(57)【要約】【課題】探査漏れを少なくできる水底下探査方法及び装置を提供する。【解決手段】水中に音波を送波する送波器２と、物体３からの散乱波を受波する受波器４とを水中航行体５に搭載し、その水中航行体５を所定の水域Ｅａの周りで周回航行させつつ該水域内の水底下にある物体を探査する水底下探査方法において、あらかじめ水中の背景雑音や残響音を計測し、この背景雑音や残響音が大きいときには上記水域を狭く設定し、上記背景雑音や残響音が小さいときには上記水域を広く設定しておき、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行う。【選択図】図１
2008076294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に音波を送波する送波器と、物体からの散乱波を受波する受波器とを水中航行体に搭載し、その水中航行体を所定の水域の周りで周回航行させつつ該水域内の水底下にある物体を探査する水底下探査方法において、あらかじめ水中の背景雑音や残響音を計測し、この背景雑音や残響音が大きいときには上記水域を狭く設定し、上記背景雑音や残響音が小さいときには上記水域を広く設定し、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行うことを特徴とする水底下探査方法。
【請求項２】
水中に音波を送波する送波器と、物体からの散乱波を受波する受波器とを水中航行体に搭載し、その水中航行体を所定の水域の周りで周回航行させつつ該水域内の水底下にある物体を探査する水底下探査方法において、あらかじめ水底の音響特性パラメータ（音速、密度、減衰係数）を計測し、この音響特性パラメータを用いた音波伝搬解析を行い、水底が音波を伝えにくいときには上記水域を狭く設定し、水底が音波を伝えやすいときには上記水域を広く設定し、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行うことを特徴とする水底下探査方法。
【請求項３】
上記音響特性パラメータは、上記送波器から試験波を送波して水底で反射した音波を上記受波器で受波し、受波した信号を用い逆問題解析計算により求めることを特徴とする請求項２記載の水底下探査方法。
【請求項４】
水中に音波を送波する送波器と、物体からの散乱波を受波する受波器とを水中航行体に搭載し、その水中航行体を航行させつつ水底下にある物体を探査する水底下探査方法において、あらかじめ水底の凹凸を計測し、その凹凸を入力値にした音波伝搬解析を行い、水底下に音波を伝えにくいときには上記水域を狭く設定し、水底下に音波が伝えやすいときには水域を広く設定し、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行うことを特徴とする水底下探査方法。
【請求項５】
凹凸に応じて音波が伝わりやすい周波数を用いることを特徴とする請求項４記載の水底下探査方法。
【請求項６】
水中に音波を送波する送波器と、物体からの散乱波を受波する受波器と、これら送波器及び受波器を搭載する水中航行体とを備え、その水中航行体を所定の水域の周りで周回航行させつつ該水域内の水底下にある物体を探査する水底下探査装置において、あらかじめ水中の背景雑音や残響音を計測する背景雑音計測器と、この背景雑音や残響音が大きいときには上記水域を狭く設定し、上記背景雑音や残響音が小さいときには上記水域を広く設定する水域設定手段とを備え、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行うことを特徴とする水底下探査装置。
【請求項７】
水中に音波を送波する送波器と、物体からの散乱波を受波する受波器と、これら送波器及び受波器を搭載する水中航行体とを備え、その水中航行体を所定の水域の周りで周回航行させつつ該水域内の水底下にある物体を探査する水底下探査装置において、あらかじめ水底の音響特性パラメータ（音速、密度、減衰係数）を計測する音響特性パラメータ計測器と、この音響特性パラメータを用いた音波伝搬解析を行う音波伝搬解析手段と、水底が音波を伝えにくいときには上記水域を狭く設定し、水底が音波を伝えやすいときには上記水域を広く設定する水域設定手段とを備え、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行うことを特徴とする水底下探査装置。
【請求項８】
上記音響特性パラメータ計測器は、上記送波器から試験波を送波して水底で反射した音波を上記受波器で受波する試験手段と、受波した信号を用い逆問題解析計算により音響特性パラメータを推定する音響特性パラメータ推定手段とを有することを特徴とする請求項７記載の水底下探査装置。
【請求項９】
