JP2011158391A - 整相システム、整相装置及び整相プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】変形したえい航型ラインアレイの形状を推定することができ、推定したえい航型ラインアレイの形状から指向性を補償した整相処理を行なうことができるようにする。
【解決手段】本発明の整相システムは、複数の受波器及びセンサを備えるラインアレイと、整相装置とを備え、整相装置が、センサからのセンサ情報及びえい航体の方位情報に基づいて、ラインアレイ上の複数の疑似的な位置から出力されたとみなす複数の疑似センサ出力情報を生成する疑似出力生成手段と、複数の疑似センサ出力情報及び複数の疑似的な位置に基づきラインアレイの形状を推定し、この推定したラインアレイ上での複数の受波器の位置を求めるラインアレイ形状推定手段と、複数の受波器からの受波信号に対して、ラインアレイ形状推定手段により求められた対応する受波器の位置で音波を受波したときの遅延時間を付与して受波信号の位相を整相する整相処理手段とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、整相システム、整相装置及び整相プログラムに関し、例えば、えい航型のラインアレイが備える複数の受波器からの受波信号に対して整相処理を行なう整相システム、整相装置及び整相プログラムに適用し得るものである。

例えば、目標を探知するために、えい航船は、ケーブルに複数の受波器を配列させたラインアレイをえい航し、各受波器からの受波信号を整相することにより、目標の存在、方位等を検出している。

従来のえい航型ラインアレイの整相処理では、えい航船の変針等によってラインアレイが変形した場合、ラインアレイの形状を直線として整相処理のために、複数の受波器からの受波信号のそれぞれに対して遅延時間を算出し、これを付与している。

しかし、遅延時間が付与された受波信号に対する整相出力は方位のずれや信号レベルの劣化が生じ得、又整相処理は、長時間に亘って受波信号を用いて積分処理を行なっているので、ラインアレイが変形した場合には、変化前と変化後との整相出力が影響するので正しく方位を検出できず、実用に供することができないという問題がある。

特許文献１には、このような問題を解決する技術が記載されている。以下では特許文献１の記載技術を簡単に説明する。図２は、特許文献１に記載の技術を説明する説明図である。

図２では、えい航船９１が、えい航ケーブル９２に複数の受波器９４−１〜９４−Ｎが配列されたラインアレイをえい航している場合を示している。

特許文献１の記載技術は、図２に示すように、受波器９４−１〜９４−Ｎの位置にコンパス９３−１〜９３−Ｎを設定し、各コンパス９３−１〜９３−Ｎの出力と、既知である受波器９４−１〜９４−Ｎ間の間隔とを用いて、各受波器９４−１〜９４−Ｎの座標を求めて、ラインアレイが変形した場合の受波器９４−１〜９４−Ｎに与える遅延時間を算出することとしている。

この技術によって、ラインアレイが変形した場合の形状を求め、そこから整相処理における遅延時間を算出することができるので、ラインアレイが非直線状となっても整相方位を特定することができる。

特開２００８−２６１７２７号公報

しかしながら、特許文献１の記載技術は、受波器の数だけコンパスが必要となる。一般的に受波器は非常に多数配列させるため、非常に多数のコンパスをえい航型ラインアレイに内蔵する必要があり、製造上の面から実用性に欠けたものとなり得る。

そのため、実用面を考慮して、えい航型ラインアレイが変形した場合に、指向性を補償した整相処理のため、変形したえい航型ラインアレイの形状を推定することができ、そのラインアレイの形状を利用して整相処理を行なえる整相システム、整相装置及び整相プログラムが求められている。

そこで、本発明は、えい航型ラインアレイの形状を求めるためのセンサとして、コンパス、及び、深度センサ若しくは傾斜センサを用い、それらセンサからの出力に対して時間遅延を与えることによって、えい航型ラインアレイの任意の位置における疑似コンパス出力、及び、疑似深度センサ出力若しくは疑似傾斜センサ出力を生成する。そして、実際の出力に加え、これらの疑似出力を用いてえい航型ラインアレイの変形した形状を推定し、その形状を用いてえい航型ラインアレイが変形したときの整相システム、整相装置及び整相プログラムを提供する。

かかる課題を解決するために、第１の本発明の整相システムは、（Ａ）えい航体がえい航するものであり、受波した音波を受波信号に変換する複数の受波器と、水平方向及び又は鉛直方向を測定するセンサを備えるラインアレイと、（Ｂ）複数の受波器から受け取った受波信号の位相を整相する整相装置とを備え、整相装置が、（１）センサからのセンサ情報及びえい航体の方位情報に基づいて、ラインアレイ上の複数の疑似的な位置から出力されたとみなす複数の疑似センサ出力情報を生成する疑似出力生成手段と、（２）疑似出力生成手段からの複数の疑似センサ出力情報及び複数の疑似的な位置に基づきラインアレイの形状を推定し、この推定したラインアレイ上での複数の受波器の位置を求めるラインアレイ形状推定手段と、（３）複数の受波器から受け取った受波信号のそれぞれに対して、ラインアレイ形状推定手段により求められた対応する受波器の位置で音波を受波したときの遅延時間を付与し、遅延時間を付与した受波信号の位相を整相する整相処理手段とを有することを特徴とする。

