JP6441740B2 - ドップラシフト周波数測定装置、対水速度計、及び潮流計 - Google Patents

ドップラシフト周波数測定装置、対水速度計、及び潮流計 Download PDF

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Description

本発明は、ドップラシフト周波数を測定するドップラシフト周波数測定装置、このドップラシフト周波数測定装置を備えた対水速度計及び潮流計に関する。
従来から知られている潮流計として、例えば特許文献1に開示されるものが知られている。この潮流計では、複数の送受波器のそれぞれで受波された受信波が、各送受波器に対応して設けられた受信信号処理部(受信アンプ、ADC、フィルタ、及び周波数検出部)によって処理される。そして、この潮流計では、各受信信号処理部によって検出されたドップラシフト周波数に基づき、潮流の速度が算出される。
国際公開第2014/199758号
ところで、特許文献1に開示される潮流計では、上述のように、各送受波器に対応して受信信号処理部が設けられているため、全体的に冗長なシステムとなってしまう。
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、簡素化された構成を有するドップラシフト周波数測定装置、このドップラシフト周波数測定装置を備えた対水速度計及び潮流計を提供することである。
(1)上記課題を解決するため、本発明のある局面に係るドップラシフト周波数測定装置は、それぞれが送信波を送波する複数の送波部と、それぞれが各前記送波部に対応して設けられ、対応する前記送波部からの送信波の反射波を受信波として受波する複数の受波部と、各前記受波部によって受波された前記受信波から得られる受信信号を処理して各前記受信波のドップラシフト周波数を算出する受信信号処理部と、を備えたドップラシフト周波数測定装置であって、前記受信信号処理部は、各前記受信波に対応して生成された信号であって、そのパワースペクトルのメインローブの中心周波数が互いに異なる処理対象信号、を合成して合成信号を生成する受信回路と、前記合成信号に基づき各前記受信波のドップラシフト周波数を算出するドップラシフト周波数算出部と、を有している。
(2)好ましくは、各前記送波部は、互いにパワースペクトルのメインローブの中心周波数が異なる前記送信波を送波し、前記受信回路は、前記処理対象信号としての前記受信信号を合成して前記合成信号を生成する。
(3)更に好ましくは、前記送信波のパワースペクトルのメインローブの中心周波数は、前記ドップラシフト周波数測定装置が搭載される移動体がとり得る移動速度の最大値に基づいて設定されている。
(4)好ましくは、各前記送波部は、互いにパワースペクトルのメインローブの中心周波数が同じ前記送信波を送波し、前記受信信号処理部は、前記受波部によって受波された前記受信波から得られる前記受信信号の中心周波数を異なる中心周波数へシフトさせることにより前記処理対象信号を生成する周波数シフト部、を更に有している。
(5)好ましくは、前記ドップラシフト周波数測定装置は、海上を移動する移動体としての船舶に搭載されている。
(6)好ましくは、前記ドップラシフト周波数測定装置は、前記送波部と、該送波部に対応する前記受波部とが一体化された送受波部、を備えている。
(7)上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る対水速度計は、上述したいずれかのドップラシフト周波数測定装置と、前記ドップラシフト周波数測定装置で算出されたドップラシフト周波数に基づき、前記ドップラシフト周波数測定装置が搭載される船舶の対水速度を算出する対水速度算出部と、を備えている。
(8)上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る潮流計は、上述したいずれかのドップラシフト周波数測定装置と、前記ドップラシフト周波数測定装置で算出されたドップラシフト周波数に基づき、前記ドップラシフト周波数測定装置が搭載される船舶の対水速度を算出する対水速度算出部と、前記船舶の対地速度を算出する対地速度算出部と、前記対水速度算出部で算出された前記対水速度と、前記対地速度で算出された前記対地速度とに基づき、潮流の速度を算出する潮流速度算出部と、を備えている
