JP4738006B2 - ドップラ効果を用いた速度計測方法及びドップラ速度計 - Google Patents

Description

本発明は、ドップラ効果を用いた速度計測方法及びドップラ速度計に関するものである。

従来から、移動する物体（被計測物体）の速度を遠隔で計測する際には、「ドップラ効果」を利用した速度計測方法などが用いられてきた。
例えば、特許文献１に記載された技術では、製鉄所内の連続鋳造工程において、被計測物体（鋳片）に電波を照射して、反射してくる電波のドップラ周波数を測定することにより、被計測物体の速度（鋳片の引き抜き速度）を測定している。この場合、ドップラ周波数は、被計測物体に照射する電波の周波数や被計測物体の速度に比例するものとなるが、被計測物体の移動速度が低速の場合、当該ドップラ周波数は低くなり、被計測物体の速度を高分解能で測定することが困難となっていた。

すなわち、特許文献１では、送信波として周波数１０ＧＨｚ（特許文献１中の１ＧＨｚは誤り）の電波を使用し、速度ｖ＝２ｃｍ／ｓで移動する鋳片の速度を計測しており、従来の１回反射タイプの計測方法では、ドップラ周波数ｆｄは１．３Ｈｚとなる。しかしながら、現状でもこのように低い周波数を精度よく測る周波数測定器を用意することは困難である。市販されている周波数測定器の測定レンジは約１Ｈｚ〜数ＭＨｚ程度であり、１Ｈｚ前後の周波数を測定した際には大きな誤差を伴うことが予想されるし、鋳片の速度が遅くなりドップラ周波数が１Ｈｚ以下になった場合は、測定不可能となる。

この状況を改善するためには、被計測物体へ発射する電波の周波数を高くしてドップラ周波数を上げればよく、特許文献１では、周波数５０ＧＨｚの電波を使用しドップラ周波数を約６．７Ｈｚに上げるようにしている。
一方、被計測物体の速度を高分解能で測定するために、レーザ光を照射するレーザドップラ速度計が既に商品化されている。レーザドップラ速度計は、電波に比べその周波数がはるかに高いレーザ光を被計測物体に照射するため、そのドップラ周波数は低速の物体でも高いものとなる(例えば、可視レーザ光６３２ｎｍ、ミリ波７６ＧＨｚとすると、その周波数比は６２００倍)。ゆえに、レーザドップラ速度計は非常に低速度からの測定が可能なものとなっている。

特許文献２には、上述したようなレーザドップラ速度計を用いて、鋼線材の引き抜き速度を遠隔で計測することが開示されている。
特開昭６２−２４４５６０号公報（図２） 特開２００４−７４２２９号公報（図１）

製鉄所に代表される悪環境下で、特許文献２に記載されたレーザドップラ速度計を用いた場合、レーザ光は少しの粉塵でも散乱され計測誤差が著しいものとなる。
特許文献１の如く、周波数の高い電波を用いたドップラ速度計を使用すると、粉塵による電波の散乱等がレーザ光に比して少なく正確な速度測定が可能となると考えられる。しかしながら、以下に述べる数々の問題もある。

つまり、図１１に示すように、電波はその周波帯域により酸素分子や水蒸気（すなわち大気）に反射されたり吸収されることがある。そのため、例えば、多量の水蒸気が充満する圧延機近傍での圧延材の移送速度の検出などには不向きである。仮に水蒸気が少ない環境下であっても、電波は、その周波数が極端に高くなると光と同様に伝搬路の粉塵粒子の影響を受けやすくなるため、電波といえども高い周波数のものはダスト環境下には適さない。

加えて、電波の使用には各国とも法的規制があり、極微弱な電波を除けば、用途毎に割り当てられている使用周波数が決まっている。例えば、移動体検知センサ用の特定小電力無線局に対しては、１０．５２５ＧＨｚ（室内）と２４．１５ＧＨｚ（室内外）とが使用に対して開放されているものの、他の周波数（例えば、特許文献１の５０ＧＨｚ）の無制限な使用は許されていない。

