JP2016031362A - 温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】請求項１及び請求項２に記載の発明本発明によれば、広範囲にわたる水中の温度分布を短時間のうちに測定することができる温度測定装置を提供することができる。請求項３及び請求項４に記載の発明によれば、無侵襲で体内の温度を測定する温度測定装置を提供することができる。【解決手段】９０?以内の俯角で第２の音波を送信し、前記反射体によって反射された反射波を受信する送受波器と、水面の温度を測定する感温素子と、前記第１の受波器及び第２の受波器の各受信信号に基づいて、自装置に対する反射体の相対速度を算出する相関検出部と、前記第２の音波と前記第２の音波の反射波との周波数差からなるドップラー周波数を算出するドップラー検出部と、前記水面の温度を測定するに基づいて前記水面の音速を算出し、算出した前記水面の音速と前記相対速度と前記ドップラー周波数とに基づいて、前記反射体の表面の水温を算出する演算部と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、温度測定装置に関する。

従来、温度測定装置である水温計として、プローブと呼ばれる計測器を海中に沈めて海中の水温を取得する水温計が知られている(例えば、特許文献１参照)。例えばＸＣＴＤ(eXpendable Conductivity Temperature and Depth)やＸＢＴ（eXpendable Bathy Thermograph）とよばれる投下式の水温計では、水温センサを内蔵したプローブを海中に自由落下させ、船舶の航行中に海中のプローブにより水温を検出する。この種の水温計では、一度使用したプロ−ブは海中に投棄している。
また、温度測定装置である体温計として、ハイパーサーミア等の癌温熱治療では、熱電対温度計や光ファイバー温度計を直接体内治療部位に刺入することで侵襲的に体内の温度を測定する方法が用いられている。（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−１８８０３０号公報 特開平１１−２６２５０１号公報

しかしながら、上述した水温計では、局所的にしか測定ができず、例えば海洋観測、漁業資源調査などのように広範囲にわたる水中の温度分布を短時間のうちに測定することができない。また、測定の度にプロ−ブを海中に投棄するため、測定回数に応じた数のプローブを要するという問題がある。

また、上述した体温計の測定方法では、体外から体内の温度計測する部位にセンサを刺入して温度を測定するため、ハイパーサーミア等の癌温熱治療中も常に体内にセンサをつけたままの状態が続き、患者にとって不快な方法であった。

請求項１及び請求項２に記載の発明の目的は、広範囲にわたる水中の温度分布を短時間のうちに測定することができる温度測定装置を提供することである。
請求項３及び請求項４に記載の発明の目的は、無侵襲で体内の温度を測定する温度測定装置を提供することである。

本発明の一態様は、水底に向けて第１の音波を送信する送波器と、前記第１の音波が異なる水深に位置している反射体によって反射された反射波を受信する第１の受波器と、前記第１の音波が異なる水深に位置している前記反射体によって反射された反射波を受信し、前記第１の受波器と異なる位置に配置された第２の受波器と、９０°以内の俯角で第２の音波を送信し、前記反射体によって反射された反射波を受信する送受波器と、水面の温度を測定する感温素子と、前記第１の受波器及び第２の受波器の各受信信号に基づいて、自装置に対する前記反射体の相対速度を算出する相関検出部と、前記第２の音波と前記第２の音波の反射波との周波数差からなるドップラー周波数を算出するドップラー検出部と、前記水面の温度を測定するに基づいて前記水面の音速を算出し、算出した前記水面の音速と前記相対速度と前記ドップラー周波数とに基づいて、前記反射体の表面の水温を算出する演算部とを有する温度測定装置である。

また、本発明の一態様は、上述した温度測定装置であって、前記演算部は、以下に示す式（実施形態における式（１））により前記反射体の表面の音速を算出し、音速と水温とを表す式によって、算出した前記音速から前記反射体の表面の水温を算出する。

また、本発明の一態様は、体内に第１の音波を入射させ、前記体内の血管内を移動する反射体から反射された反射波を検出して前記反射体の速度を算出する相関検出部と、９０°以内の俯角で第２の音波を送信し、前記反射体によって反射された反射波を受信する送受波器と、前記第２の音波と前記第２の音波の反射波との周波数差からなるドップラー周波数を算出するドップラー検出部と、前記反射体の速度と前記ドップラー周波数とに基づいて、前記反射体の温度を算出する演算部とを有する温度測定装置である。

また、本発明の一態様は、上述した温度測定装置であって、前記演算部は、以下に示す式（実施形態における式（３８））により前記反射体の表面の音速を算出し、前記算出した前記反射体の表面の音速に基づいて、音速と前記体内の温度とを関連付けたテーブルから前記反射体の表面の温度を算出する。

請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、広範囲にわたる水中の温度分布を短時間のうちに測定することができる水温計を提供することができる。
請求項３及び請求項４に記載の発明によれば、無侵襲で体内の温度を測定する体温計を提供することができる。

第１の実施形態における水温計１の構成を概念的に示した図である。 第１の実施形態における制御部５のブロック図である。 第１の実施形態における水温変化に対する音速変化を計算した結果を示した図である。 第１の実施形態における水温計１の動作を示すフローチャートである。 音源Ｓと反射体Ｔｇが同一直線上を移動する場合のドップラーシフトについて説明する図である。 音源Ｓと反射体Ｔｇが同一線上を遠ざかる場合のドップラーシフトをｔ−ｚ座標系にて幾何学的に示した図である。 伝搬経路Ｐ_２の伝搬経路差ΔＺ_２の近傍の座標をローカル座標に変換した図である。 伝搬経路Ｐ_４の伝搬経路差ΔＺ_２の近傍をローカル座標に変換した図である。 伝搬経路Ｐ_３の伝搬経路差ΔＺ_３の近傍（受波点近傍）の座標をローカル座標に変換した図である。 音源Ｓと反射体Ｔｇが同一線上を近づく場合のドップラーシフトをｔ−ｚ座標系にて幾何学的に示した図である。 第２の実施形態における体温計１ａの構成を概念的に示した図である。 第２の実施形態における制御部５のブロック図である。 第２の実施形態における体温計１ａの動作を示すフローチャートである。

＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態として、温度測定装置の１つである水温計について図を用いて説明する。図１は、第１の実施形態における水温計の構成を概念的に示した図である。

図１に示すように、本実施形態における水温計１は、相関値検出用送受波器２、相関値検出用受波器３、ドップラー周波数送受波部４及び制御部５を有する。

相関値検出用送受波器２は、船舶９に搭載されており、船舶９の船底１４に設けられている。相関値検出用送受波器２は、制御部５に接続されている。相関値検出用送受波器２は、真下方向に超音波Ａを送信する。送信した超音波Ａは、浮遊物反射体８で反射する。相関値検出用送受波器２は、浮遊物反射体８により反射した超音波Ａのエコー信号を受信する。相関値検出用送受波器２は、超音波Ａのエコー信号を受信すると、受信信号ｓｂ１を生成し、受信信号ｓｂ１を制御部５に出力する。浮遊物反射体８は、プランクトンやゴミなどの水中の微小浮遊物である。

相関値検出用受波器３は、船舶９に搭載されており、船舶９の船底１４に設けられている。また、相関値検出用受波器３は、相関値検出用送受波器２から船舶９の前後方向に一定距離ｓを離した位置に設けられている。相関値検出用受波器３は、浮遊物反射体８により反射した超音波Ａのエコー信号を受信する。相関値検出用受波器３は、超音波Ａのエコー信号を受信すると、受信信号ｓｂ２を生成し、受信信号ｓｂ２を制御部５に出力する。

ドップラー周波数送受波部４は、船舶９に搭載されており、船舶９の船底１４に設けられている。ドップラー周波数送受波部４は、ドップラー周波数検出用送受波器６及び感温素子７を有する。ドップラー周波数検出用送受波器６は、自装置の外殻ケースの内部に圧電素子（振動子）を収容しており、その圧電素子を振動させることで、超音波を送信している。また、ドップラー周波数検出用送受波器６は、超音波により圧電素子が振動することで発生する電圧を取得することで、超音波を受信する。また、ドップラー周波数検出用送受波器６は、制御部５に接続されている。

ドップラー周波数検出用送受波器６は、俯角θで周波数ｆ１の超音波Ｂを送波するとともに、浮遊物反射体８で反射した超音波Ｂのエコー信号を検出する。ドップラー周波数検出用送受波器６は、周波数ｆ１を示す信号を制御部５に出力する。また、ドップラー周波数検出用送受波器６は、超音波Ｂのエコー信号を受信すると、受信信号ｓｂ３を生成し、受信信号ｓｂ３を制御部５に出力する。

感温素子７は、ドップラー周波数検出用送受波器６の外殻ケース内に設けられており、ドップラー周波数検出用送受波器６内のモールド材の温度を検出する、例えばサーミスタである。モールド材は、圧電素子の輻射面に設けられている、例えば、ウレタンゴム、ネオプレンゴム、音響整合層材、音響レンズ等である。感温素子７は、制御部５に接続されている。感温素子７は、検出したモールド材の温度を制御部５に出力する。

制御部５は、自装置（船舶９）の速度ｖ_s及び浮遊物反射体８の速度ｖ_ｔを算出する。制御部５は、航法装置、例えば船舶９に設けられたＧＰＳ（Global Positioning System）機能を用いて自装置（船舶９）の速度ｖ_sを算出する。算出方法は、例えば衛星電波のドップラー効果を利用する方法や単位時間当たりの現在位置の変化から算出する方法等がある。
また、制御部５は、受信信号ｓｂ１及び受信信号ｓｂ２に基づいて、船舶９と浮遊物反射体８との相対速度ｖ_ｔｄを算出する。そして、制御部５は、算出した相対速度ｖ_ｔｄから上記自装置（船舶９）の速度ｖ_sを差し引くことで、浮遊物反射体８の速度ｖ_ｔを算出する。
制御部５は、周波数ｆ１と受信信号ｓｂ３とに基づいて、超音波Ｂのドップラー周波数ｆ_ｄを算出する。そして、制御部５は、自装置（船舶９）の速度ｖ_sと浮遊物反射体８の速度ｖ_ｔとドップラー周波数ｆ_ｄとに基づいて、式（１）より浮遊物反射体８周囲の音速ｃ（Ｑ）を算出し、その音速ｃ（Ｑ）から浮遊物反射体８周囲の水温Ｔ（ｚ）を取得する。

なお、ｃ（Ｐ）は、モールド材を伝搬する音の音速、つまり水面の音速である。式（１）は、ドップラー周波数ｆ_ｄが水深ｚの位置にある浮遊物反射体８周囲の音速ｃ（ｚ）の関数、つまり浮遊物反射体８周囲の音速ｃ（Ｑ）に依存して決定される値であること示している。よって、式（１）を式（２）に変形することにより、浮遊物反射体８周囲の音速ｃ（Ｑ）を算出することができる。

なお、式（１）の詳細は、後述する。
図２は、本実施形態における制御部５のブロック図である。
制御部５は、相関検出部１０、ドップラー検出部１１、演算部１２及びデータ出力部１３を有する。
相関検出部１０は、相関値検出用送受波器２及び相関値検出用受波器３から受信信号ｓｂ１及び受信信号ｓｂ２を取得する。相関検出部１０は、受信信号ｓｂ１を受信してから受信信号ｓｂ２を受信するまで遅延時間τ_ｂを算出することで、船舶９から観測する浮遊物反射体８の相対速度ｖ_ｔｄ（ｚ）を求める。

