JP6286896B2 - ソーナーの受信位置予測装置および予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、水中探索用のソーナーシステムに関するものであり、特にマルチスタティックソーナーの受信装置の設置位置を予測する技術に関するものである。

船舶等の航行における安全確保や水中に存在する物体の捜索を行うために、水中の物体を検知するソーナーシステムが広く用いられている。水中に音波を放射し、水中に存在する水中物体からの反響音を受信することにより水中物体を検知するソーナーシステムは、アクティブソーナーシステムと呼ばれる。アクティブソーナーシステムとしては、例えば、モノスタティックソーナーがある。モノスタティックソーナーは、音波が送信位置に戻ってくる音波の可逆性を利用しており、送信位置と受信位置が一致している。そのため、モノスタティックソーナーでは、音波の放射と反響音の受信を同じ位置で行えるという利点がある。一方で、反響音の受信を一か所でしか行わないため、減衰等によりその場所に反響音が戻ってこない位置に存在する水中物体は検知することができない。

モノスタティックソーナーに比べて広範囲の水中物体の検知を可能とするために、受信位置を複数に増やしたマルチスタティックソーナーが利用されることがある。マルチスタティックソーナーは送信装置から放射され、水中物体で反響した音波を複数個所で受信する方式のソーナーシステムである。音波の送信位置に戻ってこない反響音を送信位置以外で受信できるように受信位置を設定することにより、マルチスタティックソーナーではより広範囲に存在する水中物体を検知することが可能となり得る。一方で、マルチスタティックソーナーでは水中物体の位置を予測し、予測した水中物体の位置からの反響音が伝搬する経路を予測して、その経路上に受信位置を設定する必要がある。マルチスタティックソーナーを用いても、受信位置が適切に設定されていないと広範囲に存在する水中物体の検知を可能とする効果を発揮することは出来ない。また、時々刻々と状況が変化するような場面において水中物体の迅速な検知が要求されるような用途では、受信位置の決定が短時間で行われることが望ましい。以上のような背景から、マルチスタティックソーナーを運用する上で水中物体の存在位置を予測する技術と、その水中物体の存在位置に対する適切な受信位置を予測する技術はともに重要なものであり、関連する技術の開発が進められている。

水中物体の存在位置を予測する技術としては、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１は水中物体の存在位置をシミュレーションで予測する技術に関するものである。水中物体が自分とは相反する利益を有する者が操作を行っている船舶等であった場合には、ソーナーシステムからの音波を探知することにより水中物体は回避行動をとり得る。特許文献１の技術では、水中物体がソーナーシステムの音波の届く範囲外にあり通常行動を行っている場合と、音波の届く範囲内に入り回避行動を行う場合とを想定して水中物体の存在位置を予測している。回避行動として複数の行動パターンが設定され、行動パターンごとにその行動パターンをとり得る確率が設定されている。引用文献１では、水中物体が一様に分布した状態から、通常行動および回避行動をとることによる位置の変化をシミュレーションで予測している。シミュレーションの結果は、時間経過ごとの水中物体の位置として表示される。

また、水中物体において反響した音波の最適な受信位置を予測する技術としては、特許文献２のような技術がある。特許文献２は、水中物体で反響した音波の強度の予測から適切な受信位置を提示する技術に関するものである。特許文献２では、音波の送信位置の設定および水中物体の予測される位置への配置を行い、送信位置から送信されその水中物体で反響した音波の強度の計算を行っている。水中物体で反響した音波の強度の計算結果から、その強度分布を示すエコーマップが作成される。複数の水中物体のエコーマップを加算することにより生成されるエナジーマップから、反響した音波の強度が強い位置を求め、その位置が受信位置に適した位置として判断される。引用文献２ではこのような機能を有する構成とすることにより、効率よく受信装置の位置を設定することができるとしている。

特開２０１２−１５９４５９号公報 特開２０１１−５８９０６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は次の点において十分ではない。特許文献１は、時間経過ごとの物体の存在位置を予測する技術である。よって、物体の存在位置の予測結果を利用するためには、予測結果を基に、作業者が何らかの判断や作業等を行う必要がある。また、引用文献２の技術は、作業者が水中物体の存在位置を予測して水中物体を配置する必要がある。そのため、作業者による複雑な判断を要する場合や、時間経過による水中物体の位置変化等を考慮して受信位置を設定するために煩雑な作業を要することがある。よって、短時間で受信位置の的確な判断を要するような場合に用いる技術としては十分ではない。

本発明は、マルチスタティックソーナーを用いる際の受信装置の設置位置を、素早く適切に予測することのできるソーナーの受信位置予測装置を得ることを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の受信位置予測装置は、信号到達領域予測手段と、行動予測手段と、領域判断手段と、反響波計算手段と、マップ生成手段とを備えている。信号到達領域予測手段は、送信装置から音波の到達する領域を計算して信号到達領域として出力する。行動予測手段は、所定の領域内に配置された複数の物体の位置変化を、信号到達領域および物体に関する所定の設定情報に基づいて予測して物体の位置変化後の位置情報を第１の物***置情報として出力する。領域判断手段は、信号到達領域の領域内に第１の物***置情報が含まれる物体の位置情報を第２の物***置情報として出力する。反響波計算手段は、送信装置からの音波が、第２の物***置情報の位置に存在する各物体で反響する際の反響波の強度を計算する。マップ生成手段は、反響波計算手段により計算された複数の物体からの反響波の強度を加算し各座標における反響波の強度分布を算出する。

