ドップラ速度計及びドップラ効果を用いた速度計測方法
【課題】構成部品のバラツキ等に影響されず、高い応答性をもってドップラ周波数を検出できるドップラ速度計及び速度計測方法を提供する。
【解決手段】本発明のドップラ速度計１は、送信波と同一周波数を有する第１比較波と、第１比較波に対して位相をπ／２ずらした第２比較波とを発生する比較波発生部１０と、受信波と第１比較波とをミキシングする第１混合部１１と、受信波と第２比較波とをミキシングする第２混合部１２と、両混合部１１，１２の出力からドップラ周波数を求める信号処理部１５と、第１混合部１１の出力と第２混合部１２の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、第１混合部１１及び／又は第２混合部１２を校正するキャリブレーション機構１６を有する。
【解決手段】本発明のドップラ速度計１は、送信波と同一周波数を有する第１比較波と、第１比較波に対して位相をπ／２ずらした第２比較波とを発生する比較波発生部１０と、受信波と第１比較波とをミキシングする第１混合部１１と、受信波と第２比較波とをミキシングする第２混合部１２と、両混合部１１，１２の出力からドップラ周波数を求める信号処理部１５と、第１混合部１１の出力と第２混合部１２の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、第１混合部１１及び／又は第２混合部１２を校正するキャリブレーション機構１６を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドップラ速度計及びドップラ効果を用いた速度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、移動する物体（被計測物体）の速度を遠隔で計測する際には、「ドップラ効果」を利用した速度計が用いられることがある。
例えば、特許文献１には、マイクロ波を用いて自動車等のスピードを測る交通監視用のスピード測定器に関する技術が開示されている。
特許文献２に記載された技術では、製鉄所内の連続鋳造ラインにおいて、被計測物体（鋳片）に電波を照射して、反射してくる電波のドップラ周波数を測定することにより、鋳片の引き抜き速度を測定している。この場合、ドップラ周波数は、鋳片に照射する電波の周波数や鋳片の速度に比例するものとなり、引き抜き速度が低速の場合、ドップラ周波数は低くなって、かかる速度を高分解能で測定することが困難となっていた。
【０００３】
具体的には、特許文献２では、送信波として周波数１０ＧＨｚ（特許文献２中の１ＧＨｚは誤り）の電波を使用し、速度ｖ＝２ｃｍ／ｓで移動する鋳片の速度を計測しており、この場合、ドップラ周波数ｆｄは１．３Ｈｚとなる。しかしながら、市販されている周波数測定器の測定レンジは約１Ｈｚ〜数ＭＨｚ程度であり、１Ｈｚ前後の周波数を測定した際には大きな誤差を伴うことが予想される。また、鋳片の速度が遅くなりドップラ周波数が１Ｈｚ以下になった場合、このような低い周波数を測定しようとすれば、測定時間が長くなり、応答性で不利な状況となる。
【０００４】
この状況を改善するためには、被計測物体へ発射する電波の周波数を高くしてドップラ周波数を上げればよく、特許文献２では、周波数５０ＧＨｚの電波を使用しドップラ周波数を約６．７Ｈｚに上げるようにしている。
また、被計測物体の速度を高分解能で測定するために、レーザ光を照射するレーザドップラ速度計が既に商品化されている。レーザドップラ速度計は、電波に比べその周波数がはるかに高いレーザ光を被計測物体に照射するため、そのドップラ周波数は低速の物体でも高いものとなる(例えば、可視レーザ光６３２ｎｍ、ミリ波７６ＧＨｚとすると、その周波数比は６２００倍)。ゆえに、レーザドップラ速度計は非常に低速度からの測定が可能なものとなっている。特許文献３には、上述したようなレーザドップラ速度計を用いて、鋼線材の引き抜き速度を遠隔で計測することが開示されている。
【０００５】
一方、特許文献４には、送信波を被計測物体に向かって送信し、反射してきた受信波を受信し、受信波と第１比較波とを第１混合部でミキシングすると共に、受信波と第１比較波に対し位相がπ／２異なる第２比較波とを第２混合部でミキシングし、両ミキシング結果から位相変化を求め、この位相変化からドップラ周波数を求めるようにした技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−１１８９０８号公報
【特許文献２】特開昭６２−２４４５６０号公報
【特許文献３】特開２００４−７４２２９号公報
【特許文献４】特開昭６０−８５３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
製鉄所に代表される悪環境下で、特許文献３に記載されたレーザドップラ速度計を用いた場合、レーザ光は少しの粉塵でも散乱され計測誤差が著しいものとなる。
特許文献１や特許文献２の如く、周波数の高い電波を用いたドップラ速度計を使用すると、粉塵による電波の散乱等がレーザ光に比して少なく正確な速度測定が可能となると考えられる。しかしながら、以下に述べる数々の問題もある。
つまり、図５に示すように、電波はその周波帯域により酸素分子や水蒸気（すなわち大気）に反射されたり吸収される。そのため、例えば、多量の水蒸気が充満する圧延機近傍での圧延材の搬送速度の検出などには不向きである。仮に水蒸気が少ない環境下であっても、電波は、その周波数が極端に高くなると光と同様に伝搬路の粉塵粒子の影響を受けやすくなるため、高い周波数の電波はダスト環境下には適さない。
【０００７】
加えて、電波の使用には各国とも法的規制があり、極微弱な電波を除けば、用途毎に割り当てられている使用周波数が決まっている。例えば、移動体検知センサ用の特定小電力無線局に対しては、１０．５２５ＧＨｚ（室内）と２４．１５ＧＨｚ（室内外）とが使用に対して開放されているものの、他の周波数（例えば、５０ＧＨｚ）の無制限な使用は許されていない。
上記の制約を考慮して、電波の使用周波数を選択した場合、ドップラ速度計に使用できる電波の周波数は必ずしも高くできず、得られるドップラ周波数も通常の周波数計測機器で計測できる周波数レンジと比して非常に低いものとなる。ドップラ周波数が１Ｈｚ程度の場合、このような低い周波数を測定しようとすれば、測定時間が長くなり、応答性で不利な状況となる。
【０００８】
そこで、特許文献４に開示された直交検波技術を使い、受信波から求められる位相変化を抽出することで、低速である被計測物体の速度を求めることが可能であると思われる。なぜならば、位相は周波数と異なり、その計測に一周期分の時間を必ずしも必要としないからである。
しかしながら、その場合であっても大きな問題が考えられる。
１０ＧＨｚ程度の電波すなわち高周波を用いたドップラ速度計を構成しようとした場合、高周波用の電子部品（素子）のバラツキが非常に大きく、設計通りの特性を実現することが困難であることは、当業者間では常識となっている。例えば、第１混合部や第２混合部を構成する高周波用のミキシング素子は、周波数変換用に入力する局部発信器の信号の大きさでその変換特性が異なる。また、ミキシング素子の経時変化（温度変化を含む）も無視できない。したがって、第１混合部及び第２混合部間では、常に両者のバランスが崩れる可能性があり、正確な直交検波（位相変化の抽出）が困難である。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、構成部品のバラツキ等に影響されず、高い応答性をもってドップラ周波数を検出できるドップラ速度計及びドップラ効果を用いた速度計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明にかかるドップラ速度計は、送信波を被計測物体に向かって送信すると共に、前記送信波が被計測物体で反射された反射波を受信波として受信することにより被計測物体の移動速度を計測するものであって、前記送信波と同一周波数を有する第１比較波と、該第１比較波に対して位相をπ／２ずらした第２比較波とを発生する比較波発生部と、前記受信波と第１比較波とをミキシングする第１混合部と、前記受信波と第２比較波とをミキシングする第２混合部と、該第１混合部及び第２混合部の出力から得られる位相変化を基にドップラ周波数を求める信号処理部と、前記第１混合部の出力と第２混合部の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、基準となる参照波を基に、第１混合部及び／又は第２混合部を校正するキャリブレーション機構を有することを特徴とする。