水中に音波を送波する送波器と、物体からの散乱波を受波する受波器とを水中航行体に搭載し、その水中航行体を航行させつつ水底下にある物体を探査する水底下探査装置において、あらかじめ水底の凹凸を光学的又は音響的に計測する水底凹凸計測器と、その凹凸で散乱波が発生しにくい周波数を設定する周波数設定手段とを備え、その設定された周波数で音波を送波及び受波して上記探査を行うことを特徴とする水底下探査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低コストで探査漏れを少なくできる水底下探査方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
遺跡・遺物や器具・機械などの人工物からなる水没品の探査は音響探査で行われる。このような音響による水底下探査においては、対象の物体が水底下に埋没していることが多い。ここで、水底下という用語の定義は、特許文献１と同様であり、水面から水底までを水中、砂、泥、礫等の固体部分の表面（音波に対して音響的な境界を形成する面）を水底、その固体部分の内部を水底下と言う。
【０００３】
埋没している物体を探査するためには、水底下にある物体からの散乱波を捉える必要がある。水底下では音波の減衰が大きいため、水底下にある物体からの散乱波は水中や水底や水面上にある物体からの散乱波よりもさらに微弱なものとなり、この微弱な信号を計測する必要がある。
【０００４】
また、水底に凹凸などがある場合には、それにより不必要な散乱波（水底散乱波）が発生し、この水底散乱波の受波レベルが物体からの散乱波の受波レベルよりも高くなると妨害になり探査ができなくなる。この水底散乱波のレベルは散乱波を発生する水底領域の面積に比例して大きくなるため、この面積が狭いほうが水底散乱波の影響を低減できる。そのため、水底下物体を探査するためには散乱波を発生する水底領域の面積を所定の範囲以下に絞った計測が必要となる。この水底領域の面積を絞るための方法として、送波で狭い指向性のものを使う、受波で狭い指向性のものを使う、またその組み合わせを使う方法がある。高周波では水底での反射や水底下での減衰が大きくなるため、低周波を用いる必要があるが、小型の装置により狭い指向性を実現するのは難しいという課題点がある。
【０００５】
さらに、物体にはその形状や性質に応じて特定の向きに音波を散乱させる性質がある。例えば、図８（ａ）〜図８（ｄ）は、物体３が円筒体の場合であって、ある高度の水平面における散乱波のレベル分布を模式的に示したものである。すなわち、円筒体からなる物体３に対してある角度から送波すると、物体３の周囲には散乱波の音圧が高い部分、中の部分、低い部分が生じ、それ以外の部分はさらに音圧が低い。これらの図のように、散乱波のレベルの高い範囲は限定され、物体を探査するためにこの狭い範囲内で散乱波を捉える必要がある。
【０００６】
水没品の音響探査に有利な方法・装置として、（あ）パラメトリックソーナー＋合成開口処理によるもの、（い）複数水中航行体を用いるものなどが提案されているが実用化されていない。
【０００７】
（あ）のパラメトリックソーナーは、送波で狭い指向性のものを使う方法である。パラメトリックソーナーとは、送波器を比較的高い近接した２つの周波数（例えば１０３ｋＨＺと１００ｋＨＺ）で大振幅駆動させ、媒質の非線形相互作用により、その差音である低周波（この場合３ｋＨｚ）が生じるようにすることにより、低周波音でありながら、指向性が強い送波が可能となるものである。パラメトリックソーナーから強い指向性の低周波、つまり広がる角度が狭い低周波を送波するので、散乱波の発生場所を限られた範囲に絞ることができる。また、合成開口処理は、受波で狭い指向性のものを使う方法である。合成開口処理とは、受波器の物理的な開口を越える大きさの仮想的開口を例えば水中航行体などが移動しながら散乱波を受波することにより実現する方法である。合成開口処理によって、より大きな開口を作るので合成前の受波器で得られる指向性と比べ、より鋭い指向性が得られる。そのため、限られた範囲からの散乱波だけを検出することができる。従って、パラメトリックソーナーと合成開口処理とを組み合われると、低周波による水底下探査が可能である。
【０００８】
（い）は、特許文献１に記載されたものであり、低周波の送波器を搭載して水中を移動する親機と、受波器を搭載して水中を移動する複数の子機とを使用し、複数箇所で受波した物体からの散乱波を探査する。この方式の利点の一つとして、物体の形状等に基づく散乱特性において、特定の方向に強く散乱が起きるような場合に、複数の子機が物体の周囲の各方角を通過するので、散乱の強い方向で受波する機会が増やせることがあげられる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１８４２６８号公報
【非特許文献１】佐藤  潤・斉藤  正徳、１９８７、Ｇｏｐｉｎａｔｈ−Ｓｏｎｄｈｉ積分方程式を用いた反射データのインバージョン、物理探査学会春季講演会