受信位置予測方法は、送信装置から音波の到達する領域を計算して信号到達領域として出力する。所定の領域内に配置された複数の物体の位置変化を、信号到達領域および物体に関する所定の設定情報に基づいて予測して物体の位置変化後の位置情報を第１の物***置情報として出力する。信号到達領域の領域内に第１の物***置情報が含まれる物体の位置情報を第２の物***置情報として出力する。送信装置からの音波が、第２の物***置情報の位置に存在する各物体で反響する際の反響波の強度を計算する。複数の物体からの反響波の強度を加算し各座標における反響波の強度分布を算出する。

本発明では、作業者による複雑な作業を必要とせずに最適な受信装置の設置位置の予測を短時間で行うことができる。

本発明の第１の実施形態の構成の概要を示す図である。 ソーナーシステムにおける音波の伝搬の例を示す図である。 ソーナーシステムにおける音波の伝搬の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるフローの概要を示す図である。 本発明の第１の実施形態のデータ内容の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるシミュレーションの例を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるシミュレーションの例を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるシミュレーションの例を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるシミュレーションの例を示す図である。 本発明の第１の実施形態において音波の強度の計算の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるシミュレーションの例を示す図である。 本発明の第１の実施形態において音波の強度の計算の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態において音波の強度の計算の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態において音波の強度の計算の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるシミュレーションの例を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるフローの概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるシミュレーションの例を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるシミュレーションの例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の構成の概要を示す図である。

本発明の第１の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１は本実施形態のマルチスタティックソーナーの受信位置予測装置について構成の概要を示したものである。

本実施形態の受信位置予測装置は入力部１０１と、記憶部１０２と、シミュレーション部１０３と、計算領域判定部１０４と、エナジーマップ生成部１０５と、表示部１０６と、制御部１０７とを備えている。

入力部１０１は入力装置等により構成され、作業者が入力した情報を電子情報に変換して他の部位へと送る機能を有する。また、入力部１０１は作業者が直接、入力する方式だけでなく通信回線等を介して情報が入力される方式とすることもできる。記憶部１０２は、半導体メモリ、ハードディスクドライブ等の記憶装置またはそれらの記憶装置の組み合わせにより構成されている。記憶部１０２は作業者が入力した各情報、シミュレーションを実施する過程における各データ、シミュレーション結果等の捜索支援装置で利用および生成される各情報データを記憶する機能を有する。また、記憶部１０２は、シミュレーション部１０３等の他の部位で使用するプログラムが記憶されていることもある。

シミュレーション部１０３は、マルチスタティックソーナーの運用における受信装置の設置位置を最適化するための予測を行う際に必要な計算等を行う機能を有する。計算領域判定部１０４は、水中物体で反響した音波の強度の予測計算等を行う際に、どの領域に存在する水中物体に関して計算を行うかを判断する機能を有する。エナジーマップ生成部１０５は、各水中物体で反響した音波の各座標地点における強度を表すエコーマップからエナジーマップを生成する機能を有する。エナジーマップは、領域内に含まれる各水中物体で反響した音波の強度を各座標地点において積算したものであり、各座標地点において観測される反響波の強度を示したものである。すなわち、エナジーマップは水中物体からの反響波の強度分布を示したものである。

表示部１０６はディスプレイ装置等で構成され、エナジーマップ等のシミュレーション結果や作業者へ設定を要求する情報等の入力内容を表示する機能を有する。制御部１０７は受信位置予測装置における制御全般を行う機能を有する。

本実施形態の受信位置予測装置において受信装置の最適な設置位置をシミュレーションにて求めた結果を適用することを想定しているマルチスタティックソーナーの概要について説明する。まずは、簡単のためモノスタティックソーナーの概要について説明する。図２はモノスタティックソーナーを用いた際の音波の速度のプロファイルおよび音波が水中で伝搬する様子を模式的に示したものである。図２の左側は音波の速度のプロファイルを示し、右側は音波が水中内で伝搬する様子を示したものであり、ともに水中の垂直方向の断面図である。音波の速度のプロファイル、すなわち、音速プロファイルを示す図２の左側の図の縦方向は水面１からの深さを示し、下側に向かう方向が水面からの距離が大きくなる方向、すなわち、水深が深くなる方向である。また、音速プロファイルの図の横方向は音波の水中での速度を示し、右方向に向かうと速度が大きくなる。図２の音速プロファイルは、水面１側から、混合層、水温躍層および深海等温層で構成されている場合を例として示している。混合層は、水面上を吹く風の影響を受けて形成される層であり、等温水の層である。混合層の音速プロファイル２は正の傾き、すなわち、深くなるにつれて音速が大きくなる傾向を示している。水温躍層は混合層の下層に存在する層であり、主に温度変化を要因として音速が変化する層である。水温躍層の音速プロファイル３は負の傾き、すなわち、深くなるにつれて音速が小さくなる傾向を示している。深海等温層は水温躍層の下層に存在し、主に圧力を要因として音速が変化する層である。深海等温層の音速プロファイル４は正の傾き、すなわち、深くなるにつれて音速が大きくなる傾向を示している。

