JP3888671B2

JP3888671B2 - 波高算出装置、波高算出方法、記録媒体、及び船舶

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Publication number: JP3888671B2
Application number: JP2001386345A
Authority: JP
Inventors: 次清平山
Original assignee: Yokohama TLO Co Ltd
Current assignee: Yokohama TLO Co Ltd
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2021-12-19
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波浪情報の算出に関し、特に波浪情報の波高、周期、方向の内の波高を算出する装置、方法、算出するためにプログラムを記録しコンピュータが読取り可能な記録媒体、及び波高算出装置を備える船舶に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海や河や湖等の水面に関する波浪情報として、波の高さ（以下、波高と云う）、波の周期、波の方向がある。これらの波浪情報は、船舶や水上構造物の設計の他、船舶の保守やウェザールーティングに有用であり、船舶の安全性や運航効率の向上に重要な情報である。
【０００３】
このため、従来よりこれらの波浪情報を求める方法が種々開発されている。この波浪情報を求める方法として、レーダーによる水面反射を含む画像から波数スペクトルを求め、波の波長、及び波向きの分布を算定する方法が知られており（例えば、「航走中の船体運動による海洋波スペクトルのリアルタイム推定−実船試験−」平山次清、関西造船協会誌、第１９８号（１９８５）、ｐｐ１７−２９）、上記方法等によって、波浪情報の内の、波の周期（波の周期は波長から求めることができる）、及び波向きの分布を求めることができる。
【０００４】
一方、波浪情報の波高については、波数スペクトルの高さ（縦軸）から波高に関する情報を得ることができるが、この情報は相対的な情報であるため、実測して得た波高値を用いてチューニングを行う必要がある。実測値を用いたチューニングによって波高値を求める方法として、例えば、シグナル雑音法や陰影比法（例えば、「Evaluation of Marine Wave Radar(PartII)，ファビオ高瀬、平山次清、日本造船学会論文集、第１８８号（２０００）、ｐｐ２２５−２３７」が知られている。
【０００５】
シグナル雑音法は、レーダーにより得られた情報からスペクトルピークとバックグラウンド雑音を求め、このシグナル雑音比（ＳＮＲ）を算出し、算出したＳＮＲから波高を推定するものであり、有義波高一群の波の中の高い方から数えて全体の１／３に間にある波についての平均の波高を持つ波の高さ）は、
Ｈ_1/3＝α＋β√ＳＮＲ …（１）
で表される。なお、α、βは、波浪ブイを利用した実測による測定結果に基づいて決定される較正用パラメータである。
【０００６】
また、陰影比法は、レーダー画面上において、陰になった部分と水面領域との面積比率（陰影比Shadow Ratio）と、水面の荒れ具合との間に関係があることを利用して波高を推定するもので、波高Ｈ_1/3は、Ａ，Ｂを定数とし、ＳＲを陰影比としたとき
Ｈ_1/3＝Ａ・ＳＲ^Ｂ …（２）
で表される。
【０００７】
また、上記の方法の他に、ピッチ（縦揺）やヒーブ（上下揺）などの船体運動の計測データを組み合わせることによって、船体運動のみから方向スペクトルを求める方法（例えば、「航走中の船体運動による海洋波スペクトルのリアルタイム推定（その２）−方向スペクトルの推定−」平山次清、関西造船協会誌、第２０４号（１９８７）、ｐｐ２１−２７）」も提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来提案されている方法では、波高の算出において実測値を用いた較正を必要とするという問題がある。波高を実測するには例えば波浪ブイを利用する必要があり、船舶の航走中に波高を実測することは困難であり、また、リアルタイムで測定することも困難であるという問題がある。
