JPH10141953A - 圧力式波高計 - Google Patents
圧力式波高計Info
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- JPH10141953A JPH10141953A JP31302896A JP31302896A JPH10141953A JP H10141953 A JPH10141953 A JP H10141953A JP 31302896 A JP31302896 A JP 31302896A JP 31302896 A JP31302896 A JP 31302896A JP H10141953 A JPH10141953 A JP H10141953A
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Abstract
アップクロス法のように水圧波形から一々波形を分離し
て周期を求めるという手間が不要で且つより正確な波高
変化の復元ができる圧力式波高計の実現。 【解決手段】 水圧センサ1で得られた水圧波形データ
をA/D変換器2でディジタル信号に変換し、この水圧
波形信号を、波の周波数の関数として理論的に定まって
いる補正倍数を周波数伝達関数とするディジタルフィル
ター3に通過させて波高の変化波形を復元する。
Description
分野に属する。
計で計測した圧力変化から水表面の高さの変化即ち表面
波を計測するものであり、その原理は水面が高くなれば
水圧も高くなり、水面が低くなれば水圧も低くなるとい
う関係があることを利用したものである。
高低変化との関係は、水面上下動の周期が長い(即ち変
化がゆっくりしている)場合は、水中における単位面積
当たりの圧力は、水面が高くなった場合単位面積当たり
で高くなった水の重量分だけ増加し、水面が低くなった
場合は単位面積当たりで低くなった水の重量分だけ減少
する。従って、水中圧力変化を水柱高の変化で表した値
に一致する。即ち、水柱高の変化に1を掛けた値という
ことになる。
(即ち周波数が高く)なってくると、水面高の変化に対
する水圧変化が小さくなってくる。この小さくなってく
る割合即ち減衰率は理論的に定まっており次のようにな
る。今、周波数をf(=1/T、但しTは周期)、圧力
センサ直下の水深をD、圧力センサの深度をz、重力加
速度をgとすれば、数式3からLを求め、このLを数式
4に代入して、減衰率ηが周波数fの関数として求めら
れる(詳しくは朝倉書店発行 井島武士著「海岸工学」
34頁参照)
はその水圧変化に対応する水柱高の変化の振幅に減衰率
η(f)の逆数H(f)を補正倍数として乗ずれば正し
い水面高の変化の振幅(即ち波高)が得られることにな
る。そこで、従来は、時間を横軸として水圧センサから
得られた水圧波形からゼロアップクロス法で1波1波分
離してその周期Tを計測し、その周期Tを用いて数式3
および数式4から補正倍数H(f)を求め、水圧波形の
振幅に乗じて波高を求めていた。
形から周期を正確に読み取ることがむずかしく、補正倍
数が2.5以上では、一般に正しい水圧−波高換算がで
きない。このときの波の周期は約7秒である。従って、
従来の水圧式波高計では7秒以下の周期の波は計測でき
ないという問題があった。
て、ゼロアップクロス法で周期を求めるという方法によ
らずに、水圧波形の含む各周波数成分に対して、それぞ
れの周波数に対応した補正倍数を乗ずる周波数伝達関数
を有するディジタルフィルターを通過させることにより
補正された波高値が得られる圧力式波高計を提供するこ
とにある。
達成するために次の手段構成を有する。本発明の圧力式
波高計の構成は、次の各手段を具備するものである。 (イ)水面の波高の変化によって変化する水圧を検知し
アナログ信号で出力する水圧センサ (ロ)水圧センサからの水圧アナログ信号をディジタル
信号に変換するA/D変換器 (ハ)A/D変換器からの水圧信号の、予め定めた周波
数範囲の周波数成分に対し、数式5の周波数伝達関数
(補正倍率)H(f)を乗じて出力するディジタルフィ
ルター 但し、数式5のLは、入力信号周波数をfとしたとき次
の数式6から得られる値を代入する。
ィルターはその周波数伝達関数が、周波数の関数である
補正倍率になるように設定されているので、ディジタル
信号化された水圧信号を入力するとそれに含まれている
周波数成分毎にその周波数に対応する補正倍率が乗ぜら
れそれらが合成されたと同じ形で自動的に出力され結果
として補正された波高値が得られることになる。
ス応答h(t)の時系列データで表される。インパルス
は、ある時刻で値が1で、その前後の値がゼロである時
系列を言う。インパルス応答h(t)は、このインパル
スを入力したときの応答である。もしフィルターのイン
パルス応答h(t)が得られると、次のような出力が計
算される。即ち、入力の時系列をサンプル値の大きさを
持つインパルス列と見なすことができ、サンプル時間間
隔をΔtとすると、Δt時間ずらして、このインパルス
応答を入力することになる。従って、このインパルス列
の各インパルス応答h(t)を時間をずらして加えれ
ば、フィルター出力が得られる。この操作を「畳み込
み」と呼ぶ。結論的に、「ディジタルフィルターを作る
ことは、インパルス応答h(t)を求めること」と言う
ことができる。
換とすると、周波数伝達関数H(f)が得られる。ま
た、逆に周波数伝達関数H(f)を与えて、逆フーリエ
