JPH0345138Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は超音波の伝搬時間を測定することによ
り海洋等に於ける表面波高を求める装置に関する
ものである。

（従来の技術） 超音波パルスを用いる超音波式波高計は第８図
のように水底１に超音波送受波器２を設置してこ
れから水面（波面）３に向つて超音波を発射し、
水面３からの反射波を検出することにより、超音
波送受波器２と水面３までの距離、即ち、波高を
測定するものである。ここで水面３からのみ反射
波が超音波送受波器２に帰来すれば問題はない
が、実際には水中に魚群、プランクトンその他が
存在して超音波を反射するので、これが波高の測
定を妨害し測定精度を低下させる。

このためかつては前記８図に示すように水底１
から或距離Ｄだけ電気的受信系統の作動を停止し
て反射波の受信を阻止し、プランクトン等による
妨害を極力排除するようにしているが、これでは
斜線Ｍで示す範囲、即ち、水面近くに妨害原因が
ある場合には役に立たない欠点がある。

このような欠点を除去した改良装置として第６
図に示すものが周知である。図において１は水
底、２は超音波送受波器、３は水面（波高）で、
そのうち２ａは送波器、２ｂは受波器であり、ま
た、４は超音波パルス発振回路である。

１４はノイズ除去ゲート回路で、そのうち５は
遅延回路、６はフリツプフロツプ回路、７はブー
トストラツプ回路、８はゲート回路、９は増幅
器、１０はサンプリングホールド回路、１１は振
幅比較回路、１１′はバイアス電圧供与端子、１
２はフリツプフロツプ回路、１３は記録装置端子
で、以上の各部は次のように動作する。

即ち、超音波パルス発振回路４はその発振パル
スを送波器２ａに送つてこれから水面３に向けて
第２図イのように一定時間間隔Ｔで超音波パルス
Ｐを反射せしめると共に、その出力の一部は遅延
回路５に送りこまれて予め定められた時間ｔだけ
遅延せしめられる。フリツプフロツプ回路６は遅
延回路５の出力と増幅器９の出力、即ち、受波器
２ｂにより受波されゲート回路８（この動作は後
述）を介して得られる水面３からの反射波に基づ
く受信信号によつて制御され、第２図ロのように
発振パルスＰの反射より時間ｔ後オンとなり反射
波E₁，E₂，…によつてオフとなる動作をなす。
またブートストラツプ回路７はフリツプフロツプ
回路６がオンとなつている期間作動して第２図ハ
のように時間に正比例して直線的に上昇し、かつ
その最終値が反射波の到達時間に比例する電圧
V₁，V₂，…を発生し、その出力はサンプリング
ホールド回数１０に加えられる。

このサンプリングホールド回路１０は増幅器９
より次々に加えられる反射波により制御されて作
動の開始および停止を行ない、第２図ニのように
反射波E₁の到来より次の反射波E₂の到来までの
間プートストラツプ回路７の最終出力値e₁をその
ままの値で保持し、そして反射波E₂が入るとこ
んどはブートストラツプ回路７の最終出力値e₂を
次の反射波E₃が入るまで保持する。

振幅比較回路１１はサンプリングホールド回路
１０の出力および入力、即ち、一つの反射波の到
来により得られる一定レベルのサンプリングホー
ルド回路１０の出力と、次の反射波によつてブー
トストラツプ回路７より得られる鋸歯状的出力と
を第２図ホのように比較して両者のレベルの等し
い点、即ち、第２図ホ′のように交点Ｇ，Ｑ，…
において第２図ヘのようにパルスR₁，R₂，…を
フリツプフロツプ回路１２に送出する。

バイアス供与端子１１′に与えられるバイアス
電圧E_bはサンプリングホールド回路１０の出力
に加えられて第２図ホ′のようにそのレベルを調
整するもので、その値は次のように定められる。

即ち一定レベルのサンプリングホールド回路１
０の出力とブートストラツプ回路７の出力を比較
するとき、水面が次第に高くなる場合にはブート
ストラツプ回路７の出力の最終出力値は必ずサン
プリングホールド回路１０の出力レベルより大で
あるから比較が可能であるが、水面の変動がない
場合には比較できず、また逆に水面が次第に低く
なる場合には両者の関係は逆となるので、サンプ
リングホールド回路１０の出力レベルを下げ常に
比較できるようにすることが必要であり、またパ
ルスの送出時点を適宜調整して後述するゲート回
路８のオン時間を水面よりの反射波のみを通過せ
しめるようにする必要がある。

