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JP2017125807A - M code-modulated microwave distance measurement device - Google Patents

M code-modulated microwave distance measurement device Download PDF

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JP2017125807A
JP2017125807A JP2016006210A JP2016006210A JP2017125807A JP 2017125807 A JP2017125807 A JP 2017125807A JP 2016006210 A JP2016006210 A JP 2016006210A JP 2016006210 A JP2016006210 A JP 2016006210A JP 2017125807 A JP2017125807 A JP 2017125807A
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JP
Japan
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signal
frequency
light beam
modulated light
sequence code
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Application number
JP2016006210A
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Japanese (ja)
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宏 小川
Hiroshi Ogawa
宏 小川
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Individual
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To perform a precise distance measurement with weak radio waves of microwaves, and minimize noise such as aliasing using a coherent laser beam such as infrared light and quickly obtain a cell-level image with a high S/N ratio.SOLUTION: Correlation characteristics of M series codes are used to limit a distance, and the limited distance section is subjected to Fourier transform of frequency spectra and distance spectra, in order to enable a precise measurement with a high S/N ratio.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、M符号変調マイクロ波・ミリ波および光を用いた高精度測距装置に関するものである。   The present invention relates to a high-precision distance measuring apparatus using M code modulated microwave / millimeter wave and light.

電磁波を用いて液面や紛体等の反射点までの距離を測る方法として、パルス法やFMCW法が従来用いられてきた。
光を用いて測距するOCTにおいても同様にパルス法やSS-OCT(Swept Source)が用いられてきた。また、周波数領域スペクトラムから測距を行うSD−OCT(Spectrum Domain)などの方法が用いられてきた。
The pulse method and the FMCW method have been conventionally used as a method for measuring the distance to a reflection point such as a liquid surface or powder using electromagnetic waves.
The pulse method and SS-OCT (Swept Source) have also been used in OCT that measures distance using light. In addition, a method such as SD-OCT (Spectrum Domain) for measuring a distance from a frequency domain spectrum has been used.

パルス法はマイクロ波・ミリ波のパルス波を送信し反射のパルス波の時間的遅れを測定し、反射点までの距離を出す方法である。 The pulse method is a method of transmitting a microwave / millimeter wave pulse wave, measuring the time delay of the reflected pulse wave, and calculating the distance to the reflection point.

またFMCWやSS-OCTは時間に対して周波数を時間的にリニアに変化させた信号を送出し、反射してきた信号との差周波数を測定することにより反射波の時間的遅れを求め反射点までの距離を測定するものである。 In addition, FMCW and SS-OCT send a signal whose frequency is linearly changed with respect to time and measure the difference frequency from the reflected signal to find the time delay of the reflected wave to the reflection point. The distance is measured.

特許第4362631号Japanese Patent No. 4362631

第1の問題点は、従来のパルス法やFMCW法では電磁波の出力が大きくなり他の通信システムに妨害を与えてしまうことにある。その理由は従来のFMCWやパルス法においては反射波を検出するためにノイズレベル以上の受信信号レベルが必要になるため、送信出力を大きくしなければならないためである。     The first problem is that in the conventional pulse method and FMCW method, the output of electromagnetic waves becomes large and interferes with other communication systems. The reason is that, in the conventional FMCW or pulse method, a received signal level higher than the noise level is required to detect a reflected wave, so that the transmission output must be increased.

第2の問題点は、精度を得ることが難しい点にある。FMCWにおいては送信信号と受信信号の周波数の差を測定して時間差を出すことにあるがFMCWの周波数変化の線形性が要求されるが、アナログ的に生成されるため厳密な線形性を実現することが難しい。また、精度を出すためには、小さな周波数差を検出しなければならないので、精度を得ることが困難である。
また、パルス法においては、パルスの幅をゼロ(デルタ関数)に出来ないために正確な伝播時間の測定が難しいためである。
さらにM系列信号を用いた方法も相関の最大値を求めただけでは精度をとることが難しかった。
The second problem is that it is difficult to obtain accuracy. In FMCW, there is a time difference by measuring the frequency difference between the transmitted signal and the received signal, but the linearity of the FMCW frequency change is required, but since it is generated in analog, it realizes strict linearity It is difficult. Moreover, in order to obtain accuracy, it is difficult to obtain accuracy because a small frequency difference must be detected.
Further, in the pulse method, the pulse width cannot be made zero (delta function), so that it is difficult to accurately measure the propagation time.
Furthermore, the method using M-sequence signals is difficult to obtain accuracy only by obtaining the maximum correlation value.

本発明は、電磁波を用いる測距装置において、シンボル時間長T秒のM系列符号信号にて2相位相変調されたマイクロ波、ミリ波、光等の電磁波送信信号を、周波数間隔1/T(Hz)の連続する複数の周波数にて、順次あるいは順不動にアンテナ10より空間に送出する手段と、前記送信信号が目標物等で反射散乱した信号を前記アンテナ10あるいは別のアンテナで受信し、前記受信信号をIQ復調して複素信号とする手段と、前記送信M系列符号信号と同期した同一のM系列符号を有し、前記送信信号のシンボル長Tと同じパルス間隔Tを持つバイポーラRZ-M系列パルス列信号で、かつ前記パルス列信号を送信M系列符号に対し遅延時間td遅らせた前記パルス列信号と、前記復調複素信号の相関を行う手段と、遅延時間tdを測定する手段を有し、前記送信信号の周波数を、周波数間隔1/Tの連続する複数の各周波数において前記と同様な手段にて相関と遅延時間を求め、これら各周波数において得られた相関の結果と遅延時間tdとにより、測定対象物までの距離を測定することを特徴とする測距装置である。   The present invention relates to an electromagnetic wave transmission signal such as a microwave, a millimeter wave, or light that is two-phase-phase modulated with an M-sequence code signal having a symbol time length of T seconds in a distance measuring device that uses electromagnetic waves. Hz) at a plurality of continuous frequencies, sequentially or unsteadily sending the signal from the antenna 10 to the space, and the antenna 10 or another antenna receives the signal reflected and scattered by the target or the like, A means for demodulating the received signal into a complex signal, and a bipolar RZ- having the same M-sequence code synchronized with the transmission M-sequence code signal and having the same pulse interval T as the symbol length T of the transmission signal The M-sequence pulse train signal, the pulse train signal obtained by delaying the pulse train signal with respect to the transmission M-sequence code by a delay time td, means for correlating the demodulated complex signal, and means for measuring the delay time td, Transmission signal The correlation and delay time are obtained by the same means as described above at each of a plurality of continuous frequencies with a frequency interval of 1 / T, and the measurement result is obtained from the correlation result obtained at each frequency and the delay time td. A distance measuring device characterized by measuring a distance to an object.

上記において、前記M系列符号送信信号と、前記パルス列信号を互いに同期したクロックで制御し、かつ遅延時間tdを前記シンボル時間Tの整数分の1の倍数とし、すなわちtd=q・T/p (p:自然数、q:零または正の整数)とし、tdをデジタル的に変化させたことを特徴とする測距装置。   In the above, the M-sequence code transmission signal and the pulse train signal are controlled by clocks synchronized with each other, and the delay time td is set to a multiple of an integer of the symbol time T, that is, td = q · T / p ( p: natural number, q: zero or positive integer), and td is changed digitally.

上記において、tdを、周期をT/pとする前記クロックをカウントすることにより求めたことを特徴とする測距装置。   In the above description, the distance measuring device is characterized in that td is obtained by counting the clocks whose period is T / p.

