JP2000258448A - 音響トモグラフィの情報収集装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定対象水域の流速あるいは温度の分布を求
めるための音波伝播時間情報の収集の際の、収集時間の
短縮化を図った音響トモグラフィの情報収集装置を提供
する。 【解決手段】 局Ａからは、自局の識別コードを含んだ
音波ａが送信され、局Ｄは音波ａを受信し、その音波に
含まれる識別コードと予め記憶された全局の識別コード
とを相関処理することにより、音波の送信局Ａが特定さ
れる。このため、全受信局での受信終了を待ってから次
回の音波送信を行う必要がなくなり、トータルの音波伝
播時間の情報の収集時間を短縮することが可能となる。
また、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に同期した基準クロッ
クを用いることにより、音波伝播時間の測定精度が向上
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定対象水域の流
速あるいは温度の分布作成のための音波伝播時間情報を
収集する音響トモグラフィの情報収集装置に係り、特に
情報収集の時間短縮を図る技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、海洋音響トモグラフィ（ＯＡ
Ｔ：Ocean Acoustic Tomography）は、音波の送波器お
よび受波器を備えた送受信局（単に局ともいう）を測定
対象海域の周囲の海中に散在させ、様々な経路（以下音
線という）での音波の送受信を行って、多数の音波伝播
時間の情報を収集し、これらを格子状に組合わせて生成
されたデータを、その海域の流速や温度の分布とするも
のである。

【０００３】計測された音波伝播時間のデータを双方向
音波伝播法に適用すれば、海域の２点間の音線に沿って
平均化された音速Ｃｍ（ｍ／ｓ）および流速Ｕｍ（ｍ／
ｓ）は、次の式（１）および式（２）によって求めるこ
とができる。

【０００４】

【数１】 ここで、ｔABは、測定対象海域のＡ点からＢ点への音波
伝播時間、ｔBAは、Ｂ点からＡ点への音波伝播時間、Ｌ
は、ＡＢ点間の距離とする。

【０００５】また、音線に沿って平均化された水温Ｔ
（℃）は、経験的に次の簡略式によって求めることがで
きる。

【０００６】 Ｔ＝（１４４９．２−ｃ）／４．６ …… （３） 従来の音響トモグラフィの情報収集装置にあっては、測
定海域に、送波器および受波器を備えた複数の送受信局
を散在させて、局間で音波を送受信させることで、音波
の伝播時間情報の収集が行われる。初めに、散在させた
局のうちの第１の局が音波を送信し、他の全局での受信
が終了した後に、第２の局が音波を送信する。このよう
に順次に音波送受信を行なうことで音波伝播時間の情報
収集が行われた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の音響トモグラフ
ィの情報収集装置は、エルニーニョ現象の確認のため等
の、主に１０〜１０００ｋｍスケールの外洋海域におけ
る水温についての音響トモグラフィ生成のために利用さ
れてきた。そして、水温は頻繁に変化することが少ない
ため、音波伝播時間情報のトータルでの収集時間につい
ての制約を受けることは少なかった。

【０００８】しかしながら、瀬戸内海のように、船舶の
頻繁な通行と活発な漁業活動が行われている沿岸海域で
は、潮流が時事刻々と変化するので、流速を正確に捉え
るために、トータルの情報収集時間を短縮したいという
要望が挙げられていた。

【０００９】そこで、この発明は上記従来の要望等に鑑
みなされたもので、その目的としては、測定対象水域の
流速あるいは温度の分布を求めるための音波伝播時間情
報の収集の際の、収集時間の短縮化を図った音響トモグ
ラフィの情報収集装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
音響トモグラフィの情報収集装置は、測定対象水域の周
縁近傍に送波局および受波局を散在させて当該水域を横
断する音波を送受信させることにより、当該水域の流速
あるいは温度の分布作成のための音波伝播時間情報を収
集する音響トモグラフィの情報収集装置において、前記
散在させた送波局の一局に設けられ、当該送波局を識別
するための識別情報を含む識別音波を所定の送信時刻に
送信する送信手段と、前記散在させた受波局の一局に設
けられ、当該受波局で受信された前記識別音波に含まれ
る識別情報と、前記散在させた各送波局を識別するため
の予め記憶された識別情報とに基づいて、当該識別音波
の送波局を特定すると共に受信時刻を測定する受信手段
とを有することを特徴とする。

