JPH09127252A - 海底ケーブル探査システム - Google Patents

海底ケーブル探査システム

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Publication number
JPH09127252A
JPH09127252A JP30051595A JP30051595A JPH09127252A JP H09127252 A JPH09127252 A JP H09127252A JP 30051595 A JP30051595 A JP 30051595A JP 30051595 A JP30051595 A JP 30051595A JP H09127252 A JPH09127252 A JP H09127252A
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JP
Japan
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submarine cable
axis orthogonal
magnetic
magnetic sensor
differential type
Prior art date
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Pending
Application number
JP30051595A
Other languages
English (en)
Inventor
Kenichi Asakawa
賢一 浅川
Satoru Takagi
悟 高木
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KDDI Corp
Original Assignee
Kokusai Denshin Denwa KK
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Filing date
Publication date
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Priority to EP96402283A priority patent/EP0770887B1/en
Priority to US08/738,698 priority patent/US5764061A/en
Publication of JPH09127252A publication Critical patent/JPH09127252A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/15—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for use during transport, e.g. by a person, vehicle or boat
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/02—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with propagation of electric current

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 海底ケーブルまでの距離と高度差、および海
底ケーブルの敷設方向を正確に探知する。 【解決手段】 特定の１軸方向にのみ感度を有する３個
の直流磁気センサを各々の軸が互いに直交するように配
置して３軸直交直流磁気センサとし、この３軸直交直流
磁気センサを所定の間隔を保つとともに対応する各軸が
それぞれ平行になるように配置した差動型３軸直交直流
磁気センサ１および２が、遠隔操縦式の水中ロボット１
０に取り付けられている。これら各差動型３軸直交直流
磁気センサ１および２からの出力信号は、電子回路容器
３内に格納されたＡ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換され、
テザーケーブル６を介して母船２０に伝送される。母船
２０内の演算処理部において、伝送されたセンサからの
出力信号を用いて海底ケーブル８までの距離と高度差、
および海底ケーブルの敷設方向が算出され、ディスプレ
イに表示される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、海底ケーブルの存
在を検知するための海底ケーブル探査システムに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】これまで発生した海底ケーブルの障害原
因を調べてみると、その多くは漁網や錨に引っかけられ
ることにより生じている。これらの障害を未然に防止す
るために、浅海域に敷設する海底ケーブルは海底面下に
埋設されている。しかし、この埋設海底ケーブルにも障
害が発生する場合がある。埋設海底ケーブルの障害の修
理は、障害になったケーブルを海底で一旦完全に切断
し、その断端を修理船上に引き上げ、修理用の割入れケ
ーブルを両側の断端の間に接続して、再敷設と再埋設を
行うことによりなされている。このとき、障害地点の探
査や周辺の状況調査、接続後の再埋設などに遠隔操縦方
式の水中ロボットが使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来、埋設された海底
ケーブルを探査するときには、あらかじめ海底ケーブル
に２０Ｈｚ前後の交流電流を流しておき、発生する交流
磁場を交流磁気センサで検出することにより当該海底ケ
ーブルの位置を探知する方式が使用されてきた。この方
