JP2007024715A - River data measuring method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波を用い河川などの川底形状(河床形状)や流量などの河川データを測定する方法及び装置に係り、特に、測定装置の移動量と移動方向の測定精度の向上に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for measuring river data such as a riverbed shape (river bed shape) and a flow rate of a river using ultrasonic waves, and more particularly to improvement in measurement accuracy of a moving amount and a moving direction of a measuring device.
河川の河床形状は水面から河底までの距離、つまり、水深を河川断面で連続的に求めることで測定できる。流速分布は色々な深さを流れる反射体の移動速度から計測できる。流量はある位置での水深と水中の流速分布を検出すれば、河川断面の積分量として換算できる。これらの計測には超音波を用いることが多い。 The riverbed shape of a river can be measured by continuously obtaining the distance from the water surface to the riverbed, that is, the water depth in the river cross section. The flow velocity distribution can be measured from the moving speed of the reflector flowing through various depths. The flow rate can be converted as an integral value of the river cross section by detecting the water depth at a certain position and the flow velocity distribution in the water. Ultrasonic waves are often used for these measurements.
超音波を用いる検出方法は、例えば、特許文献1の「水深・流速・水温測定装置」に述べられている。この方法は、深さ方向に棒状の垂下材を設け、その垂下材に沿って複数の超音波トランスジューサを設置する。河底の超音波トランスジューサから超音波を発射し、垂下材各所のトランスジューサでこれを受信し、その伝搬時間を求めて各トランスジューサ間の音速・水深を測定するものである。この方法は、河川の断面全体の河床形状、流速分布を求めるためには、垂下材を多数設ける必要がある。
A detection method using ultrasonic waves is described, for example, in “Water depth / flow velocity / water temperature measuring device” of
超音波トランスジューサを移動させるため移動手段を備えたものに、特許文献2の「河川流量測定装置及び方法」がある。この方法も、超音波トランスジューサを複数個水面及び水中に配置する必要があり、さらに、河底付近に超音波反射体を沈める必要があるため、簡便な測定法ではない。
特許文献3に記載された「河川状態計測方法および装置」の方法は、水のない部分はレーザー光線計測装置で形状を測定し、河川部分の形状計測には超音波を用いるものである。河床形状の計測に用いる超音波は100kHz〜500kHzを使っているが、超音波ビームの広がりによる精度低下がある。また、流速分布を測定することができない。
In the method of “river state measuring method and apparatus” described in
複数の超音波ビームを使い海洋での水深、流速分布を測定し、流量を求める装置で、さらに計測器を搭載した水面上の浮揚体位置を求める公知例として特許文献4の方法がある。この方法は、例えば4本の超音波を垂直方向から設定角度離して斜め方向に、発信源から離れるにつれて互いに離れる方向に送信し、水中散乱体の反射を検出して流速を求める。さらに、海底の反射から深さを求めるとともに、測定装置を搭載した浮揚体の移動を検出する。
There is a method disclosed in
その方法は、複数回超音波を放射して反射波を検出し、その反射波検出時間の変化を求める。海底は静止しているので、超音波を照射した部分のもっとも反射強度が高い位置は不動と仮定すると、浮揚体の移動に伴って反射波検出時間は変化する。この変化量から不動である海底から相対的に浮揚体が移動した量と方向を求めるものである。 In this method, a reflected wave is detected by emitting an ultrasonic wave a plurality of times, and a change in the reflected wave detection time is obtained. Since the seabed is stationary, assuming that the position where the reflection intensity is highest in the portion irradiated with ultrasonic waves is immobile, the reflected wave detection time changes as the floating body moves. From this amount of change, the amount and direction of the relative movement of the buoyant body from the stationary seabed is obtained.
この方法では、ビーム間に角度があるため、水深が大きくなるほど超音波ビームは互いに離れて行き、離れた位置での海底状態が異なると検出時間差に誤差がでる。また、海底に凹凸があれば異なる超音波往復時間となって、大きな誤差を伴い、移動量の測定が不可能となる。海底に比べ川底の凹凸が激しい河川への適用はさらに難しい。 In this method, since there is an angle between the beams, the ultrasonic beams move away from each other as the water depth increases, and an error occurs in the detection time difference if the seabed state at the distant position is different. In addition, if there is unevenness on the seabed, the ultrasonic round-trip time will be different, which will cause a large error and make it impossible to measure the amount of movement. It is even more difficult to apply to rivers where the unevenness of the riverbed is more severe than the seabed.
超音波を使用せずに河床形状を求めるものに、特許文献5に記載された「河床探査具」がある。これは、河底から採取した河床材料に永久磁石を埋め込んだ探査具を多数河底に配置し、磁場の測定からこの探査具の位置や移動を測るものである。この方法は、測定範囲が限られること、水深測定に別の手段が必要なことなどの課題がある。
There exists a "bed search tool" described in
従来、浮揚体に搭載した発信源から発信される、中心軸線の異なる複数の超音波ビームを使って河川等の水深、流速分布を測定して、流量を求める装置においては、
1)河底の凹凸により浮揚体移動中に各超音波ビームの行程が変化し、河底での反射位置の水平方向移動量が、浮揚体の水平方向移動量と一致しない場合が生じるため移動量・移動方向の測定に大きな誤差が発生し、河床形状の測定精度が低下する、
2)ビーム間に角度があるため水深が大きくなるほど超音波ビームは離れて行き、異なる場所の流速を測ることになり流速、ひいては流量の誤差となる、
という惧れがあった。
Conventionally, in devices that measure the water depth and flow velocity distribution of rivers etc. using multiple ultrasonic beams with different central axes transmitted from the transmission source mounted on the levitation body,
1) The movement of each ultrasonic beam changes during the movement of the floating body due to the unevenness of the riverbed, and the amount of horizontal movement of the reflection position at the riverbed may not match the horizontal movement of the floating body. A large error occurs in the measurement in the quantity / movement direction, and the measurement accuracy of the riverbed shape decreases.
2) Since there is an angle between the beams, the ultrasonic beam moves away as the water depth increases, and the flow velocity at different locations is measured, resulting in an error in the flow velocity, and hence the flow rate.
There was a concern.
すなわち、本発明の第1の課題は、測定装置の移動量の計測精度低下に伴う河床形状の測定精度の低下を防ぐことであり、第2の課題は、流速分布、流量の測定精度の低下を防ぐことである。 That is, the first problem of the present invention is to prevent a decrease in the measurement accuracy of the riverbed shape due to a decrease in the measurement accuracy of the movement amount of the measuring device, and the second problem is a decrease in the measurement accuracy of the flow velocity distribution and the flow rate. Is to prevent.
本発明の第1の課題は、測定装置の移動量、移動方向の測定精度を向上させることにより解決される。具体的には、本発明の第1の課題は、測定線に沿って移動する浮揚体に搭載され、河底に向かって発信される超音波によって河川のデータを測定する測定装置であって、河底方向に所定の時間間隔で超音波を発信する超音波送信手段と、前記超音波送信手段から発信され、河底で散乱・反射された超音波を受信する2次元状に配置された2次元超音波受信手段と、前記超音波送信手段から時間をおいて発信された2回の超音波それぞれに対応する前記2次元超音波受信手段の出力に基づいて河底からの反射波の強度分布と位相分布を前記2次元超音波受信手段の中心を基準位置としてそれぞれ求める信号処理手段と、信号処理手段に接続され、信号処理手段から出力される二つの強度分布と位相分布それぞれの間の相関の強度を、前記二つの強度分布と位相分布のうちの先に発信された超音波に対応するものを他方に近づけつつ移動距離の関数として求め、相関の強度が最大となる移動距離及びそのときの移動方向を前記2回の超音波発信の間の超音波送信手段の移動ベクトルとして出力する信号解析手段と、前記移動ベクトルが格納される記憶手段とを有してなる河川データ測定装置により、解決される。 The first problem of the present invention is solved by improving the measurement accuracy of the moving amount and moving direction of the measuring apparatus. Specifically, a first problem of the present invention is a measuring device that is mounted on a floating body that moves along a measurement line, and that measures river data by ultrasonic waves transmitted toward the river bed, An ultrasonic transmission means for transmitting ultrasonic waves at a predetermined time interval in the riverbed direction, and two-dimensionally arranged to receive ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transmission means and scattered and reflected by the riverbed Intensity distribution of reflected waves from the river bed based on the output of the two-dimensional ultrasonic wave receiving means corresponding to each of the two ultrasonic waves transmitted with time from the ultrasonic wave receiving means and the two-dimensional ultrasonic wave receiving means And a correlation between the two intensity distributions and the phase distribution output from the signal processing means connected to the signal processing means, respectively, for obtaining the phase distribution with the center of the two-dimensional ultrasonic receiving means as a reference position, respectively. The strength of the two Of the degree distribution and the phase distribution, the one corresponding to the ultrasonic wave transmitted earlier is obtained as a function of the moving distance while approaching the other, and the moving distance at which the correlation strength is maximum and the moving direction at that time are determined twice. This is solved by a river data measuring device having signal analysis means for outputting as a movement vector of ultrasonic transmission means during ultrasonic transmission and storage means for storing the movement vector.
