JP2010071861A - Apparatus and method for detection of position information - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To determine information on the position of an object to be measured in a shorter time than before when irradiating electromagnetic waves to the object to be measured, receiving reflected waves from the object to be measured, processing signals, and determining information on the position of the object to be measured. <P>SOLUTION: First coded sequence signals having a coded signal value in which a signal prior to a shift and a signal after the shift intersect with each other approximately at right angles by the shift in the bit direction bit by bit is used as signals of the electromagnetic waves to be irradiated. At this time, every time a second coded modulated signal acquired by shifting a first coded modulated signal in the bit direction is shifted by one bit, the values of a correlation function with reflected signals are computed. Information on the position of the object to be measured is determined on the basis of results of the computation. The upper bound of a measuring range of the object to be measured is set to determine an upper bound value of the amount of shift of the second coded sequence signal according to the upper bound. When the amount of shift of the second coded sequence signal exceeds the upper bound value, the computation of the correlation function is completed. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電磁波を測定対象物に照射し測定対象物からの反射波を受信することにより測定対象物の位置情報を取得する位置情報検出装置および位置情報検出方法に関する。   The present invention relates to a position information detection apparatus and a position information detection method for acquiring position information of a measurement object by irradiating the measurement object with an electromagnetic wave and receiving a reflected wave from the measurement object.

地下埋蔵物の情報探査、地中の情報把握、あるいはコンクリート構造物の検査診断等において、レーダ装置が一般的に用いられている。また、レーザ光を用いたレーダ装置も種々提案されている。
下記特許文献1では、PN符号を用いて、測定対象物の距離解析を行うレーダ装置が提案されている。
Radar devices are generally used for information exploration of underground reserves, understanding of underground information, or inspection and diagnosis of concrete structures. Various radar devices using laser light have also been proposed.
In the following Patent Document 1, a radar apparatus that performs distance analysis of a measurement object using a PN code is proposed.

すなわち、当該特許文献では、PN符号等の疑似雑音信号によって帯域が拡散された電波を送信し、この電波に基づく物体からの反射波を受信し、この受信信号を前記疑似雑音信号で逆拡散し、該逆拡散された受信信号の周波数を所定周波数の信号に変換し、該周波数変換された信号に基づいて前記物体の速度測定、該物体までの距離測定を行うレーダ装置である。このとき、測定対象物までの距離の情報を、PN符号等の擬似雑音信号の相関関数を用いて算出する。   That is, in this patent document, a radio wave whose band is spread by a pseudo noise signal such as a PN code is transmitted, a reflected wave from an object based on the radio wave is received, and the received signal is despread by the pseudo noise signal. The radar apparatus converts the frequency of the despread received signal into a signal having a predetermined frequency, and measures the speed of the object and measures the distance to the object based on the frequency-converted signal. At this time, information on the distance to the measurement object is calculated using a correlation function of a pseudo noise signal such as a PN code.

特開平10−153654号公報JP-A-10-153654

このような距離の情報の算出において、擬似雑音信号を用いて上記遅延時間を求めるとき、信号のSN比を向上するために、擬似雑音信号の1周期分の信号サイズを大きくすることが必要である。
しかし、擬似雑音信号の1周期分のサイズを大きくすると、遅延時間を求めるのに長時間を要し、迅速な距離解析ができない、といった問題がある。例えば、距離解析において、送信した擬似雑音信号と受信信号との相関関数を算出するとき、送信した擬似雑音信号の1周期分相当の遅延時間を範囲とする相関関数を算出するため、距離解析が短時間にできない。
In calculating such distance information, when obtaining the delay time using a pseudo-noise signal, it is necessary to increase the signal size for one period of the pseudo-noise signal in order to improve the signal-to-noise ratio of the signal. is there.
However, when the size of one period of the pseudo noise signal is increased, there is a problem that it takes a long time to obtain the delay time, and quick distance analysis cannot be performed. For example, in the distance analysis, when calculating the correlation function between the transmitted pseudo noise signal and the received signal, the distance analysis is performed in order to calculate a correlation function having a delay time corresponding to one cycle of the transmitted pseudo noise signal. It cannot be done in a short time.

そこで、本発明は、測定対象物に電磁波を照射することにより測定対象物からの反射波を受信して信号処理を行い、測定対象物の位置情報を求めるとき、位置情報の算出精度が高く、従来の装置に比べて、算出結果を短時間に求めることのできる位置情報検出装置および位置情報検出方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention receives the reflected wave from the measurement object by irradiating the measurement object with electromagnetic waves, performs signal processing, and obtains the position information of the measurement object. It is an object of the present invention to provide a position information detection device and a position information detection method capable of obtaining a calculation result in a shorter time than a conventional device.

上記目的を達成するために、本発明は、測定対象物に電磁波を照射することにより測定対象物からの反射波を受信して信号処理を行い、測定対象物の位置情報を求める位置情報検出装置である。
この位置情報検出装置は、測定対象物に電磁波を照射するとき、所定の信号の電磁波を、ベースバンド方式により出射する電磁波出射部と、
電磁波の照射された測定対象物からの反射波を受信して反射信号を出力する受信部と、
前記所定の信号として、信号値が符号化された信号であって、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成される一定の信号長さの第1の符号化系列信号を生成する信号生成部と、
前記第1の符号化系列信号がビット方向にビット単位で1ビット以上シフトした信号である第2の符号化系列信号を1ビットずつシフトすることにより、前記反射信号との間で相関関数の値を算出し、この算出結果に基づいて、測定対象物の位置情報を求める信号処理・演算部と、
測定対象物の測定範囲の上限を設定する条件設定部と、を有し、
前記信号処理・演算部は、設定された測定対象物の測定範囲の上限に応じて前記第2の符号化系列信号のシフト量の上限値を定め、前記第2の符号化系列信号のシフト量が、前記上限値を超えるとき、前記相関関数の演算を終了する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a position information detection apparatus that receives a reflected wave from a measurement object by irradiating the measurement object with electromagnetic waves, performs signal processing, and obtains position information of the measurement object. It is.
This position information detection device, when irradiating an electromagnetic wave to a measurement object, an electromagnetic wave emitting unit for emitting an electromagnetic wave of a predetermined signal by a baseband method,
A receiving unit that receives a reflected wave from a measurement object irradiated with an electromagnetic wave and outputs a reflected signal; and
The predetermined signal is a signal whose signal value is encoded, and is configured so that the signal before the shift and the signal after the shift are substantially orthogonal to each other by shifting in the bit direction in the bit unit. A signal generator for generating a first encoded sequence signal having a signal length of
A value of a correlation function between the first encoded sequence signal and the reflected signal by shifting the second encoded sequence signal, which is a signal shifted by 1 bit or more bitwise in the bit direction, bit by bit. And a signal processing / calculation unit for obtaining position information of the measurement object based on the calculation result;
A condition setting unit for setting the upper limit of the measurement range of the measurement object,
The signal processing / arithmetic unit determines an upper limit value of the shift amount of the second encoded sequence signal in accordance with the upper limit of the measurement range of the set measurement object, and the shift amount of the second encoded sequence signal When the value exceeds the upper limit value, the calculation of the correlation function is terminated.

その際、反射信号と前記第2の符号化系列信号との相関関数を求めるために、前記信号生成部は、前記第1の符号化系列信号を繰り返し生成し、前記電磁波出射部は、繰り返し生成された前記第1の符合化系列信号の電磁波を照射することが好ましい。
前記信号処理・演算部は、例えば、前記相関関数がピークを形成するとき、このピークにおける前記第2の符号化系列信号のシフト量の情報と、前記第2の符号化系列信号のデータ間の時間間隔とを用いて測定対象物の位置を求める。
At this time, in order to obtain a correlation function between the reflected signal and the second encoded sequence signal, the signal generation unit repeatedly generates the first encoded sequence signal, and the electromagnetic wave emission unit repeatedly generates It is preferable to irradiate the electromagnetic wave of the first encoded series signal.
For example, when the correlation function forms a peak, the signal processing / arithmetic unit calculates the amount of shift between the second encoded sequence signal at the peak and the data of the second encoded sequence signal. The position of the measurement object is obtained using the time interval.

