WO2020230702A1 - 測定装置、測定システム、および、測定方法 - Google Patents

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delay time
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incident
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幸生 飯田
山田　篤
卓哉 市原
聡幸 廣井
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/04—Investigating moisture content
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G01N33/246—Earth materials for water content

Definitions

  • This technology relates to measuring devices, measuring systems, and measuring methods. More specifically, the present invention relates to a measuring device provided with a pair of probes, a measuring system, and a measuring method.
  • a sensor device that measures the amount of water from the propagation delay time in which an electromagnetic wave propagates through a medium between a pair of probes has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
  • a pair of probes and a transmitter and a receiver are connected by a cable, an electric signal is transmitted from the transmitter to the receiver, and the delay time from the transmission to the reception is obtained. Then, the sensor device holds in advance the transmission time for transmitting the electric signal to the cable as a fixed value error, and subtracts the error from the obtained delay time to propagate the electromagnetic wave through the medium. Seeking.
  • the measurement accuracy of the water content is improved by subtracting the error when calculating the propagation delay time of the electromagnetic wave.
  • the length of the cable may change due to thermal expansion, and the error also fluctuates due to the change in the length. Therefore, in the above-mentioned sensor device in which the error is a fixed value, the measurement accuracy of the water content may decrease when the cable thermally expands.
  • This technology was created in view of such a situation, and aims to improve the measurement accuracy of the water content in a measuring device that measures the water content in the medium.
  • the present technology has been made to solve the above-mentioned problems, and the first aspect thereof is an electric signal including an incident wave to one of a pair of probes in which a cable is embedded via the above cable. And a receiver that receives the reflected wave reflected by the incident wave from the pair of probes and the transmitted wave transmitted through the medium between the pair of probes via the cable.
  • the round-trip delay time which is the time for the electric signal to reciprocate on the cable, is obtained, and the round-trip delay time is based on the propagation transmission time, which is the time for the electromagnetic wave and the electric signal to propagate and transmit the medium and the cable.
  • a measuring device including a processing unit that performs a process of measuring the amount of water contained in the medium, and a measuring method thereof. This has the effect of measuring the water content from the round-trip delay time and the propagation transmission time.
  • an outer shell that separates the pair of probes from the medium may be further provided. This has the effect of making the reciprocating delay time constant regardless of the amount of water.
  • the outer shell may be formed of an electromagnetic wave transmitting material. This has the effect of transmitting electromagnetic waves through the outer shell.
  • a spacer for keeping the distance between the pair of probes constant can be further provided. This has the effect of defining the spacing between the probes.
  • the spacer may be made of an electromagnetic wave transmitting material. This has the effect of transmitting electromagnetic waves through the spacer.
  • the outer edge of the spacer which is closer to the antenna portion of each of the pair of probes among the outer edges extending between the pair of probes, is a circle. It may be arcuate. This has the effect of reducing noise.
  • the distance from the antenna portion of each of the pair of probes to the lower end of the spacer is larger than the distance between the antennas, which is the distance between the antenna portions, and is preferably between the antennas. It may be greater than twice the distance, more preferably greater than three times the distance between the antennas, and less than the length of the probe. This has the effect of reducing noise.
  • the control for transmitting the incident wave, the process of obtaining the ratio of the complex amplitudes of the incident wave and the reflected wave as the reflection coefficient, and the complex amplitude of each of the incident wave and the transmitted wave are obtained.
  • the processing unit may further include a control unit that performs a process of obtaining the ratio of the above as a transmission coefficient, and the processing unit may obtain the round-trip delay time and the propagation transmission time based on the reflection coefficient and the transmission coefficient. This has the effect of measuring the water content based on the round-trip delay time and propagation transmission time obtained from the reflection coefficient and transmission coefficient.
  • control unit and the processing unit may be provided on a predetermined semiconductor chip. This has the effect of reducing the number of chips in the measuring device.
  • control unit may be provided on a predetermined semiconductor chip
  • processing unit may be provided on a semiconductor chip different from the semiconductor chip. This has the effect of measuring the amount of water in a measuring device provided with a plurality of semiconductor chips.
  • a communication unit that wirelessly transmits the reflection coefficient and the transmission coefficient to the processing unit may be further provided. This has the effect of measuring the amount of water even if the processing unit is located in a remote location.
  • a directional coupler that separates the electric signal transmitting the cable into the incident wave and the reflected wave may be further provided. This has the effect of receiving each of the separated incident wave and reflected wave.
  • the receiver includes an incident wave receiver that receives the incident wave, a reflected wave receiver that receives the reflected wave, and a transmitted wave receiver that receives the transmitted wave. It may include. This has the effect of receiving each of the incident wave, the reflected wave, and the transmitted wave.
  • the incident wave includes the first and second incident waves having different directions from each other, and the reflected wave includes the first reflected wave corresponding to the first incident wave and the above.
  • the transmitted wave includes a second reflected wave corresponding to the second incident wave, and the transmitted wave is a second transmitted wave corresponding to the first incident wave and a first transmitted wave corresponding to the second incident wave.
  • the directional coupler includes a wave, the first directional coupler that separates the electric signal into the first incident wave and the first reflected wave, and the second electric signal.
  • the transmitter includes a first transmitter and a second incident wave that transmit the first incident wave, including a second directional coupler that separates the incident wave and the second reflected wave.
  • the receiver includes a first receiver that sequentially receives the first reflected wave and the first transmitted wave, and the second reflected wave and the first transmitted wave. It may include a second receiver that sequentially receives the second transmitted wave. This has the effect of receiving the first and second incident waves having different directions and the corresponding reflected and transmitted waves.
  • the round-trip delay time includes a first round-trip delay time corresponding to one of the pair of probes and a second round-trip delay time corresponding to the other of the pair of probes.
  • the processing unit obtains the first round-trip delay time from the first incident wave and the first reflected wave, and the second round-trip from the second incident wave and the second reflected wave.
  • the delay time may be calculated. This has the effect of obtaining a round-trip delay time corresponding to each of the pair of probes.
  • the processing unit obtains the propagation delay time, which is the time for the electromagnetic wave to propagate through the medium, from the reciprocating delay time and the propagation transmission time, and the amount of water corresponding to the propagation delay time. May be measured. This has the effect of measuring the amount of water according to the propagation delay time.
  • the processing unit holds a predetermined coefficient indicating the relationship between the propagation delay time and the water content, and the water content is obtained from the obtained propagation delay time and the coefficient. May be measured. This has the effect of measuring the water content from the propagation delay time and the coefficient.
  • a second aspect of the present technology is a transmitter that transmits an electric signal including an incident wave to one of a pair of probes to which a cable is connected, and one of the pair of probes.
  • a receiver that receives the reflected wave reflected by the incident wave and the transmitted wave transmitted through the medium between the pair of probes via the cable, a control for transmitting the incident wave, and the incident wave and the reflected wave.
  • the control unit that performs processing to obtain the ratio of each complex amplitude of each of the above as a reflection coefficient, and the reciprocating delay time, which is the time for the electric signal to reciprocate the cable, is obtained from the reflection coefficient, and the reciprocating delay time, the medium, and the above.
  • This is an example of an external view of the sensor head according to the first embodiment of the present technology.
  • It is a figure which shows an example of the antenna part and the equivalent circuit in the 1st Embodiment of this technique.
  • It is a graph which shows an example of the waveform of the impulse response of the reflection coefficient in the 1st Embodiment of this technique.
  • It is a block diagram which shows one structural example of the measurement unit in 1st Embodiment of this technique.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of the measuring device 100 according to the first embodiment of the present technology.
  • the measuring device 100 measures the amount of water contained in the medium M, and has a sensor device 110 and a signal processing unit 400.
  • As the medium M for example, soil for growing agricultural products is assumed.
  • the sensor device 110 acquires data necessary for measuring the amount of water as measurement data. The contents of the measurement data will be described later.
  • the sensor device 110 transmits the measurement data to the signal processing unit 400 via the signal line 409.
  • the signal processing unit 400 measures the water content using the measurement data.
  • the sensor device 110 has a sensor head 200 and a measurement unit 300.
  • the sensor head 200 is a component including probes 201 and 202. These probes 201 and 202 are connected to the measuring unit 300 via cables 308 and 309. As the cables 308 and 309, for example, coaxial cables are used. These cables 308 and 309 are connected to the probes 201 and 202 by embedding their respective tips inside the probes 201 and 202, respectively.
  • the measurement unit 300 causes one of the probes 201 and 202 to transmit the electromagnetic wave EW, and causes the other to receive the electromagnetic wave EW to generate measurement data.
  • the measurement unit 300 and the signal processing unit 400 are mounted on different semiconductor chips. As will be described later, the circuits of the measurement unit 300 and the signal processing unit 400 can be mounted on the same semiconductor chip.
  • the measurement unit 300 may be configured to include an electronic circuit board provided with a wiring layer and a semiconductor chip mounted on the electronic circuit board.
  • the measurement unit 300 may be configured to include the electronic circuit board, the semiconductor chip, and a housing containing them. Then, the cables 308 and 309 may be connected to the semiconductor chip via the wiring layer provided in the electronic circuit board.
  • the size of the measurement unit 300 including the electronic circuit board and the semiconductor chip, or the housing containing the measurement unit 300 is (1) the size in the extending direction (plane direction of the board of the electronic circuit board).
  • the length of one side may be 1 to 20 cm (cm), and the length of the other side orthogonal to this may be 1 to 40 cm (cm).
  • the thickness may be, for example, 2 to 20 mm (mm).
  • the measurement unit 300 can be arranged in at least one of two directions. That is, (1) the measuring unit 300 may be arranged so that the extending direction of the measuring unit 300 is parallel to the extending direction of the probes 201 and 202. Alternatively, (2) the measuring unit 300 may be arranged so that the extending direction of the measuring unit 300 is orthogonal to the extending direction of the probes 201 and 202.
  • the system having the sensor device 110 and the signal processing unit 400 can be treated as a measurement system.
  • FIG. 2 is an example of an external view of the sensor head 200 according to the first embodiment of the present technology.
  • the sensor head 200 has probes 201 and 202.
  • the length of each of the probes 201 and 202 is, for example, 75 to 150 millimeters (mm).
  • the respective thicknesses (diameter or width of the probe cross section) of the probes 201 and 202 are, for example, 3 to 30 millimeters (mm).
  • These probes 201 and 202 are arranged in a medium such as soil, and each has an antenna portion 210 capable of transmitting and receiving electromagnetic waves of a predetermined frequency between the probes 201 and 202.
  • the probes 201 and 202 are embedded in the medium so that the distance between the respective antenna portions 210 becomes a predetermined value D.
  • these probes are implanted in a medium in a generally vertical orientation. If the distance between the antenna portions 210 is D, their postures are not limited to the vertical postures.
  • the antenna portion 210 is provided at or near the tip portions (in other words, the terminal portions) of the probes 201 and 202, and transmits and receives electromagnetic waves.
  • the antenna portion 210 is provided at the tip portions of the probes 201 and 202, but the configuration is not limited to this. For example, it can be provided at the center position of the probes 201 and 202.
  • the antenna unit 210 is composed of a small antenna formed in a size not to resonate the probes 201 and 202. As a result, it is possible to suppress a decrease in measurement accuracy due to resonance of the probes 201 and 202.
  • the tips of the cables 308 and 309 (coaxial cable) in FIG. 1 are embedded in the probes 201 and 202, respectively.
  • a part of this coaxial cable is opened and used as an antenna portion 210.
  • the outer circumference of the portion of the coaxial cable other than the antenna portion 210 is covered with the electromagnetic wave absorber 240.
  • the electromagnetic wave absorbing material 240 can suppress leakage of electromagnetic waves from a region other than the opening.
  • Ni—Zn-based ferrite is mainly used as the electromagnetic wave absorbing material 240, but the present invention is not limited to this, and other high magnetic permeability materials such as sendust and permalloy may be used depending on the frequency of the electromagnetic wave EW and the like. .. Further, the electromagnetic wave absorbing material 240 may be omitted if necessary, or may be provided only on one of the probes 201 and 202.
  • the size of the distance D between the antenna portions 210 is not particularly limited. If the distance D is too large, the attenuation of the electromagnetic wave EW propagating in the medium M becomes large, and there is a possibility that sufficient reception intensity cannot be obtained. On the other hand, if the distance D is too small, it may be technically difficult to observe. In consideration of these, the distance D is set to an appropriate value. For example, the distance D is 25 to 75 millimeters (mm).
  • a spacer 260 is arranged between the probes 201 and 202 in order to define the distance between the antenna portions 210. Further, the outer circumferences of the probes 201 and 202 are each covered with an outer shell 225 having a thickness of 1 to 3 mm (mm) and isolated from the medium.
  • the spacer 260 and the outer shell 225 are made of an electromagnetic wave transmitting material. Examples of the electromagnetic wave transmitting material include polymer materials, glass, and inorganic materials such as PTEF (PolyTEtraFluoroethylene).
  • PC PolyCarbonate
  • PES PolyEtherSulfone
  • PEEK PolyEtherEtherKetone
  • PSS PolyStyrene Sulfonic acid
  • PMMA PolyMethylMethAcrylate
  • PET PolyEthylene Terephthalate
  • the thickness of the spacer 260 may be smaller than the size and thickness of the measuring unit 300 including the electronic circuit board and the semiconductor chip.
  • the thickness of the spacer 260 is the thickness of the measuring unit 300. It may be smaller than the halfbeak, preferably less than 1/2, more preferably less than 1/3.
  • the thickness of the spacer 260 is such that the measuring unit 300 extends.
  • the thickness of the spacer 260 may be smaller than the thickness (diameter or width of the probe cross section) of at least one of the probes 201 and 202, preferably less than 1/2, and more. Preferably, it may be smaller than 1/3.
  • the thickness of the spacer 260 may be, for example, 1 to 3 mm (mm).
  • the thickness of the spacer 260 is made smaller than the thickness of the measuring unit 300, smaller than the length in one direction in which the measuring unit 300 extends, or the thickness of at least one of the probes 201 and 202 (
  • the configuration of making it smaller than the diameter (or the width of the probe cross section) exhibits the effect unique to a moisture sensor that measures the propagation delay time of electromagnetic waves between antennas. Even if the spacer 260 is formed of an electromagnetic wave transmitting material, depending on the material, the electromagnetic wave radiated from the transmitting antenna may be reflected by the spacer and received by the receiving antenna, resulting in noise.