上記構成によれば、超音波送信手段から河底に向け、一定周波数で位相のそろった超音波が発信される。発信された超音波は、河底の照射領域で反射される。照射領域の表面が超音波の波長以上のランダムな凹凸があると、超音波反射は散乱状態となる。通常、河底は砂や小石があるため、その凹凸は波長以上になり種々の方向に超音波が反射される散乱状態となる。散乱反射波は、空間的に互いに干渉しあい、超音波の重ね合わせで強め合う部分と打ち消しあう部分が発生し、強度の高い場所と低い場所をもった強度分布を形成する。この強度むらを形成する現象をスペックルといい、波長がそろったレーザー光や超音波で発生する。この強度むらであるスペックルパターンが、水面付近で2次元状に配置された2次元超音波受信手段で受信される。超音波送信手段と2次元超音波受信手段は浮揚体に搭載されているから、超音波は浮揚体と一体となって移動する。移動前後のスペックルパターンは、移動量が小さく超音波照射領域の重なりが大きいと、移動前後の強度分布の変化は少ない。スペックルパターンの強度分布を移動前後で求めると、移動により検出位置が動いた分、強度分布がシフトするため、移動前後の強度分布の相関を計算すると、相関のピーク位置から移動量と移動方向を求めることができる。 According to the above configuration, ultrasonic waves having a constant frequency are transmitted from the ultrasonic transmission means toward the riverbed. The transmitted ultrasonic wave is reflected by the irradiation area of the riverbed. If the surface of the irradiated region has random irregularities that are longer than the wavelength of the ultrasonic wave, the ultrasonic reflection is in a scattering state. Usually, the riverbed has sand and pebbles, so that the unevenness becomes longer than the wavelength, and it becomes a scattering state in which ultrasonic waves are reflected in various directions. The scattered reflected waves spatially interfere with each other, and a portion that reinforces and cancels out by superposition of ultrasonic waves is generated, and an intensity distribution having a high intensity place and a low place is formed. This phenomenon of unevenness in intensity is called speckle, and is generated by laser light or ultrasonic waves with the same wavelength. The speckle pattern, which is uneven in intensity, is received by a two-dimensional ultrasonic receiving means arranged two-dimensionally near the water surface. Since the ultrasonic transmission means and the two-dimensional ultrasonic reception means are mounted on the levitation body, the ultrasonic waves move together with the levitation body. The speckle pattern before and after the movement has a small change in the intensity distribution before and after the movement when the movement amount is small and the overlap of the ultrasonic irradiation regions is large. When the intensity distribution of the speckle pattern is calculated before and after movement, the intensity distribution shifts by the amount of movement of the detection position due to movement. Therefore, if the correlation of intensity distribution before and after movement is calculated, the movement amount and movement direction from the correlation peak position. Can be requested.
このように、超音波を用いそのスペックルパターンの移動によるシフトから、超音波送信、受信部分、つまり、浮揚体の移動を精度よく検出できる。 In this way, it is possible to accurately detect the movement of the ultrasonic transmission and reception portion, that is, the floating body, from the shift due to the movement of the speckle pattern using ultrasonic waves.
前記超音波送信手段に代えて、河底方向に所定の時間間隔で超音波を発信するとともに反射波を受信する超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段に接続され、超音波発信から河底の反射波受信までの時間と河底からの反射波の強度を測定する河底反射測定手段とが設けられ、前記信号解析手段は、前記河底反射測定手段の出力を入力として水深を算出して前記記憶手段に格納し、さらに、前記移動ベクトルを順次結合して前記超音波送受信手段の移動の軌跡を生成するとともに、前記移動の軌跡を構成する各移動ベクトルの終点位置に対応する水深のデータを前記記憶手段から読み出して前記終点位置のデータに組み合わせて前記記憶手段に格納するよう構成されていることを特徴とする河川データ測定装置としてもよい。 In place of the ultrasonic transmission means, ultrasonic transmission / reception means for transmitting ultrasonic waves at a predetermined time interval in the river bed direction and receiving reflected waves, and connected to the ultrasonic transmission / reception means, from the ultrasonic transmission to the river bed A bottom reflection measuring means for measuring the time until reception of the reflected wave and the intensity of the reflected wave from the bottom of the river is provided, and the signal analysis means calculates the water depth using the output of the bottom reflection measuring means as an input. Are stored in the storage means, and the movement vectors are sequentially combined to generate a movement trajectory of the ultrasonic transmission / reception means, and the water depth corresponding to the end point position of each movement vector constituting the movement trajectory is A river data measuring device may be configured to read data from the storage unit and store the data in the storage unit in combination with the data of the end point position.
このように構成することで、各移動ベクトルの終点位置における水深を、前記終点位置のデータに容易に組み合わせることができ、河床形状を精度よく測定することができる。 By comprising in this way, the water depth in the end point position of each movement vector can be easily combined with the data of the said end point position, and a riverbed shape can be measured accurately.
本発明の前記第2の課題は、前記河川データ測定装置において、前記超音波送信手段に代えて、河底方向に所定の時間間隔で超音波を発信するとともに反射波を受信する超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段に接続され、超音波発信から河底の反射波受信までの時間と河底からの反射波の強度を測定する河底反射測定手段とが設けられ、前記2次元超音波受信手段は河底で散乱・反射された超音波に加え、水中に浮遊する水中反射体で反射された反射波を受信するよう構成されているとともに前記信号処理手段は、超音波発信から水中反射体で反射された反射波を検出するまでの時間と該反射波の強度分布及び位相分布をも測定するよう構成され、前記記憶手段には、それぞれ異なる深さでかつ前記超音波送受信手段との水平方向相対位置が所定の位置にある水中反射体によって前記超音波送受信手段から発信された超音波が反射されたときの反射波の強度分布及び位相分布が基準強度分布及び基準位相分布として格納され、前記信号解析手段は、前記河底反射測定手段の出力を入力として水深を算出して前記記憶手段に格納し、前記信号処理手段の出力に基づいて水中反射体が浮遊している深さを検出し、前記検出された深さの水中反射体の反射波の基準強度分布及び基準位相分布と前記測定された反射波の強度分布及び位相分布のいずれか若しくは双方の相関の強度を、測定された分布を基準分布に近づけつつ移動距離の関数として求め、相関の強度が最大となる移動距離及びそのときの移動方向に基づいて当該水中反射体の超音波送受信手段に対する水平方向位置を求め、所定の時間間隔で検出された水中反射体の超音波送受信手段に対する水平方向相対位置及び前記算出された超音波送受信手段の移動ベクトルに基づいて、前記移動ベクトルの終点位置における、前記検出された深さの流速を求めるように構成されていることを特徴とする河川データ測定装置により解決される。 The second problem of the present invention is that, in the river data measuring apparatus, in place of the ultrasonic transmission means, ultrasonic transmission / reception means for transmitting ultrasonic waves at a predetermined time interval and receiving reflected waves in the river bottom direction. And a bottom reflection measuring means connected to the ultrasonic transmission / reception means for measuring the time from transmission of ultrasonic waves to reception of reflected waves at the bottom of the river and the intensity of reflected waves from the bottom of the river. The sound wave receiving means is configured to receive the reflected wave reflected by the underwater reflector floating in the water in addition to the ultrasonic waves scattered and reflected at the riverbed, and the signal processing means is configured to receive the ultrasonic wave from the underwater transmission. The time until the reflected wave reflected by the reflector is detected and the intensity distribution and phase distribution of the reflected wave are also measured, and the storage means includes the ultrasonic transmission / reception means at different depths. Horizontal relative to The intensity distribution and phase distribution of the reflected wave when the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitting / receiving means is reflected by the underwater reflector at a predetermined position are stored as the reference intensity distribution and the reference phase distribution, and the signal The analysis means calculates the water depth using the output of the river bed reflection measurement means as an input and stores it in the storage means, and detects the depth at which the underwater reflector floats based on the output of the signal processing means, The reference intensity distribution and reference phase distribution of the reflected wave of the underwater reflector of the detected depth and the intensity of the correlation between one or both of the intensity distribution and phase distribution of the measured reflected wave are measured distribution. The horizontal position of the underwater reflector with respect to the ultrasonic transmission / reception means is obtained based on the movement distance at which the correlation intensity is maximized and the movement direction at that time. The detected position at the end position of the movement vector based on the horizontal relative position of the underwater reflector detected with respect to the ultrasonic transmission / reception means and the calculated movement vector of the ultrasonic transmission / reception means detected at predetermined time intervals. Solved by a river data measuring device, characterized in that it is configured to determine the flow velocity of the depth.
