JPH0367195A - 波動伝播を利用した大気の温度及び湿度測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は大気の温度及び湿度、特に長距離の平均温度及
び平均湿度の測定に関する。

（従来の技術とその課題） 音波あるいは超音波を用いた温度、風向、風速等の大気
のパラメータを測定する装置は既に実用化されているが
、これらは従来使用されて来た気象側器と同様、極めて
狭い領域即ち局所的な大気のパラメータを測定するもの
である。例えば、光波測距儀を用いて数ｋｍ乃至数十に
＋ｎの距離を測定する場合、２点間の伝播路に沿った大
気のパラメータの関数である屈折率の積分値を必要とす
るが、実際には伝播路に沿ってこれらのパラメータを測
定することは不可能であるため、測定点付近の値を代表
値として補正に使用している。このため、測距結果に大
きな誤差を生じている。

本発明は上述の問題を解決して、長い距離の大気のパラ
メータである平均温度及び平均湿度ぞ正確に測定する方
法及び装置を提供することを課題とする。

（課題を達成するための手段） 上述の課題を達成するために、測定点Ａから所定距離の
反射点Ｂに固定した反射板又はトランスポンダに向かっ
てパルス化された音波をＡ点から発射し、Ｂ点からの反
射音波がＡ点に到達するまでの前記パルスの遅れ時間を
測定し、前記音波と同様にパルス化された電波を前記同
様にＡ点から発射し、Ｂ点からの反射電波がＡ点に到達
するまでの前記パルスの遅れ時間を測定して前記所定距
離間の距離を算出し、前記発射電波と同一の電気信号に
より変調されたレーザー光を前記Ａ点から前記Ｂ点に固
定した反射鏡又はトランスポンダに向かって発射し、到
達した反射光を光電変換した後の電気信号と前記レーザ
光を変調した電気信号との位相のずれを検出して前記所
定距離間の水蒸気量を算出し、前記音波パルスの遅れ時
間と前記電波により測定した所定距離からこの所定距離
の平均温度を算出し、前記水蒸気量と前記算出した平均
温度から所定距離間の平均湿度を算出するものである。

又、この測定装置として音波測定回路１と、電波測定回
路２と、光測定回路３と、音波及び電波を反射する反射
板又はトランスポンダ４と、光を反射する反射鏡又はト
ランスポンダ５よりなり、前記音波測定回路にはパルス
信号を発生する第一パルス発振回路１１と、この第一パ
ルス発振回路１１の出力に接続された音波発振部１２と
、この音波発振部１２の出力に接続されてビーム化され
た音波を発射する音波干渉計１３と、到達音波を電気信
号に変換するマイクロフォン１４と、このマイクロフォ
ン１４の出力に接続された音波受信部１５と、この音波
受信部１５の出力に接続される第一検波及びパルス整形
回路１６と、この第一検波及びパルス整形回路１６と前
記第一パルス発振回路１１の出力に接続された第一タイ
ム・インタバル・カウンタ１７（以下タイム４　インタ
バル・カウンタをＴ、　１．Ｃ，という）を具備してお
り、前記電波測定回路２には第二パルス発振回路２１と
、この第二パルス発振回路２１の出力に接続された電波
発振部２２と、この電波発振部２２の出力に接続された
送信及び受信アンテナ２３と、この送信及び受信アンテ
ナ２３の受信出力に接続された電波受信部２４と、この
電波受信部２４の出力に接続された第一周波数変換部２
５と、この第一周波数変換部２５の出力に接続された第
二検波及びパルス整形回路２６と、前記電波発振部２２
の出力に接続された第二周波数変換部２７と、この第二
周波数変換部２７の出力に接続された第三検波及びパル
ス整形回路２８と、この第三検波及びパルス整形回路２
８の出力及び前記第二検波及びパルス整形回路２６の出
力に接続された第二Ｔ、１．Ｃ，２９と、前記第一及び
第二周波数変換部２５．２７の出力に接続された第三Ｔ
、　ｒ、Ｃ，２０を具備し、前記光測定回路３には前記
電波発振部２２の出力に接続されたレーザ発振及び変調
部３１と、このレーザ発振及び変調部３１の出力に接続
されたビーム整形転送部３２と、反射光を光電変換する
光検出器３３と、この光検出器３３の出力に接続された
復調部３４と、この復調部３４の出力に接続された第三
周波数変換部３５と、この第三周波数変換部３５及び前
記第二周波数変換部２７の出力に接続された第四Ｔ、ｉ
、Ｃ，３６を具備しており、前記第一周波数変換部２５
、第二周波数変換部２７及び第三周波数変換部３５は同
一周波数の局部発振周波数で動作するように構成したも
のである。

