JP2023146546A - 船速測定装置および船速測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対水船速をより正確に測定することが可能な船速測定装置および船速測定方法を提供する。【解決手段】船速測定装置１は、超音波を水中に送波するとともに超音波の反射波を受波する送受波器２０と、送受波器２０から出力される受信信号に基づいて、送受波器２０が設置された船の対水船速を算出する信号処理回路１１０と、を備える。信号処理回路１１０は、受信信号に基づいて、上下方向の対水船速が実質的にゼロである対象深度を特定し、当該対象深度に対する進行方向の対水船速を船の対水船速として取得する。【選択図】図１

Description

本発明は、水中に音波を送波し、その反射波に基づいて、船速を測定する船速測定装置および船速測定方法に関する。

従来、水上を進む船の速度を測定する船速測定装置が知られている。この種の船速測定装置では、たとえば、所定の俯角で船の進行方向に超音波が送波され、その反射波の周波数に基づいて船速が算出される。反射波の周波数は、船速に応じたドップラー効果により、送波時の周波数から変化する。したがって、この周波数の変化から、水中に対する船速（対水船速）を算出できる。

対水船速をより正確に計測するための測定方法として、水深方向における流速の変化率を求める方法がある。この方法では、送波時の超音波の周波数と、当該超音波の水中からの反射波の周波数との差分に基づいて、複数の深度に対する流速が算出され、さらに、これら流速の変化率が算出される。そして、この変化率が所定の閾値以下となる深度の流速が船の対水速度として算出される。

以下の特許文献１には、上記と同様の船速測定方法が記載されている。

特許第５２７５４８６号公報

一般に、水中には、船の進行に伴う伴流等の影響によって流れが生じる。他方、対水船速は、このような外乱の影響を受けない水層に対する速度として計測されることが好ましい。これにより、対水船速を用いた船の燃費計算等を正確に行うことができる。

上記の測定方法では、複数の深度に対してそれぞれ算出された流速のうち、深度間における流速の変化率が所定の閾値以下となる深度の流速が対水速度として算出される。しかし、この測定方法では、この深度が伴流等の外乱の影響を受けていないかについては判定されていない。このため、この測定方法では、正確な対水船速を測定できない場合が想定され得る。

かかる課題に鑑み、本発明は、対水船速をより正確に測定することが可能な船速測定装置および船速測定方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、船速測定装置に関する。本態様に係る船速測定装置は、超音波を水中に送波するとともに前記超音波の反射波を受波する送受波器と、前記送受波器から出力される受信信号に基づいて、前記送受波器が設置された船の対水船速を算出する信号処理回路と、を備える。前記信号処理回路は、前記受信信号に基づいて、上下方向の対水船速が実質的にゼロである対象深度を特定し、前記対象深度に対する進行方向の対水船速を前記船の対水船速として取得する。

本態様に係る船速測定装置によれば、上下方向の対水船速が実質的にゼロである対象深度に対して、船の進行方向の対水船速が取得される。水の層が伴流等の外乱の影響を受けていない場合、その層に対する上下方向の対水船速はゼロになる筈である。よって、上記のように、上下方向の対水船速が実質的にゼロである対象深度に対して船の進行方向の対水船速を取得することにより、伴流等の外乱の影響を受けていない水の層に対する対水船速を取得できる。よって、上記構成によれば、対水船速をより正確に測定することができる。

本態様に係る船速測定装置において、前記信号処理回路は、深度ごとに前記上下方向の対水船速の所定時間における平均値を算出し、算出した前記平均値が実質的にゼロである深度を前記対象深度として特定するよう構成され得る。

この構成によれば、一時的な上昇流や、波またはうねりによる船の上下動等が生じても、これらが平均化されることで、これらの要因により平均値に大きな変動が生じることが抑制される。よって、この平均値が実質的にゼロである深度に対して船の対水船速を取得することで、伴流等の外乱の影響を受けない水の層に対する対水船速を適正に取得することができる。

この場合、前記信号処理回路は、前記平均値が実質的にゼロとなる最小の深度付近の範囲から前記対象深度を特定するよう構成され得る。

深度が大きくなるほど、受信信号のＳ／Ｎが低下するため、上下方向および進行方向の対水深度の算出精度が低下する。これに対し、上記構成によれば、平均値が実質的にゼロとなる最小の深度付近の範囲から対象深度が特定されるため、なるべく深度が小さい範囲において対象深度が特定される。よって、Ｓ／Ｎが高く維持された受信信号から上下方向および進行方向の対水深度を精度良く算出できる。

