JP2006284242A - 潮流測定装置及び潮流測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対地速度と対水速度の差から潮流を測定する潮流測定装置において、船体の動揺に起因する超音波信号の送波時と受波時における船体位置の相違を潮流測定演算時に補正し、動揺誤差を是正した正確な潮流測定を行うことができる潮流測定装置を提供する。
【解決手段】 ＧＰＳ受信機４を用いて測定した超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における正確な対地船体速度を用いて、対水信号周波数から算出される対水速度、及び対地信号周波数から算出される対地速度の動揺誤差を補正する。これにより、船体の動揺が潮流測定に与える影響を防ぎ、正確な潮流を得ることが可能になる。
【選択図】 図１

Description

船舶等の船体に装備する潮流測定装置に関する。

従来より、漁労援助等を目的として所望の深度における潮流を測定するのに潮流測定装置が用いられている。この従来の潮流測定装置の一例を図６を用いて簡単に説明する。

図６は、従来の潮流測定装置の構成を示すブロック図である。

従来の潮流測定装置は、例えば、航行方向と同じ方向で、かつ、船底から一定の俯角で超音波信号の送受波を行う超音波信号送受信部１０１を備えている。そして、超音波信号送受信部１０１が受信した設定深度から帰来する反射波の信号周波数（以下、対水信号周波数と称する。）を対水速度測定部１０２で測定するとともに、水底反射波の信号周波数（以下、対地信号周波数と称する。）を対地速度測定部１０３で測定する。その後、潮流演算部１０４がこれらの測定値を用いて設定深度における潮流速度を算出する。具体的には、潮流演算部１０４は、対地信号周波数と対水信号周波数との差をとり、システムの構成により一意に定まる定数を乗じることにより、設定深度における潮流を算出していた。

また、特許文献１は、水底の深度が深く水底反射波が事実上受信できない場合であっても潮流を算出することができる潮流測定装置を開示している。具体的には、潮流測定装置にＧＰＳ受信機を設け、潮流の算出に必要な対地速度としてＧＰＳ受信機から得られる自船の速度情報を用いて設定深度における潮流の速度を算出している。
特開昭６２−１９５５７８号公報 米国再発行特許発明第３５５３５号明細書

しかしながら、潮流測定装置を搭載した船舶等は水上でその船体が常に動揺するため、船体速度が３次元方向（前後、上下、左右）に時々刻々と変化する。そのため、超音波信号送受信部からの超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時で船体速度がそれぞれ異なり、潮流測定装置による潮流演算時に動揺誤差が含まれてしまうといった問題点を有していた。特に、特許文献２に記載されている潮流測定装置のように広帯域信号処理を利用して潮流を測定する高精度な潮流測定装置においては、船体の動揺に起因する誤差が無視することができないものとなってきている。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、船体の動揺に起因する動揺誤差の補正を実現し、正確な潮流測定を行うことができる潮流測定装置及び潮流測定方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本願の請求項1に記載の発明は、船底から超音波信号を送信して水中から帰来する反射波を受信する超音波信号送受信部と、前記超音波信号送受信部で受信した信号より、設定深度から帰来する反射波の信号周波数である対水信号周波数及び水底反射波の信号周波数である対地信号周波数を測定する信号周波数測定部と、前記超音波信号送受信部による超音波信号の送信時、前記対水信号周波数の測定時、及び前記対地信号周波数の測定時における対地船速情報を測定するＧＰＳ受信機と、前記信号周波数測定部で測定した対水信号周波数及び対地信号周波数と，前記ＧＰＳ受信機で測定した超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における対地船速情報と，を用いて設定深度における潮流を算出する潮流演算部とを有することを特徴とする。

この構成により、ＧＰＳ受信機を用いて測定した超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における正確な対地船体速度を用いて、対水信号周波数から算出される対水速度及び対地信号周波数から算出される対地速度の動揺誤差を補正することができる。

