JP2012137412A - 水中位置探知システム、水中位置探知システムに用いられる超音波発信手段および船側受信手段、ならびに水中位置探知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】母船から見たダイバーの３次元的な位置を正確に把握することを可能とする水中位置探知手段を提供する。
【解決手段】水中位置探知システム１１は、ダイバーＡ側に取り付けられる超音波発信装置１２から発信される超音波２０を、船Ｓ側に設けられる船側受信装置１３によって受信し、水中におけるダイバーＡの位置を探知するためのシステムである。ここで、船側受信装置１３は、複数の超音波マイクロフォン１８を有する超音波受信装置２１と、発信同期信号２２Ｓと超音波信号との間の時間差τを出力する比較装置２３と、比較装置２３によって出力された時間差τに基づいて、ダイバーＡと超音波マイクロフォン１８との間の距離Ｌを計算する距離演算装置２４と、距離Ｌに基づいてダイバーＡの３次元座標を計算する座標演算装置２５と、ダイバーＡの座標を画像に表示する画像表示装置２６とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水中位置探知システム、水中位置探知システムに用いられる超音波発信手段および船側受信手段、ならびに水中位置探知方法に関するものである。

近年、ダイビングは非常に人気のあるレジャースポーツとなっており、より気軽にダイビングを楽しみたいという人が多くなってきている。このような社会的背景の中で、ダイビング経験の浅い初心者ダイバーでも、より安全にダイビングを楽しむことを可能とするために、ダイバーの水中における位置を母船から監視するための水中位置探知装置が、種々開発されてきている。このような水中位置探知装置として、例えば特開２００４−３４０８８３号公報（特許文献１）が、開示されている。

特開２００４−３４０８８３号公報

特許文献１に記載の水中位置探知装置は、ダイバーに取り付けられる超音波送信手段と、超音波送信手段から送信される超音波を受信する少なくとも３つ以上の超音波受信手段とを備え、各超音波受信手段によって受信された超音波信号を解析し、ダイバーの位置を探知する構成となっている。

しかしながら、特許文献１に記載の水中位置探知装置においては、超音波送信手段に超音波を発信させるためのトリガー信号を、母船から送信される電磁波によって送信している。しかしながら、周知のように、電磁波は、水中における減衰が大きいため、水中の離隔した地点間における正確な通信は、困難である。

さらに、特許文献１に記載の水中位置探知装置は、ダイバーから発せられる超音波を、「少なくとも３つ以上の超音波受信手段」で受信するものと記載されているのみであって、この超音波信号に基づいて、ダイバーの３次元的な位置を如何にして特定するかに関して、具体的な開示がされているものではない。

すなわち、この水中位置探知装置を用いた場合においては、母船からダイバーの３次元的な位置を正確に把握し、監視することが困難であるため、ダイバーの安全を十分に確保することができなかった。

そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑み、母船から見たダイバーの３次元的な位置を正確に把握することを可能とする水中位置探知システムを提供することである。

本発明の他の目的は、水中のダイバーの３次元的な位置を正確に把握可能な水中位置探知システムに適した超音波発信手段および船側受信手段を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、母船から見たダイバーの３次元的な位置を正確に把握することを可能とする水中位置探知方法を提供することである。

本発明に係る水中位置探知システムは、ダイバー側に取り付けられる超音波発信手段から発信される超音波を、船側に設けられる船側受信手段によって受信し、水中におけるダイバーの位置を探知するためのシステムである。本発明に係る水中位置探知システムにおいては、超音波発信手段は、所定の周期で超音波を発信し、船側受信手段は、超音波を受信する複数の超音波マイクロフォンを有する超音波受信手段と、上記所定の周期と同期した発信同期信号と、それぞれの超音波マイクロフォンによって受信された超音波信号とを比較し、当該二つの信号の時間差を出力する比較手段と、比較手段によって出力された時間差に基づいて、ダイバーとそれぞれの超音波マイクロフォンとの間の距離を計算する距離演算手段と、距離演算手段によって計算された距離に基づいて、ダイバーの３次元座標を計算する座標演算手段と、座標演算手段から出力されたダイバーの座標を画像に表示する画像表示手段とを有する。

この構成によれば、ダイバー側から発信された超音波が、超音波マイクロフォンに到達するまでの時間を、超音波の発信周期と同期した発信同期信号と、各超音波マイクロフォンによって受信された超音波信号との間の時間差を検出することによって、より正確に得ることが可能となる。すなわち、この時間差と水中音速（≒１５００ｍ／ｓ）とに基づいて、ダイバーと各超音波マイクロフォンとの間の距離を、計算することが可能となる。これにより、超音波マイクロフォンが設置されている地点の座標と、当該地点とダイバーとの間の距離とに基づいて、ダイバーのいる地点の３次元座標を特定することが可能となる。また、このようにして得られたダイバーの３次元座標を、画像表示手段を用いて画像表示することが可能となっている。これにより、ダイバーを監視する監督人が、ダイバーの水中における位置を、母船から正確且つ容易に確認することが可能となる。したがって、ダイバーの安全を効果的に確保することができる。

好ましくは、少なくとも三つの上記超音波マイクロフォンが、略同一平面上に配置される。さらに好ましくは、当該同一平面は、略水平面である。この構成によれば、超音波マイクロフォンが配列する当該同一水平面の下方領域に位置するダイバーの３次元座標を、より容易に特定することが可能となる。

好ましくは、超音波発信手段は、ダイバーの水深を計測する水深計をさらに有し、水深情報を含む超音波を発信し、座標演算手段は、距離演算手段によって計算された距離と、水深情報とに基づいて、ダイバーの３次元座標を計算する。この構成によれば、ダイバーの３次元座標を特定するためのパラメータが、さらに１次元追加されることとなるため、ダイバーの位置探知の精度を向上させることができる。

