JP2017227452A - Device and method for calculating propagation loss - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device and a method for calculating a propagation loss, which are capable of reducing a calculation amount by representing a parameter for determining the propagation loss fluctuating in time by the time fluctuation of a plurality of variables based on a standard normal distribution.SOLUTION: The calculation method for calculating a propagation loss for predicting sonar performance by using a parameter that fluctuates in time and determines the propagation loss performs main component analysis representing the time fluctuation amount of the parameter by a plurality of main components not fluctuating in time and a plurality of independent coefficients x fluctuating in time for the parameter fluctuating time, calculates a polynomial coefficient a for representing the coefficients x by the polynomial of a plurality of variables ξ based on a standard normal distribution, calculates the coefficient x of a main component on the basis of the polynomial coefficient a and the variables ξ, calculates a parameter on the basis of the coefficient of the main component and the main component, calculates a sample propagation loss by using a propagation model on the basis of the parameter, calculates the coefficient h of polynomial chaos development, and calculates the propagation loss as a function of the variables ξ.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、伝搬損失が時間的に変動する場合の伝搬損失の算出装置および算出方法に関する。   The present invention relates to a propagation loss calculation apparatus and calculation method when propagation loss fluctuates with time.

ソーナーは、目標から放射された音波、またはソーナーから発信し目標で反響した音波が海洋中を伝搬してきたものを受信することにより、目標の存在を検出するものである。このようなソーナーの性能を予測するためには、音波伝搬の模擬による伝搬損失の算出が欠かせない。   The sonar detects the presence of the target by receiving a sound wave radiated from the target or a sound wave transmitted from the sonar and transmitted by the target and propagated through the ocean. In order to predict the performance of such a sonar, it is indispensable to calculate propagation loss by simulating sound wave propagation.

海洋における音波伝搬は、音速分布c(r,z)の影響を受けるため、音波は屈折しながら伝搬する。ここで、音速分布c(r,z)において、「r」は、ソーナーからの距離を示す。また、「z」は、海面からの深度を示す。したがって、音速分布が時間的に変動する場合には、その変動に応じた伝搬損失の変動を算出することにより、ソーナー性能の変動も予測する必要がある。   Since the sound wave propagation in the ocean is affected by the sound velocity distribution c (r, z), the sound wave propagates while being refracted. Here, in the sound velocity distribution c (r, z), “r” indicates a distance from the sonar. “Z” indicates a depth from the sea surface. Therefore, when the sound speed distribution fluctuates with time, it is necessary to predict the fluctuation of the sonar performance by calculating the fluctuation of the propagation loss according to the fluctuation.

ソーナー性能をその変動とともに予測する方法としては、例えば、モンテカルロ法を用いた方法がある。これは、時間tに対して変動する音速分布c(r,z,t)のサンプルを多数発生させ、それぞれのサンプルに対してソーナー性能を予測する方法である。しかしながら、この方法は、それぞれのサンプルに対する予測において、音波伝搬モデルによる伝搬損失を算出する必要があるため、計算量が増大してしまうという問題がある。   As a method for predicting the sonar performance along with the variation, for example, there is a method using a Monte Carlo method. This is a method of generating many samples of the sound velocity distribution c (r, z, t) that fluctuate with respect to time t and predicting the sonar performance for each sample. However, this method has a problem that the calculation amount increases because it is necessary to calculate the propagation loss by the sound wave propagation model in the prediction for each sample.

そこで、近年では、伝搬損失を多項式近似することにより、モンテカルロ法を用いた場合の伝搬損失の算出の計算量を軽減する方法が提案されている。例えば、非特許文献1には、「多項式カオス展開法」と称する方法を用いて計算量を軽減する方法が記載されている。   Therefore, in recent years, a method has been proposed that reduces the amount of calculation for calculating the propagation loss when the Monte Carlo method is used by approximating the propagation loss by polynomial approximation. For example, Non-Patent Document 1 describes a method of reducing the amount of calculation using a method called “polynomial chaos expansion method”.

ここで、多項式カオス展開法について概略的に説明する。
まず、ある変数ξ,ξ,・・・,ξに対する関数h(ξ,ξ,・・・,ξ)を考える。N個の変数ξ,ξ,・・・,ξが独立に標準正規分布に従う場合、関数h(ξ,ξ,・・・,ξ)は、式(1)に示すエルミート多項式H(ξ,ξ,・・・,ξ)の線形結合で近似することができる。なお、式(1)における「m」は多項式の次数を示し、「h」は線形結合の係数を示す。
Here, the polynomial chaos expansion method will be schematically described.
First of all, there is variable ξ 1, ξ 2, ···, function h for ξ N (ξ 1, ξ 2 , ···, ξ N) think of. When N variables ξ 1 , ξ 2 ,..., Ξ N independently follow a standard normal distribution, the function h (ξ 1 , ξ 2 ,..., Ξ N ) is Hermitian shown in Equation (1). It can be approximated by a linear combination of polynomials H m1 , ξ 2 ,..., Ξ N ). In Equation (1), “m” indicates the degree of the polynomial, and “h m ” indicates the coefficient of linear combination.

Figure 2017227452
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また、エルミート多項式Hは、一般に、変数ξ,ξ,・・・,ξに対する2つの関数fおよびgについて、式(2)に示すように内積を定義した場合、式(3)に示す正規直交性を有する。また、式(2)における関数w(ξ,ξ,・・・,ξ)は、重み関数であり、式(4)で表すことができる。 Further, Hermite polynomials H m, in general, the variable xi] 1, xi] 2, · · ·, for two functions f and g for xi] N, when you define the inner product as shown in equation (2), Equation (3) The orthonormality shown in FIG. Further, the function w (ξ 1 , ξ 2 ,..., Ξ N ) in the equation (2) is a weight function and can be expressed by the equation (4).

Figure 2017227452
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ここで、音速分布の時間変動によるソーナー性能の変動予測に上述した多項式カオス展開を当てはめ、音速分布の時間変動が複数の独立した標準正規分布に従った変数ξ,ξ,・・・,ξで表すことができたとする。
この場合、伝搬損失は、これらの変数ξ,ξ,・・・,ξの関数TL(ξ,ξ,・・・,ξ)と表現することができる。そして、この関数TL(ξ,ξ,・・・,ξ)は、上述した式(1)の近似式を用いて式(5)のように表すことができる。これにより、モンテカルロ法によるソーナー性能の変動の予測の計算量を軽減することができる。
Here, the above-described polynomial chaos expansion is applied to the sonar performance fluctuation prediction due to the temporal variation of the sound velocity distribution, and the variables ξ 1 , ξ 2 ,..., Where the temporal variation of the sound velocity distribution follows a plurality of independent standard normal distributions. and it could be represented by xi] N.
In this case, the propagation losses, these variables ξ 1, ξ 2, ···, ξ N function TL (ξ 1, ξ 2, ···, ξ N) can be expressed as. And this function TL (ξ 1 , ξ 2 ,..., Ξ N ) can be expressed as Equation (5) using the approximate equation of Equation (1) described above. As a result, it is possible to reduce the amount of calculation for predicting the fluctuation of the sonar performance by the Monte Carlo method.

Figure 2017227452
Figure 2017227452

ところで、音速分布の時間変動の主な要因として、例えば「内部波」が挙げられる。内部波は、海面から海底に向かって密度が徐々に大きくなるように成層している状態の海水に対して海面上の風、潮汐などの外力が働くことにより、波が海面に生じるのと同様に、海面下の等密度面に生じる波である。
時間tにおける内部波による等密度面の深度方向の変位をζ(r,z,t)、内部波が生じていない場合の音速分布をc(r,z)としたとき、内部波によって変動する音速分布c(r,z,t)は、式(6)によって表すことができる(例えば、非特許文献2参照)。
By the way, as a main factor of the time variation of the sound velocity distribution, for example, “internal wave” can be cited. Internal waves are the same as waves generated on the sea surface due to external forces such as winds and tides on the sea surface acting on the seawater that is stratified so that the density gradually increases from the sea surface toward the sea floor. In addition, it is a wave that occurs on a uniform surface below the sea level.
When the displacement in the depth direction of the equal density surface due to the internal wave at time t is ζ (r, z, t) and the sound velocity distribution when no internal wave is generated is c 0 (r, z), it fluctuates depending on the internal wave. The sound speed distribution c (r, z, t) to be expressed can be expressed by Expression (6) (see Non-Patent Document 2, for example).

