JP2010030340A - 音響計測用観測船及び音響計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】河川、湖沼、沿岸海洋、ダム等における浅瀬の測深、河床地形や水中構造物の三次元情報の取得や、河床底質情報の取得等を行うことのできる音響計測用観測船及びこの観測船を利用した音響計測システムを提供する。
【解決手段】浅瀬２１を航行可能な船体１に支持フレーム２を設置し、これに支柱部材８ａ、８ｂを水平軸の回りに回転可能とするように支持して、支柱部材８ａ、８ｂを船体の外周側における直立状態から支持フレーム２上の倒伏状態に回転操作可能に構成し、支柱部材８ａ、８ｂには、下側にサイドスキャンソナー１２を支持可能とすると共に、上側にはＧＰＳ測位装置１０、トータルステーション１１用の反射体９、三次元位置センサ１３を支持可能とし、船体にサイドスキャンソナー１２、ＧＰＳ測位装置１０、三次元位置センサ１３のデータを記録する記録装置１７を設置した音響計測用観測船と、それを利用した音響計測システムを提案する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、河川、湖沼、沿岸海洋、ダム等における浅瀬の測深、河床地形や水中構造物の三次元情報の取得や、河床底質情報の取得等を行うことができる音響計測用観測船と、この音響計測用観測船を利用した音響計測システムに関するものである。

河川、湖沼、沿岸海洋等の水深や底の三次元形状あるいは水中構築物を音響により計測するシステムとして、例えば、マルチビーム測深装置やサイドスキャンソナーを用いた音響計測システムが知られている。

例えば、特許文献１には、観測船の一方のサイドに取り付けられ、下側が水面下に垂下された状態の支柱の下端部に取り付けて水中に配置したマルチビーム測深ソナーと、船体の移動や揺動に対する計測位置の計測及び補正を行うための各種手段と、計測データ記録装置と、計測データの処理手段を備えた音響計測システムが記載されている。

一方、特許文献２には、観測船の一方のサイドに取り付けられ、下側が水面下に垂下された状態の支柱の下端部に取り付けて水中に配置したサイドスキャンソナーと、船体の移動や揺動に対する計測位置の計測及び補正を行うための各種手段と、計測データ記録装置と、計測データの処理手段を備えた音響計測システムが記載されている。
特開平１０−３２５８７１号公報 特開２００１−７４８３４号公報

以上の従来の音響計測システムが計測対象とする水深は比較的深く、河川、湖沼、沿岸海洋、ダム等における浅瀬の測深、河床地形や水中構造物の三次元情報の取得や、河床底質情報の取得等を行うことができる音響計測システムが望まれている。

例えば水深０．５ｍまでの極浅水域及び河川域での地形は複雑で、各種の構造物が存在することが多く、また、観測船の進入に係る制約と、極浅を計測可能な適当な観測船や計測システムがなかったこと等から、十分な地形計測が行われていない。

本発明はこのような従来の課題を解決するべく創案されたもので、即ち、河川、湖沼、沿岸海洋、ダム等における浅瀬の測深、河床地形や水中構造物の三次元情報の取得や、河床底質情報の取得等を行うことのできる音響計測用観測船及びこの観測船を利用した音響計測システムを提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明では、浅瀬を航行可能な船体に支持フレームを設置し、支柱部材を水平軸の回りに回転可能とするように支持フレームに支持して、支柱部材を、船体の外周側における直立状態から支持フレーム上の倒伏状態に回転操作可能に構成し、支柱部材には、下側にサイドスキャンソナーを支持可能とすると共に、上側にはＧＰＳ測位装置と、トータルステーション用の反射体と、三次元位置センサを支持可能とし、船体にサイドスキャンソナーと、ＧＰＳ測位装置と、三次元位置センサのデータを記録する記録装置を設置した音響計測用観測船を提案する。

また本発明では、上記の構成において、支持フレームを船体の船首側に設置した音響計測用観測船を提案する。

また本発明では、上記の構成において、支柱部材は、その軸方向に沿って位置調節可能とするように、溝型案内支持部材に取り付ける構成とし、この溝型案内支持部材を、船体の進行方向に直交する水平軸の回りに回転可能とするように支持フレームに設けた回転軸に支持した音響計測用観測船を提案する。

