JP3786205B2 - レーダ波浪観測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーダのシークラッタ信号を収集し、フーリエ変換処理を施して、波長、波速、波向、波高等の波浪の特性を観測するレーダ波浪観測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、パルスレーダを使用して、海面からのレーダ反射信号を利用して波浪の特性、例えば波長、波速、波向、波高等を測定することが行われている。
【０００３】
連続する多数枚（例、３２枚）のレーダ画像を３次元フーリエ変換し、その変換結果に波の理論式（分散関係式）を適用することによって、雑音を除去して、本来の波に関する３次元スペクトラムを抽出し、抽出された３次元スペクトラムを用いて、波長、波速、波向、波高等の波浪情報を算出することが非特許文献１に示されている。
【０００４】
また、連続する２スキャンのレーダ画像から２次元クロススペクトルを求め、そのスペクトルを波の理論式（波速関係式）によりフィルタリングして、波長、波速、波向、波高等の波浪情報を算出することが特許文献１に示されている。
【０００５】
【非特許文献１】
［ESTIMATION OF SEA STATE DIRECTIONAL SPECTRA BY USING MARINE RADAR IMAGING OF SEA SURFACE］,Proceedings of ETCE/OMAE 2000 February14-17,2000,NewOrleans,LA
【特許文献１】
特開２００３−２１６８０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の特許文献１や非特許文献１のレーダ波浪測定装置では、その演算によって得られる波高が、その測定海域の状態等によっては、参照とする波高を測定する波高測定装置（例えば、超音波波高計）で測定した波高との差が大きくなる現象が生じることがあった。
【０００７】
そこで、本発明は、海面からのレーダ反射信号からレーダ画像を得て、そのレーダ画像を演算処理して波高を含む波浪情報を算出する波浪演算処理器の波高（以下、演算波高）を、その波浪演算処理器から得られる他の波浪情報や、別の波浪観測装置等からの他の波浪情報などを利用して、参照とする超音波波高計等で測定した波高（以下、参照波高）に近づけるように波高補正処理を行って、観測される波高（以下、観測波高；補正波高）の精度を向上したレーダ波浪観測装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るレーダ波浪観測装置は、海面からのレーダ反射信号からレーダ画像を得て、そのレーダ画像をフーリエ変換し、その変換結果に波の理論式を適用することによって、波に関するスペクトラムを抽出し、抽出されたスペクトラムを用いて、波向情報、波高情報を含む波浪情報を算出する波浪演算処理器と、前記波浪演算処理器から所定方向を基準として順次出力される波向情報に基づいて、この波向情報の変化量を表す波向変化信号を得る波向変化信号導出手段、前記波浪演算処理器から順次出力される波高情報に応じた波高信号を、前記波向変化信号に応じて、その波向変化信号が小さいときに高くなり、その波向変化信号が大きいときに低くなるように演算して出力する補正演算手段、を含んで構成される波高補正処理器と、を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１に記載されたレーダ波浪観測装置において、
前記波高補正処理器は、さらに、前記補正演算手段からの出力を所定期間だけ平均して補正波高を得る補正波高平均化手段を有し、
前記波向変化信号導出手段は、前記波向変化信号として、前記波向情報の所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号を得るものであり、
前記補正演算手段は、前記波高信号を、前記平均化波向変化信号に応じて、その平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１、２に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記補正演算手段は、前記回帰補正手段として、それぞれ回帰係数の異なる複数の回帰補正手段を持ち、
さらに、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報と波速情報とを受けて、波長情報に基づく理論波速と波速情報との比から海面反射検出信号を得る海面反射検出手段、この海面反射検出信号と前記波向変化信号が入力され、海面反射検出信号を所定範囲を定める閾値と比較し、且つ前記波向変化信号を所定閾値と比較し、それらの比較結果に対応した選択指令信号を出力する比較手段、この選択指令信号が入力され、前記複数の回帰補正手段の出力を前記選択指令信号に応じて切り替えて出力する切替手段、を持つ選択手段を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１乃至３に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記補正演算手段は、前記波向変化信号の最大・最小を制限する角度リミッタと、この角度リミッタで制限された前記波向変化信号に所定のべき指数を与えて波向補正係数を導出する、べき乗手段、前記波高信号を前記波向補正係数で除算する除算手段と、この除算手段の除算出力を回帰補正して出力する前記回帰補正手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係るレーダ波浪観測装置は、海面からのレーダ反射信号からレーダ画像を得て、そのレーダ画像をフーリエ変換し、その変換結果に波の理論式を適用することによって、波に関するスペクトラムを抽出し、抽出されたスペクトラムを用いて、波向情報、波高情報を含む波浪情報を算出する波浪演算処理器と、前記波浪演算処理器から所定方向を基準として順次出力される波向情報に基づいて、この波向情報の変化量を表す波向変化信号を得る波向変化信号導出手段、
波長の大きさを表す波長補正係数を得る波長信号導出手段、
前記波浪演算処理器から順次出力される波高情報に応じた波高信号を、前記波向変化信号に応じて、その波向変化信号が小さいときに高くなり、その波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を前記波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算して出力する補正演算手段、を含んで構成される波高補正処理器と、を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係るレーダ波浪観測装置は、請求項５に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報に基づいて前記波長補正係数を得るものであることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に係るレーダ波浪観測装置は、請求項６に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波高補正処理器は、さらに、前記補正演算手段からの出力を所定期間だけ平均して補正波高を得る補正波高平均化手段を有し、
前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報に基づいて前記波長補正係数を得るものであり、
前記波向変化信号導出手段は、前記波向変化信号として、前記波向情報の所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号を得るものであり、
前記補正演算手段は、前記波高信号を、前記平均化波向変化信号に応じて、その平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を前記波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項８に係るレーダ波浪観測装置は、請求項７に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記補正演算手段は、前記回帰補正手段としての第１回帰補正手段と、この第１回帰補正手段の回帰係数とは異なる回帰係数を持ち、前記波高信号を前記平均化波向変化信号に応じて演算した演算結果を回帰補正する第２回帰補正手段を持ち、
さらに、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報と波速情報とを受けて、波長情報に基づく理論波速と波速情報との比から海面反射検出信号を得る海面反射検出手段、この海面反射検出信号と前記波向変化信号が入力され、海面反射検出信号を所定範囲を定める閾値と比較し、且つ前記波向変化信号を所定閾値と比較し、それらの比較結果が所定範囲内で且つ所定閾値以下であるときに前記第１回帰補正手段を選択し、それ以外の場合に前記第２回帰補正手段を選択するための選択指令信号を出力する比較手段、この選択指令信号が入力され、前記第１及び第２回帰補正手段の出力を前記選択指令信号に応じて切り替えて出力する切替手段、を持つ選択手段を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載されたレーダ波浪観測装置は、請求項７、８に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報から得た波長補正係数の少なくとも上限値を制限する波長リミッタとを有しており、
前記補正演算手段は、前記波向変化信号の最大・最小を制限する角度リミッタと、この角度リミッタで制限された前記波向変化信号に所定のべき指数を与えて波向補正係数を導出する、べき乗手段と、前記波高信号を前記波向補正係数で除算する除算手段と、この除算手段の除算出力に前記波長信号導出手段からの制限された前記波長補正係数を乗算する乗算手段と、この乗算手段の乗算出力を回帰補正して出力する前記第１回帰補正手段と、前記除算手段の除算出力を回帰補正して出力する前記第２回帰補正手段とを有することを特徴とする。
【００１７】
請求項１０に係るレーダ波浪観測装置は、請求項５に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波長信号導出手段は、外部から入力される周期情報に基づいて前記波長補正係数を得るものであることを特徴とする。
【００１８】
請求項１１に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１０に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波高補正処理器は、さらに、前記補正演算手段からの出力を所定期間だけ平均して補正波高を得る補正波高平均化手段を有し、
前記波長信号導出手段は、前記周期情報を所定の変換式にしたがって変換して前記波長補正係数を得るものであり、
前記波向変化信号導出手段は、前記波向変化信号として、前記波向情報の所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号を得るものであり、
前記補正演算手段は、前記波高信号を、前記平均化波向変化信号に応じて、その平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を前記波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項１２に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１１に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波長信号導出手段は、前記周期情報を所定の変換式にしたがって前記波長補正係数に変換する周期／波長変換手段と、この周期／波長変換手段からの前記波長補正係数の少なくとも上限値を制限して出力する波長リミッタとを有しており、
前記補正演算手段は、前記波向変化信号の最大・最小を制限する角度リミッタと、この角度リミッタで制限された前記波向変化信号に所定のべき指数を与えて波向補正係数を導出する、べき乗手段と、前記波高信号を前記波向補正係数で除算する除算手段と、この除算手段の除算出力に前記波長信号導出手段からの制限された前記波長補正係数を乗算する乗算手段と、この乗算手段の乗算出力を回帰補正して出力する前記回帰補正手段と、を有することを特徴とする。
【００２０】
請求項１３に係るレーダ波浪観測装置は、請求項５に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報に基づいて得られる波長補正係数と、外部から入力される周期情報に基づいて得られる波長補正係数のいずれかを選択して出力するものであることを特徴とする。
【００２１】
請求項１４に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１３に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波高補正処理器は、さらに、前記補正演算手段からの出力を所定期間だけ平均して補正波高を得る補正波高平均化手段を有し、
前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報から得た波長補正係数と、前記周期情報を所定の変換式にしたがって変換して得た波長補正係数とのいずれかを選択して出力するものであり、
前記波向変化信号導出手段は、前記波向変化信号として、前記波向情報の所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号を得るものであり、
前記補正演算手段は、前記波高信号を、前記平均化波向変化信号に応じて、その平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を前記波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する、ことを特徴とする。
【００２２】
請求項１５に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１４に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記補正演算手段は、前記回帰補正手段としての第１回帰補正手段と、この第１回帰補正手段の回帰係数とは異なる回帰係数を持ち、前記波高信号を前記平均化波向変化信号に応じて演算した演算結果を回帰補正する第２回帰補正手段を持ち、
さらに、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報と波速情報とを受けて、波長情報に基づく理論波速と波速情報との比から海面反射検出信号を得る海面反射検出手段、この海面反射検出信号と前記波向変化信号が入力され、海面反射検出信号を所定範囲を定める閾値と比較し、且つ前記波向変化信号を所定閾値と比較し、それらの比較結果が所定範囲内で且つ所定閾値以下であるときに前記第１回帰補正手段を選択し、それ以外の場合に前記第２回帰補正手段を選択するための選択指令信号を出力する比較手段、この選択指令信号が入力され、前記第１及び第２回帰補正手段の出力を前記選択指令信号に応じて切り替えて出力する切替手段を持つとともに、前記波長信号導出手段が前記周期情報を所定の変換式にしたがって変換して得た波長補正係数を選択している場合には前記第１補正回帰手段を選択するようにされている選択手段を有することを特徴とする。
