JP5817082B2 - 水際から離隔した位置からの水面挙動の計測方法 - Google Patents

Description

本願発明は、水際から護岸等の陸地まで水平離隔距離のある溜め池や河川等において水面又は水中側に何ら構築物等を施さないで単体のマイクロ波送受信機を利用して被測定水面の水面水位や水面流速等の水面挙動を非接触で連続して正確に計測する方法に関する。

近年、地球温暖化の影響とされている異常気象が全世界の至る所で発生し、我が国においても例外ではなく、都市型異常気象に始まり、何時何処でもゲリラ豪雨などの異常な気象状況が頻発することに伴い大きな災害を引き起こしている。
日本国内に多数存在する河川や工業用・農業用水路などは、日常はもとより異常気象によって生じる水面水位や水面流速の計測監視・管理はより重要さを増している。

一方、農業用を主体とするため池や湖沼に関しては、瀬戸内地方の兵庫、香川、広島県のみを見ても溜め池が１３７，０００個余存在している状況において、これら溜め池の水面水位を常時監視し、ゲリラ豪雨時等に適切な対応をすることにより災害を的確に防止又は身体や財産を守ることは必要でありかつ急務である。

従前より、河川や海水面、ダム湖などの水面の水位を計測する方法は各種存在し、水と直接接触する方式として水位標、フロート式、気泡式、水圧式、リードスィッチ式、静電方式が用いられている。
また、非接触による水面水位計測の代表例は超音波式であり、現在実用的な計測方法として多用されているのが現実である。
より進歩した計測方法として例を挙げればフロート式と超音波、レーザー、電磁波等を組み合わせて水面水位の電気的信号を発信させる方法が提案されているがフロート内部に発信装置が組まれているためにメンテナンスが面倒となる。

一方、河川や工業用・農業用水路においては水位のほかに流速測定とそれに伴う流量の監視・管理も重要な要素であり、古くは浮子方が主流であったが、人手による観測であったため急激な変化には対応不可、連続的な計測が無理、瞬時値が把握できないなどの欠点を有していたが、現在においてはドップラー方式による計測が主流になりつつあり、水位計測センサとの併用により水位と流速を計測するシステム・技術が提案されている。（特許文献１）（特許文献２）

しかしながら、天候等に影響を受けず、河川や工業用・農業用水路又は海岸などのあらゆる壁面・堤防構造のほか溜め池などの法面構造に見られる水際から被測定水面位置が水平離隔状態にある場所にも対応でき、更に天候異変にも十分に対応できる精度の高いデータを取得し、被測定水面の水面水位の単独計測又は水面水位と水面流速を同時に計測する方法は見当たらないのが現状である。

特許第３２２５６９１号 公開広報 特開平５−１８０６７６号 公開公報

本願発明においては、前記の現状の課題を解決し、場所を選ばず、特に溜め池などの法面構造護岸においても護岸頂部位置からマイクロ波送受信機を活用して水際から水平離隔した場所に当該マイクロ波送受信機を俯角方向に傾斜させて設置し、被測定水面に当該マイクロ波を送信し、被測定水面からのマイクロ波の反射波を受信してマイクロ波送受信機の取り付け角度による係数を演算してその時間経過から水面水位を及びドップラー効果を利用して当該水面流速を正確に計測する方法において、その水面挙動の出力を正確かつ自動的に行わせる方法を提起するものである。

本願発明の特徴の第１点として、水面水位の測定に関しては、既存の方法が被測定水面の位置が鉛直又はそれに近い状態に対して、その方法に制約されることなくマイクロ波送受信機を俯角に取り付けた角度で非接触で連続して計測できる方法において、当該マイクロ波送受信機を取り付けた支持部等の揺動に対して、的確な補正を行わせることを特徴とする。

本願発明の特徴の第２点は、ＦＭ−ＣＷ信号による水面水位の測定方法に加えて、ドップラー信号方式を併用して、被測定水面の水面水位と水面流速を、前記信号を高速で切り替えて同時に計測する方法において、当該マイクロ波送受信機を取り付けた 支持部等の揺動に対して、的確な補正を行わせることを特徴とする。