上記測距装置において、基準となる最小送信周波数をp/Tの倍数とし、前記最小送信周波数から周波数を1/T(Hz)ごとに送信周波数をかえて測距を行うことを特徴とする測装置。   In the distance measuring device, the reference minimum transmission frequency is a multiple of p / T, and the distance is measured by changing the frequency from the minimum transmission frequency every 1 / T (Hz). apparatus.

M系列符号長と同じ段数を有するシフトレジスタと、各段出力にM系列符号に対応する符号変換器を設け、各符号変換器の出力の総和をとるアキュミュレータを設けてなる相関器を設け、前記IQ復調信号をT秒間隔でサンプリングし、前記相関器に入力してなる測距装置。   A shift register having the same number of stages as the M-sequence code length, a code converter corresponding to the M-sequence code at each stage output, and a correlator provided with an accumulator that takes the sum of the outputs of each code converter are provided, A ranging device obtained by sampling the IQ demodulated signal at intervals of T seconds and inputting the sampled signal to the correlator.

M系列符号長のp倍の段数を有し、1段のシフト時間がT/p秒であるシフトレジスタと、各段出力にM系列符号に対応する符号変換器を設け、p段間隔(すなわちT秒間隔)でグループ化し、グループごとの各符号変換器の出力の総和をとるアキュミュレータをp個設けてなる相関器を設け、そのp個の前記アキュミュレータのうち、連続するp-1個のアキュミュレータが非零の場合, p-1個のアキュミュレータのうち p/2番目(pが偶数の場合)または(p-1)/2番目(pが奇数の場合)のアキュミュレータの出力を相関値とすることを特徴とする相関器を有し、前記IQ復調信号をT/p秒間隔でサンプリングし、前記相関器に入力して相関値を得ることを特徴とする測距装置。   A shift register having a number of stages p times the M-sequence code length, a shift time of one stage being T / p seconds, and a code converter corresponding to the M-sequence code at each stage output are provided, and p-stage intervals (that is, (Corresponding to T seconds), a correlator comprising p accumulators that take the sum of the output of each code converter for each group is provided, and p-1 consecutive accumulators among the p accumulators. If the accumulator is non-zero, the output of the p / 2 accumulator out of p-1 accumulators (if p is an even number) or (p-1) / 2th (if p is an odd number) Is a correlator characterized in that the IQ demodulated signal is sampled at T / p second intervals and input to the correlator to obtain a correlation value.

上記測距装置において、送受信間で信号折り返し回路を設け、あるいは、アンテナの近傍に参照用反射器を設けたことを特徴とする測距装置。すなわち送信点td=0における位相・振幅を測定し、これを基準として反射点からの受信信号との比をとることにより、より正確に空間のスペクトラムを求めることが出来る。   In the distance measuring apparatus, a signal folding circuit is provided between transmission and reception, or a reference reflector is provided in the vicinity of the antenna. That is, by measuring the phase / amplitude at the transmission point td = 0 and taking the ratio with the received signal from the reflection point based on this, the spectrum of the space can be obtained more accurately.

本発明は、光線等の電磁波を用いる測距撮像装置において、コヒーレントな光線を発する光源1からの光線を、第1の光線と第2の光線に分岐し、
第1の光線を第1の位相変調器により、M系列符号にて2相位相変調し、この被位相変調光線をさらに第1の被変調光線と第2の被変調光線に分岐し、
第1の被変調光線を対象物に照射し、反射してきた第1の被変調光線を第一の光検出器に印加し、
第2の被変調光線を参照用リフレクタに照射し、反射してきた第2の被変調光線を第2の光検出器に印加し、
前記第2の光線を周波数シフト器にて周波数を変位し、さらに周波数変位した第2の光線を、前記第1の光線を位相変調したのと同一のM系列符号でかつ同一タイミングにて2相位相変調をし、この被位相変調光線を第3の被変調光線と第4の被変調光線に分岐し、
第3の被変調光線を対象物に照射し、反射してきた第3の被変調光線を第1の光検出器に印加し、前記反射してきた第1の被変調光線と、反射してきた第3の被変調光線を第1の光検出器にて混合し、前記周波数シフト器でシフトした差周波数を有する第1の差周波数信号を検出し、
第4の被変調光線を前記参照用リフレクタに照射し、反射してきた第4の被変調光線を第2の光検出器に印加し、前記反射してきた第2の被変調光線と、反射してきた第4の位相変調光を第2の光検出器にて混合し、前記周波数シフト器でシフトした差周波数を有する第2の差周波数信号を検出し、
第2の差周波数信号を局発信号とするIQ信号復調器にて、第1の差周波数の有する対象物のIQ成分、すなわち複素周波数スペクトラムを検出することを特徴とした反射分布測定器。
The present invention relates to a ranging imaging apparatus that uses electromagnetic waves such as light beams, and branches a light beam from a light source 1 that emits a coherent light beam into a first light beam and a second light beam,
The first light beam is two-phase-phase-modulated by an M-sequence code with a first phase modulator, and this phase-modulated light beam is further branched into a first modulated light beam and a second modulated light beam,
Irradiating the object with the first modulated light beam and applying the reflected first modulated light beam to the first photodetector;
Irradiating the reference reflector with the second modulated light beam and applying the reflected second modulated light beam to the second photodetector;
The frequency of the second light beam is displaced by a frequency shifter, and the second light beam, which is further frequency-shifted, has the same M-sequence code as the phase modulation of the first light beam, and two phases at the same timing. Phase-modulating, branching the phase-modulated light beam into a third modulated light beam and a fourth modulated light beam,
The object is irradiated with the third modulated light beam, the reflected third modulated light beam is applied to the first photodetector, and the reflected first modulated light beam and the reflected third light beam are reflected. A modulated light beam is mixed by a first photodetector, and a first difference frequency signal having a difference frequency shifted by the frequency shifter is detected,
The reference modulated reflector is irradiated with the fourth modulated light beam, the reflected fourth modulated light beam is applied to the second photodetector, and reflected by the reflected second modulated light beam. A fourth phase modulated light is mixed by a second photodetector, and a second difference frequency signal having a difference frequency shifted by the frequency shifter is detected;
A reflection distribution measuring device for detecting an IQ component of an object having a first difference frequency, that is, a complex frequency spectrum by an IQ signal demodulator using a second difference frequency signal as a local oscillation signal.

前記反射分布測定器において、光源1からの光線の周波数を、前記M系列符号のシンボル長T(Sec)に対し1/(2T)(Hz)ステップで変えて、各周波数にて複素周波数スペクトラムを得、前記複素周波数スペクトラム群より、前記対象物の反射分布関数を得ることを特徴とした反射分布測定器   In the reflection distribution measuring device, the frequency of the light beam from the light source 1 is changed in steps of 1 / (2T) (Hz) with respect to the symbol length T (Sec) of the M-sequence code, and a complex frequency spectrum is obtained at each frequency. A reflection distribution measuring device characterized by obtaining a reflection distribution function of the object from the complex frequency spectrum group


第1の効果は、距離の大小によらず非常に精度の高い測距を実現できる。
その理由は、シンボル時間TのM系列信号で変調された前記送信信号と反射受信信号の自己相関を取ることにより伝播遅延時間を、サンプリング数をカウントすることにより測定し、前記送信信号と前記反射受信信号の位相差・振幅比の測定によって得られる周波数ドメインのスペクトラムにより前記反射係数関数をフーリエ級数表示しこの補正とを、組み合わせて精度の高い距離測定が出来るため、周波数の精度と同等の精度で測距できるためである。周波数は現在最も正確な基準となっており、水晶発振器や、GPSで補償された発振器を用いることにより手軽に高精度の測定が可能である。
,
The first effect is that highly accurate distance measurement can be realized regardless of the distance.
The reason is that the transmission delay time is measured by counting the number of samplings by measuring the propagation delay time by taking the autocorrelation between the transmission signal modulated by the M-sequence signal of symbol time T and the reflected reception signal, and the transmission signal and the reflection The reflection coefficient function is displayed as a Fourier series based on the frequency domain spectrum obtained by measuring the phase difference and amplitude ratio of the received signal, and this correction can be combined with this correction for accurate distance measurement. This is because distance measurement can be performed with The frequency is currently the most accurate standard, and high-precision measurement can be easily performed by using a crystal oscillator or an oscillator compensated by GPS.

