KR100684811B1

KR100684811B1 - 거리측정방법 및 장치

Info

Publication number: KR100684811B1
Application number: KR1020047014034A
Authority: KR
Inventors: 우에보데쓰지; 이리타니다다미쓰
Original assignee: 가부시키가이샤 시마세이키 세이사쿠쇼
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2007-02-20
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: US20060023571A1; EP1512987A1; JPWO2003104841A1; WO2003104841A1; US7145502B2; EP1512987A4; AU2003242019A1; CN1322335C; CN1646936A; KR20040105758A

Abstract

본 발명의 목적은, 고분해능으로 거리를 측정할 수 있도록 하는 것이다. 주파수 컨트롤러7은 전압제어 발진기2를 제어하여 2개의 중심 주파수f1, f2를 포함하는 범위에서 신호원 주파수f를 변화시켜서 안테나4로부터 진행파로서 타겟5를 향하여 송신시킨다. 타겟5에서 반사되는 반사파와 진행파는 간섭하여 정재파를 형성한다. 파워 검출기6은, 정재파의 진폭에 대응하는 파워를 검출하여 2개의 중심 주파수f1, f2에 의거하는 푸리에 변환을 푸리에 변환수단11, 12에서 각각 하여 레이더 이미지 함수P1(x), P2(x)를 산출한다. 타겟5까지의 거리d는, 2개의 레이더 이미지 함수의 위상차가 제로 크로스하고 또한 레이더 이미지 함수의 진폭이 극대가 되는 조건을 충족시키는 것으로서 특정된다. 위상차의 제로 크로스 포인트는, 1차함수의 제로 크로스 포인트에서 고분해능으로 특정할 수 있다.

Description

거리측정방법 및 장치{DISTANCE MEASUREMENT METHOD AND DEVICE}

본 발명은, 정재파(定在波 : standing wave)를 이용하여 측정대상물과의 사이의 거리를 비접촉(非接觸)으로 측정할 수 있는 거리측정(距離測定)의 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래부터 거리측정은 기본적인 물리량(物理量) 측정의 하나로서 많은 방법이 사용되고 있다. 「거리(距離)」는, 물리적인 차원에서는 「길이」와 동일하여 개념으로서 중복되어 있는 경우가 있다. 동일한 측정대상에서도, 측정기구를 접촉시키지 않고 측정하는 경우에는 「거리」가 되고, 측정기구를 접촉시켜서 측정하는 경우에는 「길이」가 된다라고 생각되는 경우가 있다. 길이의 측정기구로서 기본적인 것은, 일정한 기준으로 눈금이 붙여져 있는 것이 정규(正規)이다.

일본국 공개특허공보 특개평3-144306호 공보에는, 도파관(導波管)에 축(軸) 방향으로 연장되는 슬릿(slit)을 형성하고, 도파관 내에 전자파(電磁波)의 정재파를 발생시켜서 도파관의 외부로부터 슬릿을 통하여 내부에 복 수의 탐침(探針)을 삽입하는 슬라이더(slider)를 축 방향으로 이동시켜서 탐침에 의하여 검출되는 정재파의 진폭(振幅)에 의거하여 슬라이더의 위치를 구할 수 있는 길이 측정기에 관한 선행기술이 개시되어 있다.

또한 본건 출원인은 일본국 공개특허공보 특개평11-230734호 공보에서, 직선 모양의 도체로(導體路) 내에 주파수(周波數)가 주기적(週期的)으로 변화되는 주파수 변조파(周波數變調波)에 의한 정재파를 형성하고, 도체로의 도중에서의 정재파의 엔벨로프(envelope)와 변조신호(變調信號)와의 상관에 의거하여 도체로에 층(層) 위치를 측정하는 리니어 인코더(linear encoder)에 관한 선행기술을 개시하였다.

또한 본건 발명자 등은, 측정대상과의 사이에 존재하는 전파매질(傳播媒質), 예를 들면 공간에 대하여 전자파에 의하여 정재파를 형성할 수 있는 것을 찾아내어 일본국 공개특허공보 특개평11-230734호 공보에 도체로에 관하여 적용하고 있는 정재파를 이용하는 개념을 발전시켜서 비접촉으로 거리를 측정할 수 있는 기술을 일본국 특허출원2001-237280호에 제안하였다.

일본국 공개특허공보 특개평3-144306호 공보나 일본국 공개특허공보 특개평11-230734호 공보에 개시되어 있는 선행기술에서는, 정규에 상당하는 도파관이나 도체로를 측정의 기준이 되는 위치와 측정대상과의 사이에 설치하여 측정대상과는 기계적으로 접촉하여야만 한다. 일본국 특허출원2001-237280호에서 제안하고 있는 기술에서는, 공간을 전파매질로 하는 전자파 등에 형성되는 정재파를 이용하기 때문에 측정대상과는 비접촉으로 거리를 측정할 수 있어 자동차 등의 이동체(移動體)에 탑재되는 레이더(radar) 등으로서도 이용할 수 있다.

일본국 특허출원2001-237280호에서 제안하고 있는 기술은, 정재파를 형성시키는 전자파 등의 주파수를 변화시켜서 검출되는 정재파의 진폭과 주파수의 관계를 나타내는 검출신호함수(檢出信號函數)를 구하여 검출신호함수가 극치(極値)를 취하는 주파수를 측정대상까지의 거리에 대응시키고 있다. 그러나 후술하는 바와 같이 극치 부근에서는 검출신호함수의 변화는 작아지게 되어 극치의 위치를 정확하게 특정(特定)하는 것은 곤란하여 분해능(分解能)을 높이기 위해서는 한계가 있다. 또한 실제의 측정에서는, 검출신호함수에는 노이즈(noise) 성분이 중첩하기 때문에 진폭 정보에만 의거하여 극치의 위치를 특정하면 오차가 커져 버릴 우려도 있다.

