JP5317176B2

JP5317176B2 - 物体探査装置及び物体探査プログラム、物体探査方法

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Publication number: JP5317176B2
Application number: JP2008287202A
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Inventors: 芳昭鶴ヶ谷; 年晃菊池
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Filing date: 2008-11-07
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Description

本発明は、音波パルスが伝搬する伝搬環境内に存在する物体を探査する物体探査装置及び物体探査プログラム、物体探査方法に関する。

音波パルスが伝搬する伝搬環境が、例えば海中である場合、その海中に存在する物体を探査する方法として、ソーナーが広く用いられている。すなわち、音波ビームを用いて海中を掃引し、音波ビーム内に入った物体からの反射波を受波して、物体の距離と方位とを求めている。この探査距離を延長させるには、吸収減衰が少ない低周波音波（例えば５００Ｈｚ）を利用する必要がある。しかし、音波の周波数を低くすると、音波ビームが広くなり、さらに海面や海底での反射による影響を受けるため、物体の探査が困難となる。

そこで、最近、位相共役波やタイムリバーサル波を利用した新しい物体の探査方法に関する関心が高まっている。

C.Pradaらは、水中に存在する物体から音源側に散乱する後方散乱波を受波し、その受波信号の時間軸を反転させる、いわゆるタイムリバーサル処理を施し、そのタイムリバーサル信号を水中に再放射している。その再放射した音波は、物体の位置に収束する。この収束した音波は、前よりもより強い反射波を発生する。この反射波を受波して、再びタイムリバーサル処理を施して再び放射する。その音波は強く物体の位置に収束する。

以上の操作を繰り返すことにより、大きな物体から順に小さい物体を特定することができる。
C.Prada, S. Manneville, D. Spoliansky, and M. Fink, "Docomposionof the time reversal operator: detection and selective focusing on twoscatterers", J. Acoust. Soc. Am.99, 2067 -2076 (1995)

しかしながら、C.Pradaらの提案する方法では、タイムリバーサル処理を２回以上繰り返す必要があり、物体の探査に多大な時間を要する。

また、物体が隣接して存在する場合や、物体のサイズが等しい場合には、個々の物体を識別することが困難となる。また、探査に用いる音波の周波数が低い場合には、海面や海底での反射による影響を受けて、物体の識別が困難になる。

本発明の目的は、物体からの後方散乱波に代えて、物体から前方に散乱する前方散乱波を用い、その前方散乱波に対するタイムリバーサル波を応用することにより、伝搬環境中に存在する物体を探査する物体探査装置及び物体探査プログラム、物体探査方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る物体探査装置は、伝搬環境内に存在する物体を探査する物体探査装置であって、
前記物体から前方に散乱する前方散乱波を用いることにより、前記物体を探査するものであり、
伝搬環境内に音波パルスを送波する音源と、
前記伝搬環境内に存在する物体から前方に散乱する前方散乱波を受波する領域に配置したトランスデューサアレイと、
物体が伝搬環境に存在しない状態で前記トランスデューサアレイが受波した参照音場での参照信号と、物体が伝搬環境に存在する状態で前記トランスデューサアレイが受波した探査音場での混合信号とをベクトル加算処理することにより、前記前方散乱波の信号のみを抽出する加算処理部と、
前記加算処理部が抽出した前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた音波パルスを生成する時間反転処理部と、
前記時間反転処理部が生成した音波パルスにパッシブ位相共役を適用することで、前記音源から前記トランスデューサアレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックする位相共役判定部とを含むことを特徴とする。

以上の例では、本発明をハードウェアとしての物体探査装置として構築したが、これに限られるものではない。本発明は、物体を探査する方法として構築する、或いは物体探査装置の機能をコンピュータに実行させるソフトウェアとしてのプログラムとして構築してもよいものである。

本発明に係る物体探査プログラムは、伝搬環境内に存在する物体の探査を制御する物体探査プログラムであって、
コンピュータに、
物体が伝搬環境に存在しない状態でトランスデューサアレイが受波した参照音場での参照信号と、物体が伝搬環境に存在する状態でトランスデューサアレイが受波した探査音場での混合信号とをベクトル加算処理することにより、前記前方散乱波の信号のみを抽出する機能と、
前記抽出した前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた音波パルスを生成する機能と、
前記時間反転した音波パルスにパッシブ位相共役を適用することで、音源からトランスデューサアレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックする機能とを実行させることを特徴とする。

