超音波ドップラー法の補正方法および補正プログラム
【課題】速い流れや乱れの激しい流れであっても自動計測が可能となり、かつ軽い計算負荷で折り返し補正を行うことが可能な超音波ドップラー法の補正方法および補正プログラムを提供する。
【解決手段】超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法であって、超音波を流体に対して複数回送受信して流体中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出し（ステップ２１６）、複数の流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し（ステップ２２０）、統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値に設定し（ステップ２２４）、重畳していないそれぞれの流速分布において、閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正する（ステップ２３０、ステップ２３４）。
【解決手段】超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法であって、超音波を流体に対して複数回送受信して流体中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出し（ステップ２１６）、複数の流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し（ステップ２２０）、統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値に設定し（ステップ２２４）、重畳していないそれぞれの流速分布において、閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正する（ステップ２３０、ステップ２３４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波ドップラー法による速度測定における折り返し速度の補正方法および補正プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波を流体内の反射体に反射させ、ドップラー効果を利用して流体の速度を測定する方法が広く採用されている。超音波ドップラー法を簡単に説明すれば、移動する反射体からの反射波の周波数がドップラー効果によって変化することを利用して、反射体の速度（流体の速度）を求めるものである。
【０００３】
反射体までの距離をＬ、送信する超音波の波長をλとすると、反射波を受信した受信信号の位相は次式で表される。
受信信号の位相Φ＝初期位相Φ０＋（往復距離２Ｌ×２π）／λ （式１）
式１の両辺を時間ｔで微分すると、
ｄΦ／ｄｔ＝４π／λ（ｄＬ／ｄｔ） （式２）
となる。ｄＬ／ｄｔは、反射体の移動速度（ドップラー速度）Ｖである。ｄΦ／ｄｔは角周波数であって、送信した超音波のパルス繰り返し周波数ｆ０と反射波の周波数との差分（ドップラーシフト）をｆｄとすると、ｄΦ／ｄｔ＝２πｆｄである。これにより式２を書き直せば、次式を得る。
ドップラーシフトｆｄ＝２Ｖ／λ （式３）
ドップラー速度Ｖ＝±λｆｄ／２ （式４）
ただし式４の正値は近づく方向、負値は遠ざかる方向である。
【０００４】
ところで超音波ドップラー法においては、反射波を受信する際に、受信する反射波と送信する超音波とが重なってしまうことを防止する必要があるため、超音波は離散的に（間欠的に）送受信される。このためサンプリング定理（ナイキストの定理）により、ドップラーシフトｆｄがサンプリング周波数ｆｐｒｆの１／２を超えると折り返し現象を生じてしまう。すなわち、ドップラーシフトの最大値ｆｄｍａｘは次式となる。
ｆｄｍａｘ＝ｆｐｒｆ／２ （式５）
式５を式４に代入すると、ドップラー速度の最大値Ｖｍａｘを得ることができる。
Ｖｍａｘ＝±λｆｐｒｆ／４ （式６）
式６によって定まる速度範囲が測定レンジとなる。
【０００５】
これらによって、超音波ドップラー法において反射体の移動速度（ドップラー速度）が測定レンジを超える場合、真のドップラー速度に対し、検出されるドップラー速度にはＶｍａｘの整数倍ごとに折り返し現象が生じ、符号が逆転して測定レンジの反対側に検出される。
【０００６】
測定レンジを広げる（Ｖｍａｘを大きくする）ためには、式６を参照すれば、搬送波の波長λを長くするか、サンプリング周波数ｆｐｒｆを大きくすればよい。しかし波長を長くすると、微細な気泡などの反射体をすり抜けるようになってしまい、有効な反射波の強度が得られなくなってしまう。またサンプリング周波数ｆｐｒｆを大きくすると、１つ前の超音波の反射波である２次エコーが強く検出されるようになってしまい、この影響を除去する補正処理が必要となり、演算負荷が増大するという問題がある。このため、測定レンジには原理的に限界値が存在する。
【０００７】
図１４は、水路内の流体（水）の流速を測定した例である。水路内の水は中央部かつ水面近くで流速が速くなり、壁面近傍では流速が遅い傾向にある。図１４の例では、壁面近傍は測定レンジ内にあるが、中央部付近では測定レンジを超えてしまっており、測定レンジの下限から出現した形となっている。このように、速い流れや乱れた流れでは測定レンジを超えた流速が存在し、熟練した作業者による修正が必要であった。
【０００８】
従来からも、この測定レンジの限界を広げるために、種々の方式が提案され、実施されている。例えばスタガ方式（スタガトリガ方式）と呼ばれる折返し補正方法は、複数の異なるパルス繰り返し周波数の超音波を交互に（定期的に切り替えて）送信し、それらの折返し速度の違いから折返し領域を判定し、検出速度に補正を加える方式である。他の例として、特許文献１では、気象エコー測定等においてはドップラー速度の空間変化が連続的であることを利用して、速度が不連続な箇所を折返し位置であると判定して補正することが提案されている（特許文献１の段落００２２、図３等）。また特許文献２では、隣接するチャネルとの差がｆｐｒｆ／２や２ｆｐｒｆ／３など、通常はありえない値である場合を閾値として、折り返し発生箇所を求めている（特許文献２の段落００４４、図３Ｂ等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−３２２３３１号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／００４３８４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来の折り返し補正方法であっても、乱れの激しい流れを計測する場合には、誤差を生じる場合があった。スタガ方式では異なるパルス繰り返し周波数ｆｐｒｆを切り替えて送信するため、時間軸において流速が激しく変化してしまう場合には、周波数が異なる超音波の対応する折り返し速度が取れなくなってしまうおそれがある。したがって定常流であれば測定レンジを超えた流速も正しく補正できると考えられるが、自然河川のように渦や分岐、障害物などにより著しい乱れが発生している箇所では補正しきれないと考えられる。
【００１１】
また特許文献１および特許文献２に記載の技術も同様に、いずれも速度の連続性（ドップラーシフトの連続性）を利用して、不連続箇所を検出することによって折り返し位置を判別している。したがって乱れが激しい場合には多くの測定データ（チャネル）が必要となり、データ処理の負荷が増大するという問題がある。さらに、不連続箇所を検出するためには全てのサンプリングデータにおいて全ての測定データをスキャンして逐一隣接する測定データの差分を判別しなくてはならないため、この点においてもデータ処理の負荷が高いという問題がある。
【００１２】
そこで本発明は、速い流れや乱れの激しい流れであっても折り返し補正が可能となり、かつ軽い計算負荷で自動計測を行うことが可能な超音波ドップラー法の補正方法および補正プログラムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の代表的な構成は、超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法であって、超音波を流体に対して複数回送受信して流体中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出し、複数の流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値に設定し、重畳していないそれぞれの流速分布において、閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正することを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、算出した一連の複数の流速分布に対して統一的かつ極めて妥当な閾値を設定することができ、これに基づいて折り返し補正を行うことができる。したがって、速い流れや乱れの激しい流れであっても、軽い計算負荷で自動計測を行うことができる。
【００１５】
上記の超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法は、複数の流速分布を補正するにあたり、流速分布ごとに閾値を設定し、前の流速分布に基づいて設定した閾値を用いて次の流速分布を補正してもよい。
【００１６】
上記構成によれば、閾値をフレームごとに設定し直すことにより、さらに速い流れや乱れの激しい流れであっても、常に適切な折り返し補正を施した自動計測を行うことができる。特に、閾値が常に最適化されることから、リアルタイムに補正することができ、長期間の連続的な自動計測が可能となる。
【００１７】
上記の超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法は、流速データの出現頻度の統計を取得するにあたり、複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得してもよい。
【００１８】
上記構成によれば、算出した一連の複数の流速分布に対してより適した閾値を設定することができ、これに基づいて折り返し補正を行うことができる。したがって、位置によって速度差の大きな流れであっても適切に補正し、軽い計算負荷で自動計測を行うことができる。
【００１９】
本発明の他の代表的な構成は、超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法であって、超音波を流体に対して複数回送受信して流体中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出するにあたり、流速の測定レンジの幅をＲとしたとき、先の流速分布において位置ごとに流速データからＲ／２の差があって測定レンジ内にある流速を閾値に設定し、現在の流速分布において位置ごとに閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正し、さらに現在の流速分布を用いて次の流速分布のための閾値を設定することを繰り返すことを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、算出した流速分布に応じて動的に（リアルタイムに）常に最適な閾値を設定することができ、これに基づいて折り返し補正を行うことができる。したがって、さらに速い流れや乱れの激しい流れであっても自動計測を行うことができる。
【００２１】
上記の超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法は、１または複数の流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値の初期値に設定してもよい。これにより、動的に閾値を設定する場合であっても、極めて妥当な閾値の初期値を設定することができる。なお初期値を設定する際に用いた流速分布のデータは破棄してもよいし、初期値の閾値を用いて補正を行って、データとして利用してもよい。
【００２２】
