(57)【要約】【課題】測距装置，水位計測システム及び測距方法に関し、距離導出精度を向上させる。【解決手段】測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波のパワー信号pを取得し、パワー信号pから構築される解析信号pa(fd)の距離スペクトル|P(x)|に基づいて測定対象までの距離を計測する測距装置に関する。パワー信号pの直流成分DCをパワー信号pから除去した第一交流信号P(fd,x)を導出する除去部８を設ける。第一交流信号P(fd,x)に基づき、第一交流信号P(fd,x)に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号P(fd,x-(λ/8))を算出する直交算出部９を設ける。第一交流信号P(fd,x)及び第二交流信号P(fd,x-(λ/8))に基づき、解析信号pa(fd)を構築する構築部１０を設ける。【選択図】図１
2019015699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波のパワー信号を取得し、前記パワー信号から構築される解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する測距装置であって、
前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出する除去部と、
前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出する直交算出部と、
前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、前記解析信号を構築する構築部と、を備える
ことを特徴とする、測距装置。
【請求項２】
前記直交算出部が、前記第一交流信号をその振幅成分で除した商と前記第二交流信号をその振幅成分で除した商との二乗和が１に等しい関係を用いて、前記第二交流信号を算出する
ことを特徴とする、請求項１記載の測距装置。
【請求項３】
前記除去部が、前記パワー信号の平均値を前記直流成分として除去する
ことを特徴とする、請求項１または２記載の測距装置。
【請求項４】
前記構築部が、前記第一交流信号を実数部とし、前記第二交流信号の符号を反転させたものを虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する第一構築部を有する
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項５】
前記第一構築部が、以下の式Ａで記述される前記解析信号を構築する
ことを特徴とする、請求項４記載の測距装置。
【数１】
2019015699.tif 000015
【請求項６】
前記構築部が、前記第二交流信号の周波数微分を実数部とし、前記第一交流信号の周波数微分を虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する第二構築部を有する
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項７】
前記第二構築部が、以下の式Ｂで記述される前記解析信号を構築する
ことを特徴とする、請求項６記載の測距装置。
【数２】
2019015699.tif 000016
【請求項８】
前記パワー信号の検出位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置である
ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項９】
前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項１０】
第一位置における前記合成波の第一パワー信号と前記第一位置からλ/8の位置である第二位置における前記合成波の第二パワー信号とのうち、パワースペクトルの形状がより正弦波形状に近い一方を前記パワー信号として選択する選択部を備える
ことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項１１】
前記選択部が、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号のうち、所定周波数以下の成分の割合が大きい一方を前記パワー信号として選択する
ことを特徴とする、請求項１０記載の測距装置。
【請求項１２】
測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波のパワー信号を取得するパワーディテクターと、
前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出する除去部と、
前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出する直交算出部と、
前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、前記解析信号を構築する構築部と、
前記解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する距離計測部と、を備える
ことを特徴とする、水位計測システム。
【請求項１３】
測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波のパワー信号を取得し、
前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出し、
前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出し、
前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、前記解析信号を構築し、
前記解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する
