JP2005189074A - 流速測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アンテナの固定場所の振動や水面の波紋による影響を除去して、流速を高精度に計測する流速測定装置を提供する。
【解決手段】 所定周波数の測定波を測定対象の水面に向けて照射すると共に測定波の水面からの反射波を受信するアンテナと、測定波を発生させるための測定信号をアンテナに供給すると共にアンテナが反射波を受信して出力する反射信号を取り込み、該反射信号と測定信号とに基づいてドップラ信号を検出するドップラ信号検出手段と、所定の演算プログラムに基づいてドップラ信号に所定の信号処理を施すことによりドップラ信号中に含まれるアンテナの振動の影響を除去して水面の流速を算出する信号処理手段とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流速測定装置に関する。

河川等の流速を計測する装置としてドップラレーダを用いた電波流速計がある。この電波流速計は、水面に照射した電波（測定波）の周波数が流速によってドップラシフトする現象（ドップラ効果）を利用したものであり、水面からの反射波の周波数偏移量つまりドップラ周波数を検出することによって流速を計測する。このような電波流速計については、例えば以下の公知文献に詳細が記載されている。
「計測と制御」（計測自動制御学会，１９９２年２月号）

ところで、上記電波流速計は、測定波を水面に向けて照射するため及び反射波を受信するためにアンテナを必須の構成要素とする。そして、このアンテナは、測定対象である河川等の水面を臨む位置、例えば橋梁に固定されるが、測定原理がドップラ効果であるために固定場所の振動が外乱となって測定誤差を増大させる。例えば橋梁がアンテナの固定場所であった場合、橋梁を通過する車両が振動の主因であり、当該振動によって測定誤差を増大する。

また、上記電波流速計では、河川等の水面のある領域に測定波を照射し当該領域からの反射波を受信することによって流速を計測する。この場合、種々の原因によって生じる水面の波紋、特に雨等によって生じる同心円状の波紋はドップラ周波数に変調作用を与えるために測定誤差を増大させる要因である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、アンテナの固定場所の振動や水面の波紋による影響を除去して、流速を高精度に計測する流速測定装置の提供を目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、所定周波数の測定波を測定対象の水面に向けて照射すると共に測定波の水面からの反射波を受信するアンテナと、測定波を発生させるための測定信号をアンテナに供給すると共にアンテナが反射波を受信して出力する反射信号を取り込み、当該反射信号と測定信号とに基づいてドップラ信号を検出するドップラ信号検出手段と、所定の演算プログラムに基づいてドップラ信号に所定の信号処理を施すことによりドップラ信号中に含まれるアンテナの振動あるいは水面の波紋の影響を除去して水面の流速を算出する信号処理手段とを具備する、という解決手段を採用する。

本発明によれば、ドップラ信号に所定の信号処理を施すことによりドップラ信号中に含まれるアンテナの振動あるいは水面の波紋の影響を除去するので、これらの影響を考慮しない従来の技術よりも流速を高精度に計測することができる。
アンテナの振動については、例えば機械的な手段を用いることによりアンテナを防振することが考えられるが、広い周波数範囲に亘って防振することは困難であり、また特定の狭い周波数範囲の振動を防振する場合であっても、アンテナを完全に無振動状態にすることは極めて困難である。本発明は、このような事情をも考慮してアンテナに作用する振動並びに水面の波紋の影響をより効果的に除去し得る手段として、ドップラ信号に信号処理を施す。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る流速測定装置を用いた流速計測システムのシステム構成図である。この図１において、符号Ｃは電波流速計、Ｍは処理装置（通信手段）、ＫはＷｅｂカメラ、Ｎはインターネット、Ａは管理端末、Ｔ1，Ｔ2，……はユーザ端末である。本流速測定装置は、電波流速計Ｃ及び処理装置Ｍから構成されている。

