JP2010038873A - 水柱観測装置及び水柱観測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の音響映像撮像機器を必要とせず、リアルタイムで観測が可能な水柱観測装置及び水柱観測方法を提供する。
【解決手段】水上ブイ２と、水上ブイ２に搭載された巻上機３と、巻上機３から吊下される吊下索４と、吊下索４に取り付けられて周囲の音響映像を撮像する音響映像撮像機器５と、巻上機３を制御して音響映像撮像機器５を所望の水深区間で昇降移動させる昇降制御器６と、音響映像撮像機器５からの音響映像電子情報を水上ブイ２に伝送する伝送ケーブル７と、水上ブイ２に搭載され上記音響映像電子情報を無線伝送する無線伝送装置８とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、多数の音響映像撮像機器を必要とせず、リアルタイムで観測が可能な水柱観測装置及び水柱観測方法に関する。

海洋開発においては、環境汚染対策として、開発開始前に海洋環境調査を行っておき、開発中や開発終了後の生産稼働時にも海洋環境調査を行って海洋環境の変化を調べる必要がある。海洋環境調査は、火山活動の調査など、他の目的でも行われる。

海洋開発に伴う海洋環境調査においては、海洋開発や生産の目的で洋上にプラットフォームが係留されるので、プラットフォームの周囲における海底の開発現場・生産現場から海面までの水柱領域の環境監視をリアルタイムで行うことが望ましい。ここで水柱とは、所定の水平領域、例えば、ある半径の円の領域を鉛直方向（以下、上下方向という）に伸ばした立体空間を言う。

従来は、水柱において物理量分布を計測する場合、複数の物理量センサを索の長手方向に間隔をあけて取り付けることにより、水深が異なる複数箇所での物理量を計測する固定点計測方法、無索で自動沈降・浮上する水中ロボット（水中航行体）を航行させ、水柱内の物理量を計測する水中ロボット計測方法などがある。

また、物理量センサのうち、音響散乱体（背景、固形物、生物、気体など）を計測する物理量センサとしては、水中カメラ、周囲監視ソーナーと呼ばれる音響映像撮像機器などがある。

特開平７−２４５８５７号公報

固定点計測方法では、例えば、水深１０００ｍを超えるような深海において、海底から海面までの水柱を対象とする場合、多数の物理量センサを設置する必要がある。また、上下方向の分解能を細かく物理量分布を計測する場合、その分解能に応じて上下方向に多数の物理量センサを設置する必要がある。

水中ロボット計測方法では、水中ロボットが無索であるため、水上においてリアルタイムで観測するには、水中音響通信による情報伝送が必要となる。しかし、水中音響通信では音響映像電子情報のような大容量のデータをリアルタイムで伝送するのは困難である。音響映像電子情報を蓄積しておき浮上時に収集するバッチ処理方式では、リアルタイム観測ができない。また、水中ロボットが海上と深海とを往復するのに時間がかかるため、バッチ処理方式では、音響映像を撮像してからその映像を再生して実際に観測するまでに長時間を要することになる。

物理量センサについて検討すると、水中カメラには深海では光源が必要である。固定点計測方法でも水中ロボット計測方法でも、光源を搭載するので装置が複雑かつ重くなると共に光源の電源消費も生じる。また、水中カメラによる光映像の撮影では、海底近傍の濁水域における鮮明映像の撮影が困難である。

音響映像撮像機器は、近年の進歩により鮮明な音響画像が撮像できるようになった。音響映像撮像機器では、光源は必要なく、濁水にも影響されない。音響映像撮像機器は、数十ｍ程度の近傍の場所ならば、観察者が目視で解析可能な程度に鮮明な音響画像が撮像できる。また、解像度は落ちるが数百ｍ先の音響散乱体の検出も可能である。

解像度を高めるために、一般に周囲監視ソーナーと呼ばれる音響映像撮像機器のビーム（検出指向性）は幅が狭くなっている。音響映像撮像機器（以下、周囲監視ソーナーを示す）のビームは、幅が狭く上下には所定の角度で扇子状に開いたビーム形状である。つまり、音響映像撮像機器は、幅が狭く上下には扇子状の範囲の音響画像が撮像できる。さらにこのタイプの音響映像撮像機器は、上下方向の回転軸の周りにビームを機械的または電子的に回転させつつ撮像を行う。これにより、水平方向に所定の角度（周囲３６０°）ビームを回転でき、周囲の音響画像が撮像できる。

