JP4827330B2 - レーダ波浪測定方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーダのシークラッタ信号を収集し、フーリエ変換処理を施して、波長、波速、波向き、波高等の波浪の特性を測定するレーダによる波浪測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、パルスレーダを使用して、海面からのレーダ反射信号を利用して波浪の特性、例えば波長、波速、波向き、波高等を測定することが行われている。
【０００３】
例えば、海面からのレーダ反射信号の最初の画面の２次元ＦＦＴ演算出力と次の画面の２次元ＦＦＴ演算出力とから２画面のクロススペクトル演算を行い、そのクロススペクトルから振幅情報と位相情報を求め、この求めた振幅情報と位相情報に基づいて、波浪の各特性を求める波浪レーダ観測方式が、特公平２−３０６７４号公報(以下、文献１)に示されている。
【０００４】
また、連続する多数枚（例、３２枚）のレーダ画像を３次元フーリエ変換して、波浪の各特性を求めることが、ESTIMATION OF SEA STATE DIRECTIONAL SPECTRA BY USING MARINE RADAR IMAGING OF SEA SURFACE,Proceedings of ETCE/OMAE 2000 February14-17,2000,NewOrleans,LA（以下、文献２）に示されている。この文献２における処理概要は、図３に示されるように、レーダ３１でシークラッタを取得し、レーダ信号集録手段３２に連続する３２スキャンのレーダ信号を記録する。次に、３次元ＦＦＴ手段３３で３２スキャン分のレーダ信号を極座標から直角座標に変換し、３次元ＦＦＴ処理を行い、３次元スペクトラムＩ（ｋ、ω）を得る。次に、波浪スペクトル推算手段３４において、計算された３次元スペクトラムＩ（ｋ、ω）を、分散関係式ω2＝ｇｋに当てはめることによりフィルタリングし、雑音を除去して、本来の波に関する３次元スペクトラムＦ（ｋ、ω）だけを抽出する。そして、シーステート解析手段３５で、抽出された３次元スペクトラムＦ（ｋ、ω）を用いて、波長、波速、波向き、波高等の波浪情報を算出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の文献１の波浪レーダ観測方式では、２画面のクロススペクトルから求めた振幅情報と位相情報から直接波浪の各特性を求めるから、クロススペクトルに含まれる雑音成分による悪影響を受けることは避けられず、特に荒天下での測定ではその影響が大きくなってしまう。
【０００６】
また、文献２の方式では、分散関係式を用いて３次元スペクトラムＩ（ｋ、ω）をフィルタリングしているから、雑音成分の多くが除去されるが、そのために連続する多数スキャンのレーダ信号を必要とする。このため、陸上設置のレーダであれば、近くのレーダやレーダビーコン、その他の電波源の干渉を受けた場合には、観測結果に悪影響を受けることになる。また、船上のレーダの場合には、電波の干渉の外に、船体の動揺や旋回により画像が歪む等の悪影響を受けることになってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、レーダによる波浪測定において、連続する多数スキャンのレーダ反射信号を不要とし、連続する２スキャンのレーダ反射信号から精度よく、波長、波速、波向き、波高等の波浪情報を得ることができる、レーダによる波浪測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るレーダ波浪測定方法は、干渉がないと判断された２スキャンのレーダデータをそれぞれ２次元フーリエ変換し、このそれぞれ２次元フーリエ変換した２スキャン分のレーダデータの２次元クロススペクトルを演算し、この２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを求め、
この２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを、位相スペクトルに基づいて計算された計算波速が波速関係式から求まる理論波速に整合するか否かにしたがって通過或いは阻止するようにフィルタリングし、
フィルタリングされた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを用いて、波浪情報を算出する際に、
フィルタリングされた２次元クロススペクトルのスペクトルピーク点に基づいて波長及び波向きを算出し、さらにそのピーク点に対応する位相スペクトルに基づいて波速を算出するとともに、
フィルタリングされる前の振幅スペクトルの総和Ｗを算出し、フィルタリングされた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルのピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓを算出し、その振幅スペクトルの和Ｓと、前記振幅スペクトルの総和Ｗから振幅スペクトルの和Ｓを引いた値Ｗ−Ｓとの比から、予め求めておいた回帰係数を用いた回帰式により波高値を求める、ことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項２に係るレーダ波浪測定装置は、順次入力される連続する２スキャン分のレーダデータを記録するレーダ信号集録手段と、
前記２スキャン分のレーダデータに他の電波源からの干渉の有無を検出し、干渉がある場合にはそのレーダデータを廃棄するレーダ干渉検出手段と、
前記レーダ干渉検出手段で干渉がないと判断された、前記２スキャンのレーダデータをそれぞれ２次元フーリエ変換し、この２次元フーリエされたデータから２次元クロススペクトルを演算し、この２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを求める２次元演算手段と、
前記２次元クロススペクトルの振幅スペクトルのピーク値に対応する位相スペクトルに基づいて波速を計算し、この計算された計算波速が波速関係式から求まる理論波速に整合するか否かにしたがって、その位相スペクトル及び対応する振幅スペクトルを通過或いは阻止させるフィルタリングを行う波浪スペクトル推算手段と、
前記波浪スペクトル推算手段でフィルタリングされた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを用いて、波浪情報を算出するシーステート解析手段を有し、
前記波浪スペクトル推算手段でフィルタリングされた２次元クロススペクトルのスペクトルピーク点に基づいて波長及び波向きを算出し、さらにそのピーク点に対応する位相スペクトルに基づいて波速を算出するとともに、
前記波浪スペクトル推算手段でフィルタリングされる前の振幅スペクトルの総和Ｗを算出し、前記シーステート解析手段で２次元クロススペクトルの振幅スペクトルのピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓを算出し、その振幅スペクトルの和Ｓと、前記振幅スペクトルの総和Ｗから振幅スペクトルの和Ｓを引いた値Ｗ−Ｓとの比から、予め求めておいた回帰係数を用いた回帰式により、波高値を求める、ことを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項３に係るレーダ波浪測定装置は、請求項２記載のレーダ波浪測定装置において、前記２次元演算手段から出力される２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを、所定回数分の平均をとって、前記波浪スペクトル推算手段に入力することを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４に係るレーダ波浪測定装置は、請求項２記載のレーダ波浪測定装置において、波の２次元クロススペクトルの振幅スペクトルのピーク値が複数ある場合には、それぞれ各ピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓ１，Ｓ２・・・を算出し、各波高値Ｗｈ１、Ｗｈ２・・・を、Ｗｈ１＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝、Ｗｈ２＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝・・・により求めることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態に係るレーダ波浪測定装置の概略ブロック構成を示す図であり、図２はそのフローチャートである。