【非特許文献２】Ｍｏｕｒａｄ．Ｐ．Ｄ．ａｎｄ  Ｊａｃｋｓｏｎ．Ｄ．Ｒ．（１９８９）“Ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｏｎａｒ  ｅｑｕａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅｌｓ  ｆｏｒ  ｂｏｔｔｏｍ  ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ  ａｎｄ  ｆｏｒｗａｒｄ  ｌｏｓｓ”  ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ  ＯＣＥＡＮＳ’８９（ＩＥＥＥ  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）．ｐｐ．１１６８−１１７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
パラメトリックソーナーは、その装置自体のサイズが例えば、１ｍ角と大きく重量も重い。このため、パラメトリックソーナーを搭載して航行する水中航行体は、大型となる。水中航行体を船舶などに搭載して運用する場合には、その搭載スペースが限られるため大型なものは好ましくない。水中航行体のエネルギ源はバッテリであるが、パラメトリックソーナーが大音圧の差音を利用していることからエネルギ効率が低い。また、水中航行体が大型であることから、バッテリにも大容量が要求され、バッテリも大型化する。従って、（あ）の方式は、水中航行体の大型化とコスト高に問題がある。
【００１１】
また、（あ）の方式は、送波も受波も指向性が鋭いため、物体に音波が当たる機会が少なく、物体からの散乱波が生じる機会が少なく、物体を見逃すことがある。
【００１２】
一方、（い）の方式は、複数の水中航行体を制御するのでシステムが複雑化すると共に、水中航行体が複数必要なことでコスト高となる。
【００１３】
水中航行体を１台だけ使用して送波も受波もその水中航行体で行うことができれば、もしくは少ない機数の水中航行体を使用して探査ができれば、コストを下げられる。しかし、物体が極端に偏った散乱指向性を有する場合に、水中航行体を１台だけもしくは少ない機数の水中航行体を使用して漏れなく物体を発見できるようにするには、何らかの工夫が必要である。つまり、コストの問題と探査漏れの問題を両立させて解決する必要がある。
【００１４】
ここで、物体の探査漏れが生じる要因について考察する。
【００１５】
送受波を行うとき、実際には、送波器からの音波が物体で散乱した散乱波だけが都合良く受波されるのではなく、水中航行体のモータ音、舵の音などの自己雑音と、波や海洋生物より発生する雑音、周囲を航行する船舶が出す雑音などの周囲雑音とが重畳されて受波される。これら自己雑音と周囲雑音とを併せて背景雑音と呼ぶ。物体の探査を行うには背景雑音よりも高いレベルの物体からの散乱波を受波しなければならない。仮に物体からの散乱波が小さくても背景雑音がそれより十分に小さければ物体の探査が可能であるのに対し、物体からの散乱波が大きくても背景雑音が同様に大きければ物体の探査が不可能あるいは困難である。
【００１６】
また、上記した背景雑音のほかに水底や水面からの残響音がある。残響音は送波器より音波を送波したことによって生じるので、背景雑音と違って送波器のレベルを高くするだけでは回避することができない。さらに、水底下では、水底中での音のレベル減衰や音波の曲がりといった音響特性があり、水底下の物体を漏れなく探査するためには、これらの音響特性をあらかじめ知った上で、その音響特性を利用した探査をする必要がある。
【００１７】
また、水中では、水温や不純物濃度（特に海域では塩分濃度）によって音速が異なる。音速が異なると距離計測に影響すると共に、水温や不純物濃度が場所によって異なる分布をしていると、音速の分布が不均一になり、音波の曲がりが生じる。このことも物体の探査漏れの要因となる。
【００１８】
また、水底には、水流などによりできた凹凸がある場合がある。この凹凸で音波が散乱すると、水底下に音波が浸透しにくくなると共に、凹凸からの散乱波が探査の妨害になる。また、この凹凸の間隔や高さにより、水底下に浸透しやすい（凹凸で散乱しにくい）周波数が異なる。
【００１９】
さらに、（い）の方式において、親機及び子機を周回航行させてその周回領域内のあらゆる角度から散乱波をしようとするとき、周回の径を小さくすると、狭い領域しか探索できず、効率が良くない。逆に、周回の径を大きくすると、送波した音波が散乱して受波器に戻るまでの距離が延び、音波の減衰による音圧の低下が避けられない。従って、前述した背景雑音や残響音が大きいとき、周回の径を大きくするのは好ましくない。このように、周回の径を適切に決められるかどうかも、探査漏れの発生に深く関わる事柄である。