【００１１】
以下、ドップラ速度計の原理を述べる。図１は、直交検波を用いたドップラ速度計の基本的な構成を示したブロック図である。
送信波発生部２により発生された周波数ｆの送信波は、方向性結合器３により、２つの信号に分割され、その一方が、送信部４より被計測物体Ｗに発射される。
被計測物体Ｗに当たった送信波は反射して反射波となり、この反射波が受信波として受信部５で受信される。受信波の周波数はドップラ周波数ｆｄを含むものとなっている。受信波は、第１ミキサ６と第２ミキサ７にそれぞれ入力される。
【００１２】
第１ミキサ６には、前述の方向性結合器３により分配された周波数ｆの信号が、第１比較波として入力される。さらに、方向性結合器３により分配された信号は、位相シフト部８により位相をπ／２ずらされて第２比較波となり、第２ミキサ７に入力される。
ここで、送信波発生部２が発生する送信波をsin(2πft)とすれば、送信波、受信波の信号は、以下の通りとなる。
【００１３】
【数１】
【００１４】
ここで、αは位相を表し、送信波が被計測物体Ｗで発射してドップラ速度計に戻ってくるに要する時間に起因するものである。
第１ミキサ６には、受信波と第１比較波sin(2πft)が入力されるため、第１ミキサ６の出力は、式（１）のようになる。
第２ミキサ７には、受信波と第２比較波sin(2πft＋π/2)が入力され、第１ミキサ６の出力は、式（２）のようになる。
【００１５】
【数２】
【００１６】
第１ミキサ６、第２ミキサ７の出力は、ローパスフィルタ９を介して取り出され、式（３），式（４）のようになる。
【００１７】
【数３】
【００１８】
以上のような操作をすることで、ドップラ周波数を含んだ受信波の２成分を抽出でき、かかる２成分を基に、式（５）の如く、位相φを算出することができる（直交検波）。
【００１９】
【数４】
【００２０】
この式（５）を時間微分することで、式（６）を導出でき、この式（６）に基づいて、算出された位相φの微分値を基にドップラ周波数ｆｄを求めることができる。実際には、細かい時間間隔Δt毎に位相を測定しその際の位相変化Δφを求め、式（６）’からドップラ周波数ｆｄを算出する。
【００２１】
【数５】
【００２２】
以上の議論は、理想的にドップラ速度計の回路が作動した場合であり、前述した特許文献４の技術などは、それを前提で論じられている。
しかしながら、直交検波を行う図１の構成において、第１ミキサ６及び第２ミキサ７、すなわち２個の高周波用のミキシング素子の特性が若干異なったり、方向性結合器３の特性が規格通りでなく送信波発生部２からの送信波を確実に等分配していない等々、実際の電子部品（素子）はある程度のバラツキを有するのが通例である。特に、マイクロ波領域では素子のバラツキは大きく、方向性結合器３の等分配も調整を要するものである。
【００２３】
ゆえに、ローパスフィルタ９通過後の第１ミキサ６及び第２ミキサ７の出力には、これら分配比率やミキシング素子の特性差を反映し、異なる係数（ゲイン値）ａ，ｂが掛かり、実際には、式（３）'，式（４）'のようになる。
【００２４】
【数６】
【００２５】
その場合、計測で得られるのは、式（３）'，式（４）'の２つであるが、未知量はａ，ｂ，ｆｄの３個という状況となり、ドップラ周波数ｆｄを求めることができなくなる。
そのため、本願発明かかるドップラ速度計では、キャリブレーション機構を有しているため、この機構により、第１混合部と第２混合部の出力（図１における第１ミキサ６及び第２ミキサ７の出力に相当）とが同一又は所定のゲイン値となるように、基準となる参照波を基に、第１混合部及び／又は第２混合部の出力を校正（調整）することができる。
このようにすることで、式（３）'，式（４）'の未知量ａ，ｂを「ａ＝ｂ」の関係とし、受信波の２成分のバランスを修正でき、ドップラ周波数ｆｄを確実に導出可能となる。なお、未知量ａ，ｂを「ａ＝ｋ・ｂ」の関係（ｋは既知の比例定数）としても何ら問題はない。
【００２６】
なお、好ましくは、前記第１混合部には、当該第１混合部の出力のゲイン値を調整する第１ゲイン調整部が備えられると共に、前記第２混合部には、当該第２混合部の出力のゲイン値を調整する第２ゲイン調整部が備えられ、前記キャリブレーション機構には、基準となる参照波を発生する参照波発生部と、前記第１混合部及び第２混合部へ参照波又は受信波を切り換えて入力させる入力切換部と、前記入力切換部を介して参照波が第１混合部及び第２混合部に入力された際に、第１混合部の出力と第２混合部の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、第１ゲイン調整部及び／又は第２ゲイン調整部を調整する校正部と、が備えられているとよい。
【００２７】
このような構成であると、第１ゲイン調整部を調整することで、第１混合部の出力のゲイン値を可変とでき、第２ゲイン調整部を調整することで、第２混合部の出力のゲイン値を可変とすることができ、容易に、式（３）'，式（４）'で係数ａ＝ｂとすることができる。
特に、入力切換部を切り換えて、参照波発生部で作成された「特性が明らかとなっている参照波」を第１混合部、第２混合部に入力し、第１ゲイン調整部及び／又は第２ゲイン調整部を調整することで、式（３）'，式（４）'で表される出力の係数ａ，ｂを確実にａ＝ｂとすることができる。
【００２８】
また、本発明にかかるドップラ効果を用いた速度計測方法は、被計測物体に向かって送信する送信波と同一周波数を有する第１比較波と、該第１比較波に対し位相をπ／２ずらした第２比較波とを準備しておく比較波発生工程と、前記送信波を被計測物体に向かって送信し、前記送信波が被計測物体で反射されたものを受信波として受信し、前記受信波と第１比較波とを第１混合部でミキシングすると共に、前記受信波と第２比較波とを第２混合部でミキシングし、前記第１混合部及び第２混合部の出力から得られる位相変化を基にドップラ周波数を求め、該ドップラ周波数から被計測物体の移動速度を求める速度計測工程と、前記第１混合部の出力と第２混合部の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、基準となる参照波を基に、前記第１混合部及び第２混合部を校正するキャリブレーション工程とを備え、前記比較波発生工程の後に、速度計測工程とキャリブレーション工程とを行うことを特徴とする。
【００２９】
この速度計測方法において、比較波発生工程の後に速度計測工程を実施することで、被計測物体の移動速度を測定することができる。加えて、比較波発生工程の後にキャリブレーション工程を実施することで、第１混合部及び第２混合部の出力のゲイン値が同じ又は所定の関係を有するように、両混合部の出力を校正することができ、ひいては、移動速度を求める際に必要なドップラ周波数ｆｄを確実に導出可能となる。
なお、前記キャリブレーション工程を、前記速度計測工程の前に行うと良く、前記キャリブレーション工程と速度計測工程とを交互に行ってもよい。
【００３０】
こうすることで、速度計測工程時には、常に第１混合部及び第２混合部は校正済みとなっており、移動速度を求める際に必要なドップラ周波数ｆｄを正確に導出可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係るドップラ速度計及びドップラ効果を用いた速度計測方法によれば、構成部品のバラツキ等に影響されず、高い応答性をもってドップラ周波数を検出でき、被計測物体の移動速度の正確な計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に係るドップラ速度計及びドップラ効果を用いた速度計測方法を、図を基に以下説明する。
図２は、本発明に係るドップラ速度計１のブロック構成図である。
ドップラ速度計１は、周波数ｆの送信波を発生する送信波発生部２と、この送信波を速度ｖで移動する被計測物体Ｗに向けて発射する送信部４と、被計測物体Ｗで反射された反射波を受信する受信部５とを有している。
被計測物体Ｗに送信される送信波は、マイクロ波等の電波であって、送信部４としては、マイクロ波を効率的に発射可能な送信用のホーンアンテナやパラボラアンテナなどが用いられている。同様に、受信部５としては、被計測物体Ｗで反射されたマイクロ波を効率的に受信可能な受信用のホーンアンテナやパラボラアンテナなどが使用される。