処理装置Ｍは、電波流速計ＣとインターネットＮとの間に設けられると共に、ＷｅｂカメラＫが接続されている。この処理装置Ｍは、ＲＳ−４８５に準拠した通信方式で電波流速計Ｃと交信すると共に、イーサネット（登録商標）に準拠した通信方式でＷｅｂカメラＫと交信し、またＴＣＰ／ＩＰプロトコルに準拠した通信方式でインターネットＮを介して管理端末Ａやユーザ端末Ｔ1，Ｔ2，……と交信する。また、処理装置Ｍは、上記通信機能の他に、電波流速計Ｃから流速データを取得して各種処理を施すデータ処理機能をも併せ持つ。

ＷｅｂカメラＫは、電波流速計Ｃが測定対象としている河川の映像（測定現場映像）を撮影すると共に、当該測定現場映像をイーサネット（登録商標）に準拠した通信方式で処理装置Ｍに送信する。ここで、上記処理装置Ｍは、通信機能の一環としてのＷｅｂサーバ機能及びＦＴＰ（File Transfer Protocol）サーバ機能を備えており、電波流速計Ｃから取得した流速データやＷｅｂカメラＫから取得した現場画像データをＷｅｂページやＦＴＰに準拠したファイルの形態で管理端末Ａやユーザ端末Ｔ1，Ｔ2，……に情報提供する。

インターネットＮは、周知のようにＴＣＰ／ＩＰプロトコルに準拠した広域通信網である。管理端末Ａは、このインターネットＮを介して電波流速計Ｃや処理装置Ｍの動作状態の監視するコンピュータである。この管理端末Ａは、例えば処理装置Ｍにアクセスすることによって、上述した制御データの処理装置Ｍへの提供、流速データの取得及び電波流速計Ｃや処理装置Ｍの動作状態を示す動作データの取得等を行う。ユーザ端末Ｔ1，Ｔ2，……は、流速データを必要とする一般ユーザが操作するコンピュータであり，インターネットＮを介して処理装置Ｍにアクセスすることによって流速データを取得する。

図２は、上記電波流速計Ｃの機能構成を示すブロック図である。この図において、この電波流速計Ｃは、図示するようにパラボラアンテナ１、ＤＲＭ（Doppler Radar Module）２、フィルタアンプ３、ＰＧＡ（Programable Gain Amp：ドップラ信号検出手段）４、振動センサ５、Ａ/Ｄコンバータ６、ＤＳＰ（Digital Signal Processor：信号処理手段）７、フラッシュメモリ８、主メモリ９、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１０、Ｉ／Ｆ（インタフェース）１１及び電源回路１２等から構成されている。

パラボラアンテナ１は、測定対象である河川の水面を臨むように例えば橋梁に固定されており、所定周波数の測定波ａを一定の入射角θで水面に向けて照射すると共に測定波ａの水面からの反射波ｂを受信する。測定波ａの周波数は、例えばｆo＝１０．５２５ＧＨｚであり、一方、反射波ｂの周波数ｆrは、上記測定波ａが水面の流速に起因するドップラ効果によって所定周波数（ドップラ周波数ｆd）だけ周波数偏移した値（ｆr＝ｆo±ｆd）となる。すなわち、ドップラ周波数ｆdは、測定波ａ周波数ｆoと反射波ｂの周波数ｆrとの差の絶対値として与えられる。

ＤＲＭ２は、測定波ａを発生させるための測定信号をパラボラアンテナ１に供給すると共に当該パラボラアンテナ１が反射波ｂを受信して出力する反射信号を取り込み、これら反射信号と測定信号とに基づいて上記ドップラ周波数ｆdを示すドップラ信号を検出し、当該ドップラ信号をフィルタアンプ３に出力する。フィルタアンプ３は、上記ドップラ信号に所定の周波数帯域制限を施すと共に増幅してＰＧＡ４に出力する。この周波数帯域制限は、ドップラ周波数ｆdに関係しないノイズ成分を除去するためのものである。