위상(位相) 정보를 이용하더라도 위상에는, 측정대상에서의 반사에 의한 위상 시프트량(位相 shift量)이 포함되어 일반적으로 정확한 위상 시프트량을 구하는 것은 곤란하여 미지(未知)의 양으로서 생각하여야 한다. 또한 검출신호함수에서는, 진폭의 변화와 비교하여 위상의 변화는 짧은 주기의 주기함수이며 진폭의 극치 부근에서도 위상 시프트량과 일정한 관계에 있는 위상이 복수 존재하기 때문에 위상 시프트량을 정확하게 구할 수 있더라도 진폭의 극치를 특정하는 것은 곤란하다.

본 발명의 목적은, 고분해능(高分解能)으로 거리를 측정할 수 있는 거리측정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은, 기준위치로부터 측정대상까지의 거리를 측정하는 방법으로서,

기준위치와 측정대상의 주위에 존재하는 전파매질(傳播媒質) 중으로 그 기준위치로부터 그 측정대상을 향하여 진행하는 진행파(進行波)를 주파수(周波數)를 변화시키면서 발생시켜서 측정대상에서 반사되는 반사파(反射波)와 간섭시켜서 정재파(定在波 : standing wave)를 생성하는 정재파 생성단계(定在波生成段階)와,

정재파 생성단계에서 생성되는 정재파를 검출하는 정재파 검출단계(定在波檢出段階)와,

정재파 검출단계에서 검출되는 정재파로부터 복수의 다른 중심 주파수에 의거하여 기준위치로부터 측정대상을 통과하는 가상적(假想的)인 직선축 상의 1점까지의 간격을 변수(變數)로 하는 복수의 레이더 이미지 함수(radar image function)를 각각 산출하는 레이더 이미지 산출단계(radar image 算出段階)와,

레이더 이미지 산출단계에서 산출되는 복수의 레이더 이미지 함수 사이의 위상차(位相差) 및 어느 하나의 레이더 이미지 함수의 진폭(振幅)이 미리 정하여진 조건을 충족시키는 간격을 기준위치로부터 측정대상까지의 거 리로서 판별하는 거리판별단계(距離判別段階)를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정방법(距離測定方法)이다.

또한 본 발명은, 상기 측정대상으로서, 거리측정의 목적이 되는 측정대상과 거리측정의 기준이 되는 측정대상을 동시에 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 기준위치로부터 측정대상까지의 거리를 측정하는 장치로서,

기준위치와 측정대상의 주위에 존재하는 전파매질 중으로 그 기준위치로부터 그 측정대상을 향하여 진행하는 진행파를 주파수를 변화시키면서 발생시키는 진행파 발생수단(進行波發生手段)과,

진행파 발생수단에 의하여 발생되는 진행파가 측정대상에서 반사되어 진행파 발생수단측으로 되돌아 오는 반사파와 간섭하여 생성되는 정재파를 검출하여 그 정재파에 대응하는 신호를 도출(導出)하는 정재파 검출수단(定在波檢出手段)과,

정재파 검출수단으로부터 도출된 정재파에 대응하는 신호를 연산처리하여 복수의 다른 중심 주파수에 의거하여 기준위치로부터 측정대상을 통과하는 가상적인 직선축 상의 1점까지의 간격을 변수로 하는 복수의 레이더 이미지 함수를 각각 산출하는 레이더 이미지 산출수단과,

레이더 이미지 산출수단에 의하여 산출되는 복수의 레이더 이미지 함수간의 위상차 및 어느 하나의 레이더 이미지 함수의 진폭이 미리 정하여진 조건을 충족시키는 간격을 기준위치로부터 측정대상까지의 거리로서 판별하는 거리판별수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정장치(距離測定裝置)이다.

또한 본 발명에서, 상기 레이더 이미지 산출수단은, 푸리에 변환처리(Fourier 變換處理)에 의하여 상기 복수의 레이더 이미지 함수를 각각 산출하고,

상기 거리판별수단은, 적어도 2개의 레이더 이미지 함수 사이의 위상차가 0 또는 원주율(圓周率)π의 짝수 배의 라디안(radian) 값이 되어 적어도 어느 하나의 레이더 이미지 함수의 진폭이 극치(極値)가 되는 간격을 상기 미리 정하여진 조건을 충족시키는 거리로서 판별하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서, 상기 레이더 이미지 산출수단은, 상기 정재파에 대응하는 신호에 미리 정하여진 윈도우 함수(window function)를 이용하여 상기 복수의 다른 중심 주파수에 대하여 공통의 가변 폭(可變幅)에서 푸리에 변환처리를 하여 상기 복수의 레이더 이미지 함수를 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서, 상기 진행파 발생수단은,

발진 주파수를 제어 가능하여 고주파 신호(高周波信號)를 발생시키는 발진기(發振器)와,

발진기의 발진 주파수를 미리 정하여진 범위에서 주기적으로 변화시키 는 컨트롤러(controller)와,

발진기로부터의 고주파 신호를 상기 전파매질인 공간에 전자파에 의한 진행파로서 송신하는 안테나(antenna)를 포함하고,

상기 정재파 검출수단은, 그 안테나를 이용하여 상기 정재파를 검출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적, 특색 및 이점은 다음의 상세한 설명과 도면으로부터 더 명확하게 될 것이다.

도1은 본 발명의 실시에 있어서의 하나의 예인 거리측정장치1의 개략적인 전기적 구성을 나타내는 블록도 및 주파수f에 대한 정재파의 진폭 변화를 나타내는 그래프이다.

도2는, 도1의 거리측정장치1에서 타겟5의 거리를 특정하기 위하여 이용하는 진폭 및 위상각의 변화를 나타내는 그래프이다.

도3은 본 발명의 기초가 되는 거리측정장치20의 대략적인 전기적 구성을 나타내는 블록도 및 x축 상의 위치 변화에 대한 레이더 이미지 함수의 진폭 변화를 나타내는 그래프이다.

도4는, 도3의 거리측정장치20에서 주파수f에 대한 정재파의 진폭 변화를 나타내는 그래프이다.

도5는, 도3의 거리측정장치1에서 이용하는 윈도우 함수를 푸리에 변환 한 함수 파형을 나타내는 그래프이다.

