JPH05505235A - 高分解能海底探査方法およびこの方法を実施するための放物面状電気音響変換器の同調配列 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 高分解能海底探査方法およびこの方法を実施するための放物面状電気音響変換器 の同調配列本発明は、高分解能探査を行うのに適合する時間待′性およびスペク トルを有する海底音響パルスを発生することによって海底を探査する方法および この方法を実施する放物状電気音響変換器の同調配列に間する。

ここに記載する装置は、土木工学および考古学調査の両方、また地球物理学の用 途において海底の構造および海底面を探査するために使用されて有益なものであ る。更に、この装置は湖またはいがなる自然の水域をも探査するのに使用するこ とができる０本発明の装置は、一般に、ソナーのような従来の音響装置によって は変換されない中および低周波数域（０，１ないし１５ｋＨｚ）において高い分 解能を有する大きな音響電力を必要とする潜水艦音響の全ての用途において有益 である。

従来の多くの海底探査源は高分解能探査パルスを発生する二三の必要条件のみを 有している。これはその周波数帯域が制限され、高調波成分が貧弱であるからで ある。更に、１次パルスに関連するキャビテーションパルスによって、このよう な探査音源の良好な性能の可能性が少なくなる。弾性波海洋音源の特性を判断す る規準は、音響パルスの継続時間、周波数成分、その繰り返し特性および、１次 パルスとキャビテーションパルスの比に本質的に基づいている（Ｇ、　Ｐａｒｋ ｅｓおよびり、　Ｈａｔｔｏｎ、　Ｔｈｅ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｓｅ１５ｍ１ｃ　５ ｏｕｒｃｅ、　Ｄ。

Ｒｅ１ｄｅｌ　ｅｄｉｔｉｏｎ　１９８６．　Ｄｏｒｄｒｅｃｈｔ、　）Ｉｏｌ ｌａｎｄ参照）。

最初の２つの特性、すなわち音響パルスの継続時間および周波数成分については 、理想的な信号はいわゆる「スパイク」信号、すなわちパルス状信号であり、こ の信号はディランクのデルタ関数、すなわち全ての周波数が含まれている非常に 短いパルスによって表される（Ｍ、８．　Ｄｏｂｒｉｎ、Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉ ｏｎ　ｔｏ　ＧｅｏｐｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ、　ＭｃＧｒａｗ −Ｈｉｌｌ、　１９６０．　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ参照）。

キャビテーションパルス（Ａ、　Ｐｒｏｓｐｅｒｅｔｔｉ、　Ｐｈｙｓｉｃｓｏ ｆ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ、　Ｒｅｎｄｉｃｏｎｔｉ　５ｏ ｃｉｅｔａＩｔａｌｉａｎａ　Ｆｉｓｃａ＋　１９８４．　Ｖｅｒｅｎｎａ参照 ）は、弾性波水中探査において常に存在する欠点である。しかしながら、これは 、例えば、デコンボリューション（ｄｅｃｏｎ−ｖｏｌｕｔｉｏｎ）技術（Ｅ、 Ａ、　ＲｏｂｉｎｓｏｎおよびＳ、　Ｔｒｅｉｔｅｌ。

Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ、　Ｐｒｅｎｔｉｃ ｅ−Ｈａｌｌ、　Ｉｎｃ、。

１９８０、　Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ　Ｃ１１ｆｆｓ参照）によるディジタル信号処 理で除去することができる。それにも関わらず、探査パルスは、弾性波信号のデ ィジタル処理の前に理想的な信号にできるだけ類似していることが好ましい。

これは高分解能「音響画像」を得るために必要な条件であり、信号処理における 費用および時間の浪費を最小にする。

本発明の方法および装置は、上述した問題に対する適当な方法を可能とする重要 な特徴を有している。これは、本発明者の先の特許の対象である既に知られてい る放物面状電気音響変換器を使用した水中音響試験において、本発明者によって 実施された実験に基づいている（Ｇ、Ｂ、　Ｃａｎｎｅｌｌｉ、　Ｅ、　Ｄ’０ ｔｔａｖｉ　およびＳ。

５ａｎｔｏｂｏｎｉ、　Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｐｕ１ｓｅ　５ｏｕ ｒｃｅ　Ｆｏｒ　ＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　Ｓｅ１５ｍ１ｃ　Ｐｒｏｓｐ ｅｃｔｉｎｇ、イタリア特許４９１２７−Ａ／８４　１９８４年１０月２３日出 瀬参照）。

