(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の三次元位置を決定する装置であって、前記装置は、
第１の信号を放出するようになった少なくとも１つの第１の送信機を有し、
少なくとも３つの受信機を有し、前記少なくとも３つの受信機および前記少なくとも１つの第１の送信機は、第１の平面内に配置され、第１の受信機および第２の受信機が、第１の直線に沿って配置され、第３の受信機は、前記第１の直線から距離を置いたところに配置され、
少なくとも３つの伝搬時間を算定するよう構成されたプロセッサを有し、前記プロセッサは、更に、前記算定された伝搬時間ならびに前記第１の送信機および前記受信機の前記配置状態に基づいて前記物体の前記三次元位置を算定するよう構成され、
前記プロセッサは、前記第１の信号が前記第１の送信機から前記物体を経由して前記第１の受信機までに要する第１の伝搬時間に基づいて第２の平面内で第１の楕円軌道または第１の半楕円軌道を算定するとともに、前記第１の信号が前記第１の送信機から前記物体を経由して前記第２の受信機までに要する第２の伝搬時間に基づいて前記第２の平面内で第２の楕円軌道または第２の半楕円軌道を算定するよう構成され、三次元空間内における前記物体の前記位置は、前記第２の平面内における前記２つの楕円軌道または半楕円軌道の交点の位置を用いて計算され、
前記プロセッサは更に、前記第１の信号が前記第１の送信機から前記物体を経由して前記第３の受信機までに要する第３の伝搬時間に基づいて前記第１の平面と前記第２の平面のなす角度を算定するよう構成されている、装置。
【請求項２】
前記第１の送信機は、前記第１の直線上に配置される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記第１の送信機が前記第１の直線上に配置されるとき、前記第１の送信機は、前記第１の受信機と前記第２の受信機との間に配置される、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記第１の送信機は、前記第１の信号をあらゆる空間方向に等方的に放出するようになっておりまたは前記第１の送信機は、半円形送信機である、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の装置。
【請求項５】
前記プロセッサは更に、前記少なくとも３つの受信機のうちの１つまたは２つ以上によって受信された１つまたは２つ以上の信号の形状および／または伝搬時間に基づいて、前記物体の表面の広がりおよび／またはサイズおよび／または状態を算定するよう構成されている、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の装置。
【請求項６】
物体の三次元位置を決定する方法であって、
第１の送信位置から物体によって少なくとも部分的に反射された第１の信号を放出するステップを含み、
３つまたは４つ以上の受信位置のところで前記少なくとも部分的に反射された第１の信号を受信するステップを含み、少なくとも３つの受信位置は、前記第１の送信位置を含む第１の平面内に配置され、第１の受信位置および第２の受信位置が第１の直線に沿って配置され、第３の受信位置が、前記第１の直線から距離を置いたところに配置され、
少なくとも３つの伝搬時間を算定するステップを含み、
前記算定された伝搬時間ならびに前記第１の送信位置および前記受信位置の配置状態を利用して前記物体の前記三次元位置を検出するステップを含み、
前記三次元空間内における前記物体の前記位置の前記決定は、第２の平面内における第１と第２の楕円軌道または第１と第２の半楕円軌道の交点を用いて実施され、前記第１の信号が前記第１の送信位置から前記物体を経て前記第１の受信位置に至るまでに要する第１の伝搬時間が前記第２の平面内における前記第１の楕円軌道または前記第１の半楕円軌道を定め、前記第１の信号が前記第１の送信位置から前記物体を経て前記第２の受信位置に至るまでに要する第２の伝搬時間が前記第２の平面内における前記第２の楕円軌道または前記第２の半楕円軌道を定め、
前記三次元空間内における前記物体の前記位置の前記計算は、前記第１の平面と前記第２の平面のなす角度を用いて実施され、前記第１の信号が前記第１の送信位置から前記物体を経て前記第３の受信位置に至るまでに要する第３の伝搬時間が前記角度を定める、方法。
【請求項７】
前記第１の送信位置は、前記第１の直線に沿って配置される、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記第１の送信位置が前記第１の直線に沿って配置されるとき、前記第１の送信位置は、前記第１の受信位置と前記第２の受信位置との間に配置される、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記物体の前記三次元位置の第１の座標の前記決定は、前記第１の信号が前記第１の送信位置から前記物体を経て前記第１および前記第２の受信位置に至るまでに要する第１および第２の伝搬時間および前記第１の送信位置までの前記第１および前記第２の受信位置の距離に基づいて実施され、前記第１の座標は、前記第１の直線に沿う前記物体の前記位置を定める、請求項６〜８のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法は、前記第１の送信位置までの前記受信位置の距離を計算するステップを含み、前記距離の前記計算は、所定の伝搬速度を用いて前記第１の送信位置からそれぞれの前記受信位置まで直接伝送される信号の伝搬時間に基づいている、請求項６〜９のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１１】
前記方法は、前記放出信号の前記伝搬速度を計算するステップを含み、前記伝搬速度の前記計算は、前記第１の送信位置と前記少なくとも３つの受信位置のうちの１つとの間の所定の距離を用いて、前記第１の送信位置から前記少なくとも３つの受信位置のうちの前記１つに直接伝送される前記第１の信号に基づいている、請求項６〜９のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法は、前記３つの受信位置のうちの１つまたは２つ以上によって受信された１つまたは２つ以上の信号の形状および／または伝搬時間を用いて、前記物体の表面の広がりおよび／またはサイズおよび／または状態を計算するステップを含む、請求項６〜１１のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法は、繰り返し実施され、前記第１の送信位置および／または前記送信位置の数は、変えられる、請求項６〜１２のうちいずれか一に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも３つの受信機および少なくとも１つの送信機を用いて反射性または散乱性物体の三次元位置決定のための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
信号源に対する反射信号に基づいて信号源までの物体の距離を算定することができる技術、例えば、車両の場合における距離測定が先行技術から知られている。かくして、これらシステムは、このシステムの前に位置した物体までの距離の測定するに過ぎない。したがって、これら既知の方法を用いて三次元空間内における物体の位置を決定することは可能ではない。
【０００３】
三次元空間内における物体の位置決定（位置特定または測位）、例えばＧＰＳ型位置特定またはＧＭＳ型位置特定のための種々の解決手段が存在する。しかしながら、これら方法の全ておよびこれらの種々の変形例では、物体が信号を能動的に放出することが必要である。かくして、信号を能動的に放出しない受動型物体の位置は、既存の解決手段を用いては決定できない。
【０００４】
国際公開第２００６／１３０００４（Ａ１）号パンフレットは、使用の際、航空機の周りの領域内における少なくとも１つの別の空中物体を検出するための航空機用レーダシステムを記載しており、このシステムは、電磁プローブ信号を送信する少なくとも１つの送信機および送信されたプローブ信号の反射信号を同時に受け取るとともに各々がプローブ信号の受信した反射信号を表す受信用信号を発生させる受信機のフェーズドアレイを含む少なくとも１つのサブシステムを備えている。このサブシステムは、航空機の周りの領域内における検出された空中物体に関する情報を得るために受信用信号の各々を処理する信号処理ユニットを更に含む。信号処理ユニットは、受信した反射信号の元となる航空機に対する方向を算定するよう構成され、この方向を算定するために、信号処理ユニットは、受信用信号に対して高速フーリエ変換を実行するよう構成されている。
【０００５】