第２の本発明の整相装置は、えい航体がえい航するものであり、受波した音波を受波信号に変換する複数の受波器と、水平方向及び又は鉛直方向を測定するセンサを備えるラインアレイと接続し、複数の受波器から受け取った受波信号の位相を整相する整相装置において、（１）センサからのセンサ情報又はえい航体の方位情報に基づいて、ラインアレイ上の複数の疑似的な位置から出力されたとみなす複数の疑似センサ出力情報を生成する疑似出力生成手段と、（２）疑似出力生成手段からの複数の疑似センサ出力情報及び複数の疑似的な位置に基づきラインアレイの形状を推定し、この推定したラインアレイ上での複数の受波器の位置を求めるラインアレイ形状推定手段と、（３）複数の受波器から受け取った受波信号のそれぞれに対して、ラインアレイ形状推定手段により求められた対応する受波器の位置で音波を受波したときの遅延時間を付与し、遅延時間を付与した受波信号の位相を整相する整相処理手段とを備えることを特徴とする。

第３の本発明の整相プログラムは、えい航体がえい航するものであり、受波した音波を受波信号に変換する複数の受波器と、水平方向及び又は鉛直方向を測定するセンサを備えるラインアレイと接続し、複数の受波器から受け取った受波信号の位相を整相する整相装置を、（１）センサからのセンサ情報又はえい航体の方位情報に基づいて、ラインアレイ上の複数の疑似的な位置から出力されたとみなす複数の疑似センサ出力情報を生成する疑似出力生成手段、（２）疑似出力生成手段からの複数の疑似センサ出力情報及び複数の疑似的な位置に基づきラインアレイの形状を推定し、この推定したラインアレイ上での複数の受波器の位置を求めるラインアレイ形状推定手段、（３）複数の受波器から受け取った受波信号のそれぞれに対して、ラインアレイ形状推定手段により求められた対応する受波器の位置で音波を受波したときの遅延時間を付与し、遅延時間を付与した受波信号の位相を整相する整相処理手段として機能させることを特徴とする。

本発明によれば、えい航型のラインアレイが変形した場合に、変形したえい航型ラインアレイの形状を推定することができ、その推定したえい航型ラインアレイの形状を利用して、指向性を補償した整相処理を行なうことができる。

第１の実施形態のえい航船が備える音波探知装置の構成を示す構成図である。 従来の音波探知装置における整相処理を説明する説明図である。 第１の実施形態の整相装置の内部構成を示す内部構成図である。 第１の実施形態の疑似コンパス出力生成部の内部構成を示す内部構成図である。 第１の実施形態の疑似コンパス生成部の出力を説明する説明図である。 第１の実施形態のラインアレイ形状推定部の内部構成を示す内部構成図である。 第１の実施形態の疑似コンパス生成処理を示すフローチャートである。 第１の実施形態のラインアレイ形状推定処理を示すフローチャートである。 第１の実施形態のシミュレーションに係るえい航型ラインアレイの模式図である。 第１の実施形態のシミュレーションにおける整相結果を示す図である。 第２の実施形態の疑似コンパス出力生成部の構成を示す構成図である。 第２の実施形態のシミュレーションに係るえい航型ラインアレイの模式図である。 第２の実施形態のシミュレーションにおける整相結果を示す図である。

（Ａ）第１の実施形態
以下では、本発明の整相システム、整相装置及び整相プログラムの第１の実施形態を図面を参照しながら説明する。

第１の実施形態では、ラインアレイをえい航するえい航船が備える音波探知装置に、本発明を適用した場合の実施形態を例示する。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
（Ａ−１−１）全体構成
図１は、第１の実施形態のえい航船が備える音波探知装置の構成を示す構成図である。

図１に示すように、第１の実施形態の音波探知装置７は、えい航船２が備える信号処理装置１と、えい航ケーブル３にコンパス４及び受波器５−１〜５−Ｎ（Ｎは正の整数）が配置されたえい航型ラインアレイ６とを少なくとも有して構成される。

えい航船２は、えい航型ラインアレイ６をえい航する船舶や潜水艦等である。えい航船２は、えい航型ラインアレイ６と接続する信号処理装置１を備える。また、えい航船２は、えい航船２の方位を測定するコンパス等の方位測定手段（図示しない）を備えている。

信号処理装置１は、えい航ケーブル３を通じてコンパス４からコンパス方位情報（以下ではコンパス方位ともいう）と、受波器５−１〜５−Ｎから受波信号とを受け取り、これらコンパス方位及び受波信号を用いて整相処理を行ない、整相出力を用いて目標の存在や方位等（例えば、方位、深度、傾斜度など）を検出するものである。また、信号処理装置１は、構成要素の１つとして整相装置（図１には図示しない）を有する。この整相装置の構成及び動作については後述する。

えい航型ラインアレイ６は、えい航船２により、例えば水中、水面などをえい航されるものである。えい航型ラインアレイ６は、えい航ケーブルを通じて信号処理装置２と接続しており、コンパス４のコンパス方位、受波器５−１〜５−Ｎの受波信号を信号処理装置２に与えるものである。

受波器５−１〜５−Ｎは、受波した音波信号を電気信号に変換する素子であり、変換した電気信号を受波信号として信号処理装置１に与えるものである。受波器５−１〜５−Ｎは、えい航ケーブル３上に所定間隔でＮ個配置されている。また、受波器５−１〜５−Ｎの配置間隔は、既知の情報として信号処理装置１に設定されている。なお、受波器５−１〜５−Ｎは、種々の受波器を適用することができ、例えば、圧電素子、磁歪素子、マイクロフォン等を適用することができる。

