JP4054704B2 - マイクロウェーブ式レベル計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロウェーブ式レベル計に関し、より特定的には、被検出対象物に対して放射した電磁波から被検出対象物との間の距離を計測するマイクロウェーブ式レベル計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在汎用されているマイクロウェーブ式レベル計において、被検出対象物との間の距離の計測方式は、ＦＭＣＷ（周波数変調持続波）方式とパルス・レーダ方式とに大別される。
【０００３】
ＦＭＣＷ方式とは、周波数掃引した連続波を発信し、放射信号と反射信号との周波数差から被検出対象物までの距離を求めるものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、パルス・レーダ方式とは、パルス信号を発信してからそれが測定対象で反射して戻ってくるまでの時間を計測することにより、被検出対象物までの距離を求めるものである（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
上記の２つの計測方式は、いずれも高い計測精度を有する反面、それぞれ、以下に示す問題点を抱えている。
【０００６】
最初に、ＦＭＷＣ方式については、放射周波数と反射周波数との時間的位相ずれ（周波数ずれ）を計測するため、反射時間に応じた時間幅で放射周波数をリニアに変化させる必要がある。この放射周波数のリニア可変は、計測精度に大きく影響することから、高精度な直線性を構成回路において実現しなければならず、回路が複雑になってしまうという問題がある。
【０００７】
なお、環境温度の変化によっても計測精度が低下してしまうことから、温度補償するための回路もさらに備えることが必要となり、ますます構成が複雑化することとなる。
【０００８】
さらに、計測精度は、計測精度＝光速／（２×周波数の掃引幅）の関係式で表わされるように、放射周波数の掃引幅によって決まることから、高い精度を得るためには広い帯域幅を使用する必要がある。しかしながら、マイクロウェーブ式レベル計が通常使用する、移動体検知センサ用として電波法で区分されている２４．１５ＧＨｚの周波数帯域においては、特定小電力無線の規制によって、帯域幅は、実効周波数２４．１〜２４．２ＧＨｚの０．１ＧＨｚに使用が制限されている。このため、ＦＭＷＣ方式のマイクロウェーブ式レベル計の屋外での使用については、十分な帯域幅が得られないという理由から、計測精度に限界が生じてしまうこととなる。
【０００９】
次に、パルス・レーダ方式については、放射器において非常に短い電気的パルスを発生させるためには、成分的には広い電波帯域幅が必要とされる。例えば、２ナノ秒のインパルスを発生させるために必要な帯域幅は２ＧＨｚとなる。したがって、この場合も、電波法の定める帯域幅の制限を受けて、屋外での使用が制限されることとなる。
【００１０】
したがって、これらの問題を解決するためには、電波法で定められている電波帯域や放射利得を満足し、かつ、放射信号発生器に対する温度および放射周波数の可変方法による影響度を少なくすることが必要とされる。
【００１１】
上記の２つの計測方式では、使用帯域幅が広いことから、電波法で分類される特定小電力無線として利用することはできないが、出力パワーを抑えた微弱電力無線として利用することが可能である。しかしながら、放射信号の出力電力を下げることによって、反射信号の電力も非常に小さくなるため、遠距離の計測を行なう場合にノイズの影響を受けやすいという問題が生じる。
【００１２】
さらに、最近では、近距離であっても高い測定精度を有する距離測定装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１３】
図１２は、特許文献３に提案されている距離測定装置の構成を示す概略ブロック図である。
【００１４】
図１２を参照して、距離測定装置は、所定の周波数の信号を出力する発信源６０と、発信源６０の出力信号と同一周波数の電磁波を放出する送信器７０と、送信器７０から放出された電磁波（以下、進行波Ｄとも称する）と被検出対象物Ｍにて反射した反射波Ｒとが干渉して形成された定在波Ｓの振幅を検知するための検出器８０と、検出器８０の検出信号から被検出対象物までの距離を算出する信号処理器９０とを備える。
【００１５】
発信源６０は、発信部６１と周波数制御部６２とを含む。発信部６１は、周波数制御部６２が制御する一定の周波数ｆの信号を送信器７０に対して出力する。周波数制御部６２は、発信部６１に送った周波数ｆに関する情報を信号処理器９０にも出力する。
【００１６】
ここで、図１２の距離測定装置における計測方式の原理について、簡単に説明する。
【００１７】
図１２に示すように、送信器７０から放出された進行波Ｄと被検出対象物Ｍにて反射した反射波Ｒとが干渉することによって、送信器７０と被検出対象物Ｍとの間の伝搬媒質中に定在波Ｓが形成される。この定在波Ｓの振幅は、進行波Ｄの周波数ｆに対して周期的であって、その振幅の周期は、検出器８０と被検出対象物Ｍと間の距離に反比例する。
【００１８】
したがって、進行波Ｄの周波数ｆを変化させれば、検出器８０の位置において、進行波Ｄの周波数ｆに対する定在波Ｓの振幅の変動周期を求めることができる。さらに、得られた定在波Ｓの振幅の変動周期から被検出対象物Ｍまでの距離を算出することができる。
【００１９】
このように、本距離測定装置において、被検出対象物Ｍまでの距離は、出力信号の周波数に対する定在波の振幅の変動周期にのみ依存し、送信器７０によって電磁波を発信してから検出器８０に戻ってくるまでの時間の影響を受けないことから、これまでのＦＭＷＣ方式およびパルス・レーダ方式に対して、近距離においても、より高い精度で測定することができる。
【００２０】
【特許文献１】
特開平７−１５９５２２号公報（第３頁、第４図）
【００２１】
【特許文献２】
特表平８−５１１３４１号公報（第１図）
【００２２】
【特許文献３】
特開２００２−３５７６５６号公報（第６−７頁、第１図）
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、図１２の距離測定装置は、定在波Ｓの振幅の変動周期から被検出対象物Ｍまでの距離を求めることから、進行波Ｄの周波数ｆの変化する範囲において、定在波Ｓの振幅に周期性が見られることが必要とされる。
【００２４】
例えば、２４．１５ＧＨｚ帯での実効周波数帯域を２４．１〜２４．２ＧＨｚの０．１ＧＨｚとし、空気中の電波の伝搬速度Ｃを３０万ｋｍ／ｓｅｃとすると、少なくとも定在波Ｓの振幅に１周期性が現われるための最小測定距離は、
（０．３×１０9［ｍ／ｓｅｃ］）／（０．１×１０9［１／ｓｅｃ］）＝３［ｍ］
から３ｍとなり、測定距離が３ｍ以上なければ、得られた距離に誤差が生じてしまうこととなる。
【００２５】
このように、電波法で規定される限られた帯域幅の下では、近距離の測定において、高精度を保持することは困難となり、測定距離に限界が生じていた。
【００２６】
それゆえ、この発明の目的は、狭い放射周波数帯域においても、近距離まで高精度に計測可能なマイクロウェーブ式レベルセンサを提供することである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
この発明のある局面に従えば、被検出対象物までの距離を計測するマイクロウェーブ式レベル計であって、所定の帯域幅を有する放射周波数からなる電磁波を発生し、被検出対象物に対して放射する送信部と、電磁波と電磁波の反射波とによって被検出対象物との間に形成される定在波の振幅信号を検出する受信部と、検出した定在波の振幅信号と放射周波数との関係を演算処理することによって被検出対象物までの距離を算出する信号処理回路とを備える。信号処理回路は、定在波の振幅信号の値を、対応する放射周波数の関数として振幅信号関数を形成し、振幅信号関数の変動周期を求めることによって被検出対象物までの距離を算出する演算回路を含み、演算回路は、距離分解能に応じた次数で演算処理して振幅信号関数の変動周期を求める。
【００２８】
好ましくは、演算回路は、振幅信号関数を距離分解能に応じた次数でフーリエ変換することによって変動周期の周波数成分を検出し、周波数成分から被検出対象物までの距離を算出する。
【００２９】
この発明の別の局面に従えば、被検出対象物までの距離を計測するマイクロウェーブ式レベル計であって、所定の帯域幅を有する放射周波数からなる電磁波を発生し、被検出対象物に対して放射する送信部と、電磁波と電磁波の反射波とによって被検出対象物との間に形成される定在波の振幅信号を検出する受信部と、検出した定在波の振幅信号と放射周波数との関係を演算処理することによって被検出対象物までの距離を算出する信号処理回路とを備える。信号処理回路は、定在波の振幅信号の値を、対応する放射周波数の関数として振幅信号関数を形成し、距離分解能に応じた次数で演算処理して振幅信号関数の変動周期を求めることによって、被検出対象物までの距離を算出する演算回路を含む。演算回路は、振幅信号関数が周期性を有するか否かを判断し、判断結果に応じて放射周波数の帯域幅と電磁波の出力振幅とを制御するための制御信号を出力し、送信部は、制御信号にて指定された放射周波数の帯域幅と出力振幅とを有する電磁波を発生して、被検出対象物に対して放射する。
【００３０】
好ましくは、送信部は、電磁波の出力振幅を演算回路からの制御信号で指定された減衰量だけ減衰させる振幅減衰部を含む。
【００３１】
好ましくは、演算回路は、第１の放射周波数の帯域幅における振幅信号関数が周期性を有しないときには、第１の放射周波数の帯域幅よりも広帯域である第２の放射周波数の帯域幅に設定するための制御信号を出力する。
【００３２】
より好ましくは、演算回路は、第１の放射周波数の帯域幅における振幅信号関数が周期性を有しないときには、電磁波の出力振幅を減衰させるための制御信号を出力する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３４】
図１は、この発明の実施の形態に従うマイクロウェーブ式レベル計の構成の一例を示すブロック図である。
【００３５】
図１を参照して、マイクロウェーブ式レベル計１００は、大きく分けて、図示しない被検出対象物との距離を計測する計測回路３０と、計測回路３０とユーザとの間のインターフェースとしての周辺回路４０とから構成される。なお、マイクロウェーブ式レベル計１００全体に電源電圧を供給するための電源回路４５は、周辺回路４０に配設される。
【００３６】
計測回路３０は、被検出対象物との間で信号を送受信する信号送受信回路１０と、受信信号の処理および放射周波数の制御を行なう信号処理回路２０とからなる。信号送受信回路１０には、送信および受信機能を併せ持つアンテナ５０が結合される。
【００３７】
信号送受信回路１０は、被検出対象物に対して電磁波を放射するための送信部と、マイクロウェーブ式レベル計１００と被検出対象物との間に発生する定在波を受信する受信部とを有する。
【００３８】
送信部は、信号処理回路２０で制御される所定の放射周波数の電磁波を出力する部位であり、後述する基準発振信号に対して周波数と位相とが一致した信号を発生させる位相同期ループ（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）回路１と、逓倍器２と、増幅器３と、アッテネータ４とを含む。
【００３９】
ＰＬＬ回路１は、位相検出器１１と、ループフィルタ（ＬＰＦ：Loop Filter）１２と、電圧制御発振回路（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）１３と、分周器１４とから構成され、図１に示すフィードバック回路を構成する。なお、各部位の具体的な回路構成については、一般的なＰＬＬ回路に搭載されているものと同様であることから、その説明および図示は省略する。
