JP6270705B2 - 電波式水位計 - Google Patents

Description

本発明は、電波式水位計に関する。

現在、電波を用いて水位を計測する電波式水位計には、水面より高い場所に位置する構造物に設置され、真下方向に電波を放射し、真下方向の水面の水位を計測するものが存在する。例えば、下記特許文献１には、電波を真下方向に放射することによって、使用済燃料を収容可能な使用済燃料ピット内に貯水される冷却水の水位を計測する電波式水位計が開示されている。

特開２０１３−２０５０５９号公報

しかしながら、上記従来技術では、河川の水位を計測する場合、河川の観測地点によって水位が異なるにも関わらず、電波式水位計による電波の放射方向が真下方向に固定されているため、河川における水位の異なる複数の観測地点を計測できないという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電波式水位計の真下方向以外の複数の観測地点を計測可能とする、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、第１の解決手段として、水面上の観測地点に送信波を放射して反射波を受信するアンテナと、アンテナによる送信波の放射方向を可変する方向可変部と、アンテナによる受信結果に基づいて観測地点の水位を算出する演算手段とを具備する、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、演算手段は、アンテナによる受信結果に基づいて水位に加えて、観測地点の流速を算出する、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、アンテナは、多周波ＣＷ方式に基づく送信波を観測地点に放射する、という手段を採用する。

本発明によれば、水面上の観測地点に送信波を放射して反射波を受信するアンテナと、アンテナによる送信波の放射方向を可変する方向可変部と、アンテナによる受信結果に基づいて観測地点の水位を算出する演算手段とを具備し、方向可変部によってアンテナによる送信波の放射方向を可変することができるので、電波式水位計の真下方向以外の複数の観測地点を計測することができる。

本発明の実施形態に係る電波式水位計Ａの設置状況を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る電波式水位計Ａの機能ブロック図である。 本発明の実施形態における変調信号、送信信号、反射信号及びビート信号を模式的に示すタイミングチャートである。 本発明の実施形態に係る電波式水位計Ａの動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における角度ＥＬ及び水位Ｌを示す模式図である。

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。
本実施形態に係る電波式水位計Ａは、多周波ＣＷ方式に基づいて送信波を水面上の観測地点Ｇに向けて放射し、該送信波の反射波の受信結果に基づいて観測地点Ｇの水位及び流速を計測する。例えば、電波式水位計Ａは、図１に示すように、河川に架かると共に土手に固定される橋の欄干等に設置される。つまり、電波式水位計Ａは、観測地点Ｇが存在する河川の水面より橋の高さに土手の高さを加えた高さ分だけ高い位置に設置される。

電波式水位計Ａは、図１及び図２に示すように、アンテナ１、サーキュレータ２、デバイダ３、第１アンプ４、発振器５、チューニング電圧部６、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９、ＡＤコンバータ１０、雲台１１、角度センサ１２、演算制御部１３及び筐体１４から構成されている。なお、雲台１１は、本実施形態における方向可変部である。また、演算制御部１３は、本実施形態における演算手段である。

アンテナ１は、例えばパラボラアンテナであり、方形状をした筐体１４の側面（前面）に固定されている。アンテナ１は、サーキュレータ２から入力される所定周波数の送信信号に基づいて送信波を観測地点Ｇに放射する一方、該送信波の反射波を受信し、反射信号としてサーキュレータ２に出力する。

ここで、送信信号がアンテナ１に給電されることによって発生する送信波は、送信信号と同様に所定周波数を有する電波である。この送信波が観測地点Ｇで反射して発生する上記反射波は、観測地点Ｇにおける水面の流速に応じて送信波の周波数がドップラーシフト（周波数偏移）した信号である。また、この反射波は、上記流速以外の水面の状態や伝搬経路（アンテナ１と観測地点Ｇとの間の空間）の状態に応じて送信波に各種のノイズ成分が重畳した電波である。

サーキュレータ２は、デバイダ３から入力される送信信号をアンテナ１に出力し、アンテナ１から入力される上記反射信号をミキサ７に出力する方向性結合器である。デバイダ３は、第１アンプ４から入力される送信信号をサーキュレータ２とミキサ７とに分配する分配器である。第１アンプ４は、発振器５から入力される送信信号を所定の増幅度で増幅し、デバイダ３に出力する増幅器である。

