JP5777049B2 - 超音波を用いた波浪計測方法および波浪計測システム - Google Patents

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。

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信し、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・係留された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、
所定海域の海面に浮遊・係留されるとともに上記浮体よりも大きくされて上記浮体よりも波浪の影響を受けないようにされた海洋構造物および上記浮体の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、上記海洋構造物の海面下に設けられた基準となる第１超音波受信機および上記浮体の海面下に設けられた観測用の第２超音波受信機にて受信し、
上記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上記超音波送信機と上記各超音波受信機との間の距離をそれぞれ求めるとともに、これら両距離データの差を求め、
上記求められた両距離データの差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、
上記第１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上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量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の超音波を用いた波浪計測システムは、海面に浮遊・係留された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システムであって、
所定海域の海面に浮遊・係留されるとともに上記浮体よりも大きくされて上記浮体よりも波浪の影響を受けないようにされた海洋構造物および上記浮体の下方にそれぞれ設けられた基準となる第１超音波受信機および観測用の第２超音波受信機と、
上記海洋構造物および浮体の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上記超音波送信機と上記各超音波受信機との間の距離を求め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上記超音波送信機と上記各超音波受信機との間の距離をそれぞれ求める距離演算部、この距離演算部で求められた両距離データの差を求める差演算部、この差演算部で求められた両距離データの差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する短周期変動成分抽出部、および上記第１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上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量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・係留された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、
所定海域の海面に浮遊・係留されるとともに上記浮体よりも大きくされて上記浮体よりも波浪の影響を受けないようにされた海洋構造物および上記浮体の海面下にそれぞれ設けられた基準となる第１超音波送受信機および観測用の第２超音波送受信機から海中に超音波を発信してこれらの下方の海底または海底近傍に少なくとも３箇所で配置された音波中継器からの超音波を上記各超音波送受信機にて受信し、
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上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離をそれぞれ求めるとともに、これら両距離データの差を求め、
上記求められた両距離データの差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、
上記第１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上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量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の超音波を用いた波浪計測システムは、海面に浮遊・係留された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システムであって、
所定海域の海面に浮遊・係留されるとともに上記浮体よりも大きくされて上記浮体よりも波浪の影響を受けないようにされた海洋構造物および上記浮体の下方にそれぞれ設けられた基準となる第１超音波送受信機および観測用の第２超音波送受信機と、
上記海洋構造物および浮体の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上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離を求め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上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離をそれぞれ求める距離演算部、この距離演算部で求められた両距離データの差を求める差演算部、この差演算部で求められた両距離データの差に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、および上記第１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上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量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の超音波を用いた波浪計測方法は、海面に浮遊・係留された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、
所定海域の海面に浮遊・係留されるとともに上記浮体よりも大きくされて上記浮体よりも波浪の影響を受けないようにされた海洋構造物および上記浮体の海面下にそれぞれ設けられた基準となる第１超音波送受信機および観測用の第２超音波送受信機から海中に超音波を発信し、
これら超音波送受信機の下方の海底または海底近傍に少なくとも３箇所で配置された音波中継器にて中継された超音波および中継時刻を上記各超音波送受信機にて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各超音波送受信機との間の距離をそれぞれ求めるとともに、これら両距離データの差を求め、
上記求められた両距離データの差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、
上記第１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上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量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３の超音波を用いた波浪計測システムは、海面に浮遊・係留された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システムであって、
所定海域の海面に浮遊・係留されるとともに上記浮体よりも大きくされて上記浮体よりも波浪の影響を受けないようにされた海洋構造物および浮体の下方にそれぞれ設けられた基準となる第１超音波送受信機および観測用の第２超音波送受信機と、
上記海洋構造物および浮体の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上記各音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離を求め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上記音波中継器と上記各超音波送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両距離データの差を求める差演算部、この差演算部で求められた両距離データの差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、および上記第１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上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量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海面に配置された海洋構造物および浮体の海面下にそれぞれ設けられた超音波受信機で受信して、超音波の伝播時間を検出することにより、海洋構造物および浮体と各超音波送信機との距離を求めるとともに、この求められた両距離データの差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、海面に配置された海洋構造物および浮体の海面下にそれぞれ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信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、海洋構造物および浮体と音波中継器との距離をそれぞれ求めるとともに、この求められた両距離データの差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、海面に配置された海洋構造物および浮体の海面下から海中に向けて超音波を発信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その発信時刻と一緒に海洋構造物および浮体に設けられた各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、海洋構造物および浮体と音波中継器との距離をそれぞれ求めるとともに、この求められた両距離データの差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（簡単に言えば、塩分濃度や海水温の変化による音速変化がもたらす誤差フリーの計測法である）、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。

本発明の実施例１に係る波浪計測システムの概略全体構成を示す図である。 同波浪計測システムにおける計測原理を説明する座標系を示す斜視図である。 同波浪計測システムにおける計測原理を説明する模式図である。 同波浪計測システムが用いられる海域での具体的機器配置状態を示す鳥瞰図である。 同波浪計測システムにおける波浪計測装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係る波浪計測システムの概略全体構成を示す図である。 同波浪計測システムにおける計測原理を説明する座標系を示す斜視図である。 同波浪計測システムにおける計測原理を説明する模式図である。 同波浪計測システムにおける波浪計測装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３に係る波浪計測システムの概略全体構成を示す図である。 同波浪計測システムにおける計測原理を説明する座標系を示す斜視図である。 同波浪計測システムにおける計測原理を説明する模式図である。 同波浪計測システムにおける波浪計測装置の概略構成を示すブロック図である。

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。

まず、本発明に係る波浪計測方法の原理を概略的に説明する。
この波浪計測方法は、所定海域に浮遊・係留されて海面の変動（変位）に追従する浮体の三次元位置を計測することにより、海面の変動量（変位量）つまり波浪高さを計測するもので、この変動量を超音波を用いて計測するようにしたものである。しかも、その計測に際しては、殆ど変動しない海洋構造物に設けられた基準用としての第１超音波受信機と波浪などにより変動する浮体に設けられた計測用つまり観測用の第２超音波受信機とを用いるとともに、これら両超音波受信機と海中または海底に配置された複数の超音波送信機との間の距離を超音波を用いて計測し、さらに両超音波受信機における座標位置同士を結ぶ相対変位ベクトルを考えるとともに、この相対変位ベクトルを変動が大きい短周期変動成分と変動が小さい長周期変動成分とに分け、この短周期変動成分を求めることにより、海面の変動すなわち波浪を計測するものである。

