JP5212745B2 - 水中距離測定用レーザー送受信システム - Google Patents

Description

本発明は、地球上のダイナミックな海底面の挙動を測定することができる水中距離測定用レーザー送受信システムに関する。

深海において複数点の間の距離を測定するために音波が用いられている（非特許文献１）。しかしながら、音波を用いて測定する方法では、第１に、海水密度変化や水温などの海水の物理パラメータによって音波の伝播特性が変化することから、距離を正確に測定するためには伝播路全体の物理パラメータを正確に計測する必要がある。第２に、海底付近では物体の音波散乱によってマルチパスフェージングが発生し、正確な計測ができない。第３に、海水による音波の減衰特性により短波長域の音波は利用することができないことから、分解能が高い距離測定を行うことができない。

一方、本発明者らの研究により、海中で伝播損失が許容できる光源として、１０Ｗ程度の出力強度で青色領域から緑色領域までの或る波長を有するレーザー光を発生する半導体レーザー光源を用いることができることが分かっている。青色レーザー光や緑色レーザー光は、沿岸表層域では２０〜３０ｍ程度、深海では５０〜１００ｍ以上の伝播が可能であることが判明している（非特許文献２）。

ところで、水底の断層の変化や水平歪みを検知する光学式距離測定に関する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１の技術では、水底に横たわる活断層を横断するよう光源光送信局、複数の中継局及び受信局を間隔を隔てて一列に配置しておき、光源光送信局、複数の中継局及び受信局の各局間の伝播時間ΔＴを求め、これら伝播時間ΔＴから光源光送信局から受信局に伝送される総伝播時間Ｔｓを求め、測定の都度求めた総伝播時間Ｔｓを比較している。

さらに、光源光送信局、中継局、受信局の各局には、重錘の頂点に取り付けた耐圧容器が配備され、その耐圧容器の下部に外装ケーブルが貫通されている。中継局は、前段の局からの光を受信すると、三角プリズムで直進光と分岐光とに分岐し、直進光は後段の局に送られ、分岐光は地上局に送出している。

特開平１１−２４８８４７号公報（特に、フロント頁、図２、図５）

田所敬一、他６名、「音響測距−ＧＰＳリンクによる海底地殻変動観測システムの開発」、地学雑誌、１１０（４）、５２１−５２８頁、２００１年発行 Hiroshi Yoshida, et al, "Basic Study of Underwater Laser Propagation for High Speed Underwater Vehicle Communication", MARELEC Conf. Proc., 7-9 July 2009, Stockholm, Sweden

しかしながら、特許文献１では、各局が一列に並んだ状態でなければ、受信局の位置の変化を観測することができず、海底における位置の二次元的、三次元的な変化を観測することができない。

そこで、本発明では、海底に設置される送受信装置の配列に制限がなく、地球上のダイナミックな海底面の挙動を測定することができる水中距離測定用レーザー送受信システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、複数の送受信装置が間隔をあけて海底の任意の位置に設置されて構築された水中距離測定用レーザー送受信システムであって、各送受信装置が、海水を介して他の送受信装置に対して探索用レーザー光及び測距用レーザー光の各レーザー光を送信する送信手段と、他の送受信装置から照射された探索用レーザー光及び測距用レーザー光の各レーザー光を受信する受信手段と、送信手段における探索用レーザー光及び測距用レーザー光の各レーザー光の送信方向、受信手段における探索用レーザー光及び測距用レーザー光の各レーザー光の受信方向の何れか一方又は双方を制御する制御手段と、送信手段、受信手段の何れか又は双方を用いて他の送受信装置と測距用レーザー光を送受信して他の送受信装置との距離を測定する距離測定手段と、距離測定手段により収集したデータを格納するデータ格納手段と、を有し、
複数の送受信装置のうち一の送受信装置から探索用レーザー光を照射する際には送信手段による探索用レーザー光の送信が全方向になるように制御手段を制御すると共に、複数の送受信装置のうち残りの送受信装置が探索用レーザー光を受光する際には受信手段が全方向から受光するように制御手段を制御することにより、複数の送受信装置が任意の位置に設置されていても、探索用レーザー光が相互に送受信可能な状態となり、
複数の送受信装置のうち一の送受信装置から測距用レーザー光を照射する際には、一の送受信装置が残りの送受信装置に向けて測距用レーザー光を送信し、かつ残りの送受信装置が一の送受信装置からの測距用レーザー光を受光するように、一の送受信装置及び上記残りの送受信装置の上記制御手段をそれぞれ制御する。

上記構成において、送受信装置がレーザースティックに搭載されており、レーザースティックが、下側から上側に向けて順に、尖底部、阻止部、電源を収容した錘部、支柱部、耐圧収容部を配置して構成され、阻止部より上部が海底に埋設されることなく、尖底部を海底に埋設可能とし、耐圧収容部は、レーザー光の送信方向や受信方向を制御するための制御手段を収容しており、阻止部と錘部との間、尖底部と阻止部との間の何れか一方が外部信号により解除されて切り離し可能に接続されている。

上記構成において、送受信装置がレーザースティックに搭載されており、複数のレーザースティックのうち一つがマスターレーザースティックで、残りがスレーブレーザースティックであり、マスターレーザースティックに搭載されている送受信装置は、スレーブレーザースティックに搭載されている送受信装置中のデータ格納手段のデータを集約する。

上記構成において、距離測定手段は、送信手段で送信したレーザー光に関する信号を他の送受信装置に向けて送信するか、他の送受信装置が送信手段からのレーザー光を受信することを契機として返送する信号を受信するかの何れかにより、他の送受信装置との間の距離に関するデータを収集する。

