JP4766891B2 - 光波式水位計測装置 - Google Patents

Description

この発明は、光波式水位計測装置に関し、特に赤外線レーザを使用して河川、湖沼、池、貯水池、導水路などの水位を計測する光波式水位計測装置に関する。

従来、水位計測装置としては、レーザ光を使用して池や河川の水位を測定する際に、測定対象となる水面にレーザ光を照射し、水面で反射したレーザ光の反射波を受光し、前記レーザ光の照射時刻と当該レーザ光に対応する前記反射波の受光時刻との時間差（伝搬所要時間）から水面までの距離を算出し、水位を測定している（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
特開２００２−１０７２０４号公報 特開平９−１２６８６０号公報

ところで、従来の水位計測装置においては、水位を測定する際の環境状況によっては、高精度の水位を測定することが難しいものであった。例えば、水位が時々刻々と変化する場合や、濁流や悪天候で大波が立つ場合や、霧が発生して視程が良くない場合は、不安定なレーザ受光量であってもそのデータを元にして水面までの距離が測定されると共に、この測定距離に基づいて水位が算出される。したがって、たとえ測定精度の低い条件下における測定値であっても、そのまま正しい測定値として判定してしまうという問題点があった。

この発明は上述の課題を解決するためになされたものである。

この発明の光波式水位計測装置は計測部と制御装置を備え、
前記計測部は、水面に向けてパルス状の赤外線レーザを送光するレーザ送光装置と、前記赤外線レーザが水面で反射された反射光を受光するレーザ受光装置と、前記赤外線レーザがレーザ送光装置から送光されてから水面で反射されてレーザ受光装置に受光するまでの送受光伝達時間を測定すると共に前記送受光伝達時間によりレーザ送光装置又はレーザ受光装置から水面までの距離（Ｌ）を計算すると共に、水面で反射されてレーザ受光装置に受光した反射光量を計測する距離・反射光量計測部とを備え、
前記制御装置は、入力装置と、メモリと、前記距離・反射光量計測部で計測された反射光量が設定値以上のときに有効測定であることを判断する反射光量判断装置と、前記距離・反射光量計測部で計算された距離（Ｌ）に基づいて水位を計算する水位演算装置とからなり、
前記レーザ送光装置から送光されたレーザ光が、水面で反射してから前記レーザ受光装置に受光され、レーザ光の送光と受光の時間差の生データが、前記距離・反射光量計測部で得られ、この時間差の生データにより前記距離・反射光量計測部で計算された距離（Ｌ）の生データと計測された反射光量の生データは、前記計測部側から時々刻々と前記制御装置側の入力装置に入力され前記メモリに記憶されるものであり、
前記反射光量判断装置は、前記メモリに記憶されている前記反射光量の生データが予め記憶されている有効な反射光量の基準設定値（Ｓ）以上のとき、前記メモリに記憶されている反射光量のときの距離（Ｌ）の生データを有効と判断し、
前記水位演算装置は、予め記憶されている河床からレーザ受光装置またはレーザ送光装置の計測位置までの距離（Ｈ _０ ）と前記距離（Ｌ）の生データとの差を算出し水位（Ｈ _１ ）とすることを特徴とする。

この発明の光波式水位計測装置は、前記光波式水位計測装置において、前記反射光量判断装置が、設定値（Ｓ）以上の反射光量と判断したときの水位データのみを有効データとして平滑処理に使用すると共に、前記有効データが一定時間以上にわたって存在しない場合は測定不能状態と判定することが好ましい。

この発明の光波式水位計測装置は、前記光波式水位計測装置において、レーザ送光装置とレーザ受光装置との間に、水面に対して略垂直に照射した赤外線レーザの垂直度を確認するレーザマーカを設けていることが好ましい。

この発明の光波式水位計測装置は、前記光波式水位計測装置において、前記レーザ送光装置とレーザ受光装置を水面から斜め方向に配置すると共に、前記レーザ送光装置から送光された赤外線レーザをレーザ受光装置に向けて反射する反射板を具備したフロートを前記水面に配置していることが好ましい。

