WO2021215151A1

WO2021215151A1 - 検出装置および検出方法

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Publication number: WO2021215151A1
Application number: PCT/JP2021/010948
Authority: WO
Inventors: 憲人三保田; 幸生飯田
Original assignee: Sony Group Corp
Current assignee: Sony Group Corp
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2022-10-20
Also published as: US12099020B2; EP4141424A4; US20230194440A1; EP4141424A1; JP2023076774A

Abstract

［課題］測定時間および消費電力を抑制する検査装置、検査方法を提供する。［解決手段］本開示の検出装置は、送信用の第１アンテナ部を有する第１プローブと、第１プローブと所定の距離をおいて対向する受信用の第２アンテナ部を有する第２プローブと、第１および第２アンテナ部の間の媒質中での電磁波の伝搬特性に関する情報を含む測定信号を測定する測定部と、測定信号から得られる特徴量に基づいて媒質の特性情報を算出する演算部と、を備え、第１モードにおいて、測定部は媒質中を伝搬する電磁波の第１周波数帯域における測定信号を測定し、演算部は第１周波数帯域の測定信号から得られる第１特徴量に基づいて媒質の特性情報を算出し、第２モードにおいて、測定部は電磁波の第１周波数帯域の一部分である第２周波数帯域における測定信号を測定し、演算部は第２周波数帯域の測定信号から得られる第２特徴量に基づいて媒質の特性情報を算出する。

Description

検出装置および検出方法

　本開示は、検出装置および検出方法に関する。

　媒質中の水分量を測定する水分センサは、ＦＤＲ（Frequency Domain Refractometry）法を用いていることがある。ＦＤＲ法は、媒質中に埋め込んだ金属プローブに沿って電磁波を送り、その反射応答をもとに測定された比誘電率から媒質中の水分量を算出する方法である。

国際公開第２０１８／２２１０５１号公報

　しかし、ＦＤＲ法を用いた水分センサは、正確な水分量を測定するために、広帯域の周波数に渡ってスイープする。このため、従来の水分センサは、長い測定時間を必要とし、かつ、大きな消費電力を必要としていた。携帯端末やＩｏＴ（internet of Things）機器のようにバッテリで駆動する装置では、測定時間および消費電力は、バッテリの持続時間に直結する。このため、測定時間および消費電力の削減が所望されている。

　以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、測定時間および消費電力を抑制することができる検査装置および検査方法を提供することにある。

　本開示の一側面の検査装置は、送信用の第１アンテナ部を有する第１プローブと、第１プローブと所定の距離をおいて対向する受信用の第２アンテナ部を有する第２プローブと、第１および第２アンテナ部の間の媒質中での電磁波の伝搬特性に関する情報を含む測定信号を測定する測定部と、測定信号から得られる特徴量に基づいて媒質の特性情報を算出する演算部と、を備え、第１モードにおいて、測定部は媒質中を伝搬する電磁波の第１周波数帯域における測定信号を測定し、演算部は第１周波数帯域の測定信号から得られる第１特徴量に基づいて媒質の特性情報を算出し、第２モードにおいて、測定部は電磁波の第１周波数帯域の一部分である第２周波数帯域における測定信号を測定し、演算部は第２周波数帯域の測定信号から得られる第２特徴量に基づいて媒質の特性情報を算出する。

　第１モードにおいて、演算部は、第１周波数帯域における測定信号のうち第２周波数帯域の測定信号から得られる部分特徴量に基づいて、第１特徴量と部分特徴量との関係情報を生成し、第２モードにおいて、演算部は、関係情報に第２特徴量を適用することによって、媒質の特性情報を算出してよい。

　第２周波数帯域は、第１周波数帯域のうち測定信号の強度が最大となるピーク周波数を含む帯域でよい。

　第１モードにおいて、測定部は、電磁波を第１周波数間隔で測定し、第２モードにおいて、測定部は、電磁波を第１周波数間隔よりも広い第２周波数間隔で測定してよい。

　第２周波数帯域の広さは、第１周波数帯域の広さとほぼ等しくてよい。
　第２周波数帯域は、第１周波数帯域内の特定周波数でよい。

　特徴量は、第１および第２アンテナ部間の電磁波の伝搬遅延時間、該電磁波の周波数特性の形状、または、該電磁波の周波数特性に基づいて得られた伝搬遅延時間の波形でよい。

　特徴量は、特定周波数における電磁波の位相または振幅でよい。

　演算部は、測定信号に基づいて第１及び第２のプローブ間における電磁波の伝搬遅延時間を特徴量として算出する遅延時間算出部と、伝搬遅延時間に基づいて媒質の比誘電率を特性情報として算出する比誘電率算出部と、比誘電率に基づいて媒質中の水分量を算出する水分量算出部と、関係情報を生成する関係情報生成部と、を備えてよい。

　第１モードにおいて、演算部は、第１周波数帯域における測定信号に基づいて第１伝搬遅延時間を算出し、第１周波数帯域における測定信号のうち第２周波数帯域の測定信号から得られる部分遅延時間を算出し、第１伝搬遅延時間および部分遅延時間を用いて関係情報を生成し、第２モードにおいて、演算部は、第２周波数帯域における測定信号に基づいて第２伝搬遅延時間を算出し、第２伝搬遅延時間を関係情報に適用することによって該第２伝搬遅延時間を第１周波数帯域の伝搬遅延時間へ換算した補正遅延時間を生成し、補正遅延時間を用いて媒質の比誘電率および該媒質中の水分量を算出してよい。

　第１モードと第２モードとを切り替えるモード切替部をさらに備えてよい。

　第２周波数帯域は、第１周波数帯域のうち測定信号のレベルの上限が他の周波数帯域の測定信号における測定信号のレベルの上限よりも高く、第１アンテナ部は、第２周波数帯域において、第１周波数帯域の他の周波数帯域よりも測定信号のレベルを高くしてもよい。

　本開示の一側面の検査方法は、送信用の第１アンテナ部を有する第１プローブと、第１プローブと所定の距離をおいて対向する受信用の第２アンテナ部を有する第２プローブと、第１および第２アンテナ部の間の媒質中での電磁波の伝搬特性に関する情報を含む測定信号を測定する測定部と、測定信号から得られる特徴量に基づいて媒質の特性情報を算出する演算部と、を備えた検出装置を用いた検出方法であって、第１モードにおいて、媒質中を伝搬する電磁波の第１周波数帯域における測定信号を測定し、演算部は第１周波数帯域の測定信号から得られる第１特徴量に基づいて媒質の特性情報を算出し、第２モードにおいて、電磁波の第１周波数帯域の一部分である第２周波数帯域における測定信号を測定し、演算部は第２周波数帯域の測定信号から得られる第２特徴量に基づいて媒質の特性情報を算出することを具備する。

　第２周波数帯域の広さは、第１周波数帯域の広さとほぼ等しくてよい。

　第２周波数帯域は、第１周波数帯域内の特定周波数でよい。

　第２周波数帯域は、第１周波数帯域のうち測定信号のレベルの上限が他の周波数帯域における測定信号のレベルの上限よりも高く、第１アンテナ部は、第２周波数帯域において、第１周波数帯域の他の周波数帯域よりも測定信号のレベルを高くしてもよい。

実施形態に係る水分量測定センサを備えた測定装置の概略構成図。水分量測定センサの構成を示すブロック図。測定ユニットの構成を示すブロック図。第１モードの水分量測定方法および関係情報の生成方法を説明するフローチャート。第１周波数帯域における電磁波の送信時の信号レベルを示す図。第１周波数帯域における電磁波の測定信号のレベルを示す図。第１伝搬遅延時間を示す図。第２周波数帯域における電磁波の測定信号のレベルを示す図。部分遅延時間を示す図。第１伝搬遅延時間と部分遅延時間との関係を示すグラフ。第２モードの水分量測定方法を説明するフローチャート。第２周波数帯域における電磁波の送信時の信号レベルを示す図。第２周波数帯域における電磁波の測定信号のレベルを示す図。第２伝搬遅延時間を示す図。補正遅延時間を示す図。実際の測定におけるセンサ装置の全体の動作例を示すフロー図。第１および第２モードの実行周期の一例を示す図。第１および第２モードの実行周期の一例を示す図。第２周波数帯域の変形例を示すグラフ。第２周波数帯域の変形例を示すグラフ。第２周波数帯域の変形例を示すグラフ。第２周波数帯域の他の変形例を示すグラフ。第２周波数帯域の他の変形例を示すグラフ。第２周波数帯域の他の変形例を示すグラフ。第２周波数帯域のさらに他の変形例を示すグラフ。第２周波数帯域のさらに他の変形例を示すグラフ。第２周波数帯域のさらに他の変形例を示すグラフ。測定信号の周波数特性の形状を示す図。測定信号から得られた第１伝搬遅延時間を示す図。部分遅延時間の時間波形を示す図。第１伝搬遅延時間の時間波形を示す図。第１モードにおける第１伝搬遅延時間の一例を示すグラフ。第２モードにおける第２伝搬遅延時間の一例を示すグラフ。プローブの変形例を示す概略図。本変形例のプローブの先端部の構成例を示す概略図。