本発明者らは、本発明の装置の基本的構成要素として、適当な変更を伴うこの種 の変換器が好ましいと考えている。異なる条件の下で種々の実験を行うことがで きる融通性を備えているからである。従って、他の周知の海底探査装置によって 達成することができない種々の特性を有する音響波を発生するために、このよう な変換器における電気的および機械的パラメータを容易に変更することができる 　（Ｇ、Ｂ、　Ｃａｎｎｅｌｉ、Ｅ。

Ｄ’０ｔｔａｖｉ、　Ｍ、　Ｇａ５ｐｅｒｉｎｔ、　Ｆｉｒｓｔ　Ｒｅ５ｕｌｔ ｓ　ｏｆ　５ｅａＢｏｔｔｏｎ＋　Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ　Ｗｉｔｈ　Ｐａｒ ａｂｏｌｏｉｄａｌ　ＡｃｏｕｓｔｉｃＳｏｕｒｃｅｓ、　ＶＩ　Ｎａｔｉｏｎ ａｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　Ａｂｏｕｔ　Ｅａｒｔｈ　Ｇｅｏ−Ｉ）Ｙｓｉｃｓ、　 １９８８＋　ＣＮＲＲｏｍｅ　参照）。

上述した放物面状変換器においては、適当な液体で満たされた放物面状反射器の 焦点近くに設けられ、静電エネルギーを供給するコンデンサ群に接続されている ２つの’ｉｓＯ間に形成される商工ふルギー放電によって音響波が発生する。電 極間の放電の電位差が決定されると、適当な装置によってキャパシタンス値が変 更可能となり、放電用の静電エネルギーを提供し、放射音響エネルギーおよび相 対的周波数スペクトルの特性を決定する。その融通性にも関わらず、上述した放 物面状変換器は、全ての水中音響源に共通な問題、すなわちキャビテーションパ ルスおよび制限された周波数スペクトルの問題を有する。

上述した問題を避けるために、本発明者らは本発明の対象である方法およびその 関連装置を発明したが、適当な回路に接続され、以下に説明するように種々の　 −キャパシタンス値にあわせる上述した放物面状変換器を利用している。

本方法およびその関連する装置は、次に示す事項を確認した本発明者らの研究に 基づいて考えられている。

ａ）　１次パルスとキャビテーションパルスとの間の遅延時間は、静電エネルギ ーの関数である。すなわち、放物面状変換器の！極間の電位差を一度決定すると 、キャパシタンスが関数τ＝ｒ　（ｃ）に従って増大するにつれて遅延時間が増 大する。この式において、τは遅延時間であり、Ｃはキャパシタンスである。

ｂ）　！１１９パルスのスペクトルの主周波数（すなわち、最も大きな振幅を有 する調波成分）は、関数ν、　＝ｒ　（ｃ）に従うキャパシタンスの関数である 。

この弐において、ν、は主周波数であり、Ｃはキャパシタンスである。特に、主 周波数はキャパシタンスが残るに従って増大する。

２つの電気音響作用の相乗作用を利用し、本発明者らは、種々の選択されたキャ パシタンス値に同調するように、適当な電気回路に従って接続され、互いに関連 している１０個の放物面状変換器からなるシステムを発明し、提供している。そ して、高い精度をもって同期するすることができるいくつかの１次音響パルスは 、キャパシタンスが変化するのに従って適当にシフトするキャビテーションパル スの欠点に対して、建設−的に加算される。更に、いくつかの１次パルスが、異 なる主周波数をもって周波数スペクトルに貢献し、従って、単一の変換器に対応 するものよりも広いスペクトルを生じる。

本発明の装置から発生する利点は、数多くある。実際、どんな「ショット」にお いても、本装置により生ずる音響パルスは、単一の変換器のパルスに比べてかな り改良されている。特に次のような特徴がある。

１次パルスの増幅、 周波数帯域の広域化、 １次／キャビテーション信号比の増大である。

そして、最も重要な要求条件が満たされて、最適な高分解能海洋音源が得られる 。

本発明の方法および装置の他の特徴および利点は、添付図面を参照した限定的で ない好適実施例についての次に示す説明においてよく説明されている。

図１は、単一の放物面状変換器によって音響探査波を発生するために使用される キャパシタンスが変化する場合の、キャビテーション現象のシーケンスを示して いる。

図２は、１次パルスとキャビテーションパルスとの遅延時間が縦軸に示され、キ ャパシタンスが横軸に示されているグラフである。図１の電気音響現象を定量的 に示している。

