(57)【要約】【課題】  正確に流速の実時間測定ができ、かつ水温・流速場の実時間３次元解析が可能な音響トモグラフィ装置及び音響トモグラフィシステムを提供する。【解決手段】  測定対象水域において、当該水域を横断する音波を送受信することにより、当該水域の流速及び／又は温度の解析のための音波伝搬時間情報を収集する音響トモグラフィ装置１００であって、上記音波を送信する手段と他の音響トモグラフィ装置から送信された音波を受信するための手段とが一体化された送受信器１を、複数備えており、複数の送受信器１…は、当該水域の水中に、水面に対して鉛直方向に並べて設置される音響トモグラフィ装置１００によれば、正確に流速の測定ができ、かつ水温・流速場の３次元解析に利用可能な音波伝搬時間情報を実時間で取得することができる。【選択図】  図４
2006118921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象水域において、当該水域を横断する音波を送受信することにより、当該水域の状況を解析するための音波伝搬時間情報を収集する音響トモグラフィ装置であって、
上記音波を送信する手段と他の音響トモグラフィ装置から送信された音波を受信するための手段とが一体化された音波送受信手段を備えており、
上記音波送受信手段は、当該水域の水中に設置されるものであることを特徴とする音響トモグラフィ装置。
【請求項２】
上記音波送受信手段は、複数個備えられており、当該水域の水中に、水面に対して鉛直方向に並べて設置されるものであることを特徴とする請求項１に記載の音響トモグラフィ装置。
【請求項３】
上記水域の状況の解析とは、流速及び／又は温度の解析であることを特徴とする請求項１又は２に記載の音響トモグラフィ装置。
【請求項４】
上記測定対象水域は、沿岸海洋部または陸水部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の音響トモグラフィ装置。
【請求項５】
上記音波送受信手段は、２〜８個備えられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の音響トモグラフィ装置。
【請求項６】
さらに、無線通信手段を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の音響トモグラフィ装置。
【請求項７】
複数の請求項１〜６のいずれか１項に記載の音響トモグラフィ装置と、
上記複数の音響トモグラフィ装置によって得られる、複数の上記音波伝搬時間情報を用いて、測定対象水域における状況を３次元的に解析するための情報解析装置と、を備えることを特徴とする音響トモグラフィシステム。
【請求項８】
上記情報解析装置は、
複数の上記音波伝搬時間情報から、複数の２次元流速場を算出する２次元流速場算出手段と、
複数の上記音波伝搬時間情報から、複数の２次元水温場を算出する２次元水温場算出手段と、
上記２次元流速場算出手段によって算出された複数の２次元流速場を、その深度に応じて３次元流速場として再構成する流速場３次元処理手段と、
上記２次元水温場算出手段によって算出された複数の２次元水温場を、その深度に応じて３次元水温場として再構成する水温場３次元処理手段と、を備えることを特徴とする請求項７に記載の音響トモグラフィシステム。
【請求項９】
上記音響トモグラフィ装置は、無線通信手段を備え、該無線通信手段によって、音波伝搬時間情報を上記情報解析装置に対して実時間にて送信するものであり、
上記情報解析装置は、複数の音響トモグラフィ装置から、送信される複数の音波伝搬時間情報を受信する無線通信手段を備えており、
上記情報解析装置は、上記複数の音波伝搬時間情報を用いて、測定対象水域における状況を３次元的に解析するものであることを特徴とする請求項７又は８に記載の音響トモグラフィシステム。
【請求項１０】
上記情報解析装置は、上記複数の音響トモグラフィ装置のいずれか若しくは全てに対して、計測条件を変更させる指示を実時間にて送るための指示手段を備えることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の音響トモグラフィシステム。
【請求項１１】
上記複数の音響トモグラフィ装置は、測定対象水域の周縁に存在する陸上施設を利用して散在させて設けられていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の音響トモグラフィシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波伝播時間情報を用いて、測定対象水域における流速及び／又は水温を測定する際に使用される音響トモグラフィ装置及び実時間３次元データ解析（音響トモグラフィシステム）に関するものであり、特に、沿岸海洋・陸水域における流速・水温を３次元的かつ実時間にて測定することができる音響トモグラフィ装置及び実時間３次元データ解析（音響トモグラフィシステム）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、海洋の水温や流速に関する情報を得る手法として、海洋音響トモグラフィ（ＯＡＴ；Ocean Acoustic Tomography）という技術が知られている。
【０００３】
このＯＡＴについて簡単に説明すると、音波の送波器及び受波器を備えた送受信局（単に局ともいう）を測定対象海域の周囲の海中に散在させ、深海音響チャネル中の様々な経路（以下音線という）での低周波音波（周波数１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚ）の送受信を行って、多数の音波伝搬時間の情報を収集し、これらを格子状に組み合わせて生成されたデータを、逆解析することにより、その海域の流速や温度の分布を求めるものである。これは、海洋中の音波の伝搬速度は、水温、塩分、及び流速によって変化するため、海水中を伝搬する音波の伝搬時間を計測することにより、音波が通過してきた海洋の水温、塩分、及び流速に関する情報を得ることができるという原理に基づくものである。この際、水温、塩分、流速が変化しても音線自体の変化は無視できることを前提としている。
【０００４】
このような音響トモグラフィを利用した音響トモグラフィシステムの一例として、例えば、特許文献１に、測定対象水域の流速あるいは温度の分布を求めるための音波伝搬時間情報の収集の際の、収集時間の短縮化を図った音響トモグラフィの情報収集装置が開示されている。
【０００５】
この特許文献１には、測定対象水域の周縁近傍に送波局及び受波局を散在させて当該水域を横断する音波を送受信させることにより、当該水域の流速あるいは温度の分布作成のための音波伝播時間情報を収集する音響トモグラフィの情報収集装置として、前記散在させた送波局の一局に設けられ、当該送波局を識別するための識別情報を含む識別音波を所定の送信時刻に送信する送信手段と、前記散在させた受波局の一局に設けられ、当該受波局で受信された前記識別音波に含まれる識別情報と、前記散在させた各送波局を識別するための予め記憶された識別情報とに基づいて、当該識別音波の送波局を特定すると共に受信時刻を測定する受信手段とを有する情報収集装置について記載されている。この情報収集装置によれば、測定対象水域の流速あるいは温度の分布を求めるための音波伝搬時間情報の収集の際の、収集時間の短縮化を図ることができると報告されている。
【０００６】
しかし、上述したＯＡＴは、主として外洋海中に装置を設置し、低周波音波を利用して、遠距離（２００ｋｍ以上）音波を飛ばすため、装置自体が大型化し、設備費も非常に高額なものとなっていた。このため、海洋内部構造を断層撮影できるという他に比類のない優れた技術であるにもかかわらず、低周波ＯＡＴは海洋学においてやや敬遠されてきた。
【０００７】
そこで、近年、特にＯＡＴを計測距離の短い沿岸海洋で実施するために、装置のコンパクト化、コストの低減への試みが開始され、沿岸音響トモグラフィ（ＣＡＴ；Coastal Acoustic Tomography）という概念が提唱されている。このＣＡＴは、外洋の水温・流速場の断層撮影法として発展してきたＯＡＴを沿岸海洋に応用するものである。特に、我が国の沿岸海洋では、船舶の通行や漁船の操業等のため、対象海域全体の沿岸潮流場を長期間連続して計測することが困難であった。しかし、これもＣＡＴの適用によって大幅に改善されると期待されている。なお、ＣＡＴの基本的な概念については、例えば、本願発明者の研究グループが著述している非特許文献１に詳細に開示されており、沿岸海洋において使用される音響トモグラフィ装置及び音響トモグラフィシステムの概念が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２５８４４８号公報（平成１２（２０００）年９月２２日公開）
