JPH0565014B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は水中任意深度の水温を音波の伝搬時間
を利用して遠隔測定する水温測定方法に関する。

（従来の技術） 超音波を用いて任意深度の水温を遠隔式に測定
する技術が下記のように数件提案されている。

特公昭60−50296号 特開昭58−27034号 特開昭58−184520号 特開昭58−184521号 特開昭58−184522号 特開昭58−184523号 特開昭60−46435号 係る装置は第３図を参照して説明すると、Ａ、
Ｃ点に送受波器を設置し、ABCの距離を音波が
伝搬するに要する時間を計測し、これより音速を
逆算して水温を算出するものである。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、水温は深度によつて異なり音速
も変化するため、スネルの法則（超音波技術便覧
新訂版 第60頁）より音波は屈折し、例えば経路
AB′Cを伝搬することとなる。すなわち、計測さ
れた伝搬時間には温度成分に加え屈折経路成分も
混在し、しかも上記B′の位置に起因する分を修
正していないため算出された水温値は誤差を含
む。

特に、前記公知資料の内特許公開公報に記載さ
れた発明はテイルト角θとdθの場合の音波伝搬
時間差に着目する方式のものであるから、その伝
搬経路差のより精密な値が要求されることからす
れば上述の誤差は大きな問題として現れる。

（問題点を解決するための手段） 本発明は水温変化が一定の深度範囲内におい
て、音波の伝搬経路（以下、音線という）が円に
なる点に着目して、 温度変化が一定と見做される深度範囲を海面
から順次１層、２層、……設定し、 送波器と受波器が設けられ、送波毎に順次１
層から順に伝搬時間が計測されるようになされ
ており、 第１回目に伝搬時間と送波方向から１層にお
ける音線を特定し、 第２回目に（伝搬時間−前回１層の音線解析
より求まる１層の伝搬時間）と送波方向から２
層内の伝搬時間を算出して音線を特定し、 順次３層、……と繰り返し、 第ｉ回目に（伝搬時間−算出した１層の伝搬
時間＋……＋算出したｉ−１層の伝搬時間）と
送波方向からｉ層内の伝搬時間を算出して音線
を特定し、 これらｉ個の音線及び特定深度に設けられる
水温センサとから各層の水温直線式を近似する
方法を提供するものである。

（作 用） 水温変化が一定である範囲では音線は x²＋y²＝（Cs／ｇ）²＝R² 但し、ｘは水平距離、Csはスネルの定数 ｙは垂直距離、ｇは水温勾配 なる円を描く（超音波技術便覧、新訂版第61〜62
頁）。

そこで、以下ｇが正と負の場合について分説す
る。

(1) ｇ＞０のとき 第４図は本発明の作用原理を説明するもので、
図中Ａ点には送波器が、Ｃ点には受波器が設置さ
れているものとする。又、S₁は上述の第１回目
の、すなわち１層における音線を示し、S₂は第２
回目の、すなわち２層までの音線を示している。

なお、各位置、数値については図のとうり表わ
すものとする。

音速関数を ｖ＝ｋ＋ay ………(1) 但し、ｋはｙ＝０の音速、ａは比例定数とする
とおき、第１回目の、すなわち１層への送波が x²＋（ｙ＋Ｒ）²＝R²の円に沿うようにする。こ
れにより、音線S₁がｙ＝０の位置を基準として表
わされる。

このとき、Ａ点、Ｃ点の各座標は Ａ（Rl sinθ₁、−Ｒ＋Ｒ cosθ₁） Ｃ（l₁＋Ｒ sinθ₁、−Ｒ＋Ｒ cosθ₁） 又、B₁点の座標は音線が円を描くことから B₁（l₁＋Ｒ sinθ₁−Ｒ＋√²−（₁＋
₁）² 他方、B₁点を通過した音線の通過角をθ₂とす
ると、B₁点の座標は B₁（Ｒ sinθ₂、−Ｒ＋Ｒ cosθ₂） と表わすこともできる。

又、B₁点の座標は等しいから、そのｘ座標を
比較して sinθ₂＝l₁／Ｒ＋sinθ₁ ………(2) スネルの法則より v₀／cosθ＝v₁／cosθ₁＝v₂／cosθ₂ ………(3) 但し、v₀はｙ＝０の音速 v₁はＡ点（１層の上端）の音速 v₂は２層上端の音速 そこで、(1)、(3)式及びＡ点のｙ座標より ｋ＝v₀＝v₁／cosθ₁＝ｋ＋ａ（−Ｒ＋Ｒ cosθ₁）／co
sθ₁ ……(4) が成立する。なお、ｋは水温と音速との一義的関
係よりv₁がその深度位置に設けられる水温センサ
（図示せず）により算出されるため既知である。

