(57)【要約】【課題】  河川や湖底の形状を精度良く測定する。【解決手段】  河川又は湖に設定した測定線下で、前記河川又は湖の底に向けて超音波ビームを照射し前記底からの前記超音波ビームの反射波を検出する超音波センサー５０３，５０４と、前記超音波ビームを前記測定線方向に回転させる回転機構５０５と、前記超音波ビームの照射から前記反射波の検出するまでの時間に応じて前記超音波ビームの超音波周波数を変える手段と、前記超音波センサーを前記測定線に沿って移動させる推進機構５０２と、前記超音波センサーの前記測定線における位置を求める位置センサー５０７と、前記超音波ビームの照射方向と前記超音波センサー５０３，５０４の位置と前記超音波ビームの照射から前記反射波を検出するまでの時間と前記河川の水中又は湖の水中での前記超音波ビームの速度とから前記測定線沿いの前記底の位置を算出する手段と、を備えた河川又は湖の水理情報の測定装置。【選択図】図２
2005114634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川又は湖の底に向けて超音波ビームを照射し前記底からの前記超音波ビームの反射波を検出する超音波センサーと、
前記超音波センサーが設けられ、前記河川又は湖の水面に浮く浮揚体と、
前記浮揚体に設けられ、前記浮揚体を前記河川又は湖の水面で移動させる手段と、
前記浮揚体に設けられて、前記超音波ビームを前記浮揚体の移動前後方向に回転させる手段と、
前記超音波ビームの照射から前記反射波の検出するまでの時間に応じて前記超音波ビームの超音波周波数を変える手段と、
前記浮揚体の移動位置を求める手段と、
前記超音波ビームの照射方向と前記超音波センサーの位置と前記超音波ビームの照射から前記反射波を検出するまでの時間と前記河川の水中又は湖の水中での前記超音波ビームの速度とから前記底の位置を算出する手段と、
を備えた河川又は湖の水理情報の測定装置。
【請求項２】
請求項１において、前記河川又は湖の水の流れ方向に離間して配置した二つの超音波送受信センサーと、
前記二つの超音波送受信センサーの一方から前記底に向けて超音波を照射してから前記超音波が前記底で反射して散乱した反射波を前記二つの超音波送受信センサーの他方で検出するまでの時間差と、前記二つの超音波送受信センサーの送受信側を反対にして得た前記超音波の照射から検出までの時間差を求める手段と、
これらの時間差と前記二つの超音波センサーの離間距離と河床形状から求まる水深とから前記超音波センサー位置における前記水の平均流速を算出する手段と、
前記平均流速と水深とから流量を求める手段と、
を備えたことを特徴とする河川又は湖の水理情報の測定装置。
【請求項３】
請求項２において、前記河川又は湖の水面に浮く浮揚体に、前記河川又は湖の水理情報の測定装置を構成する部品の内、少なくとも前記超音波センサーと、前記超音波送受信センサーと、前記超音波ビームを前記測定線方向に回転させる手段と、前記超音波周波数を変える手段とを装備してあることを特徴とする河川又は湖の水理情報の測定装置。
【請求項４】
請求項３において、前記河川又は湖の水理情報の測定装置を構成する部品の一部分を前浮揚体に装備し、他の構成部品を陸上に装備し、前記一部の構成部品と他の構成部品との間で信号を無線または有線で通信する手段を備え、前記他の構成部品として、前記河川又は湖の水理情報の測定結果を表示する表示手段を備えていることを特徴とする河川又は湖の水理情報の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、河川又は湖であらかじめ設定した測定線に沿った湖底や河底形状（以下、河床形状という。）及び必要に応じて流量を水理情報として測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
河川の流量や河床形状は、大雨による洪水などの災害防止の上できわめて重要な課題である。河川の河床形状は水面から河底までの距離、つまり、水深を河川断面で連続的に求めることで観測できる。流量は、ある位置での河底と水面の平均流速を検出すれば、前記した水深から水量に換算できる。これらの計測には超音波を用いることが多い。
【０００３】
超音波を用いる検出方法は、例えば、特開２０００−９７７３８号公報「水深・流速・水温測定装置」に述べられている。この方法は、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トランスジューサを設置する。河底の超音波トランスジューサから超音波を発射し、垂下材各所のトランスジューサでこれを受信し、その伝搬時間を求めて各トランスジューサ間の音速・水深を測定するものである。この方法は、河川の測定部分に垂下材を設ける必要があり、また、垂下材を移動させるとしても大きな労力を必要とする。
【０００４】
超音波トランスジューサを移動させるため移動手段を備えたものに、特許第2955920 号「河川流量測定装置及び方法」がある。この方法も、超音波トランスジューサを複数個水面及び水中に配置する必要があり、さらに、河底付近に超音波反射体を沈めるため簡便な測定法にならないおそれがある。
【０００５】
特開平１１−３０４４８４号公報「河川状態計測方法および装置」には、河川の断面形状で測定する装置や方法が開示されている。この方法は、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ものである。河床形状の計測に用いる超音波は１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚを使っているが、超音波ビームの広がりによる精度低下がある。また、河底に存在する植物・藻類などの影響を受け、計測精度を確保できない。
