JPWO2015001892A1 - 海象検出装置、レーダ装置、海象検出方法、および、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】船舶などの周囲における海象の正確な情報を、より簡易に検出することのできる、海象検出装置、レーダ装置、海象検出方法、および、プログラムを提供する。【解決手段】海象検出装置３は、ドップラ速度マップ生成部１２と、海象データ生成部１３とを有している。ドップラ速度マップ生成部１２は、振幅情報および位相情報を含む受信信号Ｓ２に基づいて、海象（波浪５３および表層潮流５４）についてのドップラ速度ベクトルＤＶ５３，ＤＶ５４の分布を特定するドップラ速度マップデータＤ３を生成する。海象データ生成部１３は、ドップラ速度マップデータＤ３に基づいて、上記海象を特定する海象データ（波浪データＤ４、表層潮流データＤ５）を生成する。【選択図】図２

Description

本発明は、海象検出装置、レーダ装置、海象検出方法、および、プログラムに関する。

たとえば、船舶は、海上を航行する。船舶は、航海に必要な情報として、当該船舶の周囲の海象情報を、種々のセンサを用いて取得する。このようなセンサとして、波浪を計測するためのセンサ、潮流を計測するためのセンサなどが挙げられる。これらの海象を検出するために、レーダ装置が用いられることがある（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の装置は、マイクロ波を用いたレーダ探知により、海面のシークラッタ信号を取得する。マイクロ波は、たとえば、マグネトロンを用いて生成され、船舶のアンテナから海域へ送信される。

特開２００３−２１６８０号公報（［０００１］）

マグネトロンによるマイクロ波は、たとえば、海面などで反射してシークラッタ信号としてレーダ装置で受信される。この場合、シークラッタ信号は、振幅情報を有している。レーダ装置は、この振幅の大きさに応じたエコーレベル（振幅値）のデータを有する画像データを生成する。この振幅値は、レーダ装置を備える船舶の周囲の海域において設定される。

そして、画像データで特定される画像での輝度の分布などに基づいて、波浪が検出される。

ここで、マイクロ波が反射してシークラッタ信号となった位置が船舶の位置から遠いほど、すなわち、シークラッタ信号の飛来する距離が長くなるほど、当該シークラッタ信号の振幅値の減衰率が大きくなる。すなわち、上記の振幅値が上記の距離の影響を受ける。よって、このような振幅値の減衰を抑制する必要がある。換言すれば、距離減衰によるトレンド成分を補正する必要がある。

このトレンド成分の補正は、上記の距離減衰に対応する近似曲線を用いて、シークラッタ信号の振幅値を補正することで行われる。しかしながら、この近似曲線の設定は、シークラッタ信号の減衰特性などを考慮して高い精度で行わなければならない。このため、レーダ装置において、距離減衰についての補正を正確に行うことが難しく、場合によっては、必要なデータの振幅値が過度に低下するおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みることにより、船舶などの周囲における海象の正確な情報を、より簡易に検出することのできる、海象検出装置、レーダ装置、海象検出方法、および、プログラムを提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面にかかわる海象検出装置は、画像データ生成部と、海象データ生成部とを備えている。前記画像データ生成部は、所定の送信信号を用いて得られた、振幅情報および位相情報を含む受信信号に基づいて、所定の海象についてのドップラ速度の分布を画像データとして生成するように構成されている。前記海象データ生成部は、前記画像データに基づいて前記海象を特定する海象データを生成するように構成されている。

（２）好ましくは、前記受信信号は、固体化レーダ装置によって生成された前記送信信号を用いて得られる。

（３）好ましくは、前記海象データ生成部は、前記海象データとして、海の表層潮流および波浪の少なくとも一方を特定するデータを生成する。

（４）上記課題を解決するために、この発明のある局面にかかわるレーダ装置は、前記の海象検出装置と、アンテナ部とを備えている。前記アンテナ部は、上下に延びる軸線回りを自転可能に構成され、前記受信信号および前記受信信号を送受信する。

