音響トモグラフィー計測システム及び音響トモグラフィー計測方法
【課題】どのような環境下においても、河川の流量等の物理量を高効率かつ高精度に長期計測する。
【解決手段】音響トモグラフィー計測システム１００は、一方の河岸に設置された上流のトランスデューサ２Ｂと他方の河岸に設置された下流のトランスデューサ２Ａとの間で指向性のない音波を送受信する。時間情報算出部２１は、音波が送信された時刻を基準とする、各トランスデューサ２Ａ、２Ｂにおいて受信される音波から復調されるデータと所定のデータとの相関波形に基づいて、音波の伝播時間に関する情報を算出する。平均情報算出部２４は、音波の音線長Ｌと、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔに基づいて、河川の横断面における断面平均音速ｃm及び断面平均流速ｕmを算出する。物理量算出部２５は、算出された断面平均音速ｃm及び断面平均流速ｕmに基づいて、河川の横断面に関する物理量を算出する。
【解決手段】音響トモグラフィー計測システム１００は、一方の河岸に設置された上流のトランスデューサ２Ｂと他方の河岸に設置された下流のトランスデューサ２Ａとの間で指向性のない音波を送受信する。時間情報算出部２１は、音波が送信された時刻を基準とする、各トランスデューサ２Ａ、２Ｂにおいて受信される音波から復調されるデータと所定のデータとの相関波形に基づいて、音波の伝播時間に関する情報を算出する。平均情報算出部２４は、音波の音線長Ｌと、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔに基づいて、河川の横断面における断面平均音速ｃm及び断面平均流速ｕmを算出する。物理量算出部２５は、算出された断面平均音速ｃm及び断面平均流速ｕmに基づいて、河川の横断面に関する物理量を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、河川の横断面における流量等の物理量を計測する音響トモグラフィー計測システム及び音響トモグラフィー計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
治水、河川の環境管理、水資源管理等の観点から、河川の流量を精度良く計測できる方法の登場が望まれている。近年では、河川の流量を計測する方法として、水位流量曲線（Ｈ−Ｑ）法、ＡＤＣＰ（Acoustic Doppler Current Profiler）法、Ｈ−ＡＤＣＰ法、ＡＶＭ法等の様々な方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
この他、発明者等は、塩水が混じっているような感潮域における河川流量をモニタリングする方法を提案している（例えば、非特許文献２、３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】二瓶、「超音波ドップラー流速分布計に基づく実河川流速・流量モニタリング」、ながれ２６（２００７）
【非特許文献２】川西ら、「次世代超音波流速計による感潮域の流量と水温・塩分の連続モニタリング」、水工学論文集、第５３巻、２００９年２月
【非特許文献３】川西ら、「次世代超音波流速計による感潮河川流量の長期連続モニタリング」、河川技術論文集、第１５巻、２００９年６月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ｈ−Ｑ法は、感潮域では用いることができず、水位から流量を求めるための関係式のキャリブレーションが必要となる。
【０００６】
また、ＡＤＣＰ法では、スポット観測に限定され、長期連続観測や、洪水時の観測は困難である。
【０００７】
また、Ｈ−ＡＤＣＰ法では、塩水遡上時には音波の屈折、洪水時には浮遊土砂が観測の障害となる。
【０００８】
さらに、ＡＶＭ法では、更正係数が必要となり、洪水時には欠測となることがある。また、装置が大型となり高価になる。
【０００９】
本発明は、どのような環境下においても、河川の流量等の物理量を高効率かつ高精度に長期計測することができる音響トモグラフィー計測システム及び音響トモグラフィー計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る音響トモグラフィー計測システムは、
一方の河岸側に設置された上流の音波送受信器と他方の河岸側に設置された下流の音波送受信器との間で送受信される指向性のない音波によって河川の横断面に関する物理量を計測する音響トモグラフィー計測システムであって、
前記各音波送受信器から前記音波が送信された時刻を基準とする、前記各音波送受信器において受信される前記音波から復調されるデータと所定のデータとの相関波形に基づいて、前記音波送受信器間における前記音波の伝播時間に関する情報を算出する時間情報算出部と、
前記上流の音波送受信器と前記下流の音波送受信器との間で送受信される前記音波の経路の長さである音線長と、前記時間情報算出部によって算出された前記伝播時間に関する情報とに基づいて、前記河川の横断面における断面平均音速及び断面平均流速との少なくとも一方の情報を算出する平均情報算出部と、
前記平均情報算出部によって算出された情報に基づいて、前記河川の横断面に関する物理量を算出する物理量算出部と、
を備える。
【００１１】
前記時間情報算出部は、
前記音波の伝播時間に関する情報として、前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間と、前記音波送受信器間における音波の伝播時間差とを算出し、
前記平均情報算出部は、
前記音線長と、前記平均伝播時間と、前記伝播時間差とに基づいて、前記断面平均流速を算出し、
前記物理量算出部は、
前記断面平均流速に対して前記横断面の断面積を乗算することにより、前記横断面の流量を前記物理量として算出する、
こととしてもよい。
【００１２】
前記時間情報算出部は、
前記音波の伝播時間に関する情報として、前記音波送受信器間における前記音波の平均伝播時間を算出し、
前記平均情報算出部は、
前記音線長から、前記平均伝播時間を除算することにより、前記断面平均音速を算出し、
前記物理量算出部は、
前記断面平均音速、塩分、水温及び水深の間の関係式を用いて、塩分及び水温のいずれかを前記物理量として算出する、
こととしてもよい。
【００１３】
前記横断面の測量情報と水温と塩分の分布から求まる前記横断面の音速分布とに基づいて、音線解析を行うことにより、前記音線長を算出する音線解析部をさらに備え、
前記平均情報算出部は、
前記音線解析部で算出された前記音線長に基づいて、前記断面平均音速及び前記断面平均流速の少なくとも一方を算出する、
こととしてもよい。
【００１４】
コンダクティビティ・テンプラチャ・デプス・プロファイラ（ＣＴＤ）により計測される水温、塩分に基づいて基準時刻での前記断面平均音速を算出し、前記断面平均音速と、前記基準時刻での前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間とに基づいて、前記音線長を算出する音線長算出部をさらに備え、
前記平均情報算出部は、
前記音線長算出部で算出された前記音線長に基づいて、前記断面平均音速及び前記断面平均流速の少なくとも一方を算出する、
こととしてもよい。
【００１５】
前記時間情報算出部は、
前記上流の音波送受信器から前記音波が発せられてから、前記下流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりにおいて閾値に達するまでの第１の時間と、
前記下流の音波送受信器から前記音波が発せられてから、前記上流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりにおいて前記閾値に達するまでの第２の時間と、を求め、
前記第１の時間と前記第２の時間との平均を、前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間として算出し、
前記第１の時間と前記第２の時間との差を、前記音波送受信器間における音波の伝播時間差として算出する、
こととしてもよい。
【００１６】
前記横断面の測量情報と、水温と塩分の分布から求まる前記横断面の音速分布とに基づいて、音線解析を行うことにより、前記音線長を算出する音線解析部と、
前記音線解析部によって算出された前記音線長と、コンダクティビティ・テンプラチャ・デプス・プロファイラ（ＣＴＤ）により計測される水温及び塩分から求まる基準時刻での前記断面平均音速とに基づいて、前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間を算出し、算出された前記平均伝播時間と、前記下流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりと、前記上流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりとの関係に基づいて、前記閾値を決定する閾値算出部をさらに備え、
前記時間情報算出部は、
前記閾値算出部によって決定された前記閾値を用いて、前記第１、第２の時間を算出する、
こととしてもよい。
【００１７】
前記物理量算出部によって算出された前記物理量の時系列データに含まれる異常値データをウェーブレット変換を行って検出し、
前記物理量の時系列データのうち、異常値データを除く他のデータに基づく統計モデルに対する前記異常値データの残差に基づいて前記異常値データを修正するスパイク修正部をさらに備える、
こととしてもよい。
【００１８】
前記時間情報算出部は、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に基づいて、前記音波の伝播時間に関する情報を算出する、
こととしてもよい。
【００１９】
前記所定のデータは、Ｍ系列法により生成された疑似乱数から構成されている、
こととしてもよい。
【００２０】
また、本発明の第２の観点に係る音響トモグラフィー計測方法は、
一方の河岸側に設置された上流の音波送受信器と他方の河岸側に設置された下流の音波送受信器との間で送受信される指向性のない音波によって河川の横断面に関する物理量を計測する音響トモグラフィー計測方法であって、
前記各音波送受信器から前記音波が送信された時刻を基準とする、前記各音波送受信器において受信される前記音波から復調されるデータと所定のデータとの相関波形に基づいて、前記音波送受信器間における前記音波の伝播時間に関する情報を算出する時間情報算出工程と、
前記上流の音波送受信器と前記下流の音波送受信器との間で送受信される前記音波の経路の長さである音線長と、前記時間情報算出工程において算出された前記伝播時間に関する情報とに基づいて、前記河川の横断面における断面平均音速及び断面平均流速との少なくとも一方の情報を算出する平均情報算出工程と、
前記平均情報算出工程において算出された情報に基づいて、前記河川の横断面に関する物理量を算出する物理量算出工程と、
を含む。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、河川の横断面を音波の導波路と仮定して横断面の物理量を計測する。すなわち、一方の河岸側に設置された上流の音波送受信器と他方の河岸側に設置された下流の音波送受信器との間で送受信される指向性のない音波の伝播時間に関する情報が求められ、音線長と、伝播時間に関する情報とに基づいて断面平均音速又は断面平均流速が求められ、それらの情報に基づいて河川の横断面に関する物理量が求められる。
【００２２】
音波は、水面や河床で反射、屈折しながら横断面を伝播し、様々な経路を経て音波送受信器で受信される。このため、音波の伝播時間に関する情報は、その横断面における断面平均音速や断面平均流速と相関関係のある値となる。したがって、音線長が既知であれば、音波の伝播時間に関する情報から、断面平均音速や断面平均流速を精度良く求めることができる。これは、洪水時であっても、感潮域であっても同じである。
【００２３】
音波の伝播時間の情報は、受信される音波から復調されるデータと所定のデータとの相関波形に基づいて求められる。このようにすれば、ＳＮ比を向上することができる。
【００２４】
また、伝播時間に関する情報と断面平均音速又は断面平均流速との間の関係式や、断面平均音速又は断面平均流速と河川の横断面の物理量との間の関係式には、更正が必要な係数が含まれていないので、どのような状況下にあっても、その演算式を用いて河川の横断面の物理量を精度良く算出することができる。
【００２５】
以上のように、本発明によれば、一対の音波送受信器だけで、洪水時や感潮域であってもキャリブレーションを行うことなく、河川の横断面の物理量を計測することができるので、どのような環境下においても、河川の横断面の物理量を高効率かつ高精度に長期計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システムにおけるトランスデューサの配置を模式的に示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、トランスデューサの配置を説明するための河川の横断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システムの構成を示すブロック図である。
【図３】図３（Ａ）は、一方の時系列データ作成部で生成される相関波形の一例を示すグラフであり、図３（Ｂ）は、他方の時系列データ作成部で生成される相関波形の一例を示すグラフであり、図３（Ｃ）は、閾値ＣCと平均伝播時間ｔmと、伝播時間差Δｔとを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システムの構成を示すブロック図である。
