(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中伝達によって送信された水中伝播信号を受信する受信装置において、
信号入力部に過大入力保護手段を設け、
前記過大入力保護手段の出力側に、設定した周波数以上の周波数信号を通過させるとともに振幅圧縮機能を有した第１の増幅手段と、設定した周波数以下の周波数信号を通過させるとともに振幅圧縮機能を有した第２の増幅手段とを直列に設け、
前記第１および第２の増幅手段の直列体の出力側に、振幅圧縮機能を有し所望の周波数信号を選択する第３の増幅手段を設け、
前記第３の増幅手段の出力側に、該第３の増幅手段の出力信号のうち、所定レベル以上であり且つ所定時間以上持続する信号を出力する検波手段を設けて構成したことを特徴とする水中伝播信号の受信装置。
【請求項２】
前記第１および第２および第３の増幅手段の各振幅圧縮機能は、信号振幅の極性に対して略対称的な圧縮特性を有していることを特徴とする請求項１に記載の水中伝播信号の受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば所定深度の地下から発信され、水中伝達により地上に達した信号を受信する水中伝播信号の受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、所定深度の地下に存在する信号源から発信され、水中伝達により送信された信号を受信する装置は、例えば図４のように構成されていた。図４において、１ａ，１ｂは信号入力部の入力端子であり、地上の受信地点に設けられている。
【０００３】
入力端子１ａ，１ｂから入力された入力信号は狭帯域ろ波器２ａにより所定周波数帯のみがろ波されて増幅器３ａによって増幅され、さらに狭帯域ろ波器２ｂにより所定周波数帯のみがろ波されて増幅器３ｂによって増幅される。
【０００４】
４は増幅器３ｂの出力信号の中から参照用しきい値を越えるレベルの信号を検出するキャリア検出器である。このキャリア検出器４で検出された信号はデジタル信号処理回路５でデジタル信号に変換処理される。
【０００５】
図４の構成は通常、通信事業者の回線で採用されている手法であり、狭帯域のろ波器２ａ，２ｂをできるだけ前段に配備するのは、不要な周波数成分を早めに除去し、混変調などの発生を防止し、目的とする受信周波数を重点的に増幅させるためである。
【０００６】
通信事業者の回線の場合、受信入力レベルは低くとも−４３ｄＢｍ程度であり、このレベルのキャリア検出ができればよいので、受信器の増幅度も６０ｄＢ程度で十分である。また、受信不感動レベルを例えば−４８ｄＢｍに設定しても、回線の雑音レベルはそれより十分低いので、雑音が不感動レベルを左右することはない。これらの優位性は、通信事業者が低損失で低雑音な質の良い回線を常に提供するようにしているため可能なのである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、建造物の基礎工事用掘削機のように、例えば８０ｍ程度の地下の水中で動作する機械の動作情報を地下から発信し地上で受信する場合、図４のような従来の技術で受信できるのは掘削機の深度で１５ｍ位までである。４０ｍあるいはそれより深い所で動作する掘削機の発信する信号の減衰度は大きく、信号を受信するには、１４０ｄＢ程度以上の増幅度がないと実用にならない。
【０００８】
ここで従来の図４の装置のように、狭帯域のろ波器を前段に配置する方法によって、１４０ｄＢ以上の高い増幅度を全体で得ようとするなら、通常の技術では至難の業である。なぜならば狭帯域ろ波器の中心付近に於ける周波数で位相の変位が大きいためである。すなわち浮遊容量が微少であっても、また電源又は接地回路系の導体のインダクタンスが微少であっても、高い増幅度と位相変位との相乗効果で発振を起こすためである。
【０００９】
また一般的には、たとえ外部から混入する雑音がなくても、受信器の入力回路の抵抗で発生する熱雑音やショットノイズが存在するので、それより低いレベルの入力信号を増幅するのは原理的に不可能であるとされていることである。
【００１０】