（作用） 上述のように高い周波数で変調したレーザ発振器を用い
て、電波とこれに同期した光変調波の位相差と、更に音
波を加えた３種類の波動の２点間の往復する時間及びそ
の差を測定して塁い距離の平均温度及び平均湿度を測定
する。

（実施例） 本発明は音波、電波及び光を同じ伝播路で反射往復させ
、電波が往復する時間がら２点間の距離を算出し、音波
の往復する時間がら温度を算出し、上記電波と同一の信
号で変調した変調光を送出して同し伝播路を往復せしめ
、上記電波と変調光の復調信号を同一の局部発振信号に
より低周波信号に変換した後、位相差を測定し、光と電
波が往復に要した時間の差から水蒸気量を算出し、この
水蒸気量と上記音波により算出した温度とにより湿度を
算出する測定方法である。

第１図は上述の測定方法を実施するための装置の回路の
ブロフク図である。この回路は大別すると音波測定回路
１と、電波測定回路２と、光測定回路３と、音波及び電
波を反射する反射板又はトランスポンダ４と、光を反射
する反射鏡又はトランスポンダ５よりなるものである。

なお、音波測定回路１の音波を発射する音波干渉計１３
、電波測定回路２の送信及び受信アンテナ２３及び光測
定回路３のレーザビームを発射するビーム整形転送部３
２は送信点Ａに設置し、反射板又はトランスポンダ４及
び反射鏡又はトランスポンダ５は反射点Ｂに設置しであ
る。

音波測定回路１は音波信号用のパルス信号を発生する第
一パルス発振回路１１と、この第一パルス発振回路１１
の出力に接続され、パルス状の音波信号を発生する音波
発振部１２と、この音波発振部Ｉ２の出力に接続されて
鋭いビーム化された音波を発射する音波干渉計１３と、
到達音波を電気信号に変換するマイクロツメ・ンＩ４と
、このマイクロフォン１４の出力に接続され、狭帯域増
幅する音波受信部１５と、この音波受信部１５の出力に
接続され、受信パルスを整形する第一検波及びパルス整
形回路１６と、この第一検波及びパルス整形回路１６の
受信パルスと前記第一パルス発振回路１１の出力である
送信パルスとの時間差をカウントする第−Ｔ、１．Ｃ，
１７が設けられている。

電波測定回路２は電波用のパルス信号を発生すル第二パ
ルス発振回路２１と、この第二パルス発振回路２Ｉの出
力に接続されパルス状の高周波信号を発生する電波発振
部２２と、この電波発振部２２の出力に接続された送信
及び受信アンテナ２３と、この送信及び受信アンテナ２
３の受信出力に接続され、狭帯域増幅する電波受信部２
４と、この電波受信部２４の出力に接続され、局部発振
周波数により低周波信号に変換する第一周波数変換部２
５と、この第一周波数変換部２５の出力に接続され、矩
形波に変換する第二検波及びパルス整形回路２６と、前
記電波発振部２２の出力に接続され、第一周波数変換部
２５と同じ局部発振周波数により低周波信号に変換する
第二周波数変換部２７と、この第二周波数変換部２７の
出力に接続され、上記第二検波及びパルス整形回路２６
と同様な矩形波に変換する第三検波及びパルス整形回路
２８と、この第三検波及びパルス整形回路２８及び前記
第二検波及びパルス整形回路２６の出力に接続され、上
記２つの矩形波の時間差をカウントする第二Ｔ、１．Ｃ
，２９と、上記第一及び第二周波数変換部２５．２７の
出力に接続され、それらの位相差をカウントする第三Ｔ
、１．Ｃ，２０を設けたものである。

なお、送信及び受信アンテナ２３は送信及び受信それぞ
れに独立した２個のアンテナとしても良い。

光測定回路３は上記電波発振部２２の出力に接続され、
電波用の高周波信号で変調されたレーザを発生するレー
ザ発振及び変調部３１と、このレーザ発振及び変調部３
１の出力に接続され、整形されたビームとしてレーザを
放出するビーム整形伝送部３２と、反射光を光電変換す
る光検出器３３と、この光検出器３３の出力に接続され
、上記高周波信号に復調する復調部３４と、この復調部
３４の出力に接続され、上記第一及び第二周波数変換部
２５．２７と同一周波数の局部発振周波数で低周波信号
に変換する第三周波数変換部３５と、この第三周波数変
換部３５及び前記第二周波数変換部２７の出力に接続さ
れ、変調前の高周波信号による低周波信号と復調後の低
周波信号との位相差をカウントする第四Ｔ、　１．Ｃ。

