JP2009204572A - Position measuring device and its method - Google Patents

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Takayuki Kitamura
尭之 北村
Takuya Sakamoto
卓也 阪本
Toru Sato
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a position measuring device and a position measuring method for measuring the position of an object with a single transmitting antenna and a single receiving antenna. <P>SOLUTION: This position measuring device 1 for measuring the position of the object comprises the single transmitting antenna A<SB>1</SB>for radiating a transmitted signal to space, the single receiving antenna A<SB>2</SB>for receiving, as a received signal, scattered wave that is scattered by the object, propagates through a plurality of propagation routes, and arises from the transmitted signal, and an arithmetic processing section 13 for calculating the object position by a period reversing method based on the waveform of the received signal received by the receiving antenna A<SB>2</SB>. The plurality of propagation routes include at least one propagation route via an electric wave scattering object that can scatter the electric wave and has known shape and position. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、電波によって物体の位置を測定する位置測定装置に関し、特に、単一の送信アンテナおよび単一の受信アンテナを用いて前記物体と異なる物体(散乱体)による多重散乱を利用することで前記物体の位置を測定する位置測定装置に関する。   The present invention relates to a position measurement apparatus that measures the position of an object by radio waves, and in particular, by using multiple scattering by an object (scatterer) different from the object using a single transmission antenna and a single reception antenna. The present invention relates to a position measuring device for measuring the position of the object.

従来、電波を物体に向けて放射し、その反射波を測定することによって前記物体の位置を測定する技術は、レーダとして知られている。このレーダ分野において、近年、物体の多重散乱を利用することが提案されており、例えば、非特許文献1に開示がある。この非特許文献1に開示の技術では、複数個の送信アンテナおよび受信アンテナが用いられ、目標の物体(ターゲット)からの多重散乱波に基づいていわゆるMUSIC法によって物体の位置が求められている。   Conventionally, a technique for measuring the position of an object by radiating a radio wave toward the object and measuring the reflected wave is known as a radar. In this radar field, in recent years, it has been proposed to use multiple scattering of an object, for example, disclosed in Non-Patent Document 1. In the technique disclosed in Non-Patent Document 1, a plurality of transmission antennas and reception antennas are used, and the position of an object is obtained by a so-called MUSIC method based on multiple scattered waves from a target object (target).

一方、無線通信分野において、例えば、非特許文献2に開示されているように、時間逆転法を用いた通信技術があり、通信の性能改善が図られている。これは、送信アンテナから多重散乱経路を介して伝播した信号をアレイアンテナで受信し、それを時間逆転した信号を前記アレイアンテナから送信すると、元の送信アンテナの位置に送信信号が再現されることを利用したものである。
A.J.Devaney ,”Time reversal imaging of obscured target from multistatic data”,IEEE Trans.on Ant.&Prop.vol.53,no.5,pp.1600-1610 May 2005. B.E.Henty,D.D.Stancil,”Multipath-enabled super-resolution for rf and microwave communication using phase-conjugate arrays”,Physical Review Letters,vol.93,no.24,Art.No.243904,Dec.2004.
On the other hand, in the field of wireless communication, for example, as disclosed in Non-Patent Document 2, there is a communication technique using a time inversion method, and communication performance is improved. This is because when a signal propagated from a transmission antenna through multiple scattering paths is received by an array antenna and a signal obtained by reversing the signal is transmitted from the array antenna, the transmission signal is reproduced at the position of the original transmission antenna. Is used.
AJDevaney, “Time reversal imaging of obscured target from multistatic data”, IEEE Trans.on Ant. & Prop.vol.53, no.5, pp.1600-1610 May 2005. BEHenty, DDStancil, “Multipath-enabled super-resolution for rf and microwave communication using phase-conjugate arrays”, Physical Review Letters, vol. 93, no. 24, Art. No. 243904, Dec. 2004.

ところで、上述の非特許文献1および非特許文献2では、複数の送信アンテナや複数の受信アンテナが用いられている。このような複数の送信アンテナや複数の受信アンテナを用いて物体の位置を所望の精度で測定するためには、複数の送信アンテナ間の位置(距離)や複数の受信アンテナ間の位置(距離)を正確にそれぞれ固定しなければならない。また、複数の送信アンテナ間の距離や複数の受信アンテナ間の距離を、使用電波の波長や所望の距離分解能によって適宜に設定する必要があり、複数の送信アンテナや複数の受信アンテナが大型化してしまう場合がある。また、送信アンテナの個数に応じた送信回路や受信アンテナの個数に応じた受信回路が必要であり、位置測定装置の小型化やコストダウンの妨げにもなる。   By the way, in the above-mentioned Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, a plurality of transmitting antennas and a plurality of receiving antennas are used. In order to measure the position of an object with a desired accuracy using such a plurality of transmission antennas and a plurality of reception antennas, the position (distance) between the plurality of transmission antennas and the position (distance) between the plurality of reception antennas Must be fixed correctly. In addition, it is necessary to set the distance between the multiple transmitting antennas and the distance between the multiple receiving antennas appropriately according to the wavelength of the radio wave used and the desired distance resolution, which increases the size of the multiple transmitting antennas and the multiple receiving antennas. May end up. In addition, a transmission circuit corresponding to the number of transmission antennas and a reception circuit corresponding to the number of reception antennas are required, which hinders downsizing and cost reduction of the position measurement device.

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、単一の送信アンテナおよび単一の受信アンテナで物体の位置を測定することができる位置測定装置および位置測定方法を提供することである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a position measuring apparatus and a position measuring method capable of measuring the position of an object with a single transmitting antenna and a single receiving antenna. Is to provide.

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明にかかる一態様では、物体の位置を測定する位置測定装置において、送信信号を空間に放射する単一の送信アンテナと、前記物体によって散乱される前記送信信号に起因する散乱波であって複数の伝播経路で伝播した散乱波を受信信号として受信する単一の受信アンテナと、前記受信アンテナで受信した受信信号の波形に基づいて時間逆転法によって前記物体の位置を演算する位置演算部とを備え、前記複数の伝播経路には、電波を散乱可能であって形状および位置が既知である電波散乱体を経由した伝播経路が少なくとも1つ含まれることを特徴とする。そして、本発明にかかる他の一態様では、物体の位置を測定する位置測定方法において、単一の送信アンテナから送信信号を空間に放射する送信工程と、前記物体によって散乱される前記送信信号に起因する散乱波であって複数の伝播経路で伝播した散乱波を受信信号として単一の受信アンテナで受信する受信工程と、前記受信工程で受信した受信信号の波形に基づいて時間逆転法によって前記物体の位置を演算する位置演算工程とを備え、前記複数の伝播経路には、電波を散乱可能であって形状および位置が既知である電波散乱体を経由した伝播経路が少なくとも1つ含まれることを特徴とする。   As a result of various studies, the present inventor has found that the above object is achieved by the present invention described below. That is, according to one aspect of the present invention, in a position measurement device that measures the position of an object, a single transmission antenna that radiates a transmission signal to space and a scattered wave caused by the transmission signal scattered by the object. A single reception antenna that receives a scattered wave propagated through a plurality of propagation paths as a reception signal, and a position calculation that calculates the position of the object by a time inversion method based on the waveform of the reception signal received by the reception antenna The plurality of propagation paths include at least one propagation path through a radio wave scatterer capable of scattering radio waves and having a known shape and position. In another aspect of the present invention, in a position measurement method for measuring the position of an object, a transmission step of radiating a transmission signal from a single transmission antenna to space, and the transmission signal scattered by the object A reception step of receiving a scattered wave caused by a plurality of propagation paths as a reception signal with a single reception antenna, and a time reversal method based on a waveform of the reception signal received in the reception step. A position calculation step for calculating the position of the object, and the plurality of propagation paths include at least one propagation path through a radio wave scatterer capable of scattering radio waves and having a known shape and position. It is characterized by.

このような構成の位置測定装置および位置測定方法では、単一の送信アンテナによって送信信号が空間に放射され、単一の受信アンテナによって受信信号が受信される。そして、この受信信号には、目標の物体の他に、その形状および位置が既知である電波散乱体を経由した伝播経路の散乱波が含まれている。このため、この受信信号の波形に基づいて時間逆転法によって物体の位置が演算可能となる。したがって、このような構成の位置測定装置および位置測定方法は、単一の送信アンテナおよび単一の受信アンテナで物体の位置を測定することが可能となる。   In the position measuring apparatus and the position measuring method having such a configuration, a transmission signal is radiated into space by a single transmission antenna, and a reception signal is received by a single reception antenna. In addition to the target object, the received signal includes a scattered wave of a propagation path via a radio wave scatterer whose shape and position are known. Therefore, the position of the object can be calculated by the time inversion method based on the waveform of the received signal. Therefore, the position measuring apparatus and position measuring method having such a configuration can measure the position of an object using a single transmission antenna and a single reception antenna.

以下、より具体的に本発明の基本的な考え方について説明する。図1および図2は、本発明の基本的な考え方を説明するための図である。図1(A)は、位置測定システムの構成を示し、図1(B)は、送信電波の波形を示し、そして、図1(C)は、受信電波の波形f(t)を示す。図2(A)は、時間逆転した受信電波の波形f(−t)を示し、図2(B)は、時間逆転した受信電波を所定のアンテナから第1経路で逆伝播させた波形を示し、図2(C)は、時間逆転した受信電波を所定のアンテナから第2経路で逆伝播させた波形を示し、図2(D)は、時間逆転した受信電波を所定のアンテナから第3経路で逆伝播させた波形を示し、そして、図2(E)は、図2(B)ないし図2(D)を重ね合わせた波形を示す。図1(B)および図1(C)ならびに図2(A)ないし図2(E)の横軸は、時間であり、それらの縦軸は、振幅(強度)である。   Hereinafter, the basic concept of the present invention will be described more specifically. 1 and 2 are diagrams for explaining the basic idea of the present invention. 1A shows the configuration of the position measurement system, FIG. 1B shows the waveform of the transmitted radio wave, and FIG. 1C shows the waveform f (t) of the received radio wave. FIG. 2A shows a waveform f (−t) of a received radio wave that has been time-reversed, and FIG. 2B shows a waveform in which the received radio wave that has been time-reversed is reversely propagated from a predetermined antenna through a first path. FIG. 2 (C) shows a waveform in which the time-reversed received radio wave is reversely propagated from the predetermined antenna through the second path, and FIG. 2 (D) shows the time-reversed received radio wave from the predetermined antenna to the third path. FIG. 2E shows a waveform obtained by superimposing FIGS. 2B to 2D. FIG. The horizontal axis in FIGS. 1B and 1C and FIGS. 2A to 2E is time, and the vertical axis is amplitude (intensity).

位置測定システムSは、図1(A)に示すように、位置測定装置1と、電波散乱体Kとを備え、物体Tの位置を測定するものである。電波散乱体Kは、電波を散乱する部材から構成されて成り、その形状および位置が既知である。   As shown in FIG. 1A, the position measurement system S includes a position measurement device 1 and a radio wave scatterer K, and measures the position of an object T. The radio wave scatterer K is composed of a member that scatters radio waves, and its shape and position are known.

このような構成の位置測定システムSにおいて、位置測定装置1は、単一の送信アンテナから送信信号を空間に放射し、物体Tや電波散乱体Kによって散乱された散乱波を受信信号として単一の受信アンテナで受信する。単一の送信アンテナおよび単一の受信アンテナは、それぞれ別体のアンテナによって構成されてもよく、また兼用されて1個のアンテナによって構成されてもよい。「単一の送信アンテナ」および「単一の受信アンテナ」には、それぞれ別体のアンテナによって構成される場合だけでなく、このような兼用されて1個のアンテナによって構成される場合も含まれる。例えば、送信信号Wsとして図1(B)に示すように単一のパルスWsが時刻tで放射されると、図1(A)に示す例では物体Tおよび電波散乱体Kによる散乱波の伝播経路が第1ないし第3経路P1〜P3の3個であるため、受信信号Wrとして第1ないし第3パルスWr1〜Wr3が受信される。なお、図1(B)に示すパルスWsは、説明を簡単化するために用いた便宜上の波形形状であり、実際の位置測定装置1に用いられる送信信号Wsについては後述する。 In the position measurement system S having such a configuration, the position measurement apparatus 1 radiates a transmission signal from a single transmission antenna to the space, and uses a scattered wave scattered by the object T or the radio wave scatterer K as a reception signal. Receive with the receiving antenna. The single transmission antenna and the single reception antenna may be configured by separate antennas, respectively, or may be configured by a single antenna. “Single transmit antenna” and “single receive antenna” include not only the case where each is constituted by a separate antenna, but also the case where such a double antenna is constituted by a single antenna. . For example, if a single pulse Ws is radiated at time t 0 as shown in FIG. 1B as the transmission signal Ws, the scattered wave caused by the object T and the radio wave scatterer K in the example shown in FIG. Since there are three propagation paths, the first to third paths P1 to P3, the first to third pulses Wr1 to Wr3 are received as the reception signal Wr. Note that the pulse Ws shown in FIG. 1B has a convenient waveform shape used to simplify the description, and the transmission signal Ws used in the actual position measurement apparatus 1 will be described later.