　以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（実施形態）
　図１は、実施形態に係る水分量測定センサを備えた測定装置の概略構成図である。図２は、水分量測定センサの構成を示すブロック図である。

［水分量測定装置］
　本実施形態の測定装置１００は、水分量測定センサ装置（以下、センサ装置）１０と、信号処理ユニット５０とを有する。本実施形態では、農作物を育成する土壌の水分量の測定に本技術を適用した例について説明する。

　センサ装置１０は、媒質（土壌）Ｍの電磁波伝搬特性を取得し、媒質Ｍの比誘電率の算出に用いられる測定信号Ｓ１を生成する。信号処理ユニット５０は、センサ装置１０から測定信号Ｓ１を受信し、測定信号Ｓ１に基づいて媒質Ｍ中の水分量を算出する。

　以下、各部の詳細について説明する。

　センサ装置１０は、センサヘッド２０と、測定ユニット３０とを有する。

（センサヘッド）
　センサヘッド２０は、送信用プローブ２１（第１プローブ）と、受信用プローブ２２（第２プローブ）とを有する。センサヘッド２０は、土壌等の媒質Ｍの中に配置され、送信用及び受信用プローブ２１，２２間で所定周波数の電磁波ＥＷを送受信することが可能なアンテナ部２１０，２２０（第１アンテナ部、第２アンテナ部）をそれぞれ有する。

　送信用プローブ２１及び受信用プローブ２２は、距離Ｄをおいて相互に対向するように媒質Ｍ中に概ね垂直な姿勢で埋め込まれる。送信用プローブ２１及び受信用プローブ２２は、芯線部Ｃ１とシールド部Ｃ２とを有する同軸ケーブルで構成される。当該ケーブルの太さ及び長さは特に限定されず、任意の太さ及び長さとすることができる。例えば、当該ケーブルの太さ（直径）を２ｍｍ～６ｍｍとすることで、土壌への挿入が容易となる。芯線部Ｃ１は銅線で構成され、シールド部Ｃ２は銅パイプで構成されるが、シールド部Ｃ２は銅線のメッシュ体で構成されてもよい。シールド部Ｃ２の外表面は、図示せずとも、絶縁材料で構成された保護層で被覆される。

　送信用プローブ２１は、測定ユニット３０の出力端子３４（図３参照）に接続され、測定ユニット３０からアンテナ部２１０へ送信信号を伝送する。アンテナ部２１０は、送信用プローブ２１の先端部（終端部）又はその近傍に設けられ、送信信号に応じた電磁波ＥＷを受信用プローブ２２へ送信する。

　受信用プローブ２２は、測定ユニット３０の入力端子３５（図３参照）に接続され、アンテナ部２２０で電磁波ＥＷを受信し、測定ユニット３０へ受信信号を入力する。アンテナ部２２０は、送信用プローブ２１のアンテナ部２１０と対向するように受信用プローブ２２の先端部（終端部）又はその近傍に設けられる。アンテナ部２１０，２２０は、プローブ２１，２２の先端部に設けられる場合に限られず、プローブ２１，２２の中央位置など任意の位置に設けられてもよい。

　アンテナ部２１０，２２０は、プローブ２１，２２の所定位置において局所的に電磁波ＥＷを送受信するためのものであり、典型的には、プローブ２１，２２を共振させない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２１，２２の共振による測定精度の低下を抑制することができる。

　本実施形態において、アンテナ部２１０，２２０は、シールド部Ｃ２の一部に設けられた開口部Ｈを含む。すなわち、プローブ２１，２２は、アンテナ部２１０，２２０を電波漏洩部として有する漏洩同軸アンテナで構成される。

　開口部Ｈは、矩形、円形、楕円形、長円形等の開口形状を有し、本実施形態ではプローブ２１，２２の長手方向に長軸を有する長円形状で形成される。開口部Ｈの長軸は、使用する電磁波ＥＷの波長に応じて適宜設定可能である。例えば、電磁波ＥＷの波長が１ＧＨｚ～９ＧＨｚの場合、開口部Ｈの長軸の長さは、５ｍｍ～１５ｍｍ程度である。

　送信用プローブ２１及び受信用プローブ２２は、終端抵抗２３をそれぞれ有する。終端抵抗２３は、芯線部Ｃ１の終端部とシールド部Ｃ２との間に電気的に接続される。これにより、プローブ終端における送受信信号の不要反射が防止される。

　送信用プローブ２１及び受信用プローブ２２の先端部は、アンテナ部２１０，２２０を被覆する電磁波透過性の保護部材（図示略）で被覆することが望ましい。

　送信用プローブ２１及び受信用プローブ２２は、電磁波吸収材を含有するスリーブ２４をさらに有する。スリーブ２４は、アンテナ部２１０，２２０（開口部Ｈ）周辺のプローブ２１，２２の外周面を被覆し、開口部Ｈ以外の領域からの送受信信号の漏洩を抑制する。

　スリーブ２４を構成する電磁波吸収材には主に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。スリーブ２４は、必要に応じて省略されてもよいし、いずれか一方のプローブ２１，２２にのみ設けられてもよい。

　送信用プローブ２１と受信用プローブ２２との距離Ｄの大きさは特に限定されず、例えば、２０ｍｍ～１００ｍｍである。距離Ｄが１００ｍｍより大きいと、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２０ｍｍより小さいと、技術的に観測が難しくなる。また距離Ｄが短くなると、プローブ２１，２２の近傍に形成される空隙の影響を大きく受け、正しい比誘電率あるいは水分量を測定できなくなるおそれがある。

　上記空隙は、媒質Ｍとプローブ２１，２２の周囲との間に形成される空気層であり、プローブ２１，２２を媒質Ｍにその表面から埋め込むときに、あるいは、プローブ２１，２２を媒質Ｍ内で動かしたりしたときに形成されてしまう。後述するように、媒質Ｍの比誘電率あるいは水分量を精度よく測定する上で、空隙の大きさ（空気層の厚さ）は小さい方が好ましいが、典型的には、１ｍｍ程度の空隙が生じることがある。

（測定ユニット）
　図３は、測定ユニットの構成を示すブロック図である。

　測定ユニット３０は、信号生成部３１と、通信部３２とを有する。測定ユニット３０は、典型的には、ネットワークアナライザで構成される。

　信号生成部３１は、制御部３１０と、信号発生器３１１、位相シフタ３１３、混合器３１５等を有する。信号生成部３１は、送信用プローブ２１のアンテナ部２１０と受信用プローブ２２のアンテナ部２２０との間における媒質Ｍ中での電磁波ＥＷの伝搬特性に関する情報を含む測定信号Ｓ１を生成する。

　制御部３１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等を有するコンピュータで構成され、信号発生器３１１、通信部３２を含む測定ユニット３０の各部を制御する。

　信号発生器３１１は、所定周波数の送信信号Ｆを発生し、増幅器３１２および出力端子３４を介して送信用プローブ２１へ入力する。信号発生器３１１は、送信信号Ｆとしてパルス波（パルス信号）を生成するが、送信信号Ｆとして連続波を生成するように構成されてもよい。

　信号発生器３１１は、送信信号Ｆの周波数掃引機能を有していてもよい。この場合、信号発生器３１１は、制御部３１０の指令に基づいて、例えば１ＧＨｚから９ＧＨｚの送信信号Ｆを生成する。

　位相シフタ３１３は、送信信号Ｆを位相が９０度異なる２つの信号に分離して混合器３１５へ入力する。混合器３１５は、受信用プローブ２２から入力端子３５および増幅器３１４を介して入力された受信信号を、位相シフタ３１３から出力される２つの信号と混合して、互いに直交する２つの応答信号（Ｉ信号／Ｑ信号）に変調する。これら応答信号は、ＡＤ変換器３１６を介してアナログ信号からデジタル信号に変換されて、制御部３１０において測定信号Ｓ１として生成される。

　位相シフタ３１３および混合器３１５は、受信用プローブ２２の出力を直交検波（ＩＱ検波）する検波器を構成する。Ｉ信号とＱ信号の二乗和は受信信号の強度に、Ｉ信号とＱ信号の二乗和の平方根は受信信号の振幅に、Ｉ信号とＱ信号の逆正接は位相に、それぞれ相当する。

　通信部３２は、通信用アンテナ等を含む通信モジュールで構成される。通信部３２は、センサ装置１０から信号処理ユニット５０へ測定信号Ｓ１を無線送信するためのものである。これにより、観測地とは異なる場所に配置された信号処理ユニット５０へ測定信号Ｓ１を提供することができる。これに限られず、センサ装置１０は信号処理ユニット５０と配線ケーブル等を介して接続されてもよい。

