JP2019015582A - 測距装置,水位計測システム及び測距方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、定在波レーダー装置1を利用した水位計測システム20(水位センシングシステム,水位センサシステム)の構成を示す図である。この水位計測システム20には、定在波レーダー装置1とこれに接続される制御装置10とが含まれる。水位計測システム20の測定対象は液面であり、下水管内における水面の高さ(水位)や河川の水位などが計測される。本実施形態の水位計測システム20では非接触型の測距手法が採用され、水面から離れた位置(例えば、マンホールの蓋の裏側や橋梁の下面側など)に設置される。なお、定在波レーダー装置1は、市販されている公知のドップラーセンサモジュールを利用して作製してもよい。
図4は、本実施形態の測距方法を説明するためのフローチャートである。まず、周波数変調連続波(FMCW波)が定在波レーダー装置1のアンテナ4から水面(液面)に向かって送信される。発信波は、その周波数がf0-(fW/2)からf0+(fW/2)まで掃引された電磁波とされる。また、水面で反射したその反射波は、アンテナ4で受信される(ステップA1)。続いて、発信波と反射波とを合成した合成波が検波器5で検出される。ここでは、二つの観測点x1,x2におけるパワー信号pがそれぞれ第一パワー信号p(fd,x1),第二パワー信号p(fd,x2)として取得される(ステップA2)。これらのパワー信号pは互いに直交関係にあるものとみなされる。すなわち、一方が合成波の実数部データに相当し、他方が虚部データに相当するものとして取り扱われる。これらのパワー信号pは解析信号出力部6に伝達される。
図5は、上述の実施形態の水位計測システム20で用いられる解析信号pa(fd)のもとになる第一交流信号,第二交流信号のパワースペクトルグラフであり、図6は、パワー信号pに微分処理を施した場合のパワースペクトルグラフである。図5中の黒丸で表されるグラフは離散化された第一交流信号に相当し、白丸で表されるグラフは離散化された第二交流信号に相当する。第一交流信号,第二交流信号の演算過程には微分処理が含まれないため、パワースペクトルの分布形状が滑らかな曲線状となる。これにより、制御装置10で算出される距離スペクトル|P(x)|の演算精度が向上し、距離導出精度が向上する。
上述の実施形態では、定在波レーダー装置1と制御装置10とが分離した構造の水位計測システム20について詳述したが、制御装置10の機能を定在波レーダー装置1に内蔵させてもよい。この場合、定在波レーダー装置1が外部の出力装置37に距離dの情報を出力する構成としてもよいし、出力装置37を定在波レーダー装置1に内蔵させてもよい。
上記の変形例を含む実施形態に関し、以下の付記を開示する。
(付記1)
測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得し、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号を含む解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する測距装置であって、
前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出する算出部と、
前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出する除去部と、
前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である前記解析信号を生成する生成部と、
を備えたことを特徴とする、測距装置。
前記算出部が、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号の各平均値を前記直流成分として除去する
ことを特徴とする、付記1記載の測距装置。
前記第一位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置であり、
前記第二位置は、前記発信波と前記合成波との位相差がπ/2となる位置である
ことを特徴とする、付記1〜3のいずれか1項に記載の測距装置。
前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、付記1〜4のいずれか1項に記載の測距装置。
測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得するディテクタと、
前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出する算出部と、
前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出する除去部と、
前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である解析信号を生成する生成部と、
前記解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する距離計測部と、
を備えたことを特徴とする、水位計測システム。
前記算出部が、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号の各平均値を前記直流成分として除去する
ことを特徴とする、付記6記載の測距装置。
前記第一位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置であり、
前記第二位置は、前記発信波と前記合成波との位相差がπ/2となる位置である
ことを特徴とする、付記6〜8のいずれか1項に記載の測距装置。
前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、付記6〜9のいずれか1項に記載の測距装置。
測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得し、
前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出し、
前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出し、
前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である解析信号を生成し、
前記解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する
ことを特徴とする、測距方法。
前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号の各平均値を前記直流成分として除去する
ことを特徴とする、付記11記載の測距方法。
前記第一位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置であり、
前記第二位置は、前記発信波と前記合成波との位相差がπ/2となる位置である
ことを特徴とする、付記11〜13のいずれか1項に記載の測距方法。
前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、付記11〜14のいずれか1項に記載の測距方法。
2 電圧制御発振器
3 周波数制御部
4 アンテナ
5 検波器(ディテクタ)
6 解析信号出力部
7 算出部
8 除去部
9 生成部
10 制御装置
11 フーリエ変換部
12 距離計測部
20 水位計測システム
Claims (7)
- 測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得し、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号を含む解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する測距装置であって、
前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出する算出部と、
前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出する除去部と、
前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である前記解析信号を生成する生成部と、
を備えたことを特徴とする、測距装置。 - 前記算出部が、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号の各平均値を前記直流成分として除去する
ことを特徴とする、請求項1記載の測距装置。 - 前記第一位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置であり、
前記第二位置は、前記発信波と前記合成波との位相差がπ/2となる位置である
ことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の測距装置。 - 前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の測距装置。 - 測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得するディテクタと、
前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出する算出部と、
前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出する除去部と、
前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である解析信号を生成する生成部と、
前記解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する距離計測部と、
を備えたことを特徴とする、水位計測システム。 - 測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得し、
前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出し、
前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出し、
前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である解析信号を生成し、
前記解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する
ことを特徴とする、測距方法。
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