WO2023003017A1

WO2023003017A1 - 水位検出装置

Info

Publication number: WO2023003017A1
Application number: PCT/JP2022/028216
Authority: WO
Inventors: 宏幸加茂; 政志三木; 一郎三浦
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2022-07-20
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2024-01-20
Also published as: JPWO2023003017A1

Abstract

実施形態にかかる水位検出装置は、それぞれは水面の領域にレーダ波を送信する１以上の送信アンテナ素子と、レーダ波の反射波を受信する複数の受信アンテナ素子と、複数の受信アンテナ素子のそれぞれで受信した反射波の信号に対して周波数解析および到来方向推定法を用いた演算を行うことによって領域内の複数の位置のそれぞれについて角度情報と距離情報との対を取得し、対に基づいて複数の位置のそれぞれの高さを計算し、複数の位置の前記高さに基づいて水位を計算する、回路と、を備える。

Description

水位検出装置

　本発明は、水位検出装置に関する。

　例えば特許文献１には、アンテナによるレーダ波の送信方向を異ならせることによって複数の観測地点から河川の水位を計算する手法が開示されている。

特許第６２７０７０５号公報

　河川、湖沼、用水路、または海などの水面は、風または水の流れなどに起因して時間的または空間的に揺らぎ得る。これに対し、特許文献１に開示された技術によれば、アンテナが向いた方向ごとに１値の水位しか取得できない。よって、特許文献１に開示された技術を用いて精度よく水位を取得しようとした場合、観測地点を異ならせたりまたは観測タイミングを異ならせたりしながらレーダ波の送信および水位の計算を多数回実行して、多数回分の計算結果を平均するなどの処理が必要となる。したがって、リアルタイムの水位の取得が困難である。また、レーダ波の送信および水位の計算が多数回実行されるため、水位検出装置における電力の消費量が多い。

　本発明は、高速にかつ少ない電力で水位を検出できる水位検出装置を提供することを目的とする。

　実施形態にかかる水位検出装置は、それぞれは水面の領域にレーダ波を送信する１以上の送信アンテナ素子と、前記レーダ波の反射波を受信する複数の受信アンテナ素子と、前記複数の受信アンテナ素子のそれぞれで受信した前記反射波の信号に対して周波数解析および到来方向推定法を用いた演算を行うことによって前記領域内の複数の位置のそれぞれについて角度情報と距離情報との対を取得し、前記対に基づいて前記複数の位置のそれぞれの高さを計算し、前記複数の位置の前記高さに基づいて水位を計算する、回路と、を備える。

　本発明によれば、水位を高速に、かつ少ない電力で検出できる水位検出装置を提供することができる、という効果を奏する。

図１は、実施形態にかかる水位検出装置である水位検出装置の設置方法の一例を示す模式的な図である。図２は、実施形態にかかる水位検出装置の構成の一例を示す模式的な図である。図３は、実施形態にかかる水位検出装置が備えるアンテナ群のさらに詳細な構成の一例を示す模式的な図である。図４は、実施形態にかかる水位検出装置が備えるアンテナ群のさらに詳細な構成の別の一例を示す模式的な図である。図５は、実施形態にかかる水位検出装置によるビームの走査について説明するための模式的な図である。図６は、実施形態にかかるプロセッサが角度情報と距離情報との対から高さを計算する処理の一例を説明するための模式的な図である。図７は、実施形態にかかる水位検出装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。

（実施形態）
　図１は、実施形態にかかる水位検出装置である水位検出装置１の設置方法の一例を示す模式的な図である。本図に示される例では、水位検出装置１は、河川に架けられた橋の橋桁２の下面に固定されている。

　水位検出装置１は、レーダ波を送信し、ターゲットから戻ってくる反射波を受信する。レーダ波は、ミリ波帯、つまり３０ＧＨｚから３００ＧＨｚまでの周波数帯、から選択された周波数の電波である。レーダ波は、例えば周波数変調された、いわゆるチャープ信号と称される信号である。チャープ信号は、アップチャープの信号でもよいし、ダウンチャープの信号でもよい。

　一般的な多くの水位検出装置では、マイクロ波帯、つまり３ＧＨｚから３０ＧＨｚまでの周波数帯、から選択された周波数の電波がレーダ波として使用される。実施形態にかかる水位検出装置１はミリ波帯から選択された周波数の電波がレーダ波として使用するため、上記一般的な多くの水位検出装置に比べて距離分解能を向上させることができる。

　なお、水位検出装置１が送信するレーダ波として採用可能な電波は、ミリ波帯から選択された電波だけに限定されない。マイクロ波帯から選択された電波が水位検出装置１が送信するレーダ波として選択されてもよい。

　また、実施形態にかかる水位検出装置１が使用するレーダ波は、超広帯域（UWB：Ultra　Wide　Band）の信号であってもよい。レーダ波をUWBの信号とすることによって、距離分解能をさらに向上させることができる。

　水位検出装置１は、複数の送信アンテナ素子と、複数の受信アンテナ素子と、を含むアンテナ群（後述されるアンテナ群１０）を備えている。d0は、アンテナ群の正面の向きである。水位検出装置１は、d0の向きを中心とする所定の角度範囲に向けてレーダ波を送信することができる。また、水位検出装置１は、レーダ波が当該所定の角度範囲に存在するターゲットで反射して戻ってきた反射波を受信した場合、当該反射波に基づき、当該ターゲットの角度情報、距離情報、および速度情報を取得することができる。観測領域２００は、当該所定の角度範囲に含まれる領域である。観測領域２００が水面１００に含まれるように、水位検出装置１の取り付け位置および取り付け姿勢が決定される。

