JP2657977B2 - High-precision motion measurement method of object using spatial frequency - Google Patents

High-precision motion measurement method of object using spatial frequency

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JP2657977B2
JP2657977B2 JP2069374A JP6937490A JP2657977B2 JP 2657977 B2 JP2657977 B2 JP 2657977B2 JP 2069374 A JP2069374 A JP 2069374A JP 6937490 A JP6937490 A JP 6937490A JP 2657977 B2 JP2657977 B2 JP 2657977B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (1)発明の属する技術分野の説明 本発明はあらゆる物体(室内、地上・海上、空中・宇
宙での一般のマクロな物体・物質及び顕微鏡で扱うよう
なミクロな物体・物質)を対象とし、光領域を中心とす
る電磁波による物体の運動(速度や回転速度)の測定に
関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (1) Description of the technical field to which the invention pertains The present invention relates to all kinds of objects (general macro objects / materials indoors, on the ground / at sea, in the air / space, and micro objects such as those handled by a microscope). This is related to the measurement of the motion (velocity and rotational speed) of an object by electromagnetic waves centered on the light region.

(2)従来の技術の説明 従来、物体の速度の測定方法として一般に用いられて
いるものは、“ドップラー効果”を用いた方法である。
即ち、電磁波が運動している物体から送信されたり反射
される時、速度(正しくは速度の視線方向の成分)に比
例した周波数変位が起こることを利用し、受信電磁波の
周波数変位から速度を求める方法である。ドップラー効
果を用いる方法は特に電磁領域の周波数帯では最も有効
な手段のドップラーレーダとして実用化されている。最
近ではコヒーレントなレーザ光を用いた光ドップラーレ
ーダも、粒子等微小対象物用として有効であるため、研
究・開発されてきている。
(2) Description of the Related Art Conventionally, as a method of measuring the speed of an object, a method using the “Doppler effect” is generally used.
That is, when an electromagnetic wave is transmitted or reflected from a moving object, a frequency displacement proportional to the speed (correctly, a component in the line of sight of the speed) occurs, and the speed is obtained from the frequency displacement of the received electromagnetic wave. Is the way. The method using the Doppler effect has been put to practical use as a Doppler radar which is the most effective means especially in a frequency band in the electromagnetic region. Recently, an optical Doppler radar using a coherent laser beam has been researched and developed because it is effective for a minute object such as a particle.

このような、既に完成された技術のドップラーレーダ
も、速度を測定する上で完全なものではなく、指線方向
(物体と観測者を結ぶ方法)の成分しか求まらないとい
う物理的な原理から定まる一つの不完全性をもってい
る。
The Doppler radar of such an already completed technology is not perfect for measuring velocity, but only the component of the finger direction (the method of connecting the object and the observer) is determined by the physical principle. Has one imperfection determined from

さらにドップラーレーダは、いわゆる能動的なリモー
トセンシングであるので送信電力によって距離に限界が
あり、一般に装置も大型になり航空機、船舶等を対象と
する場合は有力であるが、室内、工場等での簡易な測定
やミクロな対象物用の測定装置としては適当でなはい。
さらに、電磁波の照射が許されない対象物には使用でき
ない等々の欠点があった。また、写真等の画像の解析
(相関をとる)によって速度を求める方法もあるが、解
析が難しいため実時間の測定には向かず、高速の運動は
測れない等の欠点があるため、一般的な方法としては用
いられていない。
In addition, the Doppler radar is a so-called active remote sensing system, which has a limit on the distance due to the transmission power.In general, the size of the device is large, and it is effective when targeting aircraft, ships, and the like. It is not suitable for simple measurement or as a measuring device for micro objects.
In addition, there is a drawback that it cannot be used for an object that is not allowed to be irradiated with electromagnetic waves. There is also a method of obtaining a speed by analyzing (correlating) an image such as a photograph. However, it is difficult to perform analysis in real time and cannot measure high-speed motion. It is not used as an effective method.

