(57)【要約】【課題】車両の走行速度を高い正確性で計測するための新しい手法の提案。【解決手段】速度計測装置１において、レール表面に対向する位置に発信信号を送信するための送信アンテナ２が設けられている。また、レール表面に対向し、車両の前後方向に沿った異なる位置であって、当該前後方向に沿った設置間隔がレール表面までの距離よりも短い位置に、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂが設置されている。このとき、ドップラー周波数検出回路は、送信アンテナ２から送信される発信信号と、第１受信アンテナ３Ａでの受信信号とに基づいてドップラー周波数を検出する。また、位相差検出回路は、第１受信アンテナ３Ａでの受信信号と、第２受信アンテナ３Ｂでの受信信号との位相差を検出する。そして、走行速度算出部９は、ドップラー周波数及び位相差を用いて鉄道車両の走行速度を算出する。【選択図】図１
2014235140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通路表面に向けて所定の発信信号を送信し、その反射波を受信して車両の走行速度を計測する当該車両に設けられた速度計測装置であって、
前記通路表面に対向する位置に設けられた前記発信信号を送信するための送信アンテナと、
前記通路表面に対向し、前記車両の前後方向に沿った異なる位置であって、当該前後方向に沿った設置間隔が前記通路表面までの距離よりも短い位置に設置された第１受信アンテナ及び第２受信アンテナと、
前記発信信号と、前記第１受信アンテナ及び／又は前記第２受信アンテナでの受信信号とに基づいてドップラー周波数を検出するドップラー周波数検出部と、
前記第１受信アンテナでの受信信号と、前記第２受信アンテナでの受信信号との位相差を検出する位相差検出部と、
前記ドップラー周波数及び前記位相差を用いて走行速度を算出する走行速度算出部と、
を備えた速度計測装置。
【請求項２】
前記第１受信アンテナ及び前記第２受信アンテナは、前記前後方向に沿った設置間隔が１０ｃｍ〜２０ｃｍの範囲内に定められた、
請求項１に記載の速度計測装置。
【請求項３】
前記走行速度算出部は、前記ドップラー周波数と前記位相差の比に、前記設置間隔に基づき規定される所定の定数を乗算することで走行速度を算出する、
請求項１又は２に記載の速度計測装置。
【請求項４】
前記車両は鉄道車両であり、
前記送信アンテナは、送信方向を軌道のレール表面に向けて設置された指向性アンテナである、
請求項１〜３の何れか一項に記載の速度計測装置。
【請求項５】
前記車両はトンネル内を通行する車両であり、
前記通路表面はトンネル壁面であり、
前記送信アンテナは、送信方向をトンネル壁面に向けて設置された指向性アンテナである、
請求項１〜３の何れか一項に記載の速度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通路表面に向けて所定の発信信号を送信し、その反射波を受信して車両の走行速度を計測する速度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、車両の走行速度を計測する方法として、ドップラーを利用した方法（以下、「ドップラー速度計測法」という。）が知られており、鉄道の分野でも技術研究がなされている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１１５７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の鉄道分野のドップラー速度計測法は、軌道に向けて放射した電波の反射波を受信し、受信信号のドップラー効果から速度を求める方式が一般的である。従って、正確な速度を算出するためには、反射波の到来角度を正確に知る必要がある。しかし、従来は、到来角度を測定する機構を備えておらず、ある決められた到来角度で反射波が到来すると仮定して速度計算を行うのが通常であった。このため、走行速度の算出に用いた到来角度が実際の到来角度と乖離している場合、その乖離分が誤差となって、走行速度を正しく算出できないという問題があった。
【０００５】
この問題は鉄道分野に限らず、自動車の分野も同様である。すなわち、軌道（レールを含む）や道路等の通路の表面に電波や光等の電磁波信号を送信し、その反射波を利用して車両の速度を計測する装置であれば、同様の問題が内在し得る。
【０００６】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、車両の走行速度を高い正確性で計測するための新しい手法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するための第１の発明は、