上記の超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法は、複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値の初期値に設定してもよい。これにより、動的に閾値を設定する場合であっても、より適した閾値の初期値を設定することができる。
【００２３】
本発明の他の代表的な構成は、超音波ドップラー法の補正プログラムであって、コンピュータを、超音波を送受信して位置と流速の関係を示す流速分布を算出する流速分布算出部と、複数の流速分布を位置方向に重畳し、または複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得する統計部と、統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値に設定する閾値設定部と、重畳していないそれぞれの流速分布において、閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正する補正部として機能させることを特徴とする。
【００２４】
上記構成の補正プログラムによれば、低廉な汎用のコンピュータを用いて、上記の補正方法を実施することができる。特に、算出した一連の複数の流速分布に対して統一的かつ極めて妥当な閾値を設定することができるため、速い流れや乱れの激しい流れであっても軽い計算負荷で自動計測を行うことができる。
【００２５】
本発明の他の代表的な構成は、超音波ドップラー法の補正プログラムであって、コンピュータを、超音波を送受信して位置と流速の関係を示す流速分布を算出する流速分布算出部と、流速の測定レンジの幅をＲとしたとき、先の流速分布において位置ごとに流速データからＲ／２の差があって測定レンジ内にある流速を閾値に設定する閾値設定部と、現在の流速分布において位置ごとに閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正する補正部として機能させることを特徴とする。
【００２６】
上記構成の補正プログラムによれば、低廉な汎用のコンピュータを用いて、上記の補正方法を実施することができる。特に、算出した流速分布に応じて動的に（リアルタイムに）常に最適な閾値を設定することができ、さらに速い流れや乱れの激しい流れであっても自動計測を行うことができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、速い流れや乱れの激しい流れであっても折り返し補正が可能となり、かつ軽い計算負荷で自動計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態にかかる補正プログラムを利用した流速測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態にかかる流速測定の補正方法を例示するフローチャートである。
【図３】位置方向に重畳した流速データの出現頻度の統計を説明する図である。
【図４】水路内の水の流速が速めの場合の流速測定の補正を説明する図である。
【図５】水路内の水の流速が遅めの場合の流速測定の補正を説明する図である。
【図６】複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得した場合の流速分布の補正を説明する図である。
【図７】第２実施形態にかかる流速測定の補正方法を例示するフローチャートである。
【図８】第２実施形態にかかる流速測定の補正方法を説明する図である。
【図９】第３実施形態にかかる流速測定の補正方法を例示するフローチャートである。
【図１０】補正処理のサブルーチンを説明するフローチャートである。
【図１１】閾値設定部による閾値の初期値の設定を説明する図である。
【図１２】第３実施形態にかかる流速分布の補正を説明する図である。
【図１３】第３実施形態にかかる閾値の設定を説明する図である。
【図１４】水路内の流体（水）の流速を測定した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００３０】
（第１実施形態）
本実施形態にかかる流速測定の補正プログラムおよび補正方法について説明する。図１は、第１実施形態にかかる補正プログラムを利用した流速測定装置の概略構成を示すブロック図、図２は第１実施形態にかかる流速測定の補正方法を例示するフローチャートである。以下、図１の流速測定装置の説明に則りながら、図２の流速測定の補正方法について説明する。
【００３１】
図１に示す流速測定装置１００は、超音波ドップラー法により目標物の流速を測定する装置である。本実施形態では、流速測定装置１００を、水路内を流れる水の流速測定に使用する場合を想定して説明する。
【００３２】
流速測定装置１００は、超音波を送受信する超音波センサ１１０と、超音波センサ１１０を管理してそこから情報を受け取るコンピュータ１２０と、から構成されている。本実施形態においては、コンピュータ１２０に後述する流速測定の補正プログラム１３４を実行させることによって、超音波センサ１１０から受け取った情報（流速データ）を補正している。
【００３３】
コンピュータ１２０は一般的な構成であって、各種の処理や演算を行う中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラムやデータを記憶するハードディスクなどの記憶媒体、プログラムを実行させる領域であるＲＡＭなどを備えている。ＣＰＵを含む半導体集積回路は、制御部１２６を構成していて、流速測定装置１００の全体を管理および制御している。
【００３４】
またコンピュータ１２０は、表示部１２２としてモニタ等を備え、操作部１２４としてキーボードやマウス等を備えている。表示部１２２は、各種の操作画面や情報の表示が可能であり、操作部１２４は、使用者からの情報やコマンドの操作入力を受けつけることが可能である。例えば、図２のステップ２００において、コンピュータ１２０は、使用者による操作部１２４の操作入力を受け付けることによって、超音波センサ１１０に対し、水路内の水の流速を測定するための複数の計測点を設定する。
【００３５】
制御部１２６に含まれるパルサー１２８は、超音波センサ１１０に超音波の波形に応じた電気信号（電流）を送信する。電気信号は、超音波センサ１１０の超音波送信部１１２を駆動させるための所定の周波数および間隔で送信される。
【００３６】
超音波センサ１１０は、超音波送信部１１２と反射波受信部１１４とを備えている。超音波送信部１１２および反射波受信部１１４は、圧電素子等で構成されている。図２のステップ２０４において、超音波送信部１１２はパルサー１２８から電気信号を受けると、水中に超音波を送信する。そして、ステップ２０８において、反射波受信部１１４は、超音波送信部１１２により送信された超音波が水中の気泡等の反射体に反射して生じる反射波を受信する。これらの超音波送信部１１２と反射波受信部１１４による超音波の送受信は、ステップ２１２において所定回数（あらかじめ設定された任意の回数）となるまで複数回行われる。
【００３７】
反射波受信部１１４は反射波を受信すると、その反射波に関するアナログ信号を制御部１２６のレシーバ１３０へ送信する。レシーバ１３０は、受け取ったアナログ信号を増幅する。そして、増幅されたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換部１３２によってデジタル信号に変換される。
【００３８】
Ａ／Ｄ変換部１３２では、反射波に関するアナログ信号が、所定のサンプリング周波数ｆｐｒｆでサンプリング（標本化）される。このとき、サンプリング定理によって、ｆｐｒｆ／２より高い周波数のアナログ信号は折り返し現象を生じる。これにより、例えば測定レンジの上限を超えるような速い流れの流速データは測定レンジの下限側に現れてしまい、測定レンジの下限を下回るような遅い流れの流速データは測定レンジの上限側に現れてしまう。そのため、本実施形態では、補正プログラム１３４によって流速測定の補正を実行している。
【００３９】
補正プログラム１３４はコンピュータ１２０のＣＰＵによって実行され、流速分布算出部１３６、統計部１３８、閾値設定部１４０、および補正部１４２として機能する。
【００４０】
図２のステップ２１６において、流速分布算出部１３６は、超音波を水中に複数回送受信して得られた流速に関する情報から、水中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出する。
【００４１】
次に、ステップ２２０において、統計部１３８は、流速分布算出部１３６が算出した複数の流速分布を位置方向に重畳し、または位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得する。
【００４２】
図３、図４および図５を参照して、ステップ２２０において複数の流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得した場合の流速分布の補正を説明する。図３は、位置方向に重畳した流速データの出現頻度の統計を説明する図である。図３（ａ）に示すように、統計部１３８は、流速分布上の流速データを位置方向（白矢印方向）へ重畳する（位置情報を失わせる）ことで、流速分布から流速データの出現頻度を集計する。図３（ａ）は１フレーム分の出現頻度の統計を例示するものであるが、通常の測定では多数のフレームを測定するものであるから、図３（ｂ）に示すように全てのフレームの流速分布の統計を取得することにより、その測定全体の流速データの出現頻度の統計を取得することができる。
【００４３】
なお、統計部１３８による流速データの出現頻度の統計の取得は、図３（ａ）（ｂ）を参照して説明した手順に限るものではない。例えば図３（ｃ）に示すように、統計部１３８は、１フレームごとに統計を取得し、最終的に全てのフレームの出現頻度を重畳してもよい。
【００４４】
そして、図２のステップ２２４において、閾値設定部１４０は、統計部１３８が算出した流速データの統計から、最も流速データの出現頻度の少ない領域の流速の値を閾値として設定する。閾値は、流速測定の補正を行う際に、補正の対象となる流速データとそれ以外のデータとを区別する際の境界線となる値である。
【００４５】
図４は、水路内の水の流速が速めの場合の流速測定の補正を説明する図である。図４（ａ）では、最も出現頻度の少ない流速では流速データが出現していない。したがって閾値設定部１４０は、流速データが出現していない領域Ａ内（例えば領域Ａの中央）の流速値を閾値に設定することができる。
【００４６】
次に、図２のステップ２２６において、補正部１４２は、水路内の水の流速が速めなのか遅めなのか判断する。流速が速めの場合とは、測定レンジの上限を超過する流速データが現れている場合であり、流速が遅めの場合とは、測定レンジの下限を下回る流速データが現れている場合である。この判断は、図４（ａ）に示すような流速データの頻度分布から、流速データの出現頻度が測定レンジの上限側または下限側のどちらに集中しているか判別することによって行うことができる。例えば、図４（ａ）では流速データの出現頻度は測定レンジの上限側に多く集中しているため、水路の流速は速めであると判断することができる。なお、この判断は使用者が行ってもよい。その場合、補正部１４２は使用者による判断結果の入力を受け付けることで流速が速めまたは遅めのいずれかに設定される。
【００４７】
そして補正部１４２は、重畳していないそれぞれの流速分布において、閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正する。例えば、図４（ｂ）は、水路内の水の流速が速めの場合（図２のステップ２２６のＹＥＳ）の流速分布を示している。この流速分布の測定レンジの下限側に現れている流速データは、真のドップラー速度とは異なる折り返し速度である。この場合、図４（ｃ）に示すように、補正部１４２は、閾値より下の流速データを、測定レンジの外側かつ上側に移動させて（測定レンジ幅の速度を加算して）補正を行う（図２のステップ２３０）。
【００４８】
