JPH10170640A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超音波信号による高精度海流計測あるいは自艦
の航路解析を簡便に実現する。 【解決手段】複数の位置から、超音波を共通の領域に照
射し、この領域からの受信信号を周波数分析する事によ
り、対象の移動速度を計測する。ここで、照射される信
号の周波数が、照射領域により異なるように構成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波信号による海
流計測あるいは自艦の航路解析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】複数方向に照射した超音波信号のドプラ
効果により、対象物のベクトル的速度成分を計測する方
法は知られている（金子 他：“ＡＤＣＰの普及と海洋
学の発展”、海の研究、第３巻、第５巻、ｐｐ．３５９
−３７２，１９９４年１０月）。また、超音波の進行方
向に直交する方向の速度成分を計測可能とする、本発明
による方法もある。後者の方法は、超音波を送信し特定
方向からの反射信号を複数の素子により受信する動作を
複数回行い、特定深度に対応する受信信号を配列方向に
フーリエ変換し、この結果の時間変化を二次元信号と考
え放射状フーリエ変換を行なうことによりベクトル的運
動速度の計測を行なう方法である。この方式は、構成が
大変複雑である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】通常の、複数方向に照
射した超音波信号のドプラ効果により対象物のベクトル
的速度成分を計測する方法は、簡便ではあるが複数計測
点の間における海流の直進性を仮定しているため、大き
な計測誤差を生じる基本的な問題点を有している。そこ
で、この問題点を解決し、簡便に正確なベクトル的な速
度を計測する技術を提供する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】複数の位置から、超音波
を共通の領域に照射し、この領域からの受信信号を周波
数分析する事により、対象の移動速度を計測する。ここ
で、照射される信号の周波数が、照射領域により異なる
ように構成される。

【０００５】本方式における、領域により周波数の異な
る超音波を送受信する送受波器は、発明者らにより研究
されている（片倉 他：“周波数掃引による超音波水中
映像装置”、日本音響学会誌、第３１巻、第１２号、ｐ
ｐ．７１６−７２４，１９７５年１２月）。その１例
を、図１に示す。図１に示したように圧電素子を棒状に
配列した送波器から扇形の超音波ビームを目標物体に向
け放射する。この送波器の相隣る素子は分極軸方向が反
転していて、各素子から放射された音波の合成波面はそ
の周波数により定まる方向に形成される。

【０００６】図１に示す送波器により形成される遠距離
音場の指向特性Ｒ（θ）は

【０００７】

【数１】 Ｒ(θ)＝sin｛ｎ（ψ−γ）／２｝／sin｛(ψ−γ)／２｝ （数１） ここで、γ＝（２πｄ／λ）sinθである。また、ｎは
配列された素子の総数、ｄは素子間隔、ψは相隣る素子
間の音波位相差、λは音波波長である。Ｒ（θ）が最大
となる角度θ₀を水平方向音波照射方位とすると、θ₀は
数１より sin｛（ψ−γ）／２｝＝０の条件から求めら
れ

【０００８】

【数２】 ψ−γ＝２ｍπ（ｍ＝０，±１，±２…） （数２） となる。ψは圧電素子の分極方向に反転させることによ
ってπとなっているため、数２は

【０００９】

【数３】 γ＝（１−２ｍ）π （数３）

【００１０】

【数４】 θ₀＝sin~¹｛(１−２ｍ）λ／２ｄ｝ （数４） となる。ここでｍのそれぞれの値に対応する方向音波が
放射されるが、物体照射にはｍ＝０に対応する音波ビー
ムを使用し、他は抑圧する。この照射方位

【００１１】

【数５】 θ₀₀＝sin~¹（λ／２ｄ） （数５） となる。一方垂直方向の音波照射範囲は、図１における
送受波器の垂直方向幅ｂによって定まる。垂直方向の指
向性Ｓ（θ）は良く知られているように

【００１２】

【数６】 Ｓ（θ）＝sin ｕ／ｕ （数６） で表される。ここで、ｕ＝（πｂ／λ）sinθである。
今回試作した送波器は、ｄ＝１ｍｍ，ｂ＝５ｍｍ，ｎ＝
５００である。試作送波器の駆動周波数に対する照射方
位θ₀₀の変化を図２に示す。この結果から、０．９５〜
１．９ＭＨｚ音波を使用することにより３０度の水平方
向音波掃引が可能であり、数５の論理値ともよく一致し
ていることがわかる。