好ましくは、超音波マイクロフォンは、指向性マイクロフォンによって構成され、超音波マイクロフォンの集音領域が水中のほぼ全ての領域を包含するように、超音波マイクロフォンの集音方向が設定される。そして、座標演算手段は、距離演算手段によって計算された距離と、最も大きな音圧を計測した超音波マイクロフォンの集音方向とに基づいて、ダイバーの３次元座標を計算する。この構成によれば、母船から見たダイバーの方向を、最も大きな音圧を計測した超音波マイクロフォンが向いている方向によって特定することができるとともに、ダイバーと当該超音波マイクロフォンとの間の距離を、上記した方法によって特定することができる。これにより、ダイバーの３次元座標を、効果的に特定することが可能となる。

本発明の他の局面として、本発明に係る超音波発信手段は、ダイバー側から発信される超音波を、船側に設けられる船側受信手段によって受信し、水中におけるダイバーの位置を探知するための水中位置探知システムに用いられる超音波発信手段である。この超音波発信手段は、ダイバーに取り付けられ、所定の周期で超音波を発信し、上記船側受信手段は、超音波を受信する複数の超音波マイクロフォンを有する超音波受信手段と、上記所定の周期と同期した発信同期信号と、それぞれの超音波マイクロフォンによって受信された超音波信号とを比較し、当該二つの信号の時間差を出力する比較手段と、比較手段によって出力された時間差に基づいて、ダイバーとそれぞれの超音波マイクロフォンとの間の距離を計算する距離演算手段と、距離演算手段によって計算された距離に基づいて、ダイバーの３次元座標を計算する座標演算手段と、座標演算手段から出力されたダイバーの座標を画像に表示する画像表示手段とを有する。

この構成によれば、ダイバーの安全を効果的に確保することが可能な水中位置探知システムに適した超音波発信手段を、有利に提供することができる。

本発明のさらに他の局面として、本発明に係る船側受信手段は、ダイバー側に取り付けられる超音波発信手段から所定の周期で発信される超音波を、船側に設けられる受信手段によって受信し、水中におけるダイバーの位置を探知するための水中位置探知システムに用いられる船側受信手段である。この船側受信手段は、超音波を受信する複数の超音波マイクロフォンを有する超音波受信手段と、上記所定の周期と同期した発信同期信号と、それぞれの超音波マイクロフォンによって受信された超音波信号とを比較し、当該二つの信号の時間差を出力する比較手段と、比較手段によって出力された時間差に基づいて、ダイバーとそれぞれの超音波マイクロフォンとの間の距離を計算する距離演算手段と、距離演算手段によって計算された距離に基づいて、ダイバーの３次元座標を計算する座標演算手段と、座標演算手段から出力されたダイバーの座標を画像に表示する画像表示手段とを有する。

この構成によれば、ダイバーの安全を効果的に確保することが可能な水中位置探知システムに適した超音波受信手段を、有利に提供することができる。

好ましくは、水中位置探知システムは、複数の超音波発信手段を備え、複数の超音波発信手段が、それぞれ異なる信号の超音波を発信することによって、複数のダイバーの位置を探知可能である。

好ましくは、上記比較手段は、船の前方側からの超音波信号のみに関して、上記発信同期信号と比較し、当該二つの信号の時間差を出力する。この構成によれば、距離計算のための演算処理数を減じることができるため、演算処理速度を高速化することが可能となる。また、より少ない超音波マイクロフォンによってダイバーの位置を探知可能となるため、水中位置探知システムの構成をより簡略化することができる。

本発明のさらに他の局面として、本発明に係る水中位置探知方法は、ダイバー側から発信される超音波を、船側で受信し、水中におけるダイバーの位置を探知する方法である。この水中位置探知方法は、ダイバー側から所定の周期で超音波を発信するステップと、複数の超音波マイクロフォンによって超音波を受信するステップと、上記所定の周期と同期した発信同期信号と、それぞれの超音波マイクロフォンによって受信された超音波信号とを比較し、当該二つの信号の時間差を出力するステップと、出力された時間差に基づいて、ダイバーとそれぞれの超音波マイクロフォンとの間の距離を計算するステップと、計算された距離に基づいて、ダイバーの３次元座標を計算するステップと、計算されたダイバーの３次元座標を画像に表示するステップとを備える。

この構成によれば、ダイバーと各超音波マイクロフォンとの間の距離を正確に計算することが可能となるため、超音波マイクロフォンが設置されている地点の座標と、当該地点とダイバーとの間の距離とに基づいて、ダイバーのいる地点の３次元座標を特定することが可能となる。また、このようにして得られたダイバーの３次元座標を、画像表示手段を用いて画像表示することが可能となっている。これにより、ダイバーの監督人が、ダイバーの水中における位置を、母船から正確且つ容易に確認することが可能となる。したがって、ダイバーの安全を効果的に確保することができる。

本発明によれば、ダイバー側から発信された超音波が、超音波マイクロフォンに到達するまでの時間を、超音波の発信周期と同期した発信同期信号と、各超音波マイクロフォンによって受信された超音波信号との間の時間差を検出することによって、より正確に得ることが可能となる。すなわち、この時間差と水中音速値とに基づいて、ダイバーと各超音波マイクロフォンとの間の距離を、計算することが可能となる。これにより、超音波マイクロフォンが設置されている地点の座標と、当該地点とダイバーとの間の距離とに基づいて、ダイバーのいる地点の３次元座標を特定することが可能となる。また、このようにして得られたダイバーの３次元座標を、画像表示手段を用いて画像表示することが可能となっている。これにより、ダイバーを監視する監督人が、ダイバーの水中における位置を、母船から正確且つ容易に確認することが可能となる。したがって、ダイバーの安全を効果的に確保することができる。