すると図４（ｃ）に示すように、実線で示す真の計測レンジに対し、閾値を下限とする仮想の計測レンジが設定される。そして各流速データは、仮想の計測レンジのおおむね中央付近に分布することになり、安定的に測定することができることがわかる。
【００４９】
図５は水路内の水の流速が遅めの場合の流速測定の補正を説明する図である。図５（ａ）のように流速データの出現頻度が測定レンジの下限側に集中している場合、補正部１４２は水路の流速は遅めであると判断する（図２のステップ２２６のＮｏ）。この場合、図５（ｂ）の流速分布の測定レンジの上限側に現れている流速データは、真のドップラー速度とは異なる折り返し速度である。そして、図５（ｃ）に示すように、補正部１４２は、閾値より上の流速データを、測定レンジの外側かつ下側に移動させて（測定レンジ幅の速度を減算して）補正を行う（図２のステップ２３４）。
【００５０】
すると図５（ｃ）に示すように、実線で示す真の計測レンジに対し、今度は閾値を上限とする仮想の計測レンジが設定される。そしてこの場合においても、各流速データは仮想の計測レンジのおおむね中央付近に分布することになり、安定的に測定することができることがわかる。
【００５１】
上記説明した補正方法によれば、算出した一連の複数の流速分布に対して統一的かつ極めて妥当な閾値を設定することができ、これに基づいて折り返し補正を行うことができる。したがって、速い流れや乱れの激しい流れであっても、軽い計算負荷で自動計測を行うことができる。また、上記構成の補正プログラム１３４によれば、低廉な汎用のコンピュータを用いて、上記の補正方法を実施することができる。
【００５２】
図６は、ステップ２２０において複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得した場合の流速分布の補正を説明する図である。図２のステップ２２０において、複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速分布の出現頻度の統計を取得する場合、統計部１３８は、図６（ａ）に示す複数の流速分布上の位置ごと（例えば位置Ｐ）の流速データを時間軸方向へ重畳する（時間情報を失わせる）ことで、図６（ｂ）に示すような位置ごとの流速データの出現頻度を集計することができる。図６（ｂ）は、位置Ｐにおける出現頻度の統計を例示するものであるが、統計部１３８は流速分布上の位置ごとの統計をそれぞれ取得することができ、これにより測定全体の流速データの出現頻度の統計を取得することができる。
【００５３】
次に、図２のステップ２２４において、閾値設定部１４０は、統計部１３８が算出した位置ごとの流速データの統計から、最も流速データの出現頻度の少ない領域の流速の値を閾値として位置ごとに設定する。例えば図６(ｂ）では、最も出現頻度の少ない流速では流速データが出現していない。したがって閾値設定部１４０は、流速データが出現していない領域Ａ内（例えば領域Ａの中央）の流速値を閾値に設定することができる。そして、閾値設定部１４０が各位置の閾値を設定することで、図６（ｃ）に示すように、全体として曲線的な閾値を設定することができる。
【００５４】
そして、ステップ２２６において補正部１４２は水路の流速が速めなのか遅めなのか判断する。この判断は、図６（ｂ）に示すような位置ごとに時間軸方向に重畳した流速データの頻度分布の統計から、流速データの出現頻度が測定レンジの上限側または下限側のどちらに集中しているか判別することによって行ってもよく、図４（ａ）に示すような位置方向に重畳した流速データの頻度分布の統計を取得して判別してもよい。そして、流速が速めである場合には、ステップ２３０において、補正部１４２は閾値より下の流速データを測定レンジの外側かつ上側に移動させて補正する（図６（ｄ）参照）。流速が遅めである場合には、ステップ２３４において、補正部１４２は閾値より上の流速データを測定レンジの外側かつ下側に移動させて補正する（図示省略）。
【００５５】
図６（ｄ）に示すように水路の流速が速めの場合（図２のステップ２３０）には、流速分布の補正によって、実線で示す真の計測レンジに対し、閾値を下限とする仮想の計測レンジが設定される。これにより、流速データは、位置ごとに仮想の測定レンジのおおむね中央付近に分布することになり、より安定的に流速を測定することができることがわかる。このように、上記構成によれば、算出した一連の複数の流速分布に対してより適した閾値を設定することができ、これに基づいて折り返し補正を行うことができる。したがって、さらに速い流れや乱れの激しい流れであっても、軽い計算負荷で自動計測を行うことができる。
【００５６】
なお、図２のステップ２２６、ステップ２３０、ステップ２３４は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、また必ずしもステップ２３０またはステップ２３４のいずれか一方のみを選択させる必要もない。例えば、通常の水路における流れは、多少の乱流等が発生しても設計値の範囲内（もしくは近い値）の流量（平均流速）で流れている。すなわち、水路の設計値をもとに設定した測定レンジであれば、実際に測定した流速データが極端なオーバーレンジを起こすおそれは少ない。
【００５７】
そこで、まずステップ２２４において閾値を設定した後、閾値より下の流速データを測定レンジの外側かつ上側に移動させて平均流速（または流量）を算出する処理（ステップ２３０とほぼ同様の処理）と、閾値より上の流速データを測定レンジの外側かつ下側に移動させて平均流速を算出する処理（ステップ２３４とほぼ同様の処理）との両方の処理を行う。そして、２つの処理により算出されたそれぞれの平均流速のうち、水路の設計値から求められる平均流速の概算値により近い値の平均流速を、正確な流速の測定値であるとみなして採用してもよい。このような処理手順であれば、ステップ２２６を省略することもでき、また必要であれば、２つの処理のうちより平均流速の概算値に近い値の平均流速を算出したほうの処理をもとにして、水路内の水の流速が速めなのか遅めなのか判断することも可能である。
【００５８】
また、上記のように流速データの統計を取った結果として、乱れの激しい流れにおいては、出現頻度が０となる点が存在しない場合もあり得る。その場合は、最も出現頻度が少ない流速値を閾値に設定することができる。また、チャネル数（計測点）が少ない場合には、出現頻度が０となる点が複数箇所に出現する場合もあり得る。その場合は、いずれの箇所を閾値に設定してもよい。これらの場合にはいずれも、閾値に対する上下関係が適切でない流速データの存在を許容することになり、補正する必要がないのに補正されてしまう流速データができてしまう。しかし、全体として補正前と比較すれば飛躍的に適正な流速分布を得ることができ、閾値としては十分に妥当なものとして使用することができる。
【００５９】
（第２実施形態）
図７および図８を参照して第２実施形態にかかる流速測定の補正プログラムおよび補正方法について説明する。図７は第２実施形態にかかる流速測定の補正方法を例示するフローチャート、図８は第２実施形態にかかる流速測定の補正方法を説明する図である。なお、第１実施形態の補正プログラムおよび補正方法の構成要素と実質的に同一の機能および構成を有する要素については、同一の符号を付することにより説明を省略する。
【００６０】
第２実施形態は、算出した流速分布に応じて動的（リアルタイム）な補正が可能である点において、第１実施形態と異なる。この動的な補正は流速測定装置１００のコンピュータ１２０において、閾値設定部１４０および補正部１４２として機能する補正プログラム１３４によって実施されている。
【００６１】
図７に示すように、本実施形態では、ステップ２５０において流速分布算出部１３６が流速分布を算出すると、ステップ２５２において、補正部１４２は閾値が存在するか否かを判断する。そして、まだ閾値が存在しない場合（ステップ２５２のＮＯ）、ステップ２５４において統計部１３８は流速分布を位置方向に重畳し、流速データの出現頻度の統計を取得する。なお、ステップ２５４における流速データの出現頻度の統計の取得は、第１実施形態において図３（ａ）として例示した場合と同様に、原則として１フレームの流速分布から取得するものである。ただし、例えば流速の測定開始直後のように、初期値としての閾値を設定する場合にあっては、複数のフレームの流速分布から統計を取得してもよい。
【００６２】
次に、ステップ２２４において、閾値設定部１４０は、図８（ａ）に示すように、第１実施形態において流速分布を位置方向に重畳して統計を取得する場合と同様な手段で閾値を設定する。なお、以下では図８（ａ）において設定した閾値を「先の閾値」と称して説明を行う。
【００６３】
そして、ステップ２５６において、流速測定装置１００が流速の測定を続行する場合（ステップ２５６のＹＥＳ）、ステップ２０４の処理に戻り、ステップ２５０にて流速分布算出部１３６は新たな流速分布（現在の流速分布）を算出する。
【００６４】
図８（ｂ）は流速分布算出部１３６が算出した現在の流速分布を例示している。閾値が存在する場合（ステップ２５２のＹＥＳ）、ステップ２２６において補正部１４２は水路の流速が速めなのか遅めなのか判断し、流速が速めである場合には、ステップ２３０において、補正部１４２は閾値より下の流速データを測定レンジの外側かつ上側に移動させて補正する（図８（ｂ）参照）。流速が遅めである場合には、ステップ２３４において、補正部１４２は閾値より上の流速データを測定レンジの外側かつ下側に移動させて補正する（図示省略）。
【００６５】
さらに、ステップ２５４において、統計部１３８は、図８（ｂ）に示す現在の流速分布を位置方向に重畳し、図８（ｃ）に示すように流速データの出現頻度の統計を取得する。そして、ステップ２２４において、閾値設定部１４０は次の流速分布のための閾値（次フレーム用閾値と称する）を設定する。
【００６６】
そして、流速測定装置１００が流速の測定を続行する場合（ステップ２５６のＹＥＳ）、ステップ２０４からの処理に戻り、ステップ２５０にて流速分布算出部１３６は新たな流速分布（次の流速分布）を算出する。図８（ｄ）は流速分布算出部１３６が算出した次の流速分布を示している。この次の流速分布の補正には、図８（ｃ）を用いて説明した次フレーム用閾値が適用される。このとき、次の流速分布上の各流速データに対し、新たに設定された次フレーム用閾値は、先の閾値（図８（ｂ）では仮想レンジの下端）と比較して、仮想の計測レンジの中央付近に流速データを捉えるためにより適した閾値となっている。そして、これらの処理を繰り返すことによって、閾値は常に適切な値を維持することができる。
【００６７】
すなわち第２実施形態においては、第１実施形態と比較して、閾値をフレームごとに設定し直すことにより、さらに速い流れや乱れの激しい流れであっても、常に適切な折り返し補正を施した自動計測を行うことができる。特に、閾値が常に最適化されることから、リアルタイムに補正することができ、長期間の連続的な自動計測が可能となる。
【００６８】
また、本実施形態においては、図７のステップ２３０およびステップ２３４において、先の流速分布（過去の流速分布）をもとにして事前に設定された閾値を適用しているため、ステップ２５０からステップ２３０またはステップ２３４までの処理における計算負荷を軽減することができる。したがって、流速データの取得から表示部１２２への表示までに要する時間を短縮することができる。
【００６９】
なお、本実施形態の各工程は、必ずしも図７のフローチャートとして記載された工程および順序に沿って時系列に処理する必要はない。例えば、ステップ２５２を省略し、ステップ２５４およびステップ２２４に置き換えることも可能である。この処理手順によれば、ステップ２５０にて流速分布を算出した後、その流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し（ステップ２５４）、閾値を設定し（ステップ２２４）、ステップ２２６以降においてその流速分布の補正処理を行うことができる。すなわち、取得した現在の流速分布をもとにして閾値を設定し、その現在の流速分布を補正することが可能となる。この処理手順であれば、ステップ２５０からステップ２３０またはステップ２３４までの処理における計算負荷は増加するものの、より適した閾値を設定して流速の自動計測を行うことが可能となる。
