JPH0362203B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は波動の到来方位検出方法、殊に海洋に
於いて多方向から到来する夫々波長の異なる波浪
の到来方位を分離検出する方法に関する。

（従来技術） 従来から台風等によつて発生する海洋の波浪の
到来方向を調べるには航空機或は船舶上からの目
視に頼るのが一般的であつたが斯る観測方法の不
確実性、非継続性、観測者に対する危険性或は費
用の観点から波浪到来方位測定装置を搭載したブ
イを放流し、測定データを継続的に人工衛星等適
当な中継局を介して地上局に伝送することが研究
されている。

上述の如き手法を採用する際の波浪到来方位検
出法としては例えばブイの波浪による昇降とその
傾斜とを観測することによつて波浪のブイに対す
る到来方位を求めることが提案されていた。

しかしながら斯る手法は理論的にはとも角現実
にはブイの傾斜量は波浪の大きさ、即ち波長、波
高とブイのサイズ或は排水量との相関が強くあら
ゆる種類の波浪の傾斜を同一のブイにて正確に観
測することは不可能であるのみならず到来した波
動方位とこれより180゜偏位した波動到来方位との
区別ができず、従つて波浪の到来方位も正確に検
出することは不可能であるという欠陥があつた。

又、ブイ中にステイブル・プラツトフオームを
設けその上に例えば互に直交する水平（Ｘ軸及び
Ｙ軸）方向加速度センサを固定し、これらセンサ
出力にFFT（高速フーリエ変換）を施して前記ブ
イに多方向から到来する波動の波長毎のパワスペ
クトルをを算出すると共にそのＸ方向とＹ方向と
の比から特定波長の波動の到来方位を検出するこ
とも提案されている。

しかしながら斯る手法も前記ステイブル・プラ
ツトフオームが高級、従つて高価なものである場
合はとも角、簡単安価な例えば振子型ステイブ
ル・プラツトフオームを用いる如き場合には殊に
安定台がブイの動揺に追従して傾斜しＸ方向及び
Ｙ方向のパワスペクトル算定値が夫々ばらつく為
波浪到来方位検出精度の信頼性に欠けるという問
題があつた。

（発明の目的） 本発明は上述した如き従来の波動到来方位検出
手法の欠陥を除去する為になされたものであつ
て、観測精度のブイの如き浮体サイズ又は排水量
への依存性が少なく且つ安価簡単なステイブル・
プラツトフオームを用いても高い精度を実現しう
る波動到来方位検出方法を提供することを目的と
する。

（発明の概要） 上述の目的を達成する為本発明に係る波動到来
方位検出方法は以下の如き構成及び手法を用い
る。

即ち、浮体内にステイブル・プラツトフオーム
を配置しその上に相互に直交する水平（Ｘ，Ｙ）
方向及び垂直（Ｚ）方向加速度センサを設け、こ
れら出力にFFT（高速フーリエ変換）を施すと共
にＺ方向出力に対すＸ及びＹ方向出力の相互相関
を夫々クロススペクトルとして前記浮体に到来す
る各種波動の波長毎に分離算出し前記両クロスス
ペクトルの虚部（クオドラチヤスペクトル）の比
のアーク・タンジエントを演算することによつて
前記Ｘ軸或いはＹ軸に対する特定波長の波動の到
来方位を検出するものである。

（発明の実施例） 以下、本発明をその理論に基づいて詳細に説明
する。

実施例の説明を行うに先立つて本発明の理解を
助ける為にステイブル・プラツトフオーム上に固
定した水平方向（Ｘ軸及びＹ軸）加速度センサの
みを用いて波動の到来方位を検出する手法につい
て考察するに、安定台が角度δだけ傾いた場合こ
れら水平方向加速度センサの出力は重力の加速度
をｇとした場合gsinδだけ小さく観測される為出
力レベルも極めて小さなものとなること、又斯る
出力にFFTを施し両者のパワスペクトルの比か
ら波動到来方向を検出する従来の手法は安定台の
傾斜量或はその方向によつて検出精度が著しくば
らつき信頼性に欠けること前述のとうりである。

