JP3156117B2 - Underwater telemetry device - Google Patents

Underwater telemetry device

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JP3156117B2
JP3156117B2 JP23396794A JP23396794A JP3156117B2 JP 3156117 B2 JP3156117 B2 JP 3156117B2 JP 23396794 A JP23396794 A JP 23396794A JP 23396794 A JP23396794 A JP 23396794A JP 3156117 B2 JP3156117 B2 JP 3156117B2
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雄一 工藤
康人 竹内
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雄一 工藤
康人 竹内
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は医学、生物学、工学な
どの目的で水中にて移動する信号源からの信号を獲得す
るための水中テレメトリー装置、もしくは類似の立場で
水中にて信号を授受する水中通信装置に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an underwater telemetry device for acquiring a signal from a signal source moving underwater for the purpose of medicine, biology, engineering, etc. Underwater communication device.

【0002】[0002]

【従来の技術】水中にある信号源、例えば魚、イルカ、
鯨、亀などに取付けた生体電極、温度、圧力、速度、位
置などのセンサないしトランスデューサーなどから得ら
れる信号をそれらを自由行動させつつ採取せんとすると
無線式のテレメーター装置システムが必要となる。従
来、水中においては波として伝搬する様な電磁波は減衰
が大きく信号搬送手段として適さないと考えられ、純電
気的な信号手段としては高々電磁結合ないし静電結合も
しくはそれに代わる導電電流の分流が採用されていたに
すぎず、これらは距離の二乗ないし三乗に反比例して受
信感度が下がるので、波長のオーダーを大幅に越える様
な中距離ないし長距離の伝送には向かない。一方で超音
波および可視光の一部波長帯はこの目的に成功裡に用い
られ、特に超音波は相当の長距離の伝送にさえ使用され
ている。電磁波がこの目的に用いられる事は、被検生物
が、従って送信機が水面上に出た瞬間をねらって送受信
する方式のシステム以外には実用に供されていない。
2. Description of the Related Art Underwater signal sources, such as fish, dolphins,
A wireless telemeter system is required to collect signals obtained from sensors or transducers such as bioelectrodes attached to whales, turtles, and sensors such as temperature, pressure, speed, and position while freely moving them. . Conventionally, electromagnetic waves that propagate as waves in water are considered to be unsuitable as a signal carrier because of their large attenuation, and electromagnetic coupling or electrostatic coupling or a shunt of conductive current instead is used as purely electric signal means. However, they are not suitable for medium- or long-distance transmissions that greatly exceed the order of the wavelength because the receiving sensitivity decreases in inverse proportion to the square or the cube of the distance. On the other hand, ultrasound and some wavelength bands of visible light have been successfully used for this purpose, and in particular, ultrasound has even been used for transmission over considerable long distances. The use of electromagnetic waves for this purpose has not been put to practical use other than in systems where the test organism, and thus the transmitter, aims at the moment the transmitter comes to the surface.

【0003】しかるに送信機の大きさ、重量、電池の寿
命などを勘案すると、これらの純電気的な送信機の方
が、超音波や光を出す送信機よりも遥かに有利である。
何となれば、同じ受信機入力を得るのに同じ送信機出力
を必要とすると大まかに考えると、電気エネルギーから
これらの光、超音波などの別なエネルギーへの変換の効
率が概して好ましい値でないので、それらを用いるテレ
メーター送信機は概して一桁大きな消費電力を要するか
らである。消費電力の増大は必然的に電池の増量を、も
しくは有効寿命の短縮をもたらし、ニジマスなどの如き
さほど小さくもない魚でも取付けた発信機で数日ないし
数週間にわたって無拘束の生体計測を行わんとする場合
には由々しい問題である。
However, in consideration of the size and weight of the transmitter, the life of the battery, and the like, these purely electric transmitters are far more advantageous than those that emit ultrasonic waves or light.
If you roughly consider that you need the same transmitter output to get the same receiver input, then the efficiency of the conversion of electrical energy to these other energies, such as light, ultrasound, etc., is generally not a favorable value. Because telemeter transmitters using them generally require an order of magnitude higher power consumption. The increase in power consumption necessarily leads to an increase in battery capacity or a shortened useful life, so that unrestricted biometric measurement can be performed for several days or weeks with a transmitter attached to a fish that is not so small, such as rainbow trout. This is a serious problem.