（信号処理ユニット）
　演算部としての信号処理ユニット５０は、図２に示すように、遅延時間算出部５１、比誘電率算出部５２、水分量算出部５３、メモリ５４、関係情報生成部５５およびモード切替部５６、５７を有する。信号処理ユニット５０は、センサ装置１０（測定ユニット３０）から送信される測定信号Ｓ１に基づいて、電磁波ＥＷの伝搬遅延時間等の特徴量を得て、さらに、その特徴量から媒質Ｍ中の水分量等の特性情報を算出する情報処理装置で構成される。

　当該情報処理装置は、ＣＰＵ、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のコンピュータに用いられるハードウェア要素および必要なソフトウェアにより実現され得る。ＣＰＵに代えて、またはこれに加えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ(Programmable Logic Device)、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、その他ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が用いられてもよい。

　本実施形態では、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することで、機能ブロックとしての遅延時間算出部５１、比誘電率算出部５２、水分量算出部５３、関係情報生成部５５およびモード切替部５６が構成される。信号処理ユニット５０のＲＡＭ等によりメモリ５４が構成される。もちろん各ブロックを実現するために、ＩＣ（集積回路）等の専用のハードウェアが用いられてもよい。プログラムは、例えば種々の記録媒体を介して信号処理ユニット５０にインストールされる。あるいは、インターネット等を介してプログラムのインストールが実行されてもよい。

　遅延時間算出部５１は、測定信号Ｓ１に基づいて送信用プローブ２１（アンテナ部２１０）と受信用プローブ２２（アンテナ部２２０）との間における電磁波ＥＷの伝搬遅延時間を特徴量として算出するように構成される。

　電磁波ＥＷの伝搬遅延時間とは、空気中における電磁波ＥＷの伝搬時間に対する媒質Ｍ中における電磁波の伝搬時間の差分をいう。電磁波の伝搬遅延時間は、伝送経路の比誘電率に依存し、伝搬遅延時間は媒質の比誘電率の平方根に比例する。一般的に土壌自体の比誘電率は１から１０程度であり、水分に応じて変化する。したがって、伝搬遅延時間を測定できれば、媒質Ｍ中の水分量を間接的に測定することができることになる。

　伝搬遅延時間の算出方法は特に限定されず、本実施形態では、測定信号Ｓ１を逆フーリエ変換（逆ＦＦＴ）してインパルス応答を求め、そのピーク位置からパルス遅延時間を算出する。パルス遅延時間からプローブ２１，２２の伝送時間（ケーブル伝送時間）を差し引くことにより、電磁波ＥＷの伝搬遅延時間が算出される。

　比誘電率算出部５２は、遅延時間算出部５１において算出された電磁波ＥＷの伝搬遅延時間に基づいて、媒質Ｍの比誘電率を媒質Ｍの特性情報として算出するように構成される。水の比誘電率は、典型的には、８０である。

　水分量算出部５３は、比誘電率算出部５２において算出された比誘電率に基づいて、媒質Ｍ中の水分量を算出するように構成される。水分量の算出には、例えば、Ｔｏｐｐの式が用いられ（後述）、水分量として、媒質Ｍの体積含水率［％］が算出される。あるいは、水分量算出部５３は、比誘電率を求めることなく、電磁波ＥＷの伝搬遅延時間から水分量を直接計算してもよい。

　関係情報生成部５５は、或る周波数帯域（第１周波数帯域）の測定信号を用いて得られる伝搬遅延時間ＤＬ１１と該第１周波数帯域の一部分の周波数帯域（第２周波数帯域）の測定信号を用いて得られる部分遅延時間ＤＬ１２との間の関係情報を生成する。関係情報は、伝搬遅延時間ＤＬ１１と部分遅延時間ＤＬ１２との間の関係を示す関数または対応表でよい。この関係情報は、メモリ５４内に格納される。

　モード切替部５６、５７は、後述する第１モードと第２モードとの切り替えを行う。例えば、第１モードにおいて、測定ユニット３０は、媒質Ｍ中を伝搬する電磁波ＥＷの第１周波数帯域における測定信号を測定する。即ち、測定ユニット３０は、電磁波ＥＷの周波数を第１周波数帯域内で所定間隔（第１周波数間隔）毎に変化させながら、媒質Ｍを伝搬した電磁波ＥＷの測定信号を測定する。信号処理ユニット５０は、第１周波数帯域の測定信号から得られる第１伝搬遅延時間（第１特徴量）ＤＬ１１に基づいて媒質Ｍの比誘電率および水分量を算出する。それとともに、信号処理ユニット５０は、第１モードで得られた測定信号のうち、第２モードで用いられる第２周波数帯域の測定信号の部分を抜き出し、該測定信号の部分から部分遅延時間（部分特徴量）ＤＬ１２を求める。第２周波数帯域は、第１周波数帯域内の一部分の周波数帯域または第１周波数帯域内の特定周波数である。例えば、第２周波数帯域は、測定信号を正確に検出するために、第１周波数帯域のうち測定信号が最大強度となるピーク周波数を含む帯域でよい。さらに、信号処理ユニット５０は、第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と部分遅延時間ＤＬ１２との関係情報（例えば、関係式または対応表）を求める。尚、関係情報の生成については後述する。また、後述するように、特徴量は伝搬遅延時間に限定されない。

　第２モードにおいて、測定ユニット３０は、媒質Ｍ中を伝搬する電磁波ＥＷの第２周波数帯域における測定信号を測定する。信号処理ユニット５０は、第２周波数帯域の測定信号から得られる第２伝搬遅延時間ＤＬ２２に基づいて媒質Ｍの比誘電率および水分量を算出する。第２モードにおいて、信号処理ユニット５０は、第１モードで算出された関係情報に、第２モードで得られた第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を適用することによって、補正遅延時間ＤＬ２１を算出する。例えば、関係情報が第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と部分遅延時間ＤＬ１２との間の関係を示す関係式である場合、信号処理ユニット５０は、第２モードで得られた第２伝搬遅延時間ＤＬ２２をその関係式の部分遅延時間ＤＬ１２に代入する。これにより得られた第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を補正遅延時間ＤＬ２１とする。この補正遅延時間ＤＬ２１は、第１周波数帯域を用いて得られる伝搬遅延時間に相当することになる。即ち、信号処理ユニット５０は、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を上記関係式に適用することによって、第１周波数帯域の伝搬遅延時間（ＤＬ２１）へ換算（補正）することができる。信号処理ユニット５０は、このようにして補正された補正遅延時間ＤＬ２１を用いて比誘電率または水分量を算出する。

　関係情報が第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と部分遅延時間ＤＬ１２とのと関係を示す対応表である場合、信号処理ユニット５０は、その対応表を参照して、第２モードで得られた第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を補正遅延時間ＤＬ２１へ変換すればよい。例えば、信号処理ユニット５０は、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２に等しいまたは最も近い部分遅延時間ＤＬ１２を対応表中で検索し、その部分遅延時間ＤＬ１２に対応する第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を補正遅延時間ＤＬ２１とすればよい。あるいは、信号処理ユニット５０は、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２に隣接する複数の部分遅延時間ＤＬ１２を用いて補間し、その補間された値に対応する第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を補正遅延時間ＤＬ２１としてもよい。

　このように、本開示による信号処理ユニット５０は、第１モードにおいて、第１周波数帯域における第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と第２周波数帯域における部分遅延時間ＤＬ１２との間の関係情報を生成する。第２モードにおいて、信号処理ユニット５０は、第２周波数帯域における第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を上記関係情報に適用することによって、第１周波数帯域の伝搬遅延時間（補正遅延時間ＤＬ２１）に換算する。これにより、第２モードでは、第１周波数帯域の一部分である第２周波数帯域を用いながらも、第１周波数帯域の伝搬遅延時間を推定することができる。その後、信号処理ユニット５０は、補正遅延時間ＤＬ２１を用いて比誘電率または水分量を算出する。

　モード切替部５６、５７は、このような第１モードと第２モードとを切り替えるスイッチである。モード切替部５６は、例えば、信号処理ユニット５０内に設けられたスイッチ機能（ソフトウェア）である。モード切替部５７は、例えば、センサ装置１０の筐体に設けられた物理スイッチである。モード切替部５６は、信号処理ユニット５０の内部でモード切り替えを自動で実行する場合に用いられる。モード切替部５７は、ユーザが任意にモード切り替えを実行する場合に用いられる。センサ装置１０は、モード切替部５６、５７の両方を備えていてもよく、いずれか一方を備えていてもよい。

　信号処理ユニット５０はさらに、測定ユニット３０の通信部３２と通信可能に構成された通信部、各機能ブロックで算出された伝搬遅延時間、比誘電率、水分量に関する情報等を表示可能な表示部などを備えてもよい。