第2の効果は、屋外での使用で近距離の場合、他の通信システムに対し妨害を与えること無く使用できる。即ち電波法による微弱電波の範囲内での測定が出来る。
その理由は、M系列信号によるスペクトラム拡散と相関利得による信号対雑音の改善により送信信号電力密度レベルを最小限に抑制することができるためである。
The second effect can be used without disturbing other communication systems when used outdoors and at short distances. That is, measurement can be performed within the range of weak radio waves by the Radio Law.
The reason is that the transmission signal power density level can be suppressed to a minimum by improving the signal-to-noise by the spread spectrum by the M-sequence signal and the correlation gain.

第3の効果は、M系列符号のシンボル長時間を短くすることにより、有限周波数のステップ幅を大きくしてステップ数を減らして、測定時間の減少と、ハードウェアの簡素化が出来る。
その理由は、フーリエ変換による距離測定において、測定可能の最大の長さLは、周波数のステップ幅Δωで決まり、L=2π/Δωなる関係がある。また、精度は帯域幅(最大周波数−最小周波数)で決まるので、Lが長いとΔωが小さくなり、精度が同じならばLが長いと飛躍的にステップ数が大きくなる。本発明は前記送受信信号の自己相関をとることにより、観測される反射波は、遅延時間の誤差範囲が+/−T/2以内になり、即ち距離空間をシンボル時間Tにより有限化できるため、Δωの大きな離散周波数スペクトラムでフーリエ級数展開が出来、反射関数の厳密化でき、周波数間隔は1/T(Hz)となるので、大きな周波数ステップで高精度化が可能となる。即ち精度が同じならばステップ数を大きく減らすことが出来る。
The third effect is that by shortening the symbol long time of the M-sequence code, the step width of the finite frequency is increased to reduce the number of steps, thereby reducing the measurement time and simplifying the hardware.
The reason is that in the distance measurement by Fourier transform, the maximum measurable length L is determined by the frequency step width Δω, and there is a relationship of L = 2π / Δω. Further, since the accuracy is determined by the bandwidth (maximum frequency−minimum frequency), Δω decreases when L is long, and if the accuracy is the same, the number of steps increases dramatically when L is long. By taking the autocorrelation of the transmission / reception signal according to the present invention, the observed reflected wave has an error range of delay time within +/− T / 2, that is, the metric space can be finite by the symbol time T. The Fourier series can be expanded in a discrete frequency spectrum with a large Δω, the reflection function can be tightened, and the frequency interval is 1 / T (Hz). Therefore, high accuracy can be achieved with a large frequency step. That is, if the accuracy is the same, the number of steps can be greatly reduced.

第4の効果は信号処理時間を大幅に減少することが出来る。
その理由は、まず反射の有無を相関によって求めることにより、相関が取れた部分についてのみフーリエ変換等の計算処理を行い、反射のない区間については、フーリエ変換等の信号処理を実施しないので効率的である。
The fourth effect is that the signal processing time can be greatly reduced.
The reason for this is that by first calculating the presence or absence of reflection by correlation, calculation processing such as Fourier transform is performed only on the correlated part, and signal processing such as Fourier transform is not performed on the section without reflection, which is efficient. It is.

第5の効果は、マルチパスや、目標外からの反射による影響、エリアシングによる影響を少なくすることが出来、S/N比の高い、精度の高い測距が出来る。
その理由は、自己相関により前記送信信号のシンボル時間Tにより、観測される距離範囲が狭い範囲に限定され、その限定された範囲外の反射信号は、自己相関をとることにより散乱され無視できる量になるためである。また、時間積分を行っているためS/N比が高くなる。
The fifth effect is that it is possible to reduce the influence of multipath, reflection from outside the target, and influence of aliasing, and it is possible to perform distance measurement with a high S / N ratio and high accuracy.
The reason is that, due to autocorrelation, the observed distance range is limited to a narrow range due to the symbol time T of the transmission signal, and the reflected signal outside the limited range is scattered by autocorrelation and can be ignored. Because it becomes. In addition, since the time integration is performed, the S / N ratio becomes high.

第6の効果は、他の通信システム、測距システムの影響を受けにくいことである。特にM系列を用いた同様のシステムの影響、妨害を受けることは無い。 また周波数のリユースも可能である。
その理由は、M系列信号は自己相関が非常に強く、他の信号を拡散させ、無視できるレベルに落とすことができるためである。
The sixth effect is that it is not easily influenced by other communication systems and ranging systems. In particular, there is no influence or interference from the same system using M series. The frequency can be reused.
The reason is that the M-sequence signal has a very strong autocorrelation, and other signals can be diffused and dropped to a negligible level.

第7の効果は測定範囲外の反射や散乱の影響を受けない、S/N比の高い測定が可能である。
As a seventh effect, measurement with a high S / N ratio is possible without being affected by reflection or scattering outside the measurement range.

図1はマイクロ波レベル計の構成例を示す。FIG. 1 shows a configuration example of a microwave level meter. 図2はマイクロ波レベル計の相関器の実施例を示す。FIG. 2 shows an embodiment of the correlator of the microwave level meter. 図3は光干渉断層計の実施例を示す。FIG. 3 shows an embodiment of an optical coherence tomography.

本発明は、電磁波を用いる測距装置において、シンボル時間長T秒のM系列符号信号にて2相位相変調されたマイクロ波、ミリ波、光等の電磁波送信信号を用いて測距するもので、さらに周波数を1/T(Hz)間隔で連続的に変えることにより、空間の反射分布を、周波数ドメインスペクトラムとして測定し、これをフーリエ変換して、元の空間の反射分布を求めるものである。
反射散乱して戻ってきた受信信号を、シンボル周期T(Sec)の送信信号と同一のM系列パルス信号との相関値を評価することにより、有限化した空間の反射点の分布に対応する周波数ドメインスペクトラムが求まる。 M系列パルス信号との相関をとることにより、空間を有限化し、かつ最小化することが出来るため、少ないステップ数で非常に精度の高い測距が可能となった。
本発明の方式は、M系列の相関をまずデジタル的に求め、おおよその距離をデジタル的に把握し、真値とのずれを、上記に記した周波数ドメインスペクトラムから求め、精度の高い測定を、より少ないステップ数で行うことが特徴である。
さらに、M系列符号で2相位相変調を行い、スペクトラム拡散を行うことにより電力密度を大幅に下げることが出来、公共資源である電波資源の有効活用が可能となる。 さらに相関を求めるための時間積分により省電力化が可能となった。
また、M系列符号の特性から、複数の測距装置が同じ周波数で同時に作動しても、互いに干渉しない点も本発明の特色である。
The present invention is a distance measuring apparatus that uses electromagnetic waves, and uses an electromagnetic wave transmission signal such as microwaves, millimeter waves, and light that are two-phase modulated with an M-sequence code signal having a symbol time of T seconds. In addition, by continuously changing the frequency at 1 / T (Hz) intervals, the spatial reflection distribution is measured as a frequency domain spectrum, and this is Fourier transformed to obtain the original spatial reflection distribution. .
The frequency corresponding to the distribution of reflection points in the finite space by evaluating the correlation value of the received signal returned after being reflected and scattered and the transmission signal of the symbol period T (Sec) and the same M-sequence pulse signal Domain spectrum is obtained. By correlating with the M-sequence pulse signal, the space can be finite and minimized, so that highly accurate distance measurement can be performed with a small number of steps.
The method of the present invention first obtains the correlation of the M series digitally, grasps the approximate distance digitally, obtains the deviation from the true value from the frequency domain spectrum described above, and performs high-precision measurement. It is characterized by a smaller number of steps.
Furthermore, by performing two-phase phase modulation with M-sequence codes and performing spread spectrum, the power density can be greatly reduced, and radio resources that are public resources can be effectively used. In addition, power integration has become possible through time integration to determine the correlation.
Another feature of the present invention is that, due to the characteristics of the M-sequence code, even if a plurality of distance measuring devices operate simultaneously at the same frequency, they do not interfere with each other.