【非特許文献１】金子新、他共著  「沿岸音響トモグラフィー」、海の研究（日本海洋学会和文誌）, 12(1), 1-19, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した非特許文献１には、沿岸海洋において使用される音響トモグラフィ装置の具体的な構成については、十分に開示されているとはいえない。
【０００９】
すなわち、音波の送信器（音源、トランスミッター）と受信器（ハイドロフォン）が別の装置であるため両者の距離が大きくなると送信と受信で測定深度が異なることになり、両方向の音波伝搬時間差を利用する流速計測を正確に行うことができないという問題点もある。さらに、これまでの音響トモグラフィ装置では、設置点位置や受信窓の時間幅などの計測条件を変更したい場合、全ての設置点を再訪問し、可般型外部コンピュータを装置の内部コンピュータに接続し、マニュアルでアクセスする多大な手間暇を要するシステムであった。また、上記補特許文献１には、水平二次元の水温・流速分布に対する逆解析法として減衰型最小二乗法が開示されているものの、三次元解析法については何ら具体的に提示されていない。
【００１０】
このため、測定対象の沿岸海洋について、実時間で正確に流速の測定ができ、かつ水温・流速場の３次元解析が可能な音響トモグラフィ装置及び音響トモグラフィシステムの開発が強く望まれていた。
【００１１】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、正確に流速の測定ができる音響トモグラフィ装置、また水温・流速場の３次元解析が可能な音響トモグラフィ装置、さらに実時間にて計測ができる音響トモグラフィ装置及びこれらの音響トモグラフィ装置を用いた音響トモグラフィシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、多数の音波送受信器を備える音響トモグラフィ装置によって、この多数の音波送受信器を、海底に対して鉛直方向に並べて音波を送受信することにより、潮流の３次元解析を正確に行えることを見出した。さらに、複数の音響トモグラフィ装置間を無線等の双方向通信手段にて接続して情報をやり取りすることにより、離れた場所に設置した複数の音響トモグラフィ装置の計測条件を実時間で変更し、対象水域の水温・流速場を実時間にて解析することができることを見出した。本発明者は、これらの新規な知見に基づき、本願発明を完成させるに至った。すなわち、本発明は、以下の発明（１）〜（１０）を包含する。
【００１３】
（１）測定対象水域において、当該水域を（種々の方向から）横断する（複数の）音波を送受信することにより、当該水域の状況を解析するための音波伝搬時間情報を収集する音響トモグラフィ装置であって、上記音波を送信する手段と他の音響トモグラフィ装置から送信された音波を受信するための手段とが一体化された音波送受信手段を備えており、上記音波送受信手段は、当該水域の水中に（岸壁・堤防等の護岸施設あるいは海底ケーブルと海底係留系（浮きとアンカーを用いた系）を利用して）設置されるものである音響トモグラフィ装置。
【００１４】
（２）上記音波送受信手段は、複数個備えられており、当該水域の水中に、水面に対して鉛直方向に並べて設置されるものである（１）に記載の音響トモグラフィ装置。
【００１５】
（３）上記水域の状況の解析とは、流速及び／又は温度の解析（例えば、両方向の伝搬時間差を利用して行う流速解析、両方向の平均伝搬時間を利用して行う温度解析）である（１）又は（２）に記載の音響トモグラフィ装置。
【００１６】
（４）上記測定対象水域は、沿岸海洋部または陸水部（例えば、河川、湖沼や貯水池等）である（１）〜（３）のいずれかに記載の音響トモグラフィ装置。
【００１７】
（５）上記音波送受信手段は、２〜８個設けられている（１）〜（４）のいずれかに記載の音響トモグラフィ装置。
【００１８】
（６）さらに、無線通信手段を備えている（１）〜（５）のいずれかに記載の音響トモグラフィ装置。
【００１９】
（７）複数の（１）〜（６）のいずれかに記載の音響トモグラフィ装置と、上記複数の音響トモグラフィ装置によって得られる、複数の上記音波伝搬時間情報を用いて、測定対象水域における状況を３次元的に解析するための情報解析装置と、を備える音響トモグラフィシステム。
【００２０】
（８）上記情報解析装置は、複数の上記音波伝搬時間情報（音波伝搬時間差情報）から、複数の２次元流速場を算出する２次元流速場算出手段と、複数の上記音波伝搬時間情報（平均音波伝搬時間）から、複数の２次元水温場を算出する２次元水温場算出手段と、上記２次元流速場算出手段によって算出された複数の２次元流速場を、その深度に応じて３次元流速場として再構成する流速場３次元処理手段と、上記２次元水温場算出手段によって算出された複数の２次元水温場を、その深度に応じて３次元水温場として再構成する水温場３次元処理手段と、を備える（７）に記載の音響トモグラフィシステム。
【００２１】
（９）上記音響トモグラフィ装置は、無線通信手段を備え、該無線通信手段によって、音波伝搬時間情報を上記情報解析装置に対して（実時間にて）送信するものであり、上記情報解析装置は、複数の音響トモグラフィ装置から、送信される複数の音波伝搬時間情報を受信する無線通信手段を備えており、上記情報解析装置は、上記複数の音波伝搬時間情報を用いて、測定対象水域における状況を３次元的に解析するものである（７）又は（８）に記載の音響トモグラフィシステム。
【００２２】
（１０）上記情報解析装置は、上記複数の音響トモグラフィ装置のいずれか若しくは全てに対して、（設置点を訪問すること無しに）計測条件（計測パラメータ）を変更させる指示を（実時間にて）送るための指示手段を備える（７）〜（９）のいずれかに記載の音響トモグラフィシステム。
【００２３】
（１１）上記複数の音響トモグラフィ装置は、測定対象水域の周縁に存在する陸上（護岸）施設（岩壁や堤防等）あるいは海底ケーブルと海底係留系（浮きとアンカーを用いた系）を利用して散在させて設けられている（７）〜（１０）のいずれかに記載の音響トモグラフィシステム。
【００２４】
なお、上記情報解析装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記各手段として動作させることにより上記情報解析装置をコンピュータにて実現させる情報解析装置の制御プログラム、及びそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る音響トモグラフィ装置によれば、正確に水温と流速の測定ができ、かつ水温・流速場の３次元解析が可能な情報を実時間で収集することができるという効果を奏する。
【００２６】
また、本発明に係る音響トモグラフィシステムによれば、高精度に水温・流速場の３次元解析を行うことができるという効果を奏する。さらに、無線通信を介することで、複数の音響トモグラフィ装置からの情報を実時間にて取得できるため、水温・流速場の実時間解析を行うこともできる。また、無線を介することで、情報解析装置から全ての配置された音響トモグラフィ装置の計測状況を実時間で管理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、測定対象水域において、当該水域を横断する音波を送受信することにより、当該水域の環境状況を解析、例えば、流速及び／又は温度の解析のための音波伝搬時間情報を収集する音響トモグラフィ装置、及びこの音響トモグラフィ装置を複数用いて高精度の水温・流速場の３次元解析を行い得る音響トモグラフィシステムに関するものである。
【００２８】
このため、まず、沿岸音響トモグラフィの基本的事項について説明し、次に、本発明に係る音響トモグラフィ装置、最後に、この音響トモグラフィ装置を複数用いた音響トモグラフィシステムについて説明することとする。
【００２９】
なお、本明細書の文言「音波伝搬時間情報」とは、水中を伝搬する音波の伝搬時間のことである。水中の音波の伝搬速度は、対象水域の水に含まれる水温、塩分、及び水流の流速によって変化するため、水中を伝搬する音波の伝搬時間を計測することにより、音波が通過してきた海洋の水温、塩分、及び流速に関する情報を逆にたどって得ることができる。
【００３０】
また、文言「測定対象水域の状況の解析」とは、当該水域における魚群探知等の魚群の解析、船舶や潜水艦等の航行軌跡（船体と船体が航行することにより背後に生じる流れの変化の両者に対する）の解析、流速及び／又は温度の環境の解析等が挙げられる。なかでも、本発明は特に、音波の伝搬強度ではなく、伝搬時間情報を利用するため、流速及び／又は温度の解析に用いることが好適である。なお、文言「流速及び／又は温度の解析」には、測定対象水域における潮流、水温等の分布と変動状態を計測することを意味し、流速・水温場の３次元構造を断層（画像）撮影する計測を含む意である。
【００３１】
また、「測定対象水域」としては、陸地で概ね取り囲まれている沿岸海洋部が好ましい。「沿岸海洋部（沿岸海洋とも称する）」とは、陸地で概ね取り囲まれている沿岸域の意であり、例えば、港湾、半閉鎖性内海、海峡等が含まれる。なお、沿岸部は、海洋沿岸部に限定されるものではなく、例えば、湖沼、貯水池や河川等の陸水域の沿岸部（陸水部）であっても好適に用いることができることを念のため付言しておく。