【０００６】
超音波を使用せずに河床形状を求めるものに、特開２０００−９８０４６号公報に記載の「河床探査具」がある。これは、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多数河底に配置し、磁場の測定からこの探査具の位置や移動を測るものである。この方法は、測定範囲が限られること、水深測定に別の手段が必要なことなどの課題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−９７７３８号公報
【特許文献２】特許第２９５５９２０号公報
【特許文献３】特開平１１−３０４４８４号公報
【特許文献４】特開２０００−９８０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
河川の流量や河床形状の水理情報の変化は、大雨による洪水などの災害防止の上できわめて重要な情報である。河川の河床形状は水面から河底までの距離、つまり、水深を河川断面で連続的に求めることで観測できる。流量は、ある位置での河底と水面の平均流速を検出すれば、前記した水深から水量に換算できる。これらの計測には超音波を用いることが多い。
【０００９】
超音波を用いる検出にはいくつかの方法がある。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トランスジューサを設置し、各トランスジューサ間の音速・水深を測定するものである。この方法は、河川の測定部分に垂下材を設ける必要があり、また、垂下材を移動させるとしても大きな労力を必要とする。
【００１０】
また、トランスジューサを移動させるため移動手段を備えた方法も、超音波トランスジューサを複数個水面及び水中に配置する必要があり、さらに、河底付近に超音波反射体を沈めるため簡便な測定法にならないおそれがある。
【００１１】
河川状態を計測する方法および装置もあるが、超音波ビームの広がりによる精度低下がある上、河底に存在する植物・藻類などの影響を受け、計測精度を確保できない。
【００１２】
超音波を使用せずに河床形状を求めるものに、河底から採取した河床材料に永久磁石を埋め込んで多数河底に配置し、磁場の測定からこの探査具の位置や移動を測るものがある。この方法は、測定範囲が限られること、水深測定に別の手段が必要なことなどの課題がある。以上のべたように、河床形状や流量の計測には、測定の精度確保と測定の簡便さが課題となっている。
【００１３】
従って、本発明の目的は、河川や湖の水理情報を簡単且つ精度良く求めることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の目的を達成する第１手段は、河川又は湖の底に向けて超音波ビームを照射し前記底からの前記超音波ビームの反射波を検出する超音波センサーと、前記超音波センサーが設けられ、前記河川又は湖の水面に浮く浮揚体と、前記浮揚体を前記河川又は湖の水面で移動させる手段と、前記浮揚体に設けられて、前記超音波ビームを前記浮揚体の移動前後方向に回転させる手段と、前記超音波ビームの照射から前記反射波の検出するまでの時間に応じて前記超音波ビームの超音波周波数を変える手段と、前記浮揚体の移動位置を求める手段と、前記超音波ビームの照射方向と前記超音波センサーの位置と前記超音波ビームの照射から前記反射波を検出するまでの時間と前記河川の水中又は湖の水中での前記超音波ビームの速度とから前記底の位置を算出する手段とを備えた河川又は湖の水理情報の測定装置である。
【００１５】
更には、水理情報として流量も合わせて測定したい場合の第２手段では、第１手段に加えて、前記河川又は湖の水の流れ方向に離間して配置した二つの超音波送受信センサーと、前記二つの超音波送受信センサーの一方から前記底に向けて超音波を照射してから前記超音波が前記底で反射して散乱した反射波を前記二つの超音波送受信センサーの他方で検出するまでの時間差と、前記二つの超音波送受信センサーの送受信側を反対にして得た前記超音波の照射から検出までの時間差を求める手段と、これらの時間差と前記二つの超音波センサーの離間距離と河床形状から求まる水深とから前記超音波センサー位置における前記水の平均流速を算出する手段と、前記平均流速と水深とから流量を求める手段とを備えたことを特徴とする河川又は湖の水理情報の測定装置を用いる。
【００１６】
第１手段では、河川又は湖の水面付近に配置した超音波センサーで河床形状測定する。即ち、超音波を用いあらかじめ設定した測定線に沿って浮揚体を移動させて、その測定線に沿った河川又は湖の底の形状を精度よく求める。測定線に沿った底の形状は、指向性を小さくした超音波センサーからの超音波ビームを底に向けて照射し、超音波ビームの照射開始から反射波検出までの時間とあらかじめ知られている水中の音速から超音波センサーから底までの距離を算出する。この時、超音波ビームを一定角度回転させながら、超音波センサーを測定線に沿って移動させる。このため、河川や湖の底のある点を超音波ビームが何度も照射及び反射することになり、その底にあり水流で揺らぐ藻類などの影響を軽減して精度よく河床形状を検出できる。さらに、超音波ビームの超音波センサーと河川や湖の底部との往復時間が水深があらかじめ設定した値の場合の往復時間より小さくなると、超音波の使用周波数を高周波方向に変え、測定精度を向上させる。逆に、水深があらかじめ設定した値の場合の往復時間より大きくなると、超音波の使用周波数を低周波方向に変える。このようにして河底や湖底の形状を測定する。
