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专利名称：距离测量方法和用于所述方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够利用驻波以非接触的方式测量到一个要被测量的对象的距离的距离测量方法。
背景技术：
迄今，距离测量是一种基本物理量的测量，并且一直利用许多方法进行距离测量。“距离”等于物理尺寸上的“长度”，在概念上它们通常是重叠的。当利用测量仪器对要被测量的对象进行测量而不使所述仪器和所述对象接触时，所述测量通常被称为“距离”测量，而当利用和对象接触的测量仪器测量对象时，所述测量通常被称为“长度”测量。用于测量长度的基本测量是尺子，其按照预定的基准被校准。
日本未审专利公开JP-A-3-144306(1991)披露了一种和长度测量仪器有关的现有技术，其中在波导中形成一个狭缝，使得所述狭缝沿轴向延伸，在波导中产生电磁驻波，一个滑块，其通过所述狭缝在波导内部插入多个探针，沿轴向运动，以便根据由探针检测的驻波的幅值求得滑块的位置。
本申请人在日本未审专利公开JP-A-11-230734(1999)中还披露了一种关于线性编码器的现有技术，其中利用其频率周期地改变的调频波在一个线性导体通路中形成驻波，并根据调制的信号和在导体通路中的驻波的包络之间的相关性测量导体通路的层的位置。
本发明人还发现，在一种传播介质例如相对于要被测量的对象而存在的空间中可以形成电磁驻波，在未审的日本专利公开JP-A-11-230734(1999)中提出了使用施加于导体通路的驻波的思想，并在日本专利申请No.2001-237280中提出了一种能够以非接触的方式测量所述距离的技术。
在日本未审专利公开JP-A-3-144306(1991)和JP-A-11-203734(1999)中，相应于尺子的波导或导体通路被安装在作为测量基准的位置和要被测量的对象之间，并且必须和要被测量的对象呈机械接触。在日本专利申请No.2001-237280中提出的技术使用以电磁波或其类似物形成的驻波，其传播介质例如是空间，因而使得能够以非接触的方式测量到对象的距离。因此，这种技术可以用作被安装在运动对象例如汽车上的雷达。
按照在日本专利申请No.2001-237280，用于产生驻波的电磁波的频率被改变，以便求得一个检测信号函数，该函数代表在检测的驻波的幅值和频率之间的关系，并使检测信号函数具有最大值时的频率和要被测量的对象的距离相关。不过，如后面将要说明的，在检测信号函数中的改变在极值附近减少，因而由于增加分辨率具有其自身的限制，正确地确定极值的位置是困难的。此外，在实际测量中，噪声分量被叠加到检测信号函数上，因而仅仅根据幅值数据确定的极值的位置的误差范围趋于增加。
即使试图利用和相位相关的数据由于要被测量的对象的反射，所述相位包括相位移量，这使得通常难于正确地求得相位移量，因而需要认为相位移量是一个未知的量。此外，在检测信号函数中，相位的改变和幅值改变相比构成一个短周期的周期函数，并即使在幅值的极值附近，也存在多个和相位移量具有预定关系的相位。因此，即使能够正确地求得相位移量，也难于确定幅值的极值。

发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够以高的分辨率测量距离的距离测量方法和使用所述方法的设备。
本发明是一种用于测量从一个基准位置到一个要被测量的对象的距离的距离测量方法，包括以下步骤驻波产生步骤，用于在改变频率的同时在基准位置和要被测量的对象的周围的传播介质中产生从所述基准位置向要被测量的对象行进的行波，并使产生的行波和要被测量的对象反射的波干扰而产生驻波；驻波检测步骤，用于检测在驻波产生步骤中产生的驻波；雷达图像计算步骤，用于根据多个不同的中心频率由在所述驻波检测步骤中检测的驻波计算多个雷达图像函数，在所述雷达图像函数中，一个变量是从基准位置到在通过要被测量的对象的假想的直线轴线上的一点的距离；以及距离确定步骤，用于确定一个距离作为从基准位置到要被测量的对象的距离，在此距离，在雷达图像计算步骤中计算的多个雷达图像函数当中的相位差以及任何雷达图像函数的幅值满足预定的条件。
