特許 6363209 干渉型振動観測装置、振動観測プログラム、記録媒体、振動観測方法および振動観測システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6363209

(24)【登録日】2018年7月6日

(45)【発行日】2018年7月25日

(54)【発明の名称】干渉型振動観測装置、振動観測プログラム、記録媒体、振動観測方法および振動観測システム

(51)【国際特許分類】

   G01H 9/00 20060101AFI20180712BHJP

   G01S 13/88 20060101ALI20180712BHJP

   G01S 13/89 20060101ALI20180712BHJP

   G01S 13/28 20060101ALI20180712BHJP

   G01S 13/34 20060101ALI20180712BHJP

【ＦＩ】

   G01H9/00 C

   G01S13/88

   G01S13/89

   G01S13/28 200

   G01S13/34

【請求項の数】27

【全頁数】52

(21)【出願番号】特願2016-543800(P2016-543800)

(86)(22)【出願日】2015年7月30日

(86)【国際出願番号】JP2015003859

(87)【国際公開番号】WO2016027422

(87)【国際公開日】20160225

【審査請求日】2017年2月27日

(31)【優先権主張番号】PCT/JP2014/005066

(32)【優先日】2014年10月3日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2014-166603(P2014-166603)

(32)【優先日】2014年8月19日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】510189374

【氏名又は名称】アルウェットテクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083725

【弁理士】

【氏名又は名称】畝本 正一

(74)【代理人】

【識別番号】100140349

【弁理士】

【氏名又は名称】畝本 継立

(74)【代理人】

【識別番号】100153305

【弁理士】

【氏名又は名称】畝本 卓弥

(72)【発明者】

【氏名】能美 仁

【審査官】 田中 秀直

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１８４３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２８３４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−３３１３２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｈ １／００−１７／００

Ｇ０１Ｓ １３／００−１３／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信する送信手段と、
前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成する受信手段と、
前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する信号処理手段と、
を備えることを特徴とする、干渉型振動観測装置。

【請求項2】

さらに、前記観測信号から前記観測対象を表す画像を表示する画像表示手段と、
を備え、前記観測信号により前記画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳して前記画像表示手段に表示させることを特徴とする、請求項１に記載の干渉型振動観測装置。

【請求項3】

さらに、前記信号処理手段または前記信号処理手段の外部に前記送信手段の前記送信信号、前記受信手段の前記受信信号、前記信号処理手段の信号処理を同期させる基準信号を発生する信号発生手段と、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の干渉型振動観測装置。

【請求項4】

前記送信手段は、前記観測対象または該観測対象上の距離を検出するためのパルス信号、またはパルス圧縮のためにチャープ変調されたパルス信号を出力し、
前記受信手段は、基準信号と位相同期して前記受信信号をパルス圧縮し、前記距離で前記観測対象の前記特定部位を分離することを特徴とする、請求項１に記載の干渉型振動観測装置。

【請求項5】

前記送信手段は、前記観測対象または該観測対象上の距離を検出するためのＦＭＣＷ信号を出力し、
前記受信手段は、基準信号と位相同期して前記受信信号のＦＭＣＷ信号を解析し、前記距離で前記観測対象の前記特定部位を分離することを特徴とする、請求項１に記載の干渉型振動観測装置。

【請求項6】

前記複数の受信アンテナは、線状の一次元配列、Ｔ型配列、Ｌ型配列などの二次元配列のいずれかを備え、
前記受信手段または前記信号処理手段は、前記受信信号の位相差により前記観測対象の方向を同定することを特徴とする、請求項１に記載の干渉型振動観測装置。

【請求項7】

前記複数の受信アンテナは、Ｔ型配列、Ｌ型配列などの二次元配列を備え、
前記受信手段または前記信号処理手段は、前記観測対象の方位および仰角のいずれか一方または双方を算出することを特徴とする、請求項１に記載の干渉型振動観測装置。

【請求項8】

コンピュータにより観測対象の振動または変位を観測する振動観測プログラムであって、
観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信し、
前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成し、
前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する、
処理を前記コンピュータに実行させるための振動観測プログラム。

【請求項9】

さらに、前記観測信号から画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する処理を前記コンピュータに実行させるための請求項８に記載の振動観測プログラム。

【請求項10】

コンピュータに観測対象の振動または変位を観測させるための振動観測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信し、
前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成し、
前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する、
処理を前記コンピュータに実行させるための振動観測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

【請求項11】

さらに、前記観測信号から画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する処理を前記コンピュータに実行させるための前記振動観測プログラムを記録した請求項１０に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

【請求項12】

観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信する工程と、
前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成する工程と、
前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する工程と、
を含むことを特徴とする、振動観測方法。

【請求項13】

さらに、前記観測信号から画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する工程と、
を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の振動観測方法。

【請求項14】

振動や動揺を有するプラットフォームに搭載された送信アンテナにより、観測対象に向けて送信信号を送信する送信手段と、
前記プラットフォームに搭載された複数の受信アンテナで前記観測対象から反射波を受け、前記受信アンテナ毎に受信信号を生成する受信手段と、
前記プラットフォームに搭載され、前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測データを取得する第１の処理手段と、
前記第１の処理手段で得られた前記観測データより生成された画像中の、前記観測対象及び前記プラットフォームの振動よりも長い周期で振動するものを固定点として決定し、該固定点の振動解析により前記プラットフォームの振動を算出し、該振動を前記観測データから除去する第２の処理手段と、
を備えることを特徴とする、干渉型振動観測装置。

【請求項15】

さらに、前記観測対象を表す画像を表示する画像表示手段と、
を備え、前記画像表示手段に前記画像を表示させ、
前記観測データから前記プラットフォームの振動を除去して前記画像を修正し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳して前記画像表示手段に表示させることを特徴とする、請求項１４に記載の干渉型振動観測装置。

【請求項16】

さらに、前記第１の処理手段に、または前記第１の処理手段の外部に前記送信手段の前記送信信号、前記受信手段の前記受信信号、前記第１の処理手段の信号処理を同期させる基準信号を発生する信号発生手段と、
を備えることを特徴とする、請求項１４に記載の干渉型振動観測装置。

【請求項17】

前記送信手段は、前記観測対象または該観測対象上の距離を検出するためのパルス信号、またはパルス圧縮のためにチャープ変調されたパルス信号を出力し、
前記受信手段は、基準信号と位相同期して前記受信信号をパルス圧縮し、前記距離で前記観測対象の前記特定部位を分離することを特徴とする、請求項１４に記載の干渉型振動観測装置。

【請求項18】

前記送信手段は、前記観測対象または該観測対象上の距離を検出するためのＦＭＣＷ信号を出力し、
前記受信手段は、基準信号と位相同期して前記受信信号のＦＭＣＷ信号を解析し、前記距離で前記観測対象の前記特定部位を分離することを特徴とする、請求項１４に記載の干渉型振動観測装置。

【請求項19】

前記複数の受信アンテナは、線状の一次元配列、Ｔ型配列、Ｌ型配列などの二次元配列のいずれかを備え、
前記受信手段または前記第１の処理手段は、前記受信信号の位相差により前記観測対象の方向を同定することを特徴とする、請求項１４に記載の干渉型振動観測装置。

【請求項20】

前記複数の受信アンテナは、Ｔ型配列、Ｌ型配列などの二次元配列を備え、
前記受信手段または前記第１の処理手段は、前記観測対象の方位および仰角のいずれか一方または双方を算出することを特徴とする、請求項１４に記載の干渉型振動観測装置。

【請求項21】

コンピュータにより観測対象の振動または変位を観測する振動観測プログラムであって、
振動や動揺を有するプラットフォームに搭載された送信アンテナより観測対象に向けて送信信号を送信し、
前記プラットフォームに搭載された複数の受信アンテナで前記観測対象からの反射波を受け、前記受信アンテナ毎に受信信号を生成し、
前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測データを生成し、
前記観測データから得られる画像中の、前記観測対象及び前記プラットフォームの振動よりも長い周期で振動するものを固定点として決定し、
前記固定点の振動解析により前記プラットフォームの振動を算出し、該振動を前記観測データから除去する、
処理を前記コンピュータに実行させるための振動観測プログラム。

【請求項22】

さらに、前記プラットフォームの振動が除去された前記観測データから画像を生成し、
前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する処理を前記コンピュータに実行させるための請求項２１に記載の振動観測プログラム。

【請求項23】

コンピュータに観測対象の振動または変位を観測させるための振動観測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
振動や動揺を有するプラットフォームに搭載された送信アンテナにより、観測対象に向けて送信信号を送信し、
前記プラットフォームに搭載された複数の受信アンテナで前記観測対象からの反射波を受け、前記受信アンテナ毎に受信信号を生成し、
前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測データを生成し、
前記観測データから得られる画像中の、前記観測対象及び前記プラットフォームの振動よりも長い周期で振動するものを固定点として決定し、
前記固定点の振動解析により前記プラットフォームの振動を算出し、該振動を前記観測データから除去する、
処理を前記コンピュータに実行させるための振動観測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

【請求項24】

さらに、前記プラットフォームの振動が除去された前記観測データから画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する処理を前記コンピュータに実行させるための前記振動観測プログラムを記録した請求項２３に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

【請求項25】

振動や動揺を有するプラットフォームに搭載された送信アンテナにより観測対象に向けて送信信号を送信する工程と、
前記プラットフォームに搭載された複数の受信アンテナで前記観測対象からの反射波を受け、前記受信アンテナ毎に受信信号を生成する工程と、
前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測データを生成する工程と、
前記観測データから得られる画像中の、前記観測対象及び前記プラットフォームの振動よりも長い周期で振動するものを固定点として決定する工程と、
前記固定点の振動解析により前記プラットフォームの振動を算出し、該振動を前記観測データから除去する工程と、
を含むことを特徴とする、振動観測方法。

【請求項26】

さらに、前記観測データから前記プラットフォームの前記振動を除去して前記画像を修正し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する工程と、
を含むことを特徴とする、請求項２５に記載の振動観測方法。

【請求項27】

振動や動揺を有するプラットフォームと、
前記プラットフォームに搭載された振動観測手段と、
を備え、前記振動観測手段は、
前記プラットフォームに搭載された送信アンテナにより、観測対象に向けて送信信号を送信する送信手段と、
前記プラットフォームに搭載された複数の受信アンテナで前記観測対象から反射波を受け、前記受信アンテナ毎に受信信号を生成する受信手段と、
前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測データを取得する第１の処理手段と、
前記第１の処理手段で得られた前記観測データより生成された画像中の、前記観測対象及び前記プラットフォームの振動よりも長い周期で振動するものを固定点として決定し、該固定点の振動解析により前記プラットフォームの振動を算出し、該振動を前記観測データから除去する第２の処理手段とを含むことを特徴とする振動観測システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はたとえば、地形や、橋梁、高架道路などの大型建造物の変位や微小変動などを観測する振動観測技術に関する。

【背景技術】

【0002】

橋梁、高架道路などの構造物の強度や経年劣化の調査には、実際の交通などから受ける振動を観測し、その振動が持つ振幅や振動数などが解析されている。大型構造物の振動の観測には、その建造物の特定観測部位（ターゲット）に加速度計などの振動計測センサを取り付ける。ターゲットが増加すれば、振動計測センサを増加する。

【0003】

このようなセンサによる直接計測に代わり、マイクロ波を用いた遠隔計測法が知られている。この遠隔計測法では、建造物などにマイクロ波を照射し、その反射信号の解析により、数百ｍ以上の遠隔地点から大型構造物の微小変位や動揺を計測することができる。斯かる計測法では、建物に生じている動揺周期の２倍以上の頻度で観測すれば、変位や動揺の状況を解析できる。

【0004】

このような計測に関し、複数の異なる波長のＣＷ（Continuous Wave ：無変調連続波）信号を振動する観測対象に照射し、その反射波を解析することで、対象の距離、振動と振幅を高精度に計測することが知られている（たとえば、特許文献１、特許文献２）。この方法では、観測対象の特定点の振動やその強度を計測しているに過ぎない。

【0005】

地滑りやダム堤体など、三次元的に広がりのある観測対象の微小変位の観測には、地上設置型合成開口レーダ（ＧＢ−ＳＡＲ）を用いたシステムが知られている（たとえば、特許文献３）。このシステムでは、合成開口レーダ送受信部を移動させながら観測対象に電波を照射し、観測対象からの反射波を計測し、レール上の走査点で受信する信号の位相変化を用いた合成開口処理により方向と距離の二次元で観測対象点を識別し、走査毎に得られる観測対象の位相値の変化から、観測対象のスラントレンジ方向の距離変化を検出している。

【0006】

レーダを用いてターゲットの三次元画像を撮像することが知られている（たとえば、特許文献４、特許文献５）。この三次元画像処理では、アンテナ及び受信部を二次元に展開し、各受信アンテナで受信した反射波の位相関係からターゲット方向を決定し、反射波の伝搬時間から距離が求められている。反射波が受けているドップラーシフトからターゲットの速度情報が計測されている。斯かる方法では、建造物などのほぼ静止物体の振動計測をすることができない。

【0007】

また、このような計測技術に関し、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１３／０１３９５９７号明細書