本発明に係る物体探査方法は、伝搬環境内に存在する物体を探査する物体探査方法であって、
前記物体から前方に散乱する前方散乱波を用いることにより、前記物体を探査するものであり、
伝搬環境内に音波パルスを送波し、
物体が伝搬環境に存在しない状態で前記トランスデューサアレイが受波した参照音場での参照信号と、物体が伝搬環境に存在する状態で前記トランスデューサアレイが受波した探査音場での混合信号とをベクトル加算処理することにより、前記前方散乱波の信号のみを抽出し、
前記抽出した前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた音波パルスを生成し、
前記時間反転した音波パルスにパッシブ位相共役を適用することで、音源からトランスデューサアレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックすることを特徴とする。

本発明によれば、参照音場で取得した参照信号と探査音場で取得した混合信号とについてベクトル加算処理を施すことにより、物体で前方に散乱した前方散乱波を抽出し、その抽出した前方散乱波にタイムリバーサル処理を施して物体の位置に収束させることで、伝搬環境中の物体を探査する。さらに、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源からトランスデューサアレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立することをチェックし、位相共役性が成立していることを条件として、前記参照信号と前記探査音場とに基づいて伝搬環境内の物体を探査するため、前記物体を正確かつ確実に探査することができる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。

C.Pradaらの提案する方法、すなわち物体から後方に散乱（反射）する後方散乱波に対してタイムリバーサル処理を繰り返す方式では、上述したような問題がある。そこで、本発明の実施形態では、それらの問題点を解決する方法として、物体から前方に散乱する前方散乱波を用いて物体の探査を実現する方式を提案するものである。図１及び図２に基づいて、本発明の実施形態を説明するにあたって、参照音場、参照信号、探査音場及び混合信号を次のように定義する。図２に示す音源４とトランスデューサアレイ５との配置において、探査対象である物体１が伝搬環境３内に存在しない状態で、音源４から音波パルスを送波して、トランスデューサアレイ５で受波する。このときの音場を参照音場として定義する。前記参照音場でトランスデューサアレイ５が受波した音波パルスを参照信号Ｓ１として定義する。次に、探査対象である物体１が伝搬環境３内に存在する状態で、音源４から音波パルスを送波して、トランスデューサアレイ５で受波する。このときの音場を探査音場として定義する。前記探査音場でトランスデューサアレイ５が受波した音波パルスを混合信号Ｓ２として定義する。

先ず、物体１から後方に散乱する後方散乱波２ａと、物体１から前方に散乱する前方散乱波２との関係を図５に基づいて説明する。図５に示すように、音波パルスが伝搬する伝搬環境３を浅海とした場合、その浅海３中に存在する物体１から音源４側、すなわち後方に散乱する散乱波が後方散乱波２ａであり、物体１からトランスデューサアレイ５側、すなわち前方に散乱する散乱波が前方散乱波２である。伝搬環境３が浅海である場合、３ａが海面、３ｂが海底である。

一般に、浅海３中をトランスデューサアレイ５に向けて直接進行する音波パルス（進行波６）のレベルは、物体１から前方に散乱する前方散乱波２のレベルよりも大きいので、受波した音波パルスから前方散乱波２を分離して前記前方散乱波２を識別することは困難である。

そこで、本発明の実施形態では、参照音場での参照信号Ｓ１と探査音場での混合信号Ｓ２とに基づいて物体１からの前方散乱波２のみを分離し、その分離した前方散乱波２に対してタイムリバーサル処理を施すことにより、伝搬環境３内に存在する物体１を探査するものである。

すなわち、本発明の実施形態では、図２に示す音源４とトランスデューサアレイ５との配置において、前記参照信号と前記混合信号とに基づいて物体１からの前方散乱波２を抽出することで、伝搬環境３内に存在する物体１を探査することを特徴とするものである。前記参照信号と前記混合信号とに基づいて物体１からの前方散乱波２を抽出するには、音源４からトランスデューサアレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立することが重要である。図２に示すように、位相共役には、音源４からトランスデューサアレイ５の間の往復路に関係するアクティブ位相共役と、音源４からトランスデューサアレイ５の往路のみに関係するパッシブ位相共役とがある。前記参照音場の判定にはパッシブ位相共役を適用する。

次に、本発明の実施形態における基本原理を説明する。

図２に示す伝搬環境３が例えば大陸棚のような浅海である場合を想定する。図２に示すように、浅海３中に音源４とトランスデューサアレイ５とを対峙して配置する。先ず、音源４とトランスデューサアレイ５との間に物体１が存在しない場合に、この状態での浅海３の音場を参照音場として音源４から音波パルスを浅海３中に放射して、この浅海３中を伝搬した音波パルスをトランスデューサアレイ５の各素子５ａで受波し、この受波した信号をトランスデューサアレイ５の各素子５ａ毎に保存する。この信号が参照音場での参照信号Ｓ１である。

