radio wave; The A / D converter that A / D converts the in-phase component and the quadrature component of the difference frequency component to generate a data sequence, and calculates the data sequence of the in-phase component and the quadrature component of the generated difference frequency component. And a calculation unit that measures the distance from the antenna to the object to be measured, and the calculation unit calculates an error related to the orthogonal relationship between the in-phase component of the difference frequency component and the orthogonal component of the difference frequency component. Based on the calculated error, an error correction circuit that corrects an error related to the orthogonal relationship between the in-phase component of the difference frequency component and the orthogonal component of the difference frequency component, and the difference frequency component of which the error is corrected The complex data series with the error corrected with the in-phase component data series as the real part and the error frequency-corrected quadrature component data series as the imaginary part is subjected to the discrete Fourier transform to obtain the difference from the antenna. And a circuit for measuring the distance to the object to be measured.
また、誤差補正回路は、差分の周波数成分の同相成分のデータ系列を実部とし、差分の周波数成分の直交成分のデータ系列を虚部とした複素データ系列を離散フーリエ変換し、これにより求まるスペクトラムを算出する回路と、算出されたスペクトラムの振幅が最大となる周波数を探索し、スペクトラムの振幅が最大となる周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む第一の複素数と、スペクトラムの振幅が最大となる周波数と直流軸で対称となる周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む第二の複素数と、を抽出する回路と、第一の複素数と、第二の複素数と、のうちいずれか一方を共役複素数として、第一の複素数と、第二の複素数と、を減算することにより、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を算出する回路と、算出された誤差に基づいて、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を補正する回路と、を備えていることが望ましい。 In addition, the error correction circuit performs a discrete Fourier transform on a complex data sequence in which the data sequence of the in-phase component of the difference frequency component is a real part and the data sequence of the quadrature component of the difference frequency component is an imaginary part, and a spectrum obtained by this And a first complex number including the amplitude and phase of the frequency component of the difference corresponding to the frequency at which the spectrum amplitude is maximized, and a frequency of the spectrum. A circuit for extracting a second complex number including an amplitude and a phase of a frequency component of a difference corresponding to a frequency having a maximum amplitude and a frequency symmetric with respect to the DC axis, a first complex number, and a second complex number, , Subtracting the first complex number and the second complex number by using one of them as a conjugate complex number, the in-phase component of the difference frequency component, and the difference frequency component Corrects the amplitude and phase errors of the quadrature component, the amplitude and phase errors of the quadrature component, and the in-phase component of the difference frequency component and the quadrature component of the difference frequency component based on the calculated error It is desirable to provide the circuit which performs.
また、誤差補正回路は、抽出されたスペクトラムの振幅が最大となる周波数がゼロのとき、算出されたスペクトラムのゼロ以外の周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む複素数を第一の複素数とし、ゼロ以外の周波数と直流軸で対称となる周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む複素数を第二の複素数として、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を算出することが望ましい。 In addition, the error correction circuit, when the frequency at which the amplitude of the extracted spectrum is maximum is zero, calculates the first complex number including the amplitude and phase of the frequency component of the difference corresponding to the non-zero frequency of the calculated spectrum. A complex number including a complex number including the amplitude and phase of a difference frequency component corresponding to a frequency that is symmetric with respect to a frequency other than zero and a DC axis is defined as a second complex number, and the in-phase component of the difference frequency component and the difference frequency component It is desirable to calculate the amplitude and phase error of the orthogonal component.
また、誤差補正回路は、差分の周波数成分の同相成分のデータ系列と、差分の周波数成分の直交成分のデータ系列と、からリサージュ図形を算出し、算出されたリサージュ図形から、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を補正しても良い。 Further, the error correction circuit calculates a Lissajous figure from the data series of the in-phase component of the difference frequency component and the data series of the orthogonal component of the difference frequency component, and calculates the difference frequency component from the calculated Lissajous figure. You may correct | amend the error of the amplitude and phase of an in-phase component and the orthogonal component of a frequency component of a difference.
本発明の他の構成は、アンテナから被測定物に対し、周波数が一定の範囲で時間に対して変移する電波を送信する工程と、アンテナを介し、被測定物で反射した電波を受信する工程と、送信した電波で受信した電波を直交検波することにより、送信した電波の周波数と受信した電波の周波数の差分の周波数成分と、送信した電波と同じ位相と、を有する差分の周波数成分の同相成分と、送信した電波の周波数と受信した電波の周波数の差分の周波数成分と、送信した電波とπ/2異なる位相と、を有する差分の周波数成分の直交成分と、を検出する工程と、差分の周波数成分の同相成分と直交成分をA/D変換し、データ系列を生成する工程と、生成された差分の周波数成分の同相成分と直交成分のデータ系列を演算することにより、アンテナから被測定物までの距離を測定する工程と、を有し、アンテナから被測定物までの距離を測定する工程は、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の直交関係に関する誤差を算出し、算出された誤差に基づいて、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の直交関係に関する誤差を補正する工程と、誤差が補正された差分の周波数成分の同相成分のデータ系列を実部とし、誤差が補正された差分の周波数成分の直交成分のデータ系列を虚部とした誤差が補正された複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより、アンテナから被測定物までの距離を測定する工程と、を有していることを特徴とする。 Another configuration of the present invention includes a step of transmitting a radio wave whose frequency varies with time in a certain range from an antenna to a device to be measured, and a step of receiving a radio wave reflected by the device to be measured through the antenna. And the same frequency of the difference frequency component having the same phase as that of the transmitted radio wave by performing quadrature detection of the radio wave received by the transmitted radio wave. Detecting a component, a frequency component of a difference between a frequency of a transmitted radio wave and a frequency of a received radio wave, and a quadrature component of a difference frequency component having a phase different from that of the transmitted radio wave by π / 2, and a difference An A / D conversion is performed on the in-phase component and the quadrature component of the frequency component, and a data sequence is generated, and an in-phase component and a quadrature component data sequence of the generated frequency component of the difference are calculated. Measuring the distance from the antenna to the object to be measured, and measuring the distance from the antenna to the object to be measured includes an in-phase component of the difference frequency component and an orthogonal component of the difference frequency component. Calculating an error related to the orthogonal relationship, and correcting the error related to the orthogonal relationship between the in-phase component of the difference frequency component and the orthogonal component of the difference frequency component based on the calculated error; Discrete Fourier transform of a complex data series with corrected errors, with the in-phase component data series of the difference frequency component as the real part and the error frequency corrected quadrature component data series as the imaginary part And measuring the distance from the antenna to the object to be measured.
