JP2022157362A - Sonar system, target azimuth/distance correction method, and program - Google Patents

Sonar system, target azimuth/distance correction method, and program Download PDF

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Abstract

To allow for reducing errors in azimuth of and distance to a target identified in data received form a line array.SOLUTION: A tilt of a line array consisting of multiple reception elements in a depth direction is detected to correct an error arising due to the tilt of a towed sonar in the depth direction relative to an azimuth to and a direction of a target identified by data received from the line array.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明はソーナーシステム、目標方位・距離補正方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a sonar system, a target azimuth/distance correction method, and a program.

ソーナーは音波を用いて水中の物体等の位置を特定する装置であり、受信した音波を電気信号に変換する受信素子(受波器)を複数並べたアレイで受信した信号に基づき水中の音響情報を得る。えい航式ソーナーは、艦船等のプラットフォームから延びるケーブルの先に複数の受信素子が直線状に並んだラインアレイが一般的である。えい航式ソーナーのうち可変深度ソーナー(Variable Depth Sonar: VDS)は水中の音波受信状況に応じてえい航深度が可変であることに利点がある。 Sonar is a device that uses sound waves to identify the position of underwater objects, etc. Underwater acoustic information is obtained based on signals received by an array of multiple receiving elements (wave receivers) that convert received sound waves into electrical signals. get A towed sonar generally has a line array in which a plurality of receiving elements are arranged in a straight line at the end of a cable extending from a platform of a ship or the like. Variable Depth Sonar (VDS) among towing sonars has the advantage that the towing depth is variable according to the underwater sound wave reception conditions.

特許文献1には、ソーナー(ソナー)装置が、ブイモニタ装置に吊下された複数のハイドロフォンのアレイと、前記ハイドロフォンの最下部に装着されたセンサ部を備え、前記センサ部は、前記ハイドロフォンの最下部の深度、水温、塩分及び方位傾度を検出し、検出情報は、水中物体からのソナー情報とともに信号処理部に送信され、前記ソナー情報に重複され送信アンテナから位置計測装置本体に送信される構成が開示されている。深度データ、方位傾度データはハイドロフォン及び水中物体の位置計測精度向上のために使われる。 In Patent Document 1, a sonar (sonar) device includes an array of a plurality of hydrophones suspended from a buoy monitor device, and a sensor unit attached to the bottom of the hydrophone, and the sensor unit is connected to the hydrophone. Depth, water temperature, salinity, and azimuth inclination at the bottom of the phone are detected, and the detected information is transmitted to the signal processing unit together with sonar information from underwater objects. is disclosed. Depth data and azimuth gradient data are used to improve the positioning accuracy of hydrophones and underwater objects.

特開平07-198844号公報JP-A-07-198844

ラインアレイを艦船等でえい航する一般的なえい航式ソーナーでは、例えば図1(A)に指向性イメージ12として模式的に示すように、受信指向性が円錐状(コニカルビーム)となる。すなわち、えい航式ソーナー10のラインアレイを構成する受信素子列での受信信号を整相加算処理等して形成した受信ビームは指向性イメージ12のように円錐状に広がったビームパタンとなる。なお、図1(A)は、海中のえい航式ソーナー10を西(紙面に垂直に表側:Y軸負側)から東(紙面に垂直に裏側:Y軸正側)に向かってみた側面(X-Z面)を模式的に示す模式側面図である。図1(A)では、北側をX軸正側、南側をX軸負側とし、海面側をZ軸正側、海底側をZ軸負側としている。図1(B)は、図1(A)に示した海中のえい航式ソーナー10と目標11(水中物体)を上(Z軸正方向)から見た模式平面図である。 In a general towed sonar in which a line array is towed by a ship or the like, the receiving directivity is conical (conical beam), as schematically shown as a directivity image 12 in FIG. 1(A), for example. That is, the reception beams formed by performing phasing addition processing or the like on the reception signals at the reception element rows constituting the line array of the towed sonar 10 have a beam pattern that spreads conically like the directional image 12 . FIG. 1(A) shows a side view (X -Z plane) is a schematic side view. In FIG. 1A, the north side is the X-axis positive side, the south side is the X-axis negative side, the sea surface side is the Z-axis positive side, and the seabed side is the Z-axis negative side. FIG. 1B is a schematic plan view of the underwater towed sonar 10 and target 11 (underwater object) shown in FIG.

