JPS60210786A - 超音波距離測定装置 - 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】 ＋ａ）技術分野 この発明は超音波を利用して水中に存在する物体までの
距離を測定する装置に関し、特に水中に複数の物体が存
在するときそれぞれの物体までの距離を同時に測定する
ことのできる超音波距離測定装置に関する。

（ｂｌ従来技術とその欠点 超音波距離測定装置は被測定物体からの受信信号を所定
のスレッショルドレベルで比較し、受信信号がそのスレ
ッショルドレベルを越えたときまでの時間に基づいて超
音波発生時点から被測定物体までの距離を測定するよう
している。しかし、従来の超音波測定装置はスレッショ
ルドレベルが一つしか設定されていなかったために、受
信レベルの異なる物体、すなわち音響反射強度の異なる
複数の物体が重なっている場合、各物体までの距離を同
時に測定することができず、しかも設定されるスレッシ
ョルドレベルの大きさによって測定結果が大きく異なっ
てくるという問題があった。

（Ｃ）発明の目的 この発明の目的は上記の欠点を解消し、音響反射強度の
異なる物体が水中深度を異にして存在する場合に、各物
体までの距離を同時に且つ正確に測定することのできる
装置を提供することにある（ｄ）発明の構成 この発明は要約すれば、測定しようとする水中深度の異
なる複数の物体に応じてそれぞれの音響反射強度に基づ
いてスレッショルドレベルを複数個設定し、受信信号を
複数個のスレッショルドレベルで順次比較していくこと
により各々の物体までの距離を測定することを特徴とす
る。

（ｅ）実施例 第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る超音波測定装置で
被測定物体までの距離を測定するときの送受波器と測定
物体との位置関係、受信信号波形とスレッショルドレベ
ルとの対応関係をそれぞれ示す。

同図は岸壁に付着する生物の厚さを測定するときの状態
を示したもので、図において、１は送受波器、２は岸壁
、３は海面等の軟質生物層、４はふじつぼ等の硬質生物
層を示す。見０は送受波器１から岸壁２までの距離であ
る。また同図（Ｂ）においてＰは送信パルス、Ｎはノイ
ズ、Ｅｓは軟体生物層３からの反射波、Ｅｈは硬質生物
層４からの反射波を示し、さらにＴｈは硬質生物層から
の反射波Ｅｈを識別するためのスレッショルドレベル、
Ｔｓは軟質生物層からの反射波Ｅｓを識別するためのス
レッショルドレベルである。

第１図（Ｂ）に示すように送信パルスＰを発振後は、ノ
イズＮの期間を経て音響反射強度の小さい軟質生物層３
からの反射信号を受信し、続いて音響反射強度のより大
きい硬質生物Ｎ４からの反射信号を受信する。したがっ
て、この二つのスレッショルドレベルＴｓ、Ｔｈで順次
受信信号を比較していけば第２図に示す検出パルスを得
ることができる。同図（Ａ）はスレッショルドレベルＴ
ｈと受信信号を比較したときに得られるパルスＥｈ′と
送信タイミングパルスＰ′を示し、同図（Ｂ）はスレッ
ショルドレベルＴｓと受信信号とを比較したとき得られ
るパルスＥｓ’と送信タイミングパルスＰ′とを示す。

今、水中音速をＣとすれば第２図（Ａ）に示す時間差ｔ
ｈから硬質生物Ｎ４までの距離を、 ｈ−ｃ で得ることができ、さらに硬物生物Ｎ４の厚さを楚０−
ｔｈ−ｃ で計算することができる。また第２図（Ｂ）に示す時間
差ｔｓから上記と同様に軟質生物層３までの距離および
同軟質生物Ｎ３の厚さを計算することができる。

