KR20130093521A - 거리 측정 장치 및 거리 측정 방법 - Google Patents

거리 측정 장치 및 거리 측정 방법 Download PDF

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Abstract

거리 측정 장치는, 기준 신호를 발생시키는 제1 펄스 발생부(135)와, 대상물 검출 신호를 발생시키는 제2 펄스 발생부(137)와, 제1 펄스의 발생 시각부터 제2 펄스의 발생 시각까지의 시간을 측정하는 시간 측정부(139)와, 제1 주파수의 신호를 사용하여 수신된 신호의 제1 위상을 검출하는 제1 위상 검출부(141)와, 제2 주파수의 신호를 사용하여 수신된 신호의 제2 위상을 검출하는 제2 위상 검출부(163)와, 상기 시간 측정부, 제1 위상 검출부 및 제2 위상 검출부의 출력으로부터, 상기 대상물까지의 거리를 연산하는 거리 연산부(165)를 포함한다.

Description

거리 측정 장치 및 거리 측정 방법{DISTANCE MEASURING APPARATUS AND DISTANCE MEASURING METHOD}
본 발명은 측정 대상물까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치 및 거리 측정 방법에 관한 것이다.
WO2009/050831A1은, 측정 대상물까지의 거리를 측정하기 위해, 대상물에 대하여 전자파(예컨대, 마이크로파)의 신호를 송신하고, 대상물에서 반사된 신호를 수신하여, 전자파가 대상물까지 왕복하는 시간을 측정하며, 또한 그 사이의 위상의 변화(위상차)를 검출하고, 상기 시간을 사용하여 대략 거리 측정을 실시하며, 상기 위상차를 사용하여 정밀 거리 측정을 실시하고, 이들을 조합하여 최종적인 거리 측정값을 구하는 거리 측정 장치를 개시하고 있다. 상기 장치에 따르면, 시간을 사용한 대략 거리 측정과 위상차를 사용한 정밀 거리 측정을 조합하기 때문에, 넓은 레인지에 걸쳐, 비교적 높은 정밀도의 거리 측정을 실시할 수 있다.
그러나, 상기 장치에 있어서, 후술하는 바와 같이 위상차의 검출에 의한 정밀 거리 측정의 정밀도는 시간을 사용한 대략 거리 측정의 정밀도에 제약되어 있었다.
따라서, 시간을 사용한 대략 거리 측정의 정밀도의 제약을 받지 않는 거리 측정 장치 및 거리 측정 방법에 대한 요구가 있다.
본 발명에 따른 거리 측정 장치는, 클록 주파수를 f1로 하는 제1 의사 랜덤 신호를 발생시키는 제1 의사 랜덤 신호 발생부와, 제1 의사 랜덤 신호와 동일 패턴이며, 상기 클록 주파수(f1)보다 근소한 주파수만큼 낮은 f2를 클록 주파수로 하는 제2 의사 랜덤 신호를 발생시키는 제2 의사 랜덤 신호 발생부와, 제1 의사 랜덤 신호와 제2 의사 랜덤 신호를 곱셈하는 제1 곱셈기와, 제1 주파수의 반송파를 발생시키는 제1 반송파 발생부와, 제1 의사 랜덤 신호에 의해 제1 주파수의 반송파를 변조하는 제1 변조부와, 변조된 제1 주파수의 반송파를 제1 주파수의 변조 송신 신호로서 대상물을 향하여 송신하는 제1 송신부와, 상기 대상물로부터 반사된 제1 주파수의 변조 송신 신호를 제1 주파수의 수신 신호로서 수신하는 제1 수신부와, 제1 주파수의 변조 수신 신호를 구하도록 제1 주파수의 수신 신호와 제2 의사 랜덤 신호를 곱셈하는 제2 곱셈기와, 제1 주파수의 반송파의 일부를 입력으로 하며, 서로 위상이 직교하는 2 성분인 제1 I 신호와 제1 Q 신호를 출력하는 제1 하이브리드 결합기와, 제2 곱셈기의 출력 신호와 제1 I 신호를 곱셈하는 제3 곱셈기와, 제2 곱셈기의 출력 신호와 제1 Q 신호를 곱셈하는 제4 곱셈기와, 제1 곱셈기의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제1 로우 패스 필터와, 제3 곱셈기의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제2 로우 패스 필터와, 제4 곱셈기의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제3 로우 패스 필터와, 제2 및 제3 로우 패스 필터의 출력 신호를 각각 개별로 제곱 연산하는 제1 및 제2 제곱기와, 제1 및 제2 제곱기의 출력 신호를 가산하는 가산기와, 제1 로우 패스 필터의 출력 신호의 최대 진폭값을 검출하였을 때에 제1 펄스를 발생시키는 제1 펄스 발생부와, 상기 가산기의 출력 신호의 최대 진폭값을 검출하였을 때에 제2 펄스를 발생시키는 제2 펄스 발생부와, 제1 펄스의 발생 시각부터 제2 펄스의 발생 시각까지의 시간을 측정하는 시간 측정부를 구비한다.
