JPH0156368B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） この発明は、水中の温度を測定する装置に関
し、特に、水中に超音波を送受波して水中温度を
測定する装置に関する。

（従来技術） 一般に、漁場と水温は密接な関係を有してお
り、従つて、水温を検出することにより好漁場の
発見が可能になる。

水温の検出は、サーミスタのような感温素子を
用いるのが最も一般的である。しかし、このよう
な測定装置は、表層の水温を測定するのは比較的
簡単であるが、水中の特定深度の温度測定には不
適である。

そこで、最近、上記のような感温素子を用いず
に、超音波を用いて水中温度を測定する装置が提
案されている。

現在、提案されているこの種の装置は、異なる
経路の音波を同時に受波して、経路長の差によつ
て生じる受波時間の差を利用し水温を測定しよう
とするものである。例えば、一定距離だけ離れた
地点から水中の斜め方向に超音波パルスを送受波
して、水中で乱反射する反射波を他の地点に設置
した受波器で受波する。このとき、指向方向の若
干異なる複数の受波器を設置して反射波を受波す
ると伝播経路のわずかに異なる反射波が経路差に
相当する時間だけ異なつて受波される。従つて、
理論上の経路差によつて生じる時間差と測定時間
差とを比較することにより、音波伝播速度の変化
を算出することができるから、伝播速度変化率か
温度変化を知ることができる。ところが、このよ
うな測定方法は、理論上の伝播経路と実際の伝播
経路とは一致しない。すなわち、水中の音波は水
温変化に応じて屈折しながら伝播するのに対して
理論上の伝播経路はこのような屈折は無視して算
出するため、実際の伝播経路と理論上の伝播経路
とは全く対応しない。従つて、上記のような時間
差比較を行つても水温測定を行なうことはできな
い。

（発明の目的） この発明は、上記のような欠点に対処して、音
波の実際の伝播経路を検出しながら、音波が伝播
してくる時間測定を行うことにより、正確な水温
測定の行い得る装置を実現する。

（発明の原理） 第１図において、Ｐ点の送受波器Z₁から直下の
海底方向に周波数f₁の超音波パルスを送受波す
る。このとき、超音波パルスは指向特性がペンシ
ル状の鋭いビームが用いられる。

送受波器Z₁から送波された超音波パルスは水中
の気泡のような浮遊物R₁，R₂，R₃，R₄等によつ
て反射される結果、第２図ａに示すような水中反
射波A₁，A₂，A₃，A₄等が受波される。

又、Ｐ点には別の受波器Z₂が設けられ、この受
波器Z₂は周波数f₂の超音波を受波する。そして、
受波器Z₂は送受波器Z₁と同様に、ペンシル状の鋭
い指向特性を有し、指向方向を送受波器Z₁の指向
方向と一致させて、送受波器Z₁の指向方向と同方
向から帰来する周波数f₂の超音波を受波する。

他方、Ｐ点から距離D₀だけ異なるＱ点に超音
波送波器Z₃が設けられ、周波数f₂の超音波パルス
を送波する。そして、送波器Z₃は、送受波器Z₁の
送受波領域を含む比較的広範囲の方向に超音波パ
ルスを送波する。

従つて、受波器Z₂は、送受波Z₃から送波された
超音波パルスのうち水中浮遊物R₁，R₂，R₃，R₄
によつて送波器Z₂の指向方向に反射される反射波
を受波する。従つて、送受波器Z₁と送波器Z₃から
超音波パルスを同時に送波する場合、受波器Z₂に
受波される水中浮遊物R₁，R₂，R₃，R₄からの反
射波は、第２図ｂに受波信号B₁，B₂，B₃，B₄と
して示すように、送受波器Z₁の受波信号A₁，A₂，
A₃，A₄に対して△T₁、△T₂、△T₃、△T₄時間
だけ遅れて受波される。この遅れ時間△T₁、△
T₂、△T₃、△T₄は上記から明らかなように、Ｑ
点から水中浮遊物R₁，R₂，R₃，R₄までの超音波
の伝搬によつて生じるものである。

Ｑ点から水中浮遊物R₁，R₂，R₃，R₄までの距
離は、PQ間の距離D₀とＰ点から水中浮遊物R₁，
R₂，R₃，R₄までの距離によつて算出することが
できる。なお、Ｐ点から水中浮遊物までの距離
は、送受波器Z₁から超音波パルスを送波して浮遊
物R₁，R₂，R₃，R₄の反射波が受波されるまでの
時間を測定することにより算出することができ
る。

