JPH0865220A

JPH0865220A - 水中テレメトリー装置

Info

Publication number: JPH0865220A
Application number: JP23396794A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Kudo; 雄一工藤; Yasuto Takeuchi; 康人竹内
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-22
Filing date: 1994-08-22
Publication date: 1996-03-08
Anticipated expiration: 2016-04-16
Also published as: JP3156117B2

Abstract

(57)【要約】【目的】淡水中において有効に電磁波によるテレメトリ
ーないしバイオテレメトリー、ないし類似の通信を行わ
んとするものであり、特に信号源（例えば発信機を装着
した魚など）の自由行動を広い範囲にわたって許容しつ
つ、該信号源からの信号をとぎれなく受信せんとするも
のである。【構成】被観測水中に信号源（Ｓ）を自由遊泳させてお
き、同時に該水中に多数の単位受信アンテナ（１ａ〜１
ｋ）を分布せしめ、これらの単位受信アンテナを相互に
水中での１波長程度以上の距離だけ離しておき、またす
べての単位受信アンテナの受信出力をバッファアンプ
（２ａ〜２ｋ）ないし引き通しケーブル（３）を介して
大略同相かつ同振幅で加算して受信機（６）に入力す
る。媒質である淡水が十分誘電体に見える周波数（例え
ば１００ＭＨｚ）で使用するが、媒質に適度な減衰があ
るので、同相同振幅の加算によれば各単位受信アンテナ
の受け持ち範囲の境界で死感帯が生ずる事がない。また
全体としてアレイアンテナの動作も可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は医学、生物学、工学な
どの目的で水中にて移動する信号源からの信号を獲得す
るための水中テレメトリー装置、もしくは類似の立場で
水中にて信号を授受する水中通信装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】水中にある信号源、例えば魚、イルカ、
鯨、亀などに取付けた生体電極、温度、圧力、速度、位
置などのセンサないしトランスデューサーなどから得ら
れる信号をそれらを自由行動させつつ採取せんとすると
無線式のテレメーター装置システムが必要となる。従
来、水中においては波として伝搬する様な電磁波は減衰
が大きく信号搬送手段として適さないと考えられ、純電
気的な信号手段としては高々電磁結合ないし静電結合も
しくはそれに代わる導電電流の分流が採用されていたに
すぎず、これらは距離の二乗ないし三乗に反比例して受
信感度が下がるので、波長のオーダーを大幅に越える様
な中距離ないし長距離の伝送には向かない。一方で超音
波および可視光の一部波長帯はこの目的に成功裡に用い
られ、特に超音波は相当の長距離の伝送にさえ使用され
ている。電磁波がこの目的に用いられる事は、被検生物
が、従って送信機が水面上に出た瞬間をねらって送受信
する方式のシステム以外には実用に供されていない。

【０００３】しかるに送信機の大きさ、重量、電池の寿
命などを勘案すると、これらの純電気的な送信機の方
が、超音波や光を出す送信機よりも遥かに有利である。
何となれば、同じ受信機入力を得るのに同じ送信機出力
を必要とすると大まかに考えると、電気エネルギーから
これらの光、超音波などの別なエネルギーへの変換の効
率が概して好ましい値でないので、それらを用いるテレ
メーター送信機は概して一桁大きな消費電力を要するか
らである。消費電力の増大は必然的に電池の増量を、も
しくは有効寿命の短縮をもたらし、ニジマスなどの如き
さほど小さくもない魚でも取付けた発信機で数日ないし
数週間にわたって無拘束の生体計測を行わんとする場合
には由々しい問題である。

【０００４】発信機側はかかる事情により電磁波方式で
あることが大変好ましいので専らその様にされる。しか
るに従来はこの水中の電磁波発信源からの、例えば１０
０ＭＨｚ近辺の周波数の電波を、水面上の近傍にて空中
電波と見なして受信していた。所がこの手法だと経験的
に言って発信源の直上の水面から水平方向に高々数ｍま
でしか届かない。また垂直方向には１波長ほどしか届か
ない。これは後に述べる如く水中の電磁波の波長が空中
と大きく異なること、また水の波動インピーダンスも空
中と大きく異なることにより、空中へ電磁波が出る段階
で大きな減衰を生じる、もしくはその先さらに有効に伝
搬し得る様な電磁波としては出て来ないことによる。即
ち水面では内部から外部にかけて全反射の状態がほとん
どで、近傍に漏れ出てくる成分は専ら消退波（Ｅｖａｎ
ｅｓｃｅｎｔｗａｖｅ）である。さらに発信源が深さ
を加えるほどこの傾向が顕著になるので困難が増す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこの様な水中
の発信源からの電磁波テレメトリーにおける到達距離上
の困難を実用上解決せんとするものである。即ち、従来
の水中発信源からの電磁波テレメトリーにおいては発信
機の出す電磁波エネルギーが、たとえ水中を電磁波とし
て伝搬しようとも、有効に受信機入力として生かされる
如くに利用されていない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の水中電磁波テレ
メトリーシステムにおいては、水中を自由行動する発信
源からの電磁波信号を水中にて受信する如く構成され、
またそのための、水中での受信に最適化された水中アン
テナを、特にその様な水中アンテナを多数分布させ有効
に協調させた形で、有するのが特徴である。