【０００９】
また、陰影比法は、波高と陰影とが比例関係になく、低い波高に対しては有効であるが、高い波高に対しては陰影比が飽和するため適用が難しくなるという問題がある。
また、船体運動の計測データを用いた推定方法では、必ずしも波の方向や波高が安定しないという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、波高の算出において実測に基づく較正を不要とすることを目的とし、高い波高についても高精度の算出を行うことを目的とする。また、船舶上において波高を安定してリアルタイムで得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーダー画像信号と船体運動情報とを組み合わせることによって、実測に基づく較正が不要であり、高い波高についても高精度で安定した波高値の算出を可能とする。
【００１２】
本発明の波高算出方法では、レーダー画像信号及び船体応答関数に基づく第１のパワースペクトルと、船体運動情報に基づく第２のパワースペクトルとを求める工程と、第２のパワースペクトルの縦軸に対する前記第１のパワースペクトルの縦軸の大きさ比率を求める工程と、比率に基づいて波高値を求める工程を含む。
【００１３】
第１のパワースペクトルはレーダー画像信号及び船体応答関数に基づくものであり、波高に対応する縦軸の大きさが不定である。そこで、船体運動情報に基づく第２のパワースペクトルの縦軸の大きさをベースとして、第２のパワースペクトルの縦軸に対する第１のパワースペクトルの縦軸の大きさの比率を求める。この比率はレーダー画像信号の方向スペクトルの大きさに対応しており、この比率から波高値を算出することができる。
【００１４】
本発明はレーダー画像信号と船体運動情報を組み合わせることによって、レーダー画像データから波の波長（周期）と波向きを安定して得ることができ、また、船体運動情報から波高を安定して得ることができる。
【００１５】
さらに、第１のパワースペクトルを求める工程は、レーダー画像信号をフーリエ変換し正規化した方向スペクトルと船体応答関数の二乗の積を角度方向に積分して算出する工程を含み、また、第２のパワースペクトルを求める工程は、船体運動情報の時系列のパワースペクトルあるいは統計解析によって算出する工程を含む。
【００１６】
第１のパワースペクトルの縦軸の大きさは、方向スペクトルが正規化されているため船体の応答に依存した大きさを表している。一方、第２のパワースペクトルの縦軸の大きさは船体運動に依存した大きさを表しており、共に船体運動にのみ依存している。そこで、この両方の縦軸の大きさを比較し、第１のパワースペクトルの縦軸の大きさを第２のパワースペクトルの縦軸の大きさに合わせることによって、振幅が波の大きさを表す方向スペクトルを得ることができ、この比率は波の高さを表すことになる。
【００１７】
波高値を算出するには、第１のパワースペクトル及び第２のパワースペクトルの各スペクトルモーメントを求め、このスペクトルモーメントから縦軸の大きさの比率を求め、求めた大きさの比率に基づいて波高値を演算する。
【００１８】
また、本発明の波高算出装置は、レーダー画像信号及び船体応答関数に基づく第１のパワースペクトルと、船体運動情報に基づく第２のパワースペクトルとを求めるスペクトル演算手段と、第２のパワースペクトルの縦軸に対する第１のパワースペクトルの縦軸の大きさの比率に基づいて波高値を求める波高算出手段とを備える。
【００１９】
スペクトル演算手段は、レーダー画像信号をフーリエ変換し正規化した方向スペクトルと船体応答関数とから第１のパワースペクトルを算出する第１の算出手段と、船体運動情報から第２のパワースペクトルを算出する第２の算出手段とを備え、また、波高算出手段は、第１のパワースペクトル及び第２のパワースペクトルの各スペクトルモーメントから縦軸の大きさの比率を求める比率算出手段と、比率算出手段で求めた大きさの比率に基づいて波高値を演算する演算手段とを備える。
【００２０】
