微小移動検出装置
【課題】簡素かつ高精度の微小移動検出装置。
【解決手段】測距基準点Ｐに設置され該測距基準点Ｐから測距対象Ｔへ送信したマイクロ波の波長を有する投射波Ｘに対し該投射波Ｘが測距対象Ｔに反射して戻った反射波Ｙの遅延によって生ずる位相ずれを検出することにより測距対象Ｔの移動距離を測定する主局１０と、前記測距対象Ｔ上に配設される反射手段として前記投射波Ｘを受信し増幅後に前記主局１０へ送り返す中継局２０と、を備えた。また、その微小移動検出装置Ｅにおける主局１０は連続動作または間欠動作により前記位相ずれを観測するようにタイミング制御が可能な制御手段と、前記制御手段に制御されることにより前記位相ずれの観測結果を連続記録または間欠記録することが可能な記憶手段と、を備えた。
【解決手段】測距基準点Ｐに設置され該測距基準点Ｐから測距対象Ｔへ送信したマイクロ波の波長を有する投射波Ｘに対し該投射波Ｘが測距対象Ｔに反射して戻った反射波Ｙの遅延によって生ずる位相ずれを検出することにより測距対象Ｔの移動距離を測定する主局１０と、前記測距対象Ｔ上に配設される反射手段として前記投射波Ｘを受信し増幅後に前記主局１０へ送り返す中継局２０と、を備えた。また、その微小移動検出装置Ｅにおける主局１０は連続動作または間欠動作により前記位相ずれを観測するようにタイミング制御が可能な制御手段と、前記制御手段に制御されることにより前記位相ずれの観測結果を連続記録または間欠記録することが可能な記憶手段と、を備えた。
【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測距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】
微小移動検出装置の基礎となっている電磁測距儀には、用途別に光測距儀と電波測距儀が知られている。光測距儀は、主に高精度な近距離用途。電波測距儀は主に遠距離用途であり、動作原理は類似している。また、波長が短く光に近い性質のマイクロ波を用いる電波測距儀は光測距儀に似た動作であり、高精度を得ることが比較的容易である。
【０００３】
一方、下記特許文献１には、地滑り危険点に電波反射体としてのルーネベルグレンズを設置し、安全な場所に設置した送受信機より電波反射体に電波を放射し、その反射波と投射波を合成し、合成レベル変化を検出する技術が開示されている。なお、電波反射体として用いるルーネベルグレンズは相当に高価であるのが欠点であった。
【０００４】
下記特許文献２には、マイクロ波出力の変動、気象条件による誤差要因に影響されない移動距離検出装置が開示されている。すなわち、電波の送受信方向に一定距離を周期的に往復移動可能に設置されたモニタ手段と、モニタ手段より所定距離を隔てた移動検出対象となる電波反射手段とよりなり、モニタ手段は電波反射手段に向かって電波を送信する送信手段と、電波反射手段からの反射波を受信する受信手段と、受信手段において送信波と受信波とを合成するミキサ手段と、電波反射手段の変位をミキサ手段の合成波出力の変化として検出するレベル検出手段と、モニタ手段の各往復移動周期内で合成波出力のピークが得られるタイミングにおけるモニタ手段の位置情報を保持する手段と、を有し、各往復移動周期における位置情報の保持値に基づき上記移動検出対象の移動距離を検出するというものである。
【特許文献１】特開平１１−３１６１４０号公報
【特許文献２】特開２０００−４６９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、下記特許文献１のものでは、電波反射体として用いるルーネベルグレンズが相当に高価であるという欠点があった。また、振幅変化値だけで判断しているため、４分の１波長（以下、「λ／４」という）を超える変位は計測不能となる問題点があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電波反射体に高価なルーネベルグレンズを用いることなく、小電力、遠距離間での計測が可能である微小移動検出装置を提供することを目的とするものである。
さらに、λ／４を超える変位も計測可能であり、測距対象が遠ざかったか近づいたかの何れの移動状態であるのかをより鮮明に判定するために、主局を機械的に移動させる必要がない微小移動検出装置を提供することも目的としている。
そして、複数の観測対象をほぼ同時に効率良く観測できる地滑りセンサに好適な微小移動検出装置を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明に係る微小移動検出装置は、測距基準点に設置され該測距基準点から測距対象へ送信したマイクロ波の波長を有する投射波に対し該投射波が測距対象に反射して戻った反射波の遅延によって生ずる位相ずれを検出することにより測距対象の移動距離を測定する主局と、前記測距対象上に配設される反射手段として受信した前記投射波を増幅した後に前記主局へ送り返す中継局と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る微小移動検出装置によれば、測距基準点に設置された主局から測距対象へ送信した投射波と、その投射波が測距対象に反射して戻ってきた反射波には、主局から中継局までの距離を１往復する所要時間に相当する遅延時間が生じている。
この遅延時間の検出を容易にするため、投射波には波長の短いマイクロ波を用い、その投射波と反射波との位相ずれを観測することにより遅延時間を検出可能となる。このようにして検出された遅延時間に電磁波の伝播速度（光速）を乗算すれば前記１往復した距離が算出されるので、その半分である片道分の距離も確定する。
ここで、反射手段として中継局を採用することにより、その中継局で受信された投射波を増幅して中継するので、より簡素な送信手段による微弱な小出力の投射波であっても安定確実に距離を測定することが可能となる。また、同一出力の投射波を用いるならば、より遠距離での観測が可能となる。
【０００９】
また、本発明に係る微小移動検出装置は、前記主局は連続動作または間欠動作により前記位相ずれを観測するようにタイミング制御が可能な制御手段と、前記制御手段に制御されることにより前記位相ずれの観測結果を連続記録または間欠記録することが可能な記憶手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る微小移動検出装置によれば、制御手段が観測タイミングを制御することにより、主局を連続動作または間欠動作させる。そして、主局は位相ずれの観測結果を記憶手段に連続記録または間欠記録する。そうすることにより、距離の経時変化を観測することが可能になる。特に、測距対象が微小移動する経時変化をリアルタイムに観測し、その経時変化の程度を報知する地滑りセンサに用いて好適である。
【００１１】
また、本発明に係る微小移動検出装置において、前記主局には、前記投射波を発生する高周波発振器と、前記投射波を前記中継局まで投射し前記反射波を捕らえる送受信アンテナと、周波数変換用の局部発振信号を発生する局部発振器と、前記局部発振信号を用いて前記投射波と同一の送信信号を低周波送信信号に周波数変換するミキサと、前記局部発振信号を用いて前記反射波と同一の受信信号を低周波受信信号に周波数変換するミキサと、前記低周波送信信号と前記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前記測距対象の移動状態を判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る微小移動検出装置によれば、まず、主局において、高周波発振器が投射波を発生して中継局まで投射する。中継局では投射波を受信し増幅後に主局へ送り返す。そうすると、主局の送受信アンテナが反射波を捕らえる。
【００１３】
ついで、投射波と同一の送信信号をミキサで局部発振信号と混合することにより低周波送信信号に周波数変換する。また、反射波と同一の受信信号をミキサで局部発振信号と混合することにより低周波受信信号に周波数変換する。
【００１４】
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で検出する。そして、その位相検出器の検出した位相差信号に基づいて、判定手段が測距対象の移動状態を判定する。このように、マイクロ波を低周波に周波数変換して波長を広げることにより、位相差もクローズアップされるので、より高精度な測距結果が得られる。
【００１５】
