エコーサウンディング

エコー測深または深度測深は、ソナーを使用して測距を行うことで、通常は水深（水深測量）を測ります。水中に音波を送信し、パルスの送信と返信の時間間隔を記録します。その結果得られる飛行時間と水中の音速から、ソナーとターゲット間の距離を測定できます。この情報は通常、ナビゲーション目的、または海図作成用の深度を取得するために使用されます。

エコー測深は、魚群などの他のターゲットまでの距離測定にも使用できます。水中音響評価では、従来、船からの移動調査を使用して魚のバイオマスと空間分布を評価してきました。逆に、固定位置技術では、固定されたトランスデューサーを使用して通過する魚を監視します。

サウンディングという言葉は、音を使わないものも含め、あらゆるタイプの深さ測定に使われており、ノイズや音色という意味でのサウンドという言葉とは由来が異なります。エコーサウンディングは、測深線を海底に着くまで 下げる従来の技術よりも、より迅速に深さを測定する方法です。

ドイツの発明家アレクサンダー・ベームは、1913年7月22日に、エコー測深法（反射音波によって海の深さや船舶または障害物までの距離と方向を測定する装置）の発明によりドイツ特許第282009号を取得した。 ^{[1] [2] [3]} 一方、フランスでは、物理学者のポール・ランジュバン（マリー・キュリーとつながりがあり、原子物理学の研究でよく知られている）が、第二次世界大戦の初めにフランス海軍の研究所に採用され、（当時は秘密裏に）対潜水艦戦用のアクティブソナー（圧電送信機を使用）の研究を行った。彼の研究は、チロウスキー、フロリソン、ピエール・マルティなどの他の科学者や技術者によって開発され、実装された。^{[これらには独自の記事がありません。注目に値しますか？}戦時中は完全に機能するエコーソンデュール（ソナー）はまだ使用準備ができていなかったが、1920年にはトゥーロン沖とイギリス海峡で試験が成功し、民間用にフランスで特許が取得された。海洋調査船とフランスの外洋漁業支援船には^、1920年代半ばから後半にかけて、ランジュバン・フロリソンとランジュバン・マルティの記録ソナーが搭載されていた。^[4]

最初の商用エコー測深装置の一つは、音波を生成するためにフェッセンデン発振器を使用したフェッセンデン・ファソメーターであった。これは、1924年に潜水信号会社によってM&M ^[要説明]定期船SSバークシャー号に初めて搭載された。^[5]

距離は、信号の発信パルスから戻ってくるまでの時間の半分に、水中での音速（約 1.5 キロメートル / 秒）を掛けて測定されます。音速は、温度、圧力、塩分濃度によってわずかに変化します。また、水路測量などのエコーサウンディングの精密な用途では、通常は水中に音速プローブを配置して、音速も測定する必要があります。エコーサウンディングは、海底の位置を特定するために使用されるソナーの特殊な用途です。SI単位系以前の歴史的な水深の単位はファゾムであったため、水深を測定するために使用される計器はファソメーターと呼ばれることがあります。

海図に記された海深のほとんどは、平均音速または標準音速に基づいています。より高い精度が求められる場合、平均音速や季節基準が海域に適用されることがあります。通常、特殊目的または科学調査に限定される高精度の深度の場合、センサーを下げて温度、圧力、塩分濃度を測定することがあります。これらの要素は、現地の水柱の実際の音速をより正確に推定するために使用されます。この手法は、米国沿岸水域の航行調査で米国沿岸測量局によってよく使用されています。^[6]

シングルビームエコーサウンダーは、最もシンプルで基本的なタイプの水中ソナーの1つです。ボートの世界では広く普及しており、さまざまな海洋ロボット車両で使用されています。トランスデューサーを使用して水中にパルスを発射し、返ってくるエコーを聞きます。そのデータを使用して、海底、コンクリート構造物、またはその他の大きな障害物である可能性のある最も強いエコーからの距離を判断できます。^[7]魚群探知機は、レクリエーションと商業の両方の漁師が使用するエコーサウンディングデバイスです。

