DE112010003352T5

DE112010003352T5 - Methode zum Messen von Meereswellen durch Ultraschallwellen sowie Meereswellen-Messsystem

Info

Publication number: DE112010003352T5
Application number: DE112010003352T
Authority: DE
Inventors: Teruyuki Kato; Yukuhiro Terada; Haruhiko Yoshida; Toshihide Miyake
Original assignee: Hitachi Zosen Corp; University of Tokyo NUC; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Hitachi Zosen Corp; University of Tokyo NUC; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-07-12
Also published as: US20120147706A1; KR20120052972A; CL2012000154A1; JP5229500B2; KR101714542B1; US8971150B2; JP2011043395A; WO2011021490A1

Abstract

Ein Verfahren zum Messen von Meereswellen umfasst Folgendes: Aussenden von Ultraschallwellen von einem Ultraschallsender 2, welcher auf einer Boje 1 bereitgestellt ist, in das Meer und Empfangen der Ultraschallwellen von drei Transpondern 3 auf dem Meeresboden zusammen mit den Zeitsignalen; Detektieren von Entfernungen zwischen den Transpondern 3 und dem Ultraschallsender 2 auf der Grundlage der Ausbreitungszeit der Ultraschallwellen; Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, um eine Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren; Vorbereiten und Lösen linearer Gleichungen, um den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Meereswellen durch Ultraschallwellen und ein Meereswellen-Messsystem.
Stand der Technik
Bei der stetigen Beobachtung, das heißt bei der Messung von Meereswellen wurde im Allgemeinen ein Wellenmessinstrument vom Unterwasserdruck-Typ verwendet, um Druckfluktuationen auf dem Meeresboden zu messen.
Das Wellenmessinstrument vom Unterwasserdruck-Typ kann in flachen Gewässern verwendet werden, weist jedoch eine eingeschränkte Verwendbarkeit in sehr tiefen Gewässern mit einer geringeren Empfindlichkeit für Wellen mit einer kurzen Periode auf, da die Bewegung der Wasserpartikel aufgrund von Meeresoberflächenwellen nicht den Meeresboden erreicht.
Wenn folglich das Wellenmessinstrument vom Unterwasserdruck-Typ verwendet wird, werden beobachtete Wellenformen durch ein Tiefpassfilter erhalten, wobei unvermeidlich die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Beobachtungsdaten reduziert wird.
Inzwischen kann ein Ultraschall-Wellenmessinstrument Wellenformen auf der Meeresoberfläche im Vergleich zu dem Wellenmessinstrument vom Unterwasserdruck-Typ unmittelbar erhalten, und wird weit verbreitet überall an den Küsten des Landes verwendet.
Das Ultraschall-Wellenmessinstrument beobachtet Wellen der Meeresoberfläche durch Aussenden scharfer Ultraschallimpulsstrahlen in Richtung auf die Meeresoberfläche von einem Sender/Empfänger auf dem Meeresboden, durch Empfangen reflektierter Wellen von der Meeresoberfläche und durch kontinuierliches Aufzeichnen der Umlaufausbreitungszeit (entsprechend dem Pegel der Meeresoberfläche) des Ultraschallimpulses (man siehe beispielsweise „Enganharo Kaisho Kansoku Deta no Kaiseki Katsuyo nikansuru Kaisetsusho (Manual for Analysis and Utilization of Coastal Waves/Oceanographic Observatory Data) (Seiten 3 bis 4), herausgegeben von Coastal Development Institute of Technology, im August 2000").
Kurzfassung der Erfindung
Technische Aufgabenstellung
Wie oben stehend beschrieben sendet das Ultraschall-Wellenmessinstrument der verwandten Technik Ultraschallwellen von dem Sender/Empfänger auf dem Meeresboden in Richtung auf die Meeresoberfläche aus und empfängt die reflektierten Wellen von der Meeresoberfläche. Wenn jedoch die Wellen hoch sind, ist die Meeresoberfläche gestört und große Mengen Luftblasen werden von sich brechenden Wellen eingefangen, so dass die Ultraschallwellen absorbiert oder gestreut werden, wodurch die Messgenauigkeit reduziert wird oder in manchen Fällen ein unmessbarer Zustand erzeugt wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen von Meereswellen durch Ultraschallwellen und ein Meereswellen-Messsystem bereitzustellen, welches auch hohe Wellen genau messen kann.
Lösung der Aufgabe
Um die Aufgabe zu lösen, ist ein erster Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Messen von Wellenhöhen in vorbestimmten Gewässern durch Detektieren einer Fluktuation eines auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Körpers, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Empfangen von Ultraschallwellen, welche von mindestens drei Ultraschallsendern auf oder in der Nähe des Meeresbodens unter dem aufschwimmenden Körper ausgesendet werden, welcher auf der Meeresoberfläche des vorbestimmten Gewässers verankert ist und welcher mit einem Ultraschallempfänger unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt wird; Detektieren der Entfernungen zwischen den Ultraschallsendern und dem Ultraschallempfänger auf der Grundlage der Ausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von den Ultraschallsendern bis zum Empfangen der Ultraschallwellen; Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, um die Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren; und Vorbereiten linearer Gleichungen mit drei Unbekannten für die jeweiligen Ultraschallsender, derartig dass eine Formel, welche als Unbekannte Versetzungen der dreidimensionalen Koordinatenachsen des Ultraschallempfängers aufweist, gleich der extrahierten Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ist, wobei die dreidimensionalen Koordinatenachsen als Koeffizienten den Azimuth und die Depression des Ultraschallempfängers relativ zu dem Ultraschallsender aufweisen, und Lösen der simultanen linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, um mindestens den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.
Ein zweiter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Meereswellen-Messsystem zum Messen von Meereswellen in vorbestimmtem Gewässern durch Detektieren einer Fluktuation eines aufschwimmenden Körpers auf der Meeresoberfläche, wobei das System Folgendes umfasst: den aufschwimmenden Körper, welcher auf der Meeresoberfläche in dem vorbestimmten Gewässer verankert ist; Ultraschallsender, welche in mindestens drei Positionen auf oder in der Nähe des Meeresbodens unter dem aufschwimmenden Körper angeordnet sind; einen Ultraschallempfänger, welcher in der Lage ist, Ultraschallwellen von den Ultraschallsendern zu empfangen, wobei der Ultraschallempfänger unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt wird; und eine Meereswellen-Messvorrichtung zum Messen von Wellenhöhen durch Detektieren von Entfernungen zwischen den Ultraschallsendern und dem Ultraschallempfänger auf der Grundlage der Ausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von den Ultraschallsendern bis zum Empfangen der Ultraschallwellen, wobei die Meereswellen-Messvorrichtung Folgendes umfasst: einen Entfernungsrechner zum Berechnen der Entfernungen zwischen den Ultraschallsendern und dem Ultraschallempfänger auf der Grundlage der Ausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von den Ultraschallsendern bis zum Empfangen der Ultraschallwellen; einen Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zum Extrahieren der Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen durch Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, welche von dem Entfernungsrechner bestimmt werden; und einen Rechner für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zum Vorbereiten linearer Gleichungen mit drei Unbekannten für die jeweiligen Ultraschallsender, derartig dass eine Formel, welche als Unbekannte Verlagerungen der dreidimensionalen Koordinatenachsen des Ultraschallempfängers aufweist, gleich der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ist, welche von dem Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen extrahiert wird, wobei die dreidimensionalen Koordinatenachsen als Koeffizienten den Azimuth und die Depression des Ultraschallempfängers relativ zu den Ultraschallsendern aufweisen, und Lösen der linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, um mindestens den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.
Ein dritter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Messen von Wellenhöhen in vorbestimmten Gewässern durch Detektieren einer Fluktuation eines auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Körpers, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Emittieren von Ultraschallwellen in das Meer von einem Ultraschallsender/Empfänger, welcher unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt wird, welcher auf der Meeresoberfläche in dem vorbestimmten Gewässer verankert ist, und Empfangen der Ultraschallwellen von mindestens drei Schallwellen-Relaisvorrichtungen, welche auf oder in der Nähe des Meeresbodens unter dem aufschwimmenden Körper angeordnet sind; Detektieren von Entfernungen zwischen den Schallwellen-Relaisvorrichtungen und dem Ultraschallsender/Empfänger auf der Grundlage der Umlaufausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger bis zum Empfangen der Ultraschallwellen; Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, um Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren; und Vorbereiten von linearen Gleichungen mit drei Unbekannten für die jeweiligen Schallwellen-Relaisvorrichtungen, derartig dass eine Formel, welche als Unbekannte Verlagerungen der dreidimensionalen Koordinatenachsen des Ultraschallsenders/Empfängers aufweist, gleich der extrahierten Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ist, wobei die dreidimensionalen Koordinatenachsen als Koeffizienten den Azimuth und die Depression des Ultraschallsenders/Empfängers relativ zu der Schallwellen-Relaisvorrichtung aufweisen, und Lösen der linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, um mindestens den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.