図２の右側の図において音波が伝搬する様子について説明する。図２の右側の図において、送受信装置５から音波が放射される。送受信装置５から放射された音波は経路９、経路１０および経路１１等のように様々な経路により伝搬する。経路９の音波は混合層を伝搬している。混合層ではスネルの法則により音波は音速の小さい方、すなわち上向きに屈折する。よって、送受信装置５から放射された音波は徐々にその向きを上側へと変えて水面６の方向へと進む。経路９として示す音波は、水面６で反射され、下方向に進みながらやがて上方向へと向きを変えて、再び水面６に反射されることを繰り返し、強度が減衰しながら伝搬する。経路１１に示す音波は、送受信装置５から放射され混合層、水温躍層、深海等温層へと進み、スネルの法則から上向きに屈折する深海等温層で上向きに向きを変えて伝搬している。また、経路１０の音波は混合層、水温躍層、深海等温層を通り海底７で反射した後に、水中物体８に到達する。水中物体８に到達した音波のうち、経路１０の方向に反射した音波は経路１２を通り経路１０を逆方向に伝搬して送受信装置５へと戻る。このような音波の可逆性の性質を利用したものがモノスタティックソーナーである。

次に音波の送信位置と異なる場所に複数の受信装置を有する方式であるマルチスタティックソーナーの概要について説明する。図３は、マルチスタティックソーナーを用いた際の音速プロファイルおよび音波の伝搬の様子を垂直方向の断面図で模式的に示したものである。図３の左側は音速プロファイルを示したものであり、モノスタティックソーナーについて説明した図２の音速プロファイルと同様のものである。図３の右側は送信装置１３から放射された音波が水中を伝搬して水中物体８で反響した後の音波の伝搬する様子を示している。水中物体８で反響した音波は経路１０のように海底７での反射や経路１４のように海面６で反射しながら伝搬するとする。このとき、受信装置１５のような位置に設置した場合には反響波を検出することができない。よって、受信装置１５のような位置に受信位置を設定した場合には水中物体８の存在を認識することはできない。一方で、受信装置１６のように経路１４上に受信位置を設定した場合には、水中物体８からの反響波を検出し、水中物体８の存在を認識することができる。よって、マルチスタティックソーナーにおいては、水中物体からの反響波の経路を予測しその経路上に受信装置を設置する必要がある。本実施形態の受信位置予測装置はシミュレーションにより受信装置を設置するのに適する位置を提示するものである。

本実施形態の受信位置予測装置において、最適な受信装置の設置位置を予測する際の動作について説明する。図４は、受信装置の設置位置を予測する際のフローの概要を示したものである。作業者の操作等により受信装置の設置位置の予測が開始されたとする。制御部１０７は表示部１０６に必要な入力項目を表示し、受信装置の設置位置の予測に必要な各情報を収集する。作業者は表示部１０６に表示された情報等に従って、入力部１０１から必要な情報の入力を行う。また、情報の入力は全ての項目をあらかじめ入力する方法だけでなく、個々のステップまたは複数のステップについての動作が行われるごとに入力する方式とすることもできる。

制御部１０７は、入力された情報に基づいて水中物体の捜索が行われる時間である捜索期間および捜索が行われる領域である捜索領域を記憶部１０２に設定する（ステップ１）。次に制御部１０７は捜索領域での環境に関する条件について海洋環境情報として記憶部１０２に設定する（ステップ２）。海洋環境情報は、捜索領域として設定した海域での風速、波高、海底質、雑音レベル等の情報により構成されている。

海洋環境情報の設定が終わると、制御部１０７は水中物体の基本情報および行動定義を記憶部１０２に設定する（ステップ３）。水中物体の基本情報は、水中物体のターゲットストレングス等の情報を含んでいる。ターゲットストレングスとは、水中物体において音波が反響する際における、入射した音波に対する反響する音波の強度に関する情報のことをいう。また、水中物体の基本情報には水中物体の大きさ等の情報が含まれていることもある。水中物体の行動定義は、水中物体が通常行動をしている場合および回避行動をしている場合についてそれぞれ設定される。通常行動の行動定義としては、水中物体が通常行動パターンによる行動をしている際の、航走速力および存在深度が設定される。また、回避行動の行動定義としては、水中物体が回避行動時にとり得る複数の回避行動パターンと回避行動パターンごとのとり得る確率が設定される。

水中物体の行動回避パターンおよびその確率は、例えば、図５に示す表のように設定することができる。図５に示した例では、水中物体の回避行動パターンとして、「更に深い深度にしばらく潜行する」、「捜索船から最短で離れる経路をとる」および「探知されにくい体勢をとるよう進路を変更する」の３つの回避行動パターンが設定されている。また、図５に示した例では、回避行動を行う際に「更に深い深度にしばらく潜行する」の回避行動パターンをとり得る確率が２０％、「捜索船から最短で離れる経路をとる」の回避行動パターンを採り得る確率が５０％と設定されている。また、「探知されにくい体勢をとるよう進路を変更する」の回避行動パターンをとり得る確率は３０％と設定されている。

水中物体の基本情報および行動定義の設定が終わると、制御部１０７はソーナーの送信装置である捜索船の初期位置等に関する情報を記憶部１０２に設定する（ステップ４）。捜索船は音波の送信装置を備えた船舶や艦船等である。捜索船は複数、設定されることもある。捜索船が設定されると、制御部１０７は投入する捜索船が移動する際の進路および速力の情報を記憶部１０２に設定する（ステップ５）。