通路表面に向けて所定の発信信号を送信し、その反射波を受信して車両の走行速度を計測する当該車両に設けられた速度計測装置であって、
前記通路表面（例えば、図１のレール表面）に対向する位置に設けられた前記発信信号を送信するための送信アンテナ（例えば、図１（２）の送信アンテナ２）と、
前記通路表面に対向し、前記車両の前後方向に沿った異なる位置であって、当該前後方向に沿った設置間隔が前記通路表面までの距離よりも短い位置に設置された第１受信アンテナ及び第２受信アンテナ（例えば、図１（２）の第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂ）と、
前記発信信号と、前記第１受信アンテナ及び／又は前記第２受信アンテナでの受信信号とに基づいてドップラー周波数を検出するドップラー周波数検出部（例えば、図３のドップラー周波数検出回路７）と、
前記第１受信アンテナでの受信信号と、前記第２受信アンテナでの受信信号との位相差を検出する位相差検出部（例えば、図３の位相差検出回路８）と、
前記ドップラー周波数及び前記位相差を用いて走行速度を算出する走行速度算出部（例えば、図３の走行速度算出部９）と、
を備えた速度計測装置（例えば、図１，３の速度計測装置１、図６の速度計測装置１Ｂ）である。
【０００８】
この第１の発明によれば、通路表面に対向する位置に発信信号を送信するための送信アンテナが設けられており、通路表面に対向し、車両の前後方向に沿った異なる位置であって、当該前後方向に沿った設置間隔が通路表面までの距離よりも短い位置に第１受信アンテナ及び第２受信アンテナが設置されている。このとき、送信アンテナから送信される発信信号と、第１受信アンテナ及び／又は第２受信アンテナでの受信信号とに基づいて、ドップラー周波数検出部がドップラー周波数を検出する。そして、位相差検出部が、第１受信アンテナでの受信信号と、第２受信アンテナでの受信信号との位相差を検出する。そして、走行速度算出部が、ドップラー周波数及び位相差を用いて車両の走行速度を算出する。上記の受信アンテナの配置構成により、通路表面からの反射波の第１受信アンテナ及び第２受信アンテナへの到来角は等しくなると近似することができる（平面波近似）。このため、車両の走行速度を高い正確性で算出することが可能となる。
【０００９】
また、第２の発明として、第１の発明の速度計測装置であって、
前記第１受信アンテナ及び前記第２受信アンテナは、前記前後方向に沿った設置間隔（例えば、図１（２）の設置間隔ｗ）が１０ｃｍ〜２０ｃｍの範囲内に定められた、
速度計測装置を構成することとしてもよい。
【００１０】
この第２の発明によれば、第１受信アンテナ及び第２受信アンテナは、前後方向に沿った設置間隔が１０ｃｍ〜２０ｃｍの範囲内に定められる。これにより、平面波近似の効果が確実なものとなり、車両の走行速度を高い正確性で算出することが可能となる。
【００１１】
また、第３の発明として、第１又は第２の発明の速度計測装置において、
前記走行速度算出部は、前記ドップラー周波数と前記位相差の比に、前記設置間隔に基づき規定される所定の定数を乗算することで走行速度を算出する、
速度計測装置を構成することとしてもよい。
【００１２】
この第３の発明によれば、ドップラー周波数と位相差の比に、設置間隔に基づき規定される所定の定数を乗算するといった簡易な演算によって、走行速度を算出することが可能となる。
【００１３】
また、第４の発明として、第１〜第３の何れかの発明の速度計測装置において、
前記車両は鉄道車両であり、
前記送信アンテナは、送信方向を軌道のレール表面に向けて設置された指向性アンテナ（例えば、図１（２）の送信アンテナ２）である、
速度計測装置を構成することとしてもよい。
【００１４】
この第４の発明によれば、鉄道車両において、指向性アンテナである送信アンテナから軌道のレール表面に向けて発信信号を送信し、その反射波を受信することで、鉄道車両の走行速度を計測することが可能となる。
【００１５】
また、第５の発明として、第１〜第３の何れかの発明の速度計測装置において、
前記車両はトンネル内を通行する車両（例えば、図８の地下鉄）であり、
前記通路表面はトンネル壁面であり、
前記送信アンテナは、送信方向をトンネル壁面に向けて設置された指向性アンテナ（例えば、図８の送信アンテナ２）である、
速度計測装置を構成することとしてもよい。
【００１６】
この第５の発明によれば、トンネル内を通行する車両において、指向性アンテナである送信アンテナからトンネル壁面に向けて発信信号を送信し、その反射波を受信することで、トンネル内を通行する車両の走行速度を計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】速度計測システムのシステム構成図。
【図２】平面波近似を説明するための図。
【図３】速度計測装置の機能構成の一例を示す図。
【図４】シミュレーション結果の一例を示す図。
