JP2007127529A - Distance measuring instrument, and method - Google Patents

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Tetsushi Ueyasu
徹志 上保
Yoshihiro Okubo
義博 大窪
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PAL GIKEN KK
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a distance measuring instrument and a distance measuring method capable of enhancing precision in distance measurement using a standing wave, and capable of measuring a distance even in a near distance of ≤2 m. <P>SOLUTION: This instrument/method comprises a transmission means 10 for outputting an electromagnetic wave, a detecting means 30 for detecting a signal intensity (standing wave S) in an associated wave of the electromagnetic wave output from the transmission means 10, and a reflected wave of the electromagnetic wave reflected on a measuring object T, and for outputting a detection signal having a signal level corresponding to the detected signal intensity, and a signal processing means 40 for calculating a distance d between the detecting means 30 and the measuring object, based on the detection signal, The transmission means 10 is constituted to make a frequency of the output electromagnetic wave variable, the signal processing means 40 forms a distance spectrum, based on a level difference between frequencies of the detection signals output from the detecting means 30, when changing the frequency of the electromagnetic wave output from the transmission means 10, and calculates the distance d between the detecting means 30 and the measuring object T, based on the distance spectrum. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、距離測定装置および距離測定方法に関する。アンテナや発光器から発信された電波や光等の電磁波(進行波)は、その進行方向に測定対象があると、その測定対象で反射して進行波と逆向きに進む反射波となる。このため、アンテナ等から連続して一定周波数の電磁波を出力すると、アンテナと測定対象との間には、進行波と反射波の合成によって生じる定在波が形成される。
本発明は上記のような定在波を用いて、測定対象までの距離を測定する距離測定装置およ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. When there is a measurement object in the traveling direction, electromagnetic waves (traveling waves) such as radio waves and light transmitted from an antenna or a light emitter become reflected waves that are reflected by the measurement object and travel in the opposite direction to the traveling wave. For this reason, when an electromagnetic wave having a constant frequency is output continuously from an antenna or the like, a standing wave generated by the synthesis of the traveling wave and the reflected wave is formed between the antenna and the measurement target.
The present invention relates to a distance measuring apparatus and a distance measuring method for measuring a distance to a measurement object using the standing wave as described above.

電波を利用した距離測定装置としては、マイクロ波やミリ波を用いた電波レーダが一般によく知られており、パルスレーダ、FMCWレーダ等が使用されている。
パルスレーダは、パルス信号を発信してからそれが測定対象で反射し戻ってくるまでの時間を計測することにより測定対象までの距離を求めるものである。
FMCWレーダは、周波数掃引した連続波を発信し発信信号と反射信号の周波数差から測定対象までの距離を求めるものである。
As a distance measuring device using radio waves, radio wave radars using microwaves or millimeter waves are generally well known, and pulse radars, FMCW radars, and the like are used.
The pulse radar obtains the distance to the measurement target by measuring the time from when the pulse signal is transmitted until it is reflected and returned by the measurement target.
The FMCW radar transmits a continuous wave that has been swept in frequency, and obtains the distance to the measurement object from the frequency difference between the transmitted signal and the reflected signal.

しかるに、これらのレーダでは一般的に近距離の測定が難しい。
パルスレーダの場合、測定できる最小距離(以下、最小探知距離と称する)はパルス信号のパルス幅よって決定され、パルス信号のパルス幅が短かいほど、より近い距離を計測することができるのであるが、パルス幅が非常に短いパルス信号を発生させるためには、信号発信器が広い周波数帯域幅を有する信号を発信させなければならない。しかし、電波法で定められた特定小電力機器の移動体検知センサーにおいて、パルスレーダを距離測定装置として使用できるのは、占有周波数帯幅が、24.05GHz〜24.25GHzの範囲の中で76MHzに制限されるので、近距離計測が難しく、最小探知距離は数10m以上にしかならない。
また、FMCWレーダにおいても、発信する信号を掃引できる周波数帯域幅によって測定できる最小距離が決まるのであるが、パルスレーダの場合と同様に、電波法で定められた特定小電力機器の移動体検知センサーにおいて、FMCWレーダを距離測定装置として使用できるのは、占有周波数帯幅が、24.05GHz〜24.25GHzの範囲の中で76MHzに制限されるので、近距離計測が難しく、最小探知距離は数10m以上にしかならない。
However, these radars are generally difficult to measure at short distances.
In the case of pulse radar, the minimum distance that can be measured (hereinafter referred to as the minimum detection distance) is determined by the pulse width of the pulse signal, and the shorter the pulse width of the pulse signal, the closer the distance can be measured. In order to generate a pulse signal having a very short pulse width, the signal transmitter must transmit a signal having a wide frequency bandwidth. However, the pulse radar can be used as a distance measuring device in a mobile object detection sensor for a specific low-power device defined by the Radio Law. The occupied frequency bandwidth is 76 MHz within a range of 24.05 GHz to 24.25 GHz. Therefore, the short distance measurement is difficult, and the minimum detection distance is only several tens of meters or more.
In the FMCW radar, the minimum distance that can be measured is determined by the frequency bandwidth that can sweep the transmitted signal. As in the case of the pulse radar, the mobile object detection sensor for a specific low-power device defined by the Radio Law. In this case, the FMCW radar can be used as a distance measuring device because the occupied frequency bandwidth is limited to 76 MHz within the range of 24.05 GHz to 24.25 GHz. It is only 10m or more.

近年、パルスレーダやFMCWレーダよりも近距離を測定することができる電波レーダとして、アンテナ等の発信機と測定対象との間に形成される定在波を利用して測定対象までの距離を測定する装置が開発されている(従来例1:特許文献1)。
従来例1の距離測定装置では、送信手段から連続して一定周波数の電磁波を出力したときに、送信手段と測定対象との間には、出力された電磁波(進行波)と、この進行波が測定対象で反射した反射波の合成波によって生じる定在波を利用して、測定対象までの距離を測定するものである。この従来例1の距離測定装置では、測定対象までの距離を、進行波の送信周波数に対する定在波の信号強度の周期的な変動から得られる距離スペクトルに基づいて求めているので、送信手段が電磁波を出力してから定在波の信号強度を検出する検出手段に戻ってくるまでの時間の影響を受けず、従来方式であるFMCWレーダおよびパルスレーダに比べて、近距離でも、より高い精度で測定することができる。具体的には、占有周波数帯幅が、24.05GHz〜24.25GHzの範囲の中で76MHzであっても、理論上は約2mまでは測定可能である。
In recent years, as a radio wave radar that can measure a shorter distance than pulse radar and FMCW radar, the distance to the measurement object is measured using a standing wave formed between a transmitter such as an antenna and the measurement object. The device which develops is developed (conventional example 1: patent document 1).
In the distance measuring device of Conventional Example 1, when an electromagnetic wave having a constant frequency is output continuously from the transmission unit, the output electromagnetic wave (traveling wave) and the traveling wave are transmitted between the transmission unit and the measurement target. The distance to the measurement object is measured using a standing wave generated by the combined wave of the reflected wave reflected by the measurement object. In the distance measuring device of Conventional Example 1, the distance to the measurement object is obtained based on the distance spectrum obtained from the periodic fluctuation of the signal intensity of the standing wave with respect to the traveling wave transmission frequency. Higher accuracy even at a short distance than conventional FMCW radar and pulse radar, without being affected by the time from output of electromagnetic waves to return to detection means for detecting signal strength of standing waves Can be measured. Specifically, even if the occupied frequency bandwidth is 76 MHz in the range of 24.05 GHz to 24.25 GHz, it is theoretically possible to measure up to about 2 m.

しかるに、従来例1の距離測定装置においても、以下のごとき問題が存在する。
(1)まず、電波法で定められた特定小電力機器の移動体検知センサーから出力できる電磁波の信号強度は弱いため、観測できる定在波の信号強度も非常に微弱になる。すると、進行波の送信周波数に対する定在波の信号強度の周期的な変動を把握するためには、観測された信号を増幅させる必要がある。
定在波の信号強度は、進行波の送信周波数が変わっても変動しない直流成分に、進行波の送信周波数に応じて変動する周期成分が加算された状態で検出されるのであるが、周期成分の振幅に比べて直流成分が非常に大きいため、増幅器やAD変換器等のダイナミックレンジを直流成分に合わせなければならず、周期成分の振幅の変動、つまり、定在波の信号強度の周期的な変動の検出精度が低下し、距離測定精度も低下する。最悪の場合には、距離が測定できなくなる可能性がある。
However, the distance measuring device of Conventional Example 1 also has the following problems.
(1) First, since the signal intensity of the electromagnetic wave that can be output from the moving body detection sensor of the specific low-power device specified by the Radio Law is weak, the signal intensity of the standing wave that can be observed becomes very weak. Then, in order to grasp the periodic fluctuation of the signal strength of the standing wave with respect to the transmission frequency of the traveling wave, it is necessary to amplify the observed signal.
The signal strength of the standing wave is detected in a state in which a periodic component that varies according to the traveling frequency of the traveling wave is added to a DC component that does not vary even if the traveling frequency of the traveling wave changes. Since the direct current component is very large compared to the amplitude of the signal, the dynamic range of the amplifier, AD converter, etc. must be matched to the direct current component. As a result, the accuracy of detection of fluctuations decreases and the accuracy of distance measurement also decreases. In the worst case, the distance may not be measured.

(2)増幅器およびAD変換器等に入力される前に、時間領域における信号において直流成分除去に使用される交流結合回路を使用して、定在波の信号強度に含まれる直流成分を除去すれば、ダイナミックレンジを周期成分の振幅に合わせることができる可能性があるが、そのためには周期信号の波形が1周期以上存在しなければならない。
時間領域における信号の場合であれば、観測時間を長くすれば信号波形を1周期以上とすることは可能である。しかし、従来例1の距離測定装置の場合も、占有周波数帯幅、つまり、送信周波数として出力できる周波数の幅が、24.05GHz〜24.25GHzの範囲の中で76MHzに制限されるため、交流結合回路を使用するには、この占有周波数帯幅内の測定で1周期以上の変動を示す信号波形が必要である。しかし、上記の占有周波数帯幅内の測定では、測定対象までの距離が2m以下となると、周期信号の波形が1周期未満となるため、交流結合回路を使用しても、信号の直流成分を正しく除去することが困難である。
なお、定在波の信号強度に含まれる直流成分が事前に把握できていれば、1周期未満の変動しかなくても直流成分を正しく除去できる可能性はあるが、直流成分は、温度によって変動するし、使用条件や環境によって変化するため、実際上、直流成分を事前に把握することが不可能である。
(2) Before being input to the amplifier and the AD converter, etc., the DC component included in the signal strength of the standing wave is removed by using an AC coupling circuit used for DC component removal in the signal in the time domain. For example, there is a possibility that the dynamic range can be adjusted to the amplitude of the periodic component. For this purpose, the waveform of the periodic signal must exist for one period or more.
In the case of a signal in the time domain, it is possible to make the signal waveform more than one period by increasing the observation time. However, in the case of the distance measuring device of Conventional Example 1, the occupied frequency bandwidth, that is, the width of the frequency that can be output as the transmission frequency is limited to 76 MHz in the range of 24.05 GHz to 24.25 GHz. In order to use the coupling circuit, a signal waveform that shows a fluctuation of one cycle or more in the measurement within the occupied frequency bandwidth is required. However, in the above measurement within the occupied frequency bandwidth, if the distance to the measurement object is 2 m or less, the waveform of the periodic signal will be less than one cycle, so the DC component of the signal will be reduced even if an AC coupling circuit is used. It is difficult to remove correctly.
If the DC component included in the signal strength of the standing wave is known in advance, the DC component may be correctly removed even if there is only a fluctuation of less than one cycle, but the DC component varies depending on the temperature. However, since it varies depending on the use conditions and environment, it is practically impossible to grasp the DC component in advance.

