专利名称：测距装置、测距设备及测距方法
技术领域：
本发明涉及测距装置。
从天线和发光器所发出的电波和光等的波(行波)如果在其行进方向上出现测量对象，就会在该测量对象上进行反射而变成按照与行波相反方向行进的反射波。因此，若从天线等连续输出电波等，则行波和反射波会产生干扰而在天线和测量对象之间形成驻波。本发明就是涉及采用上述这种驻波来测量至测量对象的距离的测距装置、测距设备及测距方法。
背景技术：
作为利用电波的测距装置，一般来说使用微波和毫米波的电磁波雷达已为众所周知。电磁波雷达因方式的不同被分为脉冲雷达、FMCW雷达等。另外，近来也呈现出扩频雷达或CDMA雷达。
脉冲雷达通过计量从发出脉冲信号至该信号在测量对象上反射回来的时间，求出至测量对象的距离。另外，扩谱雷达和CDMA雷达与脉冲雷达也基本相同，是根据至测量对象的往返传播时间来测量距离的。
FMCW雷达发出进行过频率扫描的连续波，从发出信号和反射信号的频率差求出至测量对象的距离。这种方式具有也可以同时对测量对象的移动速度进行测量这样的特征。
然而，在这些雷达中一般来说存在着难以进行短距离的测量并且极小探测距离为数10cm以上这样的问题。
另外，作为其他的雷达还有多普勒雷达，该多普勒雷达结构简单并且也能够进行短距离对象的测量，但是不能测量至已停止的测量对象的距离。
还有，就以往的雷达来说，在近处同时使用多个雷达的场合下，因没有使接收器避免接收从其他雷达所发出的信号的装置，而存在使测量误差显著增大等不能进行测量这样的问题。
另一方面，目前人们正在研究为回避对车辆的障碍物特别是与步行者的冲突而探测障碍物并测量该障碍物和车辆之间的距离的车载雷达。这种车载雷达极小探测距离不超过数10cm并且一定是和已相对停止的测量对象之间的距离的测量，而且必须在不会受到其他车辆车载雷达的发出信号影响的情况下实行测距。但是，采用以往的雷达不能满足这3个条件。因而，人们正在寻求满足上述3个条件的雷达。
发明内容
第1发明的测距装置一种测量装置，用于测量至测量对象的距离，其特征为该测量装置包括输出信号的频率为可变的发送源、检测装置、发送装置及信号处理器，上述检测装置与该发送源连接并且输出与驻波的振幅相应的检测信号，该驻波频率与从该发送源所输出的输出信号的频率相同；上述发送装置被输入该检测装置所发出的检测信号及从上述发送源所发出的输出信号的频率信息，并向在与上述测量对象之间存在的传播媒质发射具有与上述输出信号的频率对应的数值的电磁波；上述信号处理器设置在该发送装置和上述测量对象之间，并在该发送装置和上述测量对象之间检测形成于上述传播媒质中的驻波的振幅，形成表示检测到的上述检测信号的值的检测信号函数，根据其周期计算上述检测装置和上述测量对象之间的距离。
第2个发明的测量至测量对象的距离所用的测量装置，其特征为该测量装置由输出信号的频率包括可变的发送源、发送装置、检测装置及信号处理器，上述发送装置与该发送源连接并向在与上述测量对象之间存在的传播媒质发射具有与从该发送源输出的输出信号的频率相同频率的电磁波；上述检测装置设置在该发送装置和上述测量对象之间，并在该发送装置和上述测量对象之间检测形成于上述传播媒质中的驻波的振幅，并输出与所检测到的驻波的振幅相应的检测信号；上述信号处理器被输入该检测装置所发出的检测信号及从上述发送源所发出的输出信号的频率信息，形成表示与上述输出信号的频率对应的上述检测信号的值的检测信号函数，并检测该检测信号函数成为极大或极小的至少2个以上输出信号的频率，根据该2个以上的输出信号频率之中的2个选择频率和在该2个选择频率之间成为极大或极小的输出信号的频率数值，计算上述检测装置和上述测量对象之间的距离。
第3个发明的测距装置，其特征为设置有使从上述发送源所输出的输出信号进行频率调制所用的调制器，并且上述检测装置具备接收部和检波部，该接收部检测上述驻波的振幅并输出具有与该振幅相应的振幅的检测信号；该检波部从上述调制器输入调制信号，并通过该调制信号对上述检测信号进行同步检波，形成检波信号，并且输出与该检波信号的振幅相应的检测信号。
第4个发明的测量至测量对象的距离所用的测量装置，其特征为该测量装置包括发光源、分光装置、驻波形成装置、检测装置及信号处理器，上述发光源发出发光强度周期性变化的光，并且其频率可变；上述分光装置将从该发光源所发出的光分光成2个，并将所分出的一个光发射到存在于与上述测量对象之间的传播媒质中；上述驻波形成装置使被上述测量对象反射的一个光和所分光出的另一个光相干以形成驻波；上述检测装置用来检测通过该驻波形成装置所形成的驻波的振幅，并输出与所检测到的驻波的振幅相应的检测信号；上述信号处理器被输入该检测装置所发出的检测信号及从上述发光源所发出的光的发光强度变化的频率信息，形成表示与该光的发光强度变化的频率对应的检测信号的值的检测信号函数，并根据其周期计算出上述检测装置和上述测量对象之间的距离。
第5个发明的测量至测量对象的距离所用的测量装置，其特征为该测量装置包括发光源、分光装置、驻波形成装置、检测装置及信号处理器，上述发光源发出发光强度周期性变化的光，并且其频率可变；上述分光装置将从该发光源所发出的光分光成2个，并将所分出的一个光发射到存在于与上述测量对象之间的传播媒质中；上述驻波形成装置使被上述测量对象反射的一个光和所分光出的另一个光相干以形成驻波；上述检测装置用来检测通过该驻波形成装置所形成的驻波的振幅，并输出与所检测到的驻波的振幅相应的检测信号；上述信号处理器被输入该检测装置所发出的检测信号及从上述发光源所发出的光的发光强度变化的频率信息，形成表示与该光的发光强度变化的频率对应的检测信号的值的检测信号函数，并检测该检测信号函数成为极大或极小的至少2个以上发光强度变化的频率，根据该2个以上的发光强度变化频率之中的2个选择频率和在该2个选择频率之间成为极大或极小的输出信号的频率数值计算出上述检测装置和上述测量对象之间的距离。