【００４０】
位相検出器１１は、信号処理回路２０からの基準発振信号と分周器１４から帰還される帰還信号との位相差を検出し、ＶＣＯ１３の発振周波数を上昇または下降させる制御信号を出力する。
【００４１】
次に、ＶＣＯ１３の制御信号は、ＬＰＦ１２を通して直流化されると、ＶＣＯ１３の図示しない制御入力端子に与えられる。なお、ＬＰＦ１２は、ＶＣＯ１３に含まれる位相成分以外の雑音を低減することおよびフィードバックループを安定化させるために用いられる。
【００４２】
次に、ＶＣＯ１３の出力信号は、ＰＬＬ回路１の出力として逓倍器２に伝達されるとともに、分周器１４によりｎ（ｎは自然数）分の１の周波数に変換された帰還信号となり、位相検出器１１に入力される。
【００４３】
このように、図１のＰＬＬ回路１に示すフィードバック構成は、基準発振信号と帰還信号との周波数および位相が一致するようにＶＣＯ１３の制御信号を制御するため、最終的には、基準発振信号のｎ倍の周波数の出力信号がＰＬＬ回路１から出力されることとなる。
【００４４】
さらに、ＰＬＬ回路１の出力信号は、逓倍器２を介して周波数を逓倍され、さらに増幅器３を介して増幅される。
【００４５】
増幅された出力信号は、アッテネータ４において、その振幅が所定の比率で減衰される。アッテネータ４における減衰量は、後述するように、信号処理回路２０からの制御信号によって制御される。
【００４６】
振幅減衰された出力信号は、入出力端子としてのコネクタ５からアンテナ５０へと伝送されると、マイクロウェーブ式レベル計１００外部の図示しない被検出対象物に対して放射される。
【００４７】
さらに、アンテナ５０から放射された電磁波である進行波は、被検出対象物に到達すると、反射波となってマイクロウェーブ式レベル計１００に向かって進行する。この進行波と反射波とが干渉すると、マイクロウェーブ式レベル計１００と被検出対象物との間に定在波が形成される。この定在波の振幅は、アンテナ５０を介して、信号送受信回路１０内部の受信部で検知される。
【００４８】
受信部では、アンテナ５０で受信された定在波がコネクタ５を介して検波器６へと伝送される。検波器６は、定在波から変調信号である振幅信号を検出するものであり、例えば、ダイオードの整流作用を利用したダイオード検波器で構成することができる。検波器６において、定在波は、低周波の振幅信号へと復調される。検波器６で検出された振幅信号は、さらに、信号処理回路２０に送られる。
【００４９】
信号処理回路２０は、受信信号処理部としての増幅器２３およびアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２４と、送信信号生成部としてのデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ：Direct Digital Synthesizer）２２と、演算処理回路および制御回路であるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）およびマイクロプロセッサ（ＭＰＵ：Microprocessor Unit）２１とから構成される。
【００５０】
受信信号処理部は、信号送受信回路１０の検波器６で検波された定在波の振幅信号を増幅するための増幅器２３と、増幅したアナログ信号である振幅信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器２４とを含む。受信信号処理部でデジタル信号に変換された定在波の振幅信号は、さらに、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１に入力される。
【００５１】
ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、各放射周波数において検出された定在波の振幅信号から放射周波数と振幅信号との関係が得られると、これを演算処理することによって、被検出対象物までの距離を算出する。演算処理としては、定在波の振幅信号を、対応する放射周波数の関数として振幅信号関数を形成し、振幅信号関数を高速フーリエ変換するＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を実行する。
【００５２】
ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、上記の演算処理を行なうとともに、信号送受信回路１０のアッテネータ４に対して、放射する電磁波の出力振幅の減衰量を制御するための制御信号を出力する。アッテネータ４における電磁波の減衰量は、後述するように、被検出対象物との距離に応じて増減される。具体的には、特定小電力無線の放射周波数帯域幅において、定在波の振幅信号をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラムに周期性が含まれないときには、アッテネータ４における減衰量を大きくすることによって、微弱無線の帯域幅を利用した計測に切換えられる。
【００５３】
ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、さらに、放射周波数を制御するための制御信号を送信信号生成部であるＤＤＳ２２に出力する。
【００５４】
ＤＤＳ２２は、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１からの制御信号に基づいて、放射周波数を設定するための基準発振信号を生成して、信号送受信回路１０のＰＬＬ回路１に内包される位相検出器１１へと出力する。これによって、２４．１５ＧＨｚ帯での特定小電力無線を利用した計測においては、最低放射周波数２４．１ＧＨｚから最高放射周波数２４．２ＧＨｚまでの範囲内で、放射周波数を変化させることができる。
【００５５】
信号処理回路２０内部のＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、さらに、周辺回路４０内部の操作回路４１、表示回路４２、通信回路４３および出力回路４４に接続される。これによって、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１にて実行された被検出対象物までの距離の算出結果は、表示回路４２、通信回路４３および出力回路４４を介して、図示しないユーザに転送される。また、操作回路４１および通信回路４３を介して、ユーザからの計測動作に関する指示等がＤＳＰ＆ＭＰＵ２１へと転送される。
【００５６】
次に、図１の構成からなるマイクロウェーブ式レベル計１００における計測動作について説明する。
【００５７】
最初に、信号送受信回路１０の送信部では、所定の放射周波数の電磁波が生成されて、アンテナ５０を介して被検出対象物に対して放出される。電磁波の発生については、先述のように、ＰＬＬ回路１によって、信号処理回路２０内部のＤＤＳ２２からの基準発振信号を正確に逓倍した所定の放射周波数の出力信号が生成される。このため、マイクロウェーブ式レベル計１００は、周波数確度の高い電磁波を被検出対象物に放射することができる。
【００５８】
さらに、ＰＬＬ回路１において、ＤＤＳ２２の基準発振信号の変化に応答して、放射周波数は正確に追随して変化することから、放射周波数の変化においてもＤＤＳ２２の分解能に応じた設定が可能となる。なお、本実施の形態では、放射周波数の帯域を電波法において特定小電力無線として区分されている２４．１〜２４．２ＧＨｚに設定するものとする。
【００５９】
ＰＬＬ回路１からの出力信号は、さらに増幅器３で増幅された後、アッテネータ４で所定の振幅減衰量だけ減衰されると、コネクタ５を介して、アンテナ５０から放射される。
【００６０】
次に、アンテナ５０から放射された電磁波である進行波は、被検出対象物に到達すると、反射されて被検出対象物からマイクロウェーブ式レベル計１００に向かって進行する反射波となる。このため、マイクロウェーブ式レベル計１００と被検出対象物との間の伝搬媒質中には、進行波と反射波とが干渉することにより定在波が形成される。
【００６１】
さらに、定在波は、アンテナ５０にて受信されると、信号送受信回路１０内部の検波器６において、所定の放射周波数に対応する定在波の振幅信号として検出される。検出された振幅信号は、信号処理回路２０へと伝送され、増幅器２３に入力される。なお、検波器６で検出された定在波の振幅信号は、十分に低い周波数帯域に変換されていることから、この振幅信号を増幅する信号処理回路２０内部の増幅器２３としては、低周波増幅器を利用することができ、安価な部品で回路を構成することができる。
【００６２】
信号処理回路２０では、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１に振幅信号が伝送されると、振幅信号の値ｐ（ｆ）と出力された電磁波の放射周波数ｆとが１対１に対応して記録される。さらに、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１からの制御信号によって、ＤＤＳ２２は、放射周波数ｆをステップ周波数Δｆだけ変化させるための基準発振信号を出力する。
【００６３】
これによって、信号送受信回路１０から出力される進行波の放射周波数は、ｆからｆ＋Δｆに変化するが、進行波は一定の速度（光速）で伝搬するため、進行波の波長が変化することとなる。
【００６４】
したがって、マイクロウェーブ式レベル計１００と被検出対象物との間に形成される定在波が変化し、検知される定在波の振幅が変化するため、信号処理回路２０に送られる振幅信号の値ｐ（ｆ＋Δｆ）も変化することとなる。なお、この振幅信号の値ｐ（ｆ＋Δｆ）も同様に、放射周波数ｆ＋Δｆと１対１に対応させてＤＳＰ＆ＭＰＵ２１に記録される。同時に、ＤＤＳ２２からは、さらに放射周波数ｆ＋Δｆをステップ周波数Δｆだけ変化させるための基準発振信号が出力される。
【００６５】
上記の一連の処理は、放射周波数ｆが予め設定されている放射周波数帯域の最高放射周波数ｆｍａｘに至るまで繰り返して行なわれる。なお、本実施の形態では、放射周波数のステップ数Ｎ（Ｎは自然数）を２５６ステップとしている。
【００６６】
図２は、以上の処理によって検出された振幅信号を放射周波数の関数として形成した振幅信号ｐ（ｆ）の一例を示す図である。
【００６７】
図２を参照して、振幅信号ｐ（ｆ）は、放射周波数帯域２４．１〜２４．２ＧＨｚにおいて周期性を有する信号であることが分かる。この振幅信号の周期、すなわち定在波の振幅の変動周期は、マイクロウェーブ式レベル計１００から被検出対象物までの距離に反比例することから、その周期を求めれば被検出対象物までの距離を求めることができる。
【００６８】
振幅信号の変動周期の算出については、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１において、図２に示す振幅信号の周期性を周波数成分として解析するＦＦＴ処理によって求めることができる。ＦＦＴ処理データから得られるパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜は、振幅信号の周期の位置にピークを有する関数となるので、そのピークとなる周期Ｆから被検出対象物までの距離を求めることができる。
【００６９】
図３は、図２の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。なお、このパワースペクトラムは、ＦＦＴ処理における解析ステップを２５６ステップに設定したときの結果である。
【００７０】
