JP6830300B2 - Sensor information acquisition device, sensor information generation device and sensor information generation / acquisition system - Google Patents
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Description
本開示は、センサ情報を生成するセンサ情報生成装置と、センサ情報を取得するセンサ情報取得装置と、を備えるセンサ情報生成・取得システムに関する。 The present disclosure relates to a sensor information generation / acquisition system including a sensor information generation device for generating sensor information and a sensor information acquisition device for acquiring sensor information.
センサ情報を生成するセンサ情報生成装置と、センサ情報を取得するセンサ情報取得装置と、を備えるセンサ情報生成・取得システムに関して、特許文献1等の先行技術文献が存在しており、特許文献1の内容及び課題について説明する。
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送受信装置は、センサ情報を取得するセンサ情報取得装置に対応し、アンテナを介して質問波を無線応答装置へ送信する。無線応答装置は、センサ情報を生成するセンサ情報生成装置に対応し、アンテナを介して質問波を送受信装置から受信する。 The transmitter / receiver corresponds to a sensor information acquisition device that acquires sensor information, and transmits a question wave to the wireless response device via an antenna. The wireless response device corresponds to a sensor information generator that generates sensor information, and receives a question wave from the transmission / reception device via an antenna.
無線応答装置は、インピーダンス変換部及びSAW(Surface Acoustic Wave)−IDタグを備える。インピーダンス変換部は、アンテナとSAW−IDタグとの間に備えられ、外部からの刺激に応じてインピーダンスを変化させる。 The radio response device includes an impedance converter and a SAW (Surface Acoustic Wave) -ID tag. The impedance conversion unit is provided between the antenna and the SAW-ID tag, and changes the impedance in response to an external stimulus.
外部からの刺激がないときには、インピーダンス変換部は、アンテナとSAW−IDタグとの間でインピーダンスを整合させないため、SAW−IDタグは、質問波を入力されず、応答波を生成できず、無線応答装置は、アンテナを介して応答波を送受信装置へ送信できない。外部からの刺激があるときには、インピーダンス変換部は、アンテナとSAW−IDタグとの間でインピーダンスを整合させるため、SAW−IDタグは、質問波を入力され、応答波を生成でき、無線応答装置は、アンテナを介して応答波を送受信装置へ送信できる。送受信装置は、応答波の有無に基づいて、外部からの刺激の有無を判定する。 When there is no external stimulus, the impedance converter does not match the impedance between the antenna and the SAW-ID tag, so the SAW-ID tag does not input a question wave, cannot generate a response wave, and is wireless. The responder cannot transmit the response wave to the transmitter / receiver via the antenna. When there is an external stimulus, the impedance converter matches the impedance between the antenna and the SAW-ID tag, so the SAW-ID tag can input a question wave and generate a response wave, and is a wireless response device. Can transmit the response wave to the transmitter / receiver via the antenna. The transmitter / receiver determines the presence / absence of an external stimulus based on the presence / absence of a response wave.
特許文献1に記載されていないが、送受信装置は、質問波と応答波との間の時間領域での相互相関を算出してもよい。すると、送受信装置は、時間領域での相互相関のピーク時間に基づいて、ピーク時間に等しいSAW遅延時間を有する無線応答装置を識別することができる。そして、送受信装置は、時間領域での相互相関のピーク時間での振幅に基づいて、無線応答装置における外部からの刺激の有無を判定することができる。
Although not described in
しかし、実際には、送受信アンテナ間で、質問波が回り込む。ここで、回り込み波は、短距離の空間伝搬による減衰を受けるのみであるため、電力レベルが高い。一方で、応答波は、長距離の空間伝搬及びSAW伝搬による減衰を受けるため、電力レベルが低い。なお、応答波について、長距離の空間伝搬の時間は、SAW伝搬の時間よりはるかに短い。 However, in reality, the question wave wraps around between the transmitting and receiving antennas. Here, the wraparound wave has a high power level because it is only attenuated by short-distance spatial propagation. On the other hand, the response wave has a low power level because it is attenuated by long-distance spatial propagation and SAW propagation. For the response wave, the long-distance spatial propagation time is much shorter than the SAW propagation time.
すると、送受信装置は、質問波と受信波(応答波及び回り込み波を含む。)との間の時間領域での相互相関を算出することになる。よって、送受信装置は、時間領域での相互相関のピーク時間が、ピーク時間に等しいSAW遅延時間を有する無線応答装置によるものであるのか、質問波の送受信アンテナ間での回り込みによるものであるのか、識別することができない。そして、送受信装置は、時間領域での相互相関のピーク時間での振幅が、無線応答装置における外部からの刺激の有無によるものであるのか、質問波の送受信アンテナ間での回り込みによるものであるのか、識別することができない。 The transmitter / receiver then calculates the cross-correlation between the interrogation wave and the received wave (including the response wave and the wraparound wave) in the time domain. Therefore, in the transmitter / receiver, is the peak time of the cross-correlation in the time domain due to the radio response device having the SAW delay time equal to the peak time, or is it due to the wraparound between the transmit / receive antennas of the interrogation wave? Cannot be identified. Then, in the transmitter / receiver, is the amplitude at the peak time of the cross-correlation in the time domain due to the presence or absence of an external stimulus in the radio response device, or is it due to the wraparound between the transmit / receive antennas of the question wave? , Cannot be identified.
そこで、前記課題を解決するために、本開示は、センサ情報取得装置において、質問波の送受信アンテナ間での回り込みがあるとしても、センサ情報生成装置から受信した応答波からセンサ情報生成装置が生成したセンサ情報を高精度で抽出することを目的とする。 Therefore, in order to solve the above-mentioned problems, in the present disclosure, even if there is wraparound between the transmission / reception antennas of the question wave in the sensor information acquisition device, the sensor information generation device is generated from the response wave received from the sensor information generation device. The purpose is to extract the sensor information with high accuracy.
上記目的を達成するために、レーダシステムで用いられるFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)方式を、センサ情報生成・取得システムで用いることとした。FMCW方式を用いるにあたり、信号長Tを長くすることで、及び/又は、帯域制限範囲内で信号帯域幅ΔFを広くすることで、パルス圧縮比TΔFを上げて、ノイズ耐性を高めることができる。帯域制限をさらに施すことにより、電力レベルを抑え過ぎなくても、無線チャネルマスク規格を満たすことができる。 In order to achieve the above object, it was decided to use the FMCW (Frequency Modified Continuous Wave) method used in the radar system in the sensor information generation / acquisition system. In using the FMCW method, the pulse compression ratio TΔF can be increased and the noise immunity can be improved by increasing the signal length T and / or increasing the signal bandwidth ΔF within the band limitation range. By further limiting the bandwidth, the radio channel mask standard can be satisfied without suppressing the power level too much.
ここで、FMCW質問波のスペクトルは、信号帯域幅において、ほぼ平坦であるといえる。よって、FMCW質問波の自己相関は、信号帯域幅の逆数の自然数倍の時間において、0になるはずである。そして、FMCW質問波とFMCW回り込み波との間の相互相関は、信号帯域幅の逆数の自然数倍の時間において、0になるはずである。なぜならば、FMCW回り込み波の空間伝搬時間は、FMCW応答波の空間伝搬時間+意図的に施された遅延時間(例えば、SAW遅延時間)と比べて、ほぼ0であるといえるからである。 Here, it can be said that the spectrum of the FMCW interrogation wave is almost flat in the signal bandwidth. Therefore, the autocorrelation of the FMCW interrogation wave should be zero in a time that is a natural number multiple of the reciprocal of the signal bandwidth. Then, the cross-correlation between the FMCW interrogation wave and the FMCW wraparound wave should be 0 at a time that is a natural number multiple of the reciprocal of the signal bandwidth. This is because it can be said that the spatial propagation time of the FMCW wraparound wave is almost 0 as compared with the spatial propagation time of the FMCW response wave + the intentionally applied delay time (for example, SAW delay time).
