(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶に搭載され、水の移動速度を測定する水流速度測定装置であって、
超音波信号を受信し、受信した信号をディジタル信号に変換して出力する受信部と、
前記受信部が出力する信号を周波数領域表現のディジタル信号に変換し、周波数領域信号として出力するフーリエ変換部と、
前記周波数領域信号が示す周波数成分のうち、絶対値が最大である成分の周波数とは異なる周波数の不要信号を低減する処理を実行するフィルタと、
前記フィルタによって処理が施された前記周波数領域信号に対し、前記周波数領域信号が占有する周波数帯域の高域側に値が零である周波数成分値を追加する処理を施して出力するアップサンプリング部と、
前記アップサンプリング部が出力する信号を、時間領域におけるサンプリング値を示すディジタル信号に変換して出力する逆フーリエ変換部と、
前記逆フーリエ変換部が出力する信号に対し補間処理を施す補間部と、
前記補間処理によって得られた補間後信号の周波数を、当該補間後信号が所定の値となる時間間隔に基づいて検出する周波数検出部と、
前記周波数検出部が検出した周波数と予め定められた基準周波数とに基づいて、前記水の移動速度を算出し、当該移動速度に関する情報を含む移動速度信号を出力する速度算出部と、
を備えることを特徴とする水流速度測定装置。
【請求項２】
船舶に搭載され、水の移動速度を測定する水流速度測定装置であって、
超音波信号を受信し、受信した信号をディジタル信号に変換して出力する受信部と、
前記受信部が出力する信号を周波数領域表現のディジタル信号に変換し、周波数領域信号として出力するフーリエ変換部と、
前記周波数領域信号が示す周波数成分のうち、絶対値が最大である成分の周波数とは異なる周波数の不要信号を低減する処理を実行するフィルタと、
前記フィルタによって処理が施された前記周波数領域信号を、時間領域におけるサンプリング値を示すディジタル信号に変換して出力する逆フーリエ変換部と、
前記逆フーリエ変換部が出力する信号に対し補間処理を施す補間部と、
前記補間処理によって得られた補間後信号の周波数を、当該補間後信号が所定の値となる時間間隔に基づいて検出する周波数検出部と、
前記周波数検出部が検出した周波数と予め定められた基準周波数とに基づいて、前記水の移動速度を算出し、当該移動速度に関する情報を含む移動速度信号を出力する速度算出部と、
を備えることを特徴とする水流速度測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の水流速度測定装置であって、
前記移動速度信号に基づいて前記水の移動速度を表示する表示部を備え、
前記表示部は、前記船舶からの距離と、前記船舶から当該距離だけ離れた位置における前記水の速度と、を対応付けた情報を表示することを特徴とする水流速度測定装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の水流速度測定装置であって、
前記移動速度信号に基づいて前記水の移動速度を表示する表示部を備え、
前記表示部は、前記船舶の下方の複数の位置のそれぞれにおける前記水の速度の大きさおよび方向を、投影図における矢印の図形によって表示することを特徴とする水流速度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶に搭載され、水の移動速度を測定する水流速度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶に搭載され、当該船舶が航行する河川、湖沼、海等の水面下の水の移動速度を測定する水流速度測定装置が広く用いられる。
【０００３】
一般に、水流速度測定装置では、超音波信号を送信し、水中で反射した当該超音波信号を受信する。水流速度測定装置は、受信した超音波信号の周波数のドップラシフトによるずれを測定することで、水面下の水の移動速度の分布を測定する。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−６５８７４号公報
