(57)【要約】【課題】  河底の凹凸，流速，水深にかかわりなく、河床形状，流速分布，流量を正確に測定できる河床形状測定装置を提供する。【解決手段】  測定線に沿って水面を移動する移動測定機器５と、移動測定機器５で得たデータを処理するとともに移動測定機器の位置，移動速度，方向などを検出する基地測定機器６とからなる。移動測定機器５は、指向特性を狭くした１つの超音波センサからの超音波を河底に向けて照射し、照射開始から複数の超音波センサで受信した反射波検出までの時間と既知の水中音速とから河底までの距離を算出し、河床形状を測定する。また、河底に向けて放射した１本の超音波ビームのビーム領域中にある水中散乱体が単位時間中に移動する距離量を求め、流速に換算し、流速分布を測定する。基地測定機器６は、移動測定機器の位置，移動速度，方向などを検出し、移動測定機器５が測定した相対的河床形状，流速を補正し、真の河床形状，流速分布，流量を求める。【選択図】        図１
2006208300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を用いて河川の測定線に沿った河床形状を測定する河床形状測定装置において、
測定線に沿って水面を移動する移動測定機器と、地上に設置され前記移動測定機器で得たデータを処理する基地測定機器とからなり、
前記移動測定機器が、河底方向に鋭い指向特性の超音波を照射し河底からの反射波を検出する超音波送受信センサと、前記超音波センサからの超音波照射領域に指向特性を有する超音波受信センサと、超音波照射から河底の反射波検出までの時間を測定する手段と、前記測定時間と超音波の音速と超音波センサの位置とから河底の位置を算出する手段と、前記各手段を積載した浮揚体の傾きを検出する手段と、前記傾きに応じて前記河底の位置座標を補正する手段とを含み、
前記基地測定機器が、前記移動測定機器の移動速度と移動方向と位置とを求める手段と、前記移動測定機器が測定した相対的河床形状を補正する手段とを含むことを特徴とする河床形状測定装置。
【請求項２】
超音波を用いて河川の測定線に沿った河床形状，流速分布を測定する河床形状測定装置において、
測定線に沿って水面を移動する移動測定機器と、地上に設置され前記移動測定機器で得たデータを処理する基地測定機器とからなり、
前記移動測定機器が、河底方向に鋭い指向特性の超音波を照射し河底および水中散乱体からの反射波を検出する超音波送受信センサと、前記超音波センサからの超音波照射領域に指向特性を有する超音波受信センサと、超音波照射から河底および水中散乱体の反射波検出までの時間を測定する手段と、前記測定時間と超音波の音速と超音波センサの位置とから河底および水中散乱体の位置ならびに水中散乱体の移動速度および移動方向を算出する手段と、前記各手段を積載した浮揚体の傾きを検出する手段と、前記傾きに応じて前記河底および水中散乱体の位置座標ならびに水中散乱体の移動速度および移動方向を補正する手段とを含み、
前記基地測定機器が、前記移動測定機器の移動速度と移動方向と位置とを求める手段と、前記移動測定機器が測定した相対的河床形状，流速分布を補正する手段とを含むことを特徴とする河床形状測定装置。
【請求項３】
超音波を用いて河川の測定線に沿った河床形状，流速分布，流量を測定する河床形状測定装置において、
測定線に沿って水面を移動する移動測定機器と、地上に設置され前記移動測定機器で得たデータを処理する基地測定機器とからなり、
前記移動測定機器が、河底方向に鋭い指向特性の超音波を照射し河底および水中散乱体からの反射波を検出する超音波送受信センサと、前記超音波センサからの超音波照射領域に指向特性を有する超音波受信センサと、超音波照射から河底および水中散乱体の反射波検出までの時間を測定する手段と、前記測定時間と超音波の音速と超音波センサの位置とから河底および水中散乱体の位置ならびに水中散乱体の移動速度および移動方向を算出する手段と、前記各手段を積載した浮揚体の傾きを検出する手段と、前記傾きに応じて前記河底および水中散乱体の位置座標ならびに水中散乱体の移動速度および移動方向を補正する手段とを含み、