本発明によれば、簡素化された構成を有するドップラシフト周波数測定装置、このドップラシフト周波数測定装置を備えた対水速度計及び潮流計を提供できる。
本発明の実施形態に係る対水速度計のブロック図である。 図1に示す受信信号処理部のブロック図である。 フーリエ変換部によって生成された合成信号のパワースペクトルである。 各超音波素子から送波される超音波のパワースペクトルと、合成信号のパワースペクトルとを重ねて表示したグラフである。 変形例に係る対水速度計のブロック図である。 図5に示す受信信号処理部のブロック図である。 図5に示す各超音波素子で受波される受信波から得られた受信信号のパワースペクトルの一例と、各受信信号に対応して生成された処理対象信号のパワースペクトルとを重ねて表示したグラフである。 本発明の実施形態に係る潮流計のブロック図である。
以下、本発明に係るドップラシフト周波数測定装置2を備えた対水速度計1の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る対水速度計1のブロック図である。また、図2は、図1に示す受信信号処理部10のブロック図である。本実施形態の対水速度計1は、例えば船舶(移動体)の底部に固定されて、海中に露出した状態となっている。対水速度計1によれば、当該対水速度計1が搭載された船舶の対水速度を測定することができる。なお、図1では、受信信号処理部10が有する複数の構成要件のうち、詳しくは後述する受信回路11のみを図示している。
図1に示すように、対水速度計1は、ドップラシフト周波数測定装置2と、対水速度算出部3と、表示部4とを備えている。
ドップラシフト周波数測定装置2は、送受波器5と、送受切替機構6と、送信回路部7と、受信信号処理部10とを備えている。
送受波器5は、3つの超音波素子5a,5b,5cを有している。各超音波素子5a,5b,5cは、超音波の送受波を行う送受波面(図示省略)が海中に露出するように、船底に固定されている。各超音波素子5a,5b,5cの送受波面は、互いに異なる方向を向いている。本実施形態では、例えば一例として、超音波素子5aの送受波面は船舶を基準とした前方を向き、各超音波素子5b,5cは、それぞれ、右舷側斜め後方及び左舷側斜め後方を向いている。
各超音波素子5a,5b,5cは、海中へ超音波を送波可能に構成されている。また、各超音波素子5a,5b,5cは、受波した超音波を電気信号に変換し、送受切替機構6へ出力する。なお、以下では、超音波素子5aによって受波された受信波から得られた電気信号(受信信号)をSa、超音波素子5bによって受波された受信波から得られた電気信号(受信信号)をSb、超音波素子5cによって受波された受信波から得られた電気信号(受信信号)をSc、とする。
そして、各超音波素子5a,5b,5cから送波される超音波の中心周波数FTxa,FTxb,FTxc(図4参照)は、互いに異なっている。各超音波の周波数については、詳しくは後述する。
送受切替機構6は、3つの送受切替部6a,6b,6cを有している。送信時においては、送受切替部6aは、送信回路7aから超音波素子5aに送信信号が送られる接続に切り替え、送受切替部6bは、送信回路7bから超音波素子5bに送信信号が送られる接続に切り替え、送受切替部6cは、送信回路7cから超音波素子5cに送信信号が送られる接続に切り替える。また、各送受切替部6a,6b,6cは、受信時には、各超音波素子5a,5b,5cによって超音波から変換された受信信号Sa,Sb,Scが、各超音波素子5a,5b,5cから受信信号処理部10に送られる接続に切り替える。
送信回路部7は、3つの送信回路7a,7b,7cを有している。各送信回路7a,7b,7cは、各超音波素子5a,5b,5cから送波される超音波の基となる送信信号を生成するとともに、この送信信号を、送受切替機構6を介して送受波器5へ出力する。各送信回路7a,7b,7cは、各超音波素子5a,5b,5cから互いに異なる中心周波数を有する超音波が送波されるように、互いに中心周波数が異なる送信信号を各超音波素子5a,5b,5cへ出力する。