例えば、船舶９が速度ｖ_ｓで走航し、浮遊物反射体８が船舶９と同じ方向に速度ｖ_ｔで動いている場合、相関値検出用送受波器２から水底に向けて超音波Ａ（第１の音波）が送信されると、浮遊物反射体８近傍の入射音場は、浮遊物反射体８に対してｖ_s−ｖ_ｔで移動していることになる。この音場は、浮遊物反射体８で反射し、船底１４にある相関値検出用送受波器２及び相関値検出用受波器３に戻る。これにより、船底１４近傍の音場は、船底１４に対して、２（ｖ_s−ｖ_ｔ）で移動している。よって、相関検出部１０が算出する遅延時間τ_ｂは、ｓ／２（ｖ_s−ｖ_ｔ）となる。つまり、（ｖ_s−ｖ_ｔ）が相対速度ｖ_ｔｄ（ｚ）であるため、遅延時間τ_ｂは、式（３）で表すことができる。相関検出部１０は、取得した相対速度ｖ_ｔｄ（ｚ）を演算部１２に出力する。

相関検出部１０は、距離ｓが既知であるため、遅延時間τ_ｂを求めることで、式（３）の変形式である式（４）より相対速度ｖ_ｔｄ（ｚ）を算出することができる。なお、この計測原理において水中の音速の情報を必要としない。

ドップラー検出部１１は、超音波Ｂ（第２の音波）の周波数ｆ１及び受信信号ｓｂ３を受信する。そして、ドップラー検出部１１は、受信した受信信号ｓｂ３から超音波Ｂのエコー信号の周波数ｆ２を算出する。ドップラー検出部１１は、周波数ｆ２−周波数ｆ１を求めることで、水深zの浮遊物反射体８で反射することによる超音波Ｂのドップラー周波数ｆ_ｄを算出する。ドップラー検出部１１は、算出したドップラー周波数ｆ_ｄを演算部１２に出力する。

演算部１２は、相対速度ｖ_ｔｄ（ｚ）及びドップラー周波数ｆ_ｄを取得する。演算部１２は、相対速度ｖ_ｔｄ（ｚ）から航法装置を用いて算出した自装置（船舶９）の速度ｖ_sを差し引くことで、浮遊物反射体８の速度ｖ_ｔを算出する。
また、演算部１２は、感温素子７からモールド材の温度を取得する。演算部１２は、感温素子７からのモールド材の温度よりモールド材の音速ｃ（Ｐ）、つまり水面の音速を算出する。俯角θは既知であるため、演算部１２は、式（２）に自装置（船舶９）の速度ｖ_sと浮遊物反射体８の速度ｖ_ｔとドップラー周波数ｆｄと音速ｃ（Ｐ）と俯角θとを代入することで、水深zの浮遊物反射体８周囲の音速ｃ（ｚ）を算出する。そして、演算部１２は、音速ｃ（ｚ）から水深zの温度Ｔ（ｚ）を算出する。例えば、演算部１２は、式（５）に示すMackenzieの式を用いることで、水深ｚの水温Ｔ（ｚ）を算出する。

ここで、ｓは塩分濃度を示す。式（５）を水温Ｔで整理し直すと次式で表せる。

ここで、ｃ_０、ｃ_１、ｃ_２、ｃ_３は、以下に示す式とした。

式（６）は、水温Ｔに関する３次方程式であるため、３次方程式の解の公式を用いることで、水温Ｔを求めることができる。この時、塩分濃度ｓは、３５（０／００）としても大きな計算誤差は生じない。また、浮遊物反射体８の水深ｚは、水面の音速ｃ（Ｐ）と超音波Ａの送信から受信までの時間の１／２の積から決定すればよい。
図３は、式（５）を使って、水温変化に対する音速変化を計算した結果を示した図である。なお、ここで、水深ｚ＝１００ｍ、塩分濃度ｓ＝３５（０／００）とした。
データ出力部１３は、求めた水温Ｔを不図示の表示部にデジタル出力する。

次に、本実施形態の水温計１の動作について図を用いて説明する。図４は、本実施形態の水温計の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１０１において、相関値検出用送受波器２は、真下方向に超音波Ａを送信する。また、ドップラー周波数検出用送受波器６は、俯角θで周波数ｆ１の超音波Ｂを送信する。

ステップＳ１０２において、相関値検出用送受波器２は、浮遊物反射体８により反射した超音波Ａのエコー信号を受信すると、受信信号ｓｂ１を生成し、受信信号ｓｂ１を相関検出部１０に出力する。同様に相関値検出用受波器３は、浮遊物反射体８により反射した超音波Ａのエコー信号を受信する。相関値検出用受波器３は、超音波Ａのエコー信号を受信すると、受信信号ｓｂ２を生成し、受信信号ｓｂ２を相関検出部１０に出力する。また、ドップラー周波数検出用送受波器６は、浮遊物反射体８で反射した超音波Ｂのエコー信号を検出する。ドップラー周波数検出用送受波器６は、超音波Ｂの送信周波数ｆ１をドップラー検出部１１に出力する。ドップラー周波数検出用送受波器６は、浮遊物反射体８により反射した超音波Ｂのエコー信号を受信すると、受信信号ｓｂ３を生成し、受信信号ｓｂ３をドップラー検出部１１に出力する。また、感温素子７は、検出したモールド材の温度を演算部１２に出力する。

ステップＳ１０３において、相関検出部１０は、受信信号ｓｂ１を受信してから受信信号ｓｂ２を受信するまで遅延時間τ_ｂを算出する。相関検出部１０は、遅延時間τ_ｂを式（４）に代入することで相対速度ｖ_ｔｄ（ｚ）を算出し、算出した相対速度ｖ_ｔｄ（ｚ）を演算部１２に出力する。

ステップＳ１０４において、ドップラー検出部１１は、受信した受信信号ｓｂ３から超音波Ｂのエコー信号の周波数ｆ２を算出する。ドップラー検出部１１は、周波数ｆ２−周波数ｆ１を求めることで、超音波Ｂのドップラー周波数ｆ_ｄを算出する。ドップラー検出部１１は、算出したドップラー周波数ｆ_ｄを演算部１２に出力する。

