JPH11304483A

JPH11304483A - 波高計測方法及び装置

Info

Publication number: JPH11304483A
Application number: JP10112034A
Authority: JP
Inventors: Osamu Atokawa; 理後川
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1998-04-22
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】計測波面を容易に特定し得て精度良く計測を
行うことができ、しかも、夜間や暗闇での計測も可能に
した波高計測方法及び装置を提供する。【解決手段】一対のレーザ発振器１，１から可視レー
ザ光Ｌ，Ｌを波面Ｗに向け交差するように照射し、両レ
ーザ発振器１，１を俯仰動作させることにより交差点Ｐ
₁を波面Ｗの上下変化より早く上下方向に走査して波面
Ｗを識別し、これによって、識別される波面Ｗの上下位
置の時間変化を時刻と共にビデオカメラ２で画像に記録
し、その記録した画像データに基づき画面上での波面Ｗ
の上下位置を実空間座標に変換した座標値の点列データ
を求め、この点列データから波高及び波長を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可視レーザ光を用
いた非接触式の波高計測方法及び装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来において、波の高さ及び波長を計測
する手段としては、例えば、波面の直上位置から垂直に
レーザ光またはマイクロ波を照射し、その反射波が戻っ
てくるまでの時間に基づいて波面までの距離を計測する
ことにより波面の時間変化を計測する方法や、ステレオ
カメラによる二つの異なる位置の画像から計測波面を特
定して波面の時間変化を計測する方法などが知られてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
ようにレーザ光またはマイクロ波により計測を行う場合
には、波面の直上位置に計測装置を配置しなければなら
なかった為、この計測装置を海上に張り出して支持する
支持体に反射した波が計測位置の波面に影響を及ぼし易
く、計測誤差が生じ易いという不具合があった。

【０００４】また、ステレオカメラにより画像計測を行
う場合にあっては、特長の少ない二つの波の画像から計
測波面を特定することが困難である為に計測精度に問題
があり、しかも、夜間や暗闇での計測が不可能であると
いう不具合もあった。

【０００５】本発明は、上述した実情に鑑みてなされた
もので、計測波面を容易に特定し得て精度良く計測を行
うことができ、しかも、夜間や暗闇での計測も可能にし
た波高計測方法及び装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、定点から可視
レーザ光を波面に向け照射し、その可視レーザ光を波面
の上下変化より早く上下方向に走査して波面を識別し、
これによって、識別される波面の上下位置の時間変化を
時刻と共に画像に記録し、その記録した画像データに基
づき画面上での波面の上下位置を実空間座標に変換した
座標値の点列データを求め、この点列データから波高及
び波長を計測することを特徴とする波高計測方法、に係
るものである。

【０００７】このような波高計測方法によれば、定点か
ら照射される可視レーザ光を、その照射方向に対し交差
する所定方向から画像に記録することにより、実空間座
標に任意点を特定することが可能となり、前記可視レー
ザ光を波面の上下変化より早く上下方向に走査させる
と、空気と水の屈折率の差により可視レーザ光の輝度な
どが波面に対し出没する位置で大きく変化するので、こ
れによって、波面の位置が可視レーザ光の映像的な変化
として特定されることになる。

【０００８】そして、このような可視レーザ光の映像的
な変化として識別される波面の上下位置の時間変化を時
刻と共に画像に記録し、その記録した画像データに基づ
き画面上での波面の上下位置を実空間座標に変換して座
標値の点列データを求めると、この点列データの最大値
が波高として得られ、ある最大値から次の最大値までの
間の時間差が波長として得られる。

【０００９】また、本発明は、可視レーザ光を波面に向
け照射し且つその可視レーザ光を上下方向に所定の周期
で走査し得るよう俯仰するレーザ発振器と、該レーザ発
振器からの可視レーザ光の照射により識別される波面の
上下位置の時間変化を時刻と共に撮像する撮像装置と、
該撮像装置により撮像された画像データに基づき画面上
での波面の上下位置を実空間座標に変換した座標値の点
列データを求めて該点列データから波高及び波長を計測
する演算装置とを備えたことを特徴とする波高計測装
置、にも係るものである。