この場合、前記信号処理回路は、前記平均値が実質的にゼロとなる最小の深度を前記対象深度に特定するよう構成され得る。

この構成によれば、平均値が実質的にゼロとなる最小の深度が対象深度に特定されるため、平均値が実質的にゼロとなる範囲の中では、対象深度における受信信号のＳ／Ｎ比が最も高く維持される。よって、上下方向および進行方向の対水深度を、より精度良く算出することができる。

本態様に係る船速測定装置において、前記信号処理回路は、前記対象深度に対する前記進行方向の対水船速の所定時間における平均値を前記船の対水船速として取得するよう構成され得る。

この構成によれば、船の進行方向における対水船速の所定時間分の平均値が船の対水船速として取得される。よって、他船からの伴流等の外乱が一時的に生じた場合も、船の対水船速を安定的に取得できる。

本態様に係る船速測定装置において、前記送受波器は、互いに異なる方向に向けられた複数の超音波振動子を備え、前記信号処理回路は、前記複数の超音波振動子からそれぞれ出力される前記受信信号に基づいて、前記対象深度の特定および前記船の対水船速の取得を行うよう構成され得る。

この構成によれば、複数の超音波振動子からそれぞれ出力される受信信号から、進行方向および上下方向の船速をそれぞれ算出できる。よって、たとえば、各受信信号に基づく船速を平均化することにより、船の揺動による影響が抑制された船速を安定的に取得できる。

本発明の第２の態様は、船速測定方法に関する。本態様に係る船速測定方法は、超音波を水中に送波するとともに前記超音波の反射波を受波し、前記反射波の受信信号に基づいて、上下方向の対水船速が実質的にゼロである対象深度を特定し、前記対象深度に対する進行方向の対水船速を前記船の対水船速として取得する。

本態様に係る船速測定方法によれば、第１の態様と同様の効果が奏される。

以上のとおり、本発明によれば、対水船速をより正確に測定することが可能な船速測定装置および船速測定方法を提供することができる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１は、実施形態に係る、船の側方から見たときの船速測定装置の使用状態を模式的に示す図である。 図２は、実施形態に係る、実施形態に係る、船の上方から見たときの船速測定装置の使用状態を模式的に示す図である。 図３は、実施形態に係る、船速測定装置の回路部の構成を示す図である。 図４は、実施形態に係る、船の進行方向における対水船速、船の上下方向における対水船速および船の左右方向における対水船速を深度ごとに実際に測定した測定結果を示すグラフである。 図５は、実施形態に係る、深度と上下方向の対水船速の平均値との関係を模式的に示すグラフである。 図６は、実施形態に係る、信号処理回路により実行される船の対水船速の測定処理を示すフローチャートである。 図７は、変更例１に係る、信号処理回路により実行される船の対水船速の測定処理を示すフローチャートである。 図８は、変更例２に係る、信号処理回路により実行される船の対水船速の測定処理を示すフローチャートである。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ、変更例３に係る、船の上方から見たときの送信ビームの送波状態を模式的に示す図である。 図１０は、変更例３に係る、船の側方から見たときの送信ビームの送波状態を模式的に示す図である。 図１１は、その他の変更例に係る、信号処理回路により実行される船の対水船速の測定処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、実施形態に係る、船速測定装置の使用状態を示す模式図である。

図１において、Ｘ－Ｙ平面は水平面であり、Ｚ軸正方向は鉛直下方向である。船Ｓ１の進行方向はＹ軸正方向である。便宜上、図１には、船速測定装置の構成のうち、送受波器２０のみが図示されている。

送受波器２０は、船Ｓ１の船底に設置される。図１に示す例では、船Ｓ１の中央からやや後方よりの船底に送受波器２０が設置されている。送受波器２０から、互いに異なる方向に送信ビームＢ１、Ｂ２、Ｂ３が送波される。送信ビームＢ１、Ｂ２、Ｂ３は、超音波である。送信ビームＢ１、Ｂ２、Ｂ３は、狭い範囲において、ほぼ円錐形状に広がる。水平面に対する送信ビームＢ１、Ｂ２、Ｂ３の俯角φは、互いに同じである。俯角φは、たとえば６０度程度である。ただし、俯角φは、６０度に限られるものではない。また、送信ビームＢ１、Ｂ２、Ｂ３の俯角φが互いに異なっていてもよい。

図２は、図１の使用状態を船Ｓ１の上方から見た図である。

図２に示すように、送信ビームＢ１は、平面視において、船首方向に送波される。送信ビームＢ２、Ｂ３は、平面視において、船尾側に向けて送波される。平面視において、隣り合う送信ビーム間の水平角θは均一である。すなわち、ここでは、隣り合う送信ビーム間の水平角θは、１２０度である。ただし、隣り合う送信ビーム間の水平角θは互いに同じでなくてもよい。

