JP2934564B2 - Wave characteristic extraction device - Google Patents
Wave characteristic extraction deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、高速艇をはじめとする
船舶や海洋構造物から、波浪を計測するのに適用され
る、波浪特性抽出装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wave characteristic extracting apparatus which is used for measuring waves from ships and marine structures including high-speed boats.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、船舶の波浪計測は船首に取付けら
れた波高計によって時系列の波高データを計測すること
により行なわれていた。2. Description of the Related Art Conventionally, wave measurement on a ship has been performed by measuring time-series wave height data with a wave height meter attached to a bow.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ような従来の波浪計測手段では、波浪データが波高計に
よって計測された時系列の波高データのみであるため波
浪の特性を見分けるのが困難になるという問題点があ
る。すなわち、例えば、波浪の有義波高や、平均波周波
数を正確に求めることが困難である。なお、有義波高お
よび平均波周波数とは、20分間の波高記録におけるすべ
ての波を波高順に選び出し、波高の大きいものから1/3
の波をとり出してその波高および周波数を平均したもの
である。本発明は、上述の問題点の解消をはかろうとす
るもので、船首に取付けられた上下加速度センサおよび
波高計からの計測データに基づき、有義波高、平均波周
波数およびスペクトラムピーク周波数を演算して、波浪
特性の抽出を行えるようにした波浪特性抽出装置を提供
することを目的とする。However, in the conventional wave measuring means as described above, since the wave data is only the time-series wave height data measured by the wave height meter, it is difficult to distinguish the characteristics of the wave. There is a problem. That is, for example, it is difficult to accurately determine the meaningful wave height of a wave and the average wave frequency. In addition, the significant wave height and the average wave frequency are selected from all waves in the wave height record for 20 minutes in order of wave height, and the wave height is increased by 1/3
And averaged the wave height and frequency. The present invention seeks to solve the above-described problems, and calculates a significant wave height, an average wave frequency, and a spectrum peak frequency based on measurement data from a vertical acceleration sensor and a wave height meter attached to a bow. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a wave characteristic extracting device capable of extracting wave characteristics.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明の波浪特性抽出装置は、船首に取付けられた
上下加速度センサおよび波高計と、上記上下加速度セン
サからの検出信号に基づき船首の上下変位を演算する船
首変位演算装置と、同船首変位演算装置からの出力信号
と上記波高計からの出力信号とを受けて絶対波高を演算
する絶対波高演算装置と、同絶対波高演算装置からの出
力信号を一定時間蓄積してパワースペクトラムを演算す
るパワースペクトラム演算装置と、自船の方位から波向
を設定することにより波出会い角を演算する波出会い角
演算装置と、同波出会い角演算装置で演算された出会い
角を用いて、上記パワースペクトラム演算装置から得ら
れた出会い周波数ベースのパワースペクトラムを波周波
数ベースに変換するスペクトラム変換演算装置と、同ス
ペクトラム変換演算装置からの出力信号を受けて有義波
高および平均波周波数を同定する有義波高・平均波周波
数同定演算装置と同有義波高・平均波周波数同定演算装
置からの出力信号に基づき平均波々長，スペクトラムピ
ークの波長および周波数を演算する最終演算装置とをそ
なえて構成されたことを特徴としている。In order to achieve the above-mentioned object, a wave characteristic extracting apparatus according to the present invention comprises a vertical acceleration sensor and a wave height meter mounted on a bow, and a bow based on a detection signal from the vertical acceleration sensor. A bow displacement calculating device that calculates the vertical displacement of the ship; an absolute wave height calculating device that receives an output signal from the bow displacement calculating device and an output signal from the wave height meter to calculate an absolute wave height; and A power spectrum calculator that accumulates the output signal of the ship for a certain period of time to calculate the power spectrum, a wave encounter angle calculator that calculates the wave encounter angle by setting the wave direction from the direction of the ship, and a wave encounter angle calculation Using the encounter angle calculated by the device, the encounter frequency-based power spectrum obtained from the power spectrum calculator is converted into a wave frequency base. A spectrum conversion operation device, a significant wave height / average wave frequency identification operation device for receiving a signal output from the spectrum conversion operation device and identifying a significant wave height and an average wave frequency, and a meaningful wave height / average wave frequency identification operation device And a final arithmetic unit for calculating the average wave length, the wavelength and frequency of the spectrum peak based on the output signal from the control unit.