また、本発明に係る微小移動検出装置は、前記判定手段の判定結果に基づく制御信号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換える位相切換器をさらに備え、前記判定手段は、前記位相検出器の検出信号が所定範囲を超えた時、特定の制御信号を用いて前記位相切換器を制御することにより前記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換えさせ、当該位相差を加味して測距対象の移動状態を判定することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る微小移動検出装置によれば、主局において、判定手段の判定結果に基づく特定の制御信号を受けた位相切換器が、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換える。ここで、判定手段は、位相検出器の検出信号が所定範囲を超えた時に特定の制御信号で位相切換器を制御する。そうすると、位相切換器は、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換える。このようにして位相差を加減してみれば、測距対象が遠ざかったか近づいたかの何れの移動状態であるのかを、より鮮明に判定することが可能となる。すなわち、λ／４を超える変位も計測可能にすることができる。
【００１７】
また、本発明に係る微小移動検出装置は、前記中継局として、複数の中継局のＯＮ時間を相互にずらすことを特徴とする。この微小移動検出装置によれば、１台の主局で、異なる複数の観測対象を観測することが可能である。
【００１８】
また、本発明に係る微小移動検出装置は、前記複数の中継局別にＯＮ時間を相互にずらす手段として前記投射波の周波数を各中継局別に異なる設定し、設定された周波数の前記投射波を受信した中継局のみが起動することを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る微小移動検出装置によれば、さらに効率的実用性を高めることが可能である。詳しくは、中継局のＯＮ時間には数１０Ｗの電力消費があり、しかも、必ずしも連続動作させる必要はないのであるから、例えば地滑り監視用ならば、観測対象となる危険地域別にそれぞれ１台ずつの中継局が５分おきに数秒間だけ間欠動作するように、相互にずらしたＯＮ時間の設定があれば実用的かつ効率的である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、電波反射体として高価なルーネベルグレンズを用いることなく、電波反射体として中継局を用いることで、主局の送受信効率を向上させるので、小電力、遠距離間での計測が可能となる。
また、λ／４を超える変位も計測可能できる。
さらに、位相切換器により、電気的に位相変化を発生させることができるので、測距対象Ｔが遠ざかったか近づいたかの何れの移動状態であるのかをより鮮明に判定することが可能となる。すなわち、λ／４を超える変位もより高精度で計測可能にすることができる。したがって、従来のように、主局を機械的に移動させる必要がなくなる。
そして、複数の観測対象をほぼ同時に効率良く観測できる地滑りセンサに用いて好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の最良の実施形態について、構成と動作を適宜織り交ぜて説明する。なお、各図に示す微小移動検出装置を測距儀と読み替えても構わない。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態（以下、「本実施形態」という）に係る測距儀Ｄ、または、その測距儀Ｄを用いた微小移動検出装置（以下、「本装置」という）Ｅの利用状況の説明図である。図１に示すように、本装置Ｅは安全地帯である測距基準点Ｐに固設して観測する主局（以下、「センサ」という）１０と、地滑り等のため観測対象となる危険地域に設置される従局（以下、「中継局」または「レピータ」という）２０の組み合わせにより構成されている。
【００２３】
より詳しくは、１０．５２５ＧＨｚの周波数を有する投射波Ｘが、センサ１０の送受信アンテナ１４から測距対象Ｔに照射され、この投射波Ｘが測距対象Ｔで実質上反射して発生した反射波Ｙ（投射波Ｘと同様に１０．５２５ＧＨｚの周波数を有する）が送受信アンテナ１４で捕らえられる。投射波Ｘの送信タイミングを基準とした反射波Ｙの受信タイミングは、投射波Ｘが送受信アンテナ１４から測距対象Ｔに伝播する時間に反射波Ｙが測距対象Ｔから送受信アンテナ１４に伝搬する時間を加算したものとなる。
【００２４】
センサ１０から送信された投射波Ｘが、レピータ２０で中継されると共に、実質上反射されて戻る反射波Ｙの遅延時間および／またはその経時変化を観測することにより、両者間の距離Ｚおよび／またはその経時変化を監視し、記録する等によりレピータ２０の設置箇所である測距対象Ｔが微小移動することを検出するものである。以下、微小移動観測対象のことも含めて測距対象Ｔと称する。
【００２５】
このように、本装置Ｅは、測距基準点Ｐに設置され該測距基準点Ｐから測距対象Ｔへ送信したマイクロ波の波長を有する投射波Ｘに対し該投射波Ｘが測距対象Ｔに反射して戻った反射波Ｙの遅延または位相ずれを検出することにより測距対象Ｔとの距離Ｚを測定するセンサ１０と、測距対象Ｔ上に配設される反射手段として投射波Ｘを受信し、アンプ２２（図２）で増幅した後にセンサ１０へ送り返すレピータ２０と、を備えている。なお、上述しているマイクロ波として、例えば、１０．５２５ＧＨｚ（波長λ＝２８．５ｍｍ）を採用することにより、１ｍｍ以下の微小移動から７ｍｍ（λ／４）を超える大幅な変位まで計測可能であるという好結果を得ている。
【００２６】
動作を簡単に説明すると、本装置Ｅにおける測距基準点Ｐに設置されたセンサ１０から測距対象Ｔへ送信した投射波Ｘと、その投射波Ｘが測距対象Ｔに反射して戻ってきた反射波Ｙには、センサ１０からレピータ２０までの距離Ｚを１往復する所要時間に相当する遅延時間が生じている。この遅延時間の検出を精密かつ容易にするため、投射波Ｘとして波長の短いマイクロ波を用い、その投射波Ｘと反射波Ｙとの位相ずれを観測すれば遅延時間を検出することが可能となる。
【００２７】
このようにして検出された遅延時間に電磁波の伝播速度（光速）を乗算すれば前記１往復した距離２Ｚが算出されるので、その片道分の距離Ｚも確定すね。あるいは、波長λに対するずれが何倍（何分の１）かを観測することにより距離Ｚが算出できる。例えば、波長λ＝２８．５ｍｍの場合、λ／４のずれは７．１ｍｍに相当する。このような計算は、図２に沿って後述するマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」という）３の計算プログラムを実行することにより実現する。ただし、説明の便宜上、図示せぬオシロスコープ等を人が用いて目視計測した位相ずれの値から換算しても構わないものとする。
【００２８】
ここで、反射手段としてレピータ２０を採用し、そのレピータ２０で受信された投射波Ｘを増幅して中継することにより、より簡素な送信手段による微弱な小出力の投射波Ｘであっても、増幅後の強力な反射波Ｙが得られるので安定確実に距離Ｚを測定することが可能となる。また、同一出力の投射波Ｘを用いた場合も、強力な反射波Ｙは、電波の一般的性質から、より遠距離に到達するので遠距離の観測も可能となる。
【００２９】
図２は本実施形態に係る微小移動検出装置Ｅの構成を示すブロック図である。なお、Ｓ符号で示す各種の信号名に関しては、説明の便宜上、適宜に略称する。図１、図２に示すように、微小移動検出装置Ｅは、センサ１０とレピータ２０により構成されている。
【００３０】
センサ１０は、投射波Ｘを発生する高周波発振器１１と、投射波Ｘをレピータ２０まで投射し反射波Ｙを捕らえる送受信アンテナ１４と、周波数変換用の局部発振信号Ｓ２を発生する局部発振器１５と、局部発振信号Ｓ２を用いて投射波Ｘと同一の送信信号Ｓ１′を低周波送信信号Ｓ５に周波数変換するミキサ１と、局部発振Ｓ２を用いて反射波Ｙと同一の受信信号Ｓ３を低周波受信信号Ｓ４に周波数変換するミキサ２と、低周波送信信号Ｓ５と低周波受信信号Ｓ４との位相差Ｓ７を検出する位相検出器１７と、その位相検出器１７の検出信号に基づいて測距対象Ｔの移動状態を判定する判定手段としてのマイコン３と、を備えて構成されている。
【００３１】