도6은, 도3의 거리측정장치1에서 가동 타겟과 고정 타겟을 동시에 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

도7은, 도3의 거리측정장치1에서 타겟5의 거리를 특정하기 위하여 이용하는 진폭 및 위상각의 변화를 나타내는 그래프이다.

도8은, 도1의 실시예에서 거리를 특정하는 순서를 나타내는 플로우 차트(flow chart)이다.

도9는, 도1의 실시예에서 의복30을 착용 중인 인체31을 타겟으로 하고 있는 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다.

이하 도면을 참고로 하여 본 발명의 적합한　실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도1은, 본 발명에 있어서의 실시의 하나의 예에서의 거리측정을 위한 개략적인 구성을 나타낸다. 거리측정장치(距離測定裝置)1은, 외부로부터 공급되는 전압에 따라 발진주파수(發振周波數)를 변경할 수 있고 Voltage Controlled Oscillator라는 어원으로부터 VCO라고 약칭되는 전압제어 발진기(電壓制御發振器)2로부터 고주파(高周波)의 전기신호를 발생시켜서 전력증폭(電力增幅)이나 임피던스 정합(impedance 整合)을 하는 전송장치(傳送裝置)3을 통하여 안테나(antenna)4로 공급한다. 안테나4는, 공급되는 고주파의 전기신 호를 전자파(電磁波)로 변환하여 주위의 공간으로 송신(送信)한다. 안테나4로부터 송신되는 전자파의 진행방향에 있어서 d의 거리에 측정대상이 되는 타겟(target)5가 존재하면, 타겟5로 입사(入射)하는 진행파(進行波)와 타겟5에서 반사(反射)되는 반사파(反射波) 사이에서의 간섭에 의하여 정재파(定在波 : standing wave)가 발생한다. 안테나4에서는, 정재파에 대응하는 전기신호를 수신할 수 있고, 정재파의 전력은 수신입력전압(受信入力電壓)의 2승 값인 파워(power)로서, 정재파 검출수단인 파워 검출기(power 檢出器)6에 의하여 검출된다. 전압제어 발진기2의 발진주파수는, 주파수 컨트롤러(周波數 controller)7로부터 공급되는 제어전압(制御電壓)에 의하여 변화된다. 전압제어 발진기2로부터 발생하는 고주파 신호의 주파수는, 발진주파수를 그대로 사용하거나 복수 배의 주파수로 체배(遞倍)하거나 헤테로다인(heterodyne) 변환할 수도 있다. 전압제어 발진기2, 안테나4 및 주파수 컨트롤러7은 진행파 발생수단으로서 기능을 한다.

파워 검출기6에 의하여 검출되는 정재파의 파워는, 레이더 이미지 산출수단(radar image 算出手段)10에 의하여 레이더 이미지 함수(radar image function)로 변환된다. 레이더 이미지 산출수단10은 복수, 예를 들면 2개의 푸리에 변환수단(Fourier 變換手段)11, 12를 포함한다. 제1푸리에 변환수단11은 중심 주파수f1, f2 중의 제1중심 주파수f1에 관한 것으로서, 파워 함수(power 函數)p1(f, 0)을 레이더 이미지 함수P1(x)로 변환한다. 제2푸리에 변환수단12는 제2중심 주파수f2에 관한 것으로서, 파워 함수p2(f, 0)를 레이더 이미지 함수 P2(x)로 변환한다.

레이더 이미지 산출수단10은, 범용(汎用)의 중앙연산장치(CPU)의 프로그램 처리에 의하여 복수의 푸리에 연산수단11, 12로서 동작시킬 수 있다. 또한 디지털 신호 프로세서(DSP)를 사용하여 고속화시킬 수도 있다. 연산처리는, 복수의 디지털 신호 프로세서를 병렬 동작시켜서 더 고속화시킬 수도 있다. 또한 푸리에 연산처리 전용의 회로를 형성하여 고속화시킬 수도 있다.

도2는 본 실시예에서 타겟15의 위치를 특정(特定)하는 조건을 나타낸다. 도2(a)는 2개의 레이더 이미지 함수P1(x), P2(x)의 진폭(振幅) 변화를 각각 표준화(標準化)하여 나타낸다. 도2(b)는 2개의 레이더 이미지 함수P1, P2의 위상(位相)θ1, θ2의 변화를 일점쇄선 및 이점쇄선으로 각각 나타낸 것으로서, 위상차(位相差)△θ의 변화를 실선으로 나타낸다. 도2(a) 및 도2(b)의 가로축은 x = d를 중심으로 하는 상대변위(相對變位)△x를, c / 2fB를 단위로 하여 나타낸다. 도2(c)는, 도2(b)의 △x = 0 부근의 변화를 가로축 방향으로 확대하여 나타낸다. 본 실시예에서는, 도2(a)에 나타나 있는 바와 같은 진폭의 극대 피크(極大 peak)가 완만한 변화이더라도 도2(b)나 도2(c)에 나타나 있는 바와 같이 △θ = 0이 되는 위치로서 타겟15까지의 거리를 정확하게 고분해능(高分解能)으로 특정할 수 있다.

도3∼도7은, 본 발명의 실시예에서 측정대상인 타겟15까지의 거리를 특정할 수 있는 원리에 대하여 나타낸다. 이 원리의 기본적인 개념은 일 본국 특허출원2001-237280에 기재되어 있다.

도3은, (a)에서 본 발명의 기초가 되는 거리측정장치20의 전기적인 구성을 나타내고, (b)에서 레이더 이미지 함수의 진폭 변화를 나타낸다. 도3에서 도1의 실시예에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고 중복되는 부분에 대한 설명은 생략한다. 도1에서는 1개의 타겟5를 측정대상으로 하고 있는 것에 대신하여, 도3에서는 복수의 타겟21∼2n까지의 거리d1∼dn을 동시에 측정하는 경우에 대하여 나타낸다.