ステップＳ１０５において、演算部１２は、相対速度ｖ_ｔｄ（ｚ）及びドップラー周波数ｆ_ｄを取得する。演算部１２は、相対速度ｖ_ｔｄ（ｚ）から航法装置を用いて算出した自装置（船舶９）の速度ｖ_sを差し引くことで、浮遊物反射体８の速度ｖ_ｔを算出する。
また、演算部１２は、感温素子７からモールド材の温度を取得する。演算部１２は、感温素子７からモールド材の温度より感温素子７からモールド材周囲の音速ｃ（Ｐ）を算出する。そして、演算部１２は、式（２）に相対速度ｖ_ｔｄ（ｚ）とドップラー周波数ｆ_ｄと音速ｃ（Ｐ）と俯角θとを代入することで、浮遊物反射体８周囲の音速ｃ（ｚ）を算出する。
ステップＳ１０６において、演算部１２は、算出した音速ｃ（ｚ）から式（５）を用いて水深ｚの温度Ｔ（ｚ）を算出する。演算部１２は、算出した水深ｚの温度Ｔ（ｚ）をデータ出力部１３に送信する。データ出力部１３は、受信した水深ｚの温度Ｔ（ｚ）を不図示の表示部にデジタル出力する。

＜式（１）の導出＞
次に、式（１）の導出について、図を用いて説明する。まず、音源Ｓと反射体Ｔｇが同一直線上を移動する場合のドップラーシフトについて説明する。図５は、音源Ｓと反射体Ｔｇが同一直線上を移動する場合のドップラーシフトについて説明する図である。

図５に示すように、音源（送受波器）Ｓは、Ｐ点に位置している。反射体Ｔｇは、Ｐ点からz軸の正方向に距離ｄ_０離れたＱ点に位置している。音源Ｓの移動速度（Ｐ−Ｑ方向成分）をｖ_s、反射体Ｔｇの移動速度（Ｐ−Ｑ方向成分）をｖ_t（＞ｖ_s）とする。すなわち、反射体Ｔｇは、音源Ｓから遠ざかるとする。なお、音速ｃは位置ｚの関数c(z)と考え、音源Ｓの周囲の音速をｃ(Ｐ)、反射体Ｔｇの周囲の音速をｃ(Ｑ)とする。同様に流速ｕも位置ｚの関数ｕ(ｚ)と考え、音源Ｓの周囲の流速（Ｐ−Ｑ方向成分）をｕ(Ｐ)、反射体周囲の流速（Ｐ−Ｑ方向成分）をｕ(Ｑ)とする。

図６は、音源Ｓと反射体Ｔｇが同一線上を遠ざかる場合のドップラーシフトをｔ−ｚ座標系にて幾何学的に示した図である。
時間ｔ＝０において、音源Ｓから時間長Ｔのパルス波が反射体Ｔｇに向けて送信されたとする。時間原点ｔ＝０に送信されたパルス波の先頭位置ｚ_ｓは、次式で与えられる。

式（１１）は、ｃ（ｚ）とｕ（ｚ）とが具体的に与えられれば、ｚの変数ｔに関する微分方程式と考えられ、それを解くことによって先頭位置ｚ_ｓが確定する。
一方、反射体Ｔｇの位置ｚ_Ｑは、次式で与えられる。

また、送信波の後端の位置ｚ_eは、次式で与えられる。

ここで、図６に示すように、パルス波の先頭位置ｚ_ｓが反射体Ｔｇに向かう往きの伝搬経路を経路Ｐ_１、パルス波の後端位置ｚ_eが反射体Ｔｇに向かう往きの伝搬経路を経路Ｐ_２とし、Ｐ_１とＰ_２とを比較すると、共通の伝搬経路と異なる伝搬経路差ΔＺ_１及び伝搬経路差ΔＺ_２が存在することが分かる。また、パルス波の先頭位置ｚ_ｓが反射体Ｔｇで反射し、音源Ｓに向かう帰りの伝搬経路を経路Ｐ_３、パルス波の後端位置ｚ_eが反射体Ｔｇで反射し、音源Ｓに向かう帰りの伝搬経路を経路Ｐ_４とし、経路Ｐ_３と経路Ｐ_４とを比較すると、共通の伝搬経路と異なる伝搬経路差ΔＺ_２及び伝搬経路差ΔＺ_３が存在する。この異なる伝搬経路によって発生する伝搬時間の増減は、パルス波形の時間幅の伸縮を引き起こす。そして、このパルス波形の時間幅の伸縮がドップラーシフトをもたらす。すなわち、このパルス波形の時間幅の伸縮を求めることで、ドップラー周波数ｆ_ｄを算出することができる。以下に、パルス波形の時間幅の伸縮を求める。

まず、送信波が反射体Ｔｇに到達したときのパルス時間幅Ｔｘを求める。
音源位置Ｓの近傍と反射体Ｔｇの近傍とを除いた伝搬経路上（共通の伝搬経路）の位置座標ｚにおいて、往きのパルス時間幅（パルス波形の先端位置の時刻とパルス波形の後端位置の時刻との差）をＴｒとすると、Ｔｒは、次式で与えられる。

また、図６に示すように、送信時のパルス波において、経路Ｐ_１と経路Ｐ_２との伝搬経路差ΔＺ_１において発生する先頭位置ｚ_ｓと後端位置ｚ_ｅとの間の伝搬時間差ΔＴ_１は、次式で与えられる。

なお、Ｔｒは、音速ｃ（ｚ）と流速ｕ（ｚ）が位置座標ｚで変化している場合であっても位置座標ｚによらず一定であり変化しないと考えられる。これは、パルス波形の先頭と後端とが同じ伝搬経路を通過する場合、ある固定点を通過するパルス時間幅は不変と考えられるからである。

次に、図６に示すように、反射体Ｔｇの位置ｚ_Ｑにおける経路Ｐ_１と経路Ｐ_２との異なる伝搬経路によって生ずる伝搬時間差を伝搬時間差ΔＴ_２（往き）、伝搬経路差を伝搬経路差ΔＺ_２とする。後述するように、パルス波の往きと帰りとでは伝搬速度が異なるので、ΔＴ_２はΔＴ_２（往き）とΔＴ_２(帰り)を区別しなければならない。ここで、図７は、経路Ｐ_２の伝搬経路差ΔＺ_２の近傍の座標を、式（１２）とパルス波の先頭位置ｚ_ｓとの交点を原点とするローカル座標に変換した図である。このローカル座標に変換することで、反射体Ｔｇの位置ｚ_Ｑは、式（１２）から式（１６）に変換することができる。また、同様に、パルス波の後端位置ｚ_eは、式（１３）から式（１７）に変換することができる。

