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1 卒業論文 水中音響通信の実伝搬測定に関する研究 北見工業大学工学部電気電子工学科集積システム研究室加藤万誉 2016 年 2 月 24 日

2 目次 第 1 章はじめに 研究背景と目的 本論文の構成... 2 第 2 章水中音響伝搬特性の計測 インパルス応答 遅延プロファイル TSP と M 系列 TSP(Time Stretched Pulse) M 系列 (Maximum Length Sequence)... 5 第 3 章プール試験 プール試験の概要 TSP と M 系列の比較 測定条件 測定結果 TX の角度を変える 測定条件 測定結果 TX の横位置を変える 測定条件 測定結果 ハイドロフォンの高さを変える 測定条件 測定結果 TX の縦と横位置を変える 測定条件 測定結果 スロープを考慮した伝搬測定 測定条件 測定結果 第 4 章まとめ 謝辞 参考文献 i

3 第 1 章 はじめに 1.1 研究背景と目的 水中音響通信は 1950 年代から研究されており, 現在では無線での画像や動画の伝送, 遠隔操作で制御する水中探査機 (ROV, Remotely Operated Vehicle) など多くの利用用途がある. 水中の無線通信では電磁波は減衰が大きいため, 減衰の尐ない音波を使用する. しかし, 水中では船舶や乱流, 波浪などの様々な雑音源が存在し, 特に海底が浅い環境等では水面などで音波が反射する. 水中での音波の速度は約 1500m/s であり, 電波と比べると非常に遅いので, 遅延波が到達するまでの時間が長く, 直接波と遅延波が干渉することによって受信信号から送信データを正しく復元できなくなる問題が生じる. 水中音響通信では遅延波干渉によって. 通信性能が低下するので, 遅延波に対して何らかの対策をとる必要があり,OFDM やダイバーシチ技術が水中音響通信でも採用されている [1]. 水中音響通信に適した通信方式をシミュレーションで通信特性評価するためには遅延プロファイルに基づく遅延モデルが必要となるが, プールなどの水深が浅い環境での実伝搬測定はあまり行われていなかった. 本研究では, プールでの実伝搬測定を行い, 遅延波の伝搬特性を調査する. 1.2 本論文の構成 第 2 章では, 水中音響伝搬特性の計測について述べる. 第 3 章では, 今回北見市民プールで行った水中音響通信の実伝搬測定の測定条件や測定結果について述べる. 第 4 章では, まとめと今後の課題について述べる. 2

4 第 2 章 水中音響伝搬特性の計測 2.1 インパルス応答 インパルス応答から遅延波伝搬の様子を調べることができる. 例えば, 壁などにぶつからず真っ直ぐ進んだ音波はそのまま受信されるが, 壁などで反射して遅延波が発生した場合は直接波の後に遅延波が受信される [2]. 図 2.1 はインパルス応答の様子である. 図 2.1 インパルス応答 ただし, インパルス信号は短時間にしか存在せずエネルギーが小さいため, 良好な SN 比を得ることができない. そこで, 代わりに M 系列 (Maximum Length Sequence) や TSP(Time Stretched Pulse) の大きいエネルギーを持つ測定用信号が使用される. インパルス応答の測定結果から遅延プロファイルを作成し, その結果から遅延波についての考察を行う. 2.2 遅延プロファイル インパルス応答が伝送路の瞬時特性を表現するのに対して, 遅延プロファイルは相対的な時間と電力で並べて整理したものである [3]. 遅延プロファイルの一例を図 2.2 に示す. 縦軸は音波強度, 横軸は時間を表す. 音波の強度は振幅 0 から 1 までで表され, 直接波を振幅 1, 遅延時間 0 としたときの遅延波の状態を表している. 3

5 0.035 秒辺りにある尐し飛び出た遅延波は壁などで強く反射した反射波と呼ばれる もので, 通信性能を低下させる大きな要因となる. 図 2.2 遅延プロファイル 2.3 TSP と M 系列 2.1 節より, インパルス信号の代わりに M 系列 (Maximum Length Sequence) や TSP(Time Stretched Pulse) という大きいエネルギーを持った測定用信号が用いられる [4]. 一般的な音響試験ではこのどちらかが主に使用されている TSP(Time Stretched Pulse) TSP は掃引正弦波の一種で, 時間に比例して周波数が上限 ( または下降 ) する. 被測定系に TSP を 2 周期入力して, 出力の 2 周期目を切り出して DFT(discrete Fourier transform: 離散フーリエ変換 ) し,TSP 測定信号の周波数領域の逆関数を乗算することで, 被測定系の周波数特性を求めることができる. 図 2.3(a) は TSP の測定信号を表し, 図 2.3(b) は図 2.3(a) の時間周波数分布を表す. 4