【図６】図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、閾値の求め方の一例を説明するための図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システムの構成を示すブロック図である。
【図８】図７のスパイク修正部のメイン処理のフローチャートである。
【図９】図８のスパイク検出処理のフローチャートである。
【図１０】図８のスパイク置換処理のフローチャートである。
【図１１】スパイクデータが修正される様子を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２９】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）には、本実施形態における一対の音波送受信器としてのトランスデューサ２Ａ、２Ｂの配置が示されている。トランスデューサ２Ａは、一方の河岸３Ａ側に設置され、トランスデューサ２Ｂは、他方の河岸３Ｂ側に設置されている。
【００３０】
トランスデューサ２Ａは、トランスデューサ２Ｂに対して下流に設置されている。川の流れの方向を示すベクトルと、トランスデューサ２Ａ、２Ｂとを結ぶ線分とのなす角度をθとする。
【００３１】
トランスデューサ２Ａは、トランスデューサ２Ｂに向かって音波を送信し、トランスデューサ２Ｂは、トランスデューサ２Ａに向かって音波を送信する。また、トランスデューサ２Ａは、トランスデューサ２Ｂから送信された音波を受信し、トランスデューサ２Ｂは、トランスデューサ２Ａから送信された音波を受信する。
【００３２】
トランスデューサ２Ａ、２Ｂから送信される音波は、指向性がなく、放射状に水中を伝播する。
【００３３】
図１（Ｂ）における横断面は、図１（Ａ）において、トランスデューサ２Ａ、２Ｂとを通過する横断面となっている。図１（Ｂ）に示すように、トランスデューサ２Ａ、２Ｂから送信された音波は、水平に進むものもあるが、水面や河床で反射、屈折しながら進むものもある。音波はこのようにして横断面を伝播し、様々な経路を通って、他方のトランスデューサ２Ａ、２Ｂに到達する。
【００３４】
ここで、音波の経路の長さを、以下では音線長Ｌと呼ぶ。
【００３５】
なお、図１（Ｂ）では、音波の経路は直線で図示されているが、河口などの塩水が入り交じった塩分濃度の違いにより階層化された感潮域では、音波は水中で屈折するので、その経路は曲線を描くようになり、さらに複雑なものになる。
【００３６】
図２には、本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００の概略的な構成が示されている。図２に示すように、音響トモグラフィー計測システム１００は、上述のトランスデューサ２Ａ、２Ｂに加え、送受信回路４Ａ、４Ｂと、河川情報取得部５をさらに備える。
【００３７】
トランスデューサ２Ａは、音波を送信する送波部２Ａ１（トランスミッタ）と、音波を受信する受波部２Ａ２（ハイドロフォン）とを備える。トランスデューサ２Ｂは、音波を送信する送波部２Ｂ１（トランスミッタ）と、音波を受信する受波部２Ｂ２（ハイドロフォン）とを備える。
【００３８】
送受信回路４Ａは、ＧＰＳ（Global Positioning System）アンテナ１０、時刻管理部１１、送信制御部１２、送信回路部１３、受信回路部１４及び受信制御部１５を備える。
【００３９】
ＧＰＳアンテナ１０は、ＧＰＳ衛星（不図示）からのＧＰＳ情報を受信する。このＧＰＳ情報には、時刻情報が含まれている。
【００４０】
時刻管理部１１は、ＧＰＳアンテナ１０によって受信されたＧＰＳ情報に含まれる時刻情報に基づいて、基準クロック信号を生成して送信制御部１２及び受信制御部１５に出力している。
【００４１】
送信制御部１２は、自局を識別するための識別コードを含むデータを送信回路部１３に出力する。この識別コードは、疑似乱数発生法の１つであるＭ系列法により生成されたものである。送信回路部１３では、その識別コードをＤ／Ａ変換し、さらに位相変調してトランスデューサ２Ａの送波部２Ａ１から、特定の送信時刻に、識別コードに対応する音波が送信される。
【００４２】
一方、受信回路部１４は、トランスデューサ２Ａの受波部２Ａ２で受波された信号をＡ／Ｄ変換して復調し、受信制御部１５に出力している。
【００４３】
受信制御部１５は、受信回路部１４から出力されたデジタルデータと、予め記憶されている識別コード（Ｍ系列）との相関度を算出する。より具体的には、受信回路部１４から出力されたデジタルデータをベクトルｘi（ｉ＝１〜ｎ；ｎは２以上の自然数）とし、識別コードをベクトルｙi（ｉ＝１〜ｍ；ｍは２のＭ系列の次数乗；ｍ≦ｎ）として、次式に示すベクトルｘiとベクトルｙiとの相互相関係数を、相関度として算出する。
【数１】
ここで、相関度は０〜１までの値をとり、その値が高ければ両者の相関性が高いということになる。算出された相関度は、そのときの時刻情報とともに随時出力される。
【００４４】
送受信回路４Ｂの構成は、送受信回路４Ａと同じである。
【００４５】
河川情報取得部５は、ＣＰＵ及びメモリを備える。メモリに格納されたプログラムを実行することにより、以下の各構成要素の機能が実現される。
【００４６】
時系列データ作成部２０Ａ、２０Ｂ、時間情報算出部２１、閾値保持部２２、音線解析部２３、平均情報算出部２４及び物理量算出部２５を備える。
【００４７】
時系列データ作成部２０Ａは、送受信回路４Ａから出力された時刻情報とその時刻の相関度とに基づいて、相関波形（相関度の時間変化を示す波形）を生成する。図３（Ａ）には、時系列データ作成部２０Ａによって生成された相関波形の一例が示されている。
【００４８】
図３（Ａ）において、時刻０は、トランスデューサ２Ｂから音波が送信された時刻を示している。また、時刻０で送信された音波は、その後、トランスデューサ２Ａで受信されるが、音波が受信された時刻近傍において、相関波形に鋭いピークが表れている。
【００４９】
一方、時系列データ作成部２０Ｂは、送受信回路４Ｂから出力された時刻情報とその時刻の相関度とに基づいて、相関波形を生成する。図３（Ｂ）には、時系列データ作成部２０Ｂによって生成された相関波形の一例が示されている。また、時刻０でトランスデューサ２Ａから送信された音波は、その後、トランスデューサ２Ｂで受信されるが、その音波が受信された時刻近傍において、相関波形に鋭いピークが表れている。
【００５０】
図３（Ａ）のグラフと図３（Ｂ）のグラフとを重ね合わせたのが図３（Ｃ）のグラフである。図３（Ｃ）に示すように、時系列データ作成部２０Ｂで生成される相関波形のピークは、時系列データ作成部２０Ａで生成される相関波形のピークよりも遅れている。この遅れは、川の流速により発生するドップラー効果によるものである。
【００５１】
例えば、河川の横断面中の音波の平均音速（断面平均音速）をｃmとし、川の平均流速の音線に沿った方向の成分（断面平均流速）をｕmとすると、上流のトランスデューサ２Ｂから下流のトランスデューサ２Ａへの音波の伝播時間ｔＡと、下流のトランスデューサ２Ａから上流のトランスデューサ２Ｂへの音波の伝播時間ｔＢとは、それぞれ次式のようになる。
【数２】
ここで、Ｌは上述のように音線長である。
【００５２】
この場合、断面平均音速ｃmと、断面平均流速ｕmは次式のように求められる。
【数３】
ここで、ｔm、Δｔは次式のようになる。
【数４】
以下では、ｔmを平均伝播時間といい、Δｔを伝播時間差という。すなわち、ｔmは、トランスデューサ２Ａ、２Ｂで音波が受信されたときのそれぞれの伝播時間の平均であり、Δｔは、トランスデューサ２Ａで音波が受信された時刻と、トランスデューサ２Ｂで音波が受信された時刻との時間差である。
【００５３】
時間情報算出部２１は、図３（Ｃ）に示すように、トランスデューサ２Ａ、２Ｂから音波が送信された時刻０を基準として、時系列データ作成部２０Ａ、２０Ｂから読み込んだ相関波形から、伝播時間に関する情報として、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔを求める。
【００５４】
図３（Ｃ）に示すように、平均伝播時間ｔm、平均伝播時間Δｔを求めるためには、閾値ＣCが必要である。閾値ＣCは閾値保持部２２に保持されている。時間情報算出部２１は、閾値保持部２２から閾値ＣCを読み込む。時間情報算出部２１は、上流のトランスデューサ２Ｂから音波が発せられて（時刻０）から、下流のトランスデューサ２Ａで受信される音波の相関波形のピークの立ち下がりにおいて閾値ＣCに達するまでの第１の時間としてのｔＡを求める。さらに、時間情報算出部２１は、下流のトランスデューサ２Ａから音波が発せられて（時刻０）から、上流のトランスデューサ２Ｂで受信される音波の相関波形のピークの立ち下がりにおいて閾値ＣCに達するまでの第２の時間としてのｔＢを求める。
【００５５】
さらに、時間情報算出部２１は、上記式（５）を用いて、平均伝播時間ｔmと伝播時間差Δｔとを求める。すなわち、時間情報算出部２１は、ｔＡとｔＢとの平均を、トランスデューサ２Ａ、２Ｂ間における音波の平均伝播時間ｔmとして算出する。また、時間情報算出部２１は、ｔＡとｔＢとの差を、トランスデューサ２Ａ、２Ｂ間における音波の伝播時間差Δｔとして算出する。
【００５６】
平均伝播時間ｔmと伝播時間差Δｔとを求めると、今度は、断面平均音速ｃmと、断面平均流速ｕmを求めなければならない。断面平均音速ｃm、断面平均流速ｕmを求めるためには、音線長Ｌを得る必要がある。音線解析部２３は、予め測量されている横断面の測量情報（水深等の情報）と、水温分布ｆ（ｒ、ｚ）及び塩分分布ｇ（ｒ、ｚ）から求まる横断面内の音速分布とに基づいて、音線解析を行うことにより、音線長Ｌを算出する。ここで、ｒとｚはそれぞれ横断面の水平と鉛直方向の位置座標である。なお、水温分布ｆ（ｒ、ｚ）及び塩分分布ｇ（ｒ、ｚ）は、後述するＣＴＤ６によってある間隔で横断面内の離散値として測定される水温及び塩分を補間することにより求められる。
【００５７】
より具体的には、音線解析部２３は、水温分布ｆ（ｒ、ｚ）及び塩分分布ｇ（ｒ、ｚ）に基づいて、例えば、以下の式（Medwinの式）を用いて、音速分布ｃ（ｒ、ｚ）を算出する。
【数５】
ここで、Ｄは水深である。
【００５８】
このようにして、求められた音速分布ｃ（ｒ、ｚ）を用いて、音線の水平からの角度（入射補角φと、音波の鉛直座標ｚ、音波の伝播時間ｔが、次式（７ａ）〜（７ｃ）から求められる。
【数６】
ここで、式（７ａ）は、スネルの法則を表したものである。音線解析部２３は、上記式（７ａ）、式（７ｂ）の連立方程式を解くことにより、音波の軌跡上におけるｄｚ／ｄｒの値を求める。続いて、音線解析部２３は、求められたｄｚ／ｄｒを、次の平面曲線長を求める式に代入することにより、音線長Ｌを求める。
【００５９】
【数７】
ここで、Ｒは、トランスデューサ間の直線距離である。
【００６０】
平均情報算出部２４は、このようにして求められた音線長Ｌ、平均伝播時間ｔm及び伝播時間差Δｔを、上記式（３）、式（４）にそれぞれ代入して、断面平均音速ｃmと、断面平均流速ｕmを算出する。すなわち、平均情報算出部２４は、上流のトランスデューサ２Ｂと下流のトランスデューサ２Ａとの間で送受信される音線長Ｌと、時間情報算出部２１によって算出された平均伝播時間ｔm及び伝播時間差Δｔに基づいて、河川１の横断面における断面平均音速ｃm及び断面平均流速ｕmとの少なくとも一方の情報を算出する。
【００６１】
物理量算出部２５は、平均情報算出部２４によって算出された断面平均流速ｕmに基づいて、次式を用いて横断面の断面積Ａ（ｈ）を乗算して、横断面の流量Ｑを物理量の１つとして算出する。ここで、ｈは水位である。
【数８】
【００６２】
また、物理量算出部２５は、断面平均音速ｃmに基づいて、例えば以下の式（Medwinの式）を用いて、河川の水温Ｔm又は塩分Ｓmを算出する。
【数９】
ここで、Ｔmは水温（℃）、Ｓmは塩分、Ｄは水深である。
【００６３】
ＣＴＤ６は、コンダクティビティ・テンプラチャ・デプス・プロファイラであり、電気伝導度、温度、水深を観測する装置である。ＣＴＤ６では、電気伝導度、水温等から塩分が算出される。
【００６４】
物理量算出部２５は、ＣＴＤ６から水温Ｔm又は塩分Ｓmのいずれかを入力する。物理量算出部２５は、入力した断面平均音速ｃmと、水温Ｔm又は塩分Ｓmのいずれかを上記式（１０）に入力し、残った水温Ｔm又は塩分Ｓmを算出する。
【００６５】
ところで、相関波形が、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、単峰性の波形（単一ピーク）になるのは、横断面を通過した音線の到達時間がほぼ同じ場合である。これは、放射状に発射された音波の伝播距離がほとんど同じで、かつ、音速も一定である、塩水遡上のない単断面河川を測定するときに見られる現象である。なお、河川の水平面内を迂回した経路でトランスデューサ２Ａ、２Ｂに到達する音波は、減衰が大きいため、無視することができる。
【００６６】
一方、洪水時の複断面河川の高水敷にトランスデューサ２Ａ、２Ｂを置いた場合、高水敷上のみを通過して届く音波と、低水路に入り込みその底面で反射して届く音波とでは、到達時間が大幅に異なるため、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すようにはならず、２つのピークが出現する場合がある。この場合、断面平均流速ｕmを求めるためには、１番目のピークではなく、２番目（後）のピーク波形を用いて、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔを求めるのが望ましい。