また、本願の請求項２に記載の発明は、船底から超音波信号を送信して水中から帰来する反射波を受信する超音波信号送受信部と、前記超音波信号送受信部で受信した信号より、設定深度から帰来する反射波の信号周波数である対水信号周波数を測定する信号周波数測定部と、前記超音波信号送受信部による超音波信号の送信時、前記対水信号周波数の測定時における対地船速情報をそれぞれ測定するＧＰＳ受信機と、前記信号周波数測定部で測定した対水信号周波数と，前記ＧＰＳ受信機で測定した超音波信号の送信時、及び対水信号周波数の測定時における対地船速情報と，を用いて設定深度における潮流を算出する潮流演算部とを有することを特徴とする。

この構成により、ＧＰＳ受信機を用いて測定した超音波信号の送信時、及び対水信号周波数の測定時における正確な対地船体速度を用いて、対水信号周波数から算出される対水速度の動揺誤差を補正することができる。また、自船の対地速度をＧＰＳ受信機から得ているため、水底の深度が深く水底反射波が事実上受信できないような場合であっても、正確な潮流測定を行うことが可能になる。

また、本願の請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の潮流測定装置において、自船の方位情報を検出する方位検出部をさらに備え、前記潮流演算部が、前記信号周波数測定部での測定結果と、前記ＧＰＳ受信機での測定結果と、前記方位検出部での検出情報と、を用いて設定深度における潮流を算出することを特徴とする。

また、本願の請求項４に記載の発明は、船底から超音波信号を送信して水中から帰来する反射波を受信する超音波信号送受信ステップと、前記超音波信号送受信ステップで受信した信号より、設定深度から帰来する反射波の信号周波数である対水信号周波数及び水底反射波の信号周波数である対地信号周波数を測定する信号周波数測定ステップと、前記超音波信号の送信時、前記対水信号周波数の測定時、及び前記対地信号周波数の測定時における対地船速情報をＧＰＳ受信機により測定するＧＰＳ測定ステップと、前記信号周波数測定ステップで測定した対水信号周波数及び対地信号周波数と，前記ＧＰＳ受信機で測定した超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における対地船速情報と，を用いて設定深度における潮流を算出する潮流演算ステップとを含むことを特徴とする。

これにより、ＧＰＳ受信機を用いて測定した超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における正確な対地船体速度を用いて、対水信号周波数から算出される対水速度及び対地信号周波数から算出される対地速度の動揺誤差を補正することができる。

また、本願の請求項５に記載の発明は、船底から超音波信号を送信して水中から帰来する反射波を受信する超音波信号送受信ステップと、前記超音波信号送受信ステップで受信した信号より、設定深度から帰来する反射波の信号周波数である対水信号周波数を測定する信号周波数測定ステップと、前記超音波信号の送信時、及び前記対水信号周波数の測定時における対地船速情報をＧＰＳ受信機により測定するＧＰＳ測定ステップと、前記信号周波数測定ステップで測定した対水信号周波数と，前記ＧＰＳ受信機で測定した超音波信号の送信時、及び対水信号周波数の測定時における対地船速情報と，を用いて設定深度における潮流を算出する潮流演算ステップとを含むことを特徴とする。

これにより、ＧＰＳ受信機を用いて測定した超音波信号の送信時、及び対水信号周波数の測定時における正確な対地船体速度を用いて、対水信号周波数から算出される対水速度の動揺誤差を補正することができる。また、自船の対地速度をＧＰＳ受信機から得ているため、水底の深度が深く水底反射波が事実上受信できないような場合であっても、正確な潮流測定を行うことが可能になる。

また、本願の請求項６に記載の発明は、請求項４又は請求項５に記載の潮流測定方法において、自船の方位情報を検出する方位検出ステップをさらに含み、前記潮流演算ステップで、前記信号周波数測定ステップでの測定結果と、前記ＧＰＳ測定ステップでの測定結果と、前記方位検出ステップでの検出情報と、を用いて設定深度における潮流を算出することを特徴とする。