次に、本発明の有効性を示すために数式により、以下に説明する。   Next, in order to show the effectiveness of the present invention, it will be described below using mathematical formulas.

M系列符号信号で2相位相変調された電磁波送信信号は次式で表される。 An electromagnetic wave transmission signal that is two-phase-phase modulated with an M-sequence code signal is expressed by the following equation.

送信点から反射点までの距離をrとすると、反射点から戻ってきた受信信号は次のようになる。ωは空間に放射される電磁波の周波数、ωiは受信周波数を周波数変換器で変換したのちの周波数を示す。Cは媒質中の電磁波の伝搬速度を示す。   If the distance from the transmission point to the reflection point is r, the received signal returned from the reflection point is as follows. ω is the frequency of the electromagnetic wave radiated into the space, and ωi is the frequency after the reception frequency is converted by the frequency converter. C represents the propagation speed of the electromagnetic wave in the medium.


ここで
は反射点rにおける反射係数である。

here
Is the reflection coefficient at the reflection point r.

送信M系列符号信号と同一のM系列符号を有し遅延時間td(秒)遅らせてなるシンボル時間間隔T秒のM系列符号パルス列信号は次式で示される。   An M-sequence code pulse train signal having the same M-sequence code as the transmission M-sequence code signal and having a symbol time interval T seconds delayed by a delay time td (seconds) is expressed by the following equation.


数2と数3の相関Sδ を求める。
ここで各変数について下記のような置き換えを行って計算を行うと数5を得る。
The correlation Sδ of Equation 2 and Equation 3 is obtained.
Here, when the calculation is performed with the following substitutions for each variable, Equation 5 is obtained.

数5で判るようにSδは、有限の距離区間の周波数ドメインスペクトラムであり、 a(r')はC・td /2を中心に±C・T/2の範囲で定義される関数となりa(r')・ exp(-j・ω0 ・r'/ C) はωd を最小周期とするFourier級数 数6で表される。ここで実際の距離 r は(r'+C/td)/2であることに注意。   As can be seen from Equation 5, Sδ is a frequency domain spectrum in a finite distance section, and a (r ′) is a function defined in a range of ± C · T / 2 around C · td / 2. r ′) · exp (−j · ω0 · r ′ / C) is expressed by a Fourier series 6 having ωd as the minimum period. Note that the actual distance r is (r '+ C / td) / 2.

ここでanは下記数7式で与えられる。   Here, an is given by the following equation (7).

Sδはのちに本発明の実施例で述べるように直接的に測定できる値となる。 またtd についても、送信時のクロックタイミングと、相関が取れた時のクロックタイミングの差よりクロックをカウントすることができ容易にかつ正確に知ることができる。
すべての周波数、クロックは、一つの十分に正確な参照発振器によって、同期制御することにより以上の式が成り立ち、anを算出することができる。
Sδ is a value that can be directly measured as described later in the examples of the present invention. As for td, the clock can be counted from the difference between the clock timing at the time of transmission and the clock timing at the time of correlation, and can be easily and accurately known.
All the frequencies and clocks can be calculated by synchronizing the above with a sufficiently accurate reference oscillator, and the above equation can be established.

数6、数7式よりr’ 対a(r’) が求まる。 r’ を求められる精度に対して十分小さいステップで計算することによりr’ 対 |a(r’)| がω0 によらず決定される。なんとならば|exp(jω0 r・C)| はr’ によらず常に1であるから |a(r’)| は数6式の右辺のみで決定される。     R ′ vs. a (r ′) is obtained from the equations (6) and (7). By calculating r 'in steps sufficiently small for the required accuracy, r' vs. | a (r ') | is determined regardless of ω0. Since | exp (jω0 r · C) | is always 1 regardless of r ′, | a (r ′) | is determined only by the right side of Equation (6).

|a(r’)| の極大値が反射点の位置となる。 さらに、精度を出すためには極大値近傍において|a(r’)| の数値微分をとり、d|a(r’)|/dr’=0 の点をニュートン法などで求めることでより精度の高い反射点の位置を求めることができる。     The maximum value of | a (r ′) | is the position of the reflection point. Furthermore, in order to obtain accuracy, numerical accuracy of | a (r ') | is taken near the maximum value, and the point of d | a (r') | / dr '= 0 is obtained by Newton's method, etc. It is possible to obtain the position of a high reflection point.

さらに     More

とすると数7式は、数9に書き換えられω0を明示的に含まないため、計算処理が単純化される。     Then, equation (7) is rewritten into equation (9) and does not explicitly include ω 0, thereby simplifying the calculation process.


さらに数9式において、p=4 と置くとexp[j2πn・q/p] は(1, j, -1, -j)の循環となり、相関の結果であるSδ のI, Q成分の符号変換と、入れ替えだけでan が求められ、さらに単純化される。   Furthermore, in equation (9), if p = 4, exp [j2πn · q / p] is a cycle of (1, j, -1, -j), and the sign conversion of the I and Q components of Sδ that is the result of the correlation And an is required only by replacement, and it is further simplified.

次に光のような非常に波長が短く、観測範囲が数十mm以下の場合についてM系列符号2相位相信号による方法が、エリアシング・ノイズや観測範囲外のノイズの除去に有効な解決手段であることを説明する。   Next, when the wavelength is very short, such as light, and the observation range is several tens of millimeters or less, the M-sequence code two-phase signal method is an effective solution for removing aliasing noise and noise outside the observation range. Explain that.

光によるミクロン単位の測定においては、測定範囲を有限化し、周波数ステップ幅を大きくすることが観測速度を上げる上で非常に重要となる。 M系列符号による測定範囲の有限化を行う場合、シンボル時間を非常に短くすることが要求される。 例えばシンボル時間を10pSecとすると、これに相当する長さは1.5mmとなる。これはミクロン単位の測定に対し合理的な値となる。
これは、マイクロ波の時のようにサンプリングをとって、相関を求めるということは現在非常に難しいと思われるので次に述べるように自己相関をとる方法で、アリアシングの問題を解決し、かつシグナル対ノイズの比を改善する。
In measurement in units of microns with light, it is very important to increase the observation speed by making the measurement range finite and increasing the frequency step width. When the measurement range is limited by the M-sequence code, the symbol time is required to be very short. For example, if the symbol time is 10 pSec, the corresponding length is 1.5 mm. This is a reasonable value for measurements in microns.
This is because it seems that it is very difficult to obtain the correlation by sampling as in the case of microwave, so the problem of aliasing is solved by the method of autocorrelation as described below, and Improve signal-to-noise ratio.