また、マイコン３の詳細な構成に関する図解説明は省略するが、マイコン３には一般的な入出力機能、表示機能、計算機能、各種のプログラム等、周知の基本機能を備えているものとする。すなわち、このマイコン３は、上述した検出信号（アナログ信号）Ｓ７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前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）、およびその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。
【００３２】
このようなハードウェア構成によるマイコン３は、所定のソフトウェアを実行することにより機能する制御手段４、記憶手段５および演算手段６を含んで機能する。これら制御手段４、記憶手段５および演算手段６は説明の便宜上の呼称に過ぎず、これらの機能を総合利用することにより、本装置Ｅを例えば地滑りセンサとして機能させる。その場合、本装置Ｅは、位相検出器１７の検出信号に基づいて測距対象Ｔ（微小移動監視対象）の移動状態である移動距離△Ｚを演算し所定値を超えたことを判定し、その判定結果を地滑り警報として外部に出力する。を発報することもできる。
【００３３】
センサ１０の動作を簡単に説明する。センサ１０において、高周波発振器（以下、「ＲＦ発振器」という）１１から出力されたＲＦ発振信号Ｓ１は、方向性結合器１２および電力分配器（詳しくは「ウィルキンソンパワーデバイタ」、以下「ＷＰＤ」という）１３ａを通過し、送受信アンテナ１４からマイクロ波を搬送波とする投射波Ｘが放射される。センサ１０から放射された投射波Ｘは、レピータ２０の受信アンテナ２１で受信され、アンプ２２で増幅された後に送信アンテナ２３からセンサ１０へ向けて放射される。
【００３４】
レピータ２０からの反射波Ｙはセンサ１０の送受信アンテナ１４で受信され、ＷＰＤ１３ａで分岐した受信信号Ｓ３がミキサ１に入力される。一方、局部発振器（以下、「ＬＯ発振器」という）１５の出力したＬＯ発振信号Ｓ２がＷＰＤ１３ｂで分岐してミキサ１へ入力される。このミキサ１により反射信号Ｓ３と混合される。ミキサ１ではＲＦ発振周波数ｆＲとＬＯ発振周波数ｆＬとの差の周波数ｆＤの低周波受信信号Ｓ４を出力する。
【００３５】
一方、ＲＦ発振信号Ｓ１の一部である信号Ｓ１′が、方向性結合器１２によりミキサ２へ入力され、ＬＯ発振信号Ｓ２との混合により、ミキサ１と同様に差の周波数ｆＤの低周波送信信号Ｓ５となって出力される。ミキサ２の出力は、位相切換器１６を通り位相検出器１７の基準信号Ｓ６となる。位相検出器１７では、この基準信号Ｓ６とレピータ２０からの低周波受信信号Ｓ４との位相比較を行い、位相差に応じた電圧である位相差（出力）信号Ｓ７を出力する。
【００３６】
なお、低周波受信信号Ｓ４と低周波送信信号Ｓ５とは、同一のＬＯ発振信号Ｓ２によって周波数変換されたものであり、その周波数変換後の位相差角度は、周波数変換前の送信信号Ｓ１と受信信号Ｓ３との位相差角度と同一である。したがって、微小時間による位相差角度を、同一の位相差角度として時間を広げて認識できるので計測が正確かつ容易になる。
【００３７】
図３は本実施形態に係る微小移動検出装置Ｅの動作原理を示す模式図である。図３では省略した本装置Ｅによれば、まず、図３の左方に隠れたセンサ１０において、ＲＦ発振器１１により発生した投射波Ｘを、レピータ２０（図３の壁面上に配設されたものとする）まで投射する。レピータ２０では投射波Ｘを受信して増幅した後に、センサ１０へ実質上の反射波Ｙとして送り返す。そうすると、センサ１０の送受信アンテナ１４が反射波Ｙを捕らえる（図１、図２参照）。
【００３８】
図３に示すように、投射波Ｘと反射波Ｙとの位相差は、周波数１０．５２５ＧＨｚの搬送波を有するマイクロ波（投射波Ｘおよび反射波Ｙ）がセンサ１０と測距対象Ｔとの距離に応じた位相差Ｓ７（図２）の変化として本装置Ｅに認識される。図３に示すように、岩盤の壁面（測距対象Ｔ）が位置Ａにある場合の反射波Ｙαと岩盤の壁面が位置Ｂにある場合の反射波Ｙβとは投射波Ｘに対する位相差θ１，θ２が異なっている。
【００３９】
このような投射波Ｘと反射波Ｙとの位相差Ｓ７は、本装置Ｅと測距対象Ｔとの距離に応じた値であり、また送信信号Ｓ１′と受信信号Ｓ３との位相差Ｓ７と同義である（図２参照）。したがって、本装置Ｅが位置不変の測距基準点Ｐに固定設置されている場合、送信信号Ｓ１′と受信信号Ｓ３との位相差Ｓ７を検出することによって測距対象Ｔの移動状態を判定することが可能である。
【００４０】
一方、マイコン３に組み込まれた判定処理プログラム（図示せず）には、投射波Ｘ（反射波Ｙ）の周波数情報つまり「１０．５２５ＧＨｚ」がデータとして取り込まれている。このマイコン３は、判定処理プログラムに基づいて位相検出器１７から入力される検出信号Ｓ７、つまり低周波送信信号Ｓ５，Ｓ６と低周波受信信号Ｓ４との位相差Ｓ７を認識する。そしてマイコン３は認識した位相差Ｓ７と投射波Ｘ（反射波Ｙ）の周波数に基づいて測距対象Ｔ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。
【００４１】
さらに詳しくは、本装置Ｅにおける判定手段としてマイコン３の判定結果に基づいた制御信号Ｓ８により低周波送信信号Ｓ４あるいは低周波受信信号Ｓ３のいずれか一方を、所定の位相差として、例えば９０°，１８０°，２７０°だけ切換え可能な位相切換器１６をさらに備えている。
【００４２】
マイコン３は、位相検出器１７の検出信号Ｓ７が所定範囲を超えた時、特定の制御信号である位相切換信号Ｓ８を用いて位相切換器１６を制御することにより、低周波送信信号Ｓ５あるいは低周波受信信号Ｓ４のいずれか一方を所定の位相差分だけ切換えさせる。このとき、切換えた位相差を加味して測距対象Ｔの移動状態を判定することが可能となる。
【００４３】
このようにマイコン３が位相差Ｓ７を加減してみることは、センサ１０を測距対象Ｔに対して前後に移動させて位相差の増減変化の関係を確認することに相当する。したがって、マイコン３が位相切換信号Ｓ８により位相差Ｓ７を加減してみることにより、測距対象Ｔが遠ざかったか近づいたか何れの移動状態であるのかを、より確実に判定することが可能となる。すなわち、λ／４を超える変位も計測可能にすることができる（図５参照）。
【００４４】
図４は本実施形態に係る微小移動検出装置Ｅにおける位相差に対する位相検出器１７の出力を示す特性図である。図１、図４に示すように、本装置Ｅにおける測距対象Ｔに対するセンサ１０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、測距対象Ｔがセンサ１０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。
【００４５】
例えば、測距対象Ｔ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、マイコン３は、位相切換器１７に対して位相切換信号Ｓ８を出力して低周波受信信号Ｓ４の位相を９０°だけ切換させる。この結果、低周波送信信号Ｓ６の位相は切換えないので、低周波送信信号Ｓ６と低周波受信信号Ｓ４との位相差は１３５°→４５°に変化する。このような位相切換器１７による低周波受信信号Ｓ４の位相切換を行った場合、位相切換器１７における４５°の位相差は、低周波受信信号Ｓ４の位相切換によって１３５°から遷移したものなので、マイコン３は、位相切換器１４における４５°の位相差を１３５°（＝実位相差）と認識する。
【００４６】
このような低周波受信信号Ｓ４の位相切換は、前記切換後において測距対象Ｔ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、マイコン３は、２回目の位相切換なので、切換後の位相差を１３５°＋９０°＝２２５°と認識する。すなわち、マイコン３は、位相切換器１７の検出信号Ｓ９が示す位相差に位相切換の回数に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、測距対象Ｔ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。
【００４７】
図４に示したように、位相検出器１７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Ｓ７の値が同一であり、よって検出信号Ｓ７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。
【００４８】