コンパス４は、方位を求めるものであり、測定したコンパス方位を信号処理装置１に与えるものである。コンパス４は、受波器５−１〜５−Ｎよりも、えい航船２側に設置されている。また、コンパス４の設置位置は、既知の情報として信号処理装置１に設定されている。なお、コンパス４は、種々のものを適用することができ、例えば、磁針とロータリエンコーダなどから構成されるものや、ジャイロコンパスなどを適用することができる。

（Ａ−１−２）整相装置の内部構成
図３は、第１の実施形態の整相装置１０の内部構成を示す内部構成図である。図３において、第１の実施形態の整相装置１０は、疑似コンパス出力生成部１１、ラインアレイ形状推定部１２、整相処理部１３、位置情報記憶部１４を少なくとも有して構成される。

位置情報記憶部１４は、コンパス４の位置情報と、疑似コンパス出力の位置の間隔情報とを記憶するものである。例えば、コンパス４の位置情報としてはえい航船２からのコンパス４までの距離を記憶する。また例えば、疑似コンパス出力の位置としては、コンパス４と次の疑似コンパス出力の位置との間の距離と、疑似コンパス出力位置間の間隔とを示す距離を記憶する。これにより、疑似コンパス出力の位置（疑似コンパス出力算出位置）を得ることができる。また、位置情報記憶部１４は、各受波器５−１〜５−Ｎの位置情報も記憶する。例えば、えい航型ラインアレイ６の直線状態における各受波器５−１〜５−Ｎの位置ベクトルとしても良い。

疑似コンパス出力生成部１１は、コンパス４の位置から所定距離ずつ後方にある複数（例えばｋ個）の位置を疑似コンパス出力算出位置とし、コンパス４からのコンパス方位θ_ｃを用いて複数の疑似コンパス出力算出位置における疑似的なコンパス出力θ_１〜θ_ｋを生成するものである。

疑似コンパス出力生成部１１は、えい航船２の方位情報θ_ｓと、えい航型ラインアレイ６に設置したコンパス４から受け取ったコンパス方位θ_ｃとに基づいて、えい航船２の方位の変化開始時刻とえい航型ラインアレイ６に設置したコンパス４のコンパス出力の変化開始時刻との時間差τを算出するものである。なお、えい航船２の方位情報θ_ｓは、例えば、えい航船２が備えるコンパス等（図示しない）の出力を用いるようにしても良い。

また、疑似コンパス出力生成部１１は、算出した時間差τを用いて、コンパス４の位置から任意の距離だけ後方のｋ（ｋは正の整数）個の位置１〜ｋにおける方位を示す疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋを生成するものである。

ここで、疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋの生成方法としては、例えば、えい航船２からコンパス４までの距離Ｌ_ｃ、コンパス４から疑似コンパス出力を算出する位置までの距離Ｌ_１〜Ｌ_ｋ、そして上述の時間差τを用いて、各位置１〜ｋにおける遅延時間τ_１〜τ_ｋを求める。疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋは、これらコンパス出力θ_ｃに上述の方法から算出した遅延時間τ_１〜τ_ｋを付与することにより生成する方法を適用することができる。

ラインアレイ形状推定部１２は、コンパス４からのコンパス出力θ_ｃと、疑似コンパス出力生成部１１からの疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋとに基づいて、えい航型ラインアレイ６の形状を推定するものである。

ここで、えい航型ラインアレイ６は、コンパス４の位置情報、及び、疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋを算出した位置１〜ｋによってｋ個の区間に分割される。このとき、コンパス４の位置は既知情報であり、また各位置１〜ｋの区間の長さも全て既知情報である。そこで、ラインアレイ形状推定部１２は、各位置１〜ｋの区間の長さと、その区間の両端のコンパス出力又は疑似コンパス出力を用いて、えい航型ラインアレイ６の形状を求める。

ラインアレイ形状推定部１２は、最終的には、全ての受波器５−１〜５−Ｎの位置ベクトルを示す受波器位置ベクトルＰ_１〜Ｐ_ｎを算出し、これら全ての受波器位置ベクトルＰ_１〜Ｐ_ｎを整相処理部１３に与える。

整相処理部１３は、受波器５−１〜５−Ｎからの受波器出力（受波信号）Ｓ_１〜Ｓ_Ｎと、ラインアレイ形状推定部１２からの受波器位置ベクトルＰ_１〜Ｐ_Ｎとを受け取り、それぞれの受波器位置ベクトルＰ_１〜Ｐ_Ｎで音波を受波したときの遅延時間を算出し、各受波器５−１〜５−Ｎからの受波信号Ｓ_１〜Ｓ_Ｎに対して対応する遅延時間を付与し、受波信号の位相を整相するものである。整相処理部１３は、最終的には、Ｍ個（Ｍ方位）の整相出力Ｂ_１〜Ｂ_Ｍを求める。

（Ａ−１−３）疑似コンパス出力生成部１１の詳細な内部構成
図４は、疑似コンパス出力生成部１１の詳細な内部構成を示す内部構成図である。

図４において、疑似コンパス出力生成部１１は、立ち上がり時刻検出部１１１、立ち上がり時刻検出部１１２、遅延時間算出部１１３、遅延時間生成部１１４、遅延時間付与部１１５を少なくとも有する。

立ち上がり時刻検出部１１１は、えい航船２の方位θ_ｓを受け取り、えい航船２の方位θ_ｓの変化開始時刻ｔ_ｓを検出するものである。立ち上がり時刻検出部１１１は、検出した方位の変化開始時刻ｔ_ｓを、遅延時間算出部１１３に与える。