この発明によれば、ＧＰＳ受信機で測定した超音波信号の送波時と受波時における正確な対地船速情報を利用して船体の動揺誤差を補正することができ、正確な潮流の測定結果を得ることができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）

本発明の実施の形態１による潮流測定装置は、ＧＰＳ受信機で測定した超音波ビームの送波時、対水エコー受波時、対地エコー受波時における対地船速情報を利用して潮流算出演算を行うことにより、船体の動揺による潮流測定誤差を補正するものである。

図１は、本発明の実施の形態１による潮流測定装置の構成の一例を示す図である。
図１において、本発明の実施の形態１による潮流測定装置は、超音波信号送受信部１と、対水信号周波数測定部２と、対地信号周波数測定部３と、ＧＰＳ受信機４と、潮流測定部５と、方位検出部６とからなる。

超音波信号送受信部1は、船底から一定の俯角で超音波信号を送信して水中から帰来する反射波を受信する。

対水信号周波数測定部２は、超音波信号送受信部１で受信した信号より、設定深度から帰来する反射波の信号周波数である対水信号周波数を測定する。また、対地信号周波数測定部３は、超音波信号送受信部１で受信した信号より、水底反射波の信号周波数である対地信号周波数を測定する。なお、この対水信号周波数測定部２と対地信号周波数測定部３とが信号周波数測定部に相当する。

ＧＰＳ受信機４は、超音波信号送受信部に１よる超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における対地船速情報を測定する。なお、ＧＰＳ受信機４が測定する超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における対地船速情報は、絶対的な船体の速度情報である必要はなく、相対的な速度情報であればよいため、ＧＰＳ受信機４としては基準点のないＧＰＳ受信機（例えば特開２００２−２２８１６号公報に記載されているＲＴＫ−ＧＰＳ）を用いることも可能である。

潮流演算部５は、信号周波数測定部で測定した対水信号周波数及び対地信号周波数と、ＧＰＳ受信機４で測定した超音波信号の送信時，対水信号周波数の測定時，及び対地信号周波数の測定時における対地船速情報と、方位検出部6で検出した自船の方位情報と、を用いて設定深度における潮流を算出する。

方位検出部6は、自船の方位情報を検出するものである。前述した信号周波数測定部で得られる情報は自船に対する相対的な情報であるのに対し、通常ＧＰＳ受信機４から得られる情報は北方向基準の情報である。そのため、信号周波数測定部で得られる情報とＧＰＳ受信機４で得られる情報とを用いて潮流を算出するためには、基準となる方位が必要となり、方位検出部６を設ける必要がある。一方で、相対的な速度情報が検出できるＧＰＳ受信機４、例えば前述の基準点のないＧＰＳ受信機（例えば特開２００２−２２８１６号公報に記載されているＲＴＫ−ＧＰＳ）を用いた場合には、基準方位が不要となるため、方位検出部６を設ける必要はない。

図２は、本発明の実施の形態１による潮流測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。
図２において、まず、船底に設けられた超音波信号送受信部１から一定の俯角で超音波信号を送信して水中から帰来する反射波を受信する（Ｓ１）。この際、超音波信号送受信部１はＧＰＳ受信機４に対して超音波信号の送信タイミング情報を出力し、該送信タイミング情報に基づいてＧＰＳ受信機４は、超音波信号の送信時における対地船速情報を測定する（Ｓ２）。

次に、対水信号周波数測定部２は、超音波信号送受信部１による送受波信号に基づいて超音波信号の送信時から設定深度に相当する時間経過後の受波信号周波数を測定し（Ｓ３）、対水信号周波数の測定タイミング情報をＧＰＳ受信機４に出力する。また、対地信号周波数測定部３は、超音波信号送受信部１による送受波信号に基づいて超音波信号の送信時から水底深度に相当する時間経過後の受波信号周波数を測定し（Ｓ４）、対地信号周波数の測定タイミング情報をＧＰＳ受信機４に出力する。