一方、ドップラー効果を利用するものと異なり、視線
方向に直角な方向の速度を測定する方法として、空間周
波数を用いるものがある。従来、空間周波数を作る手段
として矩形波格子が用いられてきているが、後述の原理
の説明で明らかになるように、最大の効率が得られてい
なかった。
On the other hand, unlike the method using the Doppler effect, there is a method using a spatial frequency as a method for measuring the velocity in a direction perpendicular to the line of sight. Conventionally, a rectangular wave grating has been used as a means for generating a spatial frequency. However, as will be apparent from the description of the principle described later, the maximum efficiency has not been obtained.

(3)発明の目的 本発明は新しい手段によって物体の運動を測定するこ
とを目的とし、ドップラー効果を用いる技術で求まらな
い速度の指線方向に直角な成分を、従来の方法より高精
度で求めることを可能にするものである。
(3) Object of the Invention The object of the present invention is to measure the motion of an object by a new means, and it is possible to determine the component perpendicular to the finger line direction of the velocity that cannot be obtained by the technique using the Doppler effect with higher accuracy than the conventional method It is what makes it possible to ask for.

一つの空間周波数(周期パターン)を用いた場合の検
出光強度の時間変化に注目し、従来明らかにされている
「時間周波数は、用いる周期パターンの空間周波数と物
体の速度の積に比例する」という原理に加えて、「振幅
は対象物の空間的な強度分布のフーリエ変換の一つの
(用いる周期パターンの)空間周波数成分に相当する」
という新しい原理的な事実の発見に基づき、従来の矩形
波周期パターンを使用するよりも正弦波周期パターンを
使用する方が大きな振幅が得られるという新しい発想を
用いているのが本発明の特徴である。
Focusing on the time change of the detected light intensity when one spatial frequency (periodic pattern) is used, it has been clarified that "the time frequency is proportional to the product of the spatial frequency of the periodic pattern used and the speed of the object." In addition to the principle, "amplitude corresponds to one spatial frequency component (of the periodic pattern used) of the Fourier transform of the spatial intensity distribution of the object"
Based on the discovery of a new fundamental fact, the feature of the present invention is to use a new idea that using a sine wave periodic pattern can obtain a larger amplitude than using a conventional square wave periodic pattern. is there.

(4)発明の原理の説明 第1図は本発明の物理的な原理の説明であって、1は
対象物の空間分布、2は空間に作る周期パターンであ
る。簡単のため1次元で検討する。対象物のx方向の空
間分布をF(x)、周期パターンを{a0+Re〔a exp(i
2πux)〕}とする。但し、a0は平均レベル、aは振
幅、Reは実数部の意味である。uが空間周波数で、パタ
ーンの波長λ(あるいはパターンの空間周期)の逆数と
して定義される。
(4) Description of the Principle of the Invention FIG. 1 is a description of the physical principle of the present invention, wherein 1 is a spatial distribution of an object, and 2 is a periodic pattern created in space. For simplicity, we will consider one dimension. The spatial distribution of the object in the x direction is F (x), and the periodic pattern is {a 0 + Re [a exp (i
2πux)]}. Here, a 0 is the average level, a is the amplitude, and Re is the real part. u is the spatial frequency and is defined as the reciprocal of the wavelength λ of the pattern (or the spatial period of the pattern).

対象物に固定された座標系をx、周期パターンに固定
(従って観測者に固定)された座標系をx'とする。いま
対象物が周期パターンに対してx方向に速度vで動いて
いるとすると、 x=x'−vt (2) である。計算を簡略化するため、以下複素数で数式を扱
う。検出される電磁波の強度Iは対象物の空間分布と周
期パターンの積となる(詳細は発明の作用の節で述べ
る)が、対象物が運動している場合はIは時間的に変化
し、時間変動成分をI(t)とすると、観測者に固定さ
れた座標系x'で次のように表すことができる(但し、時
間的に変動しない直流成分については後述する)。
The coordinate system fixed to the object is x, and the coordinate system fixed to the periodic pattern (and thus fixed to the observer) is x '. Assuming now that the object is moving at a velocity v in the x direction with respect to the periodic pattern, x = x′−vt (2) In order to simplify the calculation, formulas will be treated as complex numbers below. The intensity I of the detected electromagnetic wave is the product of the spatial distribution of the object and the periodic pattern (details will be described in the section of the operation of the invention), but when the object is moving, I changes with time, If the time-varying component is I (t), it can be expressed as follows in a coordinate system x ′ fixed to the observer (however, a DC component that does not vary with time will be described later).

