JP2011033584A - 人工物検出システム、該システムに用いられる人工物検出方法及び人工物検出制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲の海底や水底に存在する人工物を、埋没している場合も含めて一度に効率良く検出することが可能な人工物検出システムを提供する。
【解決手段】海底又は水底Ｂに配置されている人工地震発生手段（たとえば、人工地震の震源１１）により、人工地震が発生し、海中又は水中に配置されている振動波検出手段（たとえば、振動センサ１２）により、人工地震により発生する音波が検出されると共に、同音波よりも速い伝搬速度で地震波ｑｗを伝搬する海底又は水底Ｂから海中又は水中に放射される振動波が検出される。そして、人工物存在判定手段（たとえば、データ処理装置１３）により、振動センサ１２で検出される振動波のレベルが相対的に高くなるとき、同振動波の到来方位が検出され、同到来方位の海底又は水底Ｂに人工物ＨＷが存在することが判定される。
【選択図】図１

Description

この発明は、人工物検出システム、該システムに用いられる人工物検出方法及び人工物検出制御プログラムに係り、特に、海底又は水底に存在する潜水艦、機雷、沈船などの人工物を検出する場合に用いて好適な人工物検出システム、該システムに用いられる人工物検出方法及び人工物検出制御プログラムに関する。

海底又は水底に存在する人工物（たとえば、潜水艦、機雷、沈船など）は、水中音波探査装置（ソナー）を用いて検出することが困難である。その理由は、水中音波探査装置では、周波数の高い水中音波を海底に放射しても、その反響音から自然の砂泥の海底と人工物とを判別することが殆ど不可能なことによる。このため、海底又は水底の人工物を検出する方法として、高周波高分解能のサイドスキャン・ソナーにより海底又は水底の表面形状を観測する方法が実用化されている。

この種の関連するサイドスキャン・ソナーは、たとえば図４に示すように、音源兼音波センサ１と、データ処理装置２と、表示器３とから構成されている。また、海底又は水底Ｂに、たとえば沈船などの人工物ＨＷが存在する。このサイドスキャン・ソナーでは、音源兼音波センサ１の音源が、図示しない船舶の船体側面又は曳航体の側面に装備され、船舶の進行方向に対して垂直な方向に音波ｓｗａが放射される。また、音源兼音波センサ１の音波センサにより、受波した音波ｓｗｂの音圧が電気信号ｅｕに変換されて出力される。この音波センサは、船舶の進行方向に高い分解能を有するようにアレイ配列されている。データ処理装置２では、音源兼音波センサ１から出力される電気信号ｅｕが、船舶の進行方向に指向性合成されて、その指向性ビーム毎の信号強度が図示しないメモリに蓄積される。船舶の進行に伴い、表示器３により、蓄積された海底又は水底Ｂからの信号強度が、地図状に色や濃淡で表現することによって表示される。これにより、海底又は水底Ｂの形状が観測される。

上記のサイドスキャン・ソナーの他、この種の関連技術としては、たとえば、特許文献１に記載された人工物の音響検出装置がある。
この音響検出装置では、一つ又はそれ以上の周波数を有する音響信号が、地中、水中又は沈殿層に進入して地雷のような歪変形可能な物体を振動させる。これにより、探査信号の非線形な歪が現れ、高調波や結合周波数を含む音響波（非線形信号）が発生する。この音響波が解析されて人工物が探知される。

また、特許文献２に記載された走錨監視方式では、錨装置が、錨、同錨に連結された錨鎖、及び同錨鎖を巻き上げるための巻上機などを備え、さらに、振動音検知装置が設けられている。この振動音検知装置により、走錨時に発する錨からの振動音が検知され、船舶の走錨が検出される。

特表２００１−５１０９０１号公報 特開昭６２−０５９８６６号公報

しかしながら、上記関連技術では、次のような課題があった。
すなわち、図４のサイドスキャン・ソナーでは、一度に観測できる範囲が狭く、広範囲の海底又は水底Ｂに存在する人工物ＨＷの捜索には非常に時間がかかり、処理効率が悪いという課題がある。また、このサイドスキャン・ソナーでは、海底又は水底Ｂの形状が観測されるため、人工物ＨＷが海底又は水底Ｂに埋没している場合は検出されないという課題がある。