上記構成によれば、浮揚体に搭載された超音波送受信手段から河底に向け、一定周波数で位相のそろった超音波が発信される。超音波は水中を伝搬するが、その水中には水中を浮遊しつつ水流とともに移動する反射体が多数存在する。発信された超音波ビーム中に前記反射体、すなわち水中反射体があると、超音波の一部はその水中反射体で反射され、水中反射体を中心とする球面波として上方に伝搬する。この反射球面波を2次元状に配置した2次元超音波受信手段で受信して2次元のデータとし、2次元超音波受信手段に接続された信号処理手段で前記2次元のデータに基づいて反射波の強度分布や位相分布を2次元のデータとして測定する。超音波を所定の時間間隔で複数回発信し、水中反射体の位置が連続的に動いていると球面波の2次元超音波受信手段に対する分布状態も移動し、この移動シフト量を検出することで水中反射体の移動、つまり、ある深さでの流速を検出できる。流速を検出する深さは、超音波送信からの時間で弁別し、深さ方向の流速分布を知ることができる。 According to the said structure, the ultrasonic wave with which the phase was uniform was transmitted to the riverbed from the ultrasonic transmission / reception means mounted in the floating body. Ultrasound propagates in water, but there are many reflectors that move with the water flow while floating in the water. If the reflector, that is, the underwater reflector, is present in the transmitted ultrasonic beam, a part of the ultrasonic wave is reflected by the underwater reflector and propagates upward as a spherical wave centered on the underwater reflector. The reflected spherical wave is received by a two-dimensional ultrasonic receiving means arranged two-dimensionally to obtain two-dimensional data, and reflected based on the two-dimensional data by a signal processing means connected to the two-dimensional ultrasonic receiving means. Wave intensity distribution and phase distribution are measured as two-dimensional data. When ultrasonic waves are transmitted a plurality of times at predetermined time intervals, and the position of the underwater reflector continuously moves, the distribution state of the spherical wave with respect to the two-dimensional ultrasonic wave receiving means also moves, and this movement shift amount is detected. The movement of the underwater reflector, that is, the flow velocity at a certain depth can be detected. The depth at which the flow velocity is detected can be discriminated by the time from ultrasonic transmission, and the flow velocity distribution in the depth direction can be known.
前記移動ベクトル終点位置となる超音波発信時に対応する深さ方向の流速分布を、各移動ベクトル終点位置となる超音波発信時について積分することにより、流量を得ることができる。 The flow rate can be obtained by integrating the flow velocity distribution in the depth direction corresponding to the time when ultrasonic waves are transmitted at the movement vector end positions with respect to the time when ultrasonic waves are transmitted at the movement vector end positions.
本発明の前記第1の課題は、測定線に沿って移動する浮揚体に搭載された測定装置から河底に向かって発信される超音波によって河川のデータを測定する河川データ測定方法であって、河底方向に所定の時間間隔で超音波を発信し、河底で散乱・反射された超音波を2次元状に配置された2次元超音波受信手段で受信し、時間をおいて発信された2回の超音波それぞれに対応する河底からの反射波の強度分布と位相分布を前記2次元超音波受信手段の中心を基準位置としてそれぞれ求め、前記二つの強度分布と位相分布それぞれの間の相関の強度を、前記二つの強度分布と位相分布のうちの先に発信された超音波に対応するものを他方に近づけつつ移動距離の関数として求め、相関の強度が最大となる移動距離及びそのときの移動方向を前記2回の超音波発信の間の超音波発信源の移動距離及び移動方向として出力する手順を有してなる河川データ測定方法によっても、解決される。 The first problem of the present invention is a river data measurement method for measuring river data by ultrasonic waves transmitted toward a river bed from a measurement device mounted on a levitating body that moves along a measurement line. The ultrasonic waves are transmitted at predetermined time intervals in the riverbed direction, and the ultrasonic waves scattered / reflected at the riverbed are received by the two-dimensional ultrasonic receiving means arranged in a two-dimensional form, and transmitted at a time. The intensity distribution and the phase distribution of the reflected wave from the riverbed corresponding to each of the two ultrasonic waves are respectively determined with the center of the two-dimensional ultrasonic receiving means as the reference position, and between the two intensity distributions and the phase distribution. Of the two intensity distributions and the phase distribution corresponding to the previously transmitted ultrasonic wave as a function of the moving distance while approaching the other, the moving distance at which the correlation intensity becomes maximum, and The moving direction at that time Times also by river data measuring method comprising a procedure of outputting the moving distance and the moving direction of the ultrasonic wave source between the ultrasonic transmitter, is solved.
上記河川データ測定方法において、超音波発信から河底の反射波受信までの時間と河底からの反射波の強度を測定し、超音波発信から河底の反射波受信までの時間を入力として水深を算出して記憶手段に格納し、さらに、前記移動ベクトルを順次結合して測定装置の移動の軌跡を生成するとともに、前記移動の軌跡を構成する各移動ベクトルの終点位置に対応する水深のデータを前記記憶手段から読み出して前記終点位置のデータに組み合わせて前記記憶手段に格納する手順を有してなる河川データ測定方法としてもよい。 In the river data measurement method described above, the time from the transmission of ultrasonic waves to the reception of reflected waves at the bottom of the river and the intensity of reflected waves from the bottom of the river are measured, and the time from the transmission of ultrasonic waves to the reception of reflected waves at the bottom of the river is input. Is calculated and stored in the storage means, and further, the movement vectors are sequentially combined to generate a movement trajectory of the measuring apparatus, and water depth data corresponding to the end point position of each movement vector constituting the movement trajectory. May be read out from the storage means, combined with the data of the end point position, and stored in the storage means.