(3)観測される定在波の信号レベルは、反射波の信号レベルに応じて変化し、近距離では大きくなり遠距離では小さくなるのであるが、遠距離の測定対象において反射する反射波の信号レベルに増幅量を合わせてしまうと、近距離の測定対象を測定するときには、反射波の信号レベルが大きいため、増幅された信号が飽和してしまう。すると、増幅された信号の飽和を防ぐためには増幅量を抑制しなければならず、増幅量を遠距離の測定対象との間に形成される定在波の信号強度を検出することができなくなるため、測定距離が制限されてしまう。 (3) The signal level of the observed standing wave changes in accordance with the signal level of the reflected wave, and increases at a short distance and decreases at a long distance. If the amount of amplification is matched with the signal level, when measuring a measurement object at a short distance, the signal level of the reflected wave is large, and thus the amplified signal is saturated. Then, in order to prevent the saturation of the amplified signal, the amount of amplification must be suppressed, and it becomes impossible to detect the signal intensity of the standing wave formed between the amount of amplification and the object to be measured at a long distance. Therefore, the measurement distance is limited.

(4)これに対処するためには、測定対象までの距離に応じて検出信号のレベルを可変させれば、増幅された信号の飽和を防ぐことができ、測定距離が制限されることを防ぐことができる。これを解決する方法として、例えば、高域通過型フィルタ(High Pass Filter: HPF)の有する、低い周期信号の信号レベルは小さくなるが、高い周期信号では信号レベルが減衰しないという特長を用いることが挙げられる。
しかし、フィルタの時定数によって過渡応答がある場合、観測信号の波形はその影響を受けるため、距離スペクトルに不要な成分が発生する問題が生じる。すると、不要成分による極大値が、測定対象による極大値よりも大きい場合、正しい測定距離が得られなくなる。具体的には、測定対象が存在しない場合であっても、測定対象が存在しているような距離スペクトルが形成されてしまうという問題が生じる。
(4) In order to cope with this, if the level of the detection signal is varied according to the distance to the measurement object, saturation of the amplified signal can be prevented and the measurement distance is prevented from being limited. be able to. As a method for solving this, for example, a feature that a high-pass filter (HPF) has a low periodic signal signal level, but a high periodic signal does not attenuate the signal level is used. Can be mentioned.
However, when there is a transient response due to the time constant of the filter, the waveform of the observation signal is affected, and thus there arises a problem that unnecessary components are generated in the distance spectrum. Then, when the maximum value due to the unnecessary component is larger than the maximum value due to the measurement target, a correct measurement distance cannot be obtained. Specifically, even when there is no measurement target, there arises a problem that a distance spectrum in which the measurement target exists is formed.

特許3461498号Japanese Patent No. 3461498

本発明はかかる事情に鑑み、定在波を利用した距離測定の精度を向上させることができ、2m以下の近距離であっても距離測定が可能である距離測定装置および距離測定方法を提供することを目的とする。   In view of such circumstances, the present invention provides a distance measuring device and a distance measuring method capable of improving the accuracy of distance measurement using a standing wave and capable of measuring a distance even at a short distance of 2 m or less. For the purpose.

第1発明の距離測定装置は、測定対象までの距離を測定するための測定装置であって、該測定装置が、電磁波を、前記測定対象との間に存在する伝搬媒質に出力する発信手段と、該発信手段から出力される電磁波と、該電磁波が前記測定対象で反射した反射波との合成波における信号強度を検出し、検出した前記合成波における信号強度に対応する信号レベルを有する検出信号を出力する検出手段と、該検出手段が出力する検出信号に基づいて、前記検出手段と前記測定対象との間の距離を算出する信号処理手段とからなり、前記発信手段は、出力する前記電磁波の周波数が可変であり、前記信号処理手段は、前記発信手段から出力される電磁波の周波数を変化させたときにおいて、前記検出信号の隣接する周波数間のレベル差に基づいて距離スペクトルを形成し、この距離スペクトルに基づいて前記検出手段と前記測定対象との間の距離を算出するものであることを特徴とする。
第2発明の距離測定装置は、第1発明において、前記発信手段が、出力された前記電磁波の周波数情報を前記信号処理手段に供給しており、前記信号処理手段は、前記発信手段から出力される電磁波の周波数を変化させたときにおいて、前期検出信号の隣接する周波数間のレベル差を算出する検出値修正部と、該検出値修正部が算出した信号のレベル差と、前記発信手段から供給された前記電磁波の周波数情報に基づいて検出信号関数を形成する検出信号関数形成部と、該検出信号関数形成部によって形成された検出信号関数をスペクトル解析して距離スペクトルを算出し、該距離スペクトルに基づいて前記検出手段と前記測定対象との間の距離を算出する距離算出部とを備えていることを特徴とする。
第3発明の距離測定装置は、第1発明において、前記発信手段が、出力された前記電磁波の周波数情報を前記信号処理手段に供給しており、前記信号処理手段は、前記検出信号の隣接する周波数間のレベル差を、該信号のレベル差に対応した電圧として出力する検出値修正部と、前記発信手段から供給される前記電磁波の周波数情報と、前記検出値修正部から供給される電圧に基づいて検出信号関数を形成する検出信号関数形成部と、該検出信号関数形成部によって形成された検出信号関数をスペクトル解析して距離スペクトルを算出し、該距離スペクトルに基づいて前記検出手段と前記測定対象との間の距離を算出する距離算出部とを備えていることを特徴とする。
第4発明の距離測定装置は、第1発明において、前記信号処理手段は、前記検出信号の隣接する周波数間のレベル差を、該信号のレベル差に対応した電圧として出力する検出値修正部と、前記検出値修正部から供給される前記電圧をバンドパスフィルタ回路に供給し、該バンドパスフィルタ回路の出力に基づいて距離スペクトルを得て、該距離スペクトルに基づいて前記検出手段と前記測定対象との間の距離を算出する距離算出部とを備えていることを特徴とする。
第5発明の距離測定装置は、前記測定対象からの距離が、前記検出手段から前記測定対象までの距離と異なる位置に配設され、その位置における前記合成波の信号強度を検出し、検出した前記合成波の信号強度に対応した信号レベルを有する補正用信号を出力する補正用信号検出手段を備えており、前記信号処理手段は、前記発信手段から出力される電磁波の周波数を変化させたときにおいて、前記検出信号の隣接する周波数間のレベル差、および、前記補正用信号の隣接する周波数間のレベル差に基づいて、複素正弦波からなる解析信号関数を形成し、該解析信号関数をスペクトル解析して、距離スペクトルを算出するものであることを特徴とする。
第6発明の距離測定方法は、測定対象までの距離を測定するための測定方法であって、電磁波を前記測定対象との間に存在する伝搬媒質に出力し、出力された電磁波と、この電磁波が測定対象で反射した反射波との合成波における信号強度を検出し、検出された合成波における信号強度に基づいて、合成波における信号強度を検出した検出位置から測定対象まで距離を算出する測定方法であり、出力される電磁波の周波数を変化させたときにおいて、検出位置において検出された信号の隣接する周波数間のレベル差に基づいて距離スペクトルを形成し、この距離スペクトルに基づいて検出位置から測定対象まで距離を算出することを特徴とする。
第7発明の距離測定方法は、第6発明において、測定対象からの距離が、検出位置から測定対象までの距離と異なる補正用信号検出位置において合成波の信号強度を検出し、出力される電磁波の周波数を変化させたときにおいて、検出位置において検出された信号の隣接する周波数間のレベル差、および、前記補正用信号検出位置において検出された補正用信号の隣接する周波数間のレベル差に基づいて、複素正弦波からなる解析信号関数を形成し、この解析信号関数をスペクトル解析して、距離スペクトルを算出することを特徴とする。
A distance measuring device according to a first aspect of the present invention is a measuring device for measuring a distance to a measurement object, and the measurement device outputs electromagnetic waves to a propagation medium existing between the measurement object and the transmission means. The detection signal having a signal level corresponding to the detected signal intensity in the combined wave is detected by detecting the signal intensity in the combined wave of the electromagnetic wave output from the transmitting means and the reflected wave reflected by the measurement object. And a signal processing unit that calculates a distance between the detection unit and the measurement object based on a detection signal output from the detection unit, and the transmission unit outputs the electromagnetic wave to be output. The signal processing means changes the distance based on the level difference between adjacent frequencies of the detection signal when the frequency of the electromagnetic wave output from the transmitting means is changed. Forming a spectrum, and characterized in that to calculate the distance between the measuring object and the detection means based on the distance spectrum.
In the distance measuring apparatus according to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the transmitting means supplies the frequency information of the output electromagnetic wave to the signal processing means, and the signal processing means is output from the transmitting means. When the frequency of the electromagnetic wave to be changed is changed, a detection value correction unit that calculates a level difference between adjacent frequencies of the detection signal in the previous period, a level difference of the signal calculated by the detection value correction unit, and a supply from the transmission unit A detection signal function forming unit that forms a detection signal function based on the frequency information of the electromagnetic wave, and a spectrum analysis by calculating a spectrum of the detection signal function formed by the detection signal function forming unit, and calculating the distance spectrum And a distance calculation unit for calculating a distance between the detection means and the measurement object.
In the distance measuring device according to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the transmitting means supplies the frequency information of the output electromagnetic wave to the signal processing means, and the signal processing means is adjacent to the detection signal. A detection value correction unit that outputs a level difference between frequencies as a voltage corresponding to the level difference of the signal, frequency information of the electromagnetic wave supplied from the transmission unit, and a voltage supplied from the detection value correction unit. A detection signal function forming unit that forms a detection signal function based on the detection signal function, and a spectrum analysis is performed on the detection signal function formed by the detection signal function forming unit to calculate a distance spectrum, and the detection means and the detection unit based on the distance spectrum And a distance calculating unit that calculates a distance to the measurement object.
According to a distance measuring apparatus of a fourth invention, in the first invention, the signal processing means outputs a level difference between adjacent frequencies of the detection signal as a voltage corresponding to the level difference of the signal; , Supplying the voltage supplied from the detection value correction unit to a bandpass filter circuit, obtaining a distance spectrum based on the output of the bandpass filter circuit, and detecting the detection means and the measurement object based on the distance spectrum And a distance calculation unit that calculates the distance between the two.
In the distance measuring device according to the fifth aspect of the invention, the distance from the measurement object is disposed at a position different from the distance from the detection means to the measurement object, and the signal intensity of the synthesized wave at the position is detected and detected. A correction signal detecting means for outputting a correction signal having a signal level corresponding to the signal intensity of the combined wave, and the signal processing means changes the frequency of the electromagnetic wave output from the transmitting means. And forming an analytic signal function comprising a complex sine wave based on a level difference between adjacent frequencies of the detection signal and a level difference between adjacent frequencies of the correction signal. The distance spectrum is calculated by analysis.
A distance measuring method according to a sixth aspect of the invention is a measuring method for measuring a distance to a measurement object, wherein the electromagnetic wave is output to a propagation medium existing between the measurement object, the output electromagnetic wave, and the electromagnetic wave Detects the signal intensity in the combined wave with the reflected wave reflected by the measurement object, and calculates the distance from the detection position where the signal intensity in the combined wave is detected to the measurement object based on the detected signal intensity in the combined wave A method is used to form a distance spectrum based on a level difference between adjacent frequencies of a signal detected at a detection position when the frequency of an output electromagnetic wave is changed, and from the detection position based on the distance spectrum. It is characterized in that the distance to the measurement object is calculated.
The distance measurement method of the seventh invention is the electromagnetic wave that is output in the sixth invention by detecting the signal intensity of the synthesized wave at the correction signal detection position where the distance from the measurement object is different from the distance from the detection position to the measurement object. Based on the level difference between adjacent frequencies of the signal detected at the detection position and the level difference between adjacent frequencies of the correction signal detected at the correction signal detection position. Thus, an analysis signal function including a complex sine wave is formed, and the analysis signal function is subjected to spectrum analysis to calculate a distance spectrum.