図１に戻り、送受波器２０から送波された送信ビームＢ１、Ｂ２、Ｂ３は、プランクトン等の水中の浮遊物によって反射され、その反射波が、送受波器２０で受波される。送受波器２０からは、各反射波の受信信号が出力される。これらの受信信号が、船Ｓ１の操舵室等に設置された制御装置１０によって処理されて、船Ｓ１の対水船速が算出される。

図３は、船速測定装置１の回路部の構成を示す図である。

船速測定装置１は、制御装置１０と、送受波器２０とを備える。送受波器２０は、３つの超音波振動子２０１、２０２、２０３を備える。これら３つの超音波振動子２０１、２０２、２０３は、互いに異なる方向に向けられている。これにより、超音波振動子２０１、２０２、２０３から図１の送信ビームＢ１、Ｂ２、Ｂ３がそれぞれ送波され、その反射波が超音波振動子２０１、２０２、２０３によって受波される。

制御装置１０は、信号処理回路１１０と、送信信号生成回路１２０と、第１～第３送信回路１３１～１３３と、第１～第３切替回路１４１～１４３と、第１～第３受信回路１５１～１５３と、Ａ／Ｄ変換回路１６１～１６３と、第１～第３尾引き信号除去回路１７１～１７３とを備える。

信号処理回路１１０は、ＣＰＵ等の演算処理回路とメモリとを備え、メモリに保持されたプログラムに従って、所定の機能を実行する。信号処理回路１１０は、ＦＰＧＡ等の演算処理回路を含んでいてもよい。送信信号生成回路１２０は、信号処理回路１１０からの制御により、超音波振動子２０１、２０２、２０３をそれぞれ駆動するための送信信号を生成して、第１～第３送信回路１３１～１３３に出力する。それぞれの送信信号は、所定周波数の正弦波信号である。

第１～第３送信回路１３１～１３３は、入力されたこれらの送信信号を増幅して第１～第３切替回路１４１～１４３にそれぞれ出力する。第１～第３切替回路１４１～１４３は、入力されたこれらの送信信号を、超音波振動子２０１～２０３にそれぞれ出力する。これにより、超音波振動子２０１～２０３は、所定周波数の超音波（送信ビームＢ１～Ｂ３）をそれぞれ水中に送波する。その後、超音波振動子２０１～２０３は、これら超音波の反射波を受波すると、これら反射波に基づく受信信号を、第１～第３切替回路１４１～１４３に出力する。

第１～第３切替回路１４１～１４３は、超音波振動子２０１～２０３から入力された受信信号を、第１～第３受信回路１５１～１５３にそれぞれ出力する。第１～第３受信回路１５１～１５３は、入力された受信信号を増幅するとともに、反射波の周波数帯域を含む所定帯域の受信信号を抽出して、Ａ／Ｄ変換回路１６１～１６３にそれぞれ出力する。Ａ／Ｄ変換回路１６１～１６３は、入力されたこれらの受信信号を所定のサンプリング周期でそれぞれサンプリングしてデジタル信号に変換する。

第１～第３尾引き信号除去回路１７１～１７３は、Ａ／Ｄ変換回路１６１～１６３からそれぞれ入力された受信信号から尾引き信号を除去する。ここで、尾引き信号とは、超音波振動子２０１～２０３における送波の残響により受信信号に重畳されるノイズのことである。すなわち、尾引き信号は、送受波器２０内での送信信号の反射および超音波振動子２０１～２０３の帯域制限された周波数特性等を要因として、超音波が送波された直後にリンギングのように現れる不要な信号のことである。

このように、尾引き信号は、超音波の送波の直後にリンギングのように現れるため、超音波の反射波を受波する期間、すなわち、反射波に基づく受信信号の出現期間の冒頭付近に重なることになる。第１～第３尾引き信号除去回路１７１～１７３は、このように受信信号に重畳する尾引き信号を受信信号から除去する。

第１～第３尾引き信号除去回路１７１～１７３は、それぞれ、ローパスフィルタ１７１ａ～１７３ａと、加算器１７１ｂ～１７３ｂとを備える。ローパスフィルタ１７１ａ～１７３ａは、受信信号から尾引き信号の周波数成分を抽出し、抽出した周波数成分の極性を反転させて加算器１７１ｂ～１７３ｂに入力する。加算器１７１ｂ～１７３ｂは、ローパスフィルタ１７１ａ～１７３ａから入力された周波数成分を受信信号に加算する。これにより、受信信号から周波数成分が除去され、尾引き信号が除去された受信信号が得られる。尾引き信号が除去された受信信号は、順次、信号処理回路１１０へと出力され、信号処理回路１１０内のメモリに保持される。

