JPH0955707A - 多重超音波による水中超音波伝送装置及び超音波伝送方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 超音波による水中データ伝送は、海面反射に
起因する鏡像干渉による不感領域（ヌル領域）の発生で
受波装置の機能が著しく阻害され、受信データの確実性
に劣る欠陥がある。 【解決手段】 所要の複数の超音波発信源を備え、目的
の送信データをデジタル・コードに変換し、このデータ
を信号変換部で複数の超音波でそれぞれ変調して伝送信
号を作成し電力増幅の後、送波器から海水中に放射する
送波装置と、離隔した他の位置で、これらの送信信号を
受波器で受信し、増幅の後、送信周波数と同じ周波数、
同じチャネル数の検出部で、それぞれ独立して検波し、
当該周波数の信号を取り出し、同期部で、各周波数チャ
ンネルに分割された共通信号ビット対して、時間同期の
調整を行った上、信号処理部で、同期化された各周波数
の共通信号ビットについて論理和判定を受信信号ビット
ごとに繰り返し、結果でえられたデータを受信データと
して取得する受波装置とで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波が海面と海底
間で反射を繰り返しながら伝搬可能な深さ、一般的には
水深５０ｍ程度の海水中で使用される超音波伝送装置及
びその伝送方法に関する。さらには、センサー等により
得た海水中又は海底の環境状況、例えば、水温、水圧、
塩分、潮汐流等の観測データ、魚群等の水中監視デー
タ、海底地質調査データ等のアナログ・データをデジタ
ル・データに変換し、複数の異なる周波数の超音波を使
用して海上に伝達するためのデジタル・データの超音波
伝送装置及びその伝送方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、海水中で情報を伝達するため、超
音波を利用したデジタル・データ超音波伝送装置が使用
されている。例えば、超音波送波装置を海底に設置し、
超音波受波装置を海面に浮かせて設置することにより、
海水中のデータを海上に伝達する目的で使用される。

【０００３】以下、従来のデジタル・データの超音波伝
送装置について図を用いて説明する。図５は従来の超音
波伝送装置において超音波送波装置を海底に、超音波受
波装置を海上に設置した場合の超音波の伝達を説明する
ための説明図、図６は従来の超音波送波装置の回路構成
を示すブロック図、図７は従来の超音波受波装置の回路
構成を示すブロック図、図８は従来のデジタル・データ
の構成例を示す説明図、図９は従来の受波器から送波器
を見た俯角に対する受波器の受信強度との関係を曲線で
表した説明図である。

【０００４】従来の超音波伝送装置は、図６に示す超音
波送波装置１０及び図７に示す超音波受波装置２０とに
より構成される。

【０００５】図６に示すように、超音波送波装置１０は
センサー部１１から得た種々の水中の環境情報をデジタ
ル・データに変換するＡ／Ｄ変換器１２と、超音波変調
周波数発振器１４から発振する超音波周波数でデータを
変調し、伝送信号に変換する信号変換器１３と、前記信
号を増幅する電力増幅部１５と、増幅された信号を送波
する送波器１６とにより構成されている。

【０００６】図７に示すように、超音波受波装置２０は
送波信号を受波する受波器２１と、この受波器２１で受
波した信号を増幅する電力増幅部２２と、この電力増幅
部２２に接続される信号検出器２３と、この信号検出器
２３に接続し、同期信号を発生させる同期信号発生部２
４及びこの信号検出器２３に接続される信号処理部２６
とにより構成されている。

【０００７】以下、超音波伝送装置の動作について説明
する。

【０００８】図６で示すセンサー部１１で得た水温等の
アナログ情報は、Ａ／Ｄ変換器１２により、例えば、図
８に示す１フレーム３３で構成するデジタル・データに
変換する。この１フレーム３３は、同期部３１及びデー
タ部３２の部分に別れたバイナリデジットの信号で形成
され、同期部３１は７ビットからなり、信号フレームの
終了、開始及びデータ送信の発動、同期時期を知らせる
クロック情報で、例えば、１１１１１０のように設定さ
れている。データ部３２は９ビットからなり、各ビット
にアナログ情報の数値を対応させたものである。

【０００９】例えば、アナログ情報が水温の場合には、
第一番目のビットは±、第二番目のビットは１／４とい
うように定め、０．２５°Ｃの精度で６４．７５°Ｃま
での計測信号を伝送する場合の信号構成例を示してい
る。

【００１０】ここで、センサー部１１で得たアナログ情
報が、例えば、＋２１．５°Ｃであったときは、Ａ／Ｄ
変換器１２は１０１１０１０１０というバイナリデジッ
ト信号として変換することとなる。バイナリデジット信
号を使用するのは、超音波による振幅変調等の信号波形
の伝送では、水中伝搬中に外乱を受け易くその波形が崩
れてしまうため、再成形が困難のためである。

