JP3408364B2

JP3408364B2 - 水中データの計測システム

Info

Publication number: JP3408364B2
Application number: JP24695095A
Authority: JP
Inventors: 泰則渡辺
Original assignee: Kaijo Corp
Current assignee: Kaijo Corp
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 2003-05-19
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: JPH0968575A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、海洋の調査などに
利用される水中データの計測システムに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、海洋の調査や開発などを目的とし
て、海底に計測装置を設置して波高や潮流の速度など海
洋に関する各種のデータを収集することが行われてい
る。海底設置の計測装置と、陸上のデータ解析装置や海
上の作業者との間の収集データの受渡しの方法として、
海底ケーブル方式と定期回収方式とが採用されてきた。

【０００３】海底ケーブル方式は、海底設置の計測装置
と陸上装置との間を海底ケーブルで接続しておきこの海
底ケーブルを通して陸上装置から海底の計測装置に給電
すると共にこの計測装置から陸上装置に計測データを送
信するという方式である。この従来の海底ケーブル方式
では、陸上から海底設置箇所まで数Ｋｍもの長区間にわ
たって海底ケーブルを敷設する必要があるため、ケーブ
ルの費用と敷設費用とが高くなるだけでなく、底引き漁
船などによる海底ケーブルの切断事故が生じ易くなる。

【０００４】このため、電池動作の計測装置に目印のブ
イを付けて海底に設置し、内蔵の記憶装置に計測データ
を一旦蓄積させておき、これをダイバーなどによって定
期的に海底から引上げ、蓄積済みの計測データの回収と
電池の補充とを行うという定期回収方式も採用されてき
た。しかしながら、この定期回収方式では、海底に設置
した計測装置を海上に引上げてデータを回収して見るま
では、計測とその計測データの蓄積が正常に行われてい
ることを確認する手だてがない。このため、計測機能や
記憶機能の故障に伴い長期間にわたって計測データが欠
落してしまうなどの不安が伴う。さらに、この定期回収
方式では、目印のブイを海底の重りに係留しておくため
のワイヤーが長期間にわたって反復される波浪の力によ
って切断されてブイが漂流してしまうと、海底に設置し
た計測器が行方不明になってしまうなどの問題がある。

【０００５】最近、音波を搬送波とする海中の無線通信
によって遠隔操縦方式の無人潜水艇を制御しながら各種
の計測データを母船側に回収するという音波通信方式に
関連する各種の技術が多数開示されている（特開昭62ー
159930号公報、特開昭62ー213437号公報、特開平 2ー12
0199号公報、特開平 3ー245626号公報等) 。海底設置の
計測装置を無人潜水艇に見立てて、データ回収のための
母船との間に音波を搬送波とする水中通信システムを適
用することにより、上記定期回収方式の一つの問題点は
かなりの程度解決できる。すなわち、計測データを音波
で送受信する送受信器を計測器に付加しておき、これを
海底に設置した直後に海上から指令を発して収集済みデ
ータを送信させ、これを分析することによって海底設置
直後の計測装置の正常動作を確認することでできる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記定期回収方式に音
波通信方式を付加することによって、故障による収集デ
ータの欠落という問題は解決できる。しかしながら、母
船から発進させる無人潜水艇の場合とは異なり、海底設
置の計測装置の場合には母船が海底に設置した計測装置
から一旦完全に離れ去ってしまうため、次の接近に備え
てその所在を示すためのブイが依然として必要になる。
従って、このブイが係留ワイヤーの切断によって漂流し
てしまうと、海底に設置した計測器が回収不能になると
いう問題は依然として残る。また、波浪によるブイの漂
流を防ぐために海底にかなり大きな係留用の重りを沈め
る必要があり、設置作業のために大型のクレーンなどが
必要になるという問題もある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる水中デー
タの計測システムは、水中のデータを計測しこの計測デ
ータを含む超音波の信号を送信しかつ上方の水中から送
信される超音波の信号を受信する水底設置の計測器と、
上方の水中において水底設置の計測器から送信された超
音波の信号を受信しかつ水底設置の計測器に超音波の信
号を送信する水面側送受信器と、この面側送受信信器を
保持する移動体と、この移動体を水底設置の計測器の上
方に位置決めさせるための超音波を用いた位置決め装置
とを備えることにより、これまでの種々の問題があった
ブイを除去するように構成されている。そして、本発明
によれば、まず、ＧＰＳ受信機などの適宜な航法装置を
利用して粗い位置決めが行われる。次に、水面側送受信
器から水底設置の計測器に対する超音波の呼出し信号を
送信させ、この超音波の呼出し信号を受信した水底設置
の計測器からその受信から所定の時間経過後に水面側送
受信器に対する超音波の応答信号を送信させ、この超音
波の応答信号を受信した記水面側送受信器に超音波の呼
出し信号の送信から応答信号の受信までに要した応答所
要時間を算定させ、この応答所要時間を減少させる方向
に移動体を移動させることによって、精密な位置決めが
行われる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施の形態によれ
ば、上記水底設置の計測器と水面側送受信器から送信さ
れる超音波ビームの広がりの大きさは、水深に係わらず
上記ＧＰＳ受信機による位置決めの誤差円程度になるよ
うに、超音波ビームの広がり角度が水深に応じて設定さ
れる。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の一実施例に係わる水中デー
タの計測システムの構成を示すブロック図であり、１は
海底に設置された計測器、２は海底側超音波送受信器、
３は海面側超音波送受信器、４は海面側超音波送受信器
３が接続される計測データ回収装置、５は移動体として
例示される船舶である。

