JP2014232087A - 波高計測装置及び波高計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大掛かりな設備を用いることなく、高精度の計測データを取得して、波高の計測を可能とする、レーダー装置を用いた波高計測装置及び波高計測方法を提供する。
【解決手段】海面２に向けて電波を発信し、海面２からの反射波を受信するレーダー装置１０を用いた波高計測装置１であって、レーダー装置１０を陸上に設置し、電波をＫｕバンドとして、反射波の反射強度に基づいて海面２に発生した波２０の波高Ｈ２を計測することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーダー装置を用いた波高の計測装置及び波高の計測方法に関する。

従来、海面の波の高さ（以後、波高という）を計測する為には、超音波による波高計を海底に設置し、海面に向けて超音波を発信して海面からの反射波を受信することによって、海面のまでの距離の変化に基づいて波高を観測していた。しかし、この方法では、高額な設置工事や海中作業を伴うメンテナンスが必要と成り、また、海底の装置による漁業への影響も生じている。さらに、海面の波が荒い場合には、海中に気泡が巻き込まれる崩波現象の為精度が低下する等の根本的な問題もあった。

近年、上記の課題に対しては特許文献１に示されるような、海底に超音波送信装置を配置し、海面に超音波受信装置を設けたブイのような浮体を設置して、浮体の変動を検出することによる海面の計測を行う装置も開発され、課題の解決を試みてはいる。

特開２０１１−０４３３９５号公報

いずれにしても、上記特許文献１に記載のような超音波波高計は、設備を陸上から離れた海底又は海上に設置する為、これらの設備への電源の供給や得られた時間データの信号を伝達する手段が必要であり、結局大掛かりな設備が必要であり、設備の維持も容易でなく、上記課題の解決には至っていない。

近年、電波（レーダー）によって海上波の観測を行える手法が開発され、船舶や海岸沿いに設置されている事例がある。この計測に用いられる電波は、周波数が８ＧＨｚ〜１２ＧＨｚのＸバンド、又は周波数が３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚのＶＨＦバンドが多用されている。電波による海面観測は、遠距離の海面のリモートセンシングが可能と成り、例えば、Ｘバンドでは、６０ｋｍ先までの海面の観測を可能とし、ＶＨＦバンドにおいては、さらに数十ｋｍ先の海面を見ることを可能としている。電波での観測は、周波数が低く（波長が長く）成るほど遠方の観測が可能と成るが、観測の精度は粗く成る。上記のような周波数のバンドを用いた観測では、遠くのデータを得ることは出来るが、観測精度は低くなってしまう。この為、データの利用に際しては相当な補正や推算を行っている。また、Ｘバンドを用いて波を計測した場合、波高が５０ｃｍ以下の波は把握が出来ない。以上の課題を解決する為に、海面の精密な計測を可能とする、電波を利用した計測手法及び装置の開発が求められていた。

そこで、本発明は、上記の課題を鑑みて、大掛かりな設備を用いることなく、高精度の計測データを取得して、波高の計測を可能とする、レーダー装置を用いた波高計測装置及び波高計測方法を提供することを技術的目的とする。

上記目的を達成する為の本発明の波高計測装置は、海面に向けて電波を発信し、海面からの反射波を受信するレーダー装置を用いた波高計測装置であって、レーダー装置を陸上に設置し、電波をＫｕバンドとして、反射波の反射強度に基づいて海面に発生した波の波高を計測することを特徴とする。

このような構成によれば、レーダー装置の送信機・受信機を陸上に設置して使用する為、海上や海底に大掛かりな設備を設ける必要はない。また、電波をＫｕバンドのマイクロ波を観測海面に照射することで、海面から反射される電波の反射強度から海面波の波高を計測することが出来る。Ｋｕバンドは、Ｘバンド又はＶＨＦバンドに比べて周波数が高く（波長が短く）、分解能を高く得ることが可能となり、２０ｋｍ先の海面で数十ｃｍの波高の計測が可能と成る。

また、本発明の波高計測方法は、海面に向けて電波を発信し、海面からの反射波を受信するレーダー装置を用いた波高計測方法であって、レーダー装置を陸上に設置し、電波をＫｕバンドとして、反射波の反射強度に基づいて海面に発生した波の波高を計測することを特徴とする。これによって、上記の波高計測装置と同様に、高精度の計測データを取得して、波高の計測をリアルタイムで行うことが出来る。また、その精度は、超音波波高計とほぼ同様の計測精度を得ることが出来る。

