JP5961831B2 - 潮流計 - Google Patents

Description

本発明は、海や湖といった水中の所定の深度における潮流の速度を計測する潮流計に関するものである。

水中に超音波を送信し、水中の散乱物等から反射された反射波のドップラシフト量に基づいて、所定の深度における潮流の速度を計測する潮流計が知られている（例えば、特許文献１）。

従来の潮流計は、例えば３つの振動子が、船舶の船底などに上方から水面方向を見た状態で互いに１２０度離れた位置に配置される。この潮流計は、これら３つの振動子によって、水平方向が互いに１２０度離れた方向に対して一定の俯角θ（超音波が送信される方向と船舶が浮かぶ水面（水平面）とがなす角度。「チルト角」ともいう。）で超音波を送信し、計測対象となる深度に位置する散乱体（プランクトンなど）から帰来する反射波を各振動子で受信する。そして、潮流計は、各振動子で受信した反射波のドップラシフト量に基づいて、計測対象となる深度における潮流の速度を算出する。

特開２０１１−２０３２７６号公報

従来の潮流計では、深度の深い位置での潮流の速度を測定可能とするため、超音波を深度の深い位置にも到達させるべく送信方向の俯角θをおおよそ６０度に固定されていた。しかしながら、この場合、深度の浅い場所（以下「浅場」ともいう）における潮流の速度を計測しようとしても、次の理由によりその計測が困難であるという問題点があった。

即ち、従来の潮流計では、振動子から超音波を送信した後、浅場にある散乱体からの反射波がすぐに振動子に到達するので、その反射波を振動子にて受信するためには、振動子から送信する超音波のパルス幅（超音波の送信時間）を短くしたり、ドップラシフト量を算出するために必要な周波数解析幅（周波数解析に用いるデータ数）を短くしたりする必要があった。しかしながら、これでは周波数分解能が低下するため、ドップラシフト量を正しく計測できず、結果、浅場における潮流の計測が困難であった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、深度の深い場所のみならず深度の浅い場所の潮流の速度を、精度よく計測できる潮流計を提供することを目的とする。

この目的を達成するために請求項１記載の潮流計は、潮流の速度を計測するものであって、超音波を水中に送信し、その反射波を受信可能な振動子と、その振動子により受信された前記反射波のドップラシフト量に基づいて前記速度を算出する算出手段と、前記速度の計測対象となる水中の深度を設定する深度設定手段と、前記超音波の送信方向と水平面とのなす角である俯角を前記深度設定手段により設定された深度に基づいて設定する俯角設定手段と、その俯角設定手段により設定された俯角で前記超音波の送信及びその反射波の受信が行われるように前記振動子を駆動する駆動手段と、を備える。なお、ここで潮流とは、海における潮の流れだけでなく、湖や池、川等において、その水中での水の流れをも含む概念である。また、算出手段により算出される速度は、潮流の速さと方向とを含むものである。

請求項２記載の潮流計は、請求項１記載の潮流計において、前記俯角設定手段は、前記深度設定手段により設定された深度が所定の深度よりも浅い場合に、その所定の深度に対して設定される俯角よりも小さい俯角を設定する。

請求項３記載の潮流計は、請求項１又は２記載の潮流計において、使用者が設定したい前記俯角に関する情報の入力を受け付ける俯角受付手段を備え、前記俯角設定手段は、前記俯角受付手段により入力が受け付けられた情報に基づいて前記俯角を設定する。

請求項４記載の潮流計は、請求項１から３のいずれかに記載の潮流計において、前記駆動手段は、前記俯角設定手段により設定された俯角において２以上の方位角で前記超音波の送信及びその反射波の受信が行われるように、その方位角を変化させながら前記振動子を駆動するものであり、前記算出手段は、前記駆動手段による前記振動子の駆動によって、前記俯角設定手段により設定された俯角において２以上の方位角でそれぞれ受信された各反射波のドップラシフト量に基づき前記速度を算出するものである。

請求項１記載の潮流計によれば、超音波を水中に送信し、その反射波を受信可能な振動子が設けられ、その振動子により受信された反射波のドップラシフト量に基づいて、潮流の速度が算出手段により算出される。ここで、超音波の送信方向と水平面とのなす角度である俯角が俯角設定手段により設定され、その設定された俯角で超音波の送信及びその反射波の受信が行われるように振動子が駆動される。これにより、計測対象となる水中の深度にあわせて、超音波の送信方向及びその反射波の受信方向の俯角を変化させることができる。

よって、深度の深い位置での潮流の速度を計測する場合は、超音波が深度の深い位置まで届くように当該俯角を大きく設定する一方、浅場の潮流の速度を計測する場合は、当該俯角を小さく設定することで、振動子より超音波を送信してから、浅場にある散乱体からの反射波が振動子に到達するまでの時間を長くできる。従って、浅場の潮流の速度を計測する場合においても、超音波のパルス幅やドップラシフト量を計測するために必要な周波数解析幅を長く設定できるので、周波数分解能の低下を防ぐことができる。また、超音波の送信方向及びその反射波の受信方向の俯角を小さく設定することで、速度分解能そのものを高めることができる。したがって、深度の深い場所のみならず深度の浅い場所の潮流の速度を、精度よく計測できるという効果がある。

また、潮流の速度の計測対象となる水中の深度が深度設定手段により設定されると、その設定された深度に基づいて俯角設定手段により俯角が設定される。これにより、計測対象となる深度において潮流の速度を計測するために適した俯角を設定し、その俯角で超音波の送信及びその反射波の受信を行うことができるという効果がある。

請求項２記載の潮流計によれば、請求項１記載の潮流計の奏する効果に加え、次の効果を奏する。即ち、深度設定手段により設定された深度が所定の深度よりも浅い場合に、その所定の深度に対して設定される俯角よりも小さい俯角が俯角設定手段により設定される。これにより、深度が浅い場合には、小さい俯角で超音波の送信及びその反射波の受信が行われるので、浅場の潮流の速度を精度よく計測できるという効果がある。

請求項３記載の潮流計によれば、請求項１又は２記載の潮流計の奏する効果に加え、次の効果を奏する。即ち、使用者が設定したい俯角に関する情報の入力が俯角受付手段によって受け付けられると、その入力が受け付けられた情報に基づいて、俯角設定手段により俯角が設定される。これにより、使用者が入力した俯角で超音波の送信及びその反射波の受信が行われる。よって、使用者が潮流の速度を計測したい深度にあわせて超音波の送信方向及び反射波の受信方向の俯角を調整できる。したがって、深度の浅い場所から深い場所までの潮流の速度を、使用者が超音波の送信方向及び反射波の受信方向の俯角を調整しながら精度よく計測できるという効果がある。

請求項４記載の潮流計によれば、請求項１から３のいずれかに記載の潮流計であって、俯角設定手段により設定された俯角において２以上の方位角で超音波の送信及びその反射波の受信が行われるように、その方位角を変化させながら振動子が駆動手段によって駆動される。そして、これらの２以上の方位角でそれぞれ受信された各反射波のドップラシフト量に基づき、算出手段によって潮流の速度が算出される。潮流の速度を計測する場合、その速さと方向（ベクトル）を求めるためには２以上の方位角で超音波の送信及びその反射波の受信を行う必要があるが、従来は超音波の送信及びその反射波の受信を行う方位角毎に振動子を少なくとも１つ用意していた。これに対し、請求項５記載の潮流計では、駆動手段による駆動によって、１つの振動子に対して超音波の送信方向及びその反射波の受信方向の方位角を変化させることができる。よって、１つの振動子を用いるだけで、深度の深い場所のみならず深度の浅い場所の潮流の速度を、精度よく計測できるという効果がある。

本発明の第１実施形態である潮流計の構成を概略的に示す概略図である。 潮流計が搭載された船舶によって水中の潮流の速度を計測する場合の状態を側面より示す模式図である。 潮流計が搭載された船舶によって潮流の速度を計測する場合の状態を斜視した模式図である。 送受波ユニットの断面を模式的に示した断面図である。 潮流計の電気的構成を示したブロック図である。 （ａ）は、ＲＯＭに記憶される深度俯角変換テーブルの内容を模式的に示した模式図であり、（ｂ）は、解析深度と深度俯角変換テーブルによって変換される俯角との関係を示したグラフである。 制御装置により実行される潮流計測処理を示すフローチャートである。 （ａ）は、潮流計が搭載された船舶より俯角６０度で超音波ビームを送受信した場合の超音波ビームの状態を模式的に示した模式図であり、（ｂ）は、潮流計が搭載された船舶より俯角３０度で超音波ビームを送信した場合の超音波ビームの状態を模式的に示した模式図である。 第４実施形態における潮流計の制御装置により実行される潮流計測処理を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について添付図面を参照して説明する。まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態である潮流計１２の概略について説明する。図１は、その潮流計１２の構成を概略的に示す概略図であり、図２は、潮流計１２が搭載された船舶１１によって、水中の潮流の速度を計測する場合の状態を側面より示す模式図であり、図３は、同計測を行う場合の状態を斜視した模式図である。

