JP2016114359A - 電波式流速計 - Google Patents

Abstract

【課題】厳しい気象条件であったとしても、観測地点における流向及び流速を容易に計測する。【解決手段】水面上の観測地点に送信波を放射して反射波を受信することにより第１の流速ベクトルを計測結果として取得する第１の計測手段と、第１の計測手段とは異なる場所に設けられ、観測地点に送信波を放射して反射波を受信することにより第２の流速ベクトルを計測結果として取得する第２の計測手段と、第１の流速ベクトルと第２の流速ベクトルとのベクトル合成に基づいて観測地点における流速ベクトルを演算する演算手段とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、電波式流速計に関する。

従来、河川等の流速を計測するためには、浮子を水中に沈めて超音波式や電磁式等の計測装置によって計測することが行われている。この流速の計測では、河川等における所定の計測地点の水上に浮子を投入して流下させ、当該浮子の移動速度を計測地点の流速として計測する。例えば、下記特許文献１には、このような浮子を用いた流速計測技術が開示されている。

特開２００９−１９２３１８号公報

しかしながら、上記従来技術では、厳しい気象条件では河川において浮子が激しく流され、浮子の位置が不安定となるため、厳しい気象条件で流向及び流速を容易に計測することができないという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、厳しい気象条件であったとしても、観測地点における流向及び流速を容易に計測する、ことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、水面上の観測地点に送信波を放射して反射波を受信することにより第１の流速ベクトルを計測結果として取得する第１の計測手段と、第１の計測手段とは異なる場所に設けられ、観測地点に送信波を放射して反射波を受信することにより第２の流速ベクトルを計測結果として取得する第２の計測手段と、第１の流速ベクトルと第２の流速ベクトルとのベクトル合成に基づいて観測地点における流速ベクトルを演算する演算手段とを具備する、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、第１の計測手段及び第２の計測手段は、送信波の放射方向を可変する方向可変部をそれぞれ備え、複数の観測地点に送信波を放射して第１の流速ベクトル及び第２の流速ベクトルを取得し、演算手段は、複数の観測地点に関する第１の流速ベクトル及び第２の流速ベクトルに基づいて複数の観測地点に関する流速ベクトルを演算する、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、第１の計測手段及び第２の計測手段は、主従関係を有しており、主となる計測手段は、演算手段を備えると共に、従となる計測手段に送信波の放射方向を指示する制御指令を出力し、従となる計測手段は、主となる計測手段に測定結果を出力する、という手段を採用する。

本発明によれば、第１の計測手段が送信波に基づいて取得した第１の流速ベクトルと、第２の計測手段が送信波に基づいて取得した第２の流速ベクトルとのベクトル合成に基づいて観測地点における流速ベクトルを演算するので、厳しい気象条件であったとしても、観測地点における流速ベクトル（つまり流速及び流向）を容易に計測することができる。

本発明の実施形態に係る電波式流速計Ａの設置状況を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る電波式流速計Ａのマスター装置Ａ１の機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る電波式流速計Ａのスレーブ装置Ａ２の機能ブロック図である。 本発明の実施形態における変調信号、送信信号、反射信号及びビート信号を模式的に示すタイミングチャートである。 本発明の実施形態における角度ＥＬ１、角度ＥＬ２、角度φ１、角度φ２、流向θ及び流速Ｖを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る電波式流速計Ａの動作を示すフローチャートである。

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。
本実施形態に係る電波式流速計Ａは、多周波ＣＷ方式に基づいて送信波を河川等の観測地点Ｇに向けて放射し、その送信波の反射波に基づいて観測地点Ｇの流向及び流速を計測する。

電波式流速計Ａは、図１に示すように、無線あるいは有線で通信可能に接続されたマスター装置Ａ１及びスレーブ装置Ａ２を備える。電波式流速計Ａでは、マスター装置Ａ１及びスレーブ装置Ａ２の両方が同一の観測地点Ｇに向けて送信波を放射し、反射波を受信する。上記マスター装置Ａ１は、スレーブ装置Ａ２から計測結果（第２の流速ベクトル）を受け取り、当該計測結果（第２の流速ベクトル）と自身の計測結果（第１の流速ベクトル）とに基づいて観測地点Ｇの流速ベクトル（流速及び流向）を演算する。なお、マスター装置Ａ１は、本実施形態における第１の計測手段かつ主となる計測手段であり、スレーブ装置Ａ２は、本実施形態における第２の計測手段かつ従となる計測手段である。