なお、第１～第３尾引き信号除去回路１７１～１７３のより詳細な構成および動作については、特許第４８２８１２０号公報の記載が参照により取り込まれ得る。

信号処理回路１１０は、第１～第３尾引き信号除去回路１７１～１７３から入力された受信信号に基づき、複数の深度について、船Ｓ１の対水船速を算出する。より詳細には、信号処理回路１１０は、これら３つの受信信号ごとに、船Ｓ１の進行方向における対水船速と、船Ｓ１の上下方向（鉛直方向）における対水船速とを、それぞれ深度ごとに算出する。深度は、時間軸上における受信信号の時刻（送波からその時刻までの所要時間）によって特定され得る。

これらの対水船速は、送信信号と各深度における受信信号との間の周波数差から、ドップラー効果に基づき算出される。

たとえば、第１尾引き信号除去回路１７１から入力された受信信号、すなわち、図１の送信ビームＢ１に基づく受信信号については、送信信号と各深度における受信信号との周波数差から、ドップラー効果に基づき送信ビームＢ１の方向における対水船速が算出される。そして、この対水船速から、水平角θおよび俯角φに基づき、船Ｓ１の進行方向における各深度の対水船速と、船Ｓ１の上下方向における各深度の対水船速が算出される。

図１の送信ビームＢ２、Ｂ３に基づく受信信号については、上記と同様、送信ビームＢ２、Ｂ３の方向における各深度の対水船速が算出され、この対水船速から、水平角θおよび俯角φに基づき、船Ｓ１の進行方向における各深度の対水船速と、船Ｓ１の上下方向における各深度の対水船速が算出される。

そして、信号処理回路１１０は、送信ビームＢ１～Ｂ３に基づく進行方向の３つの対水船速を深度ごとに平均化して、進行方向の対水船速を深度ごとに算出し、送信ビームＢ１～Ｂ３に基づく上下方向の３つの対水船速を深度ごとに平均化して、上下方向の対水船速を深度ごとに算出する。

なお、後述する船Ｓ１の左右方向（Ｘ軸方向）の対水船速も、上記と同様、各送信ビームの方向における各深度の対水船速から、水平角θおよび俯角φに基づき算出され、さらに、これらを深度ごとに平均化することで算出される。

信号処理回路１１０は、こうして算出した各深度の進行方向および上下方向の対水船速から、船Ｓ１の対水船速を決定する。より詳細には、信号処理回路１１０は、上下方向の対水船速が実質的にゼロである対象深度を特定し、この対象深度に対する進行方向の対水船速を船の対水船速に決定する。

すなわち、水の層が伴流等の外乱の影響を受けていない場合、その層に対する上下方向の対水船速は実質的にゼロになる筈である。よって、上記のように、上下方向の対水船速が実質的にゼロである対象深度に対して船の進行方向の対水船速を取得することにより、伴流等の外乱の影響を受けていない水の層に対する対水船速を取得できる。これにより、船Ｓ１の進行方向における対水船速を正確に測定することができる。

信号処理回路１１０は、こうして測定した船Ｓ１の進行方向における対水船速を、表示装置３０に表示させる。表示装置３０は、たとえば、船Ｓ１の操舵室に設置されている。

図４は、上記構成において、船の進行方向における対水船速（以下、「Ｙ船速」と称する）、船の上下方向における対水船速（以下、「Ｚ船速」と称する）および船の左右方向における対水船速（以下、「Ｘ船速」と称する）を深度ごとに実際に測定した測定結果を示すグラフである。

ここでは、船Ｓ１が直進している場合の測定結果が示されている。また、グラフには、この測定時点から所定時間前までの期間に算出された各深度のＹ船速、Ｚ船速およびＸ船速をそれぞれ平均化した平均値がプロットされている。本測定では、平均化のための上記所定時間は、１５分に設定した。

図４のグラフを参照すると、深度が増加するに伴い、Ｚ船速が次第に０に近づいていき、Ｙ船速が次第に１７キロノットに収束していく。したがって、深度の増加に伴い、水の層に対する外乱の影響が減少し、所定深度より深くなると、外乱の影響が殆ど無くなって水の層は略静止した状態になることが推測される。また、Ｚ船速が実質的に０である範囲では、Ｙ船速は、外乱の影響がない水の層に対する本来の対水船速である１７キロノットに収束した状態になることが推測される。

図５は、深度とＺ船速（平均値）との関係を模式的に示すグラフである。

図５のグラフにおいて、深度が０～１７ｍまでの範囲は図４のグラフが反映され、深度が１７ｍ以降の範囲は、図４のグラフの５～１７ｍの範囲の減少傾向と同様の減少傾向が反映されている。

