JPS62217113A - 船舶用波浪計における計測処理システム - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、船をプラッ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トに関するも
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針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針によるものと、船をプラ
ッ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特に外洋において、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針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（０，０５
Ｈ，〜０．３Ｈ２）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、波間
、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、タンカ一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を力な測器と言
え、船に常設しであるために、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、プラッ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って、出金波浪の波
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（χを求めることによって行われる。

よっ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
ログ電気回路によって行い、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っている。

このように従来の計測処理システムは、アナログ処理と
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ってハード的
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
。すなわら、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４（す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
浪基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、実用的に価イ直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って、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
ラッ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、プラッ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、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ヮて加算し波
高変位を求め、うねりと風浪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。従って、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って加
算し波高変位を求めることによって、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
ローカッドブイルターと２回積分に対応する演算を行い
、圧力出力に対しては、ローカットフィルターと水圧補
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係数αｊと位相補正係数β、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（（）、ｉ＝１．　２．・
・・、Ｎとし、データの個数をＮ５デーク読み取り間隔
時間をΔもとすると、この時系列ｙ（ＬＨ）は、次のよ
うにフーリエ級数で表すことができる。

＋ｂＪｓｉｎ（２πｆｊ　　１４　）　１−（１）ｉ＝
１．２．　　・・・、Ｎ％　　ｔ（＝ｉΔｔ。

「、＝ｊΔ「、Δｆ−１／（ＮΔｔ） 上式より、時系列ｙ（ｔｉ）が与えられるなら、Ｆ　Ｆ
　Ｔ　（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒ
ｍ）法によって容易にフーリエ係数、ａｊ＋　　ｂｊを
得ることができる。

また逆に係数ａＪ＋　　ｂｊが分かれば、ＦＦＴ法によ
って時系列ｙ（ｔｉ）は比較的に短い計算時間で示すこ
とができる。従って、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、次式の一次スベクトルφ＋（Ｂ　）を平滑化すれ
ばよい。

φ＋（ｆｊ　）”（ａＪｔ＋ｂｊ”）／（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ｒ、をもつ成分波の振幅
Ａ、と位相θｊは次のようになる。

Ａ、＝βワ］Ｔ丁、 θ、＝ｔａｎ　−’　ａ　；　／　ｂ、　　　　　　・
（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。よって時系列補正
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（ｔｔ）をｙ、と記す）では、
まず、 ■　時系列ｙ１を複素化する。

ＣＩ＝ＣＭＰＬＸ　Ｄｔ　、０．０１ ■−１，２，・・・、Ｎ ■　複素化された時系列Ｃ，にＦＦＴをかけて複素数フ
ーリエ級数Ｃｊ　（ｊ−１，２，・・・、Ｎ／２＋１）
を得る。

■　Ｃ，から１番の成分（成分波）の振幅Ａ、と位相θ
、を得る。

■　振幅と位相の補正係数をそれぞれα１．β。

とすると、補正された振幅ＡＪ　′と位相０１　′は、 Ａ、′＝αＪＡＪ θ、′＝θ、−βｊ により計算される。

■　Ａ、ｌとθ、′から複素数フーリエ級数の係数Ｃｊ
　ｌをつくる。

■　Ｃ％に逆ＦＦＴをかけて複素時系列Ｃ，１を得る。

■　Ｃｔ　　’の実数部が求める時系列ＺＩとする。

Ｚ（＝　Ｒｅａｌ（ＣＩ’） 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αｊ、β、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ｆＪの範囲と考えられている。

０、０５　Ｈｚ　＜　ｆ、１　＜　０．３　Ｈ２・・・
（４）よって波浪に無関係なノイズをカットするために
は、上記の主要周波数頭域を含む、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、′
を「１」、それ以外の周波数領域では振幅の補正係数α
、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（、環境や条件によって変えて
もよいことはいうまでもない。また、位相の補正係数β
、はすべての周波数領域でゼロとする。このように、デ
ジタルフィルターではアナログフィルターと異なって不
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。よってαｊＡ−１／＜２πｆ、＋）” βＪＡ＝−１８０” となる。この振幅補正係数α５Ａ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。よって、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、主要周波数頭域及び高周波傾城に対しては上
記のα」＾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。よって αｊ’　−ＥＸＰ　　（（２πｆｊ）”Ｚｏ／ｇｌβ、
Ｐ、、Ｑ ここでＺ。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。よって、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６　ｍ／　ｓ　）以上の風速
が成る場合ｒＪ−’　（ｆｊ−’）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領域に
対して上記のα、を、それ以外の高周波領域ではスペク
トルの形がｆ−１−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（ローカットフィルターに相当）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
ットフィ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、 αＪ＝α、Ｆ　×αＪＡ βｊ＝βＪ′＋β、Ａ 圧力出力に対しては、 αｊ＝α、′×αＪ′ βｊ−βｊ′＋β、Ｐ を補正係数とし、この補正係数を用いて、第３図の流れ
図に従っ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って波高
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６
ｍ　／　ｓ　）以上か否か、高周波領域で［、−ｂ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、或いは高周波領域で（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ｆ−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ったが、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
浪基の分類を行うものである。すなわち、波浪基が純粋
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。従って、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、カット周波数ｆｃ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。

カット周波数は、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っ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。それをに番目の周波数ｆｋとおくと、うねりの補正
係数α／、βｊ３と風浪の補正係数αｊｗ、βｊ′は次
のようになる。

なおβＪ３とβｊ′は全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０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。これ以後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って解析
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だめの図、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
、 β、＝−ｔ　ｇ　ｏｏ；すべての周波数領域圧力出力に
対する補正係数は、 βＪ＝Ｏｉ　　　すべでの周波数領域 とした。ここで「。＝０．　３３３１１ｚ　、Ｚｏ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
Ｚｏの値に強く依存する。この値は船の積載重量、動揺
等によっ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、Ｚｏ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
Ｚｏｘａｅ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°ＯＯ’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〜４．０
ｍ）の波高の風浪で、うねり４階級は中位の周３ｔＪＩ
（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
浪場となった。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図の波形間、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ったが両者はよく
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０例えば、プラットホームで
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（水面より上方に設置した、
例えば超音波を使っ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って生じ
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った、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、４００にバイト程度の記憶
容量をもつ１６ビツトノ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Ｆ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図は計測実施時の悔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。 ｌ・・・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。 竹塔【朧人 科学技術庁国立防災科学技術センター所長（外１名） 第４図 第５図 □うねり　　−一一一一一金係 （ｂ） 一一一一一一全体　　□風ジ良 ＳＰＣＴ（０Ｍ２ＸＳ）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラッ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、プラッ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、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って
   加算し波高変位を求め、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. （２）データ処理手段は、フーリエ変換を行って各成分
   波の振幅と位相を求め、該振幅と位相に補正計算を行っ
   て逆フーリエ変換を行うことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の船舶用波浪計における計測処理システム
   。
3. （３）ノイズ除去の補正計算では、波浪の占める主要な
   周波数領域以外の周波数領域をカットすることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項又は第２項記載の船舶用波浪
   計における計測処理システム。
4. （４）相対水面変位検出手段は、プラットホームの底に
   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項ないし第３
   項のいずれかに記載の船舶用波浪計における計測処理シ
   ステム。
5. （５）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１項ないし第４項のいずれかに記載の船舶用波浪計に
   おける計測処理システム。
6. （６）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項ないし第５項
   のいずれかに記載の船舶用波浪計における計測処理シス
   テム。