国立防災科学技術センター研究報告第33号

1984年11月

550．34：681

海底地震計の設置・回収用超音波位置検知遠隔制御装置

江口・藤縄幸雄＊

孝雄＊

国立防災科学技術センター

佐藤弘

日油技研工業株式会社

Acoustic

Locating

andContro11ing
andSystem

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OBS

By

Takao

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Yukio

Fujimwa

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OBS

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＊第2研究部地殼変動研究室

一69一

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forthe国立防災科学技術センター研究報告第33号

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1．序プレート沈み込み帯で発生する大地震の予知研究に有効な資料を得るためには，海底地震計を用いて繰り返し微小地震活動を観測する必要がある．この目的で，国立防災センターは自己浮上式海底地震計（Pop−up

type

OceanBottomSeismomter，以下OBSと略称する）を開発し，数度の海域観測を実施してきた．OBSの布設・回収作業は海洋観測船を使用して行うが，時問的にはかなり制約を受ける．そこで，観測船からの投下後，海底に設置されたOBSの位置決定と制御を迅速かっ正確に行い，さらに，一定期間の観測後，OBSの回収のために用いる「超音波位置検知遠隔制御装置」を開発・製造した．

OBS等の設置・回収作業用として使用してきた従来型の超音波機器と比較して，本装置は作業に要する時問を飛躍的に短縮させることが可能である．O

B

Sの設置回収作業の中で超音波機器が果す主な機能は，以下の通りである．
〔設置時〕

1）観測船から投下したOBSを追跡し，着底を確認する．

2）着底点の位置を決定する．
3）OBS内の換振器の耐衝撃用クランプのO

FFを指示する．

〔回収時〕

1）回収しようとするOBSを呼び出し，その着底位置を再確認する．
2）換振器のクランプON，および，アンカー切離しを指示する．

3）海底から自己浮上したOBSを追跡し，海面浮上点を推定する．

従来型の装置では，OBSの位置計測上必要なデータとして，OBSと観測船との距離データを提供するのみであった．従って，従来型の装置では，OBSを取り囲な3点（又はそれ以上）に観測船を移動させ，各点においてOBSとの距離計測を行い，最小自乗法を用いてOBSの着底点を推定しなければならない．これらの作業に伴う観測船の移動と距離計測に要する時問は相当のものとなる．

深さ数1，000mの海底にOBSを設置・回収する時問を短縮し，OBSの正確な位置検知を行う目的で開発した本装置は，距離計測に加えて，方位角，および，垂直角の計測が行える．従来型の装置を用いてユ点のみの距離計測を行っただけでは，観測船を中心として得られた距離値を半径に持つ球面上の何拠にOBSが存在するかは決定不能であったが，本装置を用いると，1回の計測のみでOBSの位置が球面上の1点に求められる．これ迄にも，観測船からみた海底機器の方位角と垂直角を計測する製晶があった（日油技研工業（株））が，使用可能な距離は最大2，000mと短く，OBS用としては不向きであった．
本論文中の位置検知とは，距離計測，および，方位角・垂直角計測により，海中側の超音波汀源「OBSリの仙11汽を，観測船からみた3次元空問の一点に決めることである．なお，

一70一

海底地震計の設置・回収用超音波位置検知遠隔制御装置一江口・藤縄

OBSの位置検知に際しては，検知された位置を，緯度，経度，深度で表現するために，観測船の船位をできるだけ正確に決めておく必要がある．（船位決定には，ロランL，デッカ，NNSSなどが用いられる．）

2．構成

本装置の主な構成晶は，（1）音響制御ユニット，（2）位置検知・表示ユニット，13）制御用及び位置検知用トランスジューサ，14）コンパス・傾斜計（位置検知用トランスジューサーの姿勢検知に使う），（5〕ペンレコーダ，（6〕ブリンターである．本装置のブロック図をFig．1a，bに示す．構成晶（1〕および12），（5〕，（6）はラックを用いて船室内に固定するか，或いは，作業用の机に各構成晶毎に固定する．超音波送信，応答信号受信時には，（3）と（4）は船側からつり下げる．以下で各構成晶の機能を解説する．

3．構成品の機能

3．1

音響制御ユニット

本ユニットは，OBSの設置・回収作業に伴う，①海中側のOBSの呼び出し・号機識別（＾COUSTIC

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図11a〕超音波位置検知遠隔制御装置のブロック図．音響制御ユニット．
Fig．1（a）