３６を設けたものである。

次に本装置の動作について説明する。

音波測定回路１はパルス化された音波をＡ点の音波干渉
計１３からＢ点の反射板又はトランスポンダ４に向けて
発射する。この音波がＢ点で反射されてＡ点のマイクロ
フォン１４に戻るまでの時間１１は次のようにして求め
る。

マイクロフォン１４で反射音波信号は電気信号に変換さ
れ、狭帯域増幅された後、第一検波及びパルス整形回路
１６で受信パルスとして第−Ｔ、１．Ｃ，１７に入力す
る。

一方、第一パルス発振回路１１の出力信号も送信パルス
信号として第−Ｔ、Ｉｃ、　１７に人力し、上記受信パ
ルス信号との時間差がカウントされる。この時間差は音
波がＡ、Ｂ間を往復する時間ｔｌに等しい。

電波測定回路２は音波測定回路１と同様に、パルス化さ
れた電波を送信及び受信アンテナ２３から発射し、Ｂ点
から反射して来た電波を電波受信部２４で狭帯域増幅し
、第一周波数変換部２５で低周波信号に変換し、第二検
波及びパルス整形回路２６で受信パルス信号として第二
Ｔ、１．Ｃ，２９に入力する。

一方、送信アンテナに入力する電波発振部２２の出力は
第二周波数変換部２７、第三検波及びパルス整形回路２
８を経由して送信パルス信号として第二Ｔ、１．Ｃ，２
９に入力し、上記受信パルス信号との時間差ｔ２がカウ
ントされる。

更に正確なｔ２は第一周波数変換部２５と第二周波数変
換部２７の出力信号の位相差を第三Ｔ、Ｔ、Ｃ，２０で
測定することにより得られる。

この時間差ｔ２からＡ、Ｂ間の距ｍＲば（１）式により
求められる。

Ｒ＝　（１／２）ｔ２Ｃｒ　　　・・・（１）ここでＣ
ｒは大気のパラメータの値によって異なるが、音波の往
復する時間ｔｌの測定精度と比較してその影響は小さく
、無視出来る。

この距ｉ＠Ｒを使用し、Ａ、Ｂ間の平均温度Ｔ、全気圧
Ｐ、平均水蒸気圧ｅとすれば、 ２１＋ で表せる。（２）式の分母の括弧内の第２項は第１項に
比べて小さいので、とりあえず省略して平均温度Ｔの概
略値を得ることが出来る。

光測定回路３は上記電波発振部２２の出力で変調された
レーザ光をビーム整形伝送部ａ２から発射し、Ｂ点から
反射して来た光を光検出器３３で光電変換携した後、復
調部３４で復調して上記電波発振部２２の出力と同様な
電気信号とし、第三周波数変換部３５で低周波信号とし
、第二周波数変換部２７の出力と第四Ｔ、１．Ｃ，３６
で比較して位相差を検出する。

上記各周波数変換部２５．２７．３５は総て同一の局部
発振信号を使用しており、同一回路であるため、局部発
振信号の位相雑音は位相差の測定において除去され、そ
の結果、位相差を正確に測定出来る。

この位相差は光と電波がＡ、Ｂｒｕ’ｌを往復する時間
の差　Δｔに等しい。Δｔは Δｔ　＝０．６７６・Ｒ／Ｃｒ−ｅ／Ｔ２□　・・（３
）と表される。（２）式から得たＴの概略値を用いて、
（３）式から水蒸気圧ｅの概略値を得る。

（２）式における全気圧の平均値Ｐは空間的な変化が小
さく、例えばＡ、Ｂの２点の測定結果から２点間におけ
る値を高精度で計算出来るので既知と考えて良い。結局
前述の概略値を初期値として、多くのｔ、、　ｔ２、Δ
ｔの観測値から正確なＴ、ｅ、Ｒを求めることが出来る
。

例えば、Ｒ＝５００ｍ、電波の周波数を４００Ｍｌ１ｚ
、第三Ｔ。Ｉｃ、　２０と第四Ｔ：１．Ｃ，３６の位相
測定誤差を数度内で測定すると、Ｔを０．３度、ｅを１
柿程度の誤差で求めることが出来る。

（発明の効果） 上述のように、広い領域の平均的な大気の温度、水蒸気
量（湿度）を必要とする光波測距儀による測地、測量に
おいては、１オーダ近い精度の改善が見込まれる。