【特許文献２】特開平７−３１１２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水の移動速度の測定誤差は、水流速度測定装置が受信する超音波信号の周波数の測定誤差に依存し、受信する超音波信号の周波数の測定精度が高い程、水の移動速度の測定誤差が小さくなる。しかし、従来の水流速度測定装置では、超音波信号の周波数の測定精度が十分でないため、水の移動速度の測定誤差を十分小さく抑えることができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような課題に対してなされたものであり、水の移動速度の測定誤差を低減した水流速度測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、船舶に搭載され、水の移動速度を測定する水流速度測定装置であって、超音波信号を受信し、受信した信号をディジタル信号に変換して出力する受信部と、前記受信部が出力する信号を周波数領域表現のディジタル信号に変換し、周波数領域信号として出力するフーリエ変換部と、前記周波数領域信号が示す周波数成分のうち、絶対値が最大である成分の周波数とは異なる周波数の不要信号を低減する処理を実行するフィルタと、前記フィルタによって処理が施された前記周波数領域信号に対し、前記周波数領域信号が占有する周波数帯域の高域側に値が零である周波数成分値を追加する処理を施して出力するアップサンプリング部と、前記アップサンプリング部が出力する信号を、時間領域におけるサンプリング値を示すディジタル信号に変換して出力する逆フーリエ変換部と、前記逆フーリエ変換部が出力する信号に対し補間処理を施す補間部と、前記補間処理によって得られた補間後信号の周波数を、当該補間後信号が所定の値となる時間間隔に基づいて検出する周波数検出部と、前記周波数検出部が検出した周波数と予め定められた基準周波数とに基づいて、前記水の移動速度を算出し、当該移動速度に関する情報を含む移動速度信号を出力する速度算出部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、船舶に搭載され、水の移動速度を測定する水流速度測定装置であって、超音波信号を受信し、受信した信号をディジタル信号に変換して出力する受信部と、前記受信部が出力する信号を周波数領域表現のディジタル信号に変換し、周波数領域信号として出力するフーリエ変換部と、前記周波数領域信号が示す周波数成分のうち、絶対値が最大である成分の周波数とは異なる周波数の不要信号を低減する処理を実行するフィルタと、前記フィルタによって処理が施された前記周波数領域信号を、時間領域におけるサンプリング値を示すディジタル信号に変換して出力する逆フーリエ変換部と、前記逆フーリエ変換部が出力する信号に対し補間処理を施す補間部と、前記補間処理によって得られた補間後信号の周波数を、当該補間後信号が所定の値となる時間間隔に基づいて検出する周波数検出部と、前記周波数検出部が検出した周波数と予め定められた基準周波数とに基づいて、前記水の移動速度を算出し、当該移動速度に関する情報を含む移動速度信号を出力する速度算出部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る水流速度測定装置においては、前記移動速度信号に基づいて前記水の移動速度を表示する表示部を備え、前記表示部は、前記船舶からの距離と、前記船舶から当該距離だけ離れた位置における前記水の速度と、を対応付けた情報を表示する構成とすることが好適である。
【００１２】
また、本発明に係る水流速度測定装置においては、前記移動速度信号に基づいて前記水の移動速度を表示する表示部を備え、前記表示部は、前記船舶の下方の複数の位置のそれぞれにおける前記水の速度の大きさおよび方向を、投影図における矢印の図形によって表示する構成とすることが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水の移動速度の測定誤差を低減した水流速度測定装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１に本発明の実施形態に係る水流速度測定装置の構成を示す。水流速度測定装置は、超音波アンテナ１０、測定信号送信部１２、測定信号受信部１４、Ａ／Ｄ変換部１６、フーリエ変換部１８、ピーク検出部２０、フィルタ２２、アップサンプリング部２４、逆フーリエ変換部２６、補間部２８、周波数解析部３０、速度解析部３２、速度分布解析部３４、表示部３６を備えて構成される。
【００１５】
測定信号送信部１２は、水の移動速度を測定するための送信測定信号を超音波アンテナ１０に出力する。そして、送信測定信号を超音波アンテナ１０に出力した時刻ｔｘを示す送信時刻情報を速度分布解析部３４に出力する。送信測定信号としては、パルス信号で搬送波信号を変調したパルス変調信号を用いることが好適である。