第３図はこの発明の実施例である超音波測定装置のブロ
ック図である。図において、２はトラップ回路で送受波
器１に対して送信パルスを送り、送受波器１で受信した
信号を受信部に送る。３は送信パルスを発生する送信部
、７は超音波距離測定装置全体の時間的な制御を行い、
さらに送信部３に対して送信タイミングパルスＰ′を送
出する制御部、８は送受波器１で受けた信号をトラップ
回路５を介して受信する受信部、９は受信信号を検波す
る検波部、１０は検波波形を整形するとともに受信部８
の利得を制御する利得制御部、１１は演算部で制御部７
および利得制御部１０から送信タイミングパルスや各物
体の検出パルスを受けて各被測定物体までの距離および
その物体の厚さを演算する。

第４図は上記超音波距離測定装置の要部の詳細なブロッ
ク図である。

図において、制御部７は非安定マルチバイブレークＡＭ
、単安定マルチバイブレークＭＭＩおよびＭＭ２、フリ
ップフロップＦＦで構成される。

非安定マルチバイブレークＡＭは超音波パルスを繰り返
し送出する周期を決定し、測長距離に対して十分な周期
となるように設定されている。単安定マルチバイブレー
クＭＭＩは送信タイミングパルスＰ′を形成し、送信部
６に送出する。単安定マルチバイブレークＭＭ２は送信
タイミングパルス発生後、一定時間の間受信部を作動さ
せないパルスを形成し、その時間が経過したときにフリ
ップフロップＦＦをセットする。

前記利得制御部１０は前記単安定マルチバイブレークＭ
Ｍ２からパルスを受けていないときにオンするスイッチ
ＳＷ１、音響反射強度の小さい物体に対応するスレッシ
ョルドレベルと受信信号とを比較する第１の比較回路Ｃ
ＯＭＩ、音響反射強度の大きい物体に対応するスレッシ
ョルドレベルと受信信号とを比較する第２の比較回路Ｃ
０Ｍ２、前記第１の比較回路Ｃ０Ｍ１を作動させている
ときに受信部８に対する利得制御電圧Ｖ　（ＡＧＣ）を
形成する利得制御電圧形成回路ＡＧＣ１、前記第２の比
較回路Ｃ０Ｍ２を作動させているときに受信部８に対す
る利得制御電圧Ｖ　（ＡＧＣ）を形成する第２の利得制
御電圧形成回路ＡＧＣ２およびＡＧＣ電圧切り換えスイ
ッチＳＷ５で構成されている。

前記第１の利得制御電圧形成回路ＡＧＣ１は入力側にス
イッチＳＷ２、出力側にスイッチＳＷ３が介挿され、さ
らにノイズ平均化回路とオペアンプＡを含む。また前記
第２の利得制御電圧形成回路ＡＧＣ２は入力側に介挿さ
れたスイッチＳＷ４と比較器Ｃ２およびノイズ平均化回
路を含んでいる。

前記制御部７に配置され、単安定マルチバイブレークＭ
Ｍ２がリセットしたときにセットするフリップフロップ
ＦＦはそのセット状態で前記第１の利得制御電圧形成回
路ＡＧＣ１のスイッチＳＷ２、スイッチＳＷ３をオンし
、またＡＧＣ電圧切り換えスイッチＳＷ５を端子ａに切
り換え設定する。また同フリソプフロンプＦＦのリセッ
ト状態で前記第２の利得制御電圧形成回路ＡＧＣ２のス
イッチＳＷ４をオンし、ＡＧＣ電圧切り換えスイッチＳ
ＷＳをｂ接点に切り換え設定する。

前記第１の比較回路ＣＯＭＩは低レベルのスレッショル
ドレベルＴｓとスイッチＳＷ２の出力電圧とを比較する
比較器Ｃ１で構成され、その出力は演算部１１に導かれ
るとともに、フリップフロップＦＦをリセットする。ま
た前記第２の比較器１１ｃＯＭ２は高レベルのスレッシ
ョルドレベルＴｈとスイッチＳＷ４の出力電圧とを比較
する比較器Ｃ３で構成され、その出力は演算部１１に導
かれる。

