(57)【要約】【解決手段】  高周波数の音響信号を用いて潜水艦の船体または他の中身の詰まった境界を貫いてデータ転送するための装置、方法が提供される。こうして船体または境界を貫通することを回避する。第１、第２変換器が船体の対向する表面上に取り付けられるとともに船体を貫いて音響信号を通信できるように位置合わせされる。第１変換器は、データで変調された連続的な波形搬送信号によって駆動される。復調器は、変調音響信号内のデータが第２変換器によって受信されたことを検出する。第１、第２変換器の寸法および搬送信号の周波数は船体を貫くトリプル・トランジット信号による干渉が少なくとも１ＭＨｚのビット・レートでの船体を貫く連続的なデータ通信が可能になるのに十分低いレベルまで減少するように選択されることが重要である。４０ＭＨｚのオーダーの搬送信号が用いられて船体を貫く１５乃至１８ＭＨｚのオーダーのデータ・ビット・レートが達成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中実の（solid）剛体の基板を貫いてデータを通信するための装置であって、
前記基板の１つの面上に取り付けられた第１音響変換器と、
前記基板の第２面上に取り付けられ、前記第１音響変換器から発せられる音響信号を受信するように配置された、第２音響変換器と、
前記第１音響変換器を、データで変調された連続的な波形搬送信号で電圧を印加するための電圧印加手段と、
前記第２変換器によって検出された音響信号内の変調されたデータを検出するための復号器と、
を具備し、
前記第１、第２変換器の寸法および前記搬送信号の周波数は、前記基板を貫くトリプル・トランジット信号による干渉を少なくとも１ＭＨｚのビット・レートで前記基板を貫いた連続的なデータ通信を可能にする程度に十分に低いレベルまで減じるように選択される装置。
【請求項２】
前記電圧印加手段は、２５ＭＨｚおよび７２ＭＨｚの間の連続的な波形搬送信号を生成するように動作可能である、請求項１の装置。
【請求項３】
前記データ通信ビット・レートは、少なくとも１０ＭＨｚである、請求項２の装置。
【請求項４】
前記電圧印加手段は、前記第１変換器用の無線周波数整合回路をさらに具備する、請求項１乃至３のいずれか１項の装置。
【請求項５】
前記基板は金属構造の一部である、先行する請求項のいずれか１項の装置。
【請求項６】
前記金属構造は鋼鉄の潜水艦船体である、請求項５の装置。
【請求項７】
前記金属構造は加圧された容器である、請求項５の装置。
【請求項８】
中実の（solid）剛体の基板の両面に搭載された第１音響変換器および第２音響変換器の間で前記基板を貫いて送信される音響信号を用いて前記基板を貫いてデータを通信するための方法であって、
（ｉ）データで変調された連続的な波形搬送信号で前記第１変換器に電圧を印加する工程と、
（ｉｉ）前記第２変換器において、前記第１変換器によって前記基板を貫いて送信された音響信号を検出するとともにその中の変調されたデータを検出する工程と、
を具備し、
前記第１、第２変換器の寸法および前記搬送信号の周波数は、前記基板を貫くトリプル・トランジット信号による干渉を少なくとも１ＭＨｚのビット・レートで前記基板を貫いた連続的なデータ通信を可能にする程度に十分に低いレベルまで減じるように選択される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、データ転送に関し、特に広帯域幅のデジタル信号およびデータを潜水艦船体または音響技術を用いた他の固体境界を通じて転送するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ケーブルまたは他のフィード・スルーの通路のために船体を貫通することを要することなく船の船体を貫く信号通信を提供するための様々な試みがなされてきた。用いられた技術には、電気信号または音響信号の送信が含まれてきた。Hobart et al. "Acoustic Modem Unit", Oceans 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition, PP. 769-772, vol. 2, September 2000に記載されている、音響技術の既知の例において、圧電変換器が用いられて、船の船体を貫いて低ビット・レートのデータを伝送するための音響信号を生成する。これは、船体に穴を開けることによる変更といった必要性または不都合なしに船体の外側から環境データ、例として海の温度や塩分濃度データを伝送するのに適している。これらのデータは、典型的には、バースト・モードで低データ・レートで送信される。