【００２０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、低コストで探査漏れを少なくできる水底下探査方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために第１の発明による水底下探査方法は、水中に音波を送波する送波器と、物体からの散乱波を受波する受波器とを水中航行体に搭載し、その水中航行体を所定の水域の周りで周回航行させつつ該水域内の水底下にある物体を探査する水底下探査方法において、あらかじめ水中の背景雑音や残響音を計測し、この背景雑音や残響音が大きいときには上記水域を狭く設定し、上記背景雑音や残響音が小さいときには上記水域を広く設定し、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行うものである。
【００２２】
第２の発明による水底下探査方法は、水中に音波を送波する送波器と、物体からの散乱波を受波する受波器とを水中航行体に搭載し、その水中航行体を所定の水域の周りで周回航行させつつ該水域内の水底下にある物体を探査する水底下探査方法において、あらかじめ水底の音響特性パラメータ（音速、密度、減衰係数）を計測し、この音響特性パラメータを用いた音波伝搬解析を行い、上記水底が音波を伝えにくいときには上記水域を狭く設定し、上記水底が音波を伝えやすいときには上記水域を広く設定し、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行うものである。
【００２３】
上記音響特性パラメータは、上記送波器から試験波を送波して水底で反射した音波を上記受波器で受波し、受波した信号を用い逆問題解析計算により求めてもよい。
【００２４】
第３の発明による水底下探査方法は、水中に音波を送波する送波器と、物体からの散乱波を受波する受波器とを水中航行体に搭載し、その水中航行体を航行させつつ水底下にある物体を探査する水底下探査方法において、あらかじめ水底の凹凸を計測し、その凹凸を入力値にした音波伝搬解析を行い、水底下に音波を伝えにくいときには上記水域を狭く設定し、水底下に音波が伝えやすいときには水域を広く設定し、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行うものである。
【００２５】
凹凸に応じて音波が伝わりやすい周波数を用いてもよい。
【００２６】
また、第１の発明による水底下探査装置は、水中に音波を送波する送波器と、物体からの散乱波を受波する受波器と、これら送波器及び受波器を搭載する水中航行体とを備え、その水中航行体を所定の水域の周りで周回航行させつつ該水域内の水底下にある物体を探査する水底下探査装置において、あらかじめ水中の背景雑音や残響音を計測する背景雑音計測器と、この背景雑音や残響音が大きいときには上記水域を狭く設定し、上記背景雑音や残響音が小さいときには上記水域を広く設定する水域設定手段とを備え、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行うものである。
【００２７】
第２の発明による水底下探査装置は、水中に音波を送波する送波器と、物体からの散乱波を受波する受波器と、これら送波器及び受波器を搭載する水中航行体とを備え、その水中航行体を所定の水域の周りで周回航行させつつ該水域内の水底下にある物体を探査する水底下探査装置において、あらかじめ水底の音響特性パラメータ（音速、密度、減衰係数）を計測する音響特性パラメータ計測器と、この音響特性パラメータを用いた音波伝搬解析を行う音波伝搬解析手段と、水底が音波を伝えにくいときには上記水域を狭く設定し、水底が音波を伝えやすいときには上記水域を広く設定する水域設定手段とを備え、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行ううものである。
【００２８】
上記音響特性パラメータ計測器は、上記送波器から試験波を送波して水底で反射した音波を上記受波器で受波する試験手段と、受波した信号を用い逆問題解析計算により音響特性パラメータを推定する音響特性パラメータ推定手段とを有してもよい。
【００２９】
第３の発明による水底下探査装置は、水中に音波を送波する送波器と、物体からの散乱波を受波する受波器とを水中航行体に搭載し、その水中航行体を航行させつつ水底下にある物体を探査する水底下探査装置において、あらかじめ水底の凹凸を光学的又は音響的に計測する水底凹凸計測器と、その凹凸で散乱波が発生しにくい周波数を設定する周波数設定手段とを備え、その設定された周波数で音波を送波及び受波して上記探査を行うものである。
【発明の効果】
【００３０】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３１】
（１）探査漏れを少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３３】