上記の制約を考慮して、電波の使用周波数を選択した場合、ドップラ速度計に使用できる電波の周波数は必ずしも高くできず、得られるドップラ周波数も通常の周波数計測機器で計測できる周波数レンジと比して非常に低いものとなる。
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、被計測物体に発射する送信波の周波数が低い場合であってもドップラ周波数を増大させることができ、高分解能で速度を検出可能としたドップラ効果を用いた速度測定方法及びドップラ速度計を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明にかかる速度計測方法は、電波である送信波を送出する送信部、送信波を反射する反射体、及び前記反射された送信波を受信する受信部を、前記反射体の幅方向に平行な略一直線上に並べて配置すると共に、前記反射体を鋳片に対して略平行な位置関係となるように配備しておき、前記送信部より鋳片に向かって発射された送信波を前記鋳片と前記反射体とで複数回反射させることで、前記送信波に生じるドップラ周波数を増大させた上で前記受信部で受信し、この増大したドップラ周波数を基に前記鋳片の速度を算出することを特徴とする。

詳しくは、電波である送信波を送出する送信部、送信波を反射する反射体、及び前記反射された送信波を受信する受信部を、前記反射体の幅方向に平行な略一直線上に並べて配置すると共に、前記反射体を鋳片に対して略平行な位置関係となるように配備しておき、前記送信部より鋳片に対して送信波を発射し、この送信波が鋳片により反射されて生じる反射波を、再送送信波として前記鋳片に再び発射できるように前記反射体で反射させ、該再送送信波が再び前記鋳片で反射されることで生じる多重反射波を前記受信部で受信し、この多重反射波のドップラ周波数を算出し、このドップラ周波数に基づいて前記鋳片の速度を算出するものである。

本計測方法の原理を図１、図１２を基に、以下述べる。
図１２は、現在広く用いられているドップラ速度計の構成図を示したものである。すなわち、移動速度ｖでｘ軸方向に移動している被計測物体１に、送信部２から周波数ｆの送信波が照射され、被測定物体１に当たった送信波は、角度θで上方側（Ｙ軸増大側で送信波の進行方向から見ると前方側）へ反射して反射波となり、この反射波は受信部４で受信されるようになっている。受信部４で受け取られた受信波の周波数はｆ＋ｆｄ（ｆｄはドップラ周波数）となっており、このｆｄを基に被計測物体１の速度を理論的に求めることができる。

以降、被計測物体１に対する送信波の反射角は、被計測物体１の表面の法線に対するものとする。
図１は本計測方法を実現する構成を示している。従来のドップラ速度計と同様に送信波は送信部２から発射されて、被測定物体１に当たりその後角度θで上方側へ反射し反射波となる。その反射波は、該反射波を再送送信波として被計測物体に再び発射可能とする反射体３に角度θで当たり、再送送信波となる。

この再送送信波は再び被計測物体１に当たり、角度θで上方側に反射し多重反射波となって、受信部４で受信されるようになる。
被計測物体１は移動速度ｖでＸ軸に平行に移動中であるため、送信部２から送信された送信波の周波数ｆに対して、被計測物体で１回反射しただけの反射波はｆ＋ｆｄとなる（ｆｄはドップラ周波数で速度ｖに比例）。さらに、この反射波を再送送信波として照射しているため、再度被計測物体１で反射した多重反射波の周波数は（ｆ＋ｆｄ）＋ｆｄ＝ｆ＋２ｆｄとなり、被計測物体１の移動速度に起因するドップラ周波数２ｆｄとなる。

ゆえに、本技術的手段によって得られるドップラ周波数２ｆｄは、通常のドップラ速度測定方法（１回反射）で得られるるドップラ周波数ｆｄに比べて２倍の大きな値となり、ドップラ周波数を精度よく計測した上で高分解能で速度を算出することができるようになる。
なお、前述した反射板３は、反射波が反射され再送送信波となる際に、当該再送送信波にドップラ効果に基づく周波数変動（ドップラシフト）ｆｄ’を起こさせるものであってはならない。すなわち、反射板３がある速度ｖ’で移動していたとすると、反射板３に当たった送信波にはｖ’に起因するドップラシフトｆｄ’が生じることになる。

ゆえに、反射体３は、送信部２・受信部４に対して相対位置が固定され、全く動かないか、送信部２・受信部４が速度ベクトルｖで移動するのであれば、反射板３も速度ベクトルｖで移動するものとなっていなければならない。
また、好ましくは、前記多重反射波を再送送信波として再帰的に用いることで、反射体と被計測物体との間で複数回の反射が起こるようにするとよい。

