JP2017215178A

JP2017215178A - 超音波計測装置、超音波計測プログラム及び超音波計測方法

Info

Publication number: JP2017215178A
Application number: JP2016108283A
Authority: JP
Inventors: 秀樹堀内; Hideki Horiuchi
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2036-05-31
Also published as: JP6825827B2

Abstract

【課題】本開示は、超音波計測技術を用いて水中の物標を検出するにあたり、超音波振動子の輻射面近傍に気泡が存在するときには、物標が高い精度で検出されないことをユーザが知る手段を提供することを目的とする。【解決手段】本開示は、超音波振動子の輻射面近傍の気泡の検出時には、超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標の検出時より、超音波振動子から水中への照射信号のパワーを落とすように、超音波振動子を制御する超音波振動子制御部と、超音波振動子から水中への照射信号の送信直後近傍での超音波振動子への反射信号に基づいて、超音波振動子の輻射面近傍の気泡を検出し、超音波振動子から水中への照射信号の送信直後以降での超音波振動子への反射信号に基づいて、超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標を検出する気泡／物標検出部と、を備えることを特徴とする超音波計測装置である。【選択図】図３

Description

本開示は、水中の物標を高い精度で検出する超音波計測技術に関する。

超音波計測技術を用いて、水中の物標を高い精度で検出することができる（例えば、特許文献１を参照。）。例えば、プランクトン等からの反射信号のドップラーシフトに基づいて、船舶の対水速度や潮流の速度を検出することができる。そして、魚群や海底からの反射信号の伝搬遅延時間に基づいて、魚群や深度を探知することができる。

特開２０１５−１６６６９８号公報

超音波振動子の輻射面近傍に気泡が存在するときには、超音波が気泡により大部分が遮蔽され物標にまでほとんど到達せず、物標からの反射信号の強度が低くなるため、物標が高い精度で検出されない。しかし、物標が高い精度で検出されないことを、ユーザが知る手段がない。例えば、他船又は自船による気泡の存在により、船舶の対水速度が高い精度で検出されないことを、ユーザが知る手段がないため、安全航行上や燃費測定上で課題がある。そして、他船又は自船による気泡の存在により、潮流の速度や魚群や深度が高い精度で検出されないことを、ユーザが知る手段がないため、データの信頼性の良し悪しを判断することができず、データの信頼性が低い原因も判断することができない。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、超音波計測技術を用いて水中の物標を検出するにあたり、超音波振動子の輻射面近傍に気泡が存在するときには、物標が高い精度で検出されないことをユーザが知る手段を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、超音波振動子の輻射面近傍の気泡の存在を検出することにより、物標が高い精度で検出されないことをユーザが知る手段を提供することとした。

ここで、照射信号の「送信直後近傍」の反射信号は、気泡による乱反射の影響が少ない。一方で、照射信号の「送信直後以降」の反射信号は、気泡による乱反射の影響が多い。

まず、照射信号の「送信直後以降」の反射信号に基づいて、気泡の存在を検出することを考える。照射信号のパワーが高いときには、超音波が気泡を透過する可能性が高く、気泡及び物標が重畳して検出される可能性が高いため、気泡の存在を検出することができない。照射信号のパワーが低いときには、超音波が気泡を透過する可能性が低いが、超音波の拡散又は伝搬による損失が起こるため、気泡の存在を検出することができない。

次に、照射信号の「送信直後近傍」の反射信号に基づいて、気泡の存在を検出することを考える。照射信号のパワーが高いときには、超音波振動子の振動オフ直後に超音波振動子の残留自己共振が起こり、気泡及び残留自己共振が重畳して検出される可能性が高いため、気泡の存在を検出することができない。照射信号のパワーが低いときには、超音波振動子の振動オフ直後に超音波振動子の残留自己共振が起こらず、気泡及び残留自己共振が重畳して検出される可能性が低いため、気泡の存在を検出することができる。

