JP7472295B2 - 反射マイクロ波の透過測定のための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、反射マイクロ波を使用した透過測定のための装置および方法に関する。

測定方法は、対象物の物理的パラメータが透過したマイクロ波放射線によって決定されるという事実に基づく。マイクロ波は測定対象物に入り、測定対象物または測定対象物の後方にある反射器によって反射される。

既知の測定方法は、欧州特許第１４０７２５４号明細書（特許文献１）の例によって説明されている。この測定方法を木材、タバコ、および食品など、一連の測定対象物に使用して、それらの水分含有量を決定する。水分含有量の正確な認識は、生産工程の実施においてしばしば重要であり、製品の出力品質を確実に制御することを可能とする。

測定の基礎となる物理的な原理は、測定対象物の複素比誘電率に基づく。クラマース・クローニッヒの関係式を使用すると、例えば、複素誘電率と、屈折率および吸収係数などの光学特性変数との関係を表すことができる。大まかに言うと、材料の誘電特性は、複素誘電率の実部が電気エネルギを保存する材料の能力を指し、虚部が媒体の誘電エネルギの損失を表すこととなる。これらの両方の変数を測定することで、水分含有量と材料の密度を極めて正確に決定できる。原則的に、測定対象物の水分以外の物質も評価できる。

一般的に、透過した放射線の反射器を設けることは、この測定には効果的であることが証明されている。媒体を通過した後、この放射線は、受信アンテナまで反射器によって反射される。この目的のために、ラムダ１／４偏光子、または、より正確には、１／４＊（２ｎ＋１）（ｎ∈Ｎ）ラムダ偏光子を使用し、入射放射線の偏光に対して反射される放射線の偏光を回転させる。このように、測定対象物の表面によって反射された放射線と測定対象物を通過した後に反射された放射線とが異なる偏光を有するため、区別することができる。

２つのアンテナを使用する際の配置と測定方法は、前述した文献の欧州特許第１４０７２５４号明細書によって知られている。送信アンテナは、放射されたマイクロ波放射線を測定対象物に向かわせ、一方で、第２の、独立した受信アンテナは、反射された放射線を受信し、分析に回す。アンテナを１つだけ使用する場合は、アンテナの入力と出力との間にクロストークが発生し、反射された放射線が歪むため、このような２つのアンテナの配置が必要となる。アンテナの入力と出力との間のこのクロストークにより、２つの別個のアンテナを配置する必要があり、コストがかかる。

欧州特許第１４０７２５４号明細書

本発明は、可能な限り簡素な配置を必要とする装置と測定方法を提供することを目的とする。

この発明によると、その目的は、請求項１の特徴を有する透過測定のための装置、および請求項１３の特徴を有する透過測定のための方法によって達成される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明による装置は、測定対象物の透過測定を目的として提供される。本装置は、マイクロ波が測定対象物の表面によって反射されたものであるか、または測定対象物を通過した後のものであるかにかかわらず、測定対象物によって反射されたマイクロ波を測定する。反射されたマイクロ波は、測定され、評価される。

本発明による装置は、予め設定された周波数または所定の周波数帯域のマイクロ波を発する、マイクロ波発生器を有する。固定周波数または経時的に変化する周波数を使用できる。また、本発明による装置は、マイクロ波発生器に接続され、マイクロ波放射線を測定対象物に送信し、測定対象物からの反射放射線を受信する、送受信部を有する。送受信部は、測定対象物に向けた指向性を有することが好ましく、これにより、送信されたマイクロ波の大部分を測定対象物に向けることができる。また、本発明による装置は、送受信部から離間した方向に向く測定対象物の側面上の反射板を有し、この反射器は、入射放射線に対して反射放射線の偏光を回転させる偏光子を有する。偏光の回転またはそれぞれ変化により、偏光子は、偏光子またはそれぞれ反射器によって反射されるマイクロ波放射線を、他の放射線、特に、測定物の表面によって反射された放射線と区別するように機能する。さらに、装置は、放射された放射線と反射された放射線との間の振幅および位相位置を決定する、送受信部用の変調器を有する。変調器によって、測定対象物を通過する放射線と放射された放射線との比較が可能となる。このように、放射線の減衰とズレとの両方を検出できるため、それ自体が周知である方法で、複素比誘電率、ひいては、水分および密度などの測定対象物の変数を算出できる。