第1経路P1は、位置測定装置1から物体Tへ、そして、物体Tから位置測定装置1に戻る伝播経路である。第2経路P2は、位置測定装置1から物体Tへ、物体Tから電波散乱体Kへ、そして、電波散乱体Kから位置測定装置1に戻る伝播経路である。第2経路P2には、上述の逆経路も含まれ、第2経路P2は、縮退している。第3経路P3は、位置測定装置1から電波散乱体Kへ、電波散乱体Kから物体Tへ、物体Tから電波散乱体Kへ、そして、電波散乱体Kから位置測定装置1へ戻る伝播経路である。   The first path P1 is a propagation path from the position measurement device 1 to the object T and from the object T to the position measurement device 1. The second path P2 is a propagation path from the position measurement device 1 to the object T, from the object T to the radio wave scatterer K, and from the radio wave scatterer K to the position measurement device 1. The second route P2 includes the reverse route described above, and the second route P2 is degenerated. The third path P3 is a propagation path from the position measurement device 1 to the radio wave scatterer K, from the radio wave scatterer K to the object T, from the object T to the radio wave scatterer K, and from the radio wave scatterer K to the position measurement device 1. It is.

位置測定装置1と物体Tとの間の距離がd1とされ、位置測定装置1と電波散乱体Kとの間の距離がd2とされ、物体Tと電波散乱体Kとの間の距離がd3とされる場合では、第1経路P1を伝播することによって受信される受信信号Wrの第1パルスWr1は、時刻tから2d1/c時間経過した時刻で受信され、第2経路P2を伝播することによって受信される受信信号Wrの第2パルスWr2は、時刻tから(d1+d2+d3)/c時間経過した時刻で受信され、そして、第3経路P3を伝播することによって受信される受信信号Wrの第3パルスWr3は、時刻tから2(d2+d3)/c時間経過した時刻で受信される。ここで、cは、電波の伝播速度であり、電波の伝播媒質によって決定され、電波の伝播媒質が真空である場合では、光速である。 The distance between the position measuring device 1 and the object T is d1, the distance between the position measuring device 1 and the radio wave scatterer K is d2, and the distance between the object T and the radio wave scatterer K is d3. and in the case where the first pulse Wr1 of the received signal Wr received by propagating the first path P1 is received from the time t 0 at 2d1 / c time elapsed time, to propagate the second path P2 second pulse Wr2 of the received signal Wr received by is received from the time t 0 in (d1 + d2 + d3) / c time elapsed time, and, of the received signal Wr received by propagating the third path P3 third pulse Wr3 is received from the time t 0 at 2 (d2 + d3) / c time elapsed time. Here, c is the propagation speed of the radio wave, is determined by the propagation medium of the radio wave, and is the speed of light when the radio wave propagation medium is a vacuum.

ここで、電波散乱体Kの形状および位置が既知であるので、距離d2は、既知である。距離d1および距離d3は、未知であり、物体Tの位置を求めるためには、位置測定装置1は、これら距離d1および距離d3を求めればよい。   Here, since the shape and position of the radio wave scatterer K are known, the distance d2 is known. The distance d1 and the distance d3 are unknown, and in order to obtain the position of the object T, the position measuring device 1 may obtain the distance d1 and the distance d3.

これら距離d1および距離d3を求めるために時間逆転法を適用すると、受信信号Wrの波形f(t)を時間逆転させた受信信号RWrの波形f(−t)を或る1個のアンテナ(同一のアンテナ)から逆伝播させると、複数の伝播経路をそれぞれ逆伝播した、時間逆転された各受信信号RWrの各波形を重ね合わせた関数g(t、r)は、物体Tの位置が真の位置Rtrue(Rtrueは位置ベクトル)である場合にのみ、時刻t=−tで同位相(コヒーレント)になり、前記g(t、r)が強め合う。 When the time reversal method is applied to obtain the distance d1 and the distance d3, the waveform f (-t) of the reception signal RWr obtained by time reversal of the waveform f (t) of the reception signal Wr is set to one antenna (identical to the same). The function g (t, r) obtained by superimposing the waveforms of the reception signals RWr that have been reversely propagated through the plurality of propagation paths and that have been time-reversed is true when the position of the object T is true. Only when the position is R true (where R true is a position vector), the phase becomes coherent at time t = −t 0 , and g (t, r) strengthens.

より具体的に説明すると、まず、受信信号Wrの波形f(t)が時間逆転され、時間逆転された受信信号RWrの波形f(−t)が生成される。例えば、図1(C)に示すように、受信時刻の順に第1パルスWr1、第2パルスWr2および第3パルスWr3から成る受信信号Wrの場合では、図2(A)に示すように、時間逆転すると、第3パルスWr3を時間逆転した第3パルスRWr3、第2パルスWr2を時間逆転した第2パルスRWr2および第1パルスWr1を時間逆転した第1パルスRWr1の順に並ぶ。なお、図1および図2では、第1ないし第3パルスWr1〜Wr3がピークに対して左右対称であるので、図2に示す時間逆転した第1ないし第3パルスRWr1〜Wr3は、第1ないし第3パルスWr1〜Wr3とそれぞれ同じ形状になっている。   More specifically, first, the waveform f (t) of the reception signal Wr is time-reversed, and the waveform f (-t) of the reception signal RWr that is time-reversed is generated. For example, as shown in FIG. 1C, in the case of the reception signal Wr composed of the first pulse Wr1, the second pulse Wr2, and the third pulse Wr3 in the order of reception time, as shown in FIG. When reversed, the third pulse RWr3 obtained by time-reversing the third pulse Wr3, the second pulse RWr2 obtained by time-reversing the second pulse Wr2, and the first pulse RWr1 obtained by time-reversing the first pulse Wr1 are arranged in this order. In FIGS. 1 and 2, since the first to third pulses Wr1 to Wr3 are symmetrical with respect to the peak, the time-reversed first to third pulses RWr1 to Wr3 shown in FIG. Each of the third pulses Wr1 to Wr3 has the same shape.

次に、この時間逆転された受信信号RWrを或る1個のアンテナから逆伝播させる。例えば、図1(A)に示す例では、図2(A)に示す時間逆転された受信信号RWrは、第1経路P1で逆伝播させると図2(B)に示すように2d1/cだけ時間シフトし、第2経路P2で逆伝播させると図2(C)に示すように(d1+d2+d3)/cだけ時間シフトし、そして、第3経路P3で逆伝播させると図2(D)に示すように2(d2+d3)/cだけ時間シフトする。   Next, this time-reversed reception signal RWr is propagated back from one antenna. For example, in the example shown in FIG. 1A, when the time-reversed reception signal RWr shown in FIG. 2A is propagated back in the first path P1, only 2d1 / c is obtained as shown in FIG. 2B. When time-shifted and back-propagated through the second path P2, as shown in FIG. 2C, it is time-shifted by (d1 + d2 + d3) / c and back-propagated through the third path P3, as shown in FIG. Thus, the time is shifted by 2 (d2 + d3) / c.

そして、第1ないし第3経路P1〜P3をそれぞれ逆伝播した時間逆転された各受信信号RWrの各波形を重ね合わせた関数g(t、r)=f(−t+(2d1/c))+f(−t+((d1+d2+d3)/c))+f(−t+(2(d2+d3)/c))は、物体Tの位置が真の位置Rtrueである場合にのみ、図2(E)に示すように、時刻t=−tで同位相になり、その振幅が最大となる。したがって、位置ベクトルrを様々な値に振って前記関数g(t、r)を求め、前記関数g(t、r)が最大となる位置ベクトルrを求めればよい。この位置ベクトルrが物体Tの位置Rtrueであり、物体Tの位置を表す。前記関数g(t、r)を位置探索関数g(t、r)と呼称することとする。 Then, a function g (t, r) = f (−t + (2d1 / c)) + f obtained by superimposing the waveforms of the reception signals RWr that have been reversely propagated through the first to third paths P1 to P3, respectively. (−t + ((d1 + d2 + d3) / c)) + f (−t + (2 (d2 + d3) / c)) is as shown in FIG. 2 (E) only when the position of the object T is the true position R true . At the time t = −t 0 , the phase becomes the same and the amplitude becomes maximum. Therefore, the position vector r may be varied to obtain the function g (t, r), and the position vector r that maximizes the function g (t, r) may be obtained. This position vector r is the position R true of the object T and represents the position of the object T. The function g (t, r) is referred to as a position search function g (t, r).

このように位置測定装置1は、単一の送信アンテナおよび単一の受信アンテナで物体Tの位置を測定することができる。   As described above, the position measuring apparatus 1 can measure the position of the object T with a single transmission antenna and a single reception antenna.

また、上述の位置測定装置において、前記位置演算部は、前記電波散乱体による散乱が幾何光学散乱であるとした時間逆転法によって前記物体の位置を演算することを特徴とする。この構成によれば、電波散乱体による散乱が幾何光学散乱であるとされるので、物体の位置を演算する演算処理がより単純化される。このため、前記演算処理を実行する装置の低コスト化や演算処理時間の短縮化が可能となる。   Further, in the above-described position measuring apparatus, the position calculating unit calculates the position of the object by a time reversal method in which scattering by the radio wave scatterer is geometric optical scattering. According to this configuration, since the scattering by the radio wave scatterer is assumed to be geometric optical scattering, the calculation processing for calculating the position of the object is further simplified. For this reason, it is possible to reduce the cost of the apparatus for executing the arithmetic processing and shorten the arithmetic processing time.

また、上述の位置測定装置において、前記位置演算部は、前記電波散乱体による散乱電界の解を利用した時間逆転法によって前記物体の位置を演算することを特徴とする。この構成によれば、電波散乱体による散乱電界の解が利用されるので、物体の位置をより高精度に演算することが可能となる。散乱電界の解は、近似解であってもよいが、特に、電波散乱体が導体球である場合では、厳密解が得られており、物体の位置をさらにより高精度に演算することが可能となる。   In the position measuring apparatus, the position calculating unit calculates the position of the object by a time reversal method using a solution of a scattered electric field by the radio wave scatterer. According to this configuration, since the solution of the scattered electric field by the radio wave scatterer is used, the position of the object can be calculated with higher accuracy. The solution of the scattered electric field may be an approximate solution, but in particular, when the radio wave scatterer is a conductor sphere, an exact solution has been obtained and the position of the object can be calculated with higher accuracy. It becomes.

また、これら上述の位置測定装置において、前記電波散乱体は、複数であることを特徴とする。この構成によれば、電波散乱体が複数であるので、複数の伝播経路にはより多くの多重散乱経路が含まれることとなり、物体の位置をより高精度に演算することが可能となる。   Further, in the above-described position measuring devices, the radio wave scatterers are plural. According to this configuration, since there are a plurality of radio wave scatterers, the multiple propagation paths include more multiple scattering paths, and the position of the object can be calculated with higher accuracy.

