JP2002243856A - ドプラー式速度検出装置 - Google Patents
ドプラー式速度検出装置Info
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- JP2002243856A JP2002243856A JP2001046457A JP2001046457A JP2002243856A JP 2002243856 A JP2002243856 A JP 2002243856A JP 2001046457 A JP2001046457 A JP 2001046457A JP 2001046457 A JP2001046457 A JP 2001046457A JP 2002243856 A JP2002243856 A JP 2002243856A
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- Japan
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- frequency
- processing
- doppler shift
- correlation processing
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 水中に送信した超音波信号のエコー信号に生
じるドップラーシフト周波数を検出する際、船体の動揺
などによる外乱により、正確なドップラーシフト周波数
の検出が困難であった。 【解決手段】 時系列的に受信したｎ個のエコー信号に
対して、自己相関処理−自己相関処理、もしくは自己相
関処理−相互相関処理のように、少なくとも２段階で処
理を行い、これにより得た各データに対して、高速フー
リエ変換を行うことにより、複数の周波数データを求
め、これらの複数の周波数データの平均値と、前記超音
波信号の周波数との差周波数からドップラーシフト周波
数を求める。
じるドップラーシフト周波数を検出する際、船体の動揺
などによる外乱により、正確なドップラーシフト周波数
の検出が困難であった。 【解決手段】 時系列的に受信したｎ個のエコー信号に
対して、自己相関処理−自己相関処理、もしくは自己相
関処理−相互相関処理のように、少なくとも２段階で処
理を行い、これにより得た各データに対して、高速フー
リエ変換を行うことにより、複数の周波数データを求
め、これらの複数の周波数データの平均値と、前記超音
波信号の周波数との差周波数からドップラーシフト周波
数を求める。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、反射エコーに含ま
れるドップラー成分から潮流速度や船速などを検出する
ドプラー式速度検出装置に関する。
れるドップラー成分から潮流速度や船速などを検出する
ドプラー式速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１に示すように、船底に取り付けた送
受波器１から斜め下方向(角度θ)に周波数ｆ０の超音波
を発射し、海底から受信したエコーの周波数がｆ１のと
き、ｆ １−ｆ０＝ｆd が船速Ｖに伴うドップラーシフト
周波数であり、 ｆd＝２Ｖ・ｆ0・cosθ／ｃ で与えられる。ここで、ｃは音速である。従って、受信
したエコー信号に含まれるドップラーシフト周波数ｆd
を検出すれば船速Ｖを求めることができる。
受波器１から斜め下方向(角度θ)に周波数ｆ０の超音波
を発射し、海底から受信したエコーの周波数がｆ１のと
き、ｆ １−ｆ０＝ｆd が船速Ｖに伴うドップラーシフト
周波数であり、 ｆd＝２Ｖ・ｆ0・cosθ／ｃ で与えられる。ここで、ｃは音速である。従って、受信
したエコー信号に含まれるドップラーシフト周波数ｆd
を検出すれば船速Ｖを求めることができる。
【０００３】時系列的に検出されるエコー信号から周波
数系列のデータを得る周波数解析法としては、高速フー
リエ変換(ＦＦＴ)の処理を用いるのが一般である。この
方法によれば、エコー信号に加法性白色雑音が含まれる
場合でも、雑音電力が周波数別の個々のデータに分散さ
