JP7219603B2

JP7219603B2 - 海面計測装置及び海面計測プログラム

Info

Publication number: JP7219603B2
Application number: JP2018234946A
Authority: JP
Inventors: 勇気小関; 一幸小林; 秀雄伊藤
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2023-02-08
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: JP2020094995A

Description

本開示は、海面の波浪を計測する技術に関する。

海面の波浪を計測する技術が、特許文献１等に開示されている。特許文献１では、複数の浮標を海面に配置しカメラで撮影することにより、海面の波浪を計測する。

特開２０１８－０９６８２７号公報

特許文献１では、複数の浮標を保守管理する必要があるが、保守管理は手間がかかり、複数の浮標の動作を画像検出する必要があるが、画像検出は困難であった。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、海面の波浪を計測するにあたり、保守管理を軽減するとともに、画像検出を容易にすることを目的とする。

前記課題を解決するために、レーダ画像の海面クラッタを計測することにより、海面の波浪を計測することとした。具体的には、レーダ画像を分割した各分割画像をフーリエ変換した各スペクトルに基づいて、各分割画像での海面の波浪を計測することとした。

具体的には、本開示は、レーダ画像を分割して各分割画像を生成する画像分割部と、各分割画像をフーリエ変換して各スペクトルを生成するフーリエ変換部と、各スペクトルの振幅及び位相の少なくともいずれかに基づいて、各分割画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかを計測する海面計測部と、を備えることを特徴とする海面計測装置である。

また、本開示は、レーダ画像を分割して各分割画像を生成する画像分割ステップと、各分割画像をフーリエ変換して各スペクトルを生成するフーリエ変換ステップと、各スペクトルの振幅及び位相の少なくともいずれかに基づいて、各分割画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかを計測する海面計測ステップと、を順にコンピュータに実行させるための海面計測プログラムである。

これらの構成によれば、海面の波浪を計測するにあたり、レーダシステムの保守管理を行うのみでよく、海面クラッタの画像検出を行うのみでよい。そして、波数空間解析により実空間解析と比べて、海面の波長等を容易に計測することができる。さらに、各分割画像が表す各海域において、海面の波長等を個別に計測することができる。

また、本開示は、前記画像分割部は、前記レーダ画像の分割数を可変に設定し、前記フーリエ変換部及び前記海面計測部は、可変の前記レーダ画像の分割数について、処理を実行することを特徴とする海面計測装置である。

この構成によれば、多分割数での局所的な海面計測結果と、少分割数での大局的かつ高精度な海面計測結果と、のいずれかを選択することができる。

また、本開示は、前記画像分割部は、前記レーダ画像の分割数を複数種類に設定し、前記フーリエ変換部及び前記海面計測部は、各種類の前記レーダ画像の分割数について、並列処理を実行することを特徴とする海面計測装置である。

この構成によれば、多分割数での局所的な海面計測結果と、少分割数での大局的かつ高精度な海面計測結果と、の間の切替を高速で実行することができる。

また、本開示は、前記フーリエ変換部は、前記レーダ画像のうちの各分割画像を除いた各画像領域においてゼロパディングされた各分割画像をフーリエ変換することを特徴とする海面計測装置である。

この構成によれば、多分割数つまり狭い海域での海面計測結果であっても、少分割数つまり広い海域での海面計測結果と同様に、高精度な海面計測結果とすることができる。

また、本開示は、前記海面計測部は、各スペクトルの波数空間でのピーク位置に基づいて、各分割画像での海面の波長及び波向きの少なくともいずれかを計測することを特徴とする海面計測装置である。

この構成によれば、波数空間解析により実空間解析と比べて、海面の波長及び波向きの少なくともいずれかを容易に計測することができる。そして、各分割画像が表す各海域において、海面の波長及び波向きの少なくともいずれかを個別に計測することができる。

また、本開示は、前記海面計測部は、先の時刻での各スペクトルのピーク位相と、後の時刻での各スペクトルのピーク位相と、の間の差分に基づいて、各分割画像での海面の波速を計測することを特徴とする海面計測装置である。

この構成によれば、波数空間解析により実空間解析と比べて、海面の波速を容易に計測することができる。そして、各分割画像が表す各海域において、海面の波速を個別に計測することができる。

