JPH0414733B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、船をプラツトホームとする船舶用波
浪計において、センサーの出力をデジタル値に変
換して各種の補正を行い波浪情報を求める計測処
理システムに関するものである。

〔従来の技術〕

船の航行や漁業等を含む沖合での活動におい
て、また沿岸域の海況を調べる上で、外洋波浪の
情報は最も重要な情報の一つと言える。この外洋
波浪の情報を得るためには、安定した精度の波浪
計による波浪データの蓄積が必要となる。このこ
とは精度の高い予報を行うためにも必要なことで
ある。

外洋波浪の計測法は、波浪の水面変動に追従す
るブイの運動から計測するブイ式波浪計によるも
のと、船をプラツトホームとする船舶用波浪計に
よるものがある。また最近、人工衛星又は航空機
からのマイクロ波によるリモートセンシングで計
測するものが開発されつつある。波浪計測で必要
な条件は外洋において、長期にわたり荒天時にお
いても安定した精度で計測でき、かつ取り扱い
（設置、回収）が簡単で、安価であることが要求
される。今まで開発された波浪計でこれらの条件
を満たすものはまだない。それは次に述べる計測
の困難性による。第一に外洋では基準となる固定
点が得られないこと、第二に波浪スペクトル分布
は比較的高周波領域（0.05Hz〜0.3Hz）にエネル
ギーが集中していることである。

波浪情報の利用者の希望する波浪の要素は、波
高、波向、波長（周期）であるが、特に波高に対
する関心が高い。さらに波浪の場をうねりと風浪
に分離して、それぞれについて上記の要素の情報
が必要とされる。今までの船舶による外洋での波
浪観測は目視観測が主体であるために、定量的な
データの蓄積は進んでいない。このような情況
で、タツカー式船舶用波浪計は外洋の波浪の波高
と周期に関して定量的なデータを供給する有力な
測器と言え、船に常設してあるために、荒天時の
観測も容易に実行できる利点がある。

第９図は船舶用波浪計における計測処理システ
ムの従来例を説明するための図である。

船舶用波浪計は、プラツトホームである船体の
上下変位と、それが波浪の水面変位に追従しない
相対水面変位とを計測し、その和を求めることに
よつて、出会波浪の波高変位の観測を行う測器で
ある。第９図に示すように、前者の計測は、水平
面設置装置にマウントされた加速度センサー１１
の出力を積分回路１４で２回積分して加速度変位
を求め、後者の計測は、船側の底に取り付けた圧
力センサー１２の出力を水圧補正回路１５で水圧
補正して水圧変位を求めることによつて行われ
る。よつて船舶用波浪計における計測処理システ
ムは、２つのセンサーの出力から波高変位を求め
る処理と、これ以後の波浪特性を求める波浪統計
処理となる。

従来の船舶用波浪計における計測処理システム
では、前者の波高変位を求める処理を、第９図に
示すようにアナグロ電気回路によつて行い、後者
の波浪特性を求める波浪統計処理を、デジタル計
算機を導入して行つている。このように従来の計
測処理システムは、アナグロ処理とデジタル処理
とを併用しているため統一的で効率的なものとは
言えない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の船舶用波浪計における計測処理システム
は、上述したように主要部はアナログ電気回路に
よつてハード的に行うアナログ処理である。この
ために観測者の操作をほとんど必要としないが、
次のような大きな欠点がある。すなわち、波浪変
動は電気的に見れば超低周波の変動である。他
方、アナログ回路の調整は処理する変動の周期に
応じた長さの時間−実時間で行わなければならな
い。このために回路の調整は非常に多くの時間と
労力を要する。またアナログ回路は、時間の経過
に伴い回路を構成する回路素子の特性が変化する
ため、データ処理の精度が低下する。このために
１年に１回程度の定期的なメンテナンスが必要と
なる。このメンテナンスは回路の点検・調整にな
るため、多くの労力を要することになる。

