JP5229500B2 - 超音波による波浪計測方法および波浪計測システム - Google Patents
超音波による波浪計測方法および波浪計測システム Download PDFInfo
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Description
本発明は、超音波を用いた波浪計測方法および波浪計測システムに関するものである。
波浪の定常観測、すなわち波浪の計測を行う場合、海底における圧力変動を計測する水圧式波高計を用いるのが一般的であった。
ところで、この水圧式波高計を水深が浅い海域に用いるのは良いが、大水深域で用いる場合には、海面波による水粒子の運動が海底まで到達しないため、短周期の波に対するほど、水圧式波高計の感度が鈍くなってしまう。
ところで、この水圧式波高計を水深が浅い海域に用いるのは良いが、大水深域で用いる場合には、海面波による水粒子の運動が海底まで到達しないため、短周期の波に対するほど、水圧式波高計の感度が鈍くなってしまう。
このため、この水圧式波高計を用いる場合には、ローパスフィルタを通した観測波形を得ることになり、観測データの精度および信頼性が低下せざるを得なかった。
これに対して、水圧式波高計に比べて、直接、海面の波形が得られる点で優位なのが超音波式波高計であり、現在、全国各地の沿岸域で広く用いられている。
これに対して、水圧式波高計に比べて、直接、海面の波形が得られる点で優位なのが超音波式波高計であり、現在、全国各地の沿岸域で広く用いられている。
この超音波式波高計は、海底に設置された送受波器から鋭いビームの超音波パルスを海面に向けて発射し、海面からの反射波を受信して、この超音波パルスの往復伝播時間（海面水位に相当）を連続的に記録することで、海面の波を観測するようにしたものである（非特許文献１参照）。
「沿岸波浪・海象観測データの解析・活用に関する解説書（第３頁〜第４頁）」財団法人 沿岸開発技術研究センター 平成１２年８月発行
上述した従来の超音波式波高計によると、海底に設置された送受波器から超音波を海面に向けて発射し、海面からの反射波を受信するようにしているが、波浪が高い時には、波の砕波に伴って海面が乱れるとともに多量の気泡が巻き込まれて超音波が吸収・散乱されるなどして、計測精度が低下し、場合によっては計測不能に陥るという問題もある。
そこで、本発明は、波浪が高い場合でも、精度良く計測し得る超音波を用いた波浪計測方法および波浪計測システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の超音波を用いた波浪計測方法は、海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪高さを計測する波浪計測方法であって、
所定海域の海面に係留された浮体下方の海底または海底近傍に少なくとも３箇所で配置された超音波送信機から発信された超音波を、上記浮体の海面下に設けられた超音波受信機にて受信し、
上記各超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づきこれら各超音波送信機と上記超音波受信機との間の距離を検出し、
これら各距離データにハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分をそれぞれ抽出し、
上記超音波受信機の超音波送信機に対する方位角および俯角を係数とする超音波受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各超音波送信機毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る方法である。
所定海域の海面に係留された浮体下方の海底または海底近傍に少なくとも３箇所で配置された超音波送信機から発信された超音波を、上記浮体の海面下に設けられた超音波受信機にて受信し、
上記各超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づきこれら各超音波送信機と上記超音波受信機との間の距離を検出し、
これら各距離データにハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分をそれぞれ抽出し、
上記超音波受信機の超音波送信機に対する方位角および俯角を係数とする超音波受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各超音波送信機毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る方法である。
また、本発明の第１の超音波による波浪計測システムは、海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪を計測する波浪計測システムであって、
所定海域の海面に係留された浮体と、この浮体下方の海底または海底近傍に少なくとも３箇所で配置された超音波送信機と、
上記浮体の海面下に設けられて上記超音波送信機からの超音波を受信し得る超音波受信機と、
上記各超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づきこれら各超音波送信機と上記超音波受信機との間の距離を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
上記各超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づきこれら各超音波送信機と上記超音波受信機との間の距離を求める距離演算部、この距離演算部で求められた各距離データに対してハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分をそれぞれ抽出する短周期変動成分抽出部、および上記超音波受信機の超音波送信機に対する方位角および俯角を係数とする超音波受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記短周期変動成分抽出部で抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各超音波送信機毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したものである。
所定海域の海面に係留された浮体と、この浮体下方の海底または海底近傍に少なくとも３箇所で配置された超音波送信機と、
上記浮体の海面下に設けられて上記超音波送信機からの超音波を受信し得る超音波受信機と、
上記各超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づきこれら各超音波送信機と上記超音波受信機との間の距離を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
上記各超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づきこれら各超音波送信機と上記超音波受信機との間の距離を求める距離演算部、この距離演算部で求められた各距離データに対してハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分をそれぞれ抽出する短周期変動成分抽出部、および上記超音波受信機の超音波送信機に対する方位角および俯角を係数とする超音波受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記短周期変動成分抽出部で抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各超音波送信機毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したものである。
また、本発明の第２の超音波を用いた波浪計測方法は、海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪高さを計測する波浪計測方法であって、
所定海域の海面に係留された浮体の海面下に設けられた超音波送受信機から海中に超音波を発信して当該浮体下方の海底または海底近傍に配置された少なくとも３個の音波中継器からの超音波を受信し、
上記超音波送受信機から発信された超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき各音波中継器と超音波送受信機との間の距離を検出し、
この距離データにハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出し、
上記超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする超音波送受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る方法である。
所定海域の海面に係留された浮体の海面下に設けられた超音波送受信機から海中に超音波を発信して当該浮体下方の海底または海底近傍に配置された少なくとも３個の音波中継器からの超音波を受信し、
上記超音波送受信機から発信された超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき各音波中継器と超音波送受信機との間の距離を検出し、