Ein vierter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Meereswellen-Messsystem zum Messen von Meereswellen in vorbestimmten Gewässern durch Detektieren einer Fluktuation eines aufschwimmenden Körpers auf der Meeresoberfläche, wobei das System Folgendes umfasst: den aufschwimmenden Körper, welcher auf der Meeresoberfläche in dem vorbestimmten Gewässer verankert ist; einen Ultraschallsender/Empfänger, welcher in der Lage ist, Ultraschallwellen in das Meer zu emittieren und aus dem Meer zu empfangen, wobei der Ultraschallsender/Empfänger unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt wird; mindestens drei Schallwellen-Relaisvorrichtungen zum Empfangen und Emittieren der Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger, wobei die Schallwellen-Relaisvorrichtungen auf oder in der Nähe des Meeresbodens unter dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt werden; und eine Meereswellen-Messvorrichtung zum Messen von Wellenhöhen durch Detektieren von Entfernungen zwischen den Schallwellen-Relaisvorrichtungen und dem Ultraschallsender/Empfänger auf der Grundlage der Umlaufausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger bis zum Empfangen der Ultraschallwellen, wobei die Meereswellen-Messvorrichtung Folgendes umfasst: einen Entfernungsrechner zum Berechnen der Entfernungen zwischen den Schallwellen-Relaisvorrichtungen und dem Ultraschallsender/Empfänger auf der Grundlage der Umlaufausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger bis zum Empfangen der Ultraschallwellen; einen Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zum Extrahieren der Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen durch Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, welche von dem Entfernungsrechner bestimmt werden; und einen Rechner für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zum Vorbereiten linearer Gleichungen mit drei Unbekannten für die jeweiligen Schallwellen-Relaisvorrichtungen, derartig dass eine Formel, welche als Unbekannte Verlagerungen der dreidimensionalen Koordinatenachsen des Ultraschallsenders/Empfängers aufweist, gleich der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ist, welche von dem Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen extrahiert wird, wobei die dreidimensionalen Koordinatenachsen als Koeffizienten den Azimuth und die Depression des Ultraschallsenders/Empfängers relativ zu der Schallwellen-Relaisvorrichtung aufweisen, und Lösen der linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, um mindestens den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.
Ein fünfter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Messen von Wellenhöhen in vorbestimmten Gewässern durch Detektieren einer Fluktuation eines auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Körpers, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Emittieren von Ultraschallwellen von einem Ultraschallsender/Empfänger, welcher unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt wird, welcher auf der Meeresoberfläche in dem vorbestimmten Gewässer an mindestens drei Schallwellen-Relaisvorrichtungen verankert ist, welche auf oder in der Nähe des Meeresbodens unter dem aufschwimmenden Körper angeordnet sind; Detektieren von Entfernungen zwischen den Schallwellen-Relaisvorrichtungen und dem Ultraschallsender/Empfänger auf der Grundlage der Ausbreitungszeit von der Schallwellen-Relaisvorrichtung durch Empfangen der Ultraschallwellen, welche von der Schallwellen-Relaisvorrichtung weitergeleitet werden, und der Relaiszeit mit dem Ultraschallsender/Empfänger; Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, um Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren; und Vorbereiten von linearen Gleichungen mit drei Unbekannten für die jeweiligen Schallwellen-Relaisvorrichtungen, derartig dass eine Formel, welche als Unbekannte Verlagerungen der dreidimensionalen Koordinatenachsen des Ultraschallsenders/Empfängers aufweist, gleich der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ist, welche von einem Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen extrahiert wird, wobei die dreidimensionalen Achsen als Koeffizienten den Azimuth und die Depression des Ultraschallsenders/Empfängers relativ zu der Schallwellen-Relaisvorrichtung aufweisen, und Lösen der linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, um mindestens den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.
Ein sechster Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Meereswellen-Messsystem zum Messen von Meereswellen in vorbestimmten Gewässern durch Detektieren einer Fluktuation eines aufschwimmenden Körpers, welcher auf der Meeresoberfläche verankert ist, wobei das System Folgendes umfasst: den aufschwimmenden Körper, welcher auf der Meeresoberfläche in dem vorbestimmten Gewässer verankert ist; einen Ultraschallsender/Empfänger, welcher in der Lage ist, Ultraschallwellen in das Meer zu emittieren und aus dem Meer zu empfangen, wobei der Ultraschallsender/Empfänger unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt wird; mindestens drei Schallwellen-Relaisvorrichtungen zum Weiterleiten der Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger und Empfangen der Ultraschallwellen mit einer Relaiszeit, wobei die Schallwellen-Relaisvorrichtungen unter dem aufschwimmenden Körper unter der Meeresoberfläche bereitgestellt werden; und eine Meereswellen-Messvorrichtung zum Messen von Wellenhöhen durch Detektieren von Entfernungen zwischen den Schallwellen-Relaisvorrichtungen und dem Ultraschallsender/Empfänger auf der Grundlage der Ausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von der Schallwellen-Relaisvorrichtung bis zum Empfangen der Ultraschallwellen, wobei die Meereswellen-Messvorrichtung Folgendes umfasst: einen Entfernungsrechner zum Bestimmen der Entfernungen zwischen den Schallwellen-Relaisvorrichtungen und dem Ultraschallsender/Empfänger auf der Grundlage der Ausbreitungszeit von der Schallwellen-Relaisvorrichtung durch Empfangen der Ultraschallwellen von der Schallwellen-Relaisvorrichtung und der Weiterleitungszeit; einen Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zum Extrahieren der Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen durch Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, welche von dem Entfernungsrechner bestimmt werden; und einen Rechner für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zum Vorbereiten linearer Gleichungen mit drei Unbekannten für die jeweiligen Schallwellen-Relaisvorrichtungen, derartig dass eine Formel, welche als Unbekannte Verlagerungen der dreidimensionalen Koordinatenachsen des Ultraschallsenders/Empfängers aufweist, gleich der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ist, welche von dem Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen extrahiert wird, wobei die dreidimensionalen Koordinatenachsen als Koeffizienten den Azimuth und die Depression des Ultraschallsenders/Empfängers relativ zu der Schallwellen-Relaisvorrichtung aufweisen, und Lösen der linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, um mindestens den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß dem ersten und dem zweiten Gesichtspunkt werden Ultraschallwellen von den mindestens drei Ultraschallsendern auf oder in der Nähe des Meeresbodens in Richtung auf die Meeresoberfläche emittiert, und die Ultraschallwellen werden von dem Ultraschallempfänger empfangen, welcher unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt wird. Wenn die Einwegausbreitungszeit der Ultraschallwellen detektiert wird, um die Entfernungen zwischen dem aufschwimmenden Körper und den Ultraschallsendern zu messen, werden durch Hochpassfiltern der gemessenen Entfernungsdaten Wellenhöhen gemessen, das heißt durch Entfernen der Komponenten langfristiger Fluktuationen, um nur die Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren, welche keinen Einfluss des Meerwassers enthalten. Folglich wird die Messung im Vergleich zu der verwandten Technik nicht durch die Meeresoberfläche beeinträchtigt, bei welcher Ultraschallwellen von dem Sender/Empfänger auf dem Meeresboden in Richtung auf die Meeresoberfläche ausgesendet werden und von der Meeresoberfläche reflektiert werden, um Wellenhöhen zu messen. Dies bedeutet, dass sogar wenn die Wellen hoch sind, die Wellenhöhen genau gemessen werden können, so dass kaum ein unmessbarer Zustand erzeugt wird.
Gemäß dem dritten und dem vierten Gesichtspunkt werden Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger in das Meer ausgesendet, welcher unter der Meeresoberfläche auf dem auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Körper bereitgestellt wird, und die Ultraschallwellen werden von dem Ultraschallsender/Empfänger aus der Schallwellen-Relaisvorrichtung auf oder in der Nähe des Meeresbodens empfangen. Wenn die Umlaufausbreitungszeit der Ultraschallwellen detektiert wird, um die Entfernung zwischen dem aufschwimmenden Körper und der Schallwellen-Relaisvorrichtung zu messen, werden durch Hochpassfiltern der gemessenen Entfernungsdaten Wellenhöhen gemessen, das heißt durch Entfernen der Komponenten langfristiger Fluktuationen, um nur die Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren, welche keinen Einfluss des Meerwassers enthalten. Folglich wird die Messung im Vergleich zu der verwandten Technik nicht durch die Meeresoberfläche beeinträchtigt, bei welcher Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger auf dem Meeresboden in Richtung auf die Meeresoberfläche ausgesendet werden und von der Meeresoberfläche reflektiert werden, um Wellenhöhen zu messen. Dies bedeutet, dass sogar wenn die Wellen hoch sind, die Wellenhöhen genau gemessen werden können, so dass kaum ein unmessbarer Zustand erzeugt wird.
Gemäß dem fünften und dem sechsten Gesichtspunkt werden Ultraschallwellen von unter der Meeresoberfläche aus dem auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Körper in das Meer ausgesendet, und die Ultraschallwellen werden nach der Übertragungszeit von dem Ultraschallsender/Empfänger des aufschwimmenden Körpers von den mindestens drei Ultraschall-Relaisvorrichtungen auf oder in der Nähe des Meeresbodens empfangen. Wenn die Einwegausbreitungszeit der Ultraschallwellen detektiert wird, um die Entfernungen zwischen dem aufschwimmenden Körper und den Ultraschall-Relaisvorrichtungen zu messen, werden durch Hochpassfiltern der gemessenen Entfernungsdaten Wellenhöhen gemessen, das heißt durch Entfernen der Komponenten langfristiger Fluktuationen, um nur die Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren, welche keinen Einfluss des Meerwassers enthalten. Folglich wird die Messung im Vergleich zu der verwandten Technik nicht durch die Meeresoberfläche beeinträchtigt, bei welcher Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger auf dem Meeresboden in Richtung auf die Meeresoberfläche ausgesendet werden und von der Meeresoberfläche reflektiert werden, um Wellenhöhen zu messen. Dies bedeutet, dass sogar wenn die Wellen hoch sind, die Wellenhöhen genau gemessen werden können, so dass kaum ein unmessbarer Zustand erzeugt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch die gesamte Konfiguration eines Meereswellen-Messsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Koordinatensystems zum Illustrieren des Messprinzips des Meereswellen-Messsystems.
3 ist ein Blockdiagramm, welches die schematische Konfiguration einer Meereswellen-Messvorrichtung in dem Meereswellen-Messsystem zeigt.
4 zeigt schematisch die gesamte Konfiguration eines Meereswellen-Messsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Koordinatensystems zum Illustrieren des Messprinzips des Meereswellen-Messsystems.
6 ist ein Blockdiagramm, welches die schematische Konfiguration einer Meereswellen-Messvorrichtung in dem Meereswellen-Messsystem zeigt.
7 zeigt schematisch die gesamte Konfiguration eines Meereswellen-Messsystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine perspektivische Ansicht eines Koordinatensystems zum Illustrieren des Messprinzips des Meereswellen-Messsystems.