【００１１】以上のようにして変換されたデジタル・デ
ータは、信号変換器１３で、超音波変調周波数発振器１
４が発振し、変調波及び搬送波となる周波数３５ｋＨｚ
の超音波で周波数変位変調（ＦＳＫ）され、さらに電力
増幅器１５で増幅され、送波器１６から超音波音響信号
として海中へ発射される。

【００１２】この送波信号は、図７に示す超音波受波装
置２０の受波器２１で受波し、電力増幅部２２で増幅
し、信号検出器２３で検出される。デジタル・データの
信号が送信されているか否かについては、この同期信号
フレームの終了を同期信号発生器２４で検出し信号の同
期を合わせ、信号処理部２６によりデジタル・データ信
号を処理し、目的とする情報が伝達される。

【００１３】この情報は、例えば、図７に示すように信
号処理部２６に接続された無線送信機２７のアンテナ２
８を介して所定の場所へ空中経由で無線送信することが
できる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のデジタ
ル・データによる超音波伝送では、伝送媒体が自然界の
海水であるため、波浪等の環境の変化による外乱を受け
易く、伝送波である超音波は送波器１６から直接伝達す
る直接波と、海面で反射して伝達される海面反射波とが
相互に干渉する鏡像干渉現象が起きる。

【００１５】即ち、図９に表された曲線で示されるよう
に直接波と海面反射波が打ち消しあい、受信音響レベル
が急速に落ち込み、負の無限大となり、受信することが
できないヌル領域３９と、逆に、直接波と海面反射波が
合成されて受信音響レベルが６ｄＢ増大し、最強受信点
３８が発生する。このためヌル領域３９では受信できな
い状態となる。

【００１６】ここで期待できる受信可能領域は、受信強
度６ｄＢから３ｄＢの範囲であり、図９の横軸で示され
る俯角の範囲に制限される問題点がある。

【００１７】以下に、問題点となる鏡像干渉現象の発生
要因等について説明する。

【００１８】図５に示すように超音波伝送装置におい
て、送波器１６の設定水深をＤ２、海面上の受波器２１
の設定水深をＤ１、送波器１６と受波器２１の直接波の
伝送距離をＲｄ、海面反射波の伝送距離をＲｒ、受波器
２１から送波器１６を見た海面に対する俯角をθ、伝送
波の波長をλ、周波数をＦ、角速度をω、水中音速をＣ
とする。

【００１９】受波器２１は、経路ＡＢとする直接波と海
面Ｐ点で反射され、経路ＡＰＢを経由する海面反射波を
受波する。従って、伝送波は直接波及び海面反射波の経
路の違いによる行路差ΔＲに要因して、受波した伝送波
に位相差ΔΦが生ずることとなり、その値は以下の近似
式から得られる。

【００２０】海面反射波の伝送距離Ｒｒは、 Ｒｒ＝ＡＰＢ＝（Ｒｄ²＋４Ｄ₂ ²＋４Ｄ₂Ｒｄ・ＳＩＮθ）^1/2 ＝Ｒｄ＋２Ｄ₂・ＳＩＮθ （式１） 行路差ΔＲは、 ΔＲ＝ＡＰＢ−ＡＢ＝Ｒｒ−Ｒｄ＝２Ｄ₂・ＳＩＮθ （式２） 位相差ΔΦは、 ΔΦ＝４πＤ₂・ＳＩＮθ／λ＝４πＤ₂・Ｆ・ＳＩＮθ／Ｃ （式３） 次に受波器２１で受ける伝送波の受信音響レベルについ
ては、任意の経過時間をｔ、海面反射波の受信点音圧を
Ｐｒ、直接波の受信点音圧をＰｄ、送信音圧をＰｏ、海
水の密度をρ、海面反射率μとすれば、直接波の受信点
音圧Ｐｄは、 Ｐｄ＝ＰｏＥＸＰ（ｊωｔ） （式４） 海面反射波の受信点音圧Ｐｒは、 Ｐｒ＝−μＰｏＥＸＰ（ｊωｔ＋ΔΦ） （式５） で表される。

