JP3255856B2 - 超音波式砂面計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、海底、河底、湖底
等（以下、水底と称する。）の砂面の高さの変化量を測
定することのできる砂面計に関し、特に、超音波を用い
て水底の砂面の高さの変化量を測定することのできる超
音波式砂面計に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の砂面計は、海岸水底地形変化モ
ニタリング、河床洗掘モニタリング、或は地形変化予測
シミュレーションに必要なデータ集積のために開発され
た計測器である。この砂面計としては、図１５に示す光
電式砂面計が知られている。

【０００３】図１５に示す砂面計は、センサー部に設け
られた各センサーが赤外発光器と受光器で一体に構成さ
れ、この各センサーが砂、泥などで遮断されると回路が
オフとなり、そのセンサーの位置をメモリ上に記憶させ
る。

【０００４】図１５に示すような光電式砂面計は、セン
サー部１０１と、計測部１０３と、該計測部の蓋部１０
４と、砂面計を支持するリング１０２とで構成されてい
る。

【０００５】図１６は、図１５に示すセンサー部１０１
の部分拡大図であり、発光素子（１０１ａ１，１０１ａ
２，１０１ａ３，１０１ａ４，１０１ａＮ）と受光素子
（１０１ｂ１，１０１ｂ２，１０１ｂ３，１０１ｂ４，
１０１ｂＮ）とが所定の距離離間されて互いに対向して
配置された状態を示している。

【０００６】図１５に示す計測部１０３は、対になる発
光素子と受光素子からの情報を制御するコントロール部
と、電源部と、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）等
からなるメモリーを有する収録部で構成されている。こ
のコントロール部１０３は、予め設定されている測定イ
ンターバルでの各発光素子及び受光素子の受発光の制御
を行う。

【０００７】この光電式砂面計は、図１５に示すように
水底１０５にセンサー部１０１を所定の深さまで埋設し
て支持する。このときリング１０２を用いて水底に対し
てほぼ垂直となるように支持する。そして、水底１０５
の砂面１０５ａが変化するとセンサー部１０１の発光素
子と受光素子、例えば図１６の１０１ａ４と１０１ｂ４
とが砂面１０５ａで遮断されると回路がオフとなり、こ
の情報が前記収録部のメモリー内に記憶される。そし
て、前記発光素子の各素子間及び受光素子の各素子間は
一定の間隔で離間配置されているので、或る素子間の回
路が遮断された場合には基準距離からの位置が算出され
る構成となっている。従って、前記のように１０１ａ４
と１０１ｂ４とが砂面１０５ａで遮断され回路がオフに
なることによって砂面１０５ａの位置を算出することが
できる。

【０００８】次に、予め設定した測定時間を経過して観
測がなされた後は、この光電式砂面計を水底１０５から
引き上げて、蓋部１０４内の計測部１０３と外部のパー
ソナルコンピュータ等とを接続して収録されたデータの
処理を行う。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の光電式砂面計で
は、センサー部１０１自身による局所洗掘が生じるため
正確な測定ができないという問題点があった。換言する
と、図１５に示すように水底１０５の砂面１０５ａがセ
ンサー部１０５自身による局所洗掘により砂面が１０６
のように変化し、真の水底の砂面１０５ａの高さの変化
とは異なるデータが得られるということが起こる。

【００１０】このような水底の砂面１０５ａの高さの変
化により例えば、港の出入口が埋まってしまったり、海
岸線の沖合の砂面の変化により漁場等の変化が起きた
り、海岸線の侵食等により自然破壊等が生じたりするな
どするため、このような水底の砂面１０５ａの高さの変
化を正確に測定することは重要である。

【００１１】そこで、本発明は従来の問題点に鑑みてな
されたものであって、従来の光電式砂面計のように局所
洗掘が生じることがなく、しかも水底の砂面とは非接触
により水底の砂面の変化量を正確に測定することができ
る超音波式砂面計を提供することを目的とするものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波式砂
面計は、超音波送受波器から水底砂面に向けて超音波パ
ルスを発射し水底砂面で反射して戻ってきた超音波パル
スを受信する。この超音波パルスが発射されてから戻っ
てくるまでの時間は超音波送受波器面から水底砂面まで
の距離に比例した値であるのでこの時間を計測すること
によって水底砂面までの距離が求まる。そして、この動
作を一定のインターバルをおいて繰り返すことによって
水底の砂面の変化量を記録する。

