JPH08105976A

JPH08105976A - 海底埋設物の探査方法および装置

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Publication number: JPH08105976A
Application number: JP24161794A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Yoshizawa; 信幸吉澤; Tadatoshi Tanifuji; 忠敏谷藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-10-05
Filing date: 1994-10-05
Publication date: 1996-04-23
Anticipated expiration: 2017-02-25
Also published as: JP3259544B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、少なくとも海底面下２ｍ程度までに
埋設された外径数ｃｍ程度のケーブルの土かぶり量を直
接に測定でき、かつ、小型で機動性の良い海底埋設物の
探査方法および装置を提供することを目的とする。【構成】本発明は、海中に没するように、水中艇１に取
付けられた音源と受波器２であって、二次周波数１０ｋ
Ｈｚから３０ｋＨｚの音を海底に向けて発するパラメト
リック音源と、該パラメトリック音源の海底方向からの
反射音圧を受ける受波器とから構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば海底に埋設された
ケーブルを探査する等の海底埋設物の探査方法および装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】海底に埋設されたケーブルを探査する技
術として、従来から、（ａ）ケーブルに信号電流を流
し、電界の変化や強度を測定する方法、（ｂ）コイルで
磁界を発生し、導体であるケーブルに生じる誘導磁界の
変化や強度を測定する方法、が実用されている。これら
の方法では、センサとケーブルとの距離は測定できる
が、距離測定精度が数１０ｃｍと悪く、かつケーブル防
護上重要なケーブルの埋設深度（土かむり量）自体を直
接に測定できないという欠点があった。また（ａ）では
ケーブルに信号を流す必要があるため、事前に陸上部に
おいて電源や信号源を設置する必要がある。また、ケー
ブルが断線している場合には探査が不可能になる欠点が
ある。（ｂ）では埋設深度１ｍまでの探査が限界で、現
在の最大埋設深度２ｍにおいてはケーブルを見失ってし
まう欠点がある。

【０００３】超音波は水中において遠距離まで伝達でき
るので、船舶の水深計や魚群探知、海底の地層探査等に
幅広く用いられている。しかし、海底下に埋設されたケ
ーブルを超音波で感知できたという報告例はない。海底
地層を数ｋｍまで探査する目的で超音波（弾性波）を用
いた探査技術が実用されているが、地層深くまで探査す
るために周波数は数ｋＨｚ以下と低く、距離分解能は数
ｍ以下しかない。このためケーブルのような細い物体を
感知することはできない。また、低い周波数を発生させ
るために音源および受波器は数ｍから数１００ｍと大き
く、高価であるばかりでなく、機動性に劣る欠点があ
る。

【０００４】なお、陸上埋設物を探査する技術として地
中レーダー法が有用であるが、マイクロ波を用いるため
電界質である海中では用いることはできない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、少なくとも海底面下２ｍ程度ま
でに埋設された外径数ｃｍ程度のケーブルの土かぶり量
を直接に測定でき、かつ、小型で機動性の良い海底埋設
物の探査方法および装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、海底下に埋設された物体の感知手段として
超音波を用い、必要充分な地中透過性と距離分解能を同
時に実現できる周波数範囲を実験的に明らかにする。地
中透過性としては、ケーブルを埋設可能な具体的な地質
を特定し、かつケーブルの最大埋設深度である２ｍ以
上、もしくは地質探査上必要な５ｍまで透過できる条件
を明らかにする。また、距離分解能としてはケーブルの
埋設深度が２ｍであることを考慮して１０ｃｍ程度とす
る。かつ、細いケーブルを地層と分離できるだけの空間
分解能と、小型で機動性の良い音源を実現する方法とし
てパラメトリック音源法を用い、ケーブルを識別するの
に必要充分な探知距離を明らかにする。同時に、反射音
圧の変化から地層とケーブルを分離するための探索手段
として、ケーブルに直交する平面内での音源の走査を行
う。以上の具体的な方法を同時に満足することによっ
て、課題を解決する。

【０００７】

【作用】本発明は、二次周波数１０〜３０ｋＨｚのパラ
メトリック音源を用いることにより、軟い地質に対して
は、地中透過性（海底下約５ｍ）、距離分解能１０ｃｍ
程度、および空間分解能１０ｃｍ程度で、海底に埋設さ
れたケーブルを探査できる。