안테나4로부터 송신되는 전자파 신호는, 타겟21∼2n을 향하여 공간을 진행하는 진행파가 된다. 진행파는 타겟21∼2n에 의하여 반사되고, 반사되는 반사파가 안테나4측으로 되돌아 가면 진행파와의 사이에서 간섭하여 정재파가 발생한다는 것은 일반적으로 잘 알려져 있다. 정재파가 존재함으로써 안테나4로부터 복수의 타겟21∼2n을 통과하는 가상적(假想的)인 직선인 x축 상이 있는 1점에서 관측되는 신호의 진폭이나 전력은, 진행파의 신호원(信號源)의 주파수f에 대하여 주기적으로 변화된다. 그 주기는, x = 0인 관측점으로부터 측정대상까지의 거리와 역비례(逆比例)의 관계가 된다. 거리측정장치20은, 정재파의 이러한 성질을 이용하여 안테나4의 급전부(給電部)를 관측점으로 하여 측정대상까지의 거리d를 측정한다.

안테나4로부터 송신되는 신호인 진행파VT는, 다음의 (1)식으로 표시된다.

(수식1)

관측점으로부터 측정대상인 각 타겟21∼2n까지의 거리를 d1∼dn이라고 하면, 타겟2k(k = 1, 2, … n)로부터의 반사파VRk는 다음의 (2)식으로 표시된다.

(수식2)

단, c는 전자파의 속도 즉 광속(光束)이고, γk는 반사계수(反射係數)의 크기로서 전파손실(傳播損失)도 포함한다. φk는 반사에 있어서의 위상 시프트량(位相 shift量)으로서, 전파에 의한 위상 시프트는 포함되지 않는다.

정재파는 진행파VT와 반사파VRk의 덧셈에 의한 합성에 의하여 발생하고, 그 2승 값인 파워 함수p(f, x)는 (1)식 및 (2)식으로부터 다음의 (3)식과 같이 구할 수 있다.

(수식3)

도4는, (3)식에 의거하여 측정대상이 거리d의 위치에 1개 존재하는 경우에 x = 0의 관측점인 안테나4의 급전부에 있어서의 정재파의 파워 함수p(f, 0)와 신호원 주파수f와의 관계를 나타낸다. p(f, 0)는 신호원 주파수f에 대하여 주기적으로 변화되고, 그 주기는 c / (2d)로서 관측점으로부터 측정대상까지의 거리d와 역비례의 관계에 있다는 것을 알 수 있다.

여기에서 관측되는 p(f, 0)가 가지는 주기정보를 구하기 위하여 p(f, 0)를 시간파형으로 간주하여 푸리에 변환(Fourier 變換)을 한다. p(f, 0)의 푸리에 변환P(x)는 푸리에 변환공식

(수식4)

에서, ω / (2π)를 2x / c, t를 f로 각각 치환하여 다음의 (5)식과 같이 표시할 수 있다.

(수식5)

실제로는, 신호원 주파수f의 가변(可變) 범위는 유한하고, 그 중심 주파수를 f0이라 하고 가변 폭(可變幅)을 fB라고 하면, 다음의 (6)식에 의하여 레이더 이미지 함수P(x)를 구할 수 있다.

(수식6)

여기에서 w(f)는 윈도우 함수(window function)로서, 다음의 (7)식에 나타나 있는 블랙 맨·해리스 윈도우(Blackman·Harris window)를 적합하게 이용할 수 있다.

(수식7)

p(f, 0)의 직류분(直流分)은 아무런 정보를 가지고 있지 않기 때문에 미리 제거하더라도 지장이 없다. 또한 보통 안테나4의 급전부인 x = 0의 관측점에서는, 진행파VT와 비교하여 반사파VRk의 신호레벨(信號 level)은 매우 작아 γk 《 1이라고 생각된다. γk의 다항식으로서는, γk의 2차 이상의 항을 대략 0으로 간주하여 무시할 수 있다. 이들 조건을 고려하면, (3)식으로부터 p(f, 0)는 다음의 (8)식과 같이 표시할 수 있다.

(수식8)

(6)식, (7)식 및 (8)식으로부터 레이더 이미지 함수P(x)는 다음의 (9)식과 같이 계산할 수 있다.

(수식9)

도5는 (9)식에 이용되는 W(x)의 규격화(規格化)된 함수형(函數形)을 나타낸다. W(x)는 윈도우 함수w(x)의 푸리에 변환으로서, (7)식의 블랙 맨·해리스 윈도우를 이용할 때에는 다음의 (10)식으로 표시할 수 있다.

(수식10)

단, Sa는 표본화 함수(標本化函數)이고 다음의 (11)식으로 표시된다.

(수식11)

도6은 2개의 타겟21, 22에서 일방(一方)의 타겟21의 거리d1을 0.3m로부터 50m까지 변화시키고, 타방(他方)의 타겟22의 거리d2를 10m로 고정할 때의 레이더 이미지 함수P(x)의 절대치(絶對値)｜P(x)｜에 관한 수치계산의 결과를 x > 0의 영역에 대하여 나타낸다. 중심 주파수f0 = 7.75GHz이고, fB = 500MHz이다. 또한 γk = 0.1이고, φk = π로 되어 있다. p(f, 0)로서는, (3)식으로부터 직류분을 제거한 것을 사용하고 있다. 이들 계산결과에는, γk의 2차 이상의 항도 포함되어 있다. 복수의 타겟21, 22의 거리를 동시에 측정 가능하고, 일방의 거리d2를 사전에 또는 사후에 다른 방법에 의하여 측정하면 그 측정치에 의거하여 타방의 거리d1도 측정할 수 있다.

도3의 거리측정장치20에서, 문제를 단순화하여 x = 0의 관측점으로부터 타겟21∼2n의 1개까지의 거리d를 판별하는 경우를 상정한다. 전파손실을 포함하는 반사계수(反射係數)를 γ로 하고, 전파에 의한 위상 시프트를 포함하지 않고 반사에 따르는 위상 시프트량을 φ라고 하면, (9)식으로부터 다음의 (12)식으로 나타나 있는 바와 같은 레이더 이미지 함수P(x)가 얻어진다.

