JPS6044629B2 - 変位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は連続的に周波数変調されたマイクロ波一 一
一 瞥 ι−ー、、ｔｌｄ −■ １＾ Ｕ−日ψ°Ｎ
３１１ する装置に関する。

（従来技術とその問題点） マイクロ波干渉計を用いた変位測定装置はたとえは、本
出願人が先に出願した特願昭４８−９０８４３「変位測
定装置」にも開示されているが、マイクロ波の波長より
十分長い距離を測定しようとすると、マイクロ波回路に
おいて９００位相のずれた２つの干渉波を作るために２
つのミキサあるいはハイブリッド結合器を必要としさら
に、干渉波形は被測定物からの反射率が変わり反射パワ
ーが減少するとその振幅が減少して変位置測定誤差が生
じるので、マイクロ波回路に自動ゲイン調整回路（ＡＧ
Ｃ回路）を設けなければならず、マイクロ波回路が複雑
になるなどの問題点があつた。

（問題点を解決するための手段） このため、本発明は、連続周波数変調したマイクロ波を
使い、ある時点でのヒート波電圧の位相を、その時点で
のヒート波電圧と、前記ある時点に最も近いヒート波電
圧の極大値および極小値とを用いて演算し、このヒート
波電圧の位相の変化から変位置を測定するようにしたも
のである。

（作 用）ＦＭ−ＣＷレーダのマイクロ波回路から被測
定面への送信波と反射波により得られるヒート波の、あ
る任意の検出時点ｔＡにおける電圧ＶＡと、この時点に
最も近い前記ヒート波の極大電圧■。

および極小電圧Ｖしから、時点ＴＡの位相φＡ１および
位相に応じた位置状態が検出され、この状態信号によつ
てφＡ１またはπ−φＡ１を選択し、選択された位相量
φＡ２が、極性および状態信号によつてつぎの周期に移
つているかどうかを判断し、移行している楊合は検出時
点の位相量に２πを加減算することにより大きな変位置
を測定できるようにしてある。（実施例） 第１図は、本発明の実施例を示すブロックダイアグラム
である。

５０１はＦＭ−ＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭＯｄｕｌａ
ｔｌＯｎＣＯｎｔｉｎｕＯｕｓＷａｖｅ）レーダのマイ
クロ波回路て、１はマイクロ波発振器、２は送信アンテ
ナ、３は被測定面、４は受信アンテナ、５はミキサ、６
はヒート信号、７は変調器、８は立下り期間信号、１０
はマイクロ波である。

５０２は増幅器、５０３はトップ検出器でヒート波のピ
ーク電圧を測定する微分回路または比較回路て構成され
、極性が正から負に変化するところでその電圧値■。

をホールドし信号６１を出力する。５０４はボトム検出
器で、ヒート波の極小電圧Ｖしをホールドし信号６２を
出力する。

５０５はＴＡ時電圧測定器で、時点ＴＡの電圧■９を検
出しタイミングパルス６３を出力する。

５０６は位相演算器で後述する（１吠）の演算を行う。

５０７は状態検出器で、ＴＡ点で位相が■・１象限にあ
るか■，■象限にあるかを判断するもので、ＴＡ点の前
がトップかボトムかを検出する。なお、Ｉ象限は位相範
囲がＯから？ＲＩ２まで、■象限はπ１２からπまで、
■象限はπから３１２πまで、■象限は一π１２からＯ
までをいう。第５図は状態検出器の例を示すブロック図
である。

第５図において、６４，６７はＲＳフリップ・フロップ
、６５は立下り期間信号８の変化時点で信号を出しＲＳ
フリップ●フロップをリセットするエッジ検出回路、６
６はＡＮＤ（論理積）ゲート、６８はエクスクルーシブ
・オア・ゲート（ＥｘｃｌｕｓｉｖｅＯＲ？Ｔｅ）、状
態信号６９は状態検出器５０７の出力つまり加減算制御
信号発生器５１１の切換に用いられる信号である。

第６図は、第５図の状態検出器５０７の各部の動作信号
波形を示すタイムチャートである。

時点ＴＡを図のように選ぶと、ボトム信号６２が送出さ
れた時点の状態信号６９の状態ぱ“１゛となるが、逆に
ＴＬが先に入力すると、ＲＳフリップ・フロップ６４は
リセットされ、その出力は６“０゛となつているので時
点ＴＡで信号６３が出たとしてもＲＳフリップ・フロッ
プ６７はセットされずにその出力は“０゛のままである
。したがつて、時点ＴＡの後に信号６１が入力しても状
態信号６９は″０″となる。５０８は切換演算器で状態
検出器５０７の状態信号６９に応じて後述の（１１式）
か（１試）の演算を行い、その出力を加減算器５１０に
入力する。