【００７０】
（第３実施形態）
第３実施形態にかかる流速測定の補正プログラムおよび補正方法について説明する。図９は第３実施形態にかかる流速測定の補正方法を例示するフローチャートである。なお、第１実施形態の補正プログラムおよび補正方法の構成要素と実質的に同一の機能および構成を有する要素については、同一の符号を付することにより説明を省略する。
【００７１】
第３実施形態は、算出した流速分布に応じてより細分化された柔軟な閾値を用いて、しかも動的（リアルタイム）な補正が可能である点において、第１実施形態と異なる。この動的な補正は流速測定装置１００のコンピュータ１２０において、閾値設定部１４０および補正部１４２として機能する補正プログラム１３４によって実施されている。
【００７２】
図９に示すように、本実施形態では、ステップ３５０において流速分布算出部１３６が算出した流速分布に対し、ステップ３５２において閾値が存在するか否かを判断する。そこで閾値が存在しなければ、ステップ３５４において閾値設定部１４０が閾値の初期値を設定する。
【００７３】
図１１は、閾値設定部による閾値の初期値の設定を説明する図である。図１１（ａ）は流速が速めの場合の流速分布、図１１（ｂ）は流速が遅めの場合の流速分布を示している。図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、閾値設定部１４０は、流速の測定レンジの幅をＲとしたとき、流速分布において位置ごとに流速データからＲ／２の差があって測定レンジ内にある流速の値を閾値の初期値として設定することができる。これにより、閾値の初期値を曲線的に設定することができるため、その後の流れがさらに乱れても、オーバーレンジの発生を抑えることができる。
【００７４】
また閾値設定部１４０は、第１実施形態において図４（ａ）を参照して説明した閾値と同様に、１フレームまたは複数フレームの流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、統計から最も出現頻度の少ない流速の値を閾値の初期値として設定することができる。この場合は直線的な（単一の値の）閾値となるが、動的に閾値を設定する場合であっても、極めて妥当な閾値の初期値を設定することができる。なお初期値を設定する際に用いた流速分布のデータは破棄してもよいし、初期値の閾値を用いて補正を行って、データとして利用してもよい。
【００７５】
また、閾値設定部１４０は、第１実施形態において図６（ａ）〜図６（ｃ）を参照して説明した閾値と同様に、複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値の初期値に設定することもできる。これにより、動的に閾値を設定する場合であっても、速い流れや乱れの激しい流れに適した閾値の初期値を設定することができる。
【００７６】
次に、図９のステップ３５２において閾値が既に存在している場合には、ステップ３６２において、補正部１４２は、現在の流速分布の補正を行う。
【００７７】
図１０は補正処理のサブルーチンを説明するフローチャートである。補正の処理において、まずステップ２２６において、補正部１４２は水路の流速が速めなのか遅めなのか判断する。そして補正部１４２は、流速が速めである場合には、ステップ２３０において閾値より下の流速データを測定レンジの外側かつ上側に移動させて補正する。流速が遅めである場合には、ステップ２３４において、閾値より上の流速データを測定レンジの外側かつ下側に移動させて補正する。
【００７８】
図１２は、第３実施形態にかかる流速分布の補正を説明する図である。補正部１４２は、先の流速分布において閾値設定部１４０が設定した閾値を用いて、現在の流速分布において位置ごとに閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正する。
【００７９】
例えば図１２（ａ）に示すように水路の流速が速めの場合（図１０のステップ２３０）には、補正部１４２は、閾値より下の流速データ（折り返し速度）を、測定レンジの外側かつ上側に移動させて補正を行う。すると、実線で示す真の計測レンジに対し、閾値を下限とする仮想の計測レンジが設定される。そして各流速データは、仮想の計測レンジのおおむね中央に位置することになり、安定的に測定することができることがわかる。
【００８０】
なお、閾値および仮想の計測レンジは、前フレームの流速データに基づくものである。したがって、１フレームの間に流速が１／２レンジ以上の速度差を生じた場合には、上下の補正方向を誤ってしまうことになる。しかし自然現象である流体の流れは位置的および時間的な連続性を有しているため、極端に繰り返し周波数を低くしない限り、流速データが仮想レンジから外れてしまうおそれはない。
【００８１】
また、図１２（ｂ）に示すように水路の流速が遅めの場合（図１０のステップ２３４）には、補正部１４２は、閾値より上の流速データ（折り返し速度）を、測定レンジの外側かつ下側に移動させて補正を行う。すると、実線で示す真の計測レンジに対し、閾値を上限とする仮想の計測レンジが設定される。そして、各流速データは仮想の計測レンジのおおむね中央に位置することになり、安定的に測定することができることがわかる。
【００８２】
なお、本実施形態では閾値は、流速データごと（計測点ごと）に設定される。そのため、測定レンジの上限および下限の両方でオーバーレンジが発生していても、一部の流速データを測定レンジの外側かつ上側に移動させ、他の流速データを測定レンジの外側かつ下側に移動させて補正することが可能となる。
【００８３】
次に、図９に示すように、流速測定装置１００が流速の測定を続行する場合（ステップ３６６のＹＥＳ）、ステップ３７０において閾値設定部１４０は、補正した先の流速分布から次の閾値を設定する。
【００８４】
図１３は、第３実施形態にかかる閾値の設定を説明する図である。図１３において先のフレームに基づく閾値は仮想の計測レンジとして表しており、現在のフレームから算出する閾値は細線で示している。閾値設定部１４０は、図１１を用いて説明した場合と同様に、測定レンジの幅をＲとしたとき、位置ごとに流速データからＲ／２の差があって測定レンジ内にある流速の値を、次の流速分布のための閾値として設定する。すると先の流速分布において設定された閾値（図１３では仮想の計測レンジの下端）と、新たに設定した閾値（細線）とでは、微少な差を生じつつ、適正な値に修正される。これを繰り返すことにより、閾値は常に最適な値を維持することができる。
【００８５】
すなわち第３実施形態においては、第１実施形態および第２実施形態と比較して、まず閾値を位置方向に細分化したことによって、位置方向に乱れの激しい流れであっても対応可能な閾値とすることができる。したがって乱流や渦が発生している場所であっても、適切に補正することができる。また閾値をフレームごとに設定しなおすことにより、時間方向にも常に最適な値を維持することができ、やはり乱れの激しい流れであっても折返し補正が可能となる。また、上記構成の補正プログラム１３４によれば、低廉な汎用のコンピュータを用いて、上記の補正方法を実施することができる。
【００８６】
なお、本実施形態の各工程は、必ずしも図９のフローチャートとして記載された工程および順序に沿って時系列に処理する必要はない。例えば、ステップ３５０にて流速分布を算出した後、ステップ３５２を省略し、ステップ３５４にてその流速分布をもとにして閾値を設定し、ステップ３６２にてその流速分布の補正の処理を行ってもよい。さらに、この処理手順では、流速の測定を続行する場合（ステップ３６６のＹＥＳ）にステップ３７０を省略してもよい。すなわち、このような処理手順であれば、取得した現在の流速分布をもとにして閾値を設定し、その現在の流速分布を補正することが可能となる。これにより、ステップ３５０からステップ３６２までの処理における計算負荷は増加するものの、より適した閾値を設定して流速の自動計測を行うことが可能となる。
【００８７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、超音波ドップラー法による速度測定における折り返し速度の補正方法および補正プログラムとして利用することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１００ …流速測定装置
１１０ …超音波センサ
１１２ …超音波送信部
１１４ …反射波受信部
１２０ …コンピュータ
１２２ …表示部
１２４ …操作部
１２６ …制御部
１２８ …パルサー
１３０ …レシーバ
１３２ …Ａ／Ｄ変換部
１３４ …補正プログラム
１３６ …流速分布算出部
１３８ …統計部
１４０ …閾値設定部
１４２ …補正部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波ドップラー法による速度測定における折り返し速度の補正方法および補正プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波を流体内の反射体に反射させ、ドップラー効果を利用して流体の速度を測定する方法が広く採用されている。超音波ドップラー法を簡単に説明すれば、移動する反射体からの反射波の周波数がドップラー効果によって変化することを利用して、反射体の速度（流体の速度）を求めるものである。
【０００３】
反射体までの距離をＬ、送信する超音波の波長をλとすると、反射波を受信した受信信号の位相は次式で表される。
受信信号の位相Φ＝初期位相Φ０＋（往復距離２Ｌ×２π）／λ （式１）
式１の両辺を時間ｔで微分すると、
ｄΦ／ｄｔ＝４π／λ（ｄＬ／ｄｔ） （式２）
となる。ｄＬ／ｄｔは、反射体の移動速度（ドップラー速度）Ｖである。ｄΦ／ｄｔは角周波数であって、送信した超音波のパルス繰り返し周波数ｆ０と反射波の周波数との差分（ドップラーシフト）をｆｄとすると、ｄΦ／ｄｔ＝２πｆｄである。これにより式２を書き直せば、次式を得る。
ドップラーシフトｆｄ＝２Ｖ／λ （式３）
ドップラー速度Ｖ＝±λｆｄ／２ （式４）
ただし式４の正値は近づく方向、負値は遠ざかる方向である。
【０００４】
ところで超音波ドップラー法においては、反射波を受信する際に、受信する反射波と送信する超音波とが重なってしまうことを防止する必要があるため、超音波は離散的に（間欠的に）送受信される。このためサンプリング定理（ナイキストの定理）により、ドップラーシフトｆｄがサンプリング周波数ｆｐｒｆの１／２を超えると折り返し現象を生じてしまう。すなわち、ドップラーシフトの最大値ｆｄｍａｘは次式となる。
ｆｄｍａｘ＝ｆｐｒｆ／２ （式５）
式５を式４に代入すると、ドップラー速度の最大値Ｖｍａｘを得ることができる。
Ｖｍａｘ＝±λｆｐｒｆ／４ （式６）
式６によって定まる速度範囲が測定レンジとなる。
【０００５】
これらによって、超音波ドップラー法において反射体の移動速度（ドップラー速度）が測定レンジを超える場合、真のドップラー速度に対し、検出されるドップラー速度にはＶｍａｘの整数倍ごとに折り返し現象が生じ、符号が逆転して測定レンジの反対側に検出される。
【０００６】
測定レンジを広げる（Ｖｍａｘを大きくする）ためには、式６を参照すれば、搬送波の波長λを長くするか、サンプリング周波数ｆｐｒｆを大きくすればよい。しかし波長を長くすると、微細な気泡などの反射体をすり抜けるようになってしまい、有効な反射波の強度が得られなくなってしまう。またサンプリング周波数ｆｐｒｆを大きくすると、１つ前の超音波の反射波である２次エコーが強く検出されるようになってしまい、この影響を除去する補正処理が必要となり、演算負荷が増大するという問題がある。このため、測定レンジには原理的に限界値が存在する。
【０００７】
図１４は、水路内の流体（水）の流速を測定した例である。水路内の水は中央部かつ水面近くで流速が速くなり、壁面近傍では流速が遅い傾向にある。図１４の例では、壁面近傍は測定レンジ内にあるが、中央部付近では測定レンジを超えてしまっており、測定レンジの下限から出現した形となっている。このように、速い流れや乱れた流れでは測定レンジを超えた流速が存在し、熟練した作業者による修正が必要であった。
【０００８】