また、これら上述の位置測定装置において、前記送信信号は、UWBパルスであることを特徴とする。この構成によれば、送信信号がUWBパルスであるので、距離分解能の高い位置測定装置の提供が可能となる。例えば、誤差10数cmで位置測定の可能な位置測定装置の提供が可能となる。そして、より高精度に位置を測定するために、前記UWBパルスは、1周期のパルスから成るモノサイクルパルスであることが好ましい。   In the above-described position measurement devices, the transmission signal is a UWB pulse. According to this configuration, since the transmission signal is a UWB pulse, it is possible to provide a position measuring device with high distance resolution. For example, it is possible to provide a position measuring apparatus capable of measuring a position with an error of several tens cm. In order to measure the position with higher accuracy, it is preferable that the UWB pulse is a monocycle pulse composed of one cycle of pulses.

本発明にかかる位置測定装置および位置測定方法は、単一の送信アンテナおよび単一の受信アンテナで物体の位置を測定することができる。   The position measuring apparatus and the position measuring method according to the present invention can measure the position of an object with a single transmitting antenna and a single receiving antenna.

以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted.

(第1実施形態)
図3は、実施形態における位置測定装置の構成を示すブロック図である。図3において、位置測定装置1は、送信アンテナAと、受信アンテナAと、信号生成部11と、信号受信部12と、演算処理部13と、インタフェース部14と、入力部15と、出力部16と、記憶部17と、バス18とを備えて構成される。
(First embodiment)
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the position measurement apparatus according to the embodiment. In FIG. 3, the position measurement apparatus 1 includes a transmission antenna A 1 , a reception antenna A 2 , a signal generation unit 11, a signal reception unit 12, an arithmetic processing unit 13, an interface unit 14, an input unit 15, An output unit 16, a storage unit 17, and a bus 18 are provided.

送信アンテナAは、信号生成部11で生成された電気信号のパルスを電波の送信パルスに変換し、この送信パルスを送信信号として空間に放射する無指向性のアンテナである。受信アンテナAは、目標の物体Tによって散乱される送信信号に起因する散乱波であって複数の伝播経路で伝播した散乱波を受信して電気信号の受信波に変換し、この受信波を受信信号として信号受信部12に出力するアンテナである。 The transmission antenna A 1 is an omnidirectional antenna that converts the electric signal pulse generated by the signal generation unit 11 into a radio wave transmission pulse and radiates the transmission pulse as a transmission signal to space. The receiving antenna A 2 receives scattered waves caused by a transmission signal scattered by the target object T and propagated through a plurality of propagation paths, converts them into received waves of electric signals, and converts the received waves to An antenna that outputs a received signal to the signal receiving unit 12.

そして、送信アンテナAは、単一のアンテナで構成され、受信アンテナAも単一のアンテナで構成される。なお、図3に示す例では、送信アンテナAおよび受信アンテナAは、それぞれ別体のアンテナによって構成されているが、また兼用されて1個のアンテナによって構成されてもよい。 Then, the transmitting antenna A 1 is constituted by a single antenna, or receive antenna A 2 consisting of a single antenna. In the example illustrated in FIG. 3, the transmission antenna A 1 and the reception antenna A 2 are each configured as separate antennas, but may also be configured as a single antenna.

送信パルスは、電磁波のエネルギーが所定の時間範囲に集中している電波である。送信パルスにおける中心周波数ftrに対する占有帯域幅Bの比である比帯域B/ftrが大きくなるに従って測定精度が向上する。ここで、パワースペクトルの最大値に対し−10dBとなる周波数のうちで大きい方および小さい方をそれぞれfおよびfとすると、中心周波数ftrは、(f+f)/2であり、占有帯域幅Bは、(f−f)である。このような送信パルスは、例えば、米国FCC(Federal Communications Commission)に定義されているUWB(Ultra Wide Band)のパルスがある。米国FCCの定義は、例えば、「Subpart F−Ultra−Wideband Operation §15.503 Definitions」[online]、平成17年6月3日検索、インターネット<URL:http://a257.g.akamaitech.net/7/257/2422/12feb20041500/edocket.access.gpo.gov/cfr_2004/octqtr/pdf/47cfr15.503.pdf>に開示されている。また、送信パルスは、より測定精度を向上させる観点から、例えば後述の図6に示す1周期のパルスから成るモノサイクルパルスである。 The transmission pulse is a radio wave in which electromagnetic wave energy is concentrated in a predetermined time range. As the ratio band B 0 / f tr, which is the ratio of the occupied bandwidth B 0 to the center frequency f tr in the transmission pulse, increases, the measurement accuracy improves. Here, if the larger and smaller frequencies of −10 dB with respect to the maximum value of the power spectrum are f H and f L , respectively, the center frequency f tr is (f H + f L ) / 2. The occupied bandwidth B 0 is (f H −f L ). An example of such a transmission pulse is a UWB (Ultra Wide Band) pulse defined by the US FCC (Federal Communications Commission). The definition of the US FCC is, for example, “Subpart F-Ultra-Wideband Operation § 15.503 Definitions” [online], search on June 3, 2005, Internet <URL: http: // a257. g. akamaitech. net / 7/257/2422/12 feb20041500 / edocket. access. gpo. gov / cfr_2004 / octqtr / pdf / 47cfr15.503. pdf>. In addition, the transmission pulse is a monocycle pulse including, for example, a one-cycle pulse shown in FIG. 6 described later from the viewpoint of further improving measurement accuracy.

送信信号に起因する散乱波には、送信アンテナAから放射した送信信号が物体Tで反射して受信アンテナAで受信される散乱波だけでなく、送信アンテナAから放射した送信信号が物体Tを除く1または複数の他の物体で反射してから物体Tで反射して受信アンテナAで受信される散乱波や、送信アンテナAから放射した送信信号が物体Tで反射し、さらに物体Tを除く1または複数の他の物体で反射して受信アンテナAで受信される散乱波や、送信アンテナAから放射した送信信号が物体Tを除く1または複数の他の物体(第1物体)で反射してから物体Tで反射し、さらに物体Tを除く1または複数の他の物体(第2物体)で反射して受信アンテナAで受信される散乱波も含まれる。前記第1物体と第2物体とは、同一であっても異なってもよい。 The scattered wave caused by the transmission signal includes not only the scattered wave that is transmitted from the transmission antenna A 1 but reflected by the object T and received by the reception antenna A 2 , and the transmission signal that is radiated from the transmission antenna A 1. A scattered wave that is reflected by one or a plurality of other objects other than the object T and then reflected by the object T and received by the receiving antenna A 2 or a transmission signal radiated from the transmitting antenna A 1 is reflected by the object T. Furthermore, the scattered wave reflected by one or more other objects except the object T and received by the receiving antenna A 2 , or the transmission signal radiated from the transmitting antenna A 1 is one or more other objects excluding the object T ( is reflected by the first object) reflected by the object T from the scattered waves also includes received by the reception antenna a 2 was further reflected in one or more other objects except the object T (second object). The first object and the second object may be the same or different.

複数の伝播経路には、電波散乱体Kを経由した伝播経路が少なくとも1つ含まれる。電波散乱体Kは、電波を散乱する部材から構成されて成り、その形状および位置が既知である。電波散乱体Kは、電波を散乱すれば、どのような部材であってもよいが、より強い強度の散乱電波を生成することから、例えば金属等の導体であることが好ましい。また、電波散乱体Kの形状は、演算処理部13における後述の位置走査部132の演算処理が容易となることから、例えば球等の単純な形状であることが好ましい。   The plurality of propagation paths include at least one propagation path via the radio wave scatterer K. The radio wave scatterer K is composed of a member that scatters radio waves, and its shape and position are known. The radio wave scatterer K may be any member as long as it scatters radio waves, but is preferably a conductor such as metal, for example, because it generates scattered radio waves with stronger intensity. In addition, the shape of the radio wave scatterer K is preferably a simple shape such as a sphere because the calculation processing of the position scanning unit 132 described later in the calculation processing unit 13 becomes easy.

信号生成部11は、インタフェース部14を介した演算処理部13の制御に従って送信すべき送信パルスに応じた電気信号のパルスを生成し、送信アンテナAに出力する。信号受信部12は、受信アンテナAから入力された受信波をA/D変換し、インタフェース部14を介して受信信号として記憶部17に記憶する。なお、信号受信部12は、受信アンテナAから入力された受信波を必要に応じて、増幅してもよい。また、送信アンテナAが放射した電波を受信アンテナAが直接受信する直接波は、散乱波を測定する上で不要な干渉波となるので、信号受信部12は、A/D変換前に、あるいは、A/D変換後に、この直接波を除去する処理を行ってもよい。この直接波の除去処理は、目標の物体Tが存在しない場合における受信信号d(t)の波形を予め記憶しておき、f(t)−d(t+τ)を計算することによって直接波を除去する。ここで、f(t)は、散乱波の測定中における受信信号であり、τは、f(t)と信号d(t+τ)との相関が最大と成る場合である。なお、受信アンテナAに対し、目標の物体Tが送信アンテナAに較べて遠方にあるために、直接波の受信時刻帯と散乱波の受信時刻帯とが時間的に分離することができる場合には、直接波の受信時刻帯は、受信信号を測定しない、あるいは、無視することによっても直接波を除去することができる。 Signal generating unit 11 generates a pulse of the electrical signal corresponding to the transmission pulses to be transmitted in accordance with the control of the processor 13 via the interface unit 14, and outputs to the transmission antenna A 1. The signal receiving unit 12 A / D-converts the received wave input from the receiving antenna A 2 and stores it in the storage unit 17 as a received signal via the interface unit 14. The signal receiving unit 12, as necessary reception wave input from the reception antenna A 2, may be amplified. Further, since the direct wave directly received by the receiving antenna A 2 from the radio wave radiated by the transmitting antenna A 1 becomes an unnecessary interference wave in measuring the scattered wave, the signal receiving unit 12 is required to perform the A / D conversion before the A / D conversion. Alternatively, this direct wave may be removed after A / D conversion. In this direct wave removal processing, the waveform of the received signal d (t) when the target object T does not exist is stored in advance, and the direct wave is calculated by calculating f (t) −d (t + τ a ). Remove. Here, f (t) is a received signal during measurement of scattered waves, and τ a is a case where the correlation between f (t) and the signal d (t + τ a ) is maximized. In addition, since the target object T is far from the reception antenna A 2 compared to the transmission antenna A 1 , the reception time zone of the direct wave and the reception time zone of the scattered wave can be separated in time. In some cases, the direct wave can be removed by not measuring or ignoring the received signal in the reception time zone of the direct wave.

インタフェース部14は、信号生成部11、信号受信部12、演算処理部13および記憶部17の間で相互に信号を交換するためのインタフェース回路である。入力部15は、本発明の手法により目標の物体Tの位置を測定する位置測定プログラムを起動するコマンドや送信パルスの送受信を指示するコマンド等の各種コマンド、および、目標の物体Tの位置を測定する上で必要な例えば電波散乱体Kの位置および形状や位置測定装置1と電波散乱体Kとの距離d2等の各種データを位置測定装置1に入力する機器であり、例えば、キーボードやマウス等である。出力部16は、入力部15から入力されたコマンドやデータ、および、本位置測定装置1によって測定された物体の位置を出力する機器であり、例えばCRTディスプレイ、LCD、有機ELディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。   The interface unit 14 is an interface circuit for exchanging signals among the signal generation unit 11, the signal reception unit 12, the arithmetic processing unit 13, and the storage unit 17. The input unit 15 measures various commands such as a command for starting a position measurement program for measuring the position of the target object T, a command for instructing transmission / reception of transmission pulses, and the position of the target object T by the method of the present invention. For example, it is a device that inputs various data such as the position and shape of the radio wave scatterer K and the distance d2 between the position measurement device 1 and the radio wave scatterer K to the position measurement device 1, such as a keyboard and a mouse. It is. The output unit 16 is a device that outputs the command and data input from the input unit 15 and the position of the object measured by the position measurement apparatus 1, and includes, for example, a CRT display, LCD, organic EL display, plasma display, and the like. Display devices and printing devices such as printers.