５０９は位相φＡ１の正負を判断する極性判別器、５１
０は加減算器。

５１１は加減算制御信号発生器で、状態検出器５０７の
状態信号６９を記憶し、極性判別器５０９の信号がある
とき、つぎの測定時の状態検出器の状態と比較し、それ
ぞれ加算信号７４、減算信号７５、零加算信号７６を出
力し、加減算器５１０の加減算を制御する。

第７図は加減算制御信号発生器５１１の例を示すブロッ
ク図で、７１，７２はフリップ・フロップ、７３は比較
回路、７４は加算信号、７５は減算信号、７６は零加算
信号、７７，７８はアンド回路、７９はインバータであ
る。

５１２はスケール変換器で加減算器５１０から出力され
るφ９に係数λＡ／４πを掛けて変位出力Ｄを得る。

三角波の下り勾配のときは、マイクロ波回路５０１から
の立下り期間信号８が゜“１゛になり、状態検出器５０
７と加減算制御信号発生器５１１の論理状態を反転させ
る。

（動作） マイクロ波回路５０１は、第２図ａの実線２１で示すよ
うな角周波数で変調されたマイクロ波１０を送信アンテ
ナ２から発信し、被測定面３からの反射波を受信アンテ
ナ４で受ける。

その送信下限角周波数をω。

とすると、０〜Ｔ／２区間の変調角周波数ωｉはωｉ＝
ω。

＋２αｔ ′。ｏ（１式）ここで、αは
比例定数（＝Δω／Ｔ）Δωは最大角周波数偏移 Ｔは変調周期 ｔはＯ−Ｔ／２区間での時間 をそれぞれ表わす。

この位相φ１は、初期位相をφ。

とすると、この波を放射し、距離Ｒはなれた被測定面で
反射してきた波２２を受信した場合、この間の時間遅れ
τはである。

ただし、Ｃは光速を示す。受信波の位相φ、は となる。

ただし、Ｏは被測定面からの反射による位相変化分であ
る。送受信両波をミキサ５でミキシングして得られる低
周波域のヒート信号６のヒート波位相差φｂは、ところ
で、（５式）の左辺と右辺の第２項を対比してみると、
α＝Δω／Ｔであるから、 ここに、試作例の数値を当てはめると、周波数１０ＧＨ
ｚで最大偏移Δω＝０．５ＧＨｚ、変調周期Ｔ＝１６ｍ
ｓで測定面の変位置０ｒＴ１程度測定が可能であるから
、時間の遅れτ＝６７ｎｓであり、ζ？＝０．０＼＋＝
４．２刈０−６となり、（６式）の左辺は１より十分小
さい１０−７のオーダであり、ω，τに比してατ２は
小さいので省略できる。

したがつて、（５式）は とすることができる。

（３式）と（７式）から （ただし、λ，は変調角周波数ω，における波長）であ
るので、 となり、Ｏは距離Ｒには無関係な定数であるので、ヒー
ト波は距離Ｒに対しλ，／２を周期とする変位に対して
サイクリツクな波となる。

そのヒート波形を第２図ｂに示しており、実線２３は測
定面までの距離Ｒのときの電圧波形、点線２４は距離Ｒ
から測定面が変位したときの波形である。

第３図は、ある任意の一点ｔ＝ＴＡにおける距離Ｒから
変位ｄに対するミキシング出力ヒート信号６の電圧変化
をあられす波形図である。

つまり、第３図は、第２図ｂの時点ＴＡにおける波形２
３と２４との電圧値の変化を、横軸をヒート電圧位相変
化に対応する変位ｄとしてあられしている。

すなわち、ある点のヒート波の位相を測定すれば、被測
定面３の距離Ｒからの変位がわかる。

したがつて、ある点におけるヒート波の位相を測定する
方法を説明する。第４図は第２図ｂにおける波形２３と
同じヒート波形を拡大して示している。いま、時点ＴＡ
でのヒート波の位相の測定をするものとする。

時点ＴＡの一番近くにあるヒート波２３０のトップとボ
トムのそれぞれの電圧Ｖ８・ＶＬがトップ検出器５０３
、ボトム検出器５０４で測定される。時点ＴＡでの電圧
を■９とすると、その位相φＡ１は、と考えられるから
、 で示される。

電圧■９に対応する変位ｄは第３図からもわかるように
特定しない。

そこでλＡ／８の変位置に対応する位相範囲を一つの象
限と考え、状態検出器５０７により電圧■９がどの象限
にあるかを判別する。この象限の判別は、電圧ＶＨ，■
Ｌが存在する時間領域で行う。