【００３２】
上述したように、本発明の適用範囲は広いが、以下では、説明の便宜のため、「測定対象水域」として「沿岸海洋」を、また「水域の（環境）状況の解析」として「流速及び／又は温度の解析」を例に挙げて説明する。なお、本発明は詳細な説明の記載に限定されるものではないことはいうまでもない。
【００３３】
＜１．沿岸音響トモグラフィの基本的事項＞
沿岸音響トモグラフィは、内湾・内海の対象海域全体を取り囲むように海岸近くに配置した音波の送受信局として機能する音響トモグラフィ装置（音響局、響台とも称する）間の音波の伝搬時間を精密測定することにより３次元水温・流速場を断層（画像）撮影する計測法である。音速は、媒質の物性値である水温と塩分だけでなく場の特性量である流速によって変化する。流速ｕ０で流れる媒質を伝搬する音波の波動方程式は下記数式（１）で表現できる（Zheng, H., N. Gohda, H. Noguchi, T. Ito, H. Yamaoka, T. Tamura, Y. Takasugi and A. Kaneko (1997): Reciprocal sound transmission experiment for current measurement in the Seto Inland Sea. J. Oceanogr., 53, 117-127.）。
【００３４】
【数１】
2006118921.tif 000003
【００３５】
ここで、ｐは音圧でＣは場の変数としての音速である。上記数式（１）からも、音波の伝搬過程が場の変数である音速と流速に影響されることがわかる。音響トモグラフィ装置間の音波の伝搬時間を計測することにより水温・流速に関する情報が得られるのは以上の理由による。音速に及ぼす水温Ｔ（℃）、塩分Ｓの効果は下記数式（２）で良く近似できることが知られている（Medwin, H. (1975): Speed of sound in water: A simple equation for realistic parameters. J. Acoust. Soc. Am., 58, 1318.）。
【００３６】
【数２】
2006118921.tif 000004
【００３７】
ここで、Ｚ（ｍ）は深度である。音速に及ぼす塩分の効果は水温に比べて小さいので通常これを無視する。この時、平均値からの変動量である音速偏差δＣと水温偏差δＴは、上記数式（２）で塩分に関する項と水温の２次以上の微小項を省略することにより下記数式（３）で近似できる。
【００３８】
【数３】
2006118921.tif 000005
【００３９】
ところが河川水の流出する沿岸域などでは、塩分が大きく変動するため音速に及ぼす塩分の効果を無視できなくなる。わが国の沿岸海洋で通常見られるような塩分３０〜３５ｐｐｔの範囲では、音速変動幅は、水温範囲１０℃〜３０℃において約５ｍｓ−１となる。これは、上記数式（３）を用いれば水温変動１．１℃に相当し、この程度の水温の計測誤差が塩分変動により生じることがわかる。
【００４０】
音波伝搬の道筋である音線は、鉛直面内では屈折のため曲線を描くが、水平面に射影するとほぼ直線となる。海洋における水平方向の水温（音速）変化は、鉛直方向のそれに比べて非常に小さいので水平面内の音波の屈折は通常無視できるからである。鉛直面内での音線パターンは、一様（冬型）海洋と成層（夏型）海洋の場合で異なる。ここで、音線パターンに及ぼす流速の影響は水温に比べて小さいので無視している。音速は、水温、圧力が増加するほど大きくなる。一様海洋では、音速は圧力効果により深くなるにつれ増加する。よって、海面で最小音速となる。それに対して、成層海洋では音速は、主として水温変化に追随して変化する。よって、海面で最大音速となる。音波は、音速の遅い領域に向かって屈折するので、音線は、一様海洋では下に凸、成層海洋では上に凸の曲線を描くことになる。水深が２０ｍ程度以下になると音線間の干渉により、１本１本の音線を区別して受信することが困難となり、鉛直直交モードの重ね合わせで受信信号を表現した方がよい状況となる。
【００４１】
一本の音線あるいは１個の鉛直モードに対応する両方向の伝搬時間を計測すれば、平均伝搬時間（ｔｍ）と伝搬時間差（Δｔ）に対応して、下記数式（４）（５）に示すように、その音線に沿ったあるいはそのモードに対する経路平均値としての水温Ｃｍと、流速Ｕｍとをそれぞれ求めることができる。
【００４２】
【数４】
2006118921.tif 000006
【００４３】
【数５】
2006118921.tif 000007
【００４４】
そして、水平面内、鉛直面内でみて異なる経路を通る音線あるいは鉛直モードに対する伝搬時間データをインバース解析すれば、水平面内の水温・流速分布を深度層毎に求めることができるし、これらを合わせて３次元分布とすることが可能となる。また、約１５００ｍｓ−１という高速で海中を伝搬する音波を利用するため、数秒から数十秒という非常に短時間の内に水温・流速場の３次元断層（画像）撮影が完了する。そのために短時間のうちに変化する、強い潮流の発生する水域にも適用できることになる。
【００４５】
上述したのは、いわゆる“水平面分割法”と称される方法であり、図１に示すように、深度Ｚ１〜Ｚｎ（図中、Ｚ軸方向）のｎ個の水平面を作成し、それを重ね合わせて３次元画像を形成するものである。（Munk,W., P. F. Worcester, and C. Wunsch (1995): Ocean Acoustic Tomography. Cambridge University Press, Cambridge, p433.参照）。なお、図中、実線で示す仮想音線とは、実際の３次元空間を通る音線を水平面に射影したものである。
【００４６】
また、上記“水平面分割法”のように、水平面（２次元画像）を積み重ねて３次元化する手法以外にも、最初から純粋に３次元解析を実行する手法として、例えば、“メッシュ分割法”と“関数展開法”とがある。“メッシュ分割法”とは、具体的には、まず、図２に示すように、計測領域をＮ個のメッシュに分割し、Ｊ＝１，２，・・・，Ｎの番号をつける。そして、ｊ番目のメッシュの未知数を（ｕｊ、ｖｊ、ｗｊ、δＣｊ）とし、これらを下記数式（６）、数式（７）を逆解析して解くことにより求める。この時、流体力学の運動方程式、拡散方程式、連続の式も利用できる（Yuan, G., I. Nakano, H. Fujimori, T. Nakamura, T. Kamoshida and A. Kaya (1999): Tomographic measurements of the Kuroshio extension meander and its associated eddies. Geophysical. Research Letters, 26, p79-82.参照）。
【００４７】
【数６】
2006118921.tif 000008
【００４８】
【数７】
2006118921.tif 000009
【００４９】
なお、上記数式（６）は、平均伝搬時間データと音速偏差との関係を与える積分方程式であり、“δｔ”はデータを示し、“δＣ”は未知数（音速偏差）を示す。また、数式（７）は、伝搬時間差データと流速との関係を与える積分方程式であり、“Δｔ”はデータを示し、“ｕ・ｎ”は未知数（音線に沿った流速）を示す。
【００５０】
また、“関数展開法”は、未知数（ｕ，ｖ，ｗ，δＣ）を正弦関数、余弦関数で展開し、これらを上記数式（６）、数式（７）の右辺に代入し、図３に示す数式に示す未知数である展開係数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈを逆解析で求める。この時、流体力学の運動方程式、拡散方程式、連続の式も利用できる（Park, J. -H. and A. Kaneko (2000): Assimilation of coastal acoustic tomography data into a barotropic ocean model. Geophysica. Research Letters, 27, p3373-3376.参照）。
【００５１】
また、インバース解析として、減衰型最小二乗法で求めた推定解ｘを下記数式（８）に示す。
【００５２】
【数８】
2006118921.tif 000010
【００５３】
ここで、ｙは伝搬時間データ、Ｅは変換行列、Ｉは単位行列、Ｔは転置行列記号、そしてαは重み係数である。
【００５４】
トモグラフィ実験で得られる水温・流速場の距離分解能ΔＬを、水平２次元の場合について述べる。音響トモグラフィ装置（音響局）の数をＮとすれば、音響トモグラフィ装置間で得られる音線の数Ｍは組み合わせ理論により、ＮＣ２となる。対象海域の面積をＡとすればΔＬは下記数式（９）で与えられる。
【００５５】
【数９】
