JP4415192B2

JP4415192B2 - 河床測定装置

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Publication number: JP4415192B2
Application number: JP2005023585A
Authority: JP
Inventors: 由博道口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2025-01-31
Also published as: JP2006208300A

Description

本発明は、河床測定装置に係り、特に、超音波を用いて河床形状，流速分布，流量を迅速かつ正確に測定し、洪水などの災害防止のための災害予測に反映可能なデータを収集する河床測定装置に関する。

河川の河床形状，流速分布，流量は、大雨による洪水などの災害を防止するために、極めて重要な情報である。

河床形状は、水深すなわち水面から河底までの距離を河川断面で連続的に求めると取得できる。

流速分布は、ある深さにおける例えば超音波反射体の移動速度から計測できる。

流量はある位置での水深と水中の流速分布とを検出すれば、河川断面の積分量として演算できる。

超音波により水深，流速などを測定する方法が提案されている(例えば、特許文献１参照)。

超音波送受信センサを移動させる手段を用いる河川流量測定方法が提案されている(例えば、特許文献２参照)。

水のない部分はレーザ光線計測装置で形状を測定し、河川部分の形状計測には超音波を用いる河川の断面形状測定方法が提案されている(例えば、特許文献３参照)。

複数の超音波ビームを使い海洋での水深，流速分布を測定し、流量を求める方法が提案されている(例えば、特許文献４参照)。

超音波を使用しないで河床形状を求める河床探査具が提案されている(例えば、特許文献５参照)。

河川の河床形状，流速分布，流量の計測に必要な項目としては、水流の方向と超音波測定装置の移動方向との差異，超音波測定装置の移動速度，河川上の位置がある。

水流の方向と超音波測定装置の移動方向との差異，超音波測定装置の移動速度は、流れの速度ベクトルと計測装置の移動方向ベクトルとが異なる場合に、流速測定において所定の精度を確保するために必要である。流速の検出値は、流れの方向，速度と計測装置の移動方向，速度とが合成された値なので、真の流速を求めるには、計測値を補正する必要がある。

測定装置の移動速度の測定方法として、特許文献４の複数ビームを用いる方法がある。複数ビームで河底の移動量を求め、測定装置の移動量に換算する。しかし、河底の深さが複数ビームで異なると、誤差が増大する。

測定装置の方向検知に地磁気センサを用いる場合、磁性体(鉄橋)などの近くでは、地磁気分布が乱れ，誤差が増加する。

特開２０００−９７７３８号公報 (第６頁〜第７頁，図１）特許第２９５５９２０号公報 (第１２頁，図１０，図１１）特開平１１−３０４４８４号公報 (第４頁，図７，図８）ＵＳＰ００５１２２９９０Ａ (第４欄〜第６欄，Fig.１，Fig.２）特開２０００−９８０４６号公報 (第２頁〜第３頁，図１〜図４）

特許文献１の測定方法においては、深さ方向に棒状の垂下材を設け、その垂下材に沿って複数の超音波受信センサを設置する。河底の超音波送受信センサから超音波を発射し、垂下材各所の超音波受信センサで受信し、超音波の伝搬時間から各超音波センサ間の音速，水深を測定する。河川断面全体の河床形状，流速分布を求めるには、垂下材を多数設ける必要がある。

特許文献２の測定方法においても、複数個の超音波送受信センサを水面および水中に配置し、さらに、河底付近に超音波反射体を沈める必要があるので、簡便な測定方法ではない。

特許文献３の測定方法においては、河床形状の計測に１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの超音波を用いており、超音波ビームの広がりにより、精度が低下する。また、流速分布を測定できない。

特許文献４の測定方法においては、４本の超音波ビームを垂直方向から所定角度だけ離して送信し、水中散乱体からの反射を検出する。また、静止する海底を基準として測定装置の移動を求める。この方法では、ビーム間に角度があるので、水深が深くなるほど超音波ビームは離れていき、離れた位置での流速が異なると、各ビームの流速が同一とならず、誤差になる。海底に凹凸があれば、異なる超音波往復時間となり、水深の大きな誤差となるほか、移動量の測定も不可能となる。海底に比べて凹凸が激しい河川への適用は、さらに難しい。

特許文献５の測定方法においては、河底から採取した河床材料に永久磁石を埋め込んだ探査具を河底に多数配置し、磁場の測定からこの探査具の位置や移動量を測る。この測定方法は、測定範囲が限られ、水深測定に別の手段が必要となる。

