CN116261673A - 多普勒装置、俯角推测方法及程序 - Google Patents

多普勒装置、俯角推测方法及程序 Download PDF

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虫明昌彦
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Abstract

提供一种能够低成本且实时地得到水中的声速或温度的多普勒装置、俯角推测方法及程序。多普勒装置根据超声波的反射波，生成相对于换能器(11)的波接受面(11a)具有俯角(θ)的第1方向(d1)的第1回波信号；根据反射波，生成相对于波接受面(11a)具有俯角(θ)且与第1方向(d1)不同的第2方向(d2)的第2回波信号；而且，根据反射波，生成与波接受面(11a)垂直的第3方向(d3)的第3回波信号。多普勒装置计算第1回波信号的第1多普勒频率，计算第2回波信号的第2多普勒频率，计算第3回波信号的第3多普勒频率。多普勒装置根据第1多普勒频率、第2多普勒频率及第3多普勒频率，计算俯角(θ)。

Description

多普勒装置、俯角推测方法及程序
技术领域
本发明涉及利用多普勒效应进行规定的测量的多普勒装置、俯角推测方法及程序。
背景技术
在海洋渔业领域，自古以来就存在以下的需求：希望从船上远程地测量直接影响到生活于中层的鱼的生存状态的中层的海水温度，而不是通过装备在船底的温度计(热敏电阻等)能够容易测量的表层的温度。
作为与这样的需求对应的方法，已知有使用温度探头来测量各种深度下的水温的方法。例如，在以下的专利文献1中记载了这种方法。但是，在该方法中存在不能实时地得到水中的水温分布图(profile)这样的问题。
此外，作为与上述需求对应的其他方法，已知有基于水面的温度、自身装置与反射体(悬浮物)之间的相对速度、以及以规定的俯角发送的声波和其反射波的频率差所构成的多普勒频率来计算反射体表面的水温的方法。例如，在以下的专利文献2中记载了这种方法。但是，在该方法中，由于在水温的计算中需要各种检测部，因此存在装置的成本变高的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第4118782号
专利文献2：日本特开2016－031362号公报
发明内容
发明要解决的课题
如上述那样，在以往的两个方法中，存在不能实时地得到水温分布图的问题和装置的成本上升的问题。另一方面，在水中传播的超声波的声速随着水温的变化而变化。因而，只要能够简单且实时地得到水中的声速分布图，就能够根据所得到的声速分布图来计算水中的水温分布图。
鉴于上述课题，本发明的目的在于提供一种能够低成本且实时地得到水中的声速或温度的多普勒装置、俯角推测方法及程序。
另外，“多普勒装置”是指利用多普勒效应进行规定的测量的装置，除了多普勒声纳以外，可以广泛地包括潮流计及ADCP(Acoustic Doppler Current profiler、声学多普勒流速剖面仪)等。
用来解决课题的手段
本发明的第1技术方案关于多普勒装置。有关该技术方案的多普勒装置具备：换能器(transducer)，向水中发送超声波并接受上述超声波的反射波；回波信号生成模块(module)；多普勒频率运算模块；以及俯角运算模块。上述回波信号生成模块根据上述反射波，生成相对于上述换能器的波接受面具有俯角θ的第1方向的第1回波信号。此外，上述回波信号生成模块根据上述反射波，生成相对于上述换能器的上述波接受面具有上述俯角θ且与上述第1方向不同的第2方向的第2回波信号。进而，上述回波信号生成模块根据上述反射波，生成与上述换能器的上述波接受面垂直的第3方向的第3回波信号。上述多普勒频率运算模块计算上述第1回波信号的第1多普勒频率；计算上述第2回波信号的第2多普勒频率；计算上述第3回波信号的第3多普勒频率。上述俯角运算模块根据上述第1多普勒频率、上述第2多普勒频率及上述第3多普勒频率，计算上述俯角θ。
根据有关本技术方案的多普勒装置，能够通过使用了换能器的简单的结构实时地计算俯角θ。将计算出的俯角θ应用于规定的数式中，由此能够计算水中的超声波的声速及水中的温度。由此，根据有关本技术方案的多普勒装置，能够低成本且实时地得到水中的水温或声速。
在有关本技术方案的多普勒装置中，可以构成为，上述多普勒频率运算模块对于多个水深，根据上述第1回波信号、上述第2回波信号及上述第3回波信号，计算上述第1多普勒频率、上述第2多普勒频率及上述第3多普勒频率；上述俯角运算模块按上述多个水深的每个计算上述俯角θ。
根据该结构，对于多个水深，能够按各水深计算俯角θ。由此，通过将按各水深计算出的俯角θ应用于规定的计算式，能够得到各水深的水温或声速。
在有关本技术方案的多普勒装置中，可以将上述第1方向、上述第2方向及上述第3方向设定在与上述换能器的上述波接受面垂直的相同的平面中。
设定上述第1方向、上述第2方向及上述第3方向的平面越是接近于相对于船的行进方向平行，第1多普勒频率与第3多普勒频率之间的差越大。第1多普勒频率与第3多普勒频率之间的差越大，在俯角θ的计算中越不易受到噪声等的影响，俯角θ的计算精度越高。因此，设定上述第1方向、上述第2方向及上述第3方向的平面越是接近于相对于船的行进方向平行，俯角θ的计算精度越高，结果是声速或水温的计算精度越高。
因而，最优选的是形成第1波束、第2波束及第3波束的上述平面相对于船的行进方向平行。由此，能够使第1多普勒频率与第2多普勒频率之间的差最大，能够使俯角θ的计算精度最高。结果是能够使根据俯角θ计算的声速或水温的精度最高。