又、測定が困難な湖上、海上、上空の平均温度、平均湿
度の測定が可能となり、従来の局所的なものと異なった
気象側層として、例えば環境測定等の広い分野での利用
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定方法を実施するための測定装置の
回路のブロフク図である。 １：音波測定回路、　１１：第一パルス発振回路、ｉ２
：音波発振部、　１３；音波干渉計、　１４：マイクロ
フォン、　１５：音波受信部、　１６：第一検波及びパ
ルス整形回路、　１７：第−Ｔ、１．Ｃ，、２：電波測
定回路、　２０：第三Ｔ、１．Ｃ，、２１：第二パルス
発振回路、　２２：電波発振部、　２３：送（ｇ及び受
信アンテナ、　２４：電波受信部、　２５：第一周波数
変換部、　２６：第二検波及びパルス整形回路、　２７
：第二周波数変換部、　２８：第三検波及びパルス整形
回路、　２９：第二Ｔ、Ｔ、Ｃ，、３：光測定回路、　
３１：レーザ発振及び変調部、　３２：ビーＪ・整形伝
送部、　３３：光検出器、　３４：復調部、　３５：第
三周波数変換部、　３６：第四Ｔ、　１．Ｃ，，４；反
射板またはトランスポンダ、　　５：反射鏡又はトラン
スポンダ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）大気の温度及び湿度測定方法において、測定点Ａか
   ら所定距離の反射点Ｂに固定した反射板又はトランスポ
   ンダに向かってパルス化された音波をＡ点から発射し、
   Ｂ点からの反射音波がＡ点に到達するまでの前記パルス
   の遅れ時間を測定し、前記音波と同様にパルス化された
   電波を前記同様にＡ点から発射し、Ｂ点からの反射電波
   がＡ点に到達するまでの前記パルスの遅れ時間を測定し
   て前記所定距離間の距離を算出し、前記発射電波と同一
   の電気信号により変調されたレーザ光を前記Ａ点から前
   記Ｂ点に固定した反射鏡又はトランスポンダに向かって
   発射し、到達した反射光を光電変換した後の電気信号と
   前記レーザ光を変調した電気信号との位相のずれを検出
   して前記所定距離間の水蒸気量を算出し、前記音波パル
   スの遅れ時間と前記電波により測定した所定距離からこ
   の所定距離の平均温度を算出し、前記水蒸気量と前記算
   出した平均温度から所定距離間の平均湿度を算出するこ
   とを特徴とする波動伝播を利用した大気の温度及び湿度
   測定方法。 ２）大気の温度及び湿度測定装置において、音波測定回
   路と、電波測定回路と、光測定回路と、音波及び電波を
   反射する反射板又はトランスポンダと、光を反射する反
   射鏡又はトランスポンダよりなり、前記音波測定回路に
   はパルス信号を発生する第一パルス発振回路と、この第
   一パルス発振回路の出力に接続された音波発振部と、こ
   の音波発振部の出力に接続されてビーム化された音波を
   発射する音波干渉計と、到達音波を電気信号に変換する
   マイクロフォンと、このマイクロフォンの出力に接続さ
   れた音波受信部と、この音波受信部の出力に接続される
   第一検波及びパルス整形回路と、この第一検波及びパル
   ス整形回路と前記第一パルス発振回路の出力に接続され
   た第一タイム・インタバル・カウンタを具備しており、
   前記電波測定回路には第二パルス発振回路と、この第二
   パルス発振回路の出力に接続された電波発振部と、この
   電波発振部の出力に接続された送信及び受信アンテナと
   、この送信及び受信アンテナの受信出力に接続された電
   波受信部と、この電波受信部の出力に接続された第一周
   波数変換部と、この第一周波数変換部の出力に接続され
   た第二検波及びパルス整形回路と、前記電波発振部の出
   力に接続された第二周波数変換部と、この第二周波数変
   換部の出力に接続された第三検波及びパルス整形回路と
   、この第三検波及びパルス整形回路の出力及び前記第二
   検波及びパルス整形回路の出力に接続された第二タイム
   ・インタバル・カウンタと、前記第一及び第二周波数変
   換部の出力に接続された第三タイム・インタバル・カウ
   ンタを具備し、前記光測定回路には前記電波発振部の出
   力に接続されたレーザ発振及び変調部と、このレーザ発
   振及び変調部の出力に接続されたビーム整形伝送部と、
   反射光を光電変換する光検出器と、この光検出器の出力
   に接続された復調部と、この復調部の出力に接続された
   第三周波数変換部と、この第三周波数変換部及び前記第
   二周波数変換部の出力に接続された第四タイム・インタ
   バル・カウンタを具備しており、前記第一周波数変換部
   、第二周波数変換部及び第三周波数変換部は同一周波数
   の局部発振周波数で動作するように構成されたことを特
   徴とする波動伝播を利用した大気の温度及び湿度測定装
   置。