【００３３】
さらに、ドップラ速度計１は、送信波と同一周波数を有する第１比較波と、第１比較波とは位相がπ／２ずれている第２比較波とを発生する比較波発生部１０を有している。加えて、受信波と第１比較波とをミキシングする第１混合部１１と、受信波と第２比較波とをミキシングする第２混合部１２とを有している。
詳しくは、比較波発生部１０は、方向性結合器３と位相シフト部８とを有しており、送信波発生部２により発生された送信波は、方向性結合器３に入力され、送信波と同一の周波数を持った信号に分配され、第１比較波となる。この第１比較波はさらに分岐されて、位相シフト部８へ入力され、第１比較波とは位相がπ／２ずれている第２比較波となる。
【００３４】
方向性結合器３は公知の技術に基づいたマイクロ波用の分配器が採用可能であり、位相シフト部８は公知の技術に基づいたフェーズシフト回路などを採用可能である。
第１混合部１１は、受信波と第１比較波とをミキシングする第１ミキサ６と、この第１ミキサ６の出力から低周波成分のみを取り出すローパスフィルタ９、そして、ローパスフィルタ９の出力のゲイン値を調整可能な第１ゲイン調整部１３とを備えている。第２混合部１２は、受信波と第２比較波とをミキシングする第２ミキサ７と、この第２ミキサ７の出力から低周波成分のみを取り出すローパスフィルタ９、そして、ローパスフィルタ９の出力のゲイン値を調整可能な第２ゲイン調整部１４とを備えている。
【００３５】
第１ミキサ６及び第２ミキサ７は公知のマイクロ波用ミキシング素子を採用可能であり、ローパスフィルタ９は公知の技術に基づいたものが採用可能である。第１ゲイン調整部１３や第２ゲイン調整部１４は後述する回路が採用可能である。
また、本発明に係るドップラ速度計１は、前述した第１混合部１１及び第２混合部１２の出力を基に位相変化を求め、この位相変化からドップラ周波数を求める信号処理部１５を有している。加えて、第１混合部１１の出力と第２混合部１２の出力とが同一又は所定のゲイン値となるように（言い換えるならば、信号処理部１５に対する２つの入力が同一又は所定のゲイン値となるように）、基準となる参照波を基に第１混合部１１及び第２混合部１２を校正するキャリブレーション機構１６を有する。
【００３６】
キャリブレーション機構１６は、キャリブレーションすなわち校正を行う際に基準となる参照波を発生する参照波発生部１７を有している。参照波発生部１７は、高い周波数安定性を得ることができる水晶発振器と、この水晶発振器が発生した正確な周波数を基に所定の参照波を発生する電圧制御発振器（ＶＣＯ）とから構成される。水晶発振器は、恒温槽に入れられており外乱(周囲温度の変化、電源電圧の変化等)の影響を受けないようになっている。キャリブレーション機構１６は、第１混合部１１及び第２混合部１２に対して参照波又は受信波を切り換えて入力させる入力切換部１８を有している。入力切換部１８としては、高周波用のスイッチング回路が採用可能である。
【００３７】
さらに、キャリブレーション機構１６は、入力切換部１８により第１混合部１１と第２混合部１２とに参照波が入力された際に、第１混合部１１の出力と第２混合部１２の出力とが同一又は所定のゲイン値となるように、第１ゲイン調整部１３及び／又は第２ゲイン調整部１４を調整する校正部１９を有している。この校正部１９は、ネガティブフィードバックを行う制御回路であることが好ましく、信号処理部１５の中に設けられるものとなっている。
次に、本実施形態のドップラ速度計１を用いて、被計測物体Ｗの移動速度を計測する際の信号の流れや計測態様（直交検波のやり方、キャリブレーション機構１６の作動態様）について説明する。
【００３８】
本実施形態での被計測物体Ｗとしては、製鉄所内の連続鋳造ラインにおいて製造されるスラブや圧延ラインで製造される圧延材などを想定しており、その移動速度は、例えばｖ＝２ｃｍ／ｓと遅いものである。
まず、速度計測にあたっては、比較波発生部１０において、被計測物体Ｗに向かって送信する送信波と、この送信波と同一周波数を有する第１比較波と、この第１比較波に対し位相をπ／２ずらした第２比較波とを準備しておく（比較波発生工程）。
詳しくは、送信波発生部２で、被計測物体Ｗに発射する送信波（sin(2πft)）を発生する。その際、周波数ｆは、電波法等の規制を鑑み、マイクロ波の周波数帯域であるｆ＝１０ＧＨｚとしている。発生された送信波は、方向性結合器３により分配され第１比較波となる。第１比較波はさらに分岐された後、位相シフト部８に入力され第２比較波（cos(2πft)）となる。
【００３９】
比較波発生工程の後には、キャリブレーション工程を行う。
すなわち、入力切換部１８を切り換えて、第１ミキサ６及び第２ミキサ７に参照波発生部１７が発生した信号を入力するようにする。参照波発生部１７が発生する参照波としては、ドップラ周波数と同程度の低い周波数であると直交検波の出力が安定するのに時間がかるので、ドップラ周波数より十分高い周波数f'であるのが望ましい。
第１ミキサ６には、方向性結合器３で分配されたsin(2πft)と、参照波sin(2πf't)が入力され、ローパスフィルタ９及び第１ゲイン調整部１３を介して直交検波の第１成分の出力が出力されるようになる。第２ミキサ７には、方向性結合器３で分配され位相シフト部８で位相がシフトされたcos(2πft)と、参照波sin(2πf't)が入力され、ローパスフィルタ９及び第２ゲイン調整部１４を介して直交検波の第２成分が出力されるようになる。
【００４０】
その後、第１成分及び第２成分におけるゲイン値（式（３）'，式（４）'でのａ，ｂ）を等しいものとするために、信号処理部１５内に設けられた校正部１９は、第１ゲイン調整部１３又は第２ゲイン調整部１４、もしくはそれら両調整部を調整する。かかる調整後は、信号処理部１５に入力される信号、すなわち第１混合部１１及び第２混合部１２の出力ゲインは同じものとなる。
このようなキャリブレーション工程を行った後、被計測物体Ｗの速度計測（速度計測工程）を行う。すなわち、速度計測時は、入力切換部１８を切り換え、受信部５で受信され受信波が直接、第１ミキサ６と第２ミキサ７に入力されるようにしておく。
【００４１】
ここで、送信波発生部２が発生する送信波をsin(2πft)とすれば、送信波、受信波の信号は、以下の通りとなる。
【００４２】
【数７】
【００４３】
ここで、αは位相を表し、送信波が被計測物体Ｗで発射してドップラ速度計１に戻ってくるに要する時間に起因するものである。
第１ミキサ６には、方向性結合器３で分配されたsin(2πft)が入力され、第２ミキサ７には、位相シフト部８から出力されたcos(2πft)が入力され、さらに、第１ミキサ６、第２ミキサ７の出力は、ローパスフィルタ９を介して取り出され、式（３），式（４）のようになる。
【００４４】
【数８】
【００４５】
この信号は、信号処理部１５へ入力され、信号処理部１５内では、式（５）の如く、かかる２成分の比（第２ミキサ７の出力／第１ミキサ６の出力）に対しアークタンジェントを取り、位相φを算出する。
【００４６】
【数９】
【００４７】
以上述べた直交検波により得られたφについて、細かい時間間隔Δtにおける変化量Δφを求め、式（６）’からドップラ周波数ｆｄを算出するようにする。
【００４８】
【数１０】
【００４９】
被計測物体Ｗの移動速度が非常に低速で、且つ周波数ｆ＝１０ＧＨｚ程度のマイクロ波を送信波として選択した場合、得られるドップラ周波数は１Ｈｚ程度となり、通常の周波数計測機器で計測できる周波数レンジと比して非常に低いものとなる。加えて、このような低い周波数を測定しようとすれば測定時間が長くなり、応答性で不利な状況となる。例えば、１Ｈｚの周波数を計測するのは、最低でも一周期分にあたる１秒の時間を有する。
しかしながら、式（６）'で示されるように、位相を検出することで、短時間に且つ高応答性で計測が可能となる。なぜならば、位相は周波数と異なり、その計測に一周期分の時間を必ずしも必要としないからである。
【００５０】
式（６）'から得られた、ドップラ周波数ｆｄを式（７）に入力することで、被計測物体Ｗの移動速度を知ることができる。
【００５１】
【数１１】
【００５２】
なお、前述した如く、第１ミキサ６、第２ミキサ７を構成する高周波用のミキシング素子の特性や方向性結合器３の特性は、経時変化（温度変化を含む）をするものであるが、その変化は短期的なものではない。ゆえに、本実施形態のように、速度計測工程の前に一度だけキャリブレーション工程を実施することで、実際の使用には十分耐えうる精度を確保できる。