また、立ち上がり時刻検出部１１２は、コンパス４からコンパス出力θ_ｃを受け取り、コンパス出力θ_ｃの変化開始時刻ｔ_ｃを検出するものである。立ち上がり時刻検出部１１２は、検出した方位の変化開始時刻ｔ_ｃを、遅延時間算出部１１３に与える。

ここで、立ち上がり時刻検出部１１１及び１１２は、入力された方位を監視し、方位の標準偏差が閾値を超えた時刻を検出することができれば、種々の方法を広く適用することができる。

例えば、立ち上がり時刻検出部１１１及び１１２は、式（１）に従って、入力された方位θの標準偏差σ_θを求め、方位の標準偏差σ_θが閾値σ_ｔｈを超えた時刻を、変化開始時刻とする。なお、閾値θ_ｔｈは、実用的な運用に応じて予め設定するようにしても良く、又必要に応じて変更できるようにしても良い。

ここで、Ｔは標準偏差算出のための時間幅である。立ち上がり時刻検出部１１１及び１１２は、式（１）に従って、えい航船２の方位θ_ｓ及びコンパス４の方位θ_ｃの変化開始時間ｔ_ｓ及びｔ_ｃを求める。

遅延時間算出部１１３は、立ち上がり時刻検出部１１１からえい航船２の方位の変化開始時刻ｔ_ｓと、立ち上がり時刻検出部１１２からコンパス４の方位の変化開始時刻ｔ_ｃとを受け取り、えい航船２の変化開始時刻ｔ_ｓとコンパス４の変化開始時刻ｔ_ｃとの差分を取り、えい航船２の方位の変化に対するコンパス方位の変化の遅延時間τを算出するものである。また、遅延時間算出部１１３は、求めた遅延時間τを遅延時間生成部１１４に与えるものである。

遅延時間生成部１１４は、遅延時間算出部１１３から遅延時間τを受け取り、この遅延時間τを用いて、コンパス４から所定距離だけ後方に位置する疑似コンパス位置１〜ｋにおける遅延時間τ_１〜τ_ｋを生成するものである。

まず、遅延時間生成部１１４は、遅延時間τと、えい航船２の速度ｖとに基づいて、コンパス４が移動した距離Ｌ_ＭＶを求める。ここで、コンパス４の移動距離Ｌ_ＭＶは、式（２）を利用して求めることができる。

このとき、えい航船２が直進状態の場合、コンパス４は、えい航船２の軌跡に沿って移動する。従って、えい航船２とコンパス４との距離をＬ（このＬはえい航ケーブル３の長さおよびコンパス４の位置情報等から計算されるものである）とすると、Ｌ＝Ｌ_ＭＶとなる。しかしながら、えい航船２が変針等をした場合、えい航船２の移動に伴い、えい航型ラインアレイ６も移動する。このとき、えい航型ラインアレイ６上のコンパス４は、えい航船２の軌跡の内側を通ると考えられる。そのため、コンパス４の移動距離Ｌ_ＭＶは、えい航船とコンパス４との距離Ｌよりも小さくなると考えられる。

そこで、遅延時間生成部１１４は、ＬとＬ_ＭＶとの比から係数α（＝Ｌ_ＭＶ／Ｌ）を求める。なお、Ｌはえい航船２の移動距離であり、ｖはえい航船２の速度であり、τは遅延時間であるから、遅延時間生成部１１４は、これらの設定値又は測定値を利用することで求めることができる。

次に、遅延時間生成部１１４は、係数αを算出した後、任意の位置（疑似コンパス出力位置）１〜ｋに設置された疑似コンパス出力での遅延時間τ_１〜τ_ｋを求める。

ここで、疑似コンパス出力での遅延時間τ_１〜τ_ｋは、次に示す関係式（３）を用いて求めることができる。

式（３）は、疑似コンパス出力の算出位置Ｌ’と、えい航船２の方位変化の立ち上がりと疑似コンパス出力の変化の立ち上がりとの時間差τ’との関係を示す関係式を示す。

なお、疑似コンパス出力の算出位置Ｌ’は、位置情報記憶部１４に記憶されるコンパス４の位置及び受波器５−１〜５−Ｎ間の間隔距離を用いて、コンパス４の位置から各疑似コンパス出力の位置までの距離を求めることにより得られる。

遅延時間付与部１１５は、コンパス出力θ_ｃと、遅延時間生成部１１４により求められた各疑似コンパス出力の位置に対する遅延時間τ_１〜τ_ｋとを受け取り、コンパス出力θ_ｃの変化開始時刻ｔ_ｃに遅延時間τ_１〜τ_ｋを付与して、疑似コンパス出力の位置に対する疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋを求めるものである。また、遅延時間付与部１１５は、疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋをラインアレイ形状推定部１２に与える。

図５は、疑似コンパス出力生成部１１から出力される疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋの出力イメージを説明する説明図である。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、えい航船２の方位の変化開始時刻及びコンパス４の方位の変化開始時刻の検出を示し、図５（ｃ）は、疑似コンパス出力生成部１１からの疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋを示す。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、立ち上がり時刻検出部１１１が、えい航船２の方位θ_ｓの変化開始時刻ｔ_ｓを検出し、その後、立ち上がり時刻検出部１１２が、コンパス４の方位θ_ｃの変化開始時刻ｔｃを検出する。遅延時間算出部１１３では、この変化開始時刻ｔ_ｓ及びｔ_ｃに基づいて、遅延時間τを求める。