記憶部17は、機能的に、信号受信部12からの受信信号における波形を記憶する受信波形記憶部171と、受信波形記憶部171に記憶された受信信号を時間逆転させた受信信号の波形を記憶する時間逆転波形記憶部172と、位置探索関数g(t、r)の走査結果を記憶する走査結果記憶部173とを備え、位置測定プログラム等の各種プログラム、および、各種プログラムの実行に必要なデータやその実行中に生じるデータ等の各種データを記憶する。記憶部17は、例えば、演算処理部13の所謂ワーキングメモリとなるRAM(Random Access Memory)等の揮発性の記憶素子、ROM(Read Only Memory)や書換え可能なEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)等の不揮発性の記憶素子、および、各種プログラムや各種データを格納しておくハードディスク等を備えて構成される。   The storage unit 17 functionally includes a reception waveform storage unit 171 that stores a waveform of the reception signal from the signal reception unit 12, and a waveform of the reception signal that is time-reversed from the reception signal stored in the reception waveform storage unit 171. A time reversal waveform storage unit 172 for storing and a scan result storage unit 173 for storing a scan result of the position search function g (t, r) are provided, and are necessary for executing various programs such as a position measurement program and various programs. Various data such as data and data generated during the execution are stored. The storage unit 17 is, for example, a volatile storage element such as a RAM (Random Access Memory) serving as a so-called working memory of the arithmetic processing unit 13, a ROM (Read Only Memory) or a rewritable EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). And the like, and a hard disk for storing various programs and various data.

演算処理部13は、例えば、マイクロプロセッサおよびその周辺回路等を備えて構成され、受信アンテナAで受信した受信信号の波形f(t)に基づいて時間逆転法によって物体Tの位置を演算するものである。本実施形態では、演算処理部13は、電波散乱体Kによる散乱が幾何光学散乱であるとした時間逆転法によって物体Tの位置を演算する。演算処理部13は、例えば、機能的に、受信信号の波形f(t)を時間逆転させることによって時間逆転させた受信信号の波形f(−t)を生成する時間逆転波形生成部131と、電波散乱体Kによる散乱が幾何光学散乱であるとして、時間逆転させた受信信号の波形f(−t)に基づいて物体Tの位置を探索する位置走査部132と、位置走査部132の探索結果を出力部16に出力する出力処理部133とを備え、制御プログラムに従い信号生成部11、信号受信部12、インタフェース部14、入力部15、出力部16および記憶部17を当該機能に応じてそれぞれ制御する。 Processor 13, for example, is configured to include a microprocessor and its peripheral circuits, etc., calculates the position of the object T by the time reversing method on the basis of the waveform f (t) of the received signal received by the reception antenna A 2 Is. In the present embodiment, the arithmetic processing unit 13 calculates the position of the object T by a time reversal method in which the scattering by the radio wave scatterer K is geometric optical scattering. The arithmetic processing unit 13, for example, functionally generates a time-reversed waveform generation unit 131 that generates a waveform f (−t) of the received signal that is time-reversed by time-reversing the waveform f (t) of the received signal, Assuming that the scattering by the radio wave scatterer K is geometric optical scattering, the position scanning unit 132 that searches for the position of the object T based on the waveform f (−t) of the reception signal that is time-reversed, and the search result of the position scanning unit 132 Is output to the output unit 16, and the signal generation unit 11, the signal reception unit 12, the interface unit 14, the input unit 15, the output unit 16, and the storage unit 17 are respectively set according to the function according to the control program. Control.

これら演算処理部13、インタフェース部14、入力部15、出力部16および記憶部17は、信号を相互に交換することができるようにバス18でそれぞれ接続される。   The arithmetic processing unit 13, the interface unit 14, the input unit 15, the output unit 16, and the storage unit 17 are connected by a bus 18 so that signals can be exchanged with each other.

このような演算処理部13、インタフェース部14、入力部15、出力部16、記憶部17およびバス18は、例えば、コンピュータ、より具体的にはノート型やディスクトップ型等のパーソナルコンピュータ等によって構成可能である。そして、信号生成部11、送信アンテナA、受信アンテナAおよび信号受信部12もレーダに用いられる公知の構成によって構成可能である。 The arithmetic processing unit 13, the interface unit 14, the input unit 15, the output unit 16, the storage unit 17, and the bus 18 are configured by, for example, a computer, more specifically a personal computer such as a notebook type or a desktop type. Is possible. The signal generating unit 11, the transmitting antenna A 1, the receiving antennas A 2 and the signal reception section 12 may also be formed by a known configuration used to radar.

なお、必要に応じて位置測定装置1は、破線で示すように、外部記憶部19をさらに備えてもよい。外部記憶部19は、例えば、フレキシブルディスク、CD−ROM(Compact Disc Read Only Memory)、CD−R(Compact Disc Recordable)、DVD−R(Digital Versatile DiscRecordable)およびブルーレイディスク(Blu-ray Disc)等の記録媒体との間でデータを読み込みおよび/または書き込みを行う装置であり、例えば、フレキシブルディスクドライブ、CD−ROMドライブ、CD−Rドライブ、DVD−Rドライブおよびブルーレイディスクドライブ等である。   Note that the position measurement apparatus 1 may further include an external storage unit 19 as indicated by a broken line as necessary. The external storage unit 19 is, for example, a flexible disk, a CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), a CD-R (Compact Disc Recordable), a DVD-R (Digital Versatile Disc Recordable), a Blu-ray Disc (Blu-ray Disc), or the like. An apparatus that reads data from and / or writes data to a recording medium, such as a flexible disk drive, a CD-ROM drive, a CD-R drive, a DVD-R drive, and a Blu-ray disk drive.

ここで、位置測定プログラム等が格納されていない場合には、位置測定プログラム等を記録した記録媒体から外部記憶部19を介して記憶部17にインストールされるように構成してもよい。あるいは、取得した受信信号や推定した物体の形状を表すデータ等のデータが外部記憶部19を介して記録媒体に記録されるように構成してもよい。   Here, when a position measurement program or the like is not stored, the position measurement program or the like may be installed in the storage unit 17 via the external storage unit 19 from a recording medium on which the position measurement program or the like is recorded. Alternatively, data such as acquired reception signals and data representing the estimated shape of the object may be recorded on a recording medium via the external storage unit 19.

次に、本実施形態の動作について説明する。図4は、第1実施形態における位置測定装置の動作を示すフローチャートである。例えば、入力部15から位置測定プログラムの起動コマンドを受け付けると、位置測定装置1は、位置測定プログラムを実行する。位置測定プログラムが実行されると、演算処理部13に機能的に時間逆転波形生成部131、位置走査部132および出力処理部133が構成され、記憶部17に機能的に受信波形記憶部171、時間逆転波形記憶部172および走査結果記憶部173が構成される。そして、入力部15から物体Tの位置の測定を開始する開始コマンドを受け付けると、位置測定装置1は、物体Tの位置の測定を開始する。   Next, the operation of this embodiment will be described. FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the position measurement apparatus according to the first embodiment. For example, when a position measurement program activation command is received from the input unit 15, the position measurement device 1 executes the position measurement program. When the position measurement program is executed, a time reversal waveform generation unit 131, a position scanning unit 132, and an output processing unit 133 are functionally configured in the arithmetic processing unit 13, and a reception waveform storage unit 171 functionally in the storage unit 17. A time reversal waveform storage unit 172 and a scanning result storage unit 173 are configured. When receiving a start command for starting the measurement of the position of the object T from the input unit 15, the position measurement device 1 starts measuring the position of the object T.

より具体的には、図4において、まず、位置測定装置1は、演算処理部13の制御によって、信号生成部11で送信パルスに応じた電気信号のパルスを生成し、送信アンテナAでこの電気信号のパルスを電波の送信パルスに変換し、この送信パルスを送信信号として空間に放射する(S11)。 More specifically, in FIG. 4, first, the position measuring device 1 generates a pulse of an electric signal corresponding to the transmission pulse by the signal generation unit 11 under the control of the arithmetic processing unit 13, and this is transmitted by the transmission antenna A 1 . The electric signal pulse is converted into a radio wave transmission pulse, and this transmission pulse is radiated to the space as a transmission signal (S11).

空間に放射された送信パルスは、時間経過に従って空間を伝播し、目標の物体Tや電波散乱体Kで散乱される。散乱波は、様々な伝播経路を辿って受信アンテナAに到達する。 The transmission pulse radiated into the space propagates through the space with time and is scattered by the target object T and the radio wave scatterer K. Scattered waves reach the receiving antenna A 2 follow a different propagation path.

位置測定装置1は、演算処理部13の制御によって、受信アンテナAでこの散乱波を受信して電気信号の受信波に変換し、信号受信部12でこの受信波をA/D変換し、インタフェース部14を介して受信信号として記憶部17の受信波形記憶部171に記憶する(S12)。例えば、予め設定された所定のサンプリング周期で受信信号がサンプリングされ、サンプリングされた順で受信波形記憶部171として割り当てられた記憶領域へアドレス順に記憶される。例えば、サンプリング時刻STでサンプリングされた受信信号の強度(レベル)RPがアドレスaddに記憶される。 The position measuring apparatus 1 receives the scattered wave by the receiving antenna A 2 and converts it into a received wave of an electric signal under the control of the arithmetic processing unit 13, and A / D converts the received wave by the signal receiving unit 12, The received signal is stored in the received waveform storage unit 171 of the storage unit 17 through the interface unit 14 (S12). For example, the reception signal is sampled at a predetermined sampling period set in advance, and stored in the order of address in the storage area assigned as the reception waveform storage unit 171 in the sampled order. For example, the intensity of the sampled received signal at the sampling time ST S (level) RP S is stored in the address the add S.

例えば、送信パルスを送信してから予め設定された所定の時間が経過すると、位置測定装置1は、受信信号(散乱波)の波形f(t)に基づいて時間逆転法によって物体Tの位置を演算する。前記所定の時間は、例えば、散乱波を受信するために充分な時間であり、例えば送信パルスの送信パワー、受信アンテナAの受信感度および物体Tを探索する位置測定装置1のレンジ等に応じて適宜に設定される。また例えば、入力部15から物体Tの位置の出力を指示する出力コマンドを受け付けると、位置測定装置1は、受信信号(散乱波)の波形f(t)に基づいて時間逆転法によって物体Tの位置を演算する。 For example, when a predetermined time elapses after the transmission pulse is transmitted, the position measurement apparatus 1 determines the position of the object T by the time reversal method based on the waveform f (t) of the received signal (scattered wave). Calculate. The predetermined time is, for example, a sufficient time to receive the scattered wave, for example, according to the transmission power of the transmitted pulse, the receiving antenna A 2 of the reception sensitivity and the position measuring apparatus 1 for searching an object T range, etc. Is set appropriately. Further, for example, when receiving an output command for instructing the output of the position of the object T from the input unit 15, the position measurement device 1 performs the time inversion method on the object T based on the waveform f (t) of the received signal (scattered wave). Calculate the position.

より具体的には、まず、演算処理部13の時間逆転波形生成部131は、受信波形記憶部171に記憶されている受信信号の波形f(t)を時間逆転させ、時間逆転させた受信信号の波形f(−t)を生成し、生成した時間逆転した受信信号の波形f(−t)を時間逆転波形記憶部172に記憶する(S13)。時間逆転した受信信号は、例えば、上述のように受信信号が受信波形記憶部171に記憶されている場合には、受信波形記憶部171の記憶領域へ最後に記憶したアドレスから最初に記憶したアドレスまで順に受信信号を読み出すことによって生成される。例えば、受信信号の各強度(レベル)RP(S=1〜Q)がアドレスaddからアドレスaddまで順に記憶されている場合には、アドレスaddからアドレスaddまで順に、受信信号の各強度(レベル)RP(S=1〜Q)を読み出すことによって(記憶順とは逆順に読み出されることによって)、時間逆転した受信信号の波形f(−t)が生成される。 More specifically, first, the time reversal waveform generation unit 131 of the arithmetic processing unit 13 time-reverses the received signal waveform f (t) stored in the reception waveform storage unit 171 and time-reverses the received signal. Waveform f (-t) is generated, and the generated time-reversed received signal waveform f (-t) is stored in the time-reversed waveform storage unit 172 (S13). For example, when the received signal is stored in the received waveform storage unit 171 as described above, the time-reversed received signal is the address stored first from the address stored last in the storage area of the received waveform storage unit 171. Are generated by sequentially reading the received signals. For example, when each strength (level) RP S (S = 1 to Q ) of the received signal is stored in order from the address add 1 to the address add Q , the received signal is sequentially transmitted from the address add Q to the address add 1 . By reading each intensity (level) RP S (S = 1 to Q) (by reading in the reverse order from the storage order), the waveform f (−t) of the reception signal that is time-reversed is generated.