  • the thickness of the spacer 260 By setting the thickness of the spacer 260 to the above configuration, it is possible to reduce the noise reflected by the spacer 260 as compared with the form not provided with this configuration.
  • This effect of reducing noise by reducing the thickness of the spacer does not occur in the moisture sensor other than measuring the propagation delay time of electromagnetic waves between antennas, and the moisture measuring the propagation delay time of electromagnetic waves between antennas does not occur. This is an effect that occurs because it is a sensor.
  • the distance d from the antenna portions (210 and 220) of the pair of probes (201 and 202) to the lower end of the spacer 260 is larger than the distance D between the antennas.
  • the distance d is preferably larger than twice the distance D between the antennas.
  • the distance d is larger than three times the distance D between the antennas and smaller than the respective lengths of the probes 201 and 202.
  • this noise can be reduced by moving the spacer 260 away from the antenna.
  • This "effect of reducing noise by moving the spacer 260 away from the antenna” does not occur with a moisture sensor other than the propagation delay measurement method between antennas, and as in this technology, the moisture sensor of the propagation delay measurement method between antennas That is why it occurs.
  • the outer edge closer to the antenna portion (210 and 220) is illustrated in the figure. It has an arc shape.
  • the noise received by the receiving antenna due to the microwaves radiated from the transmitting antenna being reflected by the spacer 260 can be further reduced.
  • This "effect of reducing noise by making the spacer 260 arcuate" does not occur with a moisture sensor other than the propagation delay measurement method between antennas, but occurs because it is a moisture sensor with a propagation delay measurement method between antennas. It is something to do.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the antenna unit 210 and the equivalent circuit according to the first embodiment of the present technology.
  • a is an enlarged view of the antenna portion 210.
  • Reference numeral b in the figure is an example of an equivalent circuit of the antenna unit 210.
  • the cable 308 (coaxial cable or the like) embedded in the probe 201 has a core wire portion 211 and a shield portion 212.
  • the thickness and length of the cable are not particularly limited, and may be any thickness and length.
  • the core wire portion 211 is made of copper wire and the shield portion 212 is made of copper pipe, but the shield portion 212 may be made of a mesh body of copper wire.
  • a part near the tip of the cable 308 (coaxial cable, etc.) is opened, and the electrode portion 213 is attached.
  • the antenna portions 210 of the probes 201 and 202 function as minute dipole antennas having a length of about 4 to 10 millimeters (millimeters).
  • the opening has an opening shape such as a rectangle, a circle, an ellipse, or an oval.
  • the long axis of the opening can be appropriately set according to the wavelength of the electromagnetic wave used.
  • the equivalent circuit of the antenna unit 210 is represented by a circuit in which the resistor 511 and the fringe capacitances 512 and 513 are connected in parallel.
  • the capacitance value of the fringe capacitance 512 is a value corresponding to the dielectric constant ⁇ c of the substance spreading inside the coaxial cable.
  • the capacitance value of the fringe capacitance 513 is a value corresponding to the dielectric constant ⁇ * of the substance spreading around the electrode 513.
  • the wave in the input signal is referred to as an "incident wave”
  • the reflected wave of the incident wave is referred to as a "reflected wave”.
  • the reflectance coefficient is the ratio of the complex amplitudes of the incident wave and the reflected wave.
  • FIG. 4 is a graph showing an example of the waveform of the impulse response of the reflection coefficient in the first embodiment of the present technology.
  • the vertical axis represents the impulse response of the reflectance coefficient
  • the horizontal axis represents time.
  • the solid line curve shows the impulse response waveform when the medium is air
  • the one-point chain line curve shows the impulse response waveform when the medium is water.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of the impulse response waveform of the reflectance coefficient in the comparative example in which the outer shell 225 is not provided.
  • the vertical axis represents the impulse response of the reflectance coefficient
  • the horizontal axis represents time.
  • the solid line curve shows the impulse response waveform when the medium is air
  • the one-point chain line curve shows the impulse response waveform when the medium is water.
  • the fringing capacitance 512 is constant, so that the peak value of the impulse response does not fluctuate as illustrated in FIG. As a result, the round-trip delay time can be calculated with high accuracy.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of the measurement unit 300 according to the first embodiment of the present technology.
  • the measuring unit 300 includes a directional coupler 310, a transmitter 320, an incident wave receiver 330, a reflected wave receiver 340, a transmitted wave receiver 350, a communication unit 360, and a control unit 370.
  • a vector network analyzer is used as the measurement unit 300.
  • the directional coupler 310 separates the electric signal transmitted through the cable 308 into an incident wave and a reflected wave.
  • the incident wave is a wave of an electric signal transmitted by the transmitter 320
  • the reflected wave is a wave reflected by the incident wave at the end of the probe 201.
  • the directional coupler 310 supplies the incident wave to the incident wave receiver 330 and supplies the reflected wave to the reflected wave receiver 340.
  • the transmitter 320 transmits an electric signal having a predetermined frequency as a transmission signal to the probe 201 via the directional coupler 310 and the cable 308.
  • a CW (Continuous Wave) wave is used as the incident wave in the transmission signal.
  • the transmitter 320 transmits a transmission signal, for example, in a frequency band of 1 to 9 gigahertz (GHz) by sequentially switching frequencies in steps of 50 megahertz (MHz).
  • the incident wave receiver 330 receives the incident wave from the directional coupler 310.
  • the reflected wave receiver 340 receives the reflected wave from the directional coupler 310.
  • the transmitted wave receiver 350 receives the transmitted wave from the probe 202.
  • the transmitted wave is an electromagnetic wave transmitted through the medium between the probes 201 and 202 converted into an electric signal by the probe 202.
  • the incident wave receiver 330, the reflected wave receiver 340, and the transmitted wave receiver 350 perform orthogonal detection and AD (Analog to Digital) conversion on the received incident wave, reflected wave, and transmitted wave as received data. It is supplied to the control unit 370.
  • AD Analog to Digital
  • the incident wave receiver 330, the reflected wave receiver 340, and the transmitted wave receiver 350 are examples of the receivers described in the claims.
  • the control unit 370 controls the transmitter 320 to transmit a transmission signal including an incident wave, and performs a process of obtaining a reflection coefficient and a transmission coefficient.
  • the reflectance coefficient is the ratio of the complex amplitudes of the incident wave and the reflected wave as described above.
  • the transmission coefficient is the ratio of the complex amplitudes of the incident wave and the transmitted wave.
  • the control unit 370 supplies the obtained reflection coefficient and transmission coefficient to the communication unit 360.
  • the communication unit 360 transmits data indicating the reflection coefficient and the transmission coefficient as measurement data to the signal processing unit 400 via the signal line 409.
  • the frequency characteristics of the directional coupler 310, the transmitter 320, and the receiver are calibrated before the measurement. Is being executed.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of the directional coupler 310 according to the first embodiment of the present technology.
  • the directional coupler 310 includes transmission lines 311, 312 and 313 and terminating resistors 314 and 315.
  • the directional coupler 310 can be mounted, for example, by a bridge coupler suitable for miniaturization.
  • the transmission line 311 is connected to the transmitter 320, and the other end is connected to the probe 201 via the cable 308.
  • the transmission line 312 is shorter than the transmission line 311 and is a line that is electromagnetically coupled to the transmission line 311.
  • a terminating resistor 314 is connected to one end of the transmission line 312, and the other end is connected to the reflected wave receiver 340.
  • the transmission line 313 is shorter than the transmission line 311 and is a line that is electromagnetically coupled to the transmission line 311.
  • a terminating resistor 315 is connected to one end of the transmission line 313, and the other end is connected to the incident wave receiver 330.
  • the directional coupler 310 separates the electric signal into an incident wave and a reflected wave, and supplies the electric signal to the incident wave receiver 330 and the reflected wave receiver 340.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration example of the transmitter 320 and the receiver according to the first embodiment of the present technology.
  • a is a circuit diagram showing a configuration example of the transmitter 320
  • b in the figure is a circuit diagram showing a configuration example of the incident wave receiver 330.
  • c is a circuit diagram showing a configuration example of the reflected wave receiver 340
  • d in the figure is a circuit diagram showing a configuration example of the transmitted wave receiver 350.
  • the transmitter 320 includes a transmission signal oscillator 322 and a driver 321.
  • the transmission signal oscillator 322 generates an electric signal as a transmission signal under the control of the control unit 370.
  • the driver 321 outputs a transmission signal to the directional coupler 310.
  • This transmission signal S (t) is expressed by, for example, the following equation.
  • S (t)
  • t represents time and the unit is, for example, nanoseconds (ns).
  • cos () indicates a cosine function.
  • f indicates a frequency, and the unit is, for example, hertz (Hz).
  • ⁇ represents a phase, and the unit is, for example, radian (rad).
  • the incident wave receiver 330 includes a mixer 331, a bandpass filter 332, and an analog-digital converter 333.
  • the mixer 331 performs orthogonal detection by mixing two local signals having a phase difference of 90 degrees and a transmission signal. By this orthogonal detection, a complex amplitude composed of the in-phase component I I and the orthogonal component Q I is obtained. These in-phase component I I and orthogonal component Q I are represented by, for example, the following equations.
  • the mixer 331 supplies the complex amplitude to the analog-to-digital converter 333 via the bandpass filter 332.
  • I I
  • Q I
  • sin () represents a sine function.
  • the bandpass filter 332 passes components in a predetermined frequency band.
  • the analog-to-digital converter 333 performs AD conversion.
  • the analog-digital converter 333 generates data showing complex amplitude by AD conversion and supplies it to the control unit 370 as received data.
  • the reflected wave receiver 340 includes a mixer 341, a bandpass filter 342, and an analog-to-digital converter 343.
  • the configuration of the mixer 341, the bandpass filter 342, and the analog-to-digital converter 343 is the same as that of the mixer 331, the bandpass filter 332, and the analog-to-digital converter 333.
  • Reflected wave receiver 340, the reflected wave quadrature detection to obtain the complex amplitude consisting of in-phase component I R and the quadrature component Q R, and supplies the received data indicating the complex amplitude to the control unit 370.
  • the transmitted wave receiver 350 includes a receiver 351, a local signal oscillator 352, a mixer 353, a bandpass filter 354, and an analog-to-digital converter 355.
  • the configuration of the mixer 353, the bandpass filter 354, and the analog-to-digital converter 355 is the same as that of the mixer 331, the bandpass filter 332, and the analog-to-digital converter 333.
  • the receiver 351 receives an electric signal including a transmitted wave via the cable 309 and outputs it to the mixer 353.
  • the local signal oscillator 352 generates two local signals that are 90 degrees out of phase.
  • Transmitted wave receiver 350 the transmitted wave quadrature detection to obtain the complex amplitude consisting of in-phase component I T and the quadrature component Q T, to the control unit 370 the data indicating the complex amplitude as received data.
  • circuits of the transmitter 320 and the receiver are not limited to the circuits illustrated in the figure as long as they can transmit and receive incident waves and the like.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a configuration example of the control unit 370 according to the first embodiment of the present technology.
  • the control unit 370 includes a transmission control unit 371, a reflection coefficient calculation unit 372, and a transmission coefficient calculation unit 373.
  • the transmission control unit 371 controls the transmitter 320 to transmit a transmission signal.
  • the reflection coefficient calculation unit 372 calculates the reflection coefficient ⁇ for each frequency.
  • the reflectance coefficient calculation unit 372 calculates the reflectance coefficient by Equation 1 for each of N (N is an integer) frequencies f 1 to f N. These N-number of the reflection coefficient and gamma 1 or gamma N. The reflection coefficient calculation unit 372 supplies those reflection coefficients to the communication unit 360.
  • the transmission coefficient calculation unit 373 calculates the transmission coefficient T for each frequency.
  • the transmission coefficient calculation unit 373 calculates the transmission coefficient by Equation 2 for each of the N frequencies f 1 to f N. Let these N reflection coefficients be T 1 to TN . The transmission coefficient calculation unit 373 supplies those transmission coefficients to the signal processing unit 400 via the communication unit 360.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a configuration example of the signal processing unit 400 according to the first embodiment of the present technology.
  • the signal processing unit 400 includes a communication unit 410, a round-trip delay time calculation unit 420, a propagation transmission time calculation unit 430, a water content measurement unit 440, and a coefficient holding unit 450.
  • the communication unit 410 receives the measurement data from the measurement unit 300.
  • the communication unit 410 supplies the reflection coefficients ⁇ 1 to ⁇ N in the measurement data to the reciprocating delay time calculation unit 420, and supplies the transmission coefficients T 1 to TN in the measurement data to the propagation transmission time calculation unit 430.
  • the reciprocating delay time calculation unit 420 calculates the time for the electric signal to reciprocate in the cable 308 as the reciprocating delay time based on the reflection coefficient.
  • the round-trip delay time calculation unit 420 obtains the impulse response h ⁇ (t) by performing an inverse Fourier transform on the reflection coefficients ⁇ 1 to ⁇ N. Then, the round-trip delay time calculation unit 420 obtains the time difference between the timing of the peak value of the impulse response h ⁇ (t) and the transmission timing of the CW wave as the round-trip delay time ⁇ 11 , and supplies the time difference to the water content measuring unit 440.
  • the propagation transmission time calculation unit 430 calculates the time for the electromagnetic wave and the electric signal to propagate and transmit between the medium and the cables 308 and 309 as the propagation transmission time based on the transmission coefficient.
  • the propagation transmission time calculation unit 430 obtains an impulse response h T (t) by performing an inverse Fourier transform on the transmission coefficients T 1 to TN . Then, the propagation transmission time calculation unit 430 obtains the time difference between the timing of the peak value of the impulse response h T (t) and the transmission timing of the CW wave as the propagation transmission time ⁇ 21 , and supplies the time difference to the water content measurement unit 440.
  • the water content measuring unit 440 measures the water content based on the round-trip delay time ⁇ 11 and the propagation transmission time ⁇ 21 .
  • the water content measuring unit 440 first calculates the propagation delay time ⁇ d from the round-trip delay time ⁇ 11 and the propagation transmission time ⁇ 21 .