ことを特徴とする、測距方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象に照射された電磁波とその反射波との合成波を用いて距離を測定する測距装置，水位計測システム及び測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、周波数掃引された電磁波を測定対象へ照射し、その反射波を利用して測定対象までの距離を測定する測距装置が開発されている。すなわち、発信波の周波数を変化させながら反射波との合成波を順次検出し、発信波の周波数と合成波の振動周期と反射距離との相関関係を利用して反射距離を測定するものである。この種の測距装置は定在波レーダー装置とも呼ばれ、パルス方式やビート周波数方式（周波数差方式）などのレーダー装置と比較して近距離での測距精度を確保しやすいという利点がある（特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2010-271088号公報
【特許文献２】特開2007-147473号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の定在波レーダー装置において、合成波の振動が直交する二位置で得られたパワー信号の周波数微分を用いて解析信号を構築する手法が存在する。特許文献１に記載の技術では、x=0（原点位置は任意の位置）とx=-λ/8との二位置で合成波のパワー信号p(fd,0)，p(fd,-λ/8)を検出し、これらの周波数微分pdiff(fd,0)，pdiff(fd,-λ/8)を用いて解析信号pa(fd)を構築している（段落0028参照）。しかしながら、パワー信号にノイズが混入することで解析信号pa(fd)に乱れが発生し、距離導出精度が低下しうる。例えば、検波器の個体差に由来するパワー信号の変形の影響を受けて、パワー信号のいずれか一方が粗く乱れた形状になることがある。この場合、測定対象までの距離を精度よく把握することが困難となる。
【０００５】
一つの側面では、距離導出精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一つの実施形態では、測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波のパワー信号を取得し、前記パワー信号から構築される解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する測距装置が開示される。この測距装置は、前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出する除去部を備える。また、前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出する直交算出部を備える。さらに、前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、前記解析信号を構築する構築部を備える。
【発明の効果】
【０００７】
一つの側面では、距離導出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例としての測距装置，水位計測システムを示す図である。
【図２】制御装置のハードウェア構成を示す図である。
【図３】測距方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】実測されたパワー信号のパワースペクトル例である。
【図５】第一交流信号及び第二交流信号のパワースペクトル例である。
【図６】測距結果例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、実施形態としての測距装置，水位計測システム及び測距方法を説明する。本実施形態の測距装置における測定対象は液面（水面）であり、液面との距離に基づいて液位（水位）を測定する。ただし、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。すなわち、本実施形態をその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して（例えば、実施形態や変形例を組み合わせることによって）実施することが可能である。
【００１０】
［１．構成］
図１は、定在波レーダー装置１を利用した水位計測システム２０（水位センシングシステム，水位センサシステム）の構成を示す図である。この水位計測システム２０には、定在波レーダー装置１とこれに接続される制御装置１６とが含まれる。水位計測システム２０の測定対象は液面であり、下水管内における水面の高さ（水位）や河川の水位などが計測される。本実施形態の水位計測システム２０では非接触型の測距手法が採用され、水面から離れた位置（例えば、マンホールの蓋の裏側や橋梁の下面側など）に設置される。なお、定在波レーダー装置１は、市販されている公知のドップラーセンサモジュールを利用して作製してもよい。
【００１１】
定在波レーダー装置１には、電圧制御発振器２（VCO，Voltage-Controlled Oscillator），周波数制御部３，アンテナ４，検波器５（パワーディテクター），解析信号出力部６が一体化されたモジュールとして内蔵される。電圧制御発振器２は、アンテナ４から出力される電磁波の周波数を掃引しながら発信するための信号発振器（FM発振器，Frequency Modulator）である。また、周波数制御部３は電圧制御発振器２が生成する信号の周波数を制御するものである。アンテナ４（検出器）は、周波数掃引された電磁波（送信波，発信波）を発信するとともに、その反射波を受信，検出する機能を持った送受信装置である。本実施形態のアンテナ４は、パッチアンテナ（マイクロストリップアンテナ）やホーンアンテナなどである。
【００１２】
電圧制御発振器２は、周波数制御部３から伝達される制御信号に応じた発振信号をアンテナ４に出力する。アンテナ４では、周波数制御部３から伝達された発振信号に応じた電磁波が発信（送信）される。アンテナ４から発信される電磁波は、周波数が掃引された連続波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）であり、その中心周波数f0は例えば24.0[GHz]以上とされる。なお、掃引幅fWは例えば200[MHz]以下とされ、周波数帯域はf0-(fW/2)からf0+(fW/2)までの範囲とされる。なお、掃引幅fWの最大値は各国の電波法で規制されうる。また、二本の電波法では、24.0[GHz]以上の電波帯において200[MHz]よりも広い変調幅が許容されうる。したがって、掃引幅fWは各国の電波法に規定される最大掃引幅以下の範囲で任意に設定すればよい。以下、周波数の掃引時における中心周波数f0との周波数差（掃引周波数）をfdと表記する。すなわち、-(fW/2)≦fd≦(fW/2)である。発信波の周波数fは、「f=f0+fd」と表現することができる。
