JP2006003238A - Water level measuring device and water level measuring method utilizing radio wave - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、治水や防水分野における河川やダムの水位を、電波を利用して測定する水位測定装置及び水位測定方法に関する。 The present invention relates to a water level measuring apparatus and a water level measuring method for measuring the water level of rivers and dams in the field of flood control and waterproofing using radio waves.
治水や防水の分野では、河川やダムの水位を測定（監視）する水位測定装置が用いられている。この水位測定装置には、フロート式、圧力式、超音波式等がある。フロート式や圧力式の水位測定装置は、構造がシンプルであるが、装置が水と接触するため、流木等により破壊されることがある。また、超音波式の水位測定装置は、水と接触することなく水位を測定することができ、流木等により破壊されることはないが、大気を媒質としているため、気象条件の影響により測定値にバラツキが発生し、その補正は困難である。 In the field of flood control and waterproofing, water level measuring devices that measure (monitor) the water level of rivers and dams are used. This water level measuring device includes a float type, a pressure type, and an ultrasonic type. Float type and pressure type water level measuring devices have a simple structure, but they may be destroyed by driftwood or the like because the devices come into contact with water. In addition, the ultrasonic water level measurement device can measure the water level without contact with water and is not destroyed by driftwood, etc., but because it uses air as the medium, the measured value is affected by the weather conditions. Variations are generated and correction is difficult.
流木等により破壊されず、さらに大気の影響を受けずに水位を測定することができる水位測定装置として、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式の電波を利用した水位測定装置が提案されている（特許文献１）。ＦＭＣＷ方式は、周波数変調した連続波信号を送信波として被測定物に対して送信し、被測定物で反射して戻ってきた受信波と、送信波と、をミキシングしてビート信号を生成し、ビート信号の周波数から被測定物までの距離を測定する方式である（特許文献２）。 As a water level measurement apparatus that can measure the water level without being destroyed by driftwood or the like and without being affected by the atmosphere, a water level measurement apparatus using an FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) type radio wave has been proposed (patent) Reference 1). The FMCW system transmits a frequency-modulated continuous wave signal as a transmission wave to the device under test, and generates a beat signal by mixing the received wave reflected by the device under test and the transmission wave. In this method, the distance from the frequency of the beat signal to the object to be measured is measured (Patent Document 2).
ミキシングにより得られるビート信号は、アナログ信号である。このため、ビート信号の周波数の値を求めるには、ビート信号をＡ／Ｄ変換し、これにより生成されたデータ系列を離散フーリエ変換し、離散フーリエ変換により得られた周波数のうち、振幅値が最大となる周波数の値を算出する必要がある。 The beat signal obtained by mixing is an analog signal. Therefore, in order to obtain the value of the frequency of the beat signal, the beat signal is A / D converted, the data series generated thereby is subjected to discrete Fourier transform, and the amplitude value of the frequencies obtained by the discrete Fourier transform is It is necessary to calculate the maximum frequency value.
電波を利用した水位測定装置で高精度な水位測定を行うには、ビート信号の周波数を高精度に検出する必要があるが、従来の電波を利用した水位測定装置では、近距離の水面までの距離を測定するには充分な精度が得られなかった。これについて、以下に詳細に説明する。 It is necessary to detect the frequency of the beat signal with high accuracy in order to perform high-precision water level measurement with a water level measurement device that uses radio waves, but with conventional water level measurement devices that use radio waves, Insufficient accuracy was obtained to measure the distance. This will be described in detail below.
前述したミキシングにより、角周波数ωのビート信号（Ａ・ｃｏｓ（ωｔ＋φ））が得られたとすると、そのビート信号は、
Ａ・ｃｏｓ（ωｔ＋φ） ＝ Ａ・（ｅｊφｅｊωｔ＋ｅ−ｊφｅ−ｊωｔ）／２ ・・・ （１）
で表すことができる。ここで、Ａはビート信号の振幅、φはビート信号の位相をそれぞれ示す。式（１）で表されるビート信号をフーリエ変換すると、
となる。ここで、δ（ｋ−ω）及びδ（ｋ＋ω）はディラックのデルタ関数である。ディラックのデルタ関数δ（ｘ）は、ｘ≠０のときにδ（ｘ）＝０となり、
となる条件を満たす関数である。すなわち、関数δ（ｋ−ω）は、ｋ≠ωとなるときに０となる関数であり、関数δ（ｋ＋ω）は、ｋ≠−ωとなるときに０となる関数である。従って、角周波数ωのビート信号をフーリエ変換すると、角周波数“＋ω”のスペクトラム（これを「実像」と呼ぶ）と、角周波数“−ω”のスペクトラム（これを「虚像」と呼ぶ）と、が現れる。
If the beat signal (A · cos (ωt + φ)) having the angular frequency ω is obtained by the above-described mixing, the beat signal is
A · cos (ωt + φ) = A · (e jφ e jωt + e −jφ e −jωt ) / 2 (1)
It can be expressed as Here, A indicates the amplitude of the beat signal, and φ indicates the phase of the beat signal. When the beat signal represented by Equation (1) is Fourier transformed,
It becomes. Here, δ (k−ω) and δ (k + ω) are Dirac delta functions. Dirac's delta function δ (x) becomes δ (x) = 0 when x ≠ 0,
Is a function that satisfies the following condition. That is, the function δ (k−ω) is a function that becomes 0 when k ≠ ω, and the function δ (k + ω) is a function that becomes 0 when k ≠ −ω. Accordingly, when the beat signal of the angular frequency ω is Fourier transformed, the spectrum of the angular frequency “+ ω” (referred to as “real image”) and the spectrum of the angular frequency “−ω” (referred to as “virtual image”), Appears.
