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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024105971
(43)【公開日】2024-08-07
(54)【発明の名称】無線通信システム及び無線通信方法
(51)【国際特許分類】
H04B 13/02 20060101AFI20240731BHJP
【ＦＩ】
H04B13/02
【審査請求】有
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023009996
(22)【出願日】2023-01-26
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業大学発新産業創出プログラム「大学・エコシステム推進型 大学推進型」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】899000068
【氏名又は名称】学校法人早稲田大学
(74)【代理人】
【識別番号】110002675
【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】川原田 洋
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 弘隆
(72)【発明者】
【氏名】野本 玲於奈
(72)【発明者】
【氏名】正留 康太
(57)【要約】
【課題】塩水においてデータを送受信可能な無線通信システム及び無線通信方法を提供する。
【解決手段】無線通信システム１が、電気伝導の媒体となる塩水から構成され、該塩水が電気的にフローティング状態にある伝導路３０と、塩水の中に配置される送信電極１１と、送信電極１１に接続されて電気信号を送信電極１１に出力する出力部１２を備える送信装置１０と、塩水の中に配置されて送信電極１１から塩水の中を伝わる電気信号を受信する受信電極２１と、受信電極２１から入力された電気信号を処理する処理部２２とを備える受信装置２０と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】無線通信システム１が、電気伝導の媒体となる塩水から構成され、該塩水が電気的にフローティング状態にある伝導路３０と、塩水の中に配置される送信電極１１と、送信電極１１に接続されて電気信号を送信電極１１に出力する出力部１２を備える送信装置１０と、塩水の中に配置されて送信電極１１から塩水の中を伝わる電気信号を受信する受信電極２１と、受信電極２１から入力された電気信号を処理する処理部２２とを備える受信装置２０と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気伝導の媒体となる塩水から構成され、該塩水が電気的にフローティング状態にある伝導路と、
前記塩水の中に配置される送信電極と、前記送信電極に接続されて電気信号を前記送信電極に出力する出力部を備える送信装置と、
前記塩水の中に配置されて前記送信電極から前記塩水の中を伝わる電気信号を受信する受信電極と、前記受信電極から入力された電気信号を処理する処理部とを備える受信装置と、
を備える、無線通信システム。
前記塩水の中に配置される送信電極と、前記送信電極に接続されて電気信号を前記送信電極に出力する出力部を備える送信装置と、
前記塩水の中に配置されて前記送信電極から前記塩水の中を伝わる電気信号を受信する受信電極と、前記受信電極から入力された電気信号を処理する処理部とを備える受信装置と、
を備える、無線通信システム。
【請求項2】
前記受信電極と前記処理部との間に接続されたインダクタンスを有する、請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項3】
前記インダクタンスに並列接続されたキャパシタンスを有する、請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項4】
前記出力部は、一定の振幅で周波数を変化させて前記電気信号を前記送信電極に出力する、請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項5】
前記送信装置は、前記塩水の中を移動するロボットに取り付けられる、請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項6】
電気伝導の媒体となる塩水を保持しつつ、該塩水が電気的にフローティング状態を有する伝導路の中に、送信電極及び受信電極を設けておき、
複数の周波数で前記送信電極から電気信号を出力し、前記伝導路の中を伝わる電気信号を前記受信電極で受信して、受信した受信信号について周波数解析することにより、データを送受信する際に使用する周波数を求め、
求めた前記周波数での交番電圧をキャリア波としデータ信号により変調して前記送信電極から出力し、前記伝導路の中を伝わる電気信号を前記受信電極で受信して、受信した受信信号について復調をすることにより、前記データ信号を送受信する、無線通信方法。
複数の周波数で前記送信電極から電気信号を出力し、前記伝導路の中を伝わる電気信号を前記受信電極で受信して、受信した受信信号について周波数解析することにより、データを送受信する際に使用する周波数を求め、
求めた前記周波数での交番電圧をキャリア波としデータ信号により変調して前記送信電極から出力し、前記伝導路の中を伝わる電気信号を前記受信電極で受信して、受信した受信信号について復調をすることにより、前記データ信号を送受信する、無線通信方法。
【請求項7】
