JP2011149864A - 音源位置推定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】到来ふ仰角が上向きのマルチパス波と到来ふ仰角が下向きのマルチパス波について別個に到来時間差のテーブル値を記憶しておき(209M)、受信したマルチパス波の各々について到来ふ仰角が上向きか下向きかの判定を行い、観測された到来時間差とテーブル値との不一致度を上向きのふ仰角を有するマルチパス波と下向きのふ仰角を有するマルチパス波の各々について別個に算出して、その和をコスト関数として(210)、音源位置の推定を行う(211)。
【選択図】図1
Description
水中において音源からのパルス状の音波を受信して音源の位置を推定する技術として、下記の特許文献1に示されるものがある。
入力端子111にはマルチパス波到来時間差測定器102で求めたマルチパス波到来時間差観測値が入力され、入力端子112には到来時間差テーブル作成器103からのテーブル値が入力される。テーブル値−観測値算出器113は、到来時間差観測値と到来時間差テーブル値との差を算出する。
△Dn(p,q)= En(p,q)−Dn …(1)
到来時間差観測値に誤差がないとした場合のコスト関数を求めた結果を図4に示す。横軸は受波点Zrからの水平方向距離r、縦軸は深度(下方向ほど深度が大)zを表す。図中の曲線はコスト関数の等高線であり、このコスト関数が最小となる位置を推定する。
受波位置における到来波に基づいて音源の位置を推定する音源推定装置において、
複数の仮想音源位置の各々について、該仮想音源位置に仮想音源が存在すると仮定したときの、前記受波位置における最初の到来波と2番目以降の到来波のうちの到来ふ仰角が上向きのものの各々との到来時間差の理論値、並びに前記受波位置における最初の到来波と2番目以降の到来波のうちの到来ふ仰角が下向きのものの各々との到来時間差の理論値を格納する到来時間差理論値格納手段と、
前記受波位置において観測した到来波のデータに基づいて、目標の音源からの最初の到来波と2番目以降の到来波との到来時間差の観測値を算出する到来時間差観測値算出手段と、
前記2番目以降の到来波の各々の到来ふ仰角が上向きか下向きかを判定し、前記2番目以降の到来波のうち、到来ふ仰角が上向きの到来波の各々と、前記最初の到来波との到来時間差と、前記到来ふ仰角が上向きの到来波についての前記到来時間差の理論値との不一致度を第1の不一致度として求め、前記2番目以降の到来波のうち、到来ふ仰角が下向きの到来波の各々と、前記最初の到来波との到来時間差と、前記到来ふ仰角が下向きの到来波についての前記到来時間差の理論値との不一致度を第2の不一致度として求め、前記第1の不一致度と前記第2の不一致度との和をコストとして求めるコスト関数算出手段と、
前記コスト関数算出手段が算出した前記コストが最小となる前記仮想音源位置を前記目標の音源の位置と推定する音源位置推定手段と
を備えたことを特徴とする。
本発明の実施の形態1の音源位置推定装置を図5に示す。
図示の音源位置推定装置は、音源から放射されたパルス状音波の直接波とマルチパス波を受信し、それらの到来時間差に基づいて音源の位置を推定するものであり、音源の推定位置は深度及び受波器からの水平方向距離で表される。なお、音源の位置する方位を示す情報は別途得られるものとする。
第1の受波器201及び第2の受波器202は、後述のように、到来波のふ仰角が上向きか下向きかの情報を得るために設けられたものであり、同じ鉛直線上の異なる位置に設けられている。このように配置されることにより、第1の受波器201及び第2の受波器202のいずれに、到来波(信号)がより早く到来したかに基づいて、到来波のふ仰角が上向きか下向きかの判断を行うことができる。
第1及び第2の受波器201及び202はそれぞれ上側及び下側に配置されるので、「上側の受波器」、「下側の受波器」と呼ばれることもある。
第1及び第2の到来時刻決定部205及び206は、それぞれ上側及び下側の受波器201及び201の出力に基づいて到来時刻を決定乃至検出する。
ノイズを信号と誤って検出したり、検出漏れが発生しなければ、最初の検出タイミングが直接波の検出タイミングであり、2番目以降の検出タイミングがマルチパス波の検出タイミングである。
図9に示す例では、探索領域を仮想的にメッシュ(格子)状に区切り、各交点を仮想音源位置(p,q)(p=1,2,…P、q=1,2,…Q)とする。なお、p、qはそれぞれ距離r、深度zを表す値そのものではなく、距離、深度に対応するインデックスであり、自然数1〜P、1〜Qで表される。