しかし、音響映像撮像機器による上下方向の観測可能範囲には限界がある。このため、水柱のように上下方向に広い範囲を対象とする場合、前述した固定点計測方法や水中ロボット計測方法を採用せざるを得ない。

音響映像撮像機器を水上航行体に搭載して、ビームを下方に向けた状態で水平スキャンする方法も考えられる。これは、魚群探知器と同じ原理である。しかし、プラットフォームの周囲を２４時間３６５日常に水上航行体が航行すると、水上航行体がプラットフォームの繋留索やプラットフォームに資材・人材を輸送する船舶などの障害になる。また、水上から観測すると、深海における解像度が低いため、観測対象が深海にある場合には不向きである。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、多数の音響映像撮像機器を必要とせず、リアルタイムで観測が可能な水柱観測装置及び水柱観測方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の水柱観測装置は、水上ブイと、該水上ブイに搭載された巻上機と、該巻上機から吊下される吊下索と、該吊下索に取り付けられて周囲の音響映像を撮像する音響映像撮像機器と、上記巻上機を制御して上記音響映像撮像機器を所望の水深区間で昇降移動させる昇降制御器と、上記音響映像撮像機器からの音響映像電子情報を上記水上ブイに伝送する伝送ケーブルと、上記水上ブイに搭載され上記音響映像電子情報を無線伝送する無線伝送装置とを備えたものである。

上記音響映像撮像機器が姿勢を鉛直方向に保持されるためにジンバルを介して上記吊下索に取り付けられてもよい。

また、本発明の水柱観測方法は、水上ブイに搭載した巻上機から吊下される吊下索に周囲の音響映像を撮像する音響映像撮像機器を取り付け、上記巻上機を制御して上記音響映像撮像機器を所望の水深区間で昇降移動させることにより、上記音響映像撮像機器の周囲の上記水深区間の音響映像を撮像するものである。

上記音響映像中から気泡群による音響映像を抽出し、該気泡群音響映像のスケール情報と散乱強度とから漏洩ガス量を推定してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）多数の音響映像撮像機器を必要としない。

（２）リアルタイムで観測が可能である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る水柱観測装置１は、水上ブイ２と、水上ブイ２に搭載された巻上機３と、巻上機３から吊下される吊下索４と、吊下索４に取り付けられて周囲の音響映像を撮像する音響映像撮像機器５と、巻上機３を制御して音響映像撮像機器５を所望の水深区間で昇降移動させる昇降制御器６と、音響映像撮像機器５からの音響映像電子情報を水上ブイ２に伝送する伝送ケーブル７と、水上ブイ２に搭載され上記音響映像電子情報を無線伝送する無線伝送装置８とを備えたものである。

水上ブイ（周囲観測用ブイ）２は、それ自体は従来から知られている繋留されて海上の定点に浮遊する浮体である。水上ブイ２には、昇降制御器６や無線伝送装置８やこれらの電源を搭載するための防水スペースを有する。

巻上機（ウインチ）３は、吊下索４を巻き下げ・巻き上げするもので、図示しない動力源とモータとドラムとからなる。巻上機３は、吊下索４と共に伝送ケーブル７を巻き下げ・巻き上げするようにしてもよい。巻上機３は、吊下索４の繰り出し長さ（又は繰り出し速度の積分）から音響映像撮像機器５の水深を計測できるようにしてもよい。

吊下索４は、従来からある深海まで所定のペイロードを吊下可能な強度を有する吊下索４である。吊下索４は、伝送ケーブル７と一体化してもよい。

音響映像撮像機器５は、既に述べたように、ビームと呼ばれる幅が狭く上下には扇子状の範囲の音響画像が撮像できるものである。上下方向に立った回転軸の周りにビームを回転させつつ撮像を行うことにより、回転軸の周囲３６０°について高解像度の音響画像が撮像できる。音響映像撮像機器５は、所定のビーム形状を有する音響センサを機械的に回転させるタイプや、小型の音響センサを周方向と上下方向に多数配置し、各音響センサについて位相制御を行うことにより、ビームの幅、上下角、ビーム回転角を制御できるタイプがある。

