JP5582732B2

JP5582732B2 - 降雪検知装置および降雪検知方法

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Publication number: JP5582732B2
Application number: JP2009147669A
Authority: JP
Inventors: 庸介馬場; 和典石田; 秀也宇野; 和幸武田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2029-06-22
Also published as: JP2011002420A

Description

本発明は、気象観測等に用いられる降雪検知装置および降雪検知方法に関する。

従来の降雪検知装置としては、計測領域に投光部から測定光を投射すると共に、その測定光の当たった雪片からの反射光を受光部で受光し、その受光によって発生する検出パルスの計数を行うことによって、降雪強度を算出する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の距離計測装置として、パルス光が照射された物体からの反射パルス光を受光し、パルス発生から反射パルス光受光までのパルス光の往復時間を測定して物体までの距離を測定する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開昭６１−１７５５５０号公報特開平６−２８９１３５号公報

従来の降雪検知装置は、受光部が受光した反射光が全て雪片からの反射であると想定して降雪強度を算出していたため、雪片以外の異物、例えば落ち葉等のデータを除外して高精度な降雪強度を出力することができないという問題があった。また、従来の装置では雪片の大きさを計測できなかったため、雪片の大きさを加味して降雪強度を算出するという高精度な検知ができなかった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、計測領域内の浮遊物の大きさを求めることで、所定値（閾値）以上の大きさと検知された場合は、その浮遊物が雪片以外の異物であると想定して降雪データから除外し、高精度な降雪強度算出を可能とする降雪検知装置を得ること、さらに浮遊物の大きさを検出することが可能な降雪検知方法を得ることを目的としている。

この発明に係わる降雪検知装置は、レーザ光を投射する投光部、上記投光部を含む平面の所定角度内に上記レーザ光を走査する走査部、上記レーザ光の走査領域にある浮遊物によって反射された上記レーザ光の反射光を検知する受光部、上記反射光のデータから、上記反射光を検出した角度と、上記投光部と上記浮遊物との距離を算出し、上記角度と上記距離のデータを基に上記浮遊物の大きさを求め、上記浮遊物の大きさを反映させた降雪強度を算出するとともに上記降雪強度を出力する信号処理部を備え、上記信号処理部は、上記浮遊物の大きさが所定値を超える場合に、上記浮遊物が雪以外の異物であると判別し、上記降雪強度の算出のためのデータから除外するものである。
また、この発明に係わる降雪検知装置は、レーザ光を投射する投光部、上記投光部を含む平面の所定角度内に上記レーザ光を走査する走査部、上記レーザ光の走査領域にある浮遊物によって反射された上記レーザ光の反射光を検知する受光部、上記反射光のデータから、上記反射光を検出した角度と、上記投光部と上記浮遊物との距離を算出し、上記角度と上記距離のデータを基に上記浮遊物の大きさを求め、上記浮遊物の大きさを反映させた降雪強度を出力する信号処理部を備え、上記信号処理部は、上記浮遊物の大きさのデータと、上記受光部において計測可能である上記反射光の強度データから、雪の積もり易さの度合いを判定するものである。
また、この発明に係わる降雪検知装置は、レーザ光を投射する投光部、上記投光部を含む平面の所定角度内に上記レーザ光を走査する走査部、上記レーザ光の走査領域にある浮遊物によって反射された上記レーザ光の反射光を検知する受光部、上記反射光のデータから、上記反射光を検出した角度と、上記投光部と上記浮遊物との距離を算出し、上記角度と上記距離のデータを基に上記浮遊物の大きさを求め、上記浮遊物の大きさを反映させた降雪強度を出力する信号処理部を備え、上記レーザ光は、地面に対して垂直となる面内に投射され、上記信号処理部は、投射方向が水平よりも上方となる領域から、上記降雪強度を算出するためのデータを得るものである。