潮流計１２は、図１〜図３に示す通り船舶１１に搭載され、使用者により設定された水中の深度での該船舶１１の周囲における潮流の速度（速さと方向）を計測するものであり、深度の深い場所のみならず深度の浅い場所の潮流の速度を、精度よく計測できるように構成されている。潮流計１２は、海における潮流だけでなく、湖や池、川等における水中の水の流れの速度も計測できる。

潮流計１２は、本体１３と、本体１３に設けられた操作ボタン１４と、本体１３に一体形成された表示装置１５と、超音波ビームＴＢを送受信する振動子３１（図４参照）を有する送受波ユニット１６と、送受波ユニット１６を昇降させる昇降装置１７とを有している。本体１３と、操作ボタン１４と、表示装置１５とは、船舶１１の操舵室内に配置されるとともに、送受波ユニット１６と昇降装置１７とは、船舶１１の船底内に配置されている。

操作ボタン１４は、使用者によって操作可能なボタンであり、使用者が潮流計１２に対し各種設定を行う場合に操作されるものである。例えば、潮流の計測対象となる深度（以下「解析深度」という）が、操作ボタン１４によって使用者により設定される。本実施形態では、操作ボタン１４により設定可能な解析深度として、１０ｍ，２０ｍ，３０ｍ，４０ｍ，５０ｍ，６０ｍ，７０ｍ，８０ｍ，９０ｍ，１００ｍの中から選択できるようになっている。解析深度は複数設定可能に構成されており、解析深度が複数設定された場合には、各々の解析深度において潮流の速度が計測される。

送受波ユニット１６は、昇降装置１７によって昇降されることで、船舶１１の船底から水中に対して出没自在となっている。潮流計１２は、設定された解析深度における潮流の速度を計測する場合、昇降装置１７を駆動して送受波ユニット１６を船舶１１の船底から突出させ、送受波ユニット１６から細いビーム状の超音波ビームＴＢを送信（照射）する。潮流計１２は、解析深度付近にあるプランクトン等の散乱体Ｇから反射されたその超音波ビームＴＢの反射波を送受波ユニット１６により受信する。

送受波ユニット１６は、全周型ソナーによって構成されており、送受波ユニット１６により送受信される超音波ビームＴＢの方位角δ（スキャン角、図３参照）と俯角θ（チルト角、図２参照）とを変更できる。

ここで、方位角δ（スキャン角）とは、船舶１１が浮かぶ水面を上面視した場合の超音波ビームＴＢの送受信方向を表す角度である。本実施形態では、上記水面を上面視した場合に、船舶１１の前方方向（船舶１１が前進する方向）に超音波ビームＴＢを送受信するときを０度とし、超音波ビームＴＢの送受信方向が船舶１１の時計回りに変化するにつれて方位角δが増加するように、方位角δの大きさを定義する。

また、俯角θ（チルト角）とは、超音波ビームＴＢの送受信方向と船舶１１が浮かぶ水面（水平面）とがなす角度であり、超音波ビームＴＢを水面（水平面）と平行に送受信する場合を０度とし、超音波ビームＴＢの送受信方向が水面（水平面）から離れて水面と垂直な方向に向くにつれて俯角θが増加するように、俯角θの大きさを定義する。

潮流計１２は、一の解析深度における潮流の速度を計測する場合、送受波ユニット１６を駆動し、超音波ビームＴＢの俯角θをその一の解析深度に適した角度に自動的に設定しつつ、図３に示す通り、方位角δを例えば０度，９０度，１８０度及び２７０度と変化させながら、各々の方向（即ち、直交する４つの方向）に超音波ビームＴＢを送信する。超音波ビームＴＢの俯角θの決定方法については、図６を参照して後述する。

潮流計１２は、各方向に送信された超音波ビームＴＢに対して、一の解析深度付近にある散乱体Ｇから反射された超音波ビームＴＢの反射波を送受波ユニット１６にて受信し、各反射波のドップラシフト量に基づいて、その一の解析深度における潮流の速度を算出する。複数方向（本実施形態では４方向）に送受信された超音波ビームＴＢのドップラシフト量に基づいて潮流の速度を算出することにより、潮流の速度の速さと方向（ベクトル）が把握できる。このようにして、操作ボタン１４により設定された解析深度における潮流の速度が算出されると、その算出された速度が、その他の情報（例えば、解析深度、船舶１１の速度、船舶１１下の水深、水温等）とあわせて表示装置１５に表示され、使用者に示される。

次いで、図４を参照して、送受波ユニット１６の詳細構成について説明する。図４は、送受波ユニット１６の断面を模式的に示した断面図である。送受波ユニット１６は、上端が開口され下端部が半球状をなす有底円筒状の下ケース２１と、下端が開口され上端部が円板状をなす有蓋円筒状の上ケース２２と、上ケース２２の下端開口及び下ケース２１の上端開口を閉塞する円板状の蓋体２３とにより構成される。蓋体２３の上面と上ケース２２とで上側収納空間２４が形成され、蓋体２３の下面と下ケース２１とで下側収納空間２５が形成されている。

蓋体２３の中央部には、貫通孔２６が形成されている。蓋体２３上の中央部にはステッピングモータによって構成されたスキャンモータ２７が固着され、スキャンモータ２７の下面からはスキャンモータ２７の出力軸２７ａが、貫通孔２６に回転可能に挿通された状態で真下に向かって延びている。出力軸２７ａの先端（下端）は、下側収納空間２５の上部まで達している。

出力軸２７ａの先端には、円板状の支持板２８が設けられており、支持板２８の上面の中心部が出力軸２７ａの先端に接続されている。支持板２８の下面には、略逆Ｕ字状をなす支持フレーム２９が設けられており、支持フレーム２９の下端部間には、水平に延びる回転軸３０が回転可能に架設されている。

回転軸３０の中央部には、細いビーム状の超音波ビームＴＢを１つの方向に送信し、その送信した超音波ビームＴＢの反射波を受信可能な振動子３１が固着されている。回転軸３０における振動子３１と隣り合う位置には、略半円状のチルト歯車３２が固着されており、回転軸３０、振動子３１及びチルト歯車３２は、互いに一体して回転するように構成されている。

支持フレーム２９の上端部には、ステッピングモータによって構成されたチルトモータ３３が固着されている。チルトモータ３３は、チルト歯車３２側に向かって延びる出力軸３３ａを備えている。出力軸３３ａの先端には、小歯車３３ｂが設けられ、小歯車３３ｂは、チルト歯車３２と噛合している。

スキャンモータ２７が駆動されると、出力軸２７ａが回転し、それに伴って支持板２８、支持フレーム２９、及び、回転軸３０が出力軸２７ａを軸として一体して回転することで、回転軸３０に固着された振動子３１が、やはり出力軸２７ａを軸として回転する。

これにより、振動子３１による超音波ビームＴＢの送信方向は、船舶１１が浮かぶ水面を上面視した場合に時計回り又は反時計回りに変化させることができる。即ち、スキャンモータ２７を駆動することにより、振動子３１によって送信される超音波ビームＴＢの方位角δ（スキャン角）が変更される。

一方、チルトモータ３３が駆動されると、出力軸３３ａが回転し、それに伴って小歯車３３ｂが回転して、その小歯車３３ｂと噛合するチルト歯車３２が回転することで、チルト歯車３２が固着された回転軸３０がチルト歯車３２の回転に合わせて回転し、その回転軸３０に固着された振動子３１が回転軸３０を軸として回転する。

これにより、振動子３１の向く方向（振動子３１から送信される超音波ビームＴＢの送信方向）と船舶１１が浮かぶ水面（水平面）とのなす角度である俯角θ（チルト角）が、チルトモータ３３を駆動することによって、変更される。

次いで、図５を参照して、潮流計１２の電気的構成について説明する。図５は、潮流計１２の電気的構成を示したブロック図である。潮流計１２の本体１３（図１参照）は、制御装置５０を有している。制御装置５０は、潮流計１２の動作を制御するものである。制御装置５０は、図５に示す通り、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｃｅｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５１と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）５２と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）５３とを有しており、それらがバスライン５５を介して入出力ポート５４に接続されている。

入出力ポート５４には、上述した操作ボタン１４、表示装置１５、及び、昇降装置１７（図１参照）が接続されている。また、上述のスキャンモータ２７及びチルトモータ３３（図４参照）は、モータドライバ６１を介して入出力ポート５４と接続され、振動子３１（図４参照）は、送受信回路６２を介して入出力ポート５４と接続される。

ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２に記憶されたプログラムデータ５２ａに従って、潮流計１２の動作を制御するための各種演算を実行する演算装置であり、例えば、図７に示す潮流計測処理を実行する。潮流計測処理の詳細については、図７を参照して後述する。

ＲＯＭ５２は、ＣＰＵ５１によって実行されるプログラムデータ５２ａを記憶するほか、固定値データ等を記憶するための書き換え不能な不揮発性のメモリである。なお、書き換え不能なＲＯＭに代えて、書き換え可能な不揮発性のメモリ（例えば、フラッシュメモリ）を用いてもよい。