本発明の一実施形態に係る水中位置探知システムの使用状態を概略的に示す外観図である。 図１に示す水中位置探知システムを図１中の矢印IIから見た外観図である。 図１に示す船側受信装置を図１中の矢印IIIから見た拡大図である。 本発明の一実施形態に係る超音波発信装置のブロック図を示す。 本発明の一実施形態に係る船側受信装置のブロック図を示す。 ダイバーと超音波マイクロフォンの座標を示す図であって、図２に対応する図である。 超音波発信器、発信同期信号出力部、および比較器における超音波信号の時間波形を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る水中位置探知方法のフローチャートを示す。 本発明の他の実施形態に係る水中位置探知システムを構成する超音波発信装置のブロック図を示す。 本発明のさらに他の実施形態に係る水中位置探知システムを構成する船側受信装置を示す外観図であって、図１に対応する図である。 図１０に示す超音波受信装置を拡大して示す拡大図である。 単一指向性を有する超音波マイクロフォンの典型的な指向特性を示す。 本発明のさらに他の実施形態に係る船側受信装置４３のブロック図を示す。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。まず、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態に係る水中位置探知システム１１の構成について説明する。

図１〜図５を参照して、本発明の一実施形態に係る水中位置探知システム１１は、ダイビング中のダイバーＡの水中における位置を、母船Ｓにおいて確認可能とするためのシステムである。水中位置探知システム１１は、ダイバーＡに取り付けられ、位置探知のための超音波２０を発信する超音波発信装置１２と、母船Ｓに設けられ、超音波発信装置１２から発信された超音波２０を受信する船側受信装置１３とを備える。

超音波発信装置１２は、所定の周期で超音波信号を発振する超音波発振器１４と、上記所定の周期を正確に維持するために超音波発振器１４を制御する発振周期制御部１５と、超音波発振器１４によって発生された超音波信号を増幅する増幅器１６と、増幅器１６から出力された超音波信号を電気音響変換し、水中超音波２０として放射する超音波トランスデューサ１７とを有する。

超音波発振器１４は、後述するように、周期Ｔ秒の超音波信号を発振するように構成される。発振周期制御部１５は、上記所定の周期を確実に維持するために、超音波発振器１４の発振を制御する。増幅器１６は、超音波発振器１４によって生成された超音波信号を、所定の増幅率にて増幅する。この増幅率は、ダイビング範囲等を考慮し、用途に応じて適宜設定される。

なお、超音波発振器１４、発振周期制御部１５、および増幅器１６を、全てディジタル回路によって構成してもよい。この場合は、増幅器１６の後段に、Ｄ／Ａ変換器をさらに挿入する必要がある。

超音波トランスデューサ１７は、高音圧の水中超音波を放射可能な超音波振動子によって構成される。このような超音波振動子としては、例えば圧電型超音波振動子が挙げられる。なお、この超音波トランスデューサ１７は、単体の超音波振動子によって構成されてもよいし、複数の超音波振動子を配列させた超音波振動子アレイとして構成してもよい。超音波振動子の共振周波数および周波数特性は、水中位置探知システム１１の用途に応じて適宜選択される。

船側受信装置１３は、超音波発信装置１２から発信された超音波２０を受信する複数の超音波マイクロフォン１８を有する超音波受信装置２１と、上記発振周期制御部１５によって制御された所定の周期と同期した発信同期信号２２Ｓを生成する発信同期信号出力部２２と、超音波マイクロフォン１８によって受信された超音波信号と発信同期信号２２Ｓとを比較し、これら二つの信号の時間差を出力する比較装置２３と、比較装置２３によって出力された時間差に基づいて、ダイバーＡとそれぞれの超音波マイクロフォン１８との間の距離を計算する距離演算装置２４と、距離演算装置２４によって計算された距離に基づいて、ダイバーの３次元座標を計算する座標演算装置２５と、座標演算装置２５から出力されたダイバーの座標を画像に表示する画像表示装置２６とを有する。

超音波受信装置２１は、上記超音波マイクロフォン１８と、超音波マイクロフォン１８が取り付けられる基台部１９とから構成されている。基台部１９は、高剛性の板状部材であって、略水平となるように母船Ｓの底部に固定されている。本実施形態においては、計５個の超音波マイクロフォン１８０〜１８４が、基台部１９の底面において、母船Ｓの進行方向であるＸ方向、および進行方向Ｘに直交する水平方向であるＹ方向に沿って十字状に配列するように取り付けられている。超音波マイクロフォン１８は、例えば圧電型超音波センサから構成され、超音波トランスデューサ１７の周波数特性と最も適合する感度周波数特性を有するように構成される。具体的には、超音波センサは、超音波トランスデューサ１７と同じ共振周波数を有するように適宜選択される。

発信同期信号出力部２２は、発振周期制御部１５によって制御された上記所定の周期と同期した発信同期信号２２Ｓを生成する。同期の方法としては、例えば発振周期制御部１５および発信同期信号出力部２２に、互いに完全に同期した時計部をそれぞれ内蔵させ、発振周期制御部１５が制御する上記所定の周期と、発信同期信号出力部２２が発生させる発信同期信号２２Ｓとを、時計部の時間情報に基づいて同期させる方法が挙げられる。

