JP2017227515A - アクティブソーナーおよびアクティブソーナーの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遠距離目標の反響音情報を取得できるアクティブソーナーを提供する。【解決手段】アクティブソーナーは、ファンビーム送信部と、ファンビーム受信部と、伝播経路計算部と、経路時間計算部、水平距離計算部とを有している。ファンビーム送信部は、腑仰角を変えながら水平方向に広く鉛直方向に狭い広がりを持つ送信ファンビームを複数送信する。ファンビーム受信部は、鉛直方向に広く水平方向に狭い広がりを持つ受信ファンビームを受信する。伝播経路計算部は媒体の音速プロファイルと腑仰角とに基づいて各送信ファンビームの伝播経路を計算する。経路時間計算部は、各送信ファンビームの送信時刻と当該送信ファンビームの受信時刻に基づいて送信および受信ファンビームが伝搬系路を伝搬する経路時間を計算する。水平距離計算部は、伝搬経路と経路時間とに基づいてアクティブソーナーから反響音発生地点までの水平距離を計算する。【選択図】 図１

Description

本発明は、アクティブソーナーおよびアクティブソーナーの制御方法に関する。

水中監視で、目標の垂直方向の情報を得る方法として、クロスファンビーム方式のアクティブソーナーが知られている。

クロスファンビーム方式では、垂直方向（水深方向）に細く水平方向に広い送信ファンビームを、腑仰角を変えながら送信し、送信ファンビームと逆に垂直方向に広く水平方向に細い受信ファンビームで受信する。このような構成とすると、１つの送信ファンビーム幅と１つの受信ファンビーム幅で囲まれた領域から、極めて指向性の高い反響音を受信することができる。そして、取得した各領域の反響音を合成することで、２次元の情報を得ることができる。さらに、この情報を可視化することで２次元の画像として利用したり、複数の２次元画像を用いて対象物の３次元形状を把握したりすることもできる。なお、送信ファンビームで、腑仰角とともに周波数を変える方法も知られている。

上記のクロスファンビーム方式を単純に用いると、反響音自体の変調や、雑音の混入により正確な情報を得られない場合がある。そこで、これらの影響を取り除き正確な情報を取得しようとする試みも為されている。

例えば、特許文献１には、ドップラー効果による周波数変化を補正する方法が開示されている。この技術では、腑仰角の変化とともに周波数が増加する送信ファンビームと、周波数が減少する送信ファンビームとを送信し、目標物の移動によって生じるドップラーを算出して、目標の位置及び速度を求めることができる。

また、特許文献２には、受信信号の位相の分散値を用いて、受信信号からサイドローブやマルチパスの信号を除去する方法が開示されている。この技術では、受信信号を整相処理した後の位相分散値を計算し、位相分散値と振幅との相関を取る。これにより、サイドローブや、マルチパスの反響音を取り除いている。なおサイドローブとはビームフォーミングによって現れるメインローブ（音軸）とは異なる方向の信号のことである。またマルチパスの信号とは、反射や屈折等により複数の経路を通って受信機に到達した信号のことである。

特開２０１５-２２２２２６号公報 特開２０１２-１８９４９９号公報

しかしながら、一般的なクロスファンビーム方式には、遠距離目標の情報を取得することができないという問題点があった。遠距離目標の場合、異なる腑仰角で送信された複数の送信ファンビームは、それぞれに生じる反射や屈折などの違いによって、互いに異なる伝搬経路を伝搬する。その結果、送信ファンビームごとに、同じ目標に到達するまでの時間に差異が生じる。また、腑仰角の上下関係と目標到達時の照射位置の上下関係との対応が不明となる場合がある。以上のような理由から、クロスファンビーム方式は、遠距離目標の画像取得には利用されず、近距離目標物の画像取得に用途が限られていた。このような距離の制限は、特許文献１、２いずれの技術を用いても解消することができなかった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、遠距離目標の反響音情報を取得できるアクティブソーナーを提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明のアクティブソーナーは、ファンビーム送信部と、ファンビーム受信部と、伝播経路計算部と、経路時間計算部、水平距離計算部とを有している。ファンビーム送信部は、腑仰角を変えながら水平方向に広く鉛直方向に狭い広がりを持つ送信ファンビームを複数送信する。ファンビーム受信部は、鉛直方向に広く水平方向に狭い広がりを持つ受信ファンビームを受信する。伝播経路計算部は媒体の音速プロファイルと腑仰角とに基づいて各送信ファンビームの伝播経路を計算する。経路時間計算部は、各送信ファンビームの送信時刻と当該送信ファンビームの受信時刻に基づいて送信および受信ファンビームが伝搬系路を伝搬する経路時間を計算する。水平距離計算部は、伝搬経路と経路時間とに基づいてアクティブソーナーから反響音発生地点までの水平距離を計算する。