しかしながら、本装置Ｅによれば、上述したように位相切換器１７による低周波受信信号Ｓ４の位相切換およびマイコン３における当該位相切換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。したがってλ／４を超えて移動する移動距離△Ｚであっても確実に計測できる。
【００４９】
図５は本実施形態に係る微小移動検出装置Ｅにおける移動距離△Ｚに対する位相検出器１７の出力Ｓ７を示す特性図である。本装置Ｅにおいて、センサ１０に対するレピータ２０の位置が前後に移動した時、センサ１０へ入力する反射波Ｙの位相が変化することになり、移動距離△Ｚに対する位相検出器１７の出力Ｓ７は、図５に示すように、山と谷が繰り返し連続するように変化する。この出力Ｓ７から微小な移動距離△Ｚを求めることは、図５に示す特性図の直線的な傾斜をトレースできることからも容易である。また、[ｎλ／４]をはるかに超えて大きく移動する移動距離△Ｚであっても、ほぼ継続的に観測結果を記録することにより、図５に示す山と谷を含む折れ線をトレースすれば正確に計測できる。
【００５０】
また、本装置Ｅにおけるセンサ１０は、連続動作または間欠動作により位相ずれを観測するようにタイミング制御が可能な制御手段４と、その制御手段４に制御されることにより位相ずれの観測結果を連続記録または間欠記録することが可能な記憶手段５と、マイコン３の機能として備えている。これらの制御手段４および記憶手段５を駆使することにより、図５に示す山と谷を、マイコン３内部の数値演算としてトレースすることが可能である。
【００５１】
すなわち、制御手段４が観測タイミングを制御することにより、センサ１０を連続動作または間欠動作させる。そして、センサ１０は位相ずれの観測結果を記憶手段５に連続記録または間欠記録する。そうすることにより、前記距離Ｚの経時変化を観測することが可能になる。特に、測距対象Ｔが微小移動する経時変化をほぼリアルタイムに観測し、その経時変化を報知する地滑りセンサに好適である。
【００５２】
図６は本実施形態に係る微小移動検出装置Ｅにおける複数のレピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを時分割運用するタイムチャートである。図６のタイムチャートに示すように、複数のレピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０ＣのＯＮ時間を、相互にずらすことにより、１台のセンサ１０で異なる複数の観測対象を観測することが可能である。
【００５３】
なお、複数のレピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに対し、各別のＯＮ時間を相互にずらす手段として、投射波Ｘの搬送波の周波数ｆを各レピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ別に異なる割り当てを設定する。そして、割り当てられた周波数ｆの投射波Ｘを受信したレピータのみが起動するものとする。このとき、投射波Ｘの周波数を僅かずつずらして投射することにより、複数のレピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを効率良く時分割運用する。
【００５４】
このように本装置Ｅを運用すれば、効率的にしてさらなる実用性を高めることが可能である。詳しくは、レピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０ＣのＯＮ時間には数１０Ｗの電力消費があり、しかも、必ずしも連続動作させる必要はないのである。例えば本装置Ｅを地滑り監視用に用いるのであれば、広範囲な観測対象となる危険地帯のうち、局所的な危険箇所別にそれぞれ１台ずつのレピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが５分おきに数秒間だけ間欠動作するように、相互にずらしたＯＮ時間の設定があれば実用的かつ効率的である。
【００５５】
本装置Ｅによれば、電波反射体として高価なルーネベルグレンズを用いることなく、λ／４を超える変位も計測可能にすることができる。
また、電波反射体としてレピータを用いることで、センサの送受信効率を向上させるので、小電力、遠距離間での計測が可能となる。
さらに、位相切換器により、電気的に位相変化を発生させることができるので、センサを機械的に移動させる必要がなくなる。
【００５６】
なお、本発明に係る微小移動検出装置Ｅを、建設現場等において測距儀Ｄとして用いた場合にも効果的であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態（本実施形態）に係る測距儀またはその測距儀を用いた微小移動検出装置の利用状況の説明図である。
【図２】本実施形態に係る微小移動検出装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本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】本実施形態に係る微小移動検出装置における位相差に対する位相検出器の出力を示す特性図である。
【図５】本実施形態に係る微小移動検出装置における移動距離に対する位相検出器の出力を示す特性図である。
【図６】本実施形態に係る微小移動検出装置におけるレピータを複数で時分割運用するタイムチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
１，２…ミキサ
３…マイコン（マイクロコンピュータ）
４…制御手段
５…記憶手段
１０…主局
１１…高周波発振器
１４…送受信アンテナ
１５…局部発振器
１６…位相切換器
１７…位相検出器
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…中継局
Ｄ…測距儀
Ｅ…微小移動検出装置
Ｐ…測距基準点
Ｓ１，Ｓ１′…送信信号 Ｓ２…局部発振信号
Ｓ４…低周波送信信号
Ｓ３…受信信号
Ｓ４…低周波受信信号
Ｓ５，Ｓ６…低周波送信信号
Ｓ７…位相差（出力）信号
Ｓ８…制御信号
Ｔ…測距対象
Ｘ…投射波
Ｙ…反射波
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を用いて測距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】
微小移動検出装置の基礎となっている電磁測距儀には、用途別に光測距儀と電波測距儀が知られている。光測距儀は、主に高精度な近距離用途。電波測距儀は主に遠距離用途であり、動作原理は類似している。また、波長が短く光に近い性質のマイクロ波を用いる電波測距儀は光測距儀に似た動作であり、高精度を得ることが比較的容易である。
【０００３】
一方、下記特許文献１には、地滑り危険点に電波反射体としてのルーネベルグレンズを設置し、安全な場所に設置した送受信機より電波反射体に電波を放射し、その反射波と投射波を合成し、合成レベル変化を検出する技術が開示されている。なお、電波反射体として用いるルーネベルグレンズは相当に高価であるのが欠点であった。
【０００４】
下記特許文献２には、マイクロ波出力の変動、気象条件による誤差要因に影響されない移動距離検出装置が開示されている。すなわち、電波の送受信方向に一定距離を周期的に往復移動可能に設置されたモニタ手段と、モニタ手段より所定距離を隔てた移動検出対象となる電波反射手段とよりなり、モニタ手段は電波反射手段に向かって電波を送信する送信手段と、電波反射手段からの反射波を受信する受信手段と、受信手段において送信波と受信波とを合成するミキサ手段と、電波反射手段の変位をミキサ手段の合成波出力の変化として検出するレベル検出手段と、モニタ手段の各往復移動周期内で合成波出力のピークが得られるタイミングにおけるモニタ手段の位置情報を保持する手段と、を有し、各往復移動周期における位置情報の保持値に基づき上記移動検出対象の移動距離を検出するというものである。
【特許文献１】特開平１１−３１６１４０号公報
【特許文献２】特開２０００−４６９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、下記特許文献１のものでは、電波反射体として用いるルーネベルグレンズが相当に高価であるという欠点があった。また、振幅変化値だけで判断しているため、４分の１波長（以下、「λ／４」という）を超える変位は計測不能となる問題点があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電波反射体に高価なルーネベルグレンズを用いることなく、小電力、遠距離間での計測が可能である微小移動検出装置を提供することを目的とするものである。