ＰＧＡ４は、増幅度がＤＳＰ７によって可変設定される増幅器であり、ＤＳＰ７によって予め設定された増幅度でドップラ信号を所定レベルまで増幅してＡ/Ｄコンバータ６に出力する。振動センサ５は、パラボラアンテナ１に作用する振動を検出し、該振動を示す振動信号をＡ/Ｄコンバータ６に出力する。本実施形態では、パラボラアンテナ１は橋梁に固定されており、パラボラアンテナ１に作用する振動は主に橋梁を通過する車両を振動源とするものである。このような事情から、振動センサ５は、例えばパラボラアンテナ１と近接して橋梁に取り付けられている。

Ａ/Ｄコンバータ６は、上記ドップラ信号と振動信号とを入力信号とし、当該両信号を所定のサンプリング周波数で標本化することにより、ドップラ信号の符号化データであるドップラ検出データ及び振動信号の符号化データである振動検出データに変換する。上記サンプリング周波数は、ドップラ周波数ｆd及び振動信号が含んでいる振動周波数ｆsを十分にカバーするものであり、例えば３５００Ｈｚに設定されている。すなわち、ドップラ周波数ｆd及び振動周波数ｆsは１７５０Ｈｚ（３５００Ｈｚ／２）よりも低い周波数範囲に分布しており、本実施形態では、このような背景とサンプリング定理に基づいてサンプリング周波数を３５００Ｈｚに設定している。

Ａ/Ｄコンバータ６は、このように生成したドップラ検出データ及び振動検出データ検出データをＤＳＰ７に順次出力する。ＤＳＰ７は、所定の演算プログラムに基づいて上記各検出データに所定の信号処理を施すことにより、ドップラ検出データ中に含まれるパラボラアンテナ１の振動や水面の波紋の影響を除去して水面の流速Ｖを算出する。このＤＳＰ７における演算処理の内容については、後述する動作説明の中で詳細に説明する。フラッシュメモリ８は、周知のように電気的に書換え可能なメモリであり、上記演算プログラム及びＤＳＰ７の演算処理に必要な演算パラメータ等を記憶する。主メモリ９は、上記ＤＳＰ７の演算処理の演算結果つまり水面の流速Ｖを示す流速データ等を記憶する。

ＣＰＵ１０は、所定の制御プログラム及びＩ／Ｆ１１を介して外部から入力された制御データに基づいて本電波流速計Ｃを統括的に制御する。このＣＰＵ１０は、例えばＤＳＰ７の演算処理の制御、フラッシュメモリ８への演算プログラムや演算パラメータの書換え、及び主メモリ９に記憶された流速データを取り込んでＩ／Ｆ１１を介して外部に出力させる、等々の処理を行う。Ｉ／Ｆ１１は、ＣＰＵ１０による制御の下でＲＳ−４８５に準拠した通信方式で外部と交信することにより上記制御データを外部から受信してＣＰＵ１０に提供すると共に、ＣＰＵ１０から入力された流速データを外部に送信する。電源回路１２は、外部から供給された直流電力（４８ボルト）を電圧変換して上述した各構成要素に電源として供給する。

次に、このように構成された流速測定装置の動作について詳しく説明する。
最初に、図３に示すフローチャートに沿って電波流速計Ｃの動作について説明するが、このフローチャートは演算プログラムに基づくＤＳＰ７の要部動作を示すものである。

ＤＳＰ７は、演算処理を開始すると初期化され（ステップＳ1）、続いてＡ/Ｄコンバータ６から供給される各検出データの取り込みを開始する（ステップＳ2）。ステップＳ1において、ＤＳＰ７には例えばフラッシュメモリ８に記憶された演算パラメータが取り込まれる。一方、ステップＳ2において、ＤＳＰ７は、ドップラ検出データ及び振動検出データの各々について例えば４０９６ポイントのデータを1つの処理単位として順次取り込むが、この処理単位は時間軸上で互いにオーバーラップするように設定されている。ＤＳＰ７は、このようなオーバーラップした検出データの取り込み方法を採用することによって、例えば０．５秒毎に1つの処理単位を取り込む。