  • the propagation delay time is the time for the electromagnetic wave to propagate through the medium between the probes 201 and 202.
  • the units of the round-trip delay time ⁇ 11 , the propagation transmission time ⁇ 21, and the propagation delay time ⁇ d are, for example, nanoseconds (ns).
  • the water content measuring unit 440 reads out the coefficients a and b indicating the relationship between the water content and the propagation delay time ⁇ d from the coefficient holding unit 450, and the propagation delay time ⁇ d calculated by the equation 3 is expressed in the following equation. Substitute and measure the water content x. Then, the water content measuring unit 440 outputs the measured water content to an external device or device as needed.
  • ⁇ d a ⁇ x + b ⁇ ⁇ ⁇ Equation 4
  • the unit of the water content x is, for example, a volume percentage (%).
  • the coefficient holding unit 450 holds the coefficients a and b.
  • a non-volatile memory or the like is used as the coefficient holding unit 450.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a propagation path and a transmission path of electromagnetic waves and electric signals in the first embodiment of the present technology.
  • the transmitter 320 transmits an electric signal including an incident wave to the probe 201 as a transmission signal via a cable 308 whose tip is embedded in the probe 201.
  • the incident wave is reflected at the end of the probe 201, and the reflected wave is received by the reflected wave receiver 340.
  • electric signals including incident waves and reflected waves reciprocate in the cable 308.
  • the thick solid arrow in the figure indicates the path of the electric signal reciprocating through the cable 308.
  • the time for the electric signal to reciprocate on this path corresponds to the reciprocating delay time ⁇ 11 .
  • the electric signal including the incident wave is converted into an electromagnetic wave EW by the probe 201 and transmitted (in other words, propagated) through the medium between the probes 201 and 202.
  • the probe 202 converts the electromagnetic wave EW into an electric signal.
  • the transmitted wave receiver 350 receives the transmitted wave in the electric signal via the cable 309. That is, the electric signal including the incident wave is transmitted through the cable 308, is converted into the electromagnetic wave EW and propagates through the medium, is converted into the electric signal including the transmitted wave, and is transmitted through the cable 309.
  • the thick dotted arrow in the figure indicates the path through which the electromagnetic wave and the electrical signal (incident wave and transmitted wave) propagate and transmit between the medium and the cables 308 and 309.
  • the time for electromagnetic waves and electrical signals to propagate and transmit along this path corresponds to the propagation transmission time ⁇ 21 .
  • the control unit 370 in the measuring unit 300 obtains the reflection coefficient ⁇ and the transmission coefficient T by the equations 1 and 2. Then, the signal processing unit 400 obtains the round-trip delay time ⁇ 11 and the propagation transmission time ⁇ 21 from the reflection coefficient ⁇ and the transmission coefficient T.
  • the path from the transmission of the incident wave to the reception of the transmitted wave includes the medium and the cables 308 and 309. Therefore, the propagation delay time ⁇ d at which the electromagnetic wave propagates through the medium is obtained by the difference between the propagation transmission time ⁇ 21 and the delay time during which the electric signal transmits the cables 308 and 309.
  • the delay time for transmitting the cable 308 and the delay time for transmitting the cable 309 are the same.
  • the total delay time for the electrical signal to transmit the cables 308 and 309 is equal to the round trip delay time ⁇ 11 for the round trip cable 308. Therefore, the equation 3 holds, and the signal processing unit 400 can calculate the propagation delay time ⁇ d by the equation 3.
  • the signal processing unit 400 calculates the propagation delay time from the obtained round-trip delay time ⁇ 11 and the propagation transmission time ⁇ 21 , and measures the amount of water contained in the medium from the propagation delay time and the coefficients a and b. I do.
  • the signal processing unit 400 is an example of the processing unit described in the claims.
  • FIG. 12 is a graph showing an example of the waveform of the impulse response of the reflection coefficient in the first embodiment of the present technology.
  • the vertical axis is the impulse response of the reflectance coefficient
  • the horizontal axis is time.
  • the measuring device 100 obtains the impulse response of the reflectance coefficient.
  • the respective water content is 0.0, 10.1, 19.7, and 32.9 volume percent (%).
  • the peak value of the reflectance coefficient does not change even if the water content changes. That is, the round-trip delay time is constant. This is because, as described above, the probes 201 and 202 are separated by the outer shell 225.
  • FIG. 13 is a graph showing an example of the waveform of the impulse response of the transmission coefficient in the first embodiment of the present technology.
  • the vertical axis is the impulse response of the transmission coefficient
  • the horizontal axis is time.
  • the medium to be measured is four kinds of Toyoura standard sand similar to those in FIG.
  • FIG. 14 is a graph showing an example of the relationship between the round-trip delay time, the propagation transmission time, and the water content in the first embodiment of the present technology.
  • the vertical axis shows the round-trip delay time or the propagation transmission time
  • the horizontal axis shows the water content.
  • the dotted line in FIG. 14 shows the relationship between the round-trip delay time obtained from FIG. 12 and the water content.
  • the solid line in FIG. 14 shows the relationship between the propagation transmission time and the water content obtained from FIG.
  • the reciprocating delay time is constant regardless of the amount of water. On the other hand, as the amount of water increases, the propagation transmission delay time becomes longer.
  • FIG. 15 is a graph showing an example of the relationship between the propagation delay time and the water content in the first embodiment of the present technology.
  • the vertical axis shows the propagation delay time
  • the horizontal axis shows the water content.
  • the straight line in the figure is obtained by obtaining the difference between the propagation transmission time and the round-trip delay time for each water content in FIG.
  • Equation 4 holds.
  • the coefficient a in Equation 4 is the slope of a straight line in the figure, and the coefficient b is an intercept.
  • FIG. 16 is a block diagram showing a configuration example of a measuring device in which cables 308 and 309 are further extended according to the first embodiment of the present technology. By lengthening the cables 308 and 309, the measurement unit 300 and the signal processing unit 400 can be located farther than the probes 201 and 202.
  • the longer the cables 308 and 309 the larger the fluctuation of the round-trip delay time due to the temperature change. Therefore, if the measuring device 100 measures the water content with the reciprocating delay time as a fixed value, the error between the true value and the fixed value may increase and the measurement accuracy of the water content may decrease.
  • the measuring device 100 receives the reflected wave and calculates the round-trip delay time from the reflection coefficient. Therefore, even if the reciprocating delay time fluctuates due to the temperature change, the measuring device 100 can obtain the value at the time of the fluctuation. Therefore, the measurement accuracy of the water content can be improved as compared with the case where the round-trip delay time is set to a fixed value.
  • FIG. 17 is a flowchart showing an example of the operation of the measuring device 100 according to the first embodiment of the present technology. The operation in the figure is started, for example, when a predetermined application for measuring the amount of water is executed.
  • the pair of probes 201 and 202 transmit and receive electromagnetic waves (step S901).
  • the measuring unit 300 calculates the reflection coefficient from the incident wave and the reflected wave (step S902), and calculates the transmission coefficient from the incident wave and the transmitted wave (step S903).
  • the signal processing unit 400 calculates the round-trip delay time from the reflection coefficient (step S904), and calculates the propagation transmission time from the transmission coefficient (step S905).
  • the signal processing unit 400 calculates the propagation delay time from the round-trip delay time and the propagation transmission time (step S906), and calculates the water content from the propagation delay time and the coefficients a and b (step S907).
  • the measuring device 100 ends the operation for measurement.
  • the measuring device 100 obtains the round-trip delay time for the electric signal to reciprocate the cable 308, and measures the water content from the round-trip delay time. Even when the time fluctuates, the water content can be measured with high accuracy.
  • Second Embodiment> In the first embodiment described above, the measurement unit 300 and the signal processing unit 400 are mounted on different semiconductor chips. However, in this configuration, it is necessary to provide an interface for communication between semiconductor chips, which may increase the circuit scale of the measuring device 100.
  • the measuring device 100 of the second embodiment is different from the first embodiment in that the functions of the measuring unit 300 and the signal processing unit 400 are realized by a single semiconductor chip.
  • FIG. 18 is a block diagram showing a configuration example of the measuring device 100 according to the second embodiment of the present technology.
  • the measuring device 100 of the second embodiment is different from the first embodiment in that the measuring unit 301 is provided instead of the measuring unit 300 and the signal processing unit 400.
  • the measurement unit 301 has the function of the signal processing unit 400 in addition to the function of the measurement unit 300 of the first embodiment.
  • FIG. 19 is a block diagram showing a configuration example of the measurement unit 301 according to the second embodiment of the present technology.
  • the measurement unit 301 of the second embodiment is different from the first embodiment in that the signal processing unit 380 is provided instead of the communication unit 360.
  • the configuration of the signal processing unit 380 is the same as that of the signal processing unit 400 of the first embodiment.
  • the function of the control unit 370 is realized by, for example, a DSP (Digital Signal Processing) circuit.
  • DSP Digital Signal Processing
  • the measurement unit 301 shall be mounted on a single semiconductor chip.
  • the functions of the measurement unit 300 and the signal processing unit 400 can be realized by a single semiconductor chip. Therefore, an interface (communication unit 360 or the like) for communicating between semiconductor chips is not required, and the circuit scale of the measuring device 100 can be reduced.
  • the functions of the measurement unit 300 and the signal processing unit 400 are mounted on a single semiconductor chip, as compared with the case where they are mounted on different semiconductor chips, The circuit scale of the measuring device 100 can be reduced.
  • the measurement unit 300 and the signal processing unit 400 are connected by wire by a signal line 409, but in this configuration, the signal processing unit 400 is arranged at a remote location away from the measurement location. Becomes difficult.
  • the measurement unit 300 of the third embodiment is different from the first embodiment in that the measurement data is wirelessly transmitted.
  • FIG. 20 is a block diagram showing a configuration example of a measurement system according to a third embodiment of the present technology.
  • the measurement system of the third embodiment includes a sensor device 110 and a signal processing unit 400.
  • the sensor device 110 of the third embodiment includes a measurement unit 302 instead of the measurement unit 300.
  • the communication unit 360 of the measurement unit 302 differs from the first embodiment in that the measurement data is wirelessly transmitted to the signal processing unit 400 via the antenna 390.
  • the signal processing unit 400 is connected to the network of the base station or the Internet, and receives the measurement data wirelessly transmitted via them by wire or wirelessly.
  • the signal processing unit 400 can be arranged at a remote location away from the measurement point.
  • the signal processing unit 400 can be arranged at a remote location.
  • the water content is measured under the assumption that the delay time for transmitting the electric signal to each of the cables 308 and 309 is the same. However, if the lengths of the cables 308 and 309 are different, the delay times thereof will be different values, which may break the premise and cause a measurement error.
  • the measuring device 100 of the fourth embodiment is different from the first embodiment in that the reciprocating delay time of the cable 308 and the reciprocating delay time of the cable 309 are both obtained and the water content is measured.
  • FIG. 21 is a block diagram showing a configuration example of the measurement unit 300 according to the fourth embodiment of the present technology.
  • the measuring unit 300 of the fourth embodiment includes directional couplers 310 and 391, transmitters 320 and 393, incident wave receivers 330 and 394, transmitted wave / reflected wave receivers 392 and 395, and the like. It includes a communication unit 360 and a control unit 370.
  • the transmitter 320 transmits the incident wave I1 via the cable 308.
  • the transmitter 393 transmits the incident wave I2 via the cable 309.
  • the control unit 370 controls the transmitters 320 and 393 to transmit the incident waves I1 and I2 in order.
  • the incident wave receiver 330 receives the incident wave I1 when the incident wave I1 is transmitted.
  • the incident wave receiver 394 receives the incident wave I2 when the incident wave I2 is transmitted.
  • the directional coupler 310 separates the electric signal of the cable 308 into an incident wave and a reflected wave.
  • the directional coupler 310 separates the electric signal of the cable 308 into the incident wave I1 and the reflected wave R1 corresponding to the incident wave I1.
  • the directional coupler 310 outputs the transmitted wave Tr1 corresponding to the incident wave I2.
  • the directional coupler 391 separates the electric signal of the cable 309 into an incident wave and a reflected wave.
  • the directional coupler 391 separates the electric signal of the cable 308 into the incident wave I2 and the reflected wave R2 corresponding to the incident wave I2.
  • the directional coupler 391 outputs the transmitted wave Tr2 corresponding to the incident wave I1.
  • the transmitted wave / reflected wave receiver 392 receives the transmitted wave and the reflected wave in order.
  • the transmitted wave / reflected wave receiver 392 receives the reflected wave R1 from the directional coupler 310 when the incident wave I1 is transmitted, and when the incident wave I2 is transmitted, the directional coupler 310 Receives the transmitted wave Tr1 from.
  • the transmitted wave / reflected wave receiver 395 receives the transmitted wave and the reflected wave in order.
  • the transmitted wave / reflected wave receiver 395 receives the transmitted wave Tr2 from the directional coupler 391 when the incident wave I1 is transmitted, and when the incident wave I2 is transmitted, the directional coupler 391 The reflected wave R2 from is received.
  • the incident waves I1 and I2 are examples of the first and second incident waves described in the claims, and the reflected waves R1 and R2 are the first and second reflections described in the claims. This is an example of a wave.
  • the transmitted waves Tr1 and Tr2 are examples of the first and second transmitted waves described in the claims.
  • the directional couplers 310 and 391 are examples of the first and second directional couplers described in the claims, and the transmitters 320 and 393 are examples of the first and second transmitters.
  • the transmitted wave / reflected wave receivers 392 and 395 are examples of the first and second receivers described in the claims.
  • Control unit 370 from each of the complex amplitude of the incident wave I1 and reflected wave R1 in the same manner as in the first embodiment, to calculate the reflection coefficient gamma 11, each of the complex amplitude of the incident wave I1 and transmitted waves Tr2 From, the transmission coefficient T 21 is calculated. Further, the control unit 370 calculates the reflection coefficient ⁇ 22 from the complex amplitudes of the incident wave I2 and the reflected wave R2 in the same manner as in the first embodiment, and calculates the reflection coefficient ⁇ 22 of each of the incident wave I2 and the transmitted wave Tr1. The transmission coefficient T 12 is calculated from the complex amplitude.