そこで、照射信号のパワーが低いという条件において、照射信号の「送信直後近傍」の反射信号に基づいて、気泡の存在を検出することとした。

具体的には、本開示は、超音波振動子の輻射面近傍の気泡の検出時には、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標の検出時より、前記超音波振動子から水中への照射信号のパワーを落とすように、前記超音波振動子を制御する超音波振動子制御部と、前記超音波振動子から水中への照射信号の送信直後近傍での前記超音波振動子への反射信号に基づいて、前記超音波振動子の輻射面近傍の気泡を検出し、前記超音波振動子から水中への照射信号の送信直後以降での前記超音波振動子への反射信号に基づいて、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標を検出する気泡／物標検出部と、を備えることを特徴とする超音波計測装置である。

また、本開示は、超音波振動子の輻射面近傍の気泡の検出時には、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標の検出時より、前記超音波振動子から水中への照射信号のパワーを落とすように、前記超音波振動子を制御する超音波振動子制御ステップと、前記超音波振動子から水中への照射信号の送信直後近傍での前記超音波振動子への反射信号に基づいて、前記超音波振動子の輻射面近傍の気泡を検出し、前記超音波振動子から水中への照射信号の送信直後以降での前記超音波振動子への反射信号に基づいて、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標を検出する気泡／物標検出ステップと、をコンピュータに順に実行させるための超音波計測プログラムである。

また、本開示は、超音波振動子の輻射面近傍の気泡の検出時には、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標の検出時より、前記超音波振動子から水中への照射信号のパワーを落とすように、前記超音波振動子を制御する超音波振動子制御ステップと、前記超音波振動子から水中への照射信号の送信直後近傍での前記超音波振動子への反射信号に基づいて、前記超音波振動子の輻射面近傍の気泡を検出し、前記超音波振動子から水中への照射信号の送信直後以降での前記超音波振動子への反射信号に基づいて、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標を検出する気泡／物標検出ステップと、を順に備えることを特徴とする超音波計測方法である。

この構成によれば、超音波振動子の輻射面近傍に気泡が存在するときには、物標が高い精度で検出されないことをユーザが知る手段を提供することができる。

また、本開示は、前記超音波振動子制御部は、前記超音波振動子の輻射面近傍の気泡の検出時には、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標の検出時より、前記超音波振動子から水中への照射信号のパルス幅を短くするように、前記超音波振動子を制御することを特徴とする超音波計測装置である。

気泡の検出においては、物標の検出と比べて、検出分解能を上げるためにサンプル数を増やさなくてもよいが、残留自己共振を減らすためにパルス幅を短くするのが望ましい。

また、本開示は、前記気泡／物標検出部が前記超音波振動子の輻射面近傍の気泡の存在を検出したときには、前記気泡／物標検出部が前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標を正しく検出することができない旨のアラームを出す気泡アラーム出力部、をさらに備えることを特徴とする超音波計測装置である。

この構成によれば、超音波振動子の輻射面近傍に気泡が存在するときには、信頼性の低いデータをユーザが棄却する手段を提供することができる。

このように、本開示によれば、超音波計測技術を用いて水中の物標を検出するにあたり、超音波振動子の輻射面近傍に気泡が存在するときには、物標が高い精度で検出されないことをユーザが知る手段を提供することができる。

本開示の超音波計測システムの構成を示す図である。本開示の超音波計測処理の流れを示すフローチャートである。本開示の超音波計測処理の流れを示すタイムチャートである。本開示の超音波計測システムの水槽実験結果を示す図である。本開示の超音波計測システムの水槽実験結果を示す図である。本開示の超音波計測システムの水槽実験結果を示す図である。本開示の超音波計測システムの航行実験結果を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

本開示の超音波計測システムの構成を図１に示す。本開示の超音波計測システムは、超音波振動子１、超音波計測装置２（超音波振動子制御部２１、気泡／物標検出部２２及び気泡アラーム出力部２３から構成される。）及び物標表示装置３から構成される。

超音波振動子１は、照射信号を送信し、反射信号を受信し、例えば、船舶Ｓの船首の船底に配置される。超音波計測装置２は、反射信号に基づいて、物標や気泡Ｂを検出し、例えば、船舶Ｓの船首の甲板下に配置される。物標表示装置３は、物標の位置や速度を表示し、気泡Ｂの存在を表示し、例えば、船舶Ｓの操舵室に配置される。

