JP3612434B2 - 音響トモグラフィの情報収集装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象水域の流速あるいは温度の分布作成のための音波伝播時間情報を収集する音響トモグラフィの情報収集装置に係り、特に情報収集の時間短縮を図る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、海洋音響トモグラフィ（ＯＡＴ：Ｏｃｅａｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）は、音波の送波器および受波器を備えた送受信局（単に局ともいう）を測定対象海域の周囲の海中に散在させ、様々な経路（以下音線という）での音波の送受信を行って、多数の音波伝播時間の情報を収集し、これらを格子状に組合わせて生成されたデータを、その海域の流速や温度の分布とするものである。
【０００３】
計測された音波伝播時間のデータを双方向音波伝播法に適用すれば、海域の２点間の音線に沿って平均化された音速Ｃｍ（ｍ／ｓ）および流速Ｕｍ（ｍ／ｓ）は、次の式（１）および式（２）によって求めることができる。
【０００４】
【数１】
ここで、ｔＡＢは、測定対象海域のＡ点からＢ点への音波伝播時間、ｔＢＡは、Ｂ点からＡ点への音波伝播時間、Ｌは、ＡＢ点間の距離とする。
【０００５】
また、音線に沿って平均化された水温Ｔ（℃）は、経験的に次の簡略式によって求めることができる。
【０００６】
Ｔ＝（１４４９．２−ｃ）／４．６ …… （３）
従来の音響トモグラフィの情報収集装置にあっては、測定海域に、送波器および受波器を備えた複数の送受信局を散在させて、局間で音波を送受信させることで、音波の伝播時間情報の収集が行われる。初めに、散在させた局のうちの第１の局が音波を送信し、他の全局での受信が終了した後に、第２の局が音波を送信する。このように順次に音波送受信を行なうことで音波伝播時間の情報収集が行われた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の音響トモグラフィの情報収集装置は、エルニーニョ現象の確認のため等の、主に１０〜１０００ｋｍスケールの外洋海域における水温についての音響トモグラフィ生成のために利用されてきた。そして、水温は頻繁に変化することが少ないため、音波伝播時間情報のトータルでの収集時間についての制約を受けることは少なかった。
【０００８】
しかしながら、瀬戸内海のように、船舶の頻繁な通行と活発な漁業活動が行われている沿岸海域では、潮流が時事刻々と変化するので、流速を正確に捉えるために、トータルの情報収集時間を短縮したいという要望が挙げられていた。
【０００９】
そこで、この発明は上記従来の要望等に鑑みなされたもので、その目的としては、測定対象水域の流速あるいは温度の分布を求めるための音波伝播時間情報の収集の際の、収集時間の短縮化を図った音響トモグラフィの情報収集装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、測定対象水域の周縁近傍に送波局および受波局を散在させて当該水域を横断する音波を送受信させることにより、当該水域の流速あるいは温度の分布作成のための音波伝播時間情報を収集する音響トモグラフィの情報収集装置において、
前記散在させた送波局の一局に設けられ、当該送波局を識別するための識別情報を含む識別音波を所定の送信時刻に送信する送信手段と、
前記散在させた受波局の一局に設けられ、当該受波局で受信された前記識別音波に含まれる識別情報と、前記散在させた各送波局を識別するための予め記憶された識別情報とに基づいて、当該識別音波の送波局を特定すると共に受信時刻を測定する受信手段と
を有することを特徴とする。
【００１１】
上記構成とすることにより、送波局の一局に設けられた送信手段は、当該送波局を識別するための識別情報を含む識別音波を所定の送信時刻に送信し、一方受波局では、この識別音波を受信すると、当該受波局に設けられた受信手段は、識別音波に含まれる識別情報と、予め記憶された各送波局を識別するための識別情報とに基づいて、当該識別音波の送波局を特定すると共に受信時刻を測定する。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項１記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記識別音波は、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に基づいて設定された時間における所定の送信時刻に送信され、前記受信時刻は当該設定された時間において計測されることを特徴とする。
【００１３】
この発明にあっては、送波局および送波局にはＧＰＳアンテナが設けられ、送波局および送波局にて、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に同期した基準クロックが生成され、送波局からは、自局の基準クロックに基づいて予め計画された所定の送信時刻に識別音波が送信され、受波局では、自局の基準クロックに基づいて受信時刻が計測される。このため、音波伝播時間の測定精度が向上する。
【００１４】
また、本発明の請求項３に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項２記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記送信手段あるいは受信手段には、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に代替可能な信号を発生する代替信号発生手段が設けられたことを特徴とする。
【００１５】
この発明においては、送信手段あるいは受信手段には、例えば水晶クロック等を設けて、ＧＰＳ衛星からの時刻信号が受信不可能であるときは、この水晶クロックのクロック信号を用いての時刻管理が可能となる。
【００１６】
また、本発明の請求項４に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記送信手段は、自局の識別情報を２値化して前記識別音波に含ませ、前記受信手段は、当該識別音波に含まれる２値化された識別情報と、前記各送波局を識別するための識別情報を２値化した情報とを相関処理することを特徴とする。
【００１７】
上記構成とすることにより、送波局にて、識別情報は２値化されて識別音波に含ませられ、受波局では識別音波に含まれる２値化された識別情報と、各送波局を識別するための識別情報を２値化した情報とが相関処理される。このため、受波局において、受信時刻の計測と送波局の特定を同時に行うことができる。
【００１８】
また、本発明の請求項５に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記各送信局を識別するための識別情報は、Ｍ系列法により生成された疑似乱数から構成されたことを特徴とする。
【００１９】
上記構成とすることにより、相関処理の過程での、音波雑音に対する相関係数のＳ／Ｎ比が格段に向上するため、受信時刻の計測および送波局の特定の精度を向上させることができる。
【００２０】
また、本発明の請求項６に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項５記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記各送信局を識別するための識別情報は、当該各識別情報のうちの任意の二情報の積和が小さくなるような疑似乱数であることを特徴とする。
【００２１】