【００１３】
発信波と反射波との合成波（すなわち、発信波と受信波との干渉によって生じる電磁波であって、いわゆる定在波）の信号レベルは、マイクロ波のセンサーモジュールである検波器５で検出される。検波器５では、合成波の信号電圧の二乗値がパワー信号pとして取得される。発信波の周波数fは、f0-(fW/2)からf0+(fW/2)までの範囲で変動することから、それぞれの掃引周波数fdに対応するパワー信号pが取得されることになる。したがって、パワー信号pは発信波の周波数fと観測点の座標xとの関数p(f,x)で記述することができる。また、中心周波数f0が一定であれば、パワー信号pは掃引周波数fdと観測点の座標xとの関数p(fd,x)で記述することができる。このようにパワー信号pは、座標xにおける周波数fごと（あるいは掃引周波数fdごと）のパワーの分布を表すパワースペクトルとして記述可能である。
【００１４】
検波器５は、少なくとも一箇所以上の位置xで合成波のパワー信号p(fd,x)を取得する機能を持つ。本実施形態の検波器５は、図１中のx軸上における二つの観測点x1，x2でパワー信号pを取得する。ここで、各観測点x1，x2のことを第一位置x1，第二位置x2と呼び、各観測点x1，x2で取得されたパワー信号pのことを第一パワー信号p(fd,x1)，第二パワー信号p(fd,x2)とも表記する。第一位置x1，第二位置x2の座標は、第一パワー信号p(fd,x1)と第二パワー信号p(fd,x2)とが互いに直交する位置に設定される。パワー信号pが正弦波形状であるとき、直交関係にある二つの位置はその正弦波の位相がπ/2相違する位置となる。
【００１５】
第一位置x1は、好ましくは発信波と合成波とが同位相となる位置に設定される。また第二位置x2は、発信波と合成波との位相差がπ/2となる位置〔すなわち、第一位置x1からの距離がλ/8となる位置（λ=c/f0）〕に設定される。このような位置設定により、二つのパワー信号p(fd,x1)，p(fd,x2)の直交性がより完全な状態に近づき、データの信頼性が向上する。発信波と合成波とが同位相となる位置に原点を設定したとき、上記のパワー信号p(fd,x1)，p(fd,x2)は、それぞれp(fd,0)，p(fd,-λ/8)と表現することができる。また、24.0[GHz]の電磁波の波長λは、約12.5[mm]である。したがって、第一位置x1と第二位置x2との間の距離（位置ズレ寸法）を約1.56[mm]に設定すれば、二つのパワー信号p(fd,x1)，p(fd,x2)の位相差がπ/2となる。
【００１６】
解析信号出力部６は、検波器５で検出されたパワー信号p(fd,x)に基づいて解析信号を構築し、制御装置１６に出力するコンピューターである。解析信号とは、制御装置１６で実施される離散フーリエ変換の処理対象となる複素信号である。解析信号は、少なくとも一つのパワー信号pがあれば、そのパワー信号pと直交関係にある直交信号を求めてこれを併用することで構築可能である。したがって、検波器５で取得されるパワー信号p(fd,x)が一つであっても、測定対象までの距離を計測することができる。一方、直交関係にある二つのパワー信号pを用いて解析信号を構築することも可能である。また、二つのパワー信号pの一方を選択し、選択されたパワー信号pから生成される直交信号を併用して解析信号を構築してもよい。なお、解析信号出力部６は、A/Dコンバータ（アナログ・ディジタル変換器）としての機能を有し、解析信号をディジタル信号（離散化信号）として出力可能である。
【００１７】
図２中に、定在波レーダー装置１に内蔵される解析信号出力部６のハードウェア構成を例示する。解析信号出力部６には、プロセッサ２１（中央処理装置），メモリ２２（主記憶装置，メインメモリ），補助記憶装置２３，インタフェース装置２４などが内蔵され、内部バス２６を介して互いに通信可能に接続される。プロセッサ２１は、制御ユニット（制御回路）や演算ユニット（演算回路），キャッシュメモリ（レジスタ群）などを内蔵する汎用のCPU（Central Processing Unit）やDSP（Digital Signal Processor）である。メモリ２２は、プログラムや作業中のデータが格納される記憶装置であり、ROM（Read Only Memory），RAM（Random Access Memory）がこれに含まれる。
【００１８】
補助記憶装置２３は、メモリ２２よりも長期的に保持されるデータやファームウェアが格納される記憶装置であり、フラッシュメモリやEEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）などの不揮発性メモリがこれに含まれる。インタフェース装置２４は、解析信号出力部６と外部との間の入出力（Input and Output；I/O）を司るものである。解析信号出力部６で実行されるプログラムは、補助記憶装置２３や後述する制御装置１６に記録，保存される。
【００１９】
図１中に示すように、解析信号出力部６には、選択部７，除去部８，直交算出部９，構築部１０が設けられ、構築部１０には第一構築部１１と第二構築部１２とが設けられる。これらの要素は、解析信号出力部６の機能を便宜的に分類して示したものであり、個々の要素を独立したプログラムとして記述してもよいし、これらの機能を兼ね備えた複合プログラムとして記述してもよい。あるいは、ソフトウェアで各機能を実現する代わりに、個々の要素に対応する演算回路をハードウェアとして形成してもよい。
【００２０】
選択部７は、検波器５で取得されたパワー信号pが複数存在する場合に、それらの中から一つのパワー信号pを選択するものである。パワー信号pの選択基準としては、パワースペクトルの形状が正弦波形状に近い（近似した）形状であることや、滑らかな曲線状であることなどが挙げられる。好ましくは、複数のパワー信号pのうち、パワースペクトルの形状が正弦波形状に最も近いこと（最も近似していること）や、所定周波数以下の成分の割合が最も大きいこと（高周波振動成分が比較的少なく、大局的な形状が正弦波に近似していること）などが選択条件に追加される。あるいは、予め設定された、正弦波形状のテンプレートとの比較により、正弦波形状により近い形状である一方を選択するような演算構成としてもよい。ここで選択されたパワー信号pの情報は、除去部８に伝達される。また、検波器５で取得されたパワー信号pが一つである場合には、そのパワー信号pの情報が除去部８に伝達される。
