WO2016027296A1 - 干渉型振動観測装置、振動観測プログラムおよび振動観測方法 - Google Patents

干渉型振動観測装置、振動観測プログラムおよび振動観測方法 Download PDF

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仁 能美
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アルウェットテクノロジー株式会社
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    • G01S7/04—Display arrangements
    • G01S7/06—Cathode-ray tube displays or other two dimensional or three-dimensional displays

Definitions

  • the present invention relates to a vibration observation technique such as displacement and minute fluctuation generated in large buildings such as terrain, bridges, and elevated roads.
  • a vibration measurement sensor such as an accelerometer is attached to a specific observation site (target) of the building. If the target increases, the number of vibration measurement sensors increases.
  • a remote measurement method using microwaves is known instead of direct measurement using such sensors.
  • microwaves are irradiated to a building or the like, and a minute displacement or sway of a large structure can be measured from a remote point of several hundred meters or more by analyzing the reflected signal.
  • Such a measurement method can analyze the state of displacement and shaking by observing at a frequency more than twice the shaking cycle occurring in the building.
  • a system using a ground-installed synthetic aperture radar is known for observing minute displacements of an observation target that is three-dimensionally spread, such as landslides and dam bodies (for example, Patent Document 3).
  • This system irradiates the observation target with radio waves while moving the synthetic aperture radar transmitter / receiver, measures the reflected wave from the observation target, and performs synthetic aperture processing using the phase change of the signal received at the scanning point on the rail.
  • the observation target point is identified in two dimensions of direction and distance, and the change in the distance in the slant range direction of the observation target is detected from the change in the phase value of the observation target obtained for each scan.
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 are known.
  • each observation point is separated and identified by distance, and the vibration and its intensity at a specific point are measured.
  • a radar reflector is attached to the observation target, the location is specified, and each reflection point is identified by the reflection intensity and distance.
  • an object of the present invention is to observe vibrations of an observation object having a two-dimensional or three-dimensional spread such as a structure such as a bridge or an elevated road, and to visualize the observation result.
  • a transmission unit that transmits a transmission signal from a transmission antenna toward an observation target and a plurality of receptions of reflected waves from the observation target
  • a receiving unit that receives the antenna and generates a receiving unit output signal for each receiving antenna, and obtains a phase plane of the reflected wave with respect to the antenna surface from a phase difference between the receiving unit output signals, and an arrival direction and signal intensity of the reflected wave
  • a signal processing unit that calculates a phase variation of the reflected wave from the specific direction and generates an observation signal representing the vibration of the observation target or the specific part.
  • the interference-type vibration observation apparatus further includes an image display unit that displays an image representing the observation target from the observation signal, generates the image based on the observation signal, and includes the observation target in an entire image of the observation target.
  • An image representing the vibration distribution inside may be superimposed and displayed on the image display unit.
  • the transmission signal of the transmission unit, the output signal of the reception unit of the reception unit, and the signal processing of the signal processing unit are further synchronized with the signal processing unit or outside the signal processing unit.
  • a signal generator that generates a reference signal to be generated.
  • the transmission unit outputs a pulse signal for detecting the observation target or a distance on the observation target, or a pulse signal that is chirp-modulated for pulse compression, and the reception unit May pulse-compress the reception unit output signal in phase with the reference signal and separate the specific part to be observed by the distance.
  • the transmission unit outputs an FMCW signal for detecting the observation target or a distance on the observation target
  • the reception unit outputs the reception unit in phase synchronization with a reference signal.
  • the FMCW signal of the signal may be analyzed, and the specific part to be observed may be separated by the distance.
  • the plurality of receiving antennas include one of a two-dimensional array such as a linear one-dimensional array, a T-shaped array, and an L-shaped array
  • the receiving unit or the signal processing unit includes:
  • the direction of the observation target may be identified by the phase difference of the reception unit output signal.
  • the plurality of receiving antennas include a two-dimensional array such as a T-shaped array or an L-shaped array, and the receiving unit or the signal processing unit is either one of an azimuth and an elevation angle of the observation target. One or both may be calculated.
  • a vibration observation program for observing vibration or displacement of an observation target by a computer, wherein a transmission signal is transmitted from the transmission antenna toward the observation target. And receiving a reflected wave from the observation target by a plurality of receiving antennas, generating a receiving unit output signal for each receiving antenna, and obtaining a phase plane of the reflected wave with respect to the antenna plane from a phase difference between the receiving unit output signals. Processing to identify an arrival direction and signal intensity of the reflected wave, calculate a phase variation of the reflected wave from the specific direction, and generate an observation signal representing vibration of the observation target or the specific part Let it run.
  • the computer may further execute a process of generating an image from the observation signal and superimposing an image representing a vibration distribution in the observation target on the entire image of the observation target.
  • a computer-readable recording medium recording a vibration observation program for causing a computer to observe vibration or displacement of an observation target. Transmitting a transmission signal to the observation target by the transmission antenna, receiving reflected waves from the observation target by a plurality of reception antennas, generating a reception unit output signal for each reception antenna, and between the reception unit output signals Obtaining the phase plane of the reflected wave with respect to the antenna plane from the phase difference, identifying the arrival direction and signal intensity of the reflected wave, calculating the phase fluctuation of the reflected wave from the specific direction, and the observation target or specific part thereof
  • a vibration observation program for causing the computer to execute a process for generating an observation signal representing the vibration of the image is recorded.
  • the vibration observation program for causing the computer to execute processing for generating an image from the observation signal and superimposing an image representing a vibration distribution in the observation target on the entire image of the observation target in the recording medium. It may be recorded.
  • a step of transmitting a transmission signal from a transmission antenna toward an observation target, and a plurality of reception antennas receive reflected waves from the observation target.
  • the vibration observation method may further include a step of generating an image from the observation signal and superimposing an image representing a vibration distribution in the observation target on the entire image of the observation target.
  • a radiation beam such as a transmission wave from a transmission antenna is irradiated to the entire observation object without scanning, and the reflected wave from the observation object or specific part is received by multiple reception antennas, and the reception obtained for each reception antenna Since the part output signal is subjected to digital beam forming, an image representing an observation target can be realized with high resolution, and vibration measurement can be imaged at regular intervals. Thereby, vibration observation and displacement observation can be performed with high accuracy.
  • the vibration characteristics of one or more observation points to be observed can be obtained by collecting the reflected waves from each identified observation position in a time sequence, converting the frequency, and analyzing it. Can be increased.
  • Example 4 of an interference type vibration observation apparatus It is a figure which shows Example 5 of an interference type vibration observation apparatus.
  • FIG. 1 shows an interference type vibration observation apparatus (hereinafter simply referred to as “observation apparatus”) according to the first embodiment.
  • observation apparatus an interference type vibration observation apparatus (hereinafter simply referred to as “observation apparatus”) according to the first embodiment.
  • the configuration illustrated in FIG. 1 is an example, and the present invention is not limited to such a configuration.
  • This observation device 2 is used for observing vibrations generated in an observation object 4 such as a bridge or a specific observation part (target) thereof.
  • This vibration observation includes observation of continuous vibration, irregular vibration, vibration such as intermittent displacement, or displacement generated in the observation object 4 or its target.
  • the observation device 2 includes a transmission unit 6, a reception unit group 8, and a signal processing unit 10.
  • the transmission unit 6 includes, for example, a single transmission antenna 12 and outputs a transmission signal f T to the transmission antenna 12.
  • a transmission wave Tw is transmitted from the transmission antenna 12 toward the observation target 4.
  • This transmission wave Tw is, for example, a microwave.
  • the receiving unit group 8 includes two or more receiving units 8-1, 8-2,. .., 8-n individually include receiving antennas 14-1, 14-2,..., 14-n, and the reflected wave Rw from the observation target 4 is transmitted to each receiving antenna 14. ⁇ 1, 14-2... 14-n, and the reception signal f R is obtained as the reception unit output signal for each of the reception antennas 14-1, 14-2. Provided.
  • the signal processing unit 10 uses the reception unit output signals obtained by the reception units 8-1, 8-2,..., 8-n for the reception antennas 14-1, 14-2,. Then, the phase plane of the reflected wave with respect to the antenna surface is obtained from the phase difference between the output signals of the receiving unit, the arrival direction and the signal intensity of the reflected wave are identified, the phase fluctuation of the reflected wave from the specific direction is calculated, and the observation target 4 Alternatively, an observation signal representing the displacement or vibration of the specific part is generated.
  • the observation target 4 may be the entire observation target 4, but may be a specific observation part in the observation target 4, that is, a vibration displacement of the target.
  • FIG. 2 shows an example of the processing procedure of the interference type vibration observation of the observation target 4.
  • This processing procedure is an example of the vibration observation program or the vibration observation method of the present invention, and is an example of information processing executed by a computer mounted on the signal processing unit 10 or the observation device 2.
  • This vibration observation program is stored in, for example, a computer-readable recording medium.
  • the transmission unit 6 transmits the transmission signal f T from the transmission antenna 12 toward the observation target 4 (S11). .., 14-n receive the reflected wave Rw and receive signals f R obtained from the receiving units 8-1, 8-2.
  • the receiver output signal Y (t) described above is generated in synchronization with the transmission timing of T (S12).
  • Each receiving unit output signal Y (t) is provided to each signal processing unit 10 from each receiving unit 8-1, 8-2,..., 8-n, and the signal processing unit 10 performs signal processing for generating an observation signal. Execute (S13).
  • phase plane of the reflected wave with respect to the antenna plane is obtained from the phase difference between the output signals of the receiving units, and the arrival direction and signal intensity of the reflected wave are identified.
  • the transmission signal f T from the transmission antenna 12 is irradiated to the entire observation target 4 without spatial scanning, and each of the reception antennas 14-1, 14-2,.
  • the image representing the observation target 4 can be realized with high resolution, and vibration measurement can be imaged at regular intervals. Thereby, vibration observation and displacement observation can be performed with high accuracy.
  • FMCW the frequency is scanned.
  • the vibration characteristics of one or more targets of the observation target 4 are obtained by collecting the received signal f R by the reflected wave Rw from each identified observation position in a time sequence, frequency-converting it, and analyzing it. Can improve the observation accuracy.
  • the observation target 4 can be a large building such as a bridge, a high-rise building, and a highway in addition to the terrain, and its external shape, vibration or displacement can be observed remotely.
  • the transmission signal f T For example, CW (Continuous Wave) signal, a pulse signal, FMCW: may be any of such (Frequency Modulated Continuous Wave Frequency modulated continuous wave) signal.
  • a plurality of receiving antennas 14-1, 14-2,..., 14-n may be arranged in the receiving antenna array 14, for example, as a one-dimensional array or a two-dimensional array. Through the signal analysis, a two-dimensional image or a three-dimensional image of the observation object 4 and its specific part can be obtained.
  • FIG. 3 shows an observation apparatus 2 according to the second embodiment.
  • the same parts as those in FIG. 3 are identical parts as those in FIG. 3
  • an image display unit 16 is provided on the output side of the signal processing unit 10 of the observation device 2 shown in FIG. 1, and the image display unit 16 uses the observation signal obtained from the signal processing unit 10. Display the observation image.
  • the image display unit 16 may be installed inside the observation apparatus 2, or an image display function may be realized using an external device such as a personal computer.
  • FIG. 4 shows an example of the receiving antenna array 14 used in this embodiment.
  • the receiving antenna array 14 may be used as a one-dimensional array receiving antenna 14a as shown in FIG. 4A or may be used as a two-dimensional array receiving antenna 14b as shown in FIG. 4B.
  • a plurality of receiving antennas 14-11, 14-12,... 14-1n arranged in the horizontal direction and a plurality of receiving antennas 14-21 arranged in the vertical direction are arranged.
  • 14-22,... 14-2n For example, these antenna arrays may be arranged orthogonally.
  • the transmission signal system can be selected from three systems: a CW signal system, a pulse signal system, and an FMCW signal system.
  • a CW signal system a pulse signal system
  • an FMCW signal system a pulse signal system
  • vibration measurement shown in Table 1 can be performed.
  • the observation target 4 can be identified and classified by the direction and the distance to the observation target 4, and a plurality of observation targets 4 in the same direction can be simultaneously measured.
  • the image display unit 16 is installed on the output side of the signal processing unit 10.
  • the image display unit 16 is provided with an observation signal output from the signal processing unit 10, and displays an image representing the vibration of the specific part together with the observation target 4.
  • an image display function or display of a personal computer may be used for the image display unit 16.
  • the signal processing unit 10 is configured by a computer, for example, as shown in FIG.
  • a processor 18 a memory unit 20, a reference signal generation unit 22, an interface unit 24, and an output unit 26 are provided.
  • the processor 18 includes an OS (Operating System) stored in the memory unit 20 and information processing for executing a vibration observation program, and executes signal processing necessary for vibration observation, control of various functional units, and the like.
  • OS Operating System
  • the memory unit 20 is an example of a computer-readable recording medium, and may include, for example, a RAM (Random Access Memory) or a ROM (Read Only Memory).
  • the RAM constitutes a work area for executing various programs.
  • the ROM is an example of a means for recording a program.
  • the ROM stores the above-described OS and vibration observation program, and stores various data necessary for vibration observation.
  • the ROM may be, for example, a semiconductor memory such as an EEPROM (Electrically-Erasable-and Programmable-Read-Only-Memory) that can be electrically rewritten, or a flash memory.
  • EEPROM Electrically-Erasable-and Programmable-Read-Only-Memory
  • the memory unit 20 is not limited to the RAM and the ROM, and may be a computer-readable recording medium such as a magnetic disk, a flexible disk, a hard disk, an optical disk, a magneto-optical disk, and an SSD (solid state drive).