図３を参照して、パワースペクトラムは、被検出対象物までの間の距離が１０ｍとなる付近において最大となることから、被検出対象物との間の距離は、約１０ｍと判断することができる。なお、パワースペクトラムにおいて、距離が２０ｍ，３０ｍとなる位置においても極大点が見られるが、これらは高調波成分によるものであって、振幅信号の変動周期に対応する基本波成分となる１０ｍ付近の値に対して十分小さいことから無視することができる。
【００７１】
以上の被検出対象物の距離計測において、検出できる距離の分解能は、放射周波数のステップ数Δｆに依存する。したがって、距離分解能を上げる手段としては、放射周波数の分解能を上げること、すなわち、放射周波数のステップ数Ｎを増やすことが有効である。例えば、検出点４０ｍにおいて、±５ｍｍ以下の計測精度でＦＦＴ処理するためには、
（０．３×１０12［ｍｍ／ｓｅｃ］／４００００［ｍｍ］）−（０．３×１０12［ｍｍ／ｓｅｃ］／４００００±５［ｍｍ］）≒±０．９３７［ｋＨｚ］
０．１×１０９［ＧＨｚ］／０．９３７［ｋＨｚ］×２≒２１３３６０となり、２１３３６０ステップ以上のステップ数が必要となる。
【００７２】
しかしながら、２４．１〜２４．２ＧＨｚの限られた周波数帯域において、このような周波数ステップで計測を行なうのは、周波数の安定度を考慮すると、実用的ではない。
【００７３】
ここで、注意しなければならないのは、距離分解能が放射周波数の分解能である必要はなく、検波された振幅信号の周波数成分がＦＦＴ処理によって検出されれば、得られたパワースペクトラムから被検出対象物との距離を求めることができるということである。すなわち、必要とされるのは、検出した振幅信号の周波数成分である。計測点４０ｍにおける定在波の周期数は、
４０［ｍ］／｛（０．３×１０9［ｍ／ｓｅｃ］）／（０．１×１０9［１／ｓｅｃ］）｝＝２６．７
から、約２７であることから、この周期数の２倍のステップ数である５４ステップ以上の放射周波数における振幅信号があれば、ＦＦＴ処理をすることによって正確なパワースペクトラムが得ることができる。
【００７４】
以上のように、図２に示す振幅信号と放射周波数との関係において、周期性を得ることができれば、ＦＦＴ処理することによって、周期性を周波数成分として解析することができ、被検出対象物までの距離を算出することができる。
【００７５】
ここで、ＦＦＴ処理を行なう際に、検出分解能に応じた次数で処理することによって、被検出対象物までの距離を高精度に計測することが可能となる。このＦＦＴ処理においては、先に示した放射周波数のステップ数以上の次数である２６２１４４ステップでＦＦＴ処理をすることによって、４０ｍまでの計測距離を±５ｍｍ以下の精度で計測することができる。
【００７６】
一方で、放射周波数の分解能については、先述のとおり、振幅信号の周波数成分が検出できる放射周波数のステップ数があれば十分であることから、距離分解能を向上するために、放射周波数のステップ数を必要以上に上げる必要がない。このことから、本実施の形態のマイクロウェーブ式レベル計によれば、高速に移動する被検出対象物においても高精度に距離を求めることができる。
【００７７】
なお、本実施の形態のマイクロウェーブ式レベル計によれば、放射周波数を変化させる際に、従来のＦＭＣＷ方式のように、周波数をリニアに可変させる必要がなく、ランダムに変化させても定在波の振幅信号を検出することができる。
【００７８】
このことは、放射周波数を直線的に可変制御するための複雑な回路構成を不要とするとともに、他のレベル計から発信された電磁波との干渉による測定誤差を回避できるという利点をもたらす。
【００７９】
また、距離を計測するために必要な要素は、振幅信号の周波数成分であるため、確度の高い放射周波数の電磁波が放出できれば、マイクロウェーブ式レベル計を構成する電子部品の温度特性によって左右される振幅成分については、考慮する必要がない。したがって、従来のレベル計のように温度補償のための回路を必要とすることなく、より簡易な構成で高精度に距離を検出することができる。
【００８０】
図４は、図２の振幅信号ｐ（ｆ）をさらに高い次数でＦＦＴ処理することによって得られたパワースペクトラムを示す図である。
【００８１】
図４を参照して、ＦＦＴ処理のステップ数を２６２１４４としたときには、パワースペクトラムはなだらかな波形を示し、距離１０ｍにおいて最大点を示す。したがって、被検出対象物との距離は１０ｍであると判断できる。
【００８２】
また、図３に示すステップ数が２５６のときのパワースペクトラムと比較して、明らかに距離分解能が向上していることが分かる。このように、ＦＦＴ処理の次数を上げることで、放射周波数のステップ数を増やすことなく、高い距離分解能を得ることができる。
【００８３】
図５は、図１のマイクロウェーブ式レベル計１００で検出された振幅信号ｐ（ｆ）の第２の例を示す図である。なお、図２と同様に、放射周波数の帯域は、２４．１〜２４．２ＧＨｚとし、ステップ数は２５６ステップとする。
【００８４】
図５を参照して、放射周波数帯域２４．１〜２４．２ＧＨｚにおいて、振幅信号は周期性を有していることが確認される。したがって、図２の検出例と同様に、この振幅信号の周波数成分を検出すれば、被検出対象物との間の距離を求めることができる。
【００８５】
図６は、図５の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。なお、このパワースペクトラムは、ＦＦＴ処理における解析ステップを２６２１４４ステップに設定したものである。該ステップ数は、先述のように、計測点４０ｍにおいて±５ｍｍの計測精度を確保できる。
【００８６】
図６を参照して、パワースペクトラムは、距離２０ｍの位置において最大値を示すことから、被検出対象物までの距離が２０ｍであると判断できる。なお、図３，４と同様に、図示しない４０ｍ，６０ｍの位置において、高調波成分が検出されるが、最大値に対して十分低いレベルであるため無視することができる。
【００８７】
図７は、図１のマイクロウェーブ式レベル計１００で検出された振幅信号ｐ（ｆ）の第３の例を示す図である。なお、放射周波数帯域は、特定小電力無線を利用して、２４．１〜２４．２ＧＨｚとする。
【００８８】
図７を参照して、放射周波数帯域２４．１〜２４．２ＧＨｚにおいて、検出された振幅信号ｐ（ｆ）は、２４．１３ＧＨｚ付近を極大とする波形を示す。しかしながら、振幅信号ｐ（ｆ）の波形には、先述の図２，図５に見られたような周期性が含まれていないことが分かる。したがって、少なくとも１周期の周期性が振幅信号に現われるためには、より広い放射周波数帯域が必要であることとが予想される。
【００８９】
図８は、図７の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。パワースペクトラムは、距離１ｍから２ｍの広い範囲においてなだらかに増減する波形を示す。しかしながら、図３，図６に見られたような急峻なピークが観測できないことから、正確に被検出対象物までの距離を求めることができない。
【００９０】
このように、近距離の被検出対象物に対しては、２４．１〜２４．２ＧＨｚの狭い放射周波数の帯域では、振幅信号に周期性が含まれないことから、ＦＦＴ処理によっても正確に距離を算出することができない。
【００９１】
したがって、近距離の被検出対象物に対しては、振幅信号の周期性を得るために、放射周波数の帯域を広げることが必要となる。一方で、電波法で分類されている特定小電力無線を利用する場合、帯域幅０．１ＧＨｚに制限されている。
【００９２】
ここで、電波法で定められる分類には、特定小電力無線よりもさらに出力電力レベルの低い微弱無線があり、この帯域幅は１ＧＨｚに規定されている。
【００９３】
そこで、本実施の形態では、図２および図５に示すような遠距離に位置する被検出対象物の計測においては、特定小電力無線の狭い帯域幅（０．１ＧＨｚ）を利用し、図７に示す近距離の測定においては、微弱無線の広い帯域幅（１ＧＨｚ）を利用して、放射周波数の帯域幅を広げることとする。なお、微弱無線を利用することによって空中線電力が低下することとなるが、近距離の測定であるため、ノイズ等の影響は少ないものと判断できる。
【００９４】
このようにして、本実施の形態によれば、近距離に位置する被検出対象物に対しても、高い計測精度で距離を求めることが可能となる。
【００９５】
以上の手法では、近距離の測定においては、放射周波数の帯域幅を広げる一方で、放射する電磁波の電力を微弱無線レベルまで低下させることが必要となる。そこで、本実施の形態では、電磁波の電力レベルを調整する手段として、信号送受信回路１０内部のアッテネータ４の減衰量を制御することとする。以下に、減衰量の制御について詳細に示す。
【００９６】
国内における電波法によれば、レベル計に使用できる周波数帯としては、移動体検知センサ用として区分されている１０．５２５ＧＨｚ帯と２４．１５ＧＨｚ帯が与えられている。
【００９７】
１０．５２５ＧＨｚ帯は、屋内での使用に限定されており、利用できる周波数帯域も１０．５〜１０．５５ＧＨｚと非常に狭くなっている。
【００９８】
一方、２４．１５ＧＨｚ帯では、屋外使用も可能であるが、利用できる周波数帯域が２４．０５〜２４．２５ＧＨｚに制限されており、アンテナから放射される電磁波によって被検出対象物との間の伝搬媒質中に生じる定在波を利用したとしても、先述のように、近距離における計測精度が劣化してしまう。
【００９９】
すなわち、空気中の電波の伝搬速度Ｃを３０万ｋｍ／ｓｅｃとし、２４．１５ＧＨｚ帯での実効周波数帯域を２４．１〜２４．２ＧＨｚ間の０．１ＧＨｚとすると、ＦＦＴ処理によって１周期性が現われるのは、
（０．３×１０9［ｍ／ｓｅｃ］）／（０．１×１０9［１／ｓｅｃ］）＝３［ｍ］
であることから、計測距離が３ｍ以上なければ、ＦＦＴ処理による計測誤差が大きくなる。したがって、計測距離が３ｍ以下のときには、実効周波数帯域を２４．１〜２５．２ＧＨｚの１ＧＨｚとすることによって、３０ｃｍの計測距離までを正確に計測することができる。
【０１００】
そこで、近距離の測定の場合は、帯域を広げる一方で、ノイズの影響等が少ないことから、３ｍでの電界強度が３５μＶ／ｍ以下になるように、アッテネータ４の減衰量を調整する。
【０１０１】
一方、遠距離の測定の場合は、被検出対象物の反射計数や周囲のノイズ等の影響による受信振幅信号の劣化を防ぐため、信号送受信回路の送信部に構成されているアッテネータ４で空中線電力を１０ｍＷ以下になるように抑えるものとする。
【０１０２】
このように、放射周波数の帯域幅を制御するとともに、アッテネータ４の減衰量を調整して放射する電磁波の電力を制御することによって、検出点から被検出対象物までの距離３０ｃｍ以上で、精度良く距離が計測することができる。
【０１０３】
図９は、微弱無線の帯域幅を利用して検出した振幅信号ｐ（ｆ）の一例を示す図である。なお、放射周波数の帯域幅は、２４．１〜２５．１ＧＨｚとする。
【０１０４】
図９を参照して、放射周波数帯域２４．１〜２５．１ＧＨｚにおいて、振幅信号ｐ（ｆ）には、周期性が含まれていることが確認される。したがって、振幅信号の周波数成分を検出することによって、被検出対象物との距離を算出することが可能となる。
【０１０５】
図１０は、図９の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。
【０１０６】
図１０を参照して、パワースペクトラムは、距離１ｍに最大点が見られることから、被検出対象物までの距離が１ｍであると判断できる。
【０１０７】
以上のように、近距離に位置する被検出対象物の測定においては、微弱無線を利用して広い帯域幅で検出動作を行なうことにより、精度良く距離を検出することができる。
【０１０８】
図１１は、図１のマイクロウェーブ式レベル計１００の計測動作を示すフロー図である。
【０１０９】
