JP6880850B2 - 測距装置，水位計測システム及び測距方法 - Google Patents

測距装置，水位計測システム及び測距方法 Download PDF

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Description

本発明は、測定対象に照射された電磁波とその反射波との合成波を用いて距離を測定する測距装置，水位計測システム及び測距方法に関する。
従来、周波数掃引された電磁波を測定対象に照射し、その反射波を利用して測定対象までの距離を測定する測距装置が開発されている。例えば、ミリ波やマイクロ波などの周波数を連続的に変動させつつその反射波を受信し、照射波と反射波との周波数差（ビート周波数）から反射波の往復時間を推定し、その時間に対応する距離を算出する手法が存在する。このような測距手法は、FMCW方式（周波数変調連続波方式）とも呼ばれる（特許文献１〜３参照）。
特開2000-055716号公報 特開2007-078518号公報 特表2010-528317号公報
上記のようなFMCW方式の測距手法は、距離の測定対象が静止状態（あるいは準静止状態）であることを前提としている。そのため、計測対象物が移動している場合には、ドップラーシフト成分の影響により解析精度を向上させにくい。特に、水面や液面などの水位計測においては、液面の振動によって距離の計測誤差が発生しやすく、良好な水位測定精度を得ることが難しい。
一つの側面では、測距精度を向上させることを目的とする。
一つの実施形態では、測距装置は、測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の送信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波を検出し、前記合成波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る。この測距装置は、前記測定対象の変位に起因する前記合成波のパワースペクトルの変位起因傾斜を算出する算出部を備える。また、この測距装置は、前記変位起因傾斜を前記合成波のパワースペクトルから除去した信号に基づいて前記距離を計測する計測部を備える。
一つの側面では、測距精度を向上させることができる。
実施例としての測距装置，水位計測システムを示す図である。 （Ａ）はパワースペクトルとその変位起因傾斜とを示し、（Ｂ）は変位起因傾斜が除去されたパワースペクトルを示す。 制御装置のハードウェア構成を示す図である。 測距方法を説明するためのフローチャートである。 （Ａ）は水位計測結果を示すグラフ、（Ｂ）〜（Ｄ）はパワースペクトル及びその変位起因傾斜を示すグラフ、（Ｅ）は測距結果を示すグラフである。
以下、図面を参照して、実施形態としての測距装置，水位計測システム及び測距方法を説明する。本実施形態の測距装置における測定対象は液面（水面）であり、液面との距離に基づいて液位（水位）を測定する。ただし、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。すなわち、本実施形態をその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して（例えば、実施形態や変形例を組み合わせることによって）実施することが可能である。
［１．構成］
図１は、定在波レーダ装置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、定在波レーダ装置１とこれに接続される制御装置１０とが含まれる。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など）に設置される。定在波レーダ装置１は、公知のドップラーセンサモジュールで構成することができる。
定在波レーダ装置１には、電圧制御発振器２（VCO，Voltage-Controlled Oscillator），周波数制御部３，アンテナ４，検波器５，解析信号生成部６が一体化されたモジュールとして内蔵される。電圧制御発振器２は、アンテナ４から発信される電磁波の周波数を掃引しながら発信するための信号発振器（FM発振器，Frequency Modulator）である。また、周波数制御部３は電圧制御発振器２が生成する信号の周波数を制御するものである。アンテナ４（検出器）は、周波数掃引された電磁波（送信波）を発信するとともに、その反射波を受信，検出する機能を持った送受信装置である。本実施形態のアンテナ４は、パッチアンテナ（マイクロストリップアンテナ）である。