【０００５】[0005]
【作用】前述の本発明の波浪特性抽出装置では、まず船
首変位演算装置により、船首に取付けられた上下加速度
センサからの検出信号に基づき船首の上下変位を演算す
る作用が行なわれる。そして、絶対波高演算装置が上記
船首変位演算装置からの出力信号と波高計からの出力信
号とを受けて絶対波高を演算するとともに、パワースペ
クトラム演算装置により上記絶対波高演算装置からの出
力信号を一定時間蓄積してパワースペクトラムを演算す
る作用が行なわれる。In the above-mentioned wave characteristic extracting apparatus of the present invention, first, the bow displacement calculating device performs the function of calculating the vertical displacement of the bow based on the detection signal from the vertical acceleration sensor attached to the bow. The absolute wave height calculating device receives the output signal from the bow displacement calculating device and the output signal from the wave height meter to calculate the absolute wave height, and the power spectrum calculating device keeps the output signal from the absolute wave height calculating device constant. The operation of accumulating time and calculating the power spectrum is performed.
【０００６】また、波出会い角演算装置により、自船の
方位から波向を設定して波出会い角を演算するととも
に、スペクトラム変換演算装置により、上記波出会い角
を用いて上記のパワースペクトラム演算装置から得られ
た出会い周波数ベースのパワースペクトラムを波周波数
ベースに変換する作用が行なわれる。さらに、有義波高
・平均波周波数同定演算装置により、波周波数ベースの
パワースペクトラムから有義波高および平均周波数を同
定するとともに、最終演算装置により、上記の有義波高
および平均波周波数から、平均波波長とスペクトラムピ
ークの波長および周波数とを演算する作用が行なわれ
る。A wave encounter angle calculation device calculates a wave encounter angle by setting a wave direction from the azimuth of the own ship, and a spectrum conversion calculation device uses the above wave encounter angle to calculate the power spectrum calculation device. The function of converting the encounter frequency based power spectrum obtained from the above to the wave frequency base is performed. Furthermore, the significant wave height / average wave frequency identification arithmetic unit identifies the significant wave height and average frequency from the wave frequency-based power spectrum, and the final arithmetic unit determines the mean wave height and average wave frequency from The operation of calculating the wavelength and the wavelength and frequency of the spectrum peak is performed.
【０００７】[0007]
【実施例】以下、図面により本発明の一実施例としての
波浪特性抽出装置について説明すると、図１はその構成
図、図２はその演算の流れ図、図３は不規則波のスペク
トラム図を示す。図１に示すように、本実施例の波浪特
性抽出装置は、船首に取付けられた上下加速度センサ１
および波高計２をそなえている。そして、上下加速度セ
ンサ１からの検出信号に基づき船首の上下変位を演算す
る船首変位演算装置３と、同船首変位演算装置３からの
出力信号と波高計２からの出力信号とを受けて絶対波高
を演算する絶対波高演算装置４とが設けられている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A description will now be given, with reference to the drawings, of a wave characteristic extracting apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a block diagram of the apparatus, FIG. . As shown in FIG. 1, a wave characteristic extracting apparatus according to the present embodiment includes a vertical acceleration sensor 1 attached to a bow.
And a wave height meter 2. A bow displacement calculator 3 for calculating the vertical displacement of the bow based on the detection signal from the vertical acceleration sensor 1, and an output signal from the bow displacement calculator 3 and an output signal from the wave height meter 2 to receive the absolute wave height Is calculated.
【０００８】また、絶対波高演算装置４からの出力信号
を一定時間蓄積してパワースペクトラムを演算するパワ
ースペクトラム演算装置５と、自船の方位から波向を設
定することにより波出会い角を演算する波出会い角演算
装置６とがそなえられ、同波出会い角演算装置６で演算
された波出会い角を用いて、パワースペクトラム演算装
置５から得られた出会い周波数ベースのパワースペクト
ラムを波周波数ベースに変換するスペクトラム変換演算
装置７が装備されている。さらに、スペクトラム変換演
算装置７からの出力信号を受けて有義波高および平均波
周波数を同定する有義波高・平均波周波数同定演算装置
８と、同有義波高・平均波周波数で同定演算装置８から
の出力信号に基づき、平均波波長とスペクトラムピーク
の波長および周波数とを演算する最終演算装置９とがそ
なえられている。以上の構成により、本実施例の波浪特
性抽出装置は、図２に示すように、次のような作用が行
なわれる。A power spectrum calculating device 5 for accumulating output signals from the absolute wave height calculating device 4 for a certain period of time to calculate a power spectrum, and calculating a wave encounter angle by setting a wave direction from an azimuth of the own ship. A wave encounter angle calculation device 6 is provided, and the encounter frequency base power spectrum obtained from the power spectrum calculation device 5 is converted into a wave frequency base using the wave encounter angle calculated by the wave encounter angle calculation device 6. A spectrum conversion operation device 7 is provided. Further, a significant wave height / average wave frequency identification calculating device 8 which receives an output signal from the spectrum conversion calculating device 7 and identifies a significant wave height and an average wave frequency, and an identification calculating device 8 based on the significant wave height / average wave frequency And a final arithmetic unit 9 for calculating the average wave wavelength and the wavelength and frequency of the spectrum peak based on the output signal from the CPU. With the above configuration, the wave characteristic extraction device of the present embodiment performs the following operation as shown in FIG.
