JP4033025B2 - マルチスタティック水中音速計測方法および方式 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、海域の水中音速分布を計測する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、海域の音速分布を計測する方法としては、海域の鉛直温度分布を計測し、間接的に水中音速を推定する方法、船舶からセンサを海底まで降ろしながら任意の水深における音速度を測定する方法(例えば特許文献2参照)、あるいは、送波器と受波器を所定間隔離間して配置し、送波器が水面下に向かって音波を発信し、受波器は所定方向にそれぞれ受信ビームを指向させ、音波を発信した時刻から各指向ビームにおいて音波を受信した時刻に基づいて音波の水中伝搬速度分布を測定する方法(例えば特許文献1参照)等がある。
【0003】
【特許文献1】
特開昭58−27034号公報
【特許文献2】
特開平10−325871号公報
【発明が解決しようとする課題】
海域の音速分布の測定を、船舶から水温計を用いて計測される鉛直温度分布から間接的に音速分布を推定する方法では、船舶を停止させた状態で計測しなければならないために航行しながら連続的に計測できないという問題点と、計測された点においてのみの値であって計測点においてしか精度が保証されないという問題点があった。
【0004】
また、送波器と受波器を所定間隔離間して配置し、送波器が水面下に向かって音波を発信し、受波器は所定方向にそれぞれ受信ビームを指向させ、音波を発信した時刻から各指向ビームにおいて音波を受信した時刻に基づいて音波の水中伝搬速度分布を測定する方法では、高精度の指向性ビームを形成し得る受波器を用いる必要があり、また船舶に送波器と受波器を設けて測定する場合、船舶が移動しながら測定を行うと移動に伴い受波指向角度が変化してしまうため、船舶を停止させて状態で測定しないと精度が落ちるという問題がある。
【0005】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、航行しながらでも海域の水中音速分布を連続的に計測することを可能にする方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明のマルチスタティック水中音速計測方式は、それぞれが水中音波探信儀を備えた複数の船舶を被測定海域に配置し、特定の一隻の船舶から発信された音波を他の船舶で受信するとともに、各船舶の位置及び音波発信時刻、音波受信時刻に基づき、これらの船舶が存在する海域における音速分布を推定することを特徴とする。
【0007】
また、これらの船舶を移動させながら、この測定を繰り返すことにより連続的かつ広域に亘って海域の音速分布を推定することを特徴とする。
【0008】
具体的には、本発明によるマルチスタティック水中音速計測方式は、船舶に搭載されて音波を発信する手段と、複数の船舶に搭載されて音波を受信する手段と、発信時刻を計測する手段と、船舶の位置を計測する手段と、音波の発信、受信に関連する情報を送受信する手段と、音速分布を計測する手段と、音速分布を表示する手段とを有する。
【0009】
本発明では、例えば船舶Aの音波発信部で音波を発信したときの時刻および音波を発信したときの船舶Aの位置が、船舶Aの音波発信時刻計測部および位置計測部で計測される。一方、船舶Bでは、船舶Aの音波発信部から発信された音波を音波受信部で受信したときの時刻および受信したときの船舶Bの位置が、船舶Bの音波受信時刻計測部および位置計測部で計測される。これらの計測情報は船舶Cに送信され、船舶Cの情報受信部で受信後、音速分布計算部で音速分布をインバージョン法を用いて計算し、これを音速分布表示部で表示する。以上の計測を航行しながら繰り返し行うことにより、連続的かつ広域に音速分布を把握することが可能となる。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明を適用したマルチスタティック音速計測方式の実施形態を示すブロック図であり、船舶Aに搭載された音波発信部1、発信時刻計測部2、位置計測部3、および情報送信部4と、船舶Bに搭載された音波受信部5、受信時刻計測部6、位置計測部7、および情報送信部8と、船舶Cに搭載された情報受信部9、音速分布計算部10、および音速分布表示部11とから構成される。
【0011】