此外，本发明的特征在于，同时测量要测量其距离的要被测量的对象和作为测量所述距离的基准的要被测量的对象。
本发明是一种用于测量从一个基准位置到要被测量的对象的距离的距离测量设备，包括行波产生装置，用于在改变频率的同时在基准位置和要被测量的对象的周围的传播介质中产生从所述基准位置向要被测量的对象行进的行波；驻波检测装置，用于检测驻波，并借以导出相应于驻波的信号，所述驻波是由所述行波产生装置产生的行波和由要被测量的对象反射而回到行波产生装置侧的波的干扰产生的；雷达图像计算装置，用于根据多个不同的中心频率通过操作相应于从所述驻波检测装置导出的驻波的信号，计算多个雷达图像函数，在所述雷达图像函数中，一个变量是从基准位置到在通过要被测量的对象的假想的直线轴线上的一点的距离；以及距离确定装置，用于确定一个距离作为从基准位置到要被测量的对象的距离，在此距离，在由雷达图像计算装置计算的多个雷达图像函数当中的相位差以及任何雷达图像函数的幅值满足预定的条件。
此外，本发明的特征在于，所述雷达图像计算装置根据傅立叶变换处理计算多个雷达图像函数；以及所述距离确定装置确定一个距离作为满足上述预定条件的距离，在此距离，在至少两个雷达图像函数之间的相位差是0，或者是π的偶数倍的弧度值，并且至少任何一个雷达图像函数的幅值为极值。
此外，本发明的特征在于，所述雷达图像计算装置通过对相应于驻波的信号进行傅立叶变换处理，计算多个雷达图像函数，其中通过利用预定的窗口函数对于多个不同的中心频率具有一个可变的公共宽度。
此外，本发明的特征在于，所述行波产生装置包括一个能够控制振荡频率和产生高频信号的振荡器；一个用于在预定范围内周期地改变所述振荡器的振荡频率的控制器，以及一个用于从所述振荡器向作为传播介质的空间发送作为电磁行波的高频信号的天线；并且所述驻波检测装置利用所述天线检测驻波。


本发明的其它的和进一步的目的、特征和优点由下面参照附图进行的详细说明将会更加清楚地看出，其中图1是说明按照本发明的一个实施例的距离测量设备1的电气结构的方块图，以及用于说明驻波的幅值相对于频率而改变的曲线；图2是表示由图1所示的距离测量设备使用的用于确定到目标5的距离的幅值和相角中的改变的曲线；图3是示意地表示作为本发明的基础的距离测量设备20的电气结构的方块图和用于说明对于在X轴上的位置的改变雷达图像函数的幅值的改变的曲线；图4是表示在图3的距离测量设备1中驻波的幅值相对于频率f的改变；图5是表示由图3的距离测量设备使用的通过对一个窗口函数进行傅立叶变换而获得的基波波形的曲线；图6是表示当一个运动目标和固定目标利用图3的距离测量设备同时测量时的结果的曲线；图7是表示被使用用于利用图3的距离测量设备1确定目标5的距离的幅值和相角的改变的曲线；图8是用于按照图1的实施例确定距离的方法的流程图；以及图9是表示一种状态的示意图，其中穿着衣服30的人体31用作图1实施例中的目标。
具体实施例方式
下面参照

本发明的优选实施例。