在有关本技术方案的多普勒装置中，优选的是，上述换能器的上述波接受面相对于水面成的角度β不为0度。
通过这样将波接受面相对于水面倾斜，在没有上升流的状况下也能够计算俯角θ，能够根据计算出的俯角θ计算声速或水温。
在有关本技术方案的多普勒装置中，可以构成为，上述俯角运算模块基于上述第1多普勒频率与上述第3多普勒频率的比、以及上述第2多普勒频率与上述第3多普勒频率的比，计算上述俯角θ。
或者可以构成为，上述俯角运算模块基于上述第1多普勒频率及上述第2多普勒频率的合计、以及上述第3多普勒频率的倒数，计算上述俯角θ。
根据这些计算方法，能够使用第1多普勒频率、第2多普勒频率及第3多普勒频率来适当地计算俯角θ。
有关本技术方案的多普勒装置还可以具备声速分布图运算模块，该声速分布图运算模块根据上述俯角运算模块所计算出的上述俯角θ来计算水中的超声波的声速。
根据该结构，能够根据俯角运算模块所计算出的俯角θ，实时地计算水中的超声波的声速。
在此情况下，多普勒装置还可以具备根据上述声速计算水温的温度分布图运算模块。
根据该结构，能够根据声速分布图运算模块所计算出的声速实时地计算水中的温度。
或者，有关本技术方案的多普勒装置还可以具备根据上述俯角运算模块所计算出的上述俯角θ计算水温的温度分布图运算模块。
根据该结构，能够不计算水中的超声波的声速而是根据俯角运算模块所计算出的俯角θ直接计算水中的温度。
在有关本技术方案的多普勒装置中，可以构成为，上述换能器具备配置为阵列状的多个振子；上述回波信号生成模块分别在上述第1方向、上述第2方向及上述第3方向上形成第1波束、第2波束及第3波束，生成上述第1回波信号、上述第2回波信号及上述第3回波信号。
或者，在有关本技术方案的多普勒装置中，可以构成为，上述换能器具备分别在上述第1方向、上述第2方向及上述第3方向上进行波发送及波接受的第1振子、第2振子及第3振子；上述回波信号生成模块根据上述第1振子、上述第2振子及上述第3振子所接受到的反射波，生成上述第1回波信号、上述第2回波信号及上述第3回波信号。
本发明的第2技术方案关于俯角推测方法。有关该技术方案的俯角推测方法，从换能器向水中发送超声波；由上述换能器接受上述超声波的反射波；根据上述反射波，生成相对于上述换能器的波接受面具有俯角θ的第1方向的第1回波信号；根据上述反射波，生成相对于上述波接受面具有上述俯角θ且与上述第1方向不同的第2方向的第2回波信号；根据上述反射波，生成与上述波接受面垂直的第3方向的第3回波信号；计算上述第1回波信号的第1多普勒频率；计算上述第2回波信号的第2多普勒频率；计算上述第3回波信号的第3多普勒频率；根据上述第1多普勒频率、上述第2多普勒频率及上述第3多普勒频率，计算上述俯角θ。
根据有关本技术方案的俯角推测方法，能够起到与上述第1技术方案同样的效果。
本发明的第3技术方案关于程序，所述程序使多普勒装置的控制处理电路执行规定的功能，所述多普勒装置通过换能器向水中发送超声波并接受上述超声波的反射波，生成相对于上述换能器的波接受面具有俯角θ的第1方向的第1回波信号、相对于上述波接受面具有上述俯角θ且与上述第1方向不同的第2方向的第2回波信号、以及与上述波接受面垂直的第3方向的第3回波信号。有关该技术方案的程序使上述控制处理电路执行：计算上述第1回波信号的第1多普勒频率的功能；计算上述第2回波信号的第2多普勒频率的功能；计算上述第3回波信号的第3多普勒频率的功能；以及根据上述第1多普勒频率、上述第2多普勒频率及上述第3多普勒频率计算上述俯角θ的功能。
根据有关本技术方案的程序，能够起到与上述第1技术方案同样的效果。
发明效果
如以上那样，根据本发明，能够提供能以低成本且实时地得到水中的水温分布图或声速分布图的多普勒装置、俯角推测方法及程序。
本发明效果及意义通过以下所示的实施方式的说明将会变得更清楚。但是，以下所示的实施方式只不过是实施本发明时的一个示例，本发明不受以下的实施方式所记载的内容限制。
附图说明
图1是表示有关实施方式1的在俯角θ的推测方法中使用的结构的图。
图2是表示有关实施方式1的多普勒声纳的结构的框图。
图3是示意地表示有关实施方式1的换能器的结构的图。
图4中(a)是表示有关实施方式1的控制处理电路的结构的框图。图4中(b)是表示有关实施方式1的控制处理电路的另一结构的框图。
图5是示意地表示有关实施方式1的接收波束的形成状态的图。
图6是表示由有关实施方式1的控制处理电路进行的温度分布图的生成处理的流程图。
图7是示意地表示有关实施方式2的在多普勒声纳中使用的换能器的结构的侧视图。
图8是示意地表示有关实施方式2的换能器的配置状态的侧视图。
图9中(a)是从上方观察到的有关变更例1的第1方向、第2方向及第3方向的状态的俯视图。图9中(b)是从船S1的上方观察到的有关变更例2的设定了3组第1方向、第2方向及第3方向的情况下的第1方向、第2方向及第3方向的状态的平面图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下的实施方式中，作为多普勒装置的一例，示出了将本发明应用于设置在渔船等的船体上的多普勒声纳中的例子。但是，以下的实施方式是本发明的一个实施方式，本发明不受以下的实施方式限制。
<俯角θ的推测方法>
图1是表示有关实施方式的在俯角θ的推测方法中使用的结构的图。
如图1所示，在该推测方法中，在船S1的船底处设置换能器11。换能器11向水中发送超声波并且接受超声波的反射波。换能器11以其波接受面11a相对于水面WS成0度以外的角度β(rad)的方式被设置在船底。波接受面11a倾斜的方向是与包含船S1的行进方向和铅直方向的平面平行的方向。
