|
2.2 底質分類の可能性に関する開発研究
昨年度の研究では、底質分類の方法として、「海底音響画像より分類する方法」と「後方散乱強度分布モデルから海底面の凹凸と底質を推定する方法」の二つの分類方法について示した。
そこで、昨年度の研究を踏まえ、本年度は
海底底質分類モデルに関する資料の収集及び整理・分類
分類技術の開発研究
海底面の凹凸に関する情報の定量化のシミュレーション
分類・表示プログラムの開発
を実施する。
2.2.1 海底底質分類モデルに関する資料の収集及び整理・分類
サイドスキャンソーナーの音響を用いて底質分類を実施するためには、後方散乱強度を求める必要がある。また、画像の前処理を詳細に検討する必要がある。
ANKOUの後方散乱強度を用いて海底底質の分類を実施するために、ANKOUの音響に関する資料の収集および整理・分類を実施した。
（1）ANKOUのソーナー方程式
「後方散乱強度分布モデルから海底面の凹凸と底質を推定する方法」を行うためには、ソーナー方程式を用い、ANKOUの受信データから後方散乱強度を求める必要がある。
ANKOUのソーナー方程式は昨年度の報告書で提示したが、詳細に検討した結果、昨年度のものでは計算が困難であることがわかった。そこで、本年度の研究に用いるためのソーナー方程式を検討した。表4はANKOUのソーナー方程式である。
なお、ここで示されているステップ6は、音波の吸収損失に関するものである。この吸収係数は、実際にANKOUを計測して求めた値ではなく、Robert J.Urickの「Principles of Underwater Sound, 3rd edition.」に示されているSchulkinおよびMarshとThorpの式をもとに得た値である。これらは、海水中の音波吸収の主要因であるイオン緩和現象のうち、硫酸マグネシウムおよびホウ酸による化学的緩和は考慮されているが、炭酸マグネシウムによる化学的緩和現象は考慮されていない。そこで、本研究では、「海洋音響の基礎と応用海洋音響学会編」を参考に、炭酸マグネシウムの緩和現象も考慮したグローバルモデルをもとにした吸収係数を使用することとした。
表4 ANKOUのソーナー方程式
| ステップ |
名称 |
内容 |
単位 |
|
|
・PORT_fq : PORT側周波数＝9(kHz) |
|
| ・STBD_fq : STBD側周波数＝10(kHz) |
| ・Mount_Angle : 取付け角度＝45(deg) |
| 1 |
Output power発信出力 |
5173W(HIGH),751W(MED), 106W(LOW),
17W(TEST) |
dB re 1 Wrms |
| 2 |
Transmit sensitivity of array |
172 dB/uPa/W |
dB re 1 uPa rms |
| 3 |
Directivity index of transmit boom |
29dB |
dB re 1 uPa rms |
| 4 |
Tansmit Beam Pattern |
[(Arrival_Angle-Mount_Angle)/20]^2 |
dB re 1 uPa rms |
| 5 |
Spreading loss to reflector |
20*log(Range) |
dB re 1 uPa rms |
| 6 |
Acoustic absorption along travel path |
PORT_e dB/km,PORT_e=1.1 |
dB re 1 uPa rms |
| STBD_e dB/km,STBD_e=1.2 |
| 7 |
Beckscattered energy |
|
dB re 1 uPa rms |
| 8 |
Acoustic absorption along travel path |
PORT_e dB/km,PORT_e=1.1 |
dB re 1 uPa rms |
| STBD_e dB/km,STBD_e=1.2 |
| 9 |
Spreading loss back to array |
20*log(Range) |
dB re 1 uPa rms |
| 10 |
Receive Beam Pattern |
[(Arrival_Angle-Mount Angle)/20] ^2 |
dB re 1 uPa rms |
| 11 |
Array Receive Sensitivity |
-161dB re 1 V/μPa |
dB re 1 Vrms |
| 12 |
Receiver Preamp Gain |
20dB |
dB re 1 Vrms |
| 13 |
Time Varying Gain |
Gain[dB] = 20log(400) + (G * 3) +
(A-128)/40 + (B/40) * 20log (Range/Swath) - C/160*Range/1000
G : オペレータが設定したゲイン(Manual gain)
A : the basic fixed gain in dB.
B : the correction power due to spreading.
C : the absorption of water at 9.5kHz in dB/km * 1000.
X : 最大許容ゲイン。 if Gain[dB] > X、Gain[dB]=X
N : 最小許容ゲイン。if Gain[dB] < N、Gain[dB]=N. |
dB re 1 Vrms |
| 14 |
Quadrature Sampling Gain |
1.8dB |
dB re 1 Vrms |
| 15 |
Digitizing Gain |
56.7dB re 1 bit/volt |
dB re 1 D.U |
| 16 |
VPP Processing Gain |
24.1dB |
dB re 1 D.U |
|
このソーナー方程式が本研究に用いることが可能であるかを判断するために、初期条件を下記のように設定し計算した。
（初期条件）
（1）音響出力値＝MED
（2）高度値＝2000m
（3）スワス幅＝10240m
（4）TVGゲインのパラメータ
G=11、A=250、B=95、C=160、X=255、N=0
（5）PORT側周波数＝9kHz
（6）ピクセルサイズをP、ピクセルナンバーをnとしたとき、
斜距離Lnは、Ln＝SQRT｛（高度値×高度値）＋（（P×n）×（P×n））｝（n＝1~4096）とする。
このとき（2）および（3）より最も外側のデータの斜距離Lは、
Lb＝SQRT（（2000×2000）＋（5120×5120））≒ 5496.763 mとなる。
（7）また、グレージングアングルθnは、θn＝arc tan（高度値 ／（P×n））（n＝1~4096）とする。
このとき（2）および（3）より最も外側のグレージングアングルθnは、
θ＝arc tan （2000 / 5120）≒ 21.336度である。
この条件により計算したステップ4、ステップ5、ステップ6の結果を、図21から図23に示す。これらは、音波のビームパターン、拡散、吸収による損失を表している。ビームパターンによる損失は、送受波器の取付け角度から離れたビームほどエネルギーを損失する傾向がみられる。拡散および吸収損失は、距離に依存するため、直下近傍と比べ外側のビームほど多くのエネルギーを損失する。
図24は、TVGを求めた結果である。各パラメータの設定を変更することにより、直下近傍と比べ外側のビームほど多くのエネルギーを増幅することが可能となる。
サンプルデータとして、図25に示す後方散乱強度を使用して、受信データを算出した。算出結果を図26に示す。
これより、受信データは、全体的に60dB前後の値となり、実際に収録した値とほぼ同じ傾向を示した。
図21 ANKOUのビームパターンによる損失の例
図22 ANKOUの拡散による損失の例
図23 ANKOUの吸収による損失の例
図24 ANKOUのTVGによる増幅の例
|