この距離データにハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出し、
上記超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする超音波送受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る方法である。
また、本発明の第２の超音波による波浪計測システムは、海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪を計測する波浪計測システムであって、
所定海域の海面に係留された浮体と、この浮体の海面下に設けられて海中に超音波を発信し得るとともに海中からの超音波を受信し得る超音波送受信機と、上記浮体下方の海底または海底近傍に配置されて上記超音波送受信機からの超音波を受信して発信する少なくとも３個の音波中継器と、上記超音波送受信機から発信された超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき各音波中継器と超音波送受信機との間の距離を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
超音波送受信機による超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき音波中継器と超音波送受信機との距離を求める距離演算部、この距離演算部で求められた距離データに対してハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分を抽出する短周期変動成分抽出部、および上記超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする超音波送受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記短周期変動成分抽出部で抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したものである。
所定海域の海面に係留された浮体と、この浮体の海面下に設けられて海中に超音波を発信し得るとともに海中からの超音波を受信し得る超音波送受信機と、上記浮体下方の海底または海底近傍に配置されて上記超音波送受信機からの超音波を受信して発信する少なくとも３個の音波中継器と、上記超音波送受信機から発信された超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき各音波中継器と超音波送受信機との間の距離を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
超音波送受信機による超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき音波中継器と超音波送受信機との距離を求める距離演算部、この距離演算部で求められた距離データに対してハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分を抽出する短周期変動成分抽出部、および上記超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする超音波送受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記短周期変動成分抽出部で抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したものである。
また、本発明の第３の超音波による波浪計測システムは、海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪高さを計測する波浪計測方法であって、
所定海域の海面に係留された浮体の海面下に設けられた超音波送受信機から当該浮体下方の海底または海底近傍に配置された少なくとも３個の音波中継器に超音波を発信し、
上記音波中継器にて中継された超音波および中継時刻を超音波送受信機で受信して当該音波中継器からの伝播時間に基づき各音波中継器と超音波送受信機との間の距離を検出し、
これら各距離データにハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出し、
上記超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする超音波送受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る方法である。
所定海域の海面に係留された浮体の海面下に設けられた超音波送受信機から当該浮体下方の海底または海底近傍に配置された少なくとも３個の音波中継器に超音波を発信し、
上記音波中継器にて中継された超音波および中継時刻を超音波送受信機で受信して当該音波中継器からの伝播時間に基づき各音波中継器と超音波送受信機との間の距離を検出し、
これら各距離データにハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出し、
上記超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする超音波送受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る方法である。
さらに、本発明の第３の超音波による波浪計測システムは、海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪を計測する波浪計測システムであって、
所定海域の海面に係留された浮体と、この浮体の海面下に設けられて海中に超音波を発信し得るとともに海中からの超音波を受信し得る超音波送受信機と、上記浮体下方の海面下に配置されて上記超音波送受信機からの超音波を中継して当該超音波および中継時刻を一緒に発信する少なくとも３個の音波中継器と、上記音波中継器から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づき各音波中継器と超音波送受信機との間の距離を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
上記音波中継器から発信された超音波および中継時刻を受信して当該音波中継器からの伝播時間に基づき音波中継器と超音波送受信機との距離を求める距離演算部、この距離演算部で求められた距離データに対してハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分を抽出する短周期変動成分抽出部、および上記超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする超音波送受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記短周期変動成分抽出部で抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したものである。
所定海域の海面に係留された浮体と、この浮体の海面下に設けられて海中に超音波を発信し得るとともに海中からの超音波を受信し得る超音波送受信機と、上記浮体下方の海面下に配置されて上記超音波送受信機からの超音波を中継して当該超音波および中継時刻を一緒に発信する少なくとも３個の音波中継器と、上記音波中継器から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づき各音波中継器と超音波送受信機との間の距離を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
上記音波中継器から発信された超音波および中継時刻を受信して当該音波中継器からの伝播時間に基づき音波中継器と超音波送受信機との距離を求める距離演算部、この距離演算部で求められた距離データに対してハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分を抽出する短周期変動成分抽出部、および上記超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする超音波送受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記短周期変動成分抽出部で抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したものである。
上記第１の波浪計測方法および波浪計測システムによると、海底または海底近傍に配置された超音波送信機からの超音波を海面に向けて発信するとともに浮体の海面下に設けられた超音波受信機で受信して、超音波の片道伝播時間を検出することにより、浮体と超音波送信機との距離を測定するとともに、この測定された距離データにハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。