電圧制御発振器２は、周波数制御部３から伝達される制御信号に応じた発振信号をアンテナ４に出力する。アンテナ４では、周波数制御部３から伝達された発振信号に応じた電磁波が発信（送信）される。アンテナ４から発信される電磁波は連続波（Continuous Wave，CW）であり、その中心周波数f0は例えば24.0[GHz]以上とされる。また、掃引幅fWは200[MHz]以下とされ、周波数帯域はf0-(fW/2)からf0+(fW/2)までの範囲とされる。以下、周波数の掃引時における掃引中心周波数との周波数差をfdと表記する。すなわち、-(fW/2)≦fd≦(fW/2)である。送信波の周波数fは、「f=f0+fd」と表現することができる。
送信波と反射波との合成波（すなわち、送信波と受信波との干渉によって生じる電磁波であって、いわゆる定在波）の信号レベルは、検波器５で検出される。検波器５では、合成波の信号電圧の二乗値がパワー信号pとして取得される。パワー信号pは送信波の周波数fと観測点の座標xとの関数p(f,x)で記述することができる。本実施形態の検波器５は、合成波を実部データと虚部データとに分離する直交検波器としての機能を持ち、直交検波方式で二つのパワー信号pを取得する。すなわち、検波器５は、図１中のx軸上における二つの観測点x1，x2でパワー信号pを検出する。一方の観測点で検出されるパワー信号p(f,x1)は、他方の観測点で検出されるパワー信号p(f,x2)に対して位相が直交する特性を持つ。また、前者のパワー信号p(f,x1)は合成波の実部データに相当し、後者のパワー信号p(f,x2)は合成波の虚部データに相当する。
解析信号生成部６は、それぞれの検波器５で検出されたパワー信号pに基づく解析信号を生成するA/Dコンバータ（アナログ・ディジタル変換器）である。ここでは、それぞれのパワー信号pに含まれる合成波の変位起因傾斜が算出されるとともに、その変位起因傾斜がそれぞれのパワー信号pから除去される。A/D変換処理は、変位起因傾斜が除去される前に実施してもよいし、変位起因傾斜が除去された後に実施してもよい。少なくとも解析信号生成部６から出力される解析信号は、ディジタル信号とされる。
ここでいう「合成波の変位起因傾斜」とは「測定対象の変位に起因するパワー信号pの傾斜」である。解析信号生成部６には、算出部７と削除部８とが設けられる。算出部７は、変位起因傾斜（パワー信号pの傾斜）を算出するものである。変位起因傾斜の算出手法として、二通りの手法を例示する。第一の手法は、図２（Ａ）に示すように、パワースペクトルを回帰分析することで導出する手法である。変位起因傾斜は、図２（Ａ）に一点鎖線で示すように、パワースペクトルを直線（回帰直線）に近似したときの傾きに相当する。回帰直線は、最小二乗法を用いて算出することができる。
第二の手法は、解析的に変位起因傾斜を算出する手法である。すなわち、パワースペクトルの変位成分Vを解析的に変位起因傾斜として算出することも可能である。まず、検波器５の位置を原点（x=0）とした場合のパワースペクトル（実部データ）は、以下の式１で表現される。式１中のAは送信波の振幅レベル、dは測定対象までの距離、cは光速、φは反射による位相変化量である。送信波の周波数fは中心周波数f0（CW成分）と掃引成分との周波数差fd（変調成分）との和で表現することができる。距離dが振動的に変化している場合の中心位置をd0とおき、変位をΔdとおけば、距離dは「d=d0+Δd」と表現することができる。なお、f0>>fdであることから、式１は式２のように記述することができる。
Figure 0006880850
ここで、送信波の変調時間である1[ms]程度の微小時間では、測定対象の変位Δdが時間に比例するものと仮定する。Δd=Btを式２に代入すると、式３が得られる。また、三角関数をテイラー（Taylor）展開したときの第二項以降の値は微小であることから、これらを無視すればcosx=1，sinx=xと近似することができる。これらの近似式を用いれば式３から式４が導出される。式４の第一項は変位Δdの影響を受けない項（すなわち、静止距離解析信号）であり、第二項は変位影響項である。したがって、実部領域におけるパワースペクトルの変位成分Vは、式５を用いて算出することができる。
Figure 0006880850
