波高計測方法及び装置

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【発明の名称】	波高計測方法及び装置
【発明者】	【氏名】後川理
【要約】	【課題】計測波面を容易に特定し得て精度良く計測を行うことができ、しかも、夜間や暗闇での計測も可能にした波高計測方法及び装置を提供する。【解決手段】一対のレーザ発振器１，１から可視レーザ光Ｌ，Ｌを波面Ｗに向け交差するように照射し、両レーザ発振器１，１を俯仰動作させることにより交差点Ｐ₁を波面Ｗの上下変化より早く上下方向に走査して波面Ｗを識別し、これによって、識別される波面Ｗの上下位置の時間変化を時刻と共にビデオカメラ２で画像に記録し、その記録した画像データに基づき画面上での波面Ｗの上下位置を実空間座標に変換した座標値の点列データを求め、この点列データから波高及び波長を計測する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】定点から可視レーザ光を波面に向け照射し、その可視レーザ光を波面の上下変化より早く上下方向に走査して波面を識別し、これによって、識別される波面の上下位置の時間変化を時刻と共に画像に記録し、その記録した画像データに基づき画面上での波面の上下位置を実空間座標に変換した座標値の点列データを求め、この点列データから波高及び波長を計測することを特徴とする波高計測方法。
【請求項２】可視レーザ光を波面に向け照射し且つその可視レーザ光を上下方向に所定の周期で走査し得るよう俯仰するレーザ発振器と、該レーザ発振器からの可視レーザ光の照射により識別される波面の上下位置の時間変化を時刻と共に撮像する撮像装置と、該撮像装置により撮像された画像データに基づき画面上での波面の上下位置を実空間座標に変換した座標値の点列データを求めて該点列データから波高及び波長を計測する演算装置とを備えたことを特徴とする波高計測装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、可視レーザ光を用いた非接触式の波高計測方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来において、波の高さ及び波長を計測する手段としては、例えば、波面の直上位置から垂直にレーザ光またはマイクロ波を照射し、その反射波が戻ってくるまでの時間に基づいて波面までの距離を計測することにより波面の時間変化を計測する方法や、ステレオカメラによる二つの異なる位置の画像から計測波面を特定して波面の時間変化を計測する方法などが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者のようにレーザ光またはマイクロ波により計測を行う場合には、波面の直上位置に計測装置を配置しなければならなかった為、この計測装置を海上に張り出して支持する支持体に反射した波が計測位置の波面に影響を及ぼし易く、計測誤差が生じ易いという不具合があった。
【０００４】また、ステレオカメラにより画像計測を行う場合にあっては、特長の少ない二つの波の画像から計測波面を特定することが困難である為に計測精度に問題があり、しかも、夜間や暗闇での計測が不可能であるという不具合もあった。
【０００５】本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、計測波面を容易に特定し得て精度良く計測を行うことができ、しかも、夜間や暗闇での計測も可能にした波高計測方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、定点から可視レーザ光を波面に向け照射し、その可視レーザ光を波面の上下変化より早く上下方向に走査して波面を識別し、これによって、識別される波面の上下位置の時間変化を時刻と共に画像に記録し、その記録した画像データに基づき画面上での波面の上下位置を実空間座標に変換した座標値の点列データを求め、この点列データから波高及び波長を計測することを特徴とする波高計測方法、に係るものである。
【０００７】このような波高計測方法によれば、定点から照射される可視レーザ光を、その照射方向に対し交差する所定方向から画像に記録することにより、実空間座標に任意点を特定することが可能となり、前記可視レーザ光を波面の上下変化より早く上下方向に走査させると、空気と水の屈折率の差により可視レーザ光の輝度などが波面に対し出没する位置で大きく変化するので、これによって、波面の位置が可視レーザ光の映像的な変化として特定されることになる。
【０００８】そして、このような可視レーザ光の映像的な変化として識別される波面の上下位置の時間変化を時刻と共に画像に記録し、その記録した画像データに基づき画面上での波面の上下位置を実空間座標に変換して座標値の点列データを求めると、この点列データの最大値が波高として得られ、ある最大値から次の最大値までの間の時間差が波長として得られる。
