專利名稱：距離測量方法和用于所述方法的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠利用駐波以非接觸的方式測量到一個要被測量的對象的距離的距離測量方法。
背景技術(shù)：
迄今，距離測量是一種基本物理量的測量，并且一直利用許多方法進(jìn)行距離測量?！熬嚯x”等于物理尺寸上的“長度”，在概念上它們通常是重疊的。當(dāng)利用測量儀器對要被測量的對象進(jìn)行測量而不使所述儀器和所述對象接觸時，所述測量通常被稱為“距離”測量，而當(dāng)利用和對象接觸的測量儀器測量對象時，所述測量通常被稱為“長度”測量。用于測量長度的基本測量是尺子，其按照預(yù)定的基準(zhǔn)被校準(zhǔn)。
日本未審專利公開JP-A-3-144306(1991)披露了一種和長度測量儀器有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，其中在波導(dǎo)中形成一個狹縫，使得所述狹縫沿軸向延伸，在波導(dǎo)中產(chǎn)生電磁駐波，一個滑塊，其通過所述狹縫在波導(dǎo)內(nèi)部插入多個探針，沿軸向運動，以便根據(jù)由探針檢測的駐波的幅值求得滑塊的位置。
本申請人在日本未審專利公開JP-A-11-230734(1999)中還披露了一種關(guān)于線性編碼器的現(xiàn)有技術(shù)，其中利用其頻率周期地改變的調(diào)頻波在一個線性導(dǎo)體通路中形成駐波，并根據(jù)調(diào)制的信號和在導(dǎo)體通路中的駐波的包絡(luò)之間的相關(guān)性測量導(dǎo)體通路的層的位置。
本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，在一種傳播介質(zhì)例如相對于要被測量的對象而存在的空間中可以形成電磁駐波，在未審的日本專利公開JP-A-11-230734(1999)中提出了使用施加于導(dǎo)體通路的駐波的思想，并在日本專利申請No.2001-237280中提出了一種能夠以非接觸的方式測量所述距離的技術(shù)。
在日本未審專利公開JP-A-3-144306(1991)和JP-A-11-203734(1999)中，相應(yīng)于尺子的波導(dǎo)或?qū)w通路被安裝在作為測量基準(zhǔn)的位置和要被測量的對象之間，并且必須和要被測量的對象呈機(jī)械接觸。在日本專利申請No.2001-237280中提出的技術(shù)使用以電磁波或其類似物形成的駐波，其傳播介質(zhì)例如是空間，因而使得能夠以非接觸的方式測量到對象的距離。因此，這種技術(shù)可以用作被安裝在運動對象例如汽車上的雷達(dá)。
按照在日本專利申請No.2001-237280，用于產(chǎn)生駐波的電磁波的頻率被改變，以便求得一個檢測信號函數(shù)，該函數(shù)代表在檢測的駐波的幅值和頻率之間的關(guān)系，并使檢測信號函數(shù)具有最大值時的頻率和要被測量的對象的距離相關(guān)。不過，如后面將要說明的，在檢測信號函數(shù)中的改變在極值附近減少，因而由于增加分辨率具有其自身的限制，正確地確定極值的位置是困難的。此外，在實際測量中，噪聲分量被疊加到檢測信號函數(shù)上，因而僅僅根據(jù)幅值數(shù)據(jù)確定的極值的位置的誤差范圍趨于增加。
即使試圖利用和相位相關(guān)的數(shù)據(jù)由于要被測量的對象的反射，所述相位包括相位移量，這使得通常難于正確地求得相位移量，因而需要認(rèn)為相位移量是一個未知的量。此外，在檢測信號函數(shù)中，相位的改變和幅值改變相比構(gòu)成一個短周期的周期函數(shù)，并即使在幅值的極值附近，也存在多個和相位移量具有預(yù)定關(guān)系的相位。因此，即使能夠正確地求得相位移量，也難于確定幅值的極值。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠以高的分辨率測量距離的距離測量方法和使用所述方法的設(shè)備。
本發(fā)明是一種用于測量從一個基準(zhǔn)位置到一個要被測量的對象的距離的距離測量方法，包括以下步驟駐波產(chǎn)生步驟，用于在改變頻率的同時在基準(zhǔn)位置和要被測量的對象的周圍的傳播介質(zhì)中產(chǎn)生從所述基準(zhǔn)位置向要被測量的對象行進(jìn)的行波，并使產(chǎn)生的行波和要被測量的對象反射的波干擾而產(chǎn)生駐波；駐波檢測步驟，用于檢測在駐波產(chǎn)生步驟中產(chǎn)生的駐波；雷達(dá)圖像計算步驟，用于根據(jù)多個不同的中心頻率由在所述駐波檢測步驟中檢測的駐波計算多個雷達(dá)圖像函數(shù)，在所述雷達(dá)圖像函數(shù)中，一個變量是從基準(zhǔn)位置到在通過要被測量的對象的假想的直線軸線上的一點的距離；以及距離確定步驟，用于確定一個距離作為從基準(zhǔn)位置到要被測量的對象的距離，在此距離，在雷達(dá)圖像計算步驟中計算的多個雷達(dá)圖像函數(shù)當(dāng)中的相位差以及任何雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值滿足預(yù)定的條件。
