JP2009236503A - 水中航走体の速度計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】マルチビームを用いることによって、一部の測深データを計測できなくても特徴箇所と速度を求められるようにする。
【解決手段】開示される水中航走体の速度計測システムは、水中航走体３に対してマルチビーム測深機３０１と、演算処理部３１０とを具えることによって、マルチビーム測深によって得られた水深メッシュデータから特徴箇所を検出するとともに、検出された特徴箇所から水中航走体の速度計算を行うことができるように構成されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、マルチビーム測深機による測深の繰り返しに基づく、取得水深データの時間差分，特徴箇所の変化量から水中航走体の速度を求める、水中航走体の速度計測システムに関する。

従来、水中航走体の速度を計測するためには、一般的に音波ログが用いられてきた。
音波ログは、音響パルスを利用して、海底からの反射音のドップラ・シフトを測定して、船舶と海底との相対的な速度を測定する装置である（例えば特許文献１参照）。

特許文献１においては、海面残響を周波数分析し、これと水中航走体の運用姿勢データに基づき自己速度の計測を行って、潮流の影響を含んだ水中航走体の絶対速度を求めることが記載されている。

これに対して、船舶から超音波を海底へ送受波し、所定幅のドップラ周波数を計測し平均化して自船の船速とする方法が知られている。このような船舶速度測定装置においては、水深の変化や急激な船速の変化があっても、安定した計測が行える処理手段を有しているものがある（特許文献２参照）。

特許文献２記載の技術においては、船舶から超音波を海底へ送受波し、所定幅のドップラ周波数を計測し平均化して自船の船速とする船舶速度測定装置において、水深情報で受信信号のゲート幅を可変し、かつ船速情報により平均化する時定数を可変することによって、水深の変化や急激な船速の変化にも安定して計測が行える装置を得られる旨が記載されている。
特開平０２−０６６４８６号公報 特開平０６−３４７５４８号公報

順次、数本の超音波ビーム海底へ送信し、反射波における所定幅のドップラ周波数を計測し平均化して自船の船速とする従来の方法では、数本の超音波ビームによる反射波のドップラ効果から速度を求めているため、海底地形に大きな影響を受け、反射波が受波部に戻って来ない場合には速度を算出することが困難になる。

図５は、一部の反射波が受波部に戻ってこない場合を示したものである。図５において、反射波５１は、海底地形の影響で超音波ビームが受波部とは異なる方向に反射した状態を示し、そのため、超音波ビームに基づく反射成分が、他の方向の超音波ビームによる反射波より小さくなったことが示されている。

例えば、３本の超音波ビームを用いる手法では、３ビームすべての関係式にドップラ・シフト量が含まれており、３本のビームのうち１つでも正常に作動しないと、対地船速を正しく測定できなくなるという制約がある。

また、ドップラ・シフト量の関係式から求められるのは対地船速ベクトルの大きさであり、その方向はジャイロコンパスの指示する船首方位から求められる。この場合には、ジャイロコンパスの精度によっては方位に誤差が生じる可能性が潜在しており、これによって、測定された船速にも誤差が生じる恐れがある。

このように、特許文献２記載の技術による処理は、急激な船速の変化にも安定した船速を求めることが可能であるが、海底地形の影響によって船速を正しく求められない可能性があるという問題がある。

この発明は上述の事情に鑑みてなされたものであって、測深の際にシングルビームを用いず、マルチビームを用いることで従来に比べ、より多くの情報を利用することができるようにする。
水中航走体は、進行方向及び進行方向に垂直な方向に分散して規定された複数の位置について測深を行い、一定間隔で水深メッシュデータを作成して、その特徴箇所の時間変位差に基づいて速度を計算することによって、一部の測深データを計測できなくても特徴箇所の相関をとることができれば、速度を求めることができ、これによって、トータルとしての精度を向上できるようにすることを目的としている。

上記課題を解決するため、この発明は水中航走体の速度計測システムに係り、マルチビームの測深を行える超音波測深装置を具えたマルチビーム測深機と、マルチビーム測深によって得られた水深メッシュデータから特徴箇所を検出するとともに、検出された特徴箇所から速度計算を行う演算処理部とを具えたことを特徴としている。

