JPH0160774B2 - - 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
発見が成能になる。

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て水温を測定しよ
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。

他方、Ｐ点から距離D₀だけ異なるＱ点に超音
波受波器Z₂が設けられ、周波数f₂の超音波パルス
を送波する。そして、受波器Z₂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指向性を
有する。

従つて、受波器Z₂は、送受波器Z₁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によつて受波器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から超音波
パルスを送波する場合、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
の水温をC₂゜とする。従つて、点R₁で反射した音
波は境界部H₁で屈折してＱ点に到達し、音波が
境界部で屈折するときの入射角θ₁、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R₁からQ₁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
R₁からQ₁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を知ることがで
きる。なお、上記において、温度変化境界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゜、下の水温を
C₃゜としてR₂点からQ₂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は超音波送受波器、Z₂，Z₃
は超音波受波器を示す。

超音波送受波器Z₁は第１図の超音波送受波器Z₁
と同様に鋭い指向性を有し、送信器１に基づいて
ほぼ直下の海底方向に向けて超音波パルスを送波
する。そして、第５図ａに示すように、水中の反
射点R₁，R₂，R₃，R₄からの反射波A₁，A₂，A₃，
A₄を受波する。

又、超音波受波器Z₂，Z₃は、超音波送受波器Z₁
に対して距離D₀だけ異る位置に対称配置される。
そして、第１図の超音波受波器Z₂と同様に反射点
R₁，R₂，R₃，R₄からの反射波を受波する。第５
図b₁は超音波受波器Z₂の受波信号、b₂は超音波受
波器Z₃の受波信号を示す。

超音波送受波器Z₁の受波信号は受信器２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４を経てマイク
ロプロセツサー５に取り込まれる。マイクロプロ
セツサー５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６
に送出して記憶させる。

他方、超音波受波器Z₂，Z₃の受波信号はそれぞ
れの受信器７，８で増巾、検波された後、Ａ／Ｄ
変換器９，１０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，
１２を経てマイクロプロセツサー５に取り込まれ
た後、記憶回路１３，１４に時間データと共に記
憶される。

従つて、記憶回路６は第５図ａの受波信号を記
憶し、記憶回路１３，１４は第５図b₁，b₂の受波
信号を記憶する。

マイクロプロセツサー５は、記憶回路６並びに
１３，１４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５
図における時間差△T₁₁，△T₁₂，△T₁₃，△T₁₄，
△T₂₁，△T₂₂，△T₂₃，△T₂₄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５図ａ）に基づいて、第５図におけるR₁，
R₂，R₃，R₄の各反射点を検出する。そして、
Q₁，Q₂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
波受波器Z₂，Z₃の受波信号（第５図b₁，b₂）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信号B₁₁，B₁₂，B₁₃，B₁₄，
B₂₁，B₂₂，B₂₃，B₂₄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△T₁₁，△T₁₂，△T₁₃，△T₁₄，△
T₂₁，△T₂₂，△T₂₃，△T₂₄の各々を算出して、
その時間差データ△T₁₁，△T₁₂，△T₁₃，△T₁₄、
を記憶回路１３に、又時間差データ△T₂₁，△
T₂₂，△T₂₃，△T₂₄を記憶回路１４に記憶させ
る。

マイクロプロセツサー５は、上記のようにして
記憶回路１３，１４に時間差データをそれぞれ記
憶させた後、それぞれの時間差データを読出して
対応する時間差を互いに平均化する。すなわち、
時間差△T₁₁に対応する時間差△T₂₁とを互いに
平均化する。同様にして、時間差△T₁₂と△T₂₂
を、時間差△T₁₃と△T₂₃を、時間差△T₁₄と△
T₂₄をそれぞれ平均化する。そして、平均化した
時間差データを記憶回路１５に記憶させる。

第４図において、超音波受波器Z₂，Z₃は超音波
受波器Z₁に対して対称に配置されている。従つ
て、Z₁，Z₂，Z₃が定位置に停止して超音波の送受
波を行うときは、水中反射点R₁，R₂，R₃，R₄か
ら超音波受波器Z₂，Z₃までの音波到達時間は互い
に等しい。ところが、超音波送受波器Z₁及び超音
波受波器Z₂，Z₃を船底に装備して移動しながら水
温測定を行う場合、超音波信号がドプラ効果を受
けるため、R₁，R₂，R₃，R₄の反射点から超音波
受波器Z₂まで音波が到達する時間と超音波受波器
Z₃まで音波が到達する時間とがわずかに相異す
る。従つて、両時間差を上記のように平均化する
ことにより、ドプラ効果による影響を相殺して
R₁，R₂，R₃，R₄の反射点から超音波受波器Z₂あ
るいはZ₃までの正確な到達時間を測定することが
できる。

マイクロプロセツサー５は反射点R₁，R₂，R₃，
R₄から超音波受波器Z₂あるいはZ₃までの正確な
時間差データを記憶回路１５に記憶させた後、水
温検出器１６から水温データを入出力変換器１７
を経て取り込む。なお、水温検出器１６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５は、水温検出器１６の
水温データー、記憶回路６から得られる反射点
R₁，R₂，R₃，R₄の深度データー、PQあるいは
PQ₂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５図の測定時間△
T₁₁，△T₁₂，△T₁₃，△T₁₄と△T₂₁，△T₂₂，△
T₂₃，△T₂₄との平均化時間に一致する伝播経路
を検出し、その伝播経路を算出するための設定温
度を表示器１８に表示する。なお、表示器１８に
導かれる水温データーは入出力変換器１９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。

（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き、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４図において、超音波送受波器Ｐ及び超音波
受波器Z₂，Z₃は海面から海底に向けて超音波パル
スを送波するごとくなされているが、超音波送受
波器Z₁及び超音波受波器Z₂，Z₃を水中を曳航する
ごとく配置して、水面方向に超音波パルスを送受
波するごとくしてもよい。

【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図はその動
作を説明するための波形図を示す。 １……送信器、２……送信器、３……Ａ／Ｄ変
換器、４……入出力変換器、５……マイクロプロ
セツサー、６……記憶回路、７，８……受信器、
９，１０……Ａ／Ｄ変換器、１１，１２……入出
力変換器、１３，１４，１５……記憶回路、１６
……水温検出器、１７……入出力変換器、１８…
…表示器、１９……入出力変換器。

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
   ほぼ鉛直方向に送波し水中の各点から帰来する反
   射波を受波する超音波送受波器と、 該超音波送受波器に対して距離D₀だけ異なる
   対称位置にそれぞれ設けられ、上記超音波送受波
   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１、第２の超音波受波器と、 上記超音波送受波器が受波する反射波と上記第
   １、第２それぞれ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を測定
   する第１、第２の時間差測定回路と、 該第１、第２の時間差測定回路によつて測定さ
   れた時間差のうち共通な反射点から到来する反射
   波の時間差を互いに平均する平均化回路と、 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１あるいは第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
   伝播時間が上記平均化回路の平均時間に一致する
   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。