第6个发明的测距装置，其特征为设置有使上述发光源所发出的光的发光强度变化进行频率调制所用的调制器，并且上述检测装置具备接收部和检波部，该接收部检测上述驻波的振幅并输出具有与该振幅相应的振幅的检测信号；该检波部从上述调制器输入调制信号，并通过该调制信号对上述检测信号进行同步检波以形成检波信号，并且输出与该检波信号的振幅相应的检测信号。
第7个发明的可以探测测量对象的空间坐标的测量设备，其特征为该测量设备包括多个权利要求1、2、3、4、5或者6中记载的测距装置、使该多个测距装置进行同步动作的控制装置、以及运算装置，该运算装置中输入各测距装置的信号处理器计算出的检测装置和上述测量对象之间的距离，根据输入的各测量装置的检测装置和上述测量对象之间的距离以及各测距装置的检测装置之间的相对位置，计算出测量对象的空间坐标。
第8个发明的测量至测量对象的距离所用的测量方法，其特征为通过发送装置向存在于发送装置和测量对象之间的传播媒质发射电磁波，在上述发送装置和测量对象之间使传播媒质中形成驻波，在上述发送装置和上述测量对象之间的一定位置，通过检测装置探测出上述驻波的振幅，使上述发送装置所发射的电磁波的频率产生变化，并且形成表示与该频率对应的上述驻波的振幅的振幅曲线，根据该振幅曲线的周期计算上述检测装置和上述测量对象之间的距离。
图1是第一实施方式的测距装置10A的概略框图。
图2(A)表示的是检测信号函数A(f，d1)，(B)及(C)表示的是对检测信号函数A(f，d1)进行傅里叶变换后的转换函数F(cy)。
图3是通过测距装置10A来测量至测量对象M的距离的工作流程图。
图4是通过测距装置10A来测量至测量对象M的距离的工作流程图。
图5是第二实施方式的测距装置10B的概略框图。
图6(A)表示的是输出信号的频率与在接收部13B位置上的驻波S的振幅SP的关系，(B)表示的是由检波部13b所输出的检测信号和发送部11a所输出的信号的频率f来形成的检测信号函数A(f，d1)。
图7是通过测距装置10B来测量至测量对象M的距离的工作流程图。
图8是说明驻波S的形成的概略说明图。
图9是对沿传送路线L的距离进行测量的测距装置10C的概略说明图。
图10是第三实施方式的测距装置10D的框图。
图11是本实施方式的测距设备1的框图。
图12(A)是由本实施方式的测距设备1所做出的位置测量方法的概略说明图，(B)是为了计算位置所使用的公式。
具体实施例方式
下面，根据附图来说明本发明的实施方式。
图1是第一实施方式的测距装置10A的概略框图。
如该图所示，第一实施方式的测距装置10A基本上由发送源11、发送装置12、检测装置13及信号处理器14来构成，其特征为采用在发送装置12和测量对象M之间形成的驻波S来测量至测量对象M的距离。
首先，在说明第一实施方式的测距装置10A之前，对于驻波S予以说明。
图8是说明驻波S的形成的概略说明图。如该图所示，若从电磁波发生器B1将频率为f的电磁波发射到空气等的传播媒质中，则电磁波会成为行波D而行进在传播媒质中。在该行波D中，在从电磁波发生器B1到距离为x的位置上的振幅VD作为该频率f和x的函数而由下面的公式来表达。
VD(f，x)＝exp(j2πf/c·x)还有，符号c表示光速。
然后，如果行波D到达测量对象M，行波D就会在测量对象M上进行反射而变成反射波R，该反射波R从测量对象M向电磁波发生器B1行进。在该反射波R中，在从电磁波发生器B1到距离为x的位置上的振幅VR作为行波D的频率f和出自电磁波发生器B1的距离x的函数而由下面的公式来表达。
VR(f，x)＝MR·exp(j2πf/c·(2d-x))(MR＝γ·exp(jφ))还有，符号MR表示在测量对象M上的电磁波反射系数。
接着，如图8(B)所示若行波D和反射波R产生干扰，则在电磁波发生器B1和测量对象M之间形成驻波S。如果采用从电磁波发生器B1只与测量对象M相距x1的探测器B2来测量该驻波S的振幅SP，则探测器B2探测出的驻波S的振幅SP作为行波D的频率f的函数而由下面的公式来表示。
Sp(f，x1)＝(1+γ2+2γcos(2πf/c·2d1+φ))1/2(d1＝d-x1)如上所述，在设置有探测器B2的位置上的驻波S的振幅SP对于从电磁波发生器B1所发出的行波D的频率f来说具有周期性，并且其周期为c/2d1。也就是说，驻波S的振幅SP与从探测器B2到测量对象M的距离d1成反比。因而，如果使行波D的频率f产生变化，就可以在设置有探测器B2的位置上求出与行波D的周期f对应的驻波S的振幅SP的变动周期，因此可以通过驻波S测量出至测量对象M的距离。
现对有关第一实施方式的测距装置10A，予以说明。
如图1所示，发送源11A由发送部11a和频率控制部11b来构成，发送部11a例如是交流电源等可以输出一定频率f的信号的部件。频率控制部11b用来对发送部11a所输出的信号的频率f进行控制。另外，频率控制部11b可以输出与发送部11a所发出的频率f有关的信息，例如发送部11a所发出的信号的频率f的数值和具有与发送部11a所发出的信号相同的频率f的信号等。
在上述发送源11A上例如连接有天线和放大器等的发送装置12A。该发送装置12A向存在于发送装置12A和测量对象M之间的如空气和水等的传播媒质中或真空中，发射具有与发送源11A的发送部11a所发出的信号相同的频率f的电磁波。
因此，如果通过发送源11A的频率控制部11b来改变发送部11a所发出的信号的频率f，就可以改变从发送装置12A所发射的电磁波的频率。
在上述发送装置12A和测量对象M之间设置有天线和振幅探测器、平方律检波器等的检测装置13A。该检测装置13A用来检测使从发送装置12A所发射的电磁波(下面，称为行波D)和在测量对象M上所反射的反射波产生干扰而形成的驻波S的振幅SP，并且设置在从测量对象M到距离为d1的位置上。该检测装置13A可以输出与驻波S的振幅SP相应的检测信号，例如与驻波S的振幅SP相同或者与振幅SP的平方成比例的电流和电压等。