また、遅延時間生成部１１４では、係数α及び疑似コンパス出力の算出位置Ｌ’を式（３）に代入して、各疑似コンパス出力位置での遅延時間τ１〜τｋを求める。

そして、図５（ｃ）に示すように、遅延時間付与部１１５が、コンパス４の変化開始時刻ｔ_ｃに各遅延時間τ_１〜τ_ｋを付与することにより、各疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋを出力する。

（Ａ−１−４）ラインアレイ形状推定部１２の詳細な内部構成
図６は、ラインアレイ形状推定部１２の内部構成を示す内部構成図である。図６に示すように、ラインアレイ形状推定部１２は、ラインアレイ形状算出部１２１、受波器位置ベクトル算出部１２２を有する。

ラインアレイ形状算出部１２１は、コンパス出力θ_ｃと、疑似コンパス出力生成部１１から疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋとを受け取り、ラインアレイ形状を推定するものである。

例えば、ラインアレイ形状算出部１２１は、位置情報記憶部１４からえい航船２からコンパス４までの距離を取り出し、えい航船２からコンパス４までの距離とコンパス出力θ_ｃとに基づいて、えい航船２の位置に対するコンパス４の位置を求めることができる。

また、ラインアレイ形状算出部１２１は、位置情報記憶部１４から各疑似コンパス出力の算出位置の間隔情報を取り出し、各疑似コンパス出力の算出位置の間隔と各疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋとに基づいて、求めたコンパス４の位置に対する次の疑似コンパス出力の位置を求めることができ、これをｋ個の疑似コンパス出力位置まで繰り返すことで、ラインアレイ６の形状を推定する。

受波器位置ベクトル算出部１２２は、ラインアレイ形状算出部１２１により推定されたラインアレイ６の形状と、直線状態のときの受波器５−１〜５−Ｎの位置ベクトルとに基づいて、推定したラインアレイ形状上における全ての受波器５−１〜５−Ｎの受波器位置ベクトルＰ_１〜Ｐ_Ｎを求めるものである。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態の整相処理の動作について図面を参照しながら説明する。

えい航船２の方位θ_ｓと、えい航型ラインアレイ６上のコンパス４から出力されるコンパス方位θ_ｃとは、常時、整相装置１０の疑似コンパス出力生成部１１に入力される。

図７は、疑似コンパス出力生成部１１における処理を示すフローチャートである。

疑似コンパス出力生成部１１では、立ち上がり時刻検出部１１１が、えい航船２の方位θ_ｓの変化を監視しており、式（１）に従って求めた方位θ_ｓの標準偏差σ_θｓが閾値σ_ｔｈを超えると、その時刻をえい航船２の方位の変化開始時刻ｔ_ｓとして検出する（ステップＳ１０１）。

また、立ち上がり時刻検出部１１２は、コンパス４からのコンパス方位θ_ｃの変化を監視しており、式（１）に従って求めた方位θ_ｃの標準偏差σ_θｃが閾値σ_ｔｈを超えると、その時刻をコンパス４の方位の変化開始時刻ｔ_ｃとして検出する（ステップＳ１０２）。

なお、えい航船２の方位θ_ｓの標準偏差σ_θｓに対する閾値と、コンパス４の方位θ_ｃの標準偏差σ_θｃに対する閾値は、異なる値でも良い。

疑似コンパス出力生成部１１では、遅延時間算出部１１３が、変化開始時刻ｔ_ｓ及びｔ_ｃの差分を取り、えい航船２の方位に対するコンパス４の方位の変化の遅延時間τを算出する（ステップＳ１０３）。

次に、遅延時間生成部１１４では、えい航船２の移動速度ｖ及び遅延時間τを用いて、式（２）に従って、コンパス４の移動距離Ｌ_ＭＶを算出する（ステップＳ１０４）。

そして、遅延時間生成部１１４では、ステップＳ１０４で求めたコンパス４の移動距離Ｌ_ＭＶとえい航船２とコンパス４との距離Ｌとの比（Ｌ_ＭＶ／Ｌ）から係数αを算出する（ステップＳ１０５）。

遅延時間生成部１１４は、係数αを算出すると、疑似コンパス算出位置と係数αとを用いて、式（３）の関係式を利用して各疑似コンパス出力算出位置における遅延時間τ_１〜τ_ｋを求める（ステップＳ１０６）。

そして、遅延時間付与部１１５が、コンパス４のコンパス方位θ_ｃの変化開始時間ｔｃに対して、各疑似コンパス出力算出位置の遅延時間τ_１〜τ_ｋを付与して、各疑似コンパス出力位置における疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋを生成する（ステップＳ１０６）。

上記のようにして生成された疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋと、コンパス４からのコンパス方位θ_ｃとは、ラインアレイ形状推定部１２に与えられる。

図８は、ラインアレイ形状推定部１２における処理を示すフローチャートである。

ラインアレイ形状推定部１２のラインアレイ形状算出部１２１では、例えば、位置情報記憶部１４から取り出したえい航船２からコンパス４までの距離と、コンパス４の方位θ_ｃとに基づいて、えい航船２に対するコンパス４の位置を求め、さらにコンパス４と次の疑似コンパス出力位置との間の距離と当該疑似コンパス出力θ_１と基づいて、コンパス４に対する当該疑似コンパス出力の位置を求める。そして、このような処理をｋ個の疑似コンパス出力について繰り返すことにより、えい航型ラインアレイ６の形状を推定する（ステップＳ２０１）。

