JP2002107204A - 水位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 時々刻々と水位が変化する場合や、濁流や悪
天候で大波が立つ場合にも正確に水位を測定する。 【解決手段】 通信設備１３は、管理元からの制御指令
の受信と、水位の測定結果の送信とを行う。電源設備１
２は、装置内の全設備に電源を供給する。測定用電子回
路１１は、測定対象となる水面に発光器１２からのレー
ザー光を照射し、その反射波を受光器１１で受光する。
また、照射したレーザー光の照射時刻と反射波の受光時
刻との時間差、若しくは、照射したレーザー光の変調信
号が保持する所定の物理量と該レーザー光に対応する前
記反射波の前記変調信号が保持する前記物理量との差を
使用して水位を算出する。さらに、上記水位測定を複数
回繰り返した測定結果の分布から水位を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水位測定装置に関
し、特に、レーザー光を使用した水位測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、水位を測定する装置の１つの方式
では、水面上に浮かせたフロートを使用している。その
具体的な方法としては、フロートを所定の位置まで巻き
上げ、その時の巻き上げリールの回転数を電気信号に変
換する方法、フロートに磁石を内蔵しておいて、水面の
変化と共に該フロートをガイドに沿って上下させ、上記
ガイドに沿って配置したリードスイッチを上記の磁石で
もってオンまたはオフさせることで水位を電気量に変換
する方法、フロートとの距離をガイド等の基準点に固定
させたレーザー測定器で測定する方法等が有る。

【０００３】また、スケール目盛りを印刷した柱を立
て、カメラで観察して画像処理する方法も使用されてい
る。さらには、水底の圧力を測定する方法も使用されて
いる。

【０００４】なお、近年になって、レーザー光を使用す
る距離測定方法も実用化されるようになった。例えば、
特公平７−６８２２号公報で開示された技術では、レー
ザー光線対象物との距離を測定する方式の距離測定装置
を水位計として使用している。

【０００５】より具体的には、レーザー光線を所定方向
へ走査射出して、レーザー光帯の外郭エッジを含む画像
を受光カメラで撮影し、外郭エッジから上端エッジ信号
のみを検出して、これを座標変換して水位データに変換
している。

【０００６】この場合には、対象面が常に揺れ動くた
め、従来は、測定値を移動平均法等でそのまま平均化し
たり、上下を切り捨ててから平均化する等の手法が用い
られていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
にフロートを使用する従来方法では、設備が大掛かりに
なるといった問題点が有った。

【０００８】また、時々刻々と水位が変化する場合や、
濁流や悪天候で大波が立つ場合は、水面の位置が不安定
となり、波の上部と底部とでは当然ながら測定値に違い
が生じるため、高い測定精度を得ることができず、最悪
の場合は測定不能になるといった問題点が有った。

【０００９】さらに、水底の圧力を測定する方法では、
当然ながら流速の影響を受けるので、この流速を測定し
て補正するための大掛かりな仕掛けを併用しない限り、
測定精度が不安定になってしまうといった問題点が有っ
た。

【００１０】なお、特公平７−６８２２号公報で開示さ
れた技術では、レーザー光を直接に水面に反射させるこ
とにより水面との距離を測定する方式は採用されていな
いので、水位変化に対するレスポンスが悪く、また、測
定精度も向上しないといった問題点が有った。

【００１１】また、対象面の動きが理論的に予測できる
場合であっても、従来は、このことを考慮して測定する
方法が提案されておらず、平均化のアルゴリズムとして
は単純な移動平均法を採用していたので、やはり、測定
精度が向上しないといった問題点が有った。

【００１２】本発明は、以上のような従来の水位測定装
置における問題点に鑑みてなされたものであり、時々刻
々と水位が変化する場合や、濁流や悪天候で大波が立つ
場合にも正確に水位を測定することができる水位測定装
置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では上記の課題を
解決するために、レーザー光を使用して池や河川の水位
を測定する水位測定装置において、管理元からの制御指
令の受信と、水位の測定結果の送信とを行う通信手段
と、装置内の全設備に電源を供給するための電源供給手
段と、測定対象となる水面にレーザー光を照射するレー
ザー光照射手段と、前記照射したレーザー光の反射波を
受光するレーザー光受光手段と、前記照射したレーザー
光の照射時刻と該レーザー光に対応する前記反射波の受
光時刻との時間差、若しくは、前記照射したレーザー光
の変調信号が保持する所定の物理量と該レーザー光に対
応する前記反射波の前記変調信号が保持する前記物理量
との差を使用して水位を算出する水位測定手段と、前記
水位測定手段による複数回の測定結果の分布から水位を
決定する水位決定手段とを有することを特徴とする水位
測定装置が提供される。