式は感度が高いことや、ケーブルの相対位置や敷設方
向、埋設深度などが測定できることなどの優れた特徴を
持っている。しかし、長距離の埋設海底ケーブルでは、
伝搬に伴って交流電流が減衰するため、遠方では探査が
困難になるという問題点がある。また、障害を未然に防
止するために、商用中の海底ケーブルの敷設状況を事前
に調査することが必要な場合がある。しかし、古い同軸
海底ケーブルには、商用中のケーブルに探査用の交流電
流を流すことができないものもある。
【０００４】一方、無指向性の直流磁気センサを用いた
海底ケーブル探査システムも従来から知られている。こ
のシステムは、海底ケーブルに供給されている直流電流
や海底ケーブルの外装鉄線から発生する直流磁場を検知
して、当該海底ケーブルを探査するものである。なお、
この直流電流は海底ケーブルの途中に挿入されている中
継器に電力を供給するために流されている電流である。
しかし、これらの直流磁気センサでは海底ケーブルの精
密な位置や海底ケーブルの敷設方向を知ることはでき
ず、このセンサを用いて水中ロボットが海底ケーブルを
トラッキングすることはなかなか難しい作業であった。
【０００５】その他、一軸の差動型直流磁気センサを用
いる方法も知られている。これは、一軸方向のみに感度
を有する２個の直流磁気センサをその軸が平行になると
ともに適度な間隔を有するように配置した直流磁気セン
サで、該２個の直流磁気センサの出力の差から、その２
地点の直流磁場の軸方向の成分の差を求めるものであ
る。このように差を求めることにより、一様な地球磁場
の影響を除去して海底ケーブルから発生する磁場のみを
抽出することができる。しかし、この方法では、海底ケ
ーブルのおおよその位置がわかるだけで、海底ケーブル
までの正確な距離や高度差、海底ケーブルの敷設方向は
知ることができなかった。したがって、このセンサを用
いて水中ロボットが海底ケーブルをトラッキングするこ
とはなかなか難しい作業であった。
【０００６】そこで本発明は、上述したような従来の海
底ケーブル探査システムの問題点を解決し、当該海底ケ
ーブルまでの正確な距離と高度差、および当該海底ケー
ブルの敷設方向を求めることができる実用的な海底ケー
ブル探査システムを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の、海底ケーブルに流れる直流電流や海底ケ
ーブルを構成する外装鉄線から発生する直流磁場を検出
することにより海底ケーブルの存在を探知する海底ケー
ブル探査システムは、特定の一軸方向の直流磁場にのみ
感度を有する直流磁気センサ３個を、各々の軸が互いに
直交するように配置して３軸直交型直流磁気センサと
し、このような３軸直交型直流磁気センサ２個を、適度
な間隔を保つとともに対応する各軸がそれぞれ平行にな
るように配置した差動型３軸直交直流磁気センサを１台
もしくは２台以上水中ロボットに搭載し、該１台もしく
は２台以上の差動型３軸直交直流磁気センサからの出力
をＡ／Ｄ変換器でディジタル信号に変換したのち演算処
理部において処理し、求められた結果を船上のディスプ
レイに表示することにより、海底ケーブルの存在を探知
するものである。
【０００８】また、前記演算処理部は、前記差動型３軸
直交直流磁気センサの中の相互に平行な軸を持つ２個の
直流磁気センサの差の出力を用いて演算処理することに
より、当該海底ケーブルまでの距離と高度差、および当
該海底ケーブルの敷設方向を算出するものである。さら
に、前記演算処理部は、前記各直流磁気センサの感度の
ばらつき、オフセット、各軸の角度のずれを補正し、該
補正した結果を用いて当該海底ケーブルの位置を計算す
るものである。
【０００９】さらにまた、前記演算処理部は、前記差動
型３軸直交直流磁気センサを搭載している前記水中ロボ
ットの回転にともなう前記差動型３軸直交直流磁気セン
サの出力の変動の影響を除くために、周囲に海底ケーブ
ルなどの磁性体や直流電流が存在せず直流磁場が均一な
水中の場所において、前記水中ロボットを１回転させ、
該回転中の前記水中ロボットの方位と前記差動型３軸直
交直流磁気センサの出力との関係を測定して記録装置に
記録し、該記録したデータを用いて前記水中ロボットの
回転による前記差動型３軸直交直流磁気センサの出力の
変動を補正するものである。
【００１０】さらにまた、前記差動型３軸直交直流磁気
センサは、深海の水圧と温度変化に伴う膨張または収縮
による直流磁気センサの軸の歪みを防止するために、一
つの容器の中に固定されて収納されており、さらに、こ
の容器はゴムのように柔らかい緩衝剤を介して耐圧容器
内に固定されているものである。さらにまた、前記差動
型３軸直交直流磁気センサを収容する容器は、強度の高
い絶縁材料で作られているものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の海底ケーブル探
査システムにより海底ケーブルの探査を行う際の説明図
である。この図において、７は海底面、８は該海底に埋
設されている海底ケーブル、１０は遠隔操縦方式の水中
ロボット、２０は母船である。また、１および２は差動
型３軸直交直流磁気センサ、３は電子回路容器、４はス
ラスタ、５はフレームであり、これらは水中ロボット１
０に設けられている。６は水中ロボット１０と母船２０
とを接続するテザーケーブルである。２台の差動型３軸
直交直流磁気センサ１および２は、水中ロボット１０の
前面の左右に設けられたフレーム５にそれぞれ固定され
ている。水中ロボット１０は鉄などの磁性体がその素材
として使用されており、該水中ロボット１０本体から発
生する直流磁場の影響を低減するために、差動型３軸直
交直流磁気センサ１および２は水中ロボット１０本体か
らなるべく離して固定されている。