前記第1の符合化系列信号は、PN符号を用いた信号であることが好ましい。
なお、前記測定対象物は、例えば、コンクリートや地中等の物質内部にあり、前記位置情報は、前記測定対象物の、物質表面からの深さである。
The first coded sequence signal is preferably a signal using a PN code.
The measurement object is inside a substance such as concrete or underground, and the position information is the depth of the measurement object from the material surface.

さらに、本発明は、測定対象物に電磁波を照射することにより測定対象物からの反射波を受信して信号処理を行い、測定対象物の位置情報を求める位置情報検出方法を提供する。
この方法は、測定対象物に電磁波を照射するとき、信号値が所定長さで符号化された第1の符号化系列信号の電磁波を、ベースバンド方式により測定対象物に向けて出射させるステップと、
電磁波の照射された測定対象物からの反射波を受信して反射信号を出力するステップと、
前記第1の符号化系列信号がビット方向にビット単位で1ビット以上シフトした信号である第2の符号化系列信号を1ビットずつシフトすることにより、前記反射信号との間で相関関数の値を算出し、この算出結果に基づいて、測定対象物の位置情報を求めるステップと、
測定対象物の測定範囲の上限を、操作者の入力指示に応じて設定するステップと、を有し、
前記第1の符号化系列信号は、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成され、
前記位置情報を求めるステップでは、設定された測定対象物の測定範囲の上限に応じて前記第2の符号化系列信号のシフト量の上限値を定め、前記第2の符号化系列信号のシフト量が、前記上限値を超えるとき、前記相関関数の演算を終了する。
Furthermore, the present invention provides a position information detection method for obtaining position information of a measurement object by receiving a reflected wave from the measurement object by irradiating the measurement object with electromagnetic waves and performing signal processing.
In this method, when irradiating an electromagnetic wave to a measurement object, the electromagnetic wave of the first encoded series signal whose signal value is encoded with a predetermined length is emitted toward the measurement object by a baseband method; ,
Receiving a reflected wave from a measurement object irradiated with an electromagnetic wave and outputting a reflected signal;
A value of a correlation function between the first encoded sequence signal and the reflected signal by shifting the second encoded sequence signal, which is a signal shifted by 1 bit or more bitwise in the bit direction, bit by bit. Calculating the position information of the measurement object based on the calculation result;
Setting the upper limit of the measurement range of the measurement object according to the operator's input instruction,
The first encoded sequence signal is configured so that the signal before the shift and the signal after the shift are substantially orthogonal to each other by shifting in the bit direction in the bit unit.
In the step of obtaining the position information, an upper limit value of the shift amount of the second encoded sequence signal is determined in accordance with the upper limit of the set measurement range of the measurement object, and the shift amount of the second encoded sequence signal is determined. When the value exceeds the upper limit value, the calculation of the correlation function is terminated.

本発明では、照射する電磁波の伝送する信号として、略直交性を有する第1の符号化系列信号を用いる。その際、第1の符号化系列信号をビット方向に1ビット以上、ビット単位でシフトした信号である第2の符号化系列信号を1ビットずつシフトすることにより、反射信号との間で相関関数の値を算出する。このため、相関関数は、測定対象物で反射した電磁波の反射信号により生じるピーク以外の領域では0に近い値を示すので、位置情報の算出精度は高い。その際、測定対象物の測定範囲の上限を設定し、この上限に応じて第2の符号化系列信号のシフト量の上限値を定め、第2の符号化系列信号のシフト量が、上限値を超えるとき、相関関数の演算を終了する。このため、相関関数の不要な情報である上限値よりシフト量の大きな範囲の相関関数を算出しないので、短時間に測定対象物の位置情報を求めることができる。   In the present invention, the first encoded sequence signal having substantially orthogonality is used as the signal transmitted by the electromagnetic wave to be irradiated. At this time, the second encoded sequence signal, which is a signal obtained by shifting the first encoded sequence signal in the bit direction by 1 bit or more in bit units, is shifted one bit at a time, so that the correlation function with the reflected signal is obtained. Is calculated. For this reason, since the correlation function shows a value close to 0 in a region other than the peak generated by the reflected signal of the electromagnetic wave reflected by the measurement object, the calculation accuracy of the position information is high. At that time, the upper limit of the measurement range of the measurement object is set, the upper limit value of the shift amount of the second encoded sequence signal is determined according to the upper limit, and the shift amount of the second encoded sequence signal is set to the upper limit value. When the value exceeds, the calculation of the correlation function is terminated. For this reason, since the correlation function in the range where the shift amount is larger than the upper limit value which is unnecessary information of the correlation function is not calculated, the position information of the measurement object can be obtained in a short time.

以下、本発明の位置情報取得装置および位置情報検出方法について、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。   Hereinafter, a position information acquisition device and a position information detection method of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

図1は、本発明の位置情報取得装置の一実施形態であるレーダ装置(以降、装置という)10の外観図である。
装置10は、測定対象物Xに照射した電磁波のうち測定対象物Xからの反射波を受信することにより得られる測定対象物Xの反射信号を用いて、測定対象物Xまでの奥行き方向に関する位置情報を求める装置である。
FIG. 1 is an external view of a radar apparatus (hereinafter referred to as an apparatus) 10 which is an embodiment of a position information acquisition apparatus of the present invention.
The apparatus 10 uses the reflection signal of the measurement object X obtained by receiving the reflected wave from the measurement object X among the electromagnetic waves irradiated to the measurement object X, and the position in the depth direction to the measurement object X. It is a device that seeks information.

装置10は、レーダ本体部12と演算装置(コンピュータ)14とを有して構成される。
レーダ本体部12は、送信アンテナ部(電磁波出射部)16と、受信アンテナ部(受信部)18と、発振器(信号生成部)20と、アンプ22,24,26,28と、RFスイッチ30,32と、RFミキサ36と、ローパスフィルタ38,40と、AD変換器42と、を有する。アンプ24,26,28と、ミキサ36と、ローパスフィルタ38,40と、AD変換器42は、信号処理部13を形成する。
The apparatus 10 includes a radar main body 12 and an arithmetic device (computer) 14.
The radar main body 12 includes a transmitting antenna unit (electromagnetic wave emitting unit) 16, a receiving antenna unit (receiving unit) 18, an oscillator (signal generating unit) 20, amplifiers 22, 24, 26, and 28, an RF switch 30, 32, an RF mixer 36, low-pass filters 38 and 40, and an AD converter 42. The amplifiers 24, 26, 28, the mixer 36, the low-pass filters 38, 40, and the AD converter 42 form the signal processing unit 13.

送信アンテナ部16は、複数の送信アンテナ16aが構成され、各送信アンテナ16aは、所定の信号の電磁波を測定対象物Xに向けて照射する。複数の送信アンテナ16aは、測定対象物Xの位置に関する分布を求めるために並列して設けられている。
受信アンテナ部18も、送信アンテナ部16と同様に、複数の受信アンテナ18aにより構成され、各受信アンテナ18aは、測定対象物Xからの反射波を受信するように設けられる。複数の受信アンテナ18aは、測定対象物Xの形状を検出するために並列して設けられている。
The transmission antenna unit 16 includes a plurality of transmission antennas 16a, and each transmission antenna 16a irradiates an electromagnetic wave of a predetermined signal toward the measurement object X. The plurality of transmission antennas 16a are provided in parallel to obtain a distribution related to the position of the measurement object X.
Similarly to the transmission antenna unit 16, the reception antenna unit 18 includes a plurality of reception antennas 18a, and each reception antenna 18a is provided to receive a reflected wave from the measurement object X. The plurality of receiving antennas 18a are provided in parallel to detect the shape of the measurement object X.