パルス波の後端位置ｚ_eが反射体Ｔｇで反射した際のパルス時間幅Ｔｘを算出するために、反射体の位置ｚ_Ｑとパルス波の後端位置ｚ_eと等しいとすると、パルス時間幅Ｔｘを次式で表せる。

式（１８）に式（１４）及び式（１５）を代入すると、パルス時間幅Ｔｘは次式で表せる。

次に、帰りの伝搬路、すなわちパルス波の先頭位置ｚ_ｓの伝搬経路である経路Ｐ_３とパルス波の後端位置ｚ_eの伝搬経路である経路Ｐ_４とで発生するパルス波形の時間幅の伸縮を求める。
図６に示すように、帰りの共通伝搬経路上のある位置ｚの帰りのパルス時間幅（パルス波形先頭の観測時刻とパルス波形後端の観測時刻の差）をパルス時間幅Ｔｒｒとする。ここで、図８は、経路Ｐ_４の伝搬経路差ΔＺ_２の近傍の座標を、式（１２）とパルス波の先頭位置ｚ_ｓとの交点を原点としてローカル座標に変換した図である。

ここで、帰りの伝搬経路において、音速ｃ（ｚ）はスカラーであるが、流速ｕ（ｚ）は向きをもったベクトルである。すなわち、帰りのパルス波の伝搬速度はｃ（ｚ）−ｕ（ｚ）となる。図８に示すように、反射体Ｔｇの位置ｚ_Ｑとパルス波の後端位置ｚ_eは、（Ｔｘ、ΔＺ_２）で交叉している。このとき、パルス波の後端位置ｚ_eとｔ軸との交点（Ｔｒｒ、０）を求める。経路Ｐ_４は次式で与えられる。

パルス波の後端位置ｚ_e＝０として、式（２０）をｔについて解くと、パルス時間幅Ｔｒｒが次式のように求まる。

これより、伝搬経路差ΔＴ２（帰り）は、パルス時間幅Ｔｒｒからパルス時間幅Ｔｘを減算することで求められるので、式（２１）を用いて次式で与えられる。

次に、受波点の近傍における異なる伝搬経路によって発生する時間の伸縮を求める。図９は、経路Ｐ_３の伝搬経路差ΔＺ_３の近傍（受波点近傍）の座標をローカル座標に変換した図である。音源Ｓの位置ｚ_Ｐとパルス波の先頭位置ｚ_ｓとの交点を求める。図９に示すように、伝搬時間差ΔＴ_３は、次式で与えられる。ここにＴｙは、パルス波が音源Ｓに再び戻って来たときの受信パルス時間幅である。なお、音源Ｓの位置ｚ_Ｐは、ｔ軸とパルス時間幅Ｔｒｒで交叉している。

また、音源Ｓの位置ｚ_Ｐ及びパルス波の先頭位置ｚ_ｓは、次式で与えられる。

式（２４）と式（２５）とが等しいとして、ｔについて解くと、伝搬時間差ΔＴ_３が次式で与えられる。

式（２３）に式（２１）及び式（２６）を代入すると、パルス波を受信した際のパルス時間幅Ｔｙが次式のように求まる。

このように、パルス波の先頭と後端が伝搬する場合、異なる伝搬経路によって発生する伝搬時間の差が送信時と受信時とのパルス波形時間幅の変化をもたらす。そして、このパルス波形時間幅の変化がドップラーシフト（周波数変化）を発生させる。なお、上述したように、音源Ｓと反射体Ｔｇの相対速度が遠ざかる場合（ｖ_ｓ＜ｖ_ｔ）についてパルス時間幅Ｔｙを算出したが、音源Ｓと反射体Ｔｇの相対速度が近づく場合（ｖ_ｓ＞ｖ_ｔ）についてパルス時間幅Ｔｙを同様に求めることができる。導出の過程に現れる計算式は、音源Ｓと反射体Ｔｇの相対速度が遠ざかる場合（ｖ_ｓ＜ｖ_ｔ）と同じなので省略する。したがって、その結果も遠ざかる場合の式（２７）と同一になる。ただし、この場合（ｖ_ｓ＞ｖ_ｔ）は、パルス幅は減少する（縮む）ことになる。すなわち、周波数は上がる方向にシフトする。図１０にｔ−ｚ座標系にて音源Ｓが反射体Ｔｇに近づく場合のドップラーシフトを幾何学的に示す。

また、式（２７）を他の方法で導出することも可能である。パルス波の先頭位置ｚ_ｓの経路Ｐ_１、経路Ｐ_３とパルス波の後端位置ｚ_ｅの経路Ｐ_２、経路Ｐ_４において、共通の伝搬路と異なる伝搬路を分離して表すと、経路Ｐ_１及び経路Ｐ_３の所要伝搬時間は、次式のように表すことができる。

また、経路Ｐ_２、経路Ｐ_４の所要伝搬時間は次式のように表すことができる。

式（２８）及び式（２９）からパルス時間幅Ｔｙは、次式で表すことができる。

式（３０）に式（１９）と式（２２）と式（２６）とを代入し整理すると、上述した式（２７）を導出することができる。

次に、式（２７）を用いて、ドップラーシフトｆ_ｄすなわち、式（１）を導出する。
反射体Ｔｇが浮遊物反射体８であった場合、反射体Ｔｇの移動速度ｖ_ｔが流速ｕ（Ｑ）に等しい（ｖｔ=ｕ（Ｑ））ため、式（２７）は次式で表せる。