【００１６】
超音波アンテナ１０は、送信測定信号を超音波に変換し、測定超音波信号として複数の方向に同時に送信する。超音波アンテナ１０は、それぞれ異なる方向に送信され水中で反射し、それぞれ異なる方向から到来する複数の測定超音波信号を受信し、複数の測定超音波信号のそれぞれを電気信号に変換し、複数の受信測定信号として測定信号受信部１４に出力する。
【００１７】
測定信号受信部１４、Ａ／Ｄ変換部１６、フーリエ変換部１８、ピーク検出部２０、フィルタ２２、アップサンプリング部２４、逆フーリエ変換部２６、補間部２８、周波数解析部３０、速度解析部３２、および速度分布解析部３４は、複数の受信測定信号のそれぞれに対して同一の処理を施す。そこで、ここでは１つの受信測定信号に対して施す処理について主要な説明を行う。
【００１８】
測定信号受信部１４は、受信測定信号が占有する周波数帯域をその周波数帯域より低域側へと変換する周波数変換処理、受信測定信号を増幅する処理等を施し、Ａ／Ｄ変換部１６へ出力する。
【００１９】
Ａ／Ｄ変換部１６は、受信測定信号をサンプリング時間間隔Δｔのディジタル信号に変換し、ディジタル受信信号としてフーリエ変換部１８に出力する。フーリエ変換部１８は、ディジタル受信信号に対してＮ点の離散的フーリエ変換を施してピーク検出部２０およびフィルタ２２に出力する。フーリエ変換部１８が行うＮ点の離散的フーリエ変換は、時間領域における時間長Ｎ・Δｔの信号に対し、周波数間隔δｆ＝１／（Ｎ・Δｔ）で、Ｎ個の周波数領域の離散化値を得るものである。ここでＮは正の整数とする。Ｎ点の離散的フーリエ変換を施された信号は周波数領域におけるＮ個の離散化値Ｘ（０）〜Ｘ（Ｎ−１）で表される。
【００２０】
ピーク検出部２０は、Ｎ個の離散化値Ｘ（０）〜Ｘ（Ｎ−１）のうち絶対値が最大のものＸ（ｉ）（ｉは０〜Ｎ−１のいずれかの整数）を検出し、その離散化値に対応する周波数の値ｆ０をフィルタ２２に出力する。
【００２１】
フィルタ２２は、離散化値Ｘ（ｉ）、周波数ｆ０より高域側のｋ個の離散化値および周波数ｆ０より低域側のｋ個の離散化値以外の離散化値を０に置き換える処理を施してアップサンプリング部２４に出力する。ここでｋはＮ−１−ｉまたはｉ−１のうち小さい方の値以下の整数である。
【００２２】
図２（ａ）は、フーリエ変換部１８が出力する離散化値の絶対値をスペクトラム表示で示したものである。図２（ａ）では、離散化値Ｘ（ｉ−５）〜Ｘ（ｉ＋３）が０でない値となっている。図２（ｂ）は、フィルタ２２が出力する離散化値の絶対値をスペクトラム表示で示したものである。ここでは、ｋ＝１の場合、すなわちフィルタ２２が周波数ｆ０より高域側の１個の離散化値および周波数ｆ０より低域側の１個の離散化値以外の離散化値を０に置き換える処理を施した場合について示している。
【００２３】
このように、周波数ｆ０より高域側のｋ個の離散化値および周波数ｆ０より低域側のｋ個の離散化値を０に置き換えないことで、受信測定信号に含まれている微少な周波数変動を水の移動速度を測定する処理に寄与させることができる。また、周波数ｆ０より高域側のｋ個の離散化値および周波数ｆ０より低域側のｋ個の離散化値以外の離散化値を０に置き換えることで、受信測定信号に含まれている不要な周波数成分の水の移動速度を測定する処理への寄与を排除することができる。
【００２４】
なお、フィルタ２２が行う処理を、離散化値Ｘ（ｉ）以外の離散化値に１未満の正の数を乗ずる処理とすることもできる。
【００２５】
アップサンプリング部２４は、フィルタ２２が出力する離散化値Ｘ（０）〜Ｘ（Ｎ−１）に対し、すべて値が０である離散化値Ｘ（Ｎ）〜Ｘ（ｍＮ−１）を付加し、逆フーリエ変換部２６に出力する。これによって、Ｎ点の離散的フーリエ変換が施されて得られたＮ個の離散化値Ｘ（０）〜Ｘ（Ｎ−１）は、ｍＮ点の離散的フーリエ変換が施されて得られる離散化値に近似されたｍＮ個の離散化値Ｘ（０）〜Ｘ（ｍＮ−１）に変換される。
【００２６】
図２（ｃ）は、フィルタ２２が出力する離散化値Ｘ（０）〜Ｘ（Ｎ−１）に対し、すべて値が０である離散化値Ｘ（Ｎ）〜Ｘ（ｍＮ−１）を付加したものをスペクトラム表示で示したものである。このように離散化値を付加することで、時間領域におけるサンプリング時間間隔をｍ分の１に短くしたディジタル信号に近似することができる。
【００２７】