【0004】発信機側はかかる事情により電磁波方式で
あることが大変好ましいので専らその様にされる。しか
るに従来はこの水中の電磁波発信源からの、例えば10
0MHz近辺の周波数の電波を、水面上の近傍にて空中
電波と見なして受信していた。所がこの手法だと経験的
に言って発信源の直上の水面から水平方向に高々数mま
でしか届かない。また垂直方向には1波長ほどしか届か
ない。これは後に述べる如く水中の電磁波の波長が空中
と大きく異なること、また水の波動インピーダンスも空
中と大きく異なることにより、空中へ電磁波が出る段階
で大きな減衰を生じる、もしくはその先さらに有効に伝
搬し得る様な電磁波としては出て来ないことによる。即
ち水面では内部から外部にかけて全反射の状態がほとん
どで、近傍に漏れ出てくる成分は専ら消退波(Evan
escent wave)である。さらに発信源が深さ
を加えるほどこの傾向が顕著になるので困難が増す。
It is very preferable that the transmitter side use the electromagnetic wave system in such circumstances, so that it is exclusively used. However, conventionally, for example, 10
A radio wave having a frequency near 0 MHz was received in the vicinity of the water surface as an airwave. It has been empirically said that this method is used, but it can reach only a few meters at most in the horizontal direction from the water surface directly above the source. Also, it reaches only about one wavelength in the vertical direction. This is because the wavelength of electromagnetic waves in water is significantly different from air as described later, and the wave impedance of water is also significantly different from air, resulting in significant attenuation at the stage of electromagnetic waves emerging into the air, or even more effective propagation. It is because it does not come out as an electromagnetic wave that can be obtained. In other words, on the water surface, the state of total reflection is mostly from the inside to the outside, and the component leaking to the vicinity is exclusively an evanescent wave (Evan
e.g., e.g. In addition, the difficulty increases as the source adds depth, as this tendency becomes more pronounced.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明はこの様な水中
の発信源からの電磁波テレメトリーにおける到達距離上
の困難を実用上解決せんとするものである。即ち、従来
の水中発信源からの電磁波テレメトリーにおいては発信
機の出す電磁波エネルギーが、たとえ水中を電磁波とし
て伝搬しようとも、有効に受信機入力として生かされる
如くに利用されていない。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is to solve practically the difficulty in the reach of electromagnetic wave telemetry from an underwater transmission source. That is, in the electromagnetic wave telemetry from the conventional underwater transmission source, the electromagnetic wave energy emitted from the transmitter is not utilized so as to be effectively used as the input to the receiver even if the electromagnetic wave energy propagates in the water.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の水中電磁波テレ
メトリーシステムにおいては、水中を自由行動する発信
源からの電磁波信号を水中にて受信する如く構成され、
またそのための、水中での受信に最適化された水中アン
テナを、特にその様な水中アンテナを多数分布させ有効
に協調させた形で、有するのが特徴である。
An underwater electromagnetic wave telemetry system according to the present invention is configured to receive an electromagnetic wave signal from a transmission source that freely moves in water, underwater.
It is also characterized by having an underwater antenna optimized for underwater reception, particularly in such a form that a large number of such underwater antennas are distributed and effectively coordinated.

【0007】[0007]

【実施例】好ましい実施例においては発信源はニジマス
の脳波を採取するためにその頭部に埋め込まれた電極を
受入れる如くその背部に装着された、発信周波数が約9
5MHzのPFM/FM方式テレメーター発信機であ
り、公知汎用の手法で設計、制作された物である。実質
上アンテナとして作用するのは主キャリヤ発生手段であ
る汎用トランジスタ1個によるコルピッツ発信回路の周
波数決定要素となっているタンクコイルであり、長さ約
8mm直径約4mmで、周辺に平均厚み約3mmのシリ
コンゴムが絶縁材料として介在した上で水中に暴露され
ている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In a preferred embodiment, the source is mounted on its back to receive an electrode implanted in its head for collecting rainbow trout brain waves, and has a transmission frequency of about 9 Hz.
This is a 5MHz PFM / FM type telemeter transmitter designed and manufactured by a known general-purpose method. Substantially acting as an antenna is a tank coil which is a frequency determining element of a Colpitts transmission circuit using one general-purpose transistor as a main carrier generating means, is about 8 mm in length, about 4 mm in diameter, and has an average thickness of about 3 mm around the periphery. Is exposed to water with the silicon rubber interposed as an insulating material.

【0008】この発信源からの水中への放射は、至近距
離での静電界や電磁界は別として、伝搬し得る電磁波と
しては、魚が正常に遊泳ないし停留している限り、垂直
偏波である。これは放射源のコイルの向きにより設定で
きるので設計上の自由度の内であるが、魚の方向転換運
動などに最も影響され難いのが垂直偏波である事から経
験的に言ってこの偏波を採用するのが最も好ましい。
[0008] The radiation from the source into the water, apart from the electrostatic and electromagnetic fields at close distances, is a vertically polarized wave that can propagate as long as the fish normally swims or stops. is there. This is within the design freedom because it can be set depending on the direction of the coil of the radiation source, but it is empirically stated that vertical polarization is the least affected by the turning movement of fish, etc. Is most preferably employed.