【図５】変形例におけるアンテナの配置構成の一例を示す図。
【図６】変形例における速度計測装置の機能構成の一例を示す図。
【図７】変形例におけるアンテナの配置構成の一例を示す図。
【図８】変形例におけるアンテナの配置構成の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明を適用した好適な実施形態の一例について説明する。本実施形態では、車両として鉄道車両を例に挙げて説明する。鉄道車両とは、電気車、内燃車、旅客車、貨車、磁気浮上式鉄道などの車両を含む意である。但し、本発明を適用可能な形態が以下説明する実施形態に限定されるわけではないことは勿論である。
【００１９】
１．システム構成
図１は、本実施形態における速度計測システムのシステム構成の一例を示す図である。図１においては、太実線でレールを示している。図１（１）に示すように、本実施形態の速度計測システムは、鉄道車両と、鉄道車両の床下に配置される速度計測装置１とを有して構成される。
【００２０】
図１（２）は、本実施形態における速度計測装置１の機能構成及びアンテナの配置構成の一例を示す図である。速度計測装置１は、送信アンテナ２と、２つの受信アンテナ３（第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂ）と、送信部５と、受信部６と、走行速度算出部９とを有して構成される。
【００２１】
送信アンテナ２は、送信部５によって生成された発信信号をレールに対して送信するアンテナである。本実施形態における送信アンテナ２は、所定の発信信号を鉄道車両が走行する通路である軌道表面に向けて送信する。送信アンテナ２は、一方向に対する指向性の強いアンテナ（指向性アンテナ）とする。送信方向（指向方向）が直線区間走行時にレール表面に向かう向きとして、送信アンテナ２の配置向きが決定される。
【００２２】
第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂは、軌道表面（レール表面）で反射した反射波を受信する。これらの受信アンテナ３（３Ａ，３Ｂ）で受信された反射波の受信信号は、受信部６に出力される。受信アンテナ３としては、無指向性或いはある程度広い指向性を有するアンテナを適用すると好適である。以下の説明では、第１受信アンテナ３Ａで受信された反射波の受信信号を「第１受信信号」と称し、第２受信アンテナ３Ｂで受信された反射波の信号を「第２受信信号」と称して説明する。
【００２３】
図１（２）に示すように、送信アンテナ２と第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂとは、軌道表面、特に直線区間走行時のレール表面に対向する位置に設置されている。具体的には、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂは、レールの敷設方向、すなわち車両の前後方向に沿って異なる位置であって、当該前後方向に設置間隔ｗだけ離隔して設置されている。送信アンテナ２は、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂのおよそ中間位置に設置されている。つまり、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂは、送信アンテナ２を挟む位置に設置されている。
【００２４】
第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂの設置間隔ｗは、レール表面までの距離ｄよりも短い間隔となるように定められている。本実施形態では、設置間隔ｗは、１０ｃｍ〜２０ｃｍの範囲内の間隔とする。。
【００２５】
図１（３）に示すように、送信アンテナ２は、レール表面に向かって既定の角度で発信信号を送信する。例えば４５°の角度（レール表面と電波放射方向とのなす角度）でレール表面に放射されるように送信アンテナ２の指向性および配置角度が設定される。図１（３）では進行方向前方に放射するように図示しているが、進行方向後方に向けて放射するとしてもよい。すなわち、鉄道車両の進行方向は上り／下りの何れの方向であっても構わない。但し、レール表面に向かう角度は既定角度のままである。また、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂは、レール表面からの反射波を少なくとも４０°〜５０°の角度範囲で受信できるように配置構成することができる。
【００２６】
送信部５は、送信アンテナ２から送信させる発信信号を生成する回路を有して構成される。具体的には、搬送波を発振させる発振回路や、分周回路、増幅回路等を有して構成される。
【００２７】
