JPS6022681A - 波高レ−ダ観測方法及び装置 - Google Patents

波高レ−ダ観測方法及び装置

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JPS6022681A
JPS6022681A JP58131339A JP13133983A JPS6022681A JP S6022681 A JPS6022681 A JP S6022681A JP 58131339 A JP58131339 A JP 58131339A JP 13133983 A JP13133983 A JP 13133983A JP S6022681 A JPS6022681 A JP S6022681A
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紀雄 清水
Ikuo Nakazawa
中沢 郁雄
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Japan Radio Co Ltd
Nihon Musen KK
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Japan Radio Co Ltd
Nihon Musen KK
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    • 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
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    • Y02A10/00TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE at coastal zones; at river basins
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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5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は、船舶の安全運航に役立たせるこ
とができる。しか一般に船舶用レーダでは、波浪が強(
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
、風によって海面に発生したさざ彼(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1反射信号
の廁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1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1畳している時の海面
の状況は第1図のようになっている。このような海面(
でおける船舶用レーダのPPI画像の例を第2図に示す
、うねりの彼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図の左側がら、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。
波峰の左佃1jでは反射が強(、波峰の右側では反射が
弱くなるためである。従って、レーダでri)I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。そのようなIA係を次式で表わしてみる。
E蒐tl ” EW(tl X E S it)・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・ ・(11ここに、E(tl:レーダの
パルスを送信後1時間tにおける海面反射強度。
レーダからの距離x=0.5 ct (Cは光速)の関係を有する。
Ew+t+ :風浪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2周期的にゆっ
くり変動する。
時間領域で(1)式の関1糸を持つと1周波数領域でE
+t+のフーリエ変換値1丁μわち。
Ew+t+のフーリエ変換値 5Stf)’うねりによる反射成分のスペクトルで、E
s(tl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9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+n−’W (一定) ・−・・・・・・−・・ 
・・ ・ −−−・ (3)とすると、(2)式より S s (n −8+r+/W ・・・・・・・ ・ 
・ −・・・ ・・・・・・・・・・・・・・・ ・ 
+41となって、うねりによる反射のスペクトルS S
 fflがまる。
以下、(4)式について具捧的に説明1−る。第2図の
レーダ画像で9点線にそった海面反射強度のスペクトル
S ffl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 uN+は、うねりの高さと関連
する1周波数Fから離れた1j11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
りの高さばS(+っ/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 11’)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。
この場合、(5)式の右辺の積分値には、うねりの成分
S IIMの影響は少ないものと仮定している。
パーシバルの定理によりWは時間領域でも容易にめるこ
とができる。すなわち。
(6)式のWは8σ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j風速
、 4Ai+l]は観測時刻である。図中の来;腺は風
速計による測定値9点綴は(6)式に従ってめた海面反
射強度の実効値Wを、j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めた
風速との相関係数は0.77で9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った。
第5図の縦軸は平均波高、横軸は観測時刻である。図中
の実線は波高計による3111定直1点綴は(4)式お
よび(6)式によってめた5LFI/Wを波高に直線回
帰させた結果である。このとぎ、彼1厄計とレーダのデ
ータから算出した波高との相関係数は0.84.実効誤
差は0.46’77Zでおった。
そして、第4図のj風速と第5図の波高の関連はほとん
どない。これば、(])弐〜(6)式によって説明した
本発明の波高測定の原理が+ELい小を実際の波の観測
で証明するものである。
ここまでの原理の概要は、ン可面反射強度のスペクトル
解析をして1周波数領域でうねりの周期成分の強度をめ
、それを風浪と関連1−る反射強度の実効値で除算して
、うねりの高さを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める方法も容易に考える牛ができ
る。海面反射強度E +t+の自己相関関数φ旧シ(τ
)は仄のように定義できる。
φEE+Tl”’+イ”、 E+tlE(t−τ)dτ
 ・・ ・ −・・・・・・・ ・・ ・ (7)ここ
に、τ二時間差 T:観測時間 第2図のレーダ画像で1点線にそった海面反射強度の自
己相13’、I関数φ旧4(T1は第6図のようになる
。第6図のφ1畑をフーリエ変換すると第3図のスペク
トラムがまる。第6図からも海面反射強度の実効値w、
5ねりの周期成分の強度S (F)をめて、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νj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はウィンド
ウ処理回路、 10は実効値計算回路、11()−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
般的な船舶用レータ“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1−るもので、その入力と出力が対数関
数の関係を有−1−るものである。
これにより広範囲の振幅を4.〒つnIA而反面1.1
号を飽和することな(増幅検波できろ。
A/D変換器6は対数増幅検波器のアナログ出力をディ
ジタル変換する。船舶の安全運航のためにおこなう波高
1説測のうねりの最短波長は30fn位であり、これを
測定するためσル−ダの距離分解能は15m以下(送信
パルスfig Q、 1μs以下)である。従ってA/
D変換器6が反射信号をサンプリングする周期も0.1
μs以下に1−る必要がある。ディジタル化の精度は6
〜8ビツト、距離方向のサップリング数は64〜128
個でよい。
海面の状態が一様であっても、レーダからの距離が近い
ほど海面反射信号は強(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
って、距離補正は対数領域の方が容易におこなえる。距
離曲正回路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
′1−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、!1J工
変換のための前処理の一つである。
ウィンドウ処理回路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貞み付は処理で。
RRamm1nウィンドウ1月数などを用いる。
実効値計算回路10ば(6)式に従って、海面反射強度
の実効値Wを算出1−る。
フーリエ変換回路l】はウィンドウ処理回路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ど式
で定義されるが、実際にはF F ’r(高速フーリエ
変換)計q−法を使用する。
最大値検出回路12は、フーリエ変換器1】の出力から
、うねりの周波数Fの成分の最大値S tr+を検出す
る。
除算器13は、最大値検出回路12の出力S(ト)を。
実効値計算回路1oの出力Wで除算して、s(1う/W
を出力する。
波高計算回路14は、除算器I3の出力Xを波高Hに換
算するための計算(H= A X 十B )をおこなう
。A、Bは回帰係数で、波高割のデータにヨリあらかじ
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5に利イキtを調節づ−る必要がある。距離補正回路
7.逆対数変侠器8.ウィンドウ処理回路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1ぎ号の平均直(直流分)を除去する処
理を含めてもよい。またm’i ill、4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初ることができる。波高
計算回路14の計昇式(HニA、X+B)は、寅際の波
高測定精度を改良するために他の計算式(たとえば、H
=AX2斗BX+C)を使用してもよい。7〜14の演
算装置は /”、 −ドウエアまたはソフトウェアおよ
び両方の組合ぜによって、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1本発明は船舶レーダに1・5げる
d面反射強度のスペクトル解析をして。
周波数領域で5ねりの周期成分の強度をめ。
それを風浪の激しさと関連する反射強度の実効(=で除
算してうねりの高さをめるもので、従来、不可能であっ
た船舶レーダによるうねりの高さの6111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11IfI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図はうねりの彼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)虱)屯
割で11見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図は波高計で硯」11シた1反高と本
発明の原理に従ってレーダデータから)4出したt皮高
を示す図、第6図は第2図の点線の方向の滑面反射信号
の自己相関関数の例を説明する図、第7図は本発明の一
実施例を示づ一部である。 1 送信機、2・送受切換器、3 アンブナ。 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・・ウィンドウ処理回路、10・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・、波高泪算回路。 特許出願人 日本無線株式会社

