JP6939159B2 - 測距装置,水位計測システム及び測距方法 - Google Patents
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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16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は解析信号出力部6に伝達される。ここで、第一位置x1は発信波と合成波とが同位相となる位置に設定される。
図4は、上述の実施形態の水位計測システム20で取得されたパワー信号pのパワースペクトルである。図4中の太実線は第一パワー信号p(fd,x1)に対応し、細実線は第二パワー信号p(fd,x2)に対応する。この例では、第一パワー信号p(fd,x1)の形状が正弦波形状に近い形状となっている。一方、第二パワー信号p(fd,x2)の形状はやや右肩上がりに傾斜した歪んだ形状である。そのため、第一パワー信号p(fd,x1),第二パワー信号p(fd,x2)に基づいて解析信号pa(fd)を構築した場合には、解析精度が低下しうる。
(3)除去部8では、パワー信号pからその平均値を除去したものが第一交流信号P(fd,x)として算出され、パワー信号pに含まれる交流成分がそのまま温存される。これにより、距離dの計測に必要な情報を欠落させることなく不要な情報を排除することができ、測距精度を向上させることができる。また、平均値の算出は容易であることから、演算速度を確保できるとともに、演算構成を簡素化することができる。
(5)また、式5を用いることで精度のよい解析信号pa(fd)を構築することができ、距離導出精度をさらに向上させることができる。
(7)また、式6を用いることで精度のよい解析信号pa(fd)を構築することができ、距離導出精度をさらに向上させることができる。
(11)また、所定周波数以下の成分の割合が大きいものを選択することで、大局的な形状が正弦波に近似している信号を容易に選択することができ、演算構成を簡素化しつつ距離導出精度を向上させることができる。
上述の実施形態では、定在波レーダー装置1と制御装置16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16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。なお、上述の実施形態では、第一位置x1及び第二位置x2で合成波のパワー信号pを取得する検波器5を備えた定在波レーダー装置16を例示したが、本実施形態と同様の制御をモノラル型センサーモジュールで実現することも可能である。
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。
(測距装置:付記1〜付記11)
(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のパワー信号を取得し、前記パワー信号から構築される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、
前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出する除去部と、
前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出する直交算出部と、
前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、前記解析信号を構築する構築部と、を備える
ことを特徴とする、測距装置。
前記直交算出部が、前記第一交流信号をその振幅成分で除した商と前記第二交流信号をその振幅成分で除した商との二乗和が1に等しい関係を用いて、前記第二交流信号を算出する
ことを特徴とする、付記1記載の測距装置。
前記除去部が、前記パワー信号の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または2記載の測距装置。
前記構築部が、前記第一交流信号を実数部とし、前記第二交流信号の符号を反転させたものを虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する第一構築部を有する
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。
前記構築部が、前記第二交流信号の周波数微分を実数部とし、前記第一交流信号の周波数微分を虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する第二構築部を有する
ことを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の測距装置。
前記パワー信号の検出位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置である
ことを特徴とする、付記1〜7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1〜8のいずれか1項に記載の測距装置。
第一位置における前記合成波の第一パワー信号と前記第一位置からλ/8の位置である第二位置における前記合成波の第二パワー信号とのうち、パワースペクトルの形状がより正弦波形状に近い一方を前記パワー信号として選択する選択部を備える
ことを特徴とする、付記1〜9のいずれか1項に記載の測距装置。
前記選択部が、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号のうち、所定周波数以下の成分の割合が大きい一方を前記パワー信号として選択する
ことを特徴とする、付記10記載の測距装置。
(付記12)
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のパワー信号を取得するパワーディテクターと、
前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出する除去部と、
前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出する直交算出部と、
前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、前記解析信号を構築する構築部と、
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、を備える
ことを特徴とする、水位計測システム。
前記直交算出部が、前記第一交流信号をその振幅成分で除した商と前記第二交流信号をその振幅成分で除した商との二乗和が1に等しい関係を用いて、前記第二交流信号を算出する
ことを特徴とする、付記12記載の水位計測システム。
前記除去部が、前記パワー信号の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12または13記載の水位計測システム。
前記構築部が、前記第一交流信号を実数部とし、前記第二交流信号の符号を反転させたものを虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する第一構築部を有する
ことを特徴とする、付記12〜14のいずれか1項に記載の水位計測システム。
前記構築部が、前記第二交流信号の周波数微分を実数部とし、前記第一交流信号の周波数微分を虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する第二構築部を有する
ことを特徴とする、付記12〜16のいずれか1項に記載の水位計測システム。
前記パワー信号の検出位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置である
ことを特徴とする、付記12〜18のいずれか1項に記載の水位計測システム。
前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、付記12〜19のいずれか1項に記載の水位計測システム。
