JP2012181117A - Wave measuring method and wave measuring system using ultrasonic wave - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波を用いた波浪計測方法および波浪計測システムに関するものである。 The present invention relates to a wave measuring method and a wave measuring system using ultrasonic waves.
波浪の定常観測、すなわち波浪の計測を行う場合、海底における圧力変動を計測する水圧式波高計を用いるのが一般的であった。
ところで、この水圧式波高計を水深が浅い海域に用いるのは良いが、大水深域で用いる場合には、海面波による水粒子の運動が海底まで到達しないため、短周期の波に対するほど、水圧式波高計の感度が鈍くなってしまう。
When performing steady wave observations, that is, when measuring waves, it is common to use a hydraulic wave height meter that measures pressure fluctuations at the sea floor.
By the way, it is good to use this water pressure type altimeter in shallow water, but when used in a deep water, the movement of water particles due to sea surface waves does not reach the sea floor. The sensitivity of the type wave height meter becomes dull.
このため、この水圧式波高計を用いる場合には、ローパスフィルタを通した観測波形を得ることになり、観測データの精度および信頼性が低下せざるを得なかった。
これに対して、水圧式波高計に比べて、直接、海面の波形が得られる点で優位なのが超音波式波高計であり、現在、全国各地の沿岸域で広く用いられている。
For this reason, when this hydraulic wave height meter is used, an observation waveform that has passed through a low-pass filter is obtained, and the accuracy and reliability of the observation data must be reduced.
On the other hand, the ultrasonic wave height meter is superior to the hydraulic wave height meter in that the waveform of the sea surface can be obtained directly, and is currently widely used in coastal areas throughout the country.
この超音波式波高計は、海底に設置された送受波器から鋭いビームの超音波パルスを海面に向けて発射し、海面からの反射波を受信して、この超音波パルスの往復伝播時間(海面水位に相当)を連続的に記録することで、海面の波を観測するようにしたものである。(非特許文献1参照) This ultrasonic wave height meter emits an ultrasonic pulse of a sharp beam toward the sea surface from a transmitter / receiver installed on the seabed, receives a reflected wave from the sea surface, and the round-trip propagation time of this ultrasonic pulse ( The sea level waves are observed by continuously recording (corresponding to the sea level). (See Non-Patent Document 1)
上述した従来の超音波式波高計によると、海底に設置された送受波器から超音波を海面に向けて発信し、海面からの反射波を受信するようにしているが、波浪が高い時には、波の砕波に伴って海面が乱れるとともに多量の気泡が巻き込まれて超音波が吸収・散乱されるなどして、計測精度が低下し、場合によっては計測不能に陥るという問題もある。 According to the above-mentioned conventional ultrasonic wave height meter, the ultrasonic wave is transmitted from the transmitter / receiver installed on the seabed toward the sea surface and the reflected wave from the sea surface is received. The sea surface is disturbed along with the breaking of the waves, and a large amount of bubbles are entrained to absorb and scatter the ultrasonic waves. As a result, there is a problem that the measurement accuracy is lowered and in some cases measurement is impossible.
そこで、本発明は、波浪が高い場合でも、精度良く計測し得る超音波を用いた波浪計測方法および波浪計測システムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a wave measuring method and a wave measuring system using ultrasonic waves that can be measured accurately even when the waves are high.
上記課題を解決するため、本発明の第1の超音波を用いた波浪計測方法は、海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪高さを計測する波浪計測方法であって、
所定海域の海面に配置された海洋構造物および浮体の下方の海底または海底近傍に少なくとも3箇所で配置された超音波送信機から発信された超音波を、上記海洋構造物の海面下に設けられた基準となる第1超音波受信機および上記浮体の海面下に設けられた観測用の第2超音波受信機にて受信し、
上記超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づき上記超音波送信機と上記各超音波受信機との間の距離をそれぞれ求めるとともに、これら両距離データの差を求め、
上記求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出し、
上記第1超音波受信機の超音波送信機に対する方位角および俯角を係数とする上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量を未知数とする式が、上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各超音波送信機毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る方法である。
In order to solve the above-mentioned problem, the wave measuring method using the first ultrasonic wave of the present invention is a wave measuring method for measuring the wave height in a predetermined sea area by detecting a change of a floating body floating on the sea surface. There,
Ultrasonic waves transmitted from ultrasonic transmitters arranged at least at three locations on the ocean floor below the floating body or in the vicinity of the ocean floor are provided below the ocean surface of the ocean structure located on the sea surface of the predetermined sea area. Received by the first ultrasonic receiver serving as a reference and the second ultrasonic receiver for observation provided below the sea surface of the floating body,
The distance between the ultrasonic transmitter and each ultrasonic receiver is determined based on the propagation time from the transmission of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter to the reception, and the difference between these two distance data. Seeking
High-pass filter processing is performed on the difference between the two distance data obtained above to extract a short period fluctuation component,
The above-mentioned formula is extracted in which each relative displacement amount on the three-dimensional coordinate axis between the two ultrasonic receivers having coefficients of the azimuth angle and the depression angle of the first ultrasonic receiver with respect to the ultrasonic transmitter is an unknown. A ternary linear equation that is equal to the short-period fluctuation component is created for each ultrasonic transmitter, and the ternary simultaneous equation is solved to obtain at least the displacement in the height direction of the short-period fluctuation component. This is how to get the height.
また、本発明の第1の超音波を用いた波浪計測システムは、海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪高さを計測する波浪計測システムであって、
所定海域の海面に配置された海洋構造物および浮体の下方にそれぞれ設けられた基準となる第1超音波受信機および観測用の第2超音波受信機と、
上記海洋構造物および浮体の下方の海底または海底近傍に少なくとも3箇所で配置された超音波送信機と、
上記超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づき上記超音波送信機と上記各超音波受信機との間の距離を求めることにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
上記超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づき上記超音波送信機と上記各超音波受信機との間の距離をそれぞれ求める距離演算部、この距離演算部で求められた両距離データの差を求める差演算部、この差演算部で求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出する短周期変動成分抽出部、および上記第1超音波受信機の超音波送信機に対する方位角および俯角を係数とする上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量を未知数とする式が、上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各超音波送信機毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したものである。
The wave measurement system using the first ultrasonic wave of the present invention is a wave measurement system that measures the height of a wave in a predetermined sea area by detecting a change in a floating body floating on the sea surface.
A first ultrasonic receiver serving as a reference and a second ultrasonic receiver for observation, which are provided below a floating structure and an offshore structure disposed on the surface of a predetermined sea area,
An ultrasonic transmitter disposed at least at three locations on or near the seabed below the offshore structure and floating body;
Waves that measure the wave height by determining the distance between the ultrasonic transmitter and each ultrasonic receiver based on the propagation time from the transmission of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter to reception. A measuring device,
The above wave measuring device
A distance calculation unit for determining a distance between the ultrasonic transmitter and each ultrasonic receiver based on a propagation time from transmission of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter to reception thereof, and the distance calculation unit A difference calculation unit for obtaining a difference between the two distance data obtained in step 1, a short cycle fluctuation component extracting unit for extracting a short cycle fluctuation component by performing a high-pass filter process on the difference between the two distance data obtained by the difference calculation unit, and The above-mentioned formula is extracted in which each relative displacement amount on the three-dimensional coordinate axis between the two ultrasonic receivers having coefficients of the azimuth angle and the depression angle of the first ultrasonic receiver with respect to the ultrasonic transmitter is an unknown. A ternary linear equation that is equal to the short-period fluctuation component is created for each ultrasonic transmitter, and the ternary simultaneous equation is solved to obtain at least the displacement in the height direction of the short-period fluctuation component. Those constructed from short-period fluctuation component calculation section for obtaining a of.
また、本発明の第2の超音波を用いた波浪計測方法は、海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪高さを計測する波浪計測方法であって、
所定海域の海面に配置された海洋構造物および浮体の海面下にそれぞれ設けられた基準となる第1超音波送受信機および観測用の第2超音波送受信機から海中に超音波を発信してこれらの下方の海底または海底近傍に少なくとも3箇所で配置された音波中継器からの超音波を上記各超音波送受信機にて受信し、
上記超音波送受信機から発信された超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離をそれぞれ求めるとともに、これら両距離データの差を求め、
上記求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出し、
上記第1超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量を未知数とする式が、上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る方法である。
The wave measurement method using the second ultrasonic wave of the present invention is a wave measurement method for measuring a wave height in a predetermined sea area by detecting a change of a floating body floating on the sea surface.
Ultrasonic waves are transmitted into the sea from the first ultrasonic transmitter / receiver and the second ultrasonic transmitter / receiver for observation, which are provided below the surface of the marine structure and floating body placed on the surface of the predetermined sea area. Receiving the ultrasonic waves from the sonic repeaters arranged at least at three locations on the seabed below or near the seabed by each of the ultrasonic transceivers,
The distance between the ultrasonic repeater and each ultrasonic transmitter / receiver is determined based on the round-trip propagation time from the transmission of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter / receiver to the reception thereof, and the difference between these two distance data Seeking
High-pass filter processing is performed on the difference between the two distance data obtained above to extract a short period fluctuation component,
An expression in which the relative displacements on the three-dimensional coordinate axis between the two ultrasonic receivers with the coefficients of the azimuth angle and the depression angle of the first ultrasonic transmitter / receiver as a coefficient is an unknown is extracted. Create a ternary linear equation equal to the periodic fluctuation component for each sonic repeater, and solve this ternary linear equation to obtain at least the displacement in the height direction of the short periodic fluctuation component to determine the wave height Is the way to get.
また、本発明の第2の超音波を用いた波浪計測システムは、海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪高さを計測する波浪計測システムであって、
所定海域の海面に配置された海洋構造物および浮体の下方にそれぞれ設けられた基準となる第1超音波送受信機および観測用の第2超音波送受信機と、
上記海洋構造物および浮体の下方の海底または海底近傍に少なくとも3箇所で配置された音波中継器と、
上記超音波送受信機から発信された超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離を求めることにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
上記超音波送受信機から発信された超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離をそれぞれ求める距離演算部、この距離演算部で求められた両距離データの差を求める差演算部、この差演算部で求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分をそれぞれ抽出する短周期変動成分抽出部、および上記第1超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量を未知数とする式が、上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したものである。
The wave measurement system using the second ultrasonic wave of the present invention is a wave measurement system that measures the height of a wave in a predetermined sea area by detecting a change in a floating body floating on the sea surface.
A first ultrasonic transmitter / receiver serving as a reference and a second ultrasonic transmitter / receiver for observation, which are provided below a marine structure and a floating body disposed on the surface of a predetermined sea area;
Acoustic repeaters disposed at least at three locations on or near the bottom of the ocean structure and floating body;
Waves for measuring the wave height by determining the distance between the sound wave repeater and each of the ultrasonic wave transmitters / receivers based on the round-trip propagation time from transmission of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave transmitter / receiver to reception. A measuring device,
The above wave measuring device
A distance calculation unit for determining a distance between the sound wave repeater and each of the ultrasonic transmitters / receivers based on a round-trip propagation time from transmission of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter / receiver to reception thereof, and the distance calculation unit The difference calculation unit for calculating the difference between the two distance data obtained in step 1, and the short cycle fluctuation component extracting unit for extracting the short period fluctuation component by performing high-pass filter processing on the difference between the two distance data obtained by the difference calculation unit. , And the above-mentioned formulas using the relative displacements on the three-dimensional coordinate axis between the two ultrasonic receivers with the azimuth angle and the depression angle of the first ultrasonic transmitter / receiver as the coefficients relative to the sound wave repeater as the coefficients are extracted as described above. A ternary linear equation that is equal to the short-period fluctuation component is created for each sonic repeater, and at least the height of the short-period fluctuation component is solved by solving the ternary simultaneous equation. Those constructed from short-period fluctuation component calculation section for obtaining a wave height seeking of displacement.
