JP2010239563A

JP2010239563A - 海底観測システム

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Publication number: JP2010239563A
Application number: JP2009087686A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Takahashi; 浩央高橋; Kazumasa Nemoto; 和正根本; Hiroyuki Yoshioka; 弘行吉岡
Original assignee: OCC Corp
Current assignee: OCC Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP5272188B2

Abstract

【課題】海底観測システムにおいて、端局装置から供給する電圧を適切な低い電圧とする。
【解決手段】端局装置４１と、供給される直流電圧を降圧する第１の電圧変換機２４を内蔵する中継器筐体２８と、センサ装置１２及び第２の電圧変換機２１を内蔵する複数個のセンサ筐体２と、端局装置４１と第１の電圧変換機２４の入力側とを接続する第１の給電線路２５１と、第１の電圧変換機２４の出力側と所定数の第２の電圧変換機２１の入力側とを接続する第２の給電線路２５４と、センサ信号線路２５２と、を有して形成される海底ケーブル２５と、を備え、端局装置４１と海底ケーブル２５に沿って配される中継器筐体２８と、複数個のセンサ筐体２の各々と、を海底ケーブル２５によって直列に接続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、海底で生じた物理現象を検出してモニタリングする海底観測システムに関し、特に海底観測システムに対して電力を供給する給電装置に関するものである。

海底で生じた物理現象、例えば、海底で生じた地震による振動、水圧変化、磁気変化等、を検出して信号を地上に送出する海底観測システムを海底ケーブルに組み込む技術が近年注目されている（特許文献１を参照）。このような海底ケーブルに組み込んだセンサは、動作させるための電力が必要とされる。このために、海底観測システムと地上に設置される端局装置とは、海底ケーブルに内蔵された給電線路によって接続されている。ここで、海底ケーブルは、大陸間を横断するなど長距離に渡り敷設される場合が多く、給電線路も長いものとなる。また、海底ケーブルで伝送される情報を中継する海底中継器を海底ケーブルの途中に設けて、減衰する情報の信号レベルを増幅するようにしている。

図３は、特許文献１に記載の技術である。図３を参照して特許文献１に記載の技術について説明をする（特許文献１における符号は１００番台に変更されている）。特許文献１に記載の技術では、端局装置に設けた定電流給電装置１１２から海底ケーブル（給電線路）１１５に定電流を供給している。そして、この海底ケーブル１１５によって直列に接続された複数の海底中継器１０８の回路１０９、及び海底観測ステーション１０１の有する観測機器回路１０７に電力を供給している。複数個の海底中継器１０８の各々はツェナダイオード１１０を有しており、各々のツェナダイオード１１０の両端から得られる電圧によって各々の中継器１０８の回路１０９を働かせている。また、海底観測ステーション１０１は、スイッチング回路１０２、トランス１０３、整流回路１０４、ツェナダイオード１０５を有して電圧変換機を構成し、ツェナダイオード１０５の両端から得られる電圧によって観測機器回路１０７を働かせている。

又、図３に示す技術は、模式的に示す図４の海底観測システムも用いられている。端局装置３１には、センサ装置１２ａ〜センサ装置１２ｄが接続されている。電圧変換機１１ａ〜電圧変換機１１ｄは、センサ装置１２ａ〜センサ装置１２ｄに電力を供給するために用いられている。端局装置３１とセンサ装置１２ａ〜センサ装置１２ｄ及び電圧変換機１１ａ〜電圧変換機１１ｄとは海底ケーブル１５によって接続されている。

電圧変換機１１ａからの電力はセンサ装置１２ａに供給される。同様にして、図示するように各電圧変換機から各センサ装置に電力が供給される。ここで、センサ装置１２の動作電圧は、通常、５Ｖ（ボルト）〜１０Ｖ程度に設定されている。一方、給電線路における電力損失による電圧の低下を考慮して、端局装置３１から給電線路１５１ａには、数百Ｖの高電圧が供給されている。このようにして、給電線路の末端（端局装置から遠い位置の末端）のセンサ装置１２ｄにおいても、５Ｖ〜１０Ｖ程度の安定した電圧が得られるようにしている。