また、本発明の記録媒体は、前記した本発明の波高算出の各工程をコンピュータに実施させるプログラムをコンピュータにより読み出し可能に記録する。
また、本発明の船舶は、前記した本発明の波高算出装置、あるいは、前記記録媒体に記録されるプログラムを読み出し、読み出したプログラムに基づいて波高算出の各工程を実施させるコンピュータを備える。
【００２１】
本発明において、船体運動情報は、船体の上下揺軸、前後揺軸、左右揺軸、船首揺軸、横揺軸、縦揺軸の少なくとも一軸について、加速度、速度、又は変位、あるいは、加速度と速度と変位の任意の組み合わせとすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の波高算出の概略を説明するためのブロック図である。本発明の波高算出は、レーダーの画像データと船体の計測データを用いる。レーダーによる画像データは、船舶や水上構造物が備えるレーダーから発射し海面等の水面で反射した反射波を受信して得られる画像データであり、波浪情報を含んでいる。
【００２３】
一方、船体の計測データは船体の運動情報であり、例えば図２に示すように、船体の上下揺（ヒーブ）、前後揺（サージ）、左右揺（スウエイ）、船首揺（ヨー）、横揺（ロール）、縦揺（ピッチ）の６方向の少なくとも一方向の運動について、加速度、速度又は変位、あるいは加速度、速度、変位を任意に組み合わせたものとすることができる。
【００２４】
本発明の波高算出において、レーダーの画像データｈ（ｘ，ｙ，ｔ）をフーリエ変換によってパワースペクトルＳｒ（ｋｘ，ｋｙ，ωｅ）に変換した後、正規化した方向スペクトルＳｗ（ω，θ）を求め、この方向スペクトルＳｗ（ω，θ）と船体応答関数Ｇｚ（ω，θ，Ｕ）とによって船体運動パワースペクトルＳｚを求める。波に係わる方向スペクトルＳｗ（ω，θ）が正規化されているため、船体運動パワースペクトルＳｚの縦軸の大きさは船体運動に依存し、この船体運動パワースペクトルＳｚから求めた有義値Ｚｓｒは船体運動に係わる波高値情報を表している。
【００２５】
一方、本発明の波高算出において、船体の計測データから求めた船体運動パワースペクトルＳｓｍの縦軸の大きさは船体運動に依存し、この船体運動パワースペクトルＳｓｍから求めた有義値Ｚｓｍは船体運動に係わる波高値情報を表している。
【００２６】
したがって、レーダーの画像データから求めた有義値Ｚｓｒと船体の計測データから求めた有義値Ｚｓｍとは同じ船体運動に係わる波高値情報を表しており、計測データから求めた有義値Ｚｓｍに対するレーダーの画像データから求めた有義値Ｚｓｒの比率Ｃ（＝Ｚｍ／Ｚｒ）の２乗は、パワースペクトルＳｒの縦軸の大きさを表すことになる。
【００２７】
有義波高Ｈｗは、パワースペクトルＳｒのスペクトルの０次のモーメントｍ_０を用いて
Ｈｗ＝４．０×√ｍ_０ …（３）
で表される。ここで、正規化された方向スペクトルＳｗのスペクトルの積分値は１であるため√ｍ_０は比率Ｃとなり、有義波高Ｈｗは、
Ｈｗ＝４．０×Ｃ …（４）
により求めることができる。なお、このとき、絶対方位ベースの方向スペクトルは、船首方向をφとしたとき、Ｓｗ（ω，θ−φ）・Ｃ・Ｃで表される。
【００２８】
次に、図３のフローチャートを用いて本発明の波高算出の手順について説明する。
船舶等に設けたレーダー装置から送信波を発射し、海面等の水面で反射された反射波信号を受信することによってレーダー画像信号ｈ（ｘ，ｙ，ｔ）を得る。レーダー画像信号ｈ（ｘ，ｙ，ｔ）は、連続してｎ画面取得しておく。レーダー装置は、送信機、アンテナ、受信機等からなるシステムであって、レーダー画像信号ｈ（ｘ，ｙ，ｔ）はレーダー指示器（ＰＰＩ）に表示することができる。
【００２９】
レーダー装置としては、例えば船舶用レーダー装置を適用することができるが、他のレーダー装置を適用することもできる。なお、船舶用レーダー装置は、物体からの反射を捉える必要性から、水面からの反射波信号を不要な雑音として除去する機能を備える。そこで、本発明においては、水面で反射された反射波信号を取得するために、船舶用レーダー装置の上記処理機能をオフとして使用するか、あるいは、上記処理を施す前の信号からレーダー画像信号ｈ（ｘ，ｙ，ｔ）を取り出す。雑音除去前の反射波信号を用いることによって、本来のレーダーの機能を損なうことなく水面反射を含む画像信号を取得することができる。
