合成開口ソナー

合成開口ソナー( SAS ) は、合成開口レーダーと非常によく似た方法でソナーデータの高度な後処理が行われるソナーの一種です。

合成開口ソナーは、多数の音響音を組み合わせて、従来のソナーよりもはるかに高い進路解像度の画像を形成します。進路解像度は、1つのソナー要素の長さの半分に近づくことができますが、下向きは1/4波長に制限されます。^[1]

合成開口ソナーの原理は、海底の同じ地点を複数の音波で照らしながらソナーを移動させることです。直線に沿って移動する場合、画像位置がビーム幅内にある音波が合成アレイを構成します。すべての音波からのデータをコヒーレントに再編成することで、航跡方向の解像度が向上した合成開口画像が生成されます。従来のサイドスキャンソナー (SSS) とは対照的に、SAS 処理は距離に依存しない航跡方向の解像度を提供します。最大距離では、解像度はサイドスキャンソナーよりも桁違いに向上します。^[2]

2013年の技術レビュー^[3]には、事例や将来の動向も掲載されています。学術関係者向けには、IEEE Journal of Oceanic Engineeringの記事「合成開口ソナー、現状レビュー」^[4]に、2009年までのコミュニティの成果に関する歴史の概要と広範な参考文献が掲載されています。

合成開口の長さは

${\displaystyle L_{sa}\approx R\eta {\frac {\lambda }{d}}}$

ここで、Rは距離、は中心周波数での波長、dはアレイ内のトラックに沿った要素のサイズです。は、プロセスビーム幅（実際に処理されるビーム幅）を制御するプログラム可能なパラメータです。^[1]${\displaystyle \lambda}$${\displaystyle \eta}$

SAS システムは、安定したセンサー プラットフォームに依存しており、数メートルの移動距離にわたってセンサーの位置を高精度で特定できます。キャプチャされたすべての ping は、合成開口の形成に使用されます。流れ、上下動、または揺れにより、センサー プラットフォームは「クラビング」と呼ばれる横方向の動きを受ける可能性があり、これが SAS 画像の形成に大きな影響を与える可能性があります。SAS アレイは、起伏の多い地形や側面からの流れが予想されるエリアのセンサー プラットフォームには最適な選択肢ではない可能性があります。ミッション プランニングとセンサー プラットフォームの選択により、これらの課題の一部を軽減できます。

SAS システムを浅瀬で操作する場合、海面からの反射が複数回センサーに戻り、データの品質に影響する可能性があります。これは、海底の状態、音速プロファイル、海面の荒れ具合にも左右されます。この問題を軽減する方法の 1 つは、ビームをわずかに上向きに傾けて、最も近い海底からの反射を減らすことです。

従来のサイドスキャンソナー（SSS）は、航跡方向の解像度、航跡方向のサンプリング、距離が密接に結びついています。つまり、最大距離と解像度は主に送信周波数に依存します。送信周波数が高くなると、航跡方向の解像度は上がりますが、距離は短くなります。一方、合成開口ソナー（SAS）は、コストと複雑さの制限はあるものの、これらのパラメータを自由に選択でき、長距離と高解像度の両方を実現できる可能性があります。^[5]

従来のサイドスキャンソナーの進路に沿った解像度は遠距離での距離とともに低下し、物体がセンサーに近いほど高解像度で画像化され、遠いほど解像度が低くなります。 ${\displaystyle \delta_{x}}$

合成開口ソナーシステムでは、進路に沿った解像度はすべての距離で一定であり、これは物体がセンサーからほとんどの距離で等しく見えるはずであることを意味する。 ^[6]${\displaystyle \delta_{x}}$

${\displaystyle \delta _{x}={\frac {R\lambda }{L}}}$

はターゲットまでの距離、はアレイの長さ、は周波数の関数である音響波長です。つまり、高い進路解像度を持つ従来のサイドスキャンソナーでは、遠方のターゲットに対して非常に長いアレイの長さが必要になります。周波数が高くなり、波長が短くなると音響エネルギーが減衰し、有効範囲が狭くなります。 ${\displaystyle R}$${\displaystyle L}$${\displaystyle \lambda}$

合成開口ソナーは、長い合成アレイを作成し、できれば直線上を移動して、理論上は数センチメートルの進路に沿った解像度を提供します。実際には解像度は多少劣りますが、同等サイズの従来のサイドスキャンソナーよりはるかに優れています。

