JP2720132B2 - 音波探査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、飛行場上空の風速高度
分布の観測などに利用される音波探査装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】飛行場上空の風速高度分布の観測や、大
気汚染の予測などを目的として、大気境界層内の各高度
の風向・風速を地上から測定する装置として、ドップラ
ー音波レーダーなどと称される音波探査装置が使用され
ている。この音波探査装置は、地上から上空の大気中に
強力な音波パルスを発射し、大気中に少なからず存在す
る密度の揺らぎの領域から反射されて戻ってくる微弱な
エネルギーの反射波を送受兼用の送受波器で集音し、電
気信号に変換し、所望の測定高度に該当する時間軸上の
信号を切り出し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などの手
法を用いて送出周波数からの相対ドップラーシフト量を
検出し、風向・風速を算定する構成となっている。風向
・風速を三次元的に検出する場合には、放射方向を相互
にずらしながら３台の送受波器が設置される。

【０００３】送受兼用の送受波器に受信される反射波の
エネルギーは、放射パルスの１０^ー9１０^ー11程度にまで
減衰を受けた微弱なものとなるため、必要なＳＮ比を確
保するために、放射する音波パルスのエネルギーは数百
Ｗから１ＫＷもの大きな値に設定される。この放射音波
パルスとして、数千Ｈｚ程度の正弦波（純音) が数十ｍ
sec から数百ｍsec 程度の期間にわたって放射される。
なお、複数段階の送信レベルを選択できるようにしてお
き、周辺の騒音（雑音）や観測対象高度に応じて必要最
小限の送信レベルを選択している。また、周囲の騒音の
周波数スペクトルが場所によって異なるため、１０００
Ｈｚ程度から５０００Ｈｚ程度にわたる複数の周波数を
発振できるようにしておき、使用場所に応じて騒音レベ
ルが最低の周波数が選択される。

【０００４】上記音波探査装置による観測は、定期的
に、例えば１時間おきなどに実施される。また、瞬間的
な揺らぎの影響を除くために１回の観測が適宜な期間、
例えば１０分間程度に渡って反復され、観測期間平均値
（１０分間平均値など）が算定される。

【０００５】上記従来の音波探査装置では、強力なエネ
ルギーの可聴音を放射することが必要なため、騒音の被
害を及ぼさないように民家などから離れた箇所に設置さ
れる。しかしながら、大気の状況次第では思わぬ方向へ
の反射が生じる場合があり、思わぬ箇所に騒音の被害を
及ぼすおそれがある。従って、この種の音波探査装置で
は、放射音波のエネルギーをいかにして低減するかが重
要な課題となる。従来、この種の音波探査装置では、１
日の時間帯ごとに周囲騒音レベルを予め観測しておき、
昼間など周囲騒音レベルの大きな時間帯には大きな送信
レベルで動作させ、夜間など小さな周囲騒音レベルの時
間帯には小さな送信レベルで動作させるようにプログラ
ミグを実施している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の音波探査装
置は、１日の時間帯の周囲騒音レベルの観測値に合わせ
て送信レベルを増減するようにプログラミングしてい
る。しかしながら、実際の周囲騒音レベルは季節や周辺
における行事の開催状況、あるいは風向などの気象条件
によっても変動するため、送信レベルが低すぎて良好な
観測結果が得られなくなったり、逆に送信レベルが必要
以上に高すぎて騒音のトラブルを生じるなどの問題があ
る。従って、本発明の目的は、実際の周囲騒音レベルに
応じた最小限の送信レベルを用いた観測を可能として音
波探査装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の音波探査装置
は、実際の観測の開始に先立って各段階の送信レベルと
周波数とを用いて試行観測を実施することにより、各段
階の送信レベルを段階的に増加させながら試行観測を実
施することにより、実際の観測に使用する必要最小限の
送信レベルを選択する選択手段を備えている。

【０００８】

【作用】本発明の音波探査装置によれば、定時などに実
施される実際の観測に先立って試行観測が開始される。
この試行観測は、送信レベルを段階的に増加させながら
行われ、実際の観測に使用する必要最小限の送信レベル
と周波数とが選択される。

