(57)【要約】【課題】防水性を保持しつつ川床を流れる砂礫を検知できる指向性を有し、取り扱いが容易な防水型アンテナ装置を提供する。【解決手段】両端部が水密構造に閉塞された非金属製のパイプからなり、水中に配置される防水筒２０２内にその軸方向に沿って同軸ケーブル２０３を装入し、防水筒２０２内に装入されている同軸ケーブル２０３の挿入先端部に導電性を有する二等辺三角形の平板部材からなる導体板２０７を接続し、さらに防水筒２０２内にの同軸ケーブル２０３の外周に電波吸収層２０８を形成した構造とし、導体板２０７の頂角を同軸ケーブル２０３の中心導体２０３ａに接続すると共に、導体板２０７の底辺と同軸ケーブル２０３の外部導体２０３ｂとを抵抗器２０９を介して接続し、導体板２０７の斜辺を上下方向に向けて配置した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端部が水密構造に閉塞された非金属製のパイプからなり、水中に配置される防水筒と、
前記防水筒内にその軸方向に沿って装入された同軸ケーブルと、
前記防水筒内に装入されている前記同軸ケーブルの挿入先端部に接続された導電性を有する三角形の平板部材からなる導体板と、
前記防水筒内に装入されている同軸ケーブルの外周に形成された電波吸収層と、
を有し、
前記導体板の頂角を前記同軸ケーブルの中心導体に接続すると共に、該導体板の底辺と該同軸ケーブルの外部導体とを抵抗器を介して接続し、該導体板の斜辺を上下方向に向けて配置したことを特徴とする防水型アンテナ装置。
【請求項２】
前記防水筒の上方の水面中に送信アンテナからの送信波を受信アンテナに向けて反射する導体部材を一定距離を隔てて配置したことを特徴とする請求項１に記載の防水型アンテナ装置。
【請求項３】
前記抵抗器は前記導体板の底辺の離隔する２箇所にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の防水型アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、山岳地河川における流水中の土砂、特に掃流砂を検知するための防水型アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、洪水時や中小出水時に掃流砂を計測する方法として、一定時間毎にバケツ等の容器に採取し、その容積中に含まれている土砂の量と質を計測したり、バケツの代わりに流れ込んだ掃流砂を複数の選別網体により粒径に応じて段階分けしながら捕獲する掃流砂採取器が用いられている（特許文献１）。
【０００３】
また、砂防ダムの水通し天端の全面部に取り付け掃流砂捕獲装置（特許文献２）を用いて計測する方法が用いられている。
【０００４】
これらに対し、川床又はスリット砂防えん堤のスリット部に設置した金属管に流砂が衝撃した際に発する音響パルス数から流砂量を間接的に推測する方法（非特許文献１）が提案されている。
【特許文献１】特開2003-3442号公報
【特許文献２】特開2002-294670号公報
【非特許文献１】「ハイドロフォンによる流砂量計測の水理模型実験への適用」砂防学会誌vol.58 No.2,p.15-25,2005
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術によると、前記した特許文献１、特許文献２は、主に河の下流で直接採取により行われており、時間的な砂流量変化が激しい場合や計測が長時間にわたる場合は多大な労力が必要である。前述した非特許文献１は、使用する金属管の寸法により検知信号の収集性が決まるため、その適用範囲が狭く普遍性に欠ける。また、水中で浮遊する掃流砂に対しては金属管と接触しないため、信号が得られない場合が想定される。
【０００６】
そこで、人間が直接掃流砂を採取することなく長時間に渡り川床又は砂防えん堤の適所における状況を観測可能とし、掃流砂との接触・非接触に限らずその存在を捕える事を可能とする手法として、レーダーを用いることを本出願人等が提案している。
【０００７】
レーダーを用いる場合、送受信アンテナを水中に水没した状態で使用するため、防水性を保持しつつ川床を流れる砂礫を検知できる指向性を有するアンテナ装置が必要とされる。
【０００８】
本発明は、斯かる観点に鑑みなされたもので、防水性を保持しつつ川床を流れる砂礫を検知できる指向性を有し、取り扱いが容易な防水型アンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的を実現する防水型アンテナ装置の第１の構成は、両端部が水密構造に閉塞された非金属製のパイプからなり、水中に配置される防水筒と、前記防水筒内にその軸方向に沿って装入された同軸ケーブルと、前記防水筒内に装入されている前記同軸ケーブルの挿入先端部に接続された導電性を有する三角形の平板部材からなる導体板と、前記防水筒内に装入されている同軸ケーブルの外周に形成された電波吸収層と、を有し、前記導体板の頂角を前記同軸ケーブルの中心導体に接続すると共に、該導体板の底辺と該同軸ケーブルの外部導体とを抵抗器を介して接続し、該導体板の斜辺を上下方向に向けて配置したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の目的を実現する防水型アンテナ装置の第２の構成は、上記の構成において、前記防水筒の上方の水面中に送信アンテナからの送信波を受信アンテナに向けて反射する導体部材を一定距離を隔てて配置したことを特徴とする。
