(57)【要約】【課題】小型簡単な構成で、波高を正確に測定可能な波高測定装置を提供する。【解決手段】ベクトル合成回路３１は、Ｘ軸・Ｙ軸加速度計２１とＺ軸加速度計２３の出力から、（１）式に示すベクトル計算を行う。  Ｚｖｅｃ  ＝  √（Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２）―ｇ         ・・・（１）Ｚｖｅｃ：ベクトル合成後の波の鉛直方向加速度、Ｘ：Ｘ軸加速度計測定値、Ｙ：Ｙ軸加速度計測定値、Ｚ：Ｚ軸加速度計測定値、ｇ：地球重力加速度。２重積分機能付バンドパスフィルタ３３は、鉛直方向加速度Ｚｖｅｃを２重積分して変位に変換すると共にバンドパスフィルタにより、ブイ浮体の固有周期成分及びドリフト成分を取り除く。【選択図】図１
2007171146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ軸方向の加速度を測定するＸ軸加速度計と、
Ｙ軸方向の加速度を測定するＹ軸加速度計と、
Ｚ軸方向の加速度を測定するＺ軸加速度計と、
前記Ｘ軸加速度計の測定値同士の積と、前記Ｙ軸加速度計の測定値同士の積と、前記Ｚ軸加速度計の測定値から地球重力加速度を減算したベクトル同士の積と、の和を求めるベクトル合成手段と、
前記ベクトル合成手段により合成されたベクトルに基づいて、波高を求める波高測定手段と、
を備える波高測定装置。
【請求項２】
前記波高測定手段は、前記ベクトル合成手段の出力を、２重積分すると共に所定通過帯域幅のバンドパスフィルタでフィルタリングする手段とから構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の波高測定装置。
【請求項３】
前記Ｚ軸加速度計の出力に基づいて、Ｚ軸方向の加速度のスペクトルのピークを求めるピーク取得手段と、
前記Ｘ軸加速度計と前記Ｙ軸加速度計と前記Ｚ軸加速度計の出力に基づいて、Ｚ−Ｘ軸間及びＺ−Ｙ軸間におけるクロススペクトルを求めるクロススペクトル取得手段と、
前記ピーク取得手段で取得したピークスペクトルに関して、前記クロススペクトル取得手段で取得したＺ−Ｘ軸間クロススペクトル及びＺ−Ｙ軸間クロススペクトルの強度比を求め、求めた強度比に基づいて、波の方向を判別する波向判別手段と、
をさらに備える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の波高測定装置。
【請求項４】
方位計と、
前記方位計で測定された方位と、Ｘ軸及びＹ軸の向きとの対応関係を求める手段と、を更に備え、
前記波向判別手段で判別した波の方向を前記方位計が示す方位で表す、ことを特徴とする請求項３に記載の波高測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波の高さ（波高）を測定する波高測定装置に関し、特に、波高測定装置を搭載したブイの揺動が測定値に与える影響が小さい波高測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブイ式波高計は、基本的に、波の円運動による鉛直方向加速度を加速度計で測定して、その測定値から地球重力１ｇをキャンセルして２重積分し、波の周期にあわせたバンドパスフィルタ（ブイの固有振動および２重積分器のドリフトをキャンセルするため）を通して波高値を得る装置である。ブイは海表面で動揺するため、従来は、加速度計をジンバル機構に搭載して、鉛直方向を保っていた。
【０００３】
また、特許文献１には、上記の方法を、波面の動きに十分に追従することが困難な大型海洋構造物に適用する技術を開示する。
この技術では、大型海洋構造物の海表面の動揺特性をシミュレーションであらかじめ確認しておき、それを用いて、波面の動きに十分に追従しない大型構造物の動揺による加速度計測値を補正して、波の上下動による加速度に換算して、上記方法を適用するものである。