図1(A)に示すように、水中物体である目標11の深度(目標深度14)がえい航式ソーナー10の深度であるえい航式ソーナー深度13と異なる場合、図1(B)に示すように、目標11の観測方位15と実際の方位16とで誤差が生じる。例えば目標11の深度(目標深度14)がえい航式ソーナー深度13よりも深い場合、えい航式ソーナー深度13(Z軸座標=0)でのX-Y面への円錐状の受信ビームパタンの投影である逆2等辺三角形(指向性イメージ12)の左斜辺に対応する方位が観測方位15とされるが、目標11の実際の方位16は該逆2等辺三角形の左斜辺の方位よりも内側にある。 As shown in FIG. 1A, when the depth (target depth 14) of the target 11, which is an underwater object, is different from the towed sonar depth 13, which is the depth of the towed sonar 10, as shown in FIG. , an error occurs between the observed azimuth 15 and the actual azimuth 16 of the target 11 . For example, if the depth of the target 11 (target depth 14) is greater than the towed sonar depth 13, the projection of the conical receive beam pattern onto the XY plane at the towed sonar depth 13 (Z-axis coordinate = 0) The orientation corresponding to the left hypotenuse of an inverse isosceles triangle (directional image 12) is taken as the observation orientation 15, but the actual orientation 16 of the target 11 is inside the orientation of the left hypotenuse of the inverse isosceles triangle. .

図2(A)は、えい航式ソーナー10自体が、海流などの外力等により深度方向に傾いた場合を模式的に示している。図2(A)は、図1(A)と同様、海中のえい航式ソーナー10を西から東(Y軸負方向から正方向)に向かってみたX-Z面を模式的に示す模式側面図である。えい航式ソーナー10のラインアレイがY軸を中心にピッチ角α傾いており、円錐状の指向性イメージ12も同様にピッチ角α傾いている。ここで、ピッチ角αは、Y軸を中心に反時計回りを正としている。なお、進行方向(X軸正値の北側)に対して90度の正横では、ビームはつぶれた形(円盤状)となる(指向性イメージ12A)。なお、図2(A)において、3次元座標系XYZ(左手系)の原点は、えい航式ソーナー10の音響中心(例えばラインアレイの中心)であり、X軸は北側を正、南側を負とし、Y軸は西側(紙面に垂直に表側)を負、東側(紙面に垂直に裏側)と正とし、Z軸は海面側を正、海底側を負としている。 FIG. 2A schematically shows a case where the towed sonar 10 itself is tilted in the depth direction due to an external force such as an ocean current. FIG. 2(A) is a schematic side view schematically showing the XZ plane when viewing the towed sonar 10 in the sea from west to east (from the Y-axis negative direction to the positive direction), similar to FIG. 1(A). is. The line array of towed sonar 10 is tilted about the Y-axis by a pitch angle α, and the conical directional image 12 is similarly tilted by a pitch angle α. Here, the pitch angle α is positive when counterclockwise around the Y-axis. It should be noted that the beam is flattened (disk-like) at 90 degrees normal to the traveling direction (the north side of the positive value of the X axis) (directivity image 12A). In FIG. 2A, the origin of the three-dimensional coordinate system XYZ (left-handed system) is the acoustic center of the towed sonar 10 (for example, the center of the line array). , the Y-axis is negative on the west side (upper side perpendicular to the paper surface) and positive on the east side (back side perpendicularly to the paper surface), and the Z-axis is positive on the sea surface side and negative on the sea bottom side.