発振器５は、チューニング電圧部６から入力される制御電圧に基づいて送信信号を生成する電圧制御型発振器である。すなわち、発振器５は、チューニング電圧部６から入力される制御電圧を変調信号（図３参照）として受け付け、当該制御電圧（変調信号）に基づいて周波数変調された周波数変調信号を送信信号（図３参照）として発生する。本実施形態における制御電圧（変調信号）は、一定周期で繰り返す３段の階段状信号であり、よって送信信号は、異なる３つの周波の正弦波信号が所定の順番かつ所定の周期で時系列的に並ぶ周波数変調信号（ＦＭ変調信号）である。発振器５は、このような送信信号を第１アンプに出力する。なお、図３におけるＦ１、Ｆ２、Ｆ３は、３つの周波数である第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３を示している。また、Ｆｄ１、Ｆｄ２、Ｆｄ３は、第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３各々に対応するビート周波数Ｆｄ１、Ｆｄ２、Ｆｄ３を示している。

チューニング電圧部６は、演算制御部１３による制御に基づいて上記制御電圧、つまり３段の階段波を一定周期で繰り返す変調信号を発生して発振器５に出力する。ミキサ７は、サーキュレータ２から入力される反射信号と、デバイダ３から入力される送信信号とをミキシング（アナログ乗算処理）する一種のアナログ乗算器である。このミキサ７は、反射信号と送信信号とを乗算することにより、反射信号の周波数と送信信号の周波数との差分周波数、つまり上記ドップラーシフト（周波数偏移）に起因するドップラー周波数の信号（ビート信号）と、反射信号の周波数と送信信号の周波数との加算周波数の信号とを主成分とするミキシング信号を生成して第２アンプ８に出力する。

第２アンプ８は、ミキサ７から入力される上記ミキシング信号を所定の増幅度で増幅する増幅器である。この第２アンプ８は、自らが増幅したミキシング信号をノイズフィルタ９に出力する。ノイズフィルタ９は、第２アンプ８から入力されたミキシング信号から上記ビート信号のみを取り出すアナログフィルタである。このノイズフィルタ９は、上記ビート信号をＡＤコンバータ１０に出力する。ＡＤコンバータ１０は、上記ノイズフィルタ９から入力されるビート信号をデジタル変換して演算制御部１３に出力する。

雲台１１は、筐体１４の下面に設けられており、筐体１４の向きを可変することによりアンテナ１の方向を可変する装置（方向可変部）である。すなわち、この雲台１１は、橋の欄干と筐体１４との間に備えられており、筐体１４を方向設定自在に支持する。また、この雲台１１は、例えばモータ等の駆動装置を備えたものであり、演算制御部１３から入力される制御指令に基づいて筐体１４の向き（アンテナ１の方向）を設定する。

角度センサ１２は、上記雲台１１に設けられており、筐体１４の向き（アンテナ１の方向）を検出し、当該方向を示す角度検出信号を演算制御部１３に出力する。すなわち、この角度センサ１２は、水平面内におけるアンテナ１の方向（水平角）と垂直面内におけるアンテナ１の方向（仰角）とを検出し、これら水平角及び仰角を角度検出信号として演算制御部１３に出力する。

演算制御部１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されている。この演算制御部１３は、上記ＲＯＭに記憶された演算制御プログラムに基づいて雲台１１の動作を制御すると共に、上記演算制御プログラム及びＡＤコンバータ１０から入力されるビート信号（デジタル信号）に基づいて観測地点Ｇにおける川の水位及び流速を演算する。なお、詳細については後述するが、演算制御部１３は、ＡＤコンバータ１０からビート信号を取り込むことにより、多周波ＣＷ方式に基づいて観測地点Ｇにおける川の水位及び流速を演算する。

筐体１４は、樹脂あるいは金属等からなる方形状の容器である。この筐体１４は、上記サーキュレータ２、デバイダ３、第１アンプ４、発振器５、チューニング電圧部６、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９、ＡＤコンバータ１０及び演算制御部１３を収容する。また、筐体１４は、上述したように側面（前面）にアンテナ１が固定され、また雲台１１を介して橋の欄干に支持されている。