I(t)=a F(x'−vt)exp(i2πux')dx' (3) (2)式を(3)式へ代入すると I(t)=a F(x)exp{i2πu(x+vt)}dx(4) が得られる。(4)式を変形すると I(t)=a〔F(x)exp(i2πux)dx〕exp(i2πuv
t) =aG(u)exp(i2πft) (5) 但し、 G(u)=F(x)exp(i2πux)dx (6) f=uv (7) G(u)はまさしくF(x)のフーリエ変換であること
に注目したい。
I (t) = aF (x′−vt) exp (i2πux ′) dx ′ (3) By substituting equation (2) into equation (3), I (t) = aF (x) exp) i2πu (x + vt )} Dx (4) is obtained. By transforming equation (4), I (t) = a [F (x) exp (i2πux) dx] exp (i2πuv
t) = aG (u) exp (i2πft) (5) where G (u) = F (x) exp (i2πux) dx (6) f = uv (7) G (u) is exactly the value of F (x) Note that it is a Fourier transform.

(5)式を見ると、検出強度I(t)は「振幅はF
(x)のフーリエ変換のu成分と定数aの積(aと1に
すればフーリエ成分に相当する)で、時間周波数fは空
間周波数uと対象物の速度vの積となる」のように時間
的に変動することが分る。いま波長λの波が速度vで進
む時の時間周波数f'は で表わされる。(1)、(7)、(8)式より明かに、 f=f' (9) (9)式はI(t)の変動の時間周波数は第1図2の周
期パターンが速度vで動く時に観測される時間周波数と
完全に等しくなることを示している。
Looking at equation (5), the detection intensity I (t) is expressed as “the amplitude is F
In the product of the u component of the Fourier transform of (x) and a constant a (where a and 1 correspond to the Fourier component), the temporal frequency f is the product of the spatial frequency u and the velocity v of the object. It can be seen that it fluctuates with time. Now, the time frequency f 'when the wave of wavelength λ advances at the speed v is Is represented by (1), (7) and (8), f = f '(9) (9) In the equation (9), the time frequency of the fluctuation of I (t) is such that the periodic pattern of FIG. It shows that it is completely equal to the time frequency sometimes observed.

例として、極端な場合のF(x)を考えてみる。F
(x)が点に近いような小さな物体の時はF(x)はデ
ルタ関数で表すことができ、 F(x)=δ(x) (10) となるが、デルタ関数のフーリエ変換は1であるので
(6)式は G(u)=δ(x)exp(i2πux)dx=1 (11) となる。逆にF(x)が完全に一様の時はF(x)は定
数で表され、その一様な分布を F(x)=b (12) とすると、一定値のフーリエ変換はデルタ関数となるの
で(6)式は G(u)=b exp(i2πux)dx =bδ(u)=0(∵u≠0) (13) となる。(11)式を(5)式へ代入すると、 I(t)=exp(i2πft) (14) 一方(13)式を(5)式へ代入すると、 I(t)=0 (15) (14)、(15)式は各々、点状の物体の時は振幅がa
(周期パターンの振幅に等しい)、周波数fの交流信号
が検出されるのに対して、一様な物体では交流信号は検
出されない(従って速度は不定となる)ことを示してい
る。
As an example, consider F (x) in the extreme case. F
When a small object such that (x) is close to a point, F (x) can be represented by a delta function, and F (x) = δ (x) (10), but the Fourier transform of the delta function is 1 Therefore, the expression (6) is given by G (u) = δ (x) exp (i2πux) dx = 1 (11) Conversely, when F (x) is completely uniform, F (x) is represented by a constant. If the uniform distribution is F (x) = b (12), the Fourier transform of a constant value is a delta function Equation (6) gives G (u) = bexp (i2πux) dx = bδ (u) = 0 (∵u ≠ 0) (13) By substituting equation (11) into equation (5), I (t) = exp (i2πft) (14) On the other hand, substituting equation (13) into equation (5), I (t) = 0 (15) (14) Equations (15) and (15) indicate that the amplitude is a for a point-like object.
This indicates that an AC signal having a frequency f is detected (equal to the amplitude of the periodic pattern), whereas an AC signal is not detected for a uniform object (the speed is indefinite).