一度も反射をせずに受波点WRに達した波は直接波と呼ばれ、海面や海底で1回以上反射して受波器に達した波はマルチパス波と呼ばれる。
EU1(p,q)、EU2(p,q)、…(p=1、2、…P、q=1、2、…Q)
が得られ、これらがテーブル形式のデータとされ、上向きふ仰角到来時間差テーブル値として到来時間差テーブル作成器209の記憶部209M内に記憶されている。
同様に、全ての仮想音源位置(p,q)の各々についての、下側の受波器202での到来時間差の列
EL1(p,q)、EL2(p,q)、…(p=1、2、…P、q=1、2、…Q)
が得られ、これらがテーブル形式のデータとされ、下向きふ仰角到来時間差テーブル値として到来時間差テーブル作成器209の記憶部209M内に記憶されている。
入力端子213からは、仮想音源の距離rを表すインデックスPと深度zを表すインデックスQの設定値が入力される。
入力端子214からは、音速プロファイルが入力される。
これらのデータに基づき音線計算処理部703では音線計算を行う。音線計算の結果として、各到来波の到来時間の推測値(理論値)と到来ふ仰角の推測値(理論値)が求められる。
これらのテーブル706、707に格納されたデータは、後述のように、端子708、709を介してコスト関数算出器210に供給される。
入力端子801には、第1の到来時刻決定部205の出力が供給され、入力端子802には、第2の到来時刻決定部206の出力が供給され、入力端子803には、第1のマルチパス波到来時間差算出部207の出力が供給され、入力端子804には、第2のマルチパス波到来時間差算出部208の出力が供給される。
FUa、(a=1、2、…)で表し、
ふ仰角判定部805で下向きと判定されたマルチパス波についての、下側の受波器202における到来時間差を
FLb、(b=1、2、…)で表す。
それぞれのマルチパスの伝搬経路が図10に示す通り(即ち、推定通り)であれば、1番目、2番目、4番目の到来波(直接波と第1、第3のマルチパス波)が上向きのふ仰角を有し、3番目、5番目の到来波(第2、第4のマルチパス波)が下向きのふ仰角を有することになり、したがって、
FU1=DU2、
FU2=DU4、
FL1=DL3、
FL2=DL5
となる。
到来時間差FU1、FU2、…がふ仰上向きテーブル値一観測値差算出器808に供給され、到来時間差FL1、FL2、…がふ仰下向きテーブル値一観測値差算出器809に供給される。
△FUi(p,q)= EUi(p,q)−FUi …(3)
△FLj(p,q)= ELj(p,q)−FLj …(5)
J(p,q)=JU(p,q)+JL(p,q) …(7)
式(7)のJ(p,q)が本実施の形態1で用いるコスト関数である。
上記の実施の形態1の方法では、各受波器で受信した音波が、信号のみから成る場合には問題ないが、ノイズが誤って信号と検出(誤検出)されたり、検出されるべき信号が検出されない場合には、問題がある。誤検出の場合には、誤った組合せで受波器間での到来時間差を計算し、誤ったふ仰角の上下判定の結果に基づいてコスト算出を行う可能性があり、コスト算出に誤りが生じ、音源位置推定を誤る可能性がある。検出されるべき信号が検出されない場合には、ふ仰角の判定のために用いるべき一対の信号(受信タイミング)が揃わず、そのため、到来時間差テーブルとの比較(不一致度の算出)が適切に行なえないという問題がある。
図示の例では、時刻tB3は、時刻tA1〜tA6のいずれについても、差が最小とはならないため、除外される。
tmax=DWR/C …(8)
により、同じ伝搬経路を辿った音波の、受波器201における到来のタイミングと、受波器202における到来のタイミングの時間差の理論的最大値tmaxを計算する。受波器201、202は鉛直方向に整列しているので、到来ふ仰角の絶対値が大きいほど上記の時間差は大きくなる。
tobs>tmax
であるか否かを判定し、判定結果YVNを出力する。判定結果YVNは、データ抽出部858に供給されるほか、出力端子862を介して図15のデータ抽出部806、807に供給される。判定結果YVNは、第1及び第2の受波器201、202における到来時刻の対が、同じ到来波の検出タイミングである蓋然性が高い(信頼性が高い)か否かを示し、tobs≦tmaxであれば、上記蓋然性が高いことを意味し、従って、当該到来時刻のデータがふ仰角の判定、到来時間差の比較などに利用するのに適していることを意味し、逆にtobs>tmaxであれば、上記蓋然性が低く、当該到来時刻のデータがふ仰角の判定、到来時間差の比較などに利用するのに適さないことを意味する。
