JPS6364733B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水面下の水温を音波の伝播時間を利
用して遠隔測定する水温測定方式に関する。

従来、水面下の温度測定は、水中に水温センサ
を投下または吊下げることにより行つているが、
例えば海上を航行する船舶において航行状態でこ
のような温度測定を行うことは面倒であり、航路
上の適正な位置における水温測定も困難となる等
の難点があつた。

本発明は、このような従来の水温測定の問題点
に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、水温センサを使用する直接測定法に代え
て、水温により音波の伝播速度が変わるという現
象を利用して、所定距離離間した位置における音
波の伝播時間を測定することによつて間接的に水
温測定を行うことができる遠隔水温測定方式を提
供することにある。

次に、本発明に係る遠隔水温測定方式の原理に
ついて説明する。第１図は本発明方式の原理を示
すモデル図であり、第２図はその動作波形を示す
タイムチヤートである。第１図において、１は送
波器、２は受波器を示し、これらの送波器１と受
波器２は船舶の船底もしくは舷側に取り付けられ
る。送波器１と受波器２とは、所定間隔離間して
配置され、送波器１は水面下に向つて音波（図
示の斜線部分）を発信し、また受波器２はそれぞ
れ所定方向に受信ビーム_A，_B（図示の斜線部
分）を指向させる。

従つて、受波器２は、Ａ点およびＢ点からの２
種の受信ビーム_A，_Bの反射音波を受信する受
波器２ａ，２ｂが設けられるものとする。説明の
便宜上、水温の分布は水深La下におけるレベル
を境にして上方をTi℃とし、下方をT₂℃とする。
そして、送波器１よりパルス性の音波が発振され
た時点を基準時間０とする。（第２図ａ）。このよ
うにして、送波器１より発信された音波は、そ
の経路に従つて伝播していく。音波は、伝播経路
上に存在する微少浮遊物体や水のゆらぎ等から、
その一部が乱反射するが、受波器２ａ，２ｂの受
信ビーム_A，_Bと交差すると受波器２の方向に
反射される。すなわち、受波器２ａ，２ｂの受信
ビーム_A，_Bは、音波の経路Ａ，Ｂ点にそれ
ぞれ向けられ、送波器１より発信された音波が
Ａ点に達したとき、受波器２の方向に反射される
音波が受波器２ａによつて受信され（第２図ｂの
R₁）、また音波がＢ点に達したとき、受波器２
の方向に反射される音波が受波器２ｂによつて受
信される（第２図ＣのR₂）。

このようにして、受波器２によつて受信された
音波の到達時間t₁，t₂と距離との関係は次式で示
される。

t₁＝La＋Lc／Ｃ（t₁） ……(1) t₂＝La＋Ld／Ｃ（t₁）＋Lb＋Le／Ｃ（t₂） ……(2) 但し、La：送波器１とＡ点との距離 Lb：Ａ点とＢ点との距離 Lc：受波器２とＡ点との距離 Ld＋Le：受波器２とＢ点との距離 （Ldは水温がT₁℃である部分の
距離） （Leは水温がT₂℃である部分の
距離） Ｃ（t₁）：T₁℃における音波の水中伝播速
度 Ｃ（t₂）：T₂℃における音波の水中伝播速
度 なお、一般に音波の水中伝播速度は、塩分や圧
力によつて変化するが、この場合その量は僅かで
あり、無視することができる。また音波の経路
は、水温差のあるところでは屈折するが、得られ
た値に適当な比例係数をかけて補正することがで
きる。

前記式(1)，(2)において距離La，Lb，Lc，Ld，
Leは、送波器１と受波器２との離間距離Lmと、
受波器２ａ，２ｂの受信ビーム_A，_Bの水面に
対する傾角θa，θbがそれぞれ所定値に定められ
ることにより、全て計算により求められる。従つ
て、受波器２によつて受信された音波の到達時間
t₁，t₂が測定されれば、前記式(1)，(2)に基づいて
音波の水中伝播速度Ｃ（t₁），Ｃ（t₂）が算出され
る。この結果から、較正表に基づいて温度T₁℃，
T₂℃を求めることができる。

