JP3154653B2 - レーザ式波高・水位計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、海面などの波高・
潮位の測定に利用されるレーザ式波高・潮位計に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】海面の観測のために、波高と潮位の測定
が行われる。従来、海面の波高と潮位を測定するための
波高・潮位計としては、水圧式、抵抗型、容量式、超音
波式など各種のものが知られている。水圧式、抵抗型、
容量式はいずれも海底設置型であり、超音波式には、海
底設置型と海上設置型の２種類がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記各種の波高・潮位
計のうち海底設置型のものは、海中工事が必要になるた
め設置の費用がかさむという問題がある。海上設置の超
音波式波高・潮位計は、超音波の伝播経路が風などによ
って曲げられるとそのまま測定誤差となるため、往復の
伝播経路、すなわち、海面までの距離を余り大きくでき
ないという制約が伴う。また、超音波ビームはそれほど
鋭くは絞れないため、小さな波に対して分解能が不足気
味になるという問題もある。従って、本発明の目的は、
海上に設置でき、海面からの距離も大きくでき、しかも
小さな波に対しても十分な分解能を有する波高・潮位計
を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ式波高・
潮位計は、液面に向けてレーザパルスを照射し、この液
面で反射された反射レーザパルスを受光する送受光部
と、レーザパルスが送受光部から照射され液面で反射さ
れて送受光部に受光されるまでに要した伝播所要時間を
測定し、この伝播所要時間から液面までの距離を算定す
る距離算定部とを備えている。そして、上記液面は、
海、河川、湖沼、沼、貯水池その他の水源又は導水路の
水面からなる。更に、距離測定部は、水面までの距離の
移動平均値を平均水面位置までの平均水面距離として算
定し、水面までの距離が前期平均水面距離にほぼ一致し
た時点を波の１周期の始点として検出し、続いて出現し
た水面までの距離の最大値又は最小値を波の谷又は山ま
での距離として検出し、続いて水面までの距離が前記平
均水面距離にほぼ一致したのち出現する最小値又は最大
値を波の山又は谷までの距離として検出し、その後に水
面までの距離が平均水面距離にほぼ一致した時点を波の
１周期の終点として検出することにより、フーリエ変換
などの特殊な処理を行うことなく、しかもリアルタイム
で、波高や潮位を検出できるように構成されている。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態によれば、受
光部と送光部の光軸は鉛直線から±４°以内の角度に保
たれる。本発明者が実験を通して気付いたことである
が、波長が短く（例えば、0.85μｍ) 、 鋭い指向性を
持つレーザビームを送受信するレーザレーダでは、意外
にも物標の反射面が鏡面に近づくほど実現が難しくな
る。これは、反射面が鏡面に近づくほど入射ビームのう
ち散乱を受ける成分が減少し、代わりに正規反射を受け
る成分が増大するためである。

【０００６】すなわち、反射面が鏡面に近い光学的性質
を有している場合、これに対して入射ビームが直角に入
射しないと、正規反射を受けた反射光の伝播方向が入射
光の伝播方向からずれてしまい、この結果、反射面から
離れた場所では、送光部に隣接して設置されている受光
部が反射光を受光できなくなる。従って、反射面が粗度
が小さくて滑らかな鏡面に近づくほど、この反射面に対
してレーザビームを直角に入射させるか、送受光部をこ
の反射面に接近させないと、反射ビームの受光が困難に
なる。

【０００７】ところで、静かな海面、特に「油を流した
ような」と表現される無風状態下での極めて穏やかな海
面は鏡面に近い光学的性質を有するように考えられる。
レーザレーダ式の波高・潮位計を実現する場合、これを
海面に十分近づけて、すなわち予想される最大波高の半
分程度よりも海面に近づけて設置することは勿論不可能
であるから、図１の（Ａ）に例示するように、海面から
かなり離して、従って送受光部の光軸を鉛直線に極めて
近づけた状態で設置する必要がある。

【０００８】このように、送受光部の光軸を鉛直線に極
めて近付けて設置すると、時化た海面では、図１の
（Ｂ）に例示するように、海面が巨視的には水平面から
かなり傾斜する。この状態で、微視的な海面が依然とし
て鏡面に近い性質を保持しているとすれば、反射レーザ
ビームのかなりの部分が図中の矢印で示す方向に伝播し
てしまい、受光部に到達する光量は不足することにな
る。

