(57)【要約】【課題】本開示は、海面の波浪を計測するにあたり、保守管理を軽減するとともに、画像検出を容易にすることを目的とする。【解決手段】本開示は、レーダ画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかをシンボル表示することを特徴とする海面表示装置４である。また、本開示は、以上に記載の海面表示装置４と、レーダ画像での波数空間解析又は実空間解析に基づいて、レーダ画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかを計測する海面計測装置３と、を備えることを特徴とする海面計測システムＳである。【選択図】図１
2020094996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーダ画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかをシンボル表示することを特徴とする海面表示装置。
【請求項２】
海面の波頭を線分を用いてシンボル表示し、線分の間隔を用いて、海面の波長をシンボル表示し、線分に垂直な方向を用いて、海面の波向きをシンボル表示する
ことを特徴とする、請求項１に記載の海面表示装置。
【請求項３】
海面の波頭を線分を用いてシンボル表示するにあたり、レーダ画像の画像更新毎に線分を更新し、線分の移動の速度を用いて、海面の波速をシンボル表示する
ことを特徴とする、請求項２に記載の海面表示装置。
【請求項４】
海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかにレーダ画像を重畳表示する
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の海面表示装置。
【請求項５】
海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかをユーザ選択により表示する
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の海面表示装置。
【請求項６】
レーダ画像での海面への進水又は着水が安全であるかどうかを表示する
ことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の海面表示装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の海面表示装置と、
レーダ画像での波数空間解析又は実空間解析に基づいて、レーダ画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかを計測する海面計測装置と、
を備えることを特徴とする海面計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、海面の波浪を計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
海面の波浪を計測する技術が、特許文献１等に開示されている。特許文献１では、複数の浮標を海面に配置しカメラで撮影することにより、海面の波浪を計測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−０９６８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、複数の浮標を保守管理する必要があるが、保守管理は手間がかかり、複数の浮標の動作を画像検出する必要があるが、画像検出は困難であった。
【０００５】
そこで、前記課題を解決するために、本開示は、海面の波浪を計測するにあたり、保守管理を軽減するとともに、画像検出を容易にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、レーダ画像の海面クラッタを計測することにより、海面の波浪を計測することとした。具体的には、矢印の長さ、矢印の方向、数値又は階調等を用いて、レーダ画像での海面の波浪をシンボル表示することとした。
【０００７】
具体的には、本開示は、レーダ画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかをシンボル表示することを特徴とする海面表示装置である。
