JPH0228116B2 - - Google Patents

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JPH0228116B2
JPH0228116B2 JP58131339A JP13133983A JPH0228116B2 JP H0228116 B2 JPH0228116 B2 JP H0228116B2 JP 58131339 A JP58131339 A JP 58131339A JP 13133983 A JP13133983 A JP 13133983A JP H0228116 B2 JPH0228116 B2 JP H0228116B2
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JP
Japan
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wave height
output
intensity
circuit
sea surface
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JP58131339A
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JPS6022681A (ja
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Norio Shimizu
Ikuo Nakazawa
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Japan Radio Co Ltd
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Japan Radio Co Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/95Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A10/00TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE at coastal zones; at river basins
    • Y02A10/40Controlling or monitoring, e.g. of flood or hurricane; Forecasting, e.g. risk assessment or mapping
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はマイクロ波パルスを送受信して、受信
波の対数増幅検波出力を情報として利用する船舶
用レーダ装置に接続して、海面反射信号を計算・
処理し、海面のうねりの高さの測定を可能とす
る、波高レーダ観測方法及び装置に関する。
海上を航行中の船舶が、暗夜や荒天で視界の悪
い時にも、その周囲のうねりの高さを即時に自動
的に測定できる実用的な装置があれば、船舶の安
全運航に役立たせることができる。しかし、従来
そのような装置は存在しなかつた。
一般に船舶用レーダでは、波浪が強くなると、
周囲の海面からの反射信号が観測できるが、それ
は主に、風によつて海面に発生したさざ波(以
下、風浪と称する)がレーダ電波を反射している
状態であり、反射信号の強さとうねりの高さには
直接の関係がないとされていた。
以下、本発明の原理について説明する。うねり
の高さが数m以上で、その表面に風浪が重畳して
いる時の海面の状況は第1図のようになつてい
る。このような海面における船舶用レーダのPPI
画像の例を第2図に示す、うねりの波峰線と関連
する周期的パターンが表われている。これは、第
1図の左側から、水平面に対して数度の角度でレ
ーダ電波が入射しているとすると、波峰の左側で
は反射が強く、波峰の右側では反射が弱くなるた
めである。従つて、レーダで観測できる海面反射
信号は風浪が激しいほど、うねりが高いほど強く
なる。このような関係を次式で表わしてみる。
E(t)=Ew(t)×Es(t) ……(1) ここに、E(t):レーダのパルスを送信後、時間
tにおける海面反射強度。レーダからの距離x=
0.5ct(cは光速)の関係を有する。
Ew(t):風速による反射成分で不規則に速く変動
する。
Es(t):うねりによる反射成分で、周期的にゆつ
くり変動する。
時間領域で(1)式の関係を持つと、周波数領域で
は、 S(f)=∫+∞ -∞Sw()Ss(f−λ)dλ……(2) ここに、S(f):海面反射強度のスペクトルで、
E(t)のフーリエ変換値、すなわち、S(f)=∫+∞ -∞E(t)
exp(−2πjft)dt ……(2)′ Sw(f):風浪反射成分のスペクトルで、Ew(t)のフ
ーリエ変換値 Ss(f):うねりによる反射成分のスペクトルで、
Es(t)のフーリエ変換値 (2)式の右辺はたたみ込み積分である。
風浪による反射成分Ew(t)は、時間領域で不規則
に速く変動するので、そのスペクトル分布を一様
