Photonic buoy

本発明は、たとえば、潜水艦が浮上する際、それが洋上船と衝突しないようにすること、および／または潜水艦が敵軍に発見されないようにすることを確かなものとするため、洋上に存在する物体を発見あるいはモニタリングするためのシステムに関する。

海面下の深みから潜望鏡深度までの潜水艦の移動は、潜水艦および洋上船の両方を危険にさらすことがある。 USSGreenvilleおよびUSSJacksonville潜水艦に関係する事故によって明らかなように、受動ソナーおよび潜水艦の潜望鏡を使用した現在のやり方では、必ずしも潜水艦／洋上船衝突を避けられるとは限らない。

浮上の準備をしているUS潜水艦内の目下の慣例は、受動ソナーを使用して存在するコンタクト(contacts)のチェックを行うことである。 もしコンタクトが潜水艦の近くに存在することが確認され、そして逆探知あるいは衝突の可能性がある場合、潜望鏡深度への浮上は行われない。 もしコンタクトが危険を伴うものではない場合、潜水艦は潜望鏡深度まで移動する。 沿岸環境で潜望鏡深度まで浮上する潜水艦にとっての主要な危険は、釣り船あるいは遊覧船のような騒音のしない洋上コンタクトである。 コンタクト(たとえばセールボート)の静粛性ゆえに、あるいは海水条件(たとえば表層)ゆえに、洋上コンタクトを発見できない場合、潜水艦がコンタクトを最初に発見するのは、明らかに、潜望鏡が海面から飛び出す瞬間となることがある。

従来技術に関し、潜水艦の３インチ逆探知ランチャーから発射されるカメラブイを製作しようとするある試みがなされた。 単一ユニットが、オリジナル非貫通マスト(NPP)デジタル潜望鏡プログラムに付加された試作品として、General Dynamicsによって造られた。 General Dynamicsによって想い描かれたシステムでは、ジャイロ安定化光学アセンブリを備えた使い捨て式の直径３インチブイを使用した。 しかしながら、この試みは不首尾に終わった。 これは、機械式画像安定化サブシステムの重量によりブイの目通り(height-of-eye)が非常に低いこと、および無変更の３インチランチャーの寸法に対するパッケージの制約のためである。 また、ビデオ信号を伝送するのに使用される非常に短い銅線つなぎは、このシステムの完全な展開を妨げた。

また従来技術に関して、潜水艦に海面に向けてカメラを設置する試みがなされた。 しかしながらこのシステムも、潜水艦の深度が一定の限界を超えた場合、海水がどんよりしている場合、曇りまたは闇の場合、あるいは海面が大きく波打っている場合には機能しない。

それゆえ本発明の目的は、配置可能なフォトニックブイ(photonic buoy)を提供することである。

本発明のさらなる目的は、敵艦による潜水艦の発見を阻止するとともに、潜水艦／洋上船衝突を抑止するようなフォトニックブイを提供することである。

本発明のさらなる目的は、潜水艦以外の環境、たとえば偵察、薬物阻止、真珠養殖場に隣接する海上商業ベンチャーモニタリング、石油プラットフォームなど、そして私有海岸監視およびモニタリング用途に関係して使用可能であるようなフォトニックブイを提供することである。

本発明のさらなる目的は、ジャイロ安定化光学アセンブリを必要とせず、したがってそれに関係した不都合によって困ることがないようなフォトニックブイを提供することである。

本発明のさらなる目的は、水平線のパノラマ視界が得られるようなフォトニックブイを提供することである。

本発明のさらなる目的は、水平線の安定した合成画像が得られるようなフォトニックブイシステムを提供することである。

本発明のさらなる目的は、フォトニックブイを配置したときでさえ、潜水艦を自由に移動させることが可能な、非常に長い伝送ケーブルつなぎを備えたフォトニックブイシステムを提供することである。

本発明のさらなる目的は、潜水艦が海面下、かなりの深度にあるときでさえ配置可能なフォトニックブイを提供することである。

本発明のさらなる目的は、海水がどんよりしている場合でさえも、曇りまたは闇の場合でも、そして海面が大きく波打っている場合でさえも、認識可能な水平線のパノラマ視界が得られるフォトニックブイを提供することである。