また、マスター装置Ａ１及びスレーブ装置Ａ２は、河川近傍の異なる場所に設置される。例えば、マスター装置Ａ１は、図１に示すように、観測地点Ｇが存在する河川の土手に設置される。また、スレーブ装置Ａ２は、河川に架かる橋の欄干に設置される。すなわち、マスター装置Ａ１は、観測地点Ｇが存在する河川の水面より土手の高さ分だけ高い位置に設置される。また、スレーブ装置Ａ２は、観測地点Ｇが存在する河川の水面より橋の高さに土手の高さを加えた高さ分だけ高い位置に設置される。

マスター装置Ａ１は、図１及び図２に示すように、アンテナ１、サーキュレータ２、デバイダ３、第１アンプ４、発振器５、チューニング電圧部６、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９、ＡＤコンバータ１０、雲台１１、角度センサ１２、通信部１３、演算制御部１４及び筐体１５から構成されている。なお、雲台１１は、本実施形態における方向可変部である。また、演算制御部１４は、本実施形態における演算手段である。

アンテナ１は、例えばパラボラアンテナであり、方形状をした筐体１５の側面（前面）に固定されている。アンテナ１は、サーキュレータ２から入力される所定周波数の送信信号に基づいて送信波を観測地点Ｇに放射する一方、該送信波の反射波を受信し、反射信号としてサーキュレータ２に出力する。

ここで、送信信号がアンテナ１に給電されることによって発生する送信波は、送信信号と同様に所定周波数を有する電波である。この送信波が観測地点Ｇで反射して発生する上記反射波は、観測地点Ｇにおける水面の流速に応じて送信波の周波数がドップラーシフト（周波数偏移）した信号である。また、この反射波は、上記流速以外の水面の状態や伝搬経路（アンテナ１と観測地点Ｇとの間の空間）の状態に応じて送信波に各種のノイズ成分が重畳した電波である。

サーキュレータ２は、デバイダ３から入力される送信信号をアンテナ１に出力し、アンテナ１から入力される上記反射信号をミキサ７に出力する方向性結合器である。デバイダ３は、第１アンプ４から入力される送信信号をサーキュレータ２とミキサ７とに分配する分配器である。第１アンプ４は、発振器５から入力される送信信号を所定の増幅度で増幅し、デバイダ３に出力する増幅器である。

発振器５は、チューニング電圧部６から入力される制御電圧に基づいて送信信号を生成する電圧制御型発振器である。すなわち、発振器５は、チューニング電圧部６から入力される制御電圧を変調信号として受け付け、当該制御電圧（変調信号）に基づいて周波数変調された周波数変調信号を送信信号として発生する。

本実施形態における制御電圧（変調信号）は、図４に示すように、一定周期で繰り返す３段の階段状信号である。また、このような変調信号に基づいて生成される送信信号は、図４に示すように、異なる３つの周波（第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３）の正弦波信号が所定の順番かつ所定の周期で時系列的に並ぶ周波数変調信号（ＦＭ変調信号）である。発振器５は、このような送信信号を第１アンプに出力する。

チューニング電圧部６は、演算制御部１４による制御に基づいて上記制御電圧（変調信号）を発生して発振器５に出力する。ミキサ７は、サーキュレータ２から入力される反射信号と、デバイダ３から入力される送信信号とをミキシング（アナログ乗算処理）する一種のアナログ乗算器である。このミキサ７は、反射信号と送信信号とを乗算することにより、反射信号の周波数と送信信号の周波数との差分周波数、つまり上記ドップラーシフト（周波数偏移）に起因するドップラー周波数の信号（ビート信号）と、反射信号の周波数と送信信号の周波数との加算周波数の信号とを主成分とするミキシング信号を生成して第２アンプ８に出力する。

ここで、上記反射信号は、図４に示すように、時間軸に着目した場合に送信信号が所定時間（遅延時間）だけ遅延した信号である。また、上記遅延時間は、送信波と反射波の伝搬距離に依存するものである。さらに、上記ビート信号は、図４に示すように、３つのビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３の信号が所定の順番かつ所定の周期で時系列的に並ぶ信号である。

