短波海洋レーダを用いた海流観測

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そうりんかたいわ
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1 問海洋調査技術 Uournal of the Japan Society for Marine Surveys and Techn<;>logy) (2) p September 1989 短波海洋レーダを用いた海流観測 * 大野裕一 ** 弁口俊夫 ** 梅原俊彦 ** 野崎憲朗 ** HF Ocean Radar Observations of Currents * Yuichi Ohno 本 *, Toshio 19uchi **, Tos hihiko Umehara ** and Kenro Nozak i ** ABSTRACT Ok inawa Radio Wav e Obs erv atory develov ed the first Japanese HF Ocean Radar in Th is radar ca n obs erve li ne-of -s ig ht velo cit ies of ocean surface cu rrents with wide range in a short time. The obs erv ab le range with the radar ext ends beyo nd the visible horizo n. Th is paper des cribes the principles and t he out line of this syst em and some res ults of obs ervati on of ocean cu rrents off Ok inawa. はじめににレーダの基本システムを完成させ, 現在実験データを集めている. 短波海洋レーダは, 短時間で広範短波レーダを用いた海洋観測は, Cromb ie (1955) 囲の海流が測定できる, マイクロ波に比べてより遠が短波の海面からのエコーはブラッグ散乱によるとくの海域まで観測できるなどの長所があり, これかしう観測原理を解明して以来, 米国などを中心に研らの海洋計測技術として注目を集めている. ここで究が続けられてきた (Barrick et al.,1977; Bar は, その観測原理, レーダシステム, 観測例などに rick, 1978; Sh earman, 1986). 日本では通信総合研究所沖縄電波観測所がその開発に取り組み, 1988 年ついて述べる. 十1989/5/17 18: 32: 00 Range 19.5km 8eam NO.=7 -O.505Hz O.OHz 叫ム f 凶諮O 505Hz ドッフラ周波数 Fig. 1. An example of Do ppler spect rum obs erv ed by the HF Ocean Radar. 牢 1989 年 6 月 30 日受理 ** 通信総合研究所沖縄電波観測所沖縄県中頭郡中城村字久場台城原 Ok inawa Radio Wav e Obs ervatory, Communicat io ns Res earch Laboratory

この周波数はブラッグ周波数と呼ばれている. 今回開発したレーダは24. 5 MHz の周波数を用いているのでレーダ波長は12.2m, 散乱を起こす波の波長は 6. 1 m, ブラッグ周波数は0.505 Hz となる. 海に流れがあると波も一緒に流されるので, フラッグ周波数からピークの位置がずれる. このずれから次式のように海流が計算される. V=C. ð.

2 56 海洋調査技術第 l 巻第 2 号 1989 年 9 月 2. 観測原理海面に向かつてほぼ水平に発射された電波は波によって散乱されレーダに返ってくる. このエコーをドップラ解析するとFig.1のようなドップラスベクトノレが得られる. この図で正負ほぼ対称に出ているピークは波長がレーダ波長の半分である波によって散乱されたエコーで, 正のドップラシフトを持つ方はレーダに向かつてくる波, 負のものはレーダから遠ざかる波に対応する. 波長に対して十分深い海での重力波の位相速度は土花子万 7r (g は重力加速度, Lは波の波長 ) で与えられるので, この波からのエコーは ± ほ7王子Zのドップラγフトを受けることになる. この周波数はブラッグ周波数と呼ばれている. 今回開発したレーダは24. 5 MHz の周波数を用いているのでレーダ波長は12.2m, 散乱を起こす波の波長は 6. 1 m, ブラッグ周波数は0.505 Hz となる. 海に流れがあると波も一緒に流されるので, フラッグ周波数からピークの位置がずれる. このずれから次式のように海流が計算される. V=C. ð.f /2f ここで, fはレータの周波数, ð.fはブラッグ周波 γ ァ / ビーム方向制御送信機送受信機制御 Fi g. 2. System di agram of the HF Oce an Radar Fig. 3. Transmitter and Re ce iver of th e HF Ocean Radar and its ante nna array. 数からのずれの周波数, けま光速 Vは海流の視線方向速度である. 速度 Uは海面から深さ数十センチ程度のごく浅い部分の流れを代表していると考えてよい (Stewar t and ]o y, 1974). Fig. lの場合はð.f =0.032 Hzなので, 視線方向速度 20 cm/secの流れが表層にあることになる. Fi g. 1で右のピークの信号強度の方が大きいのは