（５）上記課題を解決するために、この発明のある局面にかかわる海象検出方法は、画像データ生成ステップと、海象データ生成ステップとを含んでいる。前記画像データ生成ステップは、所定の送信信号を用いて得られた、振幅情報および位相情報を含む受信信号に基づいて、所定の海象についてのドップラ速度の分布を画像データとして生成する。前記海象データ生成部は、前記画像データに基づいて前記海象を特定する海象データを生成する。

（６）上記課題を解決するために、この発明のある局面にかかわるプログラムは、コンピュータに、画像データ生成ステップと、海象データ生成ステップとを実行させる。前記画像データ生成ステップは、所定の送信信号を用いて得られた、振幅情報および位相情報を含む受信信号に基づいて、所定の海象についてのドップラ速度の分布を画像データとして生成する。前記海象データ生成ステップは、前記画像データに基づいて前記海象を特定する海象データを生成する。

本発明によると、船舶などの周囲における海象の正確な情報を、より簡易に検出することができる。

本発明の一実施形態にかかるレーダ装置を備える船舶が海上を航行している状態を示す模式図である。 レーダ装置の概略構成を示すブロック図である。 スキャンデータで特定される画像の一例を示す模式図である。 ドップラ速度マップ生成部の処理結果を説明するための模式図である。 レーダ装置の海象検出装置における処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ説明する。本発明は、海象検出装置、レーダ装置、海象検出方法、および、プログラムとして広く適用することができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかるレーダ装置１を備える船舶が海上を航行している状態を示す模式図である。図１では、円形の領域内が、船舶およびこの船舶の周囲を示している。図２は、レーダ装置１の概略構成を示すブロック図である。

図１を参照して、本実施形態では、レーダ装置１を備える船舶を自船５０という。図１は、自船５０が陸５１の目的地５２に向かって海上を航行している状態を示しており、かつ、自船５０の周囲に波浪５３および表層潮流５４が生じた状態を示している。

波浪５３の波頂線５３１は、細長く延びる筋状に略連続的に存在する波頭やそれによって生じる水泡である。波浪５３の波頂線５３１は、たとえば、自船５０の船首側から船尾側（南）に向かって進んでいる。表層潮流５４は、たとえば、自船５０の右舷側から左舷側（西）に向かっている。自船５０は、たとえば、タンカーなどの大型船であり、陸５１の目的地５２へ向けて航行する。

レーダ装置１は、マイクロ波（電磁波）を送受信することで、自船５０の航行に必要な情報を取得するために設けられている。レーダ装置１は、自船５０に備えられている。

図１および図２を参照して、レーダ装置１は、固体化レーダ装置であり、アンテナ装置２と、海象検出装置３と、表示装置４と、を有している。

アンテナ装置２は、送信部５と、アンテナ部６と、受信部７と、Ａ／Ｄ変換部８と、を含んでいる。

送信部５は、固体素子（半導体素子）を用いて送信信号（探知信号）Ｓ１を生成するように構成されている。送信部５は、所定の周期毎に、送信信号Ｓ１をアンテナ部６へ出力する。

アンテナ部６は、送信信号Ｓ１を、指向性の強いパルス状電波として送信可能なレーダアンテナである。また、アンテナ部６は、物標などからのエコー信号（反射波）を含む受信信号Ｓ２を受信するように構成されている。アンテナ部６は、たとえばスロットアレイアンテナであり、自船５０を通り上下に延びる軸線回り（方位方向Ｃ１）に回転する。アンテナ部６の回転速度は、一定である。

なお、レーダ装置１は、送信信号Ｓ１を送信することで生じる受信信号Ｓ２を受信するまでの時間を測定する。これにより、レーダ装置１は、自船５０から物標までの距離ｒを検出することができる。

アンテナ部６は、水平面上で３６０°回転可能に構成されており、上下に延びる鉛直軸線回りの方位方向Ｃ１に回転（自転）する。アンテナ部６は、送信信号Ｓ１の送信方向を変えながら（アンテナ部６の回転角度を変えながら）、信号Ｓ１，Ｓ２の送受信を繰り返し行うように構成されている。以上の構成で、レーダ装置１は、自船５０の周囲の数海里の範囲を３６０°にわたり探知することができる。

