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海中電波利用

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Challenges to Use RF Signals in Underwater

海中電波利用

我が国は世界有数の広さを持つ排他的経済水域を有しており、海洋資源大国となる可能性を持っています。将来の海洋資源調査においては、海中ロボットの遠隔制御や海底下探査など、海中における電波利用への期待が高まるかもしれません。このような時代の到来を想定して、海中ワイヤレス通信技術及び海底下探査レーダ技術の研究開発を、国立研究開発法人海洋研究開発機構とともに行っています。

具体的には、10kHzから10MHzまでの周波数を用いて、電磁界シミュレーションによる海中での電波伝搬モデリング及び解析、海中における電波伝搬の測定や多値変調を用いた海中高速通信に関する研究、さらには電磁波を用いた海底下センシングに関する研究を行っています。

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技術解説

これまで海中では通信やセンサとして主に音波が用いられていますが、低周波であるため通信速度を上げることが難しく、また伝搬遅延も大きいという課題があります。そこで近年、音波以外の通信手段が求められており、電波はそのひとつの手段と考えられます。

海中での電波利用の大きな壁は海水の特性にあります。

海水は、比誘電率が約81、導電率も約4S/mと空気中(導電率は約0S/m、比誘電率は約1)とは大きく異なった電気特性を持ち、電波にとって減衰が非常に大きい環境です。

電波は海中では周波数が低いほど通りやすく、高いほど通りにくくなる性質があります。一部、海の色が青く見える可視光の領域では減衰が小さいため、海中での可視光通信の研究も進められています。可視光通信は非常に高速な通信を実現できますが、指向性が強く位置合わせが必要であったり、濁った水等で光が散乱し受信側に届かなかったりする場合もあります。

電波を用いた海中ワイヤレス技術は、こういった音波や可視光の使用が困難なケースでの補完的な利用が期待されます。


本研究では、10kHz から10MHzまでの電気的特性を計測可能な携帯型ベクトルネットワークアナライザや海中ケーブル等を用いて浅海域で利用可能な電磁場応答測定系を構築しました。本測定系は、測定環境条件を定量的に記録するための各種センサ(カメラ、CTD計、傾斜計、高度計等)を搭載可能なインターフェースを備えています。

これらの測定装置やセンサを海中で固定して測定を実施できるよう、海中に吊下可能な海中チャネルサウンダ(Underwater Channel Sounder: UCS)を製作しました。

UCSの一番奥に送信用アンテナ1台、手前に受信用アンテナが3台設置されています。送信用アンテナは可動ステージ上に配置し、受信アンテナアレイと並行に中央から±900mm移動可能です。受信アンテナを載せている台も、フレーム内で移動可能で、送受信間の距離を変えることができます。

また、アンテナ切替えやネットワークアナライザとの通信、各種センサ等の制御を行う制御装置は、UCSの左下手前に設置しています。制御装置と船上の制御用の端末は光ケーブルで接続され、制御コマンドの送信や測定データの受信ができます。その隣には、ネットワークアナライザ及びバッテリをそれぞれ設置しています。


これらの装置は耐圧容器に収納され100m程度までの深度に耐えられるように設計されています。本測定系により、60cmから140cmの間距離を変えながら10MHzの電波伝搬特性を評価することができました。

さらに、海中ワイヤレスの利用シーンのひとつとして、海底下センシング技術についての測定システムも開発しています。これは電波を使って、これまで音波等のセンシングでは検知できなかった埋設物を見つける技術です。海底下に向けて取り付けられた海中アンテナアレイ間の電波伝搬特性(振幅及び位相)を測定することにより、海底下の埋設物を検知するシステムで、金属や誘電体、またはその複合物といった様々な埋設物に対して測定を行っています。得られたデータから埋設物の大きさや形を推定する方式も検討しています。

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研究メンバー

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用語解説

CTD計

Conductivity Temperature Depth profilerの略で、電気伝導度、温度、水深を観測する装置のこと。

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