【０００９】

【実施例】図２は、本発明の一実施例の音波探査装置の
構成を示すブロック図であり、１１は制御部、１２は異
なる周波数の正弦波信号を出力する可変周波数発振回
路、１３はパルスゲート回路、１４は可変低域通過濾波
回路（ＬＰＦ）、１５は電力増幅回路、１６は送受切替
え回路、１７は前置増幅回路、１８はＴＶＧ増幅回路、
１９は可変帯域通過濾波回路（ＢＰＦ）、２０はＡ／Ｄ
変換回路である。更に、２１はバス、２２はＣＰＵ、２
３はＲＯＭ／ＲＡＭ、２４は高速フーリエ変換（ＦＦ
Ｔ）回路、２５は入出力（Ｉ／Ｏ）回路、２６は入出力
インタフェース回路、２７は表示・出力部、２８はキー
ボード、３０は送受波器である。

【００１０】本実施例の特徴的な部分の説明に先立っ
て、まず、この音波探査装置による定時観測の方法につ
いて説明する。ＣＰＵ２２は、内蔵のタイマなどによっ
て定時観測の開始時点を検出すると、入出力回路２５を
介して制御部１１を起動する。起動された制御部１１は
可変周波数発振回路１２を起動して、それぞれから１６
００Ｈｚ、２４００Ｈｚ、３２００Ｈｚ、４８００Ｈｚ
の四つの周波数のうちＣＰＵ２２から指定された一つの
周波数の正弦波を出力させる。また、制御部１１は、Ｃ
ＰＵ２２から受けた指令に従って、電力増幅部１５の増
幅利得を段階的に変更することにより、３段階の送信レ
ベル１５０ｗ，４００ｗ，９００ｗのうちの一つを設定
する。

【００１１】可変周波数発振回路１２から出力される正
弦波信号は、制御部１１からの指令に従い数十msecから
数百msec程度にわたって開かれるパルスゲート回路１３
を通過することにより、急峻な立上がり部分と立下がり
部分とをもったパルス信号となって、可変低域通過濾波
回路１４に供給される。この可変低域濾波回路１４の通
過帯域は、パルスゲート１３に設定するゲートの開放期
間Ｔｇに応じて０Ｈｚから１／ＴｇＨｚ程度の範囲に設
定される。この可変低域通過濾波回路１４を通過した信
号は、図６に例示するように、立上がり部分では振幅が
徐々に増加すると共に立下がり部分では振幅が徐々に減
少するなまった波形の信号となる。

【００１２】この可変低域通過濾波回路１４を通過した
信号は、電力増幅回路１５に供給され、数十Ｗ乃至１Ｋ
Ｗのレベルまで増幅され、送受切替え回路１６を経て兼
用の送受波器（図示せず）に連なるケーブルＣを経て送
受波器３０に送出される。送受波器３０に供給されたパ
ルス信号は、内蔵の電気音響変換器で可聴周波数帯の音
波に変換され、上空に放射される。なお、説明の便宜
上、送受波器３０は１台のもので代表してあるが、実際
には３次元的な風速・風向の測定のために放射方向を互
いにずらして３台の送受波器が設置され、送受波回路か
ら出力される電気信号が順次３台の送受波器に分配され
る。

【００１３】音波の放射後に、図７に例示するように、
上空からの反射波が音波放射時点からある時間遅れて送
受兼用の送受波器３０で受波されケーブルＣ上に出現す
る。この反射波は、送受切替え回路１６を経て前記増幅
回路１７に供給され低雑音の増幅を受け、ＴＶＧ増幅回
路１８に供給される。このＴＶＧ（タイム・バリアブル
・ゲイン）増幅回路１８は、放射音波パルスの伝播に伴
うエネルギーの拡散損失と吸収損失とを補うために、時
間と共に適宜な速さで、例えば時間の２乗に比例する速
さで利得が時間と共に増加せしめられる。増幅された反
射パルスは、１６００Ｈｚ、２４００Ｈｚ、３２００Ｈ
ｚ、４８００Ｈｚの４周波のうちの実際に放射された一
つの近傍のみを制御部１１からの指令に従って選択的に
通過せしめる可変帯域通過濾波回路（ＢＰＦ）１９にお
いて不要な周波数成分が除去されたのちＡ／Ｄ変換回路
２９に供給され、ディジタル信号に変換され、バス２１
を介してＣＰＵ２２に転送され、ＲＯＭ／ＲＡＭ２３に
取り込まれる。