本発明の前記第2の課題は、上記河川データ測定方法において、超音波発信から河底の反射波受信までの時間と河底からの反射波の強度を測定し、河底で散乱・反射された超音波に加え、水中に浮遊する水中反射体で反射された反射波を前記2次元超音波受信手段で受信するとともに、超音波発信から水中反射体で反射された反射波を検出するまでの時間と該反射波の強度分布及び位相分布をも測定し、それぞれ異なる深さでかつ超音波発信源との水平方向相対位置が所定の位置にある水中反射体によって前記超音波送受信手段から発信された超音波が反射されたときの反射波の強度分布及び位相分布を基準強度分布及び基準位相分布として前記記憶手段に格納され、前記超音波発信から河底の反射波受信までの時間を入力として水深を算出して前記記憶手段に格納し、前記超音波発信から水中反射体の反射波受信までの時間に基づいて水中反射体が浮遊している深さを検出し、前記検出された深さの水中反射体の反射波の基準強度分布及び基準位相分布と前記測定された反射波の強度分布及び位相分布のいずれか若しくは双方の相関の強度を、測定された分布を基準分布に近づけつつ移動距離の関数として求め、相関の強度が最大となる移動距離及びそのときの移動方向に基づいて当該水中反射体の超音波発信源に対する水平方向位置を求め、所定の時間間隔で検出された水中反射体の超音波発信源に対する水平方向相対位置及び前記算出された超音波発信源の移動ベクトルに基づいて、前記移動ベクトルの終点位置における、前記検出された深さの流速を求める手順を有してなる河川データ測定方法によっても解決される。 The second problem of the present invention is that, in the river data measurement method, the time from ultrasonic transmission to reception of reflected waves on the riverbed and the intensity of reflected waves from the riverbed are measured and scattered and reflected by the riverbed. In addition to the ultrasonic wave, the reflected wave reflected by the underwater reflector floating in the water is received by the two-dimensional ultrasonic wave receiving means, and the reflected wave reflected by the underwater reflector is detected from the ultrasonic wave transmission. The time and intensity distribution and phase distribution of the reflected wave are also measured and transmitted from the ultrasonic transmission / reception means by an underwater reflector having different depths and a horizontal relative position to the ultrasonic transmission source at a predetermined position. The intensity distribution and the phase distribution of the reflected wave when the reflected ultrasonic wave is reflected are stored in the storage means as the reference intensity distribution and the reference phase distribution, and the time from the ultrasonic transmission to the reception of the reflected wave on the riverbed is input. Calculate water depth And detecting the depth at which the underwater reflector is floating based on the time from the transmission of the ultrasonic wave to the reception of the reflected wave of the underwater reflector, and the underwater reflector of the detected depth The intensity of the correlation between the reference intensity distribution and reference phase distribution of the reflected wave and the intensity distribution and / or phase distribution of the measured reflected wave is used as a function of the moving distance while bringing the measured distribution close to the reference distribution. Obtain the horizontal position of the underwater reflector with respect to the ultrasonic wave transmission source based on the moving distance and the moving direction at which the correlation intensity is maximum, and detect the ultrasonic wave of the underwater reflector detected at a predetermined time interval. Based on the horizontal relative position with respect to the transmission source and the calculated movement vector of the ultrasonic transmission source, a procedure for obtaining the flow velocity of the detected depth at the end point position of the movement vector is provided. Also solved by river data measurement method.
本発明によれば、測定装置の移動量と移動方向を十分な精度で測定することが可能になり、河床形状の測定精度が向上するとともに、流速分布、流量の測定精度が向上する効果が得られる。 According to the present invention, it becomes possible to measure the moving amount and moving direction of the measuring apparatus with sufficient accuracy, and the measurement accuracy of the riverbed shape is improved, and the effect of improving the measurement accuracy of the flow velocity distribution and the flow rate is obtained. It is done.
本発明では、水面付近に配置した超音波測定装置で河床形状、流速分布、流量などの河川データを測定する。測定線に沿った河底の形状は、指向性を小さくした超音波送受信器からの超音波を河底に向けて照射し、照射開始から反射波検出までの時間とあらかじめ知られている水中の音速から河底までの距離を算出する。流速分布は、上記の河底に向けて放射した超音波ビームのビーム領域中にある水中反射体がある時間中に移動する量を、反射体の球面反射波から求め、流速に換算する。これには、上記の超音波送受信器とは別個に2次元状に配置した超音波検出器を用い、この検出器で反射体の球面反射波の分布を検出する。 In the present invention, river data such as river bed shape, flow velocity distribution, and flow rate is measured by an ultrasonic measurement device disposed near the water surface. The shape of the riverbed along the measurement line irradiates the riverbed with ultrasonic waves from an ultrasonic transmitter / receiver with reduced directivity, the time from the start of irradiation until detection of the reflected wave, and the known underwater Calculate the distance from the speed of sound to the riverbed. The flow velocity distribution is obtained by calculating the amount of movement of the underwater reflector in the beam region of the ultrasonic beam radiated toward the riverbed during a certain time from the spherical reflected wave of the reflector and converting it into the flow velocity. For this purpose, an ultrasonic detector arranged two-dimensionally separately from the ultrasonic transmitter / receiver is used, and the distribution of the spherical reflected wave of the reflector is detected by this detector.
河川水面に浮かべた測定装置の位置は、河底の散乱で形成される超音波スペックルパターンの移動による変化を検出して求める。 The position of the measuring device floated on the river surface is obtained by detecting changes due to the movement of the ultrasonic speckle pattern formed by scattering of the riverbed.
河床形状、流速分布、流量の計測に必要な測定装置の位置はこの移動計測結果から算出する。
<第1の実施の形態>
本発明の第1の実施の形態を、図面を参照して説明する。図1に、河床形状、流速分布、流量の測定の基本概念を示す。測定は、図1に示すように、河川1に、河川1を横切る方向に、ある測定線2を設定し、測定線2に沿った河底の形状(河床形状)や河川断面の流速分布、流量を求める。このために、測定装置を搭載した浮揚体3を、自走或いは牽引などの方法で、測定線2に沿って移動させる。
The position of the measuring device necessary for measuring the riverbed shape, velocity distribution, and flow rate is calculated from the result of this movement measurement.
<First Embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Fig. 1 shows the basic concepts of riverbed shape, flow velocity distribution, and flow rate measurement. As shown in FIG. 1, a
図2に、本実施の形態に係る河川データ測定装置の要部構成を示す。図示の河川データ測定装置は、浮揚体3に搭載されており、浮揚体3底部外面に配置されて河底方向に超音波を放射する超音波送受信器301と、超音波送受信器301に接続された送受信回路302と、浮揚体3底部外面に配置された2次元超音波検出器303と、2次元超音波検出器303に接続された信号処理装置304と、前記送受信回路302及び信号処理装置304に接続された信号解析装置305と、信号解析装置305に接続された図示されていない記憶手段であるメモリ、図示されていない画面表示手段、入力手段及び電源とを含んで構成されている。
In FIG. 2, the principal part structure of the river data measuring apparatus which concerns on this Embodiment is shown. The river data measuring apparatus shown in the figure is mounted on the
浮揚体3は、図2に示すように、測定装置を搭載して水面に浮いており、自走などにより水面を移動する。図2では、浮揚体3を水面上で移動させるための自走装置などは省略してあり、本発明に係わる測定装置部分のみを示してある。
As shown in FIG. 2, the
河底反射測定手段である送受信回路302は、超音波送受信手段である超音波送受信器301から河底に向かって超音波を発信させ、反射波を超音波送受信器301を介して受信する。超音波送受信器301から送信された超音波は水中を伝搬し、河底面で反射してその反射波が超音波送受信器301で検出される。
The transmission /
超音波送受信器301から河底に向かって発信された超音波が水中に浮遊している物体(水中反射体)に当たると、超音波は反射されて球面波となって浮揚体3の方向にも伝搬する。また、河底で反射・散乱した超音波も浮揚体3の方向に伝搬する。なお、本実施の形態では、超音波送受信器301は、超音波の送受信を行なうが、水深計測を別の装置で行う場合は、超音波送信手段として、送信専用としてもよい。
When the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter /
2次元超音波受信手段である2次元超音波検出器303は2次元平面に密に配置された複数の検出器で構成され、個々の検出器はこれらの球面波、散乱波の強度、位相をそれぞれ検出し、信号処理手段である信号処理装置304に伝送する。
A two-dimensional
信号処理装置304は、2次元超音波検出器303で得た信号を処理する装置であり、入力された信号の増幅やフィルタリングを行ったあと強度、位相を抽出し、アナログ−デジタル変換して、その結果と検出タイミング信号を信号解析手段である信号解析装置305に転送する。
The
信号解析装置305はメモリを備えた演算手段、いわゆるマイクロコンピュータであり、図示されていないメモリが接続されており、実行する処理内容はソフトウエアとして搭載されている。信号解析装置305は、図6に示す送信超音波波形信号W02を生成して送受信回路302に送るとともに、位相検出のための基準波形信号W01を生成して信号処理装置304に送る。また、前記メモリに、超音波送受信器301の真下で水面から予め定められた複数の深さレベルdにある反射体で反射された球面波、散乱波が前記2次元超音波検出器303で受信され、信号処理装置304で処理された時の強度、位相の分布状態のデータが予め算出されて基準強度分布、基準位相分布のパターンとして格納されている。前記複数の深さレベルdは、d=0を水面として、d=1,2,…i,…,mまで、例えば0.5m間隔で設定されている。前記ソフトウエアには、流速測定の際、演算対象となる深さレベルを指定するパラメータd=iが含まれており、初期値は、i=1に設定されている。本実施の形態では、1MHzの超音波を用いる。
The
なお、本実施の形態の河川データ測定装置には、装置全体の電源を投入・遮断する電源スイッチのほかに、超音波の生成・発信を停止する超音波発信停止スイッチが設けられ、測定終了時、超音波の生成・発信を停止した状態(超音波発信停止スイッチオフ)で、データ処理を行なうことが出来るようになっている。 The river data measurement device of this embodiment is provided with an ultrasonic transmission stop switch for stopping the generation and transmission of ultrasonic waves, in addition to the power switch for turning on / off the power of the entire device. Data processing can be performed in a state where generation / transmission of ultrasonic waves is stopped (ultrasonic transmission stop switch is off).