電圧変換機１１ａとしては、例えば、入力電圧を降圧してより低い電圧を出力するＤＣ−ＤＣコンバータが使用される。ここで、現在の技術では数百Ｖから５Ｖ〜１０Ｖ程度まで一度に降圧するＤＣ−ＤＣコンバータの実現は困難であるので電圧変換機１１の各々は２段構成のＤＣ−ＤＣコンバータを採用している。このために、電圧変換機１１の部品数は多くなり、その形状は大きく、その重量も重いものとなる。よって、センサ装置１２と電圧変換機１１とを内部に有するセンサ筐体１の形状が大きくなり、その重量も重いものとなる。この結果、海底ケーブル１５の敷設が困難となり、敷設後においても、センサ筐体１の形状の大きさ、重量の重さが海底ケーブル１５の負荷となり長年に渡り設置状態とされる海底ケーブル１５の品質の維持に悪影響を与える場合も生じる。

特開平１１−１５０４９２号公報

図３に示す海底観測ステーション１０１（センサ装置）は、海底ケーブル１１５に接続され、海底ケーブル１１５のシステム長は最大では数ｋｍ（キロメータ）となる場合がある。特許文献１に記載の技術では、端局装置から海底ケーブル１１５に供給される電圧の値は、海底中継器１０８（中継器）の個数分に１個のツェナダイオード１１０の電圧を掛けた電圧と、海底観測ステーション１０１（センサ装置）の１次側の電圧と、海底ケーブル１１５の電圧降下分の電圧とが加算される電圧となる。このために、端局装置から海底ケーブル１１５に供給される電圧の値は、極めて高いものとなった。

又、図４に示す海底観測システムでは、上述した２段構成のＤＣ−ＤＣコンバータを用いることによって生じる問題を解決するために、１台のＤＣ−ＤＣコンバータで対応できる範囲の低い電圧を電圧変換機に供給し、電圧変換機を小型化、軽量化することが考えられるが、エネルギー損失が大きくなる。すなわち、この場合には、給電線路に流れる電流量は電圧に反比例して増加する。そして、給電線路の末端に接続される電圧変換機の入力側の電圧を適切に維持するために、給電線路の径を大きくして電圧降下を防がなければならないものとなる。よって、この場合には、海底ケーブルの小型化が図れないこととなる。

本発明は上述した問題点を解決し、端局装置からセンサ装置に対して電力を供給する給電線路を有する海底ケーブルによって接続して構成される海底観測システムにおいて、端局装置から供給する電圧を適切な低い電圧とすることができる技術を提供し、センサ筐体の小型化、軽量化と、海底ケーブルの小型化、軽量化と、をともに図るものである。

本発明の海底観測システムは、センサ信号を受信するとともに直流電圧を供給する端局装置と、供給される直流電圧を降圧する第１の電圧変換機を内蔵する中継器筐体と、海底における物理現象を検出して前記センサ信号を発するセンサ装置及び供給される直流電圧を降圧して前記センサ装置に供給する第２の電圧変換機を内蔵する複数個のセンサ筐体と、前記端局装置と前記第１の電圧変換機の入力側とを接続する第１の給電線路と、前記第１の電圧変換機の出力側と前記第２の電圧変換機の入力側とを接続する第２の給電線路と、前記センサ装置と前記端局装置とを接続して前記センサ信号を伝送するセンサ信号線路と、を有して形成される海底ケーブルと、を備え、前記端局装置を前記海底ケーブルの終端に接続するようにして、前記端局装置と前記海底ケーブルに沿って配される前記中継器筐体と、前記海底ケーブルに沿って配される前記複数個の前記センサ筐体の各々と、を前記海底ケーブルによって直列に接続する。

本発明の海底観測システムでは、第１の電圧変換機と、この第１の電圧変換機に接続される第２の電圧変換機を備えるようにしたので、端局装置から供給する電圧を適切な低い電圧とすることができるという利点がある。

海底観測システムの構成を示す図である。海底観測システムにおけるセンサ筐体、中継機筐体及び海底ケーブルの構成を示す図である。特許文献１に記載の技術である。従来の海底観測システムである。