【００１４】ＣＰＵ２２は、ＲＯＭ／ＲＡＭ２３に取り
込んだ反射波を含む受波信号のうち所望の高度に相当す
る時間軸上の成分、例えば図５に例示するように、音波
の放射からＴ時間経過した時点のΔＴの時間幅の成分を
切出してＦＦＴ回路２４に供給する。ＦＦＴ回路２４
は、この信号を処理することにより、周波数スペクトル
に変換してＣＰＵ２２に転送する。この周波数スペクト
ルは、図８に例示するように、ドップラーシフトを受け
た反射波の周波数の周りに雑音成分が分布したものとな
る。

【００１５】ＣＰＵ２２は、ＦＦＴ回路２４から受取っ
たデータを検査し、ドップラーシフト量δｆを対応の送
出周波数Ｆで規格化することにより相対ドップラーシフ
ト量δｆ／Ｆを算定し、これに音速の半分の値を乗算す
ることにより風向と風速を算定する。なお、風向はドッ
プラーシフト量δｆの極性から決定される。測定結果
は、表示・出力部２７に転送され、ディスプレイ表示さ
れたり、印字出力されたり、あるいは磁気ディスク装置
などに保存される。

【００１６】ＣＰＵ２２は、ＦＦＴ回路２４から受取っ
た周波数スペクトルが図９に例示するように、所定のＳ
Ｎ比が確保されていない場合には、送信レベルが低すぎ
たため観測不能であると判定し、このデータを廃棄す
る。

【００１７】次に、本発明の特徴部分である試行観測に
よる必要最小限の送信レベルと使用周波数の決定方法に
ついて説明する。図１のタイムチャートに例示するよう
に、一定時間（例えば１時間）ごとに一定期間（例えば
１０分）にわたって定時観測が実施される場合には、各
定時観測開始の一定時間前（例えば２０分前）にＣＰＵ
２２は、図３と図４のフローチャートに例示する内容の
試行観測による必要最小限の送信レベルと使用周波数の
選択処理を開始する。

【００１８】ＣＰＵ２１は試行観測を開始すると、まず
最初のステップＳ１において初期設定を実行する。すな
わち、ＣＰＵ２１は、使用周波数ｆｉを基準周波数ｆｏ
に初期設定し、送信レベルＰｉとして最低レベルＰ
_L （１５０ｗ）を初期設定し、観測高度Ｈｏとしてプロ
グラムあるいはキーボード２８からのコマンドによって
予め指定されている高度を設定する。上記基準周波数
は、前述の４種類の周波数のうち設置箇所の騒音レベル
などの点で最適なもの、例えば２４００Ｈｚが選択され
る。

【００１９】ＣＰＵ２１は、上記初期設定が終了すると
定時観測開始時刻になっていないことを確認し（ステッ
プＳ２）、試行観測を実施する（ステップＳ３）。この
試行観測では、観測高度Ｈｏからその２倍の高度（２Ｈ
ｏ）までの範囲にわたって所定間隔でドップラーシフト
量を実際に計測され、所定値以上のＳＮ比を確保可能な
最高の高度、すなわち観測可能最高高度Ｈmax が検出さ
れる。ＣＰＵ２１は、ステップＳ３の試行観測が終了す
ると、検出した観測可能最高高度Ｈmax が観測高度Ｈｏ
の 1.2 倍以上であるか否かを判定し（ステップＳ
４）、1.2 倍以上であれば更にこの観測可能最高高度Ｈ
max が観測高度Ｈｏの２倍（２Ｈｏ）以上であるか否か
を判定する（ステップＳ５）。Ｈmax ≧２Ｈｏであれ
ば、現在の選択中の送信レベルＬｉが選択可能な最低レ
ベルＰ_L であるか否かを判定し、そうであれば、ステッ
プＳ２に戻り、定時観測の開始時刻になるまで上記動作
を反復する。

