JP7166186B2

JP7166186B2 - 水温測定装置、及び水温測定方法

Info

Publication number: JP7166186B2
Application number: JP2019020857A
Authority: JP
Inventors: 秀樹堀内; 正吉田中
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2022-11-07
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: JP2020128894A

Description

本発明は、水温測定装置、及び水温測定方法に関する。

従来、海洋の温度測定装置である水温計として、プローブと呼ばれる計測器を海中に沈めて海中の水温を取得する水温計が知られている(例えば、特許文献１参照)。例えばＸＣＴＤ(eXpendable Conductivity Temperature and Depth)やＸＢＴ（eXpendable Bathy Thermograph）とよばれる投下式の水温計では、水温センサを内蔵したプローブが海中に投下されることにより水温を検出する。

特開平５－１８８０３０号公報

しかしながら、上述した水温計では、局所的にしか測定ができず、例えば海洋観測、漁業資源調査などのように広範囲にわたる水中の温度分布を効率よく短時間で測定することができない。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的は、水深に対する広範囲にわたる水中の温度を、遠隔にて測定することができる水温測定装置、及び水温測定方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、水底に向けて第１の音波を送信し、前記第１の音波が送信された位置とは異なる水深に位置している反射体により反射された前記第１の音波の反射波を受信するドップラ送受波器と、前記ドップラ送受波器と異なる位置に配置され、前記反射体に向けて第２の音波を送信するコリレーション送波器と、前記反射体により反射された前記第２の音波の反射波を受信し、前記コリレーション送波器と異なる位置に互いに空間的に離間して配置された複数のコリレーション受波器群と、前記ドップラ送受波器により送信された前記第１の音波の送信信号、及び前記ドップラ送受波器により受信された前記第１の音波の受信信号に基づいて、ドップラ周波数を算出するドップラ算出部と、前記コリレーション送波器により送信された前記第２の音波の送信信号、及び前記複数のコリレーション受波器群のそれぞれにより受信された前記第２の音波の各受信信号に基づいて、前記反射体の鉛直方向における速度を算出するコリレーション算出部と、前記ドップラ算出部により算出されたドップラ周波数、前記コリレーション算出部により算出された前記反射体の速度、及び水面の音速に基づいて、前記反射体が位置する場所の音速を算出し、算出した音速に基づいて前記反射体が位置する場所の水温を算出する水温算出部とを備える水温測定装置である。

また、本発明の一態様は、ドップラ送受波器が水底に向けて第１の音波を送信し、前記第１の音波が送信された位置とは異なる水深に位置している反射体により反射された前記第１の音波の反射波を受信する工程と、コリレーション送波器が前記ドップラ送受波器と異なる位置に配置され、前記反射体に向けて第２の音波を送信する工程と、前記コリレーション送波器と異なる位置に互いに空間的に離間して配置された複数のコリレーション受波器群が前記第２の音波の前記反射体により反射された反射波を受信する工程と、ドップラ算出部が前記ドップラ送受波器により送信された前記第１の音波の送信信号、及び前記ドップラ送受波器により受信された前記第１の音波の受信信号に基づいて、ドップラ周波数を算出する工程と、コリレーション算出部が前記コリレーション送波器により送信された前記第２の音波の送信信号、及び前記複数のコリレーション受波器群のそれぞれにより受信された前記第２の音波の各受信信号に基づいて、前記反射体の鉛直方向における速度を算出する工程と、水温算出部が前記ドップラ算出部により算出されたドップラ周波数、前記コリレーション算出部により算出された前記反射体の速度、及び水面の音速に基づいて、前記反射体が位置する場所の音速を算出し、算出した音速に基づいて前記反射体が位置する場所の水温を算出する工程とを有する水温測定方法である。

本発明によれば、水深に対する広範囲にわたる水中の温度を遠隔にて効率よく測定することができる。

第１の実施形態の水温測定装置１が適用される例を示す図である。第１の実施形態の水温測定装置１の構成例を示すブロック図である。第１の実施形態のセンサ部１０に配置されるコリレーション送波器１２および受波器群の配置の例を示す第１の図である。第１の実施形態のセンサ部１０に配置されるコリレーション送波器１２および受波器群の配置の例を示す第２の図である。第１の実施形態のコリレーション算出部４３が行う処理を説明する図である。第１の実施形態の水温測定装置１の動作の例を示すフローチャートである。第２の実施形態におけるセンサ部１０Ａに配置される送受波器および受波器群の配置の例を示す図である。第１の実施形態の変形例のセンサ部１０Ａに配置される送受波器および受波器群の配置の例を示す図である。

以下、実施形態の水温測定装置、及び水温測定方法を、図面を参照して説明する。

＜第１の実施形態＞
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態の水温測定装置１が適用される例を示す図である。
図１に示すように、水温測定装置１は、例えば、船舶２の船底に設けられる。水温測定装置１は、例えば、海洋５において船舶２の船底から海洋５の海底６の方向に二種類の超音波Ｑ１、Ｑ２を送信する。また、水温測定装置１は、送信した超音波Ｑ１、Ｑ２が海洋５にある湧昇流３（鉛直方向の海流）の中に存在する浮遊物により反射された（以下、湧昇流３にある浮遊物により反射された、などと記載する）反射波（エコーともいう）を受信する。また、水温測定装置１は、海洋５の海面４の水温を検出する。また、水温測定装置１は、船舶２のＺ軸方向（鉛直方向）の速度ｖ_ｓ（例えば、上下に揺れる速度）を検出する。そして、水温測定装置１は、受信した反射波、検出した海面４の水温および速度ｖ_ｓに基づいて、湧昇流３の反射点の水温を算出する。