また、この発明に係わる降雪検知方法は、レーザ光軸を走査して、所定角度内の走査領域に連続的にパルスレーザを投射するステップ、上記走査領域内にある浮遊物によって反射された上記パルスレーザの反射パルスを検出するステップ、上記反射パルスが連続した反射パルス数を検出するステップ、上記反射パルスのデータから、上記パルスレーザの投光部から上記浮遊物までの平均計測距離を算出するステップ、上記反射パルス数と上記平均計測距離を基に、上記浮遊物の大きさを算出するとともに、上記浮遊物の大きさが所定値を超える場合に、上記浮遊物が雪以外の異物であると判別するステップを含むものである。

この発明の降雪検知装置によれば、浮遊物の大きさを求めることができるため、浮遊物の大きさを反映させて降雪強度を算出することができ、検出した浮遊物の大きさのデータを、浮遊物が雪に該当する寸法かどうかの判別等に用いることができる。

また、この発明の降雪検知方法によれば、一つの浮遊物からの連続した反射パルス数と、浮遊物までの平均計測距離から浮遊物の大きさを高精度に検出することができる。

本発明の実施の形態１による降雪検知装置の構成図である。本発明の実施の形態１の降雪検知装置による雪片の大きさの算出手順について説明するための説明図である。本発明の実施の形態１の降雪検知フローを示すフロー図である。本発明の実施の形態１の降雪検知装置の設置例を示す配置図である。本発明の実施の形態２による降雪検知装置の構成図である。本発明の実施の形態２の雪片の大きさおよび雪片からの反射光強度と雪の融け易さとの関係を表した関係図である。本発明の実施の形態３による降雪検知装置の構成図である。本発明の実施の形態３の降雪強度算出用の計測範囲例と積雪高さ算出について説明するための説明図である。本発明の実施の形態４による温度条件が加味された降雪検知装置の構成図である。

実施の形態１．
次に、この発明の実施の形態１について、図１〜図４を用いて説明する。
図１の構成図に示すように、本発明の実施の形態１の降雪検知装置１０は、主に、投受光部一体型センサ１１と、信号処理部１２によって構成される。投受光部一体型センサ１１は、レーザ光（パルスレーザ）１４を投射する投光部と、その投光部を含む平面の所定角度内の計測領域１５（または走査領域）にレーザ光１４を走査する走査部と、レーザ光１４の走査領域にある浮遊物１３（雪など）によって反射されたレーザ光の反射光（反射パルス）を受光する受光部とにより構成され、投光部、走査部、受光部が一体化された構成である（以下、センサとする。）。信号処理部１２は、反射パルスのデータから、浮遊物１３の検知位置（センサ１１からの距離、方向。）を算出し、その角度（方向）と距離のデータを基に浮遊物１３の大きさを求め、浮遊物１３の大きさを反映させた降雪強度信号１ａを算出し、外部に出力する反射パルス情報の演算処理部である。なお、この実施の形態１では、レーザ光１４は水平面内において走査されるものとする。

この実施の形態１の降雪検知装置１０では、一つの浮遊物１３に続けて照射されたパルスレーザ数を、センサ１１にて、連続した反射パルス数として検出することができる。
図２に示すように、計測領域１５内に雪片１３ａが検知される場合において、反射パルス数から雪片１３ａの大きさ（雪片を球形と考えた場合のほぼ直径とみなせる寸法）を算出する考え方を示す。図２では、計測範囲角度幅（走査角度幅）がθ、計測範囲内でセンサ１１が計測する分割点数をＮ（例えば、θ＝３０°のとき、Ｎ＝３００など。）、センサ１１から雪片１３ａまでの計測距離の平均値（平均計測距離）がＬ、一つの雪片１３ａに連続して照射されたパルスレーザ数、つまりセンサ１１が連続して検出する反射パルス数がＫ（連続検知数とする）である場合に、雪片１３ａの直径Ｒは、次の式で示すように表すことができる。
Ｒ≒Ｌ×（θ／Ｎ×Ｋ）
ここで、θは、単位半径あたりの角度θの円弧長さを示している。