　また、図１に示される例では、d0の向きすなわちアンテナ群の正面の向きが鉛直方向と交差するような姿勢で水位検出装置１が固定されている。

　なお、図１に示される設置方法は、一例である。水位検出装置１は、観測領域２００に水面１００が含まれるような姿勢で橋脚３に設置されてもよいし、観測領域２００に水面１００が含まれるような姿勢で堤防４に設置されてもよい。

　また、水位検出装置１は、河川の水位だけでなく、湖沼、用水路、または海の水位の検出にも使用され得る。例えば、水位検出装置１は、観測領域２００に湖沼、用水路、または海の水面が含まれるような姿勢で設置されることで、湖沼、用水路、または海の水位を検出することができる。

　また、水位検出装置１は、必ずしもd0の向きが鉛直方向と交差する姿勢で設置されなくてもよい。水位検出装置１は、d0の向きが鉛直方向と一致する姿勢で設置されてもよい。

　図２は、実施形態にかかる水位検出装置１の構成の一例を示す模式的な図である。水位検出装置１は、アンテナ群１０および回路２０を備える。

　前述されたように、アンテナ群１０は、複数の送信アンテナ素子と、複数の受信アンテナ素子と、によって構成される。

　図３は、実施形態にかかる水位検出装置１が備えるアンテナ群のさらに詳細な構成の一例を示す模式的な図である。本図に示される例では、水位検出装置１が備えるアンテナ群１０は、複数の送信アンテナ素子として、３つの送信アンテナ素子Tx0、Tx1、Tx2を備える。アンテナ群１０は、複数の受信アンテナ素子として、４つの受信アンテナ素子Rx0、Rx1、Rx2、Rx3を備える。３つの送信アンテナ素子Tx0、Tx1、Tx2は、Ltの間隔でd1方向に一列に配列されている。４つの受信アンテナ素子Rx0、Rx1、Rx2、Rx3は、Lrの間隔でd2方向に一列に配列されている。d1方向とd2方向とは互いに直交する。d0の向きは、d1方向とd2方向とのそれぞれと直交する。

　なお、アンテナ群１０が備える送信アンテナ素子Txの数は３つに限定されない。アンテナ群１０が備える送信アンテナ素子Txの数は２以上であればよい。または、後述されるMIMO（Multiple　Input　Multiple　Output）制御が水位検出装置１において実行されない場合、アンテナ群１０が備える送信アンテナ素子Txの数は１つであってもよい。また、MIMO制御が水位検出装置１において実行されない場合、２方向、例えばd1方向およびd2方向、に複数の受信アンテナ素子Rxが配列されてもよい。また、アンテナ群１０が備える受信アンテナ素子Rxの数は４つに限定されない。アンテナ群１０が備える受信アンテナ素子Rxの数は２以上であればよい。

　また、MIMO制御が水位検出装置１において実行される場合、送信アンテナ素子Txの配列方向と、受信アンテナ素子Rxの配列方向と、は必ずしも直交していなくてもよい。送信アンテナ素子Txの配列方向と、受信アンテナ素子Rxの配列方向と、は９０度以外の角度で交差していてもよい。複数の送信アンテナ素子Txと、複数の受信アンテナ素子Rxとは、例えば図４に示されるように、同一方向に配列されていてもよい。図４に示される例では、３つの送信アンテナ素子Tx0、Tx1、Tx2は、Lt'の間隔でd2方向に一列に配列されている。４つの受信アンテナ素子Rx0、Rx1、Rx2、Rx3は、Lr'の間隔でd2方向に一列に配列されている。

　また、送信アンテナ素子Txの配列間隔および受信アンテナ素子Rxの配列間隔は任意に設計され得る。例えば、グレーティングローブの発生条件と、ターゲットを検出可能な角度範囲と、を考慮して送信アンテナ素子Txの配列間隔および受信アンテナ素子Rxの配列間隔が設定され得る。また、送信アンテナ素子Txの配列間隔は均一でなくてもよい。受信アンテナ素子Rxの配列間隔は均一でなくてもよい。送信アンテナ素子Txは複数列に配列されてもよい。受信アンテナ素子Rxは複数列に配列されてもよい。

　以降、３つの送信アンテナ素子Tx0、Tx1、Tx2のそれぞれを区別しない場合、３つの送信アンテナ素子Tx0、Tx1、Tx2のそれぞれを送信アンテナ素子Txと表記する。４つの受信アンテナ素子Rx0、Rx1、Rx2、Rx3のそれぞれを区別しない場合、４つの受信アンテナ素子Rx0、Rx1、Rx2、Rx3のそれぞれを受信アンテナ素子Rxと表記する。以降、アンテナ群１０は、図３に例示された構成を有することとして説明する。

　実施形態では、回路２０は、一例として、アンテナ群１０を用いてMIMO制御を実行する。具体的には、回路２０は、それぞれ異なる送信アンテナ素子Txから送信されるレーダ波が互いに干渉しないように複数の送信アンテナ素子Txのレーダ波の送信を制御する。各送信アンテナ素子Txからのレーダ波が互いに干渉しないようにする方式は、特定の方式に限定されない。例えば、回路２０は、時分割方式、周波数分割方式、または符号変調方式を用いることによって、各送信アンテナ素子Txからのレーダ波が互いに干渉しないようにすることができる。回路２０は、各受信アンテナ素子Rxが受信した反射波から、複数の送信アンテナ素子Txのそれぞれが送信したレーダ波を分離することによって、送信アンテナ素子Txと受信アンテナ素子Rxとの組み合わせ毎に反射波の情報を取得する。つまり、MIMO制御によれば、最大で、送信アンテナ素子Txの数と受信アンテナ素子Rxの数との積の数のアンテナ素子によって構成されたアンテナアレイを用いた場合と等価な反射波の情報を取得することが可能である。