换能器11能够在相对于波接受面11a以俯角θ(rad)向前后分别倾斜的第1方向d1及第2方向d2、以及垂直于波接受面11a的第3方向d3上生成基于反射波的回波信号。第1方向d1、第2方向d2及第3方向d3包含在垂直于波接受面11a的相同的平面中。该平面与船S1的行进方向平行。俯角θ例如是60°(π/3rad)，角度β例如是10°(π/18rad)。
这样被设定了俯角θ并在第1方向d1及第2方向d2上被发送的超声波，在之后随着水深方向上的声速及温度的变化，行进方向变化为与包含第1方向d1、第2方向d2及第3方向d3的平面平行的方向。由此，在第1方向d1及第2方向d2上被发送的超声波的行进方向与波接受面11a之间的俯角θ根据水深而变化。因而，只要能够推测各水深下的俯角θ，就能够推测该水深的声速及温度的状态。在本实施方式中，通过以下的方法来推测各水深的俯角。
在图1的结构中，当设船S1的对地速度为VG(m/s)、对水速度为VW(m/s)时，第1方向d1上的换能器11与海底B1之间的声轴方向的相对速度为VGcos(θ+β)。因而，当设换能器11的发送频率为f0、海底附近的声速为c时，在第1方向d1上观测到的第1多普勒频率fd1用下式计算。
[数式1]
Figure BDA0004143024370000071
同样，在第2方向d2上观测到的第2多普勒频率fd2和在第3方向d3上观测到的第3多普勒频率fd3分别用下式计算。
[数式2]
Figure BDA0004143024370000072
Figure BDA0004143024370000073
因而，根据上述式(1)～(3)可得到下式。
[数式3]
Figure BDA0004143024370000074
根据上述式(4)，对于从海底B1反射的反射波，从第1方向d1的第1回波信号、第2方向d2的第2回波信号及第3方向d3的第3回波信号中提取第1方向d1的第1多普勒频率fd1、第2方向d2的第2多普勒频率fd2及第3方向d3的第3多普勒频率fd3，由此能够计算出海底B1的俯角θ的推测值。
此外，在各水深处的流速为一定的情况下，船S1与海中的水之间的对水速度VW在各水深中为一定。在此情况下，各水深处的第1多普勒频率fd1、第2多普勒频率fd2及第3多普勒频率fd3通过将式(1)～(3)的VG替换为VW来求出。因而，各水深处的俯角θ的推测值也能够通过上述式(4)的运算来计算。
在此情况下，对于各水深处的悬浮物等(反射体)反射的反射波，从第1方向d1的第1回波信号、第2方向d2的第2回波信号及第3方向d3的第3回波信号中提取第1方向d1的第1多普勒频率fd1、第2方向d2的第2多普勒频率fd2及第3方向d3的第3多普勒频率fd3，由此能够计算出各水深时的俯角θ。例如，从第1方向d1的第1回波信号、第2方向d2的第2回波信号及第3方向d3的第3回波信号中提取与图1的水深D11对应的位置(时间位置)的频率作为第1多普勒频率fd1、第2多普勒频率fd2及第3多普勒频率fd3，并应用到上述式(4)中，由此能够计算出水深D11时的俯角θ的推测值。
<实施方式1>
以下对应用了上述俯角θ的推测方法的多普勒声纳的结构例进行说明。在以下的多普勒声纳中，基于上述推测方法推测俯角θ，进而，根据推测出的俯角θ，生成各水深的声速分布图及温度分布图。
图2是表示有关实施方式1的多普勒声纳10的结构的框图。
如图2所示，多普勒声纳10具备换能器11、发送驱动信号生成电路12、发送放大器13、波发送接受切换电路14、接收放大器15、控制处理电路16和显示装置17。
图3是示意地表示换能器11的结构的图。
换能器11通过将多个振子111以规定的间距d配置在相同的平面上而构成。各振子111通过被施加发送驱动信号而发送超声波，接受该超声波的反射波而生成接收信号。这些振子111的波发送接受面处于相同的平面上。该平面为换能器11的波接受面11a。在设发送驱动信号的波长(超声波的基准波长)为λ的情况下，振子111的间距d例如被设定为(2/3)λ。如上述那样，换能器11以相对于水面WS(船S1处于水平姿势时的水平面)以角度β(rad)倾斜的方式而配置。
回到图2，通过来自控制处理电路16的控制，发送驱动信号生成电路12将发送频率f0的发送驱动信号向发送放大器13输出。发送放大器13将从发送驱动信号生成电路12输入的发送驱动信号放大并向波发送接受切换电路14输出。通过来自控制处理电路16的控制，波发送接受切换电路14将从发送驱动信号生成电路12输入的发送驱动信号向换能器11的各振子111输出。由此，从各振子111将发送频率f0的超声波发送。此外，通过来自控制处理电路16的控制，波发送接受切换电路14将各振子111接受超声波的反射波而输出的接收信号向接收放大器15输出。
接收放大器15将从波发送接受切换电路14输入的来自各振子111的接收信号放大以及进行噪声除去，向控制处理电路16输出。控制处理电路16具备CPU(CentralProcessing Unit、中央处理器)等运算处理电路，以及ROM(ReadOnly Memory、只读存储器)、RAM(Random Access Memory、随机存取存储器)、硬盘等存储介质。控制处理电路16通过预先保持在存储介质16a中的程序来控制各部，从而执行俯角θ的推测处理和基于俯角θ的声速分布图及温度分布图的生成处理。控制处理电路16也可以由FPGA(Field-Programmable Gate Array、现场可编程门阵列)等集成电路构成。
