JP2013181943A - 海面流観測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運用が簡単で、海面流の観測誤差を小さくできる海面流観測装置を提供する。
【解決手段】空中線１１を介してレーダ波を送受信する送受信機１２と、送受信機に対する信号および送受信機からの信号を処理するビーム形成部１３と、ビーム形成部からの信号に基づき海面流速度を算出する海面流速度算出処理部１４と、海面流速度算出処理部で算出された海面流の速度に基づき使用中のパラメータの適否を評価し、適正でない旨の評価の場合は最適である旨の評価が得られるような最適パラメータを算出する最適パラメータ算出処理部１７と、最適パラメータ算出処理で算出された最適パラメータを送受信器およびビーム形成部に送り、最適パラメータ算出処理部において使用中のパラメータが最適である旨の評価が得られるまで繰り返して送受信機、ビーム形成部および海面流速度算出処理部の処理を実行させるレーダ制御部１８を備える。
【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、レーダによって海面の潮流（以下、「海面流」という）を観測する海面流観測装置に関する。

レーダで海面流を測定し、種々の用途に利用する技術が知られている。海面流の観測に関連する技術として、例えば特許文献１は、海上に投下されたブイなど、時間の経過とともに海流または潮流によって流されて移動する物体の位置を簡易に算出する位置算出装置および位置算出方法を開示している。

特開２００１−９１２５４号公報

上述した技術を用いれば、海上に投下されたブイなどの追跡対象物の位置を追跡することにより海面流を観測できるが、観測したいエリアの海上に追跡対象物を投下する必要があるので、任意のエリアの海面流を観測したい場合の運用が難しいという問題がある。また、海面流を観測するにあったては、その誤差を極力小さくすることが望まれている。

本発明が解決しようとする課題は、運用が簡単であり、しかも海面流の観測誤差を小さくできる海面流観測装置を提供する。

実施形態に係る海面流観測装置によれば、空中線を介してレーダ波を送受信する送受信機と、送受信機に対してレーダ波を発生するための信号を生成して送るとともに、該送受信機からの信号に基づきビームを形成する信号を生成するビーム形成部と、ビーム形成部からの信号に基づき海面流速度を算出する海面流速度算出処理部と、海面流速度算出処理部で算出された海面流の速度に基づき使用中のパラメータの適否を評価し、適正でない旨の評価の場合は最適である旨の評価が得られるような最適パラメータを算出する最適パラメータ算出処理部と、最適パラメータ算出処理で算出された最適パラメータを送受信器およびビーム形成部に送り、最適パラメータ算出処理部において使用中のパラメータが最適である旨の評価が得られるまで繰り返して送受信機、ビーム形成部および海面流速度算出処理部の処理を実行させるレーダ制御部を備えている。

第１の実施形態に係る海面流観測装置の原理を説明するための図であり、航空機に搭載されたレーダで観測エリアの潮流を観測する様子を示している。 図１に示した海面流観測装置によって得られるラジアル方向ベクトルの例を示す図である。 図１に示した海面流観測装置によって観測される観測エリア内の観測地点の海面流ベクトルを、合成ベクトルによって求める様子を示す図である。 図３に示した合成ベクトルによって表された観測エリア内の海面流ベクトルの例を示す図である。 図１〜図４に示された海面流ベクトルの推定において生じる問題を説明するため図である。 第１の実施形態に係る海面流観測装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る海面流観測装置の動作を説明するための図である。 第１の実施形態に係る海面流観測装置でモニタに表示される海面流ベクトルの一例を示す図である。 第１の実施形態に係る海面流観測装置の応用例を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態に係る海面流観測装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
以下で説明する第１の実施形態の理解を容易にするために、まず、海面流観測装置の原理を説明する。図１は、航空機に搭載されたレーダで海面の一部（観測エリアＴ）の潮流を観測する様子を示す図である。観測エリアＴは、複数のブロックに細分化されている。図１に示すように、１地点の観測からは、ラジアル方向の潮流しか分からないため、海面流の二次元ベクトルを得るためには、少なくとも２地点からの観測が必要である。