以上のごとき課題を解決するための手段から理解されるように、この発明によれば、水位計測のために赤外線レーザを利用しているので、気温や風の影響を受けることなく、また、吹雪などの悪条件下でも高精度で安定した水位計測を行うことができる。さらに、反射光量判断装置により、水位測定した時の反射光量が有効測定であることを確認できるので、たとえ吹雪などの悪条件下であっても、計測誤差の少ない正確な水位測定値を得ることができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１（Ａ），（Ｂ）を参照するに、この実施の形態に係る光波式水位計測装置１は、光波式水位計としての計測部３が、例えば湖畔、池、河川などの岸辺や、図１（Ｂ）に示されているように橋梁５に立設された支柱７の横に支柱取付金具９を介して下方の河川の水面に向けて（例えば水面に対してほぼ垂直方向に）支承されている。前記計測部３には、河川の水面に向けてパルス状の赤外線半導体レーザ（以下、単に「レーザ光ＬＢ」という）を送光するレーザ送光装置１１と、前記レーザ光ＬＢが水面で反射された反射光ＬＢを受光するレーザ受光装置１３と、が内蔵されている。さらに、前記計測部３ではレーザ送光装置１１から送光されたレーザ光ＬＢが、図１（Ａ）で示されているように水面で反射してからレーザ受光装置１３に受光され、レーザ光ＬＢの送光と受光の時間差の生データが前記計測部３に設けられた距離・反射光量計測部１５で得られる。この時間差の生データにより前記距離・反射光量計測部１５で計算された距離の生データと前記距離・反射光量計測部１５で計測された反射光量の生データは、時々刻々と制御装置１７（変換器）の入力装置１９に入力される。入力されたデータは記憶装置としてのメモリ２１、種々の演算装置を備えた演算部２３、表示装置２５にて記憶、演算、表示されると共に出力部２７を経て出力される。

より詳しくは、制御装置１７には、図２のブロック構成図に示されているように、中央処理装置としてのＣＰＵ２９が備えられており、このＣＰＵ２９には種々のデータを入力せしめるキーボードなどの入力装置１９と、種々のデータを出力するＬＣＤなどの表示装置２５が接続されている。

また、前記ＣＰＵ２９には、入力装置１９から予め入力された計測部３から河床までの高さＨ_０を記憶せしめておくメモリ２１が接続されている。前記距離・反射光量計測部１５で計算された距離Ｌに基づいて水位Ｈ_１を計算する水位演算装置３１と、を備えた演算部２３が接続されている。

より詳しくは、パルス方式による水位計測原理について図３を参照して説明すると、例えば、計測部３のレーザ送光装置１１に備えた８７０ｎｍの半導体レーザ素子が、約４ｎＳの非常に短いパルスのレーザ光ＬＢを約１ｋＨｚで発光し、計測対象物としての水面に向けて送光される。水面で反射されたレーザ光ＬＢの反射光は効率よくレーザ受光装置１３に戻る。前記水面までの往復の飛翔時間ｔがクロックの立ち上がりから信号が入射するまでの時間差により計測される。そして、レーザ光ＬＢの速度をｃとすると、距離Ｌは式（１）により計算（計測）される。

Ｌ＝ｔ×ｃ／２・・・・・・・・（１）
また、例えば、１５ｍの距離範囲で１ｍｍの分解能を得るためには、１００．５ｎＳの範囲にわたって、６．７ｐＳの分解能を必要とする。しかし、必要とされる分解能が非常に小さいので、クロックのみによる時間計測では充分な時間分解能が得られないのが現状である。しかし、この実施の形態では、図３に示されているように、１２５ＭＨｚの高速クロックと、クロックの立ち上がりから信号が入射するまでの時間差をアナログ的な手段を用いて計測し補完することにより、長い距離レンジと高い時間分解能を両立している。

さらに、信号処理がデジタル化されているので小型化に寄与している。距離精度の悪化要因となるものとして、外乱光、計測対象物としての水面の反射率の違い、温度変化等があるが、これらの誤差要因に対しても、各種の対策回路が組み込まれており誤差の発生が最小限に抑えられている。

例えば、電子回路の遅延時間の温度特性は、ｐＳ単位で広い温度範囲にわたって保護できる程安定していないために、光学的な自己校正手段を必要としている。一般的な光学距離計測器では、光学シャッタを用いることによりレーザ光路を切り替えるのであるが、このような機械的な可動部は故障の原因になり、光学シャッタの動作部の機械寿命も短いもので、数万時間に及ぶ連続動作は困難であり、費用も増大する。しかし、この実施の形態では、計測部３内に自己校正用として備えたレーザダイオードの反射光をタイミングとして検知することにより、高速に自己校正を行なうものである。すなわち、プリアンプやデジタル回路の応答性は時々刻々変化していくので、１００ｍＳの計測毎に自巳校正が行なわれ、電子回路部の遅延時間の変化をキャンセルしている。

また、上記の水位演算装置３１では、前記計測部３に設けられた距離・反射光量計測部１５で計算された距離Ｌに基づいて河川の水位Ｈ_１が計算される。すなわち、水位Ｈ_１は、予めメモリ２１に入力された計測部３から河床までの高さＨ_０と距離・反射光量計測部１５で計算された距離Ｌとの差（Ｈ_１＝Ｈ_０−Ｌ）で計算される。