また、本発明の第3の超音波を用いた波浪計測方法は、海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪高さを計測する波浪計測方法であって、
所定海域の海面に配置された海洋構造物および浮体の海面下にそれぞれ設けられた基準となる第1超音波送受信機および観測用の第2超音波送受信機から海中に超音波を発信し、
これら超音波送受信機の下方の海底または海底近傍に少なくとも3箇所で配置された音波中継器にて中継された超音波および中継時刻を上記各超音波送受信機にて受信して当該音波中継器からの伝播時間に基づき音波中継器と各超音波送受信機との間の距離をそれぞれ求めるとともに、これら両距離データの差を求め、
上記求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出し、
上記第1超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量を未知数とする式が、上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る方法である。
Moreover, the wave measuring method using the third ultrasonic wave of the present invention is a wave measuring method for measuring a wave height in a predetermined sea area by detecting a change of a floating body floating on the sea surface.
Transmitting ultrasonic waves into the sea from the first ultrasonic transmitter / receiver and the second ultrasonic transmitter / receiver for observation, which are provided below the surface of the ocean structure and floating body arranged on the surface of the predetermined sea area,
The ultrasonic waves and relay times relayed by the ultrasonic wave relays arranged at least at three locations on the seabed or near the seabed below these ultrasonic wave transceivers are received by the ultrasonic wave transmitters and received from the ultrasonic wave relays. The distance between the sonic repeater and each ultrasonic transmitter / receiver is determined based on the propagation time of each, and the difference between these two distance data is determined,
High-pass filter processing is performed on the difference between the two distance data obtained above to extract a short period fluctuation component,
An expression in which the relative displacements on the three-dimensional coordinate axis between the two ultrasonic receivers with the coefficients of the azimuth angle and the depression angle of the first ultrasonic transmitter / receiver as a coefficient is an unknown is extracted. Create a ternary linear equation equal to the periodic fluctuation component for each sonic repeater, and solve this ternary linear equation to obtain at least the displacement in the height direction of the short periodic fluctuation component to determine the wave height Is the way to get.
さらに、本発明の第3の超音波を用いた波浪計測システムは、海面に浮遊する浮体の変動を検出することにより、所定海域での波浪高さを計測する波浪計測システムであって、
所定海域の海面に配置された海洋構造物および浮体の下方にそれぞれ設けられた基準となる第1超音波送受信機および観測用の第2超音波送受信機と、
上記海洋構造物および浮体の下方の海底または海底近傍に少なくとも3箇所で配置されて上記超音波送受信機からの超音波を中継して当該超音波および中継時刻を一緒に発信する音波中継器と、
上記音波中継器から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づき上記各音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離を求めることにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
上記音波中継器から発信された超音波および中継時刻を受信して当該音波中継器からの伝播時間に基づき上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離を求める距離演算部、この距離演算部で求められた両距離データの差を求める差演算部、この差演算部で求められた両距離データの差に対してハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分をそれぞれ抽出する短周期変動成分抽出部、および上記第1超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量を未知数とする式が、上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したものである。
Furthermore, the wave measurement system using the third ultrasonic wave according to the present invention is a wave measurement system that measures the height of a wave in a predetermined sea area by detecting a change in a floating body floating on the sea surface.
A first ultrasonic transmitter / receiver serving as a reference and a second ultrasonic transmitter / receiver for observation, which are provided below a marine structure and a floating body disposed on the surface of a predetermined sea area;
A sonic repeater that is disposed at least at three locations on the seabed or near the seafloor below the offshore structure and floating body and relays the ultrasonic waves from the ultrasonic transceiver to transmit the ultrasonic waves and the relay time together;
Wave measurement that measures the wave height by determining the distance between each of the sound wave repeaters and each of the ultrasonic wave transmitters / receivers based on the propagation time from transmission of the ultrasonic wave transmitted from the sound wave repeater to reception. A device,
The above wave measuring device
A distance calculator that receives the ultrasonic wave transmitted from the sonic repeater and the relay time and obtains a distance between the sonic repeater and each ultrasonic transceiver based on a propagation time from the sonic repeater; A difference calculation unit that calculates the difference between the two distance data obtained by the distance calculation unit, and a short-cycle fluctuation component that is extracted by performing high-pass filter processing on the difference between the two distance data obtained by the difference calculation unit. An expression in which each relative displacement amount on the three-dimensional coordinate axis between the two ultrasonic receivers with coefficients of the azimuth angle and the depression angle with respect to the sound wave repeater of the periodic fluctuation component extraction unit and the first ultrasonic transmitter / receiver is an unknown Is created for each sonic repeater so as to be equal to the extracted short-period fluctuation component, and at least a short-period fluctuation component is solved by solving this ternary simultaneous equation. Those constructed from short-period fluctuation component calculation section for obtaining a wave height seeking in the height direction of the displacement.
上記第1の波浪計測方法および波浪計測システムによると、海底または海底近傍に配置された超音波送信機からの超音波を海面に向けて発信するとともに海面に配置された海洋構造物および浮体の海面下にそれぞれ設けられた超音波受信機で受信して、超音波の伝播時間を検出することにより、海洋構造物および浮体と各超音波送信機との距離を求めるとともに、この求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。 According to the first wave measurement method and the wave measurement system, an ultrasonic wave from an ultrasonic transmitter disposed at or near the seabed is transmitted toward the sea surface, and an ocean structure and a floating body disposed on the sea surface. Receiving with the ultrasonic receiver provided below, and detecting the propagation time of the ultrasonic wave, the distance between the marine structure and the floating body and each ultrasonic transmitter is obtained, and the obtained both distances By applying high-pass filter processing to the difference in data, that is, by removing only the short-period fluctuation component that does not include the influence of seawater by removing the long-period fluctuation component, the wave height is measured. Compared to the conventional measurement method that uses ultrasonic transducers installed on the sea floor to emit ultrasonic waves toward the sea surface and reflect them on the sea surface, it is not affected by the sea surface. Even when waves are high, the wave height can be accurately measured, thus almost no falling into unmeasurable.
上記第2の波浪計測方法および波浪計測システムによると、海面に配置された海洋構造物および浮体の海面下にそれぞれ設けられた超音波送受信機から海中に向けて超音波を発信して海底または海底近傍に配置された音波中継器からの超音波を上記超音波送受信機で受信して、超音波の往復伝播時間を検出することにより、海洋構造物および浮体と音波中継器との距離をそれぞれ求めるとともに、この求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。 According to the second wave measurement method and the wave measurement system, an ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic transmitter / receiver provided under the sea surface of the ocean structure and the floating body, respectively, to the sea. The ultrasonic wave from the sonic repeater placed in the vicinity is received by the ultrasonic transmitter / receiver, and the distance between the marine structure and the floating body and the sonic repeater is obtained by detecting the reciprocal propagation time of the ultrasonic wave. At the same time, by applying high-pass filter processing to the difference between the obtained distance data, that is, by removing only long-period fluctuation components that do not include the influence of seawater by removing long-period fluctuation components, Compared to the conventional measurement method, the ultrasonic wave is emitted from the ultrasonic transmitter / receiver installed on the seabed and reflected by the sea surface. Effect without receiving, i.e. even when waves are high, the wave height can be accurately measured, thus almost no falling into unmeasurable.
上記第3の波浪計測方法および波浪計測システムによると、海面に配置された海洋構造物および浮体の海面下から海中に向けて超音波を発信して海底または海底近傍に配置された音波中継器からの超音波をその発信時刻と一緒に海洋構造物および浮体に設けられた各超音波送受信機で受信して超音波の片道伝播時間を検出することにより、海洋構造物および浮体と音波中継器との距離をそれぞれ求めるとともに、この求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので(簡単に言えば、塩分濃度や海水温の変化による音速変化がもたらす誤差フリーの計測法である)、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。 According to the third wave measurement method and the wave measurement system, an ultrasonic wave is transmitted from an underwater surface of a marine structure and a floating body placed on the sea surface to the sea, and from an acoustic wave repeater placed near or near the seabed. By detecting the ultrasonic one-way propagation time by receiving each ultrasonic wave with the transmission time at each ultrasonic transmitter / receiver provided in the offshore structure and floating body. In addition, the difference between the two obtained distance data is subjected to high-pass filter processing, that is, the long-period fluctuation component is removed and only the short-period fluctuation component not including the influence of seawater is extracted. As a result, the wave height is measured (in short, it is an error-free measurement method caused by changes in the sound velocity due to changes in salinity and seawater temperature). Compared to ultrasonic waves emitted from the ultrasonic transducer installed at the bottom and reflected by the sea surface, the wave height is not affected by the sea surface, that is, even when the wave is high. Therefore, it is possible to measure the accuracy with high accuracy, so that the measurement is hardly lost.
以下、本発明の実施例1に係る超音波を用いた波浪計測方法および波浪計測システムについて説明する。
本実施例1においては、沿岸海域だけでなく、特に、大水深海域での波浪高さを、水中に発信(発射)された超音波を用いて計測するものとして説明する。
Hereinafter, a wave measuring method and a wave measuring system using ultrasonic waves according to Embodiment 1 of the present invention will be described.
In the first embodiment, the description will be made assuming that the wave height is measured not only in the coastal sea area but also in a deep sea area using ultrasonic waves transmitted (launched) in water.
まず、本発明に係る波浪計測方法の原理を概略的に説明する。
この波浪計測方法は、所定海域に浮遊・係留されて海面の変動(変位)に追従する浮体の三次元位置を計測することにより、海面の変動量(変位量)つまり波浪高さを計測するもので、この変動量を超音波を用いて計測するようにしたものである。しかも、その計測に際しては、殆ど変動しない海洋構造物に設けられた基準用としての第1超音波受信機と波浪などにより変動する浮体に設けられた計測用つまり観測用の第2超音波受信機とを用いるとともに、これら両超音波受信機と海中または海底に配置された複数の超音波送信機との間の距離を超音波を用いて計測し、さらに両超音波受信機における座標位置同士を結ぶ相対変位ベクトルを考えるとともに、この相対変位ベクトルを変動が大きい短周期変動成分と変動が小さい長周期変動成分とに分け、この短周期変動成分を求めることにより、海面の変動すなわち波浪を計測するものである。
First, the principle of the wave measuring method according to the present invention will be schematically described.
This wave measurement method measures the amount of sea surface fluctuation (displacement), that is, wave height, by measuring the three-dimensional position of a floating body that is suspended and moored in a predetermined sea area and follows the sea surface fluctuation (displacement). Thus, this variation is measured using ultrasonic waves. Moreover, in the measurement, the first ultrasonic receiver as a reference provided in an offshore structure that hardly changes and the second ultrasonic receiver for measurement or observation provided in a floating body that changes due to waves or the like. And measuring the distance between these two ultrasonic receivers and a plurality of ultrasonic transmitters placed in the sea or at the bottom using ultrasonic waves, and the coordinate positions of both ultrasonic receivers Considering the relative displacement vector to be connected, the relative displacement vector is divided into a short-period fluctuation component having a large fluctuation and a long-period fluctuation component having a small fluctuation, and the short-period fluctuation component is obtained to measure sea surface fluctuations, that is, waves. Is.