第２アンプ８は、ミキサ７から入力される上記ミキシング信号を所定の増幅度で増幅する増幅器である。この第２アンプ８は、自らが増幅したミキシング信号をノイズフィルタ９に出力する。ノイズフィルタ９は、第２アンプ８から入力されたミキシング信号から上記ビート信号のみを取り出すアナログフィルタである。このノイズフィルタ９は、上記ビート信号をＡＤコンバータ１０に出力する。ＡＤコンバータ１０は、上記ノイズフィルタ９から入力されるビート信号をデジタル変換して演算制御部１４に出力する。

雲台１１は、筐体１５の下面に設けられており、筐体１５の向きを可変することによりアンテナ１の方向を可変する装置（方向可変部）である。すなわち、この雲台１１は、河川の土手と筐体１５との間に備えられており、筐体１５を方向設定自在に支持する。また、この雲台１１は、例えばモータ等の駆動装置を備えたものであり、演算制御部１４から入力される制御指令に基づいて筐体１５の向き（アンテナ１の方向）を設定する。

角度センサ１２は、上記雲台１１に設けられており、筐体１５の向き（アンテナ１の方向）を検出し、当該方向を示す角度検出信号を演算制御部１４に出力する。すなわち、この角度センサ１２は、水平面内におけるアンテナ１の方向（水平角）と垂直面内におけるアンテナ１の方向（仰角）とを検出し、これら水平角及び仰角を角度検出信号として演算制御部１４に出力する。通信部１３は、演算制御部１４による制御に基づいて、スレーブ装置Ａ２と無線通信あるいは有線通信を行う通信装置である。

演算制御部１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されている。この演算制御部１４は、上記ＲＯＭに記憶された演算制御プログラムに基づいて雲台１１の動作を制御すると共に、上記演算制御プログラム及びＡＤコンバータ１０から入力されるビート信号（デジタル信号）に基づいて計測結果（第１の流速ベクトル）を演算し、当該計測結果（第１の流速ベクトル）と、通信部１３がスレーブ装置Ａ２から受信した計測結果（第２の流速ベクトル）とに基づいて観測地点Ｇにおける流速ベクトル（流向及び流速）を演算する。また、演算制御部１４は、スレーブ装置Ａ２に雲台３１を制御させるための制御指令を通信部１３に送信させる。

筐体１５は、樹脂あるいは金属等からなる方形状の容器である。この筐体１５は、上記サーキュレータ２、デバイダ３、第１アンプ４、発振器５、チューニング電圧部６、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９、ＡＤコンバータ１０及び演算制御部１４を収容する。また、筐体１５は、上述したように側面（前面）にアンテナ１が固定され、また雲台１１を介して土手に支持されている。

一方、スレーブ装置Ａ２は、図１及び図３に示すように、アンテナ２１、サーキュレータ２２、デバイダ２３、第１アンプ２４、発振器２５、チューニング電圧部２６、ミキサ２７、第２アンプ２８、ノイズフィルタ２９、ＡＤコンバータ３０、雲台３１、角度センサ３２、通信部３３及び演算制御部３４及び筐体３５から構成されている。なお、雲台３１は、本実施形態における方向可変部である。

なお、スレーブ装置Ａ２の上記アンテナ２１、サーキュレータ２２、デバイダ２３、第１アンプ２４、発振器２５、チューニング電圧部２６、ミキサ２７、第２アンプ２８、ノイズフィルタ２９、ＡＤコンバータ３０、雲台３１、角度センサ３２及び筐体３５については、マスター装置Ａ１と同様の構成であるため、説明を省略する。

通信部３３は、演算制御部３４による制御に基づいてマスター装置Ａ１の通信部１３と無線通信あるいは有線通信を行う通信装置である。演算制御部３４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されている。この演算制御部３４は、ＡＤコンバータ２０から入力されるビート信号（デジタル信号）に基づいて計測結果（第２の流速ベクトル）を演算し、当該計測結果（第２の流速ベクトル）を通信部３３に送信させる。また、演算制御部３４は、通信部３３がマスター装置Ａ１から受信する制御指令に基づいて雲台３１の動作を制御する。

