side scan sonar...

Side Scan Sonar（サイド スキャン ソーナー）

１９６３年 ハロルド エジャートン博士による実験サブボトムプロファイラを側面方向に向け曳航 難破船「ビンヤード」を発見EG & G社による製品化長距離のサイドスキャンソーナー 英国で開発1970～1980年代 コンピュータの利用 画像処理技術の応用1990年代 低価格化 一般に普及（トレジャーハンター）

Side Scan Sonarの開発

難破船「ビンヤード」

曳航体

音波照射域進行方向（探知予定域 ）

海底反射音響的な影目標物体

反射

海底

反射

海水中の伝搬

音響的な影海底

目標物体

音響ビーム

サイドスキャンソーナー

送受波器

受信信号レベル

トランスジューサ・アレイによるビームの合成

（奥島、日本音響学会講演論文集、 昭和59年3月）

斜め配列アレイの理論

Side Scan Sonar送受波器ビーム構成

水平ビーム Horizontal Beam

垂直ビーム Vertical Beam

送受波器素子

遮音材（鉄，鉛）合成樹脂のカバー電極

Ｘ

Ｙ

Ｚ

θ

ｂ

ａ

D () =

sin acos

sin

acos

sin

sin bsin

sin

bsin

sin

XZ平面の指向特性

指向特性の比較 (周波数：42kHz)

直線配列アレー斜め配列アレー

Grating lobe Grating lobe

Grating lobeは、理論上、アレー素子間隔をλ/2

以下になるよう配列すれば発生しない。直線配列で素子の大きさを１λとした場合、 λ/2以下の配列は、不可能である。

指向特性

素子を斜めにして配列することにより素子間隔をλ/2以下にすることができる。

指向特性

「かいれい」

「かいこう」

「かいこう」に装備されたソーナーシステム

42kHz

38kHz

サイドスキャンソーナーにおけるグレーティングローブの影響

15minHorizontal

Range (m)15min

海底の底質：泥曳航高度：１００ｍ

曳航速度：１ノット

Grating lobeによる擬像

0

300

900

range(m)

直線配列アレー60ｋＨｚ

ビーム幅２°（ 理論値 ）

斜め配列アレー42kHz

ビーム幅２°（ 理論値 ）

600

サイドスキャンソーナーの構成図

市販（米国Klein 社製）のサイドスキャンソーナー

サイドスキャンソーナーの作動テスト （こすり試験）

手でこする

ＴＶＧ ON

ＴＶＧ OFF

サイドスキャンソーナーの作動テスト （実海域）

起伏のない平坦な海底

ゲインの設定3dBごと8段階

周波数 波長 伝搬距離100Hz 15m 1,000km以上

1kHz 1.5m 100km以上

10kHz 15cm 10km

25kHz 6cm 3km

50kHz 3cm 1km

100kHz 1.5cm 600m

500kHz 3 mm 150m

1MHz 1.5mm 50m

使用周波数とソーナーの探知距離の関係

サイドスキャンソーナーの使用周波数

海底面と受信信号との関係

サイドスキャンソーナーの記録の説明

サイドスキャンソーナーの記録の解読例

This interesting sonar image shows how different imaging dynamics takes place between frequencies. In

some instances the 100 kHz frequency images better targets, note the chain. On the other hand the 500 kHz

images developes better image resolution with the small target and developes better shadow sharpness.

使用周波数による画像の比較

500 kHz

100 kHz

使用周波数による画像の比較

500 kHz

100 kHz

記録モード（標準とリバースモード）の差異

標準モード（影が白い）

リバースモード（影が黒い）

探知距離とフットプリント

ソーナーの探知と分解能

探知距離と水平分解能

パルス幅と分解能

フィッシュの揺れと画像の乱れ

低周波ヒーブによる乱れ

ヒーブによる画像の劣化フィシュの縦揺れによる劣化

フィッシュの揺れによるモザイクの乱れ

海底面への音波の照射と受信信号

サイドスキャンソーナーの陰影による物体の探知標準モード（影が白い） 海底から浮いているパイプライン

サイドスキャンソーナーの記録（窪みがある地形の場合）

浅い窪み

急傾斜

サイドスキャンソーナーの記録（チャート速度が曳航速度と違う場合）

チャート速度が実際の曳航速度より遅い

チャート速度が実際の曳航速度に近づいた

チャート速度が実際の曳航速度と一致した

サイドスキャンソーナーの記録距離の違いによる影の違い （標準モード 影が白い）

距離が近いと影ができない

距離が遠いと影ができる

サイドスキャンソーナーの記録水面反射の影響

降雤の影響

海面反射によって手すりがいくつも見える

沈没船の手すり

陰影から標的の高さを求める

Hr =LS×HF

R

陰影から標的の高さと長さを求める（計算例）

異なる方向から見た沈没船（500kHz）

A composite of the same wreck from different angles.

