(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーダー画像信号に基づき、波高を算出すべき水面領域に相当するレーダー画像上の、信号レベルが予め定められている範囲内のレベルとなっている陰影部の面積を当該水面領域の面積で割った値である陰影比を算出する陰影比算出手段と、
この陰影比算出手段によって算出された陰影比を、所定の演算式に代入することにより波高を算出する波高算出手段と、
レーダー画像信号に基づき、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期を算出する平均周期算出手段とを、備え、
前記所定の演算式は、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期の関数として定められている所定数のパラメータを含み、
前記波高算出手段は、前記平均周期算出手段によって算出された平均周期に基づき前記所定数のパラメータの値を求め、求めた値を各パラメータの値とした前記所定の演算式に前記陰影比を代入することにより波高を算出する
ことを特徴とする波高算出装置。
【請求項２】
前記所定の演算式が、
陰影比ＳＲと、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期の関数として定められている２つのパラメータＡ及びＢとから、波高Ｈを算出する「Ｈ＝Ａ・ＳＲB」という式である
ことを特徴とする請求項１に記載の波高算出装置。
【請求項３】
レーダー画像信号に基づき、波高を算出すべき水面領域に相当するレーダー画像上の、信号レベルが予め定められている範囲内のレベルとなっている陰影部の面積を当該水面領域の面積で割った値である陰影比を算出する陰影比算出ステップと、
この陰影比算出ステップによって算出された陰影比を、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期の関数として定められている所定数のパラメータを含む所定の演算式に代入することにより波高を算出する波高算出ステップであって、レーダー画像信号に基づき、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期を算出し、算出した平均周期に基づき前記所定数のパラメータの値を求め、求めた値を各パラメータの値とした前記所定の演算式に前記陰影比を代入することにより波高を算出する波高算出ステップ
とを、含むことを特徴とする波高算出方法。
【請求項４】
レーダー装置と接続可能なコンピュータを、
レーダー画像信号に基づき、波高を算出すべき水面領域に相当するレーダー画像上の、信号レベルが予め定められている範囲内のレベルとなっている陰影部の面積を当該水面領域の面積で割った値である陰影比を算出する陰影比算出手段と、
この陰影比算出手段によって算出された陰影比を、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期の関数として定められている所定数のパラメータを含む所定の演算式に代入することにより波高を算出する波高算出手段であって、レーダー画像信号に基づき、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期を算出し、算出した平均周期に基づき前記所定数のパラメータの値を求め、求めた値を各パラメータの値とした前記所定の演算式に前記陰影比を代入することにより波高を算出する波高算出手段
とを、備える装置として動作させるためのプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水面に生じている波の高さを、船舶用レーダーを利用して算出するための波高算出装置及び波高算出方法と、コンピュータを、波高算出装置として動作させるためのコンピュータ可読媒体とに、関する。
【０００２】
【従来の技術】
水面（主として海面）に生じている波の高さ（以下、波高と表記する）に関する統計的及び／或いはリアルタイムな情報は、船舶及び浮動構造の設計に役立つだけではなく、船舶等の保守と船舶のウェザールーティングにも役立ち、当該情報に基づき、操船の安全性及び効率を、向上させることが出来る。
【０００３】
このため、波高を測定するためのさまざまな方法が開発されており、その一つとして、船舶用レーダーを利用して波高を測定（算出）する方法が知られている。
【０００４】
従来の、船舶用レーダーを利用した波高測定方法では、船舶レーダーにより得られた情報に基づきシグナル雑音比（スペクトルピークをバックグラウンド雑音で割った値：ＳＮＲ）が算出され、算出されたＳＮＲから波高が推定されている。
【０００５】
具体的には、（１）式により、有義波高Ｈ1/3（一群の波の中の高い方から数えて全体の１／３の間にある波についての平均の波高を持つ波の高さ）が求められている。
【０００６】
【数１】
0004719373.tif 000002