第1発明によれば、検出信号の隣接する周波数間のレベル差は、検出信号の信号レベルの変動量、言い換えれば、定在波の信号強度の変動量のみを表す。すると、増幅器やAD変換器等のダイナミックレンジを定在波の信号強度の変動量にあわせることができるので、交流成分の信号強度の変動を正確に検出することができる。しかも、信号レベルの差を求めることで、測定対象までの距離が近いときは小さいゲインが掛かり、遠いときには大きなゲインが掛かる。つまり、測定対象までの距離に応じたゲインを持たせることができる。
第2発明によれば、検出信号関数を形成してからスペクトル解析を行うので、距離スペクトルを容易に算出することができる。
第3発明によれば、検出信号関数を形成してからスペクトル解析を行うので、距離スペクトルを容易に算出することができる。しかも、検出信号関数を形成するまでの処理を、全て回路等のハードウェアによって処理することができるから、処理を高速化することができる。
第4発明によれば、信号処理手段において、検出信号が入力されてから距離スペクトルを形成するまで、全て回路等のハードウェアによって処理するから、処理を高速化することができる。
第5発明によれば、検出信号の隣接する周波数間のレベル差と、補正用信号の隣接する周波数間のレベル差に基づいて複素正弦波からなる解析信号関数をスペクトル解析しているから、得られる距離スペクトルは、実際の検出手段と測定対象との間の距離を表す周期における距離スペクトルだけとなる。よって、折り返しイメージが存在することによる測定誤差が発生することを防ぐことができるから、距離測定装置が使用できる周波数帯域の実効周波数が24.05GHz〜24.25GHz中の76MHzに制限されても、2m以下の近距離を正確に測定することができる。しかも、測定対象までの距離に応じたゲインを持たせることができる。
第6発明によれば、検出信号の隣接する周波数間のレベル差は、検出信号の信号レベルの変動量、言い換えれば、定在波の信号強度の変動量のみを表すから、増幅器やAD変換器等のダイナミックレンジを定在波の信号強度の変動量にあわせることができるので、定在波の信号強度の変動を正確に検出することができる。しかも、信号のレベル差を求めることで、測定対象までの距離が近いときは小さいゲインが掛かり、遠いときには大きなゲインが掛かる。つまり、測定対象までの距離に応じたゲインを持たせることができる。これにより、検出された信号のレベル差に基づいた距離スペクトルを形成することができる。
第7発明によれば、検出位置において検出された信号の隣接する周波数間のレベル差と、補正用信号検出位置において検出された信号の隣接する周波数間のレベル差に基づいて複素正弦波からなる解析信号関数をスペクトル解析しているから、得られる距離スペクトルは、実際の検出手段と測定対象との間の距離を表す周期における距離スペクトルだけとなる。よって、折り返しイメージが存在することによる測定誤差が発生することを防ぐことができるから、距離測定装置が使用できる周波数帯域の実効周波数が24.05GHz〜24.25GHz中の76MHzに制限されても、2m以下の近距離を正確に測定することができる。
According to the first invention, the level difference between adjacent frequencies of the detection signal represents only the fluctuation amount of the signal level of the detection signal, in other words, the fluctuation amount of the signal intensity of the standing wave. Then, since the dynamic range of an amplifier, an AD converter, or the like can be matched with the fluctuation amount of the standing wave signal intensity, the fluctuation of the signal intensity of the AC component can be accurately detected. In addition, by obtaining the signal level difference, a small gain is applied when the distance to the measurement object is short, and a large gain is applied when the distance is long. That is, a gain according to the distance to the measurement object can be provided.
According to the second invention, since the spectrum analysis is performed after the detection signal function is formed, the distance spectrum can be easily calculated.
According to the third invention, since the spectrum analysis is performed after the detection signal function is formed, the distance spectrum can be easily calculated. In addition, since all the processes until the detection signal function is formed can be processed by hardware such as a circuit, the processing can be speeded up.
According to the fourth aspect of the present invention, since the signal processing means processes everything from the input of the detection signal to the formation of the distance spectrum by hardware such as a circuit, the processing speed can be increased.
According to the fifth aspect of the present invention, the analysis signal function including the complex sine wave is spectrally analyzed based on the level difference between adjacent frequencies of the detection signal and the level difference between adjacent frequencies of the correction signal. The distance spectrum to be obtained is only the distance spectrum in the period representing the distance between the actual detection means and the measurement object. Therefore, since it is possible to prevent the occurrence of measurement error due to the presence of the folded image, even if the effective frequency of the frequency band that can be used by the distance measuring device is limited to 76 MHz in 24.05 GHz to 24.25 GHz, A short distance of 2 m or less can be accurately measured. In addition, a gain corresponding to the distance to the measurement object can be provided.
According to the sixth invention, the level difference between adjacent frequencies of the detection signal represents only the fluctuation amount of the signal level of the detection signal, in other words, the fluctuation amount of the signal intensity of the standing wave. The dynamic range such as can be matched with the fluctuation amount of the signal strength of the standing wave, so that the fluctuation of the signal strength of the standing wave can be accurately detected. Moreover, by obtaining the signal level difference, a small gain is applied when the distance to the measurement object is short, and a large gain is applied when the distance is long. That is, a gain according to the distance to the measurement object can be provided. Thereby, a distance spectrum based on the level difference of the detected signal can be formed.
According to the seventh aspect of the present invention, a complex sine wave is formed based on a level difference between adjacent frequencies of the signal detected at the detection position and a level difference between adjacent frequencies of the signal detected at the correction signal detection position. Since the analysis signal function is subjected to spectrum analysis, the obtained distance spectrum is only the distance spectrum in the period representing the distance between the actual detection means and the measurement object. Therefore, since it is possible to prevent the occurrence of measurement error due to the presence of the folded image, even if the effective frequency of the frequency band that can be used by the distance measuring device is limited to 76 MHz in 24.05 GHz to 24.25 GHz, A short distance of 2 m or less can be accurately measured.

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図1は、本実施形態の距離測定装置1の概略ブロック図である。
同図に示すように、本実施形態の距離測定装置1は、発信手段10、送信手段20、検出手段30および信号処理手段40とから構成され、発信手段10と測定対象Tとの間に形成される定在波Sを用いて検出手段30から測定対象Tまでの距離を測定するようにした装置であり、検出手段30が検出する定在波Sの信号強度に基づいて信号処理手段40が検出手段30から測定対象Tまでの距離を算出するものであり、定在波Sの信号強度に含まれる直流成分と交流成分を、直流成分の値を把握することなく除去することで、増幅器やAD変換器等のダイナミックレンジを定在波の信号強度の変動量にあわせることができる機能を有している。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic block diagram of a distance measuring device 1 according to this embodiment.
As shown in the figure, the distance measuring apparatus 1 according to the present embodiment includes a transmitting unit 10, a transmitting unit 20, a detecting unit 30, and a signal processing unit 40, and is formed between the transmitting unit 10 and the measurement target T. The standing wave S is used to measure the distance from the detection means 30 to the measurement target T, and the signal processing means 40 is based on the signal intensity of the standing wave S detected by the detection means 30. The distance from the detection means 30 to the measurement target T is calculated. By removing the direct current component and the alternating current component included in the signal strength of the standing wave S without grasping the value of the direct current component, an amplifier, It has a function that allows the dynamic range of an AD converter or the like to be adjusted to the amount of fluctuation of the standing wave signal intensity.

まず、本実施形態の距離測定装置1の基本構成を簡単に説明する。
図1において、符号Tは、測定対象を示しており、図1には、複数の測定対象T1〜Tnが記載されている。
First, the basic configuration of the distance measuring device 1 of the present embodiment will be briefly described.
In FIG. 1, the code | symbol T has shown the measuring object, and the several measuring object T1-Tn is described in FIG.

図1に示すように、発信手段10は、発信部11と周波数制御部12とから構成されている。発信部11は、一定の周波数fの信号を連続して出力できるものであって、かつ、その出力信号の周波数fを変化させることができるものである。この発信部11には、出力信号の周波数fを制御する周波数制御部12が接続されている。つまり、発信部11は、周波数制御部12に制御されて、所定の送信周波数f に調整された出力信号を出力するのである。
また、周波数制御部12は、発信部11の出力信号に関する情報を含んだ信号を出力するように構成されている。
As shown in FIG. 1, the transmission means 10 includes a transmission unit 11 and a frequency control unit 12. The transmitter 11 can continuously output a signal having a constant frequency f, and can change the frequency f of the output signal. The transmitter 11 is connected to a frequency controller 12 that controls the frequency f of the output signal. That is, the transmitter 11 is controlled by the frequency controller 12 and outputs an output signal adjusted to a predetermined transmission frequency f 1.
Further, the frequency control unit 12 is configured to output a signal including information related to the output signal of the transmission unit 11.

前記発信手段10の発信部11には、例えばアンテナや増幅器等の送信手段20が接続されている。この送信手段20は、送信手段20と測定対象Tとの間に存在する、例えば空気や水等の伝搬媒質中もしくは真空中に、発信手段10の発信部11が発信した信号と同じ周波数fを有する電磁波を放出するものである。
すると、送信手段20から伝搬媒質中に電磁波(以下、進行波Dとも称する)を出力すると、この進行波Dが測定対象T1〜Tnにおいて反射され、反射された電磁波(以下、反射波Rとも称する)と進行波Dとが干渉し、定在波が送信手段20と測定対象T1〜Tnの間に形成されるのである。
なお、送信手段20が電磁波の信号強度を受信できるものである場合には、反射波Rは送信手段20によって受信されたのち、電気的な信号となって発信手段10と送信手段20とを電気的に接続する配線や回路内にも伝播する。すると、定在波Sは、送信手段20と測定対象T1〜Tnの間だけでなく、発信手段10と送信手段20とを電気的に接続する配線や回路内にも形成されるのである。
For example, a transmitting unit 20 such as an antenna or an amplifier is connected to the transmitting unit 11 of the transmitting unit 10. This transmission means 20 has the same frequency f as the signal transmitted by the transmission section 11 of the transmission means 10 in a propagation medium such as air or water or in a vacuum existing between the transmission means 20 and the measurement target T. The electromagnetic wave which has is emitted.
Then, when an electromagnetic wave (hereinafter also referred to as traveling wave D) is output from the transmission means 20 into the propagation medium, the traveling wave D is reflected by the measurement objects T1 to Tn and reflected (hereinafter also referred to as reflected wave R). ) And the traveling wave D interfere, and a standing wave is formed between the transmission means 20 and the measurement objects T1 to Tn.
In addition, when the transmission means 20 can receive the signal intensity of electromagnetic waves, the reflected wave R is received by the transmission means 20 and then becomes an electrical signal between the transmission means 10 and the transmission means 20. Propagation also in the wiring and circuit to be connected. Then, the standing wave S is formed not only between the transmission means 20 and the measuring objects T1 to Tn, but also in wirings and circuits that electrically connect the transmission means 10 and the transmission means 20.