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ControldiagramoftheAcoustic

Locating

unit．

一7ユー

andControl1ing

System．Acoustic

一，国立防災科学技術センター研究報告

L0＾Cτ工N〔；8［DISPL＾VuNITBLOCK

第33号

1984年11月

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図11b1超音波位置検知遠隔制御装置のブロック図．位置検知・表示ユニット．
Fig．1（b）

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theAcoustic

Locating

andControlling

System．Locating

unit．

最大24台まで），および，②位置検知（距離，方位角，垂直角），③換振器のクランプのOFF（コマンドA），④クランプONとOBSアンカー切離し（コマンドB）という4種の制御に必要な超音波指令送信・応答信号受信を行う（Fig．1a，Fig．2a）．

これらの送受信は，FM変調を用いてコード化された約10KHzの超音波により，制御用，あるいは，位置検知用トランスジューサを介して行われる．超音波送信出力は，最大50Wである．信号到達距離は，目標値として10km以上となっている．

上記4種の制御の中で，①および②の操作は次に述べる位置検知・表示ユニットパネルで実施する．そのために，本ユニットで検波された受信信号のうち，制御項目①および②用のものは演算部ユニットヘ出カする．送受信信号のモニターは，ペンレコーダに検波信号を出カするか，あるいは，内蔵スピーカーで可聴周波数帯成分を聞くことにより行える．

3．2

位置検知・表示ユニット

音響制御ユニットから送られる信号を用いて，①海中側のOBSの呼び出し・号機識別を行い，さらに，②位置検置用受信信号を用いてOBSの位置を算出するのが本ユニットの主な機能である（Fig．1b，Fig．2b）．制御項目①は，これ迄の超音波検知装置でも行われているものなので，解説を省略する．以下では，制御項目②について解説する．

まず，観測船の舷側に取付けられた位置検知用トランスジューサで受信した，OBSからの一72一

海底地震計の設置・回収用超音波位置検知遠隔制御装置一江口・藤縄o＾⊂OUSTl⊂c0Nτ

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Fig．2a）AcousticContエolunit（frontb）位置検知・表示ユニット（正面図）．
view）．

b）Locating＆Displayunit（frontview）．

位置検知用超音波応答パルスの位相差を検出することにより，パルスの到来方位角〔θH（O），北から時計廻りの角度〕，および，垂直角〔θv（O），鉛直下方からの角度〕が計算される．

同時に，OBS迄の距離（L）もパルス伝播時間差から算出される．ここで，θH（O）とθv（O）は，位置検知用トランスジューサーからみた値であり，観測船に固定された座標系に対する値ではない．従って，位置検知用トランスジューサーには，コンパスおよび（2個の）傾斜計が付いている．これらの姿勢検出器により，位置検知時のトランスジューサーの方位角（θH（S）〕と鉛直下方からの傾斜角〔θv1（ピッチング角）；θv2（ローリング角）〕のデータが得られる．これらのデータを用いて，風や波浪等に起因するトランスジューサの動揺を補正する。補正して得られたOBSの方位角θH（C）と垂直角θv（C）を用いると，OBSの深度（h），および，直距離（L）を水平面に投影した水平距離（D）が計算される（Fig．3参照）．本ユニットは，これらの演算用にマイクロプロセッサ80ZB（16ビット）を使用している．計算されたOBSの位置データは，9インチCRTディスブレイ上に表示さθH＿D一

図3／E咄θ｝＼＼L

わすパラメータの定義（θ且：水平角，

θv：垂直角，L：直距離，D：水平距；1観測船からみた海底地震計の位置を表離，h：深度）．

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theOBSparamcters，（0ceanBottomSeismometer）Position with工espect tothe resea正ch vessel ［θH：azimuthal

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一73一

国立防災科学技術センター研究報告第33号

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れ（Fig．2b），同時にプリンターに出力される．CRT上での表示は，角度表示，および，距離表示A（レンジは20m，ユ00m，200m，1km，2km，5kmの何れかが選択可能），距離表示B（レンジはフリーに設定される）の各モードが可能である．CRT上での表示例をFig．4に示した．位置検知範囲は（海中側OBSのトランスジューサーの性能にもよるが），

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位置検知・表示ユニット上でのOBS位置表示例（ここでは深度hがzとなっている）．

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2，00，，5Fig．4

An

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positions of
the vertica1

the DRS．（Heエe，distanceh， ispresented

Z，insteadhasof）、

距離が7，000m以上，方位角が0㌧360二垂直角が0㌧60。となっており，総合的な位置検知精度は，各々，±ユ00m以内，±5。以内，±5。以内を目標としている．