前記基地測定機器が、前記移動測定機器の移動速度と移動方向と位置とを求める手段と、前記移動測定機器が測定した相対的河床形状，流速分布，流量を補正する手段とを含むことを特徴とする河床形状測定装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の河床形状測定装置において、
前記移動測定機器の移動速度と移動方向と位置とを求める手段が、前記移動測定機器に設置した複数の反射体の位置を検出するレーダ装置であることを特徴とする河床形状測定装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の河床形状測定装置において、
前記超音波受信センサが、２次元超音波アレイセンサであることを特徴とする河床形状測定装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の河床形状測定装置において、
前記移動測定機器が、超音波を散乱する散乱体を水中に放出する水中散乱体放出手段を備えたことを特徴とする河床形状測定装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の河床形状測定装置と、得られた河床形状または流速分布または流量の水理情報を用いて災害を予測する手段とからなる災害予測システム。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の河床形状測定装置と、得られた河床形状または流速分布または流量の水理情報を用いてハザードマップを作成する手段とからなるハザードマップ作成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、河床形状測定装置に係り、特に、超音波を用いて河床形状，流速分布，流量を迅速かつ正確に測定し、洪水などの災害防止のための災害予測に反映可能なデータを収集する河床形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
河川の河床形状，流速分布，流量は、大雨による洪水などの災害を防止するために、極めて重要な情報である。
【０００３】
河床形状は、水深すなわち水面から河底までの距離を河川断面で連続的に求めると取得できる。
【０００４】
流速分布は、ある深さにおける例えば超音波反射体の移動速度から計測できる。
【０００５】
流量はある位置での水深と水中の流速分布とを検出すれば、河川断面の積分量として演算できる。
【０００６】
超音波により水深，流速などを測定する方法が提案されている(例えば、特許文献１参照)。
【０００７】
超音波送受信センサを移動させる手段を用いる河川流量測定方法が提案されている(例えば、特許文献２参照)。
【０００８】
水のない部分はレーザ光線計測装置で形状を測定し、河川部分の形状計測には超音波を用いる河川の断面形状測定方法が提案されている(例えば、特許文献３参照)。
【０００９】
複数の超音波ビームを使い海洋での水深，流速分布を測定し、流量を求める方法が提案されている(例えば、特許文献４参照)。
【００１０】
超音波を使用しないで河床形状を求める河床探査具が提案されている(例えば、特許文献５参照)。
【００１１】
河川の河床形状，流速分布，流量の計測に必要な項目としては、水流の方向と超音波測定装置の移動方向との差異，超音波測定装置の移動速度，河川上の位置がある。
【００１２】
水流の方向と超音波測定装置の移動方向との差異，超音波測定装置の移動速度は、流れの速度ベクトルと計測装置の移動方向ベクトルとが異なる場合に、流速測定において所定の精度を確保するために必要である。流速の検出値は、流れの方向，速度と計測装置の移動方向，速度とが合成された値なので、真の流速を求めるには、計測値を補正する必要がある。
【００１３】
測定装置の移動速度の測定方法として、特許文献４の複数ビームを用いる方法がある。複数ビームで河底の移動量を求め、測定装置の移動量に換算する。しかし、河底の深さが複数ビームで異なると、誤差が増大する。
【００１４】
測定装置の方向検知に地磁気センサを用いる場合、磁性体(鉄橋)などの近くでは、地磁気分布が乱れ，誤差が増加する。
【００１５】
【特許文献１】特開２０００−９７７３８号公報  (第６頁〜第７頁，図１）