본 발명에 따른 거리 측정 장치는, 제2 및 제3 로우 패스 필터의 출력으로부터, 제1 주파수의 변조 수신 신호의 위상을 검출하는 제1 위상 검출부와, 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수의 반송파를 발생시키는 제2 반송파 발생부와, 제1 의사 랜덤 신호에 의해 제2 주파수의 반송파를 변조하는 제2 변조부와, 변조된 제2 주파수의 반송파를 제2 주파수의 변조 송신 신호로서 대상물을 향하여 송신하는 제2 송신부와, 상기 대상물로부터 반사된 제2 주파수의 변조 송신 신호를 제2 주파수의 수신 신호로서 수신하는 제2 수신부와, 제2 주파수의 변조 수신 신호를 구하도록 제2 주파수의 수신 신호와 제2 의사 랜덤 신호를 곱셈하는 제5 곱셈기와, 제2 주파수의 반송파의 일부를 입력으로 하며, 서로 위상이 직교하는 2 성분인 제2 I 신호와 제2 Q 신호를 출력하는 제2 하이브리드 결합기와, 제5 곱셈기의 출력 신호와 제2 I 신호를 곱셈하는 제6 곱셈기와, 제5 곱셈기의 출력 신호와 제2 Q 신호를 곱셈하는 제7 곱셈기와, 제6 곱셈기의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제4 로우 패스 필터와, 제7 곱셈기의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제5 로우 패스 필터와, 제4 및 제5 로우 패스 필터의 출력으로부터, 제2 주파수의 변조 수신 신호의 위상을 검출하는 제2 위상 검출부와, 상기 시간 측정부, 제1 위상 검출부 및 제2 위상 검출부의 출력으로부터, 상기 대상물까지의 거리를 연산하는 거리 연산부를 더 구비한다.
본 발명에 따른 거리 측정 장치는, 제1 주파수의 변조 수신 신호의 위상을 검출하는 제1 위상 검출부 외에, 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수의 변조 수신 신호의 위상을 검출하는 제2 위상 검출부를 구비하기 때문에, 2 이상의 파장의 전자파를 사용한 위상 검출을 실시할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 거리 측정 장치는 시간 측정부의 측정 정밀도의 제약을 받는 일없이, 고정밀도의 거리 측정을 실시할 수 있다.
본 발명에 따른 거리 측정 방법은, 클록 주파수를 f1로 하는 제1 의사 랜덤 신호, 및 제1 의사 랜덤 신호와 동일 패턴이며, 상기 클록 주파수(f1)보다 근소한 주파수만큼 낮은 f2를 클록 주파수로 하는 제2 의사 랜덤 신호를 발생시키는 단계와, 제1 주파수의 반송파를 제1 의사 랜덤 신호에 의해 변조한 제1 주파수의 변조 송신 신호 및 제1 주파수보다 낮은 제2 반송파를 제1 의사 랜덤 신호에 의해 변조한 제2 주파수의 변조 송신 신호를 대상물을 향하여 송신하는 단계와, 상기 대상물로부터 반사된 제1 및 제2 주파수의 변조 송신 신호를 제1 및 제2 주파수의 수신 신호로서 수신하는 단계와, 수신된 제1 및 제2 주파수의 수신 신호와 제2 의사 랜덤 신호를 곱셈하여 제1 및 제2 주파수의 변조 수신 신호를 구하는 단계와, 제1 및 제2 주파수의 변조 수신 신호와, 제1 및 제2 주파수의 반송파의, 서로 위상이 직교하는 2 성분인 제 I 신호 및 Q 신호를 곱셈하여, 제1 및 제2 주파수의 변조 수신 신호의 I 성분 및 Q 성분을 구하는 단계와, 제1 주파수의 변조 수신 신호의 I 성분 및 Q 성분의, 제곱합 신호를 구하는 단계와, 제1 의사 랜덤 신호 및 제2 의사 랜덤 신호의 곱셈값의 피크값이 검출된 시각부터 상기 제곱합 신호의 피크값이 검출된 시각까지의 시간으로부터, 상기 대상물까지의 대략 거리 측정값을 구하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 거리 측정 방법은, 제1 및 제2 주파수의 변조 수신 신호의 I 성분 및 Q 성분으로부터, 제1 및 제2 주파수의 변조 수신 신호의 제1 및 제2 위상 측정값을 구하는 단계와, 기준 거리, 미리 구한 상기 기준 거리에 대응하는 제2 주파수의 변조 신호의 제2 기준 위상 측정값, 및 제2 위상 측정값으로부터 구한 제2 그룹의 복수의 정밀 거리 후보값 중, 상기 대략 거리 측정값에 가장 가까운 정밀 거리 후보값을 대표값으로 하는 단계와, 상기 기준 거리, 미리 구한 상기 기준 거리에 대응하는 제1 주파수의 변조 신호의 제1 기준 위상 측정값, 및 제1 위상 측정값으로부터 구한 제1 그룹의 복수의 정밀 거리 후보값 중, 상기 대표값에 가장 가까운 정밀 거리 후보값을 거리 측정값으로 하는 단계를 더 포함한다. 또한, 위상에 의한 정밀 거리 측정에 사용되는 복수의 주파수의 신호에 관하여, 가장 낮은 주파수에 대응하는 가장 긴 파장의 1/4이 대략 거리 측정의 정밀도보다 커지도록 설정하고, 인접하는 2 주파수 중 높은 쪽의 주파수에 대응하는 파장의 1/4이 인접하는 2 주파수 중 낮은 쪽의 주파수의 신호를 사용한 위상 측정에 의한 거리 측정 정밀도보다 커지도록 설정한다.
본 발명에 따른 거리 측정 방법은, 전술한 바와 같이, 위상에 의한 정밀 거리 측정에 복수의 주파수의 신호를 사용하고, 이들 복수의 주파수의 신호에 관하여, 가장 낮은 주파수에 대응하는 가장 긴 파장의 1/4이 대략 거리 측정의 정밀도보다 커지도록 설정하며, 인접하는 2 주파수 중 높은 쪽의 주파수에 대응하는 파장의 1/4이 인접하는 2 주파수 중 낮은 쪽의 주파수의 신호를 사용한 위상 측정에 의한 거리 측정 정밀도보다 커지도록 설정한다.
따라서, 본 발명에 따른 거리 측정 방법에 의하면, 대략 거리 측정의 정밀도의 제약을 받는 일없이, 보다 고정밀도의 거리 측정을 실현할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 거리 측정 방법에 있어서는, 제1 및 제2 주파수의 변조 송신 신호를 포함하는, 주파수가 상이한 3 이상의 주파수의 송신 신호를 사용하여, 제1 및 제2 그룹을 포함하는 3 이상의 그룹의 정밀 거리 후보값으로부터 거리 측정값이 정해진다.
