JP2019002924A - ハイドロフォン信号積分電圧変換回路、土砂検出システムおよび制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイドロフォンからの音圧波形信号を途切れることなく連続的に利用するための技術の実現。【解決手段】ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３は、入力端子３１を介してハイドロフォン１から入力される音圧波形信号を整流する整流部３３と、整流部３３によって整流された整流波形信号を積分する積分器３５とを備え、音圧波形信号を積分器３５によって積分された信号に変換して出力する。この積分された信号に基づいて河川等を流れる土砂を検出および監視することが可能となる。よって、音圧波形信号を途切れることなく連続的に利用することが可能となり、いつどの時点で、どのような事象が起こったかの土砂災害の発生予測を連続的に実現する土砂検出システムを構成することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、ハイドロフォン信号積分電圧変換回路、土砂検出システムおよび制御方法に関し、より具体的には、マイクで取り込んだ信号を積分する回路等に関する。

河川等の土砂（砂礫とも言われる）を検出し監視する技術として、河床等に水中マイクであるハイドロフォンを設置し、砂礫がハイドロフォンに衝突する衝突音を集音することで土砂の流量（流砂量）等を推定的に求める手法が知られている。この検出結果は、例えば、土砂堆積による河川の洪水や土石流等の土砂災害の発生予測に役立てられている。なお、その他にも、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）センサの出力を用いて土粒子の粒径および流砂量を求め、土砂の監視に用いるようにしたものも知られている（特許文献１を参照）。

特開２０１０−２７６３４３号公報

上記した従来の土砂検出では、ハイドロフォンが出力する音圧波形信号を直接処理し、土砂流量等の算出に用いていた。音圧波形信号は、常時何らかの音波波形が現れている交流のアナログ信号である。これらの音圧波形信号は、そのままではデータ量が大きいことから、また、音圧波形信号に現れる音には、上記した砂礫の衝突音の他、水流の音やノイズ等も含まれるために、連続的に処理するには不向きであった。それゆえ、従来は、常時音圧波形を検出するのではなく、検出実行時間内の間のみ、音圧波形信号を利用していた。

しかしながら、土砂災害の発生予測においては、音圧波形信号を途切れることなく連続的に利用することで、いつどの時点で、どのような事象が起こったかを検出できることが重要であり、それが望まれていた。
本発明は上記の課題を解決するために考案されたものである。

上記課題を解決するための第１の発明のハイドロフォン信号積分電圧変換回路は、ハイドロフォンからの音圧波形信号を入力する入力部と、前記音圧波形信号を整流する整流部と、前記整流部によって整流された整流波形信号を積分するためのＮ個（Ｎ≧２）の積分器と、を備える。そして更に、所与の切替信号に基づいて、前記Ｎ個の積分器のうち、１つの積分器を前記整流部に接続し、残りの積分器を放電させるように切り替える切替部を備える。また、前記整流部に接続する前記積分器を所定周期で順番に切り替える前記切替信号を前記切替部に出力する制御部を備えており、前記音圧波形信号を前記積分器によって積分された信号に変換して出力することが可能に構成されている。

また、他の発明は、ハイドロフォンから入力される音圧波形信号を整流する整流部と、前記整流部によって整流された整流波形信号を積分するためのＮ個（Ｎ≧２）の積分器とを備え、前記積分器に積分された信号を出力する回路の制御方法に関する。この発明に係る制御方法は、所与の切替信号に基づいて、前記Ｎ個の積分器のうち、１つの積分器を前記整流部に接続し、残りの積分器を放電させ、前記整流部に接続する前記積分器を所定周期で順番に切り替えるものである。

上述した第１の発明等によれば、整流部と接続する積分器を所定周期で切り替え、１つの積分器に充電するように信号を積分させ、他の積分器を放電回路と接続することができる。これによって、ハイドロフォンから入力された音圧波形信号を途切れることなく連続的に電荷を積分した信号に変換して出力することができる。したがって、ハイドロフォンが出力する音圧波形信号のデータ量を削減しつつ、連続的にデータの利用が可能となる。変換後の信号は外部出力可能であるため、外部の処理装置等において、土砂災害の発生予測の処理等に利用することが可能となる。