なお、処理単位を構成するドップラ検出データのポイント数は、電波流速計Ｃに要求される測定分解能から４０９６ポイントに設定されている。このポイント数を多く設定することによって測定分解能を向上させることができるが、測定対象における流速Ｖの最大変化率から必要となる測定分解能は決定される。

続いて、ＤＳＰ７は、ドップラ検出データに関する１つの処理単位に対してＦＦＴ処理を施すことによってドップラ信号のパワースペクトル（ドップラパワースペクトル）を求め（ステップＳ3）、続いて振動検出データが示す振動レベル（振動信号のレベル）を算出する（ステップＳ4）。そして、ＤＳＰ７は、上記振動レベルが所定の振動しきい値を超えるか否かを判断し（ステップＳ5）、この判断が「Ｙｅｓ」の場合は、ステップＳ6の処理を割愛してステップＳ7の処理を実行する一方、上記判断が「Ｎｏ」の場合には、ステップＳ6のドップラパワースペクトルの積算処理を実行する。

ここで、ステップＳ7の処理はドップラパワースペクトルの積算回数が所定の積算設定回数に至ったか否かを判断する処理であり、ＤＳＰ７は、この判断が「Ｎｏ」の場合は、ステップＳ2における各検出データの取込処理を繰り返し実行することにより時系列的に次の処理単位を取り込む。すなわち、ステップＳ2〜Ｓ7の一連処理によって、振動レベルが振動しきい値を超えない場合におけるドップラパワースペクトルが所定の積算設定回数だけ積算された積算ドップラパワースペクトルが求められる。このように振動レベルが振動しきい値を超える場合のドップラパワースペクトルを用いることなく積算ドップラパワースペクトルを求ることにより、異常なドップラ信号をステップＳ6以降の処理データから除外できる。

すなわち、振動しきい値を超えるような振動が本流速測定装置に加えられた場合、当該流速測定装置内の高周波部品が振動することによってノイズが発生し、このノイズがドップラ信号に混入する現象が生じる。例えば、パラボラアンテナ１とＤＲＭ２とを接続するコネクタの接触部に大きな振動が加わった場合やパラボラアンテナ１の反射鏡が大きく振動した場合には、上記ノイズが発生してドップラ信号に混入する。この結果、ドップラ信号は、信号レベルが上昇してＡ/Ｄコンバータ６の入力部で飽和するため異常信号となる。本流速測定装置では、このような異常なドップラ信号を除外し、正常なドップラ信号に基づいてステップＳ6以降の処理を行う。

上記ドップラパワースペクトルは、ドップラ検出データに関する１つの処理単位から求めたものでありドップラ信号に含まれる各種周波数成分の強度を示している。この周波数成分は、水面の流速Ｖに基づく継続的なドップラ周波数ｆdだけではなく、測定波ａの水面に向けた照射と当該水面からの反射波ｂの受信とを行うパラボラアンテナ１の振動周波数ｆs、及び雨滴などによって水面に発生する波紋の周波数等を含んでいる。また、パラボラアンテナ１の振動は、固定場所である橋梁を通過する車両が主因であり、したがって突発的な振動やある程度継続する振動を含んである。

図４は、ドップラパワースペクトルの一例を示す模式図であり、低周波域におきてパワーレベルの高い部位（ピーク部位）はドップラ周波数ｆdに相当する。図５は、このようなドップラパワースペクトルのスペクトラムアナライザによる測定結果であり、全体的な包絡線は図４の模式図に対応するものになっているがレベル変動が大きい。上述したドップラパワースペクトルの積算処理によって突発的な振動の周波数成分やランダムなノイズ成分は、継続的な振動並びに同じく継続的なドップラ周波数ｆd及び波紋の周波数に対して相対的に圧縮されて除去される。

ＤＳＰ７は、ステップＳ7の処理に続いて積算ドップラパワースペクトルにスムージング処理を施す（ステップＳ8）。このスムージング処理は、積算ドップラパワースペクトルの移動平均を取るものであり、この結果、積算ドップラパワースペクトルのレベル変動は、図６に示すようにさらに低減され、積算ドップラパワースペクトルの全体的な包絡線がより鮮明になる。