上記構成として、他の送波局の識別情報との相違性を強調することにより、相関処理の過程での、送波局の特定の精度を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明の請求項７に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記送信手段は、前記識別音波の波長を可変自在としたことを特徴とする。
【００２３】
上記構成とすることにより、様々な大きさの測定対象水域においても、測定対象水域の大きさに応じた最適な識別音波の波長を設定することが可能となるため、識別音波が受波局に到達する前に減衰してしまったり、逆に、識別音波の送信が終了する前に識別音波の先頭が受波局に到達してしまうという不都合が回避できる。
【００２４】
また、本発明の請求項８に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記受波局には、前記識別音波を電気信号に変換する複数の受波器が鉛直方向に配置され、前記受信手段は、当該各受波器からの複数の電気信号に基づいて、当該識別音波の当該受波局への入射角度を演算することを特徴とする。
【００２５】
上記構成とすることにより、識別音波が送波局から直接到達したものか、或は海底や海面等に反射して到達したものかを、入射角度θから判定して選別することができる。また、測定対象海域の鉛直断面に複数の音線を設定することができるため、流速あるいは温度の３次元分布を求めることも可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る音響トモグラフィの情報収集装置の実施の形態を、図１ないし図６を参照して説明する。
図１は、本発明に係る音響トモグラフィの情報収集装置の第１の実施の形態の構成を示す図である。本図に示すように、この実施の形態では、周囲を陸地に囲まれた測定海域に音響トモグラフィシステム１００（以下システム１００という）が配備される。
【００２７】
システム１００は、測定海域の周縁近傍に配置された６局の送受信局、即ち、局Ａ，局Ｂ，…，局Ｆから構成される。
局Ａにおいては、送波器および受波器を備えた音波送受信部Ａ３が、水面に浮ぶフロート（ブイ）Ａ２および海底の重りＡ４によって海中に係留されている。フロートＡ２には、ＧＰＳアンテナＡ１が取付けられ、防水加工されたフロート内部には、バッテリにより電力を供給される送受信制御部Ａ１０が収納されている。
【００２８】
送受信制御部Ａ１０において、時刻管理部１は、ＧＰＳアンテナＡ１によって受信された、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に基づいて、基準クロック信号を生成して制御部２に送出する。一方、制御部２は、自局を識別するための識別コードをハードディスク装置２ｂに記憶している。出力回路部３は、識別コードを含む駆動信号Ｓｄを、送波器Ａ３１に対して出力する回路である。
【００２９】
一方、局Ｄを構成する送受信制御部Ｄ１０は、送受信制御部Ａ１０と同様に時刻管理部１、制御部２を有し、さらに受信した音波の信号処理を行う受信直交復調回路部５と、送信局の特定および音波の受信時刻の計測を行う相関処理部４とを備えている。また、ハードディスク装置２ｂには、システム１００の全局の識別コードが記憶されている。
【００３０】
次に、システム１００における音波送受信の動作を説明する。
局Ａは、時刻管理部１で管理された時間における、予め計画された所定の送信時刻に音波送信を行う。即ち、制御部２では、自局の識別コードがハードディスク装置２ｂから読出され、出力回路部３では、この識別コードを含んだ駆動信号Ｓｄが生成されて、駆動信号Ｓｄは送波器Ａ３１へ送出され、送波器Ａ３１から海中に向けて音波ａが送信される。
【００３１】
局Ｄでは、音波送受信部Ｄ３の受波器Ｄ３２にて音波ａが受信され、その音波受信信号Ｓｒは、受信直交復調回路部５にてＡ／Ｄ変換されてディジタルデータとなり、相関処理部４では、このデータに含まれた識別コードと、ハードディスク装置２ｂに記憶された局Ｄ以外の識別コードとの相関処理を行うことで、送信局（この場合、局Ａ）を特定すると共に、受信時刻を測定する。そして、制御部２にて、送信時刻と受信時刻との時間差を演算することで音波伝播時間が算出される。
【００３２】
尚、図１においては、上記の動作説明に必要なものに限定して図示したが、送受信制御部Ａ１０と送受信制御部Ｄ１０とは同一構成となっており、共に、時刻管理部１、制御部２、出力回路部３、相関処理部４および受信直交復調回路部５を備えている。また、局Ｂ，局Ｃ，局Ｅおよび局Ｆにおいても、局Ａ、局Ｄと同一の構成がとられ、音波の送受信が可能となっている。
【００３３】
図２は、局Ａの送受信制御部Ａ１０および音波送受信部Ａ３を示す図である。時刻管理部１は、ＧＰＳ受信機１ａ、水晶クロック１ｂおよび基準時刻発生器１ｃから構成される。
ＧＰＳ受信機１ａは、ＧＰＳアンテナＡ１で受信されたＧＰＳ衛星からの時刻信号を受信して、基準時刻発生器１ｃおよび水晶クロック１ｂに同期信号を出力している。基準時刻発生器１ｃは、この同期信号から、上記した基準クロック信号を生成する。即ち、基準時刻発生器１ｃは、パルス立上がりが毎正秒を示す正確な周波数１Ｈｚの信号（以下「１Ｈｚ信号」という）および周波数が１ｋＨｚの信号（以下「１ｋＨｚ信号」という）を生成して送出するものである。水晶クロック１ｂは、年間誤差１．５秒の周波数安定度を有する温度自動補正機能付の水晶クロックであり、通常はＧＰＳ受信機１ａからの同期信号によってＧＰＳ受信機１ａの内部クロックと常に同期をとり、ＧＰＳ衛星からの時刻信号が受信できないときは、自身のクロックを同期信号の代りに基準時刻発生器１ｃに与えるように構成されている。即ち、水晶クロック１ｂは、ＧＰＳ受信機１ａのバックアップとして機能する。
【００３４】
制御部２は、ＣＰＵ２ａおよびハードディスク装置２ｂとから構成されている。ＣＰＵ２ａは、基準時刻発生器１ｃから出力された１Ｈｚ信号で常に補正される内部クロックで動作する。ＣＰＵ２ａは、バス信号線Ｓｂを介して、後述する相関処理部４とのデータ通信を行い、受信したデータをハードディスク装置２ｂに保存する。このハードディスク装置２ｂには、音波の送信局を特定するために、局Ａから局Ｆまでの識別コードが予め記憶されている。この実施の形態では、疑似乱数発生法の一つであるＭ系列法により生成された乱数のうちの互いに異なる相関の最も小さい乱数ペアであって、その積で作られる６個の異なって符号化されたＧｏｌｄ系列が選択されている。
【００３５】
制御部２は、後述する出力回路部３に対し、送信スタート信号Ｓ１を出力するとともに、相関処理部４および受信直交復調回路部５に対し、受信スタート信号Ｓ２を出力している。前者は、音波の送信のタイミング信号（トリガ）とされ、後者は相関処理を開始するためのタイミング信号として用いられる。ここでは、送信スタート信号Ｓ１および受信スタート信号Ｓ２は共に、所定の繰返し周期（この実施の形態では２分に設定される）をもつパルス信号であるが、受信スタート信号Ｓ２は、送信スタート信号Ｓ１が出力されてから、所定の時間間隔（遅延時間）をあけて出力される。また、プログラム設定により、繰返し周期は可変とすることも可能である。
【００３６】
相関処理部４は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）４ａおよびＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４ｂから構成され、後述する受信直交復調回路部５および制御部２とのデータ通信をデータバスＳｂを介して行い、受信直交復調回路部５から受信したディジタルデータに含まれる識別コードと、予めハードディスク装置２ｂに記憶された各局の識別コードとの相関処理（相関検波）を高速度で行い、その処理結果出力（以下、相関係数という）がピークを示す時刻を受信時刻として測定する。