昇降制御器６は、音響映像撮像機器５が所望の水深区間を繰り返し昇降するように巻上機３に対して巻き下げ量・巻き上げ量を与えるものである。昇降制御器６は、巻上機３に対して巻き下げ速度・巻き上げ速度も与えられるようにするのが好ましい。昇降制御器６は、音響映像撮像機器５の昇降制御結果を確認するために音響映像撮像機器５の水深を計測する深度計や水上ブイとの相対位置を計測するＵＳＢＬを備えてもよい。昇降制御器６は、巻上機３が計測する音響映像撮像機器５の水深を利用してもよい。

伝送ケーブル７は、従来より知られた水中用ケーブルである。伝送ケーブル７は、高解像度の音響映像電子情報をリアルタイムで伝送可能な程度に高い伝送容量を有する。

無線伝送装置８は、図示しないプラットフォーム、母船、遠隔の陸上施設等の外部に設置された監視装置に対し直接あるいは衛星中継を介して無線通信を行うものである。無線伝送装置８は、高解像度の音響映像電子情報をリアルタイムで伝送可能な程度に高い伝送容量を有する。

この他に、水柱観測装置１は、海上気象観測器、対船衝突防止手段としての無線警告信号発信器及び灯火、測位装置などを水上ブイ２に搭載する。

図１の実施形態では、水柱観測装置１は、吊下索４の下端に音響映像以外の複数種類の物理量を観測する物理量センサ群９が取り付けられ、その物理量センサ群９の下端にジンバル１０が取り付けられ、ジンバル１０の下端に音響映像撮像機器５が取り付けられている。

物理量センサ群９で観測する物理量としては、水温、深度、流速・流向、水圧、比重、ｐＨ、分光スペクトル、ＵＳＢＬ方式測位量などがある。ＵＳＢＬ（Uitra Short Base Line）方式測位量は、地球座標が既知の定点と水中にある物理量センサとの間で音響探知により相対位置を求めて物理量センサの地球座標を算出した測位量である。

ジンバル１０は、潮の流れで吊下索４が斜めになっても音響映像撮像機器５の姿勢が鉛直を保つように設けるものである。

以下、本発明の水柱観測方法を説明する。

本実施形態では、これまで説明した水柱観測装置１をプラットフォームの周囲に複数台配置する。なお、観測対象の水柱の半径が小さい場合、１台の水柱観測装置１をプラットフォームの下に配置するだけでも高解像度の観測が可能である。複数の水柱観測装置により各々の周りの水柱を観測することで、プラットフォームの周囲の広い領域を観測対象とすることができる。

水柱観測装置１では、水上ブイ２に搭載した巻上機３から吊下される吊下索４に周囲の音響映像を撮像する音響映像撮像機器５が取り付けられている。この状態で、昇降制御器６により巻上機３を制御して音響映像撮像機器５を所望の水深区間で昇降移動させる。

音響映像撮像機器５は、昇降移動されている間、または所定の水深ごとに停止して、時間的に連続してビームを回転させつつ周囲の音響映像を撮像する。これにより、音響映像撮像機器５の周囲であって上記水深区間に含まれる立体空間（すなわち所望した水柱）の音響映像を連続的に周方向スキャンしつつ連続的に上下方向スキャンして撮像することができる。

音響映像撮像機器５が出力する音響映像電子情報は、リアルタイムで伝送ケーブル７を介して水上ブイ２に伝送される。水上ブイ２では、無線伝送装置８が音響映像撮像機器５から伝送ケーブル７を介して伝送された音響映像電子情報をリアルタイムで外部に無線伝送する。

プラットフォーム、母船、遠隔の陸上施設等に設置された監視装置では、音響映像電子情報に基づいて音響映像を画像表示器に表示する。音響映像の解像度が高いので、画像表示器には、観察者が目視で解析可能な程度に鮮明な音響画像が表示される。また、監視装置において、音響映像電子情報に基づいて適宜な画像処理、特徴抽出、自動解析などを行うこともできる。

