(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測定対象で反射した反射波との合成波について、位相がπ/2相違する二つの位置x1，x2で第一パワー信号p(fd,x1)，第二パワー信号p(fd,x2)を取得する。第一パワー信号p(fd,x1)，第二パワー信号p(fd,x2)のそれぞれの直流成分DC1，DC2を算出部７で算出する。第一パワー信号p(fd,x1)から直流成分DC1を除去した第一交流信号と、第二パワー信号p(fd,x2)から直流成分DC2を除去した第二交流信号とを除去部８で導出する。第一交流信号が実数部をなし第二交流信号が虚数部をなす解析信号Pa(fd)を生成部９で生成する。解析信号Pa(fd)の距離スペクトルに基づき距離計測部１２で距離を計測する。【選択図】図１
2019015582.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について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得し、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号を含む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、
前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出する算出部と、
前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出する除去部と、
前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である前記解析信号を生成する生成部と、
を備えたことを特徴とする、測距装置。
【請求項２】
前記算出部が、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号の各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記載の測距装置。
【請求項３】
前記生成部が、以下の式Ａに定義される前記解析信号を生成する
ことを特徴とする、請求項１または２記載の測距装置。
【数１】
2019015582.tif 000009
【請求項４】
前記第一位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置であり、
前記第二位置は、前記発信波と前記合成波との位相差がπ/2となる位置である
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】
前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項６】
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について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得するディテクタと、
前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出する算出部と、
前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出する除去部と、
前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である解析信号を生成する生成部と、
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、
を備えたことを特徴とする、水位計測システム。
【請求項７】
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について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得し、
前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出し、
前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出し、
前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である解析信号を生成し、
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１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2007-127529号公報
【特許文献２】特開2005-326345号公報
【特許文献３】特開2010-271088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生成する手法が存在する。特許文献３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)を生成している（段落0028参照）。しかし、このような手法で生成される解析信号には情報の欠落やノイズの混入が生じやすい。特に、パワー信号に微分処理を施すことによってパワースペクトルの分布形状が粗く乱れた形状になり、距離導出精度が低下する。
【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について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得し、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号を含む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、前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出する算出部を備える。また、前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出する除去部を備える。さらに、前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である前記解析信号を生成する生成部を備える。
【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】第一パワー信号及び第二パワー信号を示すパワースペクトルである。
【図３】制御装置のハードウェア構成を示す図である。
【図４】測距方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】解析信号（微分なし）を説明するためのパワースペクトルである。
【図６】解析信号（微分あり）を説明するためのパワースペクトルである。
【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１０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），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。また、掃引幅fWは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。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、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毎（あるいは掃引周波数fd毎）のパワーの分布を表すパワースペクトルといえる。