電圧ＶＨ，■しになる時間をそれぞれＴＨ，ｔしとする
と、象限を考慮した位相φＡ２は、さらに、位相範囲を
拡大するため、１周期２７ｒ（全ｒに相当する。

）を越す変位に対応する位相″φ９は、位相φＡ１に相
当する電圧を■φＡ１に相当する電圧をｖ（ｔ）Ａ１と
すると、（Ｉｉｉ）■φＡＫＯで、ＴＬ，ｔＨの状態が
上記（Ｉｉ）から（１）に変つたとき（Ｉｖ）■φＡ１
〈０で、ＴＬ，ｔＨの状態が（１）から（Ｉｉ）に変つ
たときである。

いま、状態信号６９の状態が゜“１゛であり、■φＡ１
が負のときを考えると、切換演算器５０８から（１試）
に相当する位相φＡ２が送出されているものとすれば、
変位置が変化して状態信号６９の状態が“゜１゛５から
４′０゛にかわつたとき、フリップ・フロップ７１の出
力は“゜１゛から“０゛に変化し、フリップ・フロップ
７２の出力は“１゛のままである。

極性判別器５０９はＶφＡ１が負のときに出力“゜１゛
を送出し、正のとき出力゜゜０゛を送出するのて、アン
ド回路７７，７８の出力はそれぞれ“゜０゛，４“１゛
となる。比較器７３は以前のデータから現在のデータを
減算するようになつているが、この場合、現在のデータ
０゛が入力端子Ａに入力し、変化のない以前のデータ“
゜１゛が入力端子Ｂに入力しているから以前のデータ“
゜１゛から現在のデータ゜゜０゛を減算すれば正となつ
て加算信号７４が送出され、加減算器５１０でφＡ２に
２πが加算されるようになつている。

このようにして（１試）の位相φ９が得られる。つぎに
、状態信号６９の状態が゜゜０゛であり、Ｖ４）Ａ１が
負のときを考えると、切換演算器５０８から（１１式）
に相当する位相φＡ２が送出されているものとすれば、
変位置が変化して状態信号６９の状態が″０゛２から′
６ｒ゛にかわつたとき、フリップ・フロップ７１の出力
は“゜０゛から゛゜１゛に変化し、フリップ・フロップ
７２の出力は“０゛のままである。

極性判別器５０９の出力は“１゛であるからアンド回路
７７，７８の出力はそれぞれ゛゜１゛，゛０゛となる。

比較器７３にはこの場合、以前のデータ゜“０゛が入力
端子Ｂに入力し、変化したのちの現在のデータ“１゛が
入力端子Ａに入力しているから、減算の結果は負となり
、減算信号７５が送出されることになる。したがつて、
加減算器５１０ではφＡ２から２πが減算され、（１４
式）の位相φ６が得られる。つぎに、ｖφＡ１が負で、
変位置が変化しても状態信号６９の状態が゜゜１゛のま
まであるとすれば、フリップ・フロップ７１，７２の出
力はいずれも゜“１゛であるのでアンド回路７７，７８
の出力はともに“１゛となり、比較器の演算結果は゜゜
０゛となるから零加算信号７６が送出され、加減算器５
１０からはφＡ２がそのまま送出されることになる。

−５ たとえば、いまφ９−ーＩｍｌこ対応する変位ｄがある
ときには、実際に指示される電圧ＶＡはφＡ１＝ー晋に
対応するが、ＴＬ，ｔＨの状態が（１）から（Ｉｉ）に
変わるから、加減算制御信号発生器５１１からの減算信
号７５により、加減算器５１０で２？ｒの減算が行われ
、φ６＝（π−φＡ１）−２７ｒ すなわち となつて正しい変位出力が示される。

このようにして１周期を越える位相の測定もできる。

そこで拡大された変位出力Ｄは、時点ＴＡにおけるマイ
クロ波の波長をλ９とすると、全ｒが２？７−に相当す
るので、から求めることができる。

なお、Ｖ（りＡ１〉０のときは（１）の場合でも（Ｉｉ
）の場合でも零加算信号７６が送出される。

以上のようにして、加減算器５１０から送出される位相
φぇに応じて（１５式）で演算される拡大された変位信
号Ｄがスケール変換器５１２から送出されるがこの変位
をさらに拡大したいときには、加減算器５１０において
加減算する位相量を±２？ｒでなく士Ｎｘ２７ｒとすれ
ばよい。

そのためには、加算あるいは減算信号の出た回数ｎに応
じて加減算器５１０内に設けられたカウンタ内容を＋ｎ
あるいは−ｎとし、このカウンタの増減量士ｎに２７ｒ
を乗算する乗算器を加減算器５１０に設ければよい。以
上の説明は三角波の変調曲線で、立上り勾配の変調期間
について述べたが、立下り勾配の場合も、（１１式）
（１試）の条件をかえれは同様に測定できる。