【００３７】
周波数可変型タイミング回路部６は、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路６ａ、１／１０分周器６ｂおよび１／２分周器６ｃから構成される。ＰＬＬ回路６ａは、１ｋＨｚ信号の周波数を１１０倍に変換する回路である。尚、この倍数（乗数）は、測定海域の大きさにあわせて音波の波長を可変させるため、４倍から４００倍、即ち周波数換算で０．２ｋＨｚから２０ｋＨｚまでの間で設定可能となっている。１／１０分周器６ｂは、ＰＬＬ回路６ａからの１１０ｋＨｚの信号を１１ｋＨｚに分周するものであり、分周された信号（以下「１１ｋＨｚ信号」という）は、駆動信号Ｓｄの搬送波生成のため、後述する信号発生器３ａに入力され、また、サンプリングのタイミング信号としてＡ／Ｄ変換器５ｇに入力される。１／２分周器６ｃは、１１ｋＨｚ信号をさらに、５．５ｋＨｚに分周した２信号（以下、総称して「５．５ｋＨｚ信号」という）を生成し、この２信号を、さらに互いに９０度の位相差を持たせて出力するものあり、この２信号は、直交復調（位相復調）のタイミング信号として、後述する直交復調回路５ｃ，５ｄに入力される。
【００３８】
受信直交復調回路部５は、アンプ５ａ，帯域フィルタ５ｂ、直交復調回路５ｃ，５ｄ、高周波除去フィルタ５ｅ，５ｆおよびＡ／Ｄ変換器５ｇから構成される。
アンプ５ａは、受波器Ａ３２から出力される微弱な音波受信信号Ｓｒを増幅するものであり、帯域フィルタ５ｂは、増幅された信号の特定帯域を通過させる回路である。
【００３９】
直交復調回路５ｃ，５ｄは、帯域フィルタ５ｂの出力信号を、１／２分周器６ｃから出力された５．５ｋＨｚ信号により、直交復調する回路である。高周波除去フィルタ５ｅ，５ｆは、直交復調された各信号の高周波成分を除去する回路である。Ａ／Ｄ変換器５ｇは、高周波除去フィルタ５ｅ，５ｆからのアナログ信号を１１ｋＨｚ信号に同期したサンプリングによりＡ／Ｄ変換して、ディジタルデータとして相関処理部４に送信する回路である。
【００４０】
出力回路部３は、信号発生器３ａおよびアンプ３ｂから構成されている。信号発生器３ａは、１１ｋＨｚ信号に同期する搬送波を内部的に生成しており、制御部２からの送信スタート信号Ｓ１に応答して、自局の識別コードを制御部２から受信するとともに、この識別コードを搬送波に位相変調して駆動信号Ｓｄとして出力するものである。
【００４１】
アンプ３ｂは、信号発生器３ａから入力された駆動信号Ｓｄを増幅するパワーアンプであり、増幅された駆動信号Ｓｄは音波送受信部Ａ３の送波器Ａ３１に送出される。
【００４２】
音波送受信部Ａ３は、送波器Ａ３１および受波器Ａ３２から構成される。具体的には、送波器Ａ３１にトランスミッタが用いられ、受波器Ａ３２には、ハイドロフォンが用いられる。
【００４３】
次に、局Ａにおける音波の送信動作を説明する。
図３は、送信局Ａの各部の波形図であり、同図（ａ）は、１Ｈｚ信号を、同図（ｂ）は、送信スタート信号Ｓ１を、同図（ｃ）は、駆動信号Ｓｄをそれぞれ示すものである。
【００４４】
図３（ａ）に示す１Ｈｚ信号のパルス立上がりに応答して、ＣＰＵ２ａは、図３（ｂ）に示すような２分の繰返し周期を有する送信スタート信号Ｓ１を出力する。
信号発生器３ａは、送信スタート信号Ｓ１のパルス立上がりに応答して、図３（ｃ）に示すように、周波数５．５ｋＨｚの搬送波に自局の識別コードを位相変調して含ませた駆動信号Ｓｄを、搬送波の周波数と識別コードの桁数との積で決定される持続時間（この図では２秒間）だけ出力する。本図に示すように、駆動信号Ｓｄには、１８０度の位相変調の結果として２値化された識別コードが含まれている。出力された駆動信号Ｓｄはアンプ３ｂで増幅され、音波送受信部Ａ３の送波器Ａ３１へと出力され、送波器Ａ３１から音波が２秒間海中に発信される。
【００４５】
次に、局Ｄにおける、送信局の特定および受信時刻の計測動作を説明する。尚、便宜上、局Ｄの構成を示すものとして、図２を参照する。
音波が受波器Ａ３２で受信されると、この受波器Ａ３２から音波受信信号Ｓｒが出力される。音波受信信号Ｓｒはアンプ５ａにより増幅され、帯域フィルタ５ｂにより所定の周波数帯域成分が除去される。さらに、直交復調回路５ｃ，５ｄにより直交復調され、高周波除去フィルタ５ｅ，５ｆにより高周波成分を除去され、Ａ／Ｄ変換器５ｇによりディジタルデータ（受信データ）に変換される。そして、受信直交復調回路部５は、受信データを相関処理部４へ送信する。
【００４６】
相関処理部４では、受信データを受信直交復調回路部５から受信すると、他の５局、即ち局Ａ，局Ｂ，局Ｃ，局Ｅおよび局Ｆの識別コードを、制御部２から取得して、受信データと他局の識別コードとを相関検波（処理）することにより、音波の発信局の特定を試みる。相関検波において検出された相関係数（受信データと識別コードの相関が大きい程大きい値を示す）がピークを示した時刻を、その識別コードで特定される局からの音波の受信時刻として計測する。そして、相関処理部４は、計測された受信時刻を制御部２に送信し、制御部２では、送信時刻と受信時刻との時間差を音波伝播時間として演算して、ハードディスク装置２ｂに保存する。送信スタート信号Ｓ１の繰返し周期は２分であるので、図４に示すように、２分毎に送信された各音波についての音波伝播時間が次々と計測される。本図は、音波伝播時間、即ち相関係数のピークが、１２．２０秒（１２２００ｍＳ）から１２．２５秒（１２２５０ｍＳ）の間に集中して計測された結果を示している。
【００４７】
以上の説明から明らかなように、第１の実施の形態では、送信局では、所定の時刻に自局の識別コードを含む音波を送信し、受信局では、音波から識別コードを抽出して予め記憶された他局の識別コードとの相関検波を行うことにより、受信時刻の計測だけでなく音波の送信局の特定までもが可能となっている。このため、全ての局での音波受信の終了を待ってから次回の音波送信を行う必要がなく、トータルの音波伝播時間の情報収集時間を短縮することができる。
【００４８】
また、各送受信局は、互いに距離をおいて配置されていても、送信時刻および受信時刻は、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に基づいて設定された時間におけるものであるため、音波伝播時間の測定精度が向上するという効果が得られる。
【００４９】
さらに、バックアップとしての水晶クロックを備えているため、ＧＰＳ衛星からの時刻信号が受信できない場合であっても音波伝播時間を計測することができる。
【００５０】
また、ディジタル化された識別コードによる相関処理を行うことで、受信時刻の計測と送波局の特定を同時に行うことができる。
【００５１】
また、識別コードはＭ系列法により生成された疑似乱数であるため、海洋の音波雑音に対するＳ／Ｎ比を格段に（Ｍ系列法を利用しない場合の約３００〜４００倍）向上させることができ、しかも、識別コードには相関が最小となる６個の異なって符号化されたＧｏｌｄ系列が選択されているため、他の送信局の識別コードとの相違性が強調され、送信局の特定の精度向上の効果も得られている。
【００５２】
また、音波の搬送波の周波数を可変可能としたことにより、測定対象水域の大きさに応じた最適な識別音波の波長を設定することが可能となるため、識別音波が受波局に到達する前に減衰してしまったり、逆に、識別音波の送信が終了する前に識別音波の先頭が受波局に到達してしまうという不都合が回避できる。
【００５３】
次に、図５を参照して、本発明に係る音響トモグラフィの情報収集装置の第２の実施の形態を説明する。