【００１０】計測器１と海底側超音波送受信器２を海底
に設置するに際しては、これらを搭載した船舶の位置が
目的の設置位置に一致するように、ＧＰＳ受信機を利用
して検出される。この目的の位置は、東経何度何分何
秒、北緯何度何分何秒という具合に地球上の絶対位置と
して検出される。この目的の位置の海底に、計測器１と
海底側超音波送受信器２とがダイバーなどによって設置
される。

【００１１】海底に設置された計測器１は、内蔵の電池
からの給電を受けて動作し、上方に超音波を放射し、海
面や海中で反射されて戻ってきた反射波の伝播遅延時間
や、周波数の変化などに基づき、海面の波高や任意の水
深の潮流の流速などを計測する。海面の波高や海中の流
速などの各種の計測データは、計測器１からディジタル
データの形式でケーブル２ａを通して海底側超音波送受
信器２に転送される。海底側超音波送受信器２は、内蔵
の電池からの給電を受けて動作し、計測器１から転送さ
れてきたディジタル計測データを内蔵のメモリ部に一旦
蓄積する。

【００１２】上記海底への設置が終了すると、計測器１
と海底側超音波送信器２が正常に動作しているかどうか
の確認が船上から行われる。まず、海面側超音波送受信
器３が海中に投入され、続いて船舶５上のデータ回収装
置４が操作される。このデータ回収装置４からデータ送
信指令がケーブル３ａを通して海面側超音波送受信器３
に送られ、ここから超音波で海底側送受信器２に向けて
真下に送信される。

【００１３】このデータ送信指令を受けた海底側送受信
器２は、メモリ部に蓄積中の計測データによって超音波
を変調し、この変調された超音波信号を上方に向けて送
信する。このデータの変調方式は、適宜なものでよい
が、一例として符号伝送速度十数Ｋボー程度の差動４相
ＰＳＫなどが利用される。この計測データによって変調
された超音波信号は、海面側超音波送受信器３で受信さ
れ、ケーブル３ａを通してデータ回収装置４に転送さ
れ、解読される。船上の作業者は、解読された計測デー
タが合理的なものであれば、そのことから海底に設置し
たばかりの計測器１と送受信器２とが正常に動作してい
ると判断し、１か月後など次の定期的な計測データの収
集の時まで船舶５を設置箇所の海域から立ち去らせる。