比較装置２３は、発信同期信号２２Ｓを基準とし、超音波マイクロフォン１８から出力された超音波信号の時間遅れを検出する。本実施形態においては、比較装置２３は、超音波マイクロフォン１８０〜１８４に対応するように、５個の比較器２３０〜２３４から構成されている。これら比較器２３０〜２３４は、それぞれ発信同期信号出力部２２と電気的に接続されており、比較の基準となる発信同期信号２２Ｓを受け取る構成となっている。すなわち、比較器２３０〜２３４は、発信同期信号２２Ｓと、対応する各超音波マイクロフォン１８０〜１８４に到達した超音波２０との時間差を検出し、距離演算装置２４に時間差情報を出力する。

なお、超音波マイクロフォン１８の後段にＡ／Ｄ変換器をさらに設け、発信同期信号出力部２２および比較装置２３を全てディジタル回路によって構成し、ディジタル信号処理により上記時間差情報を出力してもよい。

距離演算装置２４は、比較装置２３によって出力された時間差情報に基づいて、ダイバーＡと超音波マイクロフォン１８との間の距離を計算する。具体的には、距離演算装置２４は、比較器２３０〜２３４から出力された上記時間差、すなわち、超音波トランスデューサ１７から超音波２０が発信され、それぞれの超音波マイクロフォン１８０〜１８４に到達するまでに要した時間τ_０〜τ_４と、水中音速値（≒１５００ｍ／ｓ）とに基づいて、ダイバーＡと超音波マイクロフォン１８０〜１８４との間の距離を計算する。そして、計算の結果得られた距離情報を、座標演算装置２５に出力する。

座標演算装置２５は、距離演算装置２４によって得られた距離情報に基づいて、ダイバーＡの３次元座標を計算する。なお、距離演算装置２４および座標演算装置２５における具体的な演算処理については後述する。距離演算装置２４および座標演算装置２５は、高速演算可能となるようにＣＰＵによって構成される。そして、計算により得られたダイバーＡの座標を、画像表示装置２６へと出力する。

画像表示装置２６は、座標演算装置２５から出力されたダイバーＡの座標を画面上にプロットする。画像表示装置２６としては、液晶ディスプレイやＣＲＴ等の一般的なディスプレイ装置を適用可能である。

次に、図１〜図２、および図６を用いて、ダイビング中のダイバーＡの位置と、超音波マイクロフォン１８の位置との関係性について説明する。図６は、ダイバーＡと超音波マイクロフォン１８の座標を示す図であって、図２に対応する図である。なお、図６においては、理解の容易の観点から、超音波受信装置２１を拡大して示している。また、以下の説明においては、超音波マイクロフォン１８０の位置を原点Ｏ（０，０，０）とし、母船Ｓの進行方向であるＸ方向、進行方向Ｘに直交する水平方向であるＹ方向、海の深さ方向であるＺ方向を基準として、座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を規定するものとする。

図１〜図２、および図６を参照して、図示する使用状態においては、ダイバーＡは、座標α（ｘ，ｙ，ｚ）の位置でダイビングをしている。この場合、超音波マイクロフォン１８０の位置、すなわち原点Ｏから、ダイバーＡまでの距離Ｌ_０は、以下の数式１に表わされる。

一方、上記したように、５個の超音波マイクロフォン１８は、水平に配置された基台部１９に取り付けられていることから、超音波マイクロフォン１８１の座標Ｐを（ｘ_０，０，０）、超音波マイクロフォン１８２の座標Ｑを（０，ｙ_０，０）と近似することができる（ｘ_０，ｙ_０は任意の定数）。

これにより、超音波マイクロフォン１８１からダイバーＡまでの距離Ｌ_１は、以下の数式２として表される。

また、超音波マイクロフォン１８２からダイバーＡまでの距離Ｌ_２は、以下の数式３として表される。

上記数式１〜数式３より、ダイバーＡの座標α（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ_０，ｙ_０，Ｌ_０〜Ｌ_２を用いて、以下の数式４〜数式６に示すようにそれぞれ求められる。

すなわち、ダイバーＡの水中における位置は、超音波マイクロフォン１８０，１８１，１８２の座標を基準とし、ダイバーＡから超音波マイクロフォン１８０〜１８２までの距離Ｌ_０〜Ｌ_２に基づいて求めることができる。

なお、本説明においては、理解の容易の観点から、超音波マイクロフォン１８０，１８１，１８２を基準として座標α（ｘ，ｙ，ｚ）を求める場合について説明をしたが、超音波マイクロフォン１８３、１８４の座標およびダイバーＡまでの距離Ｌ_３〜Ｌ_４のパラメータをさらに追加して、座標α（ｘ，ｙ，ｚ）を計算することも可能である。このように、超音波マイクロフォン１８の数量を増加させ、座標α（ｘ，ｙ，ｚ）を計算するためのパラメータを増やすことによって、より高精度な位置探知を行うことができる反面、演算処理量が増大することとなるため、処理速度の低下に繋がることも考えられる。したがって、好ましくは、超音波受信装置２１は、水中位置探知システム１１の用途に応じて、距離Ｌ_ｎの計算に用いる超音波マイクロフォン１８の数量を変更可能となるように構成される。

また、超音波マイクロフォン１８の座標は、実際上、船の揺れ等によって常に変動することとなる。したがって、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いて超音波マイクロフォン１８の絶対的な位置を記録し、これら位置情報に基づいて上記距離Ｌ_ｎを計算する構成であってもよい。

次に、図１〜図８を用いて、本実施形態に係る水中位置探知システム１１の具体的な動作について詳細に説明する。図７は、超音波発信器１４、発信同期信号出力部２２、および比較器２３１〜２３４における超音波信号の時間波形を示すグラフである。図８は、本実施形態に係る水中位置探知システム１１における水中位置探知方法のフローチャートを示す。なお、図７においては、理解の容易の観点から、超音波信号をパルスとして示しているが、上記超音波トランスデューサ１７の共振周波数に相当する超音波のＯＮ／ＯＦＦ信号等によって構成してもよい。