次に、このように構成された電波式流速計Ａの動作について図４、図５及び図６を参照して説明する。

なお、図５（ａ）において、Ｙ軸は、水平面内における河川の流路に沿って設けられる基準線Ｂに沿っている。また、Ｘ軸は、水平面内におけるＹ軸に直交している。また、図５（ｂ）に示すＺ軸は、上記水平面に対して直交している。

また、上記基準線Ｂは、上述したように、河川の流路に沿って設けれ、後述する動作においてマスター装置Ａ１のアンテナ１及びスレーブ装置Ａ２のアンテナ２１の水平角等の基準である。マスター装置Ａ１の演算制御部１４と、スレーブ装置Ａ２の演算制御部３４とは、予め上記基準線Ｂを座標情報として記憶する。

電波式流速計Ａでは、マスター装置Ａ１において、演算制御部１４が演算制御プログラムと、角度センサ１２から入力される角度検出信号とに基づいて雲台１１を制御することで、アンテナ１の方向を所望の方向、つまり、アンテナ１の水平角及び仰角を所望の角度に設定する。

例えば、演算制御部１４は、予め規定された河川上の複数の観測地点Ｇを計測できるように、基づいて雲台１１を制御する。すなわち、雲台１１は、演算制御部１４から入力される制御指令に基づいて動作することにより、送信波が各観測地点Ｇに所定の順番で順次放射されるようにアンテナ１の方向を順次設定する。なお、図５に示す黒丸で示す観測地点Ｇは現在の観測地点であり、白丸で示す地点は今後あるいは過去の観測地点である。

また、演算制御部１４は、スレーブ装置Ａ２がマスター装置Ａ１と同一の観測地点Ｇに送信波を放射するようにスレーブ装置Ａ２の向きを設定させる制御指令を通信部１３に送信させる。そして、演算制御部１４は、各々の観測地点Ｇにおけるビート信号を取り込む。

すなわち、演算制御部１４は、チューニング電圧部６を作動させることによりアンテナ１から３つの周波数（第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３）の正弦波が時系列的に並ぶ送信波を観測地点Ｇに向けて放射させ、当該送信波の観測地点Ｇにおける反射波をアンテナ１で受信させる。

この反射波は、送信波の第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３が水の流速に応じてドップラーシフトすることにより、周波数Ｆ１±ｆｄ１、Ｆ２±ｆｄ２、Ｆ３±ｆｄ３を有する電波となる。なお、川の上流に向けて送信波を放射した場合には、周波数Ｆ１±ｆｄ１、Ｆ２±ｆｄ２、Ｆ３±ｆｄ３における「±」がプラス（＋）となり、川の下流に向けて送信波を放射した場合には、周波数Ｆ１±ｆｄ１、Ｆ２±ｆｄ２、Ｆ３±ｆｄ３における「±」がマイナス（−）となる。

そして、この反射波に基づく反射信号がアンテナ１からサーキュレータ２、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９で処理されることによりビート信号が取り出され、ＡＤコンバータ１０においてデジタル信号に変換される（ステップＳ１）。このビート信号は、送信信号（送信波）の周波数と反射信号（反射波）の周波数との差分周波数、つまり、図４に示すようにビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３が時系列的に並んだ信号である。なお、ビート周波数ｆｄ１は、第１周波数Ｆ１のドップラー周波数である。また、ビート周波数ｆｄ２は第２周波数Ｆ２のドップラー周波数である。また、ビート周波数ｆｄ３は第３周波数Ｆ３のドップラー周波数である。

演算制御部１４は、ＡＤコンバータ１０からビート信号のデジタル信号が入力されると、当該ビート信号を３つのビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３に対応する部位（データ部位）毎に分離する。そして、演算制御部１４は、分離した３つのビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３に対応する部位（データ部位）毎にフーリエ変換処理を施すことにより、各データ部位に含まれる複数の周波数成分の強度を求める。

すなわち、各データ部位に含まれる３つのビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３は各々に純粋に１つの周波数ではなく、所定の周波数幅を有する周波数帯域を有する。３つのビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３が周波数帯域となる理由は、アンテナ１から放射される送信波が観測地点Ｇの川面の広がりを持った領域（照射領域）に照射され、この広がりを持った照射領域で反射した反射波がアンテナ１で捉えられるからである。