一般の物体については、F(x)のフーリエ変換のu
成分G(u)は1より小さくなる(従って振幅はaより
小さくなる)ものの、空間周波数uが極端に大きな周期
パターンを使用しない限り、特殊な場合を除いてG
(u)は0とならないため必ず周波数fの交流信号が観
測され、速度vは として求まる。
For a general object, u of the Fourier transform of F (x)
Although the component G (u) is smaller than 1 (therefore, the amplitude is smaller than a), unless the spatial frequency u uses an extremely large periodic pattern, G (u) except for a special case.
Since (u) does not become 0, an AC signal of frequency f is always observed, and the speed v becomes Is obtained as

周期パターンの長さは無限にすることができず有限
(pとする)になるので、F(x)はp領域で定義され
ることになる。従って、周期パターンの領域pより大き
い物体が動いている時はF(x)は時間的に変化する故
(5)式におけるG(u)も変化する。即ち観測される
交流信号の振幅が時間と共に変わることになる。しか
し、周波数は速度が変わらない限り変化せず、周波数は
正確に測定できるので(16)式より速度が高精度で決定
できる。
Since the length of the periodic pattern cannot be made infinite but becomes finite (p), F (x) is defined in the p region. Therefore, when an object larger than the area p of the periodic pattern is moving, F (x) changes with time, so G (u) in the equation (5) also changes. That is, the amplitude of the observed AC signal changes with time. However, the frequency does not change as long as the speed does not change, and the frequency can be measured accurately, so that the speed can be determined with high accuracy from equation (16).

これまで周期パターンとして正弦波関数を想定して扱
ってきたが、必ずしも正弦波である必要は無く、都合の
良いことに周期関数であり正弦波に近いもの(例えば矩
形波)であればどんなものでも良いことがわかる。即ち
空間周波数uの成分が(主成分として)含まれていれば
よい。一般の周期パターンはa exp(i2πux)の代り
に、n次の高調波成分も含んだ で表される。(17)式を(4)、(5)式へ代入する
と、結果として検出光強度の交流成分I(t)は、anex
p(iπnux)の各々の成分に対してIn(t)が現れ、 In(t)=F(x)anexp(i2πnux+i2πnuvt)dx =anG(nu)exp(i2πnft) (19) となる。但し、G(nu)はF(x)のフーリエ変換のnu
成分である。(18)、(19)式は、検出光強度には時間
周波数fの基本波成分(n=1)及びその高調波成分が
重畳して現れることを示している。これは矩形波等の周
期パターンを用いた場合、光強度が高調波成分に分散し
てしまい、基本波成分のみ現れる正弦波周期パターンの
場合に比べて効率が悪くなることを意味している。速度
はこの基本周波数fを基に求めることができるが、上述
のような空間周波数uの基本波成分が周期パターンに主
成分として含まれているという条件 a1≫a2,a3,… (20) が満足されていれば、(19)式より|I1(t)|≫ |I2(t)|、|I3(t)|、…となり、周波数スペクト
ルも時間周波数fの基本波の成分が他の高調波成分より
十分大きくなるので、求め易くなる。
Until now, we have assumed a sine wave function as a periodic pattern. However, it is not always necessary to use a sine wave. But it turns out to be good. That is, it is sufficient that the component of the spatial frequency u is included (as a main component). The general periodic pattern includes the nth harmonic component instead of a exp (i2πux) It is represented by (17) Equation (4) and substituting into (5), the AC component of the detected light intensity as a result of I (t) is, a n ex
p Each component I n (t) appears respect of (iπnux), The I n (t) = F ( x) a n exp (i2πnux + i2πnuvt) dx = a n G (nu) exp (i2πnft) (19). Here, G (nu) is nu of the Fourier transform of F (x).
Component. Equations (18) and (19) indicate that the detected light intensity is superimposed with the fundamental component (n = 1) of the time frequency f and its higher harmonic component. This means that when a periodic pattern such as a rectangular wave is used, the light intensity is dispersed into harmonic components, and the efficiency is lower than in the case of a sine wave periodic pattern in which only the fundamental wave component appears. The velocity can be obtained based on the fundamental frequency f. The condition a 1 ≫a 2 , a 3 ,... ( 1 ) that the fundamental wave component of the spatial frequency u is included as a main component in the periodic pattern as described above. If (20) is satisfied, then | I 1 (t) | ≫ | I 2 (t) |, | I 3 (t) |,... From equation (19), and the frequency spectrum is also a fundamental wave of time frequency f. Becomes sufficiently larger than the other harmonic components, so that it becomes easier to obtain.