【０００９】本発明者の実験結果によれば、図１の
（Ａ）に例示したような穏やかな海面は懸念した通り鏡
面に近い状態を保ち、鉛直線に対してほぼ±４^o 以内の
角度範囲を保たないと、反射ビームの受光が困難になる
ことが判明した。また、図１の（Ｂ）に例示したよう
に、かなり時化た海面では、幸いにも、その微視的な状
態も鏡面からはほど遠い状態となり、大きく傾斜した海
面で生じた反射ビームが十分な光量で受光部に受信でき
ることが判明した。

【００１０】上記実験結果によれば、海面は、水平面に
対して種々の傾斜角度を有して分布する無数の微小平面
鏡が集合したモデルで近似できる。そして、各微小平面
鏡の傾斜角度の分布は、巨視的な傾斜角度の絶対値の回
りに正規分布に類した分布をしており、その分散は水平
面からの巨視的な傾斜角度の増加と共に増加する。

【００１１】すなわち、図１（Ａ）に例示したような穏
やかな海面では、図２の曲線Ａで例示するように、水平
面からの傾きが０^o の巨視的な傾斜角度の回りに小さな
分散を有する鋭い分布を示す。これに対して、図１
（Ｂ）に例示するような時化た海面では、図２の曲線Ｂ
で例示するように、十数^o もの大きな値の水平面からの
巨視的な傾斜角度の回りに大きな分散のもとで十数^o の
範囲に及ぶ鈍な分布をしている。そして、反射レーザビ
ームを受光部に向けて伝播させる水平面からの傾斜角度
が０^o 近傍の微小平面鏡は、穏やかな海面にも時化た海
面にも存在する。このように考えると、穏やかな海面で
も時化た海面でもレーザレーダが実現可能である理由が
良く説明できる。

【００１２】

【実施例】図４は本発明の一実施例に係わるサンプリン
グ方式のレーザレーダを用いる波高・潮位計の構成を示
すブロック図であり、１０はサンプリング方式の送受光
部、２０は距離検出部、３０はデータの記録・表示部で
ある。この実施例のレーザレーダ式の波高・潮位計のう
ち少なくとも送受光部１０と距離検出部２０とは、岸壁
や桟橋あるいはこれらの上に構築された荷揚げ用などの
構築物上に、測定しようとする海面上に張り出した状態
で、海面から数メートル乃至数十メートルの距離を保っ
て設置される。前述したように、送受光部１０の光軸
は、鉛直線からほぼ±４^o 程度以内の角度を保って設置
される。

【００１３】送受光部１０は、タイミング制御回路１
１、送光回路１２、受光回路１３、増幅回路１４、１
６、サンプルホールド回路１５及びバッファ回路１７を
備えている。距離検出部２０は、ＣＰＵ２１、比較回路
２２、カウンタ２３、ラッチ回路２４及び回線インタフ
ェース回路２５を備えている。データ表示・記録部３０
は、パソコン３１、回線インタフェース回路３２、Ｄ／
Ａ変換ボード３３、３４、ペンレコーダ３５、潮位計３
６及び波高計３７を備えている。

【００１４】送受光部１０内のタイミング制御回路１１
は、サンプリング方式に基づく時間軸伸長に必要な３種
類のタイミング信号、すなわち、ゼロ位置信号、送光ト
リガ信号及びストローブ信号を発生し、対応の各部に供
給する。距離検出部２０内のカウンタ２３は、送受光部
１０内のタイミング制御回路１１からゼロ位置信号を受
けると、リセットによりカウント値をゼロに初期設定し
たのち、一定周期で供給されるクロックパルスｃｋのカ
ウントを開始する。

【００１５】送光回路１２は、レーザダイオードを主体
に構成されており、タイミング制御回路１１から供給さ
れる一定周期Ｔの送光トリガ信号に同期して、大電力の
鋭いレーザパルス（ピーク光出力100 Ｗ、パルス半値幅
２ｎsec 程度）を発生する。このレーザパルスは、送光
用レンズによる収束を受けながら海面に向けて放射され
る。受光回路１３は、高い受光感度のアバランシェ・フ
ォト・ダイオード（ＡＰＤ）を主体に構成されており、
海面で生じた反射パルスを受光レンズを通して受光し、
パルス状の電気信号に変換して出力する。

【００１６】受光回路１３から出力された反射パルス
は、広帯域の増幅回路１４により増幅され、サンプルホ
ールド回路１５に供給される。サンプルホールド回路１
５は、増幅された反射パルスをタイミング制御回路１１
から供給されるストローブ信号に同期してサンプルホー
ルドする。このストローブ信号の位相は、一定周期Ｔで
反復して出力される送光トリガ信号から微小量τずつ累
積的に遅延されてゆく。この微小時間τは、レーザビー
ムが１cmの距離を伝播するのに要する時間0.6667psecに
設定されており、これから1cm の距離分解能が実現され
る。