(수식12)

여기에서 W(x)는, 도5에 나타나 있는 바와 같이 x = 0인 중심으로부터 3 × c / (2fB) 이상 떨어진 영역에서는 대략 0으로 간주할 수 있다. 이것은 블랙 맨·해리스 윈도우에서는, 다른 윈도우 함수에 비하여 주요부 이외의 성분이 매우 작아지게 된다는 성질에 의한 것이다. 따라서 d > 1.5 × c / (2fB)로 하면, x = d의 근방에 있어서 W(x+d) ≒ 0이 되어 (12)식의 레이더 이미지 함수P(x)는 다음의 (13)식과 같이 근사할 수 있다.

(수식13)

도7은 도3의 거리측정장치20에서 (13)식에 의거하여 x = 0의 관측점으로부터 타겟21∼2n의 1개까지의 거리d를 판별하는 레이더 이미지 함수P(x)의 x = d 부근에서의 부분적인 형상을 나타낸다. 도7(a)는 규격화된 진폭｜P(x)｜의 변화를 나타내고, 도7(b)는 라디안(radian) 값으로 나타내는 위상∠P(x)의 변화를 나타낸다. f0은 상기한 바와 같이 7.75GHz이고, f0 / fB = 30이 되도록 fB = 258MHz로 되어 있다. 가로축은 x = d를 중심으로 하는 변위(變位)△x를 c / (2fB) 단위로 나타낸다.

도7 및 (13)식에 의하면, 레이더 이미지 함수의 진폭｜P(x)｜가 극대가 되는 점 또는 위상∠P(x) = φ가 되는 점을 탐색하면 거리d가 구하여진다는 것을 알 수 있다. 그러나 위상 시프트량φ는 알지 못하고 또한 도7(b)에서는 ±π의 범위에 표시되어 있기 때문에 -π ≤ φ < +π의 범위에서 φ값이 구하여지더라도 복수의 변위△x가 대응하여 버려서 거리d를 판별할 수는 없다. 레이더 이미지 함수의 진폭｜P(x)｜는 완만한 산 모양의 변화를 나타내어, 그 극대위치를 정밀하게 특정하는 것은 곤란하여 고분해능으로 측정을 하기 위해서는 한계가 있다. 또한 실제의 측정에서는 랜덤(random)한 노이즈(noise)가 중첩되어 극대위치의 판정을 더 곤란하게 한다. 위상 시프트량φ가 적어도 -π ≤ φ < +π 범위라는 것을 이미 알고 있다면, 위상∠P(x) = φ 또한 진폭｜P(x)｜가 극대라는 조건을 충족시키면 거리d를 특정할 수 있다. 그러나 위상∠P(x)의 변화는 급격하여 진폭｜P(x)｜의 극대치 부근에서도 복수의 변위△x에 대응하여 버려서 극대위치를 특정하는 것을 보조하는 것으로서는 되기 어렵다.

여기에서 도1(a)에 나타나 있는 본 실시예의 레이더 이미지 산출수단 10에서는, 도1(b)에 나타나 있는 바와 같이 다른 복수의 중심 주파수f1, f2를 설정하고, 2개의 푸리에 변환수단11, 12에 의하여 2개의 레이더 이미지 함수P1(x), P2(x)를 얻어서 도2에 나타나 있는 바와 같은 그들의 진폭과 위상차로부터 거리d를 구하도록 되어 있다.

도8은 본 실시예의 거리측정장치1에 의하여 거리d를 특정하는 개략적인 순서를 나타낸다. 스텝s0에서 순서를 시작하고, 스텝s1에서는 주파수 컨트롤러7이 전압제어 발진기2의 중심 주파수f0과 가변 폭fB0을 설정하여 발진시키고, 스텝s2에서는 안테나4로부터 f0 ± 1/2 × fB0의 범위에서 신호원 주파수f가 변화되는 진행파를 송신시킨다. 신호원 주파수는, 진행파에 대한 반사파가 안테나4로 되돌아 와서 간섭을 일으켜서 정재파를 형성하기 위한 충분한 시간이 필요하다. 그러나 거리d가 광속c와 비교하여 짧은 거리이어서 필요한 시간은 짧다. 주파수 컨트롤러7이 디지털 제어(digital 制御)에 의하여 전압제어 발진기2의 발진주파수를 제어하는 경우에는, 신호원 주파수의 변화는 스텝(step) 모양으로 되기 때문에 정재파를 형성하기 위한 충분한 시간조건을 충족시킬 수 있다.

스텝s3에서는, 파워 검출기6이 안테나4에 입력되는 정재파의 진폭에 대응하는 파워p(f, 0)를 검출한다. 중심 주파수f0으로부터 ±1/2 × fB0의 범위에서는, 반사계수γ 및 위상 시프트량φ는 일정하다고 간주할 수 있다. 다음의 스텝s4에서는, 검출되는 파워p(f, 0) 중에서 도1(b)에 나타나 있는 바와 같이 f1 ± 1/2 × fB1의 범위와 f2 ± 1/2 × fB2의 범위가 추출되어 푸리에 변환수단11, 12에서 각각 FFT(Fast Fourier Transfer) 등의 푸리에 변환처리에 의하여 레이더 이미지 함수P1(x), P2(x)로 각각 변환되어 (13)식으로부터 다음의 (14)식 및 (15)식이 얻어진다. 또한 2개의 주파수 범위의 선택은, 밴드패스 필터(bandpass filter)를 사용하거나 주파수 컨트롤러7로부터 푸리에 변환수단11, 12에 신호원 주파수f에 관한 제어신호를 공급하여 주파수 변화의 타이밍(timing)의 시간적인 차이에 의거하여 이루어질 수 있다.