船舶A,B,Cは互いに離れた位置で停止あるいは航行しており、船舶Aの探信儀を構成する音波発信部1から水中に音波を発信する。発信時刻計測部2は、船舶Aの音波発信部1が音波を発信した時刻を計測する。位置計測部3は、船舶Aが音波を発信したときの船舶Aの位置を計測する。位置計測には例えばGPSが用いられる。情報送信部4は、音波発信部1が音波を発信した時刻情報と音波を発信したときの船舶Aの位置情報を船舶Cに無線により送信する。
【0012】
船舶Bの探信儀を構成する音波受信部5は、船舶Aの音波発信部1から水中に発信された音波を受信する。受信時刻計測部6は、船舶Bの音波受信部1が船舶Aの音波発信部1から水中に発信された音波を受信した時刻を計測する。位置計測部7は、船舶Bが船舶Aから発信された音波を受信したときの船舶Bの位置を計測する。情報送信部8、音波受信部5が音波を受信した時刻情報と音波を受信したときの船舶Bの位置情報を船舶Cに無線により送信する。
【0013】
船舶Cの情報受信部9は、船舶Aの情報送信部4から受信した、音波発信部1が音波を発信した時刻情報および音波を発信したときの船舶Aの位置情報と、船舶Bの情報送信部8から受信した、音波受信部5が音波を受信した時刻情報および音波を受信したときの船舶Bの位置情報とを受信する。音速分布計算部10は、情報受信部9で受信されたこれらの情報に基づいて、船舶Aと船舶Bが位置している海域の音速分布を計算する。音速分布表示部11は、音速分布計算部10で計算された音速分布を連続的に表示する。
【0014】
図2は、探信儀を搭載した複数の船舶からなる船団によって、これらの船団が航行している海域における音速分布を計測する場合の概念図を示しており、図3は、水中における音波伝搬の概念図を示している。以下、本発明の動作について、図1〜図3を参照して詳細に説明する。
【0015】
図2に示すように、それぞれが探信儀を搭載した複数の船舶が船団を組んで航行している状態で、そのうちの一隻(船舶A)の音波発信部1が音波発信を行い、他の船舶(船舶B)の音波受信部5が音波を受信する。また、これらの船舶のうち一隻(船舶C)が情報の処理を行うものとする。
【0016】
船舶Aの音波発信部1が水中に音波を発信すると、音波発信の情報はただちに発信時刻計測部2及び位置計測部3に送られる。発信時刻計測部2は、音波発信の時刻を計測して蓄積する。位置計測部3は音波発信した時刻における船舶Aの位置を計測する。船舶Aの情報送信部4では、音波発信時刻と音波発信位置を船舶Cに送信する。
【0017】
一方、各船舶Bの音波受信部5は、船舶Aの音波送信部1から発せられ、水中を伝搬する音波を受信する。音波受信の情報はただちに受信時刻計測部6及び位置計測部7に送られる。受信時刻計測部6は、音波を受信した時刻を計測して蓄積する。位置計測部7は音波を受信した時刻における船舶Bの位置を計測する。船舶Bの情報送信部8は、音波を受信した時刻と船舶Bの位置を船舶Cに送信する。
【0018】
船舶Cの情報受信部9は、船舶Aの情報送信部4及び船舶Bの情報送信部8から送られる情報を受信する。船舶Cの音速分布計算部10は音波を発信したときの船舶Aの位置(Xa、Ya)とこの音波を受信したときの船舶B(Xb、Yb)の位置から音源距離(船舶AとB間の距離)Lを次の式に基づき算出する。
【0019】
【数2】
【0020】
また、受信時刻Tb、発信時刻Taより、伝搬時間Tを次の式に基づき算出する。
【0021】
【数3】
【0022】
図3に示すように、水中にn層(実施例ではn=6)の層構造を仮定し、各層の音速と層厚を各々Vi、Ziとすると、スネルの法則により、伝播時間Tと各層の音速Viと層厚Ziには次の関係がある。
【0023】
【数4】
【0024】
複数の船舶Bの計測データL、Tより、インバージョン法を用いることにより、伝搬経路32となるようなZi、Viを算出する。従って、層構造としてnの値を大きくするほど多くの計測データL,Tが必要となる。
【0025】
計測データL,Tは、音波を受信する船舶Bの数を増やすか、あるいは各船舶が移動しながら、多数回の音波発信、受信を繰り返すことにより、数式(3)を解くのに必要な任意の数得られるので、得られた計測データL,Tを数式(3)に代入すれば、インバージョン法によってZi、Viを求めるのに必要な数の数式3が得られる。
【0026】
船舶Cの音速分布表示装置11は、音速分布計測装置10で計算されたZi、Viを表示する。以上の動作を航行中の船団において繰り返すことにより連続的かつ広域に音速分布を推定する。
【0027】