【００６７】
塩水遡上のある感潮河川では、音波の伝播状況が複雑となるため、上述のような音線解析を行って各音線の到達時間を推定することにより、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔを求めるためのピークを選択するようにしてもよい。また、複数のピークのうち、一番大きなものを選択するようにしてもよい。
【００６８】
次に、本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００の動作について説明する。
【００６９】
送受信回路４Ａ、４Ｂの送信制御部１２は、時刻管理部１１から出力される時刻情報を参照し、特定の時刻０になると、送信回路部１３を介してトランスデューサ２Ａ、２Ｂの送波部２Ａ１、２Ｂ１に音波を送信させる。
【００７０】
しばらく時間が経ち、トランスデューサ２Ａ、２Ｂの受波部２Ａ２、２Ｂ２で音波を受信すると、受信回路部１４で音波が復調され、受信制御部１５でその相関度が算出され、時刻管理部１１から出力される時刻情報とともに出力される。
【００７１】
河川情報取得部５の時系列データ作成部２０Ａ、２０Ｂは、それぞれの相関波形を作成し、時間情報算出部２１に出力する。時間情報算出部２１は、閾値保持部２２によって保持される閾値ＣCを用いて、各相関波形のピークの立ち下がりが閾値ＣCに到達する時刻ｔＡ、ｔＢを求め、時刻ｔＡ、ｔＢに基づいて、平均伝播時間tm、伝播時間差Δｔを算出する（時間情報算出工程）。
【００７２】
平均情報算出部２４は、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔと、音線解析部２３から出力された音線長Ｌとに基づいて、断面平均音速ｃm、断面平均流速ｕmを算出する（平均情報算出工程）。
【００７３】
物理量算出部２５は、断面平均流速ｕmに横断面の断面積を乗算して、流量Ｑを算出する。また、物理量算出部２５は、断面平均音速ｃmと、ＣＴＤ６から出力された水温Ｔm又は塩分Ｓmのいずれかに基づいて、水温Ｔm又は塩分Ｓmを算出する（物理量算出工程）。
【００７４】
本実施形態によれば、河川１の横断面を音波の導波路と仮定して横断面の物理量を計測する。すなわち、一方の河岸３Ｂ側に設置された上流のトランスデューサ２Ｂと他方の河岸３Ａ側に設置された下流のトランスデューサ２Ａとの間で送受信される指向性のない音波の伝播時間に関する情報が求められ、音線長Ｌと、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔとに基づいて断面平均音速ｃm又は断面平均流速ｕmが求められ、それらの情報に基づいて河川１の横断面に関する物理量が求められる。
【００７５】
音波は、水面や河床で反射、屈折しながら横断面を伝播し、様々な経路を経てトランスデューサ２Ａ、２Ｂで受信される。このため、断面平均音速ｃm又は断面平均流速ｕmは、その横断面における断面平均音速ｃmや断面平均流速ｕmと相関関係のある値となる。したがって、音線長Ｌが既知であれば、断面平均音速ｃm又は断面平均流速ｕmから、断面平均音速ｃmや断面平均流速ｕmを精度良く求めることができる。これは、洪水時であっても、感潮域であっても同じである。
【００７６】
平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔは、受信される音波から復調されるデータとそのＭ系列のデータとの相関波形に基づいて求められる。このようにすれば、ＳＮ比を格段に向上することができる。
【００７７】
また、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔとに基づいて断面平均音速ｃm又は断面平均流速ｕmとの間の関係式や、断面平均音速ｃm又は断面平均流速ｕmと河川の横断面の物理量（流量Ｑ、水温Ｔm又は塩分Ｓm）との間の関係式には、更正が必要な係数が含まれていないので、どのような状況下にあっても、その演算式を用いて河川の横断面の物理量（流量Ｑ、水温Ｔm又は塩分Ｓm）を精度良く算出することができる。
【００７８】
以上のように、本発明によれば、一対のトランスデューサ２Ａ、２Ｂだけで、洪水時や感潮域であってもキャリブレーションを行うことなく、河川１の横断面の物理量を計測することができるので、どのような環境下においても、河川の横断面の物理量を高効率かつ高精度に長期計測することができる。
【００７９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００８０】
図４には、本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００の構成が示されている。図４に示すように、本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００は、音線解析部２３の代わりに、音線長算出部２６を備える点が、上記第１の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００の構成と異なる。
【００８１】
音線長算出部２６は、ＣＴＤ６により計測された基準時刻での水温Ｔm0及び塩分Ｓm0に基づいて、基準時刻での断面平均音速ｃm0を算出し、時間情報算出部２１で算出された基準時刻でのトランスデューサ２Ａ、２Ｂ間の平均伝播時間ｔm0とに基づいて、音線長Ｌ0を（＝ｃm0×ｔm0）算出する。
【００８２】
平均情報算出部２４は、音線長算出部２６で算出された音線長Ｌ0に基づいて、時刻ｔmにおける断面平均音速ｃm及び断面平均流速ｕmを、上記第１の実施形態と同様にして算出する。
【００８３】
本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００は、音線解析により音線長を求めるのが困難なときに好適である。例えば、洪水の観測を、水門や橋などからトランスデューサ２Ａ、２Ｂを下ろして使うときなどに特に好適である。
【００８４】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００８５】
図５には、本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００の構成が示されている。図５に示すように、音響トモグラフィー計測システム１００は、閾値算出部２７を備えている点が、上記第１の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００と異なる。
【００８６】
閾値算出部２７は、音線解析部２３によって算出された音線長Ｌと、ＣＴＤ６により計測された基準時刻での水温Ｔ0及び塩分Ｓ0から求まる基準時刻での断面平均音速ｃm0とに基づいて平均伝播時間ｔm0（＝Ｌ／ｃm0）を算出する。さらに、閾値算出部２７は、算出された平均伝播時間ｔm0を用いて、時系列データ作成部２０Ａ、２０Ｂから入力した相関波形に基づいて、下流のトランスデューサ２Ａで受信される音波の相関波形のピークの立ち下がりと、上流のトランスデューサ２Ｂで受信される音波の相関波形のピークの立ち下がりとの関係に基づいて、閾値ＣCを決定する（図３（Ｃ）参照）。
【００８７】
より具体的には、図６（Ａ）に示すように、平均伝播時間ｔm0を基準として、マイナス方向に時間ｄｔだけずらしたときの下流のトランスデューサ２Ａで受信される音波の相関波形のピークの立ち下がりの値と、プラス方向に時間ｄｔだけずらしたときの上流のトランスデューサ２Ｂで受信される音波の相関波形のピークの立ち下がりの値とが同じ値となる時間ｄｔ（＝Δｔ／２）を探索する。図６（Ｂ）には、両者の値が同じ値となったときの時間ｄｔが示されている。閾値算出部２７は、図６（Ｂ）に示すように、そのときの相関波形の値を閾値ＣCとして決定する。
【００８８】
時間情報算出部２１は、閾値算出部２７によって決定された閾値ＣCを用いて、時刻ｔＡ、ｔＢを算出する。
【００８９】
本実施形態によれば、計測対象の河川１の横断面の水温Ｔ0や塩分Ｓ0に応じて閾値ＣCを決定することができるので、より高精度に、音波の平均伝播時間ｔmや、伝播時間差Δｔを求めることができる。
【００９０】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００９１】
図７には、本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００の構成が示されている。図７に示すように、音響トモグラフィー計測システム１００は、スパイク修正部２８を備えている点が、上記第１の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００と異なる。
【００９２】
スパイク修正部２８は、物理量算出部２５によって算出された物理量（流量Ｑ、水温Ｔm、塩分Ｓm）の時系列データに含まれる異常値データ（スパイクデータ）をウェーブレット変換を行って検出する。続いて、スパイク修正部２８は、物理量の時系列データのうち、異常値データ（スパイクデータ）を除く他のデータに基づく統計モデルに対する異常値データ（スパイクデータ）の残差に基づいて異常値データを修正する。
【００９３】
図８には、スパイク修正部２８のメイン処理が示されている。スパイク修正部２８は、このメイン処理を所定の間隔で行う。
【００９４】
図８に示すように、スパイク修正部２８は、物理量算出部２５から出力された物理量の時系列データの読み出しを行う（ステップＳ１）。続いて、スパイク修正部２８は、スパイク検出処理のサブルーチンを行う（ステップＳ２）。続いて、スパイク修正部２８は、スパイク検出処理において、スパイクデータが検出されたか否かを判定する（ステップＳ３）。スパイクデータが検出されていた場合（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、スパイク修正部２８は、スパイクデータの検出結果を一時記憶する（ステップＳ４）。続いて、スパイク修正部２８は、スパイク置換処理のサブルーチンを行う（ステップＳ５）。スパイク置換処理実行後、スパイク修正部２８は、ステップＳ２に戻る。
【００９５】
このようにして、ステップＳ３においてスパイクデータが検出されないと判定されるまで、ステップＳ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５が繰り返される。
【００９６】
スパイクデータが検出されなかった場合（ステップＳ３；Ｎｏ）、スパイク修正部２８は、スパイクデータが修正された（又はスパイクデータが検出されなかった）物理量の時系列データを記憶し（ステップＳ６）、処理を終了する。
【００９７】
図９には、ステップＳ２のスパイク検出処理のサブルーチンが示されている。図９に示すように、スパイク修正部２８は、物理量の時系列データを読み出す（ステップＳ１１）。続いて、スパイク修正部２８は、読み出した物理量の時系列データが長期間のデータであるか否かを判定する（ステップＳ１２）。この判定が肯定されると（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、スパイク修正部２８は、物理量の時系列データから低周波成分を除去する（ステップＳ１４）。
【００９８】
続いて、スパイク修正部２８は、ウェーブレット変換用のフィルタを選択し（ステップＳ１５）、時系列データに対してウェーブレット変換を行う（ステップＳ１６）。続いて、スパイク修正部２８は、所定の演算を行って閾値を算出し（ステップＳ１７）、その閾値を用いてフィルタリング処理を行う（ステップＳ１８）。その後、スパイク修正部２８は、ウェーブレット変換されたデータに対してウェーブレット逆変換を行う（ステップＳ１９）。
【００９９】
続いて、スパイク修正部２８は、ウェーブレット逆変換により得られた物理量の時系列データと、元の物理量の時系列データとを比較することにより、スパイクデータの位置（スパイク位置）を検出し（ステップＳ２０）、スパイクデータ列の長さ（スパイク長）を検出する（ステップＳ２１）。
【０１００】
続いて、スパイク修正部２８は、スパイクデータ列前の正常値データ（正常値データ）のデータ長（正常値データ長）を検出する（ステップＳ２２）。そして、スパイク修正部２８は、これまでの検出結果を記憶する（ステップＳ２３）。ステップＳ２３実行後、スパイク修正部２８は、スパイク検出処理を終了する。
【０１０１】
図１０には、スパイク置換処理のサブルーチンが示されている。図１０に示すように、スパイク修正部２８は、スパイクデータ周辺の時系列データの読み出しを行う（ステップＳ３１）。続いて、スパイク修正部２８は、読み出した時系列データが長期間のデータであるか否かを判定する（ステップＳ３２）。この判定が肯定されれば（ステップＳ３２；Ｙｅｓ）、スパイク修正部２８は、そのスパイクデータ列前の正常値データを選択する（ステップＳ３３）。
【０１０２】
続いて、スパイク修正部２８は、選択された正常値データを用いて自己回帰モデル（ＡＲモデル）の６つのパラメータを推定する（ステップＳ３４）。続いて、スパイク修正部２８は、選択された正常値データを用いて条件付き最尤推定法を用いたモデル推定を行う（ステップＳ３５）。続いて、スパイク修正部２８は、選択された正常値データを用いてＡＩＣ（赤池情報量規準）による最適モデルを推定する（ステップＳ３６）。
【０１０３】
続いて、スパイク修正部２８は、ステップＳ３４、Ｓ３５、Ｓ３６でそれぞれ求められた統計モデルに対する、時系列データの残差の相関性をチェックし、残差の違いが所定の許容範囲であるか否かをテストする（ステップＳ３７）。さらに、スパイク修正部２８は、モデルの定常性をテストする（ステップＳ３８）。
