JP2007278932A - Minute movement detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ波を用いて対象物の微小移動を検出する微小移動検出装置に関する。 The present invention relates to a minute movement detection device that detects minute movement of an object using a microwave.
下記特許文献1には、所定波長のマイクロ波(送信波)と、当該送信波が移動検出対象物に反射して得られる受信波(反射波)とによって形成される定在波の振幅最大値を検出することにより移動検出対象物の微小移動を検出する移動距離検出装置が開示されている。 In Patent Document 1 below, the maximum amplitude of a standing wave formed by a microwave having a predetermined wavelength (transmitted wave) and a received wave (reflected wave) obtained by reflecting the transmitted wave on a movement detection object is disclosed. A movement distance detection device that detects a minute movement of a movement detection object by detecting the movement is disclosed.
上記定在波の振幅は、受信点と移動検出対象物との間の位置に応じて正弦波状に変化するものとなり、送信波の受信点及び送信点を固定した状態において移動検出対象が受信点に対して接近する方向或いは離間する方向に移動すると、受信点における定在波の振幅は正弦波状に変化するものとなる。上記移動距離検出装置では、このように正弦波状に変化する定在波の振幅が最大となる位置を追尾し、当該位置の基準位置に対するズレを移動検出対象物の移動量として検出する。 The amplitude of the standing wave changes sinusoidally according to the position between the reception point and the movement detection object, and the movement detection target is the reception point when the reception point and transmission point of the transmission wave are fixed. When moving in a direction approaching or separating from, the amplitude of the standing wave at the reception point changes in a sine wave shape. In the movement distance detection device, the position where the amplitude of the standing wave that changes in a sine wave is maximized is tracked, and the deviation of the position from the reference position is detected as the movement amount of the movement detection object.
しかしながら、正弦波状に変化する定在波では、振幅最大値近傍における定在波の振幅変化が緩慢なために定在波の振幅最大値の検出に誤差が生じ易い。そして、この振幅最大値の検出誤差は、そのまま微小移動量の検出誤差となる。したがって、従来技術では、定在波の振幅最大値の検出誤差に起因して微小移動量の検出精度が低下するという問題点があった。 However, in a standing wave that changes in a sine wave shape, the amplitude of the standing wave in the vicinity of the maximum amplitude value is slow, and an error is likely to occur in the detection of the maximum amplitude value of the standing wave. The detection error of the maximum amplitude value becomes the detection error of the minute movement amount as it is. Therefore, the conventional technique has a problem that the detection accuracy of the minute movement amount is lowered due to the detection error of the maximum amplitude value of the standing wave.
本出願人は、上述の問題点を解決する発明を出願している(特願2005−369126)。ここに開示した技術は、微小移動検出装置から出射した送信波と、この送信信号が移動検出対象物に反射した反射波との位相差の変化を検出することによって、移動検出対象物の微小移動を検出するというものである。
ところで、特願2005−369126号の装置における位相検出器は、検出信号の電圧値が360°毎に三角波状に変化する位相検出特性を有している。すなわち、例えば0〜180°の位相差範囲においては検出信号の電圧値が略直線状に増加し、180〜360°の位相差範囲においては検出信号の電圧値が略直線状に減少する。そして、このような検出信号の電圧値の変化における直線性は、上記各位相差範囲の中心(90°或いは270°)近傍が最も良好であり、検出信号の電圧値が上昇から降下に転じる180°或いは360°近傍では良好でない。したがって、このような180°或いは360°近傍では、位相差の検出精度が低下するという問題がある。 By the way, the phase detector in the device of Japanese Patent Application No. 2005-369126 has a phase detection characteristic in which the voltage value of the detection signal changes in a triangular wave shape every 360 °. That is, for example, in the phase difference range of 0 to 180 °, the voltage value of the detection signal increases substantially linearly, and in the phase difference range of 180 to 360 °, the voltage value of the detection signal decreases substantially linearly. The linearity in the change in the voltage value of the detection signal is best near the center (90 ° or 270 °) of each phase difference range, and the voltage value of the detection signal changes from rising to falling. Or it is not good around 360 °. Therefore, in the vicinity of 180 ° or 360 °, there is a problem that the detection accuracy of the phase difference is lowered.