【特許文献2】米国特許第８６８６３６２号明細書

【特許文献3】米国特許第８３８４５８３号明細書

【特許文献4】特開２００６−１７７９０７号公報

【特許文献5】特開昭６２−５０２０６５号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Kuras P.、外２名、"APPLICATION OF INTERFEROMETRIC RADAR TO EXAMINATION OF ENGINEERING OBJECTS VIBRATION"、［online］、Faculty of Mining Surveying and Environmental Engineering AGH University of Science and Technology in Krakow、[ 平成26年6 月27日検索] 、インターネット〈URL:http://yadda.icm.edu.pl/yadda/element/bwmeta1.element.baztech-article-PWAB-0005-0004/c/httpwww＿rog ＿gik ＿pw＿edu ＿plphocadownloadnr8724.pdf 〉

【非特許文献2】K A Tsolis、外１名、"Radar Vibrometry: Investigating the Potential of RF microwaves to measure vibrations"、［online］、University College London 、[ 平成26年6 月27日検索] 、インターネット〈URL : http://www.ee.ucl.ac.uk/lcs/previous/LCS2004/34.pdf 〉

【非特許文献3】J.A.HOGBOM、"Aperture synthesis with a non-regular distribution of interferometer baselines"、Astronomy and Astrophysics Supplement, Vol. 15, 1974,p.417

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

既述の観測対象における微小な振動の遠隔計測では、各観測点を距離により分離して識別し、特定点における振動およびその強度を計測している。複数点の振動計測を同時に行うには、観測対象にレーダ反射器を取り付けて場所を特定し、反射強度および距離によりそれぞれの反射点を同定している。このような観測形態では、観測対象が二次元または三次元の広がりを持っている場合、その観測対象の全体における任意点の微小振動を同時に計測することはできないという課題がある。

【0011】

また、観測対象が巨大であれば、複数の観測位置に反射器を取り付けることは危険を伴うばかりか、気象状況などの影響を無視することができないなど、定常的な計測には困難を伴うという課題がある。

【0012】

ところで、ヘリコプターなどの飛翔する移動体をプラットフォームに用いれば、巨大な観測対象であっても観測が可能となり、観測対象の制約を軽減することができる。しかしながら、プラットフォームからの観測はプラットフォームに用いられる移動体から振動を受け、この振動が振動観測の妨げになるという課題がある。

【0013】

そこで、本発明の第１の目的は上記課題に鑑み、橋梁、高架道路など、二次元または三次元に広がりを持つ観測対象の振動を観測し、その観測結果を可視化することにある。

【0014】

また、本発明の第２の目的は上記課題に鑑み、振動や動揺を有するプラットフォームを用いて橋梁、高架道路など、二次元または三次元に広がりを持つ観測対象の振動を観測し、その観測結果を可視化することにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記第１の目的を達成するため、本発明の干渉型振動観測装置の一側面によれば、観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信する送信手段と、前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成する受信手段と、前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する信号処理手段とを備えればよい。

【0016】

上記干渉型振動観測装置において、さらに、前記観測信号から前記観測対象を表す画像を表示する画像表示手段と、を備え、前記観測信号により前記画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳して前記画像表示手段に表示させてよい。

【0017】

上記干渉型振動観測装置において、さらに、前記信号処理手段にまたは前記信号処理手段の外部に前記送信手段の前記送信信号、前記受信手段の前記受信信号、前記信号処理手段の信号処理を同期させる基準信号を発生する信号発生手段とを備えてよい。

【0018】

上記干渉型振動観測装置において、前記送信手段は、前記観測対象または該観測対象上の距離を検出するためのパルス信号、またはパルス圧縮のためにチャープ変調されたパルス信号を出力し、前記受信手段は、基準信号と位相同期して前記受信信号をパルス圧縮し、前記距離で前記観測対象の前記特定部位を分離してよい。

【0019】

上記干渉型振動観測装置において、前記送信手段は、前記観測対象または該観測対象上の距離を検出するためのＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave ：周波数変調連続波）信号を出力し、前記受信手段は、基準信号と位相同期して前記受信信号のＦＭＣＷ信号を解析し、前記距離で前記観測対象の前記特定部位を分離してよい。

【0020】

上記干渉型振動観測装置において、前記複数の受信アンテナは、線状の一次元配列、Ｔ型配列、Ｌ型配列などの二次元配列のいずれかを備え、前記受信手段または前記信号処理手段は、前記受信信号の位相差により前記観測対象の方向を同定してよい。

【0021】

上記干渉型振動観測装置において、前記複数の受信アンテナは、Ｔ型配列、Ｌ型配列などの二次元配列を備え、前記受信手段または前記信号処理手段は、前記観測対象の方位および仰角のいずれか一方または双方を算出してよい。

【0022】

上記第１の目的を達成するため、本発明の振動観測プログラムの一側面によれば、 コンピュータにより観測対象の振動または変位を観測する振動観測プログラムであって、観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信し、前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成し、前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する、処理を前記コンピュータに実行させればよい。

【0023】

上記振動観測プログラムにおいて、さらに、前記観測信号から画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する処理を前記コンピュータに実行させてよい。

【0024】

上記第１の目的を達成するため、本発明の記録媒体の一側面によれば、コンピュータに観測対象の振動または変位を観測させるための振動観測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信し、前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成し、前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する、処理を前記コンピュータに実行させればよい。

【0025】

上記記録媒体において、さらに、前記観測信号から画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する処理を前記コンピュータに実行させてよい。

【0026】

上記第１の目的を達成するため、本発明の振動観測方法の一側面によれば、観測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信する工程と、前記観測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成する工程と、前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する工程とを含めばよい。

【0027】

上記振動観測方法において、さらに、前記観測信号から画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する工程とを含んでよい。

【0028】

上記第２の目的を達成するため、本発明の干渉型振動観測装置の一側面によれば、振動や動揺を有するプラットフォームに搭載された送信アンテナにより、観測対象に向けて送信信号を送信する送信手段と、前記プラットフォームに搭載された複数の受信アンテナで前記観測対象から反射波を受け、前記受信アンテナ毎に受信信号を生成する受信手段と、前記プラットフォームに搭載され、前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測データを取得する第１の処理手段と、前記第１の処理手段で得られた前記観測データより生成された画像中の、前記観測対象及び前記プラットフォームの振動よりも長い周期で振動するものを固定点として決定し、該固定点の振動解析により前記プラットフォームの振動を算出し、該振動を前記観測データから除去する第２の処理手段とを備えればよい。

【0030】

上記干渉型振動観測装置において、さらに、前記観測対象を表す画像を表示する画像表示手段を備え、前記画像表示手段に前記画像を表示させ、前記観測データから前記プラットフォームの振動および動揺を除去して前記画像を修正し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳して前記画像表示手段に表示させてよい。

【0031】

上記干渉型振動観測装置において、さらに、前記第１の処理手段または前記第１の処理手段の外部に前記送信手段の前記送信信号、前記受信手段の前記受信信号、前記第１の処理手段の信号処理を同期させる基準信号を発生する信号発生手段を備えてよい。

【0032】

上記干渉型振動観測装置において、前記送信手段は、前記観測対象または該観測対象上の距離を検出するためのパルス信号、またはパルス圧縮のためにチャープ変調されたパルス信号を出力し、前記受信手段は、基準信号と位相同期して前記受信信号をパルス圧縮し、前記距離で前記観測対象の前記特定部位を分離してよい。

【0033】

上記干渉型振動観測装置において、前記送信手段は、前記観測対象または該観測対象上の距離を検出するためのＦＭＣＷ信号を出力し、前記受信手段は、基準信号と位相同期して前記受信信号のＦＭＣＷ信号を解析し、前記距離で前記観測対象の前記特定部位を分離してよい。

【0034】

上記干渉型振動観測装置において、前記複数の受信アンテナは、線状の一次元配列、格子状の二次元配列、Ｔ型配列、Ｌ型配列などの二次元配列のいずれかを備え、前記受信手段または前記第１の処理手段は、前記受信信号の位相差により前記観測対象の方向を同定してよい。

【0035】

上記干渉型振動観測装置において、前記複数の受信アンテナは格子状配列、Ｔ型配列、Ｌ型配列などの二次元配列を備え、前記受信手段または前記第１の処理手段は、前記観測対象の方位および仰角のいずれか一方または双方を算出してよい。

【0036】

上記第２の目的を達成するため、本発明の振動観測プログラムの一側面によれば、コンピュータにより観測対象の振動または変位を観測する振動観測プログラムであって、振動や動揺を有するプラットフォームに搭載された送信アンテナより観測対象に向けて送信信号を送信し、前記プラットフォームに搭載された複数の受信アンテナで前記観測対象からの反射波を受け、前記受信アンテナ毎に受信信号を生成し、前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測データを生成し、前記観測データから得られる画像中の、前記観測対象及び前記プラットフォームの振動よりも長い周期で振動するものを固定点として決定し、前記固定点の振動解析により前記プラットフォームの振動を算出し、該振動を前記観測データから除去する処理を前記コンピュータに実行させればよい。

【0037】

上記振動観測プログラムにおいて、さらに、前記プラットフォームの振動および動揺が除去された前記観測データから画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する処理を前記コンピュータに実行させてよい。

【0038】

上記第２の目的を達成するため、本発明の記録媒体の一側面によれば、コンピュータに観測対象の振動または変位を観測させるための振動観測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、振動や動揺を有するプラットフォームに搭載された送信アンテナにより、観測対象に向けて送信信号を送信し、前記プラットフォームに搭載された複数の受信アンテナで前記観測対象からの反射波を受け、前記受信アンテナ毎に受信信号を生成し、前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測データを生成し、前記観測データから得られる画像中の、前記観測対象及び前記プラットフォームの振動よりも長い周期で振動するものを固定点として決定し、前記固定点の振動解析により前記プラットフォームの振動を算出し、該振動を前記観測データから除去する処理を前記コンピュータに実行させればよい。

【0039】

上記記録媒体において、さらに、前記プラットフォームの振動および動揺が除去された前記観測データから画像を生成し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する処理を前記コンピュータに実行させてよい。

【0040】

上記第２の目的を達成するため、本発明の振動観測方法の一側面によれば、振動や動揺を有するプラットフォームに搭載された送信アンテナにより観測対象に向けて送信信号を送信する工程と、前記プラットフォームに搭載された複数の受信アンテナで前記観測対象からの反射波を受け、前記受信アンテナ毎に受信信号を生成する工程と、前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測データを生成する工程と、前記観測データから得られる画像中の、前記観測対象及び前記プラットフォームの振動よりも長い周期で振動するものを固定点として決定する工程と、前記固定点の振動解析により前記プラットフォームの振動を算出し、該振動を前記観測データから除去する工程とを含めばよい。

【0041】

上記振動観測方法において、さらに、前記観測データから前記プラットフォームの前記振動および動揺を除去して前記画像を修正し、前記観測対象の全体画像に前記観測対象中の振動分布を表す画像を重畳する工程とを含んでよい。

【0042】

上記第２の目的を達成するため、本発明の振動観測システムの一側面によれば、振動や動揺を有するプラットフォームと、前記プラットフォームに搭載された振動観測手段とを備え、前記振動観測手段は、前記プラットフォームに搭載された送信アンテナにより、観測対象に向けて送信信号を送信する送信手段と、前記プラットフォームに搭載された複数の受信アンテナで前記観測対象から反射波を受け、前記受信アンテナ毎に受信信号を生成する受信手段と、前記受信信号間の位相差からアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、前記観測対象またはその特定部位の振動を表す観測データを取得する第１の処理手段と、前記第１の処理手段で得られた前記観測データより生成された画像中の、前記観測対象及び前記プラットフォームの振動よりも長い周期で振動するものを固定点として決定し、該固定点の振動解析により前記プラットフォームの振動を算出し、該振動を前記観測データから除去する第２の処理手段とを含めばよい。

【発明の効果】

【0043】

本発明の干渉型振動観測装置、振動観測プログラム、記録媒体、振動観測方法または振動観測システムによれば、次のいずれかの効果が得られる。

【0044】

(1) 二次元または三次元に広がりのある観測対象に反射器を設けることなく、観測対象から得られる複数の受信信号を用いて観測対象の振動個所と振動特性を観測することができる。大型構造物などの全体または特定部位などの部分の振動状況を把握でき、この振動状況から構造物などの維持管理を迅速かつ正確に行うことができる。観測信号から振動要因を構造物側にあるか否か、橋梁、高架道路などの構造物では通行や風などの外部要因の有無を判定することができる。

【0045】

(2) 送信アンテナからの送信波などの放射ビームをスキャニングすることなく観測対象の全体に照射し、観測対象や特定部位からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナごとに得られる受信部出力信号をデジタルビームフォーミングするので、観測対象を表す画像を高解像度で実現でき、振動計測を一定時間ごとに画像化できる。これにより、振動観測や変位観測を高精度に行うことができる。

【0046】

(3) 観測対象の１または２以上の観測点の振動特性を、同定された各観測位置からの反射波を時間列に収集して周波数変換し、解析することにより求めることができ、観測精度を高めることができる。