なお、α、βは、（１）式により有義波高が得られるようにするために、波浪ブイを利用した方法等の別の方法による測定結果に基づき、それらの値が決定される較正用パラメタである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の波高算出手順を用いた場合、比較的に大きな波が生じているときには波高が正確に推定できるが、小さな波が生じているときに、波高が正確に推定できない（測定精度が低くなる）といった問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、より小さな波の波高も精度良く算出（推定）できる船舶用レーダーを利用する波高算出装置及び波高算出方法と、コンピュータを、そのような波高算出装置として動作させるためのコンピュータ可読媒体とを、提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の波高算出装置は、レーダー画像信号に基づき、波高を算出すべき水面領域に相当するレーダー画像上の、信号レベルが予め定められている範囲内のレベルとなっている陰影部の面積を当該水面領域の面積で割った値である陰影比を算出する陰影比算出手段と、この陰影比算出手段によって算出された陰影比を、所定の演算式に代入することにより波高を算出する波高算出手段と、レーダー画像信号に基づき、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期を算出する平均周期算出手段とを備え、前記所定の演算式は、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期の関数として定められている所定数のパラメータを含み、前記波高算出手段は、前記平均周期算出手段によって算出された平均周期に基づき前記所定数のパラメータの値を求め、求めた値を各パラメータの値とした前記所定の演算式に前記陰影比を代入することにより波高を算出する構成を有する。
【００１０】
また、本発明の波高算出方法では、レーダー画像信号に基づき、波高を算出すべき水面領域に相当するレーダー画像上の、信号レベルが予め定められている範囲内のレベルとなっている陰影部の面積を当該水面領域の面積で割った値である陰影比を算出する陰影比算出ステップと、この陰影比算出ステップによって算出された陰影比を、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期の関数として定められている所定数のパラメータを含む所定の演算式に代入することにより波高を算出する波高算出ステップであって、レーダー画像信号に基づき、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期を算出し、算出した平均周期に基づき前記所定数のパラメータの値を求め、求めた値を各パラメータの値とした前記所定の演算式に前記陰影比を代入することにより波高を算出する波高算出ステップとにより、波高が算出される。
【００１１】
そして、本発明のコンピュータ可読媒体は、レーダー装置と接続可能なコンピュータを、レーダー画像信号に基づき、波高を算出すべき水面領域に相当するレーダー画像上の、信号レベルが予め定められている範囲内のレベルとなっている陰影部の面積を当該水面領域の面積で割った値である陰影比を算出する陰影比算出手段と、この陰影比算出手段によって算出された陰影比を、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期の関数として定められている所定数のパラメータを含む所定の演算式に代入することにより波高を算出する波高算出手段であって、レーダー画像信号に基づき、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期を算出し、算出した平均周期に基づき前記所定数のパラメータの値を求め、求めた値を各パラメータの値とした前記所定の演算式に前記陰影比を代入することにより波高を算出する波高算出手段とを、備える装置として動作させるためのプログラムを記録して成る。
【００１２】
すなわち、上記課題を解決するために、鋭意、研究を行なったところ、発明者らは、波高の指標として陰影比を用いると、小さな波の波高をも正確に算出できることを見出した。従って、この原理に基づき波高が算出される本発明の波高算出装置、波高算出方法によれば、従来よりも正確な波高の算出が行なえることになる。また、本発明のコンピュータ可読媒体によれば、レーダー装置と接続可能なコンピュータを、本発明の波高算出装置として機能させることが出来ることになる。
【００１５】
また、本発明の波高算出装置を実現するに際しては、所定の演算式として、陰影比ＳＲと、波高を算出すべき水面領域に生じている波の平均周期の関数として定められている２つのパラメータＡ及びＢとから、波高Ｈを算出する「Ｈ＝Ａ・ＳＲB」という式を採用することが出来る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１に、本発明の一実施形態に係る波高算出装置１０の使用形態を示す。
【００１８】
図示したように、本実施形態に係る波高算出装置１０は、インターフェースモジュール５１を介してレーダーユニット５２に接続された状態で使用される。レーダーユニット５２は、送信機、レーダーアンテナ、受信機等からなるシステムである。インターフェースモジュール５１は、レーダーユニット５２の受信機が出力する信号（レーダー画像信号）を、レーダー指示器５３と波高算出装置１０とに、供給するモジュールである。