본 실시형태에 따른 거리 측정 방법에 있어서는, 위상에 의한 정밀 거리 측정에 3 이상의 상이한 주파수의 신호를 사용하며, 이들 3 이상의 상이한 주파수의 신호에 관하여, 가장 낮은 주파수에 대응하는 가장 긴 파장의 1/4이 대략 거리 측정의 정밀도보다 커지도록 설정하고, 인접하는 2 주파수 중 높은 쪽의 주파수에 대응하는 파장의 1/4이 인접하는 2 주파수 중 낮은 쪽의 주파수의 신호를 사용한 위상 측정에 의한 거리 측정 정밀도보다 커지도록 설정한다.
따라서, 본 실시형태에 따른 거리 측정 방법에 의하면, 3 이상의 주파수의 신호를 사용함으로써, 2종류의 주파수의 신호를 사용하는 경우보다 더욱 정밀도 높은 거리 측정을 실현할 수 있다.
도 1은 제1 의사 랜덤 신호와 제2 의사 랜덤 신호의 상관을 취하여 얻어지는 기준 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 대상물 검출 신호와 기준 신호의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 거리 측정 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 거리 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 거리 측정 방법에 의한 측정 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 거리 측정 장치는, 대상물에 대하여 전자파(예컨대, 마이크로파)의 신호를 송신하고, 대상물에서 반사된 신호를 수신하여, 전자파가 대상물까지 왕복하는 시간을 측정하며, 또한 그 사이의 위상의 변화(위상차)를 검출하고, 상기 시간을 사용하여 대략 거리 측정을 실시하며, 상기 위상차를 사용하여 정밀 거리 측정을 실시하고, 이들을 조합하여 최종적인 거리 측정값을 구하는 장치이다.
먼저, 시간에 의한 거리 측정의 원리를 설명한다.
제1 의사 랜덤 신호의 클록 주파수를 f1, 제2 의사 랜덤 신호의 클록 주파수를 f2로 하고, 각 의사 랜덤 신호의 반복 패턴은 동일하게 한다. 여기서, f1>f2로 한다.
송신되는 제1 의사 랜덤 신호와 제2 의사 랜덤 신호의 상관을 취하여 얻어지는 기준 신호가 최대값이 되는 주기를 TB라고 하면, 이 TB 사이에 포함되는 제1 의사 랜덤 신호와 제2 의사 랜덤 신호의 파수의 차가 정확히 제1 및 제2 의사 랜덤 신호의 반복 패턴의 1주기의 파수(N)가 된다.
즉,
TB·f1=TB·f2+N
이다. 상기를 정리하면 TB는 다음 식으로 주어진다.
TB=N/(f1-f2) (1)
즉, 2개의 클록 주파수의 차가 작을수록, 기준 신호가 최대값이 되는 주기(TB)는 커진다.
구체적으로, 제1 및 제2 의사 랜덤 신호를 동일 반복 패턴의 7 비트의 M계열 신호(M1 및 M2)로 한다. 제1 및 제2 의사 랜덤 신호의 반복 패턴의 1주기의 파수(N)는 27-1=127이다. f1=100.004 ㎒ , f2=99.996 ㎒라고 하면, TB=15.875 ㎳가 된다.
도 1은 제1 의사 랜덤 신호와 제2 의사 랜덤 신호의 상관을 취하여 얻어지는 기준 신호를 설명하기 위한 도면이다. 도 1의 (a)는 제1 의사 랜덤 신호와 제2 의사 랜덤 신호의 상관을 취한 결과의 신호를 나타내는 도면이다. 도 1의 (a)의 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 신호의 크기를 나타낸다. 구체적으로, 종축의 값의 +E는 두 신호의 상관이 1인 것, 즉 두 신호가 같은 것을 나타내고, 종축의 값의 -E는 두 신호의 상관이 0인, 즉 두 신호가 상이한 것을 나타낸다. 도 1의 (a)의 R1로 나타내는 시간 영역에 있어서, 두 신호의 위상은 일치하지 않기 때문에, 두 신호의 상관은 랜덤으로 0 또는 1이 된다. 도 1의 (a)의 R2로 나타내는 시간 영역에 있어서, 두 신호의 위상이 일치하기 때문에, 두 신호의 상관은 일정 시간에 걸쳐 1이 된다. 도 1의 (b)는 도 1의 (a)에 나타내는 신호를 로우 패스 필터에 통과시킨 결과의 신호를 나타내는 도면이다. 이 신호가 기준 신호이다. 도 1의 (a)의 R1로 나타내는 시간 영역에 대응하는 도 1의 (b)의 영역에 있어서 기준 신호는 0이지만, 도 1의 (a)의 R2로 나타내는 시간 영역에 대응하는 도 1의 (b)의 영역에 있어서 기준 신호는 최대값을 나타낸다.
다음에, 거리 측정 장치에 있어서, 제1 의사 랜덤 신호에 의해 변조된 송신 신호가 대상물에 송신되고, 대상물에서 반사되어, 수신 신호로서 수신되기까지의 전파 시간을 τ로 한다. 이 수신 신호를 제2 의사 랜덤 신호에 의해 복조하여, 코히어런트 검파로 얻어지는 대상물 검출 신호의 펄스형 신호가 발생하는 시각을 기준 신호의 펄스형 신호 발생 시각으로부터 계측한 시간차를 TD라고 하면, TD 사이에 발생하는 제2 의사 랜덤 신호의 파수는 TD 사이에 발생하는 제1 의사 랜덤 신호의 파수보다, τ 시간에 발생하는 제1 의사 랜덤 신호의 파수만큼 적기 때문에, 다음 식이 성립한다.
TD·f2=TD·f1-τ·f1
상기 식을 정리하면 TD는 다음 식으로 주어진다.
