(57)【要約】【課題】土石流の検出精度を高める。【解決手段】多周波ＣＷ方式に基づいて送信信号を土石流の観測地点に向けて放射して反射波を受信するレーダ手段と、観測地点における流体の表面流速及び流体の表面からレーダ手段までの高さをレーダ手段による検出結果から求め、表面流速及び高さに基づいて観測地点における土石流の発生を判断する判断手段を具備する。【選択図】図１
2016090463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多周波ＣＷ方式に基づいて送信信号を土石流の観測地点に向けて放射して反射波を受信するレーダ手段と、
前記観測地点における流体の表面流速及び前記流体の表面から前記レーダ手段までの高さを前記レーダ手段による検出結果から求め、前記表面流速及び前記高さに基づいて前記観測地点における土石流の発生を判断する判断手段を具備することを特徴とする土石流検出装置。
【請求項２】
前記判断手段は、前記観測地点における前記表面流速が所定の時間内に所定の速度分だけ増加したか否かに基づいて前記観測地点における土石流の発生を判断することを特徴とする請求項１に記載の土石流検出装置。
【請求項３】
前記判断手段は、前記高さが所定の時間内に所定の長さ分だけ減少したか否かに基づいて前記観測地点における土石流の発生を判断することを特徴とする請求項１または２に記載の土石流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土石流検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、電波を用いた土石流観測システムでは、所定の周波数の電波を、土石流の観測地点に向けて放射し、放射した電波の反射波に基づいて土石流の表面流速を算出し、該表面流速に基づいて土石流が発生したか否かを判定している。上記反射波には、ドップラ効果により土石流の表面流速に応じた周波数成分であるドップラ周波数が加算されている。よって、土石流観測システムでは、ドップラ効果により加算されたドップラ周波数を反射波から求め、該ドップラ周波数に基づいて上記表面流速を算出し、該表面流速に基づいて土石流が発生したか否かを判定している。例えば、下記特許文献１には、上述した土石流観測システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−１９５３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術において、ドップラ周波数から算出可能な情報は、流体の表面流速である。一般に、土石流は、雨が降っているときに発生しやすくなる。例えば、河川が観測地点である場合、雨が降っている際、土石流が発生していない状態であっても、河川の流速が上がるため、算出される表面流速が通常より早くなる。また、土石流は河川以外でも発生するため、土石流観測システムによる土石流の観測地点は、通常水が流れていない場所にも設置される。このような場所でも、雨によって水が流れ、該水の流れによって高い表面流速が検出される。よって、上記従来技術では、ドップラ周波数から算出された表面流速が、水の流れによるものなのか、あるいは土石流によるものなのか判断が難しかった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、土石流の検出精度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、多周波ＣＷ方式に基づいて送信信号を土石流の観測地点に向けて放射して反射波を受信するレーダ手段と、前記観測地点における流体の表面流速及び前記流体の表面から前記レーダ手段までの高さを前記レーダ手段による検出結果から求め、前記表面流速及び前記高さに基づいて前記観測地点における土石流の発生を判断する判断手段を具備する、という手段を採用する。
【０００７】
本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記判断手段は、前記観測地点における前記表面流速が所定の時間内に所定の速度分だけ増加したか否かに基づいて前記観測地点における土石流の発生を判断する、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記高さが所定の時間内に所定の長さ分だけ減少したか否かに基づいて前記観測地点における土石流の発生を判断する、という手段を採用する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、多周波ＣＷ方式に基づいて送信信号を土石流の観測地点に向けて放射して反射波を受信するレーダ手段と、観測