津波情報の即時伝達のための水中音響伝送手法の開発

• Project/Area Number: 20H02104
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
• Research Institution: National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention
• Principal Investigator: 高橋 成実 国立研究開発法人防災科学技術研究所, 地震津波火山ネットワークセンター, 総括主任研究員 (70359131)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 木戸 元之 東北大学, 災害科学国際研究所, 教授 (10400235) ; 今井 健太郎 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海域地震火山部門(地震津波予測研究開発センター), グループリーダー代理 (20554497) ; 越智 寛 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 研究プラットフォーム運用開発部門, 調査役 (30359137) ; 石原 靖久 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 研究プラットフォーム運用開発部門, グループリーダー (30443336) ; 太田 雄策 東北大学, 理学研究科, 准教授 (50451513) ; 福田 達也 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 研究プラットフォーム運用開発部門, 技術副主幹 (50608370) ; 近貞 直孝 国立研究開発法人防災科学技術研究所, 地震津波防災研究部門, 主任研究員 (90318197)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2022: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2020: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: 水中音響伝送 / 津波観測 / 水圧観測 / 音響通信 / ブイ / 海底水圧観測

Outline of Research at the Start

本研究は3年で水中音響伝送の手法を確立する。長期間の連続観測と運用コストの低減を目指して、消費電力を抑えた小型の音響機器を開発する。1年目では、音響伝送の耐ノイズ性能の向上させ、安定した音響伝送の技術を確立する。2年目では、海底水圧計による津波観測を念頭に、3桁から4桁のデータを伝送する手法を開発する。海底での津波観測として、センチオーダーのリアルタイム津波観測を実現できるシステムを構築する。3年目では、このシステムの海域試験を実施する。海域は湖よりも波浪の影響が強く、水中の密度構造も複雑である。音響伝送経路上の水中構造の不均質性が音響伝送に及ぼす影響を評価する。

Outline of Annual Research Achievements

2011年の東日本大震災では、高さ40mを超える津波が襲来し、甚大な被害が発生した。これを受け、日本海溝沿いには日本海溝海底地震津波観測網が敷設され、海底での津波観測と海域での水圧値を用いた津波予測技術が進展し（Tsushima et al., 2012; Takahashi et al., 2018）、いくつかのシステムは気象庁や自治体に実装された。しかし、海底観測網の整備と運用にはコストや人的負担が大きいため、全海域に敷設するのは難しい。遠地地震の監視を目的として、DARTブイシステム（https://nctr.pmel.noaa.gov/Dart/）が太平洋沿岸には設置、運用されているが、これも日本列島南方に流れる黒潮下では、その強潮流により設置することができず、全ての海域に設置できるものではない。これを解決するために、海底で観測した水圧値を音響信号に変換し、複数の中継器を経由して海面に伝送、衛星を通じて陸上にデータを伝送するシステムを検討している。
これを実現するために必要な技術は、海中部のノイズや海面や海底からの反射ノイズに強いこと、消費電力が抑えられて長期的な利用が可能であること、観測データの精度が確保できることである。これを検討するために、一定の数値を音響信号に変換して伝送する音響通信試験を6日間にわたり田沢湖で実施した。通信試験では、湖底に送信機を設置し、２つの一定値を使用して、音響データを直接湖面の受波機に伝送するケースと、中継器でデータを中継してから受波機に伝送するケースの2つの経路で伝送されたデータを比較し、音響伝送の安定性評価を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2020年度は、基本的な音響通信の仕様を定め、音響伝送が失敗する際の原因を明らかにすることである。そのために、まず音響通信の現状の実力を把握することを主眼とした。
この送受波機を用いて、11月4日から6日間田沢湖において、音響通信試験を実施した。田沢湖は、最深部の水深が430mで比較的深く、11月になると行楽シーズンを終えて比較的実験をしやすい環境であるからである。実験にあたっては、湖水の温度環境が音響経路に大きな影響を与える可能性があるため、湖面から湖底までの温度プロファイルを取得し、音響経路を事後に確認した。田沢湖の実験は、湖底（水深410m）に送信機を設置し、下記の3つのパターンで行った。実験１では、ボートから深度2mに受波機、深度80mに中継器を固定したロープをボートから降ろして計測した。送信機との水平距離を離しながら、音響通信の状況を確認した。その結果、送波機から中継器間では、水平距離600-1200mで伝送成功率が下がり、水平距離2000mまで徐々に回復した。試験２では、中継器を水平距離2000mのところで深度200mで係留し、送波機と中継機をつなぐ直線の鉛直方向に受波機を移動させた。その結果、送信機と中継機の伝送はほぼ100％の伝送成功率を示し、中継機と受波機の間も70-100％の伝送成功率を示した。試験３では、受波機の水平距離を離しながら、深度を3m、4m、5mに変えて音響信号を受信した。伝送成功率は、水平距離によって異なる傾向を示した。実験中は受波機とともにハイドロフォンを設置し、音響信号を記録、確認した。

Strategy for Future Research Activity

これまでの音響伝送試験の結果を踏まえて、送波機、中継機、受波機のジオメトリを最適化する。概ね、多少の変化はあるにせよ、これまでの実験結果は、伝送成功率の傾向は再現されている。海面からの反射波の音響信号の振幅は、海面の状況によって変化すると思われるが、これまでの実験結果から、伝送成功率の高い中継機の設置位置、受波機の設置位置を検討する。その上で、水圧計による観測データを音響信号に変換し、データ伝送の最適化を図る。
この改良した音響通信機器を用いて、2021年度は再び田沢湖でこの音響伝送試験を実施する。送波機には深度計と温度計を取り付けて、送波機の設置深度や温度環境と出力される水圧データと温度データの整合性を確認する。また、2020年度の試験と同様、湖水の温度プロファイルを作成し、2020年度の試験の結果と比較する際、温度構造に対する依存性を検証できる体制をとる。伝送成功率と伝送データの精度を確認し、観測データ伝送機器としての品質を確保する。伝送成功率が低い水平距離があることを念頭に、改めて最適な音響通信時のマスクの時間を検討する。これらの実験を通して、音響機器の通信パラメーターと、音響通信機器の設置方法や係留方法を決定する。最終年度では、海域における音響通信試験を実施し、最終的な性能を確認する。2021年度は、2022年度の海域試験に向け、基本的な仕様を確認する。