(수식14)

(수식15)

도2(a)는 (14)식 및 (15)식으로 나타나 있는 레이더 이미지 함수P1(x), P2(x)의 규격화된 진폭을 나타낸다. 2개의 레이더 이미지 함수의 진폭은 동일하게 된다. 또한 정재파에 대응하는 함수형에 따라서는, 타겟의 존재위치에서 진폭이 극소치(極小値)를 취하는 경우도 생각된다. 도2(b) 및 도2(c)는, fB1 = fB2 = fB, f1 / fB1 = 30, f2 / fB2 = 32로 할 때의 위상θ1, θ2의 변화를 일점쇄선 및 이점쇄선으로 각각 나타내고, 위상차△θ = θ1-θ2의 변화를 실선으로 나타낸다. 위상차△θ는, △x = 0인 x = d를 포함하는 복수의 위치에서 제로 크로스(zero cross)되어 0이 되어 있는 것처 럼 보인다. 다만 위상차△θ = 0은, 일반적으로는 2π의 정수 배의 위상차가 있다는 것을 나타내고 있다. 따라서 다음의 (16)식이 얻어진다.

(수식16)

(단, N = 0, ±1, ±2 ‥‥)

(16)식에서 △θ = 0이라고 하면 다음의 (17)식의 관계가 유도된다.

(수식17)

(17)식으로부터 x = d를 중심으로 c / (2(f2 - f1))마다 위상의 일치점(一致點)이 존재한다는 것을 알 수 있다. 도2에 나타나 있는 바와 같이 이들 일치점 중에서 (a)에 나타나 있는 레이더 이미지 함수의 진폭이 극대가 되는 조건을 충족시키는 점이 타겟5까지의 거리d를 부여한다. 2개의 레이더 이미지 함수P1(x), P2(x) 사이의 위상차△θ는, x = d의 근방에서 x에 대하여 1차함수가 되어 △θ = 0이 되는 점을 높은 정밀도로 판별할 수 있다. 랜덤한 노이즈가 존재하더라도 레이더 이미지 함수의 진폭의 극치(極値) 부근에서는 위상차의 제로 크로스 포인트(zero cross point)는 하나이어서 위상차에는 랜덤한 노이즈의 영향은 반영되기 어렵기 때문에 정확하게 위 상의 일치점을 판별할 수 있다.

도8의 스텝s5에서는, 레이더 이미지 함수의 진폭｜P1(x)｜ 또는 ｜P2(x)｜가 극대이고 또한 2개의 레이더 이미지 함수P1(x), P2(x) 사이의 위상차△θ = 0이 되는 위치를 타겟5의 위치로 하여 거리d를 특정한다. 스텝s6에서 순서를 종료한다. 본 실시예에서는 2개의 중심 주파수f1, f2의 파워 신호를 공통의 파워 신호로부터 추출하도록 되어 있지만, 신호원 주파수f를 중심 주파수f1, f2마다 변화시켜서 정재파 검출의 타이밍을 나누어서 각각 검출하도록 할 수도 있다.

도9는, 본 실시예의 거리측정장치1을 사용하여 의복(衣服)30을 착용하고 있는 인체(人體)31의 표면까지의 거리를 비접촉(非接觸)으로 측정하는 상태를 모식적으로 나타낸다. 의복30이 전기절연성(電氣絶緣性)이라면, 전자파를 통과시키고 인체31의 표면에서 반사를 발생시켜서 정재파를 형성시킬 수 있다. 본 실시예에서는 정재파에 의거하는 거리측정을 고정밀도(高精密度)로 할 수 있기 때문에 의복30과 인체31의 피부(皮膚) 표면과의 사이의 간격 등도 정확하게 반영시켜서 거리측정을 할 수 있다. 인체31까지의 거리를 복수 점에서 측정하면 치수를 계측할 수 있다. 예를 들면 광학적인 측정에 의하여 의복30을 착용하는 인체31까지의 거리를 비접촉으로 측정하더라도 의복30의 표면 형상밖에 측정할 수 없다.

또한 인체31의 특정한 부위 등 좁은 부분을 측정하기 위해서는 신호원 주파수를 높게 하면 좋다. 측정 가능한 영역의 크기는 전자파 파장 의 오더(order)라고 생각된다. 인체31 등을 대상으로 하는 경우에는, 30GHz에서 파장이 1cm가 되기 때문에 30GHz∼60GHz 정도의 주파수를 사용하면 좋다. 거리가 가깝기 때문에 미소한 출력이더라도 측정할 수 있다.

도9와 같은 측정에서는, 의복30 밑에 숨겨진 도전성(導電性)의 물체32도 감지할 수 있다. 감지용 전자파를 주사(走査)하면 물체32의 상(像)을 형성할 수도 있다.

거리측정장치1에서는, 도3에 나타나 있는 바와 같은 복수의 타겟을 동시에 측정하는 것도 마찬가지로 할 수 있다. 도3(b)에 나타나 있는 바와 같은 레이더 이미지 함수의 진폭의 복수 피크에 대하여 각각 위상차에 의거하는 거리의 특정을 고분해능으로 할 수 있다. 1개의 타겟을 기준으로 하여 미리 거리를 다른 방법으로 측정하여 두거나 사후에 측정함으로써 측정대상이 되는 타겟에 관한 거리도 기준이 되는 타겟의 거리에 의거하여 고정밀도로 특정할 수 있다.

본 실시예의 거리측정장치1은, 일본국 특허출원2001-237280에서 제안하고 있는 것과 같은 레이더 장치로서도 사용할 수 있다. 또한 자동차 탑재 센서나 교통 센서 등 지능형 교통 시스템(ITS : Intelligent Transportation Systems)을 실현하기 위하여 필요한 거리측정을 고정밀도로 실현할 수 있다. 또한 액체 표면 레벨계(液體表面 level計), 선박 등의 접안계(接岸計), 항공기 등의 고도계(高度計), 사태 계측 등 고분해능 또한 절대치 계측(絶對値計測)이 필요한 분야에 적용할 수 있다.