【００１４】定期的な計測データの回収に際しては、回
収のために航行してきた船舶が、ＧＰＳ受信機を用いて
既知の海底の設置位置まで誘導される。このＧＰＳ受信
機を利用した粗い位置決めが終了すると、海面側値送受
信器３が海中に投入され、データ回収装置４から、送受
信器３を介して海底設置の送受信器２に応答信号の送信
を要求する呼出し信号が送信される。この超音波の呼出
し信号を受信した海底設置の送受信器２から超音波の応
答信号が送信され、この応答信号が海面側送受信器３を
介してデータ回収装置４に受信されれば、海底設置の送
受信器２の探索に成功したことになる。

【００１５】しかしながら、ＧＰＳ受信機を用いて行う
位置決めに際して生ずる誤差円の半径は典型的には数十
メートル程度であり、しかも、このようなＧＰＳ受信機
を利用した位置決めの誤差が、計測器の海底設置時とデ
ータの回収時とで無関係に生じるため、計測データ回収
時の海底側と海面側の送受信器２と３の位置誤差の最大
範囲は、ＧＰＳの数十メートル程度の誤差の２倍程度と
なる。このため、母船から発進させた無人潜水艇と通信
を行う場合とは異なり、指向性の狭い超音波ビームを使
用したのでは、探索に多大の時間と労力を要する。

【００１６】図１に示すように、海底側と海面側の各超
音波送受信器２と３のそれぞれが真上と真下に向けて超
音波ビームを向けて放射するものとする。また、放射さ
れた超音波ビームの広がり具合を示す指向角を、その振
幅が中心軸の値に対して半減する半減角２θで表現す
る。水深を H( m : メートル) とすると、海面から放射
された超音波ビームの海底における広がり、又は海底か
ら放射された超音波ビームの海面における広がりの半径
R(m) は、次式で与えられる。 R＝ Htan θ ・・・(1) この広がりの半径Ｒが、ＧＰＳ受信機による位置決めの
誤差円の半径の２倍程度になるように、水深Ｈに対して
半減角２θが設定される。

【００１７】ＧＰＳ受信機による位置決めの際の誤差円
の半径を50ｍと評価すれば、必要な超音波ビームの広が
りの半径Ｒは100 ｍとなる。水深が50ｍの場合、半減角
2θは 127^oとかなり大きな値となる。なお、水深の増
加に伴って伝播距離が増加するため超音波の伝播減衰量
も増加するが、水深の増加に伴って超音波ビームの指向
性が鋭くなるため、この指向性の先鋭化によって上記伝
播減衰量の増加が相殺されるという好都合な点も生じ
る。

【００１８】超音波ビームの広がり角度は、超音波振動
子の直径、並列動作個数や、動作周波数を変化させるこ
とによって変更することができる。従って、設置する海
底の深度に応じて、各種の広がり角度の振動子を用意し
ておき、深度に応じて使い分けることによって深度の増
加と共に広がり角度を狭めることができる。

【００１９】海面側からの呼出し信号を受信した海底側
の送受信器２は、直ちに応答信号を送信せずに、この受
信から所定の期間が経過した後に応答信号を送信する。
すなわち、図２の信号シーケンス図に示すように、海面
側の送受信器３から呼出し信号Ａが送信され、これが海
中を送受信器２から送受信器３へと伝播するのに要する
伝播所要時間τの時間の経過後に海底側送受信器２に呼
出し信号ａとして受信される。一方，海面側の送受信器
２には、呼出し信号Ａの送信からある時間が経過する
と、海底からの反射波ｃが受信される。

【００２０】従って、仮に、呼出し信号ａを受信した海
底側の送受信器２から直ちに応答信号が送信されるもの
とすれば、この応答信号は呼出し信号の海底からの反射
波とほぼ同じ時間帯に海面側の送受信器３に受信される
ことになり、応答信号が反射波によって大きな妨害を受
ける。この海底からの反射波の妨害を回避するため、反
射波が納まるまでの適宜な時間Ｔ１だけ遅延させて、海
底側の送受信器２から応答信号Ｂを送信させる。この応
答信号は、両送受信器間の伝播所要時間τだけ経過した
時点で海面側の送受信器３に受信される。

