JPH11352225A

JPH11352225A - 速度測定装置

Info

Publication number: JPH11352225A
Application number: JP16325798A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Hiraoka; 康平岡
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 1998-06-11
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 1999-12-24

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、連続波モードで速度に悪影響を及
ぼすビーム外れが生じても正確な速度出力を維持できる
速度測定装置を提供する。【解決手段】本発明は、超音波で速度を測る速度測定
装置１において、連続波を送信する複数の送信手段３
と、連続波の反射波を受信する複数の受信手段２と、複
数の前記反射波のドプラ周波数毎に速度を算出する速度
算出手段１４と、前記反射波の異常を検出する異常検出
手段１４とを有し、前記速度算出手段１４は、前記異常
検出手段１４により異常なドプラ周波数が検出された場
合、異常なドプラ周波数を取り除き、正常なドプラ周波
数のみから速度を算出することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、連続波ドップラー
を用いての速度を測定する装置に使用される速度測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、船速度を検出する場合、海底や反
射物に連続波の超音波ビーム（以下、「ビーム」とい
う。）をあて、速度測定装置によりそこでのドプラシフ
トを検出して行う。この速度測定装置において、船速度
を３次元的に計測する為には、図４に示すように、３つ
以上のビームが必要であり、従来から速度測定装置３０
は、複数の方向のビームで、速度方向とその絶対値を正
確に検出するようになっている。ここでは、送受波器か
ら照射されるビームを３本とし、照射されたビームの各
点が真上からみて正三角形となり、３つのビームのそれ
ぞれが俯角θとなるように、送受波器が取り付けられて
いる場合を例に説明する。

【０００３】水中の音速をｃ、送信周波数をｆ₀、ビー
ム１、２、３から得られたドプラ周波数をｆ₁、ｆ₂、
ｆ₃〔Hz〕とすると、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向の速度Ｖ_X、
Ｖ_Y、Ｖ_Zは、式１で表される。

【０００４】

【数１】

【０００５】送受波器から複数のビームが等しく同一の
ポイントに照射されているわけではないので、式１は、
３つのビームが同一ポイント又は同一の連続成分からド
プラシフトを生ぜしめているとの前提のもとに使用され
る換算式である。この換算式は、従来から多くのケース
で成立する条件として使用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ドプラ
周波数ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃のいずれかが異常になると、速
度Ｖ_X、Ｖ_Y、Ｖ_Zは、その影響を受けてしまうため、
従来の速度測定装置は、正確な速度検出ができなくなる
という問題点があった。即ち、速度測定装置の移動に伴
って、各送受波器からビームを照射する地点が変わって
いくため、異常なドップラシフト信号が取り込まれる可
能性があり、正確な速度検出ができなくなるという問題
点があった。速度測定装置を利用するシステムが、例え
ば、潜水艇（以下、「ＤＳＲＶ」という。）３１のよう
に超音波の照射対象物（以下、「ターゲット」とよ
ぶ。）と数ｍにまで近づくような使用条件において、そ
の傾向が大きい。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すよう
に、ＤＳＲＶ３１の移動に伴って、時間と共にターゲッ
トのポイントが変わるため、あるビームがターゲットか
ら外れると、異常なドプラシフト信号が取り込まれる場
合があり、正確な船速精度を維持できなくなる。特に、
低速でターゲットと接近する場合に、ビームのポイント
が外れやすいため、疑似的なドプラシフトが船速に悪影
響を及ぼす可能性が大きくなる。

