JP4609661B2 - 性状測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、測定対象物の性状を測定する性状測定装置に関する。

現在、一般的に用いられている積雪の含水率測定方法には、遠心分離機によって積雪内部から水を分離して測定する方法、雪試料の相変化に要する熱量を計測して雪試料全量に対する氷の量を定める方法、雪試料の誘電率を測定する方法などがある。しかし、これらの含水率測定方法は、いずれも積雪層を破壊して測定する方法であり、連続的に自動で積雪の含水率を測定することはできない。このため、このような従来の積雪の含水率測定方法の不都合を解決する雪の含水率測定装置が提案されている。

従来の雪の含水率測定装置は、雪のサンプルを採集する透明な容器と、この容器内の雪に赤外線を照射しこの雪の表面からの反射光を検出する赤外線反射型センサと、この赤外線反射型センサが検出した反射光の強度に基づいて雪の含水率を判定する電気回路などを備えている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の雪の含水率測定装置では、積雪層を破壊せずに連続して赤外線反射型センサが検出した反射光強度を測定し、雪の高さなどの物性値も判断して雪の含水率を判定している。

特開平10-142146号公報

従来の雪の含水率測定装置では、積雪の表面に赤外線を照射しこの積雪の表面からの反射光に基づいて含水率を測定するため、赤外線が透過できない積雪内部の含水率を正確に測定することができない問題点がある。また、従来の雪の含水率測定装置では、積雪に赤外線を照射しこの積雪表面からの反射光を受光する赤外線反射型センサなどの特別の装置が必要になり、装置が大型化しコストが高くなってしまう問題点がある。

この発明の課題は、簡単な構造によって低コストで測定対象物の性状を測定することができる性状測定装置を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、積雪（２）の性状を測定する性状測定装置であって、GPS衛星（１）が出力し積雪を透過するGPS信号を受信する第１の信号受信手段（３ａ）と、前記第１の信号受信手段が前記積雪を透過するGPS信号を受信する時刻と同時刻に、前記GPS衛星が出力し積雪を透過しないGPS信号を受信する第２の信号受信手段（３ｂ）と、前記積雪を透過していないGPS信号に対して前記積雪を透過したGPS信号がどれだけ低下しているか演算して、この積雪を透過したGPS信号の減衰量を演算する信号減衰量演算手段（３ｄ）と、前記積雪を透過したGPS信号の減衰量とこの積雪内部の含水率との相関関係を相関関係情報として記憶する相関関係情報記憶手段（３ｆ）と、前記積雪を透過したGPS信号の減衰量と前記相関関係情報とに基づいてこの積雪内の水分量を測定する性状測定手段（３ｇ）とを備える性状測定装置（３）である。

この発明によると、簡単な構造によって低コストで測定対象物の性状を測定することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る性状測定装置の構成図である。
図１に示す人工衛星１は、地球から地球軌道に打ち上げられた人工の天体であり、全地球測位システム(Global Positioning System(GPS))に使用されるGPS衛星である。ここで、全地球測位システムとは、地球の周回軌道を回るGPS衛星から発信される電磁波信号(GPS信号)をGPS受信機によって受信して、GPS信号がGPS受信機に到達するまでに要する時間に基づいてGPS衛星からの距離を演算し、現在地の緯度、経度及び高度を計測するシステムである。全地球測位システムは、６軌道面に４個ずつ配置され地上約2万kmを周回する24個のGPS衛星と、このGPS衛星を追跡し管制する管制局と、４個以上のGPS衛星からのGPS信号を受信する利用者のGPS受信機などから構成されている。

測定対象物２は、性状測定装置３によって性状が測定される被測定物である。測定対象物２は、例えば積雪であり、水分を含む濡れ雪などである。

性状測定装置３は、測定対象物２の性状を測定する装置である。性状測定装置３は、測定対象物２内を透過する電波(GPS信号)を受信してこのGPS信号の減衰量(電波の強さ)を連続的に自動で測定し、測定対象物２の水分などの性状を非破壊で推定する。性状測定装置３は、例えば、鉄道車両の屋根上又は鉄道車両が走行する線路に沿って設置される。性状測定装置３は、図１に示すように、信号受信部３ａ，３ｂと、信号処理部３ｃと、信号減衰量演算部３ｄと、減衰量情報記憶部３ｅと、相関関係情報記憶部３ｆと、性状測定部３ｇと、性状情報記憶部３ｈと、性状情報出力部３ｉと、プログラム記憶部３ｊと、給電部３ｋと、制御部３ｍなどを備えている。