ここで、送信の周波数をｆｘ、反射波（受信）の周波数をｆｙとすると、周波数は時間の逆数であるので、次式の関係が得られる。

ここで、Ａ、Ｂ及びＣは、次式で示す式とした。

ｃ（Ｐ）及びｃ（Ｑ）、すなわち海中の音速は１５００ｍ／ｓ程度である。一方、ｖ_ｓ、ｖ_ｔ、ｕ（Ｐ）、ｕ（Ｑ）は、１０ｍ／ｓ程度である。よって、（ｃ（Ｐ）、ｃ（Ｑ））≫（ｖ_ｓ、ｖ_ｔ、ｕ（Ｐ）、ｕ（Ｑ））と仮定することができる。よって、例えば、テーラー展開を使って式（３２）を近似する。まず、Ａ、Ｂ及びＣを近似すると、以下に示す式で表される。

式（３４）を式（３２）に代入すると、式（３２）は、以下に示す式で表される。

よって、ドップラー周波数ｆ_ｄは、次式で表せる。

なお、音源Ｓのパルス波（超音波）が俯角θで出力される場合、ドップラーシフトが生じるθ方向の速度成分を考えればよい。つまり、式（３６）において、ｖ_ｓをｖ_ｓ×ｃｏｓθ、及びｖ_ｔをｖ_ｔ×ｃｏｓθとすればよい。これにより、式（１）を導出することができる。

上述したように、式（３６）には流速ｕ（Ｐ）、ｕ（Ｑ）が現れない。すなわち、流速ｕ（Ｐ）、ｕ（Ｑ）、はドップラーシフトの発生に影響しない。したがって、船底に引っぱられて船と同じ方向に流れる伴流は、ドップラーシフトの発生には影響しない。
また、式（３６）に示すとおり、ｖ_ｓとｃ（Ｐ）、ｖ_ｔとｃ（Ｑ）はセットになって変化することが分かる。したがって、例えば音源Ｓの移動速度ｖ_ｓが０ならば、音源Ｓの周囲の音速ｃ（Ｐ）は式（３６）中から除外される。同様に、反射体の移動速度ｖ_ｔが０の時は、ｃ（Ｑ）が除外され反射体表面の音速は計測出来ないことになる。また、音源Ｓの周囲の音速ｃ（Ｐ）は、音源Ｓの周囲の水の音速である。

上述したように、本実施形態によれば、超音波のドップラーシフトを利用し、対象物で発生する反射波の周波数シフトから、式（１）を用いて反射点における水温を計測することができる。これにより、広範囲の水中の温度分布を短時間のうちに測定することができる。
また、本実施形態の水温計を、航行する船舶にドップラーソナーの付加機能として搭載した場合、航行中である船舶の位置情報と水温データとを集約処理することで、世界規模の水温データ計測システムを構築することができる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

上述した実施形態において、水温計が船舶９内に設けられた場合について説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、水温計を曳航体に装備してもよい。これにより、船舶９の動揺の影響を防ぐことができる。

また、上述した実施形態において、感温素子７により測定したモールド材の温度を測定し、その測定した温度から音源Ｓの周囲の水の音速ｃ（Ｐ）を算出したが、これに限定されない。すなわち、モールド材と水（例えば海水）の温度係数が異なる場合には、モールド材の外、すなわち音源Ｓの周囲の水の温度を測定し、その周囲の水の温度から音源Ｓの周囲の水の音速ｃ（Ｐ）を算出する。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態については、温度測定装置が水温計である場合について説明したが、体温計に対しても第１の実施形態の内容をそのまま用いることができる。以下、第２の実施形態として、温度測定装置である体温計について図を用いて説明する。図１１は、本実施形態における体温計の構成を概念的に示した図である。なお、図１１において、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。以下、構成及び動作が第１の実施形態と異なる点を説明する。

体温計１ａは、人体の表面（皮膚）に接触させることで、体内の温度を測定する。
図１１に示すように、本実施形態における体温計１ａは、相関値検出用送受波器２ａ、相関値検出用受波器３ａ、ドップラー周波数送受波部４ａ及び制御部５を有する。

相関値検出用送受波器２ａは、人体の表面（皮膚）に接触するように設けられている。相関値検出用送受波器２ａは、制御部５に接続されている。相関値検出用送受波器２ａは、真下方向に超音波Ａを送信する。送信した超音波Ａは、体内の反射体８ａで反射する。相関値検出用送受波器２ａは、反射体８ａにより反射した超音波Ａのエコー信号を受信する。相関値検出用送受波器２ａは、超音波Ａのエコー信号を受信すると、受信信号ｓｂ１を生成し、受信信号ｓｂ１を制御部５に出力する。反射体８ａは、体内の流体の流れ成分であり、例えば、人体の表面（皮膚）と平行に流れる血管内の血液である。

相関値検出用受波器３ａは、人体の表面に接触するように設けられている。また、相関値検出用受波器３ａは、相関値検出用送受波器２ａから前後方向に一定距離ｓを離した位置に設けられている。前後方向とは、体温計１ａが人体の表面に接触する接触面の法線ベクトルに対して垂直な方向である。
相関値検出用受波器３ａは、反射体８ａより反射した超音波Ａのエコー信号を受信する。相関値検出用受波器３ａは、超音波Ａのエコー信号を受信すると、受信信号ｓｂ２を生成し、受信信号ｓｂ２を制御部５に出力する。

ドップラー周波数送受波部４ａは、人体の表面に接触するように設けられている。ドップラー周波数送受波部４ａは、ドップラー周波数検出用送受波器６を有する。ドップラー周波数検出用送受波器６は、自装置の外殻ケースの内部に圧電素子（振動子）を収容しており、その圧電素子を振動させることで、超音波を送信している。また、ドップラー周波数検出用送受波器６は、超音波により圧電素子が振動することで発生する電圧を取得することで、超音波を受信する。また、ドップラー周波数検出用送受波器６は、制御部５に接続されている。

ドップラー周波数検出用送受波器６は、俯角θで周波数ｆ１の超音波Ｂを送波するとともに、反射体８で反射した超音波Ｂのエコー信号を検出する。ドップラー周波数検出用送受波器６は、周波数ｆ１を示す信号を制御部５に出力する。また、ドップラー周波数検出用送受波器６は、超音波Ｂのエコー信号を受信すると、受信信号ｓｂ３を生成し、受信信号ｓｂ３を制御部５に出力する。