此外，本發(fā)明的特征在于，同時測量要測量其距離的要被測量的對象和作為測量所述距離的基準(zhǔn)的要被測量的對象。
本發(fā)明是一種用于測量從一個基準(zhǔn)位置到要被測量的對象的距離的距離測量設(shè)備，包括行波產(chǎn)生裝置，用于在改變頻率的同時在基準(zhǔn)位置和要被測量的對象的周圍的傳播介質(zhì)中產(chǎn)生從所述基準(zhǔn)位置向要被測量的對象行進(jìn)的行波；駐波檢測裝置，用于檢測駐波，并借以導(dǎo)出相應(yīng)于駐波的信號，所述駐波是由所述行波產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的行波和由要被測量的對象反射而回到行波產(chǎn)生裝置側(cè)的波的干擾產(chǎn)生的；雷達(dá)圖像計算裝置，用于根據(jù)多個不同的中心頻率通過操作相應(yīng)于從所述駐波檢測裝置導(dǎo)出的駐波的信號，計算多個雷達(dá)圖像函數(shù)，在所述雷達(dá)圖像函數(shù)中，一個變量是從基準(zhǔn)位置到在通過要被測量的對象的假想的直線軸線上的一點的距離；以及距離確定裝置，用于確定一個距離作為從基準(zhǔn)位置到要被測量的對象的距離，在此距離，在由雷達(dá)圖像計算裝置計算的多個雷達(dá)圖像函數(shù)當(dāng)中的相位差以及任何雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值滿足預(yù)定的條件。
此外，本發(fā)明的特征在于，所述雷達(dá)圖像計算裝置根據(jù)傅立葉變換處理計算多個雷達(dá)圖像函數(shù)；以及所述距離確定裝置確定一個距離作為滿足上述預(yù)定條件的距離，在此距離，在至少兩個雷達(dá)圖像函數(shù)之間的相位差是0，或者是π的偶數(shù)倍的弧度值，并且至少任何一個雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值為極值。
此外，本發(fā)明的特征在于，所述雷達(dá)圖像計算裝置通過對相應(yīng)于駐波的信號進(jìn)行傅立葉變換處理，計算多個雷達(dá)圖像函數(shù)，其中通過利用預(yù)定的窗口函數(shù)對于多個不同的中心頻率具有一個可變的公共寬度。
此外，本發(fā)明的特征在于，所述行波產(chǎn)生裝置包括一個能夠控制振蕩頻率和產(chǎn)生高頻信號的振蕩器；一個用于在預(yù)定范圍內(nèi)周期地改變所述振蕩器的振蕩頻率的控制器，以及一個用于從所述振蕩器向作為傳播介質(zhì)的空間發(fā)送作為電磁行波的高頻信號的天線；并且所述駐波檢測裝置利用所述天線檢測駐波。


本發(fā)明的其它的和進(jìn)一步的目的、特征和優(yōu)點由下面參照附圖進(jìn)行的詳細(xì)說明將會更加清楚地看出，其中圖1是說明按照本發(fā)明的一個實施例的距離測量設(shè)備1的電氣結(jié)構(gòu)的方塊圖，以及用于說明駐波的幅值相對于頻率而改變的曲線；圖2是表示由圖1所示的距離測量設(shè)備使用的用于確定到目標(biāo)5的距離的幅值和相角中的改變的曲線；圖3是示意地表示作為本發(fā)明的基礎(chǔ)的距離測量設(shè)備20的電氣結(jié)構(gòu)的方塊圖和用于說明對于在X軸上的位置的改變雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值的改變的曲線；圖4是表示在圖3的距離測量設(shè)備1中駐波的幅值相對于頻率f的改變；圖5是表示由圖3的距離測量設(shè)備使用的通過對一個窗口函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換而獲得的基波波形的曲線；圖6是表示當(dāng)一個運動目標(biāo)和固定目標(biāo)利用圖3的距離測量設(shè)備同時測量時的結(jié)果的曲線；圖7是表示被使用用于利用圖3的距離測量設(shè)備1確定目標(biāo)5的距離的幅值和相角的改變的曲線；圖8是用于按照圖1的實施例確定距離的方法的流程圖；以及圖9是表示一種狀態(tài)的示意圖，其中穿著衣服30的人體31用作圖1實施例中的目標(biāo)。
具體實施例方式
下面參照