図３には、前述した第１ゲイン調整部１３又は第２ゲイン調整部１４に採用可能な「ゲイン調整回路」の具体的な構成を示している。
【００５３】
図３（ａ）は同期型のゲイン調整回路である。この調整回路は、入力側から第１アンプ２１（可変ゲイン）及び第２アンプ２２（固定ゲイン）の２つのアンプと、両アンプ２１，２２間に配備されたスイッチ部２３ならびに第１アンプ２１に対するレベル調整回路２４を備えている。
第１アンプ２１へは、ローパスフィルタ９通過後の第１ミキサ６及び第２ミキサ７の出力が入力されるものとなっており、第２アンプ２２は、信号処理部１５への入力レベルを適切にするレベル合わせ用のアンプである。スイッチ部２３は、入力切換部１８の動作信号（切換信号）に同期しスイッチングを行う。
【００５４】
スイッチ部２３は、入力切換部１８が参照波発生部１７と第１ミキサ６及び第２ミキサ７とを接続した際には、それに同期して、第１アンプ２１の出力をレベル調整回路２４に接続する。このレベル調整回路２４では、第１ミキサ６及び第２ミキサ７から出力される参照波に由来する信号を平均化し、その値が所定のゲイン値を有するように第１アンプ２１にゲイン変更の指令値を送る。この指令値やレベル調整回路２４自体に対して校正部１９からフィードバック制御を行い、第１混合部１１や第２混合部１２の出力（信号処理部１５への入力）が同じゲイン値を有するようにする。
【００５５】
入力切換部１８が、受信波を第１ミキサ６及び第２ミキサ７へ入力するように切り換わった際は、それに同期して、レベル調整回路２４は直前のゲイン変更指令値を保持する。
図３（ｂ）はフィルタ分離型のゲイン調整回路を示している。この調整回路は、入力側から第１アンプ２１（可変ゲイン）及び第２アンプ２２（固定ゲイン）の２つのアンプと、両アンプ２１，２２間に配備されたローパスフィルタ９、バンドパスフィルタ２５、レベル調整回路２４とを備えている。
第１アンプ２１へは、ローパスフィルタ９通過後の第１ミキサ６及び第２ミキサ７の出力が入力されるものとなっており、第２アンプ２２は、信号処理部１５への入力レベルを適切にするレベル合わせ用のアンプである。
【００５６】
このゲイン調整回路では、入力切換部１８に連動したスイッチングは不要となっている。すなわち、第１アンプ２１に参照波に由来した周波数の信号が入力された場合には、この信号は、第１アンプ２１の出力側に配備されたローパスフィルタ９は通過せずバンドパスフィルタ２５のみを通過し、レベル調整回路２４へと流れる。なぜならば、前述した如く、参照波の周波数はドップラ周波数より高い周波数を有し且つその周波数が一定だからである。
レベル調整回路２４では、入力された参照波に由来する信号を平均化し、その値が一定になるよう第１アンプ２１にゲイン変更の指令値を送る。かかる指令値やレベル調整回路２４自体に対して校正部１９からフィードバック制御を行い、第１混合部１１や第２混合部１２の出力（信号処理部１５への入力）が同じゲイン値を有するようにする。
【００５７】
受信波が第１ミキサ６及び第２ミキサ７へ入力する場合には、第１アンプ２１には受信波由来の信号が入力されることになる。この信号はドップラ周波数を有するため、第１アンプ２１を出た後はバンドパスフィルタ２５を通過せず、固定ゲインのままローパスフィルタ９を通じて第２アンプ２２へと入力され、信号処理部１５へと送られる。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。
すなわち、図４に示すように、送信部４と受信部５とを同一のアンテナで構成し送受信部３０とすることも可能である。その場合、送信波と受信波とを分離するサーキュレータ３１を、送受信部３０と入力切換部１８との間に設ける必要がある
また、速度計測方法の説明においては、速度計測工程の前に、一度だけキャリブレーション工程を実施することを例示して述べたが、キャリブレーション工程と速度計測工程とを交互に行うようにしてもよい。言い換えるならば、一定周期で参照波と受信波とを切り換えるようにし、一定時間間隔（例えば１秒毎）で、第１混合部１１と第２混合部１２との出力ゲインを同じに調整することは非常に望ましい。
【００５８】
また、速度計測工程の後に、キャリブレーション工程を実施すれば、次回の速度計測での精度もある程度保証されるものとなり、非常に好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明にかかるドップラ速度計及びドップラ効果を用いた速度測定方法は、様々な形状・速度を有する被計測物体の速度測定に用いることができる。特に、連続鋳造機から出てくる鋳片や伸線機から排出される線材、圧延設備での被圧延材に好適に実施できる。また、鉄鋼プロセスなど高温、多粉塵の悪環境下にある物体の移動速度を測定する用途に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】基本的なドップラ速度計のブロック構成図である。
【図２】本発明に係るドップラ速度計のブロック構成図である。
【図３】ゲイン調整回路のブロック構成図である。
【図４】他の実施形態に係るドップラ速度計のブロック構成図である。
【図５】大気における電波の周波数−吸収係数の特徴を示した図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ ドップラ速度計
２ 送信波発生部
３ 方向性結合器
４ 送信部
５ 受信部
６ 第１ミキサ
７ 第２ミキサ
８ 位相シフト部
９ ローパスフィルタ
１０ 比較波発生部
１１ 第１混合部
１２ 第２混合部
１３ 第１ゲイン調整部
１４ 第２ゲイン調整部
１５ 信号処理部
１６ キャリブレーション機構
１７ 参照波発生部
１８ 入力切換部
１９ 校正部
Ｗ 被計測物体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドップラ速度計及びドップラ効果を用いた速度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、移動する物体（被計測物体）の速度を遠隔で計測する際には、「ドップラ効果」を利用した速度計が用いられることがある。
例えば、特許文献１には、マイクロ波を用いて自動車等のスピードを測る交通監視用のスピード測定器に関する技術が開示されている。
特許文献２に記載された技術では、製鉄所内の連続鋳造ラインにおいて、被計測物体（鋳片）に電波を照射して、反射してくる電波のドップラ周波数を測定することにより、鋳片の引き抜き速度を測定している。この場合、ドップラ周波数は、鋳片に照射する電波の周波数や鋳片の速度に比例するものとなり、引き抜き速度が低速の場合、ドップラ周波数は低くなって、かかる速度を高分解能で測定することが困難となっていた。
【０００３】
具体的には、特許文献２では、送信波として周波数１０ＧＨｚ（特許文献２中の１ＧＨｚは誤り）の電波を使用し、速度ｖ＝２ｃｍ／ｓで移動する鋳片の速度を計測しており、この場合、ドップラ周波数ｆｄは１．３Ｈｚとなる。しかしながら、市販されている周波数測定器の測定レンジは約１Ｈｚ〜数ＭＨｚ程度であり、１Ｈｚ前後の周波数を測定した際には大きな誤差を伴うことが予想される。また、鋳片の速度が遅くなりドップラ周波数が１Ｈｚ以下になった場合、このような低い周波数を測定しようとすれば、測定時間が長くなり、応答性で不利な状況となる。
【０００４】
この状況を改善するためには、被計測物体へ発射する電波の周波数を高くしてドップラ周波数を上げればよく、特許文献２では、周波数５０ＧＨｚの電波を使用しドップラ周波数を約６．７Ｈｚに上げるようにしている。
また、被計測物体の速度を高分解能で測定するために、レーザ光を照射するレーザドップラ速度計が既に商品化されている。レーザドップラ速度計は、電波に比べその周波数がはるかに高いレーザ光を被計測物体に照射するため、そのドップラ周波数は低速の物体でも高いものとなる(例えば、可視レーザ光６３２ｎｍ、ミリ波７６ＧＨｚとすると、その周波数比は６２００倍)。ゆえに、レーザドップラ速度計は非常に低速度からの測定が可能なものとなっている。特許文献３には、上述したようなレーザドップラ速度計を用いて、鋼線材の引き抜き速度を遠隔で計測することが開示されている。
【０００５】