本発明の変調器を使用することにより、信号を十分に正確に分離することが可能となる。これは、このチャネルの特性を測定チャネルの特性に正確に適合させるために信号経路に減衰要素および位相シフタを設ける、従来技術で使用されている解決策よりも大きな利点である（例えば、欧州特許第１４０７２５４号明細書の［００３０］と比較されたい）。

本発明による装置は、送受信部が１つの共通アンテナを有するよう設計されることが好ましい。共通アンテナは、この装置にとって、ハードウェアと評価の両方において有用であることを示す。変調器、特に、Ｑ／Ｉ変調器を使用することにより、１つの共通アンテナを使用する際に入力信号と出力信号との間のクロストークを抑制することが可能となる。Ｑ／Ｉ復調器とも呼ばれる、Ｑ／Ｉ変調器により、位相φおよび振幅ＡをＩ／Ｑ信号から算出することが可能となる。これらのＩ／Ｑ信号は、互いに直交する２つのミキサからの出力信号である。これにより、９０°の位相シフトを有するＱ／Ｉ変調器のＩ／Ｑ出力が得られ、動作点に関係なく、広範囲のＩ／Ｑ信号から位相位置および／または振幅を好適に決定できる。クロストークは、Ｉ／Ｑ信号の直流オフセットをもたらすが、これは、システムの最初の較正中に測定および除去できる。

好ましい展開において、送受信部用の信号と同様に、マイクロ波発生器から生じる基準信号が変調器に送信される。

より好ましくは、マイクロ波発生器は、発振器を有し、発振器の信号はスプリッタに送信され、スプリッタの出力信号は基準信号と、送受信部用の入力信号となる。さらに、基準信号および／または送受信部への入力信号のための位相同期ループ（ＰＬＬ）が設けられ、安定した周波数を提供することが好ましい。１つの発振器を２つの位相同期ループに使用して、それらの信号が位相同期的に動作することが好ましい。基準信号および／または送受信部の入力信号のための信号プロセッサも存在することが好ましい。信号プロセッサにより、各チャネルまたは１つのみのチャネルにおける振幅、周波数、および位相位置に関して、信号を処理できる。このため、信号プロセッサは、増幅器、ローパス、および減衰器のうちの１つ以上のアセンブリを有する。この場合、２つの信号プロセッサを設けることが好ましい。

さらに、基準信号用および／または送受信部の入力信号用の位相シフタを設けることができる。位相シフタは、別個の構成要素として設けることができる。すなわち、望ましい位相シフトを位相同期ループにデジタル設定する。この位相シフタは、例えば、装置の初期の較正中に、マイクロ波アンテナの入力と出力との間のクロストークから発生するＩ信号とＱ信号のオフセットが低減／減少、および／またはそのまま維持されるように設定できる。その結果、クロストークをより簡単に除去できる。

位相回転により入射マイクロ波放射線を反射する、反射器は、１／４（２ｎ＋１）ラムダ波長板として設計されることが好ましい。このような波長板は、略して、ラムダ１／４反射器と呼ばれることが多い。位相位置は、反射器によって入射位相に対して９０°回転し、これにより、位相位置の精度が最大となる。

好ましい実施形態において、Ｑ／Ｉ変調器は、互いに直交する２つのミキサを有する。これらのミキサには、それぞれ入力信号が供給される。９０°位相シフトされた信号がこれらのミキサのうちの１つに送信される。このように、ミキサは、互いに９０°回転しているとともに入力信号が供給されたミキサに送信される２つの信号を生成する。

好ましい展開の結果、Ｑ／Ｉ変調器は、動作点に関係なく、位相および振幅が変換されたＩ信号及びＱ信号の値を確実に生成する。

本発明による目的は、測定対象物の透過測定のための方法によっても達成される。この方法は、反射マイクロ波を測定し、評価する。この目的のために、マイクロ波放射線が測定対象物に放射され、測定対象物からの反射放射線がアンテナで受信される。測定対象物を通過した後、反射放射線の偏光は入射放射線に対して回転し、反射放射線が受信され、放射された放射線と反射された放射線との間の振幅および／または位相位置が決定される。際立った点としては、マイクロ波ビームが送信され、反射されたマイクロ波放射線が送受信部によって受信される点が挙げられる。反射放射線の振幅および／または位相位置は、Ｑ／Ｉ変調器で決定される。このために、Ｑ／Ｉ変調器用の基準信号が送信されることが好ましい。基準信号と反射放射線の信号により、Ｑ／Ｉ変調器は、反射放射線の振幅および／または位相の変化を正確に判定できる。