【００２３】
請求項１６に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１４、１５に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波長信号導出手段は、前記周期情報を所定の変換式にしたがって波長補正係数に変換する周期／波長変換手段と、前記波長情報から得た波長補正係数と前記周期／波長変換手段からの波長補正係数が入力され、切替信号に応じてそれらの波長補正係数の一方を選択して出力する切替手段と、この切替手段からの前記波長補正係数の少なくとも上限値を制限して出力する波長リミッタとを有しており、
前記補正演算手段は、前記波向変化信号の最大・最小を制限する角度リミッタと、この角度リミッタで制限された前記波向変化信号に所定のべき指数を与えて波向補正係数を導出する、べき乗手段と、前記波高信号を前記波向補正係数で除算する除算手段と、この除算手段の除算出力に前記波長信号導出手段からの制限された前記波長補正係数を乗算する乗算手段と、この乗算手段の乗算出力を回帰補正して出力する前記第１回帰補正手段と、前記除算手段の除算出力を回帰補正して出力する前記第２回帰補正手段とを有することを特徴とする。
【００２４】
請求項１７に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１乃至１６に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波向変化信号導出手段は、前記波向情報を順次受けて、所定期間の前記波向情報の平均値を出力する第１波向平均処理手段と、この第１波向平均処理手段の平均値出力と最新の前記波向情報との差を採る減算手段と、この減算手段の出力を絶対値に変換する絶対値変換手段と、この絶対値変換手段の出力を受け、０度から１８０度未満のものはそのまま通過させ、１８０度以上から３６０度未満のものは３６０度から差し引いて出力させる波向１８０度処理手段と、この波向１８０度処理手段の出力を所定期間だけ平均して、前記平均化波向変化信号を出力する波向平均処理手段とを有することを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るレーダ波浪観測装置の全体構成を示す図である。図２は、本発明に用いる波浪演算処理器のブロック図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る波高補正処理器のブロック構成図である。図４は、波向平均処理方法を説明する図であり、図５は、波向１８０度処理を説明する図である。
【００２６】
本発明のレーダ波浪観測装置は、図１のように、船舶用のパルスレーダ１０で得た海面反射信号に基づいて波向情報Ｗｄ、波高情報Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃの波浪情報を演算により得る波浪演算処理器２０と、演算により得た波高情報Ｗｈを波向情報Ｗｄ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃを用いて補正して補正波高Ｗｈｃを得る波高補正処理器３０とから、構成されている。このパルスレーダ１０は、陸上や船舶に搭載され、波浪を観測すべき海域を照射する。４０は、補正波高Ｗｈｃやその他の情報を表示したり記憶したりする出力装置である。なお、この波浪演算処理器２０と波高補正処理器３０の各手段、各回路は、個別の回路構成で説明するが、コンピュータを使用してソフトウエア処理により同様に実現することができる。
【００２７】
図２の波浪演算処理器２０において、レーダ信号集録手段２１は、レーダ１０で取得したレーダデータを連続する２スキャン分記録する。このレーダデータは、受信した海面反射信号を増幅・検波して、必要な距離分解能に合致した周期でサンプリングし、Ａ／Ｄ変換されている。以下、波向情報Ｗｄ、波高情報Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃを、単に波向Ｗｄ、波高Ｗｈ、波長Ｗｌ、波速Ｗｖｃと称することもある。
【００２８】
レーダ干渉検出手段２２では、レーダ信号集録手段２１に記録されたレーダデータが、他のレーダやレーダビーコンなどの他の電波源による電波干渉を受けていないかどうかを検出する。干渉をうけている場合には、そのスキャンのレーダデータを廃棄し、干渉を受けていない連続する２スキャンのレーダデータが、２次元演算手段２３に供給されるようにする。
【００２９】
このレーダ干渉検出手段２２における電波干渉の有無は、種々の検出方法があるが、１つの方法としてデータのレベルが通常レベルを超えている場合に干渉と見なすことができる。例えば、極座標の距離方向のデータを加算し、通常の信号レベルを超えている場合に、干渉とする。通常の信号レベルとは、例えば８ビットのＡ／Ｄ変換器を使用している場合には、０〜２５５の値をとるが、６４近辺の値とする。
【００３０】
２次元演算手段２３では、電波干渉を受けていない連続する２スキャンのレーダデータを受けて、まず、近距離ほど受信レベルが大きいので距離方向の強度補正を行い、レーダデータを極座標から直交座標に座標変換する。なお、海面の監視範囲を決めるために、レーダデータを例えば正方形状（辺の長さＤ）に切り出す。この切り出しは、座標変換時でもよく、またそれ以前に行ってもよい。
【００３１】
座標変換されたレーダデータを、スキャン毎に２次元フーリエ変換（以後、２次元ＦＦＴ、とする）し、２次元のフーリエ変換値Ｆ（ｋ，ｌ）を得る。
【００３２】
【式１】
ここで、ｆ（ｎ，ｍ）はレーダデータ、Ｆ（ｋ，ｌ）は空間スペクトルである。また、ｎ，ｍは座標値、ｋ，ｌは波数を表す。
【００３３】
次に、連続するスキャンのレーダデータに対する２次元ＦＦＴ値間のクロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）を求める。
【００３４】
【式２】
【００３５】
次に、この２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の各ポイント毎の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを算出する。各ポイントのクロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）は、複素数で表現されるから、その実数部をＲｅ、虚数部をＩｍとすると、式（３）、式（４）で表される。
【００３６】
【式３】
【００３７】
【式４】
となる。なお、ａｔａｎは、アークタンジェントを表す。
【００３８】
このようにして、連続する２スキャンのレーダデータに対する２次元ＦＦＴ値間のクロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）及びその振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを求める。
【００３９】
平均化手段２４では、２次元演算手段２３から供給される２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の各ポイント毎の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを所定回数Ｎ（例えば３２回）だけ加算し除算して、振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφの平均値を求める。この平均化の処理は、連続する２スキャンのデータを入力しながら処理が行われるので、電波干渉がない場合にはＮ＋１スキャンのデータを平均することになる。この平均化により、振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφの２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）毎の値のばらつきが吸収されるから、以後の演算・解析が安定して行われることになる。
【００４０】
波浪スペクトル推算手段２５では、まず、平均化された２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）から振幅スペクトルＳａのピーク値を求める。このピーク点の位相スペクトルＳφに対応する位相をφとすると、計算波速Ｗｖｃは、式（５）により求められる。
【００４１】
【式５】
但し、Ｄは辺の長さ、ｋ、ｌは二次元クロススペクトル上の波数、Ｔはレーダのスキャン時間である。
【００４２】
一方、波の性質から、波の理論式である波速関係式により決定される理論波速Ｗｖｔ は、式（６）により、求められる。
【００４３】
【式６】
但し、Ｗｌは、波長である。
【００４４】
なお、この理論波速を決める波速関係式は、次のようにして求められる。一般に波の分散関係式は、式（７）で表される。
【００４５】
【式７】
ここで、ｄは水深、ｋｖは波数ベクトル、Ｕは表面の流れである。水深が深くなるとｔａｎｈ（）の項はなくなり、Ｕ＝０の場合は、分散関係式は、式（８）になる。
【００４６】
【式８】
この分散関係式ωに、波速の一般式Ｗｖｔ ＝ω／ｋｖを適用し、ωを消去すると、ｋｖ＝２π／Ｗｌ だから、式（６）が求められる。
【００４７】
このように、一方では、計算波速Ｗｖｃが、ピーク点の振幅スペクトルに対応する位相スペクトルＳφ、その二次元クロススペクトル上の波数により計算され、他方では、理論波速Ｗｖｔ が波長、言い換えれば二次元クロススペクトル上の波数により計算される。
【００４８】
したがって、ピーク点の振幅スペクトル及びそれに対応する位相スペクトルＳφが本来の波によるものであるか、或いは雑音によるものであるかは、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に整合するか否かによって、決定することができる。この整合の程度は、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に対して例えば±１０％以内の差であれば、整合していると判定する。このときの計算波速Ｗｖｃが、求める波速となる。なお、フィルタリングの結果、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に整合しなかった場合には、そのときの振幅スペクトル及び位相スペクトルは、本来の波のものではないので利用されない。
【００４９】
この結果、計算により求められた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφは、波浪スペクトル推算手段２５でフィルタリングされ、本来の波の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφが出力され、シーステート解析手段２６に供給される。
【００５０】
シーステート解析手段２６では、波浪スペクトル推算手段２５でフィルタリングされた本来の波の位相スペクトルＳφについて、そのピーク値周辺±Ｌの座標内で重心を求め、その位相スペクトルの重心から、波長Ｗｌ及び波向Ｗｄをそれぞれ、式（９）、式（１０）により求める。
【００５１】
【式９】
【００５２】
【式１０】
【００５３】
さらに対応する位相スペクトルＳφに基づいて波速Ｗｖｃを波毎に、例えば振幅スペクトルＳａの大きい波について算出する。
【００５４】
また、波浪スペクトル推算手段２５でフィルタリングされる前の振幅スペクトルＳａの総和Ｗを算出し、シーステート解析手段２６で２次元クロススペクトルの振幅スペクトルＳａのピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓを算出し、予め求めておいた回帰係数Ａ，Ｂに基づく回帰式により、波高値Ｗｈを、Ｗｈ＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ／（Ｗ−Ｓ）｝により求める。波が複数である場合には、それぞれ各ピーク点のポイント及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓ１，Ｓ２・・・を算出し、各波高値を、計算式Ｗｈ１＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝、計算式Ｗｈ２＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝・・・、により求める。この波浪演算処理器２０として、特許文献１に開示されたレーダ波浪測定装置を用いることができる。
【００５５】
次に、図１の波高補正処理器３０において、波浪演算処理器２０で求められた波向情報Ｗｄ、波高情報Ｗｈ（以後、演算波高情報Ｗｈ）、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃが入力され、演算波高情報Ｗｈの補正処理を行って、補正された波高Ｗｈｃ（以後、補正波高Ｗｈｃ）を出力する。
【００５６】
この図１の波高補正処理器３０における、演算波高情報Ｗｈの補正処理は、超音波波高計等による参照波高と演算波高情報Ｗｈとの差が大きくなる現象と、その他の波浪情報（波向情報Ｗｄ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃ）との関連を発見したことに基づいて行われている。
【００５７】
超音波波高計は、海底から海面に向かって超音波パルスを発信し、パルスが海面で反射して戻ってくるまでの経過時間を距離に換算して、海面の高さを測定して、参照波高を得る。参照波高を得るための波高計としては、超音波波高計に限らず、他の波高計、例えば、容量式／抵抗式波高計、レーザ式／電波式波高計等、を用いることができる。
【００５８】
演算波高情報Ｗｈの補正処理は、具体的には、波浪情報（波向情報Ｗｄ、演算波高情報Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃ）の取得と並行して、参照波高の測定を長期間にわたって行い、参照波高と演算波高Ｗｈ等とを比較した。その比較によれば、参照波高と演算波高Ｗｈとがほぼ一致する場合もあるが、全体としてみれば参照波高が高いときに演算波高Ｗｈが参照波高に相応して高くならず、参照波高が低いときに演算波高Ｗｈが参照波高に相応して低くならない傾向があることや、波向情報Ｗｄの変化が参照波高の変化と対応しており、波向情報Ｗｄの変化が少ないときに参照波高が高く、波向情報Ｗｄの変化が大きいときに参照波高が低くなり、波向情報Ｗｄの変化が参照波高に対して大きい相関を持っていること等が、発見された。
【００５９】
また、波長情報Ｗｌが参照波高に対応しており、波長情報Ｗｌが大きいときに参照波高が高く、波長情報Ｗｌが小さいときに参照波高が低くなりやすく、波長情報Ｗｌも参照波高に対して大きい相関を持っていることも、発見された。
【００６０】