【００１０】このような波高計測装置によれば、レーザ
発振器から照射される可視レーザ光を、その照射方向に
対し交差する所定方向から撮像装置で撮像することによ
り、実空間座標に任意点を特定することが可能となり、
レーザ発振器を俯仰動作させることにより前記可視レー
ザ光を波面の上下変化より早く所定の周期で上下方向に
走査させると、空気と水の屈折率の差により可視レーザ
光の輝度などが波面に対し出没する位置で大きく変化す
るので、これを撮像装置により撮像すれば、可視レーザ
光の映像的な変化として識別される波面の上下位置の時
間変化が時刻と共に画像に記録され、その記録した画像
データに基づき演算装置にて画面上での波面の上下位置
が実空間座標に変換されて座標値の点列データが求めら
れ、この点列データの最大値が波高として得られ、ある
最大値から次の最大値までの間の時間差が波長として得
られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照しつつ説明する。

【００１２】図１〜図９は本発明を実施する形態の一例
を示すもので、図１は本発明に係る波高計測装置の全体
構成を概略的に示すもので、図中１，１は互いに所定の
距離２ｌを隔てて離間する所定高さｈの二つの定点Ａ，
Ｂに夫々設置されたレーザ発振器、２はこれら両レーザ
発振器１，１間の中間位置ｌの所定高さｅの定点Ｃに設
置されたビデオカメラ（撮像装置）、３は前記両レーザ
発振器１，１及びビデオカメラ２に夫々接続されて所要
場所に配置された演算装置である。

【００１３】前記両レーザ発振器１，１は、可視レーザ
光Ｌ，Ｌを波面Ｗに向け交差するように照射し且つその
交差点Ｐ₁を鉛直方向に設定された後述する走査軸ＳＳ₀
上を上下方向に所定の周期で走査し得るよう俯仰可能に
構成されており、一方、前記ビデオカメラ２は、前記走
査軸ＳＳ₀上の可視レーザ光Ｌ，Ｌの交差点Ｐ₁の変動を
撮像して時刻と共に画像に記録するようになっている。

【００１４】また、前記演算装置３は、ビデオカメラ２
により撮像された画像データに基づき画面上での波面Ｗ
の上下位置を実空間座標に変換した座標値の点列データ
を求め、該点列データから波高及び波長を計測し得るよ
うになっている。

【００１５】斯かる波高計測装置による波高及び波長
（波周期）の具体的な計測手順について、一方の定点Ａ
に設置したレーザ発振器１から照射される可視レーザ光
Ｌを主体として以下に詳述するが、他方の定点Ｂに設置
したレーザ発振器１から照射される可視レーザ光Ｌも同
様に説明できるものであり、この定点Ｂからの可視レー
ザ光Ｌについての説明は省略する。

【００１６】図２に示すように、固定点Ｏを全体座標系
の原点とし、この固定点Ｏから計測すべき波面Ｗに向か
う方向へ平水面と平行にＸ軸を取り、該平水面と直交す
る鉛直方向にＹ軸を取り、平水面と平行面でＸ軸と直交
する右手系の方向にＺ軸を取った場合に、レーザ発振器
１が設置される定点Ａの空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、Ｘ
＝０，Ｙ＝ｈ，Ｚ＝ｌとなり、また、ビデオカメラ２が
設置される定点Ｃの空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、Ｘ＝
０，Ｙ＝ｅ，Ｚ＝０となる。

【００１７】そして、原点ＯからＸ軸方向にｃだけ離れ
た位置の空間座標（Ｘ＝ｃ，Ｙ＝０）上の点Ｓ₀と、こ
のＳ₀点からＹ軸方向にｈの高さ位置の空間座標（Ｘ＝
ｃ，Ｙ＝ｈ）上の点Ｓとを結ぶＹ軸に平行な線ＳＳ₀を
走査軸として設定し、この走査軸ＳＳ₀上の点Ｐ（Ｙ＝
ｄ）を平水面とし、点Ｑ（Ｙ＝ｄ＋ｗ）を波面Ｗの位置
として、走査軸ＳＳ₀を狙って照射される可視レーザ光
Ｌの発光角度（俯仰傾斜角：α）を上下方向に変動させ
る。