以下、この計測原理を用いた波浪計測システムについて説明する。
この波浪計測システムは、図1〜図3に示すように、係留索(図示せず)により、大水深海域の海面に浮遊・係留(配置)されるとともに超音波を受信し得る基準用としての第1超音波受信機2が設けられた海洋構造物1と、同じく、大水深海域の海面で且つ上記海洋構造物1の近傍位置で浮遊・係留されるとともに超音波を受信し得る観測用としての第2超音波受信機4が設けられた浮体であるブイ3と、このブイ3の略真下、つまりブイ3と海洋構造物1の海底近傍に配置されて超音波を海面に向けて発信し得る少なくとも3個の超音波送信機5と、この超音波送信機5で発信された超音波を上記両超音波受信機2,4で受信してブイ3の三次元位置つまりブイ3の変動を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置6とから構成されている。なお、上記各超音波受信機2,4は、海洋構造物1およびブイ3の下部、すなわち海面下(海中)に設けられている。また、上記各超音波送信機5の筒状容器本体5a内には超音波を発信する送信機本体が内蔵されている。なお、図4に、ブイ3および3個の超音波送信器(1,2,3)5の配置状態を具体的に示した海域の鳥瞰図を示す。
Hereinafter, a wave measurement system using this measurement principle will be described.
As shown in FIGS. 1 to 3, this wave measurement system is used as a reference that can be suspended and moored (arranged) on the surface of a deep sea by a mooring line (not shown) and can receive ultrasonic waves. Similarly to the marine structure 1 provided with the first
ところで、上記海洋構造物1は、ブイ3よりも大きい浮体構造物で、波浪の影響を受けにくいものである。なお、後述するが、この海洋構造物1は音波を計測する際に基準となる超音波受信機が設けられるもので、その位置が固定されるのが好ましく(変動が殆どない海中に配置された没水型の浮体に支持されるようにしてもよい)、したがって海底に支持されるものがよいが、海底に支持できない場合には、海面に浮遊・係留された海洋構造物1の位置を時々刻々検出し得るようにしておけばよい。 By the way, the marine structure 1 is a floating structure larger than the buoy 3 and is not easily affected by waves. As will be described later, this marine structure 1 is provided with an ultrasonic receiver that serves as a reference when measuring sound waves, and its position is preferably fixed (arranged in the sea with little fluctuation). It may be supported by a submerged floating body. Therefore, it is preferable to be supported by the seabed. However, if it cannot be supported by the seabed, the position of the offshore structure 1 suspended or moored on the sea surface is sometimes What is necessary is just to be able to detect every moment.
また、上記超音波送信機5は海底に投下された例えば錨7に索体8を介して係留されて移動が可能であるが、大水深海域の海底付近では海流は殆どないため、静止状態とみなしても差し支えない。つまり、超音波送信機5の位置は固定とみなしてよい。なお、超音波送信機5を直接海底に投下・設置してもよい。
In addition, the
簡単に言えば、海洋構造物1に設けられた殆ど変動しない第1超音波受信機2と波浪などにより変動するブイ3に設けられた第2超音波受信機4との間の距離を、超音波を用いて計測するようにしたものであり、以下、上記計測原理に基づく波浪計測装置6について説明する。
In short, the distance between the first
この波浪計測装置6は、海洋構造物1およびブイ3に設けられた各超音波受信機2,4と3個の超音波送信機5との距離を連続的に測定することによりブイ3の変動を検出する、つまり海面の変位を検出して波浪高さを計測するものである。なお、この波浪計測装置6は、超音波送信機5から発信された超音波を受信したデータがあれば、どこにおいても波浪高さを演算により求めることができる。したがって、通常、この波浪計測装置6は陸上の基地局Kに配置されるため、超音波受信機2,4にて受信されたデータ、例えば時間データが衛星Sなどを介して基地局Kに送信されて、この基地局Kに設けられた波浪計測装置6により求められる。勿論、海洋構造物1またはブイ3側に波浪計測装置6を配置するとともに、この波浪計測装置6にて求められた波浪高さを、衛星Sを介して基地局Kなどの所定場所に送信するようにしてもよい。
This
そして、この波浪計測方法では、海洋構造物1およびブイ3に設けられた各超音波受信機2,4と大水深海域でしかも海底または海底近傍に配置した超音波送信機5との間の距離を超音波の伝播時間を用いて測定するが、その測定に際しては、海水の影響を大きく受けることになる。すなわち、超音波の速度は、海水の温度、圧力、塩分濃度により大きく変化するため、これらの変動成分を除去する必要がある。
In this wave measuring method, the distance between each of the
そこで、本実施例1では、これらの海水の影響による変動成分、つまり超音波受信機2,4と超音波送信機5との間の海水の温度、圧力および塩分濃度の分布の時間変化が長いこと、言い換えれば、この時間変化が波浪によるブイ3の上下動の周期より遥かに長いことに着目して、海水による影響を除去するようにしたものである。
Therefore, in the first embodiment, the time variation of the fluctuation component due to the influence of these seawaters, that is, the distribution of seawater temperature, pressure and salinity concentration between the
具体的には、ブイ3の変動には、海水の影響による長周期変動成分と波浪による短周期変動成分とが含まれており、したがって基準となる海洋構造物1に対するブイ3の変動データから長周期変動成分を差し引くことにより、短周期変動成分を求め、そしてこの短周期変動成分の高さ方向分が波浪高さとして求められる。 Specifically, the fluctuation of the buoy 3 includes a long-period fluctuation component due to the influence of seawater and a short-period fluctuation component due to waves. Therefore, the fluctuation of the buoy 3 with respect to the reference marine structure 1 is long. By subtracting the periodic fluctuation component, the short period fluctuation component is obtained, and the height direction portion of the short period fluctuation component is obtained as the wave height.
以下、波浪高さを求める手順について詳しく説明する。
ここでは、図3に示すように、浮体構造物1に設けられている第1超音波受信機(0)を基準点P0、ブイ3の所定位置に設けられている第2超音波受信機(1)2の設置位置を観測点P1として、また超音波送信機5に付す部材番号をi(i=1,2,3)として説明する。
Hereinafter, the procedure for obtaining the wave height will be described in detail.
Here, as shown in FIG. 3, the first ultrasonic receiver (0) provided in the floating structure 1 is the second ultrasonic receiver provided at a predetermined position of the reference point P 0 and the buoy 3. (1) An explanation will be given assuming that the installation position of 2 is the observation point P 1 and the member number assigned to the
超音波送信機i(i=1,2,3)と第2超音波受信機である観測点P1との距離ρ1 iは下記(1)式で求められ、また超音波送信機iと第1超音波受信機である基準点P0との距離ρ0 iは下記(2)式で求められる。 The distance ρ 1 i between the ultrasonic transmitter i (i = 1, 2, 3) and the observation point P 1 which is the second ultrasonic receiver is obtained by the following equation (1), and the ultrasonic transmitter i The distance ρ 0 i to the reference point P 0 which is the first ultrasonic receiver is obtained by the following equation (2).
すなわち、基準点P0と観測点P1との相対変位ベクトルをΔ*r(*は、後に続く記号がベクトルであることを示し、以下、同じ)とし、この相対変位ベクトルの成分を(Δx01,Δy01,Δz01)とすると、下記(4)式が得られる。この(4)式を上記(3)式に代入すると、下記(5)式が得られる。 That is, the relative displacement vector between the reference point P 0 and the observation point P 1 is Δ * r (* indicates that the following symbol is a vector, and the same applies hereinafter), and the component of this relative displacement vector is (Δx (01 , Δy 01 , Δz 01 ), the following equation (4) is obtained. Substituting this equation (4) into the above equation (3) yields the following equation (5).
そして、上記(5)式を(3)式に代入すれば、下記(7)式が得られる。 Then, by substituting the above equation (5) into equation (3), the following equation (7) is obtained.
ここで、観測点P1と基準点P0との間の相対変位ベクトルΔ*r01(Δx01,Δy01,Δz01)を殆ど変動しない長周期変動成分Δ*r101(Δx101,Δy101,Δz101)と変動が大きい短周期変動成分Δ*r201(Δx201,Δy201,Δz201)とに分けると、下記(8)式のようになる。 Here, the long-period fluctuation component Δ * r1 01 (Δx1 01 , Δy1) hardly fluctuates the relative displacement vector Δ * r 01 (Δx 01 , Δy 01 , Δz 01 ) between the observation point P 1 and the reference point P 0. (01 , Δz1 01 ) and a short-period fluctuation component Δ * r2 01 (Δx2 01 , Δy2 01 , Δz2 01 ) having a large fluctuation, the following equation (8) is obtained.
なお、上述した「r,x,y,z」に続く数字の「1」は長周期変動成分を表わし、「r,x,y,z」に続く数字の「2」は短周期変動成分を表わし、また以下の式中、長周期変動成分(r1,x1,y1,z1)は「ハットr」で、また短周期変動成分(r2,x2,y2,z2)は「チルダr」で示す。また、「ρ」および「φ(後述する)」についても、同様に、「1」は長周期変動成分を、「2」は短周期変動成分を表わし、式中、長周期変動成分は「ハット」、短周期変動成分は「チルダ」で示す。 The number “1” following “r, x, y, z” described above represents a long-period fluctuation component, and the number “2” following “r, x, y, z” represents a short-period fluctuation component. In the following equations, the long period fluctuation component (r1, x1, y1, z1) is indicated by “hat r”, and the short period fluctuation component (r2, x2, y2, z2) is indicated by “tilde r”. Similarly for “ρ” and “φ (to be described later)”, “1” represents a long-period fluctuation component and “2” represents a short-period fluctuation component. ", The short period fluctuation component is indicated by" tilde ".
そして、短周期変動成分(∇φ2)については、生の観測データ(φ0,φ1)の差(∇φ)にハイパスフィルタ処理を施す(ハイパスフィルタをかける)ことにより求められる。 The short-period fluctuation component (∇φ2) is obtained by applying a high-pass filter process (applying a high-pass filter) to the difference (∇φ) between the raw observation data (φ 0 , φ 1 ).
したがって、3個の超音波送信機iにより、上記(10)式の三元一次方程式が3個(i=1,2,3)得られることになり、これら3個の三元一次連立方程式を解くことにより、短周期変動成分を求めることができる。この短周期変動成分の上記方向単位ベクトルの3つのx,y,z成分のうち、鉛直方向のz成分が波浪高さに相当する。すなわち、基準点P0および観測点P1と海底の超音波送信機iとの間の観測データの差の短周期変動成分(∇φ2)01 iが分かれば、波浪高さが求まることになる。 Therefore, three ternary linear equations (10) are obtained by three ultrasonic transmitters i (i = 1, 2, 3), and these three ternary simultaneous equations are obtained. By solving, a short period fluctuation component can be obtained. Of the three x, y, and z components of the direction unit vector of the short period fluctuation component, the vertical z component corresponds to the wave height. That is, if the short-period fluctuation component (∇φ2) 01 i of the difference in observation data between the reference point P 0 and the observation point P 1 and the ultrasonic transmitter i on the seabed is known, the wave height can be obtained. .
ところで、基準点P0および観測点P1に設けられた超音波受信機と海底に設けられた超音波送信機iとの間の距離φiについては、超音波送信機iから発信された超音波が超音波受信機に到達するまでの伝播時間をti、基準音速を固定値c(実際の音速は海中で大きく変化するが、例えば平年の海面付近の温度に対応する音速値を用いても差し支えない)とすれば、下記(12)式にて求められる。 By the way, regarding the distance φ i between the ultrasonic receivers provided at the reference point P 0 and the observation point P 1 and the ultrasonic transmitter i provided on the seabed, an ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter i is used. The propagation time until the sound wave reaches the ultrasonic receiver is t i , and the reference sound speed is a fixed value c (the actual sound speed varies greatly in the sea, but for example, the sound speed value corresponding to the temperature near the sea surface in normal years is used. If it is acceptable, the following equation (12) is obtained.