前記受信信号は、インダクタンスを介在して処理する、請求項６に記載の無線通信方法。
【請求項8】
前記キャリア波が０．１ＭＨｚ以上数十ＭＨｚ以下の周波数の範囲の一定の周波数を有する、請求項６又は７に記載の無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、無線通信システム及び無線通信方法に関する。
【背景技術】
【0002】
水中無線通信においては、超音波、可視光又は電波が使用されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
水中における超音波による通信には通信速度の制限があり、水中における可視光による通信には可視光の送受信ができない場合が多く、水中における電波による通信では導電率による大きな吸収減衰から比較的長距離の通信ができないという課題がある。
【0004】
そこで、本発明では、塩水においてデータを送受信可能な無線通信システム及び無線通信方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
前記目的を達成するために、本発明は以下のコンセプトを有する。
【0006】
本発明における無線通信システムは、電気伝導の媒体となる塩水から構成され、該塩水が電気的にフローティング状態にある伝導路と、前記塩水の中に配置される送信電極と、前記送信電極に接続されて電気信号を前記送信電極に出力する出力部を備える送信装置と、前記塩水の中に配置されて前記送信電極から前記塩水の中を伝わる電気信号を受信する受信電極と、前記受信電極から入力された電気信号を処理する処理部とを備える受信装置と、を備える。
【0007】
本発明における無線通信システムは、好ましくは、前記受信電極と前記処理部との間に接続されたインダクタンスを有する。好ましくは、前記インダクタンスに並列接続されたキャパシタンスを有する。好ましくは、前記出力部は、一定の振幅で周波数を変化させて前記電気信号を前記送信電極に出力する。好ましくは、前記送信装置は、前記塩水の中を移動するロボットに取り付けられる。
【0008】
本発明における無線通信方法は、電気伝導の媒体となる塩水を保持しつつ、該塩水が電気的にフローティング状態を有する伝導路の中に、送信電極及び受信電極を設けておき、複数の周波数で前記送信電極から電気信号を出力し、前記伝導路の中を伝わる電気信号を前記受信電極で受信して、受信した受信信号について周波数解析することにより、データを送受信する際に使用する周波数を求め、求めた前記周波数で交番電圧をキャリア波としてデータ信号により変調して前記送信電極から出力し、前記伝導路の中を伝わる電気信号を前記受信電極で受信して、受信した受信信号について復調をすることにより、前記データ信号を送受信する。
【0009】
本発明における無線通信方法において、好ましくは、前記受信信号は、インダクタンスを介在して処理する。好ましくは、前記キャリア波が０．１ＭＨｚ以上数十ＭＨｚ以下の周波数の範囲の一定の周波数を有する。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、塩水からなる電気伝導の媒体によりデータを送受信可能な無線通信システム及び無線通信方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図5】図５Ａ及び図５Ｂは、実証実験において伝導路として使用した第１塩水プールの平面図及び断面図であり、図５Ｃ及び図５Ｄは。実証実験において伝導路として使用した第２塩水プールの平面図及び断面図である。
【図10A】図１０Ａは、送信電圧の振幅５Ｖの場合における、受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋの送信電極と受信電極との間の距離依存性のうち、周波数１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、５ＭＨｚの周波数成分に係る結果を示す図である。
【図10B】図１０Ｂは、送信電圧の振幅５Ｖの場合における、受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋの送信電極と受信電極との間の距離依存性のうち、周波数１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１０ＭＨｚでの周波数成分に係る結果を示す図である。
【図11A】図１１Ａは、送信電圧の振幅１５Ｖの場合における、受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋの送信電極と受信電極との間の距離依存性のうち、周波数５００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚでの周波数成分に係る結果を示す図である。
【図11B】図１１Ｂは、送信電圧の振幅１５Ｖの場合における、受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋの送信電極と受信電極との間の距離依存性のうち、周波数１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、５ＭＨｚ、１０ＭＨｚでの周波数成分に係る結果を示す図である。
【図14】図１４は、伝導路を第２プールとし、電極間電極を１５ｍとし、振幅５０Ｖの電気信号を送信した際の、受信電圧を計測する際に計測器と受信電極との間にインダクタンス１００μＨの接続の有無における受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
【0013】