(4)式の左辺＝右辺を整頓して Ｒ＝ｋ／ａ………(5) 次に音波がAB₁Cを伝搬するに要する時間を求
める。

AB₁の伝搬時間をt₁とすると t₁＝∫〓²〓₁Rdθ／ｖ＝∫〓₂〓₁Ｒ／ｋ cosθdθ ここで(5)式を利用して t₁＝∫〓₂〓₁dθ／ａ cosθ＝１／ａ［log｜tan（θ
／２＋π／４）｜］〓₂〓₁＝１／ａ log｜tan（θ₂／
２＋π／４）／tan（θ₁／２＋π／４）｜ B₁Cの伝搬時間t₂は t₂＝−Ｒ＋Ｒ cosθ₁ −Ｒ＋cosθ₂dy／ｖ＝∫−Ｒ＋Ｒ cosθ₁ −Ｒ＋Ｒ cosθ₂dy／ｋ＋ay ＝１／ａlog｜ｋ＋ａ（−Ｒ＋Ｒ cosθ₁）／ｋ＋ａ
（−Ｒ＋Ｒ cosθ₂）｜＝１／ａlog｜cosθ₁／cosθ₂
｜ （∵ｋ＝aR） ∴ｔ＝t₁＋t₂ ＝１／ａlog｜１−sinθ₁／１−sinθ｜ ………(6) なお、(2)式(5)式を代入して、 sinθ₂＝ａ／ｋl₁＋sinθ₁ ………(7) ところで、ｋ、θ₁、l₁は既知であるから、伝搬
時間ｔが計測されるとと(6)、(7)式よりａとθ₂が求
まる。すなわち、音速関数が決定できる。従つ
て、音速と水温との一義的関係より１層内の任意
の深度ｙに対する水温が算出できることとなる。
この一義的関係としては、ｖ＝1458.64＋3.18T
（Ｔは水温）が知られている。

次に、音速S₂の場合について同様に解析する。

この場合の音波は θ′₁＝tan^-1CD₂／l₁＝tan^-12d／l₁ ………(8) の角度で送波されれる。そして、B′₁点の通過角
をθ′₂とすると、B′₁点のｙ座標は前述の場合と同
様に考えられるから、 −Ｒ＋Rcosθ′₁−ｄまたは−Ｒ＋Rcosθ′₂ と表わせる。従つて、これを整頓すると、 θ′₂＝cos^-1（cosθ′₁−ｄ／Ｒ） ………(9) 又、AB′₁間でのｘ座標の変化分は l₁−l₂＝Ｒ（sinθ′₂−sinθ′₁）………(10) この(9)、(10)式よりl₂が求まる。(8)式よりθ′₁が
既
知だからである。

そして、音波がAB′₁間及びB′₁点から垂直にｄ
だけ上方に伝搬するに要する、すなわち、１層内
を伝搬する時間をt′とおくと、前記(6)式同様 ｔ＝１／ａlog｜１−sinθ′₁／１−sinθ′₂｜……
…(11) ここに、θ′₁、θ′₂は上記(8)、(9)式より既知であ
るから、これよりt′が求まる。

さて、B′₁B′₂D₁間の伝搬時間t″は以下のように
して求めることができる。

なお、２層では比例定数ａは上記ａとは異なる
ため、必然的に音線の半径Ｒ、更にはｋも変化す
る。そこで、２層内でのこれら各値をa′、R′、
k′と置き換えておく。この値の間についてもスネ
ルの法則を利用して、 R′＝k′／a′ ………(12) が成立しており、又k′＝v′₀＝v₁／cosθ′よりk′が
求まる。v₁、θ′₁が既知だからである。

ところで、２層においては前述のθ₁をθ′₂に、θ₂
をθ′₃に、l₁をl₂に置き換えて考えることができ
る。すなわち、(6)、(12)式を考慮して t″１／a′log｜１−sinθ′₂／１−sinθ′₃｜……
…(13) 又(7)、(12)式から sinθ′₃＝a′／k′l₂＋sinθ′₂………(14) ここにおいて、t″はｔ−t′（但し、ｔは第２
回目の計測時間）より、θ′₁、θ′₂は(8)、(9)式より
、
l₂は(10)式より、そしてk′は(3)式と同様に考えて、
k′＝v′₀＝v₁／cosθ′₁より既知であるから、上記
(13)、(14)式よりa′とθ′₃が求まる。

すなわち、２層における音速関数ｖ＝k′＋a′y
が決定できる。従つて、１層の場合と同様に２層
内の任意の深度ｙに対する水温が算出できること
となる。音速関数ｖから水温勾配ｇが及び前記第
１回目の処理により層下端、すなわち２層上端と
の境界部の水温が予め求まつているからである。