ＲＯＭ５２は、固定値データとして、例えば、深度俯角変換テーブル５２ｂを記憶する。深度俯角変換テーブル５２ｂは、設定された解析深度の潮流の速度を計測する場合に、その解析深度に適した超音波ビームＴＢの送受信方向の俯角θを決定するためのテーブルである。即ち、潮流計１２は、送受波ユニット１６を全周型ソナーによって構成し、また、深度俯角変換テーブル５２ｂを設けることによって、潮流の速度を計測する解析深度に応じて、その解析深度に適した超音波ビームＴＢの送受信方向の俯角θとなるように、該俯角θを自動的に変化させることができるように構成されている。

ここで、図６を参照して、深度俯角変換テーブル５２ｂの詳細について説明する。図６（ａ）は、深度俯角変換テーブル５２ｂの内容を模式的に示した模式図であり、（ｂ）は、解析深度と深度俯角変換テーブル５２ｂによって変換される俯角θとの関係を示したグラフである。

図６（ａ）に示す通り、解析深度１０ｍに対して俯角θとして３０度が対応付けられ、解析深度２０ｍに対して俯角θとして３０度が対応付けられ、解析深度３０ｍに対して俯角θとして３５度が対応付けられ、解析深度４０ｍに対して俯角θとして４０度が対応付けられ、解析深度５０ｍに対して俯角θとして４５度が対応付けられ、解析深度６０ｍに対して俯角θとして５０度が対応付けられ、解析深度７０ｍに対して俯角θとして５５度が対応付けられ、解析深度８０ｍに対して俯角θとして６０度が対応付けられ、解析深度９０ｍに対して俯角θとして６０度が対応付けられ、解析深度１００ｍに対して俯角θとして６０度が対応付けられる。

即ち、図６（ｂ）に示す通り、使用者により解析深度が１０ｍ又は２０ｍに設定された場合、超音波ビームＴＢの俯角θとして３０度に設定される。つまり、超音波ビームＴＢの俯角θの下限値が３０度となるように設定されている。

超音波ビームＴＢの俯角θの大きさを０度付近に設定すると、水面において発生する波により超音波ビームＴＢが反射されるおそれがある。そのため、その波面からの反射波が送受波ユニット１６にて受信されたり、散乱体Ｇに超音波ビームＴＢが届かなかったり、散乱体Ｇからの反射波が送受波ユニット１６に届かなかったりするおそれがある。よって、この場合、正しく潮流の速度を計測できないおそれがあった。これに対し、本潮流計１２は、超音波ビームＴＢの俯角θが３０度以上となるように設定されるので、そのような問題を回避でき、潮流の速度を問題なく計測できる。

また、使用者により解析深度が８０ｍ，９０ｍ，１００ｍに設定された場合は、超音波ビームＴＢの俯角θとして６０度に設定される。つまり、超音波ビームＴＢの俯角θの上限値が６０度となるように設定されている。

超音波ビームＴＢの俯角θの大きさを９０度付近に設定すると、水面とおおよそ平行な潮流によって移動する散乱体Ｇからの反射波において、ドップラシフトはほとんど発生せず、その潮流の速度を計測できない。また、超音波ビームＴＢの俯角θの大きさを９０度付近に設定すれば、他の俯角θで超音波ビームＴＢを送信した場合よりも超音波ビームＴＢが最も短い距離で海底に到達することになり、超音波ビームＴＢのサイドローブによる反射波の影響によって深度の深いところにある散乱体Ｇからの反射波が埋もれてしまうおそれがある。これにより、深い深度での潮流の速度が計測できなくなるおそれがある。これに対し、本潮流計１２は、超音波ビームＴＢの俯角θが６０度以下となるように設定されるので、そのような問題を回避でき、潮流の速度を問題なく計測できる。

また、本実施形態では、図６（ｂ）に示す通り、解析深度が深い場合は超音波ビームＴＢの俯角θを大きく設定して、深度の深い位置まで超音波ビームＴＢを届かせる一方、解析深度が浅い場合には超音波ビームＴＢの俯角θを小さく設定する。これによる効果については、図８を参照しつつ後述する。

図５に戻り説明を続ける。ＲＡＭ５３は、書き換え可能な揮発性のメモリであり、ＣＰＵ５１によるプログラムの実行時に各種のデータを一時的に記憶する。ＲＡＭ５３は、解析深度データ５３ａ、俯角データ５３ｂ、潮流データ５３ｃを少なくとも記憶する。

解析深度データ５３ａは、使用者により設定された解析深度に関するデータである。例えば、使用者が解析深度として２０ｍ、４０ｍ、６０ｍ、８０ｍを設定した場合、設定された解析深度が２０ｍ、４０ｍ、６０ｍ、８０ｍであることを示すデータが解析深度データ５３ａとしてＲＡＭ５３に格納される。ＣＰＵ５１は、解析深度データ５３ａによって示される解析深度に対して、潮流の速度を計測する処理を実行する。

ただし、潮流計１２の電源がオンされた直後は、解析深度データ５３ａの初期値として、所定の解析深度を示すデータ（例えば、解析深度１０ｍ、２０ｍ、３０ｍ、４０ｍを示すデータ）がＲＡＭ５３に格納される。よって、使用者により解析深度の設定が行われなかった場合は、この初期値によって示される解析深度での潮流の速度の計測が行われる。

なお、潮流計１２の電源がオフされるときに、解析深度データ５３ａの値を別途設けられたフラッシュメモリ等に格納し、潮流計１２の電源がオンされたときにそのフラッシュメモリ等に格納された値を解析深度データ５３ａとしてＲＡＭ５３に格納するようにしてもよい。これにより、電源を一旦オフした場合であっても、使用者が前回設定した解析深度がそのまま解析深度データ５３ａに設定されるので、使用者が一度設定した解析深度を再び設定しなくてもすむようにすることができる。

俯角データ５３ｂは、解析深度の潮流の速度を計測するために設定された超音波ビームＴＢの俯角θを示すデータである。解析深度データ５３ａにて示される解析深度の中から一の解析深度における潮流の速度を計測する場合に、その一の解析深度に対応する超音波ビームＴＢの俯角θが深度俯角変換テーブル５２ｂにて決定され、その決定された俯角θを示すデータが俯角データ５３ｂとしてＲＡＭ５３に格納される。

ＣＰＵ５１は、この俯角データ５３ｂに示される俯角θで超音波ビームＴＢが送受信されるように、送受波ユニット１６のチルトモータ３３を駆動する制御を行う。これにより、この俯角データ５３ｂに示される俯角θで、送受波ユニット１６から超音波ビームＴＢが送受信されることになる。

潮流データ５３ｃは、計測された潮流の速度を示すデータである。ＣＰＵ５１は、俯角θを俯角データ５３ｂに示される俯角θで固定しつつ、方位角δをα度、（９０＋α）度、（１８０＋α）度、（２７０＋α）度と順次変えながら４方向に超音波ビームＴＢを送受信し、各方向における反射波のドップラシフト量に基づいて潮流の速度を算出する。ここで、αは０以上９０未満の任意の値である（以下、同じ）。この算出された潮流の速度を示すデータが、潮流データ５３ｃとしてＲＡＭ５３に格納される。ＣＰＵ５１は、このＲＡＭ５３に格納された潮流データ５３ｃに基づいて、計測した潮流の速度を表示装置１５に表示する。

次に、図７を参照して、制御装置５０が実行する潮流計測処理の詳細について説明する。図７は、潮流計測処理を示すフローチャートである。潮流計測処理は、電源がオンされた場合、または、潮流の速度の計測が開始される場合にＣＰＵ５１によって実行が開始される。この潮流計測処理は、電源がオフされるまで、または、使用者による操作ボタン１４の操作などによって潮流の速度の計測を終了するまで、継続して実行され続ける。

潮流計測処理では、まず、昇降装置１７を駆動し、送受波ユニット１６を降下させる（Ｓ１）。これにより、送受波ユニット１６が船舶１１の船底から水中に突出され、振動子３１による超音波ビームＴＢの送受信が可能となる。

次いで、解析深度データ５３ｂによって示される解析深度の数（潮流の速度の計測対象とする深度の総数）Ｎを設定する（Ｓ２）。上述した通り、潮流計１２は、潮流の速度の計測対象とする解析深度を使用者によって複数設定可能に構成されており、Ｓ２の処理では、その使用者によって設定された解析深度の数Ｎが設定される。例えば、使用者により解析深度として２０ｍ、４０ｍ及び６０ｍが設定された場合、Ｓ２の処理では、解析深度の数Ｎとして「３」が設定される。

なお、使用者による解析深度の設定が行われていない場合は、解析深度データ５３ｂに所定の解析深度を示すデータが電源オン時に初期値として設定されているので、その初期値として設定された所定の解析深度の数が、ＮとしてＳ２の処理により設定される。例えば、解析深度データ５３ｂの初期値として、１０ｍ、２０ｍ、３０ｍ、４０ｍが設定される場合は、解析深度の数Ｎとして「４」が設定されることになる。