本願発明の第１点は、発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信機を、水際から水平離隔距離がある場所に被測定水面に対して俯角に当該マイクロ波送受信機を傾斜させて設置し、マイクロ波を送信しその反射波を受信して水面水位を非接触で連続して計測する方法において、 該マイクロ波送受信機の揺動を自動的に補正する機能を内蔵又は一体化し、当該マイクロ波送受信機を構築物に固定した際の支持物の揺れ等を自動的に検出し、水面水位の実効値を正確かつ自動的に演算することを特徴とする水面挙動の計測方法にある。

本願発明の第２点は、発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信機を、水際から水平離隔距離がある場所に被測定水面に対して俯角に傾斜させて設置し、当該マイクロ波送受信機の測定方式をＦＭ−ＣＷ信号とドップラー信号を併用し、送受信するマイクロ波を任意な時間間隔で超高速により連続して切り替え、水面水位と水面流速を非接触で連続して計測する発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信器において、該マイクロ波送受信機の揺動を自動的に補正する機能を内蔵又は一体化し、当該マイクロ波送受信機を構築物に固定した際の支持物の揺れ等を自動的に検出し、マイクロ波を送信し反射する水面地点までの距離測定及び被測定水面の水面流速の実効値を正確かつ自動的に演算することを特徴とする水面挙動の計測方法にある。

即ち、本願発明に用いるマイクロ波送受信機は柱状の構築物に取り付けることも想定しており、その場合、荒天時の強風等により柱状構築物及びマイクロ波送受信機が揺動した場合に、被測定水面の水面水位又は水面流速をそれら揺動要因の影響を自動的に補正して、被測定水面の水面水位と水面流速の計測精度を高く確保することとしているのである。

本願発明のマイクロ波送受信機による水際等から水平離隔した場所に当該マイクロ波送受信機を設置するので、護岸面や水面に何らの構造物を構築しなくても水面水位の水面挙動を非接触で連続してかつ正確に計測できることにある。
また、本願発明を採用すれば、単体マイクロ波送受信機でもって被測定水面の水面水位と水面流速を同時に非接触で測定する場合において連続してかつ正確に計測することが出来ることにある。

本願発明を採用することにより、台風の来襲等の荒天時又は強風時においてもマイクロ波送受信機の揺動を自動的に補正するため、より正確な被測定水面の水面水位及び水面流速を得ることができる。
加えて、河川や工業用・農業用水路などにおいては当該河川や水路の断面積を乗じることにより当該河川や水路の瞬時及び累積流量等を正確に演算出力することも可能である。

本願発明において用いるマイクロ波送受信機では、用いるマイクロ波の発信周波数を２４．１５ＧＨｚ±１００ＭＨｚとすることで、２４ＧＨｚ帯特定小電力無線局としてマイクロ波センサ自体の技術基準適合証明を受けることにより、設置場所ごとに電波法の制約も受けずに何処にでも設置できるメリットを有している。また、微弱なマイクロ波であることから、発信器から被測定水面間に遮蔽物が存在しない限り測定可能でかつ人体等へのリスクは生じず安全に水面挙動計測を行わせることができる。

本願発明の方法によると、特に溜め池や河川などの法面構造による護岸である場合に、水際より離れた場所から被測定水面の水面水位及び水面流速を水面側に何ら構築物等を施さないで非接触で連続して測定することが可能となる。
また、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等全てに亘り、被測定水面と非接触でマイクロ波送受信機を設置できるため、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等における構造物のほか流域への影響や、洪水等による計測器具の損壊・流出を皆無にすることができる。

マイクロ波送受信機を用いて本願発明における水面挙動計測方法の立面概念図 水面水位又は水面流速を計測しようとするため本願発明で用いるマイクロ波送受信機のブロック図 本願発明におけるマイクロ波送受信機を用いて河川、工業・農業用水路に設置する場合の概念図 （イ）は断面概念図、（ロ）は」平面概念図 本願発明におけるＦＭ−ＣＷ信号とドップラー信号を超高速で切り替える場合のブロック図 本願発明におけるマイクロ波送受信機の揺動を自動的に補正する機能を内蔵した場合のブロック図