演算制御部１４は、フーリエ変換処理によって各データ部位に含まれる複数の周波数成分の強度を求めると、データ部位毎に、最も強度の強い周波数成分である周波数ｆｍ１、ｆｍ２、ｆｍ３を特定する（ステップＳ２）。なお、周波数ｆｍ１は、ビート周波数ｆｄ１に対応するデータ部位に含まれる周波数成分である。また、周波数ｆｍ２は、ビート周波数ｆｄ２に対応するデータ部位に含まれる周波数成分である。また、周波数ｆｍ３は、ビート周波数ｆｄ３に対応するデータ部位に含まれる周波数成分である。

続いて、演算制御部１４は、上記ステップＳ２の処理において得られた周波数ｆｍ１、ｆｍ２、ｆｍ３のうちのいずれか１つ及び角度ＥＬ１を下記式（１）に代入して第１の流速Ｖ１を算出する（ステップＳ３）。
Ｖ１＝（Ｆｄ×ｃ）/｛２×Ｆ×ｃｏｓ（ＥＬ１）｝ （１）

上記角度ＥＬ１は、図５（ｂ）に示すように、マスター装置Ａ１による河川の水面への送信波のＺ軸方向に対する角度である。なお、演算制御部１４は、角度センサ１２から入力される角度検出信号に基づいて上記角度ＥＬ１を求めるようにしてもよい。また、観測地点Ｇによって上記角度ＥＬ１が決まるため、演算制御部１４は、予め観測地点Ｇに応じた角度ＥＬ１を記憶し、現在の観測地点Ｇに応じて角度ＥＬ１を求めるようにしてもよい。

また、上記Ｆｄは、周波数ｆｍ１、ｆｍ２、ｆｍ３のいずれか１つである。例えば、周波数Ｆｄとして、周波数ｆｍ１、ｆｍ２、ｆｍ３のうち、最も信号強度の強いものを使用する。また、上記Ｆは、送信周波数である。送信周波数とは、上述した第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３である。送信周波数Ｆには、上記周波数Ｆｄに代入されたものに対応する第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３のいずれか１つが代入される。

演算制御部１４は、上記式（１）によって、図５（ｂ）に示すように、流速に関するベクトルＶ１ａのＸ-Ｙ平面（水平面）内における流速成分である第１の流速Ｖ１を得ることができる。なお、この第１の流速Ｖ１は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｘ-Ｙ平面（水平面）内におけるマスター装置Ａ１と観測地点Ｇとの対峙方向に関する流速である。当該対峙方向と上記第１の流速Ｖ１とは、第１の流速ベクトルを規定する。

一方、スレーブ装置Ａ２において、演算制御部３４は、マスター装置Ａ１から制御指令を通信部３３が受信すると、該制御指令に基づいて雲台３１を制御して、送信波がマスター装置Ａ１と同一の観測地点Ｇに放射されるようにアンテナ２１の方向を所望の方向に設定する。つまり、演算制御部３４は、演算制御プログラムと、角度センサ３２から入力される角度検出信号とに基づいて、筐体３５の水平角及び仰角が所望の角度となるように、雲台３１を制御する。そして、演算制御部３４は、各々の観測地点Ｇにおけるビート信号を取り込む。

すなわち、演算制御部３４は、チューニング電圧部２６を作動させることによりアンテナ２１から３つの周波数（第４周波数Ｆ４、第５周波数Ｆ５及び第６周波数Ｆ６）の正弦波が時系列的に並ぶ送信波を観測地点Ｇに向けて放射させ、当該送信波の観測地点Ｇにおける反射波をアンテナ２１で受信させる。

この反射波は、送信波の第４周波数Ｆ４、第５周波数Ｆ５及び第６周波数Ｆ６が水の流速に応じてドップラーシフトすることにより、周波数Ｆ４±ｆｄ４、Ｆ５±ｆｄ５、Ｆ６±ｆｄ６を有する電波となる。なお、川の上流に向けて送信波を放射した場合には、周波数Ｆ４±ｆｄ４、Ｆ５±ｆｄ５、Ｆ６±ｆｄ６における「±」がプラス（＋）となり、川の下流に向けて送信波を放射した場合には、周波数Ｆ４±ｆｄ４、Ｆ５±ｆｄ５、Ｆ６±ｆｄ６における「±」がマイナス（−）となる。