　ここで、第１モードでは、測定ユニット３０は、電磁波ＥＷを比較的広範な第１周波数帯域で電磁波ＥＷを測定するので、分解能が高く、水分量を正確に算出することができる。しかし、第１モードのみで測定すると、比較的長い時間がかかり、かつ、消費電力も大きくなる。第２モードでは、測定ユニット３０は、第１周波数帯域の一部分の第２周波数帯域で電磁波ＥＷを測定するので、比較的短い時間で済み、かつ、消費電力も小さい。しかし、第２モードのみで測定すると、分解能が低く、正確な水分量を算出することが困難である。

　そこで、本実施形態では、例えば、当初、上記関係情報を得るために第１モードで関係情報を生成し、その後、第２モードでその関係情報を用いて測定を実行する。これにより、第１モードでは比較的長い時間および大きな消費電力を必要とするが、その後の第２モードにおいては、短時間かつ低消費電力で測定を繰り返すことができる。また、第２モードにおいて、信号処理ユニット５０は、広帯域の第１周波数帯域において得られた関係情報を用いて、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を、第１周波数帯域の伝搬遅延時間に相当する補正遅延時間ＤＬ２１へ変換している。従って、本実施形態による検査装置での測定は、短時間かつ低消費電力で実行することができるとともに、第１周波数帯域の測定に匹敵する比較的正確な水分量を得ることができる。

（水分量測定方法）
　以下、信号処理ユニット５０の詳細について、本実施形態に係る水分量測定装置の動作を説明する。

　（第１モード）
　図４は、第１モードの水分量測定方法および関係情報の生成方法を説明するフローチャートである。図５Ａは、第１周波数帯域における電磁波ＥＷの送信時の信号レベルを示す図である。図５Ｂは、第１周波数帯域における電磁波ＥＷの測定信号のレベルを示す図である。図５Ｃは、第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を示す図である。図５Ｄは、第２周波数帯域における電磁波ＥＷの測定信号のレベルを示す図である。図５Ｅは、部分遅延時間ＤＬ１２を示す図である。

　まず図１に示すように、送信用プローブ２１及び受信用プローブ２２が土壌Ｍ中に埋め込まれる（ステップ１０１）。送信用プローブ２１と受信用プローブ２２との間の対向距離Ｄは、例えば、５０ｍｍである。

　続いて、送信用プローブ２１（アンテナ部２１０）と受信用アンテナ（アンテナ部２２０）との間で電磁波ＥＷが送受信される（ステップ１０２）。このとき、測定ユニット３０は、送信用プローブ２１へ入力される送信信号Ｆ（ｎ）の周波数を５０ＭＨｚステップで変化させながら、受信用プローブ２２から出力される受信信号の直交周波数応答信号（Ｉ（ｎ）信号、Ｑ（ｎ）信号）を含む測定信号Ｓ１を生成する。測定ユニット３０は、図５Ａに示すように、電磁波ＥＷの周波数を第１周波数帯域ＦＢ１内において１０ＭＨｚステップごとに変化させてスイープする。これにより、図５Ｂに示すように、第１周波数帯域ＦＢ１の測定信号Ｓ１が得られる。測定信号Ｓ１は、信号処理ユニット５０へ送信される。

　続いて、信号処理ユニット５０（遅延時間算出部５１）は、測定信号Ｓ１に基づいて、送信用プローブ２１と受信用プローブ２２との間における電磁波ＥＷの第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を算出する（ステップ１０３）。ここで、遅延時間算出部５１は、図５Ｃに示すように、第１周波数帯域ＦＢ１の測定信号Ｓ１を用いて第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を計算する。これとともに、遅延時間算出部５１は、図５Ｄに示すように、第１周波数帯域ＦＢ１の一部分である第２周波数帯域ＦＢ２の測定信号を抜き出し、図５Ｅに示すように、該第２周波数帯域ＦＢ２の測定信号を用いて部分遅延時間ＤＬ１２を算出する。即ち、遅延時間算出部５１は、第１モードの測定信号Ｓ１を用いて、第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を生成するとともに、部分遅延時間ＤＬ１２を生成する。第２周波数帯域ＦＢ２は、第１モードの測定信号Ｓ１のうち伝搬ロスが少なく、大きな信号強度を得ることができる部分的な周波数帯域でよい。第２周波数帯域ＦＢ２は伝搬ロスの少ない周波数帯域に設定されるので、第２モードにおいて、測定ユニット３０は、第２周波数帯域ＦＢ２の測定信号Ｓ２を確実に検出することが可能になる。また、第２モードにおける測定信号Ｓ２のＳＮ比（Signal-to-Noise ratio）が向上する。よって、第２モードにおける送信信号の電力を抑制することにも繋がる。
　伝搬遅延時間および媒質Ｍの比誘電率および水分量の算出方法は以下の通りである。尚、第１伝搬遅延時間ＤＬ１１は、測定信号Ｓ１の第１周波数帯域ＦＢ１を用いて算出され、部分遅延時間ＤＬ１２は、測定信号Ｓ１のうち第２周波数帯域ＦＢ２を用いて算出される。

　遅延時間算出部５１は、Ｉ（ｎ）信号を実部、Ｑ（ｎ）信号を虚部として、高速フーリエ変換により受信信号を逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）し、インパルス応答ｈ（τ）を求める。
　　ｈ（τ）＝ＩＦＦＴ｛Ｉ（ｎ）、Ｑ（ｎ）｝　（式１）

　遅延時間算出部５１は、インパルス応答ｈ（τ）のピーク位置からパルス遅延時間τ［ｓ］を求め、パルス遅延時間τからケーブル伝送時間τ_０［ｓ］を差し引くことにより、伝搬遅延時間τ_{ｄｅｌａｙ}［ｓ］を求める。
　　　τ_{ｄｅｌａｙ}＝τ－τ_０　（式２）

　続いて、信号処理ユニット５０（比誘電率算出部５２）は、伝搬遅延時間ＤＬ１１またはＤＬ１２をτ_{ｄｅｌａｙ}［ｓ］、光速をｃ［ｍ／ｓ］、プローブ間距離（Ｄ）をｄ［ｍ］として、媒質Ｍの比誘電率ε_ｒを算出する（ステップ１０４）。
　　　τ_{ｄｅｌａｙ}＝ｄ・√（ε_ｒ）／ｃ　（式３）

　続いて、信号処理ユニット５０（水分量算出部５３）は、Ｔｏｐｐ式から、媒質Ｍ中の水分量（体積含水率）θ［％］を算出する（ステップ１０５）。
　　 θ＝－５．３×１０^－２＋２．９２×１０^－２ε_ｒ－５．５×１０^－４ε_ｒ ^２＋４．３×１０^－６ε_ｒ ^３　（式４）

　このように、伝搬遅延時間ＤＬ１１，ＤＬ１２および媒質Ｍの比誘電率および水分量は、上記式１～式４を用いて算出され得る。

　続いて、信号処理ユニット５０（関係情報生成部５５）は、第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と部分遅延時間ＤＬ１２との関係情報を生成する（ステップ１０６）。

　例えば、図６は、第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と部分遅延時間ＤＬ１２との関係を示すグラフである。ステップ１０２～１０５を繰り返すことによって、図６に示すようなグラフが得られる。これにより、第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と部分遅延時間ＤＬ１２との関係式が得られる。関係式は、一次関数でもよく、二次以上の関数であってもよい。関係式は、メモリ５４に格納される。尚、関係情報は、第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と部分遅延時間ＤＬ１２との関係を示す対応表であってもよい。

　このように、第１モードにおいて、広帯域の第１周波数帯域ＦＢ１の測定信号を用いて第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を算出し、第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を用いて媒質Ｍの比誘電率および媒質Ｍ中の体積含水率（水分量）が算出される。それとともに、第１周波数帯域ＦＢ１の第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と第２周波数帯域ＦＢ２の部分遅延時間ＤＬ１２との関係情報が生成される。

　（第２モード）
　図７は、第２モードの水分量測定方法を説明するフローチャートである。図８Ａは、第２周波数帯域における電磁波ＥＷの送信時の信号レベルを示す図である。図８Ｂは、第２周波数帯域における電磁波ＥＷの測定信号のレベルを示す図である。図８Ｃは、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を示す図である。図８Ｄは、補正遅延時間ＤＬ２１を示す図である。

　まず、第１モードと同様に、ステップ１０１が実行される。これにより、送信用プローブ２１及び受信用プローブ２２が、土壌Ｍ中に埋め込まれる。
　続いて、送信用プローブ２１（アンテナ部２１０）と受信用アンテナ（アンテナ部２２０）との間で電磁波ＥＷが送受信される（ステップ２０２）。このとき、測定ユニット３０は、図８Ａに示すように、電磁波ＥＷの周波数を第２周波数帯域ＦＢ２内において５０ＭＨｚステップごとに変化させてスイープする。これにより、図８Ｂに示すように、第２周波数帯域ＦＢ２の測定信号Ｓ２が得られる。測定信号Ｓ２は、信号処理ユニット５０へ送信される。