【００１７】
また、第２手段では、第１手段による河底や湖底の形状の測定のほかに、以下のように川や湖に流れが生じている場合には、水理情報として流量が測定で検出できる。即ち、流量の検出では、まず測定線に沿った断面での流速分布をもとめ、湖底又は河底までの距離である水深とから流量に換算する。流速の測定にもやはり超音波を使う。流れの方向に配置した２ヶの超音波送受信センサーの一方から湖底又は河底に向けて超音波を発射し、他方で受信するまでの時間差と、先に受信に使った超音波送受信センサーから超音波を送信して先に送信として用いた他方で受信した際の時間差との二つの時間差を検出し、この二つの時間差の差異から流速を測定する。このようにして求まった流速分布から、水深を考慮して測定線に沿った断面の流量を求める。
【００１８】
また、河川や湖の水上部から離れた陸上部に測定結果を表示する表示手段を配備しておいた場合には、離れた湖や河川形状・流量を測定する際に、水面の移動装置に操作員が乗る必要はなく、安全に精度よく河床形状・流量を測定及び監視できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、超音波を使って河川又は湖の少なくとも底の形状を水理情報として精度良く測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施例では、指向性を小さくした超音波センサーからの超音波を河底に向けて照射し、照射開始から反射波検出までの時間とあらかじめ知られている水中の音速から河底までの距離を算出する。この時、超音波ビームを一定角度回転させながら、測定装置全体を測定線に沿って移動させる。このため、河底のある点を超音波ビームが何度も照射することになり、河底部にあり水流で揺らぐ藻類などの影響を軽減して精度よく河床形状を検出できる。さらに、超音波の往復時間、つまり、水深があらかじめ設定した値より小さくなると、超音波の使用周波数を変え、測定精度を向上させる。また、流量の検出では、まず測定線に沿った断面での流速分布をもとめ、上記した河底までの距離である水深とから流量に換算する。流速の測定にもやはり超音波を使う。流れの方向に配置した２ヶの超音波センサーの一方から河底に向けて超音波を発射し、他方で受信するまでの時間差と、受信に使った超音波センサーから送信して他方で受信する二つの時間差を検出し、この二つの時間差の差異から流速を測定する。このようにして求まった流速分布から、水深を考慮して測定線に沿った断面の流量を求める。河川形状・流量を測定する水面の移動装置には操作員が乗る必要はなく、簡便に精度よく河床形状・流量を測定できる。
【実施例１】
【００２１】
本発明を実施例によって詳細に説明する。図１は、本発明による河床形状・流量測定方法および装置の基本構成を示す図である。図１において、河川１にある測定線２を設定する。測定線２に沿った河底の形状（河床形状）３と河川断面４を通る流量を求めるのが本発明の主眼点となる。この目的達成のため測定線２に沿って水面を移動する移動測定器５と、移動測定器５で得たデータの処理や移動測定器５の位置を制御する固定側の制御・処理装置６を備える。
【００２２】
まず、移動測定器５の構成を図２，図３，図４によって詳細に説明する。
【００２３】
図２は、河床形状測定に対する構成を中心に示してある。流速の測定の構成に関しては、別途、図４で説明する。図２で、水の流れは図に垂直である。図２において、５０１は移動測定器５の装置，電源を積載し水面に浮く浮揚体である。この浮揚体５０１は、浮揚体５０１に装着した推進機構５０２で水面を移動可能である。推進機構５０２には、プロペラによる推進機構や、噴流噴出機構による推進機構など公知の推進機構が使える。浮揚体５０１の底面には、低周波超音波センサー５０３と、高周波超音波センサー５０４が設置されている。各超音波センサーが発生する超音波の周波数は、計測する水深，河川水の混濁度で変化させるが、おおむね、低周波超音波センサー５０３では数十ｋＨｚ〜数百
ｋＨｚ、高周波超音波センサー５０４では数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚを使用する。低周波超音波センサー５０３が発生する超音波の周波数は、高周波超音波センサー５０４が発生する超音波の周波数よりも低周波数とする。両超音波センサーとも指向角は１０度以下と小さく、さらに超音波センサーの回転機構５０５で回転が可能であり、各超音波センサーからの超音波ビームを放射する方向を制御できる。５０６は浮揚体５０１に装着された浮揚体５０１の傾きを検出する傾きセンサー、５０７は浮揚体５０１に装着された浮揚体５０１の位置を計測する位置センサーでありこれらの検出器も公知である。５０８は信号処理・制御装置であり、その構成は別に示す。５１０は浮揚体５０１に装着された浮揚体５０１の上下動を補正するための上下動位置センサーであり、加速度測定器を２回積分して変位を求める手法など公知のものを使うことができる。
【００２４】