以上の原理に基づいて、本発明に係る遠隔水温
測定方式の実施例につき添付図面を参照して以下
詳細に説明する。

第３図は、第１図に示す原理に基づいて、本発
明を実施するための具体的な回路図を示すもので
ある。

すなわち、第３図において、１は送波器、２
ａ，２ｂは受波器を示す。送波器１は送信波発生
回路３に接続され、また受波器２ａ，２ｂはそれ
ぞれ受信増幅回路４，６に接続される。５は周期
的に送信を行うためのトリガパルス発生回路、７
ａ，７ｂはフリツプフロツプ回路、８ａ，８ｂは
ゲート回路、９はパルス列発生回路、１０ａ，１
０ｂは計数回路、そして１１は計算機を示す。

次に、このように構成した回路の動作につき、
第２図に示す動作波形を参照しながら説明する。

トリガパルス発生回路５によつて、周期的に音
波送信を行うためのトリガパルス（第２図Ｍ）を
発生する。このトリガパルスに基づいて、送波器
１は一定時間パルス状の音波を発信する（第２図
ａ）。一方、受波器２ａ，２ｂは送波器１から水
中に発信される音波の経路と交差する方向にそれ
ぞれ受信ビームを指向させる。フリツプフロツプ
回路７ａは、トリガパルス発生回路５から送出さ
れるトリガパルスによつてセツト状態となり、受
波器２ａが反射音波を受信し、受信増幅回路４に
受信波R₁（第２図ｂ）が現われた時にリセツトさ
れる（第２図ｄ）。これに対し、フリツプフロツ
プ回路７ｂは、前記フリツプフロツプ回路７ａが
反射音波を受信し、受信増幅回路５に受信波R₂
（第２図Ｃ）が現われた時にリセツトされる（第
２図ｅ）。

一方、パルス列発生回路９は、連続したパルス
列を発生し（第２図ｆ）、このパルス列をそれぞ
れゲート回路８ａ，８ｂに供給する。この結果、
ゲート回路８ａ，８ｂでは、それぞれフリツプフ
ロツプ回路７ａ，７ｂの動作状態の間、前記パル
ス列を出力することになる（第２図ｇ，ｈ）。こ
れらのゲート回路８ａ，８ｂの出力となるパルス
列は、計数回路１０ａ，１０ｂで計数する。この
ようにして得られた計数結果は、時間t₁，t₂に比
例した量であるため、計算機１１により積分等の
演算を行うと共に前記式(1)，(2)に基づく演算を行
うことにより、音波の水中伝播速度を算出する。
そして、この音波の水中伝播速度を前述した較正
表と対照して水温を求めることができる。

前述の実施例から明らかなように、本発明によ
れば、水中において無数に存在する微少浮遊物等
からなる反射体を、送波器１から所定距離離間配
置した受波器２の受信ビーム角（府角θa，θb等）
により特定し、これにより音波の伝播距離を定
め、この結果測定された音波の水中伝播時間から
水温を簡便に求めることができる。

このため、精度のよい水温測定を行うには、受
波器における受信ビーム幅が狭いことと、受信ビ
ーム角が精密に測定できることが条件となる。こ
の場合、受信ビーム幅は使用周波数と送受波器の
面積を適当に選択することにより実現できるが、
受信ビーム角を精密に測定することは、一般的に
困難である。