次いで、ＲＡＭ５３に変数ｎの領域を確保して、該変数ｎに１を代入する（Ｓ３）。この変数ｎは、解析深度データ５３ｂにて示される全ての解析深度に対して、順番にその解析深度における潮流の速度を計測するために用意されたものである。

そして、解析深度データ５３ｂにて示される１以上の解析深度のうち、深度の浅い順でｎ番目の解析深度を設定する（Ｓ４）。なお、Ｓ４の処理では深度の浅い順でｎ番目の解析深度を設定するが、深度の深い順でｎ番目の解析深度を設定してもよいし、解析深度データ５３ｂにて示される解析深度の順番で設定してもよい。

次いで、Ｓ４の処理にて設定された解析深度に対応する俯角θを深度俯角変換テーブル５２ｂによって決定し、決定した俯角θを示す俯角データ５３ｂをＲＡＭ５３に格納する（Ｓ５）。そして、俯角データ５３ｂにて示される俯角θで超音波ビームＴＢが送受信されるよう、モータドライバ６１を介してチルトモータ３３を駆動する（Ｓ６）。これにより、振動子３１が回転軸３０（図４参照）を軸として回転され、振動子３１から送受信される超音波ビームＴＢの俯角θを、Ｓ５の処理により決定した解析深度に対応する俯角θとすることができる。

次いで、ＲＡＭ５３に変数ｍの領域を確保して、該変数ｍに０を代入する（Ｓ７）。ここで、変数ｍは、Ｓ４の処理にて設定された解析深度における潮流の速度を計測する場合に、４つの方位角δで超音波ビームＴＢを送受信するために用意されたものである。

次いで、方位角δが（９０・ｍ＋α）度で超音波ビームＴＢが送受信されるよう、モータドライバ６１を介してスキャンモータ２７を駆動する（Ｓ８）。これにより、振動子３１が出力軸２７ａ（図４参照）を軸として回転され、振動子３１から送受信される超音波ビームＴＢの方位角δを（９０・ｍ＋α）度とすることができる。

次いで、送受信回路６２を介して振動子３１から超音波ビームＴＢを送信し、その超音波ビームＴＢに対して、Ｓ４の処理にて設定された解析深度における散乱体Ｇから反射された反射波を該振動子３１にて受信する（Ｓ９）。そして、反射波の受信によって生じる受信信号に基づいて周波数解析を実行し、ドップラシフト量を算出して、解析深度における潮流の速度ｖを算出する（Ｓ１０）。ここで、Ｓ１０により算出される潮流の速度ｖは、Ｓ５及びＳ６の処理にて設定された俯角θと、Ｓ８の処理により設定された方位角δとをもつ超音波ビームＴＢの送受信によって算出されるものであり、それによって算出される潮流の速度ｖは、俯角θと方位角δとの方向によって示される成分である。

そこで、Ｓ１０の処理に次ぐＳ１１の処理では、水面（水平面）に対して平行に流れる潮流の速度を求めるために、Ｓ１０の処理で算出した潮流の速度ｖに対して、以下の式（１）による俯角補正を行い、潮流の速度の俯角０度（水平方向）と方位角δとで示される方向の成分ｖ’を算出する（Ｓ１１）。Ｓ１１の処理で算出された潮流の速度ｖ’は、ＲＡＭ５３に一時的に保持される。

ｖ’＝ｖ／ｃｏｓθ ・・・（１）

次いで、変数ｍが３か否かを判断し（Ｓ１２）、変数ｍが３でなければ（Ｓ１２：Ｎｏ）、変数ｍに１加算して（Ｓ１３）、Ｓ８の処理に戻る。そして、Ｓ８〜Ｓ１２の処理を変数ｍが３になるまで繰り返す。これにより、Ｓ４により設定された解析深度における潮流の速度を計測する場合、超音波ビームＴＢの俯角θが、解析深度に応じてＳ５，Ｓ６の処理にて設定された俯角θに固定されつつ、方位角δがα度、（９０＋α）度、（１８０＋α）度、（２７０＋α）度と変化しながら、超音波ビームＴＢが送受信される。

そして、これら４方向の超音波ビームＴＢのそれぞれの反射波のドップラシフト量から、俯角０度と各方位角δ（α度、（９０＋α）度、（１８０＋α）度、（２７０＋α）度）とで示される４つの方向の潮流の速度の成分ｖ’が算出される。

Ｓ１２の判断により、変数ｍが３であると判断されると（Ｓ１２：Ｙｅｓ）、Ｓ８〜Ｓ１２の処理によって算出された俯角０度と各方位角δ（α度、（９０＋α）度、（１８０＋α）度、（２７０＋α）度）とで示される４つの方向の潮流の速度の成分ｖ’をベクトル合成し、Ｓ４の処理にて設定された解析深度での潮流の速度（速さと方向）を算出して、その算出した潮流の速度を示すデータを潮流データ５３ｃとしてＲＡＭ５３に格納する（Ｓ１４）。

そして、Ｓ１４の処理にてＲＡＭ５３に格納された潮流データ５３ｃにより示される潮流の速度をＳ４の処理により設定された解析深度における潮流の速度として表示装置１５に表示する（Ｓ１５）。

次いで、変数ｎが、Ｓ２の処理にて設定された解析深度の数Ｎと等しいか否かを判断し（Ｓ１６）、変数ｎが解析深度の数Ｎと等しくないと判断される場合は（Ｓ１６：Ｎｏ）、変数ｎに１加算して（Ｓ１７）、Ｓ４の処理へ戻る。そして、Ｓ４〜Ｓ１６の処理を、変数ｎの値が解析深度の数Ｎとなるまで繰り返す。これにより、解析深度データ５３ａにて示される、潮流の速度の計測対象とする全ての解析深度に対して、潮流の速度の計測が行われ、その計測が行われた各々の解析深度における潮流の速度が表示装置１５に表示される。

一方、Ｓ１６の判断により、変数ｎが解析深度の数Ｎと等しいと判断される場合は（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、次いで、解析深度データ５３ａの変更があったか否かを判断する（Ｓ１８）。そして、解析深度データ５３ａの変更がないと判断される場合は（Ｓ１８：Ｎｏ）、Ｓ３の処理に戻り、再び、解析深度データ５３ａにて示される全ての解析深度での潮流の速度を計測する。また、解析深度データ５３ａの変更があると判断される場合は（Ｓ１８：Ｙｅｓ）、Ｓ２の処理へ戻り、変更後の解析深度データ５３ａに基づき、新たに設定された全ての解析深度における潮流の速度の計測が行われる。

次いで、図８を参照して、本実施形態の潮流計１２の効果について説明する。図８（ａ）は、潮流計１２が搭載された船舶１１より俯角θ＝６０度で超音波ビームＴＢを送受信した場合の超音波ビームＴＢの状態を模式的に示した模式図であり、図８（ｂ）は、潮流計１２が搭載された船舶１１より俯角θ＝３０度で超音波ビームＴＢを送信した場合の超音波ビームＴＢの状態を模式的に示した模式図である。

上述した通り、潮流計１２は、潮流の速度の計測対象となる解析深度が深い場合は超音波ビームＴＢの俯角θを大きく設定して深度の深い位置まで超音波ビームＴＢを届かせる一方、解析深度が浅い場合には超音波ビームＴＢの俯角θを小さく設定する。

ここで、超音波ビームＴＢのＱ値を高くするために、一般的に超音波ビームＴＢのパルス幅を長く設定する。例えば、超音波ビームＴＢのパルス幅は５ミリ秒に設定される。この場合、水中での音速は１５００ｍ／秒であるので、超音波ビームＴＢの水中での音柱は１５００ｍ／秒×５ミリ秒＝７．５ｍに達する。即ち、船舶１１の船底から突出された送受波ユニット１６（おおよそ水面）より超音波ビームＴＢの送受信方向に７．５ｍの範囲にある散乱体Ｇからの反射波では、ドップラシフト量を正確に算出できないため、その範囲において潮流の速度を計測できない。

また、ドップラシフト量を精度よく算出するためは、周波数解析に用いるデータ数を多く用意する必要があり、一般的に周波数解析幅も長く設定される。例えば、周波数解析に、超音波ビームＴＢの送受信方向に２０ｍの範囲にある散乱体Ｇからの反射波を使用する。よって、周波数解析が可能な最も浅いエリアは、超音波ビームＴＢの送受信方向に７．５ｍ〜２７．５ｍとなり、潮流の速度を計測可能な最も浅い解析深度はその方向に２７．５ｍとなる。

従来の潮流計は、解析深度にかかわらず超音波ビームＴＢの俯角θは固定されており、深度の深い位置での潮流の速度を計測するために、その俯角θが６０度程度に設定されている。この場合、超音波ビームＴＢのパルス幅を５ミリ秒に設定し、周波数解析幅を２０ｍに設定すると、図８（ａ）に示す通り、周波数解析が可能な最も浅いエリアは、７．５ｍ×ｓｉｎ６０°〜２７．５ｍ×ｓｉｎ６０°、即ち、６．５ｍ〜２３．８ｍとなる。