TD=τ·f1/(f1-f2) (2)
즉, 전파 시간(τ)은 f1/(f1-f2)배만큼 시간적으로 확대되고, 혹은 저속화된 TD로서 계측된다. 이 계측 시간이 확대됨으로써, 본 발명은 본질적으로 단거리 측정에 적합한 거리 측정 장치라고 할 수 있다.
구체적으로, f1=100.004 ㎒, f2=99.996 ㎒이기 때문에, 전파 시간(τ)은 12,500배로 확대되어 다음 식을 얻을 수 있다.
TD=12,500·τ (3)
시간(TD)은 상기 기준 신호의 주기(TB)마다 얻어진다.
도 2는 대상물 검출 신호와 기준 신호의 관계를 나타내는 도면이다. 기준 신호는 주기(TB)마다 발생한다. 대상물 검출 신호는 기준 신호로부터, 측정 장치 및 대상물 사이의 신호 전파 시간(τ)에 의해 정해지는 TD만큼 지연되어 발생한다.
여기서, 전파 시간(τ)은 반송파인 전자파의 전파 속도를 v, 거리 측정 장치로부터 대상물까지의 거리를 x라고 하면 τ=2x/v이기 때문에, 이 식을 식 (2)에 대입하여 다음 식을 얻을 수 있다.
x=(f1-f2)·v·TD/(2f1) (4)
따라서, 시간차(TD)를 측정하고, 그 측정값을 식 (4)에 대입함으로써, 거리(x)를 계산할 수 있다.
다음에, 위상에 의한 거리 측정의 원리를 설명한다.
거리 측정 장치로부터 대상물까지의 거리를 x, 송신 신호와 수신 신호의 위상차를 θ, 반송파인 전자파의 파장을 λ라고 하면, 다음 식이 성립한다.
Figure pct00001
이 식을 변형하여, 다음 식을 얻을 수 있다.
Figure pct00002
이와 같이 하여 위상차를 구함으로써, 거리 측정 장치로부터 대상물까지의 거리(x)를 구할 수 있다.
여기서, (-π, π) 사이의 위상차를 θ'로 나타내고, 양의 정수를 n으로 나타내면 다음 식을 얻을 수 있다.
Figure pct00003
통상의 방법으로 위상을 측정하는 경우에는, (-π, π) 사이의 위상차(θ')가 측정된다. (-π, π) 사이의 위상차(θ')를 측정하여도, 식 (5)로부터 거리의 절대값을 구할 수는 없다. 따라서, 일반적으로는, 대상물의 기준 위치를 정하고, 기준 위치에 대응하는 거리 및 위상을 구하여, (-π, π) 범위 내에서 기준 위치로부터의 위상차를 측정함으로써, 기준 위치로부터의 거리를 구하는 방법이 실시된다. 예컨대, 기준 위치에 대응하는 거리를 구하는 경우에, 전술한 시간에 의한 거리 측정이 실시된다.
상기 시간에 의한 거리 측정 및 위상에 의한 거리 측정은 공지의 방법이다. 본 발명의 특징적인 구성에 대해서는, 뒤에 상세하게 설명한다.
다음에, 본 발명의 일 실시형태에 따른 거리 측정 장치의 구성을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 거리 측정 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 거리 측정 장치는 4개의 부분, 부분(A), 부분(B), 부분(C) 및 부분(D)을 포함한다. 부분(A)은 대상물 검출 신호의 발생 시각과, 기준 신호의 발생 시각의 시간차(TD)를 구하는 부분이다. 부분(B)은 제1 주파수를 사용하여 위상을 검출하는 부분이다. 부분(C)은 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수의 반송파를 사용하여 위상을 검출하는 부분이다. 부분(D)은 부분(A), 부분(B) 및 부분(C)의 출력을 조합하여 거리 측정값을 구하는 부분이다.
부분(A)은, 기준 신호를 생성하는 부분과, 제1 주파수의 변조 송신 신호를 생성하는 부분과, 제1 주파수의 변조 수신 신호를 구하는 부분과, 대상물 검출 신호를 구하는 부분과, 대상물 검출 신호의 발생 시각과 기준 신호의 발생 시각의 시간차(TD)를 구하는 부분을 포함한다. 본 실시형태에 있어서, 제1 주파수는 10 ㎓이다. 시간차(TD)를 구하는 부분은 도 3의 시간 계측부(시간 측정부)(139)이다.
기준 신호를 생성하는 부분은 클록 주파수를 f1로 하는 제1 의사 랜덤 신호를 발생시키는 제1 의사 랜덤 신호 발생기(101)와, 제1 의사 랜덤 신호와 동일 패턴이며, 상기 클록 주파수(f1)보다 근소한 주파수만큼 낮은 f2를 클록 주파수로 하는 제2 의사 랜덤 신호를 발생시키는 제2 의사 랜덤 신호 발생기(103)와, 제1 의사 랜덤 신호와 제2 의사 랜덤 신호를 곱셈하는 제1 곱셈기(105)와, 제1 곱셈기의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제1 로우 패스 필터(123)와, 제1 로우 패스 필터(123)의 출력 신호의 최대 진폭값을 검출하였을 때에 제1 펄스를 발생시키는 제1 펄스 발생부(최대값 검출부)(135)를 포함한다. 상기 제1 펄스가 기준 신호이다(도 2).
제1 주파수의 변조 송신 신호를 생성하는 부분은, 제1 주파수(10 ㎓)의 반송파를 발생시키는 제1 반송파 발생기(107)와, 제1 반송파 발생기(107)의 출력을 분배하는 분배기(108)와, 제1 의사 랜덤 신호에 의해 제1 주파수의 반송파를 변조하는 제1 변조기(109)와, 변조된 제1 주파수의 반송파를 제1 주파수의 변조 송신 신호로서 대상물(O)을 향하여 송신하는 제1 송신기(111)를 포함한다. 제1 송신기는 제1 송신 안테나(T1)를 구비한다.
