JP7079930B2

JP7079930B2 - マルチチャンネルストリーマケーブル

Info

Publication number: JP7079930B2
Application number: JP2018084510A
Authority: JP
Inventors: 康史原口; 晃作荒井; 卓彦井上
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2038-04-25
Also published as: JP2019191010A; EP3561548A1; US20190331818A1

Description

本発明は、マルチチャンネルストリーマケーブルに関する。

従来から、水中に音波を発振する音源と、水中の音波を受振する受振器を備えたストリーマケーブル（曳航型受振ケーブル）と、音源とストリーマケーブルを曳航する観測船とを有する水域地中探査システムにおいて、ストリーマケーブルとして、複数の受振器をケーブルに取り付けたマルチチャンネルストリーマケーブルを用いたものが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１４－１３７３２０号公報

従来のマルチチャンネルストリーマケーブルでは、各受振器の出力信号はアナログ信号のままケーブルを通じて観測船上の装置に送られるため、ノイズに対する耐性が低く、特にケーブルの終端側に配置された受振器からの信号のＳＮ比が極端に悪化するといった問題があった。また、従来のマルチチャンネルストリーマケーブルでは、ケーブルの中に複数の受振器を内蔵して構成されるため、受振器間の間隔を任意に変更することができなかった。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ノイズに対する耐性が高いマルチチャンネルストリーマケーブルを提供することにある。

（１）本発明は、直列に接続される複数の受振ユニットを含み、前記受振ユニットは、水中の音波を受振する受振器と、前記受振器の出力信号を増幅する増幅器と、前記増幅器で増幅された信号をデジタル化するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器で変換されたデジタル信号を計測データとして内部メモリに記憶させる処理を行う処理部とを備えた、マルチチャンネルストリーマケーブルに関する。

本発明によれば、各受振ユニットが個別に受振器の出力信号を増幅しデジタル化して計測データとして内部記憶するため、ノイズに対する耐性が高いマルチチャンネルストリーマケーブルを実現することができる。

（２）また本発明に係るマルチチャンネルストリーマケーブルは、前記複数の受振ユニットとデータ通信を行う制御ユニットを更に含み、前記処理部は、前記内部メモリに記憶された計測データを前記制御ユニットに送信する処理を行い、前記制御ユニットは、前記受振ユニットから受信した計測データを記憶する記憶装置を備えていてもよい。

（３）また本発明に係るマルチチャンネルストリーマケーブルでは、前記処理部は、前記制御ユニットから受信した指令に基づいて前記増幅器の増幅率を変更してもよい。

本発明によれば、受振ユニット毎に増幅率を設定することができるため、使い勝手の良いマルチチャンネルストリーマケーブルを実現することができる。

（４）また本発明に係るマルチチャンネルストリーマケーブルでは、前記処理部は、前記制御ユニットから受信した指令に含まれる計測時間に従って計測を行うようにしてもよい。

本発明によれば、受振ユニット毎に計測時間を設定することができるため、使い勝手の良いマルチチャンネルストリーマケーブルを実現することができる。

（５）また本発明に係るマルチチャンネルストリーマケーブルでは、前記制御ユニットは、測位衛星から受信した時刻情報に基づき時刻を修正される原子時計を備えていてもよい。

本発明によれば、原子時計によって計測時間を精度良く管理することができる。

（６）また本発明に係るマルチチャンネルストリーマケーブルでは、前記制御ユニットは、前記記憶装置に記憶された計測データをフィルタ処理し、フィルタ処理した計測データを外部処理装置に送信してもよい。

本発明によれば、デジタルフィルタにより計測データのノイズを除去して外部処理装置に送信することができる。

（７）また本発明に係るマルチチャンネルストリーマケーブルは、前記制御ユニット及び前記複数の受振ユニットに電源を供給する電源ユニットを更に含んでいてもよい。

（８）また本発明に係るマルチチャンネルストリーマケーブルは、前記複数の受振ユニットのうち最後段に位置する受振ユニットに連結される水中抵抗体を更に含んでいてもよい。

本実施形態に係るマルチチャンネルストリーマケーブルを含む音波探査システムの構成の一例を示す図。受振ユニットの構成の一例を示すブロック図。制御ユニットの構成の一例を示すブロック図。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係るマルチチャンネルストリーマケーブル（以下、単に「ストリーマケーブル」という）を含む音波探査システムの構成の一例を示す図である。音波探査システム１は、水中に音波を発振する音源２と、複数の受振器（受振ユニット１０）を備えたストリーマケーブル３と、音源２とストリーマケーブル３を曳航する観測船４とを含む。音源２は、高圧空気を使用するエアガン、振動板を使用するブーマ、スピーカなどの水中音源装置である。音源２の動作は、観測船４に搭載された外部処理装置５により制御される。ストリーマケーブル３は、例えば、水深数十ｍ～数千ｍの水中に沈められる。音波探査システム１は、音源２により水中に音波を発生させ、海底面Ｂや海底下の地層境界面Ｆで反射した音波をストリーマケーブル３に備わる複数の受振器で受振し、複数の受振器の出力信号に基づく計測データを外部処理装置５で解析して、海底の形状（起伏）や海底下の地層の形状、構造等を調査する。