広帯域 FM 信号を使用した SAS のトラック全体 (範囲) の解像度は、次のように表されます。 ${\displaystyle \delta_{y}}$

${\displaystyle \delta_{y}={\frac{C}{2B}}}$

ここで、は水中の音速であり、は送信されるパルスの帯域幅です。 ${\displaystyle C\approx 1500ms^{-1}}$${\displaystyle B}$

合成開口ソナーの範囲は、音響ピンの伝送損失、アレイの要素数、センサープラットフォームの速度によって異なります。送信周波数は主要な要因の1つであり、最大画像化範囲は、構成によって異なりますが、市販のソナーでは、HiSAS 2040[2]の場合は100メートル（220〜280 kHz）から、HiSAS 1030[3][4]の場合は300メートル（60〜120 kHz）以上までが一般的です。自律型潜水艇または曳航式アレイソナーに搭載された合成開口ソナーには、従来のサイドスキャンソナーの場合と同様に、データが利用できないナディールギャップが一般的にあります。このギャップのサイズは、下側のビーム角度によって異なります。非常に浅い水域では、マルチパスがSSSとSASの両方の範囲に対するもう1つの制限要因です。この影響は、送信ビーム パターンを慎重に形成して表面からの反射を避けることで軽減できます。

最大範囲からの受信を可能にするのに十分に低い周波数の場合、地上範囲は受信機アレイの長さとプラットフォーム速度 v によって決まります。

${\displaystyle R={\frac {cD\cos {\varphi }}{4v\alpha }}}$

ここで、はピング間の相互相関を可能にするために選択された重複係数であり、は最大距離での俯角である。^[7]${\displaystyle \alpha \geq 1}$${\displaystyle \varphi}$

従来のサイドスキャンソナーは、通常、キャプチャ後すぐに使用でき、それ以上の処理は必要ありませんが、合成開口ソナーは強力なコンピューターで複雑な後処理を実行する必要があるため、データキャプチャから分析までの時間が長くなります。一部のシステムでは、解像度を下げてリアルタイム処理できるため、観察に基づいて現場でミッションを更新できるほか、オブジェクト分類用の機械学習プラットフォームも提供されます。これは、SAS に必要なデータストレージ速度が非常に高いことも意味します。生データで 1 時間あたり 60 ～ 90 GB が一般的です。

エリア カバレッジは、水中音響の商用アプリケーションにおいて最も重要な要素の 1 つです。SSS システムと SAS システムの両方において、両側システム (つまり、左舷と右舷の両方のセンサー) の 瞬間的なエリア カバレッジは次のとおりです。${\displaystyle IACR}$

${\displaystyle IACR=2(Rr)v}$

ここで、は最大地上距離、はナディールギャップ前の最短地上距離、はソナーの速度です。実際のエリアカバー範囲はこれよりいくらか小さくなります。^[7]${\displaystyle R}$${\displaystyle r}$${\displaystyle v}$

従来のサイドスキャンソナーによるエリアカバレッジは、距離と、スキャンの目標に対して解像度が低くなりすぎる距離によって異なります。距離の終わりまでずっと一定である航跡全体の解像度を持つ合成開口ソナーによるエリアカバレッジは、実質的に瞬間的なエリアカバレッジに近くなります。

自律型水中探知機から発射される合成開口ソナーは、不発弾^{[8] [9]}や機雷^[10]の探知に有効であることが証明されている。

自律型潜水艇から配備された合成開口ソナーは、沈没船や残骸の発見に使用されてきた。マレーシア航空370便の捜索では、合成開口ソナーが数種類のセンサーのうちの1つとして使われた。

このタイプのソナーは海洋研究でも使用され始めています。NOAA、Kraken Robotics、ThayerMahanは2019年に共同技術デモンストレーションを実施し、^[11]そこでは合成開口ソナーがデモンストレーションされた技術の1つでした。

二酸化炭素ガスの漏出の検出は、高度な信号処理と組み合わせた合成開口ソナーを使用することで可能であることが証明されており、現在も研究が進められています。^[12]

ノルウェーでは、AUVに搭載された合成開口ソナーを使用して、失われた漁具、かご、網の探索が行われた。^[13]

• ビームフォーミング
• フェーズドアレイ

• 探査ツール: 合成開口ソナー: NOAA 海洋探査研究局