従つて、Ｑ点から水中浮遊物R₁，R₂，R₃，R₄
までの距離が算出されると、Ｑ点から水中浮遊物
R₁，R₂，R₃，R₄までの音波伝播時間を算出する
ことができるから、その算出時間が第２図の測定
時間△T₁、△T₂、△T₃、△T₄に一致するような
水温を検出すればよい。

この水温の検出は次のようにして行うことがで
きる。

第３図において、Ｑ点から水中浮遊物R₁まで
超音波が伝搬する間の任意の深度に温度変化境界
H₁を設定して、境界部H₁から上の水温をC₁゜、下
の水温C₂゜とする。従つて、点Ｑから出た音波は
境界部H₁で屈折してR₁に到達し、音波が境界部
で屈折するときの入射角θi、屈折角θ₂は水温C₁゜、
C₂゜によつて決まる。従つて、水温C₁゜、C₂゜を設
定すると点ＱからR₁点までの音波の屈折経路を
算出することができるから、それによつてＱ点か
らR₁点までの音波の伝播時間を算出することが
できる。その算出時間が第２図の測定時間△T₁
に一致するとき、境界部H₁における温度変化が
C₁゜からC₂゜へ変化していることができる。なお、
上記において、温度変化境界部H₁は仮想点であ
るが、水中浮遊物までの距離間隔を小さくして検
出することにより、仮想点による温度変化を実際
の温度変化にほぼ近似したものに設定することが
できる。

上記のようにしてR₁点までの温度変化を検出
した後、R₂点までの温度変化を検出する。この
場合も上記と同様にして、温度変化境界H₂を設
定して境界部H₂から上の水温をC₂゜、下の水温C₃゜
としてＱ点からR₂点までの音波の伝播経路を算
出する。そして、その伝播経路の伝播時間が第２
図の測定時間△T₂に一致するような水温C₂゜、C₃゜
を検出する。以後同様にして、温度変化境界H₃、
H₄を設定することにより、R₃点、R₄点までの温
度変化を検出する。

（発明の実施例） 第４図において、Z₁は第１図に示す周波数f₁の
超音波送受波器、Z₂は周波数f₂の超音波受波器、
Z₃は周波数f₂の超音波送波器をそれぞれ示す。

超音波送受波器Z₁は送信器１に基づいて周波数
f₂の超音波パルスを送波し、超音波送波器Z₃は送
信器２に基づいて周波数f₂の超音波パルスを送波
する。そして、送信器１と２はパルス発振器３に
基づいて同時に作動する。

超音波送受波器Z₁の受波信号は受信器４で増
巾、検波された後、Ａ／Ｄ変換器５においてデイ
ジタルデータに変換される。そして、変換された
デイジタルデータは入出力変換器６を経てマイク
ロプロセツサー７に取り込まれる。マイクロプロ
セツサー７は、取り込んだ受波信号データを、受
波信号の受信までの時間データと共に記憶回路８
に送出して記憶させる。

他方、超音波受波器Z₂の受波信号は受信器１７
で増巾、検波された後、Ａ／Ｄ変換器でデイジタ
ル信号に変換される。そして、上記と同様にし
て、入出力変換器１１を経てマイクロプロセツサ
ーに取り込まれた後、記憶回路９に時間データと
共に記憶される。

従つて、記憶回路８は第２図ａの受波信号を記
憶し、記憶回路９は第２図ｂの受波信号を記憶す
る。

マイクロプロセツサー７は、記憶回路８並びに
９にそれぞれの受波信号データを記憶させた後、
それぞれの記憶データを読出して、第２図におけ
る時間差△T₁、△T₂、△T₃、△T₄の測定を行
う。

この時間差測定は、超音波送受波器Z₁の受波信
号（第２図ａ）に基づいて、第１図におけるR₁，
R₂，R₃，R₄の各反射点を検出する。そして、Ｑ
点から反射点R₁、R₂、R₃、R₄までの距離を算出
し、その距離を音波が伝播する理論上の伝播時間
△T₁′、△T₂′、△T₃′、△T₄′を算出し、超音受波
器Z₂の受波信号（第２図ｂ）の内から、算出時間
△T₁′、△T₂′、△T₃′、△T₄′に最も近接して出現
する受波反射波B₁，B₂，B₃，B₄の各々を選出す
る。そして、選出後、対応する受波信号A₁，A₂，
A₃，A₄に対する時間差△T₁、△T₂、△T₃、△
T₄の各々を算出して、その時間差データ△T₁、
△T₂、△T₃、△T₄を記憶回路１２に記憶させ
る。