受信部６は、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂで受信された信号を受信する受信回路である。受信部６は、受信アンテナで受信された信号を検波する検波回路や、検波した信号からドップラー周波数を検出するドップラー周波数検出回路７、第１受信信号と第２受信信号との位相差を検出する位相差検出回路８等を有して構成される（図３参照）。
【００２８】
走行速度算出部９は、受信部６から出力されるドップラー周波数や位相差を用いて、後述する原理に従って鉄道車両の走行速度を算出する。走行速度算出部９が算出した走行速度は運転台に出力される。
【００２９】
２．原理
図２は、本実施形態における走行速度計測の原理を説明するための図である。図２では、送信アンテナ２は下向きの三角形で示し、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂを矩形で示している。
【００３０】
第１受信アンテナ３Ａと第２受信アンテナ３Ｂとの離隔距離“ｗ”が発信信号の伝播距離に比べて十分に小さいとき、第１受信アンテナ３Ａと第２受信アンテナ３Ｂには、同じ方向からの反射波が到来すると近似することができる（いわゆる平面波近似）。本実施形態では、この平面波近似の原理を利用することによって、反射波の到来角度を考慮することなく鉄道車両の走行速度を算出できる。以下、詳細に説明する。
【００３１】
第１受信アンテナ３Ａに到来する反射波の到来角度を“θ１”とし、第２受信アンテナ３Ｂに到来する反射波の到来角度を“θ２”とする。この場合、平面波近似により、これらの到来角度は等しく“θ”と近似することができる。このとき、第１受信信号と、第２受信信号との伝搬距離差“Δｌ”は、次式（１）のように表すことができる。
【数１】
2014235140.tif 000003
【００３２】
その一方で、発信信号（電波）の速度を“Ｃ”とし、第１受信アンテナ３Ａに反射波が到達した時間と第２受信アンテナ３Ｂに反射波信号が到達した時間との時間差を“Δｔ”とした場合、発信信号の伝搬距離差“Δｌ”は、次式（２）のように表すことができる。
【数２】
2014235140.tif 000004
【００３３】
式（１）、（２）より、次式（３）を導出することができる。
【数３】
2014235140.tif 000005
【００３４】
ここで、ドップラー周波数“ｆd”と、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂへの反射波の到来角度“θ”と、発信信号の波長“λ”との間には、次式（４）の関係が成立する。
【数４】
2014235140.tif 000006
【００３５】
式（３）を用いて式（４）を変形すると、次式（５）が導出される。
【数５】
2014235140.tif 000007
【００３６】
第１受信信号の位相と第２受信信号の位相との位相差を“Δφ”とする場合、この位相差“Δφ”は、発信信号の周波数“ｆ”と時間差“Δｔ”とを用いて、次式（６）のように表すことができる。
【数６】
2014235140.tif 000008
【００３７】
式（６）を用いて式（５）を変形すると、鉄道車両の走行速度“ｖ”は、次式（７）のように算出することができる。
【数７】
2014235140.tif 000009
【００３８】
式（７）において、受信アンテナの設置間隔“ｗ”は既知である。従って、ドップラー周波数“ｆd”と位相差“Δφ”とを検出することで、到来角度“θ”を用いることなく、走行速度“ｖ”を算出することができる。式（７）は、ドップラー周波数と位相差の比に、第１受信アンテナ３Ａと第２受信アンテナ３Ｂとの設置間隔に基づき規定される所定の定数を乗算することで走行速度が算出可能であることを示している。
【００３９】
ドップラー周波数“ｆd”は、公知のドップラー検出回路やドップラーセンサを用いて検出できる。従って、必要となるのは位相差“Δφ”を検出するための機構である。そこで、位相差“Δφ”を検出する方法について以下説明する。
【００４０】
ここでは送信アンテナ２から送信される発信信号を正弦波信号とし、第１受信信号と第２受信信号とを、それぞれ“ｒa”及び“ｒb”と表記して説明する。第１受信信号“ｒa”を、振幅が“Ａ”で周波数が“ｆ”の正弦波信号とする。また、第２受信信号“ｒb”を、振幅が“Ｂ”で周波数が“ｆ”であり、第１受信信号“ｒa”に対して位相が“Δφ”だけ遅れた信号であるとする。この位相の遅れ“Δφ”が第１受信信号“ｒa”と第２受信信号“ｒb”との位相差である。
【００４１】
このとき、“ｒa”及び“ｒb”は、それぞれ次式（８）及び（９）のように表すことができる。
【数８】
2014235140.tif 000010
【数９】
2014235140.tif 000011
【００４２】
第１受信信号“ｒa”と第２受信信号“ｒb”とを掛け合わせると、次式（１０）のようになる。
