MIT、水上ドローン用ソナーシステムが高解像度で海底を迅速にマッピング可能に。自律型水上ドローンが水中の物体を探索

「自律型スパース・アパーチャ・マルチビーム・エコー・サウンダー」と呼ばれるこのシステムは、深海の物体や特徴を発見するのに十分な解像度を提供しながら、水中ドローンを配備する時間や費用をかけずに、水上ドローンの速度でスキャンできる。

このエコー・サウンダーは、航空機で海中に展開できる小型の自律型水上ドローンを使用した大型ソナー・アレイを特徴としており、水中車両の50倍のカバー率と水上船舶の100倍の解像度で海底をマッピングできる可能性を秘めている。

研究所の先進海中システム・技術グループの共同研究者アンドリュー・マーチ副リーダーは次のようにコメントしている。

海底の未知領域 海は地球表面の71％を占めているが、この海底領域の80％以上は未発見・未踏のままである。人類は、他の惑星や月の表面について、海の底よりも多くのことを知っている。

高解像度の海底地図は、船舶や航空機のような行方不明の物体を発見するのに役立つだけでなく、地球の地質を理解し、海流とそれに対応する天候や気候への影響の予測を改善し、遺跡を発見し、海洋生態系や生息環境を監視し、鉱物や石油鉱床のような天然資源が存在する場所を特定するなど、多くの科学的応用をサポートする。

世界中の科学者や政府は、海底の高解像度の世界地図を作成することの重要性を認識しているが、問題は、既存の技術では海面からメートル単位の解像度を達成できないことである。 海洋の平均水深は約3700メートルである。

しかし、海底の人工物を発見したり、人の大きさの自然の特徴を特定したりすることができる今日の技術（ソナー、ライダー、カメラ、重力場マッピングなど）は、水中での最大到達距離が1,000メートル未満である。

解決策

船体に大型のソナーアレイを搭載した船舶は、低周波音波を放射して海底で跳ね返り、反響音として海面に戻ってくることで深海をマッピングする。水中では高周波の音波が吸収されやすく、特に水深が深くなるにつれて吸収されやすくなるため、低周波数での運用が必要となる。しかし、このような運用では低解像度の画像が得られ、各画像ピクセルはサッカー場の大きさに相当する。

また、大型地図作成船に搭載されたソナー・アレイは、すでに船体の空きスペースをすべて使用しているため、ソナー・ビームの開口サイズに上限があるため、解像度も制限される。これとは対照的に、海底から数百メートルの範囲で高い周波数で作動する自律型水中ドローンのソナーは、各ピクセルが1平方メートル以下の地図を生成する。

しかし、この高解像度にはトレードオフがある。これは、水中ドローンの深海への配備に時間とコストがかかり、マッピングできる海底の量が制限されるということである。また、高周波音が吸収されるまでの最大航続距離は約1,000メートルで、電力を節約するために低速で移動する。高解像度のマッピングを行う水中ドローンのエリアカバー率は、1時間あたり約8平方キロメートルである。

しかし、このような共同的で疎なセットアップには、運用上の課題がある。第一に、コヒーレントな3Dイメージングを行うためには、各水上ドローンのソナーサブアレイの相対位置を、海洋による動的な運動を通して正確に追跡する必要がある。

第二に、ソナーエレメントが隙間なく隣接して配置されていないため、アレイのS/N比が低下し、意図しない方向や望ましくない方向からのノイズを除去することができない。こうした課題を軽減するため、チームは低コストの精密相対航行システムを開発し、音響信号処理ツールと新しい海域推定アルゴリズムを活用している。

MITキャンパスの共同研究者は、データ処理と画像形成のためのアルゴリズム、特に深度積分の水柱パラメータを推定するためのアルゴリズムを開発している。これらの実現技術は、温度などの物理的特性、潮流や波などの動的プロセス、音速などの音響伝搬要因にまたがる複雑な海洋物理を説明するのに役立つとしている。

▶︎マサチューセッツ工科大学