バイアス電圧E_bは以上の必要を満たすように
調整されるもので一般に波面はゆるやかにかつ周
期的に変動し、波面の山から谷までの変化量は大
略推定できるので、この変動範囲を勘案してバイ
アス電圧E_bを設定すれば常に比較が可能となり、
しかもパルスR₁，R₂，…の送出時間を調整する
ことができる。フリツプフロツプ回路１２は第２
図トのように振幅比較回路１１の出力パルスによ
りオンとなり、また一方増幅器９によりこれに加
えられる反射波によつてオフとなる動作を行な
い、その出力によりゲート回路８を制御してその
オンの期間ゲート回路８をオンとするもので、こ
れにより受波器２ｂによつて得られた反射波を増
幅器９に加えるように動作する。

従つて今水底より所定の深度範囲Ｄだけ受信遮
断帯域を持つたかつての波高測定方式にこの改良
装置を適用し、以上の動作を水面が次第に高くな
り次いで低くなる場合について関連的に説明すれ
ば次のようになる。即ち、水面が高くなるに従い
第２図イのように一つの反射波E₁に対して次の
反射波E₂の到来時間が遅くなり、また水面が低
くなると反射波E₂に対する次の反射波E₃の到来
時間は早くなる。

従つて今遅延回路５の遅延時間ｔを深度範囲Ｄ
に相当する距離内を超音波パルスが往復するに要
する一定時間とすれば、フリツプフロツプ回路６
のオン時間も第２図ロのようにON₁よりON₂が
長く、またON₂よりON₃が短かくなり、この回
路の送出出力により制御されるブートストラツプ
回路７の鋸歯状出力の最終出力値も第２図ハのよ
うにe₁よりe₂が大、e₂よりe₃が小となつてサンプ
リングホールド回路１０の出力も第２図ニのよう
に変化する。

そこでいま第２図ホ′のようにバイアス電圧E_b
をサンプリングホールド回路１０の出力に加え、
前述したようにその値を適当に選定して振幅比較
回路１１においてブートストラツプ回路７の出力
とサンプリングホールド回路１０の出力とが常に
比較できるようにし、この比較位置Ｇ，同Ｑおよ
び同Ｒでオンとなり、かつ前記各送出パルスの送
出時点より反射波E₁，E₂およびE₃，…の各到来
時点でオフとなるフリツプフロツプ回路１２から
の信号でゲート回路８のゲート時間を制御すれ
ば、ゲート回路８は反射波の到来する少し前にオ
ンして反射波の通過と同時にオフとなる動作を行
なうことになる。従つて第５図の測定要領図のよ
うに反射波の受信遮断帯域D′は略水面の高さの
変動に対応して変化し、しかもゲート回路８のオ
ン時間の調整によつて波面と極めて近接した点ま
で遮断できる。従つてかつての受信遮断帯域Ｄと
の相互効果により水底と水面間にある反射体より
の妨害波は略完全に除去され、精度の高い波高測
定を行なうことができる。

以上は予め水底より所定の距離Ｄだけ反射波の
受信遮断帯域をもつた波高測定装置に改良装置を
適用した場合について説明したが、遅延回路５の
遅延時間ｔを発振パルス発射時受波器２ｂに入る
発振パルスによる妨害波を除去し得る程度の時
間、すなわち、距離Ｄと受信遮断帯域D′の両方
の帯域における妨害波を除去し得るに要する時間
とすれば、改良装置のみによつて水底１から水面
近くまでの間に発生する妨害波を除くことができ
るのである。

（考案が解決しようとする問題点） 上記改良装置は要約すると、連続的な波高の測
定において、１回前に発射した音波によつて得ら
れた波高の測定電圧を基準とし、その基準値から
一定の範囲でオンゲートを発生させ、２回目に発
射する音波によつて得られた受波信号のうちこの
ゲート中に入つたものを波高信号とみなすという
考え方で、これを連続的に繰り返すことによつ
て、常に、水面の位置を正しく捕らえることがで
きるとしたものである。即ち、刻々変化する水面
の位置に追従して自動的に水面付近にゲート区間
（波面とその近傍深度位置との区間）を設け、こ
のゲート区間内に入つた受信信号のみを水面から
の反射信号とするという考え方である。

ところで第７図に示すように、水面３付近の区
間L_Wに気泡１５が存在し、これが徐々に水中に
向つて下つていくような場合（このような現象は
荒天時に特に発生し易い）であつて、かつその気
泡１５からの反射信号レベルが水面３でのそれよ
りも強い場合は、その気泡位置を水面（波面）位
置であるかのように誤つた判断が行われ、そのま
ま信号処理が進行してしまうという不都合が生じ
る。このような場合にはノイズゲート区間の下限
を示すゲート面S_Gが気泡１５の動きに追従して曲
面S_G′の位置に移動して行くため、真の水面３を
正しく捕らえることができないという問題があ
る。本考案は前記従来の問題点を解決するために
なされたものであり、その目的は、荒天時等にお
いて、たとえ水面に気泡が発生し、しかもその気
泡が徐々に水中に下降移動するような場合が生じ
ても、ゲート区間の過度の変位を防止し、正しい
水面の波高を測定することができる超音波式波高
計を提供することにある。