【０１０４】
続いて、スパイク修正部２８は、選択されたデータが、ステップＳ３６、Ｓ３７の２つのテストに合格したか否かを判定する（ステップＳ３９）。
【０１０５】
両テストに合格していれば（ステップＳ３９；Ｙｅｓ）、スパイク修正部２８は、モデルエラー（残差）を算出し（ステップＳ４４）、そのモデルエラーに基づいてスパイクデータに置換されるべき予測値を算出する（ステップＳ４５）。そして、スパイク修正部２８は、スパイクデータを予測値に置換する（ステップＳ４６）。図１１には、短期的に変動する物理量について、スパイクデータ（異常値データ）が、予測値に修正される様子が模式的に示されている。
【０１０６】
続いて、スパイク修正部２８は、全ての物理量の時系列データの選択が終了したか否かを判定する（ステップＳ４７）。この判定が否定されると（ステップＳ４７；Ｎｏ）、スパイク修正部２８は、ステップＳ３１に戻る。
【０１０７】
スパイク修正部２８は、再び物理量の時系列データの部分的な読み出しを行い（ステップＳ３１）、読み出した時系列データが長期間のデータであるか否かを判定する（ステップＳ３２）。この判定が否定されれば（ステップＳ３２；Ｎｏ）、スパイク修正部２８は、正常値データに対して、３次多項式補間を行ってスパイクデータに置換されるべき補間値を求め（ステップＳ４２）、スパイクデータを補間値に置換する（ステップＳ４３）。その後、スパイク修正部２８は、全てのデータの選択が終了したか否かを判定する（ステップＳ４７）。この判定が否定されると（ステップＳ４７；Ｎｏ）、スパイク修正部２８は、ステップＳ３１に戻る。
【０１０８】
その後、ステップＳ３１→Ｓ３２→Ｓ３３→Ｓ３４→Ｓ３５→Ｓ３６→Ｓ３７→Ｓ３８と進み、ステップＳ３９での判定が否定された場合、スパイク修正部２８は、テスト失敗が初回であるか否かを判定する（ステップＳ４０）。テスト失敗が初回であれば（ステップＳ４０；Ｙｅｓ）、スパイク修正部２８は、正常値データをさらに追加選択し（ステップＳ４１）、ステップＳ３４に戻る。
【０１０９】
以降、データが追加された状態で、ステップＳ３４→Ｓ３５→Ｓ３６で３つのモデルが推定され、残差の相関性テストと、定常性テストが行われる（ステップＳ３８）。そして、両テスト合格判定が否定され（ステップＳ３９；Ｎｏ）、テスト失敗が初回でない場合（ステップＳ４０；Ｎｏ）、スパイク修正部２８は、正常値データに対して、３次多項式補間を行ってスパイクデータに置換されるべき補間値を求め（ステップＳ４２）、スパイクデータを補間値に置換する（ステップＳ４３）。その後、スパイク修正部２８は、全てのデータの選択が終了したか否かを判定する（ステップＳ４７）。
【０１１０】
このようにして、ステップＳ４７において全データが選択されたと判定されるまで、処理が繰り返され、全データが選択されたと判定されると（ステップＳ４７；Ｙｅｓ）、スパイク修正部２８は、スパイクデータが置換された物理量の時系列データを処理結果として記憶し（ステップＳ４８）、スパイク置換処理を終了する。
【０１１１】
このように、本実施形態によれば、求められた物理量の時系列データに含まれる異常値データを修正することができる。これにより、高精度な計測が可能になる。このようにすれば、例えば、流量Ｑ、水温Ｔm、塩分Ｓmの短期変動などを正確に検出することが可能となる。また、この方法は、取得されたデータが少ないため、異常値データをリジェクトすることが適切でない場合にも有効である。
【０１１２】
なお、本実施形態では、自己回帰（ＡＲ）モデル、条件付き最尤推定法によるモデル、ＡＩＣによるモデル等を、物理量の時系列データの統計モデルとして適用したが、これに限られず、カルマンフィルタによるモデルを適用してもよい。
【０１１３】
本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００は、例えば、塩水遡上のある感潮河川において、音波の伝播の双方向性が崩れ、双方のトランスデューサ２Ａ、２Ｂからそれぞれ得られる相関波形の相似でなくなるために発生するスパイクデータの低減に特に有効である。
【０１１４】
また、上記各実施形態では、時刻情報をＧＰＳ衛星からのものとした。このようにすれば、極めて正確に音波の伝播時間等を計測することができる。
【０１１５】
なお、上記実施の形態において、実行されるプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read-Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＭＯ（Magneto-Optical Disk）等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、そのプログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行するシステムを構成することとしてもよい。
【０１１６】
また、プログラムをインターネット等の通信ネットワーク上の所定のサーバ装置が有するディスク装置等に格納しておき、例えば、搬送波に重畳させて、ダウンロード等するようにしてもよい。
【０１１７】
また、上述の機能を、ＯＳ（Operating System）が分担して実現する場合又はＯＳとアプリケーションとの協働により実現する場合等には、ＯＳ以外の部分のみを媒体に格納して配布してもよく、また、ダウンロード等してもよい。
【０１１８】
なお、本発明は、上記実施の形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で実施の形態及び図面に変更を加えることができるのはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本発明は、流量、水温、塩分等の河川の横断面に関する物理量の計測に最適であり、特に、河口近くに塩分が入り交じった感潮域や、洪水時等における河川の物理量の計測に最適である。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 河川
２Ａ、２Ｂ トランスデューサ
２Ａ１、２Ｂ１ 送波部
２Ａ２、２Ｂ２ 受波部
３Ａ、３Ｂ 河岸
４Ａ、４Ｂ 送受信回路
５ 河川情報取得部
６ ＣＴＤ（コンダクティビティ・テンプラチャ・デプス・プロファイラ）
１０ ＧＰＳアンテナ
１１ 時刻管理部
１２ 送信制御部
１３ 送信回路部
１４ 受信回路部
１５ 受信制御部
２０Ａ、２０Ｂ 時系列データ作成部
２１ 時間情報算出部
２２ 閾値保持部
２３ 音線解析部
２４ 平均情報算出部
２５ 物理量算出部
２６ 音線長算出部
２７ 閾値算出部
２８ スパイク修正部
１００ 音響トモグラフィー計測システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、河川の横断面における流量等の物理量を計測する音響トモグラフィー計測システム及び音響トモグラフィー計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
治水、河川の環境管理、水資源管理等の観点から、河川の流量を精度良く計測できる方法の登場が望まれている。近年では、河川の流量を計測する方法として、水位流量曲線（Ｈ−Ｑ）法、ＡＤＣＰ（Acoustic Doppler Current Profiler）法、Ｈ−ＡＤＣＰ法、ＡＶＭ法等の様々な方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
この他、発明者等は、塩水が混じっているような感潮域における河川流量をモニタリングする方法を提案している（例えば、非特許文献２、３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】二瓶、「超音波ドップラー流速分布計に基づく実河川流速・流量モニタリング」、ながれ２６（２００７）
【非特許文献２】川西ら、「次世代超音波流速計による感潮域の流量と水温・塩分の連続モニタリング」、水工学論文集、第５３巻、２００９年２月
【非特許文献３】川西ら、「次世代超音波流速計による感潮河川流量の長期連続モニタリング」、河川技術論文集、第１５巻、２００９年６月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ｈ−Ｑ法は、感潮域では用いることができず、水位から流量を求めるための関係式のキャリブレーションが必要となる。
【０００６】
また、ＡＤＣＰ法では、スポット観測に限定され、長期連続観測や、洪水時の観測は困難である。
【０００７】
また、Ｈ−ＡＤＣＰ法では、塩水遡上時には音波の屈折、洪水時には浮遊土砂が観測の障害となる。
【０００８】
さらに、ＡＶＭ法では、更正係数が必要となり、洪水時には欠測となることがある。また、装置が大型となり高価になる。
【０００９】
本発明は、どのような環境下においても、河川の流量等の物理量を高効率かつ高精度に長期計測することができる音響トモグラフィー計測システム及び音響トモグラフィー計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る音響トモグラフィー計測システムは、
一方の河岸側に設置された上流の音波送受信器と他方の河岸側に設置された下流の音波送受信器との間で送受信される指向性のない音波によって河川の横断面に関する物理量を計測する音響トモグラフィー計測システムであって、
前記各音波送受信器から前記音波が送信された時刻を基準とする、前記各音波送受信器において受信される前記音波から復調されるデータと所定のデータとの相関波形に基づいて、前記音波送受信器間における前記音波の伝播時間に関する情報を算出する時間情報算出部と、
前記上流の音波送受信器と前記下流の音波送受信器との間で送受信される前記音波の経路の長さである音線長と、前記時間情報算出部によって算出された前記伝播時間に関する情報とに基づいて、前記河川の横断面における断面平均音速及び断面平均流速との少なくとも一方の情報を算出する平均情報算出部と、
前記平均情報算出部によって算出された情報に基づいて、前記河川の横断面に関する物理量を算出する物理量算出部と、
を備える。
【００１１】
前記時間情報算出部は、
前記音波の伝播時間に関する情報として、前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間と、前記音波送受信器間における音波の伝播時間差とを算出し、
前記平均情報算出部は、
前記音線長と、前記平均伝播時間と、前記伝播時間差とに基づいて、前記断面平均流速を算出し、
前記物理量算出部は、
前記断面平均流速に対して前記横断面の断面積を乗算することにより、前記横断面の流量を前記物理量として算出する、
こととしてもよい。
【００１２】
前記時間情報算出部は、
前記音波の伝播時間に関する情報として、前記音波送受信器間における前記音波の平均伝播時間を算出し、
前記平均情報算出部は、
前記音線長から、前記平均伝播時間を除算することにより、前記断面平均音速を算出し、
前記物理量算出部は、
前記断面平均音速、塩分、水温及び水深の間の関係式を用いて、塩分及び水温のいずれかを前記物理量として算出する、
こととしてもよい。
【００１３】
前記横断面の測量情報と水温と塩分の分布から求まる前記横断面の音速分布とに基づいて、音線解析を行うことにより、前記音線長を算出する音線解析部をさらに備え、
前記平均情報算出部は、
前記音線解析部で算出された前記音線長に基づいて、前記断面平均音速及び前記断面平均流速の少なくとも一方を算出する、
こととしてもよい。
【００１４】
コンダクティビティ・テンプラチャ・デプス・プロファイラ（ＣＴＤ）により計測される水温、塩分に基づいて基準時刻での前記断面平均音速を算出し、前記断面平均音速と、前記基準時刻での前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間とに基づいて、前記音線長を算出する音線長算出部をさらに備え、
前記平均情報算出部は、
前記音線長算出部で算出された前記音線長に基づいて、前記断面平均音速及び前記断面平均流速の少なくとも一方を算出する、
こととしてもよい。
【００１５】
前記時間情報算出部は、
前記上流の音波送受信器から前記音波が発せられてから、前記下流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりにおいて閾値に達するまでの第１の時間と、
前記下流の音波送受信器から前記音波が発せられてから、前記上流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりにおいて前記閾値に達するまでの第２の時間と、を求め、
前記第１の時間と前記第２の時間との平均を、前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間として算出し、
前記第１の時間と前記第２の時間との差を、前記音波送受信器間における音波の伝播時間差として算出する、
こととしてもよい。
【００１６】
前記横断面の測量情報と、水温と塩分の分布から求まる前記横断面の音速分布とに基づいて、音線解析を行うことにより、前記音線長を算出する音線解析部と、
前記音線解析部によって算出された前記音線長と、コンダクティビティ・テンプラチャ・デプス・プロファイラ（ＣＴＤ）により計測される水温及び塩分から求まる基準時刻での前記断面平均音速とに基づいて、前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間を算出し、算出された前記平均伝播時間と、前記下流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりと、前記上流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりとの関係に基づいて、前記閾値を決定する閾値算出部をさらに備え、