図3を参照して説明する。
本発明は、目標物に照射するM系列で2相位相変調された光線124と同じM系列符号で変調された、周波数の少し異なる光信号132を、目標物から反射してきた信号125と重ね合わせることにより相関をとる方法である。 二つの信号の相関が取れた時には検出器の出力から周波数差信号134が検出される。
この周波数差信号134には有限区間の反射点の情報が含まれる。有限区間以外の反射点の情報は非常に高い周波数の雑音として散乱される。有限区間の反射点の情報を取り出すために、参照用の周波数差信号135を作る手段を設ける。前記参照用差信号135を局部発信信号として、反射物からの周波数差信号134をIQ復調すると有限区間の反射点の情報即ち、周波数ドメインスペクトラムが得られる。 これを、フーリエ逆変換を施すことにより、反射点の位置を得ることが出来る。実際にはDFTあるいは、フーリエ級数展開を行うことにより反射点の位置、強さを知ることが出来る。 DFTの場合はさらに補間をする必要がある。
本発明の方法では、完全な自己相関となるので有限区間は、M系列のシンボル長がTだとすると、2Tに相当するT・C(反射の場合は光路が2倍になるので、区間としては半分になる。)となる。
This will be described with reference to FIG.
The present invention superimposes an optical signal 132 that is modulated with the same M-sequence code as the M-sequence two-phase modulated light beam 124 that irradiates the target with a signal 125 reflected from the target. This is a method for obtaining a correlation. When the two signals are correlated, the frequency difference signal 134 is detected from the detector output.
This frequency difference signal 134 includes information on reflection points in a finite section. Information on reflection points outside the finite interval is scattered as very high frequency noise. In order to extract information on the reflection points in the finite section, a means for creating a reference frequency difference signal 135 is provided. When the reference difference signal 135 is used as a local transmission signal and the frequency difference signal 134 from the reflector is IQ demodulated, information on reflection points in a finite section, that is, a frequency domain spectrum is obtained. By applying an inverse Fourier transform to this, the position of the reflection point can be obtained. Actually, the position and strength of the reflection point can be known by performing DFT or Fourier series expansion. In the case of DFT, further interpolation is required.
In the method of the present invention, since autocorrelation is complete, if the symbol length of the M sequence is T, the finite interval is T · C corresponding to 2T (the optical path is doubled in the case of reflection, so the interval is half) Becomes).

以下、数式により説明する。
Hereinafter, description will be made using mathematical expressions.

信号125と信号132を光検出器7に同時に入力すると光検出器の二乗特性によりミキシングされ、数10式で示される差周波数信号134が得られる。
ここで、マイクロ波レベル計の時と同じ記号を用いる。すなわち

: M系列符号 1 or -1 (





また、rは参照用リフレクタ105と、観測用対象物の反射点との距離を示す。td は参照用リフレクタによる時間遅れである。
When the signal 125 and the signal 132 are simultaneously input to the photodetector 7, they are mixed by the square characteristic of the photodetector to obtain a difference frequency signal 134 expressed by the following equation (10).
Here, the same symbols as those for the microwave level meter are used. Ie

: M-sequence code 1 or -1 (
)




R represents the distance between the reference reflector 105 and the reflection point of the observation object. td is the time delay due to the reference reflector.


同様に信号127と信号133は、光検出器108に入射し、差周波数信号135を得る。信号127と信号133は共通の参照用リフレクタでの反射で、遅延時間td は同じであるとする。   Similarly, the signal 127 and the signal 133 are incident on the photodetector 108 to obtain a difference frequency signal 135. The signal 127 and the signal 133 are reflected by a common reference reflector, and the delay time td is the same.

従ってIQ復調器109の出力は数10と数11式の積となる。   Therefore, the output of the IQ demodulator 109 is the product of Equation 10 and Equation 11.

従って、光の場合でも、自己相関をとることにより有限領域のフーリエ変換が得られることになり、エリアシングの問題が解決されることが判った。   Therefore, it has been found that, even in the case of light, Fourier transformation in a finite region can be obtained by taking autocorrelation, and the problem of aliasing can be solved.

以下、より具体的にハードウェアに即して、解決するための手段を示す。   Hereinafter, means for solving the problem more specifically in accordance with hardware will be described.

以下、本発明の実施の形態を図1〜図3に基づいて説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1はマイクロ波レベル計の構成例を示し、1はM系列符号生成器、2は位相変調器、3は周波数制御部、4は数値制御発振器、 5は逓倍器、 6は周波数変換器、7は局部発振器、8は帯域濾波器、9は送受分離器、10はアンテナ、11は低雑音増幅器、12は周波数変換器、13はIQ復調器、14はキャリア再生部、15は周波数変換器、16は周波数制御部、17は数値制御発振器、18は増幅器、19はAD変換器、20は相関器、21は信号処理部、22は表示部、外部インターフェースである。     FIG. 1 shows a configuration example of a microwave level meter, 1 is an M-sequence code generator, 2 is a phase modulator, 3 is a frequency control unit, 4 is a numerically controlled oscillator, 5 is a multiplier, 6 is a frequency converter, 7 is a local oscillator, 8 is a bandpass filter, 9 is a transmission / reception separator, 10 is an antenna, 11 is a low noise amplifier, 12 is a frequency converter, 13 is an IQ demodulator, 14 is a carrier recovery unit, and 15 is a frequency converter. , 16 is a frequency control unit, 17 is a numerically controlled oscillator, 18 is an amplifier, 19 is an AD converter, 20 is a correlator, 21 is a signal processing unit, 22 is a display unit, and an external interface.

M系列符号生成器1は、シフトレジスタと帰還回路からなる一般的なM系列符号生成器または、M系列符号を記憶したメモリからなり、M系列符号列を周期Tのクロックに対応して順次生成出力する。 一方周波数制御部3は、数値制御発振器4に対し周波数の指令を出す。 逓倍器5の出力において、測距に必要な周波数ステップと帯域を有する信号を得ることが必要である。逓倍器5の逓倍数がUとすると、位相変調器2の出力において、周波数ステップは1/(U・T)、位相偏移は(0,(2n+1)π/U)となるように数値制御発振器4と位相変調器2を構成する。逓倍器5は逓倍数Uであるから逓倍器5の出力のステップ周波数は1/T、位相偏移は(0, π)となる。
周波数変換器6で、所定の周波数に周波数に変換する。 送信周波数群の最低周波数をp/Tの倍数とするとT/p間隔でサンプリングしたとき、常にサンプリング点において一定の位相になり、数7式が数8式のようになり、簡単化される。
周波数変換器6に使用する局部信号発振器7は送受共通とすることでPLLによる位相の揺らぎ等に対して測定に与える影響を最小にしている。
周波数変換器6の出力は帯域濾波器8を通して、送受分離器9を介してアンテナ10から放射される。
The M-sequence code generator 1 consists of a general M-sequence code generator consisting of a shift register and a feedback circuit or a memory storing the M-sequence code, and sequentially generates M-sequence code sequences corresponding to a clock with a period T Output. On the other hand, the frequency control unit 3 issues a frequency command to the numerically controlled oscillator 4. At the output of the multiplier 5, it is necessary to obtain a signal having a frequency step and a band necessary for ranging. When the multiplication factor of the multiplier 5 is U, the frequency step is 1 / (U · T) and the phase shift is (0, (2n + 1) π / U) at the output of the phase modulator 2. A numerically controlled oscillator 4 and a phase modulator 2 are configured. Since the multiplier 5 has a multiplication number U, the step frequency of the output of the multiplier 5 is 1 / T and the phase shift is (0, π).
The frequency converter 6 converts the frequency into a predetermined frequency. When the lowest frequency of the transmission frequency group is a multiple of p / T, when sampling is performed at intervals of T / p, the phase is always constant at the sampling point, and Equation 7 becomes Equation 8 and is simplified.
The local signal oscillator 7 used for the frequency converter 6 is used for both transmission and reception, thereby minimizing the influence on the measurement with respect to phase fluctuations caused by the PLL.
The output of the frequency converter 6 is radiated from the antenna 10 through the band filter 8 and the transmission / reception separator 9.