【数１０】
2014235140.tif 000012
【００４３】
式（１０）で表される信号から定常成分（直流成分）を抽出することで位相差“Δφ”を検出することができる。ここで、“ｒa”と“ｒb”の周期を“Ｔ”とし、式（１０）で与えられる“ｒa”と“ｒb”の積を“０〜Ｔ”の範囲で積分すると、次式（１１）のようになる。
【数１１】
2014235140.tif 000013
但し、右辺の積分計算では“ｆ＝１／Ｔ”の関係が成立することを用いた。
【００４４】
式（１１）から、次式（１２）のように位相差“Δφ”を求めることができる。
【数１２】
2014235140.tif 000014
【００４５】
式（１２）より、第１受信信号の振幅“Ａ”及び第２受信信号の振幅“Ｂ”（若しくはこれに相当する値）と、積分値“Ｚ”（若しくはこれに相当する値）とを検出する回路を構成することにより、位相差“Δφ”の検出が可能となる。
【００４６】
なお、振幅“Ａ”及び“Ｂ”は、それぞれ次式（１３）及び（１４）のように求めることができる。
【数１３】
2014235140.tif 000015
【数１４】
2014235140.tif 000016
【００４７】
３．機能構成
図３は、本実施形態における速度計測装置１の機能構成の一例を示す図である。
速度計測装置１は、送信アンテナ２と、第１受信アンテナ３Ａと、第２受信アンテナ３Ｂと、送信部５と、受信部６と、走行速度算出部９とを有して構成される。
【００４８】
送信部５は、送信アンテナ２から送信させる所定周波数の発信信号を生成する回路であり、この発振回路や分周回路、増幅器等を有して構成される。
【００４９】
受信部６は、ドップラー周波数検出回路７と、位相差検出回路８とを有して構成される。
ドップラー周波数検出回路７は、送信アンテナ２から送信された送信波の周波数と、軌道表面で反射されて第１受信アンテナ３Ａで受信された反射波の周波数との差からドップラー周波数を検出する回路である。ドップラー周波数検出回路７は、公知の回路構成によって実現することが可能である。例えば、第１受信信号と送信波と同一の周波数の信号とを乗算する乗算器や、乗算器の乗算結果の信号を増幅する増幅器、増幅器で増幅された信号を検波する検波回路等を有して構成される。ドップラー周波数検出回路７からは、第１受信信号のドップラー周波数“ｆd”が出力される。
【００５０】
なお、本実施形態では、ドップラー周波数検出回路７が、送信アンテナ２から送信される発信信号と、第１受信アンテナ３Ａで受信される受信信号（第１受信信号）とに基づいてドップラー周波数を検出することとして説明するが、これに代えて、発信信号と、第２受信アンテナ３Ｂで受信される受信信号（第２受信信号）とに基づいてドップラー周波数を検出するようにしてもよい。また、発信信号と、第１受信アンテナ及び第２受信アンテナでの受信信号（第１受信信号及び第２受信信号）とに基づいてドップラー周波数を検出するようにしてもよい。
【００５１】
位相差検出回路８は、第１受信信号と第２受信信号との位相差を検出する回路である。この位相差検出回路８は、第１乗算器１１と、第１ローパスフィルタ１３と、第２乗算器２１と、第２ローパスフィルタ２３と、第３乗算器３１と、第３ローパスフィルタ３３と、第４乗算器３５と、第５乗算器６０とを有して構成される。
【００５２】
第１乗算器１１は、第１受信信号を自己乗算して第１ローパスフィルタ１３に出力する。
第１ローパスフィルタ１３は、第１乗算器１１からの信号の高周波成分を除去して第５乗算器６０に出力する。
この第１乗算器１１及び第１ローパスフィルタ１３により、第１受信信号の振幅を演算する第１振幅演算回路が構成される。
【００５３】
第２乗算器２１は、第２受信信号を自己乗算して第２ローパスフィルタ２３に出力する。
第２ローパスフィルタ２３は、第２乗算器２１からの信号の高周波成分を除去して第５乗算器６０に出力する。
この第２乗算器２１及び第２ローパスフィルタ２３により、第２受信信号の振幅を演算する第２振幅演算回路が構成される。
【００５４】
第３乗算器３１は、第１受信信号と第２受信信号とを乗算して第３ローパスフィルタ３３に出力する。
第３ローパスフィルタ３３は、第３乗算器３１からの信号の高周波成分を除去して第４乗算器３５に出力する。
第４乗算器３５は、第３ローパスフィルタ３３からの信号を自己乗算して第５乗算器６０に出力する。
第３乗算器３１と、第３ローパスフィルタ３３と、第４乗算器３５とにより、第１受信信号と第２受信信号とを乗算して積分する乗算積分回路が構成される。
【００５５】
第５乗算器６０は、第１ローパスフィルタ１３からの信号と第２ローパスフィルタ２３からの信号と第４乗算器３５からの信号とを乗算して、走行速度算出部９に出力する。第５乗算器６０からは位相差“Δφ”を含む演算値として“｛ｃｏｓ（Δφ）／２｝２”が出力される。