各条件に関する情報の設定が終わると、シミュレーション部１０３は制御部１０７からの指示により設定された情報に基づいて、水中物体の回避行動を模擬するシミュレーションを開始する。シミュレーション部１０３は、記憶部１０２に設定された進路および速力の情報に従って捜索船を移動させた際の、水中物体が行動定義に従って行動した場合の位置を求めるシミュレーションを行う（ステップ６）。

シミュレーション部１０３は設定された捜索船のソーナーの受信手段により水中物体を直接、探知可能な距離、すなわち、探知距離をソーナー方程式を用いて計算する。捜索船から探知距離内にある範囲を探知領域と呼ぶこととする。ソーナー方程式はソーナー装置の探知距離を算出するための理論的基礎として、定式化されたものである。ソーナー方程式は、ソーナーの最適設計や、ソーナー装置の性能予測に使用される。ソーナー方程式は、ある地点における音波の強度と検出可能な最小の強度とが等しいとして式を表すことができる。探知距離は、ある地点で検出できる最小の音波の強度とその地点における送信装置から送信された音波の強度が一致する地点までの距離である。ある地点における音波の強度は、（送波レベル）−（伝搬損失）と表すことができる。また、ある地点で検出できる最小の音波の強度は、（雑音レベル）−（ターゲットストレングス）−（指向性利得）＋（検出閾値）と表すことができる。よって、（送波レベル）−（伝搬損失）＝（雑音レベル）−（ターゲットストレングス）−（指向性利得）＋（検出閾値）となるような距離を求めることにより探知距離を算出することができる。このときの伝搬損失は、送信装置から水中物体まで音波が進む間と水中物体で反響して検出装置まで音波が進む間について加算された伝搬損失を示す。また、送波レベル、伝搬損失、ターゲットストレングス、指向性利得および検出閾値の値は、デシベルを単位とする量で表される。

シミュレーション部１０３は、ソーナー方程式を用いて被探知領域を算出する。被探知領域は、捜索船の発した音波を水中物体が検知することが可能な距離、すなわち、捜索船からの音波が届く範囲である。被探知領域の場合は送信装置から水中物体まで加算された伝搬損失が用いられる。探知領域および被探知領域を算出する際に必要な、送信深度、送信周波数、送波レベル、送信指向性等の情報はあらかじめ記憶部１０２に保存されている。送信深度は、送信する音波の深さ方向の到達範囲を設定するものであり、捜索の対象とする水中物体の深さを想定して設定される。

シミュレーション部１０３は図６に示したように捜索領域２８に水中物体２９を初期位置として均等に分布させる。図６は水中物体２９が縦５列、横５列に均等に分布するように配置されている例を示している。捜索領域２８よりも外側の領域についても、水中物体を配置することもできる。例えば、図６のように捜索領域２８内に縦５列、横５列に均等に分布するように水中物体２９が配置されている場合において、４辺の外側にそれぞれ一列ずつ加えて配置した縦７列、横７列の水中物体の行動予測を行う。捜索領域２８の外側に水中物体を配置し、捜索領域２８の最外周部を越えて移動する水中物体も考慮することにより捜索領域２８の外周部での予測の精度を向上することができる。図７はシミュレーションを開始した直後の捜索船および水中物体の位置を示したものである。図７では捜索船３０が航跡３１の経路で移動を行っている。また、図７では捜索船３０の探知領域３３および被探知領域３４が設定されている。図７の白い丸は通常行動の水中物体２９を示している。図７の黒い丸は回避行動をしている水中物体３５を示している。図７では、初期位置で捜索領域２８の外に存在した水中物体が捜索領域２８内に入り、水中物体２９の数が初期の状態から増えている。

シミュレーション部１０３は被探知領域３４に入った水中物体３５については回避行動をとるものとして動作を予測し、被探知領域３４の外部にある水中物体２９は通常行動をとるものとして動作の予測を行う。予測する際の回避行動のパターンの選択は、例えば、各々の行動パターンに発生確率に応じた数の乱数を割り当て、さらに発生させた疑似乱数と一致した行動パターンの回避行動をとる方法とすることができる。また、探知領域３３内に入った水中物体は、発見済みの水中物体３２として他の水中物体と区別されシミュレーションから除外される。図８はシミュレーションを開始してから時間が経過した場合の例を示している。航跡３１は図７に比べると伸びており、捜索船３０の移動により水中物体が密に存在する場所と存在する水中物体の数が少ない場所とが見られるようになっている。すなわち、捜索領域２８を所定の大きさのメッシュで区切ったとした場合に、各メッシュの中に存在する水中物体の数の差が大きくなっている。また、図８では捜索領域２８の外に移動した水中物体の存在や、発見済みの水中物体３２の表示からの除外により水中物体２９および水中物体３５の総数は図７の状態から減少している。発見済みの水中物体３２は表示から消去しない方法とすることもできる。