【特許文献２】特許第２９５５９２０号公報  (第１２頁，図１０，図１１）
【特許文献３】特開平１１−３０４４８４号公報  (第４頁，図７，図８）
【特許文献４】ＵＳＰ００５１２２９９０Ａ  (第４欄〜第６欄，Fig.１，Fig.２）
【特許文献５】特開２０００−９８０４６号公報  (第２頁〜第３頁，図１〜図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献１の測定方法においては、深さ方向に棒状の垂下材を設け、その垂下材に沿って複数の超音波受信センサを設置する。河底の超音波送受信センサから超音波を発射し、垂下材各所の超音波受信センサで受信し、超音波の伝搬時間から各超音波センサ間の音速，水深を測定する。河川断面全体の河床形状，流速分布を求めるには、垂下材を多数設ける必要がある。
【００１７】
特許文献２の測定方法においても、複数個の超音波送受信センサを水面および水中に配置し、さらに、河底付近に超音波反射体を沈める必要があるので、簡便な測定方法ではない。
【００１８】
特許文献３の測定方法においては、河床形状の計測に１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの超音波を用いており、超音波ビームの広がりにより、精度が低下する。また、流速分布を測定できない。
【００１９】
特許文献４の測定方法においては、４本の超音波ビームを垂直方向から所定角度だけ離して送信し、水中散乱体からの反射を検出する。また、静止する海底を基準として測定装置の移動を求める。この方法では、ビーム間に角度があるので、水深が深くなるほど超音波ビームは離れていき、離れた位置での流速が異なると、各ビームの流速が同一とならず、誤差になる。海底に凹凸があれば、異なる超音波往復時間となり、水深の大きな誤差となるほか、移動量の測定も不可能となる。海底に比べて凹凸が激しい河川への適用は、さらに難しい。
【００２０】
特許文献５の測定方法においては、河底から採取した河床材料に永久磁石を埋め込んだ探査具を河底に多数配置し、磁場の測定からこの探査具の位置や移動量を測る。この測定方法は、測定範囲が限られ、水深測定に別の手段が必要となる。
【００２１】
本発明の課題は、河底の凹凸，流速，水深にかかわりなく、河床形状，流速分布，流量を正確に測定できる河床形状測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、上記課題を解決するために、測定線に沿って自走しまたは牽引され水面を移動する移動測定機器と、移動測定機器で得たデータを処理するとともに移動測定機器の位置，移動速度，方向などを検出する基地測定機器とからなる河床形状測定装置を提案する。
【００２３】
移動測定機器は、指向特性を狭くした１つの超音波センサからの超音波を河底に向けて照射し、照射開始から複数の超音波センサで受信した反射波検出までの時間と既知の水中音速とから河底までの距離を算出し、河床形状を測定する。
【００２４】
移動測定機器は、河底に向けて放射した１本の超音波ビームのビーム領域中にある水中散乱体が単位時間中に移動する距離量を求め、流速に換算し、流速分布を測定する。
【００２５】
基地測定機器は、移動測定機器の位置，移動速度，方向などを検出し、移動測定機器が測定した相対的河床形状，流速を補正し、真の河床形状，流速分布，流量を求める。
【発明の効果】
【００２６】
本発明において、移動測定機器から河底に向けて照射される超音波ビームは、鋭い指向特性の１本だけなので、河底に凹凸があっても、複数のビームを照射した従来例の交差位置が異なることによる誤差は生じない。
【００２７】
また、複数のビームを照射した場合の超音波源から反射体までの距離差に起因する問題が無く、流速分布や流量への誤差が回避される。
【００２８】
さらに、地上に設置した基地測定機器を基準位置として、河川水面を移動する移動測定機器の位置，方位，移動速度，方向などを例えばレーダで正確に測定するので、移動測定機器の動きに起因する相対誤差を排除し、河床形状，流速分布，流量を正確に測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、図１〜図９を参照して、本発明による河床形状測定装置の実施例を説明する。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明による河床形状測定装置の基本的概念を説明する図である。