【０００９】また、本発明は、可視レーザ光を波面に向け照射し且つその可視レーザ光を上下方向に所定の周期で走査し得るよう俯仰するレーザ発振器と、該レーザ発振器からの可視レーザ光の照射により識別される波面の上下位置の時間変化を時刻と共に撮像する撮像装置と、該撮像装置により撮像された画像データに基づき画面上での波面の上下位置を実空間座標に変換した座標値の点列データを求めて該点列データから波高及び波長を計測する演算装置とを備えたことを特徴とする波高計測装置、にも係るものである。
【００１０】このような波高計測装置によれば、レーザ発振器から照射される可視レーザ光を、その照射方向に対し交差する所定方向から撮像装置で撮像することにより、実空間座標に任意点を特定することが可能となり、レーザ発振器を俯仰動作させることにより前記可視レーザ光を波面の上下変化より早く所定の周期で上下方向に走査させると、空気と水の屈折率の差により可視レーザ光の輝度などが波面に対し出没する位置で大きく変化するので、これを撮像装置により撮像すれば、可視レーザ光の映像的な変化として識別される波面の上下位置の時間変化が時刻と共に画像に記録され、その記録した画像データに基づき演算装置にて画面上での波面の上下位置が実空間座標に変換されて座標値の点列データが求められ、この点列データの最大値が波高として得られ、ある最大値から次の最大値までの間の時間差が波長として得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１２】図１～図９は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１は本発明に係る波高計測装置の全体構成を概略的に示すもので、図中１，１は互いに所定の距離２ｌを隔てて離間する所定高さｈの二つの定点Ａ，Ｂに夫々設置されたレーザ発振器、２はこれら両レーザ発振器１，１間の中間位置ｌの所定高さｅの定点Ｃに設置されたビデオカメラ（撮像装置）、３は前記両レーザ発振器１，１及びビデオカメラ２に夫々接続されて所要場所に配置された演算装置である。
【００１３】前記両レーザ発振器１，１は、可視レーザ光Ｌ，Ｌを波面Ｗに向け交差するように照射し且つその交差点Ｐ₁を鉛直方向に設定された後述する走査軸ＳＳ₀上を上下方向に所定の周期で走査し得るよう俯仰可能に構成されており、一方、前記ビデオカメラ２は、前記走査軸ＳＳ₀上の可視レーザ光Ｌ，Ｌの交差点Ｐ₁の変動を撮像して時刻と共に画像に記録するようになっている。
【００１４】また、前記演算装置３は、ビデオカメラ２により撮像された画像データに基づき画面上での波面Ｗの上下位置を実空間座標に変換した座標値の点列データを求め、該点列データから波高及び波長を計測し得るようになっている。
【００１５】斯かる波高計測装置による波高及び波長（波周期）の具体的な計測手順について、一方の定点Ａに設置したレーザ発振器１から照射される可視レーザ光Ｌを主体として以下に詳述するが、他方の定点Ｂに設置したレーザ発振器１から照射される可視レーザ光Ｌも同様に説明できるものであり、この定点Ｂからの可視レーザ光Ｌについての説明は省略する。
【００１６】図２に示すように、固定点Ｏを全体座標系の原点とし、この固定点Ｏから計測すべき波面Ｗに向かう方向へ平水面と平行にＸ軸を取り、該平水面と直交する鉛直方向にＹ軸を取り、平水面と平行面でＸ軸と直交する右手系の方向にＺ軸を取った場合に、レーザ発振器１が設置される定点Ａの空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、Ｘ＝０，Ｙ＝ｈ，Ｚ＝ｌとなり、また、ビデオカメラ２が設置される定点Ｃの空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、Ｘ＝０，Ｙ＝ｅ，Ｚ＝０となる。
【００１７】そして、原点ＯからＸ軸方向にｃだけ離れた位置の空間座標（Ｘ＝ｃ，Ｙ＝０）上の点Ｓ₀と、このＳ₀点からＹ軸方向にｈの高さ位置の空間座標（Ｘ＝ｃ，Ｙ＝ｈ）上の点Ｓとを結ぶＹ軸に平行な線ＳＳ₀を走査軸として設定し、この走査軸ＳＳ₀上の点Ｐ（Ｙ＝ｄ）を平水面とし、点Ｑ（Ｙ＝ｄ＋ｗ）を波面Ｗの位置として、走査軸ＳＳ₀を狙って照射される可視レーザ光Ｌの発光角度（俯仰傾斜角：α）を上下方向に変動させる。
【００１８】一方、図３に示すように、ビデオカメラ２の画面座標の水平方向の中心位置が走査軸ＳＳ₀に合うようにし、その垂直方向の中心位置が走査軸ＳＳ₀上のＰ点の平水面に合うようにカメラレンズの方向を予め調整しておく。尚、図４は可視レーザ光Ｌの発光角度（α）と実波高の関係を示すもので、点Ａ₀は原点ＯからＺ軸方向にｌだけ離れた位置、即ち、レーザ発振器１が設置される定点ＡのＺ軸上の点、ｂはＺ軸上のＡ₀点からＸ軸上のＳ₀点までの距離（ｂ＝√（ｃ²＋ｌ²））である。
【００１９】このような設定条件を下にし、Ａ点での可視レーザ光Ｌの発光角度（α）を時間（ｔ）に対して正弦波で周期的に変動させると、傾斜角の時間ステップ（αi）は、下記のような（１）式になる。
【００２０】
【数１】