【０００９】まず、船首変位演算装置３において、上下
加速度センサ１から得られる上下加速度を２回積分し
て、船首部の上下変位Ｚが［数１］式に示すように演算
される。First, in the bow displacement calculating device 3, the vertical acceleration obtained from the vertical acceleration sensor 1 is integrated twice, and the vertical displacement Z of the bow is calculated as shown in the equation (1).
【数１】 絶対波高演算装置４では、波高計から得られる相対波高
ｈRから、［数２］式により絶対波高ｈAが演算される。(Equation 1) The absolute wave height calculating device 4 calculates the absolute wave height h A from the relative wave height h R obtained from the wave height meter by the equation (2).
【数２】ｈA＝ｈR−Ｚ パワースペクトラム演算装置５では、まず［数２]式で
求められる絶対波高ｈAをＮ回蓄積し、［数３］式およ
び［数４］式に従って、ｈAの平均値、同平均値からの
変動分ｈi(ｉ＝１〜Ｎ)が演算される。なお、ｈAi(ｉ＝
１〜Ｎ)は、Ｎ回目蓄積されて絶対波高を示す。H A = h R −Z The power spectrum calculator 5 first accumulates the absolute wave height h A obtained by the equation (2) N times, and according to the equations (3) and (4), mean values of h a, variation hi from the average value (i = 1 to N) is calculated. Note that h Ai (i =
1 to N) indicate the absolute wave height accumulated N times.
【数３】 (Equation 3)
【数４】 (Equation 4)
【００１０】そして、［数５］式および［数６］式に従
ってパワースペクトラムが演算される。Then, the power spectrum is calculated according to the equations (5) and (6).
【数５】 (Equation 5)
【数６】 さらに、スペクトラム変換演算装置７では出会い周波数
ベースで計算された絶対波高データを波周波数ベースに
変換する作用が行なわれる。出会い周波数ωeと波周波
数ωとの関係は次の［数７］式〜［数９］式で与えられ
る。(Equation 6) Further, the spectrum conversion operation device 7 performs an operation of converting the absolute peak data calculated on the basis of the encounter frequency into the wave frequency base. The relationship between the encounter frequency ω e and the wave frequency ω is given by the following equations (7) to (9).
【数７】ωe＝｜ω−ｋＵcosｘ｜Ω e = | ω−kUcosx |
【数８】 (Equation 8)
【数９】 ここで、Ｕは前進速度、ｋは波数、ｘは出会い角であ
る。(Equation 9) Here, U is the forward speed, k is the wave number, and x is the meeting angle.
【００１１】［数７］式〜［数９］式より、ωとωeと
の関係は次の［数10］式〜［数14］式のように表わされ
る。 (1) Ｕcosｘ＜０のときFrom the equations [7] to [9], the relationship between ω and ω e is represented by the following equations [10] to [14]. (1) When Ucosx <0
【数10】 ただし O≦ωe (2) Ｕcosｘ＝０のとき[Equation 10] Where O ≦ ω e (2) When Ucosx = 0
【数11】ω＝ωe ただし O≦ωe (3) Ｕcosｘ＞０のとき [Equation 11] ω = ω e where O ≦ ω e (3) When Ucosx> 0
【数12】 ただし (Equation 12) However
【００１２】(4) 同じく、Ｕcosｘ＞０のとき (4) Similarly, when Ucosx> 0
【数13】 ただし (5) 同じく、Ｕcosｘ＞０のとき (Equation 13) However (5) Similarly, when Ucosx> 0
【数14】 ただし ０≦ωe [Equation 14] Where 0 ≦ ω e
【００１３】また、波のスペクトラムをＳ(ω)とすると
き、エネルギー累積関数Ｓ(ω)は［数15］式で与えられ
る。When the spectrum of a wave is S (ω), the energy accumulation function S (ω) is given by Equation (15).
