JP4165201B2

JP4165201B2 - 水中資源探査方法及びその装置

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Publication number: JP4165201B2
Application number: JP2002352490A
Authority: JP
Inventors: 聡外山; 浩一郎田中; 勲根木
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2022-12-04
Also published as: JP2004184268A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中で音波を使用して資源探査を行う方法及び装置に係り、特に、姿勢や埋もれ状況によらず所望形状の水中資源を発見することのできる水中資源探査方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より水底地形や水中又は水底に存在する物体を探査する方法として音響探査が知られている。従来の音響探査は、音波源より数十〜数百ＫＨｚの高周波、いわゆる超音波を照射し、水底や物体から反射して送波器と同一位置に置いた受波器に戻ってきた超音波を受信することにより、反射点までの距離を測定して水底地形や水底とは独立と思われる物体の形状を推定することができる。
【０００３】
先行技術文献としては、特許文献１〜５、非特許文献１〜４がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭４８−９６１５０号公報
【特許文献２】
特開昭４８−９６１５１号公報
【特許文献３】
特開平４−１３９８８号公報
【特許文献４】
特開平１１−１５３６６７号公報
【特許文献５】
特開平１１−３３７６４１号公報
【非特許文献１】
「Ｐｈｙｓｉｃｓｏｆ３−Ｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｆｒｏｍｒｉｐｐｌｅｄｓｅａｂｅｄｓａｎｄｂｕｒｉｅｄｔａｒｇｅｔｓｉｎｓｈａｉｉｏｗｗａｔｅｒ」著者名：ＨｅｎｒｉｋＳｃｈｍｉｄｔ，ＪａｉｙｏｎｇＬｅｅ
【非特許文献２】
「ＧＯＡＴＳ：ＡＵＶ−ｂａｓｅｄＭｕｌｔｉ−ｓｔａｔｉｃＳｏｎａｒＣｏｎｃｅｐｔｆｏｒＬｉｔｔｏｒａｌＭＣＭ」著者名：ＨｅｎｒｉｋＳｃｈｍｉｄｔ，ＪｏｓｅｐｈＲ．Ｅｄｗａｒｄｓ，Ｔ．Ｃ．Ｌｉｕ
【非特許文献３】
「ソースを用いた新しい有限要素の開発」、著者名：根木勲、多田剛、掲載誌名：日本造船学会論文集第１７８号、講演日：平成７年１１月１６日
【非特許文献４】
「ＢｉｓｔａｔｉｃＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＴａｒｇｅｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＩｍａｇｉｎｇＷｉｔｈａｎＡＵＶ」著者名：ＪｏｓｅｐｈＲ．Ｅｄｗａｒｄｓ，ＨｅｎｒｉｋＳｃｈｍｉｄｔ，ＫｅｖｉｎＤ．ＬｅＰａｇｅ掲載誌名及び掲載月：ＩＥＥＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＯＣＥＡＮＩＣＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ．ＶＯＬ．２６．ＮＯ．４．ＯＣＴＯＢＥＲ２００１
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人は、古代に構築、製造され今は水没している遺跡・遺構・遺物、或いは水難事故などで水没した歴史的な宝物・美術工芸品、化石、隕石、遭難した航空機のボイスレコーダ、打ち上げロケットの残骸、落下した人工衛星など水中、水底、水底下に存在する水中資源の探査に音響探査を利用しようとするものである。これら探査対象となる水中資源の多くは人工物であり、通常の自然物とは明らかに異なる形状（滑らかな平面・曲面を組み合わせた比較的単調な形状或いはそれに凹凸を加えたような形状）を有し、寸法が数十センチ〜数メートルの範囲である。当然のことながら、こうした形状や寸法に対して有利な探査方法が望まれる。さらに、目的とする水中資源の形状が予め想定されている場合、例えば、図７（ｄ）に示した壺状の美術品を探しているとか、或いは水底に露出しているアンモナイトの化石を探している場合、そうした形状のものだけを選択的に発見し、他の形状のものは棄却するという探査方法があるとよい。
【０００６】
こうした目的に対し従来の技術には以下のような問題点がある。
【０００７】