以下要約すると、第２回目においては１層内の
伝搬時間は第１回目で得た各データから求めるこ
とができ、２層内の伝搬時間は実測の計測時間か
ら上記１層内の伝搬時間を差し引くことにより求
まる。すなわち、該算出した伝搬時間、上記境界
部での音波通過角、通過位置から２層内での音線
が特定され、音速関数が求められ、更に境界水温
とから２層内の水温が算出される。

この関係は第３回目、第４回目……でも同様に
成立する。

一般に第ｉ回目においては、 １／a_ilog｜１−sinθ_ii／１−sinθ_i,i+1｜＝t_i−
_i-1 〓 〓^j=1 １／a_jlog｜１−sinθ_ij／１−sinθ_i,j+1｜………(
15) sinθ_i,i+1＝a_i／k_il_i-1＋sinθ_ii ………(16) k_i＝v_i0＝v₁／cosθ_il ……(17) より、k_i、a_i及びθ_i,i+1が求まる。

但し、各数値、定数は第５図のとおり、 t_i………第１回目の計測時間 a_i，a_j………ｉ層、ｊ層の比例定数 k_i………層における値 l_i-1………ｉ層上端の図示の水平距離 θ_ij……第ｉ回目におけるｊ層の通過角 である。

(2) ｇ＜０のとき この場合、音線は第６図に示すように、 x²＋（ｙ−Ｒ）²＝R²の線上を通過する。又、音
速関数を ｖ＝ｋ−ay とおく。

さて、前述と同様に考えて Ａ（−Ｒ sinθ₁、Ｒ−Ｒ cosθ₁） Ｃ（ｌ−Ｒ sinθ₁、Ｒ−Ｒ cosθ₁） Ｂ（ｌ−Ｒ sinθ₁、Ｒ−√²−（− ₁
）²） 又、Ｂ（−Ｒ sinθ₂、Ｒ−Ｒ cosθ₂） ∴θ₂＝−ｌ／Ｒ＋sinθ₁ ＝−ａ／ｋｌ＋cosθ₁ …………(18) （∵Ｒ＝k/a） AB間の伝搬時間t₁は t₁＝∫〓₁〓₂Rdθ／ｖ＝１／ａlog｜tan（θ₁／２＋π
／４）／tan（θ₂／２＋π／４）｜ BC間の伝搬時間t₂は t₂＝∫Ｒ−Rcosθ₂ t₂＝∫Ｒ−Rcosθ₂ Ｒ−Rcosθ₁dy／ｋ−ay＝１／ａlog｜cosθ₂B／cosθ₁
｜ （∵ｋ＝aR） ∴ｔ＝t₁＋t₂ ＝１／a_ilog｜１−cosθ₂／１−cosθ₁｜ ………(19) 従つて、前述と同様に考えて(18)、(19)式よりａが
求まる。又、第２回目以降は(18)式より通過角を求
めることができる。

以上より、ｉ回目においては、 １／a_ilog｜１−cosθ_i,i+1／１−cosθ_ii｜＝t_i−_i-1 〓^j=1 log｜１−cosθ_i,i+1／１−cosθ_ij｜ …(20) cosθ_i,i+1＝a_i／k_il_i-1＋cosθ_ii ………（21） 及び(17)式より、k_i、a_i、θ_i,i+1を求めることができ
る。

（実施例） 第１図は、本発明を実施する構成を示すもの
で、第２図は波形図である。

同図において、１は狭指向巾を有するビームを
送波するようになされた送波器で、送波方向はテ
イルト変更回路２により機械的に又は位相制御に
よる電子的になされる。このテイルト変更は第１
回目はθ₁で、第２回目はθ₂で、更に……と順次下
方向に向けられて、１層、２層、……まで音波が
伝搬するように行われる。

３は、例えば真下方向に向けられ、狭指向巾の
所謂ペンシルビーム又は図面の表裏方向に広指向
巾の扇状で受波を行う受波器で、上記送波器１か
らの伝搬超音波が受波ビームとの交点で生じる体
積残響エコーである反射波を受波するようになさ
れている。なお、扇状ビームは受波側に限らず、
送波側で形成されるよになされていても良い。

４は受波した反射波を増幅検波する（第２図ｂ
参照）増幅検波回路、５は上記受波されたエコー
信号をパルス状に整形する（同図ｃ参照）パルス
整形回路である。６は送信トりが発生回路７を駆
動して送波器１を励振させるキーパルスａの送出
時点からパルスｃの送入時点までの時間ｔを計測
するカウンタ等からなるタイマである。すなわ
ち、この時間ｔは超音波が送波器１から送波さ
れ、交点からの反射波が受波器３で受波されまで
の時間に相当し、前記(6)式で与えられる。

