マルチビームエコーサウンダー

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。送受信機の下で扇形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。

マルチビームソナー測深システムは、スワス（イギリス英語）またはスワス（アメリカ英語）^[要出典]とも呼ばれ、軍事用途で始まりました。この概念は、ロッキードU-2高高度偵察機用のレーダーシステムに由来していましたが、1960年5月にゲイリー・パワーズが操縦する航空機がソビエトミサイルによって撃墜されたため、プロジェクトは頓挫しました。海底マッピングソナー用に適応された「ミルズクロス」ビームフォーミング技術を使用する提案が米国海軍に行われました。ソナーの各音からのデータは自動的に処理され、船の動きとトランスデューサーの深度音速と屈折効果に対する補正が行われますが、当時はデジタルデータストレージ容量が不十分だったため、データは深度等高線ストリップマップに変換され、連続フィルムに保存されました。^[1]ソナーアレイサウンディングシステム（SASS）は、1960年代初頭に米海軍がゼネラルインストゥルメント社と共同で開発したもので、海底の広い範囲を地図化し、潜水艦部隊の水中航行を支援するものであった。^{[1] [2] SASSは}USSコンパスアイランド（AG-153）でテストされた。最終的なアレイシステムは、水深の約1.15倍の幅を持つ61本の1度ビームで構成され、その後、USNSボウディッチ（T-AGS-21）、USNSダットン（T-AGS-22）、USNSマイケルソン（T-AGS-23）に搭載された。^[1]

同時に、16本の狭いビームを使用する狭ビーム音響測深機（NBES）もハリスASWによって開発され、調査船サーベイヤー、ディスカバラー、リサーチャーに搭載されました。この技術は最終的にシービームになりました。調査作業中は垂直中心ビームデータのみが記録されました。^[1]

1970年代から、米国のGeneral Instrument（現SeaBeam Instruments、L3 Kleinの傘下）、ドイツのKrupp Atlas（現Atlas Hydrographic）とElac Nautik（現Wärtsilä Corporationの傘下） 、ノルウェーのSimrad（現Kongsberg Maritime） 、デンマークのRESON（現Teledyne RESON A/S）などの企業が、小型船だけでなく大型船の船体にも搭載できるシステムを開発しました（技術の向上に伴い、マルチビームエコーサウンダはより小型で軽量になり、動作周波数が増加しました）。

最初の商用マルチビームは現在シービームクラシックとして知られており、1977年5月にオーストラリアの調査船HMASクックに搭載されて運用されました^{[3] 。このシステムは45度の円弧にわたって最大16本のビームを生成しました。「シービームクラシック」という（}レトロニム）用語は、メーカーが1980年代後半にシービーム2000やシービーム2112などの新しいシステムを開発した後に作られました。

2 回目の SeaBeam Classic の設置は、フランスの調査船 Jean Charcot でした。Charcot の SB Classic アレイは座礁により損傷し、SeaBeam は 1991 年に EM120 に置き換えられました。最初の SeaBeam Classic の設置はあまり使用されなかったようですが、他のものは広く使用され、その後多くの船舶に設置されました。

SeaBeam Classic システムはその後、米国の学術研究船 USNS  Thomas Washington  (T-AGOR-10) (カリフォルニア大学スクリップス海洋研究所) 、USNS  Robert D. Conrad (コロンビア大学ラモント・ドハティ地球観測所)、RV  Atlantis II (ウッズホール海洋研究所) に設置されました。

1980 年代と 1990 年代に技術が進歩するにつれて、浅瀬で高解像度の地図を作成できる高周波システムが開発され、今日ではそのようなシステムは航海用海図作成をサポートする浅瀬水路測量に広く使用されています。マルチビーム エコーサウンダは地質学や海洋学の研究にも広く使用されており、1990 年代からは沖合の石油・ガス探査や海底ケーブル配線にも使用されています。最近では、マルチビーム エコーサウンダは沖合風力発電所などの再生可能エネルギー分野でも使用されています。

1989 年、アトラス エレクトロニクス (ドイツ、ブレーメン) は、ドイツの調査船 Meteor に Hydrosweep DS と呼ばれる第 2 世代の深海マルチビームを設置しました。Hydrosweep DS (HS-DS) は、90 度のスワスに最大 59 本のビームを生成しました。これは大きな改善であり、本質的に氷に強いものでした。初期の HS-DS システムは、RV  Meteor (1986) (ドイツ)、RV  Polarstern (ドイツ)、RV  Maurice Ewing (米国)、およびORV  Sagar Kanya (インド) に 1989 年と 1990 年に設置され、その後、 RV  Thomas G. Thompson (米国) や RV 白嶺丸 (日本)を含む他の多くの船舶にも設置されました。