例えば、プランクトンＰ等からの反射信号のドップラーシフトに基づいて、船舶Ｓの対水速度や潮流の速度を検出することができる。そして、魚群Ｆや海底Ｕからの反射信号の伝搬遅延時間に基づいて、魚群Ｆや深度を探知することができる。

超音波振動子制御部２１は、超音波振動子１の輻射面近傍の気泡Ｂの検出時には、超音波振動子１の輻射面から離れた水中の物標の検出時より、超音波振動子１から水中への照射信号のパワーを落としパルス幅を短くするように、超音波振動子１を制御する。

気泡／物標検出部２２は、超音波振動子１から水中への照射信号の送信直後近傍での超音波振動子１への反射信号に基づいて、超音波振動子１の輻射面近傍の気泡Ｂを検出し、超音波振動子１から水中への照射信号の送信直後以降での超音波振動子１への反射信号に基づいて、超音波振動子１の輻射面から離れた水中の物標を検出する。

気泡アラーム出力部２３は、気泡／物標検出部２２が超音波振動子１の輻射面近傍の気泡Ｂの存在を検出したときには、気泡／物標検出部２２が超音波振動子１の輻射面から離れた水中の物標を正しく検出することができない旨のアラームを出す。

本開示の超音波計測処理の流れを、図２のフローチャート及び図３のタイムチャートに示す。本開示の超音波計測処理は、超音波計測装置２にインストールされたプログラムにより、又は、超音波計測装置２に搭載されたＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）等により、実現することができる。

超音波振動子制御部２１は、検出対象を物標及び気泡のいずれにするかを判断する（ステップＳ１）。具体的には、物標検出時以外の送信繰り返し数周期ごとに、検出対象を気泡にすることを判断し（ステップＳ１において「気泡」）、気泡検出時以外の送信繰り返し毎周期ごとに、検出対象を物標にすることを判断する（ステップＳ１において「物標」）。

ここで、気泡検出頻度が物標検出頻度と比べて少な過ぎるときには、気泡が存在する場合には物標検出結果が無駄になる。一方で、気泡検出頻度が物標検出頻度と比べて多過ぎるときには、サンプル数が減らされて物標検出精度が低くなる。そこで、気泡検出頻度は、物標検出頻度と比べて、適切な程度に設定されるのが望ましい。

まず、検出対象が気泡である場合（ステップＳ１において「気泡」）について説明する。超音波振動子制御部２１は、照射信号のパワーを落とし、照射信号のパルス幅を短くする（ステップＳ２）。気泡／物標検出部２２は、照射信号の送信直後近傍の反射信号に基づいて、気泡を検出する（ステップＳ３）。よって、超音波振動子１における残留自己共振を減らすことができ、気泡の存在を高い精度で検出することができる。

気泡アラーム出力部２３は、気泡／物標検出部２２が気泡の存在を検出したときには（ステップＳ４において「ＹＥＳ」）、物標を正しく検出することができない旨のアラームを出す（ステップＳ５）。気泡アラーム出力部２３は、気泡／物標検出部２２が気泡の存在を検出しないときには（ステップＳ４において「ＮＯ」）、処理を実行しない。

次に、検出対象が物標である場合（ステップＳ１において「物標」）について説明する。超音波振動子制御部２１は、照射信号のパワーを上げて、照射信号のパルス幅を長くする（ステップＳ６）。気泡／物標検出部２２は、照射信号の送信直後以降の反射信号に基づいて、物標を検出する（ステップＳ７）。よって、気泡／物標検出部２２におけるサンプル数を増やすことができ、物標の位置や速度を高い精度で検出することができる。

超音波振動子制御部２１は、気泡又は物標の検出を続行するときには（ステップＳ８において「ＹＥＳ」）、ステップＳ１に戻る。超音波振動子制御部２１は、気泡又は物標の検出を続行しないときには（ステップＳ８において「ＮＯ」）、処理を終了する。

