JP2009244554A - 海中投下型センサと、これを用いた海中通信システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】海中に投下され、海中の情報を収集する海中投下型センサは、海中を撮影するカメラ52kと、海中の水圧を計測する水圧センサ素子と、上記カメラ52kを包み水圧から保護する耐圧ゲル52kと、カメラ52fの焦点を制御する焦点制御手段525とを含み、焦点制御手段525は、上記水圧センサ素子で計測した現在の水圧データから光の屈折率を取得し、取得した屈折率を基にカメラ52fの焦点を制御する。
【選択図】図7
Description
この場合は、上記(C)における重畳量が少なすぎるので、重畳量を増やすため、現在の受信電圧レベルと設定値との差分データを調整用パケットに格納して上記海中通信トランシーバIC部へ送信する。
この場合は、上記(C)における重畳量が多すぎるので、重畳量を減らすために、現在の受信電圧レベルと設定値との差分データを調整用パケットに格納して上記海中通信トランシーバIC部へ送信する。
この場合は、受信電圧レベルが適正で、上記(C)での重畳量に過不足はないから、何もしない。
データ収集表示用コンピュータ部1とガン4とは、防水通信ケーブル3等により、直接または間接的に接続される。
海中通信ケーブル6は、海中投下型センサ5とガン4とを接続し、その両者5、4間で信号を送受信するための信号伝送路として使用される。この海中通信ケーブル6は、ガン4によって海中投下型センサ5が海中に投下されて海中を落下していく時に、船上(本実施形態ではガン4に取り付けられたセンサーカートリッジ9のケーブル・ボビン9a)から、順次繰り出されていく。海中通信ケーブル6の導線の絶縁被覆は生分解性材料で形成されている。
図4(a)(b)は、海中通信ケーブルの説明図である。
ガン4の役割は(1)海中投下型センサ5を海中に向けて落下させること、(2)落下された海中投下型センサ5の海中落下状況、計測状況をオペレータに知らせること、(3)海中通信ケーブル6を信号の送受信路として使用し、海中投下型センサ5との間でxDSL通信など、高速データ通信を行うこと、(4)計測終了後、海中投下型センサ5を、海中通信ケーブル6、後述するセンサ収納シェル9bおよびケーブル・ボビン9aとともに、海中に投棄すること、である。
図5(a)(b)は、ガンにセンサーカートリッジを組み付けた状態の説明図、(c)は(a)中のB−B矢視図である。この図5(a)(b)において、9はセンサーカートリッジ、9aおよび9bは、このセンサーカートリッジ9を構成するケーブル・ボビンおよびセンサ収納シェルであり、センサ収納シェル9bはケーブル・ボビン9aの前部に固定されている。ケーブル・ボビン9aとセンサ収納シェル9bは、いずれも生分解性材料を用いた再生厚紙製である。
図5(a)において、センサ収納シェル9bの内筒内には、投下前の海中投下型センサ5が収納され、その胴部に紙製のセンサ固定バンド11を巻き付けてセンサ収納シェル9bの内筒に固定している。これにより、海中投下型センサ5は落下しないように係止される。センサ固定バンド11にはリリースピン12が取り付けられていて、このリリースピン12を矢印Pの方向に引くと紙製のセンサ固定バンド11がちぎれて係止が解除され、海中投下型センサ5は海中に向けて落下するようになっている。
海中投下型センサ5は、ガン4により海中に投下され、海中を落下中にリアルタイムで水温、水圧、落下の加速度、方位などを計測したり、海中や海底の様子を撮影したりするなど、センサ5近辺の海中情報を収集するものである。また、本実施形態の海中投下型センサ5は、後に詳述するように、生分解性材料と環境汚染を起こさない金属材料で構成されている。
図6(a)は海中投下型センサの縦断面図、図6(b)は同図(a)のB矢視図、図6(c)は同図6(a)のC矢視図である。
センサ筐体51は、ホタテ内蔵抽出高分子蛋白質(高濃度ゼラチン)とアガロースを主成分とする海藻残渣物との混合物によりホタテ貝殻微細粉体を結着させた生分解性材料で生成されている。また、このセンサ筐体51は、計測プラットフォーム53やウエイト54A、54B等を内部に組み込むために、縦に二つ割りになっていて、組み込み後、接着するようになっているが、その接着剤も、トウモロコシから抽出された高分子タンパク繊維でなる生分解性材料製である。