本発明の効果は、遠距離目標の反響音情報を取得できるアクティブソーナーを提供できることである。

第１の実施形態を示すブロック図である。 クロスファンビーム方式の概要を示す模式図である。 近距離目標と遠距離目標に対する送信ファンビームの伝搬経路を示す模式図である。 第２の実施形態を示すブロック図である。 伝搬経路に基づく水平距離の計算方法を示す図である。 第２の実施形態のアクティブソーナーの動作を示すフローチャートである。 第３の実施形態を示すブロック図である。 送信波形を示すタイミングチャートである。 第４の実施形態の画像表示例を示す模式図である。 第４の実施形態のデータ処理例を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお各図面の同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のアクティブソーナーを示すブロック図である。アクティブソーナーは、ファンビーム送信部１と、ファンビーム受信部２と、伝搬経路計算部３と、経路時間計算部４と、水平距離計算部５とを有している。

ファンビーム送信部１は、水平方向に広く鉛直方向に狭い広がりを持つ送信ファンビームを、腑仰角を変えながら複数送信する。

ファンビーム受信部２は、鉛直方向に広く水平方向に狭い広がりを持つ受信ファンビームを受信する。

伝搬経路計算部３は、送信ファンビームの腑仰角と媒体のプロファイルとに基づいて、それぞれの送信ファンビームの伝搬経路を計算する。代表的な媒体は水（淡水、海水）であるが、この場合のプロファイルは、水圧、水温、塩分濃度などであり、これらのプロファイルから、媒体中の音速プロファイルを算出することができる。そして、音速プロファイルから求まる媒体中の各位置における音速を用いて、各送信ファンビームの伝搬経路を計算することができる。伝搬経路の計算は、例えば、よく知られたスネルの法則を用いる音線理論に従って実行することができる。

経路時間計算部４は、送信ファンビームを送信してから、当該ファンビームによる反響音を受信するまでの時間としての経路時間を計算する。経路時間は、送信ファンビームおよび受信ファンビーム中の反響音が伝搬経路を伝搬している時間に相当する。

水平距離計算部５は、計算によって求めた伝搬経路と経路時間とに基づいて、アクティブソーナーから反響音発生地点（目標）までの水平距離を計算する。

以上説明したように、本実施形態によれば、送信ファンビームおよび受信ファンビームに反射や屈折があっても、アクティブソーナーから反響音発生地点までの水平距離を求めることができる。このため、本実施形態のアクティブソーナーは、遠距離の目標物を捕捉することができる。
（第２の実施形態）
本実施形態のアクティブソーナーの説明をする前に、クロスファンビーム方式の概要について説明する。図２は、クロスファンビーム方式の概要を説明するための模式図である。まず、図２（ａ）のように、アクティブソーナー１００が、水平方向に広く鉛直方向に狭い送信ファンビーム１０を送信する。送信ファンビーム１０は腑仰角方向の方位を変えながら複数送信する。ここで、１つの送信ファンビームのことをレイヤとも呼ぶこととする。次に、アクティブソーナー１００は、鉛直方向に広く水平方向に狭い受信ファンビーム２０で反響音を受信する。この構成とするとアクティブソーナー１００の1つの受波機は、送受のファンビームがクロスしたクロスポイントから指向性の高い受信信号３０を受信する。そして、このような受波器を異なる水平方位に向けて複数並べておくことで、１レイヤ分の受信信号３１が得られる（図２（ｂ））。