图1示意地表示按照本发明的一个实施例的用于测量距离的结构。距离测量设备1根据由外部单元施加的电压能够改变振荡频率，并且电压控制的振荡器(缩写为VCO)2产生高频电信号，所述高频信号通过传输系统3被送到天线4，所述传输系统用于实现功率放大和阻抗匹配。天线4把馈入的高频电信号转换成发射到周围空间的电磁波。在作为要被测量的对象的目标5处于沿从天线4发送的电磁波的行进方向一个距离d的情况下，由于入射到目标5上的行波和由目标5反射的波之间的干扰而产生驻波。天线4接收相应于所述驻波的电信号，由作为驻波检测装置的功率检测器6作为收到的输入电压的二次幂检测驻波的电功率。电压控制的振荡器2的振荡频率由频率控制器7给出的控制电压改变。由电压控制的振荡器2产生的高频信号的频率可被直接地使用、被放大成为许多倍的一个频率、或者可以被外插转换。电压控制的振荡器2、天线4和频率控制器7作为行波产生装置。
由功率检测器6检测的驻波的功率由雷达图像计算装置10转换成雷达图像函数。雷达图像计算装置10包括多个或者例如两个傅立叶变换装置11和12。使第一傅立叶变换装置11和中心频率f1，f2之间的第一中心频率f1相关，并把功率函数p1(f，0)转换成雷达图象函数p1(x)。使第二傅立叶变换装置12和中心频率f1，f2之间的第二中心频率f2相关，并把功率函数p2(f，0)转换成雷达图象函数p2(x)。
雷达图像计算装置10借助于使用通用中央处理单元(CPU)进行的程序处理可以作为多个傅立叶操作装置11，12操作。通过使用数字信号处理器(DSP)其还可以在高速下操作。通过并行地操作多个数字信号处理器，可以实现在更高的速度下的操作处理。通过形成专用于傅立叶操作处理的电路，速度还可以增加。
图2表示按照本实施例用于确定目标15的位置的条件。图2(a)以一种标准化的方式表示两个雷达图象函数P1(x)和P2(x)的幅值的改变。图2(b)利用点划线和两点划线表示两个雷达图像函数P1，P2的相位θ1，θ2的变化，实线表示相位差Δθ的改变。在图2(a)和图2(b)中，横轴表示相对位移Δx，其中x＝d，作为一个中心，以c/2fB为单位。图2(c)表示在图2(b)中Δx＝0附近的变化，沿横轴方向被放大了。在这个实施例中，即使当最大峰值如图2(a)所示缓和地变化时，也可以用高的分辨率按照Δθ＝0的位置正确地确定目标15的距离，如图2(b)，2(c)所示。
图3-图7表示按照本发明的实施例用于确定到要被测量的目标15的距离的原理。这个原理的基本思想在日本专利申请No.2001-237280中披露了。
在图3中，图3(a)表示作为本发明的基础的距离测量设备20的电气结构，(b)表示雷达图象函数的幅值的改变。在图3中，相应于图1所示的实施例的部分的那些部分用相同的标号表示，并不再重复对这些元件的说明。代替图1使用一个目标5作为要被测量的对象，图3表示同时测量到多个目标21-2n的距离d1-dn的情况。
从天线4发出的电磁波信号成为行波，朝向目标21-2n在空间中行进。所述行波被目标21-2n反射。其中，众所周知，返回天线4的反射波和所述行波干扰而形成驻波。由于驻波的存在，在作为从天线4通过多个目标21-2n的假想直线的X轴上的点观察到的信号的幅值和电功率相对于来自信号源的行波的频率呈周期性改变。所述周期和从x＝0的观察点到要被测量的对象的距离成反比。通过利用驻波的这个特性，距离测量设备20利用天线4的功率馈入部分作为观察点测量到要被测量的对象的距离d。
作为由天线4发送的信号的行波VT由式(1)表示VT(f,x)=ef2πfcx---(1)]]>在从观察点到作为要被测量的对象的相关目标21-2n的距离由d1-dn表示的情况下，来自目标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是电磁波的速度，即光速，γk是包括传播损失的反射系数的大�。�φk是不包括由于传播而引起的相位移的反射中的相位移数量。
驻波由行波VT和反射波VRk的附加合成产生，并且由式(1)和式(2)，由式(3)求得功率函数p(f，x)，其是驻波的二次幂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)，当在距离d处有一个要被测量的对象时，图4表示在信号源的频率f和在天线4的功率馈入部分的驻波的功率函数p(f，0)之间的关系，所述功率馈入部分是观察点，其x＝0。可以看出，p(f，0)相对于信号源的频率f周期地改变，其周期是c/(2d)，和从观察点到要被测量的对象的距离d成反比。