そして、この反射波に基づく反射信号がアンテナ２１からサーキュレータ２２、ミキサ２７、第２アンプ２８、ノイズフィルタ２９で処理されることによりビート信号が取り出され、ＡＤコンバータ３０においてデジタル信号に変換される（ステップＳ４）。このビート信号は、送信信号（送信波）の周波数と反射信号（反射波）の周波数との差分周波数、つまり、上述したビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３と同様、ビート周波数ｆｄ４、ｆｄ５、ｆｄ６が時系列的に並んだ信号である。なお、ビート周波数ｆｄ４は、第４周波数Ｆ４のドップラー周波数である。また、ビート周波数ｆｄ５は第５周波数Ｆ５のドップラー周波数である。また、ビート周波数ｆｄ６は第６周波数Ｆ６のドップラー周波数である。

演算制御部３４は、ＡＤコンバータ１０からビート信号のデジタル信号が入力されると、当該ビート信号を３つのビート周波数ｆｄ４、ｆｄ５、ｆｄ６に対応する部位（データ部位）毎に分離する。そして、演算制御部３４は、分離した３つのビート周波数ｆｄ４、ｆｄ５、ｆｄ６に対応する部位（データ部位）毎にフーリエ変換処理を施すことにより、各データ部位に含まれる複数の周波数成分の強度を求める。

演算制御部３４は、フーリエ変換処理によって各データ部位に含まれる複数の周波数成分の強度を求めると、データ部位毎に、最も強度の強い周波数成分である周波数ｆｍ４、ｆｍ５、ｆｍ６を特定する（ステップＳ５）。なお、周波数ｆｍ４は、ビート周波数ｆｄ４に対応するデータ部位に含まれる周波数成分である。また、周波数ｆｍ５は、ビート周波数ｆｄ５に対応するデータ部位に含まれる周波数成分である。また、周波数ｆｍ６は、ビート周波数ｆｄ６に対応するデータ部位に含まれる周波数成分である。

続いて、演算制御部３４は、上記ステップＳ５の処理において得られた周波数ｆｍ４、ｆｍ５、ｆｍ６のうちのいずれか１つ及び角度ＥＬ２を下記式（２）に代入して第２の流速Ｖ２を算出する（ステップＳ６）。
Ｖ２＝（Ｆｄ×ｃ）/｛２×Ｆ×ｃｏｓ（ＥＬ２）｝ （２）

上記角度ＥＬ２は、図５（ｂ）に示すように、スレーブ装置Ａ２による河川の水面への送信波のＺ軸方向に対する角度である。なお、演算制御部３４は、角度センサ３２から入力される角度検出信号に基づいて上記角度ＥＬ２を求めるようにしてもよい。また、観測地点Ｇによって上記角度ＥＬ２が決まるため、演算制御部３４は、予め観測地点Ｇに応じた角度ＥＬ２を記憶し、現在の観測地点Ｇに応じて角度ＥＬ２を求めるようにしてもよい。また、上記Ｆｄは、上記データ部位で最も強度の強い周波数成分、つまり、周波数ｆｍ４、ｆｍ５、ｆｍ６のいずれか１つである。

例えば、周波数Ｆｄとして、周波数ｆｍ４、ｆｍ５、ｆｍ６のうち、最も信号強度の強いものを使用する。また、上記Ｆは、送信周波数である。送信周波数とは、上述した第４周波数Ｆ４、第５周波数Ｆ５及び第６周波数Ｆ６である。送信周波数Ｆには、上記周波数Ｆｄに代入されたものに対応する第４周波数Ｆ４、第５周波数Ｆ５及び第６周波数Ｆ６のいずれか１つが代入される。

演算制御部１４は、上記式（２）によって、図５（ｂ）に示すように、流速に関するベクトルＶ２ａのＸ-Ｙ平面（水平面）内における流速成分である第２の流速Ｖ２を得ることができる。なお、この第２の流速Ｖ２は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｘ-Ｙ平面（水平面）内におけるスレーブ装置Ａ２と観測地点Ｇとの対峙方向に関する流速である。当該対峙方向と上記第２の流速Ｖ２とは、第２の流速ベクトルを規定する。
続いて、演算制御部３４は、通信部３３に上記第２の流速ベクトルをマスター装置Ａ１に向けて送信させる（ステップＳ７）。