ＧＰＳ受信機４では、対水信号周波数測定部２からの対水信号周波数の測定タイミング情報及び対地信号周波数測定部３からの対地信号周波数の測定タイミング情報に基づいて、対水信号周波数の測定時における対地船速情報（Ｓ５）及び対地信号周波数の測定時における対地船速情報（Ｓ６）を測定する。

その後、潮流演算部５は、ＧＰＳ受信機４で測定した超音波信号の送信時及び対水信号周波数の測定時における対地船速情報、及び方位検出部６で検出した方位情報を用いて、対水信号周波数測定部２で測定した対水信号周波数を補正する（Ｓ７）。また、同様に潮流演算部５は、ＧＰＳ受信機４で測定した超音波信号の送信時及び対地信号周波数の測定時における対地船速情報、及び方位検出部６で検出した方位情報を用いて対地信号周波数測定部３で測定した対地信号周波数を補正し（Ｓ８）、補正後の対地信号周波数と対水信号周波数との差から潮流を算出する（Ｓ９）。

これにより、超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における船体の動揺を考慮した潮の潮向及び潮流速度を算出することができる。

次に、本発明の実施の形態１による潮流測定装置について図３を用いてさらに詳細に説明する。
図３は、本発明の実施の形態１による潮流測定装置を説明するための説明図である。なお、ここでは説明の簡単化のため、時刻tにより変化する速度m(t)で動いている船体から、速度ｖで流れている水塊の流速を計測する、１次元モデルを考える。

図３において超音波信号送受信部１は既知の周波数f0で振動するが、船体がm(t)という速度で移動しているので、実際に水中に送波される信号の周波数はドップラー効果により〔数1〕に示すf1へ変化する。このとき、超音波を送波する時刻をt0とし、ビームの発射方向の速度を正方向とする。

f1なる周波数の信号を、速度vで移動しているターゲット上で観測すると、その周波数は〔数２〕に示すf2となる。

さらにターゲットから反射して返ってくる音の周波数は、〔数３〕に示すf3となり、

最後に超音波信号送受信部１に届く音の周波数は、受波する時刻をt1とすると〔数４〕に示すf4となる。

次に、対地信号周波数測定部３により測定する対地信号周波数について説明する。
超音波信号送受信部１から実際に水中に送波される信号周波数は、対地信号についても対水信号のときと同様にf1で表される。
水底は動かないので、超音波ビームはターゲットに反射しても周波数はf1のままである。

最後に超音波信号送受信部１に届く音の周波数は、受波する時刻をt2とすると、〔数４〕に、t1=t2とv=0を代入して、〔数５〕に示すf4'となる。

次に、潮流演算部５による潮流速度演算について説明する。
潮流速度は、対地信号周波数と対水信号周波数の差から求めるため、〔数５〕から〔数４〕を引き算すると、

となり、〔数６〕からv（＝潮流）を算出することができる。

従来では船体の動揺による影響を無視し、m(t0)= m(t1)= m(t2)として〔数６〕を解き、vを求めていたため、船体の動揺により超音波信号送受信部１が揺れている場合には、求まった潮流速度には誤差が含まれることとなっていた。そのため、本発明ではＧＰＳ受信機により、送波時（t0）、対水エコー受波時（t1）、対地エコー受波時（t2）、の正確な対地船速を測定し、測定した値を〔数６〕に代入して潮流速度を算出する。これにより、超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における船体の動揺を補正した正しい潮流速度を算出することが可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態１による潮流測定装置によれば、ＧＰＳ受信機４を用いて超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における対地船速情報を測定し、該測定した情報を用いて潮流測定時における船体の動揺に起因する動揺誤差を補正することにより、船体の動揺が潮流測定に与える影響を防止することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２による潮流測定装置について説明する。
本発明の実施の形態２による潮流測定装置は、水底からの反射波が十分得られないような場合にＧＰＳ受信機で測定した自船の速度情報を対地船速情報として用いる点において、前記実施の形態１による潮流測定装置と相違する。