【００３１】
本実施例１においては、河川１に測定線２を設定し、測定線２に沿った河床形状３と、河川断面４の流速分布と、河川断面４を通過する流量とを求める。本実施例１の測定装置は、測定線２に沿って自走しまたは牽引され水面を移動する移動測定機器５と、移動測定機器５で得たデータを処理するとともに移動測定機器５の位置，移動速度，方向などを検出する基地測定機器６とからなる。
【００３２】
河床形状３の測定には、移動測定機器５の各水面位置で水深を測定し、移動測定機器５を移動させながら河底位置を連続的に求める。その際には、移動測定機器５の水面位置を正確に定めなければならない。
【００３３】
流速分布の計測値は、河水の流速と移動測定機器５の移動成分とが合成されたデータとして得られる。合成されたデータにおいては、河水の流速，方向と基地測定機器６に対する移動測定機器５の移動速度，方向，方位とがベクトル的に合成される。
【００３４】
したがって、真の流速分布の計測には、移動測定機器５の移動速度，方向，方位が必要である。基地測定機器６により移動測定機器５の移動速度，方向，方位を検出し、移動測定機器５で検出した流速データを補正し、真の河水流速分布を算出する。
【００３５】
図２は、本発明による河床形状測定装置のうちで移動測定機器５の構成と河床形状，流速分布，流量の測定方法とを示す図である。
【００３６】
移動測定機器５は、浮揚体５０１と、超音波送受信センサ５０２と、超音波受信センサ５０３と、超音波送受信装置５０４と、傾きセンサ５０５と、データ送受信装置５０６とを含んでおり、超音波を用いて河床形状と流速分布とを測定する装置である。
【００３７】
移動測定機器５は、電源を積載して水面に浮く浮揚体５０１を含んでおり、自走または牽引などにより水面を移動する。
【００３８】
浮揚体５０１には、超音波送受信センサ５０２と、超音波受信センサ５０３−１，５０３−２，…とが設置されている。超音波送受信センサ５０２が超音波を送信し、超音波送受信センサ５０２および超音波受信センサ５０３−１，５０３−２，…が水中反射体からの反射波を受信する。
【００３９】
超音波送受信装置５０４は、超音波送受信センサ５０２に電気信号を印加して水中に超音波を送信させ、超音波センサ５０２，５０３−１，５０３−２，…で検出した河底や水中反射体からの反射波を受信する。その際に、超音波送信から反射波受信までの時間を計測する。
【００４０】
超音波センサ５０２，５０３−１，５０３−２，…の周波数は、計測する水深，河川水の混濁度に応じて数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚから選択する。
【００４１】
傾きセンサ５０５は、浮揚体５０１の水平からの傾きを検出する。
【００４２】
データの送受信装置５０６は、基地測定機器６とデータなどをやりとりする。
【００４３】
浮揚体５０１上に設置されたレーダの電波反射体５０７−１，５０７−２は、反射特性を変えてあるので、基地測定機器６からのレーダにより、電波反射体５０７−１か電波反射体５０７−２かを識別できる。したがって、これら電波反射体５０７−１，５０７−２の相対的位置関係により、浮揚体５０１の姿勢や進行方向を検出できる。
【００４４】
図３は、本発明による河床形状測定装置のうちで基地測定機器６の構成を示すブロック図である
基地測定機器６は、データ送受信装置６０１と、レーダ装置６０２と、制御演算装置６０３と、入出力表示装置６０４とを含んでいる。
【００４５】
データ送受信装置６０１は、データ送受信装置５０６とデータなどをやりとりする。レーダ装置６０２は、電波反射体５０７−１，５０７−２までの距離，方位を検出する。
【００４６】
データ送受信装置６０１およびレーダ装置６０２に接続された制御演算装置６０３は、データを解析し、河床形状，流速分布，流量を算出し、入出力表示装置に演算結果を表示させる。
【００４７】
