JP4021830B2 - 電磁ログ - Google Patents

Description

本発明は、電磁ログに関する。

電磁ログは、周知のように導体が磁界中を移動した場合に起電力が発生するという物理現象（ファラデーの電磁誘導の法則）を応用したものであり、船舶等の水上航走体や各種の水中航走体の航行速度を計測する装置（対水速度測定装置）である。このような電磁ログは、例えば特開平１１−０２３３１０号公報に開示されているように、船舶の船底外板に進行方向に対して直行する向きに一対の電極を配置すると共に、当該各電極の周囲を励磁コイルによって発生する磁界を作用させ、導体としての水あるいは海水の進行方向の流速に応じて変化する各電極間の起電力に基づいて航行速度を計測する。
特開平１１−０２３３１０号公報

ところで、水上航走体や水中航走体が水あるいは海水中を航行する場合、周知のように航走体と水あるいは海水との界面には乱流境界層が形成される。乱流境界層内における水あるいは海水の流れは乱流であり、一方、乱流境界層外における水あるいは海水の流れは層流となる。また、乱流境界層内における水あるいは海水の流速は、航走体の外板に近づく程、上記層流の流速に対して減速することが知られている。さらに、航走体のピッチング状態に応じて乱流境界層の厚さが変化するため、乱流境界層における水あるいは海水の流速は、ピッチング状態（つまり乱流境界層の厚さ）に応じて上記層流の流速に対する減速割合が異なる。したがって、乱流境界層における水あるいは海水の流速は、上記層流の流速として計測されるべき航走体と水あるいは海水との相対速度に対して誤差を持つものとなる。

このような乱流境界層の影響を除去するために、水中航走体用の電磁ログでは、船体から突出する管状部材の先端にセンサ部を取り付け、以ってセンサ部を乱流境界層の外側に位置せしめて層流の流速を計測するようにしている。しかしながら、水中航走体から長い管状部材を突設させることは水中航走体の運用や取り扱い上好ましくなく、管状部材の長さを極力短くした状態、つまりセンサ部を乱流境界層内に位置させた状態においても水あるいは海水との相対速度を精度良く計測することが要望されている。

本発明は、上述した事情に鑑みたものであり、乱流境界層の厚さの影響を受けることなく航走体と水あるいは海水との相対速度を精度良く測定することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電磁誘導の法則に基づいて航走体と水あるいは海水との相対速度を検出する速度検出手段と、航走体の姿勢を検出する姿勢検出手段と、速度検出手段で検出された相対速度を姿勢検出手段で検出された航走体の姿勢に応じて補正する速度補正手段とを具備する手段を採用する。

このような本発明によれば、速度検出手段で検出された相対速度が姿勢検出手段で検出された航走体の姿勢に応じて補正されるので、航走体の姿勢に応じて厚さが変化する乱流境界層の影響を受けることなく、相対速度を精度良く測定することができる。
また、例えば航走体の姿勢としてピッチ角を検出した場合には、ピッチ角に応じて厚さが変化する乱流境界層の影響を受けることなく、相対速度を精度良く測定することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係わる電磁ログのブロック図である。この図において、符号1は速度センサ、２は整流増幅部、３は整流増幅部、４はＡ／Ｄ変換部、５はレベルセンサ、
６は増幅部、７はＡ／Ｄ変換部、８は演算処理部、また９は出力部である。

速度センサ１は、水中航走体に対する水あるいは海水の相対速度をファラデーの電磁誘導の法則に基づいて交流電圧として検出するものであり、水中航走体の転心点（旋回時の中心点）近傍の船底に突設する管状部材の先端部に設けられている。この速度センサ１は、水中航走体のローリング軸方向における上記相対速度を航行速度信号として検出すると共に、ローリング軸方向に直行するピッチング軸方向における上記相対速度を正横速度信号として検出し、航行速度信号を整流増幅部２に出力する一方、正横速度信号を整流増幅部３に出力する。

整流増幅部２は、航行速度信号（交流電圧）を整流して直流電圧に変換した後、０．１６（Ｖ／Ｋｔ）の速度対電圧の変化率となるように増幅してＡ／Ｄ変換部４に出力する。整流増幅部３は、正横速度信号（交流電圧）を同じく整流して直流電圧に変換した後、０．１６（Ｖ／Ｋｔ）の速度対電圧の変化率となるように増幅してＡ／Ｄ変換部４に出力する。Ａ／Ｄ変換部４は、このように整流増幅部２から増幅されて入力された航行速度信号及び整流増幅部３から増幅されて入力された正横速度信号をそれぞれ標本化かつ量子化してデジタル信号（航行速度データ及び正横速度データ）に変換して演算処理部８に出力する。