そこで、センサ情報生成装置が施す遅延の時間を、信号帯域幅の逆数の自然数倍の時間に等しくする。すると、FMCW質問波とFMCW受信波(FMCW応答波及びFMCW回り込み波を含む。)との間の相互相関は、センサ情報生成装置が施す遅延の時間において、FMCW回り込み波からの寄与に影響されず、FMCW応答波からの寄与のみに影響されるはずである。よって、センサ情報取得装置において、FMCW質問波の送受信アンテナ間での回り込みがあるとしても、センサ情報生成装置から受信したFMCW応答波から、センサ情報生成装置が生成したセンサ情報を高精度で抽出することができるはずである。 Therefore, the delay time applied by the sensor information generator is made equal to the natural number multiple of the reciprocal of the signal bandwidth. Then, the intercorrelation between the FMCW interrogation wave and the FMCW received wave (including the FMCW response wave and the FMCW wraparound wave) is not affected by the contribution from the FMCW wraparound wave in the delay time provided by the sensor information generator. , Should be affected only by the contribution from the FMCW response wave. Therefore, even if the sensor information acquisition device wraps around between the transmitting and receiving antennas of the FMCW question wave, the sensor information generated by the sensor information generating device is extracted with high accuracy from the FMCW response wave received from the sensor information generating device. You should be able to.
しかし、実際には、FMCW質問波のスペクトルは、信号帯域中心周辺においては、平坦なレベルを維持しているが、信号帯域端においては、平坦なレベルから減衰していることがある。すると、FMCW質問波の自己相関は、全信号帯域幅の逆数の自然数倍の時間において、0にならない。そして、FMCW質問波とFMCW回り込み波との間の相互相関は、全信号帯域幅の逆数の自然数倍の時間において、0にならない。 However, in reality, the spectrum of the FMCW interrogation wave maintains a flat level around the center of the signal band, but may be attenuated from the flat level at the edge of the signal band. Then, the autocorrelation of the FMCW interrogation wave does not become 0 at a time that is a natural number multiple of the reciprocal of the total signal bandwidth. Then, the cross-correlation between the FMCW interrogation wave and the FMCW wraparound wave does not become 0 at a time of a natural number multiple of the reciprocal of the total signal bandwidth.
よって、センサ情報生成装置が施す遅延の時間を、全信号帯域幅の逆数の自然数倍の時間に等しくしても、上述の効果を奏することができない。つまり、FMCW質問波とFMCW受信波(FMCW応答波及びFMCW回り込み波を含む。)との間の相互相関は、センサ情報生成装置が施す遅延の時間において、FMCW回り込み波からの寄与にも影響される。そして、センサ情報取得装置において、FMCW質問波の送受信アンテナ間での回り込みがあるときには、センサ情報生成装置から受信したFMCW応答波から、センサ情報生成装置が生成したセンサ情報を高精度で抽出することができない。 Therefore, even if the delay time applied by the sensor information generator is equal to the time that is a natural number multiple of the reciprocal of the total signal bandwidth, the above effect cannot be achieved. That is, the intercorrelation between the FMCW interrogation wave and the FMCW received wave (including the FMCW response wave and the FMCW wraparound wave) is also affected by the contribution from the FMCW wraparound wave in the delay time provided by the sensor information generator. To. Then, in the sensor information acquisition device, when there is a wraparound between the transmission / reception antennas of the FMCW question wave, the sensor information generated by the sensor information generator is extracted with high accuracy from the FMCW response wave received from the sensor information generator. I can't.
そこで、本開示は、FMCW質問波のスペクトルのうち、平坦なレベルを維持している信号帯域中心周辺のスペクトルのみを切り出して、時間領域での相関関数を算出することとした。すると、FMCW質問波の自己相関は、平坦な帯域幅の逆数の自然数倍の時間において、0になる。そして、FMCW質問波とFMCW回り込み波との間の相互相関は、平坦な帯域幅の逆数の自然数倍の時間において、0になる。 Therefore, in the present disclosure, it is decided to cut out only the spectrum around the center of the signal band that maintains a flat level from the spectrum of the FMCW interrogation wave, and calculate the correlation function in the time domain. Then, the autocorrelation of the FMCW interrogation wave becomes 0 at a time that is a natural number multiple of the reciprocal of the flat bandwidth. Then, the cross-correlation between the FMCW interrogation wave and the FMCW wraparound wave becomes 0 at a time that is a natural number multiple of the reciprocal of the flat bandwidth.
よって、センサ情報生成装置が施す遅延の時間を、平坦な帯域幅の逆数の自然数倍の時間に等しくすれば、上述の効果を奏することができる。つまり、FMCW質問波とFMCW受信波(FMCW応答波及びFMCW回り込み波を含む。)との間の相互相関は、センサ情報生成装置が施す遅延の時間において、FMCW回り込み波からの寄与には影響されない。そして、センサ情報取得装置において、FMCW質問波の送受信アンテナ間での回り込みがあるとしても、センサ情報生成装置から受信したFMCW応答波から、センサ情報生成装置が生成したセンサ情報を高精度で抽出することができる。 Therefore, if the delay time applied by the sensor information generator is equal to the natural number multiple of the reciprocal of the flat bandwidth, the above-mentioned effect can be obtained. That is, the intercorrelation between the FMCW interrogation wave and the FMCW received wave (including the FMCW response wave and the FMCW wraparound wave) is not affected by the contribution from the FMCW wraparound wave in the delay time provided by the sensor information generator. .. Then, even if the sensor information acquisition device wraps around between the transmitting and receiving antennas of the FMCW question wave, the sensor information generated by the sensor information generating device is extracted with high accuracy from the FMCW response wave received from the sensor information generating device. be able to.
なお、平坦な帯域幅は、全信号帯域幅より狭い。よって、センサ情報生成装置が施す遅延の時間の分解能は、本開示では見かけ上悪化しているように思われる。しかし、FMCW回り込み波からの寄与の影響は、本開示ではほぼ見られない。よって、センサ情報生成装置が施す遅延の時間の分解能は、本開示では実質的に向上することができる。 Note that the flat bandwidth is narrower than the total signal bandwidth. Therefore, the resolution of the delay time applied by the sensor information generator seems to be apparently deteriorated in the present disclosure. However, the effect of contributions from FMCW wraparound waves is largely non-existent in this disclosure. Therefore, the resolution of the delay time applied by the sensor information generator can be substantially improved in the present disclosure.