信号受信部３ａは、測定対象物２を透過する電磁波信号を受信する手段であり、信号受信部３ｂは測定対象物２を透過しない電磁波信号を受信する手段である。信号受信部３ａ，３ｂは、例えば、全地球測位システムのGPS衛星が出力するGPS信号を受信するGPS受信機(GPSアンテナ)である。信号受信部３ａは、測定対象物２の下方に設置され測定対象物２に覆われる試験局であり、信号受信部３ｂは測定対象物２に覆われていない基準局である。信号受信部３ａは、測定対象物２を透過した電磁波信号を信号処理部３ｃに出力し、信号受信部３ｂは測定対象物２を透過しない電磁波信号を信号処理部３ｃに出力する。

信号処理部３ｃは、信号受信部３ａ，３ｂが出力する電磁波信号を処理する手段である。信号処理部３ｃは、例えば、信号受信部３ａ，３ｂが出力する電磁波信号を増幅する増幅回路と、この増幅回路の出力信号から所定の周波数成分を除去するフィルタ回路などを備えている。信号処理部３ｃは、処理後の電磁波信号を制御部３ｍに出力する。

信号減衰量演算部３ｄは、信号受信部３ａ，３ｂの受信結果に基づいて、測定対象物２を透過する電磁波信号の減衰量を演算する手段である。信号減衰量演算部３ｄは、例えば、信号受信部３ｂが受信した測定対象物２を透過していないGPS信号（基準値）と、信号受信部３ａが受信した測定対象物２を透過したGPS信号（検出値）とを比較する。信号減衰量演算部３ｄは、信号受信部３ｂの信号レベルに対して信号受信部３ａの信号レベルがどれだけ低下しているかを演算し、測定対象物２を透過したGPS信号の減衰量を演算する。信号減衰量演算部３ｄは、電磁波信号の減衰量を減衰量情報として制御部３ｍに出力する。

減衰量情報記憶部３ｅは、信号減衰量演算部３ｄの演算結果を記憶する手段である。減衰量情報記憶部３ｅは、例えば、信号減衰量演算部３ｄが演算したGPS信号の減衰量を減衰量情報として記憶するメモリである。

図２は、この発明の実施形態に係る性状測定装置の相関関係情報記憶部のデータ構造を模式的に示す図である。
相関関係情報記憶部３ｆは、信号受信部３ａが受信した電磁波信号の減衰量と測定対象物２の性状との相関関係を相関関係情報として記憶する手段である。相関関係情報記憶部３ｆは、例えば、図２に示すように、信号受信部３ａが受信したGPS信号の減衰量と積雪内部の含水率との相関関係を表す信号減衰量−含水率曲線Ｃを相関関係情報としてデータベース化して記憶するメモリである。ここで、図２に示す横軸は積雪内部の含水率であり、縦軸はGPS信号の減衰量であり、図２に示すように濡れ雪の内部を透過するGPS信号の減衰量が積雪内部の含水率によって変化しており、GPS信号の減衰量が大きくなるほど積雪内部の含水率も大きくなっている。

性状測定部３ｇは、測定対象物２を透過する電磁波信号の減衰量に基づいてこの測定対象物２の性状を測定する手段である。性状測定部３ｇは、減衰量情報記憶部３ｅが記憶する減衰量情報と相関関係情報記憶部３ｆが記憶する相関関係情報とに基づいて測定対象物２の水分を測定する。性状測定部３ｇは、例えば、測定対象物２が積雪であるときにはこの積雪内の水分を測定する。性状測定部３ｇは、例えば、図２に示すように、GPS信号の減衰量に対応する積雪内部の含水率を信号減衰量−含水率曲線Ｃを参照して推定する。性状測定部３ｇは、測定対象物２の性状に関する性状情報を制御部３ｍに出力する。

図１に示す性状情報記憶部３ｈは、性状測定部３ｇの測定結果を記憶する手段である。性状情報記憶部３ｈは、例えば、積雪内部の含水率などの性状を性状情報として記憶するメモリである。