  • the signal processing unit 400 in the subsequent stage calculates the round-trip delay time ⁇ 11 and the propagation transmission time ⁇ 12 from the reflection coefficient ⁇ 11 and the transmission coefficient T 12 in the same manner as in the first embodiment. Further, the signal processing unit 400 calculates the round-trip delay time ⁇ 22 and the propagation transmission time ⁇ 21 from the reflection coefficient ⁇ 22 and the transmission coefficient T 12 in the same manner as in the first embodiment.
  • the signal processing unit 400 calculates the propagation delay time ⁇ d by the following equation.
  • ⁇ d ( ⁇ 21 + ⁇ 12- ⁇ 11- ⁇ 22 ) / 2 ⁇ ⁇ ⁇ Equation 5
  • the signal processing unit 400 measures the water content by substituting the propagation delay time ⁇ d calculated by the equation 5 into the equation 4.
  • the round-trip delay times ⁇ 11 and ⁇ 22 are examples of the first and second round-trip delay times described in the claims.
  • the delay times for transmitting electrical signals through the cables may differ from each other.
  • the measurement error due to the difference in the lengths of the cables 308 and 309 is obtained by performing the calculation using the round-trip delay time ⁇ 22 in addition to the round-trip delay time ⁇ 11 according to Equation 5. Can be reduced.
  • the water content is measured by using the round-trip delay time ⁇ 11 corresponding to the cable 308 and the round-trip delay time ⁇ 22 corresponding to the cable 309.
  • the measurement error caused by the difference in the lengths of those cables can be reduced.
  • the processing procedure described in the above-described embodiment may be regarded as a method having these series of procedures, and as a program for causing a computer to execute these series of procedures or as a recording medium for storing the program. You may catch it.
  • a recording medium for example, a CD (Compact Disc), MD (MiniDisc), DVD (Digital Versatile Disc), memory card, Blu-ray Disc (Blu-ray (registered trademark) Disc) and the like can be used.
  • the present technology can have the following configurations.
  • a transmitter that transmits an electric signal including an incident wave to one of a pair of probes in which a cable is embedded via the cable.
  • a receiver that receives the reflected wave reflected by the incident wave from the pair of probes and the transmitted wave transmitted through the medium between the pair of probes via the cable.
  • the reciprocating delay time which is the time for the electric signal to reciprocate in the cable, is obtained, and the reciprocating delay time is based on the reciprocating delay time and the propagation transmission time, which is the time for electromagnetic waves and the electric signal to propagate and transmit the medium and the cable.
  • a measuring device including a processing unit that performs a process of measuring the amount of water contained in the medium.
  • the measuring device according to (1) above further comprising an outer shell that separates the pair of probes from the medium.
  • the outer shell is made of an electromagnetic wave transmitting material.
  • the measuring device according to (3) above further comprising a spacer that keeps the distance between the pair of probes constant.
  • the measuring device according to (4) above, wherein the spacer is made of an electromagnetic wave transmitting material.
  • the outer edge has an arc shape.
  • the distance from the antenna portion of each of the pair of probes to the lower end of the spacer is larger than the distance between the antennas, which is the distance between the antenna portions. Preferably, it is greater than twice the distance between the antennas. More preferably, it is larger than three times the distance between the antennas.
  • the measuring device according to (6) above which is smaller than the length of the probe.
  • the measuring device according to any one of (1) to (7), wherein the processing unit obtains the reciprocating delay time and the propagation transmission time based on the reflection coefficient and the transmission coefficient.
  • the control unit and the processing unit are provided on a predetermined semiconductor chip.
  • the control unit is provided on a predetermined semiconductor chip, and the processing unit is provided on a semiconductor chip different from the semiconductor chip.
  • the measuring apparatus according to any one of (8) to (11), further comprising a directional coupler that separates an electric signal transmitted through the cable into the incident wave and the reflected wave.
  • the receiver is An incident wave receiver that receives the incident wave and A reflected wave receiver that receives the reflected wave and The measuring device according to (12) above, which includes a transmitted wave receiver that receives the transmitted wave.
  • the incident waves include first and second incident waves having different directions from each other.
  • the reflected wave includes a first reflected wave corresponding to the first incident wave and a second reflected wave corresponding to the second incident wave.
  • the transmitted wave includes a second transmitted wave corresponding to the first incident wave and a first transmitted wave corresponding to the second incident wave.
  • the directional coupler includes a first directional coupler that separates the electric signal into the first incident wave and the first reflected wave, and the electric signal is separated into the second incident wave and the first reflected wave. Includes a second directional coupler that separates into two reflected waves
  • the transmitter includes a first transmitter that transmits the first incident wave and a second transmitter that transmits the second incident wave.
  • the receiver receives a first receiver that sequentially receives the first reflected wave and the first transmitted wave, and a second receiver that sequentially receives the second reflected wave and the second transmitted wave.
  • the round-trip delay time includes a first round-trip delay time corresponding to one of the pair of probes and a second round-trip delay time corresponding to the other of the pair of probes.
  • the processing unit obtains the first round trip delay time from the first incident wave and the first reflected wave, and the second round trip from the second incident wave and the second reflected wave.
  • the measuring device determines the delay time.
  • the processing unit obtains a propagation delay time, which is a time for the electromagnetic wave to propagate through the medium, from the round-trip delay time and the propagation transmission time, and measures the amount of water according to the propagation delay time (1). ) To (15).
  • the processing unit holds a predetermined coefficient indicating the relationship between the propagation delay time and the water content, and measures the water content from the obtained propagation delay time and the coefficient (16). ) The measuring device described.
  • a transmitter that transmits an electric signal including an incident wave to one of a pair of probes to which a cable is connected to each of the cables.
  • a receiver that receives the reflected wave reflected by the incident wave from the pair of probes and the transmitted wave transmitted through the medium between the pair of probes via the cable.
  • a control unit that controls the transmission of the incident wave and a control unit that performs a process of obtaining the ratio of the complex amplitudes of the incident wave and the reflected wave as a reflection coefficient.
  • the reciprocating delay time which is the time for the electric signal to reciprocate in the cable, is obtained from the reflection coefficient, and the reciprocating delay time and the propagation transmission time, which is the time for the electromagnetic wave and the electric signal to propagate and transmit the medium and the cable.