また船舶用波浪計における計測処理システムで
の波浪統計処理は、上述したように計算機による
デジタル処理で行い、有義波の特性とスペクトル
計算を行うものである。波浪情報においては、う
ねりと風浪が共存する波浪場に対してそれぞれの
波高の情報が要求される。このような情報は、実
用的に価値の高いものであるにもかかわらず、目
視観測では得られるが、従来の船舶用波浪計等の
計測観測では解析されないものである。その原因
は、うねりと風浪とを分離する合理的な解析方法
が確立されていないからである。

本発明は、上記の問題点を解決するものであつ
て、省力化を図り高速で且つ正確に波浪情報が得
られる船舶用波浪計における計測処理システムを
提供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

そのため船舶用波浪計における計測処理システ
ムは、プラツトホームの上下変動の加速度を検出
する加速度検出手段、プラツトホームの上下変動
の加速度を検出する加速度検出手段、プラツトホ
ームに対する相対水面変位を検出する相対水面変
位検出手段、前記加速度及び相対水面変位の検出
信号をデジタル信号に変換する信号変換手段、及
び前記デジタル信号を処理して波浪情報を生成す
るデータ処理手段を備え、該データ処理手段は、
前記デジタル信号をフーリエ変換して少なくとも
加速度及び相対水面変位を各成分波に分離し、低
周波のノイズ除去のための補正係数、加速度を２
回積分した加速度変位及び相対水面変位に対し周
波数領域に応じて設定される補正係数を用いて補
正計算を行い加算して波高変位を求め、うねりと
風浪とを分離して波浪情報を得ることを特徴とす
るものである。

〔作用〕

本発明の船舶用波浪計における計測処理システ
ムは、従来のアナログ電気回路によるアナログ処
理を用いず、センサーからの出力以後のすべての
処理を計算機で行うデジタル計測処理システムと
なる。従つて、この処理の中で加速度及び相対水
面変位を各成分波に分離して低周波のノイズ除
去、加速度の２回積分の補正計算を行つて加算し
波高変位を求めることによつて、うねりと風浪と
を分離する合理的な解析法も容易に組み込むこと
ができる。また、圧力出力を用いる場合にも簡単
に水圧補正できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は波高変位を求める本発明の船舶用波浪
計における計測処理システムの１実施例構成を示
す図、第２図は波高変位からうねりと風浪の特性
を求める本発明の船舶用波浪計における計測処理
システムの１実施例構成を示す図、第３図は時系
列補正計算の流れを説明するための図、第４図は
うねりと風浪の分離処理の流れを説明するための
図である。

第１図において、加速度出力部１は、水平面設
置装置にマウントされた加速度センサーであり、
圧力出力部２は、船側の底に取り付けた圧力セン
サーである。Ａ／Ｄ変換部３は、加速度出力及び
圧力出力をそれぞれデジタル信号に変換するもの
である。時系列補正計算部４及び５は、第３図に
示す如き時系列補正計算を行うものであり、加速
度出力及び圧力出力を成分波に分離して後述する
低周波のノイズ除去、加速度出力の２回積分、水
圧補正計算を行うものである。加算計算部６は、
補正計算後の加速度変位の時系列と水圧変位の時
系列との和の計算を行い波高変位を求めるもので
ある。

第１図に示す計測処理システムの構成から明ら
かなように、本発明に係る船舶用波浪計における
計測処理システムでは、各センサー出力から波高
変位を求め、且つうねりと風浪を分離して波浪統
計処理する主要な計算は時系列補正計算にある。
この時系列補正計算は、加速度出力に対しては、
従来のローカツトフイルターと２回積分に対応す
る演算を行い、圧力出力に対しては、ローカツト
フイルターと水圧補正に対応する演算を行うもの
であるが、その演算は、各成分波において振幅補
正数α_jと位相補正係数β_jの値を換えるだけで、両
者は全く同一のプログラムで実行できる。この計
算は次の考えに基づくものである。いま、センサ
ーから出力される時系列をｙ（t_j），ｉ＝１，２，
……，Ｎとし、データの個数をＮ、データ読み取
り間隔時間をΔtとすると、この時系列ｙ（t_j）は、
次のようにフーリエ級数で表すことができる。