この問題を解決する為、本発明に於いてはＸ、
Ｙ両方向の加速度センサの他にこれらに垂直方向
（Ｚ軸）加速度センサを付加する。

Ｚ方向加速度センサの出力はこれを搭載する安
定台が角度δ傾むいたとしてもその出力は真値Ζ¨
に対してΖ¨cosδとなるのみでδが小さい場合の誤
差は無視しうると考えてよい。

従つてＺ方向加速度センサ出力と前記Ｘ，Ｙ方
向のそれらとの相互相関を求めれば波動の到来方
位を正確に決定し得るであろうことに想到したも
のである。

而して上述した波動到来方位検出方法は以下の
如き理論計算に従うことになる。

即ち、海面の昇降をηとすると、一般に η＝∫∫∫B（〓）exp｛ｉ（κ・〓−σt） ｝ｄ〓₁・ｄ〓₂・dσ …(1) と表現し得る。

ここでＢ（〓）はη（〓，ｔ）のフーリエ変換で
あつて物理空間に於ける時間ｔ，座標〓が周波数
空間に変換された場合夫々周波数σ，座標〓に変
換される。

ところが速度ポテンシアルφは基準面に於いて gη＝−∂φ／∂t …(2) であるから φ＝−〓gηdt ＝（ig／σ）∫∫∫B（〓）exp｛ｉ （〓・〓−σt）｝ｄ〓₁・ｄ〓₂ ・dσ …(3) 又Ｋ・Ｘ＝ｋ・xcosθ＋ｋ・ysinθであるから波
浪の方向スペクトルφ（σ，θ）は以下の如く与
えられる。

φ（σ，θ）＝１／２・（）^*（）／
dσdθ …(4) ここで前記X¨，Y¨及びZ¨各軸方向の加速度を
夫々ｘ、ｙ及びｚとしてこれら各要素の共分散関
数からＺ−Ｘ及びＺ−Ｙ間の相互相関を示すクロ
ススペクトルを求めることができるから夫々の実
部（コスペクトル）及び虚部（クオドラチヤスペ
クトル）が計算し得る。

説明の煩雑を避ける為途中の計算を省略してコ
スペクトルPm，ｎ及びクオドラチヤスペクトル
Qm，ｎを求めると； P_ZZ（σ）＝∫^2x ₀σ⁴φ（σ，θ）dθ P_XX（σ）＝∫^2x ₀g²k²cos²θφ（σ，θ）dθ P_YY（σ）＝∫^2x ₀g²k²sin²θφ（σ，θ）dθ P_XY（σ）＝∫^2x ₀g²k²sinθsecθφ（σ，θ）dθ Q_ZX（σ）＝∫^2x ₀gkσ²cosθφ（σ，θ）dθ Q_ZY（σ）＝∫^2x ₀gkσ²sinθφ（σ，θ）dθ …(5) となる。

ここでコスペクトルP_ZZ，P_XX及びP_YYは夫々Ｘ，
Ｙ及びＺ方向加速度センサ出力に関する自己相関
を示すパワスペクトルと同等のものであり、P_XY
はＸ方向及びＹ方向加速度センサ出力の相互相関
を示すクロススペクトルのコスペクトルである。

ところで前記波浪の方向スペクトルφ（σ，θ）
のフーリエ級数展開の係数aν，bν（ν＝０，１，
２，……） 一般に複素数aν＋ibνで与えられこれは aν＋ibν＝１／π∫^2x _O φ（σ，θ）exp｛iνθ｝dθ …(6) ここでexp｛iνθ｝＝cosνθisinνθであることを勘
案
して(5)式と(6)式とを比較すると a₀＝１／πσ⁴P_ZZ（σ） a₁＝１／πgkσ²Q_ZX（σ） a₂＝１／πg²k²P_XX（σ）P_YY（σ） b₁＝１／πgkσ²Q_ZY（σ） b₂＝２／πg²k²P_XY（σ） …(7) となる。