送信アンテナ部16および受信アンテナ部18には、それぞれRFスイッチ30,32が設けられている。RFスイッチ30,32は、発振器20からの制御信号に応じて、複数の送信アンテナ16a、受信アンテナ18aの中から送受信するアンテナを選択して切り替えるために用いられる。   The transmission antenna unit 16 and the reception antenna unit 18 are provided with RF switches 30 and 32, respectively. The RF switches 30 and 32 are used to select and switch an antenna to be transmitted / received from the plurality of transmission antennas 16a and reception antennas 18a in accordance with a control signal from the oscillator 20.

発振器20は、所定の符号化系列信号を生成し、この符号化系列信号を、搬送波を用いて変調することなく、アンプ22を介して送信アンテナ部16に直接供給する。すなわち、ベースバンド方式により、符合化系列信号の電磁波を出射するように構成される。
発振器20は、アンプ22に供給する符号化系列信号(第1の符合化系列信号)の生成と、アンプ24に供給する符号化系列信号(第2の符合化系列信号)の生成を繰り返し行う。その際、アンプ24に供給する符号化系列信号は、アンプ22に供給する符号化系列信号の生成のタイミングに対して遅延することなく(遅延ゼロの状態で)生成されるが、この符号化系列信号が生成される度に一定時間の増大幅で遅延していく。符号化系列信号の生成は、後述するように、遅延時間あるいは符号化系列信号のデータポイント上の遅延シフト量が、設定された上限値を超えるとき終了する。この後、RFスイッチ30,32により、送信アンテナ部16および受信アンテナ部18の作用する送信アンテナ16aおよび受信アンテナ18aが変更される。この変更後、上述した符合化系列信号の生成が、上述した遅延ゼロの状態から再度繰り返される。なお、符号化系列信号として、信号値が所定長さで符号化され、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成された信号が用いられる。ビット方向とは、信号値の配列方向をいう。このような符号化系列信号として、例えば、PN符号化系列信号が好適に用いられる。PN符号化系列信号は、M系列あるいはGold系列の符号を用いた信号であることが好ましく、特に、M系列が後述する相関特性の点で好ましい。
なお、M系列とは、発振器20が、シフトレジスタ符号発生器を有し、このシフトレジスタ符号発生器は、m段(mは自然数)のシフトレジスタと、シフトレジスタの各段の状態の論理結合をシフトレジスタの入力へフィードバックする論理回路とで構成されるとき、信号長さLが2m−1で表されたものをいう。Gold系列は、2つのM系列を、同期してビットごとに加算したものである。従って2つの符号発生器の位相関係は不変であり、生成される系列の長さはもとになる系列の長さと同じ長さであるが、M系列にはならないものである。
The oscillator 20 generates a predetermined encoded sequence signal, and supplies the encoded sequence signal directly to the transmission antenna unit 16 via the amplifier 22 without being modulated using a carrier wave. That is, it is configured to emit an electromagnetic wave of an encoded sequence signal by a baseband method.
The oscillator 20 repeatedly generates an encoded sequence signal (first encoded sequence signal) supplied to the amplifier 22 and an encoded sequence signal (second encoded sequence signal) supplied to the amplifier 24. At this time, the encoded sequence signal supplied to the amplifier 24 is generated without delay (with no delay) with respect to the generation timing of the encoded sequence signal supplied to the amplifier 22. Each time a signal is generated, the signal is delayed by a certain time increment. The generation of the encoded sequence signal ends when the delay time or the delay shift amount on the data point of the encoded sequence signal exceeds a set upper limit value, as will be described later. Thereafter, the transmission antenna 16 a and the reception antenna 18 a on which the transmission antenna unit 16 and the reception antenna unit 18 operate are changed by the RF switches 30 and 32. After this change, the generation of the coded sequence signal described above is repeated again from the above-described state of zero delay. In addition, as the encoded sequence signal, the signal value is encoded with a predetermined length, and the signal before the shift and the signal after the shift are configured to be substantially orthogonal to each other by shifting in bit units in the bit direction. A signal is used. The bit direction refers to the arrangement direction of signal values. As such an encoded sequence signal, for example, a PN encoded sequence signal is preferably used. The PN encoded sequence signal is preferably a signal using an M-sequence or Gold sequence code, and the M-sequence is particularly preferable in terms of correlation characteristics described later.
In the M series, the oscillator 20 has a shift register code generator, which is an m-stage (m is a natural number) shift register and a logical combination of the states of each stage of the shift register. The signal length L is represented by 2 m −1 when the signal is composed of a logic circuit that feeds back to the input of the shift register. The Gold sequence is obtained by adding two M sequences in synchronization for each bit. Therefore, the phase relationship between the two code generators is invariant, and the length of the generated sequence is the same as the length of the original sequence, but does not become an M sequence.

PN符号化系列信号は、値が0および1からなる1ビット信号で、ビット方向にビット単位でシフトすることによってできる自己相関関数の値が0又は−1/n(nは後述する系列符号の長さ)となる信号である。
PN符号化系列信号は、一例を挙げると以下のように作成されるPN系列符号のデータを用いて信号化したものである。
次数k=5、符号系列の長さn=31とし、係数h1=1,h2=1,h3=0,h4=1,h5=1とし、初期値a0=1,a1=1,a2=0,a3=1,a4=0としたとき下記式(1)に示す漸化式で一意的にPN系列符号C={ak}(kは自然数)を求めることができる。
The PN encoded sequence signal is a 1-bit signal having a value of 0 and 1, and the value of the autocorrelation function that can be shifted by the bit unit in the bit direction is 0 or -1 / n (n is a sequence code described later) Signal).
For example, the PN encoded sequence signal is a signal generated using data of a PN sequence code created as follows.
The order k = 5, the length of the code sequence n = 31, the coefficients h 1 = 1, h 2 = 1, h 3 = 0, h 4 = 1, h 5 = 1, and the initial values a 0 = 1, a When 1 = 1, a 2 = 0, a 3 = 1, and a 4 = 0, the PN sequence code C = {a k } (k is a natural number) is uniquely expressed by the recursion formula shown in the following formula (1). Can be sought.

さらに、系列符号C={a0,a1,a2,………,an-1}を用いて基準となる符号化系列信号を生成するとともに、さらにこの系列符号Cをq1ビット、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Tq1・C(Tq1は、ビット方向にq1ビット、ビットシフトする作用素である)を用いて符号化系列信号を生成する。ここで、系列符号Tq1・Cは、{aq1,aq1+1,aq1+2,………,aq1+N-1}である。さらに、系列符号Cをq2ビット(例えば、q2=2×q1)、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Tq2・Cを用いて符号化系列信号を生成する。
この符号化系列信号を生成するために用いられる系列符号C,Tq1・C,Tq2・Cは、互いに直交する特性を有するので、生成される符号化系列信号も互いに直交する性質を有する。
Further, a reference encoded sequence signal is generated using a sequence code C = {a 0 , a 1 , a 2 ,..., A n-1 }, and this sequence code C is further converted into q1 bits, bits An encoded sequence signal is generated using a sequence code T q1 · C bit-shifted in the direction (T q1 is an operator that bit-shifts q1 bits in the bit direction). Here, the sequence code T q1 · C is {a q1 , a q1 + 1 , a q1 + 2 ,..., A q1 + N−1 }. Furthermore, a coded sequence signal is generated using a sequence code T q2 · C obtained by shifting the sequence code C by q2 bits (for example, q2 = 2 × q1) and bit-shifting in the bit direction.
Since the sequence codes C, T q1 · C and T q2 · C used to generate this encoded sequence signal have characteristics orthogonal to each other, the generated encoded sequence signals also have characteristics orthogonal to each other.