因此，为了求得由被观测的p(f，0)表示的周期的数据，p(f，0)被认为是时间波形，并被进行傅立叶变换。借助于在傅立叶变换公式中由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)经过傅立叶变换的P(x)P(x)=∫-∞+∞p(f,0)e-j4πxcdf---(5)]]>实际上，信号源的频率f的变化范围是有限的，在其中心频率由f0表示，改变的宽度由fB表示的情况下，可以由下式(6)求得雷达图象函数P(x)P(x)=∫f0-fB/2f0+fB/2w(f-f0)·p(f,0)e-j4πxcdf---(6)]]>其中w(f)是窗口函数，可以优选地使用由下式(7)表示的Blackman-Harris窗口w(f)={0.423+0.498cos(2πffB)+0.0792COS(4πffB)}---(7)]]>p(f，0)的直流分量没有数据，可以预先消去。此外，在x＝0的观察点，即天线4的功率馈入部分，反射波VRk的信号电平通常远小于行波VT的信号电平，即认为γk＜＜1。假定γk的二次项和高次项几乎为0，γk的多项式可被忽略。在附加这些条件的情况下，由式(3)，p(f，0)可以由式(8)表示 由式6，7和8，可以计算雷达图象函数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)图5表示用于式(9)的标称化的W(x)函数。W(x)是窗口函数w(x)的傅立叶变换，当使用式(7)的BLACKMAN-HARRIS的窗口时，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是抽样函数，其由下式(11)表示Sa(τ)=sin(τ)τ---(11)]]>图6表示当两个目标21和22之间的一个目标21的距离d1从0.3米改变为50米，并且另一个目标22的距离d2固定为10米时，在x＞0的范围内雷达图像函数P(x)的绝对值|P(x)|的计算结果。这是中心频率f0是7.75GHz，fB是500MHz的情况。此外，γk被设置为0.1，φk被设置为π。作为p(f，0)，使用通过从式(3)中除去直流分量而获得的一个。计算结果包括γk的二次项或高次项。也可以同时测量到多个目标21，22的距离。在利用其它方法事先或后来测量一个距离d2的情况下，则可以根据测量值校正其它的距离d1。
下面考虑由图3的距离测量设备20使问题简化以及由x＝0的观察点判断到任何一个目标21-2n的距离d的情况。在包括传播损失的反射系数由γ表示，并且不包括由传播引起的相位移的伴随着反射而发生的相位移数量由φ表示的情况下，由式(9)获得由下式(12)表示的雷达图像函数P(x)P(x)=γW(x-d)ejφe-j4πf0c(x-d)+γW(x+d)e-jφe-j4πf0c(x+d)---(12)]]>其中，如图5所示，在离开其x＝0的中心大于3×c/(2fB)的区域内，W(x)可认为几乎是0。这是因为Blackman-Harris窗口具有这样的特性，即，和其它的窗口功能相比，主要部分之外的分量成为非常小的。因此，在d＞1.5×c/(2fB)的情况下，在x＝d附近，W(x+d)近似于0，公式(12)的雷达图像函数P(x)可以近似地表示为下式(13)