ここで、湧昇流３は、海洋５に存在するＺ軸方向に速度ｖ_ｔ（以下、速度ｖ_ｔを、潮流速度、流速、湧昇流の速度、ともいう）で移動する海水の流れ（潮流）である。また、ここでの浮遊物とは、例えば、プランクトンやマリンスノーなど水中を漂う微小浮遊物である。これらの浮遊物は湧昇流３の移動に伴いＺ軸方向に速度ｖ_ｔで移動する。つまり、湧昇流３の速度と湧昇流３にある浮遊物の速度とは同じ速度で移動しているということができる。以下の説明においては、湧昇流３にある浮遊物に反射した超音波の反射等の状況に応じて導出される湧昇流３にある浮遊物の速度のことを、単に湧昇流３の速度という。

また、超音波Ｑ１は、送信波と反射波との周波数の差分（ドップラ周波数）を算出するために用いられる。超音波Ｑ２は、コリレーション方式（相関方式）により湧昇流３がＺ軸方向に移動する速度（潮流速度）ｖ_ｔを算出するために用いられる。
本実施形態においては、水温測定装置１は、超音波Ｑ１、Ｑ２を、Ｚ軸方向に送信する。

ここで、海底６は「水底」の一例である。また、湧昇流３にある浮遊物は「反射体」の一例である。

超音波Ｑ１と超音波Ｑ２とは、その用途に応じて互いに異なる特性（例えば、ビーム径や周波数、強度等）を持つものであってもよいし、同じ特性を持つものであってもよい。例えば、超音波Ｑ１は、ドップラ周波数を算出するために用いられることからビーム径を比較的細く設定されたペンシルビームであってよい。また、例えば超音波Ｑ２は、コリレーション方式の用途に用いられることから超音波Ｑ１よりも太いビーム径に設定された超音波であってよい。

なお、本実施形態においては、水中における超音波Ｑ１、Ｑ２の伝達速度（以下、音速という）は一定ではなく、伝達媒体である水の深さ（水深）、温度（水温）及び塩分濃度に依存して変化する。海域や季節にもよるが、例えば、海面４における音速は１５００［ｍ／ｓ］程度であるが、水深１０００［ｍ］における音速は１４５０［ｍ／ｓ］程度である。

ここで、水温測定装置１の構成について図２を参照して説明する。
図２は、第１の実施形態の水温測定装置１の構成例を示すブロック図である。
図２に示すように、水温測定装置１は、センサ部１０と、水面温度検出部２０と、移動速度検出部３０と、制御部４０とを備える。そして、センサ部１０は、ドップラ送受波器１１と、コリレーション送波器１２と、コリレーション第１受波器群１３と、コリレーション第２受波器群１４と、コリレーション第３受波器群１５とを備える。

なお、コリレーション第１受波器群１３と、コリレーション第２受波器群１４と、コリレーション第３受波器群１５とのそれぞれは、水温測定装置１において設置される位置がそれぞれ異なるが、同じ機能を有するコリレーション受波器の集合から成る機能部である。以下の説明において、コリレーション第１受波器群１３と、コリレーション第２受波器群１４と、コリレーション第３受波器群１５とを互いに区別しない場合には、コリレーション受波器群１３（１４、１５）と記載する。

ドップラ送受波器１１は、制御部４０からの制御に基づいて、ドップラ送受波器１１の圧電素子（不図示）に対して所定の電気信号を出力し、圧電素子に電気信号の振幅に応じた振動を行わせることにより超音波Ｑ１を送信する。ドップラ送受波器１１に用いられる圧電素子は、例えば、円板形状の圧電セラミック振動子である。
また、ドップラ送受波器１１は、超音波Ｑ１の反射波が伝達されることにより生じる、海水などの超音波伝達媒体の膨張または圧縮に基づく振動を圧電素子が受けることで超音波Ｑ１の反射波を受信する。ドップラ送受波器１１は、受信した超音波Ｑ１の反射波に対応する信号を制御部４０に出力する。

コリレーション送波器１２は、制御部４０からの制御に基づいて、コリレーション送波器１２の圧電素子（不図示）を振動させることにより超音波Ｑ２を送信する。コリレーション送波器１２に用いられる圧電素子は、例えば、円板形状の圧電セラミック振動子である。

コリレーション受波器群１３（１４、１５）は、超音波Ｑ２の反射波が伝達されることにより生じる振動をコリレーション第１受波器群１３の圧電素子（不図示）が受けることで超音波Ｑ２の反射波を受信する。コリレーション受波器群１３（１４、１５）に用いられる圧電素子は、例えば、円板形状の圧電セラミック振動子である。

水面温度検出部２０は、ドップラ送受波器１１が設けられた箇所の周囲（例えば、水面）における水温（以下、水面の温度と称する）を検出する。水面温度検出部２０は、例えば、サーミスタである。水面温度検出部２０は、検出した温度を示す信号を制御部４０に出力する。

移動速度検出部３０は、船舶２がＺ軸方向に移動する速度ｖ_ｓを検出する。「船舶２がＺ軸方向に移動する」とは、例えば、船舶２が波などにより上下鉛直方向（Ｚ軸方向）に揺れ動くことである。移動速度検出部３０は、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）あるいは加速度センサを用いて速度ｖ_ｓを検出する。移動速度検出部３０により検出された速度ｖ_ｓは、船舶２に設けられたドップラ送受波器１１、コリレーション送波器１２、およびコリレーション受波器群１３（１４、１５）がＺ軸方向に移動する速度である。換言すると、移動速度検出部３０により検出された速度ｖ_ｓは、ドップラ送受波器１１により送信される超音波Ｑ１、およびコリレーション送波器１２により送信される超音波Ｑ２それぞれにおける音源がＺ軸方向に移動する速度である。移動速度検出部３０は、検出した船舶２の速度ｖ_ｓを示す信号を制御部４０に出力する。

制御部４０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などを含むプロセッサであり、水温測定装置１を統括的に制御する。制御部４０は、センサ制御部４１と、ドップラ算出部４２と、コリレーション算出部４３と、水温算出部４４と、水温出力部４５とを備える。

