(57)【要約】【課題】対象物までの距離を適正に測定することができる距離測定装置、距離測定方法および水位測定システムを提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る距離測定装置は、送信器と、受信器と、信号処理部と、距離情報生成部とを具備する。上記送信器は、周波数変調された送信波を送信する。上記受信器は、前記送信波が対象物で反射した反射波を受信する。上記信号処理部は、前記受信器から出力される受信信号を直交検波し前記受信信号の振幅及び位相に関する情報を含むＩ／Ｑ信号を生成する。上記距離情報生成部は、前記Ｉ／Ｑ信号各々の時間領域の伝搬特性に基づいて、前記対象物までの距離に関する距離情報を生成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変調された送信波を送信する送信器と、
前記送信波が対象物で反射した反射波を受信する受信器と、
前記受信器から出力される受信信号を直交検波し前記受信信号の振幅及び位相に関する情報を含むＩ／Ｑ信号を生成する信号処理部と、
前記Ｉ／Ｑ信号各々の時間領域の伝搬特性に基づいて、前記対象物までの距離に関する距離情報を生成する距離情報生成部と
を具備する距離測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の距離測定装置であって、
前記距離情報生成部は、前記Ｉ／Ｑ信号各々の波形ピークの相関を評価し、その評価結果に基づいて前記距離情報を生成する
距離測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の距離測定装置であって、
前記Ｉ／Ｑ信号各々がピークレベルの異なる複数のピーク領域を有し、Ｉ信号における各ピーク領域間でのピークレベルの大小関係とＱ信号における各ピーク領域間でのピークレベルの大小関係との間に相違がある場合、前記距離情報生成部は、前記相違がある期間の距離情報を無効とする
距離測定装置。
【請求項４】
周波数変調された送信波を送信し、
前記送信波が対象物で反射した反射波を受信し、
前記反射波の受信信号を直交検波することで、前記受信信号の振幅及び位相に関する情報を含むＩ／Ｑ信号を生成し、
前記Ｉ／Ｑ信号各々について時間領域の伝搬特性を算出し、
前記Ｉ／Ｑ信号各々の時間領域の伝搬特性に基づいて、前記対象物までの距離に関する距離情報を生成する
距離測定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の距離測定方法であって、
前記距離情報を生成する工程は、前記Ｉ／Ｑ信号各々の波形ピークの相関を評価し、その評価結果に基づいて前記距離情報を生成する
距離測定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の距離測定方法であって、
前記距離情報を生成する工程は、
前記Ｉ／Ｑ信号各々の複数の波形ピークを評価し、
Ｉ信号における各ピーク領域間でのピークレベルの大小関係とＱ信号における各ピーク領域間でのピークレベルの大小関係との間に相違がある場合は、前記相違がある期間の距離情報を無効とする
距離測定方法。
【請求項７】
周波数変調された送信波を送信する送信器と、前記送信波が水面で反射した反射波を受信する受信器とを有し、橋梁に設置された送受信部と、
前記受信器から出力される受信信号を直交検波し前記受信信号の振幅及び位相に関する情報を含むＩ／Ｑ信号を生成する信号処理部と、
前記Ｉ／Ｑ信号各々の時間領域の伝搬特性に基づいて水位に関する情報を生成する水位情報生成部と
を具備する水位測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波を用いて対象物との距離を測定する距離測定装置、距離測定方法および水位測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電波によって対象物との距離を測定する技術として、ＦＭＣＷ（Frequency Modulation Continuous Wave）レーダが知られている（例えば特許文献１参照）。ＦＭＣＷレーダは、周期的に一定の割合で周波数が上昇し、また下降する電波を発信し、その反射波とのビート成分から、検知対象物までの距離と相対速度を求めるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１４３６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＦＭＣＷレーダにおいては、送信波の変調波形や対象物での送信波の反射面に時間的な変化が生じると、取得した距離情報が正しいのか否かを判断することが困難となり、対象物までの距離を正しく測定することができない場合がある。
