JPS6359114B2

JPS6359114B2 -

Info

Publication number: JPS6359114B2
Application number: JP56139067A
Authority: JP
Priority date: 1981-09-03
Filing date: 1981-09-03
Publication date: 1988-11-17
Also published as: JPS5839971A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、船舶から海中に超音波を発射し、海
底あるいは海中における浮遊物（例えば小魚群や
プンクトン等）によつて反射してくる反射波に生
じるドツプラ効果に基づいて船舶の対地速度ある
いは対水速度を測定する方法に関する。

ドツプラ効果による周波数偏位を測定する方法
として、従来は第１図にその基本的構成を示すフ
エーズロツク回路が使用されている。第１図にお
いて２０は位相検波器、２１は低域濾波器、２２
は電圧制御発振器である。この回路は、反射波信
号電圧ef₂と電圧制御発振器２２の出力信号電圧
ef₁とを位相検波器２０に導入して、両信号電圧
の周波数差にもとづく位相差の変化電圧ef₁−ef₂
を検出し、これを低域濾波器２１に入力して変化
電圧ef₁−ef₂に対応した直流信号電圧Ｖを取出
す。そしてこれにより電圧制御発振器２２の出力
信号電圧の周波数を反射波周波数に一致するよう
に追従制御して、電圧制御発振器２２の出力信号
周波数の変化を計測し、船速等を測定するもので
ある。

しかし、一般には反射波は一定の周波数を持続
するものではなく、種々の外乱によつて、本来の
ドツプラ成分以外の周波数成分が混入しているの
が通常である。従つて、反射波を直接フエーズロ
ツク回路で追尾すると、測定値は不安定なものと
なる。また、同時に深度別に多数点の対水速度を
測定しようとすれば、フエーズロツク回路の数が
その点の数だけ必要となり、装置の複雑化および
費用の点で難点があつた。

本発明は、これらの難点を解消するため、反射
波のＮ波長分の時間幅をもつゲート信号を発生
し、カウンタによつて前記ゲート信号の時間幅を
反射波に比して充分高い周波数をもつパルスにて
計数し、これを統計的手法によつて処理して、一
定の周波数を持続する部分のみを検出して対地速
度を測定し、また単一の回路のみで、全く同様に
して同時に多数点の対水速度で測定する方法を提
供するものである。

以下図面により、本発明の一実施例につき説明
する。

第２図において、１は超音波パルスを送信する
送信器、２は送受切換回路、３は超音波送受波
器、４は受信波にAGC、STCをかけて脱幅する
受信器、５はこの出力を分周する分周器、６は送
信周波数に比して充分高い周波数を発生する発振
器、７はアンドゲート、８はカウンタ、９はラツ
チである。１０は単安定回路で、入力信号ｄの立
下りでラツチへのロード信号ｇを出力する。１１
は同じく単安定回路で、前記ロード信号ｇの立下
りで、分周器５およびカウンタ８に対してリセツ
ト信号ｈを出力する。１２は計算器、１３は計算
器１２に接続された表示器、１４は受信器４から
の出力信号Ｃを検波する検波器である。

以上述べた構成の装置における動作を第３図お
よび第４図を参照して以下説明する。送信器１で
発生した超音波パルスａは送受切換回路２を介し
て、超音波送受波器３に供給される。送受波器３
は、水中斜め下方に超音波パルスを発射し、その
反射波を受波し、電気信号に変換して受信器４に
供給する。第３図のｂは水中の浮遊物から反射さ
れた反射信号、及び海底から反射された反射信号
を示す。この受信信号ｂは、受信器４で増幅さ
れ、第３図Ｃおよびその拡大図第４図Ｃのような
出力信号となつて分周器５に入力される。分周器
５では１／Ｎに分周され、その高レベルの期間だ
けゲート７がオンされるのでカウンタ８が発振器
６の発振周波数ｅをカウントする。第４図ｄが分
周器５の出力でこの実施例では信号Ｃを1/10に分
周している。また、第４図ｅが発振器６の出力で
あり、第４図ｆがゲート７の出力となる。１／Ｎ
に分周された分周器５の出力信号ｄの立下りで、
単安定回路１０のロード信号ｇが得られ、この信
号ｇでカウントされたカウント値がラツチ９に格
納される。

