JP2010527012A - 音波を放出するターゲットの方位測定方法 - Google Patents

Abstract

複数の電気音響変換器（１１）を有する細長い水中アンテナ（１０）によって、音波を放出するターゲットの方位を測定するための方法を提供する。本方法では、前記電気音響変換器（１１）の受信信号から、水中の測定された音速値（Ｃ_ｍｅｓｓ）を使用して方位選択的に、前記ターゲットの水平方向のターゲット方位を求める。このような水中アンテナに付随して、とりわけ方位角が大きくなると方位測定結果に誤りを生じさせる原因となるシステム的な方位測定誤差を補償するため、音波伝搬モデルによって、前記ターゲット方位（β_Ｚｋ）によって予め決定されている音波伝搬方向での音波ビーム経過を計算し、該音波ビーム経過から、推定されたターゲット距離およびターゲット深度で、アンテナ位置における垂直方向の音波入射角（γ_ｋ）を求める。垂直方向音波入射角（γｋ）から補正係数を導出し、該補正係数と前記測定された音速値（Ｃ_ｍｅｓｓ）とを乗算することによって該音速値（Ｃ_ｍｅｓｓ）を補正する。補正された前記音速値（Ｃ_{ｅｉｎｓｔｅｌｌ}）によって再び方位測定を行い、改善されたターゲット方位（β_Ｚｋ）を得る。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、複数の電気音響変換器を有する細長い複数の水中アンテナを使用して行う、音波を放出するターゲットの方位測定方法に関する。

音波を放出するターゲットまたは物標、すなわち音波を生成するかまたは音波を反射するかまたは音波を散乱するターゲットまたは物標のパッシブ測位を行うための公知の方位測定方法（ＥＰ０１３０８７４５Ｂ１）では、整列された複数の電気音響変換器を有するいわゆる直線状アンテナが使用される。このような直線状アンテナは、たとえばいわゆる曳航アンテナ（Towed Array）であるか、または船体またはボートボディに配置される側面アンテナ（Flank Array）である。直線状アンテナは受信セクタを有し、ターゲットまたは物標から放射されて水中を伝搬し該受信セクタ内に入射した音波が、変換器によって受信される。入射音波の方向を検出するために、電気音響変換器の受信信号によって、いわゆる方向イメージャまたはビームフォーマとによって、受信セクタに広がる指向特性またはビームの扇形が生成される。基準方向に対して水平方向に電子的に旋回可能な指向特性はすべて、比較的小さい水平開口角と、垂直配置される電気音響変換器の数に依存して大きさが増減する垂直開口角と、受信感度が最大になる主方向とを有する。基準方向としては通常、水中アンテナに対して直角である水平方向が選択される。これは横方向（Querabrichtung）とも称される。異なる指向特性またはビームを生成するためには、変換器の受信信号を時間遅延し、しかも、該受信信号が指向特性の主方向の各旋回角で同相になるように時間遅延する。これらの同相の受信信号は加算されて、指向特性を形成するいわゆる群信号を形成する。個々の変換器の受信信号の遅延時間は、アンテナ位置で測定された音速と、水中アンテナにおける該変換器の位置と、各指向特性の旋回角とに基づいて計算される。音波受信時には指向特性の扇形において、受信音波が最大になる指向特性を探索する。これは、指向特性を形成する群信号の最大レベルを検出することによって求められる。この指向特性の主方向の旋回角がターゲット測定結果として出力される。このターゲット方位はディスプレイに数値表示またはグラフィック表示される。

このような直線状アンテナでは、指向特性の主方向の旋回角または方位角の大きさとともに、指向特性またはビームの水平開口角も垂直開口角も変化する。水中アンテナに対して横方向の方位角が０°である場合、水平開口角は最小であり、垂直開口角は最大である。前方または船尾方向において基準方向に対して方位角が上昇すると、指向特性の垂直開口角と水平開口角とが近づく。