図２には、多重反射波を再送送信波として再帰的に用いた場合の模式図が示されている。送信部２から発射された送信波は、被測定物体１に当たりその後角度θで上方側へ反射し反射波となる。その反射波は、該反射波を、再送送信波として被計測物体に再び発射可能とする反射体３に当たり、角度θで上方に反射して被計測物体１に照射される再送送信波となる。この再送送信波は再び被計測物体１に当たり、角度θで前方に反射し多重反射波となる。

かかる多重反射波は、再度反射体３により反射され、再送送信波として被計測物体１に対して照射される。この再送送信波が被計測物体１で反射して生じた多重反射波を受信部４が受信するようになっている。
受信部４が受信した多重受信波の周波数は、送信波が被計測物体１により３回反射されているため、ｆ＋３ｆｄとなっている。したがって、本技術的手段によって得られるドップラ周波数３ｆｄは、通常のドップラ速度測定方法（１回反射）で得られるドップラ周波数ｆｄに比べて３倍の値となり、さらに高分解能で速度を計測することができるようになる。

換言すれば、ドップラ周波数を高くする作用は、送信波の反射回数の増大により行われるため、空間を伝播する送信波の周波数は必ずしも高い必要がなく、環境要因あるいは電波利用上の規制を考慮した周波数を選択することができる。
なお、前記送信波の進行方向と該送信波が反射して生じた反射波の進行方向とが重ならないように、前記被計測物体に対する送信波の発射方向を設定することが好ましい。

もし、送信波の進行方向とこの送信波が被計測物体に当たって生じる反射波の進行方向とが重なるように送信波の発射方向を設定したとすると、送信波が一度被計測物体に当たった後、反射波として送信部内に進入することになって、反射体による複数反射を実現することが不可能となるからである。
なお、前記被計測物体に発射される送信波はミリ波やマイクロ波等の電波であるとよい。こうすることで、レーザ光のように粉塵による散乱を避けることができ、悪環境化でも速度を確実に計測することができるようになる。

また、上述したドップラ効果を用いた計測方法を用いたドップラ速度計として、鋳片に対して電波である送信波を発射する送信部と、前記鋳片に対して略平行に配備され且つ該送信波が鋳片により反射されて生じた反射波を再度反射させた上で再送送信波として鋳片に発射する反射体と、該再送送信波が鋳片で反射されることで生じる多重反射波を受信する受信部と、この受信部が受信した多重反射波のドップラ周波数を求め、該ドップラ周波数を基に鋳片の速度を算出するコントロールユニットとを有し、前記送信部、反射体、及び受信部は、前記反射体の幅方向に平行な略一直線上に並んで配置されてなる構成とするとよい。

本速度計を用いることで、反射体と被計測物体との間で送信波の複数回反射を実現することができ、さらに、複数回反射に起因するドップラ周波数ｎ×ｆｄをコントロールユニットで検出することが可能となる。なお、ｎは被計測物体に対する送信波の反射回数である。検出されたドップラ周波数ｎ×ｆｄは、通常のドップラ速度測定方法（１回反射）で得られるドップラ周波数ｆｄに比べてｎ倍の値となり、高分解能で速度を計測することができるようになる。

なお、好ましくは、前記送信部と受信部とを収納する筐体を有し、該筐体に前記反射体が設けられるようにするとよい。
こうすることで、本ドップラ速度計は１つの筐体中に、送信部と受信部と反射体とを備えるコンパクトな構造とすることができるようになる。

本発明によれば、検出されるドップラ信号の周波数が高くなるため、低速で移動する被計測物体の速度を測る場合であっても、高い周波数のドップラ信号が得られ、測定分解能を向上できる。また、ドップラ周波数の増え方は、送信波の反射回数に比例するため、送信波自体の周波数は必ずしも高い必要がない。

以下、本発明にかかるドップラ効果を用いた速度計測方法、及びドップラ速度計を図を基にして説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態を説明するための図である。
本実施形態においては、断面略長方形で表面がほぼ平面の被計測物体１が、ｘ軸増大方向に速度ｖで移動している。その進行方向前方側（図１の右側）には、被計測物体１の表面ａ点に角度θをもって周波数ｆの電波を送信波ｔとして発射する送信部２が設けられている。この送信部２は、電波を効率よく照射できるよう、その波長に対応したホーン形状をしている。