在上述检测装置13A上连接有信号处理器14A。该信号处理器14A例如是数字信号处理机(DSP)和存储器等，并且具备有对所输入的数据加以记录的记录部和对记录于该记录部中的数据进行运算的运算部，通过该运算部可以计算出从检测装置13A到测量对象M的距离d1。
另外，信号处理器14A也与上述发送源11A的频率控制部11b相连接，并从发送源11A的频率控制部11b接收与发送部11a所发出的输出信号的频率f有关的信息(下面，只称为输出信号的频率信息)，与此同时在从检测装置13A接收到检测信号时可以向发送源11A的频率控制部11b传送接收确认信号。
再者，虽然在第一实施方式的测距装置10A中分别设置出发送装置12A和检测装置13A，但是也可以采用一个天线使发送装置12A和检测装置13A得以共同设置。这种场合下，可以使装置小型化并且结构简单。
下面，说明第一实施方式的测距装置10A的作用和效果。
图2(A)表示的是检测信号函数A(f，d1)，(B)及(C)表示的是对检测信号函数A(f，d1)进行傅里叶变换后的转换函数F(cy)。图3是通过测距装置10A来测量至测量对象M的距离的工作流程图。
如图1～图3所示，首先通过发送源11A的频率控制部11b来设定发送部11a所发出的信号的初始频率fL及最终频率fU。
接着，如果通过频率控制部11b使之从发送部11a发出频率f为初始频率fL的信号，就会从收到该信号的发送装置12A使频率f为初始频率fL的行波D向着测量对象M发射到传播媒质中。此时，输出信号的频率信息会从频率控制部11b发送给信号处理器14A。
从发送装置12A所发射的行波D在传播媒质中予以传播，到达测量对象M并在该测量对象M上进行反射而变成反射波，与行波D方向相反也就是向着发送装置12A而在传播媒质中予以传播。这样，就会使行波D和反射波相干，而在发送装置12A和测量对象M之间的传播媒质中形成驻波S。
该驻波S的振幅SP通过设置于发送装置12A和测量对象M之间的检测装置13A被检测，并且检测装置13A将与驻波S的振幅SP相应的检测信号发送到信号处理器14A中。
收到来自检测装置13A的检测信号的信号处理器14A通过记录装置使检测信号的值P与从频率控制部11b所发送的输出信号的频率信息对应成1比1的关系并加以记录。同时，向频率控制部11b发送接收确认信号。
收到来自信号处理器14A的接收确认信号的频率控制部11b使发送部11a所发出的信号的频率f只变化阶跃频率Δf。这样，从发送装置12A所发射的行波D的频率f变化为fL+Δf，而为了使行波D以一定速度(光速)进行传播，需要使行波D的波长产生变化。
因此，由于形成于发送装置12A和测量对象M之间的传播媒质中的驻波S产生变化，并且检测装置13A所检测的驻波S的振幅SP会产生变化，所以从检测装置13A传送到信号处理器14A的检测信号的值P会产生变化。该检测信号的值P通过信号处理器14A的记录装置使之与发送部11a的输出信号的频率信息对应成1比1的关系并被记录。
接着，如果再次接收到来自信号处理器14A的接收确认信号，频率控制部11b就会使发送部11a所发出的信号的频率f只变化阶跃频率Δf的量。
直至发送部11a所发出的信号的频率f与最终频率fU相一致为止反复实行上述处理，若发送部11a所输出的输出信号的频率f与最终频率fU一致，则停止发送部11a的发出。
接着，通过信号处理器14A的运算装置从记录于记录装置的输出信号的频率信息和检测信号的值P来形成检测信号函数A(f，d1)。随后，信号处理器14A的运算装置通过对检测信号函数A(f，d1)进行傅里叶变换来形成转换函数F(cy)。由于该转换函数F(cy)在检测信号函数A(f，d1)的周期cy的位置上成为具有峰值的函数，因而可以通过信号处理器14A从转换函数F(cy)计算出检测信号函数A(f，d1)的周期cy。
如上所述，由于检测信号函数A(f，d1)的周期cy也就是驻波S的振幅SP的周期对于从检测装置13A到测量对象M的距离d1成反比，因而可以由其周期计算出从检测装置13A到测量对象M的距离d1。
因此，测距装置10A可以测量从检测装置13A到测量对象M的距离d1。
另外，由于从检测装置13A到测量对象M的距离d1只取决于与输出信号的频率f对应的驻波S的振幅SP的周期并且不会受到从通过发送装置12A发出行波D到在测量对象M上进行反射回到检测装置13A的时间的影响，所以即使至测量对象M的距离d1为不超过数10厘米的短距离，也可以进行准确度高的测量。
还有，在多个测量对象M之间形成有多个驻波S的场合下，检测装置13A所发出的检测信号会成为与多个驻波S的振幅SP进行合成后的值相对应的信号。这样，信号处理器14A的运算装置所形成的检测信号函数A(f，d1)就变为使在检测装置13A的位置上表示多个驻波S的振幅SP变动的函数进行合成后的合成函数，而通过对检测信号函数A(f，d1)进行傅里叶变换而形成的转换函数F(cy)会变成在各驻波S的周期上各自具有极大值的函数(参照图2(C))。
因此，可以分别求出多个驻波S的振幅SP的变动周期，因而能够分别测量多个测量对象M和检测装置13A之间的距离x。
还有，虽然是使发送部11a所输出的输出信号的频率f从初始频率fL直线到最终频率fU的每一阶跃频率Δf直线变化，但是也可以在初始频率fL和最终频率fU之间使输出信号的频率f产生随机变化来测量在各频率f上的驻波S的振幅SP。这种场合下，也可以使输出信号的频率f和驻波D的振幅SP相对应，因而可以通过信号处理器14A的运算装置形成检测信号函数A(f，d1)。
这种场合下，可获得下面这种效果。例如，如果按照M序列符号等使输出信号的频率f产生随机变化，就几乎不会发生测距装置10A之间在相同时刻发出同相位且频率f相同的电磁波的概率。
而且，由于驻波S的振幅SP是通过同一频率的成分而产生的，所以即使检测装置13A接收到其他测距装置所发出的电磁波，也可以通过低通滤波器等将其信号成分轻易地去除。
因而，可以防止因从其他测距装置所发出的电磁波而使测量误差显著增大等不能进行测量的情形。