9 ist ein Blockdiagramm, welches die schematische Konfiguration einer Meereswellen-Messvorrichtung in dem Meereswellen-Messsystem zeigt.
Beschreibung der Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Das Nachfolgende beschreibt ein Verfahren zum Messen von Meereswellen unter Verwendung von Ultraschallwellen und ein Meereswellen-Messsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der ersten Ausführungsform werden Wellenhöhen besonders in sehr tiefem Gewässern zusätzlich zu Küstengewässern unter Verwendung von Ultraschallwellen gemessen, welche in das Wasser emittiert (ausgesendet) werden.
Das Meereswellen-Messsystem, wie in 1 bis 3 gezeigt, umfasst Folgendes: eine Boje 1, welche durch Ankerkabel T festgemacht ist, schwimmt auf der Meeresoberfläche in sehr tiefen Gewässern auf und wird mit einem Ultraschallempfänger 2 bereitgestellt, welcher in der Lage ist, Ultraschallwellen zu empfangen; mindestens drei Ultraschallsender 3, welche in der Nähe des Meeresbodens im Wesentlichen unmittelbar unter der Boje 1 angeordnet sind, um Ultraschallwellen in Richtung auf die Meeresoberfläche zu emittieren; und eine Meereswellen-Messvorrichtung 4 zum Messen von Wellenhöhen durch Empfangen der Ultraschallwellen, welche von den Ultraschallsendern 3 emittiert werden, mit dem Ultraschallempfänger 2, um die dreidimensionale Position der Boje 1 zu detektieren. Der Ultraschallempfänger 2 wird an dem unteren Ende der Boje 1 bereitgestellt, das heißt unter der Wasseroberfläche. Weiterhin umfasst ein zylindrischer Behälterkörper 3a des Ultraschallsenders 3 einen Senderkörper zum Emittieren von Ultraschallwellen darin.
Die Ultraschallsender 3 sind beweglich durch Ankerkabel 6 festgemacht, beispielsweise durch Anker 5, welche auf den Meeresboden herunter gelassen werden, doch sie können als still liegend angesehen werden, das heißt als fest, da es nur wenige Strömungen in der Nähe des Meeresbodens in sehr tiefen Gewässern gibt. Weiterhin können die Ultraschallsender 3 unmittelbar auf den Meeresboden herunter gelassen oder auf diesem installiert werden.
Nachfolgend wird die Meereswellen-Messvorrichtung 4 beschreiben.
Die Meereswellen-Messvorrichtung 4 misst Wellenhöhen durch kontinuierliches Messen von Entfernungen zwischen dem Ultraschallempfänger 2 der Boje 1 und den drei Ultraschallsendern 3, um Fluktuationen der Boje 1, das heißt Verlagerungen der Meeresoberfläche, zu detektieren. Weiterhin kann die Meereswellen-Messvorrichtung 4 überall Wellenhöhen mittels Berechnungen mit nur den Daten der Ultraschallwellen aus den Ultraschallsendern 3 bestimmen. Folglich werden Daten, welche von dem Ultraschallempfänger 2 empfangen werden, beispielsweise Zeitdaten, an eine Basisstation K an der Küste über einen Satelliten S oder dergleichen übertragen, so dass Wellenhöhen von der Meereswellen-Messvorrichtung 4 bestimmt werden, welche gewöhnlich in der Basisstation K angeordnet ist. Selbstverständlich kann die Meereswellen-Messvorrichtung 4 auf der Boje 1 bereitgestellt werden, und Wellenhöhen, welche von der Meereswellen-Messvorrichtung 4 bestimmt werden, können an einen vorbestimmten Ort, wie beispielsweise an die Basisstation K über den Satelliten S, übertragen werden.
Zuerst wird das Prinzip zum Detektieren von Wellenhöhen unter Verwendung von Ultraschallwellen kurz beschrieben.
Bei dem Verfahren zum Messen von Wellenhöhen gemäß der vorliegenden Erfindung wird die dreidimensionale Position der auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Boje 1 gemessen, um Verlagerungen (Variationen) des Meerespegels zu messen. Kurz gesagt, werden Verlagerungen der Boje 1 in Bezug auf die Ultraschallsender 3 detektiert. Bei der Detektion werden Entfernungen zwischen der Boje 1 und den Ultraschallsendern 3 unter Verwendung von Ultraschallwellen gemessen. insbesondere werden Entfernungen zwischen dem Ultraschallempfänger 2 der Boje 1 und den Ultraschallsendern 3, welche auf dem Meeresboden (oder in der Nähe des Meeresbodens) in sehr tiefen Gewässern angeordnet sind, unter Verwendung der Ausbreitungszeit der Ultraschallwellen gemessen. Die Messung wird deutlich durch Meerwasser beeinträchtigt. Im Einzelnen variieren die Geschwindigkeiten der Ultraschallwellen wesentlich mit der Temperatur, dem Druck und dem Salzgehalt des Meerwassers. Folglich müssen diese Fluktuationskomponenten entfernt werden.
Bei der ersten Ausführungsform wird der Einfluss durch Meerwasser entfernt, wobei angemerkt wird, dass die Zeit für die Veränderung der Verteilungen von Temperatur, Druck und Salzgehalt des Meerwassers zwischen dem Ultraschallempfänger 2 und den Ultraschallsendern 3 lang ist, mit anderen Worten, die Zeit für die Veränderung ist viel länger als der Zyklus der vertikalen Bewegung der Boje aufgrund von Meereswellen.
Insbesondere enthält der Versatz (Fluktuation) der Boje eine Komponente langfristiger Fluktuationen aufgrund des Einflusses des Meerwassers und eine Komponente kurzzeitiger Fluktuationen aufgrund von Meereswellen. Folglich kann die Wellenhöhe entsprechend der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen durch Subtrahieren der Komponente langfristiger Fluktuationen von dem Versatz der Boje bestimmt werden.
Die Schritte zum Bestimmen von Wellenhöhen werden nachfolgend beschrieben.
Hier wird die Installationsposition des Ultraschallempfängers 2, welcher in einer vorbestimmten Position der Boje 1 bereitgestellt ist, als ein Beobachtungspunkt P bezeichnet.
Wenn eine Entfernung zwischen dem Beobachtungspunkt P und dem Ultraschallsender 3 (i; i = 1, 2, 3) durch ρⁱ repräsentiert ist, die Komponente langfristiger Fluktuationen durch ρⁱ1 repräsentiert ist und die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen durch ρⁱ2 repräsentiert ist, gilt zunächst die folgende Formel (1). In der Formel ist die Komponente langfristiger Fluktuationen (ρⁱ1) durch ρ ^_i repräsentiert, und die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen (ρⁱ2) ist durch ρ ~_i repräsentiert. ρ_i = ρ ^_i + ρ ~_i (1)
Wenn folglich die dreidimensionalen Koordinatenpositionen (x, y, z) des Beobachtungspunkts P entsprechend der Installationsposition des Ultraschallempfängers 2 in der Boje 1 durch die dreidimensionalen Koordinatenpositionen (x1, y1, z1) der Komponente langfristiger Fluktuationen und durch die dreidimensionalen Koordinatenpositionen (x2, y2, z2) der Komponente langfristiger Fluktuationen repräsentiert werden, gilt die folgende Formel (2).
Da weiterhin die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen (x2, y2, z2) ausreichend kleiner ist als die Entfernung ρⁱ zwischen dem Beobachtungspunkt P und dem Ultraschallsender 3, gilt die folgende Formel (3).
(e i / x , e i / y , e i / z ) in der oben stehenden Formel (3) sind die dreidimensionalen Koordinatenkomponenten eines Vektors von dem Beobachtungspunkt P zu dem Ultraschallsender 3, das heißt es sind Einheitsvektoren. Wie in 2 gezeigt, wenn die Einheitsvektoren unter Verwendung einer Depression θ_i und eines Azimuths ψ_i des Ultraschallsenders 3 von dem Beobachtungspunkt P aus gesehen dargestellt werden, gilt die folgende Formel (4). (e i / x, e i / y, e i / z) = (cosθⁱ·sinφⁱ, cosθⁱ·cosφⁱ, sinθⁱ (4)
Das heißt, dass die Dpression θ_i und der Azimuth ψ_i gemessen werden, so dass (e i / x , e i / y , e i / z ) bekannte Faktoren werden. Diese Winkel θ_i und ψ_i können bei der Installation der Boje 1 und des Ultraschallsenders 3 gemessen werden.
Die folgende Formel (5) gilt auf der Grundlage der Formeln (1), (3) und (4). ρ ~_i ≈ –e i / x·x ~ – e i / y·y ~ – e i / z·z ~ ≈ –cosθⁱ·sinφⁱ·x ~ – cosθⁱ·cosφⁱ·y ~ – cosθⁱ·z ~ (5)
Folglich können drei lineare Gleichungen mit drei Unbekannten der oben stehenden Formel (5) (i = 1, 2, 3) durch die drei Ultraschallsender 3(i) erhalten werden. Die drei simultanen linearen Gleichungen mit drei Unbekannten werden gelöst, so dass die Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen erhalten werden können. Von den drei Komponenten x, y, und z in den Richtungen der Einheitsvektoren der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen entspricht die z-Komponente in der vertikalen Richtung einer Wellenhöhe. Insbesondere kann die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 zwischen dem Beobachtungspunkt P und dem Ultraschallsender 3 auf dem Meeresboden bestimmt werden, so dass die Wellenhöhe bestimmt werden kann.
Die Entfernung ρⁱ zwischen dem Beobachtungspunkt P und dem Ultraschallsender 3 auf dem Meeresboden kann durch die folgende Formel (6) bestimmt werden, wobei die Ausbreitungszeit der Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender 3 zu dem Beobachtungspunkt P durch tⁱ repräsentiert ist, und die Referenzschallgeschwindigkeit durch einen Festwert c repräsentiert ist (die tatsächliche Schallgeschwindigkeit verändert sich wesentlich unter der Meeresoberfläche, jedoch kann beispielsweise ein Schallgeschwindigkeitswert entsprechend der Temperatur nahe der Meeresoberfläche in einem durchschnittlichen Jahr verwendet werden). ρⁱ = c×tⁱ (6) Hochpassfiltern, welches für die Entfernungsdaten ρⁱ geeignet ist, welche in der oben stehenden Formel (6) ausgedrückt sind, wird ausgeführt, um die Komponente langfristiger Fluktuationen ρⁱ1 zu entfernen, so dass die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 bestimmt werden kann.