P(x)=γW(x-d)ejφe-j4πf0c(x-d)---(13)]]>图7表示用于按照公式(13)使用图3的距离测量设备20判断从观察点x＝0到目标21-2n的任何一个的距离d的雷达图像函数P(x)的x＝d附近的局部形状。图7(a)表示标称化的幅值|P(x)|的变化，图7(b)表示以弧度表示的相位∠P(x)的变化。如上所述，f0是7.75GHz，fB被设置为258MHz，因此f0/fB＝30。横轴表示位移Δx，以x＝d为中心，以c/(2fB)为单位。
按照图7和公式(13)，应当理解，通过搜索雷达图像函数的幅值|P(x)|成为最大或者相位∠P(x)变得等于φ的点，可以求得距离d。不过，相位移数量φ是未知的，并在图7(b)中被显示为在±π的范围内被折叠的。因此，即使在-π≤φ＜+π，也有多个Δx和其相关，因而不能判断距离d。雷达图像函数的幅值|P(x)|像缓和的山脉那样变化，因而难于精确地确定最大位置，在进行高分辨率的测量方面具有限制。此外，在实际测量中，叠加有随机噪声，这使得更难于判断最大位置。在至少在-π≤φ＜+π的范围内相位移量φ是已知的情况下，在满足∠P(x)＝φ以及幅值|P(x)|的条件下，可以确定距离d。不过，相位∠P(x)急剧地改变，并在幅值|P(x)|的最大值附近和多个位移Δx对应，因而对于确定最大位置无济于事。
因此，在图1(a)所示的实施例的雷达图像计算装置10中，设置多个不同的中心频率f1，f2，如图1(b)所示，通过使用两个傅立叶变换装置11和12，获得两个雷达图像函数P1(x)和P2(x)，并从其幅值和相位差获得距离d，如图2所示。
图8示意地表示利用这个实施例的距离测量设备1确定距离d的方法。该方法从步s0开始。在步s1，频率控制器7设置电压控制的振荡器2的中心频率f0和可变宽度fB0，从而使其振荡。在步s2，从天线4发送行波，其信号源的频率f在f0±1/2×fB0的范围内变化。信号源的频率必须在足够长的时间间隔内保持稳定，使得返回到天线4的反射波和行波干扰而形成驻波。不过，和光速c相比，距离d是短的，因而所需的时间是短的。当频率控制器7以数字方式控制电压控制的振荡器2的振荡频率时，信号源的频率阶跃地改变，以便充分满足用于产生驻波的时间条件。
在步s3，功率检测器6检测相应于输入到天线4的驻波的幅值的功率p(f，0)。在从中心频率f0到±1/2×fB0的范围内，反射系数γ和相位移量φ可被认为是常数。在步s4，从检测的频率p(f，0)中取出范围f1±1/2×fB1和f2±1/2×fB2，并使用傅立叶变换装置11和12通过傅立叶变换处理例如FFT(快速傅立叶变换)变换成雷达图像函数P1(x)和P2(x)。由公式(13)，获得下面的公式(14)和(15)。通过从频率控制器7对傅立叶变换装置11和12给予和信号源频率f相关的控制信号，借助于使用带通滤波器，或者根据频率变化的时间差选择两个频率范围。
P1(x)=γW(x-d)ejφe-j4πf1c(x-d)---(14)]]>P2(x)=γW(x-d)ejφe-j4πf2c(x-d)---(15)]]>图2(a)表示由公式(14)和(15)表示的雷达图像函数P1(x)和P2(x)。两个雷达图像函数的幅值是相同的。根据相应于驻波的函数的形状，可以认为，在目标所在的位置幅值具有最小值。在图2(a)和图2(c)中，当fB1＝fB2＝fB，f1/fB1＝30，f2/fB2＝32时，用点划线和两点划线表示相位θ1和θ2的改变，用实线表示相位差Δθ＝θ1-θ2的改变。在包括Δx＝0的x＝d的多个位置，相位差Δθ似乎是0而经过零。不过，一般地说，相位差Δθ＝0表示这样一个相位差，其是2π的整数倍。因此，获得下式(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的情况下，导出以下的公式(17)x=d+Nc2(f2-f1)---(17)]]>由公式(17)得知，以x＝d为中心，对于每个c/(2(f2-f1))，具有一个相位匹配点。在这些匹配点当中，满足由图2(a)表示的雷达图像函数的幅值成为最大值的条件的点给出到目标5的距离d。在两个雷达图像函数P1(x)和P2(x)之间的相位差Δθ在x＝d附近成为一个一次函数，因而使得能够以高的精度确定Δθ＝0的点。即使当存在随机噪声时，相位差的过零点也是一个在雷达图像函数的幅值的极值附近的单一的点。因此，相位差受随机噪声的影响极�。�可以正确地确定相位的匹配点。