6 図 2.3 TSP M 系列 (Maximum Length Sequence) M 系列信号 m(n) は 1 と-1 の値をとる疑似ランダム雑音で,M 系列の時間軸を反転した m(-n) と m(n) を円状畳み込みすると, 直流成分をもつインパルス信号が得られる. これより, 直流成分を除いて m(-n) は m(n) の逆信号となっていることがわかる. よって,M 系列 m(n) を 2 周期入力し, 出力の 2 周期目に対して m(-n) を円状畳み込みを行い, 直流成分を除去すれば直流成分を除去したインパルス応答を得る. 図 2.4 は M 系列の測定信号を表している. 図 2.4 M 系列 5

7 第 3 章 プール試験 3.1 プール試験の概要 2015 年 11 月 17 日と 2016 年 2 月 2 日の計 2 回, 北見市民プールを利用して水中でのインパルス応答や遅延プロファイルの測定を行った.MATLAB をデータの生成 解析, ハイドロフォン ( 送受波器 ) を音波の送受信にそれぞれ使用した. プールの寸法は縦 25 m 横 13 m 深さ 1.35 m であり, 図 3.1 に示すようにハイドロフォンは脚立を使用し送信側 ( 以下 TX と呼ぶ ), 受信側 ( 以下 RX と呼ぶ ) 共に水面下 30 cm に固定, 音波の送出を水平方向に設定した. 図 3.1 ハイドロフォン ( 送信側 ) 3.2 TSP と M 系列の比較 まず水中音響通信試験では TSP と M 系列ではどちらが適切な測定用信号である かを測定し, 考察する 測定条件 ハイドロフォンの TX をプールの縦 8 m, 横 4 m 地点に置き,RX を縦 0 m, 横 4 m 地 点に置く. 位置関係を図 3.2 に示す. 6

8 図 3.2 測定条件 測定結果 図 3.3(a) 測定結果 7

9 図 3.3(b) 測定結果 ( 縦軸対数 ) 図 3.3 に示す通り TSP と M 系列は一見するとほとんど同じに見えるが,0.05 秒以降の赤丸の中に注目してみると TSP では 0.07 秒あたりに反射波が確認できる. 対して,M 系列では反射波が雑音に埋もれてしまい確認することが困難である. この結果から以降の水中音響伝搬試験では TSP を採用することにした. 3.3 TX の角度を変える ハイドロフォンの RX の場所 向きを固定した状態で TX の角度を変化させたと きの遅延波の伝搬測定を行う 測定条件 3.2 節と同じく TX をプールの縦 8 m, 横 4 m 地点に置き,RX を縦 0 m, 横 4 m 地点に置く.TX 側のハイドロフォンの向きを 0 度,90 度,180 度,270 度の場合でそれぞれ遅延波の伝搬測定を行う. 位置関係を図 3.4 に示す. 8

10 図 3.4 測定条件 測定結果 図 3.5(a) 測定結果 9

11 図 3.5(b) 測定結果 ( 縦軸対数 ) 図 3.5 の測定結果から,RX に対して正反対の向きである 180 度の時に遅延波が最多となった. その中でも, 直接波から約 秒後,0.02 秒後の 2 箇所で大きい反射波を確認できた. 水中の音波速度は 1500 m/s であるので計算するとそれぞれ, =22.5 m, =30 m となり, プールの縦方向の奥の壁に跳ね返った可能性が高いと考えられる. 図 3.5(a) で大きな反射波の数を比べると,0 度と 180 度の縦方向の時より,90 度と 270 度の横方向の時に数が多いこともわかった. これは図 3.6 に示す通り, プールの縦の幅 (25 m) より横の幅 (13 m) の方が短いので反射波の数が増えたと考えられる. TX のハイドロフォン向きが真横を向いている状態でも RX で音波が受信できていることから,TX のハイドロフォン向きが真横でも音波は受信可能であることがわかった. 10

12 図 3.6 プールの縦方向での反射 3.4 TX の横位置を変える 高さや縦位置は 3.3 節と同じ条件で TX の横位置を変えて場合での伝搬測定を行 う 測定条件 ハイドロフォンの TX をプールの縦 8 m の地点に置き, 横に 2 m, 4 m, 6 m 地点にそれぞれ置き,RX は縦 0 m, 横 4 m 地点に固定し, 遅延波の伝搬測定を行う. 位置関係を図 3.7 に示す. 図 3.7 TX の位置関係 11

13 3.4.2 測定結果 図 3.8(a) 測定結果 図 3.8(b) 測定結果 ( 縦軸対数 ) 12

14 図 3.8 から,TX1, TX2, TX3, 共に大きな変化は見られなかった. ただし,TX3 で直接波から約 秒後に大きな反射波を確認された. 計算すると, =7.5 m となる. 図 3.9 の写真で示す通り, プールには左端にスロープがあるため, スローブの手すりなどに反射することで大きな遅延波が発生したと考えられる. 図 3.9 北見市民プールのスロープ 3.5 ハイドロフォンの高さを変える ハイドロフォンの TX-RX 間の距離と角度は固定して, 高さを変えた場合の遅延 波の伝搬測定を行う 測定条件 ハイドロフォンの TX と RX を 4 通りで高さを変える. 高い位置の場合水面から 30 cm, 低い位置の場合を水面から 60 cm とする. 位置関係を図 3.10 に示す. 図 3.10 測定条件 13