また、直交関係に関する誤差を補正する工程は、差分の周波数成分の同相成分のデータ系列を実部とし、差分の周波数成分の直交成分のデータ系列を虚部とした複素データ系列を離散フーリエ変換し、これにより求まるスペクトラムを算出する工程と、算出されたスペクトラムの振幅が最大となる周波数を探索し、スペクトラムの振幅が最大となる周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む第一の複素数と、スペクトラムの振幅が最大となる周波数と直流軸で対称となる周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む第二の複素数と、を抽出する工程と、第一の複素数と、第二の複素数と、のうちいずれか一方を共役複素数として、第一の複素数と、第二の複素数と、を減算することにより、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を算出する工程と、算出された誤差に基づいて、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を補正する工程と、を有していることが望ましい。 In addition, the step of correcting the error related to the orthogonal relationship includes a discrete Fourier transform on a complex data sequence in which the in-phase component data sequence of the difference frequency component is a real part and the complex data sequence of the difference frequency component orthogonal component is an imaginary part. The first step including the step of calculating the spectrum obtained thereby, the frequency at which the calculated spectrum has the maximum amplitude, and the amplitude and phase of the frequency component of the difference corresponding to the frequency at which the spectrum has the maximum amplitude Extracting the complex number and the second complex number including the amplitude and phase of the frequency component of the difference corresponding to the frequency at which the amplitude of the spectrum is maximum and the frequency symmetric with respect to the DC axis, and the first complex number, By subtracting the first complex number and the second complex number from either one of the second complex numbers as a conjugate complex number, And a step of calculating an amplitude and phase error of the orthogonal component of the difference frequency component, and an in-phase component of the difference frequency component and an orthogonal component of the difference frequency component based on the calculated error It is desirable to have a step of correcting an error in amplitude and phase.
また、直交関係に関する誤差を補正する工程は、抽出されたスペクトラムの振幅が最大となる周波数がゼロのとき、算出されたスペクトラムのゼロ以外の周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む複素数を第一の複素数とし、ゼロ以外の周波数と直流軸で対称となる周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む複素数を第二の複素数として、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を算出することが望ましい。 The step of correcting the error related to the orthogonal relationship includes the amplitude and phase of the frequency component of the difference corresponding to the non-zero frequency of the calculated spectrum when the frequency at which the amplitude of the extracted spectrum is maximum is zero. The complex number is the first complex number, the complex number including the amplitude and phase of the difference frequency component corresponding to the non-zero frequency and the frequency symmetric with respect to the DC axis is the second complex number, the in-phase component of the difference frequency component, It is desirable to calculate the amplitude and phase error of the orthogonal component of the difference frequency component.
また、直交関係に関する誤差を補正する工程は、差分の周波数成分の同相成分のデータ系列と、差分の周波数成分の直交成分のデータ系列と、からリサージュ図形を算出し、算出されたリサージュ図形から、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を補正しても良い。 Further, the step of correcting the error related to the orthogonal relationship calculates a Lissajous figure from the data series of the in-phase component of the difference frequency component and the data series of the orthogonal component of the difference frequency component, and from the calculated Lissajous figure, You may correct | amend the error of the amplitude and phase of the in-phase component of a difference frequency component, and the orthogonal component of a difference frequency component.
本発明によれば、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の直交関係に関する誤差を算出し、算出された誤差に基づいて、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の直交関係に関する誤差を補正し、誤差が補正されたビート信号の複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより、アンテナから近距離の被測定物までの距離を精度良く測定することができる電波を利用した距離測定装置及び距離測定方法を実現することができる。 According to the present invention, an error relating to the orthogonal relationship between the in-phase component of the difference frequency component and the orthogonal component of the difference frequency component is calculated, and based on the calculated error, the in-phase component of the difference frequency component; The error from the orthogonal component of the frequency component of the difference is corrected, and the complex data sequence of the beat signal with the corrected error is subjected to discrete Fourier transform, so that the distance from the antenna to the object to be measured is reduced. A distance measuring device and a distance measuring method using radio waves that can be measured with high accuracy can be realized.