显示装置17由液晶显示器等构成，将表示控制处理电路16所生成的声速分布图或温度分布图的图像进行显示。也可以是，并不一定将显示装置17与包括发送驱动信号生成电路12、发送放大器13、波发送接受切换电路14、接收放大器15及控制处理电路16在内的处理单元一体化。在显示装置17由通用的显示器构成的情况下，显示装置17作为与多普勒声纳10不同的装置而设置在船S1上，经由信号线与多普勒声纳10的处理单元连接。
图4中(a)是表示控制处理电路16的结构的框图。
控制处理电路16具备回波信号生成模块101、多普勒频率运算模块102、俯角运算模块103、声速分布图运算模块104和温度分布图运算模块105。这些模块既可以通过存储在控制处理电路16的存储介质16a中的程序作为软件的功能来实现，或者也可以由安装有逻辑电路的硬件来构成。
回波信号生成模块101针对从接收放大器15输入的来自各振子111的接收信号应用相位控制(波束成形、beamforming)，如图5所示，分别形成第1方向d1的第1接收波束RB1、第2方向d2的第2接收波束RB2及第3方向d3的第3接收波束RB3，根据这些接收波束生成第1回波信号、第2回波信号及第3回波信号。
如图5所示，第1接收波束RB1、第2接收波束RB2及第3接收波束RB3以规定的扩散角形成。因此，即使因为水中的温度变化而超声波及反射波的行进方向在该扩散角的范围内变化，也能够适当地生成基于反射波的第1回波信号、第2回波信号及第3回波信号。
回到图4中(a)，多普勒频率运算模块102按各水深，计算第1回波信号的第1多普勒频率fd1、第2回波信号的第2多普勒频率fd2及第3回波信号的第3多普勒频率fd3。具体而言，多普勒频率运算模块102根据发送超声波后的经过时间，确定第1回波信号、第2回波信号及第3回波信号中的各水深的时间位置，分别提取所确定的时间位置处的第1回波信号、第2回波信号及第3回波信号的频率，作为各水深处的第1多普勒频率fd1、第2多普勒频率fd2及第3多普勒频率fd3。
俯角运算模块103将各水深的第1多普勒频率fd1、第2多普勒频率fd2及第3多普勒频率fd3应用于上述式(4)，计算各水深的俯角θ。由此，生成将水深与俯角θ建立了对应的俯角分布图。俯角运算模块103将所生成的俯角分布图向声速分布图运算模块104输出。
声速分布图运算模块104根据各水深的俯角θ计算各水深的声速。在俯角θ与声速之间，规定的关系式成立。例如，在第1方向d1及第2方向d2相对于波接受面11a的俯角θ被设定为60°(π/3rad)、振子111的间距d是发送驱动信号的波长λ的2/3的情况下，在俯角θ与声速c之间，以下的关系式成立。
[数式4]
Figure BDA0004143024370000101
声速分布图运算模块104对上述式(5)应用各水深的俯角θ和发送驱动信号的发送频率f0及振子111间的间距d，计算各水深的声速c。由此，生成将水深与声速c建立了对应的声速分布图。声速分布图运算模块104将所生成的声速分布图向温度分布图运算模块105输出。
温度分布图运算模块105根据各水深的声速c计算各水深的温度。在声速与温度之间，Machenzie式等的规定的关系式成立。温度分布图运算模块105对该关系式应用各水深的声速c，计算各水深的温度。由此，生成将水深与温度建立了对应的温度分布图。温度分布图运算模块105将所生成的温度分布图向显示装置17输出。由此，在显示装置17中，显示表示各水深的温度的温度分布图。
另外，这里根据俯角θ先计算声速c，再根据声速c计算温度，但也可以根据俯角θ直接计算温度。在此情况下，控制处理电路16的结构进行如图4中(b)那样变更。在该结构中，省略了声速分布图运算模块104，温度分布图运算模块105被变更为温度分布图运算模块106。温度分布图运算模块106通过将规定俯角θ与声速c的关系的运算式与规定声速c与温度的关系的运算式进行统合而得到的运算式，根据各水深的俯角θ直接计算各水深的温度。由此，生成将水深与温度建立了对应的温度分布图。
图6是表示控制处理电路16进行的温度分布图的生成处理的流程图。
首先，控制处理电路16将发送频率f0的超声波从换能器11发送，由换能器11接受其反射波(S11)。接着，控制处理电路16在回波信号生成模块101中，根据换能器11接受到的反射波(从各振子111输出的接收信号)生成第1方向d1的第1回波信号(S12)，并且生成第2方向d2的第2回波信号及第3方向d3的第3回波信号(S13、S14)。如参照图5所说明，通过以波束成形而形成第1接收波束RB1、第2接收波束RB2及第3接收波束RB3，由此来进行这些回波信号的生成。
进而，控制处理电路16在多普勒频率运算模块102中，根据第1回波信号、第2回波信号及第3回波信号，按各水深计算第1多普勒频率fd1、第2多普勒频率fd2及第3多普勒频率fd3(S15、S16、S17)。如上所述，通过提取与各水深对应的时间位置处的各回波信号的频率来进行这些多普勒频率的计算。
并且，控制处理电路16在俯角运算模块103中将各水深的第1多普勒频率fd1、第2多普勒频率fd2及第3多普勒频率fd3应用于上述式(4)，计算各水深的俯角θ(S18)。
这样，在计算出各水深的俯角θ之后，控制处理电路16在声速分布图运算模块104中将各水深的俯角θ应用于上述式(5)，计算各水深的声速c(声速分布图)，进而在温度分布图运算模块105中，将各水深的声速c应用于Machenzie式等的规定的关系式，计算各水深的温度(温度分布图)(S19)。
控制处理电路16将在步骤S19中计算出的温度分布图向显示装置17输出。由此，在显示装置17中进行显示温度分布图的处理(S20)。