【００１２】また、水中ロボット１０には、水中重量が
ゼロとなるように図示していない浮力材が搭載されてお
り、複数のスラスタ４により前後左右に自由に運動でき
るようになされている。さらに、水中ロボット１０と母
船２０との間はテザーケーブル６により接続されてお
り、水中ロボット１０は母船２０から電力の供給を受け
るとともに、母船上のオペレータにより遠隔操縦され
る。なお、水中ロボット１０本体には、図示していない
が、水中ロボットの姿勢を測定する傾斜計やテレビカメ
ラ、各種センサ、海底ケーブル埋設用のウォータジェッ
トなどが搭載されている。各種センサやテレビカメラの
信号は、電子回路容器３０内に格納されている信号伝送
装置とテザーケーブル６を介して実時間で母船２０の上
に伝送され、オペレータにより監視されるようになされ
ている。
【００１３】また、図１には、水中ロボットに固定され
た座標系Ｘ3 ，Ｙ3 ，Ｚ3 が示されている。座標軸の方
向は、Ｘ3 軸が水中ロボットの前方方向、Ｙ3 軸が水中
ロボットから見て右手方向、Ｚ3 軸が下側を向いてい
る。原点の位置は、２台の差動型３軸直交直流磁気セン
サの中央とされている。この座標系は海底ケーブルの位
置と方向の計算方法を説明するために、後ほど使用す
る。
【００１４】図２は本発明の一実施形態におけるシステ
ム構成を示すブロック図である。この図において、３０
は前記水中ロボット１０中に搭載されている水中部を示
し、４０は前記母船２０に搭載されている船上部であ
る。本実施形態は、２台の前述した差動型３軸直交直流
磁気センサ１および２を用いるものである。１台の差動
型３軸直交直流磁気センサは２個の３軸直交型直流磁気
センサにより構成されており、各３軸直交型直流磁気セ
ンサはそれぞれ３個の直流磁気センサから構成される。
この直流磁気センサは、特定の軸方向のみに感度を有す
る磁気センサであり、例えば、フラックスゲート型磁気
センサが使用される。したがって、この実施形態におい
ては合計１２個の直流磁気センサが設けられており、図
２では各々のセンサをそれぞれ、センサー１Ｕｘ、セン
サー１Ｕｙ、センサー１Ｕｚ、センサー１Ｄｘ、センサ
ー１Ｄｙ、センサー１Ｄｚ、センサー２Ｕｘ、センサー
２Ｕｙ、センサー２Ｕｚ、センサー２Ｄｘ、センサー２
Ｄｙ、センサー２Ｄｚと称している。ここで、センサー
の後の１と２は２個の差動型３軸直交直流磁気センサの
識別番号を示し、ＵとＤは差動型直流磁気センサを構成
する２台の３軸直交型直流磁気センサの識別番号を示し
ている。さらに、ｘ、ｙ、ｚは３軸直交型直流磁気セン
サを構成する３個の直流磁気センサの感度の方向を示し
ている。
【００１５】水中部３０において、１および２は前述し
た差動型３軸直交磁気センサ、３２1 〜３２12は、それ
ぞれ、ローパスフィルタとＡ／Ｄ変換器とからなる電子
回路、３３および３７はインターフェース回路、３４は
この水中部３０全体の制御を行うＣＰＵ、３５はメモリ
（ＲＡＭ）、３６は制御プログラムなどが格納されてい
るＲＯＭ、３８は水中ロボット１０本体の電子回路であ
り、この中には前述したテザーケーブル６を介して前記
船上部４０との間で信号を転送するための信号伝送装置
が含まれている。また、３９は、ＣＰＵ３４、メモリ３
５、ＲＯＭ３６、インターフェース３３および３７間の
データ転送を行うためのバスである。
【００１６】また、船上部４０において、４１は前記水
中ロボット１０との間のデータ転送を行うための信号伝
送装置が含まれている水中ロボット船上部電子回路であ
る。また、４２は前記水中ロボット船上部電子回路４１
とのインターフェース回路、４３はＣＰＵ、４４はハー
ドディスク装置などの記憶装置、４５はメモリ、４６は
ビデオインターフェース回路、４７はキーボード４９と
のインターフェース回路であり、これら４２〜４７によ
り演算装置が構成されている。４８はビデオインターフ
ェース回路４６に接続されたビデオモニタ（ディスプレ
イ）、４９はインターフェース回路４７に接続されたキ
ーボードである。
【００１７】このように構成されたシステムにおいて、
前述したように２個の差動型３軸直交直流磁気センサ１
および２に格納されている合計１２個の直流磁気センサ
１Ｕｘ〜１Ｕｚ、１Ｄｘ〜１Ｄｚ、２Ｕｘ〜２Ｕｚ、２
Ｄｘ〜２Ｄｚからの各出力信号Ｖ1Ux 、Ｖ1Uy 、Ｖ
1Uz 、Ｖ1Dx 、Ｖ1Dy 、Ｖ1Dz 、Ｖ2Ux 、Ｖ2Uy 、Ｖ
2Uz、Ｖ2Dx 、Ｖ2Dy 、Ｖ2Dz の合計１２個の出力信号
は、それぞれ、ローパスフィルタとＡ／Ｄ変換器からな
る電子回路３２1 〜３２12に入力され、１２台のローパ
スフィルタを介して１２台のＡ／Ｄ変換器によりディジ
タル信号に変換される。各電子回路３２1 〜３２12から
のＡ／Ｄ変換された出力信号は、インターフェイス回路
（Ｉ／Ｏ）３３およびバス３９を介して、演算処理装置
（ＣＰＵ）３４により読み込まれ、フィルタリングなど
の前処理が行われた後、インターフェース回路３７を介
して水中ロボット水中部電子回路３８内の信号伝送装置
に出力され、テザーケーブル６内の信号伝送路を介して
船上部４０に伝送される。
【００１８】船上部４０では、テザーケーブル６を介し
て伝送された信号は水中ロボット船上部電子回路４１の
信号伝送装置により受信され、インターフェース回路４
２を介して、演算器（ＣＰＵ）４３、メモリ４５、ハー
ドディスク装置４４、キーボード４９、ビデオインター
フェイス回路４６、インターフェイス（Ｉ／Ｏ）回路４
７などから構成される演算装置において、海底ケーブル
８の位置と敷設方向を算出する演算処理が行われる。な
お、この算出処理の詳細については後述する。そして、
該処理により得られた結果はビデオモニタ４８に表示さ
れるとともに、ハードディスク装置４４内に記録され
る。
【００１９】（差動型３軸直交直流磁気センサの一実施