変換すると、インパルス応答h(t)が得られる。この
周波数伝達関数H(f)は、振幅が1である各周波数を
持つ正弦波を、フィルターに入力したときの出力の振幅
の大きさ(倍率)を表すものである。上述のH(f)
は、周波数伝達関数H(f)を表しているので、このH
(f)を逆フーリエ変換してインパルス応答h(t)を
求めることにより、ディジタルフィルターを作ることが
できる。
ターを求めるが、実際の計算は次の手法によっている。
従来から、周波数伝達関数H(f)を与えて、インパル
ス応答h(t)を単純に、逆フーリエ変換で求めるとう
まく行かないことが知られていた。周波数伝達関数H
(f)を与えて、インパルス応答h(t)を単純に計算
するとインパルス応答h(t)が無限の長さとなる。こ
れを適当な長さで切ると、希望のフィルター特性が得ら
れない。これはFFT(高速フーリエ変換)を用いてフ
ーリエ変換をし、必要な部分を残して逆変換し、バンド
パスフィルターを通したと考える無謀なことと同じで、
正しくフィルターリングされない。
らインパルス応答h(t)を計算するとき、窓関数を乗
じる手法「窓関数法」が普及し、もっぱらこの手法が用
いられている。無限長になるインパルス応答h(t)を
窓関数を用いて、インパルス応答h(t)の両端を滑ら
かにゼロに収束させる手法である。このようにすると、
正しくフィルターリングされ、位相ずれのないFIR型
フィルターが得られる。
め、希望の周波数伝達関数H(f)とは完全に一致しな
い場合がある。一般にこのフィルター長の長さを長くす
ればするほど、希望の周波数伝達関数H(f)に近づ
く。しかし長くすると、計算量が多くなるため、試行錯
誤しながら最適な長さを決定する。
を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施例を
示すブロック図であり、水圧センサ1、A/D変換器
2、ディジタルフィルター3および波高データメモリ4
がまとまって水中に設置される。水圧センサ1で検出さ
れた水圧のアナログデータはA/D変換器2でディジタ
ル信号に変換された後、ディジタルフィルター3へ入力
される。
特性を示す図である。横軸は周波数、縦軸は補正倍数で
ある。この図は水深12mの水底に水圧センサが置かれ
た場合の特性で、周波数ゼロから約0.29Hz(周期
で言うならば約3.5秒)付近の所までの曲線が数式5
で表される曲線である。本実施例では波高計が水底に置
かれているのでD=zとなり、その結果数式5の分母は
1となる。数式5に従えばこの曲線は急峻に上昇し大き
な補正倍数となる。しかし大きな補正倍数を乗ずること
は不要なノイズをも増大させることになりかえってS/
Nを低下させることが考えられるので30倍で飽和する
特性にした。
続的に入力されていると、同時に出力波も連続的に出力
されるリアルタイム型フィルターである。従って、入力
波が無限長でもかまわない。このようなディジタルフィ
ルター3を通すことによりその出力は水面の波高データ
となり波高データメモリ4へ格納される。こうして或る
時間あるいは或る期間の波高データが蓄積されると引き
上げられて波高データメモリ4から波高データが読み出
される。
あり、ディジタルフィルター3は水中設置機器の中には
含まれていない。水中設置の水圧センサ1や、A/D変
換器2の機能は第1の構成の場合と同様であるが、ディ
ジタルデータに変換された水圧データは水圧データメモ
リ5に格納される。こうして或る時間あるいは或る期間
の水圧データが蓄積されると引き上げて水圧データメモ
リ5から水圧データを読み出してディジタルフィルター
3にかけて波高データを得ることになる。
ある。水中設置のディジタルフィルター3からの出力信
号は、水中通信ケーブル6を経由して、陸上に設置され
た波高データメモリ4に転送される。図4は、第4の実
施例を示すブロック図である。水中設置のA/D変換器
2からの出力信号は、水中通信ケーブル6を経由して陸
上に設置されたディジタルフィルター3に入力され、そ
の出力は、波高データとして波高データメモリ4に記憶
される。このように、水中通信ケーブルによるデータ転
送を行うと、リアルタイムに波高のデータが入手でき、
港湾工事や海水浴場の安全管理に利用できる。また、水
中通信ケーブル6の代わりに、ブイと無線通信機を用い
て構成することもできる。
形を示す図である。(a)は水圧センサ1から得られる
水圧変動波形である。(b)は(a)の波形信号をディ
ジタルフィルター3に通してその出力から得られた波形
である。(c)は正しい波高データが得られると考えら
れている超音波式波高計で測定された同じ場所の水面に
おける波高データである。ここで(b)の波形を(c)
の波形と比較すると、ほぼ正しく復元されていることが
分かる。
を用いることによって、補正倍数が30程度まで、周期
でいうならば周期3.5秒程度の周期の短い波まで計測
できることになり、従来のゼロアップクロス法で補正倍
数は精々2.5までで7秒以下の周期の波が計測できな
かったのに較べてより正確な復元ができることになる。
また、水圧データ波形から1波1波分離して周期を求め
るという作業も不要となる。
高計は水圧データから波高データを復元する手段とし
て、波の周波数の関数として理論的に定まっている補正
倍数を周波数伝達関数とするディジタルフィルターを用
い水圧波形データをこのディジタルフィルターを通過さ
せるようにしたので、従来のゼロアップクロス法のよう