ｙ（t_i）＝a_p＋_N/2 〓^j=1 ｛a_jcos（2πf_jt_i） ＋b_jsin（2πf_jt_i）｝ ……(1) ｉ＝１，２，……，Ｎ、t_i＝iΔt、 f_j＝jΔf、Δf＝１／（NΔt） 上式より、時系列ｙ（t_i）が与えられるなら、
FFT（Fast Fourier Transform）法によつて容
易にフーリエ係数、a_j，b_jを得ることがでる。ま
た逆に係数a_j，b_jが分かれば、FFT法によつて時
系列ｙ（t_i）は比較的に短い計算時間で示すこと
ができる。従つて、パワースペクトルは、これら
の係数から計算できる。これを求めるには、次式
の一次スペクトルφ₁（f_j）を平滑化すればよい。

φ₁（f_j）＝（a_j2＋b_j2）／（2Δf） ｊ＝１，２，……，Ｎ／２＋１ ……(2) この式から明らかなように、時系列は多くの成
分波の線形の重ね合わせとして表現される。な
お、周波数_jをもつ成分波の振幅A_jと位相θ_jは次
のようになる。

A_j＝√_j ²＋_j ²、 θ_j＝tan^-1a_j／b_j ……(3) 以上のことにより、時系列とパワースペクトル
が成分波の振幅と位相から計算できる。よつて時
系列補正計算及び波浪統計処理計算を行うデジタ
ル計算は、すべて成分波の振幅と位相を媒介とし
て行うことができる。

上記の考えに基づき、時系列補正計算の手順の
概略的な流れを示したのが第３図である。この時
系列補正計算（以下の説明では時系列ｙ（t_i）をy_i
と記す）では、まず、 時系列y_iを複素化する。

〓_i＝CMPLX｛y_i，0.0｝ ｉ＝１，２，……，Ｎ 複素化された時系列〓_iにFFTをかけて複素
数フーリエ級数〓_j（ｊ＝１，２，……，Ｎ／
２＋１）を得る。

〓_jからｊ番の成分（成分波）の振幅A_jと位
相θ_jを得る。

振幅と位相の補正係数をそれぞれα_j，β_jとす
ると、補正された振幅A_j′と位相θ_j′は、 A_j′＝α_jA_j θ_j′＝θ_j−β_j により計算される。

A_j′とθ_j′から複素数フーリエ級数の係数〓
_ｊ′をつくる。

〓_j′に逆FFTをかけて複素時系列〓_i′を得
る。

〓_i′の実数部が求める時系列Z_iとする。

Z_i＝Real（〓_i′） 上記計算において重要なことは、成分波の振幅と
位相に対する補正係数α_j，β_jの設定である。これ
らの係数は波浪のスペクトルの特徴から決定する
ことができる。

次に、上記各補正係数について詳述する。

(イ) 低周波のノイズ除去の補正計算 本発明では次の考えに基づいて補正係数が決定
される。外洋波浪が占める周波数領域は主要周波
数領域と呼び、概ね次の周波数_jの範囲と考えら
れている。

0.05Hz＜_j＜0.3Hz ……(4) よつて波浪に無関係なノイズをカツトするために
は、上記の主要周波数領域を含む、少し広めの周
波数領域を設定し、その周波数領域では振幅の補
正係数α_j ^Fを「１」、それ以外の周波数領域では振
幅の補正係数α_j ^Fを「０」とする。なお、この周
波数領域は、上記領域に限定されるものでなく、
環境や条件によつて変えてもよいことはいうまで
もない。また、位相の補正係数β_jはすべての周波
数領域でゼロとする。このように、デジタルフイ
ルターではアナログフイルターと異なつて不必要
な位相変化をもたらさない。