本発明の課題は、河底の凹凸，流速，水深にかかわりなく、河床形状，流速分布，流量を正確に測定できる河床測定装置を提供することである。

本発明の河床測定装置は、上記課題を解決するために、測定線に沿って水面を移動する浮揚体に積載された移動測定機器と、地上に設置され前記移動測定機器で得たデータを処理する基地測定機器とからなり、前記移動測定機器が、河底方向に鋭い指向特性の超音波を照射する超音波送信センサと、前記超音波送信センサの超音波照射領域に指向特性を有する少なくとも３つの超音波受信センサと、前記超音波送信センサが超音波を照射してから前記各超音波受信センサがそれぞれ河底の反射波を検出するまでの河底往復時間を測定する河底往復時間測定手段と、前記浮揚体の傾きを検出する傾き検出手段とを備え、
前記基地測定機器が、前記河底往復時間測定手段から出力される河底往復時間と、超音波の音速と、前記超音波送信センサ及び前記各超音波受信センサの位置とから河底位置を算出する河底位置算出手段と、該河底位置算出手段により算出された前記河底位置を前記傾き検出手段により検出された前記浮揚体の傾きに応じて補正する河底位置補正手段と、前記移動測定機器の移動方向と位置とを求める移動測定機器位置検出手段とを備え、前記移動測定機器位置検出手段により求められた前記移動測定機器の位置と前記河底位置補正手段により補正された前記河底位置に基づいて河床形状を求めることを特徴とする。

この場合において、さらに、前記移動測定機器が、前記超音波送信センサが周期的に超音波を照射してから、前記各超音波受信センサがそれぞれ前記河川の水中散乱体の反射波を検出するまでの散乱体往復時間を周期的に測定する散乱体往復時間測定手段を備え、前記基地測定機器が、前記散乱体往復時間測定手段から周期的に出力される散乱体往復時間と、超音波の音速と、前記超音波送信センサ及び前記各超音波受信センサの位置とから水中散乱体の位置ならびに移動速度および移動方向を算出する散乱体移動算出手段と、前記散乱体移動算出手段により求められた水中散乱体の位置ならびに移動速度および移動方向を前記浮揚体の傾きに応じて補正する散乱体位置補正手段とを備え、前記散乱体位置補正手段により補正された水中散乱体の位置ならびに移動速度および移動方向に基づいて、前記移動測定機器の位置に対応させて前記河川の深度方向の流速分布を求めることができる。

さらに、前記基地測定機器が、前記河床形状と前記河川の深度方向の前記流速分布に基づいて流量を算出することができる。

また、移動測定機器位置検出手段は、前記移動測定機器に設置した複数の反射体の位置を検出するレーダ装置で構成できる。

本発明において、移動測定機器から河底に向けて照射される超音波ビームは、鋭い指向特性の１本だけなので、河底に凹凸があっても、複数のビームを照射した従来例の交差位置が異なることによる誤差は生じない。

また、複数のビームを照射した場合の超音波源から反射体までの距離差に起因する問題が無く、流速分布や流量への誤差が回避される。

さらに、地上に設置した基地測定機器を基準位置として、河川水面を移動する移動測定機器の位置，方位，移動速度，方向などを例えばレーダで正確に測定するので、移動測定機器の動きに起因する相対誤差を排除し、河床形状，流速分布，流量を正確に測定できる。

次に、図１〜図９を参照して、本発明による河床測定装置の実施例を説明する。

図１は、本発明による河床測定装置の基本的概念を説明する図である。

本実施例１においては、河川１に測定線２を設定し、測定線２に沿った河床形状３と、河川断面４の流速分布と、河川断面４を通過する流量とを求める。本実施例１の測定装置は、測定線２に沿って自走しまたは牽引され水面を移動する移動測定機器５と、移動測定機器５で得たデータを処理するとともに移動測定機器５の位置，移動速度，方向などを検出する基地測定機器６とからなる。

河床形状３の測定には、移動測定機器５の各水面位置で水深を測定し、移動測定機器５を移動させながら河底位置を連続的に求める。その際には、移動測定機器５の水面位置を正確に定めなければならない。

流速分布の計測値は、河水の流速と移動測定機器５の移動成分とが合成されたデータとして得られる。合成されたデータにおいては、河水の流速，方向と基地測定機器６に対する移動測定機器５の移動速度，方向，方位とがベクトル的に合成される。