Um die Einwegausbreitungszeit der Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender 3 an den Ultraschallempfänger 2 zu detektieren, kann der Ultraschallempfänger 2 selbstverständlich die Zeit abtasten, bei welcher Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender 3 emittiert werden. Insbesondere werden genaue Uhren an dem Ultraschallempfänger 2 und dem Ultraschallsender 3 derartig bereitgestellt, dass die beiden Uhren synchronisiert sind. Folglich ist die Zeit im Voraus bekannt, bei welcher Ultraschallwellen von dem Ultraschallempfänger 3 emittiert werden.
Die Meereswellen-Messvorrichtung 4 zum Messen von Wellenhöhen wird beschrieben.
Die Meereswellen-Messvorrichtung 4, wie in 3 gezeigt, umfasst Folgendes: einen Entfernungsrechner 11 zum Detektieren der Zeit tⁱ vom Emittieren (Aussenden) von Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender 3 bis zum Empfangen der Ultraschallwellen durch den Ultraschallempfänger 2, um die Entfernung ρⁱ zwischen der Boje 1 und dem Ultraschallsender 3 auf der Grundlage der oben stehenden Formel (6) zu berechnen; einen Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen 12 zum Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, welche von dem Entfernungsrechner 11 bestimmt werden, um die Komponente langfristiger Fluktuationen ρⁱ1 zu entfernen und die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 zu extrahieren; einen Gleichungsvorbereitungsteil 13 zum Vorbereiten linearer Gleichungen mit drei Unbekannten für die drei Ultraschallsender 3 auf der Grundlage der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2, welche durch den Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen 12 erhalten wird; und einen Gleichungslösungsrechner 14 zum Lösen der linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, welche durch den Gleichungsvorbereitungsteil 13 erhalten werden. Mindestens die Funktionen des Entfernungsrechners 11, des Extraktionsteils für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen 12, des Gleichungsvorbereitungsteils 13 und des Gleichungslösungsrechners 14 werden von den jeweiligen Programmen durchgeführt. Selbstverständlich werden die Bestandteile bei Bedarf in das gleiche Programm einbezogen, aus Gründen der Einfachheit jedoch werden Namen, welche die Funktionen ausdrücken, den Bestandteilen zugeordnet.
Das Verfahren zum Messen von Wellenhöhen in der oben stehenden Konfiguration wird beschrieben.
Ultraschallwellen, welche von den Ultraschallsendern 3 auf dem Meeresboden in Richtung auf die Meeresoberfläche emittiert werden, werden von dem Ultraschallempfänger 2 der auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Boje 1 empfangen, so dass die Ausbreitungszeit tⁱ zwischen dem Ultraschallempfänger 2 und dem Ultraschallsender 3 detektiert wird. Folglich bestimmt der Entfernungsrechner 11 die Entfernung ρⁱ zwischen dem Ultraschallempfänger 2 und dem Ultraschallsender 3.
Als Nächstes werden die Entfernungsdaten in den Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen 12 eingegeben, um die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 zu extrahieren.
Die extrahierte Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 wird in den Gleichungsvorbereitungsteil 13 eingegeben, um lineare Gleichungen mit drei Unbekannten für die drei jeweiligen Ultraschallsender 3 auf der Grundlage der oben stehenden Formel (5) vorzubereiten.
Die vorbereiteten simultanen linearen Gleichungen mit drei Unbekannten werden in den Gleichungslösungsrechner 14 eingegeben, um die drei Unbekannten x, y und z zu bestimmen. Die z-Komponente wird als eine Wellenhöhe abgeleitet.
Wie oben stehend beschrieben, werden bei dem Verfahren zum Messen von Meereswellen und bei dem Meereswellen-Messsystem Ultraschallwellen, welche von den drei Ultraschallsendern auf oder in der Nähe des Meeresbodes in Richtung auf die Meeresoberfläche emittiert werden, von dem Ultraschallempfänger der Boje unter der Meeresoberfläche empfangen, und die Einwegausbreitungszeit der Ultraschallwellen wird detektiert, um die Entfernungen zwischen der Boje und den Ultraschallsendern zu messen. Bei der Messung werden die gemessenen Entfernungsdaten hochpassgefiltert, das heißt die Komponente langfristiger Fluktuationen wird entfernt, um nur die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren, welche keinen Einfluss des Meerwassers enthalten, so dass Wellenhöhen gemessen werden. Folglich wird die Messung im Vergleich zu der verwandten Technik nicht durch die Meeresoberfläche beeinträchtigt, bei welcher Wellenhöhen durch Aussenden von Ultraschallwellen von einem Signalgeber auf dem Meeresboden in Richtung auf die Meeresoberfläche zum Reflektieren der Ultraschallwellen gemessen werden. Mit anderen Worten, sogar wenn die Wellen hoch sind, können die Wellenhöhen genau gemessen werden, so dass kaum ein unmessbarer Zustand erzeugt wird. Zweite Ausführungsform
Das Nachfolgende beschreibt ein Verfahren zum Messen von Meereswellen unter Verwendung von Ultraschallwellen und ein Meereswellen-Messsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der ersten Ausführungsform werden Ultraschallwellen, welche von den Ultraschallsendern auf dem Meeresboden emittiert werden, von dem Ultraschallempfänger der Boje empfangen, um die Einwegausbreitungszeit der Ultraschallwellen zu detektieren. Bei der zweiten Ausführungsform werden jedoch Ultraschallwellen, welche von dem Ultraschallsender/Empfänger einer Boje emittiert werden, empfangen und gesendet, das heißt sie werden von einem Transponder (Schallwellen-Relaisvorrichtung) auf dem Meeresboden weitergeleitet, um die Umlaufausbreitungszeit der Ultraschallwellen zu detektieren.
Ähnlich der ersten Ausführungsform wird die zweite Ausführungsform von Anfang an beschrieben.
Das Meereswellen-Messsystem, wie in 4 bis 6 gezeigt, umfasst Folgendes: eine Boje 21, welche durch Ankerkabel T festgemacht ist, schwimmt auf der Meeresoberfläche in sehr tiefen Gewässern auf und wird mit einem Ultraschallsender/Empfänger 22 bereitgestellt, welcher in der Lage ist, Ultraschallwellen in das Wasser auszusenden und aus dem Wasser zu empfangen; mindestens drei Transponder (Schallwellen-Relaisvorrichtungen) 23, welche im Wesentlichen unmittelbar unter der Boje 21 in der Nähe des Meeresbodens angeordnet sind, um die Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger 22 zu empfangen und zu verstärken und die Ultraschallwellen in Richtung auf die Meeresoberfläche zu emittieren (weiterzugeben); und eine Meereswellen-Messvorrichtung 24 zum Messen von Wellenhöhen durch Empfangen der Ultraschallwellen von den Transpondern 23 mit dem Ultraschallsender/Empfänger 22, um die dreidimensionale Position der Boje 21 zu detektieren. Der Ultraschallsender/Empfänger 22 wird an dem unteren Ende der Boje 21 bereitgestellt, das heißt unter der Wasseroberfläche. Weiterhin umfasst ein zylindrischer Behälterkörper 23a des Transponders 23 einen Relaisvorrichtungskörper zum Empfangen, Verstärken und Emittieren von Ultraschallwellen darin.
Die Transponder 23 sind beweglich durch Ankerkabel 26 festgemacht, beispielsweise durch Anker 25, welche auf den Meeresboden herunter gelassen werden, doch sie können als still liegend angesehen werden, das heißt als fest, da es nur wenige Strömungen in der Nähe des Meeresbodens in sehr tiefen Gewässern gibt. Weiterhin können die Transponder 23 unmittelbar auf den Meeresboden herunter gelassen oder auf diesem installiert werden.
Nachfolgend wird die Meereswellen-Messvorrichtung 24 beschreiben.
Die Meereswellen-Messvorrichtung 24 misst Wellenhöhen durch kontinuierliches Messen von Entfernungen zwischen dem Ultraschallsender/Empfänger 22 der Boje 21 und den drei Transpondern 23, um Fluktuationen der Boje 21, das heißt Verlagerungen der Meeresoberfläche, zu detektieren. Die Meereswellen-Messvorrichtung 24 kann überall Wellenhöhen mittels Berechnungen bestimmen, mit nur den Daten der Ultraschallwellen, welche von dem Transponder 23 weitergeleitet werden, wobei die Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger 22 emittiert werden. Folglich werden Daten, welche von dem Ultraschallsender/Empfänger 22 empfangen werden, beispielsweise Zeitdaten, an eine Basisstation K an der Küste über einen Satelliten S oder dergleichen übertragen, so dass Wellenhöhen von der Meereswellen-Messvorrichtung 24 bestimmt werden, welche gewöhnlich in der Basisstation K angeordnet ist. Selbstverständlich kann die Meereswellen-Messvorrichtung 24 in der Boje 21 angeordnet werden, um die Wellenhöhen, welche von der Meereswellen-Messvorrichtung 24 bestimmt werden, an einen vorbestimmten Ort, wie beispielsweise an die Basisstation K über den Satelliten S, zu übertragen.
Zuerst wird das Prinzip zum Detektieren von Wellenhöhen unter Verwendung von Ultraschallwellen kurz beschrieben.