また、従来のキャリア検出方法は、例えば図４のキャリア検出器４のように信号が存在するか否かの判断であり、検出する信号が参照するしきい値を越えるレベルであるか否かで判断している。このため雑音レベルよりも入力信号が十分高くないと判断が曖昧になってしまう。すなわち雑音に埋もれかけている信号のキャリア検知は従来の技術では不可能である。
【００１１】
さらに従来の技術を導入したとき、掘削機で作業を開始したときは地下０ｍのところに発信器があり、受信レベルは＋数１０ｄＢｍ相当と高い。一方地下４０ｍ以下から発信された信号の地上での受信レベルは−１４０ｄＢｍ相当以下であり、入力回路の抵抗で発生する雑音や、入力回路に混入する雑音に埋もれかけている。
【００１２】
このような入力信号のレベル差がそのまま検波器に入力されると、信号の有り無しの識別が困難である。これに対しては、通常、自動利得調整回路で対処しているが、雑音レベルに埋もれかけた微弱な信号の自動利得調整機能は動作しない。
【００１３】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものでその目的は、発振を起こさずに十分な増幅度が得られるとともに雑音に埋もれかけている信号の検出を可能とし、且つ入力信号のレベル差が大であっても確実に信号の有無の識別を行うことができる水中伝播信号の受信装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の水中伝播信号の受信装置は、水中伝達によって送信された水中伝播信号を受信する受信装置において、信号入力部に過大入力保護手段を設け、前記過大入力保護手段の出力側に、設定した周波数以上の周波数信号を通過させるとともに振幅圧縮機能を有した第１の増幅手段と、設定した周波数以下の周波数信号を通過させるとともに振幅圧縮機能を有した第２の増幅手段とを直列に設け、前記第１および第２の増幅手段の直列体の出力側に、振幅圧縮機能を有し所望の周波数信号を選択する第３の増幅手段を設け、前記第３の増幅手段の出力側に、該第３の増幅手段の出力信号のうち、所定レベル以上であり且つ所定時間以上持続する信号を出力する検波手段を設けて構成したことを特徴としており、
また前記第１および第２および第３の増幅手段の各振幅圧縮機能は、信号振幅の極性に対して略対称的な圧縮特性を有していることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら本発明の一実施形態例を説明する。図１において図４と同一部分は同一符号をもって示している。入力端子１ａ，１ｂから入力された入力信号は過大入力保護回路１０を介して高域ろ波器１１に供給され、設定周波数以上の周波数信号のみが通過する。この高域ろ波器１１の出力信号は増幅器３ｃで増幅された後、振幅制限回路１２ａにおいて振幅が制限される。
【００１６】
振幅制限回路１２ａの出力信号は低域ろ波器１３に供給されて、設定周波数以下の周波数信号のみが通過する。この低域ろ波器１３の出力信号は増幅器３ｄで増幅された後、振幅制限回路１２ｂにおいて振幅が制限される。
【００１７】
振幅制限回路１２ｂの出力信号は増幅器３ｅで増幅された後、振幅制限回路１２ｃにおいて振幅が制限される。振幅制限回路１２ｃの出力信号は選択増幅器１４に供給されて所望の周波数信号のみが選択増幅される。
【００１８】
選択増幅器１４の出力信号は検波器１５において参照用しきい値と比較されて該しきい値以上のレベルの信号が抽出される。検波器１５の出力信号はキャリア判定器１６において、その持続時間が設定時間以上であるか否かが判定され、設定時間以上継続した信号が目的とする受信信号として出力される。
【００１９】
このキャリア判定１６の出力信号はデジタル信号処理回路５でデジタル信号に変換される。
【００２０】
また前記高域ろ波器１１、低域ろ波器１３および増幅器３ｃ〜３ｅを振幅圧縮回路付きとして構成した実施形態例を図２に示す。図２において図１と同一部分は同一符号をもって示している。
【００２１】
入力端子１ａ，１ｂから入力された入力信号は過大入力保護回路１０を介して振幅圧縮回路付高域ろ波増幅器２０ａに供給される。この振幅圧縮回路付高域ろ波増幅器２０ａは設定周波数以上の周波数信号を通過させて増幅するとともに振幅圧縮を行う。
【００２２】
振幅圧縮回路付高域ろ波増幅器２０ａの出力信号は振幅圧縮回路付低域ろ波増幅器２１ａに供給される。この振幅圧縮回路付低域ろ波増幅器２１ａは設定周波数以下の周波数信号を通過させて増幅するとともに振幅圧縮を行う。