図2(B)は、図2(A)に示した海中のえい航式ソーナー10と目標11(水中物体)を上(Z軸正方向)から見た模式平面図である。Y軸を中心にピッチ角α傾いたラインアレイからの受信データに基づく受信ビームは、指向性イメージ12として示すように、Y軸を中心に3次元座標系XYZを角度α回転させた3次元座標系X’YZ’(左手系)において、X’軸を中心軸とし円錐型に広がるビームパタンとなる。実際の目標11は、図2(A)に示すように、3次元座標系XYZにおいて、X=0のY-Z面上に位置しているにもかかわらず、図2(B)の例では、ラインアレイからの受信データに基づき観測される目標11Aは、指向性イメージ12をX’-Y面に投影した逆二等辺三角形(高さ=a)の左端となる。すなわち、観測される目標11Aは、X’軸の値がaのY-Z’面上で観測され、観測方位15は逆2等辺三角形(指向性イメージ12)の頂角の半分となる。このように、観測方位15と実際の方位16とで誤差が生じ、観測される目標11Aと実際の目標11との間で距離に誤差が生じる。これらの誤差は、ソーナーの測的性能に悪影響を及ぼす。 FIG. 2B is a schematic plan view of the underwater towed sonar 10 and target 11 (underwater object) shown in FIG. The received beams based on the received data from the line array tilted at the pitch angle α about the Y axis are represented by the three-dimensional coordinates obtained by rotating the three-dimensional coordinate system XYZ about the Y axis by the angle α, as shown as a directional image 12. In the system X'YZ' (left-handed system), the beam pattern spreads conically with the X' axis as the central axis. Although the actual target 11 is located on the YZ plane with X=0 in the three-dimensional coordinate system XYZ as shown in FIG. 2(A), in the example of FIG. , the target 11A observed based on the received data from the line array is the left end of the inverted isosceles triangle (height=a) obtained by projecting the directional image 12 onto the X'-Y plane. That is, the target 11A to be observed is observed on the YZ' plane where the X' axis value is a, and the observation azimuth 15 is half the apex angle of the inverted isosceles triangle (directional image 12). Thus, an error occurs between the observed bearing 15 and the actual bearing 16, and an error occurs in the distance between the observed target 11A and the actual target 11. FIG. These errors adversely affect the sonar's measurement performance.

本発明は、上記課題に鑑みて創案されたものであって、その目的は、ラインアレイからの受信データで特定される目標の方位誤差及び距離誤差を低減可能とするソーナーシステム、目標方位・距離補正方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention was invented in view of the above problems, and its object is to provide a sonar system capable of reducing target azimuth error and range error specified by data received from a line array, and a target azimuth/distance error. An object is to provide a correction method and a program.

本発明によれば、複数の受信素子で構成されるラインアレイの深度方向の傾きを検出する手段を備え、さらに、前記ラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離に対して、前記ラインアレイの深度方向の傾きによって生じる誤差を補正する方位・距離補正手段を備えたソーナーシステムが提供される。 According to the present invention, means for detecting a tilt in the depth direction of a line array composed of a plurality of receiving elements is provided. A sonar system is provided that includes azimuth and distance correction means for correcting an error caused by the tilt of the line array in the depth direction.

本発明によれば、複数の受信素子で構成されるラインアレイの深度方向の傾きを検出し、前記ラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離に対して、前記えい航式ソーナーの深度方向の傾きによって生じる誤差を補正する、目標方位・距離補正方法が提供される。 According to the present invention, the tilt in the depth direction of a line array composed of a plurality of receiving elements is detected, and the towing-type sonar detects the azimuth and distance of a target specified by the data received from the line array. A target azimuth/distance correction method is provided that corrects errors caused by tilt in the depth direction.

本発明によれば、ソーナーシステムのコンピュータに、複数の受信素子で構成されるラインアレイの深度方向の傾きを検出し、前記ラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離に対して、前記えい航式ソーナーの深度方向の傾きによって生じる誤差を補正する補正処理を実行させるプログラムが提供される。さらに、本発明によれば、上記プログラムを記憶したコンピュータ可読型記録媒体(例えばRAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、又は、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM)等の半導体ストレージ、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disc)等が提供される。 According to the present invention, the computer of the sonar system detects the tilt in the depth direction of a line array composed of a plurality of receiving elements, and detects the target azimuth and distance specified by the data received from the line array. , a program for executing a correction process for correcting an error caused by a tilt of the towed sonar in the depth direction. Furthermore, according to the present invention, a computer-readable recording medium (for example, RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), or EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM) or other semiconductor storage, HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), CD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc), and the like.

本発明によれば、ラインアレイからの受信データで特定された目標の方位誤差及び距離誤差を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the azimuth error and range error of the target specified by the data received from the line array.