ストリーマケーブル３は、複数（Ｎ個）の受振ユニット１０（１０－１，１０－２，１０－３，…，１０－Ｎ）と、制御ユニット２０と、電源ユニット３０と、水中抵抗体４０から構成される。ストリーマケーブル３を構成する各構成要素は直列に接続され、ストリーマケーブル３は、水中に沈められた状態で水平方向に直線状に延びる。直列接続の最前段には電源ユニット３０が位置し、その次に制御ユニット２０が位置し、その次に複数の受振ユニット１０が位置し、最後段には水中抵抗体４０が位置する。電源ユニット３０と制御ユニット２０、制御ユニット２０と最前段の受振ユニット１０－１、隣り合う２つの受振ユニット１０、及び、最後段の受振ユニット１０－Ｎと水中抵抗体４０は、それぞれ曳航ケーブル５０（曳航ロープ）を介して連結される。曳航ケーブル５０の両端は、各ユニット（受振ユニット１０、制御ユニット２０、電源ユニット３０）に固定されたリング状の取付部材（アイボルト）を介して各ユニットに取り付けられる。また、電源ユニット３０と制御ユニット２０、制御ユニット２０と受振ユニット１０－１、及び、隣り合う２つの受振ユニット１０は、それぞれ電源・通信ケーブル５１を介して電気的に接続される。電源・通信ケーブル５１の両端は、各ユニット（受振ユニット１０、制御ユニット２０、電源ユニット３０）に備わるコネクタに接続される。また、電源ユニット３０は、通信ケーブルを内蔵する曳航ケーブル５２を介して観測船４に接続される。

受振ユニット１０は、それぞれ受振器を備え、それぞれシングルチャンネルストリーマケーブルとして機能する。制御ユニット２０は、電源・通信ケーブル５１を介して複数の受振ユニット１０とデータ通信を行い、また、電源・通信ケーブル５１、曳航ケーブル５２（通信ケーブル）を介して外部処理装置５とデータ通信を行う。電源ユニット３０（バッテリボックス）は、バッテリ（二次電池）を備え、電源・通信ケーブル５１を介して制御ユニット２０と複数の受振ユニット１０に電源を供給する。水中抵抗体４０は、例えば、円錐形の水中パラシュートである。ストリーマケーブル３の最後段に水中抵抗体４０を設けることで、ストリーマケーブル３を略直線状に延びた状態で曳航することができる。

図２は、受振ユニット１０の構成の一例を示すブロック図である。受振ユニット１０は、水中の音波を受振する受振器１１と、受振器１１の出力信号を増幅する増幅器１２（プリアンプ）と、増幅器１２で増幅された信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換する（デジタル化する）ＡＤ変換器１３と、処理部１４と、スイッチングハブ１５を備える。受振器１１は、１つ又は複数のハイドロフォン（水中マイク）で構成される。受振ユニット１０の各構成要素には、電源・通信ケーブル５１に内蔵される電源ケーブル５３を介して電源が供給され、処理部１４は、スイッチングハブ１５を介して電源・通信ケーブル５１に内蔵される通信ケーブル５４（有線ＬＡＮ）に接続される。

処理部１４は、ＣＰＵ（プロセッサ）、メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ）、通信モジュール等を含むコンピュータである。処理部１４は、ＡＤ変換器１３で変換されたデジタル信号を、計測データとして内部メモリ（ＲＡＭ）に記憶させ、内部メモリに記憶された計測データを、有線ＬＡＮを介して制御ユニット２０に送信する処理を行う。処理部１４は、制御ユニット２０から有線ＬＡＮを介して受信した指令（計測データ取得指令）に含まれる計測時間（計測開始時刻、計測終了時刻、計測間隔など）に従って、計測データを取得する（受振器１１、増幅器１２、ＡＤ変換器１３を動作させ、ＡＤ変換器１３からのデジタル信号を計測データとして内部メモリに記憶させる）。また、処理部１４は、制御ユニット２０から受信した指令（計測データ送信指令）に基づいて、内部メモリに記憶された計測データを制御ユニット２０に送信する。また、処理部１４は、制御ユニット２０から受信した指令（増幅率変更指令）に基づいて、増幅器１２の増幅率を、例えば０倍から１００倍の範囲で変更する。