【００２１】海面側の送受信器３が呼出し信号を送信し
てから応答信号を受信するまでの所要時間をＴとすれ
ば、 T ＝２τ＋ T1 ・・・(2) となる。また、海面側と海底側の送受信器間の距離をL
D、海中の音速をC とおけば、 LD ＝ Cτ＝ C（T −T1)/ 2 ・・・(3) となり、送受信器間の水平距離をＬとおけば、 L ＝ ( LD ²− H²）^1/2 ・・・(4) を得る。(4) 式に(3) 式を代入すれば、 L ＝(C /2)〔（T −T1)²−(2H/C)²〕^1/2・・・(5) を得る。

【００２２】従って、船舶上の作業者は、(5) 式によっ
て算定された水平距離Ｌを減少させるように、すなわ
ち、伝播所要時間Ｔを減少させるように船舶を移動させ
ることによって、海面側送受信器３を海面側の送受信器
２の真上に接近させることができる。計測データの収集
には相当の時間を必要とするが、風や海流の存在のもと
でかなりの長期間にわたって船舶を通信可能範囲に留め
ておくために、最初にかなりの精度の位置決めが必要に
なるからである。

【００２３】なお、計測データの回収に際して伝播所要
時間Ｔを計測したり、あるいは計測データの回収作業に
割込ませて伝播所要時間Ｔを計測することにより、船舶
の位置を修正する構成とすることもできる。また、海底
の計測装置や送受信器に内蔵の電池の残量を報告させ、
これが所定量以下になると海底から回収して電池を交換
することなどが行われる。

【００２４】図３は、図１中の海底側の送受信器２の構
成の一例を示すブロック図である。この送受信器２は、
ＣＰＵ部２１、計測器インタフェース部２２、計測デー
タメモリ部２３、変調部２４、送信部２５、送受波器２
６、受信増幅部２７、復調部２８、受信検出部２９及び
上記各部に動作のための直流電力を供給する電池３０を
備えている。隣接して海底に設置されている計測器１か
らケーブル２ａを介して転送されてくる計測データは、
計測器インタフェース部２２を介してＣＰＵ部２１に受
信され、この計測データを含むファイルが作成され、計
測データメモリメモリ部２３内に記録される。

【００２５】計測データメモリ部２３に記録済みの計測
データは、船舶上のデータ収集装置から発せられたデー
タ送信指令を解読したＣＰＵ部２１によって読出され、
変調部２４において超音波に対するＰＳＫなどの変調信
号となり、変調された超音波が送信部２５を経て送受波
器２６から海中に送信される。海中から送受波器２６に
受信された呼出し信号やデータ送信指令などの変調超音
波信号は、受信増幅部２７を経て復調部２８で復調さ
れ、ＣＰＵ部２１に転送される。受信検出部２９は、受
信増幅部２７の出力のレベルを監視し、このレベルが所
定の閾値を越えるたびに、受信信号が出現したものと見
做し、ＣＰＵ部２１に通知する。

【００２６】図４は、図１中の海面側の送受信器３の構
成の一例を示すブロック図である。この送受信器３は、
ＣＰＵ部３１、データ回収装置インタフェース部３２、
変調部３４、送信部３５、送受波器３６、受信増幅部３
７、復調部３８及び受信検出部３９を備えている。ＣＰ
Ｕ部３１は、データ回収装置５からケーブル３ａとイン
タフェース部３２を介して転送されてくる呼出し信号
や、計測データ転送指令を受取ると、これらの信号を変
調部３４に転送する。変調部３４で作成された変調信号
は送信部３５を経て送受信波器３６から海中に送信され
る。

【００２７】送受信波器３６が受信した応答信号や計測
データは、復調部３８で復調され、ＣＰＵ３１とインタ
フェース部３２とケーブル３ａを経てデータ回収装置に
転送される。受信検出部３９は、受信増幅部３７の出力
のレベルを監視し、このレベルが所定の閾値を越えるた
びに、受信信号が出現したものと見做し、ＣＰＵ部３１
に通知する。

