(57)【要約】   本発明の貯蔵庫の内容物の高さを測定するシステムは、音響パルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信する音響パルス送信器と、前記パルスのエコーを受領し、エコーに応じて信号を生成する、同一線上にない受信器のアレイと、対応する測定された距離に沿って上部表面からアレイに送信されたパルス信号の到着方向を計算する処理装置とを有する。トランシーバは、受信器と送信器の両方の機能を果たす。本発明のシステムは、信号に応答してパルスの形状を最適化するリピータとパルス成型器を有する。複数の測定された距離が、上部表面のマップを形成し、ビンの内容物の量を予測する。
2008532038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵庫の内容物の高さを測定するシステムにおいて、
（ａ）  音響エネルギーのパルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信する少なくとも１個の送信器と、
（ｂ）  前記パルスのエコーを受領する少なくとも３個の同一線上にない受信器のアレイと、
前記受信器は、前記エコーに応じて、信号を生成し、
（ｃ）  前記信号を、前記受信器のアレイから前記上部表面までの少なくとも１個の測定すべき距離に変換する処理装置と
を有し、
前記処理装置は、
（ｉ）  前記各受信器に対し、前記パルスの波形を前記それぞれの信号と相関をとり、相関信号を生成する相関器と、
（ｉｉ）  前記上部表面から前記受信器のアレイまでの前記相関信号の少なくとも１個の到着方向を計算するビーム・フォーマと
を有する
ことを特徴とする貯蔵庫の中身の高さを測定するシステム。
【請求項２】
前記処理装置は、前記到着方向に対し、対応する前記測定すべき距離を計算する
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
（ｄ）  前記貯蔵庫の内部温度を測定する温度計
をさらに有し、
前記処理装置は、前記信号を前記測定すべき距離に変換する際に、前記測定された内部温度に基づいて修正する
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記受信器は、送信器としても機能するトランシーバである
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記処理装置は、前記トランシーバに較正パルスを送信することにより、前記トランシーバを較正する
ことを特徴とする請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記トランシーバは、前記パルスを同時に送信する
ことを特徴とする請求項４記載のシステム。
【請求項７】
前記トランシーバは、前記パルスを順次送信する
ことを特徴とする請求項４記載のシステム。
【請求項８】
前記処理装置は、前記信号を複数の前記測定すべき距離に変換する
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記処理装置は、前記測定された距離を、前記貯蔵庫の内容物の量の予測値に変換する
ことを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項１０】
（ｅ）  前記少なくとも１個の送信器を用いて、前記パルスの形状を調整しながら前記信号に応答して、前記信号が、前記信号の処理装置により前記測定すべき距離に変換するのに適するようになるまで、前記パルスを繰り返し送信するリピータとパルス成型器と
をさらに有する
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記リピータとパルス成型器は、前記パルスの形状を、前記パルスの長さと周期からなるグループから選択された前記パルスのパラメータを調整することにより、調整する
ことを特徴とする請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記ビーム・フォーマは、前記パルスのバンド幅に関連する共通の持続時間を有する複数のタイム・スライスの各々で、独立に少なくとも１個の到着方向を計算する
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
貯蔵庫の内容物の高さを測定するシステムにおいて、
（ａ）  音響エネルギーのパルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信する送信器と、
（ｂ）  前記パルスのエコーを受領する少なくとも１個の受信器と、