【０００５】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、対象物までの距離を適正に測定することができる距離測定装置、距離測定方法および水位測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る距離測定装置は、送信器と、受信器と、信号処理部と、距離情報生成部とを具備する。
上記送信器は、周波数変調された送信波を送信する。
上記受信器は、前記送信波が対象物で反射した反射波を受信する。
上記信号処理部は、前記受信器から出力される受信信号を直交検波し前記受信信号の振幅及び位相に関する情報を含むＩ／Ｑ信号を生成する。
上記距離情報生成部は、前記Ｉ／Ｑ信号各々の時間領域の伝搬特性に基づいて、前記対象物までの距離に関する距離情報を生成する。
【０００７】
上記距離測定装置は、受信信号を直交検波した２つの信号（Ｉ信号、Ｑ信号）の伝搬特性に基づいて対象物までの距離に関する距離情報を生成するように構成されているため、対象物までの距離を適正に測定することができる。
【０００８】
前記距離情報生成部は、前記Ｉ／Ｑ信号各々の波形ピークの相関を評価し、その評価結果に基づいて前記距離情報を生成するように構成されてもよい。
典型的には、Ｉ／Ｑ信号各々の波形ピークが一致する場合は、生成された距離情報が適正であると評価される。
【０００９】
前記Ｉ／Ｑ信号各々がピークレベルの異なる複数のピーク領域を有し、Ｉ信号における各ピーク領域間でのピークレベルの大小関係とＱ信号における各ピーク領域間でのピークレベルの大小関係との間に相違がある場合、前記距離情報生成部は、上記相違がある期間の距離情報を無効とするように構成されてもよい。
距離情報を無効とする処理としては、距離情報の生成を中断する処理、生成された距離情報の出力を中止する処理等が含まれる。このように、Ｉ／Ｑ信号の伝搬特性から、距離情報の適否が判定されるため、誤った距離情報を測定値として出力することが防止される。
【００１０】
本発明の一形態に係る距離測定方法は、周波数変調された送信波を送信することを含む。
前記送信波が対象物で反射した反射波が受信される。
前記反射波の受信信号を直交検波することで、前記受信信号の振幅及び位相に関する情報を含むＩ／Ｑ信号が生成される。
前記Ｉ／Ｑ信号各々について時間領域の伝搬特性が算出される。
前記Ｉ／Ｑ信号各々の時間領域の伝搬特性に基づいて、前記対象物までの距離に関する距離情報が生成される。
【００１１】
前記距離情報を生成する工程は、前記Ｉ／Ｑ信号各々の波形ピークの相関を評価し、その評価結果に基づいて前記距離情報を生成してもよい。
【００１２】
前記距離情報を生成する工程は、
前記Ｉ／Ｑ信号各々の複数の波形ピークを評価し、
Ｉ信号における各ピーク領域間でのピークレベルの大小関係とＱ信号における各ピーク領域間でのピークレベルの大小関係との間に相違がある場合は、上記相違がある期間の距離情報を無効としてもよい。
【００１３】
本発明の一形態に係る水位測定システムは、送受信部と、信号処理部と、水位情報生成部とを具備する。
上記送受信部は、周波数変調された送信波を送信する送信器と、前記送信波が水面で反射した反射波を受信する受信器とを有する。上記送受信部は、橋梁に設置される。
上記信号処理部は、前記受信器から出力される受信信号を直交検波し前記受信信号の振幅及び位相に関する情報を含むＩ／Ｑ信号を生成する。
上記水位情報生成部は、前記Ｉ／Ｑ信号各々の時間領域の伝搬特性に基づいて水位に関する情報を生成する。
【発明の効果】
【００１４】
以上述べたように、本発明によれば、対象物までの距離を適正に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る水位測定システム（距離測定装置）の概略構成図である。
【図２】上記水位測定システムの構成を示すブロック図である。