本発明のレーダ波浪観測装置は、このような波浪情報（波向情報Ｗｄ、演算波高情報Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃ）と参照波高との関連や、さらに、波長情報Ｗｌや波速情報Ｗｖｃに基づく海面反射の状態を利用して、演算波高を、参照波高に近づけるように波高補正処理を行って、観測波高の精度を向上したものである。
【００６１】
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る波高補正処理器３０の構成を示すブロック図である。
【００６２】
図３において、波高補正処理器３０には、波浪演算処理器２０から波向情報Ｗｄ、演算波高Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃが、所定時間毎（例えば、２分間隔）に入力される。
【００６３】
波向変化信号導出手段３１は、波向情報Ｗｄを順次受けて、この波向情報Ｗｄの所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号ΔＷｄａｖを得る。
【００６４】
この波向変化信号導出手段３１を、図３とともに、図４、図５を参照して説明する。第１平均処理回路３０１は、２分間隔で入力される波向情報Ｗｄの１５個のデータを移動平均して出力する。その時々の最新の平均出力ができるように、移動平均に使うデータは過去１４個のデータとそのときのデータ１個である。
【００６５】
この第１平均処理回路３０１での平均化処理は、０度から３６０度に亘る角度データをベクトル合成で行う。波向情報Ｗｄの角度θｄを、Ｙ軸を基準角度０度として、Ｘ軸成分とＹ軸成分に分け、Ｘ軸側をｓｉｎ（θｄ）、Ｙ軸側をｃｏｓ（θｄ）とする。連続的に得られる平均処理に使用する１５個の波向情報の角度θｄから得る、各Ｘ軸成分を加算して加算値ΣＸを得、各Ｙ軸成分を加算して加算値ΣＹを得る。この加算値ΣＸ、ΣＹから合成角度θｇ（＝ａｔａｎ（ΣＹ／ΣＸ））を得る。この合成角度θｇは、図示されていないが、加算値ΣＸ、ΣＹの正負によって、種々の象限に存在することになる。なお、ａｔａｎは、アークタンジェントを表す。また、加算値ΣＸが０になったときは演算エラーを防止するために、正の０に近い値、例えば０．０００００１に置き換える。
【００６６】
波向情報の平均した角度θｄａｖを得るために、合成角度θｇを得た加算値ΣＸの極性が正であれば、角度θｄａｖ＝９０度−θｇとし、その加算値ΣＸの極性が負であれば、角度θｄａｖ＝２７０度−θｇとする。この処理を、新しい波向情報Ｗｄの入力毎に行うことで、移動平均処理とする。
【００６７】
この第１平均処理回路３０１での移動平均処理を、図４を参照して具体例で説明する。この移動平均処理は１５個の波向情報Ｗｄについて行われるが、説明を簡単にするために、ここでは２個の波向情報Ｗｄ１、Ｗｄ２の場合を例にする。２個の波向情報Ｗｄ１、Ｗｄ２の角度θｄ１、θｄ２を、３０度及び３１０度とする。
【００６８】
角度θｄ１のＸ軸成分ｘ１＝ｓｉｎ（３０）＝０．５、Ｙ軸成分ｙ１＝ｃｏｓ（３０）＝０．８６６０２５であり、角度θｄ２のＸ軸成分ｘ２＝ｓｉｎ（３１０）＝−０．７６６０４４、Ｙ軸成分ｙ２＝ｃｏｓ（３１０）＝０．６４２７８８である。加算値ΣＸ、ΣＹを用いて、合成角度θｇを求めると、θｇ＝ａｔａｎ（ΣＹ／ΣＸ）＝ａｔａｎ（１．５０８８１３／−０．２６６０４４）＝−８０度、となる。このときの加算値ΣＸの極性は負であるから、平均した波向情報Ｗｄａｖの角度θｄａｖは、３５０度（＝２７０度−（−８０度））となる。
【００６９】
減算回路３０２で、そのときの波向情報Ｗｄの角度θｄから平均角度θｄａｖを減算して、波向変化値を得る。その波向変化値は、角度で示されるが、減算回路３０２での減算処理によって正負の両極性になっているので、次の波向１８０度処理のために絶対値変換回路３０３で絶対値の角度に変換する。
【００７０】
波向１８０度処理回路３０４では、２分間隔で得られる波向変化値をその角度値に関係なく、連続的に数値処理できるように、波向変化値を１８０度内に納めるための角度変換処理を行う。この角度変換処理は、図５に示すように、波向１８０度処理回路３０４に入力される波向変化値が、０度以上から１８０度未満の範囲はそのまま出力し、１８０度以上から３６０度未満の範囲では（３６０度−波向変化値）に変換して、第２平均処理回路３０５に出力する。この波向１８０度処理によって、波向変化値が０度から３６０度側へ、あるいは３６０度側から０度側へ変化する場合にも、第２平均処理回路３０５での平均処理を容易に行うことができる。
【００７１】
第２平均処理回路３０５は、波向１８０度処理回路３０４から入力される波向変化値を移動平均する。この移動平均は、過去の２９個の波向変化値と最新の１個の波向変化値を平均するものであり、ばらつきを抑えその時々の最新の平均値を、平均化波向変化信号ΔＷｄａｖとして出力する。
【００７２】
補正演算手段３２は、演算波高情報Ｗｈを、平均化波向変化信号ΔＷｄａｖに応じて、その平均化波向変化信号ΔＷｄａｖが小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号ΔＷｄａｖが大きいときに低くなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する。補正演算手段３２は、角度リミッタ３０６、べき乗回路３０７、除算回路３０８、第１回帰補正回路３０９、第２回帰補正回路３１０を有している。
【００７３】
角度リミッタ３０６は、入力される平均化波向変化信号ΔＷｄａｖを、その後の処理のために、大きくなりすぎたりあるいは小さくなりすぎることがないように一定範囲内に制限する。この角度リミッタの制限値は、例えば上限値が５０°、下限値を３°とする。
【００７４】
べき乗回路３０７は、角度リミッタを通過した平均化波向変化信号ΔＷｄａｖを所定のべき指数βでべき乗し、波向補正係数Ａｃを出力する。長期間にわたっての観測結果によると、波向変化と超音波波高計等による参照波高とは、波向変化を所定のべき指数βでべき乗した場合に相関がよくなり、相関係数が高くなることが確認された。べき乗回路３０７によるべき乗処理は、波向変化と参照波高との相関係数が高くなることに基づいている。このべき指数は、０．４〜１未満でよく、１つの実施例としては０．５〜０．７が特に好適であった。
【００７５】
除算回路３０８では、演算波高情報Ｗｈを、べき乗回路３０７からの波向補正係数Ａｃで除算する。本発明において、この除算は、長期間にわたって行った観測結果により、全体としてみれば参照波高が高いときに演算波高情報Ｗｈが参照波高に相応して高くならず、参照波高が低いときに演算波高情報Ｗｈが参照波高に相応して低くならない傾向があることと、波向情報Ｗｄの変化が参照波高の変化と対応しており、波向情報Ｗｄの変化が少ないときに参照波高が高く、波向情報Ｗｄの変化が大きいときに参照波高が低くなり、波向情報Ｗｄの変化が参照波高に対して大きい相関を持っていることの発見に基づいて、行われている。
【００７６】
この除算回路３０８での除算結果（＝Ｗｈ／Ａｃ）を、更に参照波高に合わせるように、回帰補正手段によって、回帰処理を行う。この実施の形態では、回帰補正手段として、一次回帰処理（ｙ＝ａｘ＋ｂ）を行う第１回帰補正回路３０９と第２回帰補正回路３１０を設けている。この第１、第２回帰補正回路３０９、３１０の回帰係数ａ，ｂは異なる係数ａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２に設定されている。それらの回帰係数は、海面反射状態や、波向変化状況別に応じて観測に基づいて決定されている。この例では、２つの回帰補正回路を設けているが、その他の数の回帰補正回路を設けてもよい。
【００７７】
選択手段３３は、第１、第２回帰補正回路３０９，３１０の出力を、海面反射状態や、波向変化状況に応じて切り替えて出力するものである。この選択手段は、切替回路３１１と、海面反射検出回路３１３と、比較器３１４を有している。
【００７８】
海面反射検出回路３１３は、波浪演算処理器２０から出力される波長情報Ｗｌと波速情報Ｗｖｃとを受けて、波長情報Ｗｌに基づく理論波速Ｗｖｔ（式６を参照）と波速情報Ｗｖｃとの比から海面反射検出信号Ｓｉを得る。この海面反射信号Ｓｉは、海面反射が強いときには小さくなって数値１に近い値を示し、海面反射が弱くなるほど大きな数値（例えば、２５）を示すようになる。なお、この海面反射検出信号Ｓｉの形成手法については、特許第２，５９７，０２７号に記載されている。
【００７９】
比較器３１４は、海面反射検出信号Ｓｉと平均化波向変化信号ΔＷｄａｖが入力される。そして、海面反射検出信号Ｓｉを所定範囲を定める２つの所定閾値（例えば、０．９〜１．２）と比較し、且つ絶対値にされている平均化波向変化信号ΔＷｄａｖを所定閾値（例えば、０．０７、但し前段階で１／１００に処理している）と比較する。海面反射検出信号Ｓｉが所定範囲内（２つの閾値の間）にあり、且つ平均化波向変化信号ΔＷｄａｖが所定閾値以下であるときに、第１回帰補正回路３０９の出力を選択するように、切替回路３１１に選択信号を印加する。それ以外のときは、第２回帰補正回路３１０の出力を選択する。
【００８０】
即ち、波向変化が少なく、かつ海面反射が強いときに第１回帰補正回路３０９の出力が補正波高として用いられる。波向変化が大きいときや、海面反射が弱いときに第２回帰補正回路３１０の出力が補正波高として用いられる。第１、第２回帰補正回路３０９、３１０の回帰係数は、実測データに基づいてそのような波浪状態に合致するような係数に設定されている。
【００８１】
そして、補正波高平均化手段である第３平均処理回路３１２は、第１、第２回帰補正回路３０９、３１０で回帰補正され、切替回路３１１で選択された出力を所定期間だけ平均して補正波高Ｗｈｃを得る。この第３平均処理回路３１２は、２分間隔で入力される回帰補正された１５個のデータを移動平均する。得られた補正波高Ｗｈｃを、出力装置４０へ出力する。
【００８２】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る波高補正処理器３０Ａの構成を示すブロック図である。この第２の実施の形態においては、図３の第１の実施の形態におけるように波向情報Ｗｄの変化に応じて演算波高Ｗｈを補正することに加えて、波長Ｗｌに応じて補正する手段を付加することにより、さらに補正波高の精度を向上するものである。このことは、長い期間での実測データに基づいて、波長Ｗｌが参照波高に対応しており、波長Ｗｌが大きいときに参照波高が高く、波長Ｗｌが小さいときに参照波高が低くなり、波長Ｗｌも参照波高に対して大きい相関を持っていることが確認されたことに基づいている。
【００８３】
図６において、波高補正処理器３０Ａには、図３と同様に、波浪演算処理器２０から波向情報Ｗｄ、演算波高Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃが、所定時間毎（例えば、２分間隔）に入力される。
【００８４】
図６の波高補正処理器３０Ａにおいては、除算回路３０８での除算出力を、乗算回路３１５による乗算処理を行ってから、第１回帰補正回路３０９に供給している点と、乗算回路３１５に乗算係数として供給する波長補正係数Ｌｃを発生するための波長信号導出手段３４とを備えている。その他の構成は、図３の波高補正処理器３０と同様であるので、対応する構成要素には同じ符号を付して再度の説明を省略する。
【００８５】
図６において、波長信号導出手段３４は、波浪演算処理器２０からの波長情報Ｗｌが入力され、これを波長リミッタ３１８で最大及び最小を規定値に制限して補正の効き方を調停した波長補正係数Ｌｃを導出し、この波長補正係数Ｌｃを乗算回路３１５に供給する。
【００８６】
この波長リミッタ３１８は、最大のみを規定するものでもよく、その最大の既定値は波がうねり波になったときの誤差を避けるようにするために例えば１２０ｍ（係数として１．２）とする。最小の既定値は必ずしも設ける必要はないが、演算上の安全などのために、設定してもよい（例えば１ｍ、係数として０．０１）。
【００８７】
なお、波長補正係数Ｌｃは実際には、波長情報Ｗｌに所定の係数を乗じているが、この係数は第１回帰補正回路３０９での回帰係数に吸収できるので、ここでは煩雑さを避けるために省略している。
【００８８】
波長補正係数Ｌｃで補正された乗算回路３１５の出力は、第１回帰補正回路３０９で回帰補正される。この第１回帰補正回路３０９での回帰式とその回帰係数は、当然に波長補正された値に適合したものとなっている。この回帰式は、やはり一次回帰式（ｙ＝ａ＋ｂｘ）を用いることができる。また、除算回路３０８の出力は直接に第２回帰補正回路３１０に供給される。
【００８９】
波長情報Ｗｌの精度が良好であるときには、波向き補正係数Ａｃ及び波長補正係数Ｌｃによる補正を行った第１回帰補正回路３０９の出力を採用し、波長情報Ｗｌの精度が得られない状況のときには、波向き補正係数Ａｃのみによる補正を行った第２回帰補正回路３０９の出力を採用する。
【００９０】
その選択は、比較器３１４の出力に応じて、切替回路３１１の切替により行われる。したがって、良好な海面反射が得られ波長の精度が良いかどうかの判断は、図３におけると同様に海面反射検出回路３１３からの海面反射検出信号Ｓｉと平均化波向き変化信号Ｗｄａｖにしたがって行われる。
【００９１】
このように、波高補正処理器３０Ａでは、補正演算手段３２において、波浪演算処理器２０から順次出力される演算波高情報Ｗｈを、平均波向変化信号ΔＷｄａｖに応じて、その平均波向変化信号ΔＷｄａｖが小さいときに高くなり、その平均波向変化信号ΔＷｄａｖが大きいときに低くなるように演算する。さらにこの演算された結果を波長補正係数Ｌｃに応じて、その波長補正係数Ｌｃが大きいときに大きくなり、その波長補正係数Ｌｃが小さいときに小さくなるように演算して出力する。
【００９２】
したがって、演算波高情報Ｗｈにそれぞれ相関を有する波向き補正係数Ａｃ及び波長補正係数Ｌｃで順次補正されるから、波高補正処理器３０Ａから出力される補正波高Ｗｈｃの精度はさらに向上される。
【００９３】
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る波高補正処理器３０Ｂの構成を示すブロック図である。この第３の実施の形態においては、図６の第２の実施の形態におけると同様に、波向情報Ｗｄの変化に応じて演算波高Ｗｈを補正することに加えて、波長情報Ｗｌに応じて補正する手段を付加することにより、さらに補正波高の精度を向上するものである。
【００９４】
この図７の第３の形態においては、波長補正係数Ｌｃを得るための波長に関する情報を、波浪演算処理器２０からの波長情報Ｗｌに代えて、別の観測装置などからの周期情報Ｗｔに基づいて得るようにしている。
【００９５】
周期情報Ｗｔは波長との間に特定の変換式に従う関係があるから、周期情報Ｗｔが海面反射の状態などに影響されずに継続して精度よく安定に得られれば、波向き補正係数Ａｃ及び波長補正係数Ｌｃでの順次補正を常に行えるから、波高補正処理器３０Ｂから精度の向上した補正波高Ｗｈｃが継続して得られる。
【００９６】
図７において、波高補正処理器３０Ｂには、図３や図６とは異なり、波浪演算処理器２０から波向情報Ｗｄ、演算波高情報Ｗｈが、所定時間毎（例えば、２分間隔）に入力されるとともに、図８のように、別に設けられた波浪周期入力装置５０からの周期情報Ｗｔが入力される。なお、図８では、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃも波高補正処理器３０Ｂに入力されるように表現されているが、これは次の実施の形態の説明にも兼用させるためのものである。