本願発明の請求項１に記載の発明技術について、図１、図２及び図５により詳細を説明する。
先ず、マイクロ波送受信機を用いて、護岸等から離隔した場所からの被測定水面の水面水位を計測する方法の原理を示す。
図１は本願発明に用いるのマイクロ波送受信機５による水面挙動計測方法の立面断面図である。
河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の水際等から離隔した護岸等３に設置された支持物４の上部位置に当該マイクロ波送受信機５を、計測しようとする河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の被測定水面２に向かって当該マイクロ波送受信機５を俯角に設置する。

当該マイクロ波送受信機５の送信アンテナ８より河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の被測定水面２に向かってマイクロ波送信波６を送信し、前記被測定水面２より反射するマイクロ波反射波７を当該マイクロ波送受信機５で受信し、そのマイクロ波送信波６の発信とマイクロ波反射波７の受信までの時間を距離に換算し被測定水面２の水位水面を得ることを目的とする水面挙動計測を行わせる方法である。

即ち、マイクロ波送受信機５によって送信するマイクロ波送信波６と被測定水面２からの反射するマイクロ波反射波７の往復に要する時間を計測してマイクロ波送受信機５から被測定水面２までの距離に換算し、更にマイクロ波送受信機５の取り付け俯角角度の正弦角θを乗じて、当該マイクロ波送受信機５の設置高さから鉛直方向の被測定水面２のレベル位置までの距離を導き出し、予め基準としたマイクロ波送受信機５から基準水面（満水位又は河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等の底面等）までの距離から前記実測した被測定水面２の水面水位との差分で計測時点の水面水位等の被測定水面２の水面水位としての水面挙動を導き出す方法である。

図２は本願発明に用いる当該マイクロ波送受信機５のブロック図であり、送信アンテナ８から送信されたマイクロ波は被測定水面２より反射されて受信ンテナ９で受信され、増幅器１０、マイクロ波比較・ミキシング部１１、フィルター１２、アナログ／ディジタル変換部１３、信号処理部（距離／速度演算部）１４を経て信号として出力される。
なお、本願発明における被測定水面の水面水位を計測する信号方式としてＦＭ−ＣＷ信号を基本とし、発信周波数は２４．１５ＧＨｚ±１００ＭＨｚを基本としている。

本願発明の特徴の第１点は、図５に示すように被測定水面の水面水位を計測しようとする場合において、該マイクロ波送受信機５の揺動を加速度センサー等１７を用いて自動的に検出し、被測定水面２の水面水位を実効値として補正する機能、即ち加速度センサー等１７を内蔵又は一体化したものを用いて水面挙動をより正確に測定しようとするものである。

即ち、本願発明に用いるマイクロ波送受信機５は、主に支持物４に取り付けられることを想定しているため、当該支持物４は強風等によって、その支持物４そのもの自体が揺動することが当然のこととして想定される。
故に、支持物４に取り付けた際の揺れ等を加速度センサー等１７でもって自動的に検出し、マイクロ波を送信し反射する被測定水面の水面地点までの距離測定値から、該マイクロ波送受信機５から被測定水面２までの鉛直距離及び被測定水面２の水面水位を正確かつ自動的に補正・演算し計測精度を高く確保することとしているのである。

本願発明においては、当該マイクロ波送受信機５の揺動を自動的に検出する手段としては加速度センサー等１７を当該マイクロ波送受信機５に内蔵又は一体化させることが最適であるが、前記加速度センサー等１７を含め本願発明の目的を果たす機能を有している手段であればそれらは全て本願発明に包摂するものとする。

本願発明に用いられるマイクロ波送受信機は当該マイクロ波送受信機５のマイクロ波送信周波数を２４．１５ＧＨｚ±１００ＭＨｚとすることにより、２４ＧＨｚ帯特定省電力無線局として，技術基準適合証明を受けて承認を得ることにより、当該マイクロ波送受信機を設置する場合に設置箇所毎の電波法の制約を何らうけることなく、いかなる場所にもいかなる設置者又は管理者でも設置できるメリットを有する。