또한 본 발명의 개념은, 공간을 전파매질(傳播媒質)로 하는 전자파 뿐만 아니라, 예를 들면 공기를 전파매질로 하는 음파에도 적용할 수 있다. 음속(音速)은 온도에 의하여 변화되지만, 기준이 되는 타겟을 동시에 측정함으로써 음속을 알지 못하더라도 측정대상까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있다. 전파매질로서 물 등의 액체나 토양 등의 고체 중에서는, 그 액체나 고체를 이용할 수도 있다. 전파매질의 경계, 예를 들면 액체의 표면이나 지표면(地表面)에서는, 표면파(表面波)에 발생하는 정재파를 거리계측에 이용할 수 있다. 또한 빛 등 파장이 짧은 파동(波動)을 사용하는 경우에 전자파 자체의 파동이 아니라 그 진폭의 변화를 파동으로 하여 정재파를 형성시켜서 거리측정에 이용할 수 있다.

본 발명은, 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 일탈(逸脫)하지 않고 다른 여러 가지의 형태로 실시할　수　있다. 따라서 상기의 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 본 발명의 범위는 특허청구의 범위에 나타나 있는 것으로서, 명세서의 본문에는 조금도 구속되지 않는다. 또한 특허청구의 범위에 속하는 변형이나 변경은 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 정재파 생성단계에서, 기준위치와 측정대상의 주위에 존재하는 전파매질 중으로 기준위치로부터 측정대상을 향 하여 진행하는 진행파를 주파수를 변화시키면서 발생시켜서 측정대상에서 반사되는 반사파와 간섭시켜 정재파를 생성하기 때문에, 정규(正規)에 상당하는 측정구(測定具)를 측정대상에 접촉시킬 필요가 없어 자유롭게 이동하는 측정대상이더라도 거리를 측정할 수 있다. 정재파 검출단계에서 정재파를 검출하고, 검출되는 정재파로부터 레이더 이미지 산출단계에서 복수의 다른 중심 주파수에 의거하여 기준위치로부터 측정대상을 통과하는 가상적인 직선축 상의 1점까지의 간격을 변수(變數)로 하는 복수의 레이더 이미지 함수를 각각 산출한다. 중심 주파수의 차이가 중심 주파수의 절대치와 비교하여 작으면, 산출되는 레이더 이미지 함수에는 측정대상에서의 반사가 동등하게 영향을 준다. 거리판별단계에서는, 레이더 이미지 산출단계에서 산출되는 복수의 레이더 이미지 함수 사이의 위상차 및 어느 하나의 레이더 이미지 함수의 진폭이, 미리 정하여진 조건을 충족시키는 간격을 기준위치로부터 측정대상까지의 거리로서 판별한다. 측정대상에서의 반사에 의한 위상 시프트의 영향은, 위상차에서는 상쇄(相殺)되고 또한 위상차의 변화 주기는 각 레이더 이미지 함수의 위상의 변화 주기보다 커지기 때문에 레이더 이미지 함수의 진폭이 미리 정하여진 조건을 충족시키는 간격을 위상차로부터 고분해능으로 특정할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 측정대상으로서 거리측정의 목적이 되는 측정대상과 거리측정의 기준이 되는 측정대상을 동시에 측정하기 때문에 양자(兩者)로의 거리의 상대적인 차이를 고분해능으로 구할 수 있다. 거리측 정의 기준이 되는 측정대상으로의 거리를 사전에 또는 사후에 직접 측정함으로써 그 거리에 의거하여 거리측정의 목적이 되는 측정대상으로의 절대적인 거리도 비접촉으로 정확하게 특정할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 진행파 발생수단이 기준위치와 측정대상의 주위에 존재하는 전파매질 중으로 기준위치로부터 측정대상을 향하여 진행하는 진행파를 주파수를 변화시키면서 발생시키기 때문에, 전파매질 중에는 진행파와 측정대상에서 반사되는 반사파와의 간섭에 의하여 정재파가 생성된다. 정재파 검출수단은, 전파매질 중에 생성되어 있는 정재파를 검출하기 때문에 정규에 상당하는 측정구를 측정대상에 접촉시킬 필요가 없어 자유롭게 이동하는 측정대상이더라도 거리를 측정할 수 있다. 레이더 이미지 산출수단은, 정재파 검출수단에 의하여 검출되는 정재파로부터 복수의 다른 중심 주파수에 의거하여 기준위치로부터 측정대상을 통과하는 가상적인 직선축 상의 1점까지의 간격을 변수로 하는 복수의 레이더 이미지 함수를 각각 산출한다. 중심 주파수의 차이가 중심 주파수의 절대치와 비교하여 작으면, 산출되는 레이더 이미지 함수에는 측정대상에서의 반사가 동등하게 영향을 준다. 거리판별수단은, 레이더 이미지 산출수단에 의하여 산출되는 복수의 레이더 이미지 함수 사이의 위상차 및 어느 하나의 레이더 이미지 함수의 진폭이, 미리 정하여진 조건을 충족시키는 간격을 기준위치로부터 측정대상까지의 거리로서 판별한다. 측정대상에서의 반사에 의한 위상 시프트의 영향은, 위상차에서는 상쇄되고 또한 위상차의 변화 주기는 각 레이더 이미 지 함수의 위상의 변화 주기보다 커지기 때문에, 레이더 이미지 함수의 진폭이 미리 정하여진 조건을 충족시키는 간격을 위상차로부터 고분해능으로 특정할 수 있다.

또 본 발명에 의하면 레이더 이미지 산출수단은, 푸리에 변환처리에 의하여 복수의 레이더 이미지 함수를 각각 산출하기 때문에 실시간신호(實時間信號)로부터 주파수 공간의 복소함수(複素函數)로서, 측정대상에서의 반사의 영향을 진폭에 대한 반사계수와 함께 위상 시프트량으로서 포함하는 레이더 이미지 함수를 산출할 수 있다. 거리판별수단은, 적어도 2개의 레이더 이미지 함수 사이의 위상차가 0 또는 원주율(圓周率)π의 짝수 배의 라디안 값이 되어 적어도 어느 하나의 레이더 이미지 함수의 진폭이 극치가 되는 간격을 미리 정하여진 조건을 충족시키는 거리로서 판별한다. 위상차를 2π를 주기로 하는 ±π의 범위에서 고려하면, 위상차의 제로 크로스 위치를 기준으로 거리를 판별할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 레이더 이미지 산출수단은, 정재파에 대응하는 신호에 미리 정하여진 윈도우 함수를 이용하여 복수의 다른 중심 주파수에 대하여 공통의 가변 폭으로 푸리에 변환처리를 하여 복수의 레이더 이미지 함수를 산출한다. 진행파 발생수단에 의하여 발생되는 진행파의 주파수 가변범위는 유한하여 윈도우 함수에서 푸리에 변환처리를 할 때의 주파수 범위를 좁혀서 푸리에 변환처리의 용이화를 도모할 수 있다.