另外，虽然是通过信号处理器14A的运算装置求出检测信号函数A(f，d1)的周期，但是也可以求出2个以上使检测信号函数A(f，d1)成为极大极小的输出信号的频率f，而从这些频率f求出测量对象M和发送装置12A之间的距离x。
如图4所示，在通过信号处理器14A形成检测信号函数A(f，d1)之后，通过信号处理器14A探测出使检测信号函数A(f，d1)成为极小或极大的2个以上的频率fn～fn+k。
接着，在该2个以上的频率fn～fn+k之中选择2个选择频率fn，fn+k。然后，计算出在该2个选择频率fn，fn+k之间所形成的成为极小或极大的频率数值k-1。
这样，检测装置13A和测量对象M之间的距离d1通过下面的公式来求出。
d1＝k·c/(4·(fN+K-fN))也就是说，通过计算出2个选择频率fn，fn+k和在这2个选择频率fn，fn+k之间形成的成为极小或极大的频率数值k-1，可以测量从检测装置13A到测量对象M的距离。
下面，说明第二实施方式的测距装置10B。
图5是第二实施方式的测距装置10B的概略框图。如该图所示，第二实施方式的测距装置10B的特征为，除发送源11B、发送装置12B、检测装置13B及信号处理器14B之外，还设置出调制器20，使信号处理器14B对检测信号函数A(f，d1)成为极小或极大的发送部11a的输出信号的频率f进行探测的准确度得到提高。
如图5所示，在发送源11B中，在发送部11a和频率控制部11b之间设置有调制器20。该调制器20在频率控制部11b设定出使之从发送部11a进行输出的频率f的场合下，用来使之从发送部11a输出以该频率f为中心频率而产生周期性变动的信号。也就是说，用来对发送部11a的输出信号施加频率调制。
另外，该调制器20可以向检测装置13B输出调制信号。该调制信号指的是在进行过频率调制的发送部11a的输出信号中对于频率控制部11b所设定的频率f产生周期性变动的变动成分的信号。
在上述检测装置13上设置有接收部13a和检波部13b。
接收部13a用来探测驻波S的振幅SP并输出具有与该振幅SP相应的振幅的检测信号。
在该接收部13a上连接有检波部13b。该检波部13b具备有对来自上述调制器20的调制信号及来自接收部13a的检测信号进行记录的记录部、和采用调制信号对该记录部中所记录的检测信号进行同步检波以形成检波信号并输出与该检波信号的振幅相应的检测信号加以运算的运算部。
另外，检波部13b若收到来自上述接收部13a的检测信号，则可以向调制器20传送接收确认信号。
再者，与第一实施方式的测距装置10A相同，在第二实施方式的测距装置10B中也分别设置出发送装置12B和检测装置13B，但是也可以采用一个天线使发送装置12A和检测装置13A得以共同设置。这种场合下，可以使装置小型化并且结构简单。
下面，说明第二实施方式的测距装置10B的作用和效果。
由于除去实行频率调制的工作之外，与在第一实施方式的测距装置10A中信号处理器14求出检测信号函数A(f，d1)的极大极小的情形相同，所以下面只说明实行频率调制的工作。
图6(A)表示的是输出信号的频率和在接收部13B的位置上的驻波S的振幅SP的关系，(B)表示的是由检波部13b所输出的检测信号和发送部11a所输出的信号的频率f来形成的检测信号函数A(f，d1)。图7是通过测距装置10B来测量至测量对象M的距离的工作流程图。
如图5～图7所示，首先在频率控制部11b所设定的频率为频率f的场合下，通过调制器20施加频率调制，从发送部11a发出频率f为f+fd cosθ(θ＝0)的信号，从收到该信号的发送装置12B使频率f为初始频率f+fd cosθ(θ＝0)的行波D朝向测量对象M发射到传播媒质中。此时，输出信号的频率调制信息从调制器20发送到检测装置13B的检波部13b。
这样，就会在发送装置12B和测量对象M之间形成驻波S，并且检测装置13B的接收部13a会检测在其位置上的驻波S的振幅SP，将与该驻波S的振幅SP相应的检测信号发送到检波部13b。
收到来自接收部13a的检测信号的检波部13b使该值与从调制器20所发送的输出信号的频率调制信息对应成1比1的关系并加以记录。同时，向调制器20发送接收确认信号。
收到来自检测装置13B的检波部13b的接收确认信号的调制器20使发送部11a所发出的信号的频率f变化为f+fd cosθ(θ＝θ+dθ)。这样，由于从发送装置12所发射的行波D的频率f变化为f+fdcosθ(θ＝θ+dθ)，所以检测装置13B的接收部13a所检测的驻波S的振幅SP会产生变化，因此从检测装置13B的接收部13a传送给检波部13b的检测信号的值会产生变化。该检测信号通过检波部13b的记录装置与发送部11a的输出信号的频率调制信息对应成1比1的关系，并通过记录装置加以记录。
随后，如果再次收到来自检测装置13B的检波部13b的接收确认信号，调制器20就会使发送部11a所发出的信号的频率f变化为f+fd cosθ(θ＝θ+2dθ)。
直至成为发出θ＝2π为止反复实行上述处理。
随后，若θ＝2π，则检波部13b的运算装置采用频率调制信息对所记录的检测信号进行同步检波以形成检波信号。接着，由于检波部13b向信号处理器14B输出与该检波信号的振幅相应的检测信号，所以会使该检测信号与从发送源11B的频率控制部11b传送到信号处理器14B的频率信息对应成1比1的关系，并记录在信号处理器14B的记录装置中。
然后，如果使频率控制部11b令发送部11a所发出的频率从初始频率fL变化到最终频率fU，就会通过信号处理器14B形成检测信号周期A(f，d1)。
如图6(B)所示，该检测信号函数在驻波S的振幅SP成为极小或极大的频率附近单调递增或者单调递减，而且在驻波S的振幅SP成为极小或极大的频率前后变成使检测信号曲线A(f，d1)的检测信号的值P的符号产生变化的曲线。
因此，根据第二实施方式的测距装置10B，可以正确探测出驻波S的振幅SP成为极小或极大的频率f，减小测量误差。