Figure 2017227452
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ここで、上述した式(6)によって得られる音速分布を深度および距離からなる空間で離散化し、各点での音速をcij=c(r,z,t)(i=1,2,・・・,I、j=1,2,・・・,J)とした場合、変動する音速分布に応じて変動する伝搬損失TLは、cijの関数TL(c11,c12,・・・,c1J,c21,c22,・・・,c2J,・・・,cI1,cI2,・・・,cIJ)として考えることができる。したがって、変数cijの変動に応じた伝搬損失を計算することにより、ソーナー性能の変動を予測することができる。 Here, the sound speed distribution obtained by the above-described equation (6) is discretized in a space consisting of depth and distance, and the sound speed at each point is expressed as c ij = c (r i , z j , t) (i = 1,2 , ···, I, j = 1,2 , ···, when a J), propagation loss TL that varies according to the speed of sound distribution change, a function of c ij TL (c 11, c 12, · .., C 1J , c 21 , c 22 ,..., C 2J ,..., C I1 , c I2 ,. Therefore, the fluctuation of the sonar performance can be predicted by calculating the propagation loss according to the fluctuation of the variable c ij .

Steven Finette,"A stochastic representation of environmental uncertainty and its coupling to acoustic wave propagation in ocean waveguide," J.Acoust.Soc.Am.120(5),2006Steven Finette, "A stochastic representation of environmental uncertainty and its coupling to acoustic wave propagation in ocean waveguide," J. Acoust. Soc. Am. 120 (5), 2006 John Colosi and Michael Brown,"Efficient numerical simulation of stochastic internal-wave-induced sound-speed perturbation field," J.Acoust.Soc.Am.103(4),1998John Colosi and Michael Brown, "Efficient numerical simulation of stochastic internal-wave-induced sound-speed perturbation field," J. Acoust. Soc. Am. 103 (4), 1998

しかしながら、上述した変数cijは、独立に標準正規分布に従って時間変動する量ではない。これは、内部波による変位ζ(r,z,t)が波動的な現象であり、この変位による音速の変化Δc(r,z,t)=dc/dz・ζ(r,z,t)が各点(r,z)に対して独立ではないからである。 However, the variable c ij described above is not an amount that varies independently according to the standard normal distribution. This is a phenomenon in which the displacement ζ (r i , z j , t) due to the internal wave is a wave phenomenon, and the change in sound velocity Δc (r i , z j , t) = dc / dz · ζ (r i ) due to this displacement. , Z j , t) is not independent for each point (r i , z j ).

したがって、変数cijの関数である伝搬損失TLは、上述した式(1)を用いることによって得られる式(7)に示すような近似を行うことができない。そのため、この場合には、モンテカルロ法による予測を行う必要が生じてしまう。   Therefore, the propagation loss TL that is a function of the variable cij cannot be approximated as shown in the equation (7) obtained by using the equation (1). Therefore, in this case, it becomes necessary to perform prediction by the Monte Carlo method.

Figure 2017227452
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そこで、まず、音速分布の時間的な変動を複数の独立した変数の変動で表すことについて考える。例えば、上述した非特許文献1では、音速分布の時間的な変動を複数の独立した変数の変動で表す方法として、主成分分析と称する方法を適用することが提案されている。   Therefore, first, let us consider expressing the temporal variation of the sound speed distribution by the variation of a plurality of independent variables. For example, Non-Patent Document 1 described above proposes to apply a method called principal component analysis as a method of representing temporal fluctuations in sound velocity distribution by fluctuations of a plurality of independent variables.

この主成分分析を適用することにより、音速の変化Δc(r,z,t)は、時間変動しない複数の主成分Δc(r,z),Δc(r,z),・・・,Δc(r,z)に分解することができる。そして、音速の変化Δc(r,z,t)は、式(8)に示すように主成分の線形結合で表すことができる。このとき、時間変動するのは、L個の独立な係数x(t),x(t),・・・,x(t)となる。 By applying this principal component analysis, the change in sound velocity Δc (r i , z j , t) is caused by a plurality of principal components Δc 1 (r i , z j ), Δc 2 (r i , z j ) that do not vary with time. ,..., Δc L (r i , z j ). The change in sound speed Δc (r i , z j , t) can be expressed by a linear combination of principal components as shown in equation (8). At this time, L independent coefficients x 1 (t), x 2 (t),..., X L (t) change with time.

Figure 2017227452
Figure 2017227452

ここで、これらの係数x(t),x(t),・・・,x(t)を決定することができれば、音速分布c(r,z,t)は、式(9)に示すように一意に決まるので、伝搬損失TLについても一意に決定することができる。 Here, if these coefficients x 1 (t), x 2 (t),..., X L (t) can be determined, the sound velocity distribution c (r i , z j , t) can be expressed by the formula ( Since it is uniquely determined as shown in 9), the propagation loss TL can also be uniquely determined.

Figure 2017227452
Figure 2017227452

したがって、伝搬損失TLを係数x(l=1,2,・・・,L)の関数であると考えた場合、係数xが標準正規分布に従っているのであれば、伝搬損失TLは、上述した式(1)の形式を適用して得られる式(10)に示すように表現することができる。 Therefore, when the propagation loss TL is considered to be a function of the coefficient x l (l = 1, 2,..., L), if the coefficient x l follows the standard normal distribution, the propagation loss TL is It can be expressed as shown in equation (10) obtained by applying the form of equation (1).

Figure 2017227452
Figure 2017227452

しかしながら、この主成分の係数xについても、標準正規分布に従っているとは限らない。したがって、伝搬損失TLを主成分分析の係数xの関数であると考えた場合であっても、伝搬損失TLを式(10)に示すような式(1)の形式で表現することができないという問題点があった。 However, for the coefficients x l of the main component is also not always follow a standard normal distribution. Therefore, even if the propagation loss TL in a case of considering that the function of the coefficient x l of principal component analysis, it is impossible to express the propagation loss TL in the form of equation (1) as shown in equation (10) There was a problem.

そこで、このような伝搬損失TLを式(1)の形式で表現するために、時間変動する音速分布c(r,z,t)などの伝搬損失を決定付けるパラメータを、標準正規分布に従った独立な複数の変数の時間変動で表現し、計算量を軽減することが可能な伝搬損失の算出装置および算出方法が望まれている。 Therefore, in order to express such a propagation loss TL in the form of the equation (1), parameters that determine the propagation loss such as the temporally varying sound velocity distribution c (r i , z j , t) are changed to a standard normal distribution. Accordingly, there is a demand for a propagation loss calculation apparatus and calculation method that can be expressed by time variations of a plurality of independent variables and can reduce the amount of calculation.