なお、本実施形態では、送信信号Ｓ１（パルス状電波）を送信してから次の送信信号Ｓ１を送信するまでの動作を「スイープ」という。また、電波の送受信を行いながらアンテナ部６を３６０°回転させる動作を「スキャン」と呼ぶ。

受信部７は、アンテナ部６で受信した受信信号Ｓ２を検波して増幅する。受信信号Ｓ２は、エコー信号と、ノイズ信号と、を含んでいる。エコー信号は、アンテナ部６で受信された信号のうち、送信信号Ｓ１に対する物標および海面などでの反射波である。受信部７は、受信信号Ｓ２を、Ａ／Ｄ変換部８へ出力する。

Ａ／Ｄ変換部８は、アナログ形式の受信信号Ｓ２をサンプリングし、複数ビットからなるデジタルデータ（エコーデータＤ１）に変換する。ここで、上記エコーデータＤ１は、ＩＱ信号データである。本実施形態では、エコーデータＤ１は、アンテナ部６が受信したエコー信号のエコーレベル（振幅値）を特定するデータを含んでいる。また、エコーデータＤ１は、エコー信号の位相を特定するデータを含んでいる。Ａ／Ｄ変換部８は、エコーデータＤ１を、海象検出装置３へ出力する。

海象検出装置３は、自船５０の周囲における海象を検出するように構成されている。本実施形態では、海象検出装置３は、海象として、自船５０の周囲の波浪５３、および、自船５０の周囲の表層潮流５４を検出する。海象検出装置３は、ＣＰＵ，ＲＡＭおよびＲＯＭなどを用いて形成されている。

海象検出装置３は、スキャンデータ蓄積部１１と、ドップラ速度マップ生成部１２と、海象データ生成部１３と、を有している。

スキャンデータ蓄積部１１は、Ａ／Ｄ変換部８から出力されたエコーデータＤ１を蓄積することでスキャンデータＤ２を生成するように構成されている。スキャンデータ蓄積部１１は、自船５０を中心とするｒ−θ座標系を設定する。ｒは、自船５０からの直線距離を示す変数である。θは、たとえば、自船５０の船首を向く方向をθ＝ゼロとする方位方向Ｃ１の角度である。

スキャンデータ蓄積部１１は、１スキャン分の複数のスイープによって得られたエコーデータＤ１を蓄積することで、振幅情報および位相情報を含むスキャンデータＤ２を生成する。スキャンデータＤ２は、ｒ−θ座標系における各所での振幅値を示すデータを含んでいる。スキャンデータＤ２で特定される画像Ｐ１の一例は、図３に示されている。

図３は、スキャンデータＤ２で特定される画像Ｐ１の一例を示す模式図である。図１〜図３を参照して、画像Ｐ１では、波頂線５３１に対応する領域に、振幅値が所定のしきい値（ノイズレベル）以上である筋状の領域Ｒ５３が形成されている。また、画像Ｐ１では、海面反射（シークラッタ）に起因する波頭の領域Ｒ５４が形成されている。領域Ｒ５４の振幅値は、上記所定のしきい値（ノイズレベル）以上である。

スキャンデータ蓄積部１１は、１スキャンで得られたエコーデータＤ１毎に、スキャンデータＤ２を生成する。これにより、スキャンデータ蓄積部１１は、１スキャン毎のスキャンデータＤ２を生成する。

図３では、あるｎスキャン時点（ｎは自然数）におけるスキャンデータＤ２に基づく画像Ｐ１を示している。また、図３では、（ｎ＋１）スキャン時点におけるスキャンデータＤ２に基づく画像Ｐ２も示している。画像Ｐ２が画像Ｐ１と異なっている点は、画像Ｐ２の領域Ｒ５３'，Ｒ５４'の位置が画像Ｐ１の対応する領域Ｒ５３，Ｒ５４，の位置と異なっている点にある。

以上の構成により、スキャンデータ蓄積部１１は、送信信号Ｓ１（探知信号）を用いて自船５０の周囲を探知することで得られた受信信号Ｓ２に基づくスキャンデータＤ２を生成する。スキャンデータ蓄積部１１は、生成したスキャンデータＤ２を、ドップラ速度マップ生成部１２へ出力する。