本実施形態の算出部７は、検波器５で検出されたパワー信号pの実部データ，虚部データのそれぞれについての変位起因傾斜を算出する。例えば、実部データのパワー信号p(f,x1)の変位起因傾斜を「実部傾斜」として算出し、虚部データのパワー信号p(f,x2)の変位起因傾斜を「虚部傾斜」として算出する。上記の式１〜式５は実部データの処理手順に対応するものであるが、虚部データの処理手順も同様である。虚部データは実部データと直交関係にあることから、虚部領域におけるパワースペクトルの変位成分Vは、以下の式６を用いて算出することができる。
Figure 0006880850
上記の第一の手法，第二の手法は、併用することも可能である。例えば、二種類の手法を用いて変位起因傾斜を算出し、それらの平均値や中間値などを「最終的な変位起因傾斜」として算出してもよい。ここで算出された変位起因傾斜の情報は、削除部８に伝達される。
なお、計測対象を一つとし、検出位置を0（x=0）とした場合のパワースペクトルの理論式を以下に示す。式７中のVTは送信波の振幅、VRは反射波の振幅、γは反射係数である。
Figure 0006880850
一方、実際の距離d及び周波数fは時間tに依存して変化する。ここで、計測時間(t)の平均距離をdave、平均速度をv、平均周波数をfave、周波数のドップラーシフトをfdopとおくと、以下の式８，９が成立する。これらを式７に代入すると、式１０が得られる。
Figure 0006880850
計測対象物が静止している場合、センサ出力は横軸に対称に出力されるため、式１０は式１１のように記述することができる。すなわち、式１０と式１１との差は、変位の影響（回路におけるDC成分を含む）を反映する。そこで本実施形態では、式１１を静止距離解析信号と定義し、センサ出力信号を回帰直線により傾斜補正し導出する。また、虚数データ（sin成分）に関しても同様の工程で傾斜補正を実施する。
Figure 0006880850
削除部８は、算出部７で算出された変位起因傾斜を除去した解析信号を出力するものである。図２（Ａ）は、解析信号生成部６に入力されたパワー信号pのパワースペクトルを示す例である。パワースペクトルの変位起因傾斜は、パワースペクトルのグラフ形状全体を右肩上がり（または右肩下がり）に傾斜させるように作用する。一方、図２（Ｂ）は、変位起因傾斜が除去されたパワー信号pのパワースペクトルを示す例である。変位傾斜成分を除去することで、グラフ形状の全体的な傾斜が取り除かれ、パワースペクトルの歪みが矯正される。つまり、送信波を反射した測定対象が振動することによって生じたパワースペクトルの歪みが解消されることになり、距離dの測定誤差が削減される。
本実施形態の削除部８は、パワー信号pの実部データ，虚部データのそれぞれについて、変位起因傾斜を除去した解析信号を出力する。例えば、実部データのパワー信号p(f,x1)から実部傾斜を除去した解析信号を「実部解析信号」として出力し、虚部データのパワー信号p(f,x2)から虚部傾斜を除去した解析信号を「虚部解析信号」として出力する。削除部８から出力された解析信号は、制御装置１０に伝達される。
制御装置１０（計測部）は、定在波レーダ装置１から伝達された解析信号（すなわち、合成波のパワースペクトルから変位起因傾斜を除去した信号）に基づき、反射波を反射した測定対象までの距離dを計測，算出するためのコンピュータである。図３に制御装置１０のハードウェア構成を例示する。制御装置１０には、プロセッサ２１，メモリ２２（主記憶装置，メインメモリ），補助記憶装置２３，インタフェース装置２４，記録媒体ドライブ２５などが内蔵され、内部バス２６を介して互いに通信可能に接続される。
プロセッサ２１は、制御ユニット（制御回路）や演算ユニット（演算回路），キャッシュメモリ（レジスタ群）などを内蔵する汎用CPU（Central Processing Unit）やDSP（Digital Signal Processor）である。メモリ２２は、プログラムや作業中のデータが格納される記憶装置であり、ROM（Read Only Memory），RAM（Random Access Memory）がこれに含まれる。補助記憶装置２３は、メモリ２２よりも長期的に保持されるデータやファームウェアが格納される記憶装置であり、フラッシュメモリやEEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）などの不揮発性メモリがこれに含まれる。インタフェース装置２４は、制御装置１０と外部との間の入出力（Input and Output；I/O）を司るものである。