【００１１】
本発明の目的を実現する防水型アンテナ装置の第３の構成は、上記の各構成において、前記抵抗器は前記導体板の底辺の離隔する２箇所にそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による防水型アンテナ装置によれば、防水筒を例えば川の流れに沿って配置することにより、流れの抵抗を最小限として河床を流れる砂礫を検知することができる指向性を得ることができる。
【００１３】
特に、導体板を二等辺三角形とし、底辺と高さを約２ｃｍ、約３ｃｍとし、抵抗器を３３Ωと設定することにより、水中を電波が通過する際に、その損失が比較的少ない周波数である４００ＭHzを簡単な構成で得ることができ、しかもコンパクトに構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００１５】
図１〜図３は本発明の実施形態を示し、図１はインパルスレーダーシステムのブロック図、図２は図１に示す防水型アンテナの構造を示す図、図３は図１の演算部３３による信号処理を示すフローチャートである。
【００１６】
図１において、送受信部１を構成するコントローラー１１は、インパルス発生器１２にインパルス波を発生させるための送信トリガとなるパルスを繰り返し（例えば１μs間隔にて）送信する。このインパルス発生器１２は、コントローラー１１より繰り返しトリガを受け、最大電力は約30dBmであり、パルス幅は0.5n秒から1n秒のインパルス波を防水型アンテナ装置２の送信アンテナ２１に対して繰り返し送信する。
【００１７】
防水型アンテナ装置２の送信アンテナ２１は、インパルス発生器１２よりインパルス波を受け、この電気信号を電波に変換し、電磁波を水中で放射する。防水型アンテナ装置２は、送信アンテナ２１より放射された電波から直接カップリングする電波の他、水中を流れる掃流砂５、例えば、石や砂等から反射された複合波を受信アンテナ２２で受信し、これを電気信号に変換した後、送受信部１を構成する増幅器１３を介してサンプルホールド回路１４に送信する。この場合、水面における波が複合波に干渉する恐れがあり、これを軽減するために送信アンテナ２１及び受信アンテナ２２には波よけ用導体２３が設けられている。
【００１８】
サンプルホールド回路１４は、入力される信号のうちの１波の一部を瞬間的、例えば128psの間に捉える機能を有し、送受信部１を構成するコントローラー１１によって制御される移相器１５により、繰り返し入力される信号を遅延時間調整、例えば128p秒の間隔で時間遅延した後に検波し、低域通過フィルタ（LPF）１６を介してA/D変換器１７に送信する。
【００１９】
A/D変換器１７は、LPF１６より受信する電気信号を繰り返しA/D変換し、コントローラー１１に送信する。
【００２０】
コントロー１１は、A/D変換器１７より受信したディジタルデータを内部に設けられた内部メモリ（不図示）に格納する。前記内部メモリには、２のべき乗分のデータ量（本実施形態では２５６検波分であり、検波分の単位を以降、ＢＩＮと称する）×複数分のデータが格納される。
【００２１】
ここで、「２のべき乗分のデータ量」とは、これらを結合させることにより、受信アンテナ２２が出力する電気信号をディジタル的に復元できる仕組みになっていることを意味する。また、「複数分」とは、Ｓ/Ｎ比（ＳＮＲ）向上のためにデータを積算する量を意味し、本実施形態では１００としている。
【００２２】
コントロー１１は、前記内部メモリに格納されたデータを一定間隔（例えば、0.1sec毎）で吸上げ、インターフェイス（I/F）１８を介してレベル変換した後に、信号処理部３を構成するインターフェイス（I/F）３１に送信する。
【００２３】
信号処理部３のインターフェイス（I/F）３１は、送受信部１のインターフェイス（I/F）１８から送信されたデータをレベル変換した後に演算部３３へ送信する。
【００２４】
演算部３３はＤＳＰ（Digital Signal Processor）や汎用ＰＣなどから構成され、図３に示すフローチャートに従った信号処理を実施し、1次元（Ａモード：横軸を時間軸とし縦軸を振幅とするモード）もしくは2次元（Ｂモード：例えば横軸を計測件数もしくは計測時間とし縦軸を送信アンテナから受信アンテナへ伝搬される電波の遅延時間とするモード）のデータ表示を表示器３４にて行うとともに、内蔵される記録媒体（不図示）に格納する。
【００２５】
なお、送受信部１のコントローラー１１は本システムを制御するソフトウエアが搭載されており、計測開始及び停止等計測の操作を行う機能を有する。
【００２６】
また、送受信部１、信号処理部３に対して電力を供給する電源部４は、アンテナの設置場所が商用電源が使用できない山奥等であることを考慮し、例えば水力発電機４１、風力発電機４２、太陽電池４３、二次電池４４等により構成することができる。
【００２７】
図２において、アンテナ装置２の送信アンテナ２１及び受信アンテナ２２の構造について説明する。
【００２８】