よって、超音波ビームＴＢのパルス幅を５ミリ秒と長く設定し、周波数解析幅を２０ｍと長く設定した場合、１０ｍといった浅場の潮流の速度を計測しようとしても正しく計測できないおそれがある。逆に、超音波ビームＴＢの俯角θを６０度にしたまま１０ｍのような浅場の潮流の速度を計測しようとした場合、超音波ビームＴＢのパルス幅を短くするか、周波数解析幅を短くする必要があり、精度よく計測できない。

これに対し、潮流計１２は、解析深度に応じて超音波ビームＴＢの俯角θを変更できるように構成されており、１０ｍといった浅場での潮流の速度を計測する場合、超音波ビームＴＢの俯角θを３０度に設定する。超音波ビームＴＢの俯角θが３０度に設定された場合に、超音波ビームＴＢのパルス幅を５ミリ秒に設定し、周波数解析幅を２０ｍに設定しても、図８（ｂ）に示すとおり、周波数解析が可能な最も浅いエリアは、７．５ｍ×ｓｉｎ３０°〜２７．５ｍ×ｓｉｎ３０°、即ち、３．７５ｍ〜１３．７５ｍとなる。

つまり、浅場での潮流の速度を計測する場合、超音波ビームＴＢの俯角θを小さく設定することで、振動子３１より超音波ビームＴＢを送信してから、浅場にある散乱体Ｇからの反射波が振動子３１に到達するまでの時間を長くできるので、超音波ビームＴＢのパルス幅を短くしたり、周波数解析幅を短くしたりしなくても、浅場における潮流の速度を計測できるのである。

また、潮流計１２は、解析深度が浅い場合に超音波ビームＴＢの俯角θを小さく設定することで、次に説明する通り、潮流計測の速度分解能を向上させることができる。例えば、振動子３１の周波数ｆｃが４００ｋＨｚの場合、水中での波長λは、水中の音速ｃが１５００ｍ／秒であるので、
λ＝ｃ／ｆｃ＝１５００／（４００×１０^３）＝３．７５×１０^−３［ｍ］
となる。

ここで、周波数解析を行う場合に、サンプリング周波数ｆｓが７４６０９ＨｚのＡＤコンバータを使用し、周波数解析に使用するサンプリング点数Ｎを２０４８点とすると、周波数分解能ｆｄは、
ｆｄ＝ｆｓ／Ｎ＝７４６０９／２０４８＝３６．４［Ｈｚ］
となる。

よって、船舶１１の運動を無視するとして、この場合の速度分解能ｖｄは、
ｖｄ＝（λ／２）ｆｄ＝（３．７５×１０^−３／２）×３６．４＝０．０６８［ｍ／ｓ］
となる。

この速度分解能ｖｄは、超音波ビームＴＢの送受信方向（俯角θと方位角δとの方向）の速度成分の分解能である。そこで、超音波ビームＴＢの俯角θが６０度である場合に、上記式（１）にて俯角補正がなされた潮流の速度における速度分解能ｖｄ_６０’は、
ｖｄ_６０’＝ｖｄ／ｃｏｓ６０°＝０．１３６［ｍ／ｓ］＝０．２６５［ｋｎｏｔ］
となる。

一方、超音波ビームＴＢの俯角θが３０度である場合に、上記式（１）にて俯角補正がなされた潮流の速度における速度分解能ｖｄ_３０’は、
ｖｄ_３０’＝ｖｄ／ｃｏｓ３０°＝０．０７８５［ｍ／ｓ］＝０．１５３［ｋｎｏｔ］
となる。このように、俯角θが３０度の超音波ビームＴＢにおける速度分解能ｖｄ_３０’のほうが、俯角θが６０度の超音波ビームＴＢにおける速度分解能ｖｄ６０’よりも高い分解能が得られるのである。

以上説明した通り、第１実施形態における潮流計１２によれば、送受波ユニット１６が全周型ソナーにより構成され、超音波ビームＴＢの送受信を行う場合にその俯角θを変更可能に構成されているので、計測対象となる解析深度にあわせて、超音波ビームＴＢの俯角θを変化させることができる。

これにより、深度の深い位置での潮流の速度を計測する場合は超音波ビームＴＢが深度の深い位置まで届くように超音波ビームＴＢの俯角θを大きく設定する一方、浅場の潮流の速度を計測する場合は、超音波ビームＴＢの俯角θを小さく設定することで、超音波ビームＴＢのパルス幅やドップラシフト量を計測するために必要な周波数解析幅を長く設定できる。よって、浅場の潮流の速度を計測する場合であっても周波数分解能の低下を防ぐことができる。また、超音波ビームＴＢの俯角θを小さく設定することで、速度分解能そのものを高めることができる。その結果、深度の深い場所のみならず深度の浅い場所の潮流の速度を、精度よく計測できる。

また、潮流の速度の計測対象となる解析深度がＳ４の処理により設定されると、その設定された解析深度に適した超音波ビームＴＢの俯角θが自動的に設定される。これにより、計測対象となる解析深度において潮流の速度を計測するために適した俯角θを設定し、その俯角θで超音波ビームＴＢの送受信を行うことができる。

また、使用者により設定可能な解析深度に対して、その解析深度に適した超音波ビームＴＢの俯角θが対応付けられた深度俯角変換テーブル５２ｂが設けられているので、解析深度が設定されると、深度俯角変換テーブル５２ｂによってその解析深度に適した超音波ビームＴＢの俯角θを即座に決定することができる。

また、俯角変換テーブル５２ｂでは、設定された解析深度（例えば１０ｍ）が所定の解析深度（例えば３０ｍ）よりも浅い場合に、その所定の解析深度に対して設定される俯角θ（この例では３５度）よりも小さい俯角θ（この例では３０度）が設定される。これにより、深度が浅い場合には、小さい俯角θで超音波ビームＴＢの送受信が行われるので、浅場の潮流の速度を精度よく計測できる。

また、一の解析深度に対して設定された俯角θにおいて、４つの方位角δで超音波ビームＴＢの送受信が行われるように、方位角δを変化させながら振動子３１を駆動する。そして、これらの４つの方位角δでそれぞれ受信された各反射波のドップラシフト量に基づき、潮流の速度が算出される。潮流の速度を計測する場合、その速さと方向（ベクトル）を求めるためには２以上の方位角δで超音波ビームＴＢの送受信を行う必要がある。従来は、超音波ビームＴＢの送受信を行う方位角δ毎に振動子を少なくとも１つ用意していた。つまり、例えば４つの方位角δで超音波ビームＴＢの送受信を行う場合は、少なくとも４つの振動子を用意していた。これに対し、潮流計１２では、１つの振動子３１に対して超音波ビームＴＢの方位角δを変化させることができる。よって、１つの振動子３１を用いるだけで、解析深度に応じた俯角θを設定しつつ、４つの方位角δの方向に超音波ビームＴＢを送受信し、深度の深い場所のみならず深度の浅い場所の潮流の速度を精度よく計測できる。

なお、本実施形態では、４つの方位角δの方向に超音波ビームＴＢを送受信する場合について説明したが、上述した通り、潮流の速度を計測する場合にその速さと方向（ベクトル）を求めるためには、２以上の方位角δで超音波ビームＴＢの送受信を行えばよい。よって、２以上の方位角δで超音波ビームＴＢの送受信が行われるように、方位角δを変化させながら振動子３１を駆動するように構成してもよい。これにより、１つの振動子３１を用いるだけで、解析深度に応じた俯角θを設定しつつ、２以上の方位角δの方向に超音波ビームＴＢを送受信し、深度の深い場所のみならず深度の浅い場所の潮流の速度を精度よく計測できる。

次いで、第２実施形態における潮流計１２について説明する。第１実施形態における潮流計１２は、深度俯角変換テーブル５２ｂを用意し、解析深度が設定されると、その深度俯角変換テーブル５２ｂによってその解析深度に適した超音波ビームＴＢの俯角θを決定した。これに対し、第２実施形態における潮流計１２は、この深度俯角変換テーブル５２ｂを用いず、解析深度が設定された場合に、潮流計測処理のＳ５の処理において、計算により、設定された解析深度に適した超音波ビームＴＢの俯角θを決定する。なお、その他の潮流計１２の構成、及び、潮流計測処理の各処理は、第１実施形態と同一であるので、その説明を省略する。

第２実施形態における潮流計１２は、深度計（図示せず）を有している。そして、ＣＰＵ５１により実行される潮流計測処理では、超音波ビームＴＢの俯角θを決定するＳ５の処理を実行する前に、船舶１１直下の水深ｈを深度計によって測定する。

なお、必ずしも深度計を潮流計１２に設ける必要はなく、潮流計１２は、外部に設けられた深度計によって測定された水深ｈの入力を得るように構成されてもよい。また、潮流計１２の送受波ユニット１６を用いて、船舶１１から垂直方向（俯角θが９０度の方向）に超音波ビームＴＢを送信し、海底、湖底といった底からの反射波を受信して船舶１１直下の水深ｈを測定してもよい。