本発明は、水平線のパノラマ視界を示す安定した合成画像を、標準的なランチャーから発射されるよう構成され、かつ、水線上にて光学ベンチ(bench)を維持するバラストを含む長尺なブイの上端部に光学ベンチを配備することにより、高価なジャイロ安定化光学アセンブリを使用せずに提供可能とすることの実現に由来する。 光学ベンチは、円錐ミラーあるいは円錐プリズムのようなパノラマ光学要素に向けられた、垂直に配置された撮像器を含む。 ブイは回転し、小刻みに上下に動き、海中に没したり、海中から現れたりするが、潜水艦内あるいはその他の場所に配置された遠隔ワークステーションは、全てのモーションアーチファクト(artifacts)を補償し、静止フレーム画像を捉え、そして安定した合成画像を完成させるよう構成されている。 発見した洋上船の方位は、ブイ内部のフラックスゲートコンパスによって得られる。

本発明は、水線の下に存在するバラスト部と、水線の上に配置された上端部とを含む長尺な殻体と、水平線のパノラマ視界を提供するよう構成された、殻体の上端部に存在する光学ベンチと、ビデオ信号を伝送するため光学ベンチから遠隔位置まで延びる伝送ケーブルと、を具備してなるフォトニックブイを特徴とする。

ある例では、光学ベンチは、殻体の上端部内の、透明壁によって取り囲まれた円錐ミラーと、この円錐ミラーに向けて垂直に配置された撮像器とを含む。 他の例では、光学ベンチは、殻体の上端に対してシールされた円錐プリズムと、殻体内でこの円錐プリズムに向けて垂直に配置された撮像器とを具備する。 いずれの場合も、撮像器は一般にCCDカメラおよび／または赤外線カメラである。

普通、フォトニックブイは、殻体内にブイの姿勢を検出するセンサーをさらに含む。 また伝送ケーブルは、一般に光ファイバーを含むとともに、ブイ内部には撮像器に応対するコンバーターが存在し、このコンバーターは、画像データを伝送ケーブルにおける光ファイバーを介して伝送するため光データに変換する。

フォトニックブイは自沈プラグを含んでいてもよい。 フォトニックブイの殻体は、好ましくは、潜水艦のランチャーに適合した直径を有する。 バラスト部は、その内部に配置された重り、および伝送ケーブルのスプールをも含む。

本発明のシステムは、水線の下に存在するバラスト部と水線の上に配置された上端部と含む長尺な殻体と、水平線のパノラマ視界を提供するよう構成された、殻体における上端部に存在する光学ベンチとを備えたブイを特徴とする。 このためのシステムは、光学ベンチに応対するとともに、ディスプレイと、このディスプレイに水平線の合成画像を提供するための画像安定化回路とを含む、殻体から離れて存在するワークステーションと、ブイとワークステーションとを相互連結する伝送ケーブルとを含む。

ある実施形態では、殻体のバラスト部は、伝送ケーブルの第１スプールを含むとともに、ワークステーションは、伝送ケーブルの第２スプールを含む潜水艦内に設置される。 一般に画像安定化回路は、フレーム率画像処理ソフトウエアおよびハードウエアを含む。

このシステムのフォトニックブイは、通常、殻体内に垂直に配置された撮像器と、水平線のパノラマ視界を、垂直に配置された撮像器に導くよう構成された、殻体における上端部に存在する光学要素とを含む。 ある例では、この光学要素は円錐ミラーである。 他の例では、この光学要素は円錐プリズムである。

当業者は、以下の好ましい実施形態の説明および添付図面から、他の目的、特徴および利点に想到するであろう。

図1に示すように、潜水艦１０が浮上する際、それは、潜水艦１０およびこの潜水艦１０に近接する洋上船を損傷させ、あるいは潜水艦１０および／または洋上船の搭乗者の気分を悪くさせ、傷害を与え、あるいは死亡させるような、かなり激烈な出来事となり得る。

上記背景技術の部分に関して、そうした衝突阻止および／または潜水艦１０の発見抑止を試みた従来技術は、その大部分が失敗してしまった。

本発明においては、図２の潜水艦１０が潜望鏡深度に達する遥か以前に、長さ４〜６'のブイ１２が潜水艦１０のランチャー１４から、通常は信号弾および使い捨て式バシサーモグラフ(XBTs)の発射に一般に使用される３インチ逆探知ランチャーから配置される。 潜水艦１０は、攻撃級あるいはトライデント級潜水艦であってもよい。 ブイ１２は、ランチャーのブリーチ(breech)ドアを経て延び、かつブイ１２と潜水艦１０内のワークステーション１８とを相互連結する、以下で説明されるケーブル１６を介して潜水艦１０につながれている。