【０００８】
この構成によれば、海面の波浪を計測するにあたり、レーダシステムの保守管理を行うのみでよく、海面クラッタの画像検出を行うのみでよい。そして、レーダ画像が表す海域において、海面の波浪を定量的にシンボル表示することができる。
【０００９】
また、本開示は、海面の波頭を線分を用いてシンボル表示し、線分の間隔を用いて、海面の波長をシンボル表示し、線分に垂直な方向を用いて、海面の波向きをシンボル表示することを特徴とする海面表示装置である。
【００１０】
この構成によれば、レーダ画像が表す海域において、海面の波頭をシンボル表示する線分を用いて、海面の波長及び波向きを定量的にシンボル表示することができる。
【００１１】
また、本開示は、海面の波頭を線分を用いてシンボル表示するにあたり、レーダ画像の画像更新毎に線分を更新し、線分の移動の速度を用いて、海面の波速をシンボル表示することを特徴とする海面表示装置である。
【００１２】
この構成によれば、レーダ画像が表す海域において、海面の波頭をシンボル表示する線分を用いて、海面の波速を定量的にシンボル表示することができる。
【００１３】
また、本開示は、海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかにレーダ画像を重畳表示することを特徴とする海面表示装置である。
【００１４】
この構成によれば、レーダ画像が表す海域において、海面の波頭を反映する反射強度の高い部分を用いて、海面の波浪を視覚的に表示することができる。
【００１５】
また、本開示は、海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかをユーザ選択により表示することを特徴とする海面表示装置である。
【００１６】
この構成によれば、海面の波浪のシンボル表示を簡素化することができる。
【００１７】
また、本開示は、レーダ画像での海面への進水又は着水が安全であるかどうかを表示することを特徴とする海面表示装置である。
【００１８】
この構成によれば、レーダ画像が表す海域の安全性を表示することができる。
【００１９】
また、本開示は、以上に記載の海面表示装置と、レーダ画像での波数空間解析又は実空間解析に基づいて、レーダ画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかを計測する海面計測装置と、を備えることを特徴とする海面計測システムである。
【００２０】
この構成によれば、海面の波浪を計測するにあたり、レーダシステムの保守管理を行うのみでよく、海面クラッタの画像検出を行うのみでよい。そして、レーダ画像が表す海域において、海面の波浪を定量的にシンボル表示することができる。
【発明の効果】
【００２１】
このように、本開示は、海面の波浪を計測するにあたり、保守管理を軽減するとともに、画像検出を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本開示の海面計測システムの構成を示す図である。
【図２】本開示の海面のパラメータの表示方法を示す図である。
【図３】本開示の海面の波長及び波向きの表示方法を示す図である。
【図４】本開示の海面の波長、波向き及び波速の表示方法を示す図である。
【図５】本開示の海面のパラメータ及び２次元レーダ画像の重畳方法を示す図である。
【図６】本開示の海面のパラメータ及び３次元レーダ画像の重畳方法を示す図である。
【図７】本開示の海面のパラメータのユーザ選択表示方法を示す図である。
【図８】本開示の海面のパラメータに基づく安全表示方法を示す図である。
【図９】本開示の海面の波長及び波向きの計測方法を示す図である。
【図１０】本開示の海面の波速の計測方法を示す図である。
【図１１】本開示の海面の波高の計測方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。
【００２４】
本開示の海面計測システムの構成を図１に示す。海面計測システムＳは、レーダ送信部１、レーダ受信部２、海面計測装置３及び海面表示装置４から構成される。海面計測装置３は、画像分割部３１及び海面計測部３２から構成される。
【００２５】