以下、本発明の実施形態に係る電波を利用した距離測定装置について、図面を用いて詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る電波を利用した距離測定装置の構成を示すブロック図である。図2は、本実施形態に係る電波を利用した距離測定装置から送信される送信波と、受信される受信波の時間に対する周波数の変移を示すグラフである。まず、第1の実施形態に係る電波を利用した距離測定装置の構成を説明する。 Hereinafter, a distance measuring device using radio waves according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a distance measuring device using radio waves according to the present embodiment. FIG. 2 is a graph showing a frequency shift with respect to time of a transmission wave transmitted from a distance measurement device using radio waves according to the present embodiment and a reception wave received. First, the configuration of a distance measuring device using radio waves according to the first embodiment will be described.
「第1の実施形態」
図1において、電波を利用した距離測定装置1は、送信アンテナ21から被測定物に対し、周波数が一定の範囲で時間に対して変移する電波を送信する送信系と、受信アンテナ23を介し被測定物で反射した電波を受信する受信系と、を備えている。ここで、送信系は、発振部11、周波数変調部12、ミキサ13、IF発振部14、フィルタ15、カプラ16、ミキサ17、フィルタ18及び送信アンテナ21を備えている。また受信系は、受信アンテナ23、ミキサ40、フィルタ41、直交検波部42、コンデンサ46−1,46−2、A/D変換部47−1,47−2及び演算部50を備え、直交検波部42は、ミキサ43−1,43−2、π/2移相器44、フィルタ45−1,45−2を備えている。なお、電波を利用した距離測定装置1は、送信波のRF周波数帯へのアップコンバートと、受信波のIF周波数帯へのダウンコンバートと、を行うためのRF発振部30を備えている。
“First Embodiment”
In FIG. 1, a
また演算部50には、ビート信号の同相成分との直交成分の直交関係に関する誤差(振幅誤差及び位相誤差)を算出し、算出された誤差に基づいて、ビート信号の同相成分と直交成分の直交関係に関する誤差を補正する誤差補正回路と、誤差が補正されたビート信号の複素データ系列を離散フーリエ変換してアンテナから被測定物までの距離を測定する回路と、が備えられている。なお、これについては、後述する。
In addition, the
また、アンテナは、送信アンテナ21が被測定物に対して電波を送信し、受信アンテナ23が反射してきた電波を受信できるよう、被測定物に対向するよう設置されている。なお、送信アンテナ21と、受信アンテナ23は、特許文献1に記載されているように、アンテナを送受信で共用し、サーキュレータにより、送信波と受信波を分離する構造であっても構わないが、分離して配置することが望ましい。特許文献1に記載された距離測定装置のように、アンテナを送受信で共用すると、送信波がアンテナ内部で(輻射されずに)反射され、この反射波が受信波としてサーキュレータを介して受信されてしまう。アンテナ内部で反射された反射波は、伝達距離が限りなくゼロに近く非常に短いため、送信波とほとんど変わらない周波数で受信される。従って、アンテナを送受信で共用すると、送信波と受信波のミキシングにより低周波のビート信号が常に検出されてしまう。このような低周波のビート信号は、アンテナから被測定物までの距離が近いとき(場合によっては近くなくても)、ビート信号の周波数の検出に誤差を生じさせる。従って、アンテナは、充分なアイソレーションをとって(一例として50dB以上)、送信用と受信用で分離して配置するのが望ましい。以下、第1の実施形態の電波を利用した距離測定装置の動作について詳細に説明する。
The antenna is installed so as to face the object to be measured so that the transmitting
図1において、発振部11は、基本周波数f0の送信波(電波)を発生させ、これを出力する。周波数変調部12は、前述した送信波が入力され、これを周波数変調し、周波数f0〜f0+B[Hz]の範囲で、時間T[sec]に対して線形的に変移する送信波を出力する。周波数変調された送信波は、ミキサ13に入力され、IF発振部14から出力されたIF信号とミキシングされる。ミキサ13によりミキシングされた送信波は、フィルタ15により、高周波成分のみが通過するようフィルタリングされ、IF周波数帯(fIF〜fIF+B[Hz])にアップコンバートされる。
In FIG. 1, an oscillating unit 11 generates a transmission wave (radio wave) having a fundamental frequency f 0 and outputs it. The
IF周波数帯にアップコンバートされた送信波は、カプラ16に入力される。カプラ16に入力された送信波は、ミキサ17と、直交検波部42に入力される。ミキサ17に入力された送信波は、RF発振部30から出力されたRF信号とミキシングされる。ミキサ17によりミキシングされた送信波は、フィルタ18により、高周波成分のみが通過するようフィルタリングされ、RF周波数帯(fRF〜fRF+B[Hz])にアップコンバートされる。そして、RF周波数帯にアップコンバートされた送信波は、送信アンテナ21から被測定物に対して輻射される。
The transmission wave up-converted to the IF frequency band is input to the
送信アンテナ21から被測定物に対して輻射された送信波は、被測定物で反射し、受信波として受信アンテナ23で受信される。この受信波は、送信波に対して、被測定物までの距離R[m]を往復して伝搬する時間分δt[sec]だけ遅延している。そして、この受信波は、ミキサ40に入力される。ミキサ40に入力された受信波は、RF発振部30から出力されたRF信号とミキシングされる。ミキサ40によりミキシングされた送信波は、フィルタ41により、低周波成分のみが通過するようフィルタリングされ、IF周波数帯(fIF〜fIF+B[Hz])にダウンコンバートされる。そして、IF周波数帯にダウンコンバートされた受信波は、直交検波部42に入力される。
A transmission wave radiated from the
直交検波部42に入力された受信波は、ミキサ43−1,43−2に入力される。ミキサ43−1に入力された受信波は、カプラ16から出力された送信波との間で、ミキシングされる。ミキサ43−1によりミキシングされた受信波は、フィルタ45−1により、低周波成分のみが通過するようフィルタリングされ、後述する送信波の周波数と受信波の周波数の差分の周波数δf[Hz]を有するビート信号の同相成分である余弦波成分が出力される。また、ミキサ43−2に入力された受信波は、カプラ16から出力されπ/2移相器44によりπ/2位相がずれた送信波との間でミキシングされる(なお、後述するように厳密には位相のずれはπ/2では無く誤差を含んでいる)。ミキサ43−2によりミキシングされた受信波は、フィルタ45−2により、高周波成分のみが通過するようフィルタリングされ、後述する送信波の周波数と受信波の周波数の差分の周波数δf[Hz]を有するビート信号の直交成分である正弦波成分が出力される。
The received wave input to the
図2に、直交検波部42に入力される送信波と、受信波と、の周波数の変移の様子を示す。図2は、送信波と受信波の周波数変移の様子を示したグラフであり、横軸が時間、縦軸が周波数である。カプラ16から出力される送信波は、周波数fIF〜fIF+B[Hz]の範囲で時間T[sec]に対して線形的に変移する。また、直交検波部42に入力される受信波も、周波数fIF〜fIF+B[Hz]の範囲で時間T[sec]に対して線形的に変移して入力される。ここで、直交検波部42に入力される受信波は、前述したように送信波に対して、被測定物までの距離R[m]を往復して伝搬した分の時間δt[sec]だけ遅延して入力される。一方、直交検波部42に入力される送信波は、受信波に対して周波数δf[Hz]だけ(時間δt[sec]の分だけ)変移している。従って、直交検波部42からは、送信波の周波数と、受信波の周波数と、の差分の周波数δf[Hz]のビート信号の余弦波成分と正弦波成分が出力される。
FIG. 2 shows a state of frequency shift between the transmission wave and the reception wave input to the
ここで、送信波の周波数変動幅をB[Hz]、変動時間をT[sec]とすると、電波が被測定物で反射して往復する時間は、
δt = Tδf/B ・・・ (4)
で表される。従って、電波の伝搬速度をc[m/sec]とすると、被測定物までの距離R[m]は、
R = cTδf/2B ・・・ (5)
を算出することにより求まる。
Here, when the frequency fluctuation width of the transmission wave is B [Hz] and the fluctuation time is T [sec], the time for which the radio wave is reflected by the measured object and reciprocates is:
δt = Tδf / B (4)
It is represented by Therefore, if the propagation speed of the radio wave is c [m / sec], the distance R [m] to the object to be measured is
R = cTδf / 2B (5)
Is obtained by calculating.