また、本開示は、前記海面計測部は、（１）先の時刻での各スペクトルの各波数での位相と、後の時刻での各スペクトルの各波数での位相と、の間の差分に基づいて、各スペクトルの各波数に対応する計測波速を算出し、（２）重力波の分散関係及び各スペクトルの各波数に対応する波長に基づいて、各スペクトルの各波数に対応する理論波速を算出し、（３）各スペクトルの各波数に対応する計測波速と理論波速との間の一致程度に基づいて、各スペクトルの各波数での振幅を信号成分と雑音成分とに分類し、（４）有義波高の経験式及び各スペクトルの全波数にわたる信号対雑音比に基づいて、各分割画像での海面の波高を計測することを特徴とする海面計測装置である。

この構成によれば、波数空間解析により実空間解析と比べて、海面の波高を容易に計測することができる。そして、各分割画像が表す各海域において、海面の波高を個別に計測することができる。

このように、本開示は、海面の波浪を計測するにあたり、保守管理を軽減するとともに、画像検出を容易にすることができる。

本開示のレーダ目標検出システムの構成を示す図である。本開示の海面計測処理の手順を示すフローチャートである。本開示の第１の海面計測処理の手順を示す図である。本開示の第２の海面計測処理の手順を示す図である。本開示の第３の海面計測処理の手順を示す図である。本開示の第４の海面計測処理の手順を示す図である。本開示の海面の波長及び波向きの計測方法を示す図である。本開示の海面の波速の計測方法を示す図である。本開示の海面の波高の計測方法を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

本開示のレーダ目標検出システムの構成を図１に示す。本開示の海面計測処理の手順を図２に示す。レーダ目標検出システムＲは、レーダ送信部１、レーダ受信部２、海面計測装置３及びレーダ映像表示部４から構成される。海面計測装置３は、画像分割部３１、フーリエ変換部３２及び海面計測部３３から構成され、図２に示した海面計測プログラムをコンピュータにインストールすることにより実現することができる。

レーダ送信部１は、海上に向けてレーダビームを照射する。レーダ受信部２は、海上で反射されたレーダビームを受信する。海面計測装置３は、レーダ画像の海面クラッタを計測することにより、海面の波浪を計測する。レーダ映像表示部４は、海面計測装置３が取得、処理及び作成したレーダ映像のデータを映像化して表示する。

本開示の第１の海面計測処理の手順を図３に示す。図３の左上欄では、画像分割部３１は、レーダ映像を取得する。図３の右上欄では、画像分割部３１は、レーダ画像を分割して各分割画像を生成する（ステップＳ１）。例えば、レーダ画像は、ｘ方向に８分割され、ｙ方向に８分割され、全体として８×８＝６４分割されている。

図３の左下欄では、フーリエ変換部３２は、各分割画像をフーリエ変換して各スペクトルを生成する（ステップＳ２）。例えば、各スペクトルは、ｘ方向に８個配列され、ｙ方向に８個配列され、全体として８×８＝６４個配列されている。

図３の右下欄では、海面計測部３３は、各スペクトルの振幅及び位相の少なくともいずれかに基づいて、各分割画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかを計測する（ステップＳ３）。例えば、海面の波長は、図３の右下欄の矢印の長さにより表され、海面の波向きは、図３の右下欄の矢印の方向で表され、海面の波速は、図３の右下欄の数値で表され、海面の波高は、図３の右下欄の階調で表される。

このように、海面の波浪を計測するにあたり、レーダ目標検出システムＲの保守管理を行うのみでよく、海面クラッタの画像検出を行うのみでよい。そして、波数空間解析により実空間解析と比べて、海面の波長等を容易に計測することができる。さらに、各分割画像が表す各海域において、海面の波長等を個別に計測することができる。

本開示の第２の海面計測処理の手順を図４に示す。画像分割部３１は、レーダ画像の分割数を可変に設定し（ステップＳ１）、フーリエ変換部３２及び海面計測部３３は、可変のレーダ画像の分割数について、処理を実行する（ステップＳ２、Ｓ３）。

図４の左から第１欄では、レーダ映像が取得されている。図４の左から第２欄では、レーダ画像は、レーダ目標検出システムＲのユーザの「選択」に応じて、全体として１×１＝１分割、２×２＝４分割、４×４＝１６分割、「又は」、８×８＝６４分割されている。

図４の左から第３欄では、レーダ目標検出システムＲのユーザの「選択」に応じて、各スペクトルは、全体として１×１＝１個、２×２＝４個、４×４＝１６個、「又は」、８×８＝６４個配列されている。図４の左から第４欄では、レーダ目標検出システムＲのユーザの「選択」に応じて、各海面計測結果は、全体として１×１＝１個、２×２＝４個、４×４＝１６個、「又は」、８×８＝６４個配列されている。