【００１４】即ち、本発明では、レーザー距離計のレー
ザー光を直接水面に反射させて、水面との距離を測定す
る手段と、測定対象における波の高さが正規分布するも
のと仮定した上での測定結果の頻度分布特性から、その
中心値を予測する手段とを備えることにより、時々刻々
と水位が変化する場合や、濁流や悪天候で大波が立つ場
合にも正確に水位を測定することができるようにしてい
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係
る水位測定装置の全体構成とその設置環境を示す説明図
である。

【００１６】本実施の形態に係る水位測定装置は、支柱
２によって支えられ、かつ水位測定装置を格納した筐体
１を備える。筐体１は、レーザー光を発光し、その反射
光を受光することにより水位を測定する測定用電子回路
１１と、筐体１内の各構成要素に電源を供給する電源設
備１２と、測定の指令を受信し、その測定結果を送信す
る通信設備１３を含む。

【００１７】測定用電子回路１１は、レーザー光を発光
する発光器１１２と、受光器１１３を備える。なお、支
柱２は、測定対象となる水面３を有する水域内に立てら
れる。

【００１８】筐体１は、水位測定装置全体を動物から守
り、かつ、風雨などの外部気象条件から守り、さらに、
波や風によって揺れることがなく、安定した測定を行う
ために必要である。

【００１９】電源設備１２は、外部から商用電源を取り
入れることができる場合は、レーザー光を発光する発光
器１１２と、その反射波を受光する受光器１１３と、測
定用電子回路１１と、通信設備１３とを駆動するための
電力（直流低電圧電源）を供給する。商用電源が取り込
めない場合は、１次または２次電池の使用、または、燃
料電池、太陽電池、風力発電機等により２次電池を充電
して使用することが可能である。

【００２０】通信設備１３は、水位測定装置を外部から
の制御指令を受信すると共に、測定結果を測定結果を管
理元に送信する。通信設備１３と管理元とを結ぶ通信回
路は有線または無線であり、有線の場合は同軸ケーブ
ル、通信用ケーブル、光ファイバーケーブル、等の使用
が可能であり、無線の場合は、携帯電話網（ｉモード
等）や、専用周波数が割り当てられた通信網等の使用が
可能である。

【００２１】以下、本実施の形態に係る水位測定装置の
機能を説明する。測定用電子回路１１の発光器１１２
は、位相と波長が揃ったレーザー光、即ち、コヒーレン
トなレーザー光を、測定対象の水面に向けて、かつ水面
と直交する角度で、測定用電子回路１１からの制御信号
に従って発光する。

【００２２】測定用電子回路１１の受光器１１３は、こ
のレーザー光の水面３からの反射光を受光して電気信号
に変換し、これを測定用電子回路１１に送出する。測定
用電子回路１１は、発光器１１２から発光されるレーザ
ー光の強度を制御し、かつ、このレーザー光の反射光を
受光した受光器１１３から送出される電気信号を使用し
て水面３までの距離を計算する。

【００２３】上記の距離の計算方法には、大別して下記
の２種類の方法が有る。図２は、本発明の実施の形態に
係る水位測定装置の距離計算回路の１例を示すブロック
図である。

【００２４】本例で示す距離計算回路は、測定用電子回
路１１に含められる。また、その測定原理は、タイムオ
ブフライト（Time of Flight）法と呼ばれる。即ち、レ
ーザー光が発射されてから、その反射光が帰って来るま
での時間をτ秒とすると、求める距離Ｘは、

【００２５】

【数１】Ｘ≒τ×１．５×１０⁸（ｍ） となる。

【００２６】図２に示す回路で、発振器２１は、１／Ｆ
の時間間隔でスイッチ２２からオンオフ信号をレーザー
光電源２３とカウンタ２７に送出する。今、スイッチ２
２からオン信号が出された時刻を０秒とする。この時、
レーザー素子２４は、発振して光信号（レーザー光）を
送り出すと共に、カウンタ２７は、発振器２８から出力
される周波数ｆのクロックパルスの波数を数え始める。
水面３に当たったレーザー光は反射して、このレーザー
光が発射されてからτ秒後に受光素子２５に入射され、
レーザー光受信器２６で電気信号に変換されてカウンタ
２７に送出され、これにより、カウンタ２７は、そのカ
ウント動作を停止する。