前記時間情報算出部は、
前記閾値算出部によって決定された前記閾値を用いて、前記第１、第２の時間を算出する、
こととしてもよい。
【００１７】
前記物理量算出部によって算出された前記物理量の時系列データに含まれる異常値データをウェーブレット変換を行って検出し、
前記物理量の時系列データのうち、異常値データを除く他のデータに基づく統計モデルに対する前記異常値データの残差に基づいて前記異常値データを修正するスパイク修正部をさらに備える、
こととしてもよい。
【００１８】
前記時間情報算出部は、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に基づいて、前記音波の伝播時間に関する情報を算出する、
こととしてもよい。
【００１９】
前記所定のデータは、Ｍ系列法により生成された疑似乱数から構成されている、
こととしてもよい。
【００２０】
また、本発明の第２の観点に係る音響トモグラフィー計測方法は、
一方の河岸側に設置された上流の音波送受信器と他方の河岸側に設置された下流の音波送受信器との間で送受信される指向性のない音波によって河川の横断面に関する物理量を計測する音響トモグラフィー計測方法であって、
前記各音波送受信器から前記音波が送信された時刻を基準とする、前記各音波送受信器において受信される前記音波から復調されるデータと所定のデータとの相関波形に基づいて、前記音波送受信器間における前記音波の伝播時間に関する情報を算出する時間情報算出工程と、
前記上流の音波送受信器と前記下流の音波送受信器との間で送受信される前記音波の経路の長さである音線長と、前記時間情報算出工程において算出された前記伝播時間に関する情報とに基づいて、前記河川の横断面における断面平均音速及び断面平均流速との少なくとも一方の情報を算出する平均情報算出工程と、
前記平均情報算出工程において算出された情報に基づいて、前記河川の横断面に関する物理量を算出する物理量算出工程と、
を含む。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、河川の横断面を音波の導波路と仮定して横断面の物理量を計測する。すなわち、一方の河岸側に設置された上流の音波送受信器と他方の河岸側に設置された下流の音波送受信器との間で送受信される指向性のない音波の伝播時間に関する情報が求められ、音線長と、伝播時間に関する情報とに基づいて断面平均音速又は断面平均流速が求められ、それらの情報に基づいて河川の横断面に関する物理量が求められる。
【００２２】
音波は、水面や河床で反射、屈折しながら横断面を伝播し、様々な経路を経て音波送受信器で受信される。このため、音波の伝播時間に関する情報は、その横断面における断面平均音速や断面平均流速と相関関係のある値となる。したがって、音線長が既知であれば、音波の伝播時間に関する情報から、断面平均音速や断面平均流速を精度良く求めることができる。これは、洪水時であっても、感潮域であっても同じである。
【００２３】
音波の伝播時間の情報は、受信される音波から復調されるデータと所定のデータとの相関波形に基づいて求められる。このようにすれば、ＳＮ比を向上することができる。
【００２４】
また、伝播時間に関する情報と断面平均音速又は断面平均流速との間の関係式や、断面平均音速又は断面平均流速と河川の横断面の物理量との間の関係式には、更正が必要な係数が含まれていないので、どのような状況下にあっても、その演算式を用いて河川の横断面の物理量を精度良く算出することができる。
【００２５】
以上のように、本発明によれば、一対の音波送受信器だけで、洪水時や感潮域であってもキャリブレーションを行うことなく、河川の横断面の物理量を計測することができるので、どのような環境下においても、河川の横断面の物理量を高効率かつ高精度に長期計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システムにおけるトランスデューサの配置を模式的に示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、トランスデューサの配置を説明するための河川の横断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システムの構成を示すブロック図である。
【図３】図３（Ａ）は、一方の時系列データ作成部で生成される相関波形の一例を示すグラフであり、図３（Ｂ）は、他方の時系列データ作成部で生成される相関波形の一例を示すグラフであり、図３（Ｃ）は、閾値ＣCと平均伝播時間ｔmと、伝播時間差Δｔとを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システムの構成を示すブロック図である。
【図６】図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、閾値の求め方の一例を説明するための図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システムの構成を示すブロック図である。
【図８】図７のスパイク修正部のメイン処理のフローチャートである。
【図９】図８のスパイク検出処理のフローチャートである。
【図１０】図８のスパイク置換処理のフローチャートである。
【図１１】スパイクデータが修正される様子を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２９】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）には、本実施形態における一対の音波送受信器としてのトランスデューサ２Ａ、２Ｂの配置が示されている。トランスデューサ２Ａは、一方の河岸３Ａ側に設置され、トランスデューサ２Ｂは、他方の河岸３Ｂ側に設置されている。
【００３０】
トランスデューサ２Ａは、トランスデューサ２Ｂに対して下流に設置されている。川の流れの方向を示すベクトルと、トランスデューサ２Ａ、２Ｂとを結ぶ線分とのなす角度をθとする。
【００３１】
トランスデューサ２Ａは、トランスデューサ２Ｂに向かって音波を送信し、トランスデューサ２Ｂは、トランスデューサ２Ａに向かって音波を送信する。また、トランスデューサ２Ａは、トランスデューサ２Ｂから送信された音波を受信し、トランスデューサ２Ｂは、トランスデューサ２Ａから送信された音波を受信する。
【００３２】
トランスデューサ２Ａ、２Ｂから送信される音波は、指向性がなく、放射状に水中を伝播する。
【００３３】
図１（Ｂ）における横断面は、図１（Ａ）において、トランスデューサ２Ａ、２Ｂとを通過する横断面となっている。図１（Ｂ）に示すように、トランスデューサ２Ａ、２Ｂから送信された音波は、水平に進むものもあるが、水面や河床で反射、屈折しながら進むものもある。音波はこのようにして横断面を伝播し、様々な経路を通って、他方のトランスデューサ２Ａ、２Ｂに到達する。
【００３４】
ここで、音波の経路の長さを、以下では音線長Ｌと呼ぶ。
【００３５】
なお、図１（Ｂ）では、音波の経路は直線で図示されているが、河口などの塩水が入り交じった塩分濃度の違いにより階層化された感潮域では、音波は水中で屈折するので、その経路は曲線を描くようになり、さらに複雑なものになる。
【００３６】
図２には、本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００の概略的な構成が示されている。図２に示すように、音響トモグラフィー計測システム１００は、上述のトランスデューサ２Ａ、２Ｂに加え、送受信回路４Ａ、４Ｂと、河川情報取得部５をさらに備える。
【００３７】
トランスデューサ２Ａは、音波を送信する送波部２Ａ１（トランスミッタ）と、音波を受信する受波部２Ａ２（ハイドロフォン）とを備える。トランスデューサ２Ｂは、音波を送信する送波部２Ｂ１（トランスミッタ）と、音波を受信する受波部２Ｂ２（ハイドロフォン）とを備える。
【００３８】
送受信回路４Ａは、ＧＰＳ（Global Positioning System）アンテナ１０、時刻管理部１１、送信制御部１２、送信回路部１３、受信回路部１４及び受信制御部１５を備える。
【００３９】
ＧＰＳアンテナ１０は、ＧＰＳ衛星（不図示）からのＧＰＳ情報を受信する。このＧＰＳ情報には、時刻情報が含まれている。
【００４０】
時刻管理部１１は、ＧＰＳアンテナ１０によって受信されたＧＰＳ情報に含まれる時刻情報に基づいて、基準クロック信号を生成して送信制御部１２及び受信制御部１５に出力している。
【００４１】
送信制御部１２は、自局を識別するための識別コードを含むデータを送信回路部１３に出力する。この識別コードは、疑似乱数発生法の１つであるＭ系列法により生成されたものである。送信回路部１３では、その識別コードをＤ／Ａ変換し、さらに位相変調してトランスデューサ２Ａの送波部２Ａ１から、特定の送信時刻に、識別コードに対応する音波が送信される。
【００４２】
一方、受信回路部１４は、トランスデューサ２Ａの受波部２Ａ２で受波された信号をＡ／Ｄ変換して復調し、受信制御部１５に出力している。
【００４３】
受信制御部１５は、受信回路部１４から出力されたデジタルデータと、予め記憶されている識別コード（Ｍ系列）との相関度を算出する。より具体的には、受信回路部１４から出力されたデジタルデータをベクトルｘi（ｉ＝１〜ｎ；ｎは２以上の自然数）とし、識別コードをベクトルｙi（ｉ＝１〜ｍ；ｍは２のＭ系列の次数乗；ｍ≦ｎ）として、次式に示すベクトルｘiとベクトルｙiとの相互相関係数を、相関度として算出する。
【数１】
ここで、相関度は０〜１までの値をとり、その値が高ければ両者の相関性が高いということになる。算出された相関度は、そのときの時刻情報とともに随時出力される。
【００４４】
送受信回路４Ｂの構成は、送受信回路４Ａと同じである。
【００４５】
河川情報取得部５は、ＣＰＵ及びメモリを備える。メモリに格納されたプログラムを実行することにより、以下の各構成要素の機能が実現される。
【００４６】
時系列データ作成部２０Ａ、２０Ｂ、時間情報算出部２１、閾値保持部２２、音線解析部２３、平均情報算出部２４及び物理量算出部２５を備える。
【００４７】
時系列データ作成部２０Ａは、送受信回路４Ａから出力された時刻情報とその時刻の相関度とに基づいて、相関波形（相関度の時間変化を示す波形）を生成する。図３（Ａ）には、時系列データ作成部２０Ａによって生成された相関波形の一例が示されている。
【００４８】
図３（Ａ）において、時刻０は、トランスデューサ２Ｂから音波が送信された時刻を示している。また、時刻０で送信された音波は、その後、トランスデューサ２Ａで受信されるが、音波が受信された時刻近傍において、相関波形に鋭いピークが表れている。
【００４９】
一方、時系列データ作成部２０Ｂは、送受信回路４Ｂから出力された時刻情報とその時刻の相関度とに基づいて、相関波形を生成する。図３（Ｂ）には、時系列データ作成部２０Ｂによって生成された相関波形の一例が示されている。また、時刻０でトランスデューサ２Ａから送信された音波は、その後、トランスデューサ２Ｂで受信されるが、その音波が受信された時刻近傍において、相関波形に鋭いピークが表れている。
【００５０】
図３（Ａ）のグラフと図３（Ｂ）のグラフとを重ね合わせたのが図３（Ｃ）のグラフである。図３（Ｃ）に示すように、時系列データ作成部２０Ｂで生成される相関波形のピークは、時系列データ作成部２０Ａで生成される相関波形のピークよりも遅れている。この遅れは、川の流速により発生するドップラー効果によるものである。
【００５１】
例えば、河川の横断面中の音波の平均音速（断面平均音速）をｃmとし、川の平均流速の音線に沿った方向の成分（断面平均流速）をｕmとすると、上流のトランスデューサ２Ｂから下流のトランスデューサ２Ａへの音波の伝播時間ｔＡと、下流のトランスデューサ２Ａから上流のトランスデューサ２Ｂへの音波の伝播時間ｔＢとは、それぞれ次式のようになる。
【数２】
ここで、Ｌは上述のように音線長である。
【００５２】
この場合、断面平均音速ｃmと、断面平均流速ｕmは次式のように求められる。
【数３】
ここで、ｔm、Δｔは次式のようになる。
【数４】
以下では、ｔmを平均伝播時間といい、Δｔを伝播時間差という。すなわち、ｔmは、トランスデューサ２Ａ、２Ｂで音波が受信されたときのそれぞれの伝播時間の平均であり、Δｔは、トランスデューサ２Ａで音波が受信された時刻と、トランスデューサ２Ｂで音波が受信された時刻との時間差である。
【００５３】
時間情報算出部２１は、図３（Ｃ）に示すように、トランスデューサ２Ａ、２Ｂから音波が送信された時刻０を基準として、時系列データ作成部２０Ａ、２０Ｂから読み込んだ相関波形から、伝播時間に関する情報として、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔを求める。
【００５４】
図３（Ｃ）に示すように、平均伝播時間ｔm、平均伝播時間Δｔを求めるためには、閾値ＣCが必要である。閾値ＣCは閾値保持部２２に保持されている。時間情報算出部２１は、閾値保持部２２から閾値ＣCを読み込む。時間情報算出部２１は、上流のトランスデューサ２Ｂから音波が発せられて（時刻０）から、下流のトランスデューサ２Ａで受信される音波の相関波形のピークの立ち下がりにおいて閾値ＣCに達するまでの第１の時間としてのｔＡを求める。さらに、時間情報算出部２１は、下流のトランスデューサ２Ａから音波が発せられて（時刻０）から、上流のトランスデューサ２Ｂで受信される音波の相関波形のピークの立ち下がりにおいて閾値ＣCに達するまでの第２の時間としてのｔＢを求める。