【０００８】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

【０００９】図１は本発明の一実施例を示す構成説明図
である。図１中、１は水中艇、２はパラメトリック音源
および受波器、３はパラメトリック音源走査面、４は海
底面、５は埋設物（ケーブル）、Ａは水中艇１の進行方
向、Ｂは鉛直方向、Ｌは水中艇１と海底面４間の距離
（数メートル）である。すなわち、海中に没するよう
に、水中艇１にはパラメトリック音源および受波器２が
搭載される。前記パラメトリック音源は二次周波数１０
ｋＨｚから３０ｋＨｚの音を海底面４に向けて発する。
前記受波器は前記パラメトリック音源の海底方向からの
反射音圧を受ける。前記パラメトリック音源を海中に鉛
直下向きに海底面４に向かい合うよう設置し、前記パラ
メトリック音源を海底面４から数ｍの高度を保って海底
面４に沿って海中を移動させつつ、移動方向に垂直な面
内を走査させ、受波器によって反射音圧の変化を測定す
る。

【００１０】尚、上記実施例ではパラメトリック音源お
よび受波器２を水中艇１に搭載する場合について説明し
たが、パラメトリック音源および受波器を海中に没する
ように船腹に取付けるようにしても同様に実施すること
ができる。

【００１１】図２に超音波の周波数と距離分解能の関係
の一例を示す。水中ソナーの周波数は数１０ｋＨｚ以上
あり、海底面下には透過しない。海底油田などの地層探
査は数ｋＨｚ以下であり、地下深く透過するが分解能は
悪い。１０ｃｍ程度の距離分解能を得るには図中に点線
で示すとうり１５ｋＨｚ以上が必要と思われる。ケーブ
ル埋設深度探査には厳密に１０ｃｍの距離分解能が必要
ではないが、１０ｃｍオーダーの分解能を得るには１０
ｋＨｚ程度以上の周波数が必要なことがわかる。周波数
を増加するほど分解能は向上するが、その反面、海底下
に透過しにくくなる。透過特性は地質に依存するため、
具体的な地質についてどの程度まで周波数を増加できる
か実験を行った。ケーブル埋設は、通常高水圧ジェット
もしくは鍬による海底面開削により行われるので、埋設
できる地層は軟らかいものに自ずと限定される。図６に
海底ケーブルが埋設できる地質の分析結果、および地質
をサンプリングした海域の水深を示す。これらの地質に
おいて２ｍ以上透過できる最大周波数を明らかにする必
要がある。

【００１２】一方、外径が１０ｃｍ程度の海底ケーブル
を探知するには空間分解能も必要である。図３に空間分
解能の所要条件を示す。すなわち、１０ｃｍ空間分解能
を実現するための、音源のセンサ直径Ｄと周波数の関係
を示す。音源とケーブルの距離Ｚは埋設深度を２ｍ、海
底面とセンサの距離１ｍの和として３ｍと仮定した。図
中に示した振動子からの放射界の式を用いて計算した。
図中に点線で示すとうり２０ｋＨｚでも音源のセンサ直
径は２ｍ以上になり、小型な装置は実現できないことが
わかる。空間分解能を満足し、かつ小型のセンサを実現
するためパラメトリック音源を用いる。

【００１３】図４にパラメトリック音源の概念図を示
す。すなわち、周波数ｆ１とｆ２が僅かに異なる２つの
強力な一次波を水中で発生し、非線形効果によって水中
で合成される二次波のうち、ｆ１とｆ２の差の周波数成
分をセンシングに用いる。これがパラメトリック音源法
と呼ばれている方法であり、図３に示したとうり一次波
を１００ｋＨｚ以上にすれば小型のセンサで指向性が良
好な超音波が得られ、二次波も一次波に準じた指向性が
得られることが知られている。また、一次波の共振領域
で周波数を変化させることで二次周波数を変化できるの
で、センサ構造を変えずに波長可変の音源を実現でき
る。実際に一次周波数を１００〜１３０ｋＨｚの範囲で
変化できる直径４０ｃｍのセンサを試作した結果、二次
周波数１０〜３０ｋＨｚ、指向角３度の極めて指向性の
良い、つまり空間分解能の良い超音波を得ることができ
た。図３に示したように、周波数を１００ｋＨｚ程度に
すれば、センサ直径４０ｃｍで、空間分解能は約１０ｃ
ｍを達成できることがわかる。なお、センサと物体の距
離が離れれば空間分解能が図中の式に従って劣化するの
は明らかなので、空間分解能を維持するには物体との距
離を維持することが必要である。具体的にはセンサを水
中艇等に搭載して、海底面までの距離を維持する必要が
ある。