【００１７】
本発明では、それぞれ２次元フーリエ変換した２スキャン分のレーダデータの２次元クロススペクトルを演算し、この２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを求め、その位相スペクトルに基づいて計算された計算波速が、波速関係式から求まる理論波速に整合するか否かにしたがって、当該位相スペクトル及びその対応する振幅スペクトルを通過させるフィルタリングを行い、フィルタリングされた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを用いて、波高、波長、波速、波向き等の波浪情報を算出する。
【００１８】
このように、本発明では、波速関係式から求まる理論波速に整合するように、位相スペクトル及び振幅スペクトルをフィルタリングすることにより雑音による成分は除去されるから、連続する多数スキャンのレーダ反射信号を不要とし、また、２スキャンのレーダ反射信号から精度よく、波長、波速、波向き、波高等の波浪情報を得ることができる。
【００１９】
図１のレーダ波浪測定装置の概略ブロック構成図において、レーダ１１は一般的な船舶用のパルスレーダでよく、海面反射信号を受信し、増幅・検波して、必要な距離分解能に合致した周期でサンプリングし、Ａ／Ｄ変換する。なお、このレーダ波浪測定装置の各手段は、コンピュータを使用してソフトウエアにより実施されることになる。
【００２０】
レーダ信号集録手段１２は、レーダ１１で取得したレーダデータを連続する２スキャン分記録する。
【００２１】
レーダ干渉検出手段１３では、レーダ信号集録手段１２に記録されたレーダデータが、他のレーダやレーダビーコンなどの他の電波源による電波干渉を受けていないかどうかを検出する。干渉をうけている場合には、そのスキャンのレーダデータを廃棄し、干渉を受けていない連続する２スキャンのレーダデータが、２次元演算手段１４に供給されるようにする。
【００２２】
このレーダ干渉検出手段１３における電波干渉の有無は、種々の検出方法があるが、１つの方法としてデータのレベルが通常レベルを超えている場合に干渉と見なすことができる。例えば、極座標の距離方向のデータを加算し、通常の信号レベルを超えている場合に、干渉とする。通常の信号レベルとは、例えば８ビットのＡ／Ｄ変換器を使用している場合には、０〜２５５の値をとるが、６４近辺の値とする。
【００２３】
２次元演算手段１４では、電波干渉を受けていない連続する２スキャンのレーダデータを受けて、まず、近距離ほど受信レベルが大きいので距離方向の強度補正を行い、レーダデータを極座標から直交座標に座標変換する。なお、海面の監視範囲を決めるために、レーダデータを例えば正方形状（辺の長さＤ）に切り出す。この切り出しは、座標変換時でもよく、またそれ以前に行ってもよい。
【００２４】
座標変換されたレーダデータを、スキャン毎に２次元フーリエ変換（以後、２次元ＦＦＴ、とする）し、そのクロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）を求める。さらに、この２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の各ポイント毎の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを算出する。
【００２５】
平均化手段１５では、２次元演算手段１４から供給される２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の各ポイント毎の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを所定回数Ｎ（例えば３２回）だけ加算し除算して、振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφの平均値を求める。この平均化の処理は、連続する２スキャンのデータを入力しながら処理が行われるので、電波干渉がない場合にはＮ＋１スキャンのデータを平均することになる。この平均化により、振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφの２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）毎の値のばらつきが吸収されるから、以後の演算・解析が安定して行われることになる。
【００２６】
波浪スペクトル推算手段１６では、まず、平均化された２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）から振幅スペクトルＳａのピーク値を求める。このピーク点の位相スペクトルＳφに対応する位相をφとすると、計算波速Ｗｖｃは、式（１）により求められる。
【００２７】
【数１】
【００２８】
但し、Ｄは辺の長さ、ｋ、ｌは二次元クロススペクトル上の波数、Ｔはレーダのスキャン時間である。
【００２９】
一方、波の性質から波速関係式により決定される理論波速Ｗｖｔ は、式（２）により、求められる。
【００３０】
【数２】
【００３１】
但し、Ｗｌは、波長である。
【００３２】
なお、この理論波速を決める波速関係式は、次のようにして求められる。一般に波の分散関係式は、式（３）で表される。
【００３３】
【数３】
【００３４】
ここで、ｄは水深、ｋvは波数ベクトル、Ｕは表面の流れである。水深が深くなるとｔａｎｈ（）の項はなくなり、Ｕ＝０の場合は、分散関係式は、式（４）になる。
【００３５】
【数４】
【００３６】
この分散関係式ωに、波速の一般式Ｗｖｔ ＝ω／ｋｖを適用し、ωを消去すると、ｋｖ＝２π／Ｗｌ だから、式（２）が求められる。
【００３７】
このように、一方では、計算波速Ｗｖｃが、ピーク点の振幅スペクトルに対応する位相スペクトルＳφ、その二次元クロススペクトル上の波数により計算され、他方では、理論波速Ｗｖｔ が波長、言い換えれば二次元クロススペクトル上の波数により計算される。
【００３８】
したがって、ピーク点の振幅スペクトル及びそれに対応する位相スペクトルＳφが本来の波によるものであるか、或いは雑音によるものであるかは、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に整合するか否かによって、決定することができる。この整合の程度は、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に対して例えば±１０％以内の差であれば、整合していると判定する。このときの計算波速Ｗｖｃが、求める波速となる。
【００３９】
この結果、計算により求められた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφは、波浪スペクトル推算手段１６でフィルタリングされ、本来の波の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφが出力され、シーステート解析手段１７に供給される。
【００４０】