マルチビーム エコーサウンダー(MBES) は、海底の地図を作成するために使用されるソナーの一種です。送受信機の下から扇状に音波を発射します。音波が海底で反射して受信機に戻るまでの時間を使用して、水深を計算します。他のソナーやエコーサウンダーとは異なり、MBES はビームフォーミングを使用して、返ってきた音波から方向情報を抽出し、 1 回の音で広範囲の深度測定を行います。

航行の補助としてだけでなく（ほとんどの大型船舶には少なくとも簡単な深度測定器が搭載されている）、エコー測深は漁業にも広く利用されている。標高の変化は魚が集まる場所を示すことが多い。魚の群れも記録される。^[8]

詳細な水深測定が必要な地域では、水路測量の作業に精密な音響測深機が使用されることがあります。このようなシステムを評価する際には、垂直精度、解像度、送受信ビームの音響ビーム幅、トランスデューサーの音響周波数に限らず、多くの考慮事項があります。

水路測深機の大半はデュアル周波数です。つまり、低周波パルス (通常約 24 kHz) を高周波パルス (通常約 200 kHz) と同時に送信できます。2 つの周波数は別々であるため、^{[説明が必要]} 2 つの戻り信号は通常、互いに干渉しません。デュアル周波数エコーサウンディングには、岩石層の上にある植生層や柔らかい泥の層を識別できるなど、多くの利点があります。

ほとんどの水路測量作業では 200 kHz トランスデューサーが使用され、これは水深 100 メートルまでの沿岸作業に適しています。より深い水域では、より低い周波数のトランスデューサーが必要です。これは、低周波数の音響信号は水柱内で減衰しにくいためです。深海測深によく使用される周波数は 33 kHz と 24 kHz です。

トランスデューサーのビーム幅も水路測量士にとって考慮すべき事項です。収集したデータの最高の解像度を得るには、狭いビーム幅が望ましいからです。動作周波数が高くなるほど、ビーム幅は狭くなります。したがって、音響パルスが遠くの海底に到達すると、結果として生じるフットプリントが非常に大きくなる可能性があるため、深海での測深ではビーム幅が特に重要です。

マルチスペクトル マルチビーム エコーサウンダは、2 つの異なる周波数でソナーの真下の 2 つの測深を測定するだけでなく、複数の周波数、複数の異なるグレージング角度、および海底の複数の異なる位置で複数の測深を測定するという点で、デュアル周波数垂直ビーム エコーサウンダの拡張版です。これらのシステムについては、マルチビーム エコーサウンダのセクションでさらに詳しく説明します。

エコーサウンダーは、スケールモデル（水理モデル、水路など）での堆積物の輸送、洗掘、浸食のプロセスをモニタリングするために実験室で使用されます。また、3D 等高線のプロットを作成するためにも使用できます。

水路測深機に要求される精度と正確さは、国際水路機関（IHO）の基準に従って実施される調査に対するIHOの要件によって定義されています。^[9] これらの値はIHO出版物S44に記載されています。

これらの基準を満たすには、測量士はエコーサウンダーとトランスデューサーの垂直および水平精度だけでなく、測量システム全体を考慮する必要があります。水面上での船舶の動きの測深を減らすために、特に上下動成分 (シングルビームエコーサウンディング) などのモーションセンサーが使用される場合があります。各センサーの不確実性がすべて確定したら、水路測量士は不確実性予算を作成し、測量システムが IHO が定めた要件を満たしているかどうかを判断します。

さまざまな水路測量機関は、測量士が必要な基準を満たすよう指導するための独自の現場手順とマニュアルを持っています。その例としては、米国陸軍工兵隊の出版物EM110-2-1003 ^[10]とNOAAの「現場手順マニュアル」^{[11]があります。}

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ウィキメディア・コモンズのエコーサウンディングに関連するメディア

• 「エコーで船底の水深を知る方法」ポピュラー・メカニクス・マンスリー、1930年7月 – エコーを使った初期の水深計の詳細図
• ELAC ​​(1982)エコーサウンディング入門。Honeywell-ELAC-Nautik GmbH、キール、88 ページ、(pdf 27.5 MB)