図４は、本発明による河床形状測定装置のうちで移動測定機器５に取り付けられた超音波センサ５０２，５０３の指向特性を示す図である。
【００４８】
図４には、超音波送受信センサ５０２および超音波受信センサ５０３−１のみを示してあるが、浮揚体５０１上の設置位置が異なる他の超音波受信センサ５０３−２，…も、超音波受信センサ５０３−１と同様に動作する。
【００４９】
超音波送受信センサ５０２の指向特性は、１０度以下と狭い。これに対して、超音波受信センサ５０３は、紙面の方向に広く、これに垂直な方向は１０度以下の狭い指向特性を有する。超音波受信センサ５０３−１，５０３−２，…は、超音波送受信センサ５０２の超音波ビーム領域を含むように指向特性および受信中心方向を設定して浮揚体５０１に固定されている。
【００５０】
したがって、超音波受信センサ５０３−１，５０３−２，…で検出できる信号は、超音波送受信センサ５０２から送信された超音波ビーム内にある散乱体からの反射のみである。
【００５１】
このような指向特性の超音波センサ５０２，５０３を使うと、超音波送受信センサ５０２から放射された超音波ビームは、河底，水中反射体の散乱点を中心に反射するので、指向領域内にある反射体からの反射波のみを超音波センサ５０２，５０３で検出できる。
【００５２】
図５は、超音波送受信センサ５０２からの送信波形と超音波センサ５０２，５０３における受信波形との関係を示すタイムチャートである。
【００５３】
超音波センサ５０２，５０３−１，５０３−２，…は、超音波送受信センサ５０２からの送信波形と類似し河底，水中反射体から反射した超音波を受信する。超音波送受信装置５０４は、送信から検出までの散乱検出時間を検出し、データ送受信装置５０６を介して、基地測定機器６に伝送する。その際に、超音波送信時の傾きセンサ５０５のデータも、基地測定機器６に伝送される。
【００５４】
図６は、移動測定機器５の座標系における超音波センサ５０２，５０３および散乱体の位置関係を示す図である。図６においては、超音波センサ５０２，５０３−１，５０３−２の位置を点５０２ｐ，５０３−１ｐ，５０３−２ｐ，…で示してある。
【００５５】
基地測定機器６は、移動測定機器５の位置データ，超音波送受信センサ５０２，超音波受信センサ５０３の送信から検出までの散乱検出時間，傾きセンサ５０５の傾きデータに基づき、散乱体の位置を算出する。
【００５６】
受信超音波センサは、最低３個必要である。点５０２ｐから超音波を送信し、この超音波ビーム内にある散乱体からの反射を５０２，５０３−１，５０３−２，…で検出し、送信から反射波検出までの時間を超音波送受信装置５０４で求める。
【００５７】
超音波送信から受信までの時間は、超音波送受信センサ５０２から散乱体までの伝搬時間と散乱体から超音波送受信センサ５０２，超音波受信センサ５０３−１，５０３−２，…までの伝搬時間の和である。
【００５８】
図６の場合、検出された時間は、Ｔ５０２(５０２ｐ→散乱体→５０２ｐ)，Ｔ５０３−１(５０２ｐ→散乱体→５０３−１ｐ)，Ｔ５０３−２(５０２ｐ→散乱体→５０３−２ｐ)の３個である。
【００５９】
水中における超音波の音速は既知であるから、基地測定機器６の制御演算装置６０３は、検出された時間に基づき、超音波送受信センサ５０２から散乱体までと散乱体から超音波送受信センサ５０２，超音波受信センサ５０３−１，５０３−２，…までの距離を正確に算出できる。
【００６０】
各超音波センサで求められる距離は、検出時間からおのおの距離に換算すると、Ｌ５０２，Ｌ５０３−１，Ｌ５０３−２になる。
【００６１】
河底位置，散乱体位置は、河底に向けた超音波送受信センサ５０２の検出時間から、５０２ｐを中心とした半径Ｌ５０２／２の球面上にあるから、検出時間に基づき河底までの距離(水深)や水中散乱体の深さを同定できる。
【００６２】
次に、水中散乱体の位置決定方法を説明する。水中散乱体位置は、５０２ｐを中心とし半径Ｌ５０２／２の球面上、５０２ｐと５０３−１ｐとを焦点とした楕円面上(楕円面上の各点から５０２ｐ，５０３−１ｐまでの距離の和はＬ５０３−１)，５０２ｐと５０３−２ｐを焦点とした楕円面上(楕円面上の各点から５０２ｐ，５０３−２ｐまでの距離の和はＬ５０３−２)にある。制御演算装置６０３は、これらの曲面の交点として三次元の散乱体位置を算出する。