発信手段10と送信手段20とを電気的に接続する配線や回路には、測定対象T1〜Tnから距離d1〜dnだけ離れた位置に、検出手段30が接続されている。この検出手段30は、その位置における定在波Sの信号強度p(f、xs)を検知するためのものであり、例えば、振幅検出器、自乗検波器等である。この検出手段30は、定在波Sの信号強度p(f、xs)に対応した信号レベルを有する検出信号、例えば、定在波Sの信号強度p(f、xs)や信号強度p(f、xs)の自乗に比例した電流や電圧等を出力することができるものである。
なお、検出手段30は、送信手段20や発信手段10と測定対象T1〜Tnとの間に設けてもよいのはいうまでもないが、発信手段10と送信手段20とを電気的に接続する配線や回路に設ければ、距離測定装置1をコンパクトな構成とすることができるので、好適である。
The detection means 30 is connected to the wiring or circuit that electrically connects the transmission means 10 and the transmission means 20 at positions separated from the measurement objects T1 to Tn by the distances d1 to dn. The detection means 30 is for detecting the signal intensity p (f, xs) of the standing wave S at the position, and is, for example, an amplitude detector or a square detector. The detection means 30 is a detection signal having a signal level corresponding to the signal strength p (f, xs) of the standing wave S, for example, the signal strength p (f, xs) or the signal strength p (f) of the standing wave S. , Xs) can output a current, voltage or the like proportional to the square.
Needless to say, the detection means 30 may be provided between the transmission means 20 or the transmission means 10 and the measurement objects T1 to Tn, but the transmission means 10 and the transmission means 20 are electrically connected. Providing wiring or a circuit is preferable because the distance measuring device 1 can be made compact.

前記検出手段30には、信号処理手段40が接続されている。この信号処理手段40は、前記検出手段30から送信される検出信号に基づいて距離スペクトルを形成し、この距離スペクトルから、検出手段30から測定対象T1〜Tnとの間の距離d1〜dnを算出するものである。
本実施形態の距離測定装置1では、信号処理手段40において、検出信号に含まれる定在波Sの信号強度p(f、xs)の直流成分を除去する機能を有しているのであるが、詳細は後述する。また、信号処理手段40は、測定対象T1〜Tnまでの距離に応じたゲインを持たせる機能も有しているが、詳細は後述する。
A signal processing means 40 is connected to the detection means 30. The signal processing means 40 forms a distance spectrum based on the detection signal transmitted from the detection means 30, and calculates the distances d1 to dn between the detection means 30 and the measurement objects T1 to Tn from the distance spectrum. To do.
In the distance measuring apparatus 1 of the present embodiment, the signal processing unit 40 has a function of removing a direct current component of the signal intensity p (f, xs) of the standing wave S included in the detection signal. Details will be described later. The signal processing means 40 also has a function of giving a gain according to the distance from the measurement objects T1 to Tn, details of which will be described later.

つぎに、本実施形態の距離測定装置1による距離測定の基本原理を説明する。
図1に示すように、周波数fの進行波Dと、測定対象Tk(k=1、2、・・・ n)にて進行波Dを反射した反射波Rが干渉することにより、発信手段10と測定対象Tkの間に定在波Sが発生する。すると、検出手段30の位置における信号強度p(f、xs)を、検出手段30によって検出することができる。
Next, the basic principle of distance measurement by the distance measuring device 1 of this embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, when the traveling wave D having the frequency f interferes with the reflected wave R that reflects the traveling wave D at the measurement target Tk (k = 1, 2,... N), the transmitting means 10 And a standing wave S is generated between the measurement target Tk. Then, the signal intensity p (f, xs) at the position of the detection unit 30 can be detected by the detection unit 30.

進行波Dが1つの測定対象でのみ反射する場合、検出手段30から測定対象までの距離が一定、かつ、進行波Dの周波数が一定であれば、検出手段30の位置における信号強度p(f、xs)は一定である。
一方、検出手段30から測定対象までの距離が一定のままで、進行波Dの周波数fを変化させると、検出手段30の位置における信号強度p(f、xs)は、進行波Dの周波数fに対して正弦波関数(cos関数)となる。
例えば、発信手段10が発信する周波数範囲をfw、発信手段10が発信する周波数の中心周波数をf0、検出手段30から測定対象までの距離をdとすると、信号強度p(f、xs)の波形は、図2のようになる。ただし、cは光速である。
図2に示すように、信号強度p(f、xs)は、周波数f 対して周期的に変化する正弦波関数となり、この関数の周期c/2(d-xs)は、検出手段30の位置xsから測定対象までの距離dに対して逆比例の関係となる。したがって、この正弦波関数を、フーリエ変換やMUSIC法等を利用してスペクトル解析を行えば、検出手段30からの距離に対するスペクトル(距離スペクトル)を算出することができる。この距離スペクトルの絶対値は、検出手段30から測定対象までの距離の位置にピークを有するから、距離スペクトルに基づいて検出手段30から測定対象までの距離dを算出することができるのである。
When the traveling wave D is reflected only by one measuring object, if the distance from the detecting means 30 to the measuring object is constant and the frequency of the traveling wave D is constant, the signal intensity p (f at the position of the detecting means 30 , Xs) is constant.
On the other hand, if the frequency f of the traveling wave D is changed while the distance from the detection unit 30 to the measurement target remains constant, the signal intensity p (f, xs) at the position of the detection unit 30 becomes the frequency f of the traveling wave D. Is a sine wave function (cos function).
For example, assuming that the frequency range transmitted by the transmitting means 10 is fw, the center frequency of the frequency transmitted by the transmitting means 10 is f0, and the distance from the detecting means 30 to the measuring object is d, the waveform of the signal intensity p (f, xs). Is as shown in FIG. Where c is the speed of light.
As shown in FIG. 2, the signal strength p (f, xs) is a sine wave function that periodically changes with respect to the frequency f 1, and the period c / 2 (d−xs) of this function is the position of the detection means 30. The relationship is inversely proportional to the distance d from xs to the measurement target. Therefore, if this sine wave function is subjected to spectrum analysis using Fourier transform, MUSIC method, or the like, a spectrum (distance spectrum) with respect to the distance from the detection means 30 can be calculated. Since the absolute value of the distance spectrum has a peak at the position of the distance from the detection means 30 to the measurement object, the distance d from the detection means 30 to the measurement object can be calculated based on the distance spectrum.

ここで、複数の測定対象Tkから反射がある場合には、検出手段30の位置における信号強度p(f、xs)は、発信手段10と各測定対象Tkとの間に形成される複数の定在波における検出手段30の位置の信号強度を足し合わせた信号強度となる。
そして、検出手段30から複数の測定対象Tkまでの距離がそれぞれ一定のままで、進行波Dの周波数fを変化させると、検出手段30の位置における信号強度p(f、xs)は、進行波Dの周波数fに対して、各測定対象Tkまでの距離d1〜dnに対応した複数の周期を有する正弦波が複合合成されたものとなる。
Here, when there are reflections from a plurality of measurement objects Tk, the signal intensity p (f, xs) at the position of the detection means 30 is determined by a plurality of constants formed between the transmission means 10 and each measurement object Tk. The signal intensity is obtained by adding the signal intensity at the position of the detection means 30 in the standing wave.
Then, when the frequency f of the traveling wave D is changed while the distances from the detecting unit 30 to the plurality of measurement objects Tk are constant, the signal intensity p (f, xs) at the position of the detecting unit 30 is the traveling wave. A sine wave having a plurality of periods corresponding to the distances d1 to dn to each measurement object Tk is compositely synthesized with the frequency f of D.

すなわち、送信部20から放出された進行波Dは、以下の数1で表されるから、各測定対象Tkまでの距離をdkとすれば、各測定対象Tkが進行波Dを反射した反射波Rは、数2のように表すことができる。
ただし、数1において、cは光速、fは送信周波数、Aは進行波Dの振幅レベル、xは送信信号の送信軸である。また、数2において、γkは、測定対象Tkの反射係数の大きさで伝播損失を含む。またφkは、反射による位相シフト量である。
That is, since the traveling wave D emitted from the transmission unit 20 is expressed by the following Equation 1, if the distance to each measurement target Tk is dk, the reflected wave in which each measurement target Tk reflects the traveling wave D. R can be expressed as Equation 2.
In Equation 1, c is the speed of light, f is the transmission frequency, A is the amplitude level of the traveling wave D, and x is the transmission axis of the transmission signal. In Equation 2, γk is a magnitude of the reflection coefficient of the measurement target Tk and includes a propagation loss. Φk is a phase shift amount due to reflection.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

Figure 2007127529
Figure 2007127529

すると、定在波Sは、進行波Dと反射波Rの加法的合成によって発生した合成波の信号強度であるから、検出手段30の位置x=xsにおけるp(f、xs)は、数1および数2を用いて数3で表される。   Then, since the standing wave S is the signal intensity of the synthesized wave generated by the additive synthesis of the traveling wave D and the reflected wave R, p (f, xs) at the position x = xs of the detection means 30 is And is expressed by Equation 3 using Equation 2.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

一般的に、反射波Rのレベルは非常に小さいため、γk << 1であると考えられることから、γkの2次以上の項をほぼ0とみなすことができる。したがって、検出手段30の位置x=xsにおけるp(f、xs)は、数4のように表すことができる。   In general, since the level of the reflected wave R is very small, it is considered that γk << 1, so that the second and higher order terms of γk can be regarded as almost zero. Therefore, p (f, xs) at the position x = xs of the detection means 30 can be expressed as in Expression 4.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

この信号強度p(f、xs)を、スペクトル解析すれば、距離xに対する距離スペクトルを求めることができ、求められた距離スペクトルの絶対値は、検出手段30から各測定対象Tkまでの距離に対応した位置にそれぞれピークを有するから、距離スペクトルに基づいて検出手段30から各測定対象Tkまでの距離dを算出することができるのである。
例えば、フーリエ変換により距離スペクトルを求めるのであれば、信号強度p(f、xs)に以下の数5に示す周期情報を得るフーリエ変換の公式を適用すれば、数6に示すような距離スペクトルP(x)を算出することができる。
If the signal intensity p (f, xs) is subjected to spectrum analysis, a distance spectrum with respect to the distance x can be obtained, and the absolute value of the obtained distance spectrum corresponds to the distance from the detection means 30 to each measurement target Tk. Since each of the positions has a peak, the distance d from the detection means 30 to each measurement target Tk can be calculated based on the distance spectrum.
For example, if the distance spectrum is obtained by Fourier transform, the distance spectrum P as shown in Equation 6 can be obtained by applying the Fourier transform formula for obtaining the period information shown in Equation 5 below to the signal intensity p (f, xs). (X) can be calculated.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

Figure 2007127529
Figure 2007127529

つぎに、信号処理手段40を詳細に説明する。
図1に示すように、信号処理手段40は、検出値修正部41と、検出信号関数形成部42と、距離算出部43とを備えている。
Next, the signal processing means 40 will be described in detail.
As shown in FIG. 1, the signal processing means 40 includes a detection value correction unit 41, a detection signal function formation unit 42, and a distance calculation unit 43.

検出値修正部41は、検出信号の隣接する周波数間の信号レベルの差(レベル差)を算出するものである。この検出値修正部41は、発信手段10の周波数制御部12から、発信部11の出力信号に関する情報を含んだ信号が入力されており、進行波Dの周波数fと、進行波Dの各周波数fにおける検出信号の信号レベルを対応づけし、その後、周波数fにおける検出信号の信号レベルと隣接する周波数f+Δfにおける検出信号の信号レベルとの差(以下、単に修正検出信号の信号レベルと称する)を算出し、修正検出信号を出力するものである。なお、Δfは、進行波Dの周波数fを変化させるときにおけるステップ周波数である。
この検出値修正部41によって検出信号に含まれる直流成分が除去され、つまり、修正検出信号が算出される。また、検出値修正部41で算出された修正検出信号は、検出手段30から測定対象までの距離に応じて異なったゲインが掛かるのであるが、詳細は後述する。
The detection value correction unit 41 calculates a signal level difference (level difference) between adjacent frequencies of the detection signal. The detection value correction unit 41 receives a signal including information on the output signal of the transmission unit 11 from the frequency control unit 12 of the transmission unit 10, and the frequency f of the traveling wave D and each frequency of the traveling wave D The signal level of the detection signal at f is associated, and then the difference between the signal level of the detection signal at frequency f and the signal level of the detection signal at adjacent frequency f + Δf (hereinafter simply referred to as the signal level of the corrected detection signal). It calculates and outputs a correction detection signal. Δf is a step frequency when the frequency f of the traveling wave D is changed.
The detected value correcting unit 41 removes the DC component included in the detection signal, that is, the corrected detection signal is calculated. Further, the correction detection signal calculated by the detection value correction unit 41 is applied with a different gain depending on the distance from the detection means 30 to the measurement target, and details will be described later.