また、図２の例では、４つのパルスレーザ（レーザ光１４ａ〜１４ｄ）が雪片１３ａに連続して照射されることから、連続した反射パルス数（連続検知数）Ｋ＝４である。雪片１３ａの断面が円形であるとすると、雪片１３ａの直径Ｒは、反射パルスが計測された角度幅θ_Ｋで、計測距離Ｌを半径とする円弧の弦の大きさと考えられる。しかし、計測距離Ｌが最大１．５メートル程度を想定する場合で、計測対象となる浮遊物が雪などの数センチ（５センチ未満）程度の大きさと考えると、弦と円弧との寸法差はほとんどの場合で小さく抑えることができ、Ｒを円弧の長さと近似することができる。なお、より正確に、Ｒを円弧ではなく弦の寸法に補正することも、信号処理部１２において行うことが可能であることは言うまでもない。

さらに、計測距離Ｌを得るためのレーザ光１４による距離計測の手段としては様々な方式があり、例えばパルス光を用い、投光から受光までにかかった時間より距離算出を行うことができる。
また、雪片１３ａが計測領域１５内のどの位置にあるかを示す検出方向については、走査周期とレーザ投光のタイミングとを同期することで特定することができる。

次に、動作について説明する。図３は、降雪強度算出処理の流れのフローチャートを示す図である。ここで、例えば、降雪強度算出は、一定のまとまった時間（例えば５分間）だけ計測を行い、その結果として一つの降雪強度の値を算出するように行われるものとする。
降雪検知装置を稼動させ、降雪強度算出処理をスタートすると、降雪強度算出周期時間が経過している間、ステップＳ１１に示すように降雪計測が行われる（ループ１）。ここで、投受光部一体型センサ１１から計測領域１５に向けレーザ光１４を一定周期で走査させることにより、計測領域１５内にある雪片の検知位置（センサ１１からの距離、方向）が求められ、センサ１１が受光により得たデータが信号処理部１２へ送られる（１走査降雪計測）。なお、信号処理部１２へ送られるデータとして、センサ１１からの距離、方向以外に、反射光強度も含まれる場合がある。反射光強度のデータを用いて、降雪強度算出時に、同時に雪の積もり易さを判定する方法については、次の実施の形態２において説明する。

降雪計測が始まると、１走査分全部の雪の大きさを算出するループ（ループ２）がスタートし、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２〜１９では、雪片１３ａの検知位置から雪片１３ａの大きさを算出する。ここで、図２にて、ある雪片１３ａに対して連続して検知した点数（連続検知数）Ｋを数える必要があるが、方法としては以下のようになる。
まず、レーザ光１４（パルスレーザ）のレーザ光軸を走査して、計測範囲角度幅θの端（角度が０°またはθの位置）から順に、レーザ光１４を連続的に投射し、雪片１３ａが検知されるところまで探す（ステップＳ１２で今回の雪片検出が無く、ステップＳ１７で前回の雪片検出が無しの場合。）。続いて、計測範囲内にある浮遊物によって反射された反射光（反射パルス）が検知され、雪片１３ａが検知されているところが見つかった場合（ステップＳ１２で有りの場合。）、ステップＳ１５にて連続検知数Ｋを１加算し、ステップＳ１６にて検知した距離値の積算を行う。以降、雪片１３ａが検知されなくなるまでステップＳ１５、Ｓ１６を繰り返すことで雪片１３ａに対するＫと、検出対象となる雪片１３ａの平均計測距離が求まる。反射パルスが検知されなくなったとき（ステップＳ１２で今回雪片検出無し、ステップＳ１７で前回雪片検出有りの場合。）、ステップＳ１８で雪片１３ａの検知位置と、連続検知数Ｋを基に、雪片１３ａの大きさを算出し、ステップＳ１９にて連続検知数Ｋと計測距離積算値をリセットする。

ここで、連続して反射パルスが検知された場合でも、異なる距離にある二つの雪片を連続検知している可能性があるため、ステップＳ１３で前回雪片検出有りの場合、ステップＳ１４で、前回と今回の計測距離値との差をとり、一定値以上の差がある場合は、別々の雪片を検知したものとみなし、連続検知数のカウントを中断する。なお、ここでの一定値は、例えば、センサ１１の距離計測精度を基準として、１．５〜２倍程度で設定することができる。

