JPH1164516A - 超音波式積雪深計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】積雪状況や周囲物体の影響がない正確な超音波
式積雪深計の提供。 【解決手段】発信器１で、所定地上高さから積雪面へ向
け超音波第１パルス群と第２パルス群とを間隔を隔てて
送出する。積雪面からの反射超音波を前記所定地上高さ
の受信器２で受信する。基準レベル設定回路３を用い、
第１パルス群送出後の前記間隔内の受信波の振幅の最大
値L3を検出し、小係数を最大値L3に乗じて第１基準レベ
ルL1を設定し且つ大係数を最大値L3に乗じて第２基準レ
ベルL2を設定する。測時手段４により、第２パルス群送
出後の受信波の振幅が第１基準レベルL1を超過するごと
に、第２パルス群の送出開始t1から当該超過までの時間
を受信波立上がり時間として検出して記憶し、受信波の
振幅が第２基準レベルL2を超過するのを検出し且つ該第
２基準レベルL2超過時の受信波立上がり時間を所定地上
高さと積雪面との間の超音波往復時間Ｔとして測定す
る。音速と往復時間Ｔと所定地上高さとから積雪深さを
算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波式積雪深計に関
し、とくに正確でしかも無人観測に適する超音波式積雪
深計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１、５及び６を参照するに、所定地上
高さＨから積雪の表面（以下、積雪面という場合があ
る。）へ向けて送信器１によりパルス状の超音波を間欠
的に発信し、超音波がその積雪面で反射して戻って来る
のを受信器２で検出することによりその間の音波の往復
時間を計測し、音速と計測された往復時間及び地上高さ
Ｈから積雪深さを求めることが従来から行われている。
図５において、タイミング図(b)は送信される間欠的パ
ルス状の超音波を示し、(c)は受信されるパルス状超音
波を示し、(d)は検波・平滑化後の受信器２の出力を示
し、(f)は受信された反射超音波の往復時間Ｔ1、Ｔ2を
示す。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図５を参照するに通常
の音波往復時間の計測は、発信時刻から受信器の受信レ
ベルが所定比較レベルL0（図５(d)）を最初に超える時
刻までの時間を計測することによって行う。しかし、実
際には雪質の分布や積雪面の凹凸による音波の干渉によ
り、受信波の波形が不規則に変化し、振幅が様々にしか
も大幅に変動するため、比較レベルL0が固定された装置
では、正確な積雪深の計測が困難なことが多い。また、
積雪面からの反射波が到達する以前に周囲の物体等によ
る乱反射波が受信器で受信されると、その乱反射波を反
射波と誤認して積雪深を誤計測する場合があった。

【０００４】また、図５(d)に示す検波・平滑化後の出
力により図５(e)の高レベル検出信号Ｄを発生させ、こ
れから図５(f)の往復時間Ｔ1、Ｔ2を求める場合には、
反射波の立上がりが降雪中の超音波伝搬に伴う減衰や受
信回路の時間遅れのため鈍化し、反射波の始点と比較レ
ベルL0到達点との間にΔt1、Δt2の時間差が生ずる。こ
の時間差も、往復伝搬時間及び積雪深の測定誤差の原因
となる。

【０００５】さらに、従来の超音波式積雪深計ではその
計測値を測定者が確認した後に別途用意した記録手段に
収録している。人の近づけない場所で安定的に正確な観
測を行うには困難があったためである。

【０００６】従って、本発明の目的は積雪の状況や周囲
物体の影響を受けない正確な超音波式積雪深計の提供に
ある。積雪状況や周囲物体に影響されない超音波式積雪
深計は無人観測に適する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、超音波式積
雪深計の測定誤差の原因の一つが比較レベルL0を固定し
ている点にあることに注目した。積雪面からの反射波と
雑音波との識別については、送出された超音波信号のレ
ベルに応じた高い基準レベルと反射波レベルとの比較に
よって反射波検出を行えば、その識別の精度の高まる可
能性がある。また、積雪面からの反射波の始点の検出に
ついては、全ての受信波の立上がり点の検出を低い基準
レベルとの比較によって最少の時間遅れで行うことと、
全ての受信波の中から所要反射波を識別することとを組
合せれば、その反射波始点の検出精度の高まる可能性が
ある。本発明は、これらの可能性に基づいて完成された
ものである。