【０００７】そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなさ
れたものであって、その目的とするところは、連続波モ
ードで速度に悪影響を及ぼすビーム外れが生じても正確
な速度出力を維持できる速度測定装置を提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
超音波で速度を測る速度測定装置において、連続波を送
信する複数の送信手段と、連続波の反射波を受信する複
数の受信手段と、複数の前記反射波のドプラ周波数毎に
速度を算出する速度算出手段と、前記反射波の異常を検
出する異常検出手段とを有し、前記速度算出手段は、前
記異常検出手段により異常なドプラ周波数が検出された
場合、異常なドプラ周波数を取り除き、正常なドプラ周
波数のみから速度を算出することを特徴とする。これに
より、異常なドプラ周波数を取り除くことができ、正常
なドプラ周波数のみから速度を算出できるため、異常な
ドプラ周波数が検出されたときでも、正確に速度を算出
できる。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明の構成に加えて、前記送信手段及び前記受信手段がそ
れぞれ４個以上であることを特徴とする。これにより、
ノイズ環境下にある場合でもＳＮ比を改善できるため、
より確からしい速度を算出できる。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２記載の発明の構成に加えて、ドプラ周波数を推定す
る推定手段を有し、前記速度算出手段は、前記異常検出
手段により異常なドプラ周波数が検出された場合、推定
手段により推定された前記ドプラ周波数から速度を算出
することを特徴とする。これにより、異常なドプラ周波
数を取り除き、新たにドプラ周波数を推定して速度を算
出するため、異常なドプラ周波数を検出した場合であっ
ても、より正確に速度を測定することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。速度測定装置は、ＤＳＲＶに搭載さ
れており、ビームを使ってＤＳＲＶの速度を測定するよ
うになっている。図１に示すように、この速度測定装置
１は、受信手段を構成する受信部２と、送信手段を構成
する送信部３と、速度解析装置４と、速度計５とを有し
ている。

【００１２】送信部３は、送信器１０ａ、１０ｂ、１０
ｃと、送信アンプ１１とを有しており、主制御部１８の
指令にしたがって３本のビームを照射するようになって
いる。受信部２は、受信器６ａ、６ｂ、６ｃと、プリア
ンプ７と、フィルタアンプ８と、受信アンプ９とを有し
ており、各ビームの反射波を受信するようになってい
る。

【００１３】速度解析装置４は、Ａ／Ｄ変換器１２と、
速度算出用サンプルメモリ１３と、演算部１４と、ピー
ク値メモリ１５と、平均値・標準偏差メモリ１６と、標
準偏差メモリ１６ｂと、速度メモリ１７と、主制御部１
８とを有しており、受信データを解析するようになって
いる。Ａ／Ｄ変換器１２には、速度算出用サンプルメモ
リ１３が接続されており、Ａ／Ｄ変換器１２は、受信部
２により受信した受信データをデジタル処理するように
なっている。

【００１４】速度算出用サンプルメモリ１３は、反射波
の数値データ（以下、「数値データ」という。）を格納
するようになっている。ピーク位置メモリ１５は、所定
個数のドプラ周波数のピークを与える値（以下、「ピー
ク位置」という。）を時系列的に格納するようになって
いる。平均値・標準偏差メモリ１６は、平均値格納領域
１６ａと、標準偏差格納領域１６ｂとを有しており、平
均値格納領域１６ａは、ドプラ周波数のピーク位置の平
均値（以下、「平均値」という。）を格納し、平均値を
順次更新するようになっている。また、標準偏差格納領
域１６ｂは、ドプラ周波数のピーク位置の標準偏差（以
下、「標準偏差」という。）を格納し、標準偏差を順次
更新するようになっている。

【００１５】演算部１４には、速度算出用サンプルメモ
リ１３と、速度メモリ１７とが接続されており、演算部
１４は、速度算出用サンプルメモリ１３から数値データ
を取り込み、ＤＳＲＶの速度ｖ_(t)をリアルタイムに算
出して速度メモリ１７に格納するようになっている。ま
た、演算部１４には、平均値・標準偏差メモリ１６とが
接続されており、平均値及び標準偏差を取り込み、ドプ
ラ周波数の異常を検出するようになっている。さらに、
演算部１４には、ピーク位置メモリ１５が接続されてお
り、過去のピーク位置から正常なピーク位置を推定する
ようになっている。