　図３に示されたアンテナ群１０の構成によれば、アンテナ群１０は、３つの送信アンテナ素子Txと、４つの受信アンテナ素子Rxと、を備え、３つの送信アンテナ素子Txの配列方向d1と、４つの受信アンテナ素子Rxの配列方向d2と、が直交する。よって、回路２０は、このアンテナ群１０を用いてMIMO制御を実行した場合、反射波の情報を最大で１２個の組み合わせ、即ち送信アンテナ素子Txと受信アンテナ素子Rxとの組み合わせ、の分、取得することができる。つまり、図３の符号３００に示されるマトリクス状に配列された１２個の受信アンテナ素子を用いて反射波の情報を取得することと等価な処理を、MIMO制御によって実現することができる。当該１２個のアンテナのそれぞれは、仮想アンテナ素子とも称される。１２個の仮想アンテナ素子からなるグループ３００は、仮想アンテナアレイとも称される。また、各受信アンテナ素子Rxが受信した反射波の信号から、各送信アンテナ素子Txが送信したレーダ波の信号を分離することによって、送信アンテナ素子Txと受信アンテナ素子Rxとの組み合わせ毎に反射波の情報を取得する処理は、拡張アレイ処理とも称される。

　反射波の情報は、少なくとも振幅と位相とを含む。回路２０は、送信アンテナ素子Txと受信アンテナ素子Rxとの組み合わせ毎に取得された反射波の情報に基づく到来方向推定演算を実行し、これによって観測領域２００内の複数の位置における水面の情報を取得する。

　到来方向推定演算のアルゴリズムとしては、デジタルビームフォーミング法が採用される。回路２０は、デジタルビームフォーミング法を用いた演算を実行することとする。以降、デジタルビームフォーミング法を用いた演算をデジタルビームフォーミング演算と表記する。

　デジタルビームフォーミング法は、受信アンテナ素子毎またはMIMO制御下においては仮想アンテナ素子毎に取得された反射波の信号をデジタル信号に変換し、受信アンテナ素子毎または仮想アンテナ素子毎に得られたデジタル信号に対する信号処理の段階でビームを形成する方式である。デジタルビームフォーミング演算では、受信アンテナ素子または仮想アンテナ素子の配列方向に応じた方向に複数のビームが形成されて、複数のビームに対して強度が行われることによって、強い反射波が到来した方向が推定される。図３に示された例によれば、d1方向およびd2方向に複数の仮想アンテナ素子が配列されている。よって、回路２０は、図５に示されるように、d1方向に対応した方向およびd2方向に対応した方向に複数のビームを形成することができる。

　図５において、点線で囲まれた領域４００は、アンテナ群１０からみた観測領域２００である。回路２０は、観測領域２００に対し、d1方向に対応したd3方向に複数のビームを形成することができる。また、回路２０は、観測領域２００に対し、d2方向に対応したd4方向に複数のビームを形成することができる。回路２０は、d3方向およびd4方向に複数のビームを形成することで、領域４００の面を測定することができる。

　回路２０は、強い反射波が検出されたビームごとに距離情報および速度情報を取得する。そして、水面１００では、レーダ波が強く反射する。よって、回路２０は、観測領域２００内の複数の反射位置のそれぞれにおいて、方向を表す角度情報、距離情報、および速度情報を取得することができる。

　特許文献１には、アンテナの向きを機械的に切り替えることによってアンテナによるレーダ波の送信方向を異ならせる技術が開示されている。特許文献１に開示された当該技術によって細かな角度ステップで広範囲の領域を観測したい場合、レーダ波を送信したい方向別に多くのアンテナを設けるか、または細かな角度ステップでアンテナの向きを変化させることができる機械的な方向変化機能を設ける必要がある。そのため、装置が複雑化および大型化するとともに、リアルタイム性がさらに低下する。例えばd1方向およびd2方向のように２方向においてにアンテナの向きを切り替えたい場合も同様である。また、ターゲットを面で測定したい場合には、装置がさらに複雑化する。また、アンテナの向きが切り替えられる毎にレーダ波の送受信が必要であるので、トータルで多くの電力が必要である。

　また、特許文献１では、フェーズドアレー方式について言及されている。フェーズドアレー方式は、複数の送信アンテナ素子から送信されるレーダ波の位相を時間に応じて切り替えることによってアンテナによるレーダ波の送信方向を異ならせる技術である。フェーズドアレー方式によって細かな角度ステップで広範囲の領域を観測したい場合、送信されるレーダ波の位相の細かな角度制御が必要となる上、レーダ波の送信方向が切り替えられる毎にレーダ波の送受信が必要である。よって、フェーズドアレー方式が採用された場合であっても、リアルタイム性が悪く、かつ多くの電力が必要となる。