シーステート解析手段１７では、波浪スペクトル推算手段１６でフィルタリングされた２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の振幅スペクトルＳａのピーク点に基づいて波長Ｗｌ及び波向きＷｄを算出し、さらに対応する位相スペクトルＳφに基づいて波速Ｗｖｃを波毎に、例えば振幅スペクトルＳａの大きい波について算出する。
【００４１】
また、波浪スペクトル推算手段１６でフィルタリングされる前の振幅スペクトルＳａの総和Ｗを算出し、シーステート解析手段１７で２次元クロススペクトルの振幅スペクトルＳａのピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓを算出し、予め求めておいた回帰係数Ａ，Ｂに基づく回帰式により、波高値Ｗｈを、Ｗｈ＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ／（Ｗ−Ｓ）｝により求める。波が複数である場合には、それぞれ各ピーク点のポイント及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓ１，Ｓ２・・・を算出し、各波高値を、計算式Ｗｈ１＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝、計算式Ｗｈ２＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝・・・、により求める。
【００４２】
次に、この波浪レーダ測定装置の動作を図２のフローチャートを参照して、説明する。
【００４３】
動作が開始されると、レーダ１１で取得されたスキャン毎のレーダデータが、１スキャン分入力されバッファに移されるとともに、次の１スキャン分が入力される（ステップ１０１、１０２）。このデータ入力は、レーダでのデータ取得とともに、順次更新されていく。
【００４４】
ステップ１０３において１スキャンバッファに格納されたデータについて前述のような手法により電波干渉の有無を検出し、電波干渉を受けている場合には、そのレーダデータを廃棄する。連続する２スキャンのレーダデータのいずれにも電波干渉がない場合に、両レーダデータを利用するから、１つのスキャンのレーダデータはその前後のスキャンのレーダデータと組み合わされる。しかし、１つのスキャンのレーダデータが廃棄されたときには、その前のスキャンのレーダデータはさらにその前のデータのみと組み合わされ、その後のスキャンのレーダデータはさらにその後のデータのみと組み合わされる。このような処理が、図１のレーダ信号集録手段１２及びレーダ干渉検出手段１３で行われる。
【００４５】
次に、電波干渉を受けていないスキャンのレーダデータに対して、近距離ほど受信レベルが大きいので距離方向の強度補正を行い（ステップ１０４）、極座標データから直交座標データに座標変換する（ステップ１０５）。なお、海面の監視範囲に応じて、各スキャンのレーダデータを同じ範囲の例えば正方形状（辺の長さＤ）に切り出す。
【００４６】
次に、座標変換され、所定の範囲に切り出されたレーダデータを、スキャン毎に２次元ＦＦＴし、２次元のフーリエ変換値Ｆ（ｋ，ｌ）を得る（ステップ１０６）。
【００４７】
【数５】
【００４８】
ここで、ｆ（ｎ，ｍ）はレーダデータ、Ｆ（ｋ，ｌ）は空間スペクトルである。また、ｎ，ｍは座標値、ｋ，ｌは波数を表す。
【００４９】
次に、連続するスキャンのレーダデータに対する２次元ＦＦＴ値間のクロススペクトルＰC（ｋ，ｌ）を求める（ステップ１０７）。
【００５０】
【数６】
【００５１】
次に、この２次元クロススペクトルＰC（ｋ，ｌ）の各ポイント毎の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを算出する（ステップ１０８）。各ポイントのクロススペクトルＰC（ｋ，ｌ）は、複素数で表現されるから、その実数部をＲｅ、虚数部をＩｍとすると、
【００５２】
【数７】
【００５３】
となる。なお、ａｔａｎ２は、アークタンジェントを表す。
【００５４】
このようにして、連続する２スキャンのレーダデータに対する２次元ＦＦＴ値間のクロススペクトルＰC（ｋ，ｌ）及びその振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを求める。
【００５５】
次に、２次元クロススペクトルＰC（ｋ，ｌ）の各ポイント毎の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを順次加算し、平均化処理を行う（ステップ１０９）。この平均化処理が、所定回数Ｎ（例えば３２回）行われたかどうかを判断し、Ｎ回に満たない場合には、ステップ１０１に戻って、ステップ１０９までの処理を繰り返し実行する。なお、この平均化処理は、途中に電波干渉を受けて廃棄されたスキャンのレーダデータがあってもよく、多数回連続している必要はない。平均化処理がＮ回行われた場合には、その時点の平均化処理された振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを出力する。このようなステップ１０４〜ステップ１０９の処理が、図１の２次元演算手段１４及び平均化手段１５で行われる。
【００５６】
次に、位相スペクトルＳφから振幅スペクトルＳａの曖昧さを除去する（ステップ１１０）。２次元クロススペクトルＰC（ｋ，ｌ）の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφは、原点に対して点対称な位置に現れる。この場合、波の移動がある場合には、点対称な位置に現れる位相スペクトル同士は異符号となる。これを利用して、位相スペクトルの点対称な２点を比較し、異符号の場合には負側の位相スペクトル及び振幅スペクトルをクリアする。なお、同符号の場合には、波の移動がないときであるから、両方の位相スペクトル及び振幅スペクトルを残す。
【００５７】
次に、全ての振幅スペクトルＳａの総和Ｗを計算する（ステップ１１１）。レーダデータに基づいて演算された２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφは、本来の波に基づくものの外、実際には種々の条件により生じた雑音成分によるものがある。このステップ１１１では、本来の波に基づくか雑音成分に基づくかに関わらず、全ての振幅スペクトルＳａの総和Ｗを計算する。
【００５８】
次に、振幅スペクトルＳａの最も値の大きいピーク値を検出する（ステップ１１２）。そして、そのピーク値の位置周辺±Ｌの位相スペクトルから位相スペクトルの重心を計算し、その重心の位相スペクトルを用いて、前掲の式（１）により、計算波速Ｗｖｃを求める。ここで、ピーク値の位置の位相スペクトルをそのまま用いることもできるが、この場合ディジタル処理に特有の離散値となる。したがって、位相スペクトルの重心を計算して用いる方が本来の中心が得られるから、精度を向上することができる。
【００５９】
次に、波速関係式（前掲の式（２））による理論波速Ｗｖｔを用いて計算波速Ｗｖｃを評価することにより、位相スペクトルＳφと振幅スペクトルＳａのフィルタリングを行う（ステップ１１４）。つまり、ピーク点の振幅スペクトルに対応する位相スペクトルＳφが本来の波によるものであるか、或いは雑音によるものであるかを、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に整合するか否かによって、決定する。この整合の程度は、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に対して例えば±１０％以内の差であれば、整合していると判定する。整合していると判断されたときの、計算波速Ｗｖｃが、求める波速となる。このように、本来の波の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφが波浪スペクトル推算手段１６でフィルタリングされ出力される。このようなステップ１１０〜ステップ１１４の処理が、図１の波浪スペクトル推算手段１６で行われる。
【００６０】