具体的には、本開示は、センサ情報をセンサ情報生成装置から取得するセンサ情報取得装置であって、帯域制限されたFMCW質問波を、前記センサ情報生成装置に送信する質問波送信部と、前記センサ情報による変調と、前記FMCW質問波のスペクトルが帯域中心周辺で平坦である帯域幅の逆数の自然数倍の時間だけの遅延と、が前記FMCW質問波に施されたFMCW応答波を、前記センサ情報生成装置から受信する応答波受信部と、前記FMCW質問波のスペクトルが帯域中心周辺で平坦である帯域幅において、前記FMCW質問波と、前記FMCW応答波及びFMCW回り込み波を含むFMCW受信波と、の間の時間領域での相互相関を算出する相互相関算出部と、前記時間領域での相互相関の振幅がピークをなす0以外の時間において、及び/又は、前記FMCW質問波のスペクトルが帯域中心周辺で平坦である帯域幅の逆数の自然数倍の時間において、前記時間領域での相互相関の振幅及び/又は位相を算出することにより、前記FMCW受信波のうち前記FMCW回り込み波を除く前記FMCW応答波から、振幅変調及び/又は位相変調に用いられた前記センサ情報を抽出するセンサ情報抽出部と、を備えることを特徴とするセンサ情報取得装置である。 Specifically, the present disclosure is a sensor information acquisition device that acquires sensor information from a sensor information generation device, and includes a question wave transmission unit that transmits a band-limited FMCW question wave to the sensor information generation device. The FMCW response wave applied to the FMCW interrogation wave is modulated by the sensor information and delayed by a natural number of times the inverse of the bandwidth in which the spectrum of the FMCW interrogation wave is flat around the center of the bandwidth. FMCW reception including the FMCW interrogation wave, the FMCW response wave, and the FMCW wraparound wave in a bandwidth in which the response wave receiving unit received from the sensor information generator and the spectrum of the FMCW interrogation wave are flat around the band center. The spectrum of the FMCW interrogation wave and / or at a time other than 0 when the amplitude of the intercorrelation in the time region peaks with the intercorrelation calculation unit that calculates the intercorrelation between the wave and the time region. By calculating the amplitude and / or phase of the mutual correlation in the time region at a time that is several times the natural number of the inverse of the bandwidth that is flat around the center of the bandwidth, the FMCW wraparound wave of the FMCW received waves can be obtained. The sensor information acquisition device includes a sensor information extraction unit that extracts the sensor information used for amplitude modulation and / or phase modulation from the FMCW response wave to be removed.
また、本開示は、センサ情報をセンサ情報取得装置に提供するセンサ情報生成装置であって、帯域制限されたFMCW質問波を、前記センサ情報取得装置から受信する質問波受信部と、前記センサ情報による変調を、前記FMCW質問波に施す質問波変調部と、前記FMCW質問波のスペクトルが帯域中心周辺で平坦である帯域幅の逆数の自然数倍の時間だけの遅延を、前記FMCW質問波に施す質問波遅延部と、前記センサ情報による変調と、前記FMCW質問波のスペクトルが帯域中心周辺で平坦である帯域幅の逆数の自然数倍の時間だけの遅延と、が前記FMCW質問波に施されたFMCW応答波を、前記センサ情報取得装置に送信する応答波送信部と、を備えることを特徴とするセンサ情報生成装置である。 Further, the present disclosure is a sensor information generation device that provides sensor information to a sensor information acquisition device, and includes a question wave receiving unit that receives a band-limited FMCW question wave from the sensor information acquisition device, and the sensor information. The FMCW interrogation wave is modulated by the interrogation wave modulation unit, and the FMCW interrogation wave is delayed by a natural number of times the inverse of the bandwidth in which the spectrum of the FMCW interrogation wave is flat around the center of the bandwidth. The FMCW interrogation wave is subjected to a modulation according to the sensor information and a delay of a natural number of times the inverse of the bandwidth in which the spectrum of the FMCW interrogation wave is flat around the center of the bandwidth. The sensor information generation device includes a response wave transmission unit that transmits the FMCW response wave to the sensor information acquisition device.
また、本開示は、以上に記載のセンサ情報取得装置と、以上に記載のセンサ情報生成装置と、を備えることを特徴とするセンサ情報生成・取得システムである。 Further, the present disclosure is a sensor information generation / acquisition system including the sensor information acquisition device described above and the sensor information generation device described above.
この構成によれば、センサ情報取得装置が、時間領域での相関関数を算出する帯域幅を適切に設定するとともに、センサ情報生成装置が、意図的に施す遅延時間(例えば、SAW遅延時間)を適切に設定することにより、システム全体として、上述の効果を奏することができる。つまり、センサ情報取得装置において、FMCW質問波の送受信アンテナ間での回り込みがあるとしても、センサ情報生成装置から受信したFMCW応答波から、センサ情報生成装置が生成したセンサ情報を高精度で抽出することができる。 According to this configuration, the sensor information acquisition device appropriately sets the bandwidth for calculating the correlation function in the time domain, and the sensor information generator intentionally sets the delay time (for example, SAW delay time). With proper settings, the above effects can be achieved as a whole system. That is, even if the sensor information acquisition device wraps around between the transmitting and receiving antennas of the FMCW inquiry wave, the sensor information generated by the sensor information generator is extracted with high accuracy from the FMCW response wave received from the sensor information generator. be able to.
このように、本開示によれば、センサ情報取得装置において、質問波の送受信アンテナ間での回り込みがあるとしても、センサ情報生成装置から受信した応答波からセンサ情報生成装置が生成したセンサ情報を高精度で抽出することができる。 As described above, according to the present disclosure, even if the sensor information acquisition device wraps around between the transmission / reception antennas of the question wave, the sensor information generated by the sensor information generation device from the response wave received from the sensor information generation device is used. It can be extracted with high accuracy.
添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。 Embodiments of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the embodiments of the present disclosure, and the present disclosure is not limited to the following embodiments.
(本開示のセンサ情報生成・取得システムの概要)
本開示のセンサ情報生成・取得システムの概要を図1に示す。センサ情報生成・取得システムSは、センサ情報取得装置1及びセンサ情報生成装置2−1、2−2、2−3から構成される。センサ情報生成・取得システムSは、例えば、橋梁Bの振動を検出する。センサ情報取得装置1は、例えば、橋梁Bの路肩に設置される。各センサ情報生成装置2−1、2−2、2−3は、例えば、橋梁Bの各車線の直下に設置される。
(Outline of the sensor information generation / acquisition system of the present disclosure)
The outline of the sensor information generation / acquisition system of the present disclosure is shown in FIG. The sensor information generation / acquisition system S includes a sensor
センサ情報取得装置1は、センサ情報生成装置2−1、2−2、2−3に質問波を送信する。各センサ情報生成装置2−1、2−2、2−3は、センサ情報取得装置1から質問波を受信し、橋梁Bの各車線の振動に応じた変調及び各所定時間だけの遅延(例えば、SAW遅延)を施された質問波を、センサ情報取得装置1に各応答波として送信する。センサ情報取得装置1は、各センサ情報生成装置2−1、2−2、2−3から各応答波を受信し、橋梁Bの各車線の振動に応じた変調及び各所定時間だけの遅延(例えば、SAW遅延)を施された各応答波から、橋梁Bの各車線の振動の情報を抽出する。橋梁Bの各車線の振動の情報は、直接に、又は、インターネットI等を介して、管理者に通知される。
The sensor
このように、各センサ情報生成装置2−1、2−2、2−3が、各所定時間だけの遅延(例えば、SAW遅延)を質問波に施すことにより、センサ情報取得装置1は、各センサ情報生成装置2−1、2−2、2−3を識別することができる。そして、各センサ情報生成装置2−1、2−2、2−3が、橋梁Bの各車線の振動に応じた変調を質問波に施すことにより、センサ情報取得装置1は、橋梁Bの各車線の振動の情報を応答波から抽出することができる。さらに、各センサ情報生成装置2−1、2−2、2−3は、質問波及び橋梁Bの各車線の振動に応じて、パッシブに応答するのみであり、無電源で動作することができ、橋梁Bの各車線の直下での設置や保守を容易にすることができる。
In this way, each sensor information generation device 2-1, 2-2, 2-3 applies a delay (for example, SAW delay) for each predetermined time to the question wave, so that each sensor
本開示では、レーダシステムで用いられるFMCW方式を、センサ情報生成・取得システムSで用いることとした。FMCW方式を用いるにあたり、信号長Tを長くすることで、及び/又は、帯域制限範囲内で信号帯域幅ΔFを広くすることで、パルス圧縮比TΔFを上げて、ノイズ耐性を高めることができる。帯域制限をさらに施すことにより、電力レベルを抑え過ぎなくても、無線チャネルマスク規格を満たすことができる。 In the present disclosure, the FMCW method used in the radar system is used in the sensor information generation / acquisition system S. In using the FMCW method, the pulse compression ratio TΔF can be increased and the noise immunity can be improved by increasing the signal length T and / or increasing the signal bandwidth ΔF within the band limitation range. By further limiting the bandwidth, the radio channel mask standard can be satisfied without suppressing the power level too much.