以下、流速の検出について図3を参照して説明する。流速は、水中に浮遊して移動している物体(散乱・反射体)が反射する超音波を、時間をおいて複数回受信することで求められる。通常、河川の流水中には、超音波を反射するに足る大きさの微小な物体が種々の深さで浮遊し、流水とともに移動している。河川の流速は、それら物体が、超音波送受信器301から発信された超音波ビーム中にあって移動するとき、それら物体が反射する超音波(反射波)を、その移動の前後で検出して求められる。
Hereinafter, detection of the flow velocity will be described with reference to FIG. The flow velocity is obtained by receiving ultrasonic waves reflected by an object (scattering / reflecting body) floating and moving in water a plurality of times over time. Usually, in a flowing water of a river, a minute object large enough to reflect ultrasonic waves floats at various depths and moves together with the flowing water. As for the flow velocity of the river, when these objects move in the ultrasonic beam transmitted from the
図3に示すように、超音波ビーム中の位置Aに反射体があると、その反射波は球面波となって2次元超音波検出器303で検出される。球面波は2次元分布であるが、簡単のため図3では一方向のみの分布を示している。たとえば、2回の超音波送信で、1回目にある深さで位置Aに反射体が検出され、2回目に同じ深さで位置Aには反射体がなく、位置Bで反射体が検出されたら、反射体が、2回の超音波送信の間に位置Aから位置Bに移動したと考える。なお、2次元超音波検出器303は、超音波ビーム中の種々の深さにある反射体すべての反射波を受信するが、信号解析装置305は、前記予め定められた深さにある反射体からの反射波のデータを選別して解析する。つまり、超音波の発信後、前記定められた深さレベルそれぞれに対応する時間後に受信された反射波のデータを選別して解析する。
As shown in FIG. 3, if there is a reflector at position A in the ultrasonic beam, the reflected wave becomes a spherical wave and is detected by the two-dimensional
反射・散乱波は、位置A、位置Bを中心とする球面波となって2次元超音波検出器303で検出される。図3に示すように、強度分布はほぼ位置A、位置Bの真上で大きく、真上から離れるに従って小さくなる特性となる。超音波送信から検出深さに応じた時間後の球面波位相は、位置A、位置Bの真上でほぼ平坦で、離れるのに従って遅れる位相となる。図3の位相は、±180度の範囲を示しているため、途中で切れた特性となっている。
The reflected / scattered wave is a spherical wave centered at position A and position B and is detected by the two-dimensional
このように、強度、位相とも反射・散乱体の位置を仮定すれば分布特性を推測でき、あらかじめ計算し前記メモリに格納されている基準強度分布、基準位相分布のパターンと比較することによって逆に反射・散乱体が超音波送受信器301の真下の位置からどの方向にどれくらい離れた位置にあるかを算出できる。位置A、Bが求まると、超音波の送信間隔からその移動速度、つまり、その深さでの流速が算出できる。算出されたデータは、前記2回の超音波発信のうちの後の超音波発信の時刻データ、深さレベルデータとともにメモリに格納される。
In this way, the distribution characteristics can be estimated if the position of the reflector / scatterer is assumed for both the intensity and phase, and by comparing with the reference intensity distribution and reference phase distribution patterns stored in the memory in advance. It is possible to calculate how far and in what direction the reflector / scatterer is from the position directly below the
図3では一方向の反射体の移動について述べたが、2次元超音波検出器303は2次元面のデータを採取するため、強度、位相の2次元状の分布パターンをあらかじめ基準強度分布パターン、基準位相分布パターンとして求めて格納しておくことで、二次元平面での流速分布を検出できる。さらに、位相の算出時、超音波送信から検出深さに応じた時間を同じとすることで、A、B真上での位相の差から超音波の放射から検出までの時間を求めることができ、深さ方向の位置、つまり、深さ方向の流速も算出可能である。これにより、ある深さの3次元流速分布を検出できる。
Although the movement of the reflector in one direction is described in FIG. 3, the two-dimensional
次に、超音波のスペックルパターンを用いた浮揚体3、つまり測定装置の移動量と移動方向を求める方法について図4を参照して説明する。超音波送受信器301から河底に向かって送信された超音波は、河底に到達し、反射する。河底が鏡面であればその反射は入射角と反射角の関係で反射特性が決まる。しかし、通常、河底表面は砂や小石で覆われている。超音波の波長より砂や小石の凹凸が大きいと、超音波は鏡面反射とならず、凹凸により種々の方向に散乱される状態となる。水中を伝播する1MHzの超音波の波長は約1.5mmであり、河底表面の砂や小石の凹凸はそれよりも大きいから、反射波は種々の方向に散乱される。
Next, a method for obtaining the
照射面の各点から散乱された超音波は水中空間で互いに干渉し合い、超音波の重ね合わせで強度の大きい部分と小さい部分の強度むら(スペックルパターン)を形成する。この強度むらを、浮揚体3の底面に設置した2次元超音波検出器303を介して信号処理装置304で検出する。2次元超音波検出器303では、浮揚体3の底面である受信面で、スペックルパターンである強度分布を受信することになる。
The ultrasonic waves scattered from each point on the irradiated surface interfere with each other in the underwater space, and form an intensity unevenness (speckle pattern) between the high intensity portion and the low intensity portion by superimposing the ultrasonic waves. This unevenness in intensity is detected by the
超音波送受信器301は、ビームの指向角α度を持った円錐形に広がる超音波ビームを放射すると仮定する。2次元超音波検出器303を介して信号処理装置304で検出される強度むらには、種々の空間周波数が含まれるが、その強度むらの平均変化幅は、指向角α度と水中における超音波の波長できまり、深さに依存しない。これは、光の場合も同様であり、詳細は非特許文献1に述べられている。具体的な数値例をあげると、α=2.5度の超音波送信器を使い、周波数を1MHzにすると、水中の音速は1500m/s であるから、強度むらの平均変化幅は3.4cmとなる。2次元超音波検出器303の各検出器はこの平均変化幅より小さくする必要がある。また、α=2.5度 の超音波送信器で送信された超音波は、深さ5mで、直径22cmの円形の照射領域を持つ。
It is assumed that the
図4に強度分布の例を示す。超音波送受信器301から発信された超音波ビームによる河底の散乱超音波は、2次元超音波検出器303で受信されて2次元の強度分布を示すが、図4では簡単のため一方向の散乱強度データを例として示した。浮揚体が実線で示すAFの位置にあると、スッペックルパターンの強度分布は、図中の<AFでの強度分布>となり、これが検出される。浮揚体が位置AFから破線で示す位置BFに移動した時を考える。位置AFから位置BFへの移動量が河底の超音波照射領域の大きさより十分小さければ、<BFでの強度分布>は、位置BFでの照射部分が位置AFでの照射部分と少し異なるため、<AFでの強度分布>と分布の形は若干違う。しかし、照射領域の大部分が位置AF、位置BFで同じであるため、分布の差は小さく、<BFでの強度分布>は、位置AFと検出位置が違うため、<AFでの強度分布>が位置AFから位置BFへの移動量だけシフトした強度分布波形に近い。なお、図5に示す<AFでの強度分布>と<BFでの強度分布>の横軸は、2次元超音波検出器303を構成する個々の検出器の位置に対応している。
FIG. 4 shows an example of the intensity distribution. Scattering ultrasonic waves in the riverbed by the ultrasonic beam transmitted from the
このシフト量の検出のため、図5に示すように、<AFでの強度分布>パターンと<BFでの強度分布>パターンの相関演算を行う。図5では、簡単のため一方向の相関計算を示してある。<BFでの強度分布>パターンを基準とし、<BFでの強度分布>パターンに対して<AFでの強度分布>パターンを予め定めた距離だけ移動させつつ二つの強度分布の相関演算を行う。図5の右側の図は、移動量を横軸に、相関の強度を縦軸にとって、相関演算の結果を示している。相関演算を行うと二つの強度分布が最も一致した移動量の位置で相関の強度が最大になる。このピーク位置を求めることで浮揚体3の位置AFと位置BFの距離差が検出される。