【0047】

(4) ヘリコプターや気球など、移動体からなるプラットフォームの飛翔などの移動を伴いながら、プラットフォームの振動や動揺の影響を回避して観測対象の振動や変位を計測することができる。たとえば、振動計測装置を設置することが困難な山岳地や島部などの対象物の振動や変位を海上や上空から容易に観測することができる。しかも、短時間で観測地点を変更し、観測対象の振動や変位を迅速且つ精緻に行うことができる。

【0048】

(5) 観測データから得られる画像上の固定点よりプラットフォームの振動や変位を演算により求め、観測データから振動や変位を除くことにより、観測対象の振動や変位を高精度に観測できる。

【0049】

そして、本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面および各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0050】

【図1】第１の実施の形態に係る振動観測システムを示す図である。

【図2】干渉型振動観測装置の一例を示す図である。

【図3】振動観測の処理手順を示すフローチャートである。

【図4】観測データの画像生成の処理手順を示すフローチャートである。

【図5】観測データ、画像、固定点および処理後の観測データを示す図である。

【図6】観測対象とプラットフォーム上の干渉型振動観測装置の関係を示す図である。

【図7】三次元出力画像を示す図である。

【図8】四次元出力画像を示す図である。

【図9】観測データから生成される画像およびその振動除去の一例を示す図である。

【図10】第２の実施の形態に係る干渉型振動観測装置を示す図である。

【図11】干渉型振動観測の処理手順を示すフローチャートである。

【図12】第３の実施の形態に係る干渉型振動観測装置の構成例を示す図である。

【図13】一次元配置受信アンテナ、二次元配置受信アンテナの一例を示す図である。

【図14】信号処理部の一例を示す図である。

【図15】振動観測の処理手順の一例を示す図である。

【図16】干渉型振動観測装置の実施例１を示す図である。

【図17】観測対象の距離の観測原理を説明するための図である。

【図18】干渉型振動観測装置の実施例２を示す図である。

【図19】パルス信号方式の観測原理を説明する図である。

【図20】パルス圧縮処理を説明する図である。

【図21】干渉型振動観測装置の実施例３を示す図である。

【図22】ＦＭＣＷ信号を説明するための図である。

【図23】受信波の受信状態を示す図である。

【図24】受信波の受信状態を示す図である。

【図25】観測装置と観測対象のターゲットの配置関係を示す図である。

【図26】ＣＷ信号方式、一次元配列受信アンテナによる振動観測出力を説明するための図である。

【図27】パルス信号方式、ＦＭＣＷ信号方式、一次元配列受信アンテナによる振動観測出力を説明するための図である。

【図28】干渉型振動観測装置の実施例４を示す図である。

【図29】干渉型振動観測装置の実施例５を示す図である。

【図30】信号処理部の信号処理を示すフローチャートである。

【図31】二次元化処理出力を説明するための図である。

【図32】三次元的配置の観測対象の観測形態を説明するための図である。

【図33】画像表示部で生成された表示画像を示す図である。

【図34】信号処理の変形例を示すフローチャートである。

【図35】第６の実施の形態に係る振動観測の一例を示す図である。

【図36】簡略化された処理手順の一例を示すフローチャートである。

【図37】第４の実施の形態に係る信号処理部の構成例を示す図である。

【図38】第５の実施の形態に係る干渉型振動観測装置の構成例を示す図である。

【図39】第７の実施の形態に係る干渉型振動観測装置の応用例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0051】

〔第１の実施の形態〕

【0052】

図１は、第１の実施の形態に係る振動観測システムの一例を示している。図示した構成は一例であって、斯かる構成に本発明が限定されるものではない。

【0053】

この振動観測システム２には干渉型振動観測装置（以下単に「観測装置」と称する）４が備えられ、図１では観測装置４がプラットフォーム６に搭載されている。プラットフォーム６はたとえば、ヘリコプターなど、振動や動揺を有する移動体である。したがって、この振動観測システム２では観測装置４を用いて振動や動揺を有するプラットフォーム６から観測対象８の振動を観測するシステムを構成している。

【0054】

観測装置４は電波Ｆｗを媒介として観測対象またはその特定部位の振動を表す観測データを取得して画像を生成し、該画像から固定点を決定し、該固定点の振動解析によりプラットフォーム６の振動や動揺を算出し、振動や動揺を観測データから除去する機能などを備える。振動や動揺を有するプラットフォーム６からの振動計測では、観測データにプラットフォーム６の振動や動揺が加わっているので、その振動や動揺を算出し、観測データからプラットフォーム６の振動や動揺を除去することで、プラットフォーム６の振動や動揺の影響を回避する。

【0055】

観測装置４を搭載するプラットフォーム６は、観測対象８に対してたとえば、上空から観測装置４を対向させる手段であればよく、既述のヘリコプターに限定されない。ドローン、飛行機などの移動体や飛翔体などであってもよい。

【0056】

観測対象８には、高層ビル８−１、家屋８−２、橋梁８−３、ダムなどの建造物、自動車８−４、戦車８−５などの移動体の何れでもよくたとえば、ヘリコプターなどのプラットフォーム６から俯瞰できれば何れでもよい。

【0057】

図２は、観測装置４の一例を示している。この観測装置４では、送信手段１０、受信手段１２、信号処理手段１４および画像表示手段１６が含まれる。

【0058】

送信手段１０は少なくともひとつの送信アンテナ１８を備え、観測対象８に向けて送信信号である電波Ｆｗを送信する。

【0059】

受信手段１２は複数の受信アンテナ２０を備え、観測対象８からの反射波Ｒを受け、受信アンテナ２０毎に受信信号を生成する。

【0060】

信号処理手段１４は処理手段の一例である。この信号処理手段１４では、送信信号を生成し、受信手段１２の受信信号を処理し、観測データを生成する。この信号処理手段１４には第１の処理手段１４−１、第２の処理手段１４−２が備えられる。

【0061】

処理手段１４−１では、受信信号間の位相差からアンテナ面に対する反射波の位相面を求めて反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの前記反射波の位相変動を算出し、観測対象８またはその特定部位の振動を表す観測データを生成する。これにより、画像表示手段１６は、処理手段１４−１で得た観測データから画像を生成し、該画像を表示する。

【0062】

処理手段１４−２では、画像から固定点を決定し、この固定点の振動解析によりヘリコプター６など、プラットフォームの振動や動揺を算出し、該振動を観測データから除去する。これにより、画像表示手段１６に得られる画像は、処理手段１４−１で得た観測データからプラットフォームの振動や動揺が除去された画像に修正される。

【0063】

図３は、振動観測の処理手順を示している。この処理手順は本発明の振動観測方法または振動観測プログラムの一例である。

【0064】

この処理手順では、観測装置４を用いて振動計測を行い（Ｓ１０１）、観測データを生成する（Ｓ１０２）。この観測データを用いて画像表示手段１６に画像２２を表示する（Ｓ１０３）。この画像２２は観測対象エリアを表している。

【0065】

この観測対象エリアの画像２２から固定点を決定する（Ｓ１０４）。この固定点は画像２２から観測対象８以外の部位や固定物をターゲットに選定すればよい。観測対象８およびプラットフォーム６の振動に対して十分長い周期で振動しているものは固定物と見做せる。たとえば、画像２２では橋梁画像２２−１、建屋画像２２−２などが表示されているが、橋梁画像２２−１を観測対象とすれば、建屋画像２２−２は、観測対象ではなく、橋梁画像２２−１に対して十分に振動が小さいと想定できるので、固定点Ｐのターゲットと成り得る。

【0066】

次に、複数の固定点データを解析する。他の固定点データと相関の無い固定点データは振動している可能性があり、固定点データから除去することで、データ精度を向上することができる

【0067】

決定された固定点Ｐの振動解析を行い、この振動解析からプラットフォーム６の振動を決定する（Ｓ１０６）。

【0068】

全観測データからプラットフォーム６の振動を除去する（Ｓ１０７）。そして、プラットフォーム６の振動を除去した観測データにより、画像２２を修正すればよい。

【0069】

図４は、観測データの画像生成の処理手順を示している。この処理手順には処理手段１４−１の振動計測（Ｓ１０１）から画像表示（Ｓ１０３）までの具体的な処理手順が含まれる。この処理手順では、振動計測の開始により、観測対象８に向けて送信信号を送信する（Ｓ１１１）。観測対象８からの反射波を受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成する（Ｓ１１２）。

【0070】

反射波の位相面を求めて反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの反射波の位相変動を算出し、観測対象またはその特定部位の振動を表す観測データを生成する（Ｓ１１３）。この観測データにより画像を生成する（Ｓ１１４）。

【0071】

図５は、観測データ、画像、固定点および処理後の観測データを示している。図５のＡ、ＣおよびＤにおいて、横軸は時間、縦軸は振幅である。

【0072】

観測装置４によれば処理手段１４−１により、図５のＡに示す観測データが得られる。プラットフォーム６の振動の影響を受け、この観測データにはその振動が含まれる。

【0073】

この観測データによりたとえば、図５のＢに示すように、画像２２が得られる。既述したように、画像２２は観測エリアを表し、この例では橋梁画像２２−１、建屋画像２２−２が含まれる。

【0074】

観測対象を橋梁８−３とすれば、この橋梁８−３を表す橋梁画像２２−１にはプラットフォーム６の振動が重畳されている。

【0075】

この画像２２から固定点Ｐを決定し、一例として建屋画像２２−２を固定点Ｐに設定する。図５のＣは、固定点Ｐの振動を示している。この固定点Ｐの振動を解析し、プラットフォーム６の振動や動揺を決定する。この固定点Ｐの振動はプラットフォーム６の振動や動揺と見做せる。

【0076】

観測データからプラットフォーム６の振動を除去する処理により、プラットフォーム６の振動や動揺の影響を除いた観測データが得られる。

【0077】

この観測データから振動や動揺を除去した後、図５のＤに示すように、処理後の橋梁８−３の振動が求められる。

【0078】

＜プラットフォーム６（移動体）の振動計測および振動補正＞

【0079】

図６は、観測対象とプラットフォーム上の干渉型振動観測装置の関係を示している。

【0080】

観測装置４に対し、ｘ軸を観測方向、ｙ軸を観測方向と直交方向とする。ｍｘは観測方向の振動成分、ｍｙは観測方向と直交方向の振動成分を表す。

【0081】

観測対象８は一例として橋梁８−３である。この場合、橋梁８−３の梁部に振動点Ｍがあり、橋桁部に固定点Ｐがある。橋梁８−３には振動強度スケール２４に従って、振動強度を濃淡により表示してある。振動点Ｍは振動が最も大きい部位、固定点Ｐは振動が最も少ない部位である。

【0082】

観測期間において、プラットフォーム６から観測対象８（ターゲット）までの観測距離に比べ、振動によるプラットフォーム６の移動量は十分小さいものとする。プラットフォーム６の振動は、観測方向成分ｍｘと、観測方向の成分ｍｘと直交する直交方向成分ｍｙに分けることができる。直交方向成分ｍｙの振動は観測対象８との距離変化に影響しない。そのため、観測画像の位相に影響しない。

【0083】

振動の観測方向成分ｍｘは、観測装置４と観測対象８との距離変化を生じさせるため、固定点Ｐからの反射波の位相が変化し、その振動が観測される。

【0084】

観測装置４には画像２２が得られ、この画像２２には観測装置４の機能により三次元画像と四次元画像が得られる。この画像２２を生成する画像信号は、観測対象８の反射点の反射強度と位相を示す複素信号で記録することができる。

【0085】

図７のＡおよびＢは、三次元出力画像を示している。

【0086】

図７のＡに示すように、距離計測機能を持つ一次元アンテナ配置で得られる出力画像では、縦軸（ｚ）に距離、横軸（ｘ）に方位、奥行きに時間軸（ｔ）を表すことができる。時間軸は時刻を表す。時間軸上に複数の画像面２６−１、２６−２・・・２６−ｎが形成される。

【0087】

図７のＢに示すように、CW信号を用いるなどの距離を表す距離計測を行わない格子状、逆T字型、L型、逆Ｔ字型などの二次元アンテナ配置で得られる出力画像では、縦軸（ｙ）に仰角、横軸（ｘ）に方位、奥行きに時間軸（ｔ）を表すことができる。同様に、時間軸（ｔ）上に複数の画像面２６−１、２６−２・・・２６−ｎが形成される。

【0088】

図８は、四次元出力画像を示している。この出力形式は送信信号にパルスやFMCW信号を用いた距離を表す距離計測を行う二次元アンテナ配置の出力画像である。各画素の値ｆは、縦軸（ｙ）に仰角、横軸（ｘ）が方位、奥行きが距離（ｚ）、さらに時刻（ｔ）により、ｆ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）で表される。

【0089】

いずれの画像形式であっても、観測対象８の固定点Ｐの位置（ｘ，ｙ，ｚ）における信号の位相をφ（ｔ）とする。

【0090】

観測装置４が搭載されたプラットフォーム６の観測方向の変位をＲ（ｔ）、観測装置４の送信波の波長をλ、観測装置４から観測対象８の固定点Ｐまでの距離をＲとすると、この固定点Ｐの位相φ（ｔ）は次式で表される。

【0091】

【数1】

【0092】

画像信号をｆ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）とし、この画像信号ｆ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）からプラットフォーム６の振動を除去する補正をした場合、振動補正後の画像信号をｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）とすると、固定点Ｐの観測信号から抽出した位相信号を用いて、