【００２１】Ｐｄ及びＰｒにより合成された受信音響レ
ベル（インテンシティ）をＩとすれば、 Ｉ＝（Ｐｄ＋Ｐｒ）²／ρＣ ＝Ｐｏ²ＥＸＰ（ｊ２ωｔ）・｛１−μＥＸＰ（ΔΦ）｝²／ρＣ ＝Ｐｏ²ＥＸＰ（ｊ２ωｔ）・ ［｛１−２μＣＯＳ（ΔΦ）＋μ²｛１−２ＳＩＮ²（ΔΦ）｝− ｊ２μ・ＳＩＮ（ΔΦ）｛１−μＣＯＳ（ΔΦ）｝］／ρＣ （式６） ここで、ＳＩＮ²（ΔΦ）＜＜１であるため無視するこ
とができ、受信音響の有効レベル（有効インテンシテ
ィ）ＲＩは、振幅の実数部をとり、次式で近似化するこ
とができる。

【００２２】 ＲＩ＝｛Ｐｏ²／ρＣ｝｛１＋μ²−２μＣＯＳ（ΔΦ）｝ ＝｛Ｐｏ²／ρＣ｝｛１＋μ²−２μＣＯＳ（４πＤ₂ＦＳＩＮθ／Ｃ）｝ （式７） 従って、受信音響レベルＩは、鏡像干渉の発生しない場
合を基準とすると、 ＩｄＢ＝１０ＬＯＧ［１＋μ²−２μＣＯＳ（４πＤ₂・Ｆ・ＳＩＮθ／Ｃ）］ （式８） で示される。以上の（式７）と（式８）から以下の
（１）（２）（３）の結果が得られる。

【００２３】（１）ヌル領域３９及び最強受信点３８は
送波器１６及び受波器２１の位置関係によって変化する
が、俯角θをパラメターとして最強受信点３８及びヌル
領域３９を表すことができる。即ち、最強受信点３８の
俯角θ１（単位は度）は次式で表せる。

【００２４】 θ１＝（１８０／π）ＡＲＣＳＩＮ｛Ｃ（２Ｎ−１）／４Ｄ₂Ｆ｝（式９） また、ヌル領域３９の俯角θ２は次式で表せる。

【００２５】 θ２＝（１８０／π）ＡＲＣＳＩＮ｛Ｃ（Ｎ−１）／２Ｄ2Ｆ｝ （式１０） （２）_ヌル領域３９及び最強受信点３８は伝送周波数に
よって変化する。

【００２６】（３）海面が静穏であれば、海面反射率μ
の絶対値は１に近接し、ヌル領域３９は一層深くなる
が、反射損失が少なくなり、受信音響レベル（インテン
シティ）、即ち、受信可能領域の音響強度は増加する。

【００２７】最強受信点３９の音響強度は、鏡像干渉が
発生しない場合を基準として６ｄＢ程度増加する。海面
が荒れ、波浪が高ければ、海面反射率μの絶対値は０に
近接し、ヌル領域３９は発生しなくなるが、音響強度が
減少する問題点がある。

【００２８】以上のことから、超音波によるデジタル・
データの超音波伝送装置は、超音波受波装置２０又は超
音波送波装置１０が海面近くに設定されると直接波と海
面反射波が鏡像干渉現象を生じやすく、ヌル領域３９と
音響受信可能領域は受波器２１から送波器１６を見る俯
角の関数により干渉縞を形成する。これは、海面状況、
送波器１６と受波器２１の位置関係及び伝送超音波の周
波数の値に影響されることがわかる。

【００２９】海面が完全に静穏であれば超音波は、海面
で入射角と反射角が等しく反射し、反射損失は、海水と
空気の音響インピーダンス値から超音波が水面に垂直に
入射しても空中に透過する音の強さは０．１１％以下で
極めて少なく、海面での反射時点で位相が１８０°反転
することとなり、海面反射率μは−１とされる。

【００３０】海面反射率が−１であれば、受信可能領域
の音の強さレベル、即ち、最強受信の音響強度はほぼ６
ｄＢまでに増強される反面、ヌル領域３９は急速に落ち
込み負の無限大となり鏡像干渉現象が著しく受信に影響
を与えることとなる。

【００３１】逆に、波浪が高く激しくなるにつれて音響
の海面反射は入射角と反射角が異なってきて反射損失が
増大するので海面反射率μが減少する結果となる。

【００３２】その極限において、海面反射率μの値が０
となるとヌル領域３９は発生しなくなるが、海面では超
音波が散乱現象を起こして音響エネルギーの損失が大き
くなってくるため伝送可能距離が短くなる。

【００３３】また、波浪等により海面上にある超音波受
波装置２０が動揺すると、受波器２１への入射角度、即
ち、俯角θが変化することとなり、受波器２１がヌル領
域３９と受信可能領域の入出を繰り返すことになる。こ
こで、ビーム幅で表される受信可能領域▽Ｂ°は、▽Ｂ
°＝４５Ｃ／（πＤ２Ｆ）で表すことができ、伝送周波
数が高くなれば、受信可能領域▽Ｂ°が狭くなることが
分かる。