前述したように、電波を利用した水位測定装置では、ビート信号の周波数を検出するために、ミキシングにより得られたビート信号をＡ／Ｄ変換し、これにより生成されたデータ系列を、離散フーリエ変換している。このため、各周波数ωを有するビート信号のデータ系列を、離散フーリエ変換すると、図４（ａ）に示すように、角周波数“＋ω”を中心とする四角形でポイントされたビート信号の実像と、角周波数“−ω”を中心とする三角形でポイントされたビート信号の鏡像と、の２つのｓｉｎｃ関数特性を有するスペクトラムが現れる。電波を利用した水位測定装置に搭載された演算部では、このような２つのスペクトラムを加算したスペクトラムを算出し、加算したスペクトラムの振幅値が最大となる周波数の値を算出することによりビート信号の周波数を算出している。 As described above, in a water level measurement device using radio waves, in order to detect the frequency of a beat signal, A / D conversion is performed on the beat signal obtained by mixing, and the data sequence generated thereby is subjected to discrete Fourier transform. is doing. For this reason, when a beat signal data series having each frequency ω is subjected to discrete Fourier transform, as shown in FIG. 4A, a real image of the beat signal pointed by a square centered on the angular frequency “+ ω”, and A spectrum having two sinc function characteristics of a mirror image of a beat signal pointed by a triangle centered on an angular frequency “−ω” appears. In the calculation unit mounted on the water level measurement device using radio waves, the spectrum obtained by adding these two spectra is calculated, and the value of the frequency at which the amplitude value of the added spectrum is maximized is calculated. The frequency is calculated.
このような電波を利用した水位測定装置では、ビート信号の周波数が高いとき（アンテナから水面までの距離が遠いとき）は、図４（ａ）に示したように、ビート信号の実像“＋ω”と鏡像“−ω”の各々のスペクトラムが、お互いに離れる。このため、実像（及び鏡像）のスペクトラムの振幅値が最大となる周波数の値と、加算したスペクトラムの振幅値が最大となる周波数の値と、の間の誤差は無い（又は小さい）。従って、ビート信号の周波数が高いとき（アンテナから水面までの距離が遠いとき）は、電波を利用した水位測定装置で検出されるビート信号の周波数の誤差が無い（又は小さい）。 In such a water level measurement device using radio waves, when the frequency of the beat signal is high (when the distance from the antenna to the water surface is long), the real image of the beat signal “+ ω” as shown in FIG. And mirror images of “−ω” are separated from each other. For this reason, there is no (or small) error between the frequency value at which the amplitude value of the spectrum of the real image (and mirror image) becomes maximum and the frequency value at which the amplitude value of the added spectrum becomes maximum. Therefore, when the frequency of the beat signal is high (when the distance from the antenna to the water surface is long), there is no (or small) error in the frequency of the beat signal detected by the water level measuring device using radio waves.
一方、ビート信号の周波数が低いとき（アンテナから水面までの距離が近いとき）は、図４（ｂ）に示すように、ビート信号の実像“＋ω”と鏡像“−ω”の各々のスペクトラムが、お互いに近づく。このため、実像（及び鏡像）のスペクトラムの振幅値が最大となる周波数の値と、加算したスペクトラムの振幅値が最大となる周波数の値と、の間に誤差が発生する。従って、従来の電波を利用した水位測定装置では、ビート信号の周波数が低いとき（アンテナから水面までの距離が近いとき）に、検出されるビート信号の周波数に誤差が発生し、近距離にある水面までの距離の測定を行うのに充分な精度が得られなかった。 On the other hand, when the frequency of the beat signal is low (when the distance from the antenna to the water surface is short), the spectrum of each of the real image “+ ω” and the mirror image “−ω” of the beat signal is as shown in FIG. , Get closer to each other. For this reason, an error occurs between the frequency value at which the amplitude value of the spectrum of the real image (and mirror image) is maximum and the frequency value at which the amplitude value of the added spectrum is maximum. Therefore, in the conventional water level measurement device using radio waves, when the frequency of the beat signal is low (when the distance from the antenna to the water surface is short), an error occurs in the frequency of the detected beat signal, and the short signal is at a short distance. Insufficient accuracy to measure the distance to the water surface was obtained.