【００５５】
さらに、時間情報算出部２１は、上記式（５）を用いて、平均伝播時間ｔmと伝播時間差Δｔとを求める。すなわち、時間情報算出部２１は、ｔＡとｔＢとの平均を、トランスデューサ２Ａ、２Ｂ間における音波の平均伝播時間ｔmとして算出する。また、時間情報算出部２１は、ｔＡとｔＢとの差を、トランスデューサ２Ａ、２Ｂ間における音波の伝播時間差Δｔとして算出する。
【００５６】
平均伝播時間ｔmと伝播時間差Δｔとを求めると、今度は、断面平均音速ｃmと、断面平均流速ｕmを求めなければならない。断面平均音速ｃm、断面平均流速ｕmを求めるためには、音線長Ｌを得る必要がある。音線解析部２３は、予め測量されている横断面の測量情報（水深等の情報）と、水温分布ｆ（ｒ、ｚ）及び塩分分布ｇ（ｒ、ｚ）から求まる横断面内の音速分布とに基づいて、音線解析を行うことにより、音線長Ｌを算出する。ここで、ｒとｚはそれぞれ横断面の水平と鉛直方向の位置座標である。なお、水温分布ｆ（ｒ、ｚ）及び塩分分布ｇ（ｒ、ｚ）は、後述するＣＴＤ６によってある間隔で横断面内の離散値として測定される水温及び塩分を補間することにより求められる。
【００５７】
より具体的には、音線解析部２３は、水温分布ｆ（ｒ、ｚ）及び塩分分布ｇ（ｒ、ｚ）に基づいて、例えば、以下の式（Medwinの式）を用いて、音速分布ｃ（ｒ、ｚ）を算出する。
【数５】
ここで、Ｄは水深である。
【００５８】
このようにして、求められた音速分布ｃ（ｒ、ｚ）を用いて、音線の水平からの角度（入射補角φと、音波の鉛直座標ｚ、音波の伝播時間ｔが、次式（７ａ）〜（７ｃ）から求められる。
【数６】
ここで、式（７ａ）は、スネルの法則を表したものである。音線解析部２３は、上記式（７ａ）、式（７ｂ）の連立方程式を解くことにより、音波の軌跡上におけるｄｚ／ｄｒの値を求める。続いて、音線解析部２３は、求められたｄｚ／ｄｒを、次の平面曲線長を求める式に代入することにより、音線長Ｌを求める。
【００５９】
【数７】
ここで、Ｒは、トランスデューサ間の直線距離である。
【００６０】
平均情報算出部２４は、このようにして求められた音線長Ｌ、平均伝播時間ｔm及び伝播時間差Δｔを、上記式（３）、式（４）にそれぞれ代入して、断面平均音速ｃmと、断面平均流速ｕmを算出する。すなわち、平均情報算出部２４は、上流のトランスデューサ２Ｂと下流のトランスデューサ２Ａとの間で送受信される音線長Ｌと、時間情報算出部２１によって算出された平均伝播時間ｔm及び伝播時間差Δｔに基づいて、河川１の横断面における断面平均音速ｃm及び断面平均流速ｕmとの少なくとも一方の情報を算出する。
【００６１】
物理量算出部２５は、平均情報算出部２４によって算出された断面平均流速ｕmに基づいて、次式を用いて横断面の断面積Ａ（ｈ）を乗算して、横断面の流量Ｑを物理量の１つとして算出する。ここで、ｈは水位である。
【数８】
【００６２】
また、物理量算出部２５は、断面平均音速ｃmに基づいて、例えば以下の式（Medwinの式）を用いて、河川の水温Ｔm又は塩分Ｓmを算出する。
【数９】
ここで、Ｔmは水温（℃）、Ｓmは塩分、Ｄは水深である。
【００６３】
ＣＴＤ６は、コンダクティビティ・テンプラチャ・デプス・プロファイラであり、電気伝導度、温度、水深を観測する装置である。ＣＴＤ６では、電気伝導度、水温等から塩分が算出される。
【００６４】
物理量算出部２５は、ＣＴＤ６から水温Ｔm又は塩分Ｓmのいずれかを入力する。物理量算出部２５は、入力した断面平均音速ｃmと、水温Ｔm又は塩分Ｓmのいずれかを上記式（１０）に入力し、残った水温Ｔm又は塩分Ｓmを算出する。
【００６５】
ところで、相関波形が、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、単峰性の波形（単一ピーク）になるのは、横断面を通過した音線の到達時間がほぼ同じ場合である。これは、放射状に発射された音波の伝播距離がほとんど同じで、かつ、音速も一定である、塩水遡上のない単断面河川を測定するときに見られる現象である。なお、河川の水平面内を迂回した経路でトランスデューサ２Ａ、２Ｂに到達する音波は、減衰が大きいため、無視することができる。
【００６６】
一方、洪水時の複断面河川の高水敷にトランスデューサ２Ａ、２Ｂを置いた場合、高水敷上のみを通過して届く音波と、低水路に入り込みその底面で反射して届く音波とでは、到達時間が大幅に異なるため、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すようにはならず、２つのピークが出現する場合がある。この場合、断面平均流速ｕmを求めるためには、１番目のピークではなく、２番目（後）のピーク波形を用いて、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔを求めるのが望ましい。
【００６７】
塩水遡上のある感潮河川では、音波の伝播状況が複雑となるため、上述のような音線解析を行って各音線の到達時間を推定することにより、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔを求めるためのピークを選択するようにしてもよい。また、複数のピークのうち、一番大きなものを選択するようにしてもよい。
【００６８】
次に、本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００の動作について説明する。
【００６９】
送受信回路４Ａ、４Ｂの送信制御部１２は、時刻管理部１１から出力される時刻情報を参照し、特定の時刻０になると、送信回路部１３を介してトランスデューサ２Ａ、２Ｂの送波部２Ａ１、２Ｂ１に音波を送信させる。
【００７０】
しばらく時間が経ち、トランスデューサ２Ａ、２Ｂの受波部２Ａ２、２Ｂ２で音波を受信すると、受信回路部１４で音波が復調され、受信制御部１５でその相関度が算出され、時刻管理部１１から出力される時刻情報とともに出力される。
【００７１】
河川情報取得部５の時系列データ作成部２０Ａ、２０Ｂは、それぞれの相関波形を作成し、時間情報算出部２１に出力する。時間情報算出部２１は、閾値保持部２２によって保持される閾値ＣCを用いて、各相関波形のピークの立ち下がりが閾値ＣCに到達する時刻ｔＡ、ｔＢを求め、時刻ｔＡ、ｔＢに基づいて、平均伝播時間tm、伝播時間差Δｔを算出する（時間情報算出工程）。
【００７２】
平均情報算出部２４は、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔと、音線解析部２３から出力された音線長Ｌとに基づいて、断面平均音速ｃm、断面平均流速ｕmを算出する（平均情報算出工程）。
【００７３】
物理量算出部２５は、断面平均流速ｕmに横断面の断面積を乗算して、流量Ｑを算出する。また、物理量算出部２５は、断面平均音速ｃmと、ＣＴＤ６から出力された水温Ｔm又は塩分Ｓmのいずれかに基づいて、水温Ｔm又は塩分Ｓmを算出する（物理量算出工程）。
【００７４】
本実施形態によれば、河川１の横断面を音波の導波路と仮定して横断面の物理量を計測する。すなわち、一方の河岸３Ｂ側に設置された上流のトランスデューサ２Ｂと他方の河岸３Ａ側に設置された下流のトランスデューサ２Ａとの間で送受信される指向性のない音波の伝播時間に関する情報が求められ、音線長Ｌと、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔとに基づいて断面平均音速ｃm又は断面平均流速ｕmが求められ、それらの情報に基づいて河川１の横断面に関する物理量が求められる。
【００７５】
音波は、水面や河床で反射、屈折しながら横断面を伝播し、様々な経路を経てトランスデューサ２Ａ、２Ｂで受信される。このため、断面平均音速ｃm又は断面平均流速ｕmは、その横断面における断面平均音速ｃmや断面平均流速ｕmと相関関係のある値となる。したがって、音線長Ｌが既知であれば、断面平均音速ｃm又は断面平均流速ｕmから、断面平均音速ｃmや断面平均流速ｕmを精度良く求めることができる。これは、洪水時であっても、感潮域であっても同じである。
【００７６】
平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔは、受信される音波から復調されるデータとそのＭ系列のデータとの相関波形に基づいて求められる。このようにすれば、ＳＮ比を格段に向上することができる。
【００７７】
また、平均伝播時間ｔm、伝播時間差Δｔとに基づいて断面平均音速ｃm又は断面平均流速ｕmとの間の関係式や、断面平均音速ｃm又は断面平均流速ｕmと河川の横断面の物理量（流量Ｑ、水温Ｔm又は塩分Ｓm）との間の関係式には、更正が必要な係数が含まれていないので、どのような状況下にあっても、その演算式を用いて河川の横断面の物理量（流量Ｑ、水温Ｔm又は塩分Ｓm）を精度良く算出することができる。
【００７８】
以上のように、本発明によれば、一対のトランスデューサ２Ａ、２Ｂだけで、洪水時や感潮域であってもキャリブレーションを行うことなく、河川１の横断面の物理量を計測することができるので、どのような環境下においても、河川の横断面の物理量を高効率かつ高精度に長期計測することができる。
【００７９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００８０】
図４には、本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００の構成が示されている。図４に示すように、本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００は、音線解析部２３の代わりに、音線長算出部２６を備える点が、上記第１の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００の構成と異なる。
【００８１】
音線長算出部２６は、ＣＴＤ６により計測された基準時刻での水温Ｔm0及び塩分Ｓm0に基づいて、基準時刻での断面平均音速ｃm0を算出し、時間情報算出部２１で算出された基準時刻でのトランスデューサ２Ａ、２Ｂ間の平均伝播時間ｔm0とに基づいて、音線長Ｌ0を（＝ｃm0×ｔm0）算出する。
【００８２】
平均情報算出部２４は、音線長算出部２６で算出された音線長Ｌ0に基づいて、時刻ｔmにおける断面平均音速ｃm及び断面平均流速ｕmを、上記第１の実施形態と同様にして算出する。
【００８３】
本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００は、音線解析により音線長を求めるのが困難なときに好適である。例えば、洪水の観測を、水門や橋などからトランスデューサ２Ａ、２Ｂを下ろして使うときなどに特に好適である。
【００８４】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００８５】
図５には、本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００の構成が示されている。図５に示すように、音響トモグラフィー計測システム１００は、閾値算出部２７を備えている点が、上記第１の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００と異なる。
【００８６】
閾値算出部２７は、音線解析部２３によって算出された音線長Ｌと、ＣＴＤ６により計測された基準時刻での水温Ｔ0及び塩分Ｓ0から求まる基準時刻での断面平均音速ｃm0とに基づいて平均伝播時間ｔm0（＝Ｌ／ｃm0）を算出する。さらに、閾値算出部２７は、算出された平均伝播時間ｔm0を用いて、時系列データ作成部２０Ａ、２０Ｂから入力した相関波形に基づいて、下流のトランスデューサ２Ａで受信される音波の相関波形のピークの立ち下がりと、上流のトランスデューサ２Ｂで受信される音波の相関波形のピークの立ち下がりとの関係に基づいて、閾値ＣCを決定する（図３（Ｃ）参照）。
【００８７】
より具体的には、図６（Ａ）に示すように、平均伝播時間ｔm0を基準として、マイナス方向に時間ｄｔだけずらしたときの下流のトランスデューサ２Ａで受信される音波の相関波形のピークの立ち下がりの値と、プラス方向に時間ｄｔだけずらしたときの上流のトランスデューサ２Ｂで受信される音波の相関波形のピークの立ち下がりの値とが同じ値となる時間ｄｔ（＝Δｔ／２）を探索する。図６（Ｂ）には、両者の値が同じ値となったときの時間ｄｔが示されている。閾値算出部２７は、図６（Ｂ）に示すように、そのときの相関波形の値を閾値ＣCとして決定する。
【００８８】
時間情報算出部２１は、閾値算出部２７によって決定された閾値ＣCを用いて、時刻ｔＡ、ｔＢを算出する。
【００８９】
本実施形態によれば、計測対象の河川１の横断面の水温Ｔ0や塩分Ｓ0に応じて閾値ＣCを決定することができるので、より高精度に、音波の平均伝播時間ｔmや、伝播時間差Δｔを求めることができる。
【００９０】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００９１】
図７には、本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００の構成が示されている。図７に示すように、音響トモグラフィー計測システム１００は、スパイク修正部２８を備えている点が、上記第１の実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００と異なる。
【００９２】