形態）図３の（ａ）および（ｂ）は差動型３軸直交直流
磁気センサの構成の一実施形態を示す図である。図３の
（ａ）は１個の差動型３軸直交直流磁気センサの外観構
成を示す図であり、この図において、５１は耐圧容器、
５２は緩衝材、５３は溶融石英製円筒状容器、５４は水
中コネクタ、５５はこの差動型３軸直交直流磁気センサ
の出力を水中ロボット１０本体内部の電子回路に導くた
めの水中ケーブルである。図示するように耐圧容器５１
の内部には例えばゴムなどの柔らかい材料で作られた緩
衝材５２を介して溶融石英製円筒状容器５３が収納され
ている。
【００２０】該溶融石英製円筒状容器５３の内部の様子
を図３の（ｂ）に示す。この図に示すように、溶融石英
製円筒状容器５３の内部には、それぞれＸ軸、Ｙ軸およ
びＺ軸の方向に感度を有する３個の直流磁気センサＵ
ｘ、ＵｙおよびＵｚからなる第１の３軸直交直流磁気セ
ンサと、同様にそれぞれＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の方向に
感度を有する３個の直流磁気センサＤｘ、ＤｙおよびＤ
ｚからなる第２の３軸直交直流磁気センサとが所定の間
隔をもって格納されており、これにより差動型３軸直交
直流磁気センサが構成されている。そして、前記第１お
よび第２の３軸直交直流磁気センサの間には電子回路５
６が格納されている。これら各直流磁気センサＵｘ、Ｕ
ｙ、Ｕｚ、Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚと電子回路５６は、図示し
ない円筒形の合成樹脂の中に埋め込まれており、該円筒
形の合成樹脂が前記溶融石英製円筒状容器５３内に挿入
されている。
【００２１】このように構成された本実施形態によれ
ば、水温の変動と水圧によって耐圧容器５１に歪みが生
じたとしても、該歪みは緩衝材５２により吸収されるた
め、溶融石英製円筒状容器５３には歪みが生じることが
なく、容器５３に収納されている差動型３軸直交直流磁
気センサには伝わらない。従って、水温の変動と水圧に
より直流磁気センサの軸ずれが発生するという問題を大
幅に緩和することができる。なお、この円筒状容器５３
としては溶融石英製のものを使用したが、必ずしもこれ
に限られることはなく、ヤング率が大きく熱膨張係数が
小さい材料であれば、溶融石英以外の材料を使用するこ
とができる。
【００２２】さらに、深海用の耐圧容器５１の素材とし
ては、通常、金属が利用されているが、金属製の耐圧容
器では、水中を移動したときに地球磁場を横切ることに
よる渦電流が該金属の内部に発生し、この渦電流が発生
する磁場によって直流磁気センサ周囲の磁場が乱れるこ
ととなる。この磁場の乱れはセンサの出力に雑音となっ
て現れるため、絶縁材料である合成樹脂で耐圧容器を作
ることによって、この渦電流の問題を解決することがで
きる。
【００２３】（海底ケーブルの位置と敷設方向の計算方
法例−１）上記のように構成された２台の差動型３軸直
交直流磁気センサを用いて、海底ケーブルの位置と敷設
方向を算出する方法について説明する。図４は海底ケー
ブルの位置と敷設方向を説明するための座標系を示す図
である。この図において、図１に示した水中ロボット１
０に固定された座標系をＸ3 ，Ｙ3 ，Ｚ3 とし、地面に
固定された座標系をＸ0 ，Ｙ0 ，Ｚ0 としている。ま
た、２台の差動型３軸直交直流磁気センサ１および２を
構成する４個の３軸直交型磁気センサの位置ベクトルを
それぞれベクトルＰ11 (3) ＝（0 ，w/2 ，h/2 ）、ベク
トルＰ12 (3) ＝（0 ，w/2 ，−h/2 ）、ベクトルＰ21
(3) ＝（0 ，−w/2 ，h/2 ）、ベクトルＰ22 (3) ＝（0
，−w/2 ，−h/2 ）とする。ここで、添字の(3) は、
位置ベクトルの値が水中ロボットに固定されたＸ3 ，Ｙ
3 ，Ｚ3 座標系で表されていることを示している。ま
た、ｗは差動型３軸直交直流磁気センサ１および２の間
の距離、ｈは１台の差動型３軸直交直流磁気センサに格
納されている２つの３軸直交型直流磁気センサ間の距離
である。各直流磁気センサの感度の方向はＸ3 軸かＹ3
軸あるいはＺ3 軸に平行である。なお、Ｘ0 軸はケーブ
ル８と平行になるように定義している。
【００２４】また、水中ロボットの回転を表すオイラー
角をφ、θ、ψとする。すなわち、Ｘ0 ，Ｙ0 ，Ｚ0 系
をＺ0 軸の回りにψ回転してＸ1 、Ｙ1 、Ｚ1 座標系が
作られ、次に、Ｘ1 、Ｙ1 、Ｚ1 系をＹ1 軸の回りにθ
回転してＸ2 ，Ｙ2 ，Ｚ2 座標系が作られる。最後に、
Ｘ2 ，Ｙ2 ，Ｚ2 系をＸ2 軸の回りにφ回転してＸ3，
Ｙ3 ，Ｚ3 座標系が作られる。ここで、ψは水中ロボッ
ト１０とケーブル８との交差角、θおよびφは、それぞ
れ、水中ロボット１０のピッチングおよびローリングに
対応する。このピッチング角θおよびローリング角φは
水中ロボット１０に搭載されている傾斜計により測定す
ることができる。
【００２５】位置ベクトルＰ11 (3) とＰ12 (3) における
直流磁界ベクトルを、それぞれ、ベクトルＨ11 (3) ＝
（Ｈ11x (3)，Ｈ11y (3)，Ｈ11z (3)）およびベクトルＨ12
(3) ＝（Ｈ12x (3)，Ｈ12y (3)，Ｈ12z (3)）とする。次
に、ベクトルＨ11 (3) とベクトルＨ12 (3) の差のベクト
ルΔＨ1 (3)を、
【数１】 により定義する。ここで、式(2) 〜(4) に示すベクトル
ΔＨ1 (3)のＸ3 方向、Ｙ3 方向およびＺ3 方向の各成分
ΔＨ1x (3) ，ΔＨ1y (3) およびΔＨ1z (3) は差動型３軸
直交直流磁気センサ１からの出力に他ならない。
【００２６】この式(2) 〜(4) に示す差動型３軸直交直