本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖1示意地表示按照本發(fā)明的一個實施例的用于測量距離的結(jié)構(gòu)。距離測量設(shè)備1根據(jù)由外部單元施加的電壓能夠改變振蕩頻率，并且電壓控制的振蕩器(縮寫為VCO)2產(chǎn)生高頻電信號，所述高頻信號通過傳輸系統(tǒng)3被送到天線4，所述傳輸系統(tǒng)用于實現(xiàn)功率放大和阻抗匹配。天線4把饋入的高頻電信號轉(zhuǎn)換成發(fā)射到周圍空間的電磁波。在作為要被測量的對象的目標(biāo)5處于沿從天線4發(fā)送的電磁波的行進(jìn)方向一個距離d的情況下，由于入射到目標(biāo)5上的行波和由目標(biāo)5反射的波之間的干擾而產(chǎn)生駐波。天線4接收相應(yīng)于所述駐波的電信號，由作為駐波檢測裝置的功率檢測器6作為收到的輸入電壓的二次冪檢測駐波的電功率。電壓控制的振蕩器2的振蕩頻率由頻率控制器7給出的控制電壓改變。由電壓控制的振蕩器2產(chǎn)生的高頻信號的頻率可被直接地使用、被放大成為許多倍的一個頻率、或者可以被外插轉(zhuǎn)換。電壓控制的振蕩器2、天線4和頻率控制器7作為行波產(chǎn)生裝置。
由功率檢測器6檢測的駐波的功率由雷達(dá)圖像計算裝置10轉(zhuǎn)換成雷達(dá)圖像函數(shù)。雷達(dá)圖像計算裝置10包括多個或者例如兩個傅立葉變換裝置11和12。使第一傅立葉變換裝置11和中心頻率f1，f2之間的第一中心頻率f1相關(guān)，并把功率函數(shù)p1(f，0)轉(zhuǎn)換成雷達(dá)圖象函數(shù)p1(x)。使第二傅立葉變換裝置12和中心頻率f1，f2之間的第二中心頻率f2相關(guān)，并把功率函數(shù)p2(f，0)轉(zhuǎn)換成雷達(dá)圖象函數(shù)p2(x)。
雷達(dá)圖像計算裝置10借助于使用通用中央處理單元(CPU)進(jìn)行的程序處理可以作為多個傅立葉操作裝置11，12操作。通過使用數(shù)字信號處理器(DSP)其還可以在高速下操作。通過并行地操作多個數(shù)字信號處理器，可以實現(xiàn)在更高的速度下的操作處理。通過形成專用于傅立葉操作處理的電路，速度還可以增加。
圖2表示按照本實施例用于確定目標(biāo)15的位置的條件。圖2(a)以一種標(biāo)準(zhǔn)化的方式表示兩個雷達(dá)圖象函數(shù)P1(x)和P2(x)的幅值的改變。圖2(b)利用點劃線和兩點劃線表示兩個雷達(dá)圖像函數(shù)P1，P2的相位θ1，θ2的變化，實線表示相位差Δθ的改變。在圖2(a)和圖2(b)中，橫軸表示相對位移Δx，其中x＝d，作為一個中心，以c/2fB為單位。圖2(c)表示在圖2(b)中Δx＝0附近的變化，沿橫軸方向被放大了。在這個實施例中，即使當(dāng)最大峰值如圖2(a)所示緩和地變化時，也可以用高的分辨率按照Δθ＝0的位置正確地確定目標(biāo)15的距離，如圖2(b)，2(c)所示。
圖3-圖7表示按照本發(fā)明的實施例用于確定到要被測量的目標(biāo)15的距離的原理。這個原理的基本思想在日本專利申請No.2001-237280中披露了。
在圖3中，圖3(a)表示作為本發(fā)明的基礎(chǔ)的距離測量設(shè)備20的電氣結(jié)構(gòu)，(b)表示雷達(dá)圖象函數(shù)的幅值的改變。在圖3中，相應(yīng)于圖1所示的實施例的部分的那些部分用相同的標(biāo)號表示，并不再重復(fù)對這些元件的說明。代替圖1使用一個目標(biāo)5作為要被測量的對象，圖3表示同時測量到多個目標(biāo)21-2n的距離d1-dn的情況。
從天線4發(fā)出的電磁波信號成為行波，朝向目標(biāo)21-2n在空間中行進(jìn)。所述行波被目標(biāo)21-2n反射。其中，眾所周知，返回天線4的反射波和所述行波干擾而形成駐波。由于駐波的存在，在作為從天線4通過多個目標(biāo)21-2n的假想直線的X軸上的點觀察到的信號的幅值和電功率相對于來自信號源的行波的頻率呈周期性改變。所述周期和從x＝0的觀察點到要被測量的對象的距離成反比。通過利用駐波的這個特性，距離測量設(shè)備20利用天線4的功率饋入部分作為觀察點測量到要被測量的對象的距離d。
作為由天線4發(fā)送的信號的行波VT由式(1)表示VT(f,x)=ef2πfcx---(1)]]>在從觀察點到作為要被測量的對象的相關(guān)目標(biāo)21-2n的距離由d1-dn表示的情況下，來自目標(biāo)2k(k＝1，2，...，n)的反射波VRk由式2表示VRk(f,x)=rk·ejφk·ej2πfc(2dk-x)---(2)]]>其中c是電磁波的速度，即光速，γk是包括傳播損失的反射系數(shù)的大小，φk是不包括由于傳播而引起的相位移的反射中的相位移數(shù)量。
駐波由行波VT和反射波VRk的附加合成產(chǎn)生，并且由式(1)和式(2)，由式(3)求得功率函數(shù)p(f，x)，其是駐波的二次冪p(f,x)=|VT(f,x)+Σk-1nVRk(f,x)|2]]>=|ej2πfcx{1+Σk=1nγk·ej(4π(dk-x)cf+φk)}|2]]>={1+Σk=1nγk·cos(4π(dk-x)cf+φk)}2]]>+{Σk=1nγk·sin(4π(dk-x)cf+φk)}2---(3)]]>按照式(3)，當(dāng)在距離d處有一個要被測量的對象時，圖4表示在信號源的頻率f和在天線4的功率饋入部分的駐波的功率函數(shù)p(f，0)之間的關(guān)系，所述功率饋入部分是觀察點，其x＝0?？梢钥闯觯琾(f，0)相對于信號源的頻率f周期地改變，其周期是c/(2d)，和從觀察點到要被測量的對象的距離d成反比。