次に、演算処理部13の位置走査部132は、電波散乱体Kによる散乱が幾何光学散乱であるとして、時間逆転させた受信信号の波形f(−t)に基づいて物体Tの位置を探索する。   Next, the position scanning unit 132 of the arithmetic processing unit 13 searches for the position of the object T based on the waveform f (−t) of the reception signal that is time-reversed assuming that the scattering by the radio wave scatterer K is geometric optical scattering. To do.

より具体的には、位置走査部132は、まず、時間逆転させた受信信号の波形f(−t)に基づいて位置探索関数g(t、r)を生成する(S14)。位置探索関数g(t、r)は、散乱波の複数の伝播経路Lのうちにおける物体Tの位置の演算に使用される複数の伝播経路Mのそれぞれについて、時間逆転させた受信信号の波形f(−t)を伝播経路の伝播時間α(N=1〜M)だけシフトし、これらシフトした各波形f(−t+α)の和を取ったものである。ここで、物体Tの位置の演算に使用される複数の伝播経路Mには、電波散乱体Kを経由した伝播経路が少なくとも1つ含まれる。tは、時刻であり、送信パルスを送信アンテナAから空間に放射された時刻t0(=0)とされ、rは、位置ベクトルである。図1に示す場合では、上述したように、位置探索関数g(t、r)=f(−t+(2d1/c))+f(−t+((d1+d2+d3)/c))+f(−t+(2(d2+d3)/c))となる。 More specifically, the position scanning unit 132 first generates a position search function g (t, r) based on the waveform f (−t) of the reception signal that is time-reversed (S14). The position search function g (t, r) is a time-reversed received signal waveform f for each of the plurality of propagation paths M used for calculating the position of the object T among the plurality of propagation paths L of the scattered wave. (−t) is shifted by the propagation time α N (N = 1 to M) of the propagation path, and the sum of these shifted waveforms f (−t + α N ) is obtained. Here, the plurality of propagation paths M used for calculating the position of the object T include at least one propagation path via the radio wave scatterer K. t is the time, is the transmitted pulse from the transmitting antenna A 1 and time is radiated into space t0 (= 0), r is the position vector. In the case shown in FIG. 1, as described above, the position search function g (t, r) = f (−t + (2d1 / c)) + f (−t + ((d1 + d2 + d3) / c)) + f (−t + (2 (D2 + d3) / c)).

次に、位置走査部132は、位置ベクトルのrを予め設定された所定の範囲で様々な値に振って位置探索関数g(t0、r)(t=t0=0)を算出し、この算出結果の値を記憶部17の探索結果記憶部173に記憶する(S15)。前記所定の範囲は、例えば、物体Tを探索する位置測定装置1のレンジ等に応じて適宜に設定される。   Next, the position scanning unit 132 calculates the position search function g (t0, r) (t = t0 = 0) by changing r of the position vector to various values within a predetermined range set in advance. The result value is stored in the search result storage unit 173 of the storage unit 17 (S15). The predetermined range is appropriately set according to, for example, the range of the position measurement device 1 that searches for the object T.

次に、位置走査部132は、前記所定の範囲内における全ての位置ベクトルrについて位置探索関数g(t0、r)を算出したか否かを判断する(S16)。この判断の結果、全ての位置ベクトルrについて位置探索関数g(t0、r)を算出した場合(Yes)には、処理S17が実行され、一方、全ての位置ベクトルrについて位置探索関数g(t0、r)を算出していない場合(No)には、処理が処理S14に戻される。   Next, the position scanning unit 132 determines whether or not the position search function g (t0, r) has been calculated for all position vectors r within the predetermined range (S16). If the position search function g (t0, r) is calculated for all position vectors r as a result of this determination (Yes), the process S17 is executed, while the position search function g (t0) for all position vectors r. , R) is not calculated (No), the process is returned to the process S14.

処理S17では、演算処理部13の出力処理部133は、物体Tの位置を出力すべく、走査結果記憶部173に記憶されている位置探索関数g(t、r)の各値をそれぞれ各位置ベクトルrに対応付けて出力部16に出力する。そして、物体Tの位置の測定処理が終了される。   In the processing S17, the output processing unit 133 of the arithmetic processing unit 13 outputs each value of the position search function g (t, r) stored in the scanning result storage unit 173 at each position in order to output the position of the object T. The data is output to the output unit 16 in association with the vector r. Then, the measurement process of the position of the object T is completed.

本実施形態にかかる位置測定装置1では、このように動作するので、単一の送信アンテナAおよび単一の受信アンテナAで物体Tの位置を測定することができる。また、この位置測定装置1では、電波散乱体Kによる散乱が幾何光学散乱であるとした時間逆転法によって物体Tの位置が演算される。このため、物体Tの位置を演算する演算処理がより単純化される。したがって、この演算処理を実行する演算処理部13の低コスト化や演算処理時間の短縮化が可能となる。 In the position measuring apparatus 1 according to this embodiment, since operating in this manner, it is possible to measure the position of the object T with a single transmit antenna A 1 and a single receive antenna A 2. Further, in the position measuring apparatus 1, the position of the object T is calculated by a time reversal method in which the scattering by the radio wave scatterer K is geometric optical scattering. For this reason, the calculation processing for calculating the position of the object T is further simplified. Therefore, it is possible to reduce the cost of the arithmetic processing unit 13 that executes this arithmetic processing and to shorten the arithmetic processing time.

本実施形態にかかる位置測定装置1による物体Tの位置測定をシミュレーションした一結果について、以下に、説明する。   One result of simulating the position measurement of the object T by the position measurement apparatus 1 according to the present embodiment will be described below.

図5は、シミュレーションにおける電波散乱体および目標の物体を示す図である。図6は、シミュレーションにおける送信パルスの波形を示す図である。図5の横軸は、時間(Time)/波長(wavelength)であり、その縦軸は、振幅である。図7は、シミュレーションにおける受信信号の波形を示す図である。図7の横軸は、ナノ秒(ns)単位で表す時間(Time)であり、その縦軸は、振幅である。後述の図10および図14も同様である。図8は、xy平面における位置探索関数の各値を示す図である。図8の横軸は、x軸であり、その縦軸は、y軸である。位置探索関数の大きさは、階調によって表されており、白から黒くなるに従って位置探索関数の大きさが大きくなる。図11には、目標の物体Tの真の位置が●で表示されている。また、図8には、目標の物体Tの真の位置が●で表示されている。後述の図11、図15、図17および図18も同様である。   FIG. 5 is a diagram illustrating a radio wave scatterer and a target object in the simulation. FIG. 6 is a diagram illustrating a waveform of a transmission pulse in the simulation. The horizontal axis in FIG. 5 is time (wavelength) / wavelength (wavelength), and the vertical axis is amplitude. FIG. 7 is a diagram illustrating a waveform of a reception signal in the simulation. The horizontal axis in FIG. 7 is time (Time) expressed in nanoseconds (ns), and the vertical axis is amplitude. The same applies to FIGS. 10 and 14 described later. FIG. 8 is a diagram illustrating each value of the position search function in the xy plane. The horizontal axis in FIG. 8 is the x-axis, and the vertical axis is the y-axis. The size of the position search function is represented by gradation, and the size of the position search function increases as the color changes from white to black. In FIG. 11, the true position of the target object T is indicated by ●. In FIG. 8, the true position of the target object T is indicated by ●. The same applies to FIG. 11, FIG. 15, FIG. 17, and FIG.

本シミュレーションでは、図5に示すように、電波散乱体Kは、半径20cmの導体球であり、その中心が座標原点(0、0、0)に設定される。目標の物体Tは、半径1cmの微小な導体球であり、その中心が座標(40、40、0)となるように配置される。なお、位置測定装置1にとって、目標の物体Tにおけるこれら諸元は、未知である。また、単一の送信アンテナAおよび単一の受信アンテナAは、兼用されており、送受信に同一のアンテナ(送受信アンテナA)が用いられる(モノスタティックレーダ)。この送受信アンテナAは、座標(0、45、0)に配置される。電波の電波媒質は、真空の自由空間である。 In this simulation, as shown in FIG. 5, the radio wave scatterer K is a conductor sphere having a radius of 20 cm, and the center thereof is set to the coordinate origin (0, 0, 0). The target object T is a small conductor sphere having a radius of 1 cm, and is arranged so that the center thereof is the coordinates (40, 40, 0). For the position measuring device 1, these specifications of the target object T are unknown. Also, a single transmit antennas A 1 and a single receive antenna A 2 is also used, the same antenna (receiving antenna A) is used to transmit and receive (monostatic radar). The transmitting / receiving antenna A is arranged at coordinates (0, 45, 0). A radio wave medium is a vacuum free space.

そして、本シミュレーションでは、この送受信アンテナAは、図6に示すように、中心周波数3GHzで波長10cmのモノサイクルパルスである送信パルスWsを送信すると、図7に示す波形の受信信号Wrが受信される。送信パルスWsに起因する散乱波の伝播経路には、上述したように、第1ないし第3経路P1〜P3の3個の経路があることから、受信信号Wrには、包絡線で見ると、これら第1ないし第3経路P1〜P3にそれぞれ対応する第1ないし第3パルスWr1〜Wr3が含まれている。なお、この受信信号は、電波伝播の時間領域における数値計算手法として一般的に知られているFDTD法によって求められた。FDTD法は、マクスウェル方程式を離散化して磁界と電界とを交互に求めることによって、電磁界の時間変化を算出する手法である。   In this simulation, when the transmission / reception antenna A transmits a transmission pulse Ws, which is a monocycle pulse having a center frequency of 3 GHz and a wavelength of 10 cm, as shown in FIG. 6, the reception signal Wr having the waveform shown in FIG. 7 is received. The As described above, the propagation path of the scattered wave caused by the transmission pulse Ws has the three paths of the first to third paths P1 to P3. First to third pulses Wr1 to Wr3 respectively corresponding to the first to third paths P1 to P3 are included. This received signal was obtained by the FDTD method that is generally known as a numerical calculation method in the time domain of radio wave propagation. The FDTD method is a method of calculating the time change of an electromagnetic field by discretizing the Maxwell equation and alternately obtaining a magnetic field and an electric field.

この図7に示す受信信号の波形f(t)に基づいて、電波散乱体Kによる散乱が幾何光学散乱であるとした時間逆転法によって物体Tの位置を演算した結果を図8に示す。図8は、各位置ベクトルrにおいて、それぞれ求められたxy平面における各位置探索関数g(0、r)の値を示している。   Based on the waveform f (t) of the received signal shown in FIG. 7, the result of calculating the position of the object T by the time reversal method assuming that the scattering by the radio wave scatterer K is geometric optical scattering is shown in FIG. FIG. 8 shows the value of each position search function g (0, r) in the xy plane obtained for each position vector r.

図8から分かるように、目標の物体Tの真の位置に位置探索関数g(0、r)のピークが現れており、上述の構成および動作の位置測定装置1によって目標の物体Tの位置を測定することができることが理解される。   As can be seen from FIG. 8, the peak of the position search function g (0, r) appears at the true position of the target object T, and the position of the target object T is determined by the position measuring apparatus 1 having the above-described configuration and operation. It is understood that it can be measured.

次に、別の実施形態について説明する。   Next, another embodiment will be described.

(第2実施形態)
第1実施形態では、1個の電波散乱体Kを用いることによって目標の物体Tの位置が測定されたが、第2実施形態では、複数の電波散乱体Kを用いることによって目標の物体Tの位置が測定される。これによって散乱波の伝播経路の個数が1個の電波散乱体Kの場合に較べて多くなり、目標の物体Tの位置をより高精度に演算することが可能となる。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the position of the target object T is measured by using one radio scatterer K. In the second embodiment, the target object T is measured by using a plurality of radio scatterers K. The position is measured. As a result, the number of scattered wave propagation paths is increased as compared with the case of one radio wave scatterer K, and the position of the target object T can be calculated with higher accuracy.