【００１７】この結果、送受光部１０からレーザパルス
が放射され、海面で生じた反射パルスが受光され、サン
プルホールドされるという一連の動作が１回反復される
たびに、反射パルスの時間軸上の連続的な微小区間τの
一つずつについて、サンプリングと周期Ｔの時間幅にわ
たるホールドが反復されることになり、反射パルスがそ
の時間軸についてＴ／τ倍の伸長を受けながら受光され
ることになる。この時間軸伸長を受けた反射パルスは増
幅回路１６で増幅され、バッファ回路１７を通して比較
回路２２に供給される。

【００１８】比較回路２２は、バッファ回路１７から出
力される時間軸伸長を受けた受光反射パルスの振幅が基
準値に達すると、受光反射パルスが出現したものと見做
して出力を発生する。カウンタ２３はこの比較回路２２
からの出力を受けるとカウント動作を停止し、カウント
値をラッチ回路２４に転送する。ＣＰＵ２１はラッチ回
路２４に保持されているカウント値に基づき、レーザパ
ルスの放射から受光までに要した時間、すなわち、レー
ザパルスが海面との間を往復するのに要した伝播所要時
間を検出する。

【００１９】上記実施例のサンプリング方式のレーザ・
パルスレーダの典型的な動作パラメータとしては、レー
ザパルスの放射周期が10μs 、パルス半値幅が２ｎsec
、ピーク光出力が100 Ｗ、１データの取得に必要なレ
ーザパルスの放射回数が5,000回、１データの取得に要
する時間が50 msec などである。なお、上記サンプリン
グによる時間軸伸長を行うレーザ・パルスレーダの動作
原理や光学系の構造などについては、必要に応じて、本
出願人が先に出願した、「接岸速度計」や「距離計及び
接近速度計」と題する特許出願（特公平 7ー69423 号公
報、同 7ー78537号公報、同 7ー69427 号公報) などを
参照されたい。

【００２０】ＣＰＵ２１は、この伝播所要時間を、光速
の２倍で除算することにより海面までの距離を算定し、
回線インタフェース回路２５と回線とを通してデータ表
示・記録部のパソコン３１に転送する。パソコン３１
は、回線と回線インタフェース回路３２とを介して距離
算定部２０から転送されてきたデータを受取り、解析す
ることにより波高、周期、潮位などのデータを算定し、
ハードディスクやフロッピーディスクなどに保存する。
また、パソコン３１は、算定した波高、周期、潮位など
のデータをＤ／Ａ変換ボード３３、３４を介してペンレ
コーダ３５に記録したり、潮位計３６や波高計３７にメ
ータ表示したりする。

【００２１】次に、パソコン３１による潮位と波高の解
析方法を図３を参照しながら説明する。海面の波浪は、
大きな波と小さな波が複合されており複雑な動きをす
る。 (1) まず、50ms周期で測定した送受光部の設置位置から
海面までの距離を、10分間から20分間程度の長期間にわ
たって移動平均し、海面までの平均距離を平均海面距離
Ａとして定義する。図３中、実線で示す上部の横線が送
受光部の設置位置であり、点線で示す横線が送受光部か
ら平均海面距離Ａだけ離れた平均海面位置である。

【００２２】(2) 次に、50ms周期で測定した海面までの
距離ａｉが次第に増加してゆき、平均海面距離Ａにほぼ
等しくなった時点を１周期の起点Ｍ１と定め、パソコン
３１内のタイマー（図示せず）をスタートさせる。この
時点は、送受光部から計った距離が下向きに増加してい
って遂には平均海面位置（ゼロ点）と交差する点である
ため、ゼロ・クロス点と称する。 (3) 小さな波による擾乱を防ぐため、起点から一定の不
応期間Ｃを設定し、この不応期間内（例えば0.1 〜１秒
間）は、測定結果が平均海面距離Ａ以下となってもその
ことを無視する。

【００２３】(4) 起点Ｍ１の出現後、測定距離ａｉが次
第に増大してゆき、やがて出現する最大値ａ_B によって
波の谷Ｍ２の出現が検出される。 (5) 谷Ｍ２の出現後は、測定距離ａｉが次第に減少して
ゆき、やがて平均海面距離Ａにほぼ等しくなるというゼ
ロ・アップクロス点Ｍ３が出現する。このゼロ・アップ
クロス点Ｍ３でも、小さな波による擾乱を防ぐために一
定の不応期間Ｃを設定し、測定距離が平均海面距離Ａ以
下となってもそのことを無視する。