【００３０】
また、波高算出の精度を高めるには、レーダー装置を近距離レンジで測定し、アンテナの高さも高いほうが望ましい（ステップＳ１）。
取得したレーダー画像信号ｈ（ｘ，ｙ，ｔ）は、空間（ｘ，ｙ平面）及び時間ｔの信号である。なお、ｎ画面を取得した場合には、画像信号の全体の時間長は（ｎ−１）・サンプリング時間Δとなる。
【００３１】
このレーダー画像信号ｈ（ｘ，ｙ，ｔ）をフーリエ変換して、空間ベース及び時間ベースから波数（ｋｘ，ｋｙ）ベース及び出会い周波数（ωｅ（ｒａｄ／ｓｅｃ））ベースの３次元パワースペクトルＳｒ（ｋｘ，ｋｙ，ωｅ）を算出する。なお、出会い周波数は、船体と出会う波浪の周波数である。なお、レーダー画像信号ｈ（ｘ，ｙ，ｔ）は画像の濃淡強度を表し、波数ｋはＬを波長（ｍ）としたとき２π／Ｌで表される（ステップＳ２）。
【００３２】
得られた３次元パワースペクトルＳｒ（ｋｘ，ｋｙ，ωｅ）に、水面の流れや船体等の測定装置側の動きによって生じるドップラー効果が反射波に影響を及ぼす場合には、この影響を除去して波情報のみとする必要がある。
【００３３】
そこで、反射波にドップラー効果による影響がある場合には（ステップＳ３）、船速Ｕ（ｍ／ｓｅｃ）及び船首方位φ（ｄｅｇ）を計測し（ステップＳ４）、出会い周波数ωｅと波数ｋとの分散関係を表す分散関係式ωｅ＝Ｕ・ｋ＋√ｋｇを用いて波情報のみの３次元パワースペクトルＳｒ（ｋｘ，ｋｙ，ωｅ）とする。なお、上記分散関係式式においてＵ・ｋはベクトルの内積であり、√ｋｇ中のｋは（ｋｘ^２＋ｋｙ^２）の平方根（＝√（ｋｘ^２＋ｋｙ^２））であり、ｇは重力の加速度（９．８ｍ／ｓｅｃ／ｓｅｃ）である。なお、船速Ｕ及び船首方位φは、ＧＰＳによって求めることができる。
【００３４】
静止画像１枚では１８０度の不確定性が含まれるが、上記で求めた３次元パワースペクトルＳｒ（ｋｘ，ｋｙ，ωｅ）は、波の方向性による不確定性を排除することができる（ステップＳ５）。
【００３５】
求めた３次元パワースペクトルＳｒ（ｋｘ，ｋｙ，ωｅ）を絶対角周波数ω（ｒａｄ／ｓｅｃ）、及び船尾方向からを０度とする相対方位θをベースとする２次元スペクトルに変換し、さらに、このスペクトルの積分値（容積）を１に正規化し、正規化した２次元パワースペクトルをＳｗ（ω，θ）とする。なお、相対方位θの０度は必ずしも船尾方向である必要はなく、任意に設定することもできる（ステップＳ６）。
【００３６】
次に、船体運動の応答関数Ｇを理論計算で求める。この船体応答関数Ｇは、絶対角周波数ω、相対方位θ、及び船速Ｕに対する船体運動を記述するものであり、船体の各軸（例えば、前記した上下揺（ヒーブ）、前後揺（サージ）、左右揺（スウエイ）、船首揺（ヨー）、横揺（ロール）、縦揺（ピッチ）の６方向の各軸）について求めることができる。例えば、船体応答関数Ｇｚとして上下揺軸についての上下加速度で表すことができる。以下では、この船体応答関数Ｇｚを用いて説明する。なお、この船体応答関数は通常複素数表現で表される（ステップＳ７）。
【００３７】
ステップＳ６の工程で求めた２次元パワースペクトルＳｗ（ω，θ）とステップＳ７の工程で求めた船体応答関数Ｇｚ（ω，θ，Ｕ）とを用いて船体運動の１次元パワースペクトルＳｚ（ω，Ｕ）を求める。この１次元パワースペクトルＳｚ（ω，Ｕ）は、２次元パワースペクトルＳｗ（ω，θ）に船体応答関数Ｇｚ（ω，θ，Ｕ）の絶対値の２乗を乗じ、角度方向に積分することで求めることができる。
Ｓｚ（ω，Ｕ）＝∫Ｓｗ・｜Ｇｚ｜^２ｄθ …（５）
（ステップＳ８）。
【００３８】
ステップＳ８の工程で求めた１次元パワースペクトルＳｚ（ω，Ｕ）を周波数方向に積分することによって運動の分散値であるスペクトルモーメントｍ_０を求める。
ｍ_０＝∫ω^０Ｓｚ（ω，Ｕ）ｄω …（６）
（ステップＳ９）。
【００３９】
有義波高値に対応する有義値Ｚはこのスペクトルモーメントｍ_０を用いて求めることができ、レーダー画像信号と船体応答関数とを用いて得た１次元パワースペクトルＳｚ（ω，Ｕ）の有義値Ｚｓｒは、
Ｚｓｒ＝４．０√ｍ_０ …（７）
