JP2015111097A - 水際から離隔した位置からの水面挙動の計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロ波送受信器を用い、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等の法面構造護岸において水際から離隔した位置から被測定水面における水面水位と水面流速の水面挙動を、護岸部等に構造物を直接構築しないで連続して非接触で計測する方法を提案する。
【解決手段】 発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器を水際より水平離隔した場所に設置し、俯角４５度〜８０度に傾斜させてマイクロ波を被測定水面に向けて送受信し、マイクロ波送受信器にはＦＭ−ＣＷ信号方式とドップラー信号方式を用い、ＦＭ−ＣＷ信号方式単独では水面水位を、ＦＭ−ＣＷ信号方式とドップラー信号方式との併用では水面水位と水面流速の双方を超高速で切り替え非接触で連続して計測する方法。
【選択図】図１

Description

本願発明は、水際から護岸等の陸地まで水平離隔距離のある溜め池や河川等において水面又は水中側に何ら構築物等を施さないで単体のマイクロ波センサを利用して被測定水面の水面水位や水面流速等の水面挙動を非接触で連続して正確に計測する方法に関する。

近年、地球温暖化の影響とされている異常気象が全世界の至る所で発生し、我が国においても例外ではなく、都市型異常気象に始まり、何時何処でもゲリラ豪雨などの異常な気象状況が頻発することに伴い大きな災害を引き起こしている。
日本国内に多数存在する河川や工業用・農業用水路などは、日常はもとより異常気象によって生じる水面水位や水面流速の計測監視・管理はより重要さを増している。

一方、農業用を主体とするため池や湖沼に関しては、瀬戸内地方の兵庫、香川、広島県のみを見ても溜め池が１３７，０００個余存在している状況において、これら溜め池の水面水位を常時監視し、ゲリラ豪雨時等に適切な対応をすることにより災害を的確に防止又は身体や財産を守ることは必要でありかつ急務である。

従前より、河川や海水面、ダム湖などの水面の水位を計測する方法は各種存在し、水と直接接触する方式として水位標、フロート式、気泡式、水圧式、リードスィッチ式、静電方式が用いられている。
また、非接触による水面水位計測の代表例は超音波式であり、現在実用的な計測方法として多用されているのが現実である。
より進歩した計測方法として例を挙げればフロート式と超音波、レーザー、電磁波等を組み合わせて水面水位の電気的信号を発信させる方法（特許文献１）が提案されているがフロート内部に発信装置が組まれているためにメンテナンスが面倒となる。

また、レーザー照射、反射の時間計測による水位検出方式も提案されているが、照射角度が水面に対して鉛直か（特許文献２）（特許文献３）、又はそれに近い設定又は水面と同じレベルにレーザーを反射する構造（特許文献４）（特許文献５）とすることが条件であり、溜め池などの法面構造での護岸等から水際まで水平離隔距離のある水位検出には不向きである。

一方、河川や工業用・農業用水路においては水位のほかに流速測定とそれに伴う流量の監視・管理も重要な要素であり、古くは浮子方が主流であったが、人手による観測であったため急激な変化には対応不可、連続的な計測が無理、瞬時値が把握できないなどの欠点を有していたが、現在においてはドップラー方式による計測が主流になりつつあり、水位計測センサとの併用により水位と流速を計測するシステム・技術が提案されている。（特許文献６）

しかしながら、天候等に影響を受けず、装置そのものがシンプル、メンテナンスが容易、河川や工業用・農業用水路又は海岸などのあらゆる壁面・堤防構造のほか溜め池などの法面構造に見られる水際から被測定水面位置が水平離隔状態にある場所にも対応でき、更にコストパフォーマンスに優れた被測定水面の水面水位と水面流速を同時計測する方法は見当たらないのが現状である。

特開２００３−３５５８９号 公開公報 特許第２６９５０４６号 公開公報 特許第３１５４６５３号 公開公報 特開２０１０−２４９７９０号 公開公報 特許第３０８８９６５号 公開公報 特許第３２２５６９１号 公開広報

本願発明においては、前記の現状の課題を解決し、場所を選ばず、特に溜め池などの法面構造護岸においても護岸頂部位置からマイクロ波センサを活用して水際から水平離隔した場所に当該マイクロ波センサを俯角方向に傾斜させて設置し、被測定水面に当該マイクロ波を送信し、被測定水面からのマイクロ波の反射波を受信してマイクロ波センサの取り付け角度による係数を演算してその時間経過から水面水位を及びドップラー効果を利用して当該水面流速を正確に計測する方法を提起するものである。

具体的には照射する信号が人体に全く影響しないで且つ屋外の外乱の要因の多い場所でもその影響を受けず、しかも可動部を要しない方法としてマイクロ波を用いる方法であり、マイクロ波センサの送信・受信信号から当該マイクロ波センサから被測定水面までの距離を測定し、該マイクロ波センサ取り付け角度から演算して水面水位を併せてドップラー効果を利用して水面流速の双方の水面挙動を連続してかつ非接触で計測・出力発信し、水面挙動のモニタリングはもとより警報信号も行わせる方法を提起するものである。

本願発明の最大の特徴としての水面水位の測定に関しては、既存の方法が被測定水面の位置が鉛直又はそれに近い状態に対して、その方法に制約されることなくマイクロ波送受信器を俯角４５度から９０度の範囲の取り付け角度で非接触で連続して計測できる方法である。
また、水面流速に関しては、マイクロ波送受信器を俯角４５度〜８０度の範囲の取り付け角度でドップラー波を送受信し、前記水面水位と水面流速を高速で連続切替しながら、非接触で連続して計測できる方法である。

本願発明の第１点は、発信部と受信部を一体化したマイクロ波センサを水際から水平離隔距離がある場所に、被測定水面に対して俯角４５度〜９０度の範囲で当該マイクロ波センサを傾斜させて設置し、マイクロ波を送信しその反射波を受信して水面水位等を非接触で連続して計測する方法であることを特徴とする水面挙動の計測方法にある。
即ち、従来の水面水位の非接触計測において定説的となっている水面に対して鉛直±４度の範囲でマイクロ波を送受信することに対して、水際に構造物を構築する必要性をなくすことが出来るのである。

本願発明の第２点は、発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器を、水際から水平離隔距離がある場所に被測定水面に対して俯角４５度〜８０度の範囲で当該マイクロ波送受信器を傾斜させて設置し、当該マイクロ波送受信器の測定方式をＦＭＣＷ方式とドップラー方式を併用し、マイクロ波を任意な時間間隔で超高速により連続して切り替え送受信し、水面水位と水面流速を非接触で連続して計測することを特徴とする水面挙動の計測方法にある。
即ち、当該マイクロ波センサの測定方式をＦＭ−ＣＷ信号方式とドップラー信号方式を併用し、ＦＭ−ＣＷ信号とドップラー信号のマイクロ波を任意な時間間隔で超高速により連続して切り替え送受信し、水際から離隔した地点から被測定水面の水面水位と水面流速を非接触で連続して計測することが出来るのである。

本願発明の第３点は、発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器に、当該マイクロ波送受信機を構築物に固定した際の傾斜度を自動的に検出する機能を内蔵又は一体化し、マイクロ波を送信し反射する水面地点までの距離測定値から、該マイクロ波送受信器から被測定水面までの鉛直距離を正確かつ自動的に演算することを特徴とする請求項１又は請求項２の何れかに記載の水面挙動の計測方法にある。
即ち、当該マイクロ波センサを柱状又は鉄骨状等の支持物の上部等に設置した場合、当該マイクロ波センサの取り付け角度を常に正確に演算変換に反映でき、被測定水面の水面水位の計測精度を高く確保することとしているのである。