この様にして得られたカウント値は反射信号の
周波数の逆数、すなわち周期を表す事になる。ま
た、ロード信号ｇの立下りで単安定回路１１の出
力であるリセツト信号ｈが得られ、この信号ｈで
カウンタ８がリセツトされ、分周器５をＮ−１に
セツトする。これにより分周器５の出力を第４図
ｄのように高レベルの時間を長くすることが出
来、データのサンプル数を多くすることが可能と
なる。

一方、反射信号ｂから海底反射信号を検出する
ために、受信器４では入力信号ｂに対してAGC、
STCをかけ増幅した信号ｌを検波器１４で検波
して第３図ｍのような検波されたエンベロープ信
号を得る。

次に、計算機１２について説明する。第５図に
計算機１２の詳細を示す。第５図で１２−１は判
別回路、１２−２は海底信号判別回路、１２−３
はゲート回路、１２−４はメモリー回路、１２−
５は書き込みアドレス発生回路、１２−６は読み
出しアドレス発生回路、１２−７はタイミング信
号発生回路、１２−８は平均値演算回路、１２−
９は標準偏差演算回路、１２−１０は加算回路、
１２−１１は減算回路、１２−１２は判別回路、
１２−１３は平均値演算回路、１２−１４は速度
変換回路である。

まずデータの記憶動作について説明する。

判別回路１２−１ではラツチ回路９より送られ
てくる計数されたデータAn個のうち、船速に換
算した場合明かに不合理な値、例えば−６ノツト
から30ノツト以外に相当する値を持つたDn個を
判別排除し、残つたBn個のデータをリセツト信
号ｈごとにゲート回路１２−３へ送る。この動作
により明かに異常と見なされるデータが以後の統
計的手法から除かれるため、より安定性が増すこ
とになる。

また検波器１４で検出された反射信号のエンベ
ロープ信号ｍは、海底信号判別回路１２−２によ
り、たとえば予め設定されたしきい値と比較さ
れ、海底反射信号として判定された後ゲート回路
１２−３を開とし、海底反射信号の持続期間のみ
のデータを通過させる。この様にして有効な値を
持つたｎ個のデータがゲート回路１２−３を通過
しメモリー回路１２−４に達する。

一方書き込みアドレス発生回路１２−５はタイ
ミング信号発生回路１２−７よりのタイミング信
号に従い更新されるアドレス信号を発生する。

toの周期を予想されるリセツト信号ｈの周期よ
りわずかに短く設定すれば、前記のBn個のデー
タは残らず順次メモリー回路１２−４に記憶され
る事になる。

次に、前記動作の送信の繰り返し回数Ｋにわた
つて実施すると、メモリー回路１２−４には_k 〓ⁿ⁼¹
Bn個の有効データが記憶された事になり、一つ
の母集団を形成する。またメモリー回路１２−４
の記憶容量には制限があるため、前記動作で最も
古い送信時のデータから順次書き換えられるもの
とすると、現時点よりＫ回前までのデータが常に
メモリー回路１２−４に記憶されている事にな
る。

次に演算動作について説明する。まず、タイミ
ング信号発生回路１２−７よりのタイミング信号
t₁に従い、読み出しアドレス発生回路１２−６が
前記動作で記憶された母集団全体を読み出すため
のアドレス信号を逐次発生する。メモリー回路１
２−４から読み出されたデータは平均値演算回路
１２−８、標準偏差演算回路１２−９に送られ、
前記母集団の平均値および標準偏差値が計算され
る。

なお、母集団の平均値および標準偏差値の演算
は、送信の繰り返し回数Ｋ回毎に行なつても良い
し、あるいは移動平均的に新データが書き換えら
れる毎に行なつても差し支えない。

加算器１２−１０では平均値と標準偏差値が加
算され、上限の判別条件が得られる。同様に減算
器１２−１１では平均値から標準偏差値が引か
れ、下限の判別条件が得られ、それぞれ判別回路
１２−１２に設定される。

次にタイミング信号t₂に従い読み出しアドレス
発生回路１２−６が再度前記母集団からデータを
読み出すためのアドレス信号を発生する。ここで
読み出されるデータは、前記母集団の内の一部ま
たは全体で、要求される応答時間特性により選択
される。この場合、現時点よりより前まで遡つて
多数のデータを利用すればするほど応答特性は悪
化するが、安定性は向上する事になる。