一方、マスター装置Ａ１において、演算制御部１４は、通信部１３が上記第２の流速ベクトルを受信すると、第１の流速Ｖ１及び角度φ１と共に、第２の流速Ｖ２及び角度φ２を下記式（３）に代入して流向θを算出する（ステップＳ８）。なお、流向θは、基準線Ｂを基準とした角度である。
θ＝ｔａｎ^−１ ｛（Ｖ１×ｃｏｓφ２−Ｖ２×ｃｏｓφ１）/（Ｖ２×ｓｉｎφ１＋Ｖ１×ｓｉｎφ２）｝ （３）

上記φ１は、図５（ａ）に示すように、マスター装置Ａ１による河川の水面への送信波の基準線Ｂに対する角度である。なお、演算制御部１４は、角度センサ１２から入力される角度検出信号に基づいて上記角度φ１を求めるようにしてもよい。また、観測地点Ｇによって上記角度φ１が決まるため、演算制御部１４は、予め観測地点Ｇに応じた角度φ１を記憶し、現在の観測地点Ｇに応じて角度φ１を求めるようにしてもよい。

また、上記φ２は、図５（ａ）に示すように、スレーブ装置Ａ２による河川の水面への送信波の基準線Ｂに対する角度である。なお、観測地点Ｇによって上記角度φ２が決まるため、演算制御部１４は、予め観測地点Ｇに応じた角度φ２を記憶し、現在の観測地点Ｇに応じて角度φ２を求めるようにしてもよい。

また、スレーブ装置Ａ２は、通信部３３に上記第２の流速Ｖ２に加えて、角度φ２をマスター装置Ａ１に向けて送信させるようにしてもよい。その際、スレーブ装置Ａ２の演算制御部３４は、角度センサ３２から入力される角度検出信号に基づいて上記角度φ２を求めるようにしてもよい。また、観測地点Ｇによって上記角度φ２が決まるため、演算制御部３４は、予め観測地点Ｇに応じた上記角度φ２を記憶し、現在の観測地点Ｇに応じて上記角度φ２を求めるようにしてもよい。

続いて、演算制御部１４は、第１の流速Ｖ１及び角度φ１を下記式（４）に代入して流向θの流速Ｖを算出する（ステップＳ９）。
Ｖ＝Ｖ１/ｃｏｓ（φ１−θ） （４）
なお、演算制御部１４は、上記ステップＳ９の処理で第２の流速Ｖ２及び角度φ２を下記式（５）に代入して流向θの流速Ｖを算出してもよい。
Ｖ＝Ｖ２/ｃｏｓ（φ２＋θ） （５）
上記ステップＳ１〜ステップＳ９の処理によって、図５に示す第１の流速ベクトルと第２の流速ベクトルとを合成してなる流速ベクトル（流速Ｖ及び流向θ）を得ることができる。

そして、電波式流速計Ａは、マスター装置Ａ１の演算制御部１４による制御によって、多数の観測地点Ｇにおける流速ベクトル（流速Ｖ及び流向θ）を求め、河川における流速ベクトル（流速Ｖ及び流向θ）の分布を取得する（ステップＳ１０）。

このような本実施形態によれば、マスター装置Ａ１が取得する第１の流速ベクトルとスレーブ装置Ａ２が取得する第２の流速ベクトルとのベクトル合成によって観測地点Ｇにおける流速ベクトルを演算するので、厳しい気象条件であったとしても、観測地点Ｇにおける流速ベクトル、つまり流速Ｖ及び流向θを容易に取得することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）本実施形態では、多周波ＣＷ方式に基づいて流速ベクトル（流向θ及び流速Ｖ）を算出したが、多周波ＣＷ方式ではなく、例えば、ＦＭ−ＣＷ方式に基づいて流速ベクトル（流向θ及び流速Ｖ）を算出するようにしてもよい。また、多周波ＣＷ方式として、３つの周波数に限定されず、２つ、あるいは４つ以上の周波数を使用するようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、アンテナ１及びアンテナ２１としてパラボラアンテナを採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、アンテナ１及びアンテナ２１としてフェーズドアレイアンテナを使用するようにしてもよい。具体的には、複数のアンテナ素子を縦方向及び横方向にアレイ状に配列した２次元フェーズドアレイアンテナをアンテナ１及びアンテナ２１として使用する。