【００２４】(6) ゼロ・アップクロス点Ｍ３の出現後、
測定距離ａｉが次第に減少してゆき、やがて出現する最
小値ａ_P によって波の山Ｍ４の出現が検出される。 (7) 山Ｍ４の出現後、測定距離ａｉが次第に増大してゆ
き、平均距離Ａ以上になることにより、再びゼロ・ダウ
ンクロス点が出現する。この時点でパソコン３１内のタ
イマーの内容が同じく内蔵のラッチ回路（図示せず）に
転送され、リセットされ、再起動される。

【００２５】ラッチ回路に転送されたタイマーの内容が
波の１周期の時間として検出され、波の谷と山との間隔
Ｈ（＝ａ_P −ａ_B ）が波高値として検出され、平均海面
位置と所定の基準海面位置との距離が潮位として検出さ
れる。この方法によれば、フーリエ変換回路などの特殊
な波形分析測定を使用せずに、しかもリアルタイムで波
高や潮位を検出できる。

【００２６】50ms周期で検出した海面までの距離が連続
的な海面の動きからは起こり得ない異常な大きさの変化
を示した場合、すなわち前回の値よりも所定値以上、例
えば10cm以上変化した場合には、海面上の飛沫や海鳥な
ど海面以外の物体による反射光を受光したものと見做
し、その異常なデータを廃棄する。

【００２７】以上、測定した海面までの距離が増加して
ゆき平均海面距離と一致した時点Ｍ１を１周期の始点と
した。しかしながら、海面までの距離が減少してゆき平
均海面距離と一致した時点Ｍ３を１周期の始点としても
よいことは勿論である。

【００２８】また、本発明のレーザ式波高・潮位計を、
海面を対象とする波高・潮位の測定装置に適用する場合
を例にとって説明した。しかしながら、本発明のレーザ
式波高・潮位計を、河川、湖沼、池、人工の堰、貯水
池、送水路などの種々の自然界の水面の位置の測定に適
用できることは明らかである。

【００２９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の波
高・潮位計は、発光部から照射され、海面で反射されて
受光部に受光されるまでに要したレーザパルスの伝播所
要時間を測定して海面までの距離を算定する構成である
から、海上に設置できると共に波高１ｃｍ程度ものさざ
波も検出可能な高い分解能を有する装置を実現できる。
特に、海面からの数十メートル程度の長い距離を保って
設置できるため、船舶の接岸や荷揚げや荷下ろし作業の
邪魔とならないクレーン上などの高所に設置できるとい
う利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の波高・潮位計の動作原理を
説明するための概念図である。

【図２】上記実施例の波高・潮位計の動作原理を説明す
るための概念図である。

【図３】上記実施例の波高・潮位計の動作原理を説明す
るための概念図である。

【図４】上記実施例の波高・潮位計の構成を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

10 送受光部 12 送光回路 13 受光回路 15 サンプルホールド回路 20 距離検出部 30 表示・記録部

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液面に向けてレーザパルスを照射し、この
   液面で反射された反射レーザパルスを受光する送受光部
   と、前記レーザパルスが前記送受光部から照射され前記
   液面で反射されて前記送受光部に受光されるまでに要し
   た伝播所要時間を測定し、この伝播所要時間から前記液
   面までの距離を算定する距離算定部とを備え、前記液面は、海、河川、湖沼、沼、貯水池その他の水源
   又は導水路の水面であり、 前記距離測定部は、水面までの距離の移動平均値を平均
   水面位置までの平均水面距離として算定し、水面までの
   距離が前期平均水面距離にほぼ一致した時点を波の１周
   期の始点として検出し、続いて出現した水面までの距離
   の最大値又は最小値を波の谷又は山までの距離として検
   出し、続いて水面までの距離が前記平均水面距離にほぼ
   一致したのち出現する最小値又は最大値を波の山又は谷
   までの距離として検出し、その後に水面までの距離が平
   均水面距離にほぼ一致した時点を波の１周期の終点とし
   て検出することを特徴とするレーザ式波高・潮位計 。
2. 【請求項２】請求項１において、前記距離測定部は、水面までの距離が前期平均水面距離
   にほぼ一致した時点を検出したのち所定の期間内は、水
   面までの距離が前記平均水面距離にほぼ一致してもこれ
   を無視することを特徴とするレーザ式波高・潮位計 。
3. 【請求項３】請求項１と２のそれぞれにおいて、 前記送受光部は、サンプリング方式の時間軸伸長機能を
   備えたことを特徴とするレーザ式波高・潮位計。