本発明は、以上のような課題に対してなされたものであり、その目的は、近距離の水面までの距離を精度良く測定することができる電波を利用した水位測定装置を実現することにある。 The present invention has been made with respect to the above-described problems, and an object thereof is to realize a water level measurement device using radio waves that can accurately measure a distance to a near water surface. .
本発明の構成は、アンテナから水面に対し、周波数が一定の範囲で時間に対して変移する電波を送信する送信系と、アンテナを介し、水面で反射した電波を受信する受信系と、送信した電波の周波数と、受信した電波の周波数と、の差分の周波数成分を検出する周波数検出部と、差分の周波数成分をＡ／Ｄ変換し、データ系列を生成するＡ／Ｄ変換部と、データ系列を演算することにより、アンテナから水面までの距離を測定する演算部と、を備え、周波数検出部は、送信した電波で、受信した電波を直交検波することにより、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、を検出し、演算部は、差分の周波数成分の同相成分のデータ系列を実部とし、差分の周波数成分の直交成分のデータ系列を虚部とした複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより、アンテナから水面までの距離を測定することを特徴とする。 In the configuration of the present invention, a transmission system that transmits radio waves whose frequency changes with time in a certain range from the antenna to the water surface, and a reception system that receives radio waves reflected from the water surface via the antenna are transmitted. A frequency detector that detects a frequency component of a difference between the frequency of the radio wave and the frequency of the received radio wave, an A / D converter that performs A / D conversion on the frequency component of the difference, and generates a data sequence, and a data sequence And a calculation unit that measures the distance from the antenna to the water surface, and the frequency detection unit performs quadrature detection of the received radio wave with the transmitted radio wave, thereby obtaining the in-phase component of the difference frequency component. The quadrature component of the difference frequency component is detected, and the arithmetic unit uses complex data in which the data sequence of the in-phase component of the difference frequency component is a real part and the data sequence of the quadrature component of the difference frequency component is an imaginary part system The, by discrete Fourier transform, and measuring the distance from the antenna to the water surface.
また、アンテナは、水面に対し電波を送信する送信アンテナと、水面から反射した電波を受信する受信アンテナと、を備えていることが望ましい。 The antenna preferably includes a transmission antenna that transmits radio waves to the water surface and a reception antenna that receives radio waves reflected from the water surface.
本発明の他の構成は、アンテナから水面に対し、周波数が一定の範囲で時間に対して変移する電波を送信する工程と、アンテナを介し、水面で反射した電波を受信する工程と、送信した電波の周波数と、受信した電波の周波数と、の差分の周波数成分を検出する工程と、差分の周波数成分をＡ／Ｄ変換し、データ系列を生成する工程と、データ系列を演算することにより、アンテナから水面までの距離を測定する工程と、を有し、差分の周波数成分を検出する工程は、送信した電波で、受信した電波を直交検波することにより、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、を検出する工程を含み、アンテナから水面までの距離を測定する工程は、差分の周波数成分の同相成分のデータ系列を実部とし、差分の周波数成分の直交成分のデータ系列を虚部とした複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより、アンテナから水面までの距離を測定する工程を含むことを特徴とする。 In another configuration of the present invention, a step of transmitting a radio wave whose frequency changes with time in a certain range from the antenna to the water surface, a step of receiving a radio wave reflected by the water surface via the antenna, and a transmission By detecting the frequency component of the difference between the frequency of the radio wave and the frequency of the received radio wave, A / D converting the frequency component of the difference, generating a data series, and calculating the data series, Measuring the distance from the antenna to the water surface, and the step of detecting the difference frequency component is a transmitted radio wave, by orthogonally detecting the received radio wave, the in-phase component of the difference frequency component, Including a step of detecting a quadrature component of the difference frequency component, and the step of measuring the distance from the antenna to the water surface includes the in-phase component data series of the difference frequency component as a real part, and the difference frequency component Complex data series data sequence was imaginary part of the quadrature component, by discrete Fourier transform, characterized in that it comprises a step of measuring the distance from the antenna to the water surface.