また本発明では、上記の構成において、船体をインフレータブルボート又は平底船として構成した音響計測用観測船を提案する。

また本発明では、上記の構成において、反射体は、トータルステーションの構成に対応して、プリズム型トータルステーションのプリズムとしたり、ノンプリズム型トータルステーションのターゲットとした音響計測用観測船を提案する。

また本発明では、以上の構成の音響計測用観測船と、この音響計測用観測船を見渡せる位置に設置する自動追尾型トータルステーションとから構成し、トータルステーション側に、その測位データの記録装置を設けた音響計測システムを提案する。

また本発明では、上記の構成において、自動追尾型トータルステーション側に、時間同期用ＧＰＳ測位装置を設けることを提案する。

本発明に係る音響計測用観測船では、下側にサイドスキャンソナーを取り付けると共に、上側にＧＰＳ測位装置と、トータルステーション用の反射体と、三次元位置センサを取り付けた支柱部材を、回転操作手段の操作により船体の外周側において直立状態とすることにより、サイドスキャンソナーを水中に位置させると共に、ＧＰＳ測位装置と、トータルステーション用の反射体と、三次元位置センサを支柱部材の上側の所定の位置にもたらすことができ、この状態で観測船を予め計画した航路、即ち計画測線に沿って浅瀬を航行させることにより、航路に沿った計測データを時々刻々と収集して時系列データとして記録装置に記録することができる。

観測船において収集し、記録装置に記録する計測データは、上述したように、サイドスキャンソナーによるサイドスキャンデータと、ＧＰＳ測位装置による測位データと、三次元位置センサによる位置データであり、これらはＧＰＳ測位装置により得られるＧＰＳ時間に関連付けた時系列データとして記録する。

このように記録装置に記録したデータのうちのＧＰＳ測位装置による測位データと三次元位置センサによる位置データにより、船体の位置と、その揺動等の動きを導出することができ、これらのデータと、支柱部材に設けられたサイドスキャンソナー、ＧＰＳ測位装置及び三次元位置センサの予め設定された相対的位置関係に基づいて演算処理を行うことにより、観測船の航路に沿った時々刻々の浅瀬のサイドスキャンデータを、それらの計測位置と共に求めることができ、そしてこれらのデータに基づいて、浅瀬の測深、河床地形や水中構造物の三次元情報の取得や、河床底質情報の取得等を行うことができる。

次に、回転操作手段を操作して支柱部材を支持フレーム上に倒伏状態とすることにより、支柱部材の下側に設けられたサイドスキャンソナーを上方に位置させることができるので、この状態において、観測船を岸側から計測対象の浅瀬に運んで浮かべたり、浅瀬に浮かんでいる観測船を岸側に運ぶ動作において、サイドスキャンソナーを損傷させたり、それが邪魔になったりすることがない。

本発明において、支持フレームを船体の船首側に設置した場合には、計測時の航行においてサイドスキャンソナーの位置を船首に位置させることができるので、サイドスキャンソナーを計画測線に沿って移動させる運転操作を容易に、確実に行うことができると共に、船体の揺動に対しての影響も少ない。

本発明において、支柱部材を、その軸方向に沿って位置調節可能とするように、溝型案内支持部材に取り付ける構成とした場合には、その位置調節によって、サイドスキャンソナーの水面からの距離を調節することができるので、サイドスキャンソナーの位置を水深等に応じて適切に調節することができる。

本発明において、船体は、浅瀬を航行可能であれば、インフレータブルボートや平底船とすることができる。

本発明では、以上に説明した音響計測用観測船と、この音響計測用観測船を見渡せる位置に設置する自動追尾型トータルステーションとから成る音響計測システムを構成することができ、この場合、トータルステーション側に、その測位データの記録装置を設ける。

この音響計測システムでは、所定位置に設置した自動追尾型トータルステーションにより航行している観測船の支柱部材に取り付けた反射体を自動追尾しながら、その方位と距離を時々刻々と計測して、それらのデータを時系列データとして記録装置に記録する。