【００１３】本発明に係る請求項１に記載の発明は、水
底面に対して鉛直となるように設置され、超音波送受波
器から前記水底面に向けて超音波を発射して戻ってきた
超音波を受信して前記水底面の砂面の変化量を前記超音
波送受波器のセンサー部と前記水底面の砂面とが非接触
により測定可能な超音波式砂面計本体、外部のパーソナ
ルコンピュータ、表示手段とを有する超音波式砂面計で
あって、前記超音波式砂面計本体は、前記超音波送受波
器から水底面に向けて発射された超音波の反射信号を受
信して水底面の砂面の変化を示す超音波受信信号を所定
の時間間隔ごとに複数回計測してそれぞれエンベロープ
波形のデジタルデータに変換し、該計測データから振幅
と砂面の高さの変化の相関関係を示すパターンを信号処
理・制御部内のメモリー部にメモリーし、該測定データ
の得られた観測時の超音波の水中伝播速度の温度補正の
ための水温に関するデータも併せてメモリーし、前記表
示手段は、データ転送用インターフェースと接続された
前記パーソナルコンピュータで読み出された前記振幅と
砂面の高さの変化の相関関係の表示が可能であり、前記
信号処理・制御部内メモリー部にメモリーされたパター
ンを比較することによってシュミットレベル及び／又は
ノイズゲートを自動的に設定する構成としたものであ
る。

【００１４】本発明に係る請求項２に記載の発明は、前
記シュミットレベルは、最大ピーク値の１／ｎの値に設
定可能である。

【００１５】

【００１６】本発明に係る請求項３に記載の発明は、前
記超音波式砂面計本体の先端が前記水底面に対して常に
鉛直となるように揺動自在に取付けられてなり、前記超
音波式砂面計本体には、下面に開口部を有する円筒状の
筒体が被冠されているものである。

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】また、請求項４に記載の発明は、水中に向
けて超音波を発射して戻ってきた超音波を受信する超音
波送受波器を有し、該超音波送受波器から発射される超
音波は、１回の測定回数内で複数回の発振が行われ、該
発振に応じて受信部のゲインが予め定められたプログラ
ムに従って変化するようにしたものであり、特に、請求
項５に記載の発明のように、前記ゲインが段階的に変化
するように構成したものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る超音波式砂面
計の実施例について説明する。

【００２４】図１は、本発明に係る超音波式砂面計が水
底に設置された状態を示す概略図である。ここで、水底
は、海底、河底、湖底等を指称するものである。図１に
示すように、Ｓは、海、河、湖等の水面を示し、Ｋは、
海底、河底、湖底等の水底面を示している。１は、略円
筒状の超音波式砂面計である。この超音波式砂面計１
は、上下に平行に設けられた取付用パイプ２及び３に水
底面Ｋに対して鉛直となるように固定されている。取付
用パイプ２及び３は、両端をクランプ６、７、８、９に
より足場用パイプ４及び５の上端近傍に固定されてい
る。この足場用パイプ４及び５は、他端を水底面よりも
深く埋設して固定されている。この超音波式砂面計１
は、図１に示すように砂面変動の測定範囲が約３ｍの範
囲で測定できるように構成されている。

【００２５】図２は、超音波式砂面計１が取付用パイプ
２及び３に略Ｕ字状の取付金具１１及び１２により取付
固定されている状態を示す側面図である。取付金具１１
及び１２は、取付板１４及び１５にナット１３で取付け
られている。この取付板１４及び１５には、スチールバ
ンド１６及び１７の両端部がボルト及びナット１８によ
り固定されている。このスチールバンド１６及び１７
は、超音波式砂面計１の本体部外周を巻いた状態で固定
支持している。１９は、、超音波式砂面計１を運搬する
場合等に用いるステーである。また、超音波式砂面計１
の先端部には、超音波を送受信する送受信部２０が突出
している。そして、超音波式砂面計１は、本体部が１ａ
及び１ｂの上下に分割される構成となっており、この１
ａ及び１ｂの端部に形成されたフランジ１ｃ及び１ｄに
よりボルト及びナット２１を用いて締結固定されてい
る。

【００２６】図３は、図２に示す超音波式砂面計１の一
部断面を含む正面図である。この超音波式砂面計１の送
受波部２０内には超音波を送受信する送受波器２２が配
設されている。この送受波器２２から発射される超音波
の周波数は、本発明では５００ＫＨｚのものが用いられ
ている。但し、この超音波の周波数としては、数ＫＨｚ
から数ＭＨｚまでのものを適宜用いることができる。２
３は、電源部となるバッテリー部であり、２４は、プリ
ント基板である。また、図３には図示されていないが、
この超音波式砂面計１の本体部内には図４に示す回路が
内蔵されている。

【００２７】図４は、超音波式砂面計１の回路を示すブ
ロック図であり、超音波式砂面計１の本体部内に内蔵さ
れる回路としては、送受波器部(a) と、送信部（ｂ）
と、受信部(c) と、水温計測回路(d) と、信号処理・制
御部（e ）で構成される。