本発明によれば、ビート信号を直交検波により検出し、ビート信号の同相成分のデータ系列を実部とし、ビート信号の直交成分のデータ系列を虚部とした複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより、アンテナから近距離の水面までの距離を精度良く測定することができる水位測定装置を実現することができる。 According to the present invention, a beat signal is detected by quadrature detection, and a discrete data transform is performed on a complex data sequence in which the in-phase component data sequence of the beat signal is a real part and the quadrature component data sequence of the beat signal is an imaginary part. Thus, it is possible to realize a water level measuring device that can accurately measure the distance from the antenna to the water surface at a short distance.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る電波を利用した水位測定装置の構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態に係る電波を利用した水位測定装置から送信される送信波と、受信される受信波の時間に対する周波数の変移を示すグラフである。また、図３は、本実施形態に係る複素データ系列を離散フーリエ変換した周波数スペクトラムを示すグラフである。以下、図面を用いて、本実施形態に係る電波を利用した水位測定装置について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a water level measuring device using radio waves according to the present embodiment. FIG. 2 is a graph showing a frequency shift with respect to time of a transmission wave transmitted from a water level measurement apparatus using radio waves according to the present embodiment and a reception wave received. FIG. 3 is a graph showing a frequency spectrum obtained by subjecting the complex data series according to the present embodiment to discrete Fourier transform. Hereinafter, a water level measurement device using radio waves according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
まず、本実施形態に係る電波を利用した水位測定装置の構成を説明する。図１において、電波を利用した水位測定装置１は、送信アンテナ２１から水面に対し、周波数が一定の範囲で時間に対して変移する電波を送信する送信系と、受信アンテナ２３を介し水面で反射した電波を受信する受信系と、を備えている。ここで、送信系は、発振部１１、周波数変調部１２、ミキサ１３、ＩＦ発振部１４、フィルタ１５、カプラ１６、ミキサ１７、フィルタ１８及び送信アンテナ２１を備えている。また受信系は、受信アンテナ２３、ミキサ４０、フィルタ４１、ミキサ４３−１，４３−２、π／２移相器４４、フィルタ４５−１，４５−２、コンデンサ４６−１，４６−２、Ａ／Ｄ変換部４７−１，４７−２及び演算部５０を備えている。なお、電波を利用した水位測定装置１は、送信波のＲＦ周波数帯へのアップコンバートと、受信波のＩＦ周波数帯へのダウンコンバートと、を行うためのＲＦ発振部３０を備えている。
First, the configuration of a water level measurement device using radio waves according to this embodiment will be described. In FIG. 1, a water
また、アンテナは、送信アンテナ２１が水面に対して電波を送信し、受信アンテナ２３が反射してきた電波を受信できるよう、水面の鉛直上方に設置されている。なお、送信アンテナ２１と、受信アンテナ２３は、特許文献１に記載された水位測定装置のように、アンテナを送受信で共用し、サーキュレータにより、送信波と受信波を分離する構造であっても構わないが、分離して配置することが望ましい。特許文献１に記載された水位測定装置のように、アンテナを送受信で共用すると、送信波がアンテナ内部で（輻射されずに）反射され、この反射波が受信波としてサーキュレータを介して受信されてしまう。アンテナ内部で反射された反射波は、伝達距離が限りなくゼロに近く非常に短いため、送信波とほとんど変わらない周波数で受信される。従って、アンテナを送受信で共用すると、送信波と受信波のミキシングにより低周波のビート信号が常に検出されてしまう。このような低周波のビート信号は、アンテナから水面までの距離が近いとき（場合によっては近くなくても）、ビート信号の周波数の検出に誤差を生じさせる。従って、アンテナは、充分なアイソレーションをとって（一例として５０ｄＢ以上）、送信用と受信用で分離して配置するのが望ましい。以下、図１から図３を用いて、本実施形態の電波を利用した水位測定装置の動作について詳細に説明する。