【数15】 出会い周波数ベースのスペクトラムをＳe(ωe)とし、
［数15］式の両辺を微分するとＳe(ωe)は次の［数16］
式で表される。(Equation 15) Let the encounter frequency-based spectrum be S e (ω e ),
Differentiating both sides of [Equation 15], S e (ω e ) becomes the following [Equation 16]
It is expressed by an equation.
【数16】 ［数10］式〜［数14］式および［数16］より、Ｓ(ω)と
Ｓ(ωe)は［数17］式により変換される。(Equation 16) From Equations (10) to (14) and Equation (16), S (ω) and S (ω e ) are converted by Equation (17).
【数17】 このような変換によりスペクトラム変換演算装置７では
出会い周波数ベースのスペクトラムが波周波数ベースに
変換される。[Equation 17] By such a conversion, the spectrum based on the encounter frequency is converted into the wave frequency base in the spectrum conversion arithmetic unit 7.
【００１４】波のエネルギー密度は、一般に修正ピアソ
ン・モスコビッツ（Pierson-Mosko-witz）型スペクトラ
ムが用いられ、［数18］式で表される。このスペクトラ
ム形状を図３に示す。The energy density of a wave is generally expressed by the following equation (18) using a modified Pierson-Mosko-Witz spectrum. FIG. 3 shows the spectrum shape.
【数18】 ここで、ａ＝0.11，ｂ＝0.44，ＨVは有義波高、ωvは平
均波周波数である。エネルギー分布関数Ｓ(ω)は［数1
5］式より、(Equation 18) Here, a = 0.11, b = 0.44, H V is a significant wave height, and ω v is an average wave frequency. The energy distribution function S (ω) is [Equation 1
5] From the formula,
【数19】 となり、［数19］式の両辺の対数をとると［数20］式が
得られる。(Equation 19) And taking the logarithm of both sides of [Equation 19] gives [Equation 20].
【数20】 ここで、ｙ＝logＳ(ω)，ｘ＝ω-4，Ａ＝−ｂωv 4 と置
き、さらに と置くと、［数20］式は［数21］式のような直線の式と
なる。(Equation 20) Here, y = logS (ω), x = ω -4, placed between A = -bω v 4, further Equation [20] is a straight line equation like Equation [21].
【数21】у＝Ａｘ＋Ｂ[Equation 21] у = Ax + B
【００１５】［数21］式のＡ，Ｂを荷重係数付最小二乗
法により決定する。有義波高Ｈv、平均波周波数ωvは
［数22］式，［数23］式のように与えられる。A and B in the equation (21) are determined by the least squares method with a load coefficient. Significant wave height Hv, the average wave frequency omega v is [number 22] equation is given as [Equation 23] Equation.
【数22】 [Equation 22]
【数23】 有義波高・平均波周波数同定演算装置８は、以上のよう
な［数18］式〜(23)の演算により、有義波高Ｈv、平均
波周波数ωvが求められる。さらに、スペクトラムピー
ク周波数ωH、平均波波長λv，スペクトラムピーク波長
λHは以下の[数24］〜［数26］式で与えられる。[Equation 23] Significant wave height, average pulse frequency identification calculation unit 8, by the calculation of the number 18] formula ~ (23) described above, the significant wave height Hv, the average wave frequency omega v is determined. Further, the spectrum peak frequency ω H , the average wave wavelength λv, and the spectrum peak wavelength λ H are given by the following [Equation 24] to [Equation 26].
【００１６】[0016]
【数24】 [Equation 24]
【数25】 [Equation 25]
【数26】 最終演算装置９では以上の［数24］式［数26］式に基づ
いて平均波波長、スペクトラムピーク波長およびスペク
トラムムピーク周波数が演算される。このようにして本
実施例の波浪特性抽出装置によれば、従来得られなかっ
た有義波高、平均波周波数が得られるため、不規則波の
特性データを正確かつ容易に得ることができるので、船
舶における波浪観測や波浪による動揺の抑制を行なうこ
とができる。[Equation 26] The final arithmetic unit 9 calculates the average wave wavelength, the spectrum peak wavelength, and the spectrum peak frequency based on the above [Equation 24] and [Equation 26]. In this way, according to the wave characteristic extraction device of the present embodiment, a significant wave height and an average wave frequency, which have not been obtained conventionally, can be obtained, so that the characteristic data of the irregular wave can be obtained accurately and easily. Wave observation on a ship and suppression of sway due to waves can be performed.