検出信号関数形成部42は、検出値修正部41が算出した修正検出信号と、発信手段10から出力された進行波Dの周波数情報に基づいて検出信号関数を形成するものである。検出信号関数とは、周波数fにおける検出信号の信号レベルと隣接する周波数f+Δfにおける検出信号の信号レベルとの差を修正検出信号とした場合、周波数fに対する修正検出信号の信号レベルを示す関数である。   The detection signal function forming unit 42 forms a detection signal function based on the correction detection signal calculated by the detection value correction unit 41 and the frequency information of the traveling wave D output from the transmission means 10. The detection signal function is a function indicating the signal level of the corrected detection signal with respect to the frequency f when the difference between the signal level of the detection signal at the frequency f and the signal level of the detection signal at the adjacent frequency f + Δf is a corrected detection signal. .

距離算出部43は、検出信号関数形成部42によって形成された検出信号関数をスペクトル解析して距離スペクトルを算出し、距離スペクトルに基づいて検出手段30から測定対象までの距離を算出するものである。検出信号関数をスペクトル解析する方法は特に限定されず、フーリエ変換やMUSIC法等を採用することができる。   The distance calculation unit 43 performs spectrum analysis on the detection signal function formed by the detection signal function forming unit 42 to calculate a distance spectrum, and calculates a distance from the detection means 30 to the measurement object based on the distance spectrum. . A method for spectrally analyzing the detection signal function is not particularly limited, and Fourier transform, MUSIC method, or the like can be employed.

なお、検出値修正部41は、例えば、サンプルホールド等による信号レベル保持回路と、差動回路を用いた構成により、検出信号の隣接する周波数間のレベル差を修正検出信号として出力するような構成としてもよい。この場合、検出信号関数を形成するまでの処理を、ハードウェアによって処理することができるから、処理を高速化することができる。   The detection value correction unit 41 is configured to output a level difference between adjacent frequencies of the detection signal as a correction detection signal by using a signal level holding circuit such as sample hold and a differential circuit, for example. It is good. In this case, since the processing until the detection signal function is formed can be processed by hardware, the processing can be speeded up.

また、修正検出信号が電圧である場合には、バンドパス等のフィルタ回路を設けておき、この電圧をバンドパスフィルタ回路に供給し、該バンドパスフィルタ回路によって、修正検出信号を各周波数成分のレベルを求めることによって、距離スペクトルを得る。すると、信号処理手段40において、距離スペクトルを形成するまでの全ての処理を回路等のハードウェアによって行うことができるから、処理を高速化することができる。しかも、かかる構成とした場合には、検出信号関数形成部42を設けなくてもよいので、装置の構成を簡単にできる。   When the correction detection signal is a voltage, a filter circuit such as a bandpass is provided, and this voltage is supplied to the bandpass filter circuit. The bandpass filter circuit converts the correction detection signal to each frequency component. A distance spectrum is obtained by determining the level. Then, in the signal processing means 40, all processes up to the formation of the distance spectrum can be performed by hardware such as a circuit, so that the processing can be speeded up. Moreover, in the case of such a configuration, the detection signal function forming unit 42 need not be provided, so that the configuration of the apparatus can be simplified.

つぎに、信号処理手段40における解析原理について説明する。
上述したように、図1に示す距離測定装置において、ある検出手段30の位置xsで検出される信号強度p(f、xs)は、以下の数7で表すことができる(上述した数4と同じ式である)。数7における符号f は、図1の距離測定装置の発信手段10が出力する出力信号の周波数である。
Next, the analysis principle in the signal processing means 40 will be described.
As described above, in the distance measuring apparatus shown in FIG. 1, the signal intensity p (f, xs) detected at the position xs of a certain detecting means 30 can be expressed by the following equation 7 (the above equation 4 and The same formula). The symbol f 1 in Equation 7 is the frequency of the output signal output by the transmission means 10 of the distance measuring device in FIG.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

発信手段10は出力する出力信号の周波数を、以下の数8のようにステップ状に変化させる。   The transmitting means 10 changes the frequency of the output signal to be output in a step-like manner as shown in the following formula 8.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

すると、数7と数8とから、上述した修正検出信号の信号レベルpd(f、xs)は、以下の数9のように表すことができる。   Then, from Equation 7 and Equation 8, the signal level pd (f, xs) of the correction detection signal described above can be expressed as Equation 9 below.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

この数9からわかるように、修正検出信号の信号レベルpd(f、xs)からは、信号強度p(f、xs)に含まれていた直流成分A2が除去されている。つまり、検出値修正部41において、検出信号の隣接する周波数間におけるレベル差を算出すれば、信号強度p(f、xs)に含まれていた直流成分A2を除去することができるのである。
上記のごとく、修正検出信号の信号レベルpd(f、xs)には、直流成分が除去されており、距離測定に必要な周期信号しかないため、この周期信号のみを増幅することが可能となるから、増幅器およびAD変換器のダイナミックレンジを有効利用することが可能となるのである。
As can be seen from Equation 9, the DC component A 2 included in the signal strength p (f, xs) is removed from the signal level pd (f, xs) of the corrected detection signal. That is, if the detection value correction unit 41 calculates a level difference between adjacent frequencies of the detection signal, the DC component A 2 included in the signal strength p (f, xs) can be removed.
As described above, the signal level pd (f, xs) of the correction detection signal has a direct current component removed, and only the periodic signal necessary for distance measurement is present, so that only this periodic signal can be amplified. Therefore, it is possible to effectively use the dynamic range of the amplifier and the AD converter.

また、修正検出信号の信号レベルpd(f、xs)には、検出手段30の位置から測定対象までの距離dkが含まれているので、距離dkが長くなるほど周期信号の振幅の増幅割合が大きくなり、距離dkが短くなるほど周期信号の振幅の増幅割合が小さくなるから、検出値修正部41において、検出信号の隣接する周波数間のレベル差を算出すれば、測定対象までの距離に応じたゲインを持たせることができるのである。一般に、測定対象による反射信号のレベルは、近い距離では大きく、遠い距離では小さくなるが、測定対象までの距離に応じたゲインを持たせることによって、測定対象までの距離に起因する信号強度p(f、xs)のレベル差が相殺される効果が得られるのである。   Further, since the signal level pd (f, xs) of the corrected detection signal includes the distance dk from the position of the detection means 30 to the measurement target, the longer the distance dk, the larger the amplification ratio of the amplitude of the periodic signal. Since the amplification ratio of the amplitude of the periodic signal decreases as the distance dk decreases, the gain corresponding to the distance to the measurement target can be obtained by calculating the level difference between adjacent frequencies of the detection signal in the detection value correction unit 41. Can be given. In general, the level of the reflected signal by the measurement target is large at a short distance and small at a long distance, but by providing a gain according to the distance to the measurement target, the signal intensity p ( The effect of canceling out the level difference of f, xs) is obtained.

なお、数9の修正検出信号の信号レベルpd(f、xs)をフーリエ変換して得られる距離スペクトルは、数10のようになる。   The distance spectrum obtained by Fourier transforming the signal level pd (f, xs) of the corrected detection signal of Equation 9 is as shown in Equation 10.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

この修正検出信号の信号レベルpd(f、xs)には直流成分A2が含まれないため、数10にも当然直流成分を表す項が存在しない。そのため、直流成分による距離測定誤差の発生を防ぐことができるのである。 Since the signal level pd (f, xs) of the corrected detection signal does not include the DC component A 2, there is naturally no term representing the DC component in Expression 10. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of distance measurement error due to the DC component.

つぎに、本実施形態の距離測定装置1における距離測定手順を説明する。
図3は、図1の距離測定装置における距離測定のフロー図である。図3に示すように、測定を開始する前に、まず、発信手段10の周波数制御部12において、周波数条件が設定される。詳細には、発信手段10から出力される出力信号の中心周波数f0、送信周波数範囲fw、掃引する周波数ステップΔfが設定される(P01)。
Next, a distance measurement procedure in the distance measurement apparatus 1 of the present embodiment will be described.
FIG. 3 is a flowchart of distance measurement in the distance measuring apparatus of FIG. As shown in FIG. 3, before the measurement is started, first, the frequency condition is set in the frequency control unit 12 of the transmission means 10. Specifically, the center frequency f0, the transmission frequency range fw, and the frequency step Δf to be swept are set for the output signal output from the transmitting means 10 (P01).

周波数掃引の条件が設定されると、周波数制御部12は、掃引開始時の送信周波数f として、f=f0−fw/2を設定する。周波数制御部12は、発信部11を送信周波数fに制御するための制御信号を出力する(P02)。   When the frequency sweep condition is set, the frequency control unit 12 sets f = f0−fw / 2 as the transmission frequency f 1 at the start of the sweep. The frequency control unit 12 outputs a control signal for controlling the transmission unit 11 to the transmission frequency f (P02).

発信部11は、周波数制御部12からの制御信号に応じて、自己の発信周波数を送信周波数fに調整し、掃引周波数fの信号を出力する。すると、発信手段10は、出力信号と同一周波数fの電磁波を、送信手段20を介して測定対象のTkに対して放出する(P03)。   The transmission unit 11 adjusts its transmission frequency to the transmission frequency f in accordance with the control signal from the frequency control unit 12 and outputs a signal having the sweep frequency f. Then, the transmission means 10 emits an electromagnetic wave having the same frequency f as the output signal to the Tk to be measured via the transmission means 20 (P03).

次に、検出手段30は、送信周波数fの進行波Dと測定対象物で反射された反射波Rとによって生成される合成波の信号強度を検出する(P04)。   Next, the detection means 30 detects the signal intensity of the composite wave generated by the traveling wave D of the transmission frequency f and the reflected wave R reflected by the measurement object (P04).

P03およびP04に示す検出動作は、送信周波数f を周波数ステップΔfだけ増加させて行われる(P06)。以上に示す一連の動作は、最終的に送信周波数fが掃引終了時の周波数f0+fw/2に至るまで繰り返される(P05)。   The detection operation shown in P03 and P04 is performed by increasing the transmission frequency f 1 by the frequency step Δf (P06). The series of operations described above is repeated until the transmission frequency f finally reaches the frequency f0 + fw / 2 at the end of the sweep (P05).

所定の周波数f0−fw/2〜f0+fw/2において、各周波数fにおける合成波の信号強度の検出が完了すると、周波数fに対する信号強度を示す関数p(f、xs)が得られる。   When the detection of the signal strength of the composite wave at each frequency f is completed at the predetermined frequencies f0-fw / 2 to f0 + fw / 2, a function p (f, xs) indicating the signal strength with respect to the frequency f is obtained.

信号処理手段40の検出値修正部41において、周波数fにおける合成波の信号強度p(f、xs)と隣接した周波数f+Δfにおける信号強度p(f+Δf、xs)との差である修正検出信号の信号レベルpd(f、xs)が、各周波数fについて得られる(P07)。   In the detection value correction unit 41 of the signal processing means 40, the signal of the correction detection signal that is the difference between the signal strength p (f, xs) of the synthesized wave at the frequency f and the signal strength p (f + Δf, xs) at the adjacent frequency f + Δf. A level pd (f, xs) is obtained for each frequency f (P07).

得られた修正検出信号の信号レベルpd(f、xs)をフーリエ変換等によりスペクトル解析することにより、距離スペクトルPd(x)が算出される(P08)。   A spectrum of the signal level pd (f, xs) of the obtained corrected detection signal is subjected to spectrum analysis by Fourier transform or the like, thereby calculating a distance spectrum Pd (x) (P08).