  • a computer-readable recording medium such as a magnetic disk, a flexible disk, a hard disk, an optical disk, a magneto-optical disk, and an SSD (solid state drive).
  • the reference signal generator 22 is controlled by the processor 18 and generates a reference signal that becomes a synchronization signal. This reference signal is provided to the transmitter 6 and the receivers 8-1, 8-2,.
  • the interface unit 24 receives the receiver output signals output from the receivers 8-1, 8-2,..., 8-n.
  • the output unit 26 outputs an observation signal obtained by executing the vibration observation program.
  • FIG. 6A shows a processing procedure of vibration observation processing by the observation device 2.
  • a transmission signal is transmitted from the transmission antenna 12 toward the observation target 4 from the transmission unit 6 (S21).
  • a reflected wave is obtained from the observation object 4, and this reflected wave is received by each receiving antenna 14-1, 14-2,... 14-n, and each receiving unit 8-1, 8-2,.
  • Generate a receiver output signal at 8-n (S22).
  • the receiving unit output signals obtained by the receiving units 8-1, 8-2,..., 8-n are digitized in the receiving unit and provided to the signal processing unit 10.
  • a two-dimensional process is performed (S23).
  • the two-dimensional process (S23) may be omitted.
  • the distance between the receiving antennas 14-1, 14-2,... 14-n of the observation apparatus 2 and the observation target 4 is short distance or long distance (S24). If it is a short distance, a reference function multiplication process is performed (S25), and if it is a long distance, a 2D FFT (2-Dimensional Fast Fourier Transform) process is performed (S26). Following S25 or S26, it is determined whether the observation time for vibration analysis is over (S27). Before the end of the observation time (NO in S27), the process returns to S21 and the processes from S21 to S27 are continued. During this observation time, an image corresponding to a period of one cycle or more of the lowest frequency to be analyzed is accumulated.
  • FIG. 6B shows the polarimetric function provided in the transmitting antenna 12 and the receiving antennas 14-1, 14-2... 14-n.
  • the transmission antenna 12 can switch between horizontal (H) polarization and vertical (V) polarization for transmission, and the reception antennas 14-1, 14-2,. Enables simultaneous reception of vertically polarized waves. That is, at the transmission / reception timing, each polarization is alternately transmitted at each repetition period, and both polarizations are received simultaneously.
  • FIG. 7 shows a CW signal type observation device 2-1. 7, the same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
  • the reference signal generation unit 22 in the signal processing unit 10 generates a reference signal with high frequency stability and supplies it to the transmission unit 6, the reception units 8-1, 8-2,.
  • the CW signal generation unit 28 of the transmission unit 6 generates a CW signal having a transmission frequency using the reference signal received from the reference signal generation unit 22.
  • the CW signal is amplified to a predetermined level by the power amplifier 30 and then supplied to the transmission antenna 12 through the directional coupler 32. This CW signal is emitted toward the observation object 4 as a transmission signal.
  • a part of the transmission signal is branched by the directional coupler 32 and distributed from the distribution circuit 34 to the receiving units 8-1, 8-2,.
  • This transmission signal is used as a local signal of each of the receiving units 8-1, 8-2,.
  • the reception signals obtained by the receiving antennas 14-1, 14-2,... 14-n are amplified by an LNA (Low Noise Amplifier) 36, and then a frequency mixer (MIXER) 38-1. , 38-2.
  • the MIXER 38-1 mixes the received signal with the transmission signal whose phase is shifted by ⁇ / 2 by the phase shifter 40.
  • the reception signal and the transmission signal are mixed.
  • frequency conversion is performed on the intermediate signal using the complex signal (I, Q) local signal, and an intermediate frequency signal is obtained.
  • a / D Analog to digital converters
  • the preprocessing unit 48 integrates the digital signal for one observation period to reduce noise. As a result, the output signals of the preprocessing units 48 of the receiving units 8-1, 8-2 to 8 -n are output to the signal processing unit 10.
  • FIG. 8 shows the relationship between the reflector 4-1 in the observation object 4 and any of the transmission antenna 12 and the reception antennas 14-1, 14-2,... 14-n.
  • the distance between the transmitting antenna 12 and the receiving antennas 14-1, 14-2,... 14-n and the reflector 4-1 is set such that the transmitting antenna 12 and the receiving antennas 14-1, 14-2,. It is assumed that it is sufficiently larger than the distance between 14-n.
  • the distance from the transmitting antenna 12 to the position A of the reflector 4-1 is R T , and similarly, the position A of the reflector 4-1 from the receiving antennas 14-1, 14-2,.
  • R R be the distance to the point.
  • the reflector 4-1 vibrates with an amplitude ⁇ L and a vibration period ⁇ 0 .
  • the vibration period ⁇ 0 is a frequency of about 1 [kHz] or less.
  • the reception signals obtained by the receiving antennas 14-1, 14-2,... 14-n are affected by the vibration of the reflector 4-1, and It becomes like this.
  • the intermediate frequency signal f if has a signal format in which the transmission frequency ⁇ c is phase-modulated with the amplitude of the vibration period ⁇ 0 .
  • the intermediate frequency signal is amplified by intermediate frequency amplifiers 44-1 and 44-2, and converted to a digital signal by A / Ds 46-1 and 46-2.
  • the vibration period ⁇ 0 is 1 [kHz] or less
  • the vibration of the observation target 4 can be observed if the A / D conversion frequency is 2 [kHz].
  • the data may be integrated by the preprocessing unit 48 and reduced to 2 [kHz]. Thereby, S / N (Signal to Noise Ratio) can be improved.
  • FIG. 9 shows a pulse signal type observation device 2-2. 9, the same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
  • the reference signal generation unit 22 in the signal processing unit 10 generates a reference signal with high frequency stability, and supplies the reference signal to the transmission unit 6 and each of the reception units 8-1, 8-2,.
  • the chirp signal generation unit 50 generates a linear chirp signal based on the reference signal provided from the reference signal generation unit 22, and the carrier signal generation unit 52 generates a carrier signal having a transmission frequency. Generate.
  • a linear chirp signal is applied to each MIXER 54-1, 54-2.
  • the MIXER 54-1 the linear chirp signal and the carrier signal are mixed.
  • the MIXER 54-2 mixes the linear chirp signal with the carrier signal whose phase is shifted by ⁇ / 2 by the phase shifter 56.
  • the chirp pulse signal which is a transmission signal is converted into a transmission frequency by a carrier signal, and a transmission signal is obtained.
  • the transmission signal is amplified to a predetermined level by the power amplification unit 58, supplied to the transmission antenna 12, and irradiated toward the observation target 4.
  • the carrier signal generated by the carrier signal generation unit 52 is distributed by the distribution circuit 34 to the receiving units 8-1, 8-2,.
  • Each receiving unit 8-1, 8-2,..., 8-n uses this carrier signal as a local signal.
  • the reflected waves from the observation object 4 are received by the receiving antennas 14-1, 14-2,... 14-n, and the received signals are obtained from the receiving antennas 14-1, 14-2,. It is done.
  • the received signal is frequency-converted with the local signal, and an intermediate frequency signal is obtained.
  • the intermediate frequency signal is amplified to a predetermined level and then converted into a digital signal by A / D converters 46-1 and 46-2.
  • the receiving units 8-1, 8-2,..., 8-n are the same as the CW signal system observation apparatus 2-1 described above, and are therefore denoted by the same reference numerals. Omit.
  • Such a pulse signal type observation device 2-2 can use a pulse compression technique in the same way as a general radar, and the range resolution can be improved by using this pulse compression technique.
  • FIG. 10 shows a state of the transmission signal of the pulse signal system.
  • 10A shows a change in frequency of the transmission signal
  • FIG. 10B shows a change in amplitude of the transmission signal.
  • the distance from the transmitting antenna 12 to the point A of the reflector 4-1 is R T , and similarly from the receiving antennas 14-1, 14-2,... 14-n to the point A of the reflector 4-1.
  • R R be the distance.
  • the reflector 4-1 is assumed to vibrate with an amplitude ⁇ L and a vibration period ⁇ 0 .
  • the vibration period ⁇ 0 is a frequency of about 1 [kHz] or less.
  • the received signal f R is expressed as follows.
  • This received signal is amplified by the LNA 36, the carrier signal is separated, the frequency is converted by the complex local signal, and then the low frequency components are extracted by the LPFs 42-1 and 42-2, whereby an intermediate frequency signal f if is obtained. .
  • the intermediate frequency signal f if is amplified by the intermediate frequency amplifiers 44-1 and 44-2, converted into a digital signal by the A / Ds 46-1 and 46-2, and the pre-processing unit 48 performs pulse compression of the chirp signal. After that, the signal is output to the signal processing unit 10.
  • FIG. 11 shows the pulse compression processing of the preprocessing unit 48.
  • A shows the output obtained by the pulse compression process
  • B shows the output obtained by the pulse compression process.
  • This pulse compression process is performed by the correlation between the chirp signal f (t) and the reference function g ( ⁇ ).
  • the reference function g ( ⁇ ) is a conjugate function of the transmission chirp function in the chirp signal f (t) and is expressed by the following equation.
  • the processing for each range of the received signal at each of the receiving antennas 14-1, 14-2,... 14-n is the same as the processing of the CW signal system. However, the azimuth detection processing of the reflector 4-1 is performed for each distance between the observation target 4 and the receiving antennas 14-1, 14-2,... 14-n. This may be a reflection point.
  • FIG. 12 shows an FMCW signal type observation device 2-3.
  • FIG. 12 the same parts as those in FIG. 3 or FIG.
  • the transmission signal frequency can be scanned over a wide band as a linear FM signal to improve the range resolution.
  • the reference signal generation unit 22 in the signal processing unit 10 generates a reference signal with high frequency stability and supplies it to the transmission unit 6, the reception units 8-1, 8-2,.
  • the FMCW signal generation unit 60 of the transmission unit 6 generates an FMCW signal that has been subjected to frequency scanning with a linear transmission bandwidth based on the reference signal provided from the reference signal generation unit 22.
  • the FMCW signal is amplified to a predetermined level by the power amplifying unit 30 and then supplied to the transmission antenna 12 through the directional coupler 32 and is irradiated toward the observation target 4 by the transmission antenna 12.
  • a part of the transmission signal is added to the distribution circuit 34, and is distributed to each of the receiving units 8-1, 8-2,.
  • This transmission signal is used as a local signal in each of the receiving units 8-1, 8-2,.
  • a continuous wave is used as a transmission signal, and transmission of the transmission signal and reception of the reception signal are performed simultaneously. Since transmission and reception are performed simultaneously, it is necessary to take measures to prevent the transmission signal of the transmission antenna 12 from entering the reception antennas 14-1, 14-2,. For example, a distance may be set between the transmitting antenna 12 and each of the receiving antennas 14-1, 14-2,. That is, the transmission antenna 12 and the receiving antennas 14-1, 14-2,...
  • the transmission signal irradiated to the observation target 4 by the transmission antenna 12 is reflected by the observation target 4, and the reflected waves are received by the reception antennas 14-1, 14-2,... 14-n, and the reception antenna 14-1, 14-2,..., 14-n, a received signal is obtained.
  • Each received signal is amplified by the LNA 36, mixed with a local signal (a signal obtained by branching and distributing the transmission signal) by the MIXER 38, frequency-converted, and converted to an intermediate frequency signal.
  • a low frequency component is extracted from the intermediate frequency signal by the LPF 42, the low frequency component signal is amplified to a predetermined level by the intermediate frequency amplifier 44, and then converted into a digital signal by the A / D converter 46.
  • the signal is provided to the preprocessing unit 48.
  • the provided digital signal is converted into a digital signal having a frequency domain corresponding to the range space by FFT processing.
  • This digital signal is provided to the signal processing unit 10 as a reception unit output signal.
  • FIG. 13 shows the state of transmission / reception signals.
  • A indicates the frequency change of the transmission / reception signal
  • B indicates the frequency of the mixer output signal in the receiving unit. That is, since the reception signal is delayed by the round-trip distance from the transmission / reception antenna to the observation point, this reception signal delay causes a frequency difference between the transmission signal and the reception signal. This frequency difference becomes the frequency of the mixer output signal.
  • the transmission signal f T (t) of the FMCW signal system is expressed by the following equation when the chirp rate is k.
  • the received wave from the reflecting body 4-1 of the observation object 4 that is vibrating is obtained.
  • the distance from the transmitting antenna 12 to the point A of the reflector 4-1 is R T , and similarly from the receiving antennas 14-1, 14-2,... 14-n to the point A of the reflector 4-1. Let R R be the distance.
  • the reflector 4-1 is assumed to vibrate with an amplitude ⁇ L and a vibration period ⁇ 0 .
  • the vibration period ⁇ 0 is a frequency of about 1 [kHz] or less. If the transmission frequency is F c and the chirp rate is k, the received signal f R is expressed as follows.
  • the transmission signal is subjected to frequency conversion using the branched local signal, and the low-frequency portion is extracted by the LPF 42, the following intermediate frequency signal f if is obtained.
  • the intermediate frequency signal f if is amplified by the intermediate frequency amplification unit 44, converted into a digital signal by the A / D 46, and the preprocessing unit 48 converts the frequency of the FMCW signal by FFT (Fast Fourier Transform). , Signal components for each distance are extracted.
  • FFT Fast Fourier Transform
  • each range of the received signal obtained by each receiving antenna 14-1, 14-2,... 14-n is the same as the processing in the CW signal system described above. However, in this FMCW signal system, the direction detection processing of the reflector 4-1 is performed for each distance. In this azimuth detection processing, azimuth synthesis is performed from the reception signals of the reception antennas 14-1, 14-2,.
