JP2018031638A - 水位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】乾燥した路面からの水位変化を精度よく測定することができる水位測定装置を提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る水位測定装置は、反射部材と、送信器と、受信器と、測定部とを具備する。上記反射部材は、路面に平行に配置され前記路面よりも電波の反射特性が高い反射面を有する。上記送信器は、上記反射面に向けて電波を送信する。上記受信器は、上記電波の反射波を受信する。上記測定部は、上記反射波の戻り時間に基づき、上記路面からの水位を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばミリ波帯の電波を用いた水位測定装置に関する。

超音波やレーザ、電波等を用いて、道路や歩道などの舗装路面の状態を測定する方法が知られている。例えば特許文献１には、舗装路面に向けて電波を送信し反射面からの反射波を受信する電波センサと、電波センサから反射面までの距離と反射波の反射強度を算出する制御部と、算出された反射面までの距離と反射波の反射強度とに基づいて、舗装路面の状態が乾燥、湿潤、冠水、凍結のいずれであるかを判定する判定部とを備えた路面状態検知システムが開示されている。

特開２００４−３２５１９３号公報

特許文献１に記載のシステムでは、路面からの電波の反射波に基づいて路面の状態を判定するようにしている。ところが、例えば路面の冠水の深さを測定する場合には、乾燥した路面と既に冠水した路面とでは電波の反射特性が異なり、一般には乾燥した路面での電波の反射特性が水面での電波の反射特性よりも低いため、乾燥した路面からの水位変化を精度よく測定することができないという問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、乾燥した路面からの水位変化を精度よく測定することができる水位測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る水位測定装置は、反射部材と、送信器と、受信器と、測定部とを具備する。
上記反射部材は、路面に平行に配置され前記路面よりも電波の反射特性が高い反射面を有する。
上記送信器は、上記反射面に向けて電波を送信する。
上記受信器は、上記電波の反射波を受信する。
上記測定部は、上記反射波の戻り時間に基づき、上記路面からの水位を測定する。

上記水位測定装置は、路面よりも電波の反射特性が高い反射面を有する反射部材を備える。このため、路面が冠水していない状態（乾燥状態など）での反射波の良好な受信感度が確保される。これにより、乾燥した路面からの水位変化を精度よく測定することが可能となる。

上記反射部材は、水の比誘電率に相当する比誘電率を有してもよい。
これにより、路面が冠水したときと同等の電波の反射強度が得られるため、路面からの水位変化の測定精度がより高められる。

上記構成において、例えば、上記反射部材は、（Ｃａ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙ）_α（Ｚｒ_１−ｚＴｉ_ｚ）Ｏ_３（但し、０＜ｘ＜０．７、０＜ｙ＜０．４、０≦１−ｘ−ｙ、０．１５＜ｚ＜０．４、０．９９＜α＜１．０１）からなるペロブスカイトを主相として有し、ＳｉＯ_２及びＭｎＯを副相として有するセラミック組成物で構成されてもよい。

あるいは、上記反射部材は、上記反射面が電波透過性の材料で構成された水収容体で構成されてもよい。

以上述べたように、本発明によれば、乾燥した路面からの水位変化を精度よく測定することができる。

本発明の一実施形態に係る水位測定装置の概略構成図である。 上記水位測定装置における測定部の一構成例を示すブロック図である。 比較例に係る水位測定装置による水位測定動作の一例を示す模式図である。 本実施形態の水位測定装置による水位測定動作の一例を示す模式図である。 上記水位測定装置における反射部材の構成の一例を示す概略断面図である。 上記反射部材の他の構成例を示す概略断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る水位測定装置の概略構成図である。

［水位測定装置］
本実施形態の水位測定装置は、典型的には、集中豪雨等により冠水しやすい道路やアンダーバス部に設置され、冠水の発生の有無あるいは冠水の深さを無人で測定することが可能に構成される。

水位測定装置１は、反射部材Ｒと、アンテナ１０（送受信器）と、測定部２０とを有する。

反射部材Ｒは、路面Ｅに平行な反射面Ｒｓを有する。反射部材Ｒは、典型的には、反射面Ｒｓが路面Ｅとほぼ同一の高さとなるように道路上に設置されるが、勿論これに限られず、路面Ｅからやや上方へ突出した既知の高さ位置に設置されてもよい。反射部材Ｒが設置される路面Ｅの位置は特に限定されないが、路側帯など車両の通行頻度が低い領域に設置されることが好ましい。また、反射部材Ｒは、坂道等のような傾斜面ではなく、好ましくは、平坦な面に設置される。

路面Ｅは、舗装路面であり、典型的にはアスファルトで構成されるが、これ以外にも、コンクリートやレンガ、インターロッキングブロック等で構成されてもよい。反射部材Ｒの反射面Ｒｓは、路面Ｅよりも電波（ミリ波やマイクロ波等のような水位測定用の電波）の反射特性が高い材料あるいは構造を有し、典型的には、金属やセラミックス等で構成される。反射面Ｒｓの形状、大きさは特に限定されず、例えば、一辺の長さが数十センチメートルから数メートルの矩形板で構成される。