図１（ａ）に示されるように、本発明に係る水底下探査装置１は、水中に音波を送波する送波器２と、物体３からの散乱波を受波する受波器４と、これら送波器２及び受波器４を搭載する水中航行体５とを備え、その水中航行体５を航行させつつ水底下にある物体３を探査する水底下探査装置である。水中航行体５は、航行方向先頭が丸みを帯びている円筒または楕円筒形の外殻の後尾に取り付けた推進機構及び操舵機構（図示せず）並びにホバリング機構（図示せず）を有し、その外殻の内部に、送波器２と、受波アレイを構成する複数個の受波器４と、受波信号を増幅するアンプ６と、その受波信号を解析（解析内容は後述）する解析手段７と、バッテリ（図示せず）と、推進機構及び操舵機構を制御して水中航行体５が所定の航路に従って航行するようにする航行制御手段（図示せず）とを搭載する。
【００３４】
送波器２は、低周波、例えば３ｋＨｚの音波を送波するもので、航行方向側方から見た図１（ａ）、上から見た図１（ｂ）、航行方向後方から見た図１（ｃ）のいずれにおいても、指向性ビームの広がり幅が大きい（指向性が広い）ものである。
【００３５】
図１（ａ）に示されるように、航行方向側方から見たとき、送波の指向角閘は大きく、例えば４０ーである。送波の指向性の中心軸は鉛直方向であるが航行方向に傾けてもよい。また、図１（ｂ）に示されるように、上から見たとき、送波の指向性は水中航行体５の側方（後述する周回領域の内側）に向いている。さらに、図１（ｃ）に示されるように、航行方向後方から見たとき、指向性の中心軸は水底に対して傾いている。
【００３６】
図１（ｄ）に示されるように、水中航行体５からの音波があるレベルより高く到達するエリアを送波到達エリアｓとすると、水中航行体５が航行するに従い、送波到達エリアｓも移動する。物体３が送波到達エリアｓ内にあるとき、散乱波が発生する。このように、水中航行体５がかなり長い距離を航行する間、物体３からの散乱波を生じさせることができる。
【００３７】
受波器４は航行方向に複数個並べて配置される。これら複数個の受波器４による受波信号を公知のアルゴリズムに従って合成開口処理することにより、航行方向の幅が狭い範囲（検出指向性という）からの散乱波を検出することができる。
【００３８】
また、その合成開口処理において各受波器４からの受波信号を合成するときのパラメータを変更することにより、検出指向性の中心の向きを変えることができる。そのパラメータを順次変更して、図１（ｅ）に示されるように、航行方向のベクトル成分が正の最大から負の最大まで順次異なる検出指向性ｒ１〜ｒ５を得ることができる。従って、この検出指向性の切り替えと図１（ｄ）の送波とを組み合わせると、水中航行体５の航行位置が少しずつ進んでいく小刻みな時間ごとに、送波と各検出指向性における受波を行うことで、受波水中航行体５がかなり長い距離を航行する間、同一物体３からの散乱波を異なる検出指向性角度から受波することができる。また、左右方向については、到達時間の違いにより散乱波の発生範囲を狭い左右方向範囲に限定できる。ただし、物体３にも特定の向きに音波を散乱させる散乱指向性があるので、物体３と水中航行体５との位置関係によって受波できないこともある。
【００３９】
図１の水底下探査装置１は、水中航行体５を所定の水域の周りで周回航行させつつその水域内の水底下にある物体３を探査するものである。これは図２（ａ）、図２（ｂ）に示されるように、物体３には散乱波の強さに分布があるが、適宜な大きさの水域の周囲を周回航行すれば、いずれかの位置で強い散乱波を捉えることができるという考えに基づく。その詳細は後述する。
【００４０】
図２（ａ）の場合、水中航行体５はほぼ円を描いて周回する。図１（ｂ）のように航行方向右側に送波してその送波到達エリアｓからの散乱波を受波しつつ、図２（ａ）のように時計回り周回すれば、その周回航行で囲まれた円の水域Ｅａを探索することができる。
【００４１】
また、図２（ｂ）の場合、水中航行体５はほぼ正方形を描いて周回するので、この正方形の水域Ｅｂを探索することができる。なお、水域の形状は、楕円でも長方形でも多角形でもよい。また、水中航行体５の右折角度は操舵可能な角度でよい。
【００４２】
さて、本発明の第１の特徴として、図１の水底下探査装置１は、あらかじめ水中の背景雑音や残響音を計測する背景雑音計測器と、この背景雑音や残響音が大きいときには上記水域を狭く設定し、上記背景雑音や残響音が小さいときには上記水域を広く設定する水域設定手段とを備え、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行うものである。背景雑音計測器は、受波器４で代用可能である。また、水域設定手段は解析手段７に含まれる。
【００４３】
既に述べたように、物体の探査を行うには背景雑音よりも高いレベルの散乱波を受波しなければならない。また、周回の径を小さく（水域を狭く）すると、狭い領域しか探索できず、効率が良くないし、逆に、周回の径を大きく（水域を広く）すると、音波の減衰により散乱波の音圧が低下するので、周回の径をいたずらに大きくできない。そこで、本発明では、あらかじめ水中の背景雑音を計測しておいて周回の径（方形の場合は辺の長さ）を最適に設定するようにした。