2006118921.tif 000011
【００５６】
この距離分解能は平均的な値であり、対象海域内の音線の散らばり具合は一切考慮されていない。音線が疎らな領域より密集している領域の距離分解能が良くなり、音線が密集している領域で、水温・流速場を再構成した時の不確かさ（uncertainly）が小さくなることは当然のことである。このあたりの詳しい議論については参考文献（Yamaoka, H., A.Kaneko, J-H. Park, H Zheng. N. Gohoda, T. Takano, X-H. Zhu and Y. Takasugi (2002): Coastal acoustic tomography system and its field application. IEEE J. Oceanic Eng., 27, 283-295.）を参照されたい。
【００５７】
また、上述したＣＡＴの基本原理以外にも、例えば、音波の伝搬損失、雑音（ノイズ）、擬似ランダム信号の送受信、ソーナー方程式、計測誤差等についての詳細な説明は、上記非特許文献１を参照することによって当業者であれば容易に理解できるため、ここではその説明を省略する。次いで、本発明に係る音響トモグラフィ装置の一実施形態について説明する。
【００５８】
＜２．音響トモグラフィ装置＞
本発明に係る音響トモグラフィ装置の一実施形態について図４〜図７に基づいて説明すると以下の通りである。
【００５９】
図４に示すように、本実施形態に係る音響トモグラフィ装置１００は、沿岸海洋５１に設置されている。このような沿岸海洋５１に音響トモグラフィ装置１００を設置することにより、通行船舶や漁船の操業を阻害することなく、測定対象水域の水温場・潮流場を計測することができる。
【００６０】
音響トモグラフィ装置１００は、送受信器アレイ１０、アレイ支持部１１、ケーブル１２、回路収納部１３、ＧＰＳアンテナ１４、無線通信部１５、容器支持部１６、電源１７を備えている。
【００６１】
送受信器アレイ１０は、複数の送受信器１を備えている。送受信器アレイ１０における送受信器１の数は、特に限定されるものではないが、測定対象水域の水温・流速場について３次元解析を行うための情報を取得するためには、複数個であることが好ましく、より好適には、２〜８個程度であることが好ましいが鉛直モード法等を適用して解析法を工夫すれば、１個でも原理的に計測可能である（Shan, E. C. (1989): Ocean acoustic tomography based on adiabatic mode theory, JASA, 85(4), p1531-1537.）。なお、本実施の形態では、送受信器アレイ１０は、８個の送受信器１…を備えている。
【００６２】
送受信器１は、音波を送信する音波送信部と他の音響トモグラフィ装置から送信された音波を受信するための音波受信部とが一体化された音波送受信手段として機能するものである。すなわち、音波の送信が終わった後、システムは受信可能な状況に切り換えられるように構成されている。
【００６３】
送受信器１の音波送信部としては、音響トモグラフィに利用可能な音波を送信できるものであればよく、その具体的な構成、機能、又は諸条件等（例えば、発信音波の指向性や周波数、強度等）について特に限定されるものではない。例えば、全周方向に無指向性で、鉛直方向に±３０°の指向性を有し、周波数帯域の広い中心周波数５．５ｋＨｚのトーラス型振動子（米国ＩＴＣ社製：ＩＴＣ２０１１／ＩＴＣ２０４０）等を好適に用いることができる。例えば、送信信号には、周波数５．５ｋＨｚの搬送波を擬似ランダム信号の一種である１０次のゴールド系列で位相変調した信号の数周期分（０．５５８Ｓ）を用いる。欠測を防ぐために、数周期分送信するが、少なくとも１周期分の受信に成功すれば計測は完了する。なお、計測距離２〜３０ｋｍに対して、周波数２〜２０ｋＨｚが概ね対応し、距離が大きくなるにつれ、小さな周波数を採用することが好ましい（Simon, M. K., J. K. Omura, R. A. Scholtz and B. K. Levitt (1985): Spread Spectrum Communications Handbook, McGraw-Hill, New York, 1228 pp.参照）。
【００６４】
また、送受信器１の音波受信部としては、音響トモグラフィに利用される他の音響トモグラフィ装置が有する音波送信手段から送信され、水中を伝搬してくる音波を受信できるものであればよく、その具体的な構成、機能、又は諸条件等（例えば、受信音波の指向性や周波数、強度等）について特に限定されるものではない。例えば、米国ベントス社製ハイドロフォン（Ｂｅｎｔｈｏｓ  ＡＱ−１）を好適に用いることができる。
【００６５】
送受信器１は、これら音波送信部と音波受信部とが一体化されているため、送受信器アレイ１０は、標準装備として、８個の音波送信部と８個の音波受信部とを備えていることになる。送受信器１の具体的な構成を図５に示す。図中、実線矢印は送信信号（又は送信音波）の動きを示し、点線矢印は受信信号（又は受信音波）の動きを示す。
【００６６】
同図に示すように、送受信器１は、トランスデューサ１ａ、トランス１ｂ、リミッタ１ｃを備えている。トランスデューサ１ａは、音波の送受信を行う部材であり、従来公知の送受信器に使用される送受信部材を好適に用いることができる。また、トランス１ｂは、電圧を増幅する部材であり、従来公知の電圧増幅器を用いることができる。リミッタ１ｃは、双方向ダイオードを用いて構成されている。
【００６７】
まず、送受信器１による音波の送信は、±２４Ｖの交流電圧をトランス１ｂで±２０００Ｖまで電圧を増幅し、この増幅された電圧をトランスデューサ１ａによって発信することによりなされる。このとき、±０．５Ｖで作動するリミッタ１ｃはショート状態となり双方向に自由に電流が流れる。送信が終わると回路は受信できる状態に切り換わる。
【００６８】
受信信号は０．５Ｖ以下の非常に弱い電圧信号としてトランスデューサ１ａにより受信（キャッチ）される。このように弱い電圧信号に対しては、リミッタ１ｃが作動し、回路が遮断状態となる。以上の送受信回路は、各音響トモグラフィ装置が有する各送受信器１毎に対して用意され、後述する制御部３０２により統合管理される。
【００６９】
アレイ支持部１１は、送受信器１を多数連結した送受信器アレイ１０を水中に設置した際に、送受信器アレイ１０が波や潮流によって音響トモグラフィ装置１００本体から離脱しないようにするための支持部材である。かかる支持部材は、上記機能を達成できる構成であればよく、その具体的な形状、強度、材質等は特に限定されるものではない。ただし、海水中に長時間設置される場合は、耐海水性を有する材質からなることが好ましい。なお、本実施の形態では、スチール製の支持部材を用いている。
【００７０】
ケーブル１２は、回路収納部１３内部の電子回路（図４では不図示）と送受信器アレイ１０の全ての送受信器１とを接続するためのものである。また、ケーブル１２を介して、電源１７と電子回路、及び電源１７と送受信器１とが接続されている。
【００７１】
回路収納部１３は、その内部に、後述する電子回路３００を収納するための容器であればよく、その具体的な構成等は特に限定されるものではない。本実施の形態では、円筒形の耐圧容器である。なお、内部に収納される電子回路３００についての詳細は後述する。
【００７２】
ＧＰＳアンテナ１４は、ＧＰＳ衛星からの時刻信号を受信するものである。ＧＰＳアンテナ１４にて受信した時刻信号を上記電子回路において利用する形態については後述する。
【００７３】
無線通信部１５は、音響トモグラフィ装置１００において取得された音波伝搬時間情報を、不図示の情報解析装置等に送信する無線通信手段として機能するものである。無線通信部１５は、上述のように音波伝搬時間情報を無線通信として送信できるものであればよく、その具体的な構成等は特に限定されるものではないが、例えば、携帯電話回線を利用した従来公知の無線通信手段を好適に利用することができる。また、無線通信部１５による通信は、双方向通信である。この場合、無線通信部１５を介することにより、例えば、音響トモグラフィ装置１００に対して計測条件（計測パラメータ）を変更するように、遠隔から操作することが可能となる。
【００７４】
容器支持部１６は、回路収納部１３を安定に支持するための部材であればよく、その具体的な構成や材質等は、特に限定されるものではない。本実施の形態では、容器支持部１６は、木製の三脚状の支持部材として構成されている。
【００７５】
電源１７は、回路収納部１３内の電子回路及び送受信器アレイ１０に対して電力を供給するためのものであればよく、その具体的な構成は特に限定されない。従来公知の電力供給手段を好適に用いることができる。
【００７６】