[受信信号処理部]
受信信号処理部10は、送受波器5から送られてきた受信信号Sa,Sb,Scに対して所定の処理を行うことにより、受信信号Sa,Sb,Scごとにドップラシフト周波数を算出するように構成されている。
受信信号処理部10は、図2に示すように、受信回路11と、増幅部12と、A/D変換部13と、フーリエ変換部14と、周波数検出部15と、ドップラシフト周波数算出部16とを有している。
受信回路11は、各超音波素子5a,5b,5cから出力された互いに中心周波数が異なる受信信号Sa,Sb,Scを一括して受信し、合成信号Sを生成する。具体的には、本実施形態では、受信回路11は、受信信号Sa,Sb,Scを処理対象信号Sja,Sjb,Sjcとして受信し、これらの処理対象信号Sja,Sjb,Sjcを合成して合成信号Sを生成する。
このように、本実施形態では、複数の送信回路のそれぞれに対応して受信回路を設ける(すなわち、複数の受信回路を設ける)従来例と異なり、受信回路11が1つ、設けられている。受信回路11によって受信された受信信号Sa,Sb,Scは、合成信号Sに変換された後、当該合成信号Sは、増幅部12で増幅され且つA/D変換部13によってデジタル信号に変換される。
図3は、フーリエ変換部14によって生成された合成信号SのパワースペクトルSPRxである。フーリエ変換部14は、A/D変換部13によって生成されたデジタル信号をフーリエ変換する。これにより、デジタル信号に変換された時間領域の合成信号Sが、周波数領域のパワースペクトルSPRxに変換される。
周波数検出部15は、フーリエ変換部14によって生成された合成信号SのパワースペクトルSPRxに含まれる各メインローブMLRxa,MLRxb,MLRxcのピーク値を検出し、各ピーク値の周波数FRxa,FRxb,FRxcを検出する。
図4は、各超音波素子5a,5b,5cから送波される超音波のパワースペクトルSPTxa,SPTxb,SPTxcと、合成信号SのパワースペクトルSPRxとを重ねて表示したグラフである。なお、図4では、各送信波のパワースペクトルSPTxa,SPTxb,SPTxcを破線で示し、受信波のパワースペクトルSPRxを実線で示している。
ドップラシフト周波数算出部16は、周波数検出部15によって検出された各メインローブMLRxa,MLRxb,MLRxcの中心周波数FRxa,FRxb,FRxcを用いて、ドップラシフト周波数を算出する。具体的には、ドップラシフト周波数算出部16は、各超音波素子5a,5b,5cから送波された超音波の中心周波数FTxa,FTxb,FTxcと、各超音波素子5a,5b,5cによって受波された超音波の中心周波数FRxa,FRxb,FRxcとの差に基づき、超音波素子5a,5b,5c毎にドップラシフト周波数を算出する。
対水速度算出部3は、超音波素子5a,5b,5c毎に算出されたドップラシフト周波数に基づき、船舶の対水速度を算出する。
表示部4は、対水速度算出部3によって算出された船舶の対水速度を表示する。
[各超音波素子から送波される送信波の周波数について]
図4は、上述したように、各超音波素子5a,5b,5cから送波される各超音波のパワースペクトルSPTxa,SPTxb,SPTxcと、合成信号SのパワースペクトルSPRxとを重ねて表示したグラフである。図4に示す例では、本実施形態に係る対水速度計1が搭載される船舶がとり得る移動速度が最大となっている場合におけるグラフを示している。なお、図4では、各超音波素子5a,5b,5cから送波される各超音波の中心周波数が互いに等間隔となる例を挙げているが、これに限らず、各超音波の中心周波数は、互いに等間隔となっていなくてもよい。