図２（ａ）は、自機の位置Ａから観測したラジアル方向ベクトルを示しており、各ブロックの左右方向の大きさは方位分解能、上下方向の大きさは距離分解能に応じて決定される。同様に、図２（ｂ）は、自機が位置Ａから観測エリアＴの周りを反時計方向に所定距離だけ移動した位置Ｂから観測されたラジアル方向ベクトルを示している。これらの観測においては、何れの場合も、ラジアル方向ベクトル（図中の上下方向のベクトル）しか得られない。

ところで、観測エリアＴ内の観測地点αの海面流ベクトルは、図３に示すように、位置Ａにおいて観測されたラジアル方向ベクトル（以下、「観測ベクトル」という）と位置Ｂにおける観測ベクトルとの合成ベクトルで表すことができる。図４は、観測エリアＴ内の絶対座標系における、ある観測地点の海面流ベクトルの二次元表記の例を示している。原理的には、上述した合成ベクトルを、観測エリアＴのブロック毎に計算して海面流ベクトルとすることができる。

しかしながら、観測地点αが遠い場合は、図５に示すように、自機が位置Ａから位置Ｂへと移動したとしても、相対的に見れば近距離の移動に過ぎず、ほぼ同じ見込み角からの観測となってしまう。その結果、観測誤差がそのままベクトルの推定誤差につながるという問題が生じる。そこで、大きな離隔を確保しようとして、位置Ａと位置Ｂにおける観測を、位置Ａと位置Ｂ’（位置Ｂからさらに遠くに移動した位置）における観測に変更すると、航空機が位置Ｂ’に移動するまでに要する時間が長くなって海面の状態が変化してしまい、ベクトルの推定誤差が発生するという問題が生じる。

この第１の実施形態は、このような問題に対処するために、海面流の誤差が大きくなることが予想される場面で、その誤差を極力小さくするものである。原理的には、上述したように、位置Ａおよび位置Ｂにおける観測ベクトルから、ある観測地点の海面流ベクトルの推定は可能であるが、この第１の実施形態では、位置Ａおよび位置Ｂの各々において、複数の情報から海面流の速度変化を予測し、これによって海面流の誤差を極力小さくするようにしている。

図６は、本発明の第１の実施形態に係る海面流観測装置の構成を示すブロック図である。この海面流観測装置は、航空機に搭載されて使用される。海面流観測装置は、空中線１１、送受信機１２、ビーム形成部１３、海面流速度算出処理部１４、海面流変化処理部１５、表示器１６、最適パラメータ算出処理部１７およびレーダ制御部１８を備えている。

空中線１１は、送受信機１２から送られてくる送信信号を電波に変換し、レーダ波として空中に送信するとともに、送信したレーダ波の反射波を受信して電気信号に変換し、受信信号として送受信機１２に送る。

送受信機１２は、ビーム形成部１３から送られてくる信号に、レーダ制御部１８から送られてくる最適パラメータにしたがった処理を施し、送信信号として空中線１１に送る。また、送受信機１２は、空中線１１から送られてくる受信信号に所定の処理を施してビーム形成部１３に送る。

ビーム形成部１３は、レーダ制御部１８から送られてくる最適パラメータにしたがってレーダ波を発生するための信号を生成し、送受信機１２に送る。また、ビーム形成部１３は、送受信機１２から送られてくる信号に基づきビームを形成する信号を生成し、海面流速度算出処理部１４に送る。

海面流速度算出処理部１４は、ビーム形成部１３から送られてくる信号に基づき海面流速度を算出し、海面流速度データとして海面流変化処理部１５および最適パラメータ算出処理部１７に送る。

海面流変化処理部１５は、海面流速度算出処理部１４から送られてきた海面流速度データに基づき海面流の速度変化を抽出して海面流の方向および大きさを示す海面流ベクトルを生成し、海面流変化データとして表示器１６に送る。

表示器１６は、海面流変化処理部１５から送られてきた海面流変化データに基づき海面流ベクトルの画像を生成して表示する。

最適パラメータ算出処理部１７は、海面流速度算出処理部１４から送られてくる海面流速度データに基づき使用中のパラメータの適否を評価し、適正でない旨の評価が得られた場合は、最適である旨の評価が得られるような最適パラメータを算出し、レーダ制御部１８に送る。最適パラメータは、速度推定において適正な値が得られるようなＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency：パルス繰り返し周波数）および指向角を含む。ここで、指向角は、自機位置から見た、観測エリアＴの各ブロックの方向を示すデータである。