　これに対し、デジタルビームフォーミング法によれば、全受信アンテナ素子RxまたはMIMO制御下においては全仮想アンテナ素子について反射波のデジタル信号が取得できさえすれば、信号処理によって細かな角度ステップで複数位置の角度情報、距離情報、および速度情報を測定することができる。例えば、回路２０が時分割方式で３つの送信アンテナ素子Txからレーダ波の送信を行う場合、３つの送信アンテナ素子Txの全てからレーダ波が送信されて４つの受信アンテナ素子Rxにおいて各送信アンテナ素子Txからのレーダ波の反射波を受信できれば、全仮想アンテナ素子についてのデジタル信号の取得が完了する。つまり、全仮想アンテナ素子について反射波のデジタル信号の取得に要するレーダ波の送信回数は、３回である。回路２０は、取得した全仮想アンテナ素子についてのデジタル信号を同時刻に取得したデジタル信号と見なして領域４００の面の測定を行う。

　よって、実施形態によれば、レーダ波の送信方向を機械的に切り替えたり、レーダ波の送信方向をフェーズドアレー方式で切り替えたりする特許文献１に開示された技術に比べ、短時間かつ少ない電力で複数の位置における角度情報、距離情報、および速度情報を測定することができる。また、実施形態によれば、アンテナの向きを機械的に切り替える機能および送信されるレーダ波の位相を切り替える機能の何れも不要とすることができる。よって、シンプルな構成で複数の位置における角度情報、距離情報、および速度情報を測定することができる。

　なお、実施形態の水位検出装置１に採用可能な到来方向推定アルゴリズムは、デジタルビームフォーミング法だけに限定されない。最尤推定法、Caponの最小分散法、またはMUSIC（Multiple　Signal　Classification）法が到来方向推定アルゴリズムとして採用可能である。最尤推定法、Caponの最小分散法、およびMUSIC法のいずれが採用された場合においても、回路２０は、全受信アンテナ素子RxまたはMIMO制御下においては全仮想アンテナ素子について取得された反射波のデジタル信号に対する信号処理によって、細かな角度ステップで複数位置の角度情報、距離情報、および速度情報を測定することができる。なお、Caponの最小分散法またはMUSIC法が採用された場合、デジタルビームフォーミング法が採用された場合に比べて高い角度分解能を得ることができる。

　図２に説明を戻す。
　回路２０は、送受信回路２１と、オシレータ（OSC）２２と、プロセッサ２３と、RAM（Random　Access　Memory）２４と、出力装置２５と、を備える。

　オシレータ２２は、送受信回路２１において基準クロック信号として使用されるクロック信号を発振する。オシレータの種類は特定の種類に限定されない。一例では、オシレータとして水晶発振回路が採用され得る。

　送受信回路２１は、アンテナ群１０が備える複数の送信アンテナ素子Txを用いてレーダ波を送信したり、ターゲットから戻ってくる反射波を複数の受信アンテナ素子Rxを用いて受信したりする制御を実行する。

　送受信回路２１は、掃引回路３０と、周波数逓倍器３１と、それぞれは異なる送信アンテナ素子Txに対応する３つのプリアンプPAと、それぞれは異なる送信アンテナ素子Txに対応する３つの移相器P/Sと、それぞれは異なる受信アンテナ素子Rxに対応する４つのローノイズアンプLNAと、それぞれは異なる受信アンテナ素子Rxに対応する４つのミキサMXと、それぞれは異なる受信アンテナ素子Rxに対応する４つのバンドパスフィルタBPFと、それぞれは異なる受信アンテナ素子Rxに対応する４つのアナログデジタルコンバータADCと、データインタフェース３２と、制御回路３３と、を備える。

　掃引回路３０は、基準クロック信号に基づいてチャープ信号を生成する。周波数逓倍器３１は、掃引回路３０によって生成されたチャープ信号の周波数を逓倍し、周波数が逓倍されたチャープ信号を出力する。周波数逓倍器３１の出力信号は、各送信アンテナ素子Txに、１つのプリアンプPAおよび１つの移相器P/Sを経由して供給される。これによって、各送信アンテナ素子Txは、プリアンプPAによって振幅が増幅され、移相器P/Sによって位相がシフトされたチャープ信号を、レーダ波として送信する。プリアンプPAによる振幅の増幅率および移相器P/Sによる位相のシフト量は可変である。

　各受信アンテナ素子Rxは、受信した反射波を電気信号として出力する。各受信アンテナ素子Rxの出力信号は、１つのローノイズアンプLNAを介して１つのミキサMXに入力される。各ミキサMXは、ローノイズアンプLNAを介して入力された受信アンテナ素子Rxの出力信号と、周波数逓倍器３１の出力信号とを混合することによって、ビート信号を生成する。ここでは一例として、各ミキサMXは、ビート信号をI（In-phase）信号とQ（Quadrature-phase）信号との対として出力する。なお、I信号とQ信号との対は、所定の演算によって振幅および位相に変換される。つまり、I信号とQ信号との対は、振幅および位相の情報と見なすこともできる。

　各ミキサMXから出力されたI信号とQ信号との対は、１つのバンドパスフィルタBPFによって不要な周波数帯の情報が除去され、その後、アナログデジタルコンバータADCによってデジタル信号に変換される。データインタフェース３２は、各アナログデジタルコンバータADCの出力信号（つまりI信号とQ信号）を、各受信アンテナ素子Rxが受信した信号として、プロセッサ２３に送信する。

　なお、データインタフェース３２とプロセッサ２３の間の通信路が準拠するインタフェース規格は、特定の規格に限定されない。図２に示される例によれば、データインタフェース３２とプロセッサ２３の間の通信路は、MIPI　CSI-2（MIPI　Camera　Serial　Interface　2）と称されるインタフェース規格に準拠する。