図４は、ドップラ速度マップ生成部１２の処理結果を説明するための模式図である。図１〜図４を参照して、ドップラ速度マップ生成部１２は、本発明の「画像データ生成部」の一例である。ドップラ速度マップ生成部１２は、スキャンデータＤ２（受信信号Ｓ２）に基づいて、自船５０の周囲の海域における各海象のドップラ速度ベクトルＤＶの分布を算出するように構成されている。ドップラ速度マップ生成部１２は、ドップラ速度ベクトルＤＶの分布を特定するドップラ速度マップデータＤ３を生成する。

より具体的には、ドップラ速度マップ生成部１２は、振幅情報および位相情報を含む受信信号Ｓ２に基づいて、海象（波浪５３、および表層潮流５４）についてのドップラ速度ベクトルＤＶ（ＤＶ５３，ＤＶ５４）を算出する。そして、ドップラ速度マップ生成部１２は、このドップラ速度ベクトルＤＶ５３，ＤＶ５４の分布を特定するドップラ速度マップデータＤ３を生成する。ドップラ速度マップデータＤ３は、本発明の「画像データ」の一例である。

なお、図４では、ドップラ速度ベクトルＤＶ（ＤＶ５３，ＤＶ５４）を、○印および矢印で表示しているけれども、この通りでなくてもよい。たとえば、ドップラ速度ベクトルＤＶ５３，ＤＶ５４は、向きを色で示され、速度値を輝度で示されてもよい。

本実施形態では、ドップラ速度マップ生成部１２は、スキャンデータＤ２を用いて、波浪５３のドップラ速度ベクトルＤＶ５３、および表層潮流５４のドップラ速度ベクトルＤＶ５４を算出する。

前述したように、アンテナ装置２は、固体化レーダ装置であり、受信信号Ｓ２は、当該受信信号Ｓ２の振幅情報に加えて、位相情報を有している。このため、ドップラ速度マップ生成部１２は、自船５０からの距離方向Ｂ１（半径方向）に沿うドップラ速度ベクトルＤＶ５３，ＤＶ５４を検出することができる。

本実施形態では、ドップラ速度マップ生成部１２は、ＦＦＴ処理またはパルスペア処理を行うことで、ドップラ速度ベクトルＤＶ（ＤＶ５３，ＤＶ５４）を算出する。

ドップラ速度ベクトルＤＶ５３は、波浪５３が生じている位置での当該波浪５３のドップラ速度ベクトルである。同様に、ドップラ速度ベクトルＤＶ５４は、表層潮流５４が生じている位置での当該表層潮流５４のドップラ速度ベクトルである。

ドップラ速度ベクトルＤＶ５３，ＤＶ５４の向きは、送信信号Ｓ１に対する受信信号Ｓ２の周波数の変化を基に算出される。

ドップラ速度マップ生成部１２は、ドップラ速度ベクトルＤＶ５３，ＤＶ５４を特定するデータを含むドップラ速度マップデータＤ３を生成する。ドップラ速度マップ生成部１２は、このドップラ速度マップデータＤ３を、海象データ生成部１３の後述する波浪データ生成部１３１および表層潮流データ生成部１３２へ出力する。

海象データ生成部１３は、ドップラ速度マップデータＤ３に基づいて、自船５０の周囲における所定の海象（波浪５３および表層潮流５４）を特定する海象データを生成するように構成されている。なお、「自船５０の周囲」とは、自船５０の航行に直接的に関係する海域をいい、たとえば、自船５０から８海里程度までの領域をいう。本実施形態では、海象データ生成部１３は、波浪５３の速度ベクトルなどを特定する波浪データＤ４と、表層潮流５４の速度ベクトルなどを特定する表層潮流データＤ５とを生成するように構成されている。

海象データ生成部１３は、波浪データ生成部１３１と、表層潮流データ生成部１３２と、を有している。

波浪データ生成部１３１は、自船５０の周囲の波浪５３を特定するデータとして、波浪データＤ４を生成するように構成されている。波浪データ生成部１３１は、ドップラ速度マップデータＤ３を読み込む。波浪データ生成部１３１は、ドップラ速度マップデータＤ３に、ＦＦＴ処理などを施す波浪解析によって、波浪５３の動き（波５３の高さ、周期、および、向きなど）を検出する。波浪データ生成部１３１は、上記の処理により、波浪データＤ４を生成する。波浪データ生成部１３１は、波浪データＤ４を表示装置４へ出力する。