  • FIG. 14 for this orientation composition.
  • an observation apparatus 2 using a single transmission unit 6 and six reception units 8-1, 8-2,... 8-6 is assumed.
  • a transmission signal is irradiated to the observation object 4 separated from the transmission antenna 12 by a distance RT .
  • Reflected waves obtained from the observation object 4 are received by the receiving antennas 14-1, 14-2,... 14-6.
  • the output signals of the receiving units 8-1, 8-2 In any of the above-described CW signal system, pulse signal system, and FMCW signal system, the output signals of the receiving units 8-1, 8-2,.
  • n is an antenna number assigned to the receiving antennas 14-1, 14-2,... 14-6, and is 1 to 6.
  • the vibration frequency is low and the value can be regarded as a constant value within the repetition period PRT shown in FIG.
  • the output signals of the receiving units 8-1, 8-2,... 8-6 are correlated with the reference function by the signal processing unit 10. Thereby, the signal processing unit 10 extracts a signal component corresponding to the azimuth resolution.
  • the azimuth resolution ⁇ RES that can be expected is assumed that the wavelength of the transmission signal is ⁇ .
  • ⁇ RES ⁇ / D (17) It becomes.
  • the CW signal method cannot separate and identify distances, it can be used when there is only a single reflection point in one direction.
  • This reference function g (n, ⁇ ) is
  • Rx (R, n, ⁇ ) is the total distance from the transmitting antenna 12 to the distance R, the reflection point in the azimuth ⁇ , and the n-th receiving antenna 14-n.
  • the reference function process can be replaced with a simpler FFT. In general, this distance is a region called the far field. If the total aperture length of the deployed antenna is D and the wavelength is ⁇ ,
  • the phase difference between the antennas is determined by the angle of the receiving antennas 14-1, 14-2,. Is done. If the intermediate frequency signal f if (n) is subjected to FFT processing, the frequency component h (f) is converted into a signal in the azimuth direction. If the frequency of the FFT output is f, the direction ⁇ is
  • the vibration period and vibration amplitude can be obtained as the vibration characteristics of the observation target 4.
  • FIG. 16 shows a case where targets A and B exist as two reflection points on a gentle slope, and exist in an azimuth A and an azimuth B, respectively.
  • FIG. 17 shows an example in which the CW signal type observation device 2-1 is used and the signal processing unit 10 processes the reception system output that does not include distance information.
  • the signal components of the azimuth A and the azimuth B change on the time axis due to the vibrations of the targets A and B.
  • FIG. 18 shows an example in which the target shown in FIG. 16 is observed by the one-dimensional array receiving antenna 14a in the pulse signal system or FMCW signal system receivers 8-1, 8-2,.
  • the targets A and B are mapped on the two-dimensional space of azimuth and distance for each observation and the repetition frequency of transmission and reception is twice or more the vibration frequency of the targets A and B, the targets A and B By analyzing the phase data including vibration information, the vibration characteristics of the observation object 4 can be observed.
  • FIG. 19 shows an example of the observation apparatus 2 using the one-dimensional array receiving antenna 14a.
  • the observation apparatus 2 may be any of the CW signal system, the pulse signal system, or the FMCW signal system described above. 19, the same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
  • a personal computer 62 is used for the image display unit 16 on the output side of the signal processing unit 10. An image generated by the observation signal is displayed on the display 64 of the personal computer 62.
  • the control signal output from the image display unit 16 is added to the reference signal generation unit 22 of the signal processing unit 10 and used to generate the reference signal.
  • the observation may be performed using the two-dimensional array receiving antenna 14b.
  • the positions of the individual structures in the observation target 4 are identified by the azimuth (hereinafter referred to as “AZ”) angle of the receiving antennas 14-1, 14-2,. EL ”).
  • FIG. 20 shows an example of the observation apparatus 2 using the two-dimensional array receiving antenna 14b, and this observation apparatus 2 may be any of the CW signal system, the pulse signal system, or the FMCW signal system described above. 20, the same parts as those in FIG. 19 are denoted by the same reference numerals.
  • each receiving unit output signal is received from the receiving units 8-1, 8-2,.
  • Setting is made depending on whether 4 is a short distance or a long distance (S211).
  • a reference function multiplication process is performed at a short distance (S212), and an FFT process is performed at a long distance (S213).
  • Vibration processing is performed on these processing results (S214), and imaging processing is executed (S215). Thereby, the vibration image of the observation object 4 and its specific position is obtained.
  • the direction of the reflected wave from the observation target 4 can be specified for the received signal by the reference function multiplication process (S212) or the FFT process (S213).
  • the transmission unit 6 generates a transmission signal for the observation target 4, and at the same time, local signals for controlling reception timing synchronized with the transmission signal are distributed to the reception units 8-1, 8-2,. Therefore, the reference signal generation unit 22 provides a synchronization signal to each of the transmission unit 6, the reception units 8-1, 8-2,... 8-n and the signal processing unit 10.
  • Each unit of the signal processing unit 10 receives the timing signal from the reference signal generation unit 22 and performs reference function multiplication in the case of short-distance observation to identify each direction of the reflected wave Rw. In the case of long-distance observation, the receiving unit output signal is frequency-converted by FFT processing, and each direction of the reflected wave Rw is identified. Thereafter, the vibration characteristics of each point of the observation object 4 are calculated by vibration processing.
  • the receiving unit output signals and the receiving signals output from the receiving units 8-11, 8-12,.
  • a two-dimensionalization process (S221) is performed using each reception unit output signal output from the units 8-21, 8-22,... 8-2n. That is, when the two-dimensional array receiving antenna 14b is used, the output signals of the receiving antennas 14-21, 14-22, ... 14-2n placed in the vertical axis direction and the reception signals placed in the horizontal axis direction are received.
  • the output signals of the antennas 14-11, 14-12,..., 14-1n are subjected to complex multiplication for each distance to generate a two-dimensional array of output signals.
  • the setting is made according to whether the observation object 4 is a short distance or a long distance (S222).
  • a reference function multiplication process is performed at a short distance (S223), and a 2DFFT process is performed at a long distance (S224). Vibration processing is performed on these processing results (S225), and imaging processing is executed (S226). Thereby, the vibration image of the observation object 4 and its specific position is obtained.
  • the antenna and the receiving system are arranged in an L shape as shown in FIG.
  • the antenna and the receiving system may be arranged in a T shape. In either case, three-dimensional imaging of the observation target 4 is possible.
  • the transmission antenna 12 and the reception antenna 14 are performed at the same time, the transmission antenna 12 and the reception antenna 14 are separated so as not to interfere with each other so that the transmission signal does not enter the reception side. Is done. Further, the azimuth resolution in the observed image is determined by the distance between the antennas on the side of the receiving antenna array 14 that is installed farthest away. The observable viewing angle is determined by each antenna beam width of each receiving antenna array 14.
  • the AZ angle and the EL angle determined by the reference function process or the two-dimensional FFT process and the receiving units 8-11, 8-12,. 16, 8-21, 8-22,..., 8-26, and the phase history of the reflected wave from the identified position is analyzed by frequency analysis using FFT processing.
  • the vibration characteristic at is obtained.
  • the two-dimensional array receiving antenna 14b has six receiving antennas 14-11, 14-12,..., 14-16 in the horizontal axis direction, six receiving antennas 14-21, 14-22 in the vertical axis direction,. ⁇ Assume that 14-26 is installed.
  • FIG. 22 shows a case where the output signals of the receiving units 8-11, 8-12,..., 8-16, 8-21, 8-22,.
  • the output signal at the lattice point (n, m) is generated.
  • the output signal in this case represents the signal intensity and phase at the lattice point, represents the phase plane of the reflected wave, and is a kind of hologram.
  • the number of grid points represents the number of grid points determined by the number of reception antennas 14-11, 14-12,... 14-16, 14-21, 14-22,.
  • the outputs of the receiving units 8-11, 8-12,..., 8-16 of the receiving antenna array in the horizontal axis direction are received as h AZ (R, n, t) and the vertical axis direction is received.
  • the outputs of the antenna array receiving units 8-21, 8-22,..., 8-26 are h EL (R, m, t).
  • n and m are the antenna numbers in the horizontal and vertical axes, respectively
  • R is the distance between the observation target 4 and the antenna.
  • a reference function for processing two-dimensional data is a product of a vertical reference function and a horizontal reference function.
  • the situation of the target at a specific distance in a specific direction can be analyzed.
  • the direction of the target can be identified by performing the two-dimensional FFT processing (2DFFT).
  • FIG. 23 shows an example of vibration analysis when the two-dimensional array receiving antenna 14b is used in the observation apparatus 2 of the pulse system or FMCW signal system.
  • a target signal represented by the amplitude and phase of the reflected signal is recorded together with the three-dimensional position information of the azimuth, EL, and distance.
  • the two-dimensional array receiving antenna 14b described above is used, and the reflected waves of all points of the individual structures in the observation target 4 are used. If the phase history is subjected to FFT processing and frequency analysis, the vibration characteristics of the entire observation object 4 are obtained.
  • FIG. 24 shows an example of the observation image display.
  • an image 66 of a large bridge reproduced by the signal processing unit 10 is displayed.
  • a gray scale 68 is superimposed on the image 66, and the gray scale 68 represents the vibration intensity distribution of each part of the bridge.
  • the dark portion shows that the vibration is weak and the light portion shows that the vibration is strong.
  • the shape of the observation target 4 and the gray scale display of the observation target 4 visualize the vibration mode and displacement in the observation target 4 and its specific part.
  • the vibration mode can be visually recognized from the light and dark state.
  • FIG. 25 shows an example of a processing procedure including the above-described range compression processing.
  • AD conversion processing is performed on each received signal (S33).
  • range compression processing is executed (S34).
  • two-dimensionalization processing S35
  • short distance / far distance determination S36
  • reference function multiplication processing S37
  • 2DFFT processing S38 in the case of long distance
  • Observation time determination S39
  • vibration processing S40
  • imaging processing S41
  • the position of the output signal from the observation target 4 is identified by multiplying the generated reference function 3,240 [point] by one of the output signals from the two-dimensional process.
  • the position of the output signal from the observation target 4 is identified by performing two-dimensional FFT on the output signal from the two-dimensionalization processing by two-dimensional FFT processing (2DFFT).
  • the minute vibration of the entire object and the period of its amplitude can be measured remotely and in a non-contact manner using radar technology.
  • One transmission unit 6 that transmits a signal toward the observation target, and a plurality of reception units 8-1, 8-2,..., 8-n that receive the reflected wave Rw reflected by the observation target 4.
  • the received signal is imaged, and further includes a signal processing unit 10 that calculates the planar vibration characteristics of the observation target 4 and an image display unit 16 that displays the measurement result.
  • the target point can be identified by azimuth and elevation, or azimuth and elevation, and distance.
  • vibrations and displacements of the observation target 4 such as buildings that extend in the height direction such as bridges and elevated roads can be measured, and the measurement results can be visualized.
  • the transmission signal is a pulse wave or FMCW signal wave
  • it can be classified into the distance of the reflection point by range compression processing. Classification according to the direction of the target point from the phase between each receiving antenna, imaging the reflection intensity of the target point in each direction and distance, and detecting and imaging minute fluctuations and vibrations from the phase change of the signal from that target point can do.
  • each reception unit can obtain an output signal (IQ) using a signal having the same phase as the transmission wave as a local signal.
  • the transmission signal is a pulse wave
  • the output of the reception unit is shifted by the propagation delay time to the target point, and an output signal (IQ) corresponding to the phase difference of the transmission wave is obtained.
  • the transmission signal is a linear FM (Frequency Modulation) chirp pulse
  • the received signal is subjected to pulse compression processing at the receiver and shifted by the propagation delay time to the measurement point of the observation target 4 as in the pulse method.
  • an output signal (IQ) corresponding to the phase difference of the transmission wave can be obtained.
  • the transmission signal is an FMCW signal
  • the received signal is frequency-converted with the transmission signal as a local signal and becomes a frequency component corresponding to a propagation delay.
  • This component signal is converted into the frequency domain by the FFT processing of the signal processing unit 10, and an output signal (IQ) corresponding to the phase difference between the reflection intensity of the target point at each distance and the transmission wave is obtained.
  • a reference function is generated and a multiplication process with the received signal is performed.
  • This reference function is generated by estimating the phase displacement corresponding to the distance of the observation object 4 and the AZ angle.
  • the position of the observation object 4 is specified by the correlation calculation of the reference function and the output signal of the reception unit, and the received signal from each identified observation point is collected as a time sequence as the vibration characteristic of the point, and the frequency characteristic is obtained by FFT processing. Desired.
  • the signal processing unit 10 When the observation target 4 is at a long distance, the signal processing unit 10 first performs two-dimensional processing on the output signal of the reception unit, and then performs an FFT operation on the time-sequence reception signal reflected from each point of the observation target Thus, the vibration characteristics at that point can be calculated.
  • the distance information is obtained by multiplying with a reference function in the case of a short distance, and is obtained by converting the received signal into the frequency domain by FFT in the case of a long distance.
  • the vibration characteristics of each point of the observation target 4 can be easily obtained by collecting the reflected waves from each identified observation position in a time sequence, converting the frequency, and analyzing it.
  • the signal processing unit 10 As shown in FIG. 5, information processing by a computer is used for vibration observation by including a processor 18 and the like.
  • the signal processing unit 10 may realize the above-described functions for realizing vibration observation with hardware.
  • FIG. 26 illustrates an example of hardware of the signal processing unit 10 according to the third embodiment.
  • the signal processing unit 10 shown in FIG. 26 includes a hardware two-dimensionalization unit 70, a short distance / long distance switching unit 72, a reference function multiplication unit 74, a 2D FFT unit 76, and a vibration processing unit 78.