図１〜図８を参照して、ダイバーＡに取り付けられた超音波発信装置１２において、超音波発振器１４が所定の周期Ｔの超音波信号を生成し、増幅器１６および超音波トランスデューサ１７を介して水中に超音波２０を発信する（ステップＡ）。

超音波発信装置１２から発信された超音波２０は、超音波マイクロフォン１８０〜１８４によって受信され、電気的な超音波信号として、それぞれの超音波マイクロフォン１８０〜１８４に対応する比較器２３０〜２３４へと出力される（ステップＢ）。

比較器２３０〜２３４に入力された各超音波信号は、発信同期信号出力部２２から送られる発信同期信号２２Ｓと比較され、当該二つの信号の時間差τが検出される（ステップＣ）。より具体的には、図７に示すように、比較器２３１においては、発信同期信号２２Ｓと超音波マイクロフォン１８１によって受信された超音波信号との間の時間差τ_１が検出される。同様にして、比較器２３２においては超音波マイクロフォン１８２によって受信された超音波信号との時間差τ_２、比較器２３０においては超音波マイクロフォン１８０によって受信された超音波信号との時間差τ_０、比較器２３３においては超音波マイクロフォン１８３によって受信された超音波信号との時間差τ_３、比較器２３４においては超音波マイクロフォン１８４によって受信された超音波信号との時間差τ_４が、それぞれ検出される。そして、時間差τ_０〜τ_４に関する情報が、距離演算装置２４に出力される。

次いで、距離演算装置２４において、それぞれの比較器２３０〜２３４から出力された時間差τ_０〜τ_４に基づいて、ダイバーＡとそれぞれの超音波マイクロフォン１８０〜１８４との間の距離を計算する（ステップＤ）。ここで、上記したように、超音波発振器１４により生成される超音波信号と、発信同期信号２２Ｓとは、完全に同期している。したがって、入力された時間差τ_０〜τ_４は、超音波発信装置１２から発信された超音波２０が各超音波マイクロフォン１８０〜１８４に到達するまでに要した時間とほぼ同一であるとみなすことができる。これにより、ダイバーＡから超音波マイクロフォン１８０までの距離Ｌ_０は、Ｌ_０＝τ_０×ｃ（水中音速値≒１５００ｍ／ｓ）として求めることができる。同様に、Ｌ_１＝τ_１×ｃ，Ｌ_２＝τ_２×ｃ，Ｌ_３＝τ_３×ｃ，Ｌ_４＝τ_４×ｃとして、それぞれ求めることができる。これら距離Ｌ_０〜Ｌ_４に関する情報が、座標演算装置２５に出力される。

次いで、座標演算装置２５において、上記数式４〜数式６に示した方法によって、ダイバーＡの３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）が、予め記憶された超音波マイクロフォン１８０〜１８４の座標情報と、入力された距離Ｌ_０〜Ｌ_４の情報とに基づいて計算される。そして、ダイバーＡの３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）に関する情報を、画像表示装置２６に出力する（ステップＥ）。

次いで、画像表示装置２６の画面上に、ダイバーＡの３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）をプロットし、母船Ｓから見たダイバーＡの位置を画像に表示する（ステップＦ）。このとき、視認性の観点から、ダイバーＡの位置が、３次元的に表示されることが好ましい。

このように、本実施形態に係る水中位置探知システム１１によれば、母船Ｓにいる監督人が、ダイバーＡの水中における位置を、正確且つ容易に確認することが可能となる。したがって、ダイバーＡが、誤って母船から遠くに流されてしまいそうになった場合、監督人が迅速に対処することができるようになるため、ダイバーの安全を効果的に確保することができる。

なお、本実施形態においては、超音波発信装置１２から発信された超音波２０が各超音波マイクロフォン１８に到達するまでに要した時間τを、発信同期信号出力部２２により生成された発振同期信号２２Ｓと、超音波マイクロフォン１８によって受信された超音波信号とを比較することによって検出する場合について述べた。しかしながら、これに限らず、超音波発信装置１２が、超音波を発信した時刻を記録し、その情報を発信同期信号として超音波信号に包含させる構成としてもよい。発信同期信号を超音波信号に包含させる方法としては、例えば、搬送波を発信同期信号によって変調することが考えられる。この場合においては、船側受信装置１３が超音波を受信した時刻を記録する計時部を、船側受信装置１３にさらに設け、受信した発信同期信号に含まれる超音波発信時刻と、超音波受信時刻とを比較することによって、上記時間τを検出することができる。

また、上記周期Ｔは、ダイビングする範囲に応じて適宜設定される構成としてもよい。すなわち、図７に示すτ_１〜τ_４を正確に検出するためには、周期Ｔの間に超音波マイクロフォン１８０〜１８４によって超音波２０が検出される必要がある。ここで、水中音速ｃは、約１５００ｍ／ｓである。したがって、周期Ｔは、ダイビング範囲と水中音速ｃとを考慮し、周期Ｔの間に超音波２０が検出されるように適宜設定可能とすることが望ましい。

また、本実施形態においては、理解の容易の観点から、ダイバーが一人である場合について説明したが、複数のダイバーにそれぞれ超音波発信装置を取り付け、複数のダイバーの位置を探知することも可能である。この場合は、複数の超音波発信装置１２が、それぞれ異なる信号の超音波を発信することによって、複数のダイバーの位置を探知することができる。異なる信号の超音波の実施例としては、発振する周波数をそれぞれ異ならせることや、矩形波、三角波、正弦波のように、それぞれ異なる波形の信号を発信すること等、様々な形態が考えられる。