上記第２の波浪計測方法および波浪計測システムによると、海面に浮遊する浮体の海面下に設けられた超音波送受信機から海中に向けて超音波を発射して海底または海底近傍に配置された音波中継器からの超音波を上記超音波送受信機で受信して、超音波の往復伝播時間を検出することにより、浮体と音波中継器との距離を測定するとともに、この測定された距離データにハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。
上記第３の波浪計測方法および波浪計測システムによると、海面に浮遊する浮体の海面下から海中に向けて超音波を発射して海底または海底近傍に配置された超音波中継器からの超音波をその発信時刻と一緒に浮体に設けられた超音波送受信機で受信して超音波の片道伝播時間を検出することにより、浮体と超音波中継器との距離を測定するとともに、この測定された距離データにハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。
以下、本発明の実施例１に係る超音波を用いた波浪計測方法および波浪計測システムについて説明する。
本実施例１においては、沿岸海域だけでなく、特に、大水深海域での波浪高さを、水中に発信（発射）された超音波を用いて計測するものとして説明する。
本実施例１においては、沿岸海域だけでなく、特に、大水深海域での波浪高さを、水中に発信（発射）された超音波を用いて計測するものとして説明する。
この波浪計測システムは、図１〜図３に示すように、係留索（図示せず）により、大水深海域の海面に浮遊・係留されるとともに超音波を受信し得る超音波受信機２が設けられた浮体であるブイ１と、このブイ１の略真下の海底近傍に配置されて超音波を海面に向けて発信し得る少なくとも３つ（３個）の超音波送信機３と、この超音波送信機３で発信された超音波を上記超音波受信機２で受信してブイ１の三次元位置を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置４とから構成されている。なお、上記超音波受信機２は、ブイ１の下端部、すなわち海面下の位置、つまり海中に設けられている。また、上記超音波送信機３の筒状容器本体３ａ内には超音波を発信する送信機本体が内蔵されている。ところで、上記超音波送信機３は海底に投下された例えば錨５に索体６を介して係留されて移動が可能であるが、大水深海域の海底付近では海流は殆どないため、静止状態とみなしても差し支えない。つまり、超音波送信機３の位置は固定とみなしてよい。なお、超音波送信機３を直接海底に投下・設置してもよい。
次に、波浪計測装置４について説明する。
この波浪計測装置４は、ブイ１に設けられた超音波受信機２と３つの超音波送信機３との距離を連続的に測定することによりブイ１の変動を検出する、つまり海面の変位を検出して波浪高さを計測するものである。なお、この波浪計測装置４は、超音波送信機３から発信された超音波を受信したデータがあれば、どこにおいても波浪高さを演算により求めることができる。したがって、通常、この波浪計測装置４は陸上の基地局Ｋに配置されるため、超音波受信機２にて受信されたデータ、例えば時間データが衛星Ｓなどを介して基地局Ｋに送信されて、この基地局Ｋに設けられた波浪計測装置４により求められる。勿論、ブイ１側に波浪計測装置４を配置するとともに、この波浪計測装置４にて求められた波浪高さを、衛星Ｓを介して基地局Ｋなどの所定場所に送信するようにしてもよい。
この波浪計測装置４は、ブイ１に設けられた超音波受信機２と３つの超音波送信機３との距離を連続的に測定することによりブイ１の変動を検出する、つまり海面の変位を検出して波浪高さを計測するものである。なお、この波浪計測装置４は、超音波送信機３から発信された超音波を受信したデータがあれば、どこにおいても波浪高さを演算により求めることができる。したがって、通常、この波浪計測装置４は陸上の基地局Ｋに配置されるため、超音波受信機２にて受信されたデータ、例えば時間データが衛星Ｓなどを介して基地局Ｋに送信されて、この基地局Ｋに設けられた波浪計測装置４により求められる。勿論、ブイ１側に波浪計測装置４を配置するとともに、この波浪計測装置４にて求められた波浪高さを、衛星Ｓを介して基地局Ｋなどの所定場所に送信するようにしてもよい。
まず、超音波を用いて波浪高さを検出する原理について簡単に説明する。
本発明に係る波浪高さの計測方法は、海面に浮遊するブイ１の三次元位置を計測することにより、海面の変位（変動量）つまり波浪高さを計測するものであり、簡単に言えば、超音波送信機３に対するブイ１の変位を検出するものであり、この検出に際しては、ブイ１と超音波送信機３との間の距離が超音波を用いて測定される。すなわち、ブイ１に設けられた超音波受信機２と大水深海域でしかも海底または海底近傍に配置した超音波送信機３との間の距離を超音波の伝播時間を用いて測定するのであるが、その測定に際しては、海水の影響を大きく受けることになる。すなわち、超音波の速度は、海水の温度、圧力、塩分濃度により大きく変化するため、これらの変動成分を除去する必要がある。
本発明に係る波浪高さの計測方法は、海面に浮遊するブイ１の三次元位置を計測することにより、海面の変位（変動量）つまり波浪高さを計測するものであり、簡単に言えば、超音波送信機３に対するブイ１の変位を検出するものであり、この検出に際しては、ブイ１と超音波送信機３との間の距離が超音波を用いて測定される。すなわち、ブイ１に設けられた超音波受信機２と大水深海域でしかも海底または海底近傍に配置した超音波送信機３との間の距離を超音波の伝播時間を用いて測定するのであるが、その測定に際しては、海水の影響を大きく受けることになる。すなわち、超音波の速度は、海水の温度、圧力、塩分濃度により大きく変化するため、これらの変動成分を除去する必要がある。
そこで、本実施例１では、これらの海水の影響による変動成分、つまり超音波受信機２と超音波送信機３との間の海水の温度、圧力および塩分濃度の分布の時間変化が長いこと、言い換えれば、この時間変化が波浪によるブイの上下動の周期より遥かに長いことに着目して、海水による影響を除去するようにしたものである。
具体的には、ブイの変位（変動）には、海水の影響による長周期変動成分と波浪による短周期変動成分とが含まれており、したがってブイの変位から長周期変動成分を差し引くことにより、短周期変動成分である波浪高さを求めることができる。
以下、波浪高さを求める手順について説明する。
ここでは、ブイ１の所定位置に設けられている超音波受信機２の設置位置を観測点Ｐと称して説明する。
ここでは、ブイ１の所定位置に設けられている超音波受信機２の設置位置を観測点Ｐと称して説明する。
まず、観測点Ｐと超音波送信機３（ｉ；ｉ＝１，２，３）との距離をρｉ、長周期変動成分をρｉ１、短周期変動成分をρｉ２とすると、下記（１）式の関係が成立する。なお、以下の式中においては、長周期変動成分（ρｉ１）は「ハットρｉ」で、また短周期変動成分（ρｉ２）は「チルダρｉ」で表わしている。
したがって、ブイ１の超音波受信機２の設置位置である観測点Ｐの三次元座標位置（ｘ，ｙ，ｚ）を、長周期変動成分の三次元座標位置（ｘ１，ｙ１，ｚ１）および長周期変動成分の三次元座標位置（ｘ２，ｙ２，ｚ２）で表わすと、下記（２）式のようになる。
そして、短周期変動成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２）は、観測点Ｐと、超音波送信機３との間の距離ρｉに比べて、十分に小さいので、下記（３）式が成立する。
上記（３）式の（ｅｘ ｉ，ｅｙ ｉ，ｅｚ ｉ）は観測点Ｐから超音波送信機３へのベクトルの三次元座標成分つまり単位ベクトルであり、図２に示すように、観測点Ｐから見た超音波送信機３の俯角θｉおよび方位角ψｉを用いて表わすと下記（４）式のようになる。
すなわち、俯角θｉおよび方位角ψｉを計測することにより、（ｅｘ ｉ，ｅｙ ｉ，ｅｚ ｉ）は既知となる。なお、これらの角度θｉ，ψｉについては、ブイ１および超音波送信機３の設置時に計測することができる。
そして、（１）式と（３）式、および（４）式から、下記（５）式が成立する。
したがって、３つの超音波送信機３（ｉ）により、上記（５）式の三元一次方程式が３個（ｉ＝１，２，３）得られることになり、これら３個の三元一次連立方程式を解くことにより、短周期変動成分を求めることができる。この短周期変動成分の上記単位ベクトル方向の３つのｘ，ｙ，ｚ成分のうち、上下方向のｚ成分が波浪高さに相当する。すなわち、観測点Ｐと海底の超音波送信機３との間の短周期変動成分ρｉ２が分かれば、波浪高さが求まることになる。
ところで、観測点Ｐと海底の超音波送信機３との間の距離ρｉについては、超音波送信機３から発信された超音波が観測点Ｐに到達するまでの伝播時間をｔｉ、基準音速を固定値ｃ（実際の音速は海中で大きく変化するが、例えば平年の海面付近の温度に対応する音速値を用いても差し支えない）とすれば、下記（６）式にて求められる。
ρｉ＝ｃ×ｔｉ ・・・（６）
そして、上記（６）式で表わされる距離データρｉに適切なハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分ρｉ１を除去することにより、短周期変動成分ρｉ２が求められる。
そして、上記（６）式で表わされる距離データρｉに適切なハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分ρｉ１を除去することにより、短周期変動成分ρｉ２が求められる。