図１１を参照して、最初に、被検出対象物に放射する電磁波の放射周波数の情報が設定される。具体的には、放射周波数帯域を決める最低周波数ｆｍｉｎおよび最高周波数ｆｍａｘと放射周波数間隔Δｆとが、ユーザによって、図１の周辺回路４０の操作回路４１から入力される（ステップＳ１０）。放射周波数間隔Δｆについては、放射周波数ステップ数Ｎによって設定することも可能である。なお、本実施の形態では、電波法で分類されている特定小電力無線の帯域幅を利用して、ｆｍｉｎ＝２４．１ＧＨｚ，ｆｍａｘ＝２４．２ＧＨｚとし、放射周波数のステップ数Ｎ＝２５６と設定する。これらの周波数情報は、信号処理回路２０内部のＤＳＰ＆ＭＰＵ２１へと転送される。
【０１１０】
次に、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、与えられた周波数情報に基づいて、アッテネータ４に制御信号を出力し、減衰量Ｇを設定する（ステップＳ１１）。これによって、放出される電磁波は、特定小電力無線で定める無線電力レベルに調整される。
【０１１１】
続いて、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、周波数情報に基づいて、ＤＤＳ２２に対して、放射周波数ｆを最低放射周波数ｆｍｉｎに設定するための制御信号を出力する（ステップＰＳ１２）。ＤＤＳ２２は、制御信号に応答して、最低放射周波数ｆｍｉｎの電磁波を生成するための基準発振信号を生成して、ＰＬＬ回路１内部の位相検出器１１へと出力する。
【０１１２】
信号送受信回路１０では、ＤＤＳ２２からの基準発振信号に基づいて、放射周波数を最低放射周波数ｆｍｉｎとする電磁波（進行波）が生成されて、アンテナ５０を介して、被検出対象物に対して放出される（ステップＳ１３）。
【０１１３】
さらに、進行波と反射波とが干渉することによって形成された定在波は、アンテナ５０で受信された後に、検波器６で検波されて、放射周波数ｆに対応する振幅信号ｐ（ｆ）が計測される（ステップＳ１４）。
【０１１４】
ステップＳ１３〜Ｓ１４に示す一連の動作は、さらに、放射周波数ｆを放射周波数間隔Δｆだけ変化させたｆ＋Δｆに変化させて実行される（ステップＳ１５）。
【０１１５】
このとき、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１では、変更された放射周波数ｆは、常に最高放射周波数ｆｍａｘと比較されている（ステップＳ１６）。このようにして、変更後の放射周波数ｆが最高放射周波数ｆｍａｘに到達するまで、ステップＳ１３〜ステップＳ１５までの動作が繰り返される。
【０１１６】
ステップＳ１６において、放射周波数ｆが最高放射周波数ｆｍａｘに達すると、電磁波の放射が停止される。
【０１１７】
次に、受信された振幅信号ｐ（ｆ）は、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１において、ＦＦＴ処理が行なわれ（ステップＳ１７）、ＦＦＴ処理データからパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜が算出される（ステップＳ１８）。
【０１１８】
ここで、得られたパワースペクトラムにおいて、１周期以上の周期性が含まれているか否かが判断される（ステップＳ１９）。ＦＦＴ処理によって振幅信号の変動周期を高精度に求めるためには、少なくとも１周期の周期性が現われていることが必要とされるからである。
【０１１９】
ステップＳ１９において、パワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜に周期性が含まれていることが確認されたときには、その最大点である｜Ｐ（Ｆ）｜ｍａｘが算出される（ステップＳ２０）。
【０１２０】
最後に、最大点｜Ｐ（Ｆ）｜ｍａｘを与える周波数成分Ｆを換算することによって、被検出対象物までの距離Ｄを求めることができる（ステップＳ２１）。
【０１２１】
一方で、ステップＳ１９において、パワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜に周期性が含まれていないとき、すなわち、１周期が確認できないときには、被検出対象物が近距離に位置すると判断されることから、再度放射周波数帯域が設定される。ここでは、電波法で分類される微弱無線を利用することで、帯域幅を広げることができる。
【０１２２】
ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１において、最高放射周波数ｆｍａｘ＝ｆｍａｘ’と、放射周波数間隔Δｆ＝Δｆ’とが設定される（ステップＳ２２）。ここで、ステップＳ１０と同様に、放射周波数間隔Δｆ’の代わりに放射周波数ステップ数Ｎを設定することができる。本実施の形態では、最高放射周波数ｆｍａｘ’＝２５．１ＧＨｚ，放射周波数ステップ数Ｎ＝２５６と設定する。
【０１２３】
次に、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、これらの周波数情報に基づいて、アッテネータ４に制御信号を出力し、電磁波の出力振幅の減衰量Ｇを設定する（ステップＳ２３）。これによって、放出される電磁波は、微弱無線で定める無線電力レベルに調整される。
【０１２４】
続いて、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１において、放射周波数ｆが最低放射周波数ｆｍｉｎに設定されると（ステップＳ１２）、ＤＤＳ２２からの基準発振信号に基づいて発生された電磁波が放射される（ステップＳ１３）。進行波と反射波との干渉によって形成される定在波を受信し、検波器６において振幅信号ｐ（ｆ）が検出される（ステップＳ１４）。これらの動作は、さらに、放射周波数ｆを放射周波数間隔Δｆだけ変化させて行なわれ、最終的には放射周波数ｆが最高放射周波数ｆｍａｘ’に達するまで繰り返される（ステップＳ１５，Ｓ１６）。
【０１２５】
ステップＳ１６において、放射周波数ｆが最高放射周波数ｆｍａｘ’に達すると、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１において、振幅信号ｐ（ｆ）のＦＦＴ処理が実行される（ステップＳ１７）。
【０１２６】
続いて、ＦＦＴ処理によって得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を算出し（ステップＳ１８）、１周期以上の周期性が含まれているか否かが判断される（ステップＳ１９）。
【０１２７】
パワースペクトラムＰ（Ｆ）に周期性が確認されたときには、最大点｜Ｐ（Ｆ）｜ｍａｘが算出され（ステップＳ２０）、最大となるときの周波数成分Ｆを換算することによって、被検出対象物までの距離が求められる（ステップＳ２１）。
【０１２８】
以上のように、この発明の実施の形態に従えば、電波法で制限されている狭い放射周波数帯域においても、近距離から遠距離までを精度良く計測することができる。
【０１２９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１３０】
【発明の効果】
以上のように、この発明に従うマイクロウェーブ式レベル計によれば、電波法で制限されている狭い放射周波数帯域においても、近距離から遠距離までを精度良く測定することができる。
【０１３１】
また、マイクロウェーブ式レベル計が放射した進行波と反射波とによって形成される定在波を検波して得られる振幅信号と放射周波数との関係において、周期性を得ることができれば、ＦＦＴ処理によって被検出対象物までの距離を算出できることから、放射周波数の設定確度（ステップ数および可変の線形性）を高めるための複雑な回路構成を必要とせず、簡易かつ安価な回路構成で高い計測精度を実現することができる。
【０１３２】
さらに、マイクロウェーブ式レベル計の距離分解能は、放射周波数のステップ数を増やすことなく、ＦＦＴ処理における次数を上げることによって容易に向上することができる。
【０１３３】
また、距離の計測に広い帯域幅が必要となる近距離の測定においては、電波法で分類される微弱無線を用いることで、放射周波数の帯域幅を広げて精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態に従うマイクロウェーブ式レベル計の構成を示すブロック図である。
【図２】 検出された振幅信号ｐ（ｆ）の一例を示す図である。
【図３】 図２の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。
【図４】 図２の振幅信号ｐ（ｆ）をさらに高い次数でＦＦＴ処理することによって得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。
【図５】 振幅信号ｐ（ｆ）の第２の検出例を示す図である。
【図６】 図５の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。
【図７】 振幅信号ｐ（ｆ）の第３の検出例を示す図である。
【図８】 図７の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。
【図９】 微弱無線の帯域幅を利用して検出した振幅信号ｐ（ｆ）の一例を示す図である。
【図１０】 図９の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。
【図１１】 図１のマイクロウェーブ式レベル計１００が行なう検出動作を説明するためのフロー図である。
【図１２】 従来の距離検出装置の構成を示す概略ブロック図である。
【符号の説明】
１ ＰＬＬ回路、２ 逓倍器、３ 増幅器、４ アッテネータ、５ コネクタ、６ 検波器、１０ 信号送受信回路、１１ 位相検出器、１２ ＬＰＦ、１３ＶＣＯ、２０ 信号処理回路、２１ ＤＳＰ＆ＭＰＵ、２２ ＤＤＳ、２３ 増幅器、２４ Ａ／Ｄ変換器、３０ 計測回路、４０ 周辺回路、４１ 操作回路、４２ 表示回路、４３ 通信回路、４４ 出力回路、４５ 電源回路、５０アンテナ、６０ 発信源、６１ 発信部、６２ 周波数制御部、７０ 送信器、８０ 検出器、９０ 信号処理器、１００ マイクロウェーブ式レベル計、２００ 距離測定装置、Ｍ 被検出対象物、Ｄ 進行波、Ｒ 反射波、Ｓ 定在波。
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロウェーブ式レベル計に関し、より特定的には、被検出対象物に対して放射した電磁波から被検出対象物との間の距離を計測するマイクロウェーブ式レベル計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在汎用されているマイクロウェーブ式レベル計において、被検出対象物との間の距離の計測方式は、ＦＭＣＷ（周波数変調持続波）方式とパルス・レーダ方式とに大別される。
【０００３】
ＦＭＣＷ方式とは、周波数掃引した連続波を発信し、放射信号と反射信号との周波数差から被検出対象物までの距離を求めるものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、パルス・レーダ方式とは、パルス信号を発信してからそれが測定対象で反射して戻ってくるまでの時間を計測することにより、被検出対象物までの距離を求めるものである（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
上記の２つの計測方式は、いずれも高い計測精度を有する反面、それぞれ、以下に示す問題点を抱えている。
【０００６】
最初に、ＦＭＷＣ方式については、放射周波数と反射周波数との時間的位相ずれ（周波数ずれ）を計測するため、反射時間に応じた時間幅で放射周波数をリニアに変化させる必要がある。この放射周波数のリニア可変は、計測精度に大きく影響することから、高精度な直線性を構成回路において実現しなければならず、回路が複雑になってしまうという問題がある。