本発明により、安定して水中航走体の速度を求めることが可能になる。その理由は、シングルビームを用いた場合に生じる可能性がある水深データの未取得が格段に減少することにある。本発明の場合のマルチビームは、点ではなく面で海底地形を走査するため、シングルビームに比べ、多くの水深データを得ることができ、これによって、より確実に水中航走体の速度を求めることが可能になるためである。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施形態

図１は、本発明の水中航走体の速度計測システムの全体構成を示したものである。
この発明の水中航走体の速度計測システムは、水中航走体１において、演算処理部１０と、マルチビーム測深機１１とを具えた概略構成を有している。

水中航走体１において、演算処理部１０は、マルチビーム測深機１１で得られた水深メッシュデータから特徴箇所検出および速度計算を行う機能を有している。マルチビーム測深機１１は、マルチビームの超音波測深を行える超音波測深装置（ソーナー:sonar) からなっている。
なおここで特徴箇所とは、例えば高低差や海底に沈んでいる物体等に基づいて、海底からの反射波の大きさに特徴的な変化を生じている場所を指している。

図２は、マルチビーム測深機１１によって取得された複数の水深メッシュデータからなる水深メッシュマップと時間推移との関係を説明するものである。
図２において、２０は第１の水深メッシュデータを示し、時刻Ｔ_ｎ〔ｓ〕において取得されたものである。２１は第２の水深メッシュデータを示し、時刻Ｔ_ｎ＋１〔ｓ〕において取得されたものである。両メッシュデータ２０，２１は、砂地模様によって示された範囲において重複している。

図３は、水中航走体の速度計測システムの詳細構成を示したものであって、水中航走体３と、速度計測システム３０と、その他航走体システム３１と、マルチビーム測深機３０１と、演算処理部３０１とからなる概略構成が示されている。

図３において、水中航走体３，マルチビーム測深機３０１，演算処理部３１０は、図１に示された水中航走体１，マルチビーム測深機１１，演算処理部１０と同様である。
速度計測システム３０は、マルチビーム測深機３０１，演算処理部３１０を包含し、マルチビーム測深機３０１によってマルチビームで測深処理を行って得られた水深メッシュデータを、演算処理部３１０において、最適化して比較を行う。なお、その他航走体システム３１は、水中航走体の速度計測システムにおける、速度計測システム以外の構成部分を指し、本発明の内容とは無関係なのでこれについての詳細な説明は省略する。

図３を参照すると、本発明の実施の形態は、水中航走体３に搭載された、速度計測システム３０に包含されるマルチビーム測深機３０１により測深が行われ、得られた水深メッシュデータは演算処理部３１０において比較しやすいように、最適化される。一定間隔のタイミングで測深を行い、その都度、演算処理部３１０で速度計算を行う形態である。

以下、本実施形態の動作について図３を参照して詳細に説明する。
図３に示された水中航走体３にに搭載された、速度計測システム３０のマルチビーム測深機３０１から航走体の移動とともに、水中航走体３の進行方向及び進行方向に垂直な方向に分散して規定された複数の位置について測深を行い、一定間隔で水深メッシュデータを作成する。
その後、作成された水深メッシュデータに対して、演算処理部３１０において、周波数帯域に特定の閾値を設けた高域フィルタと低域フィルタによって帯域制限を行って最適化してから、特徴的な変化を示す特徴箇所を抽出する。なお、高低域フィルタによる最適化は、情報量を少なくして計算負荷を抑制することによって、他の部分との比較を容易にし、特徴箇所を検出しやすくするために行われるものである。

このようにして加工した水深メッシュデータを再び演算処理部３１０に記憶させ、その時刻をＴ_ｎ（図２の２０）と設定する。
続いて、時刻_ｎ＋１(図２の２１）においても上記と同様な処理を行い、時刻Ｔ_ｎ＋１における水深メッシュデータを作成して、演算処理部３１０に時刻Ｔ_ｎのときと同様に記憶させる。