(ロ) ２回積分の演算に対する補正計算 これは加速度出力の時系列に対して行うもので
ある。時系列は、上記の式(1)で表されるので、２
回積分は項別に行うことができる。よつて α_j ^A＝１／（2πf_j）² β_j ^A＝−180° となる。この振幅補正係数α_j ^Aは低周波数であれ
ばあるほど大きな値となる。このために、この補
正係数の下限の適用周波数範囲が問題となるが、
これらは例えば次の考えに基づいて決定すればよ
い。すなわち、加速度から２回積分して得られる
加速度変位は、上述したように波浪による船体の
上下運動であるので、波浪の低周波の波浪成分に
対するものとなる。よつて、加速度変位のスペク
トルは低周波領域で、うねりに見られるような急
激に減衰した形を持つ。このようなことから、振
幅補正係数として、主要周波数領域及び高周波領
域に対しては上記のα_j ^Aを、それ以外の低周波数
領域では周波数が小さくなればなるほど減衰す
る、適当な補正係数を採用することである。

(ハ) 水圧補正に対する補正計算 これは波浪の波面による圧力変位が深さととも
に減衰するため、圧力出力に対して行うものであ
る。よつて α_j ^P＝EXP｛（2πf_j）²Z_p／ｇ｝ β_j ^P＝０ ここでZ_pとｇはそれぞれ圧力センサーの平均水
位と重力加速度を表す。この振幅補正係数は加速
度の場合と反対に、高周波であればあるほど大き
な値となる。このために、この係数の上限の適用
周波数が問題となるので、例えば次の考えに基づ
いて、適用周波数範囲とその範囲以外の補正係数
の決定を行えばよい。すなわち、水圧変位は上述
したように船体が追従しない相対的変位であるた
めに、波浪高周波の波−風浪による水面変位が主
体的になる。よつて、波浪のスペクトルにおい
て、高周波領域の形は数ｍ／ｓ（例えば6m／ｓ）
以上の風速が或る場合_j ^-h（_j ^-5）に比例するも
のとなる。このようなことから、強風時の波浪デ
ータを用いて振幅補正係数として、主要周波数領
域及び低周波数に対して上記のα_jを、それ以外の
高周波領域ではスペクトルの形が^-hとなるよう
に適当な補正係数を採用することができる。

以上のように加速度出力および圧力出力に対す
る時系列補正計算の補正係数を決定し、前者に対
しては低周波のノイズ除去（ローカツトフイルタ
ーに相当）と２回積分の補正係数を合成すればよ
いし、後者に対してはローカツトフイルターと水
圧補正の係数を合成すればよい。すなわち、加速
度出力に対しては、 α_j＝α_j ^F×α_j ^A β_j＝β_j ^F＋β_j ^A 圧力出力に対しては、 α_j＝α_j ^F×α_j ^P β_j＝β_j ^F＋β_j ^P を補正係数とし、この補正係数を用いて、第３図
の流れ図に従つて時系列補正計算を行い、加速度
変位と水圧変位を得る。そして、これらを加算す
ることによつて波高変位が算出される。

次に、波高変位からうねりと風浪を分離するシ
ステムの例を説明する。第２図において、うねり
と風浪の分離部７は、パワースペクトルよりうね
りと風浪とを分離するものであり、その具体的な
処理の例を示したのが第４図である。うねりと風
浪との分離は、第４図に示すようにまず波高変位
をFFTにかけて平滑化することによりパワース
ペクトルを得る。そして、所定の風速（例えば
6m／ｓ）以上か否か、高周波領域で_j ^-hの分布
をもつか否か、主要な２つのピーク（うねりのピ
ークと波浪のピーク）をもつか否かを調べる。そ
して、所定の風速以上である場合、或いは高周波
領域_j ^-hの分布をもつ場合には、主要な２つのピ
ークをもつことを条件にうねりと風浪が共存する
パワースペクトルと判定し、ピークが１つである
ことを条件に純粋な風浪のパワースペクトルと判
定する。また、所定の風速に達せず、且つ高周波
領域で^-hの分布をもたないことを条件に純粋う
ねりのパワースペクトルと判定する。