低レベルのスレッショルドレベルＴｓはスイッチＳＷ２
がオンしているとき、その出力電圧に載っているノイズ
レベル以下にならない程度に設定される。スレッショル
ドレベルＴｓの実際の値は受信部８の利得、すなわち第
１の利得制御電圧形成回路ＡＧＣ１の出力電圧によって
相対的に定まる。今、被測定物体としては第１図（Ａ）
に示すように送受波器１に近い位置に音響反射強度の小
さい軟質生物層３があり、さらにその後方に音響反射強
度の大きい硬質生物Ｎ４がある場合を前提としているか
ら、分解能をよくするため、ＡＧＣｌでは受信部８の利
得を大きくするよう利得制御電圧Ｖ　（ＡＧＣ）を小さ
く設定するようにしている。なお、利得制御電圧形成回
路ＡＧＣ１において、抵抗Ｒ１，Ｒ２およびコンデンサ
に１で構成される回路はノイズ平均化回路を構成し、Ａ
はオペアンプを示している。ノイズ平均化回路の出力電
圧をＮ−ａとすると、オペアンペＡの出力はＮａ　＋Ａ
　・（Ｎａ　−Ｎ） （但しＡ：差動増幅器利得） となる。スイッチＳＷ３がオンしているときこのオペア
ンペＡの出力はコンデンサに２に充電されつつ切り換え
スイッチＳＷ５を介して受信部８に利得制御電圧Ｖ　（
ＡＧＣ）として送出される。利得制御電圧形成回路ＡＧ
Ｃ１をこのように形成することによってオペアンプＡの
利得を十分大きくすることによりＮａζＮとすることが
でき、Ｎの設定値を適当に選ぶことで受信部８の出力の
ノイズレベルを低レベルのスレッショルドレベルＴＳを
越えない適当な値に調整することできる。オペアンプＡ
の出力側に介挿されるスイッチＳＷ３はフリップフロッ
プＦＦがリセットしたとき、すなわち第１の比較回路Ｃ
０Ｍ１の比較器ＣＩの出力パルスが発生したときにオフ
となるが、これによってコンデンサに２に充電電圧を保
持しておくことができ、超音波パルスを繰り返し送出し
ても受信部８の利得を安定な状態に保持することができ
る。

前記スレッショルドレベルＴｓに比べて大きな値に設定
されているスレッショルドレベルＴｈは音響反射強度の
大きい硬質生物層４からの反射受信信号以下になるよう
に設定される。また第２の利得制御電圧形成回路ＡＧＣ
２は、上記第１の利得制御電圧形成回路ＡＧＣ１に比べ
て利得制御電圧Ｖ　（ＡＧＣ）を大きく設定する。これ
によって受信部８の利得は大幅に低下するが、受信レベ
ルの大きい硬質生物層４からの受信信号の検波後のりニ
アリティを良くすることができ、比較回路Ｃ０Ｍ２での
比較精度が向上される。なお、比較器Ｃ２は上記スレッ
ショルドレベルＴｈより少し大きい電圧（Ｔｈ＋Δ）と
スイッチＳＷ４の出力電圧とを比較する比較器であり、
またダイオードＤ１、抵抗Ｒ３，Ｒ４およびコンデンサ
に３は比較器Ｃ２の出力電圧を平均化する回路を構成す
る。