記録媒体ドライブ２５は、少なくとも光ディスクや半導体メモリなどの記録媒体２８（リムーバブルメディア）に記録，保存された情報を読み取る機能を持った読取装置（又は読取・書込装置）である。制御装置１０で実行されるプログラムは、メモリ内に記録，保存されることとしてもよいし、補助記憶装置２３の内部に記録，保存されることとしてもよい。あるいは、記録媒体２８上にプログラムが記録，保存され、その記録媒体２８に書き込まれているプログラムが記録媒体ドライブ２５を介して制御装置１０に読み込まれて実行されることとしてもよい。
制御装置１０には、上述の定在波レーダ装置１や出力装置２７が接続される。接続形態は任意であり、有線接続であってもよいし無線接続であってもよい。また、出力装置２７の具体例としては、ディスプレイ装置やプリンター装置などが挙げられる。図１に示すように、制御装置１０で実行される測距プログラムには、フーリエ変換部１１と距離計測部１２とが含まれる。これらは、測距プログラムの機能を便宜的に分類して示したものであり、個々の要素を独立したプログラムとして記述してもよいし、これらの機能を兼ね備えた複合プログラムとして記述してもよい。
フーリエ変換部１１は、定在波レーダ装置１から伝達される解析信号にフーリエ変換処理を施すことで、距離スペクトル|P(x)|を算出するものである。また、距離計測部１２は、フーリエ変換部１１で算出された距離スペクトル|P(x)|のピーク位置を与える距離dを算出するものである。解析信号の周期は距離dと逆比例関係にある。したがって、距離スペクトル|P(x)|のピーク位置を与える距離dは、測定対象までの距離dとなる。本実施形態では、削除部８から伝達された実部解析信号と虚部解析信号とを組み合わせて複素数の解析信号を構築した後にフーリエ変換を実施し、その距離スペクトル|P(x)|のピーク位置に対応する距離dの情報を出力装置２７に出力する。なお、複素数の解析信号の構築手法やその解析信号から距離dを算出するための具体的手法には、公知の演算手法を用いることができる。
［２．フローチャート］
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。送信波は、その周波数が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、送信波と反射波とを合成した合成波が検波器５で実部データと虚部データとに分離した状態で検出される。すなわち、合成波の実部データ，虚部データに相当するパワー信号p(f,x1)，p(f,x2)が、検波器５で検出される（ステップＡ２）。これらのパワー信号p(f,x1)，p(f,x2)は、位相が直交関係にある。
ステップＡ３〜Ａ４の処理は、実部データのパワー信号p(f,x1)に関する処理である。
算出部７は、実部データのパワー信号p(f,x1)の変位起因傾斜を実部傾斜として算出する（ステップＡ３）。実部傾斜は、パワー信号p(f,x1)のスペクトルに関する回帰直線を算出してもよいし、上述の式５，式６を用いて解析的に算出してもよい。また、削除部８は、実部データのパワー信号p(f,x1)から実部傾斜を除去した解析信号を算出し、これを実部解析信号として制御装置１０に出力する（ステップＡ４）。
ステップＡ５〜Ａ６の処理は、虚部データのパワー信号p(f,x2)に関する処理である。これらの処理は、図４に示すように、ステップＡ３〜Ａ４の処理と並列に実施してもよいし、直列的に（ステップＡ３〜Ａ４の処理の前後に、ステップＡ５〜Ａ６の処理を実施するといったように）実施してもよい。算出部７は、虚部データのパワー信号p(f,x2)の変位起因傾斜を虚部傾斜として算出する（ステップＡ５）。虚部傾斜は、パワー信号p(f,x2)のスペクトルに関する回帰直線を算出してもよいし、上述の式５，式６を用いて解析的に算出してもよい。削除部８は、虚部データのパワー信号p(f,x2)から虚部傾斜を除去した解析信号を算出し、これを虚部解析信号として制御装置１０に出力する（ステップＡ６）。
制御装置１０のフーリエ変換部１１は、実部解析信号と虚部解析信号とを組み合わせて複素解析信号を構築し、その複素解析信号にフーリエ変換処理を施すことで距離スペクトル|P(x)|を算出する（ステップＡ７）。また、距離計測部１２は、距離スペクトル|P(x)|のピーク位置を与える距離dを算出し（ステップＡ８）、その情報を出力装置２７に出力する。ここで出力される距離dは、実部傾斜や虚部傾斜の影響が取り除かれた解析信号に基づくものであり、計測精度の高い距離dが算出される。
［３．作用，効果］
