JPH09269257A

JPH09269257A - 積雪深計

Info

Publication number: JPH09269257A
Application number: JP8099625A
Authority: JP
Inventors: Yuji Ishii; 祐治石井
Original assignee: Nagoya Electric Works Co Ltd
Current assignee: Nagoya Electric Works Co Ltd
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 1997-10-14

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波振動子に使用される圧電セラミックス
は温度依存性が大きく、温度の低下に対して周波数が増
加するといった特性を有している。そこで、従来の積雪
深計のように、反射バースト波中の最初に受信する波ま
たはピーク波を測定する装置にあっては、前記した温度
変化による周波数の同調ずれによって、積雪深が計測で
きないといった問題は生じないが、反射波の立ち上がり
部分のピーク座標から反射波の受信開始点を求める場合
には、立ち上がり部分の波形歪みによって計測ができな
いといった問題があった。【解決手段】雪面に超音波を送信し、その反射波の内
の立ち上がり部分の複数の波のピーク座標から線形補間
法を用いて反射波の受信開始点を求めることにより積雪
深を算出する積雪深計において、反射波の定常状態にお
ける周波数を検出する手段と、前記定常状態における周
波数により発振周波数を可変する手段、または、反射波
の立ち上がり部分のピーク座標が収束しないことを判定
して発振周波数を可変する手段とからなる自動周波数制
御機能を備えた積雪深計である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を雪面に発
射し、その超音波の反射波から雪面までの距離を計測す
る積雪深計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来における積雪深計、すなわち、雪面
までの超音波（通常、４０ＫHz）の往復伝播時間から雪
面の位置を計測する装置は、図５(a) に示す反射波Ｗの
内の検知レベルＬ以上の波Ｗ₁を最初に受信するまでの
時間、あるいは図６(b) に示す反射波Ｗのピーク波Ｗ_P
を受信するまでの時間を計測し、超音波の発射から前記
受信までの時間によって雪面までの距離を測定する装置
であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した最
初に受信する波Ｗ₁またはピーク波Ｗ_Pを測定する装置
にあっては、反射波の開始点から波Ｗ₁と波Ｗ_Pを計測
するまでの時間Ｔ₁またはＴ_Pが考慮されていないこと
に加え、検知レベルＬの設定によって全く異なる反射時
間を計測するといった問題を有していた。

【０００４】そこで、本出願人は図６のように超音波の
反射波の立ち上がり部分の各ピーク値座標から反射波の
受信開始点を算出する方法をを出願している（特願平７
−３３３９７０号）。この出願による測定方法にあって
は、従来測定されなかった反射波の立ち上り部分を求め
ることで、この部分に含まれる距離情報を算出し、測定
精度を向上できるという効果が得られものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波振動
子に使用される圧電セラミックスは温度依存性が大き
く、温度の低下に対して周波数が増加（例えば、温度が
２５℃から−３０℃に変化すると１ＫHz増加）するとい
った特性を有している。そこで、従来の積雪深計のよう
に、定常状態部分におけるしきい値以上の電圧信号を所
定数計数することを有効信号判定の判定基準としている
場合には、反射波の初期における歪み自体はそれ程大き
な問題とならない。

【０００６】しかし、各ピーク座標から反射波の開始点
を求める場合には反射波の歪みが、立ち上がり部分にお
ける連続したピーク座標の検出を不可能とし（すなわ
ち、ピーク座標値が収束しなくなる）、開始点が測定で
きなくなるといった問題が生じた。

【０００７】本発明は前記した問題点を解決せんとする
もので、その目的とするところは、超音波振動子（圧電
セラミックス）の温度による周波数変化を、反射波の周
波数を帰還制御することにより、発振器の周波数を可変
して超音波振動子の周波数に一致させ、波形歪みのない
反射波を受信できるようにして、正確な積雪深の計測が
行える積雪深計を提供せんとするにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の積雪深計は前記
した目的を達成せんとするもので、その手段は、雪面に
超音波を送信し、その反射波の内の立ち上がり部分の複
数の波のピーク座標から線形補間法を用いて反射波の受
信開始点を求めることにより積雪深を算出する積雪深計
において、反射波の定常状態における周波数を検出する
手段と、前記定常状態における周波数により発振周波数
を可変する手段、または、反射波の立ち上がり部分のピ
ーク座標が収束しないことを判定して発振周波数を可変
する手段とからなる自動周波数制御機能を備えた積雪深
計である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る積雪深計を図
面を参照して説明する。図１は回路ブロック図を示し、
１は、例えば、４０ＫHzの信号を発振する発振器、2 は
後述するＣＰＵ７から周期的に出力される発射開始信号
によってパルス幅ｔ時間の間欠パルス波と合成され４０
ＫHz、ｔ時間のバースト波信号を出力するバースト波発
生回路、３は該バースト波発生回路２よりのバースト波
信号を増幅する送波増幅回路、４は該送波増幅回路３よ
りのバースト波信号を雪面に発射すると共に、該雪面よ
り反射されたバースト波信号を受信する超音波センサと
指向性を持たせるホーンとからなる超音波送受波器であ
る。