さらに、λ／４を超える変位も計測可能であり、測距対象が遠ざかったか近づいたかの何れの移動状態であるのかをより鮮明に判定するために、主局を機械的に移動させる必要がない微小移動検出装置を提供することも目的としている。
そして、複数の観測対象をほぼ同時に効率良く観測できる地滑りセンサに好適な微小移動検出装置を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明に係る微小移動検出装置は、測距基準点に設置され該測距基準点から測距対象へ送信したマイクロ波の波長を有する投射波に対し該投射波が測距対象に反射して戻った反射波の遅延によって生ずる位相ずれを検出することにより測距対象の移動距離を測定する主局と、前記測距対象上に配設される反射手段として受信した前記投射波を増幅した後に前記主局へ送り返す中継局と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る微小移動検出装置によれば、測距基準点に設置された主局から測距対象へ送信した投射波と、その投射波が測距対象に反射して戻ってきた反射波には、主局から中継局までの距離を１往復する所要時間に相当する遅延時間が生じている。
この遅延時間の検出を容易にするため、投射波には波長の短いマイクロ波を用い、その投射波と反射波との位相ずれを観測することにより遅延時間を検出可能となる。このようにして検出された遅延時間に電磁波の伝播速度（光速）を乗算すれば前記１往復した距離が算出されるので、その半分である片道分の距離も確定する。
ここで、反射手段として中継局を採用することにより、その中継局で受信された投射波を増幅して中継するので、より簡素な送信手段による微弱な小出力の投射波であっても安定確実に距離を測定することが可能となる。また、同一出力の投射波を用いるならば、より遠距離での観測が可能となる。
【０００９】
また、本発明に係る微小移動検出装置は、前記主局は連続動作または間欠動作により前記位相ずれを観測するようにタイミング制御が可能な制御手段と、前記制御手段に制御されることにより前記位相ずれの観測結果を連続記録または間欠記録することが可能な記憶手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る微小移動検出装置によれば、制御手段が観測タイミングを制御することにより、主局を連続動作または間欠動作させる。そして、主局は位相ずれの観測結果を記憶手段に連続記録または間欠記録する。そうすることにより、距離の経時変化を観測することが可能になる。特に、測距対象が微小移動する経時変化をリアルタイムに観測し、その経時変化の程度を報知する地滑りセンサに用いて好適である。
【００１１】
また、本発明に係る微小移動検出装置において、前記主局には、前記投射波を発生する高周波発振器と、前記投射波を前記中継局まで投射し前記反射波を捕らえる送受信アンテナと、周波数変換用の局部発振信号を発生する局部発振器と、前記局部発振信号を用いて前記投射波と同一の送信信号を低周波送信信号に周波数変換するミキサと、前記局部発振信号を用いて前記反射波と同一の受信信号を低周波受信信号に周波数変換するミキサと、前記低周波送信信号と前記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前記測距対象の移動状態を判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る微小移動検出装置によれば、まず、主局において、高周波発振器が投射波を発生して中継局まで投射する。中継局では投射波を受信し増幅後に主局へ送り返す。そうすると、主局の送受信アンテナが反射波を捕らえる。
【００１３】
ついで、投射波と同一の送信信号をミキサで局部発振信号と混合することにより低周波送信信号に周波数変換する。また、反射波と同一の受信信号をミキサで局部発振信号と混合することにより低周波受信信号に周波数変換する。
【００１４】
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で検出する。そして、その位相検出器の検出した位相差信号に基づいて、判定手段が測距対象の移動状態を判定する。このように、マイクロ波を低周波に周波数変換して波長を広げることにより、位相差もクローズアップされるので、より高精度な測距結果が得られる。
【００１５】
また、本発明に係る微小移動検出装置は、前記判定手段の判定結果に基づく制御信号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換える位相切換器をさらに備え、前記判定手段は、前記位相検出器の検出信号が所定範囲を超えた時、特定の制御信号を用いて前記位相切換器を制御することにより前記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換えさせ、当該位相差を加味して測距対象の移動状態を判定することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る微小移動検出装置によれば、主局において、判定手段の判定結果に基づく特定の制御信号を受けた位相切換器が、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換える。ここで、判定手段は、位相検出器の検出信号が所定範囲を超えた時に特定の制御信号で位相切換器を制御する。そうすると、位相切換器は、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換える。このようにして位相差を加減してみれば、測距対象が遠ざかったか近づいたかの何れの移動状態であるのかを、より鮮明に判定することが可能となる。すなわち、λ／４を超える変位も計測可能にすることができる。
【００１７】
また、本発明に係る微小移動検出装置は、前記中継局として、複数の中継局のＯＮ時間を相互にずらすことを特徴とする。この微小移動検出装置によれば、１台の主局で、異なる複数の観測対象を観測することが可能である。
【００１８】
また、本発明に係る微小移動検出装置は、前記複数の中継局別にＯＮ時間を相互にずらす手段として前記投射波の周波数を各中継局別に異なる設定し、設定された周波数の前記投射波を受信した中継局のみが起動することを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る微小移動検出装置によれば、さらに効率的実用性を高めることが可能である。詳しくは、中継局のＯＮ時間には数１０Ｗの電力消費があり、しかも、必ずしも連続動作させる必要はないのであるから、例えば地滑り監視用ならば、観測対象となる危険地域別にそれぞれ１台ずつの中継局が５分おきに数秒間だけ間欠動作するように、相互にずらしたＯＮ時間の設定があれば実用的かつ効率的である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、電波反射体として高価なルーネベルグレンズを用いることなく、電波反射体として中継局を用いることで、主局の送受信効率を向上させるので、小電力、遠距離間での計測が可能となる。
また、λ／４を超える変位も計測可能できる。
さらに、位相切換器により、電気的に位相変化を発生させることができるので、測距対象Ｔが遠ざかったか近づいたかの何れの移動状態であるのかをより鮮明に判定することが可能となる。すなわち、λ／４を超える変位もより高精度で計測可能にすることができる。したがって、従来のように、主局を機械的に移動させる必要がなくなる。
そして、複数の観測対象をほぼ同時に効率良く観測できる地滑りセンサに用いて好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の最良の実施形態について、構成と動作を適宜織り交ぜて説明する。なお、各図に示す微小移動検出装置を測距儀と読み替えても構わない。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態（以下、「本実施形態」という）に係る測距儀Ｄ、または、その測距儀Ｄを用いた微小移動検出装置（以下、「本装置」という）Ｅの利用状況の説明図である。図１に示すように、本装置Ｅは安全地帯である測距基準点Ｐに固設して観測する主局（以下、「センサ」という）１０と、地滑り等のため観測対象となる危険地域に設置される従局（以下、「中継局」または「レピータ」という）２０の組み合わせにより構成されている。