以上のように、本発明によれば、大掛かりな設備を用いることなく、高精度の計測データを取得して、波高の計測を可能とする、レーダー装置を用いた波高計測装置及び波高計測方法を提供することが出来る。

本発明の一実施形態にかかる波高計測装置による波高の計測の原理を示す図である。 図１の波高計測装置による観測結果の一例を示す図である。 図１の波高計測装置による計測結果と、超音波を用いた波高計による計測結果との比較を示す図である。

以下、本発明にかかる波高計測装置の実施形態の一例を図面に基づいて説明する。図１に示すように、波高計測装置１は、陸上である海岸に設置されており、海面２に向けてレーダー波を照射する。

波高計測装置１は、電波の送受信を行うレーダー装置１０と、得られた計測データを演算する演算部１１とを有する。レーダー装置１０は、電波を発信する送信アンテナ１０ａと、反射された電波を受信する受信アンテナ１０ｂとから構成される。送信アンテナ１０ａ及び受信アンテナ１０ｂは、放物曲面を有する凹型のパラボラアンテナであり、海面２から所定の高さＨ１に、仰角０度でそれぞれ固定して設置される。また、レーダー装置１０は、Ｋｕバンド広帯域信号を用いる。Ｋｕバンドの電波は、周波数が１２ＧＨｚ〜１８ＧＨｚ、波長が約１．５ｃｍのマイクロ波で、衛星テレビ放送や通信衛星に用いられる。本実施形態においては、中心周波数が１５．７５ＧＨｚで、帯域８０ＭＨｚのＫｕバンドの電波を使用する。

演算部１１は、レーダー装置１０の受信アンテナ１０ｂで受信した反射波による計測データを演算処理し、波２０の波高Ｈ２を計測する。また、演算部１１は、図示は省略するが、受信した計測データを記憶する記憶装置、演算結果を出力する為の表示部や出力部等を有する。なお、演算部１１を通信回線に接続し、遠隔地に計測データや演算結果を送信することにより、オンラインで観測を行ってもよい。

続いて、図１に基づいて波高計測装置１を用いた波高Ｈ２の計測方法について説明する。波高計測装置１において、レーダー装置１０の送信アンテナ１０ａより、１２８μｓのパルス圧縮されたＫｕバンドの電波（変調波）を発信し、海面２から反射される反射波を受信アンテナ１０ｂで受信する。受信した反射波の反射強度で示される計測データは、演算部１１の記憶装置（図示せず）に記憶される。

演算部１１において、受信した計測データに基づいて波高Ｈ２を演算する。電波の反射強度は、平穏な海面２であれば、通常の反射強度（図１にＲ１で示す）の反射波を受信する。海面に波２０が発生して海面２が隆起すると、送信された電波が波２０で反射して受信されるまでの距離が短くなり、反射強度の強い領域（図１にＲ２で示す）が発生する。さらに、波２０の背後には、反射強度の弱い（シャドウイング）領域（図１にＲ３で示す）が発生する。なお、波２０が高く成ると、電波がより散乱する為、反射強度の弱い領域は増加する。本実施形態においては、送受信に広帯域信号の電波を用いることにより、反射位置までの距離の精度を、極めて高く得ることが可能と成る。その結果、波２０で反射される電波の強度の変化から、海面２に発生する波２０の位置及び波高Ｈ２の計測が可能と成る。

また、図１に示す状態は、ある瞬間における海面２の状態を示すものであり、時間が経過すると、海面２に発生した波２０は移動する。その為、所定時間経過後の反射強度の分布は異なったものと成る。よって、受信した反射強度の計測データを、時間経過に従って並べて表示すると、波の移動状態を示すことが出来る。また、経過時間と波の移動距離とに基づいて、波の速度をも求めることが出来る。その為、例えば、地震による津波が発生した際には、津波の波高と到達するまでの時間とを求めることが出来る。

図２に、受信した計測データに基づいて作成した、時間経過による波の移動状況を示した例を示す。図２の縦軸は、観測位置から沖合に向けての距離を示し、横軸は時間の経過を示す。図中の領域Ａは、ある時刻において通過する漁船を検知したものであり、漁船のような船舶が海上を航行し、航跡波と呼ばれる波が発生している。図２においても、時間の経過に従って、発生した航跡波が移動する様子が示される。また、航跡波は、船舶に対して陸側と沖側に進行するものであるが、図２においても、両方の航跡波Ｂ１、Ｂ２を見分けることが出来ている。漁船による航跡波の波高は、数十ｃｍ程度であるが、本発明の波高計測装置１は、数十ｃｍ程度の波である航跡波を計測することが出来ている。

