JP2019090683A

JP2019090683A - 潮位推定装置および潮位推定方法

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Publication number: JP2019090683A
Application number: JP2017219353A
Authority: JP
Inventors: 祐一郎近木; Yuichiro Chikaki; 大祐金子; Daisuke Kaneko; 間瀬　淳; Atsushi Mase; 淳間瀬; 弘行池地; Hiroyuki Ikechi; 正明犬竹; Masaaki Inutake
Original assignee: Fukuoka Institute of Technology
Current assignee: Fukuoka Institute of Technology
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2037-11-14
Also published as: JP6978049B2

Abstract

【課題】潮位を直接的に推定することが可能な潮位推定装置および潮位推定方法の提供。【解決手段】送信アンテナ２から海面に向けて照射された周波数変調した電波１０の後方散乱波１１を、高さ方向に所定間隔で配置された複数の受信アンテナ３により受信し、複数の受信アンテナ３により受信した各後方散乱波信号の位相を解析し、潮位を推定することにより、潮位を直接的に推定することが可能となる。これにより、レンジ方向の潮位の分布をリアルタイムに把握することが可能となり、津波の発生時には津波の伝播を可視化することができ、沿岸部への到達予測をより正確に行うことが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、潮位を推定する潮位推定装置および潮位推定方法に関する。

津波を検出する装置として、例えば特許文献１，２には、ドップラーレーダにより津波の前面部分の速度を測定することにより予測する装置が開示されている。また、この技術をさらに発展させたものとして、非特許文献１には津波の伝搬速度が水深に依存する重力波の分散関係に従うことを利用して、津波が進行する前面の速度と位置をドップラーレーダにより観測し、水深のデータベースを利用して津波前面における水深を推定する技術が開示されている。さらに、非特許文献２には、ドップラーレーダによる波浪の測定により、ドップラー効果と、波と電波の散乱モデルを利用した波高推定が開示されている。

ところで、本発明者は、飛翔体に搭載され、対象物に向けて照射したマイクロ波の反射波に基づいて対象物の画像を取得するスポットライトモード（移動補正）合成開口レーダ（ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＲａｄａｒ、以下「ＳＡＲ」と称する。）において、放射方向がアジマス方向に僅かに異なり、ビームのメインローブが互いにオーバーラップしている２つのマイクロ波によるチャープ波を照射帯に向けて同時に照射する２つの一次放射器を備えるとともに、照射帯からの反射波を２系統独立に受信するスプリットビーム送受信アンテナと、受信した２系統の反射波からの画像データの振幅差に基づき、静止物体の画像を除去して移動体の画像のみを抽出する手段と、抽出された移動体の画像に基づいて当該移動体の位置と速度を同定する手段とを備えたスプリットビーム方式ＳＡＲを開発している（例えば、特許文献３参照。）。

特許第６００８１３６号公報特許第６１３７９６１号公報特許第５０３５７８２号公報

"「レーダーによる津波監視支援技術」を開発"，［online］，２０１５年２月１７日，三菱電機株式会社，［平成２９年８月２９日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2015/pdf/0217-e.pdf＞林昌奎，連続波ドップラーレーダによる海洋波浪観測と波浪観測に及ぼすレーダ照射幅の影響，日本船舶海洋工学会論文集，日本船舶海洋工学会，２００８年１２月，第８号，ページｐ．６１−６９

引用文献１，２に記載の技術では、津波前面の速度から津波の検出を行うことは可能であるが、津波の高さを検出することができない。また、非特許文献１に記載のように、津波前面の進行速度と水深のデータベースとを利用して津波の伝搬モデルから水深を推定するドップラーレーダでは、津波における波の前面の速度を測定することから、津波の前面の波高しか検出することができない。また、進行する前面の波に続く奥側の領域では明確な潮位の立ち上がりが無いことから、速度測定ができず、したがって波高推定が困難であると予想される。また、津波の波高が低くなる水深が深い場所での波高推定は誤差が大きくなる可能性がある。これはチリ沖で起きた津波が日本に到達する時間の予報に大きな誤差があることなどからも推測できる。

