JP2000310678A

JP2000310678A - レーダによる波浪観測方式

Info

Publication number: JP2000310678A
Application number: JP11121862A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Osawa; 謙一大澤; Kazuo Okamoto; 和男岡本
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2000-11-07

Abstract

(57)【要約】【目的】短波長の海上監視用レーダを用いて、波浪の
観測を高精度、高能率で行える波浪観測用レーダを提供
する。【構成】海上監視用レーダ１の出力信号を基に、積分
処理部４において波峰を示す信号強度を合成して波峰の
信号強度を高め、波浪の位置を特定して、さらに信号ス
ペクトル算出部７において観測波形のスペクトルをスペ
クトルの成分周波数で積分してＣ．Ｃ．Ｓ．を求め、波
浪の波高などを計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、波浪観測方式に
関し、特に、陸上などに設置されて海上交通の分野で利
用される海上監視用レーダを用いて波浪を観測する方式
に関する。

【０００２】

【従来の技術】波浪観測の方式としては、超音波を用い
て波高を測る方式、圧力センサなどを海中に設置する方
式、やはり圧力センサなどをブイや船舶を用いて海面に
係留する方式、あるいは海中に建設物を設置してこれに
センサを設置する方式が、知られている。また陸上や衛
星から計測装置によってリモートセンシングを行う方式
などが、存在する。このうち、衛星を用いる場合には、
移動衛星に搭載したレーダ高度計から海面へ向けて照射
したマイクロ波パルスにより、照射点の有義波高を観測
する方式が、一般的である。しかし、この方式は移動衛
星を用いて広範囲の海域における波高を短時間ずつ観測
する目的に適した方式であり、特定海域を常時観測する
目的には不向きである。

【０００３】特定海域を常時観測する目的には、陸上設
備によるリモートセンシング方式が、望ましい。その理
由のひとつは、リモートセンシング以外の方式では、観
測対象の海域がセンサ設置場所の周辺の狭い海域に限定
されることである。このため、ある程度広範囲の特定海
域を常時、しかも高精度に観測するためには、どうして
もリモートセンシング方式が不可欠である。

【０００４】このような背景に基づいて、ＨＦ帯を用い
る波浪観測用ＨＦレーダが開発された。これは、波峰を
格子とみなした場合の回折格子の原理に基づく照射電波
のブラッグ散乱を用いて、レーダ波の波長の１／２の波
長の波浪からの反射波を観測するものである。すなわ
ち、ある一定の波長Ｌを持つ照射波は、波長Ｌ／２の波
長を持つ波浪に対して最も強く反射し、しかもその反射
波は、波浪の伝搬速度に応じたドップラー周波数成分を
備えている。この性質を用いて照射電波の波長に対応し
た波浪の観測を行い、反射波から選られた波浪スペクト
ルを基に有義波高、卓越波周波数、海面の流れなどの観
測が行われるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、本来観測の対
象とすべき波浪の波長は、数十メートルないし数百メー
トルに及ぶ長いものである。特に、波浪は波長が長いほ
ど高いエネルギを有するものであり、その意味でも長い
波長の波浪を観測することは重要である。ところが、上
述のＨＦ帯の電波の波長は、最も低い周波数である３メ
ガヘルツ帯であっても１００メートルどまりであり、こ
の場合に観測可能な波浪波長は、電波の波長の半分であ
る５０メートル程度にとどまる。また、このように低い
周波数では、送受信におけるビーム幅が広くなるため、
観測領域外の信号が混入することも、避けられない問題
となる。

【０００６】以上の課題を解決するために、この発明に
おいては、海上監視用レーダなど短い波長の波を用いる
レーダによっても、長い波長の波浪を高精度で観測でき
る方式を、提供しようするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、この発明においては、レーダの反射波の受信強度
を解析して、受信強度の最大値ならびに最小値から波浪
の波高を算出する手順と、受信強度の変動の履歴から波
峰の位置を算出する手順と、算出された波峰の位置から
さらに波の形態を算出する手順とを、含むものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施の形態に
ついて、説明する。図１に、波峰の位置から選られる波
浪の波長について、模式的に示す。図において、波浪の
波長をＬでしめす。この波長としては、数十メートルな
いし数百メートル程度のものを想定する。２Ｌ、ｎＬ
は、それぞれ波長Ｌの整数倍を示す。ここにｎは任意の
正の整数である。波浪の波峰は、図に示されるように一
定の間隔をおいた平行線状に現れる。言うまでもなく、
一定の間隔とは波長Ｌである。また、図２に海面の波浪
でレーダ波が反射する様相を、概念的に示す。