アンテナ１０は、反射部材Ｒに向けて測定用の電波Ｗを放射（送信）し、反射部材Ｒ（反射面Ｒｓ）からの上記電波の反射波ＲＷを受信することが可能に構成される。本実施形態においてアンテナ１０は、反射部材Ｒの直上に設置された単一の送受信器で構成され、典型的には、単一の送波器（送信器）と、単一の受信器とを含む。

測定用の電波Ｗとしては、典型的には、ミリ波が用いられるが、これに限られず、反射部材Ｒの反射面Ｒｓや水面で有効に反射され得る他の波長の電波（マイクロ波など）が使用されてもよい。路面Ｅからのアンテナ１０の高さは特に限定されず、例えば２メートル以上５メートル以下とされる。

測定部２０は、アンテナ１０で受信された反射部材Ｒ（路面Ｅが冠水したときは水面Ｌ）からの反射波ＲＷに基づき、冠水の有無あるいは冠水の深さ（水位）を判定あるいは測定することが可能に構成される。測定部２０の構成は特に限定されず、例えば、図２に示すように構成される。

図２は、測定部２０の一構成例を示すブロック図である。測定部２０は、距離計３０と演算器４０とを有する。

距離計３０は、アンテナ１０で受信された反射波ＲＷに基づき、アンテナ１０と反射部材Ｒまたは水面Ｌとの間の電気的距離を測定するように構成される。距離計３０は、典型的には、電波距離計（レーダー）で構成される。

距離計３０は、変調信号発生器３１と、ＶＣＯ（Voltage-Controlled Oscillator：電圧制御発振器）３２と、アンプ３３，３５と、方向性結合器３４と、ミキサ３６と、ＩＦアンプ３７と、距離演算装置３８とを有する。

変調信号発生器３１からの変調信号がＶＣＯ３２へ入力され、ＶＣＯ３２から所定の周波数（例えば３０ＧＨｚ）帯の高周波信号が出力される。ＶＣＯ３２から出力された高周波信号は、アンプ３３で送信出力として必要なレベルにまで増幅され、方向性結合器３４を介してアンテナ１０の送信器１１へ入力される。これにより、反射部材Ｒへ測定用の電波Ｗが送信され、その反射波ＲＷがアンテナ１０の受信器１２により受信される。

アンプ３５は、受信器１２で受信した反射波ＲＷを増幅しミキサ３６へ入力する。ミキサ３６は、方向性結合器３４の結合ポートから出力される送信信号の一部を使用してアンプ３５の出力信号を周波数変換し、ＩＦ信号を出力する。ＩＦ信号は、ＩＦアンプ３７で増幅されて距離演算装置３８に入力される。距離演算装置３８は、反射部材Ｒまたは水面Ｌからの反射波ＲＷの戻り時間に基づき、アンテナ１０と電波Ｗの反射位置（反射面Ｒｓまたは水面Ｌ）との間の距離を演算する。

演算器４０は、水位演算装置４１と、記憶部４２と、出力部４３とを有する。演算器４０は、典型的には、コンピュータで構成される。

水位演算装置４１は、距離演算装置３８の演算結果に基づき、路面Ｅでの冠水の有無を判定し、冠水時は路面Ｅから水面Ｌまでの高さ（水位）を測定する。記憶部４３は、水位演算装置４１による演算に必要な演算プログラムや各種パラメータを記憶する。上記パラメータとしては、反射部材Ｒの高さ位置、反射波ＲＷの戻り時間と距離との相関を表すテーブル等が含まれてもよい。

アンテナ１０と反射部材Ｒとの間の距離は既知である。このため水位演算装置４１は、そのアンテナ１０−反射部材Ｒ間の距離での戻り時間を基準時間として、電波の戻り時間が基準時間と同等のときは水位ゼロ（冠水無し）と測定し、電波の戻り時間が基準時間よりも短いといきは、その差分に応じた距離の差を路面からの水位と測定する。算出された水位の値は、冠水の深さに相当する。

出力部４３は、水位演算装置４１で算出された水位に関する情報を出力する。出力部４３は、例えば、表示部、外部機器へ無線あるいは有線で送信する通信部等が挙げられる。

距離計３０及び演算器４０は、共通のハードウェアで構成されてもよいし、別々のハードウェアで構成されてもよい。後者の場合、距離計３０と演算器４０とは有線又は無線により電気的に接続される。この場合、演算器４０は、アンテナ１０や距離計３０が設置される場所とは異なる場所に設置することができる。

図３は比較例に係る水位測定装置による水位測定動作の一例を示す模式図であり、図４は本実施形態の水位測定装置１による水位測定動作の一例を示す模式図である。

（比較例）
比較例に係る水位測定装置は、反射部材Ｒを備えていない点で本実施形態の水位測定装置１と相違する。比較例に係る水位測定装置においては、路面Ｅからの電波Ｗの反射強度が水面Ｌからの電波Ｗの反射強度よりも極度に小さく、このため測定レンジを変える又は大きくする必要があり、あるいは、所定以下の反射強度では冠水が発生していないと判断していた。このため、乾燥した路面から濡れた路面との間の電波の反射強度のバラツキが生じ、所定以下の低い水位では路面Ｅからの水位変化を安定に測定することが非常に困難であった。