レーダ送信部１は、海上に向けてレーダビームを照射する。レーダ受信部２は、海上で反射されたレーダビームを受信する。海面計測装置３は、レーダ画像の海面クラッタを計測することにより、海面の波浪を計測する。海面表示装置４は、海面計測装置３が取得、処理及び作成したレーダ映像のデータを映像化して表示する。
【００２６】
画像分割部３１は、レーダ画像を分割して各分割画像を生成する。海面計測部３２は、各分割画像での波数空間解析又は実空間解析に基づいて、各分割画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかを計測する。なお、画像分割部３１は、レーダ画像を分割しなくてもよい。また、海面計測部３２は、分割されていないレーダ画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかを計測してもよい。
【００２７】
本開示の海面のパラメータの表示方法を図２に示す。海面表示装置４は、各分割画像での海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかをシンボル表示する。
【００２８】
図２の左欄では、レーダ画像は、ｘ方向に８分割され、ｙ方向に８分割され、全体として８×８＝６４分割されている。図２の右欄では、海面の波長、波向き、波速及び波高が、どのようにシンボル表示されるか、凡例が表示されている。そして、海面の波長は、図２の矢印の長さにより表され、海面の波向きは、図２の矢印の方向で表され、海面の波速は、図２の数値で表され、海面の波高は、図２の階調で表される。なお、海面のパラメータの大きさが、矢印の太さ又は丸印の大小等で表されてもよい。
【００２９】
このように、海面の波浪を計測するにあたり、海面計測システムＳの保守管理を行うのみでよく、海面クラッタの画像検出を行うのみでよい。そして、レーダ画像が表す海域において、海面の波浪を定量的にシンボル表示することができる。
【００３０】
本開示の海面の波長及び波向きの表示方法を図３に示す。海面表示装置４は、海面の波頭を線分を用いてシンボル表示し、線分の間隔を用いて、海面の波長をシンボル表示し、線分に垂直な方向を用いて、海面の波向きをシンボル表示する。
【００３１】
図３の左欄では、レーダ画像において、反射強度が高い海面クラッタが、海面の波頭として観測され、線分を用いてシンボル表示されている。図３の中欄では、海面の波長は、線分の間隔で表され、海面の波向きは、線分に垂直な方向で表される。図３の右欄では、海面の波長及び波向きが、どのようにシンボル表示されるか、凡例が表示されている。
【００３２】
このように、レーダ画像が表す海域において、海面の波頭をシンボル表示する線分を用いて、海面の波長及び波向きを定量的にシンボル表示することができる。そして、線分を用いないときより、海面の波長及び波向きを視覚的にシンボル表示することができる。
【００３３】
本開示の海面の波長、波向き及び波速の表示方法を図４に示す。海面表示装置４は、海面の波頭を線分を用いてシンボル表示するにあたり、レーダ画像の画像更新毎に線分を更新し、線分の移動の速度を用いて、海面の波速をシンボル表示する。
【００３４】
図４の左上欄及び左下欄では、それぞれ、更新前及び更新後のレーダ画像において、反射強度が高い海面クラッタが、海面の波頭として観測され、線分を用いてシンボル表示されている。図４の中上欄及び中下欄では、それぞれ、レーダ画像の更新前及び更新後において、海面の波長は、線分の間隔で表され、海面の波向きは、線分に垂直な方向で表され、海面の波速は、線分の移動の速度で表される。図４の右欄では、海面の波長、波向き及び波速が、どのようにシンボル表示されるか、凡例が表示されている。
【００３５】
このように、レーダ画像が表す海域において、海面の波頭をシンボル表示する線分を用いて、海面の波速を定量的にシンボル表示することができる。そして、線分を用いないときより、海面の波速を視覚的にシンボル表示することができる。
【００３６】
本開示の海面のパラメータ及び２次元レーダ画像の重畳方法を図５に示す。本開示の海面のパラメータ及び３次元レーダ画像の重畳方法を図６に示す。海面表示装置４は、海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかにレーダ画像を重畳表示する。