【０００９】図３は、この図１ならびに図２に示された
波の縦断面を概念的に示すものである。各々の波峰のち
ょうど中間、すなわち波峰からＬ／２だけ離れた位置
に、波底を生じている。またこの図３には、波面に照射
されるレーダ波をも、やはり模式的に示す。図３におい
て、レーダ波は波面に対して図の右上方から照射され
る。従って、波面のうちで図に実線で示した部分、すな
わち図において左上方から右下方へ向けて傾斜した面は
レーダ波を反射して反射波をレーダにまで到達させる
が、波面のうちで図に破線で示した部分、すなわち図に
おいて右上方から左下方に向けて傾斜した面にはレーダ
波が到達しないか、またはレーダ波が到達して波面で反
射しても、反射波はレーダの方へは進まず、反射波はレ
ーダにまで到達しない。

【００１０】しかもこのとき、レーダの原理に基づき、
波浪の波峰ではレーダ電波の反射強度が最も高く、逆に
波底では反射強度が低い。波面のそれ以外の部分では、
波面の高さに応じた中間の反射強度となる。このため、
この反射強度の強弱が、波浪の波長をそのまま反映した
波形を生成することになる。この反射強度と波長の関係
を模式的に示したのが、図４である。図において、Ｒは
レーダから特定の波峰までの距離を示している。図にみ
られるように、レーダの反射波の反射強度が最大になる
位置が波峰を、最小になる位置が波底を、それぞれ示し
ている。また、反射波の反射強度の最大値と最小値の差
は、波峰と波底との波面の差、すなわち波高を示してい
る。

【００１１】このことから、反射波の反射強度の分布
が、波面の高さと位置とを示していることがわかる。た
だし、ここで波面の位置という表現を用いたが、反射波
の強度分布を示す図４の鋸状の図形は、そのまま実際の
波浪の波長を正確に示しているわけではない。その理由
は、レーダ波が常に波浪に対して垂直に反射するとは限
らないからである。しかしながらこの場合でも、反射波
によって求められた波面の位置、たとえば波峰の位置か
ら、実際の波浪の波長を演算によって算出することが可
能である。

【００１２】この算出の手法を、図５を用いて説明す
る。図において、レーダOからの方位線Ａの方向のレー
ダ波によって波峰位置ａｋならびにａｍが、方位線Ｂの
方向のレーダ波によって波峰位置ｂｋならびにｂｍが、
方位線Ｃの方向のレーダ波によって波峰位置ｃｋならび
にｃｍが、それぞれ観測データとして得られたものとす
る。ａｋ、ｂｋ、ならびにｃｋの波峰位置から直線Ｋ
が、ａｍ、ｂｍ、ならびにｃｍの波峰位置から直線Ｍ
が、それぞれ存在するはずである。このとき、直線Ｋと
直線Ｍとの距離が、上述の波長Ｌに相当することにな
る。

【００１３】ここで、レーダＯをたとえば座標の原点と
考えれば、波峰ａｋ、ｂｋ、ｃｋならびに波峰ａｍ、ｂ
ｍ、ｃｍは、それぞれ座標平面上の特定の点となる。こ
のときに、波峰ａｋ、ｂｋ、ｃｋの座標から直線Ｋの座
標上での方程式を求めること、波峰ａｍ、ｂｍ、ｃｍの
座標から直線Ｍの座標上での方程式を求めることは、い
ずれも周知の回帰分析の手法を用いることにより、容易
に可能である。こうして直線Ｋならびに直線Ｍの方程式
を求めることができれば、これら２直線間の距離を求め
ることは、これも周知の手法により容易に可能である。
こうして求められた２直線間の距離が、すなわち波長Ｌ
に相当する。