本発明に係る伝搬損失の算出装置は、目標物を検出するソーナーの性能を予測するための伝搬損失を、該伝搬損失を決定付ける時間的に変動するパラメータを用いて算出する算出装置であって、前記パラメータの時間的な変動量を、時間的に変動しない複数の主成分と、時間的に変動する複数の独立した係数xとで表す主成分分析を、前記パラメータの変動量に対して行う主成分分析部と、前記主成分分析部によって得られた前記係数xを標準正規分布に従う複数の変数ξの多項式で表すための多項式係数aを算出する多項式係数算出部と、前記多項式係数算出部によって得られた前記多項式係数a、およびサンプルとして与える前記標準正規分布に従う複数の前記変数ξに基づき、主成分の係数xを算出する多項式近似部と、前記多項式近似部によって得られた前記主成分の係数、および前記主成分分析部によって得られた前記主成分に基づき、前記パラメータを算出する再構成部と、前記再構成部によって得られた前記パラメータに基づき、伝搬モデルを用いてサンプル伝搬損失を算出するサンプル伝搬損失算出部と、前記サンプル伝搬損失算出部によって得られた前記サンプル伝搬損失に基づき、多項式カオス展開の係数hを算出する多項式カオス展開係数算出部と、前記伝搬損失を前記標準正規分布に従って時間的に変動する複数の前記変数ξの関数として算出する伝搬損失算出部とを備えるものである。   A propagation loss calculation apparatus according to the present invention is a calculation apparatus that calculates a propagation loss for predicting the performance of a sonar that detects a target by using a time-varying parameter that determines the propagation loss. The principal component analysis expressing the temporal variation amount of the parameter with a plurality of principal components that do not vary with time and a plurality of independent coefficients x that vary with time is performed on the variation amount of the parameter. A principal component analysis unit, a polynomial coefficient calculation unit for calculating a polynomial coefficient a for representing the coefficient x obtained by the principal component analysis unit by a polynomial of a plurality of variables ξ according to a standard normal distribution, and the polynomial coefficient calculation unit A polynomial approximation unit that calculates a principal component coefficient x based on the polynomial coefficient a obtained by the above and a plurality of variables ξ according to the standard normal distribution given as a sample, and the polynomial approximation Based on the coefficient of the principal component obtained by the unit and the principal component obtained by the principal component analysis unit, the reconstruction unit for calculating the parameter, and the parameter obtained by the reconstruction unit, A sample propagation loss calculation unit that calculates a sample propagation loss using a propagation model, and a polynomial chaos expansion coefficient calculation unit that calculates a coefficient h of a polynomial chaos expansion based on the sample propagation loss obtained by the sample propagation loss calculation unit And a propagation loss calculating unit that calculates the propagation loss as a function of the plurality of variables ξ that temporally vary according to the standard normal distribution.

以上のように、本発明によれば、時間変動する音速分布c(r,z,t)を、標準正規分布に従った独立な複数の変数の時間変動で表現することが可能になるため、伝搬損失TLの計算量を軽減することができる。 As described above, according to the present invention, the sound speed distribution c (r i , z j , t) that varies with time can be expressed by the time variations of a plurality of independent variables according to the standard normal distribution. Therefore, the calculation amount of the propagation loss TL can be reduced.

任意に分布する変数xと標準正規分布に従う変数ξとの関係について説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the relationship between the variable x distributed arbitrarily and the variable (xi) according to standard normal distribution. 本実施の形態1に係る伝搬損失の算出装置の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the calculation apparatus of the propagation loss which concerns on this Embodiment 1. FIG. 図2の多項式係数算出部の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the polynomial coefficient calculation part of FIG.

実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1について説明する。
まず、本実施の形態1について説明する前に、任意に分布する変数xを標準正規分布に従う変数ξで表現するための原理について説明する。
この場合、任意に分布する変数xは、式(11)に示すように、標準正規分布に従う変数ξの多項式で表現することができる。この式(11)において、「a」は、多項式における変数ξの各次数に対する係数(以下、「多項式係数」と適宜称する)を示す。
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 of the present invention will be described below.
First, before explaining the first embodiment, the principle for expressing the arbitrarily distributed variable x with the variable ξ according to the standard normal distribution will be described.
In this case, the arbitrarily distributed variable x can be expressed by a polynomial of the variable ξ according to the standard normal distribution, as shown in Expression (11). In this equation (11), “a k ” indicates a coefficient for each degree of the variable ξ in the polynomial (hereinafter referred to as “polynomial coefficient” as appropriate).

Figure 2017227452
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このとき、変数ξの変化に対する変数xの変化を示す情報を得ることができれば、最小自乗法などの方法を用いて多項式係数aの値を決定することができる。そこで、この例では、変数ξの変化に対する変数xの変化を示す情報を得るための方法として、以下に示す方法を採用する。 At this time, if information indicating the change of the variable x with respect to the change of the variable ξ can be obtained , the value of the polynomial coefficient a k can be determined using a method such as a least square method. Therefore, in this example, the following method is adopted as a method for obtaining information indicating the change of the variable x with respect to the change of the variable ξ.

図1は、任意に分布する変数xと標準正規分布に従う変数ξとの関係について説明するための概略図である。
任意の累積分布関数F(x)に従う乱数を発生させる一般的な方法としては、例えば「逆変換法」と称する方法が挙げられる。これは、図1(a)に示すように、閉区間[0,1]の範囲の値yに対して「F(x)=y」となる変数xを求めるものである。図1(a)に示すように、関数F(x)は、閉区間[0,1]の範囲の値をとる単調増加関数であるので、「F(x)=y」となる変数xは、関数F(x)の逆関数F−1(y)として必ず一意に存在する。
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the relationship between an arbitrarily distributed variable x and a variable ξ according to a standard normal distribution.
As a general method for generating a random number according to an arbitrary cumulative distribution function F (x), for example, a method called “inverse transformation method” can be cited. As shown in FIG. 1A, the variable x is “F (x) = y” for the value y in the range of the closed interval [0, 1]. As shown in FIG. 1A, the function F (x) is a monotonically increasing function that takes a value in the range of the closed interval [0, 1], and therefore the variable x for “F (x) = y” is , It always exists uniquely as the inverse function F −1 (y) of the function F (x).

また、図1(b)に示すように、同一の値yに対して標準正規分布の累積分布関数Fnormal(ξ)から標準正規分布に従う変数ξを、逆変換法により「ξ=Fnormal −1(y)」として決定する。
これにより、任意に分布する変数xと、標準正規分布に従う変数ξとの間には、値yを媒介変数とした式(12)に示す関係が成立する。
Further, as shown in FIG. 1B, a variable ξ that follows the standard normal distribution from the cumulative distribution function F normal (ξ) of the standard normal distribution with respect to the same value y is converted into “ξ = F normal − 1 (y) ".
Thereby, the relationship shown in Formula (12) using the value y as a parameter is established between the variable x that is arbitrarily distributed and the variable ξ that follows the standard normal distribution.

Figure 2017227452
Figure 2017227452

次に、R個の媒介変数y(r=1,2,・・・,R)に対して式(12)の関係を適用することにより、R個の変数の組(x,ξ)が得られた場合について考える。
この場合には、これらR個の変数の組(x,ξ)がそれぞれ式(11)を満足しなければならないことから、多項式係数a(k=0,1,・・・,K)を未知数とした式(13)に示す連立方程式を得ることができる。
Next, a set of R variables (x r , ξ r ) is obtained by applying the relationship of Equation (12) to R parameter variables y r (r = 1, 2,. ) Is considered.
In this case, since the set of these R variables (x r , ξ r ) must satisfy the equation (11), the polynomial coefficient a k (k = 0, 1,..., K ) Can be obtained as simultaneous equations shown in equation (13).

Figure 2017227452
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そして、式(13)に示す連立方程式を、一般化逆行列を用いて解くことにより、多項式係数aを得ることができる。すなわち、多項式係数aは、式(14)に示すようにして得ることができる。なお、式(14)中の「X」における記号「T」は、行列Xの転置行列であることを示す記号であり、行列Xは、式(15)のように表される。 A polynomial coefficient a k can be obtained by solving the simultaneous equations shown in Expression (13) using a generalized inverse matrix. That is, the polynomial coefficient a k can be obtained as shown in the equation (14). Note that the symbol “ T ” in “X T ” in Equation (14) is a symbol indicating that it is a transposed matrix of the matrix X, and the matrix X is expressed as Equation (15).

Figure 2017227452
Figure 2017227452
Figure 2017227452
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このようにして多項式係数aを算出することにより、任意に分布する変数xを標準正規分布に従う変数ξで表現することができる。 By calculating the polynomial coefficient a k in this way, the arbitrarily distributed variable x can be expressed by a variable ξ according to the standard normal distribution.