上記構成において、送信手段は青〜黄の波長を有するレーザー光を照射する。また、送信手段は間欠連続波レーザー光又はパルスレーザー光を照射する。

上記構成において、送信手段は、海中に浮遊するマリンスノーによりレーザー光が遮断されないよう、ビーム径を広げて平行光線として送信する。

本発明によれば、二以上の送受信装置はそれぞれ光の送信方向や受信方向を制御することができるので、送受信装置、さらには、その送受信装置が搭載されているレーザースティックが任意の位置に配置されていても、また、時の経過により変位しても、送受信装置間、即ちレーザースティック間で距離測定を行うことができる。

本発明の実施形態に係る水中距離測定用レーザー送受信システムを模式的に示す概略図である。 図１に示す水中距離測定用レーザー送受信システムが海底に構築されている様子を模式的に示す図である。 レーザースティックの一例を模式的に示す図である。 図１における一組の送受信装置の機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る水中における距離測定方法に関する代表的なフロー図である。 本発明の実施形態に係る水中における距離測定方法に関し、図５とは異なるフロー図である。 本発明の実施形態に係る水中における距離測定方法に関し、図５及び図６とは異なるフロー図である。 レーザースティックの変形例を模式的に示す図である。

以下、添付図面を参照しながら発明の実施形態について詳細に説明する。

〔水中距離測定用レーザー送受信システムの全体構成について〕
図１は本発明の実施形態に係る水中距離測定用レーザー送受信システム１を模式的に示す概略図である。図２は、図１に示す水中距離測定用レーザー送受信システム１が海底に構築されている様子を模式的に示す図である。本発明の実施形態に係る水中距離測定用レーザー送受信システム１は、海底に間隔を設けて設置される複数の送受信装置１０と、これらの送受信装置１０を接続する光ファイバーケーブル、メタルケーブルなどのケーブル２０とで構築されている。各送受信装置１０は後述するレーザースティックに搭載される。複数のレーザースティックのうち、一つがマスターレーザースティック１１０であり、残りがスレーブレーザースティック１２０である。なお、マスターレーザースティック１１０は複数でもよい。

ここで、複数のレーザースティックは、図１に示すように、例えば一つのマスターレーザースティック１１０を中心としてスレーブレーザースティック１２０がケーブル２０でスター型やカスケード型などの各種の接続形態によるネットワークで接続されている。スレーブレーザースティック１２０で測定された計測データがネットワークによりマスターレーザースティック１１０に集約される。マスターレーザースティック１１０は、集約されたデータを海上船舶又は深海機と音響通信等の無線通信により回収してもよいし、或いは光ファイバーケーブル２がマスターレーザースティック１１０と地上局３との間に別途敷設されており地上局３とマスターレーザースティック１１０との間で光通信を行い、地上局３がマスターレーザースティック１１０に集約されているデータを回収するようにしてもよい。ここで、マスターレーザースティック１１０は、レーザースティックのうち、自分以外の他のレーザースティックに格納されている計測データを集約し、かつ海上船舶、深海機、地上局３に対してその集約データをアップする機能を有するものを意味する。

〔レーザースティックの構成について〕
各レーザースティック１００は、何れも、レーザー光による距離測定及びレーザー光又は電気信号による情報送受を行える送受信装置１０として、レーザー光による距離計測手段と、レーザー光又は電気信号による情報の送受信手段と、距離計測手段及び送受信手段を制御するための制御手段と、を備えている。

図３はレーザースティックの一例を模式的に示す図である。レーザースティック１００は、図３に示すように、下端をテーパー状に尖底した埋設部（「尖底部」とも呼ぶ）１０１と、埋設部１０１の上端に接続されてストッパーとなる埋設阻止部（「阻止部」とも呼ぶ）１０２と、埋設阻止部１０２の上端に接続され内部に電源を収容した錘部１０３と、錘部１０３から所定の高さを有する支柱部１０４と、支柱部１０４の上端に取り付けられる耐圧収容部１０５と、からなる。耐圧収容部１０５内には耐圧収容部１０５内の収容物を水平に保つジンバル部１０６が備えられている。

埋設阻止部１０２と錘部１０３との接続、埋設部１０１と埋設阻止部１０２との接続の何れか一方は、外部信号により解除されて切り離し可能に接続されている。例えば、埋設部１０１と埋設阻止部１０２とは取り外し可能に接続されており、支柱部１０４などに装着されたトランスポンダ１０７が外部から接続解除信号を受けると、埋設部１０１と埋設阻止部１０２との接続が解除されて切り離され、埋設阻止部１０２より上部、すなわち、錘部１０３と支柱部１０４と耐圧収容部１０５とが一体として浮力により浮上する。これにより、ジンバル部１０６及び後述の電子光部品を収容した耐圧収容部１０５、電源その他の高価な部品を回収することができる。また、レーザースティック１００全体がその長手方向に延びた棒状となっており、埋設部１０１の下端がテーパー状をなしている。これらにより、例えば、海上から船舶によって投下するとレーザースティック１００が海底に突き刺さり易くなる。ジンバル部１０６は、その上に搭載される各種の光部品や電子部品を水平に保つための手段である。

耐圧収容部１０５は、ジンバル部１０６上に送信手段１１及び受信手段１２などを搭載して収容している。送受信装置１０のうちジンバル部１０６上に搭載される部品などは、送信手段１１及び受信手段１２のうち光学部品など水平方向を保つ必要がある部品に限定することで、ジンバル部１０６における駆動系を小型化することができる。耐圧収容部１０５はレーザー光を透過する光学ウインドウを備えている。耐圧収容部１０５の内部にはレーザー距離計測及び通信手段が収容されている。以下具体的に説明する。図４は一組の送受信装置の機能ブロック図である。送受信装置１０は、それぞれ、送信手段１１と、受信手段１２と、制御手段１３と、距離測定手段１４と、データ格納手段１５と、データ送受信手段１６と、を備える。図４では、送受信装置１０として二台の送受信装置１０Ａ,１０Ｂを備える場合を示しているが、それ以上の台数であっても同様である。説明のため、一方の送受信装置１０Ａに含まれる各手段には、送信手段１１Ａのように各符号に「Ａ」を付加し、他方の送受信装置１０Ｂに含まれる各手段には送信手段１１Ｂのように各符号に「Ｂ」を付加して両者を区別することとし、特に区別する必要がない場合にはＡ，Ｂを付加しないことにする。