【０００７】
なお、環境温度の変化によっても計測精度が低下してしまうことから、温度補償するための回路もさらに備えることが必要となり、ますます構成が複雑化することとなる。
【０００８】
さらに、計測精度は、計測精度＝光速／（２×周波数の掃引幅）の関係式で表わされるように、放射周波数の掃引幅によって決まることから、高い精度を得るためには広い帯域幅を使用する必要がある。しかしながら、マイクロウェーブ式レベル計が通常使用する、移動体検知センサ用として電波法で区分されている２４．１５ＧＨｚの周波数帯域においては、特定小電力無線の規制によって、帯域幅は、実効周波数２４．１〜２４．２ＧＨｚの０．１ＧＨｚに使用が制限されている。このため、ＦＭＷＣ方式のマイクロウェーブ式レベル計の屋外での使用については、十分な帯域幅が得られないという理由から、計測精度に限界が生じてしまうこととなる。
【０００９】
次に、パルス・レーダ方式については、放射器において非常に短い電気的パルスを発生させるためには、成分的には広い電波帯域幅が必要とされる。例えば、２ナノ秒のインパルスを発生させるために必要な帯域幅は２ＧＨｚとなる。したがって、この場合も、電波法の定める帯域幅の制限を受けて、屋外での使用が制限されることとなる。
【００１０】
したがって、これらの問題を解決するためには、電波法で定められている電波帯域や放射利得を満足し、かつ、放射信号発生器に対する温度および放射周波数の可変方法による影響度を少なくすることが必要とされる。
【００１１】
上記の２つの計測方式では、使用帯域幅が広いことから、電波法で分類される特定小電力無線として利用することはできないが、出力パワーを抑えた微弱電力無線として利用することが可能である。しかしながら、放射信号の出力電力を下げることによって、反射信号の電力も非常に小さくなるため、遠距離の計測を行なう場合にノイズの影響を受けやすいという問題が生じる。
【００１２】
さらに、最近では、近距離であっても高い測定精度を有する距離測定装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１３】
図１２は、特許文献３に提案されている距離測定装置の構成を示す概略ブロック図である。
【００１４】
図１２を参照して、距離測定装置は、所定の周波数の信号を出力する発信源６０と、発信源６０の出力信号と同一周波数の電磁波を放出する送信器７０と、送信器７０から放出された電磁波（以下、進行波Ｄとも称する）と被検出対象物Ｍにて反射した反射波Ｒとが干渉して形成された定在波Ｓの振幅を検知するための検出器８０と、検出器８０の検出信号から被検出対象物までの距離を算出する信号処理器９０とを備える。
【００１５】
発信源６０は、発信部６１と周波数制御部６２とを含む。発信部６１は、周波数制御部６２が制御する一定の周波数ｆの信号を送信器７０に対して出力する。周波数制御部６２は、発信部６１に送った周波数ｆに関する情報を信号処理器９０にも出力する。
【００１６】
ここで、図１２の距離測定装置における計測方式の原理について、簡単に説明する。
【００１７】
図１２に示すように、送信器７０から放出された進行波Ｄと被検出対象物Ｍにて反射した反射波Ｒとが干渉することによって、送信器７０と被検出対象物Ｍとの間の伝搬媒質中に定在波Ｓが形成される。この定在波Ｓの振幅は、進行波Ｄの周波数ｆに対して周期的であって、その振幅の周期は、検出器８０と被検出対象物Ｍと間の距離に反比例する。
【００１８】
したがって、進行波Ｄの周波数ｆを変化させれば、検出器８０の位置において、進行波Ｄの周波数ｆに対する定在波Ｓの振幅の変動周期を求めることができる。さらに、得られた定在波Ｓの振幅の変動周期から被検出対象物Ｍまでの距離を算出することができる。
【００１９】
このように、本距離測定装置において、被検出対象物Ｍまでの距離は、出力信号の周波数に対する定在波の振幅の変動周期にのみ依存し、送信器７０によって電磁波を発信してから検出器８０に戻ってくるまでの時間の影響を受けないことから、これまでのＦＭＷＣ方式およびパルス・レーダ方式に対して、近距離においても、より高い精度で測定することができる。
【００２０】
【特許文献１】
特開平７−１５９５２２号公報（第３頁、第４図）
【００２１】
【特許文献２】
特表平８−５１１３４１号公報（第１図）
【００２２】
【特許文献３】
特開２００２−３５７６５６号公報（第６−７頁、第１図）
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、図１２の距離測定装置は、定在波Ｓの振幅の変動周期から被検出対象物Ｍまでの距離を求めることから、進行波Ｄの周波数ｆの変化する範囲において、定在波Ｓの振幅に周期性が見られることが必要とされる。
【００２４】
例えば、２４．１５ＧＨｚ帯での実効周波数帯域を２４．１〜２４．２ＧＨｚの０．１ＧＨｚとし、空気中の電波の伝搬速度Ｃを３０万ｋｍ／ｓｅｃとすると、少なくとも定在波Ｓの振幅に１周期性が現われるための最小測定距離は、
（０．３×１０9［ｍ／ｓｅｃ］）／（０．１×１０9［１／ｓｅｃ］）＝３［ｍ］
から３ｍとなり、測定距離が３ｍ以上なければ、得られた距離に誤差が生じてしまうこととなる。
【００２５】
このように、電波法で規定される限られた帯域幅の下では、近距離の測定において、高精度を保持することは困難となり、測定距離に限界が生じていた。
【００２６】
それゆえ、この発明の目的は、狭い放射周波数帯域においても、近距離まで高精度に計測可能なマイクロウェーブ式レベルセンサを提供することである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
この発明のある局面に従えば、被検出対象物までの距離を計測するマイクロウェーブ式レベル計であって、所定の帯域幅を有する放射周波数からなる電磁波を発生し、被検出対象物に対して放射する送信部と、電磁波と電磁波の反射波とによって被検出対象物との間に形成される定在波の振幅信号を検出する受信部と、検出した定在波の振幅信号と放射周波数との関係を演算処理することによって被検出対象物までの距離を算出する信号処理回路とを備える。信号処理回路は、定在波の振幅信号の値を、対応する放射周波数の関数として振幅信号関数を形成し、振幅信号関数の変動周期を求めることによって被検出対象物までの距離を算出する演算回路を含み、演算回路は、距離分解能に応じた次数で演算処理して振幅信号関数の変動周期を求める。
【００２８】
好ましくは、演算回路は、振幅信号関数を距離分解能に応じた次数でフーリエ変換することによって変動周期の周波数成分を検出し、周波数成分から被検出対象物までの距離を算出する。
【００２９】
この発明の別の局面に従えば、被検出対象物までの距離を計測するマイクロウェーブ式レベル計であって、所定の帯域幅を有する放射周波数からなる電磁波を発生し、被検出対象物に対して放射する送信部と、電磁波と電磁波の反射波とによって被検出対象物との間に形成される定在波の振幅信号を検出する受信部と、検出した定在波の振幅信号と放射周波数との関係を演算処理することによって被検出対象物までの距離を算出する信号処理回路とを備える。信号処理回路は、定在波の振幅信号の値を、対応する放射周波数の関数として振幅信号関数を形成し、距離分解能に応じた次数で演算処理して振幅信号関数の変動周期を求めることによって、被検出対象物までの距離を算出する演算回路を含む。演算回路は、振幅信号関数が周期性を有するか否かを判断し、判断結果に応じて放射周波数の帯域幅と電磁波の出力振幅とを制御するための制御信号を出力し、送信部は、制御信号にて指定された放射周波数の帯域幅と出力振幅とを有する電磁波を発生して、被検出対象物に対して放射する。
【００３０】
好ましくは、送信部は、電磁波の出力振幅を演算回路からの制御信号で指定された減衰量だけ減衰させる振幅減衰部を含む。
【００３１】
好ましくは、演算回路は、第１の放射周波数の帯域幅における振幅信号関数が周期性を有しないときには、第１の放射周波数の帯域幅よりも広帯域である第２の放射周波数の帯域幅に設定するための制御信号を出力する。
【００３２】
より好ましくは、演算回路は、第１の放射周波数の帯域幅における振幅信号関数が周期性を有しないときには、電磁波の出力振幅を減衰させるための制御信号を出力する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３４】
図１は、この発明の実施の形態に従うマイクロウェーブ式レベル計の構成の一例を示すブロック図である。
【００３５】
図１を参照して、マイクロウェーブ式レベル計１００は、大きく分けて、図示しない被検出対象物との距離を計測する計測回路３０と、計測回路３０とユーザとの間のインターフェースとしての周辺回路４０とから構成される。なお、マイクロウェーブ式レベル計１００全体に電源電圧を供給するための電源回路４５は、周辺回路４０に配設される。
【００３６】
計測回路３０は、被検出対象物との間で信号を送受信する信号送受信回路１０と、受信信号の処理および放射周波数の制御を行なう信号処理回路２０とからなる。信号送受信回路１０には、送信および受信機能を併せ持つアンテナ５０が結合される。
【００３７】
信号送受信回路１０は、被検出対象物に対して電磁波を放射するための送信部と、マイクロウェーブ式レベル計１００と被検出対象物との間に発生する定在波を受信する受信部とを有する。
【００３８】
送信部は、信号処理回路２０で制御される所定の放射周波数の電磁波を出力する部位であり、後述する基準発振信号に対して周波数と位相とが一致した信号を発生させる位相同期ループ（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）回路１と、逓倍器２と、増幅器３と、アッテネータ４とを含む。
【００３９】
ＰＬＬ回路１は、位相検出器１１と、ループフィルタ（ＬＰＦ：Loop Filter）１２と、電圧制御発振回路（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）１３と、分周器１４とから構成され、図１に示すフィードバック回路を構成する。なお、各部位の具体的な回路構成については、一般的なＰＬＬ回路に搭載されているものと同様であることから、その説明および図示は省略する。
【００４０】
位相検出器１１は、信号処理回路２０からの基準発振信号と分周器１４から帰還される帰還信号との位相差を検出し、ＶＣＯ１３の発振周波数を上昇または下降させる制御信号を出力する。
【００４１】
次に、ＶＣＯ１３の制御信号は、ＬＰＦ１２を通して直流化されると、ＶＣＯ１３の図示しない制御入力端子に与えられる。なお、ＬＰＦ１２は、ＶＣＯ１３に含まれる位相成分以外の雑音を低減することおよびフィードバックループを安定化させるために用いられる。
【００４２】
次に、ＶＣＯ１３の出力信号は、ＰＬＬ回路１の出力として逓倍器２に伝達されるとともに、分周器１４によりｎ（ｎは自然数）分の１の周波数に変換された帰還信号となり、位相検出器１１に入力される。
【００４３】
このように、図１のＰＬＬ回路１に示すフィードバック構成は、基準発振信号と帰還信号との周波数および位相が一致するようにＶＣＯ１３の制御信号を制御するため、最終的には、基準発振信号のｎ倍の周波数の出力信号がＰＬＬ回路１から出力されることとなる。
【００４４】
さらに、ＰＬＬ回路１の出力信号は、逓倍器２を介して周波数を逓倍され、さらに増幅器３を介して増幅される。
【００４５】
増幅された出力信号は、アッテネータ４において、その振幅が所定の比率で減衰される。アッテネータ４における減衰量は、後述するように、信号処理回路２０からの制御信号によって制御される。
【００４６】