さらに、複数の方位に送信した送信ファンビーム１０について同様の信号を取得し、送信時間差で受信時間差を補正することにより、１フレーム分の受信信号３２が得られる（図２（ｃ））。なお、１フレームとは、送信ファンビーム１０の腑仰角を１サイクルスキャンした範囲であるとしている。

媒体中の音速を用いて、送信ファンビームを送信してから反響音を受信するまでの時間を、アクティブソーナーから反響音発生地点までの距離に換算することができる。したがって、異なる時刻に受信した複数フレームの受信信号を用いて、目標物の３次元情報を取得することができる。図２（ｄ）には、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、・・・における受信信号フレーム３２＿１、３２＿２、３２＿３、３２＿４を並べた例を示している。

上記のクロスファンビーム方式の説明は、送信ファンビーム１０が目標（反響音発生部）に到達するまでに、複数のファンビームの間で上下関係が逆転しないことが前提となっている。これは、実際の探索では、水面や水底での反射の無い、近距離を探索していることに相当する。一方、遠距離の探索を行う場合、送信ファンビーム、受信ファンビームは水面や水底で反射する経路を伝搬することがあるため、一般的なクロスファンビーム方式と同じ方法では、目標の正確な反響音情報を取得することができない。

上記の状況を、具体例を用いて説明する。図３は、アクティブソーナー１００を海底５００に設置し、近距離目標３００が存在する状況（ａ）と、遠距離目標４００が存在する状況（ｂ）とを示す模式図である。ここでは、送信ファンビームの腑仰角が３種類の例を示し、送信ファンビームを腑仰角が上方のものから１０ａ、１０ｂ、１０ｃとしている。また目標からの受信ファンビームは受波器１２０で受波する。

図３（ａ）のように、目標が近距離にある場合は、３つの送信ファンビーム１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、腑仰角の上下関係を保ったまま近距離目標３００に到達し、同じ伝搬経路を通る受信ファンビームで受波器１２０が反響音を受信する。したがって、受信信号の受信時間差を送信時間差で補正すれば、近距離目標３００の正確な反響音情報を得ることができる。

一方、目標が遠距離目標４００である図３（ｂ）の場合、送信ファンビーム１０ａは反射や屈折によって、腑仰角ごとに大きく異なる伝搬経路をたどる。図３（ｂ）の例では、送信ファンビーム１０ａは、海面５１０で反射されて遠距離目標４００の下方に到達する。また、送信ファンビーム１０ｂは、遠距離目標４００には当たらず、送信ファンビーム１０ｃは、遠距離目標４００の中央付近に当たる。このように、遠距離目標４００については、腑仰角と伝搬経路の上下関係が保たれず、近距離目標３００のように、多くの情報が得られない。しかしながら腑仰角を変化させながら、送信ファンビームを送信することにより、送信ファンビームの届かないシャドーゾーンを小さくし、遠距離目標を捕捉できる確率が高くなる。

次に、本実施形態のアクティブソーナーについて説明する。図４は本実施形態のアクティブソーナーを示すブロック図である。アクティブソーナー２００は、ファンビーム送信部２１０と、ファンビーム受信部２２０と、信号処理部２３０とを有している。

ファンビーム送信部２１０は、水平方向に広く鉛直方向に狭い広がりを持つ送信ファンビームを送信する。この時、腑仰角を変えながら複数の送信ファンビームを送信する。

ファンビーム受信部２２０は、鉛直方向に広く水平方向に狭い広がりを持つようにビームフォーミングを行った受信ファンビームを受信する。

信号処理部２３０は受信ファンビームの受信信号に基づいて、目標からの反響音情報を取得する。そのために、プロファイルデータ取得部２３１と、伝搬経路計算部２３２と、経路時間計算部２３３と、水平距離計算部２３４と、合成処理部２３５とを有している。

プロファイルデータ取得部２３１は、ファンビームの媒体、例えば海水についての、各種のプロファイルデータを取得する。プロファイルデータは、例えば、水温プロファイルデータ、塩分プロファイルデータ、海底地形データ等である。これらのプロファイルデータは、測定器やデータベースから取得することができる。