【００３４】なお、超音波の最も有利な最低周波数Ｆ＝
２０ｋＨｚ，受波器深度＝１ｍの場合について計算する
と、ビーム幅▽Ｂは１．１°、また、別途計算式でヌル
領域幅は１．０°を得るので、１°毎に受信可能領域と
ヌル領域３９が発生することになる。また、超音波受波
装置２１が振幅５°、周期１０秒で動揺すれば１秒ごと
に、振幅１０°で動揺すれば２秒ごとに受信が断続する
ことになる。

【００３５】超音波伝送は、以上の理由で、静穏、荒天
のいずれの海面状況においても使用上受信困難を生じ
る。このため、超音波送波装置１０及び超音波受波装置
２０の関係を思考錯誤によって設定位置を変えながら最
良位置を決めたり、１個の送波器１６に対して数個の受
波器２１を準備し、それぞれの距離を変えて設定しなけ
ればならない等の問題点がある。

【００３６】

【課題を解決するための手段】本発明は、水中データ伝
送における鏡像干渉による不感領域を補正するため、所
要のバイナリ・デジット・データを多重超音波周波数に
よって周波数変位変調（ＦＳＫ）又は位相変位変調（Ｐ
ＲＫ）した伝送方式であるが、この際、（０）（１）信
号にそれぞれ異周波数を付与し伝送するのが実用的であ
る。

【００３７】本発明も、この方式を採用しているが、動
作分析、機能説明が複雑多岐にわたり混乱を招くので、
本発明の基本原理説明に重点をおき、（１）信号のみＦ
ＳＫを行い、（０）信号は無信号とする簡便な伝送方式
で説明する。

【００３８】本発明の超音波伝送では、超音波が海面と
海底間で反射を繰り返しながら伝搬可能な深さの海水中
で使用されるデジタル・データの超音波伝送装置におい
て、２種以上の異なる周波数の発振器を設け、この２種
以上の周波数を用いた信号を送信する超音波送波装置を
構成し、この送波信号に対応して、２種以上の周波数を
それぞれ検出する２個以上の信号検出器を設け、この２
個以上の信号検出器間を接続し、同期信号を発生させる
同期信号発生部と、この２個以上の信号検出器に接続さ
れる信号処理部とで超音波受波装置を構成したものであ
る。

【００３９】超音波送波装置から、超音波受波装置に送
波される超音波を、周波数の異なる第一周波数Ｆ１（以
下「Ｆ１」という。）と第二周波数Ｆ２（以下「Ｆ２」
という。）とを使用し、同一信号についてＦ１とＦ２と
を略同時に変調して発射し、このＦ１が超音波受波装置
において受信不能のヌル領域を発生する際の海水面との
俯角に対して、最強受信点となるよにこのＦ２を選択
し、このＦ１のヌル領域にこのＦ２の最強受信点が畳重
するように周波数の異なる２つの超音波を組み合わせて
送波することにより、俯角に対する受信可能領域とヌル
領域を畳重させて、相互の受信音響レベルの谷と山によ
って、受信音響レベル（インテンシティ）の低下してい
る範囲を最強受信点で補うことにより鏡像干渉による受
信不感度領域を著しく減少させたものである。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。

【００４１】図１は本発明の実施の形態における超音波
送波装置の回路構成を示すブロック図、図２は本発明の
実施の形態における超音波受波装置の回路構成を示すブ
ロック図、図３は本発明の受波器から送波器を見た俯角
に対する受波器の受信強度との関係を曲線に表した説明
図、図４は本発明の送波器から送波した信号と受波器で
受波する信号の処理方法を説明するためのタイム・チャ
ートである。

【００４２】なお、従来技術に示す図６、図７、図８と
同一又は同等の構成要素には、同一の符号を付し、その
重複した説明は省略する。

【００４３】本発明の超音波伝送装置は、図１に示すよ
うにセンサー部１１から得た種々の水中の環境情報をデ
ジタル・データに変換するＡ／Ｄ変換器１２と、Ｆ１発
振器１４ａ及びＦ２発振器１４ｂから発振する周波数で
データを変調し、伝送信号に変換処理する信号変換器１
３と、この信号を増幅する増幅器１５と、増幅された信
号を送波する送波器１６とにより構成される超音波送波
装置１０と、図２に示すように、送信信号を受信する受
波器２１と、この受波器２１で受信した信号を増幅する
電力増幅器２２と、この電力増幅器２２に接続されるＦ
１信号検出器２３ａ及びＦ２信号検出器２３ｂと、この
Ｆ１信号検出器２３ａ及びＦ２信号検出器２３ｂに接続
し、同期信号を発生させる同期信号発生部２４と、この
Ｆ２信号検出器２３ａを直接接続し、Ｆ１信号検出器２
３ｂを遅延回路２５を介して接続する信号処理部２６を
具備する超音波受波装置２０により構成される。