ここで、超音波ビームＴＢを船舶１１から垂直方向（俯角θが９０度の方向）に送信した場合、散乱体Ｇからの反射波が底からの反射波に埋もれ、散乱体Ｇからの反射波を受信できない不感帯が生じる。この不感帯の長さｌは、超音波ビームＴＢのパルス幅、周波数解析を行うＦＦＴ（高速フーリエ変換器）のゲート幅、その他振動子３１の特性によって決定されるものであり、現物試験にて予め適合する定数を決定しておく。

そして、水深ｈと不感帯の長さｌとから、超音波ビームＴＢの測定可能距離ｒ＝ｈ−ｌを定義する。潮流計測処理のＳ５の処理では、設定された解析深度をｄとすると、俯角θを次の式（２）を用いて算出し、設定する。

θ＝９０°−ａｒｃｃｏｓ（ｄ／ｒ） ・・・（２）

これにより、解析深度ｄが浅くなる（小さくなる）ほど、俯角θが自動的に小さく設定される。よって、深度の深い位置での潮流の速度を計測する場合は超音波ビームＴＢが深度の深い位置まで届くように超音波ビームＴＢの俯角θを大きく設定できる一方、浅場の潮流の速度を計測する場合は、超音波ビームＴＢの俯角θを小さく設定できる。

従って、第１実施形態にて上述したとおり、浅場の潮流の速度を計測する場合であっても、超音波ビームＴＢのパルス幅やドップラシフト量を計測するために必要な周波数解析幅を長く設定できるので、周波数分解能の低下を防ぐことができる。また、超音波ビームＴＢの俯角θを小さく設定することで、速度分解能そのものを高めることができる。その結果、深度の深い場所のみならず深度の浅い場所の潮流の速度を、精度よく計測できる。

また、使用者により設定可能な解析深度の間隔が短い場合など、多数の解析深度が設定可能である場合に、第１実施形態のような俯角変換テーブルを用いると必要なメモリ容量が増大するが、第２実施形態にように計算式を用いて解析深度に応じた超音波ビームＴＢの俯角θを決定すれば、メモリ容量の増大を抑制できる。

その他、第２実施形態における潮流計１２は、第１実施形態と同一の構成によって、同一の効果を奏する。

次いで、第３実施形態における潮流計１２について説明する。第１及び第２実施形態における潮流計１２は、解析深度が設定されると、その解析深度に応じた超音波ビームＴＢの俯角θを決定した。これに対し、第３実施形態における潮流計１２は、超音波ビームＴＢの俯角θが使用者から設定される。なお、その他の潮流計１２の構成、及び、潮流計測処理の各処理は、第１実施形態と同一であるので、その説明を省略する。

第３実施形態における潮流計１２では、使用者が操作ボタン１４を操作することで、潮流の計測対象となる解析深度が設定されると共に、その解析深度を計測する場合の超音波ビームＴＢの俯角θが設定される。具体的には、使用者により解析深度が設定されると、それに対応付ける形で超音波ビームＴＢの俯角θの入力を促す画面が表示装置１５に表示される。

使用者は、その画面に従って、超音波ビームＴＢの俯角θを操作ボタン１４により入力する。入力された俯角θを示すデータは、ＲＡＭ５３に格納される。解析深度が複数設定された場合は、各々の解析深度に対して、超音波ビームＴＢの俯角θが設定できるようになっている。なお、一度設定された超音波ビームＴＢの俯角θは、使用者が操作ボタン１４を操作して変更可能としてもよい。

また、潮流計１２の電源がオンされた直後に、解析深度データ５３ａの初期値として所定の解析深度を示すデータ（例えば、解析深度１０ｍ、２０ｍ、３０ｍ、４０ｍを示すデータ）がＲＡＭ５３に格納されるのにあわせて、各々の解析深度に対する超音波ビームＴＢの俯角θも初期値（例えば、３０度、３０度、３５度、４０度）が設定される。初期値が設定された超音波ビームＴＢの俯角θは、使用者が操作ボタン１４を操作して変更可能としてもよい。

なお、潮流計１２の電源がオフされるときに、解析深度データ５３ａの値を別途設けられたフラッシュメモリ等に格納すると共に、解析深度データ５３ａにて示される各々の解析深度に対応付ける形で、対応する解析深度に対して設定された超音波ビームＴＢの俯角θをフラッシュメモリ等に格納してもよい。そして、潮流計１２の電源がオンされたときにそのフラッシュメモリ等に格納された値に基づいて、解析深度データ５３ａの値をＲＡＭ５３に設定し、また、その解析深度データ５３ａにて示される各々の解析深度に対応する超音波ビームＴＢの俯角θを示すデータをＲＡＭ５３に設定するようにしてもよい。

これにより、電源を一旦オフした場合であっても、使用者が前回設定した解析深度がそのまま解析深度データ５３ａに設定され、また、使用者が前回設定した各解析深度での超音波ビームＴＢの俯角θがそのまま設定されるので、使用者が一度設定した解析深度及び超音波ビームＴＢの俯角θを再び設定しなくてもすむようにすることができる。

そして、第３実施形態における潮流計１２の潮流計測処理では、Ｓ４の処理にて解析深度が設定されると、その設定された解析深度に対応して使用者により設定された超音波ビームＴＢの俯角θを示すデータを、Ｓ５の処理により俯角データ５３ｂに設定する。

これにより、使用者が入力した俯角θで超音波ビームＴＢの送受信が行われることになる。よって、使用者が潮流の速度を計測したい解析深度にあわせて超音波ビームＴＢの送受信方向の俯角θを調整できる。したがって、深度の浅い場所から深い場所までの潮流の速度を、使用者が超音波ビームＴＢの俯角θを調整しながら精度よく計測できる。

その他、第３実施形態における潮流計１２は、第１及び第２実施形態と同一の構成によって、同一の効果を奏する。

次いで、図９を参照して、第４実施形態における潮流計１２について説明する。第１〜第３実施形態における潮流計１２では、設定された全ての解析深度に対して、その解析深度における潮流を測定する場合に超音波ビームＴＢを送受信する場合について説明した。そして、解析深度毎に、その解析深度に適した超音波ビームＴＢの俯角θを設定し、その俯角θにて超音波ビームＴＢを送受信する場合について説明した。

これに対し、第４実施形態における潮流計１２は、複数の解析深度が設定された場合であっても、超音波ビームＴＢの送受信を１つの俯角θに対して行い、その１つの俯角θに対して送受信された超音波ビームＴＢの反射波を用いて、複数の解析深度における潮流の速度を算出する。俯角θは、最も深い解析深度に適したものを選択する。

第４実施形態における潮流計１２は、制御装置５０にて実行される潮流計測処理が第１実施形態における潮流計１２と異なる。なお、第４実施形態における潮流計１２の構成は、第１実施形態における潮流計１２と同一であるため、その説明を省略する。

図９は、第４実施形態における潮流計１２の制御装置５０が実行する潮流計測処理を示すフローチャートである。第４実施形態における潮流計測処理は、第１実施形態における潮流計測処理と同様に、電源がオンされた場合、または、潮流の速度の計測が開始される場合にＣＰＵ５１によって実行が開始され、電源がオフされるまで、または、使用者による操作ボタン１４の操作などによって潮流の速度の計測を終了するまで、継続して実行され続ける。

第４実施形態における潮流計測処理では、まず、昇降装置１７を駆動し、送受波ユニット１６を船舶１１の船底から水中に突出されるまで降下させ（Ｓ２１）、振動子３１による超音波ビームＴＢの送受信が可能な状態にする。

次いで、解析深度データ５３ｂによって示される解析深度の数（潮流の速度の計測対象とする深度の総数）Ｎを設定する（Ｓ２２）。そして、解析深度データ５３ｂにて示される１以上の解析深度のうち、最も深い解析深度を設定する（Ｓ２３）。解析深度データ５３ｂにて示される解析深度の数が１つ、つまり、Ｎ＝１の場合は、その解析深度そのものがＳ２３の処理にて設定される。

次いで、Ｓ２３の処理にて設定された最も深い解析深度に対応する俯角θを深度俯角変換テーブル５２ｂによって決定し、決定した俯角θを示す俯角データ５３ｂをＲＡＭ５３に格納する（Ｓ２４）。なお、Ｓ２４の処理において、第２実施形態の潮流計１２のように、上述した式（２）を用いて、最も深い解析深度に対応する俯角θを決定してもよい。

Ｓ２４の処理の後、俯角データ５３ｂにて示される俯角θで超音波ビームＴＢが送受信されるよう、モータドライバ６１を介してチルトモータ３３を駆動する（Ｓ２５）。これにより、振動子３１から送受信される超音波ビームＴＢの俯角θを最も深い解析深度に適した俯角θとすることができる。