また、非特許文献２に開示されているドップラーレーダによる波高推定は、風波のような波高を精度よく推定するところまで実用化されている。しかしながら、津波のような長波長の波に関してはモデルに当てはめることができず、またその検出を目的としていないため、波高の推定は不可能である。

一方、通常の移動補正ＳＡＲでは、開口を合成するためにプラットフォームを移動させる必要があり、移動しない対象物しか観測できないという特徴がある。そのため、海波や津波のような移動物体に対しては、通常の観測モードでは画像に映らない。特許文献３には移動体観測モードについても提案しているが、広大な海面を常時上空から監視するという運用方法は現実的ではない。また、レーダを衛星に搭載して監視することも考えられるが、リアルタイム性を確保するには周回衛星を多数機用いる必要があり、これも現実的ではない。

そこで、本発明においては、従来のドップラーレーダのように津波前面の波高のみしか間接的に推定できない問題点を解決し、潮位を直接的に推定することが可能な潮位推定装置および潮位推定方法を提供することを目的とする。

本発明の潮位推定装置は、周波数変調した電波を海面に向けて照射する送信アンテナと、高さ方向に所定間隔で配置され、送信アンテナから海面に向けて照射された電波の後方散乱波を受信する複数の受信アンテナと、複数の受信アンテナにより受信した各後方散乱波信号の位相を解析することにより潮位を推定する演算手段とを含むものである。

また、本発明の潮位推定方法は、送信アンテナから海面に向けて照射された周波数変調した電波の後方散乱波を、高さ方向に所定間隔で配置された複数の受信アンテナにより受信すること、複数の受信アンテナにより受信した各後方散乱波信号の位相を解析することにより潮位を推定することを特徴とする。

本発明に係る複数の受信アンテナは高さ方向に所定間隔で配置されているため、複数の受信アンテナのそれぞれの位置で特定の位置の海面からの後方散乱波を同時に受信することができる。この複数の受信アンテナのそれぞれにより受信した後方散乱波信号の位相は、複数の受信アンテナおよび特定の位置の海面の空間的な幾何学的関係に従って異なるため、この位相を解析することにより潮位を直接的に推定することができる。また、本発明の潮位推定装置では、周波数変調した電波を用いるため、レンジ方向への潮位の分解が可能であり、レンジ方向の潮位の分布を直接的に推定することが可能となる。

ここで、演算手段は、送信アンテナと海面の散乱点と複数の受信アンテナの各受信アンテナとの間を電波が飛行する時間で受信した各後方散乱波信号と、送信アンテナと任意の位置に設定した基準点と各受信アンテナとの間を電波が飛行する時間で発生する参照波信号とから得られる各差周波信号を周波数軸方向にフーリエ変換して得られた複素データの振幅の大きな位置で位相を抽出し、異なる時刻で取得した各受信アンテナの各位置における位相のアンサンブル平均を取ることにより位相の分布の傾きを算出し、レンジ方向の潮位の分布を推定するものであることが望ましい。これにより、波浪による潮位の変化を平均化したレンジ方向の潮位の分布を直接的に推定することが可能となる。

あるいは、演算手段は、送信アンテナと海面の散乱点と複数の受信アンテナの各受信アンテナとの間を電波が飛行する時間で受信した各後方散乱波信号と、送信アンテナと任意の位置に設定した基準点と各受信アンテナとの間を電波が飛行する時間で発生する参照波信号とから得られる各差周波信号を周波数軸方向および高さ方向にフーリエ変換してレンジ方向の潮位の分布を推定するものであることが望ましい。これにより、レンジ方向だけでなくクロスレンジ方向にも広がる波浪による潮位の変化を平均化したレンジ方向の潮位の分布を直接的に推定することが可能となる。

