JP4980094B2

JP4980094B2 - 変位計測装置

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Publication number: JP4980094B2
Application number: JP2007036553A
Authority: JP
Inventors: 信弘鈴木; 互吉崎; 敦岡村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: JP2008202964A

Description

この発明は、複数の受信アンテナを切り替えることにより、受信アンテナの数よりも少ない周波数変換器やＡ／Ｄ変換器で高い計測精度を得る変位計測装置に関するものである。

地滑り斜面の変位計測や建物などの変形計測を目的として、電波の位相を用いて変位を計測する方法として、従来、変位計測点に発信機を設置し、複数の固定点に設けた受信アンテナで発信機からの電波を受信し、その位相差から発信機の位置の変位を計測する方法があった（例えば、特許文献１参照）。この電波位相差を用いた変位計測法は、マルチパス波による位相差の計測誤差が誤差の主要因であり、原理的には受信アンテナ数を増やすほど、誤差の平均効果により計測精度が向上する。

特開２００１−２７２４４８号公報

しかしながら、上述したような従来の変位計測法では、受信アンテナを増やすには、周波数変換器やＡ／Ｄ変換器も受信アンテナの数と同じだけ必要になり、特に高精度が要求される場合、例えば数十、数百といった多数の受信アンテナを用いると、大変高価で大規模なシステムになってしまうという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、低コストで、かつ高精度を実現することができる変位計測装置を得るものである。

この発明に係る変位計測装置は、変位計測点に設置された発信機と、位置が既知である固定点に設置され、前記発信機からの電波を受信する複数の受信アンテナと、前記複数の受信アンテナのうちの近隣の複数の受信アンテナ毎にそれぞれ接続され、この接続された受信アンテナを切り替える複数のスイッチと、前記複数のスイッチで選択された信号が入力される信号処理装置とを備え、前記信号処理装置は、前記複数のスイッチで選択された、所定の組み合わせの受信アンテナで受信した信号間の位相差から前記発信機の位置を計算して記憶し、次に前記複数のスイッチを切り替えて別の組み合わせの受信アンテナで受信した信号間の位相差から前記発信機の位置を計算して記憶し、これを繰り返すことにより得られた多数の受信アンテナの組み合せでの発信機の位置の計算結果を平均して最終的な前記発信機の位置を計算するものである。

この発明に係る変位計測装置は、低コストで、かつ高精度を実現することができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る変位計測装置について図１を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る変位計測装置の構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この実施の形態１に係る変位計測装置は、変位計測点に設置した複数の発信機１と、発信機１からの電波を受信する複数の受信アンテナ２と、複数の受信アンテナ２を切り替えるＲＦスイッチ３と、ＲＦスイッチ３により選択された受信信号を増幅する低雑音増幅器（ＬＮＡ）４と、ＲＦ受信信号をＩＦ受信信号に変換する周波数変換器（Ｄ／Ｃ）５と、アナログのＩＦ受信信号をディジタル変換するＡ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ）６と、複数の発信機１を識別し弁別する発信機弁別部８と、受信信号間の位相差を計算する位相差計算部９と、位相差を記憶する記憶部１０と、記憶部１０に蓄えられた複数回計測の位相差から発信機位置を計算する測位計算部１１と、ＲＦスイッチ３やシステム全体を制御する制御部１２とが設けられている。

なお、ＲＦ受信系７は、周波数変換器５とＡ／Ｄ変換器６から構成される。また、計算機１３は、発信機弁別部８と、位相差計算部９と、記憶部１０と、測位計算部１１と、制御部１２などをソフトウェアで実現する。さらに、信号処理装置１４は、複数のＲＦ受信系７と計算機１３から構成される。

つぎに、この実施の形態１に係る変位計測装置の動作について図面を参照しながら説明する。

複数の各変位計測点に設置した発信機１は、電波を発信し、その電波は固定点に設置された複数の受信アンテナ２によって受信される。受信アンテナ２からのＲＦ受信信号は、近隣の複数の受信アンテナ２に対して１個ずつ設置されるＲＦスイッチ３に集められ、このＲＦスイッチ３は、集められた信号の内から１つの受信信号を選択する。ＲＦスイッチ３は、計算機１３内の制御部１２により制御されている。ＲＦスイッチ３により選択された各受信信号は、低雑音増幅器４で増幅された後、ＲＦケーブルなどを通して信号処理装置１４に集められる。

信号処理装置１４内では、各ＲＦ受信信号は周波数変換器５でＩＦ受信信号に変換された後、Ａ／Ｄ変換器６でディジタル受信信号に変換されて計算機１３に入力される。計算機１３の内部では、発信機弁別部８により、複数の発信機１からの信号を識別し、各々の発信機ごとの信号に弁別する。この弁別方法は、例えば、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）や周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）などを用いることができる。以後の計算は、各々の発信機ごとに独立に行われる。