従来の技術では、水中資源の寸法に比べて超音波の波長が十分に短いので、解像度が高く凹凸などの詳細な形状までもとらえることができる。しかし、超音波が水底より下には透過しないため水底下に存在する水中資源の探査には能力を発揮できない。また、一部が水底下にあって一部が水底から水中に露出している水中資源は、露出部分の形状しか判明せず、水底下の形状は不明なので、全体の形状も知ることができない。つまり、水中資源が水底から浮いているか水底に載っている場合しか完全な形状が分からない。全体が水底下に埋もれている水中資源は見逃してしまうし、一部が埋もれている水中資源については、全体の形状が不明のまま引上げ作業に取り掛かると間違いであった場合に労力及び時間の無駄になる。
【０００８】
ここで、水中、水底、水底下の用語を定義しておく（図３参照）。水中とは、水面から水底までの間を言う。水底とは、砂、泥、礫等の固体部分の表面（音波に対して音響的な境界を形成する面）を言う。水底下とは、前記した固体部分の内部を言う。
【０００９】
水中を伝搬する音波は、周波数が低ければ水底を透過して水底下の水中資源にも届くことが知られている。水中資源は水底を形成する固体部分とは音響特性が異なるので音波を反射する。従って、水中から低周波を照射すれば水底下の水中資源で反射した音波が再び水中に戻ることが期待できる。また、低周波は高周波に比べて水中伝搬による減衰が小さいために遠方からの照射でも観測が可能である。ところが、低周波にすると波長が長いため解像度が低く、波長と同程度かあまり大きくない寸法の物体を詳しく探査することができない。例えば、２ＫＨｚの水中音波は、波長が約７０センチであるから、従来の技術のように送波器と同一位置に置いた受波器に戻ってきた反射波のみを観測したのでは直径１メートル程度の水中資源は形状まで判別するに至らない。
【００１０】
また、図７（ｄ）に示した美術品のように上部が略円錐台に形成された水中資源に、斜め上から音波を照射すると、波長には関係なく送波器方向に戻る散乱が少なく、送波器とは反対側への散乱が多い。このため、従来の技術では、この水中資源が水底に載っている場合でさえも見逃してしまうことがある。
【００１１】
非特許文献１は、媒質中の物体に向けてコヒーレント波を照射し、散乱によって物体を取り囲む空間に生じる音圧エネルギ分布を観測するマルチスタティック計測の技術を提供している。この技術によれば、水中資源に向けて低周波を照射したとき、散乱による水中資源の周りの音圧エネルギ分布は水中資源の形状に依存するので、複数箇所で散乱波を観測すると、形状に応じた観測結果（音圧エネルギ分布）が得られる。この観測結果に基づく演算により水中資源の形状を推定することができる。そして、低周波を用いているので、水底下の水中資源にも有効である。
【００１２】
非特許文献２は、水中における低周波の照射及び複数箇所での散乱波の観測を可能とする水中移動体の技術を提供しており、非特許文献１のマルチスタティック計測方法は非特許文献２の装置で実現できる。
【００１３】
しかしながら、非特許文献１の技術は、形状が理想的に単調で特定の姿勢をした水中資源、即ち、球体とか水平に置かれた円柱などしか形状を判別することができない。また、水中資源が完全に水中に露出した状態か完全に水底下に埋まった状態でしか形状を判別することができない。
【００１４】
このように、非特許文献１の技術は、所望した形状のものや部分的に水底下に埋もれているものを判別できないので、実用には不十分である。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、姿勢や埋もれ状況によらず所望形状の水中資源を発見することのできる水中資源探査方法及びその装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の方法は、水中で探査方向に向けて音波を照射し、その探査方向の周辺の複数箇所で未知の水中資源からの散乱波を受波し、これら複数箇所のマルチスタティック計測で受波した散乱波の到来時間、散乱波受波レベル及び散乱パターンに基づき、該散乱の原因となった未知の水中資源の所在及びその水中資源の形状・姿勢を推定する方法において、既知水中資源の形状・姿勢を基に既知水中資源の形状・姿勢に変化を付けて仮想的水中資源とし、その仮想的水中資源がもたらす仮想的散乱パターンをシミュレーションにより作成し、この仮想的散乱パターンと前記観測から得た散乱パターンとを比較して未知の水中資源の形状・姿勢を推定するものである。
【００１８】
探査方向を一定にして送波器及び散乱波受波箇所を一定方向に移動させつつ前記受波を行い、該散乱の原因となった未知の水中資源の所在が局限されたとき、該散乱の原因となった未知の水中資源に探査方向を向けて送波器及び散乱波受波箇所を周回移動させて前記受波を行ってもよい。
【００１９】
前記音波に２０ＫＨｚ以下の低周波を用いてもよい。