　制御回路３３は、プロセッサ２３との間で通信を行い、プロセッサ２３からの指示に基づいて送受信回路２１の動作を制御する。制御回路３３は、例えば、送受信回路２１が備える各構成要素の動作タイミングを制御したり、各プリアンプPAによる振幅の増幅率を調整したり、各移相器P/Sによる位相のシフト量を調整したりすることができる。

　なお、制御回路３３とプロセッサ２３の間の通信路が準拠するインタフェース規格は、特定の規格に限定されない。図２に示される例によれば、制御回路３３とプロセッサ２３の間の通信路は、SPI（Serial　Peripheral　Interface）に準拠する。

　プロセッサ２３は、例えばDSP（Digital　Signal　Processor）などのマイクロコンピュータユニットである。プロセッサ２３は、CPU（Central　Processing　Unit）であってもよい。プロセッサ２３は、FPGA（Field-Programmable　Gate　Array）またはASIC（Application　Specific　Integrated　Circuit）によって構成されてもよい。

　プロセッサ２３は、不揮発性メモリ４０を備える。当該不揮発性メモリ４０にはコンピュータプログラムである制御プログラム４１が予め格納されている。プロセッサ２３は、当該不揮発性メモリ４０内の制御プログラム４１を実行する。なお、不揮発性メモリ４０は、プロセッサ２３の外部に配置されていてもよい。また、不揮発性メモリ４０の種類は、特定の種類に限定されない。

　プロセッサ２３は、制御プログラム４１に基づき、水位検出装置１全体を統括的に制御する。プロセッサ２３は、水位検出装置１の制御の一環として、プロセッサ２３は、制御回路３３を介して３つのプリアンプPAおよび３つの移相器P/Sを制御する。

　例えば、MIMO制御を実現するためのレーダ波の送信方式として時分割方式が採用される場合、プロセッサ２３は、３つのプリアンプPAの増幅率を個別にかつ順次、調整することによって、３つの送信アンテナ素子Txによるレーダ波の送信タイミングを時分割方式で切り替える。例えば、１つの送信アンテナ素子Txに対応するプリアンプPAの増幅率を非ゼロの所定値とし、他の全ての送信アンテナ素子Txに対応する全てのプリアンプPAの増幅率をゼロとすることによって、３つの送信アンテナ素子Txのうちの１つの送信アンテナ素子Txのみからレーダ波が送信される。プロセッサ２３は、３つのプリアンプPAのうちの増幅率が非ゼロとされるプリアンプPAを時分割方式で切り替えることによって、３つの送信アンテナ素子Txによるレーダ波の送信タイミングを時分割方式で切り替えることができる。

　プロセッサ２３は、３つの送信アンテナ素子Txからレーダ波が同時に送信されたと見なして角度情報、距離情報、および速度情報の取得を行う。より具体的には、プロセッサ２３は、時分割方式で切り替えられた送信タイミング毎に送受信回路２１から受信した受信アンテナ素子Rx毎の信号（つまりI信号およびQ信号）を例えばRAM２４などに保存する。そして、３つの送信アンテナ素子Txの送信タイミングが一巡すると、送信アンテナ素子Txと受信アンテナ素子Rxとの全ての組み合わせについての信号、即ち１２個の仮想アンテナ素子の分の信号、が揃う。プロセッサ２３は、１２個の仮想アンテナ素子の分の信号が揃った場合、当該１２個の仮想アンテナ素子の分の信号を用いて種々の演算を実行する。

　例えば、プロセッサ２３は、仮想アンテナ素子毎に信号に対するFFT（Fast　Fourier　Transform）を実行することによって、仮想アンテナ素子毎に所定の周波数区間毎の振幅または強度を取得する。このFFTの結果においては、各周波数区間は、仮想アンテナ素子からターゲットまでの距離に対応する。よって、このFFTによって得られる所定の周波数区間毎の振幅は、距離ビンとも称される。また、この距離ビンを取得するためのFFTは、距離FFT（Range　FFT）とも称される。なお、距離FFTは、周波数解析の一例である。

　プロセッサ２３は、仮想アンテナ素子毎の信号に距離FFTが実行した後に、さらにFFTを実行することによって、仮想アンテナ素子毎に所定の周波数区間毎の振幅または強度を取得する。このFFTの結果においては、各周波数区間は、ターゲットの速度に対応する。よって、このFFTによって得られる所定の周波数区間毎の振幅は、速度ビンとも称される。また、この速度ビンを取得するためのRRTは、ドップラーFFTとも称される。

　そして、プロセッサ２３は、各距離ビンおよび各速度ビンに対し、デジタルビームフォーミング演算を実行する。デジタルビームフォーミング演算では、プロセッサ２３は、仮想アンテナ素子毎にデジタル信号に位相差を与えることによって複数のビームを形成する。そして、プロセッサ２３は、全仮想アンテナ素子で構成された振幅がピークを形成するビームの向きを、反射波の到来方向として特定する。

　なお、実施形態では、ドップラーFFTの実行はオプショナルである。プロセッサ２３は、ドップラーFFTを実行せず、各距離ビンに対してデジタルビームフォーミング演算を実行してもよい。そのような場合、プロセッサ２３は、速度情報の取得を行わない。