一方、特許文献４には、送信波を被計測物体に向かって送信し、反射してきた受信波を受信し、受信波と第１比較波とを第１混合部でミキシングすると共に、受信波と第１比較波に対し位相がπ／２異なる第２比較波とを第２混合部でミキシングし、両ミキシング結果から位相変化を求め、この位相変化からドップラ周波数を求めるようにした技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−１１８９０８号公報
【特許文献２】特開昭６２−２４４５６０号公報
【特許文献３】特開２００４−７４２２９号公報
【特許文献４】特開昭６０−８５３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
製鉄所に代表される悪環境下で、特許文献３に記載されたレーザドップラ速度計を用いた場合、レーザ光は少しの粉塵でも散乱され計測誤差が著しいものとなる。
特許文献１や特許文献２の如く、周波数の高い電波を用いたドップラ速度計を使用すると、粉塵による電波の散乱等がレーザ光に比して少なく正確な速度測定が可能となると考えられる。しかしながら、以下に述べる数々の問題もある。
つまり、図５に示すように、電波はその周波帯域により酸素分子や水蒸気（すなわち大気）に反射されたり吸収される。そのため、例えば、多量の水蒸気が充満する圧延機近傍での圧延材の搬送速度の検出などには不向きである。仮に水蒸気が少ない環境下であっても、電波は、その周波数が極端に高くなると光と同様に伝搬路の粉塵粒子の影響を受けやすくなるため、高い周波数の電波はダスト環境下には適さない。
【０００７】
加えて、電波の使用には各国とも法的規制があり、極微弱な電波を除けば、用途毎に割り当てられている使用周波数が決まっている。例えば、移動体検知センサ用の特定小電力無線局に対しては、１０．５２５ＧＨｚ（室内）と２４．１５ＧＨｚ（室内外）とが使用に対して開放されているものの、他の周波数（例えば、５０ＧＨｚ）の無制限な使用は許されていない。
上記の制約を考慮して、電波の使用周波数を選択した場合、ドップラ速度計に使用できる電波の周波数は必ずしも高くできず、得られるドップラ周波数も通常の周波数計測機器で計測できる周波数レンジと比して非常に低いものとなる。ドップラ周波数が１Ｈｚ程度の場合、このような低い周波数を測定しようとすれば、測定時間が長くなり、応答性で不利な状況となる。
【０００８】
そこで、特許文献４に開示された直交検波技術を使い、受信波から求められる位相変化を抽出することで、低速である被計測物体の速度を求めることが可能であると思われる。なぜならば、位相は周波数と異なり、その計測に一周期分の時間を必ずしも必要としないからである。
しかしながら、その場合であっても大きな問題が考えられる。
１０ＧＨｚ程度の電波すなわち高周波を用いたドップラ速度計を構成しようとした場合、高周波用の電子部品（素子）のバラツキが非常に大きく、設計通りの特性を実現することが困難であることは、当業者間では常識となっている。例えば、第１混合部や第２混合部を構成する高周波用のミキシング素子は、周波数変換用に入力する局部発信器の信号の大きさでその変換特性が異なる。また、ミキシング素子の経時変化（温度変化を含む）も無視できない。したがって、第１混合部及び第２混合部間では、常に両者のバランスが崩れる可能性があり、正確な直交検波（位相変化の抽出）が困難である。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、構成部品のバラツキ等に影響されず、高い応答性をもってドップラ周波数を検出できるドップラ速度計及びドップラ効果を用いた速度計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明にかかるドップラ速度計は、送信波を被計測物体に向かって送信すると共に、前記送信波が被計測物体で反射された反射波を受信波として受信することにより被計測物体の移動速度を計測するものであって、前記送信波と同一周波数を有する第１比較波と、該第１比較波に対して位相をπ／２ずらした第２比較波とを発生する比較波発生部と、前記受信波と第１比較波とをミキシングする第１混合部と、前記受信波と第２比較波とをミキシングする第２混合部と、該第１混合部及び第２混合部の出力から得られる位相変化を基にドップラ周波数を求める信号処理部と、前記第１混合部の出力と第２混合部の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、基準となる参照波を基に、第１混合部及び／又は第２混合部を校正するキャリブレーション機構を有することを特徴とする。
【００１１】
以下、ドップラ速度計の原理を述べる。図１は、直交検波を用いたドップラ速度計の基本的な構成を示したブロック図である。
送信波発生部２により発生された周波数ｆの送信波は、方向性結合器３により、２つの信号に分割され、その一方が、送信部４より被計測物体Ｗに発射される。
被計測物体Ｗに当たった送信波は反射して反射波となり、この反射波が受信波として受信部５で受信される。受信波の周波数はドップラ周波数ｆｄを含むものとなっている。受信波は、第１ミキサ６と第２ミキサ７にそれぞれ入力される。
【００１２】
第１ミキサ６には、前述の方向性結合器３により分配された周波数ｆの信号が、第１比較波として入力される。さらに、方向性結合器３により分配された信号は、位相シフト部８により位相をπ／２ずらされて第２比較波となり、第２ミキサ７に入力される。
ここで、送信波発生部２が発生する送信波をsin(2πft)とすれば、送信波、受信波の信号は、以下の通りとなる。
【００１３】
【数１】
【００１４】
ここで、αは位相を表し、送信波が被計測物体Ｗで発射してドップラ速度計に戻ってくるに要する時間に起因するものである。
第１ミキサ６には、受信波と第１比較波sin(2πft)が入力されるため、第１ミキサ６の出力は、式（１）のようになる。
第２ミキサ７には、受信波と第２比較波sin(2πft＋π/2)が入力され、第１ミキサ６の出力は、式（２）のようになる。
【００１５】
【数２】
【００１６】
第１ミキサ６、第２ミキサ７の出力は、ローパスフィルタ９を介して取り出され、式（３），式（４）のようになる。
【００１７】
【数３】
【００１８】
以上のような操作をすることで、ドップラ周波数を含んだ受信波の２成分を抽出でき、かかる２成分を基に、式（５）の如く、位相φを算出することができる（直交検波）。
【００１９】
【数４】
【００２０】
この式（５）を時間微分することで、式（６）を導出でき、この式（６）に基づいて、算出された位相φの微分値を基にドップラ周波数ｆｄを求めることができる。実際には、細かい時間間隔Δt毎に位相を測定しその際の位相変化Δφを求め、式（６）’からドップラ周波数ｆｄを算出する。
【００２１】
【数５】
【００２２】
以上の議論は、理想的にドップラ速度計の回路が作動した場合であり、前述した特許文献４の技術などは、それを前提で論じられている。
しかしながら、直交検波を行う図１の構成において、第１ミキサ６及び第２ミキサ７、すなわち２個の高周波用のミキシング素子の特性が若干異なったり、方向性結合器３の特性が規格通りでなく送信波発生部２からの送信波を確実に等分配していない等々、実際の電子部品（素子）はある程度のバラツキを有するのが通例である。特に、マイクロ波領域では素子のバラツキは大きく、方向性結合器３の等分配も調整を要するものである。
【００２３】
ゆえに、ローパスフィルタ９通過後の第１ミキサ６及び第２ミキサ７の出力には、これら分配比率やミキシング素子の特性差を反映し、異なる係数（ゲイン値）ａ，ｂが掛かり、実際には、式（３）'，式（４）'のようになる。
【００２４】
【数６】
【００２５】
その場合、計測で得られるのは、式（３）'，式（４）'の２つであるが、未知量はａ，ｂ，ｆｄの３個という状況となり、ドップラ周波数ｆｄを求めることができなくなる。
そのため、本願発明かかるドップラ速度計では、キャリブレーション機構を有しているため、この機構により、第１混合部と第２混合部の出力（図１における第１ミキサ６及び第２ミキサ７の出力に相当）とが同一又は所定のゲイン値となるように、基準となる参照波を基に、第１混合部及び／又は第２混合部の出力を校正（調整）することができる。
このようにすることで、式（３）'，式（４）'の未知量ａ，ｂを「ａ＝ｂ」の関係とし、受信波の２成分のバランスを修正でき、ドップラ周波数ｆｄを確実に導出可能となる。なお、未知量ａ，ｂを「ａ＝ｋ・ｂ」の関係（ｋは既知の比例定数）としても何ら問題はない。