次に、フィルタリングされた本来の波の位相スペクトルＳφについて、そのピーク値周辺±Ｌの座標内で重心が求められ（ステップ１１５）、その位相スペクトルの重心から、波長Ｗｌ及び波向きＷｄをそれぞれ、式（９）、式（１０）により求める（ステップ１１６）。
【００６１】
【数８】
【００６２】
次に、フィルタリングされた本来の波の振幅スペクトルＳａについて、そのピーク値周辺±Ｌ内の総和Ｓを求める（ステップ１１７）。ここで、振幅スペクトルＳａのピーク値を用いることとしてもよいが、一定範囲の周辺±Ｌ内の総和を用いることにより、より安定して波高関連値を得ることができる。
【００６３】
なお、ステップ１１４でのフィルタリングの結果、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に整合しなかった場合には、そのときの振幅スペクトル及び位相スペクトルは、本来の波のものではないから、ステップ１１５〜ステップ１１７の処理は行われない。
【００６４】
これにより、振幅スペクトルＳａの最も値の大きいピーク値について、ステップ１１２〜ステップ１１７の処理が終了したことになる。この一連の処理を、振幅スペクトルＳａのピーク値の第２番目以降の大きい順に、所定のＭ回繰り返す（ステップ１１８）。そして、ステップ１１４でのフィルタリングの結果、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に整合し、本来の波と判断されたものについては、波速Ｗｖｃ、波長Ｗｌ、波向きＷｄをそれぞれ求める。また、フィルタリングされた本来の波の振幅スペクトルＳａについて、そのピーク値周辺±Ｌ内の総和Ｓを求める。
【００６５】
なお、この所定回数Ｍの代わりに、本来の波と判断されたスペクトルの数（例えば２）としてもよく、また振幅スペクトルＳａのピーク値の大きさが、所定値以上のものとすることができる。
【００６６】
次に、波高関連値を、波の振幅スペクトルの総和Ｓと全振幅スペクトルの総和Ｗとを用いて、Ｓ／（Ｗ−Ｓ）により求める（ステップ１１９）。全振幅スペクトルの総和Ｗから波の振幅スペクトルの総和Ｓを減算することにより、信号対雑音比が正確にとれる。
【００６７】
また、波が複数ある場合（例えば２波）には、それぞれの波の振幅スペクトルの総和をＳ１，Ｓ２とし、第１の波に対する波高関連値を、Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２）として求め、第２の波に対する波高関連値を、Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２）として求める。これにより、複数の波がある場合にも、それぞれの波に対する波高関連値を正しく求めることができる。
【００６８】
次に、超音波波高計やブイ式波高計等により、予め求めておいた回帰係数Ａ，Ｂに基づく１次回帰式に、波高関連値Ｓ／（Ｗ−Ｓ）、Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２）、Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２）を適用して、波高Ｗｈ，Ｗｈ１，Ｗｈ２を次のように求める（ステップ１２０）。
Ｗｈ＝Ａ＋Ｂ×Ｓ／（Ｗ−Ｓ）
Ｗｈ１＝Ａ＋Ｂ×Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２）
Ｗｈ２＝Ａ＋Ｂ×Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２）
このようなステップ１１５〜ステップ１２０の処理が、図１のシーステート解析手段で行われて、一連の処理が終了する。
【００６９】
【発明の効果】
本発明のレーダ波浪測定方法及び装置によれば、連続する２スキャンのレーダデータから２次元クロススペクトルを求め、その振幅スペクトル及び位相スペクトルを、波速の理論式（波速関係式）によりフィルタリングしているから、連続する多数スキャンのレーダデータを不要とし、連続する２スキャンのレーダデータから精度よく、波長、波速、波向き、波高等の波浪情報を得ることができる。
【００７０】
また、位相スペクトルに基づいて計算された計算波速が、波速関係式から求まる理論波速に整合するか否かにしたがってフィルタリングしているから、このフィルタリングの処理とともに、波速を得ることができる。
【００７１】
また、２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを、所定回数分の平均をとってフィルタリングするから、振幅スペクトル及び位相スペクトルのばらつきが吸収され、以後の演算・解析が安定して行われる。
【００７２】
また、フィルタリングされた２次元クロススペクトルのスペクトルピーク点に基づき重心を算出して波長及び波向きを求め、さらにそのピーク点に対応する位相スペクトルに基づいて波速を算出するから、精度よく、波長、波向き及び波速を得ることができる。
【００７３】
また、波高関連値を、特定の波の振幅スペクトルの総和Ｓ１と全振幅スペクトルの総和Ｗから各波の振幅スペクトルの総和Ｓ１、Ｓ２・・を引いて、Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２・・）により求めるから、信号対雑音比が正確にとれ、波高を精度よく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーダ波浪測定装置の概略ブロック構成図。
【図２】本発明の実施の形態に係るレーダ波浪測定装置のフローチャート。
【図３】従来のレーダ波浪測定装置の概略ブロック構成図。
【符号の説明】
１１ レーダ
１２ レーダ信号集録手段
１３ レーダ干渉検出手段
１４ ２次元演算手段
１５ 平均化手段
１６ 波浪スペクトル推算手段
１７ シーステート解析手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーダのシークラッタ信号を収集し、フーリエ変換処理を施して、波長、波速、波向き、波高等の波浪の特性を測定するレーダによる波浪測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、パルスレーダを使用して、海面からのレーダ反射信号を利用して波浪の特性、例えば波長、波速、波向き、波高等を測定することが行われている。
【０００３】
例えば、海面からのレーダ反射信号の最初の画面の２次元ＦＦＴ演算出力と次の画面の２次元ＦＦＴ演算出力とから２画面のクロススペクトル演算を行い、そのクロススペクトルから振幅情報と位相情報を求め、この求めた振幅情報と位相情報に基づいて、波浪の各特性を求める波浪レーダ観測方式が、特公平２−３０６７４号公報(以下、文献１)に示されている。
【０００４】
また、連続する多数枚（例、３２枚）のレーダ画像を３次元フーリエ変換して、波浪の各特性を求めることが、ESTIMATION OF SEA STATE DIRECTIONAL SPECTRA BY USING MARINE RADAR IMAGING OF SEA SURFACE,Proceedings of ETCE/OMAE 2000 February14-17,2000,NewOrleans,LA（以下、文献２）に示されている。この文献２における処理概要は、図３に示されるように、レーダ３１でシークラッタを取得し、レーダ信号集録手段３２に連続する３２スキャンのレーダ信号を記録する。次に、３次元ＦＦＴ手段３３で３２スキャン分のレーダ信号を極座標から直角座標に変換し、３次元ＦＦＴ処理を行い、３次元スペクトラムＩ（ｋ、ω）を得る。次に、波浪スペクトル推算手段３４において、計算された３次元スペクトラムＩ（ｋ、ω）を、分散関係式ω2＝ｇｋに当てはめることによりフィルタリングし、雑音を除去して、本来の波に関する３次元スペクトラムＦ（ｋ、ω）だけを抽出する。そして、シーステート解析手段３５で、抽出された３次元スペクトラムＦ（ｋ、ω）を用いて、波長、波速、波向き、波高等の波浪情報を算出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の文献１の波浪レーダ観測方式では、２画面のクロススペクトルから求めた振幅情報と位相情報から直接波浪の各特性を求めるから、クロススペクトルに含まれる雑音成分による悪影響を受けることは避けられず、特に荒天下での測定ではその影響が大きくなってしまう。