次に、このように構成された電波式水位計Ａの動作について図３、図４及び図５を参照して説明する。
電波式水位計Ａでは、演算制御部１３が演算制御プログラムに基づいて雲台１１を制御することで、アンテナ１の方向を所望の方向に設定する。例えば、演算制御部１３は、予め規定された河川上の複数の観測地点Ｇを計測できるように、演算制御プログラムに基づいて雲台１１を制御する。すなわち、雲台１１は、演算制御部１３から入力される制御指令に基づいて動作することにより、送信波が各観測地点Ｇに所定の順番で順次放射されるようにアンテナ１の方向を順次設定する。そして、演算制御部１３は、各々の観測地点Ｇにおけるビート信号を取り込むことにより、各々の観測地点Ｇにおける水位及び流速を演算する。

すなわち、演算制御部１３は、チューニング電圧部６を作動させることによりアンテナ１から３つの周波数（第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３）の正弦波が時系列的に並ぶ送信波を観測地点Ｇに向けて放射させ、当該送信波の観測地点Ｇにおける反射波をアンテナ１で受信させる。

この反射波は、送信波の第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３が水の流速に応じてドップラーシフトすることにより、周波数Ｆ１±ｆｄ１、Ｆ２±ｆｄ２、Ｆ３±ｆｄ３を有する電波となる。なお、川の上流に向けて送信波を放射した場合には、周波数Ｆ１±ｆｄ１、Ｆ２±ｆｄ２、Ｆ３±ｆｄ３における「±」がプラス（＋）となり、川の下流に向けて送信波を放射した場合には、周波数Ｆ１±ｆｄ１、Ｆ２±ｆｄ２、Ｆ３±ｆｄ３における「±」がマイナス（−）となる。

そして、この反射波に基づく反射信号がアンテナ１からサーキュレータ２、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９で処理されることによりビート信号が取り出され、ＡＤコンバータ１０においてデジタル信号に変換される（ステップＳ１）。このビート信号は、送信信号（送信波）の周波数と反射信号（反射波）の周波数との差分周波数、つまり、図３に示すようにビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３が時系列的に並んだ信号である。なお、ビート周波数ｆｄ１は、第１周波数Ｆ１のドップラー周波数である。また、ビート周波数ｆｄ２は第２周波数Ｆ２のドップラー周波数である。また、ビート周波数ｆｄ３は第３周波数Ｆ３のドップラー周波数である。

演算制御部１３は、ＡＤコンバータ１０からビート信号のデジタル信号が入力されると、当該ビート信号を３つのビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３に対応する部位（データ部位）毎に分離する（ステップＳ２）。そして、演算制御部１３は、分離した３つのビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３に対応する部位（データ部位）毎にフーリエ変換処理を施すことにより、各データ部位に含まれる複数の周波数成分の振幅（強度）と位相とを求める。

すなわち、各データ部位に含まれる３つのビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３は各々に純粋に１つの周波数ではなく、所定の周波数幅を有する周波数帯域を有する。３つのビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３が周波数帯域となる理由は、アンテナ１から放射される送信波が観測地点Ｇの川面の広がりを持った領域（照射領域）に照射され、この広がりを持った照射領域で反射した反射波がアンテナ１で捉えられるからである。

演算制御部１３は、フーリエ変換処理によって各データ部位に含まれる複数の周波数成分の振幅（強度）と位相とを求めると、データ部位毎に、最も振幅（強度）が大きい周波数成分の位相、つまり第１位相φ１、第２位相φ２、第３位相φ３を特定する（ステップＳ３）。なお、データ部位毎の最も強度の強い周波数成分は、周波数ｆｍ１、ｆｍ２、ｆｍ３各々であるとする。つまり、第１位相φ１は、周波数ｆｍ１の周波数成分の位相である。また、第２位相φ２は、周波数ｆｍ２の周波数成分の位相である。また、第３位相φ３は、周波数ｆｍ３の周波数成分の位相である。

また、周波数ｆｍ１は、ビート周波数ｆｄ１に対応するデータ部位に含まれる周波数成分である。また、周波数ｆｍ２は、ビート周波数ｆｄ２に対応するデータ部位に含まれる周波数成分である。また、周波数ｆｍ３は、ビート周波数ｆｄ３に対応するデータ部位に含まれる周波数成分である。