米国特許出願公開第２０１３／０１７２７３９（Ａ１）号明細書は、相互に接続された核プローブおよび超音波トランスデューサを記載している。相互接続は、既知の空間関係をなして座標系を整合させる。超音波データは、追跡センサを用いないでトランスデューサのオフセットまたはトランスデューサの位置の変化を検出するために用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００６／１３０００４（Ａ１）号パンフレット
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１３／０１７２７３９（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、三次元空間内における物体の位置決定を可能にする方法および装置を提供することを目的としており、物体は、空間中の任意の場所に存在していても良く、しかも能動的に信号を放出する必要はない。本発明のもう１つの目的は、公知のシステムの欠点のうちの１つまたは２つ以上をなくす方法および装置の提供にある。本発明の別の利点をとりわけ以下の説明から導き出すことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、独立形式の請求項の特徴によって達成される。従属形式の請求項は、本発明の別の観点に関する。
【０００９】
本発明の一観点によれば、物体の三次元位置を決定する装置が提供される。本発明の装置は、信号を放出するようになった少なくとも１つの送信機と、少なくとも３つの受信機とを有し、少なくとも３つの受信機および少なくとも１つの送信機は、好ましくは、本質的に第１の平面内に配置され、第１の受信機および第２の受信機が好ましくは、本質的に第１の直線に沿って、好ましくは互いに距離を置いたところに配置され、第３の受信機は好ましくは、第１の直線から距離を置いたところに配置される。さらに、本発明の装置は、少なくとも３つの伝搬時間を算定するよう構成されたプロセッサを有し、プロセッサは、更に、算定された伝搬時間ならびに送信機および受信機の配置状態に基づいて物体の三次元位置を算定するよう構成されている。本発明の装置は、更に、物体（点クラウド）を形成する多くの点の三次元位置を求めるという点において物体の表面状態を求めるようになっている。このように、三次元物体の巨視的な形状だけでなく、その微視的な表面状態（粗さ）を求めることが可能である。
【００１０】
少なくとも１つの送信機および少なくとも３つの受信機が一平面内に配置されていない場合、位置の誤差がアルゴリズムにおいて生じる。しかしながら、出力位置は、正確な傾向を依然として示す。この平面からのセンサのオフセットは、より短いまたはより長い伝搬時間で表され、かくして、物体の想像上のオフセット位置で表される。
【００１１】
「距離を置いたところに」という表現によって上述されているように、２つの受信機は、これら相互間に距離を有するべきであり、その目的は、２つの受信機および物体を通る表面を創成することにある。この距離は、ごく小さくても良い。これは、第１の直線と第３の受信機との間の距離に等しく当てはまる。
【００１２】
この関連で、空間内における物体の三次元位置の決定は、送信機および受信機の配置に対する物体、例えばその重心、の全ての座標（例えば、直交座標系におけるｘ座標、ｙ座標およびｚ座標）の決定であることを意味する。幾つかの実施形態では、この決定は、半空間（例えば、ｚ＞０）内における位置の決定でもある場合がある。
【００１３】
好ましくは、伝搬時間は、この関係で、物体によって反射されるとともに／あるいは散乱された信号が受信機のところで検出される時間と送信機が受信信号に対応して信号を放出した時間との時間差として求められる。
【００１４】
例えば、あらかじめ設定された送信機および受信機の配置状態をプロセッサ（または関連のメモリ）内に記憶することができ、または以下に詳細に説明するように位置を決定する目的で測定技術によって算定することができる。
【００１５】
送信機は、好ましくは、第１の直線上で第１の受信機と第２の受信機の間で例えば中央に配置される。変形例として、送信機の位置は、少なくとも３つの受信機のうちの１つの位置と本質的に同一であっても良い。これを例えば３つの受信機のうちの１つが送信機としても同時に働くという点で実現できる。換言すると、送信機は、信号を放出するようにのみ構成されている独立ユニットであっても良い。しかしながら、送信機は、受信機中に組み込まれても良い。かくして、送信機および受信機の位置は、本質的に同一であるのが良い。一ユニット内に送信機能と受信機能を備えた受信機をセンサとも言うことができる。しかしながら、送信ユニットと受信ユニットを互いに隣り合わせに配置すれば足りる場合がある。さらに、送信機は、第１の直線に垂直に所定の距離を置いたところに配置されても良い。換言すると、信号の開始点を第１の直線に垂直にかつ／あるいは上述の平面に垂直に所定の距離だけオフセットしていても良い。
【００１６】
また、３つの送信機を３つの受信機中に組み込むことが可能であり、この場合、例えば送信機の全てが同時にまたはタイムシフト方式で（互いに異なる状態に変調された信号を）放出することができる。
【００１７】
送信機は、好ましくは、信号をあらゆる空間方向または少なくとも半空間内で等方的に放出するようになっているのが良くまたは半円形送信機であるのが良い。後者の場合、半円形送信機の中心は、第１の平面かつ第１の直線上に位置し、その結果、信号は、第１の直線から距離を置いたところ（半円の半径）で半円上にその開始点を有するようになっている。しかしながら、本発明との関連において、これは、半円形送信機が第１の平面に配置されるように理解されるべきである。
【００１８】
プロセッサは、更に、信号が送信機から物体を経由して第１の受信機までに要する第１の伝搬時間に基づいて第２の平面内で第１の楕円軌道または第１の半楕円軌道を算定するとともに信号が送信機から物体を経由して第２の受信機までに要する第２の伝搬時間に基づいて第２の平面内で第２の楕円軌道または第２の半楕円軌道を算定するよう構成されるのが良く、三次元空間内における物体の位置は、第２の平面内における２つの楕円軌道または半楕円軌道の交点の位置を用いて計算される。
【００１９】
ｘ座標は、例えば、第１の直線に沿った座標として規定できる。この例示の座標系では、ｙ座標は、ｘ座標に垂直な座標であるのが良く、この場合、ｘ座標とｙ座標は、第１の平面を定める。かくして、ｚ座標は、第１の平面を垂直に通る座標である。好ましくは、座標の原点は、送信機の位置上に置かれる。しかしながら、座標系の位置は、測定原理に影響を及ぼすことがなく、この位置を自由に選択することができるということは明らかである。
【００２０】
本発明によれば、第１の楕円軌道の第１の焦点が第１の楕円軌道の第２の焦点と一致し、第２の楕円軌道の第１の焦点が第２の楕円軌道の第２の焦点と一致することが同様に可能である。この場合、楕円は、円（楕円の特別な場合として）である。換言すると、本発明によれば、信号が送信機から物体を経由して第１の受信機までに要する第１の伝搬時間に基づいて第２の平面内で第１の円軌道または第１の半円軌道を算定するとともに、信号が送信機から物体を経由して第２の受信機までに要する第２の伝搬時間に基づいて第２の平面内で第２の円軌道または第２の半円軌道を算定することも可能であり、この場合、三次元空間内における物体の位置は、第２の平面内における２つの円軌道または半円軌道の交点の位置を用いて計算される。
【００２１】
好ましくは、プロセッサは、更に、信号が送信機から物体を経て第３の受信機に至るまでに要する第３の伝搬時間に基づいて第１の平面と第２の平面とのなす角度を算定するよう構成されている。換言すると、第２の平面の位置（第１の平面と比較して）は、第３の伝搬時間を介して算定される。第３の伝搬時間なしでは、第２の平面内の位置を算定することしかできない。第３の伝搬時間によって、２つの平面のなす角度または２つの平面相互間の傾きを算定することができる直線が作られる。
【００２２】
かくして、三次元位置、すなわち、例えば直交座標系の場合において物体の位置のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標を第２の平面内における２つの楕円軌道または半楕円軌道の交点および第２の平面（第１の平面と比較して）の位置／角度／傾きに基づいて三次元空間内で算定することができる。厳密に言えば、２つの互いに交差する楕円の２つの交点が存在するので、２つの交点のうちの適切なものがシステムの配置状態の知識に基づいて（例えば、送信機が半空間内においてのみ信号を放出するという仮定、または幾何学的理由で物体が２つの交点のうち一方のところにのみ存在することができるという仮定に基づいて）選択される。
【００２３】
例えば、ｘ座標は、第１の直線に沿った座標として規定できる。この例示の座標系では、ｙ座標は、ｘ座標に垂直な座標であるのが良く、この場合、ｘ座標とｙ座標は、第１の平面を定める。かくして、ｚ座標は、第１の平面を垂直に通る座標である。好ましくは、座標の原点は、送信機の位置上に置かれる。しかしながら、座標系の位置は、測定原理に影響を及ぼすことがなく、この位置を自由に選択することができるということは明らかである。