マイクロプロセツサー７は、第２図に示す時間
差△T₁、△T₂、△T₃、△T₄を記憶回路１２に記
憶させた後、水温検出器１３から水温データを入
出力変換器１４を経て取り込む。なお、水温検出
器１３は、例えば感温素子が用いられ、水面温度
を測定する。

マイクロプロセツサー７は、水温検出器１３の
水温データー、記憶回路８から得られる反射点
R₁、R₂、R₃、R₄の深度データー、PQ間の距離
D₀データーとに基づいて、第３図で説明したよ
うに、Ｑ点から反射点R₁、R₂、R₃、R₄までの音
波伝播経路を算出する。そして、温度変化境界
H₁、H₂、H₃、H₄における温度変化を順次変化
させた伝播経路を各々算出し、各伝播経路の音波
伝播時間のうち、第２図の測定時間△T₁、△T₂、
△T₃、△T₄に一致する伝播経路を検出し、その
伝播経路を算出するめの設定温度を表示器１５に
表示する。なお、表示器１５に導かれる水温デー
ターは入出力変換器１６を経て導かれる。又、
PQ間距離D₀データーはあらかじめ既知の場合は
記憶回路にあらかじめ記憶させておけばよい。あ
るいは受信点Ｐに他の超音波受波器を指向方向を
送信点Ｑ方向に向けて設置してＱ点からＰ点に到
達する直接波を受波してPQ間の距離を測定して
もよい。

（発明の効果） 上記説明から明らかなように、この発明は、超
音波パルスを送波して、超音波パルスの反射点を
あらかじめ検出しており、他の点から送波した超
音波パルスのうち検出した反射点からの反射波を
受波するものである。従つて、超音波の反射点が
あらかじめ特定されているから、理論上の伝播経
路と実測した伝播経路とを極めて正確に一致させ
ることができる。従つて、検出した水中温度を極
めて信頼性の高いものにすることができる。

（発明の他の実施例） 第１図において、超音波送受波器Z₁並びに超音
受波器Z₂は指向方向が直下の海底方向に設置され
ているが、指向方向を斜め方向に向けて設置して
もよい。この場合、第５図に示すように、Ｑ点か
らＰ点への音波の伝播経路は、Ｑ点から反射点Ｒ
までの経路及び反射点Ｒから受信点Ｐまでの経路
の両経路が温度変化境界Ｈによつて屈折経路を形
成する。従つて、温度変化境界による温度変化
C₁゜、C₂゜を設定した後、設定温度によつて決定さ
れるＱ点からＲ点までと、Ｒ点からＰ点までの両
方の伝播経路を算出した後、Ｑ点からＲ点までの
屈折経路を音波伝播する時間が第２図で測定され
る時間差△T₁、△T₂、△T₃、△T₄に一致するよ
うな設定温度C₁゜、C₂゜を検出すればよい。

又、第１図においては、２周波の超音波信号を
用いて反射点R₁、R₂、R₃、R₄からの反射波を受
波するようになされているが、第６図のごとくす
ると、１周波の超音波を用いて行うことができ
る。

第６図において、超音波送受波器Z₄は、第１図
のＰ点に配置される超音波送受波器Z₁と同様に、
周波数f₁の指向性の鋭い超音波パルスを送受波し
て反射点R₁、R₂、R₃、R₄等からの反射波を受波
する。又、Z₅は周波数f₁の超音波受波器を示し、
第１図のＱ点に配置される。超音波受波器Z₅は指
向角θaが超音波受波器Z₄の送受波区間を含む広
範囲角に設定され、又、指向巾θwは非常に狭く
設定されて、超音波送受波器Z₄の送受波方向に向
けて設置される。従つて、超音波送受波器Z₄から
送波された超音波パルスはそれぞれ反射点R₁、
R₂、R₃、R₄で反射されて超音波送受波器Z₄へ帰
来する一方、反射波の一部は超音波受波器Z₅方向
へ乱反射されて超音波受波器Z₅にも受波される。
その結果、超音波送受波Z₄には第２図ａの受波信
号が受波される一方、超音波受波器Z₅には第２図
ｂの受波信号が受波されるから、これらの受波信
号を用いることにより、前記説明と同様にして水
中温度を測定することができる。この場合、第４
図の受波器２に代えて周波数f₁の受信器を設け
て、超音波受波器Z₅の受波信号を受信し、その受
信信号をＡ／Ｄ変換した後マイクロプロセツサー
７に送出すればよい。なお、第６図において、超
音波送受波器Z₄は、超音波受波器Z₅の受波方向に
対しては指向角θdを非常に狭くして、受波方向
と直角方向に対しては指向角θvを超音波受波器
Z₅のビーム巾θwより若干広くすることにより、
第２図ａ，ｂの受波信号を良好に検出することが
できる。