【００６３】
図６において、点５０２ｐを座標系の原点とし、Y軸上の原点からＤ１の位置に５０３−１ｐを置き、X軸上のＤ２の位置に５０３−２ｐを置く。
【００６４】
散乱体位置を(X，Y，Z)とすると、
Ｌ５０２／２＝
√｛X２＋Y２＋Ｚ２｝
Ｌ５０３−１＝
√｛X２＋Y２＋Ｚ２｝＋√｛X２＋(D１−Y)２＋Ｚ２｝
Ｌ５０３−２＝
√｛X２＋Y２＋Ｚ２｝＋√｛(D２−X)２＋Y２＋Ｚ２｝
が成り立つ。
【００６５】
これを解くと、
X＝｛Ｄ２−(Ｌ５０３−２)２＋(Ｌ５０３−２)(Ｌ５０２)｝／２
Y＝｛Ｄ１−(Ｌ５０３−１)２＋(Ｌ５０３−１)(Ｌ５０２)｝／２
となる。両式から、
Z＝√｛(Ｌ５０２／２)２−X２−Y２｝
である。
【００６６】
河底，水中散乱体の位置決定において、浮揚体５０１が回転する場合もある。この場合、超音波センサは浮揚体５０１と一体なので、座標系自体が回転したとみなしてよい。傾きセンサ５０５で検出した傾きデータをもとに検出した位置をこの回転に応じて補正する。座標軸の回転公式は、小林幹生編「数学公式集」ｐ７１などで公知である。
【００６７】
これまでは、１個の送信信号で送信ビーム内にある散乱体の位置を求め得ることを説明した。
【００６８】
河川内部の散乱体の絶対位置および流速分布の算出には、浮揚体５０１の方位(例えば真北などの基準からの角度)が必要なので、図６においてY軸の方向を常に監視する。
【００６９】
Y軸の方向が求まると、Z軸まわりにXY座標面を回転させ、散乱体の絶対位置と流速方向とを算出できる。
【００７０】
流速分布の測定では、設定時間間隔で複数回超音波を送信し、散乱体の位置を追跡する。
【００７１】
超音波の送信間隔は既知であるから、送信間隔時間での送信散乱体位置の算出から移動量を求め、その深さにおける流速を算出する。種々の深さで散乱体の移動速度を検出し、深さ方向の流速分布を求める。
【００７２】
流速分布は、本実施例１で示したように、超音波送受信センサ５０２が１個，超音波受信センサ５０３が２個あればできる。超音波受信センサ５０３の数を増加させ、検出位置の平均を求めると、誤差を縮小できる。
【００７３】
次に、レーダを用いた浮揚体５０１の位置，方向の検出および流速方向の補正について説明する。浮揚体５０１には、レーダの電波反射体５０７−１，５０７−２が設けられている。レーダの電波反射体５０７−１，５０７−２の反射特性が異なるので、レーダでの観測結果から両者を弁別できる。
【００７４】
レーダ装置６０２は、これら二つの電波反射体の位置(距離，方位)を区別して検出し、制御演算装置６０３に出力する。浮揚体５０１上の２点の反射体位置がわかると、浮揚体５０１の河川上の位置，方位(例えば真北からの角度)を知ることができる。さらに、時間的に追跡すると、移動速度，移動方向も知ることが可能である。
【００７５】
浮揚体５０１の位置は、浮揚体５０１を移動させてその地点における水深から河床形状を求めるために必要である。浮揚体５０１の方位，移動速度，移動方向は、検出した流速分布を補正し正確な真の流速分布を算出するために必要となる。
【００７６】
河川中の物体の位置を定めるため、三次元XYZ座標を考える。水面をXY座標面，深さ方向をZ軸とする。
【００７７】
深さ方向Z軸は一意に定まるが、XY平面のX，Y軸は任意に定めることができるので、例えば、Y軸を真北とし浮揚体５０１の方位を決定する。浮揚体５０１に２個の電波反射体を設置し、その位置をレーダ装置６０２で求め、浮揚体５０１の方位を決定する。
【００７８】
この結果、水中散乱体の絶対位置を算出し、その移動前後の位置関係から、移動方向と移動量とを決定できる。
【００７９】
図７は、移動測定機器５の座標系における反射体の移動信号を基地測定機器のレーダ装置６０２で検知した移動体の移動信号により補正し真の流速を求める方法を示す図である。
【００８０】
水中散乱体の移動量と移動方向を求めるため、ある時間間隔で二つの超音波を送信する。そのとき、水中散乱体の移動後の位置を(X2，Y2，Z2)，移動前の位置を(X1，Y1，Z1)とする。また、水面にある浮揚体５０１の二つめの超音波送信時の位置を(XX2，YY2)，一つめの位置を(XX1，YY1)とする。