【００４４】
すなわち、水底下探査装置１は、図１で説明した散乱波による探索を実施する前に、探査対象となっている広域において水中航行体５を航行させ、背景雑音計測を行う。このとき、送波器２からは音波を送波せずに、背景雑音計測器としての受波器４で背景雑音を計測する。受波信号はアンプで増幅して解析装置７に入力する。
【００４５】
解析装置７は、受波した背景雑音の音圧を所定の基準値と比較する。背景雑音の音圧が基準値より大きければ、探査時の散乱波が背景雑音に妨害されやすいので、周回の径を小さく（水域を狭く）設定する。逆に、背景雑音の音圧が基準値より小さければ、探査時の散乱波が受波し易いので、周回の径を大きく（水域を広く）設定する。基準値は多段階に設けて設定が多段階にできるようにすると好ましい。背景雑音が場所により異なることもあるので、航行した航路の各ポイントごとに背景雑音の音圧や設定値をメモリに記憶しておく。
【００４６】
その後、設定された水域の周りで周回航行による探査を行うと、周回の径を小さくしたときには、散乱波の音圧が相対的に大きくなり、探査漏れを少なくすることができる。周回の径を大きくしたときには、探査漏れが少ない状態を維持しつつ探査効率を高めることができる。
【００４７】
次に、本発明の第２の特徴として、図１の水底下探査装置１は、あらかじめ水中の音響特性パラメータを計測する音響特性パラメータ計測器と、この音響特性パラメータが散乱波を伝えにくい値のときには上記水域を狭く設定し、上記音響特性パラメータが散乱波を伝えやすいときには上記水域を広く設定する水域設定手段とを備え、この設定された水域の周りで上記周回航行による探査を行うものである。
【００４８】
ここで、音響特性パラメータ計測は、音響による計測と音響によらない計測があるので、これらを順に説明する。
【００４９】
図３に示されるように、水底下探査装置１に搭載される音響特性パラメータ計測器は、送波器２から試験波を送波して水底で散乱した散乱波を受波器４で受波する試験手段と、送波した信号と受波した信号の比較値として音響特性パラメータを計算する計算手段とを有する。ここでは、試験手段として信号発生器３１が設けられる。計算手段は解析手段７に含まれる。
【００５０】
水底下では、水底中での音のレベル減衰や音波の曲がりといった音響特性があり、水底下の物体を漏れなく探査するためには、これらの音響特性をあらかじめ知った上で、その音響特性を利用する必要がある。これらは、散乱波の音圧に関連してくる。そこで、本発明では、あらかじめ水底の音響特性パラメータ（音速、媒質密度、音の減衰係数など）を計測しておいて周回の径（方形の場合は辺の長さ）を最適に設定するようにした。
【００５１】
すなわち、水底下探査装置１は、図１で説明した散乱波による探索を実施する前に、探査対象となっている広域において水中航行体５を航行させ、音響特性パラメータ計測を行う。水中航行体５は、航行経路のある地点ごとに航行を停止して、水底からある高さにホバリングする。このとき、送波器２からは信号発生器３１からの試験波をアンプ３２により送波器２に送り、送波器２からその音波を水底に向けて送波させ、水底からの散乱波を受波器４で受波する。受波信号はアンプで増幅して解析装置７に入力する。水中航行体５は、同じ地点においてホバリングで上昇（又は下降）し、繰り返し試験波の送受を行う。
【００５２】
解析装置７は、数箇所の高さで計測した散乱波レベルを基に、音速、媒質密度、音の減衰係数などの音響特性パラメータを推定する。例えば、非特許文献１に記載の逆問題解析方法を用いて、水底における音響インピーダンス（音速と媒質密度の積）を推定する。この音響インピーダンスと音の減衰係数との相関関係などを用いて音の減衰係数を推定する。
【００５３】
解析装置７は、音響特性パラメータをもとに、音線法やノーマルモード法やＰＥ法などの音波伝搬の予測計算を行い、探査が可能な程度の散乱波が受波できるように、周回の径（水域の広さ）を設定する。音響特性パラメータが場所により異なることもあるので、航行した航路の各ポイントごとに背景雑音の音圧や設定値をメモリに記憶しておく。
【００５４】
その後、設定された水域の周りで周回航行による探査を行うと、周回の径を小さくしたときには、散乱波の音圧が相対的に大きくなり、探査漏れを少なくすることができる。周回の径を大きくしたときには、探査漏れが少ない状態を維持しつつ探査効率を高めることができる。
【００５５】
図４に示されるように、水底下探査装置１に搭載される音響特性パラメータ計測器は、水温、不純物濃度などの水の特性値を計測する水特性値計測器と、この水の特性値から音速を推定する推定手段とを有する。ここでは、水特性値計測器として水温計４１と、塩分濃度計４２が設けられる。推定手段は解析手段７に含まれる。
【００５６】