ここで、Ｚ船速が実質的にゼロであるか否かについては、Ｚ船速を閾値Ｖｔｈと比較して判定され得る。この閾値Ｖｔｈは、ゼロ近傍の値に設定されればよい。たとえば、閾値Ｖｔｈは、０に対して±０．１～±０．３程度に設定され得る。この閾値Ｖｔｈの範囲にＺ船速が含まれる場合に、Ｚ船速が実質的にゼロであると判定される。図５の例では、Ｚ船速が閾値Ｖｔｈに含まれる最小の深度Ｄ０は、４１．５ｍ程度である。したがって、この深度Ｄ０以上の範囲Ｗ０では、略一律に、Ｚ船速が実質的にゼロとなる。

よって、この範囲Ｗ０に含まれる深度の何れかについて算出されたＹ船速を船Ｓ１のＹ船速として選択することにより、外乱の影響のない水の層に対する対水船速を取得できる。

ただし、深度が大きくなるほど、受信信号のＳ／Ｎが低下する。このため、範囲Ｗ０のうち深度Ｄ０から大きく離れた深度では、受信信号のＳ／Ｎが低下し、Ｙ船速およびＺ船速を精度良く算出することが困難になる。したがって、Ｙ船速およびＺ船速を算出する対象の深度の範囲は、Ｚ船速が実質的にゼロである最小の深度Ｄ０付近の範囲Ｗ１に設定されることが好ましく、深度Ｄ０に設定されることがさらに好ましい。範囲Ｗ１は、たとえば、数ｍから１０ｍ程度に設定され得る。

なお、図４のグラフを参照すると、Ｘ船速も深度の増加に伴いゼロに収束している。このため、Ｘ船速が実質的にゼロである範囲に含まれる深度について算出されたＹ船速を、船Ｓ１の対水船速として取得する方法も検討され得る。

しかし、図４のグラフにおいてＸ船速がゼロに収束しているのは、船Ｓ１が直進していることによるものであって、船Ｓ１が左右に旋回した場合や、これにより船Ｓ１にドリフトが生じた場合は、各深度のＸ船速は、０から乖離する。このように、各深度のＸ船速は、船Ｓ１の進行状況に応じて動的に変化し得るため、Ｘ船速が実質的にゼロである深度の範囲に含まれる深度について算出されたＹ船速を、船Ｓ１の対水船速に用いることは、困難であると推定され得る。

図６は、信号処理回路１１０により実行される船Ｓ１の対水船速の測定処理を示すフローチャートである。

送受波器２０から超音波（送信ビームＢ１～Ｂ３）が送波されると、信号処理回路１１０は、第１～第３尾引き信号除去回路１７１～１７３からそれぞれ入力された受信信号に基づいて、上記のように、深度ごとにＹ船速およびＺ船速を算出し、算出した各深度のＹ船速およびＺ船速をメモリに記憶する（Ｓ１０１）。次に、信号処理回路１１０は、変数ｎに１を設定し（Ｓ１０２）、深度ＤｎにおけるＺ船速の所定時間の平均値を算出する（Ｓ１０３）。

ここで、深度Ｄｎは、変数ｎの増加に伴い所定距離（たとえば、０．５ｍ）ずつ増加する。深度Ｄｎの初期値（変数ｎ＝１）は、必ずしも、ゼロに対して所定距離（たとえば、０．５ｍ）を加算した値でなくてもよく、３ｍまたは５ｍ等の固定の値であってもよい。ステップＳ１０３において、Ｚ船速の平均値は、図４の場合と同様、現在の測定時点から所定時間前までの期間に算出された当該深度ＤｎのＺ船速を平均化して算出される。

次に、信号処理回路１１０は、算出したＺ船速の平均値が実質的にゼロであるか否かを判定する（Ｓ１０４）。ここでは、図５の場合と同様、Ｚ船速がゼロから閾値Ｖｔｈの範囲に含まれるか否かが判定される。算出したＺ船速の平均値が実質的にゼロでない場合（Ｓ１０４：ＮＯ）、信号処理回路１１０は、変数ｎに１を加算し（Ｓ１０７）、処理をステップＳ１０３に戻す。これにより、次の深度Ｄｎについて、ステップＳ１０３以降の処理が行われる。こうして、Ｚ船速の平均値が実質的にゼロとなるまで、処理対象の深度Ｄｎが増加方向に変更されながら、ステップＳ１０３、Ｓ１０４に処理が繰り返し実行される。