次に、物体１が存在すると思われる場合に、この状態での浅海３の音場を探査音場として音源４から、先に放射した音波パルスと逆位相の音波パルスを浅海３中に放射する。前記先に放射した音波パルスとは、前記参照信号Ｓ１を取得する際に音源４から放射した音波パルスである。探査音場で浅海３内を伝搬した音波パルスをトランスデューサアレイ５の各素子５ａで受波する。この信号が探査音場での混合信号Ｓ２である。

次に、探査音場で受波した混合信号Ｓ２と参照音場で受波した参照信号Ｓ１とをベクトル的に加算する（ベクトル加算処理）。この場合、音源４から放射されてトランスデューサアレイ５に直接受波された音波パルスそのものの成分（進行波６）は参照信号Ｓ１と混合信号Ｓ２とに、互いに逆の位相関係で含まれているため、ベクトル加算処理により打ち消し合って消滅する。前記互いに逆の位相関係とは、参照信号Ｓ１の位相が正位相であるとすると、混合信号Ｓ２の位相が逆位相となる関係をいう。

音源４から放射された進行波６に対するベクトル加算処理については以上説明した通りであるが、物体１で前方に散乱した前方散乱波２について説明する。音源４から放射された音波パルスが物体１に入射して前方に散乱した前方散乱波２の成分は、探査音場で受波した混合信号Ｓ２には含まれ、参照音場で受波した参照信号Ｓ１には含まれていない。また、物体１が浅海３中に存在する場合には、探査音場で受波した混合信号Ｓ２に前方散乱波２の成分が含まれる。また、物体１が浅海３中に存在しない場合には、混合信号Ｓ２に前方散乱波２の成分が含まれない。これらの信号Ｓ１，Ｓ２の特性を利用して前方散乱波２を抽出する。

そこで、本発明の実施形態では、探査音場で受波した混合信号Ｓ２と参照音場で受波した参照信号Ｓ１とをベクトル的に加算する（ベクトル加算処理）。このベクトル加算処理した結果、混合信号Ｓ２に前方散乱波２が含まれていれば、その前方散乱波２の成分はベクトル加算処理によっても打ち消されずに残存する。

前記ベクトル加算処理によってトランスデューサアレイ５の各素子５ａ毎に残存した前方散乱波２に対してタイムリバーサル処理を施し、そのタイムリバーサル処理した音波パルスをトランスデューサアレイ５の各素子５ａから、音源４が設置されている方向に向けて放射する。ここで、前記抽出した前方散乱波２にタイムリバーサル処理してトランスデューサアレイ５の各素子５ａから放射した前記音波パルスは、タイムリバーサルの原理により、物体１の位置に収束する。

前記タイムリバーサル処理してトランスデューサアレイ５の各素子５ａから放射した前記音波パルスの振幅分布、特に距離と深度に対する前記音波パルスの振幅分布をディスプレイ上で監視することにより、物体１を探査する。

上述したように、本発明の実施形態では、前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて物体１からの前方散乱波２を抽出することで、伝搬環境３内に存在する物体２を探査することを特徴とするものである。前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて物体１からの前方散乱波２を抽出するには、音源４からトランスデューサアレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立することが重要である。位相共役には、音源４からトランスデューサアレイ５の間の往復路に関係するアクティブ位相共役と、音源４からトランスデューサアレイ５の往路のみに関係するパッシブ位相共役とがある。

本発明の実施形態では、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源４からトランスデューサアレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立することをチェックし、位相共役性が成立していることを条件として、上述したように前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて物体１を探査する。

次に、本発明の実施形態における特徴をシミュレーションにて確認する。

シミュレーション結果；
先ず、物体１が単体で浅海３中に存在する場合をシミュレーションで確認する。
前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とをベクトル加算する際に、進行波６の成分を消失できることを確認する方法として、前方散乱波２の信号にタイムリバーサル処理を施して、その処理に基づく音波パルスをトランスデューサアレイ５の各素子５ａから浅海３中で音源４に向けて放射する。その放射された音波パルスの振幅分布を調べ、物体１の位置に音波パルスが収束することを確認する。

水深１００ｍの浅海３に、音源４とトランスデューサアレイ５とを対峙させ、その間に物体１を設置する。音源４とトランスデューサレイ５との間の距離は３ｋｍ、音源４と物体１との間の距離は１．５ｋｍである。音源４と物体１との深度は共に５０ｍである。物体１の大きさは、高さ及び幅共に２ｍである。中心周波数５００Ｈｚ、８サイクルのトーンバースト波を音波パルスとして音源４から浅海３中に放射し、これをトランスデューサアレイ５で受波して、タイムリバーサル処理を施した後、その処理に基づく音波パルスをトランスデューサアレイ５から浅海３中に再放射する。