【００１４】ただし、波峰の高さは常に一定とは限らな
い。実際の波浪においては、波峰の高さに不規則な変動
を生じ、その結果反射波の強度そのままでは波峰と認識
しにくい場合もある。この理由は、反射波を入力信号と
して処理するときに信号強度にしきい値を設けているこ
とによる。すなわち、従来からよく知られているよう
に、海上監視用レーダは微少な反射波の信号を無視する
ように設計されている。これは、レーダ波の多重反射な
どによって、実際には何も存在しないところにあたかも
船舶などが存在するような表示をしてしまう不具合を避
け、こうした虚偽の表示と実際に存在する船舶などの物
標の表示とを厳然と区別して、信頼性の高い表示を実現
する目的によるものである。このため、レーダを海上監
視用としても利用するためには、しきい値を極端に低く
することも、現実には難しい。

【００１５】そこでこの発明においては、図６に示すよ
うに、各波峰における信号強度を加算した値を新たな強
度とする信号を合成して、これをもって信号の処理を行
うようにする。このときには、加算によって求められた
新たな信号強度は、加算前の波峰における信号強度と比
較しても、上述のしきい値をさらに高いものにすること
が可能である。これによって、上述の虚偽の表示と実際
の物標の表示とを区別するという条件も、有利に満足で
きる。

【００１６】このとき、各波峰の位置を検出するために
は、たとえば信号強度を時間で微分することによって、
信号強度を極大とする位置を波峰とみなすようにすれば
よいし、また加算処理においては、たとえば新たな強度
を求めようとする波峰の信号強度に、その波峰に隣接す
る波峰の信号強度を加算するようにしてもよい。このよ
うにすることによって、各波峰の信号が、互いにほぼ同
程度の信号強度を備え、しかも各々の信号強度が充分に
強いような信号を得ることが、可能になる。

【００１７】原理的には以上に説明した通りである。し
かしながら、実際には上述のようにして得られた信号
は、あくまで擬似的な波浪波形であり、そのスペクトル
は観測ごとに異なる。これは、反射波の波峰の位置と信
号強度から波浪を推測しているために起こる現象であ
る。この現象の影響を排除し、安定したスペクトルを得
るためには、たとえば観測を多数回行って、得られたデ
ータについて統計的処理を行うことも、考えられる。

【００１８】しかしながら、以下に述べる手法を用いる
ことによって、観測を多数回繰り返すことなく波浪スペ
クトルを推測することが、可能となる。

【００１９】すなわち、波浪スペクトルそのものに着目
するのではなく、波浪全体のエネルギに着目する。波浪
は海上の風からエネルギを得て発生するものであるが、
その発生プロセスとして、ある風速の風が海面上にふく
と、まず比較的短い波長の波が発生し、その波が時間の
経過につれて成長し、風速に応じた所定の振幅に達する
と、比較的短い波長の波の成長は止まる。それ以降、風
から与えられるエネルギは、さらに長い波長の波に供給
され、波長の長い波が成長を始める。このため、波浪の
有するエネルギは、波長の短い波のスペクトルから波長
の長い波のスペクトルへ積分した結果として与えられる
ことになる。

【００２０】この処理を行うためのシステムの構成を、
図７に示す。図７において、１は従来から周知の海上監
視レーダ、２はこれも従来から周知の波高計である。こ
れら海上監視レーダ１ならびに波高計２については、い
ずれも周知であるので、図に示した構成の説明を省略す
る。

【００２１】３は波形記憶部である。ここでは、海上監
視レーダ１において検波まで終えたデータを一時的に記
憶する。この波形記憶部３は、海上監視レーダの出力信
号の形態に合わせて、たとえば一般的なメモリ素子など
で構成可能である。４は積分処理部である。この積分処
理部４は一般的な積分回路で構成されてもよいし、また
ソフトウェア処理によって同等の機能を実現してもよ
い。５は波形背面補間処理部である。海上監視レーダの
照射波は、上述の通り波峰の背面では反射してレーダに
到達するとは限らないので、この部分の波形を補間する
処理を、この波形背面補間処理部５で行う。６は標本化
回路である。波形背面補間処理部５で得られた波形を基
に、フーリエ変換を行って特定波長の成分を抽出する処
理を行う部分である。