【００１４】この音源を用いて、図６の地質において超
音波の透過損失を測定した結果を図７に示す。実験は図
６の地質をサンプリングした地点の真上にパラメトリッ
ク音源を設置した実験船を停泊させ、各周波数における
透過特性を測定した。透過特性は地質によってかなり異
なるが、一般的に周波数が高くなるほど悪くなる。物体
の反射波を検出できるか否かは次のソナー方程式により
推定できる。

【００１５】ＥＬ＝ＳＬ−Ｗ−Ｃ＋ＴＳ（１）ここでＥＬは受波レベル、ＳＬは送波レベル、Ｗは音波
の水中減衰、Ｃは音波の土中減衰、ＴＳは物体による反
射レベルである。ここで水中のノイズレベルをＮＬとす
ると、次式を満たすことが検出できる条件である。

【００１６】ＥＬ＞ＮＬ（２）さて、（１）式において実用に足る送波素子であるＰＺ
Ｔを用いた場合のパラメトリック音源二次波のＳＬは１
７０ｄＢ（ｒｅ μＰａａｔ１ｍ）程度が実用上限
界である。ここで、「ｒｅ μＰａａｔ１ｍ」と
は、マイクの振動子と被測定点との距離１ｍでの「レラ
ティブマイクロパスカル」という単位である。また、
伝搬距離をＬ（ｍ）とするとＷは周波数によらず式
（３）で与えられる。Ｌ＝３ｍとするとＷは約１０ｄＢ
となる。

【００１７】Ｗ＝２０ｌｏｇＬ（３）また、ＴＳは物体の材質や形状、大きさによって異な
る。図８に試作パラメトリック音源を用いて通信用の鉄
線外装ケーブルのＴＳを測定した結果を示す。これより
ＴＳは約−６ｄＢであることがわかった。また、海中の
ＥＬは通常１００ｄＢである。以上の結果を用いて
（２）式を満足するＣの許容値を求めるとＣ＜１７０−１０−６−１００＝５４（ｄＢ）（４）一方、土中減衰は周波数および距離に比例して大きくな
ると考えられ、図７に示したとうりケーブルを埋設可能
な地層においては０．１５〜０．４５ｄＢ／ｍｋＨｚで
与えられる。従って深度２ｍつまり往復４ｍの土中減衰
が（４）式を満足できるようにするには、土中減衰の最
悪値０．４５を用いて、周波数をｆとするとｆ・４・
０．４５＜５４より約３０ｋＨｚ以下の周波数にすれば
良いことがわかる。また、本発明の用途としては前述の
ケーブル探査の他、港湾工事やケーブル布設ルート調査
における地盤探査が考えられる。このような場合には図
６に示したような柔らかい地層については深度５ｍ程度
まで探査できる能力が必要なので、ｆ・１０・０．４５
＜５４より周波数は１２ｋＨｚ以下にすれば良いことが
わかる。先に図２で説明したように距離分解能として１
０ｃｍオーダーを得るためにはｆは１０ｋＨｚ以上にす
る必要があるので、両条件を満たすには周波数範囲は１
０〜３０ｋＨｚに限定されることを見いだせた。

【００１８】図５に試作装置による埋設ケーブル像（埋
設深度１ｍ、水深２６ｍ）を示す。すなわち、試作装置
を用いて図６における地質Ｎｏ．３の地点において海底
面下１ｍに埋設された５ｍｍ外装ケーブルを探査した結
果を示す。図５は二次周波数１０ｋＨｚにおける結果で
ある。実験は水深２６ｍの海域において実験船の前後の
錨をおろして停船し、実験船の船腹に固定した試作パラ
メトリック音源を用いて反射強度を測定した。図中ケー
ブル真上と示した状態は、センサがケーブル真上にある
状態を示す。この時は地中１ｍにケーブル像が得られて
いる。一方、図５中に、センサをケーブル真上から１ｍ
ずらした状態を示す。この時にはケーブル像が消えてい
る。再びセンサを真上に戻すと、再度ケーブル像が得ら
れている。この実験により、本試作装置により海底面下
に埋設されたケーブル像が得られることを確認できた。
ケーブル像は２６．８ｍから２７．３ｍの範囲に分布し
ているが、局部的には、ケーブル像は２０ｃｍ程度の範
囲におさまっている。厳しくみて、実験時の船体動揺を
１０ｃｍと仮定すれば、距離分解能約１０ｃｍが違成さ
れていることがわかる。