【0009】発信機の空中での自重(=質量)は約4g
だが、水中では1.6gに見える。これを搭載したニジ
マスは体重が約800gで、この発信機の重量は十分無
視できる。発信機の内蔵電源はCR2032型コイン型
リチウム1次電池2個で、約50時間の連続動作に耐え
る。該発信機を装着したニジマスは深さ約1m弱、幅が
約3m、長さ約30mの自由水路(自然河川)の限定区
間に再度放流され、自由行動に任され、その間脳波が連
続22時間以上にわたり観測された。
The self-weight (= mass) of the transmitter in the air is about 4 g
However, it weighs 1.6 g in water. Rainbow trout equipped with this weighs about 800 g, and the weight of this transmitter can be ignored. The built-in power supply of the transmitter is two CR2032 type coin-type lithium primary batteries and can withstand continuous operation for about 50 hours. The rainbow trout equipped with the transmitter is released again to a limited section of a free water channel (natural river) with a depth of about 1 m, a width of about 3 m and a length of about 30 m, and is left to free action, during which brain waves are continuously transmitted for 22 hours Observed over the above.

【0010】受信機自体は公知汎用の通信型受信機で、
狭帯域FMのモードで受信動作し、後段のサブキャリヤ
復調器に無線周波主キャリヤを復調した結果のサブキャ
リヤを供給する。サブキャリヤ復調器およびそれ以降も
公知汎用の方式および構成により、脳波の連続データの
直接記録およびデータレコーダーなどによる収録、また
実時間波形観測、分析などの用に付された。以上の発信
機および受信系において本発明の構成に特徴的な点はな
い。
The receiver itself is a known general-purpose communication type receiver.
The receiving operation is performed in the narrow-band FM mode, and a subcarrier obtained by demodulating the main carrier of the radio frequency is supplied to the subcarrier demodulator at the subsequent stage. The subcarrier demodulator and thereafter are also provided by a well-known general-purpose system and configuration for direct recording of continuous EEG data, recording by a data recorder, etc., and real-time waveform observation and analysis. There is no characteristic point in the configuration of the present invention in the above transmitter and receiving system.

【0011】本発明の本実施例の構成に特徴的な点は、
該発信機を搭載したニジマスの遊泳する自由水路に多数
の水中アンテナを配置した点であり、そのようすを図1
に示す。即ち、信号源(S)となる、この場合発信機を
装着したニジマスの自由遊泳する被観測水域の、水底の
中央部に、流れの方向に沿って多数のの単位受信アンテ
ナ(1a〜1k)が並べられ、またそれらの受信する信
号を拾い上げるための引き通しケーブル(3)が配置さ
れる。
The features of the present embodiment of the present invention are as follows.
FIG. 1 shows that a number of underwater antennas were arranged in a free water channel in which rainbow trout equipped with the transmitter could swim.
Shown in That is, a large number of unit receiving antennas (1a to 1k) are provided along the direction of the flow at the center of the water bottom of the free-swimming water area of the rainbow trout equipped with the transmitter serving as the signal source (S) Are arranged, and a drop-in cable (3) for picking up the signals to be received is arranged.

【0012】即ち引き通しケーブルの水中側の端部から
2mおきに合計11個の単位受信アンテナ(1a〜1
k)が配置される。各単位受信アンテナは相互に水中で
の1波長ないし数波長分の距離づつはなれておかれてい
る。後述の如く水中における波長短縮率は1/9と大変
大きいので、水中の数波長は同軸ケーブル上の1波長よ
り遥かに短く、故に引き通しケーブル(3)は各単位受
信アンテナの加入点の間で自身の1波長の長さをとるた
めに蛇行して配置されることがある。
That is, a total of 11 unit receiving antennas (1a to 1a) are provided every 2 m from the underwater end of the pull-in cable.
k) is arranged. The unit receiving antennas are separated from each other by one or several wavelengths in water. As will be described later, since the wavelength shortening rate in water is very large, 1/9, several wavelengths in water are much shorter than one wavelength on a coaxial cable, and therefore, the pull-in cable (3) is located between the joining points of each unit receiving antenna. In some cases, it is arranged in a meandering manner to take the length of its own one wavelength.

【0013】個々の単位受信アンテナ(1a〜1k)
は、垂直偏波を感受する如く、長さ約16.5cm、太
さ約6mmの導体棒に薄いポリエチレンの絶縁膜を被着
した物を水中に垂直に立てたモノポール構造のもので、
個々の下端の電位をバッファアンプ(2a〜2k)が拾
って引き通しケーブル(3)に一方向的に加入、引き渡
している。図2はこのバッファアンプの1例を示す物
で、入出力インピーダンスともに十分高いソース接地F
ETアンプである。このため該モノポール型水中アンテ
ナは大略半波長の共振が許容され、緩やかな周波数選択
性を呈する。
Individual unit receiving antennas (1a to 1k)
Is a monopole structure in which a conductor rod having a length of about 16.5 cm and a thickness of about 6 mm covered with a thin polyethylene insulating film is vertically erected in water so that vertical polarization is sensed.
The buffer amplifiers (2a to 2k) pick up the potentials at the respective lower ends and pass them through to the cable (3) in one direction. FIG. 2 shows an example of this buffer amplifier.
ET amplifier. For this reason, the monopole underwater antenna is allowed to resonate at about a half wavelength, and exhibits gentle frequency selectivity.