【００４４】本発明の伝送方法は、超音波送波装置から
超音波受波装置に送信される超音波を、周波数の異なる
Ｆ１とＦ２とを使用して同一信号についてＦ１変調に対
してＦ２を１／２ビット幅遅れで変調して発射し、Ｆ１
が超音波受波装置において受信不能のヌル領域を発生す
る際の海水面との俯角に対して、最強受信点となるよに
Ｆ２を選択し、Ｆ１のヌル領域にＦ２の最強受信点が畳
重するように周波数の異なる２の超音波を組み合わせて
送波するようにしたものである。

【００４５】次に、本発明に係る超音波伝送方法につい
て、Ｆ１及びＦ２の異なる２種類の周波数を用いた場合
の鏡像干渉現象について説明する。

【００４６】受波器１６は、Ｆ１及びＦ２の直接波及び
海面反射波の４種の伝送波を受波する。同一周波数にお
いては点音源として球面波伝搬となるため、直接波に対
する海面反射波の受信音響レベルの変化量は、伝搬距離
の３乗に反比例して減少するので無視することができ、
直接波と海面反射波の伝送距離の差による位相変化につ
いて説明する。

【００４７】従来技術で説明したように、本発明のＦ
１、Ｆ２による鏡像干渉現象は単一周波数を用いた場合
と同様に式６、式７及び式８が成立し、Ｆ１及びＦ２の
各伝送波についてそれぞれ独立して鏡像干渉現象が発生
する。

【００４８】Ｆ１及びＦ２の伝送波が干渉して合成され
た受信音響レベル（インテンシティ）は、後述する式１
８のとおり、各周波数の音圧の２乗と、両周波数音圧の
積のＣＯＳ｛２π（Ｆ２−Ｆ１）｝の和に対し、鏡像干
渉の振幅との積となる。

【００４９】即ち、両者の周波数差（Ｆ１−Ｆ２）の位
相変化が時間経過及び伝搬距離とともに変化する振幅を
有することになる。２波のＦ１及びＦ２の音源音圧を伝
搬中の拡散、吸収損失等を無視した模似式それぞれＰ10
及びＰ20で表せば、_Ｆ１の直_接波の音圧Ｐ1ｄ、海面反
射波の音圧Ｐ₁ｒは、 Ｐ1ｄ＝Ｐ10Ｅ_ＸＰ1ｄ（ｊ_ω1ｔ） （式１１） Ｐ1ｒ＝−μＰ10ＥＸＰ（ｊ_ω1ｔ＋ｊΔ_Φ） （式１２） Ｆ２の直接波の音圧Ｐ2ｄ、海面反射波の音圧Ｐ₂ｒは、 Ｐ2ｒ＝Ｐ20Ｅ_ＸＰ（ｊω2_ｔ） （式１３） Ｐ2ｒ＝−μＰ20ＥＸＰ（ｊ_ω2ｔ＋ｊΔ_Φ） （式１４） Ｆ１の直接波の音圧Ｐ1ｄと海面反射波の音圧Ｐ₁ｒの合
成音圧Ｐ1は、_Ｐ 1＝Ｐ1ｄ＋Ｐ1_ｒ ＝_Ｐ10Ｅ_ＸＰ（_ｊω1ｔ）｛１₋μＰ10ＥＸＰ_（ｊΔΦ）｝ _（式１５） Ｆ２の直接波の音圧Ｐ2ｄと海面反射波の音圧Ｐ₂ｒの合
成音圧Ｐ2は、_Ｐ 2＝Ｐ2ｄ＋Ｐ2_ｒ＝Ｐ20Ｅ_ＸＰ_（ｊω2_ｔ）（１₋μＰ20ＥＸＰ_（ｊΔΦ） （式１６） Ｆ１及びＦ２の合成総合音圧Ｐｔは、 Ｐｔ＝Ｐ1＋Ｐ2＝｛１−μＥＸＰ_（ｊΔ_Φ）｝｛Ｐ10ＥＸＰ（ｊω1ｔ） ＋Ｐ20ＥＸ_Ｐ（ｊω2ｔ）｝ _（式１７） 合_成音インテンシィＩは、 Ｉ＝｛１−μＥＸＰ（ｊΔΦ）｝2｛Ｐ10ＥＸＰ（ｊω1ｔ^） ＋Ｐ20ＥＸ_Ｐ（ｊω2ｔ）｝2_／ρｃ （式１８） 実数部インテンシィＲＩは、 ＲＩ＝｛１＋μ2−２μＣＯＳ（ΔΦ）｝^［Ｐ102＋Ｐ202 ＋２_Ｐ ¹0Ｐ2_0Ｃ ^ＯＳ｛２π（Ｆ_２−_Ｆ１）ｔ｝］／ρｃ （式１９） ＲＩは、一種の「うなり現象」を示しているが、伝送波
に超音波を使用しているので、最小周波数２０ｋＨｚ
（波長７．５ｃｍ）以上の周波数に対しては、周波数差
（Ｆ２−Ｆ１）を１０ｋＨｚ以下に選んでおけば、波長
は、新規にできる周波数１０ｋＨｚ（波長さ１５ｃｍ）
以下の可聴音波の領域となり、超音波受波装置２０にお
けるＦ１及びＦ２の各信号検出器によって、超音波の伝
送周波数と新規に発生する可聴周波（Ｆ２−Ｆ１）は厳
密に検出選別されるので、可聴周波数の音響が超音波受
波装置２０に支障を起こすことはない。