次に、回路収納部１３内部にある電子回路の一例及びその動作について、図６を用いて説明する。図６に示すように、電子回路３００は、時刻管理部３０１、制御部３０２、出力回路部３０３、相関処理部３０４、受信直交復調回路部３０５、周波数可変型タイミング回路部３０６を備えている。出力回路部３０３、相関処理部３０４、受信直交復調回路部３０５は、８個の送受信器１…ごとに対応して、８個ずつ設けられている。時刻管理部３０１、制御部３０２、周波数可変型タイミング回路部３０６は、送受信器１ごとに設ける必要がないため、音響トモグラフィ装置１００に各１つ設けられている構成である。
【００７７】
以下、電子回路３００の動作について説明する。時刻管理部３０１は、例えば、ＧＰＳ受信機、補助水晶クロック３０７及び基準時刻発生器から構成される。ＧＰＳ受信機は、ＧＰＳアンテナ１４で受信されたＧＰＳ衛星からの時刻信号を受信して、基準時刻発生器に同期信号を出力するものである。基準時刻発生器は、この同期信号から、上記した基準クロック信号を生成するものである。例えば、基準時刻発生器は、パルス立ち上がりが毎正秒を示す正確な周波数１Ｈｚの信号（以下「１Ｈｚ信号」という）及び周波数が１ｋＨｚの信号（以下「１ｋＨｚ信号」という）を生成して送出するものである。
【００７８】
上記補助水晶クロック３０７は、年間誤差１．５秒の周波数安定度を有する温度自動補正機能付の水晶クロックであり、ＧＰＳ衛星からの時刻信号が受信できないときは、自身のクロックを同期信号として基準時刻発生器１ｃに与えるように構成されているものである。すなわち、水晶クロックは、ＧＰＳ受信機のバックアップとして機能するものでもある。
【００７９】
制御部３０２は、例えば、ＣＰＵ及びハードディスク装置から構成される。ＣＰＵは、バス信号線Ｓｂを介して、後述する相関処理部３０４とのデータ通信を行い、受信したデータをハードディスク装置に保存する。このハードディスク装置には、音波を送信した音響トモグラフィ装置を特定するための、音響トモグラフィ装置ごとの識別コードが予め記憶されている。なお、本実施の形態では、疑似乱数発生法の一つであるＭ系列法により生成された乱数のうちの互いに異なる相関の最も小さい乱数ペアであって、その積で作られる６個の異なって符号化されたGold系列が選択されている。
【００８０】
また、制御部３０２は、後述する出力回路部３０３に対し、送信スタート信号Ｓ１を出力するとともに、相関処理部３０４及び受信直交復調回路部３０５に対し、受信スタート信号Ｓ２を出力する。前者は、音波の送信のタイミング信号（トリガ）とされ、後者は相関処理を開始するためのタイミング信号として用いられる。本実施の形態では、送信スタート信号Ｓ１及び受信スタート信号Ｓ２は共に、所定の繰返し周期をもつパルス信号であるが、受信スタート信号Ｓ２は、送信スタート信号Ｓ１が出力されてから、所定の時間間隔（遅延時間）をあけて出力される。また、プログラム設定により、繰返し周期は可変となっている。
【００８１】
相関処理部３０４は、例えば、ＣＰＵ機能を有するＤＳＰ（Digital Signal Processor）及びＲＡＭ（Randam Access Memory）から構成されるものであり、後述する受信直交復調回路部３０５及び制御部３０２とのデータ通信を、データバスＳｂを介して行い、受信直交復調回路部３０５から受信したデジタルデータに含まれる識別コード（音響トモグラフィ装置ごとに定められたもの）と、予めハードディスク装置に記憶された各局の識別コードとの相関処理（相関検波）を高速度で行い、その相関出力値（以下、相関係数という）がピークを示す時刻あるいはピークの直前で相関値があるしきい値（例えば、Ｓ／Ｎ比＝７．０）を超える時刻を受信時刻として測定する。
【００８２】
周波数可変型タイミング回路部３０６は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路、１／１０分周器及び１／２分周器から構成されるものである。ＰＬＬ回路は、１ｋＨｚ信号の周波数を１１０倍に変換する回路である。なお、この倍数（乗数）は、測定海域の大きさにあわせて音波の波長を可変させるため、４倍から４００倍、即ち周波数換算で２ｋＨｚから２０ｋＨｚまでの間で設定可能となっている。１／１０分周器は、ＰＬＬ回路からの１１０ｋＨｚの信号を１１ｋＨｚに分周するものであり、分周された信号（以下「１１ｋＨｚ信号」という）は、駆動信号Ｓｄの搬送波生成のため、後述する信号発生器に入力され、また、サンプリングのタイミング信号としてＡ／Ｄ変換器に入力される。１／２分周器は、１１ｋＨｚ信号をさらに、５．５ｋＨｚに分周した２信号（以下、総称して「５．５ｋＨｚ信号」という）を生成し、この２信号を、さらに互いに９０度の位相差を持たせて出力するものであり、この２信号は、直交復調（位相復調）のタイミング信号として、後述する２つの直交復調回路に入力される。
【００８３】
受信直交復調回路部３０５は、例えば、アンプ、帯域フィルタ、２つの直交復調回路、２つの高周波除去フィルタ及びＡ／Ｄ変換器から構成されるものである。アンプは、送受信器１の音波受信部から出力される微弱な音波受信信号を増幅するものであり、帯域フィルタは、増幅された信号の特定帯域を通過させる回路である。
【００８４】
２つの直交復調回路は、帯域フィルタの出力信号を、１／２分周器から出力された５．５ｋＨｚ信号により、直交復調する回路である。２つの高周波除去フィルタは、直交復調された各信号の高周波成分を除去する回路である。Ａ／Ｄ変換器は、２つの高周波除去フィルタからのアナログ信号を１１ｋＨｚ信号に同期したサンプリングによりＡ／Ｄ変換して、デジタルデータとして相関処理部３０４に送信する回路である。
【００８５】
出力回路部３０３は、例えば、信号発生器及びアンプから構成されるものである。信号発生器は、１１ｋＨｚ信号に同期する搬送波を内部的に生成しており、制御部３０２からの送信スタート信号に応答して、自装置（本音響トモグラフィ装置）の識別コードを制御部３０２から受信するとともに、この識別コードを搬送波に位相変調して駆動信号Ｓｄとして出力するものである。アンプは、信号発生器から入力された駆動信号を増幅するパワーアンプであり、増幅された駆動信号は送受信器１の送信部に送出される。
【００８６】
上述したように、音響トモグラフィ装置１００は、岸壁、防波堤、護岸等の沿岸部・港湾部等に設置され、沿岸海洋部を測定対象水域としており、送受信器アレイ１０は、水面５０の下、つまり、水中において、水面５０に対して鉛直方向に並んで設置されている。つまり、音響トモグラフィ装置１００には、複数の送受信器１…が設けられており、この送受信器１ごとに出力回路部３０３、相関処理部３０４、受信直交復調回路部３０５が設けられている。このため、制御部３０２には、これら複数の送受信器１…にて送受信したデータに基づいて、複数の相関処理部３０４…で算出された複数の音波伝搬時間情報データがデータバスＳｂを介して集められ、一元的に管理される。なお、集められた複数の音波伝搬時間情報データは、無線通信部１５によって、不図示の外部の情報解析装置等に情報を送信することができる。なお、時刻管理部３０１、制御部３０２、出力回路部３０３、相関処理部３０４、受信直交復調回路部３０５、周波数可変型タイミング回路部３０６の詳細な機能ブロックの構成は、例えば、特許文献１を参照することができる。
【００８７】
このように、上記電子回路３００は、これら複数の送受信器１…の全てにおいて送受信したデータに基づいて、上述したような処理を行い、複数の音波伝搬時間情報を取得することができる。そして、複数の送受信器１…には、それぞれの識別情報（水中のどの位置（深度）に設けられているか、どの音響トモグラフィ装置に備えられている送受信器か等情報）が記憶されている。このため、音響トモグラフィ装置１００によれば、上記送受信器１の識別情報と音波伝搬時間情報とを関連づけた情報として得ることができる。
【００８８】
図６に示すように、制御部３０２と複数の相関処理部３０４との間の通信はＬＡＮ（Local Area Network）により行う。すなわち、ＬＡＮインターフェースを備えた制御部３０２と複数の相関処理部３０４とをＬＡＮ結合し、複数の送受信器１からの伝搬時間情報をシリアルに自動処理し、制御部３０２のハードディスク装置（不図示）に自動記録する。そして、相関処理情報を無線通信部１５に転送する。そして、無線通信部１５からは、上記相関処理情報をパケット方式の双方向通信により送受信する。
【００８９】
したがって、音響トモグラフィ装置１００によれば、図７に示すように、複数の音響トモグラフィ装置１００を測定対象水域である沿岸海洋部にそれぞれ１〜３０ｋｍ程度離間させて設置した場合、この測定対象水域のいろいろな深さにおいて、音波を送信したり、又は他の音響トモグラフィ装置から送信され水中を伝搬してきた音波を受信したりすることができる。このため、水面に対して鉛直方向の断面内の様々な場所を通る音線あるいは鉛直モードが得られることになる。したがって、測定対象水域における流速・水温場の鉛直断面撮影が可能となり、３次元解析のための音波伝搬時間情報を収集することができる。
【００９０】