距離スペクトルPd(x)の絶対値|Pd(x)|の極大値を抽出することにより、測定対象Tkの距離dkを求めることができる(P09)。   By extracting the maximum value of the absolute value | Pd (x) | of the distance spectrum Pd (x), the distance dk of the measurement target Tk can be obtained (P09).

[解析信号関数を利用した実施形態]
また、距離測定装置1の信号処理手段40において、修正検出信号から、複素正弦波からなる解析信号関数を形成し、解析信号関数をフーリエ変換して距離スペクトルを算出した場合、上述した距離測定において、周波数掃引範囲fwに対する定在波の信号強度p(f、xs)の交流成分の変動が1周期未満になる距離でも正確な距離測定を行うことができる。
以下に、その構成を説明する。
なお、信号処理手段40において、解析信号関数を形成すること、および、解析信号関数を形成するための補正用信号を検出するために補正用信号検出手段を設けたこと以外は、上記の実施形態を実質同等であるから、説明を割愛する。
さらになお、補正用信号検出手段が検出した補正用信号も、信号処理手段40の検出値修正部41において、検出信号から修正検出信号が形成されるのと同様に、修正補正用検出信号が形成される。
[Embodiment using analysis signal function]
Further, when the signal processing means 40 of the distance measuring device 1 forms an analytic signal function consisting of a complex sine wave from the corrected detection signal and Fourier transforms the analytic signal function to calculate a distance spectrum, In addition, accurate distance measurement can be performed even at a distance where the fluctuation of the AC component of the standing wave signal intensity p (f, xs) with respect to the frequency sweep range fw becomes less than one cycle.
The configuration will be described below.
The embodiment described above except that the signal processing means 40 is provided with the correction signal detection means for forming the analysis signal function and detecting the correction signal for forming the analysis signal function. Are substantially equivalent, so the explanation is omitted.
Furthermore, the correction signal detected by the correction signal detection means is also formed in the same way as the correction detection signal is formed from the detection signal in the detection value correction unit 41 of the signal processing means 40. Is done.

図4は他の実施形態の距離測定装置1の概略ブロック図である。図4において、符号50は補正用信号検出手段を示している。この補正用信号検出手段50は、検出手段30とは異なる位置に配設されている。
この補正用信号検出手段50は、検出手段30と実質同様の構成を有するものである。つまり、補正用信号検出手段50は、その位置における信号強度p(f、x1)を検知でき、検知した信号強度に対応した信号レベルを有する検出信号を出力することができるものである。具体的には、測定対象からの距離が異なる位置、つまり、同じ周波数であっても、検出される定在波の信号強度p(f、xs)が異なる位置に設けられている。
FIG. 4 is a schematic block diagram of a distance measuring device 1 according to another embodiment. In FIG. 4, reference numeral 50 indicates a correction signal detecting means. The correction signal detection means 50 is disposed at a position different from that of the detection means 30.
The correction signal detection means 50 has a configuration substantially similar to that of the detection means 30. That is, the correction signal detection means 50 can detect the signal intensity p (f, x1) at the position and can output a detection signal having a signal level corresponding to the detected signal intensity. Specifically, the signal strength p (f, xs) of the standing wave to be detected is provided at a position where the distance from the measurement object is different, that is, even at the same frequency.

図4に示すように、信号処理手段40において、検出値修正部41と距離算出部43との間には、検出信号関数形成部42に代えて、解析信号生成部45が設けられている。
この解析信号生成部45は、検出値修正部41から修正検出信号と修正補正用検出信号が供給され、この修正検出信号と修正補正用検出信号に基づいて解析信号関数を形成するものである。
解析信号関数をフーリエ変換して得られる距離スペクトルは、検出信号関数をフーリエ変換したときに生じる折り返しイメージが発生しないため、近距離、具体的には、定在波の信号強度p(f、xs)の交流成分の変動が1周期未満になる距離における計測誤差を軽減することができる。つまり、距離測定装置が使用できる周波数帯域の実効周波数が24.05GHz〜24.25GHz中の76MHzに制限されても、2m以下の近距離を正確に測定することができるのである。
As shown in FIG. 4, in the signal processing means 40, an analysis signal generation unit 45 is provided between the detection value correction unit 41 and the distance calculation unit 43 instead of the detection signal function formation unit 42.
The analysis signal generation unit 45 is supplied with the correction detection signal and the correction correction detection signal from the detection value correction unit 41, and forms an analysis signal function based on the correction detection signal and the correction correction detection signal.
The distance spectrum obtained by Fourier transforming the analytic signal function does not generate a folded image that occurs when the detection signal function is Fourier transformed. Therefore, the signal intensity p (f, xs of the standing wave, specifically, the short distance. ) Measurement error at a distance where the fluctuation of the AC component is less than one cycle can be reduced. That is, even if the effective frequency of the frequency band that can be used by the distance measuring device is limited to 76 MHz in 24.05 GHz to 24.25 GHz, a short distance of 2 m or less can be accurately measured.

次に、解析信号関数を利用した距離測定装置の測定原理を説明する。
検出手段30の位置x=xsにおいて検知される合成波の信号強度p(f、xs)は、以下の数11のように、上述した数4と同じ式になる。
Next, the measurement principle of the distance measuring device using the analytic signal function will be described.
The signal intensity p (f, xs) of the composite wave detected at the position x = xs of the detection means 30 is the same as the above-described equation 4, as in the following equation 11.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

この数11における周波数fは、図4の距離測定装置で発信手段10が出力する出力信号の周波数fである。この周波数fを以下の数12のようにステップ状に変えて行く。   The frequency f in the equation 11 is the frequency f of the output signal output from the transmitting means 10 in the distance measuring device of FIG. The frequency f is changed stepwise as in the following equation (12).

Figure 2007127529
Figure 2007127529

すると、数12の周波数fから得る数11において、修正検出信号の信号レベルpd(f、xs)は、以下の数13で表される。   Then, the signal level pd (f, xs) of the correction detection signal in the equation 11 obtained from the frequency f in the equation 12 is expressed by the following equation 13.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

数13の修正検出信号の信号レベルpd(f、xs)を数14のように表す。   The signal level pd (f, xs) of the correction detection signal of Expression 13 is expressed as Expression 14.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

ここで、基準とする観測点をxs=0とすると、xs=0における修正検出信号の信号レベルpd(f、0)は、以下の数15で表される。   Here, assuming that the reference observation point is xs = 0, the signal level pd (f, 0) of the correction detection signal at xs = 0 is expressed by the following Expression 15.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

この修正検出信号pd(f、0)において、振幅成分m(f)と位相成分θ(f)を算出して得られる解析信号関数(複素正弦波)pa(f、0)は、数16となる。   In the corrected detection signal pd (f, 0), the analytic signal function (complex sine wave) pa (f, 0) obtained by calculating the amplitude component m (f) and the phase component θ (f) is Become.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

数16の解析信号関数pa(f、0)をフーリエ変換して得る距離スペクトルは数17になる。   A distance spectrum obtained by Fourier transforming the analytic signal function pa (f, 0) of Equation 16 is expressed by Equation 17.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

解析信号関数をフーリエ変換して得られる距離スペクトルの大きさ|Pa(x)|は、数17から、単一の極大値を有する。これにより、数6の各項の成分が干渉することによって生じる|P(x)|の極大値の位置が変動することを回避でき、近距離における計測誤差を軽減することができる。   The magnitude | Pa (x) | of the distance spectrum obtained by Fourier transforming the analytic signal function has a single maximum value from Equation 17. As a result, it is possible to avoid the position of the maximum value of | P (x) | caused by the interference of the components of each term of Equation 6 and to reduce the measurement error at a short distance.

なお、cos関数から複素正弦波関数exp(jθ(f))を導く方法として、一般的にヒルベルト変換が知られている。これによれば、cos関数から直交するsin関数を求めることで複素正弦波関数exp(jθ(f))が得られる。しかしながら、ヒルベルト変換によって複素正弦波関数を生成するためには、基本となるcos関数に十分な周期性、つまり、一周期以上の信号が必要とされる。従って、本実施の形態のように、距離dkが短く、cos関数に十分な周期性が認められない場合においては、ヒルベルト変換の適用は困難であるといえる。   Note that the Hilbert transform is generally known as a method for deriving the complex sine wave function exp (jθ (f)) from the cos function. According to this, a complex sine wave function exp (jθ (f)) is obtained by obtaining an orthogonal sin function from the cos function. However, in order to generate a complex sine wave function by the Hilbert transform, a periodicity sufficient for the basic cos function, that is, a signal of one period or more is required. Therefore, it can be said that the Hilbert transform is difficult to apply when the distance dk is short and sufficient cosine function is not recognized as in the present embodiment.

図4に示すように、検出手段30に加えて補正用信号検出手段50を設ければ、各手段によって検出される信号強度から修正検出信号の信号レベルおよび修正補正用検出信号の信号レベルが生成でき、振幅成分m(f)およびθ(f)を求めて解析信号を生成できる。すると、得られた解析信号をフーリエ変換することによって、観測信号の波形が1周期未満に相当する距離においても測定誤差を軽減することができるのである。   As shown in FIG. 4, when the correction signal detection means 50 is provided in addition to the detection means 30, the signal level of the correction detection signal and the signal level of the correction correction detection signal are generated from the signal intensity detected by each means. And the amplitude components m (f) and θ (f) can be obtained to generate an analysis signal. Then, by performing a Fourier transform on the obtained analysis signal, the measurement error can be reduced even at a distance where the waveform of the observation signal corresponds to less than one period.

補正用信号検出手段50をxs=x1の位置に設ける。すると、修正補正用検出信号の信号レベルpd(f、x1)は、以下の数18で表すことができる。   The correction signal detection means 50 is provided at the position of xs = x1. Then, the signal level pd (f, x1) of the correction signal for correction correction can be expressed by the following equation (18).

Figure 2007127529
Figure 2007127529

この数18と、前記数15とから、位相成分θ(f)および振幅成分m(f)は、数19および数20から算出される。   From Equation 18 and Equation 15, the phase component θ (f) and the amplitude component m (f) are calculated from Equation 19 and Equation 20.

Figure 2007127529
Figure 2007127529

Figure 2007127529
Figure 2007127529

数19および数20によって、振幅成分m(f)、位相成分θ(f)が求められると、数16に示す解析信号関数が生成される。この解析信号関数pa(f、0)をフーリエ変換することにより、数17に示す距離スペクトルPa(x)が得られる。   When the amplitude component m (f) and the phase component θ (f) are obtained by the equations 19 and 20, the analytic signal function shown in the equation 16 is generated. A distance spectrum Pa (x) shown in Formula 17 is obtained by performing Fourier transform on the analytic signal function pa (f, 0).

つぎに、解析信号関数を利用した距離測定装置1における距離測定手順を説明する。
図5は、解析信号関数を利用した距離測定装置における距離測定のフロー図である。図5に示すように、測定を開始する前に、まず、発信手段10の周波数制御部12において、周波数条件が設定される。詳細には、発信手段10から出力される出力信号の中心周波数f0、送信周波数範囲fw、掃引する周波数ステップΔfが設定される(P10)。
Next, a distance measurement procedure in the distance measuring apparatus 1 using the analytic signal function will be described.
FIG. 5 is a flowchart of distance measurement in the distance measuring device using the analytic signal function. As shown in FIG. 5, before starting the measurement, first, the frequency condition is set in the frequency control unit 12 of the transmission means 10. Specifically, the center frequency f0, the transmission frequency range fw, and the frequency step Δf to be swept are set for the output signal output from the transmission means 10 (P10).

周波数掃引の条件が設定されると、周波数制御部12は、掃引開始時の送信周波数fとして、f=f0−fw/2を設定する。周波数制御部12は、発信部11を送信周波数fに制御するための制御信号を出力する(P11)。   When the frequency sweep condition is set, the frequency control unit 12 sets f = f0−fw / 2 as the transmission frequency f at the start of the sweep. The frequency control unit 12 outputs a control signal for controlling the transmission unit 11 to the transmission frequency f (P11).