以下、この計測原理を用いた波浪計測システムについて説明する。
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（配置）されるとともに超音波を受信し得る基準用としての第１超音波受信機２が設けられた海洋構造物１と、同じく、大水深海域の海面で且つ上記海洋構造物１の近傍位置で浮遊・係留されるとともに超音波を受信し得る観測用としての第２超音波受信機４が設けられた浮体であるブイ３と、このブイ３の略真下、つまりブイ３と海洋構造物１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個の超音波送信機５と、この超音波送信機５で発信された超音波を上記両超音波受信機２，４で受信してブイ３の三次元位置つまりブイ３の変動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６とから構成されている。なお、上記各超音波受信機２，４は、海洋構造物１およびブイ３の下部、すなわち海面下（海中）に設けられている。また、上記各超音波送信機５の筒状容器本体５ａ内には超音波を発信する送信機本体が内蔵されている。なお、図４に、ブイ３および３個の超音波送信器（１，２，３）５の配置状態を具体的に示した海域の鳥瞰図を示す。

ところで、上記海洋構造物１は、ブイ３よりも大きい浮体構造物で、波浪の影響を受けにくいものである。なお、後述するが、この海洋構造物１は音波を計測する際に基準となる超音波受信機が設けられるもので、その位置が固定されるのが好ましく（変動が殆どない海中に配置された没水型の浮体に支持されるようにしてもよい）、したがって海底に支持されるものがよいが、海底に支持できない場合には、海面に浮遊・係留された海洋構造物１の位置を時々刻々検出し得るようにしておけばよい。

また、上記超音波送信機５は海底に投下された例えば錨７に索体８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５の位置は固定とみなしてよい。なお、超音波送信機５を直接海底に投下・設置してもよい。

簡単に言えば、海洋構造物１に設けられた殆ど変動しない第１超音波受信機２と波浪などにより変動するブイ３に設けられた第２超音波受信機４との間の距離を、超音波を用いて計測するようにしたものであり、以下、上記計測原理に基づく波浪計測装置６について説明する。

この波浪計測装置６は、海洋構造物１およびブイ３に設けられた各超音波受信機２，４と３個の超音波送信機５との距離を連続的に測定することによりブイ３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６は、超音波送信機５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６は陸上の基地局Ｋに配置されるため、超音波受信機２，４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６により求められる。勿論、海洋構造物１またはブイ３側に波浪計測装置６を配置するとともに、この波浪計測装置６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。

そして、この波浪計測方法では、海洋構造物１およびブイ３に設けられた各超音波受信機２，４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５との間の距離を超音波の伝播時間を用いて測定するが、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２，４と超音波送信機５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３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３の変動には、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、したがって基準となる海洋構造物１に対するブイ３の変動データから長周期変動成分を差し引くことにより、短周期変動成分を求め、そしてこの短周期変動成分の高さ方向分が波浪高さとして求められる。

以下、波浪高さを求める手順について詳しく説明する。
ここでは、図３に示すように、浮体構造物１に設けられている第１超音波受信機（０）を基準点Ｐ_０、ブイ３の所定位置に設けられている第２超音波受信機（１）２の設置位置を観測点Ｐ_１として、また超音波送信機５に付す部材番号をｉ（ｉ＝１，２，３）として説明する。

超音波送信機ｉ（ｉ＝１，２，３）と第２超音波受信機である観測点Ｐ_１との距離ρ_１ ^ｉは下記（１）式で求められ、また超音波送信機ｉと第１超音波受信機である基準点Ｐ_０との距離ρ_０ ^ｉは下記（２）式で求められる。

ここで、上記両距離データの差（受信機間一重差とも言える）をとると、下記（３）式が得られる。

ところで、超音波送信機ｉ、基準点Ｐ_０および観測点Ｐ_１は、図３に示すような位置関係にあり、ρ_０ ^ｉとρ_１ ^ｉとの距離に比べて、基準点Ｐ_０と観測点Ｐ_１との間の距離があまり大きくない場合には、上記（３）式の右辺を簡単にすることができる。

すなわち、基準点Ｐ_０と観測点Ｐ_１との相対変位ベクトルをΔ＊ｒ（＊は、後に続く記号がベクトルであることを示し、以下、同じ）とし、この相対変位ベクトルの成分を（Δｘ_０１，Δｙ_０１，Δｚ_０１）とすると、下記（４）式が得られる。この（４）式を上記（３）式に代入すると、下記（５）式が得られる。

なお、上記（５）式中の（ｅ_０，ｘ ^ｉ，ｅ_０，ｙ ^ｉ，ｅ_０，ｚ ^ｉ）は、基準点Ｐ_０から超音波送信機ｉに対する方向単位ベクトル（＊ｅ_０ ^ｉ）の三次元座標成分を表わしており、図３に示すように、基準点Ｐ_０から見た超音波送信機ｉの俯角θ_０ ^ｉおよび方位角ψ_０ ^ｉを用いると、下記（６）式のように表わされる。

したがって、俯角θ_０ ^ｉおよび方位角ψ_０ ^ｉを計測することにより、（ｅ_０，ｘ ^ｉ，ｅ_０，ｙ ^ｉ，ｅ_０，ｚ ^ｉ）は既知となる。なお、これらの角度θ_０ ^ｉ，ψ_０ ^ｉについては、ブイ３および超音波送信機ｉの設置時に計測することができる。

そして、上記（５）式を（３）式に代入すれば、下記（７）式が得られる。

なお、基準点Ｐ_０と観測点Ｐ_１との間の相対変位ベクトルΔ＊ｒ_０１を求めるのに、基準点Ｐ_０の絶対座標は不要である。

ここで、観測点Ｐ_１と基準点Ｐ_０との間の相対変位ベクトルΔ＊ｒ_０１（Δｘ_０１，Δｙ_０１，Δｚ_０１）を殆ど変動しない長周期変動成分Δ＊ｒ１_０１（Δｘ１_０１，Δｙ１_０１，Δｚ１_０１）と変動が大きい短周期変動成分Δ＊ｒ２_０１（Δｘ２_０１，Δｙ２_０１，Δｚ２_０１）とに分けると、下記（８）式のようになる。