伝搬経路計算部２３２は、プロファイルデータ取得部２３１が取得した各種プロファイルデータと送信ファンビームの腑仰角とに基づいて、送信ファンビームおよび受信ファンビームの伝搬経路を計算する。この時の計算は、例えば、上記のプロファイルデータに基づいて各位置における音速を求め、その音速をスネルの法則を用いる音線理論に当てはめて実行することができる。なお送信ファンビームと受信ファンビームとは同じ伝搬経路を伝搬するものとする。

経路時間計算部２３３は、送信ファンビームが送信されてから受信部が反響音を受信するまでの経路時間を計算する。

水平距離計算部２３４は伝搬経路と経路時間とに基づいて、アクティブソーナー２００から反響音発生地点までの水平距離を計算する。水平距離の計算方法については、後述する。

合成処理部２３５は、水平距離計算部２３４が計算した水平距離と方位とが同じ信号同士を合成する。この時、垂直方位を考慮せずに、水平方位のみでグルーピングを行っても良い。これは図３の説明で述べたように、伝搬経路の上下関係が距離ごとに入れ替わることやシャドーゾーンが存在することによって、垂直方位については詳細な情報を得ることが困難なためである。そして、合成処理部２３５は合成処理を行ったデータを、当該方位、当該水平距離の反響音データとして出力する。出力された反響音データは、表示部２４０で表示したり、追尾装置２５０に入力したりして利用することができる。

次に、水平距離の計算方法について説明する。図５は伝搬経路を微小区間に区切った時の、各地点における音線と水平距離の関係を示す図である。矢印は音線を表し、ｉ地点における音線を音線ｉ、ｉ＋１地点における音線を音線ｉ＋１としている。そして、それぞれの腑仰角（水平面からの角度）をθｉ、θｉ＋１、音速をｃｉ、ｃｉ＋１としている。ここで、音速ｃは位置の関数で、地点ごとにプロファイルデータから算出されるものである。腑仰角θは、境界両側の音速からスネルの法則に基づいて求められる。また、音線に沿った距離をｓ、水平距離をｒ、時間をｔとする。

微小時間Δｔ_ｉの間にｉ地点で音波が進む距離（音線の長さ）をΔｓ_ｉ、この時に進む水平距離をΔｒ_ｉとすると次の二式が成り立つ。

Δs_i=c_i・Δt_i ・・・ （１）

Δｒ_ｉ＝ｃ_ｉ・Δｔ_ｉ・ｃｏｓθ_ｉ −−− （２）

同様に、ｉ＋１点における音線に対して、次の二式が成り立つ。

Δs_i＋１=c_i＋１・Δt_i＋１ −−− （３）

Δｒ_ｉ＋１＝ｃ_ｉ＋１・Δｔ_ｉ＋１・ｃｏｓθ_ｉ＋１ −−− （４）

同様にして、伝搬経路の各地点で微小時間に伝搬経路上を音波が進む距離に対応する水平距離を求めることができる。

いま、ある送信ファンビームを送信してから反響音を受信するまでの時間、すなわち経路時間をＴ、反響音発生点である目標物までの水平距離をＲとする。すると経路時間は音波が往復する時間なので、Ｔは上述のΔｔの総和の２倍になる。したがって次式が成り立つようにΔｔ_ｉを足しこめばよい。

（５）式から足すべきデータの個数ｎがわかるので、同じ個数ｎだけ微小水平距離Δｒｉを足しこむことで、目標までの水平距離Ｒが求まる。すなわち水平距離Ｒを次式で表すことができる。

以上の計算により、各受信信号の発生源までの水平距離を求めることができる。

そして、異なる受信ファンビームについて同じ水平方位と同じ水平距離にあるもの同士を合成して、当該距離、当該方位からの反響音信号とすることができる。

次に、アクティブソーナーの動作について説明する。図６はアクティブソーナーの動作を示すフローチャートである。

まず、腑仰角を変えながら複数の送信ファンビームを送信する（Ｓ１）。次に受信ファンビームで反響音信号を受信する（Ｓ２）。次に受信した各反響音信号について、当該信号発生源までの水平距離を計算する。この計算は、所望する受信信号について計算が完了するまで繰り返し行う。（Ｓ３−Ｓ５）そして、信号発生源が同じ方位と同じ水平距離にあるデータ同士を合成する（Ｓ６）。