このような位相検出器の位相検出特性を考慮して、従来では微小移動検出装置の設置時において上記位相差が90°或いは270°に初期設定されるように微小移動検出装置の位置を調節していたが、この位置調整は、設置場所の地形等の関係で極めて煩雑な作業である。 Considering the phase detection characteristics of such a phase detector, the position of the minute movement detection device is conventionally adjusted so that the phase difference is initially set to 90 ° or 270 ° when the minute movement detection device is installed. However, this position adjustment is extremely complicated due to the topography of the installation location.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、位相検出器を利用して対象物の微小移動を検出する微小移動検出装置の初期設定を容易にすることを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to facilitate the initial setting of a minute movement detection device that detects a minute movement of an object using a phase detector. .
上記課題を解決するために、本発明では、第1の手段として、マイクロ波帯の波長を有する送信信号を発生する送信信号発生器と、前記送信信号を送信波として移動検出対象物に照射する送信アンテナと、前記送信波が移動検出対象物に反射して得られる反射波を捕らえ受信信号を出力する受信アンテナと、所定周波数のローカル信号を発生するローカル信号発生器と、ローカル信号を用いて送信信号を低周波送信信号に周波数変換する送信信号周波数変換器と、ローカル信号を用いて受信信号を低周波受信信号に周波数変換する受信信号周波数変換器と、低周波送信信号或いは低周波受信信号のいずれか一方を所定の位相差分だけ切り替える位相切替器と、該位相切替器の後段において低周波送信信号と低周波受信信号との位相差を検出する位相検出器と、該位相検出器の検出信号に基づいて移動検出対象物の移動状態を判定する判定手段と、前記位相検出器の検出信号に基づいて、初期位相差が前記位相検出器の位相検出特性における直線領域の中心に最も近くなるように前記位相切替器を制御する初期設定手段と、を具備するものを採用した。 In order to solve the above problems, in the present invention, as a first means, a transmission signal generator that generates a transmission signal having a wavelength in the microwave band, and the movement detection target object is irradiated with the transmission signal as a transmission wave. Using a transmission antenna, a reception antenna that captures a reflected wave obtained by reflecting the transmission wave on an object to be detected and outputs a reception signal, a local signal generator that generates a local signal of a predetermined frequency, and a local signal Transmission signal frequency converter for frequency conversion of transmission signal to low frequency transmission signal, reception signal frequency converter for frequency conversion of reception signal to low frequency reception signal using local signal, low frequency transmission signal or low frequency reception signal Detecting a phase difference between a low-frequency transmission signal and a low-frequency reception signal at a subsequent stage of the phase switch that switches either one of the two by a predetermined phase difference A phase detector; a determination means for determining a movement state of the movement detection object based on the detection signal of the phase detector; and an initial phase difference based on the detection signal of the phase detector. And an initial setting means for controlling the phase switch so as to be closest to the center of the straight line region in the detection characteristics.
また、第2の手段として、上記第1の手段において、位相切替器は、低周波送信信号或いは低周波受信信号のいずれか一方を所定の固定位相分だけ遅延させる信号遅延手段を複数組み合わせてなるものを採用した。 As a second means, in the first means, the phase switch is formed by combining a plurality of signal delay means for delaying either the low-frequency transmission signal or the low-frequency reception signal by a predetermined fixed phase. The thing was adopted.
本発明によれば、低周波送信信号或いは低周波受信信号のいずれか一方の位相を所定の位相差分だけ切り替える位相切替器を設け、初期設定手段によって、位相検出器の検出信号に基づいて位相切替器を制御することにより、初期位相差を位相検出器の位相検出特性における直線領域の中心に最も近くなるようにしたので、装置位置の微調整によらず初期位相差の初期値を最適にすることができるため、微小移動検出装置の初期設定を容易にすることができる。 According to the present invention, there is provided a phase switch that switches a phase of either a low-frequency transmission signal or a low-frequency reception signal by a predetermined phase difference, and the phase is switched by the initial setting means based on the detection signal of the phase detector. By controlling the detector, the initial phase difference is made closest to the center of the linear region in the phase detection characteristics of the phase detector, so the initial value of the initial phase difference is optimized regardless of the fine adjustment of the device position. Therefore, the initial setting of the minute movement detection device can be facilitated.