φi=c×ti ・・・(12)
そして、上記(12)式で表わされる距離データφiにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分φ1iを除去することにより、短周期変動成分φ2iが求められる。
φ i = c × t i (12)
Then, the high-pass filter process is performed on the distance data φ i represented by the above equation (12) to remove the long-period fluctuation component φ 1 i, thereby obtaining the short-period
なお、超音波送信機から発信されて超音波受信機で受信するまでの超音波の伝播時間を検出するのに、当然ながら、超音波受信機側で、超音波送信機から超音波が発信されるタイミングつまり時刻が分かるようにされている。すなわち、精度の良い時計が超音波受信機および超音波送信機にそれぞれ設けられるとともに両者の時刻が一致するようにされており、また超音波送信機から発信される時刻が予め分かっている。 In order to detect the propagation time of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter until it is received by the ultrasonic receiver, naturally, the ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic transmitter on the ultrasonic receiver side. The timing, i.e. the time, is determined. That is, an accurate timepiece is provided in each of the ultrasonic receiver and the ultrasonic transmitter, and the time of both is made to coincide, and the time transmitted from the ultrasonic transmitter is known in advance.
ここで、上述した波浪高さの計測を実行し得る波浪計測装置6を図5に基づき説明する。
この波浪計測装置6は、超音波送信機5から発信された超音波を第1および第2超音波受信機2,4で受信するまでの伝播時間t0 i,t1 iを検出してブイ3と超音波送信機5との距離データφ0 i,φ1 iを上記(12)式に基づき演算する距離演算部11と、この距離演算部で求められた両距離データの差(φ0 i−φ1 i)を求める差演算部12と、この差演算部12で求められた両距離データの差(∇φ)01 iにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分φ10 i,φ11 iを除去して短周期変動成分(∇φ2)01 iを抽出する短周期変動成分抽出部13と、この短周期変動成分抽出部13で得られた短周期変動成分(∇φ2)01 iに基づき3個の超音波送信機5に対して三元一次方程式を作成する方程式作成部14と、この方程式式作成部14で得られた三元一次連立方程式を解く方程式解演算部15とから構成されている。なお、少なくとも、距離演算部11、差演算部12、短周期変動成分抽出部13、方程式作成部14、方程式解演算部15などについては、プログラムによりその機能が実現されるものである。勿論、必要に応じて、各構成部は同一のプログラムに組み込まれているが、ここでは、説明を分かり易くするために、機能に応じた構成部でもって説明を行っている。
Here, the
This
次に、上記波浪計測装置6を用いて波浪高さを計測する方法を全体的な流れでもって説明する。
海底の超音波送信機5から海面に向けて発信された超音波が、海面に浮遊するブイ3に設けられた超音波受信機2,4で受信されて、これら超音波受信機2,4と各超音波送信機5との伝播時間t0 i,t1 iが検出されると、距離演算部11にて超音波受信機2,4と超音波送信機5との距離データφ0 i,φ1 iがそれぞれ求められ、そしてこれら両距離データφ0 i,φ1 iが差演算部12に入力されてその差(∇φ)01 iが求められる。
Next, a method for measuring the wave height using the
Ultrasonic waves transmitted toward the sea surface from the
次に、上記差演算部12で求められた差(∇φ)01 iが短周期変動成分抽出部13に入力され、ここで、短周期変動成分(∇φ2)01 iが抽出される。
次に、この抽出された短周期変動成分(∇φ2)01 iが方程式作成部14に入力されて3個の超音波送信機5に対して上記(5)式に基づく三元一次方程式がそれぞれ作成される。
Next, the difference (∇φ) 01 i obtained by the
Next, the extracted short-period fluctuation component (∇φ2) 01 i is input to the
そして、この作成された三元一次連立方程式が方程式解演算部15に入力されて、両超音波受信機2,4間における相対変位ベクトルの変位量である3つの未知数Δx01,Δy01,Δz01が求められ、そのz成分が波浪高さとして取り出される。
Then, the created ternary linear simultaneous equations are input to the equation
このように、上記波浪計測方法および波浪計測システムによると、海底または海底近傍に配置された超音波送信機から超音波を海面に向けて発信するとともに海洋構造物およびブイの海面下に設けられた第1超音波受信機および第2超音波受信機でそれぞれ受信して、超音波の伝播時間を検出することにより、海洋構造物およびブイと超音波送信機との距離をそれぞれ求めるとともにこれら両距離データの差を求め、そしてこの両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので(簡単に言えば、塩分濃度や海水温の変化による音速変化がもたらす誤差フリーの計測法である)、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。 As described above, according to the above-described wave measuring method and wave measuring system, the ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic transmitter arranged at or near the seabed toward the sea surface, and is provided below the sea surface of the marine structure and the buoy. The distances between the marine structure and the buoy and the ultrasonic transmitter are obtained by detecting the propagation time of the ultrasonic waves respectively received by the first ultrasonic receiver and the second ultrasonic receiver. By calculating the data difference and applying high-pass filtering to the difference between the two distance data, that is, by extracting only the short-period fluctuation component that does not include the influence of seawater by removing the long-period fluctuation component, Since the height is measured (in simple terms, it is an error-free measurement method caused by changes in the sound speed due to changes in salinity and seawater temperature) Compared to ultrasonic waves emitted from the ultrasonic transducer installed at the bottom and reflected by the sea surface, the wave height is not affected by the sea surface, that is, even when the wave is high. Therefore, it is possible to measure the accuracy with high accuracy, so that the measurement is hardly lost.
以下、本発明の実施例2に係る超音波を用いた波浪計測方法および波浪計測システムについて説明する。
上記実施例1においては、海底に配置された超音波送信機から発信された超音波を海洋構造物およびブイ(浮体)にそれぞれ設けられた超音波受信機で受信して超音波の片道伝播時間を検出するようにしたが、本実施例2においては、海洋構造物およびブイの海面下にそれぞれ設けられた各超音波送受信機から発信された超音波を海底に配置された音波中継器(トランスポンダともいう)で受信して発信された、つまり中継された超音波の往復伝播時間を検出するようにしたものである。
Hereinafter, a wave measuring method and a wave measuring system using ultrasonic waves according to the second embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter arranged on the seabed is received by the ultrasonic receivers respectively provided on the marine structure and the buoy (floating body), and the one-way propagation time of the ultrasonic wave is received. However, in the second embodiment, the ultrasonic wave transmitted from each ultrasonic transmitter / receiver provided under the sea surface of the offshore structure and the buoy is a transponder (transponder) disposed on the seabed. In other words, the round-trip propagation time of ultrasonic waves received and transmitted, that is, relayed, is detected.
なお、本実施例2については、実施例1と同様に、初めから説明するものとする。
まず、本発明に係る波浪計測方法の原理を概略的に説明する。
この波浪計測方法は、所定海域に浮遊・係留されて海面の変動(変位)に追従する浮体の三次元位置を計測することにより、海面の変動量(変位量)つまり波浪高さを計測するもので、この変動量を超音波を用いて計測するようにしたものである。しかも、その計測に際しては、殆ど変動しない海洋構造物に設けられた基準用としての第1超音波送受信機と波浪などにより変動する浮体に設けられた計測用つまり観測用の第2超音波送受信機とを用いるとともに、これら両超音波送受信機と海中または海底に配置された複数の音波中継器との間における各距離を超音波を用いて計測し、さらにその計測に際しては、両超音波送受信機における座標位置同士を結ぶ相対変位ベクトルを考えるとともに、この相対変位ベクトルを変動が大きい短周期変動成分と変動が小さい長周期変動成分とに分け、この短周期変動成分を求めることにより、海面の変動すなわち波浪を計測するものである。
The second embodiment will be described from the beginning as in the first embodiment.
First, the principle of the wave measuring method according to the present invention will be schematically described.
This wave measurement method measures the amount of sea surface fluctuation (displacement), that is, wave height, by measuring the three-dimensional position of a floating body that is suspended and moored in a predetermined sea area and follows the sea surface fluctuation (displacement). Thus, this variation is measured using ultrasonic waves. Moreover, in the measurement, the first ultrasonic transmitter / receiver as a reference provided in a marine structure that hardly changes and the second ultrasonic transmitter / receiver for measurement or observation provided in a floating body that changes due to waves or the like. And measuring each distance between the two ultrasonic transmitters / receivers and a plurality of ultrasonic repeaters arranged in the sea or at the bottom using ultrasonic waves. Considering the relative displacement vector that connects the coordinate positions in, and dividing the relative displacement vector into a short-period fluctuation component with large fluctuation and a long-period fluctuation component with small fluctuation, and obtaining this short-period fluctuation component, That is, it measures waves.
以下、この計測原理を用いた波浪計測システムについて説明する。
この波浪計測システムは、図6〜図9に示すように、係留索(図示せず)により、大水深海域の海面に浮遊・係留(配置)されるとともに超音波の送受信を行い得る基準用としての第1超音波送受信機22が設けられた海洋構造物21と、同じく、大水深海域の海面で且つ上記海洋構造物21の近傍位置で浮遊・係留されるとともに超音波の送受信を行い得る観測用としての第2超音波送受信機24が設けられた浮体であるブイ23と、このブイ23の略真下、つまりブイ23と海洋構造物21の海底近傍に配置されて超音波を海面に向けて発信し得る少なくとも3個の音波中継器25と、この音波中継器25で発信された超音波を上記両超音波送受信機22,24で受信してブイ23の三次元位置つまりブイ23の変動を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置26とから構成されている。なお、上記各超音波送受信機22,24は、海洋構造物21およびブイ23の下部、すなわち海面下(海中)に設けられている。また、上記各音波中継器25の筒状容器本体25a内には超音波を受信するとともにこの超音波を増幅させて海面に発信する中継器本体が内蔵されている。
Hereinafter, a wave measurement system using this measurement principle will be described.
As shown in FIGS. 6 to 9, this wave measurement system is used as a reference that can be suspended and moored (arranged) on the surface of deep water by a mooring cable (not shown) and can transmit and receive ultrasonic waves. As with the
ところで、上記海洋構造物21は、ブイ23よりも大きい浮体構造物で、波浪の影響を受けにくいものである。なお、後述するが、この海洋構造物21は音波を計測する際に基準となる超音波送受信機が設けられるもので、その位置が固定されるのが好ましく(変動が殆どない海中に配置された没水型の浮体に支持されるようにしてもよい)、したがって海底に支持されるものがよいが、海底に支持できない場合には、海面に浮遊・係留された海洋構造物21の位置を時々刻々検出し得るようにしておけばよい。
By the way, the
また、上記音波中継器25は海底に投下された例えば錨27に索体28を介して係留されて移動が可能であるが、大水深海域の海底付近では海流は殆どないため、静止状態とみなしても差し支えない。つまり、音波中継器25の位置は固定とみなしてよい。なお、音波中継器25を直接海底に投下・設置してもよい。
Further, the
簡単に言えば、海洋構造物21に設けられた殆ど変動しない第1超音波送受信機22と波浪などにより変動するブイ23に設けられた第2超音波送受信機24との間の距離を、超音波を用いて計測するようにしたものであり、以下、上記計測原理に基づく波浪計測装置26について説明する。
In short, the distance between the first ultrasonic transmitter /
この波浪計測装置26は、海洋構造物21およびブイ23に設けられた各超音波送受信機22,24と3個の音波中継器25との距離を連続的に測定することによりブイ23の変動を検出する、つまり海面の変位を検出して波浪高さを計測するものである。なお、この波浪計測装置26は、音波中継器25からの超音波の受信データがあれば、どこにおいても波浪高さを演算により求めることができる。したがって、通常、この波浪計測装置26は陸上の基地局Kに配置されるため、超音波送受信機22,24にて受信されたデータ、例えば時間データが衛星Sなどを介して基地局Kに送信されて、この基地局Kに設けられた波浪計測装置26により求められる。勿論、海洋構造物21またはブイ23側に波浪計測装置26を配置するとともに、この波浪計測装置26にて求められた波浪高さを、衛星Sを介して基地局Kなどの所定場所に送信するようにしてもよい。
The
そして、この波浪計測方法では、海洋構造物21およびブイ23に設けられた各超音波送受信機22,24と大水深海域でしかも海底または海底近傍に配置した音波中継器25との間の距離を超音波の伝播時間を用いて測定するが、その測定に際しては、海水の影響を大きく受けることになる。すなわち、超音波の速度は、海水の温度、圧力、塩分濃度により大きく変化するため、これらの変動成分を除去する必要がある。
And in this wave measuring method, the distance between each ultrasonic transmitter-
そこで、本実施例2では、これらの海水の影響による変動成分、つまり超音波送受信機22,24と音波中継器25との間の海水の温度、圧力および塩分濃度の分布の時間変化が長いこと、言い換えれば、この時間変化が波浪によるブイ23の上下動の周期より遥かに長いことに着目して、海水による影響を除去するようにしたものである。
Therefore, in the second embodiment, the variation due to the influence of the seawater, that is, the time change of the temperature, pressure, and salinity concentration distribution of the seawater between the
具体的には、ブイ23の変動には、海水の影響による長周期変動成分と波浪による短周期変動成分とが含まれており、したがって基準となる海洋構造物21に対するブイ23の変動データから長周期変動成分を差し引くことにより、短周期変動成分を求め、そしてこの短周期変動成分の高さ方向分が波浪高さとして求められる。
Specifically, the fluctuation of the
以下、波浪高さを求める手順について詳しく説明する。
ここでは、図8に示すように、浮体構造物21に設けられている第1超音波送受信機(0)を基準点P0、ブイ23の所定位置に設けられている第2超音波送受信機(1)の設置位置を観測点P1として、また音波中継器25に付す部材番号をi(i=1,2,3)として説明する。
Hereinafter, the procedure for obtaining the wave height will be described in detail.