このように、物標が高い精度で検出されないことを、ユーザが知る手段がある。例えば、他船又は自船による気泡の存在により、船舶Ｓの対水速度が高い精度で検出されないことを、ユーザが知る手段があるため、安全航行上や燃費測定上で課題がなくなる。そして、他船又は自船による気泡の存在により、潮流の速度や魚群Ｆや深度が高い精度で検出されないことを、ユーザが知る手段があるため、データの信頼性の良し悪しを判断することができ、データの信頼性が低い原因も判断することができる。

本開示の超音波計測システムの水槽実験結果を図４から図６までに示す。

図４では、超音波振動子１の輻射面近傍に気泡を流したうえで、気泡検出時のパルス幅を物標検出時のパルス幅より短い０．０５ｍｓに固定して、気泡検出時のパルスパワーを物標検出時のパルスパワーの１％、５％、１０％、２０％、３０％に変化させ、各々のパルスパワーにおいて気泡の有無に応じた受信強度の時間変化を調べた。

パルスパワーが１％〜１０％であるときには、気泡による乱反射の影響が少ない。パルスパワーが２０％、３０％であるときには、気泡による乱反射の影響が多い。パルスパワーが１％〜３０％であるときには、気泡がない場合に超音波振動子１の振動オフ直後に超音波振動子１の残留自己共振がほとんど検出されておらず、気泡がある場合に気泡及び残留自己共振が重畳して検出される可能性が低い。よって、パルス幅０．０５ｍｓに対して、パルスパワー１％〜３０％が望ましい。

図５では、超音波振動子１の輻射面近傍に気泡を流したうえで、気泡検出時のパルス幅を物標検出時のパルス幅より短い０．２ｍｓに固定して、気泡検出時のパルスパワーを物標検出時のパルスパワーの１％、５％、１０％、２０％、３０％に変化させ、各々のパルスパワーにおいて気泡の有無に応じた受信強度の時間変化を調べた。

パルスパワーが１％であるときには、気泡による乱反射の影響が少ない。パルスパワーが５％〜３０％であるときには、気泡による乱反射の影響が多い。パルスパワーが１％〜１０％であるときには、気泡がない場合に超音波振動子１の振動オフ直後に超音波振動子１の残留自己共振がほとんど検出されておらず、気泡がある場合に気泡及び残留自己共振が重畳して検出される可能性が低い。パルスパワーが２０％、３０％であるときには、気泡がない場合に超音波振動子１の振動オフ直後に超音波振動子１の残留自己共振が大きく検出されており、気泡がある場合に気泡及び残留自己共振が重畳して検出される可能性が高い。よって、パルス幅０．２ｍｓに対して、パルスパワー１％〜１０％が望ましい。

図６では、超音波振動子１の輻射面近傍に気泡を流したうえで、気泡検出時のパルス幅を物標検出時のパルス幅より短い０．５ｍｓに固定して、気泡検出時のパルスパワーを物標検出時のパルスパワーの１％、５％、１０％、２０％、３０％に変化させ、各々のパルスパワーにおいて気泡の有無に応じた受信強度の時間変化を調べた。

パルスパワーが１％であるときには、気泡による乱反射の影響が少ない。パルスパワーが５％〜３０％であるときには、気泡による乱反射の影響が多い。パルスパワーが１％であるときには、気泡がない場合に超音波振動子１の振動オフ直後に超音波振動子１の残留自己共振がほとんど検出されておらず、気泡がある場合に気泡及び残留自己共振が重畳して検出される可能性が低い。パルスパワーが５％〜３０％であるときには、気泡がない場合に超音波振動子１の振動オフ直後に超音波振動子１の残留自己共振が大きく検出されており、気泡がある場合に気泡及び残留自己共振が重畳して検出される可能性が高い。よって、パルス幅０．５ｍｓに対して、パルスパワー１％が望ましい。

