(57)【要約】【課題】対象物の微小移動をより精度良く検出する。【解決手段】マイクロ波帯の波長を有する送信信号を発生する送信信号発生器と、前記送信信号を送信波として移動検出対象物に照射する送信アンテナと、前記送信波が移動検出対象物に反射して得られる反射波を捕らえ受信信号を出力する受信アンテナと、所定周波数のローカル信号を発生するローカル信号発生器と、ローカル信号を用いて送信信号を低周波送信信号に周波数変換する送信信号周波数変換器と、ローカル信号を用いて受信信号を低周波受信信号に周波数変換する受信信号周波数変換器と、低周波送信信号と低周波受信信号との位相差を検出する位相検出器と、該位相検出器の検出信号に基づいて移動検出対象物の移動状態を判定する判定手段とを具備する。【選択図】図１
2007170990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波帯の波長を有する送信信号を発生する送信信号発生器と、
前記送信信号を送信波として移動検出対象物に照射する送信アンテナと、
前記送信波が移動検出対象物に反射して得られる反射波を捕らえ受信信号を出力する受信アンテナと、
所定周波数のローカル信号を発生するローカル信号発生器と、
ローカル信号を用いて送信信号を低周波送信信号に周波数変換する送信信号周波数変換器と、
ローカル信号を用いて受信信号を低周波受信信号に周波数変換する受信信号周波数変換器と、
低周波送信信号と低周波受信信号との位相差を検出する位相検出器と、
該位相検出器の検出信号に基づいて移動検出対象物の移動状態を判定する判定手段と
を具備することを特徴とする微小移動検出装置。
【請求項２】
判定手段から入力される第1の制御信号に基づいて低周波送信信号あるいは低周波受信信号のいずれか一方を所定の位相差分だけ切替える位相切替器をさらに備え、
判定手段は、位相検出器の検出信号が所定範囲を超えると、第1の制御信号を用いて前記位相切替器を制御することにより低周波送信信号あるいは低周波受信信号のいずれか一方を所定の位相差分だけ切替えさせ、当該位相差を加味して移動検出対象物の移動状態を判定する
ことを特徴とする請求項１記載の微小移動検出装置。
【請求項３】
判定手段から入力される第２の制御信号に基づいて低周波受信信号を移動検出対象物の所定の基準移動量分だけ遅延／非遅延させる信号遅延手段をさらに備え、
判定手段は、第２の制御信号を用いて前記信号遅延手段を制御することにより低周波受信信号を所定移動量分だけ遅延させた場合に得られる移動量と所定移動量分だけ遅延させない場合に得られる移動量との差が基準移動量と一致するか否かに基づいて動作異常を判定する
ことを特徴とする請求項１または２記載の微小移動検出装置。
【請求項４】
送信アンテナ及び受信アンテナは円偏波アンテナであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の微小移動検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を用いて対象物の微小移動を検出する微小移動検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、所定波長のマイクロ波（送信波）と、当該送信波が移動検出対象物に反射して得られる受信波（反射波）とによって形成される定在波の振幅最大値を検出することにより移動検出対象物の微小移動を検出する移動距離検出装置が開示されている。
【０００３】
上記定在波の振幅は、受信点と移動検出対象物との間の位置に応じて正弦波状に変化するものとなり、送信波の受信点及び送信点を固定した状態において移動検出対象が受信点に対して接近する方向あるいは離間する方向に移動すると、受信点における定在波の振幅は正弦波状に変化するものとなる。上記移動距離検出装置では、このように正弦波状に変化する定在波の振幅が最大となる位置を追尾し、当該位置の基準位置に対するズレを移動検出対象物の移動量として検出する。
【特許文献１】特開２０００−０４６９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、正弦波状に変化する定在波では、振幅最大値近傍における定在波の振幅変化が緩慢なために定在波の振幅最大値の検出に誤差が生じ易い。そして、この振幅最大値の検出誤差は、そのまま微小移動量の検出誤差となる。