【0014】各FETのドレンが接続される引き通しケ
ーブル(3)にとっては、ドレンの出力インピーダンス
は高いので、加入点での装荷インピーダンスは無視出来
る。各FETは各加入点においてこの同軸ケーブル(こ
の場合5C−2V)の特性インピーダンス(75Ω)の
半値(37.5Ω)を相手に、ゲートにおいて受理した
信号をそのトランスファーコンダクタンスに応じて電圧
電流変換して加入せしめる。ここで使用するFETは、
一例として2SK291を用いるとすると、そのトラン
スファーコンダクタンスが45mS程度あるので、負荷
インピーダンスとなる37.5Ωを相手に1以上のゲイ
ンを稼ぐ事が出来る。この段階で各バッファアンプ毎に
1以上のゲインを持つ事が、系のノイズフィギュア確保
の観点から好ましい実施様態である。
For the feedthrough cable (3) to which the drain of each FET is connected, since the output impedance of the drain is high, the loading impedance at the point of addition can be ignored. Each FET performs voltage-current conversion of a signal received at the gate in accordance with the transfer conductance of a half value (37.5Ω) of the characteristic impedance (75Ω) of the coaxial cable (5C-2V in this case) at each joining point. To join. The FET used here is
If 2SK291 is used as an example, the transfer conductance is about 45 ms, so that one or more gains can be obtained with respect to the load impedance of 37.5Ω. At this stage, it is a preferred embodiment to have one or more gains for each buffer amplifier from the viewpoint of securing the noise figure of the system.

【0015】加入した信号は各加入点から両方向に伝搬
するが、水中にある側の端は整合終端(4)に交流結合
されているので反射はない。水の外に引き出されている
側の終端はアンテナカプラー(5)を介して受信機
(6)の入力端子に結合され、加入してきた信号をすべ
て加算した形で受信機(6)に引き継ぐ。アンテナカプ
ラー(5)は図示の如く別途直流分岐を持ち、これを介
して各加入点に直接そのドレンを接続しているソース接
地バッファアンプに動作電源を供給している。受信機以
下の動作は公知の通りなので説明は省略する。
The added signals propagate in both directions from each point of addition, but there is no reflection because the underwater end is ac-coupled to the matching termination (4). The end that is drawn out of the water is coupled to the input terminal of the receiver (6) via the antenna coupler (5), and takes over to the receiver (6) in a form in which all the added signals are added. The antenna coupler (5) has a separate DC branch as shown in the figure, and supplies operating power to a source grounded buffer amplifier that directly connects the drain to each junction through this. The operation of the receiver and the following is well-known, and the description is omitted.

【0016】本実施例によると、前記の幅3m、深さ1
m弱、長さ30m余の自然河川の区画の全域に渡り観測
対象のニジマス(S)が自由行動しても信号がとぎれる
事なく受信された。
According to this embodiment, the width 3 m and the depth 1
The signal was received without interruption even if the rainbow trout (S) to be observed was free to move over the entire area of the natural river section less than 30 m long and 30 m or longer.

【0017】各単位アンテナを直線上に並べ、その間隔
を水中波長の1波長とした場合が、流れの方向に、即ち
このアンテナアレイの成す直線の両延長線上の方向に最
も遠方まで有効感度を持つ事が出来た。一例としてアレ
イの端部から起算してさらに約22m先の地点まで有効
感度が得られた。この場合、このアレイは順逆両方向共
に感度を有するエンドファイヤアレイとして動作してい
る事は明らかである。この到達距離は水中の波長に換算
して70波長ほどの伝搬距離に相当し、電磁波による伝
送であることは明らかである。
When the unit antennas are arranged on a straight line and the interval between them is one wavelength of the underwater wavelength, the effective sensitivity is set to the farthest in the direction of flow, that is, in the direction on both extensions of the straight line formed by the antenna array. I could have it. As an example, effective sensitivity was obtained up to a point about 22 m further from the end of the array. In this case, it is clear that the array is operating as an endfire array having sensitivity in both the forward and reverse directions. This reaching distance corresponds to a propagation distance of about 70 wavelengths in terms of the wavelength in water, and it is clear that transmission is by electromagnetic waves.

【0018】別な実施例において、受信側の水中アンテ
ナは1個だけとし、同じ発信機の発信する水中電磁波を
受信した所、該アンテナから約15mの半径まで有効感
度が得られた。これは水中の波長に換算して40ないし
45波長の伝搬距離に相当する。これも電磁波による伝
送である事は明らかである。
In another embodiment, only one underwater antenna on the receiving side was used, and when underwater electromagnetic waves transmitted by the same transmitter were received, effective sensitivity was obtained up to a radius of about 15 m from the antenna. This corresponds to a propagation distance of 40 to 45 wavelengths in terms of wavelength in water. It is clear that this is also transmission by electromagnetic waves.