すなわち、従来の空間周波数形速度測定に用いられて
いた矩形波周期パターンでは光強度が高調波成分に分散
してしまうが、検出光強度信号に基本波成分のみが現れ
る正弦波周期パターンを用いた場合には、光検出効率を
上げて高いS/N比を得ることができので、時間周波数f
を高精度に求めることが可能となる。これにより、f/u
として得られる速度vも、正弦波周期パターンを用いた
場合の方が、矩形波周期パターンを用いた場合よりも高
精度に求められるのである。
In other words, in the rectangular wave period pattern used in the conventional spatial frequency form velocity measurement, the light intensity is dispersed into harmonic components, but a sine wave period pattern in which only the fundamental wave component appears in the detected light intensity signal is used. In such a case, a high S / N ratio can be obtained by increasing the light detection efficiency.
Can be obtained with high accuracy. This gives f / u
Is obtained with higher accuracy when the sine wave periodic pattern is used than when the rectangular wave periodic pattern is used.

さて、今まで残してきた直流信号成分の強度をI0とす
ると、I0はa exp(i2πux)の代わりにa0を(4)式へ
代入して、 I0=a0F(x)dx (21) となる。信号強度Iは直流成分と交流成分の和であるか
ら、 I=I0+I(t) (22) である。しかし、直流成分I0は物体の運動に関係なく現
れるので、速度の測定には役立たない。
Now, assuming that the intensity of the DC signal component remaining until now is I 0 , I 0 is obtained by substituting a 0 into equation (4) instead of a exp (i2πux), and I 0 = a 0 F (x) dx (21). Since the signal intensity I is the sum of the DC component and the AC component, I = I 0 + I (t) (22) However, the DC component I 0 is so appears regardless motion of the object, not useful for the measurement of speed.

(5)発明の構成及び作用の説明 第2図及び第3図は各々本発明の能動的手段と受動
的手段による実施例である。第2図の1は送信アンテナ
(光の場合はレンズ、望遠鏡等の光学系)、2は周期パ
ターンマスク、3は送信(照射)電磁波である。第3図
の1は受信(受光)電磁波、2は受信アンテナ(光の場
合はレンズ、望遠鏡等の光学系)、3は透過周期格子、
4は検出器である。
(5) Description of Configuration and Operation of the Invention FIGS. 2 and 3 show an embodiment of the present invention using active means and passive means, respectively. In FIG. 2, 1 is a transmitting antenna (optical system such as a lens and a telescope in the case of light), 2 is a periodic pattern mask, and 3 is a transmitting (irradiating) electromagnetic wave. In FIG. 3, 1 is a receiving (receiving) electromagnetic wave, 2 is a receiving antenna (in the case of light, a lens, an optical system such as a telescope), 3 is a transmission periodic grating,
4 is a detector.