（問題を解決するための手段） 本考案は上記目的を達成するために、次のよう
に構成されている。すなわち、本考案は、水中か
ら水面に向けて超音波を発射し、その反射波を受
波する超音波送受波器と；水面からの近傍深度幅
帯からなるゲート区間を水面の変動に追従して変
化させるとともに、該ゲート区間から反射する反
射波情報のみを取り入れるノイズ除去ゲート回路
と；を具備する超音波式波高計において、波高の
変化に対応する圧力変動を検出する圧力センサ
と、；該圧力センサからの検出信号に基づき前記
ゲート区間の変化限界を定めるゲート区間限界回
路と；を有する超音波式波高計である。

（作用） 上記構成からなる本考案において、ゲート区間
限界回路は圧力センサからの検出信号に基づいて
ゲート区間の変化限界を定める。すなわち、水面
（波高）の変化に基づく圧力変動に対応させて、
ゲート区間の所定量下方位置に変化限界曲面が設
定される。つまり、本考案では、水中に気泡等が
発生しない定常状態においては、水面の下方近傍
位置にゲート区間の下限を示すゲート面が存在
し、さらにこのゲート面の所定量下方位置に前記
変化限界曲面が設定されるのである。

ところで、荒天時等において、水中に気泡が発
生し、この気泡からの反射レベルが強い場合に
は、気泡位置を水面位置であるかのように誤認
し、この気泡位置を基準としてみかけ上のゲート
面が設定される。したがつて、気泡が下方移動す
ることによつてみかけ上のゲート面も下方へ追従
することとなるが、該みかけ上のゲート面および
気泡が変化限界曲面を越えて下方へ移動した場合
には、その気泡から反射した反射波情報の取り入
れを阻止し、水面からの真の反射波情報をノイズ
除去ゲート回路に導く。

つまり、気泡を水面であると誤認して設定され
たみかけ上のゲート面が変化限界曲面を越えて下
方へ移動した場合には、まず、変化限界曲面がみ
かけ上のゲート面にとつて変わり、さらに気泡が
変化限界曲面を越えて下降したときに、水面を基
準として設定される本来のゲート面を真のゲート
面として採用し、元の正常状態に戻すのである。

したがつて、本考案においては、たとえ、気泡
の発生移動が行われても、ゲート区間の過度の変
化が防止され、これにより、誤差の少ない正確な
波高測定を可能にするものである。

（実施例） 以下、本考案の一実施例を図面に基づいて説明
する。なお、本実施例の説明において、従来例と
同一の構成部分には同一符号を付してその説明を
省略する。

第１図には本考案に係る一実施例のブロツク構
成図が示されている。本実施例は、前記従来例の
構成に圧力センサ１８とゲート区間限界回路１９
とを追加したものである。前記圧力センサ１８は
水面（波面）３の変化に対応する圧力変動を検出
し、圧力に比例する電圧を出力するものである。

一方、ゲート区間限界回路１９はＶ／Ｆコンバ
ータ２０と、パルス出力回路２１と、ゲート回路
２２とからなる。前記Ｖ／Ｆコンバータ２０は圧
力センサ１８が出力する電圧値に比例する周波数
を有する信号をパルス出力回路２１に加えるもの
である。該パルス出力回路２１はカウンタ回路２
３と、フリツプフロツプ回路２４とからなる。

前記カウンタ回路２３はＶ／Ｆコンバータ２０
から加えられる周波数信号の周波数値を超音波パ
ルスＰに同期してカウントし、このカウント値に
対応する（比例する）時間幅のパルス信号を出力
する（第２図チ）。したがつてこのパルス信号の
幅は圧力センサ１８の圧力検出値、すなわち、水
面（波面）３の変動に応じて変化することとな
る。フリツプフロツプ回路２４は前記パルス信号
と逆極性のゲート限界信号（第２図リ）をつくり
出し、これをゲート回路２２に加える。

該ゲート回路２２は本実施例ではアンド回路か
らなり、ゲート限界信号がオンのときに受波器２
ｂからの受信信号をゲート回路８に加え、ゲート
限界信号がオフのときには前記受信信号の入力を
ゲート回路８に加えるのを阻止する。

