JP2014215166A - Distance measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検出波を被検出物体に向けて送信し、被検出物体で反射された検出波を受信して被検出物体までの距離を測定する距離測定装置に関する。 The present invention relates to a distance measuring apparatus that transmits a detection wave toward a detected object, receives the detection wave reflected by the detected object, and measures the distance to the detected object.
従来から、マイクロ波やミリ波等の検出波を被測定物体に向けて送信し、被検出物体で反射された検出波(反射波)を受信し、送受信の時間差を基に被検出物体までの距離を測定することが行われている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, detection waves such as microwaves and millimeter waves are transmitted toward the object to be measured, detection waves reflected by the object to be detected (reflected waves) are received, and the detection object is detected based on the transmission / reception time difference. Measuring distance is performed (for example, refer patent document 1).
距離測定に使用される距離測定装置において、安価なパッチアンテナを用いることが検討されているが、パッチアンテナは、一旦作製すると、検出波の送受信指向角が限定されるという欠点がある。距離測定装置では、被検出物体からの反射波を受信しなければないが、指向角が限定されると、被検出物体からの反射波をうまく受信できずに誤検出する可能性がある。 In a distance measuring device used for distance measurement, it has been studied to use an inexpensive patch antenna. However, once a patch antenna is manufactured, there is a drawback that a transmission / reception directivity angle of a detection wave is limited. In the distance measuring apparatus, it is necessary to receive the reflected wave from the detected object. However, if the directivity angle is limited, the reflected wave from the detected object may not be received well and erroneous detection may occur.
そこで本発明は、安価なパッチアンテナまたはパッチアンテナアレイを用いるとともに、誤検出のおそれの無い距離測定装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a distance measuring device that uses an inexpensive patch antenna or patch antenna array and that is free from erroneous detection.
上記目的を達成するために本発明は、下記の距離検出装置を提供する。
(1)検出波をアンテナから被検出物体に向けて送信し、前記被検出物体で反射された前記検出波を前記アンテナで受信し、前記検出波の送信から受信までの時間を基に前記演算手段で演算することにより被検出物体までの距離を計測する距離測定装置において、
前記アンテナがパッチアンテナ、または複数のパッチアンテナを平面上に配列したパッチアンテナアレイであり、かつ、素子側前面に、該アンテナから離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する金属筒を付設したことを特徴とする距離測定装置。
(2)前記金属筒が、一端が前記アンテナの素子を包囲できる面積で開口し、前記アンテナから離間するのに伴って開口面積が徐々に縮小する縮径部と、前記縮径部の他端に連続し、他端の開口と同一断面の管からなる連結部と、前記連結部に連続し、連結部から離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する拡径部とからなり、前記縮径部の一端側の開口が前記素子側前面に付設されることを特徴とする上記(1)記載の距離測定装置。
(3)前記金属筒の前記拡径部を前記被検出物体と接近して対向配置するとともに、前記縮径部と、前記パッチアンテナまたはパッチアンテナアレイとを前記被検出物体から離間して配置したことを特徴とする上記(2)記載の距離測定装置。
(4)前記検出波は電界が一方向に回転する回転波であり、かつ、送信した回転波とは逆方向に回転する回転波を受信することを特徴とする上記(1)〜(3)の何れか1項に記載の距離測定装置。
(5)FM−CW方式により距離の測定を行うとともに、実際の周波数−時間特性を測定しておき、直線状に変化する理想周波数−時間特性からの実際の周波数−時間特性の周波数の偏位量(ΔX)を求め、前記ΔXとは正負が逆の偏位量からなる補正用の周波数−時間特性を、実際の周波数−時間特性に重畳させることを特徴とする上記(1)〜(4)の何れか1項に記載の距離測定装置。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following distance detector.
(1) A detection wave is transmitted from an antenna toward an object to be detected, the detection wave reflected by the object to be detected is received by the antenna, and the calculation is performed based on a time from transmission to reception of the detection wave. In the distance measuring device that measures the distance to the detected object by calculating by means,
The antenna is a patch antenna or a patch antenna array in which a plurality of patch antennas are arranged on a plane, and a metal cylinder is attached to the front surface of the element side, the opening area of which gradually increases as the distance from the antenna increases. A distance measuring device characterized by that.
