JP6403669B2

JP6403669B2 - 潮流計

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Publication number: JP6403669B2
Application number: JP2015522657A
Authority: JP
Inventors: 敏志川浪
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2034-05-13
Also published as: WO2014199758A1; JPWO2014199758A1

Description

本発明は、例えば、水中に送信された超音波のドップラシフト周波数を測定するドップラシフト周波数測定装置及びそれを備えた潮流計に関する。

従来、漁労援助や海洋調査を目的として潮流計で潮流が計測されている。潮流計は、船舶の船底に取り付けられており、例えば水平方向が互いに１２０度離れた方向に対して一定の俯角θで超音波を送受信する送受波器を備えている。この構成により、潮流計は、設定深度に位置する海中の無数の散乱体（プランクトン等）から帰来する反射波（対水エコー）に生じたドップラシフト周波数からその深度の潮流に対する船の速度（対水船速）を求める。また、潮流計は、海底からの反射波（対地エコー）に生じたドップラシフト周波数から海底に対する船の速度（対地船速）を求める。さらに、潮流計は、対地船速と対水船速との差から潮流の速度を求める。

ところで、この種の潮流計の指向特性は、俯角θの方向にメインローブを有し、メインローブから一定角度で傘状に開き鉛直方向に向かうサイドローブを有するものとなることが知られている。そのため、送受波器の受波信号は、特に海底近傍においてメインローブによる受波信号成分にサイドローブによる受波信号成分が加算されたものとなるので、この種の潮流計では海底近傍の潮流の速度を計測できないという課題があった。

この課題を解決するものとして、メインローブの指向方向と鉛直線とのなす角度を、サイドローブの指向方向と鉛直線とのなす角度より小さくすることにより、サイドローブによる水底反射波の強度をより低くしてメインローブによる水底の反射波を抽出できるようにした水中探知装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開平３−２４２５８３号公報

しかしながら、特許文献１記載のものでは、メインローブの指向方向と鉛直線とのなす角度が従前のものよりも小さくなるので、ドップラシフト周波数の測定精度が低下してしまい、その改善が望まれていた。

本発明は、前述のような事情に鑑みてなされたものであり、従来のものよりも高精度でドップラシフト周波数を測定することができるドップラシフト周波数測定装置及びそれを備えた潮流計を提供することを目的とする。

本発明のドップラシフト周波数測定装置は、予め定められた俯角の方向に向かうメインローブと、前記メインローブから所定角度で傘状に開き主要な指向方向が鉛直方向であるサイドローブとを有する超音波を水中に送信し、前記超音波のエコー信号を受信する送受波器と、前記送受波器が受信したエコー信号から前記超音波の周波数を中心周波数として予め定められた遮断帯域の信号成分を除去するフィルタ手段と、前記遮断帯域の信号成分が除去されたエコー信号に含まれる前記メインローブによるエコー信号成分のドップラシフト周波数を検出するドップラシフト周波数検出手段と、を備えた構成を有している。

この構成により、本発明のドップラシフト周波数測定装置は、フィルタ手段がサイドローブによるエコー信号成分を除去することができるので、従来のもののように、メインローブの指向方向と鉛直線とのなす角度を小さくすることなく、メインローブによるエコー信号成分のドップラシフト周波数を検出することができる。したがって、本発明のドップラシフト周波数測定装置は、従来のものよりも高精度でドップラシフト周波数を測定することができる。

本発明のドップラシフト周波数測定装置は、前記フィルタ手段は、前記サイドローブの超音波が水底で反射して生じたエコー信号成分を除去するものである構成を有している。

この構成により、本発明のドップラシフト周波数測定装置は、サイドローブによる水底からの信号強度が比較的強いエコー信号成分を除去することができる。

本発明のドップラシフト周波数測定装置は、前記ドップラシフト周波数検出手段は、前記メインローブの超音波が水底から予め定められた距離範囲内の水中にある散乱体で反射して生じたエコー信号成分のドップラシフト周波数を検出するものである構成を有している。

この構成により、本発明のドップラシフト周波数測定装置は、水底近傍の水中で発生したエコー信号成分のドップラシフト周波数を従来よりも高精度で検出することができる。

本発明のドップラシフト周波数測定装置は、前記送受波器が送信する超音波は、互いに異なる複数の周波数成分を有し、前記フィルタ手段は、前記各周波数成分の周波数を各中心周波数として予め定められた各遮断帯域の信号成分を除去するものであり、前記ドップラシフト周波数検出手段は、前記各遮断帯域の信号成分が除去されたエコー信号に含まれる前記メインローブによるエコー信号成分のドップラシフト周波数を検出するものである構成を有している。