送信部２の上方側（Ｙ軸増大側）には、送信波ｔが被計測物体１の表面ａ点に当たり生じた反射波ｒを再び被計測物体１に対して反射する反射体３が設けられている。この反射体３の送信部２，受信部４に対する移動速度はｖ＝０であって、送信部２や受信部４との相対位置は固定である。この反射体３は、平らな表面を有する金属製の板で構成されており、送信波ｔの反射を効率的に行うため、その平面度は送信波ｔの波長に比べて十分小さい（波長の１／８以下）となっている。この反射体３の幅方向（Ｙ軸方向）の長さは、電波の反射に十分なものであればよい。

前記反射体３の上方側には、前記反射体３と被計測物体１との間で反射が繰り返された後に生じる多重反射波ｍｒを受信する受信部４が設けられている。この受信部４は、多重反射波ｍｒを効率よく受け取ることができるように、その波長に対応したホーン形状をしている。
図１に示されているように、送信部２と反射体３と受信部４とはＹ軸に略平行な一直線上に並んで配置され、送信部２と反射体３との距離Ｌ１と、受信部４と反射体３との距離Ｌ２とは略同一となっている。

なお、説明で用いる「角度θ」は、電波の進入経路と、被計測物体１や反射体３の表面に垂直な線との間の角度とする。
本実施形態の場合、送信部２から送信された送信波ｔは、次のように進行する。
まず、送信波ｔは被測定物体のａ点に当たり、その後角度θで上方側へ反射し反射波ｒとなる。この反射波ｒは反射体３に角度θで進入し、入射方向と逆方向に反射し、再度、被計測物体１に照射される再送送信波ｒｔとなる。この再送送信波ｒｔは被計測物体１のｂ点に当たり、角度θでさらに上方に反射し多重反射波ｍｒとなって受信部４で受信されるようになる。

このときの電波の周波数ｆのドップラ周波数ｆｄや反射波ｒの周波数、多重反射波ｍｒの周波数を考えてみると、

となる。
要約すれば、被計測物体１で２回の反射が行われているため、多重反射波ｍｒの周波数は（ｆ＋ｆｄ）＋ｆｄ＝ｆ＋２ｆｄとなり、被計測物体１の移動速度に起因するドップラ周波数２ｆｄとなる。かかるドップラ周波数２ｆｄと式（１）を用いて、被計測物体１の移動速度ｖを求めることができる。

例えば、送信波として周波数１０ＧＨｚの電波を使用し、速度ｖ＝２ｃｍ／ｓで移動する被計測物体（連続鋳造機から引き出されるスラブ等の鋳片）の速度を計測した場合、従来の１回反射タイプの計測方法では、ドップラ周波数ｆｄは１．３Ｈｚとなる。
しかしながら、本実施形態では、ｆｄ＝２．６Ｈｚとなり、通常の周波数測定器や測定回路（測定レンジは約１Ｈｚ〜数ＭＨｚ程度）で、十分な精度且つ分解能で計測可能である。
［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態を示したものであり、第１実施形態の変形例である。

本実施形態のもっとも大きな特徴は、反射体３がＹ軸に略平行な板状（反射板）であり、反射体３と被計測物体１との間を電波が２回以上反射することである。
すなわち、送信部２から発射された送信波ｔは、被測定物体ａ点に当たり、その後角度θで上方へ反射し反射波ｒとなる。その反射波ｒは板状の反射体３のｄ点に当たり、反射角θで上方に反射し被計測物体１に照射される再送送信波ｒｔとなる。この再送送信波ｒｔは被計測物体１のｂ点に当たり、角度θで上方に反射し多重反射波ｍｒとなる。

かかる多重反射波ｍｒは、さらに反射体３のｅ点により反射され再送送信波ｒｔとして被計測物体１のｃ点に対し照射される。つまり、多重反射波ｍｒを再送送信波ｒｔとして再帰的に用いるようにしている。ｃ点に照射された再送送信波ｒｔは反射し多重反射波ｍｒとなって受信部４により受信されるようになる。
受信部４が受信した多重反射波ｍｒの周波数は、被計測物体１により３回反射されているため、ｆ＋３ｆｄとなっている。したがって、本実施形態の場合、ドップラ周波数３ｆｄは、通常のドップラ速度測定方法（１回反射）で得られるドップラ周波数ｆｄに比べて３倍の値となり、式（１）に基づいて高分解能で速度を計測することができるようになる。