この比較器Ｃ２および平均化回路においてスイッチＳＷ
４の出力電圧が電圧（Ｔｈ＋Δ）よりも高くなるとその
高い間比較器Ｃ２の出力はプラスとなり、ダイオードＤ
１を通じてコンデンサに３に充電を始める。したがって
、電圧Ｖ　（ＡＧＣ）が上昇する。抵抗Ｒ３とＲ４との
値はＲ３＜＜Ｒ４に選択しであるため、充電が素早（行
われ放電が非常にゆっくり行われる。このため次の周期
になってもコンデンサに３に貯えられた電圧の減少は無
視できる程度に小さい。しかし、次の周期に受信された
反射信号の大きさ、すなわちスイッチＳＷ４の出力電圧
が電圧（Ｔｈ＋Δ）を越えないと充電が起こらないため
、コンデンサに３の放電が進み電圧Ｖ　（ＡＧＣ）を下
げる。このような動作を一周期毎に行わせることより、
結局反射信号の大きさ、すなわちスイッチＳＷ４の出力
電圧を常に電圧（Ｔｈ＋Δ）に近（なるように制御する
ことができる。このため反射信号の大きさはノイズ等に
影響されることなく安定し、比較器Ｃ３による比較も安
定に行うことができる。

次に第５図を参照して上記超音波距離測定装置の動作を
説明する。第５図はタイムチャートである。

非安定マルチバイブレークＡＭが動作を開始すると、周
期に′でパルスＰＭを連続的に発生する。

単安定マルチバイブレークＭＭＩは発振パルスＰＭの立
ち上がりで送信タイミングパルスＰ′を形成し、送信部
６に送る。送受波器１は送信タイミングパルスＰ′に同
期した超音波送信パルスＰを送受波器１から岸壁に向け
て発射する。超音波パルスはまず軟質生物層３の位置で
反射し、続いて硬質生物層４の位置で反射しさらに岸壁
２の位置で反射する。受信部８はそれぞれの反射信号を
受信し、検波部９でその受信信号をエンベロープ検波す
る。一方、パルスＰＭの立ち上がりから単安定マルチバ
イブレークＭＭ２は一定の時間ｔ１だけパルスを発生し
、その時間ｔ１経過後にフリップフロップＦＦをセット
するとともにスイッチＳＷｌをオンする。フリップフロ
ップＦＦがセントすると、スイッチＳＷ２．スイッチＳ
Ｗ３をオン、スイッチＳＷ４をオフおよびスイッチＳＷ
５を接点ａに切り換え設定し、検波部９の出方を第１の
比較回路ＣＯＭＩおよび第１の利得制御電圧形成回路Ａ
ＧＣ１に供給する。検波部９によって検波された信号は
比較器ｃ１に導かれるとともにノイズ平均化回路で平均
化され、オペアンプＡに導かれる。このときオペアンプ
Ａの反転入力端子に供給されている電圧Ｎは利得制御電
圧Ｖ　（ＡＧＣ）を小さくする値に設定しているため、
受信部８の利得は非常に大きくなっている。またこのと
きのスレッショルドレベルＴｓの大きさは受信ノイズレ
ベルを越える程度に設定されている。このため受信信号
にノイズ成分だけが含まれているしばらくの間は比較器
ｃ１の出力は“Ｌ”のままである。時間が経過し、受信
信号のレベルがスレッショルドレベルＴｓを越えると比
較器ｃ１の出力がハイとなり、フリップフロップＦＦを
リセットし、それによってスイッチＳＷ２．ＳＷ３をオ
フし、スイッチＳＷ４をオンするとともに、スイソチＳ
Ｗ５を接点すに切り換える。これによって演算部１１に
対し比較器ＣＩから軟質生物層検出パルスＰ１が供給さ
れる。

スイッチＳＷ２．ＳＷ３がオフしスイッチＳＷ４がオン
してさらにスイッチＳＷ５が接点すに切り換わると、続
いて受信信号は比較器Ｃ２および比較器Ｃ３に導かれる
。比較器Ｃ２ではその受信信号と電圧（Ｔｈ＋Δ）とを
比較し、平均化回路にて前者の電圧が後者の電圧を上回
ったときに充電し、下回ったときに放電することにより
平均化する。また比較器Ｃ３の出力は受信信号がスレッ
ショルドレベルＴｈを越えたときにハイとなる。