【００５０】従って、本発明の超音波伝送方法では、伝
送波の多重周波数によって超音波受波装置２０は影響を
受けることはない。

【００５１】鏡像干渉現象による音響レベルの強、弱
（山、谷）のパターンは、受波器２１から送波器１６を
見る俯角の関数に基づく干渉縞を形成するから、発生し
た多数のヌル領域３９又は受信可能領域を水面に近い方
から順番に、例えば、１，２，３……と領域番号を付
け、Ｆ１のＮ１番目のヌル領域３９とＦ２の最強受信点
３８のＮ２番目とが同じ俯角で一致するように選択すれ
ば、両波の間に成立する次の関係を利用することができ
る。

【００５２】 （２×Ｎ２−１）／（Ｎ１−１）＝２（Ｆ２／Ｆ１） （式２０） Ｆ１及び送波器１６と受波器２１の位置が設定されれ
ば、式２０によって、受波器２１から送波器１６を見る
俯角が決まり、Ｎ１とＮ２が決まるのでＦ２を容易に決
定することができる。

【００５３】同一俯角において、Ｆ１の周波数を３０ｋ
Ｈｚとし、そのヌル領域３９にＦ２の周波数を３５ｋＨ
ｚとして、その最強受信点３８を畳重する場合、式２０
において、Ｎ１＝Ｎ２＝Ｎとして、それぞれの周波数を
代入すれば、 （２Ｎ−１）／（Ｎ−１）＝２（３５×１０3／３０×
１０3） から^Ｎ＝４を得る。 これはＦ１について水平面から４つ
目のヌル領域３９、Ｆ２についても４つ目の最強受信点
３８が同一の俯角で一致していることを示している。

【００５４】この俯角は、式９及び式１０からそれぞれ
計算することができ、俯角θは４．３０１°となり、両
波の俯角が一致していることが分かる。

【００５５】次に、鏡像干渉による各周波数に対する単
一波伝送のビーム幅は、３ｄＢレベル線に音波強度曲線
が交わる曲線の幅であり、前述したように以下の△Ｂで
計算される。

【００５６】従って、Ｆ１（３０ｋＨｚ）の単独の受信
可能領域△Ｂは、 △Ｂ＝４５Ｃ／（πＤ２Ｆ）＝４５×１５００／（π３×１０4） ＝０．７^１６° 同様にＦ２（３５ｋＨｚ）の単独の受信可能領域△Ｂ
は、 △Ｂ＝０．６１４° となる。

【００５７】ここで、本発明のＦ１とＦ２による受信可
能領域について図３及び表を用いて説明する。

【００５８】表１及び表２は、受波器１０の深度Ｄ２
（１ｍ）、静穏な海面（海面反射率μ＝−１）におい
て、Ｆ１を３０ｋＨｚ、Ｆ２を３５ｋＨｚとした場合、
理論計算によって、受信点において鏡像干渉が発生しな
い場合を基準とする音響レベルで、発生時の音響の強さ
について次の主要点を受波器２１から送波器１６を見る
俯角（度単位）で表した。−∞（ヌル点）０，３，６
（最大強度），３，０ｄＢのように山と谷が周期的に繰
り返されるので、繰り返し順序回数をヌル発生番号とし
た。