センサ制御部４１は、センサ部１０を制御する。センサ制御部４１は、ドップラ送受波器１１を制御し、ドップラ送受波器１１から超音波Ｑ１を送信させたり、送信させた超音波Ｑ１の送信を停止させたりする。また、センサ制御部４１は、ドップラ送受波器１１からの超音波Ｑ１の反射波に対応する信号をドップラ算出部４２に出力する。
また、センサ制御部４１は、コリレーション送波器１２を制御し、コリレーション送波器１２に超音波Ｑ２を送信させたり、送信させた超音波Ｑ２の送信を停止させたりする。
また、センサ制御部４１は、コリレーション受波器群１３（１４、１５）からの超音波Ｑ２の反射波に対応する信号をコリレーション算出部４３に出力する。

ドップラ算出部４２は、ドップラ送受波器１１により送信された超音波Ｑ１の周波数Ｆ１と、ドップラ送受波器１１により受信された超音波Ｑ１の反射波の周波数Ｆ２とに基づいて、ドップラ周波数Δｆ（＝Ｆ２－Ｆ１）を算出する。ドップラ算出部４２は、算出したドップラ周波数Δｆを示す信号を、水温算出部４４に出力する。

コリレーション算出部４３は、コリレーション送波器１２により送信された超音波Ｑ２、および、コリレーション受波器群１３（１４、１５）によりそれぞれ受信された超音波Ｑ２の反射波に基づいて、コリレーション方式により、船舶２と湧昇流３とのＺ軸方向の潮流速度ｖ_ｔを算出する。コリレーション算出部４３は、例えば、コリレーションソナー（correlation sonar）として機能する。コリレーションソナーは、コリレーション方式（相関方式）により水中の潮流の状態（例えば、潮流速度）を取得する装置である。
コリレーション算出部４３は、複数の受波器（コリレーション受波器群１３（１４、１５））にそれぞれ受信された超音波の反射波の相関関係に基づいて、流速（潮流速度）ｖ_ｔを算出する。
コリレーション算出部４３は、算出した湧昇流３の流速ｖ_ｔを示す信号を、水温算出部４４に出力する。

水温算出部４４は、水面温度検出部２０により検出された水面の温度、移動速度検出部３０により検出された船舶２の速度ｖ_ｓ、ドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数Δｆ、およびコリレーション算出部４３により算出された湧昇流３が存在する場所における海水の流速ｖ_ｔに基づいて、水中の湧昇流３が存在する場所における音速ｃ_ｔを算出する。
また、水温算出部４４は、音速ｃ_ｔが水温Ｔに関係することから、算出した音速ｃ_ｔを用いて水温Ｔを算出する。

水温出力部４５は、例えば、液晶ディスプレイを含んで構成され、水温算出部４４により算出された水温Ｔを表示する。また、水温出力部４５は、例えば、プリンタを含んで構成され、水温算出部４４により算出された水温Ｔを印刷するようにしてもよい。

ここで、センサ部１０に配置されるドップラ送受波器１１、コリレーション送波器１２、およびコリレーション受波器群１３（１４、１５）について図３を参照して説明する。
まず、コリレーション受波器群１３（１４、１５）が水温測定装置１において設置される位置について説明する。
図３は、第１の実施形態のセンサ部１０に配置されるコリレーション送波器１２およびコリレーション受波器群１３（１４、１５）の配置の例を示す第１の図である。図３のＸＹＺ座標軸は互いに直交しており、Ｘ軸が水平面上において紙面に向かって左右方向、Ｙ軸が水平面上において紙面に向かって奥行き方向、Ｚ軸が鉛直方向をそれぞれ示す。また、ｘｙｚ座標軸は、ＸＹＸ座標軸を、まずＹ軸の周りに、－３５．２６°、次にＸ軸の周りに＋４５°の角度で回転させたものである。ここで、軸の正方向から見て反時計回りの回転を＋（プラス）、時計回りの回転を－（マイナス）とする。上述のように回転させると、鉛直方向であるＺ軸は、ｘｙｚ座標系から見ると、ｘ、ｙ、ｚ軸のそれぞれから、ちょうど等角度になる。
図３に示すように、ドップラ送受波器１１とコリレーション送波器１２とは、Ｘ軸上に距離ｄ離れた位置に設けられる。また、コリレーション第１受波器群１３は、ｘ軸上に設けられる２つのコリレーション第１受波器１３０－１、１３０－２により構成される。同様に、コリレーション第２受波器群１４は、ｙ軸上に設けられる２つのコリレーション第２受波器１４０－１、１４０－２により、コリレーション第３受波器群１５は、ｚ軸上に設けられる２つのコリレーション第３受波器１５０－１、１５０－２により構成される。
図３の例では、コリレーション送波器１２は座標原点に、コリレーション第１受波器１３０－１、１３０－２はｘ軸上で互いに距離ｓ１離れた位置にそれぞれ配置される。コリレーション第２受波器１４０－１、１４０－２はｙ軸上で互いに距離ｓ１離れた位置に、コリレーション第３受波器１５０－１、１５０－２はｚ軸上で互いに距離ｓ１離れた位置にそれぞれ配置される。

ここで、水温測定装置１が水温Ｔを算出する方法について説明する。
まず、コリレーション算出部４３が湧昇流３の流速ｖ_ｔを算出する方法について説明する。コリレーション算出部４３は、湧昇流３の流速ｖ_ｔを算出する。以下、コリレーション算出部４３が湧昇流３の流速ｖ_ｔを算出する過程を順に説明する。

ｘｙｚ座標系から見た反射点（湧昇流３に含まれる浮遊物の位置）における任意の方向の潮流速度ベクトルをｖとすると、潮流速度ベクトルｖは式（１）で示される。ここで、ｖ_ｘはｘ軸方向の速度成分、ｖ_ｙはｙ軸方向の速度成分、ｖ_ｚはｚ軸方向の速度成分、をそれぞれ示す。