具体的に説明すると、長さnの系列符号をC={b0,b1,b2,………,bn-1}とし、上記作用素Tqを系列符号Cに作用させた系列符号をC’=Tq・C、すなわちC’={bq,bq+1,bq+2,………,bq+n-1}として、系列符号CとC’との間の相関関数cc'(q)を下記式(2)のように定義される。ここで、NAは系列符号における項biと項bq+i(iは0以上n−1以下の整数)の値が一致する数であり、NDは系列符号における項biと項bq+iの値の不一致の数である。また、NAとNDの和は系列符号長さnとなる(NA+ND=n)。ここで、iとq+iはmod(n)で考える。 More specifically, a sequence code of length n is C = {b 0 , b 1 , b 2 ,..., B n-1 }, and a sequence code in which the operator T q is applied to the sequence code C. C ′ = T q · C, that is, C ′ = {b q , b q + 1 , b q + 2 ,..., B q + n−1 }, and between the sequence codes C and C ′ The correlation function R cc ′ (q) is defined as the following formula (2). Here, N A is a number in which the values of the term b i and the term b q + i (i is an integer of 0 to n−1) in the sequence code match, and N D is the term b i and the term in the sequence code. b q + i is the number of mismatches. The sum of N A and N D is the sequence code length n (N A + N D = n). Here, i and q + i are considered as mod (n).

上記PN符号化系列において2つの系列を項毎にmod(2)で加算した結果はもとのPN系列符号を巡回シフトしたPN系列符号になる性質があり、PN系列符号の値が0となる個数は値が1となる個数より1つだけ少ないので、NA−ND=−1となる。これより、PN系列符号において下記式(3)および(4)に示す値を示す。 In the PN encoded sequence, the result of adding two sequences by mod (2) for each term has a property of becoming a PN sequence code obtained by cyclically shifting the original PN sequence code, and the value of the PN sequence code is 0. Since the number is one less than the number where the value is 1, N A −N D = −1. Accordingly, the values shown in the following formulas (3) and (4) in the PN sequence code are shown.

上記式(3)よりビットシフト量が0、すなわちq=0(mod(n))の場合、式(3)に示すようにRcc’(q)の値は1となり自己相関性を有する。一方、ビットシフト量が0でない、すなわちq≠0(mod(n))の場合、式(4)に示すようにRcc’(q)は−(1/n)となる。ここで系列符号長さnを大きくすることにより、Rcc’(q)(q≠0)の値は0に近づく。
すなわち、系列符号CとC’は自己相関性を持ち、かつ略直交性を有するといえる。
このようなPN系列符号の値を0,1として時系列信号としたのがPN符号化系列信号である。
発振器20は、このようなPN符号化系列信号を生成する。
図2は、PN符合化系列信号の一例を示す図である。
From the above equation (3), when the bit shift amount is 0, that is, q = 0 (mod (n)), the value of R cc ′ (q) is 1 as shown in equation (3), and has autocorrelation. On the other hand, when the bit shift amount is not 0, that is, q ≠ 0 (mod (n)), R cc ′ (q) is − (1 / n) as shown in Expression (4). Here, by increasing the sequence code length n, the value of R cc ′ (q) (q ≠ 0) approaches zero.
That is, it can be said that sequence codes C and C ′ have autocorrelation and substantially orthogonality.
A PN coded sequence signal is a time series signal with such PN sequence code values of 0 and 1.
The oscillator 20 generates such a PN encoded sequence signal.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a PN coded sequence signal.

レーザ装置10の測定対象物Xの位置分解能を高めるためには、符号化系列信号のデータ間の時間間隔Δtを極めて狭くする必要がある。すなわち、上記PN符合化系列信号の1ビットシフトする時間幅が小さくなるようにする必要がある。このため、発振器20は、高速の符号化系列信号を発振させる必要があることから、図3に示すように、FPGA(Field Programmable Gate Array)46、パラレル・シリアル変換器48,50、同期信号分割器52,54、クロック信号発生器56を用いて構成することが好ましい。
パラレル・シリアル変換器48,50を用いるのは、符号化系列信号を高速化させるためである。また、クロック信号発生器56を用いるのは、パラレル・シリアル変換器48,50のシリアル信号として発生しアンプ22及びアンプ24に送られる2つの符号化系列信号を同期あるいは遅延時間を制御するためである。同期あるいは遅延時間を制御するのは、アンプ24に送られる符号化系列信号を、後述するミキサ36にてミキシング処理を行うことにより、受信アンテナ部18からの反射信号との間で相関関数を作成するためである。
発振器20は、演算装置(コンピュータ)14からのパルス信号、あるいは図示されない制御装置からのパルス信号、に応じて、符号化系列信号を、電磁波の伝送信号として繰り返し生成する。
In order to increase the position resolution of the measurement object X of the laser apparatus 10, it is necessary to extremely narrow the time interval Δt between the data of the encoded sequence signals. That is, it is necessary to reduce the time width for shifting the PN coded sequence signal by 1 bit. For this reason, since the oscillator 20 needs to oscillate a high-speed encoded sequence signal, as shown in FIG. 3, an FPGA (Field Programmable Gate Array) 46, parallel / serial converters 48 and 50, and synchronization signal division. It is preferable to use the devices 52 and 54 and the clock signal generator 56.
The reason why the parallel / serial converters 48 and 50 are used is to speed up the encoded sequence signal. The clock signal generator 56 is used for controlling the synchronization or delay time of two encoded series signals generated as serial signals of the parallel / serial converters 48 and 50 and sent to the amplifier 22 and the amplifier 24. is there. The synchronization or delay time is controlled by creating a correlation function with the reflected signal from the receiving antenna unit 18 by mixing the encoded sequence signal sent to the amplifier 24 with a mixer 36 described later. It is to do.
The oscillator 20 repeatedly generates an encoded sequence signal as an electromagnetic wave transmission signal in accordance with a pulse signal from the arithmetic device (computer) 14 or a pulse signal from a control device (not shown).

アンプ22,24は、発振器20で得られる符号化系列信号を増幅する。なお、符合化系列信号の信号レベルが十分にあればアンプ22,24は設けなくてもよい。
RFスイッチ30は、測定対象物Xの位置の情報を分布として得るために、発振器20からの信号に応じて送信アンテナ16aの送信位置を変えて電磁波を出射させるために用いる。
RFスイッチ32は、測定対象物Xの位置の情報を分布として得るために、発振器20からの信号、あるいは図示されない制御装置からの信号、に応じて受信アンテナ18aの受信位置を変えて反射波を受信するために用いる。
アンプ26は、RFスイッチ32にて得られた反射信号を増幅する。
The amplifiers 22 and 24 amplify the encoded sequence signal obtained by the oscillator 20. If the signal level of the encoded sequence signal is sufficient, the amplifiers 22 and 24 may not be provided.
The RF switch 30 is used to emit electromagnetic waves by changing the transmission position of the transmission antenna 16a in accordance with a signal from the oscillator 20 in order to obtain information on the position of the measurement object X as a distribution.
The RF switch 32 changes the reception position of the reception antenna 18a in accordance with a signal from the oscillator 20 or a signal from a control device (not shown) in order to obtain information on the position of the measurement object X as a distribution. Used to receive.
The amplifier 26 amplifies the reflected signal obtained by the RF switch 32.