なお、上述した「ｒ，ｘ，ｙ，ｚ」に続く数字の「１」は長周期変動成分を表わし、「ｒ，ｘ，ｙ，ｚ」に続く数字の「２」は短周期変動成分を表わし、また以下の式中、長周期変動成分（ｒ１，ｘ１，ｙ１，ｚ１）は「ハットｒ」で、また短周期変動成分（ｒ２，ｘ２，ｙ２，ｚ２）は「チルダｒ」で示す。また、「ρ」および「φ（後述する）」についても、同様に、「１」は長周期変動成分を、「２」は短周期変動成分を表わし、式中、長周期変動成分は「ハット」、短周期変動成分は「チルダ」で示す。

上記（８）式を（７）式に代入すると、下記（９）式が得られる。

また、（∇ρ）_０１ ^ｉの短周期変動成分を（∇ρ２）_０１ ^ｉとすると、下記（１０）式が得られる。

ここで、超音波送信器ｉと超音波受信機（０，１）との間の観測値（距離データ）をφ_０ ^ｉ，φ_１ ^ｉで表わすと、超音波送信機に起因する誤差が少ない場合には、下記（１１）式が成立する。なお、両距離データの差（∇φ）_０１ ^ｉの短周期変動成分を（∇φ２）_０１ ^ｉとする。

したがって、３個以上の超音波送信機により得られる距離データから３個以上の（∇φ２）_０１ ^ｉが得られれば、（１０）式より相対変位ベクトルの短周期変動成分Δ＊ｒ２_０１（Δｘ２_０１，Δｙ２_０１，Δｚ２_０１）を決定することができる。

そして、短周期変動成分（∇φ２）については、生の観測データ（φ_０，φ_１）の差（∇φ）にハイパスフィルタ処理を施す（ハイパスフィルタをかける）ことにより求められる。

したがって、３個の超音波送信機ｉにより、上記（１０）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方向単位ベクトルの３つのｘ，ｙ，ｚ成分のうち、鉛直方向のｚ成分が波浪高さに相当する。すなわち、基準点Ｐ_０および観測点Ｐ_１と海底の超音波送信機ｉとの間の観測データの差の短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉが分かれば、波浪高さが求まることになる。

ところで、基準点Ｐ_０および観測点Ｐ_１に設けられた超音波受信機と海底に設けられた超音波送信機ｉとの間の距離φ^ｉについては、超音波送信機ｉから発信された超音波が超音波受信機に到達するまでの伝播時間をｔ^ｉ、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（１２）式にて求められる。

φ^ｉ＝ｃ×ｔ^ｉ ・・・（12）
そして、上記（１２）式で表わされる距離データφ^ｉにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分φ１^ｉを除去することにより、短周期変動成分φ２^ｉが求められる。

なお、超音波送信機から発信されて超音波受信機で受信するまでの超音波の伝播時間を検出するのに、当然ながら、超音波受信機側で、超音波送信機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および超音波送信機にそれぞれ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、また超音波送信機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６を図５に基づき説明する。
この波浪計測装置６は、超音波送信機５から発信された超音波を第１および第２超音波受信機２，４で受信するまでの伝播時間ｔ_０ ^ｉ，ｔ_１ ^ｉを検出してブイ３と超音波送信機５との距離データφ_０ ^ｉ，φ_１ ^ｉを上記（１２）式に基づき演算する距離演算部１１と、この距離演算部で求められた両距離データの差（φ_０ ^ｉ−φ_１ ^ｉ）を求める差演算部１２と、この差演算部１２で求められた両距離データの差（∇φ）_０１ ^ｉにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分φ１_０ ^ｉ，φ１_１ ^ｉを除去して短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉを抽出する短周期変動成分抽出部１３と、この短周期変動成分抽出部１３で得られた短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉに基づき３個の超音波送信機５に対して三元一次方程式を作成する方程式作成部１４と、この方程式式作成部１４で得られた三元一次連立方程式を解く方程式解演算部１５とから構成されている。なお、少なくとも、距離演算部１１、差演算部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１５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。

次に、上記波浪計測装置６を用いて波浪高さを計測する方法を全体的な流れでもって説明する。
海底の超音波送信機５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３に設けられた超音波受信機２，４で受信されて、これら超音波受信機２，４と各超音波送信機５との伝播時間ｔ_０ ^ｉ，ｔ_１ ^ｉが検出されると、距離演算部１１にて超音波受信機２，４と超音波送信機５との距離データφ_０ ^ｉ，φ_１ ^ｉがそれぞれ求められ、そしてこれら両距離データφ_０ ^ｉ，φ_１ ^ｉが差演算部１２に入力されてその差（∇φ）_０１ ^ｉが求められる。

次に、上記差演算部１２で求められた差（∇φ）_０１ ^ｉが短周期変動成分抽出部１３に入力され、ここで、短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉが抽出される。
次に、この抽出された短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉが方程式作成部１４に入力されて３個の超音波送信機５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１５に入力されて、両超音波受信機２，４間における相対変位ベクトルの変位量である３つの未知数Δｘ_０１，Δｙ_０１，Δｚ_０１が求められ、その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海洋構造物およびブイの海面下に設けられた第１超音波受信機および第２超音波受信機でそれぞれ受信して、超音波の伝播時間を検出することにより、海洋構造物およびブイと超音波送信機との距離をそれぞれ求めるとともにこれら両距離データの差を求め、そしてこの両距離データの差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（簡単に言えば、塩分濃度や海水温の変化による音速変化がもたらす誤差フリーの計測法である）、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海洋構造物およびブイ（浮体）にそれぞれ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、海洋構造物およびブイの海面下にそれぞれ設けられた各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音波中継器（トランスポンダともいう）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。
まず、本発明に係る波浪計測方法の原理を概略的に説明する。
この波浪計測方法は、所定海域に浮遊・係留されて海面の変動（変位）に追従する浮体の三次元位置を計測することにより、海面の変動量（変位量）つまり波浪高さを計測するもので、この変動量を超音波を用いて計測するようにしたものである。しかも、その計測に際しては、殆ど変動しない海洋構造物に設けられた基準用としての第１超音波送受信機と波浪などにより変動する浮体に設けられた計測用つまり観測用の第２超音波送受信機とを用いるとともに、これら両超音波送受信機と海中または海底に配置された複数の音波中継器との間における各距離を超音波を用いて計測し、さらにその計測に際しては、両超音波送受信機における座標位置同士を結ぶ相対変位ベクトルを考えるとともに、この相対変位ベクトルを変動が大きい短周期変動成分と変動が小さい長周期変動成分とに分け、この短周期変動成分を求めることにより、海面の変動すなわち波浪を計測するものである。