Weck is located a few miles east of the Merrimack River Massachusetts

直線距離歪み補正

無補正画像 ウオーターカラム

長距離補正画像

・ウオーターカラム除去・イメージの拡大

送信（ピング間隔）と標的のロスト

送信（ピング間隔）と標的の認識

速い曳航速度６ｋｔ

曳航速度の低下走査角度の変更

探査レンジの変更

浅い水深や海底地形が複雑な海域でのオペレーション

探査船の停止

曳航体の降下

探査船の進行 適正レンジ設定曳航体高度上昇

Tow fish(送受波器曳航体)の海底面への衝突

砂の海底に曳航体が衝突した場合

砂との摩擦によって生じたノイズ

岩との衝突によって生じたノイズ

岩場の海底に曳航体が衝突した場合

衝突

複雑な海底地形における探索オペレーション

探査目標の真上を航行レンジの変更（拡大）

オペレータによる探査目標の認識

使用周波数による画像の比較

500 kHz

100 kHz

This interesting sonar image shows how different imaging dynamics takes place between frequencies. In

some instances the 100 kHz frequency images better targets, note the chain. On the other hand the 500 kHz

images developes better image resolution with the small target and developes better shadow sharpness.

使用周波数による画像の比較

500 kHz

100 kHz

アメリカ独立戦争で有名（？）なBenedict Arnold将軍の行方不明だった 砲戦の調査

Above are two sonar images of the 54 foot gun boat which sits upright on the bottom of Lake Champlain. It is still in

excellent condition. The top image is 100kHz and the bottom image is 500kHz. In the 100kHz image the shadow

from its 50 foot mast is clearly seen and the bow cannon is still in place.

The above image is of the nose cannon.

The above image is of some atifacts inside the gun boat.

100kHz500kHz

Lake Champlain

Benedict Arnold将軍(1741-1801)

海底地形調査（100 kHz ）片側 500 mレンジ

100 meter range

海底地形調査（500 kHz ） --片側 100 mレンジ--

生物による画像の例

魚群

魚群の陰影

未補正画像

補正画像

補正画像

大型動物の陰影

ネズミイルカの反射

未補正画像

沈没船や落下物の探索

Klein system 5000 のTowfish コンテナルーム内の観測員

沈没船 “ARCTIC ROSE”の探索The 92-foot fishing vessel Arctic Rose with a crew of

14 mysteriously sank in the Bering Sea on Monday,

April 2, 2001.

During the search and rescue only the remains of the

vessels captain was recovered.

The fishing vessel Ocean Explorer was equipped with

the Klein System 5000 high resolution sonar to assist

with locating the Arctic Rose.

Wreckage of the Arctic Rose was found on Wednesday,

July 18, at the location 58 degrees, 56.22 minutes

North latitude and 175 degrees, 53.10 minutes West

longitude.

The vessel is resting upright on its keel in 73 1/3

fathoms, or 428 feet, of water. The location is

approximately 200 miles northwest of St. Paul Island,

AK.

バージ 墜落した航空機

米国海軍潜水艦 S-5

1920年 建造デラウエア沖 40マイルに投棄された. 2001年7月の画像

沈没船や落下物の探索例

Delawara湾で見つかった“AWOIS 1084”1999年10月

フロリダ州Key Westの難破船 タイヤによる魚礁

沈没船や落下物の探索例

沈没させたカナダの潜水艦

The above is a System 5000 image of a

"Oberon" class submarine. Note the

bulb on the bow.

The submarine was imaged during the

Canadian Navy exercises to evaluate

the System 5000's ability to detect

submarines.

The sonar image is courtesy of the

Canadian Navy Route Survey Office of

Halifax and the Defense Research

Establishment Atlantic.

沈没船や落下物の探索例

These images of the USS Monitor were

taken at a range of 75 meters and a speed

of 6 knots.

The water depth was 57 meters.

These images were obtained by C&C

Technologies, Inc.

1862年3月8日に南軍の装甲船”Virginia号”との戦いに勝利し、海上封鎖を解いたことで知られる軍艦。しかし、1862年12月31日、曳航中に高波によって、ノースキャロライナ州のHatteras岬の南(水深57m) に沈没した。

南北戦争時代の沈没船北軍の鉄被覆装甲船“Monitor”の画像

http://monitor.noaa.gov/wreck_tour/wreck_tour.html#

沈没船や落下物の探索例

南北戦争時の沈没船南軍の鉄被覆装甲船“Georgia”

Sonar images made with the Klein System 3000 on

a 25 meter range.