一方、コリレーション送波器１２により送信された送信波のビーム方向（ＸＹＺ座標軸のＺ軸方向）の単位ベクトルｅ_ｂは、式（２）で与えられる。

図４は、第１の実施形態のセンサ部１０に配置されるコリレーション送波器１２およびｘ軸上に設けられるコリレーション第１受波器群１３の配置の例を示す図である。図４の例では、コリレーション第１受波器群１３として４個のコリレーション第１受波器１３０－１～１３０－４をｘ軸に沿って設ける。この例では、コリレーション第１受波器１３０－１とコリレーション第１受波器１３０－２との間は距離ｓ１、コリレーション第１受波器１３０－２とコリレーション第１受波器１３０－３との間は距離ｓ２、コリレーション第１受波器１３０－３とコリレーション第１受波器１３０－４との間は距離ｓ３である場合を示している。
なお、この図では省略しているが、ｙ軸及びｚ軸方向にも、ｘ軸方向と同様に、４個のコリレーション受波器群を設ける。つまり、ｙ軸に沿ってコリレーション第２受波器１４０－１～１４０－４を設ける。また、ｚ軸に沿ってコリレーション第３受波器１５０－１～１５０－４を設ける。
また、コリレーション送波器１２は、図４に示すように、所定の時間間隔Ｔ_ｂで超音波パルスＰ１、Ｐ２を送信する。

この場合、潮流速度ベクトルｖのｘ軸方向の成分ｖ_ｘは、式（３）で示される。また、潮流速度ベクトルｖのｙ軸方向の成分ｖ_ｙは、式（４）で示される。この場合、潮流速度ベクトルｖのｚ軸方向の成分ｖ_ｚは、式（５）で示される。

ここで、Ｔ_ｂは送波器によりパルス波が送信される間隔である。また、式（３）のｓ_mｘは、基準とする位置から、その基準とする位置で受信される受信波形との相関値が最大（ピーク）となると推定されるｘ軸上の位置までの距離である。式（４）のｓ_mｙは、基準とする位置から、その基準とする位置で受信される受信波形との相関値が最大（ピーク）となると推定されるｙ軸上の位置までの距離である。式（５）のｓ_mｚは、基準とする位置から、その基準とする位置で受信される受信波形との相関値が最大（ピーク）となると推定されるｚ軸上の位置までの距離である。以下では、距離ｓ_mｘは、の算出方法を説明する。距離ｓ_mｙ及び距離ｓ_mｚについても同様な方法で算出することが可能である。ここでは、コリレーション算出部４３により距離ｓ_mｘが算出される場合を例に説明するが、距離ｓ_mｘの算出は他の機能部により行われてもよい。

まず、コリレーション算出部４３は、ｘ軸上のコリレーション第１受波器１３０－１により受信された一番目のパルス波Ｐ１の反射波の波形と、他のｘ軸上のコリレーション第１受波器１３０－２、１３０－３、１３０－４により受信された二番目のパルス波Ｐ２の反射波の波形との相関を算出する。ここで、コリレーション算出部４３は、同一の受波器により受信された一番目のパルス波Ｐ１の反射波と、二番目のパルス波Ｐ２の反射波とを相関値の算出対象としない。つまり、コリレーション算出部４３は、同一の受波器（例えば、コリレーション第１受波器１３０－１）が受信した一番目のパルス波Ｐ１の反射波と二番目のパルス波Ｐ２の反射波との相関値を算出せず、互いに異なる受波器（例えば、コリレーション第１受波器１３０－１とコリレーション第１受波器１３０－２）の各々が受信した一番目のパルス波Ｐ１の反射波と二番目のパルス波Ｐ２の反射波との相関値を算出する。
次に、コリレーション算出部４３が行う処理について図５を参照して説明する。図５は、第１の実施形態のコリレーション算出部４３が行う処理を説明する図である。
コリレーション算出部４３は、図５に示すように、算出した相関値と、その相関値を算出する対象とした二つ受波器間の距離との関係を示す分布曲線を求める。具体的には、コリレーション算出部４３は、例えば、横軸に受波器間の距離、縦軸に算出した相関値がプロットされ、プロットされた点群の近似曲線を分布曲線とする。
そして、コリレーション算出部４３は、分布曲線に基づいて、相関値が最も高くなる距離を推定する。コリレーション算出部４３は、推定した距離を距離ｓ_mｘとする。

式（１）～式（５）を用いて、式（６）ように鉛直方向の流速度ｖ_ｔを求めることができる。

式（６）に示すように、コリレーション算出部４３により算出される鉛直方向の流速度ｖ_ｔは、伝達媒体（例えば、水）における音速が含まれず、その影響を受けない。

次に、水温算出部４４が水温Ｔを算出する方法について説明する。
水温算出部４４は、以下の式（７）を用いて反射体（湧昇流３）の位置における音速ｃ_ｔを算出する。ここで、Δｆはドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数、ｖ_ｓは移動速度検出部３０により算出された船舶２の速度、ｃ_ｓは水面における音速、ｖ_ｔは鉛直方向の流速度、Ｆ１はドップラ送受波器１１により送信された超音波Ｑ１の周波数、をそれぞれ示す。

ここで、水温算出部４４は、水面温度検出部２０により検出された水面の温度に基づいて水面の音速ｃ_ｓを決定する。水温算出部４４は、例えば、実測した水面の温度と、その温度である場合の水面の音速を対応付けたテーブルを図示しない記憶部に記憶させ、記憶部を参照することにより、水面温度検出部２０により検出された水面の温度に対応する水面の音速ｃ_ｓを決定する。あるいは、後述の式（１０）を用いて、水温Ｔを測定された水面の温度、水深ｈをセンサ部１０の設置水深、塩分濃度Ｓを海洋の平均的な濃度３５（０／００）、または塩分濃度測定センサを使って測定した値とし、計算することによって決定しても良い。
水温算出部４４は、式（７）にドップラ周波数Δｆ、船舶２の速度ｖ_ｓ、湧昇流３の（相対的な）速度ｖ_ｔ、および水面の音速ｃ_ｓを代入し、式（７）を音速ｃ_ｔについて解くことにより、反射体（湧昇流３）の位置における音速ｃ_ｔを算出する。
具体的には、音速ｃ_ｔは、以下の式（８）で示される。ここで、Ｆ１はドップラ送受波器１１により送信された超音波Ｑ１の周波数、ｖ_ｓは移動速度検出部３０により算出された船舶２の速度、Δｆはドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数、ｃ_ｓは水面における音速、ｖ_ｔは鉛直方向の流速度、をそれぞれ示す。ただし、ｖ_ｔがゼロのとき（鉛直方向の流速度が存在しないとき）は、音速ｃ_ｔの測定ができないので除く。