レーダ制御部１８は、この海面流観測装置の全体を制御する。具体的には、レーダ制御部１８は、最適パラメータ算出処理部１７から送られてきた最適パラメータを送受信機１２およびビーム形成部１３に送り、最適パラメータ算出処理部１７において使用中のパラメータが最適である旨の評価が得られるまで上述した処理を繰り返す制御を行う。これにより、海面流観測装置において、好適な潮流の観測結果を得ることができる。

次に、上記のように構成される海面流観測装置の動作を説明する。海面流の速度を推定する場合、観測に使用するＰＲＦによっては速度推定にアンビギュイティ（不確定性）を生じることがある。この第１の実施形態に係る海面流観測装置では、まず、推定された速度の推移から、位置Ａおよび位置Ｂにおいて適正な諸元（ＰＲＦなど）で観測が行われたかどうかが判断される。すなわち、
（１）使用中のＰＲＦに対して海面流の速度が大きく、速度推定にアンビギュイティが発生していないか
（２）観測地点の海面流の速度が小さく、ＰＲＦに対して精度の悪い観測が行われていないか、が判断される。

上記（１）および（２）を位置Ａおよび位置Ｂにおいて判断し、その後、判断結果に応じて必要であればパラメータを変えて再度同じ動作を繰り返し、より高精度な海面流ベクトルの推定を行う。

以下、具体的に説明する。海面流速度算出処理部１４の動作は、以下のようになる。すなわち、レーダによる速度の観測は、移動する目標からのエコーに生じるドプラ周波数ｆｄを測定し、送信波（レーダ波）の波長λを用いて速度に換算することにより行われる。具体的には、海面流の速度Ｖは、下式で表される。

Ｖ＝（ｆｄ×λ）／２…（１）
例えば、得られたドプラ周波数ｆｄが２００Ｈｚの場合、使用したレーダ波の波長が０．０３ｍであれば、目標の速度Ｖは、「Ｖ＝（２００×０．０３）／２＝３ｍ／ｓ」となる。

ところで、海面流の速度を推定するには、「ドプラ周波数ｆｄ＜ＰＲＦ」の関係が必要である。しかしながら、図７（ａ）に示すように、推定可能な速度範囲に対して海面流の変化が少ないと、推定速度値が推定可能な速度範囲の一部（図中の下部）に偏ってしまうので、推定速度の精度が低下する。

なお、図７（ａ）は、観測エリアＴの１つのブロックに対してレーダ波の送受信を３回行った例を示しており、時間経過に連れて推定速度が大きくなっている。このケースでは、ＰＲＦを小さくして、推定可能な速度範囲が狭くなるように調整することにより、推定速度の精度を向上させることができる。

逆に、図７（ｂ）に示すように、推定可能な速度範囲に対して海面流の変化が大きすぎると、推定速度値が推定可能な速度範囲を超えてしまって速度の推定を誤る。なお、図７（ｂ）は、観測エリアＴの１つのブロックに対してレーダ波の送受信を３回行った例を示しており、時間経過に連れて推定速度が大きくなり、３回目の送受信では推定可能な範囲を逸脱している。

この場合、３回目の送受信の後にアンビギュイティが発生する可能性がある。このケースでは、ＰＲＦを大きくして、推定可能な速度範囲が広くなるように調整することで、アンビギュイティを除去することができる。

以上のように、海面流速度算出処理部１４は、位置ＡおよびＢの各々において、複数回の観測により得られベクトルから海面流の速度を推定し、海面流速度データとして海面流変化処理部１５および最適パラメータ算出処理部１７に送る。

最適パラメータ算出処理部１７は、海面流速度算出処理部１４から送られてきた海面流速度データに基づき使用中のパラメータが最適であるかどうかを評価する。そして、この評価の結果、必要であれば、つまり適正でない旨の評価が得られた場合（図７（ａ）または図７（ｂ）に示すような状態）は、再度、最適である旨の評価が得られるような最適パラメータを算出してレーダ制御部１８に送る。