これら５個の係数を計算すれば近似的な波浪の
方向スペクトルφ（σ，θ）は以下の如く展開さ
れる。

φ(σ,θ)≒１／2a₀＋(a₁cosθ+b₁sinθ) ＋（a₂cos2θ＋b₂sin2θ）＋ …(8) ところで(8)式でエネルギが最大となる条件に於
けるθの値は周波数σなる波動の到来方位を示す
ものであるから(8)式のフーリエ係数第２項と第３
項からそれぞれ到来方位θ₂（σ），θ₃（σ）を求め
ると、₂ （σ）＝tan^-1（b₁／a₁），₃（σ） ＝tan^-1（b₂／a₂）である。

従つて波動の到来方位₂（σ）は θ(σ)＝tan^- ₁(b₁/a₁)＝tan^-1｛Q_ZY（σ）／Q_ZY(σ)｝
…(9) 或は₃ （σ）＝１／2tan^-1(a₂/b₂)＝1/2・tan^-1 〔2P_XY（σ）／P_XX（σ）−P_YY（σ）｝〕 …(10) にて計算しうる。

ここでクオドラチヤスペクトルQ_ZY，Q_ZXは波
動の到来方位によつて正、負いずれの値もとりう
るから前記(9)基づいて演算を行えば真の波動到来
方位とこれから180゜偏つた方位との弁別が不可能
となることはなく波動到来方向を一義的に決定し
うる。

これに対し前記(10)式はパワ・スペクトルのみを
用いるものである故上述の弁別が困難であること
前述のとうりである。

最後に参考の為上述した理論に基づいて漂流ブ
イに搭載した３軸加速度センサ出力を内蔵するマ
イクロプロセツサにて現実に処理する過程を第１
図に示すフローチヤートに示す。これは卓越波の
みならずこれに重畳するある一定（さざなみ程
度）以上の波動を全て検出する為前記(8)式による
演算を用いるものである。

尚、この演算プロセスの中には磁気コンパスに
よる方位の座標変換が記述されているが、磁気コ
ンパスを組み合わせることによつて波動の絶対到
来方位を検出するにはステイブル・プラツトフオ
ームのＸ又はＹ軸と磁気コンパスの指比の偏位角
を適当なビツクオフを用いて検出すればよくこれ
は極めて容易であるからその詳細な説明は省略し
た。

（発明の効果） 本発明は以上説明した如き手法に基づいて波動
の到来方位を検出するものであるから従来提案さ
れていた手法に比しハードウエア上特段の変更を
行うことなく正確に波動の到来方向を検出するこ
とが可能となるので殊に海洋の波浪の観測を行う
漂流ブイ等に適用する場合これを安価に構成し得
ると共にその観測データの信頼性向上に著しい効
果を発揮する。

又、本発明の手法によれば波高データをも併せ
て検出し得るので従来未知の領域にあつた海洋の
特性を示す詳細なデータを入手し得るから単なる
学術的興味に止まることなく船舶、海洋油田開発
用リグの設計等、海洋開発の為の基礎資料を蒐集
する上でも極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る波動到来方位検出方法の
一実施例を示す演算手順のフローチヤート図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 浮体内に設けたステイブル・プラツトフオー
   ム上に相互に直交する水平（Ｘ軸及びＹ軸）方向
   並びに垂直（Ｚ軸）方向加速度センサを搭載しこ
   れら各センサによつて多方向から前記浮体に到来
   する夫々波長の異なる波動に基づいて発生する加
   速度のベクトルを検出すると共に、到来した各波
   動のＺ軸方向検出々力に対するＸ軸及びＹ軸方向
   検出々力の相互相関を夫々クロススペクトルとし
   て各波動の波長毎に分離算出しこれら両クロスス
   ペクトルの虚部（クオドラチヤスペクトル）の比
   のアーク・タンジエントを演算することによつて
   前記Ｘ軸或いはＹ軸に対する各種波長の異なる波
   動の到来方位を分離検出するようにしたことを特
   徴とする波動到来方位検出方法。 ２ 磁気コンパスが示す絶対方位と前記Ｘ軸或い
   はＹ軸との関係を検出することによつて前記各種
   波動の絶対到来方位を検出するようにしたことを
   特徴とする特許請求の範囲１記載の波動到来方位
   検出方法。