振幅減衰された出力信号は、入出力端子としてのコネクタ５からアンテナ５０へと伝送されると、マイクロウェーブ式レベル計１００外部の図示しない被検出対象物に対して放射される。
【００４７】
さらに、アンテナ５０から放射された電磁波である進行波は、被検出対象物に到達すると、反射波となってマイクロウェーブ式レベル計１００に向かって進行する。この進行波と反射波とが干渉すると、マイクロウェーブ式レベル計１００と被検出対象物との間に定在波が形成される。この定在波の振幅は、アンテナ５０を介して、信号送受信回路１０内部の受信部で検知される。
【００４８】
受信部では、アンテナ５０で受信された定在波がコネクタ５を介して検波器６へと伝送される。検波器６は、定在波から変調信号である振幅信号を検出するものであり、例えば、ダイオードの整流作用を利用したダイオード検波器で構成することができる。検波器６において、定在波は、低周波の振幅信号へと復調される。検波器６で検出された振幅信号は、さらに、信号処理回路２０に送られる。
【００４９】
信号処理回路２０は、受信信号処理部としての増幅器２３およびアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２４と、送信信号生成部としてのデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ：Direct Digital Synthesizer）２２と、演算処理回路および制御回路であるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）およびマイクロプロセッサ（ＭＰＵ：Microprocessor Unit）２１とから構成される。
【００５０】
受信信号処理部は、信号送受信回路１０の検波器６で検波された定在波の振幅信号を増幅するための増幅器２３と、増幅したアナログ信号である振幅信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器２４とを含む。受信信号処理部でデジタル信号に変換された定在波の振幅信号は、さらに、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１に入力される。
【００５１】
ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、各放射周波数において検出された定在波の振幅信号から放射周波数と振幅信号との関係が得られると、これを演算処理することによって、被検出対象物までの距離を算出する。演算処理としては、定在波の振幅信号を、対応する放射周波数の関数として振幅信号関数を形成し、振幅信号関数を高速フーリエ変換するＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を実行する。
【００５２】
ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、上記の演算処理を行なうとともに、信号送受信回路１０のアッテネータ４に対して、放射する電磁波の出力振幅の減衰量を制御するための制御信号を出力する。アッテネータ４における電磁波の減衰量は、後述するように、被検出対象物との距離に応じて増減される。具体的には、特定小電力無線の放射周波数帯域幅において、定在波の振幅信号をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラムに周期性が含まれないときには、アッテネータ４における減衰量を大きくすることによって、微弱無線の帯域幅を利用した計測に切換えられる。
【００５３】
ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、さらに、放射周波数を制御するための制御信号を送信信号生成部であるＤＤＳ２２に出力する。
【００５４】
ＤＤＳ２２は、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１からの制御信号に基づいて、放射周波数を設定するための基準発振信号を生成して、信号送受信回路１０のＰＬＬ回路１に内包される位相検出器１１へと出力する。これによって、２４．１５ＧＨｚ帯での特定小電力無線を利用した計測においては、最低放射周波数２４．１ＧＨｚから最高放射周波数２４．２ＧＨｚまでの範囲内で、放射周波数を変化させることができる。
【００５５】
信号処理回路２０内部のＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、さらに、周辺回路４０内部の操作回路４１、表示回路４２、通信回路４３および出力回路４４に接続される。これによって、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１にて実行された被検出対象物までの距離の算出結果は、表示回路４２、通信回路４３および出力回路４４を介して、図示しないユーザに転送される。また、操作回路４１および通信回路４３を介して、ユーザからの計測動作に関する指示等がＤＳＰ＆ＭＰＵ２１へと転送される。
【００５６】
次に、図１の構成からなるマイクロウェーブ式レベル計１００における計測動作について説明する。
【００５７】
最初に、信号送受信回路１０の送信部では、所定の放射周波数の電磁波が生成されて、アンテナ５０を介して被検出対象物に対して放出される。電磁波の発生については、先述のように、ＰＬＬ回路１によって、信号処理回路２０内部のＤＤＳ２２からの基準発振信号を正確に逓倍した所定の放射周波数の出力信号が生成される。このため、マイクロウェーブ式レベル計１００は、周波数確度の高い電磁波を被検出対象物に放射することができる。
【００５８】
さらに、ＰＬＬ回路１において、ＤＤＳ２２の基準発振信号の変化に応答して、放射周波数は正確に追随して変化することから、放射周波数の変化においてもＤＤＳ２２の分解能に応じた設定が可能となる。なお、本実施の形態では、放射周波数の帯域を電波法において特定小電力無線として区分されている２４．１〜２４．２ＧＨｚに設定するものとする。
【００５９】
ＰＬＬ回路１からの出力信号は、さらに増幅器３で増幅された後、アッテネータ４で所定の振幅減衰量だけ減衰されると、コネクタ５を介して、アンテナ５０から放射される。
【００６０】
次に、アンテナ５０から放射された電磁波である進行波は、被検出対象物に到達すると、反射されて被検出対象物からマイクロウェーブ式レベル計１００に向かって進行する反射波となる。このため、マイクロウェーブ式レベル計１００と被検出対象物との間の伝搬媒質中には、進行波と反射波とが干渉することにより定在波が形成される。
【００６１】
さらに、定在波は、アンテナ５０にて受信されると、信号送受信回路１０内部の検波器６において、所定の放射周波数に対応する定在波の振幅信号として検出される。検出された振幅信号は、信号処理回路２０へと伝送され、増幅器２３に入力される。なお、検波器６で検出された定在波の振幅信号は、十分に低い周波数帯域に変換されていることから、この振幅信号を増幅する信号処理回路２０内部の増幅器２３としては、低周波増幅器を利用することができ、安価な部品で回路を構成することができる。
【００６２】
信号処理回路２０では、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１に振幅信号が伝送されると、振幅信号の値ｐ（ｆ）と出力された電磁波の放射周波数ｆとが１対１に対応して記録される。さらに、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１からの制御信号によって、ＤＤＳ２２は、放射周波数ｆをステップ周波数Δｆだけ変化させるための基準発振信号を出力する。
【００６３】
これによって、信号送受信回路１０から出力される進行波の放射周波数は、ｆからｆ＋Δｆに変化するが、進行波は一定の速度（光速）で伝搬するため、進行波の波長が変化することとなる。
【００６４】
したがって、マイクロウェーブ式レベル計１００と被検出対象物との間に形成される定在波が変化し、検知される定在波の振幅が変化するため、信号処理回路２０に送られる振幅信号の値ｐ（ｆ＋Δｆ）も変化することとなる。なお、この振幅信号の値ｐ（ｆ＋Δｆ）も同様に、放射周波数ｆ＋Δｆと１対１に対応させてＤＳＰ＆ＭＰＵ２１に記録される。同時に、ＤＤＳ２２からは、さらに放射周波数ｆ＋Δｆをステップ周波数Δｆだけ変化させるための基準発振信号が出力される。
【００６５】
上記の一連の処理は、放射周波数ｆが予め設定されている放射周波数帯域の最高放射周波数ｆｍａｘに至るまで繰り返して行なわれる。なお、本実施の形態では、放射周波数のステップ数Ｎ（Ｎは自然数）を２５６ステップとしている。
【００６６】
図２は、以上の処理によって検出された振幅信号を放射周波数の関数として形成した振幅信号ｐ（ｆ）の一例を示す図である。
【００６７】
図２を参照して、振幅信号ｐ（ｆ）は、放射周波数帯域２４．１〜２４．２ＧＨｚにおいて周期性を有する信号であることが分かる。この振幅信号の周期、すなわち定在波の振幅の変動周期は、マイクロウェーブ式レベル計１００から被検出対象物までの距離に反比例することから、その周期を求めれば被検出対象物までの距離を求めることができる。
【００６８】
振幅信号の変動周期の算出については、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１において、図２に示す振幅信号の周期性を周波数成分として解析するＦＦＴ処理によって求めることができる。ＦＦＴ処理データから得られるパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜は、振幅信号の周期の位置にピークを有する関数となるので、そのピークとなる周期Ｆから被検出対象物までの距離を求めることができる。
【００６９】
図３は、図２の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。なお、このパワースペクトラムは、ＦＦＴ処理における解析ステップを２５６ステップに設定したときの結果である。
【００７０】
図３を参照して、パワースペクトラムは、被検出対象物までの間の距離が１０ｍとなる付近において最大となることから、被検出対象物との間の距離は、約１０ｍと判断することができる。なお、パワースペクトラムにおいて、距離が２０ｍ，３０ｍとなる位置においても極大点が見られるが、これらは高調波成分によるものであって、振幅信号の変動周期に対応する基本波成分となる１０ｍ付近の値に対して十分小さいことから無視することができる。
【００７１】
以上の被検出対象物の距離計測において、検出できる距離の分解能は、放射周波数のステップ数Δｆに依存する。したがって、距離分解能を上げる手段としては、放射周波数の分解能を上げること、すなわち、放射周波数のステップ数Ｎを増やすことが有効である。例えば、検出点４０ｍにおいて、±５ｍｍ以下の計測精度でＦＦＴ処理するためには、
（０．３×１０12［ｍｍ／ｓｅｃ］／４００００［ｍｍ］）−（０．３×１０12［ｍｍ／ｓｅｃ］／４００００±５［ｍｍ］）≒±０．９３７［ｋＨｚ］
０．１×１０９［ＧＨｚ］／０．９３７［ｋＨｚ］×２≒２１３３６０となり、２１３３６０ステップ以上のステップ数が必要となる。
【００７２】
しかしながら、２４．１〜２４．２ＧＨｚの限られた周波数帯域において、このような周波数ステップで計測を行なうのは、周波数の安定度を考慮すると、実用的ではない。
【００７３】
ここで、注意しなければならないのは、距離分解能が放射周波数の分解能である必要はなく、検波された振幅信号の周波数成分がＦＦＴ処理によって検出されれば、得られたパワースペクトラムから被検出対象物との距離を求めることができるということである。すなわち、必要とされるのは、検出した振幅信号の周波数成分である。計測点４０ｍにおける定在波の周期数は、