【００３７】
図５の左欄では、レーダ画像は、ｘ軸及びｙ軸からなる２次元レーダ画像であり、ｘ方向に８分割され、ｙ方向に８分割され、全体として８×８＝６４分割されている。図５の右欄では、海面の波長、波向き、波速及び波高が、どのようにシンボル表示されるか、凡例が表示されている。そして、海面の波長は、図５の矢印の長さにより表され、海面の波向きは、図５の矢印の方向で表され、海面の波速は、図５の数値で表され、海面の波高は、図５の階調で表され、海面のパラメータに２次元レーダ画像が重畳表示されている。
【００３８】
図６の左欄では、レーダ画像は、ｘ軸、ｙ軸及び反射強度軸（波高軸に対応。）からなる３次元レーダ画像であり、ｘ方向に８分割され、ｙ方向に８分割され、全体として８×８＝６４分割されている。図６の右欄では、海面の波長、波向き及び波高が、どのようにシンボル表示されるか、凡例が表示されている。そして、海面の波長は、図６の矢印の長さにより表され、海面の波向きは、図６の矢印の方向で表され、海面の波高は、図６の階調で表され、海面のパラメータに３次元レーダ画像が重畳表示されている。
【００３９】
このように、レーダ画像が表す海域において、海面の波頭を反映する反射強度の高い部分を用いて、海面の波浪を視覚的に表示することができる。
【００４０】
なお、レーダ画像の画像更新毎に、図４の線分を更新するのみならず、海面のパラメータを更新してもよく、重畳表示されるレーダ画像を更新してもよい。また、レーダ画像を重畳表示するかどうかを切り替えてもよく、２次元レーダ画像及び３次元レーダ画像のうちのいずれのレーダ画像を重畳表示するかを切り替えてもよい。
【００４１】
本開示の海面のパラメータのユーザ選択表示方法を図７に示す。海面表示装置４は、海面の波長、波向き、波速及び波高の少なくともいずれかをユーザ選択により表示する。
【００４２】
図７では、レーダ画像は、ｘ方向に８分割され、ｙ方向に８分割され、全体として８×８＝６４分割されている。図７の左上欄では、ユーザは、海面の波長の表示を選択しており、海面の波長は、矢印の長さにより表され、どのようにシンボル表示されるか、凡例が表示されている。図７の右上欄では、ユーザは、海面の波向きの表示を選択しており、海面の波向きは、矢印の方向により表され、どのようにシンボル表示されるか、凡例が表示されている。図７の左下欄では、ユーザは、海面の波速の表示を選択しており、海面の波速は、数値により表され、どのようにシンボル表示されるか、凡例が表示されている。図７の右下欄では、ユーザは、海面の波高の表示を選択しており、海面の波高は、階調により表され、どのようにシンボル表示されるか、凡例が表示されている。
【００４３】
このように、海面の波浪のシンボル表示を簡素化することができる。
【００４４】
本開示の海面のパラメータに基づく安全表示方法を図８に示す。海面表示装置４は、レーダ画像での海面への進水又は着水が安全であるかどうかを表示する。
【００４５】
図８では、レーダ画像は、ｘ方向に４分割され、ｙ方向に４分割され、全体として４×４＝１６分割されている。図８の左上欄では、海面の波長は、階調により表され、海面の波長が短いほど、進水又は着水が危険であることに基づいて、階調が低い部分は、危険な海域であることが表示されている。図８の右上欄では、海面の波向きは、矢印の方向により表され、船舶の船首又は航空機の機首の方向は、図８の上方向であることが表され、海面の波向きが船舶の左舷側若しくは右舷側又は航空機の左翼側若しくは右翼側に当たる方向であるほど、進水又は着水が危険であることに基づいて、矢印の方向が図８の左右方向である部分は、危険な海域であることが表示されている。図８の左下欄では、海面の波速は、階調により表され、海面の波速が速いほど、進水又は着水が危険であることに基づいて、階調が高い部分は、危険な海域であることが表示されている。図８の右下欄では、海面の波高は、階調により表され、海面の波高が高いほど、進水又は着水が危険であることに基づいて、階調が高い部分は、危険な海域であることが表示されている。
【００４６】
このように、レーダ画像が表す海域の安全性を表示することができる。
【００４７】
まず、海面計測部３２が、各分割画像での「波数空間解析」に基づいて、各分割画像での海面の波長、波向き、波速及び波高を計測する方法を説明する。
【００４８】