で表される。なお、有義値Ｚｓｒの添え字のｓは船体を意味し、ｒはレーダーを意味している（ステップＳ１０）。
【００４０】
一方、レーダーによってレーダー画像信号ｈ（ｘ，ｙ，ｔ）を計測すると共に、同じ時刻における船体の運動を計測し、計測信号から時系列のパワースペクトルの算出あるいは統計解析を行い、前記ステップＳ９と同様にスペクトルモーメントｍ_０を求めることによって、有義波高値に対応する有義値Ｚｓｍを求める。なお、有義値Ｚｓｍの添え字のｍは計測を意味して付している（ステップＳ１１）。
【００４１】
ステップＳ１０及びステップＳ１１の各工程で求めた有義値Ｚｓｒと有義値Ｚｓｍとを比較する。有義値Ｚｓｒは、レーダー画像信号と船体応答関数とを用いて得られる有義値であって、レーダー画像信号に係わる２次元パワースペクトルＳｗ（ω，θ）は１に正規化されているため、この有義値の大きさは主に船体運動に係わり、波の波高に係わる情報を含んでいない。一方、有義値Ｚｓｍは船体運動を計測することで得られるため、この有義値の大きさは船体運動に係わるものである（ステップＳ１２）。
【００４２】
したがって、両有義値の大きさは共に船体運動に係わり、有義値Ｚｓｍに対して有義値Ｚｓｒの大きさを合わせることによって、波の有義波高値を算出することができる。
そこで、有義値Ｚｓｍに対する有義値Ｚｓｒの大きさの関係を係数Ｃ
Ｃ＝Ｚｍ／Ｚｒ …（１１）
で求める。なお、Ｚｍ及びＺｒは有義値Ｚｓｍ及び有義値Ｚｓｒを一般的に表す値として示している（ステップＳ１３）。
【００４３】
したがって、２次元パワースペクトルＳｗ（ω，θ）は１に正規化され、スペクトルモーメントは１となるため、有義波高値Ｈｗは
Ｈｗ＝４．０・Ｃ …（１２）
で表すことができる。なお、このとき、絶対方位ベースに方向スペクトルはＳｗ（ω，θ−φ）・Ｃ^２で表される（ステップＳ１４）。
【００４４】
前記図３に示すフローチャートでは、有義値Ｚｓｍに対する有義値Ｚｓｒの大きさの関係を表す係数Ｃを用いて有義波高値Ｈｗを算出しているが、他の手法によって有義波高値を算出することもできる。
【００４５】
図４のフローチャートは有義波高値Ｈｗを算出する他の手順を示し、有義値Ｚｓｍと有義値Ｚｓｒの大きさを比較し、両有義値の大きさが等しくなるように、レーダー画像ｈの縦軸の大きさを求めることによって、有義波高値を算出するものである。なお、図４に示すフローチャートは、図３に示したフローチャートとほぼ同様であるため、以下では相違する部分のみについて説明する。なお、共通する工程については同一の符号（ステップＳ）を付している。
【００４６】
ステップＳ１の工程で受信したレーダー画像ｈの縦軸の大きさを初期値Ａに設定した後（ステップＳ２１）、前記ステップＳ２〜ステップＳ１１と同様の工程によって有義値Ｚｓｍ及び有義値Ｚｓｒを求める。
【００４７】
求めた有義値Ｚｓｍと有義値Ｚｓｒとを比較し（ステップＳ２２）、有義値Ｚｓｍと有義値Ｚｓｒが一致している場合には、設定した縦軸の大きさＡを用いて有義波高値Ｈｗは
Ｈｗ＝４．０・Ａ …（１３）
によって算出することができる（ステップＳ２４）。
【００４８】
有義値Ｚｓｍと有義値Ｚｓｒが不一致である場合には、設定した縦軸の大きさＡを変更し（ステップＳ２３）、有義値Ｚｓｍと有義値Ｚｓｒが一致するまで前記ステップＳ２１〜ステップＳ２２を繰り返し、有義値Ｚｓｍと有義値Ｚｓｒが一致したときの設定値Ａを用いて、式（１３）によって有義波高値Ｈｗを算出する。
【００４９】
本発明の波高算出は、前記図３あるいは図４のフローチャートで示される手順を船舶等が備えるコンピュータで実行する形態の他、所定の装置として構成することができる。
【００５０】
図５は、本発明の波高算出装置の一例を説明するためのブロック図であり、図３のフローチャートで示される手順に基づく構成例である。なお、図に示す構成中の各手段は、ハードで構成することもプログラムによってＣＰＵが実行する各機能で構成することもできる。また、図５に示す構成例は一例であり、前記した手順を他の構成で実現することもできる。
図５において、波高算出装置１は、スペクトル演算手段２と波高演算手段３を備える。
【００５１】