図５（Ａ）〜（Ｅ）は、上述の実施形態の水位計測システム２０を用いた実験の結果を示すグラフである。この実験では、定在波レーダ装置１から水面までの距離が166[cm]から119[cm]まで変化するように徐々に水位を上昇させ、水面までの測距精度を確認した。水位の上昇速度は、秒速数ミリメートル以下（例えば0.5〜0.6[mm/s]）とし、水面に波が生じないように水位を上昇させた。
図５（Ａ）は、変位起因傾斜を削除せずに算出した距離dの経時変動である。このグラフでは、距離dの測定値が大局的には徐々に減少していることが読み取れるものの、微小な振動が含まれてしまっている。この微小な振動は誤差によるものである。測定対象までの距離を徐々に変化させると、実際にはその測定対象が振動していない場合であっても、測定対象までの距離が振動しているかのような測定結果になってしまう。
図５（Ｂ）中の実線は、図５（Ａ）に示す距離dのグラフのうち、ある振動の頂点（Top位置）で検出されたパワー信号pに含まれる変位起因傾斜を示すグラフである。また、一点鎖線は変位起因傾斜を表し、破線は変位起因傾斜を取り除いたものを表す。同様に、図５（Ｃ）は、その振動の中間点（Center位置）で検出されたパワー信号pに含まれる変位起因傾斜を示し、図５（Ｄ）は、その振動の底点（Bottom位置）で検出されたパワー信号pに含まれる変位起因傾斜を示す。変位起因傾斜は、それぞれのパワースペクトルを直線に近似したもの（回帰直線）に相当するものであることがわかる。
図５（Ｅ）は、図５（Ｂ）〜（Ｄ）に示す変位起因傾斜をパワー信号p（実部データ）から削除したときに算出される距離dの変化を示すグラフである。図５（Ｅ）中に黒丸及び実線で示すグラフは、図５（Ａ）に表現されている微小な振動の一部分を拡大して示したものであり、破線は距離dの真値である。図５（Ｂ）に示すTop位置での変位起因傾斜を削除したパワー信号pに基づく測距計算では、距離dが真値に近い値として算出されることが確認された。
なお、距離dの算出に際し、変位起因成分の除去は実部データ，虚部データの双方に対して実施した。また、図５（Ｃ），（Ｄ）に示すCenter位置，Bottom位置での変位起因傾斜を削除したパワー信号pに基づく測距計算においても、少なくとも距離dが真値から遠ざかることはないことが確認された。このように、パワー信号pから変位起因傾斜を除去することで、解析結果が真値に近づくことが判明した。
（１）上述の実施形態によれば、測定対象の変位に起因する変位起因傾斜を合成波のパワースペクトルから除去することで、測定対象の移動による距離dの計測誤差を減少させることができ、距離dの計測精度を向上させることができる。特に、水面や液面などの水位計測において、液面までの距離を精度よく算出することができ、良好な水位測定精度を得ることができる。また、制御や演算内容がシンプルであることから、稼働時間を短縮することが容易であり、水位計測システム２０を間欠稼働させるだけで精度よく距離を計測することができる。
なお、近年のゲリラ豪雨の多発に伴い、想定を越える大量の雨水が下水管へ流入し、下水の氾濫を引き起こす危険性が指摘されている。その対策として、マンホール内に圧力式水位センサを設置して、水位を常時監視する技術を採用することが検討されている。しかし、下水管内の浮遊物によるケーブル破損やセンサ感度の低下，劣化などのトラブルが予想され、頻繁なメンテナンスが要求されうることから、普及には至っていない。一方、非接触式の水位センサを水面から離れた位置（例えばマンホールの蓋の裏側など）に設置することで、浮遊物の影響を回避することも検討されている。しかし、狭隘なマンホール内の空間に設置できるような小型で低消費電力仕様の水位センサの完成には至っていない。
このような課題に対し、上述の実施形態によれば、マンホール内の水位上昇を非接触かつ低消費電力で計測することが可能となる。また、定在波レーダ装置１の物理的な大きさを変更する必要がなく、軽量化，小型化が比較的容易である。したがって、下水の氾濫に対して迅速に対応することができるようになり、水害（特に、都市型水害）の拡大を効率的に抑制することができる。
（２）上述の実施形態では、算出部７が合成波のパワースペクトルの回帰直線を算出し、この直線の傾きを変位起因傾斜とする手法を説明した。このように、パワースペクトルの回帰直線で変位起因傾斜を表現することで、測定対象の変位の影響を除去することが容易となり、簡素な構成で距離計測精度を向上させることができる。