次に、各々の発信機ごとに弁別された受信信号は位相差計算部９に入力され、位相差計算部９は、受信信号間の位相差を計算し、これを記憶部１０に記憶する。次に、制御部１２は、ＲＦスイッチ３に指令を送り、ＲＦスイッチ３を切り替えて別の受信アンテナ２の組み合わせにする。この新たな受信アンテナ２の組み合わせで、同様に受信信号間の位相差を計算し、この結果を記憶部１０に記憶する。これを繰り返し、複数の受信アンテナ２の組み合わせにおける位相差を記憶部１０に蓄積する。最後に、測位計算部１１は、記憶部１０に蓄積された複数の受信アンテナ２の組み合わせによる位相差から発信機１の位置を計算し測位結果として出力する。

測位計算は、観測位相を表わす次の方程式（１）を、複数の受信アンテナ２の組み合せについて連立させて解くことによって行う。

上記の方程式（１）において、左辺のφ_ｌ，ｍは、位相差計算部９により計算された受信アンテナＡｌと受信アンテナＡｍの受信信号の観測位相差で、左辺のｎは、位相整数値バイアス、（Ｘ_ｌ，Ｙ_ｌ，Ｚ_ｌ）と（Ｘ_ｍ，Ｙ_ｍ，Ｚ_ｍ）はそれぞれ受信アンテナＡｌと受信アンテナＡｍの位置、（ｘ，ｙ，ｚ）は算出すべき発信機位置である。

このうち、受信アンテナ位置（Ｘ_ｌ，Ｙ_ｌ，Ｚ_ｌ）、（Ｘ_ｍ，Ｙ_ｍ，Ｚ_ｍ）は既知であり、位相差φ_l,mは観測値、位相整数値バイアスｎは発信機１の位置を別な手段で予め計測するか、前回の計測結果を利用することにより定めることができる。

残る未知変数の数が（ｘ，ｙ，ｚ）の３個であるので、方程式（１）が連立方程式として解けるためには最低３個の独立な方程式が必要である。３個の独立な方程式を同時に得るのに必要な受信アンテナ数は４個となるが、受信アンテナ２の切り替えによって４個よりも多数の受信アンテナ間の位相差が得られるため、未知変数よりも多くの方程式が得られることから、測位計算は最小二乗法等を用いて行う。

受信アンテナ２の切り替え組み合わせは、例えば、図１に示すように、４系統のＲＦスイッチ３とＲＦ受信系７が有り、各ＲＦスイッチ３にａ、ｂ、ｃ、ｄの４個ずつ接点があり計１６個の受信アンテナ（Ａ１〜Ａ１６）２が接続されている場合、表（１）のような組み合わせでＲＦスイッチ３を切り替えるとよい。

この切り替え方法は、次のような考え方の下に決められている。４チャネルの受信系統に各４個ずつ、計１６個の受信アンテナ２が接続されている場合、ＲＦスイッチ３の切り替え方の組み合わせは４^４＝２５６通りある。一方、総数１６個の受信アンテナ２を用いて、式（１）の位相差φ_ｌ，ｍを算出可能なアンテナ対の組み合わせは_１６Ｃ_２−_４Ｃ_２×４＝９６通りしかない。従って、２５６通り全ての切り替え方の組み合わせについて測位計算を行うのは無駄な冗長を含み、必要となる計算能力や計算時間の点で好ましくないと考えられる。そこで、なるべく少ない切り替え回数で、全ての受信アンテナ対の位相差を計算できるように工夫した切り替え方のセットが表（１）である。

例えば、組み合わせ＃１では、位相差を算出できるアンテナ対はアンテナＡ１とＡ５、Ａ１とＡ９、Ａ１とＡ１３、Ａ５とＡ９、Ａ５とＡ１３、Ａ９とＡ１３の６通りである。また、次の組み合わせ＃２でも同様に、新たな６通りのアンテナ対の位相差を計算することができる。しかし、組み合わせ＃９からは、一部のアンテナ対で、それまでに得たアンテナ対と冗長な対（組み合わせ＃９ではＡ１とＡ６のアンテナ対がそれまでと冗長）が含まれ、さらには組み合わせ＃２５〜組み合わせ＃３２で得られるアンテナ対は、それ以前の組み合わせ＃１〜組み合わせ＃２４で得られたアンテナ対と完全に冗長である。