なお、相関値検出用送受波器２ａ、相関値検出用受波器３ａ及びドップラー周波数送受波部４ａは、人体との音響接触性を良くするために、人体との間に音響カップリング剤を配してもよい。音響カップリング剤としては、水もしくは超音波ゲル等を使用できる。

制御部５は、体温計１ａの速度ｖ’_s及び反射体８の速度ｖ’_ｔ（血流）を算出する。ただし、通常、体温計１ａは、停止している人体に接触させて使用されるため、速度ｖ’_sは０（ゼロ）である。
また、制御部５は、受信信号ｓｂ１及び受信信号ｓｂ２に基づいて、体温計１ａと反射体８ａとの相対速度ｖ’_ｔｄを算出する。そして、制御部５は、算出した相対速度ｖ’_ｔｄから体温計１ａの速度ｖ’_sを差し引くことで、反射体８ａの速度ｖ’_ｔを算出する。
制御部５は、周波数ｆ１と受信信号ｓｂ３とに基づいて、超音波Ｂのドップラー周波数ｆ_ｄを算出する。そして、制御部５は、体温計１ａの速度ｖ’_sと反射体８ａの速度ｖ’_ｔとドップラー周波数ｆ_ｄとに基づいて、式（３７）より反射体８ａ周囲の音速ｃ（ｚ）を算出し、その音速ｃ（ｚ）から反射体８ａ周囲の血液の温度（以下、「体内温度」という。）Ｔ（ｚ）を取得する。ここに体内位置ｚは、体表面からの体内の深さを示す。なお、ｃ（Ｐ）は、体温計１ａが接する体表面の音速である。

なお、式（３７）は、船舶９の速度ｖ_sを反射体８ａの速度ｖ’_ｔに、浮遊物反射体８の速度ｖ_ｔを反射体８ａの速度ｖ’_ｔに、浮遊物反射体８周囲の音速ｃ（Ｑ）を反射体８ａ周囲の音速ｃ（ｚ）に置き換えただけで、実質的には、式（１）と同等の式である。したがって、式（３７）の導出は、上述した式（１）と同様であるため、説明を省略する。
ここで、上述したように、本実施形態において体温計１ａの速度ｖ’_sは、０（ゼロ）である。したがって、式（３７）を式（３８）に変形することができる。更に、反射体８ａの速度ｖ’_ｔが求まると、式（３８）を使って、式（３９）のように反射体８ａの周囲の音速ｃ（ｚ）を逆算できる。

図１２は、本実施形態における制御部５のブロック図である。なお、図１２において、図２と同様の構成には同一の符号を付してある。以下、構成及び動作が第１の実施形態と異なる点を説明する。
制御部５は、相関検出部１０、ドップラー検出部１１、演算部１２及びデータ出力部１３を有する。
相関検出部１０は、相関値検出用送受波器２ａ及び相関値検出用受波器３ａから受信信号ｓｂ１及び受信信号ｓｂ２を取得する。相関検出部１０は、受信信号ｓｂ１を受信してから受信信号ｓｂ２を受信するまで遅延時間τ’_ｂを算出することで、反射体８ａの速度ｖ’_ｔを求める。

例えば、体温計１ａの速度ｖ’_sが０であり、反射体８ａが体温計１ａと同じ方向に速度ｖ’_ｔで動いているとする。相関値検出用送受波器２ａにより体内に向けて超音波Ａ（第１の音波）を送信すると、反射体８ａ近傍の入射音場は、反射体８ａで反射し、相関値検出用送受波器２ａ及び相関値検出用受波器３ａに戻る。したがって、相関検出部１０は、相関値検出用送受波器２ａで生成された受信信号ｓｂ１と相関値検出用受波器３ａで生成された受信信号ｓｂ２との相関を取ることによって、それらの信号の遅延時間τ’_bを計測する。相関検出部１０が算出する遅延時間τ’_ｂは、式（４０）を用いて算出することができる。

相関検出部１０は、距離ｓが既知であるため、遅延時間τ’_ｂを求めることで、式（４０）の変形式である式（４１）より反射体８ａの速度ｖ’_ｔを算出することができる。なお、この計測原理において反射体８ａ周辺の音速の情報を必要としない。相関検出部１０は、取得した反射体８ａの速度ｖ’_ｔを演算部１２に出力する。

ドップラー検出部１１は、超音波Ｂ（第２の音波）の周波数ｆ１及び受信信号ｓｂ３を受信する。そして、ドップラー検出部１１は、受信した受信信号ｓｂ３から超音波Ｂのエコー信号の周波数ｆ２を算出する。ドップラー検出部１１は、周波数ｆ２−周波数ｆ１を求めることで、体表面からzの位置にある反射体８ａで反射することによる超音波Ｂのドップラー周波数ｆ_ｄを算出する。ドップラー検出部１１は、算出したドップラー周波数ｆ_ｄを演算部１２に出力する。

演算部１２は、反射体８ａの速度ｖ’_ｔ及びドップラー周波数ｆ_ｄを取得する。図１に示す俯角θは、既知であるため、演算部１２は、反射体８ａの速度ｖ’_ｔ、ドップラー周波数ｆ_ｄ、俯角θ及び超音波Ｂ（第２の音波）の周波数ｆ１を式（３９）に代入することで、体内の反射体８ａ周囲の音速ｃ（ｚ）を算出する。そして、演算部１２は、音速ｃ（ｚ）から体内位置zの体内温度Ｔ（ｚ）を算出する。例えば、演算部１２は、不図示の記憶部から体内音速テーブルを参照し、音速ｃ（ｚ）に対応した体内温度Ｔ（ｚ）を取得する。体内音速テーブルは、体内温度Ｔ（ｚ）と音速ｃ（ｚ）との関係を別途実測したテーブルである。一般に血流等の高い含水率の生体組織では、その音速と温度との依存関係は、海水と殆ど同じと考えられる。
データ出力部１３は、求めた体内温度Ｔ（ｚ）を不図示の表示部にデジタル出力する。
また、体内における計測点位置（体内位置）は、通常の超音波診断装置の映像を用いることで特定できる。