また、演算手段は、各差周波信号を相互相関解析した後、フーリエ変換を行うものであることが望ましい。各差周波信号を相互相関解析することによりノイズを低減することができ、フーリエ変換後の潮位分布の診断が容易となる。

（１）送信アンテナから海面に向けて照射された周波数変調した電波の後方散乱波を、高さ方向に所定間隔で配置された複数の受信アンテナにより受信し、複数の受信アンテナにより受信した各後方散乱波信号の位相を解析することにより、潮位を直接的に推定することが可能となる。これにより、レンジ方向の潮位の分布をリアルタイムに把握することが可能となり、津波の発生時には津波の伝播を可視化することができ、沿岸部への到達予測をより正確に行うことが可能となる。

（２）演算手段が、送信アンテナと海面の散乱点と複数の受信アンテナの各受信アンテナとの間を電波が飛行する時間で受信した各後方散乱波信号と、送信アンテナと任意の位置に設定した基準点と各受信アンテナとの間を電波が飛行する時間で発生する参照波信号とから得られる各差周波信号を周波数軸方向にフーリエ変換して得られた複素データの振幅の大きな位置で位相を抽出し、異なる時刻で取得した各受信アンテナの各位置における位相のアンサンブル平均を取ることにより位相の分布の傾きを算出し、レンジ方向の潮位の分布を推定する構成により、波浪による潮位の変化を平均化したレンジ方向の潮位の分布を直接的に推定することが可能となり、レンジ方向の潮位の分布をリアルタイムに把握することが可能となる。

（３）演算手段が、送信アンテナと海面の散乱点と複数の受信アンテナの各受信アンテナとの間を電波が飛行する時間で受信した各後方散乱波信号と、送信アンテナと任意の位置に設定した基準点と各受信アンテナとの間を電波が飛行する時間で発生する参照波信号とから得られる各差周波信号を周波数軸方向および高さ方向にフーリエ変換してレンジ方向の潮位の分布を推定する構成により、レンジ方向だけでなくクロスレンジ方向にも広がる波浪による潮位の変化を平均化したレンジ方向の潮位の分布を直接的に推定することが可能となり、レンジ方向の潮位の分布をリアルタイムに把握することが可能となる。

本発明の実施の形態における潮位推定装置の概略構成図である。受信アンテナに後方散乱波が到達するタイミングを比較した説明図である。演算手段の処理を示すフロー図である。各受信アンテナ位置でレーダが測定する距離と潮位との関係を示す説明図である。各アンテナが受信する受信波から差周波信号を取得する説明図である。周波数軸方向にフーリエ変換して得られた複素データの振幅を示す図である。波を想定して点散乱体を二次元的に配列した場合の波浪の伝搬とレーダからの等距離線を示す図である。方法１により解析したシミュレーション結果を示す図である。１つの点散乱体がある場合に方法２により解析したシミュレーション結果を示す図である。複数の点散乱体がある場合に方法２により解析したシミュレーション結果を示す図である。

図１は本発明の実施の形態における潮位推定装置の概略構成図である。図１に示すように、本発明の実施の形態における潮位推定装置１は、周波数変調した電波（ＦＭ波）１０を海面Ｓに向けて照射する送信アンテナ２と、送信アンテナ２から海面Ｓに向けて照射された電波１０の後方散乱波１１を受信する複数の受信アンテナ３と、複数の受信アンテナ３により受信した各後方散乱波信号の位相を解析することにより潮位を推定する演算手段４とを有する。複数の受信アンテナ３は、高さ方向Ｚに所定間隔で配置される。

送信アンテナ２から海面Ｓに向けて電波を照射すると、海面Ｓの各所で後方散乱波が生じ、高さ方向Ｚに所定間隔で配置された複数の受信アンテナ３により同時に受信される。このとき、海面Ｓの特定の位置（例えば、図１の散乱点Ｐ１）から各受信アンテナ３までの距離が異なるため、各受信アンテナ３では海面Ｓの空間的な幾何学的関係に従って異なる位相で後方散乱波１１が受信される。このとき、複数の受信アンテナ３で受信された後方散乱波１１の位相の分布は、散乱点Ｐ１の高さによって変化する。