解析の内容としては、例えば、水柱全体の音響映像中から気泡群による音響映像を抽出し、この抽出された気泡群音響映像のスケール情報（高さと幅）と散乱強度とから漏洩ガス量を推定する。

ここで、漏洩ガス量の推定について詳しく説明する。

天然ガスの場合、一般に、海底面から天然ガス埋蔵箇所まで数千ｍの深さがあり、天然ガスは厚い岩盤に覆われているので、海底からのガス漏れはないとされる。しかし、海底面から数百ｍ程度の浅い所に天然ガスやその他のガスが埋蔵されている場合、海底からのガス漏れが起きる可能性がある。また、海底から海上まで天然ガスを輸送する配管であるライザ管に障害が発生すると、ライザ管から天然ガスのガス漏れが起きる可能性がある。海底を覆うように補強したセメンチングに亀裂が生じてガス漏れが起きる場合もある。また、実際に海底の泥火山から噴出しているガスを観測する場合もある。

海底から漏洩したガスは、海中で気泡となって拡散しつつ上昇する。気泡は、群れをなして雲のようになった状態で高く伸びる。このような気泡群をガスプルーム（gas plume）と呼ぶ。ガスは時間的にゆっくり海水に溶け込んでいく性質を持っている。よって、気泡は、上昇するに従って徐々に縮小していき消失する。このため、ガスプルームは海底からある程度の高さまでは成長するが、ある程度の高さのところで止まる。つまり、ガスプルームには頂上が形成される。漏洩しているガスが多いときは、気泡が広く拡散し、消失までの時間が長いので、漏洩ガス量に応じてガスプルームの形状、すなわち高さや幅が異なる。

一方、海中の気泡は、海中を伝搬してきた音響を反射（散乱）する性質を持っている。従って、海中に音を放射して気泡からの散乱波を捉えることにより、気泡を検出することができる。これが音響映像撮像機器５の原理である。音響が気泡の気泡群であるガスプルームに当たると、その散乱波による音響映像は雲のような輪郭が曖昧な音響映像となる。

ちなみに、音響が海底（立面）や人工物などの固いものに当たると、その散乱波による映像はくっきりしたものとなる。音響がガスプルームも固いものもないところを通ると、反射波が戻らないので、特別な特徴がある音響映像は得られない。従って、音響映像を観測することで、ガスプルームを検出することができる。

図２に、音響映像の一例を示す。縦軸は水深、横軸は反射距離である。反射距離は音響の反射時間から得られる。図２は、特定のビーム回転角についての上下方向スキャンを示したものである。

図示のように、ガスプルームによる音響映像Ｇは、音響映像撮像機器５からガスプルームまでの水平距離とガスプルームの散乱強度を示したものとなる。ガスプルームの観測ではガスプルームの高さ・幅を知ることが重要であるが、本発明では、水平距離の検出を上下方向にスキャンすることにより、ガスプルームの基端から頂上まで連続して水平距離を計測するので、ガスプルームの高さ・幅と散乱強度を検出することができる。

前述のように漏洩ガス量に応じてガスプルームの高さ・幅と散乱強度が異なるので、ガスプルームによる音響映像Ｇを観測して得られたガスプルームの高さ・幅と散乱強度から漏洩ガス量を推定することができる。例えば、漏洩ガス量が既知のガスプルームについて音響映像を観測することにより、ガスプルームの単位面積当たりの散乱強度と漏洩ガス量との対応関係を表すデータベースを作成しておき、その後、観測されたガスプルームのスケール情報（高さ・幅）から算出されるガスプルームの散乱面積と散乱強度からデータベースを参照することで漏洩ガス量を推定する。

以上説明したように、本発明の水柱観測装置１は、音響映像撮像機器５を１つのみ使用する。物理量センサ群９についても、１種類の物理量に対して１つの物理量センサがあれば十分である。従来の固定点計測方法では、深海の水柱を対象とする場合や上下方向の分解能を細かく物理量分布を計測する場合に多数の物理量センサを設置するので高価であったが、本発明は、音響映像撮像機器５などの物理量センサの個数を削減することができ、水柱観測装置１が安価になる。