第一位置における前記合成波の第一パワー信号と前記第一位置からλ/8の位置である第二位置における前記合成波の第二パワー信号とのうち、パワースペクトルの形状がより正弦波形状に近い一方を前記パワー信号として選択する選択部を備える
ことを特徴とする、付記12〜20のいずれか1項に記載の水位計測システム。
前記選択部が、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号のうち、所定周波数以下の成分の割合が大きい一方を前記パワー信号として選択する
ことを特徴とする、付記21記載の水位計測システム。
(付記23)
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のパワー信号を取得し、
前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出し、
前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出し、
前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、前記解析信号を構築し、
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。
前記第一交流信号をその振幅成分で除した商と前記第二交流信号をその振幅成分で除した商との二乗和が1に等しい関係を用いて、前記第二交流信号を算出する
ことを特徴とする、付記23記載の測距方法。
前記パワー信号の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23または24記載の測距方法。
前記第一交流信号を実数部とし、前記第二交流信号の符号を反転させたものを虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する
ことを特徴とする、付記23〜25のいずれか1項に記載の測距方法。
前記第二交流信号の周波数微分を実数部とし、前記第一交流信号の周波数微分を虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する
ことを特徴とする、付記23〜27のいずれか1項に記載の測距方法。
前記パワー信号の検出位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置である
ことを特徴とする、付記23〜29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23〜30のいずれか1項に記載の測距方法。
第一位置における前記合成波の第一パワー信号と前記第一位置からλ/8の位置である第二位置における前記合成波の第二パワー信号とのうち、パワースペクトルの形状がより正弦波形状に近い一方を前記パワー信号として選択する
ことを特徴とする、付記23〜31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(パワーディテクター)
6 解析信号出力部
7 選択部
8 除去部
9 直交算出部
10 構築部
11 第一構築部
12 第二構築部
16 制御装置
17 フーリエ変換部
18 距離計測部
20 水位計測システム
Claims (13)
- 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の信号電圧の二乗値をパワー信号として取得し、前記パワー信号から構築される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、
前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出する除去部と、
前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出する直交算出部と、
前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、前記解析信号を構築する構築部と、を備える
ことを特徴とする、測距装置。 - 前記直交算出部が、前記第一交流信号をその振幅成分で除した商と前記第二交流信号をその振幅成分で除した商との二乗和が1に等しい関係を用いて、前記第二交流信号を算出する
ことを特徴とする、請求項1記載の測距装置。 - 前記除去部が、前記パワー信号の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または2記載の測距装置。 - 前記構築部が、前記第一交流信号を実数部とし、前記第二交流信号の符号を反転させたものを虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する第一構築部を有する
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。 - 前記構築部が、前記第二交流信号の周波数微分を実数部とし、前記第一交流信号の周波数微分を虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する第二構築部を有する
ことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の測距装置。 - 前記パワー信号の検出位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置である
ことを特徴とする、請求項1〜7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1〜8のいずれか1項に記載の測距装置。 - 第一位置における前記合成波の第一パワー信号と前記第一位置からλ/8の位置である第二位置における前記合成波の第二パワー信号とのうち、パワースペクトルの形状がより正弦波形状に近い一方を前記パワー信号として選択する選択部を備える
ことを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の測距装置。 - 前記選択部が、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号のうち、所定周波数以下の成分の割合が大きい一方を前記パワー信号として選択する
ことを特徴とする、請求項10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の信号電圧の二乗値をパワー信号として取得するパワーディテクターと、
前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出する除去部と、
前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出する直交算出部と、
前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、解析信号を構築する構築部と、
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、を備える
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の信号電圧の二乗値をパワー信号として取得し、
前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出し、
前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出し、
前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、解析信号を構築し、
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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