本願発明の第４点は、発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器に、該マイクロ波送受信器の揺動を自動的に補正する機能を内蔵又は一体化し、当該マイクロ波送受信機を構築物に固定した際の支持物の揺れ等を自動的に検出し、マイクロ波を送信し反射する水面地点までの距離測定及び被測定水面の水面流速の実効値を正確かつ自動的に演算することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の水面挙動の計測方法にある。
即ち、本願発明のマイクロ波送受信器は柱状の構築物に取り付けることも想定しており、その場合、荒天時の強風等により柱状構築物及びマイクロ波送受信器が揺動した場合に、被測定水面の水面水位及び水面流速をそれら揺動要因の影響を自動的に補正して、被測定水面の水面水位と水面流速の計測精度を高く確保することとしているのである。

本願発明の第５点は、発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器に、被測定水面の挙動と無関係な風況等の外乱を補正する機能を一体化し、又は被測定水面近傍に前記の風況等の外乱を補正する機能を併設し、該マイクロ波送受信器から得られる被測定水面の実効水面流速の実効値を非接触で連続して計測することを特徴とする請求項２〜請求項３の何れかに記載の水面挙動の計測方法にある。
即ち、本願発明のマイクロ波送受信器を用いて被測定水面の水面流速を計測しようとする場合、被測定水面と河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等の水面は自然界に暴露しており、風況等の影響を受けることを回避することが出来ない。その場合の風況等の影響を最小限度に抑制するため、マイクロ波送受信器の機能に風速・風向等のデータを取り込み測定データを補正して、被測定水面の水面流速の計測精度を高く確保することとしているのである。

本願発明の第６点は、発信部と受信部を一体化したマイクロ波センサに、太陽電池とそれに連接する蓄電池を付加して、当該マイクロ波センサの電源とし、商用電源からの遠隔地又は商用電源消失時にも水面水位及び水面流速を連続して計測することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の水面挙動の計測方法
即ち、本願発明を実施する場所には必ずしもその近傍に商用電源が存在するとは限らず、また、災害時の停電等に対して水面挙動の計測を実行又は電源回復までの時間も計測を継続できるのである。

本願発明のマイクロ波送受信器による水際等から水平離隔した場所に当該マイクロ波送受信器を設置するので、護岸面や水面に何らの構造物を構築しなくても水面水位の水面挙動を非接触で連続して計測できることにある。
また、本願発明の第２の方式を採用すれば、単体マイクロ波送受信器でもって被測定水面の水面水位と水面流速を同時に非接触で連続して計測することが出来、システムそのものがシンプルでありかつ可動部を要しないなどメンテナンス性でも非常に優位な方法と言える。
それに加えて、河川や工業用・農業用水路などにおいては当該河川や水路の断面積を乗じることにより当該河川や水路の瞬時及び累積流量等を演算出力することも可能である。

マイクロ波の送受信による水面挙動を計測する方法であるため、雨、風、雪、霧などの天候に影響しないで計測でき、信頼性の高い水面挙動を連続して非接触で連続して計測することができる。
なお、本願発明者は微風等（河川の場合水面での流れがあれば通常水面が微妙に変化する）により、さざ波程度の水面変化が伴えばその計測機能に問題は生じないことを確認している。

本願発明では、用いるマイクロ波の発信周波数を２４．１５ＧＨｚ±１００ＭＨｚとすることで、２４ＧＨｚ帯特定省電力無線局としてマイクロ波センサ自体の技術基準適合証明を受けることにより、設置場所ごとに電波法の制約も受けずに何処にでも設置できるメリット有している。また、微弱なマイクロ波であることから、発信器から被測定水面間に遮蔽物が存在しない限り測定可能でかつ人体等へのリスクは生じず安全に水面挙動計測を行わせることができる。

この方法によると、特に溜め池や河川などの法面構造による護岸である場合に、水際より離れた場所から被測定水面の水面水位及び水面流速を水面側に何ら構築物等を施さないで非接触で連続っして測定することが可能となる。
また、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等全てに亘り、被測定水面と非接触でマイクロ波送受信器を設置できるため、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等における構造物のほか流域への影響や、洪水等による計測器具の損壊・流出を皆無にすることができる。

本願発明にも弱点は存在する。水面が鏡面状態の場合は水面挙動計測が困難となる場合が生じる。即ち、マイクロ波を被測定水面に対して傾斜させて送受信するため、被測定水面が鏡面又はそれに近い状態の場合マイクロ波の反射自体が得られないことから計測が困難になる弱点が生じる。
但し、一般的に水面が鏡面状態に至る場合は気象的には安定していることに加えてその現象が長時間に及ぶ確率は非常に低く水面挙動計測自体に実用面状での重要な問題は生じないものと確信する。

マイクロ波による本願発明の水面挙動計測方法の立面概念図 本願発明の方法により水面水位挙動を計測する手法例 本願発明に利用するマイクロ波送受信器のビーム角度の模式図 本願発明を河川、工業・農業用水路に設置する場合の概念図 （イ）は断面概念図、（ロ）は」平面概念図 本願発明に用いる水面水位と水面流速を高速で連続で切り替えて計測しようとするマイクロ波送受信器の模式図 本願発明に用いるＦＭ−ＣＷ信号とドップラー信号の模式図 本願発明のマイクロ波送受信器取り付け角度を自動的に補正する機能を内蔵した場合の模式図 本願発明に用いるのマイクロ波送受信器の揺動を自動的に補正する機能を内蔵した場合の模式図 本願発明に用いるのマイクロ波送受信器近傍の風況を自動的に補正する機能を併設した場合の模式図 本願発明においてマイクロ波送受信器の電源として太陽電池及び蓄電池を電源系統とする模式図

本願発明の請求項１に記載の発明技術について、図１〜図３により詳細を説明する。
図１は本願発明に用いるのマイクロ波送受信器５による水面挙動計測方法の立面断面図である。
河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の水際等から離隔した護岸等３に設置された支持物４の上部位置に当該マイクロ波送受信器５を、計測しようとする河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の被測定水面２に向かって当該マイクロ波送受信器５を俯角４５度から９０度、好ましくは俯角６５度〜９０度に設置する。

当該マイクロ波送受信器５の送信アンテナ８より河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の被測定水面２に向かってマイクロ波送信波６を送信し、前記被測定水面２より反射するマイクロ波反射波７を当該マイクロ波送受信器５で受信し、そのマイクロ波発信波６の発信とマイクロ波反射波７の受信までの時間を距離に換算し被測定水面２の水位水面を得ることを目的とする水面挙動計測を行わせる方法である。

即ち、マイクロ波送受信器５によって発信するマイクロ波送信波６と被測定水面２からの反射するマイクロ波反射波７の往復に要する時間を計測してマイクロ波送受信器５から被測定水面２までの距離に換算し、更にマイクロ波送受信器５の取り付け俯角角度の正弦角θを乗じて、当該マイクロ波送受信器５の設置高さから鉛直方向の被測定水面２レベル位置までの距離を導き出し、予め基準としたマイクロ波送受信器５から基準水面（満水位又は河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等の底面等）までの距離から前記実測した被測定水面２の水面水位との差分で計測時点の水面水位等の被測定水面２の水面水位としての水面挙動を導き出す方法である。

次に、図２により当該マイクロ波送受信器５を用いて被測定水面２の水面水位とする水面挙動を導き出す具体的方法例を説明する。
当該マイクロ波送受信器５からマイクロ波送信波６が送信され、任意の被測定水面の水面水面ＷＬｘにおける被測定水面２において、マイクロ波発送信波６が被測定水面において反射され、マイクロ波反射波７として、前記マイクロ波送受信器５に戻ってくる。

マイクロ波送信波６の送信から、被測定水面２で反射され、マイクロ波反射波７として当該マイクロ波送受信器５で受信するまでの時間を計測して、当該時間を距離に換算する。
次に、予め取り付けられた当該マイクロ波送受信器５の俯角であるθの正弦係数を乗ずれば、当該マイクロ波送受信器５の高さから計測を行った被測定水面２までの距離が換算できることになる。