性状情報出力部３ｉは、性状測定部３ｇの測定結果を出力する手段である。性状情報出力部３ｉは、例えば、性状測定部３ｇが測定した性状情報を表示装置や印刷装置などの外部機器に出力する。

プログラム記憶部３ｊは、測定対象物２の性状を測定するための性状測定プログラムを記憶する手段である。プログラム記憶部３ｊは、情報記録媒体から読み取った性状測定プログラムや、電気通信回線を通じて取り込まれた性状測定プログラムなどを記憶するメモリである。

給電部３ｋは、性状測定装置３に電力を供給する手段である。給電部３ｋは、例えば、性状測定装置３に着脱自在に装着され交換可能な電池である。

制御部３ｍは、性状測定装置３の種々の動作を制御する手段(中央処理部(CPU))である。制御部３ｍは、プログラム記憶部３ｊから性状測定プログラムを読み出して性状測定装置３のコンピュータに所定の処理を指令し実行させる。制御部３ｍは、例えば、信号減衰量演算部３ｄに電磁波信号の減衰量の演算を指令したり、減衰量情報記憶部３ｅに減衰量情報の記録を指令したり、減衰量情報記憶部３ｅから減衰量情報を読み出したり、相関関係情報記憶部３ｆから相関関係情報を読み出したり、性状測定部３ｇに測定対象物２の性状の測定を指令したり、性状情報記憶部３ｈに性状情報の記録を指令したり、性状情報記憶部３ｈから性状情報を読み出したり、性状情報出力部３ｉに性状情報の出力を指令したり、給電部３ｋに電力の供給を指令したりする。制御部３ｍには、図１に示すように、信号受信部３ａ，３ｂ、信号処理部３ｃ、信号減衰量演算部３ｄ、減衰量情報記憶部３ｅ、相関関係情報記憶部３ｆ、性状測定部３ｇ、性状情報記憶部３ｈ、性状情報出力部３ｉ、プログラム記憶部３ｊ及び給電部３ｋが図示しない通信手段によって相互に通信可能なように接続されている。

次に、この発明の実施形態に係る性状測定装置の動作を説明する。
図３は、この発明の実施形態に係る性状測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、制御部３ｍの動作を中心として説明する。
ステップ（以下、Ｓという）１００において、図１に示す制御部３ｍが性状測定プログラムを読み込む。図示しない電源スイッチがONすると電力の供給を制御部３ｍが給電部３ｋに指令し、給電部３ｋが性状測定装置３に電力を供給するとともに、プログラム記憶部３ｊから性状測定プログラムを制御部３ｍが読み込み一連の処理を開始する。制御部３ｍは、例えば、所定の時間間隔をあけて一連の処理を繰り返し実行する。

Ｓ１１０において、信号減衰量の演算開始を信号減衰量演算部３ｄに制御部３ｍが指令する。その結果、測定対象物２を透過した電磁波信号を信号受信部３ａが検出するとともに、測定対象物２を透過しない電磁波信号を信号受信部３ｂが検出して、信号処理部３ｃが出力する電磁波信号の減衰量を信号減衰量演算部３ｄが演算し、この演算結果を減衰量情報として制御部３ｍに出力する。

Ｓ１２０において、減衰量情報の記録を減衰量情報記憶部３ｅに制御部３ｍが指令する。その結果、減衰量情報記憶部３ｅに減衰量情報を制御部３ｍが出力して、この減衰量情報を減衰量情報記憶部３ｅが記録する。

Ｓ１３０において、相関関係情報を相関関係情報記憶部３ｆから制御部３ｍが読み出す。その結果、相関関係情報を相関関係情報記憶部３ｆから制御部３ｍが読み出してこの相関関係情報を性状測定部３ｇに出力する。

Ｓ１４０において、減衰量情報を減衰量情報記憶部３ｅから制御部３ｍが読み出す。その結果、減衰量情報記憶部３ｅから減衰量情報を制御部３ｍが読み出して性状測定部３ｇに出力する。

Ｓ１５０において、性状測定の開始を性状測定部３ｇに制御部３ｍが指令する。その結果、例えば、図２に示すように、GPS信号の減衰量に対応する積雪内部の含水率を信号減衰量−含水率曲線Ｃを参照して性状測定部３ｇが測定し、この測定結果を性状情報として制御部３ｍに出力する。