すなわち （１）゛Ｏ＜ＴＨ≦ＴＡ，ｔＡ≦ＴＬ≦Ｔ／２のとき（
Ｉｉ）゛０くｔし〈ＴＡ，ｔＡ＜ＴＨ≦Ｔ／２のときと
して１周期をこえる位相量も測定できる。

三角波でなく鋸歯状波変調の場合は、１周期が全部一定
勾配て上がるので、前記（１式）の比例定数αがかわり
となるが、位相の測定は（１１式）ないし（１４式）の
場合と同様にできる。

なお、第１図の構成から明らかなように、各信号はホー
ルドしたり、遅れと比較したり、記憶しておいて使用す
る場合が多い。

このような場合ディジタル処理をすることが有利である
。ディジタル処理をするときの付加機能としては、増幅
器５０２のあとにＡ／Ｄ変換器を入れて、そのあとでト
ップ検出器５０３、ボトム検出器５０４、ＴＡ時電圧測
定器５０５へ送る。さらに、Ｓ／Ｎを向上するため、増
幅器５０２のあどに帯域フィルタを入れて、ヒート周波
数以外の周波数成分をカットすることが有効である。

（発明の効果）このように本発明は、ＦＭ−ＣＷ方式の
ある１周波数の干渉を測定し、その前後にある波形のト
ップとボトムを使つて、これらの電圧比から位相計算を
して変位を測定するようにしたので、ミキシング回路が
１つで済み、受信パワーの減衰による信号の減衰が自動
的に補償されているので、経済的な効果が大きく精度も
向上される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロックダイアグラム、
第２図はぞのマイクロ波回路における変調角周波数とヒ
ート波電圧の時間変化説明図、第３図はある任意の時点
ＴＡにおける変位ｄに対するミキシング出力ヒート信号
の電圧波形図、第４図は第２図の詳細説明図、第５図は
状態検出器５０７のブロック図、第６図は状態検出器５
０７の各部の動作波形を示すタイムチャート、第７図は
加減算制御信号発生器５１１のブロック図である。 １・・・・・マイクロ波発振器、２，４，２０・・・・
・・アンテナ、３・・・・・・被測定面、５・・・・・
ミキサ、６・・・゛ヒート信号、７・・・・・・変調器
、８・・・・・・立下り期間信号、１０・・・・マイク
ロ波、２１，２２・・・・・・周波数変調波、２３，２
４，２３０・・・・・・ヒート電圧波形、５０１・・・
・・・ＦＭ−ＣＷレーダのマイクロ波回路、５０２・・
・・・・増幅器、５０３・・・・・トップ検出．器、５
０４・・・・ボトム検出器、５０５・・・・・ＴＡ時電
圧測定器、５０６・・・・・・位相演算器、５０７・・
・状態検出器、５０８・・・・・・切換演算器、５０９
・・極性判別器、５１０・・・・・・加減算器、５１１
・・・・・・加減算制御信号発生器、５１２・・・・・
スケール変換ノ器、ｄ・・・・・・被測定面３の変位、
Ｄ・・・・・・変位出力、６１・・・・トップ信号、６
２・・・・・ボトム信号、６３・・・ＴＡタイミングパ
ルス、６４，６７・・・・・・ＲＳフリップ・フロップ
、６５・・・・エッジ検出回路、６６・・・・・・アン
ド・ゲート、６８・・・・エクスクルーシ）ブ・オア・
ゲート、６９・・・・・・状態信号、７１，７２・・・
・・・メモリ、７３・・・・・・比較回路、７４・・・
・・加算信号、７５・・・・・減算信号、７６・・・・
・・零加算信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マイクロ波を連続的に周波数変調して送信し、被測
   定面からの反射波と送信波から得られたビート波の、あ
   る時点における位相量から被測定面の変位を測定するも
   のにおいて、前記ある時点における前記ビート波の電圧
   Ｖ＿Ａ、前記ある時点に最も近い前記ビート波の極大電
   圧Ｖ＿Ｈおよび極小電圧Ｖ＿Ｌから次式▲数式、化学式
   、表等があります▼ にしたがつて位相量φ＿Ａ＿１を演算する位相演算器と
   、前記ある時点と前記極大電圧Ｖ＿Ｈおよび極小電圧Ｖ
   ＿Ｌ発生時点との位相差に応じて前記時点の状態信号を
   送出する状態検出器と、前記位相演算器の出力極性およ
   び前記状態信号に応じて前記切換演算器の出力位相量φ
   ＿Ａ＿２に（±ｎ）×２π（ｎは整数）を加算する加減
   算器とを備え、この加減算器の出力にもとづいて前記被
   測定面の変位量を検出するようにしたことを特徴とする
   変位測定装置。