【００２０】
前記探査方向は、水底に対し音波の全反射が起きない程度まで傾斜させて水底の照射範囲を広くとってもよい。
【００２１】
また、本発明の装置は、水中で探査方向に向けて音波を照射する送波器と、その探査方向の周辺の複数箇所で未知の水中資源からの散乱波を受波する受波器と、これら複数箇所の受波器によって受波した散乱波の到来時間、散乱波受波レベル及び散乱パターンに基づき、該散乱の原因となった未知の水中資源の所在及びその水中資源の形状・姿勢を推定する形状姿勢推定手段とを備え、形状姿勢推定手段は、観測データから離散的な散乱パターンを作成するパターン作成部と、作成した散乱パターンと予め用意されている散乱パターンや仮想的に作成した散乱パターンと比較するパターン比較部と、有限要素法により仮想的散乱パターンを作成する有限要素法演算部と、球体・円柱などによる既知の散乱パターンを提供する既知散乱パターンデータベースと、仮想的に作成した形状・寸法による仮想的散乱パターンを提供する仮想散乱パターンデータベースとを備え、前記既知の散乱パターンと前記観測から得た散乱パターンとを比較して未知の水中資源が目的とする水中資源であるかどうか判定すると共に、前記仮想的散乱パターンと前記観測から得た散乱パターンとを比較して未知の水中資源の形状・姿勢を推定するものである。
【００２２】
前記送波器を搭載して水中を移動する水中移動体（親機と呼ぶ）と、前記受波器を搭載して水中を移動する複数の水中移動体（子機と呼ぶ）とを備えてもよい。
【００２３】
前記親機を略直線的に移動させると共に前記複数の子機を探査方向の周辺に散開配置させて前記親機と略平行に移動させて前記受波を行う広域ローラ探査モードと、前記親機を周回移動させると共に前記複数の子機を前記親機と同一回り若しくは逆回りに周回移動させて前記受波を行う狭域集中探査モードとを有してもよい。
【００２４】
前記親機及び子機のそれぞれに水中通信機を搭載し、これら親機と子機との間、及び親機、子機それぞれから水上の母船へのデータ伝送ができるようにしてもよい。
【００２５】
前記親機には初期設定した地球座標系での位置座標を基準にした移動による位置を測位する測位手段を備え、各子機には前記親機との相対位置を測位する測位手段を備え、また、親機と各子機とには同じ時間軸で動作する時刻同定手段を備え、これらの測位・時刻同定結果と前記散乱波の受波結果とから探査方向の周辺の散乱パターンを作成できるようにしてもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２７】
図１に、本発明に係る水中資源探査装置を用いた水中探査システムの全体構造を示す。水面Ｓは破断して水中、水底の様子を示してある。Ｌは陸地である。水中資源探査装置は、水中を自律移動する２種類の水中移動体１，２からなる。自律移動とは、推進装置を持つことにより母船からワイヤ等で曳航されずに移動でき、かつ自身の現在位置を測位する機能があって、所望した航路を航行できることである。１は、送波器を搭載した親機であり、１式の水中資源探査装置に１台あればよい。２は、受波器を搭載した子機であり、１式の水中資源探査装置に複数台、ここでは４台、使用される。
【００２８】
３は、水底又は水底下に存在する水中資源である。４は、親機１から照射された音波ビームである。５は、水中資源３による散乱波であり、形状に依存して方向ごとの強さが異なるが全方向で受波可能である。６は、水中通信に使用される超音波である。
【００２９】
７は、母船であり、対象水域まで水中資源探査装置を運搬すると共に、水中で稼働中の親機１及び子機２に対して水中通信により指令を送ったり、親機１及び子機２から親機１や各子機２の現在位置や観測した散乱波等のデータを収集することができる。データを分析して水中資源の形状・姿勢を推定する形状姿勢推定手段や探査モードを切り替える手段は、コンピュータで実現できるので、このコンピュータを母船７に搭載するとよい。
【００３０】
８は、ＮＡＶＳＴＡＲ等のＧＰＳ衛星或いは通信衛星であり、９は、遠隔にある陸上設備である。上記コンピュータは、陸上に設置し、無線或いは衛星通信で母船７を介して親機１及び子機２と通信してもよい。
【００３１】
親機１は、水中を自律移動する水中移動体であり、詳細は図示しないが、推進装置、動力源などの機関系を有すると共に、送波器、母船７及び子機２との水中通信機、測位手段、後述する子機２の時刻同定手段と同じ時間軸で動作する時刻同定手段、及びこれらの各部を制御する制御部を備えている。送波器は、２０ＫＨｚ以下の低周波を放射するもので、ここでは２ＫＨｚを用いるものとする。水中通信機は、高周波の超音波を送受信する従来から知られたものであり、この超音波に担持された情報を伝送することができる。測位手段は、母船７から水中に発進するときに初期設定した地球座標系での位置座標を基準として、移動速度及び角速度を積分して移動中の現在位置を測位することができる。親機１は、現在位置を測位しつつ所望の航路を航行し、その進行方向の側方斜め下に向けて音波を照射することができる。