제1 주파수의 변조 수신 신호를 구하는 부분은 대상물(O)로부터 반사된 제1 주파수의 변조 송신 신호를 제1 주파수의 수신 신호로서 수신하는 제1 수신기(113)와, 제1 주파수의 변조 수신 신호를 구하도록 제1 주파수의 수신 신호와 제2 의사 랜덤 신호를 곱셈하는 제2 곱셈기(115)와, 제2 곱셈기(115)의 출력을 분배하는 분배기(120)를 포함한다. 제1 수신기(113)는 제1 수신 안테나(R1)를 구비한다.
대상물 검출 신호를 구하는 부분은, 제1 주파수의 반송파의 일부를 입력으로 하며, 서로 위상이 직교하는 2 성분인 제1 I 신호와 제1 Q 신호를 출력하는 제1 하이브리드 결합기(117)와, 제2 곱셈기(115)의 출력 신호와 제1 I 신호를 곱셈하는 제3 곱셈기(119)와, 제2 곱셈기(115)의 출력 신호와 제1 Q 신호를 곱셈하는 제4 곱셈기(121)와, 제3 곱셈기(119)의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제2 로우 패스 필터(125)와, 제4 곱셈기(121)의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제3 로우 패스 필터(127)와, 제2 로우 패스 필터(125)의 출력 신호를 제곱 연산하는 제1 제곱기(129)와, 제3 로우 패스 필터(127)의 출력 신호를 제곱 연산하는 제2 제곱기(131)와, 제1 및 제2 제곱기의 출력 신호를 가산하는 가산기(133)와, 가산기(133)의 출력 신호의 최대 진폭값을 검출하였을 때에 제2 펄스를 발생시키는 제2 펄스 발생부(최대값 검출부)(137)를 포함한다. 상기 제2 펄스가 대상물 검출 신호이다(도 2).
제1 주파수의 변조 수신 신호의 위상을 검출하는 부분인 부분(B)은 제1 위상 검출부(141)이다. 제1 위상 검출부(141)는 제2 로우 패스 필터(125)의 출력 신호를 감시하며, 시간
Figure pct00004
에 있어서의 최대값을 I'로 한다. 여기서,
Figure pct00005
는 반송파의 제1 주파수이다. 마찬가지로, 제3 로우 패스 필터(127)의 출력 신호를 감시하며, 동일한 시간에 있어서의 최대값을 Q'로 한다. 변조 수신 신호의 위상(θ)은 이하의 식에 의해 구해진다.
Figure pct00006
여기서, I' 및 Q'의 부호를 고려함으로써, -π 및 π 사이의 위상을 구할 수 있다.
부분(C)은, 제2 주파수의 변조 송신 신호를 생성하는 부분과, 제2 주파수의 변조 수신 신호를 구하는 부분과, 제2 주파수의 변조 수신 신호의 위상을 검출하는 부분을 포함한다. 본 실시형태에 있어서, 제2 주파수는 2 ㎓이다.
제2 주파수의 변조 송신 신호를 생성하는 부분은, 제2 주파수(2 ㎓)의 반송파를 발생시키는 제2 반송파 발생기(143)와, 제2 반송파 발생기(143)의 출력을 분배하는 분배기(144)와, 제1 의사 랜덤 신호에 의해 제2 주파수의 반송파를 변조하는 제2 변조기(145)와, 변조된 제2 주파수의 반송파를 제2 주파수의 변조 송신 신호로서 대상물을 향하여 송신하는 제2 송신기(147)를 포함한다. 제2 송신기(147)는 제2 송신 안테나(T2)를 구비한다.
제2 주파수의 변조 수신 신호를 구하는 부분은, 대상물로부터 반사된 제2 주파수의 변조 송신 신호를 제2 주파수의 수신 신호로서 수신하는 제2 수신기(149)와, 제2 주파수의 변조 수신 신호를 구하도록 제2 주파수의 수신 신호와 제2 의사 랜덤 신호를 곱셈하는 제5 곱셈기(151)와, 제5 곱셈기(151)의 출력을 분배하는 분배기(156)를 포함한다. 제2 수신기(149)는, 제2 수신 안테나(R2)를 구비하고 있다.
제2 주파수의 변조 수신 신호의 위상을 검출하는 부분은, 제2 주파수의 반송파의 일부를 입력으로 하며, 서로 위상이 직교하는 2 성분인 제2 I 신호와 제2 Q 신호를 출력하는 제2 하이브리드 결합기(153)와, 제5 곱셈기(151)의 출력 신호와 제2 I 신호를 곱셈하는 제6 곱셈기(155)와, 제5 곱셈기(151)의 출력 신호와 제2 Q 신호를 곱셈하는 제7 곱셈기(157)와, 제6 곱셈기(155)의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제4 로우 패스 필터(159)와, 제7 곱셈기(157)의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제5 로우 패스 필터(161)와, 제2 위상 검출부(163)를 포함한다.
제2 위상 검출부(163)는 제4 로우 패스 필터(159)의 출력 신호를 감시하며, 시간
Figure pct00007
에 있어서의 최대값을 I'로 한다. 여기서,
Figure pct00008
은 반송파의 제2 주파수이다. 마찬가지로, 제5 로우 패스 필터(161)의 출력 신호를 감시하며, 동일한 시간에 있어서의 최대값을 Q'로 한다. 변조 수신 신호의 위상(θ)은 이하의 식에 의해 구해진다.
Figure pct00009
여기서, I' 및 Q'의 부호를 고려함으로써, -π 및 π 사이의 위상을 구할 수 있다.
부분(A), 부분(B) 및 부분(C)의 출력을 조합하여 거리 측정값을 구하는 부분(D)은 거리 연산부(165)이다.