流磁気センサからの出力ΔＨ1x (3)，ΔＨ1y (3) および
ΔＨ1z (3) を用いて、海底ケーブル８と水中ロボット１
０との交差角（相対的な方位角）ψが次式により求めら
れる。
【数２】
【００２７】（式(5) の導出）Ｘ3,Ｙ3,Ｚ3 座標系とＸ
0,Ｙ0,Ｚ0 座標系の変換Ｔは、次のように表される。
【数３】
【００２８】位置Ｐ11における磁界をＸ3,Ｙ3,Ｚ3 座標
系とＸ0,Ｙ0,Ｚ0 座標系で表す。
【数４】 Ｈ11x (0)＝０であることから、上記式(6) 、(8) より、
【数５】
【００２９】同様に、位置Ｐ12における磁界をＸ3,Ｙ3,
Ｚ3 座標系とＸ0,Ｙ0,Ｚ0 座標系で表し、Ｈ12x (0)＝０
であることから、
【数６】 上記式(2) 〜(4) 、(11)および(12)より、上記式(5) を
導出することができる。
【００３０】また、海底ケーブル８からの水平距離ｙと
高度差ｚは、次の式(13)および(14)により算出すること
ができる。
【数７】
【数８】 ここで、ΔＨ1y (0) 、ΔＨ1z (0) 、｜ΔＨ1 (0)｜は次の
式(15)および(16)により求められる。
【数９】
【数１０】 なお、Ｉは海底ケーブル８に流れる直流電流の値を表
し、図４に示すように＋Ｘ0 方向に流れる場合を正とし
ている。この海底ケーブルに供給する直流電流Ｉの値
は、通常、陸上の端局で測定することができる。
【００３１】（式(13)および(14)の導出）この計算例に
おいては、水中ロボット１０のピッチングθとローリン
グφは小さいと仮定して無視し、Ｘ0,Ｙ0,Ｚ0 座標系の
上で計算することとする。この計算に用いる座標系を図
５に示す。この図に示すように、この場合には２台の差
動型３軸直交直流磁気センサ１および２の間の距離はｗ
cos ψで表される。このとき、位置Ｐ11 (0) における磁
界ベクトルＨ11 (0) および位置Ｐ12 (0) における磁界ベ
クトルＨ12 (0) は、それぞれ、次のように表される。
【数１１】
【数１２】 ただし、
【数１３】
【００３２】ここで、次の近似を使用する。
【数１４】
【数１５】 この式(24)および(25)を用いると、次の式(26)が導かれ
る。
【数１６】 この式(26)を用いると、式(17)〜(22)は、次の式(27)〜
(32)のように書き換えることができる。
【数１７】
【数１８】
【００３３】ΔＨ1y (0) 、ΔＨ1z (0) 、ΔＨ1 (0)を次の
ように定義する。
【数１９】
【数２０】
【数２１】 式(35)を式(33)と(34)に代入して、次式が得られる。
【数２２】
【数２３】
【００３４】ここで、
【数２４】 とすると、式(36)と式(37)より、次式を得ることができ
る。
【数２５】
【００３５】海底ケーブル８に流れる電流の向きが＋Ｘ
0 方向でＩ＞０の場合は、式(38)よりＺ2 ＞０であるか
ら、解は１つに限定される。
【数２６】 また、ｚ＞０であるから、式(38)と(40)より
【数２７】 さらに、式(23)、(37)、(41)より、
【数２８】
【００３６】電流の方向が逆の場合はＩ＜０であるか
ら、式(38)よりＺ2 ＜０となり、式(39)は次式のように
なる。
【数２９】 よって、ｚ＞０であるから式(38)と(44)より
【数３０】 また、式(23)、(37)、(45)より、
【数３１】
【００３７】全く同様に、ベクトルＨ21 (0) とＨ22 (0)
を用いて、ケーブルの角度と位置とを計算することがで
きる。実際にケーブルの位置を推定する場合には、両側
のセンサの計算結果の平均値を採用することが望まし
い。
【００３８】前述したように、式(13)および(14)におけ
る｜ΔＨ1 (0)｜の前の符号は、Ｉ＞０の場合＋となり、
Ｉ＜０の場合は−となる。したがって、電流の方向が既
知の場合には、１台の差動型３軸直交直流磁気センサを
使って、前述した式(5) 、(13)、(14)を用いて、海底ケ
ーブル８の相対的な位置と敷設方向とを知ることができ
る。
【００３９】また、直流電流Ｉの方向が未知の場合に
は、次のような手順で２台の差動型３軸直交直流磁気セ
ンサを使い、海底ケーブルの相対的な位置ｙとｚとを知
ることができる。まず、Ｉ＞０と仮定して、左右の差動
型３軸直交直流磁気センサの出力と式(13)、(14)を用い
て海底ケーブルの相対的な位置を計算する。右側のセン
サ１（位置ベクトルＰ11とＰ12）による計算結果を
ｙ1+、ｚ1+とし、左側のセンサ２（位置ベクトルＰ21と
Ｐ22）による計算結果をｙ2+、ｚ2+とする。左右のセン
サによる海底ケーブルの相対的な位置の計算結果の差Δ
Ｄ+ を
【数３２】 とする。
【００４０】次に、Ｉ＜０と仮定して、同様に左右の差
動型３軸直交直流磁気センサの出力と式(13)、(14)を用
いて海底ケーブルの相対的な位置を計算する。右側のセ
ンサ１（位置ベクトルＰ11とＰ12）による計算結果をｙ
1-、ｚ1-とし、左側のセンサ２（位置ベクトルＰ21とＰ
22）による計算結果をｙ2-、ｚ2-とする。この場合の左
右のセンサによる海底ケーブルの相対的な位置の計算結
果の差ΔＤ- を
【数３３】 とする。
【００４１】計算機でのシミュレーションにより、Ｉ＞
０の場合にはΔＤ- ＞ΔＤ+ となり、Ｉ＜０の場合には
ΔＤ- ＜ΔＤ+ となることを確認することができる。し
たがって、ΔＤ- ＞ΔＤ+ の場合にはＩ＞０とし、ΔＤ
- ＜ΔＤ+ の場合にはＩ＜０とすることにより、式(13)
および(14)を用いて海底ケーブルの相対的な位置を知る
ことができる。すなわち、電流の方向が未知な場合で
も、２個の差動型３軸直交直流磁気センサを用いること
により、海底ケーブルの相対的な位置と敷設方向を知る
ことができる。
【００４２】なお、前述したように、式(13)および(14)
を導くために式(24)および(25)に示す近似が使用されて