以下、この計測原理を用いた波浪計測システムについて説明する。
この波浪計測システムは、図６〜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（配置）されるとともに超音波の送受信を行い得る基準用としての第１超音波送受信機２２が設けられた海洋構造物２１と、同じく、大水深海域の海面で且つ上記海洋構造物２１の近傍位置で浮遊・係留されるとともに超音波の送受信を行い得る観測用としての第２超音波送受信機２４が設けられた浮体であるブイ２３と、このブイ２３の略真下、つまりブイ２３と海洋構造物２１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個の音波中継器２５と、この音波中継器２５で発信された超音波を上記両超音波送受信機２２，２４で受信してブイ２３の三次元位置つまりブイ２３の変動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２６とから構成されている。なお、上記各超音波送受信機２２，２４は、海洋構造物２１およびブイ２３の下部、すなわち海面下（海中）に設けられている。また、上記各音波中継器２５の筒状容器本体２５ａ内には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発信する中継器本体が内蔵されている。

ところで、上記海洋構造物２１は、ブイ２３よりも大きい浮体構造物で、波浪の影響を受けにくいものである。なお、後述するが、この海洋構造物２１は音波を計測する際に基準となる超音波送受信機が設けられるもので、その位置が固定されるのが好ましく（変動が殆どない海中に配置された没水型の浮体に支持されるようにしてもよい）、したがって海底に支持されるものがよいが、海底に支持できない場合には、海面に浮遊・係留された海洋構造物２１の位置を時々刻々検出し得るようにしておけばよい。

また、上記音波中継器２５は海底に投下された例えば錨２７に索体２８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、音波中継器２５の位置は固定とみなしてよい。なお、音波中継器２５を直接海底に投下・設置してもよい。

簡単に言えば、海洋構造物２１に設けられた殆ど変動しない第１超音波送受信機２２と波浪などにより変動するブイ２３に設けられた第２超音波送受信機２４との間の距離を、超音波を用いて計測するようにしたものであり、以下、上記計測原理に基づく波浪計測装置２６について説明する。

この波浪計測装置２６は、海洋構造物２１およびブイ２３に設けられた各超音波送受信機２２，２４と３個の音波中継器２５との距離を連続的に測定することによりブイ２３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２６は、音波中継器２５からの超音波の受信データがあれば、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２６は陸上の基地局Ｋに配置されるため、超音波送受信機２２，２４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２６により求められる。勿論、海洋構造物２１またはブイ２３側に波浪計測装置２６を配置するとともに、この波浪計測装置２６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。

そして、この波浪計測方法では、海洋構造物２１およびブイ２３に設けられた各超音波送受信機２２，２４と大水深海域でしかも海底または海底近傍に配置した音波中継器２５との間の距離を超音波の伝播時間を用いて測定するが、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２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２２，２４と音波中継器２５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２３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２３の変動には、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、したがって基準となる海洋構造物２１に対するブイ２３の変動データから長周期変動成分を差し引くことにより、短周期変動成分を求め、そしてこの短周期変動成分の高さ方向分が波浪高さとして求められる。

以下、波浪高さを求める手順について詳しく説明する。
ここでは、図８に示すように、浮体構造物２１に設けられている第１超音波送受信機（０）を基準点Ｐ_０、ブイ２３の所定位置に設けられている第２超音波送受信機（１）の設置位置を観測点Ｐ_１として、また音波中継器２５に付す部材番号をｉ（ｉ＝１，２，３）として説明する。

音波中継器ｉ（ｉ＝１，２，３）と第２超音波送受信機である観測点Ｐ_１との距離ρ_１ ^ｉは下記（２１）式で求められ、また音波中継器ｉと第１超音波送受信機である基準点Ｐ_０との距離ρ_０ ^ｉは下記（２２）式で求められる。

ここで、上記両距離の差（送受信機間一重差に相当する）をとると、下記（２
３）式が得られる。

ところで、音波中継器ｉ、基準点Ｐ_０および観測点Ｐ_１は、図８に示すような位置関係にあり、ρ_０ ^ｉとρ_１ ^ｉとの距離に比べて、基準点Ｐ_０と観測点Ｐ_１との間の距離があまり大きくない場合には、上記（２３）式の右辺を簡単にすることができる。

すなわち、基準点Ｐ_０と観測点Ｐ_１との相対変位ベクトルをΔ＊ｒ（＊は、後に続く記号がベクトルであることを示し、以下、同じ）とし、この相対変位ベクトルの成分を（Δｘ_０１，Δｙ_０１，Δｚ_０１）とすると、下記（２４）式が得られる。（２４）式を上記（２３）式に代入すると、下記（２５）式が得られる。

なお、上記（２５）式中の（ｅ_０，ｘ ^ｉ，ｅ_０，ｙ ^ｉ，ｅ_０，ｚ ^ｉ）は、基準点Ｐ_０から音波中継器ｉに対する方向単位ベクトル（＊ｅ_０ ^ｉ）の三次元座標成分を表わしており、図７に示すように、基準点Ｐ_０から見た音波中継器ｉの俯角θ_０ ^ｉおよび方位角ψ_０ ^ｉを用いると、下記（２６）式のように表わされる。