メモリー回路１２−４から読み出されたデータ
は判別回路１２−１２にて前記判別条件すなわち
（平均値＋標準偏差値）と（平均値−標準偏差値）
との間以外に属するEn個のデータを排除し、残
りのCn個が平均値演算回路１２−１３にて演算
され平均値が得られる。

この様に、入力データが変動しても、常に動的
にその母集団の平均を求め、わずかな頻度で発生
する、その母集団の平均値より標準偏差値だけ離
れたデータを排除する事で、外乱による不安定性
が除かれ、より安定な平均値が得られる事にな
る。またこの標準偏差値がデータの変動性を表わ
す指標として利用出来ることは言うまでもない。

次に速度変換回路１２−１４にて反射波の周期
よりドツプラー周波数を求めた後、所要の速度数
値に変換され表示回路１３にて表示される。

ここに説明した計算機の詳細実施例では、入力
反射信号の周期を表わすカウント値に対して演算
を行なつた後、速度数値に変換しているが、この
逆でもまつたく同様な効果が得られる事は明かで
ある。

またこの実施例の計算機は個々の回路ブロツク
を組み合せて構成しているが、一部または全体を
計算機の記憶装置上に仮想的に構築し、ソフトウ
エアで制御する事も可能である。

以上の説明は、対地速度測定について述べたも
のであるが、任意の深度の対水速度を深度別に多
数点測定する場合は、海底からの反射信号を検出
する海を信号判別回路の部分を、所要深度までの
音波の伝搬時間に相当する、時間ゲート信号発生
回路に置き換える事で、同一の回路構成で同様に
実現する事ができる。

また、上述実施例では単一のビームについて述
べたが、通常使用される４ビーム方式の場合に
は、それぞれのビームにつき上述の方法が適用さ
れることは明らかである。

以上述べた如く、船舶の対地速度あるいは対水
速度を測定する場合における種々の外乱による不
安定性が著しく改善され、また対水速度を深度毎
に多数点測定する場合、単一の回路によつて計測
できるので安価な装置が実現出来る実用上の効果
は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図はドツプラ効果による周波数偏位を測定
する従来のフエーズロツク回路を示すブロツク
図、第２図は本発明の一実施例を示すブロツク回
路図、第３図および第４図は第２図の実施例回路
の主要各部の信号波形および信号相互間のタイミ
ングを示す波形図、第５図は計算機１２の詳細を
示すブロツク回路図である。１……送信器、２……送受切換回路、３……送
受信器、４……受信器、５……分周器、６……発
振器、７……ゲート、８……カウンタ、９……ラ
ツチ、１０，１１……単安定回路、１２……計算
器、１３……表示器、１４……検波器、１２−１
……判別回路、１２−２……海底信号判別回路、
１２−３……ゲート回路、１２−４……メモリー
回路、１２−５……書き込みアドレス発生回路、
１２−６……読み出しアドレス発生回路、１２−
７……タイミング信号発生回路、１２−８……平
均値演算回路、１２−９……標準偏差演算回路、
１２−１０……加算回路、１２−１１……減算回
路、１２−１２……判別回路、１２−１３……平
均値演算回路、１２−１４……速度変換回路。

Claims

【特許請求の範囲】１超音波送受波器からパルス状の超音波を発射
し、静止または移動する物体からの反射波に含ま
れるドツプラ成分により船舶の速度を検出する方
法において、前記物体からの反射波のＮ波長分の
時間幅をもつゲート信号を発生し、該ゲート信号
の時間幅を、反射波に比べて充分高い周波数をも
つパルスを用いてカウンタで計数し、これを前記
反射波のパルス幅に相当する個数An個分収集し、
この中から前記超音波送受波器からの船舶の速度
範囲から明らかに外れるものDn個を排除したBn
個を記憶し、さらに送信の繰返し数Ｋ回分の計数
値_k 〓ⁿ⁼¹ Bn個の母集団の平均値および標準偏差値を
求め、さらに前記母集団の内の一部または全体の
うち、前記平均値から標準偏差値を減じたものと
平均値に標準偏差値を加えたものとの間以外の値
En個を排除したCn個の平均値を求め、前記超音
波送受波器と前記物体との相対速度に換算するこ
とを特徴とする超音波ドツプラ速度検出方法。