前述したように、ミキサ45−1及び45−2から出力されるビート信号は、アナログ信号である。従って、演算部50で、ビート信号の周波数δf[Hz]から距離R[m]を算出するためには、ビート信号をデジタル信号(データ系列)に変換し、これを算出する必要がある。しかし、このビート信号を実数データとして、離散フーリエ変換してしまうと、前述したようなビート信号のスペクトラムの鏡像の影響を排除することができない。そこで、第1の実施形態に関わる電波を利用した距離測定装置では、前述した直交検波部42から出力されたビート信号の同相成分である余弦波成分を実部とし、直交成分である正弦波成分を虚部とした複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより鏡像の影響を排除する。以下、これについて詳細に説明する。
As described above, the beat signals output from the mixers 45-1 and 45-2 are analog signals. Therefore, in order for the
直交検波部42のフィルタ45−1から出力されたビート信号の同相成分は、コンデンサ46−1により直流成分を含む低周波成分が除去されたのち、A/D変換部47−1に入力される。A/D変換部47−1に入力されたビート信号の同相成分は、既定のサンプル数でA/D変換される。一例として、既定のサンプル数を256個とする。従って、A/D変換部47−1からは、256個のデータからなる(同相成分の)データ系列が出力される。一方、直交検波部42のフィルタ45−2から出力されたビート信号の直交成分は、コンデンサ46−2により直流成分を含む低周波成分が除去されたのち、A/D変換部47−2に入力される。A/D変換部47−2に入力されたビート信号の直交成分は、前述した既定のサンプル数と同数のサンプル数(256個)でA/D変換される。従って、A/D変換部47−2からは、256個のデータからなる(直交成分の)データ系列が出力される。ここで、A/D変換部47−1及び47−2により生成されたデータ系列は、演算部50に入力され、前述したビート信号の周波数δf[Hz]が算出され、送信アンテナ21(又は23)から被測定物までの距離が算出される。以下、演算部50の処理について、詳細に説明する。
The in-phase component of the beat signal output from the filter 45-1 of the
前述したようにA/D変換部47−1から出力され、演算部50に入力されたビート信号は、ビート信号の同相成分である余弦波成分(A・cos(ωt+θ))である。一方、A/D変換部47−2から出力され、演算部50に入力されたビート信号は、ビート信号の直交成分である正弦波成分(A・γ・sin(ωt+θ+φ))である。ここでγは、ビート信号の同相成分と直交成分の振幅比(振幅誤差)である。また、φは、同相成分と直交成分の位相のずれの度合(位相誤差)である。従って、ビート信号の同相成分である余弦波成分と、ビート信号の直交成分である正弦波成分が、理想的な直交関係であれば、γ=1,φ=0となる。
As described above, the beat signal output from the A / D conversion unit 47-1 and input to the
しかし、前述したように、カプラ16を介してπ/2移相器44に入力される送信波は、周波数が変移している。これに伴い送信波の波長も変移する。このため、ミキサ43−2に入力される送信波は、ミキサ43−1に入力される送信波に対する位相が、必ずしもπ/2になるとは限らない。従って、直交検波部42から出力されるビート信号の同相成分と直交成分は、常に理想的な直交関係を保つのは困難である。そこで、第1の実施形態に関わる電波を利用した距離測定装置1では、ミキシングにより生成されたビート信号に含まれる直交関係の誤差を離散フーリエ変換により検出し、検出された誤差によりビート信号の誤差補正を行い、誤差補正されたビート信号を再度離散フーリエ変換してビート信号の周波数を算出する。これについて、以下に詳細に述べる。
However, as described above, the frequency of the transmission wave input to the π / 2 phase shifter 44 via the
前述したように、ビート信号の同相成分I(t)と、ビート信号の直交成分Q(t)は、
I(t) = A・cos(ωt+θ) ・・・ (6a)
Q(t) = A・γ・sin(ωt+θ+φ) ・・・ (6b)
で表すことができる。ここで、式(6a)で表されるビート信号の同相成分を実部とし、式(6b)で表されるビート信号の直交成分を虚部とすると、ビート信号は、
f(t)= A・cos(ωt+θ)+jA・γ・sin(ωt+θ+φ)
=(A/2)[(1+γejφ)ej(ωt+θ)+(1−γe−jφ)e−j(ωt+θ)]
・・・ (7)
のように複素数で表すことができる。
As described above, the in-phase component I (t) of the beat signal and the quadrature component Q (t) of the beat signal are
I (t) = A · cos (ωt + θ) (6a)
Q (t) = A · γ · sin (ωt + θ + φ) (6b)
It can be expressed as Here, when the in-phase component of the beat signal represented by Expression (6a) is a real part and the quadrature component of the beat signal represented by Expression (6b) is an imaginary part, the beat signal is
f (t) = A · cos (ωt + θ) + jA · γ · sin (ωt + θ + φ)
= (A / 2) [(1 + γe jφ ) e j (ωt + θ) + (1−γe −jφ ) e −j (ωt + θ) ]
(7)
It can be expressed as a complex number.
式(7)で表されるビート信号の複素数をフーリエ変換すると、
前述したように、電波を利用した距離測定装置1では、ビート信号の周波数を検出するために、ミキシングにより得られたビート信号をA/D変換し、これにより生成された複素データ系列を、離散フーリエ変換している。従って、直交関係に誤差が含まれた角周波数ωのビート信号の複素データ系列を離散フーリエ変換すると、図3aに示すように、角周波数“+ω”を中心とする四角形でポイントされたビート信号の実像と、角周波数“−ω”を中心とする三角形でポイントされたビート信号の鏡像と、の2つのsinc関数特性を有するスペクトラムが現れる。
As described above, in the
図3aに示すように、アンテナから被測定物までの距離が近いと、ビート信号の周波数が低くなることにより、実像“+ω”と鏡像“−ω”の各々のスペクトラムが、お互いに近づき、実像(及び鏡像)のスペクトラムの振幅値が最大となる周波数の値と、加算したスペクトラムの振幅値が最大となる周波数の値と、の間に誤差が発生する。このような誤差は、距離測定の精度を低下させる要因となるため、より精度の高い距離測定を行うために取り除く必要がある。以下、誤差補正について説明する。 As shown in FIG. 3a, when the distance from the antenna to the object to be measured is short, the frequency of the beat signal decreases, so that the spectrum of each of the real image “+ ω” and the mirror image “−ω” approaches each other. An error occurs between the frequency value at which the amplitude value of the spectrum of (and the mirror image) becomes maximum and the frequency value at which the amplitude value of the added spectrum becomes maximum. Such an error causes a decrease in the accuracy of distance measurement, and thus needs to be removed in order to perform a distance measurement with higher accuracy. Hereinafter, error correction will be described.
演算部50では、入力されたビート信号の複素データ系列を、有限区間Nで離散フーリエ変換している。有限区間Nで離散フーリエ変換されたビート信号のスペクトラムは、図3bに示すように、有限区間N毎に(実像と鏡像の)スペクトラムが繰り返す周期性を有している。演算部50では、まず、この有限区間Nで算出されたスペクトラムの中から、振幅が最も高い周波数に対応するデータを探索する。探索された振幅が最も高い周波数に対応するデータをF(kmax)とする。
The
次に、kmaxを符号反転した−kmaxを探索する。ここで、前述したように、演算部50では有限区間Nで離散フーリエ変換しているため、0〜N−1の領域でしか演算することができない。また、前述したように、入力されたビート信号の複素データ系列を有限区間Nで離散フーリエ変換したスペクトラムは、データ数がN毎に(実像と鏡像の)スペクトラムが繰り返す周期性を有している。従って、F(N−kmax)を、kmaxの符号反転である−kmaxに対応するデータとする。これにより、データF(kmax)と、データF(N−kmax)は、式(8)より、
ここで、kmax=0のときは、式9(a)及び式(9b)に示す2つの式を抽出することができなくなる。そこで、kmax=0のときは、F(1)とF(N−1)を比較して、式(10)及び式(10b)のように、F(kmax)とF(N−kmax)を検出する。
ここで、式(9a)に示される複素数と、式(9b)に示される複素数の共役複素数と、の和と差を算出すると、
さらに、式(11a)及び(11b)に表された式を展開することにより、
ここで、式(6a)に示したビート信号の同相成分I(t)と、式(6b)に示したビート信号の直交成分Q(t)と、を展開すると、
I(t)= A・cos(ωt+θ)= A・cos(ωt)・cos(θ)−A・sin(ωt)・sin(θ) ・・・ (13a)
Q(t)= A・γ・sin(ωt+θ+φ)= A・γ・sin(ωt)・cos(θ+φ)+A・γ・cos(ωt)・sin(θ+φ) ・・・ (13b)