【００２１】
本実施形態の選択部７はまず、第一位置x1における合成波の第一パワー信号p(fd,x1)と第二位置x2における合成波の第二パワー信号p(fd,x2)とのそれぞれについて、高速フーリエ変換（FFT，Fast Fourier Transform）を実施する。続いて、各パワー信号pの低周波成分（所定周波数以下の成分）と高周波成分（所定周波数を超える成分）との双方を算出し、前者の割合が大きい一方を「パワースペクトルの形状がより正弦波形状に近いもの」として選択する。
【００２２】
除去部８は、選択部７から伝達されたパワー信号pに基づいて第一交流信号P(fd,x)を導出するものである。第一交流信号P(fd,x)は、パワー信号pからその直流成分DCを除去することによって導出される。直流成分DCは、パワー信号pの平均値として算出される。平均値は、例えば最小二乗法を用いてパワースペクトルを周波数軸に平行な直線に近似し、その近似直線と周波数軸との距離を算出することによって求められる。あるいは、パワースペクトルの中央値（パワー中央値）や相加平均などを平均値としてもよい。第一交流信号P(fd,x)の算定式を以下に例示する。
【００２３】
【数１】
2019015699.tif 000003
【００２４】
このように、パワー信号pから直流成分DCを除去することでパワースペクトルのバイアスが除去され、後述する構築部１０で構築される解析信号pa(fd)が適正化される。なお、検波器５で取得されたパワー信号pが一つである場合には、そのパワー信号pが直流成分DCの除算対象となる。一方、検波器５で取得されたパワー信号pが複数存在する場合には、選択部７で選択されたパワー信号pが直流成分DCの除算対象となる。ここで導出された第一交流信号P(fd,x)の情報は、直交算出部９と構築部１０とに伝達される。
【００２５】
直交算出部９は、第一交流信号P(fd,x)に基づき、第一交流信号P(fd,x)と直交する第二交流信号P(fd,x-(λ/8))を算出するものである。第二交流信号P(fd,x-(λ/8))は、第一交流信号P(fd,x)に対してπ/2の位相差を持つように生成される理論上の信号であって、実測された信号ではない。例えば、第一交流信号P(fd,x)が第一位置x1で取得された第一パワー信号p(fd,x1)に由来するものであったとしても、第二位置x2で取得された第二パワー信号p(fd,x2)に基づいて第二交流信号P(fd,x-(λ/8))を生成するのではなく、第一交流信号P(fd,x)に基づいて第二交流信号P(fd,x-(λ/8))を生成する。
【００２６】
本実施形態の直交算出部９は、第一交流信号P(fd,x)をその振幅成分Aで除した商と第二交流信号P(fd,x-(λ/8))をその振幅成分Aで除した商との二乗和が１に等しい関係を用いて、第一交流信号P(fd,x)と同一の振幅成分Aを有する第二交流信号P(fd,x-(λ/8))を算出する。算定式を以下に例示する。なお、第一位置（x1=0）における検波器５の出力は式３で表され、第二位置（x2=-λ/8）における検波器５の出力は式４で表される。また、式２は式３，式４から導出可能である。ここで算出された第二交流信号P(fd,x-(λ/8))の情報は、構築部１０に伝達される。
【００２７】
【数２】
2019015699.tif 000004
【００２８】
構築部１０は、第一交流信号P(fd,x)と第二交流信号P(fd,x-(λ/8))とに基づき、解析信号pa(fd)を構築するものである。構築部１０には、第一構築部１１と第二構築部１２とが設けられる。第一構築部１１は、二つの交流信号に周波数微分処理を施すことなく解析信号pa(fd)を構築するものである。これに対し、第二構築部１２は、二つの交流信号の各々に周波数微分処理を施した上で解析信号pa(fd)を構築するものである。構築部１０は、第一構築部１１，第二構築部１２の少なくともいずれか一方で解析信号pa(fd)を構築し、その解析信号pa(fd)を制御装置１６に出力する。
【００２９】
本実施形態の第一構築部１１は、第一交流信号P(fd,x)を実数部とし、第二交流信号P(fd,x-(λ/8))の符号を反転させたものを虚数部とした複素信号である解析信号pa(fd)を構築する機能を持つ。この解析信号pa(fd)は、パワー信号pの周波数微分を含まないという点で、従来手法で使用される解析信号とは相違する。パワー信号pの周波数微分の代わりに二つの交流信号を使用して解析信号pa(fd)を構築することで、微分処理に伴う情報の欠落やノイズの混入が抑制される。これにより、パワースペクトルの分布形状が滑らかな曲線状となり、距離導出精度が向上する。ここで構築される解析信号pa(fd)は、以下の式５で記述される。
【００３０】
【数３】
2019015699.tif 000005
【００３１】
一方、第二構築部１２は、第二交流信号P(fd,x-(λ/8))の周波数微分を実数部とし、第一交流信号P(fd,x)の周波数微分を虚数部とした複素信号である解析信号pa(fd)を構築する機能を持つ。この解析信号pa(fd)は、パワー信号pの周波数微分を含むという点で、従来手法で使用される解析信号と共通する。したがって、本実施形態の制御を従来製品で実施するような場合には、第一構築部１１よりも第二構築部１２の方が、適合性が高い可能性がある。ここで構築される解析信号pa(fd)は、以下の式６で記述される。
【００３２】
【数４】
2019015699.tif 000006
【００３３】
制御装置１６は、定在波レーダー装置１から伝達される解析信号pa(fd)に基づき、反射波を反射した測定対象までの距離dを計測，算出するためのコンピューターである。図２中に示す制御装置１６は、定在波レーダー装置１とは別体に設けられた制御装置１６を例示するものであるが、制御装置１６の機能を定在波レーダー装置１に内蔵させることも可能である。制御装置１６には、プロセッサ３１，メモリ３２（主記憶装置，メインメモリ），補助記憶装置３３，インタフェース装置３４，記録媒体ドライブ３５などが内蔵され、内部バス３６を介して互いに通信可能に接続される。
【００３４】
プロセッサ３１は、制御ユニットや演算ユニット，キャッシュメモリなどを内蔵する汎用のCPUやDSPである。メモリ３２は、プログラムや作業中のデータが格納される記憶装置であり、ROM，RAMがこれに含まれる。補助記憶装置３３は、メモリ３２よりも長期的に保持されるデータやファームウェアが格納される記憶装置であり、フラッシュメモリやEEPROMなどの不揮発性メモリがこれに含まれる。インタフェース装置３４は、制御装置１６と外部との間の入出力（I/O）を司るものである。