【０００６】
また、文献２の方式では、分散関係式を用いて３次元スペクトラムＩ（ｋ、ω）をフィルタリングしているから、雑音成分の多くが除去されるが、そのために連続する多数スキャンのレーダ信号を必要とする。このため、陸上設置のレーダであれば、近くのレーダやレーダビーコン、その他の電波源の干渉を受けた場合には、観測結果に悪影響を受けることになる。また、船上のレーダの場合には、電波の干渉の外に、船体の動揺や旋回により画像が歪む等の悪影響を受けることになってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、レーダによる波浪測定において、連続する多数スキャンのレーダ反射信号を不要とし、連続する２スキャンのレーダ反射信号から精度よく、波長、波速、波向き、波高等の波浪情報を得ることができる、レーダによる波浪測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るレーダ波浪測定方法は、干渉がないと判断された２スキャンのレーダデータをそれぞれ２次元フーリエ変換し、このそれぞれ２次元フーリエ変換した２スキャン分のレーダデータの２次元クロススペクトルを演算し、この２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを求め、
この２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを、位相スペクトルに基づいて計算された計算波速が波速関係式から求まる理論波速に整合するか否かにしたがって通過或いは阻止するようにフィルタリングし、
フィルタリングされた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを用いて、波浪情報を算出する際に、
フィルタリングされた２次元クロススペクトルのスペクトルピーク点に基づいて波長及び波向きを算出し、さらにそのピーク点に対応する位相スペクトルに基づいて波速を算出するとともに、
フィルタリングされる前の振幅スペクトルの総和Ｗを算出し、フィルタリングされた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルのピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓを算出し、その振幅スペクトルの和Ｓと、前記振幅スペクトルの総和Ｗから振幅スペクトルの和Ｓを引いた値Ｗ−Ｓとの比から、予め求めておいた回帰係数を用いた回帰式により波高値を求める、ことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項２に係るレーダ波浪測定装置は、順次入力される連続する２スキャン分のレーダデータを記録するレーダ信号集録手段と、
前記２スキャン分のレーダデータに他の電波源からの干渉の有無を検出し、干渉がある場合にはそのレーダデータを廃棄するレーダ干渉検出手段と、
前記レーダ干渉検出手段で干渉がないと判断された、前記２スキャンのレーダデータをそれぞれ２次元フーリエ変換し、この２次元フーリエされたデータから２次元クロススペクトルを演算し、この２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを求める２次元演算手段と、
前記２次元クロススペクトルの振幅スペクトルのピーク値に対応する位相スペクトルに基づいて波速を計算し、この計算された計算波速が波速関係式から求まる理論波速に整合するか否かにしたがって、その位相スペクトル及び対応する振幅スペクトルを通過或いは阻止させるフィルタリングを行う波浪スペクトル推算手段と、
前記波浪スペクトル推算手段でフィルタリングされた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを用いて、波浪情報を算出するシーステート解析手段を有し、
前記波浪スペクトル推算手段でフィルタリングされた２次元クロススペクトルのスペクトルピーク点に基づいて波長及び波向きを算出し、さらにそのピーク点に対応する位相スペクトルに基づいて波速を算出するとともに、
前記波浪スペクトル推算手段でフィルタリングされる前の振幅スペクトルの総和Ｗを算出し、前記シーステート解析手段で２次元クロススペクトルの振幅スペクトルのピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓを算出し、その振幅スペクトルの和Ｓと、前記振幅スペクトルの総和Ｗから振幅スペクトルの和Ｓを引いた値Ｗ−Ｓとの比から、予め求めておいた回帰係数を用いた回帰式により、波高値を求める、ことを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項３に係るレーダ波浪測定装置は、請求項２記載のレーダ波浪測定装置において、前記２次元演算手段から出力される２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを、所定回数分の平均をとって、前記波浪スペクトル推算手段に入力することを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４に係るレーダ波浪測定装置は、請求項２記載のレーダ波浪測定装置において、波の２次元クロススペクトルの振幅スペクトルのピーク値が複数ある場合には、それぞれ各ピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓ１，Ｓ２・・・を算出し、各波高値Ｗｈ１、Ｗｈ２・・・を、Ｗｈ１＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝、Ｗｈ２＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝・・・により求めることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態に係るレーダ波浪測定装置の概略ブロック構成を示す図であり、図２はそのフローチャートである。
【００１７】
本発明では、それぞれ２次元フーリエ変換した２スキャン分のレーダデータの２次元クロススペクトルを演算し、この２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを求め、その位相スペクトルに基づいて計算された計算波速が、波速関係式から求まる理論波速に整合するか否かにしたがって、当該位相スペクトル及びその対応する振幅スペクトルを通過させるフィルタリングを行い、フィルタリングされた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを用いて、波高、波長、波速、波向き等の波浪情報を算出する。
【００１８】
このように、本発明では、波速関係式から求まる理論波速に整合するように、位相スペクトル及び振幅スペクトルをフィルタリングすることにより雑音による成分は除去されるから、連続する多数スキャンのレーダ反射信号を不要とし、また、２スキャンのレーダ反射信号から精度よく、波長、波速、波向き、波高等の波浪情報を得ることができる。
【００１９】
図１のレーダ波浪測定装置の概略ブロック構成図において、レーダ１１は一般的な船舶用のパルスレーダでよく、海面反射信号を受信し、増幅・検波して、必要な距離分解能に合致した周期でサンプリングし、Ａ／Ｄ変換する。なお、このレーダ波浪測定装置の各手段は、コンピュータを使用してソフトウエアにより実施されることになる。