この実施の形態の特徴としては、送受信局にて、複数の受波器を鉛直方向に並べて配置して受波器アレイを構成し、音波の入射角度の計測を可能としたことにある。即ち、本図に示すシステム２００において、単一の受波器の代りに、鉛直方向に均等の間隔ｄをとってｎ個の受波器Ａ３２１，…，Ａ３２ｎを配置して受波器アレイＡ３０を構成し、間隔ｄのデータをハードディスク装置２ｂに記憶させている。また、各受波器に対応して、受信直交復調回路部５０には、アンプ、帯域フィルタ、一対の直交復調回路、一対の高周波除去フィルタおよびＡ／Ｄ変換器をｎ組構成して、複数の音波受信信号の並行処理を可能としている。また、相関処理部４０にも、各受波器に対応して、ＤＳＰ、ＲＡＭをｎ組構成し、相関処理を並列して実行することが可能となっている。そして、これら回路は、受波器の数に応じて拡張可能となっている。尚、各部の機能は、第１の実施の形態と同様であり、時刻管理部１、制御部２、出力回路部３および周波数可変型タイミング回路部６については、第１の実施の形態と同様の構成がとられるため、これらの構成要素の図示および説明は省略する。
【００５４】
この実施の形態では、ビームフォーミング法を利用して、音波の入射角が測定されるが、その作用の説明の前に、先ず、ビームフォーミング法の概略を説明する。
ビームフォーミング法とは、受波器アレイで得た受信信号を遅延時間を考慮して加算処理（データ処理）することにより、音波の入射角度を検出する手法をいう。受波器が間隔ｄで直線的に配列されているとき、水平方向に対して入射角度θをもって受波器アレイに入射してくる音波信号に対してのビームフォーミング法出力Ｂは、次式で与えられる。
【００５５】
【数２】
ここで、ｘｉはｉ番目の受波器の受信信号振幅、ｗｉはｉ番目の受信信号に対する重み、τｉは、ｉ番目の受波器に対する遅延時間、Ｎは受波器の個数である。
また、τｉとθとは、次の式（５）で関係づけられる。
【００５６】
【数３】
ここで、Ｃは音速である。受波器を等間隔に並べた場合には、ｄｉ＝ｄとなり、さらに入射波を平面波とする場合には、τｉ＝ｉτおよびｗｉ＝１と考えてよい。この場合、式（４）および式（５）は、それぞれ、次の式（６）および式（７）のように書換えられる。
【００５７】
【数４】
例えば、Ｂ（ｔ，τ）がｔ＝ｔ０，θ＝τ０のときにピーク値を示している場合には、音波伝播時間はｔ０であって、次の式（８）で与えられる入射角度θをもって受波器アレイに入射してきたこととなる。
【００５８】
【数５】
式（８）を θで微分すれば角度誤差Δθに関する次の式（９）が得られる。
【数６】
即ち、角度誤差Δθは、間隔ｄが大きい程、また入射角度θが小さいほど小さくなる。
【００５９】
次に、第２の実施の形態の作用を説明する。
図６は、経過時間ｔを横軸にとり、相関処理によって検出された相関係数Ｘを縦軸にとったグラフである。
本図に示すように、音波が入射角度θをもって受波器アレイに入射すると、音波が距離ｒだけ進む時間τの時間間隔もって各受波器Ａ３２１，…Ａ３２ｎに音波が到達する。その後は、受信直交復調回路部５０にて、信号処理が行われ、相関処理部４０の各ＤＳＰ４ａ１，…，４ａｎにて相関処理が行われ、受信時刻が計測される。各受信時刻はディジタルデータとして、制御部２に送信され、ＣＰＵ２ａでは、受信時刻の時間差τおよび、予めハードディスク装置２ｂに記憶された受波器間隔ｄを用いて、式（８）に示す演算を行い、入射角度θを求める。
【００６０】
従って、第２の実施の形態では、複数の受波器で受波器アレイを構成して、ビームフォーミング法を適用したことにより、音波の入射角度を求めることが可能である。従って、音波が送信局から直接到達したものか、或は海底や海面等に反射して到達したものかを、入射角度θから判定して選別することができる。この場合、入射角度θが所定の角度以上であるときは、その音波については、相関検波を実施しないようにも構成することができる。尚、受波器アレイを、少なくとも２個の受波器から構成すれば、入射角度θの測定が可能である。
【００６１】
また、測定対象海域の鉛直断面に多重の音線を設定することができるため、測定対象海域の水温あるいは流速の３次元分布を求めることも可能となる。
尚、上記した第１および第２の実施の形態では、音波伝播時間の情報収集の対象を海域として説明したが、湖などの水域において計測することも勿論可能である。
また、第１および第２の実施の形態では、送受信局において、音波の送信と受信を共に可能とした構成をとっているが、送信局（送波局）と受信局（受波局）とを別々に設けてもよい。この場合、送信局には、受信直交復調回路部５および相関処理部４は不要であり、受信局には出力回路部３は不要である。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の音響トモグラフィの情報収集装置によれば、識別情報を含む識別音波を所定の送信時刻に送信する送信手段を送波局に設け、識別音波から当該識別音波の送波局を特定すると共に受信時刻を測定する受信手段を受波局に設けたことにより、音波伝播時間の測定のみならず送信局の特定までもが可能となるため、全受信局での音波受信の終了を待ってから次回の音波送信を行う必要がなく、トータルの音波伝播時間の情報収集時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る音響トモグラフィの情報収集装置の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】図１に示した送受信局Ａの送受信制御部Ａ１０および音波送受信部Ａ３を示す図である。
【図３】図１に示した実施の形態での各部の波形図である。
【図４】図１に示した実施の形態において相関検波により得られた相関係数のグラフである。
【図５】本発明に係る音響トモグラフィの情報収集装置の第２の実施の形態を示す図である。
【図６】図５に示した実施の形態における入射角度の計測方法を説明する図である。
【符号の説明】
１００，２００…音響トモグラフィシステム
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ…送受信局
Ａ１…ＧＰＳアンテナ
Ａ３，Ａ３０…音波送受信部
Ａ３１…送波器
Ａ３２…受波器
Ａ１０，Ｄ１０…送受信制御部
１…時刻管理部
１ａ…ＧＰＳ受信機
１ｂ…水晶クロック
１ｃ…基準時刻発生器
２…制御部
２ａ…ＣＰＵ
２ｂ…ハードディスク装置
３…出力回路部
３ａ…信号発生器
３ｂ…アンプ
４，４０…相関処理部
４ａ…ＤＳＰ
４ｂ…ＲＡＭ
５，５０…受信直交復調回路部
５ａ…アンプ
５ｂ…帯域フィルタ
５ｃ，５ｄ…直交復調回路
５ｅ，５ｆ…高周波除去フィルタ
５ｇ…Ａ／Ｄ変換器
６…周波数可変型タイミング回路部
６ａ…ＰＬＬ回路
６ｂ…１／１０分周器
６ｃ…１／２分周器
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象水域の流速あるいは温度の分布作成のための音波伝播時間情報を収集する音響トモグラフィの情報収集装置に係り、特に情報収集の時間短縮を図る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、海洋音響トモグラフィ（ＯＡＴ：Ｏｃｅａｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）は、音波の送波器および受波器を備えた送受信局（単に局ともいう）を測定対象海域の周囲の海中に散在させ、様々な経路（以下音線という）での音波の送受信を行って、多数の音波伝播時間の情報を収集し、これらを格子状に組合わせて生成されたデータを、その海域の流速や温度の分布とするものである。
【０００３】