また、船舶２のＺ軸方向（鉛直方向）の速度ｖ_ｓが０（ゼロ）のときは、反射体（湧昇流３）の位置における音速ｃｔは以下の式（９）で与えられる。ここで、Δｆはドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数、Ｆ１はドップラ送受波器１１により送信された超音波Ｑ１の周波数、ｖ_ｔは鉛直方向の流速度、をそれぞれ示す。ただし、ｖ_ｔがゼロのとき（鉛直方向の流速度が存在しないとき）は、音速ｃ_ｔの測定ができないので除く。

また、水温算出部４４は、以下の式（１０）を用いて水温Ｔを算出する。ここで、ｃは音速、Ｔは水温、ｈは水深、Ｓは塩分濃度、をそれぞれ示す。

ここで、水温算出部４４は、例えば、ドップラ送受波器１１により超音波Ｑ１が送信されてから湧昇流３にある浮遊物により反射された反射波がドップラ送受波器１１に受信されるまでの間の時間Ｔｚ、および水面の音速ｃ_ｓに基づいて、水深ｈを決定する。水温算出部４４は、例えば、時間Ｔｚと音速ｃ_ｓとの積を１／２にした値を水深ｈとする。また、水温算出部４４は、例えば、海洋の平均的な塩分濃度に基づいて塩分濃度Ｓを決定する。水温算出部４４は、例えば、塩分濃度Ｓを３５（０／００）、または塩分濃度測定センサを使って測定した値とする。塩分濃度Ｓを３５とする場合、式（１０）における第５項と第８項が０（ゼロ）となる。
水温算出部４４は、式（１０）の音速、水深、塩分濃度の各々に反射体（湧昇流３）の位置における音速ｃ_ｔ、水深ｈ、および塩分濃度Ｓをそれぞれ代入し、式（１０）に示す水温Ｔに関する３次式を水温Ｔについて解くことにより、水温Ｔを算出する。

ここで、水温測定装置１の動作について図６を用いて説明する。図６は、第１の実施形態の水温測定装置１の動作の例を示すフローチャートである。
まず、水温測定装置１は、ドップラ送受波器１１により超音波Ｑ１を送信させる。また、水温測定装置１は、コリレーション送波器１２により超音波Ｑ２を送信させる（ステップＳ１０１）。ドップラ送受波器１１は、海面４から海底６に向かって鉛直方向に超音波Ｑ１を送信する。また、コリレーション送波器１２は、海面４から海底６に向かって鉛直方向に超音波Ｑ２を送信する。

次に、水温測定装置１は、ドップラ送受波器１１により湧昇流３にある浮遊物により反射された超音波Ｑ１の反射波を受信させる（ステップＳ１０２）。
次に、水温測定装置１は、コリレーション算出部４３により湧昇流３の速度ｖ_ｔを算出させる（ステップＳ１０３）。コリレーション算出部４３は、コリレーション送波器１２により送信された超音波Ｑ２を示す信号、およびコリレーション受波器群１３（１４、１５）のそれぞれにより受信された超音波Ｑ２の反射波を示す信号のそれぞれの相関度合に基づいて、速度ｖ_ｔを算出する。

次に、水温測定装置１は、ドップラ算出部４２によりドップラ周波数Δｆを算出させる（ステップＳ１０４）。ドップラ算出部４２は、ドップラ送受波器１１により送信された超音波Ｑ１を示す信号（送信信号）、およびドップラ送受波器１１により受信された超音波Ｑ１の反射波を示す信号（受信信号）に基づいて、ドップラ周波数Δｆを算出する。
次に、水温測定装置１は、水温算出部４４により湧昇流３が位置する場所の音速ｃ_ｔを算出させる（ステップＳ１０５）。水温算出部４４は、ドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数Δｆ、コリレーション算出部４３により算出された湧昇流３の速度ｖ_ｔ、および水温算出部４４により算出された水面の音速ｃ_ｓに基づいて、湧昇流３が位置する場所の音速ｃ_ｔを算出する。

そして、水温測定装置１は、水温算出部４４により湧昇流３が位置する場所の水温Ｔを算出させる（ステップＳ１０６）。水温算出部４４は、水温算出部４４により算出された音速ｃ_ｔ、水温算出部４４により決定された水深ｈ、および水温算出部４４により決定された塩分濃度Ｓに基づいて、湧昇流３が位置する場所の水温Ｔを算出する。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、水温測定装置１は、海底に向けて超音波Ｑ１を送信し、超音波Ｑ１が送信された位置とは異なる水深に位置している湧昇流３にある浮遊物により反射された超音波Ｑ１の反射波を受信するドップラ送受波器１１と、海底に向けて超音波Ｑ２を送信するコリレーション送波器１２と、湧昇流３にある浮遊物により反射された超音波Ｑ２の反射波を受信し、コリレーション送波器１２と異なる位置に配置された複数のコリレーション受波器群１３（１４、１５）と、ドップラ送受波器１１により送信された送信信号、およびドップラ送受波器１１により受信された受信信号に基づいて、ドップラ周波数を算出するドップラ算出部４２と、コリレーション送波器１２により送信された送信信号、および複数のコリレーション受波器群１３（１４、１５）のそれぞれにより受信された各受信信号に基づいて、水温測定装置１に対する湧昇流３の鉛直方向における流速ｖ_ｔを算出するコリレーション算出部４３と、ドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数Δｆ、コリレーション算出部４３により算出された湧昇流３の流速ｖ_ｔ、および水面の音速ｃ_ｓに基づいて、湧昇流３が位置する場所の音速ｃ_ｔを算出し、算出した音速ｃ_ｔに基づいて湧昇流３が位置する場所の水温Ｔを算出する水温算出部４４とを備える。