【０００４】
また、特許文献２は、ジンバル機構を使用せずに、加速度計をブイ鉛直方向に単純固定した波高測定装置を開示する。この構成では、加速度計は鉛直方向に１個のみであり、ブイが揺動すると、正確な測定が困難となる。そこで、（１）ブイ円周部から中心に向かって配置された逆Ｌ字状のパイプとそれを結合する円形のパイプとを用いて浮体の動揺を軽減し、（２）加速度計をブイの重心位置に配置して、ブイの動揺の影響を少なくしている。さらに、ブイのバランスをとり、重心位置を定めるために、ブイの下部にバラストをかねた十字状のフィンを取付け、ブイの浮体部分の縦／横比を１／５以下に設定している。
【特許文献１】特開２００２‐１３９２３号公報
【特許文献２】特開平８‐２７８１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ジンバル機構に加速度計を搭載する場合、構造が大きくなり、価格も高価になるという問題がある。また、ジンバル機構は複雑で多くの機構部品が必要であり、組立作業に熟練を要する。
【０００６】
また、特許文献１に開示された技術は、大型構造物に対するもので、小型ブイに適用するものではない。また、予めブイ浮体の動揺特性をシミュレーションで把握する必要があり、開発経費及び開発日数を要する。
【０００７】
また、特許文献２に開示された波高計測ブイは、ジンバル機構を使用していないため、全体を小型化することも可能である。しかし、特許文献２に開示されている対処を施しても、ブイの動揺をある程度減少させることができるのみであり、ブイの動揺による波高測定及び波周期測定への影響を完全に防ぐことはできない。即ち、ブイの傾斜により、鉛直方向加速度計で測定される波の円運動加速度及び地球重力加速度は、共に、小さく測定されて測定誤差となってしまう。また、ブイは海面上、特に波頭で急に大きく傾斜（大角度傾斜）する場合があり、この場合、大きな測定誤差を生じ測定不可能状態になる。即ち、ブイが大角度で傾斜した場合、ブイ鉛直方向に搭載した加速度計で測定される加速度測定値は、図９（ａ）に示すように、地球重力加速度測定値が減少して、バイアス分すなわち地球重力加速度分が、大きく減少する。
【０００８】
さらに、これを２重積分して、変位に変換した場合、図９（ｂ）に示すように、その変換値（波高、波周期）に著しいドリフトを生じて、波高及び波周期が正しく測定できない。
【０００９】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、小型・簡単な構成で、波高を正確に測定可能な波高測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の波高測定装置は、
Ｘ軸方向の加速度を測定するＸ軸加速度計と、
Ｙ軸方向の加速度を測定するＹ軸加速度計と、
Ｚ軸方向の加速度を測定するＺ軸加速度計と、
前記Ｘ軸加速度計の測定値同士の積（内積）と、前記Ｙ軸加速度計の測定値同士の積（内積）と、前記Ｚ軸加速度計の測定値から地球重力加速度を減算したベクトル同士の積（内積）と、の和を求めるベクトル合成手段と、
前記ベクトル合成手段により合成されたベクトルに基づいて、波高を求める波高測定手段と、
を備える。
【００１１】
前記波高測定手段は、例えば、前記ベクトル合成手段の出力を、２重積分すると共に所定帯域幅のバンドパスフィルタを通過させる手段とから構成される。
【００１２】