再び図２を併せて参照するに、前記ＣＰＵ２９には、前記レーザ受光装置１３で受光した反射光量が、予め入力装置１９から入力した有効な反射光量の基準設定値Ｓ以上のときに有効測定であることを比較判断する反射光量判断装置３３と、上記の反射光量の基準設定値Ｓやその他の設定値を保持する設定機能部３５が接続されている。

より詳しく説明すると、水位Ｈ_１を測定する際の環境状態は時々刻々と変わるので、時間の経過と共に水位計測時の反射光量が図４に示されているように変化する。なお、図４のグラフの各時刻における水位計測データは、図５に示されているように複数個の反射光量の計測値の正常なヒストグラムにおける平均値がプロットされている。

有効な反射光量の基準設定値Ｓが図４に示されているように予め設定されており、水位計測時の反射光量が基準設定値Ｓ以上である場合のみを、有効な測定精度で水位計測値を得るための環境状態であると判断するものである。

なお、上記の反射光量判断装置３３には、異常値判定除去機能を備えていることが望ましい。すなわち、異常値判定除去機能とは、得られた生データのうち１つでも正常なデータがあれば有効と判断する機能である。例えば、図４のＡ部は水位計測時の反射光量の平均値が基準設定値Ｓより低いのであるが、この場合、図５のヒストグラムにおいて得られた生データのうち１つでも基準設定値Ｓ以上の値があれば有効とするものである。つまり、図４のＡ部のときの水位計測を不能とは判断しない。

しかし、図４のＢ部に示されているように、予め設定した一定時間（基準設定時間）以上にわたって有効データが存在しない場合、反射光量判断装置３３には、これを測定不能状態と判定し、この判定を表示装置２５に表示すると共に測定不能であることを出力する機能が備えられていることが望ましい。

なお、反射光量が上記の基準設定値Ｓ以上の時の水位計測データのみを有効データとして平滑処理に使用されるものである。

また、上記の異常値判定除去機能としては、距離・反射光量計測部１５で計算された距離Ｌの生データ、反射光量の生データ及び経過時間を使用して異常値か否かを判定すると共に、異常値であると判定した場合は前記異常値を除去する機能である。これによって、より一層、正確な水位計測を行うことができる。

上記構成により、水位計測のためにレーザ光ＬＢを利用しているので、気温や風の影響を受けることなく、高精度で安定した水位計測を行うことができる。さらに、反射光量判断装置３３により、測定した時の反射光量が有効測定であることを確認できるので、たとえ霧や吹雪などの悪条件下であっても、計測誤差の少ない正確な水位測定値を得ることができる。

前述した実施の形態の反射光量判断装置３３には、距離・反射光量計測部１５で計算された距離Ｌの生データと、反射光量の生データの変動状況から霧と判断すると共に、測定限界を増大するように霧処理を行う霧処理機能を備えている。

再び図１を参照するに、他の実施の形態としては、計測部３のレーザ送光装置１１とレーザ受光装置１３との間には、水面に対して略垂直に照射したレーザ光ＬＢの垂直度を確認するレーザマーカ３７が設けられている。その理由としては、レーザ光ＬＢは目視できないために、実際に送光されているレーザ光ＬＢが垂直であるかどうかを確認することができないためである。

図６を参照するに、他の実施の形態としては、前記レーザ送光装置１１とレーザ受光装置１３を備えた計測部３が河川や湖畔の岸辺に設けられる場合は、水面から斜め方向に配置されることになる。この場合は、前記レーザ送光装置１１から送光されたレーザ光ＬＢをレーザ受光装置１３に向けて反射する反射板３９を具備したフロート４１が水面の計測位置に配置されることにより、水位計測が実現可能となる。

なお、上記の反射板３９は、光を乱反射するように表面が凸凹したものであり、レーザ送光装置１１から送光されたレーザ光ＬＢが凸凹面で乱反射され、この乱反射光のうちの１つがレーザ受光装置１３により受光されることになる。この場合、図６に示されているように水面に対するレーザ光ＬＢの傾斜角度をθとすると、距離・反射光量計測部１５では計測部３とフロート４１との間の距離Ｌ_０が計測されるので、計測部３から水面までの垂直な距離Ｌ_１（図１の距離Ｌに相当）はＬ_１＝Ｌ_０COSθの式で計算され、この計算された距離Ｌ_１のデータに基づいて水位演算装置３１により水位Ｈ_１が計算される。

なお、上記のフロート４１の位置を安定させるためには、例えば図６の二点鎖線に示されているようにフロート４１の周囲に防波管４３を設けるか、あるいはフロート４１及び反射板３９のそれ自体を大きくすることなど、種々の工夫をすることが望ましい。

