JPS6026462B2 - 電波流速計の角度補正方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電波流速計の測定に電波ビームの流体表面に対
する俺角と偏角による流速の変化を補正する方式に関す
るもので、流体に電波、光波あるいは超音波を入射しそ
の入射波と反射波を比較してドップラ偏移周波数を求め
る測定系に応用できるものである。

従来河川、水路などの流速測定にはプライス流速計を用
いる別名プロペラ法、浮子式あるいは熱拡散法等が用い
られている。

プライス流速計あるし、は浮子式では連続測定が困難な
上に測定には多数の人手がか）るという欠点があり、熱
拡散法では水温の変化、水面の高低等河川や水路の状態
の変化により大きな測定誤差を生ずるという欠点がある
。また水中の超音波伝播を利用する流速測定方式もある
が水温の分布状況、水面の高低特に洪水時の土砂含有に
より測定不能の場合が生ずる。これら従来の測定方式は
検出部又はその１部を常に流水と接触させなければなら
ず、河川の状態変化による影響を直接に受け連続して流
速データを得ることが困難であった。これに反して電波
流速計は電波ビームを流水表面に入射し、流水による反
射波と入射波とのドップラー偏移周波数を測定すること
により流速を求めるもので水温、水面の高低等河川の状
態に無関係であり、特に洪水時においても連続して流速
を自動測定することが可能な優れた流速測定方式である
。しかしながらこの方式に関して特公昭５７−４５３４
５で紹介したような角度補正の演算手段はマイクロプロ
セッサを利用する複雑なディジタルマルチプレツクシン
グであり、余りにも費用が多過ぎる欠点があった。本発
明の目的は真の流速を求めるため順角と偏角とによる補
正演算として計測されたドッブラ偏移周波数をリバーシ
ブルカウンタに設定し、その後、伸角と偏角のそれぞれ
の余弦の積に比例した周波数のパルス列によって前記ド
ップラ偏移周波数を減算せしめ、減算開始から零になる
までの時間ゲートを作成し、このゲート間の基準クロッ
クパルスを計数して流速を計測するという簡単なかつ安
価な演算手段をもつ電波流速計の角度補正方式を提供し
ようとするものである。図面について本発明の実施例を
説明する。

第１図は電波流速計の原理説明図である。第１図におい
てアンテナ１と流速測定装置２とからなる電波流速計は
斜線を施こした両岸の中間を矢印Ａ方向に流れる川の岸
辺に設置される。アンテナ１において周波数〆なる電波
ビームが流水表面の点Ｂに入射され、周波数ナ十ナｄな
る反射波が受信される。周波数ナｄは流水表面の速度に
比例する反射波のドップラー偏移周波数である。電波ビ
ームの流水表面への入射点Ｂにおける伸角を０、偏角を
０とし、ベクトルＢＣを点Ｂにおける流速Ｖで示すと、
ベクトルＢＤは偏角方向の流速成分Ｖ・ｃｏｓ０を示し
、ベクトルＢＥは更に僻角方向の流速成分Ｖ・ｃｏｓ◇
・ｃｏｓ８を示す。点Ｂにおいて入射される周波数〆な
る電波に対して反射される電波は〆十〆ｄなる周波数を
もつが流水の矢印Ａ方向に電波ビームが対向して入射さ
れるときは反射波はナ十ナｄなる周波数をもち、矢印Ａ
方向と同方向に入射されるときはナーブｄなる周波数を
もつことになる。いづれにしても流速測定装置２におい
てはドップラ偏移周波数プｄのみが検出される。周知の
ようにこのナｄは次式で表わされる。〆ｄ＝２ナ‐Ｖ℃
。客８心ＯＳ？ ……【１１但し‘１ー式において
Ｃは電波の空気中における伝搬速度を示す。（１｝式を
流速Ｖについて書き直すとＣ．〆ｄ
……■Ｖ＝２〆‐ＣＯＳ８‐ＣＯＳ〇 となる。

｛２）式から明らかなように、電波の伝搬速度Ｃ、電波
の周波数ナおよび電波ビームの僻角８、偏角？は既知で
あって定数で与えられるから偏移周波数〆ｄを測定する
ことにより直ちに流速Ｖを求めることができる。第２図
は従来の電波流速計の１実施例を示すブロック系統図で
ある。

入射電波としてマイクロ波を用いた場合を示す。同図に
おいて３は発振器で、ガンダィオード、ィンパツトダィ
オード等の素子を用いてマイクロ波を発振する。４は方
向性結合器で発振器３の出力端に導波管等の立体線路で
結合される。