【００９７】
図７の波高補正処理器３０Ｂにおいては、除算回路３０８での除算出力を、乗算回路３１５による乗算処理を行ってから、第１回帰補正回路３０９に供給しており、また、乗算回路３１５に乗算係数として供給する波長補正係数Ｌｃを発生するための波長信号導出手段３４を備えている。
【００９８】
図７において、波長信号導出手段３４は、周期情報Ｗｔが入力され、周期／波長変換回路３１６で入力された周期情報Ｗｔを波長情報Ｗｌに変換する。この周期情報Ｗｔから波長情報Ｗｌへの変換は、変換式「Ｗｌ＝１．５６Ｗｔ２」にしたがって行う。この変換式は、波に関する変換式として知られており、淵秀隆、松本次男、斉藤晃著「海の波」、地人書館、Ｐ３、に記載されている。変換された波長情報Ｗｌは波長リミッタ３１８で最大及び最小を規定値に制限して補正の効き方を調停した波長補正係数Ｌｃを導出し、この波長補正係数Ｌｃを乗算回路３１５に供給する。
【００９９】
周期情報Ｗｔを得る波浪周期入力装置５０は、精度よく周期情報Ｗｔが得られる観測装置であればよい。例えば、レーダ１０との組み合わせ（セット）で考えるならば、レーダ１０の近傍に設置されたペンシルビームを照射し反射波を受信するレーダを用いる。ペンシルビームによる反射波の時間的変化を用いて、波の周期情報を得ることができる。また、海面にブイを浮かべ、そのブイに搭載した速度計や加速度計のデータを用いて、波の周期情報を得ることができる。
【０１００】
また、波浪周期入力装置５０は、目視観測によって得た周期情報Ｗｔを出力するようにしてもよい。目視による波浪周期観測は、見分けやすい水面の泡や浮遊物などを目標とし、その目標物が始めの波の山から次の波の山に来るまでの時間を測ることによって得られる。周期は通常一定の値を持っていることはほとんどないのではっきりした大きめの波をいくつか（普通は１０〜２０波）選んで観測し、その平均値を採る。
【０１０１】
図７の波高補正処理器３０Ｂでは、周期情報Ｗｔが外部から継続して得られるから、図６の選択手段３３は不要であり、また第２回帰補正回路３１０も削除できる。その他の構成は、図３や図６の波高補正処理器３０、３０Ａと同様であるので、対応する構成要素には同じ符号を付して再度の説明を省略する。
【０１０２】
したがって、図７の波高補正処理器３０Ｂでは、乗算回路３１５は、除算回路３０８からの信号、即ち演算波高情報Ｗｈを波向き補正係数Ａｃで除算し波向き補正された信号を、波長補正係数Ｌｃでさらに補正する。したがって、演算波高情報Ｗｈにそれぞれ相関を有する波向き補正係数Ａｃ及び波長補正係数Ｌｃで、常時順次補正するから、波高補正処理器３０Ａから精度が向上された補正波高Ｗｈｃが常に継続して得られる。
【０１０３】
図９は、本発明の第４の実施の形態に係る波高補正処理器３０Ｃの構成を示すブロック図である。この第４の実施の形態においては、図６の第２の実施の形態における波高補正処理器３０Ａに、外部から周期情報Ｗｔが得られる場合にも対応できるように、構成したものである。即ち、図６の波長信号導出手段３４に図８の第３の実施の形態における周期／波長変換回路３１６と切替回路３１７を設けたものである。
【０１０４】
その切替回路３１７は、外部から周期情報Ｗｔが得られる場合には周期／波長変換回路３１６で変換された波長情報を通過させ、周期情報Ｗｔが得られない場合には波長情報Ｗｌを通過させる。どちらを通過させるかの切替は、切替信号ＣＳによって行える。変換された波長情報を通過させるとき切替回路３１１は第１回帰補正回路３０９の出力を選択する。このように選択されるように、切替信号ＣＳによって図のように比較器３１４を制御したり、切替回路３１１を直接切り替えるようにする。
【０１０５】
切替回路３１７、切替回路３１１の切替以外の構成は、図６及び図７の波高補正処理器３０Ａ、３０Ｂにおける構成と同様である。
【０１０６】
したがって、図９の波高補正処理器３０Ｃでは、波向き補正係数Ａｃで除算され波向き補正された信号を、波浪演算処理器２０からの波長情報Ｗｌに基づく波長補正係数Ｌｃでさらに補正して、補正波高Ｗｈｃの精度はさらに向上される。そして、外部から波長周期情報Ｗｔが得られる場合には、波長補正係数Ｌｃで常時補正するから、精度が向上された補正波高Ｗｈｃが常に継続して得られる。
【０１０７】
また、波浪演算処理器２０として、図１０の波浪演算処理器を用いることができる。この図１０の波浪演算処理器は、レーダ１０で海面反射信号を取得し、レーダ信号集録手段６１に連続する多数スキャン（例えば、３２スキャン）のレーダ信号を記録する。次に、３次元ＦＦＴ手段６２で３２スキャン分のレーダ信号を極座標から直角座標に変換し、３次元ＦＦＴ処理を行い、３次元スペクトラムＩ（ｋ、ω）を得る。次に、波浪スペクトル推算手段６３において、計算された３次元スペクトラムＩ（ｋ、ω）を、波の理論式である分散関係式ω２＝ｇｋに当てはめることによりフィルタリングし、雑音を除去して、本来の波に関する３次元スペクトラムＦ（ｋ、ω）だけを抽出する。そして、シーステート解析手段６４で、抽出された３次元スペクトラムＦ（ｋ、ω）を用いて、波向情報Ｗｄ、波高情報Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃの波浪情報を算出する。この波浪演算処理器２０として、非特許文献１に開示されたレーダ波浪測定装置を用いることができる。
【０１０８】
【発明の効果】
本発明のレーダ波浪観測装置によれば、レーダの海面反射信号から波浪演算処理して得た演算波高を、他の波浪演算処理結果（波向、波長、波速）を利用して補正し、超音波波高計等で測定した参照波高に精度良く合わせることができる。これにより、防波堤、護岸、海岸堤防等の構造物設計や船舶の安全並びに効率的運用等に寄与するとともに、海上管制などの有効な運用が可能になる。
【０１０９】
また、波向変化値が、波高値に対する相関が大きいことに基づいて、演算波高を、平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力するから、精度の良い観測波高値を得ることが出来る。
【０１１０】
また、補正演算手段は、回帰係数の異なる複数の回帰補正手段を持ち、海面反射検出信号及び波向変化信号の大きさに応じて、適切な回帰補正手段を選択するから、海面の状況により適した波高補正を行うことが出来る。
【０１１１】
演算波高を、波向変化信号が小さいときに高くなり、その波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算して出力する。これにより、演算波高にそれぞれ相関を有する波向き補正係数及び波長補正係数で順次補正されるから、波高補正処理器から出力される補正波高の精度はさらに向上される。
【０１１２】
また、波高の補正を他の周辺機器を必要とせず、レーダ波浪観測装置を安価に構成でき、その設置も容易になる。また、周期情報を他の装置や目視観測によって得られる場合には、より精度の向上した補正波高を海面の状態によらす、継続して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーダ波浪観測装置の全体構成を示す図。
【図２】本発明に用いる波浪演算処理器のブロック図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る波高補正処理器のブロック図。
【図４】波向平均処理方法を説明ずる図。
【図５】波向１８０度処理を説明する図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る波高補正処理器のブロック図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る波高補正処理器のブロック図。
【図８】本発明のレーダ波浪観測装置の他の全体構成を示す図。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係る波高補正処理器のブロック図。
【図１０】本発明に用いる、他の波浪演算処理器のブロック図。
【符号の説明】
１０ レーダ
２０ 波浪演算処理器
２１ レーダ信号集録手段
２２ レーダ干渉検出手段
２３ ２次元演算手段
２４ 平均化手段
２５ 波浪スペクトル推算手段
２６ シーステート解析手段
３０ 波高補正処理器
３１ 波向変化信号導出手段
３０１ 第１平均処理回路
３０２ 減算回路
３０３ 絶対値変換回路
３０４ 波向１８０度処理回路
３０５ 第２平均処理回路
３２ 補正演算手段
３０６ 角度リミッタ
３０７ べき乗回路
３０８ 除算回路
３０９ 第１回帰補正回路
３１０ 第２回帰補正回路
３１５ 乗算回路
３３ 選択手段
３１１ 切替回路
３１２ 第３平均処理回路
３１３ 海面反射検出回路
３１４ 比較器
３４ 波長信号導出手段
３１６ 周期／波長変換回路
３１７ 切替回路
３１８ 波長リミッタ
４０ 出力装置
５０ 波浪周期入力装置
６１ レーダ信号集録手段
６２ ３次元ＦＦＴ手段
６３ 波浪スペクトル推算手段
６４ シーステート解析手段
Ｗｄ 波向情報
Ｗｈ 波高情報
Ｗｌ 波長情報
Ｗｖｃ 波速情報
Ｗｈｃ 補正波高
Ｗｔ 周期情報
ΔＷｄａｖ 平均化波向変化信号
Ａｃ 波向補正係数
Ｓｉ 海面反射検出信号
Ａｃ 波向補正係数
Ｌｃ 波長補正係数
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーダのシークラッタ信号を収集し、フーリエ変換処理を施して、波長、波速、波向、波高等の波浪の特性を観測するレーダ波浪観測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、パルスレーダを使用して、海面からのレーダ反射信号を利用して波浪の特性、例えば波長、波速、波向、波高等を測定することが行われている。
【０００３】
連続する多数枚（例、３２枚）のレーダ画像を３次元フーリエ変換し、その変換結果に波の理論式（分散関係式）を適用することによって、雑音を除去して、本来の波に関する３次元スペクトラムを抽出し、抽出された３次元スペクトラムを用いて、波長、波速、波向、波高等の波浪情報を算出することが非特許文献１に示されている。
【０００４】
また、連続する２スキャンのレーダ画像から２次元クロススペクトルを求め、そのスペクトルを波の理論式（波速関係式）によりフィルタリングして、波長、波速、波向、波高等の波浪情報を算出することが特許文献１に示されている。
【０００５】
【非特許文献１】
［ESTIMATION OF SEA STATE DIRECTIONAL SPECTRA BY USING MARINE RADAR IMAGING OF SEA SURFACE］,Proceedings of ETCE/OMAE 2000 February14-17,2000,NewOrleans,LA
【特許文献１】
特開２００３−２１６８０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の特許文献１や非特許文献１のレーダ波浪測定装置では、その演算によって得られる波高が、その測定海域の状態等によっては、参照とする波高を測定する波高測定装置（例えば、超音波波高計）で測定した波高との差が大きくなる現象が生じることがあった。
【０００７】
そこで、本発明は、海面からのレーダ反射信号からレーダ画像を得て、そのレーダ画像を演算処理して波高を含む波浪情報を算出する波浪演算処理器の波高（以下、演算波高）を、その波浪演算処理器から得られる他の波浪情報や、別の波浪観測装置等からの他の波浪情報などを利用して、参照とする超音波波高計等で測定した波高（以下、参照波高）に近づけるように波高補正処理を行って、観測される波高（以下、観測波高；補正波高）の精度を向上したレーダ波浪観測装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るレーダ波浪観測装置は、海面からのレーダ反射信号からレーダ画像を得て、そのレーダ画像をフーリエ変換し、その変換結果に波の理論式を適用することによって、波に関するスペクトラムを抽出し、抽出されたスペクトラムを用いて、波向情報、波高情報を含む波浪情報を算出する波浪演算処理器と、前記波浪演算処理器から所定方向を基準として順次出力される波向情報に基づいて、この波向情報の変化量を表す波向変化信号を得る波向変化信号導出手段、前記波浪演算処理器から順次出力される波高情報に応じた波高信号を、前記波向変化信号に応じて、その波向変化信号が小さいときに高くなり、その波向変化信号が大きいときに低くなるように演算して出力する補正演算手段、を含んで構成される波高補正処理器と、を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１に記載されたレーダ波浪観測装置において、
前記波高補正処理器は、さらに、前記補正演算手段からの出力を所定期間だけ平均して補正波高を得る補正波高平均化手段を有し、
前記波向変化信号導出手段は、前記波向変化信号として、前記波向情報の所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号を得るものであり、
前記補正演算手段は、前記波高信号を、前記平均化波向変化信号に応じて、その平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１、２に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記補正演算手段は、前記回帰補正手段として、それぞれ回帰係数の異なる複数の回帰補正手段を持ち、
さらに、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報と波速情報とを受けて、波長情報に基づく理論波速と波速情報との比から海面反射検出信号を得る海面反射検出手段、この海面反射検出信号と前記波向変化信号が入力され、海面反射検出信号を所定範囲を定める閾値と比較し、且つ前記波向変化信号を所定閾値と比較し、それらの比較結果に対応した選択指令信号を出力する比較手段、この選択指令信号が入力され、前記複数の回帰補正手段の出力を前記選択指令信号に応じて切り替えて出力する切替手段、を持つ選択手段を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１乃至３に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記補正演算手段は、前記波向変化信号の最大・最小を制限する角度リミッタと、この角度リミッタで制限された前記波向変化信号に所定のべき指数を与えて波向補正係数を導出する、べき乗手段、前記波高信号を前記波向補正係数で除算する除算手段と、この除算手段の除算出力を回帰補正して出力する前記回帰補正手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係るレーダ波浪観測装置は、海面からのレーダ反射信号からレーダ画像を得て、そのレーダ画像をフーリエ変換し、その変換結果に波の理論式を適用することによって、波に関するスペクトラムを抽出し、抽出されたスペクトラムを用いて、波向情報、波高情報を含む波浪情報を算出する波浪演算処理器と、前記波浪演算処理器から所定方向を基準として順次出力される波向情報に基づいて、この波向情報の変化量を表す波向変化信号を得る波向変化信号導出手段、