また、特許文献１に記載された音響検出装置は、地中又は海底中の地雷などの人工物又は鉱石を音波により探知する構成とされているものであり、この発明とは構成が異なる。

特許文献２に記載された走錨監視方式は、振動音検知装置により、船舶の錨が海底を引きずる振動を検出し、船舶が流されていることを検出するものであり、この発明とは構成が異なる。また、海底に鎮座した潜水艦のような海底面上の人工物を検出することはできない。

この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、広範囲の海底や水底に存在する人工物を、埋没している場合も含めて一度に効率良く検出する人工物検出システム、該システムに用いられる人工物検出方法及び人工物検出制御プログラムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、この発明の第１の構成は、海底又は水底に存在する人工物を検出する人工物検出システムに係り、海底又は水底に配置され、所定の規模の人工地震を発生する人工地震発生手段と、海中又は水中に配置され、前記人工地震により発生する音波を検出すると共に、前記音波よりも速い伝搬速度で地震波を伝搬する前記海底又は水底から海中又は水中に放射される振動波を検出する振動波検出手段と、該振動検出手段で検出される前記振動波のレベルが相対的に高くなるとき、該振動波の到来方位を検出し、該到来方位の海底又は水底に人工物が存在することを判定する人工物存在判定手段とを備えてなることを特徴としている。

この発明の第２の構成は、海底又は水底に存在する人工物を検出する人工物検出システムに用いられる人工物検出方法に係り、海底又は水底に配置されている人工地震発生手段が、所定の規模の人工地震を発生する人工地震発生処理と、海中又は水中に配置されている振動波検出手段が、前記人工地震により発生する音波を検出すると共に、前記音波よりも速い伝搬速度で地震波を伝搬する前記海底又は水底から海中又は水中に放射される振動波を検出する振動波検出処理と、人工物存在判定手段が、前記振動検出手段で検出される前記振動波のレベルが相対的に高くなるとき、該振動波の到来方位を検出し、該到来方位の海底又は水底に人工物が存在することを判定する人工物存在判定処理とを行うことを特徴としている。

この発明の構成によれば、水中の音波の影響を受けることなく、海底又は水底Ｂに存在する人工物を一度に広範囲で検出できると共に、海底又は水底に埋没した人工物を検出できる。

この発明の第１の実施形態である人工物検出システムの要部の構成及び同システムが用いられる環境を示す図である。 データ処理装置１３で解析される信号の例を示す図である。 この発明の第２の実施形態である人工物検出システムの要部の構成及び同システムが用いられる環境を示す図である。 サイドスキャン・ソナーの構成図である。

上記人工物存在判定手段が、レベルが相対的に高くなる上記振動波を、上記人工地震の地震波で上記人工物が振動することにより発生した低周波振動として検出する構成とされている人工物検出システムを提供する。

また、上記人工物存在判定手段は、人工地震により発生する音波が振動波検出手段に到達する前に、同振動波検出手段で検出される振動波を周波数分析し、この分析結果に基づいて、人工物の存在を検出する構成とされている。
また、上記振動波検出手段は、東西方向及び南北方向の水平方向に上記振動波を検出するための指向性を有し、上記人工物存在判定手段は、上記振動波検出手段で検出される上記振動波の検出結果に基づいて、該振動波の到来方位を検出する構成とされている。

また、上記振動波検出手段は、海中又は水中に離隔して配置された複数の振動センサを有し、上記各振動センサが上記海底又は水底から海中又は水中に放射される振動波を検出する構成とされ、上記人工物存在判定手段は、上記各振動センサで検出される上記各振動波のレベルが相対的に高くなるとき、上記各振動波の到来方位を検出し、上記各到来方位と三角測量の原理とを用いて海底又は水底に存在する上記人工物の位置を特定する構成とされている。また、上記人工地震発生手段は、爆発物で構成され、爆発エネルギーが下向き又は横向きの指向性を有する。

実施形態１

図１は、この発明の第１の実施形態である人工物検出システムの要部の構成及び同システムが用いられる環境を示す図である。
この形態の人工物検出システムは、同図に示すように、人工地震の震源１１と、振動センサ１２と、データ処理装置１３と、表示器１４とから構成されている。人工地震の震源１１は、海底又は水底Ｂに配置され、所定の規模（小規模）の人工地震を発生する。特に、この実施形態では、人工地震の震源１１は、海面又は水面から投下された爆発物で構成され、爆発エネルギーが下向き又は横向きの指向性を有する。