【００１９】
レーダー指示器５３は、入力されたレーダー画像信号に応じたレーダー画像を表示する機器であり、レーダーユニット５２と直結することも出来る機器となっている。換言すれば、レーダーユニット５２とレーダー指示器５３とからなる部分が、一般に船舶用レーダーと呼ばれているものとなっており、インターフェースモジュール５１は、船舶用レーダー（レーダーユニット５２）から、レーダー画像信号を取り出すためのモジュールとなっている。
【００２０】
波高算出装置１０は、波高算出プログラム２５がＣＤ−ＲＯＭ２０等からインストールされているコンピュータであり、インターフェースモジュール５１からレーダー画像信号を取得するためのインタフェースと、ＧＰＳ信号，船速信号及び進路信号を、図示せぬ操舵装置から取得するためのインタフェースとを、備えている。また、波高算出装置１０は、波高表示装置１１に接続するためのインタフェースを備える。波高表示装置１１は、波高等が表示される液晶ディスプレイを備えた機器であり、波高表示装置１１を接続しなくとも、波高算出装置１０は機能する。なお、波高算出装置１０に接続された波高表示装置１１は、通常、レーダー指示器５３の近傍に、設置される。
【００２１】
以下、波高算出装置１０の動作を説明する。
【００２２】
波高算出装置１０は、電源が投入されると、レーダー画像が表示された領域を含む画面をディスプレイに表示して、波高算出条件がオペレータによって設定されるのを待機する状態を取る。ここで、波高算出条件とは、どの領域のどの時点における波高を算出するかを、オペレータが波高算出装置１０に指示するための情報のことであり、波高算出条件は、波高を複数回算出することを指定できる（波高の算出を行なう時刻及び領域を、予め複数組、指定しておくことができる）ものとなっている。
【００２３】
なお、本波高算出装置１０において、波高の算出対象となる領域（以下、観察対象領域と表記する）は、図２に示してあるように、一方の平行な２辺の中心線が、レーダーアンテナ上（レーダー画像の中心）を通る正方形領域となっており、波高算出条件設定時には、オペレータによって、この観察対象領域の指定を含む作業が行なわれる。
【００２４】
図３に、波高算出条件の設定が完了した後に所定の指示（波高算出処理の開始指示）が入力されたときに、波高算出装置１０が実行する波高算出処理の流れ図を示す。
【００２５】
図示したように、波高算出処理開始時、波高算出装置１０は、設定されている波高算出条件にて、波高を算出すべき時刻として指定されている算出時刻となるまで待機する（ステップS１０１）。そして、波高算出装置１０は、算出時刻となった時にステップS１０１を終了し、レーダーユニット５２が出力するレーダー画像信号を、インターフェースモジュール５１を介して、波高算出条件にて規定されている量、収集して、内蔵しているＨＤＤに記憶する（ステップＳ１０２）。このステップＳ１０２において、波高算出装置１０は、例えば、３２(＝２5)個のレーダー画像分のレーダー画像信号を収集する。その後、波高算出装置１０は、収集したレーダー画像信号に含まれる、波高算出条件にて規定されている観察対象領域に関する信号に対して三次元ＦＦＴ(Fast Fourier Transform）等を行なうことにより、ノイズ（波浪に関係しない情報）を除去した波数・周波数スペクトルを生成する（ステップＳ１０３）。
【００２６】
次いで、波高算出装置１０は、生成した波数・周波数スペクトルから平均波周期を求める（ステップＳ１０４）。さらに、波高算出装置１０は、波数・周波数スペクトルの逆ＦＦＴを行なうことにより、ノイズが除去されたレーダー画像データを生成し、当該レーダー画像データに基づき、陰影比ＳＲを算出した後、平均波周期の関数として用意されているパラメータＡ、Ｂが用いられた関係式Ｈ1/3＝Ａ・ＳＲBに、算出したＳＲを代入することにより有義波高Ｈ1/3の算出を行なう（ステップＳ１０５）。
【００２７】
具体的には、このステップＳ１０５において、波高算出装置１０は、レーダー画像の、低いレベルでその強度がほぼ一定値となっている部分（以下、陰影部と表記する）の面積を算出し、算出した陰影部面積を観察対象領域の全面積で割った値を、陰影比ＳＲとして算出している。また、陰影部の判定条件としては、波浪に関する各種の値（含む有義波高Ｈ1/3）を仮定してシミュレーションにより各種のレーダー画像データを作成し、作成したレーダー画像データから算出される陰影比ＳＲが、仮定した有義波高Ｈ1/3と一致するように定めたものが用いられている。なお、レーダー画像データの作成手順は、“J. of Society of Naval Architects of Japan, vol.187, pp.85-92, 2000”に掲載されているTakaseらの論文に記載のものと同じものであるので、その詳細の説明は省略する。
【００２８】
そして、陰影比ＳＲの算出後、波高算出装置１０は、例えば、平均波周期が12.08秒であったときには、Ａ＝2.8968、Ｂ＝1.1632として、有義波高Ｈ1/3の算出し、ステップＳ１０５を終了する。