【００２３】
より詳しくは、１０．５２５ＧＨｚの周波数を有する投射波Ｘが、センサ１０の送受信アンテナ１４から測距対象Ｔに照射され、この投射波Ｘが測距対象Ｔで実質上反射して発生した反射波Ｙ（投射波Ｘと同様に１０．５２５ＧＨｚの周波数を有する）が送受信アンテナ１４で捕らえられる。投射波Ｘの送信タイミングを基準とした反射波Ｙの受信タイミングは、投射波Ｘが送受信アンテナ１４から測距対象Ｔに伝播する時間に反射波Ｙが測距対象Ｔから送受信アンテナ１４に伝搬する時間を加算したものとなる。
【００２４】
センサ１０から送信された投射波Ｘが、レピータ２０で中継されると共に、実質上反射されて戻る反射波Ｙの遅延時間および／またはその経時変化を観測することにより、両者間の距離Ｚおよび／またはその経時変化を監視し、記録する等によりレピータ２０の設置箇所である測距対象Ｔが微小移動することを検出するものである。以下、微小移動観測対象のことも含めて測距対象Ｔと称する。
【００２５】
このように、本装置Ｅは、測距基準点Ｐに設置され該測距基準点Ｐから測距対象Ｔへ送信したマイクロ波の波長を有する投射波Ｘに対し該投射波Ｘが測距対象Ｔに反射して戻った反射波Ｙの遅延または位相ずれを検出することにより測距対象Ｔとの距離Ｚを測定するセンサ１０と、測距対象Ｔ上に配設される反射手段として投射波Ｘを受信し、アンプ２２（図２）で増幅した後にセンサ１０へ送り返すレピータ２０と、を備えている。なお、上述しているマイクロ波として、例えば、１０．５２５ＧＨｚ（波長λ＝２８．５ｍｍ）を採用することにより、１ｍｍ以下の微小移動から７ｍｍ（λ／４）を超える大幅な変位まで計測可能であるという好結果を得ている。
【００２６】
動作を簡単に説明すると、本装置Ｅにおける測距基準点Ｐに設置されたセンサ１０から測距対象Ｔへ送信した投射波Ｘと、その投射波Ｘが測距対象Ｔに反射して戻ってきた反射波Ｙには、センサ１０からレピータ２０までの距離Ｚを１往復する所要時間に相当する遅延時間が生じている。この遅延時間の検出を精密かつ容易にするため、投射波Ｘとして波長の短いマイクロ波を用い、その投射波Ｘと反射波Ｙとの位相ずれを観測すれば遅延時間を検出することが可能となる。
【００２７】
このようにして検出された遅延時間に電磁波の伝播速度（光速）を乗算すれば前記１往復した距離２Ｚが算出されるので、その片道分の距離Ｚも確定すね。あるいは、波長λに対するずれが何倍（何分の１）かを観測することにより距離Ｚが算出できる。例えば、波長λ＝２８．５ｍｍの場合、λ／４のずれは７．１ｍｍに相当する。このような計算は、図２に沿って後述するマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」という）３の計算プログラムを実行することにより実現する。ただし、説明の便宜上、図示せぬオシロスコープ等を人が用いて目視計測した位相ずれの値から換算しても構わないものとする。
【００２８】
ここで、反射手段としてレピータ２０を採用し、そのレピータ２０で受信された投射波Ｘを増幅して中継することにより、より簡素な送信手段による微弱な小出力の投射波Ｘであっても、増幅後の強力な反射波Ｙが得られるので安定確実に距離Ｚを測定することが可能となる。また、同一出力の投射波Ｘを用いた場合も、強力な反射波Ｙは、電波の一般的性質から、より遠距離に到達するので遠距離の観測も可能となる。
【００２９】
図２は本実施形態に係る微小移動検出装置Ｅの構成を示すブロック図である。なお、Ｓ符号で示す各種の信号名に関しては、説明の便宜上、適宜に略称する。図１、図２に示すように、微小移動検出装置Ｅは、センサ１０とレピータ２０により構成されている。
【００３０】
センサ１０は、投射波Ｘを発生する高周波発振器１１と、投射波Ｘをレピータ２０まで投射し反射波Ｙを捕らえる送受信アンテナ１４と、周波数変換用の局部発振信号Ｓ２を発生する局部発振器１５と、局部発振信号Ｓ２を用いて投射波Ｘと同一の送信信号Ｓ１′を低周波送信信号Ｓ５に周波数変換するミキサ１と、局部発振Ｓ２を用いて反射波Ｙと同一の受信信号Ｓ３を低周波受信信号Ｓ４に周波数変換するミキサ２と、低周波送信信号Ｓ５と低周波受信信号Ｓ４との位相差Ｓ７を検出する位相検出器１７と、その位相検出器１７の検出信号に基づいて測距対象Ｔの移動状態を判定する判定手段としてのマイコン３と、を備えて構成されている。
【００３１】
また、マイコン３の詳細な構成に関する図解説明は省略するが、マイコン３には一般的な入出力機能、表示機能、計算機能、各種のプログラム等、周知の基本機能を備えているものとする。すなわち、このマイコン３は、上述した検出信号（アナログ信号）Ｓ７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前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）、およびその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。
【００３２】
このようなハードウェア構成によるマイコン３は、所定のソフトウェアを実行することにより機能する制御手段４、記憶手段５および演算手段６を含んで機能する。これら制御手段４、記憶手段５および演算手段６は説明の便宜上の呼称に過ぎず、これらの機能を総合利用することにより、本装置Ｅを例えば地滑りセンサとして機能させる。その場合、本装置Ｅは、位相検出器１７の検出信号に基づいて測距対象Ｔ（微小移動監視対象）の移動状態である移動距離△Ｚを演算し所定値を超えたことを判定し、その判定結果を地滑り警報として外部に出力する。を発報することもできる。
【００３３】
センサ１０の動作を簡単に説明する。センサ１０において、高周波発振器（以下、「ＲＦ発振器」という）１１から出力されたＲＦ発振信号Ｓ１は、方向性結合器１２および電力分配器（詳しくは「ウィルキンソンパワーデバイタ」、以下「ＷＰＤ」という）１３ａを通過し、送受信アンテナ１４からマイクロ波を搬送波とする投射波Ｘが放射される。センサ１０から放射された投射波Ｘは、レピータ２０の受信アンテナ２１で受信され、アンプ２２で増幅された後に送信アンテナ２３からセンサ１０へ向けて放射される。
【００３４】
レピータ２０からの反射波Ｙはセンサ１０の送受信アンテナ１４で受信され、ＷＰＤ１３ａで分岐した受信信号Ｓ３がミキサ１に入力される。一方、局部発振器（以下、「ＬＯ発振器」という）１５の出力したＬＯ発振信号Ｓ２がＷＰＤ１３ｂで分岐してミキサ１へ入力される。このミキサ１により反射信号Ｓ３と混合される。ミキサ１ではＲＦ発振周波数ｆＲとＬＯ発振周波数ｆＬとの差の周波数ｆＤの低周波受信信号Ｓ４を出力する。
【００３５】
一方、ＲＦ発振信号Ｓ１の一部である信号Ｓ１′が、方向性結合器１２によりミキサ２へ入力され、ＬＯ発振信号Ｓ２との混合により、ミキサ１と同様に差の周波数ｆＤの低周波送信信号Ｓ５となって出力される。ミキサ２の出力は、位相切換器１６を通り位相検出器１７の基準信号Ｓ６となる。位相検出器１７では、この基準信号Ｓ６とレピータ２０からの低周波受信信号Ｓ４との位相比較を行い、位相差に応じた電圧である位相差（出力）信号Ｓ７を出力する。
【００３６】
なお、低周波受信信号Ｓ４と低周波送信信号Ｓ５とは、同一のＬＯ発振信号Ｓ２によって周波数変換されたものであり、その周波数変換後の位相差角度は、周波数変換前の送信信号Ｓ１と受信信号Ｓ３との位相差角度と同一である。したがって、微小時間による位相差角度を、同一の位相差角度として時間を広げて認識できるので計測が正確かつ容易になる。
【００３７】
図３は本実施形態に係る微小移動検出装置Ｅの動作原理を示す模式図である。図３では省略した本装置Ｅによれば、まず、図３の左方に隠れたセンサ１０において、ＲＦ発振器１１により発生した投射波Ｘを、レピータ２０（図３の壁面上に配設されたものとする）まで投射する。レピータ２０では投射波Ｘを受信して増幅した後に、センサ１０へ実質上の反射波Ｙとして送り返す。そうすると、センサ１０の送受信アンテナ１４が反射波Ｙを捕らえる（図１、図２参照）。
【００３８】
図３に示すように、投射波Ｘと反射波Ｙとの位相差は、周波数１０．５２５ＧＨｚの搬送波を有するマイクロ波（投射波Ｘおよび反射波Ｙ）がセンサ１０と測距対象Ｔとの距離に応じた位相差Ｓ７（図２）の変化として本装置Ｅに認識される。図３に示すように、岩盤の壁面（測距対象Ｔ）が位置Ａにある場合の反射波Ｙαと岩盤の壁面が位置Ｂにある場合の反射波Ｙβとは投射波Ｘに対する位相差θ１，θ２が異なっている。