(A)、(B)は関連技術を模式的に説明する図である。(A) and (B) are diagrams for schematically explaining a related technology. (A)、(B)は関連技術を模式的に説明する図である。(A) and (B) are diagrams for schematically explaining a related technology. 本発明の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining embodiment of this invention. 本発明の実施形態の装置構成の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the device configuration of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の装置構成の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the device configuration of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の方法を説明する図である。FIG. 2 illustrates a method of an embodiment of the invention; 本発明の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of this invention. 本発明の実施形態の構成を例示する図である。It is a figure which illustrates the structure of embodiment of this invention.

本発明の実施形態について説明する。図3は、本発明の実施形態を説明する図である。図3(A)は、図2(A)と同様、えい航式ソーナー20の音響中心位置を、3次元座標系XYZ(左手系)の原点とし、X軸は北側を正、南側を負とし、Y軸は西側(紙面に垂直に表側)を負、東側(紙面に垂直に裏側)と正とし、Z軸は海面側を正、海底側を負としている。図3(A)は、Y軸負側から見たX-Z面を模式的に示している。図3(B)は、図3(A)のZ軸の正側からみたX-Y面を模式的に示している。なお、3次元座標系XYZ(左手系)は単に説明のためのものであり、右手系であってもよいことは勿論である。また、えい航式ソーナー20の進行方向が、北側に制限されることを意味するものでないことは勿論である。 An embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention. In FIG. 3A, as in FIG. 2A, the acoustic center position of the towed sonar 20 is the origin of the three-dimensional coordinate system XYZ (left-handed system). On the Y axis, the west side (upper side perpendicular to the paper surface) is negative and the east side (back side perpendicular to the paper surface) is positive, and the Z axis is positive on the sea surface side and negative on the sea bottom side. FIG. 3A schematically shows the XZ plane viewed from the Y-axis negative side. FIG. 3B schematically shows the XY plane viewed from the positive side of the Z axis in FIG. 3A. Note that the three-dimensional coordinate system XYZ (left-handed system) is for illustration purposes only, and it goes without saying that a right-handed system may also be used. Moreover, of course, this does not mean that the traveling direction of the towed sonar 20 is limited to the north side.

えい航式ソーナー20と送信音源を備えた艦船に搭載されソーナーシステムのコントローラとして機能するコンピュータ装置は、えい航式ソーナーに対し、捜索対象の目標(水中物体)の深度情報である捜索対象深度24を、不図示の操作用端末等から予め設定する。 A computer device mounted on a ship equipped with a towed sonar 20 and a transmitting sound source and functioning as a sonar system controller provides the towed sonar with a search target depth 24, which is depth information of a target to be searched (underwater object), It is set in advance from an operation terminal or the like (not shown).

えい航式ソーナー20には姿勢情報(ラインアレイの前後方向の角度(ピッチ角))を検出するセンサ(例えば、姿勢センサ等)が取り付けられている。コンピュータ装置は、センサからの姿勢情報に基づき、該ラインアレイの深度方向の傾き(図3(A)ではY軸周りのピッチ角)であるアレイピッチ角αを算出する。例えば、深度センサをえい航式ソーナー20ラインアレイの異なる位置に複数取り付ける。コンピュータ装置は、任意の時刻の深度情報からえい航式ソーナー20の深度方向に傾く角度(アレイピッチ角)を得ることができるものとする。 The towed sonar 20 is equipped with a sensor (for example, an attitude sensor) that detects attitude information (angle of the line array in the longitudinal direction (pitch angle)). The computer device calculates an array pitch angle α, which is the inclination of the line array in the depth direction (the pitch angle around the Y-axis in FIG. 3A), based on the orientation information from the sensor. For example, multiple depth sensors are mounted at different locations on a towed sonar 20 line array. It is assumed that the computer device can obtain the angle (array pitch angle) at which the towed sonar 20 is tilted in the depth direction from the depth information at an arbitrary time.