送信手段１１は、海水を介して他の送受信装置１０に対してレーザー光を送信する手段である。「送信」には照射、放射の何れも含まれ、「放射」には所定の方向に照射するがその照射方向をある範囲で時間的に走査する場合も含まれるものとする。送信手段１１は、例えば、半導体レーザー発光素子と、所定の軸回りに回動可能な一又は複数のミラーなどの光学部品と、各ミラーを回動する駆動部と、を備えている。よって、送信手段１１は、半導体レーザー発光素子からの光を複数の方向に分散して放射したり、半導体レーザー発光素子からの光をミラーで反射して所定の方向に照射したりすることができる。

受信手段１２は他の送受信装置１０から送信されたレーザー光を受信する手段である。受信手段１２は、例えば、光検出素子と、所定の軸回りに回動可能な一又は複数のミラーなど光学部品と、各ミラーを回動する駆動部と、を備えている。駆動部により各ミラーを回動することでレーザー光の進行方向を変えて検出感度が高くなるよう光検出素子に入射させてもよいし、また、各ミラーを必要に応じて回転させて複数の方向又は全方向から入射するレーザー光を光検出素子に入射させるようにしてもよい。

送信手段１１及び受信手段１２には、さらに、半導体レーザー発光素子、光検出素子のほかに、半導体レーザー素子からのレーザー光の変調を行うとともに受光素子で受光したレーザー光の復調を行う変復調機能や、半導体レーザー素子から出力される光を掃引する掃引機能など、を有するよう各種の部品が配備されている。

ここで、半導体レーザー発光素子は、青色〜黄色の範囲に含まれる任意の波長を有するレーザー光を発振する。この波長領域であれば、海水による減衰を少なくすることができるからである。また、送信手段１１には半導体レーザー素子の後段に、レーザービームを少し広げて平行ビームとするビームエキスパンダーを備えておくことが好ましい。ビームエキスパンダーにより、ビーム径を広げて平行光線とすることで、海中に浮遊する所謂マリンスノーによりレーザー光が遮断されずに遠方まで伝播することができる。

制御手段１３は、送信手段１１によりレーザー光を送信する方向の制御、受信手段１２によりレーザー光を受信する方向の制御の何れか一方又は双方を行う。制御手段１３は送信手段１１に含まれる一又は複数の駆動部を制御することで、半導体レーザー発光素子からのレーザー光を所定の方向に向けて照射したり、又は一定の立体角に広げて放射したりする。制御手段１３は受信手段１２に含まれる一又は複数の駆動部を制御することで、例えばドーム型の光学ウインドウから入射したレーザー光の方向に光検出素子を向け、又は、任意の方向からドーム型の光学ウインドウに入射したレーザー光の進行方向を変えて光検出素子に入射させる。これにより、受信手段１２は全方向からのレーザー光を受けることができる。

距離測定手段１４は、送信手段１１、受信手段１２の何れか又は双方を用いて他の送受信装置１０とレーザー光を送受信して他の送受信装置１０との距離を測定する手段である。

一例として、一方の送受信装置１０Ａ内の距離測定手段１４Ａが送信手段１１Ａで送信したレーザー光に関する信号（例えば同期信号、分岐信号、参照信号など）を他方の送受信装置１０Ｂに送信し、他方の送受信装置１０Ｂにおける距離測定手段１４Ｂがその信号を受信する場合を想定する。その場合には、距離測定手段１４Ａはその信号と受信手段１２Ｂでの検出信号とに基づいて距離を測定する。

一例として、一方の送受信装置１０Ａにおける送信手段１１Ａから他方の送受信装置１０Ｂに向けてレーザー光を送信し、送信手段１１Ａからのレーザー光を受信することを契機として他方の送受信装置１０Ｂが返送する信号として、例えば送信手段１１Ｂから出力されたレーザー光を水中経由で受信手段１２Ａが受信する場合を想定する。その場合には、距離測定手段１４Ａは、送信手段１１Ａがレーザー光を送信したタイミングと受信手段１２Ａがレーザー光を受信したタイミングとに基づいて、距離を測定する。

一例として、一方の送受信装置１０Ａにおける送信手段１１Ａから他方の送受信装置１０Ｂに向けてレーザー光を送信し、送信手段１１Ａからのレーザー光を受信することを契機として他方の送受信装置１０Ｂが返送する信号として、電気信号やレーザー光をケーブル２０を経由して受信手段１２Ａ又は距離測定手段１４Ａが受信する場合を想定する。その場合には、距離測定手段１４Ａは、送信手段１１Ａがレーザー光を送信したタイミングと受信手段１２Ａがレーザー光を受信したタイミング又は距離測定手段１４Ａが電気信号を受信したタイミングとに基づいて、距離を測定する。なお、距離測定手段１４Ａは、受信した信号としてのレーザー光を受信手段１２Ａに転送する手段であってもよく、この場合には受信した信号のレーザー光は受信手段１２で検出される。

データ格納手段１５は、他の送受信装置１０との間で距離に関する測定データを格納する手段である。データ送受信手段１６は、データ格納手段１５に含まれる計測データを他の送受信装置１０に対して送信すると共に、他の送受信装置１０から送信された計測データやその他の距離測定の際に必要となる制御データなどを送受信する。即ち、一方の送受信装置１０Ａにおけるデータ送受信手段１６Ａは、他方の送受信装置１０Ｂにおけるデータ送受信手段１６Ｂとの間で、計測データや制御データなどを送受信する。よって、マスターレーザースティック１１０に搭載されている送受信装置１０には、他のスレーブレーザースティック１２０に搭載されている送受信装置１０中のデータ格納手段１５に格納されている計測データなどを集約することができる。さらに、マスターレーザースティック１１０に搭載されている送受信装置１０におけるデータ送受信手段１６は、そのデータ格納手段１５に格納されている測定データを、例えば光ファイバーケーブル２を経由して地上局３に送信する手段でもある（図２参照）。