図１に、直線状アンテナの主方向の３つの異なる旋回角の場合の、すなわち３つの異なるターゲット方位または方位角βの場合の、該直線状アンテナのターゲット方位測定指向特性またはターゲット方位測定ビームの−３ｄＢ輪郭線の一例を示す。横軸に方位角βがプロットされており、縦軸に垂直方向の音波入射角γがプロットされている。指向特性は横方向近傍で対称的になるのに対し、ターゲットが船尾方向または前方向に方位測定される−３ｄＢ輪郭線は「バナナ形」に凹む。音波がもっぱら水平方向から到来する場合、最大指向特性は常にβ座標にあり、表示されるターゲット方位にある。しかし、一例としてβ軸に対して平行な破線の直線によって示されているように、音波が垂直方向から到来する場合、最大指向特性は、水平方向の方位角βが大きくなるほど、図１中に一点鎖線で示された最大受信感度の線に沿うようになり、このことによって実際の方位の偏差が生じる。すなわち原則的に、表示される方位角βが過度に大きくなってしまう。その際に発生する方位測定誤差は、図１においてβ軸上に双方向矢印によって示されている。方位値が大きくなると、すなわち方位角が大きくなると、この偏差は増大する。その結果として、どの直線状水中アンテナまたは線状水中アンテナでも、垂直開口角２Θ_−３ｄＢがたとえば７５°（上方向および下方向に±３７．５°）となって大きくなると、音波入射が垂直である場合、システム的な方位測定誤差が方位角βの関数として生じる。このことは図２のグラフに示されている。

本発明の課題は、発生する誤差がより小さく方位測定精度がより高い、冒頭に述べた形式のターゲット方位測定方法を提供することである。

前記課題は本発明では、請求項１の特徴部分に記載した特徴的構成によって解決される。

本発明による方法の利点は、方位角がとりわけ横方向から大きく偏差する場合に水中アンテナのいわゆるエンドファイヤ領域において発生する非常に大きい方位測定誤差がほぼ十分に消去され、直線状水中アンテナのすべての方位測定方向において同様に高信頼性の方位が得られることである。大きな水深では、音波伝搬モデルによって計算される音波ビーム経過は、測定されるターゲット方位を挟む角度領域において変化せず、このような大きな水深において、指向特性の適合によって「エンドファイヤ」領域でも非常に高精度の方位を得るためには、垂直方向の音波入射角から導出される次のような補正量、すなわち受信信号の時間遅延に関与する音速の補正量は１つだけで十分である。水深が浅いと通常は、方位測定方向が異なると水路の水底断面形状が格段に異なり、ひいては音波伝搬が格段に異なり、このような浅い水深では、垂直方向の音波入射角を反復的に求めて音速を繰り返し補正することによって、連続的に改善されたターゲット方位が得られ、このターゲット方位は数回の繰り返しで、誤差が低減されたターゲットの方位を示す収斂値に近づいていく。

後続の請求項に、本発明の有利な発展形態および構成を有する本発明の方法の有利な実施形態が記載されている。

本発明の１つの有利な実施形態では、音波伝搬速度との乗算に使用される補正係数として、決定された垂直方向音波入射角のコサインの逆数が使用される。

以下で、図面に示した実施例に基づいて本発明を詳しく説明する。

方位または方位角βと垂直方向音波入射角γとを軸として、３つの異なる方位角の場合の直線状水中アンテナの指向特性の−３ｄＢ輪郭線の一例を示す。 直線状アンテナの方位測定誤差を方位βに依存して概略的に示す。 方位測定方法を説明するためのブロック回路図である。 直線状アンテナの垂直開口角２Θ_−３ｄＢ内で音波伝搬モデルによって計算された、方位角がβ＝４５°である場合の音波ビーム経過を、概略的に示す。

音波を放出するターゲットを細長い水中アンテナによって方位測定するための方法を、図３に示されたブロック回路図に基づいて以下で詳細に説明する。音波を放出するターゲットとはここでは、音波を生成または反射または後方散乱しアンテナから遠隔位置にある物標を指す。この音波は、水中を伝搬して水中アンテナによって受信される。細長い水中アンテナまたは直線状水中アンテナまたは線状水中アンテナの例に、船舶によって曳引されるいわゆる曳引アンテナ（Towed Array）や、船舶または水中船舶の船体に配置された側面アンテナ（Flank Array）や、船舶に取り付けられるＰＲＳアンテナ（Passiv Ranging Sonar）も含まれる。