以上説明したように、本実施形態によれば、クロスファンビーム方式を用いて遠距離にある目標物を捕捉することができる。

（第３の実施形態）
本実施形態では、アクティブソーナーの具体的な詳細構成例について説明する。図７は、本実施形態のアクティブソーナーの例を示すブロック図である。アクティブソーナーは、送信部６１０と、受信部６２０と、信号処理部６３０とを有している。

送信部６１０は、送波器６１１と、送波処理部６１２と、ＤＡＣ６１３と、信号発生器６１４とを有している。なおＤＡＣとは、Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒのことである。

送波器６１１は、電気信号を音波信号に変換し水中に送信する。送波処理部６１２は、デジタル信号の高周波ノイズをカットし電気信号を増幅する。ＤＡＣ６１３は、信号発生器６１４からのデジタル信号をアナログ信号に変換する。信号発生器６１４は、ＰＣＷ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）やＬＦＭ（Ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）といったデジタル波形を生成する。送波器６１１は、腑仰角の異なる複数の送信ファンビームを送波する。

受信部６２０は、受波器６２１と、受波処理部６２２と、ＡＤＣ６２３と、受信信号処理部６２４とを有している。なおＡＤＣとは、Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒのことである。

受波器６２１は、音波を受信し電気信号に変換する。受波処理部６２２は、受波器６２１から出力される電気信号を増幅し、必要帯域以外をろ過する。ＡＤＣ６２３は、受波処理部６２２のアナログ信号をデジタル信号に変換する。受信信号処理部６２４は、ＡＤＣ６２３の出力をベースバンド変換、整相処理、ＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）処理、パルス圧縮処理、自動検出処理等の信号加工処理をおこなう。

信号処理部６３０は、環境データ保持部６３１と、音速プロファイル変換部６３２と、伝搬経路計算部６３３と、経路時間計算部６３４と、合成処理部６３５と、追尾処理部６３６と、水平監視表示６３７と、鉛直信号表示６３８とを有している。環境データ保持部６３１は、水深と水温の関係から水温計測器等で観測される水温プロファイルデータや、塩分計測器等で観測される塩分プロファイルデータ、および海底地形データ等の環境データを保持する。音速プロファイル変換部６３２は、水温プロファイル、塩分プロファイルを、水深と音速の関係で表される音速プロファイルに変換する。伝搬経路計算部６３３は、音速プロファイル変換部から出力される音速プロファイルおよび環境データから入力される海底地形データに基づいて伝搬経路を計算する。経路時間計算部６３４は、伝搬経路計算部からの各送信腑仰角に送信したファンビームの経路時間を計算する。合成処理部６３５は、受信信号処理部６２４の出力である各送信腑仰角に対する検出結果を合成する。

追尾処理部６３６は、合成処理部６３５の検出結果を元にデータを関連付けし次の移動位置を予測する。追尾処理では、カルマンフィルタやパーティクルフィルタのような状態推定方式により時系列の移動目標の予測位置を計算すると共に、複数発生する予測位置を相関し、予測目標位置を絞る処理が実行される。水平監視表示６３７は、追尾処理部６３６の追尾結果を水平図として表示する。鉛直信号表示６３８は、合成処理部６３５の音響データをクロスファンビーム方式により鉛直表示する。