なお、超音波送信機３から発信されて超音波受信機２で受信するまでの超音波の片道伝播時間を検出するのに、当然ながら、超音波受信機２側で、超音波送信機３から超音波が発信されるタイミングつまり時刻が分かるようにされている。すなわち、精度の良い時計が超音波受信機２および超音波送信機３に設けられるとともに両者の時刻が一致するようにされており、超音波送信機３から発信される時刻が予め分かっている。
ここで、上述した波浪高さの計測を実行し得る波浪計測装置４について説明する。
この波浪計測装置４は、図３に示すように、超音波送信機３から発信（発射）された超音波を超音波受信機２で受信するまでの時間ｔｉを検出してブイ１と超音波送信機３との距離ρｉを上記（６）式に基づき演算する距離演算部１１と、この距離演算部１１で求められた距離データにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分ρｉ１を除去して短周期変動成分ρｉ２を抽出する短周期変動成分抽出部１２と、この短周期変動成分抽出部１２で得られた短周期変動成分ρｉ２に基づき３つの超音波送信機３に対して三元一次方程式を作成する方程式作成部１３と、この方程式式作成部１３で得られた三元一次連立方程式を解く方程式解演算部１４とから構成されている。なお、少なくとも、距離演算部１１、短周期変動成分抽出部１２、方程式作成部１３、方程式解演算部１４などについては、プログラムによりその機能が実現されるものである。勿論、必要に応じて、各構成部は同一のプログラムに組み込まれているが、ここでは、説明を分かり易くするために、機能に応じた構成部でもって説明を行っている。
この波浪計測装置４は、図３に示すように、超音波送信機３から発信（発射）された超音波を超音波受信機２で受信するまでの時間ｔｉを検出してブイ１と超音波送信機３との距離ρｉを上記（６）式に基づき演算する距離演算部１１と、この距離演算部１１で求められた距離データにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分ρｉ１を除去して短周期変動成分ρｉ２を抽出する短周期変動成分抽出部１２と、この短周期変動成分抽出部１２で得られた短周期変動成分ρｉ２に基づき３つの超音波送信機３に対して三元一次方程式を作成する方程式作成部１３と、この方程式式作成部１３で得られた三元一次連立方程式を解く方程式解演算部１４とから構成されている。なお、少なくとも、距離演算部１１、短周期変動成分抽出部１２、方程式作成部１３、方程式解演算部１４などについては、プログラムによりその機能が実現されるものである。勿論、必要に応じて、各構成部は同一のプログラムに組み込まれているが、ここでは、説明を分かり易くするために、機能に応じた構成部でもって説明を行っている。
上記構成において、波浪高さの計測方法について説明する。
海底の超音波送信機３から海面に向けて発信された超音波が、海面に浮遊するブイ１に設けられた超音波受信機２で受信されて、この超音波受信機２と各超音波送信機３との伝播時間ｔｉが検出されると、距離演算部１１にて超音波受信機２と超音波送信機３との距離ρｉが求められる。
海底の超音波送信機３から海面に向けて発信された超音波が、海面に浮遊するブイ１に設けられた超音波受信機２で受信されて、この超音波受信機２と各超音波送信機３との伝播時間ｔｉが検出されると、距離演算部１１にて超音波受信機２と超音波送信機３との距離ρｉが求められる。
次に、この距離データが短周期変動成分抽出部１２に入力され、ここで、短周期変動成分ρｉ２が抽出される。
次に、この抽出された短周期変動成分ρｉ２が方程式作成部１３に入力されて３つの超音波送信機３に対して上記（５）式に基づく三元一次方程式がそれぞれ作成される。
次に、この抽出された短周期変動成分ρｉ２が方程式作成部１３に入力されて３つの超音波送信機３に対して上記（５）式に基づく三元一次方程式がそれぞれ作成される。
そして、この作成された三元一次連立方程式が方程式解演算部１４に入力されて３つの未知数であるｘ，ｙ，ｚが求められ、このうち、ｚ成分が波浪高さとして取り出される。
このように、上記波浪計測方法および波浪計測システムによると、海底または海底近傍に配置された超音波送信機から超音波を海面に向けて発信するとともにブイの海面下に設けられた超音波受信機で受信して、超音波の片道伝播時間を検出することにより、ブイと超音波送信機との距離を測定するとともに、この測定された距離データにハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。
このように、上記波浪計測方法および波浪計測システムによると、海底または海底近傍に配置された超音波送信機から超音波を海面に向けて発信するとともにブイの海面下に設けられた超音波受信機で受信して、超音波の片道伝播時間を検出することにより、ブイと超音波送信機との距離を測定するとともに、この測定された距離データにハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。
次に、本発明の実施例２に係る超音波を用いた波浪計測方法および波浪計測システムについて説明する。
上記実施例１においては、海底に配置された超音波送信機から発信された超音波をブイに設けられた超音波受信機で受信して超音波の片道伝播時間を検出するようにしたが、本実施例２においては、ブイに設けられた超音波送受信機から発信された超音波を海底に配置されたトランスポンダ（音波中継器）で受信して発信された、つまり中継された超音波の往復伝播時間を検出するようにしたものである。
上記実施例１においては、海底に配置された超音波送信機から発信された超音波をブイに設けられた超音波受信機で受信して超音波の片道伝播時間を検出するようにしたが、本実施例２においては、ブイに設けられた超音波送受信機から発信された超音波を海底に配置されたトランスポンダ（音波中継器）で受信して発信された、つまり中継された超音波の往復伝播時間を検出するようにしたものである。
なお、本実施例２については、実施例１と同様に、初めから説明するものとする。
この波浪計測システムは、図４〜図６に示すように、係留索（図示せず）により、大水深海域の海面に浮遊・係留されるとともに水中に超音波を発射し得る超音波の発信および受信を行い得る超音波送受信機２２が設けられた浮体であるブイ２１と、このブイ２１の略真下の海底近傍に配置されて上記超音波送受信機２２から発信された超音波を受信するとともにこの超音波を増幅させて海面に向けて発信し得る（中継を行う）少なくとも３つ（３個）のトランスポンダ（音波中継器）２３と、このトランスポンダ２３で発信された超音波を上記超音波送受信機２２で受信してブイ２１の三次元位置を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置２４とから構成されている。なお、上記超音波送受信機２２は、ブイ２１の下端部、すなわち海面下の位置、つまり海中に設けられている。また、上記トランスポンダ２３の筒状容器本体２３ａ内には超音波を受信するとともにこの超音波を増幅して発信する中継器本体が内蔵されている。ところで、上記トランスポンダ２３は海底に投下された例えば錨２５に索体２６を介して係留されて移動が可能であるが、大水深海域の海底付近では海流は殆どないため、静止状態とみなしても差し支えない。つまり、トランスポンダ２３の位置は固定とみなしてよい。なお、トランスポンダ２３を直接海底に投下・設置してもよい。
この波浪計測システムは、図４〜図６に示すように、係留索（図示せず）により、大水深海域の海面に浮遊・係留されるとともに水中に超音波を発射し得る超音波の発信および受信を行い得る超音波送受信機２２が設けられた浮体であるブイ２１と、このブイ２１の略真下の海底近傍に配置されて上記超音波送受信機２２から発信された超音波を受信するとともにこの超音波を増幅させて海面に向けて発信し得る（中継を行う）少なくとも３つ（３個）のトランスポンダ（音波中継器）２３と、このトランスポンダ２３で発信された超音波を上記超音波送受信機２２で受信してブイ２１の三次元位置を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置２４とから構成されている。なお、上記超音波送受信機２２は、ブイ２１の下端部、すなわち海面下の位置、つまり海中に設けられている。また、上記トランスポンダ２３の筒状容器本体２３ａ内には超音波を受信するとともにこの超音波を増幅して発信する中継器本体が内蔵されている。ところで、上記トランスポンダ２３は海底に投下された例えば錨２５に索体２６を介して係留されて移動が可能であるが、大水深海域の海底付近では海流は殆どないため、静止状態とみなしても差し支えない。つまり、トランスポンダ２３の位置は固定とみなしてよい。なお、トランスポンダ２３を直接海底に投下・設置してもよい。
次に、波浪計測装置２４について説明する。
この波浪計測装置２４は、ブイ２１に設けられた超音波送受信機２２と３つのトランスポンダ２３との距離を連続的に測定することによりブイ２１の変動を検出する、つまり海面の変位を検出して波浪高さを計測するものである。なお、この波浪計測装置２４は、超音波送受信機２２から発信された超音波がトランスポンダ２３で中継され、この中継された超音波を受信したデータがあれば、どこにおいても波浪高さを演算により求めることができる。したがって、通常、この波浪計測装置２４は陸上の基地局Ｋに配置されるため、超音波送受信機２２にて受信されたデータ、例えば時間データが衛星Ｓなどを介して基地局Ｋに送信されて、この基地局Ｋに設けられた波浪計測装置２４により求められる。勿論、ブイ２１側に波浪計測装置２４を配置するとともに、この波浪計測装置２４にて求められた波浪高さを、衛星Ｓを介して基地局Ｋなどの所定場所に送信するようにしてもよい。