前記Ｚ軸加速度計の出力に基づいて、Ｚ軸方向の加速度のスペクトルのピークを求めるピーク取得手段と、前記Ｘ軸加速度計と前記Ｙ軸加速度計と前記Ｚ軸加速度計の出力に基づいて、Ｚ−Ｘ軸間及びＺ−Ｙ軸間におけるクロススペクトルを求めるクロススペクトル取得手段と、前記ピーク取得手段で取得したピークスペクトルに関して、前記クロススペクトル取得手段で取得したＺ−Ｘ軸間クロススペクトル及びＺ−Ｙ軸間クロススペクトルの強度比を求め、求めた強度比に基づいて、波の方向を判別する波向判別手段と、を配置し、波の向きの測定を可能としてもよい。このときは、例えば、方位計と、前記方位計で測定された方位と、Ｘ軸及びＹ軸の向きとの対応関係を求める手段と、を更に配置し、前記波向判別手段で判別した波の方向を前記方位計が示す方位で表す。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成によれば、ベクトル演算によりブイ等の動揺の影響をキャンセルできるので、信頼性が高く、部品点数の少ない波高測定装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の最良の実施の形態に係る波高測定装置について図面を参照して説明する。
【００１５】
本実施の形態の波高測定装置１１は、図１に示すように、水平基板１３と、水平基板１３上に配置されたＸ軸・Ｙ軸加速度計２１と、水平基板１３に対して直角に配置された垂直基板１５と、垂直基板１５上に配置され、Ｘ軸及びＹ軸に直角なＺ軸方向の加速度を検出するＺ軸加速度計２３と、ベクトル合成回路３１と、２重積分機能付バンドパスフィルタ３３と、から構成される。ベクトル合成回路３１と２重積分機能付きバンドパスフィルタ３３とは、物理的には、例えば、１台のプロセッサから構成される。
【００１６】
図２は、波高測定装置１１をブイ４１に搭載した状態を示す。
図示するように、波高測定装置１１は、ブイ４１に搭載されたときに、平静状態で、水平に配置される基板４３に配置される。
従って、ブイ４１に搭載した状態でも、平静状態では、Ｘ軸・Ｙ軸加速度計２１は、水平面であるＸ−Ｙ平面上のＸ軸方向とＹ軸方向の加速度を測定し、Ｚ軸加速度計２３は、Ｘ−Ｙ軸面に垂直な鉛直方向であるＺ軸（ブイ４１の鉛直軸）方向の加速度を測定する。
【００１７】
基板４３には、波高測定装置１１以外にも、増幅器などの種々の電気・電子回路４５、測定した波高値を無線送信するための無線回路４７、アンテナ４９、等が取り付けられる。
また、ブイ４１内には、電気・電子回路４５や無線回路４７に電力を供給すると共にバラスト（おもり）としても機能する電池パック５１が配置される。また、ブイ４１には、フィン５３が形成される。
【００１８】
次に、ベクトル合成回路３１と２重積分機能付バンドパスフィルタ３３について図３を参照して説明する。
ベクトル合成回路３１は、Ｘ軸・Ｙ軸加速度計２１からの出力及びＺ軸加速度計２３からの出力から、（１）式に示すベクトル合成を行う。具体的には、ベクトル合成回路３１は、Ｚ軸加速度計２３およびＸ軸・Ｙ軸加速度計２１の出力から、各々の出力の2乗の和の平方根を求めるベクトル演算回路３１ａと、その出力から地球重力加速度ｇのオフセット分を減算する１ｇキャンセラー３１bとから構成される。
【００１９】
Ｚｖｅｃ  ＝  √（Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２）―ｇ  ・・・（１）
【００２０】
ここで、Ｚｖｅｃ：ベクトル合成後の波の鉛直方向加速度（スカラ）
Ｘ：Ｘ軸加速度計測定値（スカラ）
Ｙ：Ｙ軸加速度計測定値（スカラ）
Ｚ：Ｚ軸加速度計測定値（スカラ）
ｇ：地球重力加速度
Ｘ２ ：ベクトルＸ同士の積（内積：スカラ）
Ｙ２ ：ベクトルＹ同士の積（内積：スカラ）
Ｚ２ ：ベクトルＺ同士の積（内積：スカラ）
【００２１】
次に、２重積分機能付バンドパスフィルタ３３は、式（２）に示すように、ベクトル合成回路３１の出力する鉛直方向加速度Ｚｖｅｃを、時間ｔに関して２重積分し、鉛直方向の変位量Ｄｚを求める。
Ｄｚ＝∫∫Ｚｖｅｃ（ｔ）ｄｔ
【００２２】
続いて、２重積分機能付バンドパスフィルタ３３は、変位量Ｄｚに含まれているブイ浮体の固有周期成分及びドリフト成分を取り除くために、通過帯域の下限周期が４秒（上限周波数１／４Ｈｚ）、上限周期が２０秒（下限周波数１／２０Ｈｚ）程度のバンドパスフィルタを通過させる。
【００２３】