另外，如果应用由上述测距装置10所做出的测距方法，也可以在自动装置和NC机器等的工业机械中测量至实行作业的装置的距离。
在图9中，符号L表示出向实行作业的装置等发送信号的传送线路，例如使微细分股线等的多条电线平行设置的传送线路。在该传送线路L的附近配置有实行作业的装置等的测量对象M1、M2。在该测量对象M1、M2上预先设置好金属片等，并使该金属片等接近传送线路L。接着，通过信号源阻抗RS从作为发送源11C的交流电源向传送线路L提供交流电流。
这样，由于在接近金属片的位置也就是测量对象M1、M2的位置上，交流电流所形成的电场会出现紊乱，所以在测量对象M1、M2的位置和信号源阻抗RS之间形成驻波S。因此，如果使作为发送源11C的交流电源的频率产生变化并且通过平方律检波器等的检测装置13C来检测交流电流的电功率，就可以通过信号处理器14C来测量从检测装置13C到测量对象M1、M2的沿传送线路L的长度。
而且，由于驻波S是沿着弯曲的传送线路L而形成的，所以即使传送线路L是弯曲的，也可以正确求出从信号源阻抗RS到测量对象M1、M2的沿传送线路L的长度。
还有，如果将传送线路L的终端阻抗Rt变成失配状态，而在传送线路L的终端和信号源阻抗RS之间形成驻波S，也可以通过驻波S来计量传送线路L的全长。因此，如果知道传送线路L的全长，就可以通过由驻波S所计量的传送线路L的全长和实际传送线路L的全长来修正从检测装置13C到测量对象M1、M2的沿传送线路L的长度，因此会使测量结果变得准确。
下面，说明第三实施方式的测距装置10D。
图10是第三实施方式的测距装置10D的框图。如该图所示，该测距装置10D基本上由发光源11D、分光装置31、反射用镜32、检测装置13D及信号处理器14D来构成，并且与第一、第二实施方式的测距装置10A、10B有所不同，其特征为使发光源11D所发出的光的强度产生周期性变化，通过在分光装置31和检测装置13D之间所形成的驻波S来测量至测量对象M的距离。
还有，由于从通过检测装置13D所检测到的检测信号计算出至检测装置13D和测量对象M的距离的方法与上述第一实施方式的测距装置10A相同，所以下面只说明第三实施方式的测距装置10D的结构。
如图10所示，发光源11D由发送部11a和频率控制部11b来构成，发送部11a例如是激光器和发光二极管等，可以对所发出的光的发光强度进行输出使其强度变化达到一定的频率f的部件。频率控制部11b用来对发送部11a所输出的光的发光强度变化的频率f进行控制。另外，频率控制部11b可以输出与发送部11a所发出的光的发光强度的频率f有关的信息，例如发送部11a所发出的光的发光强度变化的频率f的数值和具有与发送部11a所发出的光的发光强度变化的频率f相同的频率f的信号等。
在发光源11D的发送部11a和测量对象M之间设置有例如分光镜等的分光装置31。该分光装置31将从发光源11D的发送部11a所发出的光分光成2个，并将所分光出的一个光发射到存在于和测量对象M之间的传播媒质中。所分光出的另一个光提供到下述的反射用镜32。
另外，分光装置31可以将在测量对象M上反射回来的反射光向着下述的检测装置13D进行反射。
在上述分光装置31的侧向上设置有反射用镜。该反射用镜32将通过上述分光装置31所分光出的另一个光的光再一次向分光装置31反射。通过该反射用镜32所反射的光透过分光装置31，向下述的检测装置13D行进。
因此，在分光装置31和下述的检测装置13D之间，会使在测量对象M上反射回来的反射光和通过反射用镜32所反射的光产生干扰，而在分光装置31和下述的检测装置13D之间形成驻波S。
在上述分光装置31的侧向上隔过分光装置31，在与上述反射用镜直线对称的位置上设置有检测装置13D。该检测装置13D用来检测使在测量对象M上反射回来的反射光和通过反射用镜32所反射的光产生干扰而形成的驻波S的振幅SP。该检测装置13D具备有光探测器，该光探测器用来检测与驻波S的振幅SP相应的检测信号如驻波S的振幅SP的发光强度并对发光强度进行电压变换以输出检测信号，从该光探测器所输出的检测信号可以输出与驻波S的振幅SP相同或者与振幅SP的平方成比例的电流和电压等。
在上述检测装置13D上连接有信号处理器14D。该信号处理器14D例如是数字信号处理机(DSP)和存储器等，并且具备有对所输入的数据加以记录的记录部和对该记录部中所记录的数据进行运算的运算部，通过该运算部可以计算出从分光装置31到测量对象M的距离d。
另外，信号处理器14D也与上述发光源11D的频率控制部11b相连接，并且从发光源11D的频率控制部11b取得与发送部11a所发出的输出信号的频率f有关的信息(下面，只称为输出信号的频率信息)，与此同时在从检测装置13D接收到检测信号时可以向发光源11D的频率控制部11b传送接收确认信号。
因此，根据第三实施方式的测距装置10D，与第一实施方式的测距装置10D一样可以测量从分光装置31到测量对象M的距离d。
另外，即使至测量对象M的距离x是不超过数10厘米的短距离，也可以进行准确度高的测量。
还有，如果使发送部11a所输出的输出信号的频率f在初始频率fL和最终频率fU间产生随机变化，就可以防止因从其他测距装置所发出的光而使测量误差显著增大等不能进行测量的情形。
还有，因为可以分别求出多个驻波S的振幅SP的变动周期，所以能够分别测量多个测量对象M和分光装置31之间的距离d。
再者，在通过信号处理器14D的运算装置求出2个以上检测信号函数A(f，d1)成为极大极小的输出信号的频率f并从这些频率fL求出测量对象M和分光装置31之间的距离d的场合下，也可以将初始频率fL当作0Hz而使输出信号的频率f变化到任意的最终频率fU。这种场合下，在检测信号函数A(f，d1)中在输出信号的频率f为0时必然会使检测信号函数A(f，d1)成为极大。因此，在初始频率fL到最终频率fU之间仅仅只求出1个检测信号函数A(f，d1)成为极大的输出信号的频率f，就可以采用该频率f和初始频率fL求出测量对象M和分光装置31之间的距离d。