（本実施形態）
一方、本実施形態の水位測定装置１においては、路面よりも電波の反射特性が高い反射面Ｒｓを有する反射部材Ｒを備える。このため、路面Ｅが冠水していない状態（乾燥状態など）での反射波の良好な受信感度が確保される。したがって、乾燥した路面から濡れた路面との間の電波の反射強度のバラツキが少なくなり、所定以下の低い水位でも路面Ｅからの水位変化を安定して測定することができる。このため本実施形態によれば、乾燥した路面からの水位変化を精度よく測定することが可能となる。

［反射部材］
ここで、反射部材Ｒの反射面Ｒｓは、路面Ｅを浸す雨水や河川水等と同等の電波反射特性を有するのが好ましい。これにより、路面Ｅが乾燥しているときの電波の反射強度と路面Ｅが濡れているとき（又は冠水しているとき）の電波の反射強度とが相互に概ね一致するため（図４参照）、水位変化をより高精度に検出することが可能となる。

このような反射特性を実現するため、本実施形態では、反射部材Ｒが、水の比誘電率に相当する比誘電率を有する材料で構成される。水の比誘電率に相当する比誘電率とは、水の比誘電率（８０）と同一又は略同一の比誘電率を意味し、具体的に反射部材Ｒの比誘電率は、８０±１０程度である。

比誘電率が８０前後の材料としては、所定の組成のセラミック組成物が挙げられる。例えば、基本式（Ｃａ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙ）_α（Ｚｒ_１−ｚＴｉ_ｚ）Ｏ_３からなるペロブスカイトを主相として有し、ＳｉＯ_２及びＭｎＯを副相として有するセラミック組成物が挙げられる（但し、０＜ｘ＜０．７、０＜ｙ＜０．４、０≦１−ｘ−ｙ、０．１５＜ｚ＜０．４、０．９９＜α＜１．０１）。
このようなセラミック組成物は、例えば、上記ペロブスカイト１００ｍｏｌに対し、ＳｉＯ_２及びＭｎＯをそれぞれ０．１〜５．０ｍｏｌ、及び０．１〜２．０ｍｏｌ添加することで作製される。

図５は、上記セラミック組成物を本体部５１として含む反射部材Ｒ１の概略断面図である。反射部材Ｒ１は、本体部５１の剛性を高めるための保護板５２が積層されてもよい。保護板５２は、電波Ｗに対して透過性を有する材料で構成され、具体的には、ＡＢＳやＰＭＭＡ等のアクリル系樹脂、ポリカーボネート等のエンジニアリングプラスチックで構成される。

上記セラミック組成物以外にも、例えば図６に示すように、水６１で内部が充填された水収容体６２が反射部材Ｒ２として用いられてもよい。この場合も、反射面Ｒｓが電波透過性の材料で構成されることで、内部の水を反射部本体として機能させることができる。水６１には水道水や河川水、雨水等が用いられてもよいし、冬季での凍結を防止するため不凍液が用いられてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、アンテナ１０が送信器１１と受信器１２とを含む単一ユニットで構成されたが、送信器および受信器は物理的に分離された状態で上空に設置されてもよい。この場合、送信器および受信器はそれぞれ異なる高さ位置に設置されてもよい。

また以上の実施形態では、道路の冠水の深さを測定するシステムに本発明を適用した例について説明したが、これに限られず、基準面からの水位変化を測定する各種システムに本発明は適用可能である。

１…水位測定装置
１０…アンテナ
１１…送信器
１２…受信器
２０…測定部
Ｅ…路面
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２…反射部材
Ｒｓ…反射面
Ｗ…電波
ＲＷ…反射波

Claims (4)

1. 路面に平行に配置され前記路面よりも電波の反射特性が高い反射面を有する反射部材と、
   前記反射面に向けて電波を送信する送信器と、
   前記電波の反射波を受信する受信器と、
   前記反射波の戻り時間に基づき、前記路面からの水位を測定する測定器と
   を具備する水位測定装置。
2. 請求項１に記載の水位測定装置であって、
   前記反射部材は、水の比誘電率に相当する比誘電率を有する
   水位測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の水位測定装置であって、
   前記反射部材は、（Ｃａ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙ）_α（Ｚｒ_１−ｚＴｉ_ｚ）Ｏ_３（但し、０＜ｘ＜０．７、０＜ｙ＜０．４、０≦１−ｘ−ｙ、０．１５＜ｚ＜０．４、０．９９＜α＜１．０１）からなるペロブスカイトを主相として有し、ＳｉＯ_２及びＭｎＯを副相として有するセラミック組成物で構成される
   水位測定装置。
4. 請求項２に記載の水位測定装置であって、
   前記反射部材は、前記反射面が電波透過性の材料で構成された水収容体で構成される
   水位測定装置。

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