好ましくは、比較装置２３は、船の前方側からの超音波信号のみに関して、上記発信同期信号２２Ｓと比較し、当該二つの信号の時間差を出力する。この構成によれば、距離計算のための演算処理数を減じることができるため、演算処理速度を高速化することが可能となる。また、より少ない超音波マイクロフォン１８によってダイバーの位置を探知可能となるため、水中位置探知システム１１の構成をより簡略化することができる。すなわち、水中位置探知システム１１の製造コストを低減することができる。船の前方側からの超音波信号のみを検知する手段としては、超音波マイクロフォン１８１によって受信された超音波と、超音波マイクロフォン１８４とによって受信された超音波との時間差を、比較装置２３において検出することによって実現可能である。そして、比較装置２３から、船Ｓの前方側からの超音波信号のみに係る時間差情報を出力することによって、演算処理数を減じることが可能である。

また、適用する超音波マイクロフォンを二つとし、上記ダイバーＡの二次元座標（ｘ，ｙ）のみを計算するように構成してもよい。これにより、水中位置探知システム１１の構成をさらに簡略化することができるため、水中位置探知システム１１の製造コストをより低減することができる。

また、本実施形態においては、基台部１９が略水平に設けられている場合について述べたが、これに限らず、傾斜して設けられていてもよい。また、超音波マイクロフォン１８が、十字状に配列するように取り付けられている場合について述べたが、これに限らず、超音波マイクロフォン１８は、基台部１９の如何なる位置に取り付けられていてもよい。

次に、図９を用いて、本発明の他の実施形態に係る水中位置探知システム３１について説明する。図９は、本発明の他の実施形態に係る水中位置探知システム３１を構成する超音波発信装置３２のブロック図を示す。なお、上記の実施形態と同様の部材については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図９を参照して、本発明の他の実施形態に係る水中位置探知システム３１は、ダイバーＡに取り付けられる超音波発信装置３２と、図１に示す船側受信装置１３とを備える。

超音波発信装置３２は、上記実施形態に係る超音波発振器１４、発振周期制御部１５、増幅器１６、および超音波トランスデューサ１７に加えて、ダイバーＡの位置の水深を計測することが可能な水深計３３と、超音波発振器１４から出力された超音波信号を、水深計３３によって計測された水深情報を含む信号によって変調する変調器３４とをさらに有する。

本実施形態においては、上記のように、水深計３３によってダイバーＡの位置の水深が計測される。そして、水深計３３より水深情報信号が出力され、変調器３４に送られる。次いで、変調器３４において、超音波発振器１４から出力された超音波信号が、水深情報信号によって変調され、超音波信号に水深情報信号が包含される。このように変調された超音波信号は、増幅器１６および超音波トランスデューサ１７を介して、水中超音波２０として放射される。

船側受信装置１３に受信された超音波信号は、上記実施形態と同様に、比較装置２３を介して時間差τ_０〜τ_４が検出される。ここで、本実施形態に係る比較装置２３は、受信した超音波信号に含まれる水深情報信号を復調する復調部（図示せず）をさらに有する。そして、この復調部によって超音波信号から水深情報を取り出し、上記時間差τ_０〜τ_４の情報とともに、距離演算装置２４へと出力される。

距離演算装置２４において距離Ｌ_０〜Ｌ_４が計算され、上記水深情報とともに座標演算装置２５へと送信される。そして、座標演算装置２５において、ダイバーＡの３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、超音波マイクロフォン１８０〜１８４の座標情報と、入力された距離Ｌ_０〜Ｌ_４の情報と、上記水深情報とに基づいて計算する。このようにして得られたダイバーＡの３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）が、画像表示装置２６に出力される。

このように、本実施形態によれば、ダイバーＡの３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を計算するに際し、距離Ｌ_０〜Ｌ_４に加えて、ダイバーＡの水深情報に基づいて３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を計算することが可能となる。すなわち、ダイバーＡの３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を特定するためのパラメータが、さらに１次元追加されることとなるため、ダイバーＡの位置探知の精度を、より向上させることができる。また、座標計算のためのパラメータが１次元追加されることによって、より少ない超音波マイクロフォン１８によってダイバーＡの位置探知を行うことが可能となる。

なお、上記変調器における変調方式は、アナログ変調、ディジタル変調、ＰＷＭ変調のいずれであってもよい。また、変調方式としては、ＡＭ変調、ＦＭ変調、ＰＭ変調、ＰＷＭ、ＡＳＫ、ＰＳＫ、ＱＡＭ等の如何なる変調方式であってもよい。

また、本実施形態においては、上記水深情報を、変調によって超音波信号に包含させる方法について説明したが、これに限らず、その他如何なる方法によって水深情報を超音波信号に包含させてもよい。

また、本実施形態においては、超音波発振器１４が、周期Ｔ秒の超音波信号を発振するように構成された場合について述べたが、これに限らず、任意波形信号を周期的にＯＮ／ＯＦＦするような構成であってもよい。

次に、図１０〜図１３を用いて、本発明のさらに他の実施形態に係る水中位置探知システム４１について説明する。図１０は、本発明のさらに他の実施形態に係る水中位置探知システム４１を構成する船側受信装置４３を示す外観図であって、図１に対応する図である。図１１は、図１０に示す超音波受信装置４２を拡大して示す拡大図である。図１２は、単一指向性を有する超音波マイクロフォンの典型的な指向特性を示す。図１３は、本発明のさらに他の実施形態に係る船側受信装置４３のブロック図を示す。なお、上記の実施形態と同様の部材については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１０〜図１３を参照して、本発明の他の実施形態に係る水中位置探知システム４１は、図１に示す超音波発信装置１２と、母船Ｓに設けられる船側受信装置４３とを備える。