【００１９】なお、水深２６，２７，および２８ｍにし
めされた細い連続線は距離マーカーである。また、実験
では船の位置およびケーブル埋設時の位置は測定精度１
ｍのトランスポンダを用いて精密に測定して位置合わせ
を行った。

【００２０】上記の実験のように、ケーブルのような細
い埋設物でも、センサを真上に保持できれば、保持して
いる間は反射波を受信できる。しかし、センサを潜水艇
等に搭載する場合には、センサがケーブルの上を横切っ
て通過しても、瞬間的にケーブル像がえられるだけでノ
イズとの判別が難しい。また、ケーブルの場合は、埋設
ルートに沿って埋設深度を連続的に測定する必要があ
る。これらの課題を解決するため、図１に示すようにパ
ラメトリック音源および受波器２をケーブルルートなど
進行方向に直交する鉛直な面内で走査することによっ
て、地層からケーブルを連続的に抽出し、かつ埋設深度
を連続測定する機能を付加した。この機能により、前記
の課題を解決できた。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、従来は海底下数ｍま
でに埋設された物体を精度よく感知する方法が無かった
が、本発明によれば、海底下に埋設されたケーブルのよ
うな細い物体を海底面を開削することなく探知し、かつ
その深度を１０ｃｍオーダーの距離分解能で測定するこ
とが可能になった。また、本方法は、同時に海底面表層
近傍の地層を従来に比べ精度よく探査することも可能で
ある。従って、従来は地盤探査装置とケーブル探知器と
いう別個の装置が必要であった海底ケーブル埋設工事
を、本発明の方法を用いた１つの装置で達成することが
可能になり、経費面および設備面での節約が可能にな
る。

【００２２】また、本方法により従来発見が困難であっ
た港湾周辺に残置された機電および沈没船、また古代の
遺跡等の非開削探知が可能になると期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成説明図である。

【図２】本発明に係る超音波周波数と距離分解能の関係
の一例を示す特性図である。

【図３】本発明に係る空間分解能達成のための音源セン
サ直径と周波数の関係の一例を示す特性図である。

【図４】本発明に係るパラメトリック音源の概念図であ
る。

【図５】本発明に係る試作装置による埋設ケーブル像の
一例を示す特性図である。

【図６】本発明に係る海底ケーブルが埋設できる地質の
分析結果の一例を示す説明図である。

【図７】図６の地質において超音波の透過特性を測定し
た結果の一例を示す説明図である。

【図８】本発明に係る試作パラメトリック音源を用いて
通信用の鉄線外装ケーブルのＴＳを測定した結果の一例
を示す説明図である。

【符号の説明】

１…水中艇、２…パラメトリック音源および受波器、３
…パラメトリック音源走査面、４…海底面、５…埋設物
（ケーブル）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二次周波数１０ｋＨｚから３０ｋＨｚの
パラメトリック音源を海中に鉛直下向きに海底面に向か
い合うよう設置し、前記音源を海底面に沿って移動させ
つつ、移動方向に垂直な面内を走査させ、受波器によっ
て反射音圧の変化を測定することを特徴とする海底埋設
物の探査方法。
【請求項２】パラメトリック音源を水中艇に搭載し、
海底面から数ｍの高度を保って海中を移動させることを
特徴とする請求項１記載の海底埋設物の探査方法。
【請求項３】海中に没するように、船腹あるいは水中
艇に取付けられた音源と受波器であって、二次周波数１
０ｋＨｚから３０ｋＨｚの音を海底に向けて発するパラ
メトリック音源と、該パラメトリック音源の海底方向か
らの反射音圧を受ける受波器とから構成されることを特
徴とする海底埋設物の探査装置。