ミキサ36は、符号化系列信号の情報を持った、アンプ26を通して供給される反射信号と、発振器20にて遅延して繰り返し生成される符号化系列信号とのミキシング処理を行って、混合信号を生成する。
ミキサ36に供給される符号化系列信号は、発振器20で繰り返し生成され、しかも、生成されるタイミングが、符号化系列信号のデータ間の時間間隔Δtずつ、すなわち、符号化系列信号の1ビットずつ、ビット方向にシフトしている。このときのシフトによる遅延は、送信アンテナ部16に供給する符号化系列信号の生成のタイミングを基準とした遅延である。
ミキシング処理では、遅延した符号化系列信号をa(t+Δ)とし、反射信号をb(t)としたとき、a(t+Δ)×b(t)の演算を行う。ここでΔは、遅延時間であり、Δ=k・Δt(kは自然数であり、データポイント上の1ビットのシフト量を表す)である。
なお、上記ミキシング処理による相関演算は、ミキサ36を用いずに、コンピュータにて行うこともできる。この場合、アンプ24,26の出力信号を直接コンピュータで取り込み、ミキサ36、ローパスフィルタ38,40、アンプ28は不要となる。
The mixer 36 performs a mixing process of the reflected signal supplied through the amplifier 26 having the information of the encoded sequence signal and the encoded sequence signal repeatedly generated with delay by the oscillator 20, and the mixed signal is obtained. Generate.
The encoded sequence signal supplied to the mixer 36 is repeatedly generated by the oscillator 20, and the generated timing is the time interval Δt between the encoded sequence signal data, that is, one bit of the encoded sequence signal. , Shifted in the bit direction. The delay due to the shift at this time is a delay based on the generation timing of the encoded sequence signal supplied to the transmission antenna unit 16.
In the mixing process, a (t + Δ) × b (t) is calculated when the delayed encoded sequence signal is a (t + Δ) and the reflected signal is b (t). Here, Δ is a delay time, and Δ = k · Δt (k is a natural number and represents a shift amount of 1 bit on the data point).
The correlation calculation by the mixing process can be performed by a computer without using the mixer 36. In this case, the output signals of the amplifiers 24 and 26 are directly captured by a computer, and the mixer 36, the low-pass filters 38 and 40, and the amplifier 28 are unnecessary.

ローパスフィルタ38は、生成した混合信号のうち、符号化系列信号に応じて設定される周波数をカットオフ周波数として高周波成分の信号成分を除去して、低周波成分の信号を通過させる。演算装置14は、発振器20で繰り返し生成する符号化系列信号の生成のタイミングに同期して、上記低周波成分の信号を、符号化系列信号の1周期の時間、積算する。これにより、遅延時間Δにおける相関関数の値を求めることができる。この遅延時間Δが順次変更されることにより、相関関数を求めることができる。
アンプ28は、低周波成分の信号を増幅する。ローパスフィルタ40は、増幅によって低周波成分の信号に含まれるノイズ成分を除去する。
AD変換器42は、低周波成分の信号をデジタル信号とし、コンピュータである演算装置14に供給する。
The low-pass filter 38 removes the high-frequency component signal component from the generated mixed signal, with the frequency set according to the encoded sequence signal as a cutoff frequency, and passes the low-frequency component signal. The arithmetic unit 14 integrates the low-frequency component signal for one period of the encoded sequence signal in synchronization with the generation timing of the encoded sequence signal repeatedly generated by the oscillator 20. Thereby, the value of the correlation function in the delay time Δ can be obtained. By sequentially changing the delay time Δ, a correlation function can be obtained.
The amplifier 28 amplifies the low frequency component signal. The low-pass filter 40 removes noise components contained in the low-frequency component signal by amplification.
The AD converter 42 converts the low-frequency component signal into a digital signal and supplies it to the arithmetic unit 14 which is a computer.

演算装置14は、条件設定部44と位置情報算出部45を有する。コンピュータである演算装置14は、レーダ本体部12の各機能の動作の管理と制御を行い、AD変換器42から供給された信号を用いて、測定対象物Xの位置を算出する。さらに、発振器20に符号化系列信号の生成を指示するパルス信号を提供し、符号化系列信号の生成のタイミングを遅らせる遅延時間Δの上限を定める。
条件設定部44および位置情報算出部45は、演算装置14であるコンピュータにおいてソフトウェアを実行することで形成されるモジュールにより構成される。
条件設定部44は、測定対象物Xがどこに位置するか、その上限となる(奥行き方向で最も遠い)位置、具体的には、電磁波の出射方向の、レーダ本体部12から測定対象Xまでの奥行き情報の上限値を、図示されないマウスやキーボード等を用いて操作者が指示入力することにより設定する。この設定された奥行き情報の上限値から、上記遅延時間Δの上限値を定める。
具体的には、条件設定部44において測定対象の奥行き情報の上限値が入力されると、奥行き情報の上限値を、電磁波の伝播速度で除算し2倍することにより、遅延時間Δの上限値が設定される。符号化系列信号のデータ間の時間間隔Δtは定められているので、遅延時間Δをデータ間の時間間隔Δtで除算することにより、ビット方向のシフト量、すなわち、データポイント上のシフト量の上限値が定まる。この上限値は、発振器20に送られ、符合化系列信号を生成するときの、遅延時間Δの制御に用いられる。
The computing device 14 includes a condition setting unit 44 and a position information calculation unit 45. The computing device 14, which is a computer, manages and controls the operation of each function of the radar main body 12, and calculates the position of the measurement object X using the signal supplied from the AD converter 42. Further, a pulse signal for instructing the generator 20 to generate the encoded sequence signal is provided, and an upper limit of the delay time Δ for delaying the generation timing of the encoded sequence signal is determined.
The condition setting unit 44 and the position information calculation unit 45 are configured by modules formed by executing software in a computer that is the computing device 14.
The condition setting unit 44 determines the position where the measurement object X is located, the upper limit (the farthest in the depth direction), specifically, the position from the radar body 12 to the measurement target X in the electromagnetic wave emission direction. The upper limit value of the depth information is set by an operator inputting an instruction using a mouse or a keyboard (not shown). The upper limit value of the delay time Δ is determined from the set upper limit value of the depth information.
Specifically, when the upper limit value of the depth information to be measured is input in the condition setting unit 44, the upper limit value of the delay time Δ is obtained by dividing the upper limit value of the depth information by the propagation speed of the electromagnetic wave and doubling it. Is set. Since the time interval Δt between the encoded sequence signal data is determined, the shift amount in the bit direction, that is, the upper limit of the shift amount on the data point is obtained by dividing the delay time Δ by the time interval Δt between the data. The value is determined. This upper limit value is sent to the oscillator 20 and used for controlling the delay time Δ when generating the encoded sequence signal.

位置情報算出部45は、相関関数の算出結果から測定対象物Xの位置情報を求める。
位置情報算出部45は、発振器20で生成される符号化系列信号の遅延時間Δが増えるたびに、符号化系列信号の1周期に相当する時間の間、AD変換器42を介して供給される信号の値を用いて測定対象物Xの位置情報を求める。
The position information calculation unit 45 obtains position information of the measurement object X from the correlation function calculation result.
The position information calculation unit 45 is supplied via the AD converter 42 for a time corresponding to one cycle of the encoded sequence signal whenever the delay time Δ of the encoded sequence signal generated by the oscillator 20 increases. The position information of the measuring object X is obtained using the signal value.