また、第２の発明として、Ｎ＝２である、第１の発明のハイドロフォン信号積分電圧変換回路を構成してもよい。

第２の発明によれば、積分状態にするか、放電状態にするかを２つの積分器で交互に切り替えることで、一方の積分器による整流波形信号の積分と、他方の積分器の放電とを並行して行うことができる。

また、第３の発明として、前記所定周期を設定する設定部、を更に備えた第１又は第２の発明のハイドロフォン信号積分電圧変換回路を構成してもよい。

第３の発明によれば、整流部と接続する積分器を切り替える周期（以下、「切替周期」という）を設定することができる。

また、第４の発明として、前記積分器によって積分された信号をデジタル信号に変換して出力する、第１〜第３の何れかの発明のハイドロフォン信号積分電圧変換回路を構成してもよい。

第４の発明によれば、何れかの積分器によって積分された信号をデジタル信号に変換して出力することができる。

また、第５の発明として、第１〜第４の何れかの発明のハイドロフォン信号積分電圧変換回路と、前記ハイドロフォン信号積分電圧変換回路から入力される積分波形信号を信号処理する処理装置と、を具備する土砂検出システムを構成することとしてもよい。

更に、第６の発明として、前記処理装置が、前記積分波形信号に基づく土砂検出処理を行う、第５の発明の土砂検出システムを構成することとしてもよい。また、第７の発明として、前記処理装置が、前記土砂検出処理により検出された土砂が所定の閾値条件を満たした場合に、所定の警報処理を行う、第６の発明の土砂検出システムを構成することとしてもよい。

第５〜第７の発明によれば、河川等の土砂（砂礫とも言われる）を検出し、監視するシステムとして好適な土砂検出システムを構成することができる。

土砂検出システムの全体構成例を示す模式図。 ハイドロフォン信号積分電圧変換回路の主要構成例を示すブロック図。 土砂検出システム１００全体の信号処理の流れを示す図。 積分器の充放電動作を説明する図。 音圧波形信号と積分波形信号との対応関係を説明する図。 パイプ型のハイドロフォンを採用した場合の音圧積分値と砂礫の総重量との関係を示す図。 パイプ型のハイドロフォンを採用した場合の音圧積分値と砂礫の運動量との関係を示す図。 プレート型のハイドロフォンを採用した場合の音圧積分値と砂礫の総重量との関係を示す図。 プレート型のハイドロフォンを採用した場合の音圧積分値と砂礫の運動量との関係を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明の適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付す。

図１は、本実施形態のハイドロフォン信号積分電圧変換回路３を適用した土砂検出システム１００の全体構成例を示す模式図である。図１に示すように、土砂検出システム１００は、ハイドロフォン１と、ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３と、処理装置５と、警報装置６（図３参照）とを備え、河川９を流れる土砂の検出・監視を行う。

ハイドロフォン１は、円筒状に形成された金属製のハウジング（金属パイプ）１１内に、マイク１３が収容されて構成される（パイプ型）。本実施形態では、ハイドロフォン１は、長軸方向が河川９の水流の方向（矢印Ａ）と直交する方向に沿う向きで、河床９１に設置される。そして、ハイドロフォン１は、水流によって河床９１付近を流動する砂礫がハウジング１１に衝突したことで発生する衝突音をマイク１３によって集音し、その音圧波形信号をハイドロフォン信号積分電圧変換回路３へ出力する。なお、ハウジング１１の形状は特に限定されない。例えば、平板状に形成されたハウジング（金属プレート）内にマイクが収容された構成でもよい（プレート型）。

ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３は、ハイドロフォン１から入力される音圧波形信号を積分し、積分された信号（積分波形信号）を処理装置５へ出力する。図２は、ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３の主要構成例を示す回路ブロック図である。また、図３は、土砂検出システム１００全体の信号処理の流れを概略的に示す図である。図２に示すように、ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３は、整流部３３と、２つの積分器３５（３５−１，２）と、切替部３９と、設定部４１と、制御部４３とを含む。