発明を実施するための形態では、海底ケーブルに接続したセンサ装置を用いた海底観測システムにおいて、センサ装置に対する給電線路を中継器から分岐して配置して電圧変換の効率化を図るものである。以下、図面を参照して、実施するための形態について説明をする。

図１は、海底観測システムの構成を示す図である。図２は、図１に示す海底観測システム５１におけるセンサ筐体２、中継機筐体２８及び海底ケーブル２５の構成をより詳細に示す図である。図１、図２を参照して、海底観測システム５１について説明をする。

図１に示す海底観測システム５１は、端局装置４１と、海底ケーブル２５と、センサ筐体２ａ〜センサ筐体２ｄと、中継器筐体２８と、を有している。海底ケーブル２５の各区間である海底ケーブル２５ａ〜海底ケーブル２５ｅの各々は、その長さに異なりを有す場合もあるが、その断面構造は同一とされている。なお、海底ケーブル２５ａ〜海底ケーブル２５ｅの各々の長さを海底ケーブル２５のシステム長と称している。センサ筐体２ａ〜センサ筐体２ｄの各々の構造は同一とされている。

ここで用いられる用語の意味について説明をする。海底ケーブル２５の用語は、海底ケーブルの各区間である海底ケーブル２５ａ〜海底ケーブル２５ｅの全体で構成される海底ケーブルを指し示すととともに、海底ケーブル２５ａ〜海底ケーブル２５ｅの各々についての総称を指し示すものとする。一方、海底ケーブル２５ａ、海底ケーブル２５ｂ、海底ケーブル２５ｃ、海底ケーブル２５ｄ、で示すように、添字であるａ、ｂ、ｃ、ｄを付した符号が指し示す各部分は、海底ケーブル２５の各々の区間を指し示すものとする。

また、図２を参照して、後述するセンサ筐体２、電圧変換機２１、センサ装置１２についても、それらが複数個ある場合には添字、ａ、ｂ、ｃ、等を用いて、その各々を特定する。そして、センサ筐体２と同じ添字を有する第２電圧変換機２１、センサ装置１２は同一の筐体に含まれる構成部品を表す。また、添字を付さないで用いる場合には、センサ筐体２、電圧変換機２１、センサ装置１２の各々について、該当する各部を総称するものとする。

図１では、海底観測システム５１を構成する構成部である、端局装置４１と、海底ケーブル２５と、センサ筐体２と、中継器筐体２８と、が示されている。ここで、海底ケーブル２５を用いた通信システムの全体は、海底観測システム５１を含み、図１に表された構成物以外に、一方の端局装置４１との間で情報をやり取りする他方の端局装置（図示せず）を備えている。他方の端局装置は、センサ筐体２ｄの先に接続されている。一方の端局装置４１と他方の端局装置とは、各々が陸上に設置され、センサ筐体２は海底に配置されている。海底ケーブル２５の一部は、地上の端局装置と接続するために海中又は地上に配置されているが、海底ケーブル２５の多くは、海底のセンサ筐体２又は海底の中継器筐体２８と接続するために海底に配置されている。このようにして、センサ筐体２が海底に配置されている故に海底における物理現象を検出できることとなる。センサ装置２２が検出する物理現象は、海底で生じた地震による振動、水圧変化、磁気変化、水温変化等である。

海底ケーブル２５の１区間当たりの長さであるチャンネル長（例えば、海底ケーブル２５ａの長さ）は、実施例では、数ｋｍ程度である。海底ケーブル２５は、通信に供する情報（単に情報と以下では省略をする）を伝送する通信線路と、センサ装置で検出するセンサ信号を伝送するセンサ信号線路と、電力を給電する給電線路とを有して構成されている。通信線路は、光ファイバーであっても導電材料からなる導電線であっても良いが、給電線路は導電線で形成されている。

図２に示す海底観測システム５１は、端局装置４１と、海底ケーブル２５と、センサ筐体２ａ〜センサ筐体２ｄと、中継器筐体２８と、を有している。

一方の端局装置４１と他方の端局装置とは、海底ケーブル２５を介して相互に通信するための変復調器（図示せず）、地上の他の設備と接続するための回線接続装置（図示せず）を配している。また、少なくとも一方の端極装置である端局装置４１は、センサ筐体２と中継器筐体２８とに給電線路を介して電力を給電するための電圧源としての電源装置を配している。