シリコン膜式の水圧センサ素子52aは、上記圧力緩衝ゲル58表面に近い第2のケーブル孔59Bの内壁に形成されていて、第1のケーブル孔59Aに侵入している海水の静水圧を検知するようになっている。水圧センサ素子52aをケーブル孔59A内に配置する理由は、海中投下型センサ5の高速落下により発生する気泡や水流の圧力感知面への接触によって検出圧力が変化することを防止し、正確な静水圧を計測できるようにするためである。
電子カメラ52fは、ヘッドウエイト54Aの前端面に固定支持され、センサ筺体51の頭部前面に位置して、海中や海底を撮影する。この電子カメラ52fは高透明度の耐圧ゲルでコーティングされている。これは水深1000m付近の水圧に十分耐えうるようにするためである。なお、それに耐えうる耐圧ゲルのコーティング厚は、研究室レベルでは10mm程度とされている。
上記「光の屈折率」とは、本電子カメラ52fの外から耐圧ゲル52kを通過して固体撮像素子521の方向に向かう光の屈折率をいう。この光の屈折の様子は、耐圧ゲル52kの水圧による圧縮特性のほか、電子カメラ52fの格納ケース524の形状や、格納ケース524内の固体撮像素子521の位置にも影響を受けるので、上記「光の屈折率」は水圧による耐圧ゲル52kの圧縮特性を考慮するのみでは足りず、それ以外の上記他の影響も考慮して決定する必要がある。
光の屈折率を取得する方式としては、光の屈折率をリアルタイムで算出する下記第1の方式と、図9の対応テーブルCtを用いる下記第2の方式とが考えられる。
第1の方式では、水圧センサ素子52aで計測した現在の水圧データから、耐圧ゲル52kの屈折率(=光の屈折率)をリアルタイムで算出する。その算出の考え方は、以下の通りである。
第2の方式は、電子カメラ52fを水中に沈めたときの水圧と光の屈折率との関係を予め実験で求め、その水圧と光の屈折率(実測値)とを一対一で対応させて記憶した図9の対応テーブルCtを作成し、水圧センサ素子52aで計測した現在の水圧データに対応する光の屈折率を当該対応テーブルCtから得るものである。
図8は、図7の電子カメラ52fにおける焦点制御の説明図であり、同図(a)は、電子カメラ52fの耐圧ゲル52kに水圧が作用しないときの焦点をX0とし、焦点距離をL0として示したものである。また、同図(b)は、所定の水圧が電子カメラ52fの耐圧ゲル52kに作用したときの焦点をX1とし、焦点距離をL1として示したものである。同図(c)は、(b)よりも高い水圧が電子カメラ52fの耐圧ゲル52kに作用したときの焦点をX2とし、焦点距離をL2として示したものである。
照明52gは、電子カメラ52fと同様に、ヘッドウエイト54Aの前端面に固定支持され、センサ筺体51の頭部前面に位置して、電子カメラ52fの撮影範囲を照らすようにしてある。水深1000m付近は太陽光がほとんど届かない暗黒世界なので、この種の照明52gとしては、例えば高輝度発光ダイオード(LED)が用いられる。高輝度発光ダイオードが水深1000m付近の水圧に耐えることができないなら、この高輝度発光ダイオードも高透明度の耐圧ゲルでコーティングされる。
計測プラットフォーム53は、各センサ素子52a、52b、52c、52d、52eの検出値(水圧、水温、電気伝導度、濁度)を各々の計測データに演算処理して海上の計測処理装置40へ送信したり、電子カメラ52fが撮影する海中の映像データを補正処理して同様に送信したりする等、海中投下型センサ5が収集した海中情報データ(計測データおよび撮影データ)を海上の計測処理装置40へ送信する。さらに、計測プラットフォーム53は、水圧センサ素子52aの検出値、すなわち現在の水圧データを電子カメラ52fの焦点制御手段525へ出力する。なお、データ収集表示用コンピュータ部1も、後述のネットワークを経由して海中投下型センサ5からの海中情報の送信を受けることができる。
圧力緩衝ゲル58の高弾性材料としては、海洋生物由来で高生分解性のコラーゲンまたはゼラチンの高分子蛋白質が用いられる。
ヘッドウエイト54Aとバランスウエイト54Bは、いずれも銑鉄製で、センサ筺体51の長手方向中心軸線付近に内蔵され、センサ筺体51によって覆われている。