【００２８】送受波器部(a) には、送受波器２２と、水
温を計測する水温センサ３０とが設けられている。この
水温センサ３０からの出力は水温計測回路(d) 内の水温
計測回路３１で計測されて後段の信号処理・制御部（e
）に送出される。

【００２９】送信部(b) は、発振回路（ＯＳＣ）３８か
らの発振信号をパワーアンプ（ＰＯＷＥＲ ＡＭＰ）３
７で増幅して送受波器２２から図１に示す水底面Ｋに向
けて超音波パルスが発射される。この超音波パルスは、
反射されて送受波器２２で受波されて受信部(c) の送受
切替回路（Ｔ／Ｒ）３２、タイムバリアブルゲイン回路
（ＴＶＧ）３３、オートゲインコントロール回路（ＡＧ
Ｃ）３４、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３５、整流回
路（ＤＥＴ）３６を経て信号処理・制御部（e）に送出
される。

【００３０】信号処理・制御部（e ）は、受信部（e ）
からの信号をサンプルホールド回路（ＳＡＭＰ）３９で
サンプリングしてＡ／Ｄ変換回路４０によりアナログデ
ータをデジタルデータに変換して順次記憶手段としての
メモリー部（ＭＥＭ）４３内に記憶させる。制御手段と
しての制御部（ＣＴＬ）４１は、メモリー部４３への書
き込み及び読み出しや、発振回路３８、タイムバリアブ
ルゲイン回路３３、オートゲイン回路３４、サンプルホ
ールド回路３９等の制御を行う。また、４２は、クロッ
ク信号を発生するクロック回路（ＣＬＯＣＫ）４２であ
る。また、４４は、外部のパーソナルコンピュータ４５
との相互接続を行うデータ転送用インターフェースであ
り、本装置ではＲＳ−２３２Ｃを用いている。

【００３１】なお、本発明に係る超音波式砂面計１は、
狭義には図１に示す超音波式砂面計本体の意味で用いて
いるが、広義には図４にて説明しているように外部のパ
ーソナルコンピュータ４５及び表示手段としてのＣＲＴ
（図示せず）等を含めて超音波式砂面計と指称する。

【００３２】上記のような回路構成よりなる超音波式砂
面計１の測定方法について以下に説明する。

【００３３】水底砂面高さの変化量の測定は、まず外部
のパーソナルコンピュータ４５等を用いて観測開始日
時、観測間隔、測定回数、超音波パルスの発射回数、観
測モード等の観測条件をデータ転送用インターフェース
４４を介して超音波式砂面計１のメモリー部４３内に記
憶させる。そして、この条件設定がなされた後、前記パ
ーソナルコンピュータ４５と超音波式砂面計１とを切り
離して図１に示すような状態で超音波式砂面計１を水底
内に設置する。

【００３４】動作開始時刻が到来すると、制御部４１よ
り発信のトリガーパルスが発振回路３８に送り出され、
この発振回路３８では超音波周波数のトーンバースト波
を発生する。この信号は、パワーアンプ（ＰＯＷＥＲ
ＡＭＰ）３７で増幅され、送受波器２２を励振し水中に
超音波パルスを送出する。

【００３５】水底砂面で反射されて送受波器２２に戻っ
た超音波パルス信号は、受信部に伝送される。この信号
は、送受切替回路（Ｔ／Ｒ）３２、タイムバリアブルゲ
イン回路（ＴＶＧ）３３、オートゲインコントロール回
路（ＡＧＣ）３４、バンドパスフィルタ３５を経て整流
回路（ＤＥＴ）３６に入る。バンドパスフィルタ３５を
経た受波信号は、整流回路３６で整流検波されて受信信
号のエンベロープ波形を示す直流電気信号となり、信号
処理・制御部に送出される。

【００３６】また、サーミスタ温度計等で構成される水
温センサー３０によって観測時刻の水温が検出され、水
温計測回路３１において直流電気信号に変換されて信号
処理・制御部に送出される。

【００３７】前記受信信号のエンベロープ波形を示す直
流電気信号は、信号処理・制御部に入力されてサンプル
ホールド回路３９において発信直後より一定時間ごとに
サンプリングされてＡ／Ｄ変換回路４０によりデジタル
信号に変換される。

【００３８】本発明に係る超音波式砂面計１は、Ｃ：超
音波の水中伝播速度１５００ｍ／ｓ，Ｌ：水底砂面まで
の距離ｍとすると、 Ｔ＝２Ｌ／Ｃ ・・・・・（１） で表される。