この構成により、本発明のドップラシフト周波数測定装置は、複数の周波数成分を有する広帯域化された超音波を用いて、メインローブによるエコー信号成分のドップラシフト周波数を検出することができる。

本発明の潮流計は、ドップラシフト周波数測定装置と、海底に対する船の速度を示す対地船速と所定深度の潮流に対する船の速度を示す対水船速とを前記ドップラシフト周波数に基づいて求め、前記対地船速と前記対水船速との差から前記所定深度における潮流の速度を算出する潮流速度算出手段と、を備えた構成を有している。

この構成により、本発明の潮流計は、従来のものよりも高精度でドップラシフト周波数を測定することができるドップラシフト周波数測定装置を備えるので、従来のものよりも高精度で潮流の速度を算出することができる。

本発明は、従来のものよりも高精度でドップラシフト周波数を測定することができるという効果を有するドップラシフト周波数測定装置及びそれを備えた潮流計を提供することができるものである。

本発明に係る潮流計の一実施形態におけるブロック構成図である。本発明に係る潮流計の一実施形態において、送受波器が送信する超音波の模式図である。本発明に係る潮流計の一実施形態において、送受波器が送信した超音波が物体に反射して生じるエコー信号の説明図である。本発明に係る潮流計の一実施形態において、図３に示した領域Ａにおけるメインローブによる対水エコー信号成分のパワースペクトルである。本発明に係る潮流計の一実施形態において、図３に示した領域Ｂにおけるメインローブ及びサイドローブによる対水エコー信号成分のパワースペクトルである。本発明に係る潮流計の一実施形態におけるフィルタ処理の説明図である。本発明に係る潮流計の一実施形態におけるフローチャートである。本発明に係る潮流計の一実施形態の他の態様におけるフィルタ処理の説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明のドップラシフト周波数測定装置を潮流計に適用した例を挙げて説明する。

まず、本発明の一実施形態における潮流計の構成について説明する。

図１に示すように、本実施形態における潮流計１０は、ドップラシフト周波数測定装置２０、潮流算出部１１、表示部１２を備えている。

潮流計１０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、各種インタフェースが接続される入出力回路等を備えたマイクロコンピュータを含む。このマイクロコンピュータは、ＲＯＭに予め格納された制御プログラムをＣＰＵに実行させることにより、潮流計１０の機能を実現するようになっている。また、潮流計１０は、図示しない操作部を備え、この操作部を利用者が操作することにより、例えば潮流を計測する深度の設定ができるようになっている。

ドップラシフト周波数測定装置２０は、送信信号生成部２１、送信アンプ２２、送受信切替部２３、送受波器２４、受信アンプ２５、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）２６、フィルタ２７、周波数検出部２８を備えている。

送信信号生成部２１は、超音波帯域の送信信号を生成し、送信アンプ２２（２２ａ〜２２ｃ）に出力するようになっている。

送信アンプ２２（２２ａ〜２２ｃ）は、送信信号生成部２１が生成した送信信号を所定増幅率で増幅し、送受信切替部２３に出力するようになっている。

送受信切替部２３（２３ａ〜２３ｃ）は、送信アンプ２２から送受波器２４に向かう送信時の経路と、送受波器２４から受信アンプ２５に向かう受信時の経路とを切り替えるようになっている。

送受波器２４（２４ａ〜２４ｃ）は、例えば船底に設置され、超音波を送信するようになっている。この送受波器２４は、送信する超音波が、水平方向に対して１２０度の角度間隔となるよう、かつ、一定の俯角で海中に送信されるよう配置されている。また、送受波器２４は、送信した超音波が海中の無数の散乱体や海底で反射したエコー信号を受信し、送受信切替部２３を介して受信アンプ２５に出力するようになっている。