【００１７】[0017]
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の波浪特性
抽出装置によれば、従来得られなかった波浪の有義波高
および平均周波数が得られるため、不規則波の特性デー
タを正確かつ容易に得られるようになって、波浪観測や
波浪による動揺抑制等操船上の情報として利用できると
いう効果が得られる。As described above in detail, according to the wave characteristic extracting apparatus of the present invention, since the significant wave height and the average frequency of the wave which could not be obtained conventionally can be obtained, the characteristic data of the irregular wave can be accurately and accurately obtained. It is possible to easily obtain the information, and obtain the effect that it can be used as information on ship maneuvering such as wave observation and suppression of sway due to the wave.
【図１】本発明の一実施例としての波浪特性抽出装置の
構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a wave characteristic extraction device as one embodiment of the present invention.
【図２】図１の波浪特性抽出装置における演算の流れ図
である。FIG. 2 is a flowchart of a calculation in the wave characteristic extracting device of FIG. 1;
【図３】図１の波浪特性抽出装置に係わる不規則波のス
ペクトラム図である。FIG. 3 is a spectrum diagram of an irregular wave related to the wave characteristic extracting device of FIG. 1;
１ 上下加速度センサ ２ 波高計 ３ 船首変位演算装置 ４ 絶対波高演算装置 ５ パワースペクトラム演算装置 ６ 波出会い角設定装置 ７ スペクトラム変換演算装置 ８ 有義波高・平均波周波数同定演算装置 ９ 最終演算装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vertical acceleration sensor 2 Crest gauge 3 Bow displacement calculating device 4 Absolute peak height calculating device 5 Power spectrum calculating device 6 Wave encounter angle setting device 7 Spectrum conversion calculating device 8 Significant wave height / average wave frequency identifying calculating device 9 Final calculating device
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01D 21/00 G01C 13/00 B63B 39/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) G01D 21/00 G01C 13/00 B63B 39/00
Claims (1)
よび波高計と、上記上下加速度センサからの検出信号に
基づき船首の上下変位を演算する船首変位演算装置と、
同船首変位演算装置からの出力信号と上記波高計からの
出力信号とを受けて絶対波高を演算する絶対波高演算装
置と、同絶対波高演算装置からの出力信号を一定時間蓄
積してパワースペクトラムを演算するパワースペクトラ
ム演算装置と、自船の方位から波向を設定することによ
り波出会い角を演算する波出会い角演算装置と、同波出
会い角演算装置で演算された波出会い角を用いて、上記
パワースペクトラム演算装置から得られた出会周波数ベ
ースのパワースペクトラムを波周波数ベースに変換する
スペクトラム変換演算装置と、同スペクトラム変換演算
装置からの出力信号を受けて有義波高および平均波周波
数を同定する有義波高・平均波周波数同定演算装置と、
同有義波高・平均波周波数同定演算装置からの出力信号
に基づき平均波々長，スペクトラムピークの波長および
周波数を演算する最終演算装置とをそなえて構成された
ことを特徴とする、波浪特性抽出装置。A vertical displacement sensor for calculating a vertical displacement of a bow based on a detection signal from the vertical acceleration sensor and a wave height meter attached to the bow;
An absolute wave height calculating device that receives an output signal from the bow displacement calculating device and an output signal from the wave height meter to calculate an absolute wave height, and accumulates an output signal from the absolute wave height calculating device for a certain period of time to obtain a power spectrum. Using a power spectrum computing device to calculate, a wave encounter angle computing device to calculate a wave encounter angle by setting a wave direction from the direction of the own ship, and a wave encounter angle computed by the same wave encounter angle computing device, A spectrum conversion operation device that converts the encounter frequency-based power spectrum obtained from the power spectrum operation device to a wave frequency base, and receives a signal output from the spectrum conversion operation device to identify a significant wave height and an average wave frequency. A significant wave height / average wave frequency identification calculating device,
Wave characteristic extraction characterized by comprising a final arithmetic unit for calculating an average wave length, a wavelength and a frequency of a spectrum peak based on an output signal from the same significant wave height / average wave frequency identification arithmetic unit. apparatus.
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| JP8152693A JP2934564B2 (en) | 1993-03-16 | 1993-03-16 | Wave characteristic extraction device |
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|---|---|
| JPH06273198A JPH06273198A (en) | 1994-09-30 |
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| JP8152693A Expired - Lifetime JP2934564B2 (en) | 1993-03-16 | 1993-03-16 | Wave characteristic extraction device |
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-
1993
- 1993-03-16 JP JP8152693A patent/JP2934564B2/en not_active Expired - Lifetime
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