【００３２】
子機２は、水中を自律移動する水中移動体であり、詳細は図示しないが、推進装置、動力源などの機関系を有すると共に、受波器、親機１との水中通信機、親機１との相対位置を測位する測位手段、親機１の時刻同定手段と同じ時間軸で動作する時刻同定手段、及びこれらの各部を制御する制御部を備えている。受波器は、送波器が出力する帯域に対して良好な感度を有する音響センサである。水中通信機は、親機１と同じものである。本実施形態では、子機２は親機１とのみ通信し、親機１のみが母船７と通信しているが、子機２と母船７との間で通信を行ってもよい。測位手段は、従来からある超音波を用いたソーナである。子機２は、親機１との相対位置を測位しつつ所望の相対位置となるよう航行し、下方の広い範囲から入射する音波、好適には親機１からの送波周波数と同じ音波のみ、の音圧を連続的に計測し、その計測データを送信することができる。
【００３３】
図２に、形状姿勢推定手段を実現するコンピュータシステムを示す。
【００３４】
このコンピュータシステムは、ＣＰＵ２０１、親機１及び子機２との通信を行う移動体通信部２０２、親機１及び子機２に対して探査モードや探査対象領域などの指示を出す移動体制御部２０３、子機２が受波したデータを収集して蓄積する観測データ収集部２０４、観測データから離散的な散乱パターンを作成するパターン作成部２０５、作成した散乱パターンと予め用意されている散乱パターンや仮想的に作成した散乱パターンと比較するパターン比較部２０６、有限要素法により仮想的散乱パターンを作成する有限要素法演算部２０７、観測データを散乱方程式に代入して形状を求める散乱方程式演算部２０８などを備えている。また、ＣＰＵ２０１がデータを利用するためのデータベースとして、水底地形やマイルストーンを提供する水域データベース２１１、目標としている水中資源３の形状や球体・円柱などの単純形状或いは任意形状をその表面のメッシュ状の点の座標の集合として提供する目標データベース２１２、球体・円柱などによる既知の散乱パターンを提供する既知散乱パターンデータベース２１３、仮想的に作成した形状・寸法による仮想的散乱パターンを提供する仮想散乱パターンデータベース２１４などを備えている。そして、探査モードや親機１、子機２の位置など制御状況を画面表示する制御用モニタ２２１、各種散乱パターンや各種水中資源の像などの探査結果を表示するデータ用モニタ２２２などを備えている。
【００３５】
図３に、側方から見た音波照射及び観測の様子を示す。
【００３６】
水面Ｓと水底Ｂとの間が水中Ｗである。ここでは水底Ｂは水平な平坦面とするが、傾斜や凹凸があってもよい。水中資源探査装置は広域ローラ探査モードで稼働しているものとする。水中Ｗの水底Ｂからの高さｈで親機１は直進航行しており、図示した瞬間では紙面奥行き方向に移動している。
【００３７】
親機１から照射される音波ビーム４は、探査方向となる適宜な指向性範囲を有し、水底Ｂに対して傾斜している。この傾斜は浅い（角度が小さい）ほうが照射範囲を広くできる。しかし、水底Ｂにおける照射範囲の遠端に入射する角度θ₁ は臨界角より浅くはしない。臨界角は、水底Ｂ下の固体部分と水中Ｗとの音響特性で決まる全反射の起きる角度であり、一般には約２０°付近である。臨界角より浅く入射した音波は水底Ｂ下に透過しないため、水底Ｂ下の水中資源３の探査には寄与しない無用な水底反射波となる。そこで、照射範囲遠端での入射角度θ₁ が臨界角より浅くならないよう送波の向き或いはビーム幅を設定してある。一方、照射範囲の近端に入射する角度θ₂ には特に制限はないが、９０°未満、例えば、７０°とすることで水底Ｂからの反射成分が直接、親機１に帰らないようにし、また、水面Ｓとの間の多重反射による水中残響の増大を防ぐようにしている。
【００３８】
親機１が航行する高さｈは高い方が水底Ｂにおける照射範囲の面積が大きくなり、一度に探査できる範囲が広がるので、効率が良い。つまり、できるだけ水面Ｓに近いところから音波を照射するのが好ましい。その反面、水面Ｓに近いところから音波を照射すると、水上のうねりの影響で送波器の位置や角度が不安定になるので、うねりの影響の少ない水中Ｗの適宜な深さから音波を照射するのが好ましい。母船７から照射しないで、水中Ｗの親機１から照射するようにしたのは、この理由による。よって、親機１が航行する高さｈは、照射範囲の面積拡大と、うねりの影響回避とのトレードオフで決まる。
【００３９】