従来からも、この測定レンジの限界を広げるために、種々の方式が提案され、実施されている。例えばスタガ方式（スタガトリガ方式）と呼ばれる折返し補正方法は、複数の異なるパルス繰り返し周波数の超音波を交互に（定期的に切り替えて）送信し、それらの折返し速度の違いから折返し領域を判定し、検出速度に補正を加える方式である。他の例として、特許文献１では、気象エコー測定等においてはドップラー速度の空間変化が連続的であることを利用して、速度が不連続な箇所を折返し位置であると判定して補正することが提案されている（特許文献１の段落００２２、図３等）。また特許文献２では、隣接するチャネルとの差がｆｐｒｆ／２や２ｆｐｒｆ／３など、通常はありえない値である場合を閾値として、折り返し発生箇所を求めている（特許文献２の段落００４４、図３Ｂ等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−３２２３３１号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／００４３８４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来の折り返し補正方法であっても、乱れの激しい流れを計測する場合には、誤差を生じる場合があった。スタガ方式では異なるパルス繰り返し周波数ｆｐｒｆを切り替えて送信するため、時間軸において流速が激しく変化してしまう場合には、周波数が異なる超音波の対応する折り返し速度が取れなくなってしまうおそれがある。したがって定常流であれば測定レンジを超えた流速も正しく補正できると考えられるが、自然河川のように渦や分岐、障害物などにより著しい乱れが発生している箇所では補正しきれないと考えられる。
【００１１】
また特許文献１および特許文献２に記載の技術も同様に、いずれも速度の連続性（ドップラーシフトの連続性）を利用して、不連続箇所を検出することによって折り返し位置を判別している。したがって乱れが激しい場合には多くの測定データ（チャネル）が必要となり、データ処理の負荷が増大するという問題がある。さらに、不連続箇所を検出するためには全てのサンプリングデータにおいて全ての測定データをスキャンして逐一隣接する測定データの差分を判別しなくてはならないため、この点においてもデータ処理の負荷が高いという問題がある。
【００１２】
そこで本発明は、速い流れや乱れの激しい流れであっても折り返し補正が可能となり、かつ軽い計算負荷で自動計測を行うことが可能な超音波ドップラー法の補正方法および補正プログラムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の代表的な構成は、超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法であって、超音波を流体に対して複数回送受信して流体中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出し、複数の流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値に設定し、重畳していないそれぞれの流速分布において、閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正することを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、算出した一連の複数の流速分布に対して統一的かつ極めて妥当な閾値を設定することができ、これに基づいて折り返し補正を行うことができる。したがって、速い流れや乱れの激しい流れであっても、軽い計算負荷で自動計測を行うことができる。
【００１５】
上記の超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法は、複数の流速分布を補正するにあたり、流速分布ごとに閾値を設定し、前の流速分布に基づいて設定した閾値を用いて次の流速分布を補正してもよい。
【００１６】
上記構成によれば、閾値をフレームごとに設定し直すことにより、さらに速い流れや乱れの激しい流れであっても、常に適切な折り返し補正を施した自動計測を行うことができる。特に、閾値が常に最適化されることから、リアルタイムに補正することができ、長期間の連続的な自動計測が可能となる。
【００１７】
上記の超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法は、流速データの出現頻度の統計を取得するにあたり、複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得してもよい。
【００１８】
上記構成によれば、算出した一連の複数の流速分布に対してより適した閾値を設定することができ、これに基づいて折り返し補正を行うことができる。したがって、位置によって速度差の大きな流れであっても適切に補正し、軽い計算負荷で自動計測を行うことができる。
【００１９】
本発明の他の代表的な構成は、超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法であって、超音波を流体に対して複数回送受信して流体中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出するにあたり、流速の測定レンジの幅をＲとしたとき、先の流速分布において位置ごとに流速データからＲ／２の差があって測定レンジ内にある流速を閾値に設定し、現在の流速分布において位置ごとに閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正し、さらに現在の流速分布を用いて次の流速分布のための閾値を設定することを繰り返すことを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、算出した流速分布に応じて動的に（リアルタイムに）常に最適な閾値を設定することができ、これに基づいて折り返し補正を行うことができる。したがって、さらに速い流れや乱れの激しい流れであっても自動計測を行うことができる。
【００２１】
上記の超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法は、１または複数の流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値の初期値に設定してもよい。これにより、動的に閾値を設定する場合であっても、極めて妥当な閾値の初期値を設定することができる。なお初期値を設定する際に用いた流速分布のデータは破棄してもよいし、初期値の閾値を用いて補正を行って、データとして利用してもよい。
【００２２】
上記の超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法は、複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値の初期値に設定してもよい。これにより、動的に閾値を設定する場合であっても、より適した閾値の初期値を設定することができる。
【００２３】
本発明の他の代表的な構成は、超音波ドップラー法の補正プログラムであって、コンピュータを、超音波を送受信して位置と流速の関係を示す流速分布を算出する流速分布算出部と、複数の流速分布を位置方向に重畳し、または複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得する統計部と、統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値に設定する閾値設定部と、重畳していないそれぞれの流速分布において、閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正する補正部として機能させることを特徴とする。
【００２４】
上記構成の補正プログラムによれば、低廉な汎用のコンピュータを用いて、上記の補正方法を実施することができる。特に、算出した一連の複数の流速分布に対して統一的かつ極めて妥当な閾値を設定することができるため、速い流れや乱れの激しい流れであっても軽い計算負荷で自動計測を行うことができる。
【００２５】
本発明の他の代表的な構成は、超音波ドップラー法の補正プログラムであって、コンピュータを、超音波を送受信して位置と流速の関係を示す流速分布を算出する流速分布算出部と、流速の測定レンジの幅をＲとしたとき、先の流速分布において位置ごとに流速データからＲ／２の差があって測定レンジ内にある流速を閾値に設定する閾値設定部と、現在の流速分布において位置ごとに閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正する補正部として機能させることを特徴とする。
【００２６】
上記構成の補正プログラムによれば、低廉な汎用のコンピュータを用いて、上記の補正方法を実施することができる。特に、算出した流速分布に応じて動的に（リアルタイムに）常に最適な閾値を設定することができ、さらに速い流れや乱れの激しい流れであっても自動計測を行うことができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、速い流れや乱れの激しい流れであっても折り返し補正が可能となり、かつ軽い計算負荷で自動計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態にかかる補正プログラムを利用した流速測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態にかかる流速測定の補正方法を例示するフローチャートである。
【図３】位置方向に重畳した流速データの出現頻度の統計を説明する図である。
【図４】水路内の水の流速が速めの場合の流速測定の補正を説明する図である。
【図５】水路内の水の流速が遅めの場合の流速測定の補正を説明する図である。
【図６】複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得した場合の流速分布の補正を説明する図である。
【図７】第２実施形態にかかる流速測定の補正方法を例示するフローチャートである。
【図８】第２実施形態にかかる流速測定の補正方法を説明する図である。
【図９】第３実施形態にかかる流速測定の補正方法を例示するフローチャートである。
【図１０】補正処理のサブルーチンを説明するフローチャートである。
【図１１】閾値設定部による閾値の初期値の設定を説明する図である。
【図１２】第３実施形態にかかる流速分布の補正を説明する図である。
【図１３】第３実施形態にかかる閾値の設定を説明する図である。
【図１４】水路内の流体（水）の流速を測定した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００３０】
（第１実施形態）
本実施形態にかかる流速測定の補正プログラムおよび補正方法について説明する。図１は、第１実施形態にかかる補正プログラムを利用した流速測定装置の概略構成を示すブロック図、図２は第１実施形態にかかる流速測定の補正方法を例示するフローチャートである。以下、図１の流速測定装置の説明に則りながら、図２の流速測定の補正方法について説明する。
【００３１】
図１に示す流速測定装置１００は、超音波ドップラー法により目標物の流速を測定する装置である。本実施形態では、流速測定装置１００を、水路内を流れる水の流速測定に使用する場合を想定して説明する。
【００３２】
流速測定装置１００は、超音波を送受信する超音波センサ１１０と、超音波センサ１１０を管理してそこから情報を受け取るコンピュータ１２０と、から構成されている。本実施形態においては、コンピュータ１２０に後述する流速測定の補正プログラム１３４を実行させることによって、超音波センサ１１０から受け取った情報（流速データ）を補正している。
【００３３】
コンピュータ１２０は一般的な構成であって、各種の処理や演算を行う中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラムやデータを記憶するハードディスクなどの記憶媒体、プログラムを実行させる領域であるＲＡＭなどを備えている。ＣＰＵを含む半導体集積回路は、制御部１２６を構成していて、流速測定装置１００の全体を管理および制御している。