【００１４】
本実施形態の検波器５は、合成波のパワーの振動から解析信号の実数部データと虚数部データとを抽出する直交検波器としての機能を持つ。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。以下、観測点x1，x2のことを第一位置x1，第二位置x2と定義し、各々の位置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)と定義する。第一位置x1，第二位置x2のそれぞれは、第一パワー信号p(fd,x1)が第二パワー信号p(fd,x2)に対して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すれば、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。本実施形態では、第一位置x1で取得された第一パワー信号p(fd,x1)が、解析信号出力部６で生成される解析信号の実数部データとして使用される。また、第二位置x2で取得された第二パワー信号p(fd,x2)は、解析信号の虚数部データとして使用される。
【００１６】
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。なお、図２中に黒丸で示すグラフはディジタル処理が施された後の第一パワー信号p(fd,x1)のパワースペクトルグラフであり、白丸で示すグラフはディジタル処理が施された後の第二パワー信号p(fd,x2)のパワースペクトルグラフである。
【００１７】
解析信号出力部６は、検波器５で検出された二つのパワー信号p(fd,x1)，p(fd,x2)を含む解析信号を生成し、制御装置１０に出力するコンピュータである。解析信号とは、制御装置１０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。本実施形態の解析信号は、実数部としての一方のパワー信号pに虚数部としての他方のパワー信号pを付加することによって生成される。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。
【００１８】
図３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。
【００１９】
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１０に記録，保存される。
【００２０】
図１中に示すように、解析信号出力部６には、算出部７，除去部８，生成部９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。
【００２１】
算出部７は、二つのパワー信号p(fd,x1)，p(fd,x2)のそれぞれに含まれる直流成分を算出するものである。ここでは、第一パワー信号p(fd,x1)の直流成分である第一直流成分DC1と、第二パワー信号p(fd,x2)の直流成分である第二直流成分DC2とが算出される。これらの直流成分DC1，DC2は、それぞれのパワー信号p(fd,x1)，p(fd,x2)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。ここで算出された第一直流成分DC1，第二直流成分DC2の情報は、除去部８に伝達される。
【００２２】
除去部８は、パワー信号pから直流成分を除去した交流信号を導出するものである。ここでは、以下の式１，式２に示すように、第一パワー信号p(fd,x1)から第一直流成分DC1を除去した第一交流信号と、第二パワー信号p(fd,x2)の符号を反転させたものから第二直流成分DC2を除去した第二交流信号とが導出される。このように、パワー信号pから直流成分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、制御装置１０に出力される解析信号が適正化される。ここで導出された交流信号の情報は、生成部９に伝達される。
【００２３】
【数１】
2019015582.tif 000003
【００２４】
生成部９は、第一交流信号，第二交流信号に基づいて解析信号pa(fd)を生成するものである。ここでは、第一交流信号が実数部をなし、第二交流信号が虚数部をなす解析信号pa(fd)が生成される。解析信号pa(fd)は、以下の式３で与えられる。本実施形態の解析信号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相違する。従来の解析信号pb(fd)を以下の式４に例示する（特許文献３，段落0028参照）。
【００２５】
【数２】
2019015582.tif 000004
【００２６】
式５，６に示すように、第二パワー信号p(fd,x2)の周波数微分は、第一直流信号DC1が除去された第一パワー信号p(fd,x1)（すなわち第一交流信号）に比例し、第一パワー信号p(fd,x1)の周波数微分は、第二直流信号DC2が除去された第二パワー信号p(fd,x2)の符号を反転させたもの（すなわち第二交流信号）に比例する。したがって、パワー信号pの周波数微分の代わりに第一交流信号，第二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。ここで生成された解析信号pa(fd)は制御装置１０に伝達される。
【００２７】
【数３】
2019015582.tif 000005
【００２８】
制御装置１０（計測部）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である。図３中に示す制御装置１０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１０を例示するものであるが、制御装置１０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１０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。
【００２９】
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１０と外部との間の入出力（I/O）を司るものである。
【００３０】
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１０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１０に読み込まれて実行されることとしてもよい。
【００３１】
制御装置１０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１０で実行される測距プログラムには、フーリエ変換部１１と距離計測部１２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。
【００３２】
フーリエ変換部１１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１２は、フーリエ変換部１１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。
【００３３】