４台の子機２は、それぞれ音波ビーム４の広がりの周辺を親機１よりも低い水底Ｂ付近を平行して航行する。これは水底Ｂ下に存在する未知の水中資源からの微弱な散乱波を近傍で受波するためである。図示例のように、子機２は、音波ビーム４の範囲内に入っていたり、外へ出ていたりするが、使用している送波器からの音波が低周波で波長が長いので、子機２が音波ビーム４の範囲内に入っていても照射音波を乱すことはなく、障害にはならない。
【００４０】
図４に、上方から見た音波照射及び観測の様子（広域ローラ探査モードの場合）を示す。親機１は、直進航行している。音波ビーム４は親機１の側方に向いており、水底Ｂにおける照射範囲Ａは楕円状になる。親機１が前進するに伴い、この照射範囲Ａも平行に前進する。子機２は、照射範囲Ａの周囲に展開して親機１と平行に直進航行している。これにより、探査幅ｗで示したベルト状の領域が連続的に探査されることになる。勿論、適宜な距離前進した後、Ｕターンして隣接するベルト状の領域を探査することで縦横に広い水域をくまなく探査することができる。なお、親機１に対する複数の子機２の配置は、図示の形態に限定されず、横列に並べたり、ジグザグに散らばるようにしてもよいし、後述する散乱パターンを鑑みて特徴部分の捕捉が期待できる配置としてもよい。
【００４１】
図５に、上方から見た音波照射及び観測の様子（集中探査モードの場合）を示す。ここでは子機２は３台使用している。子機２は、それぞれ音波ビーム４の広がりの周辺を親機１よりも低いところで親機１とは同じ或いは逆回りに旋回航行している。親機１と子機２とは相対的に位置関係が変化すればよいので、角速度に差があればよい。親機１は、探査方向が常に水中資源３（実際には未知の水中資源３があると思わしき辺り）に向くようにして水中資源３の周りを大きく旋回航行している。これに伴い照射範囲Ａも回転する。それぞれの子機２は、水中資源３の周りを小さく旋回航行している。これにより、照射範囲Ａが回転する略円状の領域が多角的、連続的に探査されることになる。親機１と各子機２との相対位置は移動しており、水中資源３への照射角に対して各子機２が観測する散乱波の角度も連続的に変化する。なお、親機１や各子機２は潮流で流されるので、航跡は理想的な円にはならないし、水中資源３との距離も一定しないが、そのことは後述するマルチスタティック計測においては全く障害にならない。また、各子機２の旋回半径が同一であるように図示したが、同一である必要はない。
【００４２】
次に、マルチスタティック計測について説明する。
【００４３】
既に述べたように、水中資源３に低周波の音波を照射したとき、散乱による水中資源３の周りの音圧エネルギ分布は水中資源３の形状に依存する。例えば、図６は、水底Ｂに水平に置かれた円柱状の水中資源３に一方向（矢印）から低周波を照射したとき、水中資源３を中心とする円内全域の音圧エネルギ分布を示したものである。ただし、図を簡素にするため音圧エネルギの刻みを大きくして等高線の間隔を粗くしてある。音圧エネルギの刻みを小さく示せば等高線の間隔を精密にすることができ、等高線のない無段階の分布図とすることもできる。
【００４４】
図６では、照射方向に対して傾斜している水中資源３の遠端の辺りで略ハート型の領域（ア）が最も音圧エネルギが高い。その領域（ア）を囲む二股の領域（イ）が次いで音圧エネルギが高く、領域（イ）の凸部をさらに伸ばした形の領域（ウ）が広く形成されている。水中資源３の胴部にも領域（イ）と同じ音圧エネルギの高い領域（エ）が見られ、この領域（エ）を起点として水中資源３の側方に長く伸ばした形の領域（オ）が形成されている。領域（ウ）と領域（オ）は同じ音圧エネルギであるが、両者は音圧エネルギの低い領域（カ）によって分離されている。このような音圧エネルギ分布が作る模様を散乱パターンと呼ぶことにする。
【００４５】
この分布図内の任意座標に対応する水中箇所に子機２が位置するとき、受波器が観測する散乱波の大きさは、等高線で示した音圧エネルギに比例する。つまり、複数箇所での散乱波の観測は、未知の水中資源３による音圧エネルギ分布、言い換えると散乱パターンを離散的に測定していることにほかならない。子機２が複数台あることにより、同時に複数箇所を観測することができるし、子機２が親機１に対して相対移動することにより、連続した複数箇所を観測することができる。従って、観測データから水中資源３の形状に依存する散乱パターンの特徴、例えば、領域（ア）〜（ウ）の広がり方、領域（オ）や領域（カ）の存在などを抽出することができる。
【００４６】
音圧エネルギ分布は、図６の一例しか示さなかったが、水中資源３の形状及び姿勢（音波の照射方向に対する相対的角度）に依存する。従って、図７に示した種々の水中資源３は、それぞれ異なる音圧エネルギ分布、即ち、種々の散乱パターンを提供することになる。図７（ａ）は、水底Ｂに下半分が埋もれた球形の水中資源３である。図７（ｂ）は、水底Ｂに斜めに突き刺さった円柱形の水中資源３である。図７（ｃ）は、水底Ｂに載ったテトラポットである。図７（ｄ）は、水底Ｂに載った美術品である。いずれも寸法（直径又は長さ）は、数十センチ〜数メートルである。