図１は、本発明の実施形態に係る無線通信システムの概略図である。本発明の実施形態に係る無線通信システム１は、送信装置１０と、受信装置２０と、伝導路３０と、を備える。
【0014】
送信装置１０は、送信電極１１と出力部１２を有する。送信電極１１は、ロッド状の金属棒、板状の金属片などから選択される。出力部１２は、送信電極１１に電気的に接続され、電気信号を送信電極１１に出力し、送信電極１１から伝導路３０としての塩水の中に電気信号を出力する。
【0015】
受信装置２０は、受信電極２１と処理部２２を備える。受信電極２１は、ロッド状の金属棒、板状の金属片などから選択される。受信電極２１は、送信電極１１と同様の寸法、素材で構成されることが好ましい。送信装置１０と受信装置２０との間で電極同士が電気的に対称となるからである。処理部２２は、受信電極２１に電気的に接続され、受信電極２１で受信した信号を処理する。
【0016】
伝導路３０は、電気伝導の媒体となる塩水から構成されている。伝導路３０中に送信電極１１と受信電極２１とが離れて設けられている。送信電極１１及び受信電極２１の何れか又は双方は移動せずに固定されている場合だけはなく、水中ロボットなどに搭載されて伝導路３０内を移動してもよい。
【0017】
伝導路３０は、塩水が電気的にフローティング状態にある。ここでの「フローティング状態」とは、送信電極１１から受信電極２１への電気信号の送受信を妨げるような構成を採用していないという意味である。詳細については後述する。
【0018】
このような無線通信システム１によれば、送信装置１０が送信電極１１から電気信号を出力すると、当該電気信号が伝導路３０の塩水を伝わり、受信装置２０が受信電極２１により電気信号を受信し、処理部２２により受信信号を処理することができる。
【0019】
図２Ａは、図１に示す無線通信システムが適用される場面の概略を示す図であり、図２Ｂは、図１に示す無線通信システムが適用されない場面の概略を示す図である。各図において右側に海２との関係を模式的に示しており、左側に伝導路３０としての塩水プールの平面視を模式的に示す。
【0020】
本発明の実施形態に係る無線通信システム１が適用される場面を説明する。例えば図２Ａに示すように、伝導路３０としての塩水プールが臨海地域に設けられている。塩水プールは、海２とは物理的に繋がっていない。塩水プールの一端に送信電極１１を配置し、塩水プールの他端に受信電極２１を配置する。塩水プールは、３％前後のＮａＣｌが溶解している。送信電極１１から出力された電気信号は、塩水中を伝わって受信電極２１に伝わる。
【0021】
一方、本発明の実施形態に係る無線通信システム１が適用されない場面を説明する。図２Ｂに示すように、図２Ａとは異なり、塩水プール３０Ａが海２と物理的に繋がっている。つまり、塩水プール３０Ａ中の塩水が、トンネル３を経由して海２と繋がっている。図２Ａと同様に、塩水プール３０Ａに送信電極１１と受信電極２１とを距離をおいて配置しても、送信電極１１から出力された電気信号は、抵抗率の少ない経路を伝わるため、受信電極２１に伝わりにくい。ここで「伝わりにくい」というのは、送信電極１１と受信電極２１との距離、送信電極１１から出力される電気信号に係る電圧の大きさ、送信電極１１、受信電極２１から海２までの距離にも依存するためであり、「伝わらない」を含む意味である。
【0022】
図２Ｂと異なり、図２Ａのように、伝導路３０が、電気伝導の媒体となる塩水から構成され、該塩水が海２とは物理的につながっておらず電気的にフローティング状態にあれば、送信電極１１から受信電極２１まで電気信号が塩水の媒体により電気伝導し得るからである。
【0023】
【0024】
送信装置１０において、出力部１２は、例えば、或る周波数の電圧信号を出力すると共に、その周波数を或る周波数範囲で可変し、掃引することができる。また、出力部１２は、前述の或る周波数範囲のうち特定の周波数に係る交番電圧をキャリア波としてデータ信号により変調して出力する。つまり、特定の周波数の交番電圧をキャリア波として、データ信号により変調して出力する。データ信号は、例えば、送信装置１０に接続された各種センサー（イメージセンサなど）から入力された、計測データとしての画像データなどが挙げられる。
【0025】
一方、受信装置２０において、受信電極２１からの電気信号を処理する処理部２２を備えており、図３Ａに示すように、受信電極２１と処理部２２との間に、インダクタンスＬを備えていることが好ましい。これは、処理部２２内の検出部２２ｂ内のキャパシタンスＣ０とインダクタンスＬとで並列の共振回路２２ａとなり、受信電極２１からの電気信号を感度よく受信することができるからである。この際、受信電極２１と検出部２２ｂとの配線によるインダクタンス成分やキャパシタンス成分を含めて共振回路２２ａとすることが望ましい。
【0026】
また、図３Ｂに示すように、受信電極２１と処理部２２との間に、インダクタンスＬとキャパシタンスＣとを並列に接続したＬＣ回路を介在し、このＬＣ回路と検出部２２ｂ内のキャパシタンスＣ０とにより共振回路２２ａを構成してもよい。インダクタンスＬ、キャパシタンスＣの何れか一方又は双方を可変とすることにより、伝導路３０の導電率等の影響を加味して、受信電極２１からの電気信号を感度よく受信することができるからである。なお、インダクタンスＬとキャパシタンスＣとを直列に接続したＬＣ回路を介在してもよい。
【0027】
ＬＣ回路は、より好ましくは、キャパシタンスＣが可変である。μＨの単位のインダクタンスＬの調整よりもキャパシタンスＣを可変にする方が調整しやすいためである。ここで、処理部２２の検出部２２ｂにおける検出信号の振幅が大きくなるように、キャパシタンスＣを所定の範囲で自動調整としてもよい。