図２は潮位が高いときと低いときとで受信アンテナに後方散乱波が到達するタイミングを比較した説明図である。図２に示すように、潮位が高いときは、後方散乱波が上側の受信アンテナに早く到達し、潮位が低いときは、後方散乱波が下側の受信アンテナに早く到達する。すなわち、本実施形態における潮位推定装置１では、高さ方向Ｚに配列したそれぞれの受信アンテナ３に後方散乱波１１が到達するタイミングが潮位によって変わることを利用して、潮位を推定する。

ここで、散乱点Ｐ１から受信アンテナ３までの距離が十分に遠方である場合は、図１の右上のグラフに示すように後方散乱波１１の位相の分布は線形に変化し、その傾きが散乱点Ｐ１の高さにより決まる。そのため、この各受信アンテナ３により受信した各後方散乱波信号の位相を解析することにより、潮位を直接的に推定することができる。

また、本実施形態における潮位推定装置１では、送信波として周波数変調した電波（ＦＭ波）１０を用いるため、レンジ方向Ｙへの分解が可能であり、潮位の高さのレンジ方向Ｙの分布をリアルタイムに直接的に推定することが可能である。なお、津波は非常に長波長（λ＞ｋｍ）の波であり、通常の波浪の波長（λ〜１０ｍ）と比較すると、津波の波高の変化は潮位の変化ととらえることができるため、津波の発生時には津波の伝搬を可視化することができ、沿岸部への到達予測をより正確に行うことが可能となる。

次に、演算手段４のより具体的な処理例について説明する。図３は演算手段４の処理を示すフロー図、図４は各受信アンテナ３位置でレーダが測定する距離と潮位との関係を示す説明図、図５は各アンテナが受信する受信波から差周波信号を取得する説明図である。
演算手段４は、以下の手順により各後方散乱波信号の位相を解析する。

（Ａ）多チャンネルの差周波信号取得
送信アンテナ２と海面の散乱点Ｐ１と各受信アンテナ３との間を電波が飛行する時間
で受信した各後方散乱波信号と、送信アンテナ２と基準点と各受信アンテナ３との間を電波が飛行する時間
で発生する参照波信号とを混合することで、各後方散乱波信号の差周波（ＩＦ）信号を得る（図５参照。）。ここで、１番下の受信アンテナＲＸ₁で受信した後方散乱波信号から得られた差周波信号を基準信号
とし、その他の受信アンテナＲＸｍで受信した後方散乱波信号から得られた差周波信号を
とする。

なお、図４において、基準点は任意の位置に設定した点、
は送信アンテナ２（ＴＸ）から散乱点Ｐ１へ向かうベクトル、
は散乱点Ｐ１から各受信アンテナ３（ＲＸｍ）へ向かうベクトル、
は送信アンテナ２（ＴＸ）から基準点へ向かうベクトル、
は基準点から各受信アンテナ３（ＲＸｍ）へ向かうベクトル、
は基準点から散乱点Ｐ１までの高さ方向のベクトル、
はアンテナ設置位置から散乱点Ｐ１までのレンジ方向のベクトル、
はアンテナ設置位置における送信アンテナ２（ＴＸ）までの高さ方向のベクトル、
はアンテナ設置位置における各受信アンテナ３（ＲＸｍ）までの高さ方向のベクトルである。

（Ｂ）相互相関解析
１番下の受信アンテナ３のＩＦ信号を共通して用いて各ＩＦ信号を相互相関解析することによりノイズを低減させ、コヒーレントな後方散乱波信号を抽出する。次式（３）は基準信号とその他の受信信号間の波数ｋに関する相互相関解析を示している。Ｃ（Δｋ，ｎ_m）は相互相関関数である。
なお、この相互相関解析は省略することも可能である。