これにより、第１の実施形態の水温測定装置１は、水深に対する広範囲に渡る水中の温度を遠隔にて測定することができる。水温測定装置１では、水温算出部４４が、ドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数Δｆと、コリレーション算出部４３により算出された湧昇流３の流速ｖ_ｔ、および水面の温度から決定される水面の音速ｃ_ｓを式（８）又は式（９）に代入することにより、湧昇流３が位置する場所の音速ｃ_ｔを算出することができ、算出した音速ｃ_ｔ、および超音波が送信されてから受信されるまでの時間から決定される水深ｈ、予め定めた塩分濃度Ｓを式（１０）に代入することにより湧昇流３が位置する場所の水温Ｔを算出することができ、船舶２が航行して移動する度に船舶２が位置する場所における鉛直方向（Ｚ軸方向）にある湧昇流３の水温Ｔを算出することにより、水温を広範囲に渡って算出することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図７は、第２の実施形態におけるセンサ部１０Ａに配置される送受波器および受波器群の配置の例を示す図である。

第２の実施形態においては、センサ部１０Ａは、ドップラ送受波器１１Ａと、コリレーション送波器１２Ａと、コリレーション第１受波器群１３Ａとを備える。図７のＸＹＺ座標軸は図３と同様に互いに直交しており、Ｘ軸がＺ軸に水平な面上において紙面に向かって左右方向、Ｙ軸がＺ軸に水平な面上において紙面に向かって上下方向、Ｚ軸が鉛直方向をそれぞれ示す。

図７に示すように、本実施形態では、ドップラ送受波器１１Ａは、図３と同様に海洋５において船舶２の船底から海底６の方向に超音波Ｑ１を送信する。また、ドップラ送受波器１１Ａは、海洋５における鉛直方向に速度ｖ_ｔで移動する海流３Ａにある浮遊物により反射された超音波Ｑ１の反射波を受信する。一方、コリレーション送波器１２Ａは、ドップラ送受波器１１Ａから水平方向に（図７の例ではＸ軸上に）距離ｄ離れた位置に設けられる。

また、図７に示すようにコリレーション送波器１２Ａは、海洋５に対して水平面（図７の例では、ＸＹ平面）に対して俯角θで超音波Ｑ２を送信し、ドップラ送受波器１１Ａから送信された超音波Ｑ１と交叉するようにする。また、コリレーション第１受波器群１３Ａ（コリレーション第１受波器１３０Ａ－１、１３０Ａ－２、１３０Ａ－３、１３０Ａ－４）は、図７に示すように、コリレーション送波器１２Ａの位置から離間して鉛直方向（Ｚ軸方向）に設けられ、それらのビーム方向はコリレーション送波器１２Ａと同様に水平面に対して俯角θの方向に指向させ、ドップラ送受波器１１Ａから送信された超音波Ｑ１と交差する位置の海流３Ａにある浮遊物により反射された超音波Ｑ２の反射波を受信する。

コリレーション第１受波器１３０Ａ－１、１３０Ａ－２は、鉛直方向に互いに距離ｓ１離れた位置に配置される。コリレーション第１受波器１３０Ａ－２、１３０Ａ－３は、鉛直方向に互いに距離ｓ２離れた位置に配置される。コリレーション第１受波器１３０Ａ－３、１３０Ａ－４は、鉛直方向に互いに距離ｓ３離れた位置に配置される。また、コリレーション送波器１２Ａとコリレーション第１受波器群１３Ａのビーム方向である俯角θを、機械的または電子的（フェイズドアレイ方式）に変化させ、海流３Ａにある浮遊物の位置（Ｑ１とＱ２の交差点）を変化させる。

第２の実施形態では、コリレーション算出部４３は、コリレーション送波器１２Ａにより送信された超音波Ｑ２、および、コリレーション第１受波器群１３Ａにより受信された超音波Ｑ２の反射波に基づいて、コリレーション方式により、海流３ＡのＺ軸方向の流速ｖ_ｔを算出する。その他は図３の第１の実施形態と同様で、移動速度検出部３０は、船舶２がＺ軸方向に移動する速度ｖ_ｓを検出する。また、水温算出部４４は、水面温度検出部２０により検出された水面の温度、移動速度検出部３０により検出された船舶２の速度ｖ_ｓ、ドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数Δｆ、およびコリレーション算出部４３により算出された海流３ＡのＺ軸方向の流速ｖｔに基づいて、海流３Ａが存在する場所における音速ｃｔを算出する。また、水温算出部４４は、式（１０）の音速ｃｔ、塩分濃度Ｓ、および水深に相当する船舶２から海流３Ａにある浮遊物までの水平距離ｈをそれぞれ代入し、式（１０）を水温Ｔについて解くことにより、水温Ｔを算出する。

以上説明したように、第２の実施形態においては、水温測定装置１は、水中の鉛直方向に向けて超音波Ｑ１を送信し、超音波Ｑ１が送信された位置とは異なる水中の鉛直方向に位置している海流３Ａにある浮遊物により反射された超音波Ｑ１の反射波を受信するドップラ送受波器１１Ａと、水中の水平面に対して俯角θに向けて超音波Ｑ２を送信するコリレーション送波器１２Ａと、コリレーション送波器１２Ａと異なる位置に、互いに鉛直方向に離間して配置されたコリレーション第１受波器群１３Ａと、ドップラ送受波器１１Ａにより送信された送信信号、及びドップラ送受波器１１Ａにより受信された受信信号に基づいて、ドップラ周波数を算出するドップラ算出部４２と、コリレーション送波器１２Ａにより送信された送信信号、及びコリレーション受波器群１３Ａとのそれぞれにより受信された各受信信号に基づいて、海流３Ａにある浮遊物の鉛直方向における流速を算出するコリレーション算出部４３と、ドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数、コリレーション算出部４３により算出された海流３Ａにある浮遊物の流速、及び水面の音速に基づいて、海流３Ａにある浮遊物が位置する場所の音速を算出し、算出した音速に基づいて海流３Ａにある浮遊物が位置する場所の水温を算出する水温算出部４４とを備える。