使い捨て式のフォトニックブイ１２の配置は、このブイを潜水艦に存在している逆探知ランチャー１４内に装填することから始まる。 ブイを画像ワークステーション１８に接続するのに使用される光ファイバーケーブル１６は、ランチャーのブリーチドアを経て供給されるとともに、画像ワークステーション１８に接続される。 発射に続いて使い捨て式フォトニックブイ１２は、光ファイバーケーブルを繰り出している間、海面へと浮上する。 いったんブイが海面に到達してしまうと、ブイ１２内のカメラによって捉えられたパノラマ画像(洋上船２０を含む)が、光ファイバーケーブルを介して画像ワークステーション１８に伝送される。 画像ワークステーション１８を用いることにより、オペレーターはビデオ画像を監視し、静止フレーム画像を捉え、そして２２で示すコンタクトをマークすることが可能である。 北に対するビデオ画像の方位は、内部のフラックスゲートコンパスを用いて決定される。 ブイを使用している間、ランチャー１４内に残る光ファイバーケーブルのスプールからケーブルを繰り出している限りは、潜水艦１０は自由に移動できる。 フォトニックブイ１２の処分は、溶解プラグの使用により、オペレーターが選択可能な期間の末期に、ブイを自沈させることによってなされる。

したがって図３のフォトニックブイ１２は、たとえば２００フィートの発射深度において２００psiの圧力に耐えることが可能な、アルミニウム製で長尺な円筒形の長さ４'の殻体３０を含む。 殻体３０は二つの区画あるいは部分、すなわち水線３４の下に存在するバラスト部３２と水線３４の１ ^１ / _２ 〜２'上に配置された上端部３６とに分割されている。 ブイ１２は上端部３６に、図示のとおり一般に水平線の上側４０°までの、かつその下側２０°までの、４０で示される水平線のパノラマ視界を提供するよう構成された光学ベンチ３８を含む。 伝送ケーブル１６は、潜水艦１０内にある図２のワークステーション１８のような遠隔位置へビデオ信号を伝送する。 しかしながら他の実施形態においては、図３のブイ１２を固定するとともに、監視目的およびブイ１２に送信機などを設けることによって達成される遠隔通信のために使用することが可能である。 応用例には、繊細な海上環境(たとえばサンゴ礁、絶滅危惧種生息地など)の監視、薬物阻止、真珠養殖場および石油プラットフォームのような海上商業ベンチャーの監視、そして私有海岸所有地の監視が含まれる。 フォトニックブイは、音響および無線周波センサーのような他のタイプの公知のセンサーを含んでいてもよく、ワークステーション１８に通信チャンネルを提供するため衛星上り回線を含んでいてもよく、そしてこれによって鑑定および告発目的の写真撮影による証拠を提供するため連続的な写真撮影による監視を行うようプログラムすることができる。

図３の光学ベンチ３８および図４の光学ベンチ３８'は、撮像器に水平線のパノラマ視界を導くよう構成された光学要素を含む。 ある実施形態では、図３の光学ベンチ３８は、ブイ１２の上端部３６内にあって、透明ガラスシリンダー壁５４によって取り囲まれ、かつ、それに対してシールされた４５°円錐ミラー５０を含む。 円錐ミラー５０は直径１０mmで、かつ、 ^１ / _８波長(wave)アルミニウム被覆が施されていてもよい。 垂直に配置された撮像器５６(たとえば単一基盤(single board)カラービデオCCDカメラ、NTSCフォーマット７６８×４９４解像度)が円錐ミラー５２に向けられている。 いくつかの実施形態では、撮像器５６は夜間監視用の赤外線カメラでもよく、あるいは二つのカメラ、すなわちCCDビデオカメラと、さらに赤外線カメラとを使用してもよい。

他の実施形態では、ブイ１２'における図４の光学ベンチ３８'は、図示するように殻体３０'の上端に対してシールされた円錐プリズム６０を含み、したがってブイ１２'の殻体には透明シリンダー部が必要とされない。