【００３９】従って、Ｌ＝１ｃｍとすると、 Ｔ＝２Ｌ／Ｃ＝２×１（ｃｍ）／１５００×１０２（ｃ
ｍ／ｓ）＝１３．３μｓ となる。

【００４０】よって、本発明に係る超音波式砂面計１で
は、水中１ｃｍを超音波パルスが往復する時間である１
３．３μｓによって一定時間ごとにサンプリングしてい
る。この値は、適宜設定して変えることができることは
勿論である。

【００４１】また、水温を示す直流電気信号も信号処理
・制御部に入力され、観測時刻の先頭時間においてサン
プリングされて１データのデジタル信号に変換される。
そして、この変換された水温のデータは、例えば１０．
１°Ｃのような温度スケールに変換された値で表示され
る。

【００４２】図５は、８ビットのデータで計測された実
際の計測データの一例が表示されたものであり、このデ
ータの先頭に温度が表示されるようになっている。いず
れにしても本発明に係る超音波式砂面計１は、観測時刻
の水温が同時に検出されるように構成されているので超
音波の水中伝播速度の水温による影響を補正して精度の
よいデータを得ることができる。

【００４３】超音波式砂面計１の設置がなされた後は、
超音波式砂面計１は、予め外部のパーソナルコンピュー
タ４５によって設定されたプログラムにしたがって観測
を開始し、観測条件等と共にメモリー部４３に記録され
る。

【００４４】予め予定した観測期間が終了したら、水中
から超音波式砂面計１を回収し、再びデータ転送用イン
ターフェース４４と外部のパーソナルコンピュータ４５
とを接続して、メモリー部４３内に記録されているデー
タを所定のプログラムにしたがって、外部のパーソナル
コンピュータ４５により読み出す。そして、超音波受信
信号のエンベロープ波形のデジタルデータをパーソナル
コンピュータ４５の表示手段としてのＣＲＴ上に図形と
して表示させる。しかして、前記読み出されたエンベロ
ープ波形のデジタルデータを再びアナログ信号に変換し
てペンレコーダ等の記録手段（図示せず）を用いて表示
するようにしてもよい。

【００４５】表示されたＣＲＴの画面にて水底砂面から
の反射信号レベル、雑音信号レベル等を観察して、水底
砂面の位置を求めるためのシュミットレベル及びノイズ
ゲートの位置等を決定する。

【００４６】これらの条件及び水温データによる水中音
速度の補正条件等をデータ処理プログラムに読み込み、
水底砂面の位置及び変化量を演算処理することにより求
める。

【００４７】本発明に係る超音波式砂面計１は、上記の
ような測定方法により水底砂面の高さの変化量の測定を
行うものであるが、これらの測定について実際の測定デ
ータ等を用いて詳細に説明する。

【００４８】図５は、本発明に係る超音波式砂面計１を
用いて１ｃｍごと、すなわち１３．３μｓごとにサンプ
リングして８ビットの２５６分割に量子化した値を表に
して示したものである。

【００４９】図５は、１９９６年１月２３日、動作開始
時刻が１０時２０分に計測したものである。このときの
水中の温度は、１０．１°Ｃである。

【００５０】図５について説明すると、上段の１から１
９までは距離ｃｍを表しており、最初の１ｃｍでは２５
５の振幅を示し、１０ｃｍでは１９９、１９ｃｍでは０
である。このように順次左側に折り返して右方向に進ん
で行くと、７段目のほぼ中央に７７とあるのは１０６ｃ
ｍとなり、次の２５５は１０７ｃｍの深さである。この
ように測定していくと最後の３００ｃｍのところは０と
なっている。従って、この図５は、１３．３μｓごとに
サンプリングして３００ｃｍまでの深さを測ったもので
ある。

【００５１】そして、観測時刻の先頭時間においては、
水温を示すデータがサンプリングされて１データのデジ
タル信号に変換される。図５ではこの温度データが１
０．５°Ｃの温度に変換されている。

【００５２】図５に示すデータが得られると、本発明に
係る超音波式砂面計１は、予め設定されたプログラムに
したがって２回目、３回目と順次超音波パルスを発射し
て図５と同様の複数のデータをメモリー部４３に蓄積す
る。

【００５３】図６は、図５に示す値を本発明者が図形
化、すなわちパターン化して図示したものであるが、例
えば図５に示すデータのみでは、浮遊砂や水中に巻き込
まれた気泡等により超音波の反射波にノイズが加わった
場合等にどのデータがノイズであるのかを正確に判別す
ることが困難である。