本願発明の請求項２に記載の発明技術について図３、図４及び図５により詳細を説明する。
図３の（イ）は本願発明を河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１に適用しようとする場合の内、河川、工業・農業用水路に適用とする場合の断面概念図であり（ロ）はその平面概念図である。
即ち、本願発明に用いるマイクロ波送受信機５を水際より水平離隔した護岸等３に、俯角に傾斜させ、更に河川、工業・農業用水路の流れに対して水平傾斜（図のλ）させて設置し、単体の当該マイクロ波送受信機５でもって被測定水面の水面水位と水面流速を非接触で連続して計測しようとする方法の一例である。

前記の本願発明を可能とするには、当該マイクロ波送受信機５の機能が複合的であることが前提となる。
即ち、当該マイクロ波送受信機５からのマイクロ波送信により被測定水面２より反射されるマイクロ反射波を受信する場合、被測定水面の水面水位と水面流速の双方のデータを得るためのマイクロ波送受信機５が複合的な要素を有し、且つ機能させることが必要かつ必須である。

本願発明に用いられるマイクロ波送受信機５の基本構成は図２で示した通りである。
即ち、本願発明に用いる当該マイクロ波送受信機５は、送信アンテナ８から送信されたマイクロ波は被測定水面２より反射されて受信アンテナ９で受信され、増幅器１０、マイクロ波比較・ミキシング部１１、フィルター１２、アナログ／ディジタル変換部１３、信号処理部（距離／速度演算部）１４を経て信号として出力される。

その際、前記の当該マイクロ波送受信機５の回路において、図４に示すように水面水位計測向けとしてのＦＭ−ＣＷ信号１５と、水面流速計測向けとしてのドップラー信号１６を超高速で連続して切り替えて出力されることにより実現されるのである。
即ち、水際から離隔した場所に設置したマイクロ波送受信機５の単体でもって被測定水面２の水面水位と水面流速の双方の水面挙動データを非接触で連続して計測できることとなるのである。

従来方式では被測定水面の水面水位と水面流速を同一場所で計測する場合、水位検出センサと流速計測センサを個別に設置し、しかも水位計測は赤外線や超音波、マイクロ波を用いても水面に対してその照射角度が鉛直±４度という制約があるため、河川、工業・農業用水路等においては水路の中央部に双方のセンサを設置する必要があり、大がかりなアームなどの支持物設備が必要であったが、本願発明では計測のための大がかりな保持・支持物等は全く必要とせず、設置工事、 耐久性、メンテナンス性、設置費用等の効率的観点から多くのメリットを有している。

本願発明の特徴の第２点は、本願発明に用いるマイクロ波送受信機５は該マイクロ波送受信機５の揺動を自動的に検出し、被測定水面２の水面水位と水面流速の実効値として補正する機能を内蔵又は一体化したものを用いて水面挙動を正確に測定しようとするものである。

即ち、本願発明に用いるマイクロ波送受信機５は前記したように主に支持物４に取り付けられることを想定しているため、当該支持物４は強風等によって、その支持物４自体が揺動することが当然のこととして想定される。
故に、支持物４に取り付けた際の揺れ等を自動的に検出する加速度センサー等１７を搭載させ、マイクロ波を送信し反射する被測定水面の水面地点までの距離測定値から、該マイクロ波送受信機５から被測定水面２までの鉛直距離及び被測定水面２の水面流速を正確かつ自動的に補正・演算し計測精度を高く確保することとしているのである。

本願発明においては、当該マイクロ波送受信機５の揺動を自動的に検出する手段としては加速度センサー等１７を当該マイクロ波送受信機５に内蔵又は一体化させることが最適であるが、前記加速度センサー等１７を含め本願発明の目的を果たす機能を有している手段であればそれらは全て本願発明に包摂するものとする。

加えて、本願発明に用いるマイクロ波送受信機５の近傍に風向・風速計を併設又は被測定水面２の近傍に前記風向・風速計を設置し、その風向・風速計からの情報をマイクロ波送受信機５に取り込み、マイクロ波送受信機５の信号処理部１４において被測定水面２の水面水流が実効値となるよう補正を行わせる要素を付加・組み合わせることにより、風況等による外乱要因を取り除き又は補正して、真の水面流速を得ることに非常に有用である。