【００１６】演算部１４には、処理速度を速める観点か
らＤＳＰ（digital signal processor）を使用する。こ
の演算部１４は、速度算出手段と、異常検出手段と、推
定手段を構成し、図２に示すように、ＦＦＴ（fast Fou
rier transform）処理部（高速フーリエ変換部）１９
と、ピーク検出部２０と、ピーク位置推定・選択部２１
と、偏差算出部２２と、比較部２３と、速度算出部２４
と、平均値・標準偏差算出部２５とを有している。

【００１７】ＦＦＴ処理部１９は、速度算出用サンプル
メモリ１３に接続されており、各ビームの反射波毎に数
値データを高速フーリエ変換し、ピーク検出部２０にド
プラ周波数を出力するようになっている。ピーク検出部
２０は、各ビーム毎にピーク位置を検出し、偏差算出部
２２及びピーク位置推定・選択部２１に出力するように
なっている。偏差算出部２２は、平均値格納領域１６ａ
から取り込んだ平均値と、最新のピーク位置とから偏差
Δを算出し、比較部２３に出力するようになっている。
比較部２３は、標準偏差格納領域１６ｂから取り込んだ
標準偏差σと、偏差Δとを比較してピーク位置の異常を
検出し、その検出結果をピーク位置推定・選択部２１に
出力するようになっている。

【００１８】ピーク位置推定・選択部２１は、比較部２
３の検出結果から１つ又は複数のビームのピーク位置に
異常があり、正常な残りのビームのみで速度を計算でき
ない場合、ピーク位置メモリ１５から前回のピーク位置
を取り込み、そのピーク位置から正常なピーク位置を推
定するようになっている。即ち、今回得られた正常なビ
ームのピーク位置と前回のピーク位置の比率から正常な
ピーク位置を推定するようになっている。

【００１９】ピーク位置推定・選択部２１は、異常なピ
ーク位置を取り除き、推定されたピーク位置と正常なピ
ーク位置から速度計算に必要なピーク位置を選択し、速
度算出部２４及びピーク位置メモリ１５に出力するよう
になっている。また、ピーク位置が全て正常である場合
には、そのまま、速度算出部２４及びピーク位置メモリ
１５に出力するようになっている。

【００２０】速度算出部２４は、各ピーク位置からビー
ム毎の速度を算出し、それらを合成してＤＳＲＶの速度
を速度メモリ１７に出力するようになっている。平均値
・標準偏差算出部２５は、ピーク位置メモリ１５に新た
にピーク位置が格納されると、ピーク位置メモリ１５か
ら過去のＮ個のピーク位置を読み出して、ピーク位置の
平均値と標準偏差を算出し、平均値格納領域１６ａ及び
標準偏差格納領域１６ｂに格納するようになっている。

【００２１】図１に示すように、主制御部１８には、送
信アンプ１１が接続されており、主制御部１８は、送信
部３がビームを照射するように、連続波信号を送信する
ようになっている。また、主制御部１８には、速度メモ
リ１７と速度計５とが接続されており、主制御部１８
は、速度メモリ１７からＤＳＲＶの速度ｖ_(t)を読み出
して速度計５に出力するようになっている。

【００２２】上記の構成において、速度測定装置１の動
作を図面を参照しつつ説明する。図３に示すように、Ｄ
ＳＲＶは、対象物に向けて潜水を開始すると、主制御部
１８は、送信部３に連続波信号を送信する。送信部３
は、連続波信号を受信すると、ビームの照射を開始する
（Ｓ１）。受信部２は、ビームの反射波を受信すると
（Ｓ２）、Ａ／Ｄ変換器１２を介して数値データを速度
算出用サンプルメモリ１３に送信する。

【００２３】演算部１４は、速度算出用サンプルメモリ
１３から数値データを読み出して、各ビーム毎に異常検
出処理を行う（Ｓ３）。ＦＦＴ処理部１９は、速度算出
用サンプルメモリ１３から数値データを読み出して、各
ビーム毎に高速フーリエ変換し、ピーク検出部２０にド
プラ周波数を出力する。ピーク検出部２０は、各ビーム
毎にピーク位置を検出し、ピーク位置推定・選択部２１
及び偏差算出部２２に出力する。