スパイク修正部２８は、物理量算出部２５によって算出された物理量（流量Ｑ、水温Ｔm、塩分Ｓm）の時系列データに含まれる異常値データ（スパイクデータ）をウェーブレット変換を行って検出する。続いて、スパイク修正部２８は、物理量の時系列データのうち、異常値データ（スパイクデータ）を除く他のデータに基づく統計モデルに対する異常値データ（スパイクデータ）の残差に基づいて異常値データを修正する。
【００９３】
図８には、スパイク修正部２８のメイン処理が示されている。スパイク修正部２８は、このメイン処理を所定の間隔で行う。
【００９４】
図８に示すように、スパイク修正部２８は、物理量算出部２５から出力された物理量の時系列データの読み出しを行う（ステップＳ１）。続いて、スパイク修正部２８は、スパイク検出処理のサブルーチンを行う（ステップＳ２）。続いて、スパイク修正部２８は、スパイク検出処理において、スパイクデータが検出されたか否かを判定する（ステップＳ３）。スパイクデータが検出されていた場合（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、スパイク修正部２８は、スパイクデータの検出結果を一時記憶する（ステップＳ４）。続いて、スパイク修正部２８は、スパイク置換処理のサブルーチンを行う（ステップＳ５）。スパイク置換処理実行後、スパイク修正部２８は、ステップＳ２に戻る。
【００９５】
このようにして、ステップＳ３においてスパイクデータが検出されないと判定されるまで、ステップＳ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５が繰り返される。
【００９６】
スパイクデータが検出されなかった場合（ステップＳ３；Ｎｏ）、スパイク修正部２８は、スパイクデータが修正された（又はスパイクデータが検出されなかった）物理量の時系列データを記憶し（ステップＳ６）、処理を終了する。
【００９７】
図９には、ステップＳ２のスパイク検出処理のサブルーチンが示されている。図９に示すように、スパイク修正部２８は、物理量の時系列データを読み出す（ステップＳ１１）。続いて、スパイク修正部２８は、読み出した物理量の時系列データが長期間のデータであるか否かを判定する（ステップＳ１２）。この判定が肯定されると（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、スパイク修正部２８は、物理量の時系列データから低周波成分を除去する（ステップＳ１４）。
【００９８】
続いて、スパイク修正部２８は、ウェーブレット変換用のフィルタを選択し（ステップＳ１５）、時系列データに対してウェーブレット変換を行う（ステップＳ１６）。続いて、スパイク修正部２８は、所定の演算を行って閾値を算出し（ステップＳ１７）、その閾値を用いてフィルタリング処理を行う（ステップＳ１８）。その後、スパイク修正部２８は、ウェーブレット変換されたデータに対してウェーブレット逆変換を行う（ステップＳ１９）。
【００９９】
続いて、スパイク修正部２８は、ウェーブレット逆変換により得られた物理量の時系列データと、元の物理量の時系列データとを比較することにより、スパイクデータの位置（スパイク位置）を検出し（ステップＳ２０）、スパイクデータ列の長さ（スパイク長）を検出する（ステップＳ２１）。
【０１００】
続いて、スパイク修正部２８は、スパイクデータ列前の正常値データ（正常値データ）のデータ長（正常値データ長）を検出する（ステップＳ２２）。そして、スパイク修正部２８は、これまでの検出結果を記憶する（ステップＳ２３）。ステップＳ２３実行後、スパイク修正部２８は、スパイク検出処理を終了する。
【０１０１】
図１０には、スパイク置換処理のサブルーチンが示されている。図１０に示すように、スパイク修正部２８は、スパイクデータ周辺の時系列データの読み出しを行う（ステップＳ３１）。続いて、スパイク修正部２８は、読み出した時系列データが長期間のデータであるか否かを判定する（ステップＳ３２）。この判定が肯定されれば（ステップＳ３２；Ｙｅｓ）、スパイク修正部２８は、そのスパイクデータ列前の正常値データを選択する（ステップＳ３３）。
【０１０２】
続いて、スパイク修正部２８は、選択された正常値データを用いて自己回帰モデル（ＡＲモデル）の６つのパラメータを推定する（ステップＳ３４）。続いて、スパイク修正部２８は、選択された正常値データを用いて条件付き最尤推定法を用いたモデル推定を行う（ステップＳ３５）。続いて、スパイク修正部２８は、選択された正常値データを用いてＡＩＣ（赤池情報量規準）による最適モデルを推定する（ステップＳ３６）。
【０１０３】
続いて、スパイク修正部２８は、ステップＳ３４、Ｓ３５、Ｓ３６でそれぞれ求められた統計モデルに対する、時系列データの残差の相関性をチェックし、残差の違いが所定の許容範囲であるか否かをテストする（ステップＳ３７）。さらに、スパイク修正部２８は、モデルの定常性をテストする（ステップＳ３８）。
【０１０４】
続いて、スパイク修正部２８は、選択されたデータが、ステップＳ３６、Ｓ３７の２つのテストに合格したか否かを判定する（ステップＳ３９）。
【０１０５】
両テストに合格していれば（ステップＳ３９；Ｙｅｓ）、スパイク修正部２８は、モデルエラー（残差）を算出し（ステップＳ４４）、そのモデルエラーに基づいてスパイクデータに置換されるべき予測値を算出する（ステップＳ４５）。そして、スパイク修正部２８は、スパイクデータを予測値に置換する（ステップＳ４６）。図１１には、短期的に変動する物理量について、スパイクデータ（異常値データ）が、予測値に修正される様子が模式的に示されている。
【０１０６】
続いて、スパイク修正部２８は、全ての物理量の時系列データの選択が終了したか否かを判定する（ステップＳ４７）。この判定が否定されると（ステップＳ４７；Ｎｏ）、スパイク修正部２８は、ステップＳ３１に戻る。
【０１０７】
スパイク修正部２８は、再び物理量の時系列データの部分的な読み出しを行い（ステップＳ３１）、読み出した時系列データが長期間のデータであるか否かを判定する（ステップＳ３２）。この判定が否定されれば（ステップＳ３２；Ｎｏ）、スパイク修正部２８は、正常値データに対して、３次多項式補間を行ってスパイクデータに置換されるべき補間値を求め（ステップＳ４２）、スパイクデータを補間値に置換する（ステップＳ４３）。その後、スパイク修正部２８は、全てのデータの選択が終了したか否かを判定する（ステップＳ４７）。この判定が否定されると（ステップＳ４７；Ｎｏ）、スパイク修正部２８は、ステップＳ３１に戻る。
【０１０８】
その後、ステップＳ３１→Ｓ３２→Ｓ３３→Ｓ３４→Ｓ３５→Ｓ３６→Ｓ３７→Ｓ３８と進み、ステップＳ３９での判定が否定された場合、スパイク修正部２８は、テスト失敗が初回であるか否かを判定する（ステップＳ４０）。テスト失敗が初回であれば（ステップＳ４０；Ｙｅｓ）、スパイク修正部２８は、正常値データをさらに追加選択し（ステップＳ４１）、ステップＳ３４に戻る。
【０１０９】
以降、データが追加された状態で、ステップＳ３４→Ｓ３５→Ｓ３６で３つのモデルが推定され、残差の相関性テストと、定常性テストが行われる（ステップＳ３８）。そして、両テスト合格判定が否定され（ステップＳ３９；Ｎｏ）、テスト失敗が初回でない場合（ステップＳ４０；Ｎｏ）、スパイク修正部２８は、正常値データに対して、３次多項式補間を行ってスパイクデータに置換されるべき補間値を求め（ステップＳ４２）、スパイクデータを補間値に置換する（ステップＳ４３）。その後、スパイク修正部２８は、全てのデータの選択が終了したか否かを判定する（ステップＳ４７）。
【０１１０】
このようにして、ステップＳ４７において全データが選択されたと判定されるまで、処理が繰り返され、全データが選択されたと判定されると（ステップＳ４７；Ｙｅｓ）、スパイク修正部２８は、スパイクデータが置換された物理量の時系列データを処理結果として記憶し（ステップＳ４８）、スパイク置換処理を終了する。
【０１１１】
このように、本実施形態によれば、求められた物理量の時系列データに含まれる異常値データを修正することができる。これにより、高精度な計測が可能になる。このようにすれば、例えば、流量Ｑ、水温Ｔm、塩分Ｓmの短期変動などを正確に検出することが可能となる。また、この方法は、取得されたデータが少ないため、異常値データをリジェクトすることが適切でない場合にも有効である。
【０１１２】
なお、本実施形態では、自己回帰（ＡＲ）モデル、条件付き最尤推定法によるモデル、ＡＩＣによるモデル等を、物理量の時系列データの統計モデルとして適用したが、これに限られず、カルマンフィルタによるモデルを適用してもよい。
【０１１３】
本実施形態に係る音響トモグラフィー計測システム１００は、例えば、塩水遡上のある感潮河川において、音波の伝播の双方向性が崩れ、双方のトランスデューサ２Ａ、２Ｂからそれぞれ得られる相関波形の相似でなくなるために発生するスパイクデータの低減に特に有効である。
【０１１４】
また、上記各実施形態では、時刻情報をＧＰＳ衛星からのものとした。このようにすれば、極めて正確に音波の伝播時間等を計測することができる。
【０１１５】
なお、上記実施の形態において、実行されるプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read-Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＭＯ（Magneto-Optical Disk）等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、そのプログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行するシステムを構成することとしてもよい。
【０１１６】
また、プログラムをインターネット等の通信ネットワーク上の所定のサーバ装置が有するディスク装置等に格納しておき、例えば、搬送波に重畳させて、ダウンロード等するようにしてもよい。
【０１１７】
また、上述の機能を、ＯＳ（Operating System）が分担して実現する場合又はＯＳとアプリケーションとの協働により実現する場合等には、ＯＳ以外の部分のみを媒体に格納して配布してもよく、また、ダウンロード等してもよい。
【０１１８】
なお、本発明は、上記実施の形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で実施の形態及び図面に変更を加えることができるのはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本発明は、流量、水温、塩分等の河川の横断面に関する物理量の計測に最適であり、特に、河口近くに塩分が入り交じった感潮域や、洪水時等における河川の物理量の計測に最適である。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 河川
２Ａ、２Ｂ トランスデューサ
２Ａ１、２Ｂ１ 送波部
２Ａ２、２Ｂ２ 受波部
３Ａ、３Ｂ 河岸
４Ａ、４Ｂ 送受信回路
５ 河川情報取得部
６ ＣＴＤ（コンダクティビティ・テンプラチャ・デプス・プロファイラ）
１０ ＧＰＳアンテナ
１１ 時刻管理部
１２ 送信制御部
１３ 送信回路部
１４ 受信回路部
１５ 受信制御部
２０Ａ、２０Ｂ 時系列データ作成部
２１ 時間情報算出部
２２ 閾値保持部
２３ 音線解析部
２４ 平均情報算出部
２５ 物理量算出部
２６ 音線長算出部
２７ 閾値算出部
２８ スパイク修正部
１００ 音響トモグラフィー計測システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の河岸側に設置された上流の音波送受信器と他方の河岸側に設置された下流の音波送受信器との間で送受信される指向性のない音波によって河川の横断面に関する物理量を計測する音響トモグラフィー計測システムであって、
前記各音波送受信器から前記音波が送信された時刻を基準とする、前記各音波送受信器において受信される前記音波から復調されるデータと所定のデータとの相関波形に基づいて、前記音波送受信器間における前記音波の伝播時間に関する情報を算出する時間情報算出部と、
前記上流の音波送受信器と前記下流の音波送受信器との間で送受信される前記音波の経路の長さである音線長と、前記時間情報算出部によって算出された前記伝播時間に関する情報とに基づいて、前記河川の横断面における断面平均音速及び断面平均流速との少なくとも一方の情報を算出する平均情報算出部と、
前記平均情報算出部によって算出された情報に基づいて、前記河川の横断面に関する物理量を算出する物理量算出部と、
を備える音響トモグラフィー計測システム。
【請求項２】
前記時間情報算出部は、
前記音波の伝播時間に関する情報として、前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間と、前記音波送受信器間における音波の伝播時間差とを算出し、
前記平均情報算出部は、
前記音線長と、前記平均伝播時間と、前記伝播時間差とに基づいて、前記断面平均流速を算出し、
前記物理量算出部は、
前記断面平均流速に対して前記横断面の断面積を乗算することにより、前記横断面の流量を前記物理量として算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項３】
前記時間情報算出部は、
前記音波の伝播時間に関する情報として、前記音波送受信器間における前記音波の平均伝播時間を算出し、
前記平均情報算出部は、
前記音線長から、前記平均伝播時間を除算することにより、前記断面平均音速を算出し、
前記物理量算出部は、