なお、水流速度測定装置の構成を簡単にするため、水の移動速度の測定誤差が許容される限りにおいて、アップサンプリング部２４を省略しフィルタ２２の処理の後、直接逆フーリエ変換部２６の処理に供する構成とすることも可能である。また、アップサンプリング部２４の代わりに、離散化値Ｘ（０）〜Ｘ（Ｎ−１）から選択したＭ個（ＭはＮより小さい正の整数）の離散化値を逆フーリエ変換部２６以降の処理に寄与させるダウンサンプリング部を適用することも可能である。
【００２８】
逆フーリエ変換部２６は、周波数領域における離散化値を時間領域におけるサンプリング値に変換し、処理後受信ディジタル信号として補間部２８に出力する。補間部２８は、処理後受信ディジタル信号に対して補間演算を行い、補間後信号として周波数解析部３０に出力する。補間演算としては、処理後受信ディジタル信号を４次以上の関数に近似する最小自乗法等を適用することが好適である。
【００２９】
周波数解析部３０は、補間後信号を、それ自身の周波数を信号の値とする周波数信号に変換して速度解析部３２に入力する。この変換は、補間後信号の値が所定の値と一致する時間間隔でその時間間隔の逆数の半分の値を示す離散的周波数信号を生成し、離散的周波数信号を補間する処理によって行う。
【００３０】
図３（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ補間後信号Ｉｎｔ、離散的周波数信号ＤＦｒｑおよび周波数信号Ｆｒｑを横軸を時間、縦軸をその値として時間波形を以て示したものである。離散的周波数信号ＤＦｒｑの離散的な値が現れる時間間隔は、補間後信号Ｉｎｔの値が０となる時間間隔としている。離散的周波数信号ＤＦｒｑは、補間後信号Ｉｎｔが０となった時刻ｔ１から補間後信号Ｉｎｔが次に０となった時刻ｔ２までの時間がＴ１であるため、時刻ｔ２における値が１／（２Ｔ１）となる。また、時刻ｔ２から、補間後信号Ｉｎｔが次に０となった時刻ｔ３までの時間がＴ２であるため、時刻ｔ３における離散的周波数信号ＤＦｒｑの値は１／（２Ｔ２）となる。周波数信号Ｆｒｑは離散的周波数信号ＤＦｒｑを補間したものである。ただし、周波数信号Ｆｒｑは、補間処理に要する時間ｄだけ離散的周波数信号ＤＦｒｑより遅延する。
【００３１】
速度解析部３２は、送信測定信号の予め定められた搬送波周波数を基準周波数として、周波数信号の値を受信測定信号のドップラシフト周波数（受信測定信号の周波数のドップラシフトによるずれ）に置き換え、さらに、ドップラシフト周波数の値を移動速度に置き換えた移動速度信号を算出し、速度分布解析部３４に出力する。図３（ｃ）の例では、縦軸の値が移動速度に変換されることとなる。
【００３２】
速度分布解析部３４は、移動速度信号と測定信号送信部１２から出力された送信時刻情報に基づいて、超音波が到来した方向についての移動速度空間分布を算出し、表示部３６に出力する。超音波が到来した方向についての移動速度空間分布は、移動速度の測定点までの距離と、測定点から水流速度測定装置へ向かう移動速度とを対応付けたものである。速度分布解析部３４は、具体的には次のような処理を行う。
【００３３】
速度分布解析部３４は、移動速度信号を時間関数ＭＶ０（ｔｉ）として取得する。ｔｉは時間関数ＭＶ０（ｔｉ）の値を取得した信号取得時刻を表す変数である。速度分布解析部３４は、測定信号送信部１２が出力した送信時刻情報に基づいて取得される測定超音波信号の送信時刻ｔｘ、測定超音波信号が受信されてから移動速度信号が取得されるまでに要する処理時間ｔｄ、および水中での音速ｖに基づいて、時間関数ＭＶ０（ｔｉ）を測定点までの距離Ｄの関数である移動速度空間分布関数ＭＶ（Ｄ）に変換する。測定点までの距離Ｄは、測定超音波信号が、測定点と超音波アンテナ１０との間を往復する時間に音速を乗じて２で除すことで求まり、測定位置Ｄと取得時刻ｔｉとの間にはＤ＝ｖ（ｔｉ−ｔｘ−ｔｄ）／２の関係がある。したがって、ＭＶ（Ｄ）＝ＭＶ（ｖ（ｔｉ−ｔｘ−ｔｄ）／２）＝ＭＶ０（ｔｉ）として移動速度空間分布関数ＭＶ（Ｄ）を取得すればよい。移動速度空間分布関数ＭＶ（Ｄ）は移動速度空間分布を表す。
【００３４】
このようにして、測定点までの距離と測定点から水流速度測定装置へ向かう移動速度とが対応付けられた移動速度空間分布関数が取得される。速度分布解析部３４は、取得した移動速度空間分布関数を表示部３６に出力する。
【００３５】
測定信号受信部１４、Ａ／Ｄ変換部１６、フーリエ変換部１８、ピーク検出部２０、フィルタ２２、アップサンプリング部２４、逆フーリエ変換部２６、補間部２８、周波数解析部３０、速度解析部３２、および速度分布解析部３４は、複数の受信測定信号のそれぞれについて同一の処理を施す。これによって、測定超音波信号が到来した複数の方向についての移動速度空間分布関数が表示部３６に出力される。