【０００７】

【実施例】好ましい実施例においては発信源はニジマス
の脳波を採取するためにその頭部に埋め込まれた電極を
受入れる如くその背部に装着された、発信周波数が約９
５ＭＨｚのＰＦＭ／ＦＭ方式テレメーター発信機であ
り、公知汎用の手法で設計、制作された物である。実質
上アンテナとして作用するのは主キャリヤ発生手段であ
る汎用トランジスタ１個によるコルピッツ発信回路の周
波数決定要素となっているタンクコイルであり、長さ約
８ｍｍ直径約４ｍｍで、周辺に平均厚み約３ｍｍのシリ
コンゴムが絶縁材料として介在した上で水中に暴露され
ている。

【０００８】この発信源からの水中への放射は、至近距
離での静電界や電磁界は別として、伝搬し得る電磁波と
しては、魚が正常に遊泳ないし停留している限り、垂直
偏波である。これは放射源のコイルの向きにより設定で
きるので設計上の自由度の内であるが、魚の方向転換運
動などに最も影響され難いのが垂直偏波である事から経
験的に言ってこの偏波を採用するのが最も好ましい。

【０００９】発信機の空中での自重（＝質量）は約４ｇ
だが、水中では１．６ｇに見える。これを搭載したニジ
マスは体重が約８００ｇで、この発信機の重量は十分無
視できる。発信機の内蔵電源はＣＲ２０３２型コイン型
リチウム１次電池２個で、約５０時間の連続動作に耐え
る。該発信機を装着したニジマスは深さ約１ｍ弱、幅が
約３ｍ、長さ約３０ｍの自由水路（自然河川）の限定区
間に再度放流され、自由行動に任され、その間脳波が連
続２２時間以上にわたり観測された。

【００１０】受信機自体は公知汎用の通信型受信機で、
狭帯域ＦＭのモードで受信動作し、後段のサブキャリヤ
復調器に無線周波主キャリヤを復調した結果のサブキャ
リヤを供給する。サブキャリヤ復調器およびそれ以降も
公知汎用の方式および構成により、脳波の連続データの
直接記録およびデータレコーダーなどによる収録、また
実時間波形観測、分析などの用に付された。以上の発信
機および受信系において本発明の構成に特徴的な点はな
い。

【００１１】本発明の本実施例の構成に特徴的な点は、
該発信機を搭載したニジマスの遊泳する自由水路に多数
の水中アンテナを配置した点であり、そのようすを図１
に示す。即ち、信号源（Ｓ）となる、この場合発信機を
装着したニジマスの自由遊泳する被観測水域の、水底の
中央部に、流れの方向に沿って多数のの単位受信アンテ
ナ（１ａ〜１ｋ）が並べられ、またそれらの受信する信
号を拾い上げるための引き通しケーブル（３）が配置さ
れる。

【００１２】即ち引き通しケーブルの水中側の端部から
２ｍおきに合計１１個の単位受信アンテナ（１ａ〜１
ｋ）が配置される。各単位受信アンテナは相互に水中で
の１波長ないし数波長分の距離づつはなれておかれてい
る。後述の如く水中における波長短縮率は１／９と大変
大きいので、水中の数波長は同軸ケーブル上の１波長よ
り遥かに短く、故に引き通しケーブル（３）は各単位受
信アンテナの加入点の間で自身の１波長の長さをとるた
めに蛇行して配置されることがある。

【００１３】個々の単位受信アンテナ（１ａ〜１ｋ）
は、垂直偏波を感受する如く、長さ約１６．５ｃｍ、太
さ約６ｍｍの導体棒に薄いポリエチレンの絶縁膜を被着
した物を水中に垂直に立てたモノポール構造のもので、
個々の下端の電位をバッファアンプ（２ａ〜２ｋ）が拾
って引き通しケーブル（３）に一方向的に加入、引き渡
している。図２はこのバッファアンプの１例を示す物
で、入出力インピーダンスともに十分高いソース接地Ｆ
ＥＴアンプである。このため該モノポール型水中アンテ
ナは大略半波長の共振が許容され、緩やかな周波数選択
性を呈する。