前記各受信器は、前記エコーに応じて、各信号を生成し、
（ｃ）  前記少なくとも１個の信号を、前記上部表面の複数のポイントの予測値の座標軸に変換する処理装置と
を有する
ことを特徴とする貯蔵庫の内容物の高さを測定するシステム。
【請求項１４】
（ｄ）  前記貯蔵庫の内部温度を測定する温度計
をさらに有し、
前記処理装置は、前記信号を前記測定すべき距離に変換する際に、前記測定された内部温度に基づいて修正する
ことを特徴とする請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記処理装置は、前記予測値の座標軸を、前記内容物の予測量に変換する
ことを特徴とする請求項１３記載のシステム。
【請求項１６】
貯蔵庫の内容物の高さを測定するシステムにおいて、
（ａ）  音響エネルギーのパルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信する送信器と、
（ｂ）  前記パルスのエコーを受領する少なくとも１個の受信器と、
前記各受信器は、前記エコーに応じて、各信号を生成し、
（ｃ）  前記送信器を用いて、前記パルスの長さと周波数とからなるグループから選択された前記パルスの形状の少なくとも１個のパラメータを調整しながら、前記少なくとも１個の信号に応答して、前記信号が、前記内容物の上部表面の少なくとも１点からなる予測座標軸を計算するのに適するようになるまで、前記パルスを繰り返し送信するリピータとパルス成型器と
を有する
ことを特徴とする貯蔵庫の内容物の高さを測定するシステム。
【請求項１７】
貯蔵庫の内容物の高さを測定する方法において、
（ａ）  音響エネルギーのパルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信するステップと、
（ｂ）  少なくとも３個の同一線上にない受信器のアレイを用いて、前記パルスのエコーを受領するステップと、
前記受信器は、前記エコーに応じて、信号を生成し、
（ｃ）  前記信号を、前記受信器のアレイから前記上部表面までの少なくとも１個の測定すべき距離に変換するステップと
を有し、
前記ステップ（ｃ）は、
（ｉ）  前記各受信器に対し、相関信号を生成するために、前記パルスの波形を前記それぞれの信号と相関をとるステップと、
（ｉｉ）  前記上部表面から前記受信器のアレイまでの前記相関信号の少なくとも１個の到着方向を計算するステップと
（ｉｉｉ）前記到着方向に対し、対応する前記測定すべき距離を計算するステップと
を有する
ことを特徴とする貯蔵庫の内容物の高さを測定する方法。
【請求項１８】
（ｄ）  前記貯蔵庫の内部温度を測定するステップ
をさらに有し、
前記（ｃ）ステップは、前記測定された内部温度に基づいて、行われる
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記信号は、複数の前記測定すべき距離に変換され、
（ｄ）  前記測定された距離を、前記貯蔵庫の内容物の量の予測値に変換するステップ
をさらに有する
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
（ｄ）  前記パルスの形状を調整しながら、前記信号に応答して、前記信号が前記測定すべき距離に変換するのに適するようになるまで、前記パルスの送信を繰り返すステップ
をさらに有する
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
前記受信器は、前記パルスを送信するトランシーバである
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２２】
前記トランシーバは、前記パルスを同時送信する
ことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記トランシーバは、前記パルスを順次送信する
ことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
前記パルスのバンド幅に関連する共通の持続時間を有する複数のタイム・スライスの各々で、独立に少なくとも１個の到着方向を計算する
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２５】
貯蔵庫の内容物の高さを測定する方法において、
（ａ）  音響エネルギーのパルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信するステップと、
（ｂ）  少なくとも１個の受信器を用いて、前記パルスのエコーを受領するステップと、