どのアンテナシステムでも基本的には、電気音響変換器の出力信号から、方位測定装置で実施される信号処理によってターゲット方位が求められる。すなわち、方位測定されるターゲットの方位とたとえば水中アンテナに対する水平方向の垂線等である基準方向との間の方位角が求められる。こうするためには、水中アンテナの場所に存在する音速の実際値を方位測定装置に入力する必要がある。この実際値は一般的には、水中アンテナの近傍で予め測定される。方位測定装置の構成は、使用される水中アンテナに応じて異なり、相互に隣接して配列された多数の変換器を有する直線状アンテナを使用する場合、この方位測定装置の構成は基本的に、相互に整合されて上下に配置された複数の電気音響変換器から成り相互間に比較的大きな間隔をおいて配置された３つの受信ベースから構成されたいわゆるＰＲＳアンテナを使用する場合と異なってくる。直線状アンテナという用語には、上記の側面アンテナおよび曳引アンテナが含まれる。

図３に、相互に隣接して配置された多数の電気音響変換器１１を有し側面アンテナとして構成された直線状アンテナ１０を概略的に示す。一般的に、電気音響変換器１１はアンテナ支持体１２上に、相互に一定の間隔ｄを置いて配置されている。側面アンテナの場合には通常、水平方向に相互に隣接して配置された各変換器１１はステーブと称され、各変換器１１はそれぞれ、垂直方向に配置された複数の変換エレメントを有する。このことはここでは、詳細に示されていない。有利には相互に上下に等間隔に設けられた垂直方向の変換エレメントの数は、方向を形成するために水平方向に相互に隣接して配列された変換器１１の数より格段に少ない。垂直方向に相互に上下に配置された変換エレメントの出力信号は加算されて正規化され、変換器１１またはステーブの受信信号を成す。この受信信号を以下では受信信号と称する。いわゆる曳引アンテナでは、垂直方向に相互に上下に配置された変換エレメントは設けられないので、ここでは変換エレメント１１の出力信号が直接、受信信号を成す。変換器１１ないしはステーブの出力端に接続された方位測定装置１７は、ビームフォーマとも称される方向イメージャ１８と、受信レベル測定器１９と、最大レベル検出器２０とを有する。

ターゲット方位測定を行うために、方位測定装置１７において相応の信号処理を使用して、電気音響変換器１１またはステーブの受信信号によって、指向性関数または指向特性１４の扇形１３が形成される。この扇形１３はビームセクタとも称され、どの指向特性１４（ビームとも称される）も、小さい水平開口角と比較的大きい垂直開口角とを有する。この開口角は、各変換器１１の垂直方向に相互に上下に配置された変換エレメントの数に依存する。指向特性１４またはビームの軸１５は、受信感度が最大になる該指向特性の主方向である。これは固定的であり、共通の基準方向１６に対する水平方向の旋回角または方位角βによって電子的に生成される。

指向特性１４を形成するためには、方向イメージャ１８において変換器１１ないしはステーブの受信信号が時間遅延または位相遅延され、しかも、所定の受信方向または方位測定方向β_ｊで同相になるように時間遅延または位相遅延される。

こうするためには、
τ_ｉ，ｊ＝ｉ・ｄ・ｓｉｎβ_ｊ・ｃ_{ｅｉｎｓｔｅｌｌ} （１）
にしたがってすべての受信方向ｊ（ｊ＝１〜ｍ）かつすべての変換器１１またはステーブｉ（ｉ＝０〜ｎ）で計算された遅延時間τ_ｉ，ｊが方向イメージャ１８に記憶される。ｄはアンテナ支持体１２における水平方向の変換器間隔であり、ｃ_{ｅｉｎｓｔｅｌｌ}は、方向イメージャ１８に入力される水中の音速値である。ｃ_{ｅｉｎｓｔｅｌｌ}の開始値として、方位測定過程の開始前に測定されたアンテナ位置の音速値ｃ_ｍｅｓｓが取り込まれる。ここで各受信方向で得られた同相の受信信号が加算され、いわゆる群信号を形成する。受信レベル測定器１９においてこの群信号のレベルが測定され、受信方向ｊまたは方位角β_ｊと対応づけられて格納される。最大レベル検出器２０が最大レベルを求め、最大レベルを有する群信号に関連する方位角をターゲット方位β_Ｚｋとして出力する。ここでは、ｋ＝１，２・・・Ｋである。最大レベルを有するこの群信号が、受信音波が最大となる指向特性１４を表す。