【０００８】図１及び４を参照するに、本発明による超
音波式積雪深計は、所定地上高さＨから積雪の表面へ向
け超音波の第１パルス群P1及び第２パルス群P2を間隔を
隔てて送出する（図４(b)参照）発信器１；所定地上高
さＨで積雪の表面側方向からの超音波パルスS2、S3、S
5、S6を受信する受信器２；超音波の第１パルス群P1送
出に続く前記間隔内の受信器２における超音波パルス受
信波S2〜S3の振幅の最大値L3を検出し、１より十分小さ
な小係数を最大値L3に乗じて第１基準レベルL1を設定し
且つ１未満で１に近い大係数を最大値L3に乗じて第２基
準レベルL2を設定する基準レベル設定回路３；第２パル
ス群P2送出後の受信器２での受信波S5〜S6の振幅が第１
基準レベルL1を超過するごとに第２パルス群P2の送出開
始時t1から当該超過までの時間（t2-t1）、（t3-t1）を
受信波立上がり時間として検出し且つレジスタ41上に更
新記憶し、受信器２での受信波S5〜S6の振幅が第２基準
レベルL2を超過するのを検出し且つ該第２基準レベルL2
超過時のレジスタ41上の受信波立上がり時間（t3-t1）
を前記所定地上高さＨと積雪の表面との間の超音波往復
時間Ｔ（=t3-t1）（図４(d)参照）として測定する測時
手段４；及び音速と往復時間Ｔと所定地上高さＨとから
積雪深を算出する積雪深計算手段7bを備えてなるもので
ある。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１の実施例の機能及び動作を図
２、３の流れ図及び図４のタイミング図によって説明す
る。超音波式積雪深計の構成要素の制御及び演算処理を
マイクロコンピュータ７によって行う。この図示例のコ
ンピュータ７は、計測タイミング発生手段7a、積雪深計
算手段7b、及び収録手段7cを有する。ただし、本発明は
このようなコンピュータ７の使用に限定されない。

【００１０】計測タイミング発生手段7aは、図４(a)の
計測タイミング信号ａを送信器１に印加する。送信器１
のキャリア信号発振回路1aは、所定の超音波周波数、例
えば40kHzの方形波を計測タイミング信号ａの到来に応
じて連続的に出力する。計測タイミング信号ａはまた、
送信器１のバースト信号発生回路1bをして、キャリア信
号発振回路1aで発振した方形波を間欠的に制御し、例え
ば１mS出力と50mS停波とを繰返して図４(b)のバースト
信号P1、P2を発生する。送信器１の駆動回路1cによって
駆動される超音波発信器1dは、前記バースト信号P1、P2
を超音波パルス群として所定地上高さＨから積雪の表面
へ向け送出する。本発明では、最初の超音波パルス群の
送出によって基準信号レベルの設定を行い、その次の超
音波パルス群の送出によって所定地上高さＨと積雪の表
面間の超音波往復伝搬時間の測定を行うので、前者を基
準信号レベル設定サイクルとし、後者を時間測定サイク
ルと称する。

【００１１】受信器２は、超音波発信器1dから送出され
た超音波パルスが積雪面で反射して戻ってくる反射波を
所定地上高さＨで受信するものであり、超音波受信器2
a、増幅器2b、及び検波・平滑回路2cを有する。超音波
受信器2aで受信した超音波の反射は、電気信号に変換さ
れた後増幅器2bにより適度に、例えば100倍程度増幅さ
れる。図４(c)は、増幅器2bの出力を示し、パルス群S
1、S4は、送出されたパルス群P1、P2の直接波の受信波
形であり、S3とS6が積雪面からの反射波を示し、S2とS5
は積雪面からの反射波の到達前に混入した雑音を示す。
検波・平滑回路2cが、増幅後の受信波を検波の上平滑化
して図４(d)の直流信号に変換する。