【0028】
処理部２２は、検出部２２ｂと、検出部２２ｂで検出した信号を処理する信号処理部（図示せず）とを備える。信号処理部は、第１の処理として、送信装置１０において周波数を変化させた場合に、検出部２２ｂで検出した信号の周波数解析を行い、或る閾値以上の強度を有する周波数帯域を決める。第２の処理として、送信装置１０において第１の処理で決められた周波数に係るキャリア波（搬送波）をデータ信号により変調して送信された信号を受信する場合、検出部２２ｂで検出した信号を所謂復調してデータ信号として出力する。
【0029】
次に、本発明の実施形態に係る無線通信システムを用いた無線通信方法について詳細に説明する。
【0030】
ＳＴＥＰ１として、電気伝導の媒体となる塩水の伝導路３０中に送信電極１１と受信電極２１を設ける。その際、伝導路３０は、電気的にフローティング状態を有している。送信電極１１と受信電極２１は、信号を送受信する部分が塩水中にあればよく、信号を送受信し難い又はしない部分が塩水中にない場合であってもよい。
【0031】
ＳＴＥＰ２として、送信電極１１から異なる周波数の電圧信号を電気信号として出力するか、又は、所定の範囲で周波数を変化させながら電圧信号を電気信号として出力するかして、塩水を伝わる電気信号を受信電極２１により受信する。
【0032】
ＳＴＥＰ３として、ＳＴＥＰ２において受信電極２１により受信した電気信号について周波数解析を行う。具体的には、受信した電気信号のうち電圧信号が高い周波数成分を求める。これにより、データを送受信する際に使用する周波数を求める。
【0033】
ＳＴＥＰ４として、ＳＴＥＰ３で求めた周波数に係る交番電圧をキャリア波としてデータ信号により変調して、送信電極１１から出力する。受信電極２１において、伝導路３０の中を伝わる電気信号を受信し、受信した受信信号について復調する。これにより、データ信号を送受信することができる。
【0034】
次に、実証実験について説明する。図４は実証実験で用いた無線通信システム１の送信装置１０と受信装置２０の概略を示す図である。図１及び図３に示すコンポーネントと同一又は対応しているものには同一の符号を付して説明を省略する。
【0035】
送信装置１０は、出力部１２としてファンクションジェネレータ１２ａ、ファンクションジェネレータ１２ａに接続されるアンプ１２ｂ、及び、アンプ１２ｂに対するバッテリー１２ｃと、これらを内蔵した電気的にシールド可能な筐体１３とを備える。
【0036】
実証実験では、送信装置１０のコンポーネントから送信電極１１に例えば５０Ｖ、１０ＭＨｚの高周波電圧を印加しても、筐体１３内から外に向けて電磁波が生じないように、シールドされている。なお、筐体１３は配線コネクター１３ａが接続されており、配線コネクター１３ａにより筐体１３の内外の配線を保持する。
【0037】
送信電極１１として、直径３ｍｍ、長さ１０ｃｍのステンレス電極を用い、このステンレス電極を１ｍのアクリル製の支持板１５に取り付けた。
【0038】
受信装置２０は、受信電極２１と検出部２２ｂとして計測器とを含み、受信電極２１と検出部２２ｂとの間にインダクタンスＬを接続して構成した。その際、インダクタンスＬは、検出部２２ｂとしての計測器に並列に接続した。計測器の入力端から見たキャパシタンス（浮遊容量）は、１０ｐＦ以上２０ｐＦ以下であった。受信電極２１と検出部２２ｂとの間で、検出部２２ｂ内のキャパシタンス及びこれらを接続する配線のキャパシタンスを用いてＬＣ並列回路が設けられていることになる。
【0039】
受信電極２１として、直径３ｍｍ、長さ１０ｃｍのステンレス電極を用い、このステンレス電極を１ｍのアクリル製の支持板２５に取り付けた。
【0040】
図５Ａ及び図５Ｂは、実証実験において伝導路３０として使用した第１塩水プールの平面図及び断面図であり、図５Ｃ及び図５Ｄは。実証実験において伝導路３０として使用した第２塩水プールの平面図及び断面図である。伝導路３０として、北九州市和布刈塩水プールのうち、奥行幅Ｗｉｄｔｈ１１ｍ、左右長さＬｅｎｇｔｈ２５ｍ、水面下深さＤｅｐｔｈ０．３５ｍの第１プール（幼児用プール）と、奥行幅Ｗｉｄｔｈ１５ｍ、左右長さＬｅｎｇｔｈ２５ｍ、水面下深さＤｅｐｔｈ０．９５ｍの第２プール（２５ｍプール）を用いた。第１プールでは塩水の体積は約９０ｍ３であり、導電率σ５３．６３ｍＳ／ｃｍであった。第２プールでは塩水の体積は約３６０ｍ３であり、導電率σは第１プールと同様であった。第１プール及び第２プールの何れの塩水も、外海とはつながっておらず、電気的にフローティング状態にある。
【0041】
環境雑音を測定した。送信電極１１と受信電極２１とを第１プール中に配置し、送信電極１１から電気信号を出力しない状態で受信電極２１での受信信号を測定した。図６Ａ乃至図６Ｃは環境雑音の測定結果である。図６Ａにおいて、横軸が時間（ｔｉｍｅ［ｍｓ］）であり、縦軸が受信電圧（ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ［Ｖ］）である。図６Ｂ及び図６Ｃにおいて、横軸が周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［Ｈｚ］）であり、縦軸が２０ｌｏｇ｛受信電圧［Ｖ］／１［Ｖ］｝（ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ Ｖｐｅａｋ［ｄＢ］）である。図６Ｂ及び図６Ｃの縦軸の受信電圧はデシベル表示である。図６Ｂは図６Ｃにおける周波数０～２０００Ｈｚの拡大図である。
【0042】