【００２１】また、上記（１）式において、１周期の時間分割数をｎｓとすると、下記のようになる。
【００２２】
【数２】

【００２３】そして、上記（１）式における最大設定振幅に対応する傾斜角（ａ）は、図４に示す可視レーザ光Ｌの発光角度（α）と実波高の関係から下記のような（２）式により計算でき、この計算式に基づいて可視レーザ光Ｌの走査が行われる。
【００２４】
【数３】

【００２５】図５は可視レーザ光Ｌと波面Ｗとの関係を示すものであり、図５（Ａ）は平面ＡＡ₀ＳＳ₀内における可視レーザ光Ｌの発光角度（α）の変動を側面から見た状態を示し、図５（Ｂ）は同じく上面から見た状態を示し、この場合、波面Ｗが説明の便宜上から水平であるとすると、走査軸ＳＳ₀を狙って照射されるレーザ発振器１からの可視レーザ光Ｌの発光角度（α）が、走査軸ＳＳ₀上の点Ｑ（Ｙ＝ｄ＋ｗ）で接する波面Ｗの位置を基準として小さい場合に、走査軸ＳＳ₀より外側の位置で波面Ｗに接し、また、可視レーザ光Ｌの発光角度（α）が大き過ぎる場合には、可視レーザ光Ｌは走査軸ＳＳ₀より内側の位置で波面Ｗに接する。このとき、可視レーザ光Ｌは、Ａ点から空中を通過中は直進して輝度も大きく、波面Ｗの位置で水中に突入すると、屈折して輝度も小さくなる。
【００２６】この可視レーザ光Ｌの波面Ｗの挙動による輝度の変化は、ビデオカメラ２により撮像され、その画像は、先に図３に示したビデオカメラ２の画面座標に、図６（Ａ）～（Ｃ）に示す如く画像として表示される。尚、図６（Ａ）は可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀より外側の波面位置で接する状態、図６（Ｂ）は可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀上の波面位置で接する状態、図６（Ｃ）は可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀より内側の波面位置で接する状態における可視レーザ光Ｌの変動時間ステップに合わせた時刻の画面を示す。
【００２７】そして、このような可視レーザ光Ｌの変動時間ステップに合わせた時刻の画面から、画面の下の方から水平方向に走査して、可視レーザ光Ｌの輝度の大きい二点（ａ１，ａ２）を検出し、直線（ｌａ）を算出する。また、画面の上の方から水平方向に走査して、可視レーザ光Ｌの輝度の大きい二点（ｕ１，ｕ２）を検出し、直線（ｌｕ）を算出すると共に、これら直線（ｌａ）と直線（ｌｕ）との交点を求め、その画面座標系での交点の座標をｘ＝ｘｇ、ｙ＝ｙｇとする。このとき、図６（Ａ）に示すような可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀より外側の波面位置で接する状態では、ｘｇ＞ｘ０、図６（Ｃ）に示すような可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀より内側の波面位置で接する状態では、ｘｇ＜ｘ０である。
【００２８】ところが、図６（Ｂ）に示すように、可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀上の波面位置で接する状態を常に撮像されるとは限られない為に、図６（Ａ）に示す可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀より外側の波面位置で接する状態から、図６（Ｃ）に示す可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀より内側の波面位置で接する状態へ変化する二つの状態から図６（Ｂ）に示すような可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀上の波面位置で接する状態を内挿して求め、その時の時刻をｔｑ、ｙ座標値をｙｑとし、これにより、画面上での波面位置と時刻の検出を行う。
【００２９】図７は上記した走査軸ＳＳ₀とビデオカメラ２の画面スクリーンの関係を示すもので、ビデオカメラ２のレンズと画面スクリーンとの間の距離をｆとし、例えばレンズの特性で決まる定数をβ（図示の例では、β＝１）とし、実波高をｗ、実波高に対応する画面上の波高をｈgとした場合における関係式は、下記の（３）式及び（４）式のようになる。
【００３０】
【数４】