ここで、用いられる用語の意味について説明をする。海底ケーブル２５の用語は、海底ケーブルの各区間である海底ケーブル２５ａ〜海底ケーブル２５ｅの全体を指し示すととともに、海底ケーブル２５ａ〜海底ケーブル２５ｅの総称を指し示すものとする。一方、海底ケーブル２５ａ、海底ケーブル２５ｂ、海底ケーブル２５ｃ、海底ケーブル２５ｄとして示すように、符号に添字であるａ、ｂ、ｃ、ｄを付した部分は、海底ケーブル２５の各々の区間を指し示すものとする。海底ケーブル１５の各区間である海底ケーブル２５ａ〜海底ケーブル２５ｅの各々は、その長さに異なりを有す場合もあるが、その断面構造は同一とされている。

また、センサ信号線路２５２ａ〜センサ信号線路２５２ｄについても、同様に各々の用語が用いられる。つまり、センサ信号線路２５２の用語は、センサ信号線路の各区間であるセンサ信号線路２５２ａ〜センサ信号線路２５２ｄの全体を指し示すととともに、センサ信号線路２５２ａ〜センサ信号線路２５２ｄの総称を指し示すものとする。

図２では、海底観測システム５１を構成する、端局装置４１と、海底ケーブル２５と、センサ筐体２と、中継器筐体２８と、が示されている。ここで、海底ケーブル２５を用いた通信システムの全体は、海底観測システム５１を含み、図２に表された構成物以外に、一方の端局装置４１との間で情報をやり取りする他方の端局装置（図示せず）を備えている。他方の端局装置は、センサ筐体２ｄの先に接続されている。一方の端局装置４１と他方の端局装置とは、陸上に設置され、センサ筐体２は海底に配置されている。海底ケーブル２５の一部は、地上の端局装置と海底のセンサ筐体２とを接続しているが、海底ケーブル２５の多くは海底に配置されている。

センサ筐体２ａ〜センサ筐体２ｄの各々の構造は同一とされている。センサ筐体２の用語は、センサ筐体２ａ〜センサ筐体２ｄの総称として用いられる。

海底ケーブル２５は、通信線路（図示せず）と、センサ信号線路と、給電線路とを有して構成されている。通信線路は、光ファイバーであっても導電材料からなる導電線であっても良いが、給電線路は導電線で形成されている。また、一方の端局装置４１と、センサ筐体２ｄの先に接続される他方の端局装置（図示せず）とは、海底ケーブル２５を介して相互に通信することができるようになされている。また、少なくとも一方の端極装置である端局装置４１は、センサ筐体２と中継器筐体２８とに給電線路を介して電力を給電するための電圧源としての電源装置を配している。

海底ケーブル２５ａは、給電線路２５１ａ、センサ筐体２ａからの信号を送るセンサ信号線路２５２ａ、通信情報を送る情報信号線路（図示せず）を有して構成されている。海底ケーブル２５ｂ〜海底ケーブル２５ｅの各々は海底ケーブル２５ａと同様な構成を有している。

センサ信号を端局装置４１に伝送するためのセンサ信号線路２５２ａ〜センサ信号線路２５２ｄの本数は、センサ装置１２の個数分として、１本のセンサ信号線路で１個のセンサ信号を伝送するようにしても良く、センサ装置１２ａ〜センサ装置１２ｄの各々から得られるセンサ信号を時分割方式または周波数分割方式を用いて多重化して、センサ信号線路１５２を構成する線路の本数を１本としても良い。

センサ筐体２ａは、防水構造とされ、内部に電圧変換機２１ａ（第２の電圧変換機）とセンサ装置１２ａとを有している。電圧変換機２１ａの入力側は、海底ケーブル２５ａに含まれる給電線路２５１ａ（第１の給電線路）に接続され、端局装置４１から電力が供給される。電圧変換機２１ａの出力側はセンサ装置１２ａに接続される。センサ装置１２ａの動作電圧は、５Ｖ（ボルト）〜１０Ｖ程度に設定されている。一方、給電線路２５１ａには５０Ｖ程度の電圧が印加されるようにされている。