再び図１を参照するに、他の実施の形態としては、基準反射板４５が、レーザ送光装置１１と水面との間で前記レーザ送光装置１１の側に設置されることが望ましい。これにより、レーザ送光装置１１から送光したレーザ光ＬＢの一部が基準反射板４５で反射されると共に残りのレーザ光ＬＢが水面で反射される。したがって、基準反射板４５の反射光ＬＢと水面の反射光ＬＢの両方がレーザ受光装置１３で受光される。例えば、視界が良くないときは、基準反射板４５の反射光量と水面の反射光量に差が生じてくる。この反射光量差は視界の程度に応じて相関関係で変化するので、前記反射光量差によって水面上空の空間の霧等の程度や水面の波立ち等の水面状態を類推することが可能となる。これにより、この実施の形態では水位計測と水面状態計測を同時に行うことができる。

なお、この場合、制御装置１７のＣＰＵ２９には、図２に示されているように前記基準反射板４５の反射光ＬＢと水面の反射光ＬＢとの反射光量差に基づいて前記水面状態を類推するための光量処理装置４７が接続されている。

（Ａ）はこの発明の実施の形態の光波式水位計測装置の正面図で、（Ｂ）は（Ａ）の部分的な側面図である。 制御装置のブロック構成図である。 パルス方式による水位計測原理を示す概略説明図である。 時間の経過における各水位計測時の反射光量を示す時経的反射光量図である。 複数個の反射光量の計測値の正常なヒストグラム図である。 この発明の他の実施の形態の光波式水位計測装置の概略説明図である。

符号の説明

１ 光波式水位計測装置
３ 計測部
１１ レーザ送光装置
１３ レーザ受光装置
１５ 距離・反射光量計測部
１７ 制御装置
１９ 入力装置
２１ メモリ
２３ 演算部
２５ 表示装置
２９ ＣＰＵ
３１ 水位演算装置
３３ 反射光量判断装置
３５ 設定機能部
３７ レーザマーカ
３９ 反射板
４１ フロート
４３ 防波管
４５ 基準反射板
４７ 光量処理装置

Claims (4)

1. 計測部は、水面に向けてパルス状の赤外線レーザを送光するレーザ送光装置と、前記赤外線レーザが水面で反射された反射光を受光するレーザ受光装置と、前記赤外線レーザがレーザ送光装置から送光されてから水面で反射されてレーザ受光装置に受光するまでの送受光伝達時間を測定すると共に前記送受光伝達時間によりレーザ送光装置又はレーザ受光装置から水面までの距離（Ｌ）を計算すると共に、水面で反射されてレーザ受光装置に受光した反射光量を計測する距離・反射光量計測部とを備え、
   制御装置は、入力装置と、メモリと、前記距離・反射光量計測部で計測された反射光量が設定値以上のときに有効測定であることを判断する反射光量判断装置と、前記距離・反射光量計測部で計算された距離（Ｌ）に基づいて水位を計算する水位演算装置とからなり、
   前記レーザ送光装置から送光されたレーザ光が、水面で反射してから前記レーザ受光装置に受光され、レーザ光の送光と受光の時間差の生データが、前記距離・反射光量計測部で得られ、この時間差の生データにより前記距離・反射光量計測部で計算された距離（Ｌ）の生データと計測された反射光量の生データは、前記計測部側から時々刻々と前記制御装置側の入力装置に入力され前記メモリに記憶されるものであり、
   前記反射光量判断装置は、前記メモリに記憶されている前記反射光量の生データが予め記憶されている有効な反射光量の基準設定値（Ｓ）以上のとき、前記メモリに記憶されている反射光量のときの距離（Ｌ）の生データを有効と判断し、
   前記水位演算装置は、予め記憶されている河床からレーザ受光装置またはレーザ送光装置の計測位置までの距離（Ｈ _０ ）と前記距離（Ｌ）の生データとの差を算出し水位（Ｈ _１ ）とすることを特徴とする光波式水位計測装置。
2. 前記反射光量判断装置が、設定値（Ｓ）以上の反射光量と判断したときの水位データのみを有効データとして平滑処理に使用すると共に、前記有効データが一定時間以上にわたって存在しない場合は測定不能状態と判定することを特徴とする請求項１に記載の光波式水位計測装置。
3. レーザ送光装置とレーザ受光装置との間に、水面に対して略垂直に照射した赤外線レーザの垂直度を確認するレーザマーカを設けてなることを特徴とする請求項１または２に記載の光波式水位計測装置。
4. 前記レーザ送光装置とレーザ受光装置を水面から斜め方向に配置すると共に、前記レーザ送光装置から送光された赤外線レーザをレーザ受光装置に向けて反射する反射板を具備したフロートを前記水面に配置してなることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１つに記載の光波式水位計測装置。

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