【００５４】そこで、本発明に係る超音波式砂面計１
は、図５に示すデジタルデータをもとに図７（ａ）乃至
（ｄ）に示すような図形（パターンともいう。）に変換
して表示する。図７の縦軸は、振幅を示し、横軸は水深
（砂面高さ）を示している。図５に示すデジタルデータ
は、図８（ｃ）及び（ｄ）に示す１回の発振によって得
られる受信波形のデータである。従って、このデジタル
データから得られる図８（ｅ）に示すようなエンベロー
プ波形から図７に示すパターン（図７は、４つのパター
ンが示されている。）が得られる。

【００５５】図５によって得られたデータがノイズ等の
影響により誤差がなく正確な値を反映しているかどうか
を容易に判別するため表示手段としてのＣＲＴ上にパタ
ーン表示させる。

【００５６】すなわち、例えば図７の（ａ）及び（ｃ）
の破線Ｎで示すように本来の波形の前に１００ｂｉｔ前
後のノイズが表れると、この波形もデータとして読んで
しまうこととなる。そこで、図７のようにグラフ化、す
なわちパターン化することによって図５に示すデータが
ノイズ等の影響によるものかそうでないかを判別する。

【００５７】そして、図７に示すパターン化されたデー
タをＣＲＴ上で見ることによって、水底砂面からの反射
信号レベル、雑音信号レベル等を観察して、水底砂面の
位置を求めるためのシュミットレベル及びノイズゲート
の位置等を決定する。

【００５８】図７に示す（ａ）及び（ｃ）に示すノイズ
Ｎを除去するために振幅が１００ｂｉｔ以下はデータと
して読まないようにシュミットレベルをプログラムすれ
ば上記のようなノイズを除去することができる。従っ
て、このシュミットレベルの値を低くしたり高くしたり
任意に設定することによって測定状況に応じたデータを
得ることができる。

【００５９】超音波式砂面計１のメモリー部４３内には
図５に示すデータがメモリされているので、シュミット
レベルが１００ｂｉｔ以下を読まないというような設定
がなされると、例えば図５に示す７段目略中央の７７や
８段目左側の７８、４０などの数値も１００ｂｉｔ以下
のデータとして読まれないこととなる。

【００６０】次に、図７（ｂ）にＮ１およびＮ２で示し
たように１００ｂｉｔを越えるノイズが発生するとシュ
ミットレベルの設定のみではノイズを除去することがで
きない。そこで、時間軸上でもこのノイズを除去するこ
とが必要となる。そこで、このようなノイズを除去する
ためにノイズゲートの位置を設定する。

【００６１】このノイズゲートの設定は、図７（ａ）乃
至（ｄ）を見れば明らかなように各時間ごとの砂面の高
さを観察すればノイズであるか否かは容易に判別するこ
とが可能である。

【００６２】そこで、本発明に係る超音波式砂面計１
は、シュミットレベルとノイズゲートの両方を設定する
ことができるように構成されている。

【００６３】なお、本発明に係る超音波式砂面計１で
は、シュミットレベルとノイズゲートの設定を図７
（ａ）乃至（ｄ）に示す波形を表示手段としてのＣＲＴ
上で観察して設定するようにしているが、この波形のパ
ターンをメモリーに逐次記憶させておき、前後のパター
ン、例えば図７の（ｂ）と（ｃ）とを比較することによ
ってシュミットレベルとノイズゲートとを設定するよう
にしてもよい。

【００６４】本発明に係る超音波式砂面計１は、シュミ
ットレベルとノイズゲートとを適宜設定することによっ
てノイズの除去を行うことができるが、次に本発明に係
る超音波式砂面計１で用いられているシュミットレベル
の設定について以下に説明する。

【００６５】図７（ｄ）に示すように、超音波式砂面計
１により発射されて得られた受信波形、すなわち第１エ
コーのエンベロープ波形の最大ピーク値Ｅｐｈのシュミ
ットレベルＳＬｈが例えば、１００ｂｉｔで設定がなさ
れている。従って、このシュミットレベルの設定により
１００ｂｉｔ以下の受信波形は、ノイズとして除去され
ることとなる。しかしながら、図７（ｄ）に示す第１エ
コーのエンベロープ波計の最大ピーク値Ｅｐｈが、何ら
かの原因により斜線で示すように最大ピーク値Ｅｐｌが
前記シュミットレベルＳＬｈよりも低くなってしまう場
合には、この第１エコーの受信波形そのものがノイズと
共に得られなくなってしまう。