【００３９】
このような投射波Ｘと反射波Ｙとの位相差Ｓ７は、本装置Ｅと測距対象Ｔとの距離に応じた値であり、また送信信号Ｓ１′と受信信号Ｓ３との位相差Ｓ７と同義である（図２参照）。したがって、本装置Ｅが位置不変の測距基準点Ｐに固定設置されている場合、送信信号Ｓ１′と受信信号Ｓ３との位相差Ｓ７を検出することによって測距対象Ｔの移動状態を判定することが可能である。
【００４０】
一方、マイコン３に組み込まれた判定処理プログラム（図示せず）には、投射波Ｘ（反射波Ｙ）の周波数情報つまり「１０．５２５ＧＨｚ」がデータとして取り込まれている。このマイコン３は、判定処理プログラムに基づいて位相検出器１７から入力される検出信号Ｓ７、つまり低周波送信信号Ｓ５，Ｓ６と低周波受信信号Ｓ４との位相差Ｓ７を認識する。そしてマイコン３は認識した位相差Ｓ７と投射波Ｘ（反射波Ｙ）の周波数に基づいて測距対象Ｔ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。
【００４１】
さらに詳しくは、本装置Ｅにおける判定手段としてマイコン３の判定結果に基づいた制御信号Ｓ８により低周波送信信号Ｓ４あるいは低周波受信信号Ｓ３のいずれか一方を、所定の位相差として、例えば９０°，１８０°，２７０°だけ切換え可能な位相切換器１６をさらに備えている。
【００４２】
マイコン３は、位相検出器１７の検出信号Ｓ７が所定範囲を超えた時、特定の制御信号である位相切換信号Ｓ８を用いて位相切換器１６を制御することにより、低周波送信信号Ｓ５あるいは低周波受信信号Ｓ４のいずれか一方を所定の位相差分だけ切換えさせる。このとき、切換えた位相差を加味して測距対象Ｔの移動状態を判定することが可能となる。
【００４３】
このようにマイコン３が位相差Ｓ７を加減してみることは、センサ１０を測距対象Ｔに対して前後に移動させて位相差の増減変化の関係を確認することに相当する。したがって、マイコン３が位相切換信号Ｓ８により位相差Ｓ７を加減してみることにより、測距対象Ｔが遠ざかったか近づいたか何れの移動状態であるのかを、より確実に判定することが可能となる。すなわち、λ／４を超える変位も計測可能にすることができる（図５参照）。
【００４４】
図４は本実施形態に係る微小移動検出装置Ｅにおける位相差に対する位相検出器１７の出力を示す特性図である。図１、図４に示すように、本装置Ｅにおける測距対象Ｔに対するセンサ１０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、測距対象Ｔがセンサ１０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。
【００４５】
例えば、測距対象Ｔ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、マイコン３は、位相切換器１７に対して位相切換信号Ｓ８を出力して低周波受信信号Ｓ４の位相を９０°だけ切換させる。この結果、低周波送信信号Ｓ６の位相は切換えないので、低周波送信信号Ｓ６と低周波受信信号Ｓ４との位相差は１３５°→４５°に変化する。このような位相切換器１７による低周波受信信号Ｓ４の位相切換を行った場合、位相切換器１７における４５°の位相差は、低周波受信信号Ｓ４の位相切換によって１３５°から遷移したものなので、マイコン３は、位相切換器１４における４５°の位相差を１３５°（＝実位相差）と認識する。
【００４６】
このような低周波受信信号Ｓ４の位相切換は、前記切換後において測距対象Ｔ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、マイコン３は、２回目の位相切換なので、切換後の位相差を１３５°＋９０°＝２２５°と認識する。すなわち、マイコン３は、位相切換器１７の検出信号Ｓ９が示す位相差に位相切換の回数に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、測距対象Ｔ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。
【００４７】
図４に示したように、位相検出器１７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Ｓ７の値が同一であり、よって検出信号Ｓ７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。
【００４８】
しかしながら、本装置Ｅによれば、上述したように位相切換器１７による低周波受信信号Ｓ４の位相切換およびマイコン３における当該位相切換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。したがってλ／４を超えて移動する移動距離△Ｚであっても確実に計測できる。
【００４９】
図５は本実施形態に係る微小移動検出装置Ｅにおける移動距離△Ｚに対する位相検出器１７の出力Ｓ７を示す特性図である。本装置Ｅにおいて、センサ１０に対するレピータ２０の位置が前後に移動した時、センサ１０へ入力する反射波Ｙの位相が変化することになり、移動距離△Ｚに対する位相検出器１７の出力Ｓ７は、図５に示すように、山と谷が繰り返し連続するように変化する。この出力Ｓ７から微小な移動距離△Ｚを求めることは、図５に示す特性図の直線的な傾斜をトレースできることからも容易である。また、[ｎλ／４]をはるかに超えて大きく移動する移動距離△Ｚであっても、ほぼ継続的に観測結果を記録することにより、図５に示す山と谷を含む折れ線をトレースすれば正確に計測できる。
【００５０】
また、本装置Ｅにおけるセンサ１０は、連続動作または間欠動作により位相ずれを観測するようにタイミング制御が可能な制御手段４と、その制御手段４に制御されることにより位相ずれの観測結果を連続記録または間欠記録することが可能な記憶手段５と、マイコン３の機能として備えている。これらの制御手段４および記憶手段５を駆使することにより、図５に示す山と谷を、マイコン３内部の数値演算としてトレースすることが可能である。
【００５１】
すなわち、制御手段４が観測タイミングを制御することにより、センサ１０を連続動作または間欠動作させる。そして、センサ１０は位相ずれの観測結果を記憶手段５に連続記録または間欠記録する。そうすることにより、前記距離Ｚの経時変化を観測することが可能になる。特に、測距対象Ｔが微小移動する経時変化をほぼリアルタイムに観測し、その経時変化を報知する地滑りセンサに好適である。
【００５２】
図６は本実施形態に係る微小移動検出装置Ｅにおける複数のレピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを時分割運用するタイムチャートである。図６のタイムチャートに示すように、複数のレピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０ＣのＯＮ時間を、相互にずらすことにより、１台のセンサ１０で異なる複数の観測対象を観測することが可能である。
【００５３】
なお、複数のレピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに対し、各別のＯＮ時間を相互にずらす手段として、投射波Ｘの搬送波の周波数ｆを各レピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ別に異なる割り当てを設定する。そして、割り当てられた周波数ｆの投射波Ｘを受信したレピータのみが起動するものとする。このとき、投射波Ｘの周波数を僅かずつずらして投射することにより、複数のレピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを効率良く時分割運用する。
【００５４】
このように本装置Ｅを運用すれば、効率的にしてさらなる実用性を高めることが可能である。詳しくは、レピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０ＣのＯＮ時間には数１０Ｗの電力消費があり、しかも、必ずしも連続動作させる必要はないのである。例えば本装置Ｅを地滑り監視用に用いるのであれば、広範囲な観測対象となる危険地帯のうち、局所的な危険箇所別にそれぞれ１台ずつのレピータ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが５分おきに数秒間だけ間欠動作するように、相互にずらしたＯＮ時間の設定があれば実用的かつ効率的である。