したがって、第2実施形態では、位置探索関数g(t、r)が第1実施形態の場合と異なるだけであり、第2実施形態にかかる位置測定装置1の構成および動作は、第1実施形態にかかる位置測定装置1の構成および動作と同様であるので、その説明を省略する。   Therefore, in the second embodiment, only the position search function g (t, r) is different from that in the first embodiment, and the configuration and operation of the position measurement apparatus 1 according to the second embodiment are the same as those in the first embodiment. Since it is the same as that of the structure and operation | movement of the position measuring apparatus 1 concerning this, the description is abbreviate | omitted.

本実施形態にかかる位置測定装置1による物体Tの位置測定をシミュレーションした一結果について、以下に、説明する。   One result of simulating the position measurement of the object T by the position measurement apparatus 1 according to the present embodiment will be described below.

図9は、シミュレーションにおける複数の電波散乱体および目標の物体を示す図である。図10は、シミュレーションにおける受信信号の波形を示す図である。図11は、xy平面における位置探索関数の各値を示す図である。   FIG. 9 is a diagram illustrating a plurality of radio wave scatterers and a target object in the simulation. FIG. 10 is a diagram illustrating a waveform of a reception signal in the simulation. FIG. 11 is a diagram illustrating each value of the position search function in the xy plane.

本シミュレーションでは、図9に示すように、電波散乱体Kは、第1ないし第4電波散乱体K1〜K4によって構成されている。第1ないし第4電波散乱体K1〜K4は、半径5cmの導体球である。第1電波散乱体K1の中心が座標(30、30、10)に設定され、第2電波散乱体K2の中心が座標(−10、−10、30)となるように配置され、第3電波散乱体K3の中心が座標(50、0、−20)となるように配置され、そして、第4電波散乱体K4の中心が座標(−10、10、−10)となるように配置される。目標の物体Tは、半径0.5cmの微小な導体球であり、その中心が座標(0、−10、0)となるように配置される。なお、位置測定装置1にとって、目標の物体Tにおけるこれら諸元は、未知である。また、第1実施形態のシミュレーションと同様に、モノスタティックレーダが採用されており、送受信アンテナAは、座標原点(0、0、0)に配置される。電波の電波媒質は、真空の自由空間である。   In this simulation, as shown in FIG. 9, the radio wave scatterer K is constituted by first to fourth radio wave scatterers K1 to K4. The first to fourth radio wave scatterers K1 to K4 are conductor spheres having a radius of 5 cm. The center of the first radio wave scatterer K1 is set to the coordinates (30, 30, 10), and the center of the second radio wave scatterer K2 is arranged to be the coordinates (-10, -10, 30). The center of the scatterer K3 is arranged so as to have coordinates (50, 0, −20), and the center of the fourth radio wave scatterer K4 is arranged so as to have coordinates (−10, 10, −10). . The target object T is a small conductor sphere having a radius of 0.5 cm, and is arranged so that the center thereof is the coordinates (0, −10, 0). For the position measuring device 1, these specifications of the target object T are unknown. Similarly to the simulation of the first embodiment, monostatic radar is employed, and the transmission / reception antenna A is arranged at the coordinate origin (0, 0, 0). A radio wave medium is a vacuum free space.

なお、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。   In the present specification, when referring generically, it is indicated by a reference symbol without a suffix, and when referring to an individual configuration, it is indicated by a reference symbol with a suffix.

そして、本シミュレーションでも、送受信アンテナAは、図6に示す中心周波数3GHzで波長10cmのモノサイクルパルスである送信パルスWsを送信すると、図10に示す波形の受信信号Wrが受信される。   Also in this simulation, when the transmission / reception antenna A transmits a transmission pulse Ws, which is a monocycle pulse having a center frequency of 3 GHz and a wavelength of 10 cm, shown in FIG. 6, the reception signal Wr having the waveform shown in FIG. 10 is received.

複数の伝播経路には、例えば複数の電波散乱体Kを経由する経路等の様々な経路が含まれているが、そのうちにおいて、第1ないし第4電波散乱体K1〜K4のそれぞれについて第1ないし第3経路P1〜P3(1個の電波散乱体Kを経由する経路)が採用され、合計12個の伝播経路が目標の物体Tの位置の測定に用いられる。   The plurality of propagation paths include, for example, various paths such as paths that pass through the plurality of radio wave scatterers K. Of these, the first to fourth radio wave scatterers K1 to K4 are first to fourth. Third paths P1 to P3 (paths passing through one radio wave scatterer K) are adopted, and a total of 12 propagation paths are used for measuring the position of the target object T.

この図10に示す受信信号の波形f(t)に基づいて、電波散乱体Kによる散乱が幾何光学散乱であるとした時間逆転法によって物体Tの位置を演算した結果を図11に示す。図11は、各位置ベクトルrにおいて、それぞれ求められたxy平面における各位置探索関数g(0、r)の値を示している。   Based on the waveform f (t) of the received signal shown in FIG. 10, the result of calculating the position of the object T by the time reversal method assuming that the scattering by the radio wave scatterer K is geometric optical scattering is shown in FIG. FIG. 11 shows the value of each position search function g (0, r) in the xy plane obtained for each position vector r.

図11から分かるように、目標の物体Tの真の位置付近に位置探索関数g(0、r)の最大のピークが現れており、上述の構成および動作の位置測定装置1によって目標の物体Tの位置を測定することができることが理解される。   As can be seen from FIG. 11, the maximum peak of the position search function g (0, r) appears in the vicinity of the true position of the target object T, and the target object T is detected by the position measuring apparatus 1 having the above-described configuration and operation. It is understood that the position of can be measured.

また、第1実施形態では、図8から分かるように、目標の物体Tの真の位置以外にも位置探索関数g(0、r)のピークが虚像として現れており、目標の物体Tの位置を誤推定する場合があるが、第2実施形態では、図11から分かるように、目標の物体Tの真の位置付近に位置探索関数g(0、r)の最大のピークが現れており、位置の誤推定が軽減され、より高精度に目標の物体Tの位置を測定することができる。   Further, in the first embodiment, as can be seen from FIG. 8, the peak of the position search function g (0, r) appears as a virtual image in addition to the true position of the target object T, and the position of the target object T In the second embodiment, the maximum peak of the position search function g (0, r) appears near the true position of the target object T, as can be seen from FIG. The erroneous estimation of the position is reduced, and the position of the target object T can be measured with higher accuracy.

次に、別の実施形態について説明する。   Next, another embodiment will be described.

(第3実施形態)
第1および第2実施形態では、電波散乱体Kによる散乱が幾何光学散乱であるとした時間逆転法によって物体Tの位置を演算したが、第3実施形態では、電波散乱体Kによる散乱電界の解を利用した時間逆転法によって物体Tの位置を演算するものである。したがって、第3実施形態にかかる位置測定装置1の構成および動作は、演算処理部13の位置走査部132が第1および第2実施形態にかかる位置測定装置1と異なる点を除き、第1および第2実施形態にかかる位置測定装置1の構成および動作と同様であるので、その説明を省略する。
(Third embodiment)
In the first and second embodiments, the position of the object T is calculated by the time reversal method in which the scattering by the radio wave scatterer K is geometric optical scattering, but in the third embodiment, the scattered electric field of the radio wave scatterer K is The position of the object T is calculated by the time reversal method using the solution. Therefore, the configuration and operation of the position measurement apparatus 1 according to the third embodiment are the same as those of the first and second embodiments except that the position scanning unit 132 of the arithmetic processing unit 13 is different from the position measurement apparatus 1 according to the first and second embodiments. Since it is the same as that of the structure and operation | movement of the position measuring apparatus 1 concerning 2nd Embodiment, the description is abbreviate | omitted.

第3実施形態の位置測定装置1における演算処理部13は、電波散乱体Kによる散乱電界の解を利用した時間逆転法によって物体Tの位置を演算するものであり、その位置走査部132は、電波散乱体Kによる散乱電界の解を利用して、時間逆転させた受信信号の波形f(−t)に基づいて物体Tの位置を探索するものである。散乱電界の解は、近似解であってもよいが、特に、電波散乱体Kが導体球である場合では、厳密解が得られており、物体Tの位置をさらにより高精度に演算することが可能となる。   The calculation processing unit 13 in the position measurement apparatus 1 of the third embodiment calculates the position of the object T by the time reversal method using the solution of the scattered electric field by the radio wave scatterer K, and the position scanning unit 132 includes: The position of the object T is searched based on the waveform f (−t) of the reception signal that is time-reversed using the solution of the scattered electric field by the radio wave scatterer K. The solution of the scattered electric field may be an approximate solution. In particular, when the radio wave scatterer K is a conductor sphere, an exact solution is obtained, and the position of the object T is calculated with higher accuracy. Is possible.

次に、本実施形態の動作について説明する。図12は、第3実施形態における位置測定装置の動作を示すフローチャートである。例えば、第1および第2実施形態と同様に、入力部15から位置測定プログラムの起動コマンドを受け付け、そして、入力部15から物体Tの位置の測定を開始する開始コマンドを受け付けると、位置測定装置1は、物体Tの位置の測定を開始する。   Next, the operation of this embodiment will be described. FIG. 12 is a flowchart showing the operation of the position measuring apparatus according to the third embodiment. For example, as in the first and second embodiments, when a start command for the position measurement program is received from the input unit 15 and a start command for starting the measurement of the position of the object T is received from the input unit 15, the position measurement device 1 starts measuring the position of the object T.

より具体的には、図12において、まず、位置測定装置1は、処理S11と同様に、演算処理部13の制御によって、信号生成部11で送信パルスに応じた電気信号のパルスを生成し、送信アンテナAでこの電気信号のパルスを電波の送信パルスに変換し、この送信パルスを送信信号として空間に放射する(S21)。 More specifically, in FIG. 12, first, the position measurement device 1 generates a pulse of an electric signal corresponding to the transmission pulse in the signal generation unit 11 under the control of the arithmetic processing unit 13, similarly to the processing S <b> 11. converts pulses of the electrical signal to the radio wave of the transmitted pulse at the transmission antennas a 1, it emits the transmitted pulse to the space as a transmission signal (S21).

空間に放射された送信パルスは、時間経過に従って空間を伝播し、目標の物体Tや1または複数の電波散乱体Kで散乱される。散乱波は、様々な伝播経路を辿って受信アンテナAに到達する。 The transmission pulse radiated into the space propagates through the space with the passage of time and is scattered by the target object T and one or more radio wave scatterers K. Scattered waves reach the receiving antenna A 2 follow a different propagation path.

位置測定装置1は、処理S12と同様に、演算処理部13の制御によって、受信アンテナAでこの散乱波を受信して電気信号の受信波に変換し、信号受信部12でこの受信波をA/D変換し、インタフェース部14を介して受信信号として記憶部17の受信波形記憶部171に記憶する(S22)。 The position measuring device 1 receives the scattered wave by the receiving antenna A 2 and converts it into a received wave of an electric signal under the control of the arithmetic processing unit 13 as in the process S 12, and the received signal is received by the signal receiving unit 12. A / D conversion is performed and the received signal is stored in the received waveform storage unit 171 of the storage unit 17 via the interface unit 14 (S22).

そして、例えば、第1および第2実施形態と同様に、所定の時間の経過や出力コマンドの受付によって、位置測定装置1は、受信信号(散乱波)の波形f(t)に基づいて時間逆転法によって物体Tの位置を演算する。   Then, for example, as in the first and second embodiments, the position measuring device 1 performs time reversal based on the waveform f (t) of the received signal (scattered wave) by the passage of a predetermined time or the reception of an output command. The position of the object T is calculated by the method.

より具体的には、まず、演算処理部13の時間逆転波形生成部131は、処理S13と同様に、受信波形記憶部171に記憶されている受信信号の波形f(t)を時間逆転させ、時間逆転させた受信信号の波形f(−t)を生成し、生成した時間逆転した受信信号の波形f(−t)を時間逆転波形記憶部172に記憶する(S23)。   More specifically, first, the time reversal waveform generation unit 131 of the arithmetic processing unit 13 performs time reversal on the waveform f (t) of the reception signal stored in the reception waveform storage unit 171 in the same manner as the processing S13. The time-reversed received signal waveform f (-t) is generated, and the generated time-reversed received signal waveform f (-t) is stored in the time-reversed waveform storage unit 172 (S23).