ここで、図４に示す各手段は、前述したように電子部品、光部品や各種の駆動部品により構築されて耐圧収容部１０５に収容されている。また、図示を省略するが、レーザースティック１００には、各種センサーなどが搭載されており、各種センサーには海中の物理的パラメータを測定するためのセンサーが含まれ、このセンサーが検出した物理的パラメータによりレーザー光の伝播速度を補正して正確な距離測定を行うことができる。前述のデータ格納手段１５には、計測された結果である計測データのほか、計測に必要となる制御データが格納される。

〔水中における距離測定方法について〕
本発明の実施形態に係る水中距離測定用レーザー送受信システム１は上記のように構成されており、これにより、水中においてレーザースティック間の距離測定を行うことができる。以下、水中における距離測定方法について説明する。

複数のレーザースティックが海底に設置されており、図２に示すように、ある特定のレーザースティック（「マスターレーザースティック」と呼ぶ。）１１０に対して、残りのレーザースティック（「スレーブレーザースティック」と呼ぶ。）１２０がケーブル２０で接続されているとする。海底へのレーザースティック１００の設置手法としては、海面上の船舶から海底に向けて投下したり、深海探査機に一旦収容し、深海探査機が所定の位置に移動して所望の位置に設置したりする手法が考えられる。また、光ファイバー２０でのネットワークの構築は、深海探査機等で行うことができる。

水中における距離測定方法を説明する前提として、レーザー光による距離測定の原理について説明する。レーザースティック１００が双方向にレーザー光を送受信可能に構成されている場合、最も単純な手法は、マスターレーザースティック１１０からスレーブレーザースティック１２０に時刻ｔ_ＴＸに照射するとし、伝播時間をｔ_Ｐとし、スレーブレーザースティック１２０が受信してマスターレーザースティック１１０に返信するまでの遅延時間をｔ_Ｄとし、マスターレーザースティック１１０が受光する時刻をｔ_ＲＸとすると、
ｔ_ＲＸ＝ｔ_ＴＸ＋２ｔ_ｐ＋ｔ_Ｄ
なる関係があるので、
δ_ｔ＝ｔ_ＲＸ−ｔ_ＴＸ＝２ｔ_ｐ＋ｔ_Ｄ
となる。ここで、ｔ_Ｄは既知となるので、伝播時間ｔ_ｐが求まる。よって、光の海中の伝播速度Ｃ_ｓｅａが正確に分かれば、マスターレーザースティック１１０とスレーブレーザースティック１２０との間の距離が求められる。ここで、可視光領域における光の誘電率は約１．８であるから、遅延時間ｔ_ｄを無視し、時間分解能が０．１ｎｓとすると、距離分解能は約２ｃｍとなる。

距離計測の手法としては、レーザー光に変調、例えば振幅変調をかけて位相差を検出して位相シフトφ_ｄから距離ｄを求めることが考えられる。具体的に説明すると、レーザー光に変調をかけて、その変調波の基準位相φ_ｎに対する位相φ_ｄとのずれΔφで距離を求めることができる。例えば２０ＭＨｚの周波数ｆで変調をかけると搬送波の波長λは、ｃ／ｆ≒１５ｍであるから、位相角度検出感度を０．１°とすると、最小分解距離はλ・０．１°／３６０°となる。上記の数値設定では最小分解距離は約４．２ｍｍとなり、数ｍｍの精度で測距することができる。位相差Δφを計測すると、一方の送受信装置１０と他方の送受信装置１０との間の距離は
Δφ・λ／３６０°〔ｍ〕＝（φ_ｄ−φ_ｎ）・λ／３６０°〔ｍ〕
から求めることができる。ここで、基準位相φ_ｎはケーブル２０内を伝播させて相手側に通知することができる。なお、以上の説明では、レーザー光の波長λは一定としたが、実際には、温度、圧力、伝導率などの海水の物理的パラメータの関数として表されるので、レーザースティック１００に設けた各種センサーのデータにより二点間の距離データが補正される。また、この説明では、反射波が基本となるが、リピーター方式で計測ができるように、受信から再送信にかかる位相回転をキャリブレーションする必要がある。

本発明における海中における距離測定方法は、探索ステップと距離測定ステップ（「測距ステップ」と呼ぶ場合もある。）とが含まれる。図５は本発明の実施形態に係る水中における距離測定方法に関する代表的なフロー図である。この図では、一方のレーザースティック１００内の送受信装置１０Ａから他方のレーザースティック１００内の送受信装置１０Ｂとの間の距離測定を前提として示されているが、３本以上のレーザースティック１００間における距離測定の場合であっても同様である。

探索ステップ（ＳＴＥＰ１）では、一方の送受信装置１０Ａ中における送信手段１１Ａが全方向に探索用レーザー光を放射し（ＳＴＥＰ１−１）、他方の送受信装置１０Ｂにおける受信手段１２Ｂが水中を伝播した探索用レーザー光を受信する（ＳＴＥＰ１−２）。他方の送受信装置１０Ｂにおける制御手段１３Ｂが送信手段１１Ｂによる探索用レーザー光の照射方向を制御し（ＳＴＥＰ１−３）、送信手段１１Ｂが一方の送受信装置１０Ａに向けて探索用レーザー光を照射する（ＳＴＥＰ１−４）。すると、一方の送受信装置１０Ａの受信手段１２Ａが水中を伝播した探索用レーザー光を受信する（ＳＴＥＰ１−５）。これにより、受信手段１２Ａが探索用レーザー光の受光方向を特定することで、他方の送受信装置１０Ｂの存在方向が分かる。