本ユニットで得られるOBSの位置は観測船に対する相対位置である．位置検知時の船位データをキーボード（5×4キー）により入力すると，プリンターに記録され，OBSの位置（緯度，および，経度，深度）決定に使用される．キーボードでは，この他，気温，気圧，風速海流等のデータを入カすることができる．

313

制御用及び位置検知用トランスジューサー

制制御用トランスジューサー，および，位置検知用トランスジューサーには，各々，ユ個，2×2個のジルコンチタン酸鉛系の円筒型磁気振動子が入っている．

何れのトランスジューサーを用いても，OBSの呼び出し，識別，距離計測，換振器のクランブON／OFF，アンカー切離し用の超音波送受信が行える．さらに，位置検知の際には，位置検知用トランスジューサーは，距離（L）計測に加えて，方位角〔θH（O）〕と垂直角〔θv（O）〕検知も行えるように，互いに直交する水平2方向に向いた，2本のトランスジューサー（振動子は各々に2個ずつ入っている）で構成されている．2本のトランスジューサーの問隔は，超音波の反射・屈折の影響ができるだけ少なくなるよう経験的に決めている．

また，船や海面からの反射波の影響を軽減化するため，トランスジューサーの上部には，吸音材（コルク・ゴム）を付けた．トランスジューサーの取付けには専用の取付具を用いる．

一74一

海底地震計の設置・回収用超音波位置検知遠隔制御装置一江口・藤縄

3．4

コンバス・傾斜計

コンパス（1個）と傾斜言十（2個）は，ともに，位置検知用トランスジューサーの上部に取付けられており，その向きを検知する役目を果す．位置検知時には，観測船から吊り下げられた位置検知用トランスジューサーの動揺を補正するためのデータを位置検知・表示ユニットヘ送る．傾斜角は，ピッチング角（θv1）とローリング角（θv2）の2種が出力される．
方位角（θH2）を計測するコンパスと傾斜角（θV1，θV2）を言十測する傾斜計の検知範囲は，

0〈θH2〈360、一45。くθv1，θv2〈十45。であり，単体としての精度は共に±1。以内である．信号は，何れもO〜ユVのDC電圧により出力される．また，これ等のセンサーの追随周波数は，1Hz以上であり，船の動揺や波浪による動揺には，実質上十分追随すると考えられる．

3．5

印字記録装置（信州精器、MP−80皿）、ペンレコーダー（三栄測器、レクチホリー8K−21）
印字記録装置は1行最大80文字印字可能であり，識別されたOBSの号機番号，観測船からみたOBSの相対的な位置検知データ（L，θH（C），θv（C））とそれらの補正に用いたコンパス・傾斜言十のデータ（θH2；θv1，θv2）に加えて，OBSと観測船問の水平距離（D）とOBSの深度（h）を記録することができる．また，演算部ユニットに連結したキーボートより入力された風速，風向，気温，海流，船位等のデータをプリント・アウトする．

ペンレコーダは，OBSの呼び出し，識別，位置検知コマンドA・Bの超音波交信に際して，トランスジューサーで送受信される信号波形を記録し，超音波伝播状況や信号レベルをモニターするためのものである．

3．6

ラック

上記構成品のうち，音響制御ユニット，位置検知・表示ユニット，印字記録装置を収納するためのものである．（これらの構成晶はラックがなくても，専用ケースに入れて使用することが可能である．）

ラックには防振用のゴムマットが付いており，船のエンジンや波浪による振動・衝撃を緩和させる働きをする、

なお，上記各構成品は電源電圧Ac100v／210v（50Hz／60Hz）±20vで使用できる．又，使用可能な周囲条件は，O〜45℃，相対湿度85％以下と設定してある．本装置は海域で使用するために，防湿，防温，防錆処置を施してある．

本装置は，科学技術庁，科学技術振興調整費「インド洋・太平洋プレート境界海域における島弧・海溝系の地質構造に関する調査研究」により製作したものである．

一75一

国立防災科学技術センター研究報告

4．謝第33号

1984年11月

辞

本装置の製造後の海域評価試験の際に，当センター平塚支所，東海大学丸皿世の乗組員等の方々に大変世話になった．又，海洋技術研（株）の村上英幸氏にもいろいろ御世話になった．ここに，謝意を表する．

（1984年6月8日原稿受理）

一76一