次に、演算処理部13の位置走査部132は、電波散乱体Kによる散乱電界の解を利用して、時間逆転させた受信信号の波形f(−t)に基づいて物体Tの位置を探索する。   Next, the position scanning unit 132 of the arithmetic processing unit 13 uses the solution of the scattered electric field by the radio wave scatterer K to search for the position of the object T based on the waveform f (−t) of the reception signal that is time-reversed. To do.

この演算は、時間領域tで実行されてもよいが、本実施形態では、計算の簡単化や演算時間の短縮化等のために、この演算は、以下のように、周波数領域ωで実行される。   This calculation may be performed in the time domain t, but in the present embodiment, this calculation is performed in the frequency domain ω as follows in order to simplify the calculation, shorten the calculation time, and the like. The

より具体的には、位置走査部132は、まず、時間逆転させた受信信号の波形f(−t)をフーリエ変換し、周波数領域ωにおける時間逆転させた受信信号の波形F(ω)を生成する(S24)。   More specifically, the position scanning unit 132 first performs Fourier transform on the time-reversed received signal waveform f (−t) to generate a time-reversed received signal waveform F (ω) in the frequency domain ω. (S24).

次に、位置走査部132は、散乱波の複数の伝播経路Lのうちにおける物体Tの位置の演算に使用される複数の伝播経路Mのそれぞれについて、電波散乱体Kによる散乱電界の解を利用することによって伝達関数H(ω、r)を生成する(S25)。ここで、物体Tの位置の演算に使用される複数の伝播経路Mには、電波散乱体Kを経由した伝播経路が少なくとも1つ含まれる。   Next, the position scanning unit 132 uses the solution of the scattered electric field by the radio wave scatterer K for each of the plurality of propagation paths M used for calculating the position of the object T in the plurality of propagation paths L of the scattered wave. As a result, a transfer function H (ω, r) is generated (S25). Here, the plurality of propagation paths M used for calculating the position of the object T include at least one propagation path via the radio wave scatterer K.

次に、位置走査部132は、周波数領域ωにおける時間逆転させた受信信号の波形F(ω)と、散乱波の複数の伝播経路Lのうちにおける物体Tの位置の演算に使用される複数の伝播経路Mのそれぞれの伝達関数H(ω、r)とを掛け合わせることによって、周波数領域ωにおける位置探索関数G(ω、r)=F(ω)・H(ω、r)を生成する(S26)。   Next, the position scanning unit 132 uses a plurality of reception signal waveforms F (ω) time-reversed in the frequency domain ω and a plurality of positions used for calculating the position of the object T in the plurality of propagation paths L of the scattered wave. By multiplying each transfer function H (ω, r) of the propagation path M, a position search function G (ω, r) = F (ω) · H (ω, r) in the frequency domain ω is generated ( S26).

次に、周波数領域ωから時間領域tに戻すべく、位置走査部132は、周波数領域ωにおける位置探索関数G(ω、r)を逆フーリエ変換し、時間領域tにおける位置探索関数g(t、r)を生成する(S27)。tは、時刻であり、送信パルスを送信アンテナAから空間に放射された時刻t0(=0)とされ、rは、位置ベクトルである。 Next, in order to return from the frequency domain ω to the time domain t, the position scanning unit 132 performs an inverse Fourier transform on the position search function G (ω, r) in the frequency domain ω to obtain a position search function g (t, r) is generated (S27). t is the time, is the transmitted pulse from the transmitting antenna A 1 and time is radiated into space t0 (= 0), r is the position vector.

次に、位置走査部132は、処理S15と同様に、位置ベクトルのrを予め設定された所定の範囲で様々な値に振って位置探索関数G(t0、r)(t=t0=0)を算出し、この算出結果の値を記憶部17の探索結果記憶部173に記憶する(S28)。   Next, as in the process S15, the position scanning unit 132 shifts the position vector r to various values within a predetermined range set in advance, and the position search function G (t0, r) (t = t0 = 0). And the value of the calculation result is stored in the search result storage unit 173 of the storage unit 17 (S28).

次に、位置走査部132は、処理S16と同様に、前記所定の範囲内における全ての位置ベクトルrについて位置探索関数g(t0、r)を算出したか否かを判断する(S29)。この判断の結果、全ての位置ベクトルrについて位置探索関数g(t0、r)を算出した場合(Yes)には、処理S30が実行され、一方、全ての位置ベクトルrについて位置探索関数g(t0、r)を算出していない場合(No)には、処理が処理S25に戻される。   Next, the position scanning unit 132 determines whether or not the position search function g (t0, r) has been calculated for all the position vectors r within the predetermined range, similarly to the process S16 (S29). If the position search function g (t0, r) is calculated for all position vectors r as a result of this determination (Yes), the process S30 is executed, while the position search function g (t0) for all position vectors r. , R) is not calculated (No), the process is returned to the process S25.

処理S30では、処理S17と同様に、演算処理部13の出力処理部133は、物体Tの位置を出力すべく、走査結果記憶部173に記憶されている位置探索関数g(t、r)の各値をそれぞれ各位置ベクトルrに対応付けて出力部16に出力する。そして、物体Tの位置の測定処理が終了される。   In the processing S30, as in the processing S17, the output processing unit 133 of the arithmetic processing unit 13 outputs the position search function g (t, r) stored in the scanning result storage unit 173 in order to output the position of the object T. Each value is output to the output unit 16 in association with each position vector r. Then, the measurement process of the position of the object T is completed.

本実施形態にかかる位置測定装置1では、このようなに動作するので、単一の送信アンテナAおよび単一の受信アンテナAで物体Tの位置を測定することができる。また、この位置測定装置1では、電波散乱体Kによる散乱電界の解が利用される。このため、物体Tの位置をより高精度に演算することが可能となる。また、電波散乱体Kが導体球とされる場合では、その厳密解が得られていることから、物体Tの位置をさらにより高精度に演算することが可能となる。 In the position measuring apparatus 1 according to this embodiment, since the work such, it is possible to measure the position of the object T with a single transmit antenna A 1 and a single receive antenna A 2. Further, in this position measuring apparatus 1, a solution of the scattered electric field by the radio wave scatterer K is used. For this reason, the position of the object T can be calculated with higher accuracy. In addition, when the radio wave scatterer K is a conductor sphere, the exact solution is obtained, so that the position of the object T can be calculated with higher accuracy.

本実施形態にかかる位置測定装置1による物体Tの位置測定をシミュレーションした一結果について、以下に、説明する。   One result of simulating the position measurement of the object T by the position measurement apparatus 1 according to the present embodiment will be described below.

図13は、シミュレーションにおける複数の電波散乱体および目標の物体を示す図である。図14は、第1座標に目標の物体がある場合におけるシミュレーションの受信信号の波形を示す図である。図15は、xy平面における位置探索関数の各値を示す図である。図15(A)は、第1座標C1に目標の物体Tがある場合の結果を示し、図15(B)は、第2座標C2に目標の物体Tがある場合の結果を示し、図15(C)は、第3座標C3に目標の物体Tがある場合の結果を示し、図15(D)は、第4座標C4に目標の物体Tがある場合の結果を示し、そして、図15(E)は、第5座標C5に目標の物体Tがある場合の結果を示す。   FIG. 13 is a diagram illustrating a plurality of radio wave scatterers and a target object in the simulation. FIG. 14 is a diagram illustrating a waveform of a reception signal of a simulation when there is a target object at the first coordinate. FIG. 15 is a diagram illustrating each value of the position search function in the xy plane. FIG. 15A shows the result when the target object T is at the first coordinate C1, and FIG. 15B shows the result when the target object T is at the second coordinate C2. FIG. 15C shows the result when the target object T is at the third coordinate C3, FIG. 15D shows the result when the target object T is at the fourth coordinate C4, and FIG. (E) shows the result when the target object T is at the fifth coordinate C5.

本シミュレーションでは、図13に示すように、電波散乱体Kは、第1ないし第3電波散乱体K1〜K3によって構成されている。第1ないし第3電波散乱体K1〜K3は、半径3cmの導体球である。第1電波散乱体K1の中心が座標原点(−7、2、0)に設定され、第2電波散乱体K2の中心が座標(2、−7、0)となるように配置され、そして、第3電波散乱体K3の中心が座標(8、−4、0)となるように配置される。目標の物体Tは、半径0.5cmの微小な導体球である。第1の場合では、目標の物体Tは、その中心が座標C1(−35、60、0)となるように配置される。第2の場合では、目標の物体Tは、その中心が座標C2(−15、50、0)となるように配置される。第3の場合では、目標の物体Tは、その中心が座標C3(2、69、0)となるように配置される。第4の場合では、目標の物体Tは、その中心が座標C4(35、60、0)となるように配置される。そして、第5の場合では、目標の物体Tは、その中心が座標C5(40、33、0)となるように配置される。なお、位置測定装置1にとって、目標の物体Tにおけるこれら諸元は、未知である。また、第1実施形態のシミュレーションと同様に、モノスタティックレーダが採用されており、送受信アンテナAは、座標原点(0、0、0)に配置される。電波の電波媒質は、真空の自由空間である。   In this simulation, as shown in FIG. 13, the radio wave scatterer K is composed of first to third radio scatterers K1 to K3. The first to third radio wave scatterers K1 to K3 are conductor spheres having a radius of 3 cm. The center of the first radio wave scatterer K1 is set to the coordinate origin (−7, 2, 0), the center of the second radio wave scatterer K2 is arranged to be the coordinate (2, −7, 0), and It arrange | positions so that the center of the 3rd electromagnetic wave scatterer K3 may become a coordinate (8, -4, 0). The target object T is a small conductor sphere having a radius of 0.5 cm. In the first case, the target object T is arranged so that the center thereof is the coordinate C1 (−35, 60, 0). In the second case, the target object T is arranged so that the center thereof is the coordinate C2 (−15, 50, 0). In the third case, the target object T is arranged so that the center thereof is the coordinate C3 (2, 69, 0). In the fourth case, the target object T is arranged so that the center thereof is the coordinate C4 (35, 60, 0). In the fifth case, the target object T is arranged so that the center thereof is the coordinate C5 (40, 33, 0). For the position measuring device 1, these specifications of the target object T are unknown. Similarly to the simulation of the first embodiment, monostatic radar is employed, and the transmission / reception antenna A is arranged at the coordinate origin (0, 0, 0). A radio wave medium is a vacuum free space.

そして、本シミュレーションでも、送受信アンテナAは、図6に示す中心周波数3GHzで波長10cmのモノサイクルパルスである送信パルスWsを送信すると、例えば、第1の場合では、図14に示す波形の受信信号Wrが受信される。   In this simulation as well, when the transmission / reception antenna A transmits the transmission pulse Ws, which is a monocycle pulse with a center frequency of 3 GHz and a wavelength of 10 cm shown in FIG. 6, for example, in the first case, the reception signal having the waveform shown in FIG. Wr is received.

複数の伝播経路には、例えば複数の電波散乱体Kを経由する経路等の様々な経路が含まれているが、そのうちにおいて、第1ないし第3電波散乱体K1〜K3のそれぞれについて第1ないし第3経路P1〜P3(1個の電波散乱体Kを経由する経路)が採用され、合計9個の伝播経路が目標の物体Tの位置の測定に用いられる。   The plurality of propagation paths include various paths such as paths passing through the plurality of radio wave scatterers K. Among them, the first to third radio wave scatterers K1 to K3 are first to third. Third paths P1 to P3 (paths passing through one radio wave scatterer K) are adopted, and a total of nine propagation paths are used for measuring the position of the target object T.

第1ないし第5の各場合について、受信信号の波形f(t)に基づいて、電波散乱体Kによる散乱電界の解を利用した時間逆転法によって物体Tの位置を演算した結果を図15に示す。図15の各図は、各位置ベクトルrにおいて、それぞれ求められたxy平面における各位置探索関数g(0、r)の値を示している。   FIG. 15 shows the result of calculating the position of the object T by the time reversal method using the solution of the scattered electric field by the radio wave scatterer K based on the waveform f (t) of the received signal for each of the first to fifth cases. Show. Each figure in FIG. 15 shows the value of each position search function g (0, r) in the xy plane obtained for each position vector r.