スペクトル演算手段２は、レーダー装置４からのレーダー画像信号ｈｒを信号処理する構成と、船体運動計測手段５からの計測信号ｈｓを信号処理する構成を備える。なお、レーダー装置４は、前記したように、送信機、アンテナ、受信機等からなるシステムであり、例えば、船舶用レーダーを適用することができる。また、船体運動計測手段５は、例えば、船舶に設置した加速度計によって加速度を求める他、この加速度を積分して速度や変位を求める。
【００５２】
レーダー装置４からのレーダー画像信号ｈｒを信号処理する構成として、レーダー画像信号ｈｒをフーリエ変換して３次元パワースペクトルＳｒ（ｋｘ，ｋｙ，ωｅ）を求める３次元パワースペクトル演算手段２ａ，分散関係式によってノイズを除去するノイズ除去手段２ｂ、３次元パワースペクトルＳｒ（ｋｘ，ｋｙ，ωｅ）を２次元パワースペクトルＳｗ（ω，θ）に変換するスペクトル変換手段２ｃ、２次元パワースペクトルＳｗ（ω，θ）と船体応答関数Ｇｚ（ω，θ，Ｕ）を用いて船体運動の１次元パワースペクトルＳｚ（ω，θ）を算出するスペクトル算出手段２ｄ、及びスペクトル算出手段２ｄに船体応答関数Ｇｚを入力するための入力あるいは記憶手段２ｅを備える。なお、船体応答関数Ｇｚは、本発明の波高算出を適用する船舶について理論計算により求めておき、入力あるいは記憶手段２ｅからスペクトル算出手段２ｄに導入する他、スペクトル算出手段２ｄ内に予め設定しておくこともできる。
【００５３】
一方、船体運動計測手段５からの計測信号ｈｓを信号処理し、船体運動のパワースペクトルを求める構成として、時系列スペクトル演算手段２ｆあるいは統計解析手段（図示していない）を備える。
【００５４】
また、波高演算手段３は、スペクトル算出手段２ｄで算出した船体運動の１次元パワースペクトルＳｚ（ω，θ）と、時系列スペクトル演算手段２ｆで求めた船体運動のパワースペクトルとを入力し、それぞれの有義値Ｚｓｒ，Ｚｓｍを算出する有義値算出手段３ａと、算出した有義値Ｚｓｒ及びＺｓｍを用いて係数Ｃ（＝Ｚｍ／Ｚｓ）を算出する係数算出手段３ｂと、算出した係数Ｃを用いて有義波高値を算出する有義波高値算出手段３ｃを備える。なお、スペクトル変換手段２ｃの出力から方向スペクトルを得ることができる。
【００５５】
本発明の波高算出は、上記の構成をハード装置、あるいはプログラムによるソフトの何れの形態によっても行うことができ、波高算出の実行手順を記述した記録媒体を汎用のコンピュータに読み込ませて実行させることもできる。
【００５６】
本発明の波高算出は、レーダーと船体運動を組み合わせることによって、レーダー画像信号から波長（周波数）と波向きの情報を安定して得ることができ、また、船体運動の計測信号から波高の情報を安定して得ることができるため、波浪情報について総合して安定した結果を得ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、波高の算出において実測に基づく較正を不要とすることができ、高い波高についても高精度の算出を行うことができる。また、船舶上において波向き、周期だけでなく波高も安定してリアルタイムで求めることができる。
【００５８】
また、波の方向スペクトルも、縦軸も含めて安定した結果が得られる。この波の方向スペクトルは、海洋物理の他、波浪の数値予測モデルの重要な要素であり、本発明によって得られる波の方向スペクトルを用いることによって、波浪の数値予測モデルを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の波高算出の概略を説明するためのブロック図である。
【図２】本発明の波高算出を適用する船体の運動状態を説明するための図である。
【図３】本発明の波高算出の手順を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の波高算出の他の手順を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の波高算出装置の一例を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
１波高算出装置
２スペクトル演算手段
２ａ３次元パワースペクトル演算手段