したがって、真の流速分布の計測には、移動測定機器５の移動速度，方向，方位が必要である。基地測定機器６により移動測定機器５の移動速度，方向，方位を検出し、移動測定機器５で検出した流速データを補正し、真の河水流速分布を算出する。

図２は、本発明による河床測定装置のうちで移動測定機器５の構成と河床形状，流速分布，流量の測定方法とを示す図である。

移動測定機器５は、浮揚体５０１と、超音波送受信センサ５０２と、超音波受信センサ５０３と、超音波送受信装置５０４と、傾きセンサ５０５と、データ送受信装置５０６とを含んでおり、超音波を用いて河床形状と流速分布とを測定する装置である。

移動測定機器５は、電源を積載して水面に浮く浮揚体５０１を含んでおり、自走または牽引などにより水面を移動する。

浮揚体５０１には、超音波送受信センサ５０２と、超音波受信センサ５０３−１，５０３−２，…とが設置されている。超音波送受信センサ５０２が超音波を送信し、超音波送受信センサ５０２および超音波受信センサ５０３−１，５０３−２，…が水中反射体からの反射波を受信する。

超音波送受信装置５０４は、超音波送受信センサ５０２に電気信号を印加して水中に超音波を送信させ、超音波センサ５０２，５０３−１，５０３−２，…で検出した河底や水中反射体からの反射波を受信する。その際に、超音波送信から反射波受信までの時間を計測する。

超音波センサ５０２，５０３−１，５０３−２，…の周波数は、計測する水深，河川水の混濁度に応じて数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚから選択する。

傾きセンサ５０５は、浮揚体５０１の水平からの傾きを検出する。

データの送受信装置５０６は、基地測定機器６とデータなどをやりとりする。

浮揚体５０１上に設置されたレーダの電波反射体５０７−１，５０７−２は、反射特性を変えてあるので、基地測定機器６からのレーダにより、電波反射体５０７−１か電波反射体５０７−２かを識別できる。したがって、これら電波反射体５０７−１，５０７−２の相対的位置関係により、浮揚体５０１の姿勢や進行方向を検出できる。

図３は、本発明による河床測定装置のうちで基地測定機器６の構成を示すブロック図である。基地測定機器６は、データ送受信装置６０１と、レーダ装置６０２と、制御演算装置６０３と、入出力表示装置６０４とを含んでいる。

データ送受信装置６０１は、データ送受信装置５０６とデータなどをやりとりする。レーダ装置６０２は、電波反射体５０７−１，５０７−２までの距離，方位を検出する。

データ送受信装置６０１およびレーダ装置６０２に接続された制御演算装置６０３は、データを解析し、河床形状，流速分布，流量を算出し、入出力表示装置に演算結果を表示させる。

図４は、本発明による河床測定装置のうちで移動測定機器５に取り付けられた超音波センサ５０２，５０３の指向特性を示す図である。

図４には、超音波送受信センサ５０２および超音波受信センサ５０３−１のみを示してあるが、浮揚体５０１上の設置位置が異なる他の超音波受信センサ５０３−２，…も、超音波受信センサ５０３−１と同様に動作する。

超音波送受信センサ５０２の指向特性は、１０度以下と狭い。これに対して、超音波受信センサ５０３は、紙面の方向に広く、これに垂直な方向は１０度以下の狭い指向特性を有する。超音波受信センサ５０３−１，５０３−２，…は、超音波送受信センサ５０２の超音波ビーム領域を含むように指向特性および受信中心方向を設定して浮揚体５０１に固定されている。

したがって、超音波受信センサ５０３−１，５０３−２，…で検出できる信号は、超音波送受信センサ５０２から送信された超音波ビーム内にある散乱体からの反射のみである。

このような指向特性の超音波センサ５０２，５０３を使うと、超音波送受信センサ５０２から放射された超音波ビームは、河底，水中反射体の散乱点を中心に反射するので、指向領域内にある反射体からの反射波のみを超音波センサ５０２，５０３で検出できる。

図５は、超音波送受信センサ５０２からの送信波形と超音波センサ５０２，５０３における受信波形との関係を示すタイムチャートである。

超音波センサ５０２，５０３−１，５０３−２，…は、超音波送受信センサ５０２からの送信波形と類似し河底，水中反射体から反射した超音波を受信する。超音波送受信装置５０４は、送信から検出までの散乱検出時間を検出し、データ送受信装置５０６を介して、基地測定機器６に伝送する。その際に、超音波送信時の傾きセンサ５０５のデータも、基地測定機器６に伝送される。