【非特許文献１】Hobart et al. "Acoustic Modem Unit", Oceans 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition, PP. 769-772, vol. 2, September 2000
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
第１の側面から、本発明は、
中実の（solid）剛体の基板を貫いてデータを通信するための装置であって、
前記基板の１つの面上に取り付けられた第１音響変換器と、
前記基板の第２面上に取り付けられ、前記第１音響変換器から発せられる音響信号を受信するように配置された、第２音響変換器と、
前記第１音響変換器を、データで変調された連続的な波形搬送信号で電圧を印加するための電圧印加手段と、
前記第２変換器によって検出された音響信号内の変調されたデータを検出するための復号器と、
を具備し、
前記第１、第２変換器の寸法および前記搬送信号の周波数は、前記基板を貫くトリプル・トランジット信号による干渉を少なくとも１ＭＨｚのビット・レートで前記基板を貫いた連続的なデータ通信を可能にする程度に十分に低いレベルまで減じるように選択される装置、に属する。
【０００４】
中実の（中身が詰まった）剛体の基板を貫いて、この構造を貫通することを必要とせずに、低ビット・レートでデジタル・データを通信するために音響信号を用いることが知られているが、本発明の発明者らは、変換器の大きさおよび搬送信号の周波数を慎重に選択することによって、トリプル・トランジット信号（triple transit signal）、すなわち主音響信号の反射部分の基板を貫く３番目の通過（third transit）、が少なくとも１ＭＨｚのレートでのデータ通信が達成されることが可能な水準まで減じられることが可能であることを見出した。
【０００５】
本発明の好ましい実施形態では、同じ技術が適用されて、２５ＭＨｚに中心を置く周波数の搬送信号を用いる場合は約１０ＭＨｚのデータ・ビット・レートを、または４０ＭＨｚに中心を置く周波数の搬送信号を用いる場合は約１８ＭＨｚのデータ・ビット・レートを達成し得る。好ましくは、２５ＭＨｚ乃至７２ＭＨｚ内の周波数の搬送信号が用いられ得る。
【０００６】
好ましくは、特に２５ＭＨｚ以上のオーダーの周波数の搬送信号を用いる場合、電圧印加手段は、第１変換器のために適切に無線周波数整合を行なうための無線周波数整合回路を含んでいる。
【０００７】
好ましい実施形態では、第１、第２変換器が基板内の音響信号の送信器および受信器として交互に用いられて双方向通信を可能にする。しかしながら、第１、第２変換器の２つの組が、基板を貫く連続的な双方向通信リンクを提供するために、基板内の各音響信号の干渉を回避するように十分に離れて基板の表面上に取り付けられ得る。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態は、金属構造、特に潜水艦の船体または加圧された容器を貫くデータ通信において特定用途を見出す。
【０００９】
第２の側面から、本発明は、
中実の（solid）剛体の基板の両面に搭載された第１音響変換器および第２音響変換器の間で前記基板を貫いて送信される音響信号を用いて前記基板を貫いてデータを通信するための方法であって、
（ｉ）データで変調された連続的な波形搬送信号で前記第１変換器に電圧を印加する工程と、
（ｉｉ）前記第２変換器において、前記第１変換器によって前記基板を貫いて送信された音響信号を検出するとともにその中の変調されたデータを検出する工程と、
を具備し、
前記第１、第２変換器の寸法および前記搬送信号の周波数は、前記基板を貫くトリプル・トランジット信号による干渉を少なくとも１ＭＨｚのビット・レートで前記基板を貫いた連続的なデータ通信を可能にする程度に十分に低いレベルまで減じるように選択される方法、に属する。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態の潜水艦の船体を貫く連続的な広帯域通信への好ましい適用において、変換器の大きさおよび搬送信号周波数を選択することは、１０ＭＨｚ以上のオーダーのデータ・ビット・レートでの広帯域通信を達成するのに決定的である。潜水艦の船体および同様の金属構造を貫く、非貫通型のデータ転送についての上記の既知の技術は、バースト・モードで低データ・レートで動作する。