次にアクティブソーナーの動作について説明する。まず、信号発生器６１４においてソーナーに有効な波形をデジタルで作成する。このときの波形イメージは、例えば図８のようにする。ここでは、腑仰角θ_１、周波数Ｆ_１の送信ファンビーム１０−１、腑仰角θ_２、周波数Ｆ２の送信ファンビーム１０−２、・・・、腑仰角θ_ｎ、周波数Ｆ_ｎの送信ファンビーム１０−ｎのパルスを送信するものとする。波形としては、例えば、単一周波数のパルス波形であるＰＣＷやＬＦＭを用いることができるが、本実施形態は波形によらない。例えば、位相変調波形や、非線形周波数変調波形等を用いたとしても、受信信号処理部６２４の処理内容が変わるだけであり、得られる出力データの形（距離と方位の位置データ）は変わらないためである。図８の例にあるように、波形をクロスファンビーム方式として、水中で垂直方向に腑仰角をｎパターン変えながら、パルスを分けて送信する。このとき、波形がＰＣＷであれば各腑仰角に対する周波数をＦ_１〜Ｆ_ｎまでｎパターンとする。また、波形がＬＦＭ等の帯域を持つ変調波形であれば、中心周波数がＦ_１〜Ｆ_ｎまでｎパターン変化する。このとき、ＰＣＷやＬＦＭ等の帯域を持つ波形のどちらについても、対処目標のドップラシフトによる受信信号の干渉がおこらないよう各周波数Ｆ_１〜Ｆ_ｎを選択することが望ましい。

送信周波数をＦｎ、目標の最大速度をＶ、水中音速をＣとしたとき得られる目標のドップラシフトΔＦは以下のとおりである。

ファンビームの送信では、送信腑仰角の値に応じて、送波器６１１が保有する複数の素子（例えばＬ個）の各素子に対する時間を遅延させる。ここで、送信腑仰角の数は２以上とする。

そして、信号発生器６１４が作成したデジタル波形を、ＤＡＣ６１３で送波器６１１が保有するＬ個分のアナログ信号に変換する。アナログ信号に変換されたＬ個の送信信号は、送波処理部６１２において、送信周波数帯域（周波数Ｆ１−Ｆｎに変調帯域幅を加えた帯域）だけを通すようにアナログフィルタリングを行い、さらにパワーアンプで振幅を増幅して送波器６１１に入力する。送波器６１１は、複数の鉛直方向の送波素子から構成される。各送波素子は、送波処理部６１２の電気信号を音波に変換する。これにより、水中に垂直ビームシフトの腑仰角をつけた送信ファンビームを送信する。水中に送信された送信ファンビームは、目標７００に向かって伝搬する。

一方、目標７００から反射された反射波はＭ個の受波素子から構成される受波器６２１により受信され、電気信号に変換される。受波器６２１から出力される電気信号は、受波処理部６２２において増幅される。また、一般に送信帯域より広い受信帯域幅以外をフィルタリングし、ＡＤＣ６２３に入力する。ＡＤＣ６２３では、レベルの量子化と時間のサンプリングをおこないＭ個のアナログ信号を、それぞれデジタル信号に変換する。デジタル信号は、受信信号処理部６２４において、サンプリングレートを下げるためベースバンド変換され、腑仰角により分けられたｎ種類の帯域にフィルタを用いて分離される。分離されたｎ種Ｍ個の受信データは水平ビームに変換する整相処理をおこなう。ここで、送信腑仰角ｎ種のそれぞれの受信信号をレイヤ１、レイヤ２、・・・、レイヤｎと呼ぶ。

波形がＬＦＭや他の変調波形であれば、受信信号の各時間に対して送信信号との相関をとるパルス圧縮処理をおこなう。さらに、距離により大きく変化する信号の絶対レベルをＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）処理を通じて相対レベルに変換する。ここまでの処理を通じて、Ｍ個の素子からなる受波器６２１で得られた受信信号は、ｎレイヤの帯域毎に複数水平ビーム（Ｎ本とする）かつ、距離方向にＰ数の位置データ（距離Ｐ、方位Ｎ）に変換される。つまり、ｎは各垂直方向に角度を変えた垂直平面数を表し、これらに対してそれぞれＰ×Ｎ格子の受信データが得られる。このとき全受信データの総数はｎ種×距離Ｐ×方位Ｎとなる。