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 船舶用パルスレーダにおいて、受信波の包 1
    絡線の振幅に比例した出力(直線検波出力)″を、スペ
    クトル解析器に入力して周波数領域 4でうねりの周期
    成分の強度を算出し、他方に ′おいて前記直線検波出
    力から風浪の強さと関 b。 連する反射強度の実効値を実効値計算回路で 請求め、
    前記スペクトル解析器の出力と前記実 ′効値計算回路
    の出力を演算処理してうねりの −説高をめることを特
    徴とするf反高し−ダ観 2測方法。 ρ
  2. (2)船舶用パルスレーダにおいて、受信波の包 5絡
    、腺の振幅に比例した出力(直線検波出力) ′を、A
    /D変換器に入力し、ディジタル化し 1て、前記A 
    / D変換器の出力に匂ルて後記のフーリエ変換のため
    に必要な前処理をおこな5前処理回路と、前記前処理回
    路の出力なフーリエ変換するフーリエ変換回路と、前記
    フーリエ変換回路の出力からうねりの周期成分つ強度を
    計算する最大値検出回路とを縦続通光し、他方において
    実効値計算回路によって油記直線検波器の出力から風浪
    の強さと関連rる反射強度の実効値を算出し、前記最大
    値炙出回路の出力と前記実効値計算回路の出力を演算処
    理してうねりの波高をめることを特徴とする波高レーダ
    観測装置。 対数増幅検波器を使用した船舶用パルスレーダにおいて
    、前記対数増幅検波器の出力を・rイジタル化するh7
    D変換器と、前記A/4)変換器の出力に対して距離補
    正をおこなう距離補正回路と、前記距離補正lni路の
    出力を逆対数変換する逆対数変換回路と、前記逆対数変
    換器の出力を重み付けするウィンドウ処岬包路と、前記
    ウィ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9 前記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を縦続接続し。 他方において実効値計算回路により前記逆対数変換器の
    出力から風浪の強さと関連する反射強度の実効値を算出
    し、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′1−る除算器と、前記除算器の出力から波
    高を算出1−る波高計算回路を有して、波高計算回路の
    出力から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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