本実施形態に係る対水速度計1では、船舶の移動速度が最大となる場合であっても、図4に示すように、各超音波素子5a,5b,5cで受波された受信波のメインローブMLRxa,MLRxb,MLRxc同士が互いに干渉しないように、各送信波の中心周波数が設定されている。このように各送信波の中心周波数を設定すると、受信波のメインローブMLRxa,MLRxb,MLRxc同士が干渉しなくなるため、各受信波のメインローブMLRxa,MLRxb,MLRxcの中心周波数FRxa,FRxb,FRxcを確実に検出することができる。
[効果]
以上のように、本実施形態に係るドップラシフト周波数測定装置2では、各超音波素子5a,5b,5cによって受波された受信波から得られる処理対象信号Sja,Sjb,Sjcが、1つの受信回路11によって合成され、合成信号Sが生成される。そして、ドップラシフト周波数測定装置2では、その合成信号Sに基づいてドップラシフト周波数が算出される。すなわち、対水速度計1によれば、従来のように複数の受信回路11を設けることなく、1つの受信回路11でドップラシフト周波数を算出することができる。
従って、ドップラシフト周波数測定装置2によれば、簡素化された構成を有するドップラシフト周波数測定装置を提供できる。
また、ドップラシフト周波数測定装置2では、互いに中心周波数が異なる送信波が各超音波素子5a,5b,5cから送波される。これにより、合成信号Sに含まれる複数のメインローブMLRxa,MLRxb,MLRxc同士の干渉を抑制することが可能になる。そうすると、各メインローブMLRxa,MLRxb,MLRxcの中心周波数FRxa,FRxb,FRxcを容易に検出することができ、ひいては船舶の対水速度を容易に算出できる。
また、ドップラシフト周波数測定装置2では、合成信号Sを構成する各処理対象信号Sja,Sjb,Sjcの中心周波数が、ドップラシフト周波数測定装置2が搭載される船舶がとり得る移動速度の最大値に基づいて設定されている。こうすると、船舶がどのような移動速度で航行している場合であっても、各メインローブMLRxa,MLRxb,MLRxc同士の干渉を回避できる。そうすると、合成信号Sから得られるパワースペクトルSPRxに含まれる各メインローブMLRxa,MLRxb,MLRxcの中心周波数FRxa,FRxb,FRxcを容易に検出することができるため、ひいては船舶の対水速度を容易に算出できる。
また、ドップラシフト周波数測定装置2は、船舶に搭載されているため、当該船舶の対水速度、当該船舶付近の潮流速度等を算出することが可能となる。
また、ドップラシフト周波数測定装置2では、各超音波素子5a,5b,5cが送波部及び受波部の双方の機能を果たすため、その構成を簡素化できる。
また、本実施形態に係る対水速度計1では、簡素化された構成を有するドップラシフト周波数測定装置を備えた対水速度計を提供できる。
[変形例]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
(1)図5は、変形例に係るドップラシフト周波数測定装置2aを有する対水速度計1aのブロック図である。また、図6は、図5に示す受信信号処理部10aのブロック図である。本変形例のドップラシフト周波数測定装置2aは、上記実施形態のドップラシフト周波数測定装置2と比べて、送信回路及び受信信号処理部の構成が異なっている。以下では、上記実施形態と異なる点について主に説明し、その他の部分については説明を省略する。
本変形例に係るドップラシフト周波数測定装置2aが備える3つの送信回路7d,7e,7fは、パワースペクトルのメインローブの中心周波数が同じ送信信号を生成する。各送信回路7d,7e,7fで生成された送信信号は、対応する超音波素子5a,5b,5cに出力される。これにより、各超音波素子5a,5b,5cからは、パワースペクトルのメインローブの中心周波数が同じ送信波が送波される。
図7は、各超音波素子5a,5b,5cで受波される受信波から得られた受信信号Sa,Sb,ScのパワースペクトルSPRxa,SPRxb,SPRxcの一例と、各受信信号Sa,Sb,Scに対応して生成された処理対象信号Sja,Sjb,SjcのパワースペクトルSPjRxa,SPjRxb,SPjRxcとを重ねて表示したグラフである。なお、図7では、受信信号Sa,Sb,ScのパワースペクトルSPRxa,SPRxb,SPRxcを破線で示し、処理対象信号Sja,Sjb,SjcのパワースペクトルSPjRxa,SPjRxb,SPjRxcを実線で示している。