受信アンプ２５（２５ａ〜２５ｃ）は、送受信切替部２３を介して送受波器２４から入力したエコー信号を所定増幅率で増幅し、ＡＤＣ２６に出力するようになっている。

ＡＤＣ２６（２６ａ〜２６ｃ）は、入力したアナログ値の信号をデジタル値の信号に変換してフィルタ２７に出力するようになっている。

フィルタ２７（２７ａ〜２７ｃ）は、ＡＤＣ２６から入力した信号に対し、送信信号生成部２１が生成した送信信号の周波数を中心周波数として、その中心周波数近傍の周波数成分を除去するようになっている。このフィルタ２７（２７ａ〜２７ｃ）は、本発明に係るフィルタ手段を構成する。

周波数検出部２８（２８ａ〜２８ｃ）は、フィルタ２７の出力信号から、設定深度におけるメインローブによるエコー信号のドップラシフト周波数を検出するようになっている。この周波数検出部２８（２８ａ〜２８ｃ）は、本発明に係るドップラシフト周波数検出手段を構成する。

潮流算出部１１は、周波数検出部２８が検出したドップラシフト周波数のデータを記憶するメモリ（図示省略）を備えている。また、潮流算出部１１は、周波数検出部２８が検出したドップラシフト周波数に基づいて、図示しない操作部で設定された設定深度における対水船速を算出するとともに対地船速を算出し、さらに対水船速と対地船速とに基づいて設定深度における潮流の速度を求めるようになっている。この潮流算出部１１は、本発明に係る潮流速度算出手段を構成する。

ここで、対水船速（又は対地船速）をｖ、ドップラシフト周波数をｆｄ、水中音速をｃ、超音波の周波数をｆ０、俯角をθとすると、ｃはｖよりも十分に大きいので、対水船速（又は対地船速）ｖは［数１］で近似される。

［数１］
ｖ＝ｆｄ・ｃ／（２ｆ０・ｃｏｓθ）

表示部１２は、潮流算出部１１が算出した潮流の速度のデータを入力し、潮流の速度を画面に表示するようになっている。

次に、送受波器２４が送信する超音波について図２の模式図を用いて説明する。

図２に示すように、送受波器２４は、３方向に超音波を送信するようになっている。例えば、送受波器２４ａ、２４ｂ及び２４ｃは、それぞれ、メインローブ３１、３２及び３３を送信するものである。形成された３つのメインローブ３１〜３３は、互いに１２０度の角度間隔、かつ、予め定められた俯角θを有する。ここで、メインローブ３１は、船首方向に向かうメインローブである。

送受波器２４から３方向に超音波が送信されると、各メインローブ３１〜３３から所定角度で傘状に開いたサイドローブ３４が発生する。このサイドローブ３４は、実際は単一方向に明確に指向するものではないが、送受波器２４においては、海底での反射強度は鉛直方向（真下方向）が最も強くなるので、主要な指向方向が鉛直方向であるサイドローブ３４が発生しているように表すことができる。

次に、送受波器２４が送信した超音波が物体に反射して生じるエコー信号について図３〜図６を用いて説明する。

図３は、メインローブ及びサイドローブによるエコー信号成分の信号強度の時間的な変化を示した図である。実際のエコー信号成分は、メインローブとサイドローブとの合成になるが、説明を分かりやすくするため、図３ではメインローブ及びサイドローブによるエコー信号成分の信号強度を個別に表している。

図３に示すように、エコー信号４０は、メインローブによるエコー信号成分４１（実線）と、サイドローブ３４によるエコー信号成分４２（点線）と、を含む。メインローブによるエコー信号成分４１は、海水中の散乱体であるプランクトン等で反射して生じる対水エコー信号成分が時間の経過とともに徐々に減衰していく減衰区間４１ａと、送信信号が海底で反射して対地エコー信号成分が生じる海底反射区間４１ｂと、を含む。一方、サイドローブ３４によるエコー信号成分４２は、同様に、対水エコー信号成分が時間の経過とともに徐々に減衰していく減衰区間４２ａと、対地エコー信号成分が生じる海底反射区間４２ｂと、を含む。

図３において、海底反射区間４１ｂの直前の減衰区間４１ａは、海底近傍の海水（以下「底潮」という。）の区間であるので、底潮区間４１ｃとして表している。この底潮区間４１ｃは、例えば、海底の深度が１００ｍであれば７０ｍ〜１００ｍ程度の水深に相当する区間である。

底潮区間４１ｃでは、サイドローブ３４による海底反射区間４２ｂの対地エコー信号成分によりマスクされているので、従来の潮流計では、底潮区間４１ｃの信号強度の測定は不可能であった。したがって、従来は、サイドローブ３４によるエコーの影響を受けない図示の範囲が潮流計測可能範囲であった。