【００３５】
記録媒体ドライブ３５は、少なくとも光ディスクや半導体メモリなどの記録媒体３８に記録，保存された情報を読み取る機能を持った読取装置（又は読取・書込装置）である。制御装置１６で実行されるプログラムは、メモリ内に記録，保存されることとしてもよいし、補助記憶装置３３の内部に記録，保存されることとしてもよい。あるいは、記録媒体３８上にプログラムが記録，保存され、その記録媒体３８に書き込まれているプログラムが記録媒体ドライブ３５を介して制御装置１６に読み込まれて実行されることとしてもよい。
【００３６】
制御装置１６には、上述の定在波レーダー装置１や出力装置３７が接続される。接続形態は任意であり、有線接続であってもよいし無線接続であってもよい。また、出力装置３７の具体例としては、ディスプレイ装置やプリンター装置などが挙げられる。図１に示すように、制御装置１６で実行される測距プログラムには、フーリエ変換部１７と距離計測部１８とが含まれる。これらは、測距プログラムの機能を便宜的に分類して示したものであり、個々の要素を独立したプログラムとして記述してもよいし、これらの機能を兼ね備えた複合プログラムとして記述してもよい。
【００３７】
フーリエ変換部１７は、定在波レーダー装置１から伝達される解析信号pa(fd)にフーリエ変換処理を施すことで、距離スペクトル|P(x)|を算出するものである。また、距離計測部１８は、フーリエ変換部１７で算出された距離スペクトル|P(x)|のピーク位置を与える距離dを算出し、距離dに基づいて水位を導出するものである。解析信号pa(fd)の周期は距離dと逆比例関係にある。したがって、距離スペクトル|P(x)|のピーク位置を与える距離dは、測定対象までの距離dとなる。なお、複素表現された解析信号pa(fd)から距離dを算出するための具体的手法としては、公知の演算手法を用いることができる。例えば、以下に示す式７に基づいて距離スペクトル|P(x)|を算出すればよい。
【００３８】
【数５】
2019015699.tif 000007
【００３９】
［２．フローチャート］
図４は、本実施形態の測距方法を説明するためのフローチャートである。まず、周波数変調連続波（FMCW波）が定在波レーダー装置１のアンテナ４から水面（液面）に向かって送信される。発信波は、その周波数がf0-(fW/2)からf0+(fW/2)まで掃引された電磁波とされる。また、水面で反射したその反射波は、アンテナ４で受信される（ステップＡ１）。続いて、発信波と反射波とを合成した合成波が検波器５で検出される。ここでは、二つの観測点x1，x2におけるパワー信号pがそれぞれ第一パワー信号p(fd,x1)，第二パワー信号p(fd,x2)として取得される（ステップＡ２）。これらのパワー信号pは解析信号出力部６に伝達される。ここで、第一位置x1は発信波と合成波とが同位相となる位置に設定される。
【００４０】
解析信号出力部６の選択部７では、第一パワー信号p(fd,x1)と第二パワー信号p(fd,x2)とのうち、パワースペクトルの形状がより正弦波形状に近い一方が選択される（ステップＡ３）。ここでは、各パワー信号pのパワースペクトルのうち所定周波数以下の低周波成分と所定周波数を超える高周波成分とが算出され、低周波成分の割合が大きい一方のパワー信号pが選択される。また除去部８では、選択部７で選択されたパワー信号pの直流成分DCが除去され、第一交流信号P(fd,x)が導出される（ステップＡ４）。ここでは、パワー信号pの平均値が直流成分DCとされる。
【００４１】
直交算出部９では、第一交流信号P(fd,x)に基づき、第一交流信号P(fd,x)に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号P(fd,x-(λ/8))が算出される（ステップＡ５）。ここでは、第一交流信号P(fd,x)をその振幅成分Aで除した商と第二交流信号P(fd,x-(λ/8))をその振幅成分Aで除した商との二乗和が１に等しい関係（式２参照）に基づいて、第二交流信号P(fd,x-(λ/8))が算出される。これにより、第一交流信号P(fd,x)に対する直交性の高い第二交流信号P(fd,x-(λ/8))が精度よく算出される。
【００４２】
構築部１０では、上記の第一交流信号P(fd,x)と第二交流信号P(fd,x-(λ/8))とに基づいて解析信号pa(fd)が構築される。フローチャート内のステップＡ７，Ａ８は、少なくともいずれか一方が実施される。第一構築部１１では、第一交流信号P(fd,x)を実数部とし、第二交流信号P(fd,x-(λ/8))の符号を反転させたものを虚数部とした複素信号である解析信号pa(fd)が構築される（ステップＡ６）。すなわち、第一構築部１１は、上記の式５で記述される解析信号pa(fd)を構築する。一方、第二構築部１２では、第二交流信号P(fd,x-(λ/8))の周波数微分を実数部とし、第一交流信号P(fd,x)の周波数微分を虚数部とした複素信号である解析信号pa(fd)が構築される（ステップＡ７）。すなわち、第二構築部１２は、上記の式６で記述される解析信号pa(fd)を構築する。
【００４３】
解析信号出力部６で構築された解析信号pa(fd)は制御装置１６に伝達される。制御装置１６のフーリエ変換部１７では、それぞれの解析信号pa(fd)にフーリエ変換処理が施され、距離スペクトル|P(x)|が算出される（ステップＡ８）。また、距離計測部１８では、距離スペクトル|P(x)|のピーク位置を与える距離dが算出され（ステップＡ９）、解析信号pa(fd)ごとの距離情報が出力装置３７に出力される。
【００４４】
［３．作用，効果］
図４は、上述の実施形態の水位計測システム２０で取得されたパワー信号pのパワースペクトルである。図４中の太実線は第一パワー信号p(fd,x1)に対応し、細実線は第二パワー信号p(fd,x2)に対応する。この例では、第一パワー信号p(fd,x1)の形状が正弦波形状に近い形状となっている。一方、第二パワー信号p(fd,x2)の形状はやや右肩上がりに傾斜した歪んだ形状である。そのため、第一パワー信号p(fd,x1)，第二パワー信号p(fd,x2)に基づいて解析信号pa(fd)を構築した場合には、解析精度が低下しうる。
【００４５】