れる結果、低ＳＮ比の状態でもエコー信号周波数の検出
が可能になる。
数系列のデータを得る周波数解析法としては、高速フー
リエ変換(ＦＦＴ)の処理を用いるのが一般である。この
方法によれば、エコー信号に加法性白色雑音が含まれる
場合でも、雑音電力が周波数別の個々のデータに分散さ
れる結果、低ＳＮ比の状態でもエコー信号周波数の検出
が可能になる。
【０００４】そのＦＦＴによる周波数解析では、エコー
信号の周波数スペクトルを計算し、そのピーク周波数ま
たは重心となる周波数ｆ１からドップラーシフト周波数
ｆdを推定している。
信号の周波数スペクトルを計算し、そのピーク周波数ま
たは重心となる周波数ｆ１からドップラーシフト周波数
ｆdを推定している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、船体が波を受
けて動揺しているような場合、検出したドップラーシフ
ト周波数ｆｄに誤差が生じる。そのため、従来は、Ａ／
Ｄ変換前において、アナログ・バンドパスフィルタを用
いてこのような外乱を抑圧するか、検出したドップラー
シフト周波数が、以前の検出結果に比べて分散が大きけ
れば、そのデータを無視するか、平均処理の回数を多く
するなどの措置を採用していたが、根本的な外乱抑圧処
理でないため、正確な検出結果は得られず、又、処理工
程が多くなった。
けて動揺しているような場合、検出したドップラーシフ
ト周波数ｆｄに誤差が生じる。そのため、従来は、Ａ／
Ｄ変換前において、アナログ・バンドパスフィルタを用
いてこのような外乱を抑圧するか、検出したドップラー
シフト周波数が、以前の検出結果に比べて分散が大きけ
れば、そのデータを無視するか、平均処理の回数を多く
するなどの措置を採用していたが、根本的な外乱抑圧処
理でないため、正確な検出結果は得られず、又、処理工
程が多くなった。
【０００６】本発明は、上述した課題を解決するために
なされたものであり、外乱要因を効率よく排除すること
により、ドップラーシフト周波数を精度よく検出できる
ドプラー式速度検出装置を提供することを目的とする。
なされたものであり、外乱要因を効率よく排除すること
により、ドップラーシフト周波数を精度よく検出できる
ドプラー式速度検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、水中に送信し
た超音波信号のエコー信号に生じるドップラーシフト周
波数を検出するドプラー式速度検出装置において、時系
列的に受信したｎ個のエコー信号に対して、自己相関処
理または相互相関処理の処理を少なくとも２段階で行
い、これにより得た各データに対して、高速フーリエ変
換を行うことにより、複数の周波数データを求め、これ
らの複数の周波数データの平均値と、前記超音波信号の
周波数との差周波数からドップラーシフト周波数を求め
ることを特徴とする。
た超音波信号のエコー信号に生じるドップラーシフト周
波数を検出するドプラー式速度検出装置において、時系
列的に受信したｎ個のエコー信号に対して、自己相関処
理または相互相関処理の処理を少なくとも２段階で行
い、これにより得た各データに対して、高速フーリエ変
換を行うことにより、複数の周波数データを求め、これ
らの複数の周波数データの平均値と、前記超音波信号の
周波数との差周波数からドップラーシフト周波数を求め
ることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】図２は、本発明の１実施形態を示
した制御ブロック図である。１は超音波の送受を行う送
受波器であり、船底などに装備される。２はトラップ回
路であり、送信部３よりの送信信号を送受波器１へ供給
すると共に送受波器１で受信したエコー信号を受信部４
へ供給する。５は、受信部４から得られたエコー信号か
ら所定の帯域成分を通過させる帯域フィルタである。６
は、帯域フィルタ４を通過したエコー信号をアナログ信
号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。
した制御ブロック図である。１は超音波の送受を行う送
受波器であり、船底などに装備される。２はトラップ回