発信部11は、周波数制御部12からの制御信号に応じて、自己の発信周波数を送信周波数fに調整し、掃引周波数fの信号を出力する。すると、発信手段10は、出力信号と同一周波数fの電磁波を、送信手段20を介して測定対象Tkに対して放出する(P12)。   The transmission unit 11 adjusts its transmission frequency to the transmission frequency f in accordance with the control signal from the frequency control unit 12 and outputs a signal having the sweep frequency f. Then, the transmission means 10 emits an electromagnetic wave having the same frequency f as the output signal to the measurement target Tk via the transmission means 20 (P12).

次に、検出手段30および補正用信号検出手段50は、送信周波数fの進行波Dと測定対象Tkで反射された反射波Rとによって生成される合成波の信号強度をそれぞれが設けられた位置で検出する(P13)。   Next, the detection means 30 and the correction signal detection means 50 are provided with the signal intensity of the combined wave generated by the traveling wave D of the transmission frequency f and the reflected wave R reflected by the measurement target Tk, respectively. (P13).

P13およびP14に示す検出動作は、送信周波数fを周波数ステップΔfだけ増加させて行われる(P14)。以上に示す一連の動作は、最終的に送信周波数fが掃引終了時の周波数f0+fw/2に至るまで繰り返される。   The detection operation shown in P13 and P14 is performed by increasing the transmission frequency f by the frequency step Δf (P14). The series of operations described above is repeated until the transmission frequency f finally reaches the frequency f0 + fw / 2 at the end of the sweep.

所定の周波数f0−fw/2〜f0+fw/2において、各周波数fにおける合成波の信号強度の検出が完了すると、検出手段30および補正用信号検出手段50のそれぞれの位置における周波数fに対する信号強度p(f、0)、信号強度p(f、x1)を示す関数が得られる。   When the detection of the signal strength of the combined wave at each frequency f is completed at the predetermined frequencies f0-fw / 2 to f0 + fw / 2, the signal strength p with respect to the frequency f at the respective positions of the detection means 30 and the correction signal detection means 50. A function indicating (f, 0) and signal intensity p (f, x1) is obtained.

信号処理手段40の検出値修正部41において、周波数fにおける合成波の信号強度p(f、0)と隣接した周波数f+Δfにおける信号強度p(f+Δf、0)との差である修正検出信号の信号レベルpd(f、0)、および、周波数fにおける合成波の信号強度p(f、x1)と隣接した周波数f+Δfにおける信号強度p(f+Δf、x1)との差である修正補正用信号の信号レベルpd(f、x1)が、各周波数fについて得られる(P16)。   In the detection value correction unit 41 of the signal processing means 40, the signal of the correction detection signal that is the difference between the signal strength p (f, 0) of the synthesized wave at the frequency f and the signal strength p (f + Δf, 0) at the adjacent frequency f + Δf. Of the correction correction signal, which is the difference between the level pd (f, 0) and the signal intensity p (f, x1) of the combined wave at the frequency f and the signal intensity p (f + Δf, x1) at the adjacent frequency f + Δf. A signal level pd (f, x1) is obtained for each frequency f (P16).

生成された修正検出信号の信号レベルpd(f、0)と、修正補正用信号の信号レベルpd(f、x1)から解析信号関数pa(f、0)を生成する(P17)。   The analysis signal function pa (f, 0) is generated from the signal level pd (f, 0) of the generated correction detection signal and the signal level pd (f, x1) of the correction correction signal (P17).

生成された解析信号関数pa(f、0)をフーリエ変換等によりスペクトル解析することにより、距離スペクトルPa(x)が算出される(P18)。   A spectrum of the generated analysis signal function pa (f, 0) is analyzed by Fourier transform or the like to calculate a distance spectrum Pa (x) (P18).

距離スペクトルPa(x)の絶対値|Pa(x)|の極大値を抽出することにより、測定対象Tkの距離dkを求めることができる(P19)。   By extracting the maximum value of the absolute value | Pa (x) | of the distance spectrum Pa (x), the distance dk of the measurement target Tk can be obtained (P19).

本願の距離測定装置(本実施例)と、従来の定在波を利用した距離測定装置(従来例)とによる測定距離を数値計算より求めた。
数値計算は、中心周波数f0=24.088GHz、掃引周波数範囲fw=76MHz、送信信号の振幅A=1、反射係数γ1=0.1、位相シフト量φ1=0、観測位置xs=0、測定対象までの距離d1=0.01m〜10mの条件で行った。
図7は、従来例での距離スペクトルの絶対値|P(x)|を示し、図6は、その絶対値から得た測定距離を示し、そして、図8は、図7において測定対象までの距離が0.5m時の距離スペクトルの絶対値|P(x)|をそれぞれ示す。なお、従来例の距離スペクトルP(x)はp(f、0)の平均値を求め、p(f、0)から平均値を除去し、平均値除去したp(f、0)にハミング窓を掛けてフーリエ変換したものから得ている。
図10は、本実施例での距離スペクトルの絶対値|Pd(x)|を示し、図9は、その極大値から得た測定距離を示し、そして、図11は、図10において測定対象までの距離が0.5m時の距離スペクトルの絶対値|Pd(x)|をそれぞれ示す。なお、pd(f、0)にハミング窓を掛けてフーリエ変換を行っている。
A distance measured by the distance measuring device of the present application (this example) and a conventional distance measuring device using a standing wave (conventional example) was obtained by numerical calculation.
Numerical calculation is center frequency f0 = 24.088 GHz, sweep frequency range fw = 76 MHz, transmission signal amplitude A = 1, reflection coefficient γ1 = 0.1, phase shift amount φ1 = 0, observation position xs = 0, measurement target The distance d1 was 0.01 m to 10 m.
FIG. 7 shows the absolute value | P (x) | of the distance spectrum in the conventional example, FIG. 6 shows the measurement distance obtained from the absolute value, and FIG. 8 shows the distance to the measurement object in FIG. The absolute value | P (x) | of the distance spectrum when the distance is 0.5 m is shown. The distance spectrum P (x) of the conventional example obtains an average value of p (f, 0), removes the average value from p (f, 0), and a Hamming window to p (f, 0) from which the average value is removed. Is obtained from the Fourier transform of
FIG. 10 shows the absolute value | Pd (x) | of the distance spectrum in this example, FIG. 9 shows the measurement distance obtained from the maximum value, and FIG. 11 shows the measurement object in FIG. The absolute value | Pd (x) | of the distance spectrum when the distance is 0.5 m is shown. Note that Fourier transformation is performed by multiplying pd (f, 0) by a Hamming window.

図6および図9を参照すると、測定対象までの距離が2〜3mの場合、従来例では、測定対象までの距離と測定距離の差が変動していることがわかる。
また、本実施例では、測定対象までの距離と測定距離の差の変動が従来例よりも少ないことがわかる。これは、従来例では、p(f、0)の平均値と直流が、完全に一致していないため、直流成分を除去しきれていないためである。これに対し、本実施例では、p(f、0)の直流成分を除去可能であるため、測定対象までの距離が2〜3mの間では、測定対象までの距離と測定距離の差が従来例よりも小さくなっている。
6 and 9, when the distance to the measurement target is 2 to 3 m, it can be seen that in the conventional example, the difference between the distance to the measurement target and the measurement distance varies.
Further, in this example, it can be seen that the variation in the difference between the distance to the measurement object and the measurement distance is smaller than that in the conventional example. This is because in the conventional example, the average value of p (f, 0) and the direct current do not completely coincide with each other, and therefore the direct current component cannot be completely removed. On the other hand, in this embodiment, since the DC component of p (f, 0) can be removed, the difference between the distance to the measurement object and the measurement distance is conventionally between 2 to 3 m. It is smaller than the example.

また、本実施例において、図10に示すように、測定対象までの距離が長くなるにつれ、算出される距離スペクトルの絶対値|Pd(x)|は大きくなることから、測定対象までの距離に応じたゲインの効果を持たせることができる。
今回の数値計算では、反射係数γ1が、測定対象までの距離に関わらず一定としているが、一般に近くの測定対象では反射波のレベルが大きく、遠くの測定対象では、反射波のレベルが小さくなる。つまり、本実施例によって、測定対象までの距離に応じてレベル差が相殺される効果が得られるのである。
Further, in this embodiment, as shown in FIG. 10, as the distance to the measurement object becomes longer, the absolute value | Pd (x) | of the calculated distance spectrum becomes larger. It is possible to have a gain effect corresponding to the gain.
In this numerical calculation, the reflection coefficient γ1 is constant regardless of the distance to the measurement object, but in general, the reflected wave level is large in a nearby measurement object, and the reflected wave level is small in a distant measurement object. . That is, according to the present embodiment, an effect that the level difference is canceled according to the distance to the measurement object can be obtained.

実施例2では、解析信号関数から距離スペクトルを形成する本発明の距離測定装置が算出する測定距離を数値計算より求めた。なお、実施例2の数値計算の条件は、x1=−2mmとし、それ以外は、実施例1と同一である。なお、pa(f、0)にハミング窓を掛けてフーリエ変換を行っている。   In Example 2, the measurement distance calculated by the distance measurement device of the present invention that forms a distance spectrum from the analytic signal function was obtained by numerical calculation. The numerical calculation conditions of Example 2 are the same as those of Example 1 except that x1 = −2 mm. Note that the Fourier transform is performed by multiplying pa (f, 0) by a Hamming window.

図7に示すように、従来例において算出される距離スペクトルの絶対値|P(x)|は、数6の各項によるものである。ただし、数6の第一項の大きさは、直流Aからp(f、0)の平均値を除去したものである。従来例で、測定対象までの距離を0.5mとしたときの距離スペクトルは、図8のようになり、また、図6に示すように、測定対象までの距離が2m未満となると、実際の測定対象までの距離よりも長くなってしまう。
また、図10に示すように、本実施例1において算出される距離スペクトルの絶対値|Pd(x)|は、数10の各項によるものである。本実施例1で、測定対象までの距離を0.5mとしたときの距離スペクトルは、図11のようになり、また、図9に示すように、測定対象までの距離が2m未満となると、実際の測定対象までの距離との差が大きくなる。
As shown in FIG. 7, the absolute value | P (x) | of the distance spectrum calculated in the conventional example is due to each term of Equation 6. However, the magnitude of the first term of Equation 6 is to the DC A 2 to remove the average value of p (f, 0). In the conventional example, the distance spectrum when the distance to the measurement object is 0.5 m is as shown in FIG. 8, and when the distance to the measurement object is less than 2 m as shown in FIG. It will be longer than the distance to the measurement object.
Also, as shown in FIG. 10, the absolute value | Pd (x) | of the distance spectrum calculated in the first embodiment is due to each term of Equation 10. In Example 1, the distance spectrum when the distance to the measurement target is 0.5 m is as shown in FIG. 11, and as shown in FIG. 9, when the distance to the measurement target is less than 2 m, The difference from the distance to the actual measurement object increases.

一方、解析信号関数から距離スペクトルを形成する本実施例2の場合、数17のごとくPa(x)が単一項のみから形成されているので、距離スペクトルの絶対値|Pa(x)|は、単一の極大値しか存在しない(図13)。すると、距離0.5mでの距離スペクトルの絶対値|Pa(x)|も図14のようになるから、算出される距離は、測定対象までの距離が2m未満においても距離測定値との差が大きくならないことがわかる(図12)。
以上のように、解析信号関数から距離スペクトルを形成する本実施例2では、測定対象までの距離が2m未満、つまり、p(f、0)の波形が1周期未満に相当する距離に対しても、距離測定可能となる。
On the other hand, in the case of the present Example 2 in which the distance spectrum is formed from the analytic signal function, Pa (x) is formed from only a single term as shown in Equation 17, so the absolute value | Pa (x) | There is only a single local maximum (FIG. 13). Then, since the absolute value | Pa (x) | of the distance spectrum at a distance of 0.5 m is also as shown in FIG. 14, the calculated distance is the difference from the distance measurement value even when the distance to the measurement object is less than 2 m. It can be seen that does not increase (FIG. 12).
As described above, in the second embodiment in which the distance spectrum is formed from the analysis signal function, the distance to the measurement object is less than 2 m, that is, the distance corresponding to the waveform of p (f, 0) being less than one cycle. Can also measure the distance.