前記断面平均音速、塩分、水温及び水深の間の関係式を用いて、塩分及び水温のいずれかを前記物理量として算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項４】
前記横断面の測量情報と水温と塩分の分布から求まる前記横断面の音速分布とに基づいて、音線解析を行うことにより、前記音線長を算出する音線解析部をさらに備え、
前記平均情報算出部は、
前記音線解析部で算出された前記音線長に基づいて、前記断面平均音速及び前記断面平均流速の少なくとも一方を算出する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項５】
コンダクティビティ・テンプラチャ・デプス・プロファイラ（ＣＴＤ）により計測される水温、塩分に基づいて基準時刻での前記断面平均音速を算出し、前記断面平均音速と、前記基準時刻での前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間とに基づいて、前記音線長を算出する音線長算出部をさらに備え、
前記平均情報算出部は、
前記音線長算出部で算出された前記音線長に基づいて、前記断面平均音速及び前記断面平均流速の少なくとも一方を算出する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項６】
前記時間情報算出部は、
前記上流の音波送受信器から前記音波が発せられてから、前記下流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりにおいて閾値に達するまでの第１の時間と、
前記下流の音波送受信器から前記音波が発せられてから、前記上流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりにおいて前記閾値に達するまでの第２の時間と、を求め、
前記第１の時間と前記第２の時間との平均を、前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間として算出し、
前記第１の時間と前記第２の時間との差を、前記音波送受信器間における音波の伝播時間差として算出する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項７】
前記横断面の測量情報と、水温と塩分の分布から求まる前記横断面の音速分布とに基づいて、音線解析を行うことにより、前記音線長を算出する音線解析部と、
前記音線解析部によって算出された前記音線長と、コンダクティビティ・テンプラチャ・デプス・プロファイラ（ＣＴＤ）により計測される水温及び塩分から求まる基準時刻での前記断面平均音速とに基づいて、前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間を算出し、算出された前記平均伝播時間と、前記下流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりと、前記上流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりとの関係に基づいて、前記閾値を決定する閾値算出部をさらに備え、
前記時間情報算出部は、
前記閾値算出部によって決定された前記閾値を用いて、前記第１、第２の時間を算出する、
ことを特徴とする請求項６に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項８】
前記物理量算出部によって算出された前記物理量の時系列データに含まれる異常値データをウェーブレット変換を行って検出し、
前記物理量の時系列データのうち、異常値データを除く他のデータに基づく統計モデルに対する前記異常値データの残差に基づいて前記異常値データを修正するスパイク修正部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項９】
前記時間情報算出部は、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に基づいて、前記音波の伝播時間に関する情報を算出する、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項１０】
前記所定のデータは、Ｍ系列法により生成された疑似乱数から構成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項１１】
一方の河岸側に設置された上流の音波送受信器と他方の河岸側に設置された下流の音波送受信器との間で送受信される指向性のない音波によって河川の横断面に関する物理量を計測する音響トモグラフィー計測方法であって、
前記各音波送受信器から前記音波が送信された時刻を基準とする、前記各音波送受信器において受信される前記音波から復調されるデータと所定のデータとの相関波形に基づいて、前記音波送受信器間における前記音波の伝播時間に関する情報を算出する時間情報算出工程と、
前記上流の音波送受信器と前記下流の音波送受信器との間で送受信される前記音波の経路の長さである音線長と、前記時間情報算出工程において算出された前記伝播時間に関する情報とに基づいて、前記河川の横断面における断面平均音速及び断面平均流速との少なくとも一方の情報を算出する平均情報算出工程と、
前記平均情報算出工程において算出された情報に基づいて、前記河川の横断面に関する物理量を算出する物理量算出工程と、
を含む音響トモグラフィー計測方法。
【請求項１】
一方の河岸側に設置された上流の音波送受信器と他方の河岸側に設置された下流の音波送受信器との間で送受信される指向性のない音波によって河川の横断面に関する物理量を計測する音響トモグラフィー計測システムであって、
前記各音波送受信器から前記音波が送信された時刻を基準とする、前記各音波送受信器において受信される前記音波から復調されるデータと所定のデータとの相関波形に基づいて、前記音波送受信器間における前記音波の伝播時間に関する情報を算出する時間情報算出部と、
前記上流の音波送受信器と前記下流の音波送受信器との間で送受信される前記音波の経路の長さである音線長と、前記時間情報算出部によって算出された前記伝播時間に関する情報とに基づいて、前記河川の横断面における断面平均音速及び断面平均流速との少なくとも一方の情報を算出する平均情報算出部と、
前記平均情報算出部によって算出された情報に基づいて、前記河川の横断面に関する物理量を算出する物理量算出部と、
を備える音響トモグラフィー計測システム。
【請求項２】
前記時間情報算出部は、
前記音波の伝播時間に関する情報として、前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間と、前記音波送受信器間における音波の伝播時間差とを算出し、
前記平均情報算出部は、
前記音線長と、前記平均伝播時間と、前記伝播時間差とに基づいて、前記断面平均流速を算出し、
前記物理量算出部は、
前記断面平均流速に対して前記横断面の断面積を乗算することにより、前記横断面の流量を前記物理量として算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項３】
前記時間情報算出部は、
前記音波の伝播時間に関する情報として、前記音波送受信器間における前記音波の平均伝播時間を算出し、
前記平均情報算出部は、
前記音線長から、前記平均伝播時間を除算することにより、前記断面平均音速を算出し、
前記物理量算出部は、
前記断面平均音速、塩分、水温及び水深の間の関係式を用いて、塩分及び水温のいずれかを前記物理量として算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項４】
前記横断面の測量情報と水温と塩分の分布から求まる前記横断面の音速分布とに基づいて、音線解析を行うことにより、前記音線長を算出する音線解析部をさらに備え、
前記平均情報算出部は、
前記音線解析部で算出された前記音線長に基づいて、前記断面平均音速及び前記断面平均流速の少なくとも一方を算出する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項５】
コンダクティビティ・テンプラチャ・デプス・プロファイラ（ＣＴＤ）により計測される水温、塩分に基づいて基準時刻での前記断面平均音速を算出し、前記断面平均音速と、前記基準時刻での前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間とに基づいて、前記音線長を算出する音線長算出部をさらに備え、
前記平均情報算出部は、
前記音線長算出部で算出された前記音線長に基づいて、前記断面平均音速及び前記断面平均流速の少なくとも一方を算出する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項６】
前記時間情報算出部は、
前記上流の音波送受信器から前記音波が発せられてから、前記下流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりにおいて閾値に達するまでの第１の時間と、
前記下流の音波送受信器から前記音波が発せられてから、前記上流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりにおいて前記閾値に達するまでの第２の時間と、を求め、
前記第１の時間と前記第２の時間との平均を、前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間として算出し、
前記第１の時間と前記第２の時間との差を、前記音波送受信器間における音波の伝播時間差として算出する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項７】
前記横断面の測量情報と、水温と塩分の分布から求まる前記横断面の音速分布とに基づいて、音線解析を行うことにより、前記音線長を算出する音線解析部と、
前記音線解析部によって算出された前記音線長と、コンダクティビティ・テンプラチャ・デプス・プロファイラ（ＣＴＤ）により計測される水温及び塩分から求まる基準時刻での前記断面平均音速とに基づいて、前記音波送受信器間における音波の平均伝播時間を算出し、算出された前記平均伝播時間と、前記下流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりと、前記上流の音波送受信器で受信される前記音波の相関波形のピークの立ち下がりとの関係に基づいて、前記閾値を決定する閾値算出部をさらに備え、
前記時間情報算出部は、
前記閾値算出部によって決定された前記閾値を用いて、前記第１、第２の時間を算出する、
ことを特徴とする請求項６に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項８】
前記物理量算出部によって算出された前記物理量の時系列データに含まれる異常値データをウェーブレット変換を行って検出し、
前記物理量の時系列データのうち、異常値データを除く他のデータに基づく統計モデルに対する前記異常値データの残差に基づいて前記異常値データを修正するスパイク修正部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項９】
前記時間情報算出部は、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に基づいて、前記音波の伝播時間に関する情報を算出する、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項１０】
前記所定のデータは、Ｍ系列法により生成された疑似乱数から構成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の音響トモグラフィー計測システム。
【請求項１１】
一方の河岸側に設置された上流の音波送受信器と他方の河岸側に設置された下流の音波送受信器との間で送受信される指向性のない音波によって河川の横断面に関する物理量を計測する音響トモグラフィー計測方法であって、
前記各音波送受信器から前記音波が送信された時刻を基準とする、前記各音波送受信器において受信される前記音波から復調されるデータと所定のデータとの相関波形に基づいて、前記音波送受信器間における前記音波の伝播時間に関する情報を算出する時間情報算出工程と、
前記上流の音波送受信器と前記下流の音波送受信器との間で送受信される前記音波の経路の長さである音線長と、前記時間情報算出工程において算出された前記伝播時間に関する情報とに基づいて、前記河川の横断面における断面平均音速及び断面平均流速との少なくとも一方の情報を算出する平均情報算出工程と、
前記平均情報算出工程において算出された情報に基づいて、前記河川の横断面に関する物理量を算出する物理量算出工程と、
を含む音響トモグラフィー計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−９８０９３（Ｐ２０１２−９８０９３Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４４６７３（Ｐ２０１０−２４４６７３）
【出願日】平成２２年１０月２９日（２０１０．１０．２９）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２９日（２０１０．１０．２９）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
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