Ｓ１６０において、性状情報の記録を性状情報記憶部３ｈに制御部３ｍが指令する。その結果、性状情報記憶部３ｈに性状情報を制御部３ｍが出力して、この性状情報を性状情報記憶部３ｈが記録する。

この発明の実施形態に係る性状測定装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、測定対象物２を透過する電磁波信号の減衰量に基づいてこの測定対象物２の性状を性状測定部３ｇが測定する。その結果、従来の雪の含水率測定装置のような赤外線の反射光を利用する場合とは異なり、測定対象物２内を電磁波信号が透過するため、この測定対象物２の内部の性状を測定することができる。

(2) この実施形態では、測定対象物２を透過するGPS信号に基づいてこの測定対象物２の性状を性状測定部３ｇが測定する。このため、従来の雪の含水率測定装置のような赤外線を照射する赤外線反射型センサなどの特別な装置を設置する必要がなくなって、GPS衛星からのGPS信号を測定対象物２の性状測定に利用することができる。その結果、性状測定装置３の構造が簡単になり低コスト化を図ることができる。特に、GPS信号を受信して車両の現在位置を検出可能な鉄道車両の場合には、このGPS信号を受信するGPS受信機を利用して性状測定装置３を簡単に構成することができる。また、指向性がなく広範囲で受信可能なGPS信号を利用することによって、測定対象物２の性状を手軽に測定することができる。

(3) この実施形態では、性状測定部３ｇが測定対象物２の水分量を測定する。その結果、従来の雪の含水率測定装置のような積雪表面の水分のみの測定とは異なり、測定対象物２の内部の水分を測定することができるため測定結果の信頼性を向上させることができる。

(4) この実施形態では、測定対象物２が積雪であるときにこの積雪内の水分量を性状測定部３ｇが測定する。このため、例えば、鉄道車両などの移動体が走行する軌道上の積雪内部の含水率を測定して雪の舞上りの有無を推定し、雪の舞上り状況に応じて移動体の速度を規制することができるとともに、最適な規制速度を決定することができる。

(5) この実施形態では、電磁波信号の減衰量と測定対象物２の性状との相関関係を相関関係情報として相関関係情報記憶部３ｆが記憶し、電磁波信号の減衰量と相関関係情報とに基づいて測定対象物２の性状を性状測定部３ｇが測定する。このため、例えば、GPS信号の減衰量と積雪内部の含水率との相関関係を予め記憶しておくことによって、GPS信号の減衰量に基づいて積雪内部の含水率を簡単に推定することができる。

次に、この発明の実施例について説明する。
図４は、着雪試験装置のGPSアンテナの仮設状況を示す概略図である。図５は、着雪試験装置のGPSアンテナの着雪状態を概略的に示す断面図である。

図４に示す着雪試験装置１０は、GPS信号の減衰量と積雪内部の含水率との関係を確認するための試験装置である。着雪試験装置１０は、基準局１０ａと、試験局１０ｂと、着雪１０ｃと、台座１０ｄなどを備えている。基準局１０ａは、雪に覆われていないGPSアンテナであり、試験局１０ｂは雪に覆われたGPSアンテナである。着雪１０ｃは、試験局１０ｂを埋没させた雪であり、試験局１０ｂを中心としてこの試験局１０ｂ上に円柱状に付着させている。台座１０ｄは、基準局１０ａ、試験局１０ｂ及び着雪１０ｃを支持する部材である。着雪試験は、財団法人鉄道総合技術研究所の塩沢雪害防止実験所（新潟県南魚沼市）にて行った。基準局１０ａ及び試験局１０ｂには、船舶などで使用されている古野電気株式会社製GSA-019を使用した。雪試料は、実験棟屋上に自然堆積したしまり雪（φ0.5mm程度）を用い、GPSアンテナ上の雪の厚さＢ及び含水率を調整して、GPSアンテナが受信したGPS信号のキャリア対雑音比C/N₀を測定した。ここで、キャリア対雑音比C/N₀＝キャリア電力C/ノイズ電力密度N₀である。