振動センサ１２は、たとえば、図示しない船舶などから吊り下げられて海中又は水中に配置され、人工地震により発生する爆発音ｓｅ（音波、Ｐ波）を検出すると共に、同爆発音ｓｅよりも速い伝搬速度で地震波ｑｗ（Ｐ波、Ｓ波、及び表面波）を伝搬する海底又は水底Ｂから海中又は水中に放射される振動波を検出して電気信号ｓｖに変換する。海底又は水底Ｂでは、下向き又は横向きに指向性を有する爆発物を爆発させて人工地震を発生させると、水中で振動が伝搬する速度が１．５ｋｍ／秒であるのに対して、海底では振動波が５〜７ｋｍ／秒で伝搬する。従って、海中又は水中の爆発音よりも海底又は水底の振動波が３〜５倍も速く伝搬する。なお、海中又は水中は液体のため、人工地震による振動波のうちのＰ波だけが伝わる。また、軟質の砂泥に覆われた海底又は水底Ｂは、砂泥が振動を吸収するため、放射する振動波（Ｐ波）が減衰され、比較小さくなる。一方、金属などの硬質の人工物ＨＷは、海底又は水底Ｂを伝搬してきた振動波（Ｐ波）を比較的減衰させないので、放射する振動波（Ｐ波）が比較的大きい。また、振動センサ１２は、東西方向及び南北方向の水平方向に上記振動波（海底又は水底放射振動波ｂｗ、人工物放射振動波ｈｗ）を検出するための指向性を有している。

データ処理装置１３は、人工物検出制御プログラムに基づいて制御されるコンピュータで構成されて図示しない船舶などに搭載され、振動センサ１２で検出される振動波の検出結果に基づいて、同振動波の到来方位を検出する。特に、この実施形態では、データ処理装置１３は、電気信号ｓｖを解析し、振動センサ１２で検出される振動波のレベルが相対的に高くなるとき、同振動波の到来方位を検出し、同到来方位の海底又は水底Ｂに人工物ＨＷ（たとえば、潜水艦、機雷、沈船など）が存在することを判定する。この場合、データ処理装置１３は、レベルが相対的に高くなる上記振動波を、人工地震の地震波ｑｗで人工物ＨＷが振動することにより発生した低周波振動（すなわち、人工物放射振動波ｈｗ）として検出する。また、データ処理装置１３は、人工地震により発生する爆発音ｓｅ（音波）が振動センサ１２に到達する前に、同振動センサ１２で検出される振動波を周波数分析し、この分析結果に基づいて、人工物ＨＷの存在を検出する。表示器１４は、データ処理装置１３による判定結果を表示し、たとえば、同データ処理装置１３で検出された海底又は水底Ｂの人工物ＨＷの方位を表示し、同人工物ＨＷからの比較的大きな振動波を見分けやすくする。

図２は、データ処理装置１３で解析される信号の例を示す図であり、同図（ａ）は、南北の指向性を有する振動センサによる受波信号の例を示す図、同図（ｂ）は、東西の指向性を有する振動センサによる受波信号の例を示す図、及び、同図（ｃ）が、人工物ＨＷの検出された方位計算の例を示す図である。
これらの図を参照して、この形態の人工物検出システムに用いられる人工物検出方法の処理内容について説明する。
この人工物検出システムでは、海底又は水底Ｂに配置されている人工地震の震源１１が爆発物で構成され、同爆発物を爆発させることにより、下向き又は横向きの指向性をもつ爆発エネルギーが発生して所定の規模の人工地震が発生する（人工地震発生処理）。海中又は水中に配置されている振動センサ１２により、上記人工地震により発生する音波が検出されると共に、同音波よりも速い伝搬速度で地震波ｑｗを伝搬する海底又は水底Ｂから海中又は水中に放射される振動波が検出される（振動波検出処理）。データ処理装置１３により、振動センサ１２で検出される上記振動波のレベルが相対的に高くなるとき、同振動波の到来方位が検出され、同到来方位の海底又は水底Ｂに人工物ＨＷが存在することが判定される（人工物存在判定処理）。そして、表示器１４により、データ処理装置１３による判定結果が表示される。

また、上記人工物存在判定処理では、データ処理装置１３により、レベルが相対的に高くなる上記振動波が、上記人工地震の地震波ｑｗで人工物ＨＷが振動することにより発生した低周波振動（人工物放射振動波ｈｗ）として検出される。また、上記人工物存在判定処理では、データ処理装置１３により、上記人工地震により発生する音波が振動センサ１２に到達する前に、同振動センサ１２で検出される上記振動波が周波数分析され、この分析結果に基づいて、人工物ＨＷの存在が検出される。また、上記人工物存在判定処理では、データ処理装置１３により、東西方向及び南北方向の水平方向に上記振動波を検出するための指向性を有する振動センサ１２で検出される検出結果に基づいて、同振動波の到来方位が検出される。