コンピュータ装置は、えい航式ソーナー20のラインアレイからの受信データによって特定される目標(水中物体)の方位及び距離に対して、捜索対象深度24及びアレイピッチ角αから、補正を行い、方位及び距離の誤差を低減する。すなわち、コンピュータ装置は、捜索対象深度24とアレイピッチ角αを用いて、えい航式ソーナー20のラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離から、えい航式ソーナー20の音響中心位置を原点とした、目標の位置の3次元座標(XYZ座標)を求める。 The computer device corrects the azimuth and distance of the target (underwater object) specified by the data received from the line array of the towed sonar 20 from the search target depth 24 and the array pitch angle α, and corrects the azimuth and distance reduce the error of That is, the computer device uses the search target depth 24 and the array pitch angle α to determine the acoustic center position of the towed sonar 20 from the target azimuth and distance specified by the data received from the line array of the towed sonar 20. The three-dimensional coordinates (XYZ coordinates) of the target position with the origin are obtained.

コンピュータ装置は、求めた3次元座標から2次元座標(X-Y面)に水平に投影した方位及び距離を、目標の位置として出力する。 The computer device outputs the azimuth and distance horizontally projected from the determined three-dimensional coordinates onto the two-dimensional coordinates (XY plane) as the target position.

上記処理を行うことで、コンピュータ装置は、えい航式ソーナー20のラインアレイの指向性が円錐状(コニカルビーム)であることにより生じる誤差を補正する。 By performing the above processing, the computer device corrects an error caused by the directivity of the line array of the towed sonar 20 being conical (conical beam).

図4は、本発明の実施形態を説明する図である。図4において、えい航式ソーナー104は、図3のえい航式ソーナー20に対応しており、複数の受信素子(不図示)が直線状に接続されたラインアレイからなり、各受信素子は、水中物体から反射した音波を受信して電気信号に変換する。えい航式ソーナー104において、ラインアレイの長手方向に沿って互いに所定距離(L)離間して、少なくとも2つの深度センサ106A、106Bが取り付けられている。 FIG. 4 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention. In FIG. 4, the towed sonar 104 corresponds to the towed sonar 20 in FIG. Receives sound waves reflected from and converts them into electrical signals. In a towed sonar 104, at least two depth sensors 106A, 106B are mounted a predetermined distance (L) from each other along the length of the line array.

送信制御装置101は、送信音源102の制御を行うと共に、その制御情報を受信処理装置103に送信する。送信制御装置101は、表示装置105から受信した音波の波形や送信時間等の情報から電気信号を発生させ、送信音源102に出力する。また送信制御装置101は、受信処理装置103に音波の波形や送信時間等の情報を出力する。 The transmission control device 101 controls the transmission sound source 102 and transmits the control information to the reception processing device 103 . The transmission control device 101 generates an electric signal from information such as the waveform of the sound wave received from the display device 105 and the transmission time, and outputs the electric signal to the transmission sound source 102 . The transmission control device 101 also outputs information such as the waveform of the sound wave and the transmission time to the reception processing device 103 .

送信音源102は、音波を発生される装置であり、送信制御装置101から送られてきた電気信号(送信信号波形)を音響信号に変換し音波を水中に送信する。 The transmission sound source 102 is a device that generates sound waves, converts an electric signal (transmission signal waveform) sent from the transmission control device 101 into an acoustic signal, and transmits the sound waves underwater.

えい航式ソーナー104は、送信音源102から送波された音波に対して目標(水中物体)から反射された音響信号を受信素子列(ラインアレイ)で受信し電気信号に変換して受信処理装置103に送信する。また、えい航式ソーナー104は、深度センサで検出した2点の深度情報を例えば予め定められた周期で受信処理装置103に送信する。えい航式ソーナー104からの受信信号、及び深度情報はえい航用のケーブル(不図示)を介して艦船に搭載されソーナーシステムの受信処理装置103に送信される。 The towed sonar 104 receives the acoustic signal reflected from the target (underwater object) with respect to the sound wave transmitted from the transmission sound source 102 by the receiving element array (line array), converts it into an electric signal, and outputs it to the reception processing device 103. Send to In addition, the towed sonar 104 transmits the depth information of two points detected by the depth sensor to the reception processing device 103 at predetermined intervals, for example. Received signals from the towed sonar 104 and depth information are transmitted to the receiver and processor 103 of the sonar system mounted on the ship via a cable for towing (not shown).