また、音響トモグラフィ装置１００は、複数の送受信器１を備える送受信器アレイ１０を鉛直方向に設けられている構成である。このため、音響トモグラフィ装置１００によれば、音波送信手段と音波受信手段とが一体となって構成されているため、従来の装置のように音波送信手段と音波受信手段とが別々の構成である場合に比べて、より高精度に流速を測定することができる。これは、上述したように、音波の送信器（音源、トランスミッター）と受信器（ハイドロフォン）が別の装置であるため両者の距離が大きくなると送信と受信で測定深度が異なることになり、両方向の音波伝搬時間差を利用する流速計測を正確に行うことができないという問題を解消することができるためである。
【００９１】
さらに、音響トモグラフィ装置１００は、無線通信部１５を備えているため、音波伝搬時間情報を実時間にて、外部の情報解析装置に、例えば、パケット通信等を利用して送信することができる。このため、従来の装置では実現不可能であった実時間での流速・水温場の３次元解析を可能とする。
【００９２】
また、上記実施形態では、海岸部分に利用できる護岸施設がある場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、例えば、音響トモグラフィ装置１００を設置する海岸等の沿岸海洋部に、音響トモグラフィ装置１００を設置するための護岸施設がない場合でも、本発明に係る音響トモグラフィ装置を用いることができる。
【００９３】
具体的には、図８に示すように、沿岸部分に音響トモグラフィ装置１００を設置できるスペース（例えば、護岸施設や堤防等）がない場合、送受信器アレイ１０の一方の端部に浮き６０を接続し、また他方の端部にアンカー６１を接続し、当該浮き６０及びアンカー６１により、送受信器アレイ１０を複数の送受信器１が水面に対して垂直に並んで設置されるように構成することにより、音響トモグラフィ装置１００を設置することができる。また、送受信器アレイ１０は、装置本体とケーブルにより接続されている。
【００９４】
上記の構成にすることにより、沿岸海洋部に音響トモグラフィ装置１００を設置可能な護岸施設がない場合でも、本発明に係る音響トモグラフィ装置を好適に設置することができる。このような構成にすることにより、沿岸部の構造がどのような形状であっても音響トモグラフィ装置１００を利用することができる。
【００９５】
＜３．音響トモグラフィシステム＞
次に、本発明に係る音響トモグラフィシステムの一実施形態について説明する。図９は、本実施形態に係る音響トモグラフィシステムの構成を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施の形態では、周囲を陸地に囲まれた内湾を測定対象水域として、音響トモグラフィシステム２００（以下システム２００という）が配備される。
【００９６】
システム２００は、測定対象水域の内湾沿岸部近傍に配置された７つの音響トモグラフィ装置１００、すなわち、音響トモグラフィ装置１００Ａ、音響トモグラフィ装置１００Ｂ、…、音響トモグラフィ装置１００Ｇと、情報解析装置２０とを備えている。
【００９７】
音響トモグラフィ装置１００Ａ〜１００Ｇは、測定対象水域の周縁に存在する岸壁、堤防等の沿岸施設を利用して散在させて設けられている。ここで、「測定対象水域の周辺に存在する岸壁、堤防等の沿岸施設を利用して散在」とは、状況を解析したい水域の周辺に存在する沿岸部に、互いに水中を伝搬する音波を送受信できるように、複数の音響トモグラフィ装置を、配置することをいう。
【００９８】
また、音響トモグラフィシステム２００に用いられる音響トモグラフィ装置１００の数は、測定対象水域の特徴的な流況（環流、渦など）の３次元構造を解析できるように空間分解能（上記数式（９））を考慮しながら、最低必要数として決めることになるが、大まかな目安としては５個〜８個程度とすることが好ましい。ただし、海峡を通過する流量を計測するだけなら少なくとも３個で目的を達する。対象水域に細かい複雑な流れの構造が存在するほど、空間分解能をよくするために音響トモグラフィ装置の数を増やすことが必要となることはいうまでもない。各音響トモグラフィ装置を設置する間隔は、音波が伝搬可能であるという点と、時間精度を考えて決めることになる。具体的には、例えば、周波数２〜２０ｋＨｚの音波を採用すれば、概ね設置間隔１〜３０ｋｍが好適となる。音響トモグラフィ装置の水平配置は、上述の逆解析で現れる変換行列Ｅのrankをできるだけ大きくするために、等間隔とせず、間隔、位置に不規則性をもって配置することが好ましい。
【００９９】
音響トモグラフィ装置１００Ａ〜１００Ｇは同様の構成であるため、音響トモグラフィ装置１００Ａを例に挙げて説明する。
【０１００】
音響トモグラフィ装置１００Ａにおいては、複数の送受信器１を備えた送受信器アレイ１０が、アレイ支持部１１によって、水面に対して鉛直方向に並べて、水中に配置されている。また、音響トモグラフィ装置１００Ａには、無線通信部１５が設けられており、防水加工された回路収納部１３内部には、バッテリーにより電力を供給される電子回路３００が収納されている。
【０１０１】
上記実施形態１で説明したように、音響トモグラフィ装置１００Ａの電子回路３００において、時刻管理部３０１は、ＧＰＳアンテナ１４によって受信された、ＧＰＳ衛星からの時刻信号に基づいて、基準クロック信号を生成して制御部３０２に送出する。一方、制御部３０２は、自装置を識別するための識別コードをハードディスク装置に記憶している。出力回路部３０３は、識別コードを含む駆動信号Ｓｄを、送受信器１の音波送信部に対して出力する回路である。
【０１０２】
また、音響トモグラフィ装置１００Ａの電子回路３００は、さらに受信した音波の信号処理を行う受信直交復調回路部３０５と、音波の送信先である音響トモグラフィ装置の特定及び音波の受信時刻の計測を行う相関処理部３０４とを備えている。また、ハードディスク装置には、システム２００の全音響トモグラフィ装置の識別コードが記憶されている。
【０１０３】
なお、上述の実施形態１でも説明したように、音響トモグラフィ装置１００Ａ〜１００Ｇは、無線通信部１５を備え、無線通信部１５によって、実時間にて音波伝搬時間情報を情報解析装置２０に対して送信するものである。
【０１０４】
情報解析装置２０は、上記７つの音響トモグラフィ装置１００Ａ〜１００Ｇによって得られる、複数の音波伝搬時間情報を用いて、測定対象水域における流速及び／又は温度を実時間にて３次元的に解析するための解析装置である。より詳細には、図１０に示すように、情報解析装置２０は、複数の音響トモグラフィ装置１００Ａ〜１００Ｇから、上記実時間にて送信される複数の音波伝搬時間情報を受信する無線通信手段として機能する無線通信部２１を備えている。そして、この無線通信部２１によって得られた複数の音波伝搬時間情報を用いて、実時間にて測定対象水域における流速及び／又は温度を３次元的に解析する。
【０１０５】
情報解析装置２０の具体的な構成を図１１に示す。同図に示すように、情報解析装置２０は、無線通信部２１、判定部２２、２次元流速場算出部２３、２次元水温場算出部２４、流速場３次元処理部２５、水温場３次元処理部２６、指示部２７、出力部２８を備えている。
【０１０６】
無線通信部２１は、複数の音響トモグラフィ装置から、送信される複数の音波伝搬時間情報を受信する無線通信手段として機能するものである。判定部２２は、受信した音波伝搬時間情報について、大きい伝搬信号ピークが含まれているかどうかの良否判定を行うものである。２次元流速場算出部２３は、複数の上記音波伝搬時間情報（音波伝搬時間差情報）から、複数の２次元流速場を算出する２次元流速場算出手段として機能するものである。２次元水温場算出部２４は、複数の上記音波伝搬時間情報（平均音波伝搬時間）から、複数の２次元水温場を算出する２次元水温場算出手段として機能するものである。
【０１０７】
また、流速場３次元処理部２５は、２次元流速場算出部２３によって算出された複数の２次元流速場を、その深度層に応じて３次元流速場として再構成する流速場３次元処理手段として機能するものである。水温場３次元処理部２６は、２次元水温場算出部２４によって算出された複数の２次元水温場を、その深度層に応じて３次元水温場として再構成する水温場３次元処理手段として機能するものである。
【０１０８】
なお、本明細書でいう「深度」とは、水面（海面）から下向きに計測した、水中における深さの度合いを表すものであり、「深度層」とは、同一深度点から構成された平面の意である。
【０１０９】
また、指示部２７は、上記複数の音響トモグラフィ装置のいずれか若しくは全てに対して、計測条件を変更させる指示を実時間にて送るための指示手段として機能するものである。出力部２８は、情報解析装置２０の３次元水温、流速分布等の解析結果や解析途中の情報を出力するものであればよく、例えば、ＣＲＴや液晶パネル等の従来公知の表示装置が挙げられる。また、ハードコピーとして例えば紙に出力する印刷装置が備えられていてもよい。なお、情報解析装置２０の各構成部材（機能ブロック）の動作については後述する。