本発明は、いくつかの図面を参照して以下で詳細に説明される。

測定対象物に対して向けられた送受信部を示す。 測定装置全体を概略的に、非常に単純化した図で示す。 図２の測定装置のより詳細な図を示す。 Ｉ／Ｑ復調器の機能的原理を示す。 Ｉ／Ｑ復調器の機能的原理を示す。 先行技術における２つのアンテナを用いた測定中の信号経路を示す。 測定対象物と反射器を通る放射線の経路を示す。 送受信部、測定物、および反射板の間の放射線の経路において異なる経路を示す。

図１は、マイクロ波放射線１２を測定対象物１４に向ける送受信部１０を示す。入射マイクロ波放射線１２は、反射器１６によって反射され、送受信部によって反射放射線１８として受信される。入力信号２０および出力信号２２は、送受信部１０のアンテナ（図示せず）に接続されている。矢印２４で示すように、信号のクロストークは、入力２０と出力２２との間で起こる。これは、入力信号が、測定された出力信号に直接寄与することを意味する。送受信部１０に使用されるアンテナは、非常に良好な指向性を有するアンテナであり、多くの信号が測定物の方向に照射され、クロストーク２４は比較的小さくなる。ただし、クロストーク信号２４が大きい場合は、デジタル化中に問題が発生する可能性がある。このような場合、大きなオフセットはＡＤコンバータのビットを埋めるため、測定信号の可用性が損なわれ、達成可能な精度が全体的に低下する。

図２は、送受信部１０を反射器１６とともに示す。図２には、発振器２６が示されており、その出力信号２８はスプリッタ３０に送信される。スプリッタ３０は、送信された出力信号２８を分割し、Ｑ／Ｉ変調器またはそれぞれＱ／Ｉ復調器３４に基準信号３２を送信する。スプリッタ３０の第２の出力信号は、送受信部１０に入力信号３６として送信される。送受信部１０のアンテナは、送信された入力信号３６をマイクロ波放射線１２として放射し、また、反射マイクロ波放射線１８を受信する。入力信号４０は、出力接続を介してＱ／Ｉ復調器３４に送信される。以下で機能原理を説明する、復調器は、Ｑ信号４２およびＩ信号４４を生成する。

図３は、図２の送受信部１０の配置をより詳細に示す。発振器２６およびスプリッタ３０は、詳細には、２つのＰＬＬｓ（位相同期ループ）４８ａ、４８ｂへ供給する基準発振器４６から構築できる。位相同期ループ４８ａ、４８ｂは、「位相ロックループ」とも呼ばれ、基準発振器４６から始まり、図２のスプリッタの２つの出力信号に対応する、２つの同期発振を生成する。図３はさらに、送受信部につながる経路中の位相シフタ５０を示す。この位相シフタ５０は、例えば、位相同期ループに組み込むことができる。位相シフタ５０は、位相同期ループ４８ａ、４８ｂのうちの１つまたは両方に統合することができる。位相シフタ５０の役割は、設定中またはそれぞれ較正中にＱ信号とＩ信号間のオフセットを減少させることであり、これにより、クロストークから生じる信号部分も減少する。

また、図３は、信号プロセッサ５２ａ、５２ｂを示し、その各々は、増幅部材５４、ローパスフィルタ５６、および減衰部材５８で構成される。信号プロセッサ５２ａおよび５２ｂは、原理的には異なるように設計できる。処理された信号は、基準信号３２および入力信号４０としてＱ／Ｉ復調器３４に送信され、Ｑ信号４２およびＩ信号４４が生成される。

Ｑ／Ｉ復調器３４を図４ａ、ｂを参照してより詳細に説明する。図４ａは、入力信号６０を示し、この信号は、スプリッタ６２において、ミキサ６４、６６に送信される２つの信号に分割される。ミキサ６４用の信号は、スプリッタ６２において位相シフタ７４により９０°シフトされる。このようなスプリッタは、直交ハイブリッドスプリッタとも呼ばれる。２つのミキサ６４、６６の第２の入力においては、基準信号ＲＦが送信され、この信号は、スプリッタ６９において基準信号６８、７０に分割される。ミキサ６６および６４は、Ｉ信号およびＱ信号を出力する。図４ｂは、互いに９０°シフトされた２つのＩ信号およびＱ信号を示し、これらの信号は、さらなる評価の際に使用できる。