図６は、移動測定機器５の座標系における超音波センサ５０２，５０３および散乱体の位置関係を示す図である。図６においては、超音波センサ５０２，５０３−１，５０３−２の位置を点５０２ｐ，５０３−１ｐ，５０３−２ｐ，…で示してある。

基地測定機器６は、移動測定機器５の位置データ，超音波送受信センサ５０２，超音波受信センサ５０３の送信から検出までの散乱検出時間，傾きセンサ５０５の傾きデータに基づき、散乱体の位置を算出する。

受信超音波センサは、最低３個必要である。点５０２ｐから超音波を送信し、この超音波ビーム内にある散乱体からの反射を５０２，５０３−１，５０３−２，…で検出し、送信から反射波検出までの時間を超音波送受信装置５０４で求める。

超音波送信から受信までの時間は、超音波送受信センサ５０２から散乱体までの伝搬時間と散乱体から超音波送受信センサ５０２，超音波受信センサ５０３−１，５０３−２，…までの伝搬時間の和である。

図６の場合、検出された時間は、Ｔ５０２(５０２ｐ→散乱体→５０２ｐ)，Ｔ５０３−１(５０２ｐ→散乱体→５０３−１ｐ)，Ｔ５０３−２(５０２ｐ→散乱体→５０３−２ｐ)の３個である。

水中における超音波の音速は既知であるから、基地測定機器６の制御演算装置６０３は、検出された時間に基づき、超音波送受信センサ５０２から散乱体までと散乱体から超音波送受信センサ５０２，超音波受信センサ５０３−１，５０３−２，…までの距離を正確に算出できる。

各超音波センサで求められる距離は、検出時間からおのおの距離に換算すると、Ｌ_５０２，Ｌ_{５０３−１}，Ｌ_{５０３−２}になる。

河底位置，散乱体位置は、河底に向けた超音波送受信センサ５０２の検出時間から、５０２ｐを中心とした半径Ｌ_５０２／２の球面上にあるから、検出時間に基づき河底までの距離(水深)や水中散乱体の深さを同定できる。

次に、水中散乱体の位置決定方法を説明する。水中散乱体位置は、５０２ｐを中心とし半径Ｌ_５０２／２の球面上、５０２ｐと５０３−１ｐとを焦点とした楕円面上(楕円面上の各点から５０２ｐ，５０３−１ｐまでの距離の和はＬ_{５０３−１})，５０２ｐと５０３−２ｐを焦点とした楕円面上(楕円面上の各点から５０２ｐ，５０３−２ｐまでの距離の和はＬ_{５０３−２})にある。制御演算装置６０３は、これらの曲面の交点として三次元の散乱体位置を算出する。

図６において、点５０２ｐを座標系の原点とし、Y軸上の原点からＤ_１の位置に５０３−１ｐを置き、X軸上のＤ_２の位置に５０３−２ｐを置く。

散乱体位置を(X，Y，Z)とすると、
Ｌ_５０２／２＝
√｛X^２＋Y^２＋Ｚ^２｝
Ｌ_{５０３−１}＝
√｛X^２＋Y^２＋Ｚ^２｝＋√｛X^２＋(D_１−Y)^２＋Ｚ^２｝
Ｌ_{５０３−２}＝
√｛X^２＋Y^２＋Ｚ^２｝＋√｛(D_２−X)^２＋Y^２＋Ｚ^２｝
が成り立つ。

これを解くと、
X＝｛Ｄ_２−(Ｌ_{５０３−２})^２＋(Ｌ_{５０３−２})(Ｌ_５０２)｝／２
Y＝｛Ｄ_１−(Ｌ_{５０３−１})^２＋(Ｌ_{５０３−１})(Ｌ_５０２)｝／２
となる。両式から、
Z＝√｛(Ｌ_５０２／２)^２−X^２−Y^２｝
である。

河底，水中散乱体の位置決定において、浮揚体５０１が回転する場合もある。この場合、超音波センサは浮揚体５０１と一体なので、座標系自体が回転したとみなしてよい。傾きセンサ５０５で検出した傾きデータをもとに検出した位置をこの回転に応じて補正する。座標軸の回転公式は、小林幹生編「数学公式集」ｐ７１などで公知である。