在图8的步s5，确定到目标5的距离d，目标5位于这样一个位置，在此位置雷达图像函数的幅值|P1(x)|或|P2(x)|为最大，在两个雷达图像函数P1(x)和P2(x)之间的相位差Δθ是0。在步s6，程序结束。在这个实施例中，从普通的功率信号中取出两个中心频率f1，f2的功率信号。不过，所述功率信号也可以通过借助于改变对于每个中心频率f1，f2的信号源的频率，分割用于检测驻波的定时来检测。
图9示意地表示一种状态，其中使用这个实施例的距离测量设备1以非接触方式测量到穿着衣服30的人体31的距离。电气绝缘的衣服30使得能够通过电磁波，从而被人体31的表面反射，借以形成驻波。在这个实施例中，根据驻波可以高精度地检测距离。即，借助于正确地反射在衣服30和人体31的皮肤表面之间的距离来测量距离。在多个点测量到人体31的距离的情况下，可以测量尺寸。例如，即使依赖光学测量试图以非接触的方式测量到穿着衣服30的人体31的距离，也可以只测量衣服30的表面形状。
为了测量一个窄的部分，例如人体31的一个特定部分，可以增加信号源的频率。认为可被测量的区域的尺寸是电磁波波长的数量级。当人体31是被测对象时，在30GHz下波长成为1cm。因此，可以使用大约30GHz到大约60GHz的频率。这个距离是短的，因而，甚至能够利用非常小的输出进行测量。
图9所示的测量即使在衣服30的下方隐藏着导电材料32时也能够进行检测。在扫描用于检测的电磁波的情况下，可以形成材料2的图像。
距离测量设备1甚至能够同时测量多个目标，如图3所示。对于图3所示的雷达图像函数的幅值的多个峰值，可以用高的分辨率确定基于相位差的距离。所述距离可以使用一个作为基准的目标，利用任何其它方法被预先测量，或者可以在以后测量，借以用高的精度根据到作为基准的目标的距离测量到作为要被测量的对象的目标的距离。
本实施例的距离测量设备1还可以被用作在日本专利申请No.2001-237280中提出的雷达装置。此外，可以用高的精度实现用于测量距离的车载检测器和路旁检测器，以便实现智能交通系统(ITS)。这种设备还可以用于水准仪、船只的靠泊仪器、飞机的高度计和塌方测量仪器，它们以高的精度实现绝对值测量。
本发明的构思不仅能够应用于使用空间作为传播媒介的电磁波，而且也适用于例如使用空气作为传播媒介的声波。声波的速度根据温度而改变。不过，借助于同时测量作为基准的目标，即使声波的速度未知，也能正确地测量到对象的距离。在液体例如水或者在固体例如土壤中，可以利用液体或固体作为传播介质。在传播介质的边界例如在液体表面或者在地面上，可以利用在表面波上产生的驻波测量距离。此外，当使用短的波长例如光的波动时，不通过使用电磁波的波动产生驻波，而使用幅值变化的波动产生驻波，并用于测量距离。
不脱离本发明的构思或基本特征，本发明可以用其它特定的形式实施。因此，应当认为本实施例在所有方面都是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求限定而不由上面的说明限定，因此，在权利要求的等效物的意义和范围内的所有的改变都应当包括在权利要求的范围内。