【００２６】
なお、好ましくは、前記第１混合部には、当該第１混合部の出力のゲイン値を調整する第１ゲイン調整部が備えられると共に、前記第２混合部には、当該第２混合部の出力のゲイン値を調整する第２ゲイン調整部が備えられ、前記キャリブレーション機構には、基準となる参照波を発生する参照波発生部と、前記第１混合部及び第２混合部へ参照波又は受信波を切り換えて入力させる入力切換部と、前記入力切換部を介して参照波が第１混合部及び第２混合部に入力された際に、第１混合部の出力と第２混合部の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、第１ゲイン調整部及び／又は第２ゲイン調整部を調整する校正部と、が備えられているとよい。
【００２７】
このような構成であると、第１ゲイン調整部を調整することで、第１混合部の出力のゲイン値を可変とでき、第２ゲイン調整部を調整することで、第２混合部の出力のゲイン値を可変とすることができ、容易に、式（３）'，式（４）'で係数ａ＝ｂとすることができる。
特に、入力切換部を切り換えて、参照波発生部で作成された「特性が明らかとなっている参照波」を第１混合部、第２混合部に入力し、第１ゲイン調整部及び／又は第２ゲイン調整部を調整することで、式（３）'，式（４）'で表される出力の係数ａ，ｂを確実にａ＝ｂとすることができる。
【００２８】
また、本発明にかかるドップラ効果を用いた速度計測方法は、被計測物体に向かって送信する送信波と同一周波数を有する第１比較波と、該第１比較波に対し位相をπ／２ずらした第２比較波とを準備しておく比較波発生工程と、前記送信波を被計測物体に向かって送信し、前記送信波が被計測物体で反射されたものを受信波として受信し、前記受信波と第１比較波とを第１混合部でミキシングすると共に、前記受信波と第２比較波とを第２混合部でミキシングし、前記第１混合部及び第２混合部の出力から得られる位相変化を基にドップラ周波数を求め、該ドップラ周波数から被計測物体の移動速度を求める速度計測工程と、前記第１混合部の出力と第２混合部の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、基準となる参照波を基に、前記第１混合部及び第２混合部を校正するキャリブレーション工程とを備え、前記比較波発生工程の後に、速度計測工程とキャリブレーション工程とを行うことを特徴とする。
【００２９】
この速度計測方法において、比較波発生工程の後に速度計測工程を実施することで、被計測物体の移動速度を測定することができる。加えて、比較波発生工程の後にキャリブレーション工程を実施することで、第１混合部及び第２混合部の出力のゲイン値が同じ又は所定の関係を有するように、両混合部の出力を校正することができ、ひいては、移動速度を求める際に必要なドップラ周波数ｆｄを確実に導出可能となる。
なお、前記キャリブレーション工程を、前記速度計測工程の前に行うと良く、前記キャリブレーション工程と速度計測工程とを交互に行ってもよい。
【００３０】
こうすることで、速度計測工程時には、常に第１混合部及び第２混合部は校正済みとなっており、移動速度を求める際に必要なドップラ周波数ｆｄを正確に導出可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係るドップラ速度計及びドップラ効果を用いた速度計測方法によれば、構成部品のバラツキ等に影響されず、高い応答性をもってドップラ周波数を検出でき、被計測物体の移動速度の正確な計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に係るドップラ速度計及びドップラ効果を用いた速度計測方法を、図を基に以下説明する。
図２は、本発明に係るドップラ速度計１のブロック構成図である。
ドップラ速度計１は、周波数ｆの送信波を発生する送信波発生部２と、この送信波を速度ｖで移動する被計測物体Ｗに向けて発射する送信部４と、被計測物体Ｗで反射された反射波を受信する受信部５とを有している。
被計測物体Ｗに送信される送信波は、マイクロ波等の電波であって、送信部４としては、マイクロ波を効率的に発射可能な送信用のホーンアンテナやパラボラアンテナなどが用いられている。同様に、受信部５としては、被計測物体Ｗで反射されたマイクロ波を効率的に受信可能な受信用のホーンアンテナやパラボラアンテナなどが使用される。
【００３３】
さらに、ドップラ速度計１は、送信波と同一周波数を有する第１比較波と、第１比較波とは位相がπ／２ずれている第２比較波とを発生する比較波発生部１０を有している。加えて、受信波と第１比較波とをミキシングする第１混合部１１と、受信波と第２比較波とをミキシングする第２混合部１２とを有している。
詳しくは、比較波発生部１０は、方向性結合器３と位相シフト部８とを有しており、送信波発生部２により発生された送信波は、方向性結合器３に入力され、送信波と同一の周波数を持った信号に分配され、第１比較波となる。この第１比較波はさらに分岐されて、位相シフト部８へ入力され、第１比較波とは位相がπ／２ずれている第２比較波となる。
【００３４】
方向性結合器３は公知の技術に基づいたマイクロ波用の分配器が採用可能であり、位相シフト部８は公知の技術に基づいたフェーズシフト回路などを採用可能である。
第１混合部１１は、受信波と第１比較波とをミキシングする第１ミキサ６と、この第１ミキサ６の出力から低周波成分のみを取り出すローパスフィルタ９、そして、ローパスフィルタ９の出力のゲイン値を調整可能な第１ゲイン調整部１３とを備えている。第２混合部１２は、受信波と第２比較波とをミキシングする第２ミキサ７と、この第２ミキサ７の出力から低周波成分のみを取り出すローパスフィルタ９、そして、ローパスフィルタ９の出力のゲイン値を調整可能な第２ゲイン調整部１４とを備えている。
【００３５】
第１ミキサ６及び第２ミキサ７は公知のマイクロ波用ミキシング素子を採用可能であり、ローパスフィルタ９は公知の技術に基づいたものが採用可能である。第１ゲイン調整部１３や第２ゲイン調整部１４は後述する回路が採用可能である。
また、本発明に係るドップラ速度計１は、前述した第１混合部１１及び第２混合部１２の出力を基に位相変化を求め、この位相変化からドップラ周波数を求める信号処理部１５を有している。加えて、第１混合部１１の出力と第２混合部１２の出力とが同一又は所定のゲイン値となるように（言い換えるならば、信号処理部１５に対する２つの入力が同一又は所定のゲイン値となるように）、基準となる参照波を基に第１混合部１１及び第２混合部１２を校正するキャリブレーション機構１６を有する。
【００３６】
キャリブレーション機構１６は、キャリブレーションすなわち校正を行う際に基準となる参照波を発生する参照波発生部１７を有している。参照波発生部１７は、高い周波数安定性を得ることができる水晶発振器と、この水晶発振器が発生した正確な周波数を基に所定の参照波を発生する電圧制御発振器（ＶＣＯ）とから構成される。水晶発振器は、恒温槽に入れられており外乱(周囲温度の変化、電源電圧の変化等)の影響を受けないようになっている。キャリブレーション機構１６は、第１混合部１１及び第２混合部１２に対して参照波又は受信波を切り換えて入力させる入力切換部１８を有している。入力切換部１８としては、高周波用のスイッチング回路が採用可能である。
【００３７】
さらに、キャリブレーション機構１６は、入力切換部１８により第１混合部１１と第２混合部１２とに参照波が入力された際に、第１混合部１１の出力と第２混合部１２の出力とが同一又は所定のゲイン値となるように、第１ゲイン調整部１３及び／又は第２ゲイン調整部１４を調整する校正部１９を有している。この校正部１９は、ネガティブフィードバックを行う制御回路であることが好ましく、信号処理部１５の中に設けられるものとなっている。
次に、本実施形態のドップラ速度計１を用いて、被計測物体Ｗの移動速度を計測する際の信号の流れや計測態様（直交検波のやり方、キャリブレーション機構１６の作動態様）について説明する。
【００３８】
本実施形態での被計測物体Ｗとしては、製鉄所内の連続鋳造ラインにおいて製造されるスラブや圧延ラインで製造される圧延材などを想定しており、その移動速度は、例えばｖ＝２ｃｍ／ｓと遅いものである。
まず、速度計測にあたっては、比較波発生部１０において、被計測物体Ｗに向かって送信する送信波と、この送信波と同一周波数を有する第１比較波と、この第１比較波に対し位相をπ／２ずらした第２比較波とを準備しておく（比較波発生工程）。