【００５６】
なお、位相差検出回路８の前段にＡＤ（Analog Digital）変換器を設けてデジタル信号に変換し、デジタル信号処理を行って位相差を検出するように位相差検出回路８を構成してもよい。
【００５７】
走行速度算出部９は、受信部６からの出力に基づいて鉄道車両の走行速度を算出する演算装置である。例えば、ドップラー周波数検出回路７や位相差検出回路８から出力される信号をＡＤ変換するＡＤ変換器や、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の演算装置、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置等を有して構成される。
【００５８】
走行速度算出部９は、ドップラー周波数検出回路７によって検出されたドップラー周波数“ｆd”と、位相差検出回路８によって検出された第１受信信号と第２受信信号との位相差“Δφ”を含む演算値“｛ｃｏｓ（Δφ）／２｝２”と、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂの設置間隔“ｗ”とを用いて、式（７）に従って鉄道車両の走行速度“ｖ”を算出する。そして、算出した走行速度“ｖ”を出力する。
【００５９】
４．シミュレーション結果
上記の速度計測装置１を用いて鉄道車両の走行速度を計測するシミュレーションを行った。鉄道車両の走行速度を５０［ｋｍ／ｈ］として、従来の手法と本実施形態の手法とを用いて、それぞれ走行速度を計測するシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、鉄道車両の走行速度を５０ｋｍ／ｈとし、発信信号の放射角度を４５°とし、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂの設置間隔を１０ｃｍとし、平面波近似が成立する環境を設定した。そして、放射角度と同じ４５°の基準角度に対して受信アンテナで受信する受信角度を４０°〜５０°で変化させて速度計測を行った。基準角度に対して変更した角度の差（以下、「角度差」という。）を横軸とし、その角度差において計測した速度を縦軸に示した結果が図４である。
【００６０】
比較例として、受信アンテナを１つとし、同様に受信方向の角度を変化させて、従来のドップラー速度計測法で計測した速度を破線で示す。
【００６１】
このシミュレーション結果を見ると、従来の手法を用いて走行速度を計測した場合には、角度差が正の方向に増加するにつれて計測速度が減少し、逆に角度差が負の方向に増加するにつれて計測速度が増加している。反射波の到来角度は、曲線区間走行時やカント区間走行時に変化し得る。そのため、反射波の到来角度を既定角度一定として１つの受信アンテナで速度を計測する従来手法では、走行速度を正しく計測できない場合が起こり得ることがわかる。これに対して、本実施形態の手法を用いて走行速度を計測した場合には、角度差に関わらず、計測速度はほぼ５０［ｋｍ／ｈ］となっており、走行速度を正しく計測できていることがわかる。複数の受信アンテナを用いて反射波を受信し、平面波近似の原理を利用することで、反射波の到来角度に関わらず、走行速度を高い正確性で計測できることがわかる。
【００６２】
なお、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂの設置間隔を１０ｃｍ〜２０ｃｍの範囲で変化させてシミュレーションを行ったが、上記と同様の結果が得られた。このことから、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂは、鉄道車両の前後方向に沿った設置間隔ｗが１０ｃｍ〜２０ｃｍの範囲内に設置されることが好適と言える。また、受信アンテナ３の設置間隔ｗがレール表面までの距離ｄよりも短ければ、効果が期待できる。
【００６３】
５．作用効果
速度計測装置１において、レール表面に対向する位置に発信信号を送信するための送信アンテナ２が設けられている。また、レール表面に対向し、車両の前後方向に沿った異なる位置であって、当該前後方向に沿った設置間隔がレール表面までの距離よりも短い位置に、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂが設置されている。このとき、ドップラー周波数検出回路７は、送信アンテナ２から送信される発信信号と、第１受信アンテナ３Ａでの受信信号とに基づいてドップラー周波数を検出する。また、位相差検出回路８は、第１受信アンテナ３Ａでの受信信号と、第２受信アンテナ３Ｂでの受信信号との位相差を検出する。そして、走行速度算出部９は、ドップラー周波数及び位相差を用いて鉄道車両の走行速度を算出する。
【００６４】