第７図はさらに他の実施例を示すもので、Ｐ、
Ｑ点から両方向性に超音波パルスを送受波して水
中温度を測定する実施例を示す。すなわち、Ｐ点
から指向性の鋭い超音波パルスを送受波して水中
反射点R₁、R₂、R₃、R₄を検出すると同時に、Ｑ
点からも指向性の鋭い超音波パルスを送受波して
水中反射点R₁′、R₂′、R₃′、R₄′を検出する。そし
て、反射点R₁、R₂、R₃、R₄とＱ点との間で第２
図ｂの受波信号を検出すると同時に、反射点R₁′、
R₂′、R₃′、R₄′とＰ点との間においても第２図ｂ
と同様な受波信号を検出する。そして、それぞれ
の受波信号を用いて水中温度を各々別個に検出し
た後、反射点R₁、R₂、R₃、R₄とＱ点間の水中温
度と、反射点R₁′、R₂′、R₃′、R₄′とＰ点間の水中
温度とを互いに平均化する。このようにすると、
測定点Ｐ、Ｑを連動して移動させながら、温度測
定を行つた場合でも、測定点の移動に起因するド
プラ効果による測定誤差を相殺することができ
る。従つて、船底に送受波器を取り付けて航行し
ながら温度測定を行うことができる。なお、Ｐ、
Ｑ点からの超音波の送受波は、異なる周波数を用
いてもよいが、同一周波の超音波を交互に切換え
て送受波してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の原理を説明するための図、
第２図は超音波の送受波動作を説明するための
図、第３図は水中温度の算出を説明するための
図、第４図はこの発明の実施例、第５図、第６図
及び第７図は他の実施例を説明するための図を示
す。 １……送信器、２……送信器、３……パルス発
振器、４……受信器、５……Ａ／Ｄ変換器、６…
…入出力変換器、７……マイクロプロセツサー、
８，９……記憶回路、１０……Ａ／Ｄ変換器、１
１……入出力変換器、１２……記憶回路、１３…
…水温検出器、１４……入出力変換器、１５……
表示器、１６……入出力変換器、１７……受信
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 指向特性がペンシル状の鋭い超音波パルスを
   水中に送波して水中の各点から帰来する反射波を
   受波する第１の超音波送受波器と、 該第１の超音波送受波器から距離D₀だけ異な
   る位置に設けられ、上記第１の超音波送受波器の
   送受波領域を含む比較的広範囲の方向に超音波パ
   ルスを送波する第２の超音波送受波器と、 上記第１の超音波送受波器と同様な鋭いペンシ
   ル状の指向特性を有しかつ、指向方向が上記第１
   の超音波送受波器と同方向に設定され、該指向方
   向から到来する上記第２超音波送波器の送波パル
   スの水中反射波を受波する第２の超音波受波器
   と、 上記第１の超音波送受波器が受波する反射波と
   上記第２の超音波受波器が受波する反射波のう
   ち、共通な反射点から到来する反射波の時間差を
   測定する時間差測定回路と、 上記共通な反射点と表層との間に温度変化境界
   を仮想して該温度変化に対応する上記第２超音波
   送波器から上記共通な反射点までの伝播経路を演
   算すると共に、該伝播経路の音波伝播時間が上記
   時間差測定回路の測定時間に一致する温度変化境
   界を検出する演算回路とを具備してなる水温測定
   装置。 ２ 指向特性がペンシル状の鋭い超音波パルスを
   水中に送波して各点から帰来する反射波を受波す
   る第１の超音波送受波器と、 該第１の超音波送受波器から距離D₀だけ異な
   る位置に設けられ、上記第１の超音波送受波器の
   送受波領域を含む指向角を有し、上記反射波を受
   波する第２の超音波受波器と、 上記第１の超音波送受波器が受波する反射波と
   上記第２の超音波受波器が受波する反射波のう
   ち、共通な反射点から到来する反射波の時間差を
   測定する時間差測定回路と、 上記共通な反射点と表層との間に温度変化境界
   を仮想して、該温度変化に対応する上記共通な反
   射点から上記第２超音波受波器までの伝播経路を
   演算すると共に、該伝播経路の音波伝播時間が上
   記時間差測定回路の測定時間に一致する温度変化
   境界を検出する演算回路とを具備する水温測定装
   置。