【００２４】
半円形送信機が用いられて信号が第１の直線から距離（半円の半径ｈ）のところで半円上にその開始点を有する場合、半楕円軌道の傾きを作る。この傾きは、半円形送信機の開始信号の距離（半径）ｈによって作られる。この信号は、半円形送信機を用いない方法の場合よりも半径ｈ（第２の平面内）だけ高く放出される。それにより、２つの半楕円軌道の２つの焦点は、距離ｈだけ持ち上げられ、上側の（正の）半楕円軌道は、上方に傾けられ、下側の（負の）半楕円軌道は、下方に傾けられる。
【００２５】
以下に更に詳細に説明するように、これは、半楕円軌道の傾きを生じさせる場合がある。好ましくは、ゼロに等しくない（または所定のしきい値よりも高い）角度では、それぞれの楕円軌道を第１の直線に沿って２つの半楕円軌道に分割することができるとともに正または負の方向において第１の平面に対してこの角度だけ傾けることができる。この方法は、例えば、信号源が半円形送信機に対応している場合または信号源が放出輻射に対して大きく、かくして第１の直線に垂直なオフセットにほぼ一致している広がりを有している場合にも使用できる。
【００２６】
本発明の別の観点によれば、上述の説明の装置が提供され、この装置は、少なくとも３つの受信機のうちの１つまたは２つ以上によって受信された１つまたは２つ以上の信号の形状および／または伝搬時間に基づいて物体の表面の広がりおよび／またはサイズおよび／または状態を算定するよう構成されたプロセッサを有し、好ましくは、物体を点クラウドとして表すことができ、かくして物体の幾何学的形状を良好に検出するために、複数の短いパルスを放出する信号源が用いられる。
【００２７】
本発明の別の観点によれば、物体の三次元位置を決定する方法が提供される。本方法は、送信位置から物体によって少なくとも部分的に反射および／または散乱された信号を放出するステップと、３つまたは４つ以上の受信位置のところで少なくとも部分的に反射および／または散乱された信号を受信するステップとを含み、少なくとも３つの受信位置は、好ましくは、本質的に送信位置を含む第１の平面内に配置され、第１の受信位置および第２の受信位置が好ましくは第１の直線に沿って、好ましくは互いに距離を置いたところに配置され、第３の受信位置が好ましくは、第１の直線から距離を置いたところに配置される。本方法は、少なくとも３つの伝搬時間を算定するステップを更に含み、この場合、それぞれの伝搬時間は、送信位置から物体を経てそれぞれの受信位置に至るまでに信号によって必要とされる時間であり、本方法は、算定された伝搬時間ならびに送信位置および受信位置の配置状態を利用して物体の三次元位置を得るステップを含む。
【００２８】
送信位置は、第１の直線に沿って、好ましくは第１の受信位置と第２の受信位置との間に配置されるのが良く、または少なくとも３つの受信位置のうちの１つに本質的に一致するのが良い。
【００２９】
物体の三次元位置の第１の座標の決定は、信号が送信機から物体を経て第１および第２の受信機に至るまでに要する第１および第２の伝搬時間、および送信位置までの第１および第２の受信位置の距離に基づいて実施されるのが良く、第１の座標は、第１の直線に沿う物体の位置を定める。
【００３０】
好ましくは、三次元空間内における物体の位置の決定は、第２の平面内における第１と第２の楕円軌道または第１と第２の半楕円軌道の交点を用いて実施され、信号が送信機から物体を経て第１の受信機に至るまでに要する第１の伝搬時間が第２の平面内における第１の楕円軌道または第１の半楕円軌道を定め、信号が送信機から物体を経て第２の受信機に至るまでに要する第２の伝搬時間が第２の平面内における第２の楕円軌道または第２の半楕円軌道を定める。第２の平面内における第１の楕円軌道と第２の楕円軌道の交点または第１の半楕円軌道と第２の半楕円軌道の交点を用いると、物体のｙ座標およびｚ座標（上述の例示の座標系）を三次元空間内において算定することができるだけでなく、三次元空間内における物体のｘ座標（第１の直線に沿う座標）を算定することができる。第２の平面は、この関係で、第１の直線および物体によって定められる。換言すると、第２の平面は、第１の受信機、第２の受信機および物体によって定められる平面である。
【００３１】
上述したように、円軌道を定めるように、第１の楕円軌道の第１の焦点は、第１の楕円軌道の第２の焦点と一致しても良く、第２の楕円軌道の第１の焦点は、第２の楕円軌道の第２の焦点と一致しても良い。
【００３２】
好ましくは、三次元空間内における物体の位置の計算は、第１の平面と第２の平面のなす角度を用いて実施され、信号が送信機から物体を経て第３の受信機に至るまでに要する第３の伝搬時間が角度を定める。この角度は、この関係では、第２の平面に対する第１の平面の考えられる傾きを定める（これについては、上述の説明も参照されたい）。
【００３３】
さらに、本方法は、送信位置までの受信位置の距離を計算するステップを含むのが良く、距離の計算は、所定の伝搬速度を用いて送信位置からそれぞれの受信位置まで直接伝送される信号の伝搬時間に基づく。
【００３４】
換言すると、信号の伝搬速度が既知である場合、距離を送信機からそれぞれの受信機まで直接測定された信号の伝搬時間に基づいて本発明の方法によって求めることができる。かくして、使用前における受信機相互間の距離および／または受信機と送信機との間の距離の測定を省くことができる。これにより、例えば、受信機および送信機の融通性のある取り付けが可能であり、すなわち、所定距離のところでのこれら要素の固定状態の取り付けが必ずしも必要ではなくなる。これによっても、低い製造費およびより融通性のある利用分野が得られ、例えば、距離を正確に算定する必要なく受信機と送信機を状況に応じて互いに別々に格納して現在の平面（例えば、家の壁、車のバンパなど）に取り付けることができる。使用後、受信機および送信機をこの平面から取り外して別の平面に再び取り付けることができる。別の例として、センサに対する個々の受信機の位置をセンサシステムの製造プロセスにおいて定めることができ、アルゴリズムは、個々のセンサの公差のずれに適合可能である。
【００３５】
変形例として、本方法は、放出信号の伝搬速度を計算するステップを含むのが良く、伝搬速度の計算は、送信位置と少なくとも３つの受信位置のうちの１つとの間の所定の距離を用いて送信位置から少なくとも３つの受信位置のうちの１つに直接伝送される信号に基づく。
【００３６】
換言すると、受信機と送信機との間の距離が既知である場合、送信位置から少なくとも３つの受信位置のうちの１つに直接伝送された信号の伝搬速度を本発明によって算定することができる。これは、位置特定前における装置の較正を提供するために有利である。さらに、伝搬速度は、状況によって変化する場合がある（例えば、周囲環境の温度変化、互いに異なる伝搬媒体中における使用）。かくして、各測定作業前における較正により、とりわけ測定精度を高めることができる。
【００３７】
本発明の別の観点によれば、上述した方法を提供することができ、この方法は、３つの受信機のうちの１つまたは２つ以上によって受信された１つまたは２つ以上の信号の形状および／または伝搬時間を用いて物体の表面の広がりおよび／またはサイズおよび／または状態を計算するステップを更に含む。
【００３８】
本発明の方法を繰り返し実施し、送信位置を変え、そしてこの送信位置は、好ましくは２つまたは３つ以上の受信位置相互間で変わることが同様に有利であると言える。それにより、例えば、測定精度を高めることができる。
【００３９】
本発明は、更に、以下の用途、すなわち、しぐさの認識（しぐさ制御）、人物認識、物体（人々、アイテムなど）の位置認識、物体（人々、アイテムなど）の速度認識、エリアモニタリング（警報システム、存在検知）、量認識、幾何学的形状認識（３Ｄスキャナ）、３Ｄカラー画像の生成（センサ＋カメラ）、非破壊材料検査、ボディスキャナ（例えば、臓器、組織および骨スキャナ）、魚群探知機、海底または湖底の走査、顕微鏡検査、マッピング、温度フローおよびガスフローの表示、環境認識（例えば、オートノマスビークル、無人空中ビークル）、原材料の探査および／または地上インフラストラクチャの認識のための地上スキャナ、ナビゲーション、物体の走査（内側構造の認識）、セキュリティ用途（例えば、空港における）、移動物体の認識、気象観測機械部位を制御するための使用、戦場における使用（例えば、掃海艇）、水準測定、高さ制御、出席チェック、衝突保護、経路検出、距離測定および／または分類、のうちの１つまたは組み合わせのための上述の装置および方法の使用に関する。
【００４０】
本発明は、基本的に、対応の送信機および受信機を任意種類の波用に設計することができる限り任意の種類の波に利用でき、本発明は、特に、電磁波、例えば、電波、マイクロ波、熱放射線、光、Ｘ線、ガンマ線、また、圧力波、例えば音波または衝撃波、振動波、また、放射線、例えば粒子線および波動放射線、また、プラズマ波、物質波、屈曲波、地震波、磁気波、電気波を含む。
【００４１】