図６Ａ乃至図６Ｃから、６０Ｈｚにおいて－３．６ｄＢ（６６０ｍＶ）の雑音が生じていること、１００ｋＨｚ以下の周波数帯において雑音電圧が－６０ｄＢ以上となり、１００ｋＨｚから２０ＭＨｚまでの周波数帯において平均雑音電圧振幅が－７８ｄＢ（１２０μＶ）であること、１００ｋＨｚから２０ＭＨｚまでの周波数帯における雑音電圧振幅が４．６ＭＨｚにおいて最大－６３ｄＢ（７００μＶ）であることが分かった。この雑音は、測定環境にある６０Ｈｚの商用電源によるものであることが判明した。
【0043】
このことから、１００ｋＨｚ以上２０ＭＨｚでの周波数帯での雑音電圧が、１００ｋＨｚ以下の周波数帯での雑音電圧よりも非常に小さいことが分かった。つまり、データ通信に使用することができる周波数帯域では雑音電圧が－６０ｄＢ以下であることが分かった。
【0044】
伝導路３０として第１プールを用いて、電極間距離を１ｍ～６ｍとし、振幅５Ｖの電気信号を送信した結果について説明する。送信電極１１と受信電極２１は何れも塩水面近くで塩水中に配置した。送信電極１１と受信電極２１は、第１プールの平面視で半円弧状の部分を縁部とし、当該縁部の場所Ｐ１１に送信電極１１を配置し、場所Ｐ１１から所定長離れた当該縁部の場所Ｐ１２に受信電極２１を配置した。所定長を１ｍ、２ｍ、３ｍ、４ｍ、５ｍ、６ｍと順に変化させるように場所Ｐ１１、Ｐ１２を変えた。送信電極１１から電圧振幅５Ｖで１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、５ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、５ＭＨｚ、１０ＭＨｚの周波数の電気信号として正弦波を送信し、塩水の伝導路３０を伝わる電気信号を受信電極２１で受信し、受信した電圧を測定した。測定した電圧波形を周波数解析した。
【0045】
図７は伝導３０路を第１プールとし、電極間距離を１ｍ～６ｍとし、振幅５Ｖの電気信号を送信した際の受信信号のピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果である。図７において、横軸が周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［Ｈｚ］）であり、縦軸が受信電圧のピーク値（ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ Ｖｐｅａｋ［ｄＢ］）である。Ｖｐｅａｋ［ｄＢ］は２０ｌｏｇ１０｜｛受信電圧［Ｖ］／１［Ｖ］｝｜から求めた（図１２Ａ乃至図１２Ｃを除き、以下同様。）。図７から次のことが分かった。受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋは送信電極１１と受信電極２１との距離に比較的依存することなく、周波数１ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの周波数成分は減少し、周波数１００ｋＨｚから１０ＭＨｚまでの周波数成分は５００ｋＨｚから増加して約５ＭＨｚでピークを有した（電極間距離ｄ＝４、５、６ｍを除く。）。１０ｋＨｚ以下の周波数成分は、環境雑音以下であった。
【0046】
伝導路３０として第１プールを用いて、電極間距離を６ｍ～１５ｍとし、振幅１５Ｖの電気信号の送信した結果について説明する。送信電極１１と受信電極２１は何れも塩水面近くで塩水中に配置した。送信電極１１と受信電極２１との所定長が６ｍ、８ｍでは、第１プールの平面視で半円弧状の縁部の位置に送信電極１１を配置し、その位置から所定長離れた同じ半円弧状の縁部に受信電極２１を配置した。送信電極１１と受信電極２１との所定長が１１ｍ、１５ｍでは、第１プールの平面視で直線状の縁部の位置Ｐ２１に送信電極１１を配置し、位置Ｐ２１の対岸の直線状の縁部の位置Ｐ２２に受信電極２１を配置した。１５ｍの所定長の場合は、縁部の直線に対して斜めになるようにした。送信電極１１から電圧振幅１５Ｖで１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、５ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、５ＭＨｚ、１０ＭＨｚの周波数の電気信号として正弦波を送信し、塩水の伝導路３０を伝わる電気信号を受信電極２１で受信し、受信した電圧を測定した。測定した電圧波形を周波数解析した。
【0047】
図８は伝導路３０を第１プールとし、電極間距離を６ｍ～１５ｍとし、振幅１５Ｖの電気信号を送信した際の受信信号のピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果である。図８における縦軸及び横軸は図７と同様である。図８から次のことが分かった。受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋは送信電極１１と受信電極２１との距離に比較的依存することなく、周波数１ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの周波数成分は減少し、周波数１００ｋＨｚから１０ＭＨｚまでの周波数成分は２００ｋＨｚから増加し、距離が６ｍ、８ｍでは５ＭＨｚでピークを有した。
【0048】