本願発明に用いるマイクロ波送受信器５を設置するに当たっては、当該マイクロ波送受信器５の地上からの高さと、当該地上から基準水面等（図２における満水位高さＨＨ「ＷＬＨ」又は底面ＨＬ「ＷＬＬ」など）を明確にしておく必要があり、当該基準水面等と前記において計測演算された被測定水面２の高さの差分値から測定時点の被測定水面高さを正確に計測できる。
即ち、
満水位水位ＨＨ（ＷＬＨ）＝ＳＨ×正弦θ を基準値とすると
任意の水面水位 Ｈは ＝ＨＨ−（ＨＨ−Ｈｘ）
＝（ＳＨ×正弦θ）−｛（ＳＨ×正弦θ）−（Ｓｘ×正弦θ）｝ を得る。
また、底面ＨＬ（ＷＬＬ）＝ＳＬ×正弦θ を基準値とすると
任意の水面の水深ΔＨは ＝ＨＬ−Ｈｘ
＝（ＳＬ×正弦θ）−（Ｓｘ×正弦θ） を得る。

本願発明においては、当該マイクロ波送受信器５の基準仕様である測定方法はＦＭ−ＣＷ信号方式とし、発信周波数は２４．１５ＧＨｚ±１００ＭＨｚである。
この測定方法及び発信周波数を用いることにより、当該マイクロ波送受信器５から発信されるマイクロ波は連続で発信されるため、当該マイクロ波送受信器５を、より電子化・小型化することができる利点を有する。
また、当該マイクロ波送受信器５のマイクロ波送信周波数を２４．１５ＧＨｚ±１００ＭＨｚとすることにより、２４ＧＨｚ帯特定省電力無線局として，技術基準適合証明を受けて承認を得ることにより、当該マイクロ波送受信器を設置する場合に設置箇所毎の電波法の制約を何らうけることなく、いかなる場所にもいかなる設置者又は管理者でも設置できるメリットを有する。

また、当該マイクロ波送受信器５におけるマイクロ波送信波６から送信されるマイクロ波ビーム角度θｍを図３に示すように３〜６度とすることで、当該マイクロ波送受信器５の傾斜角を俯角４５度から９０度までにおいて設置して計測する水面水位に関する水面挙動計測の方法とすることができる。
仮に、マイクロ波送信波６のマイクロ波ビーム角度θｍを大きくした場合、当該マイクロ波送受信器５を６０度以下の俯角に取り付けた使用状態においては、当該マイクロ波送受信器５より送信されたマイクロ波送信波６は鉛直方向に存在する水面等からの反射したマイクロ波反射波７を受信することによる計測不具合を引き起こすリスクがある。

そのため、マイクロ波送信波６を送信するマイクロ波ビーム指向角度θｍは小さいことがより好ましいのであるが、極端にマイクロ波送信波６の送信するマイクロ波ビーム角度θｍが小さいことに起因して、測定する距離が短く且つ照射を受ける水面が局部的に鏡面状態となっている状況において正常な反射マイクロ波７を得られないリスクも生じるので、マイクロ波発信波６のマイクロ波ビーム角度θｍは３度〜６度が最適である。

本願発明者は、出願人が保有するマイクロ波送受信器５を用いて、水際から水平離隔した場所に当該マイクロ波送受信器５を設置して、離隔した被測定水面２に向けてマイクロ波送信波６を送信し、その被測定水面２で反射したマイクロ波反射波７を受信する試験を行った結果、次表の実測結果を得ている。
比較的簡易な手法で計測を行った結果であるが、被測定水面２との鉛直面に対して俯角５０度〜９０度において当該マイクロ波送受信器５で送信したマイクロ波送信波６及びマイクロ波反射波７から換算した距離が３％以下の誤差範囲内にであり当該マイクロ波送受信器５で計測できることを確認した。
因みに、当該マイクロ波送受信器５の取り付け角度を俯角７０度以上とした場合、その誤差は１％以下を得ており精度の高いことが判明している。
表、マイクロ波センサ５を取り付け傾斜角度別に見た実測結果

この結果から、現時点での当該マイクロ波送受信器５を用いれば俯角６５度〜９０度が実用的に適用できる精度を有していることが確認できたことになる。
勿論、今後の当該マイクロ波送受信器５の更なる技術改良等により、その実用上取り付け角度を俯角４５度程度まで引き上げられる可能性がある。

本願発明に用いるマイクロ波送受信器５は、利用範囲を限定しないマイクロ波出力を用いていることもあり、当該マイクロ波送受信器５の設置場所から計測しようとする被測定水面２までの距離を２〜２００ｍ、好ましくは２〜７５ｍとしている。
本願発明に用いる当該マイクロ波送受信器５においては、その取り付け角度が俯角４５度から９０度であるが実用上は俯角６５度以上の範囲となることに鑑み、より護岸から遠い水面を被測定水面とする場合、当該マイクロ波送受信器５をより高い位置に設置する必要があるものの、実用上その必要性は高くないとの判断もあり最大で２００ｍとした所以である。

例えば、溜め池、湖沼等の護岸等３の堤頂部から満水位までの距離を３ｍとし、当該マイクロ波送受信器５を護岸等３の堤頂部より更に高台の１００ｍの高さに設置し、その取り付け角度を俯角６０度とし、被測定面２の水位が満水より６ｍ下がっていると仮定した場合の当該マイクロ波送受信器５の位置から被測定水面２までの得られる距離Ｓｘは、
ＷＬｘ＝Ｓｘ×正弦６０°から
Ｓｘ＝ＷＬｘ÷正弦６０
＝（３＋１００＋６）÷（√３／２）
＝１２５．８６ｍ となり
最大２００ｍの計測能力を有すれば実用上の問題は生じないものと確信できる。

本願発明の請求項２に記載の発明技術について図４〜図６により詳細を説明する。
図４の（イ）は本願発明を河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１に適用しようとする場合の断面概念図であり（ロ）はその平面概念図である。
即ち、本願発明に用いるマイクロ波送受信器５を水際より水平離隔した護岸等３に、俯角４５度〜８０度（図のθ）に傾斜させ、更に河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の流れに対して水平傾斜（図のλ）させて設置し、単体の当該マイクロ波送受信器５でもって被測定水面の水面水位と水面流速を非接触で連続して計測しようとする方法である。

前記の本願発明を可能とするには、当該マイクロ波送受信器５の機能が複合的であることが前提となる。
即ち、当該マイクロ波送受信器５からのマイクロ波送信により被測定水面２より反射されるマイクロ受信波を受信する場合、被測定水面の水面水位と水面流速の双方のデータを得るためのマイクロ波送受信器５が複合的な要素を有し、且つ機能させることが必要かつ必須である。

本願発明に用いられるマイクロ波送受信器５の構成を図５を用いて概略を説明する。
図５は本願発明に用いる当該マイクロ波送受信器５であり、送信アンテナ８から送信されたマイクロ波は被測定水面２より反射されて受信ンテナ９で受信され、増幅器１０、マイクロ波比較・ミキシング部１１、フィルター１２、アナログ／ディジタル変換部１３、信号処理部（距離／速度演算部）１４を経て信号として出力される。

その際、前記の当該マイクロ波送受信器５の回路において、図６に示すように水面水位計測向けとしてのＦＭ−ＣＷ信号１５と、水面流速計測向けとしてのドップラー信号１６を超高速で連続して切り替えて出力されることにより実現されるのである。
即ち、水際から離隔した場所に設置したマイクロ波送受信器５の単体でもって被測定水面２の水面水位と水面流速の双方の水面挙動データを非接触で連続して計測できることとなるのである。

従来方式では被測定水面の水面水位と水面流速を同一場所で計測する場合、水位検出センサと流速計測センサを個別に設置し、しかも水位計測は赤外線や超音波、マイクロ波を用いても水面に対してその照射角度が鉛直±４度という制約があるため、河川、工業・農業用水路等においては水路の中央部に双方のセンサを設置する必要があり、大がかりなアームなどの支持物設備が必要であったが、本願発明では計測のための大がかりな保持・支持物等は全く必要とせず、設置工事、 耐久性、メンテナンス性、設置費用等の効率的観点から多くのメリットを有している。