  • Each function of the two-dimensionalization unit 70, the short-distance / long-distance switching unit 72, the reference function multiplication unit 74, the 2D FFT unit 76, and the vibration processing unit 78 implements the processing described above in hardware, Since there is no change, the explanation is omitted.
  • This example corresponds to the above-described two-dimensional array antenna 14b, and when the above-described one-dimensional array antenna 14a is used, the two-dimensionalization unit 70 may be omitted.
  • the observation image and the vibration image of the observation target 4 can be realized by direct processing by hardware, not by information processing by computer processing.
  • the CW signal system, pulse signal system, or FMCW signal system observation apparatus 2 is described in detail.
  • the observation device 2 may be configured by any of the CW signal method, the pulse signal method, and the FMCW signal method, vibration observation by all these methods may be possible.
  • FIG. 27 shows an observation apparatus 2-4 that enables vibration observation by the CW signal system, the pulse signal system, or the FMCW signal system.
  • the same parts as those in the above embodiment are given the same reference numerals.
  • the observation apparatus 2-4 includes a CW signal transmission / reception unit 80-1, a pulse signal transmission / reception unit 80-2, an FMCW signal transmission / reception unit 80-3, a signal system switching unit 82, and a control unit 84.
  • the CW signal transmission / reception unit 80-1 performs transmission / reception by the CW signal system as illustrated in FIG.
  • the pulse signal transmission / reception unit 80-2 performs transmission / reception by a pulse signal method.
  • the FMCW signal transmission / reception unit 80-3 performs transmission / reception by the FMCW signal system as illustrated in FIG.
  • the signal system switching unit 82 receives the reception signal from the CW signal transmission / reception unit 80-1 in the case of the CW signal system, and receives the reception signal from the pulse signal transmission / reception unit 80-2 in the case of the pulse signal system, and receives the FMCW signal system At this time, the reception signal from the FMCW signal transmission / reception unit 80-3 is received. The signal system switching unit 82 selects these received signals and provides them to the signal processing unit 10.
  • the signal processing unit 10 performs signal processing for vibration observation by the CW signal method, the pulse signal method, or the FMCW signal method.
  • the image display unit 16 receives an observation signal that is a processing result of the signal processing unit 10 together with a display representing the CW signal method, the pulse signal method, or the FMCW signal method, and displays an image of the CW signal method, the pulse signal method, or the FMCW signal method. indicate.
  • the control unit 84 corresponds to each mode of the CW signal system, the pulse signal system, or the FMCW signal system, and according to the selected mode, the CW signal transmission / reception unit 80-1, the pulse signal transmission / reception unit 80-2, and the FMCW signal transmission / reception unit 80-3 is operated to select signal switching of the signal system switching unit 82 and processing of the signal processing unit 10.
  • the control unit 84 may be configured by a computer.
  • a desired observation image can be generated by selectively using each mode of the CW signal system, the pulse signal system, or the FMCW signal system.
  • Each mode of CW signal system, pulse signal system or FMCW signal system can be selected according to the observation conditions such as the observation target 4 and the observation accuracy is selected by selecting the most suitable signal system without being affected by the observation conditions. Is increased.
  • the CW signal system, the pulse signal system, or the FMCW signal system is exemplified, but other signals may be used.
  • the reference signal generation unit 22 is provided in the signal processing unit 10, but the present invention is not limited to this.
  • a reference signal generation unit 22 is provided outside the signal processing unit 10, and the reference signal generated by the reference signal generation unit 22 is used as the signal processing unit 10, the transmission unit 6, or the reception units 8-1, 8-2,. n may be provided.
  • vibrations generated by a cause such as traffic or weather not only by a specific part of the observation target but also by the entire observation target are attached without attaching a radar wave reflector to the observation target. It can be measured in a completely non-contact manner, and can be used effectively and effectively for conservation measures for public facilities such as large bridges and elevated roads that are likely to deteriorate.

Abstract

　橋梁、高架道路などの構造物などの二次元または三次元に広がりを持つ観測対象の振動を観測し、その観測結果を可視化する。　観測対象（４）に向けて送信アンテナ（１２）により送信信号を送信する送信部（６）と、前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナ（１４－１、１４－２、・・・１４－ｎ）で受け、受信アンテナ毎に受信部出力信号を生成する受信部（８－１、８－２、・・・８－ｎ）と、前記受信部出力信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する信号処理部（１０）を備える。

Description

干渉型振動観測装置、振動観測プログラムおよび振動観測方法
　本発明はたとえば、地形や、橋梁、高架道路などの大型建造物に生じる変位や微小変動などの振動観測技術に関する。
　橋梁、高架道路などの構造物の強度や経年劣化の調査には、実際の交通などから受ける振動を観測し、その振動が持つ振幅や振動数などが解析されている。大型構造物の振動の観測には、その建造物の特定観測部位（ターゲット）に加速度計などの振動計測センサを取り付ける。ターゲットが増加すれば、振動計測センサを増加する。
　このようなセンサによる直接計測に代わり、マイクロ波を用いた遠隔計測法が知られている。この遠隔計測法では、建造物などにマイクロ波を照射し、その反射信号の解析により、数百ｍ以上の遠隔地点から大型構造物の微小変位や動揺を計測することができる。斯かる計測法では、建物に生じている動揺周期の２倍以上の頻度で観測すれば、変位や動揺の状況を解析できる。
　このような計測に関し、複数の異なる波長のＣＷ（Continuous Wave ：無変調連続波）信号を振動する観測対象に照射し、その反射波を解析することで、対象の距離、振動と振幅を高精度に計測することが知られている（たとえば、特許文献１、特許文献２）。この方法では、観測対象の特定点の振動やその強度を計測しているに過ぎない。
　地滑りやダム堤体など、３次元的に広がりのある観測対象の微小変位の観測には、地上設置型合成開口レーダ（ＧＢ－ＳＡＲ）を用いたシステムが知られている（たとえば、特許文献３）。このシステムでは、合成開口レーダ送受信部を移動させながら観測対象に電波を照射し、観測対象からの反射波を計測し、レール上の走査点で受信する信号の位相変化を用いた合成開口処理により方向と距離の２次元で観測対象点を識別し、走査ごとに得られる観測対象の位相値の変化から、観測対象のスラントレンジ方向の距離変化を検出している。
　レーダを用いてターゲットの三次元画像を撮像することが知られている（たとえば、特許文献４、特許文献５）。この三次元画像処理では、アンテナ及び受信部を２次元に展開し、各受信アンテナで受信した反射波の位相関係からターゲット方向を決定し、反射波の伝搬時間から距離が求められている。反射波が受けているドップラーシフトからターゲットの速度情報が計測されている。斯かる方法では、建造物のようにほぼ静止物体の振動計測をすることができない。
　このような計測技術に関し、非特許文献１および非特許文献２が知られている。
米国特許出願公開第２０１３／０１３９５９７号明細書 米国特許第８６８６３６２号明細書 米国特許第８３８４５８３号明細書 特開２００６－１７７９０７号公報 特開昭６２－５０２０６５号公報
Kuras P.、外２名、"APPLICATION OF INTERFEROMETRIC RADAR TO EXAMINATION OF ENGINEERING OBJECTS VIBRATION"、［online］、Faculty of Mining Surveying and Environmental Engineering AGH University of Science and Technology in Krakow、[ 平成26年6 月27日検索] 、インターネット〈URL:http://yadda.icm.edu.pl/yadda/element/bwmeta1.element.baztech-article-PWAB-0005-0004/c/httpwww＿rog ＿gik ＿pw＿edu ＿plphocadownloadnr8724.pdf 〉 K A Tsolis、外１名、"Radar Vibrometry: Investigating the Potential of RF microwaves to measure vibrations"、［online］、University College London、[ 平成26年6 月27日検索] 、インターネット〈URL : http://www.ee.ucl.ac.uk/lcs/previous/LCS2004/34.pdf 〉
　既述の観測対象における微小な振動の遠隔計測では、各観測点を距離により分離して識別し、特定点における振動およびその強度を計測している。複数点の振動計測を同時に行うには、観測対象にレーダ反射器を取り付けて場所を特定し、反射強度および距離によりそれぞれの反射点を同定している。このような観測形態では、観測対象が二次元または三次元の広がりを持っている場合、その観測対象の全体における任意点の微小振動を同時に計測することはできないという課題がある。
　また、観測対象が巨大であれば、複数の観測位置に反射器を取り付けることは危険を伴うばかりか、気象状況などの影響を無視することができないなど、定常的な計測には困難を伴うという課題がある。
　そこで、本発明の目的は上記課題に鑑み、橋梁、高架道路などの構造物などの二次元または三次元に広がりを持つ観測対象の振動を観測し、その観測結果を可視化することにある。
　上記目的を達成するため、本発明の干渉型振動観測装置の一側面によれば、観測対象に向けて送信アンテナより送信信号を送信する送信部と、前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信部出力信号を生成する受信部と、前記受信部出力信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する信号処理部とが備えられる。