能動的手段による実施の場合は、第2図のようにア
ンテナ1の前に一定の周期パターンをもったマスク2を
置き(あるいはアンテナをアレイ型にしてもよい)、送
信(照射)電磁波ビーム3を空間的に変調して周期パタ
ーンをもたせて発射する。すると物体空間に同等の周期
パターンが発生する。特に光の場合には3の電磁波ビー
ムの拡り角を自由に変えることができ、近距離の場合
は、レーザ光を用いて近似的にマスクと同じパターンを
物体空間に容易に作ることができる。但し、無限遠相当
の距離ではフラウンホーファーの回析パターン(マスク
のパターンのフーリエ変換になる)となりパターンがか
なり変ることに注意すべきである。いずれにしても一つ
の空間周波数(uとする)をもった周期パターンが物体
空間にできる。空間的にパターンをもったこの電磁波の
運動物体からの反射光を検出すれば時間周波数fの交流
信号が現れるので、前述の原理によってf(スペクトル
アナライザ等で測定)より速度が求まる。この場合、物
体の空間分布F(x)として反射率分布を、周期パター
ンとして電磁波強度パターンを各々用いればよい。第2
図のような周期パターンマスクを用いる代りに、2個の
コヒーレントなビームの干渉によっても周期パターンを
作ることができる。
In the case of implementation by active means, a mask 2 having a fixed periodic pattern is placed in front of the antenna 1 (or the antenna may be an array type) as shown in FIG. Is spatially modulated and emitted with a periodic pattern. Then, an equivalent periodic pattern is generated in the object space. In particular, in the case of light, the divergence angle of the three electromagnetic wave beams can be freely changed, and in the case of a short distance, the same pattern as the mask can be easily formed in the object space using a laser beam. . However, it should be noted that, at a distance equivalent to infinity, the pattern becomes a Fraunhofer diffraction pattern (which becomes a Fourier transform of the mask pattern), and the pattern changes considerably. In any case, a periodic pattern having one spatial frequency (referred to as u) can be formed in the object space. If the reflected light of the electromagnetic wave having a spatial pattern from the moving object is detected, an AC signal having a time frequency f appears. Therefore, the speed is obtained from f (measured by a spectrum analyzer or the like) according to the principle described above. In this case, the reflectance distribution may be used as the spatial distribution F (x) of the object, and the electromagnetic wave intensity pattern may be used as the periodic pattern. Second
Instead of using a periodic pattern mask as shown in the figure, a periodic pattern can also be created by interference of two coherent beams.

受動的手段による実施の場合は、対象物から放射さ
れる電磁波、即ち太陽光等の反射又は対象物自身が出す
輻射、を利用するもので、先ず第2図に示すように入射
電磁波1をアンテナ2で集光する。焦点面(正しくは結
像面;対象物の距離によって集光点が変わる)に置かれ
た透過周期格子3を通して4で検出するが、イメージ空
間に周期パターンを作ることは物体空間に周期パターン
を作ることと物理的に全く等価であるので、この場合も
同様にして前述の原理により物体の運動を測定できる。
但し、物体の空間分布F(x)として放射強度の分布
を、周期パターンとして格子の透過率パターンを各々用
いればよい。透過周期格子としては正弦波格子が最適で
あるが、これに代わるものとして矩形波スリット格子が
最適である。透過同期格子を用いる代りに、検出器その
ものを周期パターンと同じアレイ型にしても等価であ
る。
In the case of implementation by passive means, an electromagnetic wave radiated from an object, that is, reflection of sunlight or radiation emitted by the object itself is used. First, as shown in FIG. Light is collected at 2. A periodic pattern is detected in 4 through a transmission periodic grating 3 placed on a focal plane (correctly, an image forming plane; the focal point changes depending on the distance to the object). Since it is physically equivalent to making the object, the motion of the object can be measured in the same manner according to the principle described above.
However, the distribution of the radiation intensity may be used as the spatial distribution F (x) of the object, and the transmittance pattern of the grating may be used as the periodic pattern. A sine-wave grating is optimal as the transmission periodic grating, but a rectangular-wave slit grating is the optimal alternative. Instead of using the transmission synchronization grating, it is equivalent that the detector itself has the same array type as the periodic pattern.

対象物からの放射が無い時は、で述べた能動的な
手段か、あるいは代りに一様(空間的にも時間的にも一
様)な人工光を照射してやり、での手段を用いること
もできる。
When there is no radiation from the object, the active means described in the above, or alternatively, a uniform (spatially and temporally uniform) artificial light is used, and the means in the above may be used. it can.