に、水圧波形データから1波1波分離して波の周期を割
り出すという作業は必要なくなり、周期が正確に読み取
りにくいという問題もなくなり、また、補正倍数が精々
2.5までで7秒以下の周期の波が計測できなかったの
に較べ、少なくとも補正倍数が30位まで、周期3.5
秒位迄の短い波まで補正の対象とすることができ、従来
よりも一層正確な波高の復元ができるという利点があ
る。
ク図である。
ク図である。
ク図である。
ク図である。
特性を示す図である。
れた波高の波形図および正しい波高データとしての超音
波式波高計で計測された波高データの波形図の比較図で
ある。
Claims (1)
- 【請求項1】 次の各手段を具備することを特徴とする
圧力式波高計。 (イ)水面の波高の変化によって変化する水圧を検知し
アナログ信号で出力する水圧センサ (ロ)水圧センサからの水圧アナログ信号をディジタル
信号に変換するA/D変換器 (ハ)A/D変換器からの水圧信号の、予め定めた周波
数範囲の周波数成分に対し、下記数式1の周波数伝達関
数(補正倍率)H(f)を乗じて出力するディジタルフ
ィルター 但し、数式1のLは、入力信号周波数をfとしたとき次
の数式2から得られる値を代入する。 【数1】 【数2】
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP31302896A JP2911838B2 (ja) | 1996-11-08 | 1996-11-08 | 圧力式波高計 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP31302896A JP2911838B2 (ja) | 1996-11-08 | 1996-11-08 | 圧力式波高計 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10141953A true JPH10141953A (ja) | 1998-05-29 |
JP2911838B2 JP2911838B2 (ja) | 1999-06-23 |
Family
ID=18036354
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP31302896A Expired - Fee Related JP2911838B2 (ja) | 1996-11-08 | 1996-11-08 | 圧力式波高計 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2911838B2 (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006208353A (ja) * | 2005-01-31 | 2006-08-10 | Kaiyo Chosa Kyokai | 水圧波から表面波への変換手法 |
CN104457901A (zh) * | 2014-11-28 | 2015-03-25 | 南京信息工程大学 | 一种确定水深的方法及系统 |
CN106969755A (zh) * | 2017-03-15 | 2017-07-21 | 天津大学 | 一种基于水压力反演海浪波高与周期的方法 |
CN113155408A (zh) * | 2020-10-24 | 2021-07-23 | 大连理工大学 | 一种基于点压力反馈浪高显示的造波机实验装置及其方法 |
CN115435757A (zh) * | 2022-11-09 | 2022-12-06 | 海南浙江大学研究院 | 一种利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法 |
-
1996
- 1996-11-08 JP JP31302896A patent/JP2911838B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JP2006208353A (ja) * | 2005-01-31 | 2006-08-10 | Kaiyo Chosa Kyokai | 水圧波から表面波への変換手法 |
JP4725883B2 (ja) * | 2005-01-31 | 2011-07-13 | 社団法人海洋調査協会 | 水圧波から表面波への変換手法 |
CN104457901A (zh) * | 2014-11-28 | 2015-03-25 | 南京信息工程大学 | 一种确定水深的方法及系统 |
CN106969755A (zh) * | 2017-03-15 | 2017-07-21 | 天津大学 | 一种基于水压力反演海浪波高与周期的方法 |
CN106969755B (zh) * | 2017-03-15 | 2019-08-13 | 天津大学 | 一种基于水压力反演海浪波高与周期的方法 |
CN113155408A (zh) * | 2020-10-24 | 2021-07-23 | 大连理工大学 | 一种基于点压力反馈浪高显示的造波机实验装置及其方法 |
CN115435757A (zh) * | 2022-11-09 | 2022-12-06 | 海南浙江大学研究院 | 一种利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法 |
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