図３は、低周波超音波センサー５０３と、高周波超音波センサー５０４の回転機構505の内容を示す図である。図３において、５０５ａはパルスモーター駆動電源であり、505bのパルスモーターを駆動する。パルスモーター５０５ｂは歯車５０５ｃを回転させ、これにより歯車５０５ｄが回転する。歯車５０５ｄは、中心軸５０５ｅの回りを回転する軸で、この軸に低周波超音波センサー５０３と、高周波超音波センサー５０４が固定され、回転する。歯車５０５ｄの端部には、リミットスイッチ５０５ｆ，５０５ｇがあり、このスイッチまで回転すると逆回転する様パルスモーター駆動電源５０５ａが働く。パルスモーター駆動電源５０５ａの動作状態は、後述のインターフェイス５０８ａ−１を介して検出される。
【００２５】
図４は、河川の流速測定のための構成であり、水の流れは紙面に平行な図中の矢印の方向である。装置の構成は、図２とほとんど同じであるが、河底への超音波送信と河底からの散乱波受信のための超音波センサー５０９が、低周波超音波センサー５０３と、高周波超音波センサー５０４に対し、流れ方向にある距離離れた位置に設置されている。超音波センサー５０９の周波数特性は、低周波超音波センサー５０３と、高周波超音波センサー５０４の周波数帯域をカバーする特性を有する。
【００２６】
図５は、図２，図４に示した移動測定器５の詳細構成と結線状態を示す図であり、特に、図５では信号処理・制御装置５０８の内部構成も詳しく示してある。信号処理・制御装置５０８は、処理・制御器５０８ａ，５０８ａによって信号の接続状態を切り替える切り替え器５０８ｂ、および、超音波センサーに信号を送信するパルス発振器５０８ｃ，信号発振器５０８ｄと超音波センサーの信号を受信する受信器５０８ｅから構成されている。パルス発振器５０８ｃは、広帯域のパルスを発信するため、先に述べた低周波超音波センサー５０３と、高周波超音波センサー５０４の周波数帯域の信号を発生するため、低周波超音波センサー５０３，高周波超音波センサー５０４の特性で決まる周波数の信号が各センサーから出力される。また、光や電波による固定側制御・処理装置とのデータ，制御信号送受信のため信号送受信器５０８ｆも備える。超音波送受信用の超音波センサー５０９は、水の流速検出のために用いるもので、これについては後述する。
【００２７】
信号処理・制御装置５０８内部の処理・制御器５０８ａ，５０８ａによって信号の接続状態を切り替える切り替え器５０８ｂをおのおの図６，図７に示す。処理・制御器508ａは、ＣＰＵ５０８ａ−１とＲＡＭ５０８ａ−３とＲＯＭ５０８ａ−２とインターフェイス５０８ａ−４から構成されているマイクロコンピュータと、ＣＰＵ５０８ａ−５とＲＡＭ５０８ａ−７とＲＯＭ５０８ａ−６とインターフェイス５０８ａ−８から構成されている同様のマイクロコンピュータから構成される。前者はおもに浮揚体５０１の位置や上下動，傾きのほか、超音波センサーの超音波ビーム照射方向を変化させる検出器，駆動装置の制御，信号検出を行う。
【００２８】
また、後者のマイクロコンピュータは、主に超音波信号の送受信に関し、信号検出や送信制御を行う。これらの動作については、後で詳しく述べる。図６からわかるように、切り替え器５０８ｂには電子的に制御できる二つの切り替えスイッチ素子５０８ｂ−１，
５０８ｂ−２が設けられている。５０８ｂ−１は、超音波センサー５０３，５０４の選定、つまり、高周波または低周波の超音波送受信の選定に使う。スイッチ素子５０８ｂ−２はクロス状のスイッチングが可能であり、超音波センサー５０９と５０３または５０４と、パルス発振器５０８ｃと信号発振器５０８ｄの結合切り替えを行う。河床形状測定，流速測定に応じて切り替えを実施するが、その動作は後述する。
【００２９】
図８は固定側の制御・処理装置６の内部構成を示す図であり、６０１は移動測定器５と無線通信するための信号送受信器であり、６０２は演算・処理装置である。６０３は結果の表示装置、６０４は記憶装置である。さらに固定側の制御・処理装置６の演算・処理装置６０２の構成を図９に示す。演算・処理装置６０２はＣＰＵ６０２−１とＲＡＭ６０２−３とＲＯＭ６０２−２とインターフェイス６０２−４で構成されるマイクロコンピュータである。
【００３０】
ここで図２から図９に示す構成において、測定線に沿った断面の河床形状と流量の測定方法について詳しく述べる。本実施例では、低周波超音波センサー５０３または高周波超音波センサー５０４にパルス発振器５０８ｃからのパルス信号を加え、河底からの反射時間を測定することで河床形状を測定する。また、流速を測定するには、低周波超音波センサー５０３または高周波超音波センサー５０４から送信した間欠的な正弦波状超音波信号を超音波センサー５０９で受信するまでの時間と超音波センサーの送受信を入れ替えて測定した時間とから流速分布を求め、河床形状から得られる水深と合わせ流量を算出する。
【００３１】
図１０は、本実施例における処理の概略流れを示した図である。まず、固定側の制御・処理装置６から移動側の移動測定器５の信号処理・制御装置５０８に無線通信で測定条件を送信する。これには、図８の演算・処理装置６０２から信号送受信器６０１を介して図５の信号送受信器５０８ｆと通信する（１０１）。その後、測定を開始する。まず、移動測定器５を測定位置に移動させ（１０２）、河床反射時間と流速を測る(１０３，１０４)。これらのデータは演算・処理装置６０２に送信され、河床形状，流量を演算し(１０５)、すべての設定位置での計測が終了すると（１０６）、計測は終了する。
【００３２】