【００１８】一方、図３に示すように、ビデオカメラ２
の画面座標の水平方向の中心位置が走査軸ＳＳ₀に合う
ようにし、その垂直方向の中心位置が走査軸ＳＳ₀上の
Ｐ点の平水面に合うようにカメラレンズの方向を予め調
整しておく。尚、図４は可視レーザ光Ｌの発光角度
（α）と実波高の関係を示すもので、点Ａ₀は原点Ｏか
らＺ軸方向にｌだけ離れた位置、即ち、レーザ発振器１
が設置される定点ＡのＺ軸上の点、ｂはＺ軸上のＡ₀点
からＸ軸上のＳ₀点までの距離（ｂ＝√（ｃ²＋ｌ²））
である。

【００１９】このような設定条件を下にし、Ａ点での可
視レーザ光Ｌの発光角度（α）を時間（ｔ）に対して正
弦波で周期的に変動させると、傾斜角の時間ステップ
（αi）は、下記のような（１）式になる。

【００２０】

【数１】

【００２１】また、上記（１）式において、１周期の時
間分割数をｎｓとすると、下記のようになる。

【００２２】

【数２】

【００２３】そして、上記（１）式における最大設定振
幅に対応する傾斜角（ａ）は、図４に示す可視レーザ光
Ｌの発光角度（α）と実波高の関係から下記のような
（２）式により計算でき、この計算式に基づいて可視レ
ーザ光Ｌの走査が行われる。

【００２４】

【数３】

【００２５】図５は可視レーザ光Ｌと波面Ｗとの関係を
示すものであり、図５（Ａ）は平面ＡＡ₀ＳＳ₀内におけ
る可視レーザ光Ｌの発光角度（α）の変動を側面から見
た状態を示し、図５（Ｂ）は同じく上面から見た状態を
示し、この場合、波面Ｗが説明の便宜上から水平である
とすると、走査軸ＳＳ₀を狙って照射されるレーザ発振
器１からの可視レーザ光Ｌの発光角度（α）が、走査軸
ＳＳ₀上の点Ｑ（Ｙ＝ｄ＋ｗ）で接する波面Ｗの位置を
基準として小さい場合に、走査軸ＳＳ₀より外側の位置
で波面Ｗに接し、また、可視レーザ光Ｌの発光角度
（α）が大き過ぎる場合には、可視レーザ光Ｌは走査軸
ＳＳ₀より内側の位置で波面Ｗに接する。このとき、可
視レーザ光Ｌは、Ａ点から空中を通過中は直進して輝度
も大きく、波面Ｗの位置で水中に突入すると、屈折して
輝度も小さくなる。

【００２６】この可視レーザ光Ｌの波面Ｗの挙動による
輝度の変化は、ビデオカメラ２により撮像され、その画
像は、先に図３に示したビデオカメラ２の画面座標に、
図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す如く画像として表示される。
尚、図６（Ａ）は可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀より外
側の波面位置で接する状態、図６（Ｂ）は可視レーザ光
Ｌが走査軸ＳＳ₀上の波面位置で接する状態、図６
（Ｃ）は可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀より内側の波面
位置で接する状態における可視レーザ光Ｌの変動時間ス
テップに合わせた時刻の画面を示す。

【００２７】そして、このような可視レーザ光Ｌの変動
時間ステップに合わせた時刻の画面から、画面の下の方
から水平方向に走査して、可視レーザ光Ｌの輝度の大き
い二点（ａ１，ａ２）を検出し、直線（ｌａ）を算出す
る。また、画面の上の方から水平方向に走査して、可視
レーザ光Ｌの輝度の大きい二点（ｕ１，ｕ２）を検出
し、直線（ｌｕ）を算出すると共に、これら直線（ｌ
ａ）と直線（ｌｕ）との交点を求め、その画面座標系で
の交点の座標をｘ＝ｘｇ、ｙ＝ｙｇとする。このとき、
図６（Ａ）に示すような可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀
より外側の波面位置で接する状態では、ｘｇ＞ｘ０、図
６（Ｃ）に示すような可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀よ
り内側の波面位置で接する状態では、ｘｇ＜ｘ０であ
る。