これまでは、１個の送信信号で送信ビーム内にある散乱体の位置を求め得ることを説明した。

河川内部の散乱体の絶対位置および流速分布の算出には、浮揚体５０１の方位(例えば真北などの基準からの角度)が必要なので、図６においてY軸の方向を常に監視する。

Y軸の方向が求まると、Z軸まわりにXY座標面を回転させ、散乱体の絶対位置と流速方向とを算出できる。

流速分布の測定では、設定時間間隔で複数回超音波を送信し、散乱体の位置を追跡する。

超音波の送信間隔は既知であるから、送信間隔時間での送信散乱体位置の算出から移動量を求め、その深さにおける流速を算出する。種々の深さで散乱体の移動速度を検出し、深さ方向の流速分布を求める。

流速分布は、本実施例１で示したように、超音波送受信センサ５０２が１個，超音波受信センサ５０３が２個あればできる。超音波受信センサ５０３の数を増加させ、検出位置の平均を求めると、誤差を縮小できる。

次に、レーダを用いた浮揚体５０１の位置，方向の検出および流速方向の補正について説明する。浮揚体５０１には、レーダの電波反射体５０７−１，５０７−２が設けられている。レーダの電波反射体５０７−１，５０７−２の反射特性が異なるので、レーダでの観測結果から両者を弁別できる。

レーダ装置６０２は、これら二つの電波反射体の位置(距離，方位)を区別して検出し、制御演算装置６０３に出力する。浮揚体５０１上の２点の反射体位置がわかると、浮揚体５０１の河川上の位置，方位(例えば真北からの角度)を知ることができる。さらに、時間的に追跡すると、移動速度，移動方向も知ることが可能である。

浮揚体５０１の位置は、浮揚体５０１を移動させてその地点における水深から河床形状を求めるために必要である。浮揚体５０１の方位，移動速度，移動方向は、検出した流速分布を補正し正確な真の流速分布を算出するために必要となる。

河川中の物体の位置を定めるため、三次元XYZ座標を考える。水面をXY座標面，深さ方向をZ軸とする。

深さ方向Z軸は一意に定まるが、XY平面のX，Y軸は任意に定めることができるので、例えば、Y軸を真北とし浮揚体５０１の方位を決定する。浮揚体５０１に２個の電波反射体を設置し、その位置をレーダ装置６０２で求め、浮揚体５０１の方位を決定する。

この結果、水中散乱体の絶対位置を算出し、その移動前後の位置関係から、移動方向と移動量とを決定できる。

図７は、移動測定機器５の座標系における反射体の移動信号を基地測定機器のレーダ装置６０２で検知した移動体の移動信号により補正し真の流速を求める方法を示す図である。

水中散乱体の移動量と移動方向を求めるため、ある時間間隔で二つの超音波を送信する。そのとき、水中散乱体の移動後の位置を(X2，Y2，Z2)，移動前の位置を(X1，Y1，Z1)とする。また、水面にある浮揚体５０１の二つめの超音波送信時の位置を(XX2，YY2)，一つめの位置を(XX1，YY1)とする。

二つの超音波送信間の水中散乱体の移動を(ΔX，ΔY，ΔZ)とすると、ΔX=X2−X1，ΔY=Y2−Y1，ΔZ=Z2−Z1である。一方、浮揚体５０１の移動量(ΔXX，ΔYY)は、ΔXX=XX2−XX1，ΔYY=YY2−YY1である。

浮揚体５０１の移動はXY平面であるから、深さ方向(Z軸方向)を除いたXY座標での関係を考えればよく、図７に示すようなベクトル関係となる。

図７において、計測されるデータは、流速検出値としてベクトルＢ(ΔX，ΔY，ΔZ)、浮揚体５０１の移動としてベクトルＡ(ΔXX，ΔYY)である。

真の流速は、ベクトルＣ＝Ｂ−(−Ａ)であるから、ベクトルＢとＡを検出すれば、ある深さの真の流速ベクトルＣを算出できる。XY座標で(ΔX＋ΔXX，ΔY＋ΔYY)とし、ある深さの真の流速を求める。

