光を聞く: DAS は海底に革命をもたらす可能性がある

David R. Strachan は防衛アナリストであり、Strikepod Systems の創設者です。

2023 年 1 月 26 日

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2020年の夏、スバールバル諸島を拠点とするノルウェー科学技術大学（NTNU）の海洋科学者のグループは、約70～90キロメートル離れた北極海と北海で戯れるヒゲクジラの鳴き声を検出することに成功した。 研究者が定期的にクジラの行動を監視しており、クジラの鳴き声が長距離を移動することが長い間知られていたことを考えると、一見するとこれはあまり目立たないように思えるかもしれない。 しかし、この特定の一連の観察を特別なものにしたのは、選択したセンサーです。 それは海洋生物音響取引の信頼できるツールである水中聴音器ではありませんでした。 代わりに、それはロングイェールビーンとニーオーレスンの町の間を走る120kmの海底光ファイバーケーブルを通して伝送された光のパルスでした。

NTNU の科学者らは、分散音響センシング (DAS) として知られる比較的新しく革新的な技術を利用しました。この技術は、光ファイバーを利用して音響活動や地震活動から発せられる圧力波を検出します。 インタロゲータとして知られる特殊なデバイスを使用して、光パルスが未使用の「暗い」ファイバーの長さに沿って既知の間隔で送信されます。 光がファイバー内の小さな欠陥に遭遇すると、その一部が反射されて質問器に戻ります (レイリー後方散乱として知られる現象)。 アコースティックエミッションからの圧力波がファイバーに「ナノ歪み」を与えると、反射光に変動が生じます。 これらの変動は分析され、高度な信号処理を使用して独自の音響シグネチャに変換され、その結果、音源の検出だけでなく特定や位置特定も可能になります。 DAS が海洋環境で使用される場合、ファイバーに沿った欠陥は本質的に小さな水中聴音器として機能し、ある長さの光ファイバー ケーブルを大口径のセンサー アレイに変換します。 また、音波は海底に浸透する可能性があるため、センシングファイバーが効果を発揮するために水柱に完全にさらされる必要はありません。 NTNU プロジェクトで使用されたケーブルの一部のセグメントは、1 ～ 2 メートルの堆積物の下に埋もれていました。

世界中に 785,000 マイル (120 万キロメートル) の海底ケーブルが張り巡らされていることを考えると、DAS は海洋観測における大きな進歩となります。 海底に点在する個別の音響センサーや地震センサーに依存する代わりに、どこにでもある海底ケーブル内に収められたダークファイバーを、生物学的ノイズと人為的ノイズの両方を検出できる数千台の水中聴音器に相当するものを装備した長さ数キロメートルのセンサーアレイとして再利用できるようになりました。 クジラの鳴き声に加えて、DAS は水上艦船、地震、表面波、遠方の海洋嵐の検出にも成功しており、世界規模の津波警報システムとして機能することもできます。すでに配置されている広域の永続的なセンサー ネットワークを提供できる能力を考えると、DAS は、広大な海洋全体にわたって、海中防衛作戦において DAS には大きな可能性が秘められています。具体的には、監視範囲の追加層を提供し、水面と水面下の両方の目標を追跡することによって実現されます。 DAS は水上軍艦を検出および追跡し、衛星や航空機などの他の ISR プラットフォームから収集された情報を強化できます。 DAS は、航行中の船舶の検出に加えて、海底での作業が進行中であることを示す動的測位システムの音も検出する場合があります。

画像は研究記事「光の速さでの盗聴：北極のヒゲクジラの分散音響センシング」（https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2022.901348/full#B54）から提供

水面下では、海中戦争への応用が行われています。 現時点では、DAS は低周波放射 (ミリヘルツ範囲まで) を検出するために最適化されているようです。現代の潜水艦は確かに低周波範囲で放射しますが、これらの放射も強度が低く、オープンソースの非機密推定によると、95 から 95 の間のどこかです。 110 デシベルは、周囲の海洋の周囲騒音である約 90 デシベルよりもわずかに高いだけです。 デシベルが対数的な尺度であると仮定すると（つまり、10 デシベルの増加ごとに、音響パワーが 10 倍、20 デシベル、100 倍、30 デシベル、1000 倍増加することを表します）、北大西洋シロナガスクジラのうめき声は 180 を超える場合があります。有人潜水艦が発生する音響出力ははるかに低くなります。

