JP6420136B2

JP6420136B2 - 波高算出装置

Info

Publication number: JP6420136B2
Application number: JP2014257338A
Authority: JP
Inventors: 敏志川浪; 健介井芹; 亮祐森垣; 祐也燒山
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: JP2016118432A

Description

本発明は、水面に生じる波の高さを算出する波高算出装置に関する。

従来より、海上を航行する船舶にとって重要な海象情報である波高（波の高さ）を算出可能な波高算出装置が知られている。この波高算出装置を使用する際、まず、ユーザの目視によって海上における波高Ｈ（有義波高）が推定され、当該波高Ｈが波高算出装置に入力される。次に、この波高算出装置では、所定領域における波のエコー画像から得られる波のエコー強度Ｃに基づく値（以下で示す例の場合、√Ｃ）と前記波高Ｈとの比例関係に基づき、以下の式（１）を用いて比例定数ａが算出される。そして、このように比例定数ａが算出された後、この波高算出装置では、波高を算出したい所望領域（例えば、予め設定された所定領域）のエコー強度Ｃと比例定数ａとを用いて、式（１）により、前記所望領域の波高Ｈが算出される。

［数１］
Ｈ＝ａ√Ｃ…（１）

なお、有義波とは、非特許文献１に記載されるように、ある地点で連続する波を観測したとき、波高の高さが、観測された波の数を母数とした上位３分の１に含まれる波（例えば２０分間で１００個の波が観測されれば、大きい方の３３個の波）のことである。また、有義波高とは、有義波の波高を平均したものである。一般的に、上述のように定義される有義波高は、目視で監視される波高と概ね一致することが知られている。

金沢地方気象台、「お天気まめ知識」、［online］、［平成２６年１１月２７日検索］、インターネット〈http://www.jma-net.go.jp/kanazawa/mame/nami/nami.html〉

ところで、既知の波高算出装置によって波高を算出するためには、上述のようにユーザが目視によって波高Ｈを推測し、且つその波高Ｈを波高算出装置に入力する必要があるため、手間がかかる。しかも、波高Ｈを推測するユーザによって当該波高Ｈの推測値は異なるため、正確な波高Ｈ（有義波高）を推測できない場合がある。そうすると、上述した比例定数ａにもばらつきが生じるため、所望領域における正確な波高Ｈを算出できなくなってしまう。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、ユーザの手間を省き且つ属人的な要素を排除して、正確に水面の波高を算出することである。

（１）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る波高算出装置は、水面に生じる波の高さである波高を算出する波高算出装置であって、前記波の周期、及び前記水面の上方の風速としての水上風速、の少なくとも一方に基づいて、前記波の有義波高を算出する有義波高算出部と、前記波で反射して帰来する反射波から得られるエコーのエコー強度と、前記有義波高算出部で算出された前記有義波高とに基づいて、前記エコー強度に基づく値と前記波高との関係を示す比例定数を算出する比例定数算出部と、前記比例定数算出部で算出された前記比例定数を記憶する記憶部と、前記記憶部で記憶されている前記比例定数と前記エコー強度とに基づいて前記波高を算出する波高算出部と、を備えている。

（２）好ましくは、前記有義波高算出部は、複数のタイミングで前記有義波高を算出し、前記記憶部では、各前記有義波高に基づいて算出された各前記比例定数のうち直近のタイミングで算出された比例定数が記憶される。

（３）更に好ましくは、前記有義波高算出部は、気象状況が所定状態になることを条件として、前記有義波高を算出する。

（４）更に好ましくは、前記有義波高算出部は、前記気象状況としての前記水上風速が所定値以上となることを条件として、前記有義波高を算出する。

（５）好ましくは、前記波高算出装置は、前記波の周期を周波数解析によって算出する周波数解析部、を更に備えている。

（６）好ましくは、前記波高算出装置は、前記水上風速を計測する風速計を更に備え、前記有義波高算出部は、前記風速計によって計測された前記水上風速に基づいて、前記有義波高を算出する。

（７）更に好ましくは、前記有義波高算出部は、前記風速計によって計測された複数のタイミングでの前記水上風速の平均値に基づいて前記有義波高を算出する。

本発明によれば、ユーザの手間を省き且つ属人的な要素を排除して、正確に水面の波高を算出できる。

本発明の実施形態に係る波高算出装置のブロック図である。図１に示す波高算出装置の波高算出処理部のブロック図である。図２に示す画像生成部で生成されるエコー画像の一例を模式的に示す図である。変形例に係る波高算出装置の波高算出処理部のブロック図である。変形例に係る波高算出装置の波高算出処理部のブロック図である。変形例に係る波高算出装置の波高算出処理部のブロック図である。変形例に係る波高算出装置の波高算出処理部のブロック図である。