（Ｃ）フーリエ変換
次式（４）により各相互相関関数を周波数軸方向にフーリエ変換してレンジ方向に分解された複素データＩ（ｒ，ｎ_m）を得る。図６は周波数軸方向にフーリエ変換して得られた複素データＩ（ｒ，ｎ_m）の振幅を示す図である。
なお、（Ｂ）の相互相関解析を省略する場合は、Ｓ_R（ｋ，ｎ_m）を次式（５）によりフーリエ変換する。

（Ｄ）波高の推定
（Ｃ）で得られた複素データＩ（ｒ，ｎ_m）の振幅の大きな位置（距離ｒ）で位相を抽出し、異なる時刻で取得した複数の受信アンテナ３の各位置における位相の分布の傾きを計算し、散乱点の高さを得る。このとき、（Ａ）の操作によって、散乱点の位置は基準点を基準とした位置として評価される。
次式（６）は各受信アンテナ３で得られた複素データの位相を各距離ｒで抽出したものである。
上式（６）から複数の受信アンテナ３の各位置における位相は、
となる。

ところで、海面は二次元状に広がっているため、等距離線は二次元的な分布を持つ。図７は点散乱体を波のように二次元的に配列した場合の波浪の伝搬とレーダからの等距離線を示している。（Ｄ）の処理によって得られるある距離における位相の分布の傾きは複数の異なる高さの波の情報を反映することになる。これは、高さ方向Ｚに配列された受信アンテナ３では、レンジ方向Ｙ−高さ方向Ｚ平面については分解できるが、クロスレンジ方向Ｘの分解ができないためである。そこで、本実施形態における演算手段４では、潮位推定のため、以下の２つの方法を採る。

〔方法１〕
方法１では、異なる時刻で取得した複数の受信アンテナ３の各位置における位相のアンサンブル平均を取ることにより位相の分布の傾きを算出し、レンジ方向Ｙの潮位の分布を推定する。ある特定のレンジで高さを推定したとき、風波などによる高さΔｒの変化は数秒程度のスケールで起こり、津波による高さΔｒの変化はよりタイムスケールが長い。従って、図１右上のグラフに示す傾きは、風波の影響により測定ごとに時々刻々変化するが、数秒程度で取得する複数のデータを用いて傾きを平均化することで、風波などによる波高の影響をキャンセルした津波の波高を表すレンジ方向Ｙの潮位の分布を得ることができる。

〔方法２〕
方法２では、複数の受信アンテナ３により受信した各後方散乱波信号の位相を二次元フーリエ変換により解析する。具体的には、演算手段４は、前述の（Ａ）、（Ｂ）で得られた全てのＩＦ信号を次式（８）に示すように、波数軸方向および高さ方向Ｚに二次元フーリエ変換することにより位相の傾きを周波数として表し、これをさらに高度に変換して潮位のレンジ方向Ｙの分布を得ることができる。
なお、この方法２においても（Ｂ）の相互相関解析は省略することも可能である。この場合、次式（９）により二次元フーリエ変換する。

上記実施形態における潮位推定装置１によるシミュレーション実験を行った。

図８は図７に示すような波を想定して二次元的に配列した点散乱体を方法１により解析したシミュレーション結果を示している。海波の波長は１０［ｍ］、波高はすべて２［ｍ］に設定した。なお、波高（波の高さ）とは、一般に波の頂上から谷までの高さの差をいうが、本実施例においては、波の頂上から谷までの高さの差の１／２をいう。すなわち、潮位＋波高が波の頂上の高さとなる。（ａ）は潮位０［ｍ］、（ｂ）は潮位２［ｍ］である。各時刻の位相分布（細線）は等レンジ上の海表面高の分布により様々な傾きになる。