Here, as shown in FIG. 8, the first ultrasonic transmitter / receiver (0) provided in the floating
音波中継器i(i=1,2,3)と第2超音波送受信機である観測点P1との距離ρ1 iは下記(21)式で求められ、また音波中継器iと第1超音波送受信機である基準点P0との距離ρ0 iは下記(22)式で求められる。 The distance ρ 1 i between the sonic repeater i (i = 1, 2, 3) and the observation point P 1 which is the second ultrasonic transceiver is obtained by the following equation (21). The distance ρ 0 i to the reference point P 0 which is an ultrasonic transceiver is obtained by the following equation (22).
3)式が得られる。
3) Equation is obtained.
すなわち、基準点P0と観測点P1との相対変位ベクトルをΔ*r(*は、後に続く記号がベクトルであることを示し、以下、同じ)とし、この相対変位ベクトルの成分を(Δx01,Δy01,Δz01)とすると、下記(24)式が得られる。(24)式を上記(23)式に代入すると、下記(25)式が得られる。 That is, the relative displacement vector between the reference point P 0 and the observation point P 1 is Δ * r (* indicates that the following symbol is a vector, and the same applies hereinafter), and the component of this relative displacement vector is (Δx (01 , Δy 01 , Δz 01 ), the following equation (24) is obtained. Substituting equation (24) into equation (23) gives equation (25) below.
そして、上記(25)式を(23)式に代入すれば、下記(27)式が得られる。 Then, by substituting the above equation (25) into equation (23), the following equation (27) is obtained.
ここで、基準点P0と観測点P1との間の相対変位ベクトルΔ*r01(Δx01,Δy01,Δz01)を殆ど変動しない長周期変動成分Δ*r101(Δx101,Δy101,Δz101)と変動が大きい短周期変動成分Δ*r201(Δx201,Δy201,Δz201)とに分けると、下記(28)式のようになる。 Here, the long-period fluctuation component Δ * r1 01 (Δx1 01 , Δy1) that hardly changes the relative displacement vector Δ * r 01 (Δx 01 , Δy 01 , Δz 01 ) between the reference point P 0 and the observation point P 1. (01 , Δz1 01 ) and short-period fluctuation component Δ * r2 01 (Δx2 01 , Δy2 01 , Δz2 01 ) having a large fluctuation, the following equation (28) is obtained.
なお、上述した「r,x,y,z」に続く数字の「1」は長周期変動成分を表わし、「r,x,y,z」に続く数字の「2」は短周期変動成分を表わしており、また以下の式中、長周期変動成分(r1,x1,y1,z1)は「ハットr」で、また短周期変動成分(r2,x2,y2,z2)は「チルダr」で示す。また、「ρ」および「φ(後述する)」についても、同様に、「1」は長周期変動成分を、「2」は短周期変動成分を表わし、式中では、長周期変動成分は「ハット」、短周期変動成分は「チルダ」で示す。 The number “1” following “r, x, y, z” described above represents a long-period fluctuation component, and the number “2” following “r, x, y, z” represents a short-period fluctuation component. Also, in the following equations, the long period fluctuation component (r1, x1, y1, z1) is “hat r”, and the short period fluctuation component (r2, x2, y2, z2) is “tilde r”. Show. Similarly, for “ρ” and “φ (to be described later)”, “1” represents a long-period fluctuation component, “2” represents a short-period fluctuation component, and the long-period fluctuation component is “ The “hat” and the short period fluctuation component are indicated by “tilde”.
そして、短周期変動成分(∇φ2)については、生の観測データ(φ0,φ1)の差(∇φ)にハイパスフィルタ処理を施す(ハイパスフィルタをかける)ことにより求められる。 The short-period fluctuation component (∇φ2) is obtained by applying a high-pass filter process (applying a high-pass filter) to the difference (∇φ) between the raw observation data (φ 0 , φ 1 ).
したがって、3個の音波中継器iにより、上記(30)式の三元一次方程式が3個(i=1,2,3)得られることになり、これら3個の三元一次連立方程式を解くことにより、短周期変動成分を求めることができる。この短周期変動成分の上記方向単位ベクトルの3つのx,y,z成分のうち、鉛直方向のz成分が波浪高さに相当する。すなわち、基準点P0および観測点P1と海底の超音波送信機iとの間の観測データの差の短周期変動成分(∇φ2)01 iが分かれば、波浪高さが求まることになる。 Accordingly, three ternary linear equations (30) (i = 1, 2, 3) are obtained by the three sound wave repeaters i, and these three ternary linear simultaneous equations are solved. Thus, the short cycle fluctuation component can be obtained. Of the three x, y, and z components of the direction unit vector of the short period fluctuation component, the vertical z component corresponds to the wave height. That is, if the short-period fluctuation component (∇φ2) 01 i of the difference in observation data between the reference point P 0 and the observation point P 1 and the ultrasonic transmitter i on the seabed is known, the wave height can be obtained. .
ところで、基準点P0および観測点P1に設けられた超音波送受信機と海底に設けられた音波中継器iとの間の距離ρiについては、超音波送受信機から発信された超音波が音波中継器iを介して再び超音波送受信機に到達するまでの往復伝播時間をti、基準音速を固定値c(実際の音速は海中で大きく変化するが、例えば平年の海面付近の温度に対応する音速値を用いても差し支えない)とすれば、下記(32)式にて求められる。 By the way, regarding the distance ρ i between the ultrasonic transmitter / receiver provided at the reference point P 0 and the observation point P 1 and the ultrasonic repeater i provided on the seabed, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter / receiver is transmitted. The round-trip propagation time to reach the ultrasonic transmitter / receiver again via the sonic repeater i is t i , and the reference sound speed is a fixed value c (the actual sound speed changes greatly in the sea, If the corresponding sound velocity value can be used), the following equation (32) is obtained.
φi=c×ti/2・・・(32)
そして、上記(32)式で表わされる距離データφiにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分φ1iを除去することにより、短周期変動成分φ2iが求められる。
φ i = c × t i / 2 (32)
Then, by removing the (32) long-period fluctuation component .phi.1 i by performing high-pass filtering the distance data phi i of the formula, short-period fluctuation component .phi.2 i is determined.
ここで、上述した波浪高さの計測を実行し得る波浪計測装置26を図9に基づき説明する。
この波浪計測装置26は、第1および第2超音波送受信機22,24から発信(発射)された超音波を音波中継器25を経由して第1および第2超音波送受信機22,24で受信するまでの往復伝播時間t0 i,t1 iを検出してブイ23と音波中継器25との距離φ0 i,φ1 iを上記(32)式に基づき演算する距離演算部31と、この距離演算部31で求められた両距離データの差(φ0 i−φ1 i)を求める差演算部32と、この差演算部32で求められた両距離データの差(∇φ)01iにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分(∇φ1)01 iを除去して短周期変動成分(∇φ2)01 iを抽出する短周期変動成分抽出部33と、この短周期変動成分抽出部33で得られた短周期変動成分(∇φ2)01に基づき3個の音波中継器25に対して三元一次方程式を作成する方程式作成部34と、この方程式式作成部34で得られた三元一次連立方程式を解く方程式解演算部35とから構成されている。なお、少なくとも、距離演算部31、差演算部32、短周期変動成分抽出部33、方程式作成部34、方程式解演算部35などについては、プログラムによりその機能が実現されるものである。勿論、必要に応じて、各構成部は同一のプログラムに組み込まれているが、ここでは、説明を分かり易くするために、機能に応じた構成部でもって説明を行っている。
Here, the
The
次に、上記波浪計測装置26を用いて波浪高さを計測する方法を全体的な流れでもって説明する。
海洋構造物21およびブイ23に設けられた第1および第2超音波送受信機22,24から海底の音波中継器25に向けて発信された超音波が、この音波中継器25にて中継されて上記両超音波送受信22,24で受信されて、その往復伝播時間t0 i,t1 iが検出されると、距離演算部31にて各超音波送受信機22,24と音波中継器25との各距離データφ0 i,φ1 iがそれぞれ求められ、そしてこれら両距離データφ0 i,φ1 iが差演算部32に入力されてその差(∇φ)01 iが求められる。
Next, a method for measuring the wave height using the
The ultrasonic waves transmitted from the first and second ultrasonic transmitters /
次に、上記差演算部32で求められた差(∇φ)01 iが短周期変動成分抽出部33に入力され、ここで、短周期変動成分(∇φ2)01 iが抽出される。
次に、この抽出された短周期変動成分(∇φ2)01 iが方程式作成部34に入力されて3個の音波中継器25に対して上記(25)式に基づく三元一次方程式がそれぞれ作成される。
Next, the difference (∇φ) 01 i obtained by the
Next, the extracted short-period fluctuation component (∇φ2) 01 i is input to the
そして、この作成された三元一次連立方程式が方程式解演算部35に入力されて、両超音波受信機22,24間における相対変位ベクトルの変位量である3つの未知数Δx01,Δy01,Δz01が求められ、そのz成分が波浪高さとして取り出される。
Then, the created ternary linear simultaneous equations are input to the equation
このように、上記波浪計測方法および波浪計測システムによると、海洋構造物およびブイの海面下に設けられた第1超音波送受信機および第2超音波送受信機から海底または海底近傍に配置された音波中継器に向けて超音波を発信し、この音波中継器で中継された超音波を上記両超音波送受信機でそれぞれ受信して、超音波の往復伝播時間を検出することにより、海洋構造物およびブイと音波中継器との距離をそれぞれ求めるとともにこれら両距離データの差を求め、そしてこの両距離データの差にハイパスフィルタを施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので(簡単に言えば、塩分濃度や海水温の変化による音速変化がもたらす誤差フリーの計測法である)、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発射し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。 As described above, according to the wave measuring method and the wave measuring system, the sound waves disposed near or on the seabed from the first ultrasonic transmitter / receiver and the second ultrasonic transmitter / receiver provided below the surface of the marine structure and buoy. By transmitting ultrasonic waves toward the repeater, receiving the ultrasonic waves relayed by the ultrasonic repeaters with the two ultrasonic transmitters and receivers, and detecting the round-trip propagation time of the ultrasonic waves, The distance between the buoy and the sonic repeater is determined, the difference between the two distance data is determined, and a high-pass filter is applied to the difference between the two distance data. The wave height is measured by extracting only the short-period fluctuation components that are not included (in short, sound velocity changes due to changes in salinity and seawater temperature are brought about. This is an error-free measurement method). Compared to the conventional measurement method, the ultrasonic wave is emitted from the ultrasonic transducer installed on the seabed and reflected by the sea surface. Even when the waves are not received, that is, when the waves are high, the wave height can be measured with high accuracy, and therefore the measurement is hardly lost.