この波浪計測装置２４は、ブイ２１に設けられた超音波送受信機２２と３つのトランスポンダ２３との距離を連続的に測定することによりブイ２１の変動を検出する、つまり海面の変位を検出して波浪高さを計測するものである。なお、この波浪計測装置２４は、超音波送受信機２２から発信された超音波がトランスポンダ２３で中継され、この中継された超音波を受信したデータがあれば、どこにおいても波浪高さを演算により求めることができる。したがって、通常、この波浪計測装置２４は陸上の基地局Ｋに配置されるため、超音波送受信機２２にて受信されたデータ、例えば時間データが衛星Ｓなどを介して基地局Ｋに送信されて、この基地局Ｋに設けられた波浪計測装置２４により求められる。勿論、ブイ２１側に波浪計測装置２４を配置するとともに、この波浪計測装置２４にて求められた波浪高さを、衛星Ｓを介して基地局Ｋなどの所定場所に送信するようにしてもよい。
まず、超音波を用いて波浪高さを検出する原理について簡単に説明する。
本発明に係る波浪高さの計測方法は、海面に浮遊するブイ２１の三次元位置を計測することにより、海面の変位（変動量）つまり波浪高さを計測するものであり、簡単に言えば、トランスポンダ２３に対するブイ２１の変位を検出するものであり、この検出に際しては、ブイ２１とトランスポンダ２３との間の距離が超音波を用いて測定される。言い換えれば、ブイ２１に設けられた超音波送受信機２２と大水深海域でしかも海底または海底近傍に配置されたトランスポンダ２３との間の距離を超音波の伝播時間を用いて測定するのであるが、その測定に際しては、海水の影響を大きく受けることになる。すなわち、超音波の速度は、海水の温度、圧力、塩分濃度により大きく変化するため、これらの変動成分を除去する必要がある。
本発明に係る波浪高さの計測方法は、海面に浮遊するブイ２１の三次元位置を計測することにより、海面の変位（変動量）つまり波浪高さを計測するものであり、簡単に言えば、トランスポンダ２３に対するブイ２１の変位を検出するものであり、この検出に際しては、ブイ２１とトランスポンダ２３との間の距離が超音波を用いて測定される。言い換えれば、ブイ２１に設けられた超音波送受信機２２と大水深海域でしかも海底または海底近傍に配置されたトランスポンダ２３との間の距離を超音波の伝播時間を用いて測定するのであるが、その測定に際しては、海水の影響を大きく受けることになる。すなわち、超音波の速度は、海水の温度、圧力、塩分濃度により大きく変化するため、これらの変動成分を除去する必要がある。
そこで、本発明では、これらの海水の影響による変動成分、つまり超音波送受信機２２とトランスポンダ２３との間の海水の温度、圧力および塩分濃度の分布の時間変化が長いこと、言い換えれば、この時間変化が波浪によるブイの上下動の周期より遥かに長いことに着目して、海水による影響を除去するようにしたものである。
具体的には、ブイの変位（変動）には、海水の影響による長周期変動成分と波浪による短周期変動成分とが含まれており、したがってブイの変位から長周期変動成分を差し引くことにより、短周期変動成分である波浪高さを求めることができる。
以下、波浪高さを求める手順について説明する。
ここでは、ブイ２１の所定位置に設けられている超音波送受信機２２の設置位置を観測点Ｐと称して説明する。
ここでは、ブイ２１の所定位置に設けられている超音波送受信機２２の設置位置を観測点Ｐと称して説明する。
まず、観測点Ｐとトランスポンダ２３（ｉ；ｉ＝１，２，３）との距離をρｉ、長周期変動成分をρｉ１、短周期変動成分をρｉ２とすると、下記（１１）式の関係が成立する。なお、以下の式中においては、長周期変動成分（ρｉ１）は「ハットρｉ」で、また短周期変動成分（ρｉ２）は「チルダρｉ」で表わしている。
したがって、ブイ２１の超音波送受信機２２の設置位置である観測点Ｐの三次元座標位置（ｘ，ｙ，ｚ）を、長周期変動成分の三次元座標位置（ｘ１，ｙ１，ｚ１）および長周期変動成分の三次元座標位置（ｘ２，ｙ２，ｚ２）で表わすと、下記（１２）式のようになる。
そして、短周期変動成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２）は、観測点Ｐと、トランスポンダ２３との間の距離ρｉに比べて、十分に小さいので、下記（１３）式が成立する。
上記（１３）式の（ｅｘ ｉ，ｅｙ ｉ，ｅｚ ｉ）は観測点Ｐからトランスポンダ２３へのベクトルの三次元座標成分つまり単位ベクトルであり、図５に示すように、観測点Ｐから見たトランスポンダ２３の俯角θｉおよび方位角ψｉを用いて表わすと下記（１４）式のようになる。
すなわち、俯角θｉおよび方位角ψｉを計測することにより、（ｅｘ ｉ，ｅｙ ｉ，ｅｚ ｉ）は既知となる。なお、これらの角度θｉ，ψｉについては、ブイ２１およびトランスポンダ２３の設置時に計測することができる。
そして、（１１）式と（１３）式、および（１４）式から、下記（１５）式が成立する。
したがって、３つのトランスポンダ２３（ｉ）により、上記（１５）式の三元一次方程式が３個（ｉ＝１，２，３）得られることになり、これら３個の三元一次連立方程式を解くことにより、短周期変動成分を求めることができる。この短周期変動成分の上記単位ベクトル方向の３つのｘ，ｙ，ｚ成分のうち、上下方向のｚ成分が波浪高さに相当する。すなわち、観測点Ｐと海底のトランスポンダ２３との間の短周期変動成分ρｉ２が分かれば、波浪高さが求まることになる。
ところで、観測点Ｐと海底のトランスポンダ２３との間の距離ρｉについては、観測点Ｐから発信された超音波の往復伝播時間をｔｉ、基準音速を固定値ｃ（実際の音速は海中で大きく変化するが、例えば平年の海面付近の温度に対応する音速値を用いても差し支えない）とすれば、下記（１６）式にて求められる。
ρｉ＝ｃ×ｔｉ／２ ・・・（１６）
そして、上記（１６）式で表わされる距離データρｉに適切なハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分ρｉ１を除去することにより、短周期変動成分ρｉ２が求められる。
そして、上記（１６）式で表わされる距離データρｉに適切なハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分ρｉ１を除去することにより、短周期変動成分ρｉ２が求められる。
ここで、上述した波浪高さの計測を実行し得る波浪計測装置２４について説明する。
この波浪計測装置２４は、図６に示すように、ブイ２１から発信（発射）された超音波をトランスポンダ２３を介して受信するまでの時間ｔｉを検出してブイ２１とトランスポンダ２３との距離ρｉを上記（６）式に基づき演算する距離演算部３１と、この距離演算部３１で求められた距離データにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分ρｉ１を除去して短周期変動成分ρｉ２を抽出する短周期変動成分抽出部３２と、この短周期変動成分抽出部３２で得られた短周期変動成分ρｉ２に基づき３つのトランスポンダ２３に対して三元一次方程式を作成する方程式作成部３３と、この方程式式作成部３３で得られた三元一次連立方程式を解く方程式解演算部３４とから構成されている。なお、少なくとも、距離演算部３１、短周期変動成分抽出部３２、方程式作成部３３、方程式解演算部３４などについては、プログラムによりその機能が実現されるものである。勿論、必要に応じて、各構成部は同一のプログラムに組み込まれているが、ここでは、説明を分かり易くするために、機能に応じた構成部でもって説明を行っている。
この波浪計測装置２４は、図６に示すように、ブイ２１から発信（発射）された超音波をトランスポンダ２３を介して受信するまでの時間ｔｉを検出してブイ２１とトランスポンダ２３との距離ρｉを上記（６）式に基づき演算する距離演算部３１と、この距離演算部３１で求められた距離データにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分ρｉ１を除去して短周期変動成分ρｉ２を抽出する短周期変動成分抽出部３２と、この短周期変動成分抽出部３２で得られた短周期変動成分ρｉ２に基づき３つのトランスポンダ２３に対して三元一次方程式を作成する方程式作成部３３と、この方程式式作成部３３で得られた三元一次連立方程式を解く方程式解演算部３４とから構成されている。なお、少なくとも、距離演算部３１、短周期変動成分抽出部３２、方程式作成部３３、方程式解演算部３４などについては、プログラムによりその機能が実現されるものである。勿論、必要に応じて、各構成部は同一のプログラムに組み込まれているが、ここでは、説明を分かり易くするために、機能に応じた構成部でもって説明を行っている。
上記構成において、波浪高さの計測方法について説明する。
海面に浮遊するブイ２１の超音波送受信機２２から水中に向けて超音波が発信されてトランスポンダ２３にて受信され、この受信と同時にその超音波が海面に向かって発信される（つまり、超音波が中継される）。