本開示のセンサ情報取得装置の構成を図2に示す。センサ情報取得装置1は、質問波送信部11、応答波受信部12、相互相関算出部13及びセンサ情報抽出部14から構成される。相互相関算出部13は、FFT算出部131、帯域中心切出部132、複素共役部133、FFT算出部134、帯域中心切出部135、スペクトル乗算部136及びIFFT算出部137から構成される。センサ情報抽出部14は、ピーク検出部141、振幅/位相算出部142及び振動等情報抽出部143から構成される。
The configuration of the sensor information acquisition device of the present disclosure is shown in FIG. The sensor
本開示のセンサ情報生成装置の構成を図3に示す。N台のセンサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが設置される。センサ情報生成装置2−1は、質問波受信部21−1、質問波変調部22−1、質問波遅延部23−1及び応答波送信部24−1から構成される。・・・センサ情報生成装置2−Nは、質問波受信部21−N、質問波変調部22−N、質問波遅延部23−N及び応答波送信部24−Nから構成される。 The configuration of the sensor information generator of the present disclosure is shown in FIG. N sensor information generators 2-1 ..., 2-N are installed. The sensor information generation device 2-1 is composed of a question wave receiving unit 21-1, a question wave modulation unit 22-1, a question wave delay unit 23-1, and a response wave transmission unit 24-1. ... The sensor information generator 2-N is composed of a question wave receiving unit 21-N, a question wave modulation unit 22-N, a question wave delay unit 23-N, and a response wave transmitting unit 24-N.
質問波送信部11は、帯域制限されたFMCW質問波を、センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nに送信する。質問波受信部21−1、・・・、21−Nは、帯域制限されたFMCW質問波を、センサ情報取得装置1から受信する。
The interrogation
各質問波変調部22−1、・・・、22−Nは、各センサ情報による変調を、FMCW質問波に施す。各センサ情報として、例えば、振動、圧力、温度及び湿度等の情報(より具体的には、橋梁Bの各車線の振動の情報)が挙げられる。各質問波遅延部23−1、・・・、23−Nは、各所定時間T1、・・・、TNだけの遅延を、FMCW質問波に施す。各質問波遅延部として、例えば、電磁波を音波等に変換し、音波等を伝搬させ、音波等を電磁波に再変換する、音波等伝搬回路(より具体的には、SAW遅延回路)が挙げられる。 Each interrogation wave modulation unit 22-1, ..., 22-N applies modulation based on each sensor information to the FMCW interrogation wave. Examples of the sensor information include information such as vibration, pressure, temperature, and humidity (more specifically, information on vibration of each lane of the bridge B). Each interrogation wave delay unit 23-1, ..., 23-N applies a delay of only T 1 , ..., TN for each predetermined time to the FMCW interrogation wave. Examples of each interrogation wave delay unit include a sound wave propagation circuit (more specifically, a SAW delay circuit) that converts an electromagnetic wave into a sound wave or the like, propagates the sound wave or the like, and reconverts the sound wave or the like into an electromagnetic wave. ..
各応答波送信部24−1、・・・、24−Nは、各センサ情報による変調と、各所定時間T1、・・・、TNだけの遅延と、がFMCW質問波に施された各FMCW応答波を、センサ情報取得装置1に送信する。応答波受信部12は、各センサ情報による変調と、各所定時間T1、・・・、TNだけの遅延と、がFMCW質問波に施された各FMCW応答波を、各応答波送信部24−1、・・・、24−Nから受信する。
Each response wave transmitter 24-1, ..., 24-N is subjected to modulation by each sensor information and delay of T 1 , ..., TN for each predetermined time on the FMCW interrogation wave. Each FMCW response wave is transmitted to the sensor
実際には、質問波送信部11と応答波受信部12と間で、FMCW質問波が回り込む。ここで、FMCW回り込み波は、短距離の空間伝搬による減衰を受けるのみであるため、電力レベルが高い。一方で、各FMCW応答波は、長距離の空間伝搬及び各質問波遅延部23−1、・・・、23−Nによる減衰を受けるため、電力レベルが低い。なお、各FMCW応答波について、図8、10、12、14、16で示すように、長距離の空間伝搬の時間は、各質問波遅延部23−1、・・・、23−Nの伝搬の時間よりはるかに短い。
In reality, the FMCW interrogation wave wraps around between the interrogation
相互相関算出部13は、FMCW質問波と、各FMCW応答波及びFMCW回り込み波を含むFMCW受信波と、の間の時間領域での相互相関を算出する。センサ情報抽出部14は、FMCW受信波のうちFMCW回り込み波を除く各FMCW応答波から、各変調に用いられた各センサ情報を抽出する。相互相関算出部13及びセンサ情報抽出部14については、以下の段落で比較例と本開示とを比較しながら詳述する。
The
以下の段落では、等価低域系を用いて説明する。本開示の帯域制限前のFMCW質問波を図4に示す。質問波送信部11は、1msecにわたり−500kHzから+500kHzまで、振幅を一定にしながら周波数を掃引することにより、図4に示したFMCW質問波を生成する。本開示の帯域制限後のFMCW質問波を図5に示す。質問波送信部11は、図4に示したFMCW質問波に対して、信号帯域外の電力を減らす窓関数を時間領域で乗算することにより、図5に示したFMCW質問波を生成する。信号帯域外の電力を減らす窓関数として、Cosine−Tukey窓関数、Hamming窓関数、Hanning窓関数及びBlackmann窓関数等が挙げられる。本開示のFMCW質問波のスペクトルを図6に示す。図6の縦軸は、FMCW質問波のスペクトルの電力レベルを対数表示dBで示す。FMCW質問波のスペクトルの電力レベルは、後述する数1、5に記載のU(k)に比例する。帯域制限後の信号帯域幅は、1MHzである。
In the following paragraphs, the equivalent low frequency system will be used for explanation. The FMCW interrogation wave before the band limitation of the present disclosure is shown in FIG. The interrogation
図6に示したように、FMCW質問波のスペクトルは、信号帯域幅1MHzにおいて、信号帯域端を除いて、ほぼ平坦であるといえる。よって、FMCW質問波の自己相関は、信号帯域幅1MHzの逆数1μsecの自然数1、・・・、N倍の時間1、・・・、Nμsecにおいて、0になるはずである。そして、FMCW質問波とFMCW回り込み波との間の相互相関は、信号帯域幅1MHzの逆数1μsecの自然数1、・・・、N倍の時間1、・・・、Nμsecにおいて、0になるはずである。なぜならば、FMCW回り込み波の空間伝搬時間は、各FMCW応答波の各空間伝搬時間+意図的に施された各遅延時間(例えば、各SAW遅延時間)と比べて、ほぼ0であるといえるからである。
As shown in FIG. 6, it can be said that the spectrum of the FMCW interrogation wave is substantially flat at a signal bandwidth of 1 MHz except for the signal band end. Therefore, the autocorrelation of the FMCW interrogation wave should be 0 at the reciprocal 1 μsec of the signal bandwidth of 1 MHz, the
そこで、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが施す各遅延の時間T1、・・・、TNを、信号帯域幅1MHzの逆数1μsecの自然数1、・・・、N倍の時間1、・・・、Nμsecに等しくする。すると、FMCW質問波とFMCW受信波(各FMCW応答波及びFMCW回り込み波を含む。)との間の相互相関は、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが施す各遅延の時間T1、・・・、TNにおいて、FMCW回り込み波からの寄与に影響されず、各FMCW応答波からの寄与のみに影響されるはずである。よって、センサ情報取得装置1において、FMCW質問波の質問波送信部11と応答波受信部12との間での回り込みがあるとしても、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nから受信した各FMCW応答波から、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが生成した各センサ情報を高精度で抽出することができるはずである。しかし、実際には上述の効果を奏することができないことを、まず比較例として説明する。そして、上述の効果を奏することができるための方法を、次に本開示として説明する。
Therefore, the time T 1 , ..., TN of each delay applied by each sensor information generator 2-1, ..., 2-N is a
(比較例の時間相関の算出方法及びFMCW質問波の自己相関の算出結果)
比較例では、FMCW質問波のスペクトルのうち、帯域中心周辺で平坦である帯域幅とともに、信号帯域端で減衰する帯域幅において、時間領域での相関関数を算出する。
(Calculation method of time correlation of comparative example and calculation result of autocorrelation of FMCW question wave)
In the comparative example, in the spectrum of the FMCW interrogation wave, the correlation function in the time domain is calculated in the bandwidth that is flat around the center of the band and the bandwidth that is attenuated at the signal band edge.