その後、Ｚ船速の平均値が実質的にゼロになると（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、信号処理回路１１０は、ステップＳ１０１においてメモリに記憶した各深度のＹ船速のうち、現在の深度Ｄｎに対応するＹ船速を、船Ｓ１の進行方向の対水船速として決定する（Ｓ１０５）。そして、信号処理回路１１０は、対水船速の測定が終了したか否かを判定し（Ｓ１０６）、終了していなければ（Ｓ１０６：ＮＯ）、処理をステップＳ１０１に戻して、次の超音波（送信ビームＢ１～Ｂ３）の送波に対し同様の処理を実行する。

こうして、信号処理回路１１０は、超音波（送信ビームＢ１～Ｂ３）を送波するごとに、ステップＳ１０１～Ｓ１０５、Ｓ１０７の処理を繰り返し実行し、船Ｓ１の進行方向の対水船速を取得する。信号処理回路１１０は、それぞれの測定時点で取得した船Ｓ１の対水船速を、随時、表示装置３０に表示させる。その後、対水船速の測定動作が終了すると（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、信号処理回路１１０は、図６の処理を終了する。

なお、図６の処理では、ステップＳ１０４の判定がＹＥＳとなるときの深度Ｄｎは、深さ方向において最初にＺ船速が閾値Ｖｔｈの範囲内となる深度であり、図５の深度Ｄ０に対応する。すなわち、図６の処理では、Ｚ船速の平均値が実質的にゼロとなる最小の深度が、船Ｓ１の進行方向の対水船速を算出する対象深度として特定されることになる。

＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、以下の効果が奏され得る。

図６に示したように、上下方向の対水船速（Ｚ船速）が実質的にゼロである深度Ｄｎ（対象深度）に対して（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、船の進行方向の対水船速が取得される（Ｓ１０５）。水の層が伴流等の外乱の影響を受けていない場合、その層に対する上下方向の対水船速はゼロになる筈である。よって、上記のように、上下方向の対水船速（Ｚ船速）が実質的にゼロである深度Ｄｎ（対象深度）に対して船の進行方向の対水船速を取得することにより、伴流等の外乱の影響を受けていない水の層に対する対水船速を取得できる。よって、対水船速をより正確に測定することができる。

図６に示したように、信号処理回路１１０は、深度ごとに上下方向の対水船速（Ｚ船速）の所定時間における平均値を算出し（Ｓ１０３）、算出した平均値が実質的にゼロである深度を対象深度として特定する（Ｓ１０４、Ｓ１０５）。これにより、一時的な上昇流や、波またはうねりによる船Ｓ１の上下動等が生じても、これらが平均化されることで、これらの要因により平均値に大きな変動が生じることが抑制される。よって、この平均値が実質的にゼロである深度に対して船の対水船速（Ｙ船速）を取得することで、伴流等の外乱の影響を受けない水の層に対する対水船速を適正に取得することができる。

図５に示したように、信号処理回路１１０は、Ｚ船速の平均値が実質的にゼロとなる最小の深度Ｄ０付近の範囲Ｗ１から、Ｙ船速を取得するための対象深度を特定することが好ましい。これにより、なるべく深度が小さい範囲において対象深度が特定されるため、Ｓ／Ｎが高く維持された受信信号から上下方向および進行方向の対水深度（Ｚ船速、Ｙ船速）を精度良く算出できる。

上記実施形態では、図６に示したように、信号処理回路１１０は、Ｚ船速の平均値が実質的にゼロとなる最小の深度を、Ｙ船速を取得するための対象深度として特定する（Ｓ１０４、Ｓ１０５）。これにより、平均値が実質的にゼロとなる範囲Ｗ０の中では、対象深度における受信信号のＳ／Ｎ比が最も高く維持される。よって、上下方向および進行方向の対水深度（Ｚ船速、Ｙ船速）を、より精度良く算出することができる。

図１～図３に示したように、送受波器２０は、互いに異なる方向に向けられた複数の超音波振動子２０１～２０３を備える。そして、信号処理回路１１０は、複数の超音波振動子２０１～２０３からそれぞれ出力される受信信号に基づいて、図６の処理により、対象深度の特定および船の対水船速の取得を行う。この構成によれば、複数の超音波振動子２０１～２０３からそれぞれ出力される受信信号から、船速（Ｙ船速、Ｚ船速）をそれぞれ算出できる。このため、上記のように、これらの船速を平均化することにより、船の揺動による影響が抑制された船速を安定的に取得できる。

＜変更例１＞
上記実施形態では、図６のステップＳ１０１において、深度ごとに、Ｚ船速とＹ船速の両方が算出された。これに対し、変更例１では、深度ごとにＺ船速のみが算出され、Ｙ船速は、対象深度についてのみ算出される。