本発明の方法と関連して説明する特徴は、当然のことながら、本発明の装置の種々の手段それぞれの性質に対応するのが良い。同様に、本発明の説明する装置の特徴は、方法の特徴に対応するのが良い。
【００４２】
以下において、例示の実施形態および図によって本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施形態によるセンサ配置状態の概略平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に従う反射による３つの伝搬時間測定のための幾何学的構成例の概略３Ｄ図である。
【図３ａ】本発明の第１の実施形態に従う反射による３つの伝搬時間測定のための幾何学的構成例の概略平面図である。
【図３ｂ】本発明の第１の実施形態に従う２つの補助距離の概略幾何学的構成例の図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に従う２つの受信機を用いた伝搬時間測定の概略図である。
【図５ａ】本発明の第１の実施形態に従う反射による２つの伝搬時間測定のための概略幾何学的構成例の図である。
【図５ｂ】本発明の第１の実施形態に従う２つの楕円軌道上の物体の位置の決定のための概略図である。
【図６】本発明の第２の実施形態としての半円形送信機の考えられる構造の概略図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による半円形送信機を用いた反射による３つの伝搬時間測定のための幾何学的構成例の概略３Ｄ図である。
【図８ａ】本発明の第２の実施形態による半円形送信機を用いた反射による３つの伝搬時間測定のための幾何学的構成例の概略平面図である。
【図８ｂ】本発明の第２の実施形態による２つの補助距離の幾何学的構成例の概略図である。
【図９】本発明の第２の実施形態としての２つの受信機および半円形送信機を用いた伝搬時間測定の概略図である。
【図１０ａ】本発明の第２の実施形態による半円形送信機を用いた反射による２つの伝搬時間測定のための幾何学的構成例の概略図である。
【図１０ｂ】本発明の第２の実施形態による４つの傾けられた半楕円軌道上における物体の考えられる位置の概略図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態としてのセンサ配置状態の概略平面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態による反射による３つの伝搬時間測定のための幾何学的構成例の概略３Ｄ図である。
【図１３ａ】本発明の第３の実施形態による図１２の幾何学的構成例の概略平面図である。
【図１３ｂ】本発明の第３の実施形態による図１２の幾何学的構成例の概略図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態による２つの受信機を用いた伝搬時間測定のための概略図である。
【図１５ａ】本発明の第３の実施形態に従う反射による２つの伝搬時間測定のための幾何学的構成例の概略図である。
【図１５ｂ】本発明の第３の実施形態による２つの円軌道上における物体の考えられる位置の概略図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態によるセンサの送信機能の切り替えのための概略図である。
【図１７】本発明の別の実施形態による受信信号の概略図である。
【図１８】２つの広がりのある物体のところでの反射の概略図である。
【図１９】図１８による２つの物体によって受信された信号の概略図である。
【図２０】図１８の２つの物体によって受信された信号の概略図である。
【図２１】２つの広がりのある物体のところでの反射の概略図である。
【図２２】粗い表面の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１は、本発明の第１の実施形態としての概略的な構造を示しており、この構造は、第１の受信機１０、第２の受信機２０、第３の受信機３０および送信機４０を含む。個々のコンポーネント相互間の関係もまた示されており、これら関係について以下に詳細に説明する。
【００４５】
この実施形態によれば、送信機４０および３つの受信機１０，２０，３０は、好ましくは、同一高さに（すなわち、この場合ｚ＝０で特徴付けられる第１の平面内に）位置している。受信機１０および受信機２０は、好ましくは送信機４０（好ましくは、破線上に位置する）とともに列をなして（すなわち、好ましくは第１の直線に沿って）、すなわち、この場合、好ましくはｘ軸上（すなわち、ｙ＝０かつｚ＝０）に位置決めされている。第１の受信機１０は、送信機４０から距離２ｆ1を有し、第２の受信機２０はまた、送信機４０から距離２ｆ2を有している。これらの距離は、互いに異なる寸法を有するのが良く、すなわち、２ｆ1≠２ｆ2であるが、同じ寸法を有しても良く、すなわち、２ｆ1＝２ｆ2である。受信機３０は、座標原点Ｏ（この場合、送信機４０の位置）からｘ方向に距離ｂを有するとともにｙ方向に距離ａを有するのが良い。距離ａ，ｂは、任意の値を有することができる。しかしながら、ａは、好ましくはゼロに等しくなく、すなわち、第３の受信機は、好ましくは、ｘ軸上に配置されないべきである。換言すると、受信機３０は、好ましくは、第１のｘ軸からある距離を置いたところに配置されるべきである。図１では、一平面内にまたは１本の直線に沿う数学的に正確な位置決めが見なされる場合であっても、当業者には、製造公差などに起因して結果的に生じる場合のあるその僅かなずれが本発明の保護範囲から必ず外れるというわけではない、ということは明らかであろう。個々のシステムコンポーネントの位置決めの精度が特定された位置の精度に対する影響を有する場合であっても、物体の位置をコンポーネント１０，２０，３０，４０が本質的に一平面内に配置されている場合かつ／あるいはコンポーネント１０，２０，４０が本質的に直線に沿って配置されている場合には十分な精度を持って特定することができる。
【００４６】
図２は、第１の実施形態の三次元図を概略的に示している。図２によれば、送信機４０および受信機１０，２０，３０ならびに物体５０が概略的に示されている。図２は、信号が送信機４０から物体５０まで及ぶ距離ｓを更に示している。図２の距離ｅ1，ｅ2，ｅ3は、物体５０のところで反射された信号がそれぞれの受信機まで移動する距離である。別の指示された距離ｘ2D，ｙ2D，ｄ，ｒ，ａ，ｂが用いられ、これについては以下に詳細に説明する。
【００４７】
本発明の第１の実施形態によれば、３回の伝搬時間測定を物体５０の三次元位置の算定のために実施される。３回の伝搬時間測定を送信機４０および３つの受信機１０，２０，３０によって実施する。送信機４０は、三次元空間内で伝搬してついには物体５０に当たってこの物体のところで部分的に反射されるとともに／あるいは散乱される信号を放出する（距離ｓは、送信機４０から物体５０までの最も速い信号の道筋を示しており、すなわち理論的には、波または粒子流れが放出される。距離ｓは、最も短い伝搬時間であり、かくして、この信号は、物体のところの最初の反射信号である）。信号の反射および／または散乱部分は、３つの受信機１０，２０，３０（距離ｅ1，ｅ2，ｅ3に沿って）当たる。これにより、３つの伝搬時間が生じ、これら３つの伝搬時間は、送信機４０から物体５０までの伝搬時間に物体５０から個々の受信機１０，２０，３０までの伝搬時間を合わせたものに由来する（伝搬時間測定）。
【００４８】
信号が送信機４０から物体５０まで移動する距離ｓおよび信号が物体５０からそれぞれの受信機１０，２０，３０まで移動する個々の距離ｅ1，ｅ2，ｅ3を考慮すると、図２に示されている三次元幾何学的構成例が補助距離ｘ2D，ｙ2D，ｄ，ｒ，ａ，ｂとともに得られる。
【００４９】
図３ａおよび図３ｂは、幾何学的構成例を平面図で（図３ａは、ｚ軸の平面図である）および側面図で（図３ｂは、ｘ軸の平面図である）示している。図３ｂは、補助距離ｑ，ｙおよび座標ｚを更に示している。
【００５０】
２つの補助距離ｙ2D，ｄは、ｘ軸に常に垂直でありかつ物体の頂に関連している。これら補助距離は、距離ａと一緒になって、三角形構造（図３ａおよび図３ｂ参照）を形成する。
【００５１】
幾何学的構成例は、以下の方程式をもたらす。
【数１】
0006789999.tif 000002
【００５２】
距離ａに関する方程式（１）をｚについて解くと、三次元空間内における物体５０のｚ座標について以下の方程式が得られる。
【数２】
0006789999.tif 000003
方程式（２）は、ａ＞０の場合には正の符号を持ち、ａ＜０の場合には負の符号を持つ（物体５０の上側位置に関し、すなわち、受信機１０，２０，３０および送信機４０が配置されている平面の上方において）。受信機１０，２０，３０および送信機４０が配置されている平面よりも下に物体５０が位置している場合、符号は逆になる。
【００５３】
方程式（２）中の補助距離ｄは、以下の方程式に相当している。
【数３】