図３は、キャパシタンスの関数としての探査パルスの主周波数のグラフを示して いる。

図４は、本発明の１０個の放物面状変換器を有する供給回路の原理図を示してい る。

図５は、本発明の装置の種々の構成要素間の電気的接続を示す電気回路図である 。

図６ａおよび図６ｂは、同じ実験条件（供給源から５ｍであって、静電エネルギ ーＥ＝１０ＱＯジュールを有する）の下で従来のスパークアレイによって発生す る信号（図６ａ）および本発明の装置によって発生する信号（図６ｂ）の間の時 間および周波数領域における比較を示している。

本発明の基礎となる原理が図１ないし図３に示されている。これらの図は、水中 探査用に都合よく変更された放物面状変換器を出発点として使用して行われた、 一連の試験において発明者らの実験調査から得られたグラフを示している。先行 するプロトタイプとなる装置に対する変更は、変換器における放電の発生に関連 している。本発明においては、放電は、放物面状変換器が浸けられる塩水または 軟水（適用分野に応じて決まる）である水の中に直接設けられ、図５においてよ く説明されるように、スイッチとして作用する空中火花発生器によってトリガ・ オフされる。上述した先行タイプの装置においては、放電の発生は、放物面状変 換器内に含有され、ヘースを閉じているネオブレン隔膜によって保持される絶縁 液体を、主電極間にある第３の電極によってイオン化して、行われる。

上述したように、適当に変更された単一の放物面状変換器において、時間の関数 として図１に示す音響パルスが発生する。各信号は、所定のキャパシタンス値で 放物面状変換器において発生する単一の「ショット」に対応している。図１にお いては、４つの「シコ・７トＪが一例として順次示されている。これらのショッ トは４０μＦ、１２０μＦ、２００μＦおよび２８０μＦのキャパシタンス値に 対応している。１次パルスとキャビテーションパルスとの遅延時間は、電極間の 電位差が一度決まると、エネルギーの関数またはキャパシタンスのみの関数であ る。この現象は、キャパシタンスが増大すると、遅延時間が増大するように示し ている図２において定量的によく示されている。この図は、本発明の装置の単一 の構成要素に割り当てるのに最も適切な値のキャパシタンスを選択するために使 用される。これにより、キャビテーションパルスを適当にシフトして、その貢献 が、同期するいくつかの単一１次パルスの建設的な貢献によって生じる１次信号 に比べて、無視できるものとなるようにすることができる。

図３は、図１および図２に示すものと同時に発生する電気音響作用を示している 。１次パルスのスペクトルの主周波数、すなわち最も大きな振幅値を有する調波 成分は、キャパシタンスの関数であり、キャパシタンスが小さくなると大きくな る。これは、本発明の装置を構成している１０個の放物面状変換器の同時に発− 生する「ショット」から発生する音響パルスが、単一の変換器に対応するものよ りもかなり広い周波数スペクトルを有していることを意味している。

水中探査用の最適音響パルスを発生する両方の電気音響効果を使用することが、 図４に示されている。この図４は本発明の装置に属するＰ、ないしＰｌ。で示す 放物面状変換器を示している。発電機Ｇは、１．７７３ｋＶｒｍｓの交流電圧を 供給する。この電圧によって全てのコンデンサＣ，−Ｃ，。がダイオードＤおよ び抵抗Ｒ１〜Ｒ８゜を介して２．５ｋＶのピーク電圧へと充電される。蓄積され た静電エネルギー、そしてキャパシタンスＣ１〜Ｃ０゜は、図２に示す特性に従 って、キャビテーションパルスを互いに適当にシフトさせるように選択される。

高電圧抵抗Ｒ１〜Ｒ８゜は、スイッチ■が閉じているときに同時に動作する、本 装置用の１０個の放物面状構成要素の間における完全な同期を確保するために、 全てのＲＣ対に対して同じ時定数（τζ２００ｍ５）となるように計算される。

２．５ｋＶの電位差が供給された場合、「ショット」の許容される繰り返し速度 の最大値は、毎秒１パルスである。このような場合、１次パルスとキャビテーシ ョンパルスとの間の時間シフトは、各放物面状変換器に対して異なったままであ るとしても、適時低減する。スイッチ■は、それが閉じられると、各放物面状変 換器Ｐ、−Ｐｒ。