【００２０】
レーダ信号集録手段１２は、レーダ１１で取得したレーダデータを連続する２スキャン分記録する。
【００２１】
レーダ干渉検出手段１３では、レーダ信号集録手段１２に記録されたレーダデータが、他のレーダやレーダビーコンなどの他の電波源による電波干渉を受けていないかどうかを検出する。干渉をうけている場合には、そのスキャンのレーダデータを廃棄し、干渉を受けていない連続する２スキャンのレーダデータが、２次元演算手段１４に供給されるようにする。
【００２２】
このレーダ干渉検出手段１３における電波干渉の有無は、種々の検出方法があるが、１つの方法としてデータのレベルが通常レベルを超えている場合に干渉と見なすことができる。例えば、極座標の距離方向のデータを加算し、通常の信号レベルを超えている場合に、干渉とする。通常の信号レベルとは、例えば８ビットのＡ／Ｄ変換器を使用している場合には、０〜２５５の値をとるが、６４近辺の値とする。
【００２３】
２次元演算手段１４では、電波干渉を受けていない連続する２スキャンのレーダデータを受けて、まず、近距離ほど受信レベルが大きいので距離方向の強度補正を行い、レーダデータを極座標から直交座標に座標変換する。なお、海面の監視範囲を決めるために、レーダデータを例えば正方形状（辺の長さＤ）に切り出す。この切り出しは、座標変換時でもよく、またそれ以前に行ってもよい。
【００２４】
座標変換されたレーダデータを、スキャン毎に２次元フーリエ変換（以後、２次元ＦＦＴ、とする）し、そのクロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）を求める。さらに、この２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の各ポイント毎の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを算出する。
【００２５】
平均化手段１５では、２次元演算手段１４から供給される２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の各ポイント毎の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを所定回数Ｎ（例えば３２回）だけ加算し除算して、振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφの平均値を求める。この平均化の処理は、連続する２スキャンのデータを入力しながら処理が行われるので、電波干渉がない場合にはＮ＋１スキャンのデータを平均することになる。この平均化により、振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφの２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）毎の値のばらつきが吸収されるから、以後の演算・解析が安定して行われることになる。
【００２６】
波浪スペクトル推算手段１６では、まず、平均化された２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）から振幅スペクトルＳａのピーク値を求める。このピーク点の位相スペクトルＳφに対応する位相をφとすると、計算波速Ｗｖｃは、式（１）により求められる。
【００２７】
【数１】
但し、Ｄは辺の長さ、ｋ、ｌは二次元クロススペクトル上の波数、Ｔはレーダのスキャン時間である。
【００２９】
一方、波の性質から波速関係式により決定される理論波速Ｗｖｔ は、式（２）により、求められる。
【００３０】
【数２】
但し、Ｗｌは、波長である。
【００３２】
なお、この理論波速を決める波速関係式は、次のようにして求められる。一般に波の分散関係式は、式（３）で表される。
【００３３】
【数３】
ここで、ｄは水深、ｋvは波数ベクトル、Ｕは表面の流れである。水深が深くなるとｔａｎｈ（）の項はなくなり、Ｕ＝０の場合は、分散関係式は、式（４）になる。
【００３５】
【数４】
この分散関係式ωに、波速の一般式Ｗｖｔ ＝ω／ｋｖを適用し、ωを消去すると、ｋｖ＝２π／Ｗｌ だから、式（２）が求められる。
【００３７】
このように、一方では、計算波速Ｗｖｃが、ピーク点の振幅スペクトルに対応する位相スペクトルＳφ、その二次元クロススペクトル上の波数により計算され、他方では、理論波速Ｗｖｔ が波長、言い換えれば二次元クロススペクトル上の波数により計算される。
【００３８】
したがって、ピーク点の振幅スペクトル及びそれに対応する位相スペクトルＳφが本来の波によるものであるか、或いは雑音によるものであるかは、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に整合するか否かによって、決定することができる。この整合の程度は、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に対して例えば±１０％以内の差であれば、整合していると判定する。このときの計算波速Ｗｖｃが、求める波速となる。
【００３９】
この結果、計算により求められた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφは、波浪スペクトル推算手段１６でフィルタリングされ、本来の波の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφが出力され、シーステート解析手段１７に供給される。
【００４０】
シーステート解析手段１７では、波浪スペクトル推算手段１６でフィルタリングされた２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の振幅スペクトルＳａのピーク点に基づいて波長Ｗｌ及び波向きＷｄを算出し、さらに対応する位相スペクトルＳφに基づいて波速Ｗｖｃを波毎に、例えば振幅スペクトルＳａの大きい波について算出する。
【００４１】
また、波浪スペクトル推算手段１６でフィルタリングされる前の振幅スペクトルＳａの総和Ｗを算出し、シーステート解析手段１７で２次元クロススペクトルの振幅スペクトルＳａのピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓを算出し、予め求めておいた回帰係数Ａ，Ｂに基づく回帰式により、波高値Ｗｈを、Ｗｈ＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ／（Ｗ−Ｓ）｝により求める。波が複数である場合には、それぞれ各ピーク点のポイント及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓ１，Ｓ２・・・を算出し、各波高値を、計算式Ｗｈ１＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝、計算式Ｗｈ２＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝・・・、により求める。
【００４２】
次に、この波浪レーダ測定装置の動作を図２のフローチャートを参照して、説明する。
【００４３】
動作が開始されると、レーダ１１で取得されたスキャン毎のレーダデータが、１スキャン分入力されバッファに移されるとともに、次の１スキャン分が入力される（ステップ１０１、１０２）。このデータ入力は、レーダでのデータ取得とともに、順次更新されていく。
【００４４】
ステップ１０３において１スキャンバッファに格納されたデータについて前述のような手法により電波干渉の有無を検出し、電波干渉を受けている場合には、そのレーダデータを廃棄する。連続する２スキャンのレーダデータのいずれにも電波干渉がない場合に、両レーダデータを利用するから、１つのスキャンのレーダデータはその前後のスキャンのレーダデータと組み合わされる。しかし、１つのスキャンのレーダデータが廃棄されたときには、その前のスキャンのレーダデータはさらにその前のデータのみと組み合わされ、その後のスキャンのレーダデータはさらにその後のデータのみと組み合わされる。このような処理が、図１のレーダ信号集録手段１２及びレーダ干渉検出手段１３で行われる。