　図１に示された設置環境において、観測領域２００に対して複数のビームが形成された場合、ビームの方向には必ず水面などレーダ波を反射するものが存在する。よって、プロセッサ２３は、各距離ビンおよび各速度ビンに対してデジタルビームフォーミング演算を行うことによって、観測領域２００内のビームが向いた全ての位置の距離情報および速度情報を取得することができる。そして、プロセッサ２３は、観測領域２００内のビームが向いた位置の方向を、当該位置の角度情報とする。つまり、プロセッサ２３は、観測領域２００内の複数の位置のそれぞれについて角度情報、距離情報、および速度情報を取得することができる。

　そして、プロセッサ２３は、観測領域２００内の複数の位置のそれぞれについて取得された角度情報、距離情報、および速度情報のうちの角度情報と距離情報との対に基づき、観測領域２００内の複数の位置のそれぞれの高さを計算する。

　図６は、実施形態にかかるプロセッサ２３が角度情報と距離情報との対から高さを計算する処理の一例を説明するための模式的な図である。アンテナ群１０から送信されたレーダ波が或る反射位置５００で反射して、反射位置５００からの反射波がアンテナ群１０に入射して、反射位置５００の角度情報および距離情報が取得されたケースを考える。ここで、a_mountは、鉛直方向に対してd0の向きが成す角度である。a_targetは、反射位置５００の角度情報、即ちd0の向きを基準とした反射位置５００の角度である。r_targetは、反射位置５００の距離情報である。ここでは説明を簡単にするために、アンテナ群１０から鉛直方向の下方に向かうベクトルと、アンテナ群１０からd0の向きに向かうベクトルと、アンテナ群１０から反射位置５００に向かうベクトルとは、同一平面上にあることとする。また、ここでは、反射位置の高さは水位の定義に従った数値情報で表されることとする。

　d0の向き、角度情報a_target、および距離情報r_targetの間の幾何学的関係から、反射位置５００とアンテナ群１０との間の距離情報r_targetの鉛直成分r_{target_v}は、下記の式（１）によって表現される。

　水面１００が河川の水面である場合、水位は、水位標の零点高を基準とした水面の高さとして定義される。水位標の零点高からアンテナ群１０までの鉛直方向の距離r_{mount_vv}は、校正などの処理によって予め取得されて、水位検出装置１内の所定の記憶装置（例えば不揮発性メモリ４０）に格納されている。距離r_{mount_v}が既知であるため、反射位置５００の高さh_targetは、下記の式（２）によって表現される。

　プロセッサ２３は、式（２）に基づいてh_targetを計算し、得られたh_targetを反射位置５００の高さとして記憶する。

　なお、アンテナ群１０から鉛直方向の下方に向かうベクトルと、アンテナ群１０からd0の向きに向かうベクトルと、アンテナ群１０から反射位置５００に向かうベクトルと、が同一平面上にない場合、プロセッサ２３は、幾何学的関係に基づき、鉛直方向に対してアンテナ群１０から反射位置５００に向かうベクトルが成す角度を取得する。そして、プロセッサ２３は、式（２）において、取得された角度をa_mount＋a_targetの替わりに用いることによって、反射位置５００の高さh_targetを取得する。

　なお、上記された例では、反射位置の高さは水位の定義に従った数値情報として表されることとされた。鉛直方向における位置を表す限り、反射位置の高さを表す数値情報は上記された例に限定されない。

　図２に説明を戻す。
　プロセッサ２３は、観測領域２００内の複数の位置のそれぞれから得られた距離情報と角度情報との対に基づき、複数の位置のそれぞれの高さを計算する。これによって、プロセッサ２３は、高さの群を取得する。高さの群は、観測領域２００内の高さの分布である。プロセッサ２３は、高さの群に基づき、水位を計算する。水位の計算方法は、特定の方法に限定されない。

　例えば、プロセッサ２３は、高さの群の平均値を水位としてもよい。前述されたように、水面は、風または水の流れなどに起因して時間的または空間的に揺らぎ得る。観測領域２００内の複数の反射位置から得られた高さを平均することによって、時間的または空間的な水面の揺らぎの影響を抑制した値を水位として得ることができる。

　なお、プロセッサ２３は、高さの群の平均をとる前に、高さの群から異常値を除去してもよい。例えば観測領域２００内に、漂流物、岩石、または露出した陸地などの、水面から飛び出た物体（異物と表記する）が存在する場合、異物が存在する位置からは水面よりも高い高さが得られる。よって、プロセッサ２３は、高さの群のうち顕著に高い値を除去し、残った高さの平均をとってもよい。

　または、プロセッサ２３は、高さの出現頻度を表すヒストグラムを生成し、最も出現頻度が高い値を水位として取得してもよい。これによって、時間的または空間的な水面の揺らぎの影響を抑制した値を水位として得ることができる。

　RAM２４は、プロセッサ２３がキャッシュ、バッファ、またはワーキングエリアとして使用するメモリである。

　出力装置２５は、水位検出装置１の外部に情報を出力する装置である。出力装置２５は、LCD（Liquid　Crystal　Display）などの表示装置、スピーカなどの音声出力装置、無線または有線で外部機器に情報を出力する通信インタフェース、または所定の記憶装置に情報を出力するメモリインタフェースなどである。プロセッサ２３は、例えば、水位の検出値を出力装置２５によって出力する。

　図７は、実施形態にかかる水位検出装置１の動作の一例を説明するためのフローチャートである。本図に示される一連の動作は、所定の制御サイクルで繰り返し実行される。つまり、本図に示される一連の動作は、１回の制御サイクルで実行される。