High resolution mosaic of the wreck site

沈没船や落下物の探索例

沈没船や落下物の探索例 --- 舵とプロペラのクローズアップ ---

沈没船や落下物の探索例 ---周囲に散乱した積荷（パイル）---

沈没船や落下物の探索例（500kHz 50mレンジ）

This wreck was imaged on a 50

meter range

This is an image taken with the

Klein System 530.

The imaging frequency was

500kHz.

This is the wreck of the Vineyard

Sound Lightship. The lightship

sank on September 14, 1944. 12

lives were lost.

The wreck now lies in 25 meters of

water off the Massachusetts coast.

沈没船や落下物の探索例（500kHz ）

1944年９月14日沈没水深 25m

This wreck was imaged on a 75 meter range小さな沈没船（500kHz ） The remains of a bargeはしけ（500kHz）

沈没船や落下物の探索例

遠距離レンジによる調査 （500 kHz ，片側 200 m レンジ）

沈没船や落下物の探索例

This is an image of a sunken navigation bouy. It was imaged wiith the System 2000.

The sonar imaging range is 50 meters. The distance to the target is 36 meters.

Imaging speed was approximately 4 knots

沈んだ航法用のブイ （50mレンジ 距離36m）

沈没船や落下物の探索例

沈没船や落下物の探索例

This is an image taken with the

System 2000 of an anchor and

some harbor debris. The sonar

operating range was 50 meters.

The sonar operating frequency

was 500 kHz.

This is an image taken with the

System 2000 of an anchor and some

harbor debris. The sonar operating

range was 50 meters. The sonar

operating frequency was 500 kHz.

Note the anchor drag marks in the

bottom silt before the anchor

acheived set. Also notice the

individual chain segments. The

round objects are tires laying flat.

This is an image taken with

the System 2000 of an anchor

and some harbor debris. The

sonar operating range was 50

meters. The sonar operating

frequency was 500 kHz.

投棄されたアンカー類 （500kHz,50mレンジ）

沈没船や落下物の探索例

This is an image taken with the System 2000 of a

large truck tire standing on end in the harbor silt.

The tire was used as a bumper on a barge and was

knocked off. Notice that good data was received

right through the center of the tire. The sonar

operating range was 50 meters. The sonar

operating frequency was 500 kHz.

This is an image taken with the System 2000 of an

automobile tire standing on end in the harbor silt.

The tire was used as a bumper on a barge and

was knocked off. Notice that data was received

right through the center of the tire. The sonar

operating range was 50 meters. The sonar

operating frequency was 500 kHz.

トラックのタイヤ 乗用車のタイヤ

沈没船や落下物の探索例 ---投棄された車のタイヤ---

沈没船や落下物の探索例 ---小さな目標の探知---

This is and example of small target detection by the System 5000. These Lobster Pots measure just 18 inches

(45 cm) high, 42 inches (106 cm) long, with open wooden slat construction. Careful inspection will also revel

line stringing the traps together.

The image was obtained on a 75 meter range per side and a speed of 7.5 knots

エビかご 高さ18 inches (45 cm), 長さ42 inches (106 cm)

沈没船や落下物の探索例 ---エビ漁での網の状態 1---

This is an image of a set of

shrimp nets being towed by

a shrimp boat in the Gulf of

Mexico.

Note the boat wake in the

upper right.

Also note that the nets look

fairly full!

These images were obtained

by C&C Technologies, Inc.

Special thanks to Art

KIeiner.

沈没船や落下物の探索例 ---エビ漁での網の状態 2 ---

This is an image of a shrimp boat with two shrimp nets out.Note the net texture and the boat hull structure

This is a sonar image that was

obtained with the Klein system

595 of a set of craters created by

the placement of a off shore

drilling rig.

沈没船や落下物の探索例 ---沖合石油掘削リグの設置痕---

This is an image taken with the

Klein System 530.

The imaging frequency was 50kHz.

Imaging range is 600 meters per

side.

The Image is slant range corrected.

This image is of iceberg scours.

The icebergs were resting on the

sea floor having drifted or been

blown into shallow water. The

scours were formed when the

wind and currents push the bergs

over the bottom This image was

recorded off shore of Tutoyaktuk,

Northwest Territories Canada.

沈没船や落下物の探索例 ---氷山による海底の引っ掻き痕---

50kHz

片側600mレンジ

（500 kHz ，片側200 m レンジ）

沈没船や落下物の探索例 ---遠距離レンジによる調査---

This is an image of two bodies laying on a Swiss lake bottom.

They are a small airplane pilot and a passenger and were imaged during recovery efforts after the plane crashed.

The image was obtained with a sonar system 595 operating at an imaging ,

range of 75 meters and a sonar frequency of 500 kHz.

湖底に横たわる２遺体

沈没船や落下物の探索例---スイスの湖における航空機事故の捜索結果---

500kHz 75mレンジ

湖に墜落した小型飛行機