続いて、演算制御部１３は、上記ステップＳ３の処理において得られた第１位相φ１、第２位相φ２及び第３位相φ３に基づいて位相差Δφを求め、位相差Δφを下記式（１）に代入してアンテナ１と観測地点Ｇとの距離Ｒを求める。さらに、演算制御部１３は、距離Ｒ及び下記式（２）に基づいて高さＨを求める。高さＨは、水面からアンテナ１までの高さである（図５参照）。
Ｒ＝Δφ/４π×ｃ/ΔＦ （１）
Ｈ＝Ｒ×ｓｉｎ（ＥＬ） （２）

また、上記式（１）には、位相差Δφ以外にも、光速ｃ及び送信周波数差ΔＦを代入する。送信周波数差ΔＦとは、第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３お互いの周波数差である。本実施形態では、３つの送信周波数である第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３と、周波数ｆｍ１、ｆｍ２、ｆｍ３各々に対応する３つの第１位相φ１、第２位相φ２及び第３位相φ３とが存在する。そのため、それぞれ３つのうち２つを使用して、上記式（１）の演算を行う。具体的には、第１周波数Ｆ１から第２周波数Ｆ２を引いた周波数差を送信周波数差ΔＦとする場合、ビート周波数ｆｄ１に対応する第１位相φ１からビート周波数ｆｄ２に対応する第２位相φ２引いた差を位相差Δφとして、上記式（１）の演算を行う。つまり、送信周波数差ΔＦを算出するために使用される２つの送信周波数に対応する２つの位相を使用して、位相差Δφを算出する。

この際、３つのうち２つを使用する組み合わせを複数使用して、上記式（１）の演算を行い、組み合わせに応じた複数の距離Ｒを算出し、複数の距離Ｒの平均値を、上記式（２）に代入して高さＨを求めるようにしてもよい。また、複数の組み合わせを使用して複数の距離Ｒを求めた際に、異常な距離Ｒが得られた場合には、異常な距離Ｒを排除した上で、距離Ｒの平均値を求めるようにしてもよい。

また、位相差Δφについては、負の値とならないようにすることが望ましい。そのために、例えば、上流に向けて送信波を放射して計測する場合には、位相差Δφとして、「φ１−φ２」、「φ１−φ３」、「φ２−φ３」の３通りをそれぞれ使用する。一方、下流に向けて送信波を放射して計測する場合には、「φ２−φ１」、「φ３−φ１」、「φ３−φ２」の３通りをそれぞれ使用する。

また、位相差Δφは、３６０度を超えると、正確に計測されない。これは、演算制御部１３が位相差Δφの１０度と３７０度とを区別することができないためである。そのため、遠方の観測地点Ｇの高さＨを算出する場合には、送信周波数差ΔＦを小さくすることによって位相差Δφを小さくし、高さＨを算出するようにする。一方、近傍の観測地点Ｇの高さＨを算出する場合には、遠方の観測地点Ｇの高さＨを算出するよりも位相差Δφが３６０度を超えにくいので、送信周波数差ΔＦを大きくすることによって位相差Δφを大きくして、高さＨを精度良く算出するようにする。

そして、演算制御部１３は、下記式（３）に基づいて水位Ｌを算出する（ステップＳ４）。なお、水位Ｌは、平均海面からの高さを基準高さＫとした場合によるものである（図５参照）。
Ｌ＝Ｋ−Ｈ （３）

また、演算制御部１３は、周波数ｆｍ１、ｆｍ２、ｆｍ３を使用し、下記式（４）に基づいて河川の観測地点Ｇにおける流速Ｖを求める（ステップＳ５）
ｆｄ＝２×Ｆ×Ｖ×ｃｏｓ（ＥＬ）/ｃ （４）

上記ｆｄは、上記データ部位で最も強度の強い周波数成分、つまり、周波数ｆｍ１、ｆｍ２、ｆｍ３のいずれか１つである。また、上記Ｆは、送信周波数、つまり、第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３のいずれか１つである。また、角度ＥＬは、図５に示すように、河川の水面に対する送信信号の放射の仰角、つまり、垂直面内におけるアンテナ１の方向（仰角）である。演算制御部１３は、角度センサ１２から入力される角度検出信号に基づいて上記角度ＥＬを求める。