ここで、図示の潮流計測可能範囲において、深度が比較的深い領域Ａにおけるメインローブによる対水エコー信号成分のパワースペクトルの一例を図４に示す。この例における対水エコー信号成分５１は、０Ｈｚよりも高い周波数のドップラシフト周波数ｆｄ５１を有している。図４に示したように、この領域Ａでは、サイドローブ３４によるエコー信号成分の影響を受けないので、周波数検出部２８は、ドップラシフト周波数ｆｄ５１を容易に検出可能である。

一方、図３において、領域Ｂにおける対水エコー信号成分のパワースペクトルの一例を図５に示す。この例において、メインローブによる対水エコー信号成分５２は、０Ｈｚよりも高い周波数のドップラシフト周波数ｆｄ５２を有している。しかしながら、この領域Ｂでは、図示のようにサイドローブ３４による対水エコー信号成分５３の影響を受けるので、この状態では、周波数検出部２８は、ドップラシフト周波数ｆｄ５２を検出不可能である。

ここで、対水エコー信号成分５３は、図２に示したように、その主要な指向方向がほぼ鉛直方向に沿ったサイドローブ３４によるものなので、その中心周波数は、ほぼ０Ｈｚのドップラシフト周波数となる。すなわち、対水エコー信号成分５３の中心周波数は、送受波器２４が送信する超音波信号の周波数（海中に送信する超音波の周波数）にほぼ一致する。

したがって、フィルタ２７の中心周波数を、送受波器２４が送信する超音波信号の周波数に設定し、ドップラシフト周波数＝０Ｈｚの近傍を遮断帯域とするフィルタ処理を施すことにより、図６に示すように、サイドローブ３４による対水エコー信号成分５３を減衰させることができるので、周波数検出部２８は、潮流の速度がある程度の速さを有する場合はドップラシフト周波数ｆｄ５２を検出可能となる。すなわち、フィルタ２７は、ＡＤＣ２６から入力した信号から、サイドローブによる受波信号成分を除去することができる。このフィルタ２７は、例えば、帯域除去フィルタやバンドパスフィルタで構成され、そのフィルタ特性（中心周波数、フィルタ減衰特性等）が図示しない操作部により設定されるようになっている。

次に、本実施形態における潮流計１０の動作について図７に示すフローチャートを中心に説明する。

送信信号生成部２１は、超音波帯域の送信信号を生成し（ステップＳ１１）、送信アンプ２２に出力する。送信アンプ２２は、送信信号を増幅し、送受信切替部２３を介して送受波器２４に出力する。

送受波器２４は、例えば図２に示したメインローブ３１〜３３の方向に超音波を送信する（ステップＳ１２）。

送受波器２４は、送信した超音波が物体で反射した反射波を受信し、その信号を送受信切替部２３経由で受信アンプ２５に出力し、受信アンプ２５は反射波の信号を受信する（ステップＳ１３）。

ＡＤＣ２６は、アナログ値の受信信号をデジタル値の受信信号に変換し（ステップＳ１４）、フィルタ２７に出力する。

フィルタ２７は、図６を用いて説明したフィルタ処理を施し（ステップＳ１５）、サイドローブ３４による対水エコー信号成分５３の信号レベルがノイズフロアのレベルと同等又はそれ以下となった受信信号を周波数検出部２８に出力する。

周波数検出部２８は、設定深度及び海底におけるメインローブ３１〜３３によるエコー信号成分のドップラシフト周波数を検出し（ステップＳ１６）、検出したデータを潮流算出部１１に出力する。

潮流算出部１１は、前述の［数１］により、ドップラシフト周波数から対水船速及び対地船速を算出し、対地船速と対水船速との差から設定深度における潮流の速度を算出する（ステップＳ１７）。潮流算出部１１は、算出した潮流の速度データを表示部１２に出力し、表示部１２は、例えば、設定深度を示す数値とともに潮流の速度データを画面に表示する。

なお、潮流算出部１１は、底潮の速度が低速である場合（ドップラシフト周波数がゼロに近い場合）には、底潮の速度を算出することは困難となるが、その場合は、例えば底潮の速度を１ノット未満として表示部１２に表示させるのが好ましい。この構成により、潮流計１０は、底潮に関する情報を全く提供できないシステムよりも、有益な情報をユーザに提供することができる。