表層潮流データ生成部１３２は、自船５０の周囲の海における表層潮流５４を検出するように構成されている。本実施形態において、表層潮流とは、たとえば、海面から１０ｍ程度までの深さの潮流をいう。

表層潮流データ生成部１３２は、たとえば、スキャン時点の異なる複数ドップラ速度マップデータＤ３を参照する。次いで、表層潮流データ生成部１３２は、これらのドップラ速度マップデータＤ３で特定される速度の変化を画像解析する（オプティカルフロー処理を行う）ことで、表層潮流５４を検出する。

たとえば、表層潮流データ生成部１３２は、画像Ｐ１における領域Ｒ５４と、画像Ｐ２の領域Ｒ５４'との位置変化に相当する変化を、複数のスキャン時点のドップラ速度マップデータＤ３から検出する。これにより、表層潮流データ生成部１３２は、自船５０の周囲の表層潮流５４を検出する。

表層潮流データ生成部１３２は、検出した表層潮流５４を特定する表層潮流データＤ５を生成する。表層潮流データ生成部１３２は、表層潮流データＤ５を、表示装置４へ出力する。

表示装置４は、たとえばプロッタであり、波浪データＤ４に基づく表示、および表層潮流データＤ５に基づく表示を行うように構成されている。より具体的には、表示装置４は、波浪データＤ４に基づいて、自船５０の周囲の波浪５３の情報を表示する。また、表示装置４は、表層潮流データＤ５に基づいて、自船５０の周囲の表層潮流５４の情報を表示する。これにより、レーダ装置１のオペレータは、自船５０の周囲の波浪５３の状態および表層潮流５４の状態を知ることができる。

図５は、レーダ装置１の海象検出装置３における処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。なお、以下では、海象検出装置３における処理の流れを説明する際には、図５以外の図も適宜参照する。

海象検出装置３は、以下に示すフローチャートの各ステップを、図示しないメモリから読み出して実行する。このプログラムは、外部からインストールできる。このインストールされるプログラムは、たとえば記録媒体に格納された状態で流通する。

海象検出装置３においては、まず、スキャンデータ蓄積部１１が、Ａ／Ｄ変換部８から与えられたエコーデータＤ１を用いて、スキャンデータＤ２を生成する（ステップＳ１）。次に、ドップラ速度マップ生成部１２は、このスキャンデータＤ２を用いて、ドップラ速度マップデータＤ３を生成する（ステップＳ２）。

次に、海象データ生成部１３は、海象データを生成する（ステップＳ３）。具体的には、波浪データ生成部１３１が、ドップラ速度マップデータＤ３を用いて、波浪データＤ４を生成する。また、表層潮流データ生成部１３２が、ドップラ速度マップデータＤ３を用いて、表層潮流データＤ５を生成する。海象データ生成部１３は、これらの波浪データＤ４および表層潮流データＤ５を、表示装置４へ出力する（ステップＳ４）。

［プログラム］ 本実施形態のレーダ装置１の海象検出装置３に係るプログラムは、コンピュータに、海象検出装置３の処理を実行させるプログラムであればよい。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、本実施形態における海象検出装置３と、海象検出方法と、を実現することができる。この場合、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）は、スキャンデータ蓄積部１１、ドップラ速度マップ生成部１２、および海象データ生成部１３（波浪データ生成部１３１、表層潮流データ生成部１３２）として機能し、処理を行う。なお、海象検出装置３は、本実施形態のように、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよいし、ハードウェアによって実現されてもよい。