この記録装置に記録された反射体の方位と距離のデータは、船体側の記録装置に記録されたサイドスキャンデータと、ＧＰＳ測位装置による測位データと、三次元位置センサによる位置データと共に演算処理手段において演算処理することにより、例えば橋の下方を航行していてＧＰＳ測位装置による測位が行われなかった時点の測位データを、トータルステーション側の記録装置に記録されたデータにより代替させることができ、切れ目のない連続的なデータを得ることができる。

本発明において、トータルステーション側に、時間同期用ＧＰＳ測位装置を設けた構成では、船体側とトータルステーション側において記録した計測データの時系列データの時間を、ＧＰＳ時間により同期させることができるので、上述したデータの代替処理をより正確に行うことができる。

次に本発明に係る音響計測用観測船及び音響計測システムの最良の形態を添付した図１〜図８を参照して説明する。まず、図１は全体構成を模式的に示す側面図、また図２、図４〜図８は観測船の拡大側面図、図３は観察船の要部を拡大した斜視図であり、図４〜図６では便宜的に回転軸を断面表示している。

これらの図において、符号１は観測船の船体であり、この船体１はインフレータブルボートや平底船等のように、例えば本発明の音響計測システムが対象としている水深０．５ｍまでの浅瀬を良好に航行できるものを選択する。

船体には、その船首側に支持フレーム２を設置している。そして支持フレーム２の船首端側には軸受装置３ａ，３ｂを設けて船体１の進行方向と直交する水平軸の回りに回転可能とするように回転軸４を設けている。一方側の軸受装置３ｂにはウォーム歯車（図示省略）が設けられていて、そのウォームホイール（図示省略）が回転軸４に接続され、またウォーム（図示省略）には回転操作軸５が接続されている。そして回転操作軸５の端部には操作ハンドル６が回転可能に支持されている。また符号７は溝型鋼等で構成した溝型案内支持部材であり、この溝型案内支持部材７の開口側の裏面側を上記回転軸に固定している。

符号８は支柱部材であり、この実施の形態では、支柱部材８は上記溝型案内支持部材７の開口側に嵌合して摺動可能な角筒形状の支柱部材８ａと、この支柱部材８ａの上側に着脱可能に取り付ける細い支柱部材８ｂとから構成している。

そして細い支柱部材８ｂの上端側にはプリズム９が設けられており、更にその上側にはＧＰＳ測位装置１０が設けられている。上述したように、プリズム９は、後述するプリズム型トータルステーションの反射体として利用するものであり、トータルステーション１１がノンプリズム型の場合には、適宜のターゲット（図示省略）を設けることができる。また支柱部材８ｂに取り付けるＧＰＳ測位装置１０は、測位機能を内蔵しているものでも良いし、アンテナのみとして、測位機能は他所に構成することもできる。

一方、角筒形状の支柱部材８ａの下端にはサイドスキャンソナー１２を取り付けており、この場合、サイドスキャンソナー１２は支柱部材８ａに対しての角度が調節可能に取り付けられている。更に支柱部材８ａには、その上側に、三次元位置センサ１３を載置支持するための支持板１４を設けている。

尚、サイドスキャンソナー１２は例えば以下の諸元を有するものを用いる。
周波数：２５０ｋＨｚ トランスデューサ：６個
３次元の最大探査距離：４００ｍ
計測レンジ幅：水深１０〜１３倍
分解能（横方向）：５ｃｍ
ビーム幅：１°
パルス長：１０ｍsec〜５０ｍsec
発信間隔：〜２５／sec
トランスデューサ取付角：水平方向から、下向きに２０°
対象探知高さ：１０ｃｍ

三次元位置センサ１３は例えば以下の諸元を有するものを用いる。
１．ジャイロスコープ性能
動的精度：±０．２° Secant
Latitude
０．１° ｒｍｓ（水面状態による）
静的精度 ±０．１° Secant
Latitude
０．０５° ｒｍｓ（水面状態による）
ロール・ピッチ精度 ０．０１％
２．モーションセンサー性能
ヒーブ、サージ、スウェイ精度：５ｃｍ 又は ５％
ロール、ピッチ、ヨー精度：０．０１°