図２（ａ），（ｂ）では、音源方位４５度かつＳ／Ｎ比が３ｄＢの人工物ＨＷからの振動波成分が加算されている。
図２（ａ），（ｂ）中の受波信号の信号レベルが相対的に大きい部分について、データ処理装置１３により、人工物ＨＷからの振動波と判定され、その南北及び東西の信号レベル値の逆ＴＡＮ関数により方位が算出される。逆ＴＡＮ関数により方位を計算した結果、図２（ｃ）中の中央からやや左側の方位４５度付近の信号は、レベルが大きく方位が安定していることから、人工物ＨＷからの振動波と判定される。なお、この場合、自然の砂泥の海底から放射される振動波は、無指向性としている。

以上のように、この第１の実施形態では、海底又は水底Ｂに配置されている人工地震の震源１１により、人工地震が発生し、海中又は水中に配置されている振動センサ１２により、人工地震により発生する音波が検出されると共に、同音波よりも速い伝搬速度で地震波ｑｗを伝搬する海底又は水底Ｂから海中又は水中に放射される振動波が検出され、データ処理装置１３により、振動センサ１２で検出される振動波のレベルが相対的に高くなるとき、同振動波の到来方位が検出され、同到来方位の海底又は水底Ｂに人工物ＨＷが存在することが判定される。これにより、水中の爆発音（音波）の影響を受けることなく、海底又は水底Ｂに存在する硬質の人工物ＨＷが一度に広範囲で検出されると共に、海底又は水底Ｂに埋没した硬質の人工物ＨＷが検出される。

実施形態２

図３は、この発明の第２の実施形態である人工物検出システムの要部の構成及び同システムが用いられる環境を示す図である。
この形態の人工物検出システムでは、同図３に示すように、図１中のデータ処理装置１３に代えて、異なる機能を有するデータ処理装置１３Ａが設けられ、また、振動センサ１５が付加されている。振動センサ１５は、海中又は水中に振動センサ１２と所定の距離だけ離隔して配置され、同振動センサ１２と同様に、海底又は水底Ｂから海中又は水中に放射される振動波を検出する。データ処理装置１３Ａは、振動センサ１２，１５で検出される各振動波のレベルが相対的に高くなるとき、各振動波の到来方位を検出し、同各到来方位と三角測量の原理とを用いて海底又は水底Ｂに存在する人工物ＨＷの位置を特定する。三角測量では、相互間に障害物のない環境で三角点を作り、その１辺及び２夾角を測定して他の２辺の長さを計算によって求め、また、１辺の方向角を与えて他の点の位置が求める。通常、上記三角点を多数接続させて広い範囲の測量が行われる。

この人工物検出システムでは、データ処理装置１３Ａにより、振動センサ１２，１５で検出される各振動波のレベルに基づいて、各振動波の到来方位が検出され、同各到来方位と三角測量の原理とを用いることにより、海底又は水底Ｂに存在する人工物ＨＷの位置が特定される。

以上、この発明の実施形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成は同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などがあっても、この発明に含まれる。
たとえば、第２の実施形態では、２つの振動センサ１２，１５に限らず、３つ以上でも良い。また、人工地震の震源１１としては、爆発物以外に、たとえば、圧電素子などを使用した電気式の振動子や、圧縮空気の炸裂音を用いても良い。

この発明は、海底や水底に存在する人工物を検出する人工物検出システム全般に適用できる。

１１ 人工地震の震源（人工地震発生手段）
１２，１５ 振動センサ（振動波検出手段）
１３，１３Ａ データ処理装置（人工物存在判定手段）
１４ 表示器（人工物検出システムの一部）

Claims (13)