図１１は、図１０の処理ステップ１０２で移動測定器５を測定位置に移動させる動作について説明する図である。図１１の処理フローは、図５の処理・制御器５０８ａのなかにある図６のＣＰＵ５０８ａ−１とＲＡＭ５０８ａ−３とＲＯＭ５０８ａ−２とインターフェイス５０８ａ−４から構成されているマイクロコンピュータを使い、図４の推進機構
５０２を、位置センサー５０７の検出結果から制御する方法を説明するものである。図
１１において、センサーの回転機構５０５の状態を検知することにより超音波センサー
５０３，５０４はビーム方向変更中であるかを判定する（１２０）。非回転中なら回転機構５０５を動作させ(１２１)、位置センサー５０７で移動測定器の位置を求める(１２２)。あらかじめ固定側の演算・処理装置６０２から送信されている位置データと比較し
（１２３）、あらかじめ設定した範囲になければ推進機構５０２を作動させ検出位置合わせを行う（１２４）。測定位置と設定位置とが一致すると、超音波センサー角度を図６のインターフェイス５０８ａ−８からインターフェイス５０８ａ−４で受信し（１２５）、回転機構５０５により超音波センサー５０３，５０４の回転角度を設定する（１２６）。ついで、超音波センサー角度，浮揚体角度，上下動位置，浮揚体位置データをインターフェイス５０８ａ−４からインターフェイス６０２−４に送信する（１２７）。この一連のシーケンスは、図１０からわかるように、設定位置全体での計測が終了するまで繰り返えされる。
【００３３】
図１２は、図１０の１０３である河床形状計測のため、超音波パルスの河底反射時間の測定法について説明する図である。図１２の処理フローは、図５の処理・制御器５０８ａのなかにある図６のＣＰＵ５０８ａ−５とＲＡＭ５０８ａ−７とＲＯＭ５０８ａ−６とインターフェイス５０８ａ−８から構成されているマイクロコンピュータを使う。図１２において、超音波センサー５０３，５０４の回転角度データを図６のインターフェイス508a−８からインターフェイス５０８ａ−４に送信し超音波センサー５０３，５０４から発信される超音波ビームの方向の角度を決める。図５の切り替え器５０８ｂのスイッチング素子のうち、図７のスイッチング素子５０８ｂ−２は河床形状測定時（状態Ａ）に設定する（１４２，１４３）。最初に低周波超音波センサー５０３で河底反射時間を求めるため、スイッチング素子５０８ｂ−１は５０３側と接続するよう設定される（１４４）。この接続状態では、パルス発振器５０８ｃと低周波超音波センサー５０３が接続されており、図６のインターフェイス５０８ａ−５からパルス発振器５０８ｃにトリガー信号を送信して、超音波パルスを発信させ、５０８ｅの受信器で検出することにより超音波センサー503で送受信した河底反射時間をＣＰＵ５０８ａ−５で測定する（１４５）。
【００３４】
測定反射時間があらかじめ設定した時間より小さい時は（１４５）、超音波のビーム伝搬距離が小さい場合であるから、高周波超音波を使うためスイッチ５０８ｂ−１を高周波超音波センサー５０４と接続する側に設定し（１４７）、同様の河底反射時間測定を行う（１４８）。測定結果である測定河底反射時間を図５のインターフェイス５０８ａ−８から図８の固定側演算・処理装置のインターフェイス６０２−４に送信する（１４９）。
【００３５】
図１３は、図１０の１０４である流量測定に必要な河川の流速測定のため、超音波パルスの河底散乱時間の測定法について説明する図である。図１３の処理フローは、河床形状測定のための河底反射時間検出と同様に、図５の処理・制御器５０８ａのなかにある図６のＣＰＵ５０８ａ−５とＲＡＭ５０８ａ−７とＲＯＭ５０８ａ−６とインターフェイス
５０８ａ−８から構成されているマイクロコンピュータを使う。図１３で、超音波センサー５０３，５０４の回転角度（超音波センサー角度）のデータを図５のインターフェイス５０８ａ−８からインターフェイス５０８ａ−４に送信し超音波ビーム方向の角度を決める（１６１）。この場合の具体的な角度は、水面に垂直な方向であり、ある位置での河床形状測定が終了してからでも、終了するまえで超音波ビームは河底方向にある場合のいずれでもよい。水深データをインターフェイス６０２−４からインターフェイス５０８ａ−８で受信し（１６２）、その位置の水深は設定値以下かを判定する（１６３）。水深が深ければ、低周波超音波センサー５０３を使い、浅ければ高周波超音波センサー５０４を使う。図１３では、水深が深く低周波超音波センサー５０３を使う場合について説明してあるが、浅い場合は高周波超音波センサー５０４を使うように、図７のスイッチング素子
５０８ｂ−１を切り替えるだけで測定方法は同じである。
【００３６】
まず、図７のスイッチング素子５０８ｂ−２を状態Ａに設定する（１６４，１６５）。今、水深が設定値より深い場合であるから、スイッチ素子５０８ｂ−１を低周波超音波センサー５０３と接続に設定する（１６６）。インターフェイス５０８ａ−５から発振器
５０８ｄにトリガー信号を送信して、低周波超音波センサー５０３から超音波ビームを発信させ、超音波センサー５０９で河底での超音波ビームの反射波を検出し、その反射波形を処理・制御器５０８ａ内のＲＡＭ５０８ａ−７に記憶する（１６７）。超音波センサー５０３と超音波センサー５０９の超音波送受関係を反対になるように交換するため、スイッチ素子５０８ｂ−２を状態Ｂに設定し（１６８）、同様に河底反射波形を検出し処理・制御器５０８ａ内のＲＡＭ５０８ａ−７に記憶する（１６９）。この段階で、河川の流れに対して順方向と逆方向の二つの時間波形データが得られ、これを図９の固定側演算・処理装置６０２に送信する。
【００３７】