以上のように、本実施形態におけるドップラシフト周波数測定装置２０は、フィルタ２７がサイドローブによるエコー信号成分を除去することができるので、従来のもののように、メインローブの指向方向と鉛直線とのなす角度を小さくすることなく、メインローブによるエコー信号成分のドップラシフト周波数を検出することができる。したがって、本実施形態におけるドップラシフト周波数測定装置２０は、従来のものよりも高精度でドップラシフト周波数を測定することができる。

また、本実施形態における潮流計１０は、従来のものよりも高精度でドップラシフト周波数を測定することができるドップラシフト周波数測定装置２０を備える構成としたので、従来のものよりも高精度で潮流の速度を算出することができる。特に、本実施形態における潮流計１０は、フィルタ２７がサイドローブによるエコー信号成分を除去するので、底潮の速度を高精度で算出することができる。

（他の態様）
前述の実施形態では、送信信号生成部２１が、単一周波数の送信信号を生成する例を挙げて説明したが、広帯域化した送信信号を生成する構成としてもよい。以下、図８を用いて説明する。

図８に示すように、送信信号生成部２１が、互いに異なる周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号成分を含む広帯域の送信信号を生成するものとする。この種の送信信号は、例えば、一定周波数の搬送波を所定のコードによりＢＰＳＫ変調することにより生成される。

この場合、フィルタ２７は、ドップラシフト周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３がそれぞれ０Ｈｚとなる周波数の近傍を各遮断帯域とする櫛型のフィルタ処理を施すことにより、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の信号成分のサイドローブによるエコー信号成分６１、６２、６３を減衰させ、メインローブによるエコー信号成分７１、７２、７３を取り出すことができる。

その結果、周波数検出部２８は、メインローブによるエコー信号成分７１、７２、７３のドップラシフト周波数ｆｄ７１、ｆｄ７２、ｆｄ７３を検出することができる。

１０潮流計
１１潮流算出部（潮流速度算出手段）
１２表示部
２０ドップラシフト周波数測定装置
２１送信信号生成部
２２（２２ａ〜２２ｃ）送信アンプ
２３（２３ａ〜２３ｃ）送受信切替部
２４（２４ａ〜２４ｃ）送受波器
２５（２５ａ〜２５ｃ）受信アンプ
２６（２６ａ〜２６ｃ）ＡＤＣ
２７（２７ａ〜２７ｃ）フィルタ（フィルタ手段）
２８（２８ａ〜２８ｃ）周波数検出部（ドップラシフト周波数検出手段）
３１〜３３メインローブ
３４サイドローブ

Claims

水平方向が互いに異なる方向を向き、かつ、予め定められた俯角の方向に向かうメインローブを有する複数の超音波信号を水中に送信し、前記複数の超音波信号による複数のエコー信号を受信する送受波器と、
前記送受波器が受信した複数のエコー信号から前記超音波信号の周波数を中心周波数として予め定められた遮断帯域の信号成分を除去するフィルタ手段と、
前記遮断帯域の信号成分が除去されたエコー信号に含まれる前記メインローブによるエコー信号の成分のドップラシフト周波数を検出するドップラシフト周波数検出手段と、
海底に対する船の速度を示す対地船速と所定深度の潮流に対する船の速度を示す対水船速とを前記ドップラシフト周波数に基づいて求め、前記対地船速と前記対水船速との差から前記所定深度における潮流の速度を算出する潮流速度算出手段と、
を備えた潮流計であって、
前記複数の超音波信号のサイドローブの主要な指向方向が鉛直方向であることを特徴とする潮流計。
前記フィルタ手段は、前記サイドローブの超音波が水底で反射して生じたエコー信号成分を除去するものであることを特徴とする請求項１に記載の潮流計。
前記ドップラシフト周波数検出手段は、前記メインローブの超音波が水底から予め定められた距離範囲内の水中にある散乱体で反射して生じたエコー信号成分のドップラシフト周波数を検出するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の潮流計。
前記送受波器が送信する超音波は、互いに異なる複数の周波数成分を有し、
前記フィルタ手段は、前記各周波数成分の周波数を各中心周波数として予め定められた各遮断帯域の信号成分を除去するものであり、
前記ドップラシフト周波数検出手段は、前記各遮断帯域の信号成分が除去されたエコー信号に含まれる前記メインローブによるエコー信号成分のドップラシフト周波数を検出するものであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の潮流計。