一方の送受信装置１０Ａからみた他方の送受信装置１０Ｂの方向に関する情報は、必要に応じて、他方の送受信装置１０Ｂにデータ送受信手段１６Ａ，１６Ｂによりケーブル２０で送受信され、送受信装置１０Ａ,１０Ｂ間で情報が共有される（ＳＴＥＰ２）。これに基づいて、次の距離測定ステップ（ＳＴＥＰ３）において、一方の送信手段１１Ａのレーザー光照射方向、他方の受信手段１２Ｂの受光方向が、それぞれ、制御手段１３により制御可能となる。

距離測定ステップ（ＳＴＥＰ３）では、一方の送受信装置１０Ａにおける制御手段１３Ａは、送信手段１１Ａが他方の送受信装置１０Ｂに測距用レーザー光を照射するように制御する（ＳＴＥＰ３−１）。これと同時又は相前後して、他方の送受信装置１０Ｂにおける制御手段１３Ｂは、受信手段１２Ｂが一方の送受信装置１０Ａからの測距用レーザー光を受信するように制御する（ＳＴＥＰ３−２）。

そして、送信手段１１Ａが、他方の送受信装置１０Ｂにおける受信手段１２Ｂに対して測距用レーザー光を照射し（ＳＴＥＰ３−３）、一方の送受信装置１０Ａと他方の送受信装置１０Ｂとの間の距離を計測する。距離の計測手法としては、各種の方法を用いてもよい。

例えば、他方の送受信装置１０Ｂにおける受信手段１２Ｂが測距用レーザー光を受信し（ＳＴＥＰ３−４）、他の送受信装置１０Ｂにおける距離測定手段１４Ｂがケーブル２０を経由して一方の送受信装置１０Ａの距離測定手段１４Ａに対して測距用信号を返信し（ＳＴＥＰ３−５）、距離測定手段１４Ａがその測距用信号を受信する（ＳＴＥＰ３−６）。これにより、両者間の距離データを算出する（ＳＴＥＰ３−７）。その際、センサーにより海水の温度、塩分濃度等の物理的パラメータの測定値に基づいて海水中のレーザー光の伝播速度を補正して、二点間の距離を測定する。

このように算出された距離データは、データ格納手段１５Ａ,１５Ｂに格納されると共に、ケーブル２０を経由してそれぞれ相手の送受信装置１０Ａ,１０Ｂに通信されて、測定データが共有される（ＳＴＥＰ４）。

図６は、本発明の実施形態に係る海中における距離測定方法に関し、図５とは異なるフロー図である。図６に示すように、二点間の距離の測定においては、レーザー光の伝播時間に基づいて行うのみならず、一方の送受信装置１０Ａから他方の送受信装置１０Ｂに対して送信タイミングの信号又は参照信号を光ファイバーケーブルやメタルケーブル等のケーブル２０で送信し、他方の送受信装置１０Ｂが受信した測距用レーザー光と比較して位相差を測定し、その位相差に基づいて二点間の距離を測定してもよい。

具体的には、測距ステップ（ＳＴＥＰ１３）において、図５の場合と同様、一方の送受信装置１０Ａにおける制御手段１３Ａは、送信手段１１Ａが他方の送受信装置１０Ｂに測距用レーザー光を照射するように制御する（ＳＴＥＰ１３−１）。これと同時又は相前後して、他方の送受信装置１０Ｂにおける制御手段１３Ｂは、受信手段１２Ｂが一方の送受信装置１０Ａからの測距用レーザー光を受信するように制御する（ＳＴＥＰ１３−２）。

そして、送信手段１１Ａが、他方の送受信装置１０Ｂにおける受信手段１２Ｂに対して測距用レーザー光を照射する（ＳＴＥＰ１３−３）と略同時に、一方の送受信装置１０Ａから他方の送受信装置１０Ｂに対して参照信号を光ファイバーケーブルやメタルケーブル等のケーブル２０で送信する（ＳＴＥＰ１３−４）。そして、他の送受信装置１０Ｂにおいて、水中を伝播したレーザー光を受信手段１２Ｂが受信し（ＳＴＥＰ１３−５）、その受信結果を受けた距離測定手段１４Ｂがケーブル２０を経由して送信された参照信号を受信して（ＳＴＥＰ１３−６）、距測距用レーザー光と参照信号とを相互に比較することで、二点間の距離データを算出する（ＳＴＥＰ１３−７）。

このように算出された距離データは、図５の場合と同様、データ格納手段１５Ａ，１５Ｂに格納されると共に、ケーブル２０を経由して相手の送受信装置１０Ａ,１０Ｂに通信されて、測定データが共有される（ＳＴＥＰ４）。

さらに、別の手法として、各送受信装置１０には光学ミラーと光学ミラーの角度を調整する角度調整手段としての駆動部が設けられているので、探索ステップにおいて求められた方向に角度調整手段が光学ミラーを向けて、一方の送受信装置１０Ａから他方の送受信装置１０Ｂに対して測距用レーザー光を照射する。すると、他方の送受信装置１０Ｂ内の光学ミラーがそのレーザー光を反射するので、一方の送受信装置１０Ａがその反射した測距用レーザー光を受信する。そして、一方の送受信装置１０Ａが他方の送受信装置１０Ｂに向けて測定用レーザー光を照射した時から測距用レーザー光の反射光を受信するまでの時間を求めて、二点間の距離を測定してもよい。その際、両者間で必要となるデータ等はケーブル２０で送受信される。

上記別の手法において、一方の送受信装置１０Ａが照射する測距用レーザー光を一部分岐しておき、他方の送受信装置１０Ｂからの反射光と分岐した光との相関関係から、二点間の距離を求めてもよい。