地点における流体の表面流速及び流体からレーダ手段までの高さをレーダ手段による検出結果から求め、表面流速及び高さに基づいて観測地点における土石流の発生を判断する判断手段を具備することによって、流体の表面流速だけでなく、流体の表面からレーダ手段までの高さに基づいて土石流の発生を判断するので、土石流の発生の検出精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る土石流検出装置の設置状況を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る土石流検出装置の機能ブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係る土石流検出装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態における第１角度（ａ）及第２角度（ｂ）を示す模式図である。
【図５】本発明の実施形態による土石流の判断タイミングを示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る土石流検出装置Ａは、送信信号を土石流の観測地点Ｇに向けて放射し、その送信信号の反射波であるドップラー信号に基づいて観測地点Ｇにおける土石流の発生を検出するものである。例えば、土石流検出装置Ａは、所定の河川の土手に設置され、当該河川おける観測地点Ｇに向けて送信信号を放射し、当該観測地点Ｇに発生する土石流を検出する。一般的に、土石流検出装置Ａは、住民の避難時間を稼ぐために、避難を必要とするエリアより十分上流に設置される。
【００１２】
土石流検出装置は、図２に示すように、アンテナ１、サーキュレータ２、デバイダ３、第１アンプ４、発振器５、チューニング電圧部６、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９、ＡＤコンバータ１０及び演算制御部１１から構成されている。なお、アンテナ１、サーキュレータ２、デバイダ３、第１アンプ４、発振器５、チューニング電圧部６、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９及びＡＤコンバータ１０は、本実施形態におけるレーダ手段である。また、演算制御部１１は、本実施形態における判断手段である。
【００１３】
アンテナ１は、サーキュレータ２を介してデバイダ３から入力される送信信号を観測地点Ｇに放射する一方、該送信信号の反射波であるドップラー信号を受信し、サーキュレータ２を介してミキサ７に出力する。
サーキュレータ２は、デバイダ３から入力される送信信号をアンテナ１にのみ出力し、アンテナ１から入力される上記ドップラー信号をミキサ７にのみ出力する。
【００１４】
デバイダ３は、第１アンプ４から入力される送信信号をサーキュレータ２とミキサ７とに分配する。
第１アンプ４は、発振器５から入力される送信信号を増幅し、デバイダ３に出力する。
【００１５】
発振器５は、チューニング電圧部６から供給される電圧に基づいて送信信号を生成するものである。例えば、発振器５は、チューニング電圧部６から供給される電圧に基づいて複数の周波数成分（例えば、３つ以上の周波数成分）を時分割で含む送信信号を生成し、該送信信号を第１アンプに出力する。つまり、土石流検出装置Ａでは、発振器５によって生成された複数の周波数成分を時分割で含む送信信号を、図１に示す観測地点Ｇに向けて放射する。
【００１６】
チューニング電圧部６は、演算制御部１１による制御に基づいて発振器５に、複数の周波数成分（例えば、３つ以上の周波数成分）を時分割で含む送信信号を生成させるための電圧を供給する。
【００１７】
ミキサ７は、サーキュレータ２から入力されるドップラー信号と、デバイダ３から入力される送信信号とをミキシングすることで、ドップラー信号を周波数変換し、当該ドップラー信号を第２アンプ８に出力する。
【００１８】
第２アンプ８は、ミキサ７から入力されるドップラー信号を増幅し、ノイズフィルタ９に出力する。
ノイズフィルタ９は、第２アンプ８から入力されたドップラー信号からノイズを除去し、ノイズを除去したドップラー信号をＡＤコンバータ１０に出力する。
ＡＤコンバータ１０は、第２アンプ８から入力されるドップラー信号をデジタル変換し、デジタル変換したドップラー信号を演算制御部１１に出力する。
【００１９】
演算制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されたＩＣチップであり、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行う。詳細については後述するが、演算制御部１１は、ＡＤコンバータ１０から入力されるデジタル信号であるドップラー信号に基づいて観測地点Ｇにおける流体の表面流速及び流体からアンテナ１までの高さを求め、表面流速及び高さに基づいて観測地点Ｇにおける土石流の発生を判断する。