【図３】上記水位測定システムにおける信号処理部の動作の一例を説明する図であって、Ａは、送信信号の周波数の時間変化を、Ｂは、送信波（送信信号）の出力波形を、Ｃは、受信波（受信信号）の出力波形を、そしてＤは、ビート成分の出力波形をそれぞれ示している。
【図４】上記信号処理部において生成されたＩ信号（Ｉ波）及びＱ信号（Ｑ波）の周波数特性の一例を示す図である。
【図５】上記信号処理部において生成されたＩ信号（Ｉ波）及びＱ信号（Ｑ波）の周波数特性の他の一例を示す図である。
【図６】上記水位測定システムにおける水位情報生成部において取得されたＩ／Ｑ信号の時間領域の伝搬特性の一例を示す図である。
【図７】図６の要部を拡大して示す図である。
【図８】上記水位測定システムにおける水位情報生成部において取得されたＩ／Ｑ信号の時間領域の伝搬特性の他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
図１は本発明の一実施形態に係る水位測定システム（距離測定装置）の概略構成図、図２は当該水位測定システムの構成を示すブロック図である。
【００１８】
本実施形態の水位測定システム１００は、電波を用いて河川や湖沼の水位を測定するように構成される。図１に示すように、水位測定システム１００は、送受信部（アンテナ）１０と、信号処理部２０と、水位情報生成部３０（距離情報生成部）とを備える。
【００１９】
送受信部１０は、測定対象である河川や湖沼の上に架け渡された橋梁Ｂに設置される。橋梁Ｂは、典型的には、鉄道橋や道路橋であるが、これに限られない。
【００２０】
送受信部１０は、送信器１１と、受信器１２とを有する（図２参照）。送受信部１０は、直下の水面Ｗａに向けて電波ＥＷを送信し、水面Ｗａでの反射波ＲＷを受信することが可能に、橋梁Ｂの適宜の位置（例えば底部中央）に設置される。
【００２１】
信号処理部２０は、送信器１１から電波ＥＷを送信するための送信信号を生成するとともに、反射波ＲＷを受信する受信器１２から出力される受信信号を直交検波して、受信信号の振幅及び位相に関する情報を含むＩ／Ｑ信号を生成するように構成される。ここで、Ｉ／Ｑ信号は、Ｉ信号と、Ｉ信号とは位相が９０°異なるＱ信号との総称をいう。
【００２２】
信号処理部２０は、図２に示すように、信号発生回路２１と、検波回路２２とを有する。信号発生回路２１は、発振器２１１と、三角波発生器２１２と、増幅器２１３，２１４と、混合器２１５とを有する。
【００２３】
図３Ａ〜Ｄは信号発生回路２１の各部の動作の一例を説明する図であって、Ａは、送信信号の周波数の時間変化を、Ｂは、送信波（送信信号）の出力波形を、Ｃは、受信波（受信信号）の出力波形を、そしてＤは、ビート成分の出力波形をそれぞれ示している。図３において、「ｔ」は電波の往復時間、「Ｒ」は送受信部１０から水面Ｗａまでの距離、「ｃ」は電波の伝搬速度（光速）を表している。
【００２４】
発振器２１１は、基準周波数が例えば２４ＧＨｚの高周波信号を発生し、三角波発生器２１２から入力される三角波で周波数変調された送信信号を、増幅器２１３を介して送信器１１へ出力する。三角波発生器２１２は、上記高周波信号の周波数を例えば２４．０５ＧＨｚ〜２４．２５ＧＨｚの間において一定周期で掃引する（図３Ａ参照）。これにより周期的に一定の割合で周波数が上昇し、あるいは下降する電波が、送信器１１から水面Ｗａに向けて送信される（図３Ｂ参照）。
【００２５】
水面Ｗａで反射した電波ＥＷの反射波ＲＷは、受信器１２により受信され、その受信信号が増幅器２１４を介して混合器２１５へ入力される（図３Ｃ参照）。混合器２１５は、発振器２１１が発生した基準周波数の高周波信号と受信器１２から出力される受信信号とを混合（乗算）し、そのビート成分（ビート信号）を出力する（図３Ｄ参照）。
【００２６】
検波回路２２は、分配器２２１と、位相シフタ２２２と、Ｉ信号生成器２２３と、Ｑ信号生成器２２４とを有する。
【００２７】
分配器２２１は、混合器２１５から出力されるビート信号をＩ信号生成器２２３とＱ信号生成器２２４とにそれぞれ分配する。位相シフタ２２２は、発振器２１１において生成される高周波信号を基準信号として、基準信号の０°成分をＩ信号生成器２２３へ入力し、基準信号の９０°成分をＱ信号生成器２２４へ入力する。Ｉ信号生成器２２３は、ビート信号と基準信号の０°成分とを混合（乗算）することでＩ信号を生成し、Ｑ信号生成器２２４は、ビート信号と基準信号の９０°成分とを混合（乗算）することでＱ信号を生成する。
【００２８】