の電極間の放電をトリガ・オフする空中火花発生器Ｓを作動させる。

図５には、本発明の装置の種々の構成要素間の電気的接続を示す詳細な電気回路 図が示されている。変圧器Ｔ、は、その入力端子にライン電圧を供給されるが、 その出力端子に２つの電圧を供給する。

出力巻線Ｕ、に供給される１、７７３ｋＶｒＩｌｓの第１の電圧は、例えば２０ 個の要素４０８Ｆ１６０によって構成されるダイオードブリッジＤ、にょって整 流され、それから各放物面状変換器Ｐ、〜Ｐ１．にそれぞれ関連しているコンデ ンサ０１〜Ｃ１゜を充電するのに使用される。変換器Ｐ１〜ＰＩＯは、各々放物 面状の中空の本体部によって形成され、その本体部は開放したヘースを有する。

その焦点には２つの電極Ｅ１〜Ｅ　ｔＧがそれぞれ設けられている。この２つの 電極のうちの第１の電極は、それぞれ関連するコンデンサＣ８〜Ｃ１゜に接続さ れ、第２の電極は、他の各第２を極に接続されるとともに、全て空中火花発生器 Ｓに接続されている。

出力巻線Ｕ２に供給される１　０　ＶｒＩｌｓの第２の電圧は、第２のダイオー ドブリッジＤｚおよび電圧調整器Ｍを介して放電回路ロジックしに供給される。

ダイオードブリッジＤ２および調整器Ｍの間には、低周波成分をチョンプするた めの電解コンデンサＣＥおよび、この電解コンデンサＣとの分布インダクタンス を補１するための並列に接続されたコンデンサＣＣが接続されている。制御は、 スイッチ■を開閉することによって手動で行ったり、または適当な外部のプログ ラムされたパルスｆｌＥｓによって自動的に行うことができる。

スイッチＩが手動で閉じられた場合、または電気信号が外部源ＥＳから供給され た場合、制御ロジックしはその出力信号を電力増幅器ＴＲ，および電流増幅器Ｔ Ｒ２に供給する。この電流増幅器の出力は、減結合変圧器Ｔ３を介してダイオー ドＳＣＲＤ３に供給される。そして、ダイオードＳＣＨＤ、が導通し、その出力 に接続されているコンデンサＣＩ＋は、変圧器Ｔ２の一次巻線を通して放電する 。この変圧器Ｔ２は二次側に高電圧を発生する。この高電圧は、空中火花発生器 Ｓの電極Ｅ　ｌ’ｌおよびＥ１□に並列に接続されている出力コンデンサＣ１１ を充電する。火花発生器Ｓは上述したように、１０個の放物面状変換器Ｐ、−Ｐ 、。の第２の電極に接続されている。火花発生器Ｓにおいては、変圧器Ｔ２の二 次側に接続されている巳、および巳、□の間の電圧が所定の値以上になる度に、 媒体をイオン化する火花が発生し、発生器Ｓは閉じたスイッチとして動作し、１ ０個の放物面状変換器Ｐ１〜Ｐ、。において同時に高エネルギーの放電を発生す る。コンデンサＣ１□は、火花の電力を増大する機能を有し、抵抗Ｒ１＋および ＲＩ２から構成される分圧器は、ダイオードプリ分圧する機能を有している。

コンデンサＣ３〜Ｃ９゜は、その値が通常例えば４０μＦの間隔で２０μＦから ３８０μＦまで選択されるものであるが、これらのコンデンサは、１．０個の放 物面状変換器Ｐ１〜ＰＩＧに関連している。コンデンサの選択は、キャビテーシ ョンパルスを互いにシフトし、図２および図３に従ってそれぞれ１０個の異なる 値の主周波数を同時に供給するようになっている。対応する抵抗Ｒ１〜Ｒ１゜は 、スイッチ■が閉じるごとにパルスを同時に供給する本装置の１０個の放物面状 構成要素Ｐ、−Ｐ、。の間の完全な同期を得るために、各ＲＣ対に対して同じ時 定数（例えば、τ＝２００ｍｓ）を形成するように計算されている。その結果得 られる音響パルスは、単一の放物面状変換器のパルスに対してかなり改良される 。これは１次パルスの増幅、周波数帯域の広域化および１次／キャビテーション 信号比の増大が行われるからである。