　続いて、遅延時間算出部５１は、図８Ｃに示すように、測定信号Ｓ２に基づいて、送信用プローブ２１と受信用プローブ２２との間における電磁波ＥＷの第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を算出する（ステップ２０３）。第２伝搬遅延時間ＤＬ２２は、伝搬遅延時間ＤＬ１１、ＤＬ１２と同様に、上記式１および式２を用いて算出すればよい。第２伝搬遅延時間ＤＬ２２は、第２周波数帯域ＦＢ２の測定信号Ｓ２を用いて算出される。

　続いて、遅延時間算出部５１は、図８Ｄに示すように、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を第１モードで得られた関係情報に適用することによって補正遅延時間ＤＬ２１を算出する（ステップ２０４）。例えば、遅延時間算出部５１は、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を、上記関係式の部分遅延時間ＤＬ１２に代入することによって、補正遅延時間ＤＬ２１を算出する。補正遅延時間ＤＬ２１は、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を部分遅延時間ＤＬ１２に代入した場合の第１伝搬遅延時間ＤＬ１１に相当する。従って、補正遅延時間ＤＬ２１は、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を第１周波数帯域の伝搬遅延時間に対応するように補正した伝搬遅延時間となる。よって、補正遅延時間ＤＬ２１は、第２周波数帯域の測定信号Ｓ２を用いて算出されているものの、比較的正確な伝搬遅延時間に補正される。

　尚、関係情報が第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と部分遅延時間ＤＬ１２との対応表である場合、遅延時間算出部５１は、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２に等しいまたは最も近い部分遅延時間ＤＬ１２を対応表から検索する。そして、遅延時間算出部５１は、その検索でヒットした部分遅延時間ＤＬ１２に対応する第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を補正遅延時間ＤＬ２１とすればよい。あるいは、遅延時間算出部５１は、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２に隣接する複数の部分遅延時間ＤＬ１２を用いて補間し、その補間された値に対応する第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を補正遅延時間ＤＬ２１としてもよい。このように、遅延時間算出部５１は、関係情報を用いて、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を補正遅延時間ＤＬ２１へ変換する。

　続いて、信号処理ユニット５０は、補正遅延時間ＤＬ２１を用いて、ステップ１０４および１０５を実行する。これにより、第２モードにおいて、媒質Ｍ中の水分量θ［％］が算出される。

　このように本実施形態によるセンサ装置１０は、第１モードにおいて、比較的広域の第１周波数帯域の電磁波ＥＷを用いて第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と部分遅延時間ＤＬ１２との関係情報を生成する。その後、センサ装置１０は、第２モードにおいて、第１周波数帯域の一部分の第２周波数帯域の電磁波ＥＷを用いて、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を測定し、第１モードで得られた関係情報を用いて、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を補正遅延時間ＤＬ２１へ補正する。これにより、当初、第１モードでは比較的長い時間および大きな消費電力を必要とするが、その後の第２モードにおいては、短時間かつ低消費電力で測定を繰り返すことができる。また、第２モードにおいて、信号処理ユニット５０は、広帯域の第１周波数帯域において得られた関係情報を用いて、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を、第１周波数帯域の伝搬遅延時間に相当する補正遅延時間ＤＬ２１へ変換している。従って、本実施形態による検査装置での測定は、短時間かつ低消費電力で実行することができるとともに、第１周波数帯域の測定に匹敵する比較的正確な水分量を得ることができる。

　図９は、実際の測定におけるセンサ装置の全体の動作例を示すフロー図である。

　まず、送信用プローブ２１及び受信用プローブ２２が土壌Ｍ中に埋め込まれる（ステップ１０１）。

　続いて、信号処理ユニット５０は、第１モードの実行が必要か否かを判断する（ステップ３０２）。例えば、関係情報がまだ設定されていない場合、関係情報が設定されてから第２モードが所定回数実行された場合、関係情報が設定されてから所定時間経過した場合等に、信号処理ユニット５０は、第１モードの実行が必要と判断する（ステップ３０２のＹＥＳ）。この場合、センサ装置１０は、第１モードで測定を実行する（ステップ３０３）。これにより、関係情報が得られる。また、第１モードによる媒質Ｍの比誘電率および水分量が得られる。

　一方、有効な関係情報がすでに設定されており、第１モードの実行が不要と判断された場合（ステップ３０２のＮＯ）、センサ装置１０は、第２モードで測定を実行する（ステップ３０４）。これにより、第２モードによる媒質Ｍの比誘電率および水分量も得られる。

　ステップ３０２～３０４は、所定の測定期間の間、繰り返し実行される（ステップ３０５のＮＯ）。測定期間が終了すると（ステップ３０５のＹＥＳ）、測定が終了する（ステップ３０６）。測定が終了すると、ユーザは、センサ装置１０のプローブ２１，２２を媒質Ｍから撤去する。

　このように、第１モードで一旦設定された関係情報は、その後、第２モードにおいて繰り返し用いてもよい。従って、第１モードで関係情報の生成後、センサ装置１０は、第２モードで短時間かつ低消費電力で、比較的精度良く水分量を検出することができる。

　一方、関係情報は必要に応じて周期的にあるいは任意に更新してよい。例えば、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、センサ装置１０は、第２モードをｎ（ｎ≧１）回実行するごとに、第１モードを１回実行してもよい。図１０（Ａ）および図１０Ｂは、第１および第２モードの実行周期の一例を示す図である。第１モードの実行頻度は、モード切替部５６のソフトウェアで設定すればよい。また、第１モードは、所定の期間ごとに定期的に実行してもよい。この場合、信号処理ユニット５０は、図示しないタイマーで第１モードの実行後の時間を計測すればよい。また、ユーザが任意で第１モードと第２モードとを切り替えてもよい。この場合、ユーザはモード切替部５７、即ち、物理スイッチでモードを任意に設定すればよい。

　また、第１モードは、センサ装置１０の製造時のみに実行されてもよい。この場合、販売後、センサ装置１０は、第２モードのみで測定する。また、販売後、センサ装置１０は、最初の測定において第１モードを実行し、関係情報の設定後、第２モードのみで測定してもよい。このように、第１モードは、最初に実施する必要があるが、その後、環境に変化がなければ、ほとんど実施しなくてもよい。しかし、第１モードは、測定精度を向上させるために、一定期間ごとに周期的に行うことが好ましい。また、測定ユニット３０が温度センサ等の環境センサ３９を備え、環境の変化に応じて、第１モードを実行してもよい。例えば、環境センサ３９が媒質Ｍの温度や気温を測定し、その温度が３℃以上変化した場合に、センサ装置１０は、第１モードを実行し関係情報を更新してもよい。

（第２周波数帯域の変形例）
　上記実施形態では、第２周波数帯域ＦＢ２は、第１周波数帯域ＦＢ１の測定信号Ｓ１の強度が最大となるピーク周波数を含む帯域であり、第１周波数帯域ＦＢ１よりも狭い帯域である。

　これに対し、電磁波ＥＷの送信信号Ｆのレベルには周波数によって上限が設定されている場合がある。例えば、図１１Ａ～図１１Ｃは、第２周波数帯域の変形例を示すグラフである。図１１Ａは、第２モードにおける送信信号Ｆを示す。送信信号レベルには上限ＵＬが設定されている。上限ＵＬとして、例えば、ＩＳＭ（Industry Science and Medical）バンド（２．４ＧＨｚ帯）が設定されている場合がある。このような場合、第２周波数帯域ＦＢ２は、送信信号レベルの上限ＵＬが他の周波数帯域の上限ＵＬよりも高い周波数帯域に設定すればよい。これにより、アンテナ部２１０は、第２周波数帯域ＦＢ２において、他の周波数帯域の上限ＵＬよりも高いレベル（出力）の送信信号を送信することができる。これにより、図１１Ｂに示すように、測定ユニット３０は、第２周波数帯域ＦＢ２において、他の周波数帯の測定信号よりも高いレベルで測定信号Ｓ２を受信することができる。測定信号Ｓ２のレベルが高いと、ノイズが多い環境であっても、測定ユニット３０は、測定信号Ｓ２を正確に検出することができる。信号処理ユニット５０は、信号レベルの高い周波数帯域を用いて第２伝搬遅延時間ＤＬ２２および補正遅延時間ＤＬ２１を算出するので、ノイズの影響を受け難くなり、正確な水分量を検出することができる。