Bei dem Verfahren zum Messen von Wellenhöhen unter Verwendung von Ultraschallwellen gemäß der vorliegenden Erfindung wird die dreidimensionale Position der auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Boje 21 gemessen, um Verlagerungen (Variationen) der Meeresoberfläche zu messen. Kurz gesagt, werden Verlagerungen der Boje 21 in Bezug auf die Transponder 23 detektiert. Bei der Detektion werden Entfernungen zwischen der Boje 21 und den Transpondern 23 unter Verwendung von Ultraschallwellen gemessen. Mit anderen Worten, es werden Entfernungen zwischen dem Ultraschallsender/Empfänger 22 der Boje 21 und den Transpondern 23, welche auf dem Meeresboden (oder in der Nähe des Meeresbodens) in sehr tiefen Gewässern angeordnet sind, unter Verwendung der Ausbreitungszeit der Ultraschallwellen gemessen. Die Messung wird wesentlich durch Meerwasser beeinträchtigt. Da die Geschwindigkeiten der Ultraschallwellen durch die Temperatur, den Druck und den Salzgehalt des Meerwassers deutlich variieren, müssen insbesondere diese Fluktuationskomponenten entfernt werden.
Bei der zweiten Ausführungsform wird der Einfluss durch Meerwasser entfernt, wobei angemerkt wird, dass die Zeit für die Veränderung der Verteilungen von Temperatur, Druck und Salzgehalt des Meerwassers zwischen dem Ultraschallsender/Empfänger 22 und den Transpondern 23 lang ist, mit anderen Worten, die Zeit für die Veränderung ist viel länger als der Zyklus der vertikalen Bewegung der Boje aufgrund von Meereswellen.
Insbesondere enthält der Versatz (Fluktuation) der Boje eine Komponente langfristiger Fluktuationen aufgrund des Einflusses des Meerwassers und eine Komponente kurzzeitiger Fluktuationen aufgrund von Meereswellen. Folglich kann die Wellenhöhe entsprechend der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen durch Subtrahieren der Komponente langfristiger Fluktuationen von dem Versatz der Boje bestimmt werden.
Die Schritte zum Bestimmen von Wellenhöhen werden nachfolgend beschrieben.
Hier wird die Installationsposition des Ultraschallsenders/Empfängers 22, welcher in einer vorbestimmten Position der Boje 21 bereitgestellt ist, als ein Beobachtungspunkt P bezeichnet.
Wenn eine Entfernung zwischen dem Beobachtungspunkt P und dem Transponder 23 (i; i = 1, 2, 3) durch ρⁱ repräsentiert ist, die Komponente langfristiger Fluktuationen durch ρⁱ1 repräsentiert ist und die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen durch ρⁱ2 repräsentiert ist, gilt zunächst die folgende Formel (11). In der Formel ist die Komponente langfristiger Fluktuationen (ρⁱ1) durch ρ ^ⁱ repräsentiert, und die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen (ρⁱ2) ist durch ρ ~ⁱ repräsentiert. ρⁱ = ρ ^ⁱ + ρ ^ⁱ (11)
Wenn folglich die dreidimensionalen Koordinatenpositionen (x, y, z) des Beobachtungspunkts P entsprechend der Installationsposition des Ultraschallsenders/Empfängers 22 in der Boje 21 durch die dreidimensionalen Koordinatenpositionen (x1, y1, z1) der Komponente langfristiger Fluktuationen und durch die dreidimensionalen Koordinatenpositionen (x2, y2, z2) der Komponente langfristiger Fluktuationen repräsentiert werden, gilt die folgende Formel (12).
Da weiterhin die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen (x2, y2, z2) ausreichend kleiner ist als die Entfernung ρⁱ zwischen dem Beobachtungspunkt P und dem Transponder 23, gilt die folgende Formel (13).
(e i / x , e i / y , e i / z ) in der oben stehenden Formel (13) sind die dreidimensionalen Koordinatenkomponenten eines Vektors von dem Beobachtungspunkt P zu dem Transponder 23, das heißt es sind Einheitsvektoren. Wie in 5 gezeigt, wenn die Einheitsvektoren unter Verwendung einer Depression θ_i und eines Azimuths ψ_i des Transponders 23 von dem Beobachtungspunkt P aus gesehen dargestellt werden, gilt die folgende Formel (14). (e i / x, e i / y, e i / z) = (cosθⁱ·sinφⁱ, cosθⁱ·cosφⁱ, sinθⁱ (14)
Das heißt, dass die Dpression θ_i und der Azimuth ψ_i gemessen werden, so dass (e i / x , e i / y , e i / z ) bekannte Faktoren werden. Diese Winkel θ_i und ψ_i können bei der Installation der Boje 21 und des Transponders 23 gemessen werden.
Die folgende Formel (15) gilt auf der Grundlage der Formeln (11), (13) und (14). ρ ~ⁱ ≈ –e i / x·x ~ – e i / y·y ~ – e i / z·z ~ ≈ –cosθⁱ·sinφⁱ·x ~ – cosθⁱ·cosφⁱ·y ~ – sinθⁱ·z ~ (15)
Folglich können drei lineare Gleichungen mit drei Unbekannten der oben stehenden Formel (15) (i = 1, 2, 3) durch die drei Transponder 23(i) erhalten werden. Die drei simultanen linearen Gleichungen mit drei Unbekannten werden gelöst, so dass die Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen erhalten werden können. Von den drei Komponenten x, y, und z in den Richtungen der Einheitsvektoren der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen entspricht die z-Komponente in der vertikalen Richtung einer Wellenhöhe. Insbesondere kann die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 zwischen dem Beobachtungspunkt P und dem Transponder 23 auf dem Meeresboden bestimmt werden, so dass die Wellenhöhe bestimmt werden kann.
Die Entfernung ρⁱ zwischen dem Beobachtungspunkt P und dem Transponder 23 auf dem Meeresboden kann durch die folgende Formel (16) bestimmt werden, wobei die Umlaufausbreitungszeit der Ultraschallwellen, welche von dem Beobachtungspunkt P emittiert werden, durch tⁱ repräsentiert ist, und die Referenzschallgeschwindigkeit durch einen Festwert c repräsentiert ist (die tatsächliche Schallgeschwindigkeit verändert sich wesentlich unter der Meeresoberfläche, jedoch kann beispielsweise ein Schallgeschwindigkeitswert entsprechend der Temperatur nahe der Meeresoberfläche in einem durchschnittlichen Jahr verwendet werden). ρⁱ = c×tⁱ/2 (16) Hochpassfiltern, welches für die Entfernungsdaten ρⁱ geeignet ist, welche in der oben stehenden Formel (16) ausgedrückt sind, wird ausgeführt, um die Komponente langfristiger Fluktuationen ρⁱ1 zu entfernen, so dass die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 bestimmt werden kann.
Die Meereswellen-Messvorrichtung 24 zum Messen von Wellenhöhen wird beschrieben.
Die Meereswellen-Messvorrichtung 24, wie in 6 gezeigt, umfasst Folgendes: einen Entfernungsrechner 31 zum Detektieren der Zeit tⁱ bis Ultraschallwellen, welche von der Boje 21 emittiert (ausgesendet) werden, über den Transponder 23 empfangen werden, um die Entfernung ρⁱ zwischen der Boje 21 und dem Transponder 23 auf der Grundlage der oben stehenden Formel (16) zu berechnen; einen Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen 32 zum Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, welche von dem Entfernungsrechner 31 bestimmt werden, um die Komponente langfristiger Fluktuationen ρⁱ1 zu entfernen und die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 zu extrahieren; einen Gleichungsvorbereitungsteil 33 zum Vorbereiten linearer Gleichungen mit drei Unbekannten für die drei Transponder 23 auf der Grundlage der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2, welche durch den Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen 32 erhalten wird; und einen Gleichungslösungsrechner 34 zum Lösen der linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, welche durch den Gleichungsvorbereitungsteil 33 erhalten werden. Mindestens die Funktionen des Entfernungsrechners 31, des Extraktionsteils für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen 32, des Gleichungsvorbereitungsteils 33 und des Gleichungslösungsrechners 34 werden von den jeweiligen Programmen durchgeführt. Selbstverständlich werden die Bestandteile bei Bedarf in das gleiche Programm einbezogen, aus Gründen der Einfachheit jedoch werden Namen, welche die Funktionen ausdrücken, den Bestandteilen zugeordnet.
Das Verfahren zum Messen von Wellenhöhen in der oben stehenden Konfiguration wird beschrieben.
Ultraschallwellen, welche von dem Ultraschallsender/Empfänger 22 der auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Boje 21 in das Wasser emittiert werden, werden von den Transpondern 23 empfangen, und gleichzeitig werden die Ultraschallwellen an die Meeresoberfläche ausgesendet (mit anderen Worten, die Ultraschallwellen werden weitergeleitet).
Die Ultraschallwellen werden von dem Ultraschallsender/Empfänger 22 empfangen, und die Umlaufausbreitungszeit tⁱ zwischen dem Ultraschallsender/Empfänger 22 und dem Transponder 23 wird detektiert, so dass die Entfernung ρⁱ zwischen dem Ultraschallsender/Empfänger 22 und dem Transponder 23 von dem Entfernungsrechner 31 bestimmt wird.
Als Nächstes werden die Entfernungsdaten in den Extraktionsteil 32 für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen eingegeben, und die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 wird extrahiert.
Die extrahierte Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 wird in den Gleichungsvorbereitungsteil 33 eingegeben, um lineare Gleichungen mit drei Unbekannten für die drei jeweiligen Transponder 23 auf der Grundlage der oben stehenden Formel (15) vorzubereiten.
Die vorbereiteten simultanen linearen Gleichungen mit drei Unbekannten werden in den Gleichungslösungsrechner 34 eingegeben, um die drei Unbekannten x, y und z zu bestimmen, und die z-Komponente ergibt sich als eine Wellenhöhe.