したがって、俯角θ^ｉおよび方位角ψ^ｉを計測することにより、（ｅ_０，ｘ ^ｉ，ｅ_０，ｙ ^ｉ，ｅ_０，ｚ ^ｉ）は既知となる。なお、これらの角度θ_０ ^ｉ，ψ_０ ^ｉについては、ブイ２３および音波中継器ｉの設置時に計測することができる。

そして、上記（２５）式を（２３）式に代入すれば、下記（２７）式が得られる。

なお、基準点Ｐ_０と観測点Ｐ_１との間の相対変位ベクトルΔ＊ｒ_０１を求めるのに、基準点Ｐ_０の絶対座標は不要である。

ここで、基準点Ｐ_０と観測点Ｐ_１との間の相対変位ベクトルΔ＊ｒ_０１（Δｘ_０１，Δｙ_０１，Δｚ_０１）を殆ど変動しない長周期変動成分Δ＊ｒ１_０１（Δｘ１_０１，Δｙ１_０１，Δｚ１_０１）と変動が大きい短周期変動成分Δ＊ｒ２_０１（Δｘ２_０１，Δｙ２_０１，Δｚ２_０１）とに分けると、下記（２８）式のようになる。

なお、上述した「ｒ，ｘ，ｙ，ｚ」に続く数字の「１」は長周期変動成分を表わし、「ｒ，ｘ，ｙ，ｚ」に続く数字の「２」は短周期変動成分を表わしており、また以下の式中、長周期変動成分（ｒ１，ｘ１，ｙ１，ｚ１）は「ハットｒ」で、また短周期変動成分（ｒ２，ｘ２，ｙ２，ｚ２）は「チルダｒ」で示す。また、「ρ」および「φ（後述する）」についても、同様に、「１」は長周期変動成分を、「２」は短周期変動成分を表わし、式中では、長周期変動成分は「ハット」、短周期変動成分は「チルダ」で示す。

上記（２８）式を（２７）式に代入すると、下記（２９）式が得られる。

また、（∇ρ）_０１ ^ｉの短周期変動成分を（∇ρ２）_０１ ^ｉとすると、下記（３０）式が得られる。

ここで、音波中継器ｉと超音波送受信機（０，１）との間の観測値（距離データ）をφ_０ ^ｉ，φ_１ ^ｉで表わすと、音波中継器に起因する誤差が少ない場合には、下記（３１）式が成立する。なお、両距離データの差（∇φ）_０１ ^ｉの短周期変動成分を（∇φ２）_０１ ^ｉとする。

したがって、３個以上の音波中継器により得られる距離データから３個以上の（∇φ２）_０１ ^ｉが得られれば、（３０）式より相対変位ベクトルの短周期変動成分Δ＊ｒ２_０１（Δｘ２_０１，Δｙ２_０１，Δｚ２_０１）を決定することができる。

そして、短周期変動成分（∇φ２）については、生の観測データ（φ_０，φ_１）の差（∇φ）にハイパスフィルタ処理を施す（ハイパスフィルタをかける）ことにより求められる。

したがって、３個の音波中継器ｉにより、上記（３０）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方向単位ベクトルの３つのｘ，ｙ，ｚ成分のうち、鉛直方向のｚ成分が波浪高さに相当する。すなわち、基準点Ｐ_０および観測点Ｐ_１と海底の超音波送信機ｉとの間の観測データの差の短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉが分かれば、波浪高さが求まることになる。

ところで、基準点Ｐ_０および観測点Ｐ_１に設けられた超音波送受信機と海底に設けられた音波中継器ｉとの間の距離ρ^ｉについては、超音波送受信機から発信された超音波が音波中継器ｉを介して再び超音波送受信機に到達するまでの往復伝播時間をｔ^ｉ、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（３２）式にて求められる。

φ^ｉ＝ｃ×ｔ^ｉ／２・・・（32）
そして、上記（３２）式で表わされる距離データφ^ｉにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分φ１^ｉを除去することにより、短周期変動成分φ２^ｉ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２６を図９に基づき説明する。
この波浪計測装置２６は、第１および第２超音波送受信機２２，２４から発信（発射）された超音波を音波中継器２５を経由して第１および第２超音波送受信機２２，２４で受信するまでの往復伝播時間ｔ_０ ^ｉ，ｔ_１ ^ｉを検出してブイ２３と音波中継器２５との距離φ_０ ^ｉ，φ_１ ^ｉを上記（３２）式に基づき演算する距離演算部３１と、この距離演算部３１で求められた両距離データの差（φ_０ ^ｉ−φ_１ ^ｉ）を求める差演算部３２と、この差演算部３２で求められた両距離データの差（∇φ）_０１ｉにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分（∇φ１）_０１ ^ｉを除去して短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉを抽出する短周期変動成分抽出部３３と、この短周期変動成分抽出部３３で得られた短周期変動成分（∇φ２）_０１に基づき３個の音波中継器２５に対して三元一次方程式を作成する方程式作成部３４と、この方程式式作成部３４で得られた三元一次連立方程式を解く方程式解演算部３５とから構成されている。なお、少なくとも、距離演算部３１、差演算部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３５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。

次に、上記波浪計測装置２６を用いて波浪高さを計測する方法を全体的な流れでもって説明する。
海洋構造物２１およびブイ２３に設けられた第１および第２超音波送受信機２２，２４から海底の音波中継器２５に向けて発信された超音波が、この音波中継器２５にて中継されて上記両超音波送受信２２，２４で受信されて、その往復伝播時間ｔ_０ ^ｉ，ｔ_１ ^ｉが検出されると、距離演算部３１にて各超音波送受信機２２，２４と音波中継器２５との各距離データφ_０ ^ｉ，φ_１ ^ｉがそれぞれ求められ、そしてこれら両距離データφ_０ ^ｉ，φ_１ ^ｉが差演算部３２に入力されてその差（∇φ）_０１ ^ｉが求められる。