以下、本発明に係る波高算出装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。本発明は、水面に生じる波の高さを算出する波高算出装置として広く適用することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る波高算出装置１のブロック図である。本実施形態の波高算出装置１は、例えば、漁船等の船舶としての自船に備えられている。この波高算出装置１によれば、海面（水面）に生じる波の高さ（波高）を算出することができる。

図１に示すように、波高算出装置１は、アンテナユニット２と、風速計３と、波高算出処理部１０と、表示器４と、を備えている。

アンテナユニット２は、アンテナ５と、受信部６と、Ａ／Ｄ変換部７と、を含んでいる。

アンテナ５は、指向性の強いパルス状電波を送信可能なレーダアンテナである。また、アンテナ５は、物標（本実施形態の場合、波）からの反射波であるエコー信号を受信するように構成されている。即ち、物標のエコー信号は、アンテナ５からの送信信号に対する、物標での反射波である。波高算出装置１は、パルス状電波を送信してからエコー信号を受信するまでの時間を測定する。これにより、波高算出装置１は、物標までの距離ｒを検出することができる。アンテナ５は、水平面上で３６０°回転可能に構成されている。アンテナ５は、パルス状電波の送信方向を変えながら（アンテナ角度を変えながら）、電波の送受信を繰り返し行うように構成されている。以上の構成で、波高算出装置１は、自船周囲の平面上の物標を、３６０°にわたり探知することができる。

なお、以下の説明では、パルス状電波を送信してから次のパルス状電波を送信するまでの動作を「スイープ」という。また、電波の送受信を行いながらアンテナを３６０°回転させる動作を「スキャン」と呼ぶ。

受信部６は、アンテナ５で受信したエコー信号を検波して増幅する。受信部６は、増幅したエコー信号を、Ａ／Ｄ変換部７へ出力する。Ａ／Ｄ変換部７は、アナログ形式のエコー信号をサンプリングし、複数ビットからなるデジタルデータ（エコーデータ）に変換する。ここで、上記エコーデータは、アンテナ５が受信したエコー信号の強度（信号レベル）を特定するデータを含んでいる。Ａ／Ｄ変換部７は、エコーデータを、波高算出処理部１０へ出力する。

風速計３は、海上の風速（海上風速、水上風速）を計測するものであって、自船に装備されている。本実施形態の風速計３では、海上１０メートル付近の風速が計測される。風速計３は、計測された風速に関するデータを、波高算出処理部１０へ出力する。なお、本実施形態の風速計３で計測される風速の単位は、メートル毎秒（ｍ／ｓ）である。

波高算出処理部１０は、アンテナユニット２から出力されたエコーデータと、風速計３から出力された風速に関するデータとに基づき、海面に生じる波の高さ（波高）を算出する。波高算出処理部１０は、算出した波高に関するデータを、表示器４へ出力する。波高算出処理部１０の構成及び動作については、詳しくは後述する。

表示器４では、波高算出処理部１０から出力された波高に関するデータが表示される。これにより、ユーザは、海上の波高を知ることができる。

［波高算出処理部の構成］
図２は、図１に示す波高算出装置１の波高算出処理部１０の構成を示すブロック図である。波高算出処理部１０は、上述のように、アンテナユニット２からのエコーデータと、風速計３からの風速に関するデータとに基づき、波高を算出するように構成されている。

波高算出処理部１０は、画像生成部１１と、平均風速算出部１２と、解析領域設定部１３と、周波数解析部１４と、エコー強度算出部１５と、有義波周期算出部１６と、有義波高算出部１７と、比例定数算出部１８と、記憶部１９と、波高算出部２０と、を有している。

図３は、画像生成部１１によって生成されるエコー画像Ｐの一例を模式的に示す図である。画像生成部１１は、アンテナユニット２から出力されたエコーデータに基づき、エコー画像Ｐを生成する。エコー画像Ｐは、アンテナ５が３６０°回転する毎に（すなわち、スキャン毎に）生成される。なお、図３に示す例では、波峰線が比較的はっきりと映っている例を示している。

平均風速算出部１２は、風速計３によって複数のタイミングで計測された風速の平均値を算出することにより、平均風速Ｕ_１０を算出する。平均風速算出部１２は、このようにして算出した平均風速Ｕ_１０を、有義波高算出部１７に通知する。