を導くことができる。また、補正後のビート信号の同相成分をI’(t)≡A・cos(ωt)と置き、補正後のビート信号の直交成分をQ’(t)≡A・sin(ωt)と置くと、式(13a)と式(13b)は、
I(t)= I’(t)・cos(θ)−Q’(t)・sin(θ)
・・・ (14a)
Q(t)= I’(t)・γ・sin(θ+φ)+Q’(t)・γ・cos(θ+φ)
・・・ (14b)
と置くことができる。この式(14a)及び式(14b)の連立方程式を解き、式(12a)〜(12d)までの式を代入することにより、式(15a)及び式(15b)に示すI’(t)及びQ’(t)を導き出すことができる。すなわち、
I’(t)=fI(I(t)、Q(t)) ・・・ (15a)
Q’(t)=fQ(I(t)、Q(t)) ・・・ (15b)
のように、補正後のビート信号の同相成分I’(t)と、補正後のビート信号の直交成分Q’(t)は、演算部50に入力されたビート信号の同相成分I(t)と直交成分Q(t)の関数として表すことができる。
Here, when the in-phase component I (t) of the beat signal shown in Expression (6a) and the quadrature component Q (t) of the beat signal shown in Expression (6b) are expanded,
I (t) = A · cos (ωt + θ) = A · cos (ωt) · cos (θ) −A · sin (ωt) · sin (θ) (13a)
Q (t) = A · γ · sin (ωt + θ + φ) = A · γ · sin (ωt) · cos (θ + φ) + A · γ · cos (ωt) · sin (θ + φ) (13b)
Can guide you. Further, if the in-phase component of the beat signal after correction is set as I ′ (t) ≡A · cos (ωt) and the orthogonal component of the beat signal after correction is set as Q ′ (t) ≡A · sin (ωt). Equation (13a) and Equation (13b) are
I (t) = I ′ (t) · cos (θ) −Q ′ (t) · sin (θ)
(14a)
Q (t) = I ′ (t) · γ · sin (θ + φ) + Q ′ (t) · γ · cos (θ + φ)
(14b)
And can be put. By solving the simultaneous equations of the equations (14a) and (14b) and substituting the equations (12a) to (12d), I ′ (t) shown in the equations (15a) and (15b) and Q ′ (t) can be derived. That is,
I ′ (t) = f I (I (t), Q (t)) (15a)
Q ′ (t) = f Q (I (t), Q (t)) (15b)
As described above, the in-phase component I ′ (t) of the beat signal after correction and the quadrature component Q ′ (t) of the beat signal after correction are in-phase component I (t) of the beat signal input to the
式(15a)に示す補正後のビート信号の同相成分I’(t)を実部とし、式(15b)に示す補正後のビート信号の直交成分Q’(t)を虚部とすると、補正後のビート信号の複素データ系列f’(t)は、
f’(t)=I’(t)+jQ’(t) ・・・ (16)
とすることができる。この補正後の理想的な直交関係を有する(角周波数ωの)ビート信号の複素データ系列f’(t)を離散フーリエ変換することにより、図4に示すように、角周波数“+ω”を中心とする四角形でポイントされたsinc関数特性を有するビート信号の実像のスペクトラムのみが算出される。
If the in-phase component I ′ (t) of the corrected beat signal shown in equation (15a) is the real part and the orthogonal component Q ′ (t) of the corrected beat signal shown in equation (15b) is the imaginary part, the correction is performed. The complex data series f ′ (t) of the later beat signal is
f ′ (t) = I ′ (t) + jQ ′ (t) (16)
It can be. By performing a discrete Fourier transform on the complex data sequence f ′ (t) of the beat signal (of the angular frequency ω) having the ideal orthogonal relationship after correction, the angular frequency “+ ω” is centered as shown in FIG. Only the spectrum of the real image of the beat signal having the sinc function characteristic pointed by the quadrangle is calculated.
従って、第1の実施形態に示した電波を利用した距離測定装置では、従来の電波を利用した距離測定装置のように鏡像のスペクトラムが算出されることがない。これにより、第1の実施形態に示した電波を利用した距離測定装置では、従来の電波を利用した距離測定装置のように、近距離にある被測定物までの距離を測定するとき(ビート信号の周波数が低くなったとき)に、検出されるビート信号の振幅値が最大となる周波数から、スペクトラムの鏡像の影響による誤差を排除することができる。 Therefore, in the distance measuring device using the radio wave shown in the first embodiment, the spectrum of the mirror image is not calculated unlike the distance measuring device using the conventional radio wave. Thereby, in the distance measuring device using the radio wave shown in the first embodiment, when measuring the distance to the object to be measured at a short distance as in the conventional distance measuring device using the radio wave (beat signal) The error due to the influence of the mirror image of the spectrum can be eliminated from the frequency at which the amplitude value of the detected beat signal becomes maximum.
従って、第1の実施形態に示した電波を利用した距離測定装置1では、図4に示した、演算部50により算出されたビート信号の実像のスペクトラムから、鏡像の影響を受けることなく、ビート信号の周波数が低いとき(アンテナから被測定物までの距離が近いとき)のビート信号のスペクトラムの振幅が最大となるピーク周波数fp[Hz]を算出することができる。これにより算出されたピーク周波数fp[Hz]から、距離測定装置1の送信アンテナ21(又は受信アンテナ23)から被測定物までの距離R[m]は、
R = cfpT/2B ・・・ (17)
で表すことができる。
Therefore, in the
R = cf p T / 2B (17)
It can be expressed as
また、電波を利用した距離測定装置1を、水位測定装置に適用した場合は、電波を利用した距離測定装置1が水深距離L0に設置されているとすると、水位L[m]は、
L = L0−cfpT/2B ・・・ (18)
で表すことができる。
In addition, when the
L = L 0 −cf p T / 2B (18)
It can be expressed as
また前述したように、kmax=0のときは、F(1)とF(N−1)を比較して、式(10a)及び式(10b)のように、F(kmax)とF(N−kmax)を検出しているため、測定されるアンテナから被測定物までの距離には、図5に示すような誤差を含む値が算出される。従って、電波を利用した距離測定装置には、図5に示すような被測定物までの距離と、算出される距離と、の関係を示すテーブルを用意しておき、このテーブルを参照して被測定物までの距離を測定することが望ましい。 As described above, when k max = 0, F (1) and F (N−1) are compared, and F (k max ) and F (F) are obtained as in equations (10a) and (10b). Since (N−k max ) is detected, a value including an error as shown in FIG. 5 is calculated for the distance from the antenna to be measured to the object to be measured. Therefore, a distance measuring apparatus using radio waves has a table showing the relationship between the distance to the object to be measured and the calculated distance as shown in FIG. It is desirable to measure the distance to the measurement object.