这样，如果1个声脉冲(ping)的处理结束，则控制处理电路16在下个声脉冲的开始定时，执行步骤S11以后的处理。由此，温度分布图的显示被更新。控制处理电路16按各声脉冲反复执行步骤S11～S20的处理。由此，各时点的船S1的正下方的温度分布图依次被显示在显示装置17上。使用者通过参照显示在显示装置17上的图像，能够实时地确认各水深的温度分布图。
另外，在步骤S20中，并不限于显示温度分布图，也可以还显示声速分布图或俯角分布图。此外，在控制处理电路16是图4中(b)所示的结构的情况下，在步骤S19中，根据各水深的俯角θ直接计算温度分布图。在此情况下，在步骤S20中也将船S1的正下方的温度分布图依次实时地显示在显示装置17上。
<实施方式1的效果>
根据上述实施方式1，能够起到以下的效果。
通过使用了换能器11的简单的结构，能够实时地计算俯角θ。此外，通过将计算出的俯角θ应用于式(4)，能够计算出水中的超声波的声速，进而将计算出的声速应用于Machenzie式等的关系式中，从而能够计算出水中的温度。由此，根据有关本形态的多普勒声纳10，能够低成本且实时地得到水中的声速及温度。
如图6所示，多普勒频率运算模块102在多个水深处，根据第1回波信号、第2回波信号及第3回波信号来计算第1多普勒频率fd1、第2多普勒频率fd2及第3多普勒频率fd3(S15～S17)，俯角运算模块103按多个水深的每个计算俯角θ(S18)。由此，将按各水深计算出的俯角θ应用于上述式(4)，从而能够得到各水深的声速分布图，进而将计算出的声速分布图应用于Machenzie式等的关系式，由此能够得到各水深的温度分布图。
如图1所示，第1方向d1、第2方向d2及第3方向d3被设定在与换能器11的波接受面11a垂直且与船S1的行进方向平行的相同的平面中。由此，能够使第1多普勒频率fd1与第2多普勒频率fd2之间的差最大，能够使俯角θ的计算精度最高。结果，能够使根据俯角θ计算的声速或水温的精度最高。
如图1所示，换能器11的波接受面11a相对于水面WS成的角度β不为0度。通过这样将波接受面11a相对于水面WS倾斜，在没有上升流的状况下也能够计算俯角θ，能够根据计算出的俯角θ来计算声速或水温。
如上述式(4)所示，俯角运算模块103基于第1多普勒频率fd1与第3多普勒频率fd3的比(fd1/fd3)、以及第2多普勒频率fd2与第3多普勒频率fd3的比(fd2/fd3)，计算俯角θ。或者，俯角运算模块103基于第1多普勒频率fd1及第2多普勒频率fd2的合计(fd1+fd2)和第3多普勒频率fd3的倒数(1/fd3)，计算俯角θ。如上述那样，根据该计算方法，能够使用第1多普勒频率fd1、第2多普勒频率fd2及第3多普勒频率fd3来适当地计算俯角θ。
如图4中(a)所示，多普勒声纳10还具备声速分布图运算模块104，该声速分布图运算模块104根据俯角运算模块103所计算出的俯角θ来计算水中的超声波的声速c。由此，在多普勒声纳10中能够计算出水中的规定水深处的超声波的声速。
此外，如图4中(a)所示，多普勒声纳10还具备温度分布图运算模块105，该温度分布图运算模块105根据声速c计算水温。由此，在多普勒声纳10中能够计算出水中的规定水深处的温度。
此外，如图4中(b)所示，也可以是，多普勒声纳10是具备温度分布图运算模块106的结构，该温度分布图运算模块106根据俯角运算模块103计算出的俯角θ来计算水温。根据该结构，能够不计算水中的超声波的声速而根据俯角运算模块103所计算出的俯角θ直接计算水中的温度。
如图3所示，在多普勒声纳10中，换能器11具备被配置为阵列状的多个振子111，如图5所示，回波信号生成模块101在第1方向d1、第2方向d2及第3方向d3上分别形成第1接收波束RB1、第2接收波束RB2及第3接收波束RB3，生成第1回波信号、第2回波信号及第3回波信号。由此，能够基于来自第1方向d1、第2方向d2及第3方向d3的反射波，顺畅地生成第1回波信号、第2回波信号及第3回波信号。
<实施方式2>
在上述实施方式1中，如图3所示，使用多个振子111以规定间距d被配置在相同的平面上的换能器11。相对于此，在本实施方式中，使用具备在第1方向d1、第2方向d2及第3方向d3上分别进行波发送及波接受的第1振子、第2振子及第3振子的换能器。
图7是示意地表示在有关实施方式2的多普勒声纳10中使用的换能器20的结构的侧视图。
如图7所示，换能器20具备第1振子211，第2振子212及第3振子213。第1振子211及第2振子212相对于换能器20的波接受面20a分别在左右方向上以相同的角度θ'倾斜。第3振子213与波接受面20a平行地配置。第1振子211、第2振子212及第3振子213被模铸在由氨基甲酸乙酯等的材料构成的支承体220内。
进而，用来检测支承体220内的波接受面20a附近的温度的温度传感器214与第1振子211、第2振子212及第3振子213一起被模铸在支承体220的内部。支承体220的下表面是平面，该平面成为波接受面20a。
对于第1振子211及第2振子212进行波发送及波接受的超声波及反射波在波接受面20a处折射。折射后的超声波与波接受面20a所成的角为俯角θ。由于第3振子213与波接受面20a平行地配置，所以对于第3振子213进行波发送及波接受的超声波及反射波在波接受面20a处不折射。从第1振子211、第2振子212及第3振子213发送的超声波在透过波接受面20a之后，以规定的扩散角向水中前进。
图8是示意地表示换能器20的配置状态的侧视图。