図５は、欧州特許第１４０７２５４号明細書による従来技術の好ましい実施形態を示す。これによると、マイクロ波源１００を切り替える、スイッチ１１５が設けられている。

スイッチ１１５は、経時的に線形変化するマイクロ波源１００の平均周波数を定義する。カプラ１０２は、各ケースにおいて信号を５０％に分割する。基準分岐を介して、基準信号１０８ａが減衰位相シフト装置１０３に到達し、この出力は、基準信号１０８ｂとして受信器１０１に送信される。位相シフト装置１０３は、測定物なしの測定時と測定物ありの測定時の両方で測定された信号１１０ｂと比較した差分を補償する。補償値を互いに比較して、測定物によって生じる信号の変化を特定することが好ましい。

測定信号１１０ａは送信アンテナ１０４に送信され、そこからサンプルまたはそれぞれ測定対象物１１４に到達する。ここで、次に、この信号は、反射されたマイクロ波信号として受信アンテナ１０６に到達するために、偏光子１１６に到達し、そこから受信器１０１に送信される。送信アンテナ１０４と受信アンテナ１０６との両方が設けられることが明確に分かる。

図６は、マイクロ波放射線の経路を詳細に示す。送受信部１０はマイクロ波放射線を放射する。マイクロ波放射線は、測定物１４を通過する前に、まず空気中を通る。測定物１４は反射器１６上にあり、反射器１６は、さらに少なくとも３つの層から構成されている。例えば、平行導電性金属ロッド／ストランドで構成される、偏光子７６、スペーサ７８、および金属プレート８０にて、通過したマイクロ波放射線の反射が起こる。ここで、位相回転は、偏光子７６を通過して行われる。

反射器での信号の動作は、例えば、ラムダ１／４回転として発生する。入射マイクロ波放射線の偏光は、いずれかの時点で、偏光子の格子方向に対して横方向および縦方向の構成要素に分解できる。ストリエーションに平行な構成要素は、反射係数－１で反射される、すなわち、１８０°回転する。ただし、偏光子に垂直な構成要素には、そのような反射は見られない。放射線のこの部分は、従来の１８０°位相反転で金属板によって反射される。この関係から、全体で９０°の偏光の変化が生じる。

図７は、評価の際に考慮されるマイクロ波放射線の起こり得る信号経路を示す。ここで、応用例ＩＩは、入射ビーム８２および反射ビーム８４の信号経路を示す。例ＩＩでは、入射マイクロ波ビーム８２および反射マイクロ波ビーム８４は、互いに空間的に間隔を空けて示されている。これは、説明ＩＩが複数の送信経路の重ね合わせであることを示す意図があり、マイクロ波放射線が送受信部１０に反射される前に、測定物内で再度往復することもできる。

ＩＶＡおよびＩＶＢは、送受信部１０へのマイクロ波放射線の反射の場合を示す。入射マイクロ波放射線は、測定物から出る前に、測定物内でまず一度反射され、送受信部１０によって反射され、最終的に測定ビームとして受信され、評価される。バージョン４ｂには、代替方法が示され、代替方法では、反射マイクロ波ビームは、送受信部１０によって反射され、その後、測定物内で往復して、最終的に送受信部によって受信されるように反射される。そのような考慮事項では常に一般的であるように、測定された信号の実際の信号進路は、当然、すべての可能な進路の重ね合わせである。

本発明により提供される装置を改善するために、送受信部１０に、対応する減衰器を設けることができ、これにより、装置から測定物に向けて、およびその逆方向に、マイクロ波放射線の反射が減衰される。このようにして、測定信号の品質が向上する。

Ｑ信号４２およびＩ信号４４の評価は、振幅Ａと位相φに関して直接的に別々で行うことができる。以下が適用される。

出力が減少すると、検出された信号の振幅が減少し、したがって、信号Ｉおよび信号Ｑの振幅も減少することを考えると、定性的には、動作点からのＱ／Ｉ信号の独立性をより簡単に理解できる。これらが同程度に減少すると、その比率、ひいては位相角φは、一定のままとなる。

重要な改善点は、個別の、二重偏波アンテナを使用した送受信部１０の使用によって生ずる。本発明によると、反射信号を受信するために、ここでは偏光回転が提供される。信号の入力と出力との間に送信されるクロストーク信号は直流オフセットを形成するため、これは、システムの初期較正中に設定できる。