[伝搬損失の算出方法]
次に、このような原理に基づき、伝搬損失を算出する方法について説明する。
本実施の形態1では、任意に分布する変数xの累積分布関数を示す第1のテーブルと、標準正規分布に従う変数ξの累積分布関数を示す第2のテーブルとを作成する。そして、作成した第1および第2のテーブルに基づき、変数xおよび変数ξとの関係を示す第3のテーブルを作成し、この第3のテーブルに基づき、式(11)に示す多項式の多項式係数aを算出する。
[Calculation method of propagation loss]
Next, a method for calculating the propagation loss based on such a principle will be described.
In the first embodiment, a first table indicating a cumulative distribution function of an arbitrarily distributed variable x and a second table indicating a cumulative distribution function of a variable ξ according to a standard normal distribution are created. Then, a third table showing the relationship between the variable x and the variable ξ is created based on the created first and second tables, and the polynomial coefficient of the polynomial shown in Expression (11) is created based on the third table. a k is calculated.

(第1のテーブルの作成方法)
第1のテーブルは、任意に分布する変数xの累積分布関数F(x)を示すテーブルである。この第1のテーブルを作成する場合には、まず、任意に分布する変数xのサンプル値x(p)(p=1,2,・・・,P)からサンプル値の最小値Xminおよび最大値Xmaxを決定する。ここで、「P」は、変数xのサンプル値の総数を示し、サンプル値「x(p)」は、p番目の変数xであることを示す。
また、サンプル値の最小値Xminと最大値Xmaxとの間をQ等分する分割値「Xmin=X<X<・・・<Xq−1<X<・・・<X=Xmax(q=1,2,・・・,Q)」を作成する。
(How to create the first table)
The first table is a table showing a cumulative distribution function F (x) of an arbitrarily distributed variable x. When creating this first table, first, the minimum value X min and the maximum value of the sample value x (p) (p = 1, 2,..., P) of the arbitrarily distributed variable x. The value X max is determined. Here, “P” indicates the total number of sample values of the variable x, and the sample value “x (p) ” indicates the p-th variable x.
Further, a divided value “X min = X 0 <X 1 <... <X q−1 <X q <... <S” that divides the sample value between the minimum value X min and the maximum value X max by Q. X Q = X max (q = 1, 2,..., Q) ”is created.

次に、2つの値Xq−1およびXによって形成される区間[Xq−1,X)に含まれるサンプル値x(p)の個数を数える。ただし、「q=Q」である場合には、区間[Xq−1,X]に含まれるサンプル値x(p)の個数を数える。
なお、区間を示す記号「[」および記号「]」は、端点をその区間の点として含むことを示す。また、記号「(」および記号「)」は、端点をその区間の点として含まないことを示す。すなわち、上述した区間[Xq−1,X)は、値Xq−1を端点として含み、値Xを端点として含まない区間を示す。
そして、当該区間内のサンプル値の数をサンプル値の総数Pで除算した値を、当該区間の中点「α=(Xq−1+X)/2」に対する確率密度pとして算出する。
Next, the number of sample values x (p) included in the interval [X q−1 , X q ) formed by the two values X q−1 and X q is counted. However, when “q = Q”, the number of sample values x (p) included in the section [X q−1 , X q ] is counted.
A symbol “[” and a symbol “]” indicating a section indicate that an end point is included as a point of the section. The symbols “(” and “)” indicate that the end points are not included as the points of the section. That is, the section [X q−1 , X q ) described above indicates a section that includes the value X q−1 as an end point and does not include the value X q as an end point.
Then, a value obtained by dividing the number of sample values in the interval by the total number P of sample values is calculated as a probability density p q for the midpoint “α q = (X q−1 + X q ) / 2” of the interval. .

最後に、式(16)に基づき、すべてのq(q=1,2,・・・,Q)のそれぞれに対して累積分布関数F(α)を算出する。これにより、(α,F(α))(q=1,2,・・・,Q)を第1のテーブルとして得ることができる。 Finally, based on Expression (16), the cumulative distribution function F (α q ) is calculated for each of all q (q = 1, 2,..., Q). As a result, (α q , F (α q )) (q = 1, 2,..., Q) can be obtained as the first table.

Figure 2017227452
Figure 2017227452

(第2のテーブルの作成方法)
第2のテーブルは、標準正規分布に従う変数ξの累積分布関数Fnomal(ξ)を示すテーブルである。この第2のテーブルを作成する場合には、S個の値β(s=1,2,・・・,S)に対する累積分布関数Fnomal(β)を、式(17)に基づき算出する。これにより、(β,Fnormal(β))(s=1,2,・・・,S)を第2のテーブルとして得ることができる。なお、式(17)における関数erf(x)は、式(18)によって定義される誤差関数を示す。
(How to create the second table)
The second table is a table showing the cumulative distribution function F normal (ξ) of the variable ξ according to the standard normal distribution. When creating this second table, the cumulative distribution function F nominals ) for S values β s (s = 1, 2,..., S) is calculated based on the equation (17). To do. Thereby, (β s , F normals )) (s = 1, 2,..., S) can be obtained as the second table. Note that the function erf (x) in Expression (17) indicates an error function defined by Expression (18).

Figure 2017227452
Figure 2017227452
Figure 2017227452
Figure 2017227452

(第3のテーブルの作成方法)
第3のテーブルは、任意に分布する変数xと標準正規分布に従う変数ξとの関係を示すテーブルである。この第3のテーブルを作成する場合には、まず、区間[0,1]の範囲の値を取り得るR個の値y,y,・・・,yを作成する。ここで、「R」は、式(11)に示す多項式の最高次数Kに対して「R≧K+1」となるような値に設定する。
(How to create the third table)
The third table is a table showing a relationship between an arbitrarily distributed variable x and a variable ξ according to a standard normal distribution. When creating the third table, first, R values y 1 , y 2 ,..., Y R that can take values in the range [0, 1] are created. Here, “R” is set to a value such that “R ≧ K + 1” with respect to the highest degree K of the polynomial shown in Equation (11).

次に、すべてのr(r=1,2,・・・,R)のそれぞれについて、作成した第1のテーブルに対する一般的なテーブル検索を行い、「F(αq´−1)≦y≦F(αq´)」となるq´を探索する。そして、式(19)に基づき、値yに対応する値xを決定する。なお、式(19)における(α,F(α))(q=1,2,・・・,Q)は、変数xの累積分布関数F(x)を示す第1のテーブルである。 Next, for each of all r (r = 1, 2,..., R), a general table search is performed on the created first table, and “F (α q′−1 ) ≦ y r Search for q ′ satisfying ≦ F (α q ′ ) ”. Then, based on equation (19), to determine the value x r corresponding to the value y r. In the equation (19), (α q , F (α q )) (q = 1, 2,..., Q) is a first table showing the cumulative distribution function F (x) of the variable x. .

Figure 2017227452
Figure 2017227452

また、同様にして、すべてのr(r=1,2,・・・,R)のそれぞれについて、作成した第2のテーブルに対する一般的なテーブル検索を行い、「F(βs´−1)≦y≦F(βs´)」となるs´を探索する。そして、式(20)に基づき、値yに対応する値ξを決定する。なお、式(20)における(β,Fnormal(β))(s=1,2,・・・,S)は、変数ξの累積分布関数Fnormal(ξ)を示す第2のテーブルである。 Similarly, a general table search is performed on the created second table for each of all r (r = 1, 2,..., R), and “F (β s′−1 )” is obtained. S ′ satisfying ≦ y r ≦ F (β s ′ ) ”is searched. Then, based on equation (20), determines the value xi] r corresponding to the value y r. Note that (β s , F normals )) (s = 1, 2,..., S) in Expression (20) is a second table indicating the cumulative distribution function F normal (ξ) of the variable ξ. It is.

Figure 2017227452
Figure 2017227452

最後に、任意に分布する変数xと標準正規分布に従う変数ξとの関係を示す第3のテーブルとして、(x,ξ)(r=1,2,・・・,R)を得る。 Finally, (x r , ξ r ) (r = 1, 2,..., R) is obtained as a third table showing the relationship between the arbitrarily distributed variable x and the variable ξ according to the standard normal distribution.