例えば、２次元フェーズドアレイアンテナをアンテナ１として使用することで、雲台１１によってアンテナ１の方向を変えなくても、上記アンテナ素子でサーキュレータ２からの送信信号の位相を変化して、限定的な範囲内ではあるが任意の観測地点Ｇに送信波を放射することができる。また、送信波の指向性についても変化させることができる。なお、上記アンテナ素子については、例えば、演算制御部１４や演算制御部３４から入力される制御指令に基づいて制御されるようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、マスター装置Ａ１と、スレーブ装置Ａ２からなるが、本発明はこれに限定されない。例えば、マスター装置は、２台のスレーブ装置に送信波を放射させ、その２台のスレーブ装置の計測結果を受け取り、該計測結果に基づいて流速ベクトル（流向θ及び流速Ｖ）を求めるようにしてもよい。また、送信波を放射するアンテナの本数については、２本に限定されず、３本以上であってもよい。

（４）上記実施形態では、スレーブ装置Ａ２からマスター装置Ａ１に、第２の流速Ｖ２や角度φ２を送信したが、本発明はこれに限定されない。例えば、スレーブ装置Ａ２は、上記ステップＳ５の処理において特定した最も強度の強い周波数成分である周波数ｆｍ４、ｆｍ５、ｆｍ６に関する情報をマスター装置Ａ１に送信し、マスター装置Ａ１は、スレーブ装置Ａ２から受信した情報に基づいて上記式（２）を実行し、第２の流速Ｖ２を求めるようにしてもよい。その際、角度ＥＬ２については、スレーブ装置Ａ２からマスター装置Ａ１に送信してもよいし、観測地点Ｇによって上記角度ＥＬ２が決まるため、マスター装置Ａ１が、予め観測地点Ｇに応じた角度ＥＬ２を記憶し、現在の観測地点Ｇに応じて角度ＥＬ２を求めるようにしてもよい。

Ａ…電波式流速計、Ａ１…マスター装置（第１の計測手段、主となる計測手段）、Ａ２…スレーブ装置（第２の計測手段、従となる計測手段）、１…アンテナ、２…サーキュレータ、３…デバイダ、４…第１アンプ、５…発振器、６…チューニング電圧部、７…ミキサ、８…第２アンプ、９…ノイズフィルタ、１０…ＡＤコンバータ、１１…雲台、１２…角度センサ、１３…通信部、１４…演算制御部（演算手段）、１５…筐体、２１…アンテナ、２２…サーキュレータ、２３…デバイダ、２４…第１アンプ、２５…発振器、２６…チューニング電圧部、２７…ミキサ、２８…第２アンプ、２９…ノイズフィルタ、３０…ＡＤコンバータ、３１…雲台、３２…角度センサ、３３…通信部、３４…演算制御部、３５…筐体、Ｇ…観測地点

Claims (3)

1. 水面上の観測地点に送信波を放射して反射波を受信することにより第１の流速ベクトルを計測結果として取得する第１の計測手段と、
   前記第１の計測手段とは異なる場所に設けられ、前記観測地点に送信波を放射して反射波を受信することにより第２の流速ベクトルを計測結果として取得する第２の計測手段と、
   前記第１の流速ベクトルと前記第２の流速ベクトルとのベクトル合成に基づいて前記観測地点における流速ベクトルを演算する演算手段と
   を具備することを特徴とする電波式流速計。
2. 前記第１の計測手段及び前記第２の計測手段は、前記送信波の放射方向を可変する方向可変部をそれぞれ備え、複数の観測地点に送信波を放射して前記第１の流速ベクトル及び前記第２の流速ベクトルを取得し、
   前記演算手段は、前記複数の観測地点に関する前記第１の流速ベクトル及び前記第２の流速ベクトルに基づいて前記複数の観測地点に関する流速ベクトルを演算することを特徴とする請求項１に記載の電波式流速計。
3. 前記第１の計測手段及び前記第２の計測手段は、主従関係を有しており、主となる計測手段は、前記演算手段を備えると共に、従となる計測手段に送信波の放射方向を指示する制御指令を出力し、
   前記従となる計測手段は、前記主となる計測手段に測定結果を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の電波式流速計。
   

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