次に、ステップＳ１８での雪片１３ａの大きさ算出について説明する。図２において計測範囲角度幅θ［ｒａｄ］に対してセンサ１１で計測する分割点数をＮ、雪片の検出距離をＬとすると、雪片１３ａの大きさの算出値Ｒは、上述したとおり、Ｒ＝Ｌ×（θ／Ｎ×Ｋ）の式にあてはめて得ることができる。
続いて、ステップＳ２１では、こうして得られた雪片１３ａの大きさを一定値ごとに積算し、降雪強度算出の前データとする。なお、ステップＳ１６、Ｓ２１の次のループ２は、その雪片の大きさの算出および積算の繰り返し部分を表している。また、降雪強度算出は１走査の単位に行うのではなく、あるまとまった時間（降雪強度算出周期時間：具体的には５分など。）ごとに算出するため、ループ１は降雪強度算出周期時間が経過する間に、走査が繰り返されていることを表している。

最後にステップＳ２２で降雪強度が算出される。ここで、降雪強度算出周期に対してステップＳ２１で積算した雪片１３ａの大きさＲの積算値をΣＲと表したとき、調整係数Ａ、Ｂ、Ｃを用いて、降雪強度Ｓは以下の式で表される。
Ｓ＝Ａ×ΣＲ＋Ｂ×ΣＲ^２＋Ｃ×ΣＲ^３
なお、上式は、降雪強度が雪片の長さ要素Ｒ、雪片の面積要素Ｒ^２、雪片の体積要素Ｒ^３に比例するという考えに基づくものである。
また、ステップＳ２１で積算する前にステップＳ２０では、積算する雪片の大きさについて通常雪片としては大きすぎる値（例えば５ｃｍ。）の場合、つまり、雪片の大きさ値が除外閾値（所定値）より大きい場合、落ち葉などの雪片以外の異物を計測していると考えられるので、積算対象から除外する。逆に、雪片の大きさ値が除外閾値より小さい場合は、積算対象とすることで、誤検知の影響を抑えることができる。

このように、本発明の降雪検知装置を用いて、パルスレーザのレーザ光軸を走査して、所定角度内の走査領域に連続的にパルスレーザを投射し（ステップＳ１１）、走査領域内にある浮遊物によって反射されたパルスレーザの反射パルスを検出し（ステップＳ１２）、反射パルスが連続した反射パルス数を検出し（ステップＳ１５）、反射パルスのデータから、投光部（センサ）から浮遊物までの平均計測距離を算出し（ステップＳ１６）、反射パルス数と平均計測距離を基に、浮遊物の大きさを算出する（ステップＳ１８）ことにより、浮遊物の大きさを求めることができるため、浮遊物が閾値よりも大きな値であることを検出した場合は、浮遊物が雪以外の異物であると判断して降雪データから除外することができ、雪粒の大きさを反映させた高精度な降雪強度を算出することが可能となる。