The antenna is installed vertically above the water surface so that the transmitting
図１において、発振部１１は、基本周波数ｆ０の送信波（電波）を発生させ、これを出力する。周波数変調部１２は、前述した送信波が入力され、これを周波数変調し、周波数ｆ０〜ｆ０＋Ｂ［Ｈｚ］の範囲で、時間Ｔ［ｓｅｃ］に対して線形的に変移する送信波を出力する。周波数変調された送信波は、ミキサ１３に入力され、ＩＦ発振部１４から出力されたＩＦ信号とミキシングされる。ミキサ１３によりミキシングされた送信波は、フィルタ１５により、高周波成分のみが通過するようフィルタリングされ、ＩＦ周波数帯（ｆＩＦ〜ｆＩＦ＋Ｂ［Ｈｚ］）にアップコンバートされる。
In FIG. 1, an oscillating
ＩＦ周波数帯にアップコンバートされた送信波は、カプラ１６に入力される。カプラ１６に入力された送信波は、ミキサ１７と、直交検波部４２に出力される。ミキサ１７に入力された送信波は、ＲＦ発振部３０から出力されたＲＦ信号とミキシングされる。ミキサ１７によりミキシングされた送信波は、フィルタ１８により、高周波成分のみが通過するようフィルタリングされ、ＲＦ周波数帯（ｆＲＦ〜ｆＲＦ＋Ｂ［Ｈｚ］）にアップコンバートされる。そして、ＲＦ周波数帯にアップコンバートされた送信波は、送信アンテナ２１から水面に対して輻射される。
The transmission wave up-converted to the IF frequency band is input to the
送信アンテナ２１から水面に対して輻射された送信波は、水面で反射し、受信波として受信アンテナ２３で受信される。この受信波は、送信波に対して、水面までの距離Ｒ［ｍ］を往復して伝搬する時間分δｔ［ｓｅｃ］だけ遅延している。そして、この受信波は、ミキサ４０に入力される。ミキサ４０に入力された受信波は、ＲＦ発振部３０から出力されたＲＦ信号とミキシングされる。ミキサ４０によりミキシングされた送信波は、フィルタ４１により、低周波成分のみが通過するようフィルタリングされ、ＩＦ周波数帯（ｆＩＦ〜ｆＩＦ＋Ｂ［Ｈｚ］）にダウンコンバートされる。そして、ＩＦ周波数帯にダウンコンバートされた受信波は、直交検波部４２に入力される。
The transmission wave radiated from the
直交検波部４２に入力された受信波は、ミキサ４３−１，４３−２に入力される。ミキサ４３−１に入力された受信波は、カプラ１６から出力された送信波との間で、ミキシングされる。ミキサ４３−１によりミキシングされた受信波は、フィルタ４５−１により、低周波成分のみが通過するようフィルタリングされ、後述する送信波の周波数と、受信波の周波数と、の差分の周波数δｆ［Ｈｚ］を有するビート信号の同相成分である余弦波成分が出力される。また、ミキサ４３−２に入力された受信波は、カプラ１６から出力されπ／２移相器４４によりπ／２位相がずれた送信波との間でミキシングされる。ミキサ４３−２によりミキシングされた受信波は、フィルタ４５−２により、高周波成分のみが通過するようフィルタリングされ、後述する送信波の周波数と、受信波の周波数と、の差分の周波数δｆ［Ｈｚ］を有するビート信号の直交成分である正弦波成分が出力される。
The received wave input to the
図２に、直交検波部４２に入力される送信波と、受信波と、の周波数の変移の様子を示す。図２は、送信波と受信波の周波数変移の様子を示したグラフであり、横軸が時間、縦軸が周波数である。カプラ１６から出力される送信波は、周波数ｆＩＦ〜ｆＩＦ＋Ｂ［Ｈｚ］の範囲で時間Ｔ［ｓｅｃ］に対して線形的に変移する。また、直交検波部４２に入力される受信波も、周波数ｆＩＦ〜ｆＩＦ＋Ｂ［Ｈｚ］の範囲で時間Ｔ［ｓｅｃ］に対して線形的に変移して入力される。ここで、直交検波部４２に入力される受信波は、前述したように送信波に対して、水面までの距離Ｒ［ｍ］を往復して伝搬した分の時間δｔ［ｓｅｃ］だけ遅延して入力される。一方、直交検波部４２に入力される送信波は、受信波に対して周波数δｆ［Ｈｚ］だけ（時間δｔ［ｓｅｃ］の分だけ）変移している。従って、直交検波部４２からは、送信波の周波数と、受信波の周波数と、の差分の周波数δｆ［Ｈｚ］のビート信号の余弦波成分と正弦波成分が出力される。
FIG. 2 shows a state of frequency shift between the transmission wave and the reception wave input to the
ここで、送信波の周波数変動幅をＢ［Ｈｚ］、変動時間をＴ［ｓｅｃ］とすると、電波が水面で反射して往復する時間は、
δｔ ＝ Ｔδｆ／Ｂ ・・・ （４）
で表される。従って、電波の伝搬速度をｃ［ｍ／ｓｅｃ］とすると、水面までの距離Ｒ［ｍ］は、
Ｒ ＝ ｃＴδｆ／２Ｂ ・・・ （５）
を算出することにより求まる。
Here, when the frequency fluctuation width of the transmission wave is B [Hz] and the fluctuation time is T [sec], the time for which the radio wave is reflected on the water surface and reciprocates is:
δt = Tδf / B (4)
It is represented by Therefore, when the propagation speed of radio waves is c [m / sec], the distance R [m] to the water surface is
R = cTδf / 2B (5)
Is obtained by calculating.