【００３４】
またコンピュータ１２０は、表示部１２２としてモニタ等を備え、操作部１２４としてキーボードやマウス等を備えている。表示部１２２は、各種の操作画面や情報の表示が可能であり、操作部１２４は、使用者からの情報やコマンドの操作入力を受けつけることが可能である。例えば、図２のステップ２００において、コンピュータ１２０は、使用者による操作部１２４の操作入力を受け付けることによって、超音波センサ１１０に対し、水路内の水の流速を測定するための複数の計測点を設定する。
【００３５】
制御部１２６に含まれるパルサー１２８は、超音波センサ１１０に超音波の波形に応じた電気信号（電流）を送信する。電気信号は、超音波センサ１１０の超音波送信部１１２を駆動させるための所定の周波数および間隔で送信される。
【００３６】
超音波センサ１１０は、超音波送信部１１２と反射波受信部１１４とを備えている。超音波送信部１１２および反射波受信部１１４は、圧電素子等で構成されている。図２のステップ２０４において、超音波送信部１１２はパルサー１２８から電気信号を受けると、水中に超音波を送信する。そして、ステップ２０８において、反射波受信部１１４は、超音波送信部１１２により送信された超音波が水中の気泡等の反射体に反射して生じる反射波を受信する。これらの超音波送信部１１２と反射波受信部１１４による超音波の送受信は、ステップ２１２において所定回数（あらかじめ設定された任意の回数）となるまで複数回行われる。
【００３７】
反射波受信部１１４は反射波を受信すると、その反射波に関するアナログ信号を制御部１２６のレシーバ１３０へ送信する。レシーバ１３０は、受け取ったアナログ信号を増幅する。そして、増幅されたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換部１３２によってデジタル信号に変換される。
【００３８】
Ａ／Ｄ変換部１３２では、反射波に関するアナログ信号が、所定のサンプリング周波数ｆｐｒｆでサンプリング（標本化）される。このとき、サンプリング定理によって、ｆｐｒｆ／２より高い周波数のアナログ信号は折り返し現象を生じる。これにより、例えば測定レンジの上限を超えるような速い流れの流速データは測定レンジの下限側に現れてしまい、測定レンジの下限を下回るような遅い流れの流速データは測定レンジの上限側に現れてしまう。そのため、本実施形態では、補正プログラム１３４によって流速測定の補正を実行している。
【００３９】
補正プログラム１３４はコンピュータ１２０のＣＰＵによって実行され、流速分布算出部１３６、統計部１３８、閾値設定部１４０、および補正部１４２として機能する。
【００４０】
図２のステップ２１６において、流速分布算出部１３６は、超音波を水中に複数回送受信して得られた流速に関する情報から、水中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出する。
【００４１】
次に、ステップ２２０において、統計部１３８は、流速分布算出部１３６が算出した複数の流速分布を位置方向に重畳し、または位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得する。
【００４２】
図３、図４および図５を参照して、ステップ２２０において複数の流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得した場合の流速分布の補正を説明する。図３は、位置方向に重畳した流速データの出現頻度の統計を説明する図である。図３（ａ）に示すように、統計部１３８は、流速分布上の流速データを位置方向（白矢印方向）へ重畳する（位置情報を失わせる）ことで、流速分布から流速データの出現頻度を集計する。図３（ａ）は１フレーム分の出現頻度の統計を例示するものであるが、通常の測定では多数のフレームを測定するものであるから、図３（ｂ）に示すように全てのフレームの流速分布の統計を取得することにより、その測定全体の流速データの出現頻度の統計を取得することができる。
【００４３】
なお、統計部１３８による流速データの出現頻度の統計の取得は、図３（ａ）（ｂ）を参照して説明した手順に限るものではない。例えば図３（ｃ）に示すように、統計部１３８は、１フレームごとに統計を取得し、最終的に全てのフレームの出現頻度を重畳してもよい。
【００４４】
そして、図２のステップ２２４において、閾値設定部１４０は、統計部１３８が算出した流速データの統計から、最も流速データの出現頻度の少ない領域の流速の値を閾値として設定する。閾値は、流速測定の補正を行う際に、補正の対象となる流速データとそれ以外のデータとを区別する際の境界線となる値である。
【００４５】
図４は、水路内の水の流速が速めの場合の流速測定の補正を説明する図である。図４（ａ）では、最も出現頻度の少ない流速では流速データが出現していない。したがって閾値設定部１４０は、流速データが出現していない領域Ａ内（例えば領域Ａの中央）の流速値を閾値に設定することができる。
【００４６】
次に、図２のステップ２２６において、補正部１４２は、水路内の水の流速が速めなのか遅めなのか判断する。流速が速めの場合とは、測定レンジの上限を超過する流速データが現れている場合であり、流速が遅めの場合とは、測定レンジの下限を下回る流速データが現れている場合である。この判断は、図４（ａ）に示すような流速データの頻度分布から、流速データの出現頻度が測定レンジの上限側または下限側のどちらに集中しているか判別することによって行うことができる。例えば、図４（ａ）では流速データの出現頻度は測定レンジの上限側に多く集中しているため、水路の流速は速めであると判断することができる。なお、この判断は使用者が行ってもよい。その場合、補正部１４２は使用者による判断結果の入力を受け付けることで流速が速めまたは遅めのいずれかに設定される。
【００４７】
そして補正部１４２は、重畳していないそれぞれの流速分布において、閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正する。例えば、図４（ｂ）は、水路内の水の流速が速めの場合（図２のステップ２２６のＹＥＳ）の流速分布を示している。この流速分布の測定レンジの下限側に現れている流速データは、真のドップラー速度とは異なる折り返し速度である。この場合、図４（ｃ）に示すように、補正部１４２は、閾値より下の流速データを、測定レンジの外側かつ上側に移動させて（測定レンジ幅の速度を加算して）補正を行う（図２のステップ２３０）。
【００４８】
すると図４（ｃ）に示すように、実線で示す真の計測レンジに対し、閾値を下限とする仮想の計測レンジが設定される。そして各流速データは、仮想の計測レンジのおおむね中央付近に分布することになり、安定的に測定することができることがわかる。
【００４９】
図５は水路内の水の流速が遅めの場合の流速測定の補正を説明する図である。図５（ａ）のように流速データの出現頻度が測定レンジの下限側に集中している場合、補正部１４２は水路の流速は遅めであると判断する（図２のステップ２２６のＮｏ）。この場合、図５（ｂ）の流速分布の測定レンジの上限側に現れている流速データは、真のドップラー速度とは異なる折り返し速度である。そして、図５（ｃ）に示すように、補正部１４２は、閾値より上の流速データを、測定レンジの外側かつ下側に移動させて（測定レンジ幅の速度を減算して）補正を行う（図２のステップ２３４）。
【００５０】
すると図５（ｃ）に示すように、実線で示す真の計測レンジに対し、今度は閾値を上限とする仮想の計測レンジが設定される。そしてこの場合においても、各流速データは仮想の計測レンジのおおむね中央付近に分布することになり、安定的に測定することができることがわかる。
【００５１】
上記説明した補正方法によれば、算出した一連の複数の流速分布に対して統一的かつ極めて妥当な閾値を設定することができ、これに基づいて折り返し補正を行うことができる。したがって、速い流れや乱れの激しい流れであっても、軽い計算負荷で自動計測を行うことができる。また、上記構成の補正プログラム１３４によれば、低廉な汎用のコンピュータを用いて、上記の補正方法を実施することができる。
【００５２】
図６は、ステップ２２０において複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得した場合の流速分布の補正を説明する図である。図２のステップ２２０において、複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速分布の出現頻度の統計を取得する場合、統計部１３８は、図６（ａ）に示す複数の流速分布上の位置ごと（例えば位置Ｐ）の流速データを時間軸方向へ重畳する（時間情報を失わせる）ことで、図６（ｂ）に示すような位置ごとの流速データの出現頻度を集計することができる。図６（ｂ）は、位置Ｐにおける出現頻度の統計を例示するものであるが、統計部１３８は流速分布上の位置ごとの統計をそれぞれ取得することができ、これにより測定全体の流速データの出現頻度の統計を取得することができる。
【００５３】
次に、図２のステップ２２４において、閾値設定部１４０は、統計部１３８が算出した位置ごとの流速データの統計から、最も流速データの出現頻度の少ない領域の流速の値を閾値として位置ごとに設定する。例えば図６(ｂ）では、最も出現頻度の少ない流速では流速データが出現していない。したがって閾値設定部１４０は、流速データが出現していない領域Ａ内（例えば領域Ａの中央）の流速値を閾値に設定することができる。そして、閾値設定部１４０が各位置の閾値を設定することで、図６（ｃ）に示すように、全体として曲線的な閾値を設定することができる。
【００５４】
そして、ステップ２２６において補正部１４２は水路の流速が速めなのか遅めなのか判断する。この判断は、図６（ｂ）に示すような位置ごとに時間軸方向に重畳した流速データの頻度分布の統計から、流速データの出現頻度が測定レンジの上限側または下限側のどちらに集中しているか判別することによって行ってもよく、図４（ａ）に示すような位置方向に重畳した流速データの頻度分布の統計を取得して判別してもよい。そして、流速が速めである場合には、ステップ２３０において、補正部１４２は閾値より下の流速データを測定レンジの外側かつ上側に移動させて補正する（図６（ｄ）参照）。流速が遅めである場合には、ステップ２３４において、補正部１４２は閾値より上の流速データを測定レンジの外側かつ下側に移動させて補正する（図示省略）。
【００５５】
図６（ｄ）に示すように水路の流速が速めの場合（図２のステップ２３０）には、流速分布の補正によって、実線で示す真の計測レンジに対し、閾値を下限とする仮想の計測レンジが設定される。これにより、流速データは、位置ごとに仮想の測定レンジのおおむね中央付近に分布することになり、より安定的に流速を測定することができることがわかる。このように、上記構成によれば、算出した一連の複数の流速分布に対してより適した閾値を設定することができ、これに基づいて折り返し補正を行うことができる。したがって、さらに速い流れや乱れの激しい流れであっても、軽い計算負荷で自動計測を行うことができる。
【００５６】
なお、図２のステップ２２６、ステップ２３０、ステップ２３４は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、また必ずしもステップ２３０またはステップ２３４のいずれか一方のみを選択させる必要もない。例えば、通常の水路における流れは、多少の乱流等が発生しても設計値の範囲内（もしくは近い値）の流量（平均流速）で流れている。すなわち、水路の設計値をもとに設定した測定レンジであれば、実際に測定した流速データが極端なオーバーレンジを起こすおそれは少ない。
【００５７】