図４は、本発明の実施の形態１の降雪検知装置の設置例を示す配置図であり、図４（ａ）は、道路１０１に面した建物１０２の屋上に設置された降雪検知装置１０が、道路１０１上（上空）の降雪状態を検知する例を、図４（ｂ）は、鉄道沿線に設けられた鉄塔１０４に設置された降雪検知装置１０が、鉄道のレール１０３上の降雪状態を検知する例を示している。降雪検知装置１０の設置高さは、積雪によって埋まらない程度の高さとする。このように、道路および鉄道の降雪状態を、本発明の降雪検知装置によって正確に検知することができれば、交通の安全を確保でき、気象観測や融雪装置の自動制御に検知した降雪情報を活用することが可能となる。
また、道路や鉄道沿線以外においても、本発明の降雪検知装置を用いて、落ち葉などの異物のデータを除去して正確に降雪状態を検知することによって、気象データとして役立てることが可能となることは言うまでもない。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２による降雪検知装置２０の構成図である。
上述の実施の形態１と同様の手順で降雪強度を算出するとともに、降雪強度算出過程で得られる雪片の大きさとセンサ２１（受光部）で検知されるレーザ反射光強度から雪の積もり易さの度合いを示す雪の積もり易さ信号１ｂを信号処理部２２から出力できる。
雪の積もり易さは、図６に示すように、雪片が大きく、反射光強度が大きい樹枝状の雪では比較的融け易く、逆に、雪片が小さく、反射光強度が小さい球状の雪では比較的溶け難いという性質があることから、雪片の大きさ（大小）およびその反射光強度（強弱）により雪の積もり易さを計測することが可能である。
同じ降雪強度であった場合でも、雪の積もり易さによって積雪量に違いが出るため、実施の形態２では、より詳細に降雪状態を検出することが可能となる。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３による降雪検知装置３０の構成図である。
上記実施の形態１でのレーザ光走査方向は、水平方向であったが、この実施の形態３では、投受光部一体型センサ３１から投射されるレーザ光３４は、地面３６（水平面とする）に対して垂直な面内で上下方向に走査される。そして、レーザの投射方向が水平よりも下方となる、地面３６を含む領域を走査したデータから、積雪高さｈを計測できるように構成したことを特徴としている。積雪３７の高さは、信号処理部３２から積雪高さ信号３ｃとして外部に出力される。また同装置により、水平面よりも上方となる方向にレーザ光３４を投射して得たデータを用いて、実施の形態１と同様に、計測領域３５内の浮遊物３３を検知し、得られたデータから、信号処理部３２にて降雪強度を算出し、降雪強度信号３ａを出力することが可能となる。その場合、レーザ光走査範囲（計測領域３５、走査角度０°（鉛直方向下向き）からφ_ＭＡＸまでの範囲。）のうち、積雪３７が計測範囲に含まれない領域だけのデータを用いる、例えば、鉛直方向φ_０からの走査角度をαとすると、９０°＜α＜φ_ＭＡＸの範囲とすることができる。

次に、積雪高さｈの算出手順について図８を用いて説明する。
積雪高さｈの算出は、走査角度φ１が地面３６を計測可能な最大値となる場合、レーザ光走査範囲のうち地面３６が計測範囲に入る方向β（φ_０＜β＜φ_１）にレーザ光４３ａを投射し、センサ３１から積雪３７までの距離Ｌを計測することで、以下の式で求めることができる。ここで、Ｈはセンサ３１の高さとする。図８において、符号３４ａは、方向βに投射される積雪高さ算出用レーザ光であることを示している。
ｈ＝Ｈ−ｃｏｓ（β）
実際には、積雪３７までの距離Ｌを計測する際、浮遊物を検知する可能性もあるため、数回計測を行い中間値を計測値とする。このように積雪高さｈを計測し、信号処理部３２から外部へ、積雪高さ信号３ｃとして出力される。
以上のように、１台の降雪検知装置で、降雪強度および積雪高さが計測可能であるため、個別に用意する場合に比べ、設置スペースおよびコストの低減に効果がある。

実施の形態４．
実施の形態１の図３に示した降雪強度算出フローでは、所定値以上の大きさの浮遊物を検出した場合は、その浮遊物を雪以外の異物であると判断して、降雪データから除外することについて示したが、この実施の形態４では、さらに、雪を観測可能な降雪気温条件を設定しておき、その気温範囲に該当しない場合は、計測領域１５内に浮遊物１３を確認した場合であっても降雪データとは認識しないように処理を行うものとする。図９に、この実施の形態４の降雪検知装置４０の構成図を示す。図９に示すように、本発明の降雪検知装置４０は、温度計４２を備えており、計測領域１５内の気温を、温度計４２によって計測することができる。
さらに、信号処理部４３に、降雪気温条件４４を加えているために、温度計４２から得られる気温度データを降雪気温条件４４に照らし合わせ、雪が観測されないような暖かい日に、雪以外の浮遊物を雪として検出しないように調整することが可能となる。

このように、降雪気温条件４４を加えることで、信号処理部４３から出力される降雪強度信号４ａを、より正確な値として得ることが可能となる。また、信号処理部４３に、外部から気温データを取り込む方法として温度計４２を設け、その出力値を得ることを示したが、温度計４２をセンサ４１と一体とするか、別体とするか等は、温度計の種類等によって設置条件が異なるため、計測に適した配置とすることが望ましいことは言うまでもない。