因此，為了求得由被觀測的p(f，0)表示的周期的數(shù)據(jù)，p(f，0)被認(rèn)為是時間波形，并被進(jìn)行傅立葉變換。借助于在傅立葉變換公式中由2x/c代替ω/2π，用f代替t，
F(ω)=∫-∞+∞f(t)e-jωtdt---(4)]]>可以由式(5)表示p(f，0)經(jīng)過傅立葉變換的P(x)P(x)=∫-∞+∞p(f,0)e-j4πxcdf---(5)]]>實際上，信號源的頻率f的變化范圍是有限的，在其中心頻率由f0表示，改變的寬度由fB表示的情況下，可以由下式(6)求得雷達(dá)圖象函數(shù)P(x)P(x)=∫f0-fB/2f0+fB/2w(f-f0)·p(f,0)e-j4πxcdf---(6)]]>其中w(f)是窗口函數(shù)，可以優(yōu)選地使用由下式(7)表示的Blackman-Harris窗口w(f)={0.423+0.498cos(2πffB)+0.0792COS(4πffB)}---(7)]]>p(f，0)的直流分量沒有數(shù)據(jù)，可以預(yù)先消去。此外，在x＝0的觀察點，即天線4的功率饋入部分，反射波VRk的信號電平通常遠(yuǎn)小于行波VT的信號電平，即認(rèn)為γk＜＜1。假定γk的二次項和高次項幾乎為0，γk的多項式可被忽略。在附加這些條件的情況下，由式(3)，p(f，0)可以由式(8)表示 由式6，7和8，可以計算雷達(dá)圖象函數(shù)P(x)，如式(9)所示P(x)=∫f0-fB/2f0+fB/2w(f-f0)·p(f,0)e-j4πxcfdf]]>=Σ{γk·W(x-dk)ejφke-j4πf0c(x-dk)+γk·W(x+dk)e-jφke-f4πf0c(x+dk)}]]>…(9)圖5表示用于式(9)的標(biāo)稱化的W(x)函數(shù)。W(x)是窗口函數(shù)w(x)的傅立葉變換，當(dāng)使用式(7)的BLACKMAN-HARRIS的窗口時，可以由式(10)表示
P(x)=∫f0-fB/2f0+fB/2w(f)e-j4πxcfdf]]>=0.423fB·Sa(2πfB·xc)]]>+0.249fB{Sa(2πfB·xc-π)+Sa(2πfB·xc+π)}]]>+0.0396fB{Sa(2πfB·xc-2π)+Sa(2πfB·xc+2π)}---(10)]]>其中Sa是抽樣函數(shù)，其由下式(11)表示Sa(τ)=sin(τ)τ---(11)]]>圖6表示當(dāng)兩個目標(biāo)21和22之間的一個目標(biāo)21的距離d1從0.3米改變?yōu)?0米，并且另一個目標(biāo)22的距離d2固定為10米時，在x＞0的范圍內(nèi)雷達(dá)圖像函數(shù)P(x)的絕對值|P(x)|的計算結(jié)果。這是中心頻率f0是7.75GHz，fB是500MHz的情況。此外，γk被設(shè)置為0.1，φk被設(shè)置為π。作為p(f，0)，使用通過從式(3)中除去直流分量而獲得的一個。計算結(jié)果包括γk的二次項或高次項。也可以同時測量到多個目標(biāo)21，22的距離。在利用其它方法事先或后來測量一個距離d2的情況下，則可以根據(jù)測量值校正其它的距離d1。
下面考慮由圖3的距離測量設(shè)備20使問題簡化以及由x＝0的觀察點判斷到任何一個目標(biāo)21-2n的距離d的情況。在包括傳播損失的反射系數(shù)由γ表示，并且不包括由傳播引起的相位移的伴隨著反射而發(fā)生的相位移數(shù)量由φ表示的情況下，由式(9)獲得由下式(12)表示的雷達(dá)圖像函數(shù)P(x)P(x)=γW(x-d)ejφe-j4πf0c(x-d)+γW(x+d)e-jφe-j4πf0c(x+d)---(12)]]>其中，如圖5所示，在離開其x＝0的中心大于3×c/(2fB)的區(qū)域內(nèi)，W(x)可認(rèn)為幾乎是0。這是因為Blackman-Harris窗口具有這樣的特性，即，和其它的窗口功能相比，主要部分之外的分量成為非常小的。因此，在d＞1.5×c/(2fB)的情況下，在x＝d附近，W(x+d)近似于0，公式(12)的雷達(dá)圖像函數(shù)P(x)可以近似地表示為下式(13)
P(x)=γW(x-d)ejφe-j4πf0c(x-d)---(13)]]>圖7表示用于按照公式(13)使用圖3的距離測量設(shè)備20判斷從觀察點x＝0到目標(biāo)21-2n的任何一個的距離d的雷達(dá)圖像函數(shù)P(x)的x＝d附近的局部形狀。圖7(a)表示標(biāo)稱化的幅值|P(x)|的變化，圖7(b)表示以弧度表示的相位∠P(x)的變化。如上所述，f0是7.75GHz，fB被設(shè)置為258MHz，因此f0/fB＝30。橫軸表示位移Δx，以x＝d為中心，以c/(2fB)為單位。