(多項式係数の算出方法)
次に、式(11)に示す多項式における多項式係数aの算出方法について説明する。
まず、上述したようにして作成した第3のテーブル(x,ξ)(r=1,2,・・・,R)における値ξを参照し、式(21)に基づいて行列Xを作成する。
(Calculation method of polynomial coefficient)
Next, a method for calculating the polynomial coefficient ak in the polynomial shown in Expression (11) will be described.
First, with reference to the value ξ r in the third table (x r , ξ r ) (r = 1, 2,..., R) created as described above, the matrix X is calculated based on the equation (21). Create

Figure 2017227452
Figure 2017227452

そして、第3のテーブル(x,ξ)(r=1,2,・・・,R)における値xを参照し、式(22)に基づいて多項式係数a(k=0,1,・・・,K)を算出する。 Then, referring to the value x r in the third table (x r , ξ r ) (r = 1, 2,..., R), the polynomial coefficient a k (k = 0, k 1, ..., K) is calculated.

Figure 2017227452
Figure 2017227452

(伝搬損失の算出方法)
次に、伝搬損失TLの算出方法について説明する。
上述した算出方法に基づき、主成分分析の係数x(l=1,2,・・・,L)のそれぞれに対して多項式係数al,k(K=0,1,・・・,K)を算出することにより、係数xは、標準正規分布に従う変数ξを用いて、式(23)のように表すことができる。
(Propagation loss calculation method)
Next, a method for calculating the propagation loss TL will be described.
Based on the calculation method described above, the polynomial coefficients a l, k (K = 0,1,..., K) for the respective principal component analysis coefficients x l (l = 1, 2,..., L). ) by calculating the coefficient x l, using the variables xi] l of a standard normal distribution, it can be expressed by equation (23).

Figure 2017227452
Figure 2017227452

これにより、音速分布c(r,z,t)は、式(24)のように表すことができる。すなわち、時間に対する音速変動は、複数の独立した標準正規分布に従う変数ξ(t)(l=1,2,・・・,L)の変動で表すことができる。 Thereby, the sound velocity distribution c (r i , z j , t) can be expressed as shown in Expression (24). That is, the sound speed variation with respect to time can be represented by a variation of a variable ξ l (t) (l = 1, 2,..., L) according to a plurality of independent standard normal distributions.

Figure 2017227452
Figure 2017227452

したがって、音速分布c(r,z)の関数である伝搬損失は、変数ξの関数TL(ξ,ξ,・・・,ξ)として考えることができる。すなわち、伝搬損失TLは、上述した式(1)の形式を用いて、式(25)に基づき算出される。 Thus, the propagation loss is a function of the sound-velocity distribution c (r i, z j) is a function TL variables xi] l can be considered (ξ 1, ξ 2, ··· , ξ L) as. That is, the propagation loss TL is calculated based on the equation (25) using the above-described equation (1).

Figure 2017227452
Figure 2017227452

ここで、多項式カオス展開の係数hは、以下に示す方法によって得ることができる。
まず、標準正規分布に従う乱数ξ (u)(l=1,2,・・・,L、u=1,2,・・・,U)を発生させ、式(24)に基づいて音速分布c(u)(r,z)を決定する。そして、この音速分布に基づき、音波伝搬モデルによって伝搬損失TL(ξ (u),ξ (u),・・・,ξ (u))を算出する。これにより、式(25)の関係から式(26)に示す連立方程式を得ることができる。
Here, the coefficient h m of the polynomial chaos expansion can be obtained by the following method.
First, random numbers ξ l (u) (l = 1, 2,..., L, u = 1, 2,..., U) according to the standard normal distribution are generated, and the sound speed distribution is based on the equation (24). determining c (u) (r i, z j). Then, based on the sound velocity distribution, propagation loss TL (ξ 1 (u) , ξ 2 (u) ,..., Ξ L (u) ) is calculated by a sound wave propagation model. Thereby, simultaneous equations shown in the equation (26) can be obtained from the relationship of the equation (25).

Figure 2017227452
Figure 2017227452

次に、このようにして得られた連立方程式を、一般化逆行列を用いて解くことにより、係数hを得ることができる。これにより、任意に発生させた標準正規分布に従う乱数である変数ξに対する伝搬損失TLを、式(25)を用いて算出することができる。 Then, by solving the simultaneous equations obtained in this way, by using a generalized inverse matrix, it is possible to obtain the coefficients h m. Thereby, the propagation loss TL with respect to the variable ξ 1 which is a random number according to the standard normal distribution generated arbitrarily can be calculated using the equation (25).

このように、本実施の形態1では、標準正規分布に従う変数ξを用いて伝搬損失を近似して、算出することができる。   As described above, in the first embodiment, the propagation loss can be approximated and calculated using the variable ξ according to the standard normal distribution.

[伝搬損失算出装置の構成]
次に、本実施の形態1に係る伝搬損失の算出装置の構成について説明する。
図2は、本実施の形態1に係る伝搬損失の算出装置の構成の一例を示すブロック図である。
図2に示すように、算出装置1は、主成分分析部2、多項式係数算出部3、多項式近似部4、音速再構成部5、サンプル伝搬損失算出部6、多項式カオス展開係数算出部7および伝搬損失算出部8で構成されている。
[Configuration of propagation loss calculation device]
Next, the configuration of the propagation loss calculation apparatus according to the first embodiment will be described.
FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of the propagation loss calculation apparatus according to the first embodiment.
As shown in FIG. 2, the calculation device 1 includes a principal component analysis unit 2, a polynomial coefficient calculation unit 3, a polynomial approximation unit 4, a sound speed reconstruction unit 5, a sample propagation loss calculation unit 6, a polynomial chaos expansion coefficient calculation unit 7, and The propagation loss calculation unit 8 is configured.

主成分分析部2は、伝搬損失を決定付けるパラメータとしての音速分布c(r,z,t)が入力される。主成分分析部2は、入力された音速分布c(r,z,t)に対して主成分分析を行い、この音速分布c(r,z,t)を、上述した式(9)に示すように、時間的に変動しない複数の主成分と、時間的に変動する複数の独立した係数x (p)とで表現する。 The principal component analysis unit 2 receives a sound velocity distribution c (r i , z j , t p ) as a parameter that determines the propagation loss. Principal component analysis unit 2 performs principal component analysis input sound-velocity distribution c (r i, z j, t p) with respect to this sound-velocity distribution c (r i, z j, t p) and the above-described As shown in Expression (9), it is expressed by a plurality of principal components that do not vary with time and a plurality of independent coefficients x l (p) that vary with time.

多項式係数算出部3は、主成分分析部2から出力された係数x (p)が入力され、上述した式(16)〜式(22)を用いて式(23)に示す多項式における多項式係数al,kを算出する。なお、多項式係数算出部3の詳細な構成については、後述する。 The polynomial coefficient calculation unit 3 receives the coefficient x l (p) output from the principal component analysis unit 2, and uses the above-described equations (16) to (22) to represent the polynomial coefficients in the polynomial shown in the equation (23). a l, k is calculated. The detailed configuration of the polynomial coefficient calculation unit 3 will be described later.

多項式近似部4は、多項式係数算出部3で算出された多項式係数al,kに基づき、係数x (u)を、上述した式(23)に示すように、標準正規分布に従って変動する複数の変数ξ (u)と複数の多項式係数al,kとに基づく多項式で近似する。
音速再構成部5は、多項式近似部4から出力された係数x (u)と、主成分分析部2から出力された主成分Δc(r,z)とに基づき、式(24)に示すように、音速分布c(u)(r,z)を算出する。
Based on the polynomial coefficients a l, k calculated by the polynomial coefficient calculation unit 3, the polynomial approximation unit 4 changes the coefficient x l (u) according to the standard normal distribution as shown in the above equation (23). Is approximated by a polynomial based on a variable ξ l (u) and a plurality of polynomial coefficients a l, k .
The sound speed reconstruction unit 5 is based on the coefficient x l (u) output from the polynomial approximation unit 4 and the principal component Δc l (r i , z j ) output from the principal component analysis unit 2, ), The sound velocity distribution c (u) (r i , z j ) is calculated.