シミュレーション部１０３の予測により水中物体の位置が定まると、計算領域判定部１０４は受信位置の設定位置を予測する際に考慮する必要のある領域を判断する（ステップ７）。計算領域判定部１０４は図９に示したように捜索領域２８を所定の数または所定の大きさごとのメッシュに区切る。図９は捜索領域を１６分割の均等な大きさのメッシュに区切った例を示している。捜索領域の区切り方は捜索領域内で一様でなくともよい。例えば、捜索船からの距離に応じてメッシュの大きさを変えてもよい。計算領域判定部１０４は捜索領域をメッシュに区切ると、メッシュごとに捜索船３０からの音波が到達するかを判断する。計算領域判定部１０４は捜索船３０からの音波が水中物体で反響する際の強度、すなわちエコーレベルが雑音レベルＮＬよりも大きいときに、捜索船３０からの音波が到達する領域であると判断する。捜索船３０からの音波のエコーレベルは、（送波レベル）−（伝搬損失ＴＬ１）＋（ターゲットストレングス）で求めることができる。よって、（送波レベル）−（伝搬損失ＴＬ１）＋（ターゲットストレングス）＞（雑音レベルＮＬ）を満たすときに、捜索船３０からの音波が到達すると判断される。このとき、伝搬損失ＴＬ１にはデシベルで表した値の絶対値が用いられる。また、ターゲットストレングスは、水中物体に到達した音波よりも、反響後の音波が大きい方を正としている。また、送波レベル、ターゲットストレングスおよび雑音レベルの値についてもデシベルを単位とする量で表される。

送波レベル、ターゲットストレングスおよび雑音レベルＮＬの値には各ステップで記憶部１０２に設定された情報が用いられる。伝搬損失ＴＬ１について、図１０を参照して説明する。図１０は捜索船を水面の上方から見た際の水平平面図である。捜索船の位置は図１０の送信位置１７に該当し、伝搬損失ＴＬ１は送信位置１７から計算方向１９に沿った音波伝搬計算を行うことにより求めることができる。制御部１０７は捜索船からのエコーレベルを全方位について計算し、その結果を基に計算領域判定部１０４はメッシュごとに音波が届くかどうかを判断する。図１１は捜索船３０から音波が届き受信位置の予測において考慮するべき領域を判断した結果の例を示している。図１１の斜線部３９は受信位置の予測において考慮するべき領域と判断した領域である。音波が到達する領域を判断すると、計算領域判定部１０４はその領域に含まれる水中物体の位置情報を抽出する。

対象となる水中物体が定まると、対象となった水中物体ごとにその予測位置に水中物体を想定した場合の反響波の強度、すなわち、エコーレベルの計算が実施される（ステップ８）。制御部１０７は、図１２に示した送信位置１７から水中物体の予測位置１８へ進む経路１９に沿った伝搬損失ＴＬ１を計算する。また、制御部１０７は、水中物体の予測位置１８における反響波のうち１方向の経路２０についての伝搬損失ＴＬ２を計算する。図１３は送信位置１７から音波の伝搬する領域２２を垂直断面方向の図として示したものである。図１３の矢印２３は深さ２１における、音波が到達する範囲を示している。水平方向での水中物体の予測位置１８、深さ２１の位置に水中物体が存在するものとすると、送信位置１７から位置２４までの伝搬損失を加算した値が伝搬損失ＴＬ１となる。また、図１４は水中物体での反響波が伝搬する領域２６を垂直断面方向の図として示したものである。図１４において、水平方向での水中物体の予測位置１８、深さ２１にある水中物体からの反響波を水平方向の予測位置１８、深さ２５、すなわち位置２７で受信するものとする。そのとき、水平方向の予測位置１８での深さ２１から深さ２５までの伝搬損失を加算した値が伝搬損失ＴＬ２となる。送信位置から水中物体までの伝搬損失ＴＬ１および水中物体において反響した後の伝搬損失ＴＬ２を得ると、制御部１０７は伝搬損失ＴＬ１および伝搬損失ＴＬ２と各設定値を用いて、エコーレベルを計算する。エコーレベルは、（送波レベル）−（伝送損失ＴＬ１）＋（ターゲットストレングス）−（伝送損失ＴＬ２）で算出することができる。さらに他の方位についてエコーレベルを計算することにより、１つの水中物体に関するエコーレベルマップを得ることができる。伝送損失ＴＬ２にもデシベルで表した値の絶対値が用いられる。

対象と判断された各々の水中物体についてのエコーレベルマップが生成されると、エナジーマップ生成部１０５は生成されたエコーレベルマップを積算しエナジーマップを生成する（ステップ９）。エナジーマップは、計算領域判定部１０４で判断された領域内に存在する水中物体からの反響波の強度を、座標位置ごとに積算したデータを示すものである。エナジーマップにおいてエコーレベルの値が高い座標位置は、水中物体を検出する可能性が高い位置である。よって、エナジーマップにおいてエコーレベルが高い座標位置を、受信装置を配置するのに適した場所と判断することができる。また、このとき、水中物体が存在すると想定した場所は、受信装置を配置するのに適した場所の判断から除外される。また、受信装置を配置するのに適した場所は、所定のエコーレベル以上の場所のように設定され、領域内で複数存在することもある。