【0019】本発明のこの実施例において肝要な点は、
各受信アンテナが水中の波長で言って1波長ないし数波
長以上づづ空間的に離れて置かれている事と、それらが
同相、同振幅で貢献する様に、各加入点が引き通しケー
ブル上でその波長短縮率を綿密に勘案した上で1波長な
いしその整数倍の距離にある事、の2点である。以下そ
の理由を説明する。
An important point in this embodiment of the present invention is that
Each receiving antenna is placed on the cable through the antenna so that each receiving antenna is spatially separated by one or more wavelengths in the underwater wavelength, so that they contribute in phase and amplitude. Taking the wavelength shortening rate into account, the distance should be one wavelength or an integral multiple of the wavelength. The reason will be described below.

【0020】水中における電磁波の挙動を考察する。水
はその塩度ないし導電率と周波数とに応じて絶縁体ない
し誘電体に見えたり、導体ないし抵抗体に見えたりす
る。電磁波の角周波数ω、導電率κ、誘電率εの媒質は
κ/εωの値が1より大か小かが、導体的か誘電体的か
の境目となる。例えばκが1.0×10−2S/mの淡
水(これは例えば中禅寺湖などの如き内陸部の清浄な湖
沼における典型的な値である)を考えると、周波数fが
100MHz、ωは2π×10rad/s、また水の
εは空中の80倍で7.1×10−10F/mである。
これらを代入すると、
Consider the behavior of electromagnetic waves in water. Water looks like an insulator or a dielectric or a conductor or a resistor depending on its salinity or conductivity and frequency. In the medium having the angular frequency ω, the conductivity κ, and the dielectric constant ε of the electromagnetic wave, whether the value of κ / εω is larger or smaller than 1 is a boundary between a conductor and a dielectric. For example, considering freshwater having a κ of 1.0 × 10 −2 S / m (this is a typical value in a clean inland lake such as Lake Chuzenji), the frequency f is 100 MHz and ω Is 2π × 10 8 rad / s, and ε of water is 7.1 × 10 −10 F / m at 80 times the air.
Substituting these gives

【0021】[0021]

【数1】 (Equation 1)

【0022】となり、この周波数ではこの様な淡水は完
全に誘電体的である。そこでさらに損失項について考
え、減衰定数αを求めると、αはκに比例していて、先
と同じκ/εω<<1という条件のもとでは次の式で与
えられる。
At this frequency, such fresh water is completely dielectric. Then, when the loss term is further considered and the attenuation constant α is obtained, α is proportional to κ, and is given by the following equation under the same condition of κ / εω << 1.

【0023】[0023]

【数2】 (Equation 2)

【0024】これに淡水の透磁率を空中と同じとしてμ
=1.257×10−6H/mを代入、その他の値も前
記の各値を代入すると、減衰定数αは、
Assuming that the permeability of fresh water is the same as that of air, μ
= 1.257 × 10 −6 H / m is substituted, and the other values are also substituted with the above values.

【0025】[0025]

【数3】 (Equation 3)

【0026】という中庸な値になる。この値は決定的に
大きいという訳ではなく、未だに無損失媒質での考察が
大過なく通用する領域にあると考えてよい。
This is a moderate value. This value is not necessarily decisively large, and may be considered to be in a region where consideration with a lossless medium is still valid.

【0027】結局淡水中では空中との比で言って、εが
80倍、μが不変、波動インピーダンスが1/9、また
波長短縮率が同じく1/9、というスケールファクタが
適用されると言う点のみが異なる、というのが最も単純
化された理解である。
After all, in freshwater, a scale factor of 80 times, μ is invariable, wave impedance is 1/9, and wavelength reduction ratio is also 1/9 is applied in terms of the ratio to the air. The only simplistic understanding is that they differ only in points.

【0028】そこで100MHzの電磁波の水中での波
長は空中で3mの所が33cm、空間の波動インピーダ
ンスは空中で370Ωの所が40Ω、半波長ダイポール
アンテナや1/4波長グラウンドプレーン付きのモノポ
ールアンテナの呈する駆動点インピーダンスが空中では
50〜70Ωの所高々数Ω、という訳で、故に電気的に
扱いやすいのはむしろ空中では駆動点インピーダンスが
高すぎて不利であった半波長アンテナの端部駆動のモー
ドであり、ここで述べる好ましい実施例においては前記
の如くその様な設計が採用されている。
Therefore, the wavelength of an electromagnetic wave of 100 MHz in water is 33 cm at 3 m in the air, the wave impedance of the space is 40 Ω at 370 Ω in the air, a half-wave dipole antenna or a monopole antenna with a 波長 wavelength ground plane. The driving point impedance of 50 to 70Ω in the air is several ohms at most, so it is easy to handle it electrically. Rather, the driving of the half-wave antenna is disadvantageous because the driving point impedance is too high in the air. In the preferred embodiment described herein, such a design is employed as described above.