【００１２】基準レベル設定器３は、受信器２の検波・
平滑回路2cの平滑化された直流出力の大きさに応じて二
つの比較レベルを発生するもので、最大値検出回路3a、
第１比較レベル設定回路3b、及び第２比較レベル設定回
路3cで構成される。最大値検出回路3aは、コンピュータ
７の計測タイミング発生手段7aからの指示信号ｇ（図
１）に応じて、基準信号レベル設定サイクルにおける前
記平滑化された直流出力の最大値L3（図４(d)）を検出
し、これを基準レベルとして次の基準信号レベル設定サ
イクルまでその値を保持する。第１比較レベル設定回路
3bは、最大値検出回路3aの出力である基準レベルL3を、
一定の小さな比率、例えば10分の２で減衰させ、受信波
立上がり時点検出用の第１比較レベルL1を発生する。第
２比較レベル設定回路3cは、積雪面からの反射の有無を
検知すべく、最大値検出回路3aの出力である基準レベル
L3を、１未満下で１に近い一定の大きな比率、例えば10
分の９で減衰させ、第２比較レベルL2を発生する。

【００１３】測時手段４は、コンピュータ７の計測タイ
ミング発生手段7aの指示信号ｈ（図１）に応動し時間測
定サイクルにおいて、超音波パルス群P2の送出時から検
波・平滑回路2cの平滑化された直流出力が第２比較レベ
ルL2を超える直前に第１比較レベルL1を超えるまでの時
間Ｔを測定するものであり、第１比較器4a、第２比較器
4b、測時制御回路4c、クロック発振回路4d、カウンタ4
e、及びレジスタ4fで構成される。第１比較器4aは、検
波・平滑回路2cの平滑化された直流出力と第１比較レベ
ルL1との比較を行って、その回路2cの直流出力が第１比
較レベルL1を超えた時に、受信波立上がり時点検出信号
Ｕ（図４(e)参照）を出力する。第２比較器4bは、検波
・平滑回路2cの平滑化された直流出力と第２比較レベル
L2との比較を行って、その回路2cの直流出力が第２比較
レベルL2を超えた時に、反射波検知信号Ｒ（図４(f)参
照）を出力する。測時制御回路4cは、コンピュータ７の
計測タイミング発生手段7aの指示信号ｈに応動して、超
音波パルス群P2の送出開始時にカウント動作開始信号を
クロック発振回路4d及びカウンタ4eへ出力する。

【００１４】測時制御回路4cは、第１比較器4aからの受
信波立上がり時点検出信号Ｕを受ける度ごとにカウント
値取込みパルスをレジスタ4fへ出力するが、第２比較器
4bからの反射波検知信号Ｒを受けるとそれ以降はカウン
ト値取込みパルスの出力は行わない。

【００１５】クロック発振回路4dは、例えば１MHzの所
定周波数でクロックパルスの発振を連続して行い、カウ
ンタ4eがそのクロックパルスを入力として使用する。カ
ウンタ4eは、測時制御回路4cからのカウント動作開始信
号を受けてクロックパルスのカウントを開始する。レジ
スタ4fは、測時制御回路4cからのカウント値取込みパル
スを受けると、カウンタ4eの現在のカウント値を取込ん
で、レジスタ4fの内容を新しく取込んだカウント値に更
新して記憶する。従って、時間測定サイクルにおいてレ
ジスタ4fが最後に取込むカウント値は、第２比較器4bが
反射波検知信号Ｒを出力する直前における第１比較器4a
の受信波立上がり時点検出信号Ｕの出力時刻t3（図４
(e)参照）となる。コンピュータ７の積雪深計算手段7b
は、その受信波立上がり時点検出信号Ｕの出力時刻t3を
読み取って、雑音その他の外乱による変動を除去した往
復伝搬時間Ｔを算出する。空気中の超音波の伝搬速度ｖ
は文献又は実測により既知であるから、積雪深Ｗは、所
定地上高さＨから伝搬速度ｖと往復伝搬時間Ｔとの積の
半分を差し引いた差｛Ｗ＝Ｈ−（Ｔｖ）／２｝として求
めることができる。積雪深Ｗを継続的に測定する場合等
においては、往復伝搬時間Ｔとして、順次求められる個
別の往復伝搬時間Ｔの値を単純移動平均法により統計処
理した上で使うことにより、雑音の影響を抑制すること
ができる。