波長の大きさを表す波長補正係数を得る波長信号導出手段、
前記波浪演算処理器から順次出力される波高情報に応じた波高信号を、前記波向変化信号に応じて、その波向変化信号が小さいときに高くなり、その波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を前記波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算して出力する補正演算手段、を含んで構成される波高補正処理器と、を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係るレーダ波浪観測装置は、請求項５に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報に基づいて前記波長補正係数を得るものであることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に係るレーダ波浪観測装置は、請求項６に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波高補正処理器は、さらに、前記補正演算手段からの出力を所定期間だけ平均して補正波高を得る補正波高平均化手段を有し、
前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報に基づいて前記波長補正係数を得るものであり、
前記波向変化信号導出手段は、前記波向変化信号として、前記波向情報の所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号を得るものであり、
前記補正演算手段は、前記波高信号を、前記平均化波向変化信号に応じて、その平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を前記波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項８に係るレーダ波浪観測装置は、請求項７に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記補正演算手段は、前記回帰補正手段としての第１回帰補正手段と、この第１回帰補正手段の回帰係数とは異なる回帰係数を持ち、前記波高信号を前記平均化波向変化信号に応じて演算した演算結果を回帰補正する第２回帰補正手段を持ち、
さらに、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報と波速情報とを受けて、波長情報に基づく理論波速と波速情報との比から海面反射検出信号を得る海面反射検出手段、この海面反射検出信号と前記波向変化信号が入力され、海面反射検出信号を所定範囲を定める閾値と比較し、且つ前記波向変化信号を所定閾値と比較し、それらの比較結果が所定範囲内で且つ所定閾値以下であるときに前記第１回帰補正手段を選択し、それ以外の場合に前記第２回帰補正手段を選択するための選択指令信号を出力する比較手段、この選択指令信号が入力され、前記第１及び第２回帰補正手段の出力を前記選択指令信号に応じて切り替えて出力する切替手段、を持つ選択手段を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載されたレーダ波浪観測装置は、請求項７、８に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報から得た波長補正係数の少なくとも上限値を制限する波長リミッタとを有しており、
前記補正演算手段は、前記波向変化信号の最大・最小を制限する角度リミッタと、この角度リミッタで制限された前記波向変化信号に所定のべき指数を与えて波向補正係数を導出する、べき乗手段と、前記波高信号を前記波向補正係数で除算する除算手段と、この除算手段の除算出力に前記波長信号導出手段からの制限された前記波長補正係数を乗算する乗算手段と、この乗算手段の乗算出力を回帰補正して出力する前記第１回帰補正手段と、前記除算手段の除算出力を回帰補正して出力する前記第２回帰補正手段とを有することを特徴とする。
【００１７】
請求項１０に係るレーダ波浪観測装置は、請求項５に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波長信号導出手段は、外部から入力される周期情報に基づいて前記波長補正係数を得るものであることを特徴とする。
【００１８】
請求項１１に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１０に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波高補正処理器は、さらに、前記補正演算手段からの出力を所定期間だけ平均して補正波高を得る補正波高平均化手段を有し、
前記波長信号導出手段は、前記周期情報を所定の変換式にしたがって変換して前記波長補正係数を得るものであり、
前記波向変化信号導出手段は、前記波向変化信号として、前記波向情報の所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号を得るものであり、
前記補正演算手段は、前記波高信号を、前記平均化波向変化信号に応じて、その平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を前記波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項１２に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１１に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波長信号導出手段は、前記周期情報を所定の変換式にしたがって前記波長補正係数に変換する周期／波長変換手段と、この周期／波長変換手段からの前記波長補正係数の少なくとも上限値を制限して出力する波長リミッタとを有しており、
前記補正演算手段は、前記波向変化信号の最大・最小を制限する角度リミッタと、この角度リミッタで制限された前記波向変化信号に所定のべき指数を与えて波向補正係数を導出する、べき乗手段と、前記波高信号を前記波向補正係数で除算する除算手段と、この除算手段の除算出力に前記波長信号導出手段からの制限された前記波長補正係数を乗算する乗算手段と、この乗算手段の乗算出力を回帰補正して出力する前記回帰補正手段と、を有することを特徴とする。
【００２０】
請求項１３に係るレーダ波浪観測装置は、請求項５に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報に基づいて得られる波長補正係数と、外部から入力される周期情報に基づいて得られる波長補正係数のいずれかを選択して出力するものであることを特徴とする。
【００２１】
請求項１４に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１３に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波高補正処理器は、さらに、前記補正演算手段からの出力を所定期間だけ平均して補正波高を得る補正波高平均化手段を有し、
前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報から得た波長補正係数と、前記周期情報を所定の変換式にしたがって変換して得た波長補正係数とのいずれかを選択して出力するものであり、
前記波向変化信号導出手段は、前記波向変化信号として、前記波向情報の所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号を得るものであり、
前記補正演算手段は、前記波高信号を、前記平均化波向変化信号に応じて、その平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を前記波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する、ことを特徴とする。
【００２２】
請求項１５に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１４に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記補正演算手段は、前記回帰補正手段としての第１回帰補正手段と、この第１回帰補正手段の回帰係数とは異なる回帰係数を持ち、前記波高信号を前記平均化波向変化信号に応じて演算した演算結果を回帰補正する第２回帰補正手段を持ち、
さらに、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報と波速情報とを受けて、波長情報に基づく理論波速と波速情報との比から海面反射検出信号を得る海面反射検出手段、この海面反射検出信号と前記波向変化信号が入力され、海面反射検出信号を所定範囲を定める閾値と比較し、且つ前記波向変化信号を所定閾値と比較し、それらの比較結果が所定範囲内で且つ所定閾値以下であるときに前記第１回帰補正手段を選択し、それ以外の場合に前記第２回帰補正手段を選択するための選択指令信号を出力する比較手段、この選択指令信号が入力され、前記第１及び第２回帰補正手段の出力を前記選択指令信号に応じて切り替えて出力する切替手段を持つとともに、前記波長信号導出手段が前記周期情報を所定の変換式にしたがって変換して得た波長補正係数を選択している場合には前記第１補正回帰手段を選択するようにされている選択手段を有することを特徴とする。
【００２３】
請求項１６に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１４、１５に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波長信号導出手段は、前記周期情報を所定の変換式にしたがって波長補正係数に変換する周期／波長変換手段と、前記波長情報から得た波長補正係数と前記周期／波長変換手段からの波長補正係数が入力され、切替信号に応じてそれらの波長補正係数の一方を選択して出力する切替手段と、この切替手段からの前記波長補正係数の少なくとも上限値を制限して出力する波長リミッタとを有しており、
前記補正演算手段は、前記波向変化信号の最大・最小を制限する角度リミッタと、この角度リミッタで制限された前記波向変化信号に所定のべき指数を与えて波向補正係数を導出する、べき乗手段と、前記波高信号を前記波向補正係数で除算する除算手段と、この除算手段の除算出力に前記波長信号導出手段からの制限された前記波長補正係数を乗算する乗算手段と、この乗算手段の乗算出力を回帰補正して出力する前記第１回帰補正手段と、前記除算手段の除算出力を回帰補正して出力する前記第２回帰補正手段とを有することを特徴とする。
【００２４】
請求項１７に係るレーダ波浪観測装置は、請求項１乃至１６に記載されたレーダ波浪観測装置において、前記波向変化信号導出手段は、前記波向情報を順次受けて、所定期間の前記波向情報の平均値を出力する第１波向平均処理手段と、この第１波向平均処理手段の平均値出力と最新の前記波向情報との差を採る減算手段と、この減算手段の出力を絶対値に変換する絶対値変換手段と、この絶対値変換手段の出力を受け、０度から１８０度未満のものはそのまま通過させ、１８０度以上から３６０度未満のものは３６０度から差し引いて出力させる波向１８０度処理手段と、この波向１８０度処理手段の出力を所定期間だけ平均して、前記平均化波向変化信号を出力する波向平均処理手段とを有することを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るレーダ波浪観測装置の全体構成を示す図である。図２は、本発明に用いる波浪演算処理器のブロック図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る波高補正処理器のブロック構成図である。図４は、波向平均処理方法を説明する図であり、図５は、波向１８０度処理を説明する図である。
【００２６】
本発明のレーダ波浪観測装置は、図１のように、船舶用のパルスレーダ１０で得た海面反射信号に基づいて波向情報Ｗｄ、波高情報Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃの波浪情報を演算により得る波浪演算処理器２０と、演算により得た波高情報Ｗｈを波向情報Ｗｄ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃを用いて補正して補正波高Ｗｈｃを得る波高補正処理器３０とから、構成されている。このパルスレーダ１０は、陸上や船舶に搭載され、波浪を観測すべき海域を照射する。４０は、補正波高Ｗｈｃやその他の情報を表示したり記憶したりする出力装置である。なお、この波浪演算処理器２０と波高補正処理器３０の各手段、各回路は、個別の回路構成で説明するが、コンピュータを使用してソフトウエア処理により同様に実現することができる。
【００２７】
図２の波浪演算処理器２０において、レーダ信号集録手段２１は、レーダ１０で取得したレーダデータを連続する２スキャン分記録する。このレーダデータは、受信した海面反射信号を増幅・検波して、必要な距離分解能に合致した周期でサンプリングし、Ａ／Ｄ変換されている。以下、波向情報Ｗｄ、波高情報Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃを、単に波向Ｗｄ、波高Ｗｈ、波長Ｗｌ、波速Ｗｖｃと称することもある。
【００２８】
レーダ干渉検出手段２２では、レーダ信号集録手段２１に記録されたレーダデータが、他のレーダやレーダビーコンなどの他の電波源による電波干渉を受けていないかどうかを検出する。干渉をうけている場合には、そのスキャンのレーダデータを廃棄し、干渉を受けていない連続する２スキャンのレーダデータが、２次元演算手段２３に供給されるようにする。
【００２９】
このレーダ干渉検出手段２２における電波干渉の有無は、種々の検出方法があるが、１つの方法としてデータのレベルが通常レベルを超えている場合に干渉と見なすことができる。例えば、極座標の距離方向のデータを加算し、通常の信号レベルを超えている場合に、干渉とする。通常の信号レベルとは、例えば８ビットのＡ／Ｄ変換器を使用している場合には、０〜２５５の値をとるが、６４近辺の値とする。
【００３０】
２次元演算手段２３では、電波干渉を受けていない連続する２スキャンのレーダデータを受けて、まず、近距離ほど受信レベルが大きいので距離方向の強度補正を行い、レーダデータを極座標から直交座標に座標変換する。なお、海面の監視範囲を決めるために、レーダデータを例えば正方形状（辺の長さＤ）に切り出す。この切り出しは、座標変換時でもよく、またそれ以前に行ってもよい。
【００３１】
座標変換されたレーダデータを、スキャン毎に２次元フーリエ変換（以後、２次元ＦＦＴ、とする）し、２次元のフーリエ変換値Ｆ（ｋ，ｌ）を得る。
【００３２】
【式１】
【００３３】
次に、連続するスキャンのレーダデータに対する２次元ＦＦＴ値間のクロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）を求める。
【００３４】
【式２】