ここで、本発明におけるレーダー装置を用いた波高計測装置（以下、本装置という）の実用性を確認する為に、本装置による計測結果と、従来の超音波を用いた波高計測装置（以下、超音波波高計ともいう）による測定結果とを比較した。超音波波高計は、海底に設置された波高測定装置から海面に向けて垂直に超音波を発信し、海面で反射された反射波を受信することによって、発信から受信までの時間に基づいて海面までの距離を計測するものである。計測結果からは、有義波高（所定時間に得られた波高を、高い方から順に３分の１の個数の波に対して、波高及び周期を平均したもの）を求めている。

各装置における計測は、１０日間に亘って行い、１時間毎の波高の平均値並びに有義波高を求め、得られたそれぞれのデータに対して、ゼロクロス法を用いて同期を取ることで比較した。図３に、それぞれの波高計測装置による計測結果を示す。図３に示す上部のグラフは、それぞれの波高測定装置の測定結果を示し、下部のグラフは、観測地周辺に設置された気象レーダーから得られた風速及び雨量データを示す。

図３の上部のグラフにおいては、グラフの横軸は、計測した期間を示し、縦軸は、それぞれの波高計測装置の計測結果を示す。グラフの縦軸については、左側は超音波波高計から求めた有義波高を示し（単位：ｍ）、右側は本装置において得られた反射波の平均強度（単位：ｄＢ）を示す。また、超音波波高計による計測結果を折線グラフＷで示し、本装置による計測結果を折線グラフＲで示す。

また、図３の下部のグラフには、観測地周辺に設置された気象レーダーから得られた風速及び雨量データを示す。これによって、周囲の気象条件による影響の検討を行った。グラフの横軸は、上部のグラフと共通であり、観測した期間を示す。グラフの縦軸については、左側は雨量（単位：ｍｍ／ｈ）を示し、右側は風速（単位：ｍ／ｓ）を示す。また、雨量を棒グラフＲａで示し、風速を折線グラフＷｉで示す。

それぞれの波高計測装置によって得られた観測結果は、図３の上部のグラフに示すが、その概形は極めて相似し、高い相関が伺われた。よって、本装置からの計測データは、海面の波高を高い精度で計測し表わしたものと判断された。以上から、本装置は、波高の計測に用いることが可能であると判断された。なお、両者の結果が一致しない領域が存在するが、これは、下部のグラフに示すように、海面上の雨風の影響ではないかと推定された。詳しくは、下部のグラフに示す降雨が観測された時間帯に、本装置による計測においても突出した値が示されている。これは、電波が雨からも反射した為と推定される。また、下部のグラフにおいて、風速が５ｍ／ｓを超えている時間帯においても、本装置における計測結果が高い値を示している。これは、風によって、海面上に波しぶきが発生し、レーダー波がしぶきによる反射波を受信した為と思われる。このように、風雨によっては計測値に影響が生じるが、降雨の有無や風速に応じて、その観測データを持って補正が可能と考える。

以上述べてきたように、本発明にかかる波高計測装置は、Ｋｕバンドのレーダー装置を用いて海面を計測することにより、ＸバンドやＶＨＦバンドの電波よりも高精度の計測を可能とし、２０ｋｍ先までの範囲において、数十ｃｍの波高も計測することが可能と成った。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１ 波高計測装置
２ 海面
１０ レーダー
２０ 波
Ｈ２ 波高

Claims (2)

1. 海面に向けて電波を発信し、前記海面からの反射波を受信するレーダー装置を用いた波高計測装置であって、
   前記レーダー装置を陸上に設置し、
   前記電波をＫｕバンドとして、
   前記反射波の反射強度に基づいて前記海面に発生した波の波高を計測することを特徴とする波高計測装置。
2. 海面に向けて電波を発信し、前記海面からの反射波を受信するレーダー装置を用いた波高計測方法であって、
   前記レーダー装置を陸上に設置し、
   前記電波をＫｕバンドとして、
   前記反射波の反射強度に基づいて前記海面に発生した波の波高を計測することを特徴とする波高計測方法。