Bei dem Verfahren zum Messen von Meereswellen und bei dem Meereswellen-Messsystem werden Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger der auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Boje, welcher unter der Meeresoberfläche bereitgestellt wird, in das Meer ausgesendet, die Ultraschallwellen von den drei Transpondern auf dem Meeresboden (oder in der Nähe des Meeresbodens) werden von dem Ultraschallsender/Empfänger empfangen, und die Umlaufausbreitungszeit der Ultraschallwellen wird detektiert. um die Entfernungen zwischen der Boje und den Transpondern zu messen. Bei der Messung werden die gemessenen Entfernungsdaten hochpassgefiltert, das heißt die Komponente langfristiger Fluktuationen wird entfernt, um nur die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren, welche keinen Einfluss des Meerwassers enthalten, so dass Wellenhöhen gemessen werden. Folglich wird die Messung im Vergleich zu der verwandten Technik nicht durch die Meeresoberfläche beeinträchtigt, bei welcher Ultraschallwellen von einem Ultraschallsender/Empfänger auf dem Meeresboden in Richtung auf die Meeresoberfläche ausgesendet werden und von der Meeresoberfläche reflektiert werden, um Wellenhöhen zu messen. Mit anderen Worten, sogar wenn die Wellen hoch sind, können die Wellenhöhen genau gemessen werden, so dass kaum ein unmessbarer Zustand erzeugt wird.
Dritte Ausführungsform
Das Nachfolgende beschreibt ein Verfahren zum Messen von Meereswellen unter Verwendung von Ultraschallwellen und ein Meereswellen-Messsystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform werden Ultraschallwellen, welche von dem Ultraschallsender/Empfänger der Boje emittiert werden, welcher unter der Meeresoberfläche bereitgestellt wird, empfangen und emittiert, das heißt sie werden von dem Transponder (Schallwellen-Relaisvorrichtung), welcher in der Nähe des Meeresbodens angeordnet ist, weitergeleitet, um die Umlaufausbreitungszeit der weitergeleiteten Ultraschallwellen zu detektieren. Bei der dritten Ausführungsform wird jedoch die Einwegausbreitungszeit der Ultraschallwellen, welche von einem Transponder weitergeleitet werden, detektiert.
Ähnlich der zweiten Ausführungsform wird auch die dritte Ausführungsform von Anfang an beschrieben.
Das Meereswellen-Messsystem, wie in 7 bis 9 gezeigt, umfasst Folgendes: eine Boje 41, welche durch Ankerkabel T festgemacht ist, schwimmt auf der Meeresoberfläche in sehr tiefen Gewässern auf und wird mit einem Ultraschallsender/Empfänger 42 bereitgestellt, welcher in der Lage ist, Ultraschallwellen in das Wasser auszusenden und aus dem Wasser zu empfangen; mindestens drei Transponder (Schallwellen-Relaisvorrichtungen) 43, welche im Wesentlichen unmittelbar unter der Boje 41 in der Nähe des Meeresbodens angeordnet sind, um die Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger 42 zu empfangen und zu verstärken und die Ultraschallwellen in Richtung auf die Meeresoberfläche zu emittieren (weiterzugeben); und eine Meereswellen-Messvorrichtung 44 zum Messen von Wellenhöhen durch Empfangen der Ultraschallwellen von den Transpondern 43 mit dem Ultraschallsender/Empfänger 42, um die dreidimensionale Position der Boje 41 zu detektieren. Der Ultraschallsender/Empfänger 42 wird an dem unteren Ende der Boje 41 bereitgestellt, das heißt unter der Wasseroberfläche. Weiterhin umfasst ein zylindrischer Behälterkörper 43a des Transponders 43 einen Relaisvorrichtungskörper zum Empfangen, Verstärken und Emittieren von Ultraschallwellen darin.
Die Transponder 43 werden mit genauen Uhren bereitgestellt. Ultraschallwellen werden empfangen und mit einem Emissionszeitsignal emittiert (auch als die Relaiszeit bezeichnet). Der Ultraschallsender/Empfänger 42 wird auch mit einer Uhr bereitgestellt, welche mit der Uhr des Transponders 43 synchron ist (die beiden Uhren stimmen überein), so dass die Einwegausbreitungszeit von der Emission bis zum Empfang der Ultraschallwellen detektiert werden kann.
Die Transponder 43 sind beweglich durch Ankerkabel 46 festgemacht, beispielsweise durch Anker 45, welche auf den Meeresboden herunter gelassen werden, doch sie können als still liegend angesehen werden, das heißt als fest, da es nur wenige Strömungen in der Nähe des Meeresbodens in sehr tiefen Gewässern gibt. Weiterhin können die Transponder 43 unmittelbar auf den Meeresboden herunter gelassen oder auf diesem installiert werden.
Nachfolgend wird die Meereswellen-Messvorrichtung 44 beschreiben.
Die Meereswellen-Messvorrichtung 44 detektiert Fluktuationen der Boje 41, das heißt Verlagerungen der Meeresoberfläche, durch kontinuierliches Messen von Entfernungen zwischen der Boje 41 und den drei Transpondern 43. Die Meereswellen-Messvorrichtung 44 kann überall Wellenhöhen mittels Berechnungen bestimmen, mit nur den Daten der Ultraschallwellen, welche von dem Transponder 43 weitergeleitet werden, wobei die Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger 42 emittiert werden. Folglich werden Daten, welche von dem Ultraschallsender/Empfänger 42 empfangen werden, beispielsweise Zeitdaten, an eine Basisstation K an der Küste über einen Satelliten S oder dergleichen übertragen, so dass Wellenhöhen von der Meereswellen-Messvorrichtung 44 bestimmt werden, welche gewöhnlich in der Basisstation K angeordnet ist. Selbstverständlich kann die Meereswellen-Messvorrichtung 44 in der Boje 41 angeordnet werden, um die Wellenhöhen, welche von der Meereswellen-Messvorrichtung 44 bestimmt werden, an einen vorbestimmten Ort, wie beispielsweise an die Basisstation K über den Satelliten S, zu übertragen.
Zuerst wird das Prinzip zum Detektieren von Wellenhöhen unter Verwendung von Ultraschallwellen kurz beschrieben.
Bei dem Verfahren zum Messen von Wellenhöhen unter Verwendung von Ultraschallwellen gemäß der vorliegenden Erfindung wird die dreidimensionale Position der auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Boje 41 gemessen, um Verlagerungen (Variationen) der Meeresoberfläche zu messen. Kurz gesagt, werden Verlagerungen der Boje 41 in Bezug auf die Transponder 43 detektiert. Bei der Detektion werden Entfernungen zwischen der Boje 41 und den Transpondern 43 unter Verwendung von Ultraschallwellen gemessen. Mit anderen Worten, es werden Entfernungen zwischen dem Ultraschallsender/Empfänger 42 der Boje 41 und den Transpondern 43, welche auf dem Meeresboden (oder in der Nähe des Meeresbodens) in sehr tiefen Gewässern angeordnet sind, unter Verwendung der Ausbreitungszeit der Ultraschallwellen gemessen. Die Messung wird wesentlich durch Meerwasser beeinträchtigt. Da die Geschwindigkeiten der Ultraschallwellen durch die Temperatur, den Druck und den Salzgehalt des Meerwassers deutlich variieren, müssen insbesondere diese Fluktuationskomponenten entfernt werden.
Bei der dritten Ausführungsform wird der Einfluss durch Meerwasser entfernt, wobei angemerkt wird, dass die Zeit für die Veränderung der Verteilungen von Temperatur, Druck und Salzgehalt des Meerwassers zwischen dem Ultraschallsender/Empfänger 42 und den Transpondern 43 lang ist, mit anderen Worten, die Zeit für die Veränderung ist viel länger als der Zyklus der vertikalen Bewegung der Boje aufgrund von Meereswellen.
Insbesondere enthält der Versatz (Fluktuation) der Boje eine Komponente langfristiger Fluktuationen aufgrund des Einflusses des Meerwassers und eine Komponente kurzzeitiger Fluktuationen aufgrund von Meereswellen. Folglich kann die Wellenhöhe entsprechend der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen durch Subtrahieren der Komponente langfristiger Fluktuationen von dem Versatz der Boje bestimmt werden.
Die Schritte zum Bestimmen von Wellenhöhen werden nachfolgend beschrieben.
Hier wird die Installationsposition des Ultraschallsenders/Empfängers 42, welcher in einer vorbestimmten Position der Boje 41 bereitgestellt ist, als ein Beobachtungspunkt P bezeichnet.
Wenn eine Entfernung zwischen dem Beobachtungspunkt P und dem Transponder 43 (i; i = 1, 2, 3) durch ρⁱ repräsentiert ist, die Komponente langfristiger Fluktuationen durch ρⁱ1 repräsentiert ist und die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen durch ρⁱ2 repräsentiert ist, gilt zunächst die folgende Formel (21). In der Formel ist die Komponente langfristiger Fluktuationen (ρⁱ1) durch ρ ^ⁱ repräsentiert, und die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen (ρⁱ2) ist durch ρ ~ⁱ repräsentiert. ρⁱ = ρ ^ⁱ + ρ ~ⁱ (21)
Wenn folglich die dreidimensionalen Koordinatenpositionen (x, y, z) des Beobachtungspunkts P entsprechend der Installationsposition des Ultraschallsenders/Empfängers 42 in der Boje 41 durch die dreidimensionalen Koordinatenpositionen (x1, y1, z1) der Komponente langfristiger Fluktuationen und durch die dreidimensionalen Koordinatenpositionen (x2, y2, z2) der Komponente langfristiger Fluktuationen repräsentiert werden, gilt die folgende Formel (22).
Da weiterhin die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen (x2, y2, z2) ausreichend kleiner ist als die Entfernung ρⁱ zwischen dem Beobachtungspunkt P und dem Transponder 23, gilt die folgende Formel (23).
(e i / x , e i / y , e i / z ) in der oben stehenden Formel (23) sind die dreidimensionalen Koordinatenkomponenten eines Vektors von dem Beobachtungspunkt P zu dem Transponder 43, das heißt es sind Einheitsvektoren. Wie in 8 gezeigt, wenn die Einheitsvektoren unter Verwendung einer Depression θ_i und eines Azimuths ψ_i des Transponders 43 von dem Beobachtungspunkt P aus gesehen dargestellt werden, gilt die folgende Formel (24). (e i / x, e i / y, e i / z) = cosθⁱ·sinφⁱ, cosθⁱ·cosφⁱ, sinθⁱ (24)
Das heißt, dass die Dpression θ_i und der Azimuth ψ_i gemessen werden, so dass (e i / x , e i / y , e i / z ) bekannte Faktoren werden. Diese Winkel θ_i und ψ_i können bei der Installation der Boje 41 und des Transponders 43 gemessen werden.