次に支柱部材８ａには、横断方向の貫通孔１５を等間隔で長さ方向に多数設けており、これらの貫通孔１５に対応して溝型案内支持部材７の開口側の対向辺にも貫通孔（図示省略）を設けており、この貫通孔と支柱部材８ａの貫通孔１５を位置合わせした状態において、取付ボルト１６を嵌合して、ナット（図示省略）により固定する構成としている。

そして船体１には、サイドスキャンソナー１２と、ＧＰＳ測位装置１０と、三次元位置センサ１３のデータを記録する記録装置１７を設置している。この記録装置１７はコンピュータ装置により構成しており、このコンピュータ装置は、データの記録装置１７としての機能の他、計測に附帯する各種の処理を行うように構成することができる。

一方、図１において符号１１はトータルステーションであり、このトータルステーション１８は自動追尾プリズム型トータルステーションとしている。そしてこのトータルステーション１１側には、測位データの記録装置１８を設けると共に、時間同期用ＧＰＳ測位装置１９を設けている。この記録装置１８もコンピュータ装置により構成しており、このコンピュータ装置も、測位データの記録装置としての機能の他、それらに附帯する各種の処理を行うように構成することができる。更に、符号２０はＧＰＳ衛星を示すものである。

尚、上述したように、トータルステーション１１は、精度は若干低下するが、それを許容する場合にはノンプリズム型の構成とすることもでき、この場合は、船体１側のプリズム９に替えて、適宜のターゲットを用いることができる。

以上の構成において、この実施の形態では、計測対象の浅瀬２１の計測を行うに際して、その岸辺等に船体１を浮かべ、そして図１〜図３に示すように、回転操作手段としての操作ハンドル６を操作することにより回転軸４を回転させて、溝型案内支持部材７に取り付けられた支柱部材８ａと、この支柱部材８ａの上側に取り付けられた支柱部材８ｂを船体１の外周側において直立状態とする。

この操作により、サイドスキャンソナー１２を、水面から所定距離の水中に位置させることができると共に、支柱部材８ｂに取り付けられているＧＰＳ測位装置１０と、トータルステーション１１用の反射体としてのプリズム９を支柱部材８の上側の所定の位置にもたらすことができ、更に三次元位置センサ１３を、支柱部材８ａに設けた支持板１４上に載置支持して、所定の位置にもたらすことができる。

一方、計測対象の浅瀬２１を見渡せる岸の適所を基準位置としてトータルステーション１１、この場合、自動追尾プリズム型トータルステーションと記録装置１８及び時間同期用ＧＰＳ測位装置１９を設置して、船体１の支柱部材８ａに取り付けられたプリズム９を視準し、自動追尾による方位と距離の計測及び記録を開始する。

この状態において、船体１を予め計画した航路、即ち計画測線に沿って浅瀬２１を航行させることにより、航路に沿った計測データを時々刻々と収集して記録装置１７に記録する。

この実施の形態においては、計測時の航行においてサイドスキャンソナー１２の位置を船体１の船首に位置させることができるので、サイドスキャンソナー１２を計画測線に沿って移動させる運転操作を容易に、確実に行うことができると共に、船体１の揺動に対しての影響も少ない。

一方、トータルステーション１１においては、浅瀬２１を航行しながら計測を行っている観測船の船体１の支柱部材８ａに取り付けられたプリズム９を視準し、自動追尾して、その方位と距離を時々刻々と計測し、その計測データを時系列データとして記録装置１８に記録する。この際、トータルステーション１１側の記録装置１８において記録したプリズム９の方位と距離の時系列データの時間と、船体１側の記録装置１７に記録した時系列データの時間を合わせるために、トータルステーション１１側では、時間同期用ＧＰＳ測位装置１９により得られるＧＰＳ時間を上記時系列データに関連付けて記録装置１８に記録を行う。

観測船において収集し、記録装置１７に記録する計測データは、上述したように、サイドスキャンソナー１２によるサイドスキャンデータと、ＧＰＳ測位装置１０による測位データと、三次元位置センサ１３による位置データであり、これれらの計測データは、ＧＰＳ測位装置１０により得られるＧＰＳ時間に関連付けた時系列データとして記録装置１７に記録する。