図７は、変更例１に係る、信号処理回路１１０により実行される船Ｓ１の対水船速の測定処理を示すフローチャートである。

図７のフローチャートでは、図６のフローチャートのステップＳ１０１、Ｓ１０５が、それぞれ、ステップＳ１１１、Ｓ１１２に変更されている。図７のその他のステップの処理は、図６の対応するステップと同様である。

ステップＳ１１１において、信号処理回路１１０は、受信信号からＺ船速のみを深度ごとに算出してメモリに記憶する。信号処理回路１１０は、メモリに記憶した各深度のＺ船速を用いて、ステップＳ１０２～Ｓ１０４、Ｓ１０７の処理を、上記と同様に実行する。これにより、ステップＳ１０４の判定がＹＥＳとなると、信号処理回路１１０は、今回の送波により取得した受信信号から、現在の深度Ｄｎに対するＹ船速を算出し、算出したＹ船速を、船Ｓ１の対水船速として取得する（Ｓ１１２）。信号処理回路１１０は、測定が終了するまで（Ｓ１０６：ＮＯ）、超音波の送波ごとに、ステップＳ１１１以降の処理を繰り返し実行する。

変更例１によれば、ステップＳ１０４の判定がＹＥＳとなったときの深度Ｄｎ（対象深度）についてのみ、Ｙ船速が算出される。よって、図６の処理に比べて、Ｙ船速の算出に対する処理負荷を軽減でき、船Ｓ１の対水船速をより効率的に算出できる。

＜変更例２＞
上記実施形態では、図６のステップＳ１０５において、対象深度に対するＹ船速が船Ｓ１の対水船速として取得された。これに対し、変更例２では、対象深度に対するＹ船速の所定時間における平均値が、船Ｓ１の対水船速として取得される。

図８は、変更例２に係る、信号処理回路１１０により実行される船Ｓ１の対水船速の測定処理を示すフローチャートである。

図８のフローチャートでは、図６のフローチャートのステップＳ１０５が、ステップＳ１２１に変更されている。図７のその他のステップの処理は、図６の対応するステップと同様である。

ステップＳ１１１において、信号処理回路１１０は、ステップＳ１０４の判定がＹＥＳとなったときの深度Ｄｎに対するＹ船速の平均値を算出する。より詳細には、信号処理回路１１０は、今回の測定時点から所定時間（所定回数）前までの当該深度ＤｎのＹ船速をメモリから抽出し、抽出したＹ船速の平均値を算出する。そして、信号処理回路１１０は、算出したＹ船速の平均値を、船Ｓ１の対水船速として取得する。

ここで、ステップＳ１２１における平均化のための所定時間は、ステップＳ１０３においてＺ船速の平均値を算出する場合の所定時間と同様であってよく、あるいは、この所定時間と異なっていてもよい。たとえば、ステップＳ１２１における平均化のための所定時間は、今回の測定時点から１０数回前までの測定時点に対応する期間であってよい。

図８の処理によれば、Ｙ船速の所定時間分の平均値が船Ｓ１の対水船速として取得される。このため、他船からの伴流等の外乱が一時的に生じた場合も、船Ｓ１の対水船速を安定的に取得できる。

＜変更例３＞
上記実施形態では、図１および図２に示したように、３つの送信ビームＢ１～Ｂ３がそれぞれ所定の方向に送受波器２０から送波された。しかしながら、送受波器２０から送波される送信ビームＢ１の数および方向は、これに限られるものではない。

たとえば、図９（ａ）に示すように、船Ｓ１の前後方向に所定の俯角で送信ビームＢ１、Ｂ４が送波されてもよく、あるいは、図９（ｂ）に示すように、送信ビームＢ１～Ｂ３の他に、船Ｓ１の船尾方向に所定の俯角で送信ビームＢ４がさらに送波されてもよい。また、図１０に示すように、送信ビームＢ１～Ｂ３の他に、船Ｓ１の真下方向に送信ビームＢ５がさらに送波されてもよく、あるいは、送信ビームＢ１のみが送波されてもよい。

これらの変更例では、送信ビームの数に応じて、送受波器２０に配置される超音波振動子の数が変更される。各超音波振動子は、対応する送信ビームの送波方向に向けられて配置される。これらの変更例によっても、上記実施形態と同様、各送信ビームに対応する受信信号から、深度ごとに、Ｙ船速およびＺ船速が算出され、さらに、Ｙ船速およびＺ船速を深度ごとに所定時間において平均化することで、深度ごとに、Ｙ船速およびＺ船速の平均値が算出される。