冒頭に述べた方位測定装置１７の方位測定誤差はとりわけ、方位角βが大きくなると顕著になり、このような方位測定誤差を低減するためには、ブロック２１において音波伝搬モデルによって音波伝搬方向の音波ビーム経過が生成される。この音波伝搬方向は、得られるターゲット方位β_Ｚｋによって予め決定される。このような音響的な音波伝搬モデルは種々の形態で知られており、Heinz G. Urban による "Handbuch der Wasserschalltechnik"，STN ATLAS Elektronik GmbH, 2000，第３０５〜３０６頁に挙げられている。

図４に、一例としてβ_Ｚ１＝４５°であると仮定されたターゲット方位によって決定されている音波伝搬方向の場合の、直線状アンテナ１０の約７５°以内の垂直開口角の音波ビームの計算された経過を一例として概略的に示す。縦軸に深度目盛が示されており、横軸に距離目盛が示されている。斜線面は海底を示す。この音波ビーム経過から、推定ターゲット距離および推定ターゲット深度の場合のアンテナ位置の垂直音波入射角γが検出される。図４では、アンテナ位置はこの座標系の零点近傍に存在する。ターゲット距離は既知であるか、または別のセンサまたは手法によって推定される。たとえば、ターゲットデータをパッシブ検出するためにデータ支援用に同時進行される手法からターゲット距離を取り出すことができる。このことはたとえば、ＤＥ１０１２９７２６Ａ１に記載されている。また、先行のターゲット方位測定からターゲット距離を特定することもできる。図４において、Ｚで示されたターゲットのターゲット距離は４７キロヤードであると仮定する。ターゲット深度も推定深度であり、ここではたとえば１０ｍである。

この音波ビームグラフから、ターゲットＺから放出された音波ビームであって減衰が最小である音波ビームが求められる。図４の例では、１０ｍの深度にあるターゲットＺからとりわけ２つの音波ビームが伝搬し、３．７５°および２２．５°の垂直方向音波入射角でアンテナ位置で入射される。音波伝搬は、水面および海底での反射によって大きく減衰される。ターゲットＺから放出され３．７５°の垂直方向入射角でアンテナに到達する音波ビームは、水面で多数回反射されるのに対し、たとえばターゲットＺから放出され２２．５°の垂直方向入射角でアンテナに到達した音波ビームは海底および表面で反射されないため、この音波ビームの減衰は水中の伝搬損失のみによって生じ、格段に小さくなる。それゆえ、垂直方向入射角としてこの２２．５°の入射角γ_ｋが、ターゲット方位β_Ｚ１に関連する垂直方向音波入射角γ_１として決定される。

補正ブロック２２において、ブロック２１において音波伝搬モデルによって得られたアンテナ位置のこの垂直方向音波入射角γ_ｋから補正係数が、垂直方向入射角γ_ｋのコサインの逆数として計算される。この補正係数によって、方位測定開始時に指向特性１４ないしは群信号を形成するために使用される音速の測定値ｃ_ｍｅｓｓを補正する。こうするためには、音速補正エレメント２３において音速ｃ_ｍｅｓｓと補正係数とを、
ｃ_{ｅｉｎｓｔｅｌｌ}＝ｃ_ｍｅｓｓ・１／ｃｏｓ γ_ｋ （２）
にしたがって乗算する。上記式では、ｋ＝１，２・・・Ｋである。

次に、方向イメージャ１８においてこの新たな音速値が設定される。このようにして、格納された遅延時間セットの遅延時間τ_ｉ，ｊを変化することにより、上記のようにして改めて方位測定が行われ、ターゲット方位β_Ｚｋが改善され、最初の方位がβ_Ｚ１＝４５°である上記の例では、ターゲット方位は改善されてβ_Ｚ２＝４１．３°になる。