伝導路３０として第１プールを用いて、電極間距離を１１ｍ、１５ｍ、２５ｍとし、振幅５０Ｖの電気信号の送信結果について説明する。送信電極１１と受信電極２１は何れも塩水面近くで塩水中に配置した。送信電極１１と受信電極２１との間の距離を１１ｍ、１５ｍ、２５ｍとした。所定長が１１ｍでは、第１プールの平面視で直線状の第１の縁部の位置Ｐ２１に送信電極１１を配置し、第１の縁部と向かい合う直線状の第２の縁部の位置Ｐ２２に受信電極２１を配置した。所定長が１５ｍでは、第１プールの平面視で直線状の第１の縁部に送信電極１１を配置し、第１の縁部と向かい合う直線状の第２の縁部に第１の縁部の位置からみて斜めになるように受信電極２１を配置した。所定長が２５ｍでは、第１プールの平面視で円弧状の第１の縁部の位置Ｐ３１に送信電極１１を配置し、位置Ｐ３１と向かい合う円弧状の第２の縁部の位置Ｐ３２に受信電極２１を配置した。送信電極１１から電圧振幅５０Ｖで１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、５ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、５ＭＨｚ、１０ＭＨｚの周波数の電気信号として正弦波を送信し、塩水の伝導路を伝わる電気信号を受信電極２１で受信し、受信した電圧を測定した。測定した電圧波形を周波数解析した。
【0049】
図９は伝導路３０を第１プールとし、電極間距離１１ｍ、１５ｍ、２５ｍ、振幅５０Ｖの電気信号を送信した際の受信信号のピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果である。図９における縦軸及び横軸は図７と同様である。図９から次のことが分かった。電極間距離が１１ｍ、１５ｍでは、受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋについては、周波数１ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの周波数成分は減少し、周波数１ＭＨｚから５ＭＨｚまでの周波数成分は比較的高い。電極間距離が２５ｍでは、５ＭＨｚの周波数成分は観測できなかったが、７ＭＨｚの周波数成分はピークを有した。
【0050】
次に、図７乃至図９に示したＦＦＴのピーク値の結果から、距離による減衰傾向を求めた。図７に示すＦＦＴのピーク値の結果から、送信電極１１と受信電極２１との距離を変化させたときの受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋを求めた。図１０Ａ及び図１０Ｂは、送信電圧の振幅５Ｖの場合における、受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋ（２０ｌｏｇ｜｛受信電圧［Ｖ］／１［Ｖ］｝｜［ｄＢ］）の送信電極と受信電極との間の距離依存性を示す図であり、図１０Ａは周波数１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、５ＭＨｚの周波数成分に係る結果であり、図１０Ｂは周波数１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１０ＭＨｚでの周波数成分に係る結果である。
【0051】
図１０Ａから次のことが分かった。周波数１ＭＨｚでは減衰率－２．７ｄＢ／ｍ（Ｒ２＝０．９７７）であり、周波数２ＭＨｚでは減衰率－３．４ｄＢ／ｍ（Ｒ２＝０．９７８）であり、周波数５ＭＨｚでは減衰率－５．９ｄＢ／ｍ（Ｒ２＝０．９４２）であった。１ＭＨｚから５ＭＨｚの周波数範囲では、一定の減衰率（Ｒ２＞０．９）で距離に応じて減衰しており、周波数が増加するに従い減衰率が大きくなっていることが分かった。一方、図１０Ｂから、周波数１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１０ＭＨｚの周波数成分については受信電圧のＦＦＴピークは一定の割合で減衰していないことが分かった。
【0052】
図８に示すＦＦＴのピーク値の結果から、送信電極１１と受信電極２１との距離を変化させたときの受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋ（２０ｌｏｇ｜｛受信電圧［Ｖ］／１［Ｖ］｝｜［ｄＢ］）を求めた。図１１Ａ及び図１１Ｂは、送信電圧の振幅１５Ｖの場合における、受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋの送信電極と受信電極との間の距離依存性を示す図であり、図１１Ａは周波数５００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚでの周波数成分に係る結果であり、図１１Ｂは周波数１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、５ＭＨｚ、１０ＭＨｚでの周波数成分に係る結果である。
【0053】
図１１Ａから次のことが分かった。周波数５００ｋＨｚでは減衰率－１．５ｄＢ／ｍ（Ｒ２＝０．９２０）であり、周波数１ＭＨｚでは減衰率－２．２ｄＢ／ｍ（Ｒ２＝０．９４５）であり、周波数２ＭＨｚでは減衰率－３．２ｄＢ／ｍ（Ｒ２＝０．９０８）であった。５００ｋＨｚから２ＭＨｚの周波数範囲では、一定の減衰率（Ｒ２＞０．９）で距離に応じて減衰しており、周波数が増加するに従い減衰率が大きくなっていることが分かった。一方、図１１Ｂから、周波数１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、５ＭＨｚ、１０ＭＨｚの周波数成分については受信電圧のＦＦＴピークは一定の割合で減衰していないことが分かった。
【0054】
図１２Ａ乃至図１２Ｃは、送信信号の電圧で規格化したＶｐｅａｋ（２０ｌｏｇ｜｛受信電圧Ｖｏｕｔ［Ｖ］／送信電圧Ｖｉｎ［Ｖ］｝｜［ｄＢ］）の送信電極１１と受信電極２１との間の距離依存性を示す図であり、図１２Ａは周波数１ＭＨｚでの電気信号に係る結果であり、図１２Ｂは周波数２ＭＨｚでの電気信号に係る結果であり、図１２Ｃは周波数５ＭＨｚでの電気信号に係る結果である。図１２Ａ乃至図１２Ｃから、送信電極１１と受信電極２１との距離が増加するに従い、減衰係数α［ｄＢ／ｍ］が減少することが分かった。減衰係数αは周波数に依存することも分かった。減衰係数αは減衰率と同じである。