深さ方向の異なる点の流速検知値からその浮揚体位置での深さ方向の流速分布を求める。

浮揚体５０１を移動させ、水深分布(河床形状)と河川断面での流速分布とを計測する。

ある計測断面での河床形状と流速分布とがわかると、流速を断面全体で積分すれば、その河川断面を通過する流量を算出できる。

図８は、本発明による河床測定装置の基地測定機器における処理手順を示すフローチャートである。

まず、水中の超音波音速，測定する深さ，超音波センサの配置状態，測定終了条件などの測定に必要なパラメータを設定する。

超音波送信間隔，送信エネルギー，周波数などの移動測定機器５に関するパラメータは、予め設定してある。基準となる方位(例えば真北)に浮揚体５０１を向け、レーダ装置６０２でその位置を校正し、基準方位と基準となる測定器位置を設定する(ステップ０１)。

計測を開始し、移動測定機器５からデータの送信を待つ(ステップ０２)。

各センサの反射検出時間データを受信し、検出時間から距離への換算を演算し反射体の位置を計算し、その結果をメモリに一時格納する(ステップ０３)。

レーダ装置６０２から浮揚体５０１上の二つの反射体位置データを取得し、その位置と浮揚体５０１の方位を算出してメモリに格納する(ステップ０４)。

浮揚体５０１の傾きデータと、基準方位データとから基準方位による散乱体の位置を補正し、その座標を求める(ステップ０５)。

流速分布を求めるには、２回以上の超音波送信で散乱体の位置移動を追跡する。このため、複数回の送信での反射データがあるかを判定し(ステップ０６)、なければ、次のデータ受信を待つ。

複数送信による散乱体位置データがあれば、流速と水深データとを算出し、メモリに格納する(ステップ０７)。

深さ方向で、予め設定した位置の流速データが得られるまでこの操作を続ける(ステップ０８)。

測定が完了すれば(ステップ０９)、測定断面で流速分布を積分して流量を求め、結果を格納する(ステップ１０)。

その結果を表示し(ステップ１１)、測定を終了する。

本実施例２は、超音波受信センサ５０３として、送受信素子が二次元状に多数並んだ構造の二次元超音波アレイセンサを用いる。

二次元超音波アレイセンサにおいては、超音波の受信時、予め設定した遅延時間だけ各素子の検出時間を遅らせ、遅れて受信した信号を加え合わせる。遅延時間を制御すると、超音波ビームの検出時の指向特性および検出中心軸の方向を制御できる。

二次元超音波アレイセンサの制御方法は、超音波検査やレーダの分野では公知なので、その制御方法についての説明は省略する。

このような二次元超音波アレイセンサを用いると、超音波送受信センサ５０２から放射された超音波ビームの任意位置に超音波受信センサ５０３の検出領域を合致させることができる。各素子の遅延量を制御すると、検出領域を走査でき、ノイズの影響を低減できる効果もある。

図９は、本発明による河床測定装置の実施例３に用いる水中散乱体放出手段の構成を示す図である。

本実施例３は、筒状の収納容器７０１の内部に散乱体７０２を入れてあり、水中散乱体を意図的に作り出す。

浮揚体５０１は、ここでは図示していないが、複数の収納容器７０１を格納する格納器と水中に放出する放出機構とを備える。

収納容器７０１および散乱体７０２は、河底の砂などを固めた材料で作成しており、測定終了後は水中で分解して環境に負荷をかけない。散乱体７０２は、空気を内部に含ませて固めてあり、その比重が水と同程度なので、河水流線と同じようなふるまいをする。

散乱体７０２を入れた収納容器７０１を水中に落とすと、収納容器７０１は、散乱体７０２を水中に残しながら沈んでいく。浮揚体５０１上の超音波送受信センサ５０２，超音波受信センサ５０３，超音波送受信装置５０４は、水中に残されて河川の流れと同じに動く散乱体７０２からの反射波を検出し、実施例１と同様に、流速分布を計測する。

本実施例３は、測定点の数だけ収納容器７０１が必要である。しかし、水中の散乱体を確実に生成できるメリットがある。

なお、浮揚体５０１などの移動測定機器５の移動方法としては、浮揚体５０１自体に移動／駆動機構を設ける方法，橋などの固定物から綱などで浮揚体５０１を牽引する方法，浮揚体５０１をボートに固定する方法など周知の方法を使えるので、上記各実施例ではその説明を省略した。

また、流速がほとんど問題とならない湖やダム湖などで湖底の形状を測定する場合は、流速を測定する部分を除去しまたは停止させ、形状測定部分のみを使用すればよい。

計測した河川形状，流量，測定位置データは、データ管理部署に送信し、災害防止，予測の基本データとする。また、災害防止ハザードマップ作成システムにも基本データとして利用できる。