電圧変換機２１ａとしては、入力電圧を降圧してより低い電圧を出力する降圧形のＤＣ−ＤＣコンバータが使用され、５０Ｖ程度の電圧を５Ｖの定電圧に降圧する。このような電圧変換比を有するＤＣ−ＤＣコンバータの実現は容易である。ＤＣ−ＤＣコンバータは安定化電源とされ、電圧変換機２１ａの出力側では、その電圧は一定の電圧となるようにされている。電圧変換機２１ｂ〜電圧変換機２１ｄ（第２の電圧変換機）は、上述した電圧変換機２１ａと同様の構成を有している。

中継器筐体２８には、電圧変換機２４（第１の電圧変換機）が内蔵されている。電圧変換機２４としては、入力電圧を降圧してより低い電圧を出力する降圧形のＤＣ−ＤＣコンバータが使用される。端局装置４１からの３５０Ｖの電圧を、給電線路２５１を介して電圧変換機２４に供給して、電圧変換機２４では５０Ｖの定電圧に降圧する。このような電圧変換比を有するＤＣ−ＤＣコンバータの実現は容易である。ＤＣ−ＤＣコンバータは安定化電源とされ、出力側の電圧は一定の電圧となるようになされている。また、実施例では、端局装置４１から給電線路２５１に供給される電力の電圧は３５０Ｖであるが、海底ケーブル２５ａ〜海底ケーブル２５ｃを介しての中継器筐体８における給電線路２５１の電圧は３００Ｖ程度に低下している。

電圧変換機２４（第１の電圧変換機）からの直流電力は、電圧変換機２１ａ〜電圧変換機２１ｄ（第２の電圧変換機）に供給される。電圧変換機２１ａ〜電圧変換機２１ｄに対しての電圧変換機２４からの給電は、給電線路２５４（第２の給電線路）を介しておこなわれる。

図２において、センサ筐体２ａの内部の給電線路２５４の破線部、センサ筐体２ｄの内部の給電線路２５４の破線部は、給電線路２５４が一部切断している部分を示すものである。一方、図２に示すように、センサ筐体２ｂの内部とセンサ筐体２ｃの内部では、給電線路２５４は切断されることなく導電可能とされている。

このようにして、給電線路２５４は、海底ケーブルに沿った電圧変換機２４（第１の電圧変換機）の位置を中心として、端局装置４１（基点）からの距離がより短い側に、電圧変換機２１ａと電圧変換機２１ｂとが、より基点からの距離が長い側に、電圧変換機２１ｃと電圧変換機２１ｄとが、各々接続されている。ここで、電圧変換機２４の位置を中心として、その両側に同数の２個ずつ電圧変換機２１が配置されているのは、給電線路２５４における電圧降下を可能な限り防止して給電線路を有効活用するためである。

図示しないが、片側に、電圧変換機２１ａ〜電圧変換機２１ｄの４個の電圧変換機を接続する場合には、電圧変換機２４から電圧変換機２１までの給電線路の長さ自体が長くなり、さらに、最も電圧変換機２４に近い区間の給電線路２５４では、１個の電圧変換機２１に流れる電流の４倍の電流が流れるので、電圧降下も大きくなる。このような場合においては、端局装置４１から供給された電力が有効に活用されないのみならず、電圧変換機２１は広範囲の入力電圧に対応できるものとしなければならず、電圧変換機２１自体の効率の低下が生じることとなる。

一方、図２に示すように、一方の側に電圧変換機２１ａ、電圧変換機２１ｂ、他方の側に電圧変換機２１ｃ、電圧変換機２１ｄを接続する場合には、給電線路２５４における電圧降下も小さくなり、電圧変換機２１の入力電圧の対応範囲も小さなものとでき、電圧変換機２１の高効率化、小型化が図れる。ここで、電圧変換機２４の位置を中心として、その位置の両側に同数ずつ電圧変換機２１を接続する場合が、最も有効に給電線路２５４を活用することとなる。さらに、その位置の両側に同数ずつ電圧変換機２１を接続する場合が電圧変換機２１ａ〜電圧変換機２１ｄにおける入力側の電圧のばらつきが最も小さなものとなる。

