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レーダとAIで波と風を面的に同時に計測深層学習で短波海洋レーダの観測能力を拡張-計算時間は従来法の約100分の1に-

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2026-11-11 愛媛大学

愛媛大学などの共同研究グループは、陸上に設置した短波海洋レーダの観測データから、沖合の波浪と海上風を面的かつ同時に推定する深層学習手法を開発した。従来、短波海洋レーダは沖合数十~数百kmの海面を連続観測できる一方、波や風の情報を含む微弱な2次散乱信号を抽出するには複雑な非線形方程式を解く必要があり、ノイズの多い条件では解析が不安定になるほか、波向の推定には2基のレーダが必要だった。今回、レーダのドップラースペクトルを画像として扱う畳み込みニューラルネットワーク(CNN)を構築し、日向灘と紀伊水道の実観測データなどを用いて学習させた。その結果、レーダ1基でも周囲4地点の信号を組み合わせることで、2基の場合とほぼ同等の波向推定精度を達成した。また、従来のベイズ逆解析法に比べてノイズへの耐性を高め、計算時間を1地点・1時刻当たり約3.5秒から約30ミリ秒へと約100分の1に短縮した。本技術は、高波・高潮の監視、沿岸防災、洋上風力発電の適地調査などへの応用が期待される。

レーダとAIで波と風を面的に同時に計測深層学習で短波海洋レーダの観測能力を拡張-計算時間は従来法の約100分の1に-

<関連情報>

畳み込みニューラルネットワークを用いた短波海洋レーダによる海面波浪と海上風の同時推定 Simultaneous retrieval of sea-surface waves and winds from high-frequency radar using a convolutional neural network

Tomoya Kataoka, Hitoshi Tamura, Takashi Fujiki & Satoshi Fujii

Scientific Reports  Published:10 November 2026

DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-026-76688-2

Abstract

High-frequency (HF) ocean radar is a powerful land-based remote sensing technique, yet extracting wave and wind parameters from Doppler spectra remains challenging. Conventional inversions struggle with spectral saturation, low signal-to-noise ratios, and directional ambiguity, traditionally necessitating dual-station networks. This study proposes a unified Convolutional Neural Network (CNN) framework to concurrently extract directional wave spectra and sea-surface wind vectors directly from entire Doppler spectra. We evaluated Single and Quad Point Selection (SPS/QPS) in single- and dual-station setups using datasets from the Hyuga-nada Sea (13.5 MHz) and Kii Channel (24.515 MHz). The CNN was less affected by the numerical instabilities of nonlinear inversions: compared with a Bayesian inversion method, it yielded more stable directional wave spectra and required two orders of magnitude less computation time (CPU versus GPU). In the validation phase, single-station QPS achieved directional accuracy comparable to dual-station networks by leveraging spatial continuity among adjacent radial beams, suggesting that the 180° directional ambiguity can be mitigated without supplementary constraints. Identical model architectures with normalized variables also operated across disparate radar frequencies. These findings could reduce the reliance on dual-station geometry and expand operational coverage, although wind-speed retrieval remained only partially resolved and generalization depends heavily on training dataset diversity.

0904河川砂防及び海岸海洋
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