両実施形態では、本発明のフォトニックブイに関係する他の主要構成要素は同一あるいは類似しており、それゆえ図３および図４では同じ符合を使用する。

殻体３０内のセンサー７０、これは一般にフラックスゲートコンパスであるが、このセンサー７０は、北に対するビデオ画像の方位情報を、７２で示すように、伝送ケーブル１４を介して図２のワークステーション１８に提供するためブイ１２の姿勢を検出する。 好ましい実施形態では、ケーブル１４は光ファイバーを含み、したがって図３および図４のブイは、カメラ５６によって捉えた画像データを、８２で示すようにコンバーター８０に接続されたケーブル１４内の光ファイバーを介して伝送される光データに変換するコンバーター８０を含む。 ある例では、コンバーター８０は、“FiberPath”という商品名でBlackbox Corporationから入手可能な、NTSCからファイバーへの(NTSC to fiber)エンコーダー／デコーダーである。

電源９０(たとえば１２ボルトバッテリー)は、コンバーター８２、コンパス７０およびカメラ５６に電力を供給する。

ブイ１２のバラスト部３２は一般に、隔壁９４の下方に配置された重り９０およびケーブルスプール９２を含む。 自沈プラグ９６は、水中で所定時限後、溶解あるいは侵食され、したがって殻体部３２は海水で満たされ、そしてブイ１２は沈む。

図５のワークステーション１８は、ディスプレイ１００と、図３の円錐ミラー５２を経て、あるいは図４の円錐プリズム６０を経て、あるいはカメラ５６に水平線のパノラマ視界を導くよう構成された他の好適な光学要素を経て、図３、図４のカメラ５６によって撮像された水平線の一つ以上の合成画像１０２,１０４および１０６を表示するための画像安定化回路とを具備する。 この画像安定化回路は普通、フレーム捕捉およびフレーム率画像処理(８×８重畳(convolution)、フレーム平均およびLUT操作)を支援するDataCube(Danvers,MA)MAX PCI盤セット(INTEL/PCI)のような、フレーム率画像処理ソフトウエアおよびハードウエアを含む。 各画像に関して、船２０(図２参照)は、海面が波打っているときでさえ、安定した合成画像を完成させるワークステーション１８によるピクセルモザイク(pixel mosaic)ソフトウエア操作を使用することにより安定した様態で示される。 波によるブイのモーションアーチファクト補償はまた、ブイが波の頂点(観察可能な範囲を増大させるため、水線上の、図３、図４の光学ベンチ３８の高さをさらに押し上げるのが特徴)に位置している間に、静止フレーム画像を捉えることにより達成される。

ブイ１２はそれ自体、一般に、複雑で、高価で、そして従来技術においては効果のないジャイロ安定化光学アセンブリを含んでいない。 代わりに、図５のワークステーション１８は、ブイに存在するカメラによって、ビデオ信号出力に関する波の動きによる影響を克服する。

さらに、図３、図４のフラックスゲートコンパス７０の使用は、ピクセルスペースによって計測される各コンタクトの方位を決定する、図５のワークステーション１８に方位情報を提供する。

図５はまた、ブイを発射した後に潜水艦が動くとき、伝送ケーブル１６を繰り出すための、ランチャー１４内に配置されたスプール１２０を示している。 ランチャー１４は標準的な３インチランチャーとして描写されており、したがってブイ１２は一般に直径３インチ以下で、かつ長さ４'であるが、他のランチャーを使用することもでき、しかも／あるいはランチャー１４に、より長い、長さ６'のブイの使用を可能にするブリーチドアアダプターを取り付けることができる。 ブイ１２に存在する図３、図４のスプール９２は、通常、２００'超の伝送ケーブルを含み、一方、図５のスプール１２０は１ ^１ / _２マイルまでの長さの伝送ケーブルを含む。

カメラ型ブイを製造しようと試みた従来技術に比べると、図３、図４のブイ１２内にはジャイロ安定化光学機器が必要とされず、しかも図３、図４の光学ベンチ３８それ自体は、水平線のパノラマ視界を捉えるため水線上のより高い位置にあり、そして画像安定化は図５のワークステーション１８によってなされる。 光学通信を使用することにより、伝送ケーブル１６は、従来技術にて提案された短い銅線つなぎに比べて非常に長くすることができる。