１０ 送受信部
１２ マイクロ波放射線
１４ 測定対象物
１６ 反射器
１８ 反射マイクロ波放射線
２０ 入力信号
２２ 出力信号
２４ 矢印／クロストーク／クロストーク信号
２６ 発振器
２８ 出力信号
３０ スプリッタ
３２ 基準信号
３４ Ｑ／Ｉ復調器
３６ 入力信号
４０ 入力信号
４２ Ｑ信号
４４ Ｉ信号
４６ 基準発振器
４８ａ、ｂ 位相同期ループ
５０ 位相シフタ
５２ａ、ｂ 信号プロセッサ
５４ 増幅部材
５６ ローパスフィルタ
５８ 減衰部材
６０ 入力信号
６２ スプリッタ
６４ ミキサ
６６ ミキサ
６８ 基準信号
６９ スプリッタ
７０ 入力信号
７２ 基準発振器
７４ 位相シフタ
７６ 偏光子
７８ スペーサ
８０ 金属プレート
８２ 入射マイクロ波ビーム
８４ 反射マイクロ波ビーム
１００ マイクロ波源
１０１ 受信器
１０２ カプラ
１０３ 減衰位相シフト装置
１０４ 送信アンテナ
１０６ 受信アンテナ
１０８ａ 基準信号
１１０ａ 測定信号
１１０ｂ 測定信号
１１４ 測定対象物
１１５ スイッチ
１１６ 偏光子

Claims (12)

1. 反射マイクロ波（１８）を測定し、評価することにより、測定対象物（１４）の透過を測定するための装置であって、前記装置は、
   マイクロ波発生器と、
   前記マイクロ波発生器に接続され、マイクロ波放射線を前記測定対象物（１４）に送信し、前記測定対象物（１４）からの反射放射線（１８）を受信し、個別の、二重偏波アンテナを有する送受信部（１０）と、
   入射放射線に対して前記反射放射線（１８）の偏光を回転させる偏光子（７６）を有し、前記送受信部（１０）から離間した前記測定対象物（１４）の前記送受信部（１０）側と反対側に配置される反射器（１６）と、
   前記入射放射線と前記反射放射線との間の振幅および／または位相位置を決定する、前記送受信部（１０）用の変調器であって、前記変調器は、Ｑ／Ｉ変調器（３４）として設計される変調器と
   を有する、装置。
2. 前記変調器において、前記送受信部（１０）用の信号のような前記マイクロ波発生器から生じる、基準信号（３２）が送信されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記マイクロ波発生器は、発振器（２６）を有し、前記発振器（２６）の信号はスプリッタ（３０）に送信され、前記スプリッタ（３０）の出力信号（２２）は前記基準信号（３２）と、前記送受信部（１０）用の入力信号（２０）となることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記基準信号（３２）および／または前記送受信部（１０）の前記入力信号のための位相同期ループ（ＰＬＬ）（４８ａ、４８ｂ）が設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記基準信号（３２）および／または前記送受信部（１０）の前記入力信号のための信号プロセッサが存在することを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載の装置。
6. 前記信号プロセッサは、増幅器（５４）、ローパス（５６）、および減衰器（５８）のうちの１つ以上のアセンブリを有することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記基準信号および／または前記送受信部（１０）の前記入力信号（２０）のための位相シフタ（５０）が設けられることを特徴とする、請求項３から請求項６のいずれかに記載の装置。
8. 前記反射器（１６）は、１／４（２ｎ＋１）ラムダ波長板を有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記Ｑ／Ｉ変調器（３４）は、互いに直交する２つのミキサ（６４、６６）を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記Ｑ／Ｉ変調器（３４）は、動作点に関係なく、信号の位相および／または振幅を決定することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 反射マイクロ波（１８）を測定し、評価することにより、測定対象物（１４）の透過を測定するための方法であって、
    前記方法は、
    マイクロ波放射線が送受信部（１０）から前記測定対象物（１４）に送信され、前記測定対象物（１４）からの反射放射線がアンテナ（１０６）で受信され、個別の、二重偏波アンテナが使用されることと、
    前記測定対象物（１４）を通過した後、入射放射線に対して前記反射放射線（１８）の偏光を回転させる偏光子（７６）を有する反射器（１６）によって、前記反射放射線の偏光は、入射放射線に対して回転することと、
    前記反射放射線が受信され、前記送信された放射線と反射された放射線との間の振幅および／または位相位置が決定され、前記反射放射線の前記振幅および／または位相位置は、Ｑ／Ｉ変調器（３４）において決定されることと、
    を有する、方法。
12. 基準信号を前記Ｑ／Ｉ変調器（３４）用に発生させ、前記Ｑ／Ｉ変調器（３４）に前記基準信号が前記反射放射線と共に送信されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

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