計測された音波伝播時間のデータを双方向音波伝播法に適用すれば、海域の２点間の音線に沿って平均化された音速Ｃｍ（ｍ／ｓ）および流速Ｕｍ（ｍ／ｓ）は、次の式（１）および式（２）によって求めることができる。
【０００４】
【数１】
【０００５】
また、音線に沿って平均化された水温Ｔ（℃）は、経験的に次の簡略式によって求めることができる。
【０００６】
Ｔ＝（１４４９．２−ｃ）／４．６ …… （３）
従来の音響トモグラフィの情報収集装置にあっては、測定海域に、送波器および受波器を備えた複数の送受信局を散在させて、局間で音波を送受信させることで、音波の伝播時間情報の収集が行われる。初めに、散在させた局のうちの第１の局が音波を送信し、他の全局での受信が終了した後に、第２の局が音波を送信する。このように順次に音波送受信を行なうことで音波伝播時間の情報収集が行われた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の音響トモグラフィの情報収集装置は、エルニーニョ現象の確認のため等の、主に１０〜１０００ｋｍスケールの外洋海域における水温についての音響トモグラフィ生成のために利用されてきた。そして、水温は頻繁に変化することが少ないため、音波伝播時間情報のトータルでの収集時間についての制約を受けることは少なかった。
【０００８】
しかしながら、瀬戸内海のように、船舶の頻繁な通行と活発な漁業活動が行われている沿岸海域では、潮流が時事刻々と変化するので、流速を正確に捉えるために、トータルの情報収集時間を短縮したいという要望が挙げられていた。
【０００９】
そこで、この発明は上記従来の要望等に鑑みなされたもので、その目的としては、測定対象水域の流速あるいは温度の分布を求めるための音波伝播時間情報の収集の際の、収集時間の短縮化を図った音響トモグラフィの情報収集装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、測定対象水域の周縁近傍に送波局および受波局を散在させて当該水域を横断する音波を送受信させることにより、当該水域の流速あるいは温度の分布作成のための音波伝播時間情報を収集する音響トモグラフィの情報収集装置において、
前記散在させた送波局の一局に設けられ、当該送波局を識別するための識別情報を含む識別音波を所定の送信時刻に送信する送信手段と、
前記散在させた受波局の一局に設けられ、当該受波局で受信された前記識別音波に含まれる識別情報と、前記散在させた各送波局を識別するための予め記憶された識別情報とに基づいて、当該識別音波の送波局を特定すると共に受信時刻を測定する受信手段と
を有することを特徴とする。
【００１１】
上記構成とすることにより、送波局の一局に設けられた送信手段は、当該送波局を識別するための識別情報を含む識別音波を所定の送信時刻に送信し、一方受波局では、この識別音波を受信すると、当該受波局に設けられた受信手段は、識別音波に含まれる識別情報と、予め記憶された各送波局を識別するための識別情報とに基づいて、当該識別音波の送波局を特定すると共に受信時刻を測定する。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項１記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記識別音波は、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に基づいて設定された時間における所定の送信時刻に送信され、前記受信時刻は当該設定された時間において計測されることを特徴とする。
【００１３】
この発明にあっては、送波局および送波局にはＧＰＳアンテナが設けられ、送波局および送波局にて、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に同期した基準クロックが生成され、送波局からは、自局の基準クロックに基づいて予め計画された所定の送信時刻に識別音波が送信され、受波局では、自局の基準クロックに基づいて受信時刻が計測される。このため、音波伝播時間の測定精度が向上する。
【００１４】
また、本発明の請求項３に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項２記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記送信手段あるいは受信手段には、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に代替可能な信号を発生する代替信号発生手段が設けられたことを特徴とする。
【００１５】
この発明においては、送信手段あるいは受信手段には、例えば水晶クロック等を設けて、ＧＰＳ衛星からの時刻信号が受信不可能であるときは、この水晶クロックのクロック信号を用いての時刻管理が可能となる。
【００１６】
また、本発明の請求項４に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記送信手段は、自局の識別情報を２値化して前記識別音波に含ませ、前記受信手段は、当該識別音波に含まれる２値化された識別情報と、前記各送波局を識別するための識別情報を２値化した情報とを相関処理することを特徴とする。
【００１７】
上記構成とすることにより、送波局にて、識別情報は２値化されて識別音波に含ませられ、受波局では識別音波に含まれる２値化された識別情報と、各送波局を識別するための識別情報を２値化した情報とが相関処理される。このため、受波局において、受信時刻の計測と送波局の特定を同時に行うことができる。
【００１８】
また、本発明の請求項５に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記各送信局を識別するための識別情報は、Ｍ系列法により生成された疑似乱数から構成されたことを特徴とする。
【００１９】
上記構成とすることにより、相関処理の過程での、音波雑音に対する相関係数のＳ／Ｎ比が格段に向上するため、受信時刻の計測および送波局の特定の精度を向上させることができる。
【００２０】
また、本発明の請求項６に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項５記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記各送信局を識別するための識別情報は、当該各識別情報のうちの任意の二情報の積和が小さくなるような疑似乱数であることを特徴とする。
【００２１】
上記構成として、他の送波局の識別情報との相違性を強調することにより、相関処理の過程での、送波局の特定の精度を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明の請求項７に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記送信手段は、前記識別音波の波長を可変自在としたことを特徴とする。
【００２３】
上記構成とすることにより、様々な大きさの測定対象水域においても、測定対象水域の大きさに応じた最適な識別音波の波長を設定することが可能となるため、識別音波が受波局に到達する前に減衰してしまったり、逆に、識別音波の送信が終了する前に識別音波の先頭が受波局に到達してしまうという不都合が回避できる。
【００２４】
また、本発明の請求項８に係る音響トモグラフィの情報収集装置は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置であって、前記受波局には、前記識別音波を電気信号に変換する複数の受波器が鉛直方向に配置され、前記受信手段は、当該各受波器からの複数の電気信号に基づいて、当該識別音波の当該受波局への入射角度を演算することを特徴とする。