【0093】

【数2】

と表すことができる。この演算によりプラットフォーム６の振動を除去した画像を得ることができる。つまり、画像信号ｆ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）で得られる第１の画像がプラットフォーム６の振動を除去されて第２の画像に補正される。

【0094】

位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）にある観測対象８の振動Ａ（ｔ）は、式(3) から求めたその点の時系列画像信号ｇ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１，ｔ）の位相データ変化から式(4) より求めることができる。この演算により、プラットフォーム６の振動が除去された画像が得られる。
この場合、レーダでは往復距離で計測するので、2分の1波長の変動により2πの位相回転となる。

【0095】

【数3】

但し、ａｒｇは複素データの偏角を求める関数、ｕｎｗｒａｐは位相角のアンラッピングを行う関数である。

【0096】

＜画像処理の一例＞

【0097】

図９は、観測データから生成される画像およびその振動除去の一例を示している。画像２２は、プラットフォーム６に搭載された観測装置４に得られたものである。

【0098】

この画像２２には観測対象８である橋梁８−３から橋梁画像２２−１、他の観測対象８である高層ビル画像２２−３が得られている。

【0099】

橋梁８−３の振動観測ではたとえば、橋梁８−３の橋桁部の振動数をプラットフォーム６の振動として橋梁８−３の観測データ（振動データ）から差し引けばよい。

【0100】

また、高層ビル８−１の振動観測ではたとえば、高層ビル８−１の低層部の振動数をプラットフォーム６の振動として高層ビル８−１の観測データ（振動データ）から差し引けばよい。

【0101】

このように観測対象８の近傍にある静止物とみなせるターゲットを観測画像上で識別し、このポイントの観測結果（振動）が、観測装置４が搭載されたプラットフォーム６の振動を表す。
観測対象８の観測データから固定物から得られる振動値を引けば、プラットフォーム６の振動の影響を受けていない観測対象８の観測データ（振動数）が得られる。

【0102】

＜第１の実施の形態の効果＞

【0103】

第１の実施の形態によれば、次の効果が得られる。

【0104】

(1) ヘリコプターや気球などの移動体をプラットフォーム６に用いて観測対象８の振動を観測することができる。観測装置４は安定した地上に設置した場合の観測に比較し、振動観測の自由度が高い。送信アンテナ１８から発射された電波は観測対象８で反射され、観測装置４の受信手段１２に受信される。送受信号位相から観測対象８の距離を高頻度かつ精密に計測し、観測対象８の振動を観測できる。

【0105】

(2) 観測エリアはたとえば、レーダ画像として表示し、記録することができる。レーダ画像内の各観測対象８を表すターゲットはアジマス、エレベーション、距離の三次元で特定でき、微小距離の時間変化を振動として記録することができる。

【0106】

(3) 観測装置４はヘリコプターや気球などの移動体であるプラットフォーム６に搭載するので、プラットフォーム６が飛行し、移動しながら、観測対象８の振動を連続的に観測できる。これにより、観測装置４の設置が困難な山岳地や、海上、上空から、観測対象８の振動観測をすることができ、振動観測範囲を飛躍的に拡大することができる。

【0107】

(4) ヘリコプターなどの移動体をプラットフォーム６に使用し、このプラットフォーム６に観測装置４を搭載すると、プラットフォーム６の振動や動揺を受け、観測対象８側のたとえば、地上の固定物が振動しているように観測される。この振動は、プラットフォーム６の振動であるから、この振動を計測し、観測データから除去すれば、観測対象８の振動を観測できる。プラットフォーム６の振動を特定できる固定物は、観測対象８の存在する観測エリア内の何らかの固定点Ｐとなるターゲットを選定すればよい。

【0108】

(5) この振動観測では、固定点とみなせる点をできるだけ多く観測することが望ましい。斯かる多数の固定点データ間の相関をとることで、相関値が低い点は振動している可能性があるないし高いと見なして除外すればよい。これにより、観測データの観測精度を向上させることができる。

【0109】

(6) 固定点Ｐは観測対象８によって異なる。観測対８や、観測装置４を搭載しているプラットフォーム６の振動に対し、１００倍以上の長い周期で振動しているものは固定物とみなすことができる。たとえば、鉄橋、高架橋、高架道路などの建造物では数〔Ｈｚ〕から数十〔Ｈｚ〕の振動を有する。この場合、鉄筋ビルなどは０．１〔Ｈｚ〕以下の振動と考えられ、固定物と見做すことができる。

【0110】

(7) 振動特性を解析すれば、観測対象８を識別可能である。船舶のエンジンやスクリュー振動の計測には、同一の船舶の振動が小さい部分を安定点として利用可能である。船舶の特性識別が可能である。しかしながら、地滑りや地殻変動、ダムなどの大型建造物の微小変位の観測にはそれより低い安定点を確保できない場合には振動観測が困難である。

【0111】

(8) 観測対象８には高いビルなど、風などにより微妙な振動をするもの、住宅など風では振動しないもの、通行車両により振動する橋梁、バス、戦車など、エンジン振動及び走行により振動する物、橋げた、地面、道路の様に振動しない種々のものを選択できる。

【0112】

〔第２の実施の形態〕

【0113】

図１０は、第２の実施の形態に係る観測装置４を示している。図１０に示す構成は一例であって、係る構成に本発明が限定されるものではない。

【0114】

この観測装置４は、橋梁などの観測対象８またはその特定の観測部位（ターゲット）に生じる振動観測に用いられる。この振動観測には観測対象８またはそのターゲットに生じる連続した振動、不規則な振動、断続変位などの振動、または変位の観測が含まれる。

【0115】

この観測装置４には、送信部３６、受信部群３８、信号処理部４０が含まれる。送信部３６は、たとえば、単一の送信アンテナ１８を備え、この送信アンテナ１８に送信信号ｆ_Tを出力する。送信アンテナ１８から観測対象８に向けて送信波Twが送信される。この送信波Twはたとえば、マイクロ波である。

【0116】

受信部群３８は、２以上の受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎを備える。各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎが個別に受信アンテナ２０−１、２０−２・・・２０−ｎを備え、観測対象８からの反射波Rwを各受信アンテナ２０−１、２０−２・・・２０−ｎで受け、受信アンテナ２０−１、２０−２・・・２０−ｎごとに受信部出力信号として受信信号ｆ_Rが得られ、信号処理部４０に提供される。

【0117】

信号処理部４０は、受信アンテナ２０−１、２０−２・・・２０−ｎごとに受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎで得られた各受信信号を用いて、受信信号間の位相差からアンテナ面に対する反射波の位相面を求めて反射波の到来方向および信号強度を同定し、その特定方向からの反射波の位相変動を算出し、観測対象８またはその特定部位の変位または振動を表す観測信号を生成する。観測対象８は、観測対象８の全体でもよいが、観測対象８における特定の観測部位つまり、ターゲットの振動変位を対象としてもよい。

【0118】

図１１は、観測対象８の干渉型振動観測の処理手順の一例を示している。この処理手順は本発明の振動観測プログラムまたは振動観測方法の一例であり、信号処理部４０または観測装置４に搭載されたコンピュータによって実行される情報処理の一例である。この振動観測プログラムはたとえば、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に格納される。

【0119】

この処理手順では、送信部３６が観測対象８に向けて送信信号ｆ_Tを送信アンテナ１８より送信する（Ｓ２１１）。各受信アンテナ２０−１、２０−２・・・２０−ｎで反射波Rwを受け、各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎに得られる受信信号ｆ_Rから送信信号ｆ_Tの送信タイミングに同期して既述の受信部出力信号 Y(t) が生成される（Ｓ２１２）。各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎから各受信部出力信号Y(t)が信号処理部４０に提供され、信号処理部４０では観測信号を生成するための信号処理を実行する（Ｓ２１３）。

【0120】

この信号処理（Ｓ２１３）には、受信アンテナ２０−１、２０−２・・・２０−ｎごとに各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎに得られる受信部出力信号に次の処理が行われる。

【0121】

ａ）受信部出力信号間の位相差からアンテナ面に対する反射波の位相面を求め、反射波の到来方向および信号強度を同定する。

【0122】

ｂ）その特定方向からの反射波の位相変動を算出し、観測対象８またはその特定部位の振動を表す観測信号を生成する（Ｓ２１４）。

【0123】

＜第２の実施の形態の効果＞

【0124】

以上説明した第２の実施の形態によれば、次の効果が得られる。

【0125】

(1) 二次元または三次元に広がりのある観測対象８には反射器を付す必要がなく、観測対象８から得られた複数の受信信号を用いて観測対象８の振動個所と振動特性を観測できる。このため、大型構造物などの全体または部分の振動状況を把握でき、この振動状況から構造物などの維持管理を迅速かつ正確に行える。しかも、観測信号から振動要因を構造物側にあるか否か、橋梁、高架道路などの構造物では通行や風などの外部要因の有無の判定に用いることができる。

【0126】

(2) 送信アンテナ１８からの送信信号ｆ_Tを空間的にスキャニングすることなく、観測対象８の全体に照射し、各受信アンテナ２０−１、２０−２・・・２０−ｎをデジタルビームフォーミングすればよく、観測対象８を表す画像を高解像度で実現でき、振動計測を一定時間ごとに画像化できる。これにより、振動観測や変位観測を高精度に行うことができる。なお、ＦＭＣＷでは周波数をスキャンする。

【0127】

(3) 観測対象８の１または２以上のターゲットの振動特性を、同定された各観測位置からの反射波Rwによる受信信号ｆ_Rを時間列に収集して周波数変換し、解析することにより求めることができ、観測精度を高めることができる。

【0128】

(4) 信号処理部４０で生成した観測信号を用いれば、観測対象８またはその特定部位を表す画像を生成し、その振動を可視化することができる。この可視化により、観測対象８およびそのターゲットの振動を視認できる。

【0129】

(5) 観測対象８には地形の他、橋梁、高層ビル、高速道路などの大型建造物を用いることができ、これらの外観形状、その振動または変位を遠隔的に観測できる。

【0130】

(6) 観測対象８やそのターゲットに反射器などの装備を設置する必要がなく、観測対象８に反射器などの付随的な装備が不要であるから、そのための作業も不要となり、振動観測の安全性が高められる。

【0131】

(7) 送信信号ｆ_Tにはたとえば、ＣＷ（Continuous Wave ）信号、パルス信号、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave ：周波数変調連続波）信号などのいずれを用いてもよい。

【0132】

(8) 受信アンテナ列２０には複数の受信アンテナ２０−１、２０−２・・・２０−ｎをたとえば、一次元配列、二次元配列としてもよく、これらの受信アンテナ配列によって得られる受信信号の信号解析により、観測対象８およびその特定部位の二次元画像または三次元画像を得ることができる。

【0133】

〔第３の実施の形態〕

【0134】

図１２は、第３の実施の形態に係る観測装置４を示している。図１２において、図１と同一部分には同一符号を付してある。

【0135】

この実施の形態の観測装置４では、図１０に示す観測装置４の信号処理部４０の出力側に画像表示部４６を備え、信号処理部４０に得られる観測信号を用いて画像表示部４６に観測画像を表示する。画像表示部４６は、観測装置４の内部に設置してもよいし、パーソナルコンピュータなどの外部装置を用いて画像表示機能を実現してもよい。

【0136】

図１３は、この実施の形態に用いられる受信アンテナ列２０の一例を示している。受信アンテナ列２０にはたとえば、図１３のＡに示すように、一次元配列受信アンテナ２０ａとして用いてもよいし、図１３のＢに示すように、二次元配列受信アンテナ２０ｂとして用いてもよい。二次元配列受信アンテナ２０ｂでは、水平方向に配列された複数の受信アンテナ２０−１１、２０−１２、・・・２０−１ｎのアンテナ列と、垂直方向に配列された複数の受信アンテナ２０−２１、２０−２２、・・・２０−２ｎのアンテナ列とを備える。これらアンテナ列はたとえば、直交配置とすればよい。

【0137】

これら一次元配列受信アンテナ２０ａ、二次元配列受信アンテナ２０ｂに対し、送信信号方式にはＣＷ信号方式、パルス信号方式、ＦＭＣＷ信号方式の３つの方式の選択が可能である。一次元配列受信アンテナ２０ａ、二次元配列受信アンテナ２０ｂに送信信号方式を組み合わせると、表１に示す振動計測が可能である。

【0138】

【表1】

【0139】

ＦＭＣＷ方式およびパルス方式では、方位と観測対象８までの距離で、観測対象８の識別分類が可能であり、同一方向にある複数の観測対象８の同時計測が可能である。

【0140】

そして、この実施の形態では、信号処理部４０の出力側に画像表示部４６が設置されている。この画像表示部４６には信号処理部４０から出力される観測信号が提供され、観測対象８とともにその特定部位の振動を表す画像が表示される。画像表示部４６にはたとえば、パーソナルコンピュータの画像表示機能やディスプレイを用いればよい。

【0141】

信号処理部４０はたとえば、図１４に示すように、コンピュータで構成される。この例では、プロセッサ４８、メモリ部５０、基準信号生成部５２、インターフェース部５４、出力部５６が備えられる。