本開示の超音波計測システムの航行実験結果を図７に示す。船舶Ｓの対水船速は、超音波計測システムを用いて検出されるため、気泡の存在があるときには、高い精度で検出されない。船舶Ｓの対地船速は、ＧＰＳ計測システムを用いて検出されるため、気泡の存在があるときでも、高い精度で検出される。もっとも、船舶Ｓの燃費や潮流の速度を検出するときには、船舶Ｓの対地船速ではなく、船舶Ｓの対水船速が重要である。

船舶Ｓが他船の航跡を横断しているときには、他船の航跡の気泡が船舶Ｓの船首の船底に存在しており、船舶Ｓの対水船速が船舶Ｓの対地船速と一致しておらず、アラームあり信号としてＨｉｇｈ（１）信号が出力されている。船舶Ｓが他船の航跡を追跡しているときにも、他船の航跡の気泡が船舶Ｓの船首の船底に存在しており、船舶Ｓの対水船速が船舶Ｓの対地船速と一致しておらず、アラームあり信号としてＨｉｇｈ（１）信号が出力されている。船舶Ｓが他船の航跡を横断も追跡もしていないときには、他船の航跡の気泡が船舶Ｓの船首の船底に存在しておらず、船舶Ｓの対水船速が船舶Ｓの対地船速と一致しており、アラームなし信号としてＬｏｗ（０）信号が出力されている。

本開示の超音波計測装置、超音波計測プログラム及び超音波計測方法は、例えば、船舶の対水速度や潮流の速度の検出や、魚群や深度の探知に、適用することができる。

１：超音波振動子
２：超音波計測装置
３：物標表示装置
２１：超音波振動子制御部
２２：気泡／物標検出部
２３：気泡アラーム出力部
Ｓ：船舶
Ｂ：気泡
Ｐ：プランクトン
Ｆ：魚群
Ｕ：海底

Claims

超音波振動子の輻射面近傍の気泡の検出時には、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標の検出時より、前記超音波振動子から水中への照射信号のパワーを落とすように、前記超音波振動子を制御する超音波振動子制御部と、
前記超音波振動子から水中への照射信号の送信直後近傍での前記超音波振動子への反射信号に基づいて、前記超音波振動子の輻射面近傍の気泡を検出し、前記超音波振動子から水中への照射信号の送信直後以降での前記超音波振動子への反射信号に基づいて、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標を検出する気泡／物標検出部と、
を備えることを特徴とする超音波計測装置。
前記超音波振動子制御部は、前記超音波振動子の輻射面近傍の気泡の検出時には、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標の検出時より、前記超音波振動子から水中への照射信号のパルス幅を短くするように、前記超音波振動子を制御する
ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波計測装置。
前記気泡／物標検出部が前記超音波振動子の輻射面近傍の気泡の存在を検出したときには、前記気泡／物標検出部が前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標を正しく検出することができない旨のアラームを出す気泡アラーム出力部、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波計測装置。
超音波振動子の輻射面近傍の気泡の検出時には、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標の検出時より、前記超音波振動子から水中への照射信号のパワーを落とすように、前記超音波振動子を制御する超音波振動子制御ステップと、
前記超音波振動子から水中への照射信号の送信直後近傍での前記超音波振動子への反射信号に基づいて、前記超音波振動子の輻射面近傍の気泡を検出し、前記超音波振動子から水中への照射信号の送信直後以降での前記超音波振動子への反射信号に基づいて、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標を検出する気泡／物標検出ステップと、
をコンピュータに順に実行させるための超音波計測プログラム。
超音波振動子の輻射面近傍の気泡の検出時には、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標の検出時より、前記超音波振動子から水中への照射信号のパワーを落とすように、前記超音波振動子を制御する超音波振動子制御ステップと、
前記超音波振動子から水中への照射信号の送信直後近傍での前記超音波振動子への反射信号に基づいて、前記超音波振動子の輻射面近傍の気泡を検出し、前記超音波振動子から水中への照射信号の送信直後以降での前記超音波振動子への反射信号に基づいて、前記超音波振動子の輻射面から離れた水中の物標を検出する気泡／物標検出ステップと、
を順に備えることを特徴とする超音波計測方法。