15 3.5.2 測定結果 図 3.11(a) 測定結果 14

16 図 3.11(b) 測定結果 ( 縦軸対数 ) 図 3.11 の測定結果から,TX と RX が両方共に位置が高い時に遅延波が最多となった. これは, 水面に近いため音波が水面で反射した影響が大きいと考えられる. 今回はこのような結果となったが, 脚立を用いてハイドロフォンを固定している関係上, 低い場合でも水面下 60 cm でありプールの水深の半分より浅い地点であった為, 低い時に遅延波が尐なかったと考える事もできる. ハイドロフォンがプールの底に近い場合も遅延波が多い可能性が考えられる. 3.6 TX の縦と横位置を変える 測定条件 TX の縦と横の設置位置を変えて遅延波の伝搬測定を行う.TX の設置場所をプールの縦方向に 4 m 間隔 (4 m~20 m) で 5 ヶ所, 横方向は 2 m,4 m, 6 m の 3 ヶ所で, 計 15 ヶ所に TX を設置する.RX は縦 0 m, 横 4 m 地点に固定し, 遅延波の伝搬測定を行う. 位置関係を図 3.12 に示す. 15

17 図 3.12 測定条件 測定結果 図 3.13(a) 測定結果 ( 横 2 m) 16

18 図 3.13(b) 測定結果 ( 横 4 m) 図 3.13(c) 測定結果 ( 横 6 m) 17

19 TX 位置が横 2 m, 4 m, 6 m に対する測定結果を図 3.13 に示す. TX と RX の間の距離が長いほど遅延波が多くなった. これは単純に伝送路が伸びた分, 音波が水面やプールの壁に反射する回数が増え, 遅延波の増加に影響したと考えられる. 横方向を注目してみると, 横 4 m と横 6 m の時はほぼ同じくらいの遅延波であったが, 横 2 m の時に遅延波が尐なくなっているのが確認できた. これは, 図 3.14 に示すハイドロフォンの指向性が広いため, 音波が横の壁に反射し, 最も横の壁に近い横 2 m の時に最も遅延波の到達時間が短くなったためと考えられる. 図 3.14 ハイドロフォンの指向性 3.7 スロープを考慮した伝搬測定 3.3 節の実験において, 北見市民プールのスローブに反射して, 大きな反射波が生まれた可能性があると考えた. そこで, 実際にスロープの影響があるのかを確認するための遅延波の伝搬測定を行う 測定条件 TX をプールの壁から縦方向 4 m と 6 m, 横方向 2 m と 4 m の地点に 4 通りに設置し, 向きはスロープの方向に向ける. 縦 6 m 地点はちょうどスロープが途切れている場所なので縦 4m 地点の結果と比較することでスロープによる影響を確かめる. 位置関係を図 3.15 に示す. 18

20 図 3.15 測定条件 測定結果 図 3.16(a) 測定結果 19

21 図 3.16(b) 測定結果 ( 縦軸対数 ) 図 3.16 の測定結果から, 縦 4 m の時と縦 6 m の時どちらも遅延波の様子があまり変わらなかったため, スロープの影響はほとんど無いということがわかった. また, 縦 6 m の時の方が大きい反射波が確認できるが, 単純に RX までの距離が遠いためだと考えられる. 20

22 第 4 章 まとめ 本研究の実伝搬測定の結果をまとめると以下の通りである. 測定用信号は M 系列より TSP の方が優れる. ハイドロフォンの TX の位置がプールの横方向に移動する分には特に大きな変化は見られないが,RX の位置から離れ, 水面に近くなるほど遅延波が多くなるということが確認できた. TX が RX に対して逆向きの時が最も遅延波が多くなることと,TX を RX に対して真横や逆向きに音波を送出した場合でも遅延波の到来する様子を確認できたので, ハイドロフォンの指向性が広く,TX が RX 方向を向いていなくても通信が可能であることがわかった. 実伝搬測定から得られた遅延プロファイルからシミュレーション用の遅延モデ ルを作成し, シミュレーション上の通信特性評価を行うことを今後の課題とする. 21

23 謝辞 本研究を行うにあたり, 御指導, 御助言をいただきました谷本洋教授, 吉澤真 吾准教授に深く感謝致します. また研究を進める中で, 様々な御助言をいただきま した集積システム研究室の大学院生の皆様, 並びに同級生の皆様にも感謝致します. 22

24 参考文献 [1] 赤田瞬, 吉澤真吾, 谷本洋, 齋藤隆,`` 長遅延マルチパス環境に頑健な水中音響通信システムのプール試験評価,'' 電子情報通信学会 SIS 研究会, SIS , pp.37-42, Sep [2] 金田豊, インパルス応答測定, 日本音響学会誌 55 巻第 5 号,pp ,1999 [3] 唐沢好男, ディジタル移動通信の電波伝搬基礎, コロナ社,Mar,2003. [4] 金田豊, 音響信号処理, 電子情報通信学会 知識の森 ( 23