これにより、本第２の実施形態の水温測定装置１は、鉛直距離ｈに対する広範囲に渡る水中の温度を遠隔にて測定することができる。水温測定装置１では、水温算出部４４が、ドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数Δｆと、コリレーション算出部４３により算出された流速ｖ_ｔ、および水面の温度から決定される水面の音速ｃｓを式（８）に代入することにより、海流３Ａが位置する場所の音速ｃ_ｔを算出することができ、算出した音速ｃ_ｔ、予め定めた塩分濃度Ｓ、および水深ｈとして船舶２から海流３Ａにある浮遊物までの鉛直距離ｈ、を式（１０）に代入することにより海流３Ａにある浮遊物が位置する場所の水温Ｔを算出することができ、船舶２が航行して移動する度に船舶２が位置する場所におけるＺ軸方向にある海流３Ａの水温Ｔを算出することにより、水温を広範囲に渡って算出することができる。

＜実施形態の変形例＞
次に、実施形態の変形例について図８を参照して説明する。
図８は、実施形態の変形例におけるセンサ部１０Ｂに配置される送受波器および受波器群の配置の例を示す図である。
実施形態の変形例においては、水温測定装置１が水深（鉛直方向）に対して水平方向の水温分布を計測することを可能とする点において、上述した実施形態のうち少なくとも一つの実施形態と相違する。

実施形態の変形例においては、センサ部１０Ｂは、例えば、ドップラ送受波器１１Ｂと、コリレーション送波器１２Ｂと、コリレーション第１受波器群１３Ｂと、コリレーション第２受波器群１４Ｂと、コリレーション第３受波器群１５Ｂとを備える。図８のＸＹＺ座標軸は互いに直交しており、Ｘ軸がＺ軸に水平な面上において紙面に向かって左右方向、Ｙ軸がＺ軸に水平な面上において紙面に向かって上下方向、Ｚ軸が鉛直方向をそれぞれ示す。ｘｙｚ座標軸は、図３と同様に、ＸＹＸ座標軸を、初めにＹの周りに－３５．２６°、次にＸ軸の周りに４５°角度変換したものである。
ドップラ送受波器１１Ｂ、コリレーション送波器１２Ｂ、コリレーション第１受波器群１３Ｂ、コリレーション第２受波器群１４Ｂ、及びコリレーション第３受波器群１５Ｂは、図３の例と同様な位置に設けられる。

図８に示すように、本変形例では、ドップラ送受波器１１Ｂは、海洋５に対して水平方向（図８の例では、ＸＺ平面におけるＺ軸方向）に超音波Ｑ１を送信する。また、ドップラ送受波器１１Ｂは、海洋５における水平方向に速度ｖ_ｔで移動する波などの海流３Ｂにある浮遊物により反射された超音波Ｑ１の反射波を受信する。また、コリレーション送波器１２Ｂは、ドップラ送受波器１１Ｂと同様に、海洋５に対して水平方向（図８の例では、ＸＺ平面におけるＺ軸方向）に超音波Ｑ２を送信する。コリレーション送波器１２Ｂは、海流３Ｂにある浮遊物により反射された超音波Ｑ２の反射波を受信する。

移動速度検出部３０は、船舶２がＺ軸方向に移動する速度ｖ_ｓを検出する。また、コリレーション算出部４３は、コリレーション送波器１２Ｂにより送信された超音波Ｑ２、および、コリレーション第１受波器群１３Ｂと、コリレーション第２受波器群１４Ｂと、コリレーション第３受波器群１５Ｂとによりそれぞれ受信された超音波Ｑ２の反射波に基づいて、コリレーション方式により、海流３ＡのＺ軸方向の流速ｖ_ｔを算出する。また、水温算出部４４は、水面温度検出部２０により検出された水面の温度、移動速度検出部３０により検出された船舶２の速度ｖ_ｓ、ドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数Δｆ、およびコリレーション算出部４３により算出された海流３ＢのＺ軸方向の流速ｖ_ｔに基づいて、海流３Ａが存在する場所における音速ｃ_ｔを算出する。ここで、海流は、海洋において主に水平方向に移動する海水の流れである。
また、水温算出部４４は、式（１０）の音速ｃ_ｔ、塩分濃度Ｓ、および水深に相当する船舶２から海流３Ｂにある浮遊物までの水平距離ｈ＃をそれぞれ代入し、式（１０）を水温Ｔについて解くことにより、水温Ｔを算出する。

以上説明したように、実施形態の変形例においては、水温測定装置１は、水中の水平方向に向けて超音波Ｑ１を送信し、超音波Ｑ１が送信された位置とは異なる水中の水平方向に位置している海流３Ｂにある浮遊物により反射された超音波Ｑ１の反射波を受信するドップラ送受波器１１Ｂと、水中の水平方向に向けて超音波Ｑ２を送信し、海流３Ａにある浮遊物により反射された超音波Ｑ２の反射波を受信するコリレーション送波器１２Ｂと、海流３Ｂにある浮遊物により反射された超音波Ｑ２の反射波を受信し、コリレーション送波器１２Ｂと異なる位置に、互いに距離的に離間して配置されたコリレーション第１受波器群１３Ｂ、コリレーション第２受波器群１４Ｂ及びコリレーション第３受波器群１５Ｂと、ドップラ送受波器１１Ｂにより送信された送信信号、及びドップラ送受波器１１Ｂにより受信された受信信号に基づいて、ドップラ周波数を算出するドップラ算出部４２と、コリレーション送波器１２Ｂにより送信された送信信号、及びコリレーション送波器１２Ｂとコリレーション受波器群１３Ｂ、コリレーション第２受波器群１４Ｂ及びコリレーション第３受波器群１５Ｂとのそれぞれにより受信された各受信信号に基づいて、海流３Ｂにある浮遊物の水平方向における流速を算出するコリレーション算出部４３と、ドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数、コリレーション算出部４３により算出された海流３Ｂにある浮遊物の流速、及び水面の音速に基づいて、海流３Ｂにある浮遊物が位置する場所の音速を算出し、算出した音速に基づいて海流３Ｂにある浮遊物が位置する場所の水温を算出する水温算出部とを備える。