　図１２Ａ～図１２Ｃは、第２周波数帯域の他の変形例を示すグラフである。図１２Ａでは、第１周波数帯域ＦＢ１から間欠的に測定周波数を選択し、その選択された測定周波数を第２周波数帯域ＦＢ２としている。即ち、第２周波数帯域ＦＢ２の広さは、第１周波数帯域ＦＢ１の広さとほぼ等しいが、第１周波数帯域ＦＢ１に対して間欠的に測定周波数を有する。換言すると、測定ユニット３０は、図１２Ｂに示すように、第２モードにおいて、第１モードの測定間隔（第１周波数間隔）よりも広い測定間隔（第２周波数間隔）で測定を実行する。これにより、センサ装置１０は、短時間かつ低消費電力で水分量を検出することができる。それとともに、第２周波数帯域ＦＢ２の広さは第１周波数帯域ＦＢ１の広さとほぼ等しいので、第２モードでも比較的正確に水分量を検出することができる。

　図１３Ａ～図１３Ｃは、第２周波数帯域のさらに他の変形例を示すグラフである。図１３Ａでは、第２周波数帯域ＦＢ２は、第１周波数帯域ＦＢ１内の１つの特定周波数である。この場合、図１３Ｂに示すように、測定ユニット３０は、第２モードにおいて、特定周波数で測定を実行する。これにより、センサ装置１０は、非常に短時間かつ非常に低消費電力で水分量を検出することができる。

　この場合、図１３Ｃに示す振幅差ΔＷまたは位相差ΔΦを特徴量とすればよい。振幅差ΔＷは、図１３Ａの送信信号Ｆのレベルと図１３Ｂに示す測定信号Ｓ２のレベルとの差（振幅減衰幅）を示す。位相差ΔΦは、送信信号Ｆに対する測定信号Ｓ２のレベルの位相遅れを示す。尚、第１モードでは、関係情報生成部５５は、部分遅延時間ＤＬ１２に代えて、測定信号Ｓ１の特定周波数における振幅差または位相差を第１特徴量として関係情報を生成すればよい。従って、図６の縦軸は、測定信号Ｓ１の特定周波数における振幅差または位相差となる。即ち、この変形例では、関係情報は、振幅差または位相差と第１伝搬遅延時間ＤＬ１１との関係式あるいは対応表となる。

　第２モードでは、信号処理ユニット５０は、この関係情報に、特定周波数の測定信号の振幅差ΔＷまたは位相差ΔΦを第２特徴量として適用することによって、媒質Ｍの伝搬遅延時間ＤＬ２１を算出する。このように、特徴量は、特定周波数における測定信号の振幅差または位相差であってもよい。

　尚、特定周波数は、周波数が高いほど、伝搬遅延時間に対する位相差ΔΦが大きくなる。このため、測定精度を向上させるために、特定周波数は高周波数であることが好ましい。一方、位相差ΔΦが３６０度以上回転することがあるため、特定周波数が高いと、測定不能となるおそれもある。従って、第２周波数帯域ＦＢ２には、複数の特定周波数を用いることが好ましい。これにより、位相回転によって測定不能になる事態を抑制することができる。あるいは、特定周波数における測定信号の振幅差および位相差の両方を特徴量として用いてもよい。

（特徴量の変形例）
　図１３Ａ～図１３Ｃを参照して説明したように、特徴量は、伝搬遅延時間に限定されず、振幅差または位相差であってもよい。さらに、特徴量は、測定信号Ｓ２の周波数特性の形状、伝搬遅延時間の時間波形であってもよい。

　（周波数特性の形状）
　例えば、図１４Ａは、測定信号Ｓ１の周波数特性を示す図である。図１４Ｂは、測定信号Ｓ１から得られた第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を示す図である。信号処理ユニット５０は、図１４Ａの周波数特性のうち第２周波数帯域ＦＢ２の特性を抜き出し、第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と関連付けてメモリ５４に格納する。第１モードでは、ステップ１０２～１０５を繰り返すごとに、第２周波数帯域ＦＢ２の特性と第１伝搬遅延時間ＤＬ１１との関係情報が格納されていく。これにより、複数の関係情報がメモリ５４に格納される。

　第２モードにおいて、信号処理ユニット５０は、第２周波数帯域ＦＢ２の測定信号Ｓ２を取得すると、測定信号Ｓ２の波形に近い特性を有する関係情報を検索する。そして、信号処理ユニット５０は、検索でヒットした関係情報から第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を得る。信号処理ユニット５０は、その関係情報から得た第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を補正遅延時間ＤＬ２１として媒質Ｍの比誘電率および水分量を算出すればよい。本変形例では、第２モードにおいて、信号処理ユニット５０は、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２を算出する必要が無い。従って、信号処理ユニット５０の負荷が軽減され得る。

　（伝搬遅延時間の時間波形）
　例えば、図１５Ａは、図５Ｅと同様に、部分遅延時間ＤＬ１２の時間波形を示す図である。図１５Ｂは、図５Ｃと同様に、第１伝搬遅延時間ＤＬ１１の時間波形を示す図である。この変形例では、信号処理ユニット５０は、図１５Ａの部分遅延時間ＤＬ１２の時間波形を第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と関連付けてメモリ５４に格納する。第１モードでは、ステップ１０２～１０５を繰り返すごとに、部分遅延時間ＤＬ１２の波形と第１伝搬遅延時間ＤＬ１１との関係情報が格納されていく。これにより、複数の関係情報がメモリ５４に格納される。

　第２モードにおいて、信号処理ユニット５０は、第２周波数帯域ＦＢ２の測定信号Ｓ２から、部分遅延時間ＤＬ２２の時間波形を得て、部分遅延時間ＤＬ２２の時間波形に近い波形を有する関係情報を検索する。そして、信号処理ユニット５０は、検索でヒットした関係情報から第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を得る。信号処理ユニット５０は、その関係情報から得た第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を補正遅延時間ＤＬ２１として媒質Ｍの比誘電率および水分量を算出すればよい。

　このように、センサ装置１０は、測定信号Ｓ２の周波数特性の形状または伝搬遅延時間の時間波形を特徴量としてもよい。

（マルチパスについて）
　図１６Ａは、第１モードにおける第１伝搬遅延時間ＤＬ１１の一例を示すグラフである。図１６Ｂは、第２モードにおける第２伝搬遅延時間ＤＬ２２の一例を示すグラフである。電磁波ＥＷが媒質Ｍを複数経路（マルチパス）で伝搬する場合、第１モードの分解能は比較的高いので、図１６Ａに示すように、第１伝搬遅延時間ＤＬ１１には複数のピークが現れる。この場合、マルチパスを明確に判別することができ、各経路の波形を容易に分離することができる。

　一方、第２モードの分解能は比較的低いので、図１６Ｂに示すように、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２では複数のピークが重複してしまい、マルチパスを明確に判別することができない。この場合、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２は、主経路の伝搬遅延時間に対して或る程度ずれる。

　このような場合、第１モードにおいて、信号処理ユニット５０は、マルチパスのうち主経路の第１伝搬遅延時間ＤＬ１１を算出する。これとともに、信号処理ユニット５０は、マルチパスの影響を含めた状態で第２周波数帯域の測定信号の部分を測定信号Ｓ１から抜き出して、部分遅延時間ＤＬ１２を算出する。関係情報は、ステップ１０６を実行することにより導出される。これにより、関係情報は、主系路のみの影響を含む第１伝搬遅延時間ＤＬ１１と、マルチパスの影響を含む部分遅延時間ＤＬ１２との関係を示すことになる。

　従って、第２モードにおいて、信号処理ユニット５０は、第２伝搬遅延時間ＤＬ２２がマルチパスの影響を含んでいても、関係情報を用いて主系路のみを考慮した補正遅延時間ＤＬ２１を算出することができる。このように、本実施形態によるセンサ装置１０は、マルチパスの影響を排除して、主経路の補正遅延時間ＤＬ２１を分離して求めることができる。

（プローブについて）
　図１７は、プローブ２１、２２の変形例を示す概略図である。図１８は、本変形例のプローブ２１または２２の先端部の構成例を示す概略図である。

　送信用プローブ２１及び受信用プローブ２２は、芯線部Ｃ１とシールド部Ｃ２とを有する同軸ケーブルで構成される。芯線部Ｃ１は銅線で構成され、シールド部Ｃ２は銅パイプで構成されるが、シールド部Ｃ２は銅線のメッシュ体で構成されてもよい。シールド部Ｃ２の外表面は、絶縁材料で構成された保護層（図示せず）で被覆され、その外側には電磁波吸収材を含有するスリーブ２４を有する。さらに、スリーブ２４の外側には、先端が尖ったカバー２５が設けられている。カバー２５は、媒質Ｍ内に送信用プローブ２１及び受信用プローブ２２を容易に挿入可能にし、かつ、芯線部Ｃ１およびシールド部Ｃ２を保護するために設けられている。芯線部Ｃ１およびシールド部Ｃ２の先端部は、スリーブ２４から露出されており、アンテナ部２１０、２２０を構成している。