このように、多分割数での局所的な海面計測結果と、少分割数での大局的かつ高精度な海面計測結果と、のいずれかを選択することができる。しかし、多分割数での局所的な海面計測結果と、少分割数での大局的かつ高精度な海面計測結果と、の間の切替を高速で実行することはできない。たとえ、多分割数での局所的な海面計測結果を平均したとしても、少分割数での大局的かつ高精度な海面計測結果を再現することができない。

本開示の第３の海面計測処理の手順を図５に示す。画像分割部３１は、レーダ画像の分割数を複数種類に設定し（ステップＳ１）、フーリエ変換部３２及び海面計測部３３は、各種類のレーダ画像の分割数について、並列処理を実行する（ステップＳ２、Ｓ３）。

図５の左から第１欄では、レーダ映像が取得されている。図５の左から第２欄では、レーダ画像は、各分割数での画像分割部３１の「並列」処理に従って、全体として１×１＝１分割、２×２＝４分割、４×４＝１６分割、「及び」、８×８＝６４分割されている。

図５の左から第３欄では、各分割数でのフーリエ変換部３２の「並列」処理に従って、各スペクトルは、全体として１×１＝１個、２×２＝４個、４×４＝１６個、「及び」、８×８＝６４個配列されている。図５の左から第４欄では、各分割数での海面計測部３３の「並列」処理に従って、各海面計測結果は、全体として１×１＝１個、２×２＝４個、４×４＝１６個、「及び」、８×８＝６４個配列されている。

このように、多分割数での局所的な海面計測結果と、少分割数での大局的かつ高精度な海面計測結果と、の間の切替を高速で実行することができる。しかし、多分割数での海面計測結果においては、少分割数での海面計測結果と異なり、高精度な海面計測結果とすることができない。なぜならば、実空間解析を実行するのではなく、波数空間解析を実行するところ、多分割数での海面計測結果は、狭い海域での海面計測結果であるからである。

本開示の第４の海面計測処理の手順を図６に示す。フーリエ変換部３２は、レーダ画像のうちの各分割画像を除いた各画像領域においてゼロパディングされた各分割画像をフーリエ変換する（ステップＳ２）。

図６の左上欄では、レーダ映像が取得されている。図６の右上欄では、レーダ画像は、全体として８×８＝６４分割されている。ここでは、６４個の各分割画像のうち、上から４行目かつ左から５列目の分割画像について、着目されている。

図６の左下欄では、レーダ画像のうち、着目されている分割画像を除いた各画像領域において、ゼロパディングされている。図６の右下欄では、６４個の各分割画像のうち、着目されている分割画像について、フーリエ変換されている。

このように、多分割数つまり狭い海域での海面計測結果であっても、少分割数つまり広い海域での海面計測結果と同様に、高精度な海面計測結果とすることができる。

本開示の海面の波長及び波向きの計測方法を図７に示す。海面計測部３３は、各スペクトルの波数空間でのピーク位置に基づいて、各分割画像での海面の波長及び波向きの少なくともいずれかを計測する（ステップＳ３）。

具体的には、Ｂスコープ画像をＸＹ座標画像に座標変換し、ＳＴＣ処理を実行し、円形画像から方形画像のみ切り出し、海面計測対象のレーダ画像とする。次に、前回スキャン及び今回スキャンの各分割画像について、それぞれ、前回スキャン及び今回スキャンの各スペクトルを生成する。次に、前回スキャン及び今回スキャンの各スペクトルを乗算し、前回スキャンと今回スキャンとの間の各クロススペクトルＣＳを生成する。次に、前回スキャンと今回スキャンとの間の各クロススペクトルＣＳを、ｋ_ｘ及びｋ_ｙを座標軸とする波数座標からλ_ｘ＝１／ｋ_ｘ及びλ_ｙ＝１／ｋ_ｙを座標軸とする波長座標へと座標変換する。

ここで、前回スキャンと今回スキャンとの間の各クロススペクトルにおいて、ピーク位置は（λ_ｘｐ、λ_ｙｐ）である。そこで、波長λ及び波向きθを数式１、２により算出する。