【００４７】
水中資源３の形状・姿勢によって音圧エネルギ分布が異なるということは、音圧エネルギ分布から水中資源３の形状・姿勢が復元できるということである。マルチスタティック計測は、送波器と分離して配備した受波器によって複数箇所で散乱波の音圧を計測する手法である。マルチスタティック計測の原理的な裏付けは非特許文献１に記載のとおりである。この原理に従い、本発明では、親機１及び各子機２の三次元位置座標からわかる送波器の位置と、送波時刻と、各受波器の位置と、各受波器で受波された散乱波の音圧と、受波時刻とを用いて、散乱方程式を計算することにより水中資源３の位置及び形状を推定することができる。さらに、本発明では、目的とする水中資源３がもたらす散乱パターンを予め実験或いはシミュレーションにより求めておき、この散乱パターンと未知の水中資源３から観測された散乱パターンとを照合比較し、未知の水中資源３が目的とする水中資源３であるかどうかを判定する。
【００４８】
ところで、非特許文献１が適用される事例は、形状が球体・円柱など理想的に単調な場合で、しかも、完全に水中Ｗに露出した状態か完全に水底Ｂ下に埋もれた状態に限られている。実用的には、図７に示した水中資源３のように姿勢が傾斜していたり埋もれ状況にある場合、或いは、凹凸や屈曲があって球体・円柱ほど単純でない場合にも使用可能でなければならない。
【００４９】
そこで、本発明では、非特許文献３に記載されているソースを用いた新しい有限要素法（ＦＥＳ）を応用して、任意形状・任意姿勢の水中資源３をマルチスタティック計測で探査可能にした。その具体的な方法を図８により説明する。
【００５０】
図８に示されるように、既知水中資源（図示せず）の内部に多数（ここでは２個のみ代表的に示した）のソース（特異点）Ｐ’を配置し、これらソースＰ’のひとつひとつに対応させて任意の形状（図示例では球だが複雑形状でも可）をなす水中資源３”の表面に選点Ｐ”を置き、これら選点Ｐ”での境界条件を合わせるようにそれぞれのソースＰ’の強さを決定する。ソースＰ’は、既知水中資源より寸法が小さめであって単調な形状（図示例では、球）をした水中資源３’の表面に配置することができる。本発明のように、単調形状の水中資源３’の表面に配置したソースＰ’により任意形状をなす水中資源３”の表面に置いた選点Ｐ”での境界条件を合わせることで、境界要素法のように積分等の複雑な手続きが不要になり、単に選点Ｐ”上でそれぞれのソースＰ’による影響成分を加え合わせるだけでよいので解析が非常に簡単になる。この場合、既知水中資源の表面からソースＰ’までの距離は内部配置するソースＰ’間の距離と同じくらいとし、ソースＰ’の総数は選点Ｐ”の総数と同じにする。
【００５１】
水中資源が水底Ｂに半没状態にあるときは、図８のようにソースＰ’の内部配置を水中Ｗと水底Ｂ下で分割して考えて、それぞれが同一媒質中で水中資源３”の表面での境界条件を満足させるようにする。この際、水底Ｂの境界面では連続条件を満足させる。
【００５２】
以上により、任意形状の水中資源３”の形状、姿勢、埋没状況に応じた散乱パターン（仮想散乱パターン）を予測してデータベース（仮想散乱パターンデータベース２１４）に蓄積しておき、観測から得られた散乱パターンと比較することで、未知の水中資源３の形状、姿勢、埋没状況を推定することができる。
【００５３】
次に、本発明に係る水中資源探査装置を用いた水中資源探査の手順を図９に従い説明する。ここでは、古代からあった水中資源３を探査するのではなく、最近になって発生した水中資源３を探査するケースについて述べる。
【００５４】
対象となる水域は、既に１度以上、水中調査を行ったことがあって、そのときに、水底地形及びマイルストーンのデータを作成して水域データベース２１１に登録してあることが望ましい。水底地形は、水底Ｂを地球座標系での位置座標（緯度、経度、深度）で表したものであり、従来から知られている装置で調査したものを利用することができる。マイルストーンは、対象外の水中資源３或いは岩塊など水底地形から特徴的に際だったもので、位置座標や寸法・形状などで、同じく従来から知られている装置で調査したものを利用できる。対象となる水域の水中調査が行われていなくても本発明の水中資源探査装置による水中資源探査は可能である。但し、この場合はデータベースとの照合が行えないため、主に狭域集中探査モードにより、逐次、詳細なデータを収集することになるので、十分な計測時間をとることが必要である。母船７により親機１及び子機２を対象となる水域まで搬送したら、ＧＰＳ衛星から得られた地球座標系での位置座標を親機１及び子機２に初期設定し、親機１及び子機２を水中Ｗに投入する。ここまでを準備段階のステップ９０１とする。