【００２０】ＣＰＵ２１は、Ｈmax ＜ 1.2 Ｈｏをステ
ップＳ４で検出した場合には、現在の周囲騒音が、使用
周波数と送信レベルに応じて予め定めておいた最低周囲
騒音レベルＮｏ（ｆ，Ｐ）以上であるか否かを判定す
る。この最低周囲騒音レベルは、現在の周囲騒音レベル
に照らして大きな送信レベルと減衰の小さな低周波の選
択を禁止することにより、観測に伴って発生する騒音を
現在の周囲騒音レベルから突出させないように制御する
ためのものである。

【００２１】この最低周囲騒音レベルＮｏ（ｆ，Ｐ）
は、図５に例示するように、選択しようとする送信レベ
ルが大くしかも周波数が低くなるほど大きな値となるよ
うに設定されている。すなわち、現在の騒音レベルがこ
の最低周囲騒音レベルに達していない場合には、対応の
送信レベルと周波数の選択が禁止される。例えば、図９
の場合、現在の周囲騒音レベルが最低周囲騒音レベルと
して定めてある５０ｄＢを越えていなければ周波数１６
００Ｈｚ・送信レベル４００ｗの選択が禁止される。

【００２２】図５中、−を付した箇所は、現在の周囲騒
音レベルの大小にかかわらず対応の送信レベルと周波数
とが選択可能であることを意味する。すなわち、最低の
送信レベル１５０ｗについては周囲騒音レベルのいかん
によらず全ての周波数が選択可能であり、また中間の送
信レベル４００ｗについては減衰が最も大きな最高の周
波数４８００Ｈｚに限って周囲騒音レベルのいかんによ
らずこれが選択可能であることを意味している。

【００２３】さて、ＣＰＵ２１は、現在の周囲騒音レベ
ルが最低周囲騒音レベルＮｏ（ｆ，Ｐ）以上であるとス
テップＳ５で判定した場合には、現在選択中の送信レベ
ルＰｉが既に選択可能な最高送信レベルＰ_H に達してし
まっているか否かを判定する（ステップＳ６）。送信レ
ベルＰｉが選択可能な最高送信レベルＰ_H に達していな
ければ、送信レベルを１段階増加させ（ステップＳ
７）、ステップＳ８の判定を経てステップＳ２に戻る。

【００２４】ＣＰＵ２１は、ステップＳ３の試行観測に
よって検出した観測可能最高高度Ｈmax が観測高度Ｈｏ
の２倍以上であることをステップＳ８で検出した場合に
は、現在選択中の送信レベルＰｉが選択可能な最低レベ
ルに達してしまっているか否かを判定し（ステップＳ
９）、達していなければ送信レベルを１段階低下させ
（ステップＳ１０）、ステップＳ２に復帰する。

【００２５】ＣＰＵ２１は、ステップＳ２において、定
時観測開始時刻になったことを検出すると、定時観測ル
ーチンに分岐し、上記試行観測によって選択して送信レ
ベルと周波数とを使用して定時観測を開始する。

【００２６】ＣＰＵ２１は、ステップＳ６において、選
択中の送信レベルＰｉが不足しているにもかかわらずこ
の送信レベルが既に選択可能な最高レベルＰ_H に達して
しまっていることを検出すると、図２に示す最適周波数
選択処理に移行する。

【００２７】ＣＰＵ２１は、まず、選択可能な４種類の
周波数について試行観測を反復することにより各周波数
の観測可能最高高度Ｈmax を検出し（ステップＳ１
１）、基準周波数ｆｏについて検出した観測可能最高高
度Ｈmax が観測高度Ｈｏの 1.2倍以上であるか否かを検
出する（ステップＳ１２）。これは、ステップＳ４の判
定後に周囲騒音レベルが低下したため、観測可能最高高
度Ｈmax が増加して観測高度Ｈｏの 1.2倍を越える場合
を考慮したものであり、この場合、ＣＰＵ２１の処理は
図１のステップＳ２に復帰する。