水深が大きい場合、測定方位を挟む比較的大きな領域において水底プロフィールは変化しないので、改善されたターゲット方位β_Ｚ２でも、ブロック２１において音波伝搬モデルによって計算された音波ビーム経過は、図４に示されているように有効であり、たとえば同様にγ_２＝２２．５°の垂直方向音波入射角が得られる。これをもって方位測定過程は終了され、方位測定装置１７によって求められたターゲット方位β_Ｚ２の改善結果がターゲットβ_Ｚの方位として出力されて表示される。

水深が浅い浅水領域では、音波伝搬方向が異なると水底プロフィールは異なるため、新たなターゲット方位測定では音波伝搬モデルにおいて別の音波ビーム経過が計算され、この別の音波ビーム経過から別の垂直方向音波入射角γ_２が得られる。この例ではβ_Ｚ２＝４１．３°となったターゲット方位の改善結果では、ブロック２１において音波伝搬モデルによって新たに計算された音波ビーム経過から、等しいターゲット距離および等しいターゲット深度で、異なる垂直方向音波入射角γ_２が得られる。したがって、この例ではβ_Ｚ２＝４１．３°となって得られたターゲット方位の改善結果は、低減されてはいるものの未だなお方位測定誤差を含む。この方位測定誤差も消去するためには、このターゲット方位β_Ｚｋ（ここではβ_Ｚ２＝４１．３°）の改善結果に対し、最初に得られたターゲット方位β_{Ｚ（ｋ−１）}（この例ではβ_Ｚ１＝４５°）と同様の手順を実施する。ブロック２１において、ターゲット方位の改善結果β_Ｚｋ（ここではβ_Ｚ２＝４１．３°）を得るための音波伝搬モデルによって、等しい距離および深度にあると仮定されたターゲットＺの音波ビーム経過が再計算される。この音波ビーム経過から、たとえばγ_３＝３３．７５°の新たな垂直方向音波入射角γ_ｋが求められ、補正ブロック２２において、この新たな垂直方向音波入射角γ_ｋのコサインの逆数の計算によって新たな補正係数が計算される。この例ではγ_３＝３３．７５°であるこの新たな音波入射角によって、方向イメージャ１８において設定すべき新たな音速値ｃ_{ｅｉｎｓｔｅｌｌ}が、音速補正エレメント２３において数式（２）にしたがって再計算される。新たなｃ_{ｅｉｎｓｔｅｌｌ}によって方向イメージャ１８において変更された遅延時間のセットにより、ターゲット方位が再測定され、たとえばβ_Ｚ３＝３７．８４°であるターゲット方位の新たな改善結果が得られる。このような上記のプロセスは、最後に得られたターゲット方位の改善結果β_Ｚｋによって音波伝搬モデルから求められる垂直方向音波入射角γ_ｋが所定の限界内で変化しなくなるまで繰り返される。そうなった場合、最後に方位測定装置１７によって求められたターゲット方位の再改善結果β_Ｚｋがターゲットβ_Ｚの方位として出力されて表示される。最後に挙げた例において垂直方向入射角γ_３＝３３．７５°が変化しなくなった場合、ターゲットの方位はβ_Ｚ＝３７．８４°となる。

ターゲット方位の再改善結果β_Ｚｋによって最後に得られた垂直方向音波入射角γ_ｋと、ターゲット方位の改善結果β_{Ｚ（ｋ−１）}によって先行して得られた垂直方向音波入射角γ_ｋ−１との差を形成することによって、連続して複数回ｋで音波伝搬モデルによってブロック２１において検出された垂直方向音波入射角γ_ｋ−１およびγ_ｋが一致しているか否かを簡単に検出することができる。この差（γ_ｋ−γ_ｋ−１）が設定値_Ｓを下回った場合、垂直方向音波入射角γ_ｋ−１およびγ_ｋが一致していることになり、最後に得られたターゲット方位の改善結果β_Ｚｋがターゲットの方位β_Ｚとして出力される。こうするためにはたとえば、メモリまたはシフトレジスタ２３を介して、先行して得られた垂直方向音波入射角γ_ｋ−１を差形成器２４に入力し、かつ、その後に得られた音波入射角γ_ｋを該差形成器２４に直接入力し、差を比較器２５において設定値Ｓと比較する。この設定値Ｓを下回る場合、方位測定装置１７に後置接続されたゲート２６が開かれ、最後に得られたターゲット方位の再改善結果β_Ｚｋが表示部２７へ供給され、該表示部２７においてターゲットβ_Ｚの方位として表示される。