図７は、混合信号Ｓ２をタイムリバーサル処理した後にトランスデューサアレイ５から放射した場合の音波パルスの振幅分布を示す図である。図７において、距離０ｍは音源４の位置であるが、音波パルスは音源４の位置に収束していることが明らかである。しかしながら、音源４に対して距離１．５ｋｍの位置に存在する物体１の位置には、音波パルスが収束していない。すなわち、進行波６の成分で前方散乱波２がマスクされて見ることができない。なお、図７を含めて、以下に示す音波パルスの振幅分布を示す図において、トランスデューサアレイ５からの音波パルスの音圧が強い部分は白色で示し、音圧が弱い部分は黒色で示し、その中間強度の音圧をその強さに比例して白色に近づくように階調を付けた灰色で示してある。また、音波パルスの振幅分布を示す図では、縦軸に深度（ｍ）、横軸に距離（ｋｍ）を取っている。

次の図８は、混合信号Ｓ２と参照信号Ｓ１とをベクトル加算処理した後に残存する信号（前方散乱波２）にタイムリバーサル処理を施してトランスデューサアレイ５から送波した音波パルスの振幅を示す分布図である。

図８において、距離１．５ｋｍの位置が物体１の位置であり、トランスデューサアレイ５から送波した音波パルスが物体１の位置に収束していることが分かる。また、距離０ｋｍ，深度５０ｍの位置に存在する音源４の位置には、トランスデューサアレイ５から送波した音波パルスが収束していないことが分かる。

したがって、図７及び図８に示すシミュレーションの結果からして、混合信号Ｓ２と参照信号Ｓ１とをベクトル加算処理する方法は、前方散乱波２のみを分離（抽出）する方法として有効であることを確認できた。また、物体１の位置を変更しても同様に、その位置を変更した物体１の位置に、混合信号Ｓ２と参照信号Ｓ１とをベクトル加算処理した後に残存する信号（前方散乱波２）にタイムリバーサル処理を施してトランスデューサアレイ５から送波した音波パルスが収束することを確認した。

次に、鉛直に配列した複数の物体１を探査する場合についてのシミュレーション結果について考察する。このシミュレーションを行うにあたって、２個の物体１を鉛直方向に配列した。２個の物体１は、音源４に対して距離１．５ｋｍの位置で深度をそれぞれ４０ｍ，６０ｍに設定して鉛直方向に設置した。

この場合、混合信号Ｓ２と参照信号Ｓ１とをベクトル加算処理した後に残存する信号（前方散乱波２）にタイムリバーサル処理を施してトランスデューサアレイ５から送波した音波パルスの振幅分布を図９に示した。

図９から明らかなように、物体１の大きさが同じ場合であっても、１回のタイムリバーサル処理で鉛直配列した個々の物体１の位置を探査できることが確認できた。

背景技術の欄で示した非特許文献１が提案する探査方法では、タイムリバーサル処理を２回以上繰り返さなければならない上に、物体の大きさが等しい場合には物体の識別が困難であったことと比較すると、本発明の実施形態が提案する方式は、その有効性が鮮明である。

以上の技術的解析及びシミュレーションの結果に基づいて、本発明の実施形態では、図２に示す音源４とトランスデューサアレイ５との配置において、参照音場で受波した参照信号Ｓ１と探査音場で受波した混合信号Ｓ２に基づいて物体１からの前方散乱波２を抽出することで、伝搬環境３内に存在する物体１を探査するものであって、しかも、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源４からトランスデューサアレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立しているかをチェックし、位相共役性が成立していることを条件として、前記抽出した前方散乱波２に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた音波パルスを生成して再放射するものである。以下に具体例を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の実施形態に係る物体探査装置は図１に示すように、基本的な構成として、加算処理部６と、時間反転処理部７と、位相共役判定部８と、収束計算処理部９とを有している。

制御部１２は、図１に示す各構成要素（例えば、加算処理部６，時間反転処理部７、位相共役判定部８及びその他の構成要素）を総合的に制御するものである。１４は、制御部１２の動作に必要な情報、及び演算に必要な作業領域を提供する記憶部、１３は、制御部１２を通して出力されるデータを外部に出力する例えばディスプレイ或いはプリンタなどの指示部である。

加算処理部６は、トランスデューサアレイ５の素子５ａに対応させて素子５ａの個数と同数設けてある。そして、加算処理部６は素子５ａ単位で、物体１が存在しない参照音場で音源４から送波した音波パルス（正位相の音波パルス）をトランスデューサレイ５の各素子５ａで受波した参照音場での参照信号Ｓ１を記憶する。そして、加算処理部６は、物体１が存在すると思われる探査音場で先に音源４から送波した音波パルスと逆位相の音波パルスを送波してトランスデューサアレイ５の各素子５ａで受波した探査音場での混合信号Ｓ２を取得する。さらに、加算処理部６は、ベクトル加算処理により前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて物体１からの前方散乱波２を抽出する。