　上記干渉型振動観測装置において、さらに、前記観測信号から前記観測対象を表す画像を表示する画像表示部とを備え、前記観測信号により前記画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳して前記画像表示部に表示させてもよい。
　上記干渉型振動観測装置において、さらに、前記信号処理部にまたは前記信号処理部の外部に前記送信部の前記送信信号、前記受信部の前記受信部出力信号、前記信号処理部の信号処理を同期させる基準信号を発生する信号発生部とを備えてもよい。
　上記干渉型振動観測装置において、前記送信部は、前記観測対象または該観測対象上の距離を検出するためのパルス信号、またはパルス圧縮のためにチャープ変調されたパルス信号を出力し、前記受信部は、基準信号と位相同期して前記受信部出力信号をパルス圧縮し、前記距離で前記観測対象の前記特定部位を分離してもよい。
　上記干渉型振動観測装置において、前記送信部は、前記観測対象または該観測対象上の距離を検出するためのＦＭＣＷ信号を出力し、前記受信部は、基準信号と位相同期して前記受信部出力信号のＦＭＣＷ信号を解析し、前記距離で前記観測対象の前記特定部位を分離してもよい。
　上記干渉型振動観測装置において、前記複数の受信アンテナは、線状の一次元配列、Ｔ型配列、Ｌ型配列などの二次元配列のいずれかを備え、前記受信部または前記信号処理部は、前記受信部出力信号の位相差により前記観測対象の方向を同定してもよい。
　上記干渉型振動観測装置において、前記複数の受信アンテナは、Ｔ型配列、Ｌ型配列などの二次元配列を備え、前記受信部または前記信号処理部は、前記観測対象の方位および仰角のいずれか一方または双方を算出してもよい。
　上記目的を達成するため、本発明の振動観測プログラムの一側面によれば、コンピュータにより観測対象の振動または変位を観測する振動観測プログラムであって、観測対象に向けて送信アンテナより送信信号を送信し、前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信部出力信号を生成し、前記受信部出力信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する処理を前記コンピュータに実行させる。
　上記振動観測プログラムにおいて、さらに、前記観測信号から画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する処理を前記コンピュータに実行させてもよい。
　上記目的を達成するため、本発明のコンピュータ読み取り可能な記録媒体の一側面によれば、コンピュータに観測対象の振動または変位を観測させるための振動観測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信し、前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信部出力信号を生成し、前記受信部出力信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する処理を前記コンピュータに実行させるための振動観測プログラムを記録する。
　上記記録媒体において、さらに、前記観測信号から画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する処理を前記コンピュータに実行させるための前記振動観測プログラムを記録してもよい。
　上記目的を達成するため、本発明の振動観測方法の一側面によれば、観測対象に向けて送信アンテナより送信信号を送信する工程と、前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信部出力信号を生成する工程と、前記受信部出力信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する工程とを含んでいる。
　上記振動観測方法において、さらに、前記観測信号から画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する工程とを含んでもよい。
　本発明の干渉型振動観測装置、振動観測プログラム、記録媒体または振動観測方法によれば、次のいずれかの効果が得られる。
　(1) 二次元または三次元に広がりのある観測対象に反射器を設けることなく、観測対象から得られる複数の受信信号を用いて観測対象の振動個所と振動特性を観測することができる。大型構造物などの全体または特定部位などの部分の振動状況を把握でき、この振動状況から構造物などの維持管理を迅速かつ正確に行うことができる。観測信号から振動要因を構造物側にあるか否か、橋梁、高架道路などの構造物では通行や風などの外部要因の有無を判定することができる。
　(2) 送信アンテナからの送信波などの放射ビームをスキャニングすることなく観測対象の全体に照射し、観測対象や特定部位からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナごとに得られる受信部出力信号をデジタルビームフォーミングするので、観測対象を表す画像を高解像度で実現でき、振動計測を一定時間ごとに画像化できる。これにより、振動観測や変位観測を高精度に行うことができる。
　(3) 観測対象の１または２以上の観測点の振動特性を、同定された各観測位置からの反射波を時間列に収集して周波数変換し、解析することにより求めることができ、観測精度を高めることができる。
　そして、本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面および各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。
第１の実施の形態に係る干渉型振動観測装置を示す図である。 干渉型振動観測の処理手順を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る干渉型振動観測装置の構成例を示す図である。 一次元配置受信アンテナ、二次元配置受信アンテナの一例を示す図である。 信号処理部の一例を示す図である。 振動観測の処理手順の一例を示す図である。 干渉型振動観測装置の実施例１を示す図である。 観測対象の距離の観測原理を説明するための図である。 干渉型振動観測装置の実施例２を示す図である。 パルス信号方式の観測原理を説明する図である。 パルス圧縮処理を説明する図である。 干渉型振動観測装置の実施例３を示す図である。 ＦＭＣＷ信号を説明するための図である。 受信波の受信状態を示す図である。 受信波の受信状態を示す図である。 観測装置と観測対象のターゲットの配置関係を示す図である。 ＣＷ信号方式、一次元配列受信アンテナによる振動観測出力を説明するための図である。 パルス信号方式、ＦＭＣＷ信号方式、一次元配列受信アンテナによる振動観測出力を説明するための図である。 干渉型振動観測装置の実施例４を示す図である。 干渉型振動観測装置の実施例５を示す図である。 信号処理部の信号処理を示すフローチャートである。 二次元化処理出力を説明するための図である。 三次元的配置の観測対象の観測形態を説明するための図である。 画像表示部で生成された表示画像を示す図である。 信号処理の変形例を示すフローチャートである。 第３の実施の形態に係る信号処理部の構成例を示す図である。 第４の実施の形態に係る干渉型振動観測装置の構成例を示す図である。
〔第１の実施の形態〕
　図１は、第１の実施の形態に係る、干渉型振動観測装置（以下、単に「観測装置」と称する）を示している。図１に示す構成は一例であって、係る構成に本発明が限定されるものではない。
　この観測装置２は、橋梁などの観測対象４またはその特定の観測部位（ターゲット）に生じる振動観測に用いられる。この振動観測には観測対象４またはそのターゲットに生じる連続した振動、不規則な振動、断続変位などの振動、または変位の観測が含まれる。
　この観測装置２には、送信部６、受信部群８、信号処理部１０が含まれる。送信部６は、たとえば、単一の送信アンテナ１２を備え、この送信アンテナ１２に送信信号fTを出力する。送信アンテナ１２から観測対象４に向けて送信波Twが送信される。この送信波Twはたとえば、マイクロ波である。
　受信部群８は、２以上の受信部８－１、８－２・・・８－ｎを備える。各受信部８－１、８－２・・・８－ｎが個別に受信アンテナ１４－１、１４－２・・・１４－ｎを備え、観測対象４からの反射波Rwを各受信アンテナ１４－１、１４－２・・・１４－ｎで受け、受信アンテナ１４－１、１４－２・・・１４－ｎごとに受信部出力信号として受信信号fRが得られ、信号処理部１０に提供される。
　信号処理部１０は、受信アンテナ１４－１、１４－２・・・１４－ｎごとに受信部８－１、８－２・・・８－ｎで得られた各受信部出力信号を用いて、受信部出力信号間の位相差からアンテナ面に対する反射波の位相面を求めて反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの反射波の位相変動を算出し、観測対象４またはその特定部位の変位または振動を表す観測信号を生成する。観測対象４は、観測対象４の全体でもよいが、観測対象４における特定の観測部位つまり、ターゲットの振動変位を対象としてもよい。
　図２は、観測対象４の干渉型振動観測の処理手順の一例を示している。この処理手順は本発明の振動観測プログラムまたは振動観測方法の一例であり、信号処理部１０または観測装置２に搭載されたコンピュータによって実行される情報処理の一例である。この振動観測プログラムはたとえば、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に格納される。
　この処理手順では、送信部６が観測対象４に向けて送信信号fTを送信アンテナ１２より送信する（Ｓ１１）。各受信アンテナ１４－１、１４－２・・・１４－ｎで反射波Rwを受け、各受信部８－１、８－２・・・８－ｎに得られる受信信号fRから送信信号fTの送信タイミングに同期して既述の受信部出力信号 Y(t)が生成される（Ｓ１２）。各受信部８－１、８－２・・・８－ｎから各受信部出力信号Y(t)が信号処理部１０に提供され、信号処理部１０では観測信号を生成するための信号処理を実行する（Ｓ１３）。
　この信号処理（Ｓ１３）には、受信アンテナ１４－１、１４－２・・・１４－ｎごとに各受信部８－１、８－２・・・８－ｎに得られる受信部出力信号に次の処理が行われる。
　ａ）受信部出力信号間の位相差からアンテナ面に対する反射波の位相面を求め、反射波の到来方向および信号強度を同定する。
　ｂ）その特定方向からの反射波の位相変動を算出し、観測対象４またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する（Ｓ１４）。
＜第１の実施の形態の効果＞
　以上説明した第１の実施の形態によれば、次の効果が得られる。
　(1) 二次元または三次元に広がりのある観測対象４には反射器を付す必要がなく、観測対象４から得られた複数の受信信号を用いて観測対象４の振動個所と振動特性を観測できる。このため、大型構造物などの全体または部分の振動状況を把握でき、この振動状況から構造物などの維持管理を迅速かつ正確に行える。しかも、観測信号から振動要因を構造物側にあるか否か、橋梁、高架道路などの構造物では通行や風などの外部要因の有無の判定に用いることができる。
　(2) 送信アンテナ１２からの送信信号fTを空間的にスキャニングすることなく、観測対象４の全体に照射し、各受信アンテナ１４－１、１４－２・・・１４－ｎをデジタルビームフォーミングすればよく、観測対象４を表す画像を高解像度で実現でき、振動計測を一定時間ごとに画像化できる。これにより、振動観測や変位観測を高精度に行うことができる。なお、ＦＭＣＷでは周波数をスキャンする。
　(3) 観測対象４の１または２以上のターゲットの振動特性を、同定された各観測位置からの反射波Rwによる受信信号fRを時間列に収集して周波数変換し、解析することにより求めることができ、観測精度を高めることができる。
　(4) 信号処理部１０で生成した観測信号を用いれば、観測対象４またはその特定部位を表す画像を生成し、その振動を可視化することができる。この可視化により、観測対象４およびそのターゲットの振動を視認できる。
　(5) 観測対象４には地形の他、橋梁、高層ビル、高速道路などの大型建造物を用いることができ、これらの外観形状、その振動または変位を遠隔的に観測できる。
　(6) 観測対象４やそのターゲットに反射器などの装備を設置する必要がなく、観測対象４に反射器などの付随的な装備が不要であるから、そのための作業も不要となり、振動観測の安全性が高められる。
　(7) 送信信号fTにはたとえば、ＣＷ（Continuous Wave）信号、パルス信号、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave ：周波数変調連続波）信号などのいずれを用いてもよい。
　(8) 受信アンテナ列１４には複数の受信アンテナ１４－１、１４－２・・・１４－ｎをたとえば、一次元配列、二次元配列としてもよく、これらの受信アンテナ配列によって得られる受信信号の信号解析により、観測対象４およびその特定部位の二次元画像または三次元画像を得ることができる。
〔第２の実施の形態〕
　図３は、第２の実施の形態に係る観測装置２を示している。図３において、図１と同一部分には同一符号を付してある。
　この実施の形態の観測装置２では、図１に示す観測装置２の信号処理部１０の出力側に画像表示部１６を備え、信号処理部１０に得られる観測信号を用いて画像表示部１６に観測画像を表示する。画像表示部１６は、観測装置２の内部に設置してもよいし、パーソナルコンピュータなどの外部装置を用いて画像表示機能を実現してもよい。
　図４は、この実施の形態に用いられる受信アンテナ列１４の一例を示している。受信アンテナ列１４にはたとえば、図４のＡに示すように、一次元配列受信アンテナ１４ａとして用いてもよいし、図４のＢに示すように、二次元配列受信アンテナ１４ｂとして用いてもよい。二次元配列受信アンテナ１４ｂでは、水平方向に配列された複数の受信アンテナ１４－１１、１４－１２、・・・１４－１ｎのアンテナ列と、垂直方向に配列された複数の受信アンテナ１４－２１、１４－２２、・・・１４－２ｎのアンテナ列とを備える。これらアンテナ列はたとえば、直交配置とすればよい。
　これら一次元配列受信アンテナ１４ａ、二次元配列受信アンテナ１４ｂに対し、送信信号方式にはＣＷ信号方式、パルス信号方式、ＦＭＣＷ信号方式の３つの方式の選択が可能である。一次元配列受信アンテナ１４ａ、二次元配列受信アンテナ１４ｂに送信信号方式を組み合わせると、表１に示す振動計測が可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　ＦＭＣＷ方式およびパルス方式では、方位と観測対象４までの距離で、観測対象４の識別分類が可能であり、同一方向にある複数の観測対象４の同時計測が可能である。
　そして、この実施の形態では、信号処理部１０の出力側に画像表示部１６が設置されている。この画像表示部１６には信号処理部１０から出力される観測信号が提供され、観測対象４とともにその特定部位の振動を表す画像が表示される。画像表示部１６にはたとえば、パーソナルコンピュータの画像表示機能やディスプレイを用いればよい。
　信号処理部１０はたとえば、図５に示すように、コンピュータで構成される。この例では、プロセッサ１８、メモリ部２０、基準信号生成部２２、インターフェース部２４、出力部２６が備えられる。
　プロセッサ１８は、メモリ部２０に格納されているＯＳ（Operating System）や振動観測プログラムを実行する情報処理を含み、振動観測に必要な信号処理や各種機能部の制御などを実行する。
　メモリ部２０はコンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例であり、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）を備えればよい。ＲＡＭは各種プログラムを実行するためのワークエリアを構成する。ＲＯＭはプログラムを記録する手段の一例であり、既述のＯＳや振動観測プログラムが格納され、振動観測に必要な各種データが格納される。ＲＯＭはたとえば、電気的に内容を書き換えることができるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory ）、フラッシュメモリなどの半導体メモリであってもよい。
　また、メモリ部２０はＲＡＭやＲＯＭに限られずたとえば、磁気ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＳＳＤ（solid state drive）などのコンピュータで読み取り可能な記録媒体であってもよい。
　基準信号生成部２２はプロセッサ１８により制御され、同期信号となる基準信号を発生する。この基準信号が送信部６および受信部８－１、８－２、・・・８－ｎに提供される。
　インターフェース部２４には受信部８－１、８－２、・・・８－ｎから出力された受信部出力信号が取り込まれる。出力部２６には振動観測プログラムの実行により得られる観測信号が出力される。
＜振動観測処理＞
　図６のＡは、この観測装置２による振動観測処理の処理手順を示している。