こうして観測船及びトータルステーション１１において記録された時系列データは、記録装置１７、１８を構成するコンピュータ装置や、他のコンピュータ装置において演算処理して所定の情報を得る。

即ち、ＧＰＳ測位装置１０による測位データと三次元位置センサ１３による位置データにより、船体１の位置と、その揺動等の動きを導出することができ、これらのデータと、支柱部材８に設けられたサイドスキャンソナー１２、ＧＰＳ測位装置１０及び三次元位置センサ１３の予め設定された相対的位置関係に基づいて演算処理を行うことにより、観測船の航路に沿った時々刻々の浅瀬２１のサイドスキャンデータを、それらの計測位置と共に求めることができ、そしてこれらのデータに基づいて、浅瀬の測深、河床地形や水中構造物の三次元情報の取得や、河床底質情報の取得等を行うことができる。

この際、本発明では、サイドスキャンソナー１２を用いているため、マルチビーム測深装置と比較して、１回の航行における計測可能な幅が広いので、広い計測対象域の計測データを、より少ない航行回数で効率的に収集することができる。

次に、計測に際して、計測の対象とする浅瀬２１が、橋架の下方であったり、急峻な山岳域のように、ＧＰＳ測位装置１０の上空が開けていない場所では、ＧＰＳ測位装置１０による測位が行われず、その場所の計測データの一部、即ち、ＧＰＳ測位装置１０に関する計測データが欠落してしまう。

このように、観測船側の記録装置１７に記録された時系列データにおいて、ＧＰＳ測位装置１０による測位が行われなかった時点の測位データは、トータルステーション１１側の記録装置１８に記録された、基準位置に対してのプリズム９の方位と距離の計測データにより代替させることができ、切れ目のない連続的な計測データを得ることができる。

即ち、トータルステーション１１側の記録装置１８において記録したプリズム９の方位と距離の時系列データは、時間同期用ＧＰＳ測位装置１９により得られるＧＰＳ時間を関連付けて記録しているため、船体１側の記録装置１７に記録した時系列データとの時間合わせを非常に容易に、正確に行うことができる。

次に、観測船においては、回転操作手段としての操作ハンドル６により回転操作軸５を介して回転軸４を回転させると、図４の状態を経て図５に示すように、溝型案内支持部材７、そして支柱部材８ａを傾けて支持フレーム２上に倒伏状態とすることができる。この状態においては支柱部材８ａの下側に設けられたサイドスキャンソナー１２を上方に位置させることができるので、この状態において、観測船の船体１を岸側から計測対象の浅瀬２１に運んで浮かべたり、計測を終了して浅瀬２１に浮かんでいる観測船の船体を岸側に運ぶ動作において、サイドスキャンソナー１２を損傷させたり、それが邪魔になったりすることがない。

またこの実施の形態においては、支柱部材８ａを、その軸方向に沿って位置調節可能とするように、溝型案内支持部材７に取り付ける構成としているので、その位置調節によって、図８に示すように、サイドスキャンソナー１２の水面からの距離を調節することができ、従ってサイドスキャンソナー１２の位置を水深等に応じて適切に調節することができる。尚、サイドスキャンソナー１２は図７に示すように、支柱部材８ａに対して取り付ける角度を調節可能とすることにより、水中に位置させた際の姿勢を調節することができ、サイドスキャンソナー１２の調節の自由度を高くすることができる。

さらにこの実施の形態においては、支柱部材８は、図６に示すように、溝型案内支持部材７の開口側に嵌合して摺動可能な角筒形状の支柱部材８ａと、この支柱部材８ａの上側に着脱可能に取り付ける細い支柱部材８ｂとから構成しており、この細い支柱部材８ｂに、比較的軽量のＧＰＳ測位装置１０とプリズム９を設置しているので、これらを高く位置させるために支柱部材８ｂを長く構成しても重量が軽くて取り扱いやすく、またＧＰＳ測位装置１０とプリズム９を支持した状態で支柱部材８ａに対して着脱自在とすることができ、計測前の準備と計測後の片付けを容易に行うことができる。一方、上述したＧＰＳ測位装置１０やプリズム９と比較して重い三次元位置センサ１３は、剛性の高い角筒形状の支柱部材８ａに設けた支持板１４に支持するので、安定に支持を行うことができる。