図４は、本発明の実施の形態２による潮流測定装置の構成の一例を示す図である。
図４において、本発明の実施の形態２による潮流測定装置は、超音波信号送受信部１と、信号周波数測定部に相当する対水信号周波数測定部２と、方位検出部６と、ＧＰＳ受信機７と、潮流測定部８とからなる。なお、前記実施の形態１による潮流測定装置と同様の構成要素については同一の符号を付し、ここでは説明を省略する。

ＧＰＳ受信機７は、超音波信号送受信部に１よる超音波信号の送信時及び対水信号周波数の測定時における対地船速情報を測定する。なお、ＧＰＳ受信機４が測定する超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における対地船速情報は、絶対的な船体の速度情報である必要はなく、相対的な速度情報であればよいため、ＧＰＳ受信機４としては、基準点のないＧＰＳ（例えば基準点の無いＲＴＫ−ＧＰＳ）を用いることも可能である。

潮流演算部８は、対水信号周波数測定部２で測定した対水信号周波数と、ＧＰＳ受信機７で測定した超音波信号の送信時及び対水信号周波数の測定時における対地船速情報とを用いて設定深度における潮流を算出する。

次に、本発明の実施の形態２による潮流測定装置の動作であるが、本発明の実施の形態２による潮流測定装置の動作は、前記本発明の実施の形態１による潮流測定装置で図２を用いて説明したステップＳ４、ステップＳ６、及びステップＳ８の処理を行わず、ＧＰＳ受信機７で測定した対地船速情報を利用する点において相違するものであるため、ここでは説明を省略する。

次に、本発明の実施の形態２による潮流測定装置について図５を用いて詳細に説明する。
図５は、本発明の実施の形態２による潮流測定装置を説明するための説明図である。なお、ここでは説明の簡単化のため、時刻tにより変化する速度m(t)で動いている船体から、速度ｖで流れている水塊の流速を計測する、１次元モデルを考える。

図５において、超音波信号送受信部１は既知の周波数f0で振動するが、船体がm(t)という速度で移動しているので、実際に水中に送波される信号の周波数はドップラー効果により〔数1〕に示すf1へ変化する。このとき、超音波を送波する時刻をt0とし、ビームの発射方向の速度を正方向とする。

f1なる周波数の信号を、速度vで移動しているターゲット上で観測すると、その周波数は〔数２〕に示すf2となる。

さらにターゲットから反射して返ってくる音の周波数は、〔数３〕に示すf3となり、

最後に超音波信号送受信部１に届く音の周波数は、受波する時刻をt1とすると〔数４〕に示すf4となる。

この式を変形してｖを求める形にすると、

となる。
ここで、ｍ(t0)、ｍ(t1)は、ＧＰＳ受信機４を用いて測定することができるので受信信号の周波数f4を測定すれば〔数７〕からv（＝潮流）を算出することができる。これにより、超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時における船体の動揺を補正した正しい潮流速度を算出することが可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態２による潮流測定装置によれば、ＧＰＳ受信機７を用いて超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時における対地船速情報を測定し、該測定した情報を用いて潮流測定時における船体の動揺に起因する動揺誤差を補正することにより、船体の動揺が潮流測定に与える影響を少なくすることができる。また、自船の対地船速情報をＧＰＳ受信機７を用いて測定するため、水底の深度が深く水底反射波が事実上受信できないような場合であっても、正確な潮流測定を行うことが可能になる。

超音波信号の送波時及び受波時の船体の動揺により生じる動揺誤差を補正した潮流測定を行うことができるため、高い測定精度が要求される潮流測定装置に対して特に有用である。

本発明の実施の形態１による潮流測定装置の構成の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態１による潮流測定装置の動作を説明するためのフローチャート 本発明の実施の形態１による潮流測定装置を説明するための説明図 本発明の実施の形態２による潮流測定装置の構成の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態２による潮流測定装置を説明するための説明図 従来の潮流測定装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１、１０２ 超音波信号送受信部
２、１０２ 対水信号周波数測定部
３、１０３ 対地信号周波数測定部
４、７ ＧＰＳ受信機
５、８、１０４ 潮流演算部
６ 方位検出部