In order to detect this shift amount, as shown in FIG. 5, a correlation calculation is performed between the <intensity distribution at AF> pattern and the <intensity distribution at BF> pattern. In FIG. 5, one-way correlation calculation is shown for simplicity. The <intensity distribution at BF> pattern is used as a reference, and the correlation between the two intensity distributions is performed while the <intensity distribution at AF> pattern is moved by a predetermined distance with respect to the <intensity distribution at BF> pattern. The diagram on the right side of FIG. 5 shows the result of the correlation calculation with the movement amount on the horizontal axis and the correlation strength on the vertical axis. When the correlation calculation is performed, the correlation intensity becomes the maximum at the position of the movement amount where the two intensity distributions are most consistent. By obtaining this peak position, the distance difference between the position AF and the position BF of the
図5は一方向の相関演算であるが、2次元超音波検出器303を介して信号処理装置304で2次元の強度分布を求め、2次元相関演算を行うと、浮揚体3がどちらの方向に、どれだけの距離を移動したか、つまり、方向と大きさを持ったベクトルとして浮揚体の移動を算出できる。このベクトルを順次連結することによりある基準点からの浮揚体3の水平方向移動軌跡を求めることが可能となる。得られた水平方向位置データは、位置BFにおいて超音波を発信したときの時刻データとともに、メモリに格納される。
FIG. 5 shows a correlation calculation in one direction. When a two-dimensional intensity calculation is performed by the
ここで検出波形の例を示して、上記計測法を述べる。図6に、流速を求める時の波形の関係を示す。周波数fなる正弦波を基準波形W01とする。その一部の波形(送信超音波波形W02)を超音波送受信器301から放射する。2次元超音波検出器303のある任意の検出器で、超音波ビーム内で反射体位置AとBとで検出した波形(W03、W06)を得る。波形W03、W06は、送信超音波波形W02をある間隔で放射した時の、2次元超音波検出器303の同一検出器の検出波形であり、この間に反射体は点Aから点Bに移動したと仮定する。検出波形で強度W04、W07と位相W05、W08を算出する。強度は、例えば包絡線検波で求まる。位相は、基準波形と検出波形の積を低域ろ波することで算出できる。tを時間、ΔTを超音波放射から検出までの時間、検出信号の振幅をVとし、基準波形をsin(2πft)、検出波形をV*sin(2πf(t+ΔT))とすれば、その積の低域ろ波信号は、0.5V*cos(2πf*ΔT)となる。また、cos(2πft)なる波形と検出波形の積、低域ろ波処理で0.5V*sin(2πf*ΔT)が求まり、両者からtan(2πf*ΔT)を得て、位相を算出できる。
Here, the measurement method will be described with an example of a detected waveform. FIG. 6 shows the relationship of waveforms when obtaining the flow velocity. A sine wave having a frequency f is set as a reference waveform W01. A part of the waveform (transmission ultrasonic waveform W02) is radiated from the
位相の波形W05、W08で、意味をもつのは反射体の反射強度がある部分のみで、そのほかの部分は不定になる可能性がある。このような波形の処理手順で、反射体の移動前後の強度、位相が算出できる。この波形は、検出器1個の信号について示したが、複数の検出器の信号について同じ処理を行うことにより、反射体の移動前後で強度分布、位相分布のパターンを得ることができる。このパターンと、あらかじめ求めておいたパターンとの一致性から反射体が移動した距離を算定する。さらに、2回の超音波放射の時間間隔を考慮して、反射体の移動速度、つまり、流速を検出する。 In the phase waveforms W05 and W08, only the portion having the reflection intensity of the reflector is meaningful, and the other portions may be indefinite. With such a waveform processing procedure, the intensity and phase before and after the movement of the reflector can be calculated. This waveform is shown for the signal of one detector, but by performing the same processing on the signals of a plurality of detectors, patterns of intensity distribution and phase distribution can be obtained before and after the movement of the reflector. The distance traveled by the reflector is calculated from the coincidence between this pattern and the previously obtained pattern. Further, the moving speed of the reflector, that is, the flow velocity is detected in consideration of the time interval between the two ultrasonic radiations.
図7は、水深と浮揚体3の移動量を検出する際の波形例である。この場合、超音波の放射は1回(送信超音波波形W12)で水深とスペックルパターンが求まる。超音波送受信器301の受信波形(W13)で、河底の反射位置を検出し、これより水深がわかる。前記位置BFで発信された超音波で測定された水深データは、発信超音波の時刻データとともにメモリに格納される。2次元超音波検出器303で異なる2個の検出器で検出した波形(W14、W16)を検波して強度を求める。河底反射位置で反射、散乱された超音波を2次元超音波検出器303で受信した時の反射波強度分布がスペックルパターンとなる。この強度分布が、浮揚体3の移動で変化する。浮揚体3の移動前後でこのスペックルパターンを求め、両者の相関のピークから移動ベクトルを計算する。
FIG. 7 is a waveform example when detecting the water depth and the amount of movement of the
上記信号処理は主に信号処理装置304で実行される。信号処理装置304の詳細を図8によって説明する。2次元超音波検出器303は2次元平面状に配置された複数の検出器で構成され、前記検出器それぞれに個別に信号処理装置304の処理回路304iが接続されている。
The signal processing is mainly performed by the
各処理回路304iは、前記検出器に接続されたフィルターアンプ304i−1と、フィルターアンプ304i−1に接続された検波器304i−2及び位相検出器304i−3と、前記検波器304i−2に接続されたレベル判定器304i−4と、前記検波器304i−2及びレベル判定器304i−4に接続されたスイッチ素子304i−5と、スイッチ素子304i−5に接続されたアナログ−デジタル変換器304i−7と、前記レベル判定器304i−4及び位相検出器304i−3に接続されたスイッチ素子304i−6と、スイッチ素子304i−6に接続されたアナログ−デジタル変換器304i−8とを含んで構成されている。
Each
フィルターアンプ304i−1は、検出信号のノイズを低減し、信号レベルを増大させる。検波器304i−2は、検出信号の振幅波形を得る。位相検出器304i−3は、検出信号波形と基準信号とから上記の演算手順で位相を算出する。レベル判定器304i−4は、検波器304i−2の出力があらかじめ設定した振幅以上のとき信号を出し、スイッチ素子304i−5、6を導通させる。レベル判定器304i−4は、超音波を送信したタイミング信号を受けており、これを基準に超音波反射波を受信する時間範囲を規定する。アナログ−デジタル変換機304i−7、8は、スイッチ素子304i−5、6を通って来た信号、つまり、振幅と位相情報をデジタル信号に変換して出力する。
The
処理回路304iを構成する要素は、いずれもICにより製作可能であり、小型にできる。各処理回路304iでこれらの強度、位相信号を得て、信号解析装置305に送信し、信号解析装置305が強度、位相の分布情報としてまとめる。
Any of the elements constituting the
送受信回路302は、図9に示すように、超音波送受信器301に接続されたスイッチ素子302−1と、スイッチ素子302−1に接続されたフィルターアンプ302−3及び増幅器302−2と、フィルターアンプ302−3に接続された検波器302-4と、検波器302-4に接続されたレベル判定器302−5と、を含んで構成されている。
As shown in FIG. 9, the transmission /
増幅器302−2は、信号解析装置305から入力された送信超音波波形W02を増幅してスイッチ素子302−1に伝送する。スイッチ素子302−1は、超音波送受信器301の送信、受信を切り替えるもので、超音波送信時は、増幅器302−2で増幅された送信超音波波形W02が超音波送受信器301に伝送されるように、また、受信時は、超音波送受信器301とフィルターアンプ302−3がつながるように切替動作を行う。フィルターアンプ302−3は、スイッチ素子302−1を介して超音波送受信器301から入力された検出信号のノイズを低減し、信号レベルを増大させる。検波器302−4は、検出信号の振幅波形を得る。レベル判定器302−5は、検波器302-4の出力があらかじめ設定したレベルを超えたとき、河底の反射と判断してその検出タイミング信号を信号解析装置305に送る。
The amplifier 302-2 amplifies the transmission ultrasonic waveform W02 input from the
信号解析装置305の処理フローを図10によって説明する。計測処理の実施前に、流速測定に必要な、種々の深さの反射体から反射された反射球面波の強度パターン、位相パターンのデータをあらかじめ計算しておき、基準強度分布、基準位相分布のデータベースとして信号解析装置305のメモリに格納しておく。
The processing flow of the