【００２８】図５は、図１中のデータ回収装置４の構成
の一例を示すブロック図である。このデータ回収装置４
は、ＣＰＵ部４１、送受信器インタフェース部４２、キ
ーボード４３、表示部４４及びメモリカード・インタフ
ェース部４５を備えている。ＣＰＵ部４１は、キーボー
ド４３から入力される呼出し信号や計測データ送信指令
信号などを受取ると、これらの信号を送受信器インタフ
ェース部４２とケーブル３ａとを介して送受信器３に送
信する。

【００２９】ＣＰＵ部４１は、応答信号を受信すると、
呼出し信号の送信からこの応答信号の受信まで要した時
間と海底設置位置までの水平距離を算定し、液晶などで
構成される表示部４４に表示する。ＣＰＵ部４１は、計
測データを受信すると、メモリカード・インタフェース
部４５を介してこれに装着されたメモリカードに転送す
ると共に、表示部４４にも表示する。

【００３０】以上、海底側の送受信器を計測装置と別体
とし両者の間をケーブルで接続する構成を例示したが、
計測装置と送受信器とを一体に形成するように構成する
こともできる。

【００３１】また、計測装置を海底に設置する場合を例
示したが、河川や湖沼などの水底に計測装置を設置する
場合にも本発明を適用できる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
わる水中データの計測システムは、水底設置の計測器に
超音波による送受信機能を付加し、これとの間で超音波
を搬送波として計測データの受信を行う海面側の送受信
器を船舶などの移動体に保持させ、この移動体を水底設
置の計測器の上方に位置決めさせるための超音波を用い
た位置決め装置とを備える構成を採用したため、これま
での種々の問題があったブイを除去できるという効果が
奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を説明するための概念
図である。

【図２】本発明の一実施例の送受信の方法を説明する通
信シーケンス図である。

【図３】図１中の海底側の送受信器２の構成の一例を示
すブロック図である。

【図４】図１中の海面側の送受信器３の構成の一例を示
すブロック図である。

【図５】図１中の船上のデータ収集送信４の構成の一例
を示すブロック図である。

【符号の説明】

１海底設置の計測装置２海底側の送受信器３海面側の送受信器４データ収集装置５船舶（移動体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０４Ｂ 11/00 Ｇ０８Ｃ 23/00 Ｃ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 1/72 - 1/82 G01S 3/80 - 3/86 G01S 5/18 - 5/30 G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96 G01C 13/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水中のデータを計測しこの計測データを含
む各種の信号で変調した超音波信号を上方の水中に送信
しかつ上方の水中から送信された指令を含む各種の信号
で変調された超音波信号を受信して解読する水底設置の
計測器と、前記上方の水中において前記水底設置の計測
器から送信された超音波信号を受信して解読しかつ前記
水底設置の計測器に超音波信号を送信する水面側送受信
器と、この水面側送受信器を保持する移動体と、この移
動体を前記水底設置の計測器の近傍の上方に超音波を利
用して位置決めさせる位置決め装置とを備え、前記超音波を用いた位置決め装置による位置決めは、ま
ず、ＧＰＳ受信機その他の適宜な航法装置を利用して粗
く行われ、続いて、前記水面側送受信器から前記水底設
置の計測器に対して超音波の呼出し信号が送信され、こ
の超音波の呼出し信号を受信した水底設置の計測器から
その受信後所定の時間が経過すると前記水面側送受信器
に対する超音波の応答信号が送信され、この超音波の応
答信号を受信した前記水面側送受信器によって前記超音
波の呼出し信号の送信から前記応答信号の受信までに要
した応答所要時間が算定され、この算定された応答所要
時間を減少させる方向に前記移動体が移動されることに
よって精密に行われることを特徴とする水中データの計
測システム。
【請求項２】請求項１において、前記水底設置の計測器と水面側送受信器から送信される
超音波ビームの広がりの大きさは、水深に係わらず前記
ＧＰＳ受信機による位置決めの誤差円程度になるように
超音波ビームの広がり角度が水深に応じて設定されるこ
とを特徴とする水中データの計測システム。