受信処理装置103は、送信制御装置101からの送信情報(例えば送信タイミング、送信波形のレプリカ信号等)と、えい航式ソーナー104の受信素子列で受信した受信信号とえい航式ソーナー104の深度センサ106A、106Bで検出した深度情報と、捜索対象深度とから、目標の方位及び距離情報を補正する演算を行い、演算結果を表示装置105に出力する。受信処理装置103は、捜索対象深度とラインアレイの深度方向の傾き角を用いて、該えい航式ソーナー104の受信素子列(ラインアレイ)からの受信データによって特定される目標の方位及び距離から、えい航式ソーナー104の音響中心位置を原点とした、目標の位置の3次元座標(XYZ座標)を求め、3次元座標から2次元座標面(X-Y面)に水平に投影した方位及び距離を目標の位置として出力する。 The reception processing device 103 receives transmission information from the transmission control device 101 (for example, transmission timing, transmission waveform replica signal, etc.), the reception signal received by the receiving element array of the towed sonar 104, and the depth sensor 106A of the towed sonar 104. , 106B and the search target depth, calculations are performed to correct the azimuth and distance information of the target, and the calculation results are output to the display device 105 . The reception processing unit 103 uses the depth of the search target and the tilt angle of the line array in the depth direction to determine the direction and distance of the target specified by the data received from the receiving element array (line array) of the towed sonar 104. The three-dimensional coordinates (XYZ coordinates) of the target position with the acoustic center position of the towed sonar 104 as the origin are obtained, and the azimuth and distance projected horizontally from the three-dimensional coordinates onto the two-dimensional coordinate plane (XY plane) are calculated. Output as target position.

表示装置105(端末装置)は、受信処理装置103が出力したデータを、画像情報等に変換して表示する。また表示装置105は、送信音源102から送信する音波の情報(波形情報、送信タイミング等)を設定して送信制御装置101に送信するとともに、捜索対象深度を入力する機能を有する。表示装置105の不図示の入力装置から、担当者は、送信音源102で送信する音波の波形や送信時間等の情報を入力するとともに捜索対象深度を入力する。 The display device 105 (terminal device) converts the data output from the reception processing device 103 into image information or the like and displays the image information. The display device 105 also has a function of setting information (waveform information, transmission timing, etc.) of sound waves to be transmitted from the transmission sound source 102 and transmitting the information to the transmission control device 101, and inputting a search target depth. From an input device (not shown) of the display device 105, the person in charge inputs information such as the waveform of the sound wave to be transmitted by the transmission sound source 102 and the transmission time, and also inputs the search target depth.

図5は、受信処理装置103で行う処理を説明する機能構成図である。図5において、整相処理部1032は、えい航式ソーナー104のラインアレイを構成するN個の受信素子1~受信素子NからのN個の受信データ1031を入力して整相処理を行い、整相処理結果を信号処理部1033へ出力する。 FIG. 5 is a functional block diagram for explaining the processing performed by the reception processing device 103. As shown in FIG. In FIG. 5, a phasing processing unit 1032 inputs N pieces of received data 1031 from N receiving elements 1 to N constituting the line array of the towed sonar 104, performs phasing processing, and performs phasing processing. A phase processing result is output to the signal processing unit 1033 .

信号処理部1033は、整相処理部1032から受信した整相処理結果に対し、相関処理等を用いて目標(水中物体)の反響音(エコー)を抽出する。 The signal processing unit 1033 extracts echoes of the target (underwater object) using correlation processing or the like on the phasing processing result received from the phasing processing unit 1032 .

送信音源102の送信時刻、位置及びえい航式ソーナー104の位置が既知であることから、幾何学的に反響音(エコー)の方位及び距離を算出する。 Since the transmission time and position of the transmission sound source 102 and the position of the towed sonar 104 are known, the azimuth and distance of the reflected sound (echo) are geometrically calculated.

信号処理部1033は、目標の方位θT’及び距離rT’、捜索対象深度dss、アレイピッチ角αから、えい航式ソーナー20の音響中心位置を原点とした目標の位置の3次元座標(図3(A)の3次元座標系XYZでの座標)を求める。 The signal processing unit 1033 calculates the three-dimensional coordinates ( coordinates in the three-dimensional coordinate system XYZ in FIG. 3A).