　図１８に示すように、芯線部Ｃ１は、シールド部Ｃ２の内側に設けられた内側部Ｃ１＿１と、シールド部Ｃ２の先端から突出した先端部Ｃ１＿２と、内側部Ｃ１＿１およびシールド部Ｃ２の間に設けられた絶縁体２６とを備えている。内側部Ｃ１＿１および先端部Ｃ１＿２には、例えば、銅のような導電体が用いられている。絶縁体２６には、例えば、所定の比誘電率を有するテフロンやポリエチレン等を用いている。

　内側部Ｃ１＿１は、シールド部Ｃ２の内径よりも小さな外径を有し、シールド部Ｃ２から離間し絶縁されている。また、先端部Ｃ１＿２は、シールド部Ｃ２の内径よりも大きいが、シールド部Ｃ２の外側に突出しており、シールド部Ｃ２から離間するように設けられている。従って、芯線部Ｃ１は、シールド部Ｃ２から電気的に絶縁されている。

　このような構成によるプローブ２１、２２を用いることによって、放射効率を上げることができる。

　本技術に係る実施形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
（１）
　送信用の第１アンテナ部を有する第１プローブと、
　前記第１プローブと所定の距離をおいて対向する受信用の第２アンテナ部を有する第２プローブと、
　前記第１および第２アンテナ部の間の媒質中での電磁波の伝搬特性に関する情報を含む測定信号を測定する測定部と、
　前記測定信号から得られる特徴量に基づいて前記媒質の特性情報を算出する演算部と、を備え、
　第１モードにおいて、前記測定部は前記媒質中を伝搬する電磁波の第１周波数帯域における前記測定信号を測定し、前記演算部は前記第１周波数帯域の測定信号から得られる第１特徴量に基づいて前記媒質の特性情報を算出し、
　第２モードにおいて、前記測定部は前記電磁波の前記第１周波数帯域の一部分である第２周波数帯域における前記測定信号を測定し、前記演算部は前記第２周波数帯域の測定信号から得られる第２特徴量に基づいて前記媒質の特性情報を算出する、検出装置。
（２）
　前記第１モードにおいて、前記演算部は、前記第１周波数帯域における前記測定信号のうち前記第２周波数帯域の測定信号から得られる部分特徴量に基づいて、前記第１特徴量と前記部分特徴量との関係情報を生成し、
　前記第２モードにおいて、前記演算部は、前記関係情報に前記第２特徴量を適用することによって、前記媒質の特性情報を算出する、（１）に記載の検出装置。
（３）
　前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域のうち前記測定信号の強度が最大となるピーク周波数を含む帯域である、（１）または（２）に記載の検出装置。
（４）
　前記第１モードにおいて、前記測定部は、前記電磁波を第１周波数間隔で測定し、
　前記第２モードにおいて、前記測定部は、前記電磁波を前記第１周波数間隔よりも広い第２周波数間隔で測定する、（１）または（２）に記載の検出装置。
（５）
　前記第２周波数帯域の広さは、前記第１周波数帯域の広さとほぼ等しい、請求項４に記載の検出装置。
（６）
　前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域内の特定周波数である、（１）または（２）に記載の検出装置。
（７）
　前記特徴量は、前記第１および第２アンテナ部間の前記電磁波の伝搬遅延時間、該電磁波の周波数特性の形状、または、該電磁波の周波数特性に基づいて得られた伝搬遅延時間の波形である、（１）から（５）のいずれか一項に記載の検出装置。
（８）
　前記特徴量は、前記特定周波数における前記電磁波の位相または振幅である、（６）に記載の検出装置。
（９）
　前記演算部は、
　前記測定信号に基づいて前記第１及び第２のプローブ間における電磁波の伝搬遅延時間を前記特徴量として算出する遅延時間算出部と、
　前記伝搬遅延時間に基づいて前記媒質の比誘電率を前記特性情報として算出する比誘電率算出部と、
　　前記比誘電率に基づいて前記媒質中の水分量を算出する水分量算出部と、
　前記関係情報を生成する関係情報生成部（５５）と、を備える、（２）から（８）のいずれか一項に記載の検出装置。
（１０）
　前記第１モードにおいて、前記演算部は、前記第１周波数帯域における前記測定信号に基づいて第１伝搬遅延時間を算出し、前記第１周波数帯域における前記測定信号のうち前記第２周波数帯域の測定信号から得られる部分遅延時間を算出し、前記第１伝搬遅延時間および前記部分遅延時間を用いて前記関係情報を生成し、
　前記第２モードにおいて、前記演算部は、前記第２周波数帯域における前記測定信号に基づいて第２伝搬遅延時間を算出し、前記第２伝搬遅延時間を前記関係情報に適用することによって該第２伝搬遅延時間を前記第１周波数帯域の伝搬遅延時間へ換算した補正遅延時間を生成し、前記補正遅延時間を用いて前記媒質の比誘電率および該媒質中の水分量を算出する、（９）に記載の検出装置。
（１１）
　前記第１モードと前記第２モードとを切り替えるモード切替部をさらに備えた、（１）から（１０）のいずれか一項に記載の検出装置。
（１２）
　前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域のうち前記測定信号のレベルの上限が他の周波数帯域のレベルの上限よりも高く、
　前記第１アンテナ部は、前記第２周波数帯域において、前記第１周波数帯域の他の周波数帯域よりも前記測定信号のレベルを高くする、（１）から（１１）のいずれか一項に記載の検出装置。
（１３）
　送信用の第１アンテナ部を有する第１プローブと、前記第１プローブと所定の距離をおいて対向する受信用の第２アンテナ部を有する第２プローブと、前記第１および第２アンテナ部の間の媒質中での電磁波の伝搬特性に関する情報を含む測定信号を測定する測定部と、前記測定信号から得られる特徴量に基づいて前記媒質の特性情報を算出する演算部と、を備えた検出装置を用いた検出方法であって、
　第１モードにおいて、前記媒質中を伝搬する電磁波の第１周波数帯域における前記測定信号を測定し、前記演算部は前記第１周波数帯域の測定信号から得られる第１特徴量に基づいて前記媒質の特性情報を算出し、
　第２モードにおいて、前記電磁波の前記第１周波数帯域の一部分である第２周波数帯域における前記測定信号を測定し、前記演算部は前記第２周波数帯域の測定信号から得られる第２特徴量に基づいて前記媒質の特性情報を算出することを具備する検出方法。
（１４）
　前記第１モードにおいて、前記演算部は、前記第１周波数帯域における前記測定信号のうち前記第２周波数帯域の測定信号から得られる部分特徴量に基づいて、前記第１特徴量と前記部分特徴量との関係情報を生成し、
　前記第２モードにおいて、前記演算部は、前記関係情報に前記第２特徴量を適用することによって、前記媒質の特性情報を算出する、（１３）に記載の検出方法。
（１５）
　前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域のうち前記測定信号の強度が最大となるピーク周波数を含む帯域である、（１３）または（１４）に記載の検出方法。
（１６）
　前記第１モードにおいて、前記測定部は、前記電磁波を第１周波数間隔で測定し、
　前記第２モードにおいて、前記測定部は、前記電磁波を前記第１周波数間隔よりも広い第２周波数間隔で測定する、（１３）から（１５）のいずれか一項に記載の検出方法。
（１７）
　前記第２周波数帯域の広さは、前記第１周波数帯域の広さとほぼ等しい、（１６）に記載の検出方法。
（１８）
　前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域内の特定周波数である、（１３）または（１４）に記載の検出方法。
（１９）
　前記特徴量は、前記第１および第２アンテナ部間の電磁波の伝搬遅延時間、該電磁波の周波数特性の形状、または、該電磁波の周波数特性に基づいて得られた伝搬遅延時間の波形である、（１３）から（１７）のいずれか一項に記載の検出方法。
（２０）
　前記特徴量は、前記特定周波数における前記電磁波の位相または振幅である、（１８）に記載の検出方法。
（２１）
　前記第１モードにおいて、前記演算部は、前記第１周波数帯域における前記測定信号に基づいて第１伝搬遅延時間を算出し、前記第１周波数帯域における前記測定信号のうち前記第２周波数帯域の測定信号から得られる部分遅延時間を算出し、前記第１伝搬遅延時間および前記部分遅延時間を用いて前記関係情報を生成し、
　前記第２モードにおいて、前記演算部は、前記第２周波数帯域における前記測定信号に基づいて第２伝搬遅延時間を算出し、前記第２伝搬遅延時間を前記関係情報に適用することによって該第２伝搬遅延時間を前記第１周波数帯域の伝搬遅延時間へ換算した補正遅延時間を生成し、前記補正遅延時間を用いて前記媒質の比誘電率および該媒質中の水分量を算出する、（１４）から（２０）のいずれか一項に記載の検出方法。
（２２）
　前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域のうち前記測定信号のレベルの上限が他の周波数帯域のレベルの上限よりも高く、
　前記第１アンテナ部は、前記第２周波数帯域において、前記第１周波数帯域の他の周波数帯域よりも前記測定信号のレベルを高くする、（１３）から（２１）のいずれか一項に記載の方法。