そこで、精度のよい水温測定を行うための受信
ビームの決定方法について検討すれば、次の通り
である。第４図ａは、第１図に示す受波器２ａの
受信ビーム_Aのみを示したものである。この場
合、受信ビーム_Aの府角θaはビーム幅₁の範囲
内で不確実である。そこで、この受信ビーム_A
を第４図ｂに示すように、２つのビームＶ，Ｗと
し、一方のビームＶをやや上方に指向させると共
に他方のビームＷをやや下方に指向させ、これら
ビームＶ，Ｗの大部分は重畳するように設定す
る。このようにビームＶ，Ｗを設定することによ
り、各ビームＶ，Ｗで捕える反射体からの反射信
号は、第５図のタイムチヤートで示すように、ビ
ームＶからの信号VaがビームＷからの信号Waよ
りも上方に向いている分だけ早く到達する。従つ
て、これらの信号Va，Waを検波した波形V_R，
W_Rからその差（V_R−W_R）を求めると、第５図に
示すような振幅波V_R，W_Rが得られ、この振幅波
V_R−W_Rの基準レベル０と交点Ｋが正確に受信ビ
ーム府角がθaである場合の温度測定値を示すこ
とになる。

なお、本発明においては、第１図に示されるよ
うに、送波器１から発信される音波は、直下に指
向されている必要はなく、府角が既知であれば斜
めに指向させてもよく、この場合前記式(1)，(2)の
演算に何らの支障もない。また、船体のローリン
グやピツチングによる送受信の影響を防止するた
め、ビームの形状を扇形状とすれば好適である。

さらに、前述した実施例において、受波器は２
つの独立した受信ビームを有する場合について説
明したが、移相回路を備えた単体の受波器で構成
することができることは勿論である。また、受信
ビーム数も２つに限らず、多数あればある程多点
の水温測定を同時に行うことができる利点があ
る。この場合、受波素子をアレイ状に配列した受
波器を使用することにより、マルチビームを構成
して容易に多点温度測定が可能となる。

以上、本発明の好適な実施例について説明した
が、本発明方式は船舶に固定配置した音波の送波
器および受波器により、船舶の航行状態において
航路上の適正位置における水中下の温度分布を簡
易迅速に測定することができ、この種装置の応用
範囲は極めて広範である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る遠隔温度測定方式の原理
を示す説明図、第２図は本発明方式の動作波形を
示すタイムチヤート図、第３図は本発明方式の一
実施例を示すブロツク回路図、第４図ａ，ｂは本
発明方式において使用する受信ビームの一例とそ
の変形例を示す説明図、第５図は第４図ｂに示す
受信ビームによる受信波の動作波形を示すタイム
チヤート図である。 １……送波器、２……受波器、３……送信波発
生回路、４，６……受信増幅回路、５……トリガ
パルス発生回路、７ａ，７ｂ……フリツプフロツ
プ回路、８ａ，８ｂ……ゲート回路、９……パル
ス列発生回路、１０ａ，１０ｂ……計数回路、１
１……計算機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 送波器と受波器とを所定距離離間して配置
   し、送波器から水中に一定の音波を発信し、一方
   受波器において前記送波器からの音波経路の異な
   る点でそれぞれ反射波を受信するよう複数の受信
   ビームを所定方向に指向させ、前記受送器の各受
   信ビームの府角から水中における各音波の反射点
   を演算し、これら音波の反射点と送波器と受波器
   との相関距離及び測定された水中伝般時間から音
   波の水中伝播速度を演算し、さらにこの音波の水
   中伝播速度から水温を演算することを特徴とする
   遠隔水温測定方式。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の遠隔水温測定方
   式において、受波器は複数の受波器を使用して複
   数の受信ビームを所定方向に指向させてなる遠隔
   水温測定方式。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の遠隔水温測定方
   式において、単一の受波器の場合移相回路を使用
   して複数の受信ビームを合成するようにした遠隔
   水温測定方式。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の遠隔水温測定方
   式において、受信ビームそれぞれ府角が若干異な
   りかつ互いに重畳する２つのビームで構成し、各
   ビームで捕えた受信信号の差信号と基準レベルと
   の交点の位置によつて適正な反射点を演算してな
   る遠隔水温測定方式。