【００４５】
次に、電波干渉を受けていないスキャンのレーダデータに対して、近距離ほど受信レベルが大きいので距離方向の強度補正を行い（ステップ１０４）、極座標データから直交座標データに座標変換する（ステップ１０５）。なお、海面の監視範囲に応じて、各スキャンのレーダデータを同じ範囲の例えば正方形状（辺の長さＤ）に切り出す。
【００４６】
次に、座標変換され、所定の範囲に切り出されたレーダデータを、スキャン毎に２次元ＦＦＴし、２次元のフーリエ変換値Ｆ（ｋ，ｌ）を得る（ステップ１０６）。
【００４７】
【数５】
ここで、ｆ（ｎ，ｍ）はレーダデータ、Ｆ（ｋ，ｌ）は空間スペクトルである。また、ｎ，ｍは座標値、ｋ，ｌは波数を表す。
【００４９】
次に、連続するスキャンのレーダデータに対する２次元ＦＦＴ値間のクロススペクトルＰC（ｋ，ｌ）を求める（ステップ１０７）。
【００５０】
【数６】
次に、この２次元クロススペクトルＰC（ｋ，ｌ）の各ポイント毎の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを算出する（ステップ１０８）。各ポイントのクロススペクトルＰC（ｋ，ｌ）は、複素数で表現されるから、その実数部をＲｅ、虚数部をＩｍとすると、
【００５２】
【数７】
となる。なお、ａｔａｎ２は、アークタンジェントを表す。
【００５４】
このようにして、連続する２スキャンのレーダデータに対する２次元ＦＦＴ値間のクロススペクトルＰC（ｋ，ｌ）及びその振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを求める。
【００５５】
次に、２次元クロススペクトルＰC（ｋ，ｌ）の各ポイント毎の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを順次加算し、平均化処理を行う（ステップ１０９）。この平均化処理が、所定回数Ｎ（例えば３２回）行われたかどうかを判断し、Ｎ回に満たない場合には、ステップ１０１に戻って、ステップ１０９までの処理を繰り返し実行する。なお、この平均化処理は、途中に電波干渉を受けて廃棄されたスキャンのレーダデータがあってもよく、多数回連続している必要はない。平均化処理がＮ回行われた場合には、その時点の平均化処理された振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφを出力する。このようなステップ１０４〜ステップ１０９の処理が、図１の２次元演算手段１４及び平均化手段１５で行われる。
【００５６】
次に、位相スペクトルＳφから振幅スペクトルＳａの曖昧さを除去する（ステップ１１０）。２次元クロススペクトルＰC（ｋ，ｌ）の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφは、原点に対して点対称な位置に現れる。この場合、波の移動がある場合には、点対称な位置に現れる位相スペクトル同士は異符号となる。これを利用して、位相スペクトルの点対称な２点を比較し、異符号の場合には負側の位相スペクトル及び振幅スペクトルをクリアする。なお、同符号の場合には、波の移動がないときであるから、両方の位相スペクトル及び振幅スペクトルを残す。
【００５７】
次に、全ての振幅スペクトルＳａの総和Ｗを計算する（ステップ１１１）。レーダデータに基づいて演算された２次元クロススペクトルＰＣ（ｋ，ｌ）の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφは、本来の波に基づくものの外、実際には種々の条件により生じた雑音成分によるものがある。このステップ１１１では、本来の波に基づくか雑音成分に基づくかに関わらず、全ての振幅スペクトルＳａの総和Ｗを計算する。
【００５８】
次に、振幅スペクトルＳａの最も値の大きいピーク値を検出する（ステップ１１２）。そして、そのピーク値の位置周辺±Ｌの位相スペクトルから位相スペクトルの重心を計算し、その重心の位相スペクトルを用いて、前掲の式（１）により、計算波速Ｗｖｃを求める。ここで、ピーク値の位置の位相スペクトルをそのまま用いることもできるが、この場合ディジタル処理に特有の離散値となる。したがって、位相スペクトルの重心を計算して用いる方が本来の中心が得られるから、精度を向上することができる。
【００５９】
次に、波速関係式（前掲の式（２））による理論波速Ｗｖｔを用いて計算波速Ｗｖｃを評価することにより、位相スペクトルＳφと振幅スペクトルＳａのフィルタリングを行う（ステップ１１４）。つまり、ピーク点の振幅スペクトルに対応する位相スペクトルＳφが本来の波によるものであるか、或いは雑音によるものであるかを、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に整合するか否かによって、決定する。この整合の程度は、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に対して例えば±１０％以内の差であれば、整合していると判定する。整合していると判断されたときの、計算波速Ｗｖｃが、求める波速となる。このように、本来の波の振幅スペクトルＳａ及び位相スペクトルＳφが波浪スペクトル推算手段１６でフィルタリングされ出力される。このようなステップ１１０〜ステップ１１４の処理が、図１の波浪スペクトル推算手段１６で行われる。
【００６０】
次に、フィルタリングされた本来の波の位相スペクトルＳφについて、そのピーク値周辺±Ｌの座標内で重心が求められ（ステップ１１５）、その位相スペクトルの重心から、波長Ｗｌ及び波向きＷｄをそれぞれ、式（９）、式（１０）により求める（ステップ１１６）。
【００６１】
【数８】
次に、フィルタリングされた本来の波の振幅スペクトルＳａについて、そのピーク値周辺±Ｌ内の総和Ｓを求める（ステップ１１７）。ここで、振幅スペクトルＳａのピーク値を用いることとしてもよいが、一定範囲の周辺±Ｌ内の総和を用いることにより、より安定して波高関連値を得ることができる。
【００６３】
なお、ステップ１１４でのフィルタリングの結果、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に整合しなかった場合には、そのときの振幅スペクトル及び位相スペクトルは、本来の波のものではないから、ステップ１１５〜ステップ１１７の処理は行われない。
【００６４】
これにより、振幅スペクトルＳａの最も値の大きいピーク値について、ステップ１１２〜ステップ１１７の処理が終了したことになる。この一連の処理を、振幅スペクトルＳａのピーク値の第２番目以降の大きい順に、所定のＭ回繰り返す（ステップ１１８）。そして、ステップ１１４でのフィルタリングの結果、計算波速Ｗｖｃが理論波速Ｗｖｔ に整合し、本来の波と判断されたものについては、波速Ｗｖｃ、波長Ｗｌ、波向きＷｄをそれぞれ求める。また、フィルタリングされた本来の波の振幅スペクトルＳａについて、そのピーク値周辺±Ｌ内の総和Ｓを求める。
【００６５】
なお、この所定回数Ｍの代わりに、本来の波と判断されたスペクトルの数（例えば２）としてもよく、また振幅スペクトルＳａのピーク値の大きさが、所定値以上のものとすることができる。
【００６６】
次に、波高関連値を、波の振幅スペクトルの総和Ｓと全振幅スペクトルの総和Ｗとを用いて、Ｓ／（Ｗ−Ｓ）により求める（ステップ１１９）。全振幅スペクトルの総和Ｗから波の振幅スペクトルの総和Ｓを減算することにより、信号対雑音比が正確にとれる。
【００６７】