【００２５】
上記構成とすることにより、識別音波が送波局から直接到達したものか、或は海底や海面等に反射して到達したものかを、入射角度θから判定して選別することができる。また、測定対象海域の鉛直断面に複数の音線を設定することができるため、流速あるいは温度の３次元分布を求めることも可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る音響トモグラフィの情報収集装置の実施の形態を、図１ないし図６を参照して説明する。
図１は、本発明に係る音響トモグラフィの情報収集装置の第１の実施の形態の構成を示す図である。本図に示すように、この実施の形態では、周囲を陸地に囲まれた測定海域に音響トモグラフィシステム１００（以下システム１００という）が配備される。
【００２７】
システム１００は、測定海域の周縁近傍に配置された６局の送受信局、即ち、局Ａ，局Ｂ，…，局Ｆから構成される。
局Ａにおいては、送波器および受波器を備えた音波送受信部Ａ３が、水面に浮ぶフロート（ブイ）Ａ２および海底の重りＡ４によって海中に係留されている。フロートＡ２には、ＧＰＳアンテナＡ１が取付けられ、防水加工されたフロート内部には、バッテリにより電力を供給される送受信制御部Ａ１０が収納されている。
【００２８】
送受信制御部Ａ１０において、時刻管理部１は、ＧＰＳアンテナＡ１によって受信された、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に基づいて、基準クロック信号を生成して制御部２に送出する。一方、制御部２は、自局を識別するための識別コードをハードディスク装置２ｂに記憶している。出力回路部３は、識別コードを含む駆動信号Ｓｄを、送波器Ａ３１に対して出力する回路である。
【００２９】
一方、局Ｄを構成する送受信制御部Ｄ１０は、送受信制御部Ａ１０と同様に時刻管理部１、制御部２を有し、さらに受信した音波の信号処理を行う受信直交復調回路部５と、送信局の特定および音波の受信時刻の計測を行う相関処理部４とを備えている。また、ハードディスク装置２ｂには、システム１００の全局の識別コードが記憶されている。
【００３０】
次に、システム１００における音波送受信の動作を説明する。
局Ａは、時刻管理部１で管理された時間における、予め計画された所定の送信時刻に音波送信を行う。即ち、制御部２では、自局の識別コードがハードディスク装置２ｂから読出され、出力回路部３では、この識別コードを含んだ駆動信号Ｓｄが生成されて、駆動信号Ｓｄは送波器Ａ３１へ送出され、送波器Ａ３１から海中に向けて音波ａが送信される。
【００３１】
局Ｄでは、音波送受信部Ｄ３の受波器Ｄ３２にて音波ａが受信され、その音波受信信号Ｓｒは、受信直交復調回路部５にてＡ／Ｄ変換されてディジタルデータとなり、相関処理部４では、このデータに含まれた識別コードと、ハードディスク装置２ｂに記憶された局Ｄ以外の識別コードとの相関処理を行うことで、送信局（この場合、局Ａ）を特定すると共に、受信時刻を測定する。そして、制御部２にて、送信時刻と受信時刻との時間差を演算することで音波伝播時間が算出される。
【００３２】
尚、図１においては、上記の動作説明に必要なものに限定して図示したが、送受信制御部Ａ１０と送受信制御部Ｄ１０とは同一構成となっており、共に、時刻管理部１、制御部２、出力回路部３、相関処理部４および受信直交復調回路部５を備えている。また、局Ｂ，局Ｃ，局Ｅおよび局Ｆにおいても、局Ａ、局Ｄと同一の構成がとられ、音波の送受信が可能となっている。
【００３３】
図２は、局Ａの送受信制御部Ａ１０および音波送受信部Ａ３を示す図である。時刻管理部１は、ＧＰＳ受信機１ａ、水晶クロック１ｂおよび基準時刻発生器１ｃから構成される。
ＧＰＳ受信機１ａは、ＧＰＳアンテナＡ１で受信されたＧＰＳ衛星からの時刻信号を受信して、基準時刻発生器１ｃおよび水晶クロック１ｂに同期信号を出力している。基準時刻発生器１ｃは、この同期信号から、上記した基準クロック信号を生成する。即ち、基準時刻発生器１ｃは、パルス立上がりが毎正秒を示す正確な周波数１Ｈｚの信号（以下「１Ｈｚ信号」という）および周波数が１ｋＨｚの信号（以下「１ｋＨｚ信号」という）を生成して送出するものである。水晶クロック１ｂは、年間誤差１．５秒の周波数安定度を有する温度自動補正機能付の水晶クロックであり、通常はＧＰＳ受信機１ａからの同期信号によってＧＰＳ受信機１ａの内部クロックと常に同期をとり、ＧＰＳ衛星からの時刻信号が受信できないときは、自身のクロックを同期信号の代りに基準時刻発生器１ｃに与えるように構成されている。即ち、水晶クロック１ｂは、ＧＰＳ受信機１ａのバックアップとして機能する。
【００３４】
制御部２は、ＣＰＵ２ａおよびハードディスク装置２ｂとから構成されている。ＣＰＵ２ａは、基準時刻発生器１ｃから出力された１Ｈｚ信号で常に補正される内部クロックで動作する。ＣＰＵ２ａは、バス信号線Ｓｂを介して、後述する相関処理部４とのデータ通信を行い、受信したデータをハードディスク装置２ｂに保存する。このハードディスク装置２ｂには、音波の送信局を特定するために、局Ａから局Ｆまでの識別コードが予め記憶されている。この実施の形態では、疑似乱数発生法の一つであるＭ系列法により生成された乱数のうちの互いに異なる相関の最も小さい乱数ペアであって、その積で作られる６個の異なって符号化されたＧｏｌｄ系列が選択されている。
【００３５】
制御部２は、後述する出力回路部３に対し、送信スタート信号Ｓ１を出力するとともに、相関処理部４および受信直交復調回路部５に対し、受信スタート信号Ｓ２を出力している。前者は、音波の送信のタイミング信号（トリガ）とされ、後者は相関処理を開始するためのタイミング信号として用いられる。ここでは、送信スタート信号Ｓ１および受信スタート信号Ｓ２は共に、所定の繰返し周期（この実施の形態では２分に設定される）をもつパルス信号であるが、受信スタート信号Ｓ２は、送信スタート信号Ｓ１が出力されてから、所定の時間間隔（遅延時間）をあけて出力される。また、プログラム設定により、繰返し周期は可変とすることも可能である。
【００３６】
相関処理部４は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）４ａおよびＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４ｂから構成され、後述する受信直交復調回路部５および制御部２とのデータ通信をデータバスＳｂを介して行い、受信直交復調回路部５から受信したディジタルデータに含まれる識別コードと、予めハードディスク装置２ｂに記憶された各局の識別コードとの相関処理（相関検波）を高速度で行い、その処理結果出力（以下、相関係数という）がピークを示す時刻を受信時刻として測定する。
【００３７】
周波数可変型タイミング回路部６は、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路６ａ、１／１０分周器６ｂおよび１／２分周器６ｃから構成される。ＰＬＬ回路６ａは、１ｋＨｚ信号の周波数を１１０倍に変換する回路である。尚、この倍数（乗数）は、測定海域の大きさにあわせて音波の波長を可変させるため、４倍から４００倍、即ち周波数換算で０．２ｋＨｚから２０ｋＨｚまでの間で設定可能となっている。１／１０分周器６ｂは、ＰＬＬ回路６ａからの１１０ｋＨｚの信号を１１ｋＨｚに分周するものであり、分周された信号（以下「１１ｋＨｚ信号」という）は、駆動信号Ｓｄの搬送波生成のため、後述する信号発生器３ａに入力され、また、サンプリングのタイミング信号としてＡ／Ｄ変換器５ｇに入力される。１／２分周器６ｃは、１１ｋＨｚ信号をさらに、５．５ｋＨｚに分周した２信号（以下、総称して「５．５ｋＨｚ信号」という）を生成し、この２信号を、さらに互いに９０度の位相差を持たせて出力するものあり、この２信号は、直交復調（位相復調）のタイミング信号として、後述する直交復調回路５ｃ，５ｄに入力される。