  • a measurement system including a processing unit that performs a process of measuring the amount of water contained in the medium based on the above. (19) A transmission procedure for transmitting an electric signal including an incident wave to one of a pair of probes in which a cable is embedded via the cable. A reception procedure for receiving the reflected wave reflected by the incident wave from the pair of probes and the transmitted wave transmitted through the medium between the pair of probes via the cable.
  • the reciprocating delay time which is the time for the electric signal to reciprocate in the cable, is obtained, and the reciprocating delay time is based on the reciprocating delay time and the propagation transmission time, which is the time for the electromagnetic wave and the electric signal to propagate and transmit the medium and the cable.
  • a measurement method including a processing procedure for performing a process for measuring the amount of water contained in a medium.

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Abstract

媒質中の水分量を測定する測定装置において、水分量の測定精度を向上させる。　送信機は、各々にケーブルが埋め込まれた一対のプローブの一方へケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する。受信機は、一対のプローブの一方で入射波が反射した反射波と一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とをケーブルを介して受信する。処理部は、ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を求めて往復遅延時間と媒質およびケーブルを電磁波および電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う。

Description

測定装置、測定システム、および、測定方法
　本技術は、測定装置、測定システム、および、測定方法に関する。詳しくは、一対のプローブが設けられた測定装置、測定システム、および、測定方法に関する。
　従来より、土壌などの媒質中の水分量を測定する装置や機器が、農業や環境調査などの分野において広く利用されている。例えば、一対のプローブの間の媒質を電磁波が伝搬する伝搬遅延時間から水分量を測定するセンサ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このセンサ装置は、一対のプローブと送信機および受信機とをケーブルで接続し、送信機から受信機へ電気信号を送信し、その送信から受信までの遅延時間を求めている。そして、センサ装置は、ケーブルを電気信号が伝送する伝送時間を固定値の誤差として予め保持しておき、求めた遅延時間から、その誤差を減算することにより、電磁波が媒質を伝搬する伝搬遅延時間を求めている。
国際公開第２０１８／２２１０５１号
　上述のセンサ装置では、電磁波の伝搬遅延時間を求める際に誤差を減算することにより、水分量の測定精度の向上を図っている。しかしながら、ケーブルの長さが熱膨張により変わることがあり、その長さの変化に起因して誤差も変動する。このため、誤差を固定値とした上述のセンサ装置では、ケーブルが熱膨張した際に、水分量の測定精度が低下するおそれがある。
　本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、媒質中の水分量を測定する測定装置において、水分量の測定精度を向上させることを目的とする。
　本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の側面は、各々にケーブルが埋め込まれた一対のプローブの一方へ上記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信機と、上記一対のプローブの上記一方で上記入射波が反射した反射波と上記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを上記ケーブルを介して受信する受信機と、上記ケーブルを上記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を求めて上記往復遅延時間と上記媒質および上記ケーブルを電磁波および上記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて上記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理部とを具備する測定装置、および、その測定方法である。これにより、往復遅延時間および伝搬伝送時間から水分量が測定されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記一対のプローブを上記媒質から隔離する外殻をさらに具備してもよい。これにより、水分量に関わらず、往復遅延時間が一定になるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記外殻は、電磁波透過材料で形成されていてもよい。これにより、外殻を電磁波が透過するという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記一対のプローブの間隔を一定に保持するスペーサをさらに具備することもできる。これにより、プローブの間の間隔が規定されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記スペーサは、電磁波透過材料で形成されていてもよい。これにより、スペーサを電磁波が透過するという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記スペーサの外縁であって、上記一対のプローブの間に延在する該外縁のうち、上記一対のプローブのそれぞれのアンテナ部に近い方の該外縁は、円弧状になっていてもよい。これにより、ノイズが低減するという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記一対のプローブのそれぞれの上記アンテナ部から上記スペーサの下端までの距離は、上記アンテナ部の間の距離であるアンテナ間距離よりも大きく、好ましくは上記アンテナ間距離の２倍よりも大きく、より好ましくは、上記アンテナ間距離の３倍よりも大きく、上記プローブの長さよりも小さくてもよい。これにより、ノイズが低減するという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記入射波を送信させる制御と上記入射波および上記反射波のそれぞれの複素振幅の比を反射係数として求める処理と上記入射波および上記透過波のそれぞれの複素振幅の比を透過係数として求める処理とを行う制御部をさらに具備し、上記処理部は、上記反射係数および上記透過係数に基づいて上記往復遅延時間および上記伝搬伝送時間を求めてもよい。これにより、反射係数および透過係数から得られた往復遅延時間および伝搬伝送時間に基づいて水分量が測定されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記制御部と上記処理部とは所定の半導体チップに設けられてもよい。これにより、測定装置のチップ数が削減されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記制御部は、所定の半導体チップに設けられ、上記処理部は上記半導体チップと異なる半導体チップに設けられてもよい。これにより、複数の半導体チップを設けた測定装置において水分量が測定されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記反射係数および上記透過係数を上記処理部に無線送信する通信部をさらに具備してもよい。これにより、処理部を遠隔地に配置しても水分量が測定されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記ケーブルを伝送する電気信号を上記入射波と上記反射波に分離する方向性結合器をさらに具備してもよい。これにより、分離した入射波および反射波のそれぞれが受信されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記受信機は、上記入射波を受信する入射波受信機と、上記反射波を受信する反射波受信機と、上記透過波を受信する透過波受信機とを含むものであってもよい。これにより、入射波、反射波および透過波のそれぞれが受信されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記入射波は、互いに方向の異なる第１および第２の入射波を含み、上記反射波は、上記第１の入射波に対応する第１の反射波と上記第２の入射波に対応する第２の反射波とを含み、上記透過波は、上記第１の入射波に対応する第２の透過波と上記第２の入射波に対応する第１の透過波とを含み、上記方向性結合器は、上記電気信号を上記第１の入射波と上記第１の反射波とに分離する第１の方向性結合器と、上記電気信号を上記第２の入射波と上記第２の反射波とに分離する第２の方向性結合器とを含み、上記送信機は、上記第１の入射波を送信する第１の送信機と上記第２の入射波を送信する第２の送信機とを含み、上記受信機は、上記第１の反射波と上記第１の透過波とを順に受信する第１の受信機と、上記第２の反射波と上記第２の透過波とを順に受信する第２の受信機とを含むものであってもよい。これにより、互いに方向の異なる第１および第２の入射波と、それらに対応する反射波および透過波とが受信されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記往復遅延時間は、上記一対のプローブの一方に対応する第１の往復遅延時間と上記一対のプローブの他方に対応する第２の往復遅延時間とを含み、上記処理部は、上記第１の入射波と上記第１の反射波とから上記第１の往復遅延時間を求め、上記第２の入射波と上記第２の反射波とから上記第２の往復遅延時間を求めてもよい。これにより、一対のプローブのそれぞれに対応する往復遅延時間が得られるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記処理部は、上記媒質を上記電磁波が伝搬する時間である伝搬遅延時間を上記往復遅延時間および上記伝搬伝送時間から求めて上記伝搬遅延時間に応じた水分量を測定してもよい。これにより、伝搬遅延時間に応じた水分量が測定されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記処理部は、上記伝搬遅延時間と上記水分量との関係を示す所定の係数を保持しておき、上記求めた伝搬遅延時間と上記係数とから上記水分量を測定してもよい。これにより、伝搬遅延時間と係数とから水分量が測定されるという作用をもたらす。
　また、本技術の第２の側面は、各々にケーブルが接続された一対のプローブの一方へ上記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信機と、上記一対のプローブの上記一方で上記入射波が反射した反射波と上記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを上記ケーブルを介して受信する受信機と、上記入射波を送信させる制御と上記入射波および上記反射波のそれぞれの複素振幅の比を反射係数として求める処理を行う制御部と、上記ケーブルを上記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を上記反射係数から求めて上記往復遅延時間と上記媒質および上記ケーブルを電磁波および上記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて上記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理部とを具備する測定システムである。これにより、反射係数から得られた往復遅延時間と伝搬伝送時間とに基づいて水分量が測定されるという作用をもたらす。
本技術の第１の実施の形態における測定装置の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態におけるセンサヘッドの外観図の一例である。 本技術の第１の実施の形態におけるアンテナ部および等価回路の一例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における反射係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。 比較例における反射係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。 本技術の第１の実施の形態における測定ユニットの一構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態における方向性結合器の一構成例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における送信機および受信機の一構成例を示す回路図である。 本技術の第１の実施の形態における制御部の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態における信号処理ユニットの一構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態における電磁波および電気信号の伝搬経路および伝送経路を説明するための図である。 本技術の第１の実施の形態における反射係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。 本技術の第１の実施の形態における透過係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。 本技術の第１の実施の形態における往復遅延時間および伝搬伝送時間と水分量との関係の一例を示すグラフである。 本技術の第１の実施の形態における伝搬遅延時間と水分量との関係の一例を示すグラフである。 本技術の第１の実施の形態におけるケーブルをさらに延長した測定装置の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態における測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。 本技術の第２の実施の形態における測定装置の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第２の実施の形態における測定ユニットの一構成例を示すブロック図である。 本技術の第３の実施の形態における測定システムの一構成例を示すブロック図である。 本技術の第４の実施の形態における測定ユニットの一構成例を示すブロック図である。
　以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
　１．第１の実施の形態（往復遅延時間および伝搬伝送時間を求める例）
　２．第２の実施の形態（１つの半導体チップにより往復遅延時間および伝搬伝送時間を求める例）
　３．第３の実施の形態（無線通信を行い、往復遅延時間および伝搬伝送時間を求める例）
　４．第４の実施の形態（送信方向を変えて往復遅延時間および伝搬伝送時間を求める例）
　＜１．第１の実施の形態＞
　［測定装置の構成例］
　図１は、本技術の第１の実施の形態における測定装置１００の一構成例を示すブロック図である。この測定装置１００は、媒質Ｍに含まれる水分量を測定するものであり、センサ装置１１０と、信号処理ユニット４００とを有する。媒質Ｍとしては、例えば、農作物を育成するための土壌が想定される。
　センサ装置１１０は、水分量の測定に必要なデータを測定データとして取得するものである。測定データの内容については後述する。このセンサ装置１１０は、測定データを信号線４０９を介して信号処理ユニット４００へ送信する。信号処理ユニット４００は、測定データを用いて水分量を測定するものである。
　また、センサ装置１１０は、センサヘッド２００と測定ユニット３００とを有する。センサヘッド２００は、プローブ２０１および２０２からなる部品である。これらのプローブ２０１および２０２は、ケーブル３０８および３０９を介して測定ユニット３００に接続される。ケーブル３０８および３０９として、例えば、同軸ケーブルが用いられる。これらのケーブル３０８および３０９は、それぞれの先端をプローブ２０１および２０２の内部に埋め込むことにより、プローブ２０１および２０２に接続されている。測定ユニット３００は、プローブ２０１および２０２の一方に電磁波ＥＷを送信させ、その電磁波ＥＷを他方に受信させて測定データを生成するものである。
　また、測定ユニット３００と、信号処理ユニット４００とは互いに異なる半導体チップに実装される。なお、後述するように、測定ユニット３００と信号処理ユニット４００とのそれぞれの回路を同一の半導体チップに実装することもできる。
　さらに、測定ユニット３００は、配線層を備えた電子回路基板とこの電子回路基板上に実装された半導体チップを含んで構成されてもよい。測定ユニット３００は、上記電子回路基板と上記半導体チップと、これらを収容した筐体とを含んで構成されてもよい。そして、上記ケーブル３０８および３０９は、上記電子回路基板に備わる上記配線層を介して、上記半導体チップと接続されてよい。
　電子回路基板と半導体チップを含んで構成された測定ユニット３００、あるいはこれを収容した筐体、の大きさは、（１）その延在する方向（電子回路基板の基板平面方向）の大きさが、例えば、１辺の長さが１乃至２０センチメートル（ｃｍ）、これと直交する他辺の長さが１乃至４０センチメートル（ｃｍ）、の略長方形に収まる大きさであってよく、（２）その厚さは、例えば、２乃至２０ミリメートル（ｍｍ）であってよい。