　尚、本開示は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、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無く、他の効果があってもよい。

１０　センサ装置、２０　センサヘッド、３０　測定ユニット、２１　送信用プローブ、２２受信用プローブ、３１　信号生成部、３２　通信部、３１０　制御部、３１１　信号発生器、３１３　位相シフタ、３１５　混合器、５０　信号処理ユニット、５１　遅延時間算出部、５２　比誘電率算出部、５３　水分量算出部、５４　メモリ、５５　関係情報生成部、５６、５７　モード切替部、ＤＬ１１　第１伝搬遅延時間、ＤＬ１２　部分遅延時間、ＤＬ２２　第２伝搬遅延時間、ＤＬ２１　補正遅延時間、ＦＢ１　第１周波数帯域、ＦＢ２　第２周波数帯域

Claims

　送信用の第１アンテナ部を有する第１プローブと、
　前記第１プローブと所定の距離をおいて対向する受信用の第２アンテナ部を有する第２プローブと、
　前記第１および第２アンテナ部の間の媒質中での電磁波の伝搬特性に関する情報を含む測定信号を測定する測定部と、
　前記測定信号から得られる特徴量に基づいて前記媒質の特性情報を算出する演算部と、を備え、
　第１モードにおいて、前記測定部は前記媒質中を伝搬する電磁波の第１周波数帯域における前記測定信号を測定し、前記演算部は前記第１周波数帯域の測定信号から得られる第１特徴量に基づいて前記媒質の特性情報を算出し、
　第２モードにおいて、前記測定部は前記電磁波の前記第１周波数帯域の一部分である第２周波数帯域における前記測定信号を測定し、前記演算部は前記第２周波数帯域の測定信号から得られる第２特徴量に基づいて前記媒質の特性情報を算出する、検出装置。
　前記第１モードにおいて、前記演算部は、前記第１周波数帯域における前記測定信号のうち前記第２周波数帯域の測定信号から得られる部分特徴量に基づいて、前記第１特徴量と前記部分特徴量との関係情報を生成し、
　前記第２モードにおいて、前記演算部は、前記関係情報に前記第２特徴量を適用することによって、前記媒質の特性情報を算出する、請求項１に記載の検出装置。
　前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域のうち前記測定信号の強度が最大となるピーク周波数を含む帯域である、請求項１に記載の検出装置。
　前記第１モードにおいて、前記測定部は、前記電磁波を第１周波数間隔で測定し、
　前記第２モードにおいて、前記測定部は、前記電磁波を前記第１周波数間隔よりも広い第２周波数間隔で測定する、請求項１に記載の検出装置。
　前記第２周波数帯域の広さは、前記第１周波数帯域の広さとほぼ等しい、請求項４に記載の検出装置。
　前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域内の特定周波数である、請求項１に記載の検出装置。
　前記特徴量は、前記第１および第２アンテナ部間の前記電磁波の伝搬遅延時間、該電磁波の周波数特性の形状、または、該電磁波の周波数特性に基づいて得られた伝搬遅延時間の波形である、請求項１に記載の検出装置。
　前記特徴量は、前記特定周波数における前記電磁波の位相または振幅である、請求項６に記載の検出装置。
　前記演算部は、
　前記測定信号に基づいて前記第１及び第２のプローブ間における電磁波の伝搬遅延時間を前記特徴量として算出する遅延時間算出部と、
　前記伝搬遅延時間に基づいて前記媒質の比誘電率を前記特性情報として算出する比誘電率算出部と、
　前記比誘電率に基づいて前記媒質中の水分量を算出する水分量算出部と、
　前記関係情報を生成する関係情報生成部と、を備える、請求項２に記載の検出装置。
　前記第１モードにおいて、前記演算部は、前記第１周波数帯域における前記測定信号に基づいて第１伝搬遅延時間を算出し、前記第１周波数帯域における前記測定信号のうち前記第２周波数帯域の測定信号から得られる部分遅延時間を算出し、前記第１伝搬遅延時間および前記部分遅延時間を用いて前記関係情報を生成し、
　前記第２モードにおいて、前記演算部は、前記第２周波数帯域における前記測定信号に基づいて第２伝搬遅延時間を算出し、前記第２伝搬遅延時間を前記関係情報に適用することによって該第２伝搬遅延時間を前記第１周波数帯域の伝搬遅延時間へ換算した補正遅延時間を生成し、前記補正遅延時間を用いて前記媒質の比誘電率および該媒質中の水分量を算出する、請求項９に記載の検出装置。
　前記第１モードと前記第２モードとを切り替えるモード切替部をさらに備えた、請求項１に記載の検出装置。
　前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域のうち前記測定信号のレベルの上限が他の周波数帯域における前記測定信号のレベルの上限よりも高く、
　前記第１アンテナ部は、前記第２周波数帯域において、前記第１周波数帯域の他の周波数帯域よりも前記測定信号のレベルを高くする、請求項１に記載の検出装置。
　送信用の第１アンテナ部を有する第１プローブと、前記第１プローブと所定の距離をおいて対向する受信用の第２アンテナ部を有する第２プローブと、前記第１および第２アンテナ部の間の媒質中での電磁波の伝搬特性に関する情報を含む測定信号を測定する測定部と、前記測定信号から得られる特徴量に基づいて前記媒質の特性情報を算出する演算部と、を備えた検出装置を用いた検出方法であって、
　第１モードにおいて、前記媒質中を伝搬する電磁波の第１周波数帯域における前記測定信号を測定し、前記演算部は前記第１周波数帯域の測定信号から得られる第１特徴量に基づいて前記媒質の特性情報を算出し、
　第２モードにおいて、前記電磁波の前記第１周波数帯域の一部分である第２周波数帯域における前記測定信号を測定し、前記演算部は前記第２周波数帯域の測定信号から得られる第２特徴量に基づいて前記媒質の特性情報を算出することを具備する検出方法。
　前記第１モードにおいて、前記演算部は、前記第１周波数帯域における前記測定信号のうち前記第２周波数帯域の測定信号から得られる部分特徴量に基づいて、前記第１特徴量と前記部分特徴量との関係情報を生成し、
　前記第２モードにおいて、前記演算部は、前記関係情報に前記第２特徴量を適用することによって、前記媒質の特性情報を算出する、請求項１３に記載の検出方法。
　前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域のうち前記測定信号の強度が最大となるピーク周波数を含む帯域である、請求項１３に記載の検出方法。
　前記第１モードにおいて、前記測定部は、前記電磁波を第１周波数間隔で測定し、
　前記第２モードにおいて、前記測定部は、前記電磁波を前記第１周波数間隔よりも広い第２周波数間隔で測定する、請求項１３に記載の検出方法。
　前記第２周波数帯域の広さは、前記第１周波数帯域の広さとほぼ等しい、請求項１６に記載の検出方法。
　前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域内の特定周波数である、請求項１３に記載の検出方法。
　前記特徴量は、前記第１および第２アンテナ部間の電磁波の伝搬遅延時間、該電磁波の周波数特性の形状、または、該電磁波の周波数特性に基づいて得られた伝搬遅延時間の波形である、請求項１３に記載の検出方法。
　前記特徴量は、前記特定周波数における前記電磁波の位相または振幅である、請求項１８に記載の検出方法。
　前記第１モードにおいて、前記演算部は、前記第１周波数帯域における前記測定信号に基づいて第１伝搬遅延時間を算出し、前記第１周波数帯域における前記測定信号のうち前記第２周波数帯域の測定信号から得られる部分遅延時間を算出し、前記第１伝搬遅延時間および前記部分遅延時間を用いて前記関係情報を生成し、
　前記第２モードにおいて、前記演算部は、前記第２周波数帯域における前記測定信号に基づいて第２伝搬遅延時間を算出し、前記第２伝搬遅延時間を前記関係情報に適用することによって該第２伝搬遅延時間を前記第１周波数帯域の伝搬遅延時間へ換算した補正遅延時間を生成し、前記補正遅延時間を用いて前記媒質の比誘電率および該媒質中の水分量を算出する、請求項１４に記載の検出方法。
　前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域のうち前記測定信号のレベルの上限が他の周波数帯域における前記測定信号のレベルの上限よりも高く、
　前記第１アンテナ部は、前記第２周波数帯域において、前記第１周波数帯域の他の周波数帯域よりも前記測定信号のレベルを高くする、請求項１３に記載の方法。