Claims (6)

1. 船底から超音波信号を送信して水中から帰来する反射波を受信する超音波信号送受信部と、
   前記超音波信号送受信部で受信した信号より、設定深度から帰来する反射波の信号周波数である対水信号周波数及び水底反射波の信号周波数である対地信号周波数を測定する信号周波数測定部と、
   前記超音波信号送受信部による超音波信号の送信時、前記対水信号周波数の測定時、及び前記対地信号周波数の測定時における対地船速情報を測定するＧＰＳ受信機と、
   前記信号周波数測定部で測定した対水信号周波数及び対地信号周波数と，前記ＧＰＳ受信機で測定した超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における対地船速情報と，を用いて設定深度における潮流を算出する潮流演算部とを有することを特徴とする潮流測定装置。
2. 船底から超音波信号を送信して水中から帰来する反射波を受信する超音波信号送受信部と、
   前記超音波信号送受信部で受信した信号より、設定深度から帰来する反射波の信号周波数である対水信号周波数を測定する信号周波数測定部と、
   前記超音波信号送受信部による超音波信号の送信時、前記対水信号周波数の測定時における対地船速情報をそれぞれ測定するＧＰＳ受信機と、
   前記信号周波数測定部で測定した対水信号周波数と，前記ＧＰＳ受信機で測定した超音波信号の送信時、及び対水信号周波数の測定時における対地船速情報と，を用いて設定深度における潮流を算出する潮流演算部とを有することを特徴とする潮流測定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の潮流測定装置において、
   自船の方位情報を検出する方位検出部をさらに備え、
   前記潮流演算部が、前記信号周波数測定部での測定結果と、前記ＧＰＳ受信機での測定結果と、前記方位検出部での検出情報と、を用いて設定深度における潮流を算出することを特徴とする潮流測定装置。
4. 船底から超音波信号を送信して水中から帰来する反射波を受信する超音波信号送受信ステップと、
   前記超音波信号送受信ステップで受信した信号より、設定深度から帰来する反射波の信号周波数である対水信号周波数及び水底反射波の信号周波数である対地信号周波数を測定する信号周波数測定ステップと、
   前記超音波信号の送信時、前記対水信号周波数の測定時、及び前記対地信号周波数の測定時における対地船速情報をＧＰＳ受信機により測定するＧＰＳ測定ステップと、
   前記信号周波数測定ステップで測定した対水信号周波数及び対地信号周波数と，前記ＧＰＳ受信機で測定した超音波信号の送信時、対水信号周波数の測定時、及び対地信号周波数の測定時における対地船速情報と，を用いて設定深度における潮流を算出する潮流演算ステップとを含むことを特徴とする潮流測定方法。
5. 船底から超音波信号を送信して水中から帰来する反射波を受信する超音波信号送受信ステップと、
   前記超音波信号送受信ステップで受信した信号より、設定深度から帰来する反射波の信号周波数である対水信号周波数を測定する信号周波数測定ステップと、
   前記超音波信号の送信時、及び前記対水信号周波数の測定時における対地船速情報をＧＰＳ受信機により測定するＧＰＳ測定ステップと、
   前記信号周波数測定ステップで測定した対水信号周波数と，前記ＧＰＳ受信機で測定した超音波信号の送信時、及び対水信号周波数の測定時における対地船速情報と，を用いて設定深度における潮流を算出する潮流演算ステップとを含むことを特徴とする潮流測定方法。
6. 請求項４又は請求項５に記載の潮流測定方法において、
   自船の方位情報を検出する方位検出ステップをさらに含み、
   前記潮流演算ステップで、前記信号周波数測定ステップでの測定結果と、前記ＧＰＳ測定ステップでの測定結果と、前記方位検出ステップでの検出情報と、を用いて設定深度における潮流を算出することを特徴とする潮流測定方法。

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