これらのアンテナは、防水化のために水道用の配管等によく用いられる円筒状の塩化ビニールパイプで構成した非金属製の防水筒２０２の中に、硬性同軸ケーブル２０３を一端側から略他端側まで挿入している。
【００２９】
そして、図２（ｂ）に示すように、広帯域化のために、硬性同軸ケーブル２０３の挿入先端部には、底辺aが約２ｃｍ、高さbが約３ｃｍの三角形状の導電性を有する板材で構成される導体板２０７を取り付け、その底角に３３Ωの抵抗２０９を２箇所接続した広帯域型モノポールアンテナを構成している。したがって、導体板２０７は防水筒２０２内でブレることなく支持されている。
【００３０】
二等辺三角形に形成された導体板２０7の底辺ａを約２ｃｍ、高さｂを約３ｃｍとすることにより得られた斜辺ｄの寸法をこのように設定したのは、水中を電波が通過する場合に、その損失が比較的少ない周波数が４００ＭＨｚ近傍であることから、式（１）を用いて算出した数値と製作の容易性を考慮したことに起因する。
【００３１】
ｄ＝ｃ／（４ｆ√（εr））                      (1)
但し、d＞√｛(ａ/2)２＋ｂ２｝
ここで、ｆは周波数（＝４００×１０−６）、εrは水の比誘電率（＝８１）、ｃは光速（＝３×１０８）とする。防水筒２０２の先端部及び後端部には、防水筒２０２の両端から防水筒２０２内への水の浸入を防止する防水部材２０１と２０４が設けられている。本実施形態において、防水部材２０１，２０４は、防水用テープを防水筒２０２に貼り付けることにより構成している。なお、防水部材２０１，２０４としては、防水筒２０２の端部にキャップ部材をねじ込む構成とすると共に、防水筒２０２と該キャップ部材との間にＯリングを設けて内部への水の侵入を防止するようにしても良い。
【００３２】
後端側の防水部材２０４の後端部には、硬性同軸ケーブル２０３が取り付けられている内部コネクタ部に外部コネクタ部が取り外し可能に嵌合する防水型のコネクタ２０５が設けられ、該内部コネクタ部が後端側の防水部材２０４と一体的に固定され、後端側の防水部材２０４から露出している該外部コネクタ部には軟性同軸ケーブル２０６が取り付けられ、コネクタ２０５により硬性同軸ケーブル２０３と軟性同軸ケーブル２０６との電気的接続がなされている。なお、コネクタ２０５として防水性を有するものを使用しているが、経時変化、製造の仕上がり具合等により、コネクタ２０５に防水用テープを巻き付けるようにすることもできる。
【００３３】
構成同軸ケーブル２０３の外周は電波吸収体２０８で覆われており、この電波吸収体２０８により導体部２０７から漏洩する電流を吸収し、二次的に発生する電波を抑圧することにより、掃流砂の信号を導体部２０７で捕らえられるようにしている。
【００３４】
図２（ｃ）は鉛直方向で見たアンテナの指向性１０を示し、導体部２０７対して鉛直方向に効率よく電波を送受信できる特性となっている。
【００３５】
図３において、図１に示す演算部３３の動作をフローチャートに従って以下に説明する。
【００３６】
図３に示すフローチャートにおいて、ステップ（Ｓと略す）１は、Ａモードのデータを取得し、内蔵されるメモリに蓄積する。
【００３７】
Ｓ２では、Ａモード（横軸を時間とし、縦軸を振幅とする１次元データ）のデータを縦軸方向に並べてＢモード（計測時間毎に横軸につなぎ合わせた２次元データ）のデータを作成するにあたり、設定点数ｍに達するまでメモリに蓄積する。この場合、Ａモードのデータ点数はメモリには２５６ＢＩＮであるので、メモリには２５６ＢＩＮ×ｍ点のデータが蓄積されていることになる。
【００３８】
Ｓ３では、データを更新するため、最も古いＡモードのデータをメモリから消去する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によるアンテナ装置を備えたレーダーシステムのブロック図
【図２】図１のアンテナ装置を示す図で、（ａ）はアンテナの断面図、（ｂ）は導体と同軸ケーブルとの接続構成を示す図、（ｃ）は指向性を示す図。
【図３】図１のレーダーシステムにおける信号処理示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４０】
１：送受信部
１１：コントローラー
１２：インパルス発生器
１３：増幅器
１４：サンプルホールド回路
１５：移相器
１６：低域通過フィルタ（LPF）
１７：A／D変換器
１８：レベル変換器（I/F）
２：アンテナ装置
２１：送信アンテナ
２２：受信アンテナ
２３：波よけ用導体
２０１，２０４：防水部材
２０２：防水筒
２０３：硬性同軸ケーブル
２０３ａ：内部導体            ２０３ｂ：外部導体
２０５：コネクタ
２０６：軟性同軸ケーブル
２０７：導体板
２０８：電波吸収体
２０９：抵抗器
１０…  指向性
３：信号処理部
３１：レベル変換器（I/F）
３２：コントローラー
３３：演算部
３４：表示部
４：電源部
４１：水力発電機
４２：風力発電機
４３：太陽電池
４４：二次電池
５：掃流砂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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