このようにして、鉛直方向の変位量Ｄｚ、即ち、波高が求められる。さらにこの変位量Ｄｚの周期から波周期が求められる。この変位量Ｄｚが、適宜、無線回路４７により、アンテナ４９を介して送信される。
【００２４】
なお、２重積分機能付バンドパスフィルタ３３としては、例えば、２重積分機能付ＦＩＲ（Finite Impulse Response）型デジタルフィル夕を使用することができる。ただし、２重積分およびバンドバスフィルタ機能があれば他のデジタル／アナログ処理でも構わない。２重積分機能付ＦＩＲ型デジタル信号処理は、バンドパスフィル夕の通過域の周波数特性がフラットではなく、周期の２乗に比例する２重積分の周波数特性を持たせて、２重積分およびフィルタリングをＦＩＲ型デジタル信号処理（安定性が高く発散しない）で実施するものである。また、２重積分と帯域通過フィルタとを別個の構成としてもよい。
【００２５】
次に、数式（１）のベクトル合成によりブイ４１の動揺、特にブイ４１の急な傾斜が波高の出力値Ｄｚに与える影響をキャンセルできるかを説明する。
【００２６】
海洋における波は、図４に示すように水粒子の円運動である。小型のブイ４１の運動は、この水粒子と同様とみなすことができる。ブイ４１にかかる加速度は、重力加速度ｇと円運動による加速度Ａである。（ブイ４１内部の加速度計で測定するので、実際はＡは遠心力となるが、判りやすくするため、これを加速度とする。）
【００２７】
波の円運動加速度は、図５に示すように、鉛直方向成分Ａｚ（波の上下方向の加速度）と水平方向のＸ軸方向成分Ａｘとｙ軸方向成分Ａｙ（図中は簡略化のためＡｘのみ）に分解可能である。水平方向の加速度成分ＡｘとＡｙは、図６に示すように重心Ｇに作用して、浮心Ｂを中心としてブイ４１を回転（頃斜）させる力となる。従って、ブイ４１の内部にある加速度計２１，２３では検出できない。即ち、水平方向加速度成分がキャンセルされなければ、合成ベクトルは一定の値となり、波の上下動としては検出できないこととなる。なぜならば、波の円運動加速度は円運動の直径、周期、すなわち波高および波周期で定まり、波の円運動のどの位置でも同一になってしまうからである。
【００２８】
一方、鉛直方向加速度Ａｚは、ブイ４１を動かす力として働かないため、ブイ４１の内部に配置された加速度計２１，２３で検出可能である。ブイ４１が波の円運動加速度で傾斜することで、図６に示すように、波の鉛直方向加速度ＡｚもＸ軸・Ｙ軸（水平方向）加速度計２１で測定されるＡｚｘと鉛直方向のＺ軸加速度計２３で測定されるＡｚｚに分解される。また、地球重力加速度ｇも鉛直方向のＺ軸加速度計２３で測定されるｇｚと水平方向のＸ軸・Ｙ軸加速度計２１で測定されるｇｘに分解される。しかし、これらは、ベクトル合成で容易に補正可能である。これらから、（１）式のベクトル合成により、波の円運動による加速度の鉛直方向成分を精度良く測定可能で、ブイ４１の動揺や急な傾斜が、出力値Ｄｚに与える影響をキャンセルすることができる。
【００２９】
以上説明したように、出力値Ｄｚに対する、ブイ４１の動揺（傾斜）の影響の補正に、ソフトウェア（ベクトル合成）で対応するため、特許文献１や２に開示されているような機構や部品を使用する必要がなく、信頼性が高く、また、部品点数が減り、コストを削減することができる。
【００３０】
上記実施の形態においては、水平方向のＸ軸とＹ軸に、ブイ４１の傾斜による重力加速度の分力が出てきている。これは、ブイ４１が波面に追従する場合、波面の傾斜を示している。図７（ａ）に示すように、Ｘ軸方向から波が来る場合、Ｘ軸加速度計は出力があり、Ｙ軸方向加速度計には出力は無い。また、図７（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向から波が来る場合、Ｙ軸方向加速度計に出力があり、Ｘ軸方向加速度計には出力が無い。また、図７（ｃ）に示すように、波が４５度方向から来る場合はＸ軸方向加速度計とＹ軸方向加速度計からの出力は均等である。
【００３１】