このように、波数空間解析により実空間解析と比べて、海面の波長及び波向きの少なくともいずれかを容易に計測することができる。そして、各分割画像が表す各海域において、海面の波長及び波向きの少なくともいずれかを個別に計測することができる。なお、海面の波長及び波向きの少なくともいずれかを計測するにあたり、乗算後の各クロススペクトルを利用してもよいが、乗算前の各スペクトルを利用してもよい。また、乗算後の各クロススペクトル又は乗算前の各スペクトルを算出するにあたり、過去から現在に渡る複数個の乗算後の各クロススペクトル又は乗算前の各スペクトルを平均してもよい。

本開示の海面の波速の計測方法を図８に示す。海面計測部３３は、先の時刻での各スペクトルのピーク位相と、後の時刻での各スペクトルのピーク位相と、の間の差分に基づいて、各分割画像での海面の波速を計測する（ステップＳ３）。

具体的には、Ｂスコープ画像をＸＹ座標画像に座標変換し、ＳＴＣ処理を実行し、円形画像から方形画像のみ切り出し、海面計測対象のレーダ画像とする。次に、前回スキャン及び今回スキャンの各分割画像について、それぞれ、前回スキャン及び今回スキャンの各スペクトルを生成する。次に、前回スキャン及び今回スキャンの各スペクトルを乗算し、前回スキャンと今回スキャンとの間の各クロススペクトルＣＳを生成する。

ここで、前回スキャンと今回スキャンとの間の各クロススペクトルにおいて、ピーク位置は（ｋ_ｘｐ、ｋ_ｙｐ）である。そこで、各クロススペクトルのピーク位相ＣＳ_θ（ｋ_ｘｐ、ｋ_ｙｐ）を数式３により算出し、波速ｖを数式４により算出する。ただし、τは、前回スキャンと今回スキャンとの間の時間間隔（例えば、アンテナの回転周期。）である。

このように、波数空間解析により実空間解析と比べて、海面の波速を容易に計測することができる。そして、各分割画像が表す各海域において、海面の波速を個別に計測することができる。なお、ナイキスト条件２πｖ／λ＜π／τを満たさないときには、海面の波速を正しく計測することができないことに留意すべきである。また、乗算後の各クロススペクトル又は乗算前の各スペクトルを算出するにあたり、過去から現在に渡る複数個の乗算後の各クロススペクトル又は乗算前の各スペクトルを平均してもよい。

本開示の海面の波高の計測方法を図９に示す。海面計測部３３は、（１）先の時刻での各スペクトルの各波数での位相と、後の時刻での各スペクトルの各波数での位相と、の間の差分に基づいて、各スペクトルの各波数に対応する計測波速を算出し、（２）重力波の分散関係及び各スペクトルの各波数に対応する波長に基づいて、各スペクトルの各波数に対応する理論波速を算出し、（３）各スペクトルの各波数に対応する計測波速と理論波速との間の一致程度に基づいて、各スペクトルの各波数での振幅を信号成分と雑音成分とに分類し、（４）有義波高の経験式及び各スペクトルの全波数にわたる信号対雑音比に基づいて、各分割画像での海面の波高を計測する（ステップＳ３）。

そして、各クロススペクトルの各波数での位相ＣＳ_θ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）を数式５により算出し、各クロススペクトルの各波数での振幅ＣＳ_ｐ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）を数式６により算出し、各クロススペクトルの各波数に対応する計測波速ｖ_ｍ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）を数式７により算出し、各クロススペクトルの各波数に対応する理論波速ｖ_ｔ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）を数式８により算出する。ここで、ｇは、重力加速度（＝９．８ｍ／ｓ^２）であり、重力波の分散関係において、沖合では水深は波高より十分に深いことを考慮している。

そして、計測波速ｖ_ｍ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）と理論波速ｖ_ｔ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）とがある程度は一致するときには、振幅ＣＳ_ｐ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）を信号成分Ｓ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）に分類する。一方で、計測波速ｖ_ｍ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）と理論波速ｖ_ｔ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）とがある程度も一致しないときには、振幅ＣＳ_ｐ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）を雑音成分Ｎ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）に分類する。さらに、各クロススペクトルの全波数にわたる信号対雑音比ＳＮＲを数式９により算出し、波高Ｈを数式１０により算出する。ここで、ａ及びｂは、有義波高の実測結果に基づく値である。

このように、波数空間解析により実空間解析と比べて、海面の波高を容易に計測することができる。そして、各分割画像が表す各海域において、海面の波高を個別に計測することができる。なお、海面の波高を計測するにあたり、乗算後の各クロススペクトルを利用してもよいが、乗算前の各スペクトルを利用してもよい。また、乗算後の各クロススペクトル又は乗算前の各スペクトルを算出するにあたり、過去から現在に渡る複数個の乗算後の各クロススペクトル又は乗算前の各スペクトルを平均してもよい。