エナジーマップの生成が終わると、表示部１０６は制御部１０７の指示により回避行動等のシミュレーションによる水中物体の存在位置の予測結果およびエナジーマップを重畳して図１５のような表示を行う（ステップ１０）。図１５は捜索領域２８内での通常行動の水中物体２９および回避行動の水中物体３５の分布、捜索船３０、航跡３１等の位置に関する予測結果を表している。また、図１５は水中物体の位置に関する予測結果と重ねてエナジーマップを表示している。図１５において反響波の強度は、強度が高い位置を黒、低い位置を白とした所定の階調によるグレースケールで表示されている。図１５では、最も黒に近い表示部分、すなわち、一番低い階調での表示部分が強度のもっとも強い箇所３６を示している。また、その次に階調の低い部分が、一定以上の強度の箇所３７と一定以上の強度の箇所３８を示している。反響波が観測されない場所は、一番高い階調である白で表示される。図１５のようにグレースケールでの表示により反響波の強度を示すことにより、作業者は受信装置の設置に適した場所を視覚的に認識することができる。また、反響波の強度の表示は、階調が高くなる方向、すなわち、白の方向を反響波の強度が高い方向とするグレースケールでの表示で行ってもよく、また、カラー表示で行ってもよい。カラー表示を行う場合は、例えば２色を基準として強度に応じてその２色の間の色層を用いて表示することができる。ある時刻におけるエナジーマップの表示が終わると、制御部１０７は捜索期間分の計算が完了したかを判断する（ステップ１１）。捜索期間が残っていると判断した場合（ステップ１１でＮｏ）、ステップ６に戻り、捜索船がさらに動いた場合の水中物体の位置を基にしたエナジーマップの生成が行われる。表示部１０６は生成されたエナジーマップを、捜索船、水中物体の位置とともに表示する。これらの動作を繰り返すことにより、表示部１０６には時間経過ごとの捜索船、水中物体の位置およびエナジーマップの変化の様子が表示される。捜索期間分の計算を完了したと判断した場合は（ステップ１１でＹｅｓ）、受信位置の予測装置はシミュレーションの動作を完了する。

本実施形態では、シミュレーションを行う際に、水中物体の初期位置が捜索領域内で均一に分布するように設定されている。捜索領域内に均一に水中物体が存在する状態からシミュレーションを行うことにより、水中物体の存在が未知の領域において水中物体からの反響波を受信できる可能性の高い位置を的確に予測することができる。

本実施形態の受信位置予測装置では、水中物体の存在位置の予測と反響波の強度の計算が必要な領域の判断を行い、計算が必要と判断された領域内に存在すると予測される水中物体についての反響波の強度の計算を行っている。複数の水中物体について反響波の強度の計算結果から、反響波の強度分布の情報を得ることにより受信位置として適する位置を予測している。そのため、水中物体の配置等を作業者が行う必要はなく、予測結果を得るまでの時間を短縮することができる。また、一定の範囲に存在する水中物体についてのみ計算を行うことにより、計算量を大幅に低減することができるため結果を迅速に出すことが可能となる。よって、煩雑な作業を必要とせずに短時間で最適な受信装置の設置位置の予測結果を得ることができる。

本発明の第２の実施形態について図を参照して詳細に説明する。第1の実施形態の受信位置予測装置では水中物体が一様に分布した状態から、水中物体の位置変化の予測を行った。本実施形態では、水中物体が存在していたことが既知である位置を基準として、その位置に水中物体を密に配置した状態から位置変化の予測を行う。本実施形態の受信位置予測装置は第１の実施形態において図１に示したものと同様の構成のものを用いることができる。

本実施形態のマルチスタティックソーナーの受信位置予測装置において、最適な受信装置の設置位置を予測する際の動作について説明する。図１６は、本実施形態において受信装置の設置位置を予測する際のフローの概要を示したものである。

作業者の操作等により受信装置の設置位置の予測が開始されたとする。制御部１０７は表示部１０６に必要な入力項目を表示し、受信装置の設置位置の予測に必要な各情報を収集する。このとき、作業者は各情報とともに過去に水中物体が存在した位置の情報を入力部１０１へと入力する。また、記憶部１０２に水中物体の存在位置が記憶されていて、表示部１０６に表示されたものの中から作業者が選択する方法または自動入力される方法とすることもできる。

制御部１０７は、入力された情報に基づいて水中物体の捜索が行われる期間である捜索期間および水中物体を過去に認識していた地点を捜索地点として記憶部１０２に設定する（ステップ２１）。次に制御部１０７は捜索領域での環境に関する条件について海洋環境情報として記憶部１０２に設定する（ステップ２２）。本実施形態で扱う各情報は第1の実施形態の同名称の情報と同様の構成である。例えば、海洋環境情報は、第1の実施形態と同様に捜索領域として設定した海域での風速、波高、海底質、雑音レベル等の情報により構成されている。

海洋環境情報の設定が終わると、制御部１０７は水中物体の基本情報および行動定義を記憶部１０２に設定する（ステップ２３）。水中物体の基本情報および行動定義の設定が終わると、制御部１０７はソーナーの送信装置である捜索船を記憶部１０２に設定する（ステップ２４）。捜索船が設定されると、制御部１０７は投入する捜索船が移動する際の進路および速力の情報を記憶部１０２に設定する（ステップ２５）。

各条件に関する情報の設定が終わると、シミュレーション部１０３は設定された情報に基づいて、水中物体の回避行動を模擬するシミュレーションを行う（ステップ２６）。シミュレーション部１０３は、設定された捜索船のソーナーにより水中物体を直接、探知可能な距離をソーナー方程式を用いて計算して、探知領域として算出する。また、シミュレーション部１０３は、ソーナー方程式を用いて、捜索船の発した音波が到達する距離を計算してその距離を被探知領域とする。探知領域および被探知領域の算出が終わると、水中物体は捜索地点として設定された地点から所定の距離内に複数存在するように配置される。