【００２２】７は信号スペクトル算出部である。標本化
回路６において波長ごとに分解抽出された波浪成分か
ら、波浪スペクトルを算出し、さらに後述するＣ．Ｃ．
Ｓ．を算出する部分である。８は算出されたＣ．Ｃ．
Ｓ．が波高計２を含む海域のものであるか否かを判断す
る部分である。この判断は、海上監視レーダ１の照射範
囲と波高計２の位置とを照合することによって、容易に
行える。判断の結果、算出されたＣ．Ｃ．Ｓ．が波高計
２を含む海域のものであれば、次に述べる信号スペクト
ル算出部９において相関算出が行われる。そうでなけれ
ば、１０において波高計との相関の有無を判断する。後
述する９は信号スペクトルのＣ．Ｃ．Ｓ．と波浪スペク
トルのＣ．Ｃ．Ｓ．との相関を求める信号スペクトル算
出部である。この相関を求める処理は、後述する波浪ス
ペクトル算出部１４の出力と風向計測部１５の出力とに
基づいて行われる。１０は波高計２との相関データが存
在するか否かを判断する部分である。ここで相関データ
が存在すれば、波高算出部１１において波高を算出す
る。そうでなければ、波形記憶部３において新しいデー
タを再度収集する。

【００２３】１２は空中線であり、海上の波高計２から
波高データ１３を波浪スペクトル算出部１４に送る役割
を果たす。１４は波浪スペクトル算出部であり、波高計
２から送られた波高データ１３を用いて、波浪スペクト
ルならびに波浪スペクトルのＣ．Ｃ．Ｓ．を算出する。

【００２４】この構成を用いて行われる波浪観測を、波
浪モデルのシミュレーション結果を用いて示したもの
が、図８である。まず図８（ａ）は、風速３６ノットで
完全に成長した波浪として、ノイマンスペクトルからシ
ミュレートした波浪モデルを示している。ここでは、有
義波高１０．４メートル、平均波高６．５メートル、波
浪エネルギ１３．６ｋＶ２のデータを示している。図８
（ａ）のうねりモデルからフーリエ変換を用いて波浪の
スペクトルを算出したものを、図８（ｂ）のグラフに示
す。これは、上記のノイマンスペクトルと一致するもの
である。

【００２５】さらに、図８（ａ）の波浪モデルに対する
レーダ受信処理波、すなわちレーダの観測結果である疑
似波浪のスペクトルをシミュレーションによって求めた
ものを、図８（ｃ）のグラフに示す。このグラフは、図
７に示す海上監視レーダ１の出力に相当するものであ
る。図８（ｃ）のグラフをみると、波浪そのもののスペ
クトルを示す図８（ｂ）のグラフとは傾向が一致してい
るとまでは言えず、特に低い周波数でのスペクトル成
分、すなわち長い波長でのスペクトル成分においては、
スペクトル成分に乱れがみられ、図８（ｂ）のグラフと
の相違が大きい。この乱れを多数回の観測と統計的処理
によって整えることができるのは上述の通りであるが、
ここで波浪スペクトルの積分を考えてみる。

【００２６】図８（ｄ）は、波浪（モデル）そのもので
ある図８（ｂ）の波浪スペクトルをスペクトルの成分周
波数で積分した積分曲線である。この積分曲線はＣｏ−
ＣｕｍｕｌａｔｉｖｅＳｐｅｃｔｏｒａと呼ばれるも
のであり、この積分曲線を、本願においてはＣ．Ｃ．
Ｓ．と略称する。上述の通り、波浪の有するエネルギ
は、波長の短い波のスペクトルから波長の長い波のスペ
クトルへ積分した結果として与えられるので、この積分
曲線Ｃ．Ｃ．Ｓ．が、波浪のエネルギを示すことにな
る。同様に図８（ｅ）は、レーダ観測をシミュレートし
た疑似波浪スペクトル図８（ｃ）を積分したＣ．Ｃ．
Ｓ．である。このグラフは、図７に示す信号スペクトル
算出部７の出力に相当するものである。このＣ．Ｃ．
Ｓ．を比較すると、両者がよく一致していることがわか
る。一般にこのＣ．Ｃ．Ｓ．曲線は、風速が大きいほど
高い値を示す。そこで風速を２４ノット、２８ノット、
３２ノット、３６ノットとした場合の０．０７９Ｈｚに
おける値をシミュレーションによって求めると、各風速
における波浪モデルの波形の相違に起因して若干の差を
生じるものの、大略においては下記の通りとなる。