本発明は、その融通性によって、電気パラメータを簡単に変更することにより、 異なる探査要求に応じるようになっている。例えば、深い探査用には、低い周波 数および大きな音響電力が使用される。これは適当に大きなキャパシタンスを使 用するものである。これに対して、浅い探査の場合には、低いキャパシタンスに よって形成される高い周波数および中くらいの電力が使用される。

本発明の効果を示すために、本発明および従来の装置を使用して行われた２つの 実験の結果を、それぞれ図６ａおよび図６ｂに示す。

本装置（図６ｂ）によって発生する信号は、時間領域（左のグラフ）において、 キャビテーションによるものよりもかなり大きな１次パルスを示していることに 注意されたい。これに対して、従来の火花アレイ（図６ａ）による対応する信号 は、１次パルスよりも大きなキャビテーションパルスを有している。また、周波 数領域（右のグラフ）における比較は、これら２つの装置における著しい差異を 示している。本装置のみが適当な強度の高い周波数成分を示し、高分解能の探査 を可能にしている。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．電気音響放物面状変換器によって海底の高分解能探査を行う方法であって、 ａ）キャパシタンスを自由に変更することができるコンデンサ群および所定の電 圧発生器に接続されている電極を有する電気音響放物面状変換器を水中に設け、 ｂ）前記コンデンサ群のキャパシタンス値を調整し、ｃ）前記設定されたキャパ シタンスを有する前記コンデンサ群に蓄積された静電エネルギーによって前記変 換器の電極間に放電を発生し、 ｄ）前記放物面状変換器の放電によって発生する音響波を水中に発生し、 ｅ）前記発生した音響波に関連するパルスを適当な信号記録手段および信号スペ クトル分析手段に供給し、ｆ）前記記録手段によって得られた振動記録によって １次パルスまたは有益な探査信号とキャビテーションパルスとの間の遅延時間を 測定し、 ｇ）前記スペクトル分析手段によって探査信号スペクトルの主周波数を測定し、 ｈ）ステップｂ）で設定された別の値のキャパシタンスに対してステップｃ）か らｇ）を操り返し、ｉ）前記設定されたキャパシタンス値に対する遅延時間およ び主周波数の相互関係関数を決定し、対応する図をプロットし、 ｊ）パルスに対する貢献を最小に低減するため、キャビテーションパルスを遅延 させるようにキャパシタンス値を選択し、かつ、スペクトルができる限り広くな るように主周波数を分配する、 上記の各ステップを有することを特徴とする上記方法。
2. ２．電気音響パルスの発生用の２つの電極が焦点にまたは焦点近くに設けられて いる中空の開放ベースを有する放物面体から各々構成される配列された放物面状 変換器を有する、請求の範囲１記載の方法を実行するための海底を高分解能探査 する装置において、各放物面状変換器の第１の電極が前記配列のそれぞれのコン デンサの一端に接続されていることと、該コンデンサのキャパシタンスが請求の 範囲１の方法によって予め設定されるとともに変換器の配列の他のコンデンサの キャパシタンスと異なっていることと、各放物面状変換器の第２の電極が互いに 接続されるとともに火花空隙手段の一方の電極に接続されており、該火花空隙手 段が前記予め設定されたキャパシタンスを有するコンデンサの配列の第２の端子 に接続されている第２の電極と前記一方の電極との間にアークを発生することと を特徴とする上記装置。
3. ３．予め設定されたキャパシタンスを有する前記コンデンサの各々が抵抗に関連 しており、該抵抗の値が前記放物面状変換器の抵抗・コンデンサのそれぞれ対に 対して同じ時定数を有するように選択されることを特徴とする請求の範囲２記載 の装置。
4. ４．前記時定数が２００ｍｓであることを特徴とする請求の範囲３記載の装置。
5. ５．前記放物面状変換器のアレイが１０個の要素から構成されていることを特徴 とする請求の範囲２記載の装置。
6. ６．前記予め設定されたキャパシタンスは４０μＦの割合で等差数列によって２ ０μＦから３８０μＦまで増大する値を有していることを特徴とする請求の範囲 ２、３および４記載の装置。
7. ７．ＲＣ対が、各辺に５個設けられている２０個の要素からなるダイオードブリ ッジによって供給され、毎秒１パルスのパルス操返し周波数を発生するように電 圧差を供給するようにされていることを特徴とする請求の範囲２記載の装置。
8. ８．本明細書に説明され、添付図面に図示されている海底を高分解能で探査する 方法。
9. ９．本明細書に説明され、添付図面に示されている海底を高分解能で探査する装 置。