マルチビームエコーサウンダー
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、海底の測量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。

歴史と進歩

フランス沖で難破したUSSスーザン・B・アンソニー（AP-72）のマルチビーム画像。

マルチビームソナー測深システムは、イギリス英語ではスワス、アメリカ英語ではスワスとも呼ばれ、軍事用途で開発されました。この構想は、ロッキードU-2高高度偵察機向けに設計されたレーダーシステムに端を発していましたが、1960年5月にゲイリー・パワーズが操縦するU-2がソ連のミサイルによって撃墜されたことで、計画は頓挫しました。そこで、海底マッピングソナーに応用できる「ミルズ・クロス」ビームフォーミング技術の提案がアメリカ海軍に提出されました。ソナーの各音波データは自動的に処理され、船舶の動揺やトランスデューサーの深度音速、屈折の影響が補正されますが、当時はデジタルデータ保存容量が不足していたため、データは等深線図に変換され、連続フィルムに保存されていました。[ 1 ]ソナーアレイサウンディングシステム（SASS）は、1960年代初頭にアメリカ海軍がゼネラル・インストゥルメント社と共同で開発したもので、海底の広大な範囲を地図化し、潜水艦部隊の水中航行を支援することを目的としていました。[ 1 ] [ 2 ] SASSはUSSコンパス・アイランド（AG-153）で試験されました。最終的なアレイシステムは、水深の約1.15倍の幅を持つ61本の1度ビームで構成され、その後、USNSボウディッチ（T-AGS-21）、USNSダットン（T-AGS-22）、USNSマイケルソン（T-AGS-23）に搭載されました。[ 1 ]

同時に、ハリスASW社は16本のナロービームを用いたナロービーム音響測深機（NBES）も開発し、サーベイヤー、ディスカバラー、リサーチャーの各調査船に搭載しました。この技術は後にシービーム測深機へと発展しました。測量作業中は、垂直方向の中心ビームデータのみが記録されました。[ 1 ]

1970 年代から、米国の General Instrument (現 SeaBeam Instruments、L3 Kleinの傘下) 、ドイツの Krupp Atlas (現Atlas Hydrographic ) と Elac Nautik (現 Wärtsilä Corporation の傘下) 、ノルウェーのSimrad (現Kongsberg Discovery ) 、デンマークの RESON (現 Teledyne RESON A/S) などの企業が、小型船舶だけでなく大型船舶の船体にも搭載できるシステムを開発しました(技術の向上に伴い、マルチビームエコーサウンダはより小型で軽量になり、動作周波数も増加しました)。

最初の商用マルチビームは現在シービーム・クラシックとして知られており、1977年5月にオーストラリアの調査船HMASクックに搭載されて運用を開始しました[ 3 ] 。このシステムは45度の円弧に最大16本のビームを照射しました。「シービーム・クラシック」という（レトロニム）用語は、メーカーが1980年代後半にシービーム2000やシービーム2112などの新しいシステムを開発した後に作られました。

2度目のSeaBeam Classicは、フランスの海洋調査船ジャン・シャルコー号に設置されました。シャルコー号のSB Classicアレイは座礁により損傷し、SeaBeamは1991年にEM120に交換されました。最初のSeaBeam Classicはあまり使用されなかったようですが、他のシステムは広く使用され、その後も多くの船舶に設置されました。

SeaBeam Classic システムはその後、米国の学術研究船USNS  Thomas Washington  (T-AGOR-10) (カリフォルニア大学スクリップス海洋研究所)、USNS Robert  D. Conrad (コロンビア大学ラモント・ドハティ地球観測所)、RV  Atlantis II (ウッズホール海洋研究所) に設置されました。

1989年、アトラス・エレクトロニクス社（ドイツ、ブレーメン）は、ドイツの調査船メテオ号に、第二世代の深海マルチビーム「ハイドロスイープDS」を搭載しました。ハイドロスイープDS（HS-DS）は、90度の走査幅に最大59本のビームを照射することで、従来の探査機を大きく改良し、耐氷性能も備えていました。初期のHS-DSシステムは、 1989年と1990年にメテオ 号（1986年）（ドイツ）、ポーラー シュテルン号（ドイツ）、モーリス ・ユーイング号（米国）、サガール・ カニャ号（インド）に搭載され、その後、トーマス・G・トンプソン号（米国）や白嶺 丸（日本）など、他の多くの船舶にも搭載されました 。

マルチビーム音響周波数が高くなり、部品のコストが低下したため、運用中のマルチビームスワスシステムの数は世界中で大幅に増加しました。高解像度の複数のビームを発生させる音響トランスデューサに必要な物理的サイズは、マルチビーム音響周波数が高くなるにつれて小さくなります。その結果、マルチビームソナーの動作周波数が高くなると、重量、サイズ、体積特性が大幅に減少しました。船体に取り付けるのにかなりの時間と労力を要した、旧式の大型で低周波のマルチビームソナーシステムでは、従来のトンピルツ型のトランスデューサ素子を使用しており、使用可能な帯域幅は約 1/3 オクターブでした。新型で小型で高周波のマルチビームソナーシステムは、調査用ランチや補給船に簡単に取り付けることができます。 Teledyne Odom、R2Sonic、Norbitなどの浅水域用マルチビーム・エコーサウンダは、トランスデューサの動きとトランスデューサ近傍の音速を測定するセンサーを内蔵しており、多くの小規模水路測量会社が従来のシングルビーム・エコーサウンダからマルチビーム・エコーサウンダへの移行を可能にしています。小型で低消費電力のマルチビーム・スワスシステムは、自律型無人潜水機（AUV）や自律型水上船舶（ASV）への搭載にも適しています。