【0029】しかし空中と異なり水中では相当の減衰が
あるので、1つのアンテナがカバー出来る範囲は前記の
如く高々半径数十波長に限られて来る。また、2つ以上
の受信アンテナがあった場合、送信源からの距離が1波
長でも近い方が圧倒的に強い受信レベルを獲得する。そ
れ故に無数のアンテナを波長以上、数波長ないし十数波
長程度までの距離を持たせて分布せしめた場合、一方向
性結合手段を介在してそれらアンテナの受信出力を全て
一律に同相加算しても、この1波長でも近い方が圧倒的
に強い受信レベルを獲得するという性質に由来して、ア
ンテナの分担域の境界で干渉性の感度分布を呈する事は
ない。
However, since there is considerable attenuation in water unlike in the air, the range that one antenna can cover is limited to a radius of at most several tens of wavelengths as described above. Also, when there are two or more receiving antennas, even if the distance from the transmission source is one wavelength, the one that is short will obtain an overwhelmingly strong reception level. Therefore, when innumerable antennas are distributed with a distance of more than a wavelength, about several wavelengths to about several tens of wavelengths, the reception outputs of those antennas are all in-phase summed uniformly through one-way coupling means. However, due to the property that even one wavelength is closer, the receiving level is overwhelmingly strong, there is no coherence sensitivity distribution at the boundary of the sharing area of the antenna.

【0030】そこで本実施例においてはすべての単位受
信アンテナの出力を、加入する引き通し同軸ケーブルの
上に、その1電気波長を単位としてその整数倍の相互距
離の位置において、同じアンプにより大略同じ位相およ
び振幅(360度の整数倍は無視してよい)で加算する
ことにより、各アンテナの分担域の境界で干渉性の死感
点(dead spot)が生ずる事を防止している。
Therefore, in this embodiment, the outputs of all the unit receiving antennas are substantially the same by the same amplifier at the position of an integral multiple of one electric wavelength as a unit on the feedthrough coaxial cable to be added. The addition by phase and amplitude (ignoring integer multiples of 360 degrees can be neglected) prevents the occurrence of coherent dead spots at the boundaries of the sharing area of each antenna.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、塩度ないし
導電率の十分低い、比較的清浄な淡水の内部において広
い範囲に渡って信号源の自由行動を許容するテレメトリ
ーが行え、科学技術上貢献する所が大である。
As described above, according to the present invention, it is possible to perform telemetry which allows free movement of a signal source over a wide range in relatively clean fresh water having a sufficiently low salinity or conductivity. The place that contributes to the above is great.

【0032】またこの技術はここで述べた様なバイオテ
レメトリーに限らず、信号源が何であっても同様な立場
での水中電磁波通信の用に供する事が出来る事は、同業
者、経験者、有識者には自明の事である。また好ましい
実施例としては水底に単位水中アンテナを羅列し、場合
によっては一直線上に等間隔に並べてエンドファイヤア
レイを成さしめる事を説明したが、これは単なる一実施
例にすぎず、請求範囲に記載された本発明の主旨を拘束
する物ではない。
Further, this technology is not limited to biotelemetry as described above, and it can be used for underwater electromagnetic communication in a similar position regardless of the signal source. It is self-evident to the experts. Further, as a preferred embodiment, it has been described that unit underwater antennas are arranged on the bottom of the water, and in some cases, endfire arrays are formed on a straight line at equal intervals, but this is merely an example, and Does not restrict the gist of the present invention described in (1).

【0033】水深が深いなどの理由があれば、場合によ
っては水面から単位水中アンテナをブイの如くして吊し
て羅列しても良く、また適当な深度になるようにブイか
ら錘をたらしてその途中に吊して羅列しても良い。
If there is a reason that the water depth is deep, the unit underwater antennas may be hung like a buoy from the water surface in some cases and may be arranged in a row, and a weight may be pulled from the buoy so as to have an appropriate depth. It may be hung in the middle of it.

【0034】更にアレイとして水平面内の動作をしか説
明しなかったが、場合によっては垂直面のアレイであっ
ても良い。その場合、高々1つのブイから垂れる索に順
々に、水平方向に向いたモノポールないしダイポールを
垂直方向に羅列するという様な構成が取られるであろ
う。船や水中建造物の側壁にこれを羅列する事も有り得
る。この場合、エンドファイヤアレイの構成を採ると主
たる任務が鉛直方向に下方を監視する物となるが、サイ
ドファイヤアレイないし通常のフェーズドアレイの構成
を採るならば主たる任務が水平方向ないしやや俯角のあ
る方向に監視する物となる。この場合さらに、発信源に
受波焦点を設定して、そこから発する拡散波面を選択的
に受信する様に、各受信アンテナの受信出力に位相ない
し遅延の分布を与えて合成し受信する如き構成も可能で
ある。
Although the operation in the horizontal plane has been described only as an array, an array in a vertical plane may be used in some cases. In that case, a configuration may be adopted in which monopoles or dipoles oriented in the horizontal direction are sequentially arranged in the vertical direction on the ropes hanging from at most one buoy. It can be listed on the side walls of ships and underwater structures. In this case, if the configuration of the end fire array is adopted, the main task is to monitor the downward direction in the vertical direction, but if the configuration of the side fire array or the ordinary phased array is adopted, the main task has a horizontal direction or a slight depression angle. It is a thing to monitor in the direction. In this case, furthermore, the reception focal point is set at the transmission source, and the reception output of each reception antenna is given a phase or delay distribution and combined and received so as to selectively receive the diffuse wavefront generated therefrom. Is also possible.