次に、本実施形態の体温計１ａの動作について図を用いて説明する。図１３は、本実施形態の体温計の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ２０１において、相関値検出用送受波器２ａは、体表面から真下方向に超音波Ａを送信する。また、ドップラー周波数検出用送受波器６は、俯角θで周波数ｆ１の超音波Ｂを送信する。

ステップＳ２０２において、相関値検出用送受波器２ａは、反射体８ａにより反射した超音波Ａのエコー信号を受信すると、受信信号ｓｂ１を生成し、受信信号ｓｂ１を相関検出部１０に出力する。同様に相関値検出用受波器３ａは、反射体８ａにより反射した超音波Ａのエコー信号を受信する。相関値検出用受波器３ａは、超音波Ａのエコー信号を受信すると、受信信号ｓｂ２を生成し、受信信号ｓｂ２を相関検出部１０に出力する。また、ドップラー周波数検出用送受波器６は、反射体８ａで反射した超音波Ｂのエコー信号を検出する。ドップラー周波数検出用送受波器６は、超音波Ｂの送信周波数ｆ１をドップラー検出部１１に出力する。ドップラー周波数検出用送受波器６は、反射体８ａにより反射した超音波Ｂのエコー信号を受信すると、受信信号ｓｂ３を生成し、受信信号ｓｂ３をドップラー検出部１１に出力する。

ステップＳ２０３において、相関検出部１０は、受信信号ｓｂ１を受信してから受信信号ｓｂ２を受信するまでの遅延時間τ’_ｂを算出する。相関検出部１０は、遅延時間τ’_ｂを式（４１）に代入することで反射体８ａの速度ｖ’_ｔを算出し、算出した反射体８ａの速度ｖ’_ｔを演算部１２に出力する。

ステップＳ２０４において、ドップラー検出部１１は、受信した受信信号ｓｂ３から超音波Ｂのエコー信号の周波数ｆ２を算出する。ドップラー検出部１１は、周波数ｆ２−周波数ｆ１を求めることで、超音波Ｂのドップラー周波数ｆ_ｄを算出する。ドップラー検出部１１は、算出したドップラー周波数ｆ_ｄを演算部１２に出力する。

ステップＳ２０５において、演算部１２は、反射体８ａの速度ｖ’_ｔ及びドップラー周波数ｆ_ｄを取得する。また、演算部１２は、式（３９）に反射体８ａの速度ｖ’_ｔ、ドップラー周波数ｆ_ｄ、俯角θ及び周波数ｆ１を代入することで、反射体８ａ周囲の音速ｃ（ｚ）を算出する。

ステップＳ２０６において、演算部１２は、体内音速テーブルを参照し、算出した音速ｃ（ｚ）に対応する体内温度Ｔ（ｚ）を算出する。演算部１２は、算出した体内温度Ｔ（ｚ）をデータ出力部１３に送信する。データ出力部１３は、受信した体内温度Ｔ（ｚ）を不図示の表示部にデジタル出力する。

上述したように、本実施形態によれば、超音波のドップラーシフトを利用し、対象物で発生する反射波の周波数シフトから、式（３８）を用いて反射点における体内の温度を計測することができる。これにより、体外から体内の温度計測する部位にセンサを刺入することなく、無侵襲で体内の温度を測定することができる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。また、他の応用への実施形態として、地中やコンクリートの中に埋設された配管の中を流れる液体の温度を地表またはコンクリート表面から遠隔にて計測することができる。

１ 水温計
１ａ 体温計
２、２ａ 相関値検出用送受波器
３、３ａ 相関値検出用受波器
４、４ａ ドップラー周波数送受波部
５ 制御部
６ ドップラー周波数検出用送受波器
７ 感温素子
８ 浮遊物反射体
８ａ 反射体
９ 船舶
１０ 相関検出部
１１ ドップラー検出部
１２ 演算部
１３ データ出力部

Claims (4)

1. 水底に向けて第１の音波を送信する送波器と、
   前記第１の音波が異なる水深に位置している反射体によって反射された反射波を受信する第１の受波器と、
   前記第１の音波が異なる水深に位置している前記反射体によって反射された反射波を受信し、前記第１の受波器と異なる位置に配置された第２の受波器と、
   ９０°以内の俯角で第２の音波を送信し、前記反射体によって反射された反射波を受信する送受波器と、
   水面の温度を測定する感温素子と、
   前記第１の受波器及び第２の受波器の各受信信号に基づいて、自装置に対する前記反射体の相対速度を算出する相関検出部と、
   前記第２の音波と前記第２の音波の反射波との周波数差からなるドップラー周波数を算出するドップラー検出部と、
   前記水面の温度を測定するに基づいて前記水面の音速を算出し、算出した前記水面の音速と前記相対速度と前記ドップラー周波数とに基づいて、前記反射体の表面の水温を算出する演算部と
   を有する温度測定装置。
2. 前記演算部は、以下に示す式により前記反射体の表面の音速を算出し、音速と水温とを表す式によって、算出した前記音速から前記反射体の表面の水温を算出する請求項１に記載の温度測定装置。
   

   
3. 体内に第１の音波を入射させ、前記体内の血管内を移動する前記反射体から反射された反射波を検出して前記反射体の速度を算出する相関検出部と、
   ９０°以内の俯角で第２の音波を送信し、前記反射体によって反射された反射波を受信する送受波器と、
   前記第２の音波と前記第２の音波の反射波との周波数差からなるドップラー周波数を算出するドップラー検出部と、
   前記反射体の速度と前記ドップラー周波数とに基づいて、前記反射体の温度を算出する演算部と
   を有する温度測定装置。
4. 前記演算部は、以下に示す式により前記反射体の表面の音速を算出し、前記算出した前記反射体の表面の音速に基づいて、音速と前記体内の温度とを関連付けたテーブルから前記反射体の表面の温度を算出する請求項３に記載の温度測定装置。
   

   

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