図15の各図から分かるように、目標の物体Tの真の位置付近に位置探索関数g(0、r)の略最大のピークが現れており、上述の構成および動作の位置測定装置1によって目標の物体Tの位置を測定することができることが理解される。   As can be seen from FIGS. 15A and 15B, the substantially maximum peak of the position search function g (0, r) appears in the vicinity of the true position of the target object T, and is determined by the position measuring apparatus 1 having the above-described configuration and operation. It will be appreciated that the position of the target object T can be measured.

また、図15の各図と図8および図11と比較すると分かるように、虚像は、第1および第2実施形態に較べて減少しており、位置の誤推定が軽減され、より高精度に目標の物体Tの位置を測定することができる。   Further, as can be seen by comparing each diagram of FIG. 15 with FIGS. 8 and 11, the virtual image is reduced as compared with the first and second embodiments, and the erroneous estimation of the position is reduced, and the accuracy is increased. The position of the target object T can be measured.

次に、第2および第3実施形態と比較例との比較結果について説明する。図16は、比較例における複数のアンテナおよび目標の物体を示す図である。図17は、第1座標C1に目標の物体Tがある場合におけるxy平面の位置探索関数の各値を示す図である。図17(A)は、第2実施形態の場合を示し、図17(B)は、第3実施形態の場合を示し、そして、図17(C)は、比較例の場合を示す。図18は、第2座標C2に目標の物体Tがある場合におけるxy平面の位置探索関数の各値を示す図である。図18(A)は、第2実施形態の場合を示し、図18(B)は、第3実施形態の場合を示し、そして、図18(C)は、比較例の場合を示す。   Next, a comparison result between the second and third embodiments and a comparative example will be described. FIG. 16 is a diagram illustrating a plurality of antennas and a target object in a comparative example. FIG. 17 is a diagram illustrating each value of the position search function on the xy plane when the target object T is at the first coordinate C1. FIG. 17A shows the case of the second embodiment, FIG. 17B shows the case of the third embodiment, and FIG. 17C shows the case of the comparative example. FIG. 18 is a diagram illustrating each value of the position search function on the xy plane when the target object T is at the second coordinate C2. 18A shows the case of the second embodiment, FIG. 18B shows the case of the third embodiment, and FIG. 18C shows the case of the comparative example.

比較例では、図16に示すように、第2および第3実施形態における複数の電波散乱体Kの代わりに、それぞれアンテナが置かれ、4個のアレイアンテナで送受信アンテナが構成される。したがって、目標の物体Tに対する位置測定精度は、「第2実施形態の場合<第3実施形態の場合<比較例の場合」と予想される。   In the comparative example, as shown in FIG. 16, an antenna is placed in place of the plurality of radio wave scatterers K in the second and third embodiments, and a transmission / reception antenna is configured by four array antennas. Accordingly, the position measurement accuracy with respect to the target object T is expected to be “in the case of the second embodiment <in the case of the third embodiment <in the case of the comparative example”.

図17および図18から分かるように、目標の物体Tに対する位置測定精度は、「第2実施形態の場合<第3実施形態の場合」であるが、第3実施形態の場合と比較例の場合とを較べると、第3実施形態の場合では虚像が現れているものの、目標の物体Tに対する位置測定精度は、「第3実施形態の場合≒比較例の場合」であることが分かる。   As can be seen from FIGS. 17 and 18, the position measurement accuracy with respect to the target object T is “in the case of the second embodiment <in the case of the third embodiment”, but in the case of the third embodiment and the comparative example. When the third embodiment is compared, it can be seen that although the virtual image appears in the third embodiment, the position measurement accuracy with respect to the target object T is “the case of the third embodiment≈the case of the comparative example”.

以上、説明したように、第1ないし第3実施形態にかかる位置測定装置1では、単一の送信アンテナAおよび単一の受信アンテナAで物体Tの位置を測定することができる。このため、アレイアンテナの場合のように、複数の送信アンテナ間の位置(距離)や複数の受信アンテナ間の位置(距離)を正確にそれぞれ固定する必要がなく、また、送信アンテナおよび受信アンテナの小型化が可能となり、位置測定装置1の小型化やコストダウンも可能となる。特に、小型化が可能であるので、ロボット、車両、船舶および航空機等の移動体に位置測定装置1を容易に取り付けることができる。このため、移動体は、周囲の物体の位置を認識することができ、特に、移動体を自動走行させる場合に、有利である。 As described above, the position measuring apparatus 1 according to the first to third embodiments, it is possible to measure the position of the object T with a single transmit antenna A 1 and a single receive antenna A 2. Therefore, unlike the case of the array antenna, there is no need to accurately fix the position (distance) between the plurality of transmission antennas and the position (distance) between the plurality of reception antennas. The size can be reduced, and the position measuring device 1 can be reduced in size and cost. In particular, since the size can be reduced, the position measuring device 1 can be easily attached to a moving body such as a robot, a vehicle, a ship, and an aircraft. For this reason, the moving body can recognize the positions of surrounding objects, and is particularly advantageous when the moving body automatically travels.

なお、演算処理部13の位置走査部132で用いられる計算手法は、第1ないし第3実施形態で用いられた計算手法に限定されるものではなく、例えばFDTD法やモーメント法等の他の電磁界計算手法が用いられてもよい。   The calculation method used in the position scanning unit 132 of the arithmetic processing unit 13 is not limited to the calculation method used in the first to third embodiments, and other electromagnetic methods such as the FDTD method and the moment method are used. A field calculation technique may be used.

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。   In order to express the present invention, the present invention has been properly and fully described through the embodiments with reference to the drawings. However, those skilled in the art can easily change and / or improve the above-described embodiments. It should be recognized that this is possible. Accordingly, unless the modifications or improvements implemented by those skilled in the art are at a level that departs from the scope of the claims recited in the claims, the modifications or improvements are not covered by the claims. It is interpreted that it is included in

本発明の基本的な考え方を説明するための図(その1)である。It is FIG. (1) for demonstrating the fundamental view of this invention. 本発明の基本的な考え方を説明するための図(その2)である。It is FIG. (2) for demonstrating the fundamental view of this invention. 実施形態における位置測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the position measuring apparatus in embodiment. 第1実施形態における位置測定装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the position measuring apparatus in 1st Embodiment. シミュレーションにおける電波散乱体および目標の物体を示す図である。It is a figure which shows the electromagnetic wave scatterer and target object in simulation. シミュレーションにおける送信パルスの波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the transmission pulse in simulation. シミュレーションにおける受信信号の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the received signal in simulation. xy平面における位置探索関数の各値を示す図である。It is a figure which shows each value of the position search function in xy plane. シミュレーションにおける複数の電波散乱体および目標の物体を示す図である。It is a figure which shows the several electromagnetic wave scatterer and target object in simulation. シミュレーションにおける受信信号の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the received signal in simulation. xy平面における位置探索関数の各値を示す図である。It is a figure which shows each value of the position search function in xy plane. 第3実施形態における位置測定装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the position measuring apparatus in 3rd Embodiment. シミュレーションにおける複数の電波散乱体および目標の物体を示す図である。It is a figure which shows the several electromagnetic wave scatterer and target object in simulation. 第1座標に目標の物体がある場合におけるシミュレーションの受信信号の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the received signal of the simulation in case there exists a target object in a 1st coordinate. xy平面における位置探索関数の各値を示す図である。It is a figure which shows each value of the position search function in xy plane. 比較例における複数のアンテナおよび目標の物体を示す図である。It is a figure which shows the some antenna and target object in a comparative example. 第1座標C1に目標の物体Tがある場合におけるxy平面の位置探索関数の各値を示す図である。It is a figure which shows each value of the position search function of xy plane in case the target object T exists in the 1st coordinate C1. 第2座標C2に目標の物体Tがある場合におけるxy平面の位置探索関数の各値を示す図である。It is a figure which shows each value of the position search function of xy plane in case the target object T exists in the 2nd coordinate C2.

符号の説明Explanation of symbols

S 位置測定システム
送信アンテナ
受信アンテナ
K 電波散乱体
T 目標の物体
1 位置測定装置
11 信号生成部
12 信号受信部
13 演算処理部
16 出力部
17 記憶部
131 時間逆転波形生成部
132 位置走査部
133 出力処理部
171 受信波形記憶部
172 時間逆転波形記憶部
173 走査結果記憶部
S Position measuring system A 1 Transmitting antenna A 2 Receiving antenna K Radio wave scatterer T Target object 1 Position measuring device 11 Signal generating unit 12 Signal receiving unit 13 Arithmetic processing unit 16 Output unit 17 Storage unit 131 Time reversal waveform generating unit 132 Position Scanning unit 133 Output processing unit 171 Reception waveform storage unit 172 Time reversal waveform storage unit 173 Scanning result storage unit

Claims (6)

物体の位置を測定する位置測定装置において、
送信信号を空間に放射する単一の送信アンテナと、
前記物体によって散乱される前記送信信号に起因する散乱波であって複数の伝播経路で伝播した散乱波を受信信号として受信する単一の受信アンテナと、
前記受信アンテナで受信した受信信号の波形に基づいて時間逆転法によって前記物体の位置を演算する位置演算部とを備え、
前記複数の伝播経路には、電波を散乱可能であって形状および位置が既知である電波散乱体を経由した伝播経路が少なくとも1つ含まれること
を特徴とする位置測定装置。
In a position measuring device that measures the position of an object,
A single transmit antenna that radiates the transmitted signal into space;
A single reception antenna that receives, as a reception signal, a scattered wave caused by the transmission signal scattered by the object and propagated through a plurality of propagation paths;
A position calculator that calculates the position of the object by a time reversal method based on the waveform of the received signal received by the receiving antenna;
The position measuring apparatus characterized in that the plurality of propagation paths include at least one propagation path through a radio wave scatterer that can scatter radio waves and has a known shape and position.
前記位置演算部は、前記電波散乱体による散乱が幾何光学散乱であるとした時間逆転法によって前記物体の位置を演算すること
を特徴とする請求項1に記載の位置測定装置。
The position measurement device according to claim 1, wherein the position calculation unit calculates the position of the object by a time reversal method in which scattering by the radio wave scatterer is geometric optical scattering.
前記位置演算部は、前記電波散乱体による散乱電界の解を利用した時間逆転法によって前記物体の位置を演算すること
を特徴とする請求項1に記載の位置測定装置。
The position measurement device according to claim 1, wherein the position calculation unit calculates the position of the object by a time reversal method using a solution of a scattered electric field by the radio wave scatterer.
前記電波散乱体は、複数であること
を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の位置測定装置。
The position measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein there are a plurality of the radio wave scatterers.
前記送信信号は、UWBパルスであること
を特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の位置測定装置。
The position measurement device according to claim 1, wherein the transmission signal is a UWB pulse.
物体の位置を測定する位置測定方法において、
単一の送信アンテナから送信信号を空間に放射する送信工程と、
前記物体によって散乱される前記送信信号に起因する散乱波であって複数の伝播経路で伝播した散乱波を受信信号として単一の受信アンテナで受信する受信工程と、
前記受信工程で受信した受信信号の波形に基づいて時間逆転法によって前記物体の位置を演算する位置演算工程とを備え、
前記複数の伝播経路には、電波を散乱可能であって形状および位置が既知である電波散乱体を経由した伝播経路が少なくとも1つ含まれること
を特徴とする位置測定方法。
In a position measurement method for measuring the position of an object,
A transmission step of radiating a transmission signal from a single transmission antenna into space;
A reception step of receiving a scattered wave caused by the transmission signal scattered by the object and propagated in a plurality of propagation paths as a reception signal with a single reception antenna;
A position calculation step of calculating the position of the object by a time reversal method based on the waveform of the reception signal received in the reception step,
The position measuring method characterized in that the plurality of propagation paths include at least one propagation path through a radio wave scatterer capable of scattering radio waves and having a known shape and position.
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