【００６６】そこで、本発明に係る超音波式砂面計１で
は、このシュミットレベルＳＬｈが上記のように最大ピ
ーク値ＥＰｈがＥｐｌのように変化したような場合に
は、このシュミットレベルもＳＬｌのように自動的に最
大ピーク値の１／ｎ（ｎは整数。）の値に設定されるよ
うに構成されている。このｎの値は、図４に示す外部の
パーソナルコンピュータ４５により設定がなされる。例
えば、最大ピーク値の１／３に設定されている場合に
は、最大ピーク値が６０ｂｉｔであれば自動的にシュミ
ットレベルが２０ｂｉｔの値に設定されることとなる。
しかして、図−７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）ようなパター
ン例について、このシュミットレベルの設定がなされる
場合には、予めノイズゲート等のノイズ除去の方法によ
り予めノイズを除去した状態で設定がなされる必要があ
る。

【００６７】次に、図１０は本発明に係る超音波式砂面
計１を用いて茨城県大洗で実際に測定した砂面の時間変
化状態を示す図である。図１０（ａ）は、従来の光電式
砂面計により砂面の変化を測定した図であり、図１０
（ｂ）は、本発明に係る超音波式砂面計１により砂面の
高さの変化を測定した図である。

【００６８】図１０（ａ）及び（ｂ）には、１９９６年
４月２９日から５月８日までで所定時間ごとに測定され
た状態が示されている。

【００６９】そして、図８（ａ）に示すように、本発明
に係る超音波式砂面計１は、予め設定された観測間隔に
より１、２・・・・ｎ回までの観測回数ができるように
構成されている。ここで、観測は、例えば３０分、１時
間というような予め設定した時間間隔で行われる。

【００７０】図８（ａ）に示す１回の観測では、図８
（ｂ）に示すように１、２・・・ｍ回までの測定回数が
できるように構成されている。この測定回数は、通常１
乃至数回程度の測定が行われる。また、この測定間隔
は、通常約１秒程度で設定される。

【００７１】次に、図８（ｂ）の測定回数のうち、１回
の測定には、図８（ｃ）に示すように１、２・・・Ｐ回
の発振回数が設定されている。通常、１０回程度の発振
がなされる。そして、この１回の発振間隔は、図８
（ｃ）に示すように約１０ｍｓｅｃ程度の設定がなされ
る。

【００７２】この１回の発振により図８（ｄ）に示すよ
うな受信波形が得られ、この超音波受信信号のデジタル
データが図５に示すものである。このようなデジタルデ
ータから図８（ｅ）に示すようなエンベロープ波形が得
られる。

【００７３】このようにして測定されたエンベロープ波
形をもとに作成された図７から砂面の高さの変化を示し
たのが図１０である。しかして、本発明に係る超音波式
砂面計１は、観測回数、測定回数、発振回数等の観測条
件を任意に設定することができるので、これらの測定は
１回でもよく、また複数回発振することによって得られ
たデータを平均化するなどして決定するようにしてもよ
い。

【００７４】図１１は、波高計を用いて波高を測定した
図であり、２つの波形の上側が波の最大波高を示してお
り、下側が平均化された波高を示している。

【００７５】図１１のＡで示すように、５月５日の朝６
時から１２時までにかけて最大約６ｍ程度の波が発生し
ており、５月６日にかけて海が荒れていることがわか
る。

【００７６】図１１に示す海面での波の作用力が水底に
影響する様子を示すため、波が砂面に及ぼす力をせん断
応力で表したのが図１２である。

【００７７】図１１のＡおよび図１２の５２で示すよう
に、せん断応力は波高の大きい５月５日よりも５月６日
の方が大きいことが理解される。これは、図１１に示す
周期の短い波よりも周期の長いうねり性の波の方が水底
に及ぼす影響が大であるためである。

【００７８】従って、上記のようなせん断応力の作用を
本発明に係る超音波式砂面計１の測定値は、図１０にて
明らかなように忠実に示している。そして、この超音波
式砂面計１はセンサーと砂面とが非接触であるためこの
作用を妨げることがない。

【００７９】なお、図１０乃至図１２に示す波形は、所
定の時間ごとに観測された観測値を連続的に示したもの
である。

【００８０】

【実施例】図１３は、図１に示す超音波式砂面計の他の
取付状態を示す一部断面を含む図である。

【００８１】図１３に示すように、この超音波式砂面計
１は、上部に設けられた釣下げ金具５７が、支持部とな
る先端部が鍵状の腕５６を有する釣下げ部５８に揺動自
在に取付けられている。この釣下げ部５８は、下面に開
口部を有する円筒状の筒体５５に設けられており、該筒
体５５は超音波式砂面計１全体を覆うように構成されて
いる。前記筒体５５は、図１に示す取付用パイプ２に支
持用パイプ６０を介して取付固定されている。