図３は、制御ユニット２０の構成の一例を示すブロック図である。制御ユニット２０は
、処理部２１と、記憶装置２２（ＳＳＤなどの不揮発性半導体メモリ）と、原子時計２３と、水圧計２４と、スイッチングハブ２５を備える。制御ユニット２０の各構成要素には電源ケーブル５３を介して電源が供給され、処理部２１は、スイッチングハブ２５を介して通信ケーブル５４（有線ＬＡＮ）に接続される。

原子時計２３の時刻情報は処理部２１に供給され、処理部２１は、原子時計２３の時刻情報に基づき動作する。また、処理部２１は、原子時計２３の時刻情報を各受振ユニット１０に送信して、各受振ユニット１０に備わる計時部（クロック）の時刻情報を原子時計２３の時刻情報と同期させる。原子時計２３は、測位衛星（ＧＰＳなどのＧＮＳＳ衛星）から受信した時刻情報（ＵＴＣに同期した時刻）に基づいて時刻を修正される。制御ユニット２０には、ＧＰＳ受信機などのＧＮＳＳ受信機を外部から接続可能なコネクタが設けられており、制御ユニット２０を水中に沈める前に、制御ユニット２０にＧＮＳＳ受信機を接続して、ＧＮＳＳ受信機を介して時刻情報を取得し、取得した時刻情報に基づいて原子時計２３の時刻を修正する。なお、外部処理装置５も、観測船４に搭載された原子時計（測位衛星から受信した時刻情報に基づいて時刻を修正される原子時計）の時刻情報に基づき動作しており、外部処理装置５と制御ユニット２０（処理部２１）の時刻情報は正確に同期している。

水圧計２４の出力信号は処理部２１に供給され、処理部２１は、水圧計２４の出力信号に基づいて水深（ストリーマケーブル３が沈められている水深）を算出する。

処理部２１は、ＣＰＵ（プロセッサ）、メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ）、通信モジュール等を含むコンピュータである。制御ユニット２０、各受振ユニット１０、及び外部処理装置５には、それぞれアドレス（ＩＰアドレス）が付与されており、処理部２１は、このアドレスを用いて、有線ＬＡＮを介して各受振ユニット１０、外部処理装置５とデータの送受信を行う。

処理部２１は、各受振ユニット１０に計測（計測データの取得）を行わせるための指令（計測データ取得指令）を受振ユニット１０毎に生成し、生成した指令を各受振ユニット１０に送信する。計測データ取得指令は、計測時間（計測開始時刻、計測終了時刻、計測間隔）に関する情報を含む。処理部２１は、記憶装置２２に記憶された音源２の発振時間（外部処理装置５が音源２を発振させる時刻や時間間隔）、水圧計２４の出力信号に基づき算出される水深、各受振ユニット１０の位置（配置）等に基づいて、各受振ユニット１０の計測時間を設定して各受振ユニット１０に計測データ取得指令を送信することで、各受振ユニット１０に、音源２から発振され海底面Ｂや地層境界面Ｆで反射した音波の計測データを取得させる。

また、処理部２１は、各受振ユニット１０に計測データを送信させるための指令（計測データ送信指令）を受振ユニット１０毎に生成し、生成した指令を各受振ユニット１０に送信する。処理部２１は、計測データ送信指令に応じて各受振ユニット１０から送信された計測データを、送信元の受振ユニット１０、計測時間（計測時刻）及び水深等に対応付けて記憶装置２２に記憶させる。また、処理部２１は、所定のタイミング（計測終了後、定期的なタイミング、或いは、外部処理装置５から指令を受信したタイミング）で、記憶装置２２に記憶された計測データ（受振ユニット１０、計測時間、水深等に対応付けられた計測データ）を外部処理装置５に送信する。外部処理装置５は、制御ユニット２０から受信した計測データに基づいて解析処理を行って海底下の地層図等を作成する。

また、処理部２１は、記憶装置２２に記憶された計測データを、バンドパスフィルタ等のデジタルフィルタ（例えば、ＦＩＲフィルタ、ＩＩＲフィルタ）によりフィルタ処理し、フィルタ処理した計測データを外部処理装置５に送信するようにしてもよい。計測デー
タをフィルタ処理することで、観測船４のスクリュー音等に起因するノイズを計測データから除去することができる。なお、処理部２１は、記憶装置２２に記憶された計測データのうちフィルタ処理する計測データを選択し、選択した一部の計測データのみをフィルタ処理するようにしてもよい。例えば、観測船４の近くに位置する受振ユニット１０から受信した計測データについてはフィルタ処理した上で外部処理装置５に送信し、観測船４から離れた位置の受振ユニット１０から受信した計測データについてはフィルタ処理せずに生データのまま外部処理装置５に送信してもよい。