【００２７】一方、デコーダ２９は、この間のカウンタ
２７からのディジタル信号（即ち、周波数ｆの発振クロ
ックパルスの波数）を解釈することにより、水面３から
水位測定装置までの距離を距離情報として出力する。

【００２８】なお、１．５ｍｍの分解能を得るには、発
振器２８の周波数ｆは、１００〔ＧＨｚ〕が必要であ
る。図３は、本発明の実施の形態に係る水位測定装置の
距離計算回路の他の１例を示すブロック図である。

【００２９】本例で示す距離計算回路は、測定用電子回
路１１に含められる。また、その測定原理では、発射す
るレーザー光の強度を、正弦波または矩形波などの一定
周波数に変調し、反射波の位相変化から距離測定を行
う。

【００３０】強度変調の周波数をｆ、受光波の位相の変
化角度をΦラジアンとすると、求める距離Ｘは、

【００３１】

【数２】Ｘ＝Φ×１．５×１０⁸／２πｆ（ｍ） となる。

【００３２】一般に、上述の図２に示す回路例の場合
は、１０（ｍ）程度の距離を測定する場合には、発振器
２８から出力されるクロックパルスの周波数ｆを非常に
高く設定する必要が有る。これに比べて、図３に示す回
路では、使用するクロックパルスの周波数は低くても構
わない。

【００３３】図３に示す回路において、変調周波数発振
器３１１は、周波数ｆの強度変調用の電気信号を出力
し、分配器３１２で分配されて、レーザー強度変調器３
１３とミキサ３１５に供給される。

【００３４】レーザー強度変調器３１３は、この周波数
ｆの強度変調用の電気信号によって、レーザー素子３１
４から照射されるレーザー光を強度変調する。周波数ｆ
の強度変調用の信号を正弦波と仮定するならば、レーザ
ー光に含められたこの信号は、Ｓｉｎωｔと表現でき
る。また、水面に反射したレーザー光の方は、受光素子
３２１とレーザー光受信器３２２とで、上記の周波数ｆ
の信号と比べて、位相がΦだけ進んだＳｉｎ（ωｔ＋
Φ）なる電気信号に変換される。

【００３５】発振器３１９は、周波数ｆに比べてΔｆだ
け異なる周波数の電気信号を出力しており、この信号
は、上記と同様に正弦波と仮定するならば、Ｓｉｎ
｛（ω＋Δω）ｔ＋β｝と表現される。ここで、βは発
振器３１９の位相である。この発振器３１９の出力は分
配器３２０で分配されて、ミキサ３１５とミキサ３２３
に供給される。

【００３６】さらに、ミキサ３１５では、分配された発
振器３１９の出力は、レーザー強度変調器３１３からの
周波数ｆの強度変調用の信号と乗算されて、Ｓｉｎ
｛（２ω＋Δω）ｔ＋β｝と、Ｓｉｎ（Δωｔ＋β）と
の２つの正弦波として出力され、ローパスフィルタ３１
６に入力される。

【００３７】ローパスフィルタ３１６では、上記入力の
うち、前者のＳｉｎ｛（２ω＋Δω）ｔ＋β｝なる高調
波成分をカットすれば、ゼロ交差検出部３１７には、後
者のＳｉｎ（Δωｔ＋β）なる信号成分のみが入力され
る。

【００３８】他方、ミキサ３２３では、分配された発振
器３１９の出力と、レーザー光受信器３２２からの受信
信号とが乗算されて、Ｓｉｎ｛（２ω＋Δω）ｔ＋β＋
Φ｝と、Ｓｉｎ（Δωｔ＋β＋Φ）との２つの正弦波と
して出力され、ローパスフィルタ３２４に入力される。

【００３９】上記と同様に、ローパスフィルタ３２４
で、上記入力のうち、前者のＳｉｎ｛（２ω＋Δω）ｔ
＋β＋Φ｝なる高調波成分をカットすれば、ゼロ交差検
出部３１７には、後者のＳｉｎ（Δωｔ＋β＋Φ）なる
信号成分のみが入力される。