えい航式ソーナー104(ラインアレイ)に、少なくとも2つの深度センサ106A、106Bを備え、その間の間隔がL[m]であるとする。えい航式ソーナー20の音響中心位置に関するラインアレイのピッチ角(アレイピッチ角)がαである場合に、深度センサ106Aでの深度がd[m](正:海底方向)、深度センサ106Bでの深度がd[m](d>d)であるとすると、深度センサ106A、106Bの水平軸に対する傾きがαであることから、深度の差=d-d=Lsin(α)より、アレイピッチ角αは次式(1)で与えられる。

Figure 2022157362000002
・・・(1) Suppose a towed sonar 104 (a line array) is equipped with at least two depth sensors 106A, 106B with a spacing between them of L[m]. When the pitch angle (array pitch angle) of the line array with respect to the acoustic center position of the towed sonar 20 is α, the depth at the depth sensor 106A is d 1 [m] (positive: seabed direction), and the depth at the depth sensor 106B is Assuming that the depth is d 2 [m] (d 1 >d 2 ), since the inclination of the depth sensors 106A and 106B with respect to the horizontal axis is α, the depth difference=d 1 −d 2 =Lsin(α) Therefore, the array pitch angle α is given by the following equation (1).
Figure 2022157362000002
...(1)

方位・距離補正部1034では、式(1)からアレイピッチ角αを算出する。方位・距離補正部1034は、深度センサ106A、106Bの情報と捜索対象深度24(図3(A))から、えい航式ソーナーの音響中心位置を基準(0m)とした捜索対象深度dssを算出する。 The azimuth/distance correction unit 1034 calculates the array pitch angle α from equation (1). The azimuth/distance correction unit 1034 calculates the search target depth d ss with the acoustic center position of the towed sonar as the reference (0 m) from the information of the depth sensors 106A and 106B and the search target depth 24 (FIG. 3A). do.

えい航式ソーナー20(ラインアレイのN個の受信素子)からのN個の受信データで特定される目標21の方位θT’及び距離rT’は、図3(A)の3次元座標系X’YZ’で求めた値である。3次元座標系X’YZ’は、3次元座標系XYZを、Y軸を中心としてピッチ角α回転したものである。3次元座標系X’YZ’において目標21の位置(x’, y’, z’)は以下で与えられる。 The azimuth θ T ' and the distance r T ' of the target 21 specified by the N received data from the towed sonar 20 (the N receiving elements of the line array) are expressed in the three-dimensional coordinate system X This is the value obtained by 'YZ'. The three-dimensional coordinate system X'YZ' is obtained by rotating the three-dimensional coordinate system XYZ around the Y-axis by a pitch angle α. The position (x', y', z') of the target 21 in the three-dimensional coordinate system X'YZ' is given below.

Figure 2022157362000003

Figure 2022157362000004

Figure 2022157362000005

・・・(2)
Figure 2022157362000003

Figure 2022157362000004

Figure 2022157362000005

...(2)

ただし、φは次式で与えられる。

Figure 2022157362000006
・・・(3) However, φ is given by the following equation.
Figure 2022157362000006
...(3)

式(2)において、目標21の方位θT’は、X’-Y面においてX’軸から反時計周りの角度である。なお、左手系座標では、X’-Y面においてX’軸から反時計周りの角度は負であるが、説明の簡単のため、方位θT’は正値とする。図3(A)において、目標21を原点(えい航式ソーナー20の音響中心位置)から長さ(距離)rT’のベクトルと考え、該ベクトルのX’軸への投影(射影)値x’はrT’cos(θT’)で与えられ、角度φは、X’軸への投影rT’cos(θT’)に直交する成分(長さrT’sin(θT’)のベクトル)のY-Z’面への投影がY軸となす角度とみなせる。したがって、Y軸への投影値y’(西側が負)は、-rT’sin(θT’)・cos(φ)、Z軸への投影値z’は、-rT’sin(θT’)・sin(φ)で与えられる。 In equation (2), the azimuth θ T ' of the target 21 is the counterclockwise angle from the X' axis in the X'-Y plane. In left-handed coordinates, the counterclockwise angle from the X' axis on the X'-Y plane is negative, but for the sake of simplicity, the orientation θ T ' is assumed to be a positive value. In FIG. 3A, the target 21 is considered as a vector of length (distance) r T ' from the origin (acoustic center position of the towed sonar 20), and the projection (projection) value x' of the vector onto the X' axis is is given by r T 'cos(θ T '), and the angle φ is the component of length r T 'sin(θ T ') orthogonal to the projection r T 'cos(θ T ') onto the X' axis. vector) onto the YZ' plane and the angle formed by the Y axis. Therefore, the projection value y' on the Y axis (negative on the west side) is -r T 'sin(θ T ')·cos(φ), and the projection value z' on the Z axis is -r T 'sin(θ It is given by T ')·sin(φ).