(2) The metal cylinder has an opening with an area where one end can surround the antenna element, and a diameter-reducing portion whose opening area gradually decreases as the metal tube is separated from the antenna, and the other end of the diameter-reducing portion And a connecting portion composed of a tube having the same cross section as the opening at the other end, and a diameter-expanded portion that is continuous with the connecting portion and gradually increases in opening area as the distance from the connecting portion increases. The distance measuring device according to (1), wherein an opening on one end side of the reduced diameter portion is attached to the element side front surface.
(3) The enlarged diameter portion of the metal cylinder is arranged close to and opposed to the detected object, and the reduced diameter portion and the patch antenna or the patch antenna array are arranged apart from the detected object. The distance measuring device according to (2) above, wherein
(4) The detection wave is a rotation wave whose electric field rotates in one direction, and receives the rotation wave rotating in the opposite direction to the transmitted rotation wave. The distance measuring device according to any one of the above.
(5) The distance is measured by the FM-CW method, the actual frequency-time characteristic is measured, and the frequency deviation of the actual frequency-time characteristic from the ideal frequency-time characteristic that changes linearly An amount (ΔX) is obtained, and a correction frequency-time characteristic composed of a deviation amount opposite to that of ΔX is superimposed on an actual frequency-time characteristic, (1) to (4) The distance measuring device according to any one of 1).
本発明の距離測定装置では、パッチアンテナまたはパッチアンテナアレイの素子側前面に、特定形状の金属筒を配置して送受信指向角を広げて良好な送受信を行うことができる。 In the distance measuring device of the present invention, a good shape transmission / reception can be performed by disposing a specific shape metal tube on the element-side front surface of the patch antenna or patch antenna array to widen the transmission / reception directivity angle.
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
距離測定装置では、図示は省略するが、マイクロ波やミリ波等の検出波をアンテナから送信し、被検出物体で反射された検出波(反射波)をアンテナで受信し、送信から受信までの時間差を基に被検出物体からの距離を測定する。本発明では、アンテアにパッチアンテナ、または複数のパッチアンテナを平面上に配列したパッチアンテナアレイを用いるとともに、パッチアンテナまたはパッチアンテナアレイの素子側前面に図1または図2に示す金属筒を配設する。 In the distance measuring device, although not shown, detection waves such as microwaves and millimeter waves are transmitted from the antenna, detection waves reflected by the object to be detected (reflected waves) are received by the antenna, and transmission to reception are performed. The distance from the detected object is measured based on the time difference. In the present invention, a patch antenna or a patch antenna array in which a plurality of patch antennas are arranged on a plane is used for the antenna, and the metal tube shown in FIG. 1 or FIG. To do.
即ち、図1に示すように、パッチアンテナまたはパッチアンテナアレイ(図の例ではパッチアンテナアレイ)1の素子2の前面に、素子2を包囲できる面積で開口し、パッチアンテナ(アレイ)1から離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する金属筒3Aを付設する。