「第2の実施形態」
前述したように、第1の実施形態で説明した電波を利用した距離測定装置は、ビート信号を直交検波により検出し、ビート信号の同相成分のデータ系列を実部とし、ビート信号の直交成分のデータ系列を虚部とした複素データ系列を離散フーリエ変換して、第一の複素数と、第二の複素数を算出し、これに基づいてビート信号の同相成分と、ビート信号の直交成分と、の振幅と位相の誤差を算出していた。しかしながら、前述したように、kmax=0のときは、被測定物までの距離と、算出される距離と、の関係を示すテーブルを用意しておき、このテーブルを参照して被測定物までの距離を測定しなければ、被測定物までの距離を正確に算出することができなかった。そこで、第2の実施形態では、より簡単に、ビート信号の同相成分と直交成分の間の誤差を補正することが可能な電波を利用した距離測定装置について説明する。
“Second Embodiment”
As described above, the distance measuring apparatus using the radio wave described in the first embodiment detects a beat signal by quadrature detection, uses the in-phase component data series of the beat signal as a real part, and calculates the quadrature component of the beat signal. Discrete Fourier transform of the complex data series with the data series as an imaginary part to calculate the first complex number and the second complex number, and based on this, the in-phase component of the beat signal and the quadrature component of the beat signal Amplitude and phase errors were calculated. However, as described above, when k max = 0, a table showing the relationship between the distance to the object to be measured and the calculated distance is prepared, and the object to be measured is referred to this table. Unless the distance was measured, the distance to the object to be measured could not be calculated accurately. Therefore, in the second embodiment, a distance measuring device using radio waves that can correct an error between the in-phase component and the quadrature component of the beat signal will be described more simply.
前述したビート信号の同相成分I(t)をxとし、ビート信号の直交成分Q(t)をy(t)としてリサージュ図形を算出すると、図6aのようになる。ここで、
x = A・cos(ωt+θ) ・・・ (19a)
y = A・γ・sin(ωt+θ+φ) ・・・ (19b)
である。ビート信号の同相成分と直交成分が、理想的な直交関係(γ=1,φ=0)であれば、リサージュ図形は理想的な円になる。しかしながら、ビート信号の同相成分と直交成分の直交関係に誤差が含まれてしまうと、図6aに示すような楕円になってしまう。第2の実施形態に示す電波を利用した距離測定装置では、直交関係に誤差を含むビート信号によりリサージュ図形を算出し、算出されたリサージュ図形(の楕円の度合)によりビート信号の同相成分と直交成分の直交関係に誤差を検出し、検出された誤差に基づいてビート信号の誤差を補正する。以下、詳細に説明する。
FIG. 6A shows the Lissajous figure calculated when the in-phase component I (t) of the beat signal is x and the quadrature component Q (t) of the beat signal is y (t). here,
x = A · cos (ωt + θ) (19a)
y = A · γ · sin (ωt + θ + φ) (19b)
It is. If the in-phase component and the quadrature component of the beat signal are in an ideal quadrature relationship (γ = 1, φ = 0), the Lissajous figure is an ideal circle. However, if an error is included in the orthogonal relationship between the in-phase component and the quadrature component of the beat signal, an ellipse as shown in FIG. In the distance measuring device using radio waves shown in the second embodiment, a Lissajous figure is calculated from a beat signal including an error in an orthogonal relationship, and is orthogonal to the in-phase component of the beat signal by the calculated Lissajous figure (degree of ellipse thereof). An error is detected in the orthogonal relationship between the components, and the error of the beat signal is corrected based on the detected error. Details will be described below.
式(19a)及び式(19b)に示すビート信号の同相成分と直交成分を、
x/A = cos(ωt+θ) ・・・ (20a)
y/(A・γ)=sin(ωt+θ+φ)
=sin(ωt+θ)cos(φ)+cos(ωt+θ)sin(φ)
・・・ (20b)
と置き換える。式(20b)を展開すると、
sin(ωt+θ)={y/(A・γ)−(x/A)・sin(φ)}/cos(φ)
・・・ (21)
となる。
The in-phase component and the quadrature component of the beat signal shown in Equation (19a) and Equation (19b)
x / A = cos (ωt + θ) (20a)
y / (A · γ) = sin (ωt + θ + φ)
= Sin (ωt + θ) cos (φ) + cos (ωt + θ) sin (φ)
(20b)
Replace with When formula (20b) is expanded,
sin (ωt + θ) = {y / (A · γ) − (x / A) · sin (φ)} / cos (φ)
(21)
It becomes.
式(20a)及び式(21)を各々2乗して加算すると、
ここで、式(22)を、αx2+βy2+σxy=1と置くと、
ここで、演算部50に入力されたビート信号の同相成分のデータ系列xn及びビート信号の直交成分のデータ系列ynから、楕円の関係式を算出すると、
αxn 2+βyn 2+σxnyn=1+εn ・・・(24)
を満たす。ここでεnは、xn及びynから楕円の関係式を算出するときの誤差である。ここで自乗誤差の総和Vを算出すると、
αx n 2 + βy n 2 + σx n y n = 1 + ε n (24)
Meet. Where epsilon n is the error when calculating the ellipse equation from x n and y n. Here, when the sum V of the square error is calculated,
つまり、ビート信号の同相成分のデータ系列xn及びビート信号の直交成分のデータ系列ynから、楕円のパラメータα、β、σを求めるには、自乗誤差の総和Vが最小となる条件を算出すれば求まる。自乗誤差の総和Vが最小となる条件を算出するには、自乗誤差の総和Vを、楕円のパラメータα、β、σで偏微分した結果がゼロになる条件を求めれば良い。自乗誤差の総和Vを偏微分すると、
これらの式(26a)〜式(26c)がゼロとなるように方程式を展開すると、
α = fα(xn,yn) ・・・ (28a)
β = fβ(xn,yn) ・・・ (28b)
σ = fσ(xn,yn) ・・・ (28c)
のようにα、β、σを算出することができる。
When the equations are expanded so that these equations (26a) to (26c) become zero,
α = f α (x n , y n ) (28a)
β = fβ (x n , y n ) (28b)
σ = f σ (x n , y n ) (28c)
Α, β, and σ can be calculated as follows.
式(28a)〜式(28b)で算出されたα、β、σを、式(23a)〜式(23b)に代入することにより、
以上、説明したように、第1及び第2の実施形態に係る電波を利用した距離測定装置は、ビート信号を直交検波により検出し、ビート信号の誤差を補正したのち、ビート信号の同相成分のデータ系列を実部とし、ビート信号の直交成分のデータ系列を虚部とした複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより、アンテナから近距離の被測定物までの距離を精度良く測定することができる距離測定装置を実現することができる。 As described above, the distance measuring device using the radio wave according to the first and second embodiments detects the beat signal by quadrature detection, corrects the error of the beat signal, and then corrects the in-phase component of the beat signal. It is possible to accurately measure the distance from the antenna to the object to be measured by performing a discrete Fourier transform on the complex data series with the real part of the data series and the data series of the orthogonal component of the beat signal as the imaginary part. It is possible to realize a distance measuring device that can be used.