本実施形態の距離測定装置1の概略ブロック図である。It is a schematic block diagram of the distance measuring device 1 of this embodiment. 信号強度p(f、xs)と周波数fの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the signal strength p (f, xs) and the frequency f. 図1の距離測定装置における距離測定のフロー図である。It is a flowchart of the distance measurement in the distance measuring device of FIG. 他の実施形態の距離測定装置1の概略ブロック図である。It is a schematic block diagram of the distance measuring device 1 of other embodiment. 解析信号関数を利用した距離測定装置における距離測定のフロー図である。It is a flowchart of the distance measurement in the distance measuring device using an analytic signal function. 従来例による距離測定結果と設定された測定対象までの距離を比較した図である。It is the figure which compared the distance to the measurement object set with the distance measurement result by a prior art example, and the set measurement object. 従来例において算出される距離スペクトルである。It is a distance spectrum calculated in a conventional example. 従来例において測定距離が0.5mのときに算出される距離スペクトルである。It is a distance spectrum calculated when the measurement distance is 0.5 m in the conventional example. 本実施例による距離測定結果と設定された測定対象までの距離を比較した図である。It is the figure which compared the distance to the set measurement object with the distance measurement result by a present Example. 本実施例において算出される距離スペクトルである。It is a distance spectrum calculated in a present Example. 本実施例において測定距離が0.5mのときに算出される距離スペクトルである。In this embodiment, the distance spectrum is calculated when the measurement distance is 0.5 m. 本実施例2による距離測定結果と設定された測定対象までの距離を比較した図である。It is the figure which compared the distance to the measurement object set with the distance measurement result by the present Example 2, and the set measurement object. 従来例において算出される距離スペクトルである。It is a distance spectrum calculated in a conventional example. 従来例において測定距離が0.5mのときに算出される距離スペクトルである。It is a distance spectrum calculated when the measurement distance is 0.5 m in the conventional example.

符号の説明Explanation of symbols

1 距離測定装置
10 発信手段
30 検出手段
40 信号処理手段
41 検出値修正部
42 検出信号関数形成部
43 距離算出部
45 解析信号生成部
50 補正用信号検出手段
T 測定対象
S 定在波
I 折返しイメージ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Distance measuring device 10 Transmission means 30 Detection means 40 Signal processing means 41 Detection value correction part 42 Detection signal function formation part 43 Distance calculation part 45 Analytical signal generation part 50 Correction signal detection means T Measurement object S Standing wave
I Folded image

Claims (7)

測定対象までの距離を測定するための測定装置であって、
該測定装置が、
電磁波を、前記測定対象との間に存在する伝搬媒質に出力する発信手段と、
該発信手段から出力される電磁波と、該電磁波が前記測定対象で反射した反射波との合成波における信号強度を検出し、検出した前記合成波における信号強度に対応する信号レベルを有する検出信号を出力する検出手段と、
該検出手段が出力する検出信号に基づいて、前記検出手段と前記測定対象との間の距離を算出する信号処理手段とからなり、
前記発信手段は、出力する前記電磁波の周波数が可変であり、
前記信号処理手段は、
前記発信手段から出力される電磁波の周波数を変化させたときにおいて、前記検出信号の隣接する周波数間のレベル差に基づいて距離スペクトルを形成し、この距離スペクトルに基づいて前記検出手段と前記測定対象との間の距離を算出するものである
ことを特徴とする距離測定装置。
A measuring device for measuring the distance to a measuring object,
The measuring device is
Transmitting means for outputting an electromagnetic wave to a propagation medium existing between the measurement object;
A detection signal having a signal level corresponding to the detected signal intensity in the combined wave is detected by detecting the signal intensity in the combined wave of the electromagnetic wave output from the transmitting means and the reflected wave reflected by the measurement object. Detection means for outputting;
Based on the detection signal output by the detection means, the signal processing means for calculating the distance between the detection means and the measurement object,
The transmitting means has a variable frequency of the output electromagnetic wave,
The signal processing means includes
When the frequency of the electromagnetic wave output from the transmitting means is changed, a distance spectrum is formed based on a level difference between adjacent frequencies of the detection signal, and the detecting means and the measurement object are formed based on the distance spectrum. A distance measuring device for calculating the distance between the two.
前記発信手段が、出力された前記電磁波の周波数情報を前記信号処理手段に供給しており、
前記信号処理手段は、
前記発信手段から出力される電磁波の周波数を変化させたときにおいて、前期検出信号の隣接する周波数間のレベル差を算出する検出値修正部と、
該検出値修正部が算出した信号のレベル差と、前記発信手段から供給された前記電磁波の周波数情報に基づいて検出信号関数を形成する検出信号関数形成部と、
該検出信号関数形成部によって形成された検出信号関数をスペクトル解析して距離スペクトルを算出し、該距離スペクトルに基づいて前記検出手段と前記測定対象との間の距離を算出する距離算出部とを備えている
ことを特徴とする請求項1記載の距離測定装置。
The transmitting means supplies the frequency information of the outputted electromagnetic wave to the signal processing means;
The signal processing means includes
When changing the frequency of the electromagnetic wave output from the transmitting means, a detection value correction unit for calculating a level difference between adjacent frequencies of the previous detection signal;
A detection signal function forming unit that forms a detection signal function based on the level difference of the signal calculated by the detection value correction unit and the frequency information of the electromagnetic wave supplied from the transmission unit;
A distance calculation unit that calculates a distance spectrum by performing spectrum analysis on the detection signal function formed by the detection signal function forming unit, and calculates a distance between the detection unit and the measurement object based on the distance spectrum; The distance measuring device according to claim 1, further comprising:
前記発信手段が、出力された前記電磁波の周波数情報を前記信号処理手段に供給しており、
前記信号処理手段は、
前記検出信号の隣接する周波数間のレベル差を、該信号のレベル差に対応した電圧として出力する検出値修正部と、
前記発信手段から供給される前記電磁波の周波数情報と、前記検出値修正部から供給される電圧に基づいて検出信号関数を形成する検出信号関数形成部と、
該検出信号関数形成部によって形成された検出信号関数をスペクトル解析して距離スペクトルを算出し、該距離スペクトルに基づいて前記検出手段と前記測定対象との間の距離を算出する距離算出部とを備えている
ことを特徴とする請求項1記載の距離測定装置。
The transmitting means supplies the frequency information of the outputted electromagnetic wave to the signal processing means;
The signal processing means includes
A detection value correction unit that outputs a level difference between adjacent frequencies of the detection signal as a voltage corresponding to the level difference of the signal;
A detection signal function forming unit that forms a detection signal function based on the frequency information of the electromagnetic wave supplied from the transmitting unit and the voltage supplied from the detection value correction unit;
A distance calculation unit that calculates a distance spectrum by performing spectrum analysis on the detection signal function formed by the detection signal function forming unit, and calculates a distance between the detection unit and the measurement object based on the distance spectrum; The distance measuring device according to claim 1, further comprising:
前記信号処理手段は、
前記検出信号の隣接する周波数間のレベル差を、該信号のレベル差に対応した電圧として出力する検出値修正部と、
前記検出値修正部から供給される前記電圧をバンドパスフィルタ回路に供給し、該バンドパスフィルタ回路の出力に基づいて距離スペクトルを得て、該距離スペクトルに基づいて前記検出手段と前記測定対象との間の距離を算出する距離算出部とを備えている
ことを特徴とする請求項1記載の距離測定装置。
The signal processing means includes
A detection value correction unit that outputs a level difference between adjacent frequencies of the detection signal as a voltage corresponding to the level difference of the signal;
The voltage supplied from the detection value correction unit is supplied to a band pass filter circuit, a distance spectrum is obtained based on the output of the band pass filter circuit, and the detection means and the measurement object are obtained based on the distance spectrum. The distance measuring device according to claim 1, further comprising a distance calculating unit that calculates a distance between the two.
前記測定対象からの距離が、前記検出手段から前記測定対象までの距離と異なる位置に配設され、その位置における前記合成波の信号強度を検出し、検出した前記合成波の信号強度に対応した信号レベルを有する補正用信号を出力する補正用信号検出手段を備えており、
前記信号処理手段は、
前記発信手段から出力される電磁波の周波数を変化させたときにおいて、前記検出信号の隣接する周波数間のレベル差、および、前記補正用信号の隣接する周波数間のレベル差に基づいて、複素正弦波からなる解析信号関数を形成し、該解析信号関数をスペクトル解析して、距離スペクトルを算出するものである
ことを特徴とする請求項1記載の距離測定装置。
The distance from the measurement object is disposed at a position different from the distance from the detection means to the measurement object, the signal intensity of the combined wave at the position is detected, and the detected signal intensity of the combined wave corresponds to the detected signal intensity A correction signal detecting means for outputting a correction signal having a signal level;
The signal processing means includes
A complex sine wave based on the level difference between adjacent frequencies of the detection signal and the level difference between adjacent frequencies of the correction signal when the frequency of the electromagnetic wave output from the transmitting means is changed. 2. The distance measuring device according to claim 1, wherein an analytic signal function is formed, and the analytic signal function is subjected to spectrum analysis to calculate a distance spectrum.
測定対象までの距離を測定するための測定方法であって、
電磁波を前記測定対象との間に存在する伝搬媒質に出力し、
出力された電磁波と、この電磁波が測定対象で反射した反射波との合成波における信号強度を検出し、
検出された合成波における信号強度に基づいて、合成波における信号強度を検出した検出位置から測定対象まで距離を算出する測定方法であり、
出力される電磁波の周波数を変化させたときにおいて、検出位置において検出された信号の隣接する周波数間のレベル差に基づいて距離スペクトルを形成し、この距離スペクトルに基づいて検出位置から測定対象まで距離を算出する
ことを特徴とする距離測定方法。
A measurement method for measuring a distance to a measurement object,
Output electromagnetic waves to the propagation medium existing between the measurement object,
Detect the signal intensity in the combined wave of the output electromagnetic wave and the reflected wave reflected by the measurement object,
Based on the detected signal intensity in the combined wave, a measurement method for calculating the distance from the detection position where the signal intensity in the combined wave is detected to the measurement target,
When the frequency of the output electromagnetic wave is changed, a distance spectrum is formed based on the level difference between adjacent frequencies of the signal detected at the detection position, and the distance from the detection position to the measurement object is based on this distance spectrum. The distance measuring method characterized by calculating.
測定対象からの距離が、検出位置から測定対象までの距離と異なる補正用信号検出位置において合成波の信号強度を検出し、
出力される電磁波の周波数を変化させたときにおいて、検出位置において検出された信号の隣接する周波数間のレベル差、および、前記補正用信号検出位置において検出された補正用信号の隣接する周波数間のレベル差に基づいて、複素正弦波からなる解析信号関数を形成し、この解析信号関数をスペクトル解析して、距離スペクトルを算出する
ことを特徴とする請求項6記載の距離測定方法。
The signal intensity of the synthesized wave is detected at the correction signal detection position where the distance from the measurement object is different from the distance from the detection position to the measurement object.
When the frequency of the output electromagnetic wave is changed, the level difference between the adjacent frequencies of the signal detected at the detection position and the adjacent frequency of the correction signal detected at the correction signal detection position 7. The distance measuring method according to claim 6, wherein an analytical signal function including a complex sine wave is formed based on the level difference, and a spectral spectrum is analyzed for the analytical signal function to calculate a distance spectrum.
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