3 Sep Jo ur. Japan Soc. Mar. Su rv. Tech 57 近づく波の方が卓越しているからであり, 上の風向を反映している. これは海 3. レーダシステムレーダ方式としては, 送受切替え型 FMCW 方式を採用している. この方式は, 周波数を一定速度で掃引して送信と受信の周波数差から距離を算出するもので, パノレス方式と比べて小電カで済むのが特徴である. また, アンテナを送受共用するために, 時間的に送信受信を切り替えている. レーダ周波数は, MH zの周波数帯を 200 kh z/ sec で掃引している. 出力は100 Wである. 海洋レーダシステム構成図を Fig.2に示す. アンテナは, 10 本の短縮ホイップアンテナを並べたアレイアンテナでビーム幅 15 度のビームを形成している (Fi g.3 ). 各アンテナ素子に送る搬送波の位相を変えることによって, 7. 5 度きざみで正面より土 45 度の方向にビームを向けることができる. 送受信機は米国 Barry Res earch 社の電離層観測用レーダを改造したもので, 周波数や掃引速度などが R S -232 Cを通し, パソコンで制御できる. 受信機の出力は A/ D 変換後パソコンに取り込まれ, FFTなどの信号処理が行われる. 信号処理の結果として, Fi g. 1のようなドップラスベクトルが各距離ごとに得られる. 必要な S/ N 比を得るために各ビームにつき約 10 分の観測を行っており, 全ヒームの観測には2-3 時間を要する. 一方, 距離分解能は周波数掃引幅より決まり, 1. 5kmである. 4. 短波海洋レーダによる観測例現在, この短波海洋レーダは沖縄電波観測所構内に設置され, 沖縄南東海域の観測を実験的に行っている (Fi g. 4). レーダの最大探知距離は波の発達度, 方向スベクトノレによるが, 現在のところ状態が良ければ 80km 程度, 悪ければ40-50 kmとなっている. また, 陸上伝搬の際の減衰のためエコーが受信し難いビーム方向もある (Fig. 4のビーム 0-3 ). これは岬なとす海の開けた場所へレータを移動することで大幅に改善される. 10 km より近い海域での! 感度は, 送受切替時のタイムラグの影響で悪くなっている. Fig.5は1989 年 5 月 17 日のレーダ観測から得られた距離 12 kmから25.5 kmまでのドップラスベクトノレを順に並べた例てある. 15 km より近いところではピークが右にずれているので近づく流れがあり, 遠 Fi g. 4. Radar beam di rect ions and obs ervable db area of the HF Oc ean Radar. 20 ハ" 2 ",^r-wv1\t>v相 I ぺ川J吋 20 o Hz o.ohz O.505Hz 見 25.5km 24.0km 22.5km 19.5km O い仏外的叫町下4\J 1"" 〆a 18. Okm Fig. 5. "W'"-Vv1 16.5km Do ppler spect ra obs erv ed by the HF Oc ean Radar in th e beam di rection No. 8 at the rang es of km on May 17, くでは左にずれているので遠ざかる流れがあることがわかる. このようにして距離ごとに企 f を求めれば視線方向の流速の変化が得られる. Fig. 6 は年 11 月日の観測より得られた

1989 年 9 月第 2 号第 l 巻海洋調査技術 mmmmmmmmmkkkkkkkkk050505b39405162443332 ll寸141111寸l 11111 +VA+++e+ v &+ + VVAa- + l'v-a+a +'ψ 4A ++-AA v 'v-v vvvv +vvvv +'v villi++ +vl ++-v jl+ v'+v +++'+v +++iviv V+

Ti me variations of oce an curre nt s obse rve d in the be am dire ct ion No. 7, on Nove mbe r 25-26,1988. 15 18 一定ヒーム (F ig. 4 のビーム 7) 方向の流速の時間変化を示す. 1 日を通じてかなり大きな変化が各距離で観測されている.