【0035】また上記の如くモノポールを用いるかダイ
ポールを用いるか、もしくはさらに特有な目的で特有な
構造の単位受信アンテナを用いるかは、全く本発明の実
施上の自由度に含まれるものである。媒質の波動インピ
ーダンスが空中とは極度に異なる水中における電磁波の
受信に関しては、それに適した特有な構造の単位受信ア
ンテナは、空中用とは全く異なる設計思想の物が種々有
り得るであろう。
Whether to use a monopole or a dipole as described above, or to use a unitary receiving antenna having a specific structure for a more specific purpose is completely included in the degree of freedom in the implementation of the present invention. . With respect to reception of electromagnetic waves in water in which the wave impedance of the medium is extremely different from that in the air, there may be various unit receiving antennas having a specific structure suitable for the use and having completely different design concepts from those in the air.

【0036】前記の如く、好ましい実施例においては端
部を高インピーダンスで終端し、そこに電圧出力の形で
信号を求める方式の半波長モノポールが用いられた。し
かしこれはバッファアンプが中庸ないし低い入力インピ
ーダンスの、もしくは特定の整合終端を成す入力の物の
場合には半波長以下の適宜な長さのモノポールを用いて
最適化する事になる。ここで単位受信アンテナが羅列さ
れている面内の方向に該アンテナ自身がより鋭い指向性
を持つ事はあまり意味がない。何故ならばそういう性質
が特に必要な場合には、これら単位受信アンテナ群をア
レイとして扱う中で十分出せるからである。
As described above, in the preferred embodiment, a half-wavelength monopole is used in which the ends are terminated with high impedance and a signal is obtained in the form of a voltage output. However, this may be optimized for a buffer amplifier with moderate to low input impedance, or a monopole of appropriate length less than half a wavelength if the input has a specific matched termination. Here, it does not make much sense that the unit receiving antenna itself has a sharper directivity in the direction in which the unit receiving antennas are arranged. This is because, when such a property is particularly necessary, these unit receiving antenna groups can be sufficiently output while being handled as an array.

【0037】また前記好ましい実施例では水底に着地し
たモノポールが用いられ、故にその対峙するべきグラウ
ンドプレーンには特に配慮が必要なかった。しかし単位
受信アンテナを水中において着地せず掲げる様な場合に
は、グラウンドプレーンを有するモノポールを用いるよ
りも垂直ダイポールを、即ち前記と同じ高インピーダン
ス終端の設計思想によるならば全長が1波長ないしそれ
以下の垂直ダイポールを用いる方が構造上簡素で便利で
ある。しかしこれもまた本発明の実施上の自由度であ
る。
In the preferred embodiment, a monopole landed on the bottom of the water is used. Therefore, no special consideration is required for the ground plane to be opposed to the monopole. However, in the case where the unit receiving antenna is raised without landing in water, a vertical dipole is used rather than a monopole having a ground plane, that is, according to the same high impedance termination design concept as described above, the total length is one wavelength or less. It is simpler and more convenient to use the following vertical dipole in terms of structure. However, this is also a degree of freedom in implementing the present invention.

【0038】また各々の単位受信アンテナがランダム
に、もしくは整然と、水中を浮遊しても動作上差支えな
い場合には、各々の単位受信アンテナに浮力が平衡する
ような浮きを付与して水中に解き放つ、ないし船の末尾
に繋いで曵航する、などの応用例が考えられる。その他
無数の応用例が有り得る。
If there is no problem in operation even if each unit receiving antenna floats in the water randomly or orderly, each unit receiving antenna is given a float such that buoyancy is balanced and released into the water. Or towing at the end of the ship. There are countless other applications.

【0039】またここで述べた実施例では同相加算の手
段として1本の引き通し同軸ケーブルを用いる事を述べ
たが、これは相互の位相と振幅に配慮しさえすればアン
テナ毎に個々に、またはアンテナのグループ毎に別々に
設置しても良い事は自明である。また同軸ケーブルの他
に光ファイバなどによる事も出来る。
Also, in the embodiment described above, one through-coaxial cable is used as the means for in-phase addition. However, this can be done individually for each antenna as long as mutual phase and amplitude are considered. It is obvious that the antennas may be separately installed for each group of antennas. An optical fiber may be used instead of the coaxial cable.

【0040】またここでは発信源が自由行動し、受信シ
ステムが分布、固定した構成を述べたが、逆に自由行動
するのが受信者で、分布、固定しているのは送信システ
ムであるという構成も全く同じ技術思想により実現可能
である。
Also, here, the configuration is described in which the transmitting source operates freely and the receiving system is distributed and fixed. On the contrary, it is said that the recipient operates freely and the transmitting system is distributed and fixed. The configuration can also be realized by exactly the same technical idea.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の好ましい実施例を解説する図である。FIG. 1 illustrates a preferred embodiment of the present invention.