計算量や計算時間の点ではこれらの冗長な組み合わせは無い方がよいが、組み合わせ＃１〜組み合わせ＃２４の組み合わせで得られるアンテナ対は１回しか得られなかったものと２回得られたものとが混在し、単純に測位結果を平均すると、一部の２回観測されたアンテナ対による結果に重みがかかってしまい好ましくない。そこで、組み合わせ＃２５〜組み合わせ＃３２を余計に計算し、９６通り全てのアンテナ対の位相差を２回ずつ計算するようにしている。しかし、言うまでも無く、計算量や計算時間縮小のため、これらの冗長な計算を省略することもできる。

なお、ＲＦ受信系７の数が４よりも多数で、かつ受信アンテナ数も１６よりも多数の場合においても、同様の考え方の下に受信アンテナ２の切り替え組み合わせを定めることができる。

受信アンテナ２が非常に多い場合には、受信アンテナ２の設置コストそのものがコスト要因となる可能性もあるが、受信アンテナ２を切り替えることにより得られる位相ダイバーシティ効果は、用いる電波の波長程度の距離を離せば得られるので、１個のＲＦスイッチ３に接続される受信アンテナ間は波長程度離すだけでもよい。従って、デシメートル波など波長が比較的短い電波を用いる場合、ＲＦスイッチ３の近傍に複数の受信アンテナ２を数十センチメートル程度離して設置すればよく、設置コストはあまりかからずに済む。さらに波長が短い場合には、ＲＦスイッチ３と一体化した集積アンテナなどを用いれば、より低コストで多数の受信アンテナを設置できる。

本実施の形態１によれば、ＲＦスイッチ３により受信アンテナ２を切り替え、ＲＦ受信系（周波数変換器５＋Ａ／Ｄ変換器６）７の数よりも多数の受信アンテナ対による位相差を用いて発信機位置を計算するので、ＲＦ受信系７の数が少なくて済み、低コストでありながら、高い計測精度が得られるという利点がある。

特に、従来の受信アンテナと受信系を一対一で結ぶ方式においては、受信アンテナの数を６４個や１２８個といった多数にするのはほとんど非現実とも思われたが、本実施の形態１によると８個の受信系×各８個のアンテナ、あるいは８個の受信系×各１６個のアンテナといった形で、現実的なコストの範囲内で実現でき、これまで実現できなかった高精度な計測システムを実現することができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る変位計測装置について図２を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態２に係る変位計測装置の構成を示す図である。

上記の実施の形態１では、ＲＦスイッチ３を切り替えて計測した複数の受信アンテナ間の位相差を記憶部１０に蓄積しておき、最後に測位計算を行っていたが、本実施の形態２では、１回の切り替え毎に測位計算を行い、測位結果を記憶部２２に記憶し、最後に全ての測位結果を平均する点が異なる。

図２において、上記の実施の形態１とほぼ同じ構成であるが、位相差計算部９以降の構成及び動作が異なる。

本実施の形態２においては、位相差計算部９が出力する位相差は測位計算部２１に入力され、その測位結果が記憶部２２に記憶される。上記の実施の形態１と同様に、次々と受信アンテナ２を切り替えて測位計算を行い、測位結果を記憶部２２に蓄える。最後に、平均計算部２３により、このようにして蓄積された複数の測位結果を平均して最終的な測位結果とすることにより、上記実施形態１と同様の効果を得る。

なお、測位結果を平均する際に、仮の平均値を計算し、この仮平均値より大きく外れた測位結果を除いて最終的な平均値を計算するなどすれば、一部の受信アンテナ２が異常な場合等においても、その影響を軽減することができる。

本実施の形態２によれば、ＲＦスイッチ３により受信アンテナ２を切り替え、ＲＦ受信系（周波数変換器５＋Ａ／Ｄ変換器６）７の数よりも多数の受信アンテナ対による位相差を用いて発信機の位置を計算するので、上記実施の形態１と同様に、ＲＦ受信系７の数が少なくて済み低コストでありながら、高い計測精度が得られるという利点がある。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る変位計測装置について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態３に係る変位計測装置の構成を示す図である。

上記の実施の形態１及び２では、信号処理装置１４内に周波数変換器５を配置したが、本実施の形態３は、周波数変換器５をＲＦスイッチ３の近傍に配置する点が異なる。

図３において、ＲＦスイッチ３、低雑音増幅器４、及び周波数変換器５を収容する受信系筐体３１と、分散配置された周波数変換器５を同期させるための基準信号発振器３２とが設けられている。

次に、全体としての動作は、上記の実施の形態１または実施の形態２に準ずる。但し、ＲＦスイッチ３と同一筐体内に周波数変換器５を配置し、受信信号をＩＦ信号に変換して信号処理装置１４に伝送する点が異なる。