接着还有，如果与第二实施方式的测距装置10B一样设置出对所发出的发光强度施加频率调制的调制器，就可以正确地探测出使驻波的振幅成为极小或极大的频率，减小测量误差。
下面，说明本实施方式的测距设备1。
图11是本实施方式的测距设备1的框图。如该图所示，本实施方式测距设备1具备有多个上述测距装置10。在该多个测距装置10上连接有控制装置3。该控制装置3用来使上述多个测距装置10进行同步动作，并可以从各测距装置10使电磁波同时发射到传播媒质中。
另外，在多个测距装置10上连接有运算装置2。在该运算装置2上可输入各测距装置10的信号处理器14所计算出的检测装置13和测量对象M之间的距离x，并且可以从该所输入的在各测量装置10上检测装置13和测量对象M之间的距离以及各测距装置10的检测装置13之间的相对位置计算出测量对象M的空间坐标。
下面，说明本实施方式的测距设备1的作用和效果。
图12(A)是由本实施方式的测距设备1所做出的位置测量方法的概略说明图，图12(B)是为了计算位置所使用的公式。如该图所示，通过控制装置3使2个测距装置10同步，同时使之发出电磁波。这样，就会在各测距装置10和测量对象M之间形成驻波S1、S2，计算出从各测距装置10到测量对象M的距离d1、d2。
该从各测距装置10到测量对象M的距离d1、d2被输入到运算装置2。如图12(A)所示，由于各测距装置10之间的距离为r，所以计算出从双方的中间位置到测量对象的距离d，并计算出双方的二等分线以及连结上述中间位置和测量对象M的线段之间所成的角度θ。
因此，如果采用从各测距装置10的中间位置到测量对象的距离d以及连结上述中间位置和测量对象M的线段之间所成的角度θ，就可以掌握在存在各测距装置10和上述测量对象M的平面上各测距装置10和上述测量对象M的相对位置。
还有，如果设置3个分别的测距装置10，就可以掌握三维的各测距装置10和测量对象M之间的相对位置关系。
产业上的可利用性根据第1发明，会获得下面(1)～(4)所示的效果。
(1)如果使从发送源所输出的输出信号的频率产生变化，从发送装置所发射的电磁波的波长就会产生变化，因此在发送装置和测量对象之间的传播媒质中所形成的驻波会产生变化，并且在设置有检测装置的位置上的驻波的振幅会产生变化。因此，如果使输出信号的频率产生变化，检测装置所输出检测信号的值就会产生变化，因而可以从输出信号的频率信息和检测信号的值通过信号处理器使之形成检测信号函数。在设置有检测装置的位置上的驻波的振幅对于电磁波的频率也就是从发送源所输出的输出信号的频率产生周期性变化，并且其周期对于从检测装置到测量对象的距离成反比。因此，通过求出驻波的振幅的周期也就是检测信号函数的周期，可以从其周期计算出从检测装置到测量对象的距离，并能够测量从检测装置到测量对象的距离。
(2)从检测装置到测量对象的距离只取决于与输出信号的频率对应的驻波的振幅变动周期并且不会受到从通过发送装置发出电磁波至在测量对象上进行反射回到检测装置的时间的影响，因此即使至测量对象的距离为不超过数10厘米的短距离，也可以进行准确度高的测量。
(3)在使之形成检测信号函数时，在使输出信号频率产生随机变化的场合下，例如如果按照M序列符号等使输出信号的频率产生随机变化，就几乎不会发生测距装置之间在相同时刻发出同相位且频率相同的电磁波的概率。因而，可以防止因从其他测距装置所发出的电磁波而使测量误差显著增大等不能进行测量的情形。
(4)如果通过对检测信号函数进行傅里叶变换来求出上述周期，则即使同时测量在多个测量对象之间所形成的多个驻波的振幅，也可以对各驻波求出各自的周期。因而，可以分别测量多个测量对象和检测装置之间的距离。
根据第2发明，会获得下面(1)～(3)所示的效果。
(1)如果使从发送源所输出的输出信号的频率产生变化，从发送装置所发射的电磁波的波长就会产生变化，因此在发送装置和测量对象之间的传播媒质中所形成的驻波会产生变化，并且在设置有检测装置的位置上的驻波的振幅会产生变化。因此，如果使输出信号的频率产生变化，检测装置所输出的检测信号的值就会产生变化，因而可以从输出信号的频率信息和检测信号的值通过信号处理器形成检测信号函数。在设置有检测装置的位置上的驻波的振幅对于电磁波的频率也就是从发送源所输出的输出信号的频率产生周期性变化，并且其周期对于从检测装置到测量对象的距离成反比。因此，如果检测到驻波的振幅成为极大或极小的频率也就是使检测信号函数成为极小或极大的2个以上的频率并计算出该2个以上的频率之中所任意选择的2个选择频率和在该选择频率之间所形成的成为极小或极大的频率数值，就可以求出检测信号函数的周期，因而能够测量从检测装置到测量对象的距离。
(2)从检测装置到测量对象的距离只取决于与输出信号的频率对应的驻波的振幅变动周期并且不会受到从通过发送装置发出电磁波至在测量对象上进行反射回到检测装置的时间的影响，因此即使至测量对象的距离为不超过数10厘米的短距离，也可以进行准确度高的测量。
(3)在使之形成检测信号函数时，在使输出信号频率产生随机变化的场合下，例如如果按照M序列符号等使输出信号的频率产生随机变化，就几乎不会发生测距装置之间在相同时刻发出同相位且频率相同的电磁波的概率。因而，可以防止因从其他测距装置所发出的电磁波而使测量误差显著增大等不能进行测量的情形。
根据第3发明，会获得下面(4)所示的效果。
(4)对接收部所输出的检测信号进行同步检波以形成检波信号，并且检波部会输出与该检波信号的振幅相应的检测信号。这样，检测信号曲线就会变成这样的曲线，该曲线在驻波的振幅成为极小或极大的频率附近单调递增或者单调递减，而且在驻波的振幅成为极小或极大的频率前后使检测信号曲线的检测信号的值的符号产生变化。因此，可以正确探测出驻波的振幅成为极小或极大的频率，减小测量误差。
根据第4发明，会获得下面(6)～(9)所示的效果。