【0055】
本実証実験によれば、減衰係数は、１ＭＨｚでは２．０ｄＢ／ｍ～２．７ｄＢ／ｍであり、２ＭＨｚでは２．０ｄＢ／ｍ～３．４ｄＢ／ｍであり、５ＭＨｚでは１．１ｄＢ／ｍ～５．９ｄＢ／ｍであった。周波数１０ｋＨｚ～１５ｋＨｚの超音波では減衰係数が０．１ｄＢ／ｍ～４ｄＢ／ｍであり、周波数ＭＨｚ帯域のＲＦでは３．５ｄＢ／ｍ～５ｄＢであることが知られている。本実証実験での減衰係数は、データ送受信の際に使用するキャリア波としては十分であることが分かった。
【0056】
第２プールにおいて、電極間距離を１５ｍ、２５ｍとし、振幅５０Ｖの電気信号の送信結果について説明する。第２プールを伝導路３０として用いた。送信電極１１と受信電極２１は何れも塩水面近くで塩水中に配置した。送信電極１１と受信電極２１との間の距離が１５ｍでは、第２プールの平面視で直線状の縁部の位置Ｐ４１に送信電極１１を配置し、位置Ｐ４１に向かい合う直線状の縁部の位置Ｐ４２に受信電極２１を配置した。送信電極１１と受信電極２１との間の距離が２５ｍでは、第２プールの平面視で直線状の縁部の位置Ｐ５１に送信電極１１を配置し、位置Ｐ５１に向かい合う直線状の縁部の位置Ｐ５２に受信電極２１を配置した。送信電極１１から電圧振幅５０Ｖで１ｋＨｚから１０ＭＨｚまで２０秒でスイープさせ、或いは、１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、５ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、５ＭＨｚ、１０ＭＨｚと周波数を変化させて、電気信号として正弦波を送信し、塩水の伝導路３０を伝わる電気信号を受信電極２１で受信し、受信した電圧を測定した。測定した電圧波形を周波数解析した。
【0057】
図１３Ａは伝導路３０を第２プールとし、電極間距離を１５ｍとし、振幅５０Ｖの電気信号を送信した際の受信信号のピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果である。第１プールにおいて送信電極と受信電極との距離が１５ｍとしたときの受信信号のピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果も併せて示してある。縦軸及び横軸は図７と同様である。図１３Ａから、第１プール、第２プールの何れにおいても、受信電圧のピーク値は約１００ｋＨｚまでは減少し、その後、ほぼ一定若しくは増加していることが分かった。
【0058】
図１３Ｂは、第２プールにおいて電極間距離を２５ｍとし、振幅５０Ｖの電気信号を送信した際の受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果である。第１プールにおいて送信電極と受信電極との距離が２５ｍとしたときの受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果も併せて示してある。縦軸及び横軸は図７と同様である。図１３Ｂから、第１プールの場合と比べて、１００ｋＨｚ以上５ＭＨｚ以下の受信電圧のピーク値が高いことが分かった。また、第２プールにおいて、受信電圧のピーク値は約１００ｋＨｚ以上約５００ｋＨｚでは約４０ｄＢ程度であり、５ＭＨｚ前後でピークとなる。
【0059】
次に、第２プールにおいて、電極間距離を１５ｍ、２５ｍとし、振幅５０Ｖの電気信号を送信し、受信装置２０において、受信電極２１と計測器との間に、インダクタンスを介在させて計測した結果について説明する。計測器自体のキャパシタンスは１０ｐＦ～２０ｐＦであり、計測器と受信電極２１との間のケーブルなどの測定部品を含め１００ｐＦ～２００ｐＦと推定されたので、インダクタンスを１００μＨ、１０μＨとし、インダクタンスをキャパシタンスに並列接続させた。測定した電圧波形を周波数解析した。その際の条件は、インダクタンスを介在させた点を除いて図１３Ａ及び図１３Ｂに示した結果に関する実験と同じである。
【0060】
図１４は、第２プールにおいて、電極間距離を１５ｍとし、受信電圧を計測する際に計測器と受信電極との間にインダクタンス１００μＨを接続したときのピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果である。インダクタンスを接続していないときの受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果も併せて示してある。縦軸及び横軸は図７と同様である。
【0061】
図１４から、インダクタンス１００μＨが接続されていることにより、１ｋＨｚから４０ｋＨｚの周波数成分が小さく、低周波数帯域の雑音が抑えられること、約１．５ＭＨｚの周波数成分が－２６ｄＢと大きいことが分かった。
【0062】
図１５は、第２プールにおいて、電極間距離を２５ｍとし、受信電圧を計測する際に計測器と受信電極との間にインダクタンス１０μＨを接続したときのピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果である。インダクタンスを接続していないときの受信電圧のピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果も併せて示してある。縦軸及び横軸は、図７と同様である。
【0063】