次に、受波器位置ベクトル１２２は、ラインアレイ形状算出部１２１が求めたラインアレイ形状と、直線状態の受波器５−１〜５−Ｎの位置ベクトルとに基づいて、推定したラインアレイ形状に沿った全ての受波器５−１〜５−Ｎの受波器位置ベクトルを算出する（ステップＳ２０２）。

上記のようにしてラインアレイ形状推定部１２により求められた全ての受波器５−１〜５−Ｎの受波器位置ベクトルＰ_１〜Ｐ_Ｎは、整相処理部１３に与えられる。

最後に、整相処理部１３では、受波器位置ベクトルＰ_１〜Ｐ_Ｎが入力されると、ｍ番目の整相方位θＢＦ_ｍに対してｎ（１≦ｎ≦Ｎ）番目の受波器出力（受波信号）Ｓ_ｎに与える遅延時間τ_ＢＦ（ｍ、ｎ）を算出する。そして、受波器５−ｎからの受波器出力Ｓ_ｎに対して遅延時間τ_ＢＦ（ｍ、ｎ）を付与して時間領域でずらし、整相方位ごとに加算し、受波器出力Ｓ_ｎの位相を整相した整相出力を出力する。

なお、整相処理部１３において、遅延時間を周波数領域における位相差へ変換し、周波数領域整相処理を行っても良い。

図９、図１０を用いて、第１の実施形態のシミュレーションを説明する。図９は、第１の実施形態のシミュレーションで設定したえい航型ラインアレイ６の模式図である。

図９に示すように、第１の実施形態では、えい航型ラインアレイ６の先頭に１台のコンパス４を設置している。また、コンパス４の後方に音響中心（目標）があるとする。

図１０は、えい航船２がえい航ラインアレイ６をえい航し、９０度変針した場合の、ある時刻の整相結果を示す図である。なお、北を０度とし、時計回りを正とする。図１０において、横軸は整相方位（ｄｅｇ）を表し、縦軸は整相出力のビームレベル（ｄＢ）を表す。また、１２０度に目的が存在するものとする。

図１０（ａ）は、えい航型ラインアレイのアレイ部が直線であるとしたときの整相の結果である。えい航型ラインアレイのアレイ部が直線であるという仮定は、一般的なえい航型ラインアレイでよく適用される。この図から、一般的なえい航型ラインアレイに対する整相処理では、整相の結果に明確なピークが現れず、目標を検出できないことがわかる。

一方、図１０（ｂ）は、第１の実施形態のえい航型ラインアレイ６により複数の疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋを生成し、その値から受波器位置ベクトルを算出し、整相処理を実施した結果である。この結果では、整相方位１２０度に明確なピークが現れていることが確認できる。

以上から、アレイの前方にコンパス４が設置された場合、各受波器出力が、アレイ前方のコンパス出力の時間遅延によって表される仮定が成り立つ場合、第１の実施形態で提案する方法が有効であることが確認できた。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
以上のように、第１の実施形態によれば、えい航型ラインアレイ６が１台のコンパス４を備えるものであり、このコンパス４からのコンパス方位を利用して複数の疑似コンパス出力を生成し、コンパス出力及び複数の疑似コンパス出力を用いてラインアレイ形状を推定し、推定したラインアレイ形状に沿った受波器５−１〜５−Ｎの位置を対応付けることで、各受波器出力に対して指向性を補償した整相処理を行うことができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明の整相システム、整相装置及び整相プログラムの第２の実施形態を図面を参照しながら説明する。

（Ｂ−１）第２の実施形態の構成
第１の実施形態では、コンパスがえい航型ラインアレイの先頭側に設置されている場合を説明した。これに対して、第２の実施形態では、コンパスがえい航型ラインアレイの最後尾に設置されている場合の任意の位置における疑似コンパス出力の生成方法について示す。なお、疑似コンパス出力を用いた整相処理の方法については、第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、えい航型ラインアレイの後尾にコンパスが設けられていることと、整相装置の疑似コンパス出力生成部の処理である。

それ以外の構成要素は、第１の実施形態と同様であるので、以下では、第２の実施形態に特有の構成を中心に説明する。

図１１は、第２の実施形態の整相装置の疑似コンパス出力生成部の構成を示す構成図である。図１１において、第２の実施形態の疑似コンパス出力生成部は、疑似コンパス出力生成部２１、誤差算出部２２、疑似コンパス出力生成パラメータ修正部２３を少なくとも有する。

疑似コンパス出力生成部２１は、えい航船２の方位θｓと、疑似コンパス出力算出位置ＣＰ_１〜ＣＰ_ｋと、コンパス４からの位置情報とを入力し、疑似コンパス出力θ１〜θｋを生成して、図示しないラインアレイ形状推定部に与えるものである。

また、疑似コンパス出力生成部２１は、実際のコンパス４の位置における疑似コンパス出力を誤差算出部２２に与え、疑似コンパス出力生成パラメータ修正部２３により修正された疑似コンパス出力の生成パラメータを受け取り、この修正された生成パラメータを用いて、疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋを生成する。

誤差算出部２２は、疑似コンパス出力生成部２１から実際のコンパス４の位置における疑似コンパス出力と、コンパス４からのコンパス出力とを受け取り、実際のコンパス４位置の疑似コンパス出力とコンパス出力との差分を算出し、これを誤差として疑似コンパス出力生成パラメータ修正部２３に与えるものである。