ここに、高データ・レートで動作するには、複雑な圧力バルブおよびフィード・スルーを介して船体を貫通することが要求されてきた。現代の潜水艦では、これらの貫通を行なうことは、実行するのに数万ポンドがかかるとともに船体において潜在的なポイント・オブ・フェイラーが作られる。特に、これらが、潜水艦が潜航および浮上するたびに繰り返しの圧力サイクルに晒されるからである。典型的には、潜水艦の船体を貫通する数百箇所の貫通位置が存在する。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によって、船体を貫通することなく、従来技術での配置よりもずっと高いデータ・レート、いわゆる「広帯域」データ・レートでのデータ転送が提供される。特に、１５ＭＨｚ以上のオーダーでのデータ・レートが、約４０ＭＨｚに中心を置く音響信号に基づいて、本発明の好ましい実施形態によって達成された。このようなデータ・レートは、映像信号および典型的に広帯域通信に関連するその他のタイプのデータの通信に適している。幾つかの要素によって、従来技術のシステムに対するこのような向上の一歩が可能になった。
【００１２】
中身の詰まった材料の媒体を貫く音響信号を用いたデジタル通信の帯域を制限する主要要素の１つは、スプリアス信号、特にこの媒体を貫く音響送信経路内の境界層からの音響反射の存在である。最も特筆すべき反射は、トリプル・トランジット信号、送信を行なっている変換器からの媒体を貫く計３つの経路を経た後に最初に受信された主信号の反射信号である。デジタル信号通信は、主信号について約２０ｄＢのスプリアス・フリー・ダイナミック・レンジ（ＳＦＤＲ）を必要とする。信号が低ビット・レートで送信される場合は、幾重もの反射された信号は容易に主信号から分離され得る。高ビット・レートでの分離は、実現するのが容易でない。
【００１３】
連続するデータ送信に基づいた高い広帯域リンクにおいて、とある先行技術配置において用いられるバースト・モード送信技術とは異なり、幾重もの反射信号が相互に重なり干渉を引き起こす。この問題は、マルチパス信号が受信変換器において主信号に対して２０ｄＢスプリアス・フリー・ダイナミック・レンジを越えるレベルまで減衰されるように、リンクを設計することによって克服され得る。好ましくは、これは、音響ビーム拡散に起因する損失と媒体中の音響減衰との間のバランスを取ることによって達成される。
【００１４】
第１、第２変換器のみを具備する配置はあらゆる時点での一方向のみの通信を提供することができるのに対し、通信の方向が電気的に切り替えられ得るように変換器が構成され得る。しかしながら、基板、例として潜水艦船体の基板の各面上に１対の変換器を配置することによって、通信リンクは連続的な２方向、すなわち同時に２方向において使用可能な状態に構成され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の好ましい実施形態が、あくまで例として、添付の図面を参照して説明される。
【００１６】
潜水艦の船体は、使用の際、相当な圧力に耐えられることが必要である。船体の各貫通点は、潜在的なポイント・オブ・フェイラーである。また、これらの貫通することは、製造および設置するのに高価である。他のタイプの密閉構造、例として原子炉内の圧力釜および高圧パイプラインの設計者は、同様の懸念を共有する。センサからのデータ、例として圧力、温度、放射線、化学物質の監視データおよび映像を、このような密閉構造とその外側との間で搬送できるという要求が、しばしば存在する。構造を物理的に貫通する必要性を回避する、このようなデータを転送するための高い広帯域通信技術は、構造全体の完全性および信頼性の点で相当の利点をもたらす。
【００１７】
４０ＭＨｚの音響信号を用いて３６ｍｍの鋼鉄の潜水艦船体を貫く約１５ＭＨｚのデジタル・データ転送レートを提供するように設計された、発明の好ましい実施形態が、次に、図１を参照して説明される。
【００１８】
図１を参照すると、圧電変換器１００、１０５が、位置を揃えられるとともに厚さ３６ｍｍの鋼鉄の潜水艦船体１１０の両面に接着されていることが示されている。変換器１００、１０５、および潜水艦船体１００の相対的な寸法は、変換器１００、１０５の構造をより明確に示すために、図１において誇張されている。比例尺の図では、変換器１００、１０５は、船体１００の厚さに比べて、ずっと小さく且つ薄いであろう。
【００１９】