【００４０】ここで、ローパスフィルタ３２４の上記出
力を吟味すると、受信信号の距離情報Φが保存され、か
つ、その周波数はΔｆであることが分かる（周波数Δｆ
は、非常に低い周波数である）。

【００４１】求める距離情報Φは、ローパスフィルタ３
１６とローパスフィルタ３２４との出力の比較から得ら
れるが、これはゼロ交差検出部３１７，３２５とカウン
タ３１８の作用によりなされる。

【００４２】なお、周波数Δｆは、非常に低い周波数で
あっても、高い分解能での距離の測定を可能にしてい
る。ちなみに、レーザー光が照射されてから、その反射
光が戻るまでの時間差τは、

【００４３】

【数３】τ÷（１／Δｆ）×２π＝Φ〔ラジアン〕 から求めることができる。

【００４４】図４は、本発明の実施の形態に係る水位測
定装置の測定結果の処理方法を示すためのグラフであ
る。一般に、水位の測定結果は、風や波、濁流等の影響
によって変動し、正確な値が確定しない。

【００４５】そこで、水位の測定は複数回繰り返して行
い、各測定値各々の平均をとることで正確な値を確定す
る。しかし、その前に、まず、測定結果の処理装置（こ
の処理装置は、例えば、測定用電子回路１１に設置可
能）に、所定の測定範囲外のデータを無視するようなア
ルゴリズムを実行する回路を予め含めておく。

【００４６】即ち、水位測定装置の設置条件から、測定
値がとるべき範囲（上限値，下限値）が、予め推定可能
であるので、この範囲から外れる測定値は除外して、残
りの測定値のみで平均をとる。この処置により、不正確
な測定値を用いることによる平均値のシフトが防止でき
る。

【００４７】本実施の形態では、上記の理由で変動する
測定値が、ガウス分布または正弦波関数の形で分布する
ものと仮定する。そこで、例えば、複数回（数百回）行
った測定結果から、測定距離の変動の範囲を１０から５
０に区分した後、複数回分の測定値（データ）を、これ
ら１０から５０の区分のいずれかに入れる。

【００４８】図４に示すグラフでは、横軸に区分、縦軸
に各区分に入るデータの個数を頻度と見た測定値の分布
が示されている。このグラフは、正規分布の場合は、釣
鐘型の分布となり、図４に示すように、中心値（μ）
と、分散を表すσの２つの値で分布特性が決まる。ここ
では分布の中心を測定値とするのであるから、必要なの
は中心値（μ）だけであるので、分散を表すσは不要で
ある。

【００４９】測定結果の処理装置に組み込むべき具体的
なアルゴリズムとしては、上記に基づいた最大値と最小
値を定め、その間を等間隔に区分し、この区分毎に、区
分内のデータ数を集計することで頻度を算出し、算出さ
れた頻度が最大となる区分を中心値（μ）として決定す
るアルゴリズムとする。

【００５０】図５，６，７は、本発明の実施の形態に係
る水位測定装置の設置方法の具体例を示す説明図であ
る。図５に示す設置方法では、水面３を有する水域内に
支柱５２を構築し、支柱５２の上部に本実施の形態に係
る水位測定装置を収めた筐体５１を設置する。

【００５１】図５では、支柱５２の外部にレーザー光を
通す方法を示しているが、この他に、支柱５２の内部に
レーザー光を通す方法が可能であり、この場合は、レー
ザー光を通す窓（開口部）が雨などで汚れないという利
点がある。

【００５２】図６に示す設置方法では、水面３を有する
水域内の施設である橋などの構造物６２を利用して、そ
の下部に本実施の形態に係る水位測定装置を収めた筐体
６１を固定する。

【００５３】この場合は、筐体６１の設置が容易であ
り、外部からの電源の取り込みも容易となる。また、支
柱を使用しないので、増水時に、流されてくる漂流物や
石などの影響を受けない。

【００５４】図７に示す設置方法では、水面３を有する
水域外（流域から離れた場所）に、筐体７１のレーザー
開口部を取り込む柱７２を立て、この内部を水面３を有
する水域からの水を引き込む連通管７３とする。

【００５５】水面３の水位は、連通管７３内の水位７４
と同じ高さであるから、連通管７３内の水位７４を測定
することで、水面３の水位を測定することができる。こ
の場合は、水面３を有する水域外（流域から離れた場
所）に柱７２を立てるので、やはり、増水時に、流され
てくる漂流物や石などの影響を受けない。