レベルセンサ５は、水中航走体のピッチ角（ローリング軸の水平軸に対する傾斜角）を検出しピッチ角信号（電圧信号）として増幅部６に出力する。増幅部６は、ピッチ角信号を所定の変化率となるように増幅してＡ／Ｄ変換部７に出力する。Ａ／Ｄ変換部７は、増幅部６から増幅されて入力されたピッチ角信号を標本化かつ量子化してデジタル信号（ピッチ角データ）に変換して演算処理部８に出力する。

演算処理部８は、各Ａ／Ｄ変換部４，７から入力された航行速度データ、正横速度データ及びピッチ角データに所定の演算処理を施すことによりピッチ角データによって補正された航行速度データ（補正航行速度データ）と正横速度データ（補正正横速度データ）を算出すると共に、当該補正航行速度データ及び補正正横速度データに基づいて航程データを算出して出力部９に出力する。

ここで、図２は、上記演算処理用に演算処理部８に予め記憶されている速度補正テーブルの概念図である。この速度補正テーブルには、所定範囲に亘る複数のピッチ角Ａ0〜Ａｎ毎に補正係数Ｂ0〜Ｂｎが設定されている。上記ピッチ角Ａ0〜Ａｎは、例えば−１０°〜＋１０°の範囲に亘るピッチ角としての−１０°，−９°，−８°，……，０°，……，＋８°，＋９°，＋１０°である。各補正係数Ｂ0〜Ｂｎは、水中航走体を各ピッチ角Ａ0〜Ａｎで航行させたときに速度センサ１で実際に検出された航行速度を基準速度で除した値であり、予め実験的に求められて演算処理部８に記憶されたものである。

上記基準速度は、層流としての水あるいは海水の水中航走体に対する相対速度であり、水中あるいは海水中に対する水中航走体の真の移動速度を示すものである。演算処理部８は、このような速度補正テーブルと予め組み込まれた補正プログラムとに基づいて補正航行速度データ、補正正横速度データ及び航程データを算出する。出力部９は、演算処理部８から入力された補正航行速度データ、補正正横速度データ及び航程データを例えばＲＳ−４２２Ａに準拠した形式の信号にそれぞれ変換して外部に出力する。

次に、このように構成された電磁ログの要部動作つまり演算処理部８における上記演算処理の詳細について説明する。

最初に、本電磁ログでは、上述したように速度センサ１が水中航走体の転心点近傍の船底に突設する管状部材の先端部に設けられている。このような速度センサ１は水中航走体と水あるいは海水との界面に形成される乱流境界層中に位置する。そして、速度センサ１が位置する水中航走体の転心点近傍の船底における乱流境界層の厚さは水中航走体の航行姿勢、特にピッチ角に応じて変動するので、速度センサ１によって検出される航行速度及び正横速度は上記ピッチ角に応じて変動することになる。すなわち、航行速度及び正横速度の上記基準速度に対する割合（検出誤差）はピッチ角に応じて変化する。

このような航行速度及び正横速度の検出環境の中、演算処理部８にはＡ／Ｄ変換部７から時々刻々と変化するピッチ角データが入力される。このピッチ角データは、速度補正テーブルにおけるピッチ角Ａ0を下限かつピッチ角Ａｎを上限とする範囲内の所定ピッチ角を示すものである。

ここで、このようなピッチ角データとして、例えばピッチ角Ａiとピッチ角Ａi-1との間（但しＡi＞Ａi-1）の値であるピッチ角θが演算処理部８に入力された場合、演算処理部８は、上記ピッチ角θに基づいて速度補正テーブルを検索することにより、大小関係においてピッチ角θを挟む関係にあるピッチ角Ａiとピッチ角Ａi-1及び当該各ピッチ角Ａi，Ａi-1に対応する補正係数Bi，Bi-1を取得する。そして、演算処理部８は、上記ピッチ角θ、相対速度ｓ、ピッチ角Ａi，Ａi-1及び補正係数Bi，Bi-1を補正式（１）に代入することによりピッチ角θに対応する補正相対速度Hを算出する。

なお、相対速度ｓは、Ａ／Ｄ変換部４から演算処理部８に入力された航行速度データが示す航行速度あるいは正横速度データが示す正横速度である。補正式（１）に相対速度ｓとして航行速度を代入することにより補正航行速度が補正速度Hとして算出され、一方、相対速度ｓとして正横速度を式（１）に代入することにより補正正横速度が補正速度Hとして算出される。