按照圖7和公式(13)，應(yīng)當(dāng)理解，通過搜索雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值|P(x)|成為最大或者相位∠P(x)變得等于φ的點，可以求得距離d。不過，相位移數(shù)量φ是未知的，并在圖7(b)中被顯示為在±π的范圍內(nèi)被折疊的。因此，即使在-π≤φ＜+π，也有多個Δx和其相關(guān)，因而不能判斷距離d。雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值|P(x)|像緩和的山脈那樣變化，因而難于精確地確定最大位置，在進(jìn)行高分辨率的測量方面具有限制。此外，在實際測量中，疊加有隨機(jī)噪聲，這使得更難于判斷最大位置。在至少在-π≤φ＜+π的范圍內(nèi)相位移量φ是已知的情況下，在滿足∠P(x)＝φ以及幅值|P(x)|的條件下，可以確定距離d。不過，相位∠P(x)急劇地改變，并在幅值|P(x)|的最大值附近和多個位移Δx對應(yīng)，因而對于確定最大位置無濟(jì)于事。
因此，在圖1(a)所示的實施例的雷達(dá)圖像計算裝置10中，設(shè)置多個不同的中心頻率f1，f2，如圖1(b)所示，通過使用兩個傅立葉變換裝置11和12，獲得兩個雷達(dá)圖像函數(shù)P1(x)和P2(x)，并從其幅值和相位差獲得距離d，如圖2所示。
圖8示意地表示利用這個實施例的距離測量設(shè)備1確定距離d的方法。該方法從步s0開始。在步s1，頻率控制器7設(shè)置電壓控制的振蕩器2的中心頻率f0和可變寬度fB0，從而使其振蕩。在步s2，從天線4發(fā)送行波，其信號源的頻率f在f0±1/2×fB0的范圍內(nèi)變化。信號源的頻率必須在足夠長的時間間隔內(nèi)保持穩(wěn)定，使得返回到天線4的反射波和行波干擾而形成駐波。不過，和光速c相比，距離d是短的，因而所需的時間是短的。當(dāng)頻率控制器7以數(shù)字方式控制電壓控制的振蕩器2的振蕩頻率時，信號源的頻率階躍地改變，以便充分滿足用于產(chǎn)生駐波的時間條件。
在步s3，功率檢測器6檢測相應(yīng)于輸入到天線4的駐波的幅值的功率p(f，0)。在從中心頻率f0到±1/2×fB0的范圍內(nèi)，反射系數(shù)γ和相位移量φ可被認(rèn)為是常數(shù)。在步s4，從檢測的頻率p(f，0)中取出范圍f1±1/2×fB1和f2±1/2×fB2，并使用傅立葉變換裝置11和12通過傅立葉變換處理例如FFT(快速傅立葉變換)變換成雷達(dá)圖像函數(shù)P1(x)和P2(x)。由公式(13)，獲得下面的公式(14)和(15)。通過從頻率控制器7對傅立葉變換裝置11和12給予和信號源頻率f相關(guān)的控制信號，借助于使用帶通濾波器，或者根據(jù)頻率變化的時間差選擇兩個頻率范圍。
P1(x)=γW(x-d)ejφe-j4πf1c(x-d)---(14)]]>P2(x)=γW(x-d)ejφe-j4πf2c(x-d)---(15)]]>圖2(a)表示由公式(14)和(15)表示的雷達(dá)圖像函數(shù)P1(x)和P2(x)。兩個雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值是相同的。根據(jù)相應(yīng)于駐波的函數(shù)的形狀，可以認(rèn)為，在目標(biāo)所在的位置幅值具有最小值。在圖2(a)和圖2(c)中，當(dāng)fB1＝fB2＝fB，f1/fB1＝30，f2/fB2＝32時，用點劃線和兩點劃線表示相位θ1和θ2的改變，用實線表示相位差Δθ＝θ1-θ2的改變。在包括Δx＝0的x＝d的多個位置，相位差Δθ似乎是0而經(jīng)過零。不過，一般地說，相位差Δθ＝0表示這樣一個相位差，其是2π的整數(shù)倍。因此，獲得下式(16)Δθ=θ1-θ2=∠P1(x)-∠P2(x)]]>=4πc×(x-d)×(f2-f1)]]>=2πN(N=0,±1±2,···)---(16)]]>在公式(16)中Δθ＝0的情況下，導(dǎo)出以下的公式(17)x=d+Nc2(f2-f1)---(17)]]>由公式(17)得知，以x＝d為中心，對于每個c/(2(f2-f1))，具有一個相位匹配點。在這些匹配點當(dāng)中，滿足由圖2(a)表示的雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值成為最大值的條件的點給出到目標(biāo)5的距離d。在兩個雷達(dá)圖像函數(shù)P1(x)和P2(x)之間的相位差Δθ在x＝d附近成為一個一次函數(shù)，因而使得能夠以高的精度確定Δθ＝0的點。即使當(dāng)存在隨機(jī)噪聲時，相位差的過零點也是一個在雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值的極值附近的單一的點。因此，相位差受隨機(jī)噪聲的影響極小，可以正確地確定相位的匹配點。