したがって、従来技術では、定在波の振幅最大値の検出誤差に起因して微小移動量の検出精度が低下するという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、対象物の微小移動をより精度良く検出することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、マイクロ波帯の波長を有する送信信号を発生する送信信号発生器と、前記送信信号を送信波として移動検出対象物に照射する送信アンテナと、前記送信波が移動検出対象物に反射して得られる反射波を捕らえ受信信号を出力する受信アンテナと、所定周波数のローカル信号を発生するローカル信号発生器と、ローカル信号を用いて送信信号を低周波送信信号に周波数変換する送信信号周波数変換器と、ローカル信号を用いて受信信号を低周波受信信号に周波数変換する受信信号周波数変換器と、低周波送信信号と低周波受信信号との位相差を検出する位相検出器と、該位相検出器の検出信号に基づいて移動検出対象物の移動状態を判定する判定手段とを具備する、という手段を採用する。
【０００７】
第２の解決手段として、上記第１の手段において、判定手段から入力される第1の制御信号に基づいて低周波送信信号あるいは低周波受信信号のいずれか一方を所定の位相差分だけ切替える位相切替器をさらに備え、判定手段は、位相検出器の検出信号が所定範囲を超えると、第1の制御信号を用いて前記第1の信号遅延手段を制御することにより低周波送信信号あるいは低周波受信信号のいずれか一方を所定の位相差分だけ切替させ、当該位相差を加味して移動検出対象物の移動状態を判定する、という手段を採用する。
【０００８】
第３の解決手段として、上記第１または第２の手段において、判定手段から入力される第２の制御信号に基づいて低周波受信信号を移動検出対象物の所定の基準移動量分だけ遅延／非遅延させる信号遅延手段をさらに備え、判定手段は、第２の制御信号を用いて前記信号遅延手段を制御することにより低周波受信信号を所定移動量分だけ遅延させた場合に得られる移動量と所定移動量分だけ遅延させない場合に得られる移動量との差が基準移動量と一致するか否かに基づいて動作異常を判定する、という手段を採用する。
【０００９】
第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、送信アンテナ及び受信アンテナは円偏波アンテナである、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低周波送信信号と低周波受信信号との位相差に基づいて移動検出対象物の移動状態を判定するので、従来の振幅最大値を検出する技術よりも対象物の微小移動を精度良く検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の最良の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
【００１２】
図１は、第１実施形態に係る微小移動検出装置のブロック図である。この図１に示されているように、本微小移動検出装置は、電圧制御発振器１、カップラ２、送信信号電力分配器３、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路４、アッテネータ５、送信信号用ミキサ６、送信アンテナ７、受信アンテナ８、受信信号用ミキサ９、ローカル信号電力分配器１０、ローカル発振器１１、位相検出器１２及びワンチップマイコン１３から構成されている。
【００１３】
電圧制御発振器１は、ＰＬＬ回路４から入力される制御電圧に基づいてマイクロ波帯の送信信号を発振する。この送信信号の周波数は、例えば１０．５２５ＧＨｚである。カップラ２は、上記電圧制御発振器１と送信アンテナ７との間の信号伝送路に設けられており、電圧制御発振器１から出力された送信信号の一部を送信信号電力分配器３に出力する。送信信号電力分配器３は、上記カップラ２から入力された送信信号をＰＬＬ回路４とアッテネータ５とに電力分配するものである。ＰＬＬ回路４は、送信信号電力分配器３から入力された送信信号に基づいて上記制御電圧を生成するものである。上記電圧制御発振器１、カップラ２、送信信号電力分配器３及びＰＬＬ回路４は、電圧制御発振器１における送信信号の発振を制御する制御ループを形成しており、本実施形態における送信信号発生器に相当する。
【００１４】
アッテネータ５は、上記送信信号電力分配器３と送信信号用ミキサ６との間の信号伝送路に設けられており、上記送信信号電力分配器３から入力された送信信号を所定量だけ減衰させて送信信号用ミキサ６に出力する。送信信号用ミキサ６は、アッテネータ５から入力された送信信号をローカル信号電力分配器１０から入力されたローカル信号に基づいて低周波送信信号に周波数変換するものである。
【００１５】