【００１６】しかも、こうして求めた積雪深は、積雪の
状況や周囲物体に起因する超音波の乱反射等の影響が受
信波レベルと大きな第２比較レベルL2との比較に基づく
反射波検出信号Ｒの利用によって除去されているだけで
なく、超音波の伝搬によるパルス立上がりの鈍化による
誤差も受信波レベルと小さな第１比較レベルL1との比較
に基づく受信波立上がり時点検出信号Ｕの利用によって
実用上差支えない程度に抑制されている。

【００１７】従って、本発明の目的である「積雪の状況
や周囲物体の影響を受けない正確な超音波式積雪深計」
の提供が達成される。

【００１８】

【実施例】図１の実施例では、積雪に接する外気の温度
を温度センサー５によって測定しその出力を電気信号に
変換してコンピュータ７の積雪深計算手段7bに印加す
る。必要に応じ、積雪深計算手段7bの指示に応動するＡ
／Ｄ変換回路６によって温度センサー５の出力をデジタ
ル量に変換して積雪深計算手段7bへ加え、外気温のデジ
タル値を読取って超音波の空中伝搬速度の温度補正を行
い、補正後の音速と往復伝搬時間とにより積雪深を算出
する。この場合、外気温度に応じて空気中の音速を補正
するための補正プログラムからなる補正手段を、積雪深
計算手段7bに予め設けておく必要がある。

【００１９】超音波式積雪深計を自記録型とする場合に
は、例えば半導体記憶素子８である記憶手段をコンピュ
ータ７の収録手段7cに接続し、積雪深計算手段7bにおけ
る計算の結果得られた積雪深データをその記憶素子８に
記憶し、保持し、貯えることができる。この場合、例え
ば測時手段４に設けた時計によって示される積雪深測定
操作の時刻を、記憶素子８に当該積雪深測定結果と併記
して記憶してもよい。

【００２０】出力回路９は、積雪深の値をアナログ信号
Ａ及び／又記憶素子８に記憶したデジタル信号Ｂにより
出力する。

【００２１】図２及び３の流れ図を説明する。計測が始
まると、ステップ201で送信器１から第１の超音波パル
ス群P1（図４(b)）が送出される。ステップ202で受信器
２が積雪面からの反射パルスを受信した後増幅し、ステ
ップ203で検波・平滑化して図４(d)の直流信号を出力す
る。計測タイミング発生手段7aから、基準信号設定ゲー
ト信号sg（図４(g)）の真値が印加されている間に、基
準信号設定器３がステップ204、205で受信波の最大値L3
（図４(d)）を検出し、ステップ206で第１比較レベルL1
及び第２比較レベルL2を設定する。これらの最大値L3、
第１比較レベルL1、及び第２比較レベルL2の三者の値か
らなる基準信号レベルは、基準信号設定ゲート信号sgが
次回の真値をとるまで保持される。