計測を開始すると、まず、パラメータ設定が行なわれる(305−01)。これは、観測する深さ(最大深さ何メートルまで測定するか、つまりd=1〜n)や浮揚体3の移動情報(浮揚体3の移動速度を設定)などの計測条件の設定である。浮揚体3の移動速度を設定することにより、浮揚体3の移動量を測定する場合のデータ採取間隔が決まる。また、流速測定のためのデータ採取間隔を設定する。ここでいうデータ採取間隔は、移動量測定あるいは流速測定の演算を行なうとき、異なる時点で発信された2度の超音波のデータを用いるが、定められた時間間隔で発信される超音波に対し、何回おきのデータを用いるかということである。また、その時点における浮揚体3の位置を特定するデータ、つまり測定始点が記録される。例えば、GPSシステムにより決定される位置、あるいは、川岸に設定された基線との相対関係で決定される位置である。
When measurement is started, parameter setting is first performed (305-01). This is the setting of measurement conditions such as the depth to be observed (how many meters the maximum depth is measured, that is, d = 1 to n) and the movement information of the levitation body 3 (the movement speed of the
次に超音波信号を送信するタイミング信号、基準波形W01を信号処理装置304に送信するとともに、送信超音波波形W02を送受信回路302に送信する(305−02)。この段階で超音波送受信器301から超音波が送信される。ここでいうタイミング信号は超音波を発信する時間間隔を指示する信号であるが、この信号を受ける都度、超音波送受信器301から超音波が送信されるものであってもよい。
Next, a timing signal for transmitting an ultrasonic signal and a reference waveform W01 are transmitted to the
次いで、超音波送受信器301で受信した超音波信号を、送受信回路302で処理した結果(河底検出タイミング)と、2次元超音波検出器303で受信した超音波信号を、信号処理装置304で処理した結果(種々の深さの反射体からの反射強度パターン、位相パターン及びタイミング信号)を受信し、発信時刻データとともに格納する(305−03)。このとき、反射体からの反射強度パターン、位相パターンについて、同時に入力されるタイミング信号で反射体の深さレベルを判定し、深さレベルdが前記d=1〜nのいずれかに合致するものを、合致する深さレベルを示すd=1〜nのいずれかとともに格納する。
Next, the result of processing the ultrasonic signal received by the ultrasonic transmitter /
さらに、受信した河底検出タイミングに基づいて河底深さ情報を算出して超音波発信時刻データとともに格納し(305−04)、河底からの反射超音波のスペックルパターンである強度分布を、同様に、超音波発信時刻データとともに格納する(305−05)。 Further, riverbed depth information is calculated based on the received riverbed detection timing and stored together with ultrasonic transmission time data (305-04), and an intensity distribution that is a speckle pattern of reflected ultrasonic waves from the riverbed is calculated. Similarly, it is stored together with the ultrasonic transmission time data (305-05).
次いで手順305−06に進み、今回得られた強度分布と予め設定された前記データ採取間隔だけ以前に格納された強度分布の相関演算を行ない、相関の強度が最大となる位置を求めて、浮揚体3の移動ベクトルを算出し、移動ベクトルの始点、終点の超音波発信時刻データとともに格納する。手順305−05、305−06の処理が、浮揚体の移動検出処理である。
Next, proceeding to step 305-06, the correlation between the intensity distribution obtained this time and the intensity distribution stored previously by the preset data collection interval is performed, and the position where the correlation intensity is maximized is obtained, The movement vector of the
次に、305−07に進んで流速測定処理を行う。深さレベルiは、初期値1にセットされている。手順305−03で、種々の深さで水中に浮遊している反射体の反射球面波の強度パターン、位相パターンの測定データが反射体の深さレベルとともに格納されており、また、定められた複数の深さにある反射体による反射球面波の強度パターンと位相パターンはデータベースとしてメモリに格納されている。 Next, it progresses to 305-07 and performs a flow velocity measurement process. The depth level i is set to an initial value of 1. In step 305-03, the reflected spherical wave intensity pattern and phase pattern measurement data of the reflector floating in the water at various depths are stored together with the depth level of the reflector. The intensity pattern and phase pattern of the reflected spherical wave by the reflectors at a plurality of depths are stored in the memory as a database.
まず、305−07で、前記格納されている測定データのなかの最新のもののうち、深さレベル(d=i)の反射体の反射球面波の強度パターン、位相パターン及び、データベースとしてメモリに格納されている同じ深さレベルの反射体による反射球面波の強度パターンと位相パターンを取り出し、測定データの強度パターンとデータベース内強度パターン、測定データの位相パターンとデータベース内位相パターン間の相関演算をそれぞれ行い、相関強度のピーク位置を検出して反射体の最新位置を求める。このとき、強度パターンの相関の強度のピークから算出した反射体の位置と位相パターンの相関の強度のピークから算出した反射体の位置との平均の位置を、反射体の位置とする。次いで、前記格納されている測定データのなかの前記データ採取間隔だけ以前のもので、同じ深さレベルの反射体の反射球面波の強度パターン、位相パターン及び、データベースとしてメモリに格納されている同じ深さレベルの反射体による反射球面波の強度パターンと位相パターンを取り出し、測定データの強度パターンとデータベース内強度パターン、測定データの位相パターンとデータベース内位相パターン間の相関演算をそれぞれ行い、相関強度のピーク位置を検出して反射体の前回位置を求める。求めた前記最新位置と前回位置から反射体の移動ベクトルを算出する。 First, at 305-07, the intensity pattern, phase pattern, and database of the reflected spherical wave of the reflector of the depth level (d = i) out of the latest stored measurement data are stored in the memory as a database. The intensity pattern and phase pattern of the reflected spherical wave from the reflector of the same depth level are extracted, and the intensity pattern of the measurement data and the intensity pattern in the database, and the correlation calculation between the phase pattern of the measurement data and the phase pattern in the database, respectively And the peak position of the correlation strength is detected to obtain the latest position of the reflector. At this time, an average position of the position of the reflector calculated from the intensity peak of the correlation of the intensity pattern and the position of the reflector calculated from the intensity peak of the correlation of the phase pattern is set as the position of the reflector. Next, the intensity pattern and phase pattern of the reflected spherical wave of the reflector of the same depth level, which is the previous one of the stored measurement data, and the same stored in the memory as a database. Extract the intensity pattern and phase pattern of the reflected spherical wave by the reflector at the depth level, perform the correlation calculation between the intensity pattern of the measurement data and the intensity pattern in the database, and between the phase pattern of the measurement data and the phase pattern in the database, respectively. The previous position of the reflector is obtained by detecting the peak position of the reflector. A movement vector of the reflector is calculated from the obtained latest position and previous position.