工业可应用性按照上述的本发明，在驻波产生步骤中，在改变频率的同时在基准位置和要被测量的对象周围的传播介质中产生从基准位置向要被测量的对象行进的行波，并使产生的行波和要被测量的对象反射的波相干扰，借以产生驻波。因此，相应于尺子的测量仪器不必和要被测量的对象接触，即使在所述对象正在自由运动时，也能测量距离。驻波在驻波检测步骤中被检测，并在雷达图像计算步骤中根据多个不同的中心频率由检测的驻波计算多个雷达图像函数，在所述雷达图像函数中，一个变量是从基准位置到通过要被测量的对象的假想的直线轴线上的一点的距离。当在中心频率当中的差和中心频率的绝对值相比为小时，要被测量的对象的反射同样地影响计算的雷达图像函数。在距离确定步骤中，确定这样一个距离作为从基准位置到要被测量的对象的距离，在此距离，在雷达图像计算步骤中计算的多个雷达图像函数当中的相位差和任何雷达图像函数的幅值满足预定的条件。在所述相位差中，消除了由于要被测量的对象的反射而引起的相位移的影响。此外，相位差变化的周期大于雷达图像函数的相位的变化周期。因此，可以用高的分辨率由相位差确定这样一个距离，在此距离雷达图像函数的幅值满足预定条件。
此外，按照本发明，同时测量要测量其距离的要被测量的对象和要作为所述测量的基准位置的要被测量的对象，并且能够用高的分辨率确定到所述对象的距离的相对差值。到作为测量距离的基准位置的对象的距离被预先或者以后进行测量，根据这个距离，以非接触的方式正确地确定到要被测量其距离的对象的绝对距离。
此外，按照本发明，行波产生装置在改变频率的同时在基准位置和要被测量的对象周围的传播介质中产生从基准位置向要被测量的对象行进的行波，并借助于所述行波和由要被测量的对象反射的波相干扰，从而在所述传播介质中产生驻波。驻波检测装置检测在所述传播介质中产生的驻波。因此，相应于尺子的测量仪器不和要被测量的对象接触，即使在所述对象正在自由运动时，也能测量距离。雷达图像计算装置根据多个不同的中心频率由驻波检测装置检测的驻波计算多个雷达图像函数，在所述雷达图像函数中，一个变量是从基准位置到通过要被测量的对象的假想的直线轴线上的一点的距离。当在中心频率当中的差和中心频率的绝对值相比为小时，要被测量的对象的反射同样地影响计算的雷达图像函数。距离确定装置确定这样一个距离作为从基准位置到要被测量的对象的距离，在此距离，由雷达图像计算装置计算的多个雷达图像函数当中的相位差和任何雷达图像函数的幅值满足预定的条件。在所述相位差中，消除了由于要被测量的对象的反射而引起的相位移的影响。此外，相位差变化的周期大于雷达图像函数的相位的变化周期。因此，可以用高的分辨率由相位差确定这样一个距离，在此距离雷达图像函数的幅值满足预定条件。
此外，按照本发明，雷达图像计算装置根据傅立叶变换处理计算多个雷达图像函数，因而，可以由实时信号计算作为频率间隔的复变函数的雷达图像函数，其包括由要被测量的对象引起的反射的影响，其作为幅值的反射系数和相位移数量。距离确定装置确定这样一个距离作为满足预定条件的距离，在此距离，在至少两个雷达图像函数之间的相位差是0，或者是π的偶数倍的弧度值，并且至少任何一个雷达图像函数的幅值为极值。在相位差被认为在以2π为周期的±π的范围内的情况下，可以根据相位差的过零位置确定所述距离。
此外，按照本发明，雷达图像计算装置通过对相应于驻波的信号进行傅立叶变换处理，计算多个雷达图像函数，其中通过利用预定的窗口函数对于多个不同的中心频率具有一个可变的公共宽度。用于改变由行波计算装置产生的行波的频率的范围是有限的，在进行傅立叶变换处理时所述频率范围被窗口函数挤压，使得容易进行傅立叶变换处理。
此外，按照本发明，行波产生装置包括一个能够控制振荡频率和产生高频信号的振荡器，一个用于在预定范围内周期地改变振荡器的振荡频率的控制器，以及一个用于从所述振荡器向作为传播介质的空间发送作为电磁行波的高频信号的天线。因此，使得能够借助于利用无处不在的空间作为传播介质，以非接触的方式测量距离。不反射电磁波的材料被从要被测量的对象中排除。因此，使得能够测量到要被测量的对象例如被隐蔽的材料以及穿着衣服的人体的距离。所述驻波检测装置借助于利用用于发送电磁波的天线检测驻波，因此，能够进行搜索要被测量的对象，并和现有的雷达那样测量到所述对象的距离。