【００１１】上記構成とすることにより、送波局の一局
に設けられた送信手段は、当該送波局を識別するための
識別情報を含む識別音波を所定の送信時刻に送信し、一
方受波局では、この識別音波を受信すると、当該受波局
に設けられた受信手段は、識別音波に含まれる識別情報
と、予め記憶された各送波局を識別するための識別情報
とに基づいて、当該識別音波の送波局を特定すると共に
受信時刻を測定する。

【００１２】また、本発明の請求項２に係る音響トモグ
ラフィの情報収集装置は、請求項１記載の音響トモグラ
フィの情報収集装置であって、前記識別音波は、ＧＰＳ
衛星からの時刻信号に基づいて設定された時間における
所定の送信時刻に送信され、前記受信時刻は当該設定さ
れた時間において計測されることを特徴とする。

【００１３】この発明にあっては、送波局および送波局
にはＧＰＳアンテナが設けられ、送波局および送波局に
て、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に同期した基準クロック
が生成され、送波局からは、自局の基準クロックに基づ
いて予め計画された所定の送信時刻に識別音波が送信さ
れ、受波局では、自局の基準クロックに基づいて受信時
刻が計測される。このため、音波伝播時間の測定精度が
向上する。

【００１４】また、本発明の請求項３に係る音響トモグ
ラフィの情報収集装置は、請求項２記載の音響トモグラ
フィの情報収集装置であって、前記送信手段あるいは受
信手段には、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に代替可能な信
号を発生する代替信号発生手段が設けられたことを特徴
とする。

【００１５】この発明においては、送信手段あるいは受
信手段には、例えば水晶クロック等を設けて、ＧＰＳ衛
星からの時刻信号が受信不可能であるときは、この水晶
クロックのクロック信号を用いての時刻管理が可能とな
る。

【００１６】また、本発明の請求項４に係る音響トモグ
ラフィの情報収集装置は、請求項１ないし請求項３のい
ずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置であっ
て、前記送信手段は、自局の識別情報を２値化して前記
識別音波に含ませ、前記受信手段は、当該識別音波に含
まれる２値化された識別情報と、前記各送波局を識別す
るための識別情報を２値化した情報とを相関処理するこ
とを特徴とする。

【００１７】上記構成とすることにより、送波局にて、
識別情報は２値化されて識別音波に含ませられ、受波局
では識別音波に含まれる２値化された識別情報と、各送
波局を識別するための識別情報を２値化した情報とが相
関処理される。このため、受波局において、受信時刻の
計測と送波局の特定を同時に行うことができる。

【００１８】また、本発明の請求項５に係る音響トモグ
ラフィの情報収集装置は、請求項１ないし請求項４のい
ずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置であっ
て、前記各送信局を識別するための識別情報は、Ｍ系列
法により生成された疑似乱数から構成されたことを特徴
とする。

【００１９】上記構成とすることにより、相関処理の過
程での、音波雑音に対する相関係数のＳ／Ｎ比が格段に
向上するため、受信時刻の計測および送波局の特定の精
度を向上させることができる。

【００２０】また、本発明の請求項６に係る音響トモグ
ラフィの情報収集装置は、請求項５記載の音響トモグラ
フィの情報収集装置であって、前記各送信局を識別する
ための識別情報は、当該各識別情報のうちの任意の二情
報の積和が小さくなるような疑似乱数であることを特徴
とする。

【００２１】上記構成として、他の送波局の識別情報と
の相違性を強調することにより、相関処理の過程での、
送波局の特定の精度を向上させることができる。

【００２２】また、本発明の請求項７に係る音響トモグ
ラフィの情報収集装置は、請求項１ないし請求項６のい
ずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置であっ
て、前記送信手段は、前記識別音波の波長を可変自在と
したことを特徴とする。

【００２３】上記構成とすることにより、様々な大きさ
の測定対象水域においても、測定対象水域の大きさに応
じた最適な識別音波の波長を設定することが可能となる
ため、識別音波が受波局に到達する前に減衰してしまっ
たり、逆に、識別音波の送信が終了する前に識別音波の
先頭が受波局に到達してしまうという不都合が回避でき
る。

【００２４】また、本発明の請求項８に係る音響トモグ
ラフィの情報収集装置は、請求項１ないし請求項７のい
ずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置であっ
て、前記受波局には、前記識別音波を電気信号に変換す
る複数の受波器が鉛直方向に配置され、前記受信手段
は、当該各受波器からの複数の電気信号に基づいて、当
該識別音波の当該受波局への入射角度を演算することを
特徴とする。