マルチビーム音響測深機のデータには、水深測量、音響後方散乱、水柱データが含まれる場合があります。（現在、中層マルチビームデータで一般的に識別されるガスプルームはフレアと呼ばれています。）

タイプ1-3のピエゾ複合トランスデューサ素子[ 4 ]は、 3オクターブを超える使用可能な帯域幅を提供するために、マルチスペクトル・マルチビーム・エコーサウンダに採用されています。その結果、単一のソナーシステムでマルチスペクトル・マルチビーム・エコーサウンダによる調査が可能になり、各ピングサイクルで、各スワスにおけるマルチスペクトル水深データ、マルチスペクトル・バックスキャッタデータ、およびマルチスペクトル・水柱データを収集します。[ 5 ]

送信アレイ（大きな黒い長方形）と受信アレイ（細い長方形）を示すマルチビームエコーサウンダ - Odom MB1

現代の科学的用途

1980年代と1990年代に技術が進歩するにつれ、浅海域でより高解像度の地図を作成できる高周波システムが開発され、今日では航海図作成を支援する浅海水路測量に広く利用されています。マルチビーム・エコーサウンダは、地質学および海洋学研究にも広く利用されており、1990年代以降は沖合石油・ガス探査や海底ケーブル敷設にも使用されています。最近では、マルチビーム・エコーサウンダは洋上風力発電所などの再生可能エネルギー分野でも使用されています。[ 6 ]

マルチビームのおかげで海洋学者は海底の地図作成作業を大幅に高速化でき、海底全体の26.1%の地図作成が完了しました。[ 7 ]この速度向上により、主に気候科学や海洋生物学など、幅広い分野の理解が深まり、2030年までに海底全体の地図作成を目指す「海底2030イニシアチブ」の創設にもつながりました。 [ 8 ]

動作原理

マルチビーム音響測深機は、水路測量士が水深や海底の状態を測るために一般的に用いる装置です。現代のシステムの多くは、特別に設計されたトランスデューサーから、幅の広い扇形の音響パルスを、アクロストラック方向とアロングトラック方向の全域にわたって送信し、アクロストラック方向ではより狭い（システムによって約1度）複数の受信ビーム（ビームフォーミング）を形成することで機能します。この狭いビームから、海底探知アルゴリズムを用いて音響パルスの往復伝播時間を測定し、水柱全体のプロファイルにおける水中音速が既知であれば、受信角度と往復伝播時間から、返送信号の深度と位置を特定できます。

マルチビームエコーサウンダでは、各ビームの送信角度と受信角度を決定するために、直交座標系に対するソナーの動きを正確に測定する必要があります。測定される値は通常、ヒーブ、ピッチ、ロール、ヨー、および船首方位です。

拡散と吸収による信号損失を補償するために、受信機には 時間可変ゲイン回路が設計されています。

深海システムでは、ピッチングを補正するために、送信ビームを操舵する必要があります。これはビームフォーミングによっても実現できます。

参考文献

  1. ^ a b c d Albert E. Theberge Jr.とNorman Z. Cherkis (2013年5月22日). 「マルチビーム50周年に関する覚書」 . Hydro International. 2014年7月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年6月30日閲覧。
  2. ^米国海軍研究所/海洋物理学部門（コード7420）「GOMaP GLOBAL OCEAN MAPPING PROJECT」。米国海軍研究所。2014年7月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年6月30日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
  3. ^ Farr, Harold K. (1980年1月). 「マルチビーム測深ソナー：海面ビームとハイドロチャート」.海洋測地学. 4 (2): 77– 93. Bibcode : 1980MarGe...4...77F . doi : 10.1080/15210608009379375 .
  4. ^内野健二編（2017年）。先進的な圧電材料。土井: 10.1016/C2015-0-01989-X。ISBN 978-0-08-102135-4。
  5. ^ Brown, Craig J.; Beaudoin, Jonathan; Brissette, Mike; Gazzola, Vicki (2019年3月12日). 「海底特性評価の改善のためのツールとしてのマルチスペクトル・マルチビーム・エコーサウンダー後方散乱」 . Geosciences . 9 (3): 126. Bibcode : 2019Geosc...9..126B . doi : 10.3390/geosciences9030126 .
  6. ^ 「MS8200マルチビームエコーサウンダーが風力発電所の杭基礎検査に大きな役割を果たす」 geo-matching.com 2022年7月13日 2025年6月18日閲覧。
  7. ^ 「海洋のどのくらいの部分が探査されているのか？：海洋探査の事実：NOAA海洋探査研究局」oceanexplorer.noaa.gov . 2025年6月18日閲覧。
  8. ^米国商務省、国立海洋大気庁。「Seabed 2030による海洋知識のギャップのマッピング」oceanservice.noaa.gov。2025年6月18日閲覧。

さらに読む

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