反射された電磁波は、アンテナ10にて受信され送受分離器9を介して低雑音増幅器11で増幅され、周波数変換器12で周波数変換される。
周波数変換器12の出力周波数は、逓倍器5の出力周波数と同一であることに留意する。 一方逓倍器5の出力は2相位相変調波であり、これを2逓倍し、2分周すると逓倍器5の出力周波数を持つ連続波が得られる。 この機能を有するのがキャリア再生部14である。キャリア再生した信号を周波数変換器15で、AD変換器19のクロック周波数と同じ周波数だけ変移し、増幅してIQ復調器13に局部発振信号として印可しAD変換器19のクロック信号と同じ周波数の中心周波数を持つIQ復調信号を得、増幅器18でI,Q別々に増幅しAD変換器19でデジタル変換することにより中心周波数0のデジタルベースバンドIQ信号を得る。
デジタルベースバンドIQ信号は相関器20に入力される。
尚、IQ復調器13は、ここではアナログ型復調器を用いているが、アナログ・デジタル変換の後、デジタル型IQ復調器を用いても同じ効果を得る。
The reflected electromagnetic wave is received by the antenna 10, amplified by the low noise amplifier 11 through the transmission / reception separator 9, and frequency-converted by the frequency converter 12.
Note that the output frequency of the frequency converter 12 is the same as the output frequency of the multiplier 5. On the other hand, the output of the multiplier 5 is a two-phase phase-modulated wave. When this is doubled and divided by 2, a continuous wave having the output frequency of the multiplier 5 is obtained. The carrier reproducing unit 14 has this function. The carrier recovered signal is shifted by the frequency converter 15 by the same frequency as the clock frequency of the AD converter 19, amplified and applied as a local oscillation signal to the IQ demodulator 13, and has the same frequency as the clock signal of the AD converter 19. An IQ demodulated signal having a center frequency is obtained, amplified by an amplifier 18 separately for I and Q, and digitally converted by an AD converter 19 to obtain a digital baseband IQ signal having a center frequency of 0.
The digital baseband IQ signal is input to the correlator 20.
The IQ demodulator 13 uses an analog demodulator here, but the same effect can be obtained by using a digital IQ demodulator after analog-digital conversion.

相関器20の構成を図2に示す。
相関器20はM系列符号の1、−1に対応してX1列乗算器31とX-1列乗算器32の組み合わせで構成される。 それぞれの列乗算器は、1クロックごとにデータが順次シフトするシフトレジスタ33と各レジスタ段間に信号出力ノードを有しており、サンプリングクロックがT/p間隔の時、各列乗算器(31or32)はp個のレジスタとp個の出力端子を有する。 31のX1列乗算器は段間ノードの信号を、そのまま出力信号とし、32のX-1列乗算器の場合は、段間からの信号を符号変換器34で符号変換し出力する。 従ってシフトレジスタ33各段の計算はなく非常に高速な処理が可能である。
35のI相関器はM系列符号の符号長と等しい数だけ列乗算器(31or32)を持ち、各列乗算器36の符号は、送信M系列符号の符号に合致するように設けられる。
各列乗算器36のp個の出力は出力順番毎にまとめられp-1個の加算器37に印加され加算される。p番目の出力グループは相関の判定には用いないので終端器38で終端される。 これは、端に位置する端子の出力は、受信信号の符号境界に合致する可能性があり、不定になる可能性があることから相関の判定に用いないこととした。 この点からpは2以上である必要がある。 各加算器37の出力はT秒間隔のM系列符号パルス列と受信M系列符号信号との相関である。
Q相関器40も、I相関器35と同様の構成、動作をし、p-1個の加算器37の出力が得られる。 I、Q相関器35,40のそれぞれ順番の一致する加算器37の出力を自乗和することにより相関の判定を行う。
p-1個が全て非零で、あらかじめ定めた値より大きな値となった場合相関が最も強くなったと判断し、I,Q相関器35,40のp-1個の加算器37のうちで中央の加算器37のI,Q出力をtd= q・T/pの遅延時間時の数8式で示される有限空間のスペクトラムとする。 qは送信開始からクロックのカウントを始め、相関が得られた時までのカウント数から、M系列符号の長さに相当するクロック数を引いた数である。
このようにして、送信周波数を変えて、遅延時間tdと、I,Q出力すなわち複素周波数スペクトラムをとることにより、数8式より空間の反射分布を得ることが出来る。
The configuration of the correlator 20 is shown in FIG.
Correlator 20 is composed of a combination of X1 column multiplier 31 and X-1 column multiplier 32 corresponding to M-sequence codes 1 and -1. Each column multiplier has a shift register 33 in which data is sequentially shifted every clock and a signal output node between each register stage. When the sampling clock is at a T / p interval, each column multiplier (31or32) ) Has p registers and p output terminals. The X1 column multiplier of 31 uses the signal of the interstage node as an output signal as it is, and in the case of 32 X-1 column multipliers, the signal from the interstage is code-converted by the code converter 34 and output. Therefore, there is no calculation at each stage of the shift register 33, and very high-speed processing is possible.
The 35 I correlators have column multipliers (31 or 32) as many as the code length of the M-sequence code, and the code of each column multiplier 36 is provided to match the code of the transmission M-sequence code.
The p outputs of each column multiplier 36 are collected in the output order, applied to p−1 adders 37, and added. Since the p-th output group is not used for correlation determination, it is terminated by the terminator 38. This is because the output of the terminal located at the end may coincide with the code boundary of the received signal and may be indefinite, so it is not used for correlation determination. From this point, p needs to be 2 or more. The output of each adder 37 is the correlation between the M-sequence code pulse sequence at intervals of T seconds and the received M-sequence code signal.
The Q correlator 40 has the same configuration and operation as the I correlator 35, and outputs of p-1 adders 37 are obtained. The correlation is determined by summing the squares of the outputs of the adders 37 in the same order of the I and Q correlators 35 and 40.
When all of p−1 are non-zero and become larger than a predetermined value, it is determined that the correlation is strongest, and among the p−1 adders 37 of the I and Q correlators 35 and 40, The I and Q outputs of the central adder 37 are assumed to be a spectrum in a finite space expressed by Equation 8 when the delay time is td = q · T / p. q is a number obtained by subtracting the number of clocks corresponding to the length of the M-sequence code from the number of counts from the start of transmission to the count of clocks until the correlation is obtained.
In this way, by changing the transmission frequency and taking the delay time td and the I and Q outputs, that is, the complex frequency spectrum, a spatial reflection distribution can be obtained from Equation (8).