解析領域設定部１３は、エコー画像Ｐに対して解析領域Ｒを設定する。この解析領域Ｒは、ユーザによって随時、設定されてもよく、或いは、装置の出荷時において予め設定されていてもよい。本実施形態では、例えば一例として、図３に示すように解析領域Ｒが自船の前方に設定される。なお、解析領域Ｒが設定される領域は、自船後方以外の領域が好ましい。これは、自船後方の領域では、自船の引き波により正確な波浪解析が困難となるためである。

周波数解析部１４は、スキャン毎に得られる、解析領域Ｒ内のエコー画像である解析領域内エコー画像、をフーリエ変換し、周波数スペクトルＳ（ｆ）を算出する。

エコー強度算出部１５は、解析領域内エコー画像から得られた周波数スペクトルＳ（ｆ）に基づき、以下の式（２）を用いて、解析領域Ｒにおける０次モーメントｍ_０（すなわち、解析領域Ｒにおけるエコー強度Ｃ）を算出する。エコー強度算出部１５は、算出したエコー強度Ｃを、比例定数算出部１８、及び波高算出部２０へ出力する。

有義波周期算出部１６は、周波数解析部１４で得られた周波数スペクトルＳ（ｆ）に基づき、上述した式（２）と、以下の式（３）から式（５）を用いて、有義波周期Ｔ_１／３を算出する。

［数４］
Ｔ_０１＝ｍ_０／ｍ_１ … （４）

［数５］
Ｔ_１／３＝１．１９Ｔ_０１ … （５）

ただし、Ｔ_０１は、解析領域Ｒに含まれる波の平均周期である。また、式（５）における平均周期Ｔ_０１の係数（１．１９）は、経験的な換算係数である。

有義波高算出部１７は、有義波周期算出部１６によって算出された有義波周期Ｔ_１／３と、平均風速算出部１２によって算出された平均風速とに基づき、以下の式（６）を用いて有義波高Ｈ_１／３を算出する。なお、式（６）は、鳥羽の３／２乗則と呼ばれる式である。有義波高算出部１７は、算出した有義波高Ｈ_１／３を、比例定数算出部１８へ通知する。

ここで、ｕ_＊は風の摩擦速度であり、Ｃ_Ｄ ^１／２・Ｕ_１０と表すことができる。また、Ｃ_Ｄは、海面摩擦係数であり、平均風速Ｕ_１０の値に応じて異なる式を用いて表すことができる。具体的には、Ｕ_１０≧８のときには、Ｃ_Ｄは、（０．５８１＋０．０６３Ｕ_１０）×１０^−３、と表すことができる。一方、Ｕ_１０＜８のときには、Ｃ_Ｄは、（１．２９０−０．０２４Ｕ_１０）×１０^−３、と表すことができる。

但し、有義波高算出部１７は、平均風速Ｕ_１０が所定の閾値以下の場合には、有義波高Ｈ_１／３を算出しない。その理由は、以下の通りである。具体的には、平均風速Ｕ_１０が小さいと波が低くなり、正確な有義波高Ｈ_１／３を算出するのに十分な強度を有する反射波を得ることができないためである。

比例定数算出部１８は、エコー強度算出部１５からのエコー強度Ｃ（＝ｍ_０）と、有義波高算出部１７からの有義波高Ｈ_１／３とに基づき、以下の式（７）を用いて、エコー強度Ｃに基づく値（√Ｃ）と有義波高Ｈ_１／３との関係を示す比例定数ａを算出する。比例定数算出部１８は、算出した比例定数ａを記憶部１９へ通知する。但し、比例定数算出部１８は、有義波高算出部１７で有義波高Ｈ_１／３が算出されなかった場合、比例定数ａを算出しない。

［数７］
ａ＝Ｈ_１／３／√Ｃ … （７）

記憶部１９は、比例定数算出部１８から通知された比例定数ａを記憶する。具体的には、記憶部１９は、比例定数算出部１８から比例定数ａが通知されると、それまで記憶していた比例定数ａを、新たに通知された比例定数ａに置き換えて記憶する。これにより、記憶部１９には、直近のタイミングで算出された比例定数ａのみが記憶される。

波高算出部２０は、エコー強度算出部１５で算出されたエコー強度Ｃと、記憶部１９で記憶されている比例定数ａとに基づき、以下の式（８）を用いて波高Ｈを算出する。このように算出された波高Ｈは、表示器４に通知される。