【００１３】つぎに、基本的構成に付き、このような送
受波器により受信されるドプラ信号の概要を説明する。
基本動作においては、図３の１に示す送受波器から、周
波数がｆ１であり時間間隔Ｔ（一定）なる超音波パルス
信号を順次送波する。この信号は、送受波器の特性か
ら、この周波数により定まる特定方向θ１に照射され、
超音波ビーム１６となる。この信号は、プランクトンの
ような浮遊微生物１５により反射され、送受波器１によ
り受信される。この受信信号は、浮遊微生物が海流の速
度にて運動していることから、海流の（ベクトル量とし
ての）速度ｖによるドプラ効果を受ける。このため、送
受波器１により受信した反射信号は、ドプラ効果により
海流の速度に対応した周波数移動を示す。従って、この
ドプラ変移周波数ｆｄ１はｆｄ１＝ｆ１（２ｖ１／ｃ）
となる。ここで、ｖ１＝ｖ cos（θ＋θ１）、ｖは海流
速度の絶対値であり、θは海流速度の方向である。この
移動周波数ｆｄ１は、通常の、各種ドプラ計測手段によ
り計測可能であり、従ってｖ１が求まる。

【００１４】本発明における構成は、図３に示す基本構
成を複数組使用し、図４に示す構成として実現する。図
４における送受波器２により同様に超音波信号１７を送
波し、反射体からのドプラ信号周波数ｆｄ２を得る。こ
のようにして得られた受信信号周波数ｆｄ２は、同様に
ｆｄ２＝ｆ２（２ｖ２／ｃ）となる。ここで、ｖ２＝ｖ
cos（θ＋θ２）である。同様にｆｄ２が計測され、従
ってｖ２が求まる。このｖ１とｖ２とから、簡単な計算
により、海流のベクトル速度がｖ＝ｖ１／ｃｏｓ（θ＋
θ１）＝ｖ２／ｃｏｓ（θ＋θ２）、θ＝（θ２−θ
１）／２−tan~¹｛tanθ１（ｖ２−ｖ１）／（ｖ２＋ｖ
１）｝と求まる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明による装置全体の構成を図
５に示す。ここで、１、２が配列形超音波送受波器であ
り、これらを駆動信号源３、４からの信号により振動さ
せることにより対象領域中に超音波を発生する。反射体
からの信号は１、２により受信される。この受信信号は
増幅器５、６により増幅され、ドプラ周波数演算部７、
８に入力する。この、ドプラ周波数演算部の構成は、参
照信号として各送信信号を使用することにより、通常の
パルスドプラ計測方式がそのまま使用可能である。この
構成については参考文献が有る（Ｄ．Ｂaker: ＩＥＥＥ
Ｔrans．Ｓonics ＆ Ｕltrasonics,ＳＵ−１７（１９
７０）１７０）。ドプラ周波数を速度演算部１０に入力
する。この速度演算部１０により本発明による速度計測
処理が行なわれ、表示部１０に色相、輝度、数字等にて
対象のベクトル速度を表示する。制御部９が送信周波数
を決定し、計測領域の設定と、ドプラ周波数演算のため
の参照信号供給等の制御を行う。

【００１６】本発明における、分極反転配列（ψ＝π）
送受波器による超音波照射方向は、数４により与えら
れ、ｍ＝０とｍ＝１によるビームが同時に形成され、そ
れぞれの値に対応する照射方位はθ₀₀＝sin~¹（λ／２
ｄ）、θ₀₁＝sin~¹（−λ／２ｄ）となり、図６ａ）に
示すように、正面方向に関し対称の方向に形成される。
この不要ビームを直交した反射板により抑圧する手法と
して図６ｂ）ｃ）に示す反射板を配置する構成がある。
ここで、１２が伝搬媒体（ここでは海水）より音響イン
ピーダンスが低い、例えば独立気泡スポンジ等による反
射壁である。一方、１３が逆に伝搬媒体（ここでは海
水）より音響インピーダンスが高い、例えば金属等によ
る反射壁であり、半周期ずらせて配置する。また、図６
ｄ）ｅ）に示すψをπ／２等に選択する構成がある。こ
こで、１４がπ／２の移相器である。この構成は、ψを
π／４等にする構成も当然可能である。さらに、音波放
射面をθ₀₀の中心方位（３０度）に向け傾斜配列し、素
子面の指向特性を利用して不要放射を抑圧する別の構成
も可能である。