図3は、光に適用した場合を示す。
本発明は、光線等の電磁波を用いる測距撮像装置において、コヒーレントな光線を発する光源101からの信号121を信号122と信号128に分岐する手段と、M符号列位相変調器102によって信号122をM系列符号にて2相位相変調し信号123とする手段と、信号123を信号126と信号124に分岐する手段と、信号124を観測対象物106に照射し、観測対象物から反射散乱した信号125を捕捉する手段と、信号126を参照用リフレクタ105に照射し、反射散乱した信号127を捕捉する手段と、信号128を周波数シフター103にて周波数をシフトし信号129を得る手段と、信号129をM系列符号位相変調器104により、信号123に対するM系列符号と同一、かつ同期したM系列符号で2相位相変調を行い出力信号130を得る手段と、信号130を参照用リフレクタ105に照射し反射信号131を捕捉する手段と、反射信号131を信号132と信号133に分岐する手段と、信号125と信号132を光検出器107に同時に照射する手段と、光検出器107から信号125と信号132の差周波数信号134を取り出す手段と、信号127と信号133を光検出器108に照射する手段と、光検出器108から信号127と信号133の差周波数信号135を取り出す手段と、信号135を局部発振信号として信号134をIQ復調器109でIQ復調してI信号136とQ信号137を得る手段を有し、光源101からの光線の周波数を変えて、同一対象物に対して各周波数でIQ信号を得ることにより、周波数ドメインスペクトラム群を得て、フーリエ変換により観測対象物106の断層反射分布を得ることを特徴とした光干渉断層計。

FIG. 3 shows the case where it is applied to light.
The present invention relates to a ranging imaging apparatus that uses electromagnetic waves such as light rays, and a means for branching a signal 121 from a light source 101 that emits a coherent light beam into a signal 122 and a signal 128, and an M code string phase modulator 102. Means for performing two-phase phase modulation with M-sequence code to make signal 123, means for branching signal 123 to signal 126 and signal 124, signal irradiating observation object 106 with signal 124, and signal reflected and scattered from observation object Means for capturing the signal 125, means for irradiating the reference reflector 105 with the signal 126 and capturing the reflected and scattered signal 127; means for shifting the frequency of the signal 128 by the frequency shifter 103 to obtain the signal 129; M-phase code phase modulator 104 performs two-phase phase modulation with an M-sequence code identical to and synchronized with the M-sequence code for signal 123 to obtain output signal 130; Means for irradiating the reference reflector 105 and capturing the reflected signal 131; means for branching the reflected signal 131 into a signal 132 and signal 133; means for simultaneously irradiating the photodetector 107 with the signal 125 and signal 132; Means for extracting the difference frequency signal 134 between the signals 125 and 132 from the detector 107, means for irradiating the photodetector 108 with the signals 127 and 133, and a difference frequency signal 135 between the signal 127 and signal 133 from the photodetector 108. And means for taking out the signal 135 as a local oscillation signal and IQ demodulating the signal 134 by the IQ demodulator 109 to obtain the I signal 136 and the Q signal 137, changing the frequency of the light beam from the light source 101, and the same object A frequency domain spectrum group is obtained by obtaining an IQ signal at each frequency for an object, and a fault of the observation object 106 is obtained by Fourier transform. Optical coherence tomography, which was characterized by obtaining a morphism distribution.

下記の用途などに応用、利用できる可能性がある。
マイクロ波レベル計
自動車用レーダ
一般レーダ
測量
光干渉断層計
産業用非破壊検査設備
There is a possibility that it can be applied and used for the following purposes.
Microwave level meter
Automotive radar
General radar
Surveying
Optical coherence tomography
Industrial nondestructive inspection equipment

1 M系列符号生成器
2 位相変調器
3 周波数制御部
4 数値制御発振器
5 逓倍器
6 周波数変換器
7 局部信号発振器
8 帯域濾波器
9 送受分離器
10 アンテナ
11 低雑音増幅器
12 周波数変換器
13 IQ復調器
14 キャリア再生部
15 周波数変換器
16 周波数制御部
17 数値制御発振器
18 増幅器
19 AD変換器
20 相関器
21 信号処理部
22 表示部・外部インターフェース部
31 X1列乗算器
32 X−1列乗算器
33 シフトレジスタ
34 符号変換器
35 I相関器
36 乗算器
37 加算器
38 終端器
39 終端器
40 Q相関器
41 終端器

1 M-sequence code generator 2 Phase modulator 3 Frequency controller 4 Numerically controlled oscillator 5 Multiplier 6 Frequency converter 7 Local signal oscillator 8 Bandpass filter 9 Transmitter / receiver separator 10 Antenna 11 Low noise amplifier 12 Frequency converter 13 IQ demodulation 14 Carrier recovery unit 15 Frequency converter 16 Frequency control unit 17 Numerical control oscillator 18 Amplifier 19 AD converter 20 Correlator 21 Signal processing unit 22 Display unit / external interface unit 31 X1 column multiplier 32 X-1 column multiplier 33 Shift register 34 Code converter 35 I correlator 36 Multiplier 37 Adder 38 Terminator 39 Terminator 40 Q correlator 41 Terminator

Claims (9)