送信アンテナ７は、上記送信信号を偏波面が右旋回する送信波として移動検出対象物（例えば岩盤等の壁面）に照射する円偏波アンテナである。受信アンテナ８は、上記記送信波が移動検出対象物（図示略）に反射して得られる反射波を捕らえ受信信号を出力する円偏波アンテナである。この反射波は、送信波が移動検出対象物で反射したものなので、偏波面が送信波（右旋回）とは逆で左旋回するマイクロ波となる。これら送信アンテナ７及び受信アンテナ８は、移動検出対象物に対して同一距離となる位置に固定されている。
【００１６】
受信信号用ミキサ９は、受信アンテナ８から入力された受信信号をローカル信号電力分配器１０から入力されたローカル信号に基づいて低周波受信信号に周波数変換するものである。ローカル発振器１１は、ローカル信号を発振してローカル信号電力分配器１０に出力する。このローカル信号の周波数は、例えば９ＧＨｚである。ローカル信号電力分配器１０は、ローカル発振器１１から入力されたローカル信号を上記送信信号用ミキサ６と受信信号用ミキサ９とに電力分配する。
【００１７】
位相検出器１２は、送信信号用ミキサ６から入力された低周波送信信号と受信信号用ミキサ９から入力された低周波受信信号との位相差を検出し検出信号をワンチップマイコン１３に出力する。この位相検出器１２は、図２に示すような位相検出特性、つまり０〜１８０°の範囲の位相差については検出信号が直線的に増加する特性を、また１８０°〜３６０°の範囲の位相差については検出信号が直線的に減少する特性を有している。
【００１８】
ワンチップマイコン１３は、本実施形態における判定手段に相当するものであり、位相検出器１２の検出信号に基づいて移動検出対象物の移動状態を判定し、その判定結果を外部に出力する。このワンチップマイコン１３は、上述した検出信号（アナログ信号）を量子化するＡ／Ｄ変換器、所定の判定処理プログラムを記憶する記憶部、Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタル信号としての検出データに上記判定処理プログラムに基づく判定処理を施すＣＰＵ（Central Processing Unit）、及び当該ＣＰＵによる判定処理結果を外部に出力する出力部等から構成されている。
【００１９】
次に、このように構成された本微小移動検出装置の要部動作について、図３をも参照して詳しく説明する。
【００２０】
本微小移動検出装置では、１０．５２５ＧＨｚの周波数を有する送信波が送信アンテナ７から移動検出対象物に照射され、この送信波が移動検出対象物で反射して発生した反射波（送信波と同様に１０．５２５ＧＨｚの周波数を有する）が受信アンテナ８で捕らえられる。上記送信波の送信タイミングを基準とした反射波の受信タイミングは、送信波が送信アンテナ７から移動検出対象物に伝播する時間に反射波が移動検出対象物から受信アンテナ８に伝搬する時間を加算したものとなる。
【００２１】
すなわち、送信波と受信波との位相差は、１０．５２５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波（送信波及び受信波）が送信アンテナ７（受信アンテナ８）と移動検出対象物との距離に応じて変化するものとなる。図３に示すように、岩盤の壁面（移動検出対象物）が位置Ａにある場合の反射波１と岩盤の壁面が位置Ｂにある場合の反射波２とは送信波に対する位相差が異なっている。
【００２２】
このような送信波と受信波との位相差は、本微小移動検出装置と移動検出対象物との距離に応じた値であり、また送信信号と受信信号との位相差と同義である。したがって、本微小移動検出装置が位置不変に固定設置されている場合、送信信号と受信信号の位相差を検出することによって移動検出対象物の移動状態を判定することが可能である。
【００２３】
本微小移動検出装置では、上述した制御ループによって周波数安定性が極めて高い送信信号を発生させ、このような送信信号に基づいて送信アンテナ７から送信波を移動検出対象物に照射して反射波を受信アンテナ８で捕らえる。そして、送信信号を送信信号用ミキサ６で低周波送信信号に周波数変換する一方、受信信号を受信信号用ミキサ９で低周波受信信号に周波数変換し、これら低周波送信信号と低周波受信信号との位相差を位相検出器１２で検出するする。低周波送信信号と低周波受信信号とは、同一のローカル信号によって周波数変換されたものであり、よってその位相差は、周波数変換前の送信信号と受信信号との位相差と同一である。
【００２４】
ワンチップマイコン１３に組み込まれた判定処理プログラムには、送信波（受信波）の周波数情報つまり「１０．５２５ＧＨｚ」がデータとして取り込まれており、ワンチップマイコン１３は、判定処理プログラムに基づいて位相検出器１２から入力される検出信号、つまり低周波送信信号と低周波受信信号との位相差と送信波（受信波）の周波数戸に基づいて移動検出対象物の移動距離を演算し、この演算結果が所定のしきい値を越えた場合には警報信号を外部に出力する。