［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は互いに直交関係にあるものとみなされる。すなわち、一方が合成波の実数部データに相当し、他方が虚部データに相当するものとして取り扱われる。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。
【００３４】
解析信号出力部６の算出部７では、第一パワー信号p(fd,x1)の直流成分である第一直流成分DC1と、第二パワー信号p(fd,x2)の直流成分である第二直流成分DC2とが算出される（ステップＡ３）。これらの直流成分DC1，DC2は、例えばそれぞれのパワー信号p(fd,x1)，p(fd,x2)の平均値として算出することができる。また、除去部８では上記の式１，式２に基づき、パワー信号pから直流成分を除去した交流信号が算出される（ステップＡ４）。第一交流信号は、第一パワー信号p(fd,x1)から第一直流成分DC1を除去することによって算出される。また、第二交流信号は、第二パワー信号p(fd,x2)の符号を反転させたものから第二直流成分DC2を除去することによって算出される。
【００３５】
その後、生成部９において、解析信号pa(fd)が生成される（ステップＡ５）。解析信号pa(fd)は、実数部に第一交流信号を含み、虚数部に第二交流信号を含む複素信号とされる。ここで生成された解析信号pa(fd)は制御装置１０に伝達される。制御装置１０のフーリエ変換部１１では、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Ａ６）。また、距離計測部１２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Ａ７）、その情報が出力装置３７に出力される。ここで出力される距離dは、微分処理による情報の欠落やノイズの混入が抑制された解析信号pa(fd)に基づくものであり、計測精度の高い距離dが取得される。
【００３６】
［３．作用，効果］
図５は、上述の実施形態の水位計測システム２０で用いられる解析信号pa(fd)のもとになる第一交流信号，第二交流信号のパワースペクトルグラフであり、図６は、パワー信号pに微分処理を施した場合のパワースペクトルグラフである。図５中の黒丸で表されるグラフは離散化された第一交流信号に相当し、白丸で表されるグラフは離散化された第二交流信号に相当する。第一交流信号，第二交流信号の演算過程には微分処理が含まれないため、パワースペクトルの分布形状が滑らかな曲線状となる。これにより、制御装置１０で算出される距離スペクトル|P(x)|の演算精度が向上し、距離導出精度が向上する。
【００３７】
一方、図６中の黒丸で表されるグラフは第一パワー信号p(fd,x1)の周波数微分を符号反転させたものに相当し、白丸で表されるグラフは第二パワー信号p(fd,x2)の周波数微分を符号反転させたものに相当する。このように、従来の解析信号pb(fd)は演算過程に微分処理を含むことから、パワースペクトルの分布形状が粗く乱れた形状となり、狭い周波数範囲内で大きく変動する細かい凹凸形状となる。したがって、制御装置１０で算出される距離スペクトル|P(x)|の演算精度が低下しやすく、良好な距離導出精度が得られない。
【００３８】
（１）従来の解析信号pb(fd)は、式４に示すように、パワー信号pに周波数微分処理を施すことで生成される。これに対し本実施形態では、周波数微分処理を施さずに解析信号pa(fd)を生成している。すなわち、第一パワー信号p(fd,x1)及び第二パワー信号p(fd,x2)の各々について直流成分DC1，DC2を除去した第一交流信号，第二交流信号を算出している。また、第一交流信号を実数部とし、第二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解析信号pa(fd)を生成している。
【００３９】
このように、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)を生成することで、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。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。
【００４０】
なお、近年のゲリラ豪雨の多発に伴い、想定を越える大量の雨水が下水管へ流入し、下水の氾濫を引き起こす危険性が指摘されている。その対策として、マンホール内に圧力式水位センサを設置して、水位を常時監視する技術を採用することが検討されている。しかし、下水管内の浮遊物によるケーブル破損やセンサ感度の低下，劣化などのトラブルが予想され、頻繁なメンテナンスが要求されうることから、普及には至っていない。一方、非接触式の水位センサを水面から離れた位置（例えばマンホールの蓋の裏側など）に設置することで、浮遊物の影響を回避することも検討されている。しかし、狭隘なマンホール内の空間に設置できるような小型で低消費電力仕様の水位センサの完成には至っていない。
【００４１】
このような課題に対し、上述の実施形態によれば、マンホール内の水位上昇を非接触かつ低消費電力で計測することが可能となる。また、定在波レーダー装置１の物理的な大きさを変更する必要がなく、軽量化，小型化が比較的容易である。したがって、下水の氾濫に対して迅速に対応することができるようになり、水害（特に、都市型水害）の拡大を効率的に抑制することができる。
【００４２】
（２）上述の実施形態では、第一パワー信号p(fd,x1)の平均値が第一直流成分DC1として除去されるとともに、第二パワー信号p(fd,x2)の平均値が第二直流成分DC2として除去される。このように、パワーの平均値を算出して除去することで、第一パワー信号p(fd,x1)，第二パワー信号p(fd,x2)に含まれる交流成分をそのまま温存することができる。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、平均値の算出は比較的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。
【００４３】
（３）上述の実施形態では、式３に示すように、第一交流信号が実数部をなし、第二交流信号が虚数部をなす解析信号pa(fd)が生成される。このように、除去部８で導出された交流信号をそのまま組み合わせて解析信号pa(fd)を生成することで、距離dの導出精度を向上させつつ演算速度を確保でき、かつ、演算構成を簡素化することができる。
【００４４】
（４）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。一方、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)の直交性を高めることができ、データの信頼性を向上させることができる。また、パワー信号pの直交性が高めることから、距離dの導出精度をさらに向上させることができる。
【００４５】
（５）上述の実施形態では、図６に示すような、測定対象の変位に起因する解析信号pb(fd)の変動が防止され、図５に示すような解析信号pa(fd)が得られる。つまり、測定対象が頻繁に変位，振動するような場合には、周波数微分処理を行う場合と比較して著しく距離測定精度を高めることができる。したがって、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。
【００４６】