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、第1実施形態に係る微小移動検出装置のブロック図である。この図1に示されているように、本微小移動検出装置は、電圧制御発振器1、カップラ2、送信信号電力分配器3、PLL(Phase Locked Loop)回路4、アッテネータ5、送信信号用ミキサ6、送信アンテナ7、受信アンテナ8、受信信号用ミキサ9、ローカル信号電力分配器10、ローカル発振器11、位相検出器12及びワンチップマイコン13、位相切替器14a,14b,14c、アンプ15から構成されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of a minute movement detection apparatus according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the present minute movement detecting device includes a voltage controlled oscillator 1, a
電圧制御発振器1は、PLL回路4から入力される制御電圧に基づいてマイクロ波帯の送信信号を発振する。この送信信号の周波数は、例えば10.525GHzである。カップラ2は、上記電圧制御発振器1と送信アンテナ7との間の信号伝送路に設けられており、電圧制御発振器1から出力された送信信号の一部を送信信号電力分配器3に出力する。
送信信号電力分配器3は、上記カップラ2から入力された送信信号をPLL回路4とアッテネータ5とに電力分配するものである。PLL回路4は、送信信号電力分配器3から入力された送信信号に基づいて上記制御電圧を生成するものである。上記電圧制御発振器1、カップラ2、送信信号電力分配器3及びPLL回路4は、電圧制御発振器1における送信信号の発振を制御する制御ループを形成しており、本実施形態における送信信号発生器に相当する。
The voltage controlled oscillator 1 oscillates a microwave band transmission signal based on the control voltage input from the PLL circuit 4. The frequency of this transmission signal is, for example, 10.525 GHz. The
The transmission
アッテネータ5は、上記送信信号電力分配器3と送信信号用ミキサ6との間の信号伝送路に設けられており、上記送信信号電力分配器3から入力された送信信号を所定量だけ減衰させて送信信号用ミキサ6に出力する。送信信号用ミキサ6は、アッテネータ5から入力された送信信号をローカル信号電力分配器10から入力されたローカル信号に基づいて低周波送信信号に周波数変換するものであり、本実施形態における送信信号周波数変換器に相当する。
The
送信アンテナ7は、上記送信信号を偏波面が右旋回する送信波として移動検出対象物(例えば岩盤等の壁面)に照射する円偏波アンテナである。受信アンテナ8は、上記送信波が移動検出対象物(図示略)に反射して得られる反射波を捕らえ受信信号を出力する円偏波アンテナである。この反射波は、送信波が移動検出対象物で反射したものなので、偏波面が送信波(右旋回)とは逆で左旋回するマイクロ波となる。これら送信アンテナ7及び受信アンテナ8は、移動検出対象物に対して同一距離となる位置に固定されている。 The transmission antenna 7 is a circularly polarized antenna that irradiates the movement detection object (for example, a wall surface of a rock, etc.) with the transmission signal as a transmission wave whose polarization plane turns right. The reception antenna 8 is a circularly polarized antenna that captures a reflected wave obtained by reflecting the transmission wave on a movement detection object (not shown) and outputs a reception signal. This reflected wave is a microwave in which the transmitted wave is reflected by the movement detection object, and thus the polarization plane is a left-turned wave opposite to the transmitted wave (turned to the right). The transmission antenna 7 and the reception antenna 8 are fixed at positions that are the same distance from the movement detection object.