前述したように、ミキサ４５−１及び４５−２から出力されるビート信号は、アナログ信号である。従って、演算部５０で、ビート信号の周波数δｆ［Ｈｚ］から距離Ｒ［ｍ］を算出するためには、ビート信号をデジタル信号（データ系列）に変換し、これを算出する必要がある。しかし、このビート信号を実数データとして、離散フーリエ変換してしまうと、前述したようなビート信号のスペクトラムの鏡像の影響を排除することができない。そこで、本実施形態に関わる電波を利用した水位測定装置では、前述した直交検波部４２から出力されたビート信号の同相成分である余弦波成分を実部とし、直交成分である正弦波成分を虚部とした複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより鏡像の影響を排除する。以下、これについて詳細に説明する。
As described above, the beat signals output from the mixers 45-1 and 45-2 are analog signals. Therefore, in order for the
直交検波部４２のフィルタ４５−１から出力されたビート信号の同相成分は、コンデンサ４６−１により直流成分を含む低周波成分が除去されたのち、Ａ／Ｄ変換部４７−１に入力される。Ａ／Ｄ変換部４７−１に入力されたビート信号の同相成分は、既定のサンプル数でＡ／Ｄ変換される。一例として、既定のサンプル数を２５６個とする。従って、Ａ／Ｄ変換部４７−１からは、２５６個のデータからなる（同相成分の）データ系列が出力される。一方、直交検波部４２のフィルタ４５−２から出力されたビート信号の直交成分は、コンデンサ４６−２により直流成分を含む低周波成分が除去されたのち、Ａ／Ｄ変換部４７−２に入力される。Ａ／Ｄ変換部４７−２に入力されたビート信号の直交成分は、前述した既定のサンプル数と同数のサンプル数（２５６個）でＡ／Ｄ変換される。従って、Ａ／Ｄ変換部４７−２からは、２５６個のデータからなる（直交成分の）データ系列が出力される。ここで、Ａ／Ｄ変換部４７−１及び４７−２により生成されたデータ系列は、演算部５０に入力され、前述したビート信号の周波数δｆ［Ｈｚ］が算出され、送信アンテナ２１（又は２３）から水面までの距離（水位）が算出される。以下、演算部５０の処理について、詳細に説明する。
The in-phase component of the beat signal output from the filter 45-1 of the
前述したようにＡ／Ｄ変換部４７−１から出力され、演算部５０に入力されたビート信号は、ビート信号の同相成分である余弦波成分（Ａ・ｃｏｓ（ωｔ＋φ））である。一方、Ａ／Ｄ変換部４７−２から出力され、演算部５０に入力されたビート信号は、ビート信号の直交成分である正弦波成分（Ａ・ｓｉｎ（ωｔ＋φ））である。ここで、ビート信号の同相成分である余弦波成分を実部とし、ビート信号の直交成分である正弦成分を虚部とすると、ビート信号は、
Ａ・ｃｏｓ（ωｔ＋φ）＋ｊＡ・ｓｉｎ（ωｔ＋φ） ＝ Ａ・ｅｊ（ωｔ＋φ）
・・・ （６）
のように表すことができる。式（６）で表されるビート信号をフーリエ変換すると、
となる。前述したように、δ（ｋ−ω）はディラックのデルタ関数であり、ｋ≠ωとなるときに０となる関数である。従って、角周波数ωのビート信号の複素数をフーリエ変換すると、角周波数“＋ω”のスペクトラム（これを「実像」と呼ぶ）のみが現れる。
As described above, the beat signal output from the A / D conversion unit 47-1 and input to the
A · cos (ωt + φ) + jA · sin (ωt + φ) = A · e j (ωt + φ)
(6)
It can be expressed as When the beat signal represented by Equation (6) is Fourier transformed,
It becomes. As described above, δ (k−ω) is a Dirac delta function, and is a function that becomes 0 when k ≠ ω. Therefore, when the complex number of the beat signal having the angular frequency ω is Fourier-transformed, only the spectrum having the angular frequency “+ ω” (referred to as “real image”) appears.
前述したように、電波を利用した水位測定装置１では、ビート信号の周波数を検出するために、ミキシングにより得られたビート信号をＡ／Ｄ変換し、これにより生成された複素データ系列を、離散フーリエ変換している。このため、各周波数ωを有するビート信号の複素データ系列を、離散フーリエ変換すると、図３に示すように、角周波数“＋ω”を中心とする四角形でポイントされたｓｉｎｃ関数特性を有するビート信号の実像のスペクトラムのみが算出される。
As described above, in the water
従って、本実施形態に示した電波を利用した水位測定装置では、従来の電波を利用した水位測定装置のように鏡像のスペクトラムが算出されることがない。これにより、本実施形態に示した電波を利用した水位測定装置では、従来の電波を利用した水位測定装置のように、近距離にある水面までの距離を測定するとき（ビート信号の周波数が低くなったとき）に、検出されるビート信号の振幅値が最大となる周波数から、スペクトラムの鏡像の影響による誤差を排除することができる。 Therefore, in the water level measurement device using radio waves shown in this embodiment, the spectrum of the mirror image is not calculated unlike the conventional water level measurement device using radio waves. Thereby, in the water level measuring device using the radio wave shown in this embodiment, when measuring the distance to the water surface at a short distance as in the conventional water level measuring device using the radio wave (the frequency of the beat signal is low). From the frequency at which the amplitude value of the detected beat signal becomes maximum, an error due to the influence of the mirror image of the spectrum can be eliminated.