1. 海底又は水底に存在する人工物を検出する人工物検出システムであって、
   海底又は水底に配置され、所定の規模の人工地震を発生する人工地震発生手段と、
   海中又は水中に配置され、前記人工地震により発生する音波を検出すると共に、前記音波よりも速い伝搬速度で地震波を伝搬する前記海底又は水底から海中又は水中に放射される振動波を検出する振動波検出手段と、
   該振動検出手段で検出される前記振動波のレベルが相対的に高くなるとき、該振動波の到来方位を検出し、該到来方位の海底又は水底に人工物が存在することを判定する人工物存在判定手段とを備えてなることを特徴とする人工物検出システム。
2. 前記人工物存在判定手段は、
   レベルが相対的に高くなる前記振動波を、前記人工地震の地震波で前記人工物が振動することにより発生した低周波振動として検出する構成とされていることを特徴とする請求項１記載の人工物検出システム。
3. 前記人工物存在判定手段は、
   前記人工地震により発生する前記音波が前記振動波検出手段に到達する前に、該振動波検出手段で検出される前記振動波を周波数分析し、この分析結果に基づいて、前記人工物の存在を検出する構成とされていることを特徴とする請求項１又は２記載の人工物検出システム。
4. 前記振動波検出手段は、
   東西方向及び南北方向の水平方向に前記振動波を検出するための指向性を有し、
   前記人工物存在判定手段は、
   前記振動波検出手段で検出される前記振動波の検出結果に基づいて、該振動波の到来方位を検出する構成とされていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の人工物検出システム。
5. 前記振動波検出手段は、
   海中又は水中に離隔して配置された複数の振動センサを有し、前記各振動センサが前記海底又は水底から海中又は水中に放射される振動波を検出する構成とされ、
   前記人工物存在判定手段は、
   前記各振動センサで検出される前記各振動波のレベルが相対的に高くなるとき、前記各振動波の到来方位を検出し、前記各到来方位と三角測量の原理とを用いて海底又は水底に存在する前記人工物の位置を特定する構成とされていることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の人工物検出システム。
6. 前記人工地震発生手段は、
   爆発物で構成され、爆発エネルギーが下向き又は横向きの指向性を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の人工物検出システム。
7. 海底又は水底に存在する人工物を検出する人工物検出システムに用いられる人工物検出方法であって、
   海底又は水底に配置されている人工地震発生手段が、所定の規模の人工地震を発生する人工地震発生処理と、
   海中又は水中に配置されている振動波検出手段が、前記人工地震により発生する音波を検出すると共に、前記音波よりも速い伝搬速度で地震波を伝搬する前記海底又は水底から海中又は水中に放射される振動波を検出する振動波検出処理と、
   人工物存在判定手段が、前記振動検出手段で検出される前記振動波のレベルが相対的に高くなるとき、該振動波の到来方位を検出し、該到来方位の海底又は水底に人工物が存在することを判定する人工物存在判定処理とを行うことを特徴とする人工物検出方法。
8. 前記人工物存在判定処理では、
   人工物存在判定手段が、レベルが相対的に高くなる前記振動波を、前記人工地震の地震波で前記人工物が振動することにより発生した低周波振動として検出することを特徴とする請求項７記載の人工物検出方法。
9. 前記人工物存在判定処理では、
   前記人工物存在判定手段が、前記人工地震により発生する前記音波が前記振動波検出手段に到達する前に、該振動波検出手段で検出される前記振動波を周波数分析し、この分析結果に基づいて、前記人工物の存在を検出することを特徴とする請求項７又は８記載の人工物検出方法。
10. 前記振動波検出手段は、東西方向及び南北方向の水平方向に前記振動波を検出するための指向性を有し、
    前記人工物存在判定処理では、
    前記人工物存在判定手段が、前記振動波検出手段で検出される前記振動波の検出結果に基づいて、該振動波の到来方位を検出することを特徴とする請求項７、８又は９記載の人工物検出方法。
11. 前記振動波検出手段は、海中又は水中に離隔して配置された複数の振動センサを有し、前記各振動センサが前記海底又は水底から海中又は水中に放射される振動波を検出する構成とされ、
    前記人工物存在判定処理では、
    前記人工物存在判定手段が、前記各振動センサで検出される前記各振動波のレベルが相対的に高くなるとき、前記各振動波の到来方位を検出し、前記各到来方位と三角測量の原理とを用いて海底又は水底に存在する前記人工物の位置を特定することを特徴とする請求項７、８、９又は１０記載の人工物検出方法。
12. 前記人工地震発生手段を、爆発物で構成し、爆発エネルギーに下向き又は横向きの指向性をもたせることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一に記載の人工物検出方法。
13. コンピュータを請求項１乃至６のいずれか一に記載の人工物存在判定手段として機能させるためのコンピュータ読み取り可能な人工物検出制御プログラム。

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