次いで、ＲＡＭ５３に変数ｍの領域を確保して、該変数ｍに０を代入する（Ｓ２６）。ここで、変数ｍは、潮流の速度を計測する場合に、４つの方位角δで超音波ビームＴＢを送受信するために用意されたものである。そして、方位角δが（９０・ｍ＋α）度で超音波ビームＴＢが送受信されるよう、モータドライバ６１を介してスキャンモータ２７を駆動する（Ｓ２７）。その後、送受信回路６２を介して振動子３１から超音波ビームＴＢを送信し、その超音波ビームＴＢに対して散乱体Ｇから反射された反射波を該振動子３１にて受信する（Ｓ２８）。

次いで、変数ｍが３か否かを判断し（Ｓ２９）、変数ｍが３でなければ（Ｓ２９：Ｎｏ）、変数ｍに１加算して（Ｓ３０）、Ｓ２７の処理に戻る。そして、Ｓ２７〜Ｓ２９の処理を変数ｍが３になるまで繰り返す。これにより、超音波ビームＴＢの俯角θが、最も深い解析深度に対応する俯角θに固定されつつ、方位角δがα度、（９０＋α）度、（１８０＋α）度、（２７０＋α）度と変化しながら、超音波ビームＴＢが送受信される。

一方、Ｓ２９の判断により、変数ｍが３であると判断されると（Ｓ２９：Ｙｅｓ）、ＲＡＭ５３に変数ｎの領域を確保して、該変数ｎに１を代入する（Ｓ３１）。この変数ｎは、解析深度データ５３ｂにて示される全ての解析深度に対して、順番にその解析深度における潮流の速度を算出するために用意されたものである。

続くＳ３２〜Ｓ３５の処理では、この変数ｎによって示されるｎ番目の解析深度における潮流の速度を算出する。なお、Ｓ３２〜Ｓ３５の処理では、深度の浅い順でｎ番目の解析深度における潮流の速度を算出するが、深度の深い順でｎ番目の解析深度における潮流の速度を算出してもよいし、解析深度データ５３ｂにて示される解析深度の順番で、潮流の速度を算出してもよい。

Ｓ３２の処理では、Ｓ２８の処理により俯角θが固定されつつ４つの方位角δで送受信された超音波ビームＴＢのそれぞれについて、その反射波の受信によって生じる受信信号に基づき、ｎ番目の解析深度における散乱体Ｇから反射された反射波の周波数解析を実行し、ドップラシフト量を算出して、当該解析深度における潮流の速度ｖを算出する（Ｓ３２）。

ここで、Ｓ３２により、超音波ビームＴＢが送受信される４つの方位角δ毎に算出された潮流の速度ｖは、Ｓ２３及びＳ２４の処理にて設定された俯角θと、各方位角δとをもつ超音波ビームＴＢの送受信によって算出されたものであり、それによって算出された潮流の速度ｖは、俯角θと方位角δとの方向によって示される成分である。

そこで、Ｓ３３の処理では、水面（水平面）に対して平行に流れる潮流の速度を求めるために、Ｓ３２の処理で方位角δ毎に算出したそれぞれの潮流の速度ｖに対して、上述した式（１）による俯角補正を行い、潮流の速度の俯角０度（水平方向）と各方位角δ（α度、（９０＋α）度、（１８０＋α）度、（２７０＋α）度）とで示される４つの方向の成分ｖ’を算出し、ＲＡＭ５３に保持する（Ｓ３３）。

そして、Ｓ３３の処理によって算出された俯角０度と各方位角δとで示される４つの方向の潮流の速度の成分ｖ’をベクトル合成し、ｎ番目の解析深度での潮流の速度（速さと方向）を算出して、その算出した潮流の速度を示すデータを潮流データ５３ｃとしてＲＡＭ５３に格納する（Ｓ３４）。その後、Ｓ３４の処理にてＲＡＭ５３に格納された潮流データ５３ｃにより示される潮流の速度をｎ番目の解析深度における潮流の速度として表示装置１５に表示する（Ｓ３５）。

次いで、変数ｎが、Ｓ２２の処理にて設定された解析深度の数Ｎと等しいか否かを判断し（Ｓ３６）、変数ｎが解析深度の数Ｎと等しくないと判断される場合は（Ｓ３６：Ｎｏ）、変数ｎに１加算して（Ｓ３７）、Ｓ３２の処理へ戻る。そして、Ｓ３２〜Ｓ３６の処理を、変数ｎの値が解析深度の数Ｎとなるまで繰り返す。これにより、解析深度データ５３ａにて示される、潮流の速度の計測対象とする全ての解析深度に対して、潮流の速度が算出され、その算出された各々の解析深度における潮流の速度が表示装置１５に表示される。

一方、Ｓ３６の判断により、変数ｎが解析深度の数Ｎと等しいと判断される場合は（Ｓ３６：Ｙｅｓ）、次いで、解析深度データ５３ａの変更があったか否かを判断する（Ｓ３８）。そして、解析深度データ５３ａの変更がないと判断される場合は（Ｓ３８：Ｎｏ）、Ｓ２６の処理に戻り、再び、最も深い解析深度に対応する俯角θで４つの方位角δの方向に超音波ビームＴＢを送信し、その反射波を用いて解析深度データ５３ａにて示される全ての解析深度での潮流の速度を計測する。また、解析深度データ５３ａの変更があると判断される場合は（Ｓ３８：Ｙｅｓ）、Ｓ２２の処理へ戻り、変更後の解析深度データ５３ａに基づき、新たに超音波データＴＢの俯角θを設定し、その俯角θで超音波ビームＴＢを送受信して、新たに設定された全ての解析深度における潮流の速度の計測を行う。

以上説明した通り、第４実施形態における潮流計１２によれば、複数の解析深度が設定された場合であっても、１の解析深度に適した俯角θで超音波ビームＴＢが送信され、その反射波を用いて、設定された各解析深度における潮流の速度が計測される。よって、設定された解析深度毎に、その解析深度に適した俯角θで超音波ビームＴＢを送受信して該解析深度における潮流の速度を計測する第１実施形態の潮流計１２と比して、超音波ビームＴＢの送受信回数を少なくできるので、潮流の速度の計測を素早く行うことができる。

また、超音波ビームＴＢの俯角θは、設定された解析深度のうち最も深い解析深度に適したものに設定されるので、その最も深い解析深度まで超音波ビームＴＢを届けることができ、その解析深度における潮流の計測を確実に行うことができる。また、設定された最も深い解析深度が浅場であった場合、超音波ビームＴＢの俯角θは小さく設定される。これにより、解析深度が浅場であっても、第１実施形態にて説明した通り、周波数分解の低下を抑制でき、また、速度分解能そのものを高めることができるので、精度よく、潮流の速度を計測できる。

その他、第４実施形態における潮流計１２は、第１〜第３実施形態の同一の構成によって、同一の効果を奏する。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、各実施形態は、それぞれ、他の実施形態が有する構成の一部または複数部分を、その実施形態に追加し或いはその実施形態の構成の一部または複数部分と交換等することにより、その実施形態を変形して構成するようにしても良い。また、上記各実施形態で挙げた数値は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。

上記第１及び第４実施形態では、超音波ビームＴＢの俯角θの下限値が３０度となるように、その俯角θを設定する場合について説明したが、必ずしも下限値は３０度に限られるものではなく、その下限値を０度よりも大きく俯角θの上限値よりも小さい任意の値にしてもよい。特に、下限値をより０度に近い値とすることにより、より浅い深度における潮流の速度を精度よく計測できる。また、俯角θの下限値を設けずに、０度まで設定できるようにしてもよい。即ち、超音波ビームＴＢを水平方向に送受できるようにしてもよい。これにより、水面に波がほとんど立っていない状態にあれば、水面の表層における潮流の速度を計測できる。

上記第１及び第４実施形態では、超音波ビームＴＢの俯角θの上限値が６０度なるように、その俯角θを設定する場合について説明したが、必ずしも上限値は６０度に限られるものではなく、その上限値を９０度よりも小さく俯角θの下限値よりも大きい任意の値にしてもよい。俯角θの上限値をより９０度に近い値とすることにより、より深い深度における潮流の速度を計測できる。ただし、上述した通り、俯角θを小さくして超音波ビームＴＢの送受信を行ったほうが、速度分解能が向上するので、できる限り上限値を小さい値にするのが好ましい。

上記第２実施形態では、設定された解析深度に対応する超音波ビームＴＢの俯角θを計算式に基づいて算出する場合について説明したが、算出された俯角θが所定の下限値（例えば３０度）よりも小さい場合には、その俯角θを所定の下限値（３０度）に決定してもよい。これにより、水面において発生する波面の影響を抑制できるので、浅場における潮流の速度を問題なく計測できる。また、算出された俯角θが所定の上限値（例えば６０度
よりも大きい場合には、その俯角θを所定の上限値（６０度）に決定してもよい。これにより、超音波ビームＴＢの俯角θが必要以上に大きくなることを抑制でき、速度分解能が低くなることを抑制できる。