【００８２】図１に示す超音波式砂面計１は、水中内に
設置する場合には水底面Ｋに対して鉛直となるように設
置されるが、この設置を完全に行うことは困難である。
従って、図１３に示すような構成とすることによって超
音波式砂面計１は筒体５５が所定角度θ傾斜した場合で
も常に水底面Ｋに対して鉛直な状態が維持されることと
なる。

【００８３】しかも、このような構成にすることによっ
て筒体５５が超音波式砂面計に作用する波の運動力を遮
蔽するため、波による超音波式砂面形の動揺を防止する
ことができ、精度のよい測定を行うことができる。

【００８４】次に、本発明に係る超音波式砂面計１の他
の実施例について図１４を用いて説明する。以下に説明
する以外のものは、既に説明したものと同一の構成及び
機能等を有するので詳細な説明は省略する。

【００８５】図１４（ａ）乃至（ｃ）は、本発明に係る
超音波式砂面計１を用いて得られたエンベロープ波形の
デジタルデータである。

【００８６】本発明に係る超音波式砂面計１により発射
された超音波の受信波形は、受信部のゲインが十分大き
い場合には、図１４（ａ）に示すように受信波形の第１
エコーは飽和してしまう。この第１エコーの飽和は、図
４に示すオートゲインコントロール（ＡＧＣ）３４によ
り飽和しないように最適に制御されればよいが、実際に
は十分な制御がなされない場合がある。

【００８７】そこで、本発明者は、図８（ｃ）及び
（ｄ）に示すように、超音波を１回発振する毎に段階的
に受信部のゲインを変えて受信するようにしたものであ
る。すなわち、図８（ｃ）に示すように超音波の発振
は、通常設定された発振間隔により複数回行われるの
で、この１回毎の発振につきステップ的に順次ゲインを
変えて測定するようにしたものである。このようにする
ことによって、図１４（ａ）乃至（ｃ）に示すような振
幅の異なるエンベロープ波形のデジタルデータが得られ
るから、図４に示すパーソナルコンピュータ４５で読み
出す場合に最適なものを選択することができる。この選
択は、自動的に行うようにしてもよい。

【００８８】本発明者は、上記のような発明をステップ
ゲインコントロール（ＳＴＧ）と称するが、このステッ
プゲインコントロールは、図４に示すオートゲインコン
トロール（ＡＧＣ）３４に変えて回路内に組み込まれれ
ばよい。オートゲインコントロール（ＡＧＣ）３４で
は、ゲインが自動的に高くなったり低くなったりするよ
うに追従するが、ステップゲインコントロールでは、予
め設定したプログラムに従って超音波の発振回数毎にゲ
インを変えていく点に特徴がある。しかしながら、この
ステップゲインコントロールの設定は、本発明では発振
回数１回毎に設定しているが、他の設定によって行うよ
うにしてもよい。

【００８９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したようなものであ
るから、以下に記載されるような効果を奏する。

【００９０】本発明に係る超音波式砂面計は、水底砂面
に非接触で砂面高さの変化量の測定ができるから、従来
のような光電式砂面計のような局所洗掘を生じることが
なく、正確な測定を行うことができる。

【００９１】また、本発明によれば、観測時に水温を同
時に測定することができるから、超音波の水中伝播速度
の水温による影響を補正して精度のよいデータを得るこ
とができる。

【００９２】また、本発明によれば、超音波受信信号の
エンベロープ波形が表示手段上で観察することができる
から、砕波による気泡の巻き込みや浮遊砂等による異常
信号を判別除去することができ、信頼性の高いデータを
得ることができる。

【００９３】また、本発明によれば、超音波による測定
を行うため砂面変動の測定範囲が広く、しかも砂面だけ
ではなく砂利海岸等でも測定することができ、また、例
えば１ｃｍごとに測定することができるので測定分解能
も優れており、しかも安価に構成することができる。

【００９４】また、本発明によれば、超音波の発振に応
じて受信波形のゲインを変えるようにしたので、最適な
エンベロープ波形のデジタルデータを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る超音波式砂面計が水底に
設置された状態を示す概略図である。

【図２】図２は、図１に示す超音波式砂面計が取付用パ
イプ２及び３に略Ｕ字状の取付金具１１及び１２により
取付固定されている状態を示す側面図である。

【図３】図３は、図２に示す超音波式砂面計の一部断面
を含む正面図である。

【図４】図４は、超音波式砂面計の回路を示すブロック
図である。

【図５】図５は、超音波式砂面計により水底砂面高さの
変化量を測定した測定データを示す図である。

【図６】図６は、図５に示す測定データに基づいてグラ
フに表した図である。

【図７】図７は、本発明に係る超音波式砂面計を用いて
観測時間ごとに測定したデータに基づいてＣＲＴ上にグ
ラフで表示した図である。

【図８】図８は、本発明に係る超音波式砂面計の観測方
法を示す図である。

【図９】図９は、水中の音速度と温度との関係を示す図
である。

【図１０】図１０（ａ）は、従来の光電式砂面計により
砂面の変化量を測定した図であり、図１０（ｂ）は、本
発明に係る超音波式砂面計により砂面の変化量を測定し
た図である。