従って、本実施形態に示した電波を利用した水位測定装置１では、図３に示した、演算部５０により算出されたビート信号の実像のスペクトラムから、鏡像の影響を受けることなく、ビート信号の周波数が低いとき（アンテナから水面までの距離が近いとき）のビート信号のスペクトラムの振幅が最大となるピーク周波数ｆｐ［Ｈｚ］を算出することができる。これにより算出されたピーク周波数ｆｐ［Ｈｚ］から、水位測定装置１の送信アンテナ２１（又は受信アンテナ２３）から水面までの距離Ｒ［ｍ］は、
Ｒ ＝ ｃｆｐＴ／２Ｂ ・・・ （８）
で表すことができる。すなわち、電波を利用した水位測定装置１が、水深距離Ｌ０に設置されているとすると、水位は、
Ｌ ＝ Ｌ０−ｃｆｐＴ／２Ｂ ・・・ （９）
で表される。
Therefore, in the water
R = cf p T / 2B (8)
It can be expressed as That is, if the water
L = L 0 −cf p T / 2B (9)
It is represented by
さらに、測定精度をより向上させるために、一つの水位の測定結果を出力するまでに、数十回など規定回数の測定をして平均値を出力するのが望ましい。本実施形態で説明した電波を利用した水位測定装置は、近距離の水面までの距離を精度良く測定することができるが、平均化することによって、雑音の影響を抑えることができる。白色雑音による誤差の影響は、平均値を算出するときの繰り返し数の平方根に反比例する。例えば、５０個の測定値を平均することにより、雑音の影響を約７分の１に抑えることができる。雑音の影響を抑えるために、平均値を算出するときは、５０回の測定は、水位変動が無視できるくらいの時間（例えば１秒以内）に完了させるのが望ましい。 Furthermore, in order to further improve the measurement accuracy, it is desirable to output an average value by performing a predetermined number of measurements such as several tens of times before outputting a measurement result of one water level. The water level measurement apparatus using radio waves described in the present embodiment can accurately measure the distance to the water surface at a short distance, but the influence of noise can be suppressed by averaging. The influence of the error due to white noise is inversely proportional to the square root of the number of repetitions when calculating the average value. For example, by averaging 50 measurement values, the influence of noise can be suppressed to about 1/7. In order to suppress the influence of noise, when calculating an average value, it is desirable to complete 50 measurements within a time (for example, within 1 second) such that fluctuations in the water level can be ignored.
また、本実施形態で示した電波を利用した水位測定装置は、テレメータシステムに適用しても良い。測定された水位は、有線、または、無線回線を通して、中央の制御センター等に伝送される。対向側のテレメータシステムは、水位のデータを保存し、帳票作成、増水判定、災害の早期発見などが可能となり、防災業務により貢献することができる。 Further, the water level measuring device using radio waves shown in the present embodiment may be applied to a telemeter system. The measured water level is transmitted to a central control center or the like through a wired or wireless line. The telemeter system on the opposite side can save water level data, enable forms creation, water increase judgment, early detection of disasters, etc., and can contribute to disaster prevention work.
以上、説明したように、本実施形態に係る電波を利用した水位測定装置は、ビート信号を直交検波により検出し、ビート信号の同相成分のデータ系列を実部とし、ビート信号の直交成分のデータ系列を虚部とした複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより、アンテナから近距離の水面までの距離を精度良く測定することができる水位測定装置を実現することができる。なお、本実施形態に係る電波を利用した水位測定装置が、距離測定装置に転用できることは言うまでも無く本発明の趣旨から離れるものではない。 As described above, the water level measurement device using the radio wave according to the present embodiment detects the beat signal by quadrature detection, uses the in-phase component data series of the beat signal as the real part, and the quadrature component data of the beat signal. By performing a discrete Fourier transform on the complex data series having the series as an imaginary part, it is possible to realize a water level measurement device that can accurately measure the distance from the antenna to the water surface at a short distance. Needless to say, the water level measuring device using the radio wave according to the present embodiment can be diverted to the distance measuring device.