図１５から、インダクタンス１０μＨが接続されていることにより、３．５ＭＨｚでの電圧ピークＶｐｅａｋが、インダクタンス１０μＨを接続していない場合と比較して、約－５５ｄＢから約－４０ｄＢと増加した。１０μＨを接続することにより、４ＭＨｚでの電圧ピークＶｐｅａｋが、インダクタンスを接続していない場合と比較して、約－５０ｄＢから約－４０ｄＢと増加した。
【0064】
次に、比較例として、塩水が外海とつながり、フローティング状態ではない場合の結果について説明する。実験は固定係留された海上設備にて行い、送信電極と受信電極を外海に配置した。図１６は比較例での測定環境を模式的に示す図である。陸地７１から離れた海７０上に係留された平面視での寸法３０ｍ×１３ｍの海上設備５０において、平面視での寸法７．５ｍ×３ｍの計測用開口部５１から海水中に深さ約１ｍの位置に送信電極６１と受信電極６２を部材６５で配置した。海上設備５０から海底までは３２ｍであった。送信電極６１と受信電極６２との電極間距離を１ｍとし、振幅５０Ｖ、周波数１ＭＨｚの電気信号として正弦波を送信した際の受信信号を測定した。図１７は、比較例に関する、受信信号のピーク値Ｖｐｅａｋの周波数解析結果である。縦軸は図７と同様である。１ＭＨzにおける受信電圧のピーク値が環境雑音以下であり、送信電極６１からの電気信号を検出することができなかった。
【0065】
以上の結果より次のことが分かった。送信電極と受信電極とを塩水中に配置することにより、送信電極からの電気信号が受信電極に伝わることができる。その際、送信電極からの電気信号が塩水を伝わることから、送信電極と受信電極との間に伝導路が形成されていることが必要であり、そのためには、外海とは塩水がつながっていないこと、つまり、塩水が電気的にフローティング状態である必要がある。
【0066】
送信電極からの受信電極へ伝わる電気信号は、周波数０．５ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ未満がよい。この周波数の範囲の電気信号をキャリア波として使用することができる。送信電極を取り付けたロボット（いわゆる水中ロボット、水中ドローンなどと呼ばれる）に、カメラを搭載しておき、カメラで撮像した画像データのデータ信号でキャリア波を変調して送信電極から出力する。一方、受信電極で送信電極から塩水を伝わった電気信号を受信し、復調することにより、画像データを再現することができる。このようにして、画像データをリアルタイムで送受信することができる。
【0067】
送信電極からの出力される電圧は、振幅１００Ｖ以下、例えば５０Ｖ程度で十分であり、送信電極と受信電極の距離が２５ｍで、送受信できることが分かったが、出力される電圧を大きくすれば、送信電極と受信電極の距離が５０ｍであっても送受信できると考えられる。なお、送信電極と受信電極との間の塩水は、送信電極と受信電極との方向に対して垂直な断面が矩形であることを想定すると、矩形の少なくとも１辺が１ｃｍ以上、さらには３ｃｍ以上、よりさらには３５ｃｍ以上あればよい。また上限は特にないが、１ｍでも、２５ｍでも、５０ｍでも可能である。
【0068】
本発明の実施形態に係る無線通信システム１が適用される場面についてさらに説明する。無線通信システム１は、塩水が含まれる海水管（「塩水管」と呼んでもよい。）において、一又は複数の分岐や一又は複数の合流により構築されている場面で適用されることが好ましい。送信装置と受信装置とを有線で接続している有線通信と比較して、送信装置を搭載した水中ロボットが海水管の入口から或る位置まで移動した際に、その移動経路を逆にたどって入口に戻る必要がないからである。つまり、無線通信システム１では、水中ロボットの海水管への入口と海水管からの出口とが一致する必要がない。
【0069】
このような海水管として、第１として海水淡水化装置での淡水化のための海水管や濃縮塩水の排出のための海水管、第２として船体、原子力発電所、港湾設備などでの冷却のための海水管、第３として海底インフラ、海底探査機などでの排水のための海水管などが挙げられる。
【0070】
淡水化プラントでの海水管、発電プラントでの冷却用の海水管のように、海水管の内壁への生体物質の付着の有無、腐食等の検査などは径が大きい場合には検査者の目視、打音などでも可能であるが、径が小さい場合には本発明の実施形態に係る無線通信システムは、送信装置を搭載した水中ロボットを用いることが有効である。
【0071】
例えば、水中ロボットに取り付けたカメラによる撮影データをリアルタイムで送信装置により受信装置に液中無線通信することができる。
【0072】
本発明の実施形態に係る無線通信システムは、海水管内の液中を伝わる信号を送受信するため、海水管の材質が導電性でも絶縁性でもよく、適用場面がその材質に依存しなく、適用場面の制約がない。
【0073】
上述に例示した海水管のみならず、海水タンク、魚用いけす、醤油タンクなどにおいても適用される。また、本発明の実施形態に係る無線通信システムは、塩濃度が高い電解質中（例えば血液、体液）での通信にも適用でき、輸血用器具、マイクロ流路、人工血管、血管を通じた信号伝達、探索用プローブなどのようなミクロな応用も可能である。この意味において、本発明の実施形態に係る「塩水」とは、各種のイオンを含む液体中という意味に解釈される。
【符号の説明】
【0074】
１：無線通信システム
２：海
１０：送信装置
１１：送信電極
１２：出力部
２０：受信装置
２１：受信電極
２２：処理部
２２ａ：共振回路
２２ｂ：検出部（計測部）
Ｃ：キャパシタンス
Ｌ：インダクタンス
２：海
１０：送信装置
１１：送信電極
１２：出力部
２０：受信装置
２１：受信電極
２２：処理部
２２ａ：共振回路
２２ｂ：検出部（計測部）
Ｃ：キャパシタンス
Ｌ：インダクタンス
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】