レール表面に対向し、車両の前後方向に沿った異なる２つの位置で発信信号のレール表面からの反射波を受信し、これらの反射波の受信信号を用いることで、鉄道車両の走行速度を正しく算出することができる。つまり、レール表面から反射する反射波の第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂへの到来角が等しくなると近似し（平面波近似）、ドップラー周波数と位相差とを用いて所与の演算方式に従って走行速度を算出することで、鉄道車両の走行速度を高い正確性で計測することが可能となる。
【００６５】
より具体的には、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂは、鉄道車両の前後方向に沿った設置間隔が１０ｃｍ〜２０ｃｍの範囲内に定められる。これにより、平面波近似の効果が確実なものとなり、走行速度の算出の正確性を向上させることができる。
【００６６】
また、走行速度算出部９は、ドップラー周波数検出回路７から出力されるドップラー周波数と、位相差検出回路８から出力される位相差に相当する演算値とに基づき、ドップラー周波数と位相差の比に、第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂの設置間隔に基づき規定される所定の定数を乗算するといった簡単な方法により、鉄道車両の走行速度を算出することができる。
【００６７】
６．変形例
本発明を適用可能な実施例は、上記の実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは勿論である。以下、変形例について説明する。なお、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を付して再度の説明を省略する。
【００６８】
６−１．受信アンテナの設置数
上記の実施形態では、受信アンテナ３の設置数を２個として説明したが、受信アンテナ３の設置数を３個以上とすることも可能である。
【００６９】
図５は、アンテナの配置構成の変形例を示す図である。図５では、送信アンテナ２及び受信アンテナ３の位置関係を俯瞰して示している。横方向に示した太実線はレールである。また、送信アンテナ２を三角形で、受信アンテナ３を矩形でそれぞれ示している。図５の構成は、１つの送信アンテナ２と、第１受信アンテナ３Ａ〜第３受信アンテナ３Ｃの３つの受信アンテナ３とを有する構成である。
【００７０】
３つの受信アンテナ３は、平面視で直角二等辺三角形となる位置関係で配置構成されている。具体的には、枕木方向に沿って第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂの２つの受信アンテナが設置され、軌道方向に沿って第２受信アンテナ３Ｂ及び第３受信アンテナ３Ｃの２つの受信アンテナが設置されて、３つの受信アンテナ３が直角二等辺三角形の設置形状を成している。また、送信アンテナ２は、３つの受信アンテナ３から等距離となる位置に設置されている。
【００７１】
図６は、この場合における速度計測装置１Ｂの構成例を示す図である。
速度計測装置１Ｂは、送信アンテナ２と、第１受信アンテナ３Ａと、第２受信アンテナ３Ｂと、第３受信アンテナ３Ｃと、送信部５と、受信部６と、走行速度算出部９とを有して構成される。
【００７２】
受信部６が具備する位相差検出回路８は、第１乗算器１１と、第１ローパスフィルタ１３と、第２乗算器２１と、第２ローパスフィルタ２３と、第３乗算器３１と、第３ローパスフィルタ３３と、第４乗算器４１と、第４ローパスフィルタ４３と、第５乗算器５１と、第５ローパスフィルタ５３と、第６乗算器４５と、第７乗算器５５と、第８乗算器８０と、第９乗算器９０とを有して構成される。
【００７３】
第１乗算器１１と、第１ローパスフィルタ１３とにより、第１受信信号の振幅を演算する第１振幅演算回路が構成される。
第２乗算器２１と、第２ローパスフィルタ２３とにより、第２受信信号の振幅を演算する第２振幅演算回路が構成される。
第３乗算器３１と、第３ローパスフィルタ３３とにより、第３受信信号の振幅を演算する第３振幅演算回路が構成される。
第４乗算器４１と、第４ローパスフィルタ４３と、第６乗算器４５とにより、第１受信信号と第２受信信号とを乗算して積分する乗算積分回路が構成される。
第５乗算器５１と、第５ローパスフィルタ５３と、第７乗算器５５とにより、第２受信信号と第３受信信号とを乗算して積分する乗算積分回路が構成される。
【００７４】
第８乗算器８０からは、第１受信信号と第２受信信号との位相差“Δφ１２”を含む演算値“｛ｃｏｓ（Δφ１２）／２｝２”が出力される。また、第９乗算器９０からは、第２受信信号と第３受信信号との位相差“Δφ２３”を含む演算値“｛ｃｏｓ（Δφ２３）／２｝２”が出力される。
【００７５】