　この処理手順では、送信部６から観測対象４に向け、送信アンテナ１２から送信信号を送信する（Ｓ２１）。これにより、観測対象４から反射波が得られ、この反射波を各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎで受け、各受信部８－１、８－２、・・・８－ｎで受信部出力信号を生成する（Ｓ２２）。各受信部８－１、８－２、・・・８－ｎに得られる受信部出力信号は受信部内でデジタル化されており、信号処理部１０に提供される。さらに信号処理部１０では各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎを二次元配列アンテナ１４ｂとしたときには二次元化処理が行われる（Ｓ２３）。一次元配列アンテナ１４Ａを用いた場合には、二次元化処理（Ｓ２３）を省略すればよい。
　この処理では、観測装置２の受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎと観測対象４までの距離が近距離か遠距離かの判定を行う（Ｓ２４）。近距離であれば、参照関数乗算処理を行い（Ｓ２５）、遠距離であれば、２ＤＦＦＴ（2-Dimensional Fast Fourier Transform：二次元高速フーリエ変換）処理を行う（Ｓ２６）。Ｓ２５またはＳ２６に続き、振動解析のための観測時間が終了かを判断する（Ｓ２７）。この観測時間の終了前（Ｓ２７のＮＯ）、Ｓ２１に戻り、Ｓ２１からＳ２７までの処理を継続して実行する。この観測時間において、解析する最低振動数の１周期以上の期間に相当する画像を蓄積する。この観測時間が終了すれば（Ｓ２７のＹＥＳ）、参照関数乗算処理（Ｓ２５）または２ＤＦＦＴ処理（Ｓ２６）の出力に振動処理を施し（Ｓ２８）、出力される観測信号により画像化処理を行う（Ｓ２９）。これらの各処理は後述される。
＜ポラメトリー機能＞
　観測対象４やそのターゲットの形状、構造により垂直偏波または水平偏波に対し強力な反射特性が知られている。観測対象４の構造によっては、偏波が変換される場合もある。すべての観測対象４やそのターゲットの反射波Rwを計測し、観測対象４の振動や変位の観測精度を上げるには両偏波、変換された偏波も受信可能であることが望ましい。
　図６のＢは、送信アンテナ１２および受信アンテナ１４－１、１４－２・・・１４－ｎに具備させるポラメトリー機能を示している。送信アンテナ１２には水平（Ｈ）偏波、垂直（Ｖ）偏波の両偏波を切り替えて送信可能とし、受信アンテナ１４－１、１４－２・・・１４－ｎでは、水平偏波、垂直偏波の同時受信を可能にする。つまり、送受信タイミングでは、繰返し周期ごとに各偏波を交互に送信し、両偏波を同時に受信する。
　図６のＢにおいて、ＨおよびＶの同時受信では、受信系および信号処理部１０が同じ数（Ｈ系用、Ｖ系用）だけ必要になる。Ｈ系、Ｖ系の信号処理部１０から出力される観測信号は画像表示部１６で合成され、観測画像が表示されることになる。
＜実施例１：ＣＷ信号方式＞
　図７は、ＣＷ信号方式の観測装置２－１を示している。図７において、図３と同一部分には同一符号を付してある。
　信号処理部１０にある基準信号生成部２２は、周波数安定度の高い基準信号を生成し、送信部６、受信部８－１、８－２、・・・８－ｎに供給する。送信部６のＣＷ信号生成部２８は、基準信号生成部２２から受けた基準信号を用いて送信周波数のＣＷ信号を生成する。
　このＣＷ信号は、電力増幅部３０で所定レベルに増幅された後、方向性結合器３２を通して送信アンテナ１２に供給される。このＣＷ信号が送信信号として観測対象４に向けて照射される。
　送信信号の一部が方向性結合器３２で分岐されて分配回路３４から各受信部８－１、８－２、・・・８－ｎに分配される。この送信信号が各受信部８－１、８－２、・・・８－ｎのローカル信号に使用される。
　送信アンテナ１２から観測対象４に送信信号が照射されると、観測対象４から送信信号により反射波が生じ、この反射波が各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎに入力され、受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎごとに受信信号が得られる。
　受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎで得られた受信信号は、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier ：低雑音増幅器）３６で増幅された後、周波数混合器（ＭＩＸＥＲ）３８－１、３８－２に加えられる。ＭＩＸＥＲ３８－１では受信信号と、移相器４０でπ／２だけ位相をシフトさせた送信信号とをミキシングする。ＭＩＸＥＲ３８－２では受信信号と送信信号とをミキシングする。これにより、複素信号化（Ｉ，Ｑ）したローカル信号で中間周波数に周波数変換が行われ、中間周波信号が得られる。各中間周波信号からＬＰＦ（Low Pass Filter ：低域通過フィルタ）４２－１、４２－２により低域成分が抽出され、中間周波増幅部４４－１、４４－２で所定レベルまで増幅した後、アナログ・デジタル変換器（以下「Ａ／Ｄ」と称する）４６－１、４６－２で基準信号に同期したタイミングでデジタル信号に変換された後、前処理部４８に提供される。
　前処理部４８では、１回の観測周期分、前記デジタル信号を積分し、雑音を低減する。これにより、各受信部８－１、８－２、・・・８－ｎの前処理部４８の出力信号が信号処理部１０に出力される。
　図８は、観測対象４における反射体４－１と、送信アンテナ１２および受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎのいずれかの関係を示す。この場合、送信アンテナ１２および受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎと反射体４－１の距離は、送信アンテナ１２と受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎ間の距離に比べて十分大きいとする。
　ここで、送信アンテナ１２から反射体４－１の位置Ａ点までの距離をRT 、同様に受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎから反射体４－１の位置Ａ点までの距離をRR とする。
　反射体４－１が振幅ΔＬ、振動周期ω0 で振動しているとする。ここで、振動周期ω0 は１〔ｋＨｚ〕程度以下の周波数とする。送信周波数をωc とすると、送信信号fT と受信信号fR は以下のように表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　反射体４－１が振動しているとき、各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎで得られる受信信号は、反射体４－１の振動の影響を受け、以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　この受信信号をＬＮＡ３６で増幅し、複素信号化（Ｉ，Ｑ）したローカル信号で周波数変換し、ＬＰＦ４２－１、４２－２で低域成分を抽出すると、既述の中間周波信号fifは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 となる。この中間周波信号fifは、送信周波数ωcを振動周期ω0 の振幅で位相変調した信号形式になっている。
　この中間周波信号を中間周波増幅部４４－１、４４－２で増幅し、Ａ／Ｄ４６－１、４６－２でデジタル信号に変換する。振動周期ω0 が１〔ｋＨｚ〕以下のとき、Ａ／Ｄ変換の周波数が２〔ｋＨｚ〕であれば、観測対象４の振動を観測できる。２〔ｋＨｚ〕より高いサンプル周波数でサンプルした場合には、データを前処理部４８で積分して２〔ｋＨｚ〕まで低減させればよい。これにより、Ｓ／Ｎ（Signal to Noise Ratio：信号対雑音比）を向上させることができる。
＜実施例２：パルス信号方式＞
　図９は、パルス信号方式の観測装置２－２を示している。図９において、図３と同一部分には同一符号を付してある。
　信号処理部１０にある基準信号生成部２２が周波数安定度の高い基準信号を生成し、送信部６および各受信部８－１、８－２、・・・８－ｎに供給する。
　この観測装置２－２の送信部６では、基準信号生成部２２から提供される基準信号により、チャープ信号生成部５０が線形チャープ信号を生成し、キャリア信号生成部５２で送信周波数のキャリア信号を生成する。線形チャープ信号は、各ＭＩＸＥＲ５４－１、５４－２に加えられる。ＭＩＸＥＲ５４－１では線形チャープ信号とキャリア信号とをミキシングする。ＭＩＸＥＲ５４－２では線形チャープ信号と、移相器５６でπ／２だけ位相をシフトさせたキャリア信号とをミキシングする。これにより、送信信号であるチャープパルス信号がキャリア信号で送信周波数に変換され、送信信号が得られる。この送信信号が電力増幅部５８で所定のレベルに増幅された後、送信アンテナ１２に供給され、観測対象４に向けて照射される。
　このパルス信号方式では、キャリア信号生成部５２で生成したキャリア信号が分配回路３４により各受信部８－１、８－２、・・・８－ｎに分配される。各受信部８－１、８－２、・・・８－ｎではこのキャリア信号がローカル信号に使用される。
　観測対象４からの反射波を各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎで受け、各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎから受信信号が得られる。各受信部８－１、８－２、・・・８－ｎでは、受信信号がローカル信号により周波数変換され、中間周波信号が得られる。中間周波信号は、所定のレベルまで増幅後、Ａ／Ｄ変換器４６－１、４６－２でデジタル信号に変換される。このパルス信号方式において、各受信部８－１、８－２、・・・８－ｎは、既述のＣＷ信号方式の観測装置２－１と同様であるので、同一符号を付しその説明を割愛する。
　このようなパルス信号方式の観測装置２－２では、一般的なレーダーと同様にパルス圧縮技術を使用でき、このパルス圧縮技術を用いれば、レンジ分解能を向上させることができる。
　図１０は、パルス信号方式の送信信号の様子を示している。図１０のＡは送信信号の周波数変化、図１０のＢは送信信号の振幅変化を示している。
　このパルス信号方式では、送信信号fT (t) が、チャープ率をｋとすると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 と表すことができる。
　このパルス信号方式において、ＣＷ信号方式の受信信号と同様に図８に示したように、振動している観測対象４の反射体４－１からの受信信号を求めてみる。
　送信アンテナ１２から反射体４－１の位置Ａ点までの距離をRT 、同様に受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎから反射体４－１の位置Ａ点までの距離をRR とする。反射体４－１は振幅ΔＬ、振動周期ω0 で振動しているとする。ここで、振動周期ω0 は１〔ｋＨｚ〕程度以下の周波数とする。
　送信周波数をFc とすると、受信信号fR は次のように表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　この受信信号をＬＮＡ３６で増幅し、キャリア信号を分離し、複素信号化したローカル信号で周波数変換した後、ＬＰＦ４２－１、４２－２で低域成分を抽出すると、中間周波信号fifが得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　この中間周波信号fifを中間周波増幅部４４－１、４４－２で増幅し、Ａ／Ｄ４６－１、４６－２でデジタル信号に変換し、前処理部４８でチャープ信号のパルス圧縮を行った後、信号処理部１０に出力する。
　図１１は、前処理部４８のパルス圧縮処理を示している。図１１において、Ａはパルス圧縮処理、Ｂはパルス圧縮処理で得られる出力を示している。
　このパルス圧縮処理は、チャープ信号f(t)および参照関数g(τ)の相関により行われる。参照関数g(τ)はチャープ信号f(t)における送信チャープ関数の共役関数であり、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎにおける受信信号の各レンジに対する処理は、ＣＷ信号方式の処理と同じである。ただし、観測対象４と受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎとの距離ごとに反射体４－１の方位検出処理が行われる。これは反射点であってもよい。
＜実施例３：ＦＭＣＷ信号方式＞
　図１２は、ＦＭＣＷ信号方式の観測装置２－３を示している。図１２において、図３または図７と同一部分には同一符号を付してある。
　このＦＭＣＷ信号方式ではたとえば、ＦＭＣＷレーダーと同様に送信信号周波数を線形ＦＭ信号として広帯域に走査してレンジ分解能を向上させることができる。
　信号処理部１０にある基準信号生成部２２は、周波数安定度の高い基準信号を生成し、送信部６、受信部８－１、８－２、・・・８－ｎに供給する。
　送信部６のＦＭＣＷ信号生成部６０は、基準信号生成部２２から提供される基準信号をもとに、送信帯域幅を線形に周波数走査が施されたＦＭＣＷ信号を生成する。
　このＦＭＣＷ信号は、電力増幅部３０で所定のレベルに増幅された後、方向性結合器３２を通して送信アンテナ１２に供給され、送信アンテナ１２により観測対象４に向けて照射される。
　送信信号の一部は分配回路３４に加えられ、この分配回路３４で各受信部８－１、８－２、・・・８－ｎに分配される。この送信信号は、各受信部８－１、８－２、・・・８－ｎでローカル信号として使用される。
　ＦＭＣＷ信号方式では送信信号に連続波が用いられ、送信信号の送信および受信信号の受信が同時に行われる。送受信を同時に行うため、送信アンテナ１２の送信信号が直接波として受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎに廻り込まないように対策する必要がある。たとえば、送信アンテナ１２と各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎとの間に距離を設定すればよい。つまり、送信アンテナ１２と各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎとが干渉しない程度の間隔を持たせた配置とすればよい。
　送信アンテナ１２により観測対象４に照射された送信信号は観測対象４で反射し、その反射波を受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎで受け、受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎごとに受信信号が得られる。各受信信号は、ＬＮＡ３６で増幅された後、ＭＩＸＥＲ３８でローカル信号（送信信号を分岐し、分配したもの）とミキシングされて周波数変換されて、中間周波信号に変換される。この中間周波信号からＬＰＦ４２で低域成分が抽出され、この低域成分信号が所定のレベルまで中間周波増幅部４４で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器４６でデジタル信号に変換され、このデジタル信号が前処理部４８に提供される。前処理部４８では、提供されたデジタル信号からＦＦＴ処理によりレンジ空間に対応した周波数領域を持つデジタル信号に変換される。このデジタル信号が受信部出力信号として信号処理部１０に提供される。
　図１３は、送受信信号の様子を示している。図１３において、Ａは送受信信号の周波数変化、Ｂは受信部内のミキサー出力信号の周波数を示している。つまり、送受信アンテナから観測対象点までの往復距離だけ、受信信号が遅れるので、この受信信号遅れにより送信信号と受信信号間に周波数差が生じる。この周波数差がミキサー出力信号の周波数になる。
　ＦＭＣＷ信号方式の送信信号fT (t) は、チャープ率をkとすると次式で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　ＣＷ信号方式の受信信号と同様に図８に示すように、振動している観測対象４の反射体４－１からの受信波を求めてみる。送信アンテナ１２から反射体４－１の位置Ａ点までの距離をRT 、同様に受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎから反射体４－１の位置Ａ点までの距離をRRとする。
　反射体４－１は振幅ΔＬ、振動周期ω0 で振動しているとする。ここで、振動周期ω0 は１〔ｋＨｚ〕程度以下の周波数とする。送信周波数をFc 、チャープ率をkとすると、受信信号fR は以下のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 　この受信信号をＬＮＡ３６で増幅した後、送信信号を分岐したローカル信号で周波数変換し、ＬＰＦ４２で低域部分を抜き出すと、以下のような中間周波信号fifとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 　この中間周波信号fifを中間周波増幅部４４で増幅、Ａ／Ｄ４６でデジタル信号に変換し、前処理部４８では、ＦＭＣＷ信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）により周波数変換することで、各距離の信号成分が抽出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 　各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎで得られる受信信号の各レンジに対する処理は既述のＣＷ信号方式での処理と同様である。ただし、このＦＭＣＷ信号方式では、距離ごとに反射体４－１の方位検出処理を行う。この方位検出処理では、各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎの各受信信号から方位合成を行う。