在实施方式2中与实施方式1同样，换能器20以波接受面20a相对于水面WS成角度β倾斜的方式而配置。由此，与图1的情况同样，分别用上述式(1)～(3)求出根据对地速度VG得到的第1多普勒频率fd1、第2多普勒频率fd2及第3多普勒频率fd3，用上述式(4)计算出水中的各水深时的俯角θ。
但是，在实施方式2的结构中，在波接受面20a处发生折射，并且声速在支承体220内外变化。因此，在实施方式2中，将用来推测各水深的声速的计算式从上述式(5)变更为以下的式子。
[数式5]
Figure BDA0004143024370000141
在上述式(6)中，c'是从第1振子211、第2振子212及第3振子213发送的超声波在支承体220内的物质中传播的速度，可以由该物质的材料、以及波接受面20a附近的该物质的温度即由温度传感器214检测的温度来规定。此外，θ'是图8所示的第1振子211及第2振子212的安装角，被预先规定。由此，将根据上述式(4)计算出的各水深的俯角θ、支承体220内的物质的声速c'及第1振子211及第2振子212的安装角θ'代入到上述式(6)中，从而能够计算出各水深的声速c。
多普勒声纳10除了换能器20的结构之外与图2具有同样的结构，此外，控制处理电路16也是与图4中(a)同样的结构。此外，控制处理电路16通过图4中(a)的结构进行与图6同样的处理。
但是，在图6的步骤S11中，控制处理电路16通过第1振子211、第2振子212及第3振子213，进行第1方向d1、第2方向d2及第3方向d3上的超声波的发送及反射波的接受。此外，在图4中(a)的结构中，回波信号生成模块101不是如上述实施方式1那样生成通过波束成形得到的接收波束，而是使用通过反射波的接受而从第1振子211、第2振子212及第3振子213输出的接收信号(由接收放大器15放大及噪声除去后的接收信号)，生成第1回波信号、第2回波信号及第3回波信号(图6的步骤S12～S14)。
多普勒频率运算模块102与上述实施方式1同样，根据被输入的第1回波信号、第2回波信号及第3回波信号，确定与各水深对应的时间位置，根据所确定的时间位置，计算第1多普勒频率fd1、第2多普勒频率fd2及第3多普勒频率fd3(图6的步骤S15～S17)。俯角运算模块103与上述实施方式1同样，将针对各水深计算出的第1多普勒频率fd1、第2多普勒频率fd2及第3多普勒频率fd3代入到上述式(4)中，计算各水深的俯角θ(S18)。
在图6的步骤S19中，声速分布图运算模块104与上述实施方式1不同，其将计算出的各水深的俯角θ代入到上述式(6)中，计算各水深的声速c。此时，声速分布图运算模块104基于由温度传感器214检测到的温度，求出从第1振子211、第2振子212及第3振子213发送的超声波在支承体220内的波接受面20a附近的物质中传播的声速c'，将所求出的声速c'和已知的安装角θ'代入到上述式(6)中。
另外，声速c'也可以从将温度传感器214所检测的温度与声速c'建立了对应的变换表中取得。在此情况下，声速分布图运算模块104预先保持该变换表，从该变换表取得与温度传感器214所检测的温度对应的声速c'。除此以外，声速分布图运算模块104也可以根据规定温度传感器214所检测的温度与声速c'的关系的关系式进行计算。
步骤S19中的温度分布图运算模块105的处理与上述实施方式1同样。温度分布图运算模块105将通过上述式(6)按各水深计算出的声速c应用于Machenzie式等的规定的关系式，计算各水深的温度。步骤S20的处理与上述实施方式1同样。这样，船S1的正下方的温度分布图被显示在显示装置17上。
<实施方式2的效果>
在实施方式2中，也能够起到与实施方式1同样的效果。
进而，在实施方式2中，如图7所示，与上述实施方式1的换能器11相比，换能器20的结构较简单，因此能够通过更简单的结构实时地显示温度分布图。
另外，在实施方式2中，在图6的步骤S20中并不限于显示温度分布图，也可以显示声速分布图或俯角分布图。此外，在实施方式2中，控制处理电路16也可以是图4中(b)的结构。在此情况下，温度分布图运算模块106通过将式(6)和Machenzie式等的关系式统合而得到的式子，根据俯角运算模块103所计算出的各水深的俯角θ、以及支承体20内的声速c'和第1振子211及第2振子212的安装角θ'，直接计算温度分布图。在此情况下，在图6的步骤S20中也将船S1的正下方的温度分布图实时地显示在显示装置17上。
<变更例1>
在上述实施方式1、2中，包含第1方向d1、第2方向d2及第3方向d3的平面与船S1的行进方向平行，但该平面也可以相对于船S1的行进方向在水平方向上以角度α倾斜。
图9中(a)是从船S1的上方观察到的该情况下的第1方向d1、第2方向d2及第3方向d3的状态的平面图。
如图9中(a)所示，在变更例1中，包含第1方向d1、第2方向d2及第3方向d3的平面P0(与铅直方向平行的平面)相对于船S1的行进方向d0在水平方向上以角度α倾斜。即，在该变更例1中，在上述实施方式1中表示的第1接收波束RB1、第2接收波束RB2及第3接收波束RB3的形成方向在平面视图中相对于船S1的行进方向d0以角度α倾斜。与实施方式1同样，第1方向d1及第2方向d2相对于波接受面11a具有俯角θ。此外，波接受面11a相对于水面WS以角度β倾斜。
在此情况下，根据第1接收波束RB1、第2接收波束RB2及第3接收波束RB3所取得的各水深的多普勒频率用以下的式子计算。
[数式6]
Figure BDA0004143024370000171
Figure BDA0004143024370000172
Figure BDA0004143024370000173