次に、この２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の各ポイント毎の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを算出する。各ポイントのクロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）は、複素数で表現されるから、その実数部をＲｅ、虚数部をＩｍとすると、式（３）、式（４）で表される。
【００３６】
【式３】
【式４】
【００３８】
このようにして、連続する２スキャンのレーダデータに対する２次元ＦＦＴ値間のクロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）及びその振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを求める。
【００３９】
平均化手段２４では、２次元演算手段２３から供給される２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の各ポイント毎の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを所定回数Ｎ（例えば３２回）だけ加算し除算して、振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφの平均値を求める。この平均化の処理は、連続する２スキャンのデータを入力しながら処理が行われるので、電波干渉がない場合にはＮ＋１スキャンのデータを平均することになる。この平均化により、振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφの２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）毎の値のばらつきが吸収されるから、以後の演算・解析が安定して行われることになる。
【００４０】
波浪スペクトル推算手段２５では、まず、平均化された２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）から振幅スペクトルＳａのピーク値を求める。このピーク点の位相スペクトルＳφに対応する位相をφとすると、計算波速Ｗｖｃは、式（５）により求められる。
【００４１】
【式５】
【００４２】
一方、波の性質から、波の理論式である波速関係式により決定される理論波速Ｗｖｔ は、式（６）により、求められる。
【００４３】
【式６】
【００４４】
なお、この理論波速を決める波速関係式は、次のようにして求められる。一般に波の分散関係式は、式（７）で表される。
【００４５】
【式７】
【００４６】
【式８】
【００４７】
このように、一方では、計算波速Ｗｖｃが、ピーク点の振幅スペクトルに対応する位相スペクトルＳφ、その二次元クロススペクトル上の波数により計算され、他方では、理論波速Ｗｖｔ が波長、言い換えれば二次元クロススペクトル上の波数により計算される。
【００４８】
したがって、ピーク点の振幅スペクトル及びそれに対応する位相スペクトルＳφが本来の波によるものであるか、或いは雑音によるものであるかは、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に整合するか否かによって、決定することができる。この整合の程度は、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に対して例えば±１０％以内の差であれば、整合していると判定する。このときの計算波速Ｗｖｃが、求める波速となる。なお、フィルタリングの結果、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に整合しなかった場合には、そのときの振幅スペクトル及び位相スペクトルは、本来の波のものではないので利用されない。
【００４９】
この結果、計算により求められた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφは、波浪スペクトル推算手段２５でフィルタリングされ、本来の波の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφが出力され、シーステート解析手段２６に供給される。
【００５０】
シーステート解析手段２６では、波浪スペクトル推算手段２５でフィルタリングされた本来の波の位相スペクトルＳφについて、そのピーク値周辺±Ｌの座標内で重心を求め、その位相スペクトルの重心から、波長Ｗｌ及び波向Ｗｄをそれぞれ、式（９）、式（１０）により求める。
【００５１】
【式９】
【式１０】
さらに対応する位相スペクトルＳφに基づいて波速Ｗｖｃを波毎に、例えば振幅スペクトルＳａの大きい波について算出する。
【００５４】
また、波浪スペクトル推算手段２５でフィルタリングされる前の振幅スペクトルＳａの総和Ｗを算出し、シーステート解析手段２６で２次元クロススペクトルの振幅スペクトルＳａのピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓを算出し、予め求めておいた回帰係数Ａ，Ｂに基づく回帰式により、波高値Ｗｈを、Ｗｈ＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ／（Ｗ−Ｓ）｝により求める。波が複数である場合には、それぞれ各ピーク点のポイント及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓ１，Ｓ２・・・を算出し、各波高値を、計算式Ｗｈ１＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝、計算式Ｗｈ２＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝・・・、により求める。この波浪演算処理器２０として、特許文献１に開示されたレーダ波浪測定装置を用いることができる。
【００５５】
次に、図１の波高補正処理器３０において、波浪演算処理器２０で求められた波向情報Ｗｄ、波高情報Ｗｈ（以後、演算波高情報Ｗｈ）、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃが入力され、演算波高情報Ｗｈの補正処理を行って、補正された波高Ｗｈｃ（以後、補正波高Ｗｈｃ）を出力する。
【００５６】
この図１の波高補正処理器３０における、演算波高情報Ｗｈの補正処理は、超音波波高計等による参照波高と演算波高情報Ｗｈとの差が大きくなる現象と、その他の波浪情報（波向情報Ｗｄ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃ）との関連を発見したことに基づいて行われている。
【００５７】
超音波波高計は、海底から海面に向かって超音波パルスを発信し、パルスが海面で反射して戻ってくるまでの経過時間を距離に換算して、海面の高さを測定して、参照波高を得る。参照波高を得るための波高計としては、超音波波高計に限らず、他の波高計、例えば、容量式／抵抗式波高計、レーザ式／電波式波高計等、を用いることができる。
【００５８】
演算波高情報Ｗｈの補正処理は、具体的には、波浪情報（波向情報Ｗｄ、演算波高情報Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃ）の取得と並行して、参照波高の測定を長期間にわたって行い、参照波高と演算波高Ｗｈ等とを比較した。その比較によれば、参照波高と演算波高Ｗｈとがほぼ一致する場合もあるが、全体としてみれば参照波高が高いときに演算波高Ｗｈが参照波高に相応して高くならず、参照波高が低いときに演算波高Ｗｈが参照波高に相応して低くならない傾向があることや、波向情報Ｗｄの変化が参照波高の変化と対応しており、波向情報Ｗｄの変化が少ないときに参照波高が高く、波向情報Ｗｄの変化が大きいときに参照波高が低くなり、波向情報Ｗｄの変化が参照波高に対して大きい相関を持っていること等が、発見された。
【００５９】
また、波長情報Ｗｌが参照波高に対応しており、波長情報Ｗｌが大きいときに参照波高が高く、波長情報Ｗｌが小さいときに参照波高が低くなりやすく、波長情報Ｗｌも参照波高に対して大きい相関を持っていることも、発見された。
【００６０】
本発明のレーダ波浪観測装置は、このような波浪情報（波向情報Ｗｄ、演算波高情報Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃ）と参照波高との関連や、さらに、波長情報Ｗｌや波速情報Ｗｖｃに基づく海面反射の状態を利用して、演算波高を、参照波高に近づけるように波高補正処理を行って、観測波高の精度を向上したものである。
【００６１】
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る波高補正処理器３０の構成を示すブロック図である。
【００６２】
図３において、波高補正処理器３０には、波浪演算処理器２０から波向情報Ｗｄ、演算波高Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃが、所定時間毎（例えば、２分間隔）に入力される。
【００６３】
波向変化信号導出手段３１は、波向情報Ｗｄを順次受けて、この波向情報Ｗｄの所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号ΔＷｄａｖを得る。
【００６４】
この波向変化信号導出手段３１を、図３とともに、図４、図５を参照して説明する。第１平均処理回路３０１は、２分間隔で入力される波向情報Ｗｄの１５個のデータを移動平均して出力する。その時々の最新の平均出力ができるように、移動平均に使うデータは過去１４個のデータとそのときのデータ１個である。
【００６５】
この第１平均処理回路３０１での平均化処理は、０度から３６０度に亘る角度データをベクトル合成で行う。波向情報Ｗｄの角度θｄを、Ｙ軸を基準角度０度として、Ｘ軸成分とＹ軸成分に分け、Ｘ軸側をｓｉｎ（θｄ）、Ｙ軸側をｃｏｓ（θｄ）とする。連続的に得られる平均処理に使用する１５個の波向情報の角度θｄから得る、各Ｘ軸成分を加算して加算値ΣＸを得、各Ｙ軸成分を加算して加算値ΣＹを得る。この加算値ΣＸ、ΣＹから合成角度θｇ（＝ａｔａｎ（ΣＹ／ΣＸ））を得る。この合成角度θｇは、図示されていないが、加算値ΣＸ、ΣＹの正負によって、種々の象限に存在することになる。なお、ａｔａｎは、アークタンジェントを表す。また、加算値ΣＸが０になったときは演算エラーを防止するために、正の０に近い値、例えば０．０００００１に置き換える。
【００６６】
波向情報の平均した角度θｄａｖを得るために、合成角度θｇを得た加算値ΣＸの極性が正であれば、角度θｄａｖ＝９０度−θｇとし、その加算値ΣＸの極性が負であれば、角度θｄａｖ＝２７０度−θｇとする。この処理を、新しい波向情報Ｗｄの入力毎に行うことで、移動平均処理とする。
【００６７】
この第１平均処理回路３０１での移動平均処理を、図４を参照して具体例で説明する。この移動平均処理は１５個の波向情報Ｗｄについて行われるが、説明を簡単にするために、ここでは２個の波向情報Ｗｄ１、Ｗｄ２の場合を例にする。２個の波向情報Ｗｄ１、Ｗｄ２の角度θｄ１、θｄ２を、３０度及び３１０度とする。
【００６８】
角度θｄ１のＸ軸成分ｘ１＝ｓｉｎ（３０）＝０．５、Ｙ軸成分ｙ１＝ｃｏｓ（３０）＝０．８６６０２５であり、角度θｄ２のＸ軸成分ｘ２＝ｓｉｎ（３１０）＝−０．７６６０４４、Ｙ軸成分ｙ２＝ｃｏｓ（３１０）＝０．６４２７８８である。加算値ΣＸ、ΣＹを用いて、合成角度θｇを求めると、θｇ＝ａｔａｎ（ΣＹ／ΣＸ）＝ａｔａｎ（１．５０８８１３／−０．２６６０４４）＝−８０度、となる。このときの加算値ΣＸの極性は負であるから、平均した波向情報Ｗｄａｖの角度θｄａｖは、３５０度（＝２７０度−（−８０度））となる。
【００６９】
減算回路３０２で、そのときの波向情報Ｗｄの角度θｄから平均角度θｄａｖを減算して、波向変化値を得る。その波向変化値は、角度で示されるが、減算回路３０２での減算処理によって正負の両極性になっているので、次の波向１８０度処理のために絶対値変換回路３０３で絶対値の角度に変換する。
【００７０】
波向１８０度処理回路３０４では、２分間隔で得られる波向変化値をその角度値に関係なく、連続的に数値処理できるように、波向変化値を１８０度内に納めるための角度変換処理を行う。この角度変換処理は、図５に示すように、波向１８０度処理回路３０４に入力される波向変化値が、０度以上から１８０度未満の範囲はそのまま出力し、１８０度以上から３６０度未満の範囲では（３６０度−波向変化値）に変換して、第２平均処理回路３０５に出力する。この波向１８０度処理によって、波向変化値が０度から３６０度側へ、あるいは３６０度側から０度側へ変化する場合にも、第２平均処理回路３０５での平均処理を容易に行うことができる。
【００７１】
第２平均処理回路３０５は、波向１８０度処理回路３０４から入力される波向変化値を移動平均する。この移動平均は、過去の２９個の波向変化値と最新の１個の波向変化値を平均するものであり、ばらつきを抑えその時々の最新の平均値を、平均化波向変化信号ΔＷｄａｖとして出力する。
【００７２】
補正演算手段３２は、演算波高情報Ｗｈを、平均化波向変化信号ΔＷｄａｖに応じて、その平均化波向変化信号ΔＷｄａｖが小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号ΔＷｄａｖが大きいときに低くなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する。補正演算手段３２は、角度リミッタ３０６、べき乗回路３０７、除算回路３０８、第１回帰補正回路３０９、第２回帰補正回路３１０を有している。
【００７３】
角度リミッタ３０６は、入力される平均化波向変化信号ΔＷｄａｖを、その後の処理のために、大きくなりすぎたりあるいは小さくなりすぎることがないように一定範囲内に制限する。この角度リミッタの制限値は、例えば上限値が５０°、下限値を３°とする。
【００７４】
べき乗回路３０７は、角度リミッタを通過した平均化波向変化信号ΔＷｄａｖを所定のべき指数βでべき乗し、波向補正係数Ａｃを出力する。長期間にわたっての観測結果によると、波向変化と超音波波高計等による参照波高とは、波向変化を所定のべき指数βでべき乗した場合に相関がよくなり、相関係数が高くなることが確認された。べき乗回路３０７によるべき乗処理は、波向変化と参照波高との相関係数が高くなることに基づいている。このべき指数は、０．４〜１未満でよく、１つの実施例としては０．５〜０．７が特に好適であった。
【００７５】
除算回路３０８では、演算波高情報Ｗｈを、べき乗回路３０７からの波向補正係数Ａｃで除算する。本発明において、この除算は、長期間にわたって行った観測結果により、全体としてみれば参照波高が高いときに演算波高情報Ｗｈが参照波高に相応して高くならず、参照波高が低いときに演算波高情報Ｗｈが参照波高に相応して低くならない傾向があることと、波向情報Ｗｄの変化が参照波高の変化と対応しており、波向情報Ｗｄの変化が少ないときに参照波高が高く、波向情報Ｗｄの変化が大きいときに参照波高が低くなり、波向情報Ｗｄの変化が参照波高に対して大きい相関を持っていることの発見に基づいて、行われている。
【００７６】