　まず、プロセッサ２３は、送受信回路２１を制御して送受信処理を実行する（Ｓ１０１）。送受信処理では、送受信回路２１は、プロセッサ２３の制御下で、３つの送信アンテナ素子Txによるレーダ波の送信と、４つの受信アンテナ素子Rxによる反射波の受信と、を実行する。送受信回路２１は、３つの送信アンテナ素子Txによるレーダ波の送信を時分割方式で実行する。プロセッサ２３は、４つの受信アンテナ素子Rxのそれぞれの信号を送受信回路２１から受信すると、受信されたそれぞれの信号を時分割で分離することで、４つの受信アンテナ素子Rxのそれぞれの信号から送信アンテナ素子Tx毎のレーダ波を分離する。これによって、プロセッサ２３は、仮想アンテナ素子毎の信号を取得する。

　プロセッサ２３は、取得した仮想アンテナ素子毎の信号に対し、距離FFTおよびドップラーFFTを実行することによって、複数の距離ビンおよび複数の速度ビンを仮想アンテナ素子毎に取得する（Ｓ１０２）。

　続いて、プロセッサ２３は、各距離ビンおよび各速度ビンに対し、デジタルビームフォーミング演算を実行する（Ｓ１０３）。これによって、プロセッサ２３は、観測領域２００内の複数の位置のそれぞれについて角度情報、距離情報、および速度情報を取得する。

　続いて、プロセッサ２３は、観測領域２００内の複数の位置のそれぞれについて取得された角度情報、距離情報、および速度情報のうちの角度情報と距離情報との対に基づき、観測領域２００内の複数の位置のそれぞれについてレーダ波を反射した位置の高さを計算する（Ｓ１０４）。これによって、プロセッサ２３は、高さの群を取得する。

　続いて、プロセッサ２３は、高さの群に基づき、水位を計算する（Ｓ１０５）。そして、プロセッサ２３は、水位の計算値を、水位の検出値として出力装置２５を介して出力する（Ｓ１０６）。そして、１回の制御サイクルで実行される動作が終了する。

　水位検出装置１は、Ｓ１０１からＳ１０６までの処理を繰り返し実行する。これによって、水位検出装置１は、リアルタイムの水位の検出値を時間的に連続的に出力することが可能である。

　なお、水位検出装置１は、Ｓ１０１からＳ１０６までの処理を間欠的に実行してもよい。または、水位検出装置１は、例えば外部から水位の計測の指示が入力されるなど、所定の条件が満たされた場合に、Ｓ１０１からＳ１０６までの処理を実行してもよい。

　以上の説明においては、プロセッサ２３は、３つの送信アンテナ素子Txによるレーダ波の送信タイミングを時分割方式で切り替えることによって、各送信アンテナ素子Txからのレーダ波が互いに干渉しないようにした。各送信アンテナ素子Txからのレーダ波が互いに干渉しないようにするための方式は時分割方式に限定されない。プロセッサ２３は、周波数分割方式または符号変調方式によって、各送信アンテナ素子Txからのレーダ波が互いに干渉しないようにしてもよい。時分割方式では、複数の送信アンテナ素子Txは、それぞれ異なるタイミングでレーダ波を送信し、プロセッサ２３は、各受信アンテナ素子Rxによって受信された信号を時分割で分割することで、各受信アンテナ素子Rxによって受信された信号を送信元の送信アンテナ素子Tx毎に分離した。周波数分割方式または符号変調方式が採用される場合、複数の送信アンテナ素子Txは、レーダ波を同時に送信することができる。プロセッサ２３は、各受信アンテナ素子Rxによって受信された信号を、周波数分割方式および符号変調方式のうちの送信時の方式に対応した方式で、各受信アンテナ素子Rxによって受信された信号を送信元の送信アンテナ素子Tx毎に分離する。

　また、以上の説明においては、プロセッサ２３は、MIMO制御を実行した。プロセッサ２３は、必ずしもMIMO制御を実行しなくてもよい。MIMO制御が実行されない場合、水位検出装置１が備える送信アンテナ素子Txの数を１つとすることができる。プロセッサ２３は、１つの送信アンテナ素子Txからレーダ波を送信し、複数の受信アンテナ素子Rxが受信した反射波の信号に基づき、距離FFTおよびRange　FFTとデジタルビームフォーミング演算と、を実行する。なお、プロセッサ２３は、デジタルビームフォーミング演算においては、複数の受信アンテナ素子Rxの配列方向に複数のビームを形成する。このため、２方向に複数の受信アンテナ素子Rxが配列することで、面の測定が可能となる。なお、MIMO制御が行われない場合であってもRange　FFTの実行はオプショナルである。

　以上述べたように、実施形態によれば、水位検出装置１は、１以上の送信アンテナ素子Txと、複数の受信アンテナ素子Rxと、回路２０と、を備える。１以上の送信アンテナ素子Txのそれぞれは、水面を含む観測領域２００にレーダ波を送信する。複数の受信アンテナ素子Rxは、レーダ波の反射波を受信する。回路２０は、複数の受信アンテナ素子Rxのそれぞれで受信した反射波の信号に対して周波数解析である距離FFTおよび到来方向推定法を用いた演算を行うことによって観測領域２００内の複数の位置のそれぞれについて角度情報と距離情報との対を取得する。そして、回路２０は、対に基づいて複数の位置のそれぞれの高さを計算し、複数の位置の高さに基づいて水位を計算する。