次に、上記差演算部３２で求められた差（∇φ）_０１ ^ｉが短周期変動成分抽出部３３に入力され、ここで、短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉが抽出される。
次に、この抽出された短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉが方程式作成部３４に入力されて３個の音波中継器２５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３５に入力されて、両超音波受信機２２，２４間における相対変位ベクトルの変位量である３つの未知数Δｘ_０１，Δｙ_０１，Δｚ_０１が求められ、その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、海洋構造物およびブイの海面下に設けられた第１超音波送受信機および第２超音波送受信機から海底または海底近傍に配置された音波中継器に向けて超音波を発信し、この音波中継器で中継された超音波を上記両超音波送受信機でそれぞれ受信して、超音波の往復伝播時間を検出することにより、海洋構造物およびブイと音波中継器との距離をそれぞれ求めるとともにこれら両距離データの差を求め、そしてこの両距離データの差にハイパスフィルタを施すことにより、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（簡単に言えば、塩分濃度や海水温の変化による音速変化がもたらす誤差フリーの計測法である）、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（浮体）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音波中継器（トランスポンダとも言う）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、音波中継器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。
まず、本発明に係る波浪計測方法の原理を概略的に説明する。
この波浪計測方法は、所定海域に浮遊・係留されて海面の変動（変位）に追従する浮体の三次元位置を計測することにより、海面の変動量（変位量）つまり波浪高さを計測するもので、この変動量を超音波を用いて計測するようにしたものである。しかも、その計測に際しては、殆ど変動しない海洋構造物に設けられた基準用としての第１超音波送受信機と波浪などにより変動する浮体に設けられた計測用つまり観測用の第２超音波送受信機とを用いるとともに、これら両超音波送受信機と海中または海底に配置された複数の音波中継器との間における各距離を超音波を用いて計測し、さらにその計測に際しては、両超音波送受信機における座標位置同士を結ぶ相対変位ベクトルを考えるとともに、この相対変位ベクトルを変動が大きい短周期変動成分と変動が小さい長周期変動成分とに分け、この短周期変動成分を求めることにより、海面の変動すなわち波浪を計測するものである。

以下、この計測原理を用いた波浪計測システムについて説明する。
この波浪計測システムは、図１０〜図１３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（配置）されるとともに超音波の送受信を行い得る基準用としての第１超音波送受信機４２が設けられた海洋構造物４１と、同じく、大水深海域の海面で且つ上記海洋構造物１の近傍位置で浮遊・係留されるとともに超音波の送受信を行い得る観測用としての第２超音波送受信機４４が設けられた浮体であるブイ４３と、このブイ４３の略真下、つまりブイ４３と海洋構造物２１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個の音波中継器４５と、この音波中継器４５で発信された超音波を上記両超音波送受信機４２，４４で受信してブイ４３の三次元位置つまりブイ４３の変動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４６とから構成されている。なお、上記各超音波送受信機４２，４４は、海洋構造物４１およびブイ４３の下部、すなわち海面下（海中）に設けられている。また、上記各音波中継器４５の筒状容器本体４５ａ内には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発信する中継器本体が内蔵されている。

そして、この音波中継器４５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４２,４４側にも、音波中継器４５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、上記海洋構造物４１は、ブイ４３よりも大きい浮体構造物で、波浪の影響を受けにくいものである。なお、後述するが、この海洋構造物４１は音波を計測する際に基準となる超音波送受信機が設けられるもので、その位置が固定されるのが好ましく（変動が殆どない海中に配置された没水型の浮体に支持されるようにしてもよい）、したがって海底に支持されるものがよいが、海底に支持できない場合には、海面に浮遊・係留された海洋構造物４１の位置を時々刻々検出し得るようにしておけばよい。

また、上記音波中継器４５は海底に投下された例えば錨４７に索体４８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、音波中継器４５の位置は固定とみなしてよい。なお、音波中継器４５を直接海底に投下・設置してもよい。

簡単に言えば、海洋構造物４１に設けられた殆ど変動しない第１超音波送受信機４２と波浪などにより変動するブイ４３に設けられた第２超音波送受信機４４との間の距離を、超音波を用いて計測するようにしたものであり、以下、上記計測原理に基づく波浪計測装置４６について説明する。

この波浪計測装置４６は、海洋構造物４１およびブイ４３に設けられた各超音波送受信機４２，４４と３個の音波中継器４５との距離を連続的に測定することによりブイ４３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４６は、音波中継器４５からの超音波の受信データがあれば、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４６は陸上の基地局Ｋに配置されるため、超音波送受信機４２，４４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４６により求められる。勿論、海洋構造物４１またはブイ４３側に波浪計測装置４６を配置するとともに、この波浪計測装置４６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。

そして、この波浪計測方法では、海洋構造物４１およびブイ４３に設けられた各超音波送受信機４２，４４と大水深海域でしかも海底または海底近傍に配置した音波中継器４５との間の距離を超音波の伝播時間を用いて測定するが、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３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４２，４４と音波中継器４５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４３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４３の変動には、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、したがって基準となる海洋構造物４１に対するブイ４３の変動データから長周期変動成分を差し引くことにより、短周期変動成分を求め、そしてこの短周期変動成分の高さ方向分が波浪高さとして求められる。

以下、波浪高さを求める手順について詳しく説明する。
ここでは、図１２に示すように、浮体構造物４１に設けられている第１超音波送受信機（０）を基準点Ｐ_０、ブイ４３の所定位置に設けられている第２超音波送受信機（１）の設置位置を観測点Ｐ_１として、また音波中継器４５に付す部材番号をｉ（ｉ＝１，２，３）として説明する。

音波中継器ｉ（ｉ＝１，２，３）と第２超音波送受信機である観測点Ｐ_１との距離ρ_１ ^ｉは下記（４１）式で求められ、また音波中継器ｉと第１超音波送受信機である基準点Ｐ_０との距離ρ_０ ^ｉは下記（４２）式で求められる。

ここで、上記両距離の差（送受信機間一重差に相当する）をとると、下記（４
３）式が得られる。

ところで、音波中継器ｉ、基準点Ｐ_０および観測点Ｐ_１は、図１２に示すような位置関係にあり、ρ_０ ^ｉとρ_１ ^ｉとの距離に比べて、基準点Ｐ_０と観測点Ｐ_１との間の距離があまり大きくない場合には、上記（４３）式の右辺を簡単にすることができる。

すなわち、基準点Ｐ_０と観測点Ｐ_１との相対変位ベクトルをΔ＊ｒ（＊は、後に続く記号がベクトルであることを示し、以下、同じ）とし、この相対変位ベクトルの成分を（Δｘ_０１，Δｙ_０１，Δｚ_０１）とすると、下記（４４）式が得られる。（４４）式を上記（４３）式に代入すると、下記（４５）式が得られる。