【００２４】標準偏差部２２は、平均値格納領域１６ａ
から平均値を読み出し、今回のピーク位置と平均値とか
ら偏差Δを算出し、比較部２３に出力する。比較部２３
は、標準偏差格納領域１６ｂから標準偏差σを読み出
し、偏差Δ及び標準偏差σを式２に代入し、その比較結
果をピーク位置推定・選択部２１に出力する。

【００２５】

【数２】

【００２６】これにより、偏差Δが許容範囲（２σ）内
であるか否かを判定できるため、ピーク位置の異常を検
出できる。ピーク位置が異常であると判定すると（Ｓ
４、ＹＥＳ）、ピーク位置推定・選択部２１は、正常な
ピーク位置の推定処理を行う（Ｓ５）。例えば、表１に
示すように、ビーム２、３が異常であるとすると、ピー
ク位置推定・選択部２１は、ピーク位置メモリ１５から
ビーム１〜３の前回のピーク位置を読み出して、正常な
ビーム１の前回のピーク位置と今回のピーク位置の比率
（１．４倍）を算出し、ビーム２、３の前回のピーク位
置にその比率を乗じて正常なピーク位置を推定する。

【００２７】

【表１】

【００２８】ピーク位置推定・選択部２１は、正常なピ
ーク位置を推定すると、速度算出部２４及び過去のピー
ク位置メモリ１５に各ピーク位置を出力する。速度算出
部２４は、式３から各ビーム毎にＤＳＲＶの速度を算出
し、それらを合成して速度メモリ１７に出力する（Ｓ
６）。

【００２９】

【数３】

【００３０】これにより、ビームがターゲットから外
れ、異常なドプラシフト信号が取り込まれても、正常な
ドプラ周波数から速度を算出できるため、正確に速度を
算出できる。

【００３１】一方、Ｓ３において、平均値・標準偏差算
出部２５は、ピーク位置メモリ１５に新たなピーク位置
が格納されると、過去のＮ個のピーク位置を読み出し
て、平均値と標準偏差を算出し、平均値格納領域１６ａ
及び標準偏差格納領域１６ｂに格納する。これにより、
平均値格納領域１６ａ及び標準偏差格納領域１６ｂは、
随時、平均値と標準偏差σを新たに更新するため、許容
範囲（２σ）も変動し、ＤＳＲＶの移動速度に伴って異
常検出精度を調整できる。

【００３２】尚、ＤＳＲＶが一定速度で運転する場合に
は、標準偏差σ（許容範囲）が小さくなり、わずかな偏
差Δでも異常を検出してしまうため（異常検出精度がよ
くなりすぎるため）、標準偏差σが一定値以下になった
場合には、偏差Δと所定の基準値とを比較して異常検出
を行う。

【００３３】尚、ＤＳＲＶの加速度が平均時間中に大き
く変化すると、本実施形態に係る標準偏差σは、その影
響で大きな値になり異常検出精度が劣化するので、加速
度が大きく変化する場合には、平均速度の変化を差し引
きした値から標準偏差σを求め、異常検出を行う。さら
に、Ｎで表した時間長をリアルタイムに標準偏差σによ
って変える方法や、標準偏差σとピーク位置の平均を算
出するための逆のぼる数を違える方法も有効である。

【００３４】尚、本実施形態に係る速度測定装置１は、
ドプラ周波数のピーク位置から速度を検出するため、ビ
ーム外れ等による船速以外のドプラシフト成分を取り込
んだ場合でも、そのドプラ周波数がピーク位置にならな
ければ、そのドプラ周波数が速度検出に悪影響を与える
こともない。従って、本実施形態に係る速度測定装置１
は、ドプラ周波数のピーク位置からだけでなく、ドプラ
周波数のピーク位置から算出したＤＳＲＶの速度や加速
度から異常検出を行うものであってもよい。