図５は、上記の第一パワー信号p(fd,x1)から直流成分DCを除去した第一交流信号P(fd,x)とこれに直交する第二交流信号P(fd,x-(λ/8))とのパワースペクトルである。第二交流信号P(fd,x-(λ/8))は、第一交流信号P(fd,x1)に基づいて生成された信号であることから、歪みが少なく直交性の高い信号となる。したがって、第一交流信号P(fd,x)，第二交流信号P(fd,x-(λ/8))に基づいて解析信号pa(fd)を構築することで、解析精度が向上する。
【００４６】
図６中の黒丸で表されるグラフは、第二交流信号P(fd,x-(λ/8))を使用しない場合〔第一パワー信号p(fd,x1)，第二パワー信号p(fd,x2)に基づいて解析信号pa(fd)を構築した場合〕に算出された距離dの経時変化である。一方、白ひし形で表されるグラフは、第二交流信号P(fd,x-(λ/8))を使用した場合〔第一交流信号P(fd,x)，第二交流信号P(fd,x-(λ/8))に基づいて解析信号pa(fd)を構築した場合〕に算出された距離dの経時変化である。このように、第二交流信号P(fd,x-(λ/8))を使用することで、破線で示される真値に近い距離dの値が算出され、距離導出精度が向上することがわかる。
【００４７】
（１）本実施形態によれば、第一交流信号P(fd,x)に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号P(fd,x-(λ/8))を算出することで、第一交流信号P(fd,x)と第二交流信号P(fd,x-(λ/8))との直交性を高めることができ、解析信号pa(fd)の信頼性を向上させることができる。すなわち、解析精度を向上させることができ、測定対象までの距離導出精度を向上させることができる。また、検波器５で取得されるパワー信号pが一つのみであっても、解析信号pa(fd)を構築することができ、高精度に距離dを計測することができる。
【００４８】
（２）直交算出部９では、式２に示すような関係に基づいて第二交流信号P(fd,x-(λ/8))が算出される。これにより、第一交流信号P(fd,x)に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号P(fd,x-(λ/8))を精度よく算出することができ、距離導出精度を向上させることができる。
（３）除去部８では、パワー信号pからその平均値を除去したものが第一交流信号P(fd,x)として算出され、パワー信号pに含まれる交流成分がそのまま温存される。これにより、距離dの計測に必要な情報を欠落させることなく不要な情報を排除することができ、測距精度を向上させることができる。また、平均値の算出は容易であることから、演算速度を確保できるとともに、演算構成を簡素化することができる。
【００４９】
（４）第一構築部１１では、第一交流信号P(fd,x)を実数部とし、第二交流信号P(fd,x-(λ/8))の符号を反転させたものを虚数部とした解析信号pa(fd)が構築される。このような演算手法を採用することにより、パワー信号pに周波数微分処理を施すことなく解析信号pa(fd)を構築することができ、微分処理に伴う情報の欠落やノイズの混入を抑制することができ、距離dの導出精度を向上させることができる。
【００５０】
特に、水面や液面などの水位計測において、液面までの距離dを高精度に算出することができ、良好な水位測定精度を得ることができる。また、制御や演算内容がシンプルであることから、稼働時間を短縮することが容易であり、水位計測システム２０を間欠稼働させるだけで精度よく距離dを計測することができる。
（５）また、式５を用いることで精度のよい解析信号pa(fd)を構築することができ、距離導出精度をさらに向上させることができる。
【００５１】
（６）第二構築部１２では、第二交流信号P(fd,x-(λ/8))の周波数微分を実数部とし、第一交流信号P(fd,x)の周波数微分を虚数部とした解析信号pa(fd)が構築される。このような演算手法を採用することで、従来手法への適合性を高めることができるとともに、簡素な演算構成で距離dを導出することができる。
（７）また、式６を用いることで精度のよい解析信号pa(fd)を構築することができ、距離導出精度をさらに向上させることができる。
【００５２】
（８）上述の実施形態における第一位置x1は、発信波と合成波とが同位相となる位置に設定される。これにより、第一交流信号P(fd,x)や第二交流信号P(fd,x-(λ/8))の算出が容易となり、演算速度を確保できるとともに、演算構成を簡素化することができる。また、第一交流信号P(fd,x)に対する直交性の高い第二交流信号P(fd,x-(λ/8))が得られやすいことから、データの信頼性を向上させることができ、距離dの導出精度をさらに向上させることができる。
【００５３】
（９）上述の実施形態では、測定対象の変位に起因する歪みを含むパワー信号pが取得されたとしても、歪みの少ないパワー信号pに基づいて第一交流信号P(fd,x)，第二交流信号P(fd,x-(λ/8))が算出され、これらに基づいて解析信号pa(fd)が構築される。したがって、測定対象が頻繁に変位，振動するような測定対象までの距離を測定する際の距離測定精度を高めることができる。特に、水面や液面を測定対象とする水位計測システム２０に上記の定在波レーダー装置１を適用することで、従来の技術と比較して飛躍的に水位の測定精度を向上させることができる。
【００５４】
（１０）上述の実施形態では、第一位置x1における第一パワー信号p(fd,x1)と第二位置x2における第二パワー信号p(fd,x2)とが取得され、パワースペクトルの形状がより正弦波形状に近い一方が解析信号pa(fd)を構築するために使用されるパワー信号pとして選択される。このように、外乱の影響が小さい一方を選択することで、演算構成を簡素化しつつ距離導出精度を向上させることができる。
（１１）また、所定周波数以下の成分の割合が大きいものを選択することで、大局的な形状が正弦波に近似している信号を容易に選択することができ、演算構成を簡素化しつつ距離導出精度を向上させることができる。
【００５５】
［４．変形例］
上述の実施形態では、定在波レーダー装置１と制御装置１６とが分離した構造の水位計測システム２０について詳述したが、制御装置１６の機能を定在波レーダー装置１に内蔵させてもよい。この場合、定在波レーダー装置１が外部の出力装置３７に距離dの情報を出力する構成としてもよいし、出力装置３７を定在波レーダー装置１に内蔵させてもよい。なお、上述の実施形態では、第一位置x1及び第二位置x2で合成波のパワー信号pを取得する検波器５を備えた定在波レーダー装置１６を例示したが、本実施形態と同様の制御をモノラル型センサーモジュールで実現することも可能である。