【００２７】風速（ノット）エネルギ・パラメータ（ｍ２）レーダによるＣ．Ｃ．Ｓ．（ｋＶ２）２４１．７８１２．０１２８３．８７１９．８５３２７．５４２７．４３３６１３．５７４１．５７

【００２８】上記の関係から、この範囲の波浪に対して
得られたＣ．Ｃ．Ｓ．値よりエネルギ・パラメータを求
める式として、次式を得られる。

【００２９】ｌｏｇＥ（ｍ２）＝１．６３８・ｌｏｇ
Ｃ．Ｃ．Ｓ．（ｋＶ２）−１．５１９

【００３０】また、不完全成長の波浪の例として、０．
１Ｈｚ以下の成分を含まない波浪の例を、図９に示す。
図９の各図の内容は、波浪モデルが不完全成長で有義波
高４．７メートル、平均波高３．０メートル、波浪エネ
ルギ２．８ｋＶ２である条件を除いて図９の場合と同様
であり、図９（ａ）は疑似波浪スペクトルをシミュレー
トしたもの、図９（ｂ）は図９（ａ）のうねりモデルか
らフーリエ変換を用いて波浪のスペクトルを算出したも
の、図９（ｃ）は図９（ａ）の波浪モデルに対するレー
ダ受信処理波、すなわちレーダの観測結果である疑似波
浪のスペクトルをシミュレーションによって求めたも
の、図９（ｄ）は波浪（モデル）そのものである図９
（ｂ）の波浪スペクトルを積分したＣ．Ｃ．Ｓ．、図９
（ｅ）はレーダ観測をシミュレートした疑似波浪スペク
トル図９（ｃ）を積分したＣ．Ｃ．Ｓ．である。

【００３１】このような不完全成長の波浪の場合には、
長い波長の波浪成分が成長していないため、疑似波浪ス
ペクトルを積分したＣ．Ｃ．Ｓ．では略０．１Ｈｚ以下
での積分値の増加が認められず、そのエネルギレベルは
大略２０ｋＶ２で与えられる。これによりエネルギ・パ
ラメータＥ（ｍ２）を得て、有義波高、平均波高さ、あ
るいは風速等を算出することが可能になる。

【００３２】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、従来からある短波長の海上監視用レーダを用いて、
観測上重要な長い波長の波浪を、高精度で観測すること
ができる。しかも、多数回の観測と統計的処理による負
担を負うことなく、高精度の観測が可能である。したが
って、船舶の航行安全の向上に、見るべき効果をあげる
ことが期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】波浪の波長を示す模式図である。

【図２】波浪とレーダ波の反射の様相を示す模式図であ
る。

【図３】波浪の縦断面を示す模式図である。

【図４】波浪の波長とレーダ反射波の反射強度の関係を
示す模式図である。

【図５】波浪の波長の算出の概念を示す模式図である。

【図６】信号強度の合成の概念を示す模式図である。

【図７】本発明を実現するシステム構成の例を示す説明
図である。

【図８】波浪のレーダ観測のＣ．Ｃ．Ｓ．のシミュレー
ション結果を示すグラフである。

【図９】不完全波浪のレーダ観測のＣ．Ｃ．Ｓ．のシミ
ュレーション結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１・・・海上監視レーダ２・・・波高計

フロントページの続きＦターム(参考） 5J070 AB01 AC01 AC04 AC20 AE07 AE14 AF01 AH02 AH04 AH14 AH19 AH25 AH33 AH35 AH50 AJ06 AJ10 AJ13 AK22 AK40 BD10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーダ波を海面に照射して、該レーダ波
の反射波を受信して海面の観測を行う波浪観測方式にお
いて、該海面において波浪の波長に対応する特定の距離
をおいた各位置からの反射波の信号強度の合計を求め、
前記反射波から得られた前記各位置と該各位置間の距離
とから、波浪の波峰もしくは波谷の位置を求めることを
特徴とする、波浪観測方式。
【請求項２】請求項１に記載の波浪観測方式におい
て、前記反射波から得られた波浪のスペクトルを該スペ
クトルの成分周波数で積分して、波浪エネルギのスペク
トルを得ることを特徴とする、波浪観測方式。