　測定ユニット３００を配置する方向は、少なくとも2通りのいずれかを取り得る。すなわち、（１）測定ユニット３００の延在する方向が、プローブ２０１および２０２の延在する方向と平行となるように、測定ユニット３００を配置してよい。あるいは、（２）測定ユニット３００の延在する方向が、プローブ２０１および２０２の延在する方向と直交するように、測定ユニット３００を配置してもよい。
　なお、信号処理ユニット４００をセンサ装置１１０と異なる筐体内に配置した場合、センサ装置１１０と、信号処理ユニット４００とを有するシステムを測定システムとして扱うこともできる。
　［センサヘッドの構成例］
　図２は、本技術の第１の実施の形態におけるセンサヘッド２００の外観図の一例である。センサヘッド２００は、プローブ２０１および２０２を有する。プローブ２０１および２０２のそれぞれの長さは、例えば、７５乃至１５０ミリメートル（ｍｍ）である。プローブ２０１および２０２のそれぞれの太さ（直径、あるいは、プローブ断面の幅）は、例えば、３乃至３０ミリメートル（ｍｍ）である。これらのプローブ２０１および２０２は、土壌等の媒質の中に配置され、プローブ２０１および２０２の間で所定周波数の電磁波を送受信することが可能なアンテナ部２１０をそれぞれ有する。
　プローブ２０１および２０２は、それぞれのアンテナ部２１０の間の距離が所定値Ｄとなるように媒質中に埋め込まれる。例えば、これらのプローブは、媒質中に概ね垂直な姿勢で埋め込まれる。なお、アンテナ部２１０の間の距離がＤとなるのであれば、それらの姿勢は、垂直な姿勢に限定されない。
　アンテナ部２１０は、プローブ２０１および２０２の先端部（言い換えれば、終端部）又はその近傍に設けられ、電磁波を送受信するものである。なお、アンテナ部２１０は、プローブ２０１および２０２の先端部に設けられているが、この構成に限定されない。例えば、プローブ２０１および２０２の中央位置などに設けることもできる。
　また、アンテナ部２１０は、プローブ２０１および２０２を共振させない程度の大きさで形成された微小アンテナで構成される。これにより、プローブ２０１および２０２の共振による測定精度の低下を抑制することができる。
　また、プローブ２０１および２０２のそれぞれの内部には、前述したように図１におけるケーブル３０８および３０９（同軸ケーブル）の先端が埋め込まれている。この同軸ケーブルの一部が開口され、アンテナ部２１０として用いられる。同軸ケーブルのうちアンテナ部２１０以外の部分の外周は、電磁波吸収材２４０により被覆されている。電磁波吸収材２４０により、開口部以外の領域からの電磁波の漏洩を抑制することができる。
　電磁波吸収材２４０として、主にＮｉ－Ｚｎ系のフェライトが用いられるが、これに限られず、電磁波ＥＷの周波数等に応じて、センダストやパーマロイ等の他の高透磁率材料が用いられてもよい。また、電磁波吸収材２４０は、必要に応じて省略されてもよいし、プローブ２０１および２０２の一方にのみ設けられてもよい。
　アンテナ部２１０の間の距離Ｄの大きさは特に限定されない。距離Ｄが大きすぎると、媒質Ｍを伝搬する電磁波ＥＷの減衰が大きくなり、十分な受信強度が得られなくなるおそれがある。一方、距離Ｄが小さすぎると、技術的に観測が難しくなるおそれがある。これらを考慮して、距離Ｄは適切な値に設定される。例えば、距離Ｄは、２５乃至７５ミリメートル（ｍｍ）である。
　そして、プローブ２０１および２０２の間には、アンテナ部２１０の間の距離を規定するためにスペーサ２６０が配置される。また、プローブ２０１および２０２のそれぞれの外周は、厚さが１乃至３ミリメートル（ｍｍ）の外殻２２５により被覆され、媒質から隔離されている。スペーサ２６０および外殻２２５は、電磁波透過性の材料により形成される。電磁波透過性の材料としては、例えば、高分子系材料、ガラスや、ＰＴＥＦ（PolyTEtraFluoroethylene）などの無機系材料が挙げられる。高分子系材料として、ＰＣ（PolyCarbonate）、ＰＥＳ（PolyEtherSulfone）、ＰＥＥＫ（PolyEtherEtherKetone）、ＰＳＳ（PolyStyrene Sulfonic acid)などが用いられる。その他、高分子材料として、ＰＭＭＡ（PolyMethylMethAcrylate）、ＰＥＴ（PolyEthylene Terephthalate）なども用いられる。
　スペーサ２６０の厚さは、電子回路基板と半導体チップを含んで構成された測定ユニット３００の大きさや厚さより小さくてよい。例えば、測定ユニット３００の延在する方向が、プローブ２０１および２０２の延在する方向と平行となるように、測定ユニット３００が配置されている場合、スペーサ２６０の厚さは、測定ユニット３００の厚さよりも小さくてよく、好ましくは、１／２よりも小さくてよく、より好ましくは、１／３よりも小さくてよい。あるいは、測定ユニット３００の延在する方向が、プローブ２０１および２０２の延在する方向と直交するように、測定ユニット３００が配置されている場合、スペーサ２６０の厚さは、測定ユニット３００が延在する一方向の長さよりも小さくてよく、好ましくは、１／２よりも小さくてよく、より好ましくは、１／３よりも小さくてよい。また、スペーサ２６０の厚さは、プローブ２０１および２０２の少なくともいずれか一方の太さ（直径、あるいは、プローブ断面の幅）よりも小さくてよく、好ましくは、１／２よりも小さくてよく、より好ましくは、１／３よりも小さくてよい。そして、スペーサ２６０の厚さは、例えば、１乃至３ミリメートル（ｍｍ）であってよい。
　スペーサ２６０の厚さを、測定ユニット３００の厚さよりも小さくする、あるいは、測定ユニット３００が延在する一方向の長さよりも小さくする、もしくは、プローブ２０１および２０２の少なくともいずれか一方の太さ（直径、あるいは、プローブ断面の幅）よりも小さくする、という構成は、アンテナ間の電磁波の伝搬遅延時間を計測する水分センサならではの効果を発揮する。仮に、スペーサ２６０を電磁波透過材料で形成しても、その材料によっては、送信アンテナから放射された電磁波がスペーサで反射されて受信アンテナで受信され、ノイズとなる可能性がある。スペーサ２６０の厚さを、上記の構成とすることによって、この構成を備えない形態と比較して、スペーサ２６０で反射される上記のノイズを低減することができる。この、スペーサの厚さを小さくすることによってノイズを低減する効果は、アンテナ間の電磁波の伝搬遅延時間を計測する以外の水分センサでは発生せず、アンテナ間の電磁波の伝搬遅延時間を計測する水分センサであるからこそ発生する効果である。
　なお、一対のプローブ（２０１および２０２）のアンテナ部（２１０および２２０）からスペーサ２６０の下端までの距離ｄは、アンテナ間の距離Ｄよりも大きいことが好ましい。特に、その距離ｄは、アンテナ間の距離Ｄの２倍よりも大きいことが好ましい。さらに、距離ｄは、アンテナ間の距離Ｄの３倍よりも大きく、プローブ２０１および２０２のそれぞれの長さよりも小さいことがより好ましい。仮に、プローブ２０１および２０２の間のスペーサ２６０を電磁波透過材料で形成しても、その材料によっては、送信アンテナから放射されたマイクロ波がスペーサで反射されて、受信アンテナで受信され、ノイズとなる可能性がある。上述のように、スペーサ２６０をアンテナから遠ざけることによって、このノイズを低減することができる。この「スペーサ２６０をアンテナから遠ざけることによってノイズを低減する効果」は、アンテナ間の伝搬遅延計測方式以外の水分センサでは発生せず、本技術のように、アンテナ間の伝搬遅延計測方式の水分センサであるからこそ発生するものである。
　また、スペーサ２６０の外縁であって、一対のプローブ（２０１および２０２）の間に延在する該外縁のうち、アンテナ部（２１０および２２０）に近い方の該外縁は、同図に例示するように円弧状になっている。該外縁が、直線であるよりも円弧状になっている方が、信アンテナから放射されたマイクロ波がスペーサ２６０で反射されて受信アンテナで受信されるノイズをより低減できる。この「スペーサ２６０を円弧状にすることによってノイズを低減する効果」は、アンテナ間の伝搬遅延計測方式以外の水分センサでは発生せず、アンテナ間の伝搬遅延計測方式の水分センサであるからこそ発生するものである。
　［アンテナ部の構成例］
　図３は、本技術の第１の実施の形態におけるアンテナ部２１０および等価回路の一例を示す図である。同図におけるａは、アンテナ部２１０の拡大図である。同図におけるｂは、アンテナ部２１０の等価回路の一例である。
　プローブ２０１内に埋め込まれたケーブル３０８（同軸ケーブル等）は、芯線部２１１とシールド部２１２を有する。当該ケーブルの太さおよび長さは特に限定されず、任意の太さおよび長さとすることができる。同図におけるａに例示するように、芯線部２１１は銅線で構成され、シールド部２１２は銅パイプで構成されるが、シールド部２１２は銅線のメッシュ体で構成されてもよい。
　ケーブル３０８（同軸ケーブル等）の先端付近の一部が開口され、電極部２１３が取り付けられる。これにより、プローブ２０１および２０２のそれぞれのアンテナ部２１０は、長さが４乃至１０ミリメートル（ミリメートル）程度の微小ダイポールアンテナとして機能する。開口部は、矩形、円形、楕円形、長円形等の開口形状を有する。開口部の長軸は、使用する電磁波の波長に応じて適宜設定可能である。
　また、同図におけるｂに例示するように、アンテナ部２１０の等価回路は、抵抗５１１と、フリンジング容量５１２および５１３とが並列に接続された回路により表される。フリンジング容量５１２の容量値は、同軸ケーブルの内側に広がる物質の誘電率εｃに応じた値である。フリンジング容量５１３の容量値は、電極５１３の周囲に広がる物質の誘電率ε＊に応じた値である。
　プローブ２０１および２０２のいずれかに電気信号が送信されると、その信号の一部が終端で反射して、同軸ケーブル内を電気信号が往復する。この電気信号のうち、入力された信号内の波を「入射波」とし、その入射波が反射したものを「反射波」とする。
　ここで、外殻２２５を設けない比較例を想定する。この比較例において、電気信号が同軸ケーブル内を往復するのに要する往復遅延時間は、温度と媒質の誘電率ε＊とに起因して変動する。
　温度が高くなるほど、同軸ケーブルが熱膨張により長くなるため、遅延時間が長くなる。また、媒質の誘電率ε＊が変化すると、その値に応じてフリンジング容量５１２が変化し、反射係数のインパルス応答のピーク時間が変化する。ここで、反射係数は、入射波および反射波のそれぞれの複素振幅の比である。
　図４は、本技術の第１の実施の形態における反射係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、反射係数のインパルス応答を示し、横軸は、時間を示す。実線の曲線は、媒質が空気である場合のインパルス応答の波形を示し、一点鎖線の曲線は、媒質が水である場合のインパルス応答の波形を示す。
　一方、図５は、外殻２２５を設けない比較例における反射係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、反射係数のインパルス応答を示し、横軸は、時間を示す。実線の曲線は、媒質が空気である場合のインパルス応答の波形を示し、一点鎖線の曲線は、媒質が水である場合のインパルス応答の波形を示す。
　図５に例示するように、外殻２２５を設けない場合には、媒質が変わると、その誘電率ε＊が変動し、フリンジング容量５１２が変わる。このため、インパルス応答のピーク値が変動する。この変動に起因して、往復遅延時間の算出において誤差が生じる。
　これに対して、外殻２２５を設けてアンテナ部２１０を媒質から隔離した場合、フリンジング容量５１２が一定となるため、図４に例示したように、インパルス応答のピーク値が変動しない。これにより、往復遅延時間を高い精度で算出することができる。
　図６は、本技術の第１の実施の形態における測定ユニット３００の一構成例を示すブロック図である。この測定ユニット３００は、方向性結合器３１０、送信機３２０、入射波受信機３３０、反射波受信機３４０、透過波受信機３５０、通信部３６０および制御部３７０を備える。測定ユニット３００として、例えば、ベクトルネットワークアナライザが用いられる。
　方向性結合器３１０は、ケーブル３０８を伝送する電気信号を入射波と反射波とに分離するものである。入射波は、送信機３２０により送信された電気信号の波であり、反射波は、プローブ２０１の終端で入射波が反射したものである。この方向性結合器３１０は、入射波を入射波受信機３３０に供給し、反射波を反射波受信機３４０に供給する。
　送信機３２０は、所定周波数の電気信号を送信信号として方向性結合器３１０およびケーブル３０８を介して、プローブ２０１に送信するものである。送信信号内の入射波として、例えば、ＣＷ（Continuous Wave）波が用いられる。この送信機３２０は、例えば、１乃至９ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数帯域内において、５０メガヘルツ（ＭＨｚ）のステップで周波数を順に切り替えて送信信号を送信する。
　入射波受信機３３０は、方向性結合器３１０からの入射波を受信するものである。反射波受信機３４０は、方向性結合器３１０からの反射波を受信するものである。透過波受信機３５０は、プローブ２０２からの透過波を受信するものである。ここで、透過波は、プローブ２０１および２０２の間の媒質を透過した電磁波をプローブ２０２が電気信号に変換したものである。
　入射波受信機３３０、反射波受信機３４０および透過波受信機３５０は、受信した入射波、反射波および透過波に対して、直交検波とＡＤ（Analog to Digital）変換とを行って受信データとして制御部３７０に供給する。
　なお、入射波受信機３３０、反射波受信機３４０および透過波受信機３５０は、特許請求の範囲に記載の受信機の一例である。
　制御部３７０は、送信機３２０を制御して、入射波を含む送信信号を送信させる制御と、反射係数および透過係数を求める処理とを行うものである。ここで、反射係数は、前述したように入射波および反射波のそれぞれの複素振幅の比である。透過係数は、入射波および透過波のそれぞれの複素振幅の比である。制御部３７０は、求めた反射係数および透過係数を通信部３６０に供給する。
　通信部３６０は、反射係数および透過係数を示すデータを測定データとして信号線４０９を介して信号処理ユニット４００に送信するものである。
　なお、正確な反射係数と透過係数を測定するために、測定前において、方向性結合器３１０、送信機３２０および受信機（入射波受信機３３０等）のそれぞれの周波数特性の校正（キャリブレーション）が実行されている。
　［方向性結合器の構成例］
　図７は、本技術の第１の実施の形態における方向性結合器３１０の一構成例を示す図である。この方向性結合器３１０は、伝送線路３１１、３１２および３１３と、終端抵抗３１４および３１５とを備える。この方向性結合器３１０は、例えば、小型化に好適なブリッジカップラーにより実装することができる。
　伝送線路３１１の一端は、送信機３２０に接続され、他端は、ケーブル３０８を介してプローブ２０１に接続される。伝送線路３１２は、伝送線路３１１より短く、伝送線路３１１と電磁界結合する線路である。この伝送線路３１２の一端には終端抵抗３１４が接続され、他端は、反射波受信機３４０に接続される。伝送線路３１３は、伝送線路３１１より短く、伝送線路３１１と電磁界結合する線路である。この伝送線路３１３の一端には終端抵抗３１５が接続され、他端は、入射波受信機３３０に接続される。
　上述の構成により、方向性結合器３１０は、電気信号を入射波および反射波に分離し、入射波受信機３３０および反射波受信機３４０に供給する。
　［送信機および受信機の構成例］
　図８は、本技術の第１の実施の形態における送信機３２０および受信機の一構成例を示す回路図である。同図におけるａは、送信機３２０の一構成例を示す回路図であり、同図におけるｂは、入射波受信機３３０の一構成例を示す回路図である。同図におけるｃは、反射波受信機３４０の一構成例を示す回路図であり、同図におけるｄは、透過波受信機３５０の一構成例を示す回路図である。
　同図におけるａに例示するように、送信機３２０は、送信信号発振器３２２およびドライバ３２１を備える。
　送信信号発振器３２２は、制御部３７０の制御に従って電気信号を送信信号として生成するものである。ドライバ３２１は、送信信号を方向性結合器３１０に出力するものである。この送信信号Ｓ（ｔ）は、例えば、次の式により表される。
　　Ｓ（ｔ）＝｜Ａ｜ｃｏｓ（２πｆｔ＋θ）
上式において、ｔは、時刻を表し、単位は、例えば、ナノ秒（ｎｓ）である。｜Ａ｜は、送信信号の振幅を示す。ｃｏｓ（）は、余弦関数を示す。ｆは、周波数を示し、単位は例えば、ヘルツ（Ｈｚ）である。θは、位相を表し、単位は、例えば、ラジアン（ｒａｄ）である。
　同図におけるｂに例示するように、入射波受信機３３０は、ミキサ３３１、バンドパスフィルタ３３２およびアナログデジタル変換器３３３を備える。
　ミキサ３３１は、位相が９０度異なる２つのローカル信号と送信信号とを混合することにより、直交検波を行うものである。この直交検波により、同相成分ＩＩおよび直交成分ＱＩからなる複素振幅が得られる。これらの同相成分ＩＩおよび直交成分ＱＩは、例えば、次の式により表される。ミキサ３３１は、複素振幅をバンドパスフィルタ３３２を介してアナログデジタル変換器３３３に供給する。
　　ＩＩ＝｜Ａ｜ｃｏｓ（θ）
　　ＱＩ＝｜Ａ｜ｓｉｎ（θ）
上式において、ｓｉｎ（）は、正弦関数を示す。
　バンドパスフィルタ３３２は、所定の周波数帯域の成分を通過させるものである。アナログデジタル変換器３３３は、ＡＤ変換を行うものである。このアナログデジタル変換器３３３は、ＡＤ変換により複素振幅を示すデータを生成し、受信データとして制御部３７０に供給する。
　同図におけるｃに例示するように、反射波受信機３４０は、ミキサ３４１、バンドパスフィルタ３４２およびアナログデジタル変換器３４３を備える。ミキサ３４１、バンドパスフィルタ３４２およびアナログデジタル変換器３４３の構成は、ミキサ３３１、バンドパスフィルタ３３２およびアナログデジタル変換器３３３と同様である。反射波受信機３４０は、反射波を直交検波して同相成分ＩＲおよび直交成分ＱＲからなる複素振幅を取得し、その複素振幅を示す受信データを制御部３７０に供給する。
　同図におけるｄに例示するように、透過波受信機３５０は、レシーバ３５１、ローカル信号発振器３５２、ミキサ３５３、バンドパスフィルタ３５４およびアナログデジタル変換器３５５を備える。ミキサ３５３、バンドパスフィルタ３５４およびアナログデジタル変換器３５５の構成は、ミキサ３３１、バンドパスフィルタ３３２およびアナログデジタル変換器３３３と同様である。
　レシーバ３５１は、ケーブル３０９を介して、透過波を含む電気信号を受信し、ミキサ３５３に出力するものである。ローカル信号発振器３５２は、位相が９０度異なる２つのローカル信号を生成するものである。