上記第１，第２及び第４実施形態では、設定された解析深度に対して、超音波ビームＴＢの俯角θが、深度俯角変換テーブル５２ｂにより、又は、計算により決定される場合について説明したが、これらに基づいて超音波ビームＴＢの俯角θが決定された後、使用者が操作ボタン１４を操作することによってその俯角θを変更できるように構成していもよい。この俯角θの変更は、超音波ビームＴＢの送受信が行われる前に行えるようにしてもよいし、超音波ビームＴＢの送受信が行われながら変更できるようにしてもよい。これにより、使用者が潮流の速度を計測したい解析深度にあわせて超音波ビームＴＢの送受信方向の俯角θを調整できる。したがって、深度の浅い場所から深い場所までの潮流の速度を、使用者が超音波ビームＴＢの俯角θを調整しながら精度よく計測できる。

特に、第４実施形態では、超音波ビームＴＢの俯角θとして、設定された解析深度のうち最も深い解析深度に対応する値を設定するので、設定された解析深度に浅場の解析深度が含まれていた場合、最も深い解析深度にあわせて設定された俯角θでは、その浅場の潮流の速度が精度よく計測できない場合が生じ得る。これに対し、使用者が操作ボタン１４を操作することによってその俯角θを変更できるように構成することで、第４実施形態の潮流計１２において解析深度が浅い位置から深い位置まで設定されたとしても、各解析深度の潮流の速度を、使用者が超音波ビームＴＢの俯角θを調整しながら精度よく計測できる。

上記第３実施形態では、使用者により解析深度が設定されると、それに対応付ける形で超音波ビームＴＢの俯角θの入力を促す画面が表示装置１５に表示される場合について説明したが、その俯角θの入力を促す画面において、俯角θの候補を表示し、その値を使用者が操作ボタン１４を操作して増減することで、俯角θの設定を行えるようにしてもよい。俯角θの候補は、対応する解析深度から、第１実施形態のような深度俯角変換テーブルや第２実施形態のような計算式を用いて決定してもよい。これにより、使用者が設定した解析深度に対して適した俯角θの目安を予め使用者に示すことができ、また、解析深度に適した俯角θを使用者に設定させやすくすることができる。

上記第４実施形態では、上述した通り、設定された解析深度に浅場の解析深度が含まれていた場合、最も深い解析深度にあわせて設定された俯角θでは、その浅場の潮流の速度が精度よく計測できない場合が生じ得る。

そこで、潮流計１２は、表示装置１５において、精度よく計測できなかった潮流の速度を、点滅して表示させたり、他の解析深度における潮流の速度と比して輝度を低くして表示させたりするなど、精度よく計測できてないことが使用者に分かるように表示するようにしてもよい。また、潮流計１２は、精度よく計測できなかった潮流の速度を非表示としてもよい。

また、設定された解析深度のうち、最も深い解析深度に適した俯角θで超音波ビームＴＢを送受信しては、設定された浅場の解析深度における潮流の速度が精度よく計測できないと判断される場合に、最も深い解析深度に適した俯角θで超音波ビームＴＢを送受信するのとは別に、その浅場の解析深度に適した俯角θを、深度俯角変換テーブル５２ｂにより、又は、上述した式（２）により設定して、超音波ビームＴＢを送受信し、該浅場の潮流の速度を計測してもよい。これにより、深い解析深度から浅い解析深度までの潮流の速度を精度よく計測できる。

また、設定された解析深度のうち、最も深い解析深度に適した俯角θで超音波ビームＴＢを送受信しては、設定された浅場の解析深度における潮流の速度が精度よく計測できないと判断される場合に、一旦最も深い解析深度に対応して設定された俯角θを、その浅場の解析深度における潮流の速度が精度よく計測できる俯角θまで小さくするように制御装置５０が制御してもよい。これにより、深い解析深度から浅い解析深度までの潮流の速度を精度よく計測できる俯角θで、超音波ビームＴＢの送受信を行うことができる。

第４実施形態では、超音波ビームＴＢの俯角θとして、設定された解析深度のうち最も深い解析深度に対応する値を設定する場合について説明したが、最も浅い解析深度に対応する値を設定してもよい。これにより、設定された解析深度に浅場が含まれていた場合であっても、その浅場の潮流の速度を精度よく計測できる。

この場合、深い解析深度の潮流の速度が計測できない場合が生じ得る。これに対し、超音波ビームＴＢの俯角θが決定された後、超音波ビームＴＢの送受信が行われる前や、超音波ビームＴＢの送受信が行われる間、使用者が操作ボタン１４を操作することによってその俯角θを変更できるように構成していもよい。これにより、使用者が潮流の速度を計測したい解析深度にあわせて超音波ビームＴＢの送受信方向の俯角θを調整できる。また、設定された解析深度のうち、最も浅い解析深度に適した俯角θで超音波ビームＴＢを送受信しては、設定された深い解析深度における潮流の速度が精度よく計測できないと判断される場合に、最も浅い解析深度に適した俯角θで超音波ビームＴＢを送受信するのとは別に、その深い解析深度に適した俯角θを、深度俯角変換テーブル５２ｂにより、又は、上述した式（２）により設定して、超音波ビームＴＢを送受信し、該深い解析深度の潮流の速度を計測してもよい。これにより、深い解析深度から浅い解析深度までの潮流の速度を精度よく計測できる。

また、このような場合に、一旦最も浅い解析深度に対応して設定された俯角θを、深い解析深度における潮流の速度が計測できる俯角θまで大きくするようにしてもよい。これにより、深い解析深度から浅い解析深度までの潮流の速度を精度よく計測できる俯角θで、超音波ビームＴＢの送受信を行うことができる。

また、超音波ビームＴＢの俯角θとして、設定された解析深度の中央値や平均値に対応する俯角θを、深度俯角変換テーブル５２ｂにより、又は、上述した式（２）により設定してもよい。これにより、深い解析深度から浅い解析深度までの潮流の速度を精度よく計測できる可能性の高い俯角θで、超音波ビームＴＢの送受信を行うことができる。

上記第４実施形態では、超音波ビームＴＢの俯角θを深度俯角変換テーブル５２ｂにより設定する場合について説明したが、この超音波ビームＴＢの俯角θの設定を、深度俯角変換テーブル５２ｂや計算等に拠らず、第３実施形態のように、使用者が操作ボタン１４を操作して行ってもよい。これにより、使用者が潮流の速度を計測したい解析深度にあわせて超音波ビームＴＢの送受信方向の俯角θを調整できる。よって、深度の浅い場所から深い場所までの潮流の速度を、使用者が超音波ビームＴＢの俯角θを調整しながら精度よく計測できる。

上記各実施形態では、全周型ソナーで構成された送受波ユニット１６を１つ用いて、俯角θを解析深度に応じて設定しつつ、方位角δを順次変化させながら４方向に超音波ビームＴＢを送受信する場合について説明した。これに対し、４つ（又は２以上）の方位角δ方向毎に、対応する方位角δに向けて超音波ビームＴＢを送受信可能であり且つ俯角θを変更可能な送受波ユニットを設け、各々の送受波ユニットから送受信される超音波ビームＴＢの俯角θを解析深度に応じて設定するように構成してもよい。これにより、各方位角δ方向に対して解析深度に応じた俯角θの超音波ビームＴＢを一度に送受信できるので、解析深度における潮流の速度を素早く計測できる。

１１ 船舶
１２ 潮流計
１４ 操作ボタン（俯角受付手段）
３１ 振動子
２７ スキャンモータ（駆動手段の一部）
３３ チルトモータ（駆動手段の一部）
Ｓ４ （深度設定手段）
Ｓ５ （俯角設定手段）
Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１４ （算出手段）

Claims (4)

1. 潮流の速度を計測する潮流計であって、
   超音波を水中に送信し、その反射波を受信可能な振動子と、
   その振動子により受信された前記反射波のドップラシフト量に基づいて前記速度を算出する算出手段と、
   前記速度の計測対象となる水中の深度を設定する深度設定手段と、
   前記超音波の送信方向と水平面とのなす角である俯角を前記深度設定手段により設定された深度に基づいて設定する俯角設定手段と、
   その俯角設定手段により設定された俯角で前記超音波の送信及びその反射波の受信が行われるように前記振動子を駆動する駆動手段と、を備えることを特徴とする潮流計。
2. 前記俯角設定手段は、前記深度設定手段により設定された深度が所定の深度よりも浅い場合に、その所定の深度に対して設定される俯角よりも小さい俯角を設定することを特徴とする請求項１記載の潮流計。
3. 使用者が設定したい前記俯角に関する情報の入力を受け付ける俯角受付手段を備え、
   前記俯角設定手段は、前記俯角受付手段により入力が受け付けられた情報に基づいて前記俯角を設定することを特徴とする請求項１又は２記載の潮流計。
4. 前記駆動手段は、前記俯角設定手段により設定された俯角において２以上の方位角で前記超音波の送信及びその反射波の受信が行われるように、その方位角を変化させながら前記振動子を駆動するものであり、
   前記算出手段は、前記駆動手段による前記振動子の駆動によって、前記俯角設定手段により設定された俯角において２以上の方位角でそれぞれ受信された各反射波のドップラシフト量に基づき前記速度を算出するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の潮流計。

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