0006789999.tif 000004
【００５４】
三次元空間内の物体のｘ座標の算定は、以下の方程式によって実施される。
【数４】
0006789999.tif 000005
【００５５】
距離Ｕse1，Ｕse2，Ｕse3は、伝搬時間によって作り出される距離である（距離ｓとそれぞれの距離ｅnの合計）。これらの距離は、信号の伝搬速度ｃおよび信号が送信機４０からそれぞれの受信機１０，２０，３０に至るまでに必要とする伝搬時間ｔ1，ｔ2，ｔ3により求められ、以下の通りである。
【数５】
0006789999.tif 000006
【００５６】
三次元空間内における物体のｙ座標の算定は、次の方程式によって実施される。
【数６】
0006789999.tif 000007
三次元空間内におけるｙ座標に関する方程式（６）は、ｙ＞ｑ−｜ａ｜かつａ＞０、ならびにｙ≦ｑ−｜ａ｜かつａ＜０の場合に正の符号を持つ。方程式（６）は、他の全ての値の範囲については負の符号を持つ。
【００５７】
この場合分けに関連して言及される補助距離ｑは、次のように計算される。
【数７】
0006789999.tif 000008
【００５８】
上述の方程式で言及される補助距離ｘ2D，ｙ2Dは、二次元空間内における物体５０の位置特定の場合（第２の平面内に利用される場合）、物体５０のｘ座標およびｙ座標である。
【００５９】
本発明の第１の実施形態によれば、送信機４０および３つの受信機１０，２０，３０のうちの２つの受信機１０，２０は、二次元空間内における物体５０のｘ座標およびｙ座標（ｘ2Dおよびｙ2D）の算定のために必要とされる。これは、図４に概略的に示されている。図５に示された幾何学的構成例がこの配置状態で作られる。２つの楕円軌道（図５ｂ参照）は、２つの距離ｅ1，ｅ2により作られる。図５ｂによれば、物体５０の位置は、２つの楕円軌道の交点にある。２つの楕円軌道の２つの第１の焦点は、送信機４０の位置（距離ｓの原点）に正確に一致する。
【００６０】
２つの伝搬時間距離（Ｕse1，Ｕse2）に関する以下の方程式は、図５ａおよび図５ｂの幾何学的構成例に由来している。
【数８】
0006789999.tif 000009
および
【数９】
0006789999.tif 000010
【００６１】
伝搬時間距離Ｕse1に関する方程式（８）をｙ2Dについて解くと、以下の方程式が得られる。
【数１０】
0006789999.tif 000011
【００６２】
伝搬時間距離Ｕse2に関する方程式（９）をｙ2Dについて解くと、以下の方程式が得られる。
【数１１】
0006789999.tif 000012
【００６３】
半楕円軌道について符号が正の方程式（１０）および（１１）を同等と見なしてゼロに設定する。
【数１２】
0006789999.tif 000013
【００６４】
方程式（１２）をｘ2Dについて解いた後、とりわけ、以下の方程式が得られる。
【数１３】
0006789999.tif 000014
【００６５】
注目されるべきこととして、二次元空間内のｘ成分に関する方程式（１３）は、三次元空間内におけるｘ成分の方程式（方程式（４））に対応している。正の半楕円軌道（＋）に関してｘ2Dおよびｙ2Dについての方程式を三次元ｚ座標に代えて方程式（２）に代入するとともに三次元ｙ座標に代えて方程式（６）に代入すると、以下の方程式（１４）および方程式（１５）が得られる。
【数１４】
0006789999.tif 000015
【数１５】
0006789999.tif 000016
【００６６】
本明細書において詳細に説明した好ましい実施形態は、当然のことながら、座標を計算する例示の手法に過ぎない。しかしながら、本発明は、この実施例に全く制約されるわけではない。むしろ、当業者が物体の位置の個々の座標を計算することができる手段としての図に示された幾何学的状況から他の方程式を導き出すことも可能である。極座標では、全ての方程式は完全に互いに異なるように見えることは例示的に言及されているに過ぎない。しかしながら、本発明は、とりわけ、算定された３つの伝搬時間のうちの２つが図５ｂに示されているように２つの相互に交わる楕円軌道を定める一般的な基本理念に基づいている。したがって、プロセッサは、好ましくは、信号が第２の平面内で送信機から物体を経て第１の受信機に至るまでに必要とする第１の伝搬時間に基づいて第１の楕円軌道または第１の半楕円軌道を算定するとともに、信号が第２の平面内で送信機から物体を経て第２の受信機に至るまでに必要とする第２の伝搬時間に基づいて第２の楕円軌道または第２の半楕円軌道を算定するよう構成されており、この場合、三次元空間内における物体の位置は、第２の平面内における２つの楕円軌道または半楕円軌道の交点の位置を用いて計算され、ただし、本発明は、特定の種類の計算には限定されることはない。
【００６７】
上述の好ましい実施形態は、送信機４０が本質的に等方的に信号を放出するという仮定に基づいている。しかしながら、他の送信機、例えば図６に示されている半円形送信機６０もまた、これに代えて使用することができる。本発明の第２の実施形態としての半円形送信機６０は、本体６２を有し、スリット６１（開口部または隙間とも呼ばれる）が本体６２の周辺側部で本体６２を貫通している。スリット６１に源を発する信号が放出されてここから三次元空間内で伝搬する。かくして、信号が半円上の規定された開始点を有し、すなわち、信号がスリット６１を通って半円形送信機６０から逃げ出、次いで半円形送信機６０上で三次元空間内において伝搬するということが達成できる。
【００６８】
換言すると、半円形送信機６０は、半円形隙間６１の形態をした信号源を有する送信機である。信号は、信号源から三次元半空間中に同時に放出される。信号源の半円形という形状により、物体を半円形送信機６０の上方で、すなわち、ｚ＞０の場合に検出することができる（図７を比較参照されたい）。信号源が１８０°よりも小さくまたはこれよりも大きい半円形送信機６０の変形例もまた確かに利用可能である。
【００６９】
図７は、本発明の第２の実施形態による状況の三次元図である。半円形送信機６０によって放出された信号は、検出されるべき物体５０によって反射されて３つの受信機１０，２０，３０に入る。図２から知られている距離ｓ，ｅ1，ｅ2，ｅ3，ｄ，ａ，ｂ，ｒ，ｙ2D，ｘ2D  に加えて、半円形送信機６０の半径ｈが図７に示されている。
【００７０】
受信機１０，２０，３０および送信機、この場合半円形送信機６０、の配置状態は、好ましくは、図１に示されているような配置状態に類似している。注目されるべきこととして、半円形送信機６０が用いられる場合、半円の中心は、図１の送信機４０の位置に対応しており、すなわち、半円の中心は、好ましくは、一方においては、受信機１０，２０，３０と同一の平面内に位置し、他方においては、受信機１０，２０とともに直線上に位置する。かくして、信号の原点は、座標系の原点から所定の距離ｈ（半円形送信機６０の半径）のところに位置する（図７を参照されたい）。
【００７１】
本発明の第２の実施形態によれば、３回の伝搬時間測定が物体５０の三次元位置の算定のために実施される。３回の伝搬時間測定は、半円形送信機６０および３つの受信機１０，２０，３０によって実施される。三次元空間内を伝搬してついには物体５０（距離ｓ）に当たり、そして部分的に反射される信号が上述したように半円形送信機６０によって放出される。信号の反射部分は、３つの受信機１０，２０，３０（距離ｅ1，ｅ2，ｅ3）に当たる。これにより、半円形送信機６０から物体５０までの伝搬時間（信号が距離ｓについて必要とする時間）と物体５０から個々の受信機１０，２０，３０までの伝搬時間（信号がそれぞれの距離ｅ1，ｅ2，ｅ3について必要とする時間）とを一緒にした時間に由来する３つの伝搬時間が生じる（伝搬時間測定）。
【００７２】
３つの受信機１０，２０，３０および半円の中心（半径の原点）は、好ましくは、一平面内に配置されまたは固定される（同一の高さで）。受信機１０および受信機２０は、好ましくは、半円形送信機６０（好ましくは、破線上に位置する）と一緒に直線上に、すなわち好ましくはｘ軸上に直接位置する。受信機３０は、座標の原点Ｏからｘ方向において、距離ｂを有するのが良くかつｙ方向において距離ａを有するのが良い。距離ａ，ｂは、任意の値を持つことができる。好ましくは、ａは、ゼロに等しくはない。
【００７３】
信号が半円形送信機６０から物体５０まで移動する距離ｓおよび信号が物体５０からそれぞれの受信機１０，２０，３０まで移動する個々の距離ｅ1，ｅ2，ｅ3を考慮すると、図７に示されている三次元幾何学的構成例が図示の補助距離とともに得られる。
【００７４】
図８ａは、図７の幾何学的構成例を平面図（ｚ軸の平面図）で示し、図８ｂは、図７の幾何学的構成例を側面図（ｘ軸の平面図である）で示している。
【００７５】
２つの補助距離ｙ2D，ｄは、ｘ軸に常に垂直でありかつ物体５０の頂に関連している。これら補助距離は、距離ａと一緒になって、三角形構造（図８ａおよび図８ｂ参照）を形成する。
【００７６】
幾何学的構成例は、以下の方程式をもたらす。
【数１６】