前記各受信器は、前記エコーに応じて、各信号を生成し、
（ｃ）  前記信号を、前記上部表面の複数のポイントの予測値の座標軸に変換するステップと
を有する
ことを特徴とする貯蔵庫の内容物の高さを測定する方法。
【請求項２６】
貯蔵庫の内容物の高さを測定する方法において、
（ａ）  音響エネルギーのパルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信するステップと、
（ｂ）  少なくとも１個の受信器を用いて、前記パルスのエコーを受領するステップと、
前記各受信器は、前記エコーに応じて、各信号を生成し、
（ｃ）  前記パルスの長さと周波数とからなるグループから選択された前記パルスの形状の少なくとも１個のパラメータを調整しながら、前記信号が、前記内容物の上部表面の少なくとも１点からなる予測座標軸を計算するのに適するようになるまで、前記送信と受信とを繰り返すステップと
を有する
ことを特徴とする貯蔵庫の内容物の高さを測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯蔵庫内の在庫量の監視と測定プロセスに関し、特にビン（貯蔵庫）の内容物の測定システムと測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の貯蔵量を監視することは簡単である。ビン（例えばサイロ）内で積み上げられた粒子状物からなる大量の固形物の在庫を監視することは、非常に難しい。このようなかさばる固形物の一例は、建築用のセメント、砂、穀物、肥料等である。ビン内にあるかさばる材料のレベルの測定は、現在のところ十分に解決された問題ではない。ビン内の状態は、通常好ましい状態ではなく（ゴミや温度等の理由により）、ビン内に貯蔵されるバルク材料の量は、平坦な表面を有しない、つまりその表面は必ずしも水平ではない。他の測定上の困難な問題点は、使用されるビンのさまざまな形状およびビン内にある爆発性雰囲気が原因である。
【０００３】
本明細書で使用される用語「ビン」は、粒子状固形物の貯蔵用コンテナで、その構造物が固形物を収納し貯蔵する内部空間を形成する。このような「ビン」は、上と下の全ての側で閉じられているが、ビンがサイロ、容器、タンクのような場合には、１つあるいは複数の側は開放状態にある。本明細書で使用される「ビン」の一例はサイロであるが、本発明をあらゆる種類のビンに如何に適用するかは、当業者には容易に明らかである。
【０００４】
サイロのような貯蔵庫の内容物を連続的に測定する５つの原理的方法は公知である。
【０００５】
電子機械レベル・センサ（ヨーヨー・センサー）は、テープのリールの一端に設けられた重りを有する。この重りがサイロ内で内容物の上部表面まで下ろされる。重りが、内容物の上部に当たると、テープの引っ張り力がなくなり、その時点でこの重りを上部の設定ポイントまで引き上げる。内容物の高さ（貯蔵量）は、テープを引き上げるのにかかる時間で測定される。
【０００６】
ヨーヨー・センサのような機械的装置は、信頼性に欠ける。このような機械的装置は、サイロ内のゴミ、塵に影響を受け、またサイロ内のポンプやロッドのような障害物で測定が妨げられることがある。
【０００７】
超音波のレベル・センサは、音波の発信と受信の原理に基づく。送信器からの高周波の音波は、サイロの内容物の上部表面に向けて放射され、そこで反射され受信器に届く。内容物の高さは、音波の往復伝搬時間から測定される。このようなセンサは、限られた範囲でのみ使用が可能で、またゴミ、塵の存在によりうまく機能しないことがある。さらに、このような装置は、さまざまな種類の貯蔵庫に合わせて個別に設計する必要がある。
【０００８】
レーザー・レベル・センサは、電磁波（レザー）の送信と受信の原理に基づく。送信器からの電磁波は、内容物の上部表面に向けて放射され、そこからから反射され受信器に届く。この内容物の高さは、電磁波の往復時間から計算される。しかしこの種のセンサは、複雑且つ高価である。
【０００９】
容量性のレベル・センサは、２本の金属製ロッド間あるいは金属製ロッドと大地との間のキャパシタンスを測定する。サイロの内容物は、空気とは通常異なる誘電率を有しているために、キャパシタンス値は、２本のロッドの間あるいはロッドと大地との間の内容物の上部表面のレベルに応じて変動する。このようなキャパシタンス・レベル・センサは、不正確で、サイロ内に貯蔵される貯蔵物の種類と湿度からの影響を受け易い。
【００１０】
