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レッド測深からマルチビーム測深まで


参考資料
レッド測深からマルチビーム測深まで
  水路測量の役割

     ■自然、人工物を問わない海底地形の表現
         地球表面の1点を決定するためには2つの要素が必要
         ⇒水平位置 [XY]の決定
         ⇒水面からの深度 [Z]の決定
     ■海底底質の決定

  水路測量の主な調査方法
      水路測量の方法は主に以下の5種類が存在しています。
         ◇一点の情報               レッド測深
         ◇航路のクリアランス情報  : スィープバー
         ◇側面情報                : シングルビーム音響測深機
         ◇面情報                  : 複素子測深機
         ◇面情報                  : スワス測深


 
レッド測深BathHi1.jpg
紐のついた鉛塊海底に向けて投下することによりを1点1点を測深します。400年以上にわたる歴史がありますが、深いところ、潮流の激しいところでは極めて不正確な測定となります。
また、調査に多大な時間が必要となります。
多くの場合、底質を決定するためのグラブサンプリングと併用されます。
 
スィープバー BathHi2.jpg
水中を海底に平行に棒状の検知器を曳航することで、航路における障害物を調査します。航路の障害物を発見するための方法で他の測深方法とはことなり、測深値や底質情報を得ることはできません。
シングルビーム測深機BathHi3.jpg  
1920年代に開発された水中における音波の伝播時間を計測することによって測深する方法です。
底質判別には主に1960年代に開発されたサイドスキャンを併用します。
 
シングルビーム測深システムの測深範囲 BathHi4.jpg
シングルビームでは一般に調査船を平行に走行させて測深します。これらの測線間では測深情報を得ることができないので詳細な海底地形をえるためには測線間隔を可能な限り縮めなければなりません。
 
マルチビーム(複素子)測深機BathHi5.jpg
1960年代に開発された方法で複数のシングルビーム測深機を組み合わせた状態で測深する方法です。測深レンジに合わせてトランスデューサーの種類、設置間隔を決定します。底質判別にはサンプリングまたはサイドスキャンソナーを使用します。
その構造により調査船の速度が上げられない、海況の影響を強く受ける、測線間隔を狭く取る必要があるなどの欠点があります。
 
複素子測深システムの測深範囲
BathHi6.jpg
 
マルチビーム(複素子)測深機では適切に計画された測線を走行することにより、測深洩れのない理想的な測深情報をえることが可能です。とくに10m以浅のエリアで効率的な測深ができます。

 
スワス測深機
BathHi7.jpg

マルチビーム測深機では複数の測深データ(数十本から数百本)を一度に受信して測深します。
また、スワス測深には、ミルズクロスビームフォーミング(マルチビーム)とインターフェロメトリの2種類の方式が存在しています。
 
1970年代に深海向けに低周波数タイプのシステムが開発されました。浅海向けシステムは1990年代初頭に開発されています。
底質の判別にはサイドスキャンソナー若しくは、測深機自体から得られる後方散乱イメージを使用します。


BathHi8.jpg


ビームフォーミング方式とインターフェロメトリ方式:
ビームフォーミング方式とインターフェロメトリ方式との相違点は、主に、海底からの到来角度と往復時間の組み合わせを決定する方法にあります。基本的に、ビームフォーミング方式はソナー側で設定された到来角方向に対して聴音し、その方向の往復時間を決定します。受波処理時に聴音する方向が決まっているので、複数の方向から同時にやってくる音波の往復時間が異なる、という可能性を除去することができます。
一方、インターフェロメトリ方式は、受波音波を複数の受波器で聴音し、その音波の位相差から到来角度を求めます。
受波器が1つでは、同じ時刻に到来した音波がどの方向から来たか分からないのですが、受波器が複数あることで、いくつかの組み合わせを用いて到来方向を決定することが可能です。
BathHi9.jpg     BathHi10.jpg   

ビームフォーミング     インターフェロメトリ方式
測深密度
BathHi11.jpgBathHi12.jpg
ビームフォーミング     インターフェロメトリ方式
実例
BathHi13.jpgBathHi14.jpg
  インターフェロメトリ          ビームフォーミング


 

上記例は岸壁の状況をシミュレートした様子です。深度10mの平らな海底と横方向に18mの垂直な壁で海底と岸壁は実線で示されています。
両方のシステムの特性は容易に認識できます。ビームフォーミング方式の解像度は、スワスの内側部分の聴音方向ほど外側部分や岸壁などで高くなるので、海底と壁の形を正しくイメージ化することができます。
一方、インターフェロメトリ方式の場合は、海底の広い部分についてうまくイメージ化することが可能ですが、13 mから18 mのレンジの海底地域と岸壁は適切にイメージ化することがきません。これは、海底部分からの後方散乱波と壁からの反射波が干渉を起こすからです。さらに、0mから3mの海底部分の解像度が幾分低くなります。これは、浅い海底部分の反射波が受波器にほぼ同時に到達するためです。


インターフェロメトリ方式の特徴
 –サイドスキャン画像による良好な海底イメージの取得
 –複雑な海底地形の測深には不適合
 –一般的な航路調査では良好なデータ取得が可能
 –広スワス幅(一度に測深可能な範囲が広い)
 –直下の測深は難しいため、この点を考慮した測線設定が必要

 
ビームフォーミング(マルチビーム)方式の特徴
 –サイドスキャン機能(オプション)による海底イメージの取得
 –複雑な海底地形においても良好な測深データの取得が可能
 –測深、イメージの両方において広スワスデータ取得が可能
   (ただし、スワス幅そのものはインターフェロメトリのほうが広い)
 –測線間隔を広くとることが可能

理想的なマルチビーム測深機
 ・より高い測深分解能を得るために調査エリアの測深範囲に応じた可能な限り高い周波数を用いた機種
 ・効率よい測深を可能にするための広いスワス幅
 ・より高い水平分解能を得るための、各ビームが極力細い機種
 ・システム接続のための簡単なインターフェースと操作性
 ・価格

マルチビームの利点
     ☆ 海底地形の詳細なマッピング
     ☆ 測線間隔のワイド化
     ☆ 測線間の補間は不要
     ☆ シングルビームでは不可能な領域の測深が可能
     ☆ より詳細な調査がより高速に可能
     ☆ 調査内容によっては非常に高いコストパフォーマンス

 

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