【００１４】各ＦＥＴのドレンが接続される引き通しケ
ーブル（３）にとっては、ドレンの出力インピーダンス
は高いので、加入点での装荷インピーダンスは無視出来
る。各ＦＥＴは各加入点においてこの同軸ケーブル（こ
の場合５Ｃ−２Ｖ）の特性インピーダンス（７５Ω）の
半値（３７．５Ω）を相手に、ゲートにおいて受理した
信号をそのトランスファーコンダクタンスに応じて電圧
電流変換して加入せしめる。ここで使用するＦＥＴは、
一例として２ＳＫ２９１を用いるとすると、そのトラン
スファーコンダクタンスが４５ｍＳ程度あるので、負荷
インピーダンスとなる３７．５Ωを相手に１以上のゲイ
ンを稼ぐ事が出来る。この段階で各バッファアンプ毎に
１以上のゲインを持つ事が、系のノイズフィギュア確保
の観点から好ましい実施様態である。

【００１５】加入した信号は各加入点から両方向に伝搬
するが、水中にある側の端は整合終端（４）に交流結合
されているので反射はない。水の外に引き出されている
側の終端はアンテナカプラー（５）を介して受信機
（６）の入力端子に結合され、加入してきた信号をすべ
て加算した形で受信機（６）に引き継ぐ。アンテナカプ
ラー（５）は図示の如く別途直流分岐を持ち、これを介
して各加入点に直接そのドレンを接続しているソース接
地バッファアンプに動作電源を供給している。受信機以
下の動作は公知の通りなので説明は省略する。

【００１６】本実施例によると、前記の幅３ｍ、深さ１
ｍ弱、長さ３０ｍ余の自然河川の区画の全域に渡り観測
対象のニジマス（Ｓ）が自由行動しても信号がとぎれる
事なく受信された。

【００１７】各単位アンテナを直線上に並べ、その間隔
を水中波長の１波長とした場合が、流れの方向に、即ち
このアンテナアレイの成す直線の両延長線上の方向に最
も遠方まで有効感度を持つ事が出来た。一例としてアレ
イの端部から起算してさらに約２２ｍ先の地点まで有効
感度が得られた。この場合、このアレイは順逆両方向共
に感度を有するエンドファイヤアレイとして動作してい
る事は明らかである。この到達距離は水中の波長に換算
して７０波長ほどの伝搬距離に相当し、電磁波による伝
送であることは明らかである。

【００１８】別な実施例において、受信側の水中アンテ
ナは１個だけとし、同じ発信機の発信する水中電磁波を
受信した所、該アンテナから約１５ｍの半径まで有効感
度が得られた。これは水中の波長に換算して４０ないし
４５波長の伝搬距離に相当する。これも電磁波による伝
送である事は明らかである。

【００１９】本発明のこの実施例において肝要な点は、
各受信アンテナが水中の波長で言って１波長ないし数波
長以上づづ空間的に離れて置かれている事と、それらが
同相、同振幅で貢献する様に、各加入点が引き通しケー
ブル上でその波長短縮率を綿密に勘案した上で１波長な
いしその整数倍の距離にある事、の２点である。以下そ
の理由を説明する。

【００２０】水中における電磁波の挙動を考察する。水
はその塩度ないし導電率と周波数とに応じて絶縁体ない
し誘電体に見えたり、導体ないし抵抗体に見えたりす
る。電磁波の角周波数ω、導電率κ、誘電率εの媒質は
κ／εωの値が１より大か小かが、導体的か誘電体的か
の境目となる。例えばκが１．０×１０^−２Ｓ／ｍの淡
水（これは例えば中禅寺湖などの如き内陸部の清浄な湖
沼における典型的な値である）を考えると、周波数ｆが
１００ＭＨｚ、ωは２π×１０^８ｒａｄ／ｓ、また水の
εは空中の８０倍で７．１×１０^−１０Ｆ／ｍである。
これらを代入すると、

【００２１】

【数１】

【００２２】となり、この周波数ではこの様な淡水は完
全に誘電体的である。そこでさらに損失項について考
え、減衰定数αを求めると、αはκに比例していて、先
と同じκ／εω＜＜１という条件のもとでは次の式で与
えられる。