【0142】

プロセッサ４８は、メモリ部５０に格納されているＯＳ（Operating System）や振動観測プログラムを実行する情報処理を含み、振動観測に必要な信号処理や各種機能部の制御などを実行する。

【0143】

メモリ部５０はコンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例であり、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）を備えればよい。ＲＡＭは各種プログラムを実行するためのワークエリアを構成する。ＲＯＭはプログラムを記録する手段の一例であり、既述のＯＳや振動観測プログラムが格納され、振動観測に必要な各種データが格納される。ＲＯＭはたとえば、電気的に内容を書き換えることができるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory ）、フラッシュメモリなどの半導体メモリであってもよい。

【0144】

また、メモリ部５０はＲＡＭやＲＯＭに限らずたとえば、磁気ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＳＳＤ（solid state drive ）などのコンピュータで読み取り可能な記録媒体であってもよい。

【0145】

基準信号生成部５２はプロセッサ４８により制御され、同期信号となる基準信号を発生する。この基準信号が送信部３６および受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎに提供される。

【0146】

インターフェース部５４には受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎから出力された受信部出力信号が取り込まれる。出力部５６には振動観測プログラムの実行により得られる観測信号が出力される。

【0147】

＜振動観測処理＞

【0148】

図１５のＡは、この観測装置４による振動観測の処理手順を示している。

【0149】

この処理手順では、送信部３６から観測対象８に向け、送信アンテナ１８から送信信号を送信する（Ｓ３２１）。これにより、観測対象８から反射波が得られ、この反射波を各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎで受け、各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎで受信部出力信号を生成する（Ｓ３２２）。各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎに得られる受信部出力信号は受信部内でデジタル化されており、信号処理部４０に提供される。さらに信号処理部４０では各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎを二次元配列アンテナ２０ｂとしたときには二次元化処理が行われる（Ｓ３２３）。一次元配列アンテナ２０ａを用いた場合には、二次元化処理（Ｓ３２３）を省略すればよい。

【0150】

この処理では、観測装置４の受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎと観測対象８までの距離が近距離か遠距離かの判定を行う（Ｓ３２４）。近距離であれば、参照関数乗算による画像化処理を行い（Ｓ３２５）、遠距離であれば、２ＤＦＦＴ（2-Dimensional Fast Fourier Transform：二次元高速フーリエ変換）処理を用いた画像化処理を行う（Ｓ３２６）。Ｓ３２５またはＳ３２６に続き、クリーン処理を行い（Ｓ３２７）、振動解析のための観測時間が終了かを判断する（Ｓ３２８）。L字、またはT字型のように、格子状以外の二次元アンテナ配列を用いた場合、この段階では擬象を含むダーティ画像である。そこでこの擬象を除去するクリーン処理を行う。クリーン処理の処理手順の詳細はたとえば、非特許文献３に記載された処理を行えばよい。

【0151】

このクリーン処理の後、観測時間の終了前（Ｓ３２８のＮＯ）、Ｓ３２１に戻り、Ｓ３２１からＳ３２８までの処理を継続して実行する。この観測時間において、解析する最低振動数の１周期以上の期間に相当する画像を蓄積する。この観測時間が終了すれば（Ｓ３２８のＹＥＳ）、参照関数乗算処理（Ｓ３２５）または２ＤＦＦＴ処理（Ｓ３２６）の出力に振動処理を施し（Ｓ３２９）、出力される観測信号により画像化処理を行う（Ｓ３３０）。これらの各処理は後述する。

【0152】

＜ポラメトリー機能＞

【0153】

観測対象８やそのターゲットの形状、構造により垂直偏波または水平偏波に対し強力な反射特性が知られている。観測対象８の構造によっては、偏波が変換される場合もある。すべての観測対象８やそのターゲットの反射波Rwを計測し、観測対象８の振動や変位の観測精度を上げるには両偏波、変換された偏波も受信可能であることが望ましい。

【0154】

図１５のＢは、送信アンテナ１８および受信アンテナ２０−１、２０−２・・・２０−ｎに具備させるポラメトリー機能を示している。送信アンテナ１８には水平（Ｈ）偏波、垂直（Ｖ）偏波の両偏波を切り替えて送信可能とし、受信アンテナ２０−１、２０−２・・・２０−ｎでは、水平偏波、垂直偏波の同時受信を可能にする。つまり、送受信タイミングでは、繰返し周期ごとに各偏波を交互に送信し、両偏波を同時に受信する。

【0155】

図１５のＢにおいて、ＨおよびＶの同時受信では、受信系および信号処理部４０が同じ数（Ｈ系用、Ｖ系用）だけ必要になる。Ｈ系、Ｖ系の信号処理部４０から出力される観測信号は画像表示部４６で合成され、観測画像が表示されることになる。

【0156】

＜実施例１：ＣＷ信号方式＞

【0157】

図１６は、ＣＷ信号方式の観測装置４−１を示している。図１６において、図１２と同一部分には同一符号を付してある。

【0158】

信号処理部４０にある基準信号生成部５２は、周波数安定度の高い基準信号を生成し、送信部３６、受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎに供給する。送信部３６のＣＷ信号生成部５８は、基準信号生成部５２から受けた基準信号を用いて送信周波数のＣＷ信号を生成する。

【0159】

このＣＷ信号は、電力増幅部６０で所定レベルに増幅された後、方向性結合器６２を通して送信アンテナ１８に供給される。このＣＷ信号が送信信号として観測対象８に向けて照射される。

【0160】

送信信号の一部が方向性結合器６２で分岐されて分配回路６４から各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎに分配される。この送信信号が各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎのローカル信号に使用される。

【0161】

送信アンテナ１８から観測対象８に送信信号が照射されると、観測対象８から送信信号により反射波が生じ、この反射波が各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎに入力され、受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎごとに受信信号が得られる。

【0162】

受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎで得られた受信信号は、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier ：低雑音増幅器）６６で増幅された後、周波数混合器（ＭＩＸＥＲ）６８−１、６８−２に加えられる。ＭＩＸＥＲ６８−１では受信信号と、移相器７０でπ／２だけ位相をシフトさせた送信信号とをミキシングする。ＭＩＸＥＲ６８−２では受信信号と送信信号とをミキシングする。これにより、複素信号化（Ｉ，Ｑ）したローカル信号で中間周波数に周波数変換が行われ、中間周波信号が得られる。各中間周波信号はＬＰＦ（Low Pass Filter ：低域通過フィルタ）７２−１、７２−２を通過させた後、中間周波増幅部７４−１、７４−２で所定レベルまで増幅し、アナログ・デジタル変換器（以下「Ａ／Ｄ」と称する）７６−１、７６−２で基準信号に同期したタイミングでデジタル信号に変換されて前処理部７８に提供される。

【0163】

前処理部７８では、１回の観測周期分、デジタル信号を積分し、雑音を低減する。これにより、各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎの前処理部７８の出力信号が信号処理部４０に出力される。

【0164】

図１７は、観測対象８における反射体８−１１と、送信アンテナ１８および受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎのいずれかの関係を示す。この場合、送信アンテナ１８および受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎと反射体８−１１の距離は、送信アンテナ１８と受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎ間の距離に比べて十分大きいとする。

【0165】

ここで、送信アンテナ１８から反射体８−１１の位置Ａ点までの距離をＲ_T、同様に受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎから反射体８−１１の位置Ａ点までの距離をＲ_Rとする。

【0166】

反射体８−１１が振幅ΔＬ、振動周期ω₀ で振動しているとする。ここで、振動周期ω₀ はたとえば、１〔ｋＨｚ〕程度以下の周波数とする。送信周波数をω_c とすると、送信信号ｆ_Tと受信信号ｆ_Rは以下のように表わされる。

【0167】

【数4】

【0168】

【数5】

反射体８−１１が振動しているとき、各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎで得られる受信信号は、反射体８−１１の振動の影響を受け、以下のようになる。

【0169】

【数6】

この受信信号をＬＮＡ６６で増幅し、複素信号化（Ｉ，Ｑ）したローカル信号で周波数変換し、ＬＰＦ７２−１、７２−２で低域成分を抽出すると、既述の中間周波信号ｆ_ifは、

【0170】

【数7】

となる。この中間周波信号ｆ_if は、送信周波数ω_c を振動周期ω₀ の振幅で位相変調した信号形式になっている。

【0171】

この中間周波信号を中間周波増幅部７４−１、７４−２で増幅し、Ａ／Ｄ７６−１、７６−２でデジタル信号に変換する。振動周期ω₀ がたとえば、１〔ｋＨｚ〕以下のとき、Ａ／Ｄ変換の周波数がたとえば、２〔ｋＨｚ〕であれば、観測対象８の振動を観測できる。２〔ｋＨｚ〕より高いサンプル周波数でサンプルした場合には、データを前処理部７８で積分して２〔ｋＨｚ〕まで低減させればよい。これにより、Ｓ／Ｎ（Signal to Noise Ratio ：信号対雑音比）を向上させることができる。

【0172】

＜実施例２：パルス信号方式＞

【0173】

図１８は、パルス信号方式の観測装置４−２を示している。図１８において、図１２と同一部分には同一符号を付してある。

【0174】

信号処理部４０にある基準信号生成部５２が周波数安定度の高い基準信号を生成し、送信部３６および各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎに供給する。

【0175】

この観測装置４−２の送信部３６では、基準信号生成部５２から提供される基準信号により、チャープ信号生成部８０が線形チャープ信号を生成し、キャリア信号生成部８２で送信周波数のキャリア信号を生成する。線形チャープ信号は、各ＭＩＸＥＲ８４−１、８４−２に加えられる。ＭＩＸＥＲ８４−１では線形チャープ信号とキャリア信号とをミキシングする。ＭＩＸＥＲ８４−２では線形チャープ信号と、移相器８６でπ／２だけ位相をシフトさせたキャリア信号とをミキシングする。これにより、送信信号であるチャープパルス信号がキャリア信号で送信周波数に変換され、送信信号が得られる。この送信信号が電力増幅部８８で所定のレベルに増幅された後、送信アンテナ１８に供給され、観測対象８に向けて照射される。

【0176】

このパルス信号方式では、キャリア信号生成部８２で生成されたキャリア信号が分配回路６４により各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎに分配される。各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎではこのキャリア信号がローカル信号に使用される。

【0177】

観測対象８からの反射波を各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎで受け、各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎから受信信号が得られる。各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎでは、受信信号がローカル信号により周波数変換され、中間周波信号が得られる。中間周波信号は、所定のレベルまで増幅後、Ａ／Ｄ変換器７６−１、７６−２でデジタル信号に変換される。このパルス信号方式において、各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎは、既述のＣＷ信号方式の観測装置４−１と同様であるので、同一符号を付しその説明を割愛する。

【0178】

このようなパルス信号方式の観測装置４−２では、一般的なレーダと同様にパルス圧縮技術を使用でき、このパルス圧縮技術を用いれば、レンジ分解能を向上させることができる。

【0179】

図１９は、パルス信号方式の送信信号の様子を示している。図１９のＡは送信信号の周波数変化、図１９のＢは送信信号の振幅変化を示している。

【0180】

このパルス信号方式では、送信信号ｆ_T (t)が、チャープ率をｋとすると、

【0181】

【数8】

と表すことができる。

【0182】

このパルス信号方式において、ＣＷ信号方式の受信信号と同様に図１７に示したように、振動している観測対象８の反射体８−１１からの受信信号を求めてみる。

【0183】

送信アンテナ１８から反射体８−１１の位置Ａ点までの距離をＲ_T、同様に受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎから反射体８−１１の位置Ａ点までの距離をＲ_Rとする。反射体８−１１は振幅ΔＬ、振動周期ω₀ で振動しているとする。ここで、振動周期ω₀ はたとえば、１〔ｋＨｚ〕程度以下で、送信周波数Ｆ_Cと比べて十分に低い周波数とすればよい。

【0184】

この場合、受信信号ｆ_R（ｔ）は次式で表わされる。

【0185】

【数9】

【0186】

この受信信号をＬＮＡ６６で増幅し、キャリア信号を分離し、複素信号化したローカル信号で周波数変換した後、ＬＰＦ７２−１、７２−２で低域成分を抽出すると、中間周波信号ｆ_if が得られる。

【0187】

【数10】

【0188】

この中間周波信号ｆ_ifを中間周波増幅部７４−１、７４−２で増幅し、Ａ／Ｄ７６−１、７６−２でデジタル信号に変換し、前処理部７８でチャープ信号のパルス圧縮を行った後、信号処理部４０に出力する。

【0189】

図２０は、前処理部７８のパルス圧縮処理を示している。図２０において、Ａはパルス圧縮処理、Ｂはパルス圧縮処理で得られる出力を示している。

【0190】

このパルス圧縮処理は、チャープ信号f(t)および参照関数g(τ) の相関により行われる。参照関数g(τ) はチャープ信号f(t)における送信チャープ関数の共役関数であり、以下の式で表される。

【0191】

【数11】

【0192】

【数12】

【0193】

各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎにおける受信信号の各レンジに対する処理は、ＣＷ信号方式の処理と同じである。ただし、観測対象８と受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎとの距離ごとに反射体８−１１の方位検出処理が行われる。これは反射点であってもよい。