上記の全ての従来型センサは、内容物の形状に敏感ではない。即ち「コーニング（coning）」と称する共通の現象により不正確となる。「コーニング」とは、貯蔵庫の底から粒子状固形物が放出される時に発生し、円錐が反転した形状でその頂点は取り出し口の真上にあるような形状を形成することである。同様な現象は、大量の粒子状固形物が貯蔵庫の上部から供給（貯蔵）される時にも発生する。この粒子状固形物は、円錐形状を形成するよう積み上げられる傾向にあり、その頂点は粒子状固形物の注入点の真下にくる。これらのセンサは、複雑な形状を有する貯蔵庫内および障害物の存在の下では、十分に機能しない。
【００１１】
重量ゲージは、可動式サイロの重さとその内容物を、サイロを保持するロッドにかかる引っ張り力（応力）を測定することにより、測定する。このようなゲージをサイロに取り付けることは複雑であり、このようなゲージは、金属製の脚部を具備する可動式サイロにのみ適用可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の測定方法の欠点を解決するサイロのようなビンの内容物を測定する方法が必要とされている。特に三次元でビンの内容物の上部表面をマッピングすることは、従来公知ではない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、本発明の貯蔵庫の内容物の高さを測定するシステムは、
（ａ）  音響エネルギーのパルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信する少なくとも１個の送信器と、
（ｂ）  前記パルスのエコーを受領する少なくとも３個の同一線上にない受信器のアレイと、
前記受信器は、前記エコーに応じて、信号を生成し、
（ｃ）  前記信号を、前記受信器のアレイから前記上部表面までの少なくとも１個の測定すべき距離に変換する処理装置と
を有し、
前記処理装置は、
（ｉ）  前記各受信器に対し、前記パルスの波形を前記それぞれの信号と相関をとり、相関信号を生成する相関器と、
（ｉｉ）  前記上部表面から前記受信器のアレイまでの前記相関信号の少なくとも１個の到着方向を計算するビーム・フォーマと
を有する。
【００１４】
本発明によれば、本発明の貯蔵庫の内容物の高さを測定するシステムは、
（ａ）  音響エネルギーのパルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信する送信器と、
（ｂ）  前記パルスのエコーを受領する少なくとも１個の受信器と、
前記各受信器は、前記エコーに応じて、各信号を生成し、
（ｃ）  前記少なくとも１個の信号を、前記上部表面の複数のポイントの予測値の座標軸に変換する処理装置と
を有する。
【００１５】
本発明によれば、貯蔵庫の内容物の高さを測定するシステムは、
（ａ）  音響エネルギーのパルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信する送信器と、
（ｂ）  前記パルスのエコーを受領する少なくとも１個の受信器と、
前記各受信器は、前記エコーに応じて、各信号を生成し、
（ｃ）  前記送信器を用いて、前記パルスの長さと周波数とからなるグループから選択された前記パルスの形状の少なくとも１個のパラメータを調整しながら、前記少なくとも１個の信号に応答して、前記信号が、前記内容物の上部表面の少なくとも１点からなる予測座標軸を計算するのに適するようになるまで、前記パルスを繰り返し送信するリピータとパルス成型器と
を有する。
【００１６】
本発明によれば、本発明の貯蔵庫の内容物の高さを測定する方法は、
（ａ）  音響エネルギーのパルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信するステップと、
（ｂ）  少なくとも３個の同一線上にない受信器のアレイを用いて、前記パルスのエコーを受領するステップと、
前記受信器は、前記エコーに応じて、信号を生成し、
（ｃ）  前記信号を、前記受信器のアレイから前記上部表面までの少なくとも１個の測定すべき距離に変換するステップと
を有し、
前記ステップ（ｃ）は、
（ｉ）  前記各受信器に対し、相関信号を生成するために、前記パルスの波形を前記それぞれの信号と相関をとるステップと、
（ｉｉ）  前記上部表面から前記受信器のアレイまでの前記相関信号の少なくとも１個の到着方向を計算するステップと
（ｉｉｉ）前記到着方向に対し、対応する前記測定すべき距離を計算するステップと
を有する。
【００１７】
本発明によれば、本発明の貯蔵庫の内容物の高さを測定する方法は、
（ａ）  音響エネルギーのパルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信するステップと、
（ｂ）  少なくとも１個の受信器を用いて、前記パルスのエコーを受領するステップと、
前記各受信器は、前記エコーに応じて、各信号を生成し、