従来は、すでに述べたように、うねりと風浪の
分離法が今まで確立されていなかつたが、本発明
の特徴は、上記の新しい処理法である時系列補正
計算を用いて、合理的な分離法を開発したことに
ある。この分離法は第一に波浪場の分類を行うも
のである。すなわち、波浪場が純粋の風浪、純粋
のうねり、うねりと風浪の共存によるものかを分
類する。第４図から明らかなようにこの分類は、
現場の風速を参考にパワースペクトルの形から行
うものである。前者は観測時に船上で測定された
平均風速であり、後者は高周波領域での^-hの形
と、主要なスペクトルピークの数である。これ
は、上記水圧補正のところで述べた風浪の高周波
領域での^-hの形となる。上述のようにして波浪
場の分類を行うが、純粋な風浪と純粋なうねりの
場合はうねりと風浪の分離を必要としないため
に、直接に波浪統計処理を行う。従つて、第二に
うねりと波浪が共存する場合にはこれらを時系列
で分離する必要があり、この分離を行うことであ
る。このうねりと波浪との分離では、カツト周波
数_cを見つけ、それによる分離の補正係数を決定
し、時系列補正計算を行う。カツト周波数は、ス
ペクトル分布において主要な２つのスペクトルピ
ーク間でもつとも低いところの周波数とする。こ
れは前記の式(1)で表された周波数で近似できる。
それをｋ番目の周波数_kとおくと、うねりの補正
係数α_j ^s，β_j ^sと風浪の補正係数α_j ^w，β_j ^wは次のよ
うになる。

α_j ^s＝１；１≦ｊ＜ｋ 0.5；ｊ＝ｋ ０；ｋ＜ｊ≦Ｎ／２＋１ α_j ^w＝０；１≦ｊ＜ｋ 0.5；ｊ＝ｋ １；ｋ＜ｊ≦Ｎ／２＋１ なおβ_j ^sとβ_j ^wは前周波数領域でゼロとする。

以上のことにより、うねりと風浪の分離に対す
る補正係数が決定される。時系列補正計算が第３
図により実行され、波高変位が分離され、うねり
と風浪の時系列が算出されることになる。これ以
上の処理は各々時系列に従来の波浪統計処理を適
用すれば、うねりと風浪の特性が得られることに
なる。

以下に、外洋で観測されたデータを用いて、本
発明に係る船舶用波浪計における計測処理システ
ムによつて解析された実施例の結果を示す。

第５図はうねりと風浪との分離波形の例を示す
図、第６図はうねりと風浪との分離スペクトルの
例を示す図、第７図は計測実施時の海況を説明す
るための図、第８図は計測実施して分離されたう
ねりと風浪成分の特性例を示す図である。

以下の実施例で使用した加速度出力に対する補
正係数は、 α_j＝０；_j＜0.03Hz EXP（−0.03／_j）； 0.03Hz≦_j＜０，047Hz １／（2π_j）； 0.047Hz≦_j≦0.8Hz ０；0.8Hz＜_j β_j＝−180°；すべての周波数領域 圧力出力に対する補正係数は、 α_j＝０；_j＜0.03Hz EXP｛（2π_j）²Z_p／ｇ｝； 0.03Hz≦_j＜０，333Hz EXP｛（2π_p）²Z_p／ｇ｝； 0.333Hz≦_j≦0.8Hz ０；0.8Hz＜_j β_j＝０；すべての周波数領域 とした。ここで_p＝0.333Hz，Z_pは圧力センサー
の平均水位である。上記圧力出力に対する補正係
数から明らかなように、圧力出力の振幅補正係数
はZ_pの値に強く依存する。この値は船の積載重
量、動揺等によつて変化するものである。また、
従来の計測処理システムでは、Z_pの値は静水時の
平均設置水位を使用している。このために圧力変
位の値が正常でない場合が生じた。それに対して
本発明のシステムでは、観測中の水位変位の平均
値を用いることにした。すなわち、式(1)よりZ_p＝
a_pにした。なお、本実施例の海況としては、第７
図に示す通りであり、 観測日 1985年３月９日 観測点 27°00′N 125°30′E 風向風速 Ｎ 14m／ｓ 船首方位 110° 目視観測 風浪 Ｎ ５階級 うねり NNW ４階級 ここで、風浪５階級は波がやや高い（2.5m〜
4.0m）の波高の風浪で、うねり４階級は中位の
周期（8.1秒〜11.3秒）のやや高い（2m〜4m）の
波高のうねりを表す。この第７図から明らかなよ
うに強い北風が、現場で吹き、海はうねりと風浪
が共存する波浪場となつた。計測処理システムの
入力データは左舷側で計測された加速度出力と圧
力出力の時系列データである。得られた結果を示
したのが第５図の波形図、第６図のスペクトル
図、第８図のうねりと風浪成分の特性図である。
これらの結果のうち、うねりの周期と波高及び風
浪の波高について目視観測と比較を行つたが両者
はよく一致した。また分離されたうねりと風浪の
エネルギーの和はもとの波浪と一致した。この結
果から本発明の計測処理システムの解析精度の有
効性が実証された。