【００５５】
本装置Ｅによれば、電波反射体として高価なルーネベルグレンズを用いることなく、λ／４を超える変位も計測可能にすることができる。
また、電波反射体としてレピータを用いることで、センサの送受信効率を向上させるので、小電力、遠距離間での計測が可能となる。
さらに、位相切換器により、電気的に位相変化を発生させることができるので、センサを機械的に移動させる必要がなくなる。
【００５６】
なお、本発明に係る微小移動検出装置Ｅを、建設現場等において測距儀Ｄとして用いた場合にも効果的であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態（本実施形態）に係る測距儀またはその測距儀を用いた微小移動検出装置の利用状況の説明図である。
【図２】本実施形態に係る微小移動検出装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本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】本実施形態に係る微小移動検出装置における位相差に対する位相検出器の出力を示す特性図である。
【図５】本実施形態に係る微小移動検出装置における移動距離に対する位相検出器の出力を示す特性図である。
【図６】本実施形態に係る微小移動検出装置におけるレピータを複数で時分割運用するタイムチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
１，２…ミキサ
３…マイコン（マイクロコンピュータ）
４…制御手段
５…記憶手段
１０…主局
１１…高周波発振器
１４…送受信アンテナ
１５…局部発振器
１６…位相切換器
１７…位相検出器
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…中継局
Ｄ…測距儀
Ｅ…微小移動検出装置
Ｐ…測距基準点
Ｓ１，Ｓ１′…送信信号 Ｓ２…局部発振信号
Ｓ４…低周波送信信号
Ｓ３…受信信号
Ｓ４…低周波受信信号
Ｓ５，Ｓ６…低周波送信信号
Ｓ７…位相差（出力）信号
Ｓ８…制御信号
Ｔ…測距対象
Ｘ…投射波
Ｙ…反射波
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測距基準点に設置され該測距基準点から測距対象へ送信したマイクロ波の波長を有する投射波に対し該投射波が測距対象に反射して戻った反射波の遅延によって生ずる位相ずれを検出することにより測距対象の移動距離を測定する主局と、
前記測距対象上に配設される反射手段として受信した前記投射波を増幅した後に前記主局へ送り返す中継局と、を備えたことを特徴とする微小移動検出装置。
【請求項２】
前記主局は連続動作または間欠動作により前記位相ずれを観測するようにタイミング制御が可能な制御手段と、
前記制御手段に制御されることにより前記位相ずれの観測結果を連続記録または間欠記録することが可能な記憶手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の微小移動検出装置。
【請求項３】
前記主局には、
前記投射波を発生する高周波発振器と、
前記投射波を前記中継局まで投射し前記反射波を捕らえる送受信アンテナと、
周波数変換用の局部発振信号を発生する局部発振器と、
前記局部発振信号を用いて前記投射波と同一の送信信号を低周波送信信号に周波数変換するミキサと、
前記局部発振信号を用いて前記反射波と同一の受信信号を低周波受信信号に周波数変換するミキサと、
前記低周波送信信号と前記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前記測距対象の移動状態を判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の微小移動検出装置。
【請求項４】
前記判定手段の判定結果に基づく制御信号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換える位相切換器をさらに備え、
前記判定手段は、前記位相検出器の検出信号が所定範囲を超えた時、特定の制御信号を用いて前記位相切換器を制御することにより前記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換えさせ、当該位相差を加味して測距対象の移動状態を判定することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の微小移動検出装置。
【請求項５】
前記中継局として、複数の中継局のＯＮ時間を相互にずらすことを特徴とする請求項２ないし請求項４の何れか１項に記載の微小移動検出装置。
【請求項６】
前記複数の中継局別にＯＮ時間を相互にずらす手段として前記投射波の周波数を各中継局別に異なる設定し、設定された周波数の前記投射波を受信した中継局のみが起動することを特徴とする請求項５に記載の微小移動検出装置。
【請求項１】
測距基準点に設置され該測距基準点から測距対象へ送信したマイクロ波の波長を有する投射波に対し該投射波が測距対象に反射して戻った反射波の遅延によって生ずる位相ずれを検出することにより測距対象の移動距離を測定する主局と、
前記測距対象上に配設される反射手段として受信した前記投射波を増幅した後に前記主局へ送り返す中継局と、を備えたことを特徴とする微小移動検出装置。
【請求項２】
前記主局は連続動作または間欠動作により前記位相ずれを観測するようにタイミング制御が可能な制御手段と、
前記制御手段に制御されることにより前記位相ずれの観測結果を連続記録または間欠記録することが可能な記憶手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の微小移動検出装置。
【請求項３】
前記主局には、
前記投射波を発生する高周波発振器と、
前記投射波を前記中継局まで投射し前記反射波を捕らえる送受信アンテナと、
周波数変換用の局部発振信号を発生する局部発振器と、
前記局部発振信号を用いて前記投射波と同一の送信信号を低周波送信信号に周波数変換するミキサと、
前記局部発振信号を用いて前記反射波と同一の受信信号を低周波受信信号に周波数変換するミキサと、
前記低周波送信信号と前記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前記測距対象の移動状態を判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の微小移動検出装置。
【請求項４】
前記判定手段の判定結果に基づく制御信号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換える位相切換器をさらに備え、
前記判定手段は、前記位相検出器の検出信号が所定範囲を超えた時、特定の制御信号を用いて前記位相切換器を制御することにより前記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換えさせ、当該位相差を加味して測距対象の移動状態を判定することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の微小移動検出装置。
【請求項５】
前記中継局として、複数の中継局のＯＮ時間を相互にずらすことを特徴とする請求項２ないし請求項４の何れか１項に記載の微小移動検出装置。
【請求項６】
前記複数の中継局別にＯＮ時間を相互にずらす手段として前記投射波の周波数を各中継局別に異なる設定し、設定された周波数の前記投射波を受信した中継局のみが起動することを特徴とする請求項５に記載の微小移動検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２０３１３２（Ｐ２００８−２０３１３２Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４０６９５（Ｐ２００７−４０６９５）
【出願日】平成１９年２月２１日（２００７．２．２１）
【出願人】（０００２３２３５７）横河電子機器株式会社 (109)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２１日（２００７．２．２１）
【出願人】（０００２３２３５７）横河電子機器株式会社 (109)
【Ｆターム（参考）】
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