【００８１】
二つの超音波送信間の水中散乱体の移動を(ΔX，ΔY，ΔZ)とすると、ΔX=X2−X1，ΔY=Y2−Y1，ΔZ=Z2−Z1である。一方、浮揚体５０１の移動量(ΔXX，ΔYY)は、ΔXX=XX2−XX1，ΔYY=YY2−YY1である。
【００８２】
浮揚体５０１の移動はXY平面であるから、深さ方向(Z軸方向)を除いたXY座標での関係を考えればよく、図７に示すようなベクトル関係となる。
【００８３】
図７において、計測されるデータは、流速検出値としてベクトルＢ(ΔX，ΔY，ΔZ)、浮揚体５０１の移動としてベクトルＡ(ΔXX，ΔYY)である。
【００８４】
真の流速は、ベクトルＣ＝Ｂ−(−Ａ)であるから、ベクトルＢとＡを検出すれば、ある深さの真の流速ベクトルＣを算出できる。XY座標で(ΔX＋ΔXX，ΔY＋ΔYY)とし、ある深さの真の流速を求める。
【００８５】
深さ方向の異なる点の流速検知値からその浮揚体位置での深さ方向の流速分布を求める。
【００８６】
浮揚体５０１を移動させ、水深分布(河床形状)と河川断面での流速分布とを計測する。
【００８７】
ある計測断面での河床形状と流速分布とがわかると、流速を断面全体で積分すれば、その河川断面を通過する流量を算出できる。
【００８８】
図８は、本発明による河床形状測定装置の基地測定機器における処理手順を示すフローチャートである。
【００８９】
まず、水中の超音波音速，測定する深さ，超音波センサの配置状態，測定終了条件などの測定に必要なパラメータを設定する。
【００９０】
超音波送信間隔，送信エネルギー，周波数などの移動測定機器５に関するパラメータは、予め設定してある。
基準となる方位(例えば真北)に浮揚体５０１を向け、レーダ装置６０２でその位置を校正し、基準方位と基準となる測定器位置を設定する(ステップ０１)。
【００９１】
計測を開始し、移動測定機器５からデータの送信を待つ(ステップ０２)。
【００９２】
各センサの反射検出時間データを受信し、検出時間から距離への換算を演算し反射体の位置を計算し、その結果をメモリに一時格納する(ステップ０３)。
【００９３】
レーダ装置６０２から浮揚体５０１上の二つの反射体位置データを取得し、その位置と浮揚体５０１の方位を算出してメモリに格納する(ステップ０４)。
【００９４】
浮揚体５０１の傾きデータと、基準方位データとから基準方位による散乱体の位置を補正し、その座標を求める(ステップ０５)。
【００９５】
流速分布を求めるには、２回以上の超音波送信で散乱体の位置移動を追跡する。このため、複数回の送信での反射データがあるかを判定し(ステップ０６)、なければ、次のデータ受信を待つ。
【００９６】
複数送信による散乱体位置データがあれば、流速と水深データとを算出し、メモリに格納する(ステップ０７)。
【００９７】
深さ方向で、予め設定した位置の流速データが得られるまでこの操作を続ける(ステップ０８)。
【００９８】
測定が完了すれば(ステップ０９)、測定断面で流速分布を積分して流量を求め、結果を格納する(ステップ１０)。
【００９９】
その結果を表示し(ステップ１１)、測定を終了する。
【実施例２】
【０１００】
本実施例２は、超音波受信センサ５０３として、送受信素子が二次元状に多数並んだ構造の二次元超音波アレイセンサを用いる。
【０１０１】
二次元超音波アレイセンサにおいては、超音波の受信時、予め設定した遅延時間だけ各素子の検出時間を遅らせ、遅れて受信した信号を加え合わせる。遅延時間を制御すると、超音波ビームの検出時の指向特性および検出中心軸の方向を制御できる。
【０１０２】
二次元超音波アレイセンサの制御方法は、超音波検査やレーダの分野では公知なので、その制御方法についての説明は省略する。
【０１０３】
このような二次元超音波アレイセンサを用いると、超音波送受信センサ５０２から放射された超音波ビームの任意位置に超音波受信センサ５０３の検出領域を合致させることができる。各素子の遅延量を制御すると、検出領域を走査でき、ノイズの影響を低減できる効果もある。
【実施例３】
【０１０４】
図９は、本発明による河床形状測定装置の実施例３に用いる水中散乱体放出手段の構成を示す図である。