図１７は水中物体が配置されている例を示している。図１７では、捜索領域２８内で過去に水中物体が存在した地点を中心にした誤差領域４０を設定し、水中物体２９を密に配置している。誤差領域４０は、過去に存在を認識していた水中物体が動き得る範囲を想定して設定された領域である。本実施形態では誤差領域４０の範囲は捜索地点からの距離としてあらかじめ設定されている距離を基に設定される。誤差領域４０は過去に水中物体を認識していた時点からの経過時間により変化させてもよい。シミュレーション部１０３は、記憶部１０２に設定された進路および速力の情報に従って捜索船を移動させた際の、水中物体が行動定義に従って行動した場合の位置を求めるシミュレーションを行う。図１８は水中物体の位置の予測を行った後の水中物体の存在位置の分布の例を示している。図１８は捜索領域２８内に捜索船３０、探知領域３３、被探知領域３４、通常行動の水中物体２９および回避行動の水中物体３５が示されている。図１７に示した水中物体の初期位置と比べると、通常行動または回避行動により、通常行動の水中物体２９および回避行動の水中物体３５が密に存在する場所と、水中物体の存在が少ない場所が生じている。

シミュレーション部１０３の予測により水中物体の位置が定まると、計算領域判定部１０４は受信位置の設定位置を予測する際に考慮する必要のある領域を判断する（ステップ２７）。受信装置の設置位置の予測に必要な領域を判断すると、計算領域判定部１０４はその領域に含まれる水中物体の位置情報を抽出する。制御部１０７は計算領域判定部１０４で位置情報が検出された水中物体について反響波の強度すなわちエコーレベルを計算することにより、１つの水中物体に関するエコーレベルマップを生成する（ステップ２８）。対象と判断された水中物体についてのエコーレベルマップの生成を完了すると、エナジーマップ生成部１０５は生成されたエコーレベルマップを積算しエナジーマップを生成する（ステップ２９）。

エナジーマップの生成が終わると、表示部１０６は回避行動等のシミュレーションによる水中物体の存在位置の予測結果およびエナジーマップを重畳した表示を行う（ステップ３０）。ある時刻におけるエナジーマップの表示が終わると、制御部１０７は捜索期間分の計算が完了したかを判断する（ステップ３１）。捜索期間が残っていると判断した場合（ステップ３１でＮｏ）、ステップ２６に戻り、捜索船がさらに動いた場合の、エナジーマップの生成が行われて、捜索船、水中物体の位置とともに表示が行われる。このような動作の繰り返しにより表示部１０６には時間経過ごとの捜索船、水中物体の位置およびエナジーマップの変化の様子が表示される。捜索期間分の計算を完了したと判断した場合は（ステップ３１でＹｅｓ）、受信位置の予測装置はシミュレーションの動作を完了する。

本実施形態の受信位置の予測装置は、過去に水中物体が存在した位置など水中物体が存在する確率が高い位置に水中物体を密に配置して、存在位置の変化の予測を行っている。過去に存在した地点を中心とし、水中物体を密に配置して予測計算を行うことにより精度の高い受信位置の予測が可能となる。

第１の実施形態および第２の実施形態における受信位置の予測は、専用の装置だけでなく汎用の電子計算機を用いてコンピュータプログラムにより行うこともできる。また、受信位置の予測は専用の装置と汎用の電子計算機の組み合わせにより構成された装置で行うこともできる。

本発明の第３の実施形態について図１９を参照して詳細に説明する。図１９は本実施形態の受信位置予測装置の構成の概要を示したものである。本実施形態の受信位置予測装置は、信号到達領域予測手段５１と、行動予測手段５２と、領域判断手段５３と、反響波計算手段５４と、マップ生成手段５５とを備えている。信号到達領域予測手段５１は、送信装置から音波の到達する領域を計算して信号到達領域として出力する。行動予測手段５２は、所定の領域内に配置された複数の物体の位置変化を、信号到達領域および物体に関する所定の設定情報に基づいて予測して物体の位置変化後の位置情報を第１の物***置情報として出力する。領域判断手段５３は、信号到達領域の領域内に第１の物***置情報が含まれる物体の位置情報を第２の物***置情報として出力する。反響波計算手段５４は、送信装置からの音波が、第２の物***置情報の位置に存在する各物体で反響する際の反響波の強度を計算する。マップ生成手段５５は、反響波計算手段５４により計算された複数の物体からの反響波の強度を加算し各座標における反響波の強度分布を算出する。

本実施形態の受信位置予測装置では、物体の位置変化を予測して位置変化後の位置情報が信号到達領域の領域内である場合に、その物体の反響波の強度の計算を行っている。そのため、作業者は物体を配置する複雑な作業を必要とせず、反響波の強度を計算する領域を限定していることから計算結果を短時間で得ることができる。また、複数の物体からの反響波の強度から反響波の強度分布の算出を行っており、受信装置を配置するのに適した場所についての情報を強度分布から得ることができる。以上より、本実施形態の受信位置予測装置を用いると、作業者の複雑な作業を必要とせずに短時間で最適な受信位置に関する情報を得ることができる。