レーダ制御部１８は、最適パラメータ算出処理部１７から受け取った最適パラメータを送受信器１２およびビーム形成部１３に送り、最適パラメータ算出処理部１７において使用中のパラメータが最適である旨の評価が得られるまで上述した処理を繰り返す制御を行う。以上の処理により、海面流ベクトルの推定精度が向上する。

一方、海面流変化処理部１５は、海面流速度算出処理部１４から送られてきた海面流速度データに基づき海面流の速度変化を抽出して海面流ベクトルを生成し、海面流変化データとして表示器１６に送る。

表示器１６は、海面流変化処理部１５から送られてきた海面流変化データに基づき海面流ベクトルの画像を生成して表示する。図８は、表示部１６に表示される海面流ベクトルの一例である。

次に、第１の実施形態に係る海面流観測装置の応用例、図９を参照しながら説明する。この応用例に係る海面流観測装置では、海面流変化処理部１５は、生成した海面流ベクトルを空間（例えば、Ｘ−Ｙ軸）でさらに微分し、海面流ベクトルの変化を際だたせる処理、つまり画像処理分野でいう「エッジ検出処理」を行う。

ここで、微分とは、隣接するブロック間の差を求めることをいい、図９（ｂ）のｉ軸方向の実線上の数字は、上下に隣接するブロックのｊ成分の差を示し、ｊ軸方向の実線上の数字は、左右に隣接するブロックのｉ成分の差を示している。この図９（ｂ）の差を示す数値が大きい部分が、エッジとして検出される。

図９（ａ）は、検出されたエッジ（破線で示す）を海面流ベクトルの上に重ねて表示したものである。この応用例は、エッジ近傍やエッジが存在する可能性のある領域に対して、精密なベクトル推定を行う場合に有効である。

以上説明したように、第１の実施形態に係る海面流観測装置によれば、海面にブイなどを投下する必要がないので運用が簡単であり、また、海面流速度に基づき使用中のパラメータの適否を評価し、適正でない旨の評価が得られた場合は、最適である旨の評価が得られるような最適パラメータを算出して再度観測を行うので、海面流の観測誤差を小さくできる。

以上のように、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１ 空中線
１２ 送受信機
１３ ビーム形成部
１４ 海面流速度算出処理部
１５ 海面流変化処理部
１６ 表示器
１７ 最適パラメータ算出処理部
１８ レーダ制御部

Claims (3)

1. 空中線を介してレーダ波を送受信する送受信機と、
   前記送受信機に対してレーダ波を発生するための信号を生成して送るとともに、該送受信機からの信号に基づきビームを形成する信号を生成するビーム形成部と、
   前記ビーム形成部からの信号に基づき海面流速度を算出する海面流速度算出処理部と、
   前記海面流速度算出処理部で算出された海面流の速度に基づき使用中のパラメータの適否を評価し、適正でない旨の評価の場合は最適である旨の評価が得られるような最適パラメータを算出する最適パラメータ算出処理部と、
   前記最適パラメータ算出処理で算出された最適パラメータを前記送受信器および前記ビーム形成部に送り、前記最適パラメータ算出処理部において使用中のパラメータが最適である旨の評価が得られるまで繰り返して前記送受信機、ビーム形成部および海面流速度算出処理部の処理を実行させるレーダ制御部と、
   を備えたことを特徴とする海面流観測装置。
2. 前記最適パラメータ算出処理部は、推定可能な速度範囲に対して海面流の変化が所定値以下の場合には、パルス繰り返し周波数を小さくして、前記推定可能な速度範囲が狭くなるように調整し、前記推定可能な速度範囲に対して海面流の変化が前記所定値を超える場合には、前記パルス繰り返し周波数を大きくして、前記推定可能な速度範囲が広くなるように調整することを特徴とする請求項１記載の海面流観測装置。
3. 前記最適パラメータ算出処理部で使用中のパラメータが適正である旨の評価がなされた場合は、前記海面流速度算出処理部で算出された海面流の速度変化を抽出して海面流ベクトルを生成する海面流変化処理部と、
   前記海面流変化処理部で生成された海面流ベクトルを表示する表示器と、
   を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の海面流観測装置。

Images