路であり、送信部３よりの送信信号を送受波器１へ供給
すると共に送受波器１で受信したエコー信号を受信部４
へ供給する。５は、受信部４から得られたエコー信号か
ら所定の帯域成分を通過させる帯域フィルタである。６
は、帯域フィルタ４を通過したエコー信号をアナログ信
号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。
【０００９】７は、デジタルシグナルプロセッサ(ＤＳ
Ｐ)であり、本願発明に係わる、相関処理およびＦＦＴ
の演算処理を行う。８は、表示制御部であり、ＤＳＰ７
で求められた船速のデータをモニター９に適したビデオ
信号に変換する。１０は、各種設定を行うための制御部
であり、受信部４に対しては、深度設定や感度設定を行
い、送信部３に対しては、設定した感度設定に対応する
所定の周期で送信パルスを供給し、そしてＤＳＰ７に対
しては、相関処理の処理段数Ｍやサンプリング期間Ｔを
設定する。
Ｐ)であり、本願発明に係わる、相関処理およびＦＦＴ
の演算処理を行う。８は、表示制御部であり、ＤＳＰ７
で求められた船速のデータをモニター９に適したビデオ
信号に変換する。１０は、各種設定を行うための制御部
であり、受信部４に対しては、深度設定や感度設定を行
い、送信部３に対しては、設定した感度設定に対応する
所定の周期で送信パルスを供給し、そしてＤＳＰ７に対
しては、相関処理の処理段数Ｍやサンプリング期間Ｔを
設定する。
【００１０】上記制御部１０の設定により、処理段数Ｍ
＝２とし、かつ、この２段の処理において共に自己相関
処理を行う場合の制御を図３のフローチャートおよび図
４のタイムチャートに従って説明する。
＝２とし、かつ、この２段の処理において共に自己相関
処理を行う場合の制御を図３のフローチャートおよび図
４のタイムチャートに従って説明する。
【００１１】処理段数Ｍ＝２で、かつ、この２段の処理
において共に自己相関処理を行う場合の制御を図３のフ
ローチャートおよび図４のタイムチャートに従って説明
する。
において共に自己相関処理を行う場合の制御を図３のフ
ローチャートおよび図４のタイムチャートに従って説明
する。
【００１２】ステップＳ１にて、制御部１０により、処
理段数Ｍ＝２、サンプリング期間Ｔを入力する。図４の
Ｓ１〜Ｓ６、Ｓ７…は送受波器１よりの送波信号(バー
スト波)を示し、ｘ１〜ｘ６、ｘ７…は、Ｓ１〜Ｓ６、
Ｓ７…に対するエコー信号を示す。ここで設定したサン
プリング期間Ｔ内には、ｘ１〜ｘ６の６個のエコー信号
が含まれている。
理段数Ｍ＝２、サンプリング期間Ｔを入力する。図４の
Ｓ１〜Ｓ６、Ｓ７…は送受波器１よりの送波信号(バー
スト波)を示し、ｘ１〜ｘ６、ｘ７…は、Ｓ１〜Ｓ６、
Ｓ７…に対するエコー信号を示す。ここで設定したサン
プリング期間Ｔ内には、ｘ１〜ｘ６の６個のエコー信号
が含まれている。
【００１３】ステップＳ２ではＮが０にセットされ、そ
してタイマーがスタートする。ステップＳ３では、一つ
のエコー信号がＡ／Ｄ変換の後、ＤＳＰ７に取り込まれ
たかが判定され、取込まれた時は、ステップＳ４にて、
取込んだエコー信号ｘ１に対し、自己相関処理を行いＲ
１(τ)を得る。エコー信号を ｘ(ｔ)＝Ａｓｉｎ(ωｔ＋φ) で表したとき、自己相関関数Ｒ(τ)は、(１)式で与えら
れ、(２)式からわかるように、ｘ(ｔ)と同じ周波数成分
ωが保存されている。
してタイマーがスタートする。ステップＳ３では、一つ
のエコー信号がＡ／Ｄ変換の後、ＤＳＰ７に取り込まれ
たかが判定され、取込まれた時は、ステップＳ４にて、
取込んだエコー信号ｘ１に対し、自己相関処理を行いＲ
１(τ)を得る。エコー信号を ｘ(ｔ)＝Ａｓｉｎ(ωｔ＋φ) で表したとき、自己相関関数Ｒ(τ)は、(１)式で与えら
れ、(２)式からわかるように、ｘ(ｔ)と同じ周波数成分
ωが保存されている。
【００１４】
【数１】
【００１５】ステップＳ５ではＮの値がインクリメント
され、Ｎ＝１となる。ステップＳ６ではＮの値がＭ(＝
２)以上になったかが判定される。現時点ではＮ＝１の
ため、ステップＳ４に戻り、前回の自己相関処理の結果
であるＲ１(τ)に対して、再度、自己相関処理を行な
い、Ｒ１ ２(τ)を得る。次のステップＳ５にてＮの値が