ここで、Ｉ信号とＱ信号の二乗和は受信信号の強度に相当し、Ｉ信号とＱ信号の二乗和の平方根は受信信号の振幅に相当し、Ｉ信号とＱ信号の逆正接は位相に相当する。Ｉ信号（Ｉ波）及びＱ信号（Ｑ波）の周波数特性の一例を図４に示す。
【００２９】
水位情報生成部３０は、Ｉ／Ｑ信号各々の時間領域の伝搬特性に基づいて水位に関する情報を生成するように構成される。水位情報生成部３０は、信号処理部２０と有線で電気的に接続されてもよいし、無線で電気的に接続されてもよい。後者の場合、水位情報生成部３０を測定場所以外の場所に設置することができるため、管理性や設置コスト等の点で有利である。
【００３０】
水位に関する情報は、典型的には、洪水の危険度の判定に用いられる。水位に関する情報には、水位だけでなく、通常時の水面の高さを基準とした水位の変化量（上昇量）や変化率（上昇率）等が含まれてもよい。また、予め設定された複数の水位レベルのうち何れのレベルに属するかの判断結果が含まれてもよい。
【００３１】
水位情報生成部３０は、図示しない表示機器や記憶装置等の外部機器に接続される。これら外部機器は、測定された水位情報の時間変化や水位の上昇率等の監視用データを表示し、あるいはこれらの測定値を記憶する。水位測定システム１００はさらに、水面を撮影するカメラ、外気の温度あるいは湿度を検出する温度センサあるいは湿度センサ等をさらに備えていてもよい。
【００３２】
水位情報生成部３０は、図２に示すように、Ａ／Ｄ変換器３１，３２と、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算器３３と、判断部３４とを有する。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換器３１，３２は、Ｉ／Ｑ信号各々をアナログ信号からデジタル信号に変換して、ＦＦＴ演算器３３へ出力する。ＦＦＴ演算器３３は、Ｉ／Ｑ信号各々を逆フーリエ変換することで、上記ビート信号のＩ成分及びＱ成分各々の時間領域の伝搬特性を取得する。この際、例えば図５に示すように、所定の周波数以上の周波数関数は捨てデータ（実数部及び虚数部をいずれも０）としてもよく、これにより分解能の向上を図ることができる。
【００３４】
ＦＦＴ演算器３３において算出されたＩ／Ｑ信号の時間領域の伝搬特性の一例を図６に、同図におけるＩ／Ｑ信号各々の波形ピーク部付近の詳細を図７にそれぞれ示す。図中、横軸は受信信号の伝搬時間を基に算出された距離、縦軸は振幅レベル（任意単位）である（図８についても同様）。
【００３５】
図６及び図７に示すように、典型的には、Ｉ／Ｑ信号のピーク位置は相互に一致する。この場合、各々のピークレベルが最大の位置が対象物（本例では水面Ｗａ）までの距離として判定される。
【００３６】
ところで、電波を用いた河川等の水位を測定は、送受信部１０が設置される橋梁Ｂの振動や風雨の影響を受け易く、また、対象物である水面Ｗａに浮遊物等の異物が存在していると水面Ｗａでの反射波ＲＷを適切に受信することができない場合がある。この場合、例えば図８に示すように、Ｉ信号及びＱ信号相互間でのピーク位置のずれやレベルの差分が増大したり、各信号について有意の複数の波形ピークが混在したりする。このような場合、適正な水位情報（距離情報）を取得することが困難となり、誤測定の原因となる。
【００３７】
そこで本実施形態の水位情報生成部３０は、ＦＦＴ演算器３３から出力されるＩ／Ｑ信号各々の時間領域の伝搬特性を評価し、これらＩ／Ｑ信号の伝搬特性が適正か否かを判断する判断部３４を有する。
【００３８】
判断部３４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等を含むコンピュータで構成される。判断部３４は、所定周期でＩ／Ｑ信号各々の伝搬特性を取得し、各々の波形ピークの相関を評価して、その評価結果に基づいて水位情報（距離情報）を生成する。上記所定周期は特に限定されず、例えば、数分、数十分、あるいは数時間である。
【００３９】
例えば図６及び図７に示すように、Ｉ／Ｑ信号各々のピーク位置が相互に一致する場合、判断部３４は、受信信号は対象物（水面Ｗａ）からの適正な反射波ＲＷに基づく受信信号と判断する。そして判断部３４は、Ｉ／Ｑ信号各々のピークレベルが最大の位置を対象物（水面Ｗａ）までの距離として表示器等の外部機器へ出力する。
【００４０】
一方、判断部３４は、図８に示すように、Ｉ／Ｑ信号各々のピーク位置やレベルに差分が生じており、あるいはＩ／Ｑ信号各々に複数の有意な波形ピークが混在している場合、以下の条件を満たす場合は、受信信号が適正でないと判断するように構成される。