すなわち、ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３は、ハイドロフォン１から入力される音圧波形信号を整流する整流部３３と、整流部３３によって整流された整流波形信号を積分するためのＮ個（Ｎ≧２）の積分器３５とを備え、積分器３５に積分された信号を蓄積電荷に応じた積分電圧（積分波形信号）として出力可能に構成されており、この回路において、所与の切替信号に基づいて、Ｎ個の積分器３５のうち、１つの積分器３５を整流部３３に接続し、残りの積分器３５を放電させることと、整流部３５に接続する積分器３５を所定周期で順番に切り替えることと、を含む制御方法が実行される。好適には、Ｎ＝２とすることができる。では具体的に、各回路部の構成から説明する。

整流部３３は、入力部としての入力端子３１を介してハイドロフォン１から入力された音圧波形信号（アナログ信号）を整流する。整流部３３は、例えば、ダイオードやオペアンプ等を用いた全波整流回路で構成され、図２中に示すように、音圧波形信号を全波整流する。なお、半波整流回路を用いて整流部３３を構成し、音圧波形信号を半波整流するとしてもよい。また、全波整流回路と半波整流回路とを切り替え可能に設けて整流部３３を構成し、何れか一方を択一的に用いるとしてもよい。また、必要に応じて、音圧波形信号あるいは整流後の信号に所定のオフセット電圧（例えば５．０［Ｖ］）を加えることとしてもよい。また、後段の積分器３５を反転出力回路として構成する場合には、整流部３３は、音圧波形信号にオフセット電圧（例えば５．０［Ｖ］）を加えた後に整流し、整流信号を反転して出力する回路構成とすればよい。この場合、図２に示した整流部３３からの出力波形は、０．０［Ｖ］を中心に上下に反転し、かつ、０．０［Ｖ］の電圧レベルにオフセット電圧（例えば５．０［Ｖ］）を加えた波形となる。

積分器３５は、例えば、コンデンサやオペアンプ等を用いて構成され、入力信号電荷を蓄積（充電）して整流後の音圧波形信号（整流波形信号）を積算する。各積分器３５は、コンデンサの蓄積電荷に応じた電圧値を積分波形信号として出力端子４５１，４５３を介して処理装置５に外部出力するとともに、当該積分波形信号を制御部４３に出力する。

放電用電圧３７は、対応する積分器３５が接続されることで積分器３５の蓄積電荷を放電させる電圧である。各放電用電圧３７のうち、一方の放電用電圧３７−１が積分器３５−１に対応し、他方の放電用電圧３７−２が積分器３５−２に対応する。積分器３５−１を放電する場合には、放電用電圧３７−１は接地レベルとなるため、接地回路あるいは接地レベルの配線に積分器３５−１が接続されることとなる。同様に、積分器３５−２を放電する場合には、放電用電圧３７−２は接地レベルとなるため、接地回路あるいは接地レベルの配線に積分器３５−２が接続されることとなる。

切替部３９は、２接点の２つのスイッチ４０（４０−１，２）を用いて構成され、制御部４３の制御のもと、各スイッチ４０の接続を連動して切り替える。スイッチ４０は、例えばリレーやトランジスタ等を用いて構成することができる。各スイッチ４０の入力側には、それぞれ対応する放電用電圧３７への接続端と、整流部３３への接続端とが設けられており、その一方を択一的に出力側の積分器３５に接続する。より詳細には、一方のスイッチ４０が整流部３３に積分器３５を接続しているときには他方のスイッチ４０が積分器３５を対応する放電用電圧３７に接続して放電させる。例えば、図２に示すように、スイッチ４０−１が整流部２２に積分器３５−１を接続しているときには、スイッチ４０−２が積分器３５−２を放電用電圧３７−２に接続して放電させる。このとき、積分器３５−１は充電状態となり、積分器３５−２は放電状態となる。このスイッチ４０の接続は、予め定められる切替周期で連動して切り替えられる。これにより、一方の積分器３５を用いた整流波形信号の積算（積分器３５の充電）と、他方の積分器３５の放電とが並行して行われる。