この異なる時刻で取得された位相をアンサンブル平均すると、直線状の位相分布（太線）が得られる。この傾きが波浪による高度の変化を均した潮位に対応する（実際には電波が照射された部分の潮位＋波高の平均値が得られる。）。すなわち、風波のタイムスケール（１秒程度）より十分長い時間（５秒〜１０秒程度）でこれらを平均化することで潮位の検出が可能である。

図９はレンジ３０００ｍにターゲット（散乱点Ｐ１）が１つあった場合、つまり１つの点散乱体で方法２により解析したシミュレーション結果を示している。点散乱体の設置高さは、それぞれ（ａ）０［ｍ］、（ｂ）１［ｍ］、（ｃ）２［ｍ］である。このように位相の変化量が数フリンジ変化するような設置高さの大きな変化の場合は、この方法２により高さの推定が可能であるが、方法１で位相の傾きを評価するほうがより正確に高さを測定できる。図９では、設置高さの変化に対応して、画像上の位置が変化していることが分かる。

図１０は複数の点散乱体がある場合に方法２により解析したシミュレーション結果を示している。これは、おおよそレンジ３０００ｍの位置に点散乱体を二次元的に配置したときの高さの検出結果例を示している。海波の波長は１０［ｍ］に設定した。（ａ）潮位高さ０［ｍ］、（ｂ）潮位高さ１［ｍ］、（ｃ）潮位高さ２［ｍ］であり、波高は全て１［ｍ］で共通である。これは二次元フーリエ変換した図１下に対応する図であり、高さ方向Ｚの幅の中心位置がおおよそ潮位に、幅の広さがおおよそ波高の２倍に対応する。

本発明の潮位推定装置および潮位推定方法は、潮位を直接的に推定する装置および方法として有用であり、特に、津波のような長波長の波までの距離とその潮位（波高）をリアルタイムに推定することが可能な装置および方法として好適である。

１潮位推定装置
２送信アンテナ
３受信アンテナ
４演算手段
１０電波（ＦＭ波）
１１後方散乱波

Claims

周波数変調した電波を海面に向けて照射する送信アンテナと、
高さ方向に所定間隔で配置され、前記送信アンテナから海面に向けて照射された電波の後方散乱波を受信する複数の受信アンテナと、
前記複数の受信アンテナにより受信した各後方散乱波信号の位相を解析することにより潮位を推定する演算手段と
を含む潮位推定装置。
前記演算手段は、前記送信アンテナと前記海面の散乱点と前記複数の受信アンテナの各受信アンテナとの間を電波が飛行する時間で受信した各後方散乱波信号と、前記送信アンテナと任意の位置に設定した基準点と前記各受信アンテナとの間を電波が飛行する時間で発生する参照波信号とから得られる各差周波信号を周波数軸方向にフーリエ変換して得られた複素データの振幅の大きな位置で位相を抽出し、異なる時刻で取得した前記各受信アンテナの各位置における位相のアンサンブル平均を取ることにより位相の分布の傾きを算出し、レンジ方向の潮位の分布を推定するものである請求項１記載の潮位推定装置。
前記演算手段は、前記送信アンテナと前記海面の散乱点と前記複数の受信アンテナの各受信アンテナとの間を電波が飛行する時間で受信した各後方散乱波信号と、前記送信アンテナと任意の位置に設定した基準点と前記各受信アンテナとの間を電波が飛行する時間で発生する参照波信号とから得られる各差周波信号を周波数軸方向および高さ方向にフーリエ変換してレンジ方向の潮位の分布を推定するものである請求項１記載の潮位推定装置。
前記演算手段は、前記各差周波信号を相互相関解析した後、フーリエ変換を行うものである請求項１から３のいずれか１項に記載の潮位推定装置。
送信アンテナから海面に向けて照射された周波数変調した電波の後方散乱波を、高さ方向に所定間隔で配置された複数の受信アンテナにより受信すること、
前記複数の受信アンテナにより受信した各後方散乱波信号の位相を解析することにより潮位を推定すること
を含む潮位推定方法。