side scan sonar...
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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