対象物までの距離をRとすると、空間周波数uはR
が有限の時は単位距離当りの数(例cycle/cm)、Rが無
限遠相当の時は単位視野角当り(例cycle/rad)で定義
される。いずれの場合も幾何学的に簡単に実際の物体空
間でのuを計算できる。v=f/uとして求まった速度
は、各々の場合に応じて例えばcm/sec及びrad/secの単
位として求まる。
Assuming that the distance to the object is R, the spatial frequency u is R
Is defined as the number per unit distance (eg, cycle / cm) when R is finite, and defined per unit viewing angle (eg, cycle / rad) when R is equivalent to infinity. In each case, u in the actual object space can be easily calculated geometrically. The speed determined as v = f / u is determined in units of, for example, cm / sec and rad / sec according to each case.

対象物が動くことと、観測者が動くことは等価であ
るので静止した対象物を用いれば逆に観測者の運動を測
定できる。互いに運動しているときには相対速度が求ま
る。
Since the movement of the object and the movement of the observer are equivalent, the movement of the observer can be measured by using a stationary object. When they are moving with each other, the relative speed is obtained.

前述(原理の説明)のように対象物が一様の時は、
交流信号は現れない。従って、時間周波数fもスペクト
ルとして現れない。このことを利用したり、複数個のu
を用いたりすることによって対象物の形状も推定でき
る。大きさは信号の継続時間から推定できる。これらは
特に撮像不可能の超高速の物体・物質に対しては有効で
ある。
As mentioned above (explanation of principle), when the object is uniform,
No AC signal appears. Therefore, the time frequency f does not appear as a spectrum. To take advantage of this, multiple u
Or the like, the shape of the target object can also be estimated. The magnitude can be estimated from the duration of the signal. These are particularly effective for ultra-high-speed objects and substances that cannot be imaged.

一般に、uが大きい程速度の測定精度は高くなるが
逆に信号強度は小さくなる(G(u)が小さくなる)の
で、各々の場合に応じて適当なuを選ぶべきである。
In general, the larger the value of u, the higher the speed measurement accuracy, but the smaller the signal strength (the smaller G (u)). Therefore, an appropriate u should be selected according to each case.

一つの周期パターンを用いてその軸方法(パターン
の続く方向に定義され光学軸あるいは視線方向と直角)
の速度成分を求めることができる。この速度成分が今ま
で1次元で速度vとして扱ってきたものである。これを
v1と定義し直し、3次元空間での物体の運動の方向と周
期パターンの軸方向のなす角度をθとすると、物体の速
度vは v=v1/cosθ (23) である。ドップラーレーダとは対象的に、θが小さい程
(横方向から物体の運動を観測した方が)高い精度が得
られる。
Using one periodic pattern, the axis method (defined in the direction that follows the pattern and perpendicular to the optical axis or line of sight)
Can be obtained. This velocity component has been treated as velocity v in one dimension. this
v 1 and redefined, if the angle of the axial movement direction and the periodic pattern of the object in three-dimensional space and theta, velocity v of the object is v = v 1 / cosθ (23 ). In contrast to the Doppler radar, the smaller θ is, the higher the accuracy is obtained (observing the motion of the object from the lateral direction).

(6)効果の説明 以上のように本発明による電磁波計測システムを用い
れば、対象物の視線方向に直角な方向の運動を高精度に
測定することができる。能動的手段、受動的手段どちら
でも実施可能である。さらに、ドップラー効果を利用し
た速度測定が視線方向の成分を測定するのに対して、本
方式は視線方向に直角な成分を測定するので、相補的な
役割を果たすことができる。
(6) Description of Effect As described above, the use of the electromagnetic wave measurement system according to the present invention enables highly accurate measurement of the movement of the target object in the direction perpendicular to the line of sight. Both active and passive means can be implemented. Furthermore, while the velocity measurement using the Doppler effect measures the component in the direction of the line of sight, the present method measures a component perpendicular to the direction of the line of sight, so that it can play a complementary role.