以下、本発明の実施例3に係る超音波を用いた波浪計測方法および波浪計測システムについて説明する。
上記実施例2においては、ブイ(浮体)の海面下に設けられた超音波送受信機から発信された超音波を海底近傍に配置された音波中継器(トランスポンダとも言う)で受信して発信した、つまり中継した超音波の往復伝播時間を検出するようにしたが、本実施例3においては、音波中継器で中継された超音波の片道伝播時間を検出するようにしたものである。
Hereinafter, a wave measuring method and a wave measuring system using ultrasonic waves according to the third embodiment of the present invention will be described.
In the second embodiment, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter / receiver provided under the sea surface of the buoy (floating body) is received and transmitted by the sonic repeater (also referred to as a transponder) disposed near the sea floor. In other words, the round-trip propagation time of the relayed ultrasonic wave is detected, but in the third embodiment, the one-way propagation time of the ultrasonic wave relayed by the sound wave repeater is detected.
本実施例3においても、実施例2と同様に、初めから説明するものとする。
まず、本発明に係る波浪計測方法の原理を概略的に説明する。
この波浪計測方法は、所定海域に浮遊・係留されて海面の変動(変位)に追従する浮体の三次元位置を計測することにより、海面の変動量(変位量)つまり波浪高さを計測するもので、この変動量を超音波を用いて計測するようにしたものである。しかも、その計測に際しては、殆ど変動しない海洋構造物に設けられた基準用としての第1超音波送受信機と波浪などにより変動する浮体に設けられた計測用つまり観測用の第2超音波送受信機とを用いるとともに、これら両超音波送受信機と海中または海底に配置された複数の音波中継器との間における各距離を超音波を用いて計測し、さらにその計測に際しては、両超音波送受信機における座標位置同士を結ぶ相対変位ベクトルを考えるとともに、この相対変位ベクトルを変動が大きい短周期変動成分と変動が小さい長周期変動成分とに分け、この短周期変動成分を求めることにより、海面の変動すなわち波浪を計測するものである。
In the third embodiment, as in the second embodiment, it will be described from the beginning.
First, the principle of the wave measuring method according to the present invention will be schematically described.
This wave measurement method measures the amount of sea surface fluctuation (displacement), that is, wave height, by measuring the three-dimensional position of a floating body that is suspended and moored in a predetermined sea area and follows the sea surface fluctuation (displacement). Thus, this variation is measured using ultrasonic waves. Moreover, in the measurement, the first ultrasonic transmitter / receiver as a reference provided in a marine structure that hardly changes and the second ultrasonic transmitter / receiver for measurement or observation provided in a floating body that changes due to waves or the like. And measuring each distance between the two ultrasonic transmitters / receivers and a plurality of ultrasonic repeaters arranged in the sea or at the bottom using ultrasonic waves. Considering the relative displacement vector that connects the coordinate positions in, and dividing the relative displacement vector into a short-period fluctuation component with large fluctuation and a long-period fluctuation component with small fluctuation, and obtaining this short-period fluctuation component, That is, it measures waves.
以下、この計測原理を用いた波浪計測システムについて説明する。
この波浪計測システムは、図10〜図13に示すように、係留索(図示せず)により、大水深海域の海面に浮遊・係留(配置)されるとともに超音波の送受信を行い得る基準用としての第1超音波送受信機42が設けられた海洋構造物41と、同じく、大水深海域の海面で且つ上記海洋構造物1の近傍位置で浮遊・係留されるとともに超音波の送受信を行い得る観測用としての第2超音波送受信機44が設けられた浮体であるブイ43と、このブイ43の略真下、つまりブイ43と海洋構造物21の海底近傍に配置されて超音波を海面に向けて発信し得る少なくとも3個の音波中継器45と、この音波中継器45で発信された超音波を上記両超音波送受信機42,44で受信してブイ43の三次元位置つまりブイ43の変動を検出することにより波浪高さを計測する波浪計測装置46とから構成されている。なお、上記各超音波送受信機42,44は、海洋構造物41およびブイ43の下部、すなわち海面下(海中)に設けられている。また、上記各音波中継器45の筒状容器本体45a内には超音波を受信するとともにこの超音波を増幅させて海面に発信する中継器本体が内蔵されている。
Hereinafter, a wave measurement system using this measurement principle will be described.
As shown in FIGS. 10 to 13, this wave measurement system is used as a reference that can be suspended and moored (arranged) on a deep sea surface by a mooring cable (not shown) and can transmit and receive ultrasonic waves. As with the
そして、この音波中継器45には、精度の良い時計が設けられており、超音波を受信して発信する際に、その発信時刻(タイムスタンプであり、中継時刻ともいえる)の信号も一緒に発信され、また超音波送受信機42,44側にも、音波中継器45に設けられている時計と同期がとられた(同じ時刻の)時計が設けられて、超音波の発信から受信するまでの片道伝播時間を検出し得るようにされている。
The
ところで、上記海洋構造物41は、ブイ43よりも大きい浮体構造物で、波浪の影響を受けにくいものである。なお、後述するが、この海洋構造物41は音波を計測する際に基準となる超音波送受信機が設けられるもので、その位置が固定されるのが好ましく(変動が殆どない海中に配置された没水型の浮体に支持されるようにしてもよい)、したがって海底に支持されるものがよいが、海底に支持できない場合には、海面に浮遊・係留された海洋構造物41の位置を時々刻々検出し得るようにしておけばよい。
By the way, the
また、上記音波中継器45は海底に投下された例えば錨47に索体48を介して係留されて移動が可能であるが、大水深海域の海底付近では海流は殆どないため、静止状態とみなしても差し支えない。つまり、音波中継器45の位置は固定とみなしてよい。なお、音波中継器45を直接海底に投下・設置してもよい。
In addition, the
簡単に言えば、海洋構造物41に設けられた殆ど変動しない第1超音波送受信機42と波浪などにより変動するブイ43に設けられた第2超音波送受信機44との間の距離を、超音波を用いて計測するようにしたものであり、以下、上記計測原理に基づく波浪計測装置46について説明する。
Briefly speaking, the distance between the first ultrasonic transmitter /
この波浪計測装置46は、海洋構造物41およびブイ43に設けられた各超音波送受信機42,44と3個の音波中継器45との距離を連続的に測定することによりブイ43の変動を検出する、つまり海面の変位を検出して波浪高さを計測するものである。なお、この波浪計測装置46は、音波中継器45からの超音波の受信データがあれば、どこにおいても波浪高さを演算により求めることができる。したがって、通常、この波浪計測装置46は陸上の基地局Kに配置されるため、超音波送受信機42,44にて受信されたデータ、例えば時間データが衛星Sなどを介して基地局Kに送信されて、この基地局Kに設けられた波浪計測装置46により求められる。勿論、海洋構造物41またはブイ43側に波浪計測装置46を配置するとともに、この波浪計測装置46にて求められた波浪高さを、衛星Sを介して基地局Kなどの所定場所に送信するようにしてもよい。
The
そして、この波浪計測方法では、海洋構造物41およびブイ43に設けられた各超音波送受信機42,44と大水深海域でしかも海底または海底近傍に配置した音波中継器45との間の距離を超音波の伝播時間を用いて測定するが、その測定に際しては、海水の影響を大きく受けることになる。すなわち、超音波の速度は、海水の温度、圧力、塩分濃度により大きく変化するため、これらの変動成分を除去する必要がある。
In this wave measuring method, the distance between each of the
そこで、本実施例3では、これらの海水の影響による変動成分、つまり超音波送受信機42,44と音波中継器45との間の海水の温度、圧力および塩分濃度の分布の時間変化が長いこと、言い換えれば、この時間変化が波浪によるブイ43の上下動の周期より遥かに長いことに着目して、海水による影響を除去するようにしたものである。
Therefore, in the third embodiment, the variation due to the influence of the seawater, that is, the time change of the temperature, pressure and salinity concentration distribution of the seawater between the
具体的には、ブイ43の変動には、海水の影響による長周期変動成分と波浪による短周期変動成分とが含まれており、したがって基準となる海洋構造物41に対するブイ43の変動データから長周期変動成分を差し引くことにより、短周期変動成分を求め、そしてこの短周期変動成分の高さ方向分が波浪高さとして求められる。
Specifically, the fluctuation of the
以下、波浪高さを求める手順について詳しく説明する。
ここでは、図12に示すように、浮体構造物41に設けられている第1超音波送受信機(0)を基準点P0、ブイ43の所定位置に設けられている第2超音波送受信機(1)の設置位置を観測点P1として、また音波中継器45に付す部材番号をi(i=1,2,3)として説明する。
Hereinafter, the procedure for obtaining the wave height will be described in detail.
Here, as shown in FIG. 12, the first ultrasonic transmitter / receiver (0) provided in the floating
音波中継器i(i=1,2,3)と第2超音波送受信機である観測点P1との距離ρ1 iは下記(41)式で求められ、また音波中継器iと第1超音波送受信機である基準点P0との距離ρ0 iは下記(42)式で求められる。 The distance ρ 1 i between the sonic repeater i (i = 1, 2, 3) and the observation point P 1 which is the second ultrasonic transceiver is obtained by the following equation (41). The distance ρ 0 i to the reference point P 0 that is an ultrasonic transceiver is obtained by the following equation (42).
3)式が得られる。
3) Equation is obtained.
すなわち、基準点P0と観測点P1との相対変位ベクトルをΔ*r(*は、後に続く記号がベクトルであることを示し、以下、同じ)とし、この相対変位ベクトルの成分を(Δx01,Δy01,Δz01)とすると、下記(44)式が得られる。(44)式を上記(43)式に代入すると、下記(45)式が得られる。 That is, the relative displacement vector between the reference point P 0 and the observation point P 1 is Δ * r (* indicates that the following symbol is a vector, and the same applies hereinafter), and the component of this relative displacement vector is (Δx (01 , Δy 01 , Δz 01 ), the following equation (44) is obtained. Substituting equation (44) into equation (43) gives equation (45) below.
そして、上記(45)式を(43)式に代入すれば、下記(47)式が得られる。 Then, by substituting the above equation (45) into equation (43), the following equation (47) is obtained.
ここで、基準点P0と観測点P1との間の相対変位ベクトルΔ*r01(Δx01,Δy01,Δz01)を殆ど変動しない長周期変動成分Δ*r101(Δx101,Δy101,Δz101)と変動が大きい短周期変動成分Δ*r201(Δx201,Δy201,Δz201)とに分けると、下記(48)式のようになる。 Here, the long-period fluctuation component Δ * r1 01 (Δx1 01 , Δy1) that hardly changes the relative displacement vector Δ * r 01 (Δx 01 , Δy 01 , Δz 01 ) between the reference point P 0 and the observation point P 1. (01 , Δz1 01 ) and a short-period fluctuation component Δ * r2 01 (Δx2 01 , Δy2 01 , Δz2 01 ) having a large fluctuation, the following equation (48) is obtained.