【００５６】
また、定在波レーダー装置１と制御装置１６とが別体である場合には、公知のネットワークを介してこれらを接続する構成としておよい。例えば、ネットワーク上のサーバを制御装置１６として機能させるとともに、ネットワークに接続するための通信装置を定在波レーダー装置１に内蔵させる。ネットワークの種類としては、インターネットや携帯電話機用の無線通信網，その他のディジタル無線通信網などが挙げられる。定在波レーダー装置１は複数箇所に設置しておき、複数の定在波レーダー装置１から伝達される情報を制御装置１６で一元的に管理させてもよい。このような構成により、複数箇所の水位を一括して監視することができ、下水の氾濫に対する対応をさらに迅速化することができる。
【００５７】
上述の実施形態では、測定対象が液面（水面）である水位計測システム２０を例示したが、具体的な測定対象はこれに限定されない。例えば、車両用の障害物検知システムや人感システムなどにおける測距手法として、上述の測距装置や測距方法を適用することが可能である。また、上述の実施形態における作用効果は、原理的には測定対象に依存することなく獲得されうる。
【００５８】
［５．付記］
上記の変形例を含む実施形態に関し、以下の付記を開示する。
（測距装置：付記１〜付記１１）
（付記１）
測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波のパワー信号を取得し、前記パワー信号から構築される解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する測距装置であって、
前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出する除去部と、
前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出する直交算出部と、
前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、前記解析信号を構築する構築部と、を備える
ことを特徴とする、測距装置。
【００５９】
（付記２）
前記直交算出部が、前記第一交流信号をその振幅成分で除した商と前記第二交流信号をその振幅成分で除した商との二乗和が１に等しい関係を用いて、前記第二交流信号を算出する
ことを特徴とする、付記１記載の測距装置。
【００６０】
（付記３）
前記除去部が、前記パワー信号の平均値を前記直流成分として除去する
ことを特徴とする、付記１または２記載の測距装置。
【００６１】
（付記４）
前記構築部が、前記第一交流信号を実数部とし、前記第二交流信号の符号を反転させたものを虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する第一構築部を有する
ことを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の測距装置。
【００６２】
（付記５）
前記第一構築部が、以下の式Ａで記述される前記解析信号を構築する
ことを特徴とする、付記４記載の測距装置。
【数６】
2019015699.tif 000008
【００６３】
（付記６）
前記構築部が、前記第二交流信号の周波数微分を実数部とし、前記第一交流信号の周波数微分を虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する第二構築部を有する
ことを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の測距装置。
【００６４】
（付記７）
前記第二構築部が、以下の式Ｂで記述される前記解析信号を構築する
ことを特徴とする、付記６記載の測距装置。
【数７】
2019015699.tif 000009
【００６５】
（付記８）
前記パワー信号の検出位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置である
ことを特徴とする、付記１〜７のいずれか１項に記載の測距装置。
【００６６】
（付記９）
前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項に記載の測距装置。
【００６７】
（付記１０）
第一位置における前記合成波の第一パワー信号と前記第一位置からλ/8の位置である第二位置における前記合成波の第二パワー信号とのうち、パワースペクトルの形状がより正弦波形状に近い一方を前記パワー信号として選択する選択部を備える
ことを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項に記載の測距装置。
【００６８】
（付記１１）
前記選択部が、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号のうち、所定周波数以下の成分の割合が大きい一方を前記パワー信号として選択する
ことを特徴とする、付記１０記載の測距装置。
【００６９】
（水位計測システム：付記１２〜付記２２）
（付記１２）
測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波のパワー信号を取得するパワーディテクターと、
前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出する除去部と、
前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出する直交算出部と、
前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、前記解析信号を構築する構築部と、
前記解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する距離計測部と、を備える
ことを特徴とする、水位計測システム。
【００７０】
（付記１３）
前記直交算出部が、前記第一交流信号をその振幅成分で除した商と前記第二交流信号をその振幅成分で除した商との二乗和が１に等しい関係を用いて、前記第二交流信号を算出する
ことを特徴とする、付記１２記載の水位計測システム。
【００７１】
（付記１４）
前記除去部が、前記パワー信号の平均値を前記直流成分として除去する