【００１０】５は前記超音波送受波器４で受信したバー
スト波を増幅する受波増幅回路、６は該受波増幅回路５
で増幅した図６に示す波形形状のアナログ信号をデジタ
ル信号に変換するＡＤ変換回路、７はバースト波発生回
路２を介してバースト波を周期的に駆動させる信号と、
前記ＡＤ変換回路６よりのデジタル信号に基づいて後述
する図２のフローチャート図によって前記バースト波発
生回路２の周波数を可変する信号を出力するＣＰＵ、８
はＣＰＵ７の発振周波数を可変するデジタル信号を電圧
にアナログ変換して、発振器１の発振周波数を可変する
ＤＡ変換回路である。

【００１１】次に、前記回路ブロック図の動作を図２の
フローチャート図と共に説明する。先ず、検査開始時に
ＣＰＵ７は周期的にバースト波発生回路２に発振指令を
送出する。これにより、バースト波発生回路２は４０Ｋ
Hz、ｔ時間のバースト波信号を出力する。このバースト
波信号は送波増幅回路３で電力増幅された後に、超音波
送受波器４から雪面に発射される（ステップＳ１）。

【００１２】雪面からの図５に例示する反射波は超音波
送受波器４において受信され、受波増幅回路５で電圧増
幅された後に、ＡＤ変換回路６でデジタル信号に変換さ
れＣＰＵ７に出力される（ステップＳ２）。ここで、Ｃ
ＰＵ７は予め設定した遅延時間経過後の受信タイミング
期間か否かを判定し（ステップＳ３）、受信タイミング
期間の場合には、該当する期間の反射波の信号をサンプ
リングし、デジタル信号に変換する（ステップＳ４）。

【００１３】次に、ＣＰＵ７は反射波の電圧が２Ｖを越
えるか否かを判定し（ステップＳ５）、２Ｖを越える信
号がないと判定すると前記ステップＳ３に戻り、また、
２Ｖを越えていると判定すると周波数整合制御を行う
（ステップＳ６）。

【００１４】次に、この周波数整合制御の動作を図３に
示すサブフローチャート図と共に説明する。先ず、２Ｖ
を越えていると判定すると、すなわち、図４に模式的に
示す定常状態の反射波形（説明の便宜上、歪んだ波形と
しては表現されていない）に相当するデジタル信号が受
波増幅回路５に入力されるので、この２Ｖ以上の波形の
ピーク座標を読み取る（ステップＳ６１）。

【００１５】次いで、ピーク座標間の平均周波数を算出
（ステップＳ６２）した後、すなわち、図４から平均Ｔ＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４＋──＋Ｔｎ）／
ｎ平均周波数ｆ＝１（sec)／Ｔなお、平均周波数を算出する上で偏差の大きな値が予め
除外され、発振周波数に近い平均周波数が求められるこ
とは言うまでもない。

【００１６】次に、記憶している発振器１の発振周波数
と前記平均周波数を比較し（ステップＳ６３）、一致す
る場合には図２のメインフローに戻り、不一致の場合に
は受信周波数に該当する周波数を周波数変換テーブルか
ら選出（ステップＳ６４）すると共に、当該周波数の記
憶を更新する。最後に、発振周波数のコードに相当する
デジタル信号をＤＡ変換回路８に出力して（ステップＳ
６５）メインフローに戻る。

【００１７】一方、反射波の受信開始点を求めるため
に、500mＶ以下の３つの波のピーク座標（図６のａ，
ｂ，ｃ）の読み取りを実行する（ステップＳ７）。次
に、ピーク座標ａ，ｂ，ｃが収束（ａ＜ｂ＜ｃ）するか
否かを判定し（ステップＳ８）、収束しないと判定する
とステップＳ３に戻り、収束すると判定するとピーク座
標から補間法を用いて近似関数（二次関数）を求める
（ステップＳ９）。