FFT算出部131は、数1に示すように、時間領域でのFMCW質問波u(n)を、周波数領域でのFMCW質問波U(k)にフーリエ変換する。ここで、nは、サンプリング周期を用いて正規化された時間を表わす。帯域中心切出部132は、図7、9に示すように、周波数領域でのFMCW質問波U(k)から、帯域中心周辺で平坦である帯域幅とともに、信号帯域端で減衰する帯域幅において、周波数領域でのFMCW質問波UB(k)を切り出す。複素共役部133は、周波数領域でのFMCW質問波UB(k)を、周波数領域でのFMCW質問波UB *(k)に複素共役化する。
時間領域でのFMCW受信波x(n)は、時間領域での各FMCW応答波v(n)とFMCW回り込み波w(n)とを重畳したものである。FFT算出部134は、数2に示すように、時間領域でのFMCW受信波x(n)=v(n)+w(n)を、周波数領域でのFMCW受信波X(k)=V(k)+W(k)にフーリエ変換する。帯域中心切出部135は、周波数領域でのFMCW受信波X(k)=V(k)+W(k)から、帯域中心切出部132が周波数領域でのFMCW質問波UB(k)を切り出す帯域幅と同様の帯域幅において、周波数領域でのFMCW受信波XB(k)=VB(k)+WB(k)を切り出す。
スペクトル乗算部136は、数3に示すように、周波数領域でのFMCW質問波UB *(k)と、周波数領域でのFMCW受信波XB(k)=VB(k)+WB(k)と、を乗算して、周波数領域での相互相関YB(k)を算出する。IFFT算出部137は、数4に示すように、周波数領域での相互相関YB(k)を、時間領域での相互相関yB(n)に逆フーリエ変換する。時間領域での相互相関yB(n)は、yB,v(n)及びyB,w(n)を含む。yB,v(n)は、FMCW質問波と各FMCW応答波との間の時間領域での相互相関を表わす。yB,w(n)は、FMCW質問波とFMCW回り込み波との間の時間領域での相互相関を表わし、FMCW質問波の時間領域での自己相関に比例する。
ここで、FMCW質問波と各FMCW応答波との間の時間領域での相互相関yB,v(n)を算出して、各FMCW応答波の遅延時間及びセンサ情報を抽出したい。すると、FMCW質問波とFMCW回り込み波との間の時間領域での相互相関yB,w(n)を低減する必要がある。つまり、FMCW質問波の時間領域での自己相関を低減する必要がある。 Here, we want to calculate the cross-correlation y B, v (n) in the time domain between the FMCW inquiry wave and each FMCW response wave, and extract the delay time and sensor information of each FMCW response wave. Then, it is necessary to reduce the cross-correlation y B, w (n) in the time domain between the FMCW interrogation wave and the FMCW wraparound wave. That is, it is necessary to reduce the autocorrelation of the FMCW interrogation wave in the time domain.
第1の比較例の時間相関の算出方法を図7に示す。図7の縦軸は、FMCW質問波のスペクトルの電力レベルを対数表示dBで示す。FMCW質問波のスペクトルの電力レベルは、上述した数1に記載のU(k)に比例する。時間相関の算出に用いる帯域幅は、帯域中心周辺で平坦である帯域幅とともに、信号帯域端で減衰する帯域幅を含めて、1MHzである。サンプリング周波数は、4MHzである。
FIG. 7 shows a method of calculating the time correlation of the first comparative example. The vertical axis of FIG. 7 shows the power level of the spectrum of the FMCW interrogation wave in logarithmic display dB. The power level of the spectrum of the FMCW interrogation wave is proportional to the U (k) described in
第1の比較例のFMCW質問波の自己相関の算出結果を図8に示す。図8の縦軸は、第1の比較例のFMCW質問波の自己相関の電力レベルを対数表示dBで示す。第1の比較例のFMCW質問波の自己相関の電力レベルは、上述した数4に記載のyB,w(n)に比例する。このように、FMCW質問波の自己相関は、全信号帯域幅1MHzの逆数1μsecの自然数1、・・・、N倍の時間1、・・・、Nμsecにおいて、0にならない。つまり、FMCW質問波とFMCW回り込み波との間の相互相関yB,w(n)は、全信号帯域幅1MHzの逆数1μsecの自然数1、・・・、N倍の時間1、・・・、Nμsecにおいて、0にならない。
The calculation result of the autocorrelation of the FMCW interrogation wave of the first comparative example is shown in FIG. The vertical axis of FIG. 8 shows the power level of the autocorrelation of the FMCW interrogation wave of the first comparative example in logarithmic display dB. The autocorrelation power level of the FMCW interrogation wave of the first comparative example is proportional to y B, w (n) described in
第2の比較例の時間相関の算出方法を図9に示す。図9の縦軸は、FMCW質問波のスペクトルの電力レベルを対数表示dBで示す。FMCW質問波のスペクトルの電力レベルは、上述した数1に記載のU(k)に比例する。時間相関の算出に用いる帯域幅は、帯域中心周辺で平坦である帯域幅とともに、信号帯域端で減衰する帯域幅を含めて、1MHzである。サンプリング周波数も、1MHzである。
FIG. 9 shows a method of calculating the time correlation of the second comparative example. The vertical axis of FIG. 9 shows the power level of the spectrum of the FMCW interrogation wave in logarithmic display dB. The power level of the spectrum of the FMCW interrogation wave is proportional to the U (k) described in
第2の比較例のFMCW質問波の自己相関の算出結果を図10に示す。図10の縦軸は、第2の比較例のFMCW質問波の自己相関の電力レベルを対数表示dBで示す。第2の比較例のFMCW質問波の自己相関の電力レベルは、上述した数4に記載のyB,w(n)に比例する。このように、FMCW質問波の自己相関は、全信号帯域幅1MHzの逆数1μsecの自然数1、・・・、N倍の時間1、・・・、Nμsecにおいて、0にならない。つまり、FMCW質問波とFMCW回り込み波との間の相互相関yB,w(n)は、全信号帯域幅1MHzの逆数1μsecの自然数1、・・・、N倍の時間1、・・・、Nμsecにおいて、0にならない。
The calculation result of the autocorrelation of the FMCW interrogation wave of the second comparative example is shown in FIG. The vertical axis of FIG. 10 shows the power level of the autocorrelation of the FMCW interrogation wave of the second comparative example in logarithmic display dB. The autocorrelation power level of the FMCW interrogation wave of the second comparative example is proportional to y B, w (n) described in
よって、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが施す各遅延の時間T1、・・・、TNを、全信号帯域幅1MHzの逆数1μsecの自然数1、・・・、N倍の時間1、・・・、Nμsecに等しくしても、上述の効果を奏することができない。つまり、FMCW質問波とFMCW受信波との間の相互相関yB(n)は、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが施す各遅延の時間1、・・・、Nμsecにおいて、FMCW回り込み波からの寄与にも影響される。そして、センサ情報取得装置1において、FMCW質問波の質問波送信部11と応答波受信部12との間での回り込みがあるときには、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nから受信した各FMCW応答波から、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが生成した各センサ情報を高精度で抽出することができない。
Therefore, the time T 1 , ..., TN of each delay applied by each sensor information generator 2-1, ..., 2-N is a
(本開示の時間相関の算出方法及びFMCW質問波の自己相関の算出結果)
本開示では、FMCW質問波のスペクトルのうち、信号帯域端で減衰する帯域幅を除いて、帯域中心周辺で平坦である帯域幅において、時間領域での相関関数を算出する。
(Calculation method of time correlation of the present disclosure and calculation result of autocorrelation of FMCW question wave)
In the present disclosure, the correlation function in the time domain is calculated in the bandwidth flat around the center of the band, excluding the bandwidth attenuated at the signal band edge in the spectrum of the FMCW interrogation wave.