１ 電波を利用した水位測定装置、１１ 発振部、１２ 周波数変調部、１３，１７，４０，４３−１，４３−２ ミキサ、１４ ＩＦ発振部、１５，１８，４１，４５−１，４５−２ フィルタ、１６ カプラ、２１ 送信アンテナ、２３ 受信アンテナ、３０ ＲＦ発振部、４２ 直交検波部、４４ π／２移相器、４６−１，４６−２ コンデンサ、４７−１，４７−２ Ａ／Ｄ変換部、５０ 演算部。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
アンテナを介し、水面で反射した電波を受信する受信系と、
送信した電波の周波数と、受信した電波の周波数と、の差分の周波数成分を検出する周波数検出部と、
差分の周波数成分をＡ／Ｄ変換し、データ系列を生成するＡ／Ｄ変換部と、
データ系列を演算することにより、アンテナから水面までの距離を測定する演算部と、
を備え、
周波数検出部は、
送信した電波で、受信した電波を直交検波することにより、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、を検出し、
演算部は、
差分の周波数成分の同相成分のデータ系列を実部とし、差分の周波数成分の直交成分のデータ系列を虚部とした複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより、アンテナから水面までの距離を測定することを特徴とする電波を利用した水位測定装置。 A transmission system that transmits radio waves that change with time in a certain range from the antenna to the water surface,
A receiving system for receiving radio waves reflected from the water surface via an antenna;
A frequency detector that detects the frequency component of the difference between the frequency of the transmitted radio wave and the frequency of the received radio wave;
An A / D converter that performs A / D conversion on the frequency component of the difference and generates a data series;
An arithmetic unit that measures the distance from the antenna to the water surface by calculating a data series;
With
The frequency detector
By detecting the received radio wave by quadrature detection with the transmitted radio wave, the in-phase component of the difference frequency component and the quadrature component of the difference frequency component are detected,
The calculation unit
Measures the distance from the antenna to the water surface by performing a discrete Fourier transform on a complex data sequence with the in-phase component data sequence of the difference frequency component as the real part and the complex data sequence with the difference frequency component orthogonal component data sequence as the imaginary part A water level measurement device using radio waves, characterized by:
アンテナは、
水面に対し電波を送信する送信アンテナと、水面から反射した電波を受信する受信アンテナと、を備えていることを特徴とする電波を利用した水位測定装置。 A water level measuring device using radio waves according to claim 1,
The antenna is
A water level measurement device using radio waves, comprising: a transmission antenna that transmits radio waves to the water surface; and a reception antenna that receives radio waves reflected from the water surface.
アンテナを介し、水面で反射した電波を受信する工程と、
送信した電波の周波数と、受信した電波の周波数と、の差分の周波数成分を検出する工程と、
差分の周波数成分をＡ／Ｄ変換し、データ系列を生成する工程と、
データ系列を演算することにより、アンテナから水面までの距離を測定する工程と、
を有し、
差分の周波数成分を検出する工程は、
送信した電波で、受信した電波を直交検波することにより、差分の周波数成分の同相成分と、差分の周波数成分の直交成分と、を検出する工程を含み、
アンテナから水面までの距離を測定する工程は、
差分の周波数成分の同相成分のデータ系列を実部とし、差分の周波数成分の直交成分のデータ系列を虚部とした複素データ系列を、離散フーリエ変換することにより、アンテナから水面までの距離を測定する工程を含むことを特徴とする電波を利用した水位測定方法。 Transmitting a radio wave whose frequency changes with time in a certain range from the antenna to the water surface;
Receiving a radio wave reflected from the water surface via an antenna;
Detecting the frequency component of the difference between the frequency of the transmitted radio wave and the frequency of the received radio wave;
A / D conversion of the difference frequency component to generate a data series;
A step of measuring the distance from the antenna to the water surface by calculating a data series;
Have
The step of detecting the difference frequency component is:
In the transmitted radio wave, including the step of detecting the in-phase component of the difference frequency component and the quadrature component of the difference frequency component by quadrature detection of the received radio wave,
The process of measuring the distance from the antenna to the water surface is
Measures the distance from the antenna to the water surface by performing a discrete Fourier transform on a complex data sequence with the in-phase component data sequence of the difference frequency component as the real part and the complex data sequence with the difference frequency component orthogonal component data sequence as the imaginary part A method for measuring a water level using radio waves, characterized by comprising a step of:
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JPS6286572U (en) * | 1985-11-21 | 1987-06-02 | ||
| JPH1031065A (en) * | 1996-05-14 | 1998-02-03 | Koden Electron Co Ltd | Fm-cw radar |
| JP2000055716A (en) * | 1998-08-04 | 2000-02-25 | Meisei Electric Co Ltd | Measuring method for water level |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101885671B1 (en) * | 2017-11-16 | 2018-08-06 | 주식회사 제이컴스 | A k band radar integrated measurement apparatus for rainfall and water level and method thereof |
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