海面に浮遊するブイ２１の超音波送受信機２２から水中に向けて超音波が発信されてトランスポンダ２３にて受信され、この受信と同時にその超音波が海面に向かって発信される（つまり、超音波が中継される）。
この超音波は超音波送受信機２２にて受信されて各トランスポンダ２３との往復伝播時間ｔｉが検出されると、距離演算部３１にて超音波送受信機２２とトランスポンダ２３との距離ρｉが求められる。
次に、この距離データが短周期変動成分抽出部３２に入力され、ここで、短周期変動成分ρｉ２が抽出される。
次に、この抽出された短周期変動成分ρｉ２が方程式作成部３３に入力されて３つのトランスポンダ２３に対して上記（１５）式に基づく三元一次方程式がそれぞれ作成される。
次に、この抽出された短周期変動成分ρｉ２が方程式作成部３３に入力されて３つのトランスポンダ２３に対して上記（１５）式に基づく三元一次方程式がそれぞれ作成される。
そして、この作成された三元一次連立方程式が方程式解演算部３４に入力されて３つの未知数であるｘ，ｙ，ｚが求められ、このうち、ｚ成分が波浪高さとして取り出される。
このように、上記波浪計測方法および波浪計測システムによると、海面に浮遊するブイの海面下に設けられた超音波送受信機から海中に向けて超音波を発射して海底（または海底近傍）に配置されたトランスポンダからの超音波を上記超音波送受信機で受信して、超音波の往復伝播時間を検出することにより、ブイとトランスポンダとの距離を測定するとともに、この測定された距離データにハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。
このように、上記波浪計測方法および波浪計測システムによると、海面に浮遊するブイの海面下に設けられた超音波送受信機から海中に向けて超音波を発射して海底（または海底近傍）に配置されたトランスポンダからの超音波を上記超音波送受信機で受信して、超音波の往復伝播時間を検出することにより、ブイとトランスポンダとの距離を測定するとともに、この測定された距離データにハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。
次に、本発明の実施例３に係る超音波を用いた波浪計測方法および波浪計測システムについて説明する。
上記実施例２においては、ブイの海面下に設けられた超音波送受信機から発信された超音波を海底近傍に配置されたトランスポンダ（音波中継器）で受信して発信した、つまり中継した超音波の往復伝播時間を検出するようにしたが、本実施例３においては、トランスポンダで中継された超音波の片道伝播時間を検出するようにしたものである。
上記実施例２においては、ブイの海面下に設けられた超音波送受信機から発信された超音波を海底近傍に配置されたトランスポンダ（音波中継器）で受信して発信した、つまり中継した超音波の往復伝播時間を検出するようにしたが、本実施例３においては、トランスポンダで中継された超音波の片道伝播時間を検出するようにしたものである。
本実施例３においても、実施例２と同様に、初めから説明するものとする。
すなわち、この波浪計測システムは、図７〜図９に示すように、係留索（図示せず）により、大水深海域の海面に浮遊・係留されるとともに水中に超音波を発射し得る超音波の発信および受信を行い得る超音波送受信機４２が設けられた浮体であるブイ４１と、このブイ４１の略真下の海底に配置されて上記超音波送受信機４２から発信された超音波を受信するとともにこの超音波を増幅させて海面に向けて発信し得る（中継を行う）少なくとも３つ（３個）のトランスポンダ（音波中継器）４３と、このトランスポンダ４３で発信された超音波を上記超音波送受信機４２で受信してブイ４１の三次元位置を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置４４とから構成されている。なお、上記超音波送受信機４２は、ブイ４１の下端部、すなわち海面下の位置、つまり海中に設けられている。また、上記トランスポンダ４３の筒状容器本体４３ａ内には超音波を受信するとともにこの超音波を増幅して発信する中継器本体が内蔵されている。
すなわち、この波浪計測システムは、図７〜図９に示すように、係留索（図示せず）により、大水深海域の海面に浮遊・係留されるとともに水中に超音波を発射し得る超音波の発信および受信を行い得る超音波送受信機４２が設けられた浮体であるブイ４１と、このブイ４１の略真下の海底に配置されて上記超音波送受信機４２から発信された超音波を受信するとともにこの超音波を増幅させて海面に向けて発信し得る（中継を行う）少なくとも３つ（３個）のトランスポンダ（音波中継器）４３と、このトランスポンダ４３で発信された超音波を上記超音波送受信機４２で受信してブイ４１の三次元位置を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置４４とから構成されている。なお、上記超音波送受信機４２は、ブイ４１の下端部、すなわち海面下の位置、つまり海中に設けられている。また、上記トランスポンダ４３の筒状容器本体４３ａ内には超音波を受信するとともにこの超音波を増幅して発信する中継器本体が内蔵されている。
そして、このトランスポンダ４３には、精度の良い時計が設けられており、超音波を受信して発信する際に、その発信時刻（タイムスタンプであり、中継時刻ともいえる）の信号も一緒に発信され、また超音波送受信機４２側にも、トランスポンダ４３に設けられている時計と同期がとられた（同じ時刻の）時計が設けられて、超音波の発信から受信するまでの片道伝播時間を検出し得るようにされている。
ところで、上記トランスポンダ４３は海底に投下された例えば錨４５に索体４６を介して係留されて移動が可能であるが、大水深海域の海底付近では海流は殆どないため、静止状態とみなしても差し支えない。つまり、トランスポンダ４３の位置は固定とみなしてよい。なお、トランスポンダ４３を直接海底に投下・設置してもよい。
次に、波浪計測装置４４について説明する。
この波浪計測装置４４は、ブイ４１と３つのトランスポンダ４３との距離を連続的に測定することによりブイ４１の変動を検出する、つまり海面の変位を検出して波浪高さを計測するものである。なお、この波浪計測装置４４は、超音波送受信機４２から発信された超音波がトランスポンダ４３で中継され、この中継された超音波を受信したデータがあれば、どこにおいても波浪高さを演算により求めることができる。したがって、通常、この波浪計測装置４４は陸上の基地局Ｋに配置されるため、超音波送受信機４２にて受信されたデータ、例えば時間データが衛星Ｓなどを介して基地局Ｋに送信されて、この基地局Ｋに設けられた波浪計測装置２４により求められる。勿論、ブイ４１側に波浪計測装置４４を配置するとともに、この波浪計測装置４４にて求められた波浪高さを、衛星Ｓを介して基地局Ｋなどの所定場所に送信するようにしてもよい。
この波浪計測装置４４は、ブイ４１と３つのトランスポンダ４３との距離を連続的に測定することによりブイ４１の変動を検出する、つまり海面の変位を検出して波浪高さを計測するものである。なお、この波浪計測装置４４は、超音波送受信機４２から発信された超音波がトランスポンダ４３で中継され、この中継された超音波を受信したデータがあれば、どこにおいても波浪高さを演算により求めることができる。したがって、通常、この波浪計測装置４４は陸上の基地局Ｋに配置されるため、超音波送受信機４２にて受信されたデータ、例えば時間データが衛星Ｓなどを介して基地局Ｋに送信されて、この基地局Ｋに設けられた波浪計測装置２４により求められる。勿論、ブイ４１側に波浪計測装置４４を配置するとともに、この波浪計測装置４４にて求められた波浪高さを、衛星Ｓを介して基地局Ｋなどの所定場所に送信するようにしてもよい。
まず、超音波を用いて波浪高さを検出する原理について簡単に説明する。
本発明に係る波浪高さの計測方法は、海面に浮遊するブイ４１の三次元位置を計測することにより、海面の変位（変動量）つまり波浪高さを計測するものであり、簡単に言えば、トランスポンダ４３に対するブイ４１の変位を検出するものであり、この検出に際しては、ブイ４１とトランスポンダ４３との間の距離が超音波を用いて測定される。言い換えれば、ブイ４１に設けられた超音波送受信機４２と大水深海域でしかも海底（または、海底付近）に配置されたトランスポンダ４３との間の距離を超音波の伝播時間を用いて測定するのであるが、その測定に際しては、海水の影響を大きく受けることになる。すなわち、超音波の速度は、海水の温度、圧力、塩分濃度により大きく変化するため、これらの変動成分を除去する必要がある。
本発明に係る波浪高さの計測方法は、海面に浮遊するブイ４１の三次元位置を計測することにより、海面の変位（変動量）つまり波浪高さを計測するものであり、簡単に言えば、トランスポンダ４３に対するブイ４１の変位を検出するものであり、この検出に際しては、ブイ４１とトランスポンダ４３との間の距離が超音波を用いて測定される。言い換えれば、ブイ４１に設けられた超音波送受信機４２と大水深海域でしかも海底（または、海底付近）に配置されたトランスポンダ４３との間の距離を超音波の伝播時間を用いて測定するのであるが、その測定に際しては、海水の影響を大きく受けることになる。すなわち、超音波の速度は、海水の温度、圧力、塩分濃度により大きく変化するため、これらの変動成分を除去する必要がある。