【００３８】
受信直交復調回路部５は、アンプ５ａ，帯域フィルタ５ｂ、直交復調回路５ｃ，５ｄ、高周波除去フィルタ５ｅ，５ｆおよびＡ／Ｄ変換器５ｇから構成される。
アンプ５ａは、受波器Ａ３２から出力される微弱な音波受信信号Ｓｒを増幅するものであり、帯域フィルタ５ｂは、増幅された信号の特定帯域を通過させる回路である。
【００３９】
直交復調回路５ｃ，５ｄは、帯域フィルタ５ｂの出力信号を、１／２分周器６ｃから出力された５．５ｋＨｚ信号により、直交復調する回路である。高周波除去フィルタ５ｅ，５ｆは、直交復調された各信号の高周波成分を除去する回路である。Ａ／Ｄ変換器５ｇは、高周波除去フィルタ５ｅ，５ｆからのアナログ信号を１１ｋＨｚ信号に同期したサンプリングによりＡ／Ｄ変換して、ディジタルデータとして相関処理部４に送信する回路である。
【００４０】
出力回路部３は、信号発生器３ａおよびアンプ３ｂから構成されている。信号発生器３ａは、１１ｋＨｚ信号に同期する搬送波を内部的に生成しており、制御部２からの送信スタート信号Ｓ１に応答して、自局の識別コードを制御部２から受信するとともに、この識別コードを搬送波に位相変調して駆動信号Ｓｄとして出力するものである。
【００４１】
アンプ３ｂは、信号発生器３ａから入力された駆動信号Ｓｄを増幅するパワーアンプであり、増幅された駆動信号Ｓｄは音波送受信部Ａ３の送波器Ａ３１に送出される。
【００４２】
音波送受信部Ａ３は、送波器Ａ３１および受波器Ａ３２から構成される。具体的には、送波器Ａ３１にトランスミッタが用いられ、受波器Ａ３２には、ハイドロフォンが用いられる。
【００４３】
次に、局Ａにおける音波の送信動作を説明する。
図３は、送信局Ａの各部の波形図であり、同図（ａ）は、１Ｈｚ信号を、同図（ｂ）は、送信スタート信号Ｓ１を、同図（ｃ）は、駆動信号Ｓｄをそれぞれ示すものである。
【００４４】
図３（ａ）に示す１Ｈｚ信号のパルス立上がりに応答して、ＣＰＵ２ａは、図３（ｂ）に示すような２分の繰返し周期を有する送信スタート信号Ｓ１を出力する。
信号発生器３ａは、送信スタート信号Ｓ１のパルス立上がりに応答して、図３（ｃ）に示すように、周波数５．５ｋＨｚの搬送波に自局の識別コードを位相変調して含ませた駆動信号Ｓｄを、搬送波の周波数と識別コードの桁数との積で決定される持続時間（この図では２秒間）だけ出力する。本図に示すように、駆動信号Ｓｄには、１８０度の位相変調の結果として２値化された識別コードが含まれている。出力された駆動信号Ｓｄはアンプ３ｂで増幅され、音波送受信部Ａ３の送波器Ａ３１へと出力され、送波器Ａ３１から音波が２秒間海中に発信される。
【００４５】
次に、局Ｄにおける、送信局の特定および受信時刻の計測動作を説明する。尚、便宜上、局Ｄの構成を示すものとして、図２を参照する。
音波が受波器Ａ３２で受信されると、この受波器Ａ３２から音波受信信号Ｓｒが出力される。音波受信信号Ｓｒはアンプ５ａにより増幅され、帯域フィルタ５ｂにより所定の周波数帯域成分が除去される。さらに、直交復調回路５ｃ，５ｄにより直交復調され、高周波除去フィルタ５ｅ，５ｆにより高周波成分を除去され、Ａ／Ｄ変換器５ｇによりディジタルデータ（受信データ）に変換される。そして、受信直交復調回路部５は、受信データを相関処理部４へ送信する。
【００４６】
相関処理部４では、受信データを受信直交復調回路部５から受信すると、他の５局、即ち局Ａ，局Ｂ，局Ｃ，局Ｅおよび局Ｆの識別コードを、制御部２から取得して、受信データと他局の識別コードとを相関検波（処理）することにより、音波の発信局の特定を試みる。相関検波において検出された相関係数（受信データと識別コードの相関が大きい程大きい値を示す）がピークを示した時刻を、その識別コードで特定される局からの音波の受信時刻として計測する。そして、相関処理部４は、計測された受信時刻を制御部２に送信し、制御部２では、送信時刻と受信時刻との時間差を音波伝播時間として演算して、ハードディスク装置２ｂに保存する。送信スタート信号Ｓ１の繰返し周期は２分であるので、図４に示すように、２分毎に送信された各音波についての音波伝播時間が次々と計測される。本図は、音波伝播時間、即ち相関係数のピークが、１２．２０秒（１２２００ｍＳ）から１２．２５秒（１２２５０ｍＳ）の間に集中して計測された結果を示している。
【００４７】
以上の説明から明らかなように、第１の実施の形態では、送信局では、所定の時刻に自局の識別コードを含む音波を送信し、受信局では、音波から識別コードを抽出して予め記憶された他局の識別コードとの相関検波を行うことにより、受信時刻の計測だけでなく音波の送信局の特定までもが可能となっている。このため、全ての局での音波受信の終了を待ってから次回の音波送信を行う必要がなく、トータルの音波伝播時間の情報収集時間を短縮することができる。
【００４８】
また、各送受信局は、互いに距離をおいて配置されていても、送信時刻および受信時刻は、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に基づいて設定された時間におけるものであるため、音波伝播時間の測定精度が向上するという効果が得られる。
【００４９】
さらに、バックアップとしての水晶クロックを備えているため、ＧＰＳ衛星からの時刻信号が受信できない場合であっても音波伝播時間を計測することができる。
【００５０】
また、ディジタル化された識別コードによる相関処理を行うことで、受信時刻の計測と送波局の特定を同時に行うことができる。
【００５１】
また、識別コードはＭ系列法により生成された疑似乱数であるため、海洋の音波雑音に対するＳ／Ｎ比を格段に（Ｍ系列法を利用しない場合の約３００〜４００倍）向上させることができ、しかも、識別コードには相関が最小となる６個の異なって符号化されたＧｏｌｄ系列が選択されているため、他の送信局の識別コードとの相違性が強調され、送信局の特定の精度向上の効果も得られている。
【００５２】
また、音波の搬送波の周波数を可変可能としたことにより、測定対象水域の大きさに応じた最適な識別音波の波長を設定することが可能となるため、識別音波が受波局に到達する前に減衰してしまったり、逆に、識別音波の送信が終了する前に識別音波の先頭が受波局に到達してしまうという不都合が回避できる。
【００５３】
次に、図５を参照して、本発明に係る音響トモグラフィの情報収集装置の第２の実施の形態を説明する。
この実施の形態の特徴としては、送受信局にて、複数の受波器を鉛直方向に並べて配置して受波器アレイを構成し、音波の入射角度の計測を可能としたことにある。即ち、本図に示すシステム２００において、単一の受波器の代りに、鉛直方向に均等の間隔ｄをとってｎ個の受波器Ａ３２１，…，Ａ３２ｎを配置して受波器アレイＡ３０を構成し、間隔ｄのデータをハードディスク装置２ｂに記憶させている。また、各受波器に対応して、受信直交復調回路部５０には、アンプ、帯域フィルタ、一対の直交復調回路、一対の高周波除去フィルタおよびＡ／Ｄ変換器をｎ組構成して、複数の音波受信信号の並行処理を可能としている。また、相関処理部４０にも、各受波器に対応して、ＤＳＰ、ＲＡＭをｎ組構成し、相関処理を並列して実行することが可能となっている。そして、これら回路は、受波器の数に応じて拡張可能となっている。尚、各部の機能は、第１の実施の形態と同様であり、時刻管理部１、制御部２、出力回路部３および周波数可変型タイミング回路部６については、第１の実施の形態と同様の構成がとられるため、これらの構成要素の図示および説明は省略する。