＜方位合成＞
　この方位合成について、図１４を参照する。図１４では、単一の送信部６と、６台の受信部８－１、８－２、・・・８－６を用いた観測装置２を想定している。
　送信アンテナ１２から距離RT だけ離れた観測対象４に送信信号を照射する。観測対象４から得られる反射波は受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－６に受信される。既述のＣＷ信号方式、パルス信号方式、ＦＭＣＷ信号方式のいずれであっても、各受信部８－１、８－２、・・・８－６の出力信号は、観測対象４から送信アンテナ１２、受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－６までの総距離Rにより、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 で表される。但し、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 である。式(14)において、nは、受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－６に付したアンテナ番号であり、１～６とする。
　振動周波数は低いものとし、その値は図１３のＡに示す繰返し周期ＰＲＴ内で一定値とみなせるとすれば、式(14)は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 に書き換えることができる。これらの受信部８－１、８－２、・・・８－６の出力信号は、信号処理部１０で参照関数と相関処理される。これにより、信号処理部１０では、方位分解能に応じた信号成分が抽出される。
　この方位分解能は次のように求めることができる。各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－６が等距離dで、１列状態であるとすれば、さらに両端にd/2の効果があると考えられる。この場合、受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－６の実効的な全体の開口長Dは、
　　　　　　　　　　D＝5×d＋d                        ・・・(16)
となる。
　このような全体の開口長Dを持つ受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－６では、期待できる方位分解能θRES は送信信号の波長をλとすると、
　　　　　　　　　　θRES ＝λ／D                      ・・・(17)
となる。送信アンテナ１２および各受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－６のそれぞれの開口長を等しいものとし、それぞれの開口長をd0 とすると、観測範囲θ0 は、
　　　　　　　　　　θ0 ＝d0 ／λ　　　　　　　　　　   ・・・(18)
で表される。
　ＣＷ信号方式では、距離の分離識別ができないので、一方向に単独の反射点しかない場合に使用可能である。
　受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－６の中心位置から観測範囲θ0 、距離R0 の扇型線上の点について、方位分解能θRES ごとに参照関数g(n，θ)を生成する。この参照関数g(n，θ)は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 で表される。ここで、Rx(R，n，θ)は送信アンテナ１２から距離R、方位θにある反射点、さらにn番目の受信アンテナ１４－ｎまでの総距離である。
　中間周波信号fif(R，n)と参照関数g(R，n，θ)の共役関数と相関処理することで、方位分解能ごとの信号h(R，θ)が抽出される。この信号h(R，θ)は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 と表される。
　観測対象４にひとつの観測点としてターゲットを想定すると、このターゲットまでの距離が展開したアンテナの全体の開口長Dに比べて遠方であれば、ターゲットまでの送信信号波は無限遠から到来すると考えられる。この場合、参照関数処理はより簡単なＦＦＴに置き換えることが可能である。一般的にはこの距離は遠方界と呼ばれる領域で、展開されたアンテナの全体の開口長をD、波長をλとすれば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 となる。この場合、図１５に示すように、各アンテナ間の位相差は、観測対象４までの距離に無関係で受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－６のアンテナ面に対する角度で決定される。中間周波信号fif(n) をＦＦＴ処理すれば、周波数成分h(f)が方位方向の信号に変換される。ＦＦＴ出力の周波数をfとすると、方位θは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
 　となり、観測対象４の反射体の信号を含む特定の方位の信号を時系列に解析することで、観測対象４の振動特性として、その振動周期、振動振幅を求めることができる。
＜観測対象４の態様と観測装置２を用いた振動観測＞
　観測対象４の態様と振動観測について、図１６、図１７および図１８を参照する。図１６は、なだらかな斜面上に二つの反射点としてターゲットＡ、Ｂが存在し、それぞれが方位Ａ、方位Ｂに存在する場合を示している。
　図１７は、ＣＷ信号方式の観測装置２－１を使用し、距離情報を含まない受信系出力を信号処理部１０で処理した例を示している。この例では、方位Ａと方位Ｂの各信号成分は各ターゲットＡ、Ｂの振動により時間軸上で変化している。
　図１８は、図１６に示すターゲットをパルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の受信部８－１、８－２・・・８－ｎで一次元配列受信アンテナ１４ａで観測した例を示している。
　この場合、１回観測ごとに方位と距離の二次元空間上にターゲットＡ、Ｂがマッピングされ、送受信のくり返し周波数がターゲットＡ、Ｂの振動周波数の２倍以上であれば、ターゲットＡ、Ｂの振動情報を含む位相データの解析により、観測対象４の振動特性を観測することができる。
＜三次元合成＞
　図１９は、一次元配列受信アンテナ１４ａを用いた観測装置２の一例であり、この観測装置２では既述のＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式のいずれであってもよい。図１９において、図３と同一部分には同一符号を付してある。この場合、信号処理部１０の出力側にある画像表示部１６にはたとえば、パーソナルコンピュータ６２が用いられている。パーソナルコンピュータ６２のディスプレイ６４には観測信号により生成された画像が表示される。この場合、画像表示部１６から出力される制御信号が信号処理部１０の基準信号生成部２２に加えられ、基準信号の生成に用いられる。
　大型構造物などの観測対象４の高さ方向の位置同定を行う場合には、二次元配列受信アンテナ１４ｂを用いて観測すればよい。観測対象４内にある個々の構造物の位置の同定は、受信アンテナ１４－１、１４－２、・・・１４－ｎのアジマス（以下「ＡＺ」と称する）角と、エレベーション（以下「ＥＬ」と称する）とで行うことができる。
　図２０は、二次元配列受信アンテナ１４ｂを用いた観測装置２の一例であり、この観測装置２も既述のＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式のいずれであってもよい。図２０において、図１９と同一部分には同一符号を付してある。
　一次元配列受信アンテナ１４ａを用いた観測装置２では、図２１のＡに示すように、受信部８－１、８－２、・・・８－ｎから各受信部出力信号を受け、観測対象４が近距離か遠距離かによる設定を行う（Ｓ２１１）。近距離では参照関数乗算処理を行い（Ｓ２１２）、遠距離ではＦＦＴ処理を行う（Ｓ２１３）。これらの処理結果に振動処理を行い（Ｓ２１４）、画像化処理を実行する（Ｓ２１５）。これにより、観測対象４およびその特定位置の振動画像が得られる。
　この場合、一次元配列受信アンテナ１４ａでは、受信信号を参照関数乗算処理（S２１２）またはＦＦＴ処理（Ｓ２１３）により観測対象４からの反射波の方位を特定することができる。送信部６は、観測対象４に送信信号を発生すると同時に、受信部８－１、８－２・・８－ｎは送信信号と同期した受信タイミングを制御するためのローカル信号が分配される。そこで、基準信号生成部２２は、送信部６、受信部８－１、８－２・・・８－ｎおよび信号処理部１０の各部に同期信号を提供する。信号処理部１０の各部は、基準信号生成部２２からのタイミング信号を入力として、近距離観測の場合は参照関数乗算を実施し、反射波Rwの各方位を同定する。また、遠距離観測の場合は、ＦＦＴ処理にて受信部出力信号を周波数変換し、反射波Rwの各方位を同定する。その後、振動処理にて観測対象４の各点の振動特性を算出する。
　二次元配列受信アンテナ１４ｂを用いた観測装置２では、図２１のＢに示すように、受信部８－１１、８－１２、・・・８－１ｎから出力される各受信部出力信号、受信部８－２１、８－２２、・・・８－２ｎから出力される各受信部出力信号を用いて二次元化処理（Ｓ２２１）を行う。つまり、二次元配列受信アンテナ１４ｂを用いた場合には、縦軸方向に置かれた受信アンテナ１４－２１、１４－２２、・・・１４－２ｎの出力信号と横軸方向に置かれた受信アンテナ１４－１１、１４－１２、・・・１４－１ｎの出力信号を距離ごとに複素乗算することにより二次元配列の出力信号が生成される。この場合も同様に、観測対象４が近距離か遠距離かによる設定を行う（Ｓ２２２）。近距離では参照関数乗算処理を行い（Ｓ２２３）、遠距離では２ＤＦＦＴ処理を行う（Ｓ２２４）。これらの処理結果に振動処理を行い（Ｓ２２５）、画像化処理を実行する（Ｓ２２６）。これにより、観測対象４およびその特定位置の振動画像が得られる。
　二次元配列受信アンテナ１４ｂでは、図２０に示すように、アンテナおよび受信系統をＬ型に配置する。この場合、アンテナおよび受信系統をＴ型に配置してもよい。いずれの場合も、観測対象４の三次元画像化が可能となる。
　受信部８－１１、８－１２、・・・８－１ｎ、８－２１、８－２２、・・・８－２ｎとの動作タイミングは、既述の処理と同様に信号処理部１０の基準信号生成部２２で生成された基準信号をローカル信号に用いて制御される。また、信号処理部１０では２次元化処理により観測対象４の各点の位置の同定並びに振動特性解析が行われる。
　この場合、送信アンテナ１２の送信と受信アンテナ１４の受信とが同時刻に行われるため、送信信号が受信側に廻り込まないように、送信アンテナ１２と受信アンテナ１４とが干渉しない程度に分離設置される。また、観測画像における方位分解能は、最も離れて設置された受信アンテナ列１４側のアンテナ間距離により決定される。また観測可能な視野角は、各受信アンテナ列１４の各アンテナビーム幅により決定される。
　したがって、二次元配列受信アンテナ１４ｂを用いた観測処理では、参照関数処理、または二次元ＦＦＴ処理により決定されたＡＺ角、ＥＬ角と各受信部８－１１、８－１２、・・・８－１６、８－２１、８－２２、・・・８－２６で処理された距離情報を使用し、同定された位置からの反射波の位相履歴をＦＦＴ処理による周波数解析により、観測対象４の全体における振動特性が得られる。
　二次元配列受信アンテナ１４ｂを横軸方向に６基の受信アンテナ１４－１１、１４－１２、・・・１４－１６、縦軸方向に６基の受信アンテナ１４－２１、１４－２２、・・・１４－２６を配置した場合を想定する。
　図２２は、この場合の受信部８－１１、８－１２、・・・８－１６、８－２１、８－２２、・・・８－２６の各受信部出力信号を二次元化する場合の模式図を示し、格子点（ｎ，ｍ）における出力信号が生成される。
　この場合の出力信号は、その格子点における信号強度と位相を表し、反射波の位相面を表しており、一種のホログラムとなっている。この格子点の数は、受信アンテナ１４－１１、１４－１２、・・・１４－１６、１４－２１、１４－２２、・・・１４－２６の設置数で決まる格子点数を表す。
　二次元配列受信アンテナ１４ｂにおいて、横軸方向の受信アンテナ列の受信部８－１１、８－１２、・・・８－１６の出力をhAZ(R，n，t)、縦軸方向の受信アンテナ列の受信部８－２１、８－２２、・・・８－２６の出力をhEL(R，m，t)とする。ここでn、mはそれぞれ横軸方向、縦軸方向のアンテナ番号、Rは観測対象４とアンテナ間の距離とする。二次元化出力h(m，n，R，t)は
　　　　h(m，n，R，t)= hAZ(R，n，t)×hEL(R，m，t)　　　・・・(24)
　この場合、二次元データを処理する参照関数は、縦形の参照関数と、横系の参照関数の積となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
   この参照関数の共役関数と二次元化処理された受信部出力の複素乗算和を求めることで特定方向の特定の距離におけるターゲットの状況を解析することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
  一次元処理と同様に観測対象４が遠距離にある場合は、二次元ＦＦＴ処理（２ＤＦＦＴ）を行うことで、そのターゲットの方向を同定することができる。
＜振動解析＞
　図２３は、パルス方式またはＦＭＣＷ信号方式の観測装置２において、二次元配列受信アンテナ１４ｂを用いた場合の振動解析例を示している。
　この場合、観測ごとに方位とＥＬ、距離の三次元の位置情報と共に反射信号の振幅と位相で表されるターゲットの信号が記録される。その各ターゲットの振幅位相情報を時系列に解析することで、観測範囲内の任意の位置の微小変位や、動揺、振動を計測することができる。
　大型構造物などの観測対象４の任意の点の振動を解析するには、既述の二次元配列受信アンテナ１４ｂを使用し、観測対象４内にある個々の構造物の全ての点の反射波の位相履歴をＦＦＴ処理し、周波数解析すれば、観測対象４の全体における振動特性が求められる。
　＜画像表示＞
　図２４は、観測画像表示の一例を示している。既述のパーソナルコンピュータ６２のディスプレイ６４には、信号処理部１０で再生された大型橋梁の画像６６が表示されている。この画像６６上にはグレースケール６８が重畳して表示され、このグレースケール６８で橋梁各部の振動強度分布を表している。この例では、濃淡の濃い部分が振動が弱く、淡い部分は振動が強いことを示している。このような画像６６から観測対象４の形状、そのグレースケール表示により観測対象４およびその特定部位における振動態様や変位が可視化され、この例では、濃淡状態から振動形態を視認することができる。
　＜レンジ圧縮＞
　図２５は、既述のレンジ圧縮処理を含む処理手順の一例を示している。この処理手順では、図６のＡに示す処理手順と同様に、送信（Ｓ３１）、受信（Ｓ３２）の処理の後、各受信信号に対してＡＤ変換処理が行われる（Ｓ３３）。このＡＤ変換処理の後、レンジ圧縮処理が実行される（Ｓ３４）。このレンジ圧縮処理の後、二次元化処理（Ｓ３５）、近距離・遠距離の判定（Ｓ３６）、近距離の場合には参照関数乗算処理（Ｓ３７）、遠距離の場合には２ＤＦＦＴ処理（Ｓ３８）、観測時間の判定（Ｓ３９）、振動処理（Ｓ４０）および画像化処理（Ｓ４１）が実行される。これらの処理は既述の処理（図６）と同様であり、一次元配列受信アンテナ１４ａを用いた観測装置２では二次元化処理（Ｓ３５）を省略すればよい。
＜参照関数＞
　参照関数は、図２２に示す各格子点における計測したい距離分解能に応じてその“位置” からの反射波であった場合の出力信号を模擬する形で生成される。たとえば、計測距離が１０〔ｍ〕から１００〔ｍ〕の範囲で距離分解能１〔ｍ〕とすると、各格子点の距離方向に（１００－１０）〔ｍ〕／１〔ｍ〕＝９０〔点〕、更に、格子点が６×６＝３６〔点〕、合計で９０×３６＝３，２４０〔点〕の参照関数と成る。
　この参照関数の演算処理では、生成される参照関数３，２４０〔点〕と二次元化処理からの出力信号の一つとを乗算すれば、観測対象４からの出力信号の位置が同定される。
　観測対象４が、遠距離にある場合は、二次元ＦＦＴ処理（２ＤＦＦＴ）で、二次元化処理からの出力信号を二次元ＦＦＴすれば、観測対象４からの出力信号の位置が同定される。
＜第２の実施の形態の特徴点や効果＞
　第２の実施の形態によれば、次のいずれかの効果が得られる。
　(1) 二次元または三次元の広がりを持つ観測対象４の形状の画像化と同時に対象全体の微小な振動およびその振幅の周期などを、レーダ技術により遠隔から且つ非接触で計測できる。
　(2) この観測装置２やその信号処理によれば、橋梁、ビル、高架道路などの大型建造物が、交通、気象、騒音などによって受ける振動特性を計測し、建造物の強度変化、保守の必要性を判断するための情報を提供できる。
　(3) 観測対象に向けて信号を送信する１つの送信部６と、観測対象４で反射した反射波Rwを受信する複数の受信部８－１、８－２、・・・８－ｎと受信した信号を画像化し、更に観測対象４の面的な振動特性を算出する信号処理部１０と計測結果を表示する画像表示部１６を有する。