また、発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信機５に、太陽電池とそれに連接する蓄電池をマイクロ波送受信機５に付加又は組み合わせることにより当該マイクロ波送受信機５の電源とし、商用電源からの遠隔地における単独電源又は商用電源連結方式における商用電源喪失時にも連続して被測定水面２の水面水位及び水面流速の水面挙動の計測を非接触で連続して計測する方法として設置場所に制約を受けないメリットも享受できる。

即ち、天候不順や夕立などの俄の雨・落雷、局地的気象現象に伴う豪雨や台風の来襲時においても、被測定水面２の水面挙動の計測を実行継続又は商用電源回復までの時間においても要求される被測定水面２の水面水位及び水面流速の水面挙動の計測を継続できるのである。

本願発明のマイクロ波送受信機５による河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の被測定水面２の水面水位や水面流速の水面挙動を、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の水際から水平離隔距離が生じる護岸等３にマイクロ波送受信機５を設置できるため、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等の護岸等の形状や状況に制約されず、しかもそれらの構造物に対する影響を全く与えずに、被測定水面２の水面水位や水面流速の水面挙動を正確にかつ非接触で連続して計測できるめ、河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等１の管理者から見れば総合的な管理に好都合であり、より確実性に加え安全性、施工性やシステム構造・構成のシンプルさで卓越した方法であると推量する。

本願発明技術を用いることにより水際から護岸等３までの水平離隔距離が常に変化する河川や垂直な護岸が存在しない海岸線の海面水面挙動の計測も、何ら水中や護岸等３への構造物を構築しなくても被測定水面２の水面水位と水面流速の水面挙動を正確にかつ非接触で連続して計測することができる。
勿論、水面挙動計測データを施設管理者が必要とする信号出力に変換してテレメーター等で遠隔地（施設管理者の管理場所等）に計測データを送信することも容易であり、水面挙動計測からのデータを元に近傍への注意又は警報信号等を発信することもできる。

また、各種液体や固体物の容器内での量的高さの計測にも応用できると共に、水面に対する鉛直±４度の設置角度が確保できない場面で、しかも常に静止液面（鏡面又は鏡面に近い表面状況）をなす液体等の場合、凹凸のある反射材等を水面に浮かばせることで水位計測が可能となり、メンテナンスフリーの構造とすることも出来るなどのメリットもある。

１ 河川、工業・農業用水路、溜め池、湖沼等
２ 被測定水面
３ 護岸等
４ 支持物
５ マイクロ波送受信機
６ マイクロ波送信波
７ マイクロ波反射波
８ 送信アンテナ
９ 受信アンテナ
１０ 増幅器
１１ マイクロ波比較・ミキシング部
１２ フィルター
１３ アナログ／ディジタル変換部
１４ 信号処理部（距離／速度演算部）
１５ ＦＭ−ＣＷ信号
１６ ドップラー信号
１７ 加速度センサー等
θ 水面に対するマイクロ波送受信器の取り付け俯角角度
λ 水流に対するマイクロ波送受信器の取り付け水平角度

Claims (2)

1. 発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信機を、水際から水平離隔距離がある場所に被測定水面に対して俯角に当該マイクロ波送受信機を傾斜させて設置し、マイクロ波を送信しその反射波を受信して水面水位を非接触で連続して計測する方法において、 該マイクロ波送受信機の揺動を自動的に補正する機能を内蔵又は一体化し、当該マイクロ波送受信機を構築物に固定した際の支持物の揺れ等を自動的に検出し、水面水位の実効値を正確かつ自動的に演算することを特徴とする水面挙動の計測方法
2. 発信部と受信部を一体化したマイクロ波送受信機を、水際から水平離隔距離がある場所に被測定水面に対して俯角に当該マイクロ波送受信機を傾斜させて設置し、当該マイクロ波送受信機の測定方式をＦＭ−ＣＷ信号とドップラー信号を併用し、送受信するマイクロ波を任意な時間間隔で超高速により連続して切り替え、水面水位と水面流速を非接触で連続して計測する方法において、 該マイクロ波送受信機の揺動を自動的に補正する機能を内蔵又は一体化し、当該マイクロ波送受信機を構築物に固定した際の支持物の揺れ等を自動的に検出し、水面水位と水面流速の実効値を正確かつ自動的に演算することを特徴とする水面挙動の計測方法

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