　透過波受信機３５０は、透過波を直交検波して同相成分ＩＴおよび直交成分ＱＴからなる複素振幅を取得し、その複素振幅を示すデータを受信データとして制御部３７０に供給する。
　なお、送信機３２０および受信機（入射波受信機３３０等）のそれぞれの回路は、入射波等を送受信することができるものであれば、同図に例示した回路に限定されない。
　［制御部の構成例］
　図９は、本技術の第１の実施の形態における制御部３７０の一構成例を示すブロック図である。この制御部３７０は、送信制御部３７１、反射係数算出部３７２および透過係数算出部３７３を備える。
　送信制御部３７１は、送信機３２０を制御して、送信信号を送信させるものである。
　反射係数算出部３７２は、周波数毎に反射係数Γを算出するものである。この反射係数算出部３７２は、入射波受信機３３０および反射波受信機３４０から、入射波および反射波のそれぞれの複素振幅を受信し、次の式により、それらの比を反射係数Γとして算出する。
　　Γ＝（ＩＲ＋ｊＱＲ）／（ＩＩ＋ｊＱＩ）　　　　　　　　・・・式１
上式において、ｊは、虚数単位である。
　反射係数算出部３７２は、Ｎ（Ｎは、整数）個の周波数ｆ１乃至ｆＮのそれぞれについて式１により反射係数を算出する。これらのＮ個の反射係数をΓ１乃至ΓＮとする。反射係数算出部３７２は、それらの反射係数を通信部３６０に供給する。
　透過係数算出部３７３は、周波数毎に透過係数Ｔを算出するものである。この透過係数算出部３７３は、入射波受信機３３０および透過波受信機３５０から、入射波および透過波のそれぞれの複素振幅を受信し、次の式により、それらの比を透過係数Ｔとして算出する。
　　Ｔ＝（ＩＴ＋ｊＱＴ）／（ＩＩ＋ｊＱＩ）　　　　　　　・・・式２
　透過係数算出部３７３は、Ｎ個の周波数ｆ１乃至ｆＮのそれぞれについて式２により透過係数を算出する。これらのＮ個の反射係数をＴ１乃至ＴＮとする。透過係数算出部３７３は、それらの透過係数を通信部３６０を介して信号処理ユニット４００へ供給する。
　［信号処理ユニットの構成例］
　図１０は、本技術の第１の実施の形態における信号処理ユニット４００の一構成例を示すブロック図である。この信号処理ユニット４００は、通信部４１０、往復遅延時間算出部４２０、伝搬伝送時間算出部４３０、水分量測定部４４０および係数保持部４５０を備える。
　通信部４１０は、測定ユニット３００からの測定データを受信するものである。この通信部４１０は、測定データ内の反射係数Γ１乃至ΓＮを往復遅延時間算出部４２０に供給し、測定データ内の透過係数Ｔ１乃至ＴＮを伝搬伝送時間算出部４３０に供給する。
　往復遅延時間算出部４２０は、反射係数に基づいて、電気信号がケーブル３０８を往復する時間を往復遅延時間として算出するものである。この往復遅延時間算出部４２０は、反射係数Γ１乃至ΓＮを逆フーリエ変換することにより、インパルス応答ｈΓ（ｔ）を求める。そして、往復遅延時間算出部４２０は、インパルス応答ｈΓ（ｔ）のピーク値のタイミングと、ＣＷ波の送信タイミングとの時間差を往復遅延時間τ１１として求め、水分量測定部４４０に供給する。
　伝搬伝送時間算出部４３０は、透過係数に基づいて、電磁波および電気信号が媒質とケーブル３０８および３０９とを伝搬および伝送する時間を伝搬伝送時間として算出するものである。この伝搬伝送時間算出部４３０は、透過係数Ｔ１乃至ＴＮを逆フーリエ変換することにより、インパルス応答ｈＴ（ｔ）を求める。そして、伝搬伝送時間算出部４３０は、インパルス応答ｈＴ（ｔ）のピーク値のタイミングと、ＣＷ波の送信タイミングとの時間差を伝搬伝送時間τ２１として求め、水分量測定部４４０に供給する。
　水分量測定部４４０は、往復遅延時間τ１１および伝搬伝送時間τ２１に基づいて水分量を測定するものである。この水分量測定部４４０は、まず、往復遅延時間τ１１および伝搬伝送時間τ２１から伝搬遅延時間τｄを算出する。ここで、伝搬遅延時間は、プローブ２０１および２０２の間の媒質を電磁波が伝搬する時間である。伝搬遅延時間τｄは、次の式により算出される。
　　τｄ＝τ２１－τ１１　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・式３
上式において、往復遅延時間τ１１、伝搬伝送時間τ２１および伝搬遅延時間τｄのそれぞれの単位は、例えば、ナノ秒（ｎｓ）である。
　そして、水分量測定部４４０は、水分量と伝搬遅延時間τｄとの間の関係を示す係数ａおよびｂを係数保持部４５０から読み出し、式３で算出した伝搬遅延時間τｄを次の式に代入して、水分量ｘを測定する。そして、水分量測定部４４０は、測定した水分量を、必要に応じた外部の装置や機器へ出力する。
　　τｄ＝ａ・ｘ＋ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・式４
上式において、水分量ｘの単位は、例えば、体積パーセント（％）である。
　係数保持部４５０は、係数ａおよびｂを保持するものである。係数保持部４５０として、不揮発性のメモリなどが用いられる。
　図１１は、本技術の第１の実施の形態における電磁波および電気信号の伝搬経路および伝送経路を説明するための図である。
　前述したように、プローブ２０１に先端が埋め込まれたケーブル３０８を介して、送信機３２０は、入射波を含む電気信号を送信信号としてプローブ２０１に送信する。
　プローブ２０１の終端で入射波が反射し、その反射波を反射波受信機３４０が受信する。これにより、入射波および反射波を含む電気信号がケーブル３０８内を往復する。同図における太い実線の矢印は、ケーブル３０８を電気信号が往復した経路を示す。この経路を電気信号が往復する時間が、往復遅延時間τ１１に該当する。
　また、入射波を含む電気信号はプローブ２０１により、電磁波ＥＷに変換され、プローブ２０１および２０２の間の媒質を透過（言い換えれば、伝搬）する。プローブ２０２は、その電磁波ＥＷを電気信号に変換する。透過波受信機３５０は、ケーブル３０９を介して、その電気信号内の透過波を受信する。すなわち、入射波を含む電気信号がケーブル３０８を伝送し、電磁波ＥＷに変換されて媒質を伝搬し、透過波を含む電気信号に変換されてケーブル３０９を伝送する。同図における太い点線の矢印は、電磁波と電気信号（入射波および透過波）とが、媒質とケーブル３０８および３０９とを伝搬および伝送した経路を示す。この経路を電磁波および電気信号が伝搬および伝送する時間が、伝搬伝送時間τ２１に該当する。
　測定ユニット３００内の制御部３７０は、式１および式２により反射係数Γおよび透過係数Ｔを求める。そして、信号処理ユニット４００は、反射係数Γおよび透過係数Ｔから往復遅延時間τ１１および伝搬伝送時間τ２１を求める。
　ここで、入射波の送信から、透過波の受信までの経路は、媒質と、ケーブル３０８および３０９とを含む。このため、媒質を電磁波が伝搬する伝搬遅延時間τｄは、伝搬伝送時間τ２１と、ケーブル３０８および３０９を電気信号が伝送する遅延時間との差分により求められる。ここで、ケーブル３０８および３０９のそれぞれの長さが同一と仮定すると、ケーブル３０８を伝送する遅延時間と、ケーブル３０９を伝送する遅延時間とは同一になる。この場合、ケーブル３０８および３０９を電気信号が伝送する遅延時間の合計は、ケーブル３０８を往復する往復遅延時間τ１１に等しくなる。したがって式３が成立し、信号処理ユニット４００は、式３により、伝搬遅延時間τｄを算出することができる。
　そして、信号処理ユニット４００は、求めた往復遅延時間τ１１および伝搬伝送時間τ２１から伝搬遅延時間を算出し、伝搬遅延時間と係数ａおよびｂとから、媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う。なお、信号処理ユニット４００は、特許請求の範囲に記載の処理部の一例である。
　図１２は、本技術の第１の実施の形態における反射係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、反射係数のインパルス応答であり、横軸は、時間である。
　水分量の異なる４種類の豊浦標準砂を媒質として用意し、測定装置１００が反射係数のインパルス応答を求めたものとする。それぞれの水分量は、０．０、１０．１、１９．７、および３２．９体積パーセント（％）とする。
　同図に例示するように、水分量が変化しても、反射係数のピーク値は変化しない。すなわち、往復遅延時間は一定である。これは、前述したように、プローブ２０１および２０２が外殻２２５により隔離されているためである。
　図１３は、本技術の第１の実施の形態における透過係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、透過係数のインパルス応答であり、横軸は、時間である。同図において、測定対象の媒質は、図１２と同様の４種類の豊浦標準砂である。
　同図に例示するように、水分量が多くなるほど、透過係数のピーク値のタイミングが遅くなる。これにより、水分量が多くなるほど、伝搬伝送遅延時間が長くなる。
　図１４は、本技術の第１の実施の形態における往復遅延時間および伝搬伝送時間と水分量との関係の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、往復遅延時間または伝搬伝送時間を示し、横軸は水分量を示す。
　図１４における点線は、図１２から得られた往復遅延時間と水分量との関係を示す。図１４における実線は、図１３から得られた伝搬伝送時間と水分量との関係を示す。図１４に例示するように、水分量に関わらず、往復遅延時間は一定である。一方、水分量が多くなるほど、伝搬伝送遅延時間は長くなる。
　図１５は、本技術の第１の実施の形態における伝搬遅延時間と水分量との関係の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、伝搬遅延時間を示し、横軸は、水分量を示す。同図の直線は、図１４の水分量毎に、伝搬伝送時間および往復遅延時間の差分を求めることにより得られる。
　図１５に例示するように、伝搬遅延時間は、水分量が多くなるほど、長くなり、両者は比例関係にある。したがって式４が成立する。式４における係数ａは、同図における直線の傾きであり、係数ｂは、切片である。
　図１６は、本技術の第１の実施の形態におけるケーブル３０８および３０９をさらに延長した測定装置の一構成例を示すブロック図である。ケーブル３０８および３０９を長くすることにより、測定ユニット３００および信号処理ユニット４００を、プローブ２０１および２０２よりも遠方に配置することができる。
　ただし、ケーブル３０８および３０９を長くするほど、温度変化に伴う往復遅延時間の変動が大きくなる。したがって、仮に、測定装置１００が往復遅延時間を固定値として水分量を測定すると、真値と固定値との間の誤差が拡大し、水分量の測定精度が低下するおそれがある。
　しかし、測定装置１００は、反射波を受信して、反射係数から往復遅延時間を算出している。したがって、測定装置１００は、温度変化により往復遅延時間が変動しても、その変動時の値を得ることができる。このため、往復遅延時間を固定値とする場合よりも水分量の測定精度を向上させることができる。
　［測定装置の動作例］
　図１７は、本技術の第１の実施の形態における測定装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。同図における動作は、例えば、水分量を測定するための所定のアプリケーションが実行されたときに開始される。
　一対のプローブ２０１および２０２は、電磁波を送受信する（ステップＳ９０１）。測定ユニット３００は、入射波および反射波から反射係数を算出し（ステップＳ９０２）、入射波および透過波から透過係数を算出する（ステップＳ９０３）。
　次いで、信号処理ユニット４００は、反射係数から往復遅延時間を算出し（ステップＳ９０４）、透過係数から伝搬伝送時間を算出する（ステップＳ９０５）。信号処理ユニット４００は、往復遅延時間および伝搬伝送時間から伝搬遅延時間を算出し（ステップＳ９０６）、その伝搬遅延時間と係数ａおよびｂとから水分量を算出する（ステップＳ９０７）。ステップＳ９０７の後に、測定装置１００は、測定のための動作を終了する。
　このように、本技術の第１の実施の形態によれば、測定装置１００は、電気信号がケーブル３０８を往復する往復遅延時間を求め、その往復遅延時間から水分量を測定するため、往復遅延時間が変動した場合であっても高精度で水分量を測定することができる。
　＜２．第２の実施の形態＞
　上述の第１の実施の形態では、測定ユニット３００と信号処理ユニット４００とを互いに異なる半導体チップに実装していた。しかし、この構成では、半導体チップ間の通信のためのインターフェースを設ける必要があり、その分、測定装置１００の回路規模が増大するおそれがある。この第２の実施の形態の測定装置１００は、測定ユニット３００および信号処理ユニット４００のそれぞれの機能を単体の半導体チップで実現する点において第１の実施の形態と異なる。
　図１８は、本技術の第２の実施の形態における測定装置１００の一構成例を示すブロック図である。この第２の実施の形態の測定装置１００は、測定ユニット３００および信号処理ユニット４００の代わりに、測定ユニット３０１を備える点において第１の実施の形態と異なる。
　測定ユニット３０１は、第１の実施の形態の測定ユニット３００の機能に加えて、信号処理ユニット４００の機能を有する。
　図１９は、本技術の第２の実施の形態における測定ユニット３０１の一構成例を示すブロック図である。この第２の実施の形態の測定ユニット３０１は、通信部３６０の代わりに信号処理部３８０を備える点において第１の実施の形態と異なる。信号処理部３８０の構成は、第１の実施の形態の信号処理ユニット４００と同様である。また、同図において、制御部３７０の機能は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processing）回路により実現される。
　また、測定ユニット３０１は、単体の半導体チップに実装されるものとする。これにより、測定ユニット３００および信号処理ユニット４００の機能を単体の半導体チップで実現することができる。したがって、半導体チップの間で通信を行うためのインターフェース（通信部３６０など）を不要とし、測定装置１００の回路規模を削減することができる。
　このように、本技術の第２の実施の形態によれば、測定ユニット３００および信号処理ユニット４００の機能を単体の半導体チップに実装したため、それらを異なる半導体チップに実装する場合と比較して、測定装置１００の回路規模を削減することができる。
　＜３．第３の実施の形態＞
　上述の第１の実施の形態では、測定ユニット３００と信号処理ユニット４００とを信号線４０９により有線接続していたが、この構成では、信号処理ユニット４００を測定個所から離れた遠隔地に配置することが困難となる。この第３の実施の形態の測定ユニット３００は、測定データを無線送信する点において第１の実施の形態と異なる。
　図２０は、本技術の第３の実施の形態における測定システムの一構成例を示すブロック図である。この第３の実施の形態の測定システムは、センサ装置１１０と、信号処理ユニット４００とを備える。
　第３の実施の形態のセンサ装置１１０は、測定ユニット３００の代わりに測定ユニット３０２を備える。測定ユニット３０２の通信部３６０は、アンテナ３９０を介して測定データを信号処理ユニット４００に無線送信する点において第１の実施の形態と異なる。
　信号処理ユニット４００は、基地局のネットワークやインターネットに接続され、それらを介して無線送信された測定データを有線または無線で受信する。
　同図に例示したように、測定ユニット３０２と信号処理ユニット４００とが無線で接続されるため、測定個所から離れた遠隔地に信号処理ユニット４００を配置することができる。
　このように、本技術の第３の実施の形態によれば、測定ユニット３０２が、測定データを信号処理ユニット４００へ無線送信するため、信号処理ユニット４００を遠隔地に配置することができる。
　＜４．第４の実施の形態＞
　上述の第１の実施の形態では、ケーブル３０８および３０９のそれぞれを電気信号が伝送する遅延時間が同一であると仮定して、その前提の下で水分量を測定していた。しかし、ケーブル３０８および３０９のそれぞれの長さが異なる場合には、それらの遅延時間が異なる値になり、前提が崩れて測定誤差が生じるおそれがある。この第４の実施の形態の測定装置１００は、ケーブル３０８の往復遅延時間とケーブル３０９の往復遅延時間とを両方とも求めて、水分量を測定する点において第１の実施の形態と異なる。
　図２１は、本技術の第４の実施の形態における測定ユニット３００の一構成例を示すブロック図である。この第４の実施の形態の測定ユニット３００は、方向性結合器３１０および３９１と、送信機３２０および３９３と、入射波受信機３３０および３９４と、透過波・反射波受信機３９２および３９５と、通信部３６０と、制御部３７０とを備える。
　送信機３２０は、ケーブル３０８を介して入射波Ｉ１を送信するものである。送信機３９３は、ケーブル３０９を介して入射波Ｉ２を送信するものである。制御部３７０は、送信機３２０および３９３を制御して、入射波Ｉ１およびＩ２を順に送信させる。
　入射波受信機３３０は、入射波Ｉ１が送信された際に入射波Ｉ１を受信するものである。入射波受信機３９４は、入射波Ｉ２が送信された際に入射波Ｉ２を受信するものである。
　方向性結合器３１０は、ケーブル３０８の電気信号を入射波と反射波とに分離するものである。この方向性結合器３１０は、入射波Ｉ１が送信された際に、ケーブル３０８の電気信号を、入射波Ｉ１と、その入射波Ｉ１に対応する反射波Ｒ１とに分離する。一方、入射波Ｉ２が送信された際に方向性結合器３１０は、その入射波Ｉ２に対応する透過波Ｔｒ１を出力する。
　方向性結合器３９１は、ケーブル３０９の電気信号を、入射波と反射波とに分離するものである。この方向性結合器３９１は、入射波Ｉ２が送信された際に、ケーブル３０８の電気信号を、入射波Ｉ２と、その入射波Ｉ２に対応する反射波Ｒ２とに分離する。一方、入射波Ｉ１が送信された際に方向性結合器３９１は、その入射波Ｉ１に対応する透過波Ｔｒ２を出力する。
　透過波・反射波受信機３９２は、透過波および反射波を順に受信するものである。この透過波・反射波受信機３９２は、入射波Ｉ１が送信された際に、方向性結合器３１０からの反射波Ｒ１を受信し、入射波Ｉ２が送信された際に、方向性結合器３１０からの透過波Ｔｒ１を受信する。
　透過波・反射波受信機３９５は、透過波および反射波を順に受信するものである。この透過波・反射波受信機３９５は、入射波Ｉ１が送信された際に、方向性結合器３９１からの透過波Ｔｒ２を受信し、入射波Ｉ２が送信された際に、方向性結合器３９１からの反射波Ｒ２を受信する。