これにより、実施形態の変形例の水温測定装置１は、水平距離ｈ＃に対する広範囲に渡る水中の温度を遠隔にて測定することができる。水温測定装置１では、水温算出部４４が、ドップラ算出部４２により算出されたドップラ周波数Δｆと、コリレーション算出部４３により算出された流速ｖ_ｔ、および水面の温度から決定される水面の音速ｃ_ｓを式（８）に代入することにより、海流３Ｂが位置する場所の音速ｃ_ｔを算出することができ、算出した音速ｃ_ｔ、予め定めた塩分濃度Ｓ、および水深ｈとしてセンサ部１０Ｂの設置水深、を式（１０）に代入することにより海流３Ｂにある浮遊物が位置する場所の水温Ｔを算出することができ、船舶２が航行して移動する度に船舶２が位置する場所におけるＺ軸方向にある海流３Ｂの水温Ｔを算出することにより、水温を広範囲に渡って算出することができる。
実施形態の変形例の水温測定装置１を用いることにより、例えば、原子力発電所の排水口周辺における水温を測定することができるため、当該排水口周辺における水温の分布状況を測定することができる。このとき、センサ部１０を海底に固定すれば、式（９）を使って海流３Ｂが位置する場所の音速ｃ_ｔを算出することができる。

なお、本発明における水温測定装置１の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませて実行することにより処理を行なってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、第１の実施形態において、ドップラ送受波器とコリレーション送波器を共用しても良い。人体の内部における血流を、海洋における海流に対応させることにより、体温分布を体外から遠隔にて測定する形態にも適用できる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１水温測定装置
２船舶
３湧昇流
３Ａ、３Ｂ海流
４海面
５海洋
６海底
１０、１０Ａ、１０Ｂセンサ部
１１、１１Ａ、１１Ｂドップラ送受波器
１２、１２Ａ、１２Ｂコリレーション送波器
１３、１３Ａ、１３Ｂコリレーション第１受波器群
１３０、１３０Ａコリレーション第１受波器
１４、１４Ａ、１４Ｂコリレーション第２受波器群
１４０、１４０Ａコリレーション第２受波器
１５、１５Ａ、１５Ｂコリレーション第３受波器群
１５０、１５０Ａコリレーション第３受波器
２０水面温度検出部
３０移動速度検出部
４０制御部
４１センサ制御部
４２ドップラ算出部
４３コリレーション算出部
４４水温算出部
４５水温出力部

Claims

水底に向けて第１の音波を送信し、前記第１の音波が送信された位置とは異なる水深に位置している反射体により反射された前記第１の音波の反射波を受信するドップラ送受波器と、
前記ドップラ送受波器と異なる位置に配置され、前記反射体に向けて第２の音波を送信するコリレーション送波器と、
前記反射体により反射された前記第２の音波の反射波を受信し、前記コリレーション送波器と異なる位置に、互いに空間的に離間して配置された複数のコリレーション受波器群と、
前記ドップラ送受波器により送信された送信信号、及び前記ドップラ送受波器により受信された受信信号に基づいて、ドップラ周波数を算出するドップラ算出部と、
前記コリレーション送波器により送信された送信信号、及び前記複数のコリレーション受波器群のそれぞれにより受信された各受信信号に基づいて、前記反射体の鉛直方向における速度を算出するコリレーション算出部と、
前記ドップラ算出部により算出されたドップラ周波数、前記コリレーション算出部により算出された前記反射体の速度、及び水面の音速に基づいて、前記反射体が位置する場所の音速を算出し、算出した音速に基づいて前記反射体が位置する場所の水温を算出する水温算出部と
を備える水温測定装置。
前記ドップラ送受波器は、鉛直方向に第１の音波を送受信する
請求項１に記載の水温測定装置。
前記コリレーション送波器は、鉛直方向に前記第２の音波を送信し、
前記複数のコリレーション受波器は、空間的に互いに離間した位置に設けられ、前記複数のコリレーション受波器それぞれに入射される前記第２の音波の反射波を受信する
請求項１に記載の水温測定装置。
ドップラ送受波器が水底に向けて第１の音波を送信し、前記第１の音波が送信された位置とは異なる水深に位置している反射体により反射された前記第１の音波の反射波を受信する工程と、
コリレーション送波器が前記ドップラ送受波器と異なる位置に配置され、前記反射体に向けて第２の音波を送信する工程と、
前記コリレーション送波器と異なる位置に、互いに空間的に離間して配置された複数のコリレーション受波器群が前記反射体により反射された反射波を受信する工程と、
ドップラ算出部が前記ドップラ送受波器により送信された送信信号、及び前記ドップラ送受波器により受信された受信信号に基づいて、ドップラ周波数を算出する工程と、
コリレーション算出部が前記コリレーション送波器により送信された送信信号、及び前記複数のコリレーション受波器群とのそれぞれにより受信された各受信信号に基づいて、前記反射体の鉛直方向における速度を算出する工程と、
水温算出部が前記ドップラ算出部により算出されたドップラ周波数、前記コリレーション算出部により算出された前記反射体の速度、及び水面の音速に基づいて、前記反射体が位置する場所の音速を算出し、算出した音速に基づいて前記反射体が位置する場所の水温を算出する工程と
を有する水温測定方法。