　(4) 二次元的に展開されている構造物を主に計測し、受信アンテナが二次元配列されている場合は、方位と仰角、または方位と仰角と距離で対象点を識別でき、高層ビルや、橋梁、高架道路などの高さ方向に広がりのある建造物などの観測対象４の振動や変位を計測でき、その計測結果を可視化できる。
　(5) 送信信号がパルス波またはＦＭＣＷ信号波であれば、レンジ圧縮処理で反射点の距離に分類できる。各受信アンテナ間の位相から対象点の方向で分類し、各方向、距離の対象点の反射強度を画像化、およびその対象点からの信号の位相変化から微小変動や、振動を検出、画像化することができる。
　(6) 観測対象４が近距離にある場合は、参照関数演算を行って対象点の反射強度と位相を算出し、観測対象４が遠距離にある場合は、ＦＦＴで行い、反射波の強度と位相情報を得ることができる。
　(7) 送信信号がＣＷ波の場合、各受信部は送信波と同じ位相の信号をローカル信号とした出力信号（ＩＱ）が得られる。送信信号がパルス波の場合は、受信部出力は対象点までの伝搬遅延時間だけシフトし、送信波の位相差に相当する出力信号（ＩＱ）が得られる。
　(8) 送信信号がリニアＦＭ（Frequency Modulation）チャープパルスである場合には、受信信号が受信部でパルス圧縮処理されて、パルス方式と同様に観測対象４の計測点までの伝搬遅延時間だけシフトし、送信波の位相差に相当する出力信号（ＩＱ）を得ることができる。
　(9) 送信信号がＦＭＣＷ信号である場合には、受信信号は送信信号をローカルとして周波数変換され、伝搬遅延に相当する周波数成分となる。この成分信号が信号処理部１０のＦＦＴ処理により周波数領域に変換し、各距離の対象点の反射強度と送信波との位相差に相当する出力信号（ＩＱ）が得られる。
　(10)　信号処理部１０では、観測対象４が近距離の場合は、参照関数を生成し、受信信号との乗算処理を行う。この参照関数は、観測対象４の距離とＡＺ角度に応じた位相変位を推定することにより生成する。この参照関数と受信部出力信号の相関演算により観測対象４の位置を特定し、その点の振動特性として、同定された各観測点からの受信信号を時間列収集し、ＦＦＴ処理により周波数特性が求められる。
　(11)　信号処理部１０は、観測対象４が遠距離にある場合は、受信部出力信号を先ず、二次元化処理した後、観測対象各点から反射された時間列受信信号をＦＦＴ演算することによりその地点の振動特性を算出できる。
　(12)　画像表示部１６は、信号処理部１０で生成される観測信号により生成された画像上に、同じく信号処理部１０で算出した観測対象各点の振動特性を重ね合わせて画像化できるので、観測対象４の全体振動の状況を可視化できる。
　(13)　従来のマイクロ波を使用した振動計と異なり反射器を観測対象４に付けることなく、構造物全体の形状の画像化とその画像上へ建造物の振動個所と振動特性を画像表示できる。このため、構造物の全体の振動状況把握を可能にし、構造物の維持管理を迅速かつ正確に行うことができる。
　(14)　距離情報は、近距離の場合、参照関数との乗算で求め、遠距離の場合は、受信信号をＦＦＴで周波数領域に変換することで求めている。送信アンテナのビームをスキャンすることなく観測対象４の全体に送信波を照射し、受信アンテナから得られる反射波をデジタルビームフォーミングすることにより高解像度の画像と振動計測を一定時間ごとに画像化できる。
　(15)　観測対象４の各点の位置は、近距離の場合、受信信号と参照関数との乗算で、遠距離の場合は、受信信号をＦＦＴ演算で周波数領域へ変換することで容易に求めることができる。
　(16)　観測対象４の各点の振動特性は、同定された各観測位置からの反射波を時間列に収集し、周波数変換し、解析することにより容易に求めることができる。
　(17)　観測対象４にレーダ反射器を付けることなく、観測対象４の全体を画像として捉え、時系列観測した受信情報を周波数解析することで容易に構造物全体の振動特性を画像化することができる。
　(18)　観測対象４に反射器を取り付けることなく、また、観測対象４の特定部分のみならず観測対象全体が通行または気象などの原因により発している振動を完全非接触で計測することができ、大型橋梁、高架道路などの施設の老朽化対策などの保全管理に利用できる。
〔第３の実施の形態〕
　第２の実施の形態の信号処理部１０では、図５に示すように、プロセッサ１８などを備えることにより、振動観測にコンピュータによる情報処理を用いている。これに対し、信号処理部１０は、振動観測を実現する既述の各機能をハードウェアで実現してもよい。
　図２６は、第３の実施の形態に係る信号処理部１０のハードウェアの一例を示している。図２６に示す信号処理部１０ではハードウェアで構成した二次元化部７０、近距離・遠距離切替部７２、参照関数乗算部７４、２ＤＦＦＴ部７６および振動処理部７８を備える。二次元化部７０、近距離・遠距離切替部７２、参照関数乗算部７４、２ＤＦＦＴ部７６および振動処理部７８の各機能は、既述した処理をハードウェアで実現しており、その内容に変更がないので、その説明を割愛する。この例は、既述の二次元配列アンテナ１４ｂに対応するものであり、既述の一次元配列アンテナ１４ａを用いる場合には、二次元化部７０は省略すればよい。
＜第３の実施の形態の効果＞
　第３の実施の形態によれば、コンピュータ処理による情報処理によらず、ハードウェアによる直接的な処理で観測対象４の観測画像および振動画像を実現することができる。
〔第４の実施の形態〕
　第２の実施の形態では、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の観測装置２を詳述している。ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式のいずれで観測装置２を構成してもよいが、これらすべての方式による振動観測を可能にしてもよい。
　図２７は、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式による振動観測を可能にした観測装置２－４を示している。図２７において、上記実施の形態と同一部分には同一符号を付してある。
　この観測装置２－４では、ＣＷ信号送受信部８０－１、パルス信号送受信部８０－２、ＦＭＣＷ信号送受信部８０－３、信号方式切替部８２および制御部８４が備えられている。
　ＣＷ信号送受信部８０－１は、図７に例示するように、ＣＷ信号方式による送受信を行う。パルス信号送受信部８０－２は、図９に例示するように、パルス信号方式による送受信を行う。ＦＭＣＷ信号送受信部８０－３は、図１２に例示するように、ＦＭＣＷ信号方式による送受信を行う。
　信号方式切替部８２は、ＣＷ信号方式の際、ＣＷ信号送受信部８０－１からの受信信号を受け、パルス信号方式の際、パルス信号送受信部８０－２からの受信信号を受け、ＦＭＣＷ信号方式の際、ＦＭＣＷ信号送受信部８０－３からの受信信号を受ける。信号方式切替部８２はこれらの受信信号を選択し、信号処理部１０に提供する。
　信号処理部１０は、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式による振動観測のための信号処理を行う。
　画像表示部１６は、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式を表す表示とともに、信号処理部１０の処理結果である観測信号を受け、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の画像を表示する。
　制御部８４は、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の各モードに対応し、選択されたモードに応じてＣＷ信号送受信部８０－１、パルス信号送受信部８０－２、ＦＭＣＷ信号送受信部８０－３のいずれかを動作させ、信号方式切替部８２の信号切替、信号処理部１０の処理を選択する。制御部８４は、コンピュータによって構成すればよい。
＜第４の実施の形態の効果＞
　(1) 第４の実施の形態によれば、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の各モードを選択的に利用して所望の観測画像を生成することができる。
　(2) 観測対象４などの観測条件に応じてＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の各モードを選択でき、観測条件に影響を受けることなく、最も適した信号方式の選択によって観測精度が高められる。
〔他の実施の形態〕
　ａ）上記実施の形態では、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の信号方式を例示したが、これ以外の信号を用いてもよい。
　ｂ）観測対象として建造物を例示したが、侵入者などの監視などに利用してもよい。
　ｃ）上記実施の形態では、信号処理部１０の内部に基準信号生成部２２を備えているが、本願発明はこれに限定されない。信号処理部１０の外部に基準信号生成部２２を備え、この基準信号生成部２２が生成した基準信号を信号処理部１０、送信部６または受信部８－１、８－２・・・８－ｎに提供してもよい。
　以上説明したように、振動または変位の観測装置の最も好ましい実施の形態などについて説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、または発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
　以上説明したように本発明によれば、観測対象にレーダ波の反射器を取り付けることなく、また、観測対象の特定部分のみならず観測対象全体が通行または気象などの原因により発している振動を完全非接触で計測することができ、老朽化が危惧される大型橋梁、高架道路などの公共施設の保全対策に有効かつ効果的に利用することができる。
　２　観測装置
　４　観測対象
　６　送信部
　８　受信部群
　８－１、８－２・・・８－ｎ　受信部
　１０　信号処理部
　１２　送信アンテナ
　１４　受信アンテナ列
　１４－１、１４－２・・・１４－ｎ　受信アンテナ
　１４－１１、１４－１２・・・１４－１ｎ　受信アンテナ
　１４－２１、１４－２２・・・１４－２ｎ　受信アンテナ
　１４ａ　一次元配列受信アンテナ
　１４ｂ　二次元配列受信アンテナ
　１６　画像表示部
　１８　プロセッサ
　２０　メモリ部
　２２　基準信号生成部
　２４　インターフェース部
　２６　出力部
　２８　ＣＷ信号生成部
　３０　電力増幅部
　３２　方向性結合器
　３４　分配回路
　３６　ＬＮＡ
　３８－１、３８－２　ＭＩＸＥＲ
　４０　移相器
　４２－１、４２－２　ＬＰＦ
　４４、４４－１、４４－２　中間周波増幅部
　４６、４６－１、４６－２　アナログ・デジタル変換器
　４８　前処理部
　５０　チャープ信号生成部
　５２　キャリア信号生成部
　５４－１、５４－２　ＭＩＸＥＲ
　５６　移相器
　５８　電力増幅部
　６０　ＦＭＣＷ信号生成部
　６２　パーソナルコンピュータ
　６４　ディスプレイ
　６６　画像
　６８　グレースケール
　７０　二次元化部
　７２　近距離・遠距離切替部
　７４　参照関数乗算部
　７６　２ＤＦＦＴ部
　７８　振動処理部
　８０－１　ＣＷ信号送受信部
　８０－２　パルス信号送受信部
　８０－３　ＦＭＣＷ信号送受信部
　８２　信号方式切替部
　８４　制御部
                                                                                

Claims (13)

  1. 　観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信する送信部と、
    　前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信部出力信号を生成する受信部と、
    　前記受信部出力信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する信号処理部と、
    　を備えることを特徴とする、干渉型振動観測装置。
  2. 　さらに、前記観測信号から前記観測対象を表す画像を表示する画像表示部とを備え、
    　前記観測信号により前記画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳して前記画像表示部に表示させることを特徴とする、請求項１に記載の干渉型振動観測装置。
  3. 　さらに、前記信号処理部にまたは前記信号処理部の外部に前記送信部の前記送信信号、前記受信部の前記受信部出力信号、前記信号処理部の信号処理を同期させる基準信号を発生する信号発生部と、
    　を備えることを特徴とする、請求項１に記載の干渉型振動観測装置。
  4. 　前記送信部は、前記観測対象または該観測対象上の距離を検出するためのパルス信号、またはパルス圧縮のためにチャープ変調されたパルス信号を出力し、
    　前記受信部は、基準信号と位相同期して前記受信部出力信号をパルス圧縮し、前記距離で前記観測対象の前記特定部位を分離することを特徴とする、請求項１に記載の干渉型振動観測装置。
  5. 　前記送信部は、前記観測対象または該観測対象上の距離を検出するためのＦＭＣＷ信号を出力し、
    　前記受信部は、基準信号と位相同期して前記受信部出力信号のＦＭＣＷ信号を解析し、前記距離で前記観測対象の前記特定部位を分離することを特徴とする、請求項１に記載の干渉型振動観測装置。
  6. 　前記複数の受信アンテナは、線状の一次元配列、Ｔ型配列、Ｌ型配列などの二次元配列のいずれかを備え、
    　前記受信部または前記信号処理部は、前記受信部出力信号の位相差により前記観測対象の方向を同定することを特徴とする、請求項１に記載の干渉型振動観測装置。
  7. 　前記複数の受信アンテナは、Ｔ型配列、Ｌ型配列などの二次元配列を備え、
    　前記受信部または前記信号処理部は、前記観測対象の方位および仰角のいずれか一方または双方を算出することを特徴とする、請求項１に記載の干渉型振動観測装置。
  8. 　コンピュータにより観測対象の振動または変位を観測する振動観測プログラムであって、
    　観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信し、
    　前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信部出力信号を生成し、
    　前記受信部出力信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する、
    　処理を前記コンピュータに実行させるための振動観測プログラム。
  9. 　さらに、前記観測信号から画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する処理を前記コンピュータに実行させるための請求項８に記載の振動観測プログラム。
  10. 　コンピュータに観測対象の振動または変位を観測させるための振動観測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
    　観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信し、
    　前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信部出力信号を生成し、
    　前記受信部出力信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する、
    　処理を前記コンピュータに実行させるための振動観測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
  11. 　さらに、前記観測信号から画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する処理を前記コンピュータに実行させるための前記振動観測プログラムを記録した請求項１０に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
  12. 　観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信する工程と、
    　前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信部出力信号を生成する工程と、
    　前記受信部出力信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する工程と、
    　を含むことを特徴とする、振動観測方法。
  13. 　さらに、前記観測信号から画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する工程と、
    　を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の振動観測方法。
                                                                                    
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