【００２２】次いで第１の超音波パルス群P1送出完了か
ら所定の間隔の後、ステップ207で第２の超音波パルス
群P2（図４(b)）が送出され、その送出開始時t1に測時
手段４がステップ208でカウンタ4eをリセットした上で
測時カウントを開始する。計測タイミング発生手段7aか
ら、長さが最長測路時間（図３のステップ310、この場
合、第２の超音波パルス群P2送出時点からカウントす
る。）である時間測定ゲート信号mg（図４(h)）の真値
が印加されている間に、受信器３がステップ209で受信
波の受信及び増幅を行いステップ210で検波・平滑化を
する。基準レベル設定器３がステップ211で受信波の値
と第２比較レベルL2とを比較し、その結果ステップ212
において受信波の値が第２比較レベルL2以下であると認
められた時は、ステップ213で受信波の値が第１比較レ
ベルL1と較べられる。受信波の値が第１比較レベルL1以
下であると認められた場合には、記号αで示されるよう
に制御は図３のステップ310へ進み、前記最長測路時間
が経過したか否かを調べる。最長測路時間が経過してい
ない場合は、記号βで示されるように制御はステップ21
1へ戻り、受信波と比較レベルとの比較を続ける。

【００２３】ステップ212で第２比較レベル以下とされ
るがステップ213で第１比較レベルL1超とされた場合に
は、記号δで示されるようにステップ311で、カウンタ4
eの計数値t2-t1（又はt3-t1）をレジスタ4fに取込むと
共に図４(e)の受信波立上がり時点検出信号Ｕを発生す
る。その後、制御は記号βで示されるようにステップ21
1へ戻り、受信波と比較レベルとの比較を続けるが、ス
テップ212で第２比較レベルL2超とされた場合には、記
号εで示されるようにステップ300で、図４(f)の反射波
検知信号Ｒを出力すると共に、カウンタ4eの計数を停止
させレジスタ4fへの計数値の取込みを以後禁止する。図
示実施例では、次のステップ301で温度センサ５の出力
をＡ／Ｄ変換器６でデジタル変換の後外気温データとし
て積雪深計算手段7bに取込む。ステップ302でレジスタ4
fの計数値を読取り、ステップ303でその計数値（往復伝
搬時間Ｔ=t3-t1）に温度補正処理を施す。温度補正され
た往復伝搬時間をステップ304で半導体記憶素子８のメ
モリに書込み、ステップ305で往復伝搬時間の単純移動
平均処理を行う。この移動平均処理後の往復伝搬時間と
別途入力した設置高さと空気中の超音波伝搬速度とか
ら、ステップ306で積雪深を算出する。算出した積雪深
データをステップ307で時刻情報と共に半導体記憶素子
８に収録し、ステップ308で測定毎の積雪深と外気温と
を出力回路９により出力する。その後制御は記号γで示
されるように測定開始直後のステップ201へ戻る。

【００２４】ステップ310において最長測路時間が経過
したと判断された場合にも、制御は記号γで示されるよ
うに測定開始直後のステップ201へ戻る。

【００２５】図４(f)の反射波検知信号Ｒが発生した後
はカウント値の取込みを行わないので、レジスタ4fのカ
ウント値は積雪面へ送出された超音波パルスが積雪面か
ら反射し戻って来るまでの往復伝搬時間を示す。反射波
検知信号Ｒを発生させる契機となる第２比較レベルL2を
高いレベルに設定するので、雑音を反射波と混同するこ
とによる誤差を避けることができる。レジスタ4fのカウ
ント値は、反射波検知信号Ｒ発生の直前の受信波立上が
り時点で有効になるので、反射波の立上がりが鈍化する
ことがあっても、第１比較レベルL1が低いレベルにある
のでその鈍化に起因する誤差を防ぐことができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波式
積雪深計は、積雪深の測定毎に低い第１比較レベルと高
い第２比較レベルとを測定対象の積雪に即して定め、高
い第２比較レベルで雑音と反射波とを識別し、反射波立
上がりを鈍化前の状態で測定することを低い第１比較レ
ベルの利用で行うので、次の顕著な効果を奏する。