【図2】上記実施例におけるバッファアンプの一例を説
明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a buffer amplifier in the embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

S 信号源(発信機を装着したニジマス) 1a〜1k 単位受信アンテナ 2a〜2k バッファアンプ 3 引き通しケーブル 4 整合終端 5 アンテナカプラー 6 受信機 S Signal source (rainbow trout with transmitter) 1a-1k Unit receiving antenna 2a-2k Buffer amplifier 3 Pass-through cable 4 Matching termination 5 Antenna coupler 6 Receiver

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−67904(JP,A) 特開 昭63−269635(JP,A) 特開 昭50−139605(JP,A) 特開 昭54−102906(JP,A) 特開 昭62−289022(JP,A) 特表 平6−504660(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04B 7/00 H04B 7/02 - 7/12 H04B 13/02 H04L 1/02 - 1/06 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-52-67904 (JP, A) JP-A-63-269635 (JP, A) JP-A-50-139605 (JP, A) JP-A 54-67605 102906 (JP, A) JP-A-62-289022 (JP, A) JP-A-6-504660 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H04B 7/00 H04B 7 / 02-7/12 H04B 13/02 H04L 1/02-1/06

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 導電性の十分低い淡水中において該水
中を自由行動する信号源からの電磁波信号をとぎれなく
受信するための水中テレメトリー装置において、該水中
に多数の単位受信アンテナを、お互いに大略波長以上の
距離を離して分布配置し、これら多数の単位受信アンテ
ナの各々から得られる受信信号をすべて大略同振幅およ
び同位相にて加算して受信機入力とする如く構成された
事を特徴とする、該水中テレメトリー装置。
1. An underwater telemetry device for continuously receiving an electromagnetic wave signal from a signal source that freely moves in freshwater having a sufficiently low conductivity, wherein a plurality of unit receiving antennas are generally provided in the water. It is characterized by being arranged so as to be distributed at a distance equal to or longer than the wavelength, and to add the received signals obtained from each of these multiple unit receiving antennas with substantially the same amplitude and the same phase and to input the receiver. The underwater telemetry device.
【請求項2】 採用する電磁波の波面として垂直面波
を用い、上記単位受信アンテナとして大略半波長ないし
それ以下の垂直モノポールないし大略波長ないしそれ以
下の垂直ダイポールを有し、これら単位受信アンテナを
途中に結合しつつ引き通す如く配置された少くとも1本
の同軸ケーブルを有して成ることを特徴とする、請求項
1に記載の水中テレメトリー装置。
2. A vertical surface wave is used as a wavefront of an electromagnetic wave to be adopted, and the unit receiving antenna has a vertical monopole of approximately half a wavelength or less or a vertical dipole of approximately a wavelength or less, and these unit receiving antennas are used. The underwater telemetry device according to claim 1, further comprising at least one coaxial cable arranged so as to be connected while being connected.
【請求項3】 上記単位受信アンテナの各々と、上記
引き通し同軸ケーブルの該当する加入点との間に、前者
から後者へ向けての一方向性の結合を生ずる如く、各々
バッファアンプを配置した事を特徴とする、請求項2に
記載の水中テレメトリー装置。
3. A buffer amplifier is arranged between each of said unit receiving antennas and a corresponding addition point of said feed-through coaxial cable so as to cause one-way coupling from the former to the latter. The underwater telemetry device according to claim 2, wherein:
【請求項4】 上記加入点の各々が、該同軸ケーブル
における波長短縮率を勘案して電気的に大略1波長ない
しその整数倍の距離の間隔で配置されている事を特徴と
する、請求項3に記載の水中テレメトリー装置。
4. A method according to claim 1, wherein each of said adding points is electrically disposed at a distance of approximately one wavelength or an integral multiple thereof in consideration of a wavelength shortening rate of said coaxial cable. 4. The underwater telemetry device according to 3.
【請求項5】 該同軸ケーブルが該バッファアンプへ
の動作電力を供給する手段としても兼用される如く構成
された事を特徴とする、請求項3または4に記載の水中
テレメトリー装置。
5. The underwater telemetry device according to claim 3, wherein the coaxial cable is configured to also be used as a means for supplying operating power to the buffer amplifier.
【請求項6】 請求項1から5までのいづれかに記載
の水中テレメトリー装置であって、被観測淡水圏として
河川ないし細長い水路を用いる水中テレメトリー装置に
おいて、該単位受信アンテナは大略水の流れに沿って並
べられ、また該引き通し同軸ケーブルは大略同じ方向に
走行し、爾して該受信アンテナ群は流れに平行の方向に
エンドファイヤアレイを成す如く構成された事を特徴と
する、該水中テレメトリー装置。
6. The underwater telemetry apparatus according to claim 1, wherein the unit receiving antenna is arranged along a flow of water, wherein the underwater telemetry apparatus uses a river or an elongated waterway as a freshwater area to be observed. The underwater telemetry, characterized in that the through-coaxial cables run in substantially the same direction and the receiving antennas are arranged in an endfire array in a direction parallel to the flow. apparatus.
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