疑似コンパス出力生成パラメータ修正部２３は、誤差算出部２２により求められた誤差を受け取り、疑似コンパス出力の生成パラメータを修正するものである。また、疑似コンパス出力生成パラメータ修正部２３は、修正した生成パラメータを疑似コンパス出力生成部２１に与える。

（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
次に、第２の実施形態の動作を図面を参照しながら説明する。

まず、疑似コンパス出力生成部２１には、えい航船２の方位θ_ｓと、ｋ個の疑似コンパス出力算出位置ＣＰ_１〜ＣＰ_ｋと、コンパス４が設置されている実際の位置とが入力される。

疑似コンパス出力生成部２１は、上記の入力に基づいて、疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋを生成すると共に、コンパス４の実際の位置に対する疑似コンパス出力も生成する。

ここで、疑似コンパス出力の生成においては、まず、えい航船２の方位θ_ｓを用いて複数の疑似コンパス出力のモデル出力を求める。

一般に、コンパス４からのコンパス出力θ_ｃは、えい航船２の方位θ_ｓよりも緩やかに変化するため、疑似コンパス出力生成部２１は、えい航船の方位θ_ｓに対して積分処理を適用してモデル出力を求める。

疑似コンパス出力のモデル出力を求める方法は、種々の方法を適用することができるが、第２の実施形態では、例えば、式（４）に示すような指数加重移動平均処理を用いて、えい航船２の方位θ_ｓからモデル出力θ_{ｍｏｄｅｌ}を求める。

ここで、θ_{ｍｏｄｅｌ}（ｋ）は時刻ｋにおけるモデル出力、θ_{ｍｏｄｅｌ}（ｋ−１）は時刻（ｋ−１）におけるモデル出力、θ_ｓ（ｋ）は時刻ｋにおけるえい航船の方位θ_ｓ、そしてＮは積分に使用するデータ数を示す。

なお、えい航船２の方位θ_ｓとモデル出力間のインパルス応答が既知であれば、えい航船の方位θ_ｓにインパルス応答を畳み込めば、モデル出力を求めることができる。

モデル出力が求まると、疑似コンパス出力生成部２１は、モデル出力に遅延時間を与えて、疑似コンパス出力算出位置ＣＰ_１〜ＣＰ_ｋにおける疑似コンパス出力θ_１〜θ_ｋを求める。

ここで、モデル出力に付与する遅延時間の求め方は、第１の実施形態で説明した式（３）の関係式を用いて求めることができる。ただし、式（３）における係数αの代わりに、係数βを用いる。この係数βは実験的に算出した値を用いる。

上記のようにして、疑似コンパス出力生成部２１は、ｋ個の疑似コンパス出力及びコンパス４の実際の位置における疑似コンパス出力を生成する。

誤差算出部２２には、疑似コンパス出力生成部２１により生成されたコンパス４の実際の位置における疑似コンパス出力と、コンパス４からのコンパス出力θ_ｃとが入力される。

誤差算出部２２では、コンパス４からのコンパス出力θ_ｃと、疑似コンパス出力生成部２１からの疑似コンパス出力との差分を取り、この差分を誤差として疑似コンパス出力生成パラメータ修正部２３に与える。

疑似コンパス出力生成パラメータ修正部２３では、誤差算出部２２が求めた誤差が小さくなるように、モデル出力に与える遅延時間を逐次補正する。例えば、遅延時間を小さくするには、式（３）の係数βが大きくなるように、逆に遅延時間を大きくするには、式（３）の係数βが小さくなるようにする。

図１２、図１３を用いて、第２の実施形態のシミュレーションを説明する。

図１２は、第２の実施形態のシミュレーションで設定したえい航型ラインアレイ８の模式図である。コンパス４は、えい航型ラインアレイ６の後尾に設置されている。また、コンパス４の位置は、音響中心（目標）に対して後方とする。

図１３は、えい航船２がえい航ラインアレイ６をえい航し、９０度変針した場合の、ある時刻の整相結果を示す図である。整相処理における受波器位置ベクトルの算出方法以外の条件は、第１の実施形態と同じである。なお、一般的な整相の結果は、図１０（ａ）と同じである。

図１３に示す第２の実施形態の整相出力の計算では、疑似コンパス出力生成部２１のモデル出力の計算アルゴリズムとして指数積分を使用している。また、疑似コンパス出力生成パラメータ修正部２３では、誤差が最小になるように疑似コンパス出力に対して遅延時間を算出するようにしている。

この結果から、１２０度付近にピークが現れていることが確認できる。ピークの誤差は第１の実施形態の結果と比べ若干大きいが、一般的な整相の結果と比べれば、大幅に能力が向上している。

以上から、艦首方位から生成する疑似コンパス出力が、実際のコンパス出力を再現できていれば、提案する方法が有効であることが確認できた。

（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
以上のように、第２の実施形態によれば、えい航型ラインアレイ６の後尾に１台のコンパス４を備えた場合でも、疑似コンパス出力生成部２１が、複数の疑似コンパス出力を生成することができる。また、第２の実施形態によれば、実際のコンパス出力とコンパスの実際の位置における疑似コンパス出力とに基づく誤差が小さくなるように疑似コンパス出力を補正することができる。

（Ｃ）他の実施形態
（Ｃ−１）第１及び第２の実施形態では、水平方向のえい航型ラインアレイの形状を推定するためのセンサとしてコンパスを設置した場合を説明したが、これだけに限定されるものではなく、鉛直方向の形状を推定するセンサをさらに備えるようにしても良い。