　水位検出装置１は、上記のように構成されたことで、レーダ波の送信方向を変えることなく観測領域２００内の複数の位置の高さを取得することができる。また、水位検出装置１は、時分割方式によってMIMO制御を実現する場合は送信アンテナ素子Txの数と同数の回数、周波数分割方式または符号変調方式によってMIMO制御を実現する場合およびMIMO制御を実行しない場合は１回、という少ない回数のレーダ波の送信によって、観測領域２００内の複数の位置の高さを取得することができる。従って、特許文献１に開示された技術に比して、高速にかつ少ない電力で水位を検出することが可能である。また、特許文献１に開示された技術が採用された場合に比べ、シンプルな構成で水位を検出することが可能である。

　また、実施形態によれば、回路２０は、デジタルビームフォーミングを用いた演算を実行する。

　よって、複数の位置のそれぞれの角度情報を得ることが可能である。

　また、実施形態によれば、回路２０は、観測領域２００内の複数の位置のそれぞれについて速度情報を取得する。

　また、実施形態によれば、水位検出装置１は、MIMO制御を実行することができる。即ち、水位検出装置１は、複数の送信アンテナ素子Txを備え、複数の送信アンテナ素子Txのそれぞれは、互いに干渉しないレーダ波を送信する。回路２０は、複数の受信アンテナ素子Rxのそれぞれで受信した反射波の信号を、複数の送信アンテナ素子Txのそれぞれから送信されたレーダ波毎に分離して取得する。

　水位検出装置１は、上記のように構成されたことで、受信アンテナ素子Rxを増やした場合と等価な処理を行い、これによって水位の検出精度を向上させることが可能である。

　また、前述されたように、水位検出装置１は、超広帯域のレーダ波を使用してもよい。

　上記の構成により、距離分解能が向上する。

　また、実施形態によれば、レーダ波は、ミリ波帯から選択された周波数の電波である。

　上記の構成により、距離分解能が向上する。

　なお、水位検出装置１は、アンテナ群１０の方向d0を変更する雲台などの方向可変部を備え、回路２０は、方向可変部によってアンテナ群１０の方向d0を適宜切り替えるように構成されてもよい。方向d0を切り替える毎に異なる領域を観測領域２００として設定することが可能であるので、アンテナ群１０の方向d0を切り替えることで、より広範囲の河川を観測することができる。

　また、水位検出装置１は、方向d0がそれぞれ異なる複数のアンテナ群１０を備え、回路２０は、アンテナ群１０毎にデジタルビームフォーミング演算を実行できるように構成されてもよい。これによって、より広範囲の河川を短時間に精度よく観測することができる。

　図７に例示される一連の動作を制御するためのコンピュータプログラムである制御プログラム４１は、不揮発性メモリ４０に予め格納されて提供され得る。制御プログラム４１は、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでCD（Compact　Disc）-ROM（Read　Only　Memory）、フレキシブルディスク（FD：Flexible　Disc）、CD-R（Recordable）、DVD（Digital　Versatile　Disk）、USB（Universal　Serial　Bus）メモリ、SD（Secure　Digital）カードなどのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。

　さらに、制御プログラム４１を、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、制御プログラム４１を、インターネットなどのネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。

　また、実施形態では、プロセッサ２３が制御プログラム４１を実行することによって、図７に例示された一連の動作を制御する、として説明した。プロセッサ２３が実現するとして説明された機能の一部または全部は、論理回路によって実現されてもよい。プロセッサ２３が実現するとして説明された機能のうちの一部または全部は、FPGAまたはASICなどによって実現されてもよい。

　また、回路２０は、１つの集積回路によって構成されてもよいし、２以上の集積回路によって構成されてもよい。例えば、送受信回路２１およびプロセッサ２３は、それぞれ個別の集積回路によって構成され得る。

　本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

　１　水位検出装置、２　橋桁、３　橋脚、４　堤防、１０　アンテナ群、２０　回路、２１　送受信回路、２２　オシレータ、２３　プロセッサ、２４　RAM、２５　出力装置、３０　掃引回路、３１　周波数逓倍器、３２　データインタフェース、３３　制御回路、４０　不揮発性メモリ、４１　制御プログラム、１００　水面、２００　観測領域、３００　グループ、４００　領域、５００　反射位置。

Claims

　それぞれは水面の領域にレーダ波を送信する１以上の送信アンテナ素子と、
　前記レーダ波の反射波を受信する複数の受信アンテナ素子と、
　前記複数の受信アンテナ素子のそれぞれで受信した前記反射波の信号に対して周波数解析および到来方向推定法を用いた演算を行うことによって前記領域内の複数の位置のそれぞれについて角度情報と距離情報との対を取得し、前記対に基づいて前記複数の位置のそれぞれの高さを計算し、前記複数の位置の前記高さに基づいて水位を計算する、回路と、
　を備える水位検出装置。
　前記到来方向推定法は、デジタルビームフォーミング法である、
　請求項１に記載の水位検出装置。
　前記回路は、前記領域内の複数の位置のそれぞれについて速度情報をさらに取得する、
　請求項１または請求項２に記載の水位検出装置。
　前記１以上の送信アンテナ素子は、互いに干渉しないレーダ波を送信する複数の送信アンテナ素子であって、
　前記回路は、前記複数の受信アンテナ素子のそれぞれで受信した前記反射波の信号を、前記複数の送信アンテナ素子のそれぞれから送信されたレーダ波毎に取得する、
　請求項１または請求項２に記載の水位検出装置。
　前記レーダ波は、超広帯域の信号である、
　請求項１または請求項２に記載の水位検出装置。
　前記レーダ波は、ミリ波帯から選択された周波数の電波である、
　請求項１または請求項２に記載の水位検出装置。