（ｃ）  前記信号を、前記上部表面の複数のポイントの予測値の座標軸に変換するステップと
を有する。
【００１８】
本発明によれば、本発明の貯蔵庫の内容物の高さを測定する方法は、
（ａ）  音響エネルギーのパルスを、前記内容物の上部表面に向けて送信するステップと、
（ｂ）  少なくとも１個の受信器を用いて、前記パルスのエコーを受領するステップと、
前記各受信器は、前記エコーに応じて、各信号を生成し、
（ｃ）  前記パルスの長さと周波数とからなるグループから選択された前記パルスの形状の少なくとも１個のパラメータを調整しながら、前記信号が、前記内容物の上部表面の少なくとも１点からなる予測座標軸を計算するのに適するようになるまで、前記送信と受信とを繰り返すステップと
を有する。
【００１９】
本発明のシステムは、ビンの内容物の高さを測定し、この測定した高さから内容物の容積と質量を予測するシステムと方法である。本発明は、サイロ（即ち周囲の壁と屋根により閉鎖された貯蔵庫）の内容物の量を測定する例を挙げて説明するが、本発明は開放状の貯蔵庫（ビン）の内容物の測定にも適用可能である。本発明の基本的なシステムは、音響エネルギーのパルスを、内容物の上部表面に向けて送信する送信器と、前記パルスのエコーを受領する３個の同一線上にない、前記エコーに応じて信号を生成する受信器のアレイと、前記信号を、前記受信器のアレイから前記上部表面までの少なくとも１個の測定すべき距離に変換する処理装置とを有する。この処理システムが到達方向に対応する測定距離を計算する。
【００２０】
好ましくは、本発明のシステムは、前記貯蔵庫の内部温度を測定する温度計をさらに有し、この信号を測定距離に変換することは、測定された内部温度を参照して、行われる。
【００２１】
好ましくは、本発明の受信器は、送信器としても機能するトランシーバである。より好ましくは、本発明の処理装置は、トランシーバに較正パルスを送信することにより、前記トランシーバを較正する。本発明の最も好ましい実施例においては、トランシーバは、前記パルスを同時にあるいは順次送信する。トランシーバによる順次の信号伝搬は、有効な受信器配列のサイズとその数に及ぶ。
【００２２】
好ましくは、処理装置は、信号を受信器からビンの内容物の上部表面までの複数の測定された距離に変換する。この複数の測定された距離が、ビンの内容物の上部表面のマップ（凹凸）を形成する。より好ましくは、処理装置は、前記測定された距離を、前記貯蔵庫の内容物の量の予測値に変換する。
【００２３】
好ましくは、本発明のシステムは、少なくとも１個の送信器を用いて、パルスの形状を調整しながら信号に応答して、前記信号が、前記信号の処理装置により測定すべき距離に変換するのに適するようになるまで、パルスを繰り返し送信するリピータとパルス成型器をさらに有する。より好ましくは、前記リピータとパルス成型器は、前記パルスの形状を、前記パルスの長さと周期からなるグループから選択された前記パルスのパラメータを調整することにより、調整する。調整された周波数は、パルスを規定するいかなる周波数でもよく、例えばパルスのローパス周波数あるいはパルスのハイパス周波数あるいはパルスの変調周波数でもよい。
【００２４】
好ましくは、ビーム・フォーマは、前記パルスのバンド幅に関連する共通の持続時間を有する複数のタイム・スライスの各々で、独立に少なくとも１個の到着方向を計算する。
【００２５】
本発明は、従来技術に対し少なくとも３つの技術的進歩（利点）を含む。
【００２６】
第１の技術的進歩（利点）は、内容物の上部表面から、複数の受信器列が受信した信号の到着方向の偏差を計算し、この到着方向から受信器列から内容物の上部までの距離を計算する。従来技術において複数の音響受信器を使用することは公知である。さらに、全ての受信信号を加算して、ＳＮ比を改善し、ビーム幅を狭めることも公知である。しかし、受信信号をコヒーレントに処理し、特定の方向に対応する距離を測定することは、従来公知ではない。
【００２７】
第２の技術的進歩（利点）は、ビンの内容物の上部表面をマッピングできることである。従来の音響測定は、受信器からビン内容物の上部表面までの距離を１ヶ所測定するに過ぎない。
【００２８】
第３の技術的進歩（利点）は、音響パルスの長さと／または周波数を最適化することにより音響パルスをシェーピング（成形）できることである。従来技術では、最適化された唯一のパルス成形パラメータは、パルスのパワーのみであり、これが測定された距離に対し最適化されているに過ぎない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明は、サイロのようなビン内に貯蔵された内容物の量を測定するシステムに関する。特に本発明は、サイロ内の在庫量を監視するのに用いることができる。