次に、信号処理部６３０について説明する。環境データ保持部６３１は、予め観測される水温や塩分プロファイルといった環境データを保持し、これらのデータを音速プロファイル変換部６３２に入力する。音速変換の式は、水温や塩分により関係づけられており、いくつも変換式が知られている（例えばソープの音速式など）。ただし、本発明は音速変換式の種類には依らない。音速プロファイルは伝搬経路計算部６３３に入力される。伝搬経路の計算は、例えば、よく知られたスネルの法則を用いる音線理論に従って実行する。それぞれのレイヤｎに対して伝播経路を計算する。経路時間計算部６３４は、送信ファンビームの送信時刻と対応する反響音信号の受信時刻とに基づいて、ｎ個のレイヤに対する経路時間Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎを計算する。そして、その結果を合成処理部６３５に入力する。合成処理部６３５は、伝搬経路計算結果と経路時間とを用いて、各受信信号の発生源の水平距離を計算する。そして、同じ水平方位で同じ水平距離になるレイア間のデータを合成する。また、合成したデータを追尾処理部６３６に入力する。

以上説明したように、本実施形態によれば、クロスファンビーム方式で遠距離目標の反響音情報を取得し、追尾処理等に利用することができる。

（第４の実施の形態）
本実施形態では、図７の受信信号処理部６２４から追尾処理部６３６までの処理を詳細に説明する。ここでは、水平ビーム数（水平方位数）が５、水平距離の区分数が１０の画像が得られると仮定する。画像の具体例を図９（ａ）に示す。この信号には、雑音／残響が含まれているので、受信信号処理部６２４では、信号レベル閾値や信号長等を用いて、信号を検出し雑音／残響を落とすような自動検出処理をおこなう。この処理により、ノイズを除去した信号を得る。この信号を画像として表示した例を図９（ｂ）に示す。

次に上述の処理を行った信号を受信信号処理部６２４が合成処理部６３５に出力する。合成処理部６３５では、異なるレイヤの信号を、同じ水平方位、同じ水平距離ごとに合成する処理を行う。具体例を図１０に示す。ここでは送信腑仰角１のデータと送信腑仰角２の２レイヤを合成するものとする。画像の画素を（水平方位、水平距離）で表すこととすると、図１０（ａ）の送信腑仰角１の画像では（３，８）、（３，９）の２点に信号が存在する。同様に、図１０（ｂ）の送信腑仰角２の画像では（３，７）、（３，８）の２点に信号が存在する。このため、これらを合成した画像である図１０（ｃ）では、（３，７）、（３，８）、（３，９）の３点に信号が存在することになる。ここで、計算によって求めた水平距離には、ある程度の誤差が含まれていると考えられる。そこで、上記２つのデータが重なったところが、実際の目標の位置として確からしいと推定する絞り込みを行うことも可能である。ここでは、単純に合成したデータから２つの画像の重なっているデータだけを採用し、図１０（ｄ）に示す（３，８）を追尾処理部６３６の入力データとする例を示している。以上説明したように、腑仰角を変えた異なる伝搬経路により、同じ目標からの信号が得られる場合は、より確度の高い反響音データを得ることができる。つまり検出対象の検出確率を増すことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、近距離から遠距離、海面から海底までに渡る広い範囲を監視し、移動目標の監視漏れを防ぐことができる。

上述した第１乃至第４の実施形態の処理をコンピュータに実行させるプログラムおよび該プログラムを格納した記録媒体も本発明の範囲に含む。記録媒体としては、例えば、磁気ディスク、磁気テープ、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ、などを用いることができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

１ ファンビーム送信部
２ ファンビーム受信部
３ 伝搬経路計算部
４ 経路時間計算部
５ 水平距離計算部
１０ 送信ファンビーム
２０ 受信ファンビーム
３０ 受信信号
１００、２００ アクティブソーナー
２１０ ファンビーム送信部
２２０ ファンビーム受信部
２３０、６３０ 信号処理部
３００ 近距離目標
４００ 遠距離目標
５００ 海底
５１０ 海面
６１０ 送信部
６２０ 受信部
６３０ 信号処理部
７００ 目標

Claims (10)