【００２０】
次に、このように構成された本土石流検出装置の動作について説明する。
本土石流検出装置Ａは、例えば、所定の河川の土手に設置され、多周波ＣＷ方式に基づいて送信信号を土石流の観測地点Ｇに向けて放射して反射波を受信し、観測地点Ｇにおける流体の表面流速及び流体の表面からアンテナ１までの高さを上記反射波から求め、求めた表面流速及び高さに基づいて観測地点Ｇにおける土石流の発生を判断する。
【００２１】
具体的に、まず、演算制御部１１は、複数の周波数成分（例えば、３つ以上の周波数成分）を時分割で含む送信信号を発振器５に生成させるための電圧を供給するように、チューニング電圧部６を制御する。発振器５は、チューニング電圧部６から上記電圧が入力されると、上述した複数の周波数成分を時分割で含む送信信号を生成し、第１アンプ４に出力する。発振器５によって生成された送信信号は、第１アンプ４、デバイダ３、サーキュレータ２を介して、アンテナ１に供給され、アンテナ１から観測地点Ｇに向けて放射される。
【００２２】
また、アンテナ１は、上述した送信信号を放射すると共に、観測地点Ｇによって反射された送信信号の反射波であるドップラー信号を受信し、サーキュレータ２、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９を介して、ＡＤコンバータ１０に出力する。ＡＤコンバータ１０は、アンテナ１から、サーキュレータ２、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９を介して、ドップラー信号が入力されると、該ドップラー信号をデジタル変換し、デジタル変換したドップラー信号を演算制御部１１に出力する。
【００２３】
演算制御部１１は、ＡＤコンバータ１０からデジタル信号であるドップラー信号が入力されると、該ドップラー信号にフーリエ変換処理を施し、上述した複数の周波数成分各々のドップラー周波数を取得して．該ドップラー周波数に基づいてアンテナ１と観測地点Ｇとを通過するベクトル方向におけるアンテナ１と観測地点Ｇを流れる流体との相対速度Ｖｒを求める（図３に示すステップＳ１）。なお、上記ドップラ周波数とは、ドップラ効果により上記相対速度Ｖｒに応じて複数の周波数成分に加算される周波数成分である。
【００２４】
続いて、演算制御部１１は、上述した複数の周波数成分各々のドップラー周波数の位相を取得する。つまり、本実施形態では、上述した複数の周波数成分を時分割で含む送信信号を放射しているため、演算制御部１１が、反射波から位相データを異なる時間で取得すると、複数の周波数成分各々の位相を取得することができる。続いて、演算制御部１１は、上述した複数の周波数成分各々の位相の位相差を求め、当該位相差に基づいてアンテナ１と観測地点Ｇとの距離Ｒを求める（図３に示すステップＳ２）。
【００２５】
続いて、演算制御部１１は、上記ステップＳ１の処理において得られた相対速度Ｖｒと下記式（１）とに基づいて表面流速Ｒｓを求める（図３に示すステップＳ３）。なお、表面流速Ｒｓは、土石流検出装置Ａが設置された河川の流路方向における観測地点Ｇの流体の流速である。また、第１角度ＥＬは、図４（ａ）に示すように、河川の流路を流れる流体の表面に対する送信信号の放射の仰角である。また、第２角度ＡＬは、図４（ｂ）に示すように、水平面における河川の流路方向に対する送信信号の放射の角度である。
表面流速Ｒｓ ＝相対速度Ｖｒ/(ｃｏｓＥＬ×ｃｏｓＡＬ)…（１）
【００２６】
そして、演算制御部１１は、上記ステップＳ２の処理において得られた距離Ｒと下記式（２）とに基づいて高さＨを求める（図３に示すステップＳ４）。高さＨは、流体の表面からアンテナ１までの高さである。
高さＨ＝距離Ｒ×ｓｉｎＥＬ…（２）
【００２７】
続いて、演算制御部１１は、表面流速Ｒｓが所定の流速（例えば、５ｍ/ｓ）を超えたか否か判定する（図３に示すステップＳ５）。なお、所定の流速として５ｍ/ｓを挙げているが、これは、厚生労働省の建設業労働災害防止協会の「土石流による労働災害の防止に向けて」によって多く観測される速度として公開される「５〜２０sm / s」を参考にしたものである。
【００２８】