【００２９】
ステップＳ１０５の終了後、波高算出装置１０は、算出した有義波高Ｈ1/3を、ディスプレイに表示するとともに、ＨＤＤに記憶する（ステップＳ１０６）。波高表示装置１１が接続されている場合、波高算出装置１０は、このステップＳ１０６において、接続されている波高表示装置１１に、算出した有義波高Ｈ1/3を表示させるための処理も行なう。
【００３０】
その後、波高算出装置１０は、波高算出条件にて指定されている全ての波高の算出が完了しているか否かを判断する（ステップＳ１０７）。波高算出装置１０は、指定されている全ての波高の算出が完了していなかった場合（ステップＳ１０７；ＮＯ）、ステップＳ１０１に戻り、算出時刻がくるのを再び待機する。そして、波高算出装置１０は、指定されている全ての波高の算出が完了したとき（ステップＳ１０７；ＹＥＳ）に、図示した処理を終了する。
【００３１】
以下、波高算出装置１０の性能について説明する。
【００３２】
図４及び図５に、波高算出装置１０により算出された有義波高Ｈ1/3と他の波浪測定デバイスで測定された有義波高Ｈ1/3との関係を示す。なお、図４及び図５に示した算出結果は、図６、７に示してあるように、アンテナ角速度が２２ｒｐｍ、距離分解能が７．５ｍ、水平ビーム幅が０．８°といったレーダー測定条件下、波高算出装置１０が取り付けられた船舶を、図８に示してあるような各条件で運転したときに、得られたものである。
【００３３】
図４に示してあるように、波高算出装置１０により算出された有義波高Ｈ1/3は、波浪ブイにより得られた有義波高Ｈ1/3、及び、視覚観測により得られた有義波高Ｈ1/3と良く一致している。また、波高算出装置１０により算出された有義波高Ｈ1/3は、図５に示してあるように、波浪追算により得られた有義波高Ｈ1/3、及び、船舶の挙動解析により得られた有義波高Ｈ1/3とも良く一致している。
【００３４】
図９に、波高算出装置１０により算出された有義波高Ｈ1/3と波浪追算により得られた有義波高Ｈ1/3との関係を、従来の有義波高算出手順で算出された有義波高Ｈ1/3と波浪追算により得られた有義波高Ｈ1/3との関係と共に示す。
【００３５】
図から明らかなように、本波高算出装置１０で用いられている算出手順（ＳＲ法）により算出された有義波高Ｈ1/3は、従来の有義波高算出手順（ＳＮＲ法）で算出された有義波高Ｈ1/3よりも、波浪追算により得られた有義波高Ｈ1/3との間に強い相関があるものとなっている。
【００３６】
以上、説明したように、本実施形態に係る波高算出装置１０によれば、従来法（ＳＮＲ法）よりも、比較的に小さな波についての有義波高Ｈ1/3を精度良く算出できる。従って、波高算出装置１０を用いれば、船舶及び浮動構造の設計や船舶等の保守と船舶のウェザールーティング等により役立つ情報を得ることが出来ることになり、その結果として、操船の安全性及び効率を向上させることが出来ることになる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の波高算出装置、波高算出方法によれば、従来よりも、比較的に小さな波についての波高を精度良く算出できる。また、本発明のコンピュータ可読媒体によれば、コンピュータを本発明の波高算出装置として機能させることが出来る。従って、本発明によれば、名船舶及び浮動構造の設計や船舶等の保守と船舶のウェザールーティング等により役立つ情報を得ることが出来ることになり、その結果として、操船の安全性及び効率を向上させることが出来ることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る波高算出装置の使用形態の説明図である。
【図２】実施形態に係る波高算出装置が波高の算出を行なう領域の説明図である。
【図３】実施形態に係る波高算出装置が実行する波高算出処理の流れ図である。
【図４】実施形態に係る波高算出装置による波高算出結果を示した図である。
【図５】実施形態に係る波高算出装置による波高算出結果を示した図である。
【図６】図４及び図５に示した結果が得られた測定環境の説明図である。
【図７】図４及び図５に示した結果が得られた測定環境の説明図である。
【図８】図４及び図５に示した結果が得られた測定環境の説明図である。
【図９】実施形態に係る波高算出装置による波高算出結果と従来法による波高算出結果を対比した図である。
【符号の説明】
１０  波高算出装置
１１  波高表示装置
２０  ＣＤ−ＲＯＭ
２５  波高算出プログラム
５１  インターフェースモジュール
５２  レーダーユニット
５３  レーダー指示器
【図１】
0004719373.tif 000003
【図２】
0004719373.tif 000004
【図３】
0004719373.tif 000005
【図４】
0004719373.tif 000006
【図５】
0004719373.tif 000007
【図６】
0004719373.tif 000008
【図７】
0004719373.tif 000009
【図８】
0004719373.tif 000010
【図９】
0004719373.tif 000011