【００２３】
振幅圧縮回路付低域ろ波増幅器２１ａの出力信号は振幅圧縮回路付高域ろ波増幅器２０ｂに供給される。この振幅圧縮回路付高域ろ波増幅器２０ｂは設定周波数以上の周波数信号を通過させて増幅するとともに振幅圧縮を行う。
【００２４】
振幅圧縮回路付高域ろ波増幅器２０ｂの出力信号は振幅圧縮回路付低域ろ波増幅器２１ｂに供給される。この振幅圧縮回路付低域ろ波増幅器２１ｂは設定周波数以下の周波数信号を通過させて増幅するとともに振幅圧縮を行う。
【００２５】
振幅圧縮回路付低域ろ波増幅器２１ｂの出力信号は選択増幅器１４ａ，１４ｂに供給される。選択増幅器１４ａ，１４ｂは所望の周波数信号Ｆa，ＦZのみを各々選択増幅し、検波器１５ａ，１５ｂに各々出力する。検波器１５ａ，１５ｂは各入力信号と参照用しきい値とを比較し、該しきい値以上のレベルの信号を抽出する。検波器１５ａ，１５ｂの出力信号はキャリア判定器１６において、その持続時間が設定時間以上であるか否かが判定され、設定時間以上継続した信号が目的とする受信信号として出力される。
【００２６】
このキャリア判定器１６の出力信号はデジタル信号処理回路５でデジタル信号に変換される。
【００２７】
前記図１、図２の回路構成において、振幅制限回路１２ａ〜１２ｃおよび振幅圧縮回路付高域ろ波増幅器２０ａ，２０ｂおよび振幅圧縮回路付低域ろ波増幅器２１ａ，２１ｂの各振幅圧縮機能は、図３に示すように入力信号振幅の極性に対して略対称的な圧縮特性を有している。
【００２８】
この振幅圧縮回路（振幅制限回路）は、ダイオード２個を逆向きに並列接続した形式で振幅制限を行う回路が基本である。ゲルマニウムダイオードなら順方向の飽和電圧が約０．３Ｖで、シリコンダイオードなら約０．７Ｖである。
【００２９】
例えばゲルマニウムダイオードのみで振幅圧縮回路（振幅制限回路）を構成するならば、縦続増幅段の回路上のどの点もピークで±０．３Ｖを越えないから、内部で自己発振が起きにくい。微少レベルを扱う初段の増幅器を含めて、全ての増幅器にこの振幅圧縮回路（振幅制限回路）を入れることがこの発明の要点である。なおこの飽和電圧より十分低いレベルの信号への振幅圧縮効果はないので、相応の利得が得られる。
【００３０】
また、前段で狭帯域ろ波器を使用せず、高域ろ波器と低域ろ波器のみを使用するので、各段での位相の大幅な変位がないため、やはり内部で自己発振が起きにくい。
【００３１】
選択増幅器１４，１４ａ，１４ｂの役目は、目的とする受信信号のみを選択することにあるが、その入力は、受信入力信号、外部からの雑音、入力回路の抵抗で発生した雑音、段間で発生した雑音等が混合し振幅圧縮を受けた信号となっている。
【００３２】
この選択増幅器１４，１４ａ，１４ｂの選択度が高いほど雑音に埋もれかけた信号を取り出しやすい。ただし増幅度が高すぎると、出力振幅がほぼ供給電源一杯まで振れることになり、内部結合で発振状態に陥る恐れがあるので適切に調整することが必要である。
【００３３】
選択増幅器１４，１４ａ，１４ｂの直前にシリコンダイオードによる振幅圧縮器を使用すると、選択増幅器の増幅度をあまり高くしなくても必要な検波入力レベルが得られるので、発振防止になる。
【００３４】
検波器１５，１５ａ，１５ｂは崩落線検波器でもよいが、コヒーレント検波器ならさらに信号対雑音比が低下しても安定な受信が期待できる。雑音の周波数成分は雑多であり、雑音周波数が受信しようとする信号周波数をよぎることがある。
【００３５】
これは確率的に起こり得る現象であるが、通常、その周波数範囲に留まる時間、すなわち選択増幅器１４，１４ａ，１４ｂから出力される時間がある一定時間以内であることや、経験的に波形で３周期以下であること等を確認している。
【００３６】
したがって本発明ではキャリア検出に際し、レベルのしきい値を設定し、しきい値以上の信号であることをキャリア検出の最初の条件とし、さらにその持続時間も含めて判定する（キャリア判定器１６）ように構成している。前記しきい値以上の信号の持続時間はタイムパルスでカウントするか、積分回路で遅延させる等の手段を講じることにより、十分実用になる。
【００３７】