在通过上述式(7)～(9)进行了上述式(4)的左边的运算的情况下，将分母分子的cosα约分，与上述式(4)相同的关系式成立。因而，在此情况下也与上述实施方式1同样，根据第1接收波束RB1、第2接收波束RB2及第3接收波束RB3计算各水深的第1多普勒频率fd1、第2多普勒频率fd2及第3多普勒频率fd3，从而能够由上述式(4)计算出各水深的俯角θ，与上述实施方式1同样能够计算出声速分布图及温度分布图。
另外，在图9中(a)的方法中，与上述实施方式1那样平面P0平行于船S1的行进方向的情况相比，第1多普勒频率fd1及第2多普勒频率fd2被乘以cosα而相应地变小。因此，在上述式(4)的左边计算的第1多普勒频率fd1与第2多普勒频率fd2的差相比上述实施方式1变小。因此，在图9中(a)的情况下，与上述实施方式1相比，该差容易受到噪声等的影响，俯角θ的计算精度下降。
因此，为了提高俯角θ的计算精度，优选的是如上述实施方式1那样使平面P0接近于与船S1的行进方向d0平行，最优选的是将平面P0设定为与船S1的行进方向d0平行。由此，也能够使声速分布图及温度分布图的计算精度最高。
另外，在船S1的行进方向d0与平面P0之间的角度α是90°的情况下，即平面P0被设定为与船S1的左右方向平行的情况下，由于在第1方向d1和第2方向d2上不发生多普勒频移，所以不能计算各水深的俯角θ。因而，在如图9中(a)那样平面P0相对于船S1的行进方向d0倾斜的情况下，需要将角度α设定为小于90°。
此外，图9中(a)的方法也能够应用于上述实施方式2。但是，在此情况下，因为与上述同样的理由，相比将平面P0设定为与船S1的行进方向d0平行的情况，俯角θ的计算精度下降。由此，在实施方式2的结构中，最优选的也是将包含第1方向d1、第2方向d2及第3方向d3的平面P0设定为与船S1的行进方向d0平行。
<变更例2>
在上述实施方式1、2中，有一组第1方向d1、第2方向d2及第3方向d3，但也可以设定多组。
图9中(b)是从船S1的上方观察到的设定了3组第1方向、第2方向及第3方向的情况下的第1方向、第2方向及第3方向的状态的平面图。
这里，设定与铅直方向平行的3个平面P1、P2、P3。平面P1与船S1的行进方向d0平行，平面P2、P3相对于船S1的行进方向d0以角度α在相互不同的水平方向上倾斜。在平面P1中设定第1方向d11、第2方向d12及第3方向d13，在平面P2中设定第1方向d21、第2方向d22及第3方向d23，在平面P3中设定第1方向d31、第2方向d32及第3方向d33。
在将图9中(b)的结构应用于上述实施方式1的结构的情况下，在第1方向d11、第2方向d12及第3方向d13上分别形成接收波束，通过上述式(4)计算各水深的俯角θ。此外，在第1方向d21、第2方向d22及第3方向d23上分别形成接收波束，计算各水深的俯角θ，进而在第1方向d31、第2方向d32及第3方向d33上分别形成接收波束，计算各水深的俯角θ。这样，按各第1方向、第2方向及第3方向的组(按各平面P1、P2、P3)，计算各水深的俯角θ。
在此情况下，图4中(a)的俯角运算模块103使用对于各组计算出的各水深的俯角θ来设定各水深的俯角θ的代表值。例如，俯角运算模块103将对于各组计算出的各水深的俯角θ的平均值设定为各水深的俯角θ的代表值。图4中(a)的声速分布图运算模块104使用各水深的俯角θ的代表值来计算声速分布图。
但是，如在上述变更例1中说明那样，对于与船S1的行进方向d0平行的平面P1计算出的俯角θ比对于相对于船S1的行进方向d0倾斜的平面P2、P3计算出的俯角θ精度高。因此，如上述那样，在将俯角θ的平均值设为代表值的情况下，也可以将对于平面P1计算出的俯角θ的权重设定为比对于平面P2、P3计算出的俯角θ大来进行加权平均，并将该平均值设定为俯角θ的代表值。
在此情况下，权重的大小例如只要以船S1的行进方向d0与各平面所成的角越大则权重越小的方式设定即可。在平面P2及平面P3与行进方向d0所成的角α不同的情况下，只要根据所成的角α的大小使对于平面P2及平面P3计算的俯角θ的权重不同即可。
或者，也可以有选择地使用对于各平面计算出的俯角θ，设定为各水深的俯角θ的代表值。例如，通常将对于平面P1取得的精度最高的俯角θ设定为代表值，在对于平面P1计算出的俯角θ和对于其他的两个平面P2、P3计算出的俯角θ有较大不同的情况下，也可以将对于其他的两个平面P2、P3计算出的俯角θ的平均值或某一方的俯角θ设定为代表值。
这样，通过设定多个第1方向、第2方向及第3方向的组，虽然运算处理增加，但能够精度更好且稳定地计算各水深的俯角θ。由此，能够提高声速分布图及温度分布图的精度。
另外，图9中(b)的方法也能够应用于上述实施方式2。在此情况下，需要对每个平面单独地配置换能器20。
<其他的变更例>
在上述实施方式1、2及变更例1、2中，对于多个水深计算俯角θ、声速c及温度，但也可以对于作为目标的1个水深计算俯角θ、声速c及温度。在此情况下，也可以是使用者能够将目标水深适当变更为希望的水深。或者，也可以是使用者能够任意地设定多个目标水深。
此外，在上述实施方式1、2及变更例1、2中，各振子进行波发送和波接受，但只要能够计算基于来自第1方向、第2方向及第3方向的反射波的多普勒频率，也可以单独地配置波发送用的振子和波接受用的振子。
此外，换能器11、20的结构并不限于上述实施方式1、2所示的结构，只要能够计算基于来自第1方向、第2方向及第3方向的反射波的多普勒频率，也可以是其他的结构。例如，在实施方式1的换能器11中，可以变更振子111的数量及布局，也可以将振子111间的间距d从发送驱动信号的波长λ的2/3变更。