１ａ、３ａ、４ａ降雪強度信号
１ｂ雪の積もり易さ信号
３ｃ積雪高さ信号
１０、２０、３０、４０降雪検知装置
１１、２１、３１、４１投受光部一体型センサ
１２、２２、３２、４３信号処理部
１３、３３浮遊物
１３ａ雪片
１４、１４ａ〜１４ｄ、３４、３４ａレーザ光（パルスレーザ）
１５、３５計測領域
３６地面
３７積雪
４２温度計
４４降雪気温条件。

Claims

レーザ光を投射する投光部、上記投光部を含む平面の所定角度内に上記レーザ光を走査する走査部、上記レーザ光の走査領域にある浮遊物によって反射された上記レーザ光の反射光を検知する受光部、上記反射光のデータから、上記反射光を検出した角度と、上記投光部と上記浮遊物との距離を算出し、上記角度と上記距離のデータを基に上記浮遊物の大きさを求め、上記浮遊物の大きさを反映させた降雪強度を算出するとともに上記降雪強度を出力する信号処理部を備え、上記信号処理部は、上記浮遊物の大きさが所定値を超える場合に、上記浮遊物が雪以外の異物であると判別し、上記降雪強度の算出のためのデータから除外することを特徴とする降雪検知装置。
レーザ光を投射する投光部、上記投光部を含む平面の所定角度内に上記レーザ光を走査する走査部、上記レーザ光の走査領域にある浮遊物によって反射された上記レーザ光の反射光を検知する受光部、上記反射光のデータから、上記反射光を検出した角度と、上記投光部と上記浮遊物との距離を算出し、上記角度と上記距離のデータを基に上記浮遊物の大きさを求め、上記浮遊物の大きさを反映させた降雪強度を出力する信号処理部を備え、上記信号処理部は、上記浮遊物の大きさのデータと、上記受光部において計測可能である上記反射光の強度データから、雪の積もり易さの度合いを判定することを特徴とする降雪検知装置。
上記レーザ光は、水平面内に投射されることを特徴とする請求項１記載の降雪検知装置。
レーザ光を投射する投光部、上記投光部を含む平面の所定角度内に上記レーザ光を走査する走査部、上記レーザ光の走査領域にある浮遊物によって反射された上記レーザ光の反射光を検知する受光部、上記反射光のデータから、上記反射光を検出した角度と、上記投光部と上記浮遊物との距離を算出し、上記角度と上記距離のデータを基に上記浮遊物の大きさを求め、上記浮遊物の大きさを反映させた降雪強度を出力する信号処理部を備え、上記レーザ光は、地面に対して垂直となる面内に投射され、上記信号処理部は、投射方向が水平よりも上方となる領域から、上記降雪強度を算出するためのデータを得ることを特徴とする降雪検知装置。
上記レーザ光は、地面に対して垂直となる面内に投射され、上記信号処理部は、投射方向が水平よりも下方となり地面を含む領域から、上記地面上の積雪高さを算出するためのデータを得ることを特徴とする請求項１記載の降雪検知装置。
上記信号処理部は、外部から上記走査領域の気温データを取りこみ、上記気温データと降雪が観測可能となる温度条件とを対比し、上記気温データが上記温度条件から外れる場合は、上記浮遊物を雪以外の異物であると判別し、上記降雪強度の算出のためのデータから除外することを特徴とする請求項１記載の降雪検知装置。
レーザ光軸を走査して、所定角度内の走査領域に連続的にパルスレーザを投射するステップ、上記走査領域内にある浮遊物によって反射された上記パルスレーザの反射パルスを検出するステップ、上記反射パルスが連続した反射パルス数を検出するステップ、上記反射パルスのデータから、上記パルスレーザの投光部から上記浮遊物までの平均計測距離を算出するステップ、上記反射パルス数と上記平均計測距離を基に、上記浮遊物の大きさを算出するとともに、上記浮遊物の大きさが所定値を超える場合に、上記浮遊物が雪以外の異物であると判別するステップを含むことを特徴とする降雪検知方法。