電磁波を用いる測距装置において、シンボル時間長T秒のM系列符号信号にて2相位相変調されたマイクロ波、ミリ波、光等の電磁波送信信号を、周波数間隔1/T(Hz)の連続する複数の周波数にて、順次あるいは順不動にアンテナより空間に送出する手段と、前記送信信号が目標物等で反射散乱した信号を前記アンテナあるいは別のアンテナで受信し、前記受信信号をIQ復調して複素信号とする手段と、前記送信M系列符号信号と同期した同一のM系列符号を有し、前記送信信号のシンボル長Tと同じパルス間隔Tを持つバイポーラRZ-M系列パルス列信号で、かつ前記パルス列信号を送信M系列符号に対し遅延時間td遅らせた前記パルス列信号と、前記復調複素信号の相関を行う手段と、遅延時間tdを測定する手段を有し、前記送信信号の周波数を、周波数間隔1/Tの連続する複数の各周波数において前記と同様な手段にて相関と遅延時間を求め、これら各周波数において得られた相関の結果と遅延時間tdとにより、測定対象物までの距離を測定することを特徴とする測距装置。 In a distance measuring device that uses electromagnetic waves, two-phase phase-modulated microwave, millimeter wave, light, and other electromagnetic wave transmission signals with an M-sequence code signal with a symbol time of T seconds are continuously transmitted at a frequency interval of 1 / T (Hz). Means for sequentially or unsteadily transmitting to the space at a plurality of frequencies, and receiving the signal reflected and scattered by the target signal etc. by the antenna or another antenna, and demodulating the received signal by IQ demodulation And a bipolar RZ-M sequence pulse train signal having the same M sequence code synchronized with the transmission M sequence code signal and having the same pulse interval T as the symbol length T of the transmission signal, And a means for correlating the pulse train signal obtained by delaying the pulse train signal with respect to a transmission M sequence code by a delay time td and the demodulated complex signal, a means for measuring the delay time td, and a frequency of the transmission signal, Zhou Correlation and delay time are obtained by the same means as described above at each of a plurality of continuous frequencies of several intervals 1 / T, and the distance to the measurement object is obtained from the correlation result and delay time td obtained at each frequency. Ranging device characterized by measuring 請求項1において、前記M系列符号送信信号と、前記パルス列信号を互いに同期したクロックで制御し、かつ遅延時間tdを前記シンボル時間Tの整数分の1の倍数とし、すなわちtd=q・T/p (p:自然数、q:零または正の整数)とし、tdをデジタル的に変化させたことを特徴とする測距装置。 2. The M-sequence code transmission signal and the pulse train signal are controlled by clocks synchronized with each other, and the delay time td is a multiple of an integral number of the symbol time T, that is, td = q · T / A distance measuring device characterized by p (p: natural number, q: zero or positive integer) and td changed digitally. 請求項1及び2において、tdを、周期をT/pとする前記クロックをカウントすることにより求めたことを特徴とする測距装置。 3. The distance measuring device according to claim 1, wherein td is obtained by counting the clocks having a cycle of T / p. 請求項1から3の何れかにおいて、基準となる最小送信周波数をp/Tの倍数とし、前記最小送信周波数から周波数1/Tごとに送信周波数をかえて測距を行うことを特徴とする測距装置。 4. The measurement according to claim 1, wherein the reference minimum transmission frequency is a multiple of p / T, and ranging is performed by changing the transmission frequency for each frequency 1 / T from the minimum transmission frequency. Distance device. M系列符号長と同じ段数を有するシフトレジスタと、各段出力にM系列符号に対応する符号変換器を設け、各符号変換器の出力の総和をとるアキュミュレータを設けてなる相関器を設け、前記IQ復調信号をT秒間隔でサンプリングし、前記相関器に入力してなることを特徴とする請求項1から4の何れかに記載の測距装置。 A shift register having the same number of stages as the M-sequence code length, a code converter corresponding to the M-sequence code at each stage output, and a correlator provided with an accumulator that takes the sum of the outputs of each code converter are provided, 5. The distance measuring apparatus according to claim 1, wherein the IQ demodulated signal is sampled at intervals of T seconds and input to the correlator. M系列符号長のp倍の段数を有するシフトレジスタと、各段出力にM系列符号に対応する符号変換器を設け、p段間隔でグループ化し、グループごとの各符号変換器の出力の総和をとるアキュミュレータをp個設けてなる相関器を設け、そのp個の前記アキュミュレータのうち、連続するp-1個のアキュミュレータが非零の場合にp個(pが奇数の場合)あるいはp-1個(pが偶数の場合)の前記アキュミュレータの出力のうち、中央のアキュミュレータの出力を相関値とすることを特徴とする相関器を有し、前記IQ復調信号をT/p秒間隔でサンプリングし、前記相関器に入力して相関値を得ることを特徴とする請求項1から5の何れかに記載の測距装置。 A shift register having the number of stages p times the M-sequence code length and a code converter corresponding to the M-sequence code are provided for each stage output, grouped at p-stage intervals, and the sum of the outputs of each code converter for each group Correlator comprising p accumulators to be provided is provided, and among the p accumulators, p (when p is an odd number) or p when consecutive p-1 accumulators are non-zero or p -1 (when p is an even number) of the accumulator outputs, the output of the central accumulator is used as a correlation value, and the IQ demodulated signal is converted into T / p seconds. 6. The distance measuring device according to claim 1, wherein sampling is performed at intervals and the correlation value is obtained by inputting to the correlator. 請求項1から6の何れかにおいて、送受信間で信号折り返し回路を設け、あるいは、アンテナの近傍に参照用反射器を設けたことを特徴とする測距装置。
7. The distance measuring device according to claim 1, wherein a signal folding circuit is provided between transmission and reception, or a reference reflector is provided in the vicinity of the antenna.
光線等の電磁波を用いる測距撮像装置において、コヒーレントな光線を発する光源1からの光線を、第1の光線と第2の光線に分岐し、
第1の光線を第1の位相変調器により、M系列符号にて2相位相変調し、この被位相変調光線をさらに第1の被変調光線と第2の被変調光線に分岐し、
第1の被変調光線を対象物に照射し、反射してきた第1の被変調光線を第一の光検出器に印加し、
第2の被変調光線を参照用リフレクタに照射し、反射してきた第2の被変調光線を第2の光検出器に印加し、
前記第2の光線を周波数シフト器にて周波数を変位し、さらに周波数変位した第2の光線を、前記第1の光線を位相変調したのと同一のM系列符号でかつ同一タイミングにて2相位相変調をし、この被位相変調光線を第3の被変調光線と第4の被変調光線に分岐し、
第3の被変調光線を対象物に照射し、反射してきた第3の被変調光線を第1の光検出器に印加し、前記反射してきた第1の被変調光線と、反射してきた第3の被変調光線を第1の光検出器にて混合し、前記周波数シフト器でシフトした差周波数を有する第1の差周波数信号を検出し、
第4の被変調光線を前記参照用リフレクタに照射し、反射してきた第4の被変調光線を第2の光検出器に印加し、前記反射してきた第2の被変調光線と、反射してきた第4の位相変調光を第2の光検出器にて混合し、前記周波数シフト器でシフトした差周波数を有する第2の差周波数信号を検出し、
第2の差周波数信号を局発信号とするIQ信号復調器にて、第1の差周波数の有する対象物のIQ成分、すなわち複素周波数スペクトラムを検出することを特徴とした反射分布測定器。
In a ranging imaging device using electromagnetic waves such as light rays, the light rays from the light source 1 that emits coherent light rays are split into a first light ray and a second light ray,
The first light beam is two-phase-phase-modulated by an M-sequence code with a first phase modulator, and this phase-modulated light beam is further branched into a first modulated light beam and a second modulated light beam,
Irradiating the object with the first modulated light beam and applying the reflected first modulated light beam to the first photodetector;
Irradiating the reference reflector with the second modulated light beam and applying the reflected second modulated light beam to the second photodetector;
The frequency of the second light beam is displaced by a frequency shifter, and the second light beam, which is further frequency-shifted, has the same M-sequence code as the phase modulation of the first light beam, and two phases at the same timing. Phase-modulating, branching the phase-modulated light beam into a third modulated light beam and a fourth modulated light beam,
The object is irradiated with the third modulated light beam, the reflected third modulated light beam is applied to the first photodetector, and the reflected first modulated light beam and the reflected third light beam are reflected. A modulated light beam is mixed by a first photodetector, and a first difference frequency signal having a difference frequency shifted by the frequency shifter is detected,
The reference modulated reflector is irradiated with the fourth modulated light beam, the reflected fourth modulated light beam is applied to the second photodetector, and reflected by the reflected second modulated light beam. A fourth phase modulated light is mixed by a second photodetector, and a second difference frequency signal having a difference frequency shifted by the frequency shifter is detected;
A reflection distribution measuring device for detecting an IQ component of an object having a first difference frequency, that is, a complex frequency spectrum by an IQ signal demodulator using a second difference frequency signal as a local oscillation signal.
請求項8において、光源1からの光線の周波数を、前記M系列符号のシンボル長T(Sec)に対し1/(2T)(Hz)ステップで変えて、各周波数にて複素周波数スペクトラムを得、前記複素周波数スペクトラム群より、前記対象物の反射分布関数を得ることを特徴とした反射分布測定器。





In Claim 8, the frequency of the light beam from the light source 1 is changed in steps of 1 / (2T) (Hz) with respect to the symbol length T (Sec) of the M-sequence code to obtain a complex frequency spectrum at each frequency, A reflection distribution measuring device that obtains a reflection distribution function of the object from the complex frequency spectrum group.





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JP2020169983A (en) * 2019-04-04 2020-10-15 ジック アーゲー Measurement of distance

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