【００２５】上記構成とすることにより、識別音波が送
波局から直接到達したものか、或は海底や海面等に反射
して到達したものかを、入射角度θから判定して選別す
ることができる。また、測定対象海域の鉛直断面に複数
の音線を設定することができるため、流速あるいは温度
の３次元分布を求めることも可能となる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る音響トモグラ
フィの情報収集装置の実施の形態を、図１ないし図６を
参照して説明する。図１は、本発明に係る音響トモグラ
フィの情報収集装置の第１の実施の形態の構成を示す図
である。本図に示すように、この実施の形態では、周囲
を陸地に囲まれた測定海域に音響トモグラフィシステム
１００（以下システム１００という）が配備される。

【００２７】システム１００は、測定海域の周縁近傍に
配置された６局の送受信局、即ち、局Ａ，局Ｂ，…，局
Ｆから構成される。局Ａにおいては、送波器および受波
器を備えた音波送受信部Ａ３が、水面に浮ぶフロート
（ブイ）Ａ２および海底の重りＡ４によって海中に係留
されている。フロートＡ２には、ＧＰＳアンテナＡ１が
取付けられ、防水加工されたフロート内部には、バッテ
リにより電力を供給される送受信制御部Ａ１０が収納さ
れている。

【００２８】送受信制御部Ａ１０において、時刻管理部
１は、ＧＰＳアンテナＡ１によって受信された、ＧＰＳ
衛星からの時刻信号に基づいて、基準クロック信号を生
成して制御部２に送出する。一方、制御部２は、自局を
識別するための識別コードをハードディスク装置２ｂに
記憶している。出力回路部３は、識別コードを含む駆動
信号Ｓｄを、送波器Ａ３１に対して出力する回路であ
る。

【００２９】一方、局Ｄを構成する送受信制御部Ｄ１０
は、送受信制御部Ａ１０と同様に時刻管理部１、制御部
２を有し、さらに受信した音波の信号処理を行う受信直
交復調回路部５と、送信局の特定および音波の受信時刻
の計測を行う相関処理部４とを備えている。また、ハー
ドディスク装置２ｂには、システム１００の全局の識別
コードが記憶されている。

【００３０】次に、システム１００における音波送受信
の動作を説明する。局Ａは、時刻管理部１で管理された
時間における、予め計画された所定の送信時刻に音波送
信を行う。即ち、制御部２では、自局の識別コードがハ
ードディスク装置２ｂから読出され、出力回路部３で
は、この識別コードを含んだ駆動信号Ｓｄが生成され
て、駆動信号Ｓｄは送波器Ａ３１へ送出され、送波器Ａ
３１から海中に向けて音波ａが送信される。

【００３１】局Ｄでは、音波送受信部Ｄ３の受波器Ｄ３
２にて音波ａが受信され、その音波受信信号Ｓｒは、受
信直交復調回路部５にてＡ／Ｄ変換されてディジタルデ
ータとなり、相関処理部４では、このデータに含まれた
識別コードと、ハードディスク装置２ｂに記憶された局
Ｄ以外の識別コードとの相関処理を行うことで、送信局
（この場合、局Ａ）を特定すると共に、受信時刻を測定
する。そして、制御部２にて、送信時刻と受信時刻との
時間差を演算することで音波伝播時間が算出される。

【００３２】尚、図１においては、上記の動作説明に必
要なものに限定して図示したが、送受信制御部Ａ１０と
送受信制御部Ｄ１０とは同一構成となっており、共に、
時刻管理部１、制御部２、出力回路部３、相関処理部４
および受信直交復調回路部５を備えている。また、局
Ｂ，局Ｃ，局Ｅおよび局Ｆにおいても、局Ａ、局Ｄと同
一の構成がとられ、音波の送受信が可能となっている。