【００２５】
このような本実施形態によれば、低周波送信信号と低周波受信信号との位相差に基づいて移動検出対象物の移動状態を判定するので、従来の振幅最大値を検出する技術よりも移動検出対象物の微小移動を精度良く検出することができる。
また、上述した制御ループによって周波数安定性が極めて高い送信信号を発生させるので、また同一のローカル信号によって低周波送信信号と低周波受信信号とを発生させるので、これによっても微小移動の検出精度を向上させることができる。
さらに、送信アンテナ７及び受信アンテナ８として円偏波アンテナを用いることにより円偏波以外の外乱電波の影響を除外することができるので、これによっても微小移動の検出精度を向上させることができる。
【００２６】
〔第２実施形態〕
図４は、第２実施形態に係る微小移動検出装置のブロック図である。この図４から容易に解るように、本微小移動検出装置は、第１実施形態に係る微小移動検出装置に対して、ワンチップマイコン１３Ａによって制御される位相切替器１４を受信信号用ミキサ９と位相検出器１２との間に追加したものである。この位相切替器１４は、ワンチップマイコン１３Ａから入力される制御信号によって低周波受信信号の位相を９０°だけ切替えるものである。
【００２７】
図２を参照して、このように構成された微小移動検出装置の動作について説明すると、移動検出対象物に対する微小移動検出装置の位置は、初期的には位相差が０〜１８０°（直線増加領域）の中間位置つまり９０°となるように設定される。この状態において、移動検出対象物が微小移動検出装置に対して近づく方向あるいは遠ざかる方向に微小移動すると、位相差は９０°から増大あるいは減少し、検出信号の値は位相検出特性に沿って直線的に増大あるいは減少することになる。
【００２８】
例えば、移動検出対象物が近づく方向に微小移動することにより位相差が大きくなって９０°→１３５°に変化すると、ワンチップマイコン１３Ａは、位相切替器１４に対して制御信号を出力して低周波受信信号の位相を９０°だけ切替させる。この結果、低周波送信信号の位相は切替えないので、低周波送信信号と低周波受信信号との位相差は１３５°→４５°に変化する。このような位相切替器１４による低周波受信信号の位相切替を行った場合、位相切替器１４における４５°の位相差は、低周波受信信号の位相切替によって１３５°から遷移したものなので、ワンチップマイコン１３Ａは、位相切替器１４における４５°の位相差を１３５°（＝実位相差）と認識する。
【００２９】
このような低周波受信信号の位相切替は、上記切替後において移動検出対象物が近づく方向にさらに微小移動して位相差が再び１３５°に到達した場合にも繰り返され、この場合に、ワンチップマイコン１３Ａは、２回目の位相切替なので、切替後の位相差を１３５°＋９０°＝２２５°と認識する。すなわち、ワンチップマイコン１３Ａは、位相切替器１４の検出信号が示す位相差に位相切替の回数に９０°を乗算した位相差を加味した位相差を実位相差として認識する。このことは、移動検出対象物が遠ざかる方向に微小移動して位相差が小さくなる場合も同様である。
【００３０】
図２に示したように、位相検出器１２の位相差特性は、直線増加範囲（０°〜１８０°）と直線減少範囲（１８０°〜３６０°）とから形成されているので、１８０°を中心として対称な関係にある位相差。例えば９０°と２５０°では検出信号の値が同一であり、よって検出信号の値から両位相差を識別することができない。したがって、直線増加範囲と直線減少範囲とを跨って位相差を検出することはできず、直線増加範囲あるいは直線減少範囲の何れかのみを用いざるを得ない、つまり位相差の検出範囲は０〜１８０°あるいは１８０°〜３６０°に限定される。
【００３１】
しかしながら、本第２実施形態によれば、上述したように位相切替器１４による低周波受信信号の位相切替及びワンチップマイコン１３Ａにおける当該位相切替に応じた実位相差の認識を行うことによって位相差の検出範囲を原理的に無制限とすることができる。
【００３２】
なお、上述した説明では、位相検出器１２の位相差特性のうち４５°〜１３５°の範囲を用いる場合について説明したが、０°〜１８０°の範囲あるいは１８０°〜３６０°の何れかであればどの範囲でも良い。本第２実施形態では、位相検出器１２の位相差特性は、実際には９０°及び２７０°の直線性に比べて０°、１８０°及び３６０°近傍の直線性が悪いので、上述した説明ではより直線性が良好な範囲を位相差検出範囲とするために、４５°及び１３５°の位相差で低周波受信信号の位相切替を行うようにした。
【００３３】