That is, as shown in FIG. 1, an opening is made in the front surface of the
あるいは、図2に示すように、一端が素子2を包囲できる面積で開口し、パッチアンテナ(アレイ)1から離間するのに伴って開口面積が徐々に縮小する円錐状の縮径部3aと、縮径部3aの他端に連続し、他端の開口と同一断面の管からなる連結部3bと、連結部3bに連続し、連結部3bから離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する円錐状の拡径部3cとからなる金属筒3Bを用いることもできる。尚、連結部3bは、円管の他にも、断面が矩形の角管であってもよく、それに合わせて縮径部3a及び拡径部3cを角錐状にする。また、連結部3bは、図示されるように直管でもよいし、後述する図11に示すようにL字状等湾曲していてもよい。
Alternatively, as shown in FIG. 2, a conical diameter-reduced
図3は、図1に示した金属筒3Aを用いたときの指向角を示す図であるが、水平方向での電力分布が角度0°を中心にして対称に整形されるようになる。但し、水平方向と垂直方向とで電力分布が異なっており、更には垂直方向において電力分布が2つに割れている。しかし、図2に示すような金属筒3Bを用いると、検出波は連結部3bを通過する際に整形され、図4に示すように水平方向及び垂直方向ともに対称な指向角を得るようになる。
FIG. 3 is a diagram showing the directivity angle when the
尚、図2に示した金属筒3Bでは、拡径部3cが円錐状(あるいは角錐状)であったが、図5に示すようにパラボラ状の拡径部3dとすることもできる。その際、金属筒3Bの連結部3bにユニオン4を設けておき、図2に示すような円筒状の拡径部3cや、図5に示すようなパラボラ状の拡径部3dを、目的や用途に応じて付け替えることができる。
In the
また、縮径部3aと連結部3bとの連続部分を、フッ素樹脂等のマイクロ波やミリ波を透過する材料からなる栓部材5で閉塞することもできる。栓部材5は、マイクロ波やミリ波が栓部材5の端面で反射されるのを防いだり、取り付け及び取り外しがしやすいように、図示のように金属筒3Bの縮径部3a側または拡径部3d(3c)側、あるいは縮径部3a側と拡径部3d(3c)側との両方に向かって徐々に細くなる形状とすることができる。あるいは、図示は省略するが、円柱状や樽状、連結部3bが角管の場合は角柱状であってもよい。本発明の距離測定装置は、後述するようなトピードカー(図12参照)の受銑量を測定したり、高炉の炉頂に設けた開口に配置し、検出波を炉内の装入物(鉄鉱石やコークス)に向けて送信し、挿入物の表面までの距離を測定することに使用することができるが、トピードカーの周囲や高炉内には灰等が多く浮遊しており、金属筒3Bの拡径部3cの開口を通じてパッチアンテナ(アレイ)1の素子2に付着したり、更には装置内部へと浸入する。そこで、連結部3bの縮径部3aとの連続部分を栓部材5で閉塞して灰等の浸入を防ぐことが好ましい。
Moreover, the continuous part of the reduced
検出波として、電界の向きが一方向に回転する回転波を用いることが好ましい。回転波は、反射した際に電界の回転方向を逆にする(反転する)性質がある。そこで、図6に示すように、距離測定装置10から、送信波OとしてWOで示す右旋回の回転波を送信すると、被検出物体20で反射すると電界向きが反転し、反射波RはWRで示す左旋回の回転波となって受信される。この時、例えば、距離測定装置10と被検出物体20との間に他の物体30が存在していると、送信波Oは、被検出物体20で反射した後、他の物体30へと入射し(反射波R1)、他の物体30で反射した後に反射波R2となって受信されることがある。しかし、他の物体30で反射した反射波R2は、WR2で示すように右旋回の回転波であり、被検出物体20で反射した本来の反射波Rとは電界の回転方向が逆になっている。そこで、距離測定装置10において、送信波Oとは電界の回転方向が逆の反射波Rを受信する構成にしておくことにより、他の物体30で反射した反射波R2を排除でき、検出精度が高まる。
As the detection wave, it is preferable to use a rotating wave whose electric field rotates in one direction. Rotational waves have the property of reversing (reversing) the direction of electric field rotation when reflected. Therefore, as shown in FIG. 6, when a clockwise rotation wave indicated by
このような回転波による送受信を行うには、図7に示すように、送信側と受信側とで2つのパッチアンテナ1A,1Bを用いる。そして、送信側のパッチアンテナ1Aの素子2Aを、誘電体基板の中心線Xに対し、右上側の角部2Aaと、角部2Aaの対角線上にある角部2Abとを切除した形状とする。これにより、パッチアンテナ1Aからは右旋回の検出波が送信される。また、受信側のパッチアンテナ1Bの素子2Bを、誘電体基板の中心線Xに対し、左上側の角部2Baと、角部2Baの対角線上にある角部2Bbとを切除した形状とする。これにより、パッチアンテナ1Bに入射する種々の検出波の中で、左旋回の検出波のみが受信される。
In order to perform transmission / reception using such a rotating wave, as shown in FIG. 7, two
また、図8に示すように、図2に示した金属筒3Bの連結部3bに円偏波用の突起6を付設してもよい。但し、送信側のパッチアンテナ1Aを、同図(A)に示すように、誘電体基板7Aの中心線Xと素子2Aの中心線Yとが一致するように形成する。このパッチアンテナ1Aからは電界が上下方向を向く直線波(電界の向き「↑」)が送信される。また、受信側のパッチアンテナ1Bでは、同図(B)に示すように、誘電体基板7Bの中心線Xと素子2Bの中心線Yとが直交するように形成することにより、電界の向きが水平方向を向く直線波(電界の向き「→」)を受信するようにする。それとともに、同図(C)に示すように、連結部3bの内壁に、素子2Aの中心線Yと一致する軸線Zに対して右側に45°傾斜した位置に突起6を付設した金属筒3Bを、金属筒3Bの縮径部3aの開口がパッチアンテナ1A,1Bの両素子2A、2Bを包囲するように配置する。これにより、送信側のパッチアンテナ1Aから電界が上下方向を向く直線波が送信され、金属筒3Bの連結部3bを通過するときに右旋回の回転波に偏波されて拡径部3cから送信される。そして、被検出物体20で反射されて左旋回の回転波となって金属筒3Bの拡径部3cに入射し、連結部3bを通過するときに電界の向きが水平方向を向く直線波に偏波され、受信側のパッチアンテナ1Bで受信される。