５はサーキュレータで方向性結合器４の出力端に接続さ
れマイクロ波をアンテナ１に供給し、アンテナ１から流
水表面に入射し、ドップラ変調を受けた反射波が再びア
ンテナ１に受信されたものを出力端に出力する。

６は混合器で、サーキュレータ５の出力端及び方向性結
合器４の出力端にそれぞれ接続され、ホモダィン検波に
よりドツプラ偏移周波数〆ｄを出力する。

７は帯城フィル夕で、測定対象となる流水速度の範囲内
の周波数の通過帯城幅を持ち、不要反射波、防書電波等
の影響を取り除く。

８はリミットアンプで正弦波を増幅してリミットするこ
とにより波形を矩形波に整形する。

９はカウンタでリミットアンプ８の出力端に接続され、
出力矩形波を計数する。

１０は時間発生器でカウンタ９に接続され、一定時間毎
にタイミング信号を出力し、カゥンタ９をリセットする
。

１１はアンテナ角度センサーで、アンテナ１の駆動部（
図示せず）に連動されてアンテナ１の伸角８及び偏角◇
を出力する。

例えばデジタルレゾルバー等が用いられる。１２は係数
器でアンテナ角度センサー１ １の出力端に接続され、
階角８と偏角ぐとを用いてＣ／２〆・ｃｏｓ８・ｃｏｓ
◇なる演算値を出力する。

係数器１２は演算器又はマイクロプロセッサー等が用い
られ、Ｃ及びナの値はＲＯＭ（論出し専用メモリ）等に
予じめ記憶されている。１３は掛算器で、乗数入力端お
よび被乗数入力端にそれぞれカウンタ９及び係数器１２
の出力端が接続され、流速Ｖに相当する信号を出力する
。

１４は表示器で、鶏算器１３の出力端に接続され、流速
Ｖをデジタル的に数値表示するか、又はアナログ的にメ
ータ表示する。

更に記録紙等に記録することもできる。次に第２図に示
す電波流速計の動作を説明する。発振器３で発振された
周波数〆の送信波は方向結合器４及びサーキュレータ５
を経てアンテナ１から所望の俺角８ならびに偏角？で流
水表面に入射される。流水速度Ｖによりドップラ変調さ
れた周波数〆士〆ｄの反射波はアンテナ１で受信され、
サーキュレータ５を介して混合器６に入力される。一方
送信波は方向結合器４を介して混合器６に入力し上記反
射波と混合されたホモダィン検波によ夕りドップラ偏移
周波数ナｄをもつ信号が抽出される。この信号は帯城フ
ィル夕７で不要な周波数成分を切り捨てリミットアンプ
８で増幅リミットされた矩形パルス波としてカウンタ９
に加えられる。カウンタ９は時間発生器８のタイミング
信号０により一定時間毎にリセットされる。例えばタイ
ミング信号の周期を１秒にしておけばリセット直前の計
数が周波数ナｄを表わす。一方流水の表面条件、アンテ
ナ１の設置場所の条件等により反射波の反射電力とドッ
プラ偏移周波数とが最適になるように選ばれたアンテナ
１の僻角８と偏角◇はアンテナ１の駆動部に連動したア
ンテナ角度センサー１１で検出され、係数器１２に加え
られる。これら伸角ａと偏角◇とはデジタルレゾルバー
を用いたときはデジタル角度信号として加えられる。係
数器１２はマイクロ波の送信周波数ナおよび伝搬速度Ｃ
によりＣ ．．．…‘３；２ナ‐
ＣＯＳ８‐ＣＯＳ◇ なる演算を行う。

【３’式の結果はカウンタ９のドツプラ偏移周波数ナｄ
と掛算器１３で鶏算されＣ・ナｄ
……（４１２ナ・ｃｏｓｏ‐ＣＯＳ○ となり【４｝式は【２｝式と一致するものである。

こうして得られた流速Ｖは表示器１４により表示又は記
録される。傭角ａと偏角ぐとの変化は自動的に演算され
流速を自動補正するので流速測定は連続的に行なわれる
。ただしこの方式においては係数器１２と掛算器１３と
はその演算手段として複雑なデジタルマルチプレクシン
グを行なうためかなり多額の費用を必要とするという難
点がある。第３図は本発明になる電波流速計の１実施例
を示すブロック系統図である。同図において第２図に示
すものと同一機能をもつブロックは同一符号により示し
説明を省略する。第４図は第３図における英小文字で示
す要所波形のタイミングチャートで第３図とともに説明
する。２０はリミットアンプ８の出力端に接続されるゲ
ート回路で時間発生器１０から一定時間（例えば１秒）
裏に基準ゲート信号ｂを受け、リミットアンプ８からの
ドツプラ偏移周波数ナｄをもつ測定信号ａの時間選択を
行ない加算入力信号ｃを出力する。