【００５９】

【表１】

【表２】 図３で示すように、Ｆ１ヌル位置へＦ２の最大強度位置
を畳重させた場合の受信可能領域は、求めた畳重俯角θ
を中心として、両波の音響強度曲線が継続して３ｄＢレ
ベル線以上を越える範囲が受信可能領域となり、計算値
の数字では表１及び表２の塗りつぶした範囲、即ち、Ｆ
１は、２．８７から５．５０、Ｆ２は、２．７６から
５．８４で示すように、ビーム幅（４．３°±１．５４
°ビーム）と同じ効果を持つことになる。

【００６０】よって、図３に示すように約３．０８°が
有効な受信領域（合成ビーム幅）となり、受信強度が最
も有効な範囲となり、従来の伝送方法の受信可能領域よ
りも約４〜５倍に拡大されたことになる。

【００６１】次に、本発明の超音波伝送方法について図
面を用いて説明する。

【００６２】図１に示す超音波送波装置１０は、従来技
術と同様にセンサー部１１で周辺の海水温度を測定した
アナログ情報（電圧）をＡ／Ｄ変換器１２でデジタル量
に変換し、図４（ａ）に示すデジタル・データとして信
号変換器１３へ送る。

【００６３】信号変換器１３では、Ｆ１発振器１４ａ及
びＦ２発振器１４ｂからＦ１及びＦ２の２波の超音波周
波数によつて、図４（ｂ）のとおり、１ビットを２分割
にして、それぞれ１／２ビットごとにＦ１及びＦ２の伝
送超音波で変調し、送信信号の原形を作成して、電力増
幅部１５へ伝送する。

【００６４】Ｆ１及びＦ２の２つの周波数で変調を受け
た信号は電力増幅部１５で所要の送信電力までに増幅
し、図４（ｂ）に示す伝送信号として送波器１６から無
指向性で海中へ放射される。

【００６５】海面に浮上しているの超音波受波装置２０
は、超音波送波装置１０から２重波の超音波信号Ｆ１及
びＦ２の伝送信号を受信することになるが、海面の波浪
による動揺、反射損失又は鏡像干渉のため、送信された
とおりの信号を正しく受信できない。

【００６６】即ち、１ビット信号に対してＦ１、Ｆ２両
波の信号とも受信、Ｆ１又はＦ２のいずれか１波のみ受
信、Ｆ１、Ｆ２両波とも受信できない（この場合は、受
信無しと判定するが、２波の受信をミスしたのかも知れ
ない危険がある。）。

【００６７】以上の４つの事象が発生する。

【００６８】本発明の実施の形態において、受波器２１
は、図４（ｃ）に示すデータ信号を受信したものと想定
すると、受信信号は、電力増幅部２２で、検波レベルに
増幅され、各信号データの１ビット到来ごとに、それぞ
れＦ１信号検出器２３ａ及びＦ２信号検出器２３ｂで１
／２ビツト分割された信号が検出される。

【００６９】同期信号発生部２４は、図８の伝送信号の
構成で示すように同期部３１において、超音波送波装置
１０から伝送初頭にデータの付加されて送信されてくる
同期信号を受信し、超音波送波装置１０のデータを時間
的に正しく読み込むため、図４（ｇ）に示す同期信号
（クロック信号）のとおり伝送時間に対応する超音波受
波装置内部の同期信号を発生するものである。

【００７０】Ｆ１信号検出器２３ａからの出力信号は、
Ｆ２信号検出器２３ｂのからの号よりも１／２ビットの
秒時だけ進んでいるため、遅延回路２５で遅延をかけＦ
２信号検出器２３ｂからの信号と同期をとるためのもの
である。

【００７１】その出力は、図４（ｅ）に示している。Ｆ
２信号検出器２３ｂからの出力信号は、そのまま信号処
理部２６へ伝達される。

【００７２】信号処理部２６においては、同期を取るた
めの同期信号（クロック信号）、遅延されたＦ１出力信
号及びＦ２出力信号を受信し、同期信号（クロック信
号）を受信した時点におけるＦ１及びＦ２出力信号の論
理和を取ることによって、受信データを作成することと
なる。

【００７３】本発明の一実施例では、Ｆ１及びＦ２につ
いて畳重させる場合について説明したが、さらに第三周
波数Ｆ３をＦ１及びＦ２の周波数に畳重させ１ビットご
とに３分割して送受信することにより受信可能領域をさ
らに拡大することが可能である。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波伝
送装置及び伝送方法は、異なる２種以上の周波数を使用
し、鏡像干渉現象を利用して第一周波数により生ずるヌ
ル領域を第二周波数で生ずる最強受信点でカバーするよ
うにしたことによって、受信可能領域を著しく拡大する
ことができる。