Die folgende Formel (25) gilt auf der Grundlage der Formeln (21), (23) und (24). ρ ~ⁱ ≈ –e i / x·x ~ – e i / y·y ~ – e i / z·z ~ ≈ –cosθⁱ·sinφⁱ·x ~ – cosθⁱ·cosφⁱ·y ~ – sinθⁱ·z ~ (25)
Folglich können drei lineare Gleichungen mit drei Unbekannten der oben stehenden Formel (25) (i = 1, 2, 3) durch die drei Transponder 43(i) erhalten werden. Die drei simultanen linearen Gleichungen mit drei Unbekannten werden gelöst, so dass die Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen erhalten werden können. Von den drei Komponenten x, y, und z in den Richtungen der Einheitsvektoren der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen entspricht die z-Komponente in der vertikalen Richtung einer Wellenhöhe. insbesondere kann die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 zwischen dem Beobachtungspunkt P und dem Transponder 43 auf dem Meeresboden bestimmt werden, so dass die Wellenhöhe bestimmt werden kann.
Die Entfernung ρⁱ zwischen dem Beobachtungspunkt P und dem Transponder 43 auf dem Meeresboden kann durch die folgende Formel (26) bestimmt werden, wobei die Einwegausbreitungszeit der Ultraschallwellen, welche von dem Transponder 43 an den Beobachtungspunkt P emittiert werden, durch tⁱ repräsentiert ist, und die Referenzschallgeschwindigkeit durch einen Festwert c repräsentiert ist (die tatsächliche Schallgeschwindigkeit verändert sich wesentlich unter der Meeresoberfläche, jedoch kann beispielsweise ein Schallgeschwindigkeitswert entsprechend der Temperatur nahe der Meeresoberfläche in einem durchschnittlichen Jahr verwendet werden). ρⁱ = c×tⁱ (26)
Hochpassfiltern, welches für die Entfernungsdaten ρⁱ geeignet ist, welche in der oben stehenden Formel (26) ausgedrückt sind, wird ausgeführt, um die Komponente langfristiger Fluktuationen ρⁱ1 zu entfernen, so dass die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 bestimmt werden kann.
Die Meereswellen-Messvorrichtung 44 zum Messen von Wellenhöhen wird beschrieben.
Die Meereswellen-Messvorrichtung 44, wie in 9 gezeigt, umfasst Folgendes: einen Entfernungsrechner 51; einen Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen 52; einen Gleichungsvorbereitungsteil 53; und einen Gleichungslösungsrechner 54. Der Entfernungsrechner 51 berechnet die Entfernung ρⁱ zwischen der Boje 41 und dem Transponder 43 auf der Grundlage der oben stehenden Formel (26) durch Empfangen, Verstärken und Emittieren von Ultraschallwellen, welche von der Boje 41 emittiert (ausgesendet) werden, wobei der Transponder 43 die Ultraschallwellen zusammen mit dem Emissionszeitsignal von dem Ultraschallsender/Empfänger 42 empfängt, und Detektieren der Einwegausbreitungszeit tⁱ von dem Transponder 43 bis zu dem Beobachtungspunkt P. Der Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen 52 extrahiert die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 durch Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, welche von dem Entfernungsrechner 51 bestimmt werden, um die Komponente langfristiger Fluktuationen ρⁱ1 zu entfernen. Der Gleichungsvorbereitungsteil 53 bereitet lineare Gleichungen mit drei Unbekannten für die drei Transponder 43 auf der Grundlage der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 vor, welche von dem Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen 52 erhalten wird. Der Gleichungslösungsrechner 54 löst die simultanen linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, welche von der Gleichungsvorbereitungseinheit 53 erhalten werden. Mindestens die Funktionen des Entfernungsrechners 51, des Extraktionsteils für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen 52, des Gleichungsvorbereitungsteils 53 und des Gleichungslösungsrechners 54 werden von den jeweiligen Programmen durchgeführt. Selbstverständlich werden die Bestandteile bei Bedarf in das gleiche Programm einbezogen, aus Gründen der Einfachheit jedoch werden Namen, welche die Funktionen ausdrücken, den Bestandteilen zugeordnet.
Das Verfahren zum Messen von Wellenhöhen in der oben stehenden Konfiguration wird beschrieben.
Ultraschallwellen, welche von dem Ultraschallsender/Empfänger 42 der auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Boje 41 in das Wasser emittiert werden, werden von den Transpondern 43 empfangen, und gleichzeitig werden die Ultraschallwellen und das Emissionszeitsignal von den Transpondern 43 in Richtung auf die Meeresoberfläche emittiert.
Die Ultraschallwellen werden von dem Ultraschallsender/Empfänger 42 empfangen, und die Einwegausbreitungszeit tⁱ zwischen dem Transponder 43 und dem Ultraschallsender/Empfänger 42 wird detektiert, so dass die Entfernung ρⁱ zwischen dem Ultraschallsender/Empfänger 42 und dem Transponder 43 von dem Entfernungsrechner 51 bestimmt wird.
Als Nächstes werden die Entfernungsdaten in den Extraktionsteil 52 für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen eingegeben, und die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 wird extrahiert.
Die extrahierte Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ρⁱ2 wird in den Gleichungsvorbereitungsteil 53 eingegeben, um lineare Gleichungen mit drei Unbekannten für die drei jeweiligen Transponder 43 auf der Grundlage der oben stehenden Formel (25) vorzubereiten.
Die vorbereiteten simultanen linearen Gleichungen mit drei Unbekannten werden in den Gleichungslösungsrechner 54 eingegeben, um die drei Unbekannten x, y und z zu bestimmen, und die z-Komponente ergibt sich als eine Wellenhöhe.
Bei dem Verfahren zum Messen von Meereswellen und bei dem Meereswellen-Messsystem werden Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger der auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Boje, welcher unter der Meeresoberfläche bereitgestellt wird, in das Meer ausgesendet, die Ultraschallwellen von den drei Transpondern auf dem Meeresboden (oder in der Nähe des Meeresbodens) werden von dem Ultraschallsender/Empfänger der Boje mit der Emissionszeit empfangen, und die Einwegausbreitungszeit der Ultraschallwellen wird detektiert, um die Entfernungen zwischen der Boje und den Transpondern zu messen. Bei der Messung werden die gemessenen Entfernungsdaten hochpassgefiltert, das heißt die Komponente langfristiger Fluktuationen wird entfernt, um nur die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren, welche keinen Einfluss des Meerwassers enthalten, so dass Wellenhöhen gemessen werden. Folglich wird die Messung im Vergleich zu der verwandten Technik nicht durch die Meeresoberfläche beeinträchtigt, bei welcher Ultraschallwellen von einem Ultraschallsender/Empfänger auf dem Meeresboden in Richtung auf die Meeresoberfläche ausgesendet werden und von der Meeresoberfläche reflektiert werden, um Wellenhöhen zu messen. Mit anderen Worten, sogar wenn die Wellen hoch sind, können die Wellenhöhen genau gemessen werden, so dass kaum ein unmessbarer Zustand erzeugt wird.
In den oben stehend beschriebenen Ausführungsformen werden drei Ultraschallsender oder Transponder bereitgestellt. Wenn jedoch mindestens vier Ultraschallsender oder Transponder installiert werden können, kann die Methode der kleinsten Quadrate angewendet werden, so dass die Koordinatenwerte der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen, das heißt die Wellenhöhen, sehr zuverlässig gemessen werden können. Industrielle Anwendbarkeit
Bei dem Verfahren zum Messen von Meereswellen und dem Meereswellen-Messsystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Ausbreitungszeit der Ultraschallwellen zwischen der Boje, welche auf der Meeresoberfläche verankert ist, und dem Transponder, welcher auf dem Meeresboden installiert ist, gemessen, so dass Meereswellen genau gemessen werden können. Folglich können Meereswellen sogar in von der Küste weit entfernten Gewässern leicht gemessen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Enganharo Kaisho Kansoku Deta no Kaiseki Katsuyo nikansuru Kaisetsusho (Manual for Analysis and Utilization of Coastal Waves/Oceanographic Observatory Data) (Seiten 3 bis 4), herausgegeben von Coastal Development Institute of Technology, im August 2000”) [0006]

Claims

Verfahren zum Messen von Meereswellen mittels Ultraschallwellen zum Messen von Wellenhöhen in vorgebestimmten Gewässern durch Detektieren einer Fluktuation eines auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Körpers, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Empfangen von Ultraschallwellen, welche von mindestens drei Ultraschallsendern auf oder in der Nähe eines Meeresbodens unter dem aufschwimmenden Körper, welcher auf der Meeresoberfläche der vorbestimmten Gewässer verankert ist, mit einem Ultraschallempfänger, welcher unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt ist; Detektieren von Entfernungen zwischen den Ultraschallsendern und dem Ultraschallempfänger auf der Grundlage der Ausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von den Ultraschallsendern bis zum Empfangen der Ultraschallwellen; Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, um Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren; und Vorbereiten linearer Gleichungen mit drei Unbekannten für die jeweiligen Ultraschallsender, derartig dass eine Formel, welche als Unbekannte Verlagerungen der dreidimensionalen Koordinatenachsen des Ultraschallempfängers aufweist, gleich der extrahierten Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ist, wobei die dreidimensionalen Koordinatenachsen als Koeffizienten einen Azimuth und eine Depression des Ultraschallempfängers relativ zu dem Ultraschallsender aufweisen, und Lösen der simultanen linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, um mindestens den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.