ここで、切替部３９によって切り替えられる各積分器３５の充放電動作について図４を参照して説明する。図４においてＶ_ＲＥＦは基準電圧［Ｖ］、Ｖ_ＭＡＸは最大積分電圧［Ｖ］、Ｖ_{Ｃｈａｒｇｅ}は蓄積電圧差［Ｖ］、Ｉ_Ｂはベース電流［ｎＡ］、Ｉ_{Ｃｈａｒｇｅ}は充電電流［μＡ］、Ｉ_Ｒは放電電流［μＡ］を表す。また、ｔ_１は充電時間［ｓ］、ｔ_２は放電時間［ｓ］を表し、充電時間ｔ_１が切替周期に対応する。そして、図４中の細線が、切替周期に応じて想定される積分器３５の最大出力電圧を示し、太線は、実際の出力電圧変化の波形例を示している。図４に示すように、各積分器３５は、切替周期毎に充電（積分）と放電とを交互に繰り返す。ここで、放電時間ｔ_２は、切替周期である充電時間ｔ_１よりも短い時間とされ、放電時間ｔ_２内に放電を完了させるように放電用電圧３７が設計される。したがって、各切替周期において、一方の積分器３５が充電動作を行っている間に、他方の積分器３５の放電を確実に完了できる。

設定部４１は、切替周期を設定するためのものであり、例えばディップスイッチを用いて構成される。本実施形態では、２つのディップスイッチを用い、それらのＯＮ／ＯＦＦの組合せによって予め定められる４つの周期のうちの１つを択一的に設定する。設定可能な切替周期は、例えば、１分、２分、５分、および１０分の４つとされる。なお、設定可能な切替周期の数や具体的な時間は適宜設定してよい。また、ここでの切替周期の選択は、例えば、後述のように処理装置５が算出する単位時間あたりの土砂の流量を参照しながら行うことができる。これによれば、土砂流量が多いときには切替周期を短くし、少ないときには切替周期を長くする等といった調整が可能となる。

制御部４３は、例えば、ＣＰＵや、ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３の動作に必要な各種データを保持するメモリ等を内蔵したマイクロコンピュータで構成され、ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３を構成する各部の動作を制御してハイドロフォン信号積分電圧変換回路３を統括的に制御する。この制御部４３は、設定部４１によって設定された切替周期に従って切替部３９に切替信号を出力し、切替部３９によるスイッチ４０の切り替えを制御する。また、各積分器３５から入力される積分波形信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（Analog／Digital）変換機能を有しており、Ａ／Ｄ変換後の信号を、出力端子４７を介してパソコン等の外部装置やＵＳＢメモリ等の外部媒体、警報装置６等に出力する。

制御部４３から警報装置６への信号出力は例えば次のようにして行うことができる。すなわち、ハイドロフォン１を設置する予定の現地における土砂量の測定データまたは実験的に得られた土砂量の測定データに基づいて、積分器３５から入力される積分波形信号から、土砂流出量の予測値を算出する相関式を予め求めて制御部４３に設定しておく。そして、この相関式に基づいて、積分器３５から入力される積分波形信号から土砂流出量の予測値を求め、得られた土砂流出量の予測値が所定の閾値を超えるか否かにより、警報装置６へ警報を発動させる信号を出力するか否かを決定する。積分波形信号と土砂流出量とは相関関係にあることから、土砂流出量の予測値を求めずに、積分波形信号の示す値が所定の閾値を超えるか否かにより、警報装置６へ警報を発動させる信号を出力するか否かを決定することとしてもよい。