また、本実施形態に係る電波を利用した距離測定装置は、前述したように、電波を水面に対して輻射し、反射してきた受信波と、送信波と、のビート信号から水位を測定する水位測定装置や、地すべりの可能性のある岩盤までの距離を算出し、岩盤までの距離の変化によって地すべりを検出する地すべりセンサ等に転用できることは言うまでも無く本発明の趣旨から離れるものではない。本実施形態で示した電波を利用した距離測定装置を、前述したような水位測定装置や地すべりセンサ等に、適用する場合は、テレメータシステムとして適用しても良い。測定された距離(水位)は、有線、または、無線回線を通して、中央の制御センター等に伝送される。対向側のテレメータシステムは、距離のデータを保存し、帳票作成、増水判定、災害の早期発見などが可能となり、防災業務により貢献することができる。 In addition, as described above, the distance measuring device using the radio wave according to the present embodiment radiates the radio wave to the water surface and measures the water level from the beat signal of the received wave and the transmitted wave reflected. Needless to say, the present invention does not depart from the spirit of the present invention. It can be diverted to a measuring device or a landslide sensor that detects a landslide by calculating a distance to a rock that may cause a landslide and detecting a landslide by changing the distance to the rock. When the distance measuring device using the radio wave shown in the present embodiment is applied to a water level measuring device or a landslide sensor as described above, it may be applied as a telemeter system. The measured distance (water level) is transmitted to a central control center or the like through a wired or wireless line. The telemeter system on the opposite side can save distance data, create forms, determine water increase, detect disasters early, etc., and contribute to disaster prevention work.
1 電波を利用した距離測定装置、11 発振部、12 周波数変調部、13,17,40,43−1,43−2 ミキサ、14 IF発振部、15 フィルタ、16 カプラ、18,41,45−1,45−2 フィルタ、21 送信アンテナ、23 受信アンテナ、30 RF発振部、42 直交検波部、44 π/2移相器、46−1,46−2 コンデンサ、47−1,47−2 A/D変換部、50 演算部。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
アンテナを介し、被測定物で反射した電波を受信する受信系と、
送信した電波で受信した電波を直交検波することにより、送信した電波の周波数と受信した電波の周波数の差分の周波数成分と、送信した電波と同じ位相と、を有する差分の周波数成分の同相成分と、送信した電波の周波数と受信した電波の周波数の差分の周波数成分と、送信した電波とπ/2異なる位相と、を有する差分の周波数成分の直交成分と、を検出する周波数検出部と、
差分の周波数成分の同相成分と直交成分をA/D変換し、データ系列を生成するA/D変換部と、
生成された差分の周波数成分の同相成分と直交成分のデータ系列を演算することにより、アンテナから被測定物までの距離を測定する演算部と、
を備え、
演算部は、
差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の直交関係に関する誤差を算出し、算出された誤差に基づいて、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の直交関係に関する誤差を補正する誤差補正回路と、
誤差が補正された差分の周波数成分の同相成分のデータ系列を実部とし、誤差が補正された差分の周波数成分の直交成分のデータ系列を虚部とした誤差が補正された複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより、アンテナから被測定物までの距離を測定する回路と、
を備えていることを特徴とする電波を利用した距離測定装置。 A transmission system for transmitting radio waves whose frequency changes with time in a certain range from the antenna to the device under test;
A receiving system for receiving the radio wave reflected by the object to be measured via the antenna;
By performing quadrature detection of the received radio wave with the transmitted radio wave, the in-phase component of the difference frequency component having the frequency component of the difference between the frequency of the transmitted radio wave and the frequency of the received radio wave and the same phase as the transmitted radio wave A frequency detection unit for detecting a frequency component of a difference between a frequency of a transmitted radio wave and a frequency of a received radio wave and an orthogonal component of a difference frequency component having a phase different from that of the transmitted radio wave by π / 2;
An A / D converter that performs A / D conversion on the in-phase component and the quadrature component of the difference frequency component, and generates a data series;
An arithmetic unit that measures the distance from the antenna to the object to be measured by calculating a data sequence of the in-phase component and the quadrature component of the generated frequency component of the difference,
With
The calculation unit
Calculate an error related to the orthogonal relationship between the in-phase component of the difference frequency component and the quadrature component of the difference frequency component, and based on the calculated error, the in-phase component of the difference frequency component and the orthogonality of the difference frequency component An error correction circuit for correcting an error related to the orthogonal relationship between the component and
A complex data sequence in which the error is corrected with the data series of the in-phase component of the frequency component of the difference whose error is corrected as a real part and the data sequence of the orthogonal component of the frequency component of the difference whose error is corrected as an imaginary part, A circuit for measuring the distance from the antenna to the object to be measured by performing a discrete Fourier transform;
A distance measuring device using radio waves, characterized by comprising:
誤差補正回路は、
差分の周波数成分の同相成分のデータ系列を実部とし、差分の周波数成分の直交成分のデータ系列を虚部とした複素データ系列を離散フーリエ変換し、これにより求まるスペクトラムを算出する回路と、
算出されたスペクトラムの振幅が最大となる周波数を探索し、スペクトラムの振幅が最大となる周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む第一の複素数と、スペクトラムの振幅が最大となる周波数と直流軸で対称となる周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む第二の複素数と、を抽出する回路と、
第一の複素数と、第二の複素数と、のうちいずれか一方を共役複素数として、第一の複素数と、第二の複素数と、を減算することにより、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を算出する回路と、
算出された誤差に基づいて、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を補正する回路と、
を備えていることを特徴とする電波を利用した距離測定装置。 A distance measuring device using radio waves according to claim 1,
The error correction circuit
A circuit that calculates a spectrum obtained by performing a discrete Fourier transform on a complex data sequence in which the data sequence of the in-phase component of the difference frequency component is a real part and the data sequence of the quadrature component of the difference frequency component is an imaginary part;
Search for the frequency that maximizes the calculated spectrum amplitude, the first complex number including the amplitude and phase of the difference frequency component corresponding to the frequency that maximizes the spectrum amplitude, and the frequency that maximizes the spectrum amplitude And a second complex number including the amplitude and phase of the frequency component of the difference corresponding to the frequency symmetric with respect to the DC axis, and
By subtracting the first complex number and the second complex number from either the first complex number or the second complex number as a conjugate complex number, the in-phase component of the difference frequency component and the difference A circuit for calculating an orthogonal component of the frequency component and an amplitude and phase error of
Based on the calculated error, a circuit for correcting the amplitude and phase errors of the in-phase component of the difference frequency component and the quadrature component of the difference frequency component;
A distance measuring device using radio waves, characterized by comprising:
誤差補正回路は、
抽出されたスペクトラムの振幅が最大となる周波数がゼロのとき、算出されたスペクトラムのゼロ以外の周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む複素数を第一の複素数とし、ゼロ以外の周波数と直流軸で対称となる周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む複素数を第二の複素数として、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を算出することを特徴とする電波を利用した距離測定装置。 A distance measuring device using radio waves according to claim 2,
The error correction circuit
When the frequency at which the amplitude of the extracted spectrum is maximum is zero, the complex number including the amplitude and phase of the difference frequency component corresponding to the non-zero frequency of the calculated spectrum is the first complex number, and the non-zero frequency And the complex number including the amplitude and phase of the difference frequency component corresponding to the frequency symmetric with respect to the DC axis as the second complex number, and the amplitude of the in-phase component of the difference frequency component and the orthogonal component of the difference frequency component A distance measuring device using radio waves characterized by calculating a phase error.