本発明による河床測定装置の基本的概念を説明する図である。本発明による河床測定装置のうちで移動測定機器の構成と河床形状，流速分布，流量の測定方法とを示す図である。本発明による河床測定装置のうちで基地測定機器の構成を示すブロック図である。本発明による河床測定装置のうちで移動測定機器に取り付けられた超音波センサ５０２，５０３の指向特性を示す図である。超音波送受信センサ５０２からの送信波形と超音波センサ５０２，５０３における受信波形との関係を示すタイムチャートである。移動測定機器５の座標系における超音波センサ５０２，５０３および散乱体の位置関係を示す図である。移動測定機器の座標系における反射体の移動信号を基地測定機器のレーダで検知した移動体の移動信号により補正し真の流速を求める方法を示す図である。本発明による河床測定装置の基地測定機器における処理手順を示すフローチャートである。本発明による河床測定装置の実施例３に用いる水中散乱体放出手段の構成を示す図である。

１河川
２測定線
３河床形状
４河川断面
５移動測定機器
５０１浮揚体
５０２超音波送受信センサ
５０３超音波受信センサ
５０４超音波送受信装置
５０５傾きセンサ
５０６データ送受信装置
６基地測定機器
６０１データ送受信装置
６０２レーダ装置
６０３制御演算装置
６０４入出力表示装置
７０１収納容器
７０２散乱体

Claims

超音波を用いて河川の測定線に沿った河床形状を測定することを含む河床測定装置において、
測定線に沿って水面を移動する浮揚体に積載された移動測定機器と、地上に設置され前記移動測定機器で得たデータを処理する基地測定機器とからなり、
前記移動測定機器が、河底方向に鋭い指向特性の超音波を照射する超音波送信センサと、前記超音波送信センサの超音波照射領域に指向特性を有する少なくとも３つの超音波受信センサと、前記超音波送信センサが超音波を照射してから前記各超音波受信センサがそれぞれ河底の反射波を検出するまでの河底往復時間を測定する河底往復時間測定手段と、前記浮揚体の傾きを検出する傾き検出手段とを備え、
前記基地測定機器が、前記河底往復時間測定手段から出力される河底往復時間と、超音波の音速と、前記超音波送信センサ及び前記各超音波受信センサの位置とから河底位置を算出する河底位置算出手段と、該河底位置算出手段により算出された前記河底位置を前記傾き検出手段により検出された前記浮揚体の傾きに応じて補正する河底位置補正手段と、前記移動測定機器の移動方向と位置とを求める移動測定機器位置検出手段とを備え、前記移動測定機器位置検出手段により求められた前記移動測定機器の位置と前記河底位置補正手段により補正された前記河底位置に基づいて河床形状を求めることを特徴とする河床測定装置。
請求項1に記載の河床測定装置において、さらに、
前記移動測定機器が、前記超音波送信センサが周期的に超音波を照射してから、前記各超音波受信センサがそれぞれ前記河川の水中散乱体の反射波を検出するまでの散乱体往復時間を周期的に測定する散乱体往復時間測定手段を備え、
前記基地測定機器が、前記散乱体往復時間測定手段から周期的に出力される散乱体往復時間と、超音波の音速と、前記超音波送信センサ及び前記各超音波受信センサの位置とから水中散乱体の位置ならびに移動速度および移動方向を算出する散乱体移動算出手段と、前記散乱体移動算出手段により求められた水中散乱体の位置ならびに移動速度および移動方向を前記浮揚体の傾きに応じて補正する散乱体位置補正手段とを備え、前記散乱体位置補正手段により補正された水中散乱体の位置ならびに移動速度および移動方向に基づいて、前記移動測定機器の位置に対応させて前記河川の深度方向の流速分布を求めることを特徴とする河床測定装置。
請求項２に記載の河床測定装置において、さらに、
前記基地測定機器が、前記河床形状と前記河川の深度方向の前記流速分布に基づいて流量を算出することを特徴とする河床測定装置。
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の河床測定装置において、
前記移動測定機器位置検出手段が、前記移動測定機器に設置した複数の反射体の位置を検出するレーダ装置であることを特徴とする河床測定装置。
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の河床測定装置において、
前記超音波受信センサが、２次元超音波アレイセンサであることを特徴とする河床測定装置。
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の河床測定装置において、さらに、
前記移動測定機器が、前記水中散乱体を水中に放出する水中散乱体放出手段を備えたことを特徴とする河床測定装置。