２ｂノイズ除去手段
２ｃスペクトル変換手段
２ｄスペクトル算出手段
２ｅ船体応答関数の入力あるいは記憶手段
２ｆ時系列スペクトル演算手段
３波高演算手段
３ａ有義値算出手段
３ｂ係数算出手段
３ｃ有義波高値算出手段
４レーダー装置
５船体運動計測手段

Claims

レーダー画像信号から波高値を正規化した波の方向スペクトルを求め、理論計算により船体運動の応答関数を求め、前記波の方向スペクトルと前記船体運動の応答関数を用いて波の波高情報を含まない船体運動の第１のパワースペクトルを推定する工程と、
船体運動を実測して得られる計測信号から、波の波高情報を含む船体運動の第２のパワースペクトルを実測する工程と、
前記第１のパワースペクトルの推定値と前記第２のパワースペクトルの実測値からそれぞれ船体運動に係わる有義値を求め、波の波高値が正規化された船体運動の第１のパワースペクトルの有義値に対する第２のパワースペクトルの有義値の比率を求める工程と、
前記有義値の比率から、波の波高値を求める工程を含むことを特徴とする、波高算出方法。
前記第１のパワースペクトルを求める工程は、レーダー画像信号をフーリエ変換し正規化した方向スペクトルと前記船体応答関数の二乗の積を角度方向に積分して算出する工程を含み、
前記第２のパワースペクトルを求める工程は、前記船体運動情報の時系列のパワースペクトルあるいは統計解析によって算出する工程を含むことを特徴とする、請求項１記載の波高算出方法。
前記波高値を求める工程は、
前記第１のパワースペクトル及び前記第２のパワースペクトルの各スペクトルモーメントから前記縦軸の大きさの比率を求める工程と、
当該大きさの比率に基づいて波高値を求める工程とを含むことを特徴とする、請求項２に記載の波高算出方法。
前記船体運動情報は、船体に上下揺軸、前後揺軸、左右揺軸、船首揺軸、横揺軸、縦揺軸の少なくとも一軸における加速度、速度、変位の少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の波高算出方法。
レーダー画像信号から波高値を正規化した波の方向スペクトルを求め、理論計算により船体運動の応答関数を求め、前記波の方向スペクトルと前記船体運動の応答関数を用いて波の波高情報を含まない船体運動の第１のパワースペクトルの推定値を算出する処理と、
船体運動を実測して得られる計測信号から、波の波高情報を含む船体運動の第２のパワースペクトルの実測値を求める処理を含むスペクトル演算手段と、
前記第１のパワースペクトルの推定値と前記第２のパワースペクトルの実測値からそれぞれ船体運動に係わる有義値を求める処理と、
波の波高値が正規化された第１のパワースペクトルの有義値に対する第２のパワースペクトルの有義値の比率を求め、当該有義値の比率から波の波高値を求める処理を行う波高演算手段とを備えることを特徴とする、波高算出装置。
前記スペクトル演算手段は、
レーダー画像信号をフーリエ変換し正規化した方向スペクトルと、前記船体応答関数とから第１のパワースペクトルを算出する第１の算出手段と、
前記船体運動情報から第２のパワースペクトルを算出する第２の算出手段とを備えることを特徴とする、請求項５記載の波高算出装置。
前記波高演算手段は、
前記第１のパワースペクトル及び前記第２のパワースペクトルの各スペクトルモーメントから前記縦軸の大きさの比率を求める比率算出手段と、
当該大きさの比率に基づいて波高値を求める算出手段とを備えることを特徴とする、請求項６に記載の波高算出装置。
前記船体運動情報は、船体の上下揺軸、前後揺軸、左右揺軸、船首揺軸、横揺軸、縦揺軸の少なくとも一軸における加速度、速度、変位の少なくとも一つであることを特徴とする、請求項５乃至７の何れか一つに記載の波高算出装置。
前記請求項１乃至４の何れか一つに記載の波高算出の各工程をコンピュータに実施させるプログラムをコンピュータにより読み出し可能に記録したことを特徴とする、記録媒体。
前記請求項５乃至８の何れか一つに記載の波高算出装置を備えることを特徴とする、船舶。
前記請求項９に記載の記録媒体に記録されるプログラムを読み出し、当該プログラムに基づいて波高算出の各工程を実施させるコンピュータを備えることを特徴とする、船舶。