したがって、変更例３の構成によっても、図６～図８の処理により、外乱の影響を受けていない水の層に対する対水船速を取得でき、対水船速を正確に測定できる。

＜その他の変更例＞
上記実施形態およびその変更例では、Ｚ船速の平均値が実質的にゼロとなる最小の深度が、船Ｓ１の対水船速（Ｙ船速）を取得するための対象深度に特定されたが、対象深度の特定方法はこれに限られるものではない。たとえば、図１１のステップＳ１３１に示すように、ステップＳ１０４の判定がＹＥＳとなったときの深度Ｄｎ（図５の深度Ｄ０に相当）に所定距離ΔＤ（たとえば、数メートル）を加算した深度（深度Ｄｎより所定距離ΔＤだけ深い深度）が対象深度として特定され、この深度に対するＹ船速が船Ｓ１の対水船速として取得されてもよい。

また、図６～図８、図１１の処理では、Ｚ船速の平均値が最初に実質的にゼロになった深度Ｄｎが対象深度として特定されたが、Ｚ船速の平均値が最初に実質的にゼロになった深度Ｄｎであっても、これに後続する深度のＺ船速の平均値が実質的にゼロでない場合は、この深度Ｄｎは、対象深度として特定されなくてもよい。この場合、その後に、Ｚ船速の平均値が実質的にゼロになった深度Ｄｎが生じたときに、この深度Ｄｎに後続する所定数の深度について、Ｚ船速の平均値が実質的にゼロとなったことを条件に、この深度Ｄｎが対象深度として特定されればよい。

また、船Ｓ１の対水船速を取得するための処理は、図６～図８、図１１の処理に限られるものではなく、受信信号に基づいて、Ｚ船速が実質的にゼロである対象深度を特定し、特定した対象深度に対するＹ船速を船Ｓ１の対水船速として取得する処理である限りにおいて、図６～図８、図１１以外の処理工程によりなされてもよい。

また、船速測定装置１の構成も、図３に示した構成に限られるものではなく、適宜変更可能である。たとえば、図３の構成から第１～第３尾引き信号除去回路１７１～１７３が省略されてもよい。この場合、信号処理回路１１０は、たとえば、尾引き信号が重畳される深度範囲より深い深度範囲を対象に、図６～図８、図１１の処理を行ってもよい。

また、上記実施形態およびその変更例では、船速測定装置１が船速の測定機能のみを有していたが、船速測定装置１は、船速の測定機能とともに、物標の検出機能等の他の機能を備えていてもよい。また、船速測定装置１は、ソナー等に他の機能を有する装置に搭載されてもよく、この装置が実行する機能の１つとしてこの装置に含まれていてもよい。

本発明の実施形態は、特許請求の範囲に記載の範囲で適宜種々の変更可能である。

１ 船速測定装置
２０ 送受波器
１１０ 信号処理回路
２０１、２０２、２０３ 超音波振動子

Claims (7)

1. 超音波を水中に送波するとともに前記超音波の反射波を受波する送受波器と、
   前記送受波器から出力される受信信号に基づいて、前記送受波器が設置された船の対水船速を算出する信号処理回路と、を備え、
   前記信号処理回路は、前記受信信号に基づいて、上下方向の対水船速が実質的にゼロである対象深度を特定し、前記対象深度に対する進行方向の対水船速を前記船の対水船速として取得する、
   ことを特徴とする船速測定装置。
2. 請求項１に記載の船速測定装置において、
   前記信号処理回路は、深度ごとに前記上下方向の対水船速の所定時間における平均値を算出し、算出した前記平均値が実質的にゼロである深度を前記対象深度として特定する、
   ことを特徴とする船速測定装置。
3. 請求項１または２に記載の船速測定装置において、
   前記信号処理回路は、前記平均値が実質的にゼロとなる最小の深度付近の範囲から前記対象深度を特定する、
   ことを特徴とする船速測定装置。
4. 請求項３に記載の船速測定装置において、
   前記信号処理回路は、前記平均値が実質的にゼロとなる最小の深度を前記対象深度に特定する、
   ことを特徴とする船速測定装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の船速測定装置において、
   前記信号処理回路は、前記対象深度に対する前記進行方向の対水船速の所定時間における平均値を前記船の対水船速として取得する、
   ことを特徴とする船速測定装置。
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の船速測定装置において、
   前記送受波器は、互いに異なる方向に向けられた複数の超音波振動子を備え、
   前記信号処理回路は、前記複数の超音波振動子からそれぞれ出力される前記受信信号に基づいて、前記対象深度の特定および前記船の対水船速の取得を行う、
   ことを特徴とする船速測定装置。
7. 超音波を水中に送波するとともに前記超音波の反射波を受波し、
   前記反射波の受信信号に基づいて、上下方向の対水船速が実質的にゼロである対象深度を特定し、
   前記対象深度に対する進行方向の対水船速を前記船の対水船速として取得する、
   ことを特徴とする船速測定方法。

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