【００２３】

【数２】

【００２４】これに淡水の透磁率を空中と同じとしてμ
＝１．２５７×１０^−６Ｈ／ｍを代入、その他の値も前
記の各値を代入すると、減衰定数αは、

【００２５】

【数３】

【００２６】という中庸な値になる。この値は決定的に
大きいという訳ではなく、未だに無損失媒質での考察が
大過なく通用する領域にあると考えてよい。

【００２７】結局淡水中では空中との比で言って、εが
８０倍、μが不変、波動インピーダンスが１／９、また
波長短縮率が同じく１／９、というスケールファクタが
適用されると言う点のみが異なる、というのが最も単純
化された理解である。

【００２８】そこで１００ＭＨｚの電磁波の水中での波
長は空中で３ｍの所が３３ｃｍ、空間の波動インピーダ
ンスは空中で３７０Ωの所が４０Ω、半波長ダイポール
アンテナや１／４波長グラウンドプレーン付きのモノポ
ールアンテナの呈する駆動点インピーダンスが空中では
５０〜７０Ωの所高々数Ω、という訳で、故に電気的に
扱いやすいのはむしろ空中では駆動点インピーダンスが
高すぎて不利であった半波長アンテナの端部駆動のモー
ドであり、ここで述べる好ましい実施例においては前記
の如くその様な設計が採用されている。

【００２９】しかし空中と異なり水中では相当の減衰が
あるので、１つのアンテナがカバー出来る範囲は前記の
如く高々半径数十波長に限られて来る。また、２つ以上
の受信アンテナがあった場合、送信源からの距離が１波
長でも近い方が圧倒的に強い受信レベルを獲得する。そ
れ故に無数のアンテナを波長以上、数波長ないし十数波
長程度までの距離を持たせて分布せしめた場合、一方向
性結合手段を介在してそれらアンテナの受信出力を全て
一律に同相加算しても、この１波長でも近い方が圧倒的
に強い受信レベルを獲得するという性質に由来して、ア
ンテナの分担域の境界で干渉性の感度分布を呈する事は
ない。

【００３０】そこで本実施例においてはすべての単位受
信アンテナの出力を、加入する引き通し同軸ケーブルの
上に、その１電気波長を単位としてその整数倍の相互距
離の位置において、同じアンプにより大略同じ位相およ
び振幅（３６０度の整数倍は無視してよい）で加算する
ことにより、各アンテナの分担域の境界で干渉性の死感
点（ｄｅａｄｓｐｏｔ）が生ずる事を防止している。

【００３１】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、塩度ないし
導電率の十分低い、比較的清浄な淡水の内部において広
い範囲に渡って信号源の自由行動を許容するテレメトリ
ーが行え、科学技術上貢献する所が大である。

【００３２】またこの技術はここで述べた様なバイオテ
レメトリーに限らず、信号源が何であっても同様な立場
での水中電磁波通信の用に供する事が出来る事は、同業
者、経験者、有識者には自明の事である。また好ましい
実施例としては水底に単位水中アンテナを羅列し、場合
によっては一直線上に等間隔に並べてエンドファイヤア
レイを成さしめる事を説明したが、これは単なる一実施
例にすぎず、請求範囲に記載された本発明の主旨を拘束
する物ではない。

【００３３】水深が深いなどの理由があれば、場合によ
っては水面から単位水中アンテナをブイの如くして吊し
て羅列しても良く、また適当な深度になるようにブイか
ら錘をたらしてその途中に吊して羅列しても良い。

【００３４】更にアレイとして水平面内の動作をしか説
明しなかったが、場合によっては垂直面のアレイであっ
ても良い。その場合、高々１つのブイから垂れる索に順
々に、水平方向に向いたモノポールないしダイポールを
垂直方向に羅列するという様な構成が取られるであろ
う。船や水中建造物の側壁にこれを羅列する事も有り得
る。この場合、エンドファイヤアレイの構成を採ると主
たる任務が鉛直方向に下方を監視する物となるが、サイ
ドファイヤアレイないし通常のフェーズドアレイの構成
を採るならば主たる任務が水平方向ないしやや俯角のあ
る方向に監視する物となる。この場合さらに、発信源に
受波焦点を設定して、そこから発する拡散波面を選択的
に受信する様に、各受信アンテナの受信出力に位相ない
し遅延の分布を与えて合成し受信する如き構成も可能で
ある。

【００３５】また上記の如くモノポールを用いるかダイ
ポールを用いるか、もしくはさらに特有な目的で特有な
構造の単位受信アンテナを用いるかは、全く本発明の実
施上の自由度に含まれるものである。媒質の波動インピ
ーダンスが空中とは極度に異なる水中における電磁波の
受信に関しては、それに適した特有な構造の単位受信ア
ンテナは、空中用とは全く異なる設計思想の物が種々有
り得るであろう。