［数８］
Ｈ＝ａ√Ｃ … （８）

［効果］
以上のように、本実施形態に係る波高算出装置１では、海上の波で反射して帰来するエコーのエコー強度と有義波高算出部１７で算出される有義波高Ｈ_１／３とに基づき、エコー強度に基づく値と波高との関係を示す比例定数ａを自動的に求めることができる。そして、波高算出装置１では、自動的に求められた比例定数ａと波のエコー強度とに基づいて、波高が自動的に算出される。すなわち、波高算出装置１によれば、比例定数ａを求めるためにユーザが目視で有義波高Ｈ_１／３を推測する必要がなくなるため、波高を推測するユーザによって波高の推測値がばらつくことを防止できる。しかも、波高算出装置１によれば、有義波高の推測値を装置へ入力する必要がなくなるため、ユーザの手間を省くことができる。

従って、波高算出装置１によれば、ユーザの手間を省き且つ属人的な要素を排除して、正確に水面の波高を算出できる。

また、波高算出装置１では、直近のタイミングで算出された比例定数ａに基づいて波高Ｈが算出される。すなわち、波高算出装置１では、最新の気象状況時に算出された比例定数ａに基づいて波高Ｈが算出されるため、波高Ｈに関する情報を正確に且つリアルタイムで得ることができる。

また、波高算出装置１では、気象状況が所定状態になることを条件として、前記有義波高Ｈ_１／３を算出している。こうすると、比例定数ａの算出に適した気象状況のときに比例定数ａを算出することができるため、比例定数算出部１８によって算出される比例定数ａの値の信頼性を高めることができる。これにより、当該比例定数ａに基づいて算出される波高Ｈの値の信頼性を高めることができる。

また、波高算出装置１では、海上風速が所定値以上（本実施形態の場合、８［ｍ／ｓ］以上）となることを条件として、有義波高Ｈ_１／３が算出される。一般的に、風速が小さく波高が低い場合には、エコー画像による波峰線の識別が難しくなるため、有義波周期算出部によって算出される有義波周期Ｔ_１／３の信頼性が低くなる。よって、波高算出装置１によれば、有義波周期算出部１６によって算出される有義波周期Ｔ_１／３の値の信頼性を高めることができ、ひいては波高算出部２０で算出される波高Ｈの値の信頼性を高めることができる。

また、波高算出装置１では、海上の波の周期を、周波数解析部１４によって適切に解析することができる。

また、波高算出装置１では、風速計３によって計測された海上風速に基づいて有義波高が算出されるため、有義波高を算出する際に用いられる風速を適切に求めることができる。

また、波高算出装置１では、風速計３によって計測された複数のタイミングでの風速値の平均風速Ｕ_１０に基づいて有義波高Ｈ_１／３が算出される。こうすると、瞬間的に風速値が大きくなるような風の影響を平均化できるため、有義波高算出部１７で算出される有義波高Ｈ_１／３の値の信頼性を高めることができ、ひいては波高算出部２０で算出される波高Ｈの値の信頼性を高めることができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

（１）図４は、変形例に係る波高算出装置の波高算出処理部１０ａのブロック図である。図４に示す波高算出処理部１０ａは、上記実施形態の波高算出処理部１０と比べて、平均風速算出部１２が省略された構成となっている。また、本変形例の波高算出処理部１０ａは、上記実施形態の波高算出処理部１０と比べて、有義波高算出部の構成が異なっている。以下では、主に上記実施形態と異なる点について説明する。

本変形例の有義波高算出部１７ａは、上記実施形態の有義波高算出部１７の場合と異なり、平均風速Ｕ_１０を用いず、有義波周期算出部１６によって算出された有義波周期Ｔ_１／３を用いて、以下の式（９）に基づいて有義波高を算出する。

なお、上述した式（９）は、合田良実氏によって提唱された式である（http://www.jsce.or.jp/committee/st/kajuu/documents/guideline/2nd_wave_ver3.pdfの１３頁参照）。

以上のように、本変形例によれば、上記実施形態に係る波高算出装置１に対して、平均風速算出部１２を省略することができるため、より簡素化された波高算出装置によって、波高を算出することができる。

（２）図５は、変形例に係る波高算出装置の波高算出処理部１０ｂのブロック図である。図５に示す波高算出処理部１０ｂは、上記実施形態の波高算出処理部１０と比べて、有義波周期算出部１６が省略された構成となっている。また、本変形例の波高算出処理部１０ｂは、上記実施形態の波高算出処理部１０と比べて、有義波高算出部の構成が異なっている。以下では、主に上記実施形態と異なる点について説明する。

本変形例の有義波高算出部１７ｂは、上記実施形態の有義波高算出部１７の場合と異なり、有義波周期算出部１６によって算出された有義波周期Ｔ_１／３を用いず、平均風速Ｕ_１０を用いて、以下の式（１０）又は式（１１）に基づいて有義波高を算出する。