警報装置６は、ブザー等の音出力装置や、回転灯等の表示装置などの中から、一種以上の警報手段を備えた装置とすることができる。

処理装置５は、ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３から入力される積分波形信号を信号処理するためのコンピュータである。例えば、処理装置５は、積分波形信号を演算処理することで、河川９を流れる砂礫の単位時間あたりの土砂の流量や流速、粒径等を算出（推定）して、土砂検出処理を実行する土砂検出処理部５１を備える。具体的には、積分波形信号を連続的に処理することで土砂流量等を算出し、途切れることのない連続的な音圧波形信号を利用した土砂量等の継続的なモニタリングを行う土砂検出処理を実現する。土砂検出処理での算出結果は適宜不図示の表示装置において表示出力され、あるいは印字装置によって印字出力される。また、処理装置５は、土砂検出処理により検出された土砂（或いは、土砂流量や土砂流量の積算値（礫総重量））が所定の閾値を超えることにより閾値条件を満たした場合に、警報装置６を制御して所定の警報を出力させる、或いは、処理装置５が有する表示部や報知部、音出力部等を制御して所定の警報を出力させる警報処理部５３を備える。閾値は、ハイドロフォン１を設置する予定の現地における土砂量の測定データや、実験的に得られた土砂量の測定データ等に基づいて設定することができる。

図５に、ハイドロフォン１からハイドロフォン信号積分電圧変換回路３に入力される音圧波形信号の概略波形と、ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３から出力される積分波形信号の概略波形とを、時間軸を合わせて示す。音圧波形信号には、流れてきた砂礫がハイドロフォン１に接触する度に音圧の大きな波形信号が現れる。図５では、Ｓ１〜Ｓ３の３箇所に砂礫の接触による一時的に音圧の大きな波形信号が現れている。積分波形信号は音圧波形信号の音圧の積算値を示しており、時間経過に従って徐々に大きな値に増加するが、音圧波形信号のＳ１〜Ｓ３の３箇所それぞれにおいては、積分波形信号の傾きが大きくなり、急激に積算値が上昇していることが分かる。積分波形信号の示す値が閾値に達することで、土砂量が警報レベルに達したことを判断し、警報装置６を制御して警報が発せられる。

以上説明したように、本実施形態のハイドロフォン信号積分電圧変換回路３によれば、ハイドロフォン１から入力された音圧波形信号を途切れることなく連続的に積分波形信号に変換して出力することができる。したがって、ハイドロフォン１が出力する音圧波形信号のデータ量を削減しつつ、連続的に利用した信号に変換することが可能となる。変換後の信号の外部出力先となる処理装置５等では、ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３からの積分波形信号を連続的に処理して土砂流量等を算出することができ、途切れることのない連続的な音圧波形信号を利用した土砂量等の継続的なモニタリングが可能となる。すなわち、ハイドロフォン１、ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３、及び処理装置５によって、土砂検出システム１００は、河川等の土砂（砂礫とも言われる）を連続的に検出し、監視する好適なシステムとなる。

ここで、ハイドロフォン信号積分電圧変換回路３を用いて行った砂礫の流下実験結果を示す。実験は、人工的に作成した水路にパイプ型のハイドロフォンを設置し、流下させる砂礫の粒径や総重量、運動量等を変えながらハイドロフォン信号積分電圧変換回路３の出力（音圧積算値）を収集することで行った。また、プレート型のハイドロフォンを採用した場合についても同様の条件下で実験を行った。

図６および図７は、パイプ型のハイドロフォンを採用した場合の実験結果を示す図であり、音圧積算値と砂礫の総重量（礫総重量）との関係（図６）と、音圧積算値と砂礫の運動量との関係（図７）をそれぞれ示している。また、図８および図９は、プレート型のハイドロフォンを採用した場合の実験結果を示す図であり、音圧積算値と礫総重量との関係（図８）と、音圧積算値と砂礫の運動量との関係（図９）をそれぞれ示している。図６および図８に示すように、パイプ型およびプレート型の何れを採用した場合においても、粒径が１０．５［ｍｍ］の場合よりも２１［ｍｍ］の場合の方が音圧積算値が大きく、かつ、砂礫の総重量が重くなるにつれて音圧積算値が大きい結果が得られた。また、図７および図９に示す音圧積算値と砂礫の運動量との関係も同様の傾向を示した。本実施形態による音圧積算値は、砂礫の粒径や総重量、運動量と相関することが示されたため、予めこれらの相関を定めておくことで、積分波形信号から土砂の流量や流速、粒径等の算出が可能であることが確かめられた。