図4は、位置情報算出部45において求められた、遅延時間Δを横軸に採った相関関数の結果の一例を示す図である。この例では、遅延時間Δの上限値、あるいはシフト量の上限値は設定されていないため、符合化系列信号の周期に相当する20ナノ秒まで、遅延時間Δを伸ばして相関関数は算出される。
図4に示す相関関数は、増幅された符号化系列信号と、増幅された反射信号とをミキシング処理した結果であるので、相関関数の縦軸は反射信号の電圧の単位となっている。ここで、図中のピークAで、相関関数の値は最大となっている。このピークAの両側では、受信アンテナ18a等の特性によりオーバーシュートが発生し、波形がボトムを形成している。
図4に示す相関関数の結果において、ピークAにおける遅延時間をΔ1とすると、遅延時間Δ1に電磁波の伝播速度を乗算した値の半分を、レーダ装置10から測定対象物Xまでの距離を示す位置情報として求める。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a correlation function result obtained by the position information calculation unit 45 with the delay time Δ on the horizontal axis. In this example, since the upper limit value of the delay time Δ or the upper limit value of the shift amount is not set, the correlation function is calculated by extending the delay time Δ to 20 nanoseconds corresponding to the cycle of the encoded sequence signal. .
Since the correlation function shown in FIG. 4 is a result of mixing the amplified encoded sequence signal and the amplified reflected signal, the vertical axis of the correlation function is a unit of the voltage of the reflected signal. Here, the value of the correlation function is maximum at the peak A in the figure. On both sides of this peak A, overshoot occurs due to the characteristics of the receiving antenna 18a and the like, and the waveform forms the bottom.
In the results of the correlation function shown in FIG. 4, when the delay time in the peak A and delta 1, a half of the value obtained by multiplying the propagation speed of an electromagnetic wave to the delay time delta 1, the distance from the radar device 10 to the measurement object X The position information is obtained.

位置情報算出部45は、上述のように、測定対象物Xの位置情報を求めることができるが、遅延時間Δのシフト量が、設定されたシフト量の上限値を超えるとき、発振器20は、符号化系列信号の生成を終了するので、ミキサ36でのミキシング処理は停止する。このように相関関数の演算を、設定した上限値に応じて終了するのは、所望する距離以遠の信号は不要であり、不必要な信号処理に要する時間を無くするためである。   As described above, the position information calculation unit 45 can obtain the position information of the measurement object X. When the shift amount of the delay time Δ exceeds the upper limit value of the set shift amount, the oscillator 20 Since the generation of the encoded sequence signal is finished, the mixing process in the mixer 36 is stopped. The reason why the calculation of the correlation function is terminated in accordance with the set upper limit value is that a signal beyond a desired distance is unnecessary and time required for unnecessary signal processing is eliminated.

図5は、PN符号化系列信号の自己相関関数の演算結果の一例を示す。図4に示す相関関数は、PN符号化系列信号の電磁波の反射波の信号である反射信号と上記PN符号化系列信号との相関を示す関数であるので、反射信号は上記PN符号化系列信号の情報を含んでいる。したがって、図4に示す相関関数は回路の帯域が無限大であれば、図5に示すような自己相関関数になる。すなわち、図5に示す波形は、図4に示す波形の理想的な波形といえる。このとき、ピークAの値は1(ハイレベルの電圧値)となり、それ以外の位置では、−1/n(nは、符号化系列信号の1周期のデータ数)となる。したがって、相関関数のSN比を高くするために、図5に示す理想的な波形からわかるように、相関関数におけるピークA以外のノイズ領域では値が−1/nであるから、この値が0に近くなる、すなわち近似的に直交性を実現する(略直交する)ことが必要である。このためには、符号化系列信号の1周期のデータ数nを大きくする必要がある。しかし、データ数nを大きくすることにより、1周期に対応する時間T(=n・Δt)が増大し、相関関数を0〜Tの遅延時間の範囲で算出するには多くの計算時間を要する。このため、上述したように、測定対象物Xの測定範囲の上限によって設定されるシフト量の上限値に応じて、相関関数の演算を終了する。しかも、上限値以内のシフト量の範囲の中に、測定対象物Xの位置情報を示すピークAが存在するので、測定対象物Xの位置を、相関関数から算出することができる。
このように、位置情報算出部45は、相関関数のSN比を向上させ、かつ、短い計算時間で、測定対象物Xの位置情報を含んだ相関関数を算出することができる。算出された相関関数は、図示されないディスプレイやプリンタに出力される。
FIG. 5 shows an example of the calculation result of the autocorrelation function of the PN encoded sequence signal. The correlation function shown in FIG. 4 is a function indicating the correlation between the reflected signal that is a reflected wave signal of the electromagnetic wave of the PN encoded sequence signal and the PN encoded sequence signal, and thus the reflected signal is the PN encoded sequence signal. Contains information. Therefore, the correlation function shown in FIG. 4 is an autocorrelation function as shown in FIG. 5 if the circuit bandwidth is infinite. That is, the waveform shown in FIG. 5 can be said to be an ideal waveform of the waveform shown in FIG. At this time, the value of peak A is 1 (high level voltage value), and at other positions, −1 / n (n is the number of data in one cycle of the encoded sequence signal). Therefore, in order to increase the S / N ratio of the correlation function, as can be seen from the ideal waveform shown in FIG. 5, the value is -1 / n in the noise region other than the peak A in the correlation function. In other words, it is necessary to achieve orthogonality (substantially orthogonal). For this purpose, it is necessary to increase the number of data n in one cycle of the encoded sequence signal. However, by increasing the number of data n, the time T (= n · Δt) corresponding to one cycle increases, and it takes a lot of calculation time to calculate the correlation function in the range of 0 to T delay time. . For this reason, as described above, the calculation of the correlation function ends according to the upper limit value of the shift amount set by the upper limit of the measurement range of the measurement object X. And since the peak A which shows the positional information on the measuring object X exists in the range of the shift amount within the upper limit, the position of the measuring object X can be calculated from the correlation function.
As described above, the position information calculation unit 45 can improve the SN ratio of the correlation function and can calculate the correlation function including the position information of the measurement object X in a short calculation time. The calculated correlation function is output to a display or printer (not shown).

以上が、レーダ装置10の構成の説明である。
このようなレーダ装置10では、PN符号化系列信号等の符合化系列信号の電磁波を、ベースバンド伝送方式で、測定対象物Xに向けて送信アンテナ部16から出射させる。
次に、電磁波の照射された測定対象物Xからの反射波をアンテナ受信部18にて受信して反射信号を出力する。
信号処理部13あるいは演算装置14では、電磁波の符号化系列信号(第1の符合化系列信号)がビット方向にビット単位で、1ビット以上シフトした信号である符号化系列信号(第2の符合化系列信号)を、1ビットシフトする度に参照信号(LO)としてミキサ36にてミキシング処理を行う。これにより、反射信号(RF)との間でミキシング処理をすることにより、相関関数の値を算出する。この算出した関数に基づいて、測定対象物Xの位置情報を求める。ここで用いる符号化系列信号は、信号値、例えば1ビットの信号値が所定長さで符号化された信号であって、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成されている信号である。
The above is the description of the configuration of the radar apparatus 10.
In such a radar apparatus 10, an electromagnetic wave of an encoded sequence signal such as a PN encoded sequence signal is emitted from the transmission antenna unit 16 toward the measurement target X by a baseband transmission method.
Next, a reflected wave from the measurement object X irradiated with the electromagnetic wave is received by the antenna receiver 18 and a reflected signal is output.
In the signal processing unit 13 or the arithmetic unit 14, the encoded sequence signal (second encoded signal) is a signal obtained by shifting the encoded sequence signal (first encoded sequence signal) of the electromagnetic wave by one bit or more in the bit direction. Each time one bit is shifted by 1 bit, the mixer 36 performs a mixing process as a reference signal (LO). Thus, the value of the correlation function is calculated by performing a mixing process with the reflected signal (RF). Based on the calculated function, position information of the measurement object X is obtained. The encoded sequence signal used here is a signal in which a signal value, for example, a 1-bit signal value is encoded with a predetermined length, and is shifted in a bit unit in the bit direction so that the signal before the shift and the signal after the shift Are signals that are substantially orthogonal to each other.