【００２８】ＣＰＵ２１は、周波数ｆｏの観測可能最高
高度Ｈmax が 1.2Ｈｏ未満であれば、周囲騒音≧ Ｎｏ
（ｆ，Ｐ）を満たしかつＨmax が最高の周波数ｆｉの選
択を試行し（ステップＳ１３）、この選択の可否をステ
ップＳ１４で判定し，選択が可能であればこの選択結果
を保存し（ステップＳ１５）、選択処理を終了する。こ
の選択処理の直後に開始される定時観測ルーチンにおい
ては、最高の送信レベルＰ_H とステップ１５で保存した
周波数が使用される。選択不能であることがステップＳ
１４で判定された場合、処理はステップＳ８に戻る。

【００２９】以上、本発明の送受信装置を一実施例によ
って説明したが、本発明の要旨の範囲内で各種の変形実
施例が考えられる。これらの変形実施例のうち主要なも
ののみを以下に列挙する。

【００３０】送信レベルと使用周波数の選択に際し、最
低周囲騒音レベルによる制限を付加しない変形実施例。

【００３１】試行観測を定時観測の合間を縫って周期的
に実施する変形実施例。

【００３２】送信レベルを３段階以外の複数段階にわた
って選択可能とする変形実施例。

【００３３】周波数を４段階以外の複数段階にわたって
選択可能とする変形実施例。

【００３４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の音
波探査装置は、実際の観測に使用する必要最小限の送信
レベルと好適な周波数とを実際の観測の開始に先行する
試行観測によって予め選択しておく構成であるから、風
向などに応じて変動する実際の周囲騒音レベルのもと
で、良好な観測結果を得ることができると共に、騒音の
トラブルを最小限に留めることができるという効果が奏
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の音波探査装置が実行する定
時観測とこれに先行する試行観測との時間的関係を例示
するタイミングチャートである。

【図２】上記実施例の音波探査装置の構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】上記実施例の音波探査装置による送信レベルと
使用周波数の選択処理を説明するためのフローチャート
の一部である。

【図４】図３のフローチャートの続きの部分である。

【図５】上記実施例の音波探査装置において、必要最小
限の送信レベルと使用周波数を選択する際の制限に利用
される最低周囲騒音レベルの一例を示す概念図である。

【図６】上記実施例の音波探査装置から放射される音波
の波形を例示する波形図である。

【図７】上記実施例の音波探査装置に受信される反射信
号の波形を例示する波形図である。

【図８】図７の反射信号をＦＦＴ処理して得られる周波
数スペクトルの一例を示す特性図である。

【図９】図７の反射信号をＦＦＴ処理して得られる周波
数スペクトルの他の一例を示す特性図である。

【符号の説明】

１１ 制御部 １２ 異なる周波数の正弦波の一つを選択的に発生す
る可変周波数発振回路 １３ パルスゲート回路 １４ 可変低域通過濾波回路 １５ 複数段階の送信レベルを実現する電力増幅回路 ２２ ＣＰＵ ２４ ＦＦＴ回路 ３０ 送受波器

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】送信レベルと周波数とを複数段階にわたっ
   て変更可能な可聴周波数帯の音波を大気中に放射し、大
   気中に存在する密度の揺らぎの領域から反射された反射
   波を受信してこの反射波に含まれる周波数成分のドップ
   ラーシフト量から所望の観測対象高度の風速を観測する
   音波探査装置において、 実際の観測の開始に先立って前記送信レベルを段階的に
   増加させながら試行観測を実施することにより、前記実
   際の観測に使用する必要最小限の送信レベルを選択する
   選択手段を備えたことを特徴とする音波探査装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記選択手段は、前記観測対象高度よりもα倍高い第１
   の高度とβ倍高い第２の高度（１＜α＜β＜２）との間
   に観測可能最大高度を存在せしめる段階の送信レベルを
   前記必要最小限の送信レベルとして選択することを特徴
   とする音波探査装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、 前記選択手段は、前記周波数と必要最小限の送信レベル
   の選択に際し周囲騒音も考慮し、この周囲騒音が低いほ
   ど送信レベルを低い値に制限しかつ高い周波数を選択す
   ることを特徴とする音波探査装置。
4. 【請求項４】 請求項２において、 前記選択手段は、所定の周波数について前記必要最小限
   の送信レベルの選択を試行し選択可能であればこの周波
   数とこの送信レベルとを選択し、選択不能であれば最高
   段階の送信レベルと前記観測可能最高高度を最大とする
   周波数とを選択することを特徴とする音波探査装置。