4 1989 年 9 月第 2 号第 l 巻海洋調査技術 mmmmmmmmmkkkkkkkkk050505b ll寸141111寸l VA+++e+ v &+ + VVAa- + l'v-a+a +'ψ 4A ++-AA v 'v-v vvvv +vvvv +'v villi++ +vl ++-v jl+ v'+v +++'+v +++iviv V+ +lvv+ V++ ivv'vi'.守 +-v lv- +AV V44+A +A ++AAA+-v 4 &Aa-vv aaa-vv+ se+a + + AA44 + A-A+A+ 守AA-ATALIL--よい寸時刻 Fig. 6. Ti me variations of oce an curre nt s obse rve d in the be am dire ct ion No. 7, on Nove mbe r 25-26, 一定ヒーム (F ig. 4 のビーム 7) 方向の流速の時間変化を示す. 1 日を通じてかなり大きな変化が各距離で観測されている. 距離 12krn の地点での流れで 100 cm/s モー一一一一 f〆/ekf〆/は半日周期の変化が表われているが, この変化は潮位の時間変化とよく対応しているので潮流によるものと思われる. 一方, 遠方では潮流とは別の時間変化が表れているが, これは外洋の流れの場の変化によるものであろうこのような時間的に連続した観測ができることは海洋レーダの利点の一つである. Fig. 7 は 1989 年 2 月 13 日の 10 時一 13 時の間, 海洋レーダのヒームを 12 方向に振って得られた視線方向流速分布図である. この観測の際, 沖縄県水産試験場の観測船くろしおが同図の a- g の地点で GEK ( 電磁海流計 ) を用いて海流を観測しているので, 比較のため測定された海流の視線方向成分も同図に一緒に示している. ただし, GEK の観測は a から順に 1 1 時から 2 1 時にかけて, 行われたものである. レーダの結果では空間的に連続した流速変化がみられ, 大きなスケーノレの流れの存在を示している. また, 流れの方向と大きさは GEK の観測結果とよく対応している両者の観測精度や観測時刻の差などを考え合わすと, かなりよく一致しているとしえる. このような比較実験はレーダ観測の精度を評価するために重要であり, これからも数多く重ねていく必要がある. 10 km ト一一一ー NAl+ーー100 cm/s ーーーヘヘヘホヘヘ虫 eヘ定ヘok,Rヘ\Rfk 民\時vojk ヘヘEKKRR\一仁RK於 J守!Rt吋噂41 FJWSFFM噌Rv.vT 作ぜ-hr FトトリVリマJバトぜ除白マヤぜl噌J司 FJWFdマ r吋-avjvavψψ Vv - dv4ムψ +ψ1ψ+ιv' CV lψlペー!j/凡pdjjjjjlv,,ψ'fj6adj444jjψjjjdj/jdijf//uvjjv/jdv10 km ト一一一一ヘ NAi--Fig. 8. Oce an curre nt ve ct ors estimate d from the patte rn of line -of-si ght vel ocit ie s in F ig. 7. The thick arrows a - g indicate oce an curre nt ve ct ors obse rve d by GEK from the su rve y ship Ku roshio" of Okinawa Prefectural F ishery Expe rimental St at ion, T Fig. 7. Line -of- sight ve locitie s of oce an curre nts obse rve d at 10:00-13 :00 on Fe bruary 13, The thick arrows a - g indicate line- of- sight ve locity comp one nts obse rve d by GEK from the su rvey ship K uros hio" of Oki nawa Prefectural Fishery Expe rime ntal St ation

Sep. 1989 Jour. Japan Soc. Mar. Surv. Tech 59 l 台の海洋レーダでは原理的に視線方向の流速しか観測できないが 2 次元の非発散や局所的な流れの一様性を仮定して, それと直交方向の流れを一一 - Lipa and Barr ic k (1986) に倣って推定してみた. 海流が 2 次元非発散とすると連続の式 δvo.