FFT算出部131は、数5に示すように、時間領域でのFMCW質問波u(n)を、周波数領域でのFMCW質問波U(k)にフーリエ変換する。ここで、nは、サンプリング周期を用いて正規化された時間を表わす。帯域中心切出部132は、図11、13に示すように、周波数領域でのFMCW質問波U(k)から、信号帯域端で減衰する帯域幅を除いて、帯域中心周辺で平坦である帯域幅において、周波数領域でのFMCW質問波UC(k)を切り出す。複素共役部133は、周波数領域でのFMCW質問波UC(k)を、周波数領域でのFMCW質問波UC *(k)に複素共役化する。
時間領域でのFMCW受信波x(n)は、時間領域での各FMCW応答波v(n)とFMCW回り込み波w(n)とを重畳したものである。FFT算出部134は、数6に示すように、時間領域でのFMCW受信波x(n)=v(n)+w(n)を、周波数領域でのFMCW受信波X(k)=V(k)+W(k)にフーリエ変換する。帯域中心切出部135は、周波数領域でのFMCW受信波X(k)=V(k)+W(k)から、帯域中心切出部132が周波数領域でのFMCW質問波UC(k)を切り出す帯域幅と同様の帯域幅において、周波数領域でのFMCW受信波XC(k)=VC(k)+WC(k)を切り出す。
スペクトル乗算部136は、数7に示すように、周波数領域でのFMCW質問波UC *(k)と、周波数領域でのFMCW受信波XC(k)=VC(k)+WC(k)と、を乗算して、周波数領域での相互相関YC(k)を算出する。IFFT算出部137は、数8に示すように、周波数領域での相互相関YC(k)を、時間領域での相互相関yC(n)に逆フーリエ変換する。時間領域での相互相関yC(n)は、yC,v(n)及びyC,w(n)を含む。yC,v(n)は、FMCW質問波と各FMCW応答波との間の時間領域での相互相関を表わす。yC,w(n)は、FMCW質問波とFMCW回り込み波との間の時間領域での相互相関を表わし、FMCW質問波の時間領域での自己相関に比例する。
ここで、FMCW質問波と各FMCW応答波との間の時間領域での相互相関yC,v(n)を算出して、各FMCW応答波の遅延時間及びセンサ情報を抽出したい。すると、FMCW質問波とFMCW回り込み波との間の時間領域での相互相関yC,w(n)を低減する必要がある。つまり、FMCW質問波の時間領域での自己相関を低減する必要がある。 Here, we want to calculate the cross-correlation y C, v (n) in the time domain between the FMCW inquiry wave and each FMCW response wave, and extract the delay time and sensor information of each FMCW response wave. Then, it is necessary to reduce the cross-correlation y C, w (n) in the time domain between the FMCW interrogation wave and the FMCW wraparound wave. That is, it is necessary to reduce the autocorrelation of the FMCW interrogation wave in the time domain.
第1の本開示の時間相関の算出方法を図11に示す。図11の縦軸は、FMCW質問波のスペクトルの電力レベルを対数表示dBで示す。FMCW質問波のスペクトルの電力レベルは、上述した数5に記載のU(k)に比例する。時間相関の算出に用いる帯域幅は、信号帯域端で減衰する帯域幅を除いて、帯域中心周辺で平坦である帯域幅を含めて、0.8MHzである。サンプリング周波数は、4MHzである。
The first method of calculating the time correlation of the present disclosure is shown in FIG. The vertical axis of FIG. 11 shows the power level of the spectrum of the FMCW interrogation wave in logarithmic display dB. The power level of the spectrum of the FMCW interrogation wave is proportional to the U (k) described in
第1の本開示のFMCW質問波の自己相関の算出結果を図12に示す。図12の縦軸は、第1の本開示のFMCW質問波の自己相関の電力レベルを対数表示dBで示す。第1の本開示のFMCW質問波の自己相関の電力レベルは、上述した数8に記載のyC,w(n)に比例する。このように、FMCW質問波の自己相関は、平坦な帯域幅0.8MHzの逆数1.25μsecの自然数1、2、・・・、N倍の時間1.25、2.50、・・・、1.25Nμsecにおいて、ほぼ0になる。つまり、FMCW質問波とFMCW回り込み波との間の相互相関yC,w(n)は、平坦な帯域幅0.8MHzの逆数1.25μsecの自然数1、2、・・・、N倍の時間1.25、2.50、・・・、1.25Nμsecにおいて、ほぼ0になる。
The calculation result of the autocorrelation of the first FMCW interrogation wave of the present disclosure is shown in FIG. The vertical axis of FIG. 12 shows the power level of the autocorrelation of the first disclosed FMCW interrogation wave in logarithmic display dB. The autocorrelation power level of the first FMCW interrogation wave of the present disclosure is proportional to y C, w (n) described in
第2の本開示の時間相関の算出方法を図13に示す。図13の縦軸は、FMCW質問波のスペクトルの電力レベルを対数表示dBで示す。FMCW質問波のスペクトルの電力レベルは、上述した数5に記載のU(k)に比例する。時間相関の算出に用いる帯域幅は、信号帯域端で減衰する帯域幅を除いて、帯域中心周辺で平坦である帯域幅を含めて、0.8MHzである。サンプリング周波数も、0.8MHzである。
The second method of calculating the time correlation of the present disclosure is shown in FIG. The vertical axis of FIG. 13 indicates the power level of the spectrum of the FMCW interrogation wave in logarithmic display dB. The power level of the spectrum of the FMCW interrogation wave is proportional to the U (k) described in
第2の本開示のFMCW質問波の自己相関の算出結果を図14に示す。図14の縦軸は、第2の本開示のFMCW質問波の自己相関の電力レベルを対数表示dBで示す。第2の本開示のFMCW質問波の自己相関の電力レベルは、上述した数8に記載のyC,w(n)に比例する。このように、FMCW質問波の自己相関は、平坦な帯域幅0.8MHzの逆数1.25μsecの自然数1、2、・・・、N倍の時間1.25、2.50、・・・、1.25Nμsecにおいて、ほぼ0になる。つまり、FMCW質問波とFMCW回り込み波との間の相互相関yC,w(n)は、平坦な帯域幅0.8MHzの逆数1.25μsecの自然数1、2、・・・、N倍の時間1.25、2.50、・・・、1.25Nμsecにおいて、ほぼ0になる。
FIG. 14 shows the calculation result of the autocorrelation of the second FMCW interrogation wave of the present disclosure. The vertical axis of FIG. 14 shows the power level of the autocorrelation of the second FMCW interrogation wave of the present disclosure in logarithmic display dB. The power level of the autocorrelation of the second FMCW interrogation wave of the present disclosure is proportional to y C, w (n) described in
よって、各センサ情報生成装置2−1、2−2、・・・、2−Nが施す各遅延の時間T1、T2、・・・、TNを、平坦な帯域幅0.8MHzの逆数1.25μsecの自然数1、2、・・・、N倍の時間1.25、2.50、・・・、1.25Nμsecに等しくすれば、上述の効果を奏することができる。つまり、FMCW質問波とFMCW受信波との間の相互相関yC(n)は、各センサ情報生成装置2−1、2−2、・・・、2−Nが施す各遅延の時間1.25、2.50、・・・、1.25Nμsecにおいて、FMCW回り込み波からの寄与には影響されない。そして、センサ情報取得装置1において、FMCW質問波の質問波送信部11と応答波受信部12との間での回り込みがあるとしても、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nから受信した各FMCW応答波から、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが生成した各センサ情報を高精度で抽出することができる。