さらに、ＤＳＰ７は、スムージング処理後の積算ドップラパワースペクトルについて加重平均を取ることによってドップラ周波数ｆdに該当するピーク部位を検出する（ステップＳ9）。図７は、このピーク検出処理（加重平均処理）を示す模式図である。すなわち、このピーク検出処理は、所定の周波数幅内における各周波数の積算ドップラパワースペクトルの加重平均値が最大となる部位をドップラ周波数ｆdに該当するピーク部位として検出する。このようなピーク検出処理によれば、図７に示すような橋梁の振動に起因する鋭いピークをノイズとして除外し、比較的緩やかなピークを呈するドップラ周波数ｆdを確実に検出することができる。

ここで、上記ピーク検出処理によって比較的緩やかなピーク部位を検出した結果、図８に示すように比較的緩やかなピークが２箇所隣接して検出される場合がある。このような現象は、水面における測定波ａの照射範囲に雨滴等による波紋が発生していた場合あるいはパラボラアンテナ１の振動周期が水面における流速Ｖに同期していた場合に発生することが確認されており、これら要因によってドップラ周波数ｆdが変調作用を受けることによって発生すると考えられる。

ＤＳＰ７は、このような事情を考慮し、上記ピーク検出処理の結果、積算ドップラパワースペクトルの加重平均値が最大となる部位の前後に当該加重平均値に所定の検出係数を乗算じた値よりも大きな加重平均値を示す部位が存在するか否かを判断し（ステップＳ10）、この判断が「Ｙｅｓ」の場合は各ピークに該当する周波数の平均をドップラ周波数ｆdとして算出し（ステップＳ11）、この判断が「Ｎｏ」の場合には積算ドップラパワースペクトルの加重平均値が最大となる周波数をドップラ周波数ｆdとする（ステップＳ12）。

以上の処理によってドップラ周波数ｆdが特定されるが、ＤＳＰ７は、続いて当該ドップラ周波数ｆdを下式（１）に代入することによって水面の流速Ｖを算出する（ステップＳ13）。なお、この式（１）において、定数νは電波の伝播速度である。ＤＳＰ７は、ステップＳ13の流速算出処理が完了すると、流速Ｖを示す流速データを主メモリ９に出力して記憶させ、さらにステップＳ2からの処理を再度繰り返すころにより時系列的に次の流速Ｖを順次算出する。

このような電波流速計Ｃによれば、パラボラアンテナ１に作用する各種振動の影響及び水面の波紋の影響を除去してドップラ周波数ｆdをより正確に検出することが可能であり、したがって水面の流速Ｖをより高精度に測定することが可能である。

次に、処理装置Ｍは、Ｉ／Ｆ１１を介してＣＰＵ１０にアクセスすることにより主メモリ９に格納された流速データを定期的に取得すると共にＷｅｂカメラＫから測定現場映像の現場画像データを取得して、内部メモリに格納する。そして、インターネットＮを介して接続された管理端末Ａやユーザ端末Ｔ1，Ｔ2…から測定データの提供要求を受信すると、流速データや現場画像データを管理端末Ａやユーザ端末Ｔ1，Ｔ2…に情報提供する。この情報提供の形態は、ＷｅｂページやＦＴＰに準拠したファイルの形態である。

また、処理装置Ｍは、フラッシュメモリ８に記憶されたＤＳＰ７の演算プログラムや演算パラメータの書換え要求を管理端末Ａから受信すると、Ｉ／Ｆ１１を介して新規の演算プログラムや演算パラメータをＣＰＵ１０に提供し、従来の演算プログラムや演算パラメータを新規の演算プログラムや演算パラメータに書換えさせる。