【００１７】図６ｂ）ｃ）に示す反射板を配置する構成
による計測方式として、図７ａ）ｂ）がある。図７ａ）
が、遠距離に低周波信号が使用されるため、感度の点で
有利である。一方、図７ｂ）が、遠距離に高周波信号が
使用されるため、分解能の点で有利である。

【００１８】図６ｄ）ｅ）に示すψをπ／２等に選択す
る構成による計測方式として、図８ａ）ｂ）がある。図
８ａ）が、両ビームが内側を向くため、近距離における
計測において有利である。一方、図８ｂ）が、両ビーム
が正面に関して同一方向を向くため、遠距離における計
測において有利である。

【００１９】また、図９に示すように、軸線１８、１９
を傾斜させることにより、観測領域を自由に設定可能と
なる。

【００２０】基本動作では、送受波器から周波数がｆ１
なる超音波パルス信号を、等時間間隔Ｔにて順次送波す
ることとしたが、図１０ａ）に示すように、時間と共に
周波数が変化する信号を連続して送波し、一回の送受信
により多数位置の流速計測を実施する構成も可能であ
る。ここで、２０が送信波形であり、２１が受信信号波
形である。この図に示す構成のように、先に送波する信
号がより遠方の領域を計測するように構成すると、所望
受信信号の出現時刻を集中させることが可能である。こ
のため、送信の周期Ｔを短縮化可能であり、高性能化が
可能となる。また、図１０ｂ）に示すように、複数の周
波数成分を有する信号を送波し、一回の送受信により多
数位置の流速計測を実施する構成も可能である。この構
成においては、先に受信される信号がより近傍の領域を
計測することとなる。この方式においても、送受信の繰
り返し周期を短縮化可能であり、高性能化が可能とな
る。また、図１１に示すように、送受波器１と送受波器
２とが、周波数が異なる送信信号２０−１，２０−２を
同時に送波し、一回の送受信動作により両送受波器のド
プラ信号２１−１，２１−２を受信する構成も可能であ
る。この方式においては、送受信の繰り返し周期を半分
に短縮化可能であり、高速流速の計測が可能となる。

【００２１】図１２に示すように、船の舷側に複数組の
送受波器（１−１：１−２，１−２：２−２）を配置す
る構成が、送受波器間隔を広く設定できるため、高精度
ベクトル計測のために有効である。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、高精度の海流計測ある
いは自艦の航路解析が、簡便に可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】送受波器の説明図。

【図２】駆動周波数と照射方位の関係の説明図。

【図３】ドプラ周波数の説明図。

【図４】本方式の基本構成の説明図。

【図５】装置構成の説明図。

【図６】不要照射とその抑圧構成の説明図。

【図７】壁反射による各種構成例の説明図。

【図８】外向き照射の構成例の説明図。

【図９】基線傾斜構成の説明図。

【図１０】多周波信号構成の説明図。

【図１１】異周波信号同時送波構成例の説明図。

【図１２】送受波器配置例の説明図。

【図１３】送受波器配置例の説明図。

【符号の説明】

１、２…送受波器、 ３、４…送波信号源、 ５、６…増幅器、 ７、８…ドプラ周波数検出部、 ９…制御部、 １０…速度演算部、 １１…表示部、 １２、１３…反射壁、 １４…移相器、 １５…反射体、 １６、１７…超音波ビーム、 １８、１９…基線、 ２０…送信信号、 ２１…受信信号。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の位置から、波動を共通の領域に照射
   し、前記領域からの受信信号を得る送受波器を有し、前
   記受信信号を周波数分析する事により、対象の移動速度
   を計測する装置において、照射される信号の周波数が、
   照射方位により異なるように構成される事を特徴とする
   計測装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の装置における送波器が、
   極性を反転した圧電素子の配列により構成される計測装
   置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の装置における前記送受波
   器が、不要方向への信号照射を抑圧する構成を有する計
   測装置。
4. 【請求項４】請求項１に記載の装置における照射信号
   が、時間と共に周波数が変化する信号である計測装置。
5. 【請求項５】請求項１に記載の装置における照射信号
   が、複数の周波数成分を有する信号波形である計測装
   置。
6. 【請求項６】請求項１に記載の装置における送受波器
   を、４ヵ所に対向配置する計測装置。
7. 【請求項７】請求項１に記載の装置において、最高及び
   最低使用信号周波数の比がほぼ２以下である計測装置。