Therefore, the delay times T 1 , T 2 , ..., TN applied by each sensor information generator 2-1, 2-2, ..., 2-N are set to a flat bandwidth of 0.8 MHz. The above effect can be obtained by equalizing the reciprocal 1.25 μsec to the
なお、平坦な帯域幅0.8MHzは、全信号帯域幅1MHzより狭い。よって、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが施す各遅延の時間T1、・・・、TNの分解能は、本開示では見かけ上悪化しているように思われる(比較例での1μsec→本開示での1.25μsec)。しかし、FMCW回り込み波からの寄与の影響は、本開示ではほぼ見られない。よって、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが施す各遅延の時間T1、・・・、TNの分解能は、本開示では実質的に向上することができる。 The flat bandwidth of 0.8 MHz is narrower than the total signal bandwidth of 1 MHz. Therefore, the resolution of each delay time T 1 , ..., TN applied by each sensor information generator 2-1, ..., 2-N seems to be apparently deteriorated in the present disclosure. (1 μsec in the comparative example → 1.25 μsec in the present disclosure). However, the effect of contributions from FMCW wraparound waves is largely non-existent in this disclosure. Therefore, the resolution of each delay time T 1 , ..., TN applied by each sensor information generator 2-1, ..., 2-N can be substantially improved in the present disclosure.
(本開示のFMCW質問波とFMCW受信波との間の相互相関の算出結果)
本開示のFMCW受信波のスペクトルを図15に示す。図15の縦軸は、FMCW受信波のスペクトルの電力レベルを対数表示dBで示す。FMCW受信波のスペクトルの電力レベルは、上述した数6に記載のX(k)に比例する。時間領域でのFMCW受信波x(n)は、時間領域での各FMCW応答波v(n)とFMCW回り込み波w(n)とを重畳したものである。時間領域での各FMCW応答波v(n)として、センサ情報生成装置2−3が遅延時間T3=3.75μsecを施したFMCW応答波のみを取り上げる。
(Calculation result of cross-correlation between FMCW inquiry wave and FMCW received wave of the present disclosure)
The spectrum of the FMCW received wave of the present disclosure is shown in FIG. The vertical axis of FIG. 15 indicates the power level of the spectrum of the FMCW received wave in logarithmic display dB. The power level of the spectrum of the FMCW received wave is proportional to X (k) according to
本開示のFMCW質問波とFMCW受信波との間の相互相関の算出結果を図16に示す。図16の縦軸は、本開示のFMCW質問波とFMCW受信波との間の相互相関の電力レベルを対数表示dBで示す。本開示のFMCW質問波とFMCW受信波との間の相互相関の電力レベルは、上述した数8に記載のyC(n)=yC,v(n)+yC,w(n)に比例する。時間相関の算出に用いる帯域幅は、FMCW質問波における信号帯域端で減衰する帯域幅を除いて、FMCW質問波における帯域中心周辺で平坦である帯域幅を含めて、0.8MHzである。サンプリング周波数も、0.8MHzである。
The calculation result of the cross-correlation between the FMCW interrogation wave and the FMCW reception wave of the present disclosure is shown in FIG. The vertical axis of FIG. 16 shows the power level of the cross-correlation between the FMCW interrogation wave and the FMCW reception wave of the present disclosure in logarithmic display dB. The power level of the cross-correlation between the FMCW interrogation wave and the FMCW received wave of the present disclosure is proportional to y C (n) = y C, v (n) + y C, w (n) described in
ピーク検出部141は、FMCW質問波とFMCW受信波との間の相互相関yC(n)の振幅|yC(n)|のピーク位置を検出する。一般的には、|yC(n)|のピーク位置は、時間T=T1、・・・TNに対応する正規化時間n=n1、・・・nNである。図16では、|yC(n)|のピーク位置は、時間T=T3に対応する正規化時間n=n3である。ただし、|yC(n)|のピーク位置として、図12に示したような、FMCW質問波の自己相関の振幅のピーク位置を採用するべきではなく、つまり、時間TN−1<T<TNに対応する正規化時間nN−1<n<nNを採用するべきではない。
The
次に、振幅/位相算出部142は、FMCW質問波とFMCW受信波との間の相互相関yC(n)の振幅|yC(n)|がピークをなす0以外の正規化時間n=n1、・・・nNにおいて、FMCW質問波とFMCW受信波との間の相互相関yC(n)の振幅|yC(n)|及び/又は位相θC(n)を算出する。又は、振幅/位相算出部142は、FMCW質問波のスペクトルU(k)が帯域中心周辺で平坦である帯域幅の逆数の自然数倍の正規化時間n=n1、・・・nNにおいて、FMCW質問波とFMCW受信波との間の相互相関yC(n)の振幅|yC(n)|及び/又は位相θC(n)を算出する。
Next, the amplitude /
振動等情報抽出部143は、FMCW質問波とFMCW受信波との間の相互相関yC(n)の振幅|yC(n)|及び/又は位相θC(n)(n=n1、・・・nN)に基づいて、FMCW受信波のうちFMCW回り込み波を除く各FMCW応答波から、各振幅変調及び/又は各位相変調に用いられた各センサ情報s(n)(n=n1、・・・nN)を抽出する。
The vibration
そして、振動等情報抽出部143は、各々単数回抽出した各センサ情報s(n)(n=n1、・・・nN)を、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが設置される橋梁Bの各車線の直下における加速度についての情報として抽出する。さらに、振動等情報抽出部143は、各々複数回抽出した各センサ情報s(n)(n=n1、・・・nN)に対するFFT結果を、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが設置される橋梁Bの各車線の直下における振動についての情報として抽出する。各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nが設置される橋梁Bの各車線の直下における加速度及び振動についての情報は、直接に、又は、インターネットI等を介して、管理者に通知される。
Then, the vibration
ここで、センサ情報取得装置1は、各FMCW応答波を振幅復調するにあたり、各FMCW応答波の振幅が、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nとの間の空間伝搬で減衰されたものであるのか、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nでの各センサ情報で生成されたものであるのか、区別することが望ましい。よって、各センサ情報生成装置2−1、・・・、2−Nは、図3で示した構成を設置するのみならず、各センサ情報と無関係なリファレンス素子を設置することが望ましい。そして、センサ情報取得装置1は、図2で示した構成からの各FMCW応答波と、各センサ情報と無関係なリファレンス素子からのリファレンス信号と、の差分を計測することが望ましい。
Here, in the sensor
本開示のセンサ情報取得装置、センサ情報生成装置及びセンサ情報生成・取得システムは、橋梁等の構造物の検査等、センサ情報を応答器から質問器へと無線通信する用途に適用することができる。 The sensor information acquisition device, sensor information generation device, and sensor information generation / acquisition system of the present disclosure can be applied to applications such as inspection of structures such as bridges in which sensor information is wirelessly communicated from a responder to an interrogator. ..