【００３３】図２は、局Ａの送受信制御部Ａ１０および
音波送受信部Ａ３を示す図である。時刻管理部１は、Ｇ
ＰＳ受信機１ａ、水晶クロック１ｂおよび基準時刻発生
器１ｃから構成される。ＧＰＳ受信機１ａは、ＧＰＳア
ンテナＡ１で受信されたＧＰＳ衛星からの時刻信号を受
信して、基準時刻発生器１ｃおよび水晶クロック１ｂに
同期信号を出力している。基準時刻発生器１ｃは、この
同期信号から、上記した基準クロック信号を生成する。
即ち、基準時刻発生器１ｃは、パルス立上がりが毎正秒
を示す正確な周波数１Ｈｚの信号（以下「１Ｈｚ信号」
という）および周波数が１ｋＨｚの信号（以下「１ｋＨ
ｚ信号」という）を生成して送出するものである。水晶
クロック１ｂは、年間誤差１．５秒の周波数安定度を有
する温度自動補正機能付の水晶クロックであり、通常は
ＧＰＳ受信機１ａからの同期信号によってＧＰＳ受信機
１ａの内部クロックと常に同期をとり、ＧＰＳ衛星から
の時刻信号が受信できないときは、自身のクロックを同
期信号の代りに基準時刻発生器１ｃに与えるように構成
されている。即ち、水晶クロック１ｂは、ＧＰＳ受信機
１ａのバックアップとして機能する。

【００３４】制御部２は、ＣＰＵ２ａおよびハードディ
スク装置２ｂとから構成されている。ＣＰＵ２ａは、基
準時刻発生器１ｃから出力された１Ｈｚ信号で常に補正
される内部クロックで動作する。ＣＰＵ２ａは、バス信
号線Ｓｂを介して、後述する相関処理部４とのデータ通
信を行い、受信したデータをハードディスク装置２ｂに
保存する。このハードディスク装置２ｂには、音波の送
信局を特定するために、局Ａから局Ｆまでの識別コード
が予め記憶されている。この実施の形態では、疑似乱数
発生法の一つであるＭ系列法により生成された乱数のう
ちの互いに異なる相関の最も小さい乱数ペアであって、
その積で作られる６個の異なって符号化されたGold系列
が選択されている。

【００３５】制御部２は、後述する出力回路部３に対
し、送信スタート信号Ｓ１を出力するとともに、相関処
理部４および受信直交復調回路部５に対し、受信スター
ト信号Ｓ２を出力している。前者は、音波の送信のタイ
ミング信号（トリガ）とされ、後者は相関処理を開始す
るためのタイミング信号として用いられる。ここでは、
送信スタート信号Ｓ１および受信スタート信号Ｓ２は共
に、所定の繰返し周期（この実施の形態では２分に設定
される）をもつパルス信号であるが、受信スタート信号
Ｓ２は、送信スタート信号Ｓ１が出力されてから、所定
の時間間隔（遅延時間）をあけて出力される。また、プ
ログラム設定により、繰返し周期は可変とすることも可
能である。

【００３６】相関処理部４は、ＤＳＰ(Digital Signal
Processor)４ａおよびＲＡＭ(Randam Access Memory)４
ｂから構成され、後述する受信直交復調回路部５および
制御部２とのデータ通信をデータバスＳｂを介して行
い、受信直交復調回路部５から受信したディジタルデー
タに含まれる識別コードと、予めハードディスク装置２
ｂに記憶された各局の識別コードとの相関処理（相関検
波）を高速度で行い、その処理結果出力（以下、相関係
数という）がピークを示す時刻を受信時刻として測定す
る。

【００３７】周波数可変型タイミング回路部６は、ＰＬ
Ｌ(Phase Locked Loop)回路６ａ、１／１０分周器６ｂ
および１／２分周器６ｃから構成される。ＰＬＬ回路６
ａは、１ｋＨｚ信号の周波数を１１０倍に変換する回路
である。尚、この倍数（乗数）は、測定海域の大きさに
あわせて音波の波長を可変させるため、４倍から４００
倍、即ち周波数換算で０．２ｋＨｚから２０ｋＨｚまで
の間で設定可能となっている。１／１０分周器６ｂは、
ＰＬＬ回路６ａからの１１０ｋＨｚの信号を１１ｋＨｚ
に分周するものであり、分周された信号（以下「１１ｋ
Ｈｚ信号」という）は、駆動信号Ｓｄの搬送波生成のた
め、後述する信号発生器３ａに入力され、また、サンプ
リングのタイミング信号としてＡ／Ｄ変換器５ｇに入力
される。１／２分周器６ｃは、１１ｋＨｚ信号をさら
に、５．５ｋＨｚに分周した２信号（以下、総称して
「５．５ｋＨｚ信号」という）を生成し、この２信号
を、さらに互いに９０度の位相差を持たせて出力するも
のあり、この２信号は、直交復調（位相復調）のタイミ
ング信号として、後述する直交復調回路５ｃ，５ｄに入
力される。