アンプ15は、受信アンテナ8から入力された受信信号を増幅して受信信号用ミキサ9へ出力する。
受信信号用ミキサ9は、アンプ15から入力された受信信号をローカル信号電力分配器10から入力されたローカル信号に基づいて低周波受信信号に周波数変換するものであり、本実施形態における受信信号周波数変換器に相当する。
ローカル発振器11は、ローカル信号を発振してローカル信号電力分配器10に出力するもので、本実施形態におけるローカル信号発生器に相当する。このローカル信号の周波数は、例えば9GHzである。ローカル信号電力分配器10は、ローカル発振器11から入力されたローカル信号を上記送信信号用ミキサ6と受信信号用ミキサ9とに電力分配する。
The
The reception signal mixer 9 converts the frequency of the reception signal input from the
The
位相検出器12は、送信信号用ミキサ6から入力された低周波送信信号と受信信号用ミキサ9から入力された低周波受信信号との位相差を検出し検出信号をワンチップマイコン13に出力する。この位相検出器12は、図2に示すような位相検出特性、つまり0〜180°の範囲の位相差については検出信号が直線的に増加する特性を、また180°〜360°の範囲の位相差については検出信号が直線的に減少する特性を有している。
The
位相切替器14aは、ワンチップマイコン13Aから制御信号が入力されると、低周波送信信号を遅延させることにより、22°だけ位相を切り替えるものである。位相切替器14bは、ワンチップマイコン13Aから制御信号が入力されると、低周波送信信号を遅延させることにより、44°だけ位相を切り替えるものである。位相切替器14cは、ワンチップマイコン13Aから制御信号が入力されると、低周波送信信号を遅延させることにより、88°だけ位相を切り替えるものである。これらの位相切替器14a,14b,14cは、直列に連結され、送信信号用ミキサ6と位相検出器12との間に設けられている。
When the control signal is input from the one-chip microcomputer 13A, the
ワンチップマイコン13は、本実施形態における判定手段に相当するものであり、位相検出器12の検出信号に基づいて移動検出対象物の移動状態を判定し、その判定結果を外部に出力する。このワンチップマイコン13は、上述した検出信号(アナログ信号)を量子化するA/D変換器、所定の判定処理プログラムを記憶する記憶部、A/D変換器から出力されたデジタル信号としての検出データに上記判定処理プログラムに基づく判定処理を施すCPU(Central Processing Unit)、及び当該CPUによる判定処理結果を外部に出力する出力部等から構成されている。
The one-
また、ワンチップマイコン13は、本実施形態における初期設定手段に相当するものであり、位相検出器12の検出信号に基づいて、初期位相差が、位相検出器12の位相検出特性(図2)における直線領域の中心に最も近くなるように、位相切替器14a,14b,14cを制御する。
Further, the one-
次に、このように構成された本微小移動検出装置の要部動作について、図3をも参照して詳しく説明する。 Next, the operation of the main part of the minute movement detecting apparatus configured as described above will be described in detail with reference to FIG.
本微小移動検出装置では、10.525GHzの周波数を有する送信波が送信アンテナ7から移動検出対象物に照射され、この送信波が移動検出対象物で反射して発生した反射波(送信波と同様に10.525GHzの周波数を有する)が受信アンテナ8で捕らえられる。上記送信波の送信タイミングを基準とした反射波の受信タイミングは、送信波が送信アンテナ7から移動検出対象物に伝播する時間に反射波が移動検出対象物から受信アンテナ8に伝搬する時間を加算したものとなる。 In this minute movement detection device, a transmission wave having a frequency of 10.525 GHz is irradiated from the transmission antenna 7 onto the movement detection object, and this transmission wave is reflected by the movement detection object (similar to the transmission wave). Having a frequency of 10.525 GHz) is received by the receiving antenna 8. The reception timing of the reflected wave based on the transmission timing of the transmission wave is obtained by adding the time for the reflected wave to propagate from the movement detection object to the reception antenna 8 to the time for the transmission wave to propagate from the transmission antenna 7 to the movement detection object. Will be.