以上の測定データから、河床形状と流量を算出するが、これを固定側演算・処理装置
６０２で実施する。以下、固定側演算・処理装置６０２の動作について説明を加える。図１４からわかるように、１８１から１８４はデータの送受信に関連するものであり、すでに各処理内容のところで説明した対になる事項である。１８４を終えた段階で河床形状測定，流量測定に必要なデータは集積しつつあり、以下、これらの演算方法（１８５）について詳しく説明する。
【００３８】
まず、河川形状測定について述べる。河川形状測定時は、パルス状超音波の河底反射伝搬時間から算出されることはすでに述べた。具体的な信号タイミングについて述べると、図５の処理・制御器５０８ａからのパルス信号発生トリガーによりパルス発振器５０８ｃからパルス信号が出力される。この信号は、切り替え器５０８ｂを通って低周波超音波センサー５０３または高周波超音波センサー５０４に導かれる。両センサーのどちらを切り替え器５０８ｂで選ぶかは、河底からの反射信号の時間をみて処理・制御器５０８ａで決定する。低周波超音波センサー５０３または高周波超音波センサー５０４から放出されたパルス状超音波は、河底で反射し同じ超音波センサーで検出され、切り替え器５０８ｂを通って信号送受信器５０８ｆで受信後、処理・制御器５０８ａに送られ送信から受信までの時間を算出する。水の音速は既知であるから、容易にある超音波送信ビームの往復伝搬距離を算出できる。この過程において、低周波超音波センサー５０３または高周波超音波センサー５０４から放出されたパルス状超音波はセンサーの回転機構５０５でビームの放出方向を回転させてある。また、５０１である浮揚体の波などの傾きを傾きセンサー506で検出したデータから、超音波ビームの放射方向を常に補正演算する。さらに、上下動の上下動位置センサー５１０で深さ方向の位置も補正してある。浮揚体５０１は推進機構
５０２で水面を移動する。浮揚体５０１は、ＧＰＳや両岸から張られたロープの位置検出など公知の位置センサー５０７でその位置が検出されている。このように、超音波センサーからのパルス状超音波は、超音波ビームの方向を振りながら測定線に沿って移動するという、回転と並進の二つの超音波ビーム放射を繰り返している。図１７に示すように、このような超音波ビームの制御では、たとえば図１７に示す川底のＡ点を観測する場合、並進，回転からなる多数の超音波ビームでその位置が求められる（図１７では、○，△，▽の三本のビームの例を図示）。このため、一回の計測より精度が向上することはもちろん、河底に生息する藻類など水に揺らぐ物体の影響も軽減できる特長を有する。また、Ａ点を観測するのにＡ点の真上まで測定装置が移動しなくても計測できる利点もある。図１７において、川岸に近い部分など水深が浅くなるところは、反射波の検出時間があらかじめ設定した時間以下になるため、切り替え器５０８ｂを処理・制御器５０８ａで制御し、高周波超音波センサー５０４を使用する。高周波を使うことにより、水中の超音波波長が短くなり短い超音波パルスの往復反射時間で精度よく測定可能となる。
【００３９】
以上、超音波ビームを並進・回転させて精度よく河床形状を求める方法，装置について説明した。次に、測定線に沿った水面から河底までの平均流速を求める演算方法について述べる。平均流速分布が求まれば、上記の河床形状、つまり各位置での水深から流量を換算可能である。
【００４０】
平均流速測定の測定時状況を図４に示した。図４において、水の流れは図示する矢印の方向である。平均流速測定の場合、変調信号発振器５０８ｄからの信号を切り替え器508bを通して低周波超音波センサー５０３または高周波超音波センサー５０４に導く。この時、水面から垂直方向の流速分布を求めるのであるから、超音波ビームが垂直方向になったとき、その前後で使用していたパルス信号の使用から、振幅変調信号を使うよう切り替え器５０８ｂを一時的に切り替える。河底は完全な平面ではないので、超音波は散乱する。散乱した超音波を振幅変調信号送受信用の超音波センサー５０９で検出する。この時、河底の超音波散乱位置は不明であるから、超音波センサー５０９は指向角度が大きいものを使用し、検出角度範囲を広げておく。
【００４１】
流速分布の測定法について次に述べる。本実施例では、最初に低周波超音波センサー
５０３、または高周波超音波センサー５０４で送信し、超音波センサー５０９で受信する。次に、逆に超音波センサー５０９で送信し、低周波超音波センサー５０３、または高周波超音波センサー５０４で受信する。最初の低周波超音波センサー５０３、または高周波超音波センサー５０４で送信される超音波信号は、図１８のＡ）に示すように、設定時間幅だけ正弦波となる振幅変調信号である。低周波超音波センサー５０３と、高周波超音波センサー５０４とでは、使用周波数の大きさ，振幅，持続時間が異なるが、変化形態は同じである。超音波センサー５０９で受信される信号は、図１８のＡ）に示すように送信波形が超音波の伝搬時間と、後述の流速による伝搬速度変化分とが加わった波形となる。図４において、超音波センサー５０３または５０４と河底の間は、超音波が流れにほぼ垂直に伝搬するため流速の影響は受けることが少ない。これに対し、河底からの散乱波が超音波センサー５０９に至る経路には、流れによる音速変化成分がありこれが見かけ上音速の変化となる。今、超音波センサー５０３または５０４と河底を結ぶ線分と、河底と超音波センサー５０９とを結ぶ線分が成す角度をθとする。流速をＶとして、河底と超音波センサー５０９とを結ぶ線分上の流速の寄与分は、Ｖ・sin(θ) である。この結果、水中の音速をＶｗとすると見かけ上の音速Ｖｅは、Ｖｅ＝Ｖｗ＋Ｖ・sin(θ)となる。