２にインクリメントされる。
され、Ｎ＝１となる。ステップＳ６ではＮの値がＭ(＝
２)以上になったかが判定される。現時点ではＮ＝１の
ため、ステップＳ４に戻り、前回の自己相関処理の結果
であるＲ１(τ)に対して、再度、自己相関処理を行な
い、Ｒ１ ２(τ)を得る。次のステップＳ５にてＮの値が
２にインクリメントされる。
【００１６】これにより、ステップＳ６からステップＳ
７に進み、タイマーがサンプリング期間Ｔを計時した
か、つまり、６個のエコー信号ｘ１〜ｘ６を取り込んだ
かが判定され、Ｔを計時するまでステップＳ３に戻るこ
とにより、ｘ２以降のエコー信号の取り込みが継続され
る。
７に進み、タイマーがサンプリング期間Ｔを計時した
か、つまり、６個のエコー信号ｘ１〜ｘ６を取り込んだ
かが判定され、Ｔを計時するまでステップＳ３に戻るこ
とにより、ｘ２以降のエコー信号の取り込みが継続され
る。
【００１７】さて、タイマーがステップＳ７からステッ
プＳ８に進む。この時点では、６個のエコー信号ｘ１〜
ｘ６に対してそれぞれ２段階で自己相関処理を行うこと
により、Ｒ１ ２(τ)〜Ｒ６ ２(τ)が求まっている。
プＳ８に進む。この時点では、６個のエコー信号ｘ１〜
ｘ６に対してそれぞれ２段階で自己相関処理を行うこと
により、Ｒ１ ２(τ)〜Ｒ６ ２(τ)が求まっている。
【００１８】従来のように、１回限りの自己相関処理で
は、所望帯域内で発生している外乱成分も多く残るた
め、このままではＦＦＴ処理を行ってω成分をも外乱成
分を十分には除去できなかったが、本実施形態のよう
に、自己相関処理を２段階で行なうことにより、外乱成
分を効果的に排除できる。
は、所望帯域内で発生している外乱成分も多く残るた
め、このままではＦＦＴ処理を行ってω成分をも外乱成
分を十分には除去できなかったが、本実施形態のよう
に、自己相関処理を２段階で行なうことにより、外乱成
分を効果的に排除できる。
【００１９】このステップＳ８では、２段で自己相関処
理を行った計６個のデータＲ１ ２(τ)〜Ｒ６ ２(τ)に対
し、それぞれ高速フーリェ変換(ＦＦＴ)を行い時系列の
信号データからドップラー周波数成分を抽出する。
理を行った計６個のデータＲ１ ２(τ)〜Ｒ６ ２(τ)に対
し、それぞれ高速フーリェ変換(ＦＦＴ)を行い時系列の
信号データからドップラー周波数成分を抽出する。
【００２０】ステップＳ９では、６個のＦＦＴ結果の合
計を、受信エコー数の６で割ることにより、ＦＦＴ結果
の平均値を求める。この平均値は、正確な受信エコーの
周波数を示すため、この周波数と送信信号の周波数との
差から正確なドップラーシフト周波数を得ることがで
き、これより、例えば、船速や潮流速度がモニター９に
表示される。
計を、受信エコー数の６で割ることにより、ＦＦＴ結果
の平均値を求める。この平均値は、正確な受信エコーの
周波数を示すため、この周波数と送信信号の周波数との
差から正確なドップラーシフト周波数を得ることがで
き、これより、例えば、船速や潮流速度がモニター９に
表示される。
【００２１】次のステップＳ１０ではＮの値が０にリセ
ットされる。そしてステップＳ１１では、新たに１個分
のエコー信号ｘ７を受信したかが判定される。ステップ
Ｓ１１〜ステップＳ１４は、上述のステップＳ３〜ステ
ップＳ６と同じであり、エコー信号ｘ７に対して２段階
で自己相関処理を行い、Ｒ７ ２(τ)を得る。
ットされる。そしてステップＳ１１では、新たに１個分
のエコー信号ｘ７を受信したかが判定される。ステップ
Ｓ１１〜ステップＳ１４は、上述のステップＳ３〜ステ
ップＳ６と同じであり、エコー信号ｘ７に対して２段階
で自己相関処理を行い、Ｒ７ ２(τ)を得る。
【００２２】次のステップＳ１５では、データＲ
２ ２(τ)〜Ｒ７ ２(τ)に対し、それぞれ高速フーリェ変
換(ＦＦＴ)を行い時系列の信号データからドップラー周
波数成分を抽出し、そしてステップＳ１６では同様に、
最新の６個のＦＦＴ結果の合計を、受信エコー数の６で
割ることにより、ＦＦＴ結果の平均値を求め、ドップラ
ーシフト周波数を求める。
２ ２(τ)〜Ｒ７ ２(τ)に対し、それぞれ高速フーリェ変
換(ＦＦＴ)を行い時系列の信号データからドップラー周