【００３８】受信直交復調回路部５は、アンプ５ａ，帯
域フィルタ５ｂ、直交復調回路５ｃ，５ｄ、高周波除去
フィルタ５ｅ，５ｆおよびＡ／Ｄ変換器５ｇから構成さ
れる。アンプ５ａは、受波器Ａ３２から出力される微弱
な音波受信信号Ｓｒを増幅するものであり、帯域フィル
タ５ｂは、増幅された信号の特定帯域を通過させる回路
である。

【００３９】直交復調回路５ｃ，５ｄは、帯域フィルタ
５ｂの出力信号を、１／２分周器６ｃから出力された
５．５ｋＨｚ信号により、直交復調する回路である。高
周波除去フィルタ５ｅ，５ｆは、直交復調された各信号
の高周波成分を除去する回路である。Ａ／Ｄ変換器５ｇ
は、高周波除去フィルタ５ｅ，５ｆからのアナログ信号
を１１ｋＨｚ信号に同期したサンプリングによりＡ／Ｄ
変換して、ディジタルデータとして相関処理部４に送信
する回路である。

【００４０】出力回路部３は、信号発生器３ａおよびア
ンプ３ｂから構成されている。信号発生器３ａは、１１
ｋＨｚ信号に同期する搬送波を内部的に生成しており、
制御部２からの送信スタート信号Ｓ１に応答して、自局
の識別コードを制御部２から受信するとともに、この識
別コードを搬送波に位相変調して駆動信号Ｓｄとして出
力するものである。

【００４１】アンプ３ｂは、信号発生器３ａから入力さ
れた駆動信号Ｓｄを増幅するパワーアンプであり、増幅
された駆動信号Ｓｄは音波送受信部Ａ３の送波器Ａ３１
に送出される。

【００４２】音波送受信部Ａ３は、送波器Ａ３１および
受波器Ａ３２から構成される。具体的には、送波器Ａ３
１にトランスミッタが用いられ、受波器Ａ３２には、ハ
イドロフォンが用いられる。

【００４３】次に、局Ａにおける音波の送信動作を説明
する。図３は、送信局Ａの各部の波形図であり、同図
（ａ）は、１Ｈｚ信号を、同図（ｂ）は、送信スタート
信号Ｓ１を、同図（ｃ）は、駆動信号Ｓｄをそれぞれ示
すものである。

【００４４】図３（ａ）に示す１Ｈｚ信号のパルス立上
がりに応答して、ＣＰＵ２ａは、図３（ｂ）に示すよう
な２分の繰返し周期を有する送信スタート信号Ｓ１を出
力する。信号発生器３ａは、送信スタート信号Ｓ１のパ
ルス立上がりに応答して、図３（ｃ）に示すように、周
波数５．５ｋＨｚの搬送波に自局の識別コードを位相変
調して含ませた駆動信号Ｓｄを、搬送波の周波数と識別
コードの桁数との積で決定される持続時間（この図では
２秒間）だけ出力する。本図に示すように、駆動信号Ｓ
ｄには、１８０度の位相変調の結果として２値化された
識別コードが含まれている。出力された駆動信号Ｓｄは
アンプ３ｂで増幅され、音波送受信部Ａ３の送波器Ａ３
１へと出力され、送波器Ａ３１から音波が２秒間海中に
発信される。

【００４５】次に、局Ｄにおける、送信局の特定および
受信時刻の計測動作を説明する。尚、便宜上、局Ｄの構
成を示すものとして、図２を参照する。音波が受波器Ａ
３２で受信されると、この受波器Ａ３２から音波受信信
号Ｓｒが出力される。音波受信信号Ｓｒはアンプ５ａに
より増幅され、帯域フィルタ５ｂにより所定の周波数帯
域成分が除去される。さらに、直交復調回路５ｃ，５ｄ
により直交復調され、高周波除去フィルタ５ｅ，５ｆに
より高周波成分を除去され、Ａ／Ｄ変換器５ｇによりデ
ィジタルデータ（受信データ）に変換される。そして、
受信直交復調回路部５は、受信データを相関処理部４へ
送信する。