1. 水平方向に広く鉛直方向に狭い広がりを持つ送信ファンビームを異なる腑仰角で複数送信するファンビーム送信部と、
   鉛直方向に広く水平方向に狭い広がりを持つ受信ファンビームを受信するファンビーム受信部と、
   前記送信ファンビームの腑仰角と媒体のプロファイルとに基づいて複数の前記送信ファンビームそれぞれについて伝搬経路を計算する伝搬経路計算部と、
   前記ファンビーム送信部が前記送信ファンビームを送信してから前記ファンビーム受信部が前記送信ファンビームの反響音を反響音信号として受信するまでの時間を経路時間として計算する経路時間計算部と、
   前記伝搬経路と前記経路時間とに基づいて各反響音発生源から前記ファンビーム受信部までの水平距離を計算する水平距離計算部と
   を有することを特徴とするアクティブソーナー。
2. 前記水平距離計算部が、
   前記経路時間に基づいて前記ファンビーム受信部から前記反響音発生源までの前記伝搬経路に沿った伝搬経路長を計算し、
   前記伝搬経路長に基づいて前記水平距離を計算する
   ことを特徴とする請求項１に記載のアクティブソーナー。
3. 前記水平距離計算部が、前記伝搬経路内の微小領域の腑仰角に基づいて前記微小領域に対応する前記水平距離を計算する
   ことを特徴とする請求項２に記載のアクティブソーナー。
4. 腑仰角の異なる前記送信ファンビームによって生じた複数の反響音信号について、
   同じ方位で前記水平距離が略同一と計算された反響音信号を所定の規則で合成する合成処理部を
   有することを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載のアクティブソーナー。
5. 水平方向に広く鉛直方向に狭い広がりを持つ送信ファンビームを異なる腑仰角で複数送信し、
   鉛直方向に広く水平方向に狭い広がりを持つ受信ファンビームを受信し、
   前記送信ファンビームの腑仰角と媒体のプロファイルとに基づいて複数の前記送信ファンビームそれぞれについて伝搬経路を計算し、
   前記送信ファンビームを送信してから前記送信ファンビームの反響音を反響音信号として受信するまでの時間を経路時間として計算し、
   前記伝搬経路と前記経路時間とに基づいて各反響音発生源から前記反響音信号の受信部までの水平距離を計算する
   ことを特徴とするアクティブソーナーの制御方法。
6. 前記経路時間に基づいて前記反響音発生源までの前記伝搬経路に沿った伝搬経路長を計算し、
   前記伝搬経路長に基づいて前記水平距離を計算する
   ことを特徴とする請求項５に記載のアクティブソーナーの制御方法。
7. 前記伝搬経路内の微小領域の腑仰角に基づいて前記微小領域に対応する前記水平距離を計算する
   ことを特徴とする請求項６に記載のアクティブソーナーの制御方法。
8. 腑仰角の異なる前記送信ファンビームによって生じた複数の前記反響音信号について、同じ方位で前記水平距離が略同一と計算された前記反響音信号を所定の規則で合成する
   ことを特徴と請求項する請求項５乃至請求項７いずれか一項に記載のアクティブソーナーの制御方法。
9. 水平方向に広く鉛直方向に狭い広がりを持つ送信ファンビームを異なる腑仰角で複数送信するステップと、
   鉛直方向に広く水平方向に狭い広がりを持つ受信ファンビームを受信するステップと、
   前記送信ファンビームの腑仰角と媒体のプロファイルとに基づいて複数の前記送信ファンビームそれぞれについて伝搬経路を計算するステップと、
   前記送信ファンビームを送信してから前記送信ファンビームの反響音を反響音信号として受信するまでの時間を経路時間として計算するステップと、
   前記伝搬経路と前記経路時間とに基づいて各反響音発生源から前記反響音信号の受信部までの水平距離を計算するステップと
   を有することを特徴とするアクティブソーナーの制御プログラム。
10. 前記経路時間に基づいて前記反響音発生源までの前記伝搬経路に沿った伝搬経路長を計算するステップと、
    前記伝搬経路長に基づいて前記水平距離を計算するステップと
    を有することを特徴とする請求項９に記載のアクティブソーナーの制御プログラム。

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