【００５６】また、連通管７３に細いオリフィス管を設
けることで、外部の細かな水位変動を遮ることが可能と
なり、レーザー光が当たる部分の水面を安定させること
ができる。

【００５７】

【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明では、レ
ーザー距離計のレーザー光線を直接水面に反射させて、
水面との距離を測定し、その後、測定対象における波の
高さが正規分布するものと仮定した上での測定結果の頻
度分布特性から、その中心値を予測するので、時々刻々
と水位が変化する場合や、濁流や悪天候で大波が立つ場
合にも正確に水位を測定することができる。

【００５８】また、発光レーザーの強度変調信号に微小
変化分の周波数をミックスする方法により、測定精度を
向上させることができる。さらに、従来のフロート式や
空気圧式に比べて、可動部分を有しないため、測定作業
が簡単であり、かつ、遠隔地からの測定データの監視に
より保守の必要性が確認できるので、整備と調整の手間
が大幅に減じることができる。

【００５９】また、消費電力が少ないので、太陽光や風
力により電源を自給する方式の採用が可能となり、山奥
の河川等の遠隔地への設置が可能となる。さらに、従来
のフロート式や空気圧式に比べて、水位変化に対する応
答性が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る水位測定装置の全体
構成とその設置環境を示す説明図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る水位測定装置の距離
計算回路の１例を示すブロック図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る水位測定装置の距離
計算回路の他の１例を示すブロック図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る水位測定装置の測定
結果の処理方法を示すためのグラフである。

【図５】本発明の実施の形態に係る水位測定装置の設置
方法の具体例を示す説明図である。

【図６】本発明の実施の形態に係る水位測定装置の設置
方法の他の具体例を示す説明図である。

【図７】本発明の実施の形態に係る水位測定装置の設置
方法の他の具体例を示す説明図である。

【符号の説明】

１……筐体、２……支柱、３……水面、１１……測定用
電子回路、１２……電源設備、１３……通信設備、１１
２……発光器、１１３……受光器

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光を使用して池や河川の水位を
   測定する水位測定装置において、 管理元からの制御指令の受信と、水位の測定結果の送信
   とを行う通信手段と、 装置内の全設備に電源を供給するための電源供給手段
   と、 測定対象となる水面にレーザー光を照射するレーザー光
   照射手段と、 前記照射したレーザー光の反射波を受光するレーザー光
   受光手段と、 前記照射したレーザー光の照射時刻と該レーザー光に対
   応する前記反射波の受光時刻との時間差、若しくは、前
   記照射したレーザー光の変調信号が保持する所定の物理
   量と該レーザー光に対応する前記反射波の前記変調信号
   が保持する前記物理量との差を使用して水位を算出する
   水位測定手段と、 前記水位測定手段による複数回の測定結果の分布から水
   位を決定する水位決定手段と、 を有することを特徴とする水位測定装置。
2. 【請求項２】 前記レーザー光を照射する時点から前記
   反射波を受光する時点までの間の経過時間を経時する経
   時手段を、前記水位決定手段に備えたことを特徴とする
   請求項１記載の水位測定装置。
3. 【請求項３】 前記照射するレーザー光の強度変調に使
   用する変調信号の位相を前記所定の物理量としたことを
   特徴とする請求項１記載の水位測定装置。
4. 【請求項４】 同軸ケーブル、通信用ケーブル、光ファ
   イバーケーブル、携帯電話網、専用周波数が割り当てら
   れた通信網の少なくともいずれか１つを使用する前記通
   信手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の水位測
   定装置。
5. 【請求項５】 商用電源、電池、風力利用電源、太陽光
   利用電源、燃料電池の少なくともいずれか１つを使用す
   る前記電源供給手段を備えたことを特徴とする請求項１
   記載の水位測定装置。
6. 【請求項６】 測定対象の水面上に立てられた支柱に取
   り付けられることを特徴とする請求項１記載の水位測定
   装置。
7. 【請求項７】 測定対象の水面上に存在する既設の構造
   物に取り付けられることを特徴とする請求項１記載の水
   位測定装置。
8. 【請求項８】 連通管を備え、かつ測定対象の流域から
   離れた場所に立てられた柱に取り付けられることを特徴
   とする請求項１記載の水位測定装置。