S:センサ情報生成・取得システム
B:橋梁
I:インターネット
1:センサ情報取得装置
2−1、2−2、2−3、2−N:センサ情報生成装置
11:質問波送信部
12:応答波受信部
13:相互相関算出部
14:センサ情報抽出部
21−1、21−N:質問波受信部
22−1、22−N:質問波変調部
23−1、23−N:質問波遅延部
24−1、24−N:応答波送信部
131:FFT算出部
132:帯域中心切出部
133:複素共役部
134:FFT算出部
135:帯域中心切出部
136:スペクトル乗算部
137:IFFT算出部
141:ピーク検出部
142:振幅/位相算出部
143:振動等情報抽出部
S: Sensor information generation / acquisition system B: Bridge I: Internet 1: Sensor information acquisition device 2-1, 2-2, 2-3, 2-N: Sensor information generation device 11: Question wave transmitter 12: Response wave Reception unit 13: Cross-correlation calculation unit 14: Sensor information extraction unit 21-1, 21-N: Question wave receiver 22-1, 22-N: Question wave modulation unit 23-1, 23-N: Question wave delay unit 24-1, 24-N: Response wave transmission unit 131: FFT calculation unit 132: Band center cutout unit 133: Complex conjugate unit 134: FFT calculation unit 135: Band center cutout unit 136: Spectrum multiplication unit 137: Amplitude calculation Unit 141: Peak detection unit 142: Amplitude / phase calculation unit 143: Vibration and other information extraction unit
Claims (3)
帯域制限されたFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)質問波を、前記センサ情報生成装置に送信する質問波送信部と、
前記センサ情報による変調と、前記FMCW質問波のスペクトルが帯域中心周辺で平坦である帯域幅の逆数の自然数倍の時間だけの遅延と、が前記FMCW質問波に施されたFMCW応答波を、前記センサ情報生成装置から受信する応答波受信部と、
前記FMCW質問波のスペクトルが帯域中心周辺で平坦である帯域幅において、前記FMCW質問波と、前記FMCW応答波及びFMCW回り込み波を含むFMCW受信波と、の間の時間領域での相互相関を算出する相互相関算出部と、
前記時間領域での相互相関の振幅がピークをなす0以外の時間において、及び/又は、前記FMCW質問波のスペクトルが帯域中心周辺で平坦である帯域幅の逆数の自然数倍の時間において、前記時間領域での相互相関の振幅及び/又は位相を算出することにより、前記FMCW受信波のうち前記FMCW回り込み波を除く前記FMCW応答波から、振幅変調及び/又は位相変調に用いられた前記センサ情報を抽出するセンサ情報抽出部と、
を備えることを特徴とするセンサ情報取得装置。 A sensor information acquisition device that acquires sensor information from a sensor information generator.
A band-restricted FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) interrogation wave is transmitted to the sensor information generator, and a interrogation wave transmitter.
The FMCW response wave applied to the FMCW interrogation wave is modulated by the sensor information and delayed by a natural number several times the inverse of the bandwidth in which the spectrum of the FMCW interrogation wave is flat around the center of the bandwidth. The response wave receiver received from the sensor information generator and
Calculate the cross-correlation in the time region between the FMCW interrogation wave and the FMCW received wave including the FMCW response wave and the FMCW wraparound wave in a bandwidth in which the spectrum of the FMCW interrogation wave is flat around the center of the band. Cross-correlation calculation unit and
At times other than 0 when the amplitude of the intercorrelation peaks in the time region, and / or at times of natural multiples of the inverse of the bandwidth where the spectrum of the FMCW interrogation wave is flat around the center of the bandwidth. By calculating the amplitude and / or phase of the mutual correlation in the time region, the sensor information used for amplitude modulation and / or phase modulation from the FMCW response wave excluding the FMCW wraparound wave among the FMCW received waves. Sensor information extraction unit that extracts
A sensor information acquisition device characterized by comprising.
帯域制限されたFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)質問波を、前記センサ情報取得装置から受信する質問波受信部と、
前記センサ情報による変調を、前記FMCW質問波に施す質問波変調部と、
前記FMCW質問波のスペクトルが帯域中心周辺で平坦である帯域幅における、前記FMCW質問波と、FMCW応答波及びFMCW回り込み波を含むFMCW受信波と、の間の時間領域での相互相関が、前記センサ情報生成装置が前記FMCW質問波に施す遅延の時間において、前記FMCW回り込み波からの寄与には影響されないように、前記FMCW質問波のスペクトルが帯域中心周辺で平坦である帯域幅の逆数の自然数倍の時間だけの遅延を、前記FMCW質問波に施す質問波遅延部と、
前記センサ情報による変調と、前記FMCW質問波のスペクトルが帯域中心周辺で平坦である帯域幅の逆数の自然数倍の時間だけの遅延と、が前記FMCW質問波に施された前記FMCW応答波を、前記センサ情報取得装置に送信する応答波送信部と、
を備えることを特徴とするセンサ情報生成装置。 A sensor information generator that provides sensor information to a sensor information acquisition device.
A band-restricted FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) interrogation wave is received from the sensor information acquisition device, and a interrogation wave receiver.
A interrogation wave modulator that applies modulation based on the sensor information to the FMCW interrogation wave,
The intercorrelation in the time region between the FMCW interrogation wave and the FMCW received wave including the FMCW response wave and the FMCW wraparound wave in the bandwidth where the spectrum of the FMCW interrogation wave is flat around the center of the band is described. The natural inverse of the bandwidth in which the spectrum of the FMCW interrogation wave is flat around the center of the band so that the delay time applied by the sensor information generator to the FMCW interrogation wave is not affected by the contribution from the FMCW wraparound wave. A question wave delay section that applies a delay of several times the time to the FMCW question wave, and
And modulation by the sensor information, and the FMCW interrogation wave spectrum is only natural number times the reciprocal of the bandwidth is flat around band center delay, the said FMCW interrogation waves to the FMCW response wave which has been subjected , The response wave transmitter that transmits to the sensor information acquisition device,
A sensor information generator characterized by the present invention.
請求項2に記載のセンサ情報生成装置と、
を備えることを特徴とするセンサ情報生成・取得システム。 The sensor information acquisition device according to claim 1 and
The sensor information generator according to claim 2 and
A sensor information generation / acquisition system characterized by being equipped with.
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