このことから、ブイ４１全体の回転を方位計（コンパス）で補正（座標変換）して、Ｚ−ＸおよびＺ−ＹのクロススペクトルおよびＺ軸スペクトルを計算して、そのピークを検出することで波向の測定も可能である。
【００３２】
この原理に基づいて、波向（波の向き）を測定する回路の一例を図８に示す。
この回路では、Ｘ軸・Ｙ軸加速度計２１，Ｚ軸加速度計２３、ベクトル合成回路３１、２重積分機能付バンドパスフィルタ３３に加えて、方位計（コンパス）６１を配置する。次に、方位計６１の出力を使用してＸ軸座標変換回路６２およびＹ軸座標変換回路６３で、ブイの回転によるブイ内部Ｘ軸およびＹ軸の真北からのずれを補正する。
【００３３】
一方、ベクトル合成回路３１の出力をＺ軸スペクトルアナライザ６４に供給してスペクトル分布を判別し、ピークサーチ回路６５で、ピークを示すスペクトルを判別する。
【００３４】
また、Ｚ−Ｘ及びＺ−Ｙクロススペクトル回路６６により、ベクトル合成回路の出力、Ｘ軸座標変換回路６２の出力、Ｙ軸座標変換回路６３の出力から、Ｚ−Ｘ面上の振動及びＺ−Ｙ面上の振動のスペクトル分布を求める。  
続いて、波向計算回路６７は、ピークサーチ回路６５が検出したピークを示すスペクトルに関し、Ｚ−Ｘ面上の振動の強度とＺ−Ｙ面上の振動の強度とを求め、その比から、波の向きを求める。  
【００３５】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
例えば、上記実施の形態では、Ｘ軸方向加速度及びＹ軸方向加速度を測定するＸ軸・Ｙ軸加速度計２１とＺ軸方向加速度を測定するＺ軸加速度計２３を配置したが、１つの加速度計でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を測定できる場合には、１つの加速度計を配置すればよい。同様に、１軸方向の加速度を測定できる加速度センサを３つ互いに直角となる位置関係で配置してもよい。
【００３６】
回路構成は同様の機能が実現できるならば任意に変更可能である。例えば、フィルタは、アナログフィルタでもよい。
また、ブイの構成も任意に変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に係る波高測定装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るブイの構成を示す図である。
【図３】図１に示す波高測定装置の回路ブロック図である。
【図４】海洋における小型ブイの運動を説明するための図である。
【図５】波の円運動加速度を説明するための図である。
【図６】ブイの回転を説明するための図である。
【図７】波向測定の原理を説明するための図である。
【図８】波向測定機能を備える波高測定装置の回路ブロック図である。
【図９】従来の波高測定装置におけるブイの急傾斜の影響を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１  波高測定装置
１３  水平基板
１５  垂直基板
２１  Ｘ軸・Ｙ軸加速度計
２３  Ｚ軸加速度計
３１  ベクトル合成回路
３３  ２重積分機能付バンドパスフィルタ
４１  ブイ
４３  基板
４５  電気・電子回路
４７  無線回路
４９  アンテナ
５１  電池パック
５３  フィン
【図１】
2007171146.tif 000003
【図２】
2007171146.tif 000004
【図３】
2007171146.tif 000005
【図４】
2007171146.tif 000006
【図５】
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【図６】
2007171146.tif 000008
【図７】
2007171146.tif 000009
【図８】
2007171146.tif 000010
【図９】
2007171146.tif 000011