いるため、海底ケーブル８の位置が差動型３軸直交直流
磁気センサ１または２に近い場合には、式(24)と(25)の
近似が悪くなり、計算の誤差が大きくなる。したがっ
て、左右の２本の差動型３軸直交直流磁気センサを利用
している場合には、該左右２つの差動型３軸直交直流磁
気センサによる計算結果の平均を測定結果として採用す
ることにより、測定誤差を低減することができる。
【００４３】（海底ケーブルの位置と敷設方向の計算方
法例−２）４本の差動型３軸直交直流磁気センサを用い
るときには、以下に示す厳密解により、海底ケーブルの
相対的な位置と敷設方向を知ることができる。この場合
には、４本の差動型３軸直交直流磁気センサは等間隔で
配置するものとする。差動型３軸直交直流磁気センサを
構成する３軸直交直流磁気センサの位置は、水中ロボッ
トに固定された座標系Ｘ3 ，Ｙ3 ，Ｚ3 を用いて次式で
表される。
【数３４】 ここで、ｉとｊは差動型３軸直交型直流磁気センサの番
号（ｉ＝１，２，３，４，ｊ＝１，２）を表している。
なお、各直流磁気センサの感度の方向はＸ3 軸かＹ3
軸、あるいはＺ3 軸に平行である。
【００４４】まず、ｈi 、Ｄi1、Ｄi2、Ｄi3、Ｄi4、Ｅ
i を次のように定義する。
【数３５】
【数３６】
【数３７】
【００４５】マトリクスＤとベクトルＰ、Ｅを次式によ
り定義する。
【数３８】
【数３９】
【数４０】
【００４６】マトリクスＤとベクトルＰ、Ｅの間に次の
関係が成り立つ。
【数４１】
【数４２】 上記式(63)により、海底ケーブルの相対位置を求めるこ
とができる。なお、海底ケーブルの敷設方向は、前述し
た式(5) により求めることができる。
【００４７】（海底ケーブルの位置と敷設方向の計算方
法例−３）２個の差動型３軸直交直流磁気センサを用い
た場合の他の実施形態を示す。本計算方法例では、水中
ロボットのピッチングとローリングは小さいと仮定して
０で近似する。本計算例でも、計算方法例１と同様に、
４個の３軸直交型直流磁気センサを使用しており、それ
らの位置ベクトルを、計算方法例１と同様に、Ｐ11 (3)
＝（0 ，w/2 ，h/2 ）、Ｐ12 (3) ＝（0 ，w/2 ，−h/2
）、Ｐ21 (3) ＝（0 ，−w/2 ，h/2 ）、Ｐ22 (3) ＝（0
，−w/2 ，−h/2 ）とする。また、各位置ベクトルＰ
11 (3) 、Ｐ12 (3) 、Ｐ21 (3) およびＰ22 (3) における直
流磁界ベクトルを、それぞれ、Ｈ11 (3) ＝（Ｈ11x (3)，
Ｈ11y (3)，Ｈ11z (3)）、Ｈ12 (3) ＝（Ｈ12x (3)，Ｈ12y
(3)，Ｈ12z (3)）、Ｈ21 (3) ＝（Ｈ21x (3)，Ｈ21y (3)，
Ｈ21z (3) ）およびＨ22 (3) ＝（Ｈ22x (3)，Ｈ22y (3)，
Ｈ22z (3)）とする。ここで、添字(3) がついた磁場ベク
トルは、水中ロボットに固定されたＸ3,Ｙ3,Ｚ3 座標系
で表されていることを示す。すなわち、センサから出力
された値である。
【００４８】まず、計算方法例−１と同様に、式(5) に
よりケーブルとセンサとのなす角ψを求める。次に、各
センサ位置の磁場ベクトルを地面に固定されたＸ0,Ｙ0,
Ｚ0 座標系で表す。
【数４２】式(64)において、ｉ，ｊ＝１，２ である。
【００４９】次に、各センサの成分毎に差分を取り、Δ
Ｈ1x (0) 、ΔＨ1y (0) 、ΔＨ1z (0)、ΔＨ2x (0) 、ΔＨ
2y (0) 、ΔＨ2z (0) 、ΔＨux (0) 、ΔＨuy (0) 、ΔＨuz
(0)、ΔＨlx (0) 、ΔＨly (0) 、ΔＨlz (0) を定義す
る。
【数４３】 次に、ｙ成分とｚ成分の比を取り、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒu 、
Ｒl とする。
【数４４】 この定義されたＲおよびｗ、ｈを用いてケーブル８と水
中ロボット１０との相対距離ｙおよびｚを次式により求
めることができる。
【数４５】
【数４６】 従って、センサからの出力値であるＨ(3) から、ケーブ
ル８と水中ロボット１０の相対的な角度ψと位置ｙ，ｚ
を求めることができる。
【００５０】（母船の上での表示方法の一実施形態）海
底ケーブル８が鉄線外装線で補強されていない無外装ケ
ーブルであり、直流電流をケーブル探知に使用できる場
合には、前述したようにして、その相対位置と敷設方向
を計算することができる。このような場合には、図６に
示すように、水中ロボットと海底ケーブルの相対位置お
よび海底ケーブルの敷設方向の計算結果を船上のディス
プレイに図形で表示することができる。図６には、水中
ロボット１０を中心に、水中ロボット１０の方位、差動
型３軸直交直流磁気センサの位置、海底ケーブル８の相
対的な位置と方向などが示されている。図中、上側が北
に対応している。水中ロボットのオペレータはこのグラ
フィックを見ながら水中ロボットを操縦することができ
る。
【００５１】海底ケーブル８が鉄線外装ケーブルで補強
された外装海底ケーブルである場合には、外装鉄線から
発生する直流磁場のために海底ケーブルの位置を計算に
より求めることができない。このような場合には、例え
ば差動型３軸直交直流磁気センサの出力のベクトル的な
大きさを表示することにより、海底ケーブルのおおよそ
の位置を推定することができる。差動型３軸直交直流磁
気センサの出力のベクトル的な大きさ｜ΔＨ(3) ｜は次
式で表される。
【数４７】
【００５２】図７は差動型３軸直交直流磁気センサの出
力のベクトル的な大きさ｜ΔＨ(3)｜の表示の一実施形
態である。本実施形態では、４台の差動型３軸直交直流
磁気センサを用いており、それぞれ１から４までの番号
が振られている。左側の図は４台の差動型３軸直交直流