当然、反射体３を長くして、電波の反射を４回，５回，６回・・・ｎ回と増やすことで、ドップラ周波数を４ｆｄ，５ｆｄ，６ｆｄ・・・ｎ×ｆｄと増やすことができるようになる。
第１実施形態と同様に、送信波として周波数１０ＧＨｚの電波を使用し、速度ｖ＝２ｃｍ／ｓで移動する被計測物体の速度を計測した場合、従来の１回反射タイプの計測方法では、ドップラ周波数ｆｄは１．３Ｈｚであるものの、５回反射を行うものでは、ドップラ周波数５×ｆｄは６．５Ｈｚとなる。したがって、測定レンジが１Ｈｚ〜の周波数測定器や周波数カウント回路であっても高分解能でドップラ周波数を求めることができ、それに基づき速度を高い精度で算出することが可能となる。

なお、第１，第２実施形態では、被計測物体１のａ点への送信波ｔの発射に関し、反射角θを０とすることができない。もし反射角θを０としたとしたら、送信波ｔの進行方向と、この送信波ｔが反射した反射波ｒの進行方向とが重なり、送信波ｔの進行経路を逆にたどる形で反射波ｒが進んで送信部２内に進入することになって、反射体３による複数反射を実現することが不可能だからである。

そこで、図３に示すように、送信波ｔの進行方向と反射波ｒの進行方向とが重ならず、角度θとなるように電波を照射するようにしている。
こうすることで、ドップラ周波数ｆｄは、送信波ｔと反射波ｒの進行方向が一致している場合のドップラ周波数に比べてｃｏｓθ倍となり、θ＝０の場合に比べて一見不利に見える。しかしながら、第１，第２実施形態では、電波の複数回（Ｎ回）反射によるドップラ周波数の増大の倍率がＮであり、被計測物体１に対する各反射の角度が一定であれば、全体としてドップラ周波数は垂直照射の場合のＮｃｏｓθとなる。

θ＜６０°とすれば、ｃｏｓθ＞０．５であるので、反射回数Ｎが２回以上であれば、Ｎｃｏｓθ＞１となりドップラ周波数の増大効果が生じることになる。θ＜６０°に反射角を設定することには格段の困難はない。
一方、図４に示すように、第１，第２実施形態においては、送信波ｔとして電波を使用しているため、複数回の反射を行うにあたり、電波固有の特性を考慮する必要がある。

すなわち、電波は光に比べ波長が長いため、電波としては波長の短いマイクロ波，ミリ波であっても、アンテナと波長との比率が、光における光学系開口と波長との比率ほど大きくなく、光に比して平行ビームにはならない。例えば、前述のように可視光とミリ波で波長は６２００倍も異なり、同じ広がり状態にするにはミリ波のアンテナ開口は光学系開口の６２００倍必要である。

そのため、図４に示すように、送信部２及び受信部４（送信アンテナ及び受信アンテナ）とも、一定の広がりを持った範囲に電波が放射あるいは受信されることになる。そのような状況下では、図中破線で示したような経路の電波も送受信される可能性が生じてくる。破線で示した伝播経路の送信波（反射角λ）は１回反射であるので、生じるドップラ周波数が異なり、受信部４で受信した受信波内には複数の周波数の信号が混在することになる。

しかしながら、多くの場合では、送信部２，受信部４の正面方向に比べ側方の感度はかなり低い(サイドローブと呼ばれ、副ピークで正面に対して１３ｄＢ低下）ので、送信部２，受信部４両方で感度が落ちることを考えると１００倍以上小さい信号となり、運用上問題となるケースは少ない。ただし、被計測物体１の表面での反射率が低い場合、反射回数の多い信号は、反射回数の少ない信号に比べ小さくなるため、そのような場合は上記現象を考慮することが好ましい。
［ドップラ速度計（Ａ）］
図７，図８は、第１，第２実施形態で説明したドップラ効果を用いた速度測定方法を用いたドップラ速度計５を示したものである。

