エコーサウンディング

マルチビームエコーサウンダーを使用したエコーサウンディングの図。
アマチュア局がメテオM2-2衛星から受信したMTVZAサウンダ

音響測深法または深度測深法は、ソナーを用いて測距を行い、通常は水深（水深測量）を測定する方法です。水中に音波を送信し、パルスの送信と受信の時間間隔を記録します。得られた伝播時間と水中での音速から、ソナーと目標物間の距離を推定することができます。この情報は、航行目的や海図作成のための深度測定に利用されます。

音響測深は、魚群などの他のターゲットまでの距離測定にも使用できます。水中音響評価では、従来、船からの移動式調査によって魚類のバイオマスと空間分布を評価してきました。一方、固定位置測定法では、固定されたトランスデューサーを用いて通過する魚を監視します。

サウンディング（sounding）という言葉は、音を使わないものも含め、あらゆる種類の水深測定に用いられます。これは、ノイズやトーンという意味での「sound」という言葉とは由来が異なります。エコーサウンディングは、測深索を海底まで 下げる従来の方法よりも、より迅速な水深測定方法です。

歴史

ドイツの発明家アレクサンダー・ベームは、1913年7月22日にエコー測深法（反射音波を用いて海深、船舶または障害物までの距離と方向を測定する装置）の発明によりドイツ特許第282009号を取得した。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 一方、フランスでは、物理学者ポール・ランジュバン（マリー・キュリーと関わりがあり、原子物理学の研究でよく知られている）が第一次世界大戦の初めにフランス海軍研究所に採用され、（当時は秘密裏に）対潜水艦戦用のアクティブソナー（圧電送信機を使用）の研究を行った。彼の研究は、チロウスキー、フロリソン、ピエール・マルティなどの他の科学者や技術者によって発展させ、実施された。戦時中、完全に機能するエコーソンデュール（ソナー）はまだ使用準備が整っていなかったものの、 1920年には早くもトゥーロン沖とイギリス海峡で試験運用が成功し、フランスの特許は民間用途に取得されていました。海洋調査船やフランスの外洋漁業支援船には、1920年代中期から後半にかけて、ランジュバン・フロリソン型とランジュバン・マルティ型の記録ソナーが搭載されていました。[ 4 ]

最初の商用音響測深装置の一つは、フェッセンデン振動子を用いて音波を発生させるフェッセンデン・ファソメーターでした。これは1924年に潜水信号会社によってM&M社の定期船SSバークシャー号に初めて搭載されました。[ 5 ]

技術

エコーサウンディングの基本原理を示す図

距離は、信号の送信パルスから返送までの時間の半分に、水中での音速（約1.5キロメートル/秒）を掛けて測定されます。音速は温度、圧力、塩分濃度によってわずかに変化します。また、水路測量などの精密なエコーサウンディングを行うには、通常は水中に音速プローブを配置して音速も測定する必要があります。エコーサウンディングは、海底の位置を特定するために用いられるソナーの特殊な用途です。SI単位系以前の水深の単位はファゾムであったため、水深を測定するための機器はファソメーターと呼ばれることもあります。

海図に記された海深のほとんどは、平均音速または標準音速に基づいています。より高い精度が求められる場合は、海域ごとに平均音速、さらには季節ごとの音速が適用されることもあります。高精度の深度は、通常、特殊目的または科学調査に限定され、温度、圧力、塩分濃度を測定するセンサーを海底に降ろして測定することがあります。これらの要素は、現地の水柱における実際の音速をより正確に推定するために使用されます。この手法は、米国沿岸測量局が米国沿岸水域の航行調査によく使用されています。[ 6 ]

種類

シングルビーム

USVのシングルビームエコーサウンダのビーム形状

シングルビームエコーサウンダーは、水中ソナーの中でも最もシンプルで基本的なタイプの1つです。ボートの世界では広く普及しており、様々な海洋ロボットにも使用されています。このソナーは、トランスデューサーを用いて水中にパルスを発射し、返ってくるエコーを拾う仕組みです。そのデータを用いて、最も強いエコー（海底、コンクリート構造物、その他の大きな障害物など）までの距離を測定することができます。[ 7 ]魚群探知機は、レジャー漁師と漁業者の両方が使用するエコー測深装置です。

マルチビーム

マルチビームソナーは海底の地図を作成するのに使用されます

マルチビーム・エコーサウンダー（MBES）は、海底地形図を作成するために使用されるソナーの一種です。送受信機の下から扇状に音波を発射します。音波が海底で反射して受信機に戻ってくるまでの時間から水深を計算します。他のソナーやエコーサウンダーとは異なり、MBESはビームフォーミングを用いて返ってくる音波から方向情報を抽出し、 1回の音程で広範囲の深度データを生成します。

一般的な使用

航行補助（大型船舶のほとんどは少なくとも簡易測深機を搭載している）としてだけでなく、音響測深は漁業にも広く利用されている。標高の変化は魚が集まる場所を示すことが多く、魚群の存在も確認できる。[ 8 ]