４０［ｍ］／｛（０．３×１０9［ｍ／ｓｅｃ］）／（０．１×１０9［１／ｓｅｃ］）｝＝２６．７
から、約２７であることから、この周期数の２倍のステップ数である５４ステップ以上の放射周波数における振幅信号があれば、ＦＦＴ処理をすることによって正確なパワースペクトラムが得ることができる。
【００７４】
以上のように、図２に示す振幅信号と放射周波数との関係において、周期性を得ることができれば、ＦＦＴ処理することによって、周期性を周波数成分として解析することができ、被検出対象物までの距離を算出することができる。
【００７５】
ここで、ＦＦＴ処理を行なう際に、検出分解能に応じた次数で処理することによって、被検出対象物までの距離を高精度に計測することが可能となる。このＦＦＴ処理においては、先に示した放射周波数のステップ数以上の次数である２６２１４４ステップでＦＦＴ処理をすることによって、４０ｍまでの計測距離を±５ｍｍ以下の精度で計測することができる。
【００７６】
一方で、放射周波数の分解能については、先述のとおり、振幅信号の周波数成分が検出できる放射周波数のステップ数があれば十分であることから、距離分解能を向上するために、放射周波数のステップ数を必要以上に上げる必要がない。このことから、本実施の形態のマイクロウェーブ式レベル計によれば、高速に移動する被検出対象物においても高精度に距離を求めることができる。
【００７７】
なお、本実施の形態のマイクロウェーブ式レベル計によれば、放射周波数を変化させる際に、従来のＦＭＣＷ方式のように、周波数をリニアに可変させる必要がなく、ランダムに変化させても定在波の振幅信号を検出することができる。
【００７８】
このことは、放射周波数を直線的に可変制御するための複雑な回路構成を不要とするとともに、他のレベル計から発信された電磁波との干渉による測定誤差を回避できるという利点をもたらす。
【００７９】
また、距離を計測するために必要な要素は、振幅信号の周波数成分であるため、確度の高い放射周波数の電磁波が放出できれば、マイクロウェーブ式レベル計を構成する電子部品の温度特性によって左右される振幅成分については、考慮する必要がない。したがって、従来のレベル計のように温度補償のための回路を必要とすることなく、より簡易な構成で高精度に距離を検出することができる。
【００８０】
図４は、図２の振幅信号ｐ（ｆ）をさらに高い次数でＦＦＴ処理することによって得られたパワースペクトラムを示す図である。
【００８１】
図４を参照して、ＦＦＴ処理のステップ数を２６２１４４としたときには、パワースペクトラムはなだらかな波形を示し、距離１０ｍにおいて最大点を示す。したがって、被検出対象物との距離は１０ｍであると判断できる。
【００８２】
また、図３に示すステップ数が２５６のときのパワースペクトラムと比較して、明らかに距離分解能が向上していることが分かる。このように、ＦＦＴ処理の次数を上げることで、放射周波数のステップ数を増やすことなく、高い距離分解能を得ることができる。
【００８３】
図５は、図１のマイクロウェーブ式レベル計１００で検出された振幅信号ｐ（ｆ）の第２の例を示す図である。なお、図２と同様に、放射周波数の帯域は、２４．１〜２４．２ＧＨｚとし、ステップ数は２５６ステップとする。
【００８４】
図５を参照して、放射周波数帯域２４．１〜２４．２ＧＨｚにおいて、振幅信号は周期性を有していることが確認される。したがって、図２の検出例と同様に、この振幅信号の周波数成分を検出すれば、被検出対象物との間の距離を求めることができる。
【００８５】
図６は、図５の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。なお、このパワースペクトラムは、ＦＦＴ処理における解析ステップを２６２１４４ステップに設定したものである。該ステップ数は、先述のように、計測点４０ｍにおいて±５ｍｍの計測精度を確保できる。
【００８６】
図６を参照して、パワースペクトラムは、距離２０ｍの位置において最大値を示すことから、被検出対象物までの距離が２０ｍであると判断できる。なお、図３，４と同様に、図示しない４０ｍ，６０ｍの位置において、高調波成分が検出されるが、最大値に対して十分低いレベルであるため無視することができる。
【００８７】
図７は、図１のマイクロウェーブ式レベル計１００で検出された振幅信号ｐ（ｆ）の第３の例を示す図である。なお、放射周波数帯域は、特定小電力無線を利用して、２４．１〜２４．２ＧＨｚとする。
【００８８】
図７を参照して、放射周波数帯域２４．１〜２４．２ＧＨｚにおいて、検出された振幅信号ｐ（ｆ）は、２４．１３ＧＨｚ付近を極大とする波形を示す。しかしながら、振幅信号ｐ（ｆ）の波形には、先述の図２，図５に見られたような周期性が含まれていないことが分かる。したがって、少なくとも１周期の周期性が振幅信号に現われるためには、より広い放射周波数帯域が必要であることとが予想される。
【００８９】
図８は、図７の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。パワースペクトラムは、距離１ｍから２ｍの広い範囲においてなだらかに増減する波形を示す。しかしながら、図３，図６に見られたような急峻なピークが観測できないことから、正確に被検出対象物までの距離を求めることができない。
【００９０】
このように、近距離の被検出対象物に対しては、２４．１〜２４．２ＧＨｚの狭い放射周波数の帯域では、振幅信号に周期性が含まれないことから、ＦＦＴ処理によっても正確に距離を算出することができない。
【００９１】
したがって、近距離の被検出対象物に対しては、振幅信号の周期性を得るために、放射周波数の帯域を広げることが必要となる。一方で、電波法で分類されている特定小電力無線を利用する場合、帯域幅０．１ＧＨｚに制限されている。
【００９２】
ここで、電波法で定められる分類には、特定小電力無線よりもさらに出力電力レベルの低い微弱無線があり、この帯域幅は１ＧＨｚに規定されている。
【００９３】
そこで、本実施の形態では、図２および図５に示すような遠距離に位置する被検出対象物の計測においては、特定小電力無線の狭い帯域幅（０．１ＧＨｚ）を利用し、図７に示す近距離の測定においては、微弱無線の広い帯域幅（１ＧＨｚ）を利用して、放射周波数の帯域幅を広げることとする。なお、微弱無線を利用することによって空中線電力が低下することとなるが、近距離の測定であるため、ノイズ等の影響は少ないものと判断できる。
【００９４】
このようにして、本実施の形態によれば、近距離に位置する被検出対象物に対しても、高い計測精度で距離を求めることが可能となる。
【００９５】
以上の手法では、近距離の測定においては、放射周波数の帯域幅を広げる一方で、放射する電磁波の電力を微弱無線レベルまで低下させることが必要となる。そこで、本実施の形態では、電磁波の電力レベルを調整する手段として、信号送受信回路１０内部のアッテネータ４の減衰量を制御することとする。以下に、減衰量の制御について詳細に示す。
【００９６】
国内における電波法によれば、レベル計に使用できる周波数帯としては、移動体検知センサ用として区分されている１０．５２５ＧＨｚ帯と２４．１５ＧＨｚ帯が与えられている。
【００９７】
１０．５２５ＧＨｚ帯は、屋内での使用に限定されており、利用できる周波数帯域も１０．５〜１０．５５ＧＨｚと非常に狭くなっている。
【００９８】
一方、２４．１５ＧＨｚ帯では、屋外使用も可能であるが、利用できる周波数帯域が２４．０５〜２４．２５ＧＨｚに制限されており、アンテナから放射される電磁波によって被検出対象物との間の伝搬媒質中に生じる定在波を利用したとしても、先述のように、近距離における計測精度が劣化してしまう。
【００９９】
すなわち、空気中の電波の伝搬速度Ｃを３０万ｋｍ／ｓｅｃとし、２４．１５ＧＨｚ帯での実効周波数帯域を２４．１〜２４．２ＧＨｚ間の０．１ＧＨｚとすると、ＦＦＴ処理によって１周期性が現われるのは、
（０．３×１０9［ｍ／ｓｅｃ］）／（０．１×１０9［１／ｓｅｃ］）＝３［ｍ］
であることから、計測距離が３ｍ以上なければ、ＦＦＴ処理による計測誤差が大きくなる。したがって、計測距離が３ｍ以下のときには、実効周波数帯域を２４．１〜２５．２ＧＨｚの１ＧＨｚとすることによって、３０ｃｍの計測距離までを正確に計測することができる。
【０１００】
そこで、近距離の測定の場合は、帯域を広げる一方で、ノイズの影響等が少ないことから、３ｍでの電界強度が３５μＶ／ｍ以下になるように、アッテネータ４の減衰量を調整する。
【０１０１】
一方、遠距離の測定の場合は、被検出対象物の反射計数や周囲のノイズ等の影響による受信振幅信号の劣化を防ぐため、信号送受信回路の送信部に構成されているアッテネータ４で空中線電力を１０ｍＷ以下になるように抑えるものとする。
【０１０２】
このように、放射周波数の帯域幅を制御するとともに、アッテネータ４の減衰量を調整して放射する電磁波の電力を制御することによって、検出点から被検出対象物までの距離３０ｃｍ以上で、精度良く距離が計測することができる。
【０１０３】
図９は、微弱無線の帯域幅を利用して検出した振幅信号ｐ（ｆ）の一例を示す図である。なお、放射周波数の帯域幅は、２４．１〜２５．１ＧＨｚとする。
【０１０４】
図９を参照して、放射周波数帯域２４．１〜２５．１ＧＨｚにおいて、振幅信号ｐ（ｆ）には、周期性が含まれていることが確認される。したがって、振幅信号の周波数成分を検出することによって、被検出対象物との距離を算出することが可能となる。
【０１０５】
図１０は、図９の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。
【０１０６】
図１０を参照して、パワースペクトラムは、距離１ｍに最大点が見られることから、被検出対象物までの距離が１ｍであると判断できる。
【０１０７】
以上のように、近距離に位置する被検出対象物の測定においては、微弱無線を利用して広い帯域幅で検出動作を行なうことにより、精度良く距離を検出することができる。
【０１０８】
図１１は、図１のマイクロウェーブ式レベル計１００の計測動作を示すフロー図である。
【０１０９】
図１１を参照して、最初に、被検出対象物に放射する電磁波の放射周波数の情報が設定される。具体的には、放射周波数帯域を決める最低周波数ｆｍｉｎおよび最高周波数ｆｍａｘと放射周波数間隔Δｆとが、ユーザによって、図１の周辺回路４０の操作回路４１から入力される（ステップＳ１０）。放射周波数間隔Δｆについては、放射周波数ステップ数Ｎによって設定することも可能である。なお、本実施の形態では、電波法で分類されている特定小電力無線の帯域幅を利用して、ｆｍｉｎ＝２４．１ＧＨｚ，ｆｍａｘ＝２４．２ＧＨｚとし、放射周波数のステップ数Ｎ＝２５６と設定する。これらの周波数情報は、信号処理回路２０内部のＤＳＰ＆ＭＰＵ２１へと転送される。
【０１１０】
次に、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、与えられた周波数情報に基づいて、アッテネータ４に制御信号を出力し、減衰量Ｇを設定する（ステップＳ１１）。これによって、放出される電磁波は、特定小電力無線で定める無線電力レベルに調整される。
【０１１１】
続いて、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、周波数情報に基づいて、ＤＤＳ２２に対して、放射周波数ｆを最低放射周波数ｆｍｉｎに設定するための制御信号を出力する（ステップＰＳ１２）。ＤＤＳ２２は、制御信号に応答して、最低放射周波数ｆｍｉｎの電磁波を生成するための基準発振信号を生成して、ＰＬＬ回路１内部の位相検出器１１へと出力する。
【０１１２】