請求項３に記載の発明技術について図７を用いて説明する。
本願発明に用いるマイクロ波送受信器５を柱状や鉄骨状等の支持物（以下「支持物」とする）４の上部または他の構造物に固定する場合、計測しようとする被測定水面２に対する当該マイクロ波送受信器５の設置角度、即ち俯角の角度を正確に把握することは非常に重要である。
当該マイクロ波センサ５の取り付け角度を予め固定して、例えば俯角６５度から９０度の間で５度刻みで予め固定金具等を準備して対応することは可能である。

しかしながら、当該マイクロ波送受信器５を設置する場合、支持物４が必ず鉛直に立設されるとは限らず、また設置しようとする位置環境から必ずしも支持物４を鉛直に立設できるとは限らない。
また、経年により支持物４の自然傾斜のほか強風により一時的又は恒久的な支持物４の傾斜を伴うことも予見しておかなければならない。

この対策として、本願発明に用いる当該マイクロ波送受信器５には、新設時はもとより経年変化に基づく支持物４の傾斜等に、その傾斜度合いを自動的に検出する機能を、当該マイクロ波送受信器５に内蔵するか一体化し、当該マイクロ波送受信器５から被測定水面２までの距離ひいては当該マイクロ波送受信器５からの鉛直距離を正確に把握させることは必然的であり、その要素が重要であることに鑑み、本願発明においてはそれらの要素を織り込んだものとしている。

本願発明においては、当該マイクロ波送受信器５の取り付け俯角を自動的に検出する手段としてはジャイロセンサ１７を当該マイクロ波送受信器５に内蔵又は一体化させることが最適であるとの認識であるが、前記ジャイロセンサー１７を含め本願発明の目的を果たす機能を有している手段であればそれらは全て本願発明に包摂するものとする。

請求項４に記載の発明技術について図８を用いて説明する。
本願発明に用いるマイクロ波送受信器５は該マイクロ波送受信器５の揺動を自動的に検出し、被測定水面２の水面水位の実効値として補正する機能を内蔵又は一体化したものを用いて水面挙動を測定しようとするものである。

即ち、本願発明に用いるマイクロ波送受信器５は前記したように主に支持物４に取り付けられることを想定しているため、当該支持物４は強風等によって、その支持物４自体が揺動することが当然のこととして想定される。
故に、支持物４に取り付けた際の揺れ等を自動的に検出し、マイクロ波を送信し反射する被測定水面の水面地点までの距離測定値から、該マイクロ波送受信器５から被測定水面２までの鉛直距離及び被測定水面２の水面流速を正確かつ自動的に補正・演算し計測精度を高く確保することとしているのである。

本願発明においては、当該マイクロ波送受信器５の揺動を自動的に検出する手段としては加速度センサ１８を当該マイクロ波送受信器５に内蔵又は一体化させることが最適であるとの認識であるが、前記加速度センサー１８を含め本願発明の目的を果たす機能を有している手段であればそれらは全て本願発明に包摂するものとする。

請求項５に記載の発明について図９を用いて説明する。
本願発明に用いるマイクロ波送受信器５は当該マイクロ波送受信器５を水際より水平離隔した護岸等３に設置して、当該マイクロ波送受信器５が有するドップラー効果を利用して被測定水面２における表面流速を計測しようとする場合において、風況等の影響を補正し被測定水面２の水面流速の実効値を得ようとするものである。
即ち、被測定水面２の水面状態は特にその流速が遅い場合に、風況影響を受けることに加え、異常気象の強風や台風時には大きな影響を受けることは必定であることに対処しようとするものである。

具体的な手法としては、本願発明に用いるマイクロ波送受信器５の近傍に風向・風速計１９を併設又は被測定水面２の近傍に前記風向・風速計１９を設置し、その風向・風速計１９からの情報をマイクロ波送受信器５に取り込み、マイクロ波送受信器５の信号処理部１４において被測定水面２の水面水流が実効値となるよう補正を行わせる。
即ち、風況等による外乱要因を取り除き又は補正して、真の水面流速を得るようにしたものである。

請求項６に記載の発明技術ついて図１０を用いて説明する。
発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器５に、太陽電池２０とそれに連接する蓄電池２１をマイクロ波送受信器５に付加又は併設して、当該マイクロ波送受信器５の電源とし、商用電源からの遠隔地における単独電源又は商用電源連結方式における商用電源消失時にも連続して被測定水面２の水面水位及び水面流速の水面挙動の計測を非接触で連続して計測する方法である。

通常、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の中でもため池や湖沼等の近傍には住居がある可能性が高く、当該マイクロ波センサ５の商用電源を容易に得られる可能性は高いと推量する。
一方、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の内、河川や工業・農業用水路において管理者から任意の箇所の水面水位や水面流速を要求される場合、商用電源が間近には存在しないか遠隔地となる可能性が高いと想定しておく必要がある。

また、天候不順や夕立などの俄の雨・落雷、局地的気象現象に伴う豪雨や、台風の来襲時には、商用電源がその時点で必ずしも健全であるとは限らない。
そのような非常事態時の商用電源の予期しない停電等に対して被測定水面２の水面挙動の計測を実行継続又は商用電源回復までの時間においても本願発明によって要求される被測定水面２の水面水位及び水面流速の水面挙動の計測を継続できるのである。

本願発明の請求項１及び請求項２において、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の水際等から離隔した護岸等３にマイクロ波送受信器５を設置することを特徴としているが、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の内、特に河川、工業・農業用水路等においては、橋梁などその流域を跨ぐ構造物が存在することが多い実態がある。
その場合、特段に河川、工業・農業用水路等１の水際から離隔した護岸等３にマイクロ波送受信器５を設置する必要はなく、施設管理者の許諾等を経て当該構造物に直接堅固に固定すれば本願発明の目的を達することができる。
従って、本願発明においては河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の水際から離隔した護岸等３へのマイクロ波送受信器５の設置に拘らずそれらの方法をも全て包摂するものとする。

本願発明のマイクロ波送受信器５による河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の被測定水面２の水面水位や水面流速の水面挙動を、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の水際から水平離隔距離が生じる護岸等３にマクロ波送受信器５を設置できるため、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖等１の護岸等の形状や状況に制約されず、しかもそれらの構造物に対する影響を全く与えずに、被測定水面２の水面水位や水面流速の水面挙動を非接触で連続して計測できるめ、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の管理者から見れば総合的な管理に好都合であり、より確実性に加え安全性、施工性やシステム構造・構成のシンプルさで卓越した方法であると推量する。

本願発明技術を用いることにより水量によって水際から護岸等３までの水平離隔距離が常に変化する河川や垂直な護岸が存在しない海岸線の海面水面挙動の計測も、何ら水中や護岸等３への構造物を構築しなくても被測定水面２の水面水位と水面流速の水面挙動を非接触で連続して計測することができる。
勿論、水面挙動計測データを施設管理者が必要とする信号出力に変換してテレメーター等で遠隔地（施設管理者の管理場所等）に計測データを送信することも容易であり、水面挙動計測からのデータを元に近傍への注意又は警報信号等を発信することもできる。

また、各種液体や固体物の容器内での量的高さの計測にも応用できると共に、水面に対する鉛直±４度の設置角度が確保できない場面で、しかも常に静止液面（鏡面又は鏡面に近い表面状況）をなす液体等の場合、凹凸のある反射材等を水面に浮かばせることで水位計測が可能となり、メンテナンスフリーの構造とすることも出来るなどのメリットもある。