ただしこの判定に必要な時間が無駄になり、伝送速度を遅くしなければならなくなるので、可聴周波数帯での伝送であれば５０〜１００ｂｐｓ程度での運用とする。
【００３８】
さらに、本発明の回路方式によれば、例えば地下深度の違いにより入力信号のレベルに２００ｄＢ程度の差があっても、受信装置の入力段に設けた過大入力保護回路により保護することができ、十分に適応することができる。
【００３９】
これに対して通常の自動利得調整装置では、信号レベルが雑音に埋もれかけているような微弱な入力に対してまで適応できない。
【００４０】
尚前記振幅圧縮回路（振幅制限回路）は、入力信号振幅の極性に対する圧縮特性が略対称的な振幅圧縮回路を使用しているので、奇数次の高調波が内部で発生することを抑制することができる。
【００４１】
また本発明のより具体的な実施形態例としては、図２の選択増幅器１４ａ，１４ｂの設定周波数Ｆa，ＦZを、例えば周波数変調方式でＦa＝２１００ＨZ，ＦZ＝１３００ＨZに設定する。
【００４２】
この場合はＦZ＝１３００ＨZとしたので、高域ろ波器（２０ａ，２０ｂ）の帯域は１３００ＨZ以上に設定し、またＦa＝２１００ＨZとしたので、低域ろ波器（２１ａ，２１ｂ）の帯域は２１００ＨZ以下に設定する。
【００４３】
そして通信速度を１００ｂｐｓとしたとき、ＦaまたはＦZの最低持続時間が１０ｍｓなので、キャリア判定器１６の信号持続判定時間を３ｍｓ程度に設定する。また通信速度を５０ｂｐｓとしたときは、ＦaまたはＦZの最低持続時間が２０ｍｓなので、キャリア判定器１６の信号持続判定時間を５〜７ｍｓ程度に設定することができる。通信速度を下げるにしたがい、ビット誤り率の向上が期待できる。
【００４４】
尚前記実施形態例では、高域ろ波を行った後に低域ろ波を行っているが、これに限らず低域ろ波を行った後に高域ろ波を行うように構成しても良い。
【００４５】
また本発明を構成する第１〜第３の増幅手段および検波手段は、前記実施形態例のものに限らず、同様の機能を有する他の回路で構成しても良い。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、第１〜第３の増幅手段は振幅圧縮機能を有しているので、内部自己発振は起こらず、十分な増幅度を得ることができる。
【００４７】
また装置の前段において狭帯域ろ波器を使用しないので、各段における位相の大幅な変位がないため、内部自己発振は起こらず、十分な増幅度を得ることができる。
【００４８】
また検波手段は、所望の周波数信号を選択した信号のうち、所定レベル以上であり且つ所定時間以上持続する信号を出力するように構成しているので、雑音に埋もれかけている弱い信号も検出することができる。
【００４９】
また過大入力保護手段を設けているので、レベル差の大きい入力信号に対しても十分に信号の有無を検出することができる。特に、例えば掘削機の動作により地下０ｍから地下４０ｍ以下（例えば８０ｍ）の深度まで発信器が移動するように、受信した入力レベル差が極めて大きい信号を取り扱う分野に適用して、大きな効果を奏する。
【００５０】
また第１〜第３の増幅手段の各振幅圧縮機能を、信号振幅の極性に対して略対称的な圧縮特性を有するように構成することにより、奇数次の高調波が内部で発生することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例を表すブロック図。
【図２】本発明の他の実施形態例を表すブロック図。
【図３】本発明の振幅圧縮機能の入出力特性を表す特性図。
【図４】従来の水中伝播信号の受信装置の一例を示すブロック図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…入力端子
３ａ〜３ｅ…増幅器
５…デジタル信号処理回路
１０…過大入力保護回路
１１…高域ろ波器
１２ａ〜１２ｃ…振幅制限回路
１３…低域ろ波器
１４，１４ａ，１４ｂ…選択増幅器
１５，１５ａ，１５ｂ…検波器
１６…キャリア判定器
２０ａ，２０ｂ…振幅圧縮回路付高域ろ波増幅器
２１ａ，２１ｂ…振幅圧縮回路付低域ろ波増幅器
【図１】
0003540715.tif 000002
【図２】
0003540715.tif 000003
【図３】
0003540715.tif 000004
【図４】
0003540715.tif 000005