本ドップラ速度計５は、略長方形の筐体６を有し、その幅方向（ｙ軸方向）の一方側には前記送信部２（送信用のホーンアンテナ）が設けられている。この送信部２は、被計測物体１に角度θで電波を照射するために、電波照射面がｙ軸に対して−θだけ傾くようになっている。
筐体６の幅方向の他端側には前記受信部４（受信用のホーンアンテナ）が設けられている。この受信部４は、被計測物体１からやってくる多重反射波ｍｒを受信するために、電波受信面がｙ軸に対してθだけ傾くようになっている。

送信部２と受信部４との前面には、電波を通過させる材質で形成された電波透過窓７が設けられるようになっている。
さらに、筐体６の前面側であって送信部２と受信部４との間に位置する部分は、反射波ｒを再び反射させる反射体３となっており、この反射体３と被計測物体１との間で複数回反射が起こるようになっている。

前記送信部２と受信部４とは、筐体６内設けられたコントロールユニット８に同軸ケーブル９を介して接続されている。コントロールユニット８は、送信波ｔを発生させると共に受信した多重反射波ｍｒを基にドップラ周波数を抽出する電波回路部１０と、該電波回路部１０により求められたドップラ周波数から被計測物体１の速度を求める信号処理部１１とを有している。

電波回路部１０は、電波を発生する発振器１２を有し、この発振器１２の出力は方向性結合器１３で２つの電波信号（高周波信号）に分割されるものとなっている。一方の高周波信号は送信部２より被計測物体１に照射される。被計測物体１からの多重反射波ｍｒは受信部４により受信されミキサ１５に入る。
前記発振器１２から分割されたもう一方の電波は、ミキサ１５の別のポートに入り、２つの電波はミキサ１５で混合され、和および差の周波数の信号がミキサ１５より出力される。詳しくは、発振器１２の周波数をｆ、ドップラ周波数をｆｄとすれば、送信波ｔの周波数はｆ、多重反射波ｍｒ（例えば２回反射）の周波数はｆ＋２ｆｄであるため、ミキサ１５の出力は（ｆ＋２ｆｄ）＋ｆ＝２ｆ＋２ｆｄと（ｆ＋２ｆｄ）−ｆ＝２ｆｄである。

これらミキサ１５からの出力は、ローパスフィルタ１６によって差の周波数の信号２ｆｄのみが取り出される。これがドップラ周波数となる。
このドップラ周波数は信号処理部１１に入力され、当該信号処理部１１では、ドップラ周波数を周波数カウント回路等で抽出し、さらに式（１）を用いて被計測物体１の速度を算出する。

本ドップラ速度計５は、粉塵等の多い悪環境化に用いることができると共に、被計測物体１の速度が低速の場合に特に有効である。ゆえに、例えば、製鉄所内の連続鋳造装置から出てくるスラブ等の鋳片の速度測定に最適である。
［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態を説明するための模式図である。

前述した第１，第２実施形態と大きく異なる点は、送信部２と受信部４とが一体となって、送受信部１７（送受信用ホーンアンテナ）となっていることである。この送受信部１７から発射された送信波ｔは、ａ点で角度θをもって衝突し、その後角度θをもって上方（Ｙ軸増大側）に反射するようになる。
反射した反射波ｒは、その進行方向前方側には、該反射波ｒが垂直に当たるように配置された反射体３（反射板）が設けられており、この反射体３に反射波ｒが当たることで、再び、逆方向に反射され再送送信波ｒｔとなり、反射波ｒの進路を逆送する形で被計測物体１のａ点に向かって進むようになる。

再送送信波ｒｔはａ点で反射した後、多重反射波ｍｒとなって送信波ｔの進路を逆送する形で進み、再び送受信部１７に入り受信されるようになる。
これらのことより、送信波ｔは被計測物体１に２回反射されることになり、送受信部１７で最終的に受信される多重反射波ｍｒは、ドップラ周波数２ｆｄだけ周波数変位しているものとなる。

なお、特に説明しなかった点に関しては、第１実施形態と略同様である。
［第４実施形態］
図６は、本発明の第４実施形態を説明するための模式図であり、本実施例は第３実施形態の変形例である。第３実施形態と大きく異なる点は、複数（２つ）の反射体３ａ，３ｂを有しており、送信波ｔは第１の反射板３ａで反射された後、第２の反射板３ｂで反射され、被計測物体１との間で複数回（４回）反射が発生するものとなっている。