２１はリバーシブルカウンタで加算入力端はゲート回賂
２０に接続され、加算入力信号ｃを加算する。

基準ゲート信号ｂのゲート中を正確に１秒にとっておく
と周波数プｄそのものを加算することはいうまでもない
。減算入力端はゲート回路２９に接続され計測ゲート信
号ｃ内の減算入力信号ｆを減算する。２２はコンパレー
タからなる零検出器でリバーシブルカウンタ２１に接続
され加減算の結果、出力が零となるのを検出してリセツ
ト信号を出力する。

２３はＲ・Ｓフリップフロツプで零検出器２２と時間発
生器１川こ接続され、リセット信号とセット信号とをそ
れぞれ入力して計測ゲート信号ｅを出力する。

２６は基準発振器で基準クロック信号ｇを出力する。

２７はゲート回路で基準発振器２６とＲ・Ｓフリツプフ
ロップ２３とに接続され計測ゲート信号ｅ内の表示入力
信号ｈを出力する。

２８はカウンタでゲート回路２７に接続され表示入力信
号ｈを計数して表示器１４へ出力する。

２４はアンテナ角度センサーでポテンショメータｓ，と
ｓ２と直流増中器ｐとからなり、アンテナの傭角と偏角
との変化に連動してそれぞれポテンショメータＳ・とＳ
２とがノッチを切換えられると演算増中器からなる直流
増中器ｐはｃｏｓのこ比例した基準電圧を入力電圧とし
、ｃｏｓ帆こ比例した増中度で増中するので（ｃｏｓｏ
）×（ｃｏｓ◇）に比例した電圧を出力する。

ノツチを余弦形ポテンショメータに代えると連続的な値
をとることもできる。２５はＶ／Ｆコンバータでアンテ
ナ角度センサー２４に接続され入力電圧を周波数のパル
ス列に変換する。

すなわち（ｃｏｓ８）×（ｃｏｓぐ）に比例したパルス
列からなるＶ／Ｆコンバータ出力ｄをうる。２９はゲー
ト回路でＶ／Ｆコンバータ２５とＲ・Ｓフリツプフロッ
プ２３とに接続され計測ゲート信号ｅ内の減算入力信号
ｆを出力する。

次に第３図で示す電波流速計の動作を説明する。ただし
リミットアンプ８までは従来のものと同一であるので省
略する。ドップラ偏移周波数〆ｄをもつ測定信号ａはゲ
ート回路２０に入力して基準ゲート信号ｂにより時間選
択をうけ加算入力信号Ｃとなる。

例えば基準ゲート信号ｂのゲート幅を正確に１秒に選定
すると加算入力信号Ｃはドップラ偏移周波数〆ｄと等し
い数のパルス列となる。加算入力信号Ｃはリバーシブル
カウン２１の加算入力端に入力し、リバーシブルカウン
タ２１はナｄに設定される。

一方アンテナ角度センサー２４から（ｃｏｓ８）×（ｃ
ｏｓぐ）に比例した出力電圧はＶ／Ｆコンバータ２５に
入りＶ／Ｆコンバータ出力信号ｄとなり、そのパルス列
の周波数は（ｃｏｓ８）×（ｃｏｓ◇）に比例する。例
えば８＝４５０、Ｊ＝４？で比例定数を１００となるよ
うにアンテナ角度センサー２４を設定するときはＶ／Ｆ
コンバータ出力信号ｄの周波数は１００・ＣＯＳａ・Ｃ
ＯＳ◇＝１００・ＣＯＳ４５０・ｃｏｓ４５０ ＝即日
Ｚとなる。

Ｖ／Ｆコンバータ出力信号ｄはゲート回路２９に入り、
計測ゲート信号により時間選択されて減算入力信号ｆと
なりリバーシブルカウタ２１の減算入力端に入り減算さ
れる。リバーシブルカゥンタ２１は〆ｄに設定され、し
かる後ナｄ個が減算されて零が雫検出器で検出されると
きリセット信号がＲ・Ｓフリツプフロップ２３に送られ
、既に時間発生器１０からのセット信号により減算が始
まるときにセットされた計測ゲート信号ｅをリセットす
る。したがって計測ゲート信号ｅのゲート幅Ｔはリバー
シブルカウンタ２１が〆ｄ個を減算始めてから零になる
期間で上述のＶ／Ｆコンバータ出力信号ｄの周波数５０
日２のパルスを〆ｄ個教える期間に等しくなる。すなわ
ちナｄ Ｔ＝〆ｄ‐高。