周波数変換器５は、全受信系で同期したローカル信号を用いる必要があるため、共通の基準信号発振器３２からの信号を、各周波数変換器５に分配伝送する必要がある。但し、その伝送は、基準信号の周波数をＩＦ信号と異なる周波数にしておき、各受信系筐体３１から信号処理装置１４にＩＦ受信信号を伝送するケーブルに重畳することもできる。周波数変換器５では、その基準信号を、ＰＬＬ（ＰｈａｓｅＬｏｏｋｅｄＬｏｏｐ）等を用いて適切な周波数に逓倍し、周波数変換のためのローカル信号として用いる。

また、基準信号は有線による伝送だけではなく、全受信アンテナ２が受信可能な位置に基準信号送信用のアンテナを設置し、無線伝送とすることも考えられる。この場合、基準信号にローカル信号を直接同期させずとも、基準信号の周波数を計測用発信機１の周波数の近傍としておき、計測用発信機１の受信信号と基準信号を同じ受信系を通して同時に受信してＡ／Ｄ変換し、基準信号を元にソフトウェアで計測用受信信号を同期補正することもできる。

本実施の形態３によると、受信系筐体３１から信号処理装置１４まで、周波数の低いＩＦ信号で受信信号を伝送するため、伝送損失が少なく、信号処理装置１４と受信系筐体３１間の距離を延伸することができる。従って、受信アンテナ２をより広範囲に配置することができ、計測用発信機１をより広範囲に配置できるため、同一面積を計測するのに必要な装置の数が少なくてすみ低コスト化できるという利点がある。また、計測精度は受信点が広範囲に散らばっているほど高精度が得られるため、高精度化にも寄与できるという利点がある。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る変位計測装置について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態４に係る変位計測装置の構成を示す図である。

上記の実施形の態１及び２では、信号処理装置１４内に周波数変換器５とＡ／Ｄ変換器６を配置したが、本実施の形態４は、周波数変換器５とＡ／Ｄ変換器６をＲＦスイッチ３の近傍に配置する点が異なる。

図４において、ＲＦスイッチ３、低雑音増幅器４、周波数変換器５、及びＡ／Ｄ変換器６を収容する受信系筐体４１と、分散配置された周波数変換器５とＡ／Ｄ変換器６を同期させるための基準信号発振器４２とが設けられている。

次に、全体としての動作は、上記の実施の形態１または実施の形態２に準ずる。但し、ＲＦスイッチ３と同一筐体内に周波数変換器５とＡ／Ｄ変換器６を配置し、受信信号をディジタル信号に変換して信号処理装置１４に伝送する点が異なる。

周波数変換器５は、全受信系で同期したローカル信号を用いる必要があるとともに、Ａ／Ｄ変換器６のサンプリングも同期している必要があるため、共通の基準信号発振器４２からの信号を、各周波数変換器５とＡ／Ｄ変換器６に分配伝送する必要がある。周波数変換器５では、その基準信号を、ＰＬＬ（ＰｈａｓｅＬｏｏｋｅｄＬｏｏｐ）等を用いて適切な周波数に逓倍し、周波数変換のためのローカル信号として用いる。また、Ａ／Ｄ変換器６も、適切な周波数に逓倍してサンプリングクロックとして用いる。

また、基準信号は有線による伝送だけではなく、全受信アンテナ２が受信可能な位置に基準信号送信用のアンテナを設置し、無線伝送とすることも考えられる。この場合、基準信号にローカル信号やＡ／Ｄ変換器６を直接同期させずとも、基準信号の周波数を計測用発信機１の周波数の近傍としておき、計測用発信機１の受信信号と基準信号を同じ受信系を通して同時に受信してＡ／Ｄ変換し、基準信号を元にソフトウェアで計測用受信信号を同期補正することもできる。

本実施の形態４によると、受信系筐体４１から信号処理装置１４まで、ディジタル信号で受信信号を伝送するため、信号の劣化が無くなり、信号処理装置１４と受信系筐体４１間の距離を延伸することができる。従って、受信アンテナ２をより広範囲に配置することができ、計測用発信機１をより広範囲に配置できるため、同一面積を計測するのに必要な装置の数が少なくてすみ低コスト化できるという利点がある。また、計測精度は受信点が広範囲に散らばっているほど高精度が得られるため、高精度化にも寄与できるという利点がある。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る変位計測装置について図５を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態５に係る変位計測装置の構成を示す図である。