【０１０５】
本実施例３は、筒状の収納容器７０１の内部に散乱体７０２を入れてあり、水中散乱体を意図的に作り出す。
【０１０６】
浮揚体５０１は、ここでは図示していないが、複数の収納容器７０１を格納する格納器と水中に放出する放出機構とを備える。
【０１０７】
収納容器７０１および散乱体７０２は、河底の砂などを固めた材料で作成しており、測定終了後は水中で分解して環境に負荷をかけない。散乱体７０２は、空気を内部に含ませて固めてあり、その比重が水と同程度なので、河水流線と同じようなふるまいをする。
【０１０８】
散乱体７０２を入れた収納容器７０１を水中に落とすと、収納容器７０１は、散乱体７０２を水中に残しながら沈んでいく。浮揚体５０１上の超音波送受信センサ５０２，超音波受信センサ５０３，超音波送受信装置５０４は、水中に残されて河川の流れと同じに動く散乱体７０２からの反射波を検出し、実施例１と同様に、流速分布を計測する。
【０１０９】
本実施例３は、測定点の数だけ収納容器７０１が必要である。しかし、水中の散乱体を確実に生成できるメリットがある。
【０１１０】
なお、浮揚体５０１などの移動測定機器５の移動方法としては、浮揚体５０１自体に移動／駆動機構を設ける方法，橋などの固定物から綱などで浮揚体５０１を牽引する方法，浮揚体５０１をボートに固定する方法など周知の方法を使えるので、上記各実施例ではその説明を省略した。
【０１１１】
また、流速がほとんど問題とならない湖やダム湖などで湖底の形状を測定する場合は、流速を測定する部分を除去しまたは停止させ、形状測定部分のみを使用すればよい。
【０１１２】
計測した河川形状，流量，測定位置データは、データ管理部署に送信し、災害防止，予測の基本データとする。また、災害防止ハザードマップ作成システムにも基本データとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明による河床形状測定装置の基本的概念を説明する図である。
【図２】本発明による河床形状測定装置のうちで移動測定機器の構成と河床形状，流速分布，流量の測定方法とを示す図である。
【図３】本発明による河床形状測定装置のうちで基地測定機器の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明による河床形状測定装置のうちで移動測定機器に取り付けられた超音波センサ５０２，５０３の指向特性を示す図である。
【図５】超音波送受信センサ５０２からの送信波形と超音波センサ５０２，５０３における受信波形との関係を示すタイムチャートである。
【図６】移動測定機器５の座標系における超音波センサ５０２，５０３および散乱体の位置関係を示す図である。
【図７】移動測定機器の座標系における反射体の移動信号を基地測定機器のレーダで検知した移動体の移動信号により補正し真の流速を求める方法を示す図である。
【図８】本発明による河床形状測定装置の基地測定機器における処理手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明による河床形状測定装置の実施例３に用いる水中散乱体放出手段の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１  河川
２  測定線
３  河床形状
４  河川断面
５  移動測定機器
５０１  浮揚体
５０２  超音波送受信センサ
５０３  超音波受信センサ
５０４  超音波送受信装置
５０５  傾きセンサ
５０６  データ送受信装置
６  基地測定機器
６０１  データ送受信装置
６０２  レーダ装置
６０３  制御演算装置
６０４  入出力表示装置
７０１  収納容器
７０２  散乱体
【図１】
2006208300.tif 000003
【図２】
2006208300.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006208300.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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