しかし、より近い距離では、特に海底の表面にある繊維によって、海底からの放射がより検出可能になる可能性があります。 最終的に、DAS は、長距離の探知および追跡システムではなく、水域の狭い領域に限定された対潜水艦戦 (ASW) のバリア防御を提供する可能性があります。海底防衛への応用もあります。 ケーブル改ざん、機雷戦、海底インフラの設置、運用、破壊など、海底戦争に関連する活動の種類を考慮すると、DAS は脅威の検出、特定、位置特定に役割を果たす可能性があります。

現在、DAS は低周波検出用に最適化されていますが、車両のアクチュエーターやスラスター、水中ナビゲーション、画像処理、通信技術などによって生成される高周波放射も検出する機能を備えています。 2020 年の MIT の研究では、小型 AUV が 15 ～ 24 kHz の範囲で激しい放射を発生し、周囲の背景雑音より 10 ～ 45 デシベル高い可能性があることが判明しました。† 一般的な DVL は 400 ～ 600 kHz の範囲で放射するのに対し、SAS は 400 ～ 600 kHz の範囲で放射します。 60〜120kHz。 音響測深機は、185 ～ 230 デシベルの高周波およびより高いレベルの強度で放射します。

また、スイマー配送船 (SDV)、大排気量 UUV (LDUUV)、または超大型 UUV (XLUUV) などの潜水艇の推進システムは、低強度の音を発生する可能性がありますが、その低周波放射を検出することは可能である可能性があります。近距離から発生した場合。

水中建設活動では低周波の音響波や地震波が発生するため、エネルギーステーション、AUVドッキングステーション、センサーアレイなどの海底構造物の設置に伴う騒音はDASで容易に検出可能です。 自由落下するセンサー ユニットが海底に着地すると、検出可能な「微震」、つまり通常小さな地球の揺れに伴う地震波が発生する可能性があります。 空中から投下された機雷が海面に衝突し、海底でドスンと停止すると、強力な音響波と地震波が発生する可能性があります。 DAS は地雷原のマッピングを支援する可能性があり、地雷対策活動の迅速化に役立つ追加のデータ ポイントを提供します。 そして、ロシアが原子力搭載型AUV「ポセイドン」の開発を進め続ける中、DASは統合型水中遠隔早期警戒・防衛システムにおいて重要な役割を果たし、ISRを提供したり、迎撃車両に照準データを中継したりする可能性がある。

DAS は防衛用途に大きな期待を寄せていますが、少なくとも現時点では限界があります。 たとえば、その有効射程は、往復移動中の反射光の減衰によりおよそ 50 ～ 100 キロメートルであるため、本当に大規模な DAS アレイには何らかの増幅が必要になります。 統合された DAS 防御ネットワークでは、脅威を特定し、正当なターゲットと誤報を区別するために、音声サンプルを既知の音響シグネチャのデータベースと比較する必要があります。 したがって、DAS が新たな海底の脅威の検出と特定を支援するには、大量の最新かつタイムリーな測定および信号インテリジェンス (MASINT) が必要になります。 「そして、必要なMASINTデータの量に加えて、DASによって生成される音響インテリジェンス（ACINT）の膨大な量も気の遠くなるようなものになるでしょう。」

たとえば、NTNU プロジェクトでは 1 日あたり約 7 テラバイト、つまり研究期間全体で約 250 テラバイトのデータが生成されました。 しかしながら、こうした課題はあるものの、DAS は海底防衛に大きな影響を与える可能性を秘めています。 低コスト、低メンテナンスの既製のセンサー ネットワークが世界中の海にすでに設置されているため、DAS は近いうちに友人や敵の防衛在庫に組み込まれる可能性があります。

ソース † レイリー、K; ディビアソ、D; Schmidt, H. 「無人水中車両の高精度プロペラ回転と速度推定のための音響リモートセンシング方法」、米国音響学会誌。 2020、148、3942。

著者について: David R. Strachan は防衛アナリストであり、自律海底システムに焦点を当てた研究および戦略的助言を行う Strikepod Systems の創設者です。