走行速度算出部９は、ドップラー周波数検出回路７によって検出された第１受信信号のドップラー周波数“ｆd”と、位相差検出回路８から出力される位相差“Δφ１２”及び“Δφ２３”に相当する演算値とを用いて、鉄道車両の走行速度“ｖ”を算出する。この場合、軌道方向の速度と、枕木方向の速度とを算出することが可能である。
なお、この場合における走行速度“ｖ”の具体的な演算式については、上記の実施形態と同様の原理に基づき導出可能であるため、ここでは説明を省略する。
【００７６】
６−２．アンテナの配置構成
上記の実施形態で説明した送信アンテナ２及び受信アンテナ３の配置構成は一例に過ぎず、適宜設定変更可能であることは勿論である。
【００７７】
具体的には、上記の実施形態では、２つの受信アンテナ３Ａ，３Ｂの中間位置に送信アンテナ２が位置するようにアンテナを設置することとして説明したが、必ずしも送信アンテナ２は２つの受信アンテナ３Ａ，３Ｂの中間位置に設置しなければならないわけではない。例えば、第１受信アンテナ３Ａと第２受信アンテナ３Ｂとを結ぶ直線上であって、これらの受信アンテナ３間の外側に送信アンテナ２を設置することとしてもよい。
【００７８】
また、図７のような位置関係で送信アンテナ２及び受信アンテナ３を設置してもよい。
図７（１）のアンテナの配置構成では、レール頭頂面の直上に送信アンテナ２が位置するように送信アンテナ２が設置されている。ここで、送信アンテナ２から送信された発信信号のレールでの反射点をＲとし、この反射点Ｒを始点とし、レールの左右方向に所定の開き角θを有する直線Ｌ１及びＬ２を考える。そして、送信アンテナ２の設置位置を通る枕木方向の直線Ｌ３を考える。このとき、例えば、第１受信アンテナ３Ａを、直線Ｌ１とＬ３との交点に対応する位置に設置する。また、第２受信アンテナ３Ｂを、直線Ｌ２とＬ３との交点から後方に距離Δｌだけ離隔した位置に設置する。
【００７９】
なお、同様の思想に基づき、例えば図７（２）に示すような位置関係で送信アンテナ２及び受信アンテナ３を設置することとしてもよい。
いずれにせよ、受信アンテナ３は、通路表面に対向し、車両の前後方向に沿って異なる位置に設置する。
【００８０】
６−３．通路
通路表面は、レール表面に限らない。例えば、トンネルの壁面であってもよい。地下鉄といったトンネル内を走行する車両において、トンネルの側壁に向けて発信信号を送信するように送信アンテナ２を配置構成し、側壁から反射した反射波を複数の受信アンテナで受信して、上記の実施形態と同様の手法で鉄道車両の走行速度を演算・検出することとしてもよい。
【００８１】
図８は、この場合におけるアンテナの配置構成の一例を示す図である。図８によれば、地下鉄の車両の側面から、トンネル壁面に対向するように送信アンテナ２及び受信アンテナ３（３Ａ，３Ｂ）が設置されている。送信アンテナ２は、送信方向をトンネル壁面に向けて設置された指向性アンテナである。そして、送信アンテナ２からトンネルの側壁に向けて発信信号を送信し、トンネルの側壁からの反射波を複数の受信アンテナ３で受信して、上記の実施形態と同様の原理で地下鉄の走行速度を算出・計測する。
【００８２】
この場合における送信アンテナ２及び受信アンテナ３は、上記の実施形態と同様に、例えば第１受信アンテナ３Ａ及び第２受信アンテナ３Ｂの設置間隔が、１０ｃｍ〜２０ｃｍの範囲内とすると好適である。
【００８３】
なお、本変形例のほかにも、例えば鉄道車両の屋根部分に送信アンテナ２及び複数の受信アンテナ３を設置し、送信アンテナ２から架線に向けて発信信号を送信するようなシステムを構成してもよい。
【００８４】
６−４．車両
上記の実施形態では、車両を鉄道車両として説明したが、車両は鉄道車両に限られないことは勿論である。例えば、通路である道路を走行する自動車に適用してもよい。
【００８５】
６−５．送信信号の変調
送信信号を変調することとしてもよい。この場合、搬送波は、直進性を高めるために高周波数とし、変調波は、位相差の検出精度を向上させるためにできる限り低い周波数とすると好適である。変調方式は、例えば振幅変調や位相変調、スペクトル拡散変調などを利用することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１          速度計測装置
２          送信アンテナ
３          受信アンテナ
３Ａ        第１受信アンテナ
３Ｂ        第２受信アンテナ
３Ｂ        第３受信アンテナ
５          送信部
６          受信部
７          ドップラー周波数検出回路
８          位相差検出回路
９          走行速度算出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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