在将振子111间的间距d变更的情况下，上述式(5)也进行变更。例如，在将第1方向d1及第2方向d2相对于波接受面11a的俯角θ设定为60°(π/3rad)，将振子111间的间距d变更为发送驱动信号的波长λ的1/3的情况下，将式(5)的右边的分母修正为6f0×d。此外，在将第1方向d1及第2方向d2相对于波接受面11a的俯角θ从60°(π/3rad)变更的情况下，与此对应地式(5)也进行变更。
除此以外，本发明的实施方式在权利要求书所记载的范围中能够适当进行各种变更。
标号说明
10多普勒声纳；11换能器；11a波接受面；16控制处理电路；20换能器；20a波接受面；101回波信号生成模块；102多普勒频率运算模块；103俯角运算模块；104声速分布图运算模块；105、106温度分布图运算模块；111振子；211第1振子；212第2振子；213第3振子；d1第1方向；d2第2方向；d3第3方向；RB1第1接收波束；RB2第2接收波束；RB3第3接收波束

Claims (13)

1.一种多普勒装置，其特征在于，
具备：
换能器，向水中发送超声波并接受上述超声波的反射波；
回波信号生成模块；
多普勒频率运算模块；以及
俯角运算模块，
上述回波信号生成模块
根据上述反射波，生成相对于上述换能器的波接受面具有俯角(θ)的第1方向的第1回波信号；
根据上述反射波，生成相对于上述换能器的上述波接受面具有上述俯角(θ)且与上述第1方向不同的第2方向的第2回波信号；
根据上述反射波，生成与上述换能器的上述波接受面垂直的第3方向的第3回波信号，
上述多普勒频率运算模块
计算上述第1回波信号的第1多普勒频率；
计算上述第2回波信号的第2多普勒频率；
计算上述第3回波信号的第3多普勒频率，
上述俯角运算模块根据上述第1多普勒频率、上述第2多普勒频率及上述第3多普勒频率，计算上述俯角(θ)。
2.如权利要求1所述的多普勒装置，其特征在于，
上述多普勒频率运算模块对于多个水深，根据上述第1回波信号、上述第2回波信号及上述第3回波信号，计算上述第1多普勒频率、上述第2多普勒频率及上述第3多普勒频率，
上述俯角运算模块按上述多个水深的每个计算上述俯角(θ)。
3.如权利要求1或2所述的多普勒装置，其特征在于，
上述第1方向、上述第2方向及上述第3方向被设定在与上述换能器的上述波接受面垂直的相同的平面上。
4.如权利要求1～3中任一项所述的多普勒装置，其特征在于，
上述换能器的上述波接受面相对于水面成的角度(β)不为0度。
5.如权利要求1～4中任一项所述的多普勒装置，其特征在于，
上述俯角运算模块基于上述第1多普勒频率与上述第3多普勒频率的比、以及上述第2多普勒频率与上述第3多普勒频率的比，计算上述俯角(θ)。
6.如权利要求1～5中任一项所述的多普勒装置，其特征在于，
上述俯角运算模块基于上述第1多普勒频率及上述第2多普勒频率的合计、以及上述第3多普勒频率的倒数，计算上述俯角(θ)。
7.如权利要求1～6中任一项所述的多普勒装置，其特征在于，
还具备声速分布图运算模块，该声速分布图运算模块根据上述俯角(θ)计算水中的超声波的声速。
8.如权利要求7所述的多普勒装置，其特征在于，
还具备根据上述声速计算水温的温度分布图运算模块。
9.如权利要求1～8中任一项所述的多普勒装置，其特征在于，
还具备根据上述俯角(θ)计算水温的温度分布图运算模块。
10.如权利要求1～9中任一项所述的多普勒装置，其特征在于，
上述换能器具备以阵列状配置的多个振子，
上述回波信号生成模块分别在上述第1方向、上述第2方向及上述第3方向上形成第1波束、第2波束及第3波束，生成上述第1回波信号、上述第2回波信号及上述第3回波信号。
11.如权利要求1～9中任一项所述的多普勒装置，其特征在于，
上述换能器具备分别在上述第1方向、上述第2方向及上述第3方向上进行波发送及波接受的第1振子、第2振子及第3振子，
上述回波信号生成模块根据上述第1振子、上述第2振子及上述第3振子所接受到的反射波，生成上述第1回波信号、上述第2回波信号及上述第3回波信号。
12.一种俯角推测方法，其特征在于，
从换能器向水中发送超声波，
由上述换能器接受上述超声波的反射波，
根据上述反射波，生成相对于上述换能器的波接受面具有俯角(θ)的第1方向的第1回波信号，
根据上述反射波，生成相对于上述波接受面具有上述俯角(θ)且与上述第1方向不同的第2方向的第2回波信号，
根据上述反射波，生成与上述波接受面垂直的第3方向的第3回波信号，
计算上述第1回波信号的第1多普勒频率，
计算上述第2回波信号的第2多普勒频率，
计算上述第3回波信号的第3多普勒频率，
根据上述第1多普勒频率、上述第2多普勒频率及上述第3多普勒频率，计算上述俯角(θ)。
13.一种使多普勒装置的控制处理电路执行以下功能的程序，其特征在于，
上述程序使上述控制处理电路执行：
计算第1回波信号的第1多普勒频率的功能；
计算第2回波信号的第2多普勒频率的功能；
计算第3回波信号的第3多普勒频率的功能；以及
根据上述第1多普勒频率、上述第2多普勒频率及上述第3多普勒频率计算俯角(θ)的功能，
上述多普勒装置由换能器向水中发送超声波并接受上述超声波的反射波，生成相对于上述换能器的波接受面具有上述俯角(θ)的第1方向的上述第1回波信号、相对于上述波接受面具有上述俯角(θ)且与上述第1方向不同的第2方向的上述第2回波信号、以及与上述波接受面垂直的第3方向的上述第3回波信号。
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