本変形例の受信信号処理部10aは、周波数シフト部17a,17b,17cを有している。周波数シフト部17aは、超音波素子5aで受波された受信波から得られた受信信号Saの周波数をシフトして処理対象信号Sjaを生成可能に構成されている。周波数シフト部17bは、超音波素子5bで受波された受信波から得られた受信信号Sbの周波数をシフトして処理対象信号Sjbを生成可能に構成されている。周波数シフト部17cは、超音波素子5cで受波された受信波から得られた受信信号Scの周波数をシフトして処理対象信号Sjcを生成可能に構成されている。
各周波数シフト部17a,17b,17cでシフトされる受信信号の周波数は、予め決定されているか、或いは、各受信信号Sa,Sb,Scの中心周波数に応じて都度、決定される。しかし、いずれの場合であっても、周波数シフト部17a,17b,17cは、図7に示すように、周波数シフト後の受信信号Sa,Sb,Sc(すなわち、処理対象信号Sja,Sjb,Sjc)のメインローブが互いに干渉しないように、各受信信号Sa,Sb,Scの中心周波数をシフトし、処理対象信号Sja,Sjb,Sjcを生成する。
図7では、受信信号Sb,ScのパワースペクトルSPRxb,SPRxcが一致している例を示している。また、図7では、周波数シフト部17aでは受信信号Saの周波数シフトが行われず、周波数シフト部17b,17cでは受信信号Sb,Scの周波数シフトが行われている例を挙げている。
そして、このように生成された処理対象信号Sja,Sjb,Sjcは、受信回路11に入力され、受信回路11は、これらの処理対象信号Sja,Sjb,Sjcを合成して合成信号Sを生成する。以降の処理については、上記実施形態の場合と同様であるため、説明を省略する。
以上、本変形例に係るドップラシフト周波数測定装置2aのように、超音波素子5a,5b,5cから送波される超音波の周波数を同じとし、各超音波素子5a,5b,5cに対応して得られた受信信号の周波数を適宜シフトさせて処理対象信号Sja,Sjb,Sjcを生成し、これらを合成して合成信号Sを生成してもよい。この場合であっても、上述した実施形態の場合と同様、1つの受信回路11を有するドップラシフト周波数測定装置を構成できるため、簡素化された構成を有するドップラシフト周波数測定装置を提供できる。
(2)図8は、本発明の実施形態に係る潮流計1bのブロック図である。潮流計1bは、当該潮流計1bが搭載された船舶付近における潮の流れ(潮流)を算出可能に構成されている。潮流計1bは、上記実施形態に係るドップラシフト周波数測定装置2が有する各構成要件の他に、対地速度算出部8と、潮流速度算出部9とを備えている。
対地速度算出部8は、潮流計1bが搭載される船舶の対地速度を算出可能に構成されている。対地速度算出部8は、例えば一例としてGPS受信機(図示省略)を用いて構成され、異なる2つの時刻における船舶の絶対位置に基づき、船舶の対地速度を算出する。
潮流速度算出部9は、対水速度算出部3で算出された対水速度と、対地速度算出部8で算出された対地速度とに基づき、潮流の速度を算出する。具体的には、潮流速度算出部9は、対水速度算出部3で算出された対水速度と、対地速度算出部8で算出された対地速度との差を、潮流速度として算出する。
以上のように、本実施形態に係る潮流計1bによれば、簡素化された構成を有するドップラシフト周波数測定装置を備えた潮流計を提供できる。
(3)上記実施形態では、3つの超音波素子5a,5b,5cを有するドップラシフト周波数測定装置2を例に挙げて説明したが、これに限らず、本発明は、2又は4以上の超音波素子を有するドップラシフト周波数測定装置に適用することもできる。
(4)本発明は、いわゆるアレイ方式の対水速度計及び潮流計等に適用することもできる。アレイ方式の潮流計等では、チャンネル間の振幅及び位相のばらつきがビーム品質に影響を与えるため、チャンネル間補正処理が必要となるが、本発明を適用することにより、これらのばらつきを低減することができる。