以上のように構成された海中投下型センサ5は、センサ筐体51が比較的密度の小さい生分解性樹脂などの生分解性材料製であるにもかかわらず、その雨滴型形状とヘッドウエイト54A、バランスウエイト54Bと姿勢安定用フィン55とにより、海中を2〜4m/sec.の速度で安定して落下していき、水深500mまでなら約2〜4分程、2000mなら8〜17分程で各種の海中情報をほぼ連続的に、あるいは、ほぼ等間隔の水深において計測していくことができる。なお、上記2〜4m/sec.の落下速度は海中通信ケーブル6の非常に軽くスムーズな繰り出しが寄与して実現されるものである。
図11は、海中通信の一の特性(海中通信におけるデジタル信号の電圧レベルの変化)を調査する実験の結果を示した説明図である。
[通信外乱(その1)〜海水の電磁波吸収特性〜]
海中通信ケーブル6を使って通信を行う際、海中通信ケーブル6の周囲にはデータ信号の伝送に伴う電磁波が発生する。海水はかかる電磁波も吸収する性質を持っており、海水がその電磁波を吸収することによって、海中通信ケーブル6を介して伝送されるデータ信号のパルス波形の立ち上がりエッジが鈍くなる(先の説明<海中通信の特性>を参照)など、海水による電磁波の吸収も、海中での通信外乱になって、海中におけるxDSL通信などの高速データ通信を妨げる。
海中通信ケーブル6は固有の導通抵抗を持っており、その導通抵抗によって、海中通信ケーブル6を介して伝送されるデータ信号の電圧レベルが低下するなど、海中通信ケーブル6の導通抵抗も、海中での通信外乱になって、海中におけるxDSL通信などの高速データ通信を妨げる。
海中通信ケーブル6は海中投下型センサ5に接続されていて、海中投下型センサ5の海中落下に追従するので、この海中通信ケーブル6も1〜3m/sec.の速度で海中を移動する。その際、海中通信ケーブル6周囲の水温、塩分濃度、電解質濃度の差から海中通信ケーブル6周囲に局所的な発電現象が生じ、起電力が発生する。この海中の起電力は海中通信ケーブル6の両端で電圧降下をもたらすなど、海中での通信外乱になって、海中におけるxDSL通信などの高速データ通信を妨げる。
上記通信外乱のキャンセルとは、上記通信外乱によって劣化したデジタル信号のパルス波形を復元補正することであって、この復元補正には、鈍化したデジタル信号のパルス波形の立ち上がりを矩形波のように鋭角に補正すること、低下したデジタル信号の電圧レベルを規定電圧レベルに戻すこと、デジタル信号のパルス波形中の細かいノイズを除去することを含む。
図14において、海上通信トランシーバIC部40Aと海中通信トランシーバIC部53Aには、通信距離と電圧降下値が予め設定される。通信距離とは、この海洋調査システムで使用する海中通信ケーブル6の全長であり、電圧降下値とは、その長さの海中通信ケーブル6の導通抵抗から想定されるものである。
この場合は、上記(C)における重畳量が少なすぎるので、重畳量を増やすため、現在の受信電圧レベルと設定値との差分データを調整用パケットに格納して海中通信トランシーバIC部53Aへ送信する。
この場合は、上記(C)における重畳量が多すぎるので、重畳量を減らすために、現在の受信電圧レベルと設定値との差分データを調整用パケットに格納して海中通信トランシーバIC部53Aへ送信する。
この場合は、受信電圧レベルが適正で、上記(C)での重畳量に過不足はないから、何もしない。
本海洋調査システムにおける海中計測操作を以下に説明する。
計測終了を確認すると、オペレータは海中投下型センサ5の投棄操作を行なう。オペレータのデータ設定ボタン44操作によりケーブル・ボビン9aのロックを解除すると、自重でスライドアーム部4bが図5(a)矢印R方向にスライドして、計測処理装置側端子45と海中通信ケーブル端子6bとが離れて導通が絶たれる。更に、図5(b)に示すように、スライドアーム部4bがヒンジ4d回りに旋回していくと、センサーカートリッジ9がガン4から離脱し海中に落下して、センサーカートリッジ9、海中通信ケーブル6および海中投下型センサ5が、海中に投棄される。この投棄操作は非常に簡単、安全で、海中通信ケーブル6を手作業で切断する作業を必要としない。
本海洋調査システムでは、例えば、以下の内容の海洋調査を行うことができる。
本海洋調査システムでは、海中投下型センサ5が海中を落下する時に、海中投下型センサ5からリアルタイムで水温・水圧・落下加速度などの計測データが海上の計測処理装置40や後述の通りデータ収集表示用コンピュータ部1へ送信されてくるから、これらの計測データやGPS42で計測される投下位置(経緯度計測値)に基づいて、水面から海底落下ポイントまでの海洋構造(温度変化や潮流)を調査することができる。