また、処理部２１は、各受振ユニット１０に増幅率を変更（設定）させるための指令（増幅率変更指令）を受振ユニット１０毎に生成し、生成した指令を各受振ユニット１０に送信する。例えば、受振ユニット１０毎の増幅率を格納するテーブルを記憶装置２２に記憶しておき、処理部２１は、このテーブルを参照して各受振ユニット１０に送信する増幅率変更指令を生成する。

以上のように、本実施形態のストリーマケーブル３では、各受振ユニット１０が個別に受振器１１の出力信号を増幅しデジタル化して計測データとして内部記憶するため、受振器１１の出力信号（アナログ信号）が長い距離を伝播することでＳＮ比が悪化したり、当該出力信号がコネクタに起因するノイズや電源ノイズに影響を受けたりするようなことがなく、ノイズに対する耐性が高いマルチチャンネルストリーマケーブルを実現することができる。また、本実施形態のストリーマケーブル３では、受振ユニット１０間を接続するケーブル（曳航ケーブル５０、電源・通信ケーブル５１）の長さを変えるだけで、受振器１１間の間隔を任意に独立して変更することができ、例えば観測船４の船速に応じて受振器１１間の間隔を変更することを容易に行うことができる。また、直列接続する受振ユニット１０の個数を超えるだけで、容易にストリーマケーブルの受振器の個数（チャンネル数）を変更することができる。また、本実施形態のストリーマケーブル３では、受振ユニット１０毎に個別に増幅率や計測時間を設定することができるため、使い勝手の良いマルチチャンネルストリーマケーブルを実現することができる。また、本実施形態のストリーマケーブル３では、制御ユニット２０が、測位衛星から受信した時刻情報に基づいて時刻を修正される原子時計２３を備えることで、計測時間を精度良く管理することができる。

以上、本実施形態あるいは変形例について説明したが、本発明はこれら本実施形態あるいは変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…音波探査システム、２…音源、３…ストリーマケーブル、４…観測船、５…外部処理装置、１０…受振ユニット、１１…受振器、１２…増幅器、１３…ＡＤ変換器、１４…処理部、１５…スイッチングハブ、２０…制御ユニット、２１…処理部、２２…記憶装置、２３…原子時計、２４…水圧計、２５…スイッチングハブ、３０…電源ユニット、４０…水中抵抗体、５０…曳航ケーブル、５１…電源・通信ケーブル、５２…曳航ケーブル、５３…電源ケーブル、５４…通信ケーブル、Ｂ…海底面、Ｆ…地層境界面

Claims

直列に接続される複数の受振ユニットを含み、
前記受振ユニットは、水密ケースに収められた、
水中の音波を受振する受振器と、
前記受振器の出力信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器で増幅された信号をデジタル化するＡＤ変換器と、
前記ＡＤ変換器で変換されたデジタル信号を計測データとして内部メモリに記憶させる処理を行う処理部と、
前記処理部が隣接する前記受振ユニットと相互通信するための有線シリアル双方向通信インターフェースとを備えた、マルチチャンネルストリーマケーブル。
請求項１において、
前記複数の受振ユニットとデータ通信を行う制御ユニットを更に含み、
前記処理部は、
前記内部メモリに記憶された計測データを前記制御ユニットに送信する処理を行い、
前記制御ユニットは、
前記受振ユニットから受信した計測データを記憶する記憶装置を備えた、マルチチャンネルストリーマケーブル。
請求項２において、
前記処理部は、
前記制御ユニットから受信した指令に基づいて前記増幅器の増幅率を変更する、マルチチャンネルストリーマケーブル。
請求項２又は３において、
前記処理部は、
前記制御ユニットから受信した指令に含まれる計測時間に従って計測を行う、マルチチャンネルストリーマケーブル。
請求項２乃至４のいずれか１項において、
前記制御ユニットは、
測位衛星から受信した時刻情報に基づき時刻を修正される原子時計を備えた、マルチチャンネルストリーマケーブル。
請求項２乃至５のいずれか１項において、
前記制御ユニットは、
前記記憶装置に記憶された計測データをフィルタ処理し、フィルタ処理した計測データを外部処理装置に送信する、マルチチャンネルストリーマケーブル。
請求項２乃至６のいずれか１項において、
前記制御ユニット及び前記複数の受振ユニットに電源を供給する電源ユニットを更に含む、マルチチャンネルストリーマケーブル。
請求項１乃至７のいずれか１項において、
前記複数の受振ユニットのうち最後段に位置する受振ユニットに連結される水中抵抗体を更に含む、マルチチャンネルストリーマケーブル。