信号送受信回路１０では、ＤＤＳ２２からの基準発振信号に基づいて、放射周波数を最低放射周波数ｆｍｉｎとする電磁波（進行波）が生成されて、アンテナ５０を介して、被検出対象物に対して放出される（ステップＳ１３）。
【０１１３】
さらに、進行波と反射波とが干渉することによって形成された定在波は、アンテナ５０で受信された後に、検波器６で検波されて、放射周波数ｆに対応する振幅信号ｐ（ｆ）が計測される（ステップＳ１４）。
【０１１４】
ステップＳ１３〜Ｓ１４に示す一連の動作は、さらに、放射周波数ｆを放射周波数間隔Δｆだけ変化させたｆ＋Δｆに変化させて実行される（ステップＳ１５）。
【０１１５】
このとき、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１では、変更された放射周波数ｆは、常に最高放射周波数ｆｍａｘと比較されている（ステップＳ１６）。このようにして、変更後の放射周波数ｆが最高放射周波数ｆｍａｘに到達するまで、ステップＳ１３〜ステップＳ１５までの動作が繰り返される。
【０１１６】
ステップＳ１６において、放射周波数ｆが最高放射周波数ｆｍａｘに達すると、電磁波の放射が停止される。
【０１１７】
次に、受信された振幅信号ｐ（ｆ）は、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１において、ＦＦＴ処理が行なわれ（ステップＳ１７）、ＦＦＴ処理データからパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜が算出される（ステップＳ１８）。
【０１１８】
ここで、得られたパワースペクトラムにおいて、１周期以上の周期性が含まれているか否かが判断される（ステップＳ１９）。ＦＦＴ処理によって振幅信号の変動周期を高精度に求めるためには、少なくとも１周期の周期性が現われていることが必要とされるからである。
【０１１９】
ステップＳ１９において、パワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜に周期性が含まれていることが確認されたときには、その最大点である｜Ｐ（Ｆ）｜ｍａｘが算出される（ステップＳ２０）。
【０１２０】
最後に、最大点｜Ｐ（Ｆ）｜ｍａｘを与える周波数成分Ｆを換算することによって、被検出対象物までの距離Ｄを求めることができる（ステップＳ２１）。
【０１２１】
一方で、ステップＳ１９において、パワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜に周期性が含まれていないとき、すなわち、１周期が確認できないときには、被検出対象物が近距離に位置すると判断されることから、再度放射周波数帯域が設定される。ここでは、電波法で分類される微弱無線を利用することで、帯域幅を広げることができる。
【０１２２】
ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１において、最高放射周波数ｆｍａｘ＝ｆｍａｘ’と、放射周波数間隔Δｆ＝Δｆ’とが設定される（ステップＳ２２）。ここで、ステップＳ１０と同様に、放射周波数間隔Δｆ’の代わりに放射周波数ステップ数Ｎを設定することができる。本実施の形態では、最高放射周波数ｆｍａｘ’＝２５．１ＧＨｚ，放射周波数ステップ数Ｎ＝２５６と設定する。
【０１２３】
次に、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１は、これらの周波数情報に基づいて、アッテネータ４に制御信号を出力し、電磁波の出力振幅の減衰量Ｇを設定する（ステップＳ２３）。これによって、放出される電磁波は、微弱無線で定める無線電力レベルに調整される。
【０１２４】
続いて、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１において、放射周波数ｆが最低放射周波数ｆｍｉｎに設定されると（ステップＳ１２）、ＤＤＳ２２からの基準発振信号に基づいて発生された電磁波が放射される（ステップＳ１３）。進行波と反射波との干渉によって形成される定在波を受信し、検波器６において振幅信号ｐ（ｆ）が検出される（ステップＳ１４）。これらの動作は、さらに、放射周波数ｆを放射周波数間隔Δｆだけ変化させて行なわれ、最終的には放射周波数ｆが最高放射周波数ｆｍａｘ’に達するまで繰り返される（ステップＳ１５，Ｓ１６）。
【０１２５】
ステップＳ１６において、放射周波数ｆが最高放射周波数ｆｍａｘ’に達すると、ＤＳＰ＆ＭＰＵ２１において、振幅信号ｐ（ｆ）のＦＦＴ処理が実行される（ステップＳ１７）。
【０１２６】
続いて、ＦＦＴ処理によって得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を算出し（ステップＳ１８）、１周期以上の周期性が含まれているか否かが判断される（ステップＳ１９）。
【０１２７】
パワースペクトラムＰ（Ｆ）に周期性が確認されたときには、最大点｜Ｐ（Ｆ）｜ｍａｘが算出され（ステップＳ２０）、最大となるときの周波数成分Ｆを換算することによって、被検出対象物までの距離が求められる（ステップＳ２１）。
【０１２８】
以上のように、この発明の実施の形態に従えば、電波法で制限されている狭い放射周波数帯域においても、近距離から遠距離までを精度良く計測することができる。
【０１２９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１３０】
【発明の効果】
以上のように、この発明に従うマイクロウェーブ式レベル計によれば、電波法で制限されている狭い放射周波数帯域においても、近距離から遠距離までを精度良く測定することができる。
【０１３１】
また、マイクロウェーブ式レベル計が放射した進行波と反射波とによって形成される定在波を検波して得られる振幅信号と放射周波数との関係において、周期性を得ることができれば、ＦＦＴ処理によって被検出対象物までの距離を算出できることから、放射周波数の設定確度（ステップ数および可変の線形性）を高めるための複雑な回路構成を必要とせず、簡易かつ安価な回路構成で高い計測精度を実現することができる。
【０１３２】
さらに、マイクロウェーブ式レベル計の距離分解能は、放射周波数のステップ数を増やすことなく、ＦＦＴ処理における次数を上げることによって容易に向上することができる。
【０１３３】
また、距離の計測に広い帯域幅が必要となる近距離の測定においては、電波法で分類される微弱無線を用いることで、放射周波数の帯域幅を広げて精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態に従うマイクロウェーブ式レベル計の構成を示すブロック図である。
【図２】 検出された振幅信号ｐ（ｆ）の一例を示す図である。
【図３】 図２の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。
【図４】 図２の振幅信号ｐ（ｆ）をさらに高い次数でＦＦＴ処理することによって得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。
【図５】 振幅信号ｐ（ｆ）の第２の検出例を示す図である。
【図６】 図５の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。
【図７】 振幅信号ｐ（ｆ）の第３の検出例を示す図である。
【図８】 図７の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。
【図９】 微弱無線の帯域幅を利用して検出した振幅信号ｐ（ｆ）の一例を示す図である。
【図１０】 図９の振幅信号ｐ（ｆ）をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトラム｜Ｐ（Ｆ）｜を示す図である。
【図１１】 図１のマイクロウェーブ式レベル計１００が行なう検出動作を説明するためのフロー図である。
【図１２】 従来の距離検出装置の構成を示す概略ブロック図である。
【符号の説明】
１ ＰＬＬ回路、２ 逓倍器、３ 増幅器、４ アッテネータ、５ コネクタ、６ 検波器、１０ 信号送受信回路、１１ 位相検出器、１２ ＬＰＦ、１３ＶＣＯ、２０ 信号処理回路、２１ ＤＳＰ＆ＭＰＵ、２２ ＤＤＳ、２３ 増幅器、２４ Ａ／Ｄ変換器、３０ 計測回路、４０ 周辺回路、４１ 操作回路、４２ 表示回路、４３ 通信回路、４４ 出力回路、４５ 電源回路、５０アンテナ、６０ 発信源、６１ 発信部、６２ 周波数制御部、７０ 送信器、８０ 検出器、９０ 信号処理器、１００ マイクロウェーブ式レベル計、２００ 距離測定装置、Ｍ 被検出対象物、Ｄ 進行波、Ｒ 反射波、Ｓ 定在波。
Claims (6)
- 被検出対象物までの距離を計測するマイクロウェーブ式レベル計であって、
所定の帯域幅を有する放射周波数からなる電磁波を発生し、前記被検出対象物に対して放射する送信部と、
前記電磁波と前記電磁波の反射波とによって前記被検出対象物との間に形成される定在波の振幅信号を検出する受信部と、
検出した前記定在波の振幅信号と前記放射周波数との関係を演算処理することによって前記被検出対象物までの距離を算出する信号処理回路とを備え、
前記信号処理回路は、
前記定在波の振幅信号の値を、対応する前記放射周波数の関数として前記振幅信号関数を形成し、前記振幅信号関数の変動周期を求めることによって前記被検出対象物までの距離を算出する演算回路を含み、
前記演算回路は、距離分解能に応じた次数で演算処理して前記振幅信号関数の変動周期を求める、マイクロウェーブ式レベル計。 - 前記演算回路は、前記振幅信号関数を距離分解能に応じた次数でフーリエ変換することによって前記変動周期の周波数成分を検出し、前記周波数成分から前記被検出対象物までの距離を算出する、請求項１に記載のマイクロウェーブ式レベル計。
- 被検出対象物までの距離を計測するマイクロウェーブ式レベル計であって、
所定の帯域幅を有する放射周波数からなる電磁波を発生し、前記被検出対象物に対して放射する送信部と、
前記電磁波と前記電磁波の反射波とによって前記被検出対象物との間に形成される定在波の振幅信号を検出する受信部と、
検出した前記定在波の振幅信号と前記放射周波数との関係を演算処理することによって前記被検出対象物までの距離を算出する信号処理回路とを備え、
前記信号処理回路は、
前記定在波の振幅信号の値を、対応する前記放射周波数の関数として振幅信号関数を形成し、距離分解能に応じた次数で演算処理して前記振幅信号関数の変動周期を求めることによって、前記被検出対象物までの距離を算出する演算回路を含み、
前記演算回路は、前記振幅信号関数が周期性を有するか否かを判断し、判断結果に応じて前記放射周波数の帯域幅と前記電磁波の出力振幅とを制御するための制御信号を出力し、
前記送信部は、前記制御信号にて指定された前記放射周波数の帯域幅と前記出力振幅とを有する電磁波を発生して、前記被検出対象物に対して放射する、マイクロウェーブ式レベル計。 - 前記送信部は、前記電磁波の出力振幅を前記演算回路からの制御信号で指定された減衰量だけ減衰させる振幅減衰部を含む、請求項３に記載のマイクロウェーブ式レベル計。
- 前記演算回路は、第１の放射周波数の帯域幅における前記振幅信号関数が周期性を有しないときには、前記第１の放射周波数の帯域幅よりも広帯域である第２の放射周波数の帯域幅に設定するための前記制御信号を出力する、請求項３に記載のマイクロウェーブ式レベル計。
- 前記演算回路は、前記第１の放射周波数の帯域幅における前記振幅信号関数が周期性を有しないときには、前記電磁波の出力振幅を減衰させるための前記制御信号を出力する、請求項５に記載のマイクロウェーブ式レベル計。
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