既に述べたように、水中では、水温や不純物濃度（特に海域では塩分濃度）によって音速が異なる。音速が異なると距離計測に影響すると共に、水温や不純物濃度が場所によって異なる分布をしていると、音速の分布が不均一になり、音波の曲がりが生じる。そこで、本発明では、水の特性値を計測してその特性値から音速を推定する。事前に水中航行体５を航行させて水の特性値を計測を行うことにより、音速等の音響特性パラメータの航行方向分布が得られる。
【００５７】
具体的には、水中航行体５は、航行経路のある地点ごとに航行を停止して、水底からある高さにホバリングする。その高さで水温と不純物濃度を計測した後、同じ地点においてホバリングで上昇（又は下降）し、繰り返し水温と不純物濃度を計測する。推定手段としての解析手段７には、あらかじめ推定式が設けられており、この推定式に各計測値を適用して音速等の音響特性パラメータを推定する。高さを変えて行うことにより、高さ方向の分布が得られる。
【００５８】
解析装置７は、音響特性パラメータをもとに、音線法やノーマルモード法やＰＥ法などの音波伝搬の予測計算を行い、探査が可能な程度の散乱波が受波できるように、周回の径（水域の広さ）を設定する。（水底下物体を探索する場合に水底面下に音波を透過させる必要がある。水中及び水底の音速の関係から、これよりは浅い角度では音波が透過しない臨界角が存在する。水中で音速分布がある場合には水中で音波に曲がりが生じる。そのため、水底面に対し角度が大きくなるような曲がりを持つ場合には周回の径を広くでき、逆に水底面に対し角度が小さくなるような曲がりを持つ場合には周回の径を狭くする必要がある。）
その後、設定された水域の周りで周回航行による探査を行うと、周回の径を小さくしたときには、散乱波の音圧が相対的に大きくなり、探査漏れを少なくすることができる。周回の径を大きくしたときには、探査漏れが少ない状態を維持しつつ探査効率を高めることができる。
【００５９】
次に、本発明の第３の特徴として、図１の水底下探査装置１は、あらかじめ水底の凹凸を計測する水底凹凸計測器と、その凹凸で散乱波が発生しにくい周波数を設定する周波数設定手段とを備え、その設定された周波数で音波を送波及び受波して上記探査を行う。図５に詳しく示すように、水底凹凸計測器５１は、カメラ５２、サイドスキャンソーナー５３など１種類以上の機器で構成され、それぞれの機器による計測結果を複合できる。カメラ５２は、複数箇所から同一対象を撮像することで立体視可能なものである。サイドスキャンソーナー５３は特定方向の対象との距離を計測可能なソーナーを航行方向側方に掃引するものである。周波数設定手段は解析手段７に含まれる。
【００６０】
既に述べたように、水底に水流などによりできた凹凸があると、凹凸からの散乱波が探査の妨害になる。また、凹凸の間隔や高さにより、散乱波のレベルが小さくなる周波数がある。そこで、本発明では、水底の凹凸を事前に計測しておき、散乱波のレベルが小さくなる周波数を設定する。
【００６１】
具体的には、水底下探査装置１（図５の水底凹凸計測器）は、水中航行体５を事前に航行させながら、カメラ５２で水底を撮影し、その映像から凹凸を認識し、サイドスキャンソーナー５３の掃引による水底との距離を複合して凹凸を計測する。このようにして事前に計測した凹凸をメモリに記憶する。周波数設定手段としての解析手段７は、この凹凸に基づいて、例えば非特許文献２に記載の散乱レベル予測計算を行い、物体３の探査に適した周波数として、凹凸からの散乱波が発生しにくい周波数を設定する。
【００６２】
続いて、水底下探査装置１は、図６に示されるように、水中航行体５を航行させながら、残響レベルを計測し、メモリに記憶する。残響レベルは、信号発生器３１により残響計測用のパルス又はステップ状の送波信号を発生させ、その後の時間経過において受波器４で受波される受波信号のレベルで計測される。これにより、あるパルス又はステップ状の送波信号を送波したときに残響のレベルが実測される。周波数を変えたパルス又はステップ状の送波信号でこの残響レベル計測を行い、水底の凹凸からの残響が生じにくい周波数を選定する。
【００６３】
次に、これまで述べた種々の機能を全て備えた場合の、水底下探査装置１の動作シーケンスを説明する。
【００６４】
図７に示されるように、水底下探査装置１は、ステップＳ１；図３で説明した音響による音響特性パラメータ計測モード、ステップＳ２；図４で説明した水の特性による水中音速分布計測モード、ステップＳ３；図５で説明した水底の凹凸計測モード、ステップＳ４；図１で説明した背景雑音計測モード、ステップＳ５；図６で説明した残響レベル計測モードを実行した後、ステップＳ６で初期値を設定し、ステップＳ７で物体散乱波レベル推定計算を行う。初期値は、ステップＳ１，Ｓ２で計測したパラメータ値とステップＳ３により決定された送波する音波の周波数及び物体への音波の入射角、送波する音波の大きさを表す送波レベルなどを入力する。物体散乱波レベル推定計算は、これから探査しようとする対象の物体がどの程度の散乱波を生じるかをあらかじめ推定する計算であり、物体の性状や形状が既知であれば公知の方法で推定可能である。
【００６５】