【０１１０】
次いで、システム２００における音波送受信の動作を説明する。図９に示すように、まず、音響トモグラフィ装置１００Ａは、時刻管理部３０１で管理された時間における、予め計画された所定の送信時刻に音波送信を行う。すなわち、制御部３０２では、自装置の識別コードがハードディスク装置から読出され、出力回路部３０３では、この識別コードを含んだ駆動信号Ｓｄが生成されて、駆動信号Ｓｄは送受信器１における音波送信部へ送出され、音波送信部から水中に向けて音波ａが送信される。
【０１１１】
音響トモグラフィ装置１００Ｄでは、送受信器アレイ１０に複数設けられている送受信器１における音波受信部にて音波ａが受信され、その音波受信信号Ｓｒは、受信直交復調回路部３０５にてＡ／Ｄ変換されてデジタルデータとなり、相関処理部３０４では、このデータに含まれた識別コードと、ハードディスク装置に予め記憶された音響トモグラフィ装置１００Ｄ以外の識別コードとの相関処理を行うことで、音響トモグラフィ装置（この場合、音響トモグラフィ装置１００Ａ）を特定するとともに、受信時刻を測定する。そして、制御部３０２にて、送信時刻と受信時刻との時間差を演算することで音波伝搬時間が算出される。
【０１１２】
そして、図９に示すように、音響トモグラフィ装置１００Ｄにて算出された音波伝搬時間情報は、無線通信部１５によって、情報解析装置２０に対して、無線通信的に出力される。
【０１１３】
なお、図９においては、上記の動作説明に必要なものに限定して図示したが、音響トモグラフィ装置１００Ａにおける電子回路３００や送受信器アレイ１０等と、音響トモグラフィ装置１００Ｄにおける電子回路３００や送受信器アレイ１０等とは同一構成となっており、ともに、時刻管理部３０１、制御部３０２、出力回路部３０３、相関処理部３０４及び受信直交復調回路部３０５を備えている。また、音響トモグラフィ装置１００Ｂ、音響トモグラフィ装置１００Ｃ、音響トモグラフィ装置１００Ｅ、音響トモグラフィ装置１００Ｆ及び音響トモグラフィ装置１００Ｇにおいても、音響トモグラフィ装置１００Ａ、音響トモグラフィ装置１００Ｄと同一の構成がとられ、音波の送受信が可能となっている。このため、音響トモグラフィ装置１００Ａ〜１００Ｇのそれぞれにおいて、複数の音波伝搬時間情報を取得することができる。
【０１１４】
また、図１０に示すように、各音響トモグラフィ装置１００Ａ〜Ｇにおいて得られた複数の音波伝搬時間情報は、各音響トモグラフィ装置１００が有する無線通信部１５によって、情報解析装置２０に対して無線通信にて出力される。各音響トモグラフィ装置１００から情報解析装置２０に対して行われる音波伝搬時間情報の無線送信は、実時間で行われる。したがって、情報解析装置２０では、音響トモグラフィ装置１００Ａ〜１００Ｇにおいて得られた音波伝搬時間情報を、実時間で一元的に管理する。
【０１１５】
また、図１０に示すように、無線通信部１５による通信は、パケット方式の双方向通信とする。この場合、高機能コンピュータで構成される情報解析装置２０は、指示手段として機能する指示部を有しているので、無線通信部１５を介して、音響トモグラフィ装置１００に対して計測条件を変更するように、遠隔から操作することも可能となる。
【０１１６】
情報解析装置２０は、得られた複数の音波伝搬時間情報を用いて、実時間にて測定対象水域における流速及び／又は温度を３次元的に解析する。この具体的な処理動作について、以下に図１２に基づき説明する。図１２は複数の音波伝搬時間情報を用いた処理動作フローの一例を示す図である。
【０１１７】
図１２に示すように、まず、ステップ（以下「ステップ」を単に「Ｓ」と称する）１において、無線通信部２１が、所定の時間毎に、複数の音響トモグラフィ装置Ａ〜Ｅから相関処理された音波伝搬時間情報を受信する。次に、Ｓ２において、判定部２２が、大きい伝搬信号ピークが含まれているかどうかの良否判定を行う。概ね信号・雑音比（Ｓ／Ｎ比）が７を越える信号ピークが存在しない場合（Ｎ）には、Ｓ３の処理に進む。
【０１１８】
Ｓ３において、指示部２７は、複数の音響トモグラフィ装置Ａ〜Ｅのいずれか若しくは全てに対して、データ受信窓の時間位置、幅などの計測条件を変更指示し、Ｓ１に戻り、情報解析装置２０は、上記変更指示された計測条件にて測定した音波伝搬時間情報を改めて受信する。
【０１１９】
一方、判定部２２が、大きい伝搬信号ピークが含まれていると判断した場合（Ｙ）、Ｓ４に進む。そして、Ｓ４において、２次元流速場算出部２３が、上記複数の音波伝搬時間情報（特に、音波伝搬時間差情報）に基づき、各深度に応じた複数の２次元流速場データを算出する。
【０１２０】
次に、Ｓ５において、２次元水温場算出部２４が、上記複数の音波伝搬時間情報（特に、平均音波伝搬時間情報）に基づき、各深度に応じた複数の２次元水温場データを算出する。続いてＳ６において、流速場３次元処理部２５が、上記各深度に応じた複数の２次元流速場データに基づき、３次元流速場を構成する。このとき、例えば、上記３次元流速場が複数の層状の２次元流速場データからなるものである場合、流速場３次元処理部２５は、上記複数の２次元流速場データを、その深度に応じて層状に重ねることにより３次元データとして構成することができる。
【０１２１】
次いで、Ｓ７において、水温場３次元処理部２６が、上記各深度に応じた複数の２次元水温場データに基づき、３次元水温場を構成する。このとき、例えば、上記３次元水温場が複数の層状の２次元水温場データからなるものである場合、水温場３次元処理部２６は、上記複数の２次元水温場データを、その深度に応じて層状に重ねることにより３次元データとして構成することができる。
【０１２２】
そして、Ｓ８において、上記３次元流速場及び３次元水温場の解析結果を出力して、処理を終了する。なお、上記各処理工程の順序は本発明の目的を達成できる範囲内で適宜変更できることはいうまでもない。例えば、２次元流速場を算出する工程と２次元水温場を算出する工程とを入れ替えてもよいし、２次元流速場を算出する工程の後に、直ちに３次元流速場を構成する処理を行ってもよい。
【０１２３】
また、ここで、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４において、２次元流速場および２次元水温場を算出する処理について説明する。かかる２次元流速場および２次元水温場を算出する処理は、本発明者らが開示している上記非特許文献１のｐ１１〜ｐ１７の記載に基づけば、当業者であれば、容易に行うことができる。
【０１２４】
すなわち、上記非特許文献１に開示されているように、音波伝搬時間情報、予め準備している実験海域の地形条件、音響局位置情報、および基準音速情報等を併せて用い、２次元水温、流速分布を算出し、画像データとして作製する。
【０１２５】
具体的には、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、音波伝搬時間情報を使用したインバース解析処理を行う前に、測定対象水域の基準音速データを用いた音線或いは鉛直モードを、音波伝搬シミュレーションにより求めておく。つまり、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４を、非特許文献１に開示の音線シミュレーション及び音波の伝搬時間方程式の欄に記載した内容にしたがって、かかる処理を行うように構成する。
【０１２６】
次に、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、測定対象水域を適当な数のグリッドで分割し、各グリッドに未知の水温、流速値を、番号を付して割り付ける。
【０１２７】
そして、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、これらの情報から、上記数式（８）を用いるインバース解析において使用する推定解ｘに現れる変換行列Ｅを決定する。ここで、重み係数αを適当に与えれば、音波伝搬時間情報から推定解ｘを算出できる。そして、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、推定解の２乗と誤差の２乗の和が最小となっているか否かを判定し、否ならばαを変更して推定解を求め直す。このような操作を反復し、合になったところで、この推定解を最適解とする。上記処理をより詳細に説明すると、図１３に示す処理フローとなる。
【０１２８】
図１３に示すように、まず、Ｓ１１において、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、上述の音波伝搬シミュレーションにより、測定対象水域の基準音速データを用いた音線或いは鉛直モードを算出する。次に、Ｓ１２において、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、測定対象水域を適当な数のグリッドで分割し、各グリッドに未知の水温、流速値を、番号を付して割り付ける分割処理を行う。
【０１２９】