【００１８】以下に、補間法にラグランジュの補間多項
式を用いて二次関数を求める場合について例示する。関
数ｙ＝ｆ(x) が３個の座標の組（ｘ₀，ｙ₀），
（ｘ₁，ｙ₁），（ｘ₂，ｙ₂）で与えられている場合
の近似多項式Ｐ(x) は、

【数１】但し、ｐ_i＝ｆ(x_i) （ｉ＝０，１，２──ｎ）

【００１９】上式を３個の座標ａ(t₀,u₀),ｂ(t₁,u₁),ｃ
(t₂,u₂) で置き換えると、

【数２】となり、この式を展開することにより、

【数３】の２次方程式として表現することができる。

【００２０】ここで、

【数４】

【００２１】次に、前記２次方程式の根（反射波の受信
開始時間）をニュートン法により求める（ステップＳ１
０）。式(1) の根をニュートン法により求めると、根α
の初期値ｘ_iを与えて、方程式ｆ(x) に対する反復公式
により改善された近似値ｘ_i+1を計算する。

【００２２】

【数５】ｆ(x) に式(1) を代入すると、

【数６】となり、根の逐次近似値を計算することにより、Ｐ(x)
が０に収束する点を求め、この点を根αの値とする。

【数７】

【００２３】次に、発射開始時間と前記で求めた根（反
射波の受信開始時間）との差分であるところの、雪面ま
での往復伝播時間Ｔ_RTを求める（ステップＳ１１）。そ
して、前記求めた往復伝播時間Ｔ_RTから距離（雪面の位
置）を算出する（ステップＳ１２）。すなわち、距離Ｍ
を求める公式はＭ＝Ｖ・Ｔ_RT／２ただし、音速Ｖ＝331.45＋0.61ｋｋは気温次に、積雪深Ｈを超音波送受波器の取付け高さＰからＨ
＝Ｐ−Ｍにより求める（ステップＳ１３）。

【００２４】そして、前記した動作を複数回実行するこ
とで、発振周波数と受信周波数との同調を行い（発振器
１による発振周波数が超音波送受波器４の振動周波数に
近づくように、また、補間法による立ち上がり部分が収
束するように発振器１の発振周波数を変化させて同調を
行う）、超音波送受波器４の振動子の温度特性による周
波数を記憶して、以後この周波数による制御を行う。

【００２５】なお、前記した同調のずれの監視は、常時
実行しても周期的に実行してもよく、また、前記反射波
の周波数を検出して帰還制御を実行する方法について説
明したが、立ち上がりの３波のピーク値の大小判別を実
行し、ピーク値が収束するまで発振器１の周波数を可変
して当該周波数を算出してもよい。

【００２６】さらに、積雪深計に常時用いられる超音波
の音速補正に利用する気温の信号を周波数変換の補助信
号として利用し、発振器の周波数の帰還制御を実行して
もよい。また、前記手法を複数組み合わせ、帰還制御の
精度を向上させてもよい。

【００２７】

【発明の効果】本発明は前記したように、振動子の温度
に対する周波数特性の変化を温度を測定して可変する方
法でないため、素子個々のバラツキに影響されることな
く、自動利得制御と同様に外部変化の影響を吸収した最
も安定した周波数に発振周波数を調整でき、精度の高い
測定が可能になる等の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る積雪深計の回路ブロック図であ
る。

【図２】同上の回路ブロックの動作を示すフローチャー
ト図である。

【図３】図２のフローチャートにおけるサブフローチャ
ート図である。

【図４】定常状態の反射波の説明図である。

【図５】従来の測定方法を説明するための線図である。

【図６】受信系で受信したバースト波の波形図である。

【符号の説明】

１発振器２バースト波発生回路３送波増幅回路４超音波送受波器５受波増幅回路６ＡＤ変換器７ＣＰＵ８ＤＡ変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】雪面に超音波を送信し、その反射波の内
の立ち上がり部分の複数の波のピーク座標から線形補間
法を用いて反射波の受信開始点を求めることにより積雪
深を算出する積雪深計において、反射波の定常状態における周波数を検出する手段と、前
記定常状態における周波数により発振周波数を可変する
手段、または、反射波の立ち上がり部分のピーク座標が
収束しないことを判定して発振周波数を可変する手段と
からなる自動周波数制御機能を備えたことを特徴とする
積雪深計。