詳しくは、送信波発生部２で、被計測物体Ｗに発射する送信波（sin(2πft)）を発生する。その際、周波数ｆは、電波法等の規制を鑑み、マイクロ波の周波数帯域であるｆ＝１０ＧＨｚとしている。発生された送信波は、方向性結合器３により分配され第１比較波となる。第１比較波はさらに分岐された後、位相シフト部８に入力され第２比較波（cos(2πft)）となる。
【００３９】
比較波発生工程の後には、キャリブレーション工程を行う。
すなわち、入力切換部１８を切り換えて、第１ミキサ６及び第２ミキサ７に参照波発生部１７が発生した信号を入力するようにする。参照波発生部１７が発生する参照波としては、ドップラ周波数と同程度の低い周波数であると直交検波の出力が安定するのに時間がかるので、ドップラ周波数より十分高い周波数f'であるのが望ましい。
第１ミキサ６には、方向性結合器３で分配されたsin(2πft)と、参照波sin(2πf't)が入力され、ローパスフィルタ９及び第１ゲイン調整部１３を介して直交検波の第１成分の出力が出力されるようになる。第２ミキサ７には、方向性結合器３で分配され位相シフト部８で位相がシフトされたcos(2πft)と、参照波sin(2πf't)が入力され、ローパスフィルタ９及び第２ゲイン調整部１４を介して直交検波の第２成分が出力されるようになる。
【００４０】
その後、第１成分及び第２成分におけるゲイン値（式（３）'，式（４）'でのａ，ｂ）を等しいものとするために、信号処理部１５内に設けられた校正部１９は、第１ゲイン調整部１３又は第２ゲイン調整部１４、もしくはそれら両調整部を調整する。かかる調整後は、信号処理部１５に入力される信号、すなわち第１混合部１１及び第２混合部１２の出力ゲインは同じものとなる。
このようなキャリブレーション工程を行った後、被計測物体Ｗの速度計測（速度計測工程）を行う。すなわち、速度計測時は、入力切換部１８を切り換え、受信部５で受信され受信波が直接、第１ミキサ６と第２ミキサ７に入力されるようにしておく。
【００４１】
ここで、送信波発生部２が発生する送信波をsin(2πft)とすれば、送信波、受信波の信号は、以下の通りとなる。
【００４２】
【数７】
【００４３】
ここで、αは位相を表し、送信波が被計測物体Ｗで発射してドップラ速度計１に戻ってくるに要する時間に起因するものである。
第１ミキサ６には、方向性結合器３で分配されたsin(2πft)が入力され、第２ミキサ７には、位相シフト部８から出力されたcos(2πft)が入力され、さらに、第１ミキサ６、第２ミキサ７の出力は、ローパスフィルタ９を介して取り出され、式（３），式（４）のようになる。
【００４４】
【数８】
【００４５】
この信号は、信号処理部１５へ入力され、信号処理部１５内では、式（５）の如く、かかる２成分の比（第２ミキサ７の出力／第１ミキサ６の出力）に対しアークタンジェントを取り、位相φを算出する。
【００４６】
【数９】
【００４７】
以上述べた直交検波により得られたφについて、細かい時間間隔Δtにおける変化量Δφを求め、式（６）’からドップラ周波数ｆｄを算出するようにする。
【００４８】
【数１０】
【００４９】
被計測物体Ｗの移動速度が非常に低速で、且つ周波数ｆ＝１０ＧＨｚ程度のマイクロ波を送信波として選択した場合、得られるドップラ周波数は１Ｈｚ程度となり、通常の周波数計測機器で計測できる周波数レンジと比して非常に低いものとなる。加えて、このような低い周波数を測定しようとすれば測定時間が長くなり、応答性で不利な状況となる。例えば、１Ｈｚの周波数を計測するのは、最低でも一周期分にあたる１秒の時間を有する。
しかしながら、式（６）'で示されるように、位相を検出することで、短時間に且つ高応答性で計測が可能となる。なぜならば、位相は周波数と異なり、その計測に一周期分の時間を必ずしも必要としないからである。
【００５０】
式（６）'から得られた、ドップラ周波数ｆｄを式（７）に入力することで、被計測物体Ｗの移動速度を知ることができる。
【００５１】
【数１１】
【００５２】
なお、前述した如く、第１ミキサ６、第２ミキサ７を構成する高周波用のミキシング素子の特性や方向性結合器３の特性は、経時変化（温度変化を含む）をするものであるが、その変化は短期的なものではない。ゆえに、本実施形態のように、速度計測工程の前に一度だけキャリブレーション工程を実施することで、実際の使用には十分耐えうる精度を確保できる。
図３には、前述した第１ゲイン調整部１３又は第２ゲイン調整部１４に採用可能な「ゲイン調整回路」の具体的な構成を示している。
【００５３】
図３（ａ）は同期型のゲイン調整回路である。この調整回路は、入力側から第１アンプ２１（可変ゲイン）及び第２アンプ２２（固定ゲイン）の２つのアンプと、両アンプ２１，２２間に配備されたスイッチ部２３ならびに第１アンプ２１に対するレベル調整回路２４を備えている。
第１アンプ２１へは、ローパスフィルタ９通過後の第１ミキサ６及び第２ミキサ７の出力が入力されるものとなっており、第２アンプ２２は、信号処理部１５への入力レベルを適切にするレベル合わせ用のアンプである。スイッチ部２３は、入力切換部１８の動作信号（切換信号）に同期しスイッチングを行う。
【００５４】
スイッチ部２３は、入力切換部１８が参照波発生部１７と第１ミキサ６及び第２ミキサ７とを接続した際には、それに同期して、第１アンプ２１の出力をレベル調整回路２４に接続する。このレベル調整回路２４では、第１ミキサ６及び第２ミキサ７から出力される参照波に由来する信号を平均化し、その値が所定のゲイン値を有するように第１アンプ２１にゲイン変更の指令値を送る。この指令値やレベル調整回路２４自体に対して校正部１９からフィードバック制御を行い、第１混合部１１や第２混合部１２の出力（信号処理部１５への入力）が同じゲイン値を有するようにする。
【００５５】
入力切換部１８が、受信波を第１ミキサ６及び第２ミキサ７へ入力するように切り換わった際は、それに同期して、レベル調整回路２４は直前のゲイン変更指令値を保持する。
図３（ｂ）はフィルタ分離型のゲイン調整回路を示している。この調整回路は、入力側から第１アンプ２１（可変ゲイン）及び第２アンプ２２（固定ゲイン）の２つのアンプと、両アンプ２１，２２間に配備されたローパスフィルタ９、バンドパスフィルタ２５、レベル調整回路２４とを備えている。
第１アンプ２１へは、ローパスフィルタ９通過後の第１ミキサ６及び第２ミキサ７の出力が入力されるものとなっており、第２アンプ２２は、信号処理部１５への入力レベルを適切にするレベル合わせ用のアンプである。
【００５６】
このゲイン調整回路では、入力切換部１８に連動したスイッチングは不要となっている。すなわち、第１アンプ２１に参照波に由来した周波数の信号が入力された場合には、この信号は、第１アンプ２１の出力側に配備されたローパスフィルタ９は通過せずバンドパスフィルタ２５のみを通過し、レベル調整回路２４へと流れる。なぜならば、前述した如く、参照波の周波数はドップラ周波数より高い周波数を有し且つその周波数が一定だからである。
レベル調整回路２４では、入力された参照波に由来する信号を平均化し、その値が一定になるよう第１アンプ２１にゲイン変更の指令値を送る。かかる指令値やレベル調整回路２４自体に対して校正部１９からフィードバック制御を行い、第１混合部１１や第２混合部１２の出力（信号処理部１５への入力）が同じゲイン値を有するようにする。
【００５７】
受信波が第１ミキサ６及び第２ミキサ７へ入力する場合には、第１アンプ２１には受信波由来の信号が入力されることになる。この信号はドップラ周波数を有するため、第１アンプ２１を出た後はバンドパスフィルタ２５を通過せず、固定ゲインのままローパスフィルタ９を通じて第２アンプ２２へと入力され、信号処理部１５へと送られる。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。
すなわち、図４に示すように、送信部４と受信部５とを同一のアンテナで構成し送受信部３０とすることも可能である。その場合、送信波と受信波とを分離するサーキュレータ３１を、送受信部３０と入力切換部１８との間に設ける必要がある
また、速度計測方法の説明においては、速度計測工程の前に、一度だけキャリブレーション工程を実施することを例示して述べたが、キャリブレーション工程と速度計測工程とを交互に行うようにしてもよい。言い換えるならば、一定周期で参照波と受信波とを切り換えるようにし、一定時間間隔（例えば１秒毎）で、第１混合部１１と第２混合部１２との出力ゲインを同じに調整することは非常に望ましい。