Meereswellen-Messsystem mittels Ultraschallwellen zum Messen von Meereswellen in vorgebestimmten Gewässern durch Detektieren einer Fluktuation eines auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Körpers, wobei das System Folgendes umfasst: den aufschwimmenden Körper welcher auf der Meeresoberfläche in dem vorbestimmten Gewässer verankert ist; Ultraschallsender, welche in mindestens drei Positionen auf oder in der Nähe eines Meeresbodens unter dem aufschwimmenden Körper angeordnet sind; einen Ultraschallempfänger, welcher in der Lage ist, Ultraschallwellen von den Ultraschallsendern zu empfangen, wobei der Ultraschallempfänger unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt ist; und eine Meereswellen-Messvorrichtung zum Messen von Wellenhöhen durch Detektieren von Entfernungen zwischen den Ultraschallsendern und dem Ultraschallempfänger auf der Grundlage der Ausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von den Ultraschallsendern bis zum Empfangen der Ultraschallwellen, wobei die Meereswellen-Messvorrichtung Folgendes umfasst: einen Entfernungsrechner zum Berechnen der Entfernungen zwischen den Ultraschallsendern und dem Ultraschallempfänger auf der Grundlage der Ausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von den Ultraschallsendern bis zum Empfangen der Ultraschallwellen; einen Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zum Extrahieren der Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen durch Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, welche von dem Entfernungsrechner bestimmt werden; und einen Rechner für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zum Vorbereiten linearer Gleichungen mit drei Unbekannten für die jeweiligen Ultraschallsender, derartig dass eine Formel, welche als Unbekannte Verlagerungen der dreidimensionalen Koordinatenachsen des Ultraschallempfängers aufweist, gleich der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ist, welche von dem Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen extrahiert wird, wobei die dreidimensionalen Koordinatenachsen als Koeffizienten einen Azimuth und eine Depression des Ultraschallempfängers relativ zu dem Ultraschallsender aufweisen, und Lösen der linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, um mindestens den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.
Verfahren zum Messen von Meereswellen mittels Ultraschallwellen zum Messen von Wellenhöhen in vorgebestimmten Gewässern durch Detektieren einer Fluktuation eines auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Körpers, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Emittieren von Ultraschallwellen in ein Meer von einem Ultraschallsender/Empfänger, welcher unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt ist, welcher auf der Meeresoberfläche in dem vorbestimmten Gewässer verankert ist, und Empfangen der Ultraschallwellen von mindestens drei Schallwellen-Relaisvorrichtungen, welche auf oder in der Nähe eines Meeresbodens unter dem aufschwimmenden Körper angeordnet sind; Detektieren von Entfernungen zwischen den Schallwellen-Relaisvorrichtungen und dem Ultraschallsender/Empfänger auf der Grundlage der Umlaufausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger bis zum Empfangen der Ultraschallwellen; Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, um Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren; und Vorbereiten linearer Gleichungen mit drei Unbekannten für die jeweiligen Schallwellen-Relaisvorrichtungen, derartig dass eine Formel, welche als Unbekannte Verlagerungen der dreidimensionalen Koordinatenachsen des Ultraschallsenders/Empfängers aufweist, gleich der extrahierten Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ist, wobei die dreidimensionalen Koordinatenachsen als Koeffizienten einen Azimuth und eine Depression des Ultraschallsenders/Empfängers relativ zu der Schallwellen-Relaisvorrichtung aufweisen, und Lösen der linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, um mindestens den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.
Meereswellen-Messsystem mittels Ultraschallwellen zum Messen von Meereswellen in vorgebestimmten Gewässern durch Detektieren einer Fluktuation eines auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Körpers, wobei das System Folgendes umfasst: den aufschwimmenden Körper welcher auf der Meeresoberfläche in dem vorbestimmten Gewässer verankert ist; einen Ultraschallsender/Empfänger, welcher in der Lage ist, Ultraschallwellen in das Meer zu emittieren und aus dem Meer zu empfangen, wobei der Ultraschallsender/Empfänger unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt ist; mindestens drei Schallwellen-Relaisvorrichtungen zum Empfangen und Emittieren der Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger, wobei die Schallwellen-Relaisvorrichtungen auf oder in der Nähe eines Meeresbodens unter dem aufschwimmenden Körper angeordnet sind; und eine Meereswellen-Messvorrichtung zum Messen von Wellenhöhen durch Detektieren von Entfernungen zwischen den Schallwellen-Relaisvorrichtungen und dem Ultraschallsender/Empfänger auf der Grundlage der Umlaufausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger bis zum Empfangen der Ultraschallwellen, wobei die Meereswellen-Messvorrichtung Folgendes umfasst: einen Entfernungsrechner zum Berechnen der Entfernungen zwischen den Schallwellen-Relaisvorrichtungen und dem Ultraschallsender/Empfänger auf der Grundlage der Umlaufausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger bis zum Empfangen der Ultraschallwellen; einen Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zum Extrahieren der Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen durch Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, welche von dem Entfernungsrechner bestimmt werden; und einen Rechner für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zum Vorbereiten linearer Gleichungen mit drei Unbekannten für die jeweiligen Schallwellen-Relaisvorrichtungen, derartig dass eine Formel, welche als Unbekannte Verlagerungen der dreidimensionalen Koordinatenachsen des Ultraschallsenders/Empfängers aufweist, gleich der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ist, welche von dem Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen extrahiert wird, wobei die dreidimensionalen Koordinatenachsen als Koeffizienten einen Azimuth und eine Depression des Ultraschallsenders/Empfängers relativ zu der Schallwellen-Relaisvorrichtung aufweisen, und Lösen der linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, um mindestens den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.
Verfahren zum Messen von Meereswellen mittels Ultraschallwellen zum Messen von Wellenhöhen in vorgebestimmten Gewässern durch Detektieren einer Fluktuation eines auf der Meeresoberfläche aufschwimmenden Körpers, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Emittieren von Ultraschallwellen von einem Ultraschallsender/Empfänger, welcher unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt ist, welcher auf der Meeresoberfläche in dem vorbestimmten Gewässer verankert ist, an mindestens drei Schallwellen-Relaisvorrichtungen, welche auf oder in der Nähe eines Meeresbodens unter dem aufschwimmenden Körper angeordnet sind; Detektieren von Entfernungen zwischen den Schallwellen-Relaisvorrichtungen und dem Ultraschallsender/Empfänger auf der Grundlage der Ausbreitungszeit von der Schallwellen-Relaisvorrichtung durch Empfangen der Ultraschallwellen, welche von der Schallwellen-Relaisvorrichtung weitergeleitet werden, und der Relaiszeit mit dem Ultraschallsender/Empfänger; Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, um Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen zu extrahieren; und Vorbereiten linearer Gleichungen mit drei Unbekannten für die jeweiligen Schallwellen-Relaisvorrichtungen, derartig dass eine Formel, welche als Unbekannte Verlagerungen der dreidimensionalen Koordinatenachsen des Ultraschallsenders/Empfängers aufweist, gleich der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ist, welche von dem Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen extrahiert wird, wobei die dreidimensionalen Achsen als Koeffizienten einen Azimuth und eine Depression des Ultraschallsenders/Empfängers relativ zu der Schallwellen-Relaisvorrichtung aufweisen, und Lösen der linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, um mindestens den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.
Meereswellen-Messsystem mittels Ultraschallwellen zum Messen von Meereswellen in vorgebestimmten Gewässern durch Detektieren einer Fluktuation eines aufschwimmenden Körpers, welcher auf der Meeresoberfläche verankert ist, wobei das System Folgendes umfasst: den aufschwimmenden Körper welcher auf der Meeresoberfläche in dem vorbestimmten Gewässer verankert ist; einen Ultraschallsender/Empfänger, welcher in der Lage ist, Ultraschallwellen in das Meer zu emittieren und aus dem Meer zu empfangen, wobei der Ultraschallsender/Empfänger unter der Meeresoberfläche auf dem aufschwimmenden Körper bereitgestellt ist; mindestens drei Schallwellen-Relaisvorrichtungen zum Weiterleiten der Ultraschallwellen von dem Ultraschallsender/Empfänger und Emittieren der Ultraschallwellen mit einer Relaiszeit, wobei die Schallwellen-Relaisvorrichtungen unter dem aufschwimmenden Körper unter der Meeresoberfläche angeordnet sind; und eine Meereswellen-Messvorrichtung zum Messen von Wellenhöhen durch Detektieren von Entfernungen zwischen den Schallwellen-Relaisvorrichtungen und dem Ultraschallsender/Empfänger auf der Grundlage der Ausbreitungszeit vom Emittieren der Ultraschallwellen von der Schallwellen-Relaisvorrichtung bis zum Empfangen der Ultraschallwellen, wobei die Meereswellen-Messvorrichtung Folgendes umfasst: einen Entfernungsrechner zum Bestimmen der Entfernungen zwischen den Schallwellen-Relaisvorrichtungen und dem Ultraschallsender/Empfänger auf der Grundlage der Ausbreitungszeit von der Schallwellen-Relaisvorrichtung durch Empfangen der Ultraschallwellen von der Schallwellen-Relaisvorrichtung und der Relaiszeit; einen Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zum Extrahieren der Komponenten kurzzeitiger Fluktuationen durch Hochpassfiltern der Entfernungsdaten, welche von dem Entfernungsrechner bestimmt werden; und einen Rechner für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zum Vorbereiten linearer Gleichungen mit drei Unbekannten für die jeweiligen Schallwellen-Relaisvorrichtungen, derartig dass eine Formel, welche als Unbekannte Verlagerungen der dreidimensionalen Koordinatenachsen des Ultraschallsenders/Empfängers aufweist, gleich der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen ist, welche von dem Extraktionsteil für die Komponente kurzzeitiger Fluktuationen extrahiert wird, wobei die dreidimensionalen Koordinatenachsen als Koeffizienten einen Azimuth und eine Depression des Ultraschallsenders/Empfängers relativ zu der Schallwellen-Relaisvorrichtung aufweisen, und Lösen der linearen Gleichungen mit drei Unbekannten, um mindestens den Versatz in der Höhenrichtung der Komponente kurzzeitiger Fluktuationen zu bestimmen und eine Wellenhöhe zu erhalten.