［数１０］
Ｈ_１／３＝０．２５Ｕ_１０ … （１０）

［数１１］
Ｈ_１／３＝０．３３Ｕ_１０ … （１１）

なお、上述した式（１０）は、Cornishによって提唱された式であり、上述した式（１１）は、Zimmermannによって提唱された式である（http://ketch.iis.u-tokyo.ac.jp/home/labo/library/lecture/kaiyoukaiji.pdfの７９頁参照）

以上のように、本変形例によれば、上記実施形態に係る波高算出装置１に対して、有義波周期算出部１６を省略することができるため、より簡素化された波高算出装置によって、波高を算出することができる。

（３）図６は、変形例に係る波高算出装置の波高算出処理部１０ｃのブロック図である。図６に示す波高算出処理部１０ｃは、上記実施形態の波高算出処理部１０と比べて、平均風速算出部１２が省略された構成となっている。また、本変形例の波高算出処理部１０ｃは、上記実施形態の波高算出処理部１０と比べて、有義波高算出部の構成が異なっている。具体的には、本変形例の有義波高算出部１７ｃは、平均風速を用いず、風速計３によって計測された風速値Ｕ_１０と、有義波周期算出部１６によって算出された有義波周期Ｔ_１／３を用いて、式（６）に基づいて有義波高を算出している。これにより、上記実施形態に係る波高算出装置１よりも簡素化された波高算出装置によって、波高Ｈを算出することができる。

（４）図７は、変形例に係る波高算出装置の波高算出処理部１０ｄのブロック図である。上述した実施形態では、有義波高算出部１７を、平均風速Ｕ_１０が所定の閾値を超える場合に有義波高Ｈ_１／３を算出するように構成したが、これに限らない。具体的には、本変形例に係る有義波高算出部１７ｄは、平均風速Ｕ_１０が所定の閾値を超え、且つ、風速計で計測された風向と波向とが概ね一致している場合に、有義波高Ｈ_１／３を算出する。

一般的に、上述のように風向と波向とが概ね一致している場合には、波高が高くなっていることが多く、正確な有義波高Ｈ_１／３を算出するのに十分な強度を有する反射波を得やすい状況となっている。従って、上述のように風向と波向とが概ね一致していることを条件として有義波高Ｈ_１／３を算出することで、算出される有義波高Ｈ_１／３の値の信頼性をより高めることができる。

１波高算出装置
１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ有義波高算出部
１８比例定数算出部
１９記憶部
２０波高算出部

Claims

水面に生じる波の高さである波高を算出する波高算出装置であって、
前記波の周期、及び前記水面の上方の風速としての水上風速、の少なくとも一方に基づいて、前記波の有義波高を算出する有義波高算出部と、
前記波で反射して帰来する反射波から得られるエコーのエコー強度と、前記有義波高算出部で算出された前記有義波高とに基づいて、前記エコー強度に基づく値と前記波高との関係を示す比例定数を算出する比例定数算出部と、
前記比例定数算出部で算出された前記比例定数を記憶する記憶部と、
前記記憶部で記憶されている前記比例定数と前記エコー強度とに基づいて前記波高を算出する波高算出部と、
を備えていることを特徴とする、波高算出装置。
請求項１に記載の波高算出装置において、
前記有義波高算出部は、複数のタイミングで前記有義波高を算出し、
前記記憶部では、各前記有義波高に基づいて算出された各前記比例定数のうち直近のタイミングで算出された比例定数が記憶されることを特徴とする、波高算出装置。
請求項２に記載の波高算出装置において、
前記有義波高算出部は、気象状況が所定状態になることを条件として、前記有義波高を算出することを特徴とする、波高算出装置。
請求項３に記載の波高算出装置において、
前記有義波高算出部は、前記気象状況としての前記水上風速が所定値以上となることを条件として、前記有義波高を算出することを特徴とする、波高算出装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の波高算出装置において、
前記波の周期を周波数解析によって算出する周波数解析部、を更に備えていることを特徴とする、波高算出装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の波高算出装置において、
前記水上風速を計測する風速計を更に備え、
前記有義波高算出部は、前記風速計によって計測された前記水上風速に基づいて、前記有義波高を算出することを特徴とする、波高算出装置。
請求項６に記載の波高算出装置において、
前記有義波高算出部は、前記風速計によって計測された複数のタイミングでの前記水上風速の平均値に基づいて前記有義波高を算出することを特徴とする、波高算出装置。