【００２８】ところが、図６（Ｂ）に示すように、可視
レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀上の波面位置で接する状態を
常に撮像されるとは限られない為に、図６（Ａ）に示す
可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀より外側の波面位置で接
する状態から、図６（Ｃ）に示す可視レーザ光Ｌが走査
軸ＳＳ₀より内側の波面位置で接する状態へ変化する二
つの状態から図６（Ｂ）に示すような可視レーザ光Ｌが
走査軸ＳＳ₀上の波面位置で接する状態を内挿して求
め、その時の時刻をｔｑ、ｙ座標値をｙｑとし、これに
より、画面上での波面位置と時刻の検出を行う。

【００２９】図７は上記した走査軸ＳＳ₀とビデオカメ
ラ２の画面スクリーンの関係を示すもので、ビデオカメ
ラ２のレンズと画面スクリーンとの間の距離をｆとし、
例えばレンズの特性で決まる定数をβ（図示の例では、
β＝１）とし、実波高をｗ、実波高に対応する画面上の
波高をｈgとした場合における関係式は、下記の（３）
式及び（４）式のようになる。

【００３０】

【数４】

【００３１】

【数５】

【００３２】また、図６（Ｂ）に示すような可視レーザ
光Ｌが走査軸ＳＳ₀上の波面位置で接する状態におい
て、可視レーザ光Ｌの発光角度（αq ）が分かれば、下
記の（５）式から実波高（ｗ）を計算することができ
る。

【００３３】

【数６】ｗ＝ｈ−ｄ−ｂ・ｔａｎ（αq ）（５）

【００３４】図８は上記した走査軸ＳＳ₀における可視
レーザ光Ｌの変動と波面Ｗの位置の時間変化を示すもの
で、所定の周期で上下方向に走査する可視レーザ光Ｌの
走査線ｓと計測すべき波が交差するときの時間ｔqiとの
波面Ｗqiの点列データにより、波面Ｗqiの最大値と次の
最大値を求めると、波高ｈｗが得られ、その間の時間差
が波長（波周期）ｔｗとして得られる。

【００３５】また、図９は本発明に係る波高計測装置の
演算装置３の制御フローを示すブロック図であり、先ず
設定した周期の時間ステップにより可視レーザ光Ｌの発
光角度（α）をレーザ発振器１，１の俯仰動作を制御し
て変動させる。このとき、ビデオカメラ２のシャッタ時
刻は、必ずしも可視レーザ光Ｌの発光角度（α）の時間
ステップと連動させる必要はないが、それに近い時間ス
テップで可視レーザ光Ｌと波の状態を撮像する。そし
て、このように撮像された画像を演算装置３の画面上に
映し出し、上述したような方法により画面上での可視レ
ーザ光Ｌの水面への突入位置を抽出する。これにより、
可視レーザ光Ｌと波面Ｗが走査軸ＳＳ₀上に来たときの
時刻と画面上での上下位置を実空間座標に変換した座標
値の点列データを求めると共に、この点列データから走
査軸ＳＳ₀上の上下運動の周期と振幅（波高）を求める
ようになっている。

【００３６】従って、上記形態例によれば、二つの定点
から照射される可視レーザ光Ｌ，Ｌの交差点Ｐ₁によ
り、実空間座標に任意点を容易に特定することができ、
しかも、この交差点Ｐ₁を波面Ｗの上下変化より早く上
下方向に走査させることによって、計測波面Ｗの位置を
交差点Ｐ₁の映像的な変化として正確に特定することが
できるので、このように交差点Ｐ₁の映像的な変化とし
て識別される波面Ｗの上下位置の時間変化を時刻と共に
画像に記録し、その記録した画像データに基づき画面上
での波面Ｗの上下位置を実空間座標に変換して座標値の
点列データを求め、この点列データから波高及び波長を
計測するようにすれば、波高計測装置から離れた位置に
ある波面Ｗを計測対象として、意図しない反射波の影響
を計測波面Ｗに及ぼすことなく計測誤差の少ない計測を
実現することができ、従来より計測精度を大幅に向上す
ることができる。

【００３７】また、夜間や暗闇において特に識別性が向
上する可視レーザ光Ｌ，Ｌの照射により計測を行うよう
にしているので、従来におけるステレオカメラなどでは
不可能であった夜間や暗闇での計測をも精度良く行うこ
とができる。