加算処理部６は、トランスデューサアレイ５の各素子５ａで受波した受波信号を時間窓／ＡＤ変換部１０でアナログ信号からデジタル信号に変換した信号を受け取る。なお、時間窓／ＡＤ変換部１０は、トランスデューサアレイ５の各素子５ａに対応させて素子５ａの個数と同数設けてある。

時間反転処理部７は、２以上の加算処理部６がそれぞれ混合信号Ｓ２と参照信号Ｓ１とをベクトル加算処理して抽出した物体１からの前方散乱波２の信号を受取り、前記抽出した前方散乱波２に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた音波パルスを生成する。

位相共役判定部８は、前記時間反転処理部７が生成した時間反転の音波パルスにパッシブ位相共役を適用することで、音源４からトランスデューサアレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立しているかをチェックして、判定結果を出力する。

収束計算処理部９は、前記位相共役判定部８で前記位相共役性が成立するとして判定されたことを条件として、時間反転処理部７が生成した前記音波パルスを受取り、その音波パルスの収束位置を計算する。

次に、本発明の実施形態に係る物体探査装置を用いて、伝搬環境である浅海３中に存在する物体１を探査する場合について説明する。

先ず、探査を行う前段階において、音源４から浅海３中に校正信号を送波し、その校正信号をトランスデューサアレイ５の１つの素子５ａで受波し、その受波した信号を環境情報生成部１１に送信する。環境情報生成部１１は、前記受波信号を取り込み、不要な信号を除去すると共にＡ／Ｄ変換し、これを校正信号として用いる。さらに、環境情報生成部１１は、前記校正信号に基づいて実海域の定数、すなわち、音波ビームが伝搬する実際の海域の定数（海洋の音響定数）を演算する。具体的に説明する。

本発明の実施形態に係る物体探査装置は、例えば大陸棚のような比較的浅い海域で用いられる。その環境における音波伝搬に関する海洋の音響定数は、水深、海水の音速、海底堆積物（音速，密度）等のデータである。また、前記環境における音波パルスに関する海洋の音響定数は、音波パルスの中心周波数、音波パルスのスペクトル及び音波パルスのバンド幅等のデータである。海洋の音響定数を決定するための水深のデータは、測深機などの測定機器を用いることで直接計測により求められる。海洋の音響定数を決定するための海水の音速データは、水温の計測により、例えばメドイン（H.Medwin）の式などの既知の音速の式から求められる。

海洋の音響定数を決定するための海底堆積物のデータは、海図などから大凡の値を推定できるが、より正確な値は、既知の校正法により求められる。すなわち、物体が存在しない探査領域に、音源４から浅海３中に校正信号音を送波し、トランスデューサアレイ５で受波し、その受波信号と予測した海底堆積物の定数とを変化させながら演算することで、実海域での堆積物のデータを取得する。ここに、海洋の音響定数とは、実際に音波が海中を伝搬する際に前記音波の伝搬に影響を及ぼす要因となる環境因子を意味する。なお、海中での物体１を探査する場合を想定しているので、海洋音響定数を用いたが、これに限られるものではない。伝搬環境として海洋以外のものを用いる場合、前記音響定数は、実際に音波が伝搬環境を伝搬する際に前記音波の伝搬に影響を及ぼす要因となる環境因子を意味することとなる。

環境情報生成部１１には、上述した音波伝搬及び音波パルスに関する実海域での海洋の音響定数を決定するためのデータが入力され、環境情報生成部１１は、前記入力された海洋の音響定数を決定するためのデータと、前記校正信号とに基づいて実海域の海洋の音響定数を決定する。環境情報生成部１１は、決定した実海域での海洋の音響定数を収束計算処理部９に出力する。なお、海中での物体１を探査する場合を想定しているので、海洋音響定数を用いたが、これに限られるものではない。伝搬環境として海洋以外のものを用いる場合、環境情報生成部１１は、実際に音波が伝搬環境を伝搬する際に前記音波の伝搬に影響を及ぼす要因となる実際の音響定数を出力することとなる。

環境情報生成部１１での処理が終了した時点で、音源４とトランスデューサアレイ５との間に物体１が存在しない状態での参照音場で音源４から音波パルスを浅海３中に放射し、トランスデューサアレイ５の各素子５ａは浅海３中を伝搬した音波パルスを参照音場での参照信号Ｓ１として取得する。

トランスデューサアレイ５の各素子５ａは、取得した参照音場での参照信号Ｓ１（電気信号）を時間窓／ＡＤ変換部１０に出力する。時間窓／ＡＤ変換部１０は、前記参照信号Ｓ１を受け取ると、その参照信号Ｓ１をアナログ信号からデジタル信号に変換し、その変換した信号を加算処理部６に出力する。