在圖8的步s5，確定到目標(biāo)5的距離d，目標(biāo)5位于這樣一個位置，在此位置雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值|P1(x)|或|P2(x)|為最大，在兩個雷達(dá)圖像函數(shù)P1(x)和P2(x)之間的相位差Δθ是0。在步s6，程序結(jié)束。在這個實施例中，從普通的功率信號中取出兩個中心頻率f1，f2的功率信號。不過，所述功率信號也可以通過借助于改變對于每個中心頻率f1，f2的信號源的頻率，分割用于檢測駐波的定時來檢測。
圖9示意地表示一種狀態(tài)，其中使用這個實施例的距離測量設(shè)備1以非接觸方式測量到穿著衣服30的人體31的距離。電氣絕緣的衣服30使得能夠通過電磁波，從而被人體31的表面反射，借以形成駐波。在這個實施例中，根據(jù)駐波可以高精度地檢測距離。即，借助于正確地反射在衣服30和人體31的皮膚表面之間的距離來測量距離。在多個點測量到人體31的距離的情況下，可以測量尺寸。例如，即使依賴光學(xué)測量試圖以非接觸的方式測量到穿著衣服30的人體31的距離，也可以只測量衣服30的表面形狀。
為了測量一個窄的部分，例如人體31的一個特定部分，可以增加信號源的頻率。認(rèn)為可被測量的區(qū)域的尺寸是電磁波波長的數(shù)量級。當(dāng)人體31是被測對象時，在30GHz下波長成為1cm。因此，可以使用大約30GHz到大約60GHz的頻率。這個距離是短的，因而，甚至能夠利用非常小的輸出進(jìn)行測量。
圖9所示的測量即使在衣服30的下方隱藏著導(dǎo)電材料32時也能夠進(jìn)行檢測。在掃描用于檢測的電磁波的情況下，可以形成材料2的圖像。
距離測量設(shè)備1甚至能夠同時測量多個目標(biāo)，如圖3所示。對于圖3所示的雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值的多個峰值，可以用高的分辨率確定基于相位差的距離。所述距離可以使用一個作為基準(zhǔn)的目標(biāo)，利用任何其它方法被預(yù)先測量，或者可以在以后測量，借以用高的精度根據(jù)到作為基準(zhǔn)的目標(biāo)的距離測量到作為要被測量的對象的目標(biāo)的距離。
本實施例的距離測量設(shè)備1還可以被用作在日本專利申請No.2001-237280中提出的雷達(dá)裝置。此外，可以用高的精度實現(xiàn)用于測量距離的車載檢測器和路旁檢測器，以便實現(xiàn)智能交通系統(tǒng)(ITS)。這種設(shè)備還可以用于水準(zhǔn)儀、船只的靠泊儀器、飛機(jī)的高度計和塌方測量儀器，它們以高的精度實現(xiàn)絕對值測量。
本發(fā)明的構(gòu)思不僅能夠應(yīng)用于使用空間作為傳播媒介的電磁波，而且也適用于例如使用空氣作為傳播媒介的聲波。聲波的速度根據(jù)溫度而改變。不過，借助于同時測量作為基準(zhǔn)的目標(biāo)，即使聲波的速度未知，也能正確地測量到對象的距離。在液體例如水或者在固體例如土壤中，可以利用液體或固體作為傳播介質(zhì)。在傳播介質(zhì)的邊界例如在液體表面或者在地面上，可以利用在表面波上產(chǎn)生的駐波測量距離。此外，當(dāng)使用短的波長例如光的波動時，不通過使用電磁波的波動產(chǎn)生駐波，而使用幅值變化的波動產(chǎn)生駐波，并用于測量距離。
不脫離本發(fā)明的構(gòu)思或基本特征，本發(fā)明可以用其它特定的形式實施。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本實施例在所有方面都是說明性的而非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定而不由上面的說明限定，因此，在權(quán)利要求的等效物的意義和范圍內(nèi)的所有的改變都應(yīng)當(dāng)包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
工業(yè)可應(yīng)用性按照上述的本發(fā)明，在駐波產(chǎn)生步驟中，在改變頻率的同時在基準(zhǔn)位置和要被測量的對象周圍的傳播介質(zhì)中產(chǎn)生從基準(zhǔn)位置向要被測量的對象行進(jìn)的行波，并使產(chǎn)生的行波和要被測量的對象反射的波相干擾，借以產(chǎn)生駐波。因此，相應(yīng)于尺子的測量儀器不必和要被測量的對象接觸，即使在所述對象正在自由運動時，也能測量距離。駐波在駐波檢測步驟中被檢測，并在雷達(dá)圖像計算步驟中根據(jù)多個不同的中心頻率由檢測的駐波計算多個雷達(dá)圖像函數(shù)，在所述雷達(dá)圖像函數(shù)中，一個變量是從基準(zhǔn)位置到通過要被測量的對象的假想的直線軸線上的一點的距離。當(dāng)在中心頻率當(dāng)中的差和中心頻率的絕對值相比為小時，要被測量的對象的反射同樣地影響計算的雷達(dá)圖像函數(shù)。在距離確定步驟中，確定這樣一個距離作為從基準(zhǔn)位置到要被測量的對象的距離，在此距離，在雷達(dá)圖像計算步驟中計算的多個雷達(dá)圖像函數(shù)當(dāng)中的相位差和任何雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值滿足預(yù)定的條件。在所述相位差中，消除了由于要被測量的對象的反射而引起的相位移的影響。此外，相位差變化的周期大于雷達(dá)圖像函數(shù)的相位的變化周期。因此，可以用高的分辨率由相位差確定這樣一個距離，在此距離雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值滿足預(yù)定條件。