다음에, 본 발명의 일 실시형태에 따른 거리 측정 방법에 대해서 설명한다. 전술한 바와 같이, 거리 측정은 기준 신호의 주기(TB)마다 실시할 수 있다. 전술한 예에서는, TB=15.875 ㎳이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 거리 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
표 1은 본 실시형태의 거리 측정 방법을 설명하기 위한 수치예를 나타내는 표이다. 표 1에 있어서, 측정 IQ 값은 부분(A)에 의해 얻어진 시간차(TD)로부터 구하는 대략 거리 측정값에 상당한다. 측정 IQ 값은 여러가지 요인에 의한 측정 오차 때문에 실제 거리와 차이가 있다. 이론 각도는 실제 거리와 후술하는 기준 거리의 차에 대응하는 이론상의 위상 값이다. 측정 각도는 제1 또는 제2 주파수를 사용하여 검출된 위상 값에 상당한다.
본 실시형태에 있어서, 제1 주파수는 10 ㎓, 제1 주파수에 대응하는 제1 파장은 30 ㎜, 제2 주파수는 2 ㎓, 제2 주파수에 대응하는 제2 파장은 150 ㎜이다.
Figure pct00010
이하의 도 4의 각 단계는 부분(D)[도 3의 거리 연산부(165)]에 의해 실시된다.
도 4의 단계 S010에서, 기준 거리에 배치된 측정 대상물의 거리 측정이 실시되고, 제1 및 제2 주파수의 변조 수신 신호의 제1 및 제2 위상 측정값이 구해진다. 기준 거리에 대응하는 제1 및 제2 위상 측정값은 제1 및 제2 위상 기준값으로서, 도 3에는 도시하지 않는 기억 장치에 기억시킨다.
표 1에 있어서, 기준 거리는 150 ㎜이다. 기준 거리에 대응하는 제1 위상 측정값은 40도이며, 기준 거리에 대응하는 제2 위상 측정값은 160도이다.
도 4의 단계 S020에서, 측정 대상물의 거리 측정이 실시된다. 즉, 대략 거리 측정값, 제1 및 제2 위상 측정값이 구해진다.
표 1에 있어서, 실제 거리 165 ㎜에 대하여, 대략 거리 측정값 140 ㎜, 제1 위상 측정값 35도 및 제2 위상 측정값 240도가 구해진다.
도 4의 단계 S030에서, 제2 위상 기준값 및 제2 위상 측정값으로부터 제2 그룹의 정밀 거리 후보값이 구해진다.
여기서, 제2 파장은 150 ㎜이기 때문에, 식 (5)의 각도의 단위를 라디안으로부터 도로 변경하면, 이하의 식이 얻어진다.
Figure pct00011
여기서, Δx는 정밀 거리 후보값에 있어서, 기준 거리로부터의 편차를 나타낸다.
표 1에 있어서, 제2 위상 기준값은 160도이며, 제2 위상 측정값은 240도이다. 따라서, 위상차는 80도이다. 이 값을 식 (6)의 θ'에 대입하면,
Figure pct00012
이 된다. 기준 거리는 150 ㎜이기 때문에, 제2 그룹의 정밀 거리 후보값은,
91.67 ㎜, 166.67 ㎜, 241.67 ㎜
를 포함한다.
도 4의 단계 S040에서, 제2 그룹의 정밀 거리 후보값 중에서, 대략 거리 측정값에 가장 가까운 값을 제2 그룹의 대표값으로 한다.
표 1에 있어서, 대략 거리 측정값는 140 ㎜이기 때문에, 제2 그룹의 대표값은 166.67 ㎜가 된다.
도 4의 단계 S050에서, 제1 위상 기준값 및 제1 위상 측정값으로부터 제1 그룹의 정밀 거리 후보값이 구해진다.
여기서, 제1 파장은 30 ㎜이기 때문에, 식 (5)의 각도의 단위를 라디안으로부터 도로 변경하면, 이하의 식이 얻어진다.
Figure pct00013
표 1에 있어서, 제1 위상 기준값은 40도이며, 제1 위상 측정값은 35도이다. 따라서, 위상차는 -5도이다. 이 값을 식 (7)의 θ'에 대입하면,
Figure pct00014
이 된다. 기준 거리는 150 ㎜이기 때문에, 제1 그룹의 정밀 거리 후보값은,
149.79 ㎜, 164.79 ㎜, 179.79 ㎜
를 포함한다.
도 4의 단계 S060에서, 제1 그룹의 정밀 거리 후보값 중에서, 제2 그룹의 대표값에 가장 가까운 값을 거리 측정값으로 한다.
표 1에 있어서, 제2 그룹의 대표값은 166.67 ㎜이기 때문에, 거리 측정값은 164.79 ㎜가 된다.
제2 주파수의 신호를 사용한 경우에, 위상 1도당 측정 거리는 식 (6)으로부터 0.21 ㎜이다. 한편, 제1 주파수의 신호를 사용한 경우에, 위상 1도당 측정 거리는 식 (7)로부터 0.04 ㎜이다. 이와 같이, 제1 주파수를 사용한 경우의 측정 거리 정밀도는 제2 주파수를 사용한 경우의 측정 거리 정밀도의 5배가 된다.
또한, 제2 주파수의 신호를 사용한 경우에, 제2 그룹의 정밀 거리 후보값 사이의 간격은 75 ㎜(제2 파장의 1/2)이다. 한편, 제1 주파수의 신호를 사용한 경우에, 제1 그룹의 정밀 거리 후보값 사이의 간격은 15 ㎜(제1 파장의 1/2)이다.