磁気センサの出力のベクトル的な大きさ｜ΔＨ(3) ｜の
瞬時値を縦棒で表示したものである。右側の図は｜ΔＨ
(3) ｜の時刻歴を表示したもので、横軸は時間、縦軸は
｜ΔＨ(3) ｜の大きさを示している。この表示から水中
ロボットのオペレータは、海底ケーブルが２番と３番の
差動型３軸直交直流磁気センサの近くにあることを推定
することができる。
【００５３】（水中ロボットから発生する磁場による影
響の除去）直流磁気センサを水中ロボット１０に搭載す
ると、水中ロボット１０から発生する直流磁場の影響を
受ける。測定する磁場は、地球磁場と、ケーブルから発
生する磁場と、水中ロボット１０から発生する磁場をベ
クトル的に合成した磁場になる。この水中ロボット１０
から発生する磁場の影響は、水中ロボット１０の方位に
依存している。そこで、水中ロボット１０から発生する
直流磁場の影響を取り除くために、周囲に海底ケーブル
などの磁性体や直流電流がなく直流磁場が一定な海中
で、水中ロボットを一回転させたときの差動型３軸直交
直流磁気センサからの出力を計測して、水中ロボット１
０の方位との関係をあらかじめ測定し、前記図２に示し
たハードディスク装置４４などに記録しておき、海底ケ
ーブル探査時に、測定した差動型３軸直交直流磁気セン
サの出力から、水中ロボット１０の方位に依存する記録
しておいた変動量を差し引くことにより、水中ロボット
１０から発生する直流磁場の影響を除くことができる。
【００５４】（センサの感度、オフセット、直交性の補
正）３軸直交型直流磁気センサが理想的であると仮定す
ると、直流磁界の絶対値｜Ｈi ｜は、次のように表され
る。
【数４８】 ここで、ｃi は定数、Ｖix、Ｖiy、Ｖizは３軸直交型直
流磁気センサを構成する３個の直流磁気センサの出力で
ある。ｉは各々の３軸直行型直流磁気センサの番号を表
している。しかし、実際の信号には、オフセットや感度
の誤差、各軸の直交性の誤差が含まれているため、式(1
01) の計算結果には、数百ｎＴの変動が発生する。言い
換えると、同一地点でセンサを回転した場合、センサの
方向により数百ｎＴの変動が生じる。
【００５５】このオフセットや感度の誤差、各軸の直交
性の誤差は次式により補正することができる。
【数４９】 ここで、Ｖ'ix 、Ｖ'iy 、Ｖ'iz はそれぞれのセンサの
補正された出力、Ｖix o 、Ｖiyo 、Ｖizo はそれぞれの
センサの出力のオフセット、ａi11 〜ａi33 は各軸の直
交性と感度を補正する行列の要素を表している。各３軸
直交直流磁気センサからの出力に対して、このような補
正演算を行うことにより、直流磁界の絶対値の測定の変
動を数ｎＴに低減することができる。
【００５６】なお、この式(102) において使用される補
正係数Ｖixo 、Ｖiyo 、Ｖizo 、ａi11 〜ａi33 は、本
出願人が既に提案した漸近的な推定方法（特願平７−６
０１３０号）により決定することができる。ここでは、
その概略について説明する。 （ａ）まず、図８に示すような１軸の回りに回転する回
転台６１の上に回転軸６２とセンサのｘ軸が一致するよ
うにセンサを載せ、回転台６１の回転角度を変えなが
ら、電圧計によりセンサの出力電圧をｎ1 回測定する。
次に、回転軸６２とセンサのｙ軸とを一致させて、同様
に出力電圧をｎ2 回測定し、さらに、回転軸６２とセン
サのｚ軸を一致させてｎ3 回測定する。なお、このとき
各センサの回転台からの高さが一致するように、高さ調
整台６３が使用される。このようにしてｘ軸、ｙ軸およ
びｚ軸の回りに回転させて得られた各センサの出力電圧
をＶx(k)、Ｖy(k)、Ｖz(k)、ｋ＝１，２，３，．．．．
ｎ、ｎ＝ｎ1 ＋ｎ2 ＋ｎ3 とする。また、前記式(102)
の補正に用いる係数の初期値を、ａ11 (0) ＝１，ａ22
(0)＝１，ａ33 (0) ＝１，ａ12 (0) ＝ａ13 (0) ＝ａ21 (0)
＝ａ23 (0) ＝ａ31 (0) ＝ａ32 (0) ＝０，Ｖxo (0) ＝Ｖ
yo (0) ＝Ｖzo (0) ＝０とする。
【００５７】（ｂ）オフセットと感度の誤差、各軸の直
交性の誤差を次の式(103) により補正し、その結果をＶ
x (j)(k) 、Ｖy (j)(k) 、Ｖz (j)(k) 、ｋ＝１，２，
３，．．．．ｎ，ｊ＝０とする。
【数５０】 （ｃ）センサが理想的であれば、｜Ｖ(j)(k)｜はセンサ
の置き方によらず常に一定となるはずであるが、前述し
たオフセットや感度の誤差、各軸の直交性の誤差によ
り、その値にはばらつきが生じている。そこで、上記
（ｂ）により補正された磁場の絶対値に対応する｜Ｖ
(j)(k)｜を算出し、その分散σV(j)2 を求める。
【００５８】（ｄ）Δａ11を１より十分小さい正の定数
とし、ａ11 (j) の代わりにａ11 (j)＋Δａ11を代入して
上記式(103) の補正演算を行い得られたデータに基づい
て同様に磁場の絶対値に対応する｜Ｖ(j)(k)｜の分散σ
V(j)2 ｜a11=a11(j)+ Δa11を求める。次に、ａ11 (j)
の代わりにａ11 (j) −Δａ11を代入して、同様に分散σ
V(j)2 ｜a11=a11(j)- Δa11 を求める。 （ｅ）上記（ｄ）により求めた２通りの分散の値σV(j)
2 ｜a11=a11(j)+ Δa1 1 とσV(j)2 ｜a11=a11(j)- Δ
a11 との差などに基づいて、ａ11 (j+1) を推定する。
【００５９】（ｆ）同様な手順により、順次、ａ12
(j+1) 、ａ13 (j+1) 、ａ21 (j+1) 、ａ22 (j+1) 、ａ23
(j+1) 、ａ31 (j+1) 、ａ32 (j+1) 、ａ33 (j+1) 、Ｖxo
(j+1) 、Ｖyo (j+1) 、Ｖzo (j+1) を推定する。 （ｇ）以下、ｊ＝ｊ＋１として、分散σV(j)2 が十分小