水路測量

詳細な水深測量が求められる地域では、水路測量作業に精密音響測深機が使用されることがあります。このようなシステムを評価する際には、鉛直精度、解像度、送受信ビームの音響ビーム幅、トランスデューサーの音響周波数など、多くの考慮事項があります。

高精度デュアル周波数エコーサウンダーの例、テレダイン・オドムMkIII

ほとんどの水路測深機は二周波式です。つまり、低周波パルス（通常約24kHz）と高周波パルス（通常約200kHz）を同時に送信できます。2つの周波数は独立しているため、2つの反射信号は通常干渉しません。二周波式エコーサウンディングには、岩石層の上にある植生層や軟泥層を特定できるなど、多くの利点があります。

単一周波数エコーグラムと二重周波数エコーグラムの違いを示すスクリーンショット

ほとんどの水路測量作業では200kHzのトランスデューサーが使用され、これは水深100メートルまでの沿岸作業に適しています。より深い水域では、低周波数の音響信号は水柱内で減衰しにくいため、より低い周波数のトランスデューサーが必要になります。深海測深で一般的に使用される周波数は33kHzと24kHzです。

トランスデューサーのビーム幅も水路測量士にとって考慮すべき事項です。収集したデータの最高の解像度を得るには、狭いビーム幅が望ましいからです。動作周波数が高くなるほど、ビーム幅は狭くなります。したがって、深海での測深においては、音響パルスが遠くの海底に到達すると、そのフットプリントが非常に大きくなる可能性があるため、ビーム幅は特に重要です。

マルチスペクトル・マルチビーム・エコーサウンダは、2周波数垂直ビーム・エコーサウンダの拡張版であり、ソナー直下の2つの異なる周波数での測深に加え、複数の周波数、複数の異なる斜入射角、そして海底上の複数の異なる位置での測深も測定します。これらのシステムについては、「マルチビーム・エコーサウンダ」のセクションで詳しく説明します。

エコーサウンダーは、実験室用途において、スケールモデル（水理模型、水路など）における堆積物の移動、洗掘、侵食のプロセスをモニタリングするために使用されます。また、3Dコンター図の作成にも使用できます。

水路測量エコー測深の基準

水路測深機に要求される精度と正確さは、国際水路機関（IHO）の基準に従って実施される測量に対するIHOの要件によって定義されています。[ 9 ] これらの値はIHO出版物S44に記載されています。

これらの基準を満たすためには、測深士は音響測深機とトランスデューサーの垂直方向および水平方向の精度だけでなく、測深システム全体を考慮する必要があります。船舶が水面で受ける動揺を測深に反映させるために、動揺センサー、特にヒーブ成分（シングルビーム測深の場合）が使用される場合があります。各センサーの不確かさがすべて確定した後、水路測量士は不確かさのバジェットを作成し、測深システムがIHOの要件を満たしているかどうかを判断します。

各水路測量機関は、それぞれ独自の現場手順とマニュアルを策定し、測量士が必要な基準を満たすよう指導しています。例としては、米国陸軍工兵隊の出版物EM110-2-1003 [ 10 ]とNOAAの「現場手順マニュアル」[ 11 ]が挙げられます。

参照

参考文献

  1. ^ Salous, Sana (2013).無線伝搬測定とチャネルモデリング. John Wiley & Sons . p. 424. ISBN 9781118502327。
  2. ^ Xu, Guochang (2010). 『測地学の科学 I：進歩と将来の方向性』Springer Publishing . p. 281. ISBN 9783642117411。
  3. ^ヴェルナー・シュナイダー。「アレクサンダー・ベーム - デア・エルファインダー・デ・エショーロット」。2014 年4 月 9 日に取得。
  4. ^ルロン、ブノワ。「Paul Langevin et la detect sous-marine, 1914-1929. Un physicien acteur de l'innovation industrielle et militaire (Epistemologiques, 2001)」。
  5. ^ 「Fessenden Fathometer amplifier - Submarine Signal Company」 The Subchaser Archives 2007年3月20日. 2018年4月12日閲覧。
  6. ^ NOAA現場手順マニュアル、沿岸測量局ウェブサイト（ http://www.nauticalcharts.noaa.gov/hsd/fpm/fpm.htm、Wayback Machineで2011年8月10日アーカイブ）
  7. ^ 「水中ソナーと音響装置のスムーズな操作ガイド」 Blue Robotics . 2024年1月12日閲覧。
  8. ^ “Fishfinders Guide” (ドイツ語). 2017年2月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年2月16日閲覧。
  9. ^国際水路局（2008年2月）「IHO水路測量基準」（PDF）（第5版）。 2011年10月8日時点のオリジナル（PDF）からのアーカイブ。{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  10. ^ “EM 1110-2-1003 (01 Jan 02)” . 2011年7月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年6月9日閲覧。、USACE出版物EM1110-2-1003。
  11. ^ [1] Wayback Machineで2011年5月16日にアーカイブ、NOAAフィールド手順マニュアル。

ウィキメディア・コモンズの エコーサウンディングに関連するメディア

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