【００５５】
水中Ｗに投入された親機１及び子機２は、それぞれ自律移動して予定された配置に展開する。即ち、最初はステップ９０２で広域ローラ探査モードを実行するべく図４に示した配置につき、その配置を維持して直進航行する。音波の照射及び観測を継続的に行うことにより、探査幅ｗで示したベルト状の領域が連続的に探査されることになる。照射範囲Ａ（水底Ｂ及び水底Ｂ下）が一様に平坦ないし緩やかな変化であるときは、観測される音圧にも場所的な偏りがないので、水中資源３は無いと判断できる。照射範囲Ａの中に何らかの水中資源３が入ると、音圧の偏りが生じるので、何らかの水中資源３が存在すると判断できる。この判断をステップ９０３で行い、水中資源３が無ければステップ９０２のローラ探査モードを継続する。水中資源３があればステップ９０４へ進む。しかし、この時点では、観測箇所が少ないため位置や形状を特定するには不十分な場合が多い。もちろん、この時点で散乱パターンの比較や散乱方程式の演算で位置や形状が特定できれば、目的とする水中資源３かどうかを判別することができるので、ステップ９０６へ進んでよい。ここで、水域データベース２１１を参照して、その場所にある何かが以前から存在していたマイルストーンかどうかを確認してもよい。水中資源３の詳細を探査するためには、ステップ９０５で狭域集中探査モードに切り替える。
【００５６】
狭域集中探査モードになると、親機１及び子機２は図５に示したように各々が旋回航行する。音波の照射及び観測を継続的に行うことにより、先ほど水中資源３の存在が予想された場所の周辺が集中的に探査されることになる。狭域集中探査モードでは、照射範囲Ａがほぼ同じ辺りにとどまっており、しかも送波器を持つ親機１と受波器を持つ子機２との相対的な位置関係が常に変化するマルチスタティック計測により、実質的に観測箇所が増えて、未知の水中資源の周囲の詳しい散乱パターンが得られる。こうして観測で得られた散乱パターンを既知散乱パターンデータベース２１３に予め用意されている既知散乱パターンと比較する。また、水中資源３が様々の姿勢であったり、部分的に埋もれていることを考慮して作成した仮想散乱パターンデータベース２１４の仮想的散乱パターンとも比較を行う。こうして散乱パターンの比較を行うことにより、散乱の原因となった未知の水中資源３の所在及びその水中資源３の形状・姿勢を推定することができる。
【００５７】
ステップ９０６では、推定された水中資源３の形状・姿勢を散乱パターンと共にデータ用モニタ２２２に表示し、オペレータによる確認を行う。その後、ステップ９０２のローラ探査モードに戻り、対象水域をくまなく探査する。なお、ローラ探査モードから集中探査モードへの切り替えは、水中資源３の存在を１つ発見するたびに行うのではなく、発見地点を記録するだけでローラ探査モードを継続し、対象水域全域のローラ探査モードを終了してから、発見地点ごとに集中探査モードを適用してもよい。
【００５８】
以上の実施形態では、水洋における探査を行なうものとしたが、湖沼、貯水池、河川、運河などで行うことも可能である。
【００５９】
また、以上の実施形態では、照射する音波の周波数を２ＫＨｚとしたが、目的とする水中資源３の寸法に比べて波長が同程度か短かければ散乱波を観測することができるので、周波数は任意に選ぶことができる。埋もれを考慮する場合、音響的な境界を透過して伝搬できればよいので、２０ＫＨｚ以下であれば実用に供することができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００６１】
（１）低周波を使用するので、一部又は全部が水底下に存在する水中資源の探査にも有効である。また、低周波は距離減衰が小さいため、高高度から音波の照射方向の傾斜を浅くして照射範囲を大きくすることができる。
【００６２】
（２）送波器とは異なる箇所で散乱波を観測するので、戻り反射が少ない形状の水中資源も見逃すことがない。
【００６３】
（３）複数箇所での受波を総合するマルチスタティック計測を行うので、水中資源の形状と相関のある散乱パターンを抽出して形状判定することができる。
【００６４】
（４）既知の水中資源の形状・姿勢に変化を付けることで、任意形状・姿勢の水中資源による散乱パターンを仮想的に作成できるので、未知の水中資源の形状・姿勢を確実に判定することができる。
【００６５】
（５）送波器及び受波器をそれぞれ水中移動体に搭載したので、機動性が向上し、音波源に対する受波箇所の配置を自在に動かすことができる。
【００６６】