【００３６】前記の如く、好ましい実施例においては端
部を高インピーダンスで終端し、そこに電圧出力の形で
信号を求める方式の半波長モノポールが用いられた。し
かしこれはバッファアンプが中庸ないし低い入力インピ
ーダンスの、もしくは特定の整合終端を成す入力の物の
場合には半波長以下の適宜な長さのモノポールを用いて
最適化する事になる。ここで単位受信アンテナが羅列さ
れている面内の方向に該アンテナ自身がより鋭い指向性
を持つ事はあまり意味がない。何故ならばそういう性質
が特に必要な場合には、これら単位受信アンテナ群をア
レイとして扱う中で十分出せるからである。

【００３７】また前記好ましい実施例では水底に着地し
たモノポールが用いられ、故にその対峙するべきグラウ
ンドプレーンには特に配慮が必要なかった。しかし単位
受信アンテナを水中において着地せず掲げる様な場合に
は、グラウンドプレーンを有するモノポールを用いるよ
りも垂直ダイポールを、即ち前記と同じ高インピーダン
ス終端の設計思想によるならば全長が１波長ないしそれ
以下の垂直ダイポールを用いる方が構造上簡素で便利で
ある。しかしこれもまた本発明の実施上の自由度であ
る。

【００３８】また各々の単位受信アンテナがランダム
に、もしくは整然と、水中を浮遊しても動作上差支えな
い場合には、各々の単位受信アンテナに浮力が平衡する
ような浮きを付与して水中に解き放つ、ないし船の末尾
に繋いで曵航する、などの応用例が考えられる。その他
無数の応用例が有り得る。

【００３９】またここで述べた実施例では同相加算の手
段として１本の引き通し同軸ケーブルを用いる事を述べ
たが、これは相互の位相と振幅に配慮しさえすればアン
テナ毎に個々に、またはアンテナのグループ毎に別々に
設置しても良い事は自明である。また同軸ケーブルの他
に光ファイバなどによる事も出来る。

【００４０】またここでは発信源が自由行動し、受信シ
ステムが分布、固定した構成を述べたが、逆に自由行動
するのが受信者で、分布、固定しているのは送信システ
ムであるという構成も全く同じ技術思想により実現可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施例を解説する図である。

【図２】上記実施例におけるバッファアンプの一例を説
明する図である。

【符号の説明】

Ｓ信号源（発信機を装着したニジマス）１ａ〜１ｋ単位受信アンテナ２ａ〜２ｋバッファアンプ３引き通しケーブル４整合終端５アンテナカプラー６受信機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性の十分低い淡水中において該水
中を自由行動する信号源からの電磁波信号をとぎれなく
受信するための水中テレメトリー装置において、該水中
に多数の単位受信アンテナを、お互いに大略波長以上の
距離を離して分布配置し、これら多数の単位受信アンテ
ナの各々から得られる受信信号をすべて大略同振幅およ
び同位相にて加算して受信機入力とする如く構成された
事を特徴とする、該水中テレメトリー装置。
【請求項２】採用する電磁波の波面として垂直面波
を用い、上記単位受信アンテナとして大略半波長ないし
それ以下の垂直モノポールないし大略波長ないしそれ以
下の垂直ダイポールを有し、これら単位受信アンテナを
途中に結合しつつ引き通す如く配置された少くとも１本
の同軸ケーブルを有して成ることを特徴とする、請求項
１に記載の水中テレメトリー装置。
【請求項３】上記単位受信アンテナの各々と、上記
引き通し同軸ケーブルの該当する加入点との間に、前者
から後者へ向けての一方向性の結合を生ずる如く、各々
バッファアンプを配置した事を特徴とする、請求項２に
記載の水中テレメトリー装置。
【請求項４】上記加入点の各々が、該同軸ケーブル
における波長短縮率を勘案して電気的に大略１波長ない
しその整数倍の距離の間隔で配置されている事を特徴と
する、請求項３に記載の水中テレメトリー装置。
【請求項５】該同軸ケーブルが該バッファアンプへ
の動作電力を供給する手段としても兼用される如く構成
された事を特徴とする、請求項３または４に記載の水中
テレメトリー装置。
【請求項６】請求項１から５までのいづれかに記載
の水中テレメトリー装置であって、被観測淡水圏として
河川ないし細長い水路を用いる水中テレメトリー装置に
おいて、該単位受信アンテナは大略水の流れに沿って並
べられ、また該引き通し同軸ケーブルは大略同じ方向に
走行し、爾して該受信アンテナ群は流れに平行の方向に
エンドファイヤアレイを成す如く構成された事を特徴と
する、該水中テレメトリー装置。