（３）また、上述の実施形態では、解析的に変位起因傾斜を算出する手法も説明した。すなわち、式５，式６を用いてパワースペクトルの変位成分Vを算出する手法である。このように、変位起因傾斜を解析的に算出することで、簡素な構成で距離計測精度を向上させることができる。なお、回帰直線による手法と式５，式６に基づく手法とを併用することで、変位起因傾斜をより高精度に求めることができ、距離計測精度を向上させることができる。
（４）上述の実施形態では、実部データ，虚部データのそれぞれについての変位起因傾斜をパワースペクトルから除去している。例えば、実部データのパワー信号p(f,x1)から実部傾斜を除去した実部解析信号を出力するとともに、虚部データのパワー信号p(f,x2)から虚部傾斜を除去した虚部解析信号を出力している。これらの二種類の解析信号を用いることで、複素数の解析信号を精度よく求めることができる。したがって、距離測定精度をさらに向上させることができる。
（５）上述の実施形態では、測定対象の変位に起因するパワー信号pの傾斜が除去される。つまり、測定対象が頻繁に変位，振動するような場合には、変位起因傾斜を除去しない場合と比較して著しく距離測定精度を高めることができる。したがって、水面や液面を測定対象とする水位計測システム２０に上記の定在波レーダ装置１を適用することで、既存の技術と比較して飛躍的に水位の測定精度を向上させることができる。
［４．変形例］
上述の実施形態では、定在波を利用したFMCW方式の測距手法について詳述したが、周波数差（ビート周波数）を利用したFMCW方式の測距手法においても、上述の実施形態と同様の処理を適用することができる。ビート周波数を利用したFMCW方式の測距手法とは、送信波の周波数の経時変動が三角形状になるように周波数変調を施し、送信波と反射波との周波数差であるビート周波数fbを計測する手法である。
ここで、ビート周波数fbと周波数変調幅ΔFと変調周期Tと往復遅延時間tdelayとの関係は、fb/tdelay=ΔF/Tとなる。また、往復遅延時間tdelayはtdelay=2R/c（Rは対象までの距離，cは光速）であり、対象距離Rが近いほどビート周波数fbが低く観測される。このような手法においても、式１２に従い、観測されるビート周波数fbがドップラー周波数Δfよりも非常に大きくなる（すなわち、fb>>Δf が成立する）。したがって、送信波と反射波との合成波のパワースペクトルの変位起因傾斜を除去する処理を追加することで、距離計測精度を向上させることができる。
Figure 0006880850
上述の実施形態では、定在波レーダ装置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装置１に内蔵させてもよい。この場合、定在波レーダ装置１が外部の出力装置２７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２７を定在波レーダ装置１に内蔵させてもよい。
また、定在波レーダ装置１と制御装置１０とが別体である場合には、公知のネットワークを介してこれらを接続する構成としておよい。例えば、ネットワーク上のサーバを制御装置１０として機能させるとともに、ネットワークに接続するための通信装置を定在波レーダ装置１に内蔵させる。ネットワークの種類としては、インターネットや携帯電話機用の無線通信網，その他のディジタル無線通信網などが挙げられる。定在波レーダ装置１は複数箇所に設置しておき、複数の定在波レーダ装置１から伝達される情報を制御装置１０で一元的に管理させてもよい。このような構成により、複数箇所の水位を一括して監視することができ、下水の氾濫に対する対応をさらに迅速化することができる。
上述の実施形態では、測定対象が液面（水面）である水位計測システム２０を例示したが、具体的な測定対象はこれに限定されない。例えば、車両用の障害物検知システムや人感システムなどにおける測距手法として、上述の測距装置や測距方法を適用することが可能である。また、上述の実施形態における作用効果は、原理的には測定対象に依存することなく獲得されうる。なお、上述の実施形態は、相対的な距離変化を伴う物体間の距離を測定するのに好適であるが、測定対象を移動しうるものに限定する意図はないことを付言する。
［５．付記］
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送信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波を検出し、前記合成波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、