【0194】

＜実施例３：ＦＭＣＷ信号方式＞

【0195】

図２１は、ＦＭＣＷ信号方式の観測装置４−３を示している。図２１において、図１２または図１６と同一部分には同一符号を付してある。

【0196】

このＦＭＣＷ信号方式ではたとえば、ＦＭＣＷレーダと同様に送信信号周波数を線形ＦＭ信号として広帯域に走査してレンジ分解能を向上させることができる。

【0197】

信号処理部４０にある基準信号生成部５２は、周波数安定度の高い基準信号を生成し、送信部３６、受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎに供給する。

【0198】

送信部３６のＦＭＣＷ信号生成部９０は、基準信号生成部５２から提供される基準信号をもとに、送信帯域幅を線形に周波数走査が施されたＦＭＣＷ信号を生成する。

【0199】

このＦＭＣＷ信号は、電力増幅部６０で所定のレベルに増幅された後、方向性結合器６２を通して送信アンテナ１８に供給され、送信アンテナ１８により観測対象８に向けて照射される。

【0200】

送信信号の一部は分配回路６４に加えられ、この分配回路６４で各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎに分配される。この送信信号は、各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎでローカル信号として使用される。

【0201】

ＦＭＣＷ信号方式では送信信号に連続波が用いられ、送信信号の送信および受信信号の受信が同時に行われる。送受信を同時に行うため、送信アンテナ１８の送信信号が直接波として受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎに廻り込まないように対策する必要がある。たとえば、送信アンテナ１８と各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎとの間に距離を設定すればよい。つまり、送信アンテナ１８と各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎとが干渉しない程度の間隔を持たせた配置とすればよい。

【0202】

送信アンテナ１８により観測対象８に照射された送信信号は観測対象８で反射し、その反射波を受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎで受け、受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎごとに受信信号が得られる。各受信信号は、ＬＮＡ６６で増幅された後、ＭＩＸＥＲ６８でローカル信号（送信信号を分岐し、分配したもの）とミキシングされて周波数変換され、中間周波信号に変換される。この中間周波信号からＬＰＦ７２で低域成分が抽出され、この低域成分信号が所定のレベルまで中間周波増幅部７４で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器７６でデジタル信号に変換され、このデジタル信号が前処理部７８に提供される。前処理部７８では、提供されたデジタル信号からＦＦＴ処理によりレンジ空間に対応した周波数領域を持つデジタル信号に変換される。このデジタル信号が受信部出力信号として信号処理部４０に提供される。

【0203】

図２２は、送受信信号の様子を示している。図２２において、Ａは送受信信号の周波数変化、Ｂは受信部内のミキサー出力信号の周波数を示している。つまり、送受信アンテナから観測対象点までの往復距離だけ、受信信号が遅れるので、この受信信号遅れにより送信信号と受信信号間に周波数差が生じる。この周波数差がミキサー出力信号の周波数になる。

【0204】

ＦＭＣＷ信号方式の送信信号ｆ_T(t)は、チャープ率をk とすると次式で示される。

【0205】

【数13】

【0206】

ＣＷ信号方式の受信信号と同様に図１７に示すように、振動している観測対象８の反射体８−１１からの受信波を求めてみる。送信アンテナ１８から反射体８−１１の位置Ａ点までの距離をＲ_T、同様に受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎから反射体８−１１の位置Ａ点までの距離をＲ_Rとする。

【0207】

反射体８−１１は振幅ΔＬ、振動周期ω₀ で振動しているとする。ここで、振動周期ω₀ はたとえば、１〔ｋＨｚ〕程度以下で、送信周波数Ｆ_Cに比べて十分に低い周波数とすればよい。送信周波数をFc、チャープ率をk とすると、受信信号ｆ_Rは以下のように表される。

【0208】

【数14】

【0209】

この受信信号をＬＮＡ６６で増幅した後、送信信号を分岐したローカル信号で周波数変換し、ＬＰＦ７２で低域部分を抜き出すと、以下のような中間周波信号ｆ_ifとなる。

【0210】

【数15】

【0211】

この中間周波信号ｆ_ifを中間周波増幅部７４で増幅、Ａ／Ｄ７６でデジタル信号に変換し、前処理部７８では、ＦＭＣＷ信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）により周波数変換することで、各距離の信号成分が抽出される。

【0212】

【数16】

【0213】

各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎで得られる受信信号の各レンジに対する処理は既述のＣＷ信号方式での処理と同様である。ただし、このＦＭＣＷ信号方式では、距離ごとに反射体８−１１の方位検出処理を行う。この方位検出処理では、各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎの各受信信号から方位合成を行う。

【0214】

＜方位合成＞

【0215】

この方位合成について、図２３を参照する。図２３では、単一の送信部３６と、６台の受信部３８−１、３８−２、・・・３８−６を用いた観測装置４を想定している。

【0216】

送信アンテナ１８から距離Ｒ_Tだけ離れた観測対象８に送信信号を照射する。観測対象８から得られる反射波は受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−６に受信される。既述のＣＷ信号方式、パルス信号方式、ＦＭＣＷ信号方式のいずれであっても、各受信部３８−１、３８−２、・・・３８−６の出力信号は、観測対象８から送信アンテナ１８、受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−６までの総距離R により、

【0217】

【数17】

で表される。但し、

【0218】

【数18】

である。式(18)において、n は、受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−６に付したアンテナ番号であり、１〜６とする。

【0219】

振動周波数は低いものとし、その値は図２２のＡに示す繰返し周期ＰＲＴ内で一定値とみなせるとすれば、式(18)は、

【0220】

【数19】

に書き換えることができる。これらの受信部３８−１、３８−２、・・・３８−６の出力信号は、信号処理部４０で参照関数と相関処理される。これにより、信号処理部４０では、方位分解能に応じた信号成分が抽出される。

【0221】

この方位分解能は次のように求めることができる。各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−６が等距離d で、１列状態であるとすれば、さらに両端にd/2 の効果があると考えられる。この場合、受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−６の実効的な全体の開口長D は、
D＝5 ×d ＋d ・・・(20)
となる。

【0222】

このような全体の開口長D を持つ受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−６では、期待できる方位分解能θ_RES は送信信号の波長をλとすると、
θ_RES ＝λ／D ・・・(21)
となる。送信アンテナ１８および各受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−６のそれぞれの開口長を等しいものとし、それぞれの開口長をｄ₀とすると、観測範囲θ₀ は、
θ₀ ＝λ／d₀ ・・・(22)
で表される。

【0223】

ＣＷ信号方式では、距離の分離識別ができないので、一方向に単独の反射点しかない場合に使用可能である。

【0224】

受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−６の中心位置から観測範囲θ₀ 、距離R₀の扇型線上の点について、方位分解能θ_RES ごとに参照関数g(Ｒ，n ，θ) を生成する。この参照関数g(Ｒ，n ，θ) は、

【0225】

【数20】

で表される。ここで、Rx(R，n ，θ) は送信アンテナ１８から距離R 、方位θにある反射点、さらにn 番目の受信アンテナ２０−ｎまでの総距離である。

【0226】

中間周波信号ｆ_if(R ，n)と参照関数g(R ，n ，θ) の共役関数と相関処理することで、方位分解能ごとの信号h(R ，θ) が抽出される。この信号h(R ，θ) は、

【0227】

【数21】

と表される。

【0228】

観測対象８にひとつの観測点としてターゲットを想定すると、このターゲットまでの距離が展開したアンテナの全体の開口長D に比べて遠方であれば、ターゲットまでの送信信号波は無限遠から到来すると考えられる。この場合、参照関数処理はより簡単なＦＦＴに置き換えることが可能である。一般的にはこの距離は遠方界と呼ばれる領域で、展開されたアンテナの全体の開口長をD 、波長をλとすれば、

【0229】

【数22】

となる。この場合、図２４に示すように、各アンテナ間の位相差は、観測対象８までの距離に無関係で受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−６のアンテナ面に対する角度で決定される。中間周波信号ｆ_if(n)をＦＦＴ処理すれば、周波数成分h(f)が方位方向の信号に変換される。ＦＦＴ出力の周波数をf とすると、方位θは、

【0230】

【数23】

【0231】

【数24】

となり、観測対象８の反射体の信号を含む特定の方位の信号を時系列に解析することで、観測対象８の振動特性として、その振動周期、振動振幅を求めることができる。

【0232】

＜観測対象８の態様と観測装置４を用いた振動観測＞

【0233】

観測対象８の態様と振動観測について、図２５、図２６および図２７を参照する。図２５は、なだらかな斜面上に二つの反射点としてターゲットＡ、Ｂが存在し、それぞれが方位Ａ、方位Ｂに存在する場合を示している。

【0234】

図２６は、ＣＷ信号方式の観測装置４−１を使用し、距離情報を含まない受信系出力を信号処理部４０で処理した例を示している。この例では、方位Ａと方位Ｂの各信号成分は各ターゲットＡ、Ｂの振動により時間軸上で変化している。

【0235】

図２７は、図２５に示すターゲットをパルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎにより、一次元配列受信アンテナ２０ａを用いて観測した例を示している。

【0236】

この場合、１回観測ごとに方位と距離の二次元空間上にターゲットＡ、Ｂがマッピングされ、送受信のくり返し周波数がターゲットＡ、Ｂの振動周波数の２倍以上であれば、ターゲットＡ、Ｂの振動情報を含む位相データの解析により、観測対象８の振動特性を観測することができる。

【0237】

＜三次元合成＞

【0238】

図２８は、一次元配列受信アンテナ２０ａを用いた観測装置４の一例であり、この観測装置４は既述のＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式のいずれであってもよい。図２８において、図１２と同一部分には同一符号を付してある。この場合、信号処理部４０の出力側にある画像表示部４６にはたとえば、パーソナルコンピュータ９２が用いられている。パーソナルコンピュータ９２のディスプレイ９４には観測信号により生成された画像が表示される。この場合、画像表示部４６から出力される制御信号が信号処理部４０の基準信号生成部５２に加えられ、基準信号の生成に用いられる。

【0239】

大型構造物などの観測対象８の高さ方向の位置同定を行う場合には、二次元配列受信アンテナ２０ｂを用いて観測すればよい。観測対象８内にある個々の構造物の位置の同定は、受信アンテナ２０−１、２０−２、・・・２０−ｎのアジマス（以下「ＡＺ」と称する）角と、エレベーション（以下「ＥＬ」と称する）とで行うことができる。

【0240】

図２９は、二次元配列受信アンテナ２０ｂを用いた観測装置４の一例であり、この観測装置４も既述のＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式のいずれであってもよい。図２９において、図２８と同一部分には同一符号を付してある。

【0241】

一次元配列受信アンテナ２０ａを用いた観測装置４では、図３０のＡに示すように、受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎから各受信部出力信号を受け、観測対象８が近距離か遠距離かによる設定を行う（Ｓ４１１）。近距離では参照関数乗算処理を行い（Ｓ４１２）、遠距離ではＦＦＴ処理を行う（Ｓ４１３）。これらの処理結果に振動処理を行い（Ｓ４１４）、画像化処理を実行する（Ｓ４１５）。これにより、観測対象８およびその特定位置の振動画像が得られる。

【0242】

この場合、一次元配列受信アンテナ２０ａでは、受信信号を参照関数乗算処理（Ｓ４１２）またはＦＦＴ処理（Ｓ４１３）により観測対象８からの反射波の方位を特定することができる。送信部３６は、観測対象８に送信信号を発生すると同時に、受信部３８−１、３８−２・・３８−ｎは送信信号と同期した受信タイミングを制御するためのローカル信号が分配される。そこで、基準信号生成部５２は、送信部３６、受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎおよび信号処理部４０の各部に同期信号を提供する。信号処理部４０の各部は、基準信号生成部５２からのタイミング信号を入力として、近距離観測の場合は参照関数乗算を実施し、反射波Rwの各方位を同定する。また、遠距離観測の場合は、ＦＦＴ処理にて受信部出力信号を周波数変換し、反射波Rwの各方位を同定する。その後、振動処理にて観測対象８の各点の振動特性を算出する。

【0243】

二次元配列受信アンテナ２０ｂを用いた観測装置４では、図３０のＢに示すように、受信部３８−１１、３８−１２、・・・３８−１ｎから出力される各受信部出力信号、受信部３８−２１、３８−２２、・・・３８−２ｎから出力される各受信部出力信号を用いて二次元化処理（Ｓ４２１）を行う。つまり、二次元配列受信アンテナ２０ｂを用いた場合には、縦軸方向に置かれた受信アンテナ２０−２１、２０−２２、・・・２０−２ｎの出力信号と横軸方向に置かれた受信アンテナ２０−１１、２０−１２、・・・２０−１ｎの出力信号を各アンテナ位置に対応した2次元アドレスのメモリ上に格納することにより二次元配列の出力信号が生成される。この場合、観測対象８が近距離か遠距離かによる設定を行う（Ｓ４２２）。近距離では参照関数乗算処理を行い（Ｓ４２３）、遠距離では２ＤＦＦＴ処理を行う（Ｓ４２４）。これらの処理で得られるダーティ画像にクリーン処理（Ｓ４２５）を行った後、振動処理を行い（Ｓ４２６）、画像化処理を実行する（Ｓ４２７）。これにより、観測対象８およびその特定位置の振動画像が得られる。