この場合、本実施例において、ゲート限界信号
のオフの時間幅は第３図の遮断帯域面S_Dとゲート
面S_Gとの区間D′の往復時間範囲内に入るように
設計する。つまり、ゲート限界信号のオフの時間
幅に対応する水中での水底１からの位置は水面３
の変動に応じて第３図の破線面S_Lのように変化す
る。換言すれば、水面３と破線面S_Lとの区間内に
ゲート区間の下限を表わすゲート面S_Gが在るとき
にのみ受波器２ｂからの受信信号をゲート回路８
に取り入れるものであり、したがつて、破線面S_L
はゲート区間の変化限界面S_Lを意味することとな
る。

したがつて、本実施例によれば、第４図に示す
ように、荒天時等においてL_W区間に気泡１５が
発生し、この気泡１５からの反射レベルが強いた
めに、気泡位置を波面位置であるものと誤認した
ような場合においても、該気泡１５を基準として
設定されるゲート面（みかけ上のゲート面S_G′）
が変化限界曲面S_Lを越えて下方へ移動したとき、
すなわち、みかけ上のゲート区間が変化限界曲面
S_Lを越えて下方に侵入したときには、変化限界曲
面S_Lがみかけ上のゲート面S_G′にとつて代わり、
さらに気泡１５が変化限界曲面S_Lを越えて下降し
たときに、ゲート面が真の水面を基準として設定
される本来のゲート面に戻される。

つまり、ゲート区間限界回路１９は気泡１５か
らの反射波情報の取り入れを阻止し、真の波面３
からの反射波情報をノイズ除去ゲート回路に取り
入れるように動作するのである。このように、本
実施例の装置によれば、荒天時等においても測定
誤差の少ない正確な波高を求めることが可能とな
るものである。

（考案の効果） 本考案は以上説明したような構成と作用とを有
しているので、荒天時等において、気泡が発生
し、この気泡の降下に追従してゲート区間が変動
しても、該ゲート区間の下限を示すみかけ上のゲ
ート面がゲート区間限界回路によつて定められる
変化限界曲面を越えたときには、この変化限界曲
面がみかけ上のゲート面にとつて代わり、さらに
気泡が変化限界曲面を越えて下降したときにはみ
かけ上のゲート面から水面を基準として設定され
る本来のゲート面に戻されるので、気泡からの反
射波情報の取り入れが完全に阻止され、真の波面
からの反射波情報がノイズ除去ゲート回路に取り
入れられることとなる。したがつて、荒天時等に
おいても測定値が真の値から大きく外れることが
なく、これにより誤差の少ない正確な波高測定を
達成することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る一実施例の構成を示すブ
ロツク図、第２図は各種信号のタイムチヤート
図、第３図は本考案における波高の測定要領図、
第４図は本考案におけるゲート区間の変動説明
図、第５図は従来例の波高の測定要領図、第６図
は従来例の構成を示すブロツク図、第７図は従来
例のゲート区間の変動説明図、第８図はかつての
装置における波高の測定要領図である。 １……水底、２……超音波送受波器、２ａ……
送波器、２ｂ……受波器、３……水面、４……超
音波パルス発振回路、５……遅延回路、６……フ
リツプフロツプ回路、７……ブートストラツプ回
路、８……ゲート回路、９……増幅器、１０……
サンプリングホールド回路、１１……振幅比較回
路、１１′……バイアス電圧供与端子、１２……
フリツプフロツプ回路、１３……記録装置端子、
１４……ノイズ除去ゲート回路、１５……気泡、
１８……圧力センサ、１９……ゲート区間限界回
路、２０……Ｖ／Ｆコンバータ、２１……パルス
出力回路、２３……カウンタ回路、２４……フリ
ツプフロツプ回路、S_G……ゲート面、S_L……変化
限界面。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 水中から水面に向けて超音波を発射し、その
   反射波を受波する超音波送受波器と；水面から
   の近傍深度幅帯からなるゲート区間を水面の変
   動に追従して変化させるとともに、該ゲート区
   間から反射する反射波情報のみを取り入れるノ
   イズ除去ゲート回路と；を具備する超音波式波
   高計において、波高の変化に対応する圧力変動
   を検出する圧力センサと、；該圧力センサから
   の検出信号に基づき前記ゲート区間の変化限界
   を定めるゲート区間限界回路と；を有すること
   を特徴とする超音波式波高計。 (2) ゲート区間限界回路は、圧力センサの検出圧
   力に対応する周波数信号を出力するＶ／Ｆコン
   バータと；Ｖ／Ｆコンバータの周波数値に対応
   する時間長さのパルス信号を超音波送受波器か
   ら発射される超音波パルスに同期させて出力す
   るパルス出力回路と；パルス出力回路からのパ
   ルス信号の出力中は超音波送受波器からの反射
   波情報の授受を阻止するゲート回路と；からな
   ることを特徴とする実用新案登録請求の範囲第
   (1)項記載の超音波式波高計。