各変換器１００、１０５は、厚さが約１００μｍで約７ｍｍ×９ｍｍの圧電材料の、接地面１２０に接着された長方形のプレートレット（platelet）を具備している。そして、接地面１２０は、接着層（図１では図示されていない）を用いて鋼鉄の船体１１０の表面に接着されている。好ましくは、接着層は、変換器１００、１０５によって生成される音響信号の波長の２０分の１未満の厚さを有するように選択される。潜水艦船体１１０に用いられている鋼鉄を貫く算出による音速、５８００ｍ／ｓに基づけば、これによって、４０ＭＨｚの好ましい音響信号とともに用いられる場合に５μｍ未満の好ましい接着層厚さとなる。
【００２０】
各変換器１００、１０５は、約４９ｍｍ２の面積を有する電極１２５によって活性化される。電極１２５は、圧電プレートレット１１５の接地面１２０と反対の面上に配置されている。ボンディング・ワイヤ１３５は、接地面１２０および電極１２５を、インターフェース回路基板１４０の接地面および導電配線にそれぞれ接続する。インターフェース回路基板１４０は、インターフェース部品１４５、例として、後述のインピーダンス整合ネットワークのためのインダクタンスを有している。好ましくは、インターフェース基板１４０は、支持部材１５０上に取り付けられている。支持部材１５０も船体１１０の表面に接着されて強固な取り付けを可能にしている。支持部材１５０は、インターフェース基板１４０に電気的に接続されている電気的コネクタ１５５を有している。
【００２１】
本発明の発明者らは、プレートレット変換器１００、１０５によって生成される音響信号１３０の強度プロファイルを、変換器１００、１０５のボア・サイト方向からの角度の関数としてモデル化した。こうして、発明者らは、４９ｍｍ２の正方形電極１２５を用いた場合の船体１１０の反対側上の変換器プレートレット１１５の角度合わせは、受信を行なう変換器がモデル化された変換器応答の３ｄＢ点内に位置するために約±１°内にあるべきであることを見出した。実際には、角度合わせは、変換器１００、１０５が船体１１０の各面上での幾何学上の計測によって配置され設計によって、またはまず変換器１００、１０５の一方によって生成されたテスト信号と次にもう一方によって生成されたテスト信号とを用いた積極的な位置合わせによって船体１１０の各側上に配置することによって、達成され得る。
【００２２】
概して、整合ネットワークが変換器１００、１０５とともに用いられる。図１を参照して上に説明されている配置で用いられるための、好ましくは４０ＭＨｚの中心周波数において動作する、好ましい整合ネットワークが、図２を参照して説明される。
【００２３】
図２を参照すると、図１を参照して上に説明されているタイプの変換器と接続される整合ネットワークについての回路図が示されている。電気的には、変換器（１００、１０５）は、変換器との相互接続経路ゆえに、事実上、放射抵抗および電気抵抗と直列接続されたキャパシタである。整合ネットワークは、変換器電極１２５と接地面１２０との間の変換器と並列接続される１４０ｎＨの第１インダクタ２０５と、このネットワークへの入力２１５と第１インダクタ２０５の電極側接続との間に直列接続されたやはり１４０ｎＨの第２電極２１０と、を具備している。第１インダクタ２０５が設けられて変換器（１００、１０５）内の電気容量の大部分を無視すると同時に合成された変換器およびインダクタ２０５のインピーダンスを増加させる。第２インダクタ２１０は、要求される広帯域周波数範囲に亘る同調処理を完了させる。好ましくは、整合ネットワークは、図１内の配置において示されているようにインターフェース基板１４０上に作製され、他方、ネットワーク入力２１５および接地面接続２２０はコネクタ１５５内で終端される。
【００２４】
概して、基板に接着されている変換器による広帯域能力を達成するために、変換器材料の密度とそれを貫く音速との積によって与えられる変換器の音響インピーダンスは、基板のそれにできる限り近く整合しているべきである。これによって、変換器内の機械的エネルギーの基板への結合が促進される。さらなる微調整において、変換器用に選択される材料は、可能な限りで最大の電気機械結合係数を有しているべきである。電気機械結合係数は、変換器内での、供給される電気的エネルギーの機械的エネルギーへの結合の強度を表している。本発明の好ましい実施形態での用途の変換器材料の候補には、ＰＺＴおよびニオブ酸リチウムが含まれる。その他の材料、およびその他の変換器の構成が用いられてもよい。潜水艦船体の鋼鉄の基板に付された適切に選択された縦波変換器を用いて動作中心周波数の最大で５０％の比帯域を達成できることが、本発明の発明者によって示された。
【００２５】