【００４２】
逆に、超音波センサー５０９の送信波，低周波超音波センサー５０３、または高周波超音波センサー５０４での受信波は図１８のＢ）に示すようになる。この時の見かけ上の音速Ｖｆは、Ｖｆ＝Ｖｗ−Ｖ・sin(θ) である。河底までの距離Ｄと、低周波超音波センサー５０３、または高周波超音波センサー５０４から超音波センサー５０９までの距離Ｌは既知であるから、θを算出できる。河底の超音波照射位置から超音波センサー５０９までの距離Ｒは、Ｒ＝Ｌ／sin(θ) だから、送受信センサーを変えて得た反射波の検出時間差ΔＴは、ΔＴ＝Ｒ・(１／Ｖｆ−１／Ｖｅ)＝２・Ｖ・Ｒ／(Ｖｗ・Ｖｗ＋Ｖ・Ｖ・sin(θ)・sin(θ))となる。この検出した時間差ΔＴから逆に平均流速Ｖを算出する。
【００４３】
図１８のＣ）は、二つの受信信号波形を示した図である。超音波の送信時刻を原点として受信波を取り込む。この二つの受信波の時間差は、ΔＴである。信号の立ち上がり部分で直接ΔＴを測定する方法もあるが、本実施例では二つの受信正弦波の位相差を検出する方法もある。この位相差は、使用周波数をｆとすると２・π・ｆ・ΔＴであるから、位相差を検出してΔＴを求め、これより平均流速Ｖを算出する。位相差を求める方法は、二つの受信波をミキシング（かけ算）し、この結果から得られる直流成分から求めることができる。
【００４４】
固定側の制御・処理装置６内の表示装置６０３には２次元状のメモリが準備されている。河床形状測定は、すでに説明したが、超音波のビーム方向と、超音波送信から受信までの往復時間から測定線に沿った河底のある一点を算出する。これが、表示装置６０３のメモリ内の一点の反射強度データとなる。本実施例では、超音波のビーム方向を変化させながら、移動測定器５が移動する。この位置と、ビーム方向から河底の一点を決定する。移動測定器５の移動と超音波ビームの方向が変化するため、河底の多数の点が表示装置603のメモリ上にデータとして蓄積される。表示装置６０３のメモリ上の同一点の強度データは、その点で加算される。このような処理の結果、河床形状が表示装置６０３のメモリ上に蓄積され、表示装置６０３に表示される。
【００４５】
平均流速の測定法も、すでに数式などで述べた。演算・処理装置６０２で受信信号の時間差に対応する位相差からすでに説明した演算式により、測定線から河底に向けた垂線の平均流速を求めることができる。この位置の河底までの距離、つまり、水深はすでに求めたデータを使用し、垂線の一定幅を通る流量に換算できる。これを、演算・処理装置602で測定線に沿って川幅全体に渡って積分することで測定線の断面を通る流量を検出できる。
【００４６】
次に計測した河川形状や流量，測定位置データは、固定側の制御・処理装置からデータの管理部署に送信され、災害防止のハザードマップデータ更新に使用される。また、以前のデータを制御・処理装置６で呼び出し、測定結果と比較することもできる。
【実施例２】
【００４７】
本発明の第二の実施例は、記述の第１実施例において、低周波超音波センサー５０３、または高周波超音波センサー５０４に超音波アレイセンサーを用いることに特徴がある。よく知られているように、超音波アレイセンサーは細分化された多数の超音波振動子が一定方向に並べられたセンサー構造をしている。本実施例では、測定線に沿ってセンサーが一次元状に並んだ構成をとる。各振動子にパルス電圧を印加する際、あらかじめ設定した遅延時間だけ遅らせて印加すると、この遅延量を制御することにより、超音波ビームの指向角と超音波ビームの照射方向を制御できる。この制御法は、超音波検査やレーダの分野では公知であるのでその制御法についてはここでは触れない。送信時だけではなく、受信時も遅延量を制御することで本発明の第一の実施例と同じ作用効果を得ることができる。本実施例では、当然のことながら超音波センサーの機械的回転駆動機構は不要であるため、装置を簡素化できるメリットがある。その他の構成や作用は第１実施例と同様である。
【実施例３】
【００４８】
本発明の第三の実施例は、河川の流速測定時の超音波送受信方法に特徴がある。本実施例では、低周波超音波センサー５０３、または高周波超音波センサー５０４と、超音波センサー５０９から信号を同時に送信し、水中を超音波が伝搬している間にそれらのセンサーを各々受信器５０５ｅ−１，５０５ｅ−２に接続する。このため、図１５に示すように受信器５０８ｅは、１，２の２ヶ用意されている。切替え器５０８ｂの一部も図１６のスイッチ素子５０８ｂ−３のように変更されている。超音波の送信時は、図１６の上の図の状態にあり、低周波超音波センサー５０３、または高周波超音波センサー５０４と、超音波センサー５０９は信号発振器に結合され同時に超音波ビームを川底に向けて送信される。受信時は、図１６の下の図のスイッチング状態となり各々２ヶの受信機５０５ｅ−１，５０５ｅ−２に川底で反射した超音波ビームを受けて生じた電気信号の受信信号は導かれる。その受信信号内の受信波形を採取して時間差を測定する過程は第１実施例と同じであるので説明を省略する。本実施例によれば、二つの時間差を差し引くことにより伝搬距離の影響を除くことができる。本実施例は先の実施例の２段階に分けて時間差を求める過程を一つにまとめたものである。
【００４９】