続いて、Ｓ１３において、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、これらの情報から、上記数式（８）を用いるインバース解析において使用する推定解ｘに現れる変換行列Ｅを決定する。次いで、Ｓ１４において、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、重み係数αの初期値を決定する。
【０１３０】
次に、Ｓ１５において、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、音波伝搬時間情報を用いたインバース解析により推定解を算出する。そして、Ｓ１６において、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、推定解の２乗と誤差の２乗との和が最小か否か判定する。最小であると判定した場合（Ｙ）、Ｓ１７に移行し、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、求めた推定解を最適推定解として決定し、処理を終了する。
【０１３１】
一方、Ｓ１６において、最小でないと判定した場合、Ｓ１８に移行し、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、重み係数αの値を変更する。続けて、Ｓ１５に移行し、推定解を算出する処理以降の処理を繰り返す。
【０１３２】
したがって、２次元流速場算出部２３および２次元水温場算出部２４は、例えば、上記非特許文献１に開示されている“インバース法”に基づき、インバース解析を行い、２次元流速場および２次元水温場を算出できるように構成すればよい。
【０１３３】
なお、上述の説明では、測定対象水域として、沿岸海洋の特に半閉鎖性の内湾を例に挙げて説明したが、本音響トモグラフィシステム２００は、これに限定されるものではなく、例えば、図１４に示すように、測定対象水域として海峡を選択して、音響トモグラフィ装置１００Ｔ１〜１００Ｔ７までを散在して配置することもできる。この場合も、上記説明と同様に、海峡に流れる水流の流速及び／又は温度を３次元的に解析することができる。
【０１３４】
以上のように、音響トモグラフィシステム２００によれば、測定対象水域における水温・流速場について、実時間の３次元解析が可能であり、沿岸海洋・陸水域の環境管理と評価に資することができる。
【０１３５】
つまり、対象となる沿岸海洋・陸水域を取り囲むようにして陸上設置した複数の音響トモグラフィ装置（音波送受信局、響台）間で音波を送受信し、双方向で得られる平均音波伝搬時間データ及び音波伝搬時間差データを無線通信（例えば、携帯電話回線等）で、実時間で情報解析装置（情報集中局）に集め、高速コンピュータで３次元流速・水温場を迅速に求めることができる能力を保持している。測定対象水域の水平方向に多数散在して展開配置した音響トモグラフィ装置（響台）により流速・水温の水平分布を求める。また各音響トモグラフィ装置（響台）に鉛直にアレイ状に取り付けた複数の送受信器により流速・水温の鉛直分布を求める。そして、両者を併せることにより、測定対象水域における水温及び／又は流速の３次元分布を求めることができる。
【０１３６】
加えて、各音響トモグラフィ装置（響台）から情報解析装置（情報集中局）に自動的に計測データを集めることができるだけでなく、無線通信（例えば、携帯電話回線等）を利用して情報解析装置（情報集中局）から各音響トモグラフィ装置（響台）に、計測条件の設定・修正等を指令することができる能力を付加している。すなわち、本発明では、情報解析装置（情報集中局）と複数の音響トモグラフィ装置（響台）を無線通信（例えば、携帯電話回線等）で一体化したトータルシステムを提案している。さらに、情報解析装置（情報集中局）の指令で全音響トモグラフィ装置（響台）を自動運転することも可能である。
【０１３７】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１３８】
最後に、音響トモグラフィ装置１００の制御部３０２や情報解析装置２０の各ブロックは、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【０１３９】
すなわち、制御部３０２や情報解析装置２０は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するＣＰＵ（central processing unit）、上記プログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（random access memory）、上記プログラム及び各種データを格納するメモリ等の記憶装置（記録媒体）などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアである制御部３０２や情報解析装置２０の制御プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、上記制御部３０２や情報解析装置２０に供給し、そのコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。
【０１４０】
上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ／ＥＥＰＲＯＭ／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。
【０１４１】
また、制御部３０２や情報解析装置２０を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを、通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
以上のように、本発明に係る音響トモグラフィ装置及び音響トモグラフィシステムによれば、測定対象水域の水温・流速場の実時間３次元解析が可能である。このため、沿岸海洋学・陸水学という学術的な面だけでなく、モニタリングと変動予測を通じて環境・水産業・船舶による運輸業・海洋レジャー産業等といった広範な産業上の利用可能性が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】水平面分割法の概念を模式的に示す図である。
【図２】メッシュ分割法の概念を模式的に示す図である。
【図３】関数展開法の概念を模式的に示す図である。
【図４】本実施の形態に係る音響トモグラフィ装置を模式的に示す図である。
【図５】本実施の形態に係る音響トモグラフィ装置が備える送受信器の具体的な構成を模式的に示す図である。
【図６】本実施の形態に係る音響トモグラフィ装置が備える電子回路の構成を模式的に示す図である。
【図７】本実施の形態に係る音響トモグラフィ装置による音波伝搬時間情報を取得する動作を模式的に説明した図である。
【図８】本実施の形態に係る音響トモグラフィ装置の他の設置形式を模式的に示した図である。
【図９】本実施の形態に係る音響トモグラフィシステムの構成を模式的に示した図である。
【図１０】本実施の形態に係る音響トモグラフィシステムにおける通信の様子を模式的に説明した図である。
【図１１】本実施の形態に係る情報解析装置の具体的な構成を模式的に示す図である。
【図１２】本実施の形態に係る情報解析装置の処理フローの一例を示す図である。
【図１３】本実施の形態に係る情報解析装置が有する２次元流速場算出部及び２次元水温場算出部の処理フローの一例を示す図である。
【図１４】本実施の形態に係る他の音響トモグラフィシステムの構成を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【０１４４】
１    送受信器（音波送受信手段）
１０    送受信アレイ
１５    無線通信部（無線通信手段）
２０    情報解析装置
２１    無線通信部（無線通信手段）
２３    ２次元流速場算出部（２次元流速場算出手段）
２４    ２次元水温場算出部（２次元水温場算出手段）
２５    流速３次元場処理部（流速３次元場処理手段）
２６    水温３次元場処理部（水温３次元場処理手段）
２７    指示部（指示手段）
５１    沿岸海洋
１００    音響トモグラフィ装置
２００    音響トモグラフィシステム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006118921.tif 000019
【図９】
2006118921.tif 000020
【図１０】
2006118921.tif 000021
【図１１】
2006118921.tif 000022
【図１２】
2006118921.tif 000023
【図１３】
2006118921.tif 000024
【図１４】
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