【００３０】
本発明の測定原理と動作原理を以下図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００３１】
図１は、本発明のシステム１０のブロック図である。図１に示す矢印は、信号の流れる方向を示す。システム１０は、音響送信器（スピーカ）１２と、３個の音響受信器（マイク）１４とを有する。パルス成型器２６は、デジタル・パルスを以下に説明するように、生成（合成）する。このデジタル・パルスは、Ｄ／Ａコンバータ２２によりアナログ電気信号に変換され、アンプ１６により増幅される。増幅されたアナログ電気パルスは、音響送信器１２により音響パルスに変換される。この音響パルスのエコーを音響受信器１４が受領し、アナログ電気信号に変換し、音響パルスの形状にマッチするようにバンドパス・フィルタ２０がフィルタ処理をし、アンプ１８が増幅し、Ａ／Ｄコンバータ２４がサンプリングして、対応するデジタル信号を提供する。このデジタル信号は、相関器２８により対応するデジタル・パルス形状と相関がとられる。相関のとられた信号の到着方向は、ビーム・フォーマ３０により計算される。プロセッサ３２は、この相関のとられた信号を対応する往復音響伝搬時間に変換し、この伝搬時間を、デジタル温度計３４により得られた温度測定値を用いて、到着方向に沿った予測距離に変換する。
【００３２】
図２は、図１のシステムの好ましい具体的実施例を表すブロック図である。図２に示す実施例においては、音響送信器１２と音響受信器１４の機能は、トランシーバ３６が有する。各トランシーバ３６は、スイッチ３８の設定に応じて、音響送信器１２あるいは音響受信器１４として機能する。システム１０のデジタル機能装置（パルス成型器２６、相関器２８、ビーム・フォーマ３０、プロセッサ３２）は、ＤＰＳ（デジタル信号プロセッサ）４０により実現される。このＤＰＳ４０は、フラッシュ・メモリ４６内に記憶されているコードを実行する。処理結果が、ユーザーインターフェース４８のディスプレイに表示される。
【００３３】
ＤＰＳ４０は、トランシーバ３６内の音響送信器１２の機能をスイッチ３８を設定することにより繰り返す（切り替える）。その結果、トランシーバ３６の１つは、音響送信器１２として機能し、他のものは音響受信器１４として働く。この切り替えは、２つの目的のために別個に行われる。その目的の一つは、トランシーバ３６からサイロの内容物の上部までの距離（ビーム・フォーマ３０により生成されたビームに沿った距離）を測定することである。他は、トランシーバ３６（音響送信器１２として機能するトランシーバ３６により放射された較正パルスに対し音響受信器１４として機能する）を較正することである。
【００３４】
内容物の上部までの距離を測定するために、トランシーバ３６を送信器と受信器の両方として用いる２つのモードがある。第１モードにおいては、全てのトランシーバ３６は同一のパルスをコヒーレントに且つ同時に送信する。第２モードにおいては、トランシーバ３６はパルスの送受信を交互に行う。両モードの下では、パルスが送信された後は、全てのスイッチ３８は、図で下側の位置に設定され、全てのトランシーバ３６は、受信器として機能する。第２モードにおいては、ｎ個のトランシーバのアレイ（配列）は、（ｎ２＋ｎ）／２の仮想受信器の仮想アレイとして機能する。（Ｍ個の送信器とＮ個の受信器を用いると、ＭＮ個の信号が得られる。ｎ個のトランシーバを送信器と受信器として交互に用いると、その信号の数を（ｎ２＋ｎ）／２個に減らせる。その理由は、送信と受信が一対のトランシーバで対称となるからである。）
【００３５】
第２モードは、有効な形状アレイのサイズを二倍にする。受信器配列の方向性は、受信器に到着した信号の相対的遅延に基づく。１個の送信器から受信器配列に送信する場合には、関連する遅延は、目標（内容物の上部）から受信器までの伝搬時間の差である。トランシーバ列により送信と受信を交互にする場合（第２モード）には、関連する遅延は、往復時間の差である。これは、目標から受信器までの伝搬時間の２倍である。１個の送信器を用いて等価の方向性を達成するには、受信器配列のサイズを２倍にする必要がある。
【００３６】
本発明のシステム１０の他の実施例において、パルス成型器２６、相関器２８、ビーム・フォーマ３０の機能のようなアプリケーションに特有な機能は、ＤＳＰではなく、アプリケーションに特有なＩＣで実行することもできる。本発明のシステム１０のさらに別の実施例においては、汎用コンピュータ・システムが、ＤＳＰ４０と、フラッシュ・メモリ４６と、ユーザユーザーインターフェース４８の代わりに使用することもできる。
【００３７】