1,1a 対水速度計
1b 潮流計
2,2a ドップラシフト周波数測定装置
5a,5b,5c 超音波素子(送波部、受波部)
10,10a 受信信号処理部
11 受信回路
16 ドップラシフト周波数算出部

Claims (8)

  1. それぞれが送信波を送波する複数の送波部と、それぞれが各前記送波部に対応して設けられ、対応する前記送波部からの送信波の反射波を受信波として受波する複数の受波部と、各前記受波部によって受波された前記受信波から得られる受信信号を処理して各前記受信波のドップラシフト周波数を算出する受信信号処理部と、を備えたドップラシフト周波数測定装置であって、
    前記受信信号処理部は、
    各前記受信波に対応して生成された信号であって、そのパワースペクトルのメインローブの中心周波数が互いに異なる処理対象信号、を合成して合成信号を生成する受信回路と、
    前記合成信号に基づき各前記受信波のドップラシフト周波数を算出するドップラシフト周波数算出部と、
    を有していることを特徴とする、ドップラシフト周波数測定装置。
  2. 請求項1に記載のドップラシフト周波数測定装置において、
    各前記送波部は、互いにパワースペクトルのメインローブの中心周波数が異なる前記送信波を送波し、
    前記受信回路は、前記処理対象信号としての前記受信信号を合成して前記合成信号を生成することを特徴とする、ドップラシフト周波数測定装置。
  3. 請求項2に記載のドップラシフト周波数測定装置において、
    前記送信波のパワースペクトルのメインローブの中心周波数は、前記ドップラシフト周波数測定装置が搭載される移動体がとり得る移動速度の最大値に基づいて設定されていることを特徴とする、ドップラシフト周波数測定装置。
  4. 請求項1に記載のドップラシフト周波数測定装置において、
    各前記送波部は、互いにパワースペクトルのメインローブの中心周波数が同じ前記送信波を送波し、
    前記受信信号処理部は、前記受波部によって受波された前記受信波から得られる前記受信信号の中心周波数を異なる中心周波数へシフトさせることにより前記処理対象信号を生成する周波数シフト部、を更に有していることを特徴とする、ドップラシフト周波数測定装置。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のドップラシフト周波数測定装置において、
    海上を移動する移動体としての船舶に搭載されていることを特徴とする、ドップラシフト周波数測定装置。
  6. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のドップラシフト周波数測定装置において、
    前記送波部と、該送波部に対応する前記受波部とが一体化された送受波部、を備えていることを特徴とする、ドップラシフト周波数測定装置。
  7. 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のドップラシフト周波数測定装置と、
    前記ドップラシフト周波数測定装置で算出されたドップラシフト周波数に基づき、前記ドップラシフト周波数測定装置が搭載される船舶の対水速度を算出する対水速度算出部と、
    を備えていることを特徴とする、対水速度計。
  8. 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のドップラシフト周波数測定装置と、
    前記ドップラシフト周波数測定装置で算出されたドップラシフト周波数に基づき、前記ドップラシフト周波数測定装置が搭載される船舶の対水速度を算出する対水速度算出部と、
    前記船舶の対地速度を算出する対地速度算出部と、
    前記対水速度算出部で算出された前記対水速度と、前記対地速度で算出された前記対地速度とに基づき、潮流の速度を算出する潮流速度算出部と、
    を備えていることを特徴とする、潮流計。
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