さらに、別の手法として、一方の送受信装置１０Ａから他方の送受信装置１０Ｂに対して、探索ステップにおいて求められた方向に向けて測距用レーザー光を照射し、他方の送受信装置１０Ｂの受信手段１２Ｂが測距用レーザー光を受信し、その測距用レーザー光をケーブル２０としての光ファイバーケーブル中を伝送して一方の送受信装置１０Ａに送り返し、一方の送受信装置１０Ａの受信手段１２Ａが送り返されたレーザー光、すなわち、反射光を受ける。ここで、他方の送受信装置１０Ｂの受信手段１２Ｂから一方の送受信装置１０Ａの受信手段１２Ａまでの伝播路は温度、圧力、伝導率の物理的パラメータで補償すれば伝播特性が異ならないので、例えば一方の送受信装置１０Ａから照射されて他方の送受信装置１０Ｂの受信手段１２Ｂで受けられるまでの測距用レーザー光の伝播時間に基づいて、両者の間の距離を測定することができる。

上記何れの手法においても、測距用レーザー光の伝播時間を計測して、両者間の距離を測定しているが、リファレンス信号として同じ測距用レーザー光を用いて、受信した測距用レーザー光との位相差を求めて、二点間の距離を測定することもできる。

なお、図５及び図６に示す形態においては、探索ステップ（ＳＴＥＰ１）では一方の送受信装置１０Ａにおける送信手段１１Ａが全方向に探索用レーザー光を放射し（ＳＴＥＰ１−１）、他方の送受信装置１０Ｂにおける受信手段１２Ｂが水中を伝播した探索用レーザー光を受信すると（ＳＴＥＰ１−２）、他方の送受信装置１０Ｂにおける制御手段１３Ｂが、受光した探索用レーザー光の受信方向に一致するよう送信手段１１Ｂによる探索用レーザー光の照射方向を制御し、送信手段１１Ｂが一方の送受信装置１０Ａに向けて探索用レーザー光を送信する。つまり、一方の送受信装置１０Ａと他方の送受信装置１０Ｂとの間では、探索用レーザー光は海水中を伝播しており、ケーブル２０中を伝播していない。

しかしながら、他方の送受信装置１０Ｂが一方の送受信装置１０Ａの方向を判断するためには、レーザー光の海水中の伝播だけによらず、水中の伝播とケーブル２０としての光ファイバー中の伝播との双方を用いてもよい。

図７は、本発明の実施形態に係る海中における距離測定方法に関し、図５及び図６とは異なるフロー図である。図７に示す形態は、図５及び図６に示す形態とは探索ステップの点が異なっている。一方の送受信装置１０Ａにおける送信手段１１Ａが探索用レーザー光を放射し（ＳＴＥＰ２１−１）、他方の送受信装置１０Ｂにおける受信手段１２Ｂが探索用レーザー光を受信する（ＳＴＥＰ２１−２）。その際、受信手段１２Ｂがどの方向から探索用レーザー光を受信したか、すなわち受光方向を特定する。他方の送受信装置１０Ｂでは、例えばデータ送受信手段１６Ｂがその受光方向の情報を受光情報としてケーブル２０としての光ファイバーケーブルを経由して、一方の送受信装置１０Ａに送信する（ＳＴＥＰ２１−３）。一方の送受信装置１０Ａではデータ送受信手段１６Ａが他方の送受信装置１０Ｂから送られた受光情報を受信する（ＳＴＥＰ２１−４）。

以上の手順により、一方の送受信装置１０Ａの制御手段１３Ａは送信手段１１Ａをどの方向に向けてレーザー光を照射すれば他方の送受信装置１０Ｂに照射することができるか、についての情報を取得することができる。また他方の送受信装置１０Ｂの制御手段１３Ｂは受信手段１２Ａの受光素子等をどの方向に向けておくことで他の送受信装置１０Ｂからのレーザー光を受けることができるか、についての情報を取得することができる。

なお、ＳＴＥＰ２１−２に関して、他方の送受信装置１０Ｂにおいて受信手段１２Ｂがどの方向から探索用レーザー光を受信したか否かについての判断手法は種々考えられる。例えば、一方の送受信装置１０Ａが探索用レーザー光を放射する間に、制御手段１３Ｂにより受信手段１２Ｂにおける受光素子を一又は複数の軸回りに回動することで受光素子の受光感度を変化させ、探索用レーザー光の受光強度の高低を調べることで判断することができる。つまり、受信手段１２Ｂにおける探索用レーザー光の受光強度が最も高いときの受光素子の向きが、他方の送受信装置１０Ｂからみた一方の送受信装置１０Ａの向きに対応する。

その後、距離測定ステップ（ＳＴＥＰ２３）に進み、一方の送受信装置１０Ａにおける制御手段１３Ａが、前述のＳＴＥＰ２１−４で受信した受光情報に基づいて、送信手段１１Ａに対して距測用レーザー光の照射方向を制御する（ＳＴＥＰ２３−１）。それと同時に又は相前後して、他方の送受信装置１０Ｂにおける制御手段１３Ｂが受信手段１２Ｂに対し距測用レーザー光の受光方向を前述のＳＴＥＰ２１−２で特定した探索用レーザー光の受光方向と一致させる（ＳＴＥＰ２３−２）。

その後、送信手段１１Ａが、他方の送受信装置１０Ｂにおける受信手段１２Ｂに対して測距用レーザー光を照射する（ＳＴＥＰ２３−３）と略同時に、一方の送受信装置１０Ａから他方の送受信装置１０Ｂに対して参照信号を光ファイバーケーブルやメタルケーブル等のケーブル２０で送信する（ＳＴＥＰ２３−４）。そして、他の送受信装置１０Ｂにおいて、水中を伝播したレーザー光を受信手段１２Ｂが受信し（ＳＴＥＰ２３−５）、その受信結果を受けた距離測定手段１４Ｂがケーブル２０を経由して送信された参照信号を受信して（ＳＴＥＰ２３−６）、距測距用レーザー光と参照信号とを相互に比較することで、二点間の距離データを算出する（ＳＴＥＰ２３−７）。

このように算出された距離データは、図５の場合と同様、データ格納手段１５Ａ，１５Ｂに格納されると共に、ケーブル２０を経由して相手の送受信装置１０Ａ,１０Ｂに通信されて、測定データが共有される（ＳＴＥＰ４）。