【図１１】図１１は、波高計により波高を測定した図で
ある。

【図１２】図１２は、せん断応力を測定した図である。

【図１３】図１３は、本発明に係る超音波式砂面計の他
の実施例を示す図である。

【図１４】図１４（ａ）乃至（ｃ）は、本発明に係る超
音波式砂面計を用いて得られたエンベロープ波形のデジ
タルデータである。

【図１５】図１５は、従来の光電式砂面計を取付けた状
態を示す図である。

【図１６】図１６は、図１５の光電式砂面計のセンサー
部の部分拡大図である。

【符号の説明】

Ｓ 水面 Ｋ 水底面 １ 超音波式砂面計 ２、３ 取付用パイプ ４、５ 足場用パイプ ６、７、８、９ クランプ １１、１２ 取付金具 １３ ナット １４、１５ 取付板 １６、１７ バンド １８、２１ ボルト、ナット １９ ステー ２０ 送受信部 ２２ 送受波器 ２３ バッテリー部 ２４ 基板 ３０ 水温センサ ３１ 水温計測回路 ３２ 送受切替回路（Ｔ／Ｒ） ３３ タイムバリアブルゲイン回路（ＴＶ
Ｇ） ３４ オートゲインコントロール回路（Ａ
ＶＧ） ３５ バンドパスフィルタ ３６ 整流回路（ＤＥＴ） ３９ サンプルホールド回路（ＳＡＭＰ） ４０ Ａ／Ｄ変換回路 ４１ 制御部（ＣＴＬ） ４３ メモリー部 ４４ データ転送用インターフェース ５５ 筒体 ５６ 腕 ５７ 釣下げ金具 ５８ 釣下げ部 ６０ 支持用パイプ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−210707（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−194319（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−292067（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−276555（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−20665（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−18313（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−260551（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−228805（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−5647（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−110122（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−137214（ＪＰ，Ｕ) 実開 平６−58327（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 23/28

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水底面に対して鉛直となるように設置さ
   れ、超音波送受波器から前記水底面に向けて超音波を発
   射して戻ってきた超音波を受信して前記水底面の砂面の
   変化量を前記超音波送受波器のセンサー部と前記水底面
   の砂面とが非接触により測定可能な超音波式砂面計本
   体、外部のパーソナルコンピュータ、表示手段とを有す
   る超音波式砂面計であって、前記超音波式砂面計本体は、 前記超音波送受波器から水
   底面に向けて発射された超音波の反射信号を受信して水
   底面の砂面の変化を示す超音波受信信号を所定の時間間
   隔ごとに複数回計測してそれぞれエンベロープ波形のデ
   ジタルデータに変換し、該計測データから振幅と砂面の
   高さの変化の相関関係を示すパターンを信号処理・制御
   部内のメモリー部にメモリーし、該測定データの得られ
   た観測時の超音波の水中伝播速度の温度補正のための水
   温に関するデータも併せてメモリーし、 前記表示手段は、データ転送用インターフェースと接続
   された前記パーソナルコンピュータで読み出された前記
   振幅と砂面の高さの変化の相関関係の表示が可能であ
   り、前記信号処理・制御部内メモリー部にメモリーされたパ
   ターンを比較することによってシュミットレベル及び／
   又はノイズゲートを自動的に設定する構成としたこと を
   特徴とする超音波式砂面計。
2. 【請求項２】 前記シュミットレベルは、最大ピーク値
   の１／ｎの値に設定可能であることを特徴とする請求項
   １に記載の超音波式砂面計。
3. 【請求項３】 前記超音波式砂面計本体の先端が前記水
   底面に対して常に鉛直となるように揺動自在に取付けら
   れてなり、前記超音波式砂面計本体には、下面に開口部
   を有する円筒状の筒体が被冠されていることを特徴とす
   る請求項１に記載の超音波式砂面計。
4. 【請求項４】 水中に向けて超音波を発射して戻ってき
   た超音波を受信する超音波送受波器を有し、該超音波送
   受波器から発射される超音波は、１回の測定回数内で複
   数回の発振が行われ、該発振に応じて受信部のゲインが
   予め定められたプログラムに従って変化するようにした
   ことを特徴とする超音波式砂面計。
5. 【請求項５】 前記ゲインは、段階的に変化するように
   したことを特徴とする請求項４に記載の超音波式砂面
   計。