サンプル伝搬損失算出部6は、音速再構成部5から出力された音速分布c(u)(r,z)に基づき、音波伝搬モデルを用いてサンプル伝搬損失TL(ξ (u)、ξ (u)、・・・、ξ (u))を算出する。
多項式カオス展開係数算出部7は、サンプル伝搬損失算出部6から出力されたサンプル伝搬損失TL(ξ (u)、ξ (u)、・・・、ξ (u))に基づき、式(26)を用いて多項式カオス展開の係数hを算出する。
伝搬損失算出部8は、標準正規分布に従う任意の乱数ξに基づき、式(25)を用いて伝搬損失TL(ξ、ξ、・・・、ξ)を算出する。
The sample propagation loss calculation unit 6 uses the sound propagation model based on the sound velocity distribution c (u) (r i , z j ) output from the sound velocity reconstructing unit 5 to generate the sample propagation loss TL (ξ 1 (u) , ξ 2 (u) ,... ξ L (u) ) are calculated.
The polynomial chaos expansion coefficient calculating unit 7 is based on the sample propagation loss TL (ξ 1 (u) , ξ 2 (u) ,..., Ξ L (u) ) output from the sample propagation loss calculating unit 6. calculating the coefficients h m of the polynomial chaos expansion using (26).
The propagation loss calculation unit 8 calculates the propagation loss TL (ξ 1 , ξ 2 ,..., Ξ L ) using Equation (25) based on an arbitrary random number ξ l according to the standard normal distribution.

(多項式係数算出部の構成)
図3は、図2の多項式係数算出部3の構成の一例を示すブロック図である。
図3に示すように、多項式係数算出部3は、累積分布関数推定装置10、累積分布関数算出装置20、関係テーブル作成装置30および多項式係数算出装置40で構成されている。
(Configuration of polynomial coefficient calculation unit)
FIG. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of the polynomial coefficient calculation unit 3 in FIG.
As shown in FIG. 3, the polynomial coefficient calculation unit 3 includes a cumulative distribution function estimation device 10, a cumulative distribution function calculation device 20, a relationship table creation device 30, and a polynomial coefficient calculation device 40.

累積分布関数推定装置10は、任意に分布する変数xのサンプル値x(p)が入力される。累積分布関数推定装置10は、入力されたサンプル値x(p)に基づき、上述した式(16)を用いて変数xの累積分布関数F(x)を示す第1のテーブル(α,F(α))を作成して出力する。 The cumulative distribution function estimation device 10 receives a sample value x (p) of a variable x that is arbitrarily distributed. The cumulative distribution function estimation device 10 uses a first table (α q , F) indicating the cumulative distribution function F (x) of the variable x using the above-described equation (16) based on the input sample value x (p).q )) is generated and output.

累積分布関数算出装置20は、上述した式(17)および式(18)を用いて、標準正規分布に従う変数ξの累積分布関数Fnomal(ξ)を示す第2のテーブル(β,Fnormal(β))を作成して出力する。 The cumulative distribution function calculation device 20 uses the above-described Expression (17) and Expression (18), and uses the second table (β s , F normal ) that indicates the cumulative distribution function F normal (ξ) of the variable ξ according to the standard normal distribution. (Β s )) is generated and output.

関係テーブル作成装置30は、累積分布関数推定装置10から出力された第1のテーブル(α,F(α))と、累積分布関数算出装置20から出力された第2のテーブル(β,Fnormal(β))とが入力される。関係テーブル作成装置30は、入力されたこれらのテーブルに基づき、上述した式(19)および式(20)を用いて任意に分布する変数xと標準正規分布に従う変数ξとの関係を示す第3のテーブル(x,ξ)を作成して出力する。 The relationship table creation device 30 includes a first table (α q , F (α q )) output from the cumulative distribution function estimation device 10 and a second table (β s ) output from the cumulative distribution function calculation device 20. , F normals )). Based on these input tables, the relationship table creation device 30 uses the above-described equations (19) and (20) to indicate the relationship between the variable x arbitrarily distributed and the variable ξ according to the standard normal distribution. The table (x r , ξ r ) is created and output.

多項式係数算出装置40は、関係テーブル作成装置30から出力された第3のテーブル(x,ξ)が入力される。多項式係数算出装置40は、入力された第3のテーブル(x,ξ)に基づき、上述した式(21)および式(22)を用いて式(11)に示す多項式における多項式係数aを算出して出力する。 The polynomial coefficient calculation device 40 receives the third table (x r , ξ r ) output from the relationship table creation device 30. The polynomial coefficient calculation device 40 uses the above-described Expression (21) and Expression (22) based on the input third table (x r , ξ r ), and the polynomial coefficient a k in the polynomial shown in Expression (11). Is calculated and output.

以上のように、本実施の形態1に係る伝搬損失の算出装置1は、目標物を検出するソーナーの性能を予測するための伝搬損失を、伝搬損失を決定付ける時間的に変動する音速分布を用いて算出するものであり、音速分布の時間的な変動量を、時間的に変動しない複数の主成分と、時間的に変動する複数の独立した係数xとで表す主成分分析を、音速分布の変動量に対して行う主成分分析部2と、主成分分析部2によって得られた係数xを標準正規分布に従う複数の変数ξの多項式で表すための多項式係数aを算出する多項式係数算出部3と、多項式係数算出部3によって得られた多項式係数a、およびサンプルとして与える標準正規分布に従う複数の変数ξに基づき、主成分の係数xを算出する多項式近似部4と、多項式近似部4によって得られた主成分の係数、および主成分分析部によって得られた主成分に基づき、音速分布を算出する音速再構成部5と、音速再構成部5によって得られた音速分布に基づき、伝搬モデルを用いてサンプル伝搬損失を算出するサンプル伝搬損失算出部6と、サンプル伝搬損失算出部6によって得られたサンプル伝搬損失に基づき、多項式カオス展開の係数hを算出する多項式カオス展開係数算出部7と、伝搬損失を標準正規分布に従って時間的に変動する複数の変数ξの関数として算出する伝搬損失算出部8とを備える。   As described above, the propagation loss calculation apparatus 1 according to the first embodiment uses a propagation loss for predicting the performance of a sonar for detecting a target as a temporally varying sound speed distribution that determines the propagation loss. The sound velocity distribution is calculated by using a principal component analysis that represents a temporal fluctuation amount of the sound velocity distribution by a plurality of principal components that do not vary with time and a plurality of independent coefficients x that vary with time. And a polynomial coefficient calculation unit for calculating a polynomial coefficient a for expressing the coefficient x obtained by the principal component analysis unit 2 by a polynomial of a plurality of variables ξ according to a standard normal distribution. 3 and the polynomial approximation unit 4 for calculating the principal component coefficient x based on the polynomial coefficient a obtained by the polynomial coefficient calculation unit 3 and a plurality of variables ξ according to the standard normal distribution given as a sample. Obtained Based on the principal component coefficients obtained and the principal component obtained by the principal component analysis unit, the sound speed reconstruction unit 5 that calculates the sound speed distribution, and the propagation model based on the sound speed distribution obtained by the sound speed reconstruction unit 5 A sample propagation loss calculation unit 6 that calculates a sample propagation loss using the sample propagation loss, a polynomial chaos expansion coefficient calculation unit 7 that calculates a coefficient h of the polynomial chaos expansion based on the sample propagation loss obtained by the sample propagation loss calculation unit 6; A propagation loss calculating unit 8 that calculates the propagation loss as a function of a plurality of variables ξ that temporally vary according to the standard normal distribution;

このように、本実施の形態1によれば、ソーナー性能を予測するために必要な伝搬損失TLを、標準正規分布に従う変数ξの関数として表現することができる。そのため、伝搬損失TLを算出する際に、多項式カオス展開法を用いることができ、計算量を軽減することができる。   As described above, according to the first embodiment, the propagation loss TL necessary for predicting the sonar performance can be expressed as a function of the variable ξ according to the standard normal distribution. Therefore, when calculating the propagation loss TL, a polynomial chaos expansion method can be used, and the amount of calculation can be reduced.