符合化系列信号として、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交する信号を用いるので、反射信号との相関関数を求めたとき、相関がない状態では、近似的に値が0になる。このため、測定対象物Xの位置情報を示す相関関数のピーク位置が明確に形成される。したがって、測定対象物Xの位置情報を精度良く求めることができる。
なお、送信アンテナ16aから照射された電磁波の一部は反射することなく、受信アンテナ18aで直接受信されるが、この受信による信号を位置情報における基準として、測定対象物Xの位置情報を補正して求める。
Since the signal before the shift and the signal after the shift are substantially orthogonal to each other as the encoded sequence signal, when the correlation function with the reflected signal is obtained, the value is approximately 0 when there is no correlation. Become. For this reason, the peak position of the correlation function indicating the position information of the measurement object X is clearly formed. Therefore, the position information of the measurement object X can be obtained with high accuracy.
A part of the electromagnetic wave irradiated from the transmitting antenna 16a is directly received by the receiving antenna 18a without being reflected. The position information of the measurement object X is corrected using the signal by this reception as a reference in the position information. Ask.

一方、条件設定部44では、測定前に、測定対象物Xの測定範囲の上限を、操作者の入力指示に応じて設定する。この設定された測定対象物Xの測定範囲の上限に応じて、符号化系列信号の遅延時間の上限値あるいはシフト量の上限値を定める。参照信号として用いる符号化系列信号の遅延時間あるいはシフト量が、定めた上限値を超えるとき、相関関数の演算を終了する。このため、上限値よりシフト量の大きな範囲では、相関関数の値は不要な情報になるので、相関関数を算出しない。このため、短時間に測定対象物Xの位置情報を求めることができる。   On the other hand, the condition setting unit 44 sets the upper limit of the measurement range of the measurement object X according to the input instruction from the operator before the measurement. The upper limit value of the delay time of the encoded sequence signal or the upper limit value of the shift amount is determined according to the set upper limit of the measurement range of the measurement object X. When the delay time or shift amount of the encoded sequence signal used as the reference signal exceeds a predetermined upper limit value, the calculation of the correlation function is terminated. For this reason, since the value of the correlation function becomes unnecessary information in a range where the shift amount is larger than the upper limit value, the correlation function is not calculated. For this reason, the position information of the measuring object X can be obtained in a short time.

図6(a)は、測定対象物Xをコンクリート中に埋設された鉄筋とし、PN符号化系列信号の電磁波を、鉄筋の埋設されたコンクリートに向けて照射したときに得られる相関関数の算出結果である。PN符号化系列信号におけるΔtは0.1(ナノ秒)とし、PN符号化系列信号のデータ数nは1024とした。図6(a)中の横軸は、データポイント上でのシフト量を単位として表している。ここでは、データポイント上のシフト量の上限値を128とした。すなわち、図6(a)において、データポイント128以降の相関関数の値は演算されていない。コンクリートに埋設された鉄筋の位置は概略わかっているので、この概略位置を参考にして、操作者は、コンクリート内の奥行き方向の測定範囲の上限を入力指示することで、シフト量の上限値を定めることができる。また、コンクリート等の物質内部や地中では、電磁波の減衰が大きく、深い地点での反射波は殆ど帰ってこない。コンクリート等の物質内部での測定範囲は数cm〜数10cmである。この減衰を考慮して、相関関数における必要な遅延時間の範囲の上限値を定め、この上限値を用いて相関関数の算出を終了することもできる。   FIG. 6A shows the calculation result of the correlation function obtained when the measurement object X is a reinforcing bar embedded in concrete and the electromagnetic wave of the PN encoded sequence signal is irradiated toward the concrete in which the reinforcing bar is embedded. It is. Δt in the PN encoded sequence signal was 0.1 (nanosecond), and the number of data n of the PN encoded sequence signal was 1024. The horizontal axis in FIG. 6A represents the shift amount on the data point as a unit. Here, the upper limit value of the shift amount on the data point is set to 128. That is, in FIG. 6A, the value of the correlation function after the data point 128 is not calculated. Since the position of the reinforcing bar embedded in the concrete is roughly known, referring to this approximate position, the operator inputs the upper limit of the measurement range in the depth direction in the concrete, so that the upper limit value of the shift amount is set. Can be determined. In addition, the electromagnetic wave is greatly attenuated inside a substance such as concrete or in the ground, and the reflected wave at a deep point hardly returns. The measurement range inside a substance such as concrete is several centimeters to several tens of centimeters. In consideration of this attenuation, an upper limit value of a required delay time range in the correlation function can be determined, and the calculation of the correlation function can be terminated using this upper limit value.

図6(a)中の相関関数は、アンプの極性により正負が反転している。したがって、図中ボトムを形成する部分がピークとなる。図6(a)中、ピークBは、コンクリート表面で反射した反射波の信号によるものであり、ピークCは、鉄筋で反射した反射波によるものである。なお、ピークB(ボトム部分)の両側に山を形成するのは、帯域が有限であるためリンギングが生じたことによる。このように、複数の反射波を受信しても、相関関数を算出することで、複数の反射を分離、識別することができる。これより、ピークBと、ピークCとの間の遅延時間を求め、これに電磁波の伝播速度を乗算することで、測定対象物Xである鉄筋のコンクリート表面からの位置(深さ)を求めることができる。このように、測定対象物Xは、例えば、コンクリートや地中等の物質内部にあり、測定対象物Xの位置情報として、物質表面からの深さを求めることができる。
図6(b)は、図6(a)に示す例と同様に、鉄筋の埋設されたコンクリートに対して、1つの送信アンテナ16aと1つの受信アンテナ18aを用いて得られる相関関数から作られた受信結果の濃淡分布である。図6(b)では、測定に用いるアンテナの位置に対する鉄筋の深さ方向位置は、測定に用いるアンテナが移動することにより、変わる。したがって、図6(b)に示すように、上記横方向位置の変化により、鉄筋の反射により形成されるピークBの位置を示す部分は双曲線形状をなす。このように、レーダ装置10は、測定対象物Xの位置を求めることもできる。
The correlation function in FIG. 6A is inverted between positive and negative depending on the polarity of the amplifier. Accordingly, the portion forming the bottom in the figure has a peak. In FIG. 6A, peak B is due to the reflected wave signal reflected from the concrete surface, and peak C is due to the reflected wave reflected from the reinforcing bar. The reason why the peaks are formed on both sides of the peak B (bottom part) is that ringing occurs because the band is finite. Thus, even if a plurality of reflected waves are received, the plurality of reflections can be separated and identified by calculating the correlation function. From this, the delay time between peak B and peak C is obtained, and by multiplying this by the propagation speed of the electromagnetic wave, the position (depth) of the reinforcing bar, which is the measurement object X, from the concrete surface is obtained. Can do. As described above, the measurement object X is inside a substance such as concrete or underground, and the depth from the material surface can be obtained as position information of the measurement object X.
FIG. 6B is made from a correlation function obtained by using one transmission antenna 16a and one reception antenna 18a for concrete in which a reinforcing bar is embedded, as in the example shown in FIG. 6A. This is a light and shade distribution of reception results. In FIG. 6B, the position of the reinforcing bar in the depth direction relative to the position of the antenna used for measurement changes as the antenna used for measurement moves. Accordingly, as shown in FIG. 6B, the portion indicating the position of the peak B formed by the reflection of the reinforcing bar has a hyperbolic shape due to the change in the position in the lateral direction. As described above, the radar apparatus 10 can also obtain the position of the measurement object X.

以上、本発明の位置情報取得装置および位置情報検出方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。   As described above, the position information acquisition apparatus and the position information detection method of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Of course it is also good.