なお、上記（４５）式中の（ｅ_０，ｘ ^ｉ，ｅ_０，ｙ ^ｉ，ｅ_０，ｚ ^ｉ）は、基準点Ｐ_０から音波中継器ｉに対する方向単位ベクトル（＊ｅ_０ ^ｉ）の三次元座標成分を表わしており、図１１に示すように、基準点Ｐ_０から見た音波中継器ｉの俯角θ_０ ^ｉおよび方位角ψ_０ ^ｉを用いると、下記（４６）式のように表わされる。

したがって、俯角θ^ｉおよび方位角ψ^ｉを計測することにより、（ｅ_０，ｘ ^ｉ，ｅ_０，ｙ ^ｉ，ｅ_０，ｚ ^ｉ）は既知となる。なお、これらの角度θ_０ ^ｉ，ψ_０ ^ｉについては、ブイ４３および音波中継器ｉの設置時に計測することができる。

そして、上記（４５）式を（４３）式に代入すれば、下記（４７）式が得られる。

なお、基準点Ｐ_０と観測点Ｐ_１との間の相対変位ベクトルΔ＊ｒ_０１を求めるのに、基準点Ｐ_０の絶対座標は不要である。

ここで、基準点Ｐ_０と観測点Ｐ_１との間の相対変位ベクトルΔ＊ｒ_０１（Δｘ_０１，Δｙ_０１，Δｚ_０１）を殆ど変動しない長周期変動成分Δ＊ｒ１_０１（Δｘ１_０１，Δｙ１_０１，Δｚ１_０１）と変動が大きい短周期変動成分Δ＊ｒ２_０１（Δｘ２_０１，Δｙ２_０１，Δｚ２_０１）とに分けると、下記（４８）式のようになる。

なお、上述した「ｒ，ｘ，ｙ，ｚ」に続く数字の「１」は長周期変動成分を表わし、「ｒ，ｘ，ｙ，ｚ」に続く数字の「２」は短周期変動成分を表わしており、また以下の式中、長周期変動成分（ｒ１，ｘ１，ｙ１，ｚ１）は「ハットｒ」で、また短周期変動成分（ｒ２，ｘ２，ｙ２，ｚ２）は「チルダｒ」で示す。また、「ρ」および「φ（後述する）」についても、同様に、「１」は長周期変動成分を、「２」は短周期変動成分を表わし、式中では、長周期変動成分は「ハット」、短周期変動成分は「チルダ」で示す。

上記（４８）式を（４７）式に代入すると、下記（４９）式が得られる。

また、（∇ρ）_０１ ^ｉの短周期変動成分を（∇ρ２）_０１ ^ｉとすると、下記（５０）式が得られる。

ここで、音波中継器ｉと超音波送受信機（０，１）との間の観測値（距離データ）をφ_０ ^ｉ，φ_１ ^ｉで表わすと、音波中継器に起因する誤差が少ない場合には、下記（５１）式が成立する。なお、両距離データの差（∇φ）_０１ ^ｉの短周期変動成分を（∇φ２）_０１ ^ｉとする。

したがって、３個以上の音波中継器により得られる距離データから３個以上の（∇φ２）_０１ ^ｉが得られれば、（５０）式より相対変位ベクトルの短周期変動成分Δ＊ｒ２_０１（Δｘ２_０１，Δｙ２_０１，Δｚ２_０１）を決定することができる。

そして、短周期変動成分（∇φ２）については、生の観測データ（φ_０，φ_１）の差（∇φ）にハイパスフィルタ処理を施す（ハイパスフィルタをかける）ことにより求められる。

したがって、３個の音波中継器ｉにより、上記（５０）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方向単位ベクトルの３つのｘ，ｙ，ｚ成分のうち、鉛直方向のｚ成分が波浪高さに相当する。すなわち、基準点Ｐ_０および観測点Ｐ_１と海底の超音波送信機ｉとの間の観測データの差の短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉが分かれば、波浪高さが求まることになる。

ところで、基準点Ｐ_０および観測点Ｐ_１に設けられた超音波送受信機と海底に設けられた音波中継器ｉとの間の距離ρ^ｉについては、音波中継器ｉから発信された超音波が超音波送受信機に到達するまでの片道伝播時間をｔ^ｉ、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（５２）式にて求められる。

φ^ｉ＝ｃ×ｔ^ｉ・・・（52）
そして、上記（５２）式で表わされる距離データφ^ｉにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分φ１^ｉを除去することにより、短周期変動成分φ２^ｉ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４６を図１３に基づき説明する。
この波浪計測装置４６は、第１および第２超音波送受信機４２，４４から発信（発射）された超音波を音波中継器４５を経由して第１および第２超音波送受信機４２，４４で受信するまでの片道伝播時間ｔ_０ ^ｉ，ｔ_１ ^ｉを検出してブイ４３と音波中継器４５との距離φ_０ ^ｉ，φ_１ ^ｉを上記（５２）式に基づき演算する距離演算部５１と、この距離演算部５１で求められた両距離データの差（φ_０ ^ｉ−φ_１ ^ｉ）を求める差演算部５２と、この差演算部５２で求められた両距離データの差（∇φ）_０１ｉにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分（∇φ１）_０１ ^ｉを除去して短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉを抽出する短周期変動成分抽出部５３と、この短周期変動成分抽出部５３で得られた短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉに基づき３個の音波中継器４５に対して三元一次方程式を作成する方程式作成部５４と、この方程式式作成部５４で得られた三元一次連立方程式を解く方程式解演算部５５とから構成されている。なお、少なくとも、距離演算部５１、差演算部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５５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。

次に、上記波浪計測装置４６を用いて波浪高さを計測する方法を全体的な流れでもって説明する。
海洋構造物４１およびブイ４３に設けられた第１および第２超音波送受信機４２，４４から海底の音波中継器４５に向けて発信された超音波が、この音波中継器４５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。