0006789999.tif 000017
【００７７】
距離ａに関する方程式（１６）をｚについて解くと、三次元空間内における物体５０のｚ座標について以下の方程式が得られる。
【数１７】
0006789999.tif 000018
方程式（１７）は、ａ＞０の場合には正の符号を持ち、ａ＜０の場合には負の符号を持つ（物体５０の上側位置に関して）。下側位置に関して、符号は逆である。上側位置は、物体５０が３つの受信機１０，２０，３０によって定められる平面よりも上に位置することを意味している。下側位置は、物体５０が３つの受信機１０，２０，３０によって定められる平面よりも下に位置することを意味している。
【００７８】
方程式（１７）中の補助距離ｄは、以下の方程式に相当している。
【数１８】
0006789999.tif 000019
【００７９】
三次元空間内における物体５０のｘ座標の算定は、この方程式（１９）および方程式（２０）によって実施される。この方程式（１９）は、Ｕse1≧Ｕse2の場合に伝搬時間距離について物体５０のｘ座標を示し、方程式（２０）は、Ｕse1＜Ｕse2の場合に伝搬時間距離についてｘ座標を示している。完全を期すために、これをＵse1＞Ｕse2かつＵse1≦Ｕse2と読むことができるということが述べられる。
【数１９】
0006789999.tif 000020
【数２０】
0006789999.tif 000021
【００８０】
距離Ｕse1，Ｕse2，Ｕse3は、伝搬時間によって作り出される距離である（距離ｓとそれぞれの距離ｅnの合計）。これらの距離は、信号の伝搬速度ｃおよび信号の伝搬時間ｔ1，ｔ2，ｔ3により求められ、以下の通りである。
【数２１】
0006789999.tif 000022
【００８１】
三次元空間内における物体５０のｙ座標の算定は、次の方程式によって実施される。
【数２２】
0006789999.tif 000023
三次元空間内におけるｙ座標に関する方程式（２２）は、ｙ＞ｑ−｜ａ｜かつａ＞０、ならびにｙ≦ｑ−｜ａ｜かつａ＜０の場合に正の符号を持つ。方程式（２２）は、他の全ての値の範囲については負の符号を持つ。
【００８２】
この場合分けに関連して言及される補助距離ｑは、次のように計算される。
【数２３】
0006789999.tif 000024
【００８３】
上述の方程式で言及される補助距離ｘ2D，ｙ2Dは、二次元空間内における物体５０の位置特定の場合（第２の平面内に利用される場合）、物体５０のｘ座標およびｙ座標である。
【００８４】
図９は、二次元空間内における物体５０のｘ座標およびｙ座標（ｘ2Dおよびｙ2D）の算定のための半円形送信機６０および２つの受信機１０，２０を示している。
【００８５】
図９に基づき、図１０ａの幾何学的構成例を作り出すことができる。さらに、図１０ｂの４つの相互に交わる半楕円軌道は、この配置状態によって作られる。
【００８６】
本発明によれば、特に、第２の実施形態によれば、物体５０の位置は、２つの楕円軌道（半楕円軌道）の交点のところに位置する。半円形送信機の信号が当該平面の上方で伝搬するという条件に基づき、物体５０の位置を算定する交点が同様に、図９の二次元構成例の上方に（ｘ2D軸の上方に）配置される。半円形送信機６０はまた、この実施例における一方向とは別の任意の方向にも送信できることは明らかである。いずれの場合においても、半円形送信機６０の制限された送信領域に起因して、物体の位置に関する交点が定められることは明らかである。
【００８７】
２つの伝搬時間距離（Ｕse1およびＵse2）に関する以下の方程式は、この幾何学的構成例に起因して得られる。
【数２４】
0006789999.tif 000025
かつ
【数２５】
0006789999.tif 000026
【００８８】
伝搬時間距離Ｕse1に関する方程式（２４）をｙ2Dについて解くと、次の方程式が得られる。
【数２６】
0006789999.tif 000027
【００８９】
伝搬時間距離Ｕse2に関する方程式（２５）をｙ2Dについて解くと、次の方程式が得られる。
【数２７】
0006789999.tif 000028
【００９０】
正の符号を持つ方程式（２６）および方程式（２７）を同等と見なしてゼロに設定し、そしてｘ2Dについて解くと、ｘ2D座標に関する方程式が得られる。これは、ｘ座標に関する方程式と同一であり、かくして、上述の方程式（１９）および方程式（２０）に相当している。
【００９１】
この方程式は、表現の複雑さに起因して第２の実施形態については個々の結果の代入が差し控えられる。三次元空間内における物体５０の座標についての「最終式（terminal equations）」を得るために第１の実施形態に基づいて説明したやり方に本質的に類似してこれを行うことができるということは、当業者には明らかである。しかしながら、「最終式」を作ることが絶対に必要であるというわけではないということもまた明示的に注目され、というのは、上述の計算ステップの連続計算が三次元空間内における物体５０の位置を算定するのに十分だからである。
【００９２】
図１１は、本発明の第３の実施形態を示しており、この第３の実施形態は、３つのセンサ１００，２００，３００を有する。センサ１００，２００，３００の各々は、送信機能と受信機能の両方を有するコンポーネントであるのが良い。本発明によれば、受信機能を備えた３つのセンサ１００，２００，３００が提供されるべきであり、少なくとも３つのセンサ１００，２００，３００のうちの少なくとも１つは、送信機能を更に備えるのが良い。しかしながら、少なくとも３つのセンサ１００，２００，３００の全てがシステムを切り替えて例えば互いに異なる送信位置から送信するために（同時か、タイムシフト方式かのいずれかで）送信機能および受信機能を備えることも可能である。
【００９３】
第３の実施形態によれば、物体５０の三次元位置の算定はまた、３回の伝搬時間測定に基づいて実施できる。３回の伝搬時間測定は、３つのセンサ１００，２００，３００によって第３の実施形態に従って実施され、この場合、少なくとも１つのセンサ（例えば、センサ１００）は、送信したり受信したりすることができる。同様に、別々の送信および受信装置が程度の差はあれ同一の位置から送ったり受け取ったりするために互いに近接して設置されることが可能である。換言すると、センサ１００，２００，３００の各々はまた、互いに直接的な近接関係をなして配置された２つの別々の送信および受信装置から成っていても良い。
【００９４】
図１２の記載によれば、三次元空間内を伝搬して物体５０（距離ｓ）に当たりそして部分的に反射される信号がセンサ１００によって放出される。信号の反射部分は、３つのセンサ１００，２００，３００（距離ｅ1，ｅ2，ｅ3）当たる。これにより、３つの伝搬時間が生じ、これら３つの伝搬時間は、センサ１００から物体５０までの伝搬時間に物体５０から個々のセンサ１００，２００，３００までの伝搬時間を合わせたものに由来する（伝搬時間測定）。
【００９５】
３つのセンサ１００，２００，３００は、好ましくは一平面内に配置される（すなわち、同一高さで）。センサ３００は、座標の原点Ｏからｘ方向において、距離ｂを有するのが良くかつｙ方向において距離ａを有するのが良い。距離ａ，ｂは、任意の値を持つことができ、この場合、好ましくは、ａは、ゼロに等しくない。座標の原点Ｏは、好ましくは、好ましくはセンサ１００，２００の間を伸びる直線上に位置する。しかしながら、座標原点Ｏの位置は、本発明の作用に影響を及ぼさないことは明らかである。
【００９６】
信号がセンサ１００から物体５０まで移動する距離ｓおよび信号が物体５０からそれぞれのセンサ１００，２００，３００まで移動する個々の距離ｅ1，ｅ2，ｅ3を考慮すると、図１２に示されている三次元幾何学的構成例が補助距離（ｘ2D，ｙ2D，ａ，ｂ，ｒ，ｄ）とともに得られる。
【００９７】
図１２の幾何学的構成例の平面図（ｚ軸の平面図）は、補助距離とともに、図１３ａの幾何学的構成例を生じさせる。図１２の幾何学的構成例の側面図（ｘ軸の平面図）は、補助距離と一緒に図１３ｂの幾何学的構成例を生じさせる。
【００９８】
２つの補助距離ｙ2D，ｄは、ｘ軸に常に垂直でありかつ物体の頂に関連している。これら補助距離は、距離ａと一緒になって、図１３ａおよび図１３ｂの三角形構造を形成する。
【００９９】
幾何学的構成例は、以下の方程式をもたらす。
【数２８】
0006789999.tif 000029
【０１００】
距離ａに関する方程式（２８）をｚについて解くと、三次元空間内における物体５０のｚ座標について以下の方程式が得られる。
【数２９】
0006789999.tif 000030
方程式（２９）は、ａ＞０の場合には正の符号を持ち、ａ＜０の場合には負の符号を持つ（物体５０の上側位置に関して）。下側位置に関し、符号は逆になる。
【０１０１】
方程式（２９）中の補助距離ｄは、以下の方程式に相当している。
【数３０】
0006789999.tif 000031
【０１０２】
三次元空間内の物体５０のｘ座標の算定は、以下の方程式によって実施される。