図２に示すような構成を１ブロックとして、海底観測システムを構成するようにしても良く、複数のブロックを一連に接続するようにすることができる。

実施例に示した海底観測システムは、情報信号を送受信してセンサ信号を受信するとともに直流電圧を供給する端局装置と、供給される直流電圧を降圧する第１の電圧変換機を内蔵する中継器筐体と、海底における物理現象を検出してセンサ信号を発するセンサ装置及び供給される直流電圧を降圧してセンサ装置に供給する第２の電圧変換機を内蔵する複数個のセンサ筐体と、端局装置と第１の電圧変換機の入力側とを接続する第１の給電線路と、第１の電圧変換機の出力側と所定数の第２の電圧変換機の入力側とを接続する第２の給電線路と、センサ装置と端局装置とを接続してセンサ信号を伝送するセンサ信号線路と、を有して形成される海底ケーブルと、を備えている。そして、端局装置を海底ケーブルの終端に接続するようにして、端局装置と海底ケーブルに沿って配される中継器筐体と、海底ケーブルに沿って配される複数個のセンサ筐体とを海底ケーブルによって直列に接続するものである。

実施例の海底観測システムでは、上述したように、第１の電圧変換機と第２の電圧変換機とを有し、第１の電圧変換機に対しては、第１の給電線路を介して端局装置から給電し、第２の電圧変換機に対しては、第２の給電線路を介して第１の電圧変換機からセンサ装置に給電することができる。このようにして、各センサ装置において、２段階の電圧変換機を用いて、２段階の降圧をおこなう必要がないことにより、電圧変換機の電力効率を高いものとして、電圧変換機の小型化、軽量化が図れる。

また、実施例の海底観測システムでは、第１の給電線路から第１の電圧変換機に供給される電圧は高い。一方、第２の給電線路から第２の電圧変換機を介してセンサ装置に供給される電圧は低い。また、第１の給電線路から第１の電圧変換機に供給される電力の総和と、第２の給電線路から第２の電圧変換機を介してセンサ装置に供給される電力の総和は略同電力となる。ここで、導電性を有する範囲の第２の給電線路から電力を供給されるセンサ装置の所定数を適宜に選択することによって、第２の給電線路での電圧降下を適宜に制御するとともに、第２の給電線路での電力損失を適宜に制御することができる。

２、２ａ〜２ｄセンサ筐体、２８中継器筐体、２１ａ〜２１ｄ、２４電圧変換機、１２、１２ａ〜１２ｄセンサ装置、２５、２５ａ〜２５ｅ海底ケーブル、４１端局装置、５１海底観測システム、２５２、２５２ａ〜２５２ｅセンサ信号線路、２５１、２５１ａ〜２５１ｅ、２５４、２５４ａ〜２５４ｅ給電線路

Claims

センサ信号を受信するとともに直流電圧を供給する端局装置と、
供給される直流電圧を降圧する第１の電圧変換機を内蔵する中継器筐体と、
海底における物理現象を検出して前記センサ信号を発するセンサ装置及び供給される直流電圧を降圧して前記センサ装置に供給する第２の電圧変換機を内蔵する複数個のセンサ筐体と、
前記端局装置と前記第１の電圧変換機の入力側とを接続する第１の給電線路と、前記第１の電圧変換機の出力側と所定数の前記第２の電圧変換機の入力側とを接続する第２の給電線路と、前記センサ装置と前記端局装置とを接続して前記センサ信号を伝送するセンサ信号線路と、を有して形成される海底ケーブルと、を備え、
前記端局装置を前記海底ケーブルの終端に接続するようにして、前記端局装置と前記海底ケーブルに沿って配される前記中継器筐体と、前記海底ケーブルに沿って配される前記複数個の前記センサ筐体の各々と、を前記海底ケーブルによって直列に接続する海底観測システム。
前記第１の電圧変換機を有する前記中継器筐体の一方の側と他方の側とに前記第２の電圧変換機が配される請求項１に記載の海底観測システム。