そして、演算制御部１１は、表面流速Ｒｓが所定の流速を超えない場合（ＮＯの場合）、土石流が発生していないと判断して（図３に示すステップＳ６）、処理を終了する。一方、演算制御部１１は、表面流速Ｒｓが所定の流速を超えた場合（ＹＥＳの場合）、観測地点Ｇにおける表面流速Ｒｓが所定の時間内に所定の速度分だけ増加したか否か判定、つまり表面流速Ｒｓが短時間で増加したか否か判定する（図３に示すステップＳ７）。なお、降雨による、表面流速Ｒｓの短時間増加は、川幅、傾斜及び上流環境により大きく左右される。よって、上記ステップＳ７におけるしきい値は、観測地点Ｇでの降雨時のデータを計測して決められる。
【００２９】
そして、演算制御部１１は、表面流速Ｒｓが短時間で増加していない場合（ＮＯの場合）、上記ステップＳ６の処理において、土石流が発生していないと判断して、処理を終了する。一方、演算制御部１１は、表面流速Ｒｓが短時間で増加した場合（ＹＥＳの場合）、観測地点Ｇにおける高さＨが所定の時間内に所定の長さ分だけ減少したか否か判定、つまり高さＨが短時間で減少したか否か判定する（図３に示すステップＳ８）。土石流が発生すると、短時間に水位が上昇するので、相対的に高さＨが低くなる。なお、降雨による、高さＨの短時間減少は、川幅、傾斜及び上流環境により大きく左右される。よって、上記ステップＳ８におけるしきい値は、観測地点Ｇでの降雨時のデータを計測して決められる。
【００３０】
そして、演算制御部１１は、高さＨが短時間で減少していない場合（ＮＯの場合）、上記ステップＳ６の処理において、土石流が発生していないと判断して、処理を終了する。一方、演算制御部１１は、高さＨが短時間で減少した場合（ＹＥＳの場合）、土石流が発生していると判断して、警報等の処理を実行する（図３に示すステップＳ９）。なお、住民の避難時間を稼ぐために、土石流発生の初期段階で土石流が発生していると判断できるように、上記ステップＳ７及びステップＳ８におけるしきい値は設定されている。また、演算制御部１１は、上記ステップＳ１〜Ｓ９の処理を、所定間隔で繰り返す。
【００３１】
土石流検出装置Ａは、１０秒以下の周期で高さＨ観測可能であるため、土石流発生の初期のタイミング（例えば、図５に示すタイミング）でとらえることができる。なお、１０秒程度の遅れは、避難の妨げにならない。また、表面流速Ｒｓの短時間増加、高さＨの短時間減少のデータを使用して、土石流発生の判断を行うため、精度のよい判断を行うことができる。
【００３２】
このような本実施形態によれば、多周波ＣＷ方式に基づいて送信信号を土石流の観測地点Ｇに向けて放射して反射波を受信し、観測地点Ｇにおける流体の表面流速Ｒｓ及び流体の表面からアンテナ１までの高さＨを受信結果から求め、表面流速Ｒｓ及び高さＨに基づいて観測地点Ｇにおける土石流の発生を判断することによって、流体の表面流速Ｒｓだけでなく、流体の表面からアンテナ１までの高さＨに基づいて土石流の発生を判断するので、土石流の発生の検出精度を高めることができる。
また、本実施形態によれば、非接触型の土石流検出装置であるので、土石流の発生場所から離れた場所に設置することが可能であり、よって破損しにくく、短時間に何度も土石流が発生した場合に破損せずに何度も警報をすることができる。
また、本実施形態によれば、土石流の表面流速Ｒｓと高さＨとを定量的に計測できることによって土石流の規模を定量的に把握できるため、この把握した情報を避難判断等に活用することができる。
【００３３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
本実施形態では、上記ステップＳ５の処理、上記ステップＳ７の処理及び上記ステップＳ８の処理において、全て「ＹＥＳ」である場合に、土石流が発生したと判断するが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記ステップＳ５の処理については、削除してもよい。また、上記ステップＳ７の処理では、表面流速Ｒｓの短時間増加を判定しているが、単に表面流速Ｒｓが所定の流速（しきい値）を超えたか否かを判定して、超える場合に、ステップＳ８の処理に移るようにしてもよい。また、上記ステップＳ８の処理についても、高さＨの短時間減少を判定しているが、単に高さＨが所定の長さ（しきい値）より短くなったか否かを判定し、短くなった場合に、ステップＳ９の処理に移るようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
Ａ…土石流検出装置、１…アンテナ、２…サーキュレータ、３…デバイダ、４…第１アンプ、５…発振器、６…チューニング電圧部、７…ミキサ、８…第２アンプ、９…ノイズフィルタ、１０…ＡＤコンバータ、１１…演算制御部、Ｇ…観測地点
【図１】
2016090463.tif 000003
【図２】
2016090463.tif 000004
【図３】
2016090463.tif 000005
【図４】
2016090463.tif 000006
【図５】
2016090463.tif 000007