図３は、サイロ５０の天井５２に搭載されたシステム１０を具備するサイロ５０の部分切り欠き断面図である。４個のトランシーバ３６が四角形の角に搭載され、どの１つが音響送信器１２として機能しても、他の３つは音響受信器１４として機能する。かくして、非線形の配置となる。システム１０の残りの構成要素は、天井５２内に搭載されたハウジング４２内に配置される。トランシーバ３６は、システム１０の残りの構成要素にワイヤ４４により接続される。音響送信器１２として機能するトランシーバ３６が、音響パルス５６をサイロ５０の内容物５４の上面５５の方向に送信する。音響パルス５６が、図３にトランシーバ３６の１つから放射された波形として模式的に描かれている。上面５５からトランシーバ３６の方向に反射された音響パルス５６のエコーは、図３では矢印５８で表されている。
【００３８】
図３に示す構成においては、ユーザーインターフェース４８の一部のみがハウジング４２内に配置され、これは無線トランシーバを含み、より都合のいい場所にあるユーザーインターフェース４８の残りの機能と通信する。別の構成においては、ハウジング４２は、天井５２よりもユーザにアクセスしやすい場所に搭載される。
【００３９】
矢印５８は、音響受信器１４として機能するトランシーバ３６により受領され、トランシーバ３６によりそれぞれ対応するアナログ電気信号に変換される。このアナログ電気信号は、バンドパス・フィルタ２０でフィルタ処理され、アンプ１８で増幅され、Ａ／Ｄコンバータ２４にでデジタル信号に変換される。相関器２８は、このデジタル信号を音響パルス５６の波形と相関をとる。ビーム・フォーマ３０は、公知のアルゴリズムを用いて、相関をとったデジタル信号の到着方向を計算し、上面５５から直接到着した信号と他のパスに沿って到着した信号と区別する。この他のパスに沿った信号は、本明細書ではノイズと定義する。トランシーバ３６を同一線上に配置しないことにより、ビーム・フォーマ３０は、二次元で上面５５を走査でき、上面５５の三次元マップを形成できる。音響パルス５６の送信開始時と上面５５から直接到着した波形の先端エッジとの間の時間差は、トランシーバ３６とその波形によりサンプル処理された上面５５の小領域との間の往復時間である。プロセッサ３２は、上面５５の上方空間の音速とこの往復関連時間の１／２とを乗算して、トランシーバ３６のアレイから上面５５上の小領域までの距離を測る。プロセッサ３２は、次式を用いて音速ｃを測定する。音速ｃ＝ｍ／ｓ。
【数１】
2008532038.tif 000003
Ｔは、デジタル温度計３４によって測定されたサイロ５０内の温度（摂氏）である。
【００４０】
ビーム・フォーマ３０が来入信号の到着方向を計算する最も簡単な方法は、相関された信号の相対位相（あるいは等価的に相対遅延）を変えながら、相関された信号を加算することにより、ビームを合成することである。より良好な結果は、より高級なアルゴリズムで得られる。例えば、適用型の到着方向（Direction-Of-Arrival (DOA)）アルゴリズム、例えば多重信号分類（MUltuple SIgnal Classification (MUSIC)）、確率最大尤度（Stochastic Maximum Likelihood (SML)）、決定性最大尤度（Deterministic Maximum Likelihood (DML)）、回転不変性技術による信号パラメータ予測（Estimation of SIgnal Parameters via Rotational Invariance Techniques (ESPRIT)）である。これらのアルゴリズムの限界性能に打ち勝つために、いくつかの資源を同時に使用するために、特に様々な方向からトランシーバ３６の列に到着した音響パルス５６のコヒーレントなエコーを区別するために、受信した信号は、オーバーラップした時間スライス（その長さは音響パルス５６のバンド幅に応じて適宜選択される）で別々に処理される。この音響パルス５６のバンド幅は、トランシーバ３６のアレイから上面５５までの距離の所望の解像度を達成するよう、選択される。例えば、音響パルス５６が３．５ＫＨｚから４．５ＫＨｚの通過帯域を有すると、距離の解像度は、約３４０ｍ／ｓｅｃ÷１０００ｓｅｃ−１÷２＝１７ｃｍである。この対応する時間スライスは、約１ミリ秒の長さ（パルスバンド幅の往復）である。距離の測定の精度は、また、Ａ／Ｄコンバータ２４のデジタル化レートとＳＮ比に依存し、それ故に、この解像度より遙かに良好にできる。４４ＫＨｚのサンプリング・レートは、高いＳＮ比で、３４０ｍ／ｓｅｃ÷４４，０００ｓｅｃ−１÷２＝３．８ｃｍの精度がある。
【００４１】