【００４６】相関処理部４では、受信データを受信直交
復調回路部５から受信すると、他の５局、即ち局Ａ，局
Ｂ，局Ｃ，局Ｅおよび局Ｆの識別コードを、制御部２か
ら取得して、受信データと他局の識別コードとを相関検
波（処理）することにより、音波の発信局の特定を試み
る。相関検波において検出された相関係数（受信データ
と識別コードの相関が大きい程大きい値を示す）がピー
クを示した時刻を、その識別コードで特定される局から
の音波の受信時刻として計測する。そして、相関処理部
４は、計測された受信時刻を制御部２に送信し、制御部
２では、送信時刻と受信時刻との時間差を音波伝播時間
として演算して、ハードディスク装置２ｂに保存する。
送信スタート信号Ｓ１の繰返し周期は２分であるので、
図４に示すように、２分毎に送信された各音波について
の音波伝播時間が次々と計測される。本図は、音波伝播
時間、即ち相関係数のピークが、１２．２０秒（１２２
００ｍＳ）から１２．２５秒（１２２５０ｍＳ）の間に
集中して計測された結果を示している。

【００４７】以上の説明から明らかなように、第１の実
施の形態では、送信局では、所定の時刻に自局の識別コ
ードを含む音波を送信し、受信局では、音波から識別コ
ードを抽出して予め記憶された他局の識別コードとの相
関検波を行うことにより、受信時刻の計測だけでなく音
波の送信局の特定までもが可能となっている。このた
め、全ての局での音波受信の終了を待ってから次回の音
波送信を行う必要がなく、トータルの音波伝播時間の情
報収集時間を短縮することができる。

【００４８】また、各送受信局は、互いに距離をおいて
配置されていても、送信時刻および受信時刻は、ＧＰＳ
衛星からの時刻信号に基づいて設定された時間における
ものであるため、音波伝播時間の測定精度が向上すると
いう効果が得られる。

【００４９】さらに、バックアップとしての水晶クロッ
クを備えているため、ＧＰＳ衛星からの時刻信号が受信
できない場合であっても音波伝播時間を計測することが
できる。

【００５０】また、ディジタル化された識別コードによ
る相関処理を行うことで、受信時刻の計測と送波局の特
定を同時に行うことができる。

【００５１】また、識別コードはＭ系列法により生成さ
れた疑似乱数であるため、海洋の音波雑音に対するＳ／
Ｎ比を格段に（Ｍ系列法を利用しない場合の約３００〜
４００倍）向上させることができ、しかも、識別コード
には相関が最小となる６個の異なって符号化されたGold
系列が選択されているため、他の送信局の識別コードと
の相違性が強調され、送信局の特定の精度向上の効果も
得られている。

【００５２】また、音波の搬送波の周波数を可変可能と
したことにより、測定対象水域の大きさに応じた最適な
識別音波の波長を設定することが可能となるため、識別
音波が受波局に到達する前に減衰してしまったり、逆
に、識別音波の送信が終了する前に識別音波の先頭が受
波局に到達してしまうという不都合が回避できる。

【００５３】次に、図５を参照して、本発明に係る音響
トモグラフィの情報収集装置の第２の実施の形態を説明
する。この実施の形態の特徴としては、送受信局にて、
複数の受波器を鉛直方向に並べて配置して受波器アレイ
を構成し、音波の入射角度の計測を可能としたことにあ
る。即ち、本図に示すシステム２００において、単一の
受波器の代りに、鉛直方向に均等の間隔ｄをとってｎ個
の受波器Ａ３２１，…，Ａ３２ｎを配置して受波器アレ
イＡ３０を構成し、間隔ｄのデータをハードディスク装
置２ｂに記憶させている。また、各受波器に対応して、
受信直交復調回路部５０には、アンプ、帯域フィルタ、
一対の直交復調回路、一対の高周波除去フィルタおよび
Ａ／Ｄ変換器をｎ組構成して、複数の音波受信信号の並
行処理を可能としている。また、相関処理部４０にも、
各受波器に対応して、ＤＳＰ、ＲＡＭをｎ組構成し、相
関処理を並列して実行することが可能となっている。そ
して、これら回路は、受波器の数に応じて拡張可能とな
っている。尚、各部の機能は、第１の実施の形態と同様
であり、時刻管理部１、制御部２、出力回路部３および
周波数可変型タイミング回路部６については、第１の実
施の形態と同様の構成がとられるため、これらの構成要
素の図示および説明は省略する。

【００５４】この実施の形態では、ビームフォーミング
法を利用して、音波の入射角が測定されるが、その作用
の説明の前に、先ず、ビームフォーミング法の概略を説
明する。ビームフォーミング法とは、受波器アレイで得
た受信信号を遅延時間を考慮して加算処理（データ処
理）することにより、音波の入射角度を検出する手法を
いう。受波器が間隔ｄで直線的に配列されているとき、
水平方向に対して入射角度θをもって受波器アレイに入
射してくる音波信号に対してのビームフォーミング法出
力Ｂは、次式で与えられる。