权利要求
1.一种用于测量从一个基准位置到一个要被测量的对象的距离的距离测量方法，包括以下步骤驻波产生步骤，用于在改变频率的同时在存在于基准位置和要被测量的对象的周围的传播介质中产生从所述基准位置向要被测量的对象行进的行波，并使产生的行波和要被测量的对象反射的波干扰而产生驻波；驻波检测步骤，用于检测在驻波产生步骤中产生的驻波；雷达图像计算步骤，用于根据多个不同的中心频率由在所述驻波检测步骤中检测的驻波计算多个雷达图像函数，在所述雷达图像函数中，一个变量是从基准位置到在通过要被测量的对象的假想的直线轴线上的一点的距离；以及距离确定步骤，用于确定一个距离作为从基准位置到要被测量的对象的距离，在此距离，在雷达图像计算步骤中计算的多个雷达图像函数当中的相位差以及任何雷达图像函数的幅值满足预定的条件。
2.如权利要求1所述的距离测量方法，其中同时测量要测量其距离的要被测量的对象和作为测量所述距离的基准的要被测量的对象。
3.一种用于测量从一个基准位置到要被测量的对象的距离的距离测量设备，包括行波产生装置，用于在改变频率的同时在存在于基准位置和要被测量的对象的周围的传播介质中产生从所述基准位置向要被测量的对象行进的行波；驻波检测装置，用于检测驻波，并借以导出相应于驻波的信号，所述驻波是由使所述行波产生装置产生的行波和由要被测量的对象反射而回到行波产生装置侧的波进行干扰产生的；雷达图像计算装置，用于根据多个不同的中心频率通过操作相应于从所述驻波检测装置导出的驻波的信号，计算多个雷达图像函数，在所述雷达图像函数中，一个变量是从基准位置到在通过要被测量的对象的假想的直线轴线上的一点的距离；以及距离确定装置，用于确定一个距离作为从基准位置到要被测量的对象的距离，在此距离，在由雷达图像计算装置计算的多个雷达图像函数当中的相位差以及任何雷达图像函数的幅值满足预定的条件。
4.如权利要求3所述的距离测量设备，其中所述雷达图像计算装置根据傅立叶变换处理计算多个雷达图像函数；以及所述距离确定装置确定一个距离作为满足上述预定条件的距离，在此距离，在至少两个雷达图像函数之间的相位差是0，或者是π的偶数倍的弧度值，并且至少任何一个雷达图像函数的幅值为极值。
5.如权利要求4所述的距离测量设备，其中所述雷达图像计算装置通过对相应于驻波的信号进行傅立叶变换处理，计算多个雷达图像函数，其中通过利用预定的窗口函数多个不同的中心频率具有一个可变的公共宽度。
6.如权利要求3-5任何一个所述的距离测量设备，其中行波产生装置包括一个能够控制振荡频率和产生高频信号的振荡器；一个用于在预定范围内周期地改变所述振荡器的振荡频率的控制器；以及一个用于从所述振荡器向作为传播介质的空间发送作为电磁行波的高频信号的天线；以及所述驻波检测装置利用所述天线检测驻波。
全文摘要
可以以高的分辨率测量距离。频率控制器(7)控制电压控制的振荡器(2)，使得在包括两个中心频率f1，f2的范围内改变信号源的频率f，并作为行波将其从天线(4)发送到目标(5)。由目标(5)反射的反射波和所述行波相互干扰而形成驻波。功率检测器(6)检测相应于驻波的幅值的功率，并在傅立叶变换装置(11，12)中根据两个中心频率f1，f2进行傅立叶变换，借以计算雷达图像函数P1(x)，P2(x)。到目标(5)的距离d满足这样的条件所述两个雷达图像函数的相位差过零和所述雷达图像函数的幅值为最大。所述相位差的过零点是一个线性函数的过零点，因而可以用高的分辨率来识别。
文档编号G01S13/00GK1646936SQ0380890
公开日2005年7月27日 申请日期2003年6月4日 优先权日2002年6月7日
发明者上保徹志, 入谷忠光 申请人:株式会社岛精机制作所