또 본 발명에 의하면 진행파 발생수단은, 발진 주파수를 제어할 수 있고 고주파 신호를 발생시키는 발진기와, 발진기의 발진 주파수를 미리 정하여진 범위에서 주기적으로 변화시키는 컨트롤러와, 발진기로부터의 고주파 신호를 전파매질인 공간으로 전자파에 의한 진행파로서 송신하는 안테나를 포함하기 때문에, 보편적인 공간을 전파매질로 하여 비접촉으로 거리를 측정할 수 있다. 전자파를 반사하지 않는 것은 측정대상으로부터 제외되기 때문에 은폐된 물체나 의복을 착용하고 있는 인체 등의 측정대상까지의 거리를 측정하는 것도 가능하다. 정재파 검출수단은, 전자파를 송신하는 안테나를 이용하여 정재파를 검출하기 때문에 종래의 레이더와 같은 측정대상의 탐색과 거리의 측정을 할 수도 있다.

Claims

기준위치로부터 측정대상까지의 거리를 측정하는 방법으로서,

기준위치와 측정대상의 주위에 존재하는 전파매질(傳播媒質) 중으로 그 기준위치로부터 그 측정대상을 향하여 진행하는 진행파(進行波)를 주파수(周波數)를 변화시키면서 발생시켜서 측정대상에서 반사되는 반사파(反射波)와 간섭시켜서 정재파(定在波 : standing wave)를 생성하는 정재파 생성단계(定在波生成段階)와,

정재파 생성단계에서 생성되는 정재파를 검출하는 정재파 검출단계(定在波檢出段階)와,

정재파 검출단계에서 검출되는 정재파로부터 복수의 다른 중심 주파수에 의거하여 기준위치로부터 측정대상을 통과하는 가상적(假想的)인 직선축 상의 1점까지의 간격을 변수(變數)로 하는 복수의 레이더 이미지 함수(radar image function)를 각각 산출하는 레이더 이미지 산출단계(radar image 算出段階)와,

레이더 이미지 산출단계에서 산출되는 복수의 레이더 이미지 함수 사이의 위상차(位相差) 및 어느 하나의 레이더 이미지 함수의 진폭(振幅)이 미리 정하여진 조건을 충족시키는 간격을 기준위치로부터 측정대상까지의 거리로서 판별하는 거리판별단계(距離判別段階)를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정방법(距離測定方法).
제1항에 있어서,

상기 측정대상으로서, 거리측정의 목적이 되는 측정대상과 거리측정의 기준이 되는 측정대상을 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 거리측정방법.
기준위치로부터 측정대상까지의 거리를 측정하는 장치로서,

기준위치와 측정대상의 주위에 존재하는 전파매질 중으로 그 기준위치로부터 그 측정대상을 향하여 진행하는 진행파를 주파수를 변화시키면서 발생시키는 진행파 발생수단(進行波發生手段)과,

진행파 발생수단에 의하여 발생되는 진행파가 측정대상에서 반사되어 진행파 발생수단측으로 되돌아 오는 반사파와 간섭하여 생성되는 정재파를 검출하여 그 정재파에 대응하는 신호를 도출(導出)하는 정재파 검출수단(定在波檢出手段)과,

정재파 검출수단으로부터 도출된 정재파에 대응하는 신호를 연산처리하여 복수의 다른 중심 주파수에 의거하여 기준위치로부터 측정대상을 통과하는 가상적인 직선축 상의 1점까지의 간격을 변수로 하는 복수의 레이더 이미지 함수를 각각 산출하는 레이더 이미지 산출수단과,

레이더 이미지 산출수단에 의하여 산출되는 복수의 레이더 이미지 함수간의 위상차 및 어느 하나의 레이더 이미지 함수의 진폭이 미리 정하여진 조건을 충족시키는 간격을 기준위치로부터 측정대상까지의 거리로서 판별하는 거리판별수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정장치(距離測定裝置).
제3항에 있어서,

상기 레이더 이미지 산출수단은, 푸리에 변환처리(Fourier 變換處理)에 의하여 상기 복수의 레이더 이미지 함수를 각각 산출하고,

상기 거리판별수단은, 적어도 2개의 레이더 이미지 함수 사이의 위상차가 0 또는 원주율(圓周率)π의 짝수 배의 라디안(radian) 값이 되어 적어도 어느 하나의 레이더 이미지 함수의 진폭이 극치(極値)가 되는 간격을 상기 미리 정하여진 조건을 충족시키는 거리로서 판별하는 것을 특징으로 하는 거리측정장치.
제4항에 있어서,

상기 레이더 이미지 산출수단은, 상기 정재파에 대응하는 신호에 미리 정하여진 윈도우 함수(window function)를 이용하여 상기 복수의 다른 중심 주파수에 대하여 공통의 가변 폭(可變幅)에서 푸리에 변환처리를 하여 상기 복수의 레이더 이미지 함수를 산출하는 것을 특징으로 하는 거리측정장치.
제3항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 진행파 발생수단은,

발진 주파수를 제어 가능하여 고주파 신호(高周波信號)를 발생시키는 발진기(發振器)와,

발진기의 발진 주파수를 미리 정하여진 범위에서 주기적으로 변화시키는 컨트롤러(controller)와,

발진기로부터의 고주파 신호를 상기 전파매질인 공간에 전자파에 의한 진행파로서 송신하는 안테나(antenna)를 포함하고,

상기 정재파 검출수단은, 그 안테나를 이용하여 상기 정재파를 검출하는 것을 특징으로 하는 거리측정장치.