ここで、図７に示す形態の場合であっても、距離測定ステップ２３は図５における距離測定ステップ３のようになされてもよいし、或いは前述した各種の他の方法によりなされてもよい。なお、図５、図６、図７において、探索用ステップは精度を得るまで繰り返し行って探索の目的が達成された段階で、ＳＴＥＰ２又はＳＴＥＰ２３に移行することが好ましい。

さらに、本発明の海中における距離測定方法の実施形態について具体的に説明する。

水中距離測定用レーザー送受信システム１においては、複数のレーザースティック１００で構成され、例えばレーザースティック１００のうち例えば一基がマスターレーザースティック１１０となり、残りのレーザースティック１００がスレーブレーザースティック１２０となる。スレーブレーザースティック１２０は少なくとも一基あればよい。マスターレーザースティック１１０には、船舶や海底ステーション、海中ビークルなどと通信を行うための通信手段を有する。さらに、マスターレーザースティック１１０、スレーブレーザースティック１２０に対する電気を海底ステーションから供給してもよい。

初期状態においては、各レーザースティック１００のうち、マスターレーザースティック１１０が受光動作を行い、スレーブレーザースティック１２０が発光動作を行う。マスターレーザースティック１１０は全方向からの探索用レーザー光を受光することができる状態とする。スレーブレーザースティック１２０は探索用レーザーの送受信を行う、所謂探索状態となる。マスターレーザースティック１１０はスレーブレーザースティック１２０からの探索用レーザー光を受信すると、レーザー光の送受信方向を決定し、光到来方向へレーザーを送信する。スレーブレーザースティック１２０は、マスターレーザースティック１１０からレーザー光を受信すると、レーザー光の受信方向にマスターレーザースティックが存在すると認定する。なお、複数のスレーブレーザースティック１２０が設置されている場合には、スレーブレーザースティック１２０を海中に投入する際に番号を付与し、末尾のスレーブレーザースティック１２０から順番に探索を行う。

次に、それぞれのレーザースティック１００は距離測定を行う毎に、レーザースティック１００間のレーザー通信により距離情報をマスターレーザースティック１１０に集約するとともに、自らのスレーブレーザースティック１２０内のデータ格納手段１５に距離情報を記録して保持する。マスターレーザースティック１１０は、海底に設置されている状態であっても、音響通信や光通信などの通信手法によりデータをアップロードする。

マスターレーザースティック１１０及び各スレーブレーザースティック１２０、すなわち、レーザースティック１００の各々は、光ファイバーケーブルやメタルケーブルなどのケーブル２０により相互に接続されており、各信号の同期信号やデータ伝送信号などを送受信することができる。また、レーザースティック１００の各々について大体の位置が特定されている場合には、各スレーブレーザースティック１２０によるマスターレーザースティック１１０の探索を簡略化することができるとともに、探索精度も向上することができる。

特に、各スレーブレーザースティック１２０がマスターレーザースティック１１０に対して相互に光ファイバーケーブルで接続されている。よって、各スレーブレーザースティック１２０によるマスターレーザースティック１１０の探索は探索用レーザー光を用いて行われ、マスターレーザースティック１１０と各スレーブレーザースティック１２０による距離計測は測距用レーザー光を用いて行われ、さらに、各スレーブレーザースティック１２０によるマスターレーザースティック１１０への距離情報を含めた計測データ、同期信号などの制御信号その他の情報は光ファイバーケーブルを用いて送受信される。このように、本発明の実施形態では、レーザー光を距離計測とデータ等の送受信の両方に用いており、海中に複数の測定点を設置することができ、レーザーの伝播距離が短いという欠点を克服することができる。

以上の説明したように、レーザースティック１００を海底における任意の位置に設置しても、また、海底の表層部が移動しても、距離測定の際に、事前にレーザー光の照射方向にレーザー光を受信する受信手段１２を向けるようにしたので、ダイナミックな地球の海底変動を測定することができる。本発明によれば、測定時間が短いので、その測定の際における二点間の距離を求めることができ、海底表面が振動しながら変位するなど、従来観測できない現象や事実の発見に寄与する。つまり、海中での正確な距離測定が必要な代表的な応用例として、海底プレートの移動距離測定が挙げられる。太平洋側のプレートは、その場所にもよるが、年間数ｃｍ〜数十ｃｍの範囲で移動していることが知られている。しかし、年間単位の平均的な移動距離しか測定することができず、ダイナミックなプレートの移動を的確に把握することもできる。

さらにこの点について説明する。プレートの移動量を計測することを前提とすると、数ｋｍ〜数十ｋｍの範囲で距離の計測ができれば十分である。レーザー光を用いて例えば５ｋｍの距離の変動について計測を行う場合には、レーザー発振装置を５０ｍ置きに設置すると仮定すると、１００点の計測中継点が必要となる。レーザー光による距離測定を用いると精度が高いため、１００点間の計測誤差を重ね合わせても大きな計測誤差は生じない。ところが、多点で距離測定を行うと、各点での計測データを何らかの通信手段により伝送して数箇所、好ましくは一箇所に集める必要が生じる。このデータ通信手段としても光ファイバーケーブルやレーザー光源を用いてもよい。