【００５５】

【数２】 ここで、ｘｉはｉ番目の受波器の受信信号振幅、ｗｉは
ｉ番目の受信信号に対する重み、τｉは、ｉ番目の受波
器に対する遅延時間、Ｎは受波器の個数である。また、
τｉとθとは、次の式（５）で関係づけられる。

【００５６】

【数３】 ここで、Ｃは音速である。受波器を等間隔に並べた場合
には、ｄｉ＝ｄとなり、さらに入射波を平面波とする場
合には、τｉ＝ｉτおよびｗｉ＝１と考えてよい。この
場合、式（４）および式（５）は、それぞれ、次の式
（６）および式（７）のように書換えられる。

【００５７】

【数４】 例えば、Ｂ（ｔ，τ）がｔ＝ｔ０，θ＝τ０のときにピ
ーク値を示している場合には、音波伝播時間はｔ０であ
って、次の式（８）で与えられる入射角度θをもって受
波器アレイに入射してきたこととなる。

【００５８】

【数５】 式（８）を θで微分すれば角度誤差Δθに関する次の
式（９）が得られる。

【数６】 即ち、角度誤差Δθは、間隔ｄが大きい程、また入射角
度θが小さいほど小さくなる。

【００５９】次に、第２の実施の形態の作用を説明す
る。図６は、経過時間ｔを横軸にとり、相関処理によっ
て検出された相関係数Ｘを縦軸にとったグラフである。
本図に示すように、音波が入射角度θをもって受波器ア
レイに入射すると、音波が距離ｒだけ進む時間τの時間
間隔もって各受波器Ａ３２１，…Ａ３２ｎに音波が到達
する。その後は、受信直交復調回路部５０にて、信号処
理が行われ、相関処理部４０の各ＤＳＰ４ａ１，…，４
ａｎにて相関処理が行われ、受信時刻が計測される。各
受信時刻はディジタルデータとして、制御部２に送信さ
れ、ＣＰＵ２ａでは、受信時刻の時間差τおよび、予め
ハードディスク装置２ｂに記憶された受波器間隔ｄを用
いて、式（８）に示す演算を行い、入射角度θを求め
る。

【００６０】従って、第２の実施の形態では、複数の受
波器で受波器アレイを構成して、ビームフォーミング法
を適用したことにより、音波の入射角度を求めることが
可能である。従って、音波が送信局から直接到達したも
のか、或は海底や海面等に反射して到達したものかを、
入射角度θから判定して選別することができる。この場
合、入射角度θが所定の角度以上であるときは、その音
波については、相関検波を実施しないようにも構成する
ことができる。尚、受波器アレイを、少なくとも２個の
受波器から構成すれば、入射角度θの測定が可能であ
る。

【００６１】また、測定対象海域の鉛直断面に多重の音
線を設定することができるため、測定対象海域の水温あ
るいは流速の３次元分布を求めることも可能となる。
尚、上記した第１および第２の実施の形態では、音波伝
播時間の情報収集の対象を海域として説明したが、湖な
どの水域において計測することも勿論可能である。ま
た、第１および第２の実施の形態では、送受信局におい
て、音波の送信と受信を共に可能とした構成をとってい
るが、送信局（送波局）と受信局（受波局）とを別々に
設けてもよい。この場合、送信局には、受信直交復調回
路部５および相関処理部４は不要であり、受信局には出
力回路部３は不要である。

【００６２】

【発明の効果】本発明の音響トモグラフィの情報収集装
置によれば、識別情報を含む識別音波を所定の送信時刻
に送信する送信手段を送波局に設け、識別音波から当該
識別音波の送波局を特定すると共に受信時刻を測定する
受信手段を受波局に設けたことにより、音波伝播時間の
測定のみならず送信局の特定までもが可能となるため、
全受信局での音波受信の終了を待ってから次回の音波送
信を行う必要がなく、トータルの音波伝播時間の情報収
集時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る音響トモグラフィの情報収集装置
の第１の実施の形態を示す図である。