本開示の海面の波長及び波向きの計測方法を図９に示す。海面計測部３２は、各フーリエスペクトルの波数空間でのピーク位置に基づいて、各分割画像での海面の波長及び波向きの少なくともいずれかを計測する。
【００４９】
具体的には、Ｂスコープ画像をＸＹ座標画像に座標変換し、ＳＴＣ処理を実行し、円形画像から方形画像のみ切り出し、海面計測対象のレーダ画像とする。次に、前回スキャン及び今回スキャンの各分割画像について、それぞれ、前回スキャン及び今回スキャンの各スペクトルを生成する。次に、前回スキャン及び今回スキャンの各スペクトルを乗算し、前回スキャンと今回スキャンとの間の各クロススペクトルＣＳを生成する。次に、前回スキャンと今回スキャンとの間の各クロススペクトルＣＳを、ｋｘ及びｋｙを座標軸とする波数座標からλｘ＝１／ｋｘ及びλｙ＝１／ｋｙを座標軸とする波長座標へと座標変換する。
【００５０】
ここで、前回スキャンと今回スキャンとの間の各クロススペクトルにおいて、ピーク位置は（λｘｐ、λｙｐ）である。そこで、波長λ及び波向きθを数式１、２により算出する。
【数１】
2020094996.tif 000003
【数２】
2020094996.tif 000004
【００５１】
このように、波数空間解析により実空間解析と比べて、海面の波長及び波向きの少なくともいずれかを容易に計測することができる。そして、各分割画像が表す各海域において、海面の波長及び波向きの少なくともいずれかを個別に計測することができる。なお、海面の波長及び波向きの少なくともいずれかを計測するにあたり、乗算後の各クロススペクトルを利用してもよいが、乗算前の各スペクトルを利用してもよい。また、乗算後の各クロススペクトル又は乗算前の各スペクトルを算出するにあたり、過去から現在に渡る複数個の乗算後の各クロススペクトル又は乗算前の各スペクトルを平均してもよい。
【００５２】
本開示の海面の波速の計測方法を図１０に示す。海面計測部３２は、先の時刻での各フーリエスペクトルのピーク位相と、後の時刻での各フーリエスペクトルのピーク位相と、の間の差分に基づいて、各分割画像での海面の波速を計測する。
【００５３】
具体的には、Ｂスコープ画像をＸＹ座標画像に座標変換し、ＳＴＣ処理を実行し、円形画像から方形画像のみ切り出し、海面計測対象のレーダ画像とする。次に、前回スキャン及び今回スキャンの各分割画像について、それぞれ、前回スキャン及び今回スキャンの各スペクトルを生成する。次に、前回スキャン及び今回スキャンの各スペクトルを乗算し、前回スキャンと今回スキャンとの間の各クロススペクトルＣＳを生成する。
【００５４】
ここで、前回スキャンと今回スキャンとの間の各クロススペクトルにおいて、ピーク位置は（ｋｘｐ、ｋｙｐ）である。そこで、各クロススペクトルのピーク位相ＣＳθ（ｋｘｐ、ｋｙｐ）を数式３により算出し、波速ｖを数式４により算出する。ただし、τは、前回スキャンと今回スキャンとの間の時間間隔（例えば、アンテナの回転周期。）である。
【数３】
2020094996.tif 000005
【数４】
2020094996.tif 000006
【００５５】
このように、波数空間解析により実空間解析と比べて、海面の波速を容易に計測することができる。そして、各分割画像が表す各海域において、海面の波速を個別に計測することができる。なお、ナイキスト条件２πｖ／λ＜π／τを満たさないときには、海面の波速を正しく計測することができないことに留意すべきである。また、乗算後の各クロススペクトル又は乗算前の各スペクトルを算出するにあたり、過去から現在に渡る複数個の乗算後の各クロススペクトル又は乗算前の各スペクトルを平均してもよい。
【００５６】
本開示の海面の波高の計測方法を図１１に示す。海面計測部３２は、（１）先の時刻での各フーリエスペクトルの各波数での位相と、後の時刻での各フーリエスペクトルの各波数での位相と、の間の差分に基づいて、各フーリエスペクトルの各波数に対応する計測波速を算出し、（２）重力波の分散関係及び各フーリエスペクトルの各波数に対応する波長に基づいて、各フーリエスペクトルの各波数に対応する理論波速を算出し、（３）各フーリエスペクトルの各波数に対応する計測波速と理論波速との間の一致程度に基づいて、各フーリエスペクトルの各波数での振幅を信号成分と雑音成分とに分類し、（４）有義波高の経験式及び各フーリエスペクトルの全波数にわたる信号対雑音比に基づいて、各分割画像での海面の波高を計測する。