分布と仮定して、 Sw(f)=W(一定) ……(3) とすると、(2)式より Ss(f)=S(f)/W ……(4) となつて、うねりによる反射のスペクトルSs(f)
求まる。
以下、(4)式について具体的に説明する。第2図
のレーダ画像で、点線にそつた海面反射強度のス
ペクトルS(f)は第3図のようになる。第3図で横
軸の周波数がFのスペクトルS(F)は、うねりの高
さと関連する、周波数Fから離れた領域のスペク
トルは、風浪の激しさと関連する(図中のW)。
この場合、うねりの高さはS(F)/Wと比例関係を
有する。
次に、うねりの高さを自動的に計算する方法に
ついて説明する。スペクトルの最大値S(F)は容易
に計算できる。風浪強度Wは次の近似式で算出す
る。
W≒{1/Fmax∫Fmax 0|S(f)2df}1/2 ……(5) この場合、(5)式の右辺の積分値には、うねりの
成分S(F)の影響は少ないものと仮定している。パ
ーシブルの定理によりWは時間領域でも容易に求
めることができる、すなわち、 W≒{1/Tmax∫Tmax 0|E(t)2dt}1/2 ……(6) (6)式のWは海面反射強度の、ある距離範囲での
実効値であり、従来、風浪との相関が強いと言わ
れて来た。
以下、実測例について説明する。第4図の縦軸
は風速、横軸は観測時刻である。図中の実線は風
速計による測定値、点線は(6)式に従つて求めた海
面反射強度の実効値Wを、風速に直線回帰させた
結果である。このとき、風速計と海面反射強度の
実効値から求めた風速との相関係数は0.77で、強
い関連を示している。これは今まで言われて来た
関係を再確認したものである。従来の理論はこの
段階までであつた。
第5図の縦軸は平均波高、横軸は確測時刻であ
る。図中の実線は波高計による測定値、点線は(4)
式および(6)式によつて求めたS(F)/Wを波高に直
線回帰させた結果である。このとき、波高計とレ
ーダのデータから算出した波高との相関係数は
0.84、実効誤差は0.46mであつた。そして、第4
図の風速と第5図の波高の関連はほとんどない。
これは、(1)式〜(6)式によつて説明した本発明の波
高測定の原理が正しい事を実際の波の観測で証明
するものである。
ここまでの原理の概要は、海面反射強度のスペ
クトル解析をして、周波数領域でうねりの周期成
分の強度を求め、それを風浪と関連する反射強度
の実効値で除算して、うねりの高さを求めるとい
うものである。これと同じ結果を時間領域の計算
で求める方法も容易に考える事ができる。海面反
射強度E(t)の自己相関関数φEE()は次のように定義
できる。
φEE()=1/T∫T 0E(t)E(t-)dτ ……(7) ここに、τ:時間差 T:観測時間 第2図のレーダ画像で、点線にそつた海面反射
強度の自己相関関数φEE()は第6図のようになる。
第6図のφEE()をフーリエ変換すると第3図のス
ペクトラムが求まる。第6図からも海面反射強度
の実効値W、うねりの周期成分の強度S(F)を求め
て、うねりの波高を算出することができる。以
下、スペクトル解析による実施例について詳細に
説明する。
第7図は本発明の一実施例である。1は送信
機、2は送受切換器、3はアンテナ、4はミク
サ、5は対数増幅検波器、6はA/D変換器、7
は距離補正回路、8は逆対数変換回路、9はウイ
ンドウ処理回路、10は実効値計算回路、11は
フーリエ変換回路、12は最大値検出回路、13
は除算器、14は波高計算回路、15は波高出力
端子である。送信機1、送受切換器2、アンテナ
3、ミクサ4は従来の一般的な船舶用レーダと同
一のものでよい。
対数増幅検波器5は、ミクサ4の出力である中
間周波数信号を増幅検波するもので、その入力と
出力が対数関数の関係を有するものである。これ
により広範囲の振幅を持つ海面反射信号を飽和す
ることなく増幅検波できる。
A/D変換器6は対数増幅検波器のアナログ出
力をデイジタル変換する。船舶の安全運航のため
のおこなう波高観測のうねりの最短波長は30m位
であり、これを測定するためのレーダの距離分解
能は15m以下(送信パルス幅0.1μS以下)である。
従つてA/D変換器6が反射信号をサンプリング
する周期も0.1μS以下にする必要がある。デイジ
タル化の精度は6〜8ビツト、距離方向のサンプ
リング数は64〜128個でよい。
海面の状態が一様であつても、レーダからの距
離が近いほど海面反射信号は強くなる。アンテナ
入力において海面反射強度は距離の3乗にほぼ逆
比例して変化する。従つて、距離補正は対数領域
の方が容易におこなえる。距離補正回路7は、
A/D変換器6の出力に対して、距離方向の強度
補正をおこなう。
逆対数変換器8は、距離補正回路7の出力を逆
対数変換するもので、その出力を受信波の包絡線
の振幅に比例したものにする(直線検波出力)。
これは、フーリエ変換のための前処理の一つであ
る。
ウインドウ処理回路9はフーリエ変換の際の周
波数応答を最適化するための重み付け処理で、
Hammingウインドウ関数などを用いる。
実効値計算回路10は(6)式に従つて、海面反射
強度の実効値Wを算出する。
フーリエ変換回路11はウインドウ処理回路9
の出力をフーリエ変換する。フーリエ変換は基本
的には(2)′式で定義されるが、実際にはFFT(高
速フーリエ変換)計算法を使用する。