このえい航型ラインアレイの鉛直方向の形状を推定するセンサとしては、例えば、深度センサ若しくは傾斜センサ等を適用することができる。例えば深度センサや傾斜センサ等のセンサを設けた場合も、第１及び第２の実施形態と同様にして、これらセンサ出力に基づいて疑似的な複数のセンサ出力を生成することで、えい航型ラインアレイの鉛直方向の形状を推定することができる。これによって、水平方向だけでなく、鉛直方向の形状も推定することができ、３次元的なえい航型ラインアレイの整相処理に活用できる。

また、従来の方法では、受波器の数だけコンパスも必要であったが、提案する方法ではコンパスが１個だけあれば十分な性能を得ることができ、実際の製造の観点から実用的である。

（Ｃ−２）センサとしてのコンパスをえい航型ラインアレイの中間辺りに設置することで、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせた整相装置としてもよい。

（Ｃ−３）第１及び第２の実施形態で説明した整相装置における処理は、いわゆるソフトウェア処理により実現することができる。例えば、整相装置のハードウェア構成が、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等を備えており、ＣＰＵが、ＲＯＭに格納される処理プログラムを実行することにより第１及び第２の実施形態で説明した処理を実現することができる。

１…信号処理部、２…えい航船、３…えい航ケーブル、４…コンパス、
５−１〜５−Ｎ…受波器、１０…整相装置、
１１…疑似コンパス出力生成部、１２…ラインアレイ形状推定部、１３…整相処理部、
１４…位置情報記憶部、１１１…立ち上がり時刻検出部、
１１２…立ち上がり時刻検出部、１１３…遅延時間算出部、１１４…遅延時間生成部、
１１５…遅延時間付与部、２１…疑似コンパス出力生成部、２２…誤差算出部、
２３…疑似コンパス出力生成パラメータ修正部、
１２１…ラインアレイ形状算出部、１２２…受波器位置ベクトル算出部。

Claims (4)

1. えい航体がえい航するものであり、受波した音波を受波信号に変換する複数の受波器と、水平方向及び又は鉛直方向を測定するセンサを備えるラインアレイと、
   上記複数の受波器から受け取った受波信号の位相を整相する整相装置と
   を備え、
   上記整相装置が、
   上記センサからのセンサ情報及び上記えい航体の方位情報に基づいて、上記ラインアレイ上の複数の疑似的な位置から出力されたとみなす複数の疑似センサ出力情報を生成する疑似出力生成手段と、
   上記疑似出力生成手段からの上記複数の疑似センサ出力情報及び上記複数の疑似的な位置に基づき上記ラインアレイの形状を推定し、この推定したラインアレイ上での上記複数の受波器の位置を求めるラインアレイ形状推定手段と、
   上記複数の受波器から受け取った受波信号のそれぞれに対して、上記ラインアレイ形状推定手段により求められた対応する上記受波器の位置で音波を受波したときの遅延時間を付与し、上記遅延時間を付与した受波信号の位相を整相する整相処理手段と
   を有することを特徴とする整相システム。
2. 上記疑似出力生成手段が、上記センサの位置における上記疑似センサ出力情報も生成するものであり、
   上記疑似出力生成手段からの上記センサの位置における上記疑似センサ出力情報と、上記センサからのセンサ情報との誤差に基づいて上記複数の疑似センサ出力情報の生成パラメータを修正し、この修正した生成パラメータを上記疑似出力生成手段に与える生成パラメータ修正手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の整相システム。
3. えい航体がえい航するものであり、受波した音波を受波信号に変換する複数の受波器と、水平方向及び又は鉛直方向を測定するセンサを備えるラインアレイと接続し、上記複数の受波器から受け取った受波信号の位相を整相する整相装置において、
   上記センサからのセンサ情報又は上記えい航体の方位情報に基づいて、上記ラインアレイ上の複数の疑似的な位置から出力されたとみなす複数の疑似センサ出力情報を生成する疑似出力生成手段と、
   上記疑似出力生成手段からの上記複数の疑似センサ出力情報及び上記複数の疑似的な位置に基づき上記ラインアレイの形状を推定し、この推定したラインアレイ上での上記複数の受波器の位置を求めるラインアレイ形状推定手段と、
   上記複数の受波器から受け取った受波信号のそれぞれに対して、上記ラインアレイ形状推定手段により求められた対応する上記受波器の位置で音波を受波したときの遅延時間を付与し、上記遅延時間を付与した受波信号の位相を整相する整相処理手段と
   を備えることを特徴とする整相装置。
4. えい航体がえい航するものであり、受波した音波を受波信号に変換する複数の受波器と、水平方向及び又は鉛直方向を測定するセンサを備えるラインアレイと接続し、上記複数の受波器から受け取った受波信号の位相を整相する整相装置を、
   上記センサからのセンサ情報又は上記えい航体の方位情報に基づいて、上記ラインアレイ上の複数の疑似的な位置から出力されたとみなす複数の疑似センサ出力情報を生成する疑似出力生成手段、
   上記疑似出力生成手段からの上記複数の疑似センサ出力情報及び上記複数の疑似的な位置に基づき上記ラインアレイの形状を推定し、この推定したラインアレイ上での上記複数の受波器の位置を求めるラインアレイ形状推定手段、
   上記複数の受波器から受け取った受波信号のそれぞれに対して、上記ラインアレイ形状推定手段により求められた対応する上記受波器の位置で音波を受波したときの遅延時間を付与し、上記遅延時間を付与した受波信号の位相を整相する整相処理手段
   として機能させることを特徴とする整相プログラム。

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