次に、演算処理部３１０において、記憶しておいたＴ_ｎ，Ｔ_ｎ＋１の水深メッシュデータを読出して、２つの水深メッシュデータの特徴箇所における変位差を導き出す。例えば、時刻Ｔ_ｎのある特徴点の座標を( Ｘ_ｎ，Ｙ_ｎ) 、時刻Ｔ_ｎ＋１での座標を( Ｘ_ｎ＋１,Ｙ_ｎ＋１)とすると、位置の差異が、( Ｄ_ｘ，Ｄ_ｙ) ＝（Ｘ_ｎ＋１−Ｘ_ｎ，Ｙ_ｎ＋１−Ｙ_ｎ) で求められる。この位置の差異に対応する時間差をＤ_ｔとすると、これらの要素から、速度＝〔Ｄ_ｘ／Ｄ_ｔ，Ｄ_ｙ／Ｄ_ｔ〕が求められる。

図４は、本実施形態の水中航走体の速度計測システムにおける時系列処理をフローチャートによって示したものである。
水中航走体がマルチビームによる海底深度スキャンを開始する（ステップＳ４１）。水中航走体は、水中を航走しながらマルチビーム測深機を用いて測深を行い、測深データから水深メッシュマップを作成する（ステップＳ４２）。そして、得られた水深メッシュマップの水深メッシュデータを高域・低域抽出フィルタにかけて、特徴箇所をメッシュデータに関連付ける（ステップＳ４３）。

以上、この発明の実施形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、マルチビーム測深機に代えて水中カメラを用いて、水深メッシュデータ作成を実施する形態にしても速度を求めることは可能である。具体的には、マルチビーム測深機の代替として、水中カメラを用いた画像認識処理を行い、これに基づいて、特徴箇所の変位差を求めるようにすればよい。

この発明は、例えばＡＵＶ（Autonomous Underwater Vehicle ）等の、予め指定された目標水域を探査することを前提とした水中航走体への搭載に利用可能であり、これによって、長時間の海底探査等のミッションにおいて安定した速度計測データを得ることができるとともに、最適な速度の設定を行うことで水中航走体の効率の良い運用を行えるようになる。

本発明の実施形態である、水中航走体の速度計測システムの全体的な構成を示す図である。 マルチビーム測深機によって取得された複数の水深メッシュデータからなる水深メッシュマップと、時間推移との関係を説明する図である。 同実施形態における水中航走体の速度計測システムの詳細構成を示す図である。 本発明を時系列処理する際の処理を説明するフローチャートである。 従来手法によった場合に、反射波が受波部分に戻らない状態を示す図である。

符号の説明

１，３ 航走体
１０ 演算処理部
１１ 送受波部
２０ 時刻Ｔ_ｎにおける水深メッシュマップ
２１ 時刻Ｔ_ｎ＋１における水深メッシュマップ
３０ 速度計測システム
３０１ マルチビーム測深機
３１０ 演算処理部

Claims (5)

1. マルチビームの測深を行える超音波測深装置を具えたマルチビーム測深機と、マルチビームの測深によって得られた水深メッシュデータから特徴箇所を検出するとともに、検出された特徴箇所から速度計算を行う演算処理部とを具えたことを特徴とする水中航走体の速度計測システム。
2. マルチビームの測深を行える超音波測深装置を具えたマルチビーム測深機と、マルチビームの測深を行って得られた測深データを一定間隔で計測することによって導き出された水深メッシュデータから特徴箇所を検出するとともに、検出された特徴箇所から速度計算を行う演算処理部とを具えたことを特徴とする水中航走体の速度計測システム。
3. 前記水深メッシュデータから高域フィルタと低域フィルタを用いて特徴箇所を検出することを特徴とする請求項１又は２記載の水中航走体の速度計測システム。
4. 前記特徴箇所を検出する高域フィルタと低域フィルタが、その遮断周波数に特定の閾値を設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水中航走体の速度計測システム。
5. 前記水深メッシュデータにおいて、時間差分による特徴箇所の変位差分から前記水中航走体の速度を求めることを特徴とする請求項１又は２記載の水中航走体の速度計測システム。

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