此外，按照本發(fā)明，同時測量要測量其距離的要被測量的對象和要作為所述測量的基準(zhǔn)位置的要被測量的對象，并且能夠用高的分辨率確定到所述對象的距離的相對差值。到作為測量距離的基準(zhǔn)位置的對象的距離被預(yù)先或者以后進(jìn)行測量，根據(jù)這個距離，以非接觸的方式正確地確定到要被測量其距離的對象的絕對距離。
此外，按照本發(fā)明，行波產(chǎn)生裝置在改變頻率的同時在基準(zhǔn)位置和要被測量的對象周圍的傳播介質(zhì)中產(chǎn)生從基準(zhǔn)位置向要被測量的對象行進(jìn)的行波，并借助于所述行波和由要被測量的對象反射的波相干擾，從而在所述傳播介質(zhì)中產(chǎn)生駐波。駐波檢測裝置檢測在所述傳播介質(zhì)中產(chǎn)生的駐波。因此，相應(yīng)于尺子的測量儀器不和要被測量的對象接觸，即使在所述對象正在自由運動時，也能測量距離。雷達(dá)圖像計算裝置根據(jù)多個不同的中心頻率由駐波檢測裝置檢測的駐波計算多個雷達(dá)圖像函數(shù)，在所述雷達(dá)圖像函數(shù)中，一個變量是從基準(zhǔn)位置到通過要被測量的對象的假想的直線軸線上的一點的距離。當(dāng)在中心頻率當(dāng)中的差和中心頻率的絕對值相比為小時，要被測量的對象的反射同樣地影響計算的雷達(dá)圖像函數(shù)。距離確定裝置確定這樣一個距離作為從基準(zhǔn)位置到要被測量的對象的距離，在此距離，由雷達(dá)圖像計算裝置計算的多個雷達(dá)圖像函數(shù)當(dāng)中的相位差和任何雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值滿足預(yù)定的條件。在所述相位差中，消除了由于要被測量的對象的反射而引起的相位移的影響。此外，相位差變化的周期大于雷達(dá)圖像函數(shù)的相位的變化周期。因此，可以用高的分辨率由相位差確定這樣一個距離，在此距離雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值滿足預(yù)定條件。
此外，按照本發(fā)明，雷達(dá)圖像計算裝置根據(jù)傅立葉變換處理計算多個雷達(dá)圖像函數(shù)，因而，可以由實時信號計算作為頻率間隔的復(fù)變函數(shù)的雷達(dá)圖像函數(shù)，其包括由要被測量的對象引起的反射的影響，其作為幅值的反射系數(shù)和相位移數(shù)量。距離確定裝置確定這樣一個距離作為滿足預(yù)定條件的距離，在此距離，在至少兩個雷達(dá)圖像函數(shù)之間的相位差是0，或者是π的偶數(shù)倍的弧度值，并且至少任何一個雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值為極值。在相位差被認(rèn)為在以2π為周期的±π的范圍內(nèi)的情況下，可以根據(jù)相位差的過零位置確定所述距離。
此外，按照本發(fā)明，雷達(dá)圖像計算裝置通過對相應(yīng)于駐波的信號進(jìn)行傅立葉變換處理，計算多個雷達(dá)圖像函數(shù)，其中通過利用預(yù)定的窗口函數(shù)對于多個不同的中心頻率具有一個可變的公共寬度。用于改變由行波計算裝置產(chǎn)生的行波的頻率的范圍是有限的，在進(jìn)行傅立葉變換處理時所述頻率范圍被窗口函數(shù)擠壓，使得容易進(jìn)行傅立葉變換處理。
此外，按照本發(fā)明，行波產(chǎn)生裝置包括一個能夠控制振蕩頻率和產(chǎn)生高頻信號的振蕩器，一個用于在預(yù)定范圍內(nèi)周期地改變振蕩器的振蕩頻率的控制器，以及一個用于從所述振蕩器向作為傳播介質(zhì)的空間發(fā)送作為電磁行波的高頻信號的天線。因此，使得能夠借助于利用無處不在的空間作為傳播介質(zhì)，以非接觸的方式測量距離。不反射電磁波的材料被從要被測量的對象中排除。因此，使得能夠測量到要被測量的對象例如被隱蔽的材料以及穿著衣服的人體的距離。所述駐波檢測裝置借助于利用用于發(fā)送電磁波的天線檢測駐波，因此，能夠進(jìn)行搜索要被測量的對象，并和現(xiàn)有的雷達(dá)那樣測量到所述對象的距離。
權(quán)利要求