なお、実施形態では、それぞれが探信儀を搭載した複数の船舶が船団を組んで航行している状態で、そのうちの一隻(船舶A)の音波発信部1が音波発信を行い、他の船舶(船舶B)の音波受信部5が音波を受信し、これらの船舶のうち一隻(船舶C)が情報の処理を行う場合を想定しているが、水中音速の計測を行う海域に2隻の船舶を配置し、一方の船舶(船舶A)から音波を発信し、他方の船舶(船舶B)がこの音波を受信するとともに、船舶Aから音波発信時刻および船舶Aの位置情報を受信することにより、船舶Bにおいて音速分布計測および音速分布表示を行うように構成することもできる。
【0028】
この場合には音源距離と伝播時間を測定する操作を、海域内で両船舶を移動させながら所定回数実行することにより所定数の計測データL,Tを求める。これらの計測データL,Tを数式(3)に代入することにより所定数の数式(3)が得られるので、これらの数式からインバージョン法によりZi、Viを求めることができる。
【0029】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の船舶からなる単位において、特定の一隻の船舶から発信された音波を他の船舶で受信するとともに、各船舶の位置及び発信、受信時間に基づき、各船舶間における水中音速分布を推定しているので、これら船舶が存在する海域における音速分布を推定することが可能であり、これらを繰り返すことにより連続的かつ広域に海域の音速分布を推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図2】音波の送受信の概念図である。
【図3】音波伝搬の概念図である。
【符号の説明】
1 音波発信部
2 発信時刻計測部
3,7 位置計測部
5 音波受信部
6 受信時刻計測部
4,8 情報送信部
9 情報受信部
10 音速分布計算部
11 音速分布表示部
21 船舶A
22 船舶B
23 船舶C
31 音源距離
32 音波伝搬経路
Claims (5)
- それぞれが水中音波探信儀を備えた複数の船舶を被測定海域に配置し、特定の一隻の船舶から発信された音波を他の船舶で受信するとともに、各船舶の位置及び音波発信時刻、音波受信時刻に基づき、これらの船舶が存在する海域における音速分布を推定するマルチスタティック水中音速計測方法であって、
水中にn層の層構造を仮定し、各層の音速Viと層厚Zi(i=1〜n)を、
により、インバージョン法を用いて計算することによって、前記海域における音速分布を推定することを特徴とするマルチスタティック水中音速計測方法。 - 前記複数の船舶を移動させながら、前記測定を繰り返すことにより海域の音速分布を海域の移動に従って連続的に推定することを特徴とする請求項1に記載のマルチスタティック水中音速計測方法。
- 音波発信部と、該音波発信部が音波を発信した時刻を計測する発信時刻計測部と、前記音波発信部が音波を発信したときの位置を計測する音波発信位置計測部と、前記音波発信部が音波を発信したときの発信時刻情報と発信位置情報とを送信する発信情報送信部とを搭載した第1の船舶と、
前記音波発信部から水中に発信された音波を受信する音波受信部と、前記音波発信部から水中に発信された音波を受信した時刻を計測する受信時刻計測部と、前記音波受信部が前記音波を受信した位置を計測する音波受信位置計測部と、前記音波受信部が音波を受信したときの受信時刻情報と受信位置情報とを送信する受信情報送信部とを搭載した第2の船舶と、
前記発信情報送信部と前記受信情報送信部から送信された前記各情報を受信する情報受信部と、該情報受信部で受信された情報に基づいて前記第1及び第2の船舶が位置する海域の水中音速分布を計算する音速分布計算部と、該音速分布計算部で計算された水中音速分布を表示する音速分布表示部とを有し、
前記音速分布計算部は、水中にn層の層構造が仮定されたとき、各層の音速Viと層厚Zi(i=1〜n)を、
により、インバージョン法を用いて計算することによって、前記海域における音速分布を推定する手段を備えていることを特徴とするマルチスタティック水中音速計測方式。 - 前記第2の船舶は複数存在することを特徴とする請求項3に記載のマルチスタティック水中音速計測方式。
- 前記情報受信部、前記音速分布計算部および前記音速分布表示部は、第3の船舶に搭載されていることを特徴とする請求項3または4に記載のマルチスタティック水中音速計測方式。
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