最大値検出回路12は、フーリエ変換器11の
出力から、うねりの周波数Fの成分の最大値S(F)
を検出する。
除算器13は、最大値検出回路12の出力S(F)
を、実効値計算回路10の出力Wで除算して、
S(F)/Wを出力する。
波高計算回路14は、除算器13の出力Xを波
高Hに換算するための計算(H=AX+B)をお
こなう。A、Bは回帰係数で、波高計のデータに
よりあらかじめ校正・算出しておく。このように
して、レーダによるうねりの波高の測定値Hは端
子15に出力される。
以上説明した第7図の実施例において、対数増
幅検波器5のかわりに直線増幅検波器も使用でき
る。その場合は8の逆対数変換器は不要となる
が、増幅器が飽和しないように利得を調節する必
要がある。距離補正回路7、逆対数変換器8、ウ
インドウ処理回路9は、フーリエ変換のための前
処理をおこなうものであるが、前処理の中に海面
反射信号の平均値(直流分)を除去する処理を含
めてもよい。また簡略化のために、その全部また
は一部を省略してもよい。また、処理の順番を変
更しても同様の効果を得ることができる。波高計
算回路14の計算式(H=AX+B)は、実際の
波高測定精度を改良するために他の計算式(たと
えば、H=AX2+BX+C)を使用してもよい。
7〜14の演算装置は、ハードウエアまたはソフ
トウエアおよび両方の組合せによつて、容易に実
現できる。また、第7図は1次元での実施例であ
るが、これを2次元での処理に応用することは容
易である。(7)式で説明した自己相関関数による方
法は演算時間が長いので現状では第7図の実施例
の方法が実用的である。
以上説明したように、本発明は船舶用レーダに
おける海面反射強度のスペクトル解析をして、周
波数領域でうねりの周期成分の強度を求め、それ
を風浪の激しさと関連する反射強度の実効値で除
算してうねりの高さを求めるもので、従来、不可
能であつた船舶用レーダによるうねりの高さの測
定を可能とするものである。そのための装置は容
易に構成できて、小形・低価格・高信頼性であ
り、船舶の安全運航・海難防止に役立たせること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はうねりと風浪が重畳しているときの海
面の状況を示す図、第2図はうねりの波峰線が表
われているレーダPPI画像の図、第3図は第2図
の点線の方向の海面反射信号のスペクトルの例を
示す図、第4図は風速計で観測した風速とレーダ
のデータから算出した風速を示す図、第5図は波
高計で観測した波高と本発明の原理に従つてレー
ダデータから算出した波高を示す図、第6図は第
2図の点線の方向の海面反射信号の自己相関関数
の例を説明する図、第7図は本発明の一実施例を
示す図である。 1……送信機、2……送受切換器、3……アン
テナ、4……ミクサ、5……対数増幅検波器、6
……A/D変換器、7……距離補正回路、8……
逆対数変換回路、9……ウインドウ処理回路、1
0……実効値計算回路、11……フーリエ変換回
路、12……最大値検出回路、13……除算器、
14……波高計算回路。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 船舶用パルスレーダにおいて、受信した海面
    反射信号を増幅検波した信号から海面反射強度の
    スペクトル解析をし、周波数領域で最大値を求め
    てうねりの周期成分の強度を算出し、他方におい
    て前記検波した信号から風浪の強さに関連する反
    射強度の実効値を求め、前記うねりの周期成分の
    強度を前記反射強度の実効値で除算し、除算した
    値から予め求めておいた回帰係数に基づく波高値
    計算式に従つてうねりの波高を求めることを特徴
    とする波高レーダ観測方法。 2 船舶用パルスレーダにおいて、受信した海面
    反射信号を増幅検波した信号をデイジタル化する
    A/D変換器と、該A/D変換器の出力に対して距
    離方向の強度補正をおこなう距離補正回路と、該
    距離補正回路の出力に対して周波数応答を最適化
    するための重み付けをするウインドウ処理回路
    と、該ウインドウ処理回路の出力をフーリエ変換
    するフーリエ変換器と、該フーリエ変換器の出力
    からうねりの周期成分の強度を算出する最大値検
    出回路と、他方において前記距離補正回路の出力
    から風浪の強さに関連する反射強度の実効値を算
    出する実効値計算回路と、前記最大値検出回路の
    出力を前記実効値計算回路の出力で除算する除算
    器と、該除算器の出力から波高を算出する波高計
    算回路とを備えてうねりの波高を得ることを特徴
    とする波高レーダ観測装置。
JP58131339A 1983-07-19 1983-07-19 波高レ−ダ観測方法及び装置 Granted JPS6022681A (ja)

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JPS6022681A JPS6022681A (ja) 1985-02-05
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