詳しくは、送受信部１７から発射された電波は、送受信部１７→被計測物体１のａ点→第１反射板３ａ→被計測物体１のｂ点→第２反射板３ｂと伝わる。電波は第２反射板３ｂに垂直に進入するため、多重反射波ｍｒは、進行してきた電波の経路を逆行するようになる。つまり、第２反射板３ｂ→被計測物体１のｂ点→第１反射板３ａ→被計測物体１のａ点→送受信部１７となる。全ての反射においてその反射角はθである。

この反射状況を考えると、送信波ｔは速度ｖで移動する被計測物体１に４回反射されることになり、送受信部１７で最終的に受信される多重反射波ｍｒは、ドップラ周波数４ｆｄだけ周波数変位しているものとなる。
［ドップラ速度計（Ｂ）］
図９，図１０は、第３，第４実施形態で説明したドップラ効果を用いた速度測定方法を用いたドップラ速度計５を示したものである。

前述したドップラ速度計５（図７，図８）との大きな相違点は、
(i) 送信部２の位置に送受信部１７が設置されている。
(ii) 受信部４が設置されている部分には何も配置されず、受信部４前の電波透過窓７の位置が反射体３となっている。
これにより、送受信部１７から発射された電波は、図９の場合、送受信部１７→被計測物体１のａ点→反射体３（筐体６）のｄ点→被計測物体１のｂ点→反射体３のｅ点→被計測物体１のｃ点→反射体３のｇ点と伝わる。電波は最後の反射体３のｇ点に垂直に進入するため、多重反射波ｍｒは、進行してきた電波の経路を逆行するようになる。つまり、反射板３→被計測物体１のｃ点→反射体３のｅ点→被計測物体１のｂ点→反射体３のｄ点→被計測物体１のａ点→送受信部１７となる。

前記送受信部１７は、筐体６内に設けられたコントロールユニット８に同軸ケーブル９を介して接続されている。また、コントロールユニット８は、電波回路部１０と信号処理部１１とを有している。
電波回路部１０は、電波を発生する発振器１２とサーキュレータ１４とを有し、発振器１２の出力は方向性結合器１３で２つの電波信号（高周波信号）に分割されるものとなっている。一方の高周波信号はサーキュレータ１４を通過し、送受信部１７より被計測物体１に照射され、最終的に被計測物体１からの多重反射波ｍｒも当該送受信部１７で受信され、再びサーキュレータ１４を通りミキサ１５に入る。

他方の電波はミキサ１５の別のポートに入り、２つの電波はミキサ１５で混合され、和および差の周波数の信号がミキサ１５より出力される。かかるミキサ１５の出力は、前述したドップラ速度計５の場合と同じで２ｆ＋４ｆｄ，４ｆｄである。
該ミキサ１５からの出力はローパスフィルタ１６によって差の周波数の信号４ｆｄのみが取り出される。これがドップラ周波数であり、このドップラ周波数の値は信号処理部１１に入力され、信号処理部１１では、式（１）を用いて被計測物体１の速度を算出する。

以上述べたドップラ速度計５及び速度計測方法は、様々な形状・速度を有する被計測物体１の速度測定に用いることができる。しかしながら、送信波ｔの複数回反射を前提としている計測であるため、連続鋳造機から出てくる鋳片や伸線機から排出される線材のように、その表面（電波反射面）が略平面であって移動状態が定常的なものが好ましい。当然、移動速度が低速であっても全く問題はない。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。
以上述べた第１〜第４実施形態においては、被計測物体１が速度ｖで移動し、ドップラ速度計５（送信部２、受信部４、反射板３）が定位置に固定されている条件下で、前記速度ｖを計測する方法を述べた。しかしながら、車両や航空機から電波を地面に照射して車両速度や航空機の飛行速度を測る場合のように、被計測物体１（地面）の速度が０であって、ドップラ速度計５が移動する場合がある。

本発明にかかるドップラ効果を用いた速度計測方法やドップラ速度計は、被計測物体１と速度計５との相対速度を計測するものであるため、上述のように被計測物体１が移動しない場合であっても速度（相対速度）を計測可能なことはいうまでもない。当該速度計５を車両や航空機に搭載した場合、当該車両や航空機の移動速度を確実に計測できるようになる。