尚、支柱部材８ａに対しての支柱部材８ｂの取付方法は、支柱部材８ｂの下端側部分を支柱部材８ａに沿わせた状態で複数の締め付けベルトで締め付けて取り付ける方法や、支柱部材８ａの上側に支柱部材８ｂの下端側部分の嵌合部と締め付け部を設ける構成等、適宜に構成することができる。

上述したとおり本発明に係る音響計測用観測船及びそれを利用した音響計測システムは、河川、湖沼、沿岸海洋、ダム等における浅瀬の測深、河床地形や水中構造物の三次元情報の取得や、河床底質情報の取得等を、効率的に、従って低コストで行うことができるのであるが、その用途としては、浅瀬に限らず、浅瀬以外の水域において利用できることは勿論である。

本発明に係る観測船を用いた音響計測システムの全体構成を模式的に示す側面図である。 観測船の拡大側面図である。 観測船の要部斜視図である。 観測船の他の局面の拡大側面図である。 観測船の更に他の局面の拡大側面図である。 観測船の更に他の局面の拡大側面図である。 観測船の更に他の局面の拡大側面図である。 観測船の更に他の局面の拡大側面図である。

符号の説明

１ 船体
２ 支持フレーム
３ａ，３ｂ 軸受装置
４ 回転軸
５ 回転操作軸
６ 操作ハンドル
７ 溝型案内支持部材
８ 支柱部材
８ａ 角筒形状の支柱部材
８ｂ 細い支柱部材
９ プリズム
１０ ＧＰＳ測位装置
１１ トータルステーション（自動追尾プリズム型トータルステーション）
１２ サイドスキャンソナー
１３ 三次元位置センサ
１４ 支持板
１５ 貫通孔
１６ 取付ボルト
１７、１８ 記録装置（パーソナルコンピュータ装置）
１９ 時間同期用ＧＰＳ測位装置
２０ ＧＰＳ衛星
２１ 浅瀬

Claims (9)

1. 浅瀬を航行可能な船体に支持フレームを設置し、支柱部材を水平軸の回りに回転可能とするように支持フレームに支持して、支柱部材を、船体の外周側における直立状態から支持フレーム上の倒伏状態に回転操作可能に構成し、支柱部材には、下側にサイドスキャンソナーを支持可能とすると共に、上側にはＧＰＳ測位装置と、トータルステーション用の反射体と、三次元位置センサを支持可能とし、船体にサイドスキャンソナーと、ＧＰＳ測位装置と、三次元位置センサのデータを記録する記録装置を設置したことを特徴とする音響計測用観測船。
2. 支持フレームを船体の船首側に設置したことを特徴とする請求項１に記載の音響計測用観測船。
3. 支柱部材は、その軸方向に沿って位置調節可能とするように、溝型案内支持部材に取り付ける構成とし、この溝型案内支持部材を、船体の進行方向に直交する水平軸の回りに回転可能とするように支持フレームに設けた回転軸に支持したことを特徴とする請求項１又は２に記載の音響計測用観測船。
4. 船体がインフレータブルボートであることを特徴とする請求項１〜３までのいずれか１項に記載の音響計測用観測船。
5. 船体が平底船であることを特徴とする請求項１〜３までのいずれか１項に記載の音響計測用観測船。
6. 反射体がプリズム型トータルステーションのプリズムであることを特徴とする請求項１〜５までのいずれか１項に記載の音響計測用観測船。
7. 反射体がノンプリズム型トータルステーションのターゲットであることを特徴とする請求項１〜５までのいずれか１項に記載の音響計測用観測船。
8. 請求項１〜７までのいずれか１項に記載の音響計測用観測船と、この音響計測用観測船を見渡せる位置に設置する自動追尾型トータルステーションとから構成し、トータルステーション側に、その測位データの記録装置を設けたことを特徴とする音響計測システム。
9. 自動追尾型トータルステーション側に、時間同期用ＧＰＳ測位装置を設けたことを特徴とする請求項８に記載の音響計測システム。

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