この除算回路３０８での除算結果（＝Ｗｈ／Ａｃ）を、更に参照波高に合わせるように、回帰補正手段によって、回帰処理を行う。この実施の形態では、回帰補正手段として、一次回帰処理（ｙ＝ａｘ＋ｂ）を行う第１回帰補正回路３０９と第２回帰補正回路３１０を設けている。この第１、第２回帰補正回路３０９、３１０の回帰係数ａ，ｂは異なる係数ａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２に設定されている。それらの回帰係数は、海面反射状態や、波向変化状況別に応じて観測に基づいて決定されている。この例では、２つの回帰補正回路を設けているが、その他の数の回帰補正回路を設けてもよい。
【００７７】
選択手段３３は、第１、第２回帰補正回路３０９，３１０の出力を、海面反射状態や、波向変化状況に応じて切り替えて出力するものである。この選択手段は、切替回路３１１と、海面反射検出回路３１３と、比較器３１４を有している。
【００７８】
海面反射検出回路３１３は、波浪演算処理器２０から出力される波長情報Ｗｌと波速情報Ｗｖｃとを受けて、波長情報Ｗｌに基づく理論波速Ｗｖｔ（式６を参照）と波速情報Ｗｖｃとの比から海面反射検出信号Ｓｉを得る。この海面反射信号Ｓｉは、海面反射が強いときには小さくなって数値１に近い値を示し、海面反射が弱くなるほど大きな数値（例えば、２５）を示すようになる。なお、この海面反射検出信号Ｓｉの形成手法については、特許第２，５９７，０２７号に記載されている。
【００７９】
比較器３１４は、海面反射検出信号Ｓｉと平均化波向変化信号ΔＷｄａｖが入力される。そして、海面反射検出信号Ｓｉを所定範囲を定める２つの所定閾値（例えば、０．９〜１．２）と比較し、且つ絶対値にされている平均化波向変化信号ΔＷｄａｖを所定閾値（例えば、０．０７、但し前段階で１／１００に処理している）と比較する。海面反射検出信号Ｓｉが所定範囲内（２つの閾値の間）にあり、且つ平均化波向変化信号ΔＷｄａｖが所定閾値以下であるときに、第１回帰補正回路３０９の出力を選択するように、切替回路３１１に選択信号を印加する。それ以外のときは、第２回帰補正回路３１０の出力を選択する。
【００８０】
即ち、波向変化が少なく、かつ海面反射が強いときに第１回帰補正回路３０９の出力が補正波高として用いられる。波向変化が大きいときや、海面反射が弱いときに第２回帰補正回路３１０の出力が補正波高として用いられる。第１、第２回帰補正回路３０９、３１０の回帰係数は、実測データに基づいてそのような波浪状態に合致するような係数に設定されている。
【００８１】
そして、補正波高平均化手段である第３平均処理回路３１２は、第１、第２回帰補正回路３０９、３１０で回帰補正され、切替回路３１１で選択された出力を所定期間だけ平均して補正波高Ｗｈｃを得る。この第３平均処理回路３１２は、２分間隔で入力される回帰補正された１５個のデータを移動平均する。得られた補正波高Ｗｈｃを、出力装置４０へ出力する。
【００８２】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る波高補正処理器３０Ａの構成を示すブロック図である。この第２の実施の形態においては、図３の第１の実施の形態におけるように波向情報Ｗｄの変化に応じて演算波高Ｗｈを補正することに加えて、波長Ｗｌに応じて補正する手段を付加することにより、さらに補正波高の精度を向上するものである。このことは、長い期間での実測データに基づいて、波長Ｗｌが参照波高に対応しており、波長Ｗｌが大きいときに参照波高が高く、波長Ｗｌが小さいときに参照波高が低くなり、波長Ｗｌも参照波高に対して大きい相関を持っていることが確認されたことに基づいている。
【００８３】
図６において、波高補正処理器３０Ａには、図３と同様に、波浪演算処理器２０から波向情報Ｗｄ、演算波高Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃが、所定時間毎（例えば、２分間隔）に入力される。
【００８４】
図６の波高補正処理器３０Ａにおいては、除算回路３０８での除算出力を、乗算回路３１５による乗算処理を行ってから、第１回帰補正回路３０９に供給している点と、乗算回路３１５に乗算係数として供給する波長補正係数Ｌｃを発生するための波長信号導出手段３４とを備えている。その他の構成は、図３の波高補正処理器３０と同様であるので、対応する構成要素には同じ符号を付して再度の説明を省略する。
【００８５】
図６において、波長信号導出手段３４は、波浪演算処理器２０からの波長情報Ｗｌが入力され、これを波長リミッタ３１８で最大及び最小を規定値に制限して補正の効き方を調停した波長補正係数Ｌｃを導出し、この波長補正係数Ｌｃを乗算回路３１５に供給する。
【００８６】
この波長リミッタ３１８は、最大のみを規定するものでもよく、その最大の既定値は波がうねり波になったときの誤差を避けるようにするために例えば１２０ｍ（係数として１．２）とする。最小の既定値は必ずしも設ける必要はないが、演算上の安全などのために、設定してもよい（例えば１ｍ、係数として０．０１）。
【００８７】
なお、波長補正係数Ｌｃは実際には、波長情報Ｗｌに所定の係数を乗じているが、この係数は第１回帰補正回路３０９での回帰係数に吸収できるので、ここでは煩雑さを避けるために省略している。
【００８８】
波長補正係数Ｌｃで補正された乗算回路３１５の出力は、第１回帰補正回路３０９で回帰補正される。この第１回帰補正回路３０９での回帰式とその回帰係数は、当然に波長補正された値に適合したものとなっている。この回帰式は、やはり一次回帰式（ｙ＝ａ＋ｂｘ）を用いることができる。また、除算回路３０８の出力は直接に第２回帰補正回路３１０に供給される。
【００８９】
波長情報Ｗｌの精度が良好であるときには、波向き補正係数Ａｃ及び波長補正係数Ｌｃによる補正を行った第１回帰補正回路３０９の出力を採用し、波長情報Ｗｌの精度が得られない状況のときには、波向き補正係数Ａｃのみによる補正を行った第２回帰補正回路３０９の出力を採用する。
【００９０】
その選択は、比較器３１４の出力に応じて、切替回路３１１の切替により行われる。したがって、良好な海面反射が得られ波長の精度が良いかどうかの判断は、図３におけると同様に海面反射検出回路３１３からの海面反射検出信号Ｓｉと平均化波向き変化信号Ｗｄａｖにしたがって行われる。
【００９１】
このように、波高補正処理器３０Ａでは、補正演算手段３２において、波浪演算処理器２０から順次出力される演算波高情報Ｗｈを、平均波向変化信号ΔＷｄａｖに応じて、その平均波向変化信号ΔＷｄａｖが小さいときに高くなり、その平均波向変化信号ΔＷｄａｖが大きいときに低くなるように演算する。さらにこの演算された結果を波長補正係数Ｌｃに応じて、その波長補正係数Ｌｃが大きいときに大きくなり、その波長補正係数Ｌｃが小さいときに小さくなるように演算して出力する。
【００９２】
したがって、演算波高情報Ｗｈにそれぞれ相関を有する波向き補正係数Ａｃ及び波長補正係数Ｌｃで順次補正されるから、波高補正処理器３０Ａから出力される補正波高Ｗｈｃの精度はさらに向上される。
【００９３】
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る波高補正処理器３０Ｂの構成を示すブロック図である。この第３の実施の形態においては、図６の第２の実施の形態におけると同様に、波向情報Ｗｄの変化に応じて演算波高Ｗｈを補正することに加えて、波長情報Ｗｌに応じて補正する手段を付加することにより、さらに補正波高の精度を向上するものである。
【００９４】
この図７の第３の形態においては、波長補正係数Ｌｃを得るための波長に関する情報を、波浪演算処理器２０からの波長情報Ｗｌに代えて、別の観測装置などからの周期情報Ｗｔに基づいて得るようにしている。
【００９５】
周期情報Ｗｔは波長との間に特定の変換式に従う関係があるから、周期情報Ｗｔが海面反射の状態などに影響されずに継続して精度よく安定に得られれば、波向き補正係数Ａｃ及び波長補正係数Ｌｃでの順次補正を常に行えるから、波高補正処理器３０Ｂから精度の向上した補正波高Ｗｈｃが継続して得られる。
【００９６】
図７において、波高補正処理器３０Ｂには、図３や図６とは異なり、波浪演算処理器２０から波向情報Ｗｄ、演算波高情報Ｗｈが、所定時間毎（例えば、２分間隔）に入力されるとともに、図８のように、別に設けられた波浪周期入力装置５０からの周期情報Ｗｔが入力される。なお、図８では、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃも波高補正処理器３０Ｂに入力されるように表現されているが、これは次の実施の形態の説明にも兼用させるためのものである。
【００９７】
図７の波高補正処理器３０Ｂにおいては、除算回路３０８での除算出力を、乗算回路３１５による乗算処理を行ってから、第１回帰補正回路３０９に供給しており、また、乗算回路３１５に乗算係数として供給する波長補正係数Ｌｃを発生するための波長信号導出手段３４を備えている。
【００９８】
図７において、波長信号導出手段３４は、周期情報Ｗｔが入力され、周期／波長変換回路３１６で入力された周期情報Ｗｔを波長情報Ｗｌに変換する。この周期情報Ｗｔから波長情報Ｗｌへの変換は、変換式「Ｗｌ＝１．５６Ｗｔ２」にしたがって行う。この変換式は、波に関する変換式として知られており、淵秀隆、松本次男、斉藤晃著「海の波」、地人書館、Ｐ３、に記載されている。変換された波長情報Ｗｌは波長リミッタ３１８で最大及び最小を規定値に制限して補正の効き方を調停した波長補正係数Ｌｃを導出し、この波長補正係数Ｌｃを乗算回路３１５に供給する。
【００９９】
周期情報Ｗｔを得る波浪周期入力装置５０は、精度よく周期情報Ｗｔが得られる観測装置であればよい。例えば、レーダ１０との組み合わせ（セット）で考えるならば、レーダ１０の近傍に設置されたペンシルビームを照射し反射波を受信するレーダを用いる。ペンシルビームによる反射波の時間的変化を用いて、波の周期情報を得ることができる。また、海面にブイを浮かべ、そのブイに搭載した速度計や加速度計のデータを用いて、波の周期情報を得ることができる。
【０１００】
また、波浪周期入力装置５０は、目視観測によって得た周期情報Ｗｔを出力するようにしてもよい。目視による波浪周期観測は、見分けやすい水面の泡や浮遊物などを目標とし、その目標物が始めの波の山から次の波の山に来るまでの時間を測ることによって得られる。周期は通常一定の値を持っていることはほとんどないのではっきりした大きめの波をいくつか（普通は１０〜２０波）選んで観測し、その平均値を採る。
【０１０１】
図７の波高補正処理器３０Ｂでは、周期情報Ｗｔが外部から継続して得られるから、図６の選択手段３３は不要であり、また第２回帰補正回路３１０も削除できる。その他の構成は、図３や図６の波高補正処理器３０、３０Ａと同様であるので、対応する構成要素には同じ符号を付して再度の説明を省略する。
【０１０２】
したがって、図７の波高補正処理器３０Ｂでは、乗算回路３１５は、除算回路３０８からの信号、即ち演算波高情報Ｗｈを波向き補正係数Ａｃで除算し波向き補正された信号を、波長補正係数Ｌｃでさらに補正する。したがって、演算波高情報Ｗｈにそれぞれ相関を有する波向き補正係数Ａｃ及び波長補正係数Ｌｃで、常時順次補正するから、波高補正処理器３０Ａから精度が向上された補正波高Ｗｈｃが常に継続して得られる。
【０１０３】
図９は、本発明の第４の実施の形態に係る波高補正処理器３０Ｃの構成を示すブロック図である。この第４の実施の形態においては、図６の第２の実施の形態における波高補正処理器３０Ａに、外部から周期情報Ｗｔが得られる場合にも対応できるように、構成したものである。即ち、図６の波長信号導出手段３４に図８の第３の実施の形態における周期／波長変換回路３１６と切替回路３１７を設けたものである。
【０１０４】
その切替回路３１７は、外部から周期情報Ｗｔが得られる場合には周期／波長変換回路３１６で変換された波長情報を通過させ、周期情報Ｗｔが得られない場合には波長情報Ｗｌを通過させる。どちらを通過させるかの切替は、切替信号ＣＳによって行える。変換された波長情報を通過させるとき切替回路３１１は第１回帰補正回路３０９の出力を選択する。このように選択されるように、切替信号ＣＳによって図のように比較器３１４を制御したり、切替回路３１１を直接切り替えるようにする。
【０１０５】
切替回路３１７、切替回路３１１の切替以外の構成は、図６及び図７の波高補正処理器３０Ａ、３０Ｂにおける構成と同様である。
【０１０６】
したがって、図９の波高補正処理器３０Ｃでは、波向き補正係数Ａｃで除算され波向き補正された信号を、波浪演算処理器２０からの波長情報Ｗｌに基づく波長補正係数Ｌｃでさらに補正して、補正波高Ｗｈｃの精度はさらに向上される。そして、外部から波長周期情報Ｗｔが得られる場合には、波長補正係数Ｌｃで常時補正するから、精度が向上された補正波高Ｗｈｃが常に継続して得られる。
【０１０７】
また、波浪演算処理器２０として、図１０の波浪演算処理器を用いることができる。この図１０の波浪演算処理器は、レーダ１０で海面反射信号を取得し、レーダ信号集録手段６１に連続する多数スキャン（例えば、３２スキャン）のレーダ信号を記録する。次に、３次元ＦＦＴ手段６２で３２スキャン分のレーダ信号を極座標から直角座標に変換し、３次元ＦＦＴ処理を行い、３次元スペクトラムＩ（ｋ、ω）を得る。次に、波浪スペクトル推算手段６３において、計算された３次元スペクトラムＩ（ｋ、ω）を、波の理論式である分散関係式ω２＝ｇｋに当てはめることによりフィルタリングし、雑音を除去して、本来の波に関する３次元スペクトラムＦ（ｋ、ω）だけを抽出する。そして、シーステート解析手段６４で、抽出された３次元スペクトラムＦ（ｋ、ω）を用いて、波向情報Ｗｄ、波高情報Ｗｈ、波長情報Ｗｌ、波速情報Ｗｖｃの波浪情報を算出する。この波浪演算処理器２０として、非特許文献１に開示されたレーダ波浪測定装置を用いることができる。
【０１０８】
【発明の効果】
本発明のレーダ波浪観測装置によれば、レーダの海面反射信号から波浪演算処理して得た演算波高を、他の波浪演算処理結果（波向、波長、波速）を利用して補正し、超音波波高計等で測定した参照波高に精度良く合わせることができる。これにより、防波堤、護岸、海岸堤防等の構造物設計や船舶の安全並びに効率的運用等に寄与するとともに、海上管制などの有効な運用が可能になる。
【０１０９】
また、波向変化値が、波高値に対する相関が大きいことに基づいて、演算波高を、平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力するから、精度の良い観測波高値を得ることが出来る。
【０１１０】
また、補正演算手段は、回帰係数の異なる複数の回帰補正手段を持ち、海面反射検出信号及び波向変化信号の大きさに応じて、適切な回帰補正手段を選択するから、海面の状況により適した波高補正を行うことが出来る。
【０１１１】
演算波高を、波向変化信号が小さいときに高くなり、その波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算して出力する。これにより、演算波高にそれぞれ相関を有する波向き補正係数及び波長補正係数で順次補正されるから、波高補正処理器から出力される補正波高の精度はさらに向上される。
【０１１２】
また、波高の補正を他の周辺機器を必要とせず、レーダ波浪観測装置を安価に構成でき、その設置も容易になる。また、周期情報を他の装置や目視観測によって得られる場合には、より精度の向上した補正波高を海面の状態によらす、継続して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーダ波浪観測装置の全体構成を示す図。