【００７５】従って、海上に設置された超音波受波装置
の動揺による受信角度の変化に伴う受信不能の領域は極
めて小さくなり、安定した確実なデータの伝送がえられ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における超音波送波装置の
回路構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の実施の形態における超音波受波装置の
回路構成を示すブロック図である。

【図３】本発明の受波器から送波器を見た俯角と受波器
の受信強度との関係を曲線に表した説明図である。

【図４】本発明の送波器から送波した信号と受波器で受
波する信号の処理方法を説明するためのタイム・チャー
トである。

【図５】従来の超音波伝送装置において超音波送波装置
を海底に、超音波受波装置を海上に設置した場合の、超
音波の伝達を説明するための説明図である。

【図６】従来の超音波送波装置の回路構成を示すブロッ
ク図である。

【図７】従来の超音波受波装置の回路構成を示すブロッ
ク図である。

【図８】従来のデジタル・データ信号の構成例を示す説
明図である。

【図９】従来の受波器から送波器を見た俯角と受波器の
受信強度との関係を曲線に表した説明図である。

【符号の説明】

１０ 超音波送波装置 １１ センサー部 １２ Ａ／Ｄ変換器 １３ 信号変換器 １４ 超音波変調周波数発振器 １４ａ Ｆ１発振器 １４ｂ Ｆ２発振器 １５ 電力増幅部 １６ 送波器 ２０ 超音波受波装置 ２１ 受波器 ２２ 電力増幅部 ２３ａ Ｆ１信号検出器 ２３ｂ Ｆ２信号検出器 ２４ 同期信号発生部 ２５ 遅延回路 ２６ 信号処理部 ２７ 無線送信機 ２８ アンテナ ３１ 同期部 ３２ データ部 ３３ １フレーム ３８ 最強受信点 ３９ ヌル領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 薫 神奈川県横浜市港北区新吉田町781番地ジ ェイ・アール・シー特機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波が海面と海底間で反射を繰り返し
   ながら伝搬可能な深さの海水中で使用されるデジタル・
   データの超音波伝送装置において、センサー部で得た情
   報をデジタル・データ信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   ２個以上の発振器から発振する２種以上の異なる周波数
   をキャリヤとして１ビットの信号を形成するようにデー
   タを変調し伝送信号に変換する信号変換器と、前記信号
   を増幅する電力増幅部と、増幅された２種以上の異なる
   周波数を用いた信号を送信する送波器とを具備する超音
   波送波装置と、該超音波送波装置からの送信信号を受波
   する受波器と、該受波器から得られる２種以上の周波数
   を用いた信号を増幅する電力増幅部と、該電力増幅部に
   接続される２個以上の信号検出器と、該２個以上の信号
   検出器に接続して、同期信号を発生させる同期信号発生
   部と、前記２個以上の信号検出器を信号処理部に接続
   し、前記２個以上の信号検出器のうち一の信号検出器が
   遅延回路を介して前記信号処理部に接続される超音波超
   音波受波装置とにより構成されることを特徴とする水中
   超音波伝送装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された超音波送波装置か
   ら、請求項２に記載された超音波受波装置に送信される
   超音波を、周波数の異なる第一周波数Ｆ１と第二周波数
   Ｆ２と搬送波として同一のビット信号について前記第一
   周波数Ｆ１の変調に対して１／２ビット幅の遅れで前記
   第二周波数Ｆ２を変調して発射し、前記第一周波数Ｆ１
   が超音波受波装置において受信不能のヌル領域を発生す
   る際の海水面との俯角に対して、最強受信点となるよう
   に前記第二周波数Ｆ２を選択し、前記第一周波数Ｆ１の
   ヌル領域に前記第二周波数Ｆ２の最強受信点が畳重する
   ように周波数の異なる２つの超音波を組み合わせて送波
   することを特徴とするデジタル・データの水中超音波伝
   送方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載された超音波伝送方法に
   おいて、伝送信号を構成するバイナリ・デジット・デー
   タ（１）、（０）の信号に関して前記（１）の信号に
   は、請求項２に記載した周波数の異なる第一周波数Ｆ１
   と第二周波数Ｆ２とキャリヤとして同一ビットの信号を
   略同時に変調して発射し、前記（０）の信号に対しても
   第三周波数Ｆ３と第四周波数Ｆ４を付与し、当該第一周
   波数Ｆ１から第四周波数Ｆ４の４波をもって相互に変調
   キャリヤとして送波器から発射し、当該４波の受信信号
   についてそれぞれ検出、信号処理を行い前記（１）の信
   号の裏信号として（０）の信号を利用し受信信号の確認
   を行うことを特徴とする水中超音波伝送方法。