【００４１】
すなわち、Ｉ／Ｑ信号各々がピークレベルの異なる複数のピーク領域を有し、Ｉ信号における各ピーク領域間でのピークレベルの大小関係とＱ信号における各ピーク領域間でのピークレベルの大小関係との間に相違がある場合、判断部３４は、上記相違がある期間の距離情報を無効とする。
【００４２】
Ｉ／Ｑ信号各々がピークレベルの異なる複数のピーク領域を有するとは、図８に示すようにＩ信号及びＱ信号がそれぞれ２つ以上のピーク領域を有することを意味する。
また、Ｉ信号における各ピーク領域間でのピークレベルの大小関係とは、例えば図８におけるＩ信号の第１波形ピークＩ（１）と第２波形ピークＩ（２）とのレベルの大小関係をいい、図示の例では、Ｉ（１）＜Ｉ（２）である。
同様に、Ｑ信号における各ピーク領域間でのピークレベルの大小関係とは、図８におけるＱ信号の第１波形ピークＱ（１）と第２波形ピークＱ（２）とのレベルの大小関係をいい、図示の例では、Ｑ（１）＞Ｑ（２）である。
【００４３】
ここでは、Ｉ信号及びＱ信号の第１波形ピークＩ（１）、Ｑ（１）は相互に対応する波形ピークとし、同様にＩ信号及びＱ信号の第２波形ピークＩ（２）、Ｑ（２）も相互に対応する波形ピークとする。そして、それぞれ対応する波形ピークどうしを比較すると、図８の例では、両者はレベルの大小関係が異なる関係にあると判断できる。
【００４４】
このようにＩ／Ｑ信号間の波形ピークレベルの大小関係に相違がある場合、判断部３４は、取得した受信信号が適正な距離情報を算出する上で不適切な信号であると判断し、当該相違がある期間（タイミング）に取得した水位情報（距離情報）を無効とする。これにより、外部機器へ当該不適切な水位情報が出力されることを阻止できるため、信頼性の高い測定値のみを提供することができることになる。
【００４５】
判断部３４における距離情報を無効とする処理としては、距離情報の生成を中断する処理でもよいし、生成された距離情報の出力を中止する処理でもよい。Ｉ／Ｑ信号間の波形ピークレベルの大小関係に相違がある状態は一時的である場合が多いため、判断部３４は、距離情報を無効にしたときは、継続してＩ／Ｑ信号の伝搬特性を取得して距離情報を生成してもよい。
【００４６】
判断部３４において比較の対象とされるＩ／Ｑ信号各々の２つの波形ピークは特に限定されず、典型的には、ピークレベルが最も高い波形ピークと２番目に高い波形ピークが参照される。また、比較の対象とされる波形ピークは２つに限られず、３つ以上であってもよい。
【００４７】
以上のように本実施形態の水位測定システム１００によれば、受信信号を直交検波した２つの信号（Ｉ信号、Ｑ信号）の伝搬特性に基づいて対象物までの距離に関する距離情報を生成するように構成されているため、対象物までの距離を適正に測定することができる。
【００４８】
また、水位情報生成部３０は、Ｉ／Ｑ信号各々の波形ピークの相関を評価し、その評価結果に基づいて上記距離情報を生成するように構成されているため、測定環境に起因して生じ得るＩ／Ｑ信号の変動を適切に評価することができる。したがって、河川の水位測定等、外部環境に左右されやすい測定条件下においても適正な水位情報を安定に取得することが可能となる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。
【００５０】
例えば以上の実施形態では、河川等の水位測定に本発明を適用した例について説明したが、勿論これに限られず、例えば車載用の衝突防止レーダなど、水面以外の他の対象物との距離の測定にも本発明は適用可能である。
【００５１】
また、以上の実施形態では、送受信部１０が送信用（送信器１１）及び受信用（受信器１２）の２つのアンテナで構成されたが、送信及び受信を兼ねる１つのアンテナで送受信部１０が構成されてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０…送受信部
１１…送信器
１２…受信器
２０…信号処理部
２１…信号発生回路
２２…検波回路
３０…水位情報生成部
３４…判断部
２１１…発振器
２２３…Ｉ信号発生器
２２４…Ｑ信号発生器
【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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