トランシーバ３６のアレイからサイロ５０上の複数の小領域までの距離は、上面５５のマップ（凹凸）を構成する。サイロ５０の内部形状が明らかな場合には、このマップから内容物５４の容積を予測できる。内容物５４の容積にその密度を乗算したものが、内容物５４の質量になる。
【００４２】
他の適宜のパルス形状も音響パルス５６に用いることができる。図４は、このようなパルス５６の例を示す。これは、３ＫＨｚで変調された５ミリ秒のカイザー・パルス（Kaiser pulse）である。（図４の横軸はサンプル数で、パルス波形は１ミリ秒あたり４４．１個サンプリングされる。）パルスは、バーカー・コード（Baker coding）のような二相符号化技術で成型される。これはレーダーの分野で公知である。上面５５上にチリが存在する場合、上面５５をマッピングする音響パルス５６の好ましい周波数帯域は、３ＫＨｚから６ＫＨｚの間である。
【００４３】
上面５５のマッピングの角度解像度は、相関信号の超方向性処理技術で改善される。これに関しては、M. Brandstein and D. Wards (eds.), Microphone Arrays Signal Processing Techniques and Applications (Springer, 2001)を参照のこと。図５は、ＳＮ比は２０ｄＢで受信した信号の波長の半分の距離だけ離れて配置された２個の受信器の超方向性の極プロットを示す。このプロット図から、本発明は「コーニング（coning）」の存在の下でも、上面５５をマッピングするのに十分な解像度を有することがわかる。
【００４４】
音響パルス５６の形状は、パルス成型器２６により設定される。好ましくは、プロセッサ３２は、音響パルス５６の形状のパラメータを走査することにより、繰り返しこの形状を最適化できる。重要なパラメータは、音響パルス５６の長さ（持続時間）である。音響パルス５６が長くなると、ＳＮ比が高くなる。しかし、音響パルス５６は、その終端エッジが音響受信器１４の矢印５８の到着時間と時間的にオーバーラップしない程度の長さでなければならない。これは、音響パルス５６を送信する音響送信機として機能していたトランシーバ３６が音響受信器１４として機能するためである。トランシーバ３６のアレイから上面５５までの通常の距離の初期の予測値に基づいたトライアル・パルスの長さからスタートして、プロセッサ３２は、このパルス長さを最適化するために繰り返しパルス長さを変える。パルス長さが最適化されると、音響パルス５６の周波数は、観測された減衰と観測された周囲ノイズに対し、最適化される。
【００４５】
図３ではトランシーバ３６は、サイロ５０の天井５２に配置されているが、トランシーバ３６は上面５５の上の都合の良い場所に配置すること、例えばサイロ５０の壁に配置することも可能である。
【００４６】
原理的には、トランシーバ３６の１つのみを音響送信器１２として用いることにより、上面５５をマッピングするのに十分である。その理由は、ビーム・フォーマ３０は、音響受信器１４の非直線状の配列からの信号を適宜操作することより、上面５５を走査することができるからである。好ましくは、全てのトランシーバ３６を交互に音響送信器１２として用いることにより、冗長性を持たせた測定値を得るのが好ましい。
【００４７】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のシステムを表すブロック図。
【図２】図１のシステムの好ましい実施例を表すブロック図。
【図３】サイロの天井に図１のシステムを搭載したサイロの部分切り欠き断面図。
【図４】パルス形状を示す図。縦軸：正規化した振幅、横軸：サンプル番号
【図５】本発明の全方向性の極プロット図。
【符号の説明】
【００４９】
１０    システム
１２    音響送信器
１４    音響受信器
１６    アンプ
１８    アンプ
２０    バンドパス・フィルタ
２２    Ｄ／Ａコンバータ
２４    Ａ／Ｄコンバータ
２６    パルス成型器
２８    相関器
３０    ビーム・フォーマ
３２    プロセッサ
３４    デジタル温度計
３６    トランシーバ
３８    スイッチ
４０    ＤＰＳ
４２    ハウジング
４４    ワイヤ
４６    フラッシュ・メモリ
４８    ユーザーインターフェース
５０    サイロ
５２    天井
５４    内容物
５５    上面
５６    音響パルス
５８    矢印
【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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【国際調査報告】
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