tobs>tmax
の場合には、当該時刻対を、ふ仰角の判定に使用しないこととし、ふ仰角上下判定部859に供給しない。
tobs≦tmax
の場合には、当該時刻対を表すデータを抽出して、ふ仰角上下判定部859に供給する。
tmax=DWR/1500 …(9)
を利用することも可能である。
Claims (9)
- 受波位置における到来波に基づいて音源の位置を推定する音源推定装置において、
複数の仮想音源位置の各々について、該仮想音源位置に仮想音源が存在すると仮定したときの、前記受波位置における最初の到来波と2番目以降の到来波のうちの到来ふ仰角が上向きのものの各々との到来時間差の理論値、並びに前記受波位置における最初の到来波と2番目以降の到来波のうちの到来ふ仰角が下向きのものの各々との到来時間差の理論値を格納する到来時間差理論値格納手段と、
前記受波位置において観測した到来波のデータに基づいて、目標の音源からの最初の到来波と2番目以降の到来波との到来時間差の観測値を算出する到来時間差観測値算出手段と、
前記2番目以降の到来波の各々の到来ふ仰角が上向きか下向きかを判定し、前記2番目以降の到来波のうち、到来ふ仰角が上向きの到来波の各々と、前記最初の到来波との到来時間差と、前記到来ふ仰角が上向きの到来波についての前記到来時間差の理論値との不一致度を第1の不一致度として求め、前記2番目以降の到来波のうち、到来ふ仰角が下向きの到来波の各々と、前記最初の到来波との到来時間差と、前記到来ふ仰角が下向きの到来波についての前記到来時間差の理論値との不一致度を第2の不一致度として求め、前記第1の不一致度と前記第2の不一致度との和をコストとして求めるコスト関数算出手段と、
前記コスト関数算出手段が算出した前記コストが最小となる前記仮想音源位置を前記目標の音源の位置と推定する音源位置推定手段と
を備えた音源推定装置。 - 前記受波位置に複数個の受波器が設けられ、
前記コスト関数算出手段が、前記複数個の受波器の出力に基づいて前記到来ふ仰角が上向きか下向きかの判定を行う
ことを特徴とする請求項1に記載の音源推定装置。 - 前記受波位置の、深度方向の異なる位置に第1及び第2の受波器が設けられ、
前記コスト関数算出手段が、同じ到来波の、前記第1及び第2の受波器での受波時刻の差に基づいて、当該到来波の到来ふ仰角が上向きか下向きかの判定を行う
ことを特徴とする請求項1に記載の音源推定装置。 - 前記第1の受波器で検出された到来波の各々について、その検出のタイミングと、
前記第2の受波器において検出された複数の到来波のうち、その検出のタイミングと前記第1の受波器における検出のタイミングとの差が最小であり、かつ該差が所定値以下であるものを、前記第1の受波器で検出された到来波と同じ到来波であると判定し、
該判定により同じと判定された到来波の検出のタイミングに基づいて前記到来ふ仰角が上向きか下向きかの判定を行う
ことを特徴とする請求項3に記載の音源位置推定装置。 - 前記所定値が、2つの受波器間における前記検出のタイミングの差が、当該受波器間の距離及び前記受波位置における音速に基づいて計算される、前記検出のタイミングの差の理論的最大値以下であるか否かを判断するための値であることを特徴とする請求項4に記載の音源位置推定装置。
- 前記同じと判定された到来波についての到来時間差の観測値のみを前記到来時間差の理論値との不一致度の算出に用いることを特徴とする請求項4に記載の音源位置推定装置。
- 前記複数の受波器が鉛直受波器アレイを構成するものであることを特徴とする請求項2に記載の音源位置推定装置。
- 前記到来時間差理論値格納手段に格納されている到来時間差の理論値が、受波位置の深度、仮想音源位置の距離、深度、及び音速プロファイルに基づいて算出されたものであることを特徴とする請求項1に記載の音源位置推定装置。
- 前記コスト関数算出手段は、
前記到来ふ仰角が上向きの到来波についての前記到来時間差観測値と前記到来時間差理論値との差の二乗の総和を前記第1の不一致度として計算し、
前記到来ふ仰角が下向きの到来波についての前記到来時間差観測値と前記到来時間差理論値との差の二乗の総和を前記第2の不一致度として計算する
ことを特徴とする請求項1に記載の音源位置推定装置。
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