＝・ｏｏ‐のＳ４５０心瓜４？− ナｄ
……（５１１００・ＣＯＳ８・ＣＯ
Ｓ？が成立する。

基準発振器２６は基準クロック信号ｇを発振しその発振
周波数はＣ／２〆に比例するように設定される。例えば
比例定数を１００００とし、１のＨｚのマイクロ波を用
いるとすると、その発振周波数〆ｓは下記のように書け
る。ナＳ刊ｏｏ。

・鼻＝小毅帯。＝・５ｏＨＺ・…−・■ このような周波数をもつ基準クロツク信号ｇはゲート回
路２７に入り、ゲート幅Ｔをもつ計測ゲート信号ｅによ
り時間を選択されて表示入力信号ｈとなりカウンタ２８
に入り計数の結果が表示器１９に表示される。

但し計数結果の表示は表示入力信号ｈが終了した時点で
表示されるがこれらのタイミング信号は公知のことであ
るので第３図では図示しない。次に表示入力信号ｈの周
波数すなわち計数結果は‘４｝、【５｝、‘６）式を用
いると下記のように書ける。このようにして角度補正を
うけた真の流速Ｖの１０の音の値、すなわち単位弧／Ｓ
で示す流速が求められる。

‘５｝と‘７｝式からナｓ．〆ｄ ｌ／５０＝１００。
ｖとなるので例えばナｄ＝１００とすれば表示器には３
０比ネ′Ｓが表示される。上述の説明において基準ゲー
ト信号ｂのゲート幅を１秒としたが、これを１町妙、６
の砂と変えて平均値を表示するようにすることも容易で
ある。更に本実施例では表示器に測定値を表示する場合
について述べたが記録器に記録したり、表示と記録を兼
ねることも周知のように容易である。また本実施例では
ポテンショメータＳ，とＳ２をアンテナ１と連動して動
かしたが、アンテナは一度設置すると殆んど動かさない
ため、設置時にアンテナ１の伸角と偏角を測定してポテ
ンショメータｓ，とｓ２とを手動でその測定値に設定し
てもよい。

以上のように本発明は複雑なデジタルマルチプレクシン
グを行なわず簡単なりバーシブルカウンタとゲート回路
を用いるだけで電波ビームの衛角と偏角の補正演算を行
なうことができる安価な電波流速計の角度補正方式を提
供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は電波流速計の原理説明図、第２図は従釆の電波
流速計の１実施例を示すブロック系統図、第３図は本発
明になる電波流速計の１実施例を示すブロック系統図、
第４図は第３図において英小文字で示す要所波形のタイ
ミングチャートである。 １・・・・・・アンテナ、２・・・・・・流速測定装置
、３・・．・・・発振器、４・・・・・・方向結合器、
５・・・・・・サーキュレータ、６・・・・・・混合器
、７・・・・・・帯域フィル夕、８・・・・・・リミッ
トアンプ、９と２８……カウンタ、１０…・・・時間発
生器、１１と２４・・・・・・アンテナ角度センサー、
１２・・・・・・係数器、１３・・・・・・鶏算器、１
４・・・・・・表示器、２０と２７と２９・・・・・・
ゲート回路、２１……リバーシブルカウタ、２２……零
検出器、２３……Ｒ・Ｓフリツプフロツプ、２５……Ｖ
／Ｆコンバータ、２６・・・・・・基準発振器。 第１図第２図第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体表面に入射する電波ビームの俯角と偏角を予め
   設定しこの電波ビームの入射波と反射波を比較してドツ
   プラ偏移周波数を求め上記俯角と偏角の角度を補正して
   真の流速を計測する電波流速計において、計測されたド
   ツプラ偏移周波数をリバーシブルカウンタに設定し、そ
   の後、俯角と偏角のそれぞれの余弦の積に比例した周波
   数のパルス列によつて前記ドツプラ偏移周波数を減算せ
   しめ、減算開始から零になるまでの計測ゲートを作成し
   、このゲート間の基準クロツクパルスを計数して流速を
   測定することを特徴とする電波流速計の角度補正方式。