波数成分を抽出し、そしてステップＳ１６では同様に、
最新の６個のＦＦＴ結果の合計を、受信エコー数の６で
割ることにより、ＦＦＴ結果の平均値を求め、ドップラ
ーシフト周波数を求める。
【００２３】このように、サンプリング期間Ｔの経過後
に、ドップラーシフト周波数が得られ、これ以降は新た
にエコー信号が取込まれる毎に、最新のＴ時間で検出し
たデータに基づき次々とドップラーシフト周波数が得ら
れる。ただし、サンプリング期間T経過以前であって
も、送信ごとにドップラーシフト周波数は求まるため、
許容精度を満足しないが、暫定的に計測結果を出力する
ことが可能である。これによって、常に速度を表示する
ことが可能となる。
に、ドップラーシフト周波数が得られ、これ以降は新た
にエコー信号が取込まれる毎に、最新のＴ時間で検出し
たデータに基づき次々とドップラーシフト周波数が得ら
れる。ただし、サンプリング期間T経過以前であって
も、送信ごとにドップラーシフト周波数は求まるため、
許容精度を満足しないが、暫定的に計測結果を出力する
ことが可能である。これによって、常に速度を表示する
ことが可能となる。
【００２４】図５は、１段目の処理で相互相関処理を行
い、そして２段目の処理では自己相関処理をしている。
上記(３)式は、ｘ１およびｘ２の２つのエコー信号から
相互相関処理結果Ｒ１２(τ)を得る相互相関処理を示
す。このような相互相関処理により、Ｒ１２(τ)、Ｒ
３４(τ)、Ｒ５６(τ)が求まり、これらに対し、自己相
関処理を行うことにより、Ｒ１２ 2(τ)、Ｒ３４ 2(τ)、
Ｒ５６ 2(τ)を得て、これらの合計を３で割ることによ
り、エコー信号の受信周波数を得る。
い、そして２段目の処理では自己相関処理をしている。
上記(３)式は、ｘ１およびｘ２の２つのエコー信号から
相互相関処理結果Ｒ１２(τ)を得る相互相関処理を示
す。このような相互相関処理により、Ｒ１２(τ)、Ｒ
３４(τ)、Ｒ５６(τ)が求まり、これらに対し、自己相
関処理を行うことにより、Ｒ１２ 2(τ)、Ｒ３４ 2(τ)、
Ｒ５６ 2(τ)を得て、これらの合計を３で割ることによ
り、エコー信号の受信周波数を得る。
【００２５】図６は、１段目の処理で自己相関処理、２
段目の処理で相互相関処理を採用した場合を示す。この
他にも、１段目および２段目の処理で共に相互相関処理
を行ったり、あるいは、１段目および２段目の処理で自
己相関処理と相互相関処理とが混在しても差し支えな
い。又、処理段数も２段に限定されることはなく、３段
あるいは４段の処理を行うことができる。
段目の処理で相互相関処理を採用した場合を示す。この
他にも、１段目および２段目の処理で共に相互相関処理
を行ったり、あるいは、１段目および２段目の処理で自
己相関処理と相互相関処理とが混在しても差し支えな
い。又、処理段数も２段に限定されることはなく、３段
あるいは４段の処理を行うことができる。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、自己相
関処理または相互相関処理の処理を少なくとも２段階で
行い、これにより得た各データに対して、高速フーリエ
変換を行うようにしたので、上述した外乱成分を効果的
に排除でき、精度良くドップラーシフト周波数を検出で
きる。
関処理または相互相関処理の処理を少なくとも２段階で
行い、これにより得た各データに対して、高速フーリエ
変換を行うようにしたので、上述した外乱成分を効果的
に排除でき、精度良くドップラーシフト周波数を検出で
きる。
【図１】 ドップラー効果の説明に用いた図
【図２】 本発明のパルスドップラーソナーの１実施形
態を示した制御ブロック図
態を示した制御ブロック図
【図３】 図２のＤＳＰにおける動作を示したフローチ
ャート
ャート
【図４】 本装置における送信波とそのエコーとの関係
およびその後の処理の流れを示したタイムチャート
およびその後の処理の流れを示したタイムチャート
【図５】 図４において別の処理方法を示した図
【図６】 図４において更に別の処理方法を示した図
１ 送受波器 ２ トラップ回路 ３ 送信部 ４ 受信部 ５ 帯域フィルタ ６ Ａ／Ｄ変換器 ７ デジタルシグナルプロセッサ ８ 表示制御部 ９ モニター １０ 制御部