本実施形態では、３つの送信周波数である第１周波数Ｆ１、第２周波数Ｆ２及び第３周波数Ｆ３と、３つの周波数ｆｍ１、ｆｍ２、ｆｍ３とが存在するため、それぞれ３つのうちの１つを使用して、上記式（４）の演算を行う。すなわち、演算制御部１３は、第１周波数Ｆ１と周波数ｆｍ１とを式（４）に代入して第１の流速Ｖ１を算出し、第２周波数Ｆ２と周波数ｆｍ２とを式（４）に代入して第２の流速Ｖ２を算出し、第３周波数Ｆ３と周波数ｆｍ３とを式（４）に代入して第３の流速Ｖ３を算出する。

そして、演算制御部１３は、これら第１〜第３の流速Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の平均値を最終的な流速Ｖとする。なお、このように第１〜第３の流速Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を求める場合、異常な流速（例えば第３の流速Ｖ３）が得られた場合には、異常な流速を除いた２つの流速（例えば第１、第２の流速Ｖ１、Ｖ２）の平均値を最終的な流速Ｖとしてもよい。

そして、演算制御部１３は、ステップＳ４の処理で求めた水位Ｌと、ステップＳ５の処理で求めた流速Ｖとを記録、表示あるいは外部に出力する（ステップＳ６）。これによって、河川を管理する管理担当者に、河川の水位Ｌ及び流速Ｖを通知することができる。

このような本実施形態によれば、雲台１１によってアンテナ１による送信波の放射方向を可変することができるので、電波式水位計Ａの真下以外の複数の観測地点Ｇを計測することができる。また、本実施形態によれば、上述した河川あるいは海等の水面に対して、水位Ｌと流速Ｖとを１つの装置によって計測することが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）本実施形態では、多周波ＣＷ方式に基づいて水位Ｌ及び流速Ｖを算出したが、多周波ＣＷ方式ではなく、例えば、ＦＭ−ＣＷ方式に基づいて水位Ｌ及び流速Ｖを算出するようにしてもよい。また、多周波ＣＷ方式として、３つの周波数に限定されず、２つ、あるいは４つ以上の周波数を使用するようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、アンテナ１の正面方向から得られる周波数に基づいて上記水位Ｌ及び流速Ｖを算出する場合には、算出するために使用する周波数を、角度ＥＬ、河川表面の流れの向きと電波式水位計Ａの向きとの角度差、河川表面の状況（波、降雨時の雨が河川表面に与える波、風が作る波あるいは河床が作る波等）、電波式水位計Ａと観測地点Ｇとの距離等の各種要因に基づいて変更するようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、パラボラアンテナをアンテナ１として採用したが、本発明はこれに限定されない。例えばフェーズドアレイアンテナをアンテナ１として採用してもよい。具体的には、複数のアンテナ素子を縦方向及び横方向にアレイ状に配列した２次元フェーズドアレイアンテナをアンテナ１として採用する。

このような２次元フェーズドアレイアンテナを採用することによって、雲台１１によって送信波の放射方向を可変するのではなく、上記各アンテナ素子に給電する送信信号の位相を可変することによって送信波の放射方向を可変することができる。すなわち、この場合には、アンテナ１（２次元フェーズドアレイアンテナ）が方向可変部をしても機能する。また、送信波の指向性についても十分に絞り込むことができる。なお、上記アンテナ素子については、演算制御部１３から入力される制御指令に基づいて制御される。

Ａ…電波式水位計、１…アンテナ、２…サーキュレータ、３…デバイダ、４…第１アンプ、５…発振器、６…チューニング電圧部、７…ミキサ、８…第２アンプ、９…ノイズフィルタ、１０…ＡＤコンバータ、１１…雲台、１１…雲台、１２…角度センサ、１３…演算制御部、１４…筐体、Ｇ…観測地点

Claims (3)

1. 河川の水面上の観測地点に送信波を放射して反射波を受信するアンテナと、
   前記送信波を複数の前記観測地点に所定の順番で順次放射するように前記アンテナによる前記送信波の放射方向を可変する方向可変部と、
   前記アンテナによる受信結果に基づいて前記観測地点の水位を算出する演算手段とを具備することを特徴とする電波式水位計。
2. 前記演算手段は、前記アンテナによる受信結果に基づいて前記水位に加えて、前記観測地点の流速を算出することを特徴とする請求項１に記載の電波式水位計。
3. 前記アンテナは、多周波ＣＷ方式に基づく送信波を前記観測地点に放射することを特徴とする請求項１または２に記載の電波式水位計。

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