加算処理部６は、全ての時間窓／ＡＤ変換部１０から出力される参照信号Ｓ１を受取り、これを記憶する。

次に、音源４とトランスデューサアレイ５との間に物体１が存在すると思われる状態の探査音場で、参照音場で音源４から放射した音波パルスと逆位相の関係にある音波パルスを音源４から浅海３中に放射し、トランスデューサアレイ５の各素子５ａは浅海３中を伝搬した音波パルスを探査音場での混合信号Ｓ２として取得する。

トランスデューサアレイ５の各素子５ａは、前記取得した混合信号Ｓ２（電気信号）を時間窓／ＡＤ変換部１０に出力する。時間窓／ＡＤ変換部１０は、前記混合信号Ｓ２を受け取ると、その混合信号Ｓ２をアナログ信号からデジタル信号に変換し、その変換した混合信号Ｓ２を加算処理部６に出力する。

加算処理部６は、全ての時間窓／ＡＤ変換部１０から出力される混合信号Ｓ２を受取り、参照信号Ｓ１と混合信号Ｓ２とを取得した際に、参照信号Ｓ１と混合信号Ｓ２とに対してベクトル加算処理を施すことにより、進行波６の成分が消失した物体１からの前方散乱波２の信号を抽出する（図４のステップ１００）。そして、加算処理部６は、抽出した前方散乱波２を時間反転処理部７に出力する。

前記加算処理部６が行うベクトル加算処理について詳述する。参照音場で音源４から放射される音波パルスの位相が正位相である。探査音場で音源４から放射される音波パルスの位相が逆位相であり、トランスデューサアレイ５の素子５ａでそれぞれ受波した参照信号Ｓ１と混合信号Ｓ２との位相が逆位相関係となる。また、参照信号Ｓ１には、音源４からトランスデューサアレイ５の素子５ａに直接到達した進行波６の成分が含まれており、混合信号Ｓ２には、探査音場に物体１が存在すると、音源４からトランスデューサアレイ５の素子５ａに直接到達した進行波６の成分に加えて、物体１から前方に散乱した前方散乱波２が含まれることとなる。この場合、参照信号Ｓ１と混合信号Ｓ２とは互いに逆位相であって、参照信号Ｓ１中の進行波６の成分と、混合信号Ｓ２中の進行波６の成分とも互いに逆位相の関係であるため、加算処理部６は、ベクトル加算処理を行って、参照信号Ｓ１中の進行波６の成分と、混合信号Ｓ２中の進行波６の成分とを相殺して、混合信号Ｓ２中の前方散乱波２のみを抽出する。

時間反転処理部７は、２以上の加算処理部６から出力される前方散乱波２の信号を受取り、前記抽出した前方散乱波２に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた音波パルスを生成する（図４のステップ１０１）。そして、時間反転処理部７は、生成した音波パルスを収束計算処理部９に出力する。

次に、時間反転処理部７が行うタイムリバーサル処理について詳細に説明する。加算処理部６が抽出した前方散乱波２を、その波の発信源へ戻すためには、タイムリバーサル理論により、時間軸を反転させる必要がある。そこで、時間反転処理部７は、前記前方散乱波２に対して時間反転処理すなわちタイムリバーサル処理を施して、トランスデューサアレイ５の素子５ａから物体１に向かう時間反転した音波パルスを生成する。

位相共役判定部８は、音源４から参照音場に放射してトランスデューサアレイ５で受波した校正信号などの音波パルスを受け取ると、その音波パルスに式（１），（２）に示すパッシブ位相共役を適用し、位相共役性の判定を行う（図４のステップ１０２）。

参照音場での伝搬環境３が位相共役性をもつ場合には式（２）が成立しなければならない。位相共役判定部８は、参照音場での伝搬環境３に音源４から送波した音波パルスの自己相関関数と、トランスデューサアレイ５の全ての素子５ａで受波した参照信号Ｓ１の自己相関関数を合算した相関結果である式（２）で示されるＳ（ｔ）との相似を検討し、相似である場合に参照音場での伝搬環境３は位相共役性であるとして判定する。

前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて物体１からの前方散乱波２を抽出するには、音源４からトランスデューサアレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立することが重要である。図２に示すように位相共役には、音源４からトランスデューサアレイ５の間の往復路に関係するアクティブ位相共役と、音源４からトランスデューサアレイ５の往路のみに関係するパッシブ位相共役とがある。

位相共役判定部８は上述したように、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源４からトランスデューサアレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立しているかをチェックし、位相共役性が成立している否かを判定する。