船体を貫く広帯域通信リンクを設計する際のさらなる検討事項は、音響ビームが船体材料を通過する際に音響ビームが拡散することに起因する損失と、材料の音響減衰に起因する損失との間のバランスを取ることが必要であることである。ビームの拡散に起因する損失は、周波数とともに減少する傾向にある一方、減衰に起因する損失は周波数とともに増加する傾向にある。これらの損失は、変換器の大きさと装置の動作周波数の選択の組み合わせによって、特定の経路長について、バランスを取られることが可能である。これが行なわれることが重要である。さもなければ、音響データ・リンクは、動作帯域の一端において他端より大きな損失を有し、送信される信号に著しい歪みを生じさせる。
【００２６】
図３を参照すると、本明細書において説明されている本発明の好ましい実施形態についての２０ＭＨｚ乃至６０ＭＨｚの周波数範囲に亘って測定された送信帯域形状を示すグラフが示されている。
【００２７】
３６ｍｍの船体厚さが本発明の好ましい実施形態の動作を示すために用いられたが、本発明の発明者らは、４９ｍｍ２の電極を用いて４０ＭＨｚの周波数において音響変換器１００、１０５によって放たれた音響ビームは、最大１５０ｍｍの距離に亘ってほぼ平行を保っていることが割り出された。これによって、本発明の好ましい実施形態を、上に示されている潜水艦船体よりも厚い構造に適用できる。
【００２８】
実際には、電極の大きさは、音響経路（変換器が大きければ位置合わせがより容易である）、動作周波数、インピーダンス整合の容易さの組合せによって決定される。
【００２９】
従来の変換器とは異なり、潜水艦の外面上に搭載された変換器は、どんなものでも、静水圧的に加圧されるとともに適切なプラスチック被覆、または例として変形可能なカバー内の油によって覆われることによって海水から保護される。ニオブ酸リチウム変換器の裏面上に油を付することによる影響が検討された。油の密度および油内の音速についての適当な見積もりを用いて、非常に弱い音響強度、０．２ｄＢ未満のトータル・アベイラブル（total available）が、圧電プレートレット１１５と油との間の著しい音響インピーダンス不整合ゆえに、油の塗布（oil loading）に結合されやすいことが見出された。変換器、および潜水艦の外面上に取り付けられる関連電子部品は、多少、深海での動作に対応できることが好ましい。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態に従った、この非貫通型の高周波数データ通信技術は、原子炉および高圧パイプラインを含む他の多くの構造に等しく適用可能である。これらの構造とともに用いられる他の多くの従来技術に対するこの技術の利点は、この技術によって、応力破壊（stress fracture）または化学物質による腐食を通じた潜在的なフェイラー・ポイントである穴を開ける必要性が減少することである。本発明の様々な適用例相互間の１つの違いは、各変換器構造に適用される環境保護の度合いである。
【００３１】
潜水艦船体に適用された場合の本発明の好ましい実施形態において、水中通信ポイントが船体の外側で広がる様々な位置で提供されて、例えば潜水艦の外側の水中内の外部の乗り物またはダイバーと、潜水艦内部の装置または人との間の短距離ＲＦまたは光学通信が可能になる。例えば、中継器が、本発明によって提供される船体を貫く通信リンクと接続されて、潜水艦の内部から外部の乗り物を遠隔操作することや、水中の乗り物が収集したデータをこの乗り物が中継器の通信範囲内へと移動した際にダウンロードしたりすることが可能になる。本発明によって提供される、船体を貫く接続の広帯域の性質は、遠くの乗り物やダイバーや水中ビーコンと非常に短時間で大量のデータを高速にダウンロードしたり授受したりできる能力において特に魅力的であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、変換器を取り付けられた、潜水艦の船体の一部を示している。
【図２】図２は、本発明の好ましい実施形態に従った、潜水艦の船体において用いるための好ましい整合回路についての回路図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態について測定された、潜水艦の船体を介した送信帯域形状を示すグラフである。
【図１】
2009519691.tif 000003
【図２】
2009519691.tif 000004
【図３】
2009519691.tif 000005
【国際調査報告】
2009519691.tif 000006
2009519691.tif 000007
2009519691.tif 000008