さくなるまで、上記（ｂ）〜（ｆ）の手順を繰り返す。
このようにして、最終的に得られた値を、ａ11、ａ12、
ａ13、ａ21、ａ22、ａ23、ａ31、ａ32、ａ33、Ｖxo、Ｖ
yo、Ｖzoの推定値とする。
【００６０】なお、本発明をそのまま海底のパイプや微
少な磁界を有する金属などの探査に利用することができ
ることはいうまでもない。また、上述した実施の形態に
おいては、図１のように差動型３軸直交直流磁気センサ
を縦方向に配置したが、横方向に配置した場合にも、ほ
ぼ同様な手順でケーブルの位置を測定することができ
る。
【００６１】
【発明の効果】本発明の海底ケーブル探査システムによ
れば、当該海底ケーブルまでの正確な距離と高度差、お
よび当該海底ケーブルの敷設方向を求めることが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の海底ケーブル探査システムによる海底
ケーブルの探査の様子を示す図である。
【図２】本発明の海底ケーブル探査システムの電気的構
成の一例を示す図である。
【図３】差動型３軸直交直流磁気センサの一実施形態を
示す図である。
【図４】海底ケーブルの位置と敷設方向を計算するため
に使用する座標系を説明するための図である。
【図５】海底ケーブルの位置の計算に使用する座標系を
説明するための図である。
【図６】母船上のディスプレイにおける表示の一例を示
す図である。
【図７】母船上のディスプレイにおける他の表示例を示
す図である。
【図８】センサの校正台の一例を示す図である。
【符号の説明】
１、２ 差動型３軸直交直流磁気センサ ３ 電子回路容器 ４ スラスタ ５ フレーム ６ テザーケーブル ７ 海底面 ８ 海底ケーブル １０ 水中ロボット ２０ 母船 ３０ 水中部 ３２1 〜３２12 ローパスフィルタとＡ／Ｄ変換器 ３３、３７、４２、４６、４７ インターフェース回路 ３４、４３ ＣＰＵ ３５、４５ メモリ ３６ ＲＯＭ ３８、４１、５６ 電子回路 ３９ バス ４０ 船上部 ４４ 記憶装置 ４８ ビデオモニタ ４９ キーボード ５１ 耐圧容器 ５２ 緩衝材 ５３ 溶融石英製円筒状容器 ５４ 水中コネクタ ５５ 水中ケーブル ６１ 回転台 ６２ 回転軸 ６３ 高さ調整台 ６４ センサ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 海底ケーブルに流れる直流電流や海底ケ
    ーブルを構成する外装鉄線から発生する直流磁場を検出
    することにより海底ケーブルの存在を探知する海底ケー
    ブル探査システムにおいて、 特定の一軸方向の直流磁場にのみ感度を有する直流磁気
    センサ３個を、各々の軸が互いに直交するように配置し
    て３軸直交型直流磁気センサとし、このような３軸直交
    型直流磁気センサ２個を、適度な間隔を保つとともに対
    応する各軸がそれぞれ平行になるように配置した差動型
    ３軸直交直流磁気センサを１台もしくは２台以上水中ロ
    ボットに搭載し、 該１台もしくは２台以上の差動型３軸直交直流磁気セン
    サからの出力をＡ／Ｄ変換器でディジタル信号に変換し
    たのち演算処理部において処理し、求められた結果を船
    上のディスプレイに表示することにより、海底ケーブル
    の存在を探知することを特徴とする海底ケーブル探査シ
    ステム。
  2. 【請求項２】 前記演算処理部は、前記差動型３軸直交
    直流磁気センサの中の相互に平行な軸を持つ２個の直流
    磁気センサの差の出力を用いて演算処理することによ
    り、当該海底ケーブルまでの距離と高度差、および当該
    海底ケーブルの敷設方向を算出するものであることを特
    徴とする前記請求項１記載の海底ケーブル探査システ
    ム。
  3. 【請求項３】 前記演算処理部は、前記各直流磁気セン
    サの感度のばらつき、オフセット、各軸の角度のずれを
    補正し、該補正した結果を用いて当該海底ケーブルの位
    置を計算するものであることを特徴とする前記請求項１
    あるいは２に記載の海底ケーブル探査システム。
  4. 【請求項４】 前記演算処理部は、前記差動型３軸直交
    直流磁気センサを搭載している前記水中ロボットの回転
    にともなう前記差動型３軸直交直流磁気センサの出力の
    変動の影響を除くために、周囲に海底ケーブルなどの磁
    性体や直流電流が存在せず直流磁場が均一な水中の場所
    において、前記水中ロボットを１回転させ、該回転中の
    前記水中ロボットの方位と前記差動型３軸直交直流磁気
    センサの出力との関係を測定して記録装置に記録し、該
    記録したデータを用いて前記水中ロボットの回転による
    前記差動型３軸直交直流磁気センサの出力の変動を補正
    するものであることを特徴とする前記請求項１〜３のい
    ずれかに記載の海底ケーブル探査システム。
  5. 【請求項５】 前記差動型３軸直交直流磁気センサは、
    深海の水圧と温度変化に伴う膨張または収縮による直流
    磁気センサの軸の歪みを防止するために、一つの容器の
    中に固定されて収納されており、さらに、この容器はゴ
    ムのように柔らかい緩衝剤を介して耐圧容器内に固定さ
    れているものであることを特徴とする前記請求項１に記
    載の海底ケーブル探査システム。
  6. 【請求項６】 前記差動型３軸直交直流磁気センサを収
    容する容器は、強度の高い絶縁材料で作られていること
    を特徴とする前記請求項１に記載の海底ケーブル探査シ
    ステム。
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