次に、式（１）及び式（２）に則って作成した図３に基づいて位相共役判定部８による参照音場の位相共役性を判定する場合を具体的に説明する。
図３（ａ）は、図６（ａ）（ｂ）に示すような中心周波数５００Ｈｚのトーンバースト波を音源４から放射した音波パルスの自己相関波形を示している。ここでは、音源４から送波する音波パルスの繰り返し周期を１０秒としているので、１０秒を中心とした対称な波形をなっている。
図３（ｂ）は、式（１）に則った波形である。ここでは、ｍ＝１、すなわちトランスデューサアレイ５の素子５ａのうち１番目の素子５ａで受波した音波パルスの自己相関波形である

である。この場合の音源４とトランスデューサアレイ５の素子５ａとの間の距離は３ｋｍ、水深は１００ｍ、音源４の設置深度は５０ｍである。トランスデューサアレイ５の素子５ａは互いに半波長の間隔で６０個を配列した構成である。その６０個の素子５ａのうち１番目の素子５ａで受波した音波パルスの自己相関関数波形である。パルス幅がかなり伸びていることが分かる。
図３（ｃ）は、式（２）のＳ（ｔ）に対応している。すなわち、ｍ番目の素子５ａで受波した音波パルスの自己相関、

を全て（ここでは６０個）の素子５ａの数で加算したものである。図３（ｃ）では、

を全ての素子数で加算しているため、音波パルスが圧縮されている。

したがって、位相共役判定部８は、参照音場での伝搬環境３に音源４から送波されてトランスデューサアレイ５で受波された図３（ａ）で示される音源4から放射される音波パルスの自己相関関数波形と、トランスデューサアレイ５の全ての素子５ａで受波した参照信号Ｓ１の自己相関関数を合算した相関結果である図３（ｃ）で示されるＳ（ｔ）の自己相関関数波形との相似を検討し、相似である場合に参照音場での伝搬環境３は位相共役性であるとして判定する。
図３の場合、図３（ａ）で示す自己相関関波形と図３（ｃ）で示す自己相関波形とが相似しているため、位相共役判定部８は、参照音場での伝搬環境３であると判定し、その判定結果を収束計算処理部９に出力する（図４のステップ１０２；ＹＥＳ）。
もし、位相共役判定部８は、図３（ａ）で示す自己相関関波形と図３（ｃ）で示す自己相関波形とが非相似である場合には、参照音場でないとの判定を下す。この場合、位相共役判定部８は、探査海域に応じた一定の待ち時間をおいて、参照音場であると判定するまで前記判定処理が行われる（図４のステップ１０２；ＮＯ）。

収束計算処理部９は、時間反転処理部７からの時間反転させた音波パルスを受取り、かつ位相共役判定部８が参照音場であるとの判定した結果を受けて、その音波パルスの探査音場における収束位置を次式（３）に基づいて計算する（図４のステップ１０３）。
式（３）は、タイムリバーサル処理を施してトランスデューサアレイ５から再放射され、任意点で受波される音波パルスを表す式であって、時間領域での音波パルスの音圧を示している。

制御部１２は、収束計算処理部９からの出力を受けると、指示部１３の画面にＧＵＩでもって音波パルスの振幅分布を表示する。オペレータは指示部１３の画面に表示された音波パルスの振幅分布（例えば図８，図９）を監視して、伝搬環境３内に存在する物体１を探査する。

以上説明したように本発明の実施形態によれば、参照音場で取得した参照信号と探査音場で取得した混合信号とについてベクトル加算処理を施すことにより、物体で前方に散乱した前方散乱波を抽出し、その抽出した前方散乱波にタイミリバーサル処理を施して物体の位置に収束させることで、伝搬環境中の物体を探査する。

さらに、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源からトランスデューサアレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立することをチェックし、位相共役性が成立していることを条件として、前記参照信号と前記探査音場とに基づいて伝搬環境内の物体を探査するため、前記物体を正確かつ確実に探査することができる。

C.Pradaらの提案する方法、すなわち物体から後方に散乱（反射）する後方散乱波に対してタイムリバーサル処理を繰り返す方法では、タイムリバーサル処理を２回以上繰り返す必要があり、物体の探査に多大な時間を要するが、本発明の実施形態では、タイムリバーサル処理を１回行うことにより、物体を探査することができ、探査に要する時間を短縮することができる。

なお、以上の説明では、本発明の実施形態に係る物体探査装置を浅海中での物体の探査に用いる場合について説明したが、水中の物体探査に限られるものではない。音波パルスが伝搬する伝搬環境であれば、いずれの伝搬環境であってもよく、その伝搬環境中の物体を探査することができるものである。また、以上説明した本発明の実施形態では、ハードウェアとして構築する場合について説明したが、これに限られるものではない。すなわち、本発明の実施形態に係る物体探査装置が実行する機能をプログラムとして構築し、そのプログラムをコンピュータに実行させることにより、本発明の実施形態に係る物体探査装置が実行する機能を実現するようにしてもよいものである。この場合、前記プログラムは記録媒体に記録され、その状態で商取引の対象となる。