Further, as shown in FIG. 8, a circularly
上記した検出波の送受信を基に距離を求めるには、FM−CW方式で行う方法もある。図9に示すように、FM−CW方式では、周波数が時間に対して直線的に増加する検出波を被検出物体に向けて送信する。そして、ある時間(t1)にある周波数(f1)で送信された検出波(送信波)は、被検出物体で反射して往復に要した時間(Δt)後に受信される。そのときの送信波の周波数はf1からf2に変化しており、このときの送信波と受信波の周波数の差(Δf)が、被検出物体までの距離に比例する。そこで、送信波と受信波とをミキシングし、差の周波数を持つ受信信号波形を取り出し、この受信信号波形をFFT(高速フーリエ変換)し、差の周波数を求めて距離信号として出力させる。 In order to obtain the distance based on the transmission / reception of the detection wave described above, there is a method performed by the FM-CW method. As shown in FIG. 9, in the FM-CW system, a detection wave whose frequency increases linearly with respect to time is transmitted toward the detected object. Then, the detection wave (transmission wave) transmitted at a certain frequency (f1) at a certain time (t1) is received after the time (Δt) required for reciprocation after being reflected by the detected object. The frequency of the transmission wave at that time changes from f1 to f2, and the difference (Δf) between the frequency of the transmission wave and the reception wave at this time is proportional to the distance to the detected object. Therefore, the transmission wave and the reception wave are mixed, a reception signal waveform having a difference frequency is extracted, the reception signal waveform is subjected to FFT (Fast Fourier Transform), and the difference frequency is obtained and output as a distance signal.
しかし、実際には、検出波の周波数が時間に対して直線的に増加するとは限らず、例えば図10に示すように、周波数が時間に対して直線的に増加する周波数−時間特性(以下「理想周波数−時間特性」:直線Aで示す)よりも周波数が若干高く偏位した周波数−時間特性(曲線Bで示す)を持つ検出波が送信されることがある。そこで、測定の前に送信波の実際の周波数−時間特性を測定し、理想周波数−時間特性からの偏位量(ΔX)を時系列的に求めておく。そして、絶対値が同じで、正負が逆である負の偏位量(−ΔX)からなる補正用の周波数−時間特性(曲線Cで示す)を算出し、実際の周波数−時間特性に重畳する。補正用の周波数−時間特性は、実際の周波数−時間特性とは、理想周波数−時間特性を中心にした対照形であり、重畳することにより実際の周波数−時間特性を理想の周波数−時間特性に一致させることができる。 However, in practice, the frequency of the detection wave does not always increase linearly with respect to time. For example, as shown in FIG. A detection wave having a frequency-time characteristic (indicated by curve B) in which the frequency is slightly higher than that of “ideal frequency-time characteristic” (indicated by straight line A) may be transmitted. Therefore, before the measurement, the actual frequency-time characteristic of the transmission wave is measured, and the deviation amount (ΔX) from the ideal frequency-time characteristic is obtained in time series. Then, a correction frequency-time characteristic (shown by a curve C) consisting of a negative deviation amount (−ΔX) having the same absolute value and opposite in positive and negative is calculated and superimposed on the actual frequency-time characteristic. . The frequency-time characteristic for correction is a contrast type centered on the ideal frequency-time characteristic with the actual frequency-time characteristic. By superimposing, the actual frequency-time characteristic becomes the ideal frequency-time characteristic. Can be matched.