【００５４】
この実施の形態では、ビームフォーミング法を利用して、音波の入射角が測定されるが、その作用の説明の前に、先ず、ビームフォーミング法の概略を説明する。
ビームフォーミング法とは、受波器アレイで得た受信信号を遅延時間を考慮して加算処理（データ処理）することにより、音波の入射角度を検出する手法をいう。受波器が間隔ｄで直線的に配列されているとき、水平方向に対して入射角度θをもって受波器アレイに入射してくる音波信号に対してのビームフォーミング法出力Ｂは、次式で与えられる。
【００５５】
【数２】
また、τｉとθとは、次の式（５）で関係づけられる。
【００５６】
【数３】
【００５７】
【数４】
【００５８】
【数５】
【数６】
【００５９】
次に、第２の実施の形態の作用を説明する。
図６は、経過時間ｔを横軸にとり、相関処理によって検出された相関係数Ｘを縦軸にとったグラフである。
本図に示すように、音波が入射角度θをもって受波器アレイに入射すると、音波が距離ｒだけ進む時間τの時間間隔もって各受波器Ａ３２１，…Ａ３２ｎに音波が到達する。その後は、受信直交復調回路部５０にて、信号処理が行われ、相関処理部４０の各ＤＳＰ４ａ１，…，４ａｎにて相関処理が行われ、受信時刻が計測される。各受信時刻はディジタルデータとして、制御部２に送信され、ＣＰＵ２ａでは、受信時刻の時間差τおよび、予めハードディスク装置２ｂに記憶された受波器間隔ｄを用いて、式（８）に示す演算を行い、入射角度θを求める。
【００６０】
従って、第２の実施の形態では、複数の受波器で受波器アレイを構成して、ビームフォーミング法を適用したことにより、音波の入射角度を求めることが可能である。従って、音波が送信局から直接到達したものか、或は海底や海面等に反射して到達したものかを、入射角度θから判定して選別することができる。この場合、入射角度θが所定の角度以上であるときは、その音波については、相関検波を実施しないようにも構成することができる。尚、受波器アレイを、少なくとも２個の受波器から構成すれば、入射角度θの測定が可能である。
【００６１】
また、測定対象海域の鉛直断面に多重の音線を設定することができるため、測定対象海域の水温あるいは流速の３次元分布を求めることも可能となる。
尚、上記した第１および第２の実施の形態では、音波伝播時間の情報収集の対象を海域として説明したが、湖などの水域において計測することも勿論可能である。
また、第１および第２の実施の形態では、送受信局において、音波の送信と受信を共に可能とした構成をとっているが、送信局（送波局）と受信局（受波局）とを別々に設けてもよい。この場合、送信局には、受信直交復調回路部５および相関処理部４は不要であり、受信局には出力回路部３は不要である。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の音響トモグラフィの情報収集装置によれば、識別情報を含む識別音波を所定の送信時刻に送信する送信手段を送波局に設け、識別音波から当該識別音波の送波局を特定すると共に受信時刻を測定する受信手段を受波局に設けたことにより、音波伝播時間の測定のみならず送信局の特定までもが可能となるため、全受信局での音波受信の終了を待ってから次回の音波送信を行う必要がなく、トータルの音波伝播時間の情報収集時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る音響トモグラフィの情報収集装置の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】図１に示した送受信局Ａの送受信制御部Ａ１０および音波送受信部Ａ３を示す図である。
【図３】図１に示した実施の形態での各部の波形図である。
【図４】図１に示した実施の形態において相関検波により得られた相関係数のグラフである。
【図５】本発明に係る音響トモグラフィの情報収集装置の第２の実施の形態を示す図である。
【図６】図５に示した実施の形態における入射角度の計測方法を説明する図である。
【符号の説明】
１００，２００…音響トモグラフィシステム
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ…送受信局
Ａ１…ＧＰＳアンテナ
Ａ３，Ａ３０…音波送受信部
Ａ３１…送波器
Ａ３２…受波器
Ａ１０，Ｄ１０…送受信制御部
１…時刻管理部
１ａ…ＧＰＳ受信機
１ｂ…水晶クロック
１ｃ…基準時刻発生器
２…制御部
２ａ…ＣＰＵ
２ｂ…ハードディスク装置
３…出力回路部
３ａ…信号発生器
３ｂ…アンプ
４，４０…相関処理部
４ａ…ＤＳＰ
４ｂ…ＲＡＭ
５，５０…受信直交復調回路部
５ａ…アンプ
５ｂ…帯域フィルタ
５ｃ，５ｄ…直交復調回路
５ｅ，５ｆ…高周波除去フィルタ
５ｇ…Ａ／Ｄ変換器
６…周波数可変型タイミング回路部
６ａ…ＰＬＬ回路
６ｂ…１／１０分周器
６ｃ…１／２分周器
Claims (8)
- 測定対象水域の周縁近傍に送波局および受波局を散在させて当該水域を横断する音波を送受信させることにより、当該水域の流速あるいは温度の分布作成のための音波伝播時間情報を収集する音響トモグラフィの情報収集装置において、
前記散在させた送波局の一局に設けられ、当該送波局を識別するための識別情報を含む識別音波を所定の送信時刻に送信する送信手段と、
前記散在させた受波局の一局に設けられ、当該受波局で受信された前記識別音波に含まれる識別情報と、前記散在させた各送波局を識別するための予め記憶された識別情報とに基づいて、当該識別音波の送波局を特定すると共に受信時刻を測定する受信手段と
を有することを特徴とする音響トモグラフィの情報収集装置。 - 前記識別音波は、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に基づいて設定された時間における所定の送信時刻に送信され、前記受信時刻は当該設定された時間において計測されることを特徴とする請求項１記載の音響トモグラフィの情報収集装置。
- 前記送信手段あるいは受信手段には、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に代替可能な信号を発生する代替信号発生手段が設けられたことを特徴とする請求項２記載の音響トモグラフィの情報収集装置。
- 前記送信手段は、自局の識別情報を２値化して前記識別音波に含ませ、前記受信手段は、当該識別音波に含まれる２値化された識別情報と、前記各送波局を識別するための識別情報を２値化した情報とを相関処理することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置。
- 前記各送信局を識別するための識別情報は、Ｍ系列法により生成された疑似乱数から構成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置。
- 前記各送信局を識別するための識別情報は、当該各識別情報のうちの任意の二情報の積和が小さくなるような疑似乱数であることを特徴とする請求項５記載の音響トモグラフィの情報収集装置。
- 前記送信手段は、前記識別音波の波長を可変自在としたことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置。
- 前記受波局には、前記識別音波を電気信号に変換する複数の受波器が鉛直方向に配置され、前記受信手段は、当該各受波器からの複数の電気信号に基づいて、当該識別音波の当該受波局への入射角度を演算することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の音響トモグラフィの情報収集装置。
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