実施の形態2.
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
上述した実施の形態1では、伝搬損失を決定付けるパラメータとして、水中の音速分布c(r,z)に注目したが、このようなパラメータとしては、音速分布以外にも適用可能である。そこで、本実施の形態2では、伝搬損失を決定付ける音速分布以外のパラメータとして、「深度」に注目した。
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment described above, the underwater sound speed distribution c (r, z) is focused on as a parameter for determining the propagation loss. However, such a parameter can be applied to other than the sound speed distribution. Therefore, in the second embodiment, “depth” is focused as a parameter other than the sound velocity distribution that determines the propagation loss.

例えば、ソーナーでその存在を検出しようとしている目標の深度Zは、伝搬損失を決定づけるパラメータの1つであるが、事前にはその深度が不明であることが多い。
目標深度Zの不確かさが期待値Z、分散σ の正規分布で表される場合、目標深度Zは、標準正規分布に従う変数ξを用いて式(27)のように表すことができる。
For example, the target depth Z for which the presence of the sonar is to be detected is one of the parameters that determine the propagation loss, but the depth is often unknown in advance.
When the uncertainty of the target depth Z is expressed by a normal distribution with an expected value Z 0 and a variance σ z 2 , the target depth Z can be expressed as in Expression (27) using a variable ξ z according to the standard normal distribution. it can.

Figure 2017227452
Figure 2017227452

したがって、伝搬損失TLは、上述した式(1)の形式を用いることにより、式(28)のように表すことができる。   Therefore, the propagation loss TL can be expressed as in Expression (28) by using the form of Expression (1) described above.

Figure 2017227452
Figure 2017227452

一方、目標深度Zの不確かさを正規分布で表すことができない場合、目標深度Zは、上述した式(11)の形式を用いることにより、式(29)のように表すことができる。
そして、この式(29)を満足するような多項式計数az,kを求めることにより、目標深度Zを標準正規分布に従う変数ξで表現できるようになるため、伝搬損失TLを式(28)のように表すことが可能となる。
On the other hand, when the uncertainty of the target depth Z cannot be expressed by a normal distribution, the target depth Z can be expressed as in Expression (29) by using the form of Expression (11) described above.
Then, by obtaining the polynomial count a z, k that satisfies this equation (29), the target depth Z can be expressed by a variable ξ z according to the standard normal distribution, so that the propagation loss TL is expressed by the equation (28). It is possible to express as follows.

Figure 2017227452
Figure 2017227452

なお、伝搬損失を決定付けるパラメータとしては、音速分布または目標深度に限られず、例えば、水深、海底での音波反射係数および周波数などが挙げられるが、これらのパラメータに対しても同様に適用が可能である。
また、不確かなパラメータが複数存在する場合には、これら複数の不確かさが伝搬損失に与える影響を式(1)の形式を用いて表現することができる。例えば、音速分布が式(24)で表され、目標深度が式(29)で表されている場合、伝搬損失は、式(30)に示すように近似することができる。
The parameters that determine the propagation loss are not limited to the sound velocity distribution or the target depth, and include, for example, the water depth, the sound wave reflection coefficient at the seabed, and the frequency. The same applies to these parameters. It is.
Further, when there are a plurality of uncertain parameters, the influence of the plurality of uncertainties on the propagation loss can be expressed using the form of equation (1). For example, when the sound velocity distribution is expressed by Expression (24) and the target depth is expressed by Expression (29), the propagation loss can be approximated as shown in Expression (30).

Figure 2017227452
Figure 2017227452

以上のように、本実施の形態2によれば、目標深度を、伝搬損失を決定付けるパラメータとした場合でも、実施の形態1と同様に、伝搬損失を標準正規分布に従って時間的に変動する変数ξの関数として近似することができる。   As described above, according to the second embodiment, even when the target depth is a parameter that determines the propagation loss, as in the first embodiment, the variable in which the propagation loss varies with time according to the standard normal distribution. It can be approximated as a function of ξ.

以上、実施の形態1および実施の形態2について説明したが、本発明は、上述した実施の形態1および実施の形態2に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。   As mentioned above, although Embodiment 1 and Embodiment 2 were demonstrated, this invention is not limited to Embodiment 1 and Embodiment 2 mentioned above, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it is various. Various modifications and applications are possible.

例えば、実施の形態1では、任意に分布する変数xと標準正規分布に従う変数ξとの関係を示す第3のテーブルを作成する際に、線形補間を用いたが、これに限らず、離散的に設定されたサンプル値を補間できれば、どのような方法を用いてもよい。具体的には、このような補間方法として、例えばスプライン補間と称する方法等を用いることができる。   For example, in the first embodiment, linear interpolation is used to create the third table indicating the relationship between the variable x that is arbitrarily distributed and the variable ξ that follows the standard normal distribution. Any method may be used as long as the sample values set in can be interpolated. Specifically, for example, a method called spline interpolation can be used as such an interpolation method.

また、上述した例において、多項式係数を算出する場合、具体的には、例えば一般化逆行列を用いて差の自乗和を最小化するようにして解を算出しているが、これに限らず、他の方法を用いて多項式係数を算出してもよい。具体的には、例えば、差の絶対値の和を最小化するようにして解を算出してもよい。   Further, in the above-described example, when calculating the polynomial coefficient, specifically, the solution is calculated by minimizing the sum of squares of the difference using, for example, a generalized inverse matrix, but the present invention is not limited to this. The polynomial coefficient may be calculated using another method. Specifically, for example, the solution may be calculated so as to minimize the sum of the absolute values of the differences.

1 算出装置、2 主成分分析部、3 多項式係数算出部、4 多項式近似部、5 音速再構成部、6 サンプル伝搬損失算出部、7 多項式カオス展開係数算出部、8 伝搬損失算出部、10 累積分布関数推定装置、20 累積分布関数算出装置、30 関係テーブル作成装置、40 多項式係数算出装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Calculation apparatus, 2 Principal component analysis part, 3 Polynomial coefficient calculation part, 4 Polynomial approximation part, 5 Sonic reconstruction part, 6 Sample propagation loss calculation part, 7 Polynomial chaos expansion coefficient calculation part, 8 Propagation loss calculation part, 10 Cumulative Distribution function estimation device, 20 cumulative distribution function calculation device, 30 relation table creation device, 40 polynomial coefficient calculation device.

Claims (6)