なお、上記した実施形態では、河床９１にハイドロフォン１を設置して土砂検出を行う場合を例示したが、ハイドロフォン１の設置場所は特に限定されない。例えば、地面や路面等にハイドロフォン１を設置するとしてもよい。これによれば、降雨時等において地面等を流れる表面水とともに流動する土砂流量等を算出し、常時モニタリングすることができる。

また、上記した実施形態では、２つの積分器を備えた構成のハイドロフォン信号積分電圧変換回路３を例示した。これに対し、積分器の数Ｎは３個以上であってもよく、その場合には、Ｎ個の積分器のうちの１つを整流部と接続し、残りの積分器を放電回路と接続する。これを、所与の切替周期で、整流部と接続する積分器を順番に切り替える構成とすればよい。

また、上記実施形態の切替周期を可変にすることとしてもよい。具体的には、切替周期の初期値を設定部４１が設定することとし、積分器３５の何れかの積分電圧が所定の閾値（例えば、最大積分電圧の９０％の値）に達したか否か（以上となったか）を判定する判定回路（或いはソフトウェア的な判定手段）を制御部４３に備えさせ、閾値に達した場合には、切替周期を１倍より大きい倍率で乗算した周期（例えば１．５倍の周期）に自動的に切り替えるようにしてもよい。

１００ 土砂検出システム
１ ハイドロフォン
１１ ハウジング
１３ マイク
３ ハイドロフォン信号積分電圧変換回路
３３ 整流部
３５（３５−１，２） 積分器
３７（３７−１，２） 放電用電圧
３９ 切替部
４０（４０−１，２） スイッチ
４１ 設定部
４３ 制御部
５ 処理装置

Claims (8)

1. ハイドロフォンからの音圧波形信号を入力する入力部と、
   前記音圧波形信号を整流する整流部と、
   前記整流部によって整流された整流波形信号を積分するためのＮ個（Ｎ≧２）の積分器と、
   所与の切替信号に基づいて、前記Ｎ個の積分器のうち、１つの積分器を前記整流部に接続し、残りの積分器を放電させるように切り替える切替部と、
   前記整流部に接続する前記積分器を所定周期で順番に切り替える前記切替信号を前記切替部に出力する制御部と、
   を備え、前記音圧波形信号を前記積分器によって積分された信号に変換して出力することが可能なハイドロフォン信号積分電圧変換回路。
2. Ｎ＝２である、
   請求項１に記載のハイドロフォン信号積分電圧変換回路。
3. 前記所定周期を設定する設定部、
   を更に備えた請求項１又は２に記載のハイドロフォン信号積分電圧変換回路。
4. 前記積分器によって積分された信号をデジタル信号に変換して出力する、
   請求項１〜３の何れか一項に記載のハイドロフォン信号積分電圧変換回路。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のハイドロフォン信号積分電圧変換回路と、
   前記ハイドロフォン信号積分電圧変換回路から入力される積分波形信号を信号処理する処理装置と、
   を具備する土砂検出システム。
6. 前記処理装置は、前記積分波形信号に基づく土砂検出処理を行う、
   請求項５に記載の土砂検出システム。
7. 前記処理装置は、前記土砂検出処理により検出された土砂が所定の閾値条件を満たした場合に、所定の警報処理を行う、
   請求項６に記載の土砂検出システム。
8. ハイドロフォンから入力される音圧波形信号を整流する整流部と、前記整流部によって整流された整流波形信号を積分するためのＮ個（Ｎ≧２）の積分器とを備え、前記積分器に積分された信号を出力する回路の制御方法であって、
   所与の切替信号に基づいて、前記Ｎ個の積分器のうち、１つの積分器を前記整流部に接続し、残りの積分器を放電させ、
   前記整流部に接続する前記積分器を所定周期で順番に切り替える、
   制御方法。