【数３１】
0006789999.tif 000032
【０１０３】
距離Ｕse1，Ｕse2，Ｕse3は、伝搬時間によって作り出される距離である（距離ｓとそれぞれの距離ｅnの合計）。これらの距離は、信号の伝搬速度ｃおよび信号の伝搬時間ｔ1，ｔ2，ｔ3により求められ、以下の通りである。
【数３２】
0006789999.tif 000033
【０１０４】
三次元空間内における物体５０のｙ座標の算定は、次の方程式によって実施される。
【数３３】
0006789999.tif 000034
三次元空間内におけるｙ座標に関する方程式（３３）は、ｙ＞ｑ−｜ａ｜かつａ＞０、ならびにｙ≦ｑ−｜ａ｜かつａ＜０の場合に正の符号を持つ。方程式（３３）は、他の全ての値の範囲については負の符号を持つ。
【０１０５】
この場合分けに関連して言及される補助距離ｑは、次のように計算される。
【数３４】
0006789999.tif 000035
【０１０６】
上述の方程式で言及される補助距離ｘ2D，ｙ2Dは、二次元空間内における物体５０の位置特定の場合（第２の平面内に利用される場合）、物体５０のｘ座標およびｙ座標である。
【０１０７】
二次元空間内における物体５０のｘ座標およびｙ座標（ｘ2Dおよびｙ2D）の算定のためには送信機１００および２つの受信機１００，２００が必要である（図１４参照）。図１５ａの幾何学的構成例は、図１４の記載に基づいて導き出されている。図１５ｂの記載によれば、２つの円軌道および半円軌道は、２つの伝搬時間距離によって形成される。円軌道に関する方程式（３７）および方程式（３８）の正の結果は、上側の半円軌道を表し、負の結果は、下側の半円軌道を表している。
【０１０８】
物体５０の位置は、２つの円軌道の交点のところに位置する。２つの伝搬時間距離（Ｕse1，Ｕse2）に関する以下の方程式は、幾何学的構成例（図１５ｂ）に由来している。
【数３５】
0006789999.tif 000036
および
【数３６】
0006789999.tif 000037
【０１０９】
伝搬時間距離Ｕse1に関する方程式（３５）をｙ2Dについて解くと、以下の方程式が得られる。
【数３７】
0006789999.tif 000038
【０１１０】
伝搬時間距離Ｕse2に関する方程式（３６）をｙ2Dについて解くと、以下の方程式が得られる。
【数３８】
0006789999.tif 000039
【０１１１】
正（＋）の半円軌道についての方程式（３７）および（３８）を同等と見なしてゼロに設定する。
【数３９】
0006789999.tif 000040
【０１１２】
方程式（３９）をｘ2Dについて解いた後、以下の方程式が得られる。
【数４０】
0006789999.tif 000041
【０１１３】
正の半楕円軌道に関してｘ2Dおよびｙ2Dについての方程式を三次元ｚ座標に代えて方程式（２９）に代入するとともに三次元ｙ座標に代えて方程式（３３）に代入すると、以下の方程式（４１）および方程式（４２）が得られる。
【数４１】
0006789999.tif 000042
【数４２】
0006789999.tif 000043
【０１１４】
２つの伝搬時間によって作られた２つの楕円軌道または半楕円軌道は両方とも、楕円体で置き換え可能である。この場合、物体は、２つの互いに交わる楕円体によって作られる軌道上のどこかに位置する。円軌道の場合、それに従って２つの伝搬時間によって生じる円軌道または半円軌道もまた、両方とも球体で置き換え可能である。この場合、物体は、２つの互いに交わる球体によって生じる軌道上のどこかに位置する。
【０１１５】
軌道（２つの第１の楕円体／球体の交差によって生じる）と交差する第３の楕円体／球体は、この場合、第３の伝搬時間によって作られる。物体の三次元位置に相当する２つの交点が正の領域内の頂のところおよび負の領域の底のところに形成される。この場合、２つの交点のうちの一方を例えば送信機および／または受信機の方向性によって物体の正しい位置として選択することができる。
【０１１６】
また、２つの伝搬時間によって形成される２つの楕円軌道／円軌道または半楕円軌道／半円軌道のうちの一方だけを楕円体／球体で置き換えることが可能である。この場合、楕円軌道／円軌道または半楕円軌道／半円軌道は、楕円体／球体と交わり、それにより２つの交差部が第２の平面内に形成される（この第２の平面内には楕円軌道／円軌道または半楕円軌道が位置する）。かくして、物体の三次元位置を第２の平面（一方の楕円軌道／円軌道または半楕円軌道／半円軌道によって作られる）内の交差部（または３６０°内で送信したり検出したりすることができる送信機および受信機の場合に正の領域内の頂のところおよび負の領域内の底のところの交差部）および三次元空間内における第２の平面の位置／角度／傾き（第１の平面と比較して）に基づいて算定でき、この位置／角度／傾きは、第３の伝搬時間によって生じる。
【０１１７】
第２の平面内の交差部（または複数の交差部、これについては上記を参照されたい）と交差する楕円体／球体は、第３の伝搬時間によっても形成でき、それによって、三次元位置を算定することができる。
【０１１８】
図１６は、種々のセンサ１００，２００，３００の送信機能を切り替える上述の可能性を例示的に示している。図示の場合１では、センサ２００は、送信および受信機能を備えており、センサ１００，３００は、受信機としてのみ働く。場合２では、センサ１００は、送信および受信機能を備え、センサ２００，３００は、受信機としてのみ働く。場合３では、センサ３００は、送信および受信機能を備え、センサ１００，２００は、受信機としてのみ働く。この機能を諸々の要件に従って制御することができれば有利であると言え、すなわち、各新たな測定により、別のセンサ１００，２００，３００は、送信機として働くと同時に受信機としても働くことができる。
【０１１９】
図１７は、受信機のうちの１つのところで測定された例示の信号を概略的に示している。同期パルス（図１７のパルスシーケンスの最初のところの方形信号）を同期目的で前もって送信するのが良く、その目的は、伝搬時間の正確な測定を保証することにある。図１７は、直接ピックアップ（送信機から受信機に直接至る放出信号）を表す第１の信号１（ｔ1,p1）を示している。次のパルス２〜５は、異なる物体１〜ｎによって反射された信号である。
【０１２０】
本発明によれば、物体のサイズをパルスの高さ（振幅）および測定された伝搬時間（ｔ1,p2，ｔ1,p3，ｔ1,p4，ｔ1,pn）によって求めることができる。振幅が高ければ高いほど、そして伝搬時間が短かければ短いほど、物体はそれだけいっそう大きい。
【０１２１】
信号２，５の比較により、とりわけ明らかにされることとして、２つの信号は、本質的に同じ振幅を有するが、信号５は、かなり長い伝搬時間（ｔ1,pn＞ｔ1,p2）を有する。このことから、ｎ番目の物体は、最初の物体よりも大きいに違いないと結論づけることができる。
【０１２２】
物体の広がりを信号の幅によって求めることができる。信号の幅が広ければ広いほど（長ければ長いほど）、物体はそれだけいっそう広い。例えば、信号３を見たとき、この信号が他の信号よりもかなり幅が広いことが理解できる。このことから、第２の物体は、他の物体よりも大きな広がりを有することを結論づけることができる。第２の物体は、例えば、管（狭い反射領域、大きな広がり）である場合がある。
【０１２３】
本発明のこの実施形態は、とりわけ、信号、好ましくは幅の広い信号、例えば信号３を数個の短いパルスによって表す（対応の評価アルゴリズムおよびハードウェアによって）よう構成されているのが良い。これにより、物体の幾何学的形状をこのように良好に理解するよう物体を点クラウドとして表すことができる。
【０１２４】
さらに、本発明により、ドップラー効果によって算定された個々の物体または点の速度を求めることが可能である。１つまたは数個の物体の３Ｄ位置／配置場所、１つまたは複数の物体の状態、１つまたは複数の物体および／または個々の点（点クラウド）の速度を同時に求めることができる（１回の測定に基づいて）。
【０１２５】
本発明の好ましい実施形態のアルゴリズムを明確にするためにしかも分かりやすくするために小さい大きさから点状の物体によって説明した場合であっても、本発明は、これには限定されないことは当業者には明らかである。広がりのある物体の位置特定のための方法について例示により以下に説明する。
【０１２６】
波は、球面波（電磁波、例えば無線波、マイクロ波、熱放射線、光、Ｘ線、ガンマ線、また、圧力波、例えば音響波または衝撃波、重力波、また、放射線、例えば粒子線および波動放射線、また、プラズマ波、物質波、屈曲波、地震波、磁気波、電気波）として広がりのある物体に当たる。かくして、中心領域を最初に走査し、次にその縁を走査する。
【０１２７】
図１８は更に、センサユニット１００（送信機および受信機）から放出された信号を反射する２つの領域５１，５２（広がりのある物体）を例示的に示している。分かりやすくするために、反射信号だけが図１８に示されている。
【０１２８】