ステップＳ８において、周回航行する水域の最大の半径又は辺の長さを決定する。ここで、この最大の半径又は辺の長さは、ステップＳ７で推定された物体散乱波レベルがステップＳ４で計測された背景雑音レベル及びステップＳ５で計測された残響レベルより大きく（あるいは十分に大きく）なる範囲の最大の長さで決定する。
【００６６】
次に、水中航行体５を水域Ｅａ，Ｅｂの周りで周回航行させつつ物体３を探査する方法の原理及び利点を補足説明しておく。
【００６７】
図８（ａ）〜図８（ｄ）に示されるように、物体３として端面を約１時の角度に向けて水平に置かれた円筒体があるとき、その物体３に臨む様々の方向から広い指向性で音波を送波したとき、物体３を中心とした所定径の円内における散乱波の音圧分布の形状は、送波方向に依存して変形する。すなわち、図８（ａ）のように約８時の角度から物体３に向けて音波を送波したとき、音圧の高い部分は約１２〜約３時の角度の間に二股に分かれて生じる。図８（ｂ）のように約９時の角度から物体３に向けて音波を送波したとき、音圧の高い部分は約１１時の角度と約３時の角度に生じる。図８（ｃ）のように約１０時の角度から物体３に向けて音波を送波したとき、音圧の高い部分は約１０時の角度と約４時の角度に生じる。図８（ｄ）のように約１０時半の角度から物体３に向けて音波を送波したとき、音圧の高い部分は約１０時の角度と約４時半の角度に生じる。これらから分かるように、送波の角度に応じて音圧分布が大きく異なる。
【００６８】
図９（ａ）〜図９（ｄ）に示されるように、図８と同じ条件にて、水中航行体５が直線状に航行しながら斜め前方、側方、斜め後方を含む広い指向性で音波を送波すると、水中航行体５の位置により、送波された音波が物体３に向かう角度が異なるため、音圧分布が異なる。水中航行体５が受波する音波のうち物体３による散乱波の成分は、図９（ｃ）のとき音圧が高い。よって、図９のケースでは図９（ｃ）の前後の範囲において物体３からの散乱波を検出できることが期待される。ただし、図９（ｄ）のように水中航行体５の位置がわずかに異なるだけで散乱波を検出できない場合も有り得る。
【００６９】
物体３の向きが異なると図８、図９とは異なる音圧分布となるため、図９のように直線状に航行したとき、音圧の高い角度に入らないまま通り過ぎてしまうことが考えられる。そこで、図２（ａ）、図２（ｂ）のように、水中航行体５を水域Ｅａ，Ｅｂの周りで周回航行させると、音圧の高い角度に入る機会が提供される。
【００７０】
本発明では、このような周回航行に際して、水中及び水底音速分布と水底の音響パラメータを計測し、それらを入力とした物体からの散乱波レベルの予測計算を行い、物体からの散乱波レベルが背景雑音及び残響音よりも大きくなるように、周回の径（水域の広さ）を最適に設定するようにしたので、探査漏れを少なくすることができる。
【００７１】
また、本発明では、直線航行、周回航行に関わらず、あらかじめ水底の凹凸を計測し、その凹凸で散乱波が発生しにくい周波数を設定して探査を行うようにしたので、探査漏れを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一実施形態を示す水底下探査装置の、（ａ）側面図、（ｂ）平面図、（ｃ）後面図、（ｄ）送波イメージ図、（ｅ）受波イメージ図である。
【図２】本発明において水域の周囲を周回航行することを説明する平面図である。
【図３】本発明において音響により音響特性パラメータを計測することを説明する側面図である。
【図４】本発明において水温、濃度により音響特性パラメータを計測することを説明する側面図である。
【図５】本発明において水底凹凸を計測することを説明する側面図である。
【図６】本発明において残響レベルを計測することを説明する側面図である。
【図７】本発明に係る水底下探査装置の動作シーケンス図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、物体に向けて音波を送波したときの散乱波の音圧分布を示す平面音圧分布図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は、水中航行体から音波を送波したときに物体から生じる散乱波の音圧分布を示す平面音圧分布図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  水底下探査装置
２  送波器
３  物体
４  受波器
５  水中航行体
７  解析装置
【図１】
2008076294.tif 000003
【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】
2008076294.tif 000008
【図７】
2008076294.tif 000009
【図８】
2008076294.tif 000010
【図９】
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