この結果、スレッショルドレベルＴｈを越える受信信号
の部分からノイズ成分が除去され、比較器Ｃ３の出力は
そのノイズの除去された受信信号がスレッショルドレベ
ルＴｈを越える期間だけ“Ｈ”を維持するパルスＰ２と
なる。

以上の動作が一周期に毎に繰り返され、演算部１１に対
して送信タイミングパルスＰ′、軟質生物層検出パルス
Ｐ１．硬質生物層検出パルスＰ２が順次供給されてい（
。演算部１１はそれらのパルスから第２図に示したよう
に時間ｔｈおよび時間ｔｓをめ、それらの値および予め
与えられている水中音速Ｃによって軟質生物Ｎ３までの
距離、硬質生物層４までの距離および軟質生物層、硬質
生物層のそれぞれの厚さをめる。演算の実際的な方法は
、複数周期の各パルスを得てそれらの平均値から行うの
が望ましい。

上記の実施例では被測定物体を軟質生物層３および硬質
生物層４の二種類の物体とした場合の動作を説明したが
、被測定物体が三種類以上の物体で構成されている場合
は制御部７にもう一段のフリップフロップを設け、さら
に利得制御部１０にももう一段の比較回路および利得制
御電圧形成回路を設け、２個のフリップフロ・ノブで三
種類の比較回路および利得制御電圧形成回路を順次切り
換えていくようにすればよい。

（ｆ）発明の効果 以上のようにこの発明によれば、スレッショルドレベル
を、測定しようとする水中深度の異なる複数の物体に応
じてそれぞれの音響反射強度に基づいて複数個設定し、
受信信号を複数個のスレッショルドレベルで順次比較し
て複数の各々の物体までの距離を測定するようにしたの
で、一度に複数の物体までの距離を演）定することがで
きるとともに、各物体の音響反射強度に応じてスレッシ
ョルドレベルを適当な値に設定することにより測定精度
を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）はこの発明に係る測定装置で距離測定を行
うときの送受波器と被測定物体との位置関係を示す図で
あり、同図（Ｂ）はそのときの受信信号波形を示す図で
ある。第２図（Ａ、（Ｂ）は受信信号波形を二つのスレ
ッショルドレベルで比較するときによって得られるパル
スと送信タイミングパルスとの時間差を示す図である。 また第３図はこの発明の実施例である超音波距離測定装
置のブロック図、第４図は同測定装置の要部の詳細なブ
ロック図、第５図は同測定装置の動作を説明するための
タイムチャートである。 ３−（音響反射強度の小さい）軟質生物層、４−（音響
反射強度の大きい）硬質生物層、ＣＯＭＩ、Ｃ０Ｍ２−
比較回路、 ＡＧＣＩ、ＡＧＣ２−利得制御電圧形成回路、Ｔ　５−
（ｆｆｉレベルスレッショルドレベル、Ｔｈ−高レベル
スレッショルドレベル。 出願人　海洋科学技術センター 代理人　弁理士　小森久夫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１超音波パルスを繰り返し送出して被測定物体から
   の受信信号を所定のスレッショルドレベルで比較するこ
   とにより水中の物体までの距離を測定スる装置において
   、前記スレッショルドレベルを、測定しよ・）とする水
   中深度の異なる複数の物体に応じてそれぞれの音響反射
   強度に基づいて複数個設定し、受信信号を複数個のスレ
   ッショルドレベルで順次比較して複数のそれぞれの物体
   までの距離を測定することを特徴とする超音波距離測定
   装置。 （２）音響反射強度の相対的に小さい物体に対応するス
   レッショルドレベルの大きさを、相対的に低く設定した
   特許請求の範囲第１項記載の超音波距離測定装置。 （３１受信信号と最も低いスレッショルドレベルとを比
   較するときの受信器利得を、受信信号ノイズレベルがそ
   のスレッショルドレベルを越えない程度に設定した特許
   請求の範囲第２項記載の超音波距離測定装置。