上記の実施の形態１及び２では、ＲＦスイッチ３で選択した受信信号をそのまま同軸ケーブル等で信号処理装置１４に伝送したが、本実施の形態５は、ＲＦスイッチ３で選択され、低雑音増幅器４で増幅された受信信号を、光信号に変換して信号処理装置１４に伝送する点が異なる。

図５において、ＲＦスイッチ３により選択された受信信号を光信号に変換するＥ／Ｏ変換器５１と、光信号として伝送された受信信号を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器５２と、ＲＦスイッチ３、低雑音増幅器４、及びＥ／Ｏ変換器５１を収めた受信系筐体５３とが設けられている。

次に、全体としての動作は、上記の実施の形態１または実の施形態２に準ずる。但し、ＲＦスイッチ３と同一筐体内にＥ／Ｏ変換器５１を配置し、受信信号を光信号に変換して信号処理装置１４に伝送する点が異なる。光信号として伝送された受信信号は信号処理装置１４内で電気信号に変換され、後の処理が行われる。電気信号に変換された後の処理は上記の実施の形態１または実施の形態２と同様である。

本実施の形態５によると、受信系筐体５３から信号処理装置１４まで、光信号で受信信号を伝送するため、伝送損失や信号の劣化が少なくなり、信号処理装置１４と受信系筐体５３間の距離を延伸することができる。従って、受信アンテナ２をより広範囲に配置することができ、計測用発信機１をより広範囲に配置できるため、同一面積を計測するのに必要な装置の数が少なくてすみ低コスト化できるという利点がある。また、計測精度は受信点が広範囲に散らばっているほど高精度が得られるため、高精度化にも寄与できるという利点がある。

この発明の実施の形態１に係る変位計測装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態２に係る変位計測装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係る変位計測装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態４に係る変位計測装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態５に係る変位計測装置の構成を示す図である。

符号の説明

１発信機、２受信アンテナ、３ＲＦスイッチ、４低雑音増幅器、５周波数変換器、６Ａ／Ｄ変換器、７ＲＦ受信系、８発信機弁別部、９位相差計算部、１０記憶部、１１測位計算部、１２制御部、１３計算機、１４信号処理装置、２１測位計算部、２２記憶部、２３平均計算部、３１受信系筐体、３２基準信号発振器、４１受信系筐体、４２基準信号発振器、５１Ｅ／Ｏ変換器、５２Ｏ／Ｅ変換器、５３受信系筐体。

Claims

変位計測点に設置された発信機と、
位置が既知である固定点に設置され、前記発信機からの電波を受信する複数の受信アンテナと、
前記複数の受信アンテナのうちの近隣の複数の受信アンテナ毎にそれぞれ接続され、この接続された受信アンテナを切り替える複数のスイッチと、
前記複数のスイッチで選択された信号が入力される信号処理装置とを備え、
前記信号処理装置は、前記複数のスイッチで選択された、所定の組み合わせの受信アンテナで受信した信号間の位相差から前記発信機の位置を計算して記憶し、次に前記複数のスイッチを切り替えて別の組み合わせの受信アンテナで受信した信号間の位相差から前記発信機の位置を計算して記憶し、これを繰り返すことにより得られた多数の受信アンテナの組み合せでの発信機の位置の計算結果を平均して最終的な前記発信機の位置を計算する、
ことを特徴とする変位計測装置。
前記信号処理装置は、発信機の位置の計算結果を平均する際に、仮の平均値を計算し、この仮の平均値より外れた計算結果を除いて最終的な平均値を計算することを特徴とする請求項１記載の変位計測装置。
前記信号処理装置は、基準信号を出力する基準信号発振器を含み、
前記複数のスイッチの直後にそれぞれ配置され、同期させるための前記基準信号に基づいて、選択された受信アンテナからの信号をＩＦ信号に変換して前記信号処理装置に伝送する複数の周波数変換器を備えた
ことを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測装置。
前記信号処理装置は、基準信号を出力する基準信号発振器を含み、
前記複数のスイッチの直後にそれぞれ配置され、同期させるための前記基準信号に基づいて、選択された受信アンテナからの信号をＩＦ信号に変換する複数の周波数変換器と、
前記複数の周波数変換器の次段にそれぞれ配置され、同期させるための前記基準信号に基づいて、前記ＩＦ信号をディジタル信号に変換して前記信号処理装置に伝送する複数のＡ／Ｄ変換器とを備えた
ことを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測装置。
前記複数のスイッチの直後にそれぞれ配置され、選択された受信アンテナからの信号を光信号に変換して信号処理装置に伝送する複数のＥ／Ｏ変換器を備え、
前記信号処理装置は、前記光信号として伝送された受信信号を電気信号に変換する複数のＯ／Ｅ変換器を含む
ことを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測装置。