［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１０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１０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。
【００４７】
また、定在波レーダー装置１と制御装置１０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もよい。例えば、ネットワーク上のサーバを制御装置１０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１０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。
【００４８】
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。
【００４９】
［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。
（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について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得し、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号を含む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、
前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出する算出部と、
前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出する除去部と、
前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である前記解析信号を生成する生成部と、
を備えたことを特徴とする、測距装置。
【００５０】
（付記２）
前記算出部が、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号の各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記載の測距装置。
【００５１】
（付記３）
前記生成部が、以下の式Ａに定義される前記解析信号を生成する
ことを特徴とする、付記１または２記載の測距装置。
【数４】
2019015582.tif 000006
【００５２】
（付記４）
前記第一位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置であり、
前記第二位置は、前記発信波と前記合成波との位相差がπ/2となる位置である
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。
【００５３】
（付記５）
前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の測距装置。
【００５４】
（付記６）
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について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得するディテクタと、
前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出する算出部と、
前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出する除去部と、
前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である解析信号を生成する生成部と、
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、
を備えたことを特徴とする、水位計測システム。
【００５５】
（付記７）
前記算出部が、前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号の各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６記載の測距装置。
【００５６】
（付記８）
前記生成部が、以下の式Ａに定義される前記解析信号を生成する
ことを特徴とする、付記６または７記載の測距装置。
【数５】
2019015582.tif 000007
【００５７】
（付記９）
前記第一位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置であり、
前記第二位置は、前記発信波と前記合成波との位相差がπ/2となる位置である
ことを特徴とする、付記６〜８のいずれか１項に記載の測距装置。
【００５８】
（付記１０）
前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、付記６〜９のいずれか１項に記載の測距装置。
【００５９】
（付記１１）
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について、第一位置における第一パワー信号と位相が前記第一位置とはπ/2相違する第二位置における第二パワー信号とを取得し、
前記第一パワー信号の直流成分である第一直流成分と、前記第二パワー信号の直流成分である第二直流成分とを算出し、
前記第一パワー信号から前記第一直流成分を除去した第一交流信号と前記第二パワー信号の符号を反転させたものから前記第二直流成分を除去した第二交流信号とを導出し、
前記第一交流信号が実数部をなし前記第二交流信号が虚数部をなす複素信号である解析信号を生成し、
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。
【００６０】
（付記１２）
前記第一パワー信号及び前記第二パワー信号の各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１１記載の測距方法。
【００６１】
（付記１３）
以下の式Ａに定義される前記解析信号を生成する
ことを特徴とする、付記１１または１２記載の測距方法。
【数６】
2019015582.tif 000008
【００６２】
（付記１４）
前記第一位置は、前記発信波と前記合成波とが同位相となる位置であり、
前記第二位置は、前記発信波と前記合成波との位相差がπ/2となる位置である
ことを特徴とする、付記１１〜１３のいずれか１項に記載の測距方法。
【００６３】
（付記１５）
前記測定対象が液面である
ことを特徴とする、付記１１〜１４のいずれか１項に記載の測距方法。
【符号の説明】
【００６４】
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（ディテクタ）
６  解析信号出力部
７  算出部
８  除去部
９  生成部
１０  制御装置
１１  フーリエ変換部
１２  距離計測部
２０  水位計測システム
【図１】
2019015582.tif 000010
【図２】
2019015582.tif 000011
【図３】
2019015582.tif 000012
【図４】
2019015582.tif 000013
【図５】
2019015582.tif 000014
【図６】
2019015582.tif 000015