【図２】図１に示した送受信局Ａの送受信制御部Ａ１０
および音波送受信部Ａ３を示す図である。

【図３】図１に示した実施の形態での各部の波形図であ
る。

【図４】図１に示した実施の形態において相関検波によ
り得られた相関係数のグラフである。

【図５】本発明に係る音響トモグラフィの情報収集装置
の第２の実施の形態を示す図である。

【図６】図５に示した実施の形態における入射角度の計
測方法を説明する図である。

【符号の説明】

１００，２００…音響トモグラフィシステム Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ…送受信局 Ａ１…ＧＰＳアンテナ Ａ３，Ａ３０…音波送受信部 Ａ３１…送波器 Ａ３２…受波器 Ａ１０，Ｄ１０…送受信制御部 １…時刻管理部 １ａ…ＧＰＳ受信機 １ｂ…水晶クロック １ｃ…基準時刻発生器 ２…制御部 ２ａ…ＣＰＵ ２ｂ…ハードディスク装置 ３…出力回路部 ３ａ…信号発生器 ３ｂ…アンプ ４，４０…相関処理部 ４ａ…ＤＳＰ ４ｂ…ＲＡＭ ５，５０…受信直交復調回路部 ５ａ…アンプ ５ｂ…帯域フィルタ ５ｃ，５ｄ…直交復調回路 ５ｅ，５ｆ…高周波除去フィルタ ５ｇ…Ａ／Ｄ変換器 ６…周波数可変型タイミング回路部 ６ａ…ＰＬＬ回路 ６ｂ…１／１０分周器 ６ｃ…１／２分周器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江田 憲彰 広島県広島市東区牛田早稲田３−２−１− 502 (72)発明者 鄭 紅 広島県東広島市西条西本町24−16宝積アパ ート203号 (72)発明者 高野 忠 東京都新宿区新宿４−２−18新宿光風ビル アジア航測株式会社内 Ｆターム(参考） 2G064 AB05 AB16 AB21 BA15 5J062 AA13 BB02 CC07

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象水域の周縁近傍に送波局および
   受波局を散在させて当該水域を横断する音波を送受信さ
   せることにより、当該水域の流速あるいは温度の分布作
   成のための音波伝播時間情報を収集する音響トモグラフ
   ィの情報収集装置において、 前記散在させた送波局の一局に設けられ、当該送波局を
   識別するための識別情報を含む識別音波を所定の送信時
   刻に送信する送信手段と、 前記散在させた受波局の一局に設けられ、当該受波局で
   受信された前記識別音波に含まれる識別情報と、前記散
   在させた各送波局を識別するための予め記憶された識別
   情報とに基づいて、当該識別音波の送波局を特定すると
   共に受信時刻を測定する受信手段とを有することを特徴
   とする音響トモグラフィの情報収集装置。
2. 【請求項２】 前記識別音波は、ＧＰＳ衛星からの時刻
   信号に基づいて設定された時間における所定の送信時刻
   に送信され、前記受信時刻は当該設定された時間におい
   て計測されることを特徴とする請求項１記載の音響トモ
   グラフィの情報収集装置。
3. 【請求項３】 前記送信手段あるいは受信手段には、Ｇ
   ＰＳ衛星からの時刻信号に代替可能な信号を発生する代
   替信号発生手段が設けられたことを特徴とする請求項２
   記載の音響トモグラフィの情報収集装置。
4. 【請求項４】 前記送信手段は、自局の識別情報を２値
   化して前記識別音波に含ませ、前記受信手段は、当該識
   別音波に含まれる２値化された識別情報と、前記各送波
   局を識別するための識別情報を２値化した情報とを相関
   処理することを特徴とする請求項１ないし請求項３のい
   ずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置。
5. 【請求項５】 前記各送信局を識別するための識別情報
   は、Ｍ系列法により生成された疑似乱数から構成された
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに
   記載の音響トモグラフィの情報収集装置。
6. 【請求項６】 前記各送信局を識別するための識別情報
   は、当該各識別情報のうちの任意の二情報の積和が小さ
   くなるような疑似乱数であることを特徴とする請求項５
   記載の音響トモグラフィの情報収集装置。
7. 【請求項７】 前記送信手段は、前記識別音波の波長を
   可変自在としたことを特徴とする請求項１ないし請求項
   ６のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装
   置。
8. 【請求項８】 前記受波局には、前記識別音波を電気信
   号に変換する複数の受波器が鉛直方向に配置され、前記
   受信手段は、当該各受波器からの複数の電気信号に基づ
   いて、当該識別音波の当該受波局への入射角度を演算す
   ることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか
   に記載の音響トモグラフィの情報収集装置。