Claims (4)
- 【請求項１】 水中に送信した超音波信号のエコー信号
に生じるドップラーシフト周波数を検出するドプラー式
速度検出装置において、 時系列的に受信したｎ個のエコー信号に対して、自己相
関処理または相互相関処理の処理を少なくとも２段階で
行い、これにより得た各データに対して、周波数解析を
行うことにより、複数の周波数データを求め、これらの
複数の周波数データの平均値と、前記超音波信号の周波
数との差周波数からドップラーシフト周波数を求めるこ
とを特徴とするドプラー式速度検出装置。 - 【請求項２】 新たにエコー信号を受信する毎に、最新
のｎ個のエコー信号に対してドップラーシフト周波数を
求める請求項１記載のドプラー式速度検出装置。 - 【請求項３】 上記周波数解析として高速フーリエ変換
を行う請求項１または２記載のドプラー式速度検出装
置。 - 【請求項４】 ２段階で行う処理として、 自己相関処理−自己相関処理 自己相関処理−相互相関処理 相互相関処理−自己相関処理 のいずれかの順で行う請求項１〜３のいずれかに記載の
ドプラー式速度検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001046457A JP2002243856A (ja) | 2001-02-22 | 2001-02-22 | ドプラー式速度検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001046457A JP2002243856A (ja) | 2001-02-22 | 2001-02-22 | ドプラー式速度検出装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002243856A true JP2002243856A (ja) | 2002-08-28 |
Family
ID=18908076
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001046457A Pending JP2002243856A (ja) | 2001-02-22 | 2001-02-22 | ドプラー式速度検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002243856A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007292668A (ja) * | 2006-04-26 | 2007-11-08 | Furuno Electric Co Ltd | ドップラー計測器および潮流計 |
| JP2010151452A (ja) * | 2008-12-24 | 2010-07-08 | Yokogawa Electric Corp | 超音波計測器 |
-
2001
- 2001-02-22 JP JP2001046457A patent/JP2002243856A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007292668A (ja) * | 2006-04-26 | 2007-11-08 | Furuno Electric Co Ltd | ドップラー計測器および潮流計 |
| JP2010151452A (ja) * | 2008-12-24 | 2010-07-08 | Yokogawa Electric Corp | 超音波計測器 |
| US8234933B2 (en) | 2008-12-24 | 2012-08-07 | Yokogawa Electric Corporation | Ultrasonic meter for determining physical quantity of a fluid based on a determined plurality of correlation coefficients |
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