また、波が複数ある場合（例えば２波）には、それぞれの波の振幅スペクトルの総和をＳ１，Ｓ２とし、第１の波に対する波高関連値を、Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２）として求め、第２の波に対する波高関連値を、Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２）として求める。これにより、複数の波がある場合にも、それぞれの波に対する波高関連値を正しく求めることができる。
【００６８】
次に、超音波波高計やブイ式波高計等により、予め求めておいた回帰係数Ａ，Ｂに基づく１次回帰式に、波高関連値Ｓ／（Ｗ−Ｓ）、Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２）、Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２）を適用して、波高Ｗｈ，Ｗｈ１，Ｗｈ２を次のように求める（ステップ１２０）。
Ｗｈ＝Ａ＋Ｂ×Ｓ／（Ｗ−Ｓ）
Ｗｈ１＝Ａ＋Ｂ×Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２）
Ｗｈ２＝Ａ＋Ｂ×Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２）
このようなステップ１１５〜ステップ１２０の処理が、図１のシーステート解析手段で行われて、一連の処理が終了する。
【００６９】
【発明の効果】
本発明のレーダ波浪測定方法及び装置によれば、連続する２スキャンのレーダデータから２次元クロススペクトルを求め、その振幅スペクトル及び位相スペクトルを、波速の理論式（波速関係式）によりフィルタリングしているから、連続する多数スキャンのレーダデータを不要とし、連続する２スキャンのレーダデータから精度よく、波長、波速、波向き、波高等の波浪情報を得ることができる。
【００７０】
また、位相スペクトルに基づいて計算された計算波速が、波速関係式から求まる理論波速に整合するか否かにしたがってフィルタリングしているから、このフィルタリングの処理とともに、波速を得ることができる。
【００７１】
また、２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを、所定回数分の平均をとってフィルタリングするから、振幅スペクトル及び位相スペクトルのばらつきが吸収され、以後の演算・解析が安定して行われる。
【００７２】
また、フィルタリングされた２次元クロススペクトルのスペクトルピーク点に基づき重心を算出して波長及び波向きを求め、さらにそのピーク点に対応する位相スペクトルに基づいて波速を算出するから、精度よく、波長、波向き及び波速を得ることができる。
【００７３】
また、波高関連値を、特定の波の振幅スペクトルの総和Ｓ１と全振幅スペクトルの総和Ｗから各波の振幅スペクトルの総和Ｓ１、Ｓ２・・を引いて、Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１−Ｓ２・・）により求めるから、信号対雑音比が正確にとれ、波高を精度よく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーダ波浪測定装置の概略ブロック構成図。
【図２】本発明の実施の形態に係るレーダ波浪測定装置のフローチャート。
【図３】従来のレーダ波浪測定装置の概略ブロック構成図。
【符号の説明】
１１ レーダ
１２ レーダ信号集録手段
１３ レーダ干渉検出手段
１４ ２次元演算手段
１５ 平均化手段
１６ 波浪スペクトル推算手段
１７ シーステート解析手段
Claims (4)
- 干渉がないと判断された２スキャンのレーダデータをそれぞれ２次元フーリエ変換し、このそれぞれ２次元フーリエ変換した２スキャン分のレーダデータの２次元クロススペクトルを演算し、この２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを求め、
この２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを、位相スペクトルに基づいて計算された計算波速が波速関係式から求まる理論波速に整合するか否かにしたがって通過或いは阻止するようにフィルタリングし、
フィルタリングされた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを用いて、波浪情報を算出する際に、
フィルタリングされた２次元クロススペクトルのスペクトルピーク点に基づいて波長及び波向きを算出し、さらにそのピーク点に対応する位相スペクトルに基づいて波速を算出するとともに、
フィルタリングされる前の振幅スペクトルの総和Ｗを算出し、フィルタリングされた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルのピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓを算出し、その振幅スペクトルの和Ｓと、前記振幅スペクトルの総和Ｗから振幅スペクトルの和Ｓを引いた値Ｗ−Ｓとの比から、予め求めておいた回帰係数を用いた回帰式により波高値を求める、
ことを特徴とするレーダ波浪測定方法。 - 順次入力される連続する２スキャン分のレーダデータを記録するレーダ信号集録手段と、
前記２スキャン分のレーダデータに他の電波源からの干渉の有無を検出し、干渉がある場合にはそのレーダデータを廃棄するレーダ干渉検出手段と、
前記レーダ干渉検出手段で干渉がないと判断された、前記２スキャンのレーダデータをそれぞれ２次元フーリエ変換し、この２次元フーリエされたデータから２次元クロススペクトルを演算し、この２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを求める２次元演算手段と、
前記２次元クロススペクトルの振幅スペクトルのピーク値に対応する位相スペクトルに基づいて波速を計算し、この計算された計算波速が波速関係式から求まる理論波速に整合するか否かにしたがって、その位相スペクトル及び対応する振幅スペクトルを通過或いは阻止させるフィルタリングを行う波浪スペクトル推算手段と、
前記波浪スペクトル推算手段でフィルタリングされた２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを用いて、波浪情報を算出するシーステート解析手段を有し、
前記波浪スペクトル推算手段でフィルタリングされた２次元クロススペクトルのスペクトルピーク点に基づいて波長及び波向きを算出し、さらにそのピーク点に対応する位相スペクトルに基づいて波速を算出するとともに、
前記波浪スペクトル推算手段でフィルタリングされる前の振幅スペクトルの総和Ｗを算出し、前記シーステート解析手段で２次元クロススペクトルの振幅スペクトルのピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓを算出し、その振幅スペクトルの和Ｓと、前記振幅スペクトルの総和Ｗから振幅スペクトルの和Ｓを引いた値Ｗ−Ｓとの比から、予め求めておいた回帰係数を用いた回帰式により、波高値を求める、
ことを特徴とするレーダ波浪測定装置。 - 前記２次元演算手段から出力される２次元クロススペクトルの振幅スペクトルと位相スペクトルを、所定回数分の平均をとって、前記波浪スペクトル推算手段に入力することを特徴とする請求項２記載のレーダ波浪測定装置。
- 波の２次元クロススペクトルの振幅スペクトルのピーク値が複数ある場合には、それぞれ各ピーク点及びその周囲所定範囲の振幅スペクトルの和Ｓ１，Ｓ２・・・を算出し、各波高値Ｗｈ１、Ｗｈ２・・・を、Ｗｈ１＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ１／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝、Ｗｈ２＝Ａ＋Ｂ×｛Ｓ２／（Ｗ−Ｓ１ーＳ２・・・）｝・・・により求めることを特徴とする請求項２記載のレーダ波浪測定装置。
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