なお、上述した「r,x,y,z」に続く数字の「1」は長周期変動成分を表わし、「r,x,y,z」に続く数字の「2」は短周期変動成分を表わしており、また以下の式中、長周期変動成分(r1,x1,y1,z1)は「ハットr」で、また短周期変動成分(r2,x2,y2,z2)は「チルダr」で示す。また、「ρ」および「φ(後述する)」についても、同様に、「1」は長周期変動成分を、「2」は短周期変動成分を表わし、式中では、長周期変動成分は「ハット」、短周期変動成分は「チルダ」で示す。 The number “1” following “r, x, y, z” described above represents a long-period fluctuation component, and the number “2” following “r, x, y, z” represents a short-period fluctuation component. Also, in the following equations, the long period fluctuation component (r1, x1, y1, z1) is “hat r”, and the short period fluctuation component (r2, x2, y2, z2) is “tilde r”. Show. Similarly, for “ρ” and “φ (to be described later)”, “1” represents a long-period fluctuation component, “2” represents a short-period fluctuation component, and the long-period fluctuation component is “ The “hat” and the short period fluctuation component are indicated by “tilde”.
そして、短周期変動成分(∇φ2)については、生の観測データ(φ0,φ1)の差(∇φ)にハイパスフィルタ処理を施す(ハイパスフィルタをかける)ことにより求められる。 The short-period fluctuation component (∇φ2) is obtained by applying a high-pass filter process (applying a high-pass filter) to the difference (∇φ) between the raw observation data (φ 0 , φ 1 ).
したがって、3個の音波中継器iにより、上記(50)式の三元一次方程式が3個(i=1,2,3)得られることになり、これら3個の三元一次連立方程式を解くことにより、短周期変動成分を求めることができる。この短周期変動成分の上記方向単位ベクトルの3つのx,y,z成分のうち、鉛直方向のz成分が波浪高さに相当する。すなわち、基準点P0および観測点P1と海底の超音波送信機iとの間の観測データの差の短周期変動成分(∇φ2)01 iが分かれば、波浪高さが求まることになる。 Therefore, three ternary linear equations (50) are obtained by three sonic repeaters i (i = 1, 2, 3), and these three ternary linear simultaneous equations are solved. Thus, the short cycle fluctuation component can be obtained. Of the three x, y, and z components of the direction unit vector of the short period fluctuation component, the vertical z component corresponds to the wave height. That is, if the short-period fluctuation component (∇φ2) 01 i of the difference in observation data between the reference point P 0 and the observation point P 1 and the ultrasonic transmitter i on the seabed is known, the wave height can be obtained. .
ところで、基準点P0および観測点P1に設けられた超音波送受信機と海底に設けられた音波中継器iとの間の距離ρiについては、音波中継器iから発信された超音波が超音波送受信機に到達するまでの片道伝播時間をti、基準音速を固定値c(実際の音速は海中で大きく変化するが、例えば平年の海面付近の温度に対応する音速値を用いても差し支えない)とすれば、下記(52)式にて求められる。 By the way, regarding the distance ρ i between the ultrasonic transmitter / receiver provided at the reference point P 0 and the observation point P 1 and the ultrasonic repeater i provided on the seabed, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic repeater i is not transmitted. The one-way propagation time to reach the ultrasonic transmitter / receiver is t i , and the reference sound speed is a fixed value c (the actual sound speed varies greatly in the sea, but for example, the sound speed value corresponding to the temperature near the sea surface in normal years may be used. If it is acceptable, it is obtained by the following equation (52).
φi=c×ti・・・(52)
そして、上記(52)式で表わされる距離データφiにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分φ1iを除去することにより、短周期変動成分φ2iが求められる。
φ i = c × t i (52)
Then, the high-pass filter process is performed on the distance data φ i represented by the above equation (52) to remove the long-period fluctuation component φ1 i, thereby obtaining the short-period fluctuation component φ2 i .
ここで、上述した波浪高さの計測を実行し得る波浪計測装置46を図13に基づき説明する。
この波浪計測装置46は、第1および第2超音波送受信機42,44から発信(発射)された超音波を音波中継器45を経由して第1および第2超音波送受信機42,44で受信するまでの片道伝播時間t0 i,t1 iを検出してブイ43と音波中継器45との距離φ0 i,φ1 iを上記(52)式に基づき演算する距離演算部51と、この距離演算部51で求められた両距離データの差(φ0 i−φ1 i)を求める差演算部52と、この差演算部52で求められた両距離データの差(∇φ)01iにハイパスフィルタ処理を施して長周期変動成分(∇φ1)01 iを除去して短周期変動成分(∇φ2)01 iを抽出する短周期変動成分抽出部53と、この短周期変動成分抽出部53で得られた短周期変動成分(∇φ2)01 iに基づき3個の音波中継器45に対して三元一次方程式を作成する方程式作成部54と、この方程式式作成部54で得られた三元一次連立方程式を解く方程式解演算部55とから構成されている。なお、少なくとも、距離演算部51、差演算部52、短周期変動成分抽出部53、方程式作成部54、方程式解演算部55などについては、プログラムによりその機能が実現されるものである。勿論、必要に応じて、各構成部は同一のプログラムに組み込まれているが、ここでは、説明を分かり易くするために、機能に応じた構成部でもって説明を行っている。
Here, a
The
次に、上記波浪計測装置46を用いて波浪高さを計測する方法を全体的な流れでもって説明する。
海洋構造物41およびブイ43に設けられた第1および第2超音波送受信機42,44から海底の音波中継器45に向けて発信された超音波が、この音波中継器45にて受信され、この受信と同時にその超音波およびその発信時刻の信号が海面に向かって発信される。
Next, a method for measuring the wave height using the
The ultrasonic waves transmitted from the first and second
この超音波は上記両超音波送受信42,44で受信されて、その片道伝播時間t0 i,t1 iが検出されると、距離演算部51にて各超音波送受信機42,44と音波中継器45との各距離データφ0 i,φ1 iがそれぞれ求められ、そしてこれら両距離データφ0 i,φ1 iが差演算部52に入力されてその差(∇φ)01 iが求められる。
The ultrasonic waves are received by the ultrasonic transmission /
次に、上記差演算部52で求められた差(∇φ)01 iが短周期変動成分抽出部53に入力され、ここで、短周期変動成分(∇φ2)01 iが抽出される。
次に、この抽出された短周期変動成分(∇φ2)01 iが方程式作成部54に入力されて3個の音波中継器45に対して上記(45)式に基づく三元一次方程式がそれぞれ作成される。
Next, the difference (∇φ) 01 i obtained by the
Next, the extracted short period fluctuation component (∇φ2) 01 i is input to the
そして、この作成された三元一次連立方程式が方程式解演算部55に入力されて、両超音波受信機42,44間における相対変位ベクトルの変位量である3つの未知数Δx01,Δy01,Δz01が求められ、そのz成分が波浪高さとして取り出される。
Then, the created ternary linear simultaneous equations are input to the equation
このように、上記波浪計測方法および波浪計測システムによると、海面に配置された海洋構造物および浮体の海面下から海中に向けて超音波を発信して海底または海底近傍に配置された音波中継器からの超音波をその発信時刻と一緒に海洋構造物および浮体に設けられた各超音波送受信機で受信して超音波の片道伝播時間を検出することにより、海洋構造物および浮体と音波中継器との距離をそれぞれ求めるとともに、この求められた両距離データの差にハイパスフィルタを施すことにより、つまり、長周期変動成分を除去して海水の影響を含まない短周期変動成分だけを抽出することにより、波浪高さを計測するようにしたので(簡単に言えば、塩分濃度や海水温の変化による音速変化がもたらす誤差フリーの計測法である)、従来のように海底に設置された超音波の送受波器から海面に向けて超音波を発信し海面で反射させて計測するものに比べて、海面の影響を受けることなく、つまり波浪が高い場合でも、波浪高さを精度良く計測することができ、したがって計測不能に陥ることも殆どない。 As described above, according to the above-described wave measuring method and wave measuring system, an ocean wave structure disposed on the sea surface and a sound wave repeater disposed on the sea floor or in the vicinity of the sea floor by transmitting ultrasonic waves from below the sea surface to the sea. By receiving ultrasonic waves from the satellite together with the transmission time at each ultrasonic transmitter / receiver provided on the ocean structure and floating body, and detecting the one-way propagation time of the ultrasound, the ocean structure and the floating body and acoustic wave repeater And the high-pass filter is applied to the difference between the obtained distance data, that is, the long-period fluctuation component is removed and only the short-period fluctuation component that does not include the influence of seawater is extracted. As a result, the wave height is measured (in short, it is an error-free measurement method caused by changes in the sound speed due to changes in salinity and seawater temperature). Compared to ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transducer installed on the seabed toward the sea surface and reflected and measured at the sea surface, the wave height is not affected by the sea surface, that is, even when the wave is high. Therefore, it is possible to measure the accuracy with high accuracy, so that the measurement is hardly lost.
1 海洋構造物
2 第1超音波受信機
3 ブイ(浮体)
4 第2超音波受信機
5 超音波送信機
6 波浪計測装置
11 距離演算部
12 差演算部
13 短周期変動成分抽出部
14 方程式作成部
15 方程式解演算部
21 海洋構造物
22 第1超音波送受信機
23 ブイ(浮体)
24 第2超音波送受信機
25 音波中継器
26 波浪計測装置
31 距離演算部
32 差演算部
33 短周期変動成分抽出部
34 方程式作成部
35 方程式解演算部
41 海洋構造物
42 第1超音波送受信機
43 ブイ(浮体)
44 第2超音波送受信機
45 音波中継器
46 波浪計測装置
51 距離演算部
52 差演算部
53 短周期変動成分抽出部
54 方程式作成部
55 方程式解演算部
1
4
24 Second ultrasonic transmitter /
44 Second ultrasonic transmitter /
Claims (6)
所定海域の海面に配置された海洋構造物および浮体の下方の海底または海底近傍に少なくとも3箇所で配置された超音波送信機から発信された超音波を、上記海洋構造物の海面下に設けられた基準となる第1超音波受信機および上記浮体の海面下に設けられた観測用の第2超音波受信機にて受信し、
上記超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づき上記超音波送信機と上記各超音波受信機との間の距離をそれぞれ求めるとともに、これら両距離データの差を求め、
上記求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出し、
上記第1超音波受信機の超音波送信機に対する方位角および俯角を係数とする上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量を未知数とする式が、上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各超音波送信機毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得ることを特徴とする超音波を用いた波浪計測方法。 A wave measurement method for measuring the height of a wave in a predetermined sea area by detecting a change in a floating body floating on the sea surface,
Ultrasonic waves transmitted from ultrasonic transmitters arranged at least at three locations on the ocean floor below the floating body or in the vicinity of the ocean floor are provided below the ocean surface of the ocean structure located on the sea surface of the predetermined sea area. Received by the first ultrasonic receiver serving as a reference and the second ultrasonic receiver for observation provided below the sea surface of the floating body,
The distance between the ultrasonic transmitter and each ultrasonic receiver is determined based on the propagation time from the transmission of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter to the reception, and the difference between these two distance data. Seeking
High-pass filter processing is performed on the difference between the two distance data obtained above to extract a short period fluctuation component,
The above-mentioned formula is extracted in which each relative displacement amount on the three-dimensional coordinate axis between the two ultrasonic receivers having coefficients of the azimuth angle and the depression angle of the first ultrasonic receiver with respect to the ultrasonic transmitter is an unknown. A ternary linear equation that is equal to the short-period fluctuation component is created for each ultrasonic transmitter, and the ternary simultaneous equation is solved to obtain at least the displacement in the height direction of the short-period fluctuation component. A wave measurement method using ultrasonic waves characterized by obtaining height.