先ず、乾き雪がGPSアンテナに付着した場合の測位に及ぼす影響を確認したところ、雪の厚さＢが400mm程度まで測位に影響がないことが確認された。次に、濡れ雪がGPSアンテナに付着した場合の測位に及ぼす影響を確認したところ、含水率が40%程度で雪の厚さＢが50mm以上であるとキャリア対雑音比C/N₀が約30dBとなり、測位不能であることが確認された。

図６は、GPS信号のキャリア対雑音比と含水率との関係を示すグラフである。
次に、GPSアンテナに付着した雪に含まれる水分とGPS信号のキャリア対雑音比との関係を確認した。基準局１０ａには雪を付着させず、試験局１０ｂには含水率が約17%、約24%及び約39%の雪を付着させて、図６に示すように基準局１０ａ及び試験局１０ｂが受信したGPS信号のキャリア対雑音比C/N₀の最大値、最小値及び平均値を測定した。ここで、図６に示す基準局１０ａのキャリア対雑音比C/N₀は、試験局１０ｂと同時刻における同じGPS衛星の値である。試験局１０ｂのキャリア対雑音比C/N₀は、それぞれの含水率において図５に示す雪の厚さＢが50mm以下となったGPS衛星の値である。その結果、図６に示すように、基準局１０ａのキャリア対雑音比C/N₀は、平均50dB(52〜48dB)であった。一方、試験局１０ｂのキャリア対雑音比C/N₀は、含水率が約17%のとき平均50dB(52〜47dB)、含水率が約24%のとき平均47dB(49〜44dB)、含水率が約39%のとき平均44dB(48〜40dB)であり、含水率が大きいほどキャリア対雑音比C/N₀が低くなる傾向が確認された。その結果、積雪を透過するGPS信号の減衰量を測定することによって積雪内部の含水率を推定可能であることが確認された。

この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
この実施形態では、測定対象物２として積雪を例に挙げて説明したがこれに限定するものではなく、砂などの堆積物についてもこの発明を適用することができる。この場合には、砂の性状を判定して砂が飛びやすい状況か否かを判定することができる。また、この実施形態では、電磁波信号としてGPS信号を例に挙げて説明したが、GPS信号以外の電波を利用することもできる。さらに、この実施形態では、測定対象物２の性状として含水率を測定する場合を例に挙げて説明したが、含水率以外に密度などの他の性状を測定することもできる。

この発明の実施形態に係る性状測定装置の構成図である。 この発明の実施形態に係る性状測定装置の相関関係情報記憶部のデータ構造を模式的に示す図である。 この発明の実施形態に係る性状測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。 着雪試験装置のGPSアンテナの仮設状況を示す概略図である。 着雪試験装置のGPSアンテナの着雪状態を概略的に示す断面図である。 GPS信号のキャリア対雑音比と含水率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 人工衛星
２ 測定対象物
３ 性状測定装置
３ａ，３ｂ 信号受信部
３ｃ 信号処理部
３ｄ 信号減衰量演算部
３ｅ 減衰量情報記憶部
３ｆ 相関関係情報記憶部
３ｇ 性状測定部
３ｈ 性状情報記憶部
３ｉ 性状情報出力部
３ｊ プログラム記憶部
３ｋ 給電部
３ｍ 制御部
１０ 着雪試験装置
１０ａ 基準局
１０ｂ 試験局
１０ｃ 着雪
１０ｄ 台座

Claims (1)

1. 積雪の性状を測定する性状測定装置であって、
   GPS衛星が出力し積雪を透過するGPS信号を受信する第１の信号受信手段と、
   前記第１の信号受信手段が前記積雪を透過するGPS信号を受信する時刻と同時刻に、前記GPS衛星が出力し積雪を透過しないGPS信号を受信する第２の信号受信手段と、
   前記積雪を透過していないGPS信号に対して前記積雪を透過したGPS信号がどれだけ低下しているか演算して、この積雪を透過したGPS信号の減衰量を演算する信号減衰量演算手段と、
   前記積雪を透過したGPS信号の減衰量とこの積雪内部の含水率との相関関係を相関関係情報として記憶する相関関係情報記憶手段と、
   前記積雪を透過したGPS信号の減衰量と前記相関関係情報とに基づいてこの積雪内の水分量を測定する性状測定手段と、
   を備える性状測定装置。

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