本発明の実施形態は上述に限らず、各種変更して実施することができる。例えば、各レーザースティックに、レーザー光を照射してその反射光をモニタリングする機能、いわゆる対地計測機能を搭載し、レーザースティックそれ自身の振動を検知することもできる。図８は、本発明の実施形態に係るレーザースティックの変形例を模式的に示す図である。なお、図３と同一又は対応する要素には同一の符号を付してある。図８に示すように、阻止部１０２の上端には、電源を有する錘部１０３Ａ、支柱部１０４、耐圧収容部１０５がこの順に接続されている。変形例では、錘部１０３Ａに耐圧収容部１０５内の送信手段及び受信手段とは別に、補助送信手段及び補助受信手段とを設けて、図８に示すように、錘部１０３Ａに一又は複数の照射受光部１０３Ｂを設ける。これにより、照射受光部１０３Ｂ内の補助送信手段から海底に向けてレーザー光を照射し、その反射光を照射受光部１０３Ｂ内の補助受信手段で受光する。照射されたレーザー光に対する反射光の強度、時間変化、位相変化の少なくとも何れかを検出することで、レーザースティック１００Ａ自らの振動を検知し、或いは海水の物理的パラメータの計測を行うことができる。検知結果や計測データを用いて、レーザースティック間の距離データの正確性や、海水パラメータとしての温度、導電率、圧力などの補正の有効性などを確認することができる。

本発明におけるレーザースティックの各々を海底に三次元的に設置しても、各レーザースティック相互の方向を探索することができるため、海底が三次元的に移動するような場合であってもダイナミックな海底の移動をモニタリングすることができる。よって、本発明による海中距離測定システムを地上局とケーブルで接続して逐次海底の移動をモニタリングして検知し、その検知した結果を海底地震の予知や津波の発生の予知に利用することができる。

１：水中距離測定用レーザー送受信システム
２：光ファイバーケーブル
３：地上局
１０：送受信装置
１１，１１Ａ，１１Ｂ：送信手段
１２，１２Ａ，１２Ｂ：受信手段
１３，１３Ａ，１３Ｂ：制御手段
１４，１４Ａ，１４Ｂ：距離計測手段
１５，１５Ａ，１５Ｂ：データ格納手段
１６，１６Ａ，１６Ｂ：データ送受信手段
２０：ケーブル
１００，１００Ａ：レーザースティック
１０１：埋設部（尖底部）
１０２：埋設阻止部（阻止部）
１０３，１０３Ａ：錘部
１０３Ｂ：照射受光部
１０４：支柱部
１０５：耐圧収容部
１０６： ジンバル部
１０７：トランスポンダ
１１０：マスターレーザースティック
１２０：スレーブレーザースティック

Claims (7)

1. 複数の送受信装置が間隔をあけて海底の任意の位置に設置されて構築された水中距離測定用レーザー送受信システムであって、
   各送受信装置が、
   海水を介して他の送受信装置に対して探索用レーザー光及び測距用レーザー光の各レーザー光を送信する送信手段と、
   上記他の送受信装置から照射された探索用レーザー光及び測距用レーザー光の各レーザー光を受信する受信手段と、
   上記送信手段における上記探索用レーザー光及び上記測距用レーザー光の各レーザー光の送信方向、上記受信手段における上記探索用レーザー光及び上記測距用レーザー光の各レーザー光の受信方向の何れか一方又は双方を制御する制御手段と、
   上記送信手段、上記受信手段の何れか又は双方を用いて上記他の送受信装置と測距用レーザー光を送受信して上記他の送受信装置との距離を測定する距離測定手段と、
   上記距離測定手段により収集したデータを格納するデータ格納手段と、
   を有し、
   上記複数の送受信装置のうち一の送受信装置から探索用レーザー光を照射する際には上記送信手段による上記探索用レーザー光の送信が全方向になるように上記制御手段を制御すると共に、上記複数の送受信装置のうち残りの送受信装置が上記探索用レーザー光を受光する際には上記受信手段が全方向から受光するように上記制御手段を制御することにより、上記複数の送受信装置が任意の位置に設置されていても、上記探索用レーザー光が相互に送受信可能な状態となり、
   上記複数の送受信装置のうち一の送受信装置から測距用レーザー光を照射する際には、上記一の送受信装置が上記残りの送受信装置に向けて測距用レーザー光を送信し、かつ上記残りの送受信装置が上記一の送受信装置からの上記測距用レーザー光を受光するように、上記一の送受信装置及び上記残りの送受信装置の上記制御手段をそれぞれ制御する、
   水中距離測定用レーザー送受信システム。
   
2. 前記送受信装置がレーザースティックに搭載されており、
   上記レーザースティックが、下側から上側に向けて順に、尖底部、阻止部、電源を収容した錘部、支柱部、耐圧収容部を配置して構成され、
   上記阻止部より上部が海底に埋設されることなく、上記尖底部を海底に埋設可能とし、
   上記耐圧収容部は、レーザー光の送信方向や受信方向を制御するための前記制御手段を収容しており、
   上記阻止部と上記錘部との間、上記尖底部と上記阻止部との間の何れか一方が外部信号により解除されて切り離し可能に接続されている、請求項１に記載の水中距離測定用レーザー送受信システム。
3. 前記送受信装置がレーザースティックに搭載されており、
   複数のレーザースティックのうち一つがマスターレーザースティックであり、残りがスレーブレーザースティックであり、
   前記マスターレーザースティックに搭載されている前記送受信装置は、上記スレーブレーザースティックに搭載されている前記送受信装置中のデータ格納手段のデータを集約する、請求項１に記載の水中距離測定用レーザー送受信システム。
4. 前記距離測定手段は、前記送信手段で送信したレーザー光に関する信号を前記他の送受信装置に向けて送信するか、前記他の送受信装置が前記送信手段からのレーザー光を受信することを契機として返送する信号を受信するかの何れかにより、前記他の送受信装置との間の距離に関するデータを収集する、請求項１に記載の水中距離測定用レーザー送受信システム。
5. 前記送信手段は青〜黄の波長を有するレーザー光を照射する、請求項１に記載の水中距離測定用レーザー送受信システム。
6. 前記送信手段は間欠連続波レーザー光又はパルスレーザー光を照射する、請求項１に記載の水中距離測定用レーザー送受信システム。
7. 前記送信手段は、海中に浮遊するマリンスノーによりレーザー光が遮断されないよう、ビーム径を広げて平行光線として送信する、請求項１に記載の水中距離測定用レーザー送受信システム。

Images