本発明は、マルチスタティックソーナーを使用する船舶等においてソーナーの受信位置を予測する技術として用いることができる。

１ 水面
２ 混合層の音速プロファイル
３ 水温躍層の音速プロファイル
４ 深海等温層の音速プロファイル
５ 送受信装置
６ 水面
７ 海底
８ 水中物体
９ 経路
１０ 経路
１１ 経路
１２ 経路
１３ 送信装置
１４ 経路
１５ 受信装置
１６ 受信装置
１７ 送信位置
１８ 水中物体の予測位置
１９ 計算方向
２０ 経路
２１ 深さ
２２ 領域
２３ 矢印
２４ 位置
２５ 深さ
２６ 領域
２７ 位置
２８ 捜索領域
２９ 水中物体
３０ 捜索船
３１ 航跡
３２ 発見済みの水中物体
３３ 探知領域
３４ 被探知領域
３５ 水中物体
３６ 強度のもっとも強い箇所
３７ 一定以上の強度の箇所
３８ 一定以上の強度の箇所
３９ 斜線部
４０ 誤差領域
５１ 信号到達領域予測手段
５２ 行動予測手段
５３ 領域判断手段
５４ 反響波計算手段
５５ マップ生成手段
１０１ 入力部
１０２ 記憶部
１０３ シミュレーション部
１０４ 計算領域判定部
１０５ エナジーマップ生成部
１０６ 表示部
１０７ 制御部
Ｓ１−Ｓ１１ 受信位置予測の各ステップ
Ｓ２１−Ｓ３１ 受信位置予測の各ステップ

Claims (9)

1. 送信装置から音波の到達する領域を計算して信号到達領域として出力する信号到達領域予測手段と、
   所定の領域内に配置された複数の物体の時間経過ごとの位置変化を、前記信号到達領域および前記物体に関する所定の設定情報に基づいて予測して前記物体の位置変化後の位置情報を第１の物***置情報として出力する行動予測手段と、
   前記信号到達領域の領域内に前記第１の物***置情報が含まれる前記物体の位置情報を第２の物***置情報として出力する領域判断手段と、
   前記送信装置からの前記音波が、第２の物***置情報の位置に存在する各物体で反響する際の反響波の強度を時間経過ごとに計算する反響波計算手段と、
   前記反響波計算手段により計算された複数の物体からの前記反響波の強度を加算し各座標における時間経過ごとの前記反響波の強度分布を算出するマップ生成手段と、
   時間経過ごとの前記強度分布の変化の様子の表示データを出力する出力手段と
   を備えることを特徴とするソーナーの受信位置予測装置。
2. 前記行動予測手段は、前記送信装置が移動した場合の前記物体の位置変化を予測して、位置変化後の位置情報を前記第１の物体位置情報として出力する手段を有し、
   前記マップ生成手段は、前記送信装置の移動による前記物体の位置変化から生じる前記反響波の強度分布の変化を時間経過ごとに算出する手段を有することを特徴とする請求項１に記載のソーナーの受信位置予測装置。
3. 前記所定の領域内に配置された複数の前記物体は、前記所定の領域内で均一に分布するように初期位置が設定されることを特徴とする請求項１または２いずれかに記載のソーナーの受信位置予測装置。
4. 前記所定の領域内に配置された複数の前記物体は、所定の方法により設定された位置から所定の範囲内に初期位置が設定されていることを特徴とする請求項１または２いずれかに記載のソーナーの受信位置予測装置。
5. 送信装置から音波の到達する領域を計算して信号到達領域として出力し、
   所定の領域内に配置された複数の物体の時間経過ごとの位置変化を、前記信号到達領域および前記物体に関する所定の設定情報に基づいて予測して前記物体の位置変化後の位置情報を第１の物***置情報として出力し、
   前記信号到達領域の領域内に前記第１の物***置情報が含まれる前記物体の位置情報を第２の物***置情報として出力し、
   前記送信装置からの前記音波が、第２の物***置情報の位置に存在する各物体で反響する際の反響波の強度を時間経過ごとに計算し、
   複数の物体からの前記反響波の強度を加算し各座標における前記反響波の強度分布を算出し、
   時間経過ごとの前記強度分布の変化の様子の表示データを出力することを特徴とするソーナーの受信位置予測方法。
6. 前記送信装置が移動した場合の前記物体の位置変化を予測して、位置変化後の位置情報を前記第１の物体位置情報として出力し、
   前記送信装置の移動による前記物体の位置変化から生じる前記反響波の強度分布の変化を時間経過ごとに算出することを特徴とする請求項５に記載のソーナーの受信位置予測方法。
7. 前記所定の領域内に配置された複数の前記物体の初期位置を、前記所定の領域内で均一に分布するように初期位置が設定することを特徴とする請求項５または６いずれかに記載のソーナーの受信位置予測方法。
8. 前記所定の領域内に配置された複数の前記物体の初期位置を、所定の方法により設定された位置から所定の範囲内に設定することを特徴とする請求項５または６いずれかに記載のソーナーの受信位置予測方法。
9. 送信装置から音波の到達する領域を計算して信号到達領域として出力する信号到達領域予測処理と、
   所定の領域内に配置された複数の物体の時間経過ごとの位置変化を、前記信号到達領域および前記物体に関する所定の設定情報に基づいて予測して前記物体の位置変化後の位置情報を第１の物***置情報として出力する行動予測処理と、
   前記信号到達領域の領域内に前記第１の物***置情報が含まれる前記物体の位置情報を第２の物***置情報として出力する領域判断処理と、
   前記送信装置からの前記音波が、第２の物***置情報の位置に存在する各物体で反響する際の反響波の強度を時間経過ごとに計算する反響波計算処理と、
   前記反響波計算機能により計算された複数の物体からの前記反響波の強度を加算し各座標における時間経過ごとの前記反響波の強度分布を算出するマップ生成処理と、
   時間経過ごとの前記強度分布の変化の様子の表示データを出力する出力処理と
   をコンピュータに実行させることを特徴とするソーナーの受信位置予測用プログラム。