マルチビーム音響周波数が増加し、部品のコストが下がったため、運用中のマルチビーム スワス システムの数は世界中で大幅に増加しました。高解像度の複数のビームを生成するのに使用される音響トランスデューサの必要な物理的サイズは、マルチビーム音響周波数が増加するにつれて小さくなります。その結果、マルチビーム ソナーの動作周波数が増加すると、重量、サイズ、および容積特性が大幅に減少しました。船体に取り付けるのにかなりの時間と労力を要した、旧式の大型で低周波数のマルチビーム ソナー システムでは、従来のトンピルツ型トランスデューサ要素が使用され、使用可能な帯域幅は約 1/3 オクターブでした。新型で小型で高周波数のマルチビーム ソナー システムは、調査用ランチや補給船に簡単に取り付けることができます。 Teledyne Odom、R2Sonic、Norbit などの浅水マルチビーム エコーサウンダには、トランスデューサの動きとトランスデューサ付近の音速を測定するセンサーを組み込むことができ、多くの小規模水路測量会社が従来のシングル ビーム エコーサウンダからマルチビーム エコーサウンダに移行できるようになりました。小型の低電力マルチビーム スワス システムも、自律型水中ビークル (AUV) や自律型水上船 (ASV) に搭載できるようになりました。

マルチビーム エコーサウンダー データには、水深測量、音響後方散乱、水柱データが含まれる場合があります。(現在、中層マルチビーム データで一般的に識別されるガス プルームはフレアと呼ばれます。)

タイプ1-3の圧電複合トランスデューサ素子^[4]は、 3オクターブを超える使用可能な帯域幅を提供するために、マルチスペクトルマルチビームエコーサウンダに使用されています。その結果、マルチスペクトルマルチビームエコーサウンダ調査は、1つのソナーシステムで可能になり、各ピングサイクル中に、各スワスでマルチスペクトル水深データ、マルチスペクトルバックスキャッタデータ、およびマルチスペクトル水柱データを収集します。^[5]

マルチビームエコーサウンダは、水深や海底の性質を判断するために水路測量士が一般的に使用する装置です。最新のシステムのほとんどは、特別に設計されたトランスデューサから、狭いアロングトラックを含むアクロストラックの全帯にわたって幅広い音響扇形パルスを送信し、アクロストラックではるかに狭い（システムによっては約 1 度）複数の受信ビーム（ビームフォーミング）を形成することによって機能します。この狭いビームから、海底検出アルゴリズムを使用して音響パルスの往復移動時間が確立されます。水中の音速が水柱プロファイル全体でわかっている場合は、受信角度と往復移動時間から、戻り信号の深さと位置を判断できます。

各ビームの送信角度と受信角度を決定するために、マルチビームエコーサウンダでは、直交座標系に対するソナーの動きを正確に測定する必要があります。測定される値は通常、ヒーブ、ピッチ、ロール、ヨー、および方向です。

拡散と吸収による信号損失を補償するために、受信機には 時間可変ゲイン回路が設計されています。

深海システムの場合、ピッチを補正するために、操縦可能な送信ビームが必要です。これは、ビームフォーミングによっても実現できます。

• Louay MA Jalloul および Sam. P. Alex、「IEEE 802.16e システムの評価方法とパフォーマンス」、IEEE 通信および信号処理学会オレンジ カウンティ合同支部 (ComSig) で発表、2006 年 12 月 7 日。https://web.archive.org/web/20110414143801/http://chapters.comsoc.org/comsig/meet.html から入手可能。
• BDV Veen および KM Buckley。ビームフォーミング: 空間フィルタリングへの多目的アプローチ。IEEE ASSP Magazine、4 ～ 24 ページ、1988 年 4 月。
• HL Van Trees、「Optimum Array Processing」、Wiley、NY、2002 年。
• 「デジタル ビームフォーミング入門」、Toby Haynes 著、1998 年 3 月 26 日
• 「ビームフォーミングとは何か？」Greg Allen 著。
• 「アレイ信号処理研究の20年」、ハミド・クリムとマット・ヴィバーグ著、IEEE信号処理マガジン、1996年7月

• マルチビーム50年の歴史
• 測深柱から海上梁まで（NOAA の歴史）
• マルチビームデータ処理用のMB-Systemオープンソースソフトウェア
• Hydro Internationalのマルチビーム機器に関するニュースとアプリケーション記事
• USNS ボウディッチ、USNS ダットン、USNS マイケルソンの記念ウェブサイト {マルチビームの最初の適用}