そこで、まずステップ２２４において閾値を設定した後、閾値より下の流速データを測定レンジの外側かつ上側に移動させて平均流速（または流量）を算出する処理（ステップ２３０とほぼ同様の処理）と、閾値より上の流速データを測定レンジの外側かつ下側に移動させて平均流速を算出する処理（ステップ２３４とほぼ同様の処理）との両方の処理を行う。そして、２つの処理により算出されたそれぞれの平均流速のうち、水路の設計値から求められる平均流速の概算値により近い値の平均流速を、正確な流速の測定値であるとみなして採用してもよい。このような処理手順であれば、ステップ２２６を省略することもでき、また必要であれば、２つの処理のうちより平均流速の概算値に近い値の平均流速を算出したほうの処理をもとにして、水路内の水の流速が速めなのか遅めなのか判断することも可能である。
【００５８】
また、上記のように流速データの統計を取った結果として、乱れの激しい流れにおいては、出現頻度が０となる点が存在しない場合もあり得る。その場合は、最も出現頻度が少ない流速値を閾値に設定することができる。また、チャネル数（計測点）が少ない場合には、出現頻度が０となる点が複数箇所に出現する場合もあり得る。その場合は、いずれの箇所を閾値に設定してもよい。これらの場合にはいずれも、閾値に対する上下関係が適切でない流速データの存在を許容することになり、補正する必要がないのに補正されてしまう流速データができてしまう。しかし、全体として補正前と比較すれば飛躍的に適正な流速分布を得ることができ、閾値としては十分に妥当なものとして使用することができる。
【００５９】
（第２実施形態）
図７および図８を参照して第２実施形態にかかる流速測定の補正プログラムおよび補正方法について説明する。図７は第２実施形態にかかる流速測定の補正方法を例示するフローチャート、図８は第２実施形態にかかる流速測定の補正方法を説明する図である。なお、第１実施形態の補正プログラムおよび補正方法の構成要素と実質的に同一の機能および構成を有する要素については、同一の符号を付することにより説明を省略する。
【００６０】
第２実施形態は、算出した流速分布に応じて動的（リアルタイム）な補正が可能である点において、第１実施形態と異なる。この動的な補正は流速測定装置１００のコンピュータ１２０において、閾値設定部１４０および補正部１４２として機能する補正プログラム１３４によって実施されている。
【００６１】
図７に示すように、本実施形態では、ステップ２５０において流速分布算出部１３６が流速分布を算出すると、ステップ２５２において、補正部１４２は閾値が存在するか否かを判断する。そして、まだ閾値が存在しない場合（ステップ２５２のＮＯ）、ステップ２５４において統計部１３８は流速分布を位置方向に重畳し、流速データの出現頻度の統計を取得する。なお、ステップ２５４における流速データの出現頻度の統計の取得は、第１実施形態において図３（ａ）として例示した場合と同様に、原則として１フレームの流速分布から取得するものである。ただし、例えば流速の測定開始直後のように、初期値としての閾値を設定する場合にあっては、複数のフレームの流速分布から統計を取得してもよい。
【００６２】
次に、ステップ２２４において、閾値設定部１４０は、図８（ａ）に示すように、第１実施形態において流速分布を位置方向に重畳して統計を取得する場合と同様な手段で閾値を設定する。なお、以下では図８（ａ）において設定した閾値を「先の閾値」と称して説明を行う。
【００６３】
そして、ステップ２５６において、流速測定装置１００が流速の測定を続行する場合（ステップ２５６のＹＥＳ）、ステップ２０４の処理に戻り、ステップ２５０にて流速分布算出部１３６は新たな流速分布（現在の流速分布）を算出する。
【００６４】
図８（ｂ）は流速分布算出部１３６が算出した現在の流速分布を例示している。閾値が存在する場合（ステップ２５２のＹＥＳ）、ステップ２２６において補正部１４２は水路の流速が速めなのか遅めなのか判断し、流速が速めである場合には、ステップ２３０において、補正部１４２は閾値より下の流速データを測定レンジの外側かつ上側に移動させて補正する（図８（ｂ）参照）。流速が遅めである場合には、ステップ２３４において、補正部１４２は閾値より上の流速データを測定レンジの外側かつ下側に移動させて補正する（図示省略）。
【００６５】
さらに、ステップ２５４において、統計部１３８は、図８（ｂ）に示す現在の流速分布を位置方向に重畳し、図８（ｃ）に示すように流速データの出現頻度の統計を取得する。そして、ステップ２２４において、閾値設定部１４０は次の流速分布のための閾値（次フレーム用閾値と称する）を設定する。
【００６６】
そして、流速測定装置１００が流速の測定を続行する場合（ステップ２５６のＹＥＳ）、ステップ２０４からの処理に戻り、ステップ２５０にて流速分布算出部１３６は新たな流速分布（次の流速分布）を算出する。図８（ｄ）は流速分布算出部１３６が算出した次の流速分布を示している。この次の流速分布の補正には、図８（ｃ）を用いて説明した次フレーム用閾値が適用される。このとき、次の流速分布上の各流速データに対し、新たに設定された次フレーム用閾値は、先の閾値（図８（ｂ）では仮想レンジの下端）と比較して、仮想の計測レンジの中央付近に流速データを捉えるためにより適した閾値となっている。そして、これらの処理を繰り返すことによって、閾値は常に適切な値を維持することができる。
【００６７】
すなわち第２実施形態においては、第１実施形態と比較して、閾値をフレームごとに設定し直すことにより、さらに速い流れや乱れの激しい流れであっても、常に適切な折り返し補正を施した自動計測を行うことができる。特に、閾値が常に最適化されることから、リアルタイムに補正することができ、長期間の連続的な自動計測が可能となる。
【００６８】
また、本実施形態においては、図７のステップ２３０およびステップ２３４において、先の流速分布（過去の流速分布）をもとにして事前に設定された閾値を適用しているため、ステップ２５０からステップ２３０またはステップ２３４までの処理における計算負荷を軽減することができる。したがって、流速データの取得から表示部１２２への表示までに要する時間を短縮することができる。
【００６９】
なお、本実施形態の各工程は、必ずしも図７のフローチャートとして記載された工程および順序に沿って時系列に処理する必要はない。例えば、ステップ２５２を省略し、ステップ２５４およびステップ２２４に置き換えることも可能である。この処理手順によれば、ステップ２５０にて流速分布を算出した後、その流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し（ステップ２５４）、閾値を設定し（ステップ２２４）、ステップ２２６以降においてその流速分布の補正処理を行うことができる。すなわち、取得した現在の流速分布をもとにして閾値を設定し、その現在の流速分布を補正することが可能となる。この処理手順であれば、ステップ２５０からステップ２３０またはステップ２３４までの処理における計算負荷は増加するものの、より適した閾値を設定して流速の自動計測を行うことが可能となる。
【００７０】
（第３実施形態）
第３実施形態にかかる流速測定の補正プログラムおよび補正方法について説明する。図９は第３実施形態にかかる流速測定の補正方法を例示するフローチャートである。なお、第１実施形態の補正プログラムおよび補正方法の構成要素と実質的に同一の機能および構成を有する要素については、同一の符号を付することにより説明を省略する。
【００７１】
第３実施形態は、算出した流速分布に応じてより細分化された柔軟な閾値を用いて、しかも動的（リアルタイム）な補正が可能である点において、第１実施形態と異なる。この動的な補正は流速測定装置１００のコンピュータ１２０において、閾値設定部１４０および補正部１４２として機能する補正プログラム１３４によって実施されている。
【００７２】
図９に示すように、本実施形態では、ステップ３５０において流速分布算出部１３６が算出した流速分布に対し、ステップ３５２において閾値が存在するか否かを判断する。そこで閾値が存在しなければ、ステップ３５４において閾値設定部１４０が閾値の初期値を設定する。
【００７３】
図１１は、閾値設定部による閾値の初期値の設定を説明する図である。図１１（ａ）は流速が速めの場合の流速分布、図１１（ｂ）は流速が遅めの場合の流速分布を示している。図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、閾値設定部１４０は、流速の測定レンジの幅をＲとしたとき、流速分布において位置ごとに流速データからＲ／２の差があって測定レンジ内にある流速の値を閾値の初期値として設定することができる。これにより、閾値の初期値を曲線的に設定することができるため、その後の流れがさらに乱れても、オーバーレンジの発生を抑えることができる。
【００７４】
また閾値設定部１４０は、第１実施形態において図４（ａ）を参照して説明した閾値と同様に、１フレームまたは複数フレームの流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、統計から最も出現頻度の少ない流速の値を閾値の初期値として設定することができる。この場合は直線的な（単一の値の）閾値となるが、動的に閾値を設定する場合であっても、極めて妥当な閾値の初期値を設定することができる。なお初期値を設定する際に用いた流速分布のデータは破棄してもよいし、初期値の閾値を用いて補正を行って、データとして利用してもよい。
【００７５】
また、閾値設定部１４０は、第１実施形態において図６（ａ）〜図６（ｃ）を参照して説明した閾値と同様に、複数の流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値の初期値に設定することもできる。これにより、動的に閾値を設定する場合であっても、速い流れや乱れの激しい流れに適した閾値の初期値を設定することができる。
【００７６】
次に、図９のステップ３５２において閾値が既に存在している場合には、ステップ３６２において、補正部１４２は、現在の流速分布の補正を行う。
【００７７】
図１０は補正処理のサブルーチンを説明するフローチャートである。補正の処理において、まずステップ２２６において、補正部１４２は水路の流速が速めなのか遅めなのか判断する。そして補正部１４２は、流速が速めである場合には、ステップ２３０において閾値より下の流速データを測定レンジの外側かつ上側に移動させて補正する。流速が遅めである場合には、ステップ２３４において、閾値より上の流速データを測定レンジの外側かつ下側に移動させて補正する。
【００７８】
図１２は、第３実施形態にかかる流速分布の補正を説明する図である。補正部１４２は、先の流速分布において閾値設定部１４０が設定した閾値を用いて、現在の流速分布において位置ごとに閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正する。
【００７９】
例えば図１２（ａ）に示すように水路の流速が速めの場合（図１０のステップ２３０）には、補正部１４２は、閾値より下の流速データ（折り返し速度）を、測定レンジの外側かつ上側に移動させて補正を行う。すると、実線で示す真の計測レンジに対し、閾値を下限とする仮想の計測レンジが設定される。そして各流速データは、仮想の計測レンジのおおむね中央に位置することになり、安定的に測定することができることがわかる。
【００８０】
なお、閾値および仮想の計測レンジは、前フレームの流速データに基づくものである。したがって、１フレームの間に流速が１／２レンジ以上の速度差を生じた場合には、上下の補正方向を誤ってしまうことになる。しかし自然現象である流体の流れは位置的および時間的な連続性を有しているため、極端に繰り返し周波数を低くしない限り、流速データが仮想レンジから外れてしまうおそれはない。
【００８１】
また、図１２（ｂ）に示すように水路の流速が遅めの場合（図１０のステップ２３４）には、補正部１４２は、閾値より上の流速データ（折り返し速度）を、測定レンジの外側かつ下側に移動させて補正を行う。すると、実線で示す真の計測レンジに対し、閾値を上限とする仮想の計測レンジが設定される。そして、各流速データは仮想の計測レンジのおおむね中央に位置することになり、安定的に測定することができることがわかる。
【００８２】
なお、本実施形態では閾値は、流速データごと（計測点ごと）に設定される。そのため、測定レンジの上限および下限の両方でオーバーレンジが発生していても、一部の流速データを測定レンジの外側かつ上側に移動させ、他の流速データを測定レンジの外側かつ下側に移動させて補正することが可能となる。