【００５７】
具体的には、Ｂスコープ画像をＸＹ座標画像に座標変換し、ＳＴＣ処理を実行し、円形画像から方形画像のみ切り出し、海面計測対象のレーダ画像とする。次に、前回スキャン及び今回スキャンの各分割画像について、それぞれ、前回スキャン及び今回スキャンの各スペクトルを生成する。次に、前回スキャン及び今回スキャンの各スペクトルを乗算し、前回スキャンと今回スキャンとの間の各クロススペクトルＣＳを生成する。
【００５８】
そして、各クロススペクトルの各波数での位相ＣＳθ（ｋｘ、ｋｙ）を数式５により算出し、各クロススペクトルの各波数での振幅ＣＳｐ（ｋｘ、ｋｙ）を数式６により算出し、各クロススペクトルの各波数に対応する計測波速ｖｍ（ｋｘ、ｋｙ）を数式７により算出し、各クロススペクトルの各波数に対応する理論波速ｖｔ（ｋｘ、ｋｙ）を数式８により算出する。ここで、ｇは、重力加速度（＝９．８ｍ／ｓ２）であり、重力波の分散関係において、沖合では水深は波高より十分に深いことを考慮している。
【数５】
2020094996.tif 000007
【数６】
2020094996.tif 000008
【数７】
2020094996.tif 000009
【数８】
2020094996.tif 000010
【００５９】
そして、計測波速ｖｍ（ｋｘ、ｋｙ）と理論波速ｖｔ（ｋｘ、ｋｙ）とがある程度は一致するときには、振幅ＣＳｐ（ｋｘ、ｋｙ）を信号成分Ｓ（ｋｘ、ｋｙ）に分類する。一方で、計測波速ｖｍ（ｋｘ、ｋｙ）と理論波速ｖｔ（ｋｘ、ｋｙ）とがある程度も一致しないときには、振幅ＣＳｐ（ｋｘ、ｋｙ）を雑音成分Ｎ（ｋｘ、ｋｙ）に分類する。さらに、各クロススペクトルの全波数にわたる信号対雑音比ＳＮＲを数式９により算出し、波高Ｈを数式１０により算出する。ここで、ａ及びｂは、有義波高の実測結果に基づく値である。
【数９】
2020094996.tif 000011
【数１０】
2020094996.tif 000012
【００６０】
このように、波数空間解析により実空間解析と比べて、海面の波高を容易に計測することができる。そして、各分割画像が表す各海域において、海面の波高を個別に計測することができる。なお、海面の波高を計測するにあたり、乗算後の各クロススペクトルを利用してもよいが、乗算前の各スペクトルを利用してもよい。また、乗算後の各クロススペクトル又は乗算前の各スペクトルを算出するにあたり、過去から現在に渡る複数個の乗算後の各クロススペクトル又は乗算前の各スペクトルを平均してもよい。
【００６１】
次に、海面計測部３２が、各分割画像での「実空間解析」に基づいて、各分割画像での海面の波長、波向き、波速及び波高を計測する方法を説明する。
【００６２】
海面計測部３２は、（１）レーダ反射強度が高い海面クラッタを、海面の波頭として観測し、（２）海面の波頭の間隔に基づいて、海面の波長を計測し、（３）海面の波頭の位置の変化に基づいて、海面の波向き及び波速を計測し、（４）海面クラッタのレーダ反射強度のコントラストに基づいて、海面の波高を計測する。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本開示の海面表示装置及び海面計測システムは、例えば、海面の波浪が激しい海域を特定することができ、船舶又は航空機が近づけない海域を特定することができる。
【符号の説明】
【００６４】
Ｓ：海面計測システム
１：レーダ送信部
２：レーダ受信部
３：海面計測装置
４：海面表示装置
３１：画像分割部
３２：海面計測部
【図１】
2020094996.tif 000013
【図２】
2020094996.tif 000014
【図３】
2020094996.tif 000015
【図４】
2020094996.tif 000016
【図５】
2020094996.tif 000017
【図６】
2020094996.tif 000018
【図７】
2020094996.tif 000019
【図８】
2020094996.tif 000020
【図９】
2020094996.tif 000021
【図１０】
2020094996.tif 000022
【図１１】
2020094996.tif 000023