本開示の海面計測装置及び海面計測プログラムは、例えば、海面の波浪が激しい海域を特定することができ、船舶又は航空機が近づけない海域を特定することができる。

Ｒ：レーダ目標検出システム
１：レーダ送信部
２：レーダ受信部
３：海面計測装置
４：レーダ映像表示部
３１：画像分割部
３２：フーリエ変換部
３３：海面計測部

Claims

レーダ画像を分割して各分割画像を生成する画像分割部と、
各分割画像をフーリエ変換して各スペクトルを生成するフーリエ変換部と、
各スペクトルの振幅及び位相の少なくともいずれかに基づいて、各分割画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかを計測する海面計測部と、を備え、
前記画像分割部は、前記レーダ画像の分割数を複数種類に設定し、前記フーリエ変換部及び前記海面計測部は、各種類の前記レーダ画像の分割数について、並列処理を実行する
ことを特徴とする海面計測装置。
前記フーリエ変換部は、前記レーダ画像のうちの各分割画像を除いた各画像領域においてゼロパディングされた各分割画像をフーリエ変換する
ことを特徴とする、請求項１に記載の海面計測装置。
前記海面計測部は、各スペクトルの波数空間でのピーク位置に基づいて、各分割画像での海面の波長及び波向きの少なくともいずれかを計測する
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の海面計測装置。
前記海面計測部は、先の時刻での各スペクトルのピーク位相と、後の時刻での各スペクトルのピーク位相と、の間の差分に基づいて、各分割画像での海面の波速を計測する
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の海面計測装置。
前記海面計測部は、（１）先の時刻での各スペクトルの各波数での位相と、後の時刻での各スペクトルの各波数での位相と、の間の差分に基づいて、各スペクトルの各波数に対応する計測波速を算出し、（２）重力波の分散関係及び各スペクトルの各波数に対応する波長に基づいて、各スペクトルの各波数に対応する理論波速を算出し、（３）各スペクトルの各波数に対応する計測波速と理論波速との間の一致程度に基づいて、各スペクトルの各波数での振幅を信号成分と雑音成分とに分類し、（４）有義波高の経験式及び各スペクトルの全波数にわたる信号対雑音比に基づいて、各分割画像での海面の波高を計測する
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の海面計測装置。
レーダ画像を分割して各分割画像を生成する画像分割部と、
各分割画像をフーリエ変換して各スペクトルを生成するフーリエ変換部と、
各スペクトルの振幅及び位相の少なくともいずれかに基づいて、各分割画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかを計測する海面計測部と、を備え、
前記フーリエ変換部は、前記レーダ画像のうちの各分割画像を除いた各画像領域においてゼロパディングされた各分割画像をフーリエ変換する
ことを特徴とする海面計測装置。
レーダ画像を分割して各分割画像を生成する画像分割部と、
各分割画像をフーリエ変換して各スペクトルを生成するフーリエ変換部と、
各スペクトルの振幅及び位相の少なくともいずれかに基づいて、各分割画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかを計測する海面計測部と、を備え、
前記海面計測部は、（１）先の時刻での各スペクトルの各波数での位相と、後の時刻での各スペクトルの各波数での位相と、の間の差分に基づいて、各スペクトルの各波数に対応する計測波速を算出し、（２）重力波の分散関係及び各スペクトルの各波数に対応する波長に基づいて、各スペクトルの各波数に対応する理論波速を算出し、（３）各スペクトルの各波数に対応する計測波速と理論波速との間の一致程度に基づいて、各スペクトルの各波数での振幅を信号成分と雑音成分とに分類し、（４）有義波高の経験式及び各スペクトルの全波数にわたる信号対雑音比に基づいて、各分割画像での海面の波高を計測する
ことを特徴とする海面計測装置。
レーダ画像を分割して各分割画像を生成する画像分割ステップと、
各分割画像をフーリエ変換して各スペクトルを生成するフーリエ変換ステップと、
各スペクトルの振幅及び位相の少なくともいずれかに基づいて、各分割画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかを計測する海面計測ステップと、
を順にコンピュータに実行させ、
前記画像分割ステップは、前記レーダ画像の分割数を複数種類に設定し、前記フーリエ変換ステップ及び前記海面計測ステップは、各種類の前記レーダ画像の分割数について、並列処理を実行する
ことを特徴とする海面計測プログラム。