船側受信装置４３は、複数の超音波マイクロフォン４８を有する超音波受信装置４２と、上記実施形態に係る発信同期信号出力部２２、距離演算装置２４、座標演算装置２５、および画像表示装置２６と、発信同期信号２２Ｓと受信した超音波信号との間の時間差とともに、超音波信号の振幅を検出可能な比較装置５３とを備える。

本実施形態に係る超音波受信装置４２は、ｎ個の超音波マイクロフォン４８０〜４８ｎと、超音波マイクロフォン４８０〜４８ｎが取り付けられた基台部４９とから構成されている。基台部４９は、半球形状の高剛性部材であって、母船Ｓの底部に固定されている。基台部４９の表面上には、複数の超音波マイクロフォン４８が、等間隔に配列するように取り付けられている。

ここで、本実施形態に係る超音波マイクロフォン４８としては、比較的に鋭い単一指向性を有する超音波センサによって構成される。ここで、このような単一指向性マイクロフォンの指向特性について簡単に説明する。単一指向性を有するマイクロフォンは、図１２に示すように、マイクロフォンの正面方向Ｆ（集音方向）の領域の感度が特に高くなっており、Ｆ方向からずれていくにつれて、感度Ｅが急激に減衰する特性を有するものである。すなわち、このような指向特性を有する超音波マイクロフォン４８は、集音方向に相当する領域の超音波を高感度で集音することが可能である。

ここで、超音波マイクロフォン４８の数量および集音方向は、超音波マイクロフォン４８の合成集音領域がダイビング領域を全て包含するように、適宜設定される。この構成によれば、母船Ｓから見たダイバーＡの方向を、最も大きな音圧を計測した超音波マイクロフォンが向いている方向によって特定することができる。すなわち、図１１に示すように、例えば超音波マイクロフォン４８ｎが、ダイバーＡから発信された超音波を最も高感度で計測した場合においては、超音波マイクロフォン４８ａの集音方向Ｄ_ｎによって、ダイバーＡの方向をある程度特定することが可能となる。

本実施形態に係る比較装置５３は、超音波マイクロフォン４８０〜４８ｎに対応するように、ｎ個の比較器５３０〜５３ｎから構成され、それぞれの比較器には、超音波マイクロフォン４８から入力された超音波信号の振幅を検出可能な振幅検出部が設けられている。比較装置５３は、発信同期信号２２Ｓと、受信した超音波信号との間の時間差τとともに、振幅検出部によって当該超音波信号の振幅を検出し、それらの情報を距離演算装置２４へと出力する。

以下、本実施形態に係る水中位置探知システム４１の動作について説明する。超音波マイクロフォン４８０〜４８ｎによって受信された超音波信号は、上記実施形態と同様に、それぞれの超音波マイクロフォンに対応する比較器５３０〜５３ｎに出力される。そして、比較器５３０〜５３ｎにおいて、発信同期信号２２Ｓと、対応する各超音波マイクロフォン４８０〜４８ｎから出力された超音波信号との時間差τ_０〜τ_ｎを検出する。これとともに、振幅検出部によって、それぞれの超音波信号の振幅ａ_１〜ａ_ｎを検出する。このようにして得られた時間差τ_０〜τ_ｎおよび振幅ａ_１〜ａ_ｎに係る情報が、距離演算装置２４へと出力される。

距離演算装置２４において、時間差τ_０〜τ_ｎに基づいて距離Ｌ_０〜Ｌ_ｎが計算される。それとともに、上記振幅ａ_１〜ａ_ｎが比較され、最も大きい振幅が検出された超音波マイクロフォン４８ｎが特定される。このようにして得られた超音波マイクロフォン４８ｎの集音方向Ｄ_ｎおよび距離Ｌ_０〜Ｌ_ｎに係る情報とが、座標演算装置２５へと出力される。

そして、座標演算装置２５において、ダイバーＡの３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）が、超音波マイクロフォン４８ｎの集音方向Ｄ_ｎと、その超音波マイクロフォン４８ｎとダイバーＡとの間の距離Ｌ_ｎとに基づいて計算される。このようにして得られたダイバーＡの３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）が、画像表示装置２６に出力され、画像表示される。

本実施形態によれば、母船Ｓから見たダイバーＡの地点の方向を、最も大きな音圧を計測した超音波マイクロフォン４８ｎが向いている方向Ｄ_ｎによって特定することができるとともに、ダイバーＡと当該超音波マイクロフォン４８ｎとの間の距離Ｌ_ｎを、上記した方法によって特定することができる。これにより、ダイバーの３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を効果的に特定することが可能となる。

なお、本実施形態においては、超音波マイクロフォン４８が、半球形状の基台部４９の表面上に取り付けられている場合について述べたが、これに限らず、超音波マイクロフォン４８の集音領域がダイバーＡのダイビング領域を包含する配置であれば、基台部は、如何なる形状であってもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、本発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

本発明は、ダイバーの水中における位置を母船から確実に探知することができる水中位置探知システムを提供するものであって、ダイビング装置に係る産業に広く利用される。

１１，３１，４１ 水中位置探知システム、１２，３２ 超音波発信装置、１３，４３ 船側受信装置、１４ 超音波発振器、１５ 発振周期制御部、１６ 増幅器、１７ 超音波トランスデューサ、１８，１８０，１８１，１８２，１８３，１８４，４８，４８ａ，４８ｎ 超音波マイクロフォン、１９，４９ 基台部、２０ 超音波、２１，４２ 超音波受信装置、２２ 発信同期信号出力部、２２Ｓ 発信同期信号、２３，５３ 比較装置、２３０，２３１，２３２，２３３，２３４，５３０，５３１，５３ｎ 比較器、２４ 距離演算装置、２５ 座標演算装置、２６ 画像表示装置、３３ 水深計、３４ 変調器。