領域５１は、センサユニット１００の左側に位置し、従って、最初に信号を右側（連続線）で反射する。最後に、領域５１の左側（破線）が信号をセンサ１００に向かって反射する。
【０１２９】
領域５２は、この実施例では、センサユニット１００の下に位置し、左側に僅かにオフセットし、そして第１の信号（連続線）を領域５２から反射する。領域５２の右側の反射信号は、幾分後になってセンサ１００に到達し、すなわち、より長時間がかかる（点線）。最後に、領域５２の左側（破線）が、信号をセンサ１００に向かって反射する。領域５１，５２は、信号を領域全体に反射する。しかしながら、分かりやすくするために、個々の反射信号だけが図１８に示されている。
【０１３０】
図１９は、領域５１，５２のところで（受信機のうちの１つ、例えば図１８のセンサ１００に向かって）反射された受信信号の時間プロファイルを示している。図１７と比較すると、個々の領域５１，５２の反射信号は、個々の点物体のところの反射信号（図１７の信号１〜５）と比較して、時間的広がりｔpnを有することが明らかである。領域／物体のサイズおよび／または反射率をパルスの高さ（振幅）および／または信号波形の下の面積（信号波形により積分される）、測定伝搬時間ｔnおよび／またはパルス持続時間ｔpnによって求めることができる。換言すると、表面のところで反射された個々の信号がオーバーラップして広がりのある信号が形成される。
【０１３１】
図２０に示された３つの受信機の信号波形を見ると（連続線は、第１の受信機中の信号に相当し、破線は、第２の受信機中の信号に相当し、より細い破線は、第３の受信機中の信号に相当している）、個々のタイムシフトされた反射信号を理解することができる。
【０１３２】
第１の領域５１のところの反射に関する信号波形は、反射信号が空間内に配置された受信機に起因してタイムシフトされて到達することを明らかにしている。第２の領域５２のところの反射に関する信号波形は、反射信号が個々の受信機に同時に到達することを明らかにしており、その理由は、信号が最初に送信機の下で正確に反射され、この実施例では受信機が送信機まで同一の距離を有するからである。第２の領域５２のところの信号波形の終わりでは、信号は、タイムシフトされて終わり、というのは、領域５２が正確にセンサユニット１００の下に位置しておらず、僅かに左側にオフセットしているからである。
【０１３３】
位置を伝搬時間ｔnに基づいて特定すると、信号を最初に反射させた領域５１，５２上の点の位置が得られる。この位置を信号の終わりまでの時間（伝搬時間ｔn＋パルス持続時間ｔpn）に基づいて測定すると、信号を最後に反射させた領域５１，５２上の点の位置が得られる。送信機１００の下には位置していない領域５１，５２に関し、これら２つの位置の値は、領域５１，５２の開始位置および終了位置を生じさせ、かくして、空間内における広がりのある物体の位置および広がりを生じさせる。
【０１３４】
領域５１，５２が送信機の下に位置している場合、信号を最初に反射させた領域５１，５２上の点の位置および信号を最後に反射させた領域５１，５２上の点の位置を上述したように特定することができる。しかしながら、領域５１，５２の開始点および終了点を決定することができるようにするため、例えば、領域５１，５２の上方には位置していない送信機を用いて測定をもう一度実施する（この場合、送信機は、他方の（第１の）送信機の位置まで一波長分より大きい距離を備えなければならない）か、あるいは、例えば、３つ全てのセンサが互いに異なるコード（互いに異なる周波数または符号化信号）で送信し、次に受信するよう調節される（２つのセンサ相互間の距離は、この関係では、センサのうちの一方が領域５１，５２の上方には決して位置しないようことが保証できるようにするために領域５１，５２の広がりよりも大きくあるべきである）方法を用いるかのいずれかを行うべきである。
【０１３５】
図２０はまた、個々の反射信号を個々の領域５１，５２に割り当てることができるということを明らかにしている。物体に属する反射信号の割り当てを例えば次のことにより行うことができ、すなわち、
‐互いに対する時間的近接性（センサの空間分布により生じる個々の反射信号相互間のタイムシフト）、
‐類似した信号プロファイル（各反射信号は、物体に特有の信号プロファイルを有し、この信号プロファイルによって、同じ物体のところで反射した少なくとも３つの信号を互いに割り当てることができる）、
‐類似した振幅（各物体は、そのサイズ、幾何学的形状および反射率に起因して、別の振幅を有し、この別の振幅に基づいて、物体から反射された個々の信号を互いに対して割り当てることができる）、
‐反射持続時間（反射持続時間は、物体の広がりに依存し、この理由で、かかる反射持続時間を互いに異なるサイズを有する個々の物体に割り当てることができ、反射持続時間を特に一波長よりも大きな広がりを有する領域の場合に高い精度で算定することができる）。
【０１３６】
これらの基準を受信信号に当てはめると、信号を個々の物体（領域５１，５２）に割り当てることができる。
【０１３７】
しかしながら、この関連で、受信信号は、互いにオーバーラップしてはならない。このことは、個々の領域５１，５２が互いに対して一波長よりも大きな最小距離を有するべきであり、その目的は、２つの個々の領域５１，５２として認識されるようにすることにあることを意味している（領域５１，５２が万一一波長以下の距離で隔てられている場合、これら領域は、１つの連続した領域５１，５２として認識される）。
【０１３８】
センサ１００までの同一の距離（±一波長）を有するが、互いに異なる方向にオフセットしている２つの物体／領域５３，５４は、特別の場合を構成する（図２１参照）。
【０１３９】
この場合、反射信号は、互いにオーバーラップし、これら反射信号を個々の領域に割り当てることができない。上述したように、これは、例えば、正確にいえば領域５３，５４相互間には位置していない送信機を用いた測定の繰り返しによって実施でき（この場合、送信機は、他方の（第１の）送信機の位置まで一波長より大きい距離を備えなければならない）または、例えば、３つ全てのセンサが互いに異なるコード（互いに異なる周波数または符号化信号）で送信し、次に受信するよう調節される（この関係で、個々のセンサは、互いに対して一波長より大きい距離を備えなければならない）方法を用いることができる。
【０１４０】
これは、同様に、個々の物体／点（点状物体）にも当てはまる。これらもまた、好ましくは、２つの物体／点（点状物体）として曖昧さなく認識されるようにするために互いに対して一波長を超える最小距離を有するべきである。
【０１４１】
図２２は、粗い表面の概略図である。粗さは、先端（点）および領域から成る。個々の先端および領域の位置を上述したように求めることができ、かくして物体の状態、および特に表面状態（表面／表面の点クラウドの３Ｄ走査）を求めることができる。また、この場合、検査されるべき表面の粗さの解像限界を定めるのは、波長である。
【０１４２】
上述した方法を例えば真空中、気体（例えば、空気）中、液体（例えば、水）中、固体物体（例えば、標準条件における鉄）中でも、あるいはプラズマ環境中でも使用できる。
【０１４３】
本発明をその好ましい実施形態に関して本明細書において説明するとともに図示したが、当業者には明らかなように、保護範囲から逸脱することなくかかる実施形態に対して種々の改造および変更を行うことができる。かくして、本発明は、この発明の改造例および変更例が添付の特許請求の範囲に記載された本発明の保護範囲およびこれらの均等範囲によって含まれる限り、かかる改造例および変更例を含むものである。さらに、特定の実施形態に関連して説明した特徴は、この実施形態の他の特徴との関連においてのみ理解されるべきではない。これとは異なり、互いに異なる実施形態からの特徴の組み合わせもまた可能であることは明らかである。さらに、別の特徴と関連した特徴は、他の特徴なしで本発明の考えられる実施形態に存在することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５ａ】
0006789999.tif 000049
【図５ｂ】
0006789999.tif 000050
【図６】
0006789999.tif 000051
【図７】
0006789999.tif 000052
【図８ａ】
0006789999.tif 000053
【図８ｂ】
0006789999.tif 000054
【図９】
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【図１０ａ】
0006789999.tif 000056
【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
0006789999.tif 000060
【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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