また、本第２実施形態では、位相検出器１２によって低周波受信信号の位相を切替えるようにしてが、位相検出器１２によって低周波送信信号の位相を切替えるようにしても良いことは勿論である。
【００３４】
〔第３実施形態〕
図５は、第３実施形態に係る微小移動検出装置のブロック図である。この図５から容易に解るように、本微小移動検出装置は、第１実施形態に係る微小移動検出装置に対して、ワンチップマイコン１３Ｂによって制御される基準遅延切替器１５を受信信号用ミキサ９と位相検出器１２との間に追加したものである。この基準遅延切替器１５は、ワンチップマイコン１３Ｂから入力される制御信号によって低周波受信信号の遅延量を基準移動量だけ遅延させる切替えを行うものである。
【００３５】
すなわち、基準遅延切替器１５は、図６に示すように、低周波受信信号に殆ど遅延を与えない第１の伝送路Ｌ１（マイクロストリップライン）と、当該第１の伝送路Ｌ１の遅延量に基準移動量に相当する遅延量を加算した遅延量の遅延を低周波受信信号に与える第２の伝送路Ｌ２（マイクロストリップライン）とを備え、当該第１、第２の伝送路Ｌ１，Ｌ２をワンチップマイコン１３Ｂから入力された制御信号に基づいて切替えるものである。このような基準遅延切替器１５は、以下に説明するように本微小移動検出装置の動作異常を検出するために備えられている。
【００３６】
ワンチップマイコン１３Ｂは、本微小移動検出装置の動作異常を検出するために所定のタイムインターバルで制御信号を基準遅延切替器１５に出力して第１の伝送路Ｌ１と第２の伝送路Ｌ２とを切替させる。そして、この切替の前後における微小移動量の差が基準移動量に一致している場合は本微小移動検出装置が正常に動作していると判定し、一致しない場合には異常であると判定する。そして、この判定結果を外部に出力する。
【００３７】
上述したように、基準遅延切替器１５における第１の伝送路Ｌ１と第２の伝送路Ｌ２とは、マイクロストリップラインとして物理的に形成されたものであり、マイクロストリップラインの長さによって基準移動量に相当する遅延量の差が生じるように形成されたものである。したがって、基準遅延切替器１５の特性としての基準移動量はほぼ不変と考えることができる。
【００３８】
したがって、このような性質を有する第１の伝送路Ｌ１と第２の伝送路Ｌ２とを切替えた際に得られる微小移動量が基準遅延切替器１５固有の基準移動量に一致しない場合には、本微小移動検出装置に何らかの異常があると考えることができる。ワンチップマイコン１３Ｂは、本微小移動検出装置の初期設定時において第１の伝送路Ｌ１と第２の伝送路Ｌ２とを切替えた際に得られる微小移動量を基準移動量として内部に記憶し、これ以降において所定のタイムインターバルで第１の伝送路Ｌ１と第２の伝送路Ｌ２とを切替えた際に得られる微小移動量が内部に記憶した基準移動量に一致するか否かを判定することにより、定期的に本微小移動検出装置の異常発生を監視する。
【００３９】
本実施形態によれば、ワンチップマイコン１３Ｂによって異常発生が定期的に監視されるので、異常発生に起因する不確かな微小移動の検出を防止することが可能であり、よって移動検出対象物の微小移動を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る微小移動検出装置の機能構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る微小移動検出装置における位相検出器１２の位相検出特性を示す特製図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る微小移動検出装置の動作原理を示す模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る微小移動検出装置の機能構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る微小移動検出装置の機能構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る微小移動検出装置における基準遅延切替器１５の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…電圧制御発振器、２…カップラ、３…送信信号電力分配器、４…ＰＬＬ回路、５…アッテネータ、６…送信信号用ミキサ、７…送信アンテナ、８…受信アンテナ、９…受信信号用ミキサ、１０…ローカル信号電力分配器、１１…ローカル発振器、１２…位相検出器、１３…ワンチップマイコン
【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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