【００８３】
次に、図９に示すように、流速測定装置１００が流速の測定を続行する場合（ステップ３６６のＹＥＳ）、ステップ３７０において閾値設定部１４０は、補正した先の流速分布から次の閾値を設定する。
【００８４】
図１３は、第３実施形態にかかる閾値の設定を説明する図である。図１３において先のフレームに基づく閾値は仮想の計測レンジとして表しており、現在のフレームから算出する閾値は細線で示している。閾値設定部１４０は、図１１を用いて説明した場合と同様に、測定レンジの幅をＲとしたとき、位置ごとに流速データからＲ／２の差があって測定レンジ内にある流速の値を、次の流速分布のための閾値として設定する。すると先の流速分布において設定された閾値（図１３では仮想の計測レンジの下端）と、新たに設定した閾値（細線）とでは、微少な差を生じつつ、適正な値に修正される。これを繰り返すことにより、閾値は常に最適な値を維持することができる。
【００８５】
すなわち第３実施形態においては、第１実施形態および第２実施形態と比較して、まず閾値を位置方向に細分化したことによって、位置方向に乱れの激しい流れであっても対応可能な閾値とすることができる。したがって乱流や渦が発生している場所であっても、適切に補正することができる。また閾値をフレームごとに設定しなおすことにより、時間方向にも常に最適な値を維持することができ、やはり乱れの激しい流れであっても折返し補正が可能となる。また、上記構成の補正プログラム１３４によれば、低廉な汎用のコンピュータを用いて、上記の補正方法を実施することができる。
【００８６】
なお、本実施形態の各工程は、必ずしも図９のフローチャートとして記載された工程および順序に沿って時系列に処理する必要はない。例えば、ステップ３５０にて流速分布を算出した後、ステップ３５２を省略し、ステップ３５４にてその流速分布をもとにして閾値を設定し、ステップ３６２にてその流速分布の補正の処理を行ってもよい。さらに、この処理手順では、流速の測定を続行する場合（ステップ３６６のＹＥＳ）にステップ３７０を省略してもよい。すなわち、このような処理手順であれば、取得した現在の流速分布をもとにして閾値を設定し、その現在の流速分布を補正することが可能となる。これにより、ステップ３５０からステップ３６２までの処理における計算負荷は増加するものの、より適した閾値を設定して流速の自動計測を行うことが可能となる。
【００８７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、超音波ドップラー法による速度測定における折り返し速度の補正方法および補正プログラムとして利用することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１００ …流速測定装置
１１０ …超音波センサ
１１２ …超音波送信部
１１４ …反射波受信部
１２０ …コンピュータ
１２２ …表示部
１２４ …操作部
１２６ …制御部
１２８ …パルサー
１３０ …レシーバ
１３２ …Ａ／Ｄ変換部
１３４ …補正プログラム
１３６ …流速分布算出部
１３８ …統計部
１４０ …閾値設定部
１４２ …補正部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法であって、
超音波を流体に対して複数回送受信して該流体中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出し、
複数の前記流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、
前記統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値に設定し、
重畳していないそれぞれの前記流速分布において、前記閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて該流速分布を補正することを特徴とする超音波ドップラー法の補正方法。
【請求項２】
複数の前記流速分布を補正するにあたり、
流速分布ごとに閾値を設定し、
前の流速分布に基づいて設定した閾値を用いて次の流速分布を補正することを特徴とする請求項１に記載の超音波ドップラー法の補正方法。
【請求項３】
前記流速データの出現頻度の統計を取得するにあたり、
複数の前記流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して前記流速データの出現頻度の統計を取得することを特徴とする請求項１に記載の超音波ドップラー法の補正方法。
【請求項４】
超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法であって、
超音波を流体に対して複数回送受信して該流体中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出するにあたり、
流速の測定レンジの幅をＲとしたとき、
先の流速分布において位置ごとに流速データからＲ／２の差があって測定レンジ内にある流速を閾値に設定し、
現在の流速分布において位置ごとに前記閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて該流速分布を補正し、
さらに現在の流速分布を用いて次の流速分布のための閾値を設定することを繰り返すことを特徴とする超音波ドップラー法の補正方法。
【請求項５】
１または複数の前記流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、
前記統計から最も出現頻度の少ない流速を前記閾値の初期値に設定することを特徴とする請求項４に記載の超音波ドップラー法の補正方法。
【請求項６】
複数の前記流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して前記流速データの出現頻度の統計を取得し、
前記統計から最も出現頻度の少ない流速を前記閾値の初期値に設定することを特徴とする請求項４に記載の超音波ドップラー法の補正方法。
【請求項７】
コンピュータを、
超音波を送受信して位置と流速の関係を示す流速分布を算出する流速分布算出部と、
複数の前記流速分布を位置方向に重畳し、または複数の該流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得する統計部と、
前記統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値に設定する閾値設定部と、
重畳していないそれぞれの前記流速分布において、前記閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて該流速分布を補正する補正部として機能させることを特徴とする超音波ドップラー法の補正プログラム。
【請求項８】
コンピュータを、
超音波を送受信して位置と流速の関係を示す流速分布を算出する流速分布算出部と、
流速の測定レンジの幅をＲとしたとき、先の流速分布において位置ごとに流速データからＲ／２の差があって測定レンジ内にある流速を閾値に設定する閾値設定部と、
現在の流速分布において位置ごとに前記閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて該流速分布を補正する補正部として機能させることを特徴とする超音波ドップラー法の補正プログラム。
【請求項１】
超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法であって、
超音波を流体に対して複数回送受信して該流体中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出し、
複数の前記流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、
前記統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値に設定し、
重畳していないそれぞれの前記流速分布において、前記閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて該流速分布を補正することを特徴とする超音波ドップラー法の補正方法。
【請求項２】
複数の前記流速分布を補正するにあたり、
流速分布ごとに閾値を設定し、
前の流速分布に基づいて設定した閾値を用いて次の流速分布を補正することを特徴とする請求項１に記載の超音波ドップラー法の補正方法。
【請求項３】
前記流速データの出現頻度の統計を取得するにあたり、
複数の前記流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して前記流速データの出現頻度の統計を取得することを特徴とする請求項１に記載の超音波ドップラー法の補正方法。
【請求項４】
超音波ドップラー法を用いた流速測定の補正方法であって、
超音波を流体に対して複数回送受信して該流体中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出するにあたり、
流速の測定レンジの幅をＲとしたとき、
先の流速分布において位置ごとに流速データからＲ／２の差があって測定レンジ内にある流速を閾値に設定し、
現在の流速分布において位置ごとに前記閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて該流速分布を補正し、
さらに現在の流速分布を用いて次の流速分布のための閾値を設定することを繰り返すことを特徴とする超音波ドップラー法の補正方法。
【請求項５】
１または複数の前記流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得し、
前記統計から最も出現頻度の少ない流速を前記閾値の初期値に設定することを特徴とする請求項４に記載の超音波ドップラー法の補正方法。
【請求項６】
複数の前記流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して前記流速データの出現頻度の統計を取得し、
前記統計から最も出現頻度の少ない流速を前記閾値の初期値に設定することを特徴とする請求項４に記載の超音波ドップラー法の補正方法。
【請求項７】
コンピュータを、
超音波を送受信して位置と流速の関係を示す流速分布を算出する流速分布算出部と、
複数の前記流速分布を位置方向に重畳し、または複数の該流速分布を位置ごとに時間軸方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得する統計部と、
前記統計から最も出現頻度の少ない流速を閾値に設定する閾値設定部と、
重畳していないそれぞれの前記流速分布において、前記閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて該流速分布を補正する補正部として機能させることを特徴とする超音波ドップラー法の補正プログラム。
【請求項８】
コンピュータを、
超音波を送受信して位置と流速の関係を示す流速分布を算出する流速分布算出部と、
流速の測定レンジの幅をＲとしたとき、先の流速分布において位置ごとに流速データからＲ／２の差があって測定レンジ内にある流速を閾値に設定する閾値設定部と、
現在の流速分布において位置ごとに前記閾値より上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて該流速分布を補正する補正部として機能させることを特徴とする超音波ドップラー法の補正プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１４９７８５（Ｐ２０１１−１４９７８５Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０５６４（Ｐ２０１０−１０５６４）
【出願日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
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