誤差補正回路は、
差分の周波数成分の同相成分のデータ系列と、差分の周波数成分の直交成分のデータ系列と、からリサージュ図形を算出し、算出されたリサージュ図形に基づいて、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を補正することを特徴とする電波を利用した距離測定装置。 A distance measuring device using radio waves according to claim 1,
The error correction circuit
A Lissajous figure is calculated from the data sequence of the in-phase component of the difference frequency component and the data series of the quadrature component of the difference frequency component, and the in-phase component of the difference frequency component and the difference are calculated based on the calculated Lissajous figure. A distance measuring device using radio waves, wherein an error in amplitude and phase of the orthogonal component of the frequency component is corrected.
アンテナを介し、被測定物で反射した電波を受信する工程と、
送信した電波で受信した電波を直交検波することにより、送信した電波の周波数と受信した電波の周波数の差分の周波数成分と、送信した電波と同じ位相と、を有する差分の周波数成分の同相成分と、送信した電波の周波数と受信した電波の周波数の差分の周波数成分と、送信した電波とπ/2異なる位相と、を有する差分の周波数成分の直交成分と、を検出する工程と、
差分の周波数成分の同相成分と直交成分をA/D変換し、データ系列を生成する工程と、
生成された差分の周波数成分の同相成分と直交成分のデータ系列を演算することにより、アンテナから被測定物までの距離を測定する工程と、
を有し、
アンテナから被測定物までの距離を測定する工程は、
差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の直交関係に関する誤差を算出し、算出された誤差に基づいて、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の直交関係に関する誤差を補正する工程と、
誤差が補正された差分の周波数成分の同相成分のデータ系列を実部とし、誤差が補正された差分の周波数成分の直交成分のデータ系列を虚部とした誤差が補正された複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより、アンテナから被測定物までの距離を測定する工程と、
を有していることを特徴とする電波を利用した距離測定方法。 A step of transmitting a radio wave whose frequency changes with time in a certain range from an antenna to a device under test;
Receiving the radio wave reflected by the object to be measured via the antenna;
By performing quadrature detection of the received radio wave with the transmitted radio wave, the in-phase component of the difference frequency component having the frequency component of the difference between the frequency of the transmitted radio wave and the frequency of the received radio wave and the same phase as the transmitted radio wave Detecting a frequency component of the difference between the frequency of the transmitted radio wave and the frequency of the received radio wave and an orthogonal component of the frequency component of the difference having a phase different from that of the transmitted radio wave by π / 2;
A / D conversion of the in-phase component and the quadrature component of the difference frequency component to generate a data series;
A step of measuring a distance from the antenna to the object to be measured by calculating a data sequence of the in-phase component and the quadrature component of the generated frequency component of the difference;
Have
The process of measuring the distance from the antenna to the object to be measured
Calculate an error related to the orthogonal relationship between the in-phase component of the difference frequency component and the quadrature component of the difference frequency component, and based on the calculated error, the in-phase component of the difference frequency component and the orthogonality of the difference frequency component Correcting an error related to the orthogonal relationship between the components;
A complex data sequence in which the error is corrected with the data series of the in-phase component of the frequency component of the difference whose error is corrected as a real part and the data sequence of the orthogonal component of the frequency component of the difference whose error is corrected as an imaginary part, A step of measuring a distance from the antenna to the object to be measured by performing a discrete Fourier transform;
A distance measuring method using radio waves, characterized by comprising:
直交関係に関する誤差を補正する工程は、
差分の周波数成分の同相成分のデータ系列を実部とし、差分の周波数成分の直交成分のデータ系列を虚部とした複素データ系列を離散フーリエ変換し、これにより求まるスペクトラムを算出する工程と、
算出されたスペクトラムの振幅が最大となる周波数を探索し、スペクトラムの振幅が最大となる周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む第一の複素数と、スペクトラムの振幅が最大となる周波数と直流軸で対称となる周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む第二の複素数と、を抽出する工程と、
第一の複素数と、第二の複素数と、のうちいずれか一方を共役複素数として、第一の複素数と、第二の複素数と、を減算することにより、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を算出する工程と、
算出された誤差に基づいて、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を補正する工程と、
を有していることを特徴とする電波を利用した距離測定方法。 A distance measuring method using radio waves according to claim 5,
The step of correcting the error related to the orthogonal relationship is as follows.
A step of performing a discrete Fourier transform on a complex data sequence in which a data sequence of an in-phase component of a difference frequency component is a real part and a data sequence of a quadrature component of a difference frequency component is an imaginary part, and calculating a spectrum obtained thereby;
Search for the frequency that maximizes the calculated spectrum amplitude, the first complex number including the amplitude and phase of the difference frequency component corresponding to the frequency that maximizes the spectrum amplitude, and the frequency that maximizes the spectrum amplitude And a second complex number including the amplitude and phase of the frequency component of the difference corresponding to the frequency symmetric with respect to the DC axis, and
By subtracting the first complex number and the second complex number from either the first complex number or the second complex number as a conjugate complex number, the in-phase component of the difference frequency component and the difference Calculating the orthogonal component of the frequency component and the amplitude and phase error of
Correcting the amplitude and phase errors of the in-phase component of the difference frequency component and the quadrature component of the difference frequency component based on the calculated error;
A distance measuring method using radio waves, characterized by comprising:
直交関係に関する誤差を補正する工程は、
抽出されたスペクトラムの振幅が最大となる周波数がゼロのとき、算出されたスペクトラムのゼロ以外の周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む複素数を第一の複素数とし、ゼロ以外の周波数と直流軸で対称となる周波数に対応する差分の周波数成分の振幅と位相を含む複素数を第二の複素数として、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を算出することを特徴とする電波を利用した距離測定方法。 A distance measuring method using radio waves according to claim 6,
The step of correcting the error related to the orthogonal relationship is as follows.
When the frequency at which the amplitude of the extracted spectrum is maximum is zero, the complex number including the amplitude and phase of the difference frequency component corresponding to the non-zero frequency of the calculated spectrum is the first complex number, and the non-zero frequency And the complex number including the amplitude and phase of the difference frequency component corresponding to the frequency symmetric with respect to the DC axis as the second complex number, and the amplitude of the in-phase component of the difference frequency component and the orthogonal component of the difference frequency component A distance measurement method using radio waves, characterized by calculating a phase error.
直交関係に関する誤差を補正する工程は、
差分の周波数成分の同相成分のデータ系列と、差分の周波数成分の直交成分のデータ系列と、からリサージュ図形を算出し、算出されたリサージュ図形に基づいて、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、の振幅と位相の誤差を補正することを特徴とする電波を利用した距離測定方法。 A distance measuring method using radio waves according to claim 5,
The step of correcting the error related to the orthogonal relationship is as follows.
A Lissajous figure is calculated from the data sequence of the in-phase component of the difference frequency component and the data series of the quadrature component of the difference frequency component, and the in-phase component of the difference frequency component and the difference are calculated based on the calculated Lissajous figure. A distance measurement method using radio waves, characterized by correcting an error in amplitude and phase of the orthogonal component of the frequency component.
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