여기서, 식 (5) 및 식 (6)으로부터, 제2 파장의 1/4은 제2 그룹의 정밀 거리 후보값 사이의 간격의 1/2에 상당한다. 따라서, 일반적으로, 복수의 주파수의 신호를 사용하여 위상에 의한 정밀 거리 측정을 실시하는 경우에, 가장 낮은 주파수에 대응하는 가장 긴 파장의 1/4(본 예에서는, 제2 파장의 1/4인 37.5 ㎜)이 대략 거리 측정의 정밀도보다 커지도록 설정하여야 한다. 이와 같이 설정함으로써, 도 4의 단계 S040에서, 대략 거리 측정값에 기초하여, 제2 그룹의 정밀 거리 후보값 중에서 제2 그룹의 대표값을 선택하는 것이 가능해진다. 유의하여야 할 점은, 가장 낮은 주파수에 대응하는 가장 긴 파장이 대략 거리 측정의 정밀도에 의해 제약되어 있다는 점이다.
또한, 식 (5) 및 식 (7)로부터, 제1 파장의 1/4은 제1 그룹의 정밀 거리 후보값 사이의 간격의 1/2에 상당한다. 따라서, 일반적으로, 복수의 주파수의 신호를 사용하여 위상에 의한 정밀 거리 측정을 실시하는 경우에, 인접하는 2 주파수 중 높은 쪽의 주파수(제1 주파수인 10 ㎓)에 대응하는 파장의 1/4(본 예에서는, 제1 파장의 1/4인 7.5 ㎜)이, 인접하는 2 주파수 중 낮은 쪽의 주파수(제2 주파수인 2 ㎓)를 사용한 경우의 위상 측정에 의한 거리 측정 정밀도보다 커지도록 설정하여야 한다. 이와 같이 설정함으로써, 도 4의 단계 S060에서, 제2 그룹의 대표값에 기초하여, 제1 그룹의 정밀 거리 후보값 중에서 거리 측정값을 선택하는 것이 가능해진다. 유의하여야 할 점은, 복수의 주파수를 사용함으로써, 정밀 거리 측정의 정밀도를, 대략 거리 측정의 정밀도에 의한 제약을 받지 않도록 할 수 있다는 점이다.
상기에 있어서 2개의 주파수를 사용하는 방법을 설명하였다. 일반적으로는, 상기 인접하는 2 주파수의 관계를 만족하도록 하면서, 3 이상 주파수를 사용하여 거리 측정을 실시하여도 좋다. 이론적으로는, 상기 인접하는 2 주파수의 관계를 만족시키면서, 사용하는 전자파의 주파수를 서서히 증가시켜 감으로써, 정밀 거리 측정의 정밀도를 제약 없이 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 거리 측정 방법에 의한 측정 결과를 나타내는 도면이다. 도 5의 횡축은 측정 대상물까지의 거리를 나타낸다. 도 5의 종축은 거리의 측정값(좌측 눈금) 및 측정 오차(우측 눈금)를 나타낸다. 도 5의 A1은 거리의 측정값을 나타내고, 도 5의 A2는 측정 오차를 나타낸다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 측정 오차는 거리에 대하여 주기적으로 변화한다. 이 주기는 제1 주파수(10 ㎓)의 파장(30 ㎜)의 1/2이다. 측정 오차의 진폭의 크기는 제1 주파수의 반송파를 사용한 위상 연산의 오차에 대응한다.
본 발명에 따르면, 시간에 의한 거리 측정과 함께, 복수의 주파수의 반송파를 사용하여 위상에 의한 거리 측정을 실시함으로써, 측정 대상물까지의 거리의 절대값을 높은 정밀도로 얻을 수 있다. 또한, 전술한 정해진 방법에 따라 복수의 주파수의 반송파를 조합하여 사용함으로써, 시간에 의한 거리 측정(대략 거리 측정)의 정밀도의 제약을 받지 않고, 높은 측정 정밀도를 실현할 수 있다.

Claims (3)

  1. 클록 주파수를 f1로 하는 제1 의사 랜덤 신호를 발생시키는 제1 의사 랜덤 신호 발생부와,
    제1 의사 랜덤 신호와 동일 패턴이며, 상기 클록 주파수(f1)보다 근소한 주파수만큼 낮은 f2를 클록 주파수로 하는 제2 의사 랜덤 신호를 발생시키는 제2 의사 랜덤 신호 발생부와,
    제1 의사 랜덤 신호와 제2 의사 랜덤 신호를 곱셈하는 제1 곱셈기와,
    제1 주파수의 반송파를 발생시키는 제1 반송파 발생부와,
    제1 의사 랜덤 신호에 의해 제1 주파수의 반송파를 변조하는 제1 변조부와,
    변조된 제1 주파수의 반송파를 제1 주파수의 변조 송신 신호로서 대상물을 향하여 송신하는 제1 송신부와,
    상기 대상물로부터 반사된 제1 주파수의 변조 송신 신호를 제1 주파수의 수신 신호로서 수신하는 제1 수신부와,
    제1 주파수의 변조 수신 신호를 구하도록 제1 주파수의 수신 신호와 제2 의사 랜덤 신호를 곱셈하는 제2 곱셈기와,
    제1 주파수의 반송파의 일부를 입력으로 하며, 서로 위상이 직교하는 2 성분인 제1 I 신호와 제1 Q 신호를 출력하는 제1 하이브리드 결합기와,
    제2 곱셈기의 출력 신호와 제1 I 신호를 곱셈하는 제3 곱셈기와,
    제2 곱셈기의 출력 신호와 제1 Q 신호를 곱셈하는 제4 곱셈기와,
    제1 곱셈기의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제1 로우 패스 필터와,
    제3 곱셈기의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제2 로우 패스 필터와,
    제4 곱셈기의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제3 로우 패스 필터와,
    제2 및 제3 로우 패스 필터의 출력 신호를 각각 개별로 제곱 연산하는 제1 및 제2 제곱기와,
    제1 및 제2 제곱기의 출력 신호를 가산하는 가산기와,