本海洋調査システムによると、海中投下型センサ5が海底に衝突した際、加速度センサ素子52eで検出した衝突時の加速度値から海底の土質を調査することができる。
熱水鉱床の周辺海水温度は200〜400℃に達するため、ダイバーや潜水艇が熱水鉱床に接近することは困難である。しかしながら、本海洋調査システムによると、海中投下型センサ5が熱水鉱床の近傍まで接近し、その映像データをxDSL通信で海上の計測処理装置40や後述の通りデータ収集表示用コンピュータ部1へ送信してくるので、熱水鉱床の状態変化をコマ落ちのないリアルな映像でリアルタイムに監視することができる。本海洋調査システムを使用すれば、ダイバーや潜水艇が近づけない海域でも安心してリアルタイムな映像で可視化でき、海洋における人類の活動領域を数倍拡張できる。
2 船舶
3 防水通信ケーブル
3a 無線通信装置
3b リムーヴァブル・メモリ取付け手段
3c リムーヴァブル・メモリ
3d ルータ
3e、3f LANケーブル
4 センサ投下用アタッチメント・ガン
4a ベースアーム部
4b スライドアーム部
4c フック
4d ヒンジ
5 海中投下型センサ
6 海中通信ケーブル
6a 中空コイル
6b 海中通信ケーブル端子
7 インタフェースユニット
8 USBケーブル
9 センサーカートリッジ
9a ケーブル・ボビン
9b センサ収納シェル
11 センサ固定バンド
12 リリースピン
31 絶縁電線
32 クッションシース
33 内部シース
34 外皮シース
40 計測処理装置
40A 海上通信トランシーバIC部
41 収納ボックス
42 GPSセンサ(自位置経緯度測位センサ)
43 データ表示装置
44 データ設定ボタン
45 計測処理装置側端子
46 カートリッジガイド溝
51 センサ筐体
52a 水圧センサ素子
52b 水温センサ素子
52c 電気伝導度センサ素子
52d 濁度センサ素子
52e 加速度センサ素子
52f 電子カメラ
521 固定撮像素子
522 レンズ
523 レンズ駆動手段
524 格納ケース
525 焦点制御手段
52g 照明
52Cab 配線ケーブル
53 計測プラットフォーム
53A 海中通信トランシーバIC部
54A ヘッドウエイト
54B バランスウエイト
55 姿勢安定用フィン
56 センサ導水路
58 圧力緩衝ゲル
59A 第1のケーブル孔
59B 第2のケーブル孔
61、62、63、64 ツイスト線
CA1、CA2 ツイストペアケーブル
Ct 対応テーブル
TE 通信処理手段
RL 合成レンズ
L0 L1 L2 焦点距離
X0 X1 X2 焦点
Claims (10)
- 海中に投下され、海中の情報を収集する海中投下型センサであって、
上記海中投下型センサは、
海中を撮影するカメラと、
海中の水圧を計測する水圧センサ素子と、
上記カメラを包み水圧から保護する耐圧ゲルと、
上記カメラの焦点を制御する焦点制御手段とを含み、
上記焦点制御手段は、
上記水圧センサ素子で計測した現在の水圧データから光の屈折率を取得し、取得した屈折率を基に上記カメラの焦点を制御すること
を特徴とする海中投下型センサ。 - 上記光の屈折率は、上記カメラの外から上記耐圧ゲルを通過して当該カメラの固体撮像素子の方向に向かう光の屈折率であること
を特徴とする請求項1に記載の海中投下型センサ。 - 上記光の屈折率を取得する方式は、上記水圧センサ素子で計測した現在の水圧データから上記耐圧ゲルの屈折率を算出する方式、または、水圧と光の屈折率とを対応させて格納した対応テーブルを用い、上記水圧センサ素子で計測した現在の水圧データに対応する光の屈折率を当該対応テーブルから得る方式であること
を特徴とする請求項1に記載の海中投下型センサ。 - 上記海中投下型センサは、センサ筺体と、このセンサ筺体の頭部に設けたヘッドウエイトと、上記センサ筺体の尾部側に位置する姿勢安定用フィンの近傍に設けたバランスウエイトとを有し、
上記カメラは、上記ヘッドウエイトの前端面に固定支持され、
上記ヘッドウエイトは、上記海中投下型センサを速く落下させる役割と、その海中投下型センサの重心をセンサトップ側に偏らせることで海中投下型センサ全体の重心の安定性を高める役割と、水圧に晒される上記カメラを圧力から保護し定位置に固定する役割とを果たし、
上記バランスウエイトは、上記センサ筺体の尻振れや回転を抑制して、上記カメラの撮影ブレを低減する役割を果たすこと