【００３８】尚、本発明の波高計測方法及び装置は、上
述の形態例にのみ限定されるものではなく、形態例中で
は、一対のレーザ発振器を用いて二つの定点から可視レ
ーザ光を波面に向け交差するように照射して実空間座標
に任意点を特定するよう説明したが、図２以降を参照し
た説明において、一方の定点からの可視レーザ光の照射
で説明ができているように、基本的には一つの定点から
照射される可視レーザ光を、その照射方向に対し交差す
る所定方向から画像に記録するようにすれば実空間座標
に任意点を特定することができるのであり、より具体的
には、図６におけるｘ＝ｘ₀の位置が画面座標の水平方
向の中心位置となるよう撮像装置を設置することによ
り、一つの定点からの可視レーザ光の照射で実空間座標
に任意点を特定することが可能となること、その他、本
発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え
得ることは勿論である。

【００３９】

【発明の効果】上記した本発明の波高計測方法及び装置
によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

【００４０】（Ｉ）定点から照射される可視レーザ光
を、その照射方向に対し交差する所定方向から画像に記
録することにより、実空間座標に任意点を容易に特定す
ることができ、しかも、前記可視レーザ光を波面の上下
変化より早く上下方向に走査させることによって、計測
波面の位置を可視レーザ光の映像的な変化として正確に
特定することができるので、このように可視レーザ光の
映像的な変化として識別される波面の上下位置の時間変
化を時刻と共に画像に記録し、その記録した画像データ
に基づき画面上での波面の上下位置を実空間座標に変換
して座標値の点列データを求め、この点列データから波
高及び波長を計測するようにすれば、波高計測装置から
離れた位置にある波面を計測対象として、意図しない反
射波の影響を計測波面に及ぼすことなく計測誤差の少な
い計測を実現することができ、従来より計測精度を大幅
に向上することができる。

【００４１】（ＩＩ）夜間や暗闇において特に識別性が
向上する可視レーザ光の照射により計測を行うようにし
ているので、従来におけるステレオカメラなどでは不可
能であった夜間や暗闇での計測をも精度良く行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図であ
る。

【図２】波高及び波長の計測手順を概略的に示す説明図
である。

【図３】ビデオカメラの画面座標の説明図である。

【図４】可視レーザ光の発光角度と実波高の関係を示す
説明図である。

【図５】可視レーザ光と波面との関係を概略的に示すも
ので、（Ａ）は側面から見た状態の説明図、（Ｂ）は上
面から見た状態の説明図である。

【図６】図４及び図５の可視レーザ光の変動時間ステッ
プに合わせた時刻の画面座標を示すもので、（Ａ）は可
視レーザ光が走査軸より外側の波面位置で接する状態の
説明図、（Ｂ）は可視レーザ光が走査軸上の波面位置で
接する状態の説明図、（Ｃ）は可視レーザ光が走査軸よ
り内側の波面位置で接する状態の説明図である。

【図７】走査軸とビデオカメラの画面スクリーンとにお
ける実波高と画面波高の関係を示す説明図である。

【図８】走査軸における可視レーザ光の変動と波面位置
の時間変化を示す説明図である。

【図９】波高計測装置の演算装置の制御フローを示すブ
ロック図である。

【符号の説明】

１レーザ発振器２ビデオカメラ（撮像装置）３演算装置Ｌ可視レーザ光Ｐ₁ 交差点Ｗ波面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】定点から可視レーザ光を波面に向け照射
し、その可視レーザ光を波面の上下変化より早く上下方
向に走査して波面を識別し、これによって、識別される
波面の上下位置の時間変化を時刻と共に画像に記録し、
その記録した画像データに基づき画面上での波面の上下
位置を実空間座標に変換した座標値の点列データを求
め、この点列データから波高及び波長を計測することを
特徴とする波高計測方法。
【請求項２】可視レーザ光を波面に向け照射し且つそ
の可視レーザ光を上下方向に所定の周期で走査し得るよ
う俯仰するレーザ発振器と、該レーザ発振器からの可視
レーザ光の照射により識別される波面の上下位置の時間
変化を時刻と共に撮像する撮像装置と、該撮像装置によ
り撮像された画像データに基づき画面上での波面の上下
位置を実空間座標に変換した座標値の点列データを求め
て該点列データから波高及び波長を計測する演算装置と
を備えたことを特徴とする波高計測装置。