１ 河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等
２ 被測定水面
３ 護岸等
４ 支持物
５ マイクロ波送受信器
６ マイクロ波送信波
７ マイクロ波反射波
８ 送信アンテナ
９ 受信アンテナ
１０ 増幅器
１１ マイクロ波比較・ミキシング部
１２ フィルター
１３ アナログ／ディジタル変換部
１４ 信号処理部（距離／速度演算部）
１５ ＦＭ−ＣＷ信号
１６ ドップラー信号
１７ ジャイロセンサ
１８ 加速度センサ
１９ 風向・風速計
２０ 太陽電池
２１ 蓄電池
Ｓｘ マイクロ波送受信器から任意の被測定水面までの計測される距離
ＳＨ マイクロ波送受信器から基準水位（満水位等）までの計測される距離
ＳＬ マイクロ波送受信器から溜め池等の底面まで計測される距離
Ｈｘ マイクロ波送受信器から任意の被測定水面水位までの鉛直距離
ＨＨ マイクロ波送受信器から基準水位までの鉛直距離（満水位等）
ＨＬ マイクロ波送受信器から溜め池等の底面までの鉛直距離
ＷＬｘ 被測定水面水位
ＷＬＨ 基準水位（満水位等）
ＷＬＬ 溜め池等の底面
θ 水面に対するマイクロ波送受信器の取り付け俯角角度
θｍ マイクロ波ビーム角度
λ 水流に対するマイクロ波送受信器の取り付け水平角度

マイクロ波による本願発明の水面挙動計測方法の立面概念図 本願発明の方法により水面水位挙動を計測する手法例 本願発明に利用するマイクロ波送受信器のビーム角度の模式図 本願発明を河川、工業・農業用水路に設置する場合の概念図 （イ）は断面概念図、（ロ）は平面概念図 本願発明に用いる水面水位と水面流速を高速で連続で切り替えて計測しようとするマイクロ波送受信器の模式図 本願発明に用いるＦＭ−ＣＷ信号とドップラー信号の模式図 本願発明のマイクロ波送受信器取り付け角度を自動的に補正する機能を内蔵した場合の模式図 本願発明に用いるマイクロ波送受信器の揺動を自動的に補正する機能を内蔵した場合の模式図 本願発明に用いるマイクロ波送受信器近傍の風況を自動的に補正する機能を併設した場合の模式図 本願発明においてマイクロ波送受信器の電源として太陽電池及び蓄電池を電源系統とする模式図

本願発明は、水際から護岸等の陸地まで水平離隔距離のある溜め池や河川等において水面又は水中側に何ら構築物等を施さないで単体のマイクロ波送受信機を利用して被測定水面の水面水位や水面流速等の水面挙動を非接触で連続して正確に計測する方法に関する。

近年、地球温暖化の影響とされている異常気象が全世界の至る所で発生し、我が国においても例外ではなく、都市型異常気象に始まり、何時何処でもゲリラ豪雨などの異常な気象状況が頻発することに伴い大きな災害を引き起こしている。
日本国内に多数存在する河川や工業用・農業用水路などは、日常はもとより異常気象によって生じる水面水位や水面流速の計測監視・管理はより重要さを増している。

一方、農業用を主体とするため池や湖沼に関しては、瀬戸内地方の兵庫、香川、広島県のみを見ても溜め池が１３７，０００個余存在している状況において、これら溜め池の水面水位を常時監視し、ゲリラ豪雨時等に適切な対応をすることにより災害を的確に防止又は身体や財産を守ることは必要でありかつ急務である。

従前より、河川や海水面、ダム湖などの水面の水位を計測する方法は各種存在し、水と直接接触する方式として水位標、フロート式、気泡式、水圧式、リードスィッチ式、静電方式が用いられている。
また、非接触による水面水位計測の代表例は超音波式であり、現在実用的な計測方法として多用されているのが現実である。
より進歩した計測方法として例を挙げればフロート式と超音波、レーザー、電磁波等を組み合わせて水面水位の電気的信号を発信させる方法（特許文献１）が提案されているがフロート内部に発信装置が組まれているためにメンテナンスが面倒となる。

また、レーザー照射、反射の時間計測による水位検出方式も提案されているが、照射角度が水面に対して鉛直か（特許文献２）、又はそれに近い設定又は水面と同じレベルにレーザーを反射する構造（特許文献３）とすることが条件であり、溜め池などの法面構造での護岸等から水際まで水平離隔距離のある水位検出には不向きである。

一方、河川や工業用・農業用水路においては水位のほかに流速測定とそれに伴う流量の監視・管理も重要な要素であり、古くは浮子方が主流であったが、人手による観測であったため急激な変化には対応不可、連続的な計測が無理、瞬時値が把握できないなどの欠点を有していたが、現在においてはドップラー方式による計測が主流になりつつあり、水位計測センサとの併用により水位と流速を計測するシステム・技術が提案されている。（特許文献４）（特許文献５）（非特許文献１）

しかしながら、天候等に影響を受けず、装置そのものがシンプル、メンテナンスが容易、河川や工業用・農業用水路又は海岸などのあらゆる壁面・堤防構造のほか溜め池などの法面構造に見られる水際から被測定水面位置が水平離隔状態にある場所にも対応でき、更にコストパフォーマンスに優れ、産業上利用可能でかつ効果的に被測定水面の水面水位と水面流速を同時計測する方法は確立されていないのが現状である。

特開２００３−３５５８９号 公開公報 特許第２６９５０４６号 公開公報 特開２０１０−２４９７９０号 公開公報 特許第３２２５６９１号 公開広報 特開平５−１８０６７６号 公開公報

ＲＦワールド 技術解説 Ｐ９６〜Ｐ１１０

本願発明においては、前記の現状の課題を解決し、場所を選ばず、特に溜め池などの法面構造護岸においても護岸頂部位置からマイクロ波送受信機を活用して水際から水平離隔した場所にマイクロ波送受信機を俯角方向に傾斜させて設置し、被測定水面にマイクロ波を送信し、被測定水面からのマイクロ波の反射波を受信してマイクロ波送受信機の取り付け角度による係数を演算してその時間経過から水面水位を及びドップラー効果を併用して水面流速をも正確に計測する方法を提起するものである。

具体的には照射する信号が人体に全く影響しないで且つ屋外の外乱の要因の多い場所でもその影響を受けず、しかも可動部を要しない方法としてマイクロ波を用いる方法であり、マイクロ波送受信機の送信・受信信号からマイクロ波送受信機から被測定水面までの距離を測定し、マイクロ波送受信機取り付け角度から演算して水面水位を、併せてドップラー効果を併用して水面流速の双方の水面挙動を連続してかつ非接触で計測・出力発信し、水面挙動のモニタリングはもとより警報信号も行わせる方法を提起するものである。

本願発明の最大の特徴としての水面水位の測定に関しては、既存の方法が被測定水面の位置が鉛直又はそれに近い状態に対して、その方法に制約されることなくマイクロ波送受信機のマイクロ波送受信角度を俯角６０度〜９０度の範囲として水面水位を非接触で連続して計測できる方法にある。
また、水面水位と並行して水面流速の計測に関しては、ＦＭ−ＣＷ信号とドップラー信 号を併用し高速で連続切替しながら、マイクロ波送受信機のマイクロ波送受信角度をを俯 角６０度〜８０度の範囲として水面水位と水面流速を非接触で連続して計測できる方法に ある。

本願発明の第１点は、発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信機を用い、水際から水平離隔距離がある場所にマイクロ波送受信機を傾斜させて設置し、被測定水面に対し てマイクロ波を送信しその反射波を受信して水面水位等を非接触で連続して計測する方法 において、マイクロ波送受信機のマイクロ波送受信波の照射角度を被測定水面に対して俯 角５０度〜９０度の範囲とすることを特徴とする水面挙動の計測方法にある。