すなわち、送信波と受信波との位相差は、10.525GHzの周波数を有するマイクロ波(送信波及び受信波)が送信アンテナ7(受信アンテナ8)と移動検出対象物との距離に応じて変化するものとなる。図3に示すように、岩盤の壁面(移動検出対象物)が位置Aにある場合の反射波1と岩盤の壁面が位置Bにある場合の反射波2とは送信波に対する位相差が異なっている。
That is, the phase difference between the transmission wave and the reception wave changes according to the distance between the transmission antenna 7 (reception antenna 8) and the moving detection object of the microwave (transmission wave and reception wave) having a frequency of 10.525 GHz. Will be. As shown in FIG. 3, the reflected wave 1 when the rock wall surface (movement detection object) is at position A and the reflected
このような送信波と受信波との位相差は、本微小移動検出装置と移動検出対象物との距離に応じた値であり、また送信信号と受信信号との位相差と同義である。したがって、本微小移動検出装置が位置不変に固定設置されている場合、送信信号と受信信号の位相差を検出することによって移動検出対象物の移動状態を判定することが可能である。 Such a phase difference between the transmission wave and the reception wave is a value corresponding to the distance between the minute movement detection device and the movement detection target, and is synonymous with a phase difference between the transmission signal and the reception signal. Therefore, when the present minute movement detection device is fixedly installed so as not to change its position, it is possible to determine the movement state of the movement detection object by detecting the phase difference between the transmission signal and the reception signal.
本微小移動検出装置では、上述した制御ループによって周波数安定性が極めて高い送信信号を発生させ、このような送信信号に基づいて送信アンテナ7から送信波を移動検出対象物に照射して反射波を受信アンテナ8で捕らえる。そして、送信信号を送信信号用ミキサ6で低周波送信信号に周波数変換する一方、受信信号を受信信号用ミキサ9で低周波受信信号に周波数変換し、これら低周波送信信号と低周波受信信号との位相差を位相検出器12で検出する。低周波送信信号と低周波受信信号とは、同一のローカル信号によって周波数変換されたものであり、よってその位相差は、周波数変換前の送信信号と受信信号との位相差と同一である。
In the present minute movement detection device, a transmission signal having extremely high frequency stability is generated by the above-described control loop, and based on such a transmission signal, a transmission wave is irradiated from the transmission antenna 7 to the movement detection object, and a reflected wave is generated. Captured by the receiving antenna 8. The transmission signal is frequency-converted to a low-frequency transmission signal by the
ワンチップマイコン13に組み込まれた判定処理プログラムには、送信波(受信波)の周波数情報つまり「10.525GHz」がデータとして取り込まれており、ワンチップマイコン13は、判定処理プログラムに基づいて位相検出器12から入力される検出信号、つまり低周波送信信号と低周波受信信号との位相差と送信波(受信波)の周波数とに基づいて移動検出対象物の移動距離を演算する。
In the determination processing program incorporated in the one-
このような本微小移動検出装置の初期設定動作において、ワンチップマイコン13は、位相検出器12の検出信号に基づいて、初期位相差が、位相検出器12の位相検出特性(図2)における直線領域の中心、つまり90°或いは270°に最も近くなるように、位相切替器14a,14b,14cを制御する。
再度、図2を参照して説明すると、位相検出器12の位相差特性は、実際には90°及び270°の直線性に比べて0°、180°及び360°近傍の直線性が悪いので、より直線性が良好な範囲を位相差検出範囲とするために、初期的には位相差が0〜180°(直線増加領域)或いは180°〜360°(直線減少領域)の中間位置、つまり90°或いは270°に近づけるように設定される。
In such an initial setting operation of the minute movement detection apparatus, the one-
Referring to FIG. 2 again, the phase difference characteristics of the
例えば、初期設定前に、位相検出器12の検出信号に基づく位相差が30°程度であれば、ワンチップマイコン13は、位相切替器14aを制御して低周波送信信号を遅延させて位相を22°ずらすと共に、位相切替器14bをも制御して低周波送信信号を更に遅延させて位相を44°ずらすと、位相差は96°程度になる。このように、位相切替器14a,14b,14cは、それぞれが22°,44°,88°だけ位相を切り替えるものであるので、組合せによって、0°,22°,44°,66°,88°,110°,132°,154°の8通りに位相を切り替えることができる。
For example, before the initial setting, if the phase difference based on the detection signal of the
この状態において、移動検出対象物が微小移動検出装置に対して近づく方向あるいは遠ざかる方向に微小移動すると、位相差は90°の近傍から増大あるいは減少し、位相検出器12の検出信号の値は、位相検出特性に沿って、直線的に増大あるいは減少することになって、良好な位相差検出精度を得ることができる。