本発明の水柱観測装置１は、音響映像撮像機器５からの音響映像電子情報を伝送ケーブル７と無線伝送装置８で伝送するようにしたので、時間的に連続した高解像度の音響映像を有する大容量の音響映像電子情報をリアルタイムで伝送することができる。従来の水中ロボット計測方法では、大容量のデータを伝送できない水中音響通信を用いるため高解像度の音響映像が得られず、あるいはバッチ処理方式となってリアルタイム観測ができなかったが、本発明は、高解像度の音響映像によるリアルタイム観測が可能となる。これにより、水柱の連続した物理量監視、評価がリアルタイムでできることになり、深海の開発現場・生産現場における状況把握に有効である。

本発明の水柱観測装置１は、昇降制御器６が巻上機３に対して巻き下げ量・巻き上げ量を与えるようにしたので、必要に応じて任意の水深区間を実現することができる。従来の固定点計測方法では、水深区間を変えるためには、物理量センサを設置しなおす必要があるが、本発明では昇降制御器６が制御量を変えるだけでよいので、水深区間を簡便に変えることができる。また、昇降制御器６が巻上機３に対して巻き下げ速度・巻き上げ速度も与えられるようにしておけば、上下方向スキャンの速度を任意に設定できることになる。

これにより、上下方向の物理量分布の分解能を粗くしたり細かくしたり調節することができる。従来の固定点計測方法では、物理量センサの設置間隔を変えて物理量センサを設置しなおす必要があるが、本発明では昇降制御器６が制御量を変えるだけでよいので、上下方向の物理量分布の分解能を簡便に変えることができる。昇降制御器６におけるこれらの制御量は、プラットフォーム等の外部から無線伝送装置８を介して昇降制御器６に指示するようにしてもよい。

本発明の水柱観測装置１は、吊下索４が鉛直に吊下されている場合はもちろん、潮の流れで吊下索４が斜めになる場合でも、ジンバル１０の働きにより音響映像撮像機器５が常に鉛直を保つので、ビーム回転軸が鉛直を保つ。よって、ビームの中心が常に水平に向くことになる。この結果、水柱の物理量分布を位置精度が高く観測することができる。

本発明の水柱観測装置１は、音響映像中から気泡群による音響映像を抽出し、気泡群音響映像の高さと幅とから漏洩ガス量を推定するようにしたので、ガス漏洩の早期検出やその拡散状況監視に有効である。

本発明の一実施形態を示す水柱観測装置の側面図である。 本発明の水柱観測装置で撮像される音響映像の一例を示す映像図である。

符号の説明

１ 水柱観測装置
２ 水上ブイ
３ 巻上機
４ 吊下索
５ 音響映像撮像機器
６ 昇降制御器
７ 伝送ケーブル
８ 無線伝送装置
９ 物理量センサ群
１０ ジンバル

Claims (4)

1. 水上ブイと、該水上ブイに搭載された巻上機と、該巻上機から吊下される吊下索と、該吊下索に取り付けられて周囲の音響映像を撮像する音響映像撮像機器と、上記巻上機を制御して上記音響映像撮像機器を所望の水深区間で昇降移動させる昇降制御器と、上記音響映像撮像機器からの音響映像電子情報を上記水上ブイに伝送する伝送ケーブルと、上記水上ブイに搭載され上記音響映像電子情報を無線伝送する無線伝送装置とを備えたことを特徴とする水柱観測装置。
2. 上記音響映像撮像機器が姿勢を鉛直方向に保持されるためにジンバルを介して上記吊下索に取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の水柱観測装置。
3. 水上ブイに搭載した巻上機から吊下される吊下索に周囲の音響映像を撮像する音響映像撮像機器を取り付け、上記巻上機を制御して上記音響映像撮像機器を所望の水深区間で昇降移動させることにより、上記音響映像撮像機器の周囲の上記水深区間の音響映像を撮像することを特徴とする水柱観測方法。
4. 上記音響映像中から気泡群による音響映像を抽出し、該気泡群音響映像のスケール情報と散乱強度とから漏洩ガス量を推定することを特徴とする請求項３記載の水柱観測方法。

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