理想の周波数−時間特性に一致させるために、送信とともにフィードバック制御する方法もあるが、上記した補正用の周波数−時間特性を重畳する方法の方が回路が簡単で、演算負荷を軽減することができる。 In order to match the ideal frequency-time characteristics, there is also a method of feedback control along with transmission, but the method of superimposing the correction frequency-time characteristics described above can simplify the circuit and reduce the computation load. it can.
上記した距離測定装置において、検出波としてマイクロ波やミリ波を用いた場合、製鉄設備での使用に好適である。例えば、高炉では、図11に示すように、傾注樋25からの溶銑26をトピードカー30で受銑し、製綱工程に移送することが行われている。その際、トピードカー30の溶銑液面27に向けてマイクロ波Mを送り、溶銑液面27で反射したマイクロ波Mを受信して溶銑液面27までの距離を測定し、ある距離に達したところで傾注樋25を反転させ(例えば図の左側)、待機中の空の他のトピードカー(例えば、図示のトピードカー30の左側を走行するトピードカー)に受銑させる。溶銑26は高温であり、傾注樋25やトピードカー30の周囲は高温で、粉塵が充満しているが、マイクロ波Mは高温物体の測定が可能であり、粉塵を透過するため安定した測定が可能になる。
In the above distance measuring apparatus, when a microwave or a millimeter wave is used as a detection wave, it is suitable for use in a steel manufacturing facility. For example, in a blast furnace, as shown in FIG. 11, the
傾注樋25やトピードカー30の通路は鋳床40の下階に位置されており、鋳床40の上を作業用車両が通行したり、作業員が往来している。そのため、距離検出装置が鋳床40の床面より上に突出して設置されていると作業用車両の通行や作業員の往来に支障をきたし、更には傾注樋25やトピードカー30の周囲は高温であることから、本出願人は特許第5004469号において、鋳床40の内部または下面に、トピードカー側に45°傾斜した反射板50と、反射板50の反射面と対向するガイドパイプ51とを配設し、ガイドパイプ51を介してマイクロ波の送受信を行うことを提案している。
The passages of the
これを応用して本発明では、ガイドパイプ51の反射板50とは反対側の端面に、金属筒3Bの拡径部3cを配置するとともに、鋳床40の内部または下面の、ガイドパイプ51や拡径部3cから離間した位置に設けた収納室52に、マイクロ波の送受信及び距離測定のための演算を行うためのコントローラ53とパッチアンテナ(アレイ)1とを収容し、収納室52の下面に縮径部3aを配置し、縮径部3aと拡径部3cとを長い連結部3bにより連結する。反射板50やガイドパイプ51、金属筒3Bは金属部材であり、溶銑26からの高温に直接曝されても問題はない。また、コントローラ53やパッチアンテナ(アレイ)1は高温源から離間して、実質的に常温であるため熱的影響もない。
By applying this, in the present invention, the
1 パッチアンテナ(アレイ)
2 素子
3A,3B 金属筒
4 ユニオン
5 栓部材
10 距離測定装置
20 被検出物体
1 Patch antenna (array)
2
Claims (5)
前記アンテナがパッチアンテナ、または複数のパッチアンテナを平面上に配列したパッチアンテナアレイであり、かつ、素子側前面に、該アンテナから離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する金属筒を付設したことを特徴とする距離測定装置。 A detection wave is transmitted from the antenna to the detected object, the detection wave reflected by the detected object is received by the antenna, and the calculation means calculates the time from transmission to reception of the detection wave. In the distance measuring device that measures the distance to the detected object by
The antenna is a patch antenna or a patch antenna array in which a plurality of patch antennas are arranged on a plane, and a metal cylinder is attached to the front surface of the element side, the opening area of which gradually increases as the distance from the antenna increases. A distance measuring device characterized by that.
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