【００３１】
【数５】

【００３２】また、図６（Ｂ）に示すような可視レーザ光Ｌが走査軸ＳＳ₀上の波面位置で接する状態において、可視レーザ光Ｌの発光角度（αq ）が分かれば、下記の（５）式から実波高（ｗ）を計算することができる。
【００３３】
【数６】
ｗ＝ｈ－ｄ－ｂ・ｔａｎ（αq ）（５）
【００３４】図８は上記した走査軸ＳＳ₀における可視レーザ光Ｌの変動と波面Ｗの位置の時間変化を示すもので、所定の周期で上下方向に走査する可視レーザ光Ｌの走査線ｓと計測すべき波が交差するときの時間ｔqiとの波面Ｗqiの点列データにより、波面Ｗqiの最大値と次の最大値を求めると、波高ｈｗが得られ、その間の時間差が波長（波周期）ｔｗとして得られる。
【００３５】また、図９は本発明に係る波高計測装置の演算装置３の制御フローを示すブロック図であり、先ず設定した周期の時間ステップにより可視レーザ光Ｌの発光角度（α）をレーザ発振器１，１の俯仰動作を制御して変動させる。このとき、ビデオカメラ２のシャッタ時刻は、必ずしも可視レーザ光Ｌの発光角度（α）の時間ステップと連動させる必要はないが、それに近い時間ステップで可視レーザ光Ｌと波の状態を撮像する。そして、このように撮像された画像を演算装置３の画面上に映し出し、上述したような方法により画面上での可視レーザ光Ｌの水面への突入位置を抽出する。これにより、可視レーザ光Ｌと波面Ｗが走査軸ＳＳ₀上に来たときの時刻と画面上での上下位置を実空間座標に変換した座標値の点列データを求めると共に、この点列データから走査軸ＳＳ₀上の上下運動の周期と振幅（波高）を求めるようになっている。
【００３６】従って、上記形態例によれば、二つの定点から照射される可視レーザ光Ｌ，Ｌの交差点Ｐ₁により、実空間座標に任意点を容易に特定することができ、しかも、この交差点Ｐ₁を波面Ｗの上下変化より早く上下方向に走査させることによって、計測波面Ｗの位置を交差点Ｐ₁の映像的な変化として正確に特定することができるので、このように交差点Ｐ₁の映像的な変化として識別される波面Ｗの上下位置の時間変化を時刻と共に画像に記録し、その記録した画像データに基づき画面上での波面Ｗの上下位置を実空間座標に変換して座標値の点列データを求め、この点列データから波高及び波長を計測するようにすれば、波高計測装置から離れた位置にある波面Ｗを計測対象として、意図しない反射波の影響を計測波面Ｗに及ぼすことなく計測誤差の少ない計測を実現することができ、従来より計測精度を大幅に向上することができる。
【００３７】また、夜間や暗闇において特に識別性が向上する可視レーザ光Ｌ，Ｌの照射により計測を行うようにしているので、従来におけるステレオカメラなどでは不可能であった夜間や暗闇での計測をも精度良く行うことができる。
【００３８】尚、本発明の波高計測方法及び装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、形態例中では、一対のレーザ発振器を用いて二つの定点から可視レーザ光を波面に向け交差するように照射して実空間座標に任意点を特定するよう説明したが、図２以降を参照した説明において、一方の定点からの可視レーザ光の照射で説明ができているように、基本的には一つの定点から照射される可視レーザ光を、その照射方向に対し交差する所定方向から画像に記録するようにすれば実空間座標に任意点を特定することができるのであり、より具体的には、図６におけるｘ＝ｘ₀の位置が画面座標の水平方向の中心位置となるよう撮像装置を設置することにより、一つの定点からの可視レーザ光の照射で実空間座標に任意点を特定することが可能となること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】上記した本発明の波高計測方法及び装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００４０】（Ｉ）定点から照射される可視レーザ光を、その照射方向に対し交差する所定方向から画像に記録することにより、実空間座標に任意点を容易に特定することができ、しかも、前記可視レーザ光を波面の上下変化より早く上下方向に走査させることによって、計測波面の位置を可視レーザ光の映像的な変化として正確に特定することができるので、このように可視レーザ光の映像的な変化として識別される波面の上下位置の時間変化を時刻と共に画像に記録し、その記録した画像データに基づき画面上での波面の上下位置を実空間座標に変換して座標値の点列データを求め、この点列データから波高及び波長を計測するようにすれば、波高計測装置から離れた位置にある波面を計測対象として、意図しない反射波の影響を計測波面に及ぼすことなく計測誤差の少ない計測を実現することができ、従来より計測精度を大幅に向上することができる。
【００４１】（ＩＩ）夜間や暗闇において特に識別性が向上する可視レーザ光の照射により計測を行うようにしているので、従来におけるステレオカメラなどでは不可能であった夜間や暗闇での計測をも精度良く行うことができる。

【出願人】	【識別番号】０００００００９９【氏名又は名称】石川島播磨重工業株式会社
【出願日】	平成１０年（１９９８）４月２２日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】山田恒光（外１名）
【公開番号】	特開平１１－３０４４８３
【公開日】	平成１１年（１９９９）１１月５日
【出願番号】	特願平１０－１１２０３４