【図２】本発明に用いる波浪演算処理器のブロック図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る波高補正処理器のブロック図。
【図４】波向平均処理方法を説明ずる図。
【図５】波向１８０度処理を説明する図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る波高補正処理器のブロック図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る波高補正処理器のブロック図。
【図８】本発明のレーダ波浪観測装置の他の全体構成を示す図。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係る波高補正処理器のブロック図。
【図１０】本発明に用いる、他の波浪演算処理器のブロック図。
【符号の説明】
１０ レーダ
２０ 波浪演算処理器
２１ レーダ信号集録手段
２２ レーダ干渉検出手段
２３ ２次元演算手段
２４ 平均化手段
２５ 波浪スペクトル推算手段
２６ シーステート解析手段
３０ 波高補正処理器
３１ 波向変化信号導出手段
３０１ 第１平均処理回路
３０２ 減算回路
３０３ 絶対値変換回路
３０４ 波向１８０度処理回路
３０５ 第２平均処理回路
３２ 補正演算手段
３０６ 角度リミッタ
３０７ べき乗回路
３０８ 除算回路
３０９ 第１回帰補正回路
３１０ 第２回帰補正回路
３１５ 乗算回路
３３ 選択手段
３１１ 切替回路
３１２ 第３平均処理回路
３１３ 海面反射検出回路
３１４ 比較器
３４ 波長信号導出手段
３１６ 周期／波長変換回路
３１７ 切替回路
３１８ 波長リミッタ
４０ 出力装置
５０ 波浪周期入力装置
６１ レーダ信号集録手段
６２ ３次元ＦＦＴ手段
６３ 波浪スペクトル推算手段
６４ シーステート解析手段
Ｗｄ 波向情報
Ｗｈ 波高情報
Ｗｌ 波長情報
Ｗｖｃ 波速情報
Ｗｈｃ 補正波高
Ｗｔ 周期情報
ΔＷｄａｖ 平均化波向変化信号
Ａｃ 波向補正係数
Ｓｉ 海面反射検出信号
Ａｃ 波向補正係数
Ｌｃ 波長補正係数
Claims (17)
- 海面からのレーダ反射信号からレーダ画像を得て、そのレーダ画像をフーリエ変換し、その変換結果に波の理論式を適用することによって、波に関するスペクトラムを抽出し、抽出されたスペクトラムを用いて、波向情報、波高情報を含む波浪情報を算出する波浪演算処理器と、
前記波浪演算処理器から所定方向を基準として順次出力される波向情報に基づいて、この波向情報の変化量を表す波向変化信号を得る波向変化信号導出手段、前記波浪演算処理器から順次出力される波高情報に応じた波高信号を、前記波向変化信号に応じて、その波向変化信号が小さいときに高くなり、その波向変化信号が大きいときに低くなるように演算して出力する補正演算手段、を含んで構成される波高補正処理器と、を有することを特徴とするレーダ波浪観測装置。 - 前記波高補正処理器は、さらに、前記補正演算手段からの出力を所定期間だけ平均して補正波高を得る補正波高平均化手段を有し、
前記波向変化信号導出手段は、前記波向変化信号として、前記波向情報の所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号を得るものであり、
前記補正演算手段は、前記波高信号を、前記平均化波向変化信号に応じて、その平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する、ことを特徴とする、請求項１に記載されたレーダ波浪観測装置。 - 前記補正演算手段は、前記回帰補正手段として、それぞれ回帰係数の異なる複数の回帰補正手段を持ち、
さらに、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報と波速情報とを受けて、波長情報に基づく理論波速と波速情報との比から海面反射検出信号を得る海面反射検出手段、この海面反射検出信号と前記波向変化信号が入力され、海面反射検出信号を所定範囲を定める閾値と比較し、且つ前記波向変化信号を所定閾値と比較し、それらの比較結果に対応した選択指令信号を出力する比較手段、この選択指令信号が入力され、前記複数の回帰補正手段の出力を前記選択指令信号に応じて切り替えて出力する切替手段、を持つ選択手段を有することを特徴とする、請求項１、２に記載されたレーダ波浪観測装置。 - 前記補正演算手段は、前記波向変化信号の最大・最小を制限する角度リミッタと、この角度リミッタで制限された前記波向変化信号に所定のべき指数を与えて波向補正係数を導出する、べき乗手段、前記波高信号を前記波向補正係数で除算する除算手段と、この除算手段の除算出力を回帰補正して出力する前記回帰補正手段とを有することを特徴とする、請求項１乃至３に記載されたレーダ波浪観測装置。
- 海面からのレーダ反射信号からレーダ画像を得て、そのレーダ画像をフーリエ変換し、その変換結果に波の理論式を適用することによって、波に関するスペクトラムを抽出し、抽出されたスペクトラムを用いて、波向情報、波高情報を含む波浪情報を算出する波浪演算処理器と、
前記波浪演算処理器から所定方向を基準として順次出力される波向情報に基づいて、この波向情報の変化量を表す波向変化信号を得る波向変化信号導出手段、
波長の大きさを表す波長補正係数を得る波長信号導出手段、
前記波浪演算処理器から順次出力される波高情報に応じた波高信号を、前記波向変化信号に応じて、その波向変化信号が小さいときに高くなり、その波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を前記波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算して出力する補正演算手段、を含んで構成される波高補正処理器と、を有することを特徴とする、レーダ波浪観測装置。 - 前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報に基づいて前記波長補正係数を得るものであることを特徴とする、請求項５に記載されたレーダ波浪観測装置。
- 前記波高補正処理器は、さらに、前記補正演算手段からの出力を所定期間だけ平均して補正波高を得る補正波高平均化手段を有し、
前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報に基づいて前記波長補正係数を得るものであり、
前記波向変化信号導出手段は、前記波向変化信号として、前記波向情報の所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号を得るものであり、
前記補正演算手段は、前記波高信号を、前記平均化波向変化信号に応じて、その平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を前記波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する、ことを特徴とする、請求項６に記載されたレーダ波浪観測装置。 - 前記補正演算手段は、前記回帰補正手段としての第１回帰補正手段と、この第１回帰補正手段の回帰係数とは異なる回帰係数を持ち、前記波高信号を前記平均化波向変化信号に応じて演算した演算結果を回帰補正する第２回帰補正手段を持ち、
さらに、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報と波速情報とを受けて、波長情報に基づく理論波速と波速情報との比から海面反射検出信号を得る海面反射検出手段、この海面反射検出信号と前記波向変化信号が入力され、海面反射検出信号を所定範囲を定める閾値と比較し、且つ前記波向変化信号を所定閾値と比較し、それらの比較結果が所定範囲内で且つ所定閾値以下であるときに前記第１回帰補正手段を選択し、それ以外の場合に前記第２回帰補正手段を選択するための選択指令信号を出力する比較手段、この選択指令信号が入力され、前記第１及び第２回帰補正手段の出力を前記選択指令信号に応じて切り替えて出力する切替手段、を持つ選択手段を有することを特徴とする、請求項７に記載されたレーダ波浪観測装置。 - 前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報から得た波長補正係数の少なくとも上限値を制限する波長リミッタを有しており、
前記補正演算手段は、前記波向変化信号の最大・最小を制限する角度リミッタと、この角度リミッタで制限された前記波向変化信号に所定のべき指数を与えて波向補正係数を導出する、べき乗手段と、前記波高信号を前記波向補正係数で除算する除算手段と、この除算手段の除算出力に前記波長信号導出手段からの制限された前記波長補正係数を乗算する乗算手段と、この乗算手段の乗算出力を回帰補正して出力する前記第１回帰補正手段と、前記除算手段の除算出力を回帰補正して出力する前記第２回帰補正手段とを有することを特徴とする、請求項７、８に記載されたレーダ波浪観測装置。 - 前記波長信号導出手段は、外部から入力される周期情報に基づいて前記波長補正係数を得るものであることを特徴とする、請求項５に記載されたレーダ波浪観測装置。
- 前記波高補正処理器は、さらに、前記補正演算手段からの出力を所定期間だけ平均して補正波高を得る補正波高平均化手段を有し、
前記波長信号導出手段は、前記周期情報を所定の変換式にしたがって変換して前記波長補正係数を得るものであり、
前記波向変化信号導出手段は、前記波向変化信号として、前記波向情報の所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号を得るものであり、
前記補正演算手段は、前記波高信号を、前記平均化波向変化信号に応じて、その平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を前記波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する、ことを特徴とする、請求項１０に記載されたレーダ波浪観測装置。 - 前記波長信号導出手段は、前記周期情報を所定の変換式にしたがって前記波長補正係数に変換する周期／波長変換手段と、この周期／波長変換手段からの前記波長補正係数の少なくとも上限値を制限して出力する波長リミッタとを有しており、
前記補正演算手段は、前記波向変化信号の最大・最小を制限する角度リミッタと、この角度リミッタで制限された前記波向変化信号に所定のべき指数を与えて波向補正係数を導出する、べき乗手段と、前記波高信号を前記波向補正係数で除算する除算手段と、この除算手段の除算出力に前記波長信号導出手段からの制限された前記波長補正係数を乗算する乗算手段と、この乗算手段の乗算出力を回帰補正して出力する前記回帰補正手段と、を有することを特徴とする、請求項１１に記載されたレーダ波浪観測装置。 - 前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報に基づいて得られる波長補正係数と、外部から入力される周期情報に基づいて得られる波長補正係数のいずれかを選択して出力するものであることを特徴とする、請求項５に記載されたレーダ波浪観測装置。
- 前記波高補正処理器は、さらに、前記補正演算手段からの出力を所定期間だけ平均して補正波高を得る補正波高平均化手段を有し、
前記波長信号導出手段は、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報から得た波長補正係数と、前記周期情報を所定の変換式にしたがって変換して得た波長補正係数とのいずれかを選択して出力するものであり、
前記波向変化信号導出手段は、前記波向変化信号として、前記波向情報の所定期間の平均値と最新の波向情報との差をとって、その差の絶対値を平均化した平均化波向変化信号を得るものであり、
前記補正演算手段は、前記波高信号を、前記平均化波向変化信号に応じて、その平均化波向変化信号が小さいときに高くなり、その平均化波向変化信号が大きいときに低くなるように演算し、さらにこの演算された結果を前記波長補正係数に応じて、その波長補正係数が大きいときに大きくなり、その波長補正係数が小さいときに小さくなるように演算し、その演算された結果を回帰補正手段によって回帰補正して出力する、ことを特徴とする、請求項１３に記載されたレーダ波浪観測装置。 - 前記補正演算手段は、前記回帰補正手段としての第１回帰補正手段と、この第１回帰補正手段の回帰係数とは異なる回帰係数を持ち、前記波高信号を前記平均化波向変化信号に応じて演算した演算結果を回帰補正する第２回帰補正手段を持ち、
さらに、前記波浪演算処理器から順次出力される波長情報と波速情報とを受けて、波長情報に基づく理論波速と波速情報との比から海面反射検出信号を得る海面反射検出手段、この海面反射検出信号と前記波向変化信号が入力され、海面反射検出信号を所定範囲を定める閾値と比較し、且つ前記波向変化信号を所定閾値と比較し、それらの比較結果が所定範囲内で且つ所定閾値以下であるときに前記第１回帰補正手段を選択し、それ以外の場合に前記第２回帰補正手段を選択するための選択指令信号を出力する比較手段、この選択指令信号が入力され、前記第１及び第２回帰補正手段の出力を前記選択指令信号に応じて切り替えて出力する切替手段を持つとともに、前記波長信号導出手段が前記周期情報を所定の変換式にしたがって変換して得た波長補正係数を選択している場合には前記第１補正回帰手段を選択するようにされている選択手段を有することを特徴とする、請求項１４に記載されたレーダ波浪観測装置。 - 前記波長信号導出手段は、前記周期情報を所定の変換式にしたがって波長補正係数に変換する周期／波長変換手段と、前記波長情報から得た波長補正係数と前記周期／波長変換手段からの波長補正係数が入力され、切替信号に応じてそれらの波長補正係数の一方を選択して出力する切替手段と、この切替手段からの前記波長補正係数の少なくとも上限値を制限して出力する波長リミッタとを有しており、
前記補正演算手段は、前記波向変化信号の最大・最小を制限する角度リミッタと、この角度リミッタで制限された前記波向変化信号に所定のべき指数を与えて波向補正係数を導出する、べき乗手段と、前記波高信号を前記波向補正係数で除算する除算手段と、この除算手段の除算出力に前記波長信号導出手段からの制限された前記波長補正係数を乗算する乗算手段と、この乗算手段の乗算出力を回帰補正して出力する前記第１回帰補正手段と、前記除算手段の除算出力を回帰補正して出力する前記第２回帰補正手段とを有することを特徴とする、請求項１４、１５に記載されたレーダ波浪観測装置。 - 前記波向変化信号導出手段は、前記波向情報を順次受けて、所定期間の前記波向情報の平均値を出力する第１波向平均処理手段と、この第１波向平均処理手段の平均値出力と最新の前記波向情報との差を採る減算手段と、この減算手段の出力を絶対値に変換する絶対値変換手段と、この絶対値変換手段の出力を受け、０度から１８０度未満のものはそのまま通過させ、１８０度以上から３６０度未満のものは３６０度から差し引いて出力させる波向１８０度処理手段と、この波向１８０度処理手段の出力を所定期間だけ平均して、前記平均化波向変化信号を出力する波向平均処理手段とを有することを特徴とする、請求項１乃至１６に記載されたレーダ波浪観測装置。
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