【0244】

二次元配列受信アンテナ２０ｂでは、図２９に示すように、アンテナおよび受信系統をＬ型に配置する。この場合、アンテナおよび受信系統をＴ型に配置してもよい。いずれの場合も、観測対象８の三次元画像化が可能となる。

【0245】

受信部３８−１１、３８−１２、・・・３８−１ｎと、受信部３８−２１、３８−２２、・・・３８−２ｎとの動作タイミングは、既述の処理と同様に信号処理部４０の基準信号生成部５２で生成された基準信号をローカル信号に用いて制御される。また、信号処理部４０では二次元化処理により観測対象８の各点の位置の同定並びに振動特性解析が行われる。

【0246】

この場合、送信アンテナ１８の送信と受信アンテナ２０の受信とが同時刻に行われるため、送信信号が受信側に廻り込まないように、送信アンテナ１８と受信アンテナ２０とが干渉しない程度に分離設置される。また、観測画像における方位分解能は、最も離れて設置された受信アンテナ列２０側のアンテナ間距離により決定される。また観測可能な視野角は、各受信アンテナ列２０の各アンテナビーム幅により決定される。

【0247】

したがって、二次元配列受信アンテナ２０ｂを用いた観測処理では、参照関数処理、または二次元ＦＦＴ処理により決定されたＡＺ角、ＥＬ角と各受信部３８−１１、３８−１２、・・・３８−１６、３８−２１、３８−２２、・・・３８−２６で処理された距離情報を使用し、同定された位置からの反射波の位相履歴をＦＦＴ処理による周波数解析により、観測対象８の全体における振動特性が得られる。

【0248】

二次元配列受信アンテナ２０ｂを横軸方向に６基の受信アンテナ２０−１１、２０−１２、・・・２０−１６、縦軸方向に６基の受信アンテナ２０−２１、２０−２２、・・・２０−２６を逆T字に配置した場合を想定する。

【0249】

この場合の受信部３８−１１、３８−１２、・・・３８−１６、３８−２１、３８−２２、・・・３８−２６の各受信部出力信号を二次元化する場合、後述のたとえば、図３５のＢに示すように、格子点（ｎ，ｍ）における出力信号が生成される。

【0250】

この場合の出力信号は、パルス方式あるいはFMCW信号方式ではレンジ圧縮後のあるレンジにおける信号強度と位相を表し、反射波の位相面を表しており、一種のホログラムとなっている。この格子点の数は、受信アンテナ２０−１１、２０−１２、・・・２０−１６、２０−２１、２０−２２、・・・２０−２６の縦と横の設置格子点数の積となる。

【0251】

二次元配列受信アンテナ２０ｂにおいて、横軸方向の受信アンテナ列の受信部３８−１１、３８−１２、・・・３８−１６の出力をｈ_AZ，ｈ_EL、縦軸方向の受信アンテナ列の受信部３８−２１、３８−２２、・・・３８−２６の出力をh_EL(R ，m ，t)とする。ここでn 、m はそれぞれ横軸方向、縦軸方向のアンテナ番号、R は観測対象８とアンテナ間の距離とする。二次元化出力h(m ，n ，R ，t)は
h(m ，n ，R ，t)= h_AZ(R, m₀,n, t) + h_EL(R,m,n_0,t) ・・・(28)
ここで、ｎ₀，ｍ₀はそれぞれ縦方向アンテナの横位置、横方向アンテナの縦位置を示 す。
この二次元データを処理する参照関数は、ターゲット位置から二次元アンテナ配列の各アンテナまでの距離から求められる位相関数となる。

【0252】

【数25】

【0253】

【数26】

【0254】

【数27】

この参照関数の共役関数と二次元化処理された受信信号の複素乗算和を求め、さらにクリーン処理で擬象を除去することにより、特定方向の特定の距離におけるターゲットの状況を解析することができる。

【0255】

【数28】

一次元処理と同様に観測対象８が遠距離にある場合は、二次元ＦＦＴ処理（２ＤＦＦＴ）を行うことで、そのターゲットの方向を同定することができる。

【0256】

＜振動解析＞

【0257】

図３２は、パルス方式またはＦＭＣＷ信号方式の観測装置４において、二次元配列受信アンテナ２０ｂを用いた場合の振動解析例を示している。

【0258】

この場合、観測ごとに方位とＥＬ、距離の三次元の位置情報と共に反射信号の振幅と位相で表されるターゲットの信号が記録される。その各ターゲットの振幅位相情報を時系列に解析することで、観測範囲内の任意の位置の微小変位や、動揺、振動を計測することができる。

【0259】

大型構造物などの観測対象８の任意の点の振動を解析するには、既述の二次元配列受信アンテナ２０ｂを使用し、観測対象８内にある個々の構造物の全ての点の反射波の位相履歴をＦＦＴ処理し、周波数解析すれば、観測対象８の全体における振動特性が求められる。

【0260】

＜画像表示＞

【0261】

図３３は、観測画像表示の一例を示している。既述のパーソナルコンピュータ９２のディスプレイ９４には、信号処理部４０の観測データから生成された画像２２が表示されている。この画像２２上には観測データに含まれる橋梁を表す橋梁画像２２−１と、振動を表す振動画像が含まれる。この振動画像の振動はグレースケールによって表され、この振動状態を視覚的に比較認識するためのグレースケールとして振動強度スケール２４が表示されている。橋梁画像２２−１の濃淡状況は、画像によって橋梁各部の振動強度分布を表している。この例では、濃淡の濃い部分は観測された振動が弱く、淡い部分は振動が強いことを示している。このような画像２２から観測対象８の形状、そのグレースケール表示により観測対象８およびその特定部位における振動態様や変位が可視化され、この例では、濃淡状態から振動形態を視認することができる。

【0262】

＜レンジ圧縮＞

【0263】

図３４は、既述のレンジ圧縮処理を含む処理手順の一例を示している。この処理手順では、図１５のＡに示す処理手順と同様に、送信（Ｓ５３１）、受信（Ｓ５３２）の処理の後、各受信信号に対してアナログ・デジタル（ＡＤ）変換処理が行われる（Ｓ５３３）。このＡＤ変換処理の後、レンジ圧縮処理が実行される（Ｓ５３４）。このレンジ圧縮処理の後、二次元化処理（Ｓ５３５）、近距離・遠距離の判定（Ｓ５３６）、近距離の場合には参照関数乗算処理（Ｓ５３７）、遠距離の場合には２ＤＦＦＴ処理（Ｓ５３８）、クリーン処理（Ｓ５３９）、観測時間の判定（Ｓ５４０）、振動処理（Ｓ５４１）および画像化処理（Ｓ５４２）が実行される。これらの処理は既述の処理（図１５）と同様であり、一次元配列受信アンテナ２０ａを用いた観測装置４では二次元化処理（Ｓ５３５）とクリーン処理を省略すればよい。

【0264】

＜参照関数＞

【0265】

参照関数は、図３１に示す各格子点を計測しようとするターゲット位置とすると、その格子点からの反射を受信した場合の受信系の出力信号である。パルス方式、FMCW方式など距離計測を行う場合、レンジ圧縮後のそのターゲット位置のレンジに相当する信号が参照関数となる。たとえば、１点のターゲットを処理するための参照関数は、アンテナが横配列６台。縦配列６台であれば、各アンテナ出力のターゲットがある特定のレンジ出力１２データから構成されることになる。画像化しようとするターゲットエリアが左右（方位方向）１００ｍ上下（仰角方向）５０ｍ、奥行き（距離方向）９０ｍで１ｍ画素間隔の画像を処理するための参照関数のデータ数は１００（横）×５０（上下）×９０（距離）×１２（データ数）となる。

【0266】

この参照関数の演算処理では、生成される参照関数と二次元化処理からの出力信号のひとつとを乗算すれば、出力画像エリアの各格子点の出力画像が得られる。ただしこの段階の画像に擬象を多く含んでいれば、この擬象をクリーン処理で除去し、真の画像のみ抽出すればよい。

【0267】

観測対象８が、遠距離にある場合は、二次元ＦＦＴ処理（２ＤＦＦＴ）で、二次元化処理からの出力信号を二次元ＦＦＴ処理の後、同様にクリーン処理を行う。これにより、観測対象８からの出力信号の位置が同定される。

【0268】

〈二次元アンテナ配列を用いた振動観測の一例〉

【0269】

図３５のＡおよびＢは、二次元アンテナ配列を用いた振動観測の処理方式の一例を示している。この処理方式では、図３５のＡに示すように、観測装置４から観測対象８のたとえば、橋梁８−３に対し、送信波Ｔｍを送信し、橋梁８−３から得た反射波Ｒｍを観測装置４の受信部群３８で受信している。この方式は第１の実施の形態ないし第５の実施の形態と同様である。この実施の形態では、受信アンテナ２０は複数の受信アンテナをＴ型配列としたものである。水平方向には受信アンテナ２０−３１、２０−３２・・・２０−３ｎが配列され、垂直方向には受信アンテナ２０−４１、２０−４２・・・２０−４ｎが配列されている。

【0270】

この実施の形態では、観測装置４には受信信号を二次元情報とするために、Ｈ配列受信信号と、Ｖ配列受信信号とを用いることにより、図３５のＢに示す各格子点（ｍ×ｎ）での受信データが生成される。アンテナがない格子点は０となる。また、近距離の処理では、参照関数も二次元情報とするため、二次元化処理と同様に（ｍ×ｎ）のデータを発生させている。

【0271】

図３６は、この実施例の処理手順の一例を示している。この処理手順では、上記実施の形態の二次元化処理を除き、受信データはＴ字型格子点上にのみ存在する処理としてもよい。この場合、参照関数は受信データと同様にＴ型型格子点でのみ生成し、受信データとの参照関数の乗算処理を行えばよい。

【0272】

この処理手順では、送信（Ｓ６２１）、受信（Ｓ６２２）を経て二次元化処理（Ｓ６２３）を行う。送信（Ｓ６２１）および受信（Ｓ６２２）は上記実施の形態で説明したので、割愛する。

【0273】

二次元化処理（Ｓ６２３）の後、受信信号をアンテナの受信位置に相当する二次元格子点に対応させる。次に、近距離か遠距離かの判定を行い（Ｓ６２４）、近距離であれば参照関数の演算処理を行い（Ｓ６２５）、遠距離であれば２ＤＦＦＴ処理を行う（Ｓ６２６）。

【0274】

参照関数の演算処理（Ｓ６２５）では既述のｍ×ｎの参照関数乗算を行う。そして、Ｓ６２５またはＳ６２６の処理を経てクリーン処理（Ｓ６２７）を行い、振動解析のための観測時間が終了したか否かの判定を行う（Ｓ６２８）。観測時間が終了していなければ（Ｓ６２８のＮＯ）、観測時間が終了するまで、Ｓ６２１〜Ｓ６２８の処理を継続して行う。

【0275】

観測時間が終了すれば（Ｓ６２８のＹＥＳ）、振動処理（Ｓ６２９）、画像化処理（Ｓ６３０）を実行し、この処理を終了する。

【0276】

このような処理手順によれば、参照関数の生成、参照関数の乗算処理演算量を大幅に低減でき、処理精度や性能は上記実施の形態と同様である。

【0277】

＜第３の実施の形態の特徴点や効果＞

【0278】

この第３の実施の形態によれば、次のいずれかの効果が得られる。

【0279】

(1) 二次元または三次元の広がりを持つ観測対象８の形状の画像化と同時に対象全体の微小な振動およびその振幅の周期などを、レーダ技術により遠隔から且つ非接触で計測できる。

【0280】

(2) この観測装置４やその信号処理によれば、橋梁、ビル、高架道路などの大型建造物が、交通、気象、騒音などによって受ける振動特性を計測し、建造物の強度変化、保守の必要性を判断するための情報を提供できる。

【0281】

(3) 観測対象に向けて信号を送信する１つの送信部３６と、観測対象８で反射した反射波Rwを受信する複数の受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎと受信した信号を画像化し、更に観測対象８の面的な振動特性を算出する信号処理部４０と計測結果を表示する画像表示部４６を有する。

【0282】

(4) 二次元的に展開されている構造物を主に計測し、受信アンテナが二次元配列されている場合は、方位と仰角、または方位と仰角と距離で対象点を識別でき、高層ビルや、橋梁、高架道路などの高さ方向に広がりのある建造物などの観測対象８の振動や変位を計測でき、その計測結果を可視化できる。

【0283】

(5) 送信信号がパルス波またはＦＭＣＷ信号波であれば、レンジ圧縮処理で反射点の距離に分類できる。各受信アンテナ間の位相から対象点の方向で分類し、各方向、距離の対象点の反射強度を画像化、およびその対象点からの信号の位相変化から微小変動や、振動を検出、画像化することができる。

【0284】

(6) 観測対象８が近距離にある場合は、参照関数演算を行って対象点の反射強度と位相を算出し、観測対象８が遠距離にある場合は、ＦＦＴで行い、反射波の強度と位相情報を得ることができる。擬象が生じるアンテナ配列の場合には、既述のクリーン処理を行えばよく、これにより擬象を抑えることができる。