本願発明の第２点は、発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信機を用い、水際から水平離隔距離がある場所にマイクロ波送受信機を傾斜させて設置し、マイクロ波送受信 機の測定方法をＦＭ−ＣＷ信号とドップラー信号を併用し、送受信するマイクロ波を任意な時間間隔で超高速により連続して切り替え、水面水位と水面流速を連続して計測する方 法において、マイクロ波送受信機のマイクロ波送受信波の照射角度を被測定水面に対して 俯角５０度〜８０度の範囲とすることを特徴とする水面挙動の計測方法にある。

本願発明の第３点は、発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信機を用い、水際か ら水平離隔距離がある場所にマイクロ波送受信機を傾斜させて設置し、マイクロ波送受信 機を用いて水面水位及び水面流速を測定する方法において、マイクロ波送受信機を構築物に固定した際の俯角角度を自動的に検出するためのジャイロセンサ又はジャイロセンサと 同等の機能を有する機材を内蔵又は一体化し、マイクロ波を送信し反射する水面地点までの距離測定値から、マイクロ波送受信機から被測定水面までの鉛直距離を正確かつ自動的に演算することを特徴とする請求項１〜請求項２の何れかに記載の水面挙動の計測方法にある。

本願発明の第４点は、発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信機に、マイクロ波送受信機の揺動を自動的に補正する機能を内蔵又は一体化し、マイクロ波送受信機を構築物に固定した際の支持物の揺れ等を自動的に検出し、マイクロ波を送信し反射する水面地点までの距離測定及び被測定水面までの垂直距離の実効値を正確かつ自動的に演算することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の水面挙動の計測方法にある。

本願発明の第１の方式を採用すれば、マイクロ波送受信機による水際等から水平離隔した場所にマイクロ波送受信機を設置するので、護岸面や水面に何らの構造物を構築しなくても水面水位の水面挙動を非接触で連続して計測できることにある。
また、本願発明の第２の方式を採用すれば、単体マイクロ波送受信機でもって被測定水面の水面水位と水面流速を同時に非接触で連続して計測することが出来、システムそのものがシンプルでありかつ可動部を要しないなどメンテナンス性でも非常に優位な方法と言える。
それに加えて、河川や工業用・農業用水路などにおいては当該河川や水路の断面積を乗じることにより当該河川や水路の瞬時及び累積流量等を演算出力することも可能である。

本願発明の第３の方式を採用すれば、マイクロ波送受信機の取り付け角度を施工時に正確 に取り付けなくとも、その傾斜角度をジャイロセンサ又はジャイロセンサと同等の機能を 有する機能が発揮され、かつ連続していかなる場合でも自動的にマイクロ波送受信機の俯 角度を補正することが可能である。
また、本願発明の第４の方式を採用すれば、マイクロ波送受信機が外乱等によって揺動が 発生しても何ら影響を受けず、常にマイクロ波送受信機の取り付け俯角度を補正すること が可能である。

マイクロ波送受信機を用いてマイクロ波の送受信による水面挙動を計測する方法であるため、雨、風、雪、霧などの天候に影響しないで計測でき、信頼性の高い水面挙動を連続して非接触で連続して計測することができる。
なお、本願発明者は微風等（河川の場合水面での流れがあれば通常水面が微妙に変化する）により、さざ波程度の水面変化が伴えばその計測機能に問題は生じないことを確認している。

本願発明では、用いるマイクロ波の発信周波数を２４．１５ＧＨｚ±１００ＭＨｚとすることで、２４ＧＨｚ帯特定省電力無線局としてマイクロ波送 受信機自体の技術基準適合証明を受けることにより、設置場所ごとに電波法の制約も受けずに何処にでも設置できるメリット有している。また、微弱なマイクロ波であることから、発信器から被測定水面間に遮蔽物が存在しない限り測定可能でかつ人体等へのリスクは生じず安全に水面挙動計測を行わせることができる。

本願発明の方法によると、特に溜め池や河川などの法面構造による護岸である場合に、水際より離れた場所から被測定水面の水面水位及び水面流速を水面側に何ら構築物等を施さないで非接触で連続して測定することが可能となる。
また、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等全てに亘り、被測定水面と非接触でマイクロ波送受信機を設置できるため、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等における構造物のほか流域への影響や、洪水等による計測器具の損壊・流出を皆無にすることができる。

本願発明にも弱点は存在する。水面が鏡面状態の場合は水面挙動計測が困難となる場合が生じる。即ち、マイクロ波を被測定水面に対して傾斜させて送受信するため、被測定水面が鏡面又はそれに近い状態の場合マイクロ波の反射自体が得られないことから計測が困難になる弱点が生じる。
但し、一般的に水面が鏡面状態に至る場合は気象的には安定していることに加えてその現象が長時間に及ぶ確率は非常に低く水面挙動計測自体に実用面上での重要な問題は生じないものと確信する。

マイクロ波による本願発明の水面挙動計測方法の立面概念図 本願発明の方法により水面水位挙動を計測する手法例 本願発明に用いる水面水位と水面流速を高速で連続で切り替えて計測しようとするマイクロ波送受信機の模式図 本願発明を河川、工業・農業用水路に設置する場合の概念図 （イ）は断面概念図、（ロ）は平面概念図 本願発明のマイクロ波送受信機取り付け角度を自動的に補正する機能を内蔵した場合の模式図 本願発明に用いるのマイクロ波送受信機の揺動を自動的に補正する機能を内蔵した場合の模式図

請求項１に記載の発明技術について説明する。
発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信機５を用い、水際から水平離隔距離がある 場所にマイクロ波送受信機５を傾斜させて設置し、被測定水面２に対してマイクロ波を送 信しその反射波を受信して水面水位等を非接触で連続して計測する方法において、マイク ロ波送受信機５の取り付け角度が被測定水面２に対して俯角５０度〜９０度とすることに ある。
即ち、従来の水面水位の非接触計測において定説的となっている水面に対して鉛直±４度 の範囲でマイクロ波を送受信することに対して、水際に構造物を構築する必要性をなくす ことが出来ることを特定・確立したのである。

先ず、本願発明のマイクロ波送受信機を用いて水面水位を計測する仕組み・システムの骨 格を図１〜図２を用いて説明する。
図１は本願発明に用いるマイクロ波送受信機５による水面挙動計測方法の立面断面図であ る。
河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の水際等から離隔した護岸等３に設置された 支持物４の上部位置にマイクロ波送受信機５を、計測しようとする河川、工業・農業用水 路、溜め池、湖沼等１の被測定水面２に向かってマクロ波を送受信するマイクロ波送受信 機５を傾斜させて設置する。

マイクロ波送受信機５の送信アンテナ８より河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の被測定水面２に向かってマイクロ波送信波６を送信し、前記被測定水面２より反射するマイクロ波反射波７をマイクロ波送受信機５で受信し、そのマイクロ波発信波６の発信とマイクロ波反射波７の受信までの時間を距離に換算し被測定水面２の水面水位を得ることができる。
マイクロ波送受信機５によって発信するマイクロ波送信波６と被測定水面２からの反射するマイクロ波反射波７の往復に要する時間を計測してマイクロ波送受信機５から被測定水面２までの距離に換算し、更にマイクロ波送受信機５の取り付け俯角角度の正弦角θを乗じて、マイクロ波送受信機５の設置高さから鉛直方向の被測定水面２レベル位置までの距離を導き出し、予め基準としたマイクロ波送受信機５から基準水面（満水位又は河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等の底面等）までの距離から前記実測した被測定水面２の水面水位との差分で計測時点の水面水位等の被測定水面２の水面水位としての水面挙動を導き出す方法である。

次に、図２によりマイクロ波送受信機５を用いて被測定水面２の水面水位とする水面挙動を導き出す具体的方法例を説明する。
マイクロ波送受信機５からマイクロ波送信波６が送信され、任意の被測定水面２の水面水面ＷＬｘにおける被測定水面２において、マイクロ波発送信波６が被測定水面において反射され、マイクロ波反射波７として、マイクロ波送受信機５に戻ってくる。