なお、本発明は、種々の変形が可能であり、上
記実施例に限定されるものではない。例えば、プ
ラツトホームである船体が波浪の水面変位に追従
しない相対水面変位の計測は、圧力センサーでな
く水面より上方に設置した、例えば超音波を使つ
て水面変位を計測するセンサーを圧力出力部２に
代えてもよい。この場合には、水圧補正の計算が
必要なくなることはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、センサー出力以後のすべての処理をデジタル
計算処理によりソフト的に行うため、従来のハー
ド的処理に伴つて生じる種々の問題が解消でき、
システムのメンテナンスも容易にできる。また、
このシステムの中心的な計算法は時系列補正計算
による方法であり、その特徴は波浪特性を十分に
考慮した補正係数を導入していることである。そ
のため、従来の波浪統計処理で問題となつた、う
ねりと風浪との分離の処理も合理的に行うことが
でき、センサーからの出力をソフト的に高精度で
効率よく処理できる。しかもこのシステムでは、
400kバイト程度の記憶容量をもつ16ビツトのパ
ソコンクラスで十分実用に供することができ、高
精度で安価な船舶用波浪計における計測処理シス
テムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は波高変位を求める本発明の船舶用波浪
計における計測処理システムの１実施例構成を示
す図、第２図は波高変位からうねりと風浪の特性
を求める本発明の船舶用波浪計における計測処理
システムの１実施例構成を示す図、第３図は時系
列補正計算の流れを説明するための図、第４図は
うねりと風浪の分離処理の流れを説明するための
図、第５図はうねりと風浪との分離波形の例を示
す図、第６図はうねりと風浪との分離スペクトル
の例を示す図、第７図は計測実施時の海況を説明
するための図、第８図は計測実施して分離された
うねりと風浪成分の特性例を示す図、第９図は船
舶用波浪計における計測処理システムの従来例を
説明するための図である。 １……加速度出力部、２……圧力出力部、３…
…Ａ／Ｄ変換部、４と５……時系列補正計算部、
６……加算計算部、７……うねりと風浪の分離
部、８……波浪統計処理部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プラツトホームの上下変動の加速度を検出す
   る加速度検出手段、プラツトホームに対する相対
   水面変位を検出する相対水面変位検出手段、前記
   加速度及び相対水面変位の検出信号をデジタル信
   号に変換する信号変換手段、及び前記デジタル信
   号を処理して波浪情報を生成するデータ処理手段
   を備え、該データ処理手段は、前記デジタル信号
   をフーリエ変換して少なくとも加速度及び相対水
   面変位を各成分波に分離し、低周波のノイズ除去
   のための補正係数、加速度を２回積分した加速度
   変位及び相対水面変位に対し周波数領域に応じて
   設定される補正係数を用いて補正計算を行い加算
   して波高変位を求め、うねりと風浪とを分離して
   波浪情報を得ることを特徴とする船舶用波浪計に
   おける計測処理システム。 ２ 相対水面変位検出手段は、プラツトホームの
   底に取り付けた圧力センサーを使い、該圧力セン
   サーによる検出圧力に対してデータ処理手段によ
   り水圧補正計算を行うことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の船舶用波浪計における計測
   処理システム。 ３ 水圧補正計算では、低周波領域と高周波領域
   で異なる補正係数を用いることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項に記載の船舶用波浪計における
   計測処理システム。 ４ うねりと風浪は、風速と主要なスペクトルピ
   ークの数とスペクトルの高周波領域における形に
   より分離することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の船舶用波浪計における計測処理シス
   テム。