また、本発明が上記実施の形態に限定されない事例として、送信波ｔはミリ波等の電波に限定されるものではなく、音波等であってもよい。
本ドップラ速度計５は、被計測物体１が送信波ｔの進行方向に直交する方向に移動するものでなければ、その速度ｖの計測することが可能である。
ドップラ速度計５においては、筐体６の一部である反射体３が、受信部４と送信部２より前側（被計測物体１に近い側）に配置されるものとなっているが、送信部２，受信部４，筐体６の各々がＹ軸に平行且つ一直線上になるように、筐体６の形状を設計してもよい。

本発明のドップラ効果を用いた速度測定方法及びドップラ速度計は、鉄鋼プロセスなど高温、多粉塵の悪環境下にある物体の速度を測定する用途に適用できる。

第１実施形態を示す図である。 第２実施形態を示す図である。 本発明にかかる速度測定方法で生じる問題を示した図である。 本発明にかかる速度測定方法で生じる問題を示した図である。 第３実施形態を示す図である。 第４実施形態を示す図である。 ドップラ速度計（Ａ）を示した図である。 ドップラ速度計（Ａ）の電波回路部の構成を示した図である。 ドップラ速度計（Ｂ）を示した図である。 ドップラ速度計（Ｂ）の電波回路部の構成を示した図である。 大気における電波の周波数−吸収係数の特性を示した図である。 従来のドップラ速度計を示した図である。

１ 被計測物体
２ 送信部
３ 反射体
４ 受信部
６ 筐体
７ 電波透過窓
８ コントロールユニット
１０ 電波回路部
１１ 信号処理部
１７ 送受信部
ｔ 送信波
ｒ 反射波
ｒｔ 再送送信波
ｍｒ 多重反射波

Claims (6)

1. 電波である送信波を送出する送信部、送信波を反射する反射体、及び前記反射された送信波を受信する受信部を、前記反射体の幅方向に平行な略一直線上に並べて配置すると共に、前記反射体を鋳片に対して略平行な位置関係となるように配備しておき、
   前記送信部より鋳片に向かって発射された送信波を前記鋳片と前記反射体とで複数回反射させることで、前記送信波に生じるドップラ周波数を増大させた上で前記受信部で受信し、この増大したドップラ周波数を基に前記鋳片の速度を算出することを特徴とするドップラ効果を用いた速度計測方法。
2. 電波である送信波を送出する送信部、送信波を反射する反射体、及び前記反射された送信波を受信する受信部を、前記反射体の幅方向に平行な略一直線上に並べて配置すると共に、前記反射体を鋳片に対して略平行な位置関係となるように配備しておき、
   前記送信部より鋳片に対して送信波を発射し、
   この送信波が鋳片により反射されて生じる反射波を、再送送信波として前記鋳片に再び発射できるように前記反射体で反射させ、
   該再送送信波が再び前記鋳片で反射されることで生じる多重反射波を前記受信部で受信し、
   この多重反射波のドップラ周波数を算出し、このドップラ周波数に基づいて前記鋳片の速度を算出することを特徴とするドップラ効果を用いた速度計測方法。
3. 前記多重反射波を再送送信波として再帰的に用いることで、反射体と鋳片との間で複数回の反射が起こるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のドップラ効果を用いた速度計測方法。
4. 前記送信波の進行方向と該送信波が反射して生じた反射波の進行方向とが重ならないように、前記鋳片に対する送信波の発射方向を設定していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のドップラ効果を用いた速度計測方法。
5. 鋳片に対して電波である送信波を発射する送信部と、
   前記鋳片に対して略平行に配備され且つ該送信波が鋳片により反射されて生じた反射波を再度反射させた上で再送送信波として鋳片に発射する反射体と、
   該再送送信波が鋳片で反射されることで生じる多重反射波を受信する受信部と、
   この受信部が受信した多重反射波のドップラ周波数を求め、該ドップラ周波数を基に鋳片の速度を算出するコントロールユニットとを有し、
   前記送信部、反射体、及び受信部は、前記反射体の幅方向に平行な略一直線上に並んで配置されてなることを特徴とするドップラ速度計。
6. 前記送信部と受信部とを収納する筐体を有し、該筐体に前記反射体が設けられていることを特徴とする請求項５に記載のドップラ速度計。

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