８は予め与えられた設定値、測定範囲内におけ
る所定深度（例えば、送波器位置）に配設される
水温センサからの水温値及び順次変更されるテイ
ルトθ、計測時間ｔ等の各データを元に前記(15)、
(16)、(17)式又は(20)、（21）式を各々計算処理する
CPUである。９は上記計算式その他処理のため
のプログラムが予め書込まれているROM、１０
は計算途中の値その他中間結果等を一旦保持する
ためのRAMである。

第７図は他の実施例を示すもので、例えば送波
器１、受器２からの各ビームを共に同角度に指向
させることによりその中間で交叉するようにした
ものである。このときのABCの伝搬時間はABの
伝搬時間の２倍である。

このAB間の伝搬時間は第４図の説明で求めた
AB₁の伝搬時間t₁と同一の式のみで足り、B₁Cの
伝搬時間については計算を要しない。この方式の
場合は、ACの距離を大きく取ることが可能とな
る。

なお、本実施例では送波をテイルト方向とし、
受波を真下方向としたが、そ関係を逆にすること
も音線の可逆性から可能である。

又、音速は水温のみならず深度に関連して変化
するから、その分の補正も考慮すべきである。尤
も、０〜数百ｍ程度の浅深度範囲ではその影響は
水温の場合に比してかなり小さい。

更に、各層の巾をｄと一定にする必要はなく、
海域により、又深度と水温の一般的特性に応じて
d₁、d₂、……の如く、任意に定めることも可能で
ある。

最後に、本発明の実施に当つては、送、受波器
を船底の前後に配設するのが一般的と考えられる
が、船間距離を保持すると共に送波タイミングが
知得できれば船舶間で行うこともでき、又一方
（又は双方）が固定物でも同様である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明による水温測定方
法によれば、水温変化が一定と見做せる深度巾の
水温を極めて精度よく測定することができると共
に各層について１層から順次下層に向けて計測を
繰り返し実行しているので、実際の音線に基づく
伝搬時間が得られ、このためより正確で誤差の少
ない水温が下層までに亘つて求められる。又、深
度についての音測関数を用いるので探知範囲内の
すべての深度の水温を求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する構成を示す回路図、
第２図は波形図である。第３図は音波の伝搬経路
誤差を説明するための図である。第４〜６図は本
発明の作用原理を説明するための図である。第７
図は本発明を実施する他の構成を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水平方向に一定距離隔てて超音波波送波器並
   びに超音波受波器を配置して、該超音波送波器か
   ら超音波信号を送信して水中からの反射波を上記
   超音波受波器で受信することにより、該送信から
   受信までの時間を測定し、深度方向の水温変化率
   を一定としたとき、上記測定時間と上記超音波信
   号の送信方向とに基づいて、上記超音波送波器か
   ら上記反射波の水中反射点までの間に一義的に形
   成される音線経路を特定定し、該特定された音線
   経路から該音線経路に相当する水温変化率を求
   め、該水温変化とあらかじめ与えられる特定点の
   水温とに基づいて、上記音線経路上の各位置が対
   応する各深度の水温を算出することを特徴とする
   水温測定方法。 ２ 深度方向の水温変化率があらかじめ与えられ
   る第１の領域内に設けられる超音波送波器から超
   音波信号を送信して該送信した超音波信号が上記
   第１の領域に続く水温変化率が未知の第２の領域
   内で反射されて帰来する反射波を上記超音波送波
   器から水平方向に一定定距離だけ異なる位置の超
   音波受波器で受波することにより、上記送信から
   受信までの時間を測定し、上記第１領域内におい
   てあらかじめ与えられる特定点の水温及び上記第
   １領域の水温変化率とに基づいて、上記第１領域
   と第２領域の境界部の水温及び上記超音波送波器
   から送信した超音波信号の音線経路が該境界部を
   通過する通過位置並びに通過方向を算出し、さら
   に上記第２領域における深度方向の水温変化率を
   一定としたとき、該算出した上記境界部水温、上
   記境界部を通過する音線経路の通過位置、通過方
   向及び上記測定時間とに基づいて、上記境界部の
   通過位置から上記第２領域内の超音波信号の反射
   点までの間に一義的に形成される音線経路を特定
   し、該特定された音線経路から該音線経路に相当
   する水温変化率を求め、該水温変化率と上記境界
   部の水温とに基づいて、上記音線経路上の各位置
   が対応する各深度の水温を算出することを特徴と
   する水温測定方法。