以上説明したように、本実施形態にかかる海象検出装置３によると、ドップラ速度マップ生成部１２は、振幅情報および位相情報を含む受信信号Ｓ２に基づいて、画像データとしてのドップラ速度マップデータＤ３を生成する。そして、海象データ生成部１３は、このドップラ速度マップデータＤ３に基づいて、海象データ（波浪データＤ４および表層潮流データＤ５）を生成する。このような構成によると、海象データ生成部１３は、スキャンデータＤ２で特定される振幅値ではなく、ドップラ速度ベクトルＤＶに基づいて、海象データ（波浪データＤ４および表層潮流データＤ５）を生成することができる。すなわち、海象データ生成部１３は、自船５０からの距離に応じて減衰する受信信号Ｓ２の振幅値ではなく、自船５０からの距離に依存しない、受信信号Ｓ２の位相情報に基づいて、海象データ（波浪データＤ４および表層潮流データＤ５）を生成できる。このため、海象検出装置３は、自船５０からの距離に応じた受信信号Ｓ２の振幅値の減衰特性を考慮した、スキャンデータＤ２の繊細な補正設定（トレンド減衰補正）を行うことなく、正確な海象データ（波浪データＤ４および表層潮流データＤ５）を生成できる。このため、海象検出装置３によると、自船５０の周囲における海象の正確な情報を、より簡易に検出することができる。

また、海象検出装置３によると、受信信号Ｓ２は、固体化レーダ装置としてのアンテナ装置２で生成された送信信号Ｓ１を用いて得られる。このような構成により、受信信号Ｓ２は、振幅情報に加えて、位相情報を有している。その結果、ドップラ速度ベクトルデータ生成部１３は、ドップラ速度ベクトルＤＶを算出することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したけれども、本発明は上述の実施の形態に限られない。本発明は、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能である。たとえば、次のように変更して実施してもよい。

（１）上述の実施形態では、自船の周囲における検出対象の海象として、波浪および表層潮流が検出される形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。自船の周囲における検出対象の海象として、風などの他の海象が検出されてもよい。また、波浪および表層潮流のいずれかのみが検出されてもよい。

（２）また、本発明は、海象検出装置ではあるけれども、淡水での検出装置としても用いることができる。

本発明は、海象検出装置、レーダ装置、海象検出方法、および、プログラムとして、広く適用することができる。

１ レーダ装置
３ 海象検出装置
６ アンテナ部
１２ ドップラ速度マップ生成部（画像データ生成部）
１３ 海象データ生成部
Ｄ３ ドップラ速度マップデータ（画像データ）
Ｄ４ 波浪データ（海象データ）
Ｄ５ 表層潮流データ（海象データ）
ＤＶ ドップラ速度ベクトル（ドップラ速度）
Ｓ１ 送信信号
Ｓ２ 受信信号

Claims (6)

1. 所定の送信信号を用いて得られた、振幅情報および位相情報を含む受信信号に基づいて、所定の海象についてのドップラ速度の分布を画像データとして生成する、画像データ生成部と、
   前記画像データに基づいて前記海象を特定する海象データを生成する、海象データ生成部と、を備えていることを特徴とする、海象検出装置。
2. 請求項１に記載の海象検出装置であって、
   前記受信信号は、固体化レーダ装置によって生成された前記送信信号を用いて得られることを特徴とする、海象検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の海象検出装置であって、
   前記海象データ生成部は、前記海象データとして、海の表層潮流および波浪データの少なくとも一方を特定するデータを生成することを特徴とする、海象検出装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の海象検出装置と、
   上下に延びる軸線回りを自転可能に構成され、前記送信信号および前記受信信号を送受信するためのアンテナ部と、を備えていることを特徴とする、レーダ装置。
5. 所定の送信信号を用いて得られた、振幅情報および位相情報を含む受信信号に基づいて、所定の海象についてのドップラ速度の分布を画像データとして生成する、画像データ生成ステップと、
   前記画像データに基づいて前記海象を特定する海象データを生成する、海象データ生成ステップと、を含んでいることを特徴とする、海象検出方法。
6. コンピュータに、
   所定の送信信号を用いて得られた、振幅情報および位相情報を含む受信信号に基づいて、所定の海象についてのドップラ速度の分布を画像データとして生成する、画像データ生成ステップと、
   前記画像データに基づいて前記海象を特定する海象データを生成する、海象データ生成ステップと、を実行させることを特徴とする、プログラム。

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