【００５８】
また、速度計測工程の後に、キャリブレーション工程を実施すれば、次回の速度計測での精度もある程度保証されるものとなり、非常に好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明にかかるドップラ速度計及びドップラ効果を用いた速度測定方法は、様々な形状・速度を有する被計測物体の速度測定に用いることができる。特に、連続鋳造機から出てくる鋳片や伸線機から排出される線材、圧延設備での被圧延材に好適に実施できる。また、鉄鋼プロセスなど高温、多粉塵の悪環境下にある物体の移動速度を測定する用途に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】基本的なドップラ速度計のブロック構成図である。
【図２】本発明に係るドップラ速度計のブロック構成図である。
【図３】ゲイン調整回路のブロック構成図である。
【図４】他の実施形態に係るドップラ速度計のブロック構成図である。
【図５】大気における電波の周波数−吸収係数の特徴を示した図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ ドップラ速度計
２ 送信波発生部
３ 方向性結合器
４ 送信部
５ 受信部
６ 第１ミキサ
７ 第２ミキサ
８ 位相シフト部
９ ローパスフィルタ
１０ 比較波発生部
１１ 第１混合部
１２ 第２混合部
１３ 第１ゲイン調整部
１４ 第２ゲイン調整部
１５ 信号処理部
１６ キャリブレーション機構
１７ 参照波発生部
１８ 入力切換部
１９ 校正部
Ｗ 被計測物体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信波を被計測物体に向かって送信すると共に、前記送信波が被計測物体で反射された反射波を受信波として受信することにより被計測物体の移動速度を計測するドップラ速度計であって、
前記送信波と同一周波数を有する第１比較波と、該第１比較波に対して位相をπ／２ずらした第２比較波とを発生する比較波発生部と、
前記受信波と第１比較波とをミキシングする第１混合部と、
前記受信波と第２比較波とをミキシングする第２混合部と、
該第１混合部及び第２混合部の出力から得られる位相変化を基にドップラ周波数を求める信号処理部と、
前記第１混合部の出力と第２混合部の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、基準となる参照波を基に、第１混合部及び／又は第２混合部を校正するキャリブレーション機構を有することを特徴とするドップラ速度計。
【請求項２】
前記第１混合部には、当該第１混合部の出力のゲイン値を調整する第１ゲイン調整部が備えられると共に、前記第２混合部には、当該第２混合部の出力のゲイン値を調整する第２ゲイン調整部が備えられ、
前記キャリブレーション機構には、基準となる参照波を発生する参照波発生部と、前記第１混合部及び第２混合部へ参照波又は受信波を切り換えて入力させる入力切換部と、前記入力切換部を介して参照波が第１混合部及び第２混合部に入力された際に、第１混合部の出力と第２混合部の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、第１ゲイン調整部及び／又は第２ゲイン調整部を調整する校正部と、が備えられることを特徴とする請求項１に記載のドップラ速度計。
【請求項３】
被計測物体に向かって送信する送信波と同一周波数を有する第１比較波と、該第１比較波に対し位相をπ／２ずらした第２比較波とを準備しておく比較波発生工程と、
前記送信波を被計測物体に向かって送信し、前記送信波が被計測物体で反射されたものを受信波として受信し、前記受信波と第１比較波とを第１混合部でミキシングすると共に、前記受信波と第２比較波とを第２混合部でミキシングし、前記第１混合部及び第２混合部の出力から得られる位相変化を基にドップラ周波数を求め、該ドップラ周波数から被計測物体の移動速度を求める速度計測工程と、
前記第１混合部の出力と第２混合部の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、基準となる参照波を基に、前記第１混合部及び第２混合部を校正するキャリブレーション工程とを備え、
前記比較波発生工程の後に、速度計測工程とキャリブレーション工程とを行うことを特徴とするドップラ効果を用いた速度計測方法。
【請求項４】
前記キャリブレーション工程を、前記速度計測工程の前に行うことを特徴とする請求項３に記載のドップラ効果を用いた速度計測方法。
【請求項５】
前記キャリブレーション工程と速度計測工程とを交互に行うことを特徴とする請求項３に記載のドップラ効果を用いた速度計測方法。
【請求項１】
送信波を被計測物体に向かって送信すると共に、前記送信波が被計測物体で反射された反射波を受信波として受信することにより被計測物体の移動速度を計測するドップラ速度計であって、
前記送信波と同一周波数を有する第１比較波と、該第１比較波に対して位相をπ／２ずらした第２比較波とを発生する比較波発生部と、
前記受信波と第１比較波とをミキシングする第１混合部と、
前記受信波と第２比較波とをミキシングする第２混合部と、
該第１混合部及び第２混合部の出力から得られる位相変化を基にドップラ周波数を求める信号処理部と、
前記第１混合部の出力と第２混合部の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、基準となる参照波を基に、第１混合部及び／又は第２混合部を校正するキャリブレーション機構を有することを特徴とするドップラ速度計。
【請求項２】
前記第１混合部には、当該第１混合部の出力のゲイン値を調整する第１ゲイン調整部が備えられると共に、前記第２混合部には、当該第２混合部の出力のゲイン値を調整する第２ゲイン調整部が備えられ、
前記キャリブレーション機構には、基準となる参照波を発生する参照波発生部と、前記第１混合部及び第２混合部へ参照波又は受信波を切り換えて入力させる入力切換部と、前記入力切換部を介して参照波が第１混合部及び第２混合部に入力された際に、第１混合部の出力と第２混合部の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、第１ゲイン調整部及び／又は第２ゲイン調整部を調整する校正部と、が備えられることを特徴とする請求項１に記載のドップラ速度計。
【請求項３】
被計測物体に向かって送信する送信波と同一周波数を有する第１比較波と、該第１比較波に対し位相をπ／２ずらした第２比較波とを準備しておく比較波発生工程と、
前記送信波を被計測物体に向かって送信し、前記送信波が被計測物体で反射されたものを受信波として受信し、前記受信波と第１比較波とを第１混合部でミキシングすると共に、前記受信波と第２比較波とを第２混合部でミキシングし、前記第１混合部及び第２混合部の出力から得られる位相変化を基にドップラ周波数を求め、該ドップラ周波数から被計測物体の移動速度を求める速度計測工程と、
前記第１混合部の出力と第２混合部の出力とが同一又は所定のゲイン値を有するように、基準となる参照波を基に、前記第１混合部及び第２混合部を校正するキャリブレーション工程とを備え、
前記比較波発生工程の後に、速度計測工程とキャリブレーション工程とを行うことを特徴とするドップラ効果を用いた速度計測方法。
【請求項４】
前記キャリブレーション工程を、前記速度計測工程の前に行うことを特徴とする請求項３に記載のドップラ効果を用いた速度計測方法。
【請求項５】
前記キャリブレーション工程と速度計測工程とを交互に行うことを特徴とする請求項３に記載のドップラ効果を用いた速度計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１３４１４７（Ｐ２００８−１３４１４７Ａ）
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２０４１８（Ｐ２００６−３２０４１８）
【出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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