5 Sep Jour. Japan Soc. Mar. Surv. Tech 59 l 台の海洋レーダでは原理的に視線方向の流速しか観測できないが 2 次元の非発散や局所的な流れの一様性を仮定して, それと直交方向の流れを一一 - Lipa and Barr ic k (1986) に倣って推定してみた. 海流が 2 次元非発散とすると連続の式 δvo. δ( rvr) ハ a 8 a r を満たすことになる. ここで 1ζ はレーダ視線方向流速. Voはそれと直交方向の流速 r はレーターからの距離, はビーム方向である. この式をθ 方向に積分することでVθが求まることになる. ただし, これだけでは積分定数がきまらないので局所的な流れの一様性を仮定してこれをきめている. Fig. 8 は Fi g.7 の視線方向流速データを使い, 上記の方法で求めた海流の全ベクトノレである -. この方法は, 海流が小さなスケーノレで複雑に変化するときなど, いつでも使えるわけではないが, このような大スケールの流れの場合には有効である実際. GEK 観測結果と比べても定性的によく一致している. 5. まとめ短波海洋レーダによる海流観測を従来の船舶, ブイなどの海流観測と比べてみると長所として, 1 ) 短時間で広域の観測が可能である 2 ) 連続観測が容易でリアルタイムにデータが得ら同53 ) 陸上から観測できるなどが挙げられ, 短所としては, 1 ) 表面流しか観測できない 2 ) 流れの視線方向成分しか観測できないれる r心弐ノぷに3nV3 ) 陸のない外洋域では観測できないなどが挙げられる. 視線方向の流速しか狽 Ij れない欠点を補うため, 海洋レーダを 2 台離れた場所に設置して海流の全ベクトノレ成分を測定することも諸外国で既に行われている (Frisch and Web er.1980 ; Gurgel et al ). これらの特徴から短波海洋レーダは, 沿岸域の海流のりアノレタイムモニターとして, 港湾, 水産, 環境汚染監視など幅広い分野で有用性の高い測器といえよう. また, 海洋レーダで得られるドップラスベクトノレから波高を求める方法も Barric k らによって, かなり研究されている (Brrick et al ; Barri. ck.1 977). ブラッグ散乱によって生じる二つのピーク ( 一次散乱 ) のまわりには二度の散乱により返って来る二次散乱が現われるが, この二次散乱の一次散乱の高さに対する比は波高にほぼ比例するといわれている. われわれはブラッグ周波数の.f2 倍の位置に現われる二次散乱を使って波高の推定を試みた. Fi g.9 は 1989 年 1 月臼長崎海洋気象台の海洋観測船長風丸 J がレーダの観測海域で測定した波高の変化を示したものである. レーダ観測からは波高の絶対値を直接算出できなかったので, 最小二乗法で波高データに最もフィットするようにファクタをきめ, 同図に示している. 図においてレーダで測定された波高の変化が船で測定された波高の変化によく追随していることがわかる. 海洋レーダが波高の測定に有効であることがこの観測で確かめられた. 短波海洋レーダは次世代の海洋観測測器として注目されつつあり, その実用化が望まれている. 通信 E 日レーダ長風丸 26 日日時刻 (1 989 年 1 月 ) Fig.9. Time var iat ion of wav e height ob ser ved by the HF Ocean Radar an d the surv ey shi p Cho fumaru" of Nagasaki Marine Mate orological Ob sev ator y.

6 60 海洋調査技術第 1 巻第 2 号 1989 年 9 月総合研究所沖縄電波観測所では, 海洋レーダの実用化に向けてさらに実験を続けてしく予定であり, 今年度は黒潮観測実験のため久米島なとへのレーダの ' 移動実験を計画している. 海流観測データを提供していただいた沖縄県水産試験場の関係各位, 長風丸で観測された様々な海洋情報を提供していただいた長崎海洋気象台の関係各位に心より感謝いたします. 引用文献 Barrick, D. E. Extr action of Wav e Par ameter s from Measured HF Radar Sea- echo Do ppl er Spectra, Radio Sci., 12, p , (1977) Barrick, D. E. HF Radio Oc eanography-a Revi ew, Boundar y-layer Meteo ro \., 13, p , (1978) Barrick, D. E., M. W. Ev an s, an d B. L. Weber : Oc ean Surfac e Currents Mapped by Radar, Sci en ce, 198, p , (1977) Barrick, D. E., ]. M. Headrick, R. W. Bogle, an d D D. Crombi e Sea Bac kscatt er at HF : Interpr etation and Utilization of th e Echo, Proc. IEEE, 62, p , (1974) Cromb ie, D. D. : Do ppler Spectrum of Sea Echo at Mc /s, Nature, 175, p ,(195 5) Fri sch, A. S., and B. L. Weber : A New Techni que for Measuring Tidal Curr ents by Using a Two-Site HF Do ppl er Radar System, J Geophys. Res., vol. 85, p , (1980 ) Gu rg el, K.-W., H.-H. Essen, and F. Schirmer CO DAR in German y- A Statu s Report Valid Nov ember 198 5, IEEE ]. Oc ean Eng., vol OE-l l, 2, p , (1986) Li pa, B. J. and D. E. Barrick: Least-Squar es Methods for th e Extraction of Surface Currents from CO DAR Cro ssed-loo p Data Application at ARSLOE, IEEE J. Oc ean Eng., vol. OE-8, 4, p , (198 3) Sh earman, E. D. R. : A Revi ew of Methods of Remote Sen si ng of Sea-Surface Condition s by HF Radar an d Design Con sideration s for Narrow-Beam System s, IEEE J. Oc ean Eng., vol. OE-ll, 2, p , (1986) Stewart, R. H., an d J. W, Joy: HF Radio Measurments of Surface Curr en ts, Deep-Sea Res., 21,p ,(1974)

CRA3689A

CRA3689A AVIC-DRZ90 AVIC-DRZ80 2 3 4 5 66 7 88 9 10 10 10 11 12 13 14 15 1 1 0 OPEN ANGLE REMOTE WIDE SET UP AVIC-DRZ90 SOURCE OFF AV CONTROL MIC 2 16 17 1 2 0 0 1 AVIC-DRZ90 2 3 4 OPEN ANGLE REMOTE SOURCE OFF