本発明の位置情報取得装置の一実施形態であるレーダ装置の構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the radar apparatus which is one Embodiment of the positional information acquisition apparatus of this invention. 図1に示すレーダ装置で生成されるPN符合化系列信号の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the PN encoding series signal produced | generated with the radar apparatus shown in FIG. 図1に示す発振器の構成の一例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a configuration of an oscillator illustrated in FIG. 1. 図1に示すレーダ装置で得られる相関関数の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the correlation function obtained with the radar apparatus shown in FIG. PN符合化系列信号の自己相関関数を示す図である。It is a figure which shows the autocorrelation function of a PN encoding series signal. (a)及び(b)は、図1に示すレーダ装置で得られる、図4と異なる測定対象物における相関関数の算出結果を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows the calculation result of the correlation function in the measuring object different from FIG. 4 obtained by the radar apparatus shown in FIG.

10 レーダ装置
12 レーダ本体部
13 信号処理部
14 演算装置
16 送信アンテナ部
18 受信アンテナ部
20 発振器
22,24,26,28 アンプ
30,32 RFスイッチ
36,40 RFミキサ
42 AD変換器
44 条件設定部
45 位置情報算出部
46 FPGA
48,50 パラレル・シリアル変換器
52,54 同期信号分割器
56 クロック信号発生器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Radar apparatus 12 Radar body part 13 Signal processing part 14 Arithmetic unit 16 Transmitting antenna part 18 Receiving antenna part 20 Oscillator 22, 24, 26, 28 Amplifier 30, 32 RF switch 36, 40 RF mixer 42 AD converter 44 Condition setting part 45 position information calculation unit 46 FPGA
48, 50 Parallel-serial converter 52, 54 Sync signal divider 56 Clock signal generator

Claims (6)

測定対象物に電磁波を照射することにより測定対象物からの反射波を受信して信号処理を行い、測定対象物の位置情報を求める位置情報検出装置であって、
測定対象物に電磁波を照射するとき、所定の信号の電磁波を、ベースバンド方式により出射する電磁波出射部と、
電磁波の照射された測定対象物からの反射波を受信して反射信号を出力する受信部と、
前記所定の信号として、信号値が符号化された信号であって、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成される一定の信号長さの第1の符号化系列信号を生成する信号生成部と、
前記第1の符号化系列信号がビット方向にビット単位で1ビット以上シフトした信号である第2の符号化系列信号を1ビットずつシフトすることにより、前記反射信号との間で相関関数の値を算出し、この算出結果に基づいて、測定対象物の位置情報を求める信号処理・演算部と、
測定対象物の測定範囲の上限を設定する条件設定部と、を有し、
前記信号処理・演算部は、設定された測定対象物の測定範囲の上限に応じて前記第2の符号化系列信号のシフト量の上限値を定め、前記第2の符号化系列信号のシフト量が、前記上限値を超えるとき、前記相関関数の演算を終了することを特徴とする位置情報検出装置。
A position information detection device that receives a reflected wave from a measurement object by irradiating the measurement object with electromagnetic waves, performs signal processing, and obtains position information of the measurement object,
When irradiating the object to be measured with electromagnetic waves, an electromagnetic wave emitting unit that emits electromagnetic waves of a predetermined signal by a baseband method;
A receiving unit that receives a reflected wave from a measurement object irradiated with an electromagnetic wave and outputs a reflected signal; and
The predetermined signal is a signal whose signal value is encoded, and is configured so that the signal before the shift and the signal after the shift are substantially orthogonal to each other by shifting in the bit direction in the bit unit. A signal generator for generating a first encoded sequence signal having a signal length of
A value of a correlation function between the first encoded sequence signal and the reflected signal by shifting the second encoded sequence signal, which is a signal shifted by 1 bit or more bitwise in the bit direction, bit by bit. And a signal processing / calculation unit for obtaining position information of the measurement object based on the calculation result;
A condition setting unit for setting the upper limit of the measurement range of the measurement object,
The signal processing / arithmetic unit determines an upper limit value of the shift amount of the second encoded sequence signal in accordance with the upper limit of the measurement range of the set measurement object, and the shift amount of the second encoded sequence signal When the value exceeds the upper limit value, the calculation of the correlation function is terminated.
前記信号生成部は、前記第1の符号化系列信号を繰り返し生成し、前記電磁波出射部は、繰り返し生成された前記第1の符合化系列信号の電磁波を照射する請求項1に記載の位置情報検出装置。   The position information according to claim 1, wherein the signal generation unit repeatedly generates the first encoded sequence signal, and the electromagnetic wave emitting unit irradiates the electromagnetic wave of the first encoded sequence signal generated repeatedly. Detection device. 前記信号処理・演算部は、前記相関関数の波形がピークを形成するとき、このピークにおける前記第2の符号化系列信号のシフト量の情報と、前記第2の符号化系列信号のデータ間の時間間隔とを用いて測定対象物の位置を求める請求項1または2のいずれか1項に記載の位置情報検出装置。   When the waveform of the correlation function forms a peak, the signal processing / arithmetic unit calculates the amount of shift between the second encoded sequence signal at the peak and the data of the second encoded sequence signal. The position information detection apparatus according to claim 1, wherein the position of the measurement object is obtained using a time interval. 前記第1の符合化系列信号は、PN符号を用いた信号である請求項1〜3のいずれか1項に記載の位置情報検出装置。   The position information detection device according to claim 1, wherein the first encoded sequence signal is a signal using a PN code. 前記測定対象物は、物質内部にあり、
前記位置情報は、前記測定対象物の物質表面からの深さである請求項1〜4のいずれか1項に記載の位置情報検出装置。
The measurement object is inside the substance,
The position information detection apparatus according to claim 1, wherein the position information is a depth of the measurement object from a substance surface.
測定対象物に電磁波を照射することにより測定対象物からの反射波を受信して信号処理を行い、測定対象物の位置情報を求める位置情報検出方法であって、
測定対象物に電磁波を照射するとき、信号値が所定長さで符号化された第1の符号化系列信号の電磁波を、ベースバンド方式により測定対象物に向けて出射させるステップと、
電磁波の照射された測定対象物からの反射波を受信して反射信号を出力するステップと、
前記第1の符号化系列信号がビット方向にビット単位で1ビット以上シフトした信号である第2の符号化系列信号を1ビットずつシフトすることにより、前記反射信号との間で相関関数の値を算出し、この算出結果に基づいて、測定対象物の位置情報を求めるステップと、
測定対象物の測定範囲の上限を、操作者の入力指示に応じて設定するステップと、を有し、
前記第1の符号化系列信号は、ビット方向にビット単位でシフトすることにより、シフト前の信号とシフト後の信号とが互いに略直交するように構成され、
前記位置情報を求めるステップでは、設定された測定対象物の測定範囲の上限に応じて前記第2の符号化系列信号のシフト量の上限値を定め、前記第2の符号化系列信号のシフト量が、前記上限値を超えるとき、前記相関関数の演算を終了することを特徴とする位置情報検出方法。
A position information detection method for receiving a reflected wave from a measurement object by irradiating the measurement object with electromagnetic waves, performing signal processing, and obtaining position information of the measurement object,
When irradiating an electromagnetic wave to the measurement object, emitting the electromagnetic wave of the first encoded series signal in which the signal value is encoded with a predetermined length toward the measurement object by a baseband method;
Receiving a reflected wave from a measurement object irradiated with an electromagnetic wave and outputting a reflected signal;
A value of a correlation function between the first encoded sequence signal and the reflected signal by shifting the second encoded sequence signal, which is a signal shifted by 1 bit or more bitwise in the bit direction, bit by bit. Calculating the position information of the measurement object based on the calculation result;
Setting the upper limit of the measurement range of the measurement object according to the operator's input instruction,
The first encoded sequence signal is configured so that the signal before the shift and the signal after the shift are substantially orthogonal to each other by shifting in the bit direction in the bit unit.
In the step of obtaining the position information, an upper limit value of the shift amount of the second encoded sequence signal is determined in accordance with the upper limit of the set measurement range of the measurement object, and the shift amount of the second encoded sequence signal is determined. When the value exceeds the upper limit value, the calculation of the correlation function is terminated.
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