　なお、入射波Ｉ１およびＩ２は、特許請求の範囲に記載の第１および第２の入射波の一例であり、反射波Ｒ１およびＲ２は、特許請求の範囲に記載の第１および第２の反射波の一例である。透過波Ｔｒ１およびＴｒ２は、特許請求の範囲に記載の第１および第２の透過波の一例である。また、方向性結合器３１０および３９１は、特許請求の範囲に記載の第１および第２の方向性結合器の一例であり、送信機３２０および３９３は、第１および第２の送信機の一例である。透過波・反射波受信機３９２および３９５は、特許請求の範囲に記載の第１および第２の受信機の一例である。
　制御部３７０は、第１の実施の形態と同様の方法で入射波Ｉ１および反射波Ｒ１のそれぞれの複素振幅から、反射係数Γ１１を算出し、入射波Ｉ１および透過波Ｔｒ２のそれぞれの複素振幅から、透過係数Ｔ２１を算出する。また、制御部３７０は、第１の実施の形態と同様の方法で入射波Ｉ２および反射波Ｒ２のそれぞれの複素振幅から、反射係数Γ２２を算出し、入射波Ｉ２および透過波Ｔｒ１のそれぞれの複素振幅から、透過係数Ｔ１２を算出する。
　後段の信号処理ユニット４００は、第１の実施の形態と同様の方法で反射係数Γ１１および透過係数Ｔ１２から往復遅延時間τ１１および伝搬伝送時間τ１２を算出する。また、信号処理ユニット４００は、第１の実施の形態と同様の方法で反射係数Γ２２および透過係数Ｔ１２から往復遅延時間τ２２および伝搬伝送時間τ２１を算出する。
　そして、信号処理ユニット４００は、次の式により、伝搬遅延時間τｄを算出する。
　　τｄ＝（τ２１＋τ１２－τ１１－τ２２）／２　　　　　　　・・・式５
　次いで信号処理ユニット４００は、式５により算出した伝搬遅延時間τｄを式４に代入して水分量を測定する。なお、往復遅延時間τ１１およびτ２２は、特許請求の範囲に記載の第１および第２の往復遅延時間の一例である。
　ケーブル３０８および３０９の長さが異なる場合は、それぞれのケーブルを電気信号が伝送する遅延時間が互いに異なることがある。しかし、この場合であっても式５により、往復遅延時間τ１１に加えて往復遅延時間τ２２も用いて演算を行うことにより、ケーブル３０８および３０９のそれぞれの長さの差に起因する測定誤差を低減することができる。
　なお、第４の実施の形態に、第２の実施の形態や第３の実施の形態を適用することができる。
　このように、本技術の第４の実施の形態によれば、ケーブル３０８に対応する往復遅延時間τ１１と、ケーブル３０９に対応する往復遅延時間τ２２とを用いて水分量を測定するため、それらのケーブルの長さの差に起因する測定誤差を低減することができる。
　なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
　また、上述の実施の形態において説明した処理手順は、これら一連の手順を有する方法として捉えてもよく、また、これら一連の手順をコンピュータに実行させるためのプログラム乃至そのプログラムを記憶する記録媒体として捉えてもよい。この記録媒体として、例えば、ＣＤ（Compact Disc）、ＭＤ（MiniDisc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、メモリカード、ブルーレイディスク（Blu-ray（登録商標）Disc）等を用いることができる。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。
　なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）各々にケーブルが埋め込まれた一対のプローブの一方へ前記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信機と、
　前記一対のプローブの前記一方で前記入射波が反射した反射波と前記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを前記ケーブルを介して受信する受信機と、
　前記ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を求めて前記往復遅延時間と前記媒質および前記ケーブルを電磁波および前記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて前記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理部と
を具備する測定装置。
（２）前記一対のプローブを前記媒質から隔離する外殻をさらに具備する
前記（１）記載の測定装置。
（３）前記外殻は、電磁波透過材料で形成されている
前記（２）記載の測定装置。
（４）前記一対のプローブの間隔を一定に保持するスペーサをさらに具備する
前記（３）記載の測定装置。
（５）前記スペーサは、電磁波透過材料で形成されている
前記（４）記載の測定装置。
（６）前記スペーサの外縁であって、前記一対のプローブの間に延在する該外縁のうち、前記一対のプローブのそれぞれのアンテナ部に近い方の該外縁は、円弧状になっている
前記（５）記載の測定装置。
（７）前記一対のプローブのそれぞれの前記アンテナ部から前記スペーサの下端までの距離は、前記アンテナ部の間の距離であるアンテナ間距離よりも大きく、
　好ましくは前記アンテナ間距離の２倍よりも大きく、
　より好ましくは、前記アンテナ間距離の３倍よりも大きく、
　前記プローブの長さよりも小さい
前記（６）記載の測定装置。
（８）前記入射波を送信させる制御と前記入射波および前記反射波のそれぞれの複素振幅の比を反射係数として求める処理と前記入射波および前記透過波のそれぞれの複素振幅の比を透過係数として求める処理とを行う制御部をさらに具備し、
　前記処理部は、前記反射係数および前記透過係数に基づいて前記往復遅延時間および前記伝搬伝送時間を求める
前記（１）から（７）のいずれかに記載の測定装置。
（９）前記制御部と前記処理部とは所定の半導体チップに設けられる
前記（１）から（８）のいずれかに記載の測定装置。
（１０）前記制御部は、所定の半導体チップに設けられ
　前記処理部は前記半導体チップと異なる半導体チップに設けられる
前記（８）記載の測定装置。
（１１）前記反射係数および前記透過係数を前記処理部に無線送信する通信部をさらに具備する
前記（８）記載の測定装置。
（１２）前記ケーブルを伝送する電気信号を前記入射波と前記反射波に分離する方向性結合器をさらに具備する
前記（８）から（１１）のいずれかに記載の測定装置。
（１３）前記受信機は、
　前記入射波を受信する入射波受信機と、
　前記反射波を受信する反射波受信機と、
　前記透過波を受信する透過波受信機と
を含む前記（１２）記載の測定装置。
（１４）前記入射波は、互いに方向の異なる第１および第２の入射波を含み、
　前記反射波は、前記第１の入射波に対応する第１の反射波と前記第２の入射波に対応する第２の反射波とを含み、
　前記透過波は、前記第１の入射波に対応する第２の透過波と前記第２の入射波に対応する第１の透過波とを含み、
　前記方向性結合器は、前記電気信号を前記第１の入射波と前記第１の反射波とに分離する第１の方向性結合器と、前記電気信号を前記第２の入射波と前記第２の反射波とに分離する第２の方向性結合器とを含み、
　前記送信機は、前記第１の入射波を送信する第１の送信機と前記第２の入射波を送信する第２の送信機とを含み、
　前記受信機は、前記第１の反射波と前記第１の透過波とを順に受信する第１の受信機と、前記第２の反射波と前記第２の透過波とを順に受信する第２の受信機とを含む
前記（１２）記載の測定装置。
（１５）前記往復遅延時間は、前記一対のプローブの一方に対応する第１の往復遅延時間と前記一対のプローブの他方に対応する第２の往復遅延時間とを含み、
　前記処理部は、前記第１の入射波と前記第１の反射波とから前記第１の往復遅延時間を求め、前記第２の入射波と前記第２の反射波とから前記第２の往復遅延時間を求める
前記（１４）記載の測定装置。
（１６）前記処理部は、前記媒質を前記電磁波が伝搬する時間である伝搬遅延時間を前記往復遅延時間および前記伝搬伝送時間から求めて前記伝搬遅延時間に応じた水分量を測定する
前記（１）から（１５）のいずれかに記載の測定装置。
（１７）前記処理部は、前記伝搬遅延時間と前記水分量との関係を示す所定の係数を保持しておき、前記求めた伝搬遅延時間と前記係数とから前記水分量を測定する
前記（１６）記載の測定装置。
（１８）各々にケーブルが接続された一対のプローブの一方へ前記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信機と、
　前記一対のプローブの前記一方で前記入射波が反射した反射波と前記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを前記ケーブルを介して受信する受信機と、
　前記入射波を送信させる制御と前記入射波および前記反射波のそれぞれの複素振幅の比を反射係数として求める処理を行う制御部と、
　前記ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を前記反射係数から求めて前記往復遅延時間と前記媒質および前記ケーブルを電磁波および前記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて前記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理部と
を具備する測定システム。
（１９）各々にケーブルが埋め込まれた一対のプローブの一方へ前記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信手順と、
　前記一対のプローブの前記一方で前記入射波が反射した反射波と前記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを前記ケーブルを介して受信する受信手順と、
　前記ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を求めて前記往復遅延時間と前記媒質および前記ケーブルを電磁波および前記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて前記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理手順と
を具備する測定方法。
　１００　測定装置
　１１０　センサ装置
　２００　センサヘッド
　２０１、２０２　プローブ
　２１０　アンテナ部
　２１１　芯線部
　２１２　シールド部
　２１３　電極部
　２２５　外殻
　２４０　電磁波吸収材
　２６０　スペーサ
　３００、３０１、３０２　測定ユニット
　３０８、３０９　ケーブル
　３１０、３９１　方向性結合器
　３１１、３１２、３１３　伝送線路
　３１４、３１５　終端抵抗
　３２０、３９３　送信機
　３２１　ドライバ
　３２２　送信信号発振器
　３３０、３９４　入射波受信機
　３３１、３４１、３５３　ミキサ
　３３２、３４２、３５４　バンドパスフィルタ
　３３３、３４３、３５５　アナログデジタル変換器
　３４０　反射波受信機
　３５０　透過波受信機
　３５１　レシーバ
　３５２　ローカル信号発振器
　３６０、４１０　通信部
　３７０　制御部
　３７１　送信制御部
　３７２　反射係数算出部
　３７３　透過係数算出部
　３８０　信号処理部
　３９０　アンテナ
　３９２、３９５　透過波・反射波受信機
　４００　信号処理ユニット
　４２０　往復遅延時間算出部
　４３０　伝搬伝送時間算出部
　４４０　水分量測定部
　４５０　係数保持部

Claims (19)

  1. 　各々にケーブルが埋め込まれた一対のプローブの一方へ前記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信機と、
    　前記一対のプローブの前記一方で前記入射波が反射した反射波と前記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを前記ケーブルを介して受信する受信機と、
    　前記ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を求めて前記往復遅延時間と前記媒質および前記ケーブルを電磁波および前記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて前記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理部と
    を具備する測定装置。
  2. 　前記一対のプローブを前記媒質から隔離する外殻をさらに具備する
    請求項１記載の測定装置。
  3. 　前記外殻は、電磁波透過材料で形成されている
    請求項２記載の測定装置。
  4. 　前記一対のプローブの間隔を一定に保持するスペーサをさらに具備する
    請求項３記載の測定装置。
  5. 　前記スペーサは、電磁波透過材料で形成されている
    請求項４記載の測定装置。
  6. 　前記スペーサの外縁であって、前記一対のプローブの間に延在する該外縁のうち、前記一対のプローブのそれぞれのアンテナ部に近い方の該外縁は、円弧状になっている
    請求項５記載の測定装置。
  7. 　前記一対のプローブのそれぞれの前記アンテナ部から前記スペーサの下端までの距離は、前記アンテナ部の間の距離であるアンテナ間距離よりも大きく、
    　好ましくは前記アンテナ間距離の２倍よりも大きく、
    　より好ましくは、前記アンテナ間距離の３倍よりも大きく、
    　前記プローブの長さよりも小さい
    請求項６記載の測定装置。
  8. 　前記入射波を送信させる制御と前記入射波および前記反射波のそれぞれの複素振幅の比を反射係数として求める処理と前記入射波および前記透過波のそれぞれの複素振幅の比を透過係数として求める処理とを行う制御部をさらに具備し、
    　前記処理部は、前記反射係数および前記透過係数に基づいて前記往復遅延時間および前記伝搬伝送時間を求める
    請求項１記載の測定装置。
  9. 　前記制御部と前記処理部とは所定の半導体チップに設けられる
    請求項８記載の測定装置。
  10. 　前記制御部は、所定の半導体チップに設けられ
    　前記処理部は前記半導体チップと異なる半導体チップに設けられる
    請求項８記載の測定装置。
  11. 　前記反射係数および前記透過係数を前記処理部に無線送信する通信部をさらに具備する
    請求項８記載の測定装置。
  12. 　前記ケーブルを伝送する電気信号を前記入射波と前記反射波に分離する方向性結合器をさらに具備する
    請求項８記載の測定装置。
  13. 　前記受信機は、
    　前記入射波を受信する入射波受信機と、
    　前記反射波を受信する反射波受信機と、
    　前記透過波を受信する透過波受信機とを含む
    請求項１２記載の測定装置。
  14. 　前記入射波は、互いに方向の異なる第１および第２の入射波を含み、
    　前記反射波は、前記第１の入射波に対応する第１の反射波と前記第２の入射波に対応する第２の反射波とを含み、
    　前記透過波は、前記第１の入射波に対応する第２の透過波と前記第２の入射波に対応する第１の透過波とを含み、
    　前記方向性結合器は、前記電気信号を前記第１の入射波と前記第１の反射波とに分離する第１の方向性結合器と、前記電気信号を前記第２の入射波と前記第２の反射波とに分離する第２の方向性結合器とを含み、
    　前記送信機は、前記第１の入射波を送信する第１の送信機と前記第２の入射波を送信する第２の送信機とを含み、
    　前記受信機は、前記第１の反射波と前記第１の透過波とを順に受信する第１の受信機と、前記第２の反射波と前記第２の透過波とを順に受信する第２の受信機とを含む
    請求項１２記載の測定装置。
  15. 　前記往復遅延時間は、前記一対のプローブの一方に対応する第１の往復遅延時間と前記一対のプローブの他方に対応する第２の往復遅延時間とを含み、
    　前記処理部は、前記第１の入射波と前記第１の反射波とから前記第１の往復遅延時間を求め、前記第２の入射波と前記第２の反射波とから前記第２の往復遅延時間を求める
    請求項１２記載の測定装置。
  16. 　前記処理部は、前記媒質を前記電磁波が伝搬する時間である伝搬遅延時間を前記往復遅延時間および前記伝搬伝送時間から求めて前記伝搬遅延時間に応じた水分量を測定する
    請求項１記載の測定装置。
  17. 　前記処理部は、前記伝搬遅延時間と前記水分量との関係を示す所定の係数を保持しておき、前記求めた伝搬遅延時間と前記係数とから前記水分量を測定する
    請求項１６記載の測定装置。
  18. 　各々にケーブルが接続された一対のプローブの一方へ前記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信機と、
    　前記一対のプローブの前記一方で前記入射波が反射した反射波と前記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを前記ケーブルを介して受信する受信機と、
    　前記入射波を送信させる制御と前記入射波および前記反射波のそれぞれの複素振幅の比を反射係数として求める処理を行う制御部と、
    　前記ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を前記反射係数から求めて前記往復遅延時間と前記媒質および前記ケーブルを電磁波および前記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて前記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理部と
    を具備する測定システム。
  19. 　各々にケーブルが埋め込まれた一対のプローブの一方へ前記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信手順と、
    　前記一対のプローブの前記一方で前記入射波が反射した反射波と前記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを前記ケーブルを介して受信する受信手順と、
    　前記ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を求めて前記往復遅延時間と前記媒質および前記ケーブルを電磁波および前記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて前記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理手順と
    を具備する測定方法。
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