ことを特徴とする、付記１２または１３記載の水位計測システム。
【００７２】
（付記１５）
前記構築部が、前記第一交流信号を実数部とし、前記第二交流信号の符号を反転させたものを虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する第一構築部を有する
ことを特徴とする、付記１２〜１４のいずれか１項に記載の水位計測システム。
【００７３】
（付記１６）
前記第一構築部が、以下の式Ａで記述される前記解析信号を構築する
ことを特徴とする、付記１５記載の水位計測システム。
【数８】
2019015699.tif 000010
【００７４】
（付記１７）
前記構築部が、前記第二交流信号の周波数微分を実数部とし、前記第一交流信号の周波数微分を虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する第二構築部を有する
ことを特徴とする、付記１２〜１６のいずれか１項に記載の水位計測システム。
【００７５】
（付記１８）
前記第二構築部が、以下の式Ｂで記述される前記解析信号を構築する
ことを特徴とする、付記１７記載の水位計測システム。
【数９】
2019015699.tif 000011
【００７６】
（付記１９）
前記パワー信号の検出位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置である
ことを特徴とする、付記１２〜１８のいずれか１項に記載の水位計測システム。
【００７７】
（付記２０）
前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、付記１２〜１９のいずれか１項に記載の水位計測システム。
【００７８】
（付記２１）
第一位置における前記合成波の第一パワー信号と前記第一位置からλ/8の位置である第二位置における前記合成波の第二パワー信号とのうち、パワースペクトルの形状がより正弦波形状に近い一方を前記パワー信号として選択する選択部を備える
ことを特徴とする、付記１２〜２０のいずれか１項に記載の水位計測システム。
【００７９】
（付記２２）
前記選択部が、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号のうち、所定周波数以下の成分の割合が大きい一方を前記パワー信号として選択する
ことを特徴とする、付記２１記載の水位計測システム。
【００８０】
（測距方法：付記２３〜付記３３）
（付記２３）
測定対象に照射される周波数掃引された電磁波の発信波と前記測定対象で反射した反射波との合成波のパワー信号を取得し、
前記パワー信号の直流成分を前記パワー信号から除去した第一交流信号を導出し、
前記第一交流信号に基づき、前記第一交流信号に対してπ/2の位相差を持つ第二交流信号を算出し、
前記第一交流信号及び前記第二交流信号に基づき、前記解析信号を構築し、
前記解析信号の距離スペクトルに基づいて前記測定対象までの距離を計測する
ことを特徴とする、測距方法。
【００８１】
（付記２４）
前記第一交流信号をその振幅成分で除した商と前記第二交流信号をその振幅成分で除した商との二乗和が１に等しい関係を用いて、前記第二交流信号を算出する
ことを特徴とする、付記２３記載の測距方法。
【００８２】
（付記２５）
前記パワー信号の平均値を前記直流成分として除去する
ことを特徴とする、付記２３または２４記載の測距方法。
【００８３】
（付記２６）
前記第一交流信号を実数部とし、前記第二交流信号の符号を反転させたものを虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する
ことを特徴とする、付記２３〜２５のいずれか１項に記載の測距方法。
【００８４】
（付記２７）
以下の式Ａで記述される前記解析信号を構築する
ことを特徴とする、付記２６記載の測距方法。
【数１０】
2019015699.tif 000012
【００８５】
（付記２８）
前記第二交流信号の周波数微分を実数部とし、前記第一交流信号の周波数微分を虚数部とした複素信号である前記解析信号を構築する
ことを特徴とする、付記２３〜２７のいずれか１項に記載の測距方法。
【００８６】
（付記２９）
以下の式Ｂで記述される前記解析信号を構築する
ことを特徴とする、付記２９記載の測距方法。
【数１１】
2019015699.tif 000013
【００８７】
（付記３０）
前記パワー信号の検出位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置である
ことを特徴とする、付記２３〜２９のいずれか１項に記載の測距方法。
【００８８】
（付記３１）
前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、付記２３〜３０のいずれか１項に記載の測距方法。
【００８９】
（付記３２）
第一位置における前記合成波の第一パワー信号と前記第一位置からλ/8の位置である第二位置における前記合成波の第二パワー信号とのうち、パワースペクトルの形状がより正弦波形状に近い一方を前記パワー信号として選択する
ことを特徴とする、付記２３〜３１のいずれか１項に記載の測距方法。
【００９０】
（付記３３）
前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号のうち、所定周波数以下の成分の割合が大きい一方を前記パワー信号として選択する
ことを特徴とする、付記３２記載の測距方法。
（補足）
付記２，１３，２４において、以下の式Ｃに基づいて前記第二交流信号を算出することが好ましい。
【数１２】
2019015699.tif 000014
【符号の説明】
【００９１】
１  定在波レーダー装置
２  電圧制御発振器
３  周波数制御部
４  アンテナ
５  検波器（パワーディテクター）
６  解析信号出力部
７  選択部
８  除去部
９  直交算出部
１０  構築部
１１  第一構築部
１２  第二構築部
１６  制御装置
１７  フーリエ変換部
１８  距離計測部
２０  水位計測システム
【図１】
2019015699.tif 000017
【図２】
2019015699.tif 000018
【図３】
2019015699.tif 000019
【図４】
2019015699.tif 000020
【図５】
2019015699.tif 000021
【図６】
2019015699.tif 000022