電気音響変換器を備えアラインメントライン上で相互間に大きな間隔をおいて配置された３つの受信ベースから構成されたいわゆるＰＲＳアンテナに接続された方位測定装置で行われる信号処理に関しては、たとえばＵＳ４９１０７１９に記載がある。ここで、この特許文献の詳細を引用する。この方位測定装置でも、上記のようにブロック２１，２２および２８において、そのつど設定される水中の音速値が補正され、ｃ_{ｅｉｎｓｔｅｌｌ}（新）として該方位測定装置に入力される。ターゲットの方位β_Ｚが得られるまで行われる上記の反復プロセスも同じである。

Claims (6)

1. 複数の電気音響変換器（１１）を有する細長い水中アンテナによって、音波を放出するターゲットのターゲット方位を測定するための方法であって、
   前記電気音響変換器（１１）の受信信号から、とりわけ前記水中アンテナの位置において測定されて設定される水中の音速値（Ｃ_ｍｅｓｓ）を使用して、方位選択的に水平方向のターゲット方位（β_Ｚｋ）を求める方法において、
   ・音波伝搬モデルを使用して、求められるターゲット方位（β_Ｚｋ）と一致する音波伝搬方向の音波ビーム経過を計算するステップと、
   ・推定されたターゲット距離および推定されたターゲット深度で、前記音波ビーム経過から、前記水中アンテナの位置における垂直方向の音波入射角（γ_ｋ）を求めるステップと、
   ・前記垂直方向の音波入射角（γ_ｋ）から補正係数を導出するステップと、
   ・前記音速値（ｃ_ｍｅｓｓ）を該補正係数との乗算によって補正するステップと、
   ・補正された前記音速値（ｃ_{ｅｉｎｓｔｅｌｌ}）によって、改善されたターゲット方位（β_Ｚｋ）を求めるステップ
   とを実施することを特徴とする方法。
2. そのつど再改善されたターゲット方位（β_Ｚｋ）によって求められた垂直方向の音波入射角（γ_ｋ）がもはや変化しなくなるまで、または、該垂直方向の音波入射角（γ_ｋ）の変化が実質的に無くなるまで、前記改善されたターゲット方位（β_Ｚｋ）を使用して前記ステップを反復して繰り返し、
   最後に得られた前記ターゲット方位（β_Ｚｋ）を、前記ターゲットの方位（β_Ｚ）として出力する、請求項１記載の方法。
3. 前記補正係数として、前記垂直方向の音波入射角のコサインの逆数を計算する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記推定されたターゲット距離および前記推定されたターゲット深度を、先行して測定されたターゲット方位から求めるか、または別のセンサおよび／またはターゲットデータ検出手法によって求める、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記音波伝搬モデルによって、前記水中アンテナ（１０）の垂直方向の受信セクタに入射したすべての音波ビームを計算し、
   各距離目盛ごとかつ各深度目盛ごとに得られる、前記音波ビームの垂直方向の入射角および減衰を示し、
   前記垂直方向の音波入射角（γ_ｋ）を求めるために、前記推定されたターゲット距離および前記推定されたターゲット深度にあるターゲットからの減衰が最も小さい音波ビームの入射角を求める、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記ターゲット方位（β_Ｚｋ）を求めるために前記電気音響変換器（１１）の受信信号から次のような指向特性（１４）の扇形を形成し、すなわち、水平開口角および垂直開口角と、共通の基準線（１６）に対して旋回角を有する最大受信感度の主方向（１５）とを有する指向特性（１４）の扇形を形成し、
   受信音波が最大である指向特性（１４）の前記主方向（１５）の旋回角を前記ターゲット方位（β_Ｚｋ）として示す、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。

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