この超音波は上記両超音波送受信４２，４４で受信されて、その片道伝播時間ｔ_０ ^ｉ，ｔ_１ ^ｉが検出されると、距離演算部５１にて各超音波送受信機４２，４４と音波中継器４５との各距離データφ_０ ^ｉ，φ_１ ^ｉがそれぞれ求められ、そしてこれら両距離データφ_０ ^ｉ，φ_１ ^ｉが差演算部５２に入力されてその差（∇φ）_０１ ^ｉが求められる。

次に、上記差演算部５２で求められた差（∇φ）_０１ ^ｉが短周期変動成分抽出部５３に入力され、ここで、短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉが抽出される。
次に、この抽出された短周期変動成分（∇φ２）_０１ ^ｉが方程式作成部５４に入力されて３個の音波中継器４５に対して上記（４５）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５５に入力されて、両超音波受信機４２，４４間における相対変位ベクトルの変位量である３つの未知数Δｘ_０１，Δｙ_０１，Δｚ_０１が求められ、その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、海面に配置された海洋構造物および浮体の海面下から海中に向けて超音波を発信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その発信時刻と一緒に海洋構造物および浮体に設けられた各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、海洋構造物および浮体と音波中継器との距離をそれぞれ求めるとともに、この求められた両距離データの差にハイパスフィルタを施すことにより、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（簡単に言えば、塩分濃度や海水温の変化による音速変化がもたらす誤差フリーの計測法である）、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信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。

１ 海洋構造物
２ 第１超音波受信機
３ ブイ（浮体）
４ 第２超音波受信機
５ 超音波送信機
６ 波浪計測装置
１１ 距離演算部
１２ 差演算部
１３ 短周期変動成分抽出部
１４ 方程式作成部
１５ 方程式解演算部
２１ 海洋構造物
２２ 第１超音波送受信機
２３ ブイ（浮体）
２４ 第２超音波送受信機
２５ 音波中継器
２６ 波浪計測装置
３１ 距離演算部
３２ 差演算部
３３ 短周期変動成分抽出部
３４ 方程式作成部
３５ 方程式解演算部
４１ 海洋構造物
４２ 第１超音波送受信機
４３ ブイ（浮体）
４４ 第２超音波送受信機
４５ 音波中継器
４６ 波浪計測装置
５１ 距離演算部
５２ 差演算部
５３ 短周期変動成分抽出部
５４ 方程式作成部
５５ 方程式解演算部

Claims (6)

1. 海面に浮遊・係留された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、
   所定海域の海面に浮遊・係留されるとともに上記浮体よりも大きくされて上記浮体よりも波浪の影響を受けないようにされた海洋構造物および上記浮体の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、上記海洋構造物の海面下に設けられた基準となる第１超音波受信機および上記浮体の海面下に設けられた観測用の第２超音波受信機にて受信し、
   上記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上記超音波送信機と上記各超音波受信機との間の距離をそれぞれ求めるとともに、これら両距離データの差を求め、
   上記求められた両距離データの差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、
   上記第１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上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量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を用いた波浪計測方法。
2. 海面に浮遊・係留された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システムであって、
   所定海域の海面に浮遊・係留されるとともに上記浮体よりも大きくされて上記浮体よりも波浪の影響を受けないようにされた海洋構造物および上記浮体の下方にそれぞれ設けられた基準となる第１超音波受信機および観測用の第２超音波受信機と、
   上記海洋構造物および浮体の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上記超音波送信機と上記各超音波受信機との間の距離を求め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上記超音波送信機と上記各超音波受信機との間の距離をそれぞれ求める距離演算部、この距離演算部で求められた両距離データの差を求める差演算部、この差演算部で求められた両距離データの差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する短周期変動成分抽出部、および上記第１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上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量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を用いた波浪計測システム。
3. 海面に浮遊・係留された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、
   所定海域の海面に浮遊・係留されるとともに上記浮体よりも大きくされて上記浮体よりも波浪の影響を受けないようにされた海洋構造物および上記浮体の海面下にそれぞれ設けられた基準となる第１超音波送受信機および観測用の第２超音波送受信機から海中に超音波を発信してこれらの下方の海底または海底近傍に少なくとも３箇所で配置された音波中継器からの超音波を上記各超音波送受信機にて受信し、
   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上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離をそれぞれ求めるとともに、これら両距離データの差を求め、
   上記求められた両距離データの差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、
   上記第１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上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量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を用いた波浪計測方法。
4. 海面に浮遊・係留された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システムであって、
   所定海域の海面に浮遊・係留されるとともに上記浮体よりも大きくされて上記浮体よりも波浪の影響を受けないようにされた海洋構造物および上記浮体の下方にそれぞれ設けられた基準となる第１超音波送受信機および観測用の第２超音波送受信機と、
   上記海洋構造物および浮体の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上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離を求め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上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離をそれぞれ求める距離演算部、この距離演算部で求められた両距離データの差を求める差演算部、この差演算部で求められた両距離データの差に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、および上記第１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上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量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を用いた波浪計測システム。
5. 海面に浮遊・係留された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、
   所定海域の海面に浮遊・係留されるとともに上記浮体よりも大きくされて上記浮体よりも波浪の影響を受けないようにされた海洋構造物および上記浮体の海面下にそれぞれ設けられた基準となる第１超音波送受信機および観測用の第２超音波送受信機から海中に超音波を発信し、
   これら超音波送受信機の下方の海底または海底近傍に少なくとも３箇所で配置された音波中継器にて中継された超音波および中継時刻を上記各超音波送受信機にて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各超音波送受信機との間の距離をそれぞれ求めるとともに、これら両距離データの差を求め、
   上記求められた両距離データの差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、
   上記第１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上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量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を用いた波浪計測方法。
6. 海面に浮遊・係留された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システムであって、
   所定海域の海面に浮遊・係留されるとともに上記浮体よりも大きくされて上記浮体よりも波浪の影響を受けないようにされた海洋構造物および浮体の下方にそれぞれ設けられた基準となる第１超音波送受信機および観測用の第２超音波送受信機と、
   上記海洋構造物および浮体の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上記各音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離を求め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上記音波中継器と上記各超音波送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両距離データの差を求める差演算部、この差演算部で求められた両距離データの差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、および上記第１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上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量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を用いた波浪計測システム。

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