Claims (10)

1. ダイバー側に取り付けられる超音波発信手段から発信される超音波を、船側に設けられる船側受信手段によって受信し、水中におけるダイバーの位置を探知するための水中位置探知システムであって、
   前記超音波発信手段は、所定の周期で超音波を発信し、
   前記船側受信手段は、
   前記超音波を受信する複数の超音波マイクロフォンを有する超音波受信手段と、
   前記所定の周期と同期した発信同期信号と、それぞれの前記超音波マイクロフォンによって受信された超音波信号とを比較し、当該二つの信号の時間差を出力する比較手段と、
   前記比較手段によって出力された時間差に基づいて、ダイバーとそれぞれの前記超音波マイクロフォンとの間の距離を計算する距離演算手段と、
   前記距離演算手段によって計算された距離に基づいて、ダイバーの３次元座標を計算する座標演算手段と、
   前記座標演算手段から出力されたダイバーの座標を画像に表示する画像表示手段と、を有する、水中位置探知システム。
2. 少なくとも三つの前記超音波マイクロフォンが、略同一平面上に配置される、請求項１に記載の水中位置探知システム。
3. 前記同一平面は、略水平面である、請求項２に記載の水中位置探知システム。
4. 前記超音波発信手段は、ダイバーの水深を計測する水深計測手段をさらに有し、水深情報を含む超音波を発信し、
   前記座標演算手段は、前記距離演算手段によって計算された距離と、前記水深情報とに基づいて、ダイバーの３次元座標を計算する、請求項１〜３のいずれかに記載の水中位置探知システム。
5. 前記超音波マイクロフォンは、単一指向性マイクロフォンによって構成され、前記超音波マイクロフォンの集音領域が水中のほぼ全ての領域を包含するように、前記超音波マイクロフォンの集音方向が設定され、
   前記座標演算手段は、前記距離演算手段によって計算された距離と、最も大きな音圧を計測した前記超音波マイクロフォンの集音方向とに基づいて、ダイバーの３次元座標を計算する、請求項１〜４のいずれかに記載の水中位置探知システム。
6. 複数の前記超音波発信手段を備え、
   前記複数の超音波発信手段が、それぞれ異なる信号の超音波を発信することによって、複数のダイバーの位置を探知可能である、請求項１〜５のいずれかに記載の水中位置探知システム。
7. 前記比較手段は、船の前方側からの超音波信号のみに関して、前記発信同期信号と比較し、当該二つの信号の時間差を出力する、請求項１〜５のいずれかに記載の水中位置探知システム。
8. ダイバー側から発信される超音波を、船側に設けられる船側受信手段によって受信し、水中におけるダイバーの位置を探知するための水中位置探知システムに用いられる超音波発信手段であって、
   前記超音波発信手段は、ダイバーに取り付けられ、所定の周期で超音波を発信し、
   前記船側受信手段は、
   前記超音波を受信する複数の超音波マイクロフォンを有する超音波受信手段と、
   前記所定の周期と同期した発信同期信号と、それぞれの前記超音波マイクロフォンによって受信された超音波信号とを比較し、当該二つの信号の時間差を出力する比較手段と、
   前記比較手段によって出力された時間差に基づいて、ダイバーとそれぞれの前記超音波マイクロフォンとの間の距離を計算する距離演算手段と、
   前記距離演算手段によって計算された距離に基づいて、ダイバーの３次元座標を計算する座標演算手段と、
   前記座標演算手段から出力されたダイバーの座標を画像に表示する画像表示手段と、を有する、超音波発信手段。
9. ダイバー側に取り付けられる超音波発信手段から所定の周期で発信される超音波を、船側に設けられる受信手段によって受信し、水中におけるダイバーの位置を探知するための水中位置探知システムに用いられる船側受信手段であって、
   前記超音波を受信する複数の超音波マイクロフォンを有する超音波受信手段と、
   前記所定の周期と同期した発信同期信号と、それぞれの前記超音波マイクロフォンによって受信された超音波信号とを比較し、当該二つの信号の時間差を出力する比較手段と、
   前記比較手段によって出力された時間差に基づいて、ダイバーとそれぞれの前記超音波マイクロフォンとの間の距離を計算する距離演算手段と、
   前記距離演算手段によって計算された距離に基づいて、ダイバーの３次元座標を計算する座標演算手段と、
   前記座標演算手段から出力されたダイバーの座標を画像に表示する画像表示手段と、を有する、船側受信手段。
10. ダイバー側から発信される超音波を、船側で受信し、水中におけるダイバーの位置を探知する水中位置探知方法であって、
    ダイバー側から所定の周期で超音波を発信するステップと、
    複数の超音波マイクロフォンによって前記超音波を受信するステップと、
    前記所定の周期と同期した発信同期信号と、それぞれの前記超音波マイクロフォンによって受信された超音波信号とを比較し、当該二つの信号の時間差を出力するステップと、
    出力された時間差に基づいて、ダイバーとそれぞれの前記超音波マイクロフォンとの間の距離を計算するステップと、
    計算された距離に基づいて、ダイバーの３次元座標を計算するステップと、
    計算されたダイバーの３次元座標を画像に表示するステップと、を備える、水中位置探知方法。