【0285】

(7) 送信信号がＣＷ波の場合、各受信部は送信波と同じ信号をローカル信号としたターゲットの反射強度と方位情報を含む出力信号（ＩＱ）が得られる。送信信号がパルス波の場合は、受信部出力は対象点までの伝搬遅延時間だけシフトし、ターゲットの反射強度と方位情報を含む送信波の位相差に相当する出力信号（ＩＱ）が得られる。

【0286】

(8) 送信信号がＦＭＣＷ信号である場合には、受信信号は送信信号をローカルとして周波変換され、伝搬遅延に相当する周波数成分となる。この成分信号が信号処理部４０のＦＦＴ処理により周波数領域に変換し、各距離の対象点の反射強度と送信波との位相差に相当する方位情報を含む出力信号（ＩＱ）が得られる。

【0287】

(9) 信号処理部４０では、観測対象８が近距離の場合は、参照関数を生成し、受信信号との乗算処理を行う。この参照関数は、観測対象８の距離とＡＺ角度に応じた位相変位を推定することにより生成する。この参照関数と受信部出力信号の相関演算およびアンテナ配列によってはクリーン処理により観測対象８の位置を特定し、その点の振動特性として、同定された各観測点からの受信信号を時間列収集し、ＦＦＴ処理により周波数特性が求められる。

【0288】

(10) 信号処理部４０は、観測対象８が遠距離にある場合は、受信部出力信号を先ず、二次元化処理した後、観測対象各点から反射された時間列受信信号のＦＦＴ演算を行い、アンテナ配列によってはクリーン処理を行うことにより観測対象の位置と反射信号を特定し、特定の位置の反射信号を周波数解析することによりその地点の振動特性を算出できる。

【0289】

(11) 画像表示部４６は、信号処理部４０で生成される観測信号により生成された画像上に、同じく信号処理部４０で算出した観測対象各点の振動特性を重ね合わせて画像化できるので、観測対象８の全体振動の状況を可視化できる。

【0290】

(12) 従来のマイクロ波を使用した振動計と異なり反射器を観測対象８に付けることなく、構造物全体の形状の画像化とその画像上へ建造物の振動個所と振動特性を画像表示できる。このため、構造物の全体の振動状況把握を可能にし、構造物の維持管理を迅速かつ正確に行うことができる。

【0291】

(13) 距離情報は、近距離の場合、参照関数との乗算で求め、遠距離の場合は、受信信号をＦＦＴで周波数領域に変換することで求めている。パルス方式、FMCW信号方式では、レンジ圧縮処理を行うことにより求められる。送信アンテナのビームをスキャンすることなく観測対象８の全体に送信波を照射し、受信アンテナから得られる反射波をデジタルビームフォーミングすることにより高解像度の画像と振動計測を一定時間ごとに画像化できる。

【0292】

(14) 観測対象８の各点の位置は、近距離の場合には受信信号と参照関数との乗算により、また、遠距離の場合には受信信号をＦＦＴ演算で周波数領域へ変換することで容易に求めることができる。アンテナ配列によっては生じる擬象をクリーン処理で除去できる。

【0293】

(15) 観測対象８の各点の振動特性は、同定された各観測位置からの反射波を時間列に収集し、周波数変換し、解析することにより容易に求めることができる。

【0294】

(16) 観測対象８にレーダ反射器を付けることなく、観測対象８の全体を画像として捉え、時系列観測した受信情報を周波数解析することで、容易に構造物全体の振動特性を画像化することができる。

【0295】

(17) 観測対象８に反射器を取り付けることなく、また、観測対象８の特定部分のみならず観測対象全体が通行または気象などの原因により発している振動を完全非接触で計測することができ、大型橋梁、高架道路などの施設の老朽化対策などの保全管理に利用できる。

【0296】

〔第４の実施の形態〕

【0297】

第３の実施の形態の信号処理部４０では、図１４に示すように、プロセッサ４８などを備えることにより、振動観測にコンピュータによる情報処理を用いている。これに対し、信号処理部４０は、振動観測を実現する既述の各機能をハードウェアで実現してもよい。

【0298】

図３７は、第４の実施の形態に係る信号処理部４０のハードウェアの一例を示している。図３７に示す信号処理部４０ではハードウェアで構成した二次元化部１００、近距離・遠距離切替部１０２、参照関数乗算部１０４、２ＤＦＦＴ部１０６、クリーン処理部１０７および振動処理部１０８を備える。二次元化部１００、近距離・遠距離切替部１０２、参照関数乗算部１０４、２ＤＦＦＴ部１０６および振動処理部１０８の各機能は、既述した処理をハードウェアで実現しており、その内容に変更がないので、その説明を割愛する。この例は、既述の二次元配列アンテナ２０ｂに対応するものであり、既述の一次元配列アンテナ２０ａを用いる場合には、二次元化部１００は省略すればよい。

【0299】

＜第４の実施の形態の効果＞

【0300】

第４の実施の形態によれば、コンピュータ処理による情報処理によらず、ハードウェアによる直接的な処理で観測対象８の観測画像および振動画像を実現することができる。

【0301】

〔第５の実施の形態〕

【0302】

第５の実施の形態では、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の観測装置４を詳述している。ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式のいずれで観測装置４を構成してもよいが、これらすべての方式による振動観測を可能にしてもよい。

【0303】

図３８は、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式による振動観測を可能にした観測装置４−４を示している。図３８において、上記実施の形態と同一部分には同一符号を付してある。

【0304】

この観測装置４−４では、ＣＷ信号送受信部１１０−１、パルス信号送受信部１１０−２、ＦＭＣＷ信号送受信部１１０−３、信号方式切替部１１２および制御部１１４が備えられている。

【0305】

ＣＷ信号送受信部１１０−１は、図１６に例示するように、ＣＷ信号方式による送受信を行う。パルス信号送受信部１１０−２は、図１８に例示するように、パルス信号方式による送受信を行う。ＦＭＣＷ信号送受信部１１０−３は、図２１に例示するように、ＦＭＣＷ信号方式による送受信を行う。

【0306】

信号方式切替部１１２は、ＣＷ信号方式の際、ＣＷ信号送受信部１１０−１からの受信信号を受け、パルス信号方式の際、パルス信号送受信部１１０−２からの受信信号を受け、ＦＭＣＷ信号方式の際、ＦＭＣＷ信号送受信部１１０−３からの受信信号を受ける。信号方式切替部１１２はこれらの受信信号を選択し、信号処理部４０に提供する。

【0307】

信号処理部４０は、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式による振動観測のための信号処理を行う。

【0308】

画像表示部４６は、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式を表す表示とともに、信号処理部４０の処理結果である観測信号を受け、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の画像を表示する。

【0309】

制御部１１４は、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の各モードに対応し、選択されたモードに応じてＣＷ信号送受信部１１０−１、パルス信号送受信部１１０−２、ＦＭＣＷ信号送受信部１１０−３のいずれかを動作させ、信号方式切替部１１２の信号切替、信号処理部４０の処理を選択する。制御部１１４は、コンピュータによって構成すればよい。

【0310】

＜第５の実施の形態の効果＞

【0311】

(1) 第５の実施の形態によれば、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の各モードを選択的に利用して所望の観測画像を生成することができる。

【0312】

(2) 観測対象８などの観測条件に応じてＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の各モードを選択でき、観測条件に影響を受けることなく、最も適した信号方式の選択によって観測精度が高められる。

【0313】

〔第６の実施の形態〕

【0314】

図３９は、振動観測システム２の応用例を示している。

【0315】

この応用例では、振動観測システム２を遠隔から会話、通話内容の音声モニターシステムとして利用する。音波を電波で観測することはできないが、振動観測システム２の振動観測を媒介として音声をモニターする。

【0316】

図３９に示すように、音声をモニターする観測対象８として、建造物内の任意の居室が選択される。この観測対象８の外部には、プラットフォーム６に搭載されて観測装置４が設置されている。

【0317】

居室内の居住者がたとえば、電話で通話している場合を想定すると、居住者が発する音波により周囲に置かれたテーブル８−１０１、花瓶８−１０２、ＴＶ８−１０３、ソファ８−１０４、タンス８−１０５、食器なども音波により僅かではあるが、音波の周波数に対応した振動を起こす。

【0318】

観測装置４から電波を居室外から発射し、その反射波を受信すると、その受信信号から振動を遠隔検出することができ、この振動解析により観測対象の会話や、振動状況を検出できる。係る構成によれば、音波としては聴覚で認識できない遠距離、壁で仕切られた空間からの反射波を受信すれば、観測対象８の会話や状況を振動としてモニターすることができる。

【0319】

そして、観測装置４が搭載されたプラットフォーム６に振動があれば、振動していないであろう固定点を設定し、その固定点の振動成分を観測データから減算すれば、音声モニターを正確に行うことができる。

【0320】

〔他の実施の形態〕

【0321】

ａ）上記実施の形態では、ＣＷ信号方式、パルス信号方式またはＦＭＣＷ信号方式の信号方式を例示したが、これ以外の信号を用いてもよい。

【0322】

ｂ）観測対象として建造物を例示したが、侵入者などの監視などに利用してもよい。

【0323】

ｃ）上記実施の形態では、信号処理部４０の内部に基準信号生成部５２を備えているが、本願発明はこれに限定されない。信号処理部４０の外部に基準信号生成部５２を備え、この基準信号生成部５２が生成した基準信号を信号処理部４０、送信部３６または受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎに提供してもよい。

【0324】

ｄ）第２の実施形態に係る観測装置４は、第１の実施形態に係る振動するプラットフォーム６に設置されることに限定されるものではない。振動しないプラットフォームに設置されて振動観測が行えることは、言うまでもない。

【0325】

ｅ）上記実施形態では、振動するプラットフォーム６には、ヘリコプターなどの移動体や飛翔体を例示したが、クレーンなどの固定物であっても振動を伴うものであればよく、上記実施形態のプラットフォームに限定されるものではない。

【0326】

以上説明したように、振動または変位の観測装置の最も好ましい実施の形態などについて説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、または発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0327】

以上説明したように本発明によれば、振動を伴うヘリコプターや気球などの移動体をプラットフォームに使用し、このプラットフォームに干渉型振動観測装置を搭載して観測対象の振動観測を行うことができる。この振動観測では、観測対象にレーダ波の反射器を取り付けることなく、また、観測対象の特定部分のみならず観測対象全体が通行または気象などの原因により発している振動を完全非接触で計測することができ、老朽化が危惧される大型橋梁、高架道路などの公共施設の保全対策に有効かつ効果的に利用することができる。

【符号の説明】

【0328】

２ 振動観測システム
４ 干渉型振動観測装置
６ プラットフォーム
８ 観測対象
８−１ 高層ビル
８−２ 家屋
８−３ 橋梁
８−４ 自動車
８−５ 戦車
８−１１ 反射体
１０ 送信手段
１２ 受信手段
１４ 信号処理手段
１４−１ 第１の処理手段
１４−２ 第２の処理手段
１６ 画像表示手段
１８ 送信アンテナ
２０ 受信アンテナ
２０−１、２０−２・・・２０−ｎ 受信アンテナ
２０−１１、２０−１２・・・２０−１ｎ 受信アンテナ
２０−２１、２０−２２・・・２０−２ｎ 受信アンテナ
２０ａ 一次元配列受信アンテナ
２０ｂ 二次元配列受信アンテナ
２２ 画像
２２−１ 橋梁画像
２２−２ 建屋画像
２２−３ 高層ビル画像
２４ 振動強度スケール
２６−１、２６−２・・・２６−ｎ 画像面
３６ 送信部
３８ 受信部群
３８−１、３８−２・・・３８−ｎ、３８−１１、３８−１２・・・３８−１ｎ、３８−２１、３８−２２・・・３８−２ｎ 受信部
４０ 信号処理部
４６ 画像表示部
４８ プロセッサ
５０ メモリ部
５２ 基準信号生成部
５４ インターフェース部
５６ 出力部
５８ ＣＷ信号生成部
６０ 電力増幅部
６２ 方向性結合器
６４ 分配回路
６６ ＬＮＡ
６８−１、６８−２ ＭＩＸＥＲ
７０ 移相器
７２−１、７２−２ ＬＰＦ
７４、７４−１、７４−２ 中間周波増幅部
７６、７６−１、７６−２ アナログ・デジタル変換器
７８ 前処理部
８０ チャープ信号生成部
８２ キャリア信号生成部
８４−１、８４−２ ＭＩＸＥＲ
８６ 移相器
８８ 電力増幅部
９０ ＦＭＣＷ信号生成部
９２ パーソナルコンピュータ
９４ ディスプレイ
１００ 二次元化部
１０２ 近距離・遠距離切替部
１０４ 参照関数乗算部
１０６ ２ＤＦＦＴ部
１０７ クリーン処理部
１０８ 振動処理部
１１０−１ ＣＷ信号送受信部
１１０−２ パルス信号送受信部
１１０−３ ＦＭＣＷ信号送受信部
１１２ 信号方式切替部
１１４ 制御部
８−１０１ テーブル
８−１０２ 花瓶
８−１０３ ＴＶ
８−１０４ ソファ
８−１０５ タンス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】