マイクロ波送信波６の送信から、被測定水面２で反射され、マイクロ波反射波７として当該マイクロ波送受信機５で受信するまでの時間を計測して、当該時間を距離に換算する。
次に、予め取り付けられたマイクロ波送受信機５の俯角であるθの正弦係数を乗ずれば、マイクロ波送受信機５の高さから計測を行った被測定水面２までの距離が換算できることになる。

マイクロ波送受信機５を設置するに当たっては、マイクロ波送受信機５の地上からの高さと、当該地上から基準水面等（図２における満水位高さＨＨ「ＷＬＨ」又は底面ＨＬ「ＷＬＬ」など）を明確にしておく必要があり、当該基準水面等と前記において計測演算された被測定水面２の高さの差分値から測定時点の被測定水面高さを正確に計測できる。
即ち、
満水位水位ＨＨ（ＷＬＨ）＝ＳＨ×正弦θ を基準値とすると
任意の水面水位 Ｈは ＝ＨＨ−（ＨＨ−Ｈｘ）
＝（ＳＨ×正弦θ）−｛（ＳＨ×正弦θ）−（Ｓｘ×正弦θ）｝ を得る。
また、底面ＨＬ（ＷＬＬ）＝ＳＬ×正弦θ を基準値とすると
任意の水面の水深ΔＨは ＝ＨＬ−Ｈｘ
＝（ＳＬ×正弦θ）−（Ｓｘ×正弦θ） を得る。

本願発明者は、出願人が保有するマイクロ波送受信機５を用いて、水際から水平離隔した場所にマイクロ波送受信機５を設置して、離隔した被測定水面２に向けてマイクロ波送信波６を送信し、その被測定水面２で反射したマイクロ波反射波７を受信する試験を行った結果、次表の実測結果を得ている。
比較的簡易な手法で計測を行った結果であるが、被測定水面２との鉛直面に対して俯角５０度〜９０度において当該マイクロ波送受信機５で送信したマイクロ波送信波６及びマイクロ波反射波７から換算した距離が３％以下の誤差範囲内にでありマイクロ波送受信機５で計測できることを確認した。
また、マイクロ波送受信機５の取り付け角度を俯角７０度以上とした場合、その誤差は１％以下を得ており精度の高いことが判明している。

この結果から、現時点でのマイクロ波送受信機５を用いれば俯角５０度〜９０度が実用的に適用できる精度を有していることが確認できた。

請求項２に記載の発明技術について説明する。
発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信機を用い、水際から水平離隔距離がある 場所にマイクロ波送受信機を傾斜させて設置し、マイクロ波送受信機の測定方法をＦＭ− ＣＷ信号とドップラー信号を併用し、送受信するマイクロ波を任意な時間間隔で超高速に より連続して切り替え、水面水位と水面流速 を連続して計測する方法において、マイクロ 波送受信機の送受信波の照射角度を被測定水面に対して俯角５０度〜８０度の範囲とすることにある。

発明技術の基本形の１例について図３〜図４により説明する。
図３は本願発明の基本となるマイクロ波送受信機の構成図である。
マイクロ波送受信機５の送信アンテナ８から送信されたマイクロ波は被測定水面２より反射されて受信ンテナ９で受信され、増幅器１０、マイクロ波比較・ミキシング部１１、フィルター１２、アナログ／ディジタル変換部１３、信号処理部（距離／速度演算部）１４を経て信号として出力される。
その際、前記のマイクロ波送受信機５の回路において、水面水位計測向けとしてのＦＭ−ＣＷ信号と、水面流速計測向けとしてのドップラー信号を超高速で連続して切り替えて出力されることにより実現されるのである。
即ち、水際から離隔した場所に設置したマイクロ波送受信機５の単体でもって被測定水面２の水面水位と水面流速の双方の水面挙動データを非接触で連続して計測できることとなるのである。

図４の（イ）はマイクロ波送受信機を河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１に適用しようとする場合の断面概念図であり（ロ）はその平面概念図である。
即ち、マイクロ波送受信機５を水際より水平離隔した護岸等３に、俯角５０度〜８０度（図のθ）に傾斜させ、更に河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の流れに対して水平傾斜（図のλ）させて設置し、単体の当該マイクロ波送受信機５でもって被測定水面２の水面水位と水面流速を非接触で連続しての計測方法が確立できたのである。

前記の目的を可能とするには、当該マイクロ波送受信機５の機能が複合的であることが前提となる。
即ち、マイクロ波送受信機５からのマイクロ波送信により被測定水面２より反射されるマイクロ受信波を受信する場合、被測定水面２の水面水位と水面流速の双方のデータを得るためのマイクロ波送受信機５が複合的な要素を有し、且つ機能させることが必要かつ必須である。

前記のドップラー信号の被測定水面２に対する俯角は、その角度が小さいほど精度が高い ことは周知慣用技術として知られている。
またドップラー信号での被測定対象動体物の速度計測には、該動体物に対するドップラ ー信号の照射角度が鉛直に近いほどその測定精度が低下することも周知慣用技術として知 られている。
本願発明では、水面水位と水面流速を並行して計測することを目的としており、請求項１ に記載の水面水位と並行して水面流速を計測するには、双方の補完できる角度が絶対条件 であり、その角度を被測定水面に対して俯角５０度〜８０度とするものである。
即ち、マイクロ波送受信機５の測定方式をＦＭ−ＣＷ信号方式とドップラー信号方式を併 用し、ＦＭ−ＣＷ信号とドップラー信号のマイクロ波を任意な時間間隔で超高速により連 続して切り替え送受信し、水際から離隔した地点から被測定水面２の水面水位と水面流速 を非接触で連続して計測することが出来 るのである。

従来方式では被測定水面２の水面水位と水面流速を同一場所で計測する場合、水位検出センサと流速計測センサを個別に設置し、しかも水位計測は赤外線や超音波、マイクロ波を用いても水面に対してその照射角度が鉛直±４度という制約があるため、河川、工業・農業用水路等においては水路の中央部に双方のセンサを設置する必要があり、大がかりなアームなどの支持物設備が必要であったが、本願発明では計測のための大がかりな保持・支持物等は全く必要とせず、設置工事、 耐久性、メンテナンス性、設置費用等の効率的観点から多くのメリットを有している。

請求項３に記載の発明技術について図５により説明する。
発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信機５を用い、水際から水平離隔距離がある 場所にマイクロ波送受信機５を傾斜させて設置し、マイクロ波送受信機５を用いて水面水 位及び水面流速を測定する方法において、マイクロ波送受信機５を構築物に固定した際の 俯角角度を自動的に検出するためのジャイロセンサ１７又はジャイロセンサと同等の機能 を有する機材を内蔵又は一体化し、マイクロ波を送信し反射する水面地点までの距離測定 値から、マイクロ波送受信機５から被測定水面までの鉛直距離を正確かつ自動的に演算す ることにある。
即ち、マイクロ波送受信機５を柱状又は鉄骨状等の支持４物の上部等に設置した場合、マ イクロ波送受信機５の取り付け角度を常に正確に演算変換に反、映でき被測定水面２の水 面水位の計測精度を高く確保することとしているのである。

マイクロ波送受信機５を柱状や鉄骨状等の支持物（以下「支持物」とする）４の上部または他の構造物に固定する場合、計測しようとする被測定水面２に対するマイクロ波送受信機５の設置角度、即ち俯角の角度を正確に把握することは非常に重要である。
マイクロ波送受信機５の取り付け角度を予め固定して、例えば俯角５０度から９０度の間で５度刻みで予め固定金具等を準備して対応することは可能である。