所定海域の海面に配置された海洋構造物および浮体の下方にそれぞれ設けられた基準となる第1超音波受信機および観測用の第2超音波受信機と、
上記海洋構造物および浮体の下方の海底または海底近傍に少なくとも3箇所で配置された超音波送信機と、
上記超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づき上記超音波送信機と上記各超音波受信機との間の距離を求めることにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
上記超音波送信機から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づき上記超音波送信機と上記各超音波受信機との間の距離をそれぞれ求める距離演算部、この距離演算部で求められた両距離データの差を求める差演算部、この差演算部で求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出する短周期変動成分抽出部、および上記第1超音波受信機の超音波送信機に対する方位角および俯角を係数とする上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量を未知数とする式が、上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各超音波送信機毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したことを特徴とする超音波を用いた波浪計測システム。 A wave measurement system that measures the height of waves in a predetermined sea area by detecting changes in floating bodies floating on the sea surface,
A first ultrasonic receiver serving as a reference and a second ultrasonic receiver for observation, which are provided below a floating structure and an offshore structure disposed on the surface of a predetermined sea area,
An ultrasonic transmitter disposed at least at three locations on or near the seabed below the offshore structure and floating body;
Waves that measure the wave height by determining the distance between the ultrasonic transmitter and each ultrasonic receiver based on the propagation time from the transmission of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter to reception. A measuring device,
The above wave measuring device
A distance calculation unit for determining a distance between the ultrasonic transmitter and each ultrasonic receiver based on a propagation time from transmission of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter to reception thereof, and the distance calculation unit A difference calculation unit for obtaining a difference between the two distance data obtained in step 1, a short cycle fluctuation component extracting unit for extracting a short cycle fluctuation component by performing a high-pass filter process on the difference between the two distance data obtained by the difference calculation unit, and The above-mentioned formula is extracted in which each relative displacement amount on the three-dimensional coordinate axis between the two ultrasonic receivers having coefficients of the azimuth angle and the depression angle of the first ultrasonic receiver with respect to the ultrasonic transmitter is an unknown. A ternary linear equation that is equal to the short-period fluctuation component is created for each ultrasonic transmitter, and the ternary simultaneous equation is solved to obtain at least the displacement in the height direction of the short-period fluctuation component. Wave measurement system using ultrasonic waves, characterized by being configured from a short cycle fluctuation component calculation section for obtaining a of.
所定海域の海面に配置された海洋構造物および浮体の海面下にそれぞれ設けられた基準となる第1超音波送受信機および観測用の第2超音波送受信機から海中に超音波を発信してこれらの下方の海底または海底近傍に少なくとも3箇所で配置された音波中継器からの超音波を上記各超音波送受信機にて受信し、
上記超音波送受信機から発信された超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離をそれぞれ求めるとともに、これら両距離データの差を求め、
上記求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出し、
上記第1超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量を未知数とする式が、上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得ることを特徴とする超音波を用いた波浪計測方法。 A wave measurement method for measuring the height of a wave in a predetermined sea area by detecting a change in a floating body floating on the sea surface,
Ultrasonic waves are transmitted into the sea from the first ultrasonic transmitter / receiver and the second ultrasonic transmitter / receiver for observation, which are provided below the surface of the marine structure and floating body placed on the surface of the predetermined sea area. Receiving the ultrasonic waves from the sonic repeaters arranged at least at three locations on the seabed below or near the seabed by each of the ultrasonic transceivers,
The distance between the ultrasonic repeater and each ultrasonic transmitter / receiver is determined based on the round-trip propagation time from the transmission of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter / receiver to the reception thereof, and the difference between these two distance data Seeking
High-pass filter processing is performed on the difference between the two distance data obtained above to extract a short period fluctuation component,
An expression in which the relative displacements on the three-dimensional coordinate axis between the two ultrasonic receivers with the coefficients of the azimuth angle and the depression angle of the first ultrasonic transmitter / receiver as a coefficient is an unknown is extracted. Create a ternary linear equation equal to the periodic fluctuation component for each sonic repeater, and solve this ternary linear equation to obtain at least the displacement in the height direction of the short periodic fluctuation component to determine the wave height A method of measuring waves using ultrasonic waves, characterized in that
所定海域の海面に配置された海洋構造物および浮体の下方にそれぞれ設けられた基準となる第1超音波送受信機および観測用の第2超音波送受信機と、
上記海洋構造物および浮体の下方の海底または海底近傍に少なくとも3箇所で配置された音波中継器と、
上記超音波送受信機から発信された超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離を求めることにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
上記超音波送受信機から発信された超音波の発信から受信するまでの往復伝播時間に基づき上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離をそれぞれ求める距離演算部、この距離演算部で求められた両距離データの差を求める差演算部、この差演算部で求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分をそれぞれ抽出する短周期変動成分抽出部、および上記第1超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量を未知数とする式が、上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したことを特徴とする超音波を用いた波浪計測システム。 A wave measurement system that measures the height of waves in a predetermined sea area by detecting changes in floating bodies floating on the sea surface,
A first ultrasonic transmitter / receiver serving as a reference and a second ultrasonic transmitter / receiver for observation, which are provided below a marine structure and a floating body disposed on the surface of a predetermined sea area;
Acoustic repeaters disposed at least at three locations on or near the bottom of the ocean structure and floating body;
Waves for measuring the wave height by determining the distance between the sound wave repeater and each of the ultrasonic wave transmitters / receivers based on the round-trip propagation time from transmission of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave transmitter / receiver to reception. A measuring device,
The above wave measuring device
A distance calculation unit for determining a distance between the sound wave repeater and each of the ultrasonic transmitters / receivers based on a round-trip propagation time from transmission of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter / receiver to reception thereof, and the distance calculation unit The difference calculation unit for calculating the difference between the two distance data obtained in step 1, and the short cycle fluctuation component extracting unit for extracting the short period fluctuation component by performing high-pass filter processing on the difference between the two distance data obtained by the difference calculation unit. , And the above-mentioned formulas using the relative displacements on the three-dimensional coordinate axis between the two ultrasonic receivers with the azimuth angle and the depression angle of the first ultrasonic transmitter / receiver as the coefficients relative to the sound wave repeater as the coefficients are extracted as described above. A ternary linear equation that is equal to the short-period fluctuation component is created for each sonic repeater, and at least the height of the short-period fluctuation component is solved by solving the ternary simultaneous equation. Wave measurement system using ultrasonic waves, characterized in that the displacement of seeking consist of short-period fluctuation component calculation section for obtaining the wave height.
所定海域の海面に配置された海洋構造物および浮体の海面下にそれぞれ設けられた基準となる第1超音波送受信機および観測用の第2超音波送受信機から海中に超音波を発信し、
これら超音波送受信機の下方の海底または海底近傍に少なくとも3箇所で配置された音波中継器にて中継された超音波および中継時刻を上記各超音波送受信機にて受信して当該音波中継器からの伝播時間に基づき音波中継器と各超音波送受信機との間の距離をそれぞれ求めるとともに、これら両距離データの差を求め、
上記求められた両距離データの差にハイパスフィルタ処理を施して短周期変動成分を抽出し、
上記第1超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量を未知数とする式が、上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得ることを特徴とする超音波を用いた波浪計測方法。 A wave measurement method for measuring the height of a wave in a predetermined sea area by detecting a change in a floating body floating on the sea surface,
Transmitting ultrasonic waves into the sea from the first ultrasonic transmitter / receiver and the second ultrasonic transmitter / receiver for observation, which are provided below the surface of the ocean structure and floating body arranged on the surface of the predetermined sea area,
The ultrasonic waves and relay times relayed by the ultrasonic wave relays arranged at least at three locations on the seabed or near the seabed below these ultrasonic wave transceivers are received by the ultrasonic wave transmitters and received from the ultrasonic wave relays. The distance between the sonic repeater and each ultrasonic transmitter / receiver is determined based on the propagation time of each, and the difference between these two distance data is determined,
High-pass filter processing is performed on the difference between the two distance data obtained above to extract a short period fluctuation component,
An expression in which the relative displacements on the three-dimensional coordinate axis between the two ultrasonic receivers with the coefficients of the azimuth angle and the depression angle of the first ultrasonic transmitter / receiver as a coefficient is an unknown is extracted. Create a ternary linear equation equal to the periodic fluctuation component for each sonic repeater, and solve this ternary linear equation to obtain at least the displacement in the height direction of the short periodic fluctuation component to determine the wave height A method of measuring waves using ultrasonic waves, characterized in that
所定海域の海面に配置された海洋構造物および浮体の下方にそれぞれ設けられた基準となる第1超音波送受信機および観測用の第2超音波送受信機と、
上記海洋構造物および浮体の下方の海底または海底近傍に少なくとも3箇所で配置されて上記超音波送受信機からの超音波を中継して当該超音波および中継時刻を一緒に発信する音波中継器と、
上記音波中継器から発信された超音波の発信から受信するまでの伝播時間に基づき上記各音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離を求めることにより波浪高さを計測する波浪計測装置とを具備し、
上記波浪計測装置を、
上記音波中継器から発信された超音波および中継時刻を受信して当該音波中継器からの伝播時間に基づき上記音波中継器と上記各超音波送受信機との間の距離を求める距離演算部、この距離演算部で求められた両距離データの差を求める差演算部、この差演算部で求められた両距離データの差に対してハイパスフィルタ処理を施すことにより短周期変動成分をそれぞれ抽出する短周期変動成分抽出部、および上記第1超音波送受信機の音波中継器に対する方位角および俯角を係数とする上記両超音波受信機間における三次元座標軸上での各相対変位量を未知数とする式が、上記抽出された短周期変動成分に等しくなるようにした三元一次方程式を各音波中継器毎に作成するとともに、この三元一次連立方程式を解いて少なくとも短周期変動成分の高さ方向の変位を求めて波浪高さを得る短周期変動成分演算部から構成したことを特徴とする超音波を用いた波浪計測システム。 A wave measurement system that measures the height of waves in a predetermined sea area by detecting changes in floating bodies floating on the sea surface,
A first ultrasonic transmitter / receiver serving as a reference and a second ultrasonic transmitter / receiver for observation, which are provided below a marine structure and a floating body disposed on the surface of a predetermined sea area;
A sonic repeater that is disposed at least at three locations on the seabed or near the seafloor below the offshore structure and floating body and relays the ultrasonic waves from the ultrasonic transceiver to transmit the ultrasonic waves and the relay time together;
Wave measurement that measures the wave height by determining the distance between each of the sound wave repeaters and each of the ultrasonic wave transmitters / receivers based on the propagation time from transmission of the ultrasonic wave transmitted from the sound wave repeater to reception. A device,
The above wave measuring device
A distance calculator that receives the ultrasonic wave transmitted from the sonic repeater and the relay time and obtains a distance between the sonic repeater and each ultrasonic transceiver based on a propagation time from the sonic repeater; A difference calculation unit that calculates the difference between the two distance data obtained by the distance calculation unit, and a short-cycle fluctuation component that is extracted by performing high-pass filter processing on the difference between the two distance data obtained by the difference calculation unit. An expression in which each relative displacement amount on the three-dimensional coordinate axis between the two ultrasonic receivers with coefficients of the azimuth angle and the depression angle with respect to the sound wave repeater of the periodic fluctuation component extraction unit and the first ultrasonic transmitter / receiver is an unknown Is created for each sonic repeater so as to be equal to the extracted short-period fluctuation component, and at least a short-period fluctuation component is solved by solving this ternary simultaneous equation. Wave measurement system using ultrasonic waves, characterized by being configured from a short cycle fluctuation component calculation section for obtaining a wave height seeking of the height direction displacement.
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