【００３６】
表示部３６は、複数の方向について算出された移動速度空間分布関数に基づいて、３次元空間における移動速度空間分布を表示する。表示部３６としては、ディスプレイ装置等を適用することが好適である。
【００３７】
図４は、ディスプレイ装置が有する画面３８に移動速度空間分布を表示する様子を示したものである。画面３８には深度ゲージ４０、投影図４２、船首方向速度４４、および横方向速度４６が表示される。
【００３８】
深度ゲージ４０は、その右側に表示される物理諸量が深度ゲージ４０が示す水深におけるものであることを示す。投影図４２は、離散的な水深の層毎の水の速度を、速度ベクトルを示す矢印４８を用いて投影法を以て表示したものである。投影図４２のｘ軸の正方向は船首方向を示し、投影図４２のｙ軸の正方向は船首方向に向かって右側の方向を示し、投影図４２のｚ軸の正方向は鉛直方向を示す。表示領域円５０は速度ベクトルが表示される範囲を示し、この円内で速度ベクトルの矢印４８が表示される。図４では、水深２．５ｍ間隔で速度ベクトルを表示している。
【００３９】
船首方向速度４４は、水深に対する、水の速度ベクトルの船首方向の成分（ｘ軸方向成分）を示したグラフである。図４の線Ａはｚ軸座標すなわち水深に対する船首方向の速度成分を示す。横方向速度４６は、水深に対する、水の速度ベクトルの船首方向を見て右側の方向の成分（ｙ軸方向成分）を示したグラフである。図４の線Ｂはｚ軸座標すなわち水深に対する船首方向を見て右側の方向の速度成分を示す。図４の表示例から、水深１７．５ｍ付近で水の移動速度が０となる位置が存在することがわかる。
【００４０】
本実施形態に係る水流速度測定装置は、船舶、特に、漁船に搭載することが好適である。水面下の水の移動方向は深さによって異なることが多い。したがって、水面下では、ある深さを境界にして水の移動方向が反対になる水流変化点が生じることがある。このような水流変化点付近に魚を捕獲するための網を投下すると、網が最適な位置に投下されない。そこで、漁船等では水流変化点を検出するための水流速度測定装置を搭載することが多い。
【００４１】
従来の水流速度測定装置では、超音波信号の周波数の測定精度が十分でないため、水の移動速度の測定誤差が大きく、水流変化点を正確に測定することが困難であった。
【００４２】
本実施形態に係る水流速度測定装置では、フィルタ２２の処理によって受信測定信号に含まれている微少な周波数変動を水の移動速度を測定する処理に寄与させつつ、受信測定信号に含まれている不要な周波数成分を低減し、アップサンプリング部２４によって、サンプリング時間間隔をｍ分の１に短くしたディジタル信号に近似し、さらに、補間部２８による補間処理により、受信測定信号の周波数を高い精度で周波数信号の値に反映させることができるため、受信した測定超音波信号の周波数を高い精度で測定することができる。これによって、水の移動速度の測定誤差が低減されるため、水流変化点を正確に測定することができる。
【００４３】
さらに、表示部３６に、深度ゲージ４０、投影図４２、船首方向速度４４、および横方向速度４６を表示することにより、迅速かつ容易に水流変化点の位置を把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態に係る水流速度測定装置の構成を示す図である。
【図２】フーリエ変換部１８が出力する離散化値の絶対値、フィルタ２２が出力する離散化値の絶対値、およびアップサンプリング部２４が出力する離散化値の絶対値を示す図である。
【図３】補間後信号、離散的周波数信号、および周波数信号を示す図である。
【図４】ディスプレイ装置が有する画面に移動速度空間分布を表示する様子を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  超音波アンテナ、１２  測定信号送信部、１４  測定信号受信部、１６  Ａ／Ｄ変換部、１８  フーリエ変換部、２０  ピーク検出部、２２  フィルタ、２４  アップサンプリング部、２６  逆フーリエ変換部、２８  補間部、３０  周波数解析部、３２  速度解析部、３４  速度分布解析部、３６  表示部、３８  画面、４０  深度ゲージ、４２  投影図、４４  船首方向速度、４６  横方向速度、４８  矢印、５０  表示領域円。
【図１】
0004728851.tif 000002
【図２】
0004728851.tif 000003
【図３】
0004728851.tif 000004
【図４】
0004728851.tif 000005