（６）ベルト状の範囲を掃引する広域ローラ探査モードと同じ場所を周回する狭域集中探査モードとを切り替えて使い分けるようにしたので、効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す水洋探査システムの全体構造図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すコンピュータシステム（形状姿勢推定手段）の構成図である。
【図３】本発明が適用される水中の側面図である。
【図４】本発明が適用される水中の上面透視図である。
【図５】本発明が適用される水中の上面透視図である。
【図６】散乱による音圧エネルギ分布図である。
【図７】本発明で探査対象となる種々の水中資源を示した水中の側面図である。
【図８】本発明において有限要素法を応用して行うソース変形の概念を示した概念図である。
【図９】本発明を具体的に運用する手順を示した流れ図である。
【符号の説明】
１親機（水中移動体）
２子機（水中移動体）
３水中資源
４音波ビーム
５散乱波
６超音波
７母船

Claims

水中で探査方向に向けて音波を照射し、その探査方向の周辺の複数箇所で未知の水中資源からの散乱波を受波し、これら複数箇所のマルチスタティック計測で受波した散乱波の到来時間、散乱波受波レベル及び散乱パターンに基づき、該散乱の原因となった未知の水中資源の所在及びその水中資源の形状・姿勢を推定する方法において、
既知水中資源の形状・姿勢を基に既知水中資源の形状・姿勢に変化を付けて仮想的水中資源とし、その仮想的水中資源がもたらす仮想的散乱パターンをシミュレーションにより作成し、この仮想的散乱パターンと前記観測から得た散乱パターンとを比較して未知の水中資源の形状・姿勢を推定することを特徴とする水中資源探査方法。
探査方向を一定にして送波器及び散乱波受波箇所を一定方向に移動させつつ前記受波を行い、該散乱の原因となった未知の水中資源の所在が局限されたとき、該散乱の原因となった未知の水中資源に探査方向を向けて送波器及び散乱波受波箇所を周回移動させて前記受波を行うことを特徴とする請求項１記載の水中資源探査方法。
前記音波に２０ＫＨｚ以下の低周波を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の水中資源探査方法。
前記探査方向は、水底に対し音波の全反射が起きない程度まで傾斜させて水底の照射範囲を広くとることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の水中資源探査方法。
水中で探査方向に向けて音波を照射する送波器と、その探査方向の周辺の複数箇所で未知の水中資源からの散乱波を受波する受波器と、これら複数箇所の受波器によって受波した散乱波の到来時間、散乱波受波レベル及び散乱パターンに基づき、該散乱の原因となった未知の水中資源の所在及びその水中資源の形状・姿勢を推定する形状姿勢推定手段とを備え、
形状姿勢推定手段は、観測データから離散的な散乱パターンを作成するパターン作成部と、作成した散乱パターンと予め用意されている散乱パターンや仮想的に作成した散乱パターンと比較するパターン比較部と、有限要素法により仮想的散乱パターンを作成する有限要素法演算部と、球体・円柱などによる既知の散乱パターンを提供する既知散乱パターンデータベースと、仮想的に作成した形状・寸法による仮想的散乱パターンを提供する仮想散乱パターンデータベースとを備え、前記既知の散乱パターンと前記観測から得た散乱パターンとを比較して未知の水中資源が目的とする水中資源であるかどうか判定すると共に、前記仮想的散乱パターンと前記観測から得た散乱パターンとを比較して未知の水中資源の形状・姿勢を推定することを特徴とする水中資源探査装置。
前記送波器を搭載して水中を移動する水中移動体（親機と呼ぶ）と、前記受波器を搭載して水中を移動する複数の水中移動体（子機と呼ぶ）とを備えたことを特徴とする請求項５記載の水中資源探査装置。
前記親機を略直線的に移動させると共に前記複数の子機を探査方向の周辺に散開配置させて前記親機と略平行に移動させて前記受波を行う広域ローラ探査モードと、前記親機を周回移動させると共に前記複数の子機を前記親機と同一回り若しくは逆回りに周回移動させて前記受波を行う狭域集中探査モードとを有することを特徴とする請求項６記載の水中資源探査装置。
前記親機及び子機のそれぞれに水中通信機を搭載し、これら親機と子機との間、及び親機、子機それぞれから水上の母船へのデータ伝送ができるようにしたことを特徴とする請求項６又は７記載の水中資源探査装置。
前記親機には初期設定した地球座標系での位置座標を基準にした移動による位置を測位する測位手段を備え、各子機には前記親機との相対位置を測位する測位手段を備え、また、親機と各子機とには同じ時間軸で動作する時刻同定手段を備え、これらの測位・時刻同定結果と前記散乱波の受波結果とから探査方向の周辺の散乱パターンを作成できるようにしたことを特徴とする請求項６〜８いずれか記載の水中資源探査装置。