(6)如果使从发光源所发出的光的发光强度变化的频率产生变化，光的发光强度变化的波长就会产生变化，因此通过驻波形成装置所形成的驻波会产生变化，并且检测装置检测到的驻波的振幅会产生变化。因此，如果使光的发光强度变化的频率产生变化，检测装置所输出的检测信号的值就会产生变化，因而可以从光的发光强度变化的频率信息和检测信号的值通过信号处理器使之形成检测信号函数。检测装置检测到的驻波的振幅对于光的发光强度变化的频率产生周期性变化，并且其周期对于从检测装置到测量对象的距离成反比。因此，通过由信号处理器求出检测信号函数的周期，可以从其周期计算出从检测装置到测量对象的距离，并能够测量从检测装置到测量对象的距离。
(7)从检测装置到测量对象的距离只取决于与光的发光强度变化的频率对应的驻波的振幅变动周期并且不会受到从通过发光源发出光至在测量对象上进行反射回到检测装置的时间的影响，因此即使至测量对象的距离为不超过数10厘米的短距离，也可以进行准确度高的测量。
(8)在使之形成检测信号函数时，在使光的发光强度变化的频率产生随机变化的场合下，例如如果按照M序列符号等使光的发光强度变化的频率产生随机变化，就几乎不会发生测距装置之间在相同时刻发出同相位且光的发光强度变化的频率相同的光的概率。因而，可以防止因从其他测距装置所发出的光而使测量误差显著增大等不能进行测量的情形。
(9)如果通过对检测信号函数进行傅里叶变换来求出上述周期，则即使同时测量在多个测量对象之间所形成的多个驻波的振幅，也可以对各驻波求出各自的周期。因而，可以分别测量多个测量对象和检测装置之间的距离。
根据第5发明，会获得下面(6)～(8)所示的效果。
(6)如果使从发光源所发出的光的发光强度变化的频率产生变化，光的发光强度变化的波长就会产生变化，因此通过驻波形成装置所形成的驻波会产生变化，并且检测装置检测到的驻波的振幅会产生变化。因此，如果使光的发光强度变化的频率产生变化，检测装置所输出的检测信号的值就会产生变化，因而可以从光的发光强度变化的频率信息和检测信号的值通过信号处理器使之形成检测信号函数。检测装置检测到的驻波的振幅对于光的发光强度的频率产生周期性变化，并且其周期对于从检测装置到测量对象的距离成反比。因此，如果探测到驻波的振幅成为极大或极小的发光强度变化的频率也就是检测信号函数成为极小或极大的2个以上光的发光强度变化的频率并计算出该2个以上光的发光强度变化的频率之中所任意选择的2个选择频率和在该选择频率之间所形成的成为极小或极大的频率数值，就可以求出检测信号函数的周期，因而能够测量从检测装置到测量对象的距离。
(7)从检测装置到测量对象的距离只取决于与光的发光强度变化的频率对应的驻波的振幅变动周期并且不会受到从通过发光源发出光至在测量对象上进行反射回到检测装置的时间的影响，因此即使至测量对象的距离为不超过数10厘米的短距离，也可以进行准确度高的测量。
(8)在使之形成检测信号函数时，在使光的发光强度变化的频率产生随机变化的场合下，例如如果按照M序列符号等使光的发光强度变化的频率产生随机变化，就几乎不会发生测距装置之间在相同时刻发出同相位且光的发光强度变化的频率相同的光的概率。因而，可以防止因从其他测距装置所发出的光而使测量误差显著增大等不能进行测量的情形。
根据第6发明，会获得下面(10)所示的效果。
(10)对接收部所输出的检测信号进行同步检波以形成检波信号，并且检波部会输出与该检波信号的振幅相应的检测信号。这样，检测信号曲线就会变成这样的曲线，该曲线在驻波的振幅成为极小或极大的频率附近单调递增或者单调递减，而且在驻波的振幅成为极小或极大的频率前后使检测信号曲线的检测信号的值的符号产生变化。因此，可以正确探测出驻波的振幅成为极小或极大的光的发光强度变化的频率，减小测量误差。
根据第7发明，会获得下面(11)所示的效果。
(11)若使多个测距装置进行同步动作，则可以同时求出在相同时间的测量对象和各测距装置的检测装置之间的距离。因此，由于知道各测距装置的检测装置之间的相对位置，所以可以计算出测量对象的空间坐标，并且能够掌握二维或三维的测量装置和测量对象之间的相对位置关系。
根据第8发明，会获得下面(1)～(4)所示的效果。
(1)如果使从发送源所输出的输出信号的频率产生变化，从发送装置所发射的电磁波的波长就会产生变化，因此形成于发送装置和测量对象之间的传播媒质中的驻波会产生变化，并且在设置有检测装置的位置上的驻波的振幅会产生变化。因此，如果使输出信号的频率产生变化，检测装置所输出的检测信号的值就会产生变化，因而可以从输出信号的频率信息和检测信号的值通过信号处理器使之形成检测信号函数。在设置有检测装置的位置上的驻波的振幅对于电磁波的频率也就是从发送源所输出的输出信号的频率产生周期性变化，并且其周期对于从检测装置到测量对象的距离成反比。因此，通过由信号处理器求出检测信号函数的周期，可以从其周期计算出从检测装置到测量对象的距离，并且能够测量从检测装置到测量对象的距离。
(2)从检测装置到测量对象的距离只取决于与输出信号的频率对应的驻波的振幅变动周期并且不会受到从通过发送装置发出电磁波至在测量对象上进行反射回到检测装置的时间的影响，因此即使至测量对象的距离为不超过数10厘米的短距离，也可以进行准确度高的测量。
(3)在使之形成检测信号函数时，在使输出信号频率产生随机变化的场合下，例如如果按照M序列符号等使输出信号的频率产生随机变化，就几乎不会发生测距装置之间在相同时刻发出同相位且频率相同的电磁波的概率。因而，可以防止因从其他测距装置所发出的电磁波而使测量误差显著增大等不能进行测量的情形。
(4)如果通过对检测信号函数进行傅里叶变换来求出上述周期，则即使同时测量在多个测量对象之间所形成的多个驻波的振幅，也可以对各驻波求出各自的周期。因而，可以分别测量多个测量对象和检测装置之间的距离。
权利要求