前記測定対象の変位に起因する前記合成波のパワースペクトルの変位起因傾斜を算出する算出部と、
前記変位起因傾斜を前記合成波のパワースペクトルから除去した信号に基づいて前記距離を計測する計測部と、
を備えたことを特徴とする、測距装置。
（付記２）
前記算出部が、前記変位起因傾斜に相当する前記合成波のパワースペクトルの回帰直線を算出する
ことを特徴とする、付記１記載の測距装置。
（付記３）
前記合成波を実部データと虚部データとに分離する直交検波器を備え、
前記算出部が、前記実部データに対応する実部傾斜と前記虚部データに対応する虚部傾斜とを算出する
ことを特徴とする、付記１または２記載の測距装置。
（付記４）
前記算出部が、以下の式Ａに基づき、前記変位起因傾斜に相当する前記合成波の実部領域におけるパワースペクトルの変位成分Vを算出し、以下の式Ｂに基づき、前記変位起因傾斜に相当する前記合成波の虚部領域におけるパワースペクトルの変位成分Vを算出する
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。
Figure 0006880850
Ａ：前記送信波の振幅レベル，ｆ：前記送信波の周波数，ｄ０：前記距離の中心位置，ｃ：光速，φ：反射による位相変化量
ｆ０：前記送信波の中心周波数，Ｂ：測定対象の変位Δｄを与えるための速度係数，ｔ：時間
（付記５）
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。
（付記６）
周波数掃引された電磁波の送信波を水面に照射したときに前記水面で反射した反射波を検出する検出器と、
前記送信波と前記反射波との合成波において、前記水面の揺れに起因するパワースペクトルの変位起因傾斜を算出する算出部と、
前記変位起因傾斜を前記合成波のパワースペクトルから除去した信号に基づいて水位を計測する計測部と、
を備えたことを特徴とする、水位計測システム。
（付記７）
前記算出部が、前記変位起因傾斜に相当する前記合成波のパワースペクトルの回帰直線を算出する
ことを特徴とする、付記６記載の水位計測システム。
（付記８）
前記合成波を実部データと虚部データとに分離する直交検波器を備え、
前記算出部が、前記実部データに対応する実部傾斜と前記虚部データに対応する虚部傾斜とを算出する
ことを特徴とする、付記６または７記載の水位計測システム。
（付記９）
前記算出部が、以下の式Ａに基づき、前記変位起因傾斜に相当する前記合成波の実部領域におけるパワースペクトルの変位成分Vを算出し、以下の式Ｂに基づき、前記変位起因傾斜に相当する前記合成波の虚部領域におけるパワースペクトルの変位成分Vを算出する
ことを特徴とする、付記６〜８のいずれか１項に記載の水位計測システム。
Figure 0006880850
Ａ：前記送信波の振幅レベル，ｆ：前記送信波の周波数，ｄ０：前記距離の中心位置，ｃ：光速，φ：反射による位相変化量
ｆ０：前記送信波の中心周波数，Ｂ：測定対象の変位Δｄを与えるための速度係数，ｔ：時間
（付記１０）
前記測定対象がマンホール内の水面である
ことを特徴とする、付記６〜９のいずれか１項に記載の水位計測システム。
（付記１１）
測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の送信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波を検出し、前記合成波に基づいて前記測定対象までの距離を計測する測距方法であって、
前記測定対象の変位に起因する前記合成波のパワースペクトルの変位起因傾斜を算出し、
前記変位起因傾斜を前記合成波のパワースペクトルから除去した信号に基づいて前記距離を計測する
ことを特徴とする、測距方法。
（付記１２）
前記変位起因傾斜に相当する前記合成波のパワースペクトルの回帰直線を算出する
ことを特徴とする、付記１１記載の測距方法。
（付記１３）
前記合成波を実部データと虚部データとに分離し、
前記実部データに対応する実部傾斜と前記虚部データに対応する虚部傾斜とを算出する
ことを特徴とする、付記１１または１２記載の測距方法。
（付記１４）
以下の式Ａに基づき、前記変位起因傾斜に相当する前記合成波の実部領域におけるパワースペクトルの変位成分Vを算出し、以下の式Ｂに基づき、前記変位起因傾斜に相当する前記合成波の虚部領域におけるパワースペクトルの変位成分Vを算出する
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。
Figure 0006880850