算出された反射体の移動ベクトルには、浮揚体3の移動ベクトル成分が入っているため、差を取って真の流速ベクトルを求め、移動ベクトル終点の時刻データとともにメモリに格納する(305−08)。この操作を、深さレベルdについて深さレベル1から設定された最大深さレベルnに達するまで繰り返す(305−09、305−10)。
Since the calculated movement vector of the reflector includes the movement vector component of the
305−09で、最大深さレベルnでの流速算出終了が確認されたら、さらに次の浮揚体位置での測定を行なうのかどうか、言い換えると超音波発信停止スイッチがオフかオンかを判断する(305−11)。超音波発信停止スイッチがオンのとき、計測終了ではないと判断して深さレベルを指定するパラメータiを初期値i=1として手順305−02に戻り、所定の時間間隔で上記手順を繰り返す。 When it is confirmed in 305-09 that the calculation of the flow velocity at the maximum depth level n has been completed, it is determined whether or not to perform measurement at the next floating body position, in other words, whether the ultrasonic wave transmission stop switch is off or on ( 305-11). When the ultrasonic wave transmission stop switch is on, it is determined that the measurement is not finished, the parameter i for designating the depth level is set to the initial value i = 1, and the procedure returns to the procedure 305-02, and the above procedure is repeated at a predetermined time interval.
超音波発信停止スイッチがオフのとき、計測終了と判断して手順305−12に進み、浮揚体の移動ベクトルの和として浮揚体位置を求め、流速分布、河床形状、流量などを画面表示手段に表示する。 When the ultrasonic transmission stop switch is off, it is determined that the measurement is finished, and the process proceeds to step 305-12. The floating body position is obtained as the sum of the floating body moving vectors, and the flow velocity distribution, river bed shape, flow rate, etc. are displayed on the screen display means. indicate.
浮揚体の移動の軌跡は、前記移動ベクトルの和として求められ、各移動ベクトルの終点位置が、水深、流速の測定点となる。したがって、河床形状は、各移動ベクトルの終点位置の時刻データと同じ時刻データを持つ水深データを各測定点の水深データとして前記浮揚体の移動の軌跡上に配列することで得られる。また、流量は、各深さレベルでの流速が検出されているため、各移動ベクトルの終点位置の時刻データと同じ時刻データを持つ流速データをメモリから順に取り出し、これらを積分計算して求める。 The trajectory of the movement of the levitation body is obtained as the sum of the movement vectors, and the end point position of each movement vector becomes the measurement point of the water depth and the flow velocity. Therefore, the riverbed shape can be obtained by arranging the water depth data having the same time data as the time data of the end point position of each movement vector on the trajectory of the movement of the floating body as the water depth data of each measurement point. Further, since the flow rate at each depth level is detected, the flow rate is obtained by sequentially extracting flow rate data having the same time data as the time data at the end point position of each movement vector, and integrating these.
本実施の形態によれば、河川水面を移動する浮揚体、すなわち超音波を発信する測定装置の移動速度・方向を精度よく求めることができる。また、超音波ビームを用いて水深、流速分布を検出し、前記測定装置の移動速度・方向から測定装置移動軌跡の河床形状、流速分布、流量を精度良く算出できる。
<第2の実施の形態>
本発明の第2の実施の形態が前記第1の実施の形態と異なるのは、超音波送受信器301は、発信する超音波ビームの指向性を制御することが可能になっている点である。他の構成は前記第1の実施の形態と同じであるので、説明を省略する。
According to the present embodiment, it is possible to accurately obtain the moving speed and direction of a floating body that moves on the river surface, that is, a measuring device that transmits ultrasonic waves. In addition, it is possible to detect water depth and flow velocity distribution using an ultrasonic beam, and to accurately calculate the riverbed shape, flow velocity distribution, and flow rate of the measurement device movement locus from the movement speed and direction of the measurement device.
<Second Embodiment>
The second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the
第1の実施の形態の説明で述べたように、2次元超音波検出器303で検出される河底からの反射波の強度むらの平均的な変化幅は、超音波ビームの指向角αと水中における超音波の波長できまり、深さに依存しない。本実施の形態では、流れの方向と垂直な方向に浮揚体3を移動させる場合、浮揚体3の移動方向にはビーム角度を狭く、流れの方向にはビーム角度が広くなるように超音波送受信器301を制御する。ビーム指向角度の制御には、超音波レンズの使用、アレイ状センサの使用など公知の方法が使える。この制御により、河底反射によるスペックルパターン(強度分布)の平均的な変化幅は浮揚体の移動方向で大きくなり、移動量が大きい場合有効である。また流れの方向にビーム角が広いため、水中に浮遊する反射体の移動幅も大きくすることができ、測定範囲が拡大する。
As described in the description of the first embodiment, the average change width of the intensity unevenness of the reflected wave from the riverbed detected by the two-dimensional
本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態におけると同様の効果が得られるとともに、測定装置を搭載した浮揚体の移動速度が大きい場合や、流速が大きい場合の対応が可能になるという効果がある。
<第3の実施の形態>
本発明の第3の実施の形態が前記第1の実施の形態と異なるのは、浮揚体3に傾きセンサを設置し、超音波放射時の浮揚体の傾きを求めて河底までの距離、反射体の位置の補正を行うようにした点である。他の構成は前記第1の実施の形態と同じであるので、説明を省略する。
According to the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and it is possible to cope with a case where the moving speed of the floating body on which the measuring device is mounted is large or a case where the flow velocity is large. There is an effect.
<Third Embodiment>
The third embodiment of the present invention differs from the first embodiment in that a tilt sensor is installed in the
超音波の放射時、浮揚体3が傾くと河底や反射体深さまでの超音波経路が長くなる。また、超音波照射ごとに浮揚体3の傾きが異なると反射体位置が見かけ上ずれ、流速測定の誤差となる。このため、浮揚体3に傾きセンサを設置し、超音波放射時の浮揚体3の傾きを求めて河底までの距離、反射体の位置の補正を行う。
When the
本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態におけると同様の効果が得られるとともに、河床形状、流速分布の計測がより正確になる効果がある。 According to the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the riverbed shape and the flow velocity distribution can be more accurately measured.
なお、河床形状の測定のみを行なう場合には、流速を測定する部分は除去し形状測定部分のみを使用してもよい。 When only the riverbed shape measurement is performed, the portion for measuring the flow velocity may be removed and only the shape measurement portion may be used.
1 河川
2 測定線
3 浮揚体
301 超音波送受信器
302 送受信回路
302−1 スイッチ素子
302−2 増幅器
302−3 フィルターアンプ
302−4 検波器
302−5 レベル判定器
303 2次元超音波検出器
304 信号処理装置
304i 信号処理装置304のひとつの処理回路
304i−1 フィルターアンプ
304i−2 検波器
304i−3 位相検出器
304i−4 レベル判定器
304i−5、6 スイッチ素子
304i−7、8 アナログ−デジタル変換器
305 信号解析装置
DESCRIPTION OF
Claims (9)
The river data measurement method according to claim 7, wherein the time from the transmission of ultrasonic waves to the reception of reflected waves at the bottom of the river and the intensity of reflected waves from the bottom of the river are measured, and in addition to the ultrasonic waves scattered and reflected at the bottom of the river, The reflected wave reflected by the underwater reflector floating in the water is received by the two-dimensional ultrasonic receiving means, and the time from the ultrasonic transmission until the reflected wave reflected by the underwater reflector is detected and the reflected wave The intensity distribution and the phase distribution are also measured, and the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave transmitting / receiving means is reflected by an underwater reflector having a different depth and a horizontal relative position to the ultrasonic wave transmission source at a predetermined position. The intensity distribution and the phase distribution of the reflected wave at that time are stored in the storage means as a reference intensity distribution and a reference phase distribution, and the water depth is calculated by inputting the time from the transmission of the ultrasonic wave to the reception of the reflected wave of the riverbed as the input. Storage means Storing and detecting the floating depth of the underwater reflector based on the time from the transmission of the ultrasonic wave to the reception of the reflected wave of the underwater reflector, and the reference of the reflected wave of the underwater reflector of the detected depth The intensity of correlation between the intensity distribution and the reference phase distribution and / or the intensity distribution and / or phase distribution of the measured reflected wave is obtained as a function of the moving distance while bringing the measured distribution close to the reference distribution. The horizontal position of the underwater reflector with respect to the ultrasonic transmission source is obtained based on the moving distance at which the maximum is obtained and the moving direction at that time, and the horizontal direction with respect to the ultrasonic transmission source of the underwater reflector detected at a predetermined time interval. A step of obtaining a flow velocity of the detected depth at an end point position of the movement vector based on the relative position and the calculated movement vector of the ultrasonic wave transmission source; River data measurement method.
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