図３の円錐ミラー５２(あるいは図４のプリズム６０)を使用することで、可動式構成要素を使用せずに、水平線のパノラマ視界が提供される。 図３の画像ワークステーション１８を使用することにより生成画像を、水平線全体を、１０６で示す平面図の周囲を「上」として表す未加工の形態(環状面として)で、あるいは、１０２および１０４で示されるような、現存する潜水艦の潜望鏡によって表示される画像をエミュレート(emulate)するよう垂直方向に調整された画像を使用者に提供するべく処理して見ることを可能にする。 本質的に静止フレーム画像の画像捕捉デバイスとして図３、図４のカメラ５６を使用したことにより、水線上の目通り(光学ベンチ３８の高さ)を得るのに、波の動きが都合よく利用される。 以前に開発されたフォトニックスマスト(photonics mast)ワークステーションソフトウエアの再利用によって支援されるフレーム率画像処理は、都合よくワークステーション１８に備わっている。

いったんブイ１２が海面に浮上すると、ブイのおおよそ２〜３フィートが露出することになる。 これは、初期安全偵察に使用された場合、現存する潜望鏡の典型的な出現に見える。 トロール船(６５フィートのマストヘッド高を有する)の探知範囲は５海里の範囲内である。 １００フィートのマストヘッド高を有する大きな面積のコンタクトは、１０海里以上離れていても探知可能である。

この方法によれば、図２ないし図４のフォトニックブイは、衝突および敵艦による潜水艦の発見をも抑止する。 ジャイロ安定化光学アセンブリは画像安定化のために必要がなく、しかもブイシステムはやはり使用者に、水平線のパノラマ視界を安定化した画像を提供する。 長い伝送ケーブルつなぎは、フォトニックブイが配置されたときでさえ、潜水艦が自由に移動することを可能とし、しかも潜水艦が海面下、かなりの深度にあるときでさえ、フォトニックブイの配置を可能とする。

水平線のパノラマ視界を示す安定した合成画像は、高価なジャイロ安定化光学アセンブリを使用しなくとも得られる。 代わりに、ブイの上端部に存在する光学ベンチは、パノラマ光学要素に向けて垂直に配置された、円錐ミラーあるいは円錐プリズムのような撮像器を含む。 ブイは回転し、小刻みに上下に動き、波の中に没したり、波の中から現れたりする。 しかしながら潜水艦内あるいはその他の場所に配置された遠隔ワークステーションは、全てのモーションアーチファクトを補償し、静止フレーム画像を捉え、そして安定した合成画像を完成させるよう構成されている。 発見された洋上船の方位は、ブイのフラックスゲートコンパスによって得られる。

本発明の具体的特徴については、他でもない、ある図面に示されているが、これは、各特徴が、本発明による他の特徴のいくつかと、あるいはその全てと組み合わせが可能であるゆえの単に便宜的なものである。 ここで用いた「〜を含む(including)」、「〜を具備してなる(comprising)」、「〜を有する(having)」および「〜を備える(with)」という用語は、大まかに、かつ包括的に解釈されるべきであり、いかなる物理的な相互連結にも限定されない。 さらに、本出願において開示した実施形態は、ただ一つの可能な実施形態として受け取るべきではない。

当業者は他の実施形態に想到するであろうし、しかもそれは請求範囲に包含される。

海面に飛び出した潜水艦を示す概略図である。

本発明のフォトニックブイシステムに関係する主要な構成要素を示す概略図である。

本発明の一つの実施形態による、図２に示すフォトニックブイに関係する主要な構成要素を示す概略図である。

本発明の他の実施形態に従った、図２に示すフォトニックブイに関係する主要な構成要素を示す概略図である。

本発明のフォトニックブイシステムに関係する主要な構成要素を示す他の概略図であり、特に本発明のシステムによって提供された、異なるモーションアーチファクト補償画像を示す。

符号の説明

１０ 潜水艦 １２,１２' ブイ １４ ランチャー １６ ケーブル １８ ワークステーション ２０ 海上船 ２２ コンタクト ３０,３０' 殻体 ３２ バラスト部 ３４ 水線 ３６ 上端部 ３８,３８' 光学ベンチ ４０ 水平線のパノラマ視界 ５０ 円錐ミラー ５４ 透明ガラスシリンダー壁 ５６ 撮像器 ６０ 円錐プリズム ７０ センサー(フラックスゲートコンパス)
８０ コンバーター ９０ 重り ９２ ケーブルスプール ９４ 隔壁 ９６ 自沈プラグ １００ ディスプレイ １０２,１０４,１０６ 合成画像 １２０ スプール