そこで、本発明では、これらの海水の影響による変動成分、つまり超音波送受信機４２とトランスポンダ４３との間の海水の温度、圧力および塩分濃度の分布の時間変化が長いこと、言い換えれば、この時間変化が波浪によるブイの上下動の周期より遥かに長いことに着目して、海水による影響を除去するようにしたものである。
具体的には、ブイの変位（変動）には、海水の影響による長周期変動成分と波浪による短周期変動成分とが含まれており、したがってブイの変位から長周期変動成分を差し引くことにより、短周期変動成分である波浪高さを求めることができる。
以下、波浪高さを求める手順について説明する。
ここでは、ブイ４１の所定位置に設けられている超音波送受信機４２の設置位置を観測点Ｐと称して説明する。
ここでは、ブイ４１の所定位置に設けられている超音波送受信機４２の設置位置を観測点Ｐと称して説明する。
まず、観測点Ｐとトランスポンダ４３（ｉ；ｉ＝１，２，３）との距離をρｉ、長周期変動成分をρｉ１、短周期変動成分をρｉ２とすると、下記（２１）式の関係が成立する。なお、以下の式中においては、長周期変動成分（ρｉ１）は「ハットρｉ」で、また短周期変動成分（ρｉ２）は「チルダρｉ」で表わしている。
したがって、ブイ４１の超音波送受信機４の設置位置である観測点Ｐの三次元座標位置（ｘ，ｙ，ｚ）を、長周期変動成分の三次元座標位置（ｘ１，ｙ１，ｚ１）および長周期変動成分の三次元座標位置（ｘ２，ｙ２，ｚ２）で表わすと、下記（２２）式のようになる。
そして、短周期変動成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２）は、観測点Ｐと、トランスポンダ２３との間の距離ρｉに比べて、十分に小さいので、下記（２３）式が成立する。
上記（２３）式の（ｅｘ ｉ，ｅｙ ｉ，ｅｚ ｉ）は観測点Ｐからトランスポンダ４３へのベクトルの三次元座標成分つまり単位ベクトルであり、図８に示すように、観測点Ｐから見たトランスポンダ４３の俯角θｉおよび方位角ψｉを用いて表わすと下記（２４）式のようになる。
すなわち、俯角θｉおよび方位角ψｉを計測することにより、（ｅｘ ｉ，ｅｙ ｉ，ｅｚ ｉ）は既知となる。なお、これらの角度θｉ，ψｉについては、ブイ４１およびトランスポンダ４３の設置時に計測することができる。
そして、（２１）式と（２３）式、および（２４）式から、下記（２５）式が成立する。
したがって、３つのトランスポンダ４３（ｉ）により、上記（２５）式の三元一次方程式が３個（ｉ＝１，２，３）得られることになり、これら３個の三元一次連立方程式を解くことにより、短周期変動成分を求めることができる。この短周期変動成分の上記単位ベクトル方向の３つのｘ，ｙ，ｚ成分のうち、上下方向のｚ成分が波浪高さに相当する。すなわち、観測点Ｐと海底のトランスポンダ２３との間の短周期変動成分ρｉ２が分かれば、波浪高さが求まることになる。
ところで、観測点Ｐと海底のトランスポンダ２３との間の距離ρｉについては、トランスポンダ２３から発信された超音波の観測点Ｐまでの片道伝播時間をｔｉ、基準音速を固定値ｃ（実際の音速は海中で大きく変化するが、例えば平年の海面付近の温度に対応する音速値を用いても差し支えない）とすれば、下記（２６）式にて求められる。
ρｉ＝ｃ×ｔｉ ・・・（２６）
そして、上記（２６）式で表わされる距離データρｉに適切なハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分ρｉ１を除去することにより、短周期変動成分ρｉ２が求められる。
そして、上記（２６）式で表わされる距離データρｉに適切なハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分ρｉ１を除去することにより、短周期変動成分ρｉ２が求められる。
ここで、上述した波浪高さの計測を実行し得る波浪計測装置４４について説明する。
この波浪計測装置４４は、図９に示すように、ブイ４１から発信（発射）された超音波をトランスポンダ４３で受信しそして増幅して発信する際にその発信時刻の信号を一緒に超音波送受信機４２で受信し、そしてトランスポンダ４３から観測点Ｐまでの片道伝播時間ｔｉを検出することにより、ブイ４１とトランスポンダ４３との距離ρｉを上記（２６）式に基づき演算する距離演算部５１と、この距離演算部５１で求められた距離データにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分ρｉ１を除去して短周期変動成分ρｉ２を抽出する短周期変動成分抽出部５２と、この短周期変動成分抽出部５２で得られた短周期変動成分ρｉ２に基づき３つのトランスポンダ４３に対して三元一次方程式を作成する方程式作成部５３と、この方程式式作成部５３で得られた三元一次連立方程式を解く方程式解演算部５４とから構成されている。なお、少なくとも、距離演算部５１、短周期変動成分抽出部５２、方程式作成部５３、方程式解演算部５４などについては、プログラムによりその機能が実現されるものである。勿論、必要に応じて、各構成部は同一のプログラムに組み込まれているが、ここでは、説明を分かり易くするために、機能に応じた構成部でもって説明を行っている。
この波浪計測装置４４は、図９に示すように、ブイ４１から発信（発射）された超音波をトランスポンダ４３で受信しそして増幅して発信する際にその発信時刻の信号を一緒に超音波送受信機４２で受信し、そしてトランスポンダ４３から観測点Ｐまでの片道伝播時間ｔｉを検出することにより、ブイ４１とトランスポンダ４３との距離ρｉを上記（２６）式に基づき演算する距離演算部５１と、この距離演算部５１で求められた距離データにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分ρｉ１を除去して短周期変動成分ρｉ２を抽出する短周期変動成分抽出部５２と、この短周期変動成分抽出部５２で得られた短周期変動成分ρｉ２に基づき３つのトランスポンダ４３に対して三元一次方程式を作成する方程式作成部５３と、この方程式式作成部５３で得られた三元一次連立方程式を解く方程式解演算部５４とから構成されている。なお、少なくとも、距離演算部５１、短周期変動成分抽出部５２、方程式作成部５３、方程式解演算部５４などについては、プログラムによりその機能が実現されるものである。勿論、必要に応じて、各構成部は同一のプログラムに組み込まれているが、ここでは、説明を分かり易くするために、機能に応じた構成部でもって説明を行っている。
上記構成において、波浪高さの計測方法について説明する。
海面に浮遊するブイ４１の超音波送受信機４２から水中に向けて超音波が発信されてトランスポンダ４３にて受信され、この受信と同時にその超音波およびその発信時刻の信号が海面に向かって発信される。
海面に浮遊するブイ４１の超音波送受信機４２から水中に向けて超音波が発信されてトランスポンダ４３にて受信され、この受信と同時にその超音波およびその発信時刻の信号が海面に向かって発信される。
この超音波は超音波送受信機４２で受信されて各トランスポンダ４３との片道伝播時間ｔｉが検出されると、距離演算部５１にて超音波送受信機４２とトランスポンダ４３との距離ρｉが求められる。
次に、この距離データが短周期変動成分抽出部５２に入力され、ここで、短周期変動成分ρｉ２が抽出される。
次に、この抽出された短周期変動成分ρｉ２が方程式作成部５３に入力されて３つのトランスポンダ４３に対して上記（２５）式に基づく三元一次方程式がそれぞれ作成される。
次に、この抽出された短周期変動成分ρｉ２が方程式作成部５３に入力されて３つのトランスポンダ４３に対して上記（２５）式に基づく三元一次方程式がそれぞれ作成される。
そして、この作成された三元一次連立方程式が方程式解演算部５４に入力されて３つの未知数であるｘ，ｙ，ｚが求められ、このうち、ｚ成分が波浪高さとして取り出される。
このように、上記波浪計測方法および波浪計測システムによると、海面に浮遊するブイの海面下に設けられた超音波送受信機から海中に向けて超音波を発射して海底（または海底近傍）に配置されたトランスポンダからの超音波をその発信時刻と一緒にブイに設けられた超音波送受信機で受信して超音波の片道伝播時間を検出することにより、ブイとトランスポンダとの距離を測定するとともに、この測定された距離データにハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。
このように、上記波浪計測方法および波浪計測システムによると、海面に浮遊するブイの海面下に設けられた超音波送受信機から海中に向けて超音波を発射して海底（または海底近傍）に配置されたトランスポンダからの超音波をその発信時刻と一緒にブイに設けられた超音波送受信機で受信して超音波の片道伝播時間を検出することにより、ブイとトランスポンダとの距離を測定するとともに、この測定された距離データにハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。
ところで、上述した各実施例においては、超音波送信機またはトランスポンダを３つ設けた場合について説明したが、４つ以上の超音波送信機またはトランスポンダを設置できる場合には、最小二乗法を適用することにより、短周期変動成分における各座標値、すなわち波浪高さの計測の信頼性を高めることができる。
１ ブイ
２ 超音波受信機
３ 超音波送信機
４ 波浪計測装置
１１ 距離演算部
１２ 短周期変動成分抽出部
１３ 方程式作成部
１４ 方程式解演算部
２１ ブイ