本発明の適用範囲は広く、実験室・工場等でのマクロ
な物体・物質の運動の測定(並進、回転ともに可)、室
内でのミクロな物質の運動測定、地上・海上、空中・宇
宙の物体・物質の運動測定に利用できる。特に、従来の
能動的手段としてのレーダーが利用できない場合や能動
的な電磁波照射が許されない特殊な対象物の運動測定に
対する本発明の受動的な手段の効果は大きい。運動測定
は、外部から物体を観測することもできるし、逆に運動
物体に本システムを乗せて静止物体(例えば地表)を観
測して行うこともできる。運動測定の他に形状の推定も
できることも特徴である。
The present invention is applicable to a wide range of applications, such as measurement of the motion of macro objects and materials in laboratories and factories (both translation and rotation are possible), measurement of the motion of micro materials in rooms, ground / sea, air / space It can be used to measure the movement of objects and substances. In particular, the passive means according to the present invention has a great effect on the measurement of the motion of a special object in which the radar as the conventional active means cannot be used or the active electromagnetic wave irradiation is not allowed. The motion measurement can be performed by observing an object from the outside, or conversely, by mounting the present system on a moving object and observing a stationary object (for example, the ground surface). Another feature is that the shape can be estimated in addition to the motion measurement.

本発明は光領域を中心とする幅広い電磁波領域で適用
できる。
The present invention can be applied to a wide electromagnetic wave region centered on a light region.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の原理の説明図、第2図、第3図は各々
本発明の能動的、受動的手段による実施装置の概念図で
ある。 第1図については、1……対象物の空間分布、2……周
期パターン(能動的手段、受動的手段に対応して各々物
体空間あるいはイメージ空間に作られる)である。 第2図については、1……送信アンテナ(光の場合はレ
ンズ、望遠鏡等の光学系)、2……周期パターンマス
ク、3……放射(照射)電磁波である。 第3図については、1……入射電磁波、2……受信アン
テナ(光の場合はレンズ、望遠鏡等の光学系)、3……
透過周期格子、4……電磁波検出器(電子管又は半導
体)である。
FIG. 1 is an explanatory view of the principle of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are conceptual diagrams of an embodiment of the present invention using active and passive means. FIG. 1 shows the spatial distribution of an object 1... 2... A periodic pattern (formed in an object space or an image space corresponding to an active means and a passive means, respectively). In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a transmitting antenna (in the case of light, an optical system such as a lens or a telescope); 2... A periodic pattern mask; 3. As shown in FIG. 3, 1... Incident electromagnetic wave, 2... Receiving antenna (in the case of light, a lens, an optical system such as a telescope), 3.
The transmission periodic grating, 4... Are electromagnetic wave detectors (electron tubes or semiconductors).

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ビーム内強度が正弦波周期パターンを有す
る電磁波ビームを測定対象空間に放射することによっ
て、正弦波周期パターンを測定対象空間に作り出し、測
定対象空間内の測定対象物からの反射電磁波を検出し、
該反射電磁波の電磁波強度の時間変化の周波数から測定
対象物の運動を測定するようにしたことを特徴とする空
間周波数を利用した物体の高精度運動測定方法。
An electromagnetic wave beam having an in-beam intensity having a sine wave periodic pattern is radiated into a measurement target space to create a sine wave periodic pattern in the measurement target space, and reflected electromagnetic waves from the measurement target in the measurement target space. To detect
A high-precision object motion measurement method using a spatial frequency, wherein a motion of a measurement object is measured from a frequency of a time change of the intensity of the reflected electromagnetic wave.
【請求項2】測定対象空間を経た電磁波を検出する電磁
波検出系の焦点面付近に正弦波の透過周期格子を配置す
ることで、透過周期格子を通過した正弦波周期パターン
を取得可能とし、測定対象空間を通過する対象物からの
電磁波を検出し、該電磁波の電磁波強度の時間変化の周
波数から測定対象物の運動を測定するようにしたことを
特徴とする空間周波数を利用した物体の高精度運動測定
方法。
2. A sine wave transmission periodic grid is arranged near a focal plane of an electromagnetic wave detection system that detects an electromagnetic wave passing through a measurement target space, so that a sine wave periodic pattern passing through the transmission periodic grid can be obtained. Detects electromagnetic waves from an object passing through the object space, and measures the motion of the object to be measured from the frequency of the time change of the electromagnetic wave intensity of the electromagnetic waves. Exercise measurement method.
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