Ａ：前記送信波の振幅レベル，ｆ：前記送信波の周波数，ｄ０：前記距離の中心位置，ｃ：光速，φ：反射による位相変化量
ｆ０：前記送信波の中心周波数，Ｂ：測定対象の変位Δｄを与えるための速度係数，ｔ：時間
（付記１５）
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。
（補足）
定在波を利用したFMCW方式の測距装置，水位計測システム，測距方法においては、前記合成波の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離が計測される。一方、周波数差を利用したFMCW方式の測距装置，水位計測システム，測距方法においては、前記合成波のビート周波数に基づいて前記測定対象までの距離が計測される。上記の測距装置，水位計測システム，測距方法は、いずれのFMCW方式の測距装置，水位計測システム，測距方法に対しても適用可能である。
１ 定在波レーダ装置
２ 電圧制御発振器
３ 周波数制御部
４ アンテナ
５ 検波器
６ 解析信号生成部
７ 算出部
８ 削除部
１０ 制御装置（計測部）
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)

  1. 測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の送信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波を検出し、前記合成波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、
    前記測定対象の変位に起因する前記合成波のパワースペクトルの変位起因傾斜を算出する算出部と、
    前記変位起因傾斜を前記合成波のパワースペクトルから除去した信号に基づいて前記距離を計測する計測部と、
    を備えたことを特徴とする、測距装置。
  2. 前記算出部が、前記変位起因傾斜に相当する前記合成波のパワースペクトルの回帰直線を算出する
    ことを特徴とする、請求項１記載の測距装置。
  3. 前記合成波を実部データと虚部データとに分離する直交検波器を備え、
    前記算出部が、前記実部データに対応する実部傾斜と前記虚部データに対応する虚部傾斜とを算出する
    ことを特徴とする、請求項１または２記載の測距装置。
  4. 前記算出部が、以下の式Ａに基づき、前記変位起因傾斜に相当する前記合成波の実部領域におけるパワースペクトルの変位成分Vを算出し、以下の式Ｂに基づき、前記変位起因
    傾斜に相当する前記合成波の虚部領域におけるパワースペクトルの変位成分Vを算出する
    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。
    Figure 0006880850
    Ａ：前記送信波の振幅レベル，ｆ：前記送信波の周波数，ｄ０：前記距離の中心位置，ｃ：光速，φ：反射による位相変化量
    ｆ０：前記送信波の中心周波数，Ｂ：測定対象の変位Δｄを与えるための速度係数，ｔ：時間
  5. 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。
  6. 周波数掃引された電磁波の送信波を水面に照射したときに前記水面で反射した反射波を検出する検出器と、
    前記送信波と前記反射波との合成波において、前記水面の揺れに起因するパワースペクトルの変位起因傾斜を算出する算出部と、
    前記変位起因傾斜を前記合成波のパワースペクトルから除去した信号に基づいて水位を計測する計測部と、
    を備えたことを特徴とする、水位計測システム。
  7. 測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の送信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波を検出し、前記合成波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方法であって、
    前記測定対象の変位に起因する前記合成波のパワースペクトルの変位起因傾斜を算出し、
    前記変位起因傾斜を前記合成波のパワースペクトルから除去した信号に基づいて前記距離を計測する
    ことを特徴とする、測距方法。
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