２２ 超音波送受信機
２３ トランスポンダ
２４ 波浪計測装置
３１ 距離演算部
３２ 短周期変動成分抽出部
３３ 方程式作成部
３４ 方程式解演算部
４１ ブイ
４２ 超音波送受信機
４３ トランスポンダ
４４ 波浪計測装置
５１ 距離演算部
５２ 短周期変動成分抽出部
５３ 方程式作成部
５４ 方程式解演算部
２ 超音波受信機
３ 超音波送信機
４ 波浪計測装置
１１ 距離演算部
１２ 短周期変動成分抽出部
１３ 方程式作成部
１４ 方程式解演算部
２１ ブイ
２２ 超音波送受信機
２３ トランスポンダ
２４ 波浪計測装置
３１ 距離演算部
３２ 短周期変動成分抽出部
３３ 方程式作成部
３４ 方程式解演算部
４１ ブイ
４２ 超音波送受信機
４３ トランスポンダ
４４ 波浪計測装置
５１ 距離演算部
５２ 短周期変動成分抽出部
５３ 方程式作成部
５４ 方程式解演算部
Claims (6)
- 海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪高さを計測する波浪計測方法であって、
所定海域の海面に係留された浮体下方の海底または海底近傍に少なくとも３箇所で配置された超音波送信機から発信された超音波を、上記浮体の海面下に設けられた超音波受信機にて受信し、
上記各超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づきこれら各超音波送信機と上記超音波受信機との間の距離を検出し、
これら各距離データにハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分をそれぞれ抽出し、
上記超音波受信機の超音波送信機に対する方位角および俯角を係数とする超音波受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各超音波送信機毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得ることを特徴とする超音波による波浪計測方法。 - 海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪を計測する波浪計測システムであって、
所定海域の海面に係留された浮体と、この浮体下方の海底または海底近傍に少なくとも３箇所で配置された超音波送信機と、
上記浮体の海面下に設けられて上記超音波送信機からの超音波を受信し得る超音波受信機と、
上記各超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づきこれら各超音波送信機と上記超音波受信機との間の距離を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
上記各超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づきこれら各超音波送信機と上記超音波受信機との間の距離を求める距離演算部、この距離演算部で求められた各距離データに対してハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分をそれぞれ抽出する短周期変動成分抽出部、および上記超音波受信機の超音波送信機に対する方位角および俯角を係数とする超音波受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記短周期変動成分抽出部で抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各超音波送信機毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したことを特徴とする超音波による波浪計測システム。 - 海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪高さを計測する波浪計測方法であって、
所定海域の海面に係留された浮体の海面下に設けられた超音波送受信機から海中に超音波を発信して当該浮体下方の海底または海底近傍に配置された少なくとも３個の音波中継器からの超音波を受信し、
上記超音波送受信機から発信された超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき各音波中継器と超音波送受信機との間の距離を検出し、
この距離データにハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出し、
上記超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする超音波送受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得ることを特徴とする超音波による波浪計測方法。 - 海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪を計測する波浪計測システムであって、
所定海域の海面に係留された浮体と、この浮体の海面下に設けられて海中に超音波を発信し得るとともに海中からの超音波を受信し得る超音波送受信機と、上記浮体下方の海底または海底近傍に配置されて上記超音波送受信機からの超音波を受信して発信する少なくとも３個の音波中継器と、上記超音波送受信機から発信された超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき各音波中継器と超音波送受信機との間の距離を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
超音波送受信機による超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき音波中継器と超音波送受信機との距離を求める距離演算部、この距離演算部で求められた距離データに対してハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分を抽出する短周期変動成分抽出部、および上記超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする超音波送受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記短周期変動成分抽出部で抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したことを特徴とする超音波による波浪計測システム。 - 海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪高さを計測する波浪計測方法であって、
所定海域の海面に係留された浮体の海面下に設けられた超音波送受信機から当該浮体下方の海底または海底近傍に配置された少なくとも３個の音波中継器に超音波を発信し、
上記音波中継器にて中継された超音波および中継時刻を超音波送受信機で受信して当該音波中継器からの伝播時間に基づき各音波中継器と超音波送受信機との間の距離を検出し、
これら各距離データにハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出し、
上記超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする超音波送受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得ることを特徴とする超音波による波浪計測方法。 - 海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪を計測する波浪計測システムであって、
所定海域の海面に係留された浮体と、この浮体の海面下に設けられて海中に超音波を発信し得るとともに海中からの超音波を受信し得る超音波送受信機と、上記浮体下方の海面下に配置されて上記超音波送受信機からの超音波を中継して当該超音波および中継時刻を一緒に発信する少なくとも３個の音波中継器と、上記音波中継器から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づき各音波中継器と超音波送受信機との間の距離を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
上記音波中継器から発信された超音波および中継時刻を受信して当該音波中継器からの伝播時間に基づき音波中継器と超音波送受信機との距離を求める距離演算部、この距離演算部で求められた距離データに対してハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分を抽出する短周期変動成分抽出部、および上記超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする超音波送受信機の三次元座標軸の変位を未知数とする式が上記短周期変動成分抽出部で抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したことを特徴とする超音波による波浪計測システム。
Priority Applications (6)
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