を特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の海中投下型センサ。 - 海中に投下される海中投下型センサと、
海上に位置する計測処理装置と、
上記海中投下型センサと上記計測処理装置とを接続する海中通信ケーブルと、
上記海中投下型センサと上記計測処理装置との間で上記海中通信ケーブルを介して信号を送受信する通信処理手段とを備え、
上記海中投下型センサは、
海中を撮影するカメラと、
海中の水圧を計測する水圧センサ素子と、
上記カメラを包み水圧から保護する耐圧ゲルと、
上記カメラの焦点を制御する焦点制御手段とを含み、
上記焦点制御手段は、
上記水圧センサ素子で計測した現在の水圧データから上記耐圧ゲルの屈折率を取得し、取得した屈折率を基に上記カメラの焦点を制御し、
上記通信処理手段は、
海中の通信外乱をキャンセルし、上記海中通信ケーブルを介して上記海中投下型センサから上記計測処理装置へ上記カメラの映像信号を送信する
ことを特徴とする海中通信システム。 - 上記海中の通信外乱のキャンセルは、劣化したデジタル信号のパルス波形を復元補正することであって、
上記復元補正は、鈍化したデジタル信号のパルス波形の立ち上がりを矩形波のように鋭角に補正すること、および、低下したデジタル信号の電圧レベルを規定電圧レベルに戻すことを含むこと
を特徴とする請求項5に記載の海中通信システム。 - 上記通信処理手段は、上記計測処理装置側に設けた海上通信トランシーバIC部と、上記海中投下型センサ側に設けた海中通信トランシーバIC部とからなり、
上記復元補正のうち、低下したデジタル信号の電圧レベルを規定電圧レベルに戻す復元補正は、以下(A)〜(D)に示す処理を行うものであること
を特徴とする請求項6に記載の海中通信システム。
(A)ポンプアップ補正を行う。このポンプアップ補正は、海上通信トランシーバIC部から海中通信トランシーバIC部に到達するデータ信号の電圧レベルをモニターし、モニターによって取得した現在のデータ信号の電圧レベルを当該海上通信トランシーバIC部の設定電圧レベルまで引き上げるものとする。
(B)変動電圧を求め記録する。この変動電圧は、海上通信トランシーバIC部から海中通信トランシーバIC部までの間に生じた電圧降下をモニターし、モニターによって取得した現在の電圧降下値から事前に想定される電圧降下値を差し引いた差分とする。
(C)上記変動電圧から1kHz〜直流の低周波成分を抽出し、上記ポンプアップ補正後の電圧レベルに重畳させる。
(D)上記重畳後の電圧レベルでデータ信号を海上通信トランシーバIC部へ送信する。 - 上記海上通信トランシーバIC部は、受信電圧レベルの設定値を有し、上記重畳後の電圧レベルで送信されてきたデータ信号を受信するとともに、そのデータ信号の受信電圧レベルをモニターし、モニターによって取得した現在の受信電圧レベルとその上記設定値とを比較し、比較結果に応じて以下の処理を行うこと
特徴とする請求項7に記載の海中通信システム。
<現在の受信電圧レベルの方が低い場合>
この場合は、上記(C)における重畳量が少なすぎるので、重畳量を増やすため、現在の受信電圧レベルと設定値との差分データを調整用パケットに格納して上記海中通信トランシーバIC部へ送信する。
<現在の受信電圧レベルの方が高い場合>
この場合は、上記(C)における重畳量が多すぎるので、重畳量を減らすために、現在の受信電圧レベルと設定値との差分データを調整用パケットに格納して上記海中通信トランシーバIC部へ送信する。
<現在の受信電圧レベルが設定値とほぼ等しい場合>
この場合は、受信電圧レベルが適正で、上記(C)での重畳量に過不足はないから、何もしない。 - 上記調整用パケットを受信した海中通信トランシーバIC部は、上記調整用パケットに格納されている差分データを基に上記(C)における重畳量を調整し、この海中通信トランシーバIC部から上記海上通信トランシーバIC部に到達するデータ信号の受信電圧レベルが上記海上通信トランシーバIC部の設定電圧レベルと等しくなるようにすること
を特徴とする請求項8に記載の海中通信システム。 - 上記海中通信ケーブルは、2組のツイストペアケーブルを撚り合わせた構成になっていること
を特徴とする請求項5に記載の海中通信システム。
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