In this state, when the movement detection object moves minutely in the direction approaching or moving away from the minute movement detection device, the phase difference increases or decreases from the vicinity of 90 °, and the value of the detection signal of the
なお、本実施形態では、位相切替器14a,14b,14cによって低周波送信信号の位相を切り替えるようにしたが、位相切替器14a,14b,14cによって低周波受信信号の位相を切り替えるようにしても良い。
また、本実施形態では、位相切替器14a,14b,14cを3台設けているが、実施にあたっては、3台に限らない。
In the present embodiment, the phase of the low-frequency transmission signal is switched by the
In the present embodiment, three
1…電圧制御発振器、 2…カップラ、 3…送信信号電力分配器、 4…PLL回路、 5…アッテネータ、 6…送信信号用ミキサ(送信信号周波数変換器)、 7…送信アンテナ、 8…受信アンテナ、 9…受信信号用ミキサ(受信信号周波数変換器)、 10…ローカル信号電力分配器、 11…ローカル発振器(ローカル信号発生器)、 12…位相検出器、 13…ワンチップマイコン(判定手段、初期設定手段)、 14a,14b,14c…位相切替器、 15…アンプ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Voltage controlled oscillator, 2 ... Coupler, 3 ... Transmission signal power divider, 4 ... PLL circuit, 5 ... Attenuator, 6 ... Transmission signal mixer (transmission signal frequency converter), 7 ... Transmission antenna, 8 ... Reception antenna 9 ... Receive signal mixer (received signal frequency converter), 10 ... Local signal power distributor, 11 ... Local oscillator (local signal generator), 12 ... Phase detector, 13 ... One-chip microcomputer (determination means, initial stage) Setting means), 14a, 14b, 14c ... phase switch, 15 ... amplifier
Claims (2)
前記送信信号を送信波として移動検出対象物に照射する送信アンテナと、
前記送信波が移動検出対象物に反射して得られる反射波を捕らえ受信信号を出力する受信アンテナと、
所定周波数のローカル信号を発生するローカル信号発生器と、
ローカル信号を用いて送信信号を低周波送信信号に周波数変換する送信信号周波数変換器と、
ローカル信号を用いて受信信号を低周波受信信号に周波数変換する受信信号周波数変換器と、
低周波送信信号或いは低周波受信信号のいずれか一方を所定の位相差分だけ切り替える位相切替器と、
該位相切替器の後段において低周波送信信号と低周波受信信号との位相差を検出する位相検出器と、
該位相検出器の検出信号に基づいて移動検出対象物の移動状態を判定する判定手段と、
前記位相検出器の検出信号に基づいて、初期位相差が前記位相検出器の位相検出特性における直線領域の中心に最も近くなるように前記位相切替器を制御する初期設定手段と、
を具備することを特徴とする微小移動検出装置。 A transmission signal generator for generating a transmission signal having a wavelength in the microwave band;
A transmission antenna that irradiates the movement detection object as a transmission wave with the transmission signal;
A receiving antenna that captures a reflected wave obtained by reflecting the transmission wave on a moving detection object and outputs a reception signal;
A local signal generator for generating a local signal of a predetermined frequency;
A transmission signal frequency converter that converts a transmission signal into a low-frequency transmission signal using a local signal;
A received signal frequency converter that converts a received signal into a low frequency received signal using a local signal; and
A phase switch that switches either a low-frequency transmission signal or a low-frequency reception signal by a predetermined phase difference;
A phase detector for detecting a phase difference between a low-frequency transmission signal and a low-frequency reception signal in a subsequent stage of the phase switch;
Determination means for determining the movement state of the movement detection object based on the detection signal of the phase detector;
Based on the detection signal of the phase detector, initial setting means for controlling the phase switch so that the initial phase difference is closest to the center of the linear region in the phase detection characteristics of the phase detector;
A minute movement detecting device comprising:
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