しかしながら、マイクロ波送受信機５を設置する場合、支持物４が必ず鉛直に立設されるとは限らず、また設置しようとする位置環境から必ずしも支持物４を鉛直に立設できるとは限らない。
また、経年により支持物４の自然傾斜のほか強風により一時的又は恒久的な支持物４の傾斜を伴うことも予見しておかなければならない。
この対策として、マイクロ波送受信機５には、新設時はもとより経年変化に基づく支持物４の傾斜等に、その傾斜度合いを自動的に検出する機能を、当該マイクロ波送受信機５に内蔵するか一体化し、当該マイクロ波送受信機５から被測定水面２までの距離ひいてはマイクロ波送受信機５からの鉛直距離を正確に把握させることは必然的であり、その要素が重要であることに鑑み、本願発明においてはそれらの要素を織り込んだものとしている。

本願発明においては、マイクロ波送受信機５の取り付け俯角を自動的に検出する手段としてはジャイロセンサ１７をマイクロ波送受信機５に内蔵又は一体化させることが最適であるとの認識であるが、前記ジャイロセンサー１７を含め本願発明の目的を果たす機能を有している手段であればそれらは全て本願発明に包摂するものとする。

請求項４に記載の発明技術について図６を用いて説明する。
本願発明で用いるマイクロ波送受信機５はマイクロ波送受信機５の揺動を自動的に検出し、被測定水面２の水面水位の実効値として補正する機能を内蔵又は一体化したものを用いて水面挙動を測定しようとするものである。
即ち、本願発明のマイクロ波送受信機５は柱状の構築物に取り付けることも想定しており、その場合、荒天時の強風等により柱状構築物及びマイクロ波送受信機５が揺動した場合に、被測定水面２の水面水位及び水面流速をそれら揺動要因の影響を自動的に補正して、被測定水面２の水面水位と水面流速の計測精度を高く確保することとしているのである。

本願発明に用いるマイクロ波送受信機５は前記したように主に支持物４に取り付けられることを想定しているため、支持物４は強風等によって、その支持物４自体が揺動することが当然のこととして想定される。
故に、支持物４に取り付けた際の揺れ等を自動的に検出し、マイクロ波を送信し反射する被測定水面の水面地点までの距離測定値から、マイクロ波送受信機５から被測定水面２までの鉛直距離及び被測定水面２の水面流速を正確かつ自動的に補正・演算し計測精度を高く確保することとしているのである。

本願発明においては、マイクロ波送受信機５の揺動を自動的に検出する手段としては加速度センサ１８をマイクロ波送受信機５に内蔵又は一体化させることが最適であるとの認識であるが、前記加速度センサー１８を含め本願発明の目的を果たす機能を有している手段であればそれらは全て本願発明に包摂するものとする。

本願発明の請求項１及び請求項２において、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の水際等から離隔した護岸等３にマイクロ波送受信機５を設置することを特徴としているが、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の内、特に河川、工業・農業用水路等においては、橋梁などその流域を跨ぐ構造物が存在することが多い実態がある。
その場合、特段に河川、工業・農業用水路等１の水際から離隔した護岸等３にマイクロ波送受信機５を設置する必要はなく、施設管理者の許諾等を経て当該構造物にマイクロ波 送受信機５を直接堅固に固定すれば本願発明の目的を達することができる。
従って、本願発明においては河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の水際から離隔した護岸等３へのマイクロ波送受信機５の設置に拘らずそれらの方法をも全て包摂するものとする。

本願発明に係るマイクロ波送受信機５を用いた河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の被測定水面２の水面水位や水面流速の水面挙動を、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の水際から水平離隔距離が生じる護岸等３にマイクロ波送受信機５を設置できるため、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖等の護岸等の形状や状況に制約されず、しかもそれらの構造物に対する影響を全く与えずに、被測定水面２の水面水位や水面流速の水面挙動を非接触で連続して計測できるめ、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の管理者から見れば総合的な管理に好都合であり、より確実性に加え安全性、施工性やシステム構造・構成のシンプルさで卓越した方法であると推量する。

本願発明技術を用いることにより水量によって水際から護岸等３までの水平離隔距離が常に変化する河川や垂直な護岸が存在しない海岸線の海面水面挙動の計測も、何ら水中や護岸等３への構造物を構築しなくても被測定水面２の水面水位と水面流速の水面挙動を非接触で連続して計測することができる。勿論、水面挙動計測データを施設管理者が必要とする信号出力に変換してテレメーター等で遠隔地（施設管理者の管理場所等）に計測データを送信することも容易であり、水面挙動計測からのデータを元に近傍への注意又は警報信号等を発信することもできる。

また、各種液体や固体物の容器内での量的高さの計測にも応用できると共に、水面に対する鉛直±４度の設置角度が確保できない場面で、しかも常に静止液面（鏡面又は鏡面に近い表面状況）をなす液体等の場合、凹凸のある反射材等を水面に浮かばせることで水位計測が可能となり、メンテナンスフリーの構造とすることも出来るなど革新的な計測方法 と言える。

１ 河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等
２ 被測定水面
３ 護岸等
４ 支持物
５ マイクロ波送受信機
６ マイクロ波送信波
７ マイクロ波反射波
８ 送信アンテナ
９ 受信アンテナ
１０ 増幅器
１１ マイクロ波比較・ミキシング部
１２ フィルター
１３ アナログ／ディジタル変換部
１４ 信号処理部（距離／速度演算部）
１７ ジャイロセンサ
１８ 加速度センサ
Ｈｘ マイクロ波送受信器から任意の被測定水面水位までの鉛直距離
ＨＨ マイクロ波送受信器から基準水位までの鉛直距離（満水位等）
ＨＬ マイクロ波送受信器から溜め池等の底面までの鉛直距離
ＷＬｘ 被測定水面水位
ＷＬＨ 基準水位（満水位等）
ＷＬＬ 溜め池等の底面
θ 水面に対するマイクロ波送受信器の取り付け俯角角度
λ 水流に対するマイクロ波送受信器の取り付け水平角度

Claims (6)

1. 発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器を、水際から水平離隔距離がある場所に被測定水面に対して俯角４５度〜９０度の範囲で当該マイクロ波送受信機を傾斜させて設置し、マイクロ波を送信しその反射波を受信して水面水位等を非接触で連続して計測することを特徴とする水面挙動の計測方法
2. 発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器を、水際から水平離隔距離がある場所に被測定水面に対して俯角４５度〜８０度の範囲で当該マイクロ波送受信器を傾斜させて設置し、当該マイクロ波送受信器の測定方式をＦＭ−ＣＷ信号とドップラー信号を併用し、発受信するマイクロ波を任意な時間間隔で超高速により連続して切り替え、水面水位と水面流速を非接触で連続して計測することを特徴とする水面挙動の計測方法
3. 発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器に、当該マイクロ波送受信機を構築物に固定した際の傾斜度を自動的に検出する機能を内蔵又は一体化し、マイクロ波を送信し反射する水面地点までの距離測定値から、該マイクロ波送受信器から被測定水面までの鉛直距離を正確かつ自動的に演算することを特徴とする請求項１又は請求項２の何れかに記載の水面挙動の計測方法。
4. 発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器に、該マイクロ波送受信器の揺動を自動的に補正する機能を内蔵又は一体化し、当該マイクロ波送受信機を構築物に固定した際の支持物の揺れ等を自動的に検出し、マイクロ波を送信し反射する水面地点までの距離測定及び被測定水面の水面流速の実効値を正確かつ自動的に演算することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の水面挙動の計測方法
5. 発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器に、被測定水面の挙動と無関係な風況等の外乱を補正する機能を一体化し、又は被測定水面近傍に前記の風況等の外乱を補正する機能を併設し、該マイクロ波送受信器から得られる被測定水面の水面流速の実効値を正確かつ自動的に演算することを特徴とする請求項２〜請求項４の何れかに記載の水面挙動の計測方法
6. 発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器に、太陽電池とそれに連接する蓄電池を付加して、当該マイクロ波送受信器の電源とし、商用電源からの遠隔地又は商用電源消失時にも被測定水面の水面水位及び水面流速を非接触で連続して計測することを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の水面挙動の計測方法

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