1.一種用于測量從一個基準(zhǔn)位置到一個要被測量的對象的距離的距離測量方法，包括以下步驟駐波產(chǎn)生步驟，用于在改變頻率的同時在存在于基準(zhǔn)位置和要被測量的對象的周圍的傳播介質(zhì)中產(chǎn)生從所述基準(zhǔn)位置向要被測量的對象行進(jìn)的行波，并使產(chǎn)生的行波和要被測量的對象反射的波干擾而產(chǎn)生駐波；駐波檢測步驟，用于檢測在駐波產(chǎn)生步驟中產(chǎn)生的駐波；雷達(dá)圖像計算步驟，用于根據(jù)多個不同的中心頻率由在所述駐波檢測步驟中檢測的駐波計算多個雷達(dá)圖像函數(shù)，在所述雷達(dá)圖像函數(shù)中，一個變量是從基準(zhǔn)位置到在通過要被測量的對象的假想的直線軸線上的一點的距離；以及距離確定步驟，用于確定一個距離作為從基準(zhǔn)位置到要被測量的對象的距離，在此距離，在雷達(dá)圖像計算步驟中計算的多個雷達(dá)圖像函數(shù)當(dāng)中的相位差以及任何雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值滿足預(yù)定的條件。
2.如權(quán)利要求1所述的距離測量方法，其中同時測量要測量其距離的要被測量的對象和作為測量所述距離的基準(zhǔn)的要被測量的對象。
3.一種用于測量從一個基準(zhǔn)位置到要被測量的對象的距離的距離測量設(shè)備，包括行波產(chǎn)生裝置，用于在改變頻率的同時在存在于基準(zhǔn)位置和要被測量的對象的周圍的傳播介質(zhì)中產(chǎn)生從所述基準(zhǔn)位置向要被測量的對象行進(jìn)的行波；駐波檢測裝置，用于檢測駐波，并借以導(dǎo)出相應(yīng)于駐波的信號，所述駐波是由使所述行波產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的行波和由要被測量的對象反射而回到行波產(chǎn)生裝置側(cè)的波進(jìn)行干擾產(chǎn)生的；雷達(dá)圖像計算裝置，用于根據(jù)多個不同的中心頻率通過操作相應(yīng)于從所述駐波檢測裝置導(dǎo)出的駐波的信號，計算多個雷達(dá)圖像函數(shù)，在所述雷達(dá)圖像函數(shù)中，一個變量是從基準(zhǔn)位置到在通過要被測量的對象的假想的直線軸線上的一點的距離；以及距離確定裝置，用于確定一個距離作為從基準(zhǔn)位置到要被測量的對象的距離，在此距離，在由雷達(dá)圖像計算裝置計算的多個雷達(dá)圖像函數(shù)當(dāng)中的相位差以及任何雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值滿足預(yù)定的條件。
4.如權(quán)利要求3所述的距離測量設(shè)備，其中所述雷達(dá)圖像計算裝置根據(jù)傅立葉變換處理計算多個雷達(dá)圖像函數(shù)；以及所述距離確定裝置確定一個距離作為滿足上述預(yù)定條件的距離，在此距離，在至少兩個雷達(dá)圖像函數(shù)之間的相位差是0，或者是π的偶數(shù)倍的弧度值，并且至少任何一個雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值為極值。
5.如權(quán)利要求4所述的距離測量設(shè)備，其中所述雷達(dá)圖像計算裝置通過對相應(yīng)于駐波的信號進(jìn)行傅立葉變換處理，計算多個雷達(dá)圖像函數(shù)，其中通過利用預(yù)定的窗口函數(shù)多個不同的中心頻率具有一個可變的公共寬度。
6.如權(quán)利要求3-5任何一個所述的距離測量設(shè)備，其中行波產(chǎn)生裝置包括一個能夠控制振蕩頻率和產(chǎn)生高頻信號的振蕩器；一個用于在預(yù)定范圍內(nèi)周期地改變所述振蕩器的振蕩頻率的控制器；以及一個用于從所述振蕩器向作為傳播介質(zhì)的空間發(fā)送作為電磁行波的高頻信號的天線；以及所述駐波檢測裝置利用所述天線檢測駐波。
全文摘要
可以以高的分辨率測量距離。頻率控制器(7)控制電壓控制的振蕩器(2)，使得在包括兩個中心頻率f1，f2的范圍內(nèi)改變信號源的頻率f，并作為行波將其從天線(4)發(fā)送到目標(biāo)(5)。由目標(biāo)(5)反射的反射波和所述行波相互干擾而形成駐波。功率檢測器(6)檢測相應(yīng)于駐波的幅值的功率，并在傅立葉變換裝置(11，12)中根據(jù)兩個中心頻率f1，f2進(jìn)行傅立葉變換，借以計算雷達(dá)圖像函數(shù)P1(x)，P2(x)。到目標(biāo)(5)的距離d滿足這樣的條件所述兩個雷達(dá)圖像函數(shù)的相位差過零和所述雷達(dá)圖像函數(shù)的幅值為最大。所述相位差的過零點是一個線性函數(shù)的過零點，因而可以用高的分辨率來識別。
文檔編號G01S13/00GK1646936SQ0380890
公開日2005年7月27日 申請日期2003年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月7日
發(fā)明者上保徹志, 入谷忠光 申請人:株式會社島精機(jī)制作所