【００２７】(イ)積雪周囲の物の存在及び積雪自体の周
面の状況により反射波の振幅が変化しても、第２比較レ
ベルをその変化に追従させて設定するので、正確な積雪
深を計測することができる。 (ロ)雑音その他の外乱を高い第２比較レベルの設定によ
り反射波と識別して誤認識による計測誤差を防ぐことが
できる。 (ハ)積雪中の超音波伝搬に伴う反射波の立上がり部の鈍
化の影響を、低く設定した第１比較レベルの利用による
立上がり開始直後の立上がり時点検出によって、低く抑
えることができる。

【００２８】(ニ)積雪深の測定値を容易に収録すること
ができる。 (ホ)外気温度変化に対する積雪深測定値の補正を容易に
行うことができる。 (ヘ)環境変化による誤差を防止して正確な積雪深を測定
し且つ収録できるので、人の近付けない場所での観測や
無人観測を効率よく行う用途に適する。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の一実施例の構成を示す図式的ブロ
ック図である。

【図２】は、第１図の実施例の動作の流れ図の第１部分
である。

【図３】は、第１図の実施例の動作の流れ図の第２部分
である。

【図４】は、第１図の実施例における信号のタイムチャ
ートである。

【図５】は、従来の超音波式積雪深計のタイムチャート
である。

【図６】は、積雪深測定装置の作動原理を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１…送信器 ２…受信器 ３…基準レベル設置器 ４…測時手段 ５…温度センサー ６…Ａ／Ｄ変換回路 ７…コンピュータ ８…半導体記憶素子 ９…出力回路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定地上高さから積雪の表面へ向け超音波
   の第１パルス群及び第２パルス群を間隔を隔てて送出す
   る発信器；前記所定地上高さで前記積雪の表面方向から
   の超音波パルスを受信する受信器；前記超音波の第１パ
   ルス群送出に続く前記間隔内の前記受信器における超音
   波パルスの受信波振幅の最大値を検出し、１より十分小
   さな小係数を前記最大値に乗じて第１基準レベルを設定
   し且つ１未満で１に近い大係数を前記最大値に乗じて第
   ２基準レベルを設定する基準レベル設定回路；前記第２
   パルス群送出後に前記受信器の受信波の振幅が前記第１
   基準レベルを超過するごとに前記第２パルス群の送出開
   始から当該超過までの時間を受信波立上がり時間として
   検出し且つレジスタ上に更新記憶し、前記受信器の受信
   波の振幅が前記第２基準レベルを超過するのを検出し且
   つ該第２基準レベル超過時に前記レジスタ上の受信波立
   上がり時間を前記所定地上高さと積雪の表面との間の超
   音波往復時間として測定する測時手段；及び音速と前記
   往復時間と前記所定地上高さとから積雪深を算出する積
   雪深計算手段を備えてなる超音波式積雪深計。
2. 【請求項２】請求項１の積雪深計において、屋外配置の
   温度センサー及び温度に対する音速の補正手段を前記計
   算手段に含めてなる超音波式積雪深計。
3. 【請求項３】請求項１の積雪深計において、前記積雪深
   の算出値を記憶する記憶素子を前記計算手段に接続して
   なる超音波式積雪深計。
4. 【請求項４】請求項３の積雪深計において、前記測時手
   段に時計を含め、前記記憶素子に前記積雪深の算出値と
   共に該算出値の算出時を記憶してなる超音波式積雪深
   計。
5. 【請求項５】請求項１〜４の何れかの積雪深計におい
   て、前記算出した積雪深をアナログ値及び／又はデジタ
   ル値で送出する出力回路を含めてなる超音波式積雪深
   計。
6. 【請求項６】請求項１〜５の何れかの積雪深計におい
   て、前記基準レベル設定回路、測時手段、及び積雪深計
   算手段を有するコンピュータを含めてなる超音波式積雪
   深計。
7. 【請求項７】請求項１〜６の何れかの積雪深計におい
   て、前記発信器、基準レベル設定回路、測時手段、及び
   積雪深計算手段に接続した計測タイミング発生手段を前
   記コンピュータに含めてなる超音波式積雪深計。