以上、本発明を詳細に説明した。上記各実施例では、移動測定器５の移動に際しては移動測定器５を積載した浮揚体５０１を推進機構５０２を使って測定線に沿って移動させているが、その測定線に沿った移動に関しては、ＧＰＳやレーザ誘導による位置制御、あるいは橋などの固定物から綱などで牽引するなど、公知の方法が使える。移動測定器５の移動に際しては、推進機構５０２にたよらずに、河川の川幅方向の両岸から浮揚体５０１に綱を掛けて張り、その綱を両岸からたぐり寄せたり繰り出したりして移動させても良い。また、流速がない、つまり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は除去し形状測定部分のみを使用できることはいうまでもない。
【００５０】
本発明の実施例によれば、超音波を使って河川や湖に設定した測定線に沿った河底や湖底の形状及び流れのある場合には流量を求める装置に係わり、超音波ビームを河底や湖底に向けて照射してその形状を測定するが、超音波ビームを設定角度回転させ、なおかつ装置全体を測定線に沿って移動させる。このため、河底や湖底のある点を何度も超音波ビームの照射角度を変えて計測することになり、河底や湖底の付近の藻類の影響などを低減して測定精度を向上させうる。また、流量測定のための流速検出にも形状測定とぼぼ同じ測定系を使用するため、測定装置の簡素化に効果があり、計測のための操作員も低減できる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、超音波を用いて川や湖などであらかじめ設定した測定線に沿った位置の河底形状（河床形状）や、流れがある場合にはその流量を測定する装置に用途がある。特に、洪水などの災害防止のために精度よく、しかも迅速に河底形状（河床形状）や、流れがある場合にはその流量を測定でき、災害予測に反映できるデータを提供するための河床形状・流量測定装置に用途が見出せる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明による河床形状・流量測定装置の基本的概念を説明するための模式図である。
【図２】本発明による河床形状・流量測定装置のうち移動測定器の装置構成と測定方法の概要を説明する図である。
【図３】本発明による河床形状・流量測定装置の超音波センサーの回転機構の一例を示す図である。
【図４】本発明による河床形状・流量測定装置による流速の測定法および使用する装置の内容を説明する図である。
【図５】本発明による河床形状・流量測定装置の移動測定器に関し、その装置構成の詳細を説明する図である。
【図６】本発明による河床形状・流量測定装置に関し、処理・制御器５０８ａの構成を説明する図である。
【図７】本発明による河床形状・流量測定装置に関し、切り替え器の構成を説明する図である。
【図８】本発明による河床形状・流量測定装置に関し、固定側の制御・処理装置の構成を説明する図である。
【図９】本発明による河床形状・流量測定装置に関し、演算・処理装置６０２の構成を説明する図である。
【図１０】本発明による河床形状・流量測定装置に関し、本装置の処理概要を説明する図である。
【図１１】本発明による河床形状・流量測定装置に関し、ＣＰＵ５０８ａ−１を中央演算処理部とするマイクロコンピュータの処理内容と装置制御を説明する図である。
【図１２】本発明による河床形状・流量測定装置に関し、ＣＰＵ５０８ａ−５を中央演算処理部とするマイクロコンピュータで河床形状測定のための時間計測を行う処理内容と装置制御を説明する図である。
【図１３】本発明による河床形状・流量測定装置に関し、ＣＰＵ５０８ａ−５を中央演算処理部とするマイクロコンピュータで流速測定のための時間計測を行う処理内容と装置制御を説明する図である。
【図１４】本発明による河床形状・流量測定装置に関し、ＣＰＵ６０２−１を中央演算処理部とするマイクロコンピュータで河床形状測定，流量測定のための処理内容と装置制御を説明する図である。
【図１５】本発明による河床形状・流量測定装置の移動測定器に関し、第３の実施例の装置構成の詳細を説明する図である。
【図１６】本発明による河床形状・流量測定装置に関し、第３の実施例の処理・制御器５０８ａの構成を説明する図である。
【図１７】本発明による河床形状・流量測定装置に関し、超音波ビームの走査方法と河床形状描画の内容を説明する図である。
【図１８】本発明による河床形状・流量測定装置に関し、流速の測定における送受信波形説明する図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…河川、２…測定線、３…測定線に沿った河底の形状（河床形状）、４…河川断面、５…移動測定器、６…制御・処理装置、５０１…浮揚体、５０２…推進機構、５０３…低周波超音波センサー、５０４…高周波超音波センサー、５０５…センサーの回転機構、
５０５ａ…パルスモーター駆動電源、５０５ｂ…パルスモーター、５０５ｃ，５０５ｄ…歯車、５０５ｅ…軸、５０５ｆ，５０５ｇ…リミットスイッチ、５０６…傾きセンサー、５０７…位置センサー、５０８…信号処理・制御装置、５０８ａ…処理・制御器、508b…切り替え器、５０８ｃ…パルス発振器、５０８ｄ…信号発振器、５０８ｅ−１，２…受信器、５０８ｆ，６０１…信号送受信器、５０９…送受信用の超音波センサー、５１０…上下動位置センサー、６０２…演算・処理装置、６０３…表示装置、６０４…記憶装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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