演算処理部８は、所定のタイムインターバルΔｔで時々刻々と入力されるピッチ角データ、航行速度データ及び正横速度データについて、上述したように補正航行速度及び補正正横速度をそれぞれ算出すると、当該補正航行速度、補正正横速度及びタイムインターバルΔｔを用いることにより航路を示す航程を算出する。そして、演算処理部８は、自らが算出した補正航行速度を補正航行速度データとして、補正正横速度を補正正横速度データとして、また航程を航程データとして出力部９に出力する。

このような本電磁ログによれば、航行速度及び正横速度を水中航走体のピッチ角に応じて補正するので、乱流境界層及の厚さによる影響を受けることなく、航行速度及び正横速度を精度良く測定することができると共に、このようなより航行速度及び正横速度を用いて航程を算出するので乱流境界層の厚さによる影響を受けることなく、より航程を精度良く測定することができる。

また、演算処理部８に予め記憶された速度補正テーブルを用いて航行速度及び正横速度を補正するので、演算処理を単純化することが可能であり、よって演算処理部８の負荷を軽減することができる。また、補正式（１）を用いるので、大小関係において速度補正テーブルに予め登録されたピッチ角Ａ0〜Ａｎの間に位置するピッチ角に対しても相対速度を精度良く補正することができる。

さらに、本実施形態では速度センサ１を水中航走体の転心点近傍の船底に突設する管状部材の先端部に設けている。例えば、この管状部材の長さを長くすることにより、想定されるピッチ角の範囲内において速度センサ１が常に乱流境界層の外側に位置するような状況を実現させることもできる。

しかしながら、水中航走体の転心点近傍の船底に長い管状部材を突設させることは水中航走体の運用や取り扱い上好ましくない。このような事情に対して、本実施形態によれば、管状部材の長さを短い状態、つまり想定されるピッチ角の範囲内において速度センサ１が常に乱流境界層内に位置するような状態においても、航行速度、正横速度及び航程を精度良く測定することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態は本発明を水中航走体の速度測定に適用したものであるが、本発明は水中航走体に限定されることなく船舶等の水上航走体にも適用可能である。

（２）上記実施形態ではピッチ角θに基づいて速度補正テーブルを検索することにより大小関係においてピッチ角θを挟む関係にあるピッチ角Ａiとピッチ角Ａi-1及び当該各ピッチ角Ａi，Ａi-1に対応する補正係数Bi，Bi-1を取得し、上記ピッチ角θ、相対速度ｓ、ピッチ角Ａi，Ａi-1及び補正係数Bi，Bi-1を補正式（１）に代入することによりピッチ角θに対応する補正相対速度Hを算出する補正方法を採用したが、速度補正テーブルの使用方法はこれに限定されるものではない。また、速度補正テーブルを使用しない他の補正方法であっても良い。

（３）上記実施形態では水中航走体の姿勢としてピッチ角θを検出したが、本発明はこれに限定されるものでない。また、速度センサの取付位置も転心点近傍の船底に限定されない。

本発明の一実施形態に係わる電磁ログのブロック図である。 本発明の一実施形態における速度補正テーブルの概念図である。

符号の説明

１…… 速度センサ
２…… 整流増幅部
３…… 整流増幅部
４…… Ａ／Ｄ変換部
５…… レベルセンサ
６…… 増幅部
７…… Ａ／Ｄ変換部
８…… 演算処理部
９…… 出力部

Claims (2)

1. 電磁誘導の法則に基づいて航走体と水あるいは海水との相対速度を検出する速度検出手段と、
   航走体のピッチ角を検出するピッチ角検出手段と、
   前記速度検出手段で検出された相対速度を前記ピッチ角検出手段で検出された航走体のピッチ角に応じて補正する速度補正手段とを具備し、
   前記速度補正手段は、
   ピッチ角検出手段で検出されたピッチ角θ、前記速度検出手段で検出された相対速度ｓ並びに大小関係においてピッチ角θを挟む関係にあるピッチ角Ａi-1とピッチ角Ａi及び当該各ピッチ角Ａi-1，Ａiに対応する補正係数Ｂi-1，Ｂiを、航走体の表面に形成される乱流境界層の影響を除去するための補正式（１）に代入することにより補正相対速度Ｈを算出することを特徴とする電磁ログ。
   

   
2. 前記速度補正手段は、
   航走体の所定範囲に亘る各ピッチ角にそれぞれ対応する補正係数が複数登録された補正テーブルを予め記憶し、前記ピッチ角検出手段で検出されたピッチ角に基づいて補正テーブルから特定の補正係数を検索することにより相対速度を補正することを特徴とする請求項１記載の電磁ログ。

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