1.一种测量装置，用于测量至测量对象的距离，其特征为该测量装置包括输出信号的频率为可变的发送源、检测装置、发送装置及信号处理器，上述检测装置与该发送源连接并且输出与驻波的振幅相应的检测信号，该驻波频率与从该发送源所输出的输出信号的频率相同；上述发送装置被输入该检测装置所发出的检测信号及从上述发送源所发出的输出信号的频率信息，并向在与上述测量对象之间存在的传播媒质发射具有与上述输出信号的频率对应的数值的电磁波；上述信号处理器设置在该发送装置和上述测量对象之间，并在该发送装置和上述测量对象之间检测形成于上述传播媒质中的驻波的振幅，形成表示检测到的上述检测信号的值的检测信号函数，根据其周期计算上述检测装置和上述测量对象之间的距离。
2.一种测量至测量对象的距离所用的测量装置，其特征为该测量装置由输出信号的频率包括可变的发送源、发送装置、检测装置及信号处理器，上述发送装置与该发送源连接并向在与上述测量对象之间存在的传播媒质发射具有与从该发送源输出的输出信号的频率相同频率的电磁波；上述检测装置设置在该发送装置和上述测量对象之间，并在该发送装置和上述测量对象之间检测形成于上述传播媒质中的驻波的振幅，并输出与所检测到的驻波的振幅相应的检测信号；上述信号处理器被输入该检测装置所发出的检测信号及从上述发送源所发出的输出信号的频率信息，形成表示与上述输出信号的频率对应的上述检测信号的值的检测信号函数，并检测该检测信号函数成为极大或极小的至少2个以上输出信号的频率，根据该2个以上的输出信号频率之中的2个选择频率和在该2个选择频率之间成为极大或极小的输出信号的频率数值，计算上述检测装置和上述测量对象之间的距离。
3.根据权利要求2记载的测距装置，其特征为设置有使从上述发送源所输出的输出信号进行频率调制所用的调制器，并且上述检测装置具备接收部和检波部，该接收部检测上述驻波的振幅并输出具有与该振幅相应的振幅的检测信号；该检波部从上述调制器输入调制信号，并通过该调制信号对上述检测信号进行同步检波，形成检波信号，并且输出与该检波信号的振幅相应的检测信号。
4.一种测量至测量对象的距离所用的测量装置，其特征为该测量装置包括发光源、分光装置、驻波形成装置、检测装置及信号处理器，上述发光源发出发光强度周期性变化的光，并且其频率可变；上述分光装置将从该发光源所发出的光分光成2个，并将所分出的一个光发射到存在于与上述测量对象之间的传播媒质中；上述驻波形成装置使被上述测量对象反射的一个光和所分光出的另一个光相干以形成驻波；上述检测装置用来检测通过该驻波形成装置所形成的驻波的振幅，并输出与所检测到的驻波的振幅相应的检测信号；上述信号处理器被输入该检测装置所发出的检测信号及从上述发光源所发出的光的发光强度变化的频率信息，形成表示与该光的发光强度变化的频率对应的检测信号的值的检测信号函数，并根据其周期计算出上述检测装置和上述测量对象之间的距离。
5.一种测量至测量对象的距离所用的测量装置，其特征为该测量装置包括发光源、分光装置、驻波形成装置、检测装置及信号处理器，上述发光源发出发光强度周期性变化的光，并且其频率可变；上述分光装置将从该发光源所发出的光分光成2个，并将所分出的一个光发射到存在于与上述测量对象之间的传播媒质中；上述驻波形成装置使被上述测量对象反射的一个光和所分光出的另一个光相干以形成驻波；上述检测装置用来检测通过该驻波形成装置所形成的驻波的振幅，并输出与所检测到的驻波的振幅相应的检测信号；上述信号处理器被输入该检测装置所发出的检测信号及从上述发光源所发出的光的发光强度变化的频率信息，形成表示与该光的发光强度变化的频率对应的检测信号的值的检测信号函数，并检测该检测信号函数成为极大或极小的至少2个以上发光强度变化的频率，根据该2个以上的发光强度变化频率之中的2个选择频率和在该2个选择频率之间成为极大或极小的输出信号的频率数值计算出上述检测装置和上述测量对象之间的距离。
6.根据权利要求5中记载的测距装置，其特征为设置有使上述发光源所发出的光的发光强度变化进行频率调制所用的调制器，并且上述检测装置具备接收部和检波部，该接收部检测上述驻波的振幅并输出具有与该振幅相应的振幅的检测信号；该检波部从上述调制器输入调制信号，并通过该调制信号对上述检测信号进行同步检波以形成检波信号，并且输出与该检波信号的振幅相应的检测信号。
7.一种可以探测测量对象的空间坐标的测量设备，其特征为该测量设备包括多个权利要求1、2、3、4、5或者6中记载的测距装置、使该多个测距装置进行同步动作的控制装置、以及运算装置，该运算装置中输入各测距装置的信号处理器计算出的检测装置和上述测量对象之间的距离，根据输入的各测量装置的检测装置和上述测量对象之间的距离以及各测距装置的检测装置之间的相对位置，计算出测量对象的空间坐标。
8.一种测量至测量对象的距离所用的测量方法，其特征为通过发送装置向存在于发送装置和测量对象之间的传播媒质发射电磁波，在上述发送装置和测量对象之间使传播媒质中形成驻波，在上述发送装置和上述测量对象之间的一定位置，通过检测装置探测出上述驻波的振幅，使上述发送装置所发射的电磁波的频率产生变化，并且形成表示与该频率对应的上述驻波的振幅的振幅曲线，根据该振幅曲线的周期计算上述检测装置和上述测量对象之间的距离。
全文摘要
本发明的测距装置是一种测量至测量对象M的距离所用的测量装置(10)，测量装置(10)由输出信号的频率为可变的发送源(11)、发送装置(12)、检测装置(13)及信号处理器(14)来构成，该发送装置(12)发射具有与从发送源(11)所输出的输出信号的频率相同频率的电磁波，该检测装置(13)设置在发送装置(12)和测量对象M之间，检测在发送装置(12)和测量对象M之间所形成的驻波S的振幅并输出检测信号，该信号处理器(14)形成检测信号函数并从其周期计算出检测装置(13)和测量对象M之间的距离，上述检测信号函数表示与输出信号的频率对应的检测信号的值。
文档编号G01S17/32GK1578913SQ0280583
公开日2005年2月9日 申请日期2002年2月27日 优先权日2001年3月1日
发明者入谷忠光 申请人:入谷忠光, 积水树脂株式会社