    제1 로우 패스 필터의 출력 신호의 최대 진폭값을 검출하였을 때에 제1 펄스를 발생시키는 제1 펄스 발생부와,
    상기 가산기의 출력 신호의 최대 진폭값을 검출하였을 때에 제2 펄스를 발생시키는 제2 펄스 발생부와,
    제1 펄스의 발생 시각부터 제2 펄스의 발생 시각까지의 시간을 측정하는 시간 측정부와,
    제2 및 제3 로우 패스 필터의 출력으로부터, 제1 주파수의 변조 수신 신호의 위상을 검출하는 제1 위상 검출부와,
    제1 주파수보다 낮은 제2 주파수의 반송파를 발생시키는 제2 반송파 발생부와,
    제1 의사 랜덤 신호에 의해 제2 주파수의 반송파를 변조하는 제2 변조부와,
    변조된 제2 주파수의 반송파를 제2 주파수의 변조 송신 신호로서 대상물을 향하여 송신하는 제2 송신부와,
    상기 대상물로부터 반사된 제2 주파수의 변조 송신 신호를 제2 주파수의 수신 신호로서 수신하는 제2 수신부와,
    제2 주파수의 변조 수신 신호를 구하도록 제2 주파수의 수신 신호와 제2 의사 랜덤 신호를 곱셈하는 제5 곱셈기와,
    제2 주파수의 반송파의 일부를 입력으로 하며, 서로 위상이 직교하는 2 성분인 제2 I 신호와 제2 Q 신호를 출력하는 제2 하이브리드 결합기와,
    제5 곱셈기의 출력 신호와 제2 I 신호를 곱셈하는 제6 곱셈기와,
    제5 곱셈기의 출력 신호와 제2 Q 신호를 곱셈하는 제7 곱셈기와,
    제6 곱셈기의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제4 로우 패스 필터와,
    제7 곱셈기의 출력 신호를 저역 여파 처리하는 제5 로우 패스 필터와,
    제4 및 제5 로우 패스 필터의 출력으로부터, 제2 주파수의 변조 수신 신호의 위상을 검출하는 제2 위상 검출부와,
    상기 시간 측정부, 제1 위상 검출부 및 제2 위상 검출부의 출력으로부터, 상기 대상물까지의 거리를 연산하는 거리 연산부
    를 구비하는 거리 측정 장치.
  2. 클록 주파수를 f1로 하는 제1 의사 랜덤 신호, 및 제1 의사 랜덤 신호와 동일 패턴이며, 상기 클록 주파수(f1)보다 근소한 주파수만큼 낮은 f2를 클록 주파수로 하는 제2 의사 랜덤 신호를 발생시키는 단계와,
    제1 주파수의 반송파를 제1 의사 랜덤 신호에 의해 변조한 제1 주파수의 변조 송신 신호 및 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수의 반송파를 제1 의사 랜덤 신호에 의해 변조한 제2 주파수의 변조 송신 신호를 대상물을 향하여 송신하는 단계와,
    상기 대상물로부터 반사된 제1 및 제2 주파수의 변조 송신 신호를 제1 및 제2 주파수의 수신 신호로서 수신하는 단계와,
    수신된 제1 및 제2 주파수의 수신 신호와 제2 의사 랜덤 신호를 곱셈하여 제1 및 제2 주파수의 변조 수신 신호를 구하는 단계와,
    제1 및 제2 주파수의 변조 수신 신호와, 제1 및 제2 주파수의 반송파에 있어서 서로 위상이 직교하는 2 성분인 I 신호 및 Q 신호를 곱셈하여, 제1 및 제2 주파수의 변조 수신 신호의 I 성분 및 Q 성분을 구하는 단계와,
    제1 주파수의 변조 수신 신호의 I 성분 및 Q 성분의 제곱합 신호를 구하는 단계와,
    제1 의사 랜덤 신호 및 제2 의사 랜덤 신호의 곱셈값의 피크값이 검출된 시각부터 상기 제곱합 신호의 피크값이 검출된 시각까지의 시간으로부터, 상기 대상물까지의 대략 거리 측정값을 구하는 단계와,
    제1 및 제2 주파수의 변조 수신 신호의 I 성분 및 Q 성분으로부터, 제1 및 제2 주파수의 변조 수신 신호의 제1 및 제2 위상 측정값을 구하는 단계와,
    기준 거리, 미리 구한 상기 기준 거리에 대응하는 제2 주파수의 변조 신호의 제2 기준 위상 측정값, 및 제2 위상 측정값으로부터 구한 제2 그룹의 복수의 정밀 거리 후보값 중, 상기 대략 거리 측정값에 가장 가까운 정밀 거리 후보값을 대표값으로 하는 단계와,
    상기 기준 거리, 미리 구한 상기 기준 거리에 대응하는 제1 주파수의 변조 신호의 제1 기준 위상 측정값, 및 제1 위상 측정값으로부터 구한 제1 그룹의 복수의 정밀 거리 후보값 중, 상기 대표값에 가장 가까운 정밀 거리 후보값을 거리 측정값으로 하는 단계
    를 포함하는 거리 측정 방법으로서,
    위상에 의한 정밀 거리 측정에 사용되는 복수의 주파수의 신호에 관하여, 가장 낮은 주파수에 대응하는 가장 긴 파장의 1/4이 대략 거리 측정의 정밀도보다 커지도록 설정하고, 인접하는 2 주파수 중 높은 쪽의 주파수에 대응하는 파장의 1/4이 인접하는 2 주파수 중 낮은 쪽의 주파수의 신호를 사용한 위상 측정에 의한 거리 측정 정밀도보다 커지도록 설정하는 거리 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제1 및 제2 주파수의 변조 송신 신호를 포함하는, 주파수가 상이한 3 이상의 주파수의 송신 신호를 사용하여, 제1 및 제2 그룹을 포함하는 3 이상의 그룹의 정밀 거리 후보값으로부터 거리 측정값이 정해지는 것인 거리 측정 방법.
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