目標物を検出するソーナーの性能を予測するための伝搬損失を、該伝搬損失を決定付ける時間的に変動するパラメータを用いて算出する算出装置であって、
前記パラメータの時間的な変動量を、時間的に変動しない複数の主成分と、時間的に変動する複数の独立した係数xとで表す主成分分析を、前記パラメータの変動量に対して行う主成分分析部と、
前記主成分分析部によって得られた前記係数xを標準正規分布に従う複数の変数ξの多項式で表すための多項式係数aを算出する多項式係数算出部と、
前記多項式係数算出部によって得られた前記多項式係数a、およびサンプルとして与える前記標準正規分布に従う複数の前記変数ξに基づき、主成分の係数xを算出する多項式近似部と、
前記多項式近似部によって得られた前記主成分の係数、および前記主成分分析部によって得られた前記主成分に基づき、前記パラメータを算出する再構成部と、
前記再構成部によって得られた前記パラメータに基づき、伝搬モデルを用いてサンプル伝搬損失を算出するサンプル伝搬損失算出部と、
前記サンプル伝搬損失算出部によって得られた前記サンプル伝搬損失に基づき、多項式カオス展開の係数hを算出する多項式カオス展開係数算出部と、
前記伝搬損失を前記標準正規分布に従って時間的に変動する複数の前記変数ξの関数として算出する伝搬損失算出部と
を備える
ことを特徴とする伝搬損失の算出装置。
A calculation device that calculates a propagation loss for predicting the performance of a sonar that detects a target using a time-varying parameter that determines the propagation loss,
A principal component analysis in which a temporal variation amount of the parameter is represented by a plurality of principal components that do not vary with time and a plurality of independent coefficients x that vary with time is performed on the variation amount of the parameter. Component analysis unit;
A polynomial coefficient calculation unit for calculating a polynomial coefficient a for expressing the coefficient x obtained by the principal component analysis unit by a polynomial of a plurality of variables ξ according to a standard normal distribution;
A polynomial approximation unit for calculating a principal component coefficient x based on the polynomial coefficient a obtained by the polynomial coefficient calculation unit and the plurality of variables ξ according to the standard normal distribution given as a sample;
A reconstruction unit for calculating the parameter based on the coefficient of the principal component obtained by the polynomial approximation unit and the principal component obtained by the principal component analysis unit;
Based on the parameters obtained by the reconstruction unit, a sample propagation loss calculation unit that calculates a sample propagation loss using a propagation model;
A polynomial chaos expansion coefficient calculation unit that calculates a coefficient h of polynomial chaos expansion based on the sample propagation loss obtained by the sample propagation loss calculation unit;
A propagation loss calculation apparatus comprising: a propagation loss calculation unit that calculates the propagation loss as a function of the plurality of variables ξ that temporally vary according to the standard normal distribution.
前記多項式係数算出部は、
任意に分布する前記係数xの累積分布関数Fを推定し、0以上1以下の範囲の値を取り得る複数の値yに対する、前記推定した累積分布関数Fの逆関数F−1(y)の値を前記係数xとする累積分布関数推定装置と、
前記複数の値yに対する、標準正規分布の累積分布関数Fnormalの逆関数F−1 normal(y)の値を前記変数ξとする累積分布関数算出装置と、
同一の値yに対応する前記係数xおよび前記変数ξによる複数の組(x,ξ)に基づき、前記多項式係数aを算出する多項式係数算出装置と
を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の伝搬損失の算出装置。
The polynomial coefficient calculation unit includes:
The cumulative distribution function F of the coefficient x that is arbitrarily distributed is estimated, and the inverse function F −1 (y) of the estimated cumulative distribution function F with respect to a plurality of values y that can take a value in the range of 0 to 1 A cumulative distribution function estimation device whose value is the coefficient x;
A cumulative distribution function calculation apparatus using the variable ξ as a value of the inverse function F −1 normal (y) of the standard normal distribution cumulative distribution function F normal for the plurality of values y;
The apparatus according to claim 1, further comprising a polynomial coefficient calculation device that calculates the polynomial coefficient a based on a plurality of sets (x, ξ) based on the coefficient x and the variable ξ corresponding to the same value y. Propagation loss calculation device.
前記多項式係数算出部は、
前記累積分布関数推定装置により、任意に分布する前記係数xの累積分布関数を示す第1のテーブル(α,F(α))を作成し、
前記累積分布関数算出装置により、標準正規分布に従う前記変数ξの累積分布関数を示す第2のテーブル(β,Fnormal(β))を作成し、
前記第1のテーブルに基づき、前記値yに対してF(αq´−1)≦y≦F(αq´)となる値q´と、前記第2のテーブルに基づき、前記値yに対してF(βs´−1)≦y≦F(βs´)となる値s´とを探索し、
得られた前記値q´に基づき、補間により前記係数xを算出し、
得られた前記値s´に基づき、補間により前記変数ξを算出する
ことを特徴とする請求項2に記載の伝搬損失の算出装置。
The polynomial coefficient calculation unit includes:
A first table (α q , F (α q )) indicating a cumulative distribution function of the coefficient x that is arbitrarily distributed is created by the cumulative distribution function estimation device;
A second table (β s , F normals )) indicating a cumulative distribution function of the variable ξ according to a standard normal distribution is created by the cumulative distribution function calculation device,
Based on the first table, a value q ′ that satisfies F (α q′−1 ) ≦ y ≦ F (α q ′ ) with respect to the value y, and a value y based on the second table. On the other hand, a value s ′ that satisfies F (β s′−1 ) ≦ y ≦ F (β s ′ ) is searched,
Based on the obtained value q ′, the coefficient x is calculated by interpolation,
3. The propagation loss calculation apparatus according to claim 2, wherein the variable ξ is calculated by interpolation based on the obtained value s ′.
前記パラメータは、
前記ソーナーからの距離および海面からの深度に基づく音速分布である
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の伝搬損失の算出装置。
The parameter is
The propagation loss calculation apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the sound loss distribution is based on a distance from the sonar and a depth from the sea surface.
前記パラメータは、
前記目標物の深度である
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の伝搬損失の算出装置。
The parameter is
It is the depth of the said target object, The propagation loss calculation apparatus as described in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.
目標物を検出するソーナーの性能を予測するための伝搬損失を、該伝搬損失を決定付ける時間的に変動するパラメータを用いて算出する算出方法であって、
前記パラメータの時間的な変動量を、時間的に変動しない複数の主成分と、時間的に変動する複数の独立した係数xとで表す主成分分析を、前記パラメータの変動量に対して行う分析ステップと、
前記主成分分析によって得られた前記係数xを標準正規分布に従う複数の変数ξの多項式で表すための多項式係数aを算出する多項式係数算出ステップと、
前記多項式係数算出ステップによって得られた前記多項式係数a、およびサンプルとして与える前記標準正規分布に従う複数の前記変数ξに基づき、主成分の係数xを算出する多項式近似ステップと、
前記多項式近似ステップによって得られた前記主成分の係数、および前記主成分分析によって得られた前記主成分に基づき、前記パラメータを算出する再構成ステップと、
前記再構成ステップによって得られた前記パラメータに基づき、伝搬モデルを用いてサンプル伝搬損失を算出するサンプル伝搬損失算出ステップと、
前記サンプル伝搬損失算出ステップによって得られた前記サンプル伝搬損失に基づき、多項式カオス展開の係数hを算出する多項式カオス展開係数算出ステップと、
前記伝搬損失を前記標準正規分布に従って時間的に変動する複数の前記変数ξの関数として算出する伝搬損失算出ステップと
を有する
ことを特徴とする伝搬損失の算出方法。
A calculation method for calculating a propagation loss for predicting the performance of a sonar for detecting a target using a time-varying parameter that determines the propagation loss,
Analysis in which a principal component analysis that represents a temporal variation amount of the parameter as a plurality of principal components that do not vary with time and a plurality of independent coefficients x that varies with time is performed on the variation amount of the parameter. Steps,
A polynomial coefficient calculating step for calculating a polynomial coefficient a for expressing the coefficient x obtained by the principal component analysis by a polynomial of a plurality of variables ξ according to a standard normal distribution;
A polynomial approximation step for calculating a principal component coefficient x based on the polynomial coefficient a obtained by the polynomial coefficient calculation step and the plurality of variables ξ according to the standard normal distribution given as a sample;
A reconstruction step of calculating the parameters based on the coefficients of the principal components obtained by the polynomial approximation step and the principal components obtained by the principal component analysis;
A sample propagation loss calculation step for calculating a sample propagation loss using a propagation model based on the parameters obtained by the reconfiguration step;
A polynomial chaos expansion coefficient calculation step for calculating a coefficient h of polynomial chaos expansion based on the sample propagation loss obtained by the sample propagation loss calculation step;
A propagation loss calculating step of calculating the propagation loss as a function of a plurality of the variables ξ that temporally vary according to the standard normal distribution.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2707960C1 (en) * 2018-12-21 2019-12-03 Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего образования "Черноморское высшее военно-морское ордена Красной Звезды училище имени П.С. Нахимова" Министерства обороны Российской Федерации Probability calculator of coordinate
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