【００３５】尚、本実施形態に係るピーク位置の推定方
法は、単一のビームからピーク位置の比率を決定する方
法に限定するものではなく、正常な複数のビームのピー
ク位置を総合して推定の比率を決定してもよい。また、
本実施形態に係る速度測定装置１は、前回のピーク位置
にピーク位置の比率を乗じて正常なピーク位置を推定す
るものに限定されず、他の方法で推定するものであって
もよい。尚、本実施形態に係る推定方法を採用するの
は、ＤＳＲＶの速度又は加速度が、直前に得られた速度
方向と原則的に同じ方向であると考えられるためであ
る。

【００３６】尚、本実施形態に係る速度測定装置１は、
３本のビームを照射するとして説明したが、これに限る
ものではなく、３本以上のビームを照射するものであっ
てもよい。本実施形態に係る速度測定装置１は、ＤＳＲ
Ｖに搭載される場合に限るものではなく、船の接岸装置
や、自動車の車庫入れ等の衝突予防装置としても使用で
きる。

【００３７】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、超音波で速度を
測る速度測定装置において、連続波を送信する複数の送
信手段と、連続波の反射波を受信する複数の受信手段
と、複数の前記反射波のドプラ周波数毎に速度を算出す
る速度算出手段と、前記反射波の異常を検出する異常検
出手段とを有し、前記速度算出手段は、前記異常検出手
段により異常なドプラ周波数が検出された場合、異常な
ドプラ周波数を取り除き、正常なドプラ周波数のみから
速度を算出する構成である。これにより、異常なドプラ
周波数を取り除くことができ、正常なドプラ周波数のみ
から速度を算出できるため、異常なドプラ周波数が検出
されたときでも、正確に速度を算出できるという効果を
奏する。

【００３８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明の構成に加えて、前記送信手段及び前記受信手段がそ
れぞれ４個以上である。これにより、ノイズ環境下にあ
る場合でもＳＮ比を改善できるため、より確からしい速
度を算出できるという効果を奏する。

【００３９】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２記載の発明の構成に加えて、ドプラ周波数を推定す
る推定手段を有し、前記速度算出手段は、前記異常検出
手段により異常なドプラ周波数が検出された場合、推定
手段により推定された前記ドプラ周波数から速度を算出
する構成である。これにより、異常なドプラ周波数を取
り除き、新たにドプラ周波数を推定して速度を算出する
ため、異常なドプラ周波数を検出した場合であっても、
より正確に速度を測定できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係る速度測定装置を説明する図で
ある。

【図２】本実施形態に係る演算部を説明する図である。

【図３】本実施形態に係る速度測定装置の動作を説明す
る図である。

【図４】ビームの照射状況を説明する図である。

【図５】ビーム外れを説明する図である。

【符号の説明】

１速度測定装置２受信部３送信部４速度解析装置５速度計６受信器７プリアンプ８フィルタアンプ９受信アンプ１０送信器１１送信アンプ１２Ａ／Ｄ変換器１３速度算出用サンプルメモリ１４演算部１５ピーク位置メモリ１６ａ平均値メモリ１６ｂ標準偏差メモリ１７速度メモリ１８主制御部１９ＦＦＴ処理部２０ピーク検出部２１ピーク位置推定・選択部２２偏差算出部２３比較部２４速度算出部２５平均値・標準偏差算出部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波で速度を測る速度測定装置におい
て、連続波を送信する複数の送信手段と、連続波の反射波を受信する複数の受信手段と、複数の前記反射波のドプラ周波数毎に速度を算出する速
度算出手段と、前記反射波の異常を検出する異常検出手段とを有し、前記速度算出手段は、前記異常検出手段により異常なド
プラ周波数が検出された場合、異常なドプラ周波数を取
り除き、正常なドプラ周波数のみから速度を算出するこ
とを特徴とする速度測定装置。
【請求項２】前記送信手段及び前記受信手段がそれぞ
れ４個以上であることを特徴とする請求項１記載の速度
測定装置。
【請求項３】ドプラ周波数を推定する推定手段を有
し、前記速度算出手段は、前記異常検出手段により異常なド
プラ周波数が検出された場合、推定手段により推定され
た前記ドプラ周波数から速度を算出することを特徴とす
る請求項１又は請求項２記載の速度測定装置。