本発明によれば、広範囲の探査物を対象として、これらの探査物を容易に探査することができる。

本発明の実施形態に係る物体探査装置を示す構成図である。本発明の実施形態において参照音場の判定を行うための原理を説明する図である。位相共役判定部が行う位相共役性の判定を図示化して示す波形図である。本発明の実施形態に係る物体探査装置を用いて物体の探査を行う場合を示すフローチャートである。物体に入射した音波パルスに基づく後方散乱波と前方散乱波との関係を示す図である。音源から送波するトーンバースト波を示す図である。本発明の実施形態においてシミュレーションを行った結果での音波パルスの振幅分布を示す図である。本発明の実施形態においてシミュレーションを行った結果での音波パルスの振幅分布を示す図である。本発明の実施形態においてシミュレーションを行った結果での音波パルスの振幅分布を示す図である。

符号の説明

１物体
２前方散乱波
３伝搬環境
４音源
５トランスデューサアレイ
７加算処理部
８時間反転処理部
９収束計算処理部
Ｓ１参照信号
Ｓ２混合信号

Claims

伝搬環境内に存在する物体を探査する物体探査装置であって、
前記物体から前方に散乱する前方散乱波を用いることにより、前記物体を探査するものであり、
正位相の音波パルスを参照音場の伝搬環境に送波し、前記正位相の音波パルスと逆位相関係の音波パルスを探査音場の伝搬環境に送波する音源と、
前記伝搬環境内に存在する物体から前方に散乱する前方散乱波を受波する領域に配置したトランスデューサアレイと、
物体が伝搬環境に存在しない状態で前記トランスデューサアレイが受波した参照音場での参照信号と、物体が伝搬環境に存在する状態で前記トランスデューサアレイが受波した探査音場での混合信号とをベクトル加算処理することにより、前記前方散乱波の信号のみを抽出する加算処理部と、
前記加算処理部が抽出した前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた音波パルスを生成する時間反転処理部と、
前記時間反転処理部が生成した音波パルスにパッシブ位相共役を適用することで、前記音源から前記トランスデューサアレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックする位相共役判定部とを含むことを特徴とする物体探査装置。
前記位相共役性が成立していると判定したことを条件として、前記時間反転処理部が生成した、時間反転させた音波パルスが収束する位置を計算する収束計算処理部を含む請求項１に記載の物体探査装置。
伝搬環境内に存在する物体の探査を制御する物体探査プログラムであって、
前記目標物から前方に散乱される前方散乱波を用い、正位相の音波パルスを参照音場の伝搬環境に送波し、前記正位相の音波パルスと逆位相関係の音波パルスを混合音場の伝搬環境に送波することにより前記目標物を探知する際に、
コンピュータに、
物体が伝搬環境に存在しない状態でトランスデューサアレイが受波した参照音場での参照信号と、物体が伝搬環境に存在する状態でトランスデューサアレイが受波した探査音場での混合信号とをベクトル加算処理することにより、前記前方散乱波の信号のみを抽出する機能と、
前記抽出した前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた音波パルスを生成する機能と、
前記時間反転した音波パルスにパッシブ位相共役を適用することで、音源からトランスデューサアレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックする機能とを実行させることを特徴とする物体探査プログラム。
前記コンピュータに、
前記位相共役性が成立していることを条件として、前記時間反転させた音波パルスが収束する位置を計算する機能を実行させる請求項３に記載の物体探査プログラム。
伝搬環境内に存在する物体を探査する物体探査方法であって、
前記物体から前方に散乱する前方散乱波を用いることにより、前記物体を探査するものであり、
正位相の音波パルスを参照音場の伝搬環境に送波し、前記正位相の音波パルスと逆位相関係の音波パルスを探査音場の伝搬環境に送波し、
物体が伝搬環境に存在しない状態で前記トランスデューサアレイが受波した参照音場での参照信号と、物体が伝搬環境に存在する状態で前記トランスデューサアレイが受波した探査音場での混合信号とをベクトル加算処理することにより、前記前方散乱波の信号のみを抽出し、
前記抽出した前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた音波パルスを生成し、
前記時間反転した音波パルスにパッシブ位相共役を適用することで、音源からトランスデューサアレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックすることを特徴とする物体探査方法。
前記位相共役性が成立していることを条件として、前記時間反転させた音波パルスが収束する位置を計算する請求項５に記載の物体探査方法。