このような処理装置Ｍによれば、インターネットＮを介した通信機能を備えるので、電波流速計Ｃのメンテナンスや動作監視を遠隔地の管理端末Ａから行うことができる。したがって、電波流速計Ｃのメンテナンスや動作監視の利便性が従来の人手によるメンテナンスや動作監視に比べて飛躍的に向上し、メンテナンスや動作監視に関するコストダウンを実現することができる。また、インターネット関連技術として汎用的なＷｅｂページやＦＴＰに準拠したファイルの形式で流速情報を管理端末Ａやユーザ端末Ｔ1，Ｔ2…に情報提供することができるので、管理者や一般ユーザは流速情報の取得が極めて容易である。

なお、上記実施形態におけるＤＳＰ７の信号処理は一例であって、本発明は、これに限定されるものではない。また、上記実施形態ではドップラ周波数ｆdが変調作用を受けることによる影響をも考慮したが、流速測定装置の使用環境によっては、この点を考慮する必要がない場合もある。

本発明の一実施形態に係わる流速測定装置を用いた流速計測システムのシステム構成図である。 本発明の一実施形態に係わる流速測定装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係わる流速測定装置の要部動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態におけるドップラパワースペクトルの一例を示す模式図である。 本発明の一実施形態におけるドップラパワースペクトルのスペクトラムアナライザによる測定結果を示す図である。 本発明の一実施形態におけるスムージング処理を示す図である。 本発明の一実施形態におけるドップラ周波数ｆdの検出処理を示す第1の図である。 本発明の一実施形態におけるドップラ周波数ｆdの検出処理を示す第２の図である。

符号の説明

１…パラボラアンテナ、２…ＤＲＭ、３…フィルタアンプ、４…ＰＧＡ（ドップラ信号検出手段）、５…振動センサ、６…Ａ/Ｄコンバータ、７…ＤＳＰ（信号処理手段）、８…フラッシュメモリ、９…主メモリ、１０…ＣＰＵ、１１…Ｉ／Ｆ、１２…電源回路、Ｃ…電波流速計、Ｍ…処理装置（通信手段）、Ｋ…Ｗｅｂカメラ、Ｎ…インターネット、Ａ…管理端末、Ｔ1，Ｔ2…ユーザ端末

Claims (7)

1. 所定周波数の測定波を測定対象の水面に向けて照射すると共に前記測定波の水面からの反射波を受信するアンテナと、
   前記測定波を発生させるための測定信号をアンテナに供給すると共にアンテナが反射波を受信して出力する反射信号を取り込み、当該反射信号と前記測定信号とに基づいてドップラ信号を検出するドップラ信号検出手段と、
   所定の演算プログラムに基づいて前記ドップラ信号に所定の信号処理を施すことによりドップラ信号中に含まれるアンテナの振動あるいは水面の波紋の影響を除去して水面の流速を算出する信号処理手段と
   を具備することを特徴とする流速測定装置。
2. アンテナの振動を検出して振動信号を出力する振動センサをさらに備え、
   信号処理手段は、振動信号から検出される振動レベルが所定のしきい値を越えない場合のドップラ信号のみに基づいて流速を算出することを特徴とする請求項１記載の流速測定装置。
3. 信号処理手段は、ドップラ信号にＦＦＴ処理を施すことにより周波数信号を生成し、該周波数信号に加重平均処理を施すことにより加重平均値が最大値となる周波数を水面の流速に起因するドップラ周波数として検出し、当該ドップラ周波数に基づいて水面の流速を算出することを特徴とする請求項１または２記載の流速測定装置。
4. 信号処理手段は、周波数信号に加重平均処理を施すことにより加重平均値が最大値となる周波数が近接して複数検出された場合には、各周波数の平均値をドップラ周波数として検出することを特徴とする請求項３記載の流速測定装置。
5. 信号処理手段によって算出された流速を通信回線を介して外部機器に送信する通信手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の流速測定装置。
6. 通信手段は、信号処理手段の演算処理に関わるパラメータを受信して信号処理手段に設定させることを特徴とする請求項５記載の流速測定装置。
7. 通信手段は、流速を外部機器に提供するためのＷｅｂサーバ機能あるいは／及びＦＴＰサーバ機能を備えることを特徴とする請求項５または６記載の流速測定装置。
   
   

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