式(3)において、逆正弦関数sin-1における分子は目標21の距離rT’のX’軸への投影値rT’cos(θT’)をZ軸(負側)へ投影した値(rT’cos(θT’)・sin(α)>0)に捜索対象深度dss(<0)を加算した値である。分母はrT’sin(θT’)にcos(α)を乗算した値であり、分子が負値であり、角度φを非負値としているため、マイナス符号を付してある。 In equation (3), the numerator of the arcsine function sin −1 is the projection value r T 'cos(θ T ') of the distance r T ' of the target 21 onto the X' axis projected onto the Z axis (negative side). It is a value obtained by adding the search target depth d ss (<0) to (r T 'cos(θ T ')·sin(α)>0). The denominator is a value obtained by multiplying r T 'sin(θ T ') by cos(α), and since the numerator is a negative value and the angle φ is a non-negative value, a minus sign is attached.

方位・距離補正部1034は、3次元座標系X’YZ’での目標21の位置(x', y', z')に対して、Y軸周りに-α度回転する変換行列R(-α):

Figure 2022157362000007
・・・(4)
を施してXYZ座標系での座標値に変換する。 Azimuth/distance correction unit 1034 applies transformation matrix R(- α):

Figure 2022157362000007
···(Four)
to convert to coordinate values in the XYZ coordinate system.

Figure 2022157362000008

・・・(5)
Figure 2022157362000008

···(Five)

式(5)から、

Figure 2022157362000009

Figure 2022157362000010

Figure 2022157362000011
・・・(6) From equation (5),
Figure 2022157362000009

Figure 2022157362000010

Figure 2022157362000011
...(6)

方位・距離補正部1034は、上式(6)により目標21の3次元座標系XYZでの座標(x,y,z)を算出する。 The azimuth/distance correction unit 1034 calculates the coordinates (x, y, z) of the target 21 in the three-dimensional coordinate system XYZ using the above equation (6).

続いて、方位・距離補正部1034は、3次元座標系XYZでの目標21の位置座標(x,y,z)から、次式(7)、(8)により、2次元座標面であるX-Y面に投影した座標(x、y)である方位θ(図3(B)の25)と距離r(図3(B)の26)を求める。 Subsequently, the azimuth/distance correction unit 1034 calculates the positional coordinates (x, y, z) of the target 21 in the three-dimensional coordinate system XYZ, using the following equations (7) and (8), the X A direction θ t (25 in FIG. 3B) and a distance r t (26 in FIG. 3B), which are coordinates (x, y) projected onto the −Y plane, are obtained.

Figure 2022157362000012
・・・(7)
Figure 2022157362000012
...(7)

Figure 2022157362000013
・・・(8)
Figure 2022157362000013
...(8)

なお、式(7)では、方位θを非負値としているため、tan-1の計算において、目標21の位置のY座標の値:y(負値)を-yとしているが、図3(B)の25で示す方位θを負値としてする場合、式(7)の(-y/x)は、(y/x)となる。 In equation (7), since the direction θ t is a non-negative value, in the calculation of tan −1 , the Y coordinate value of the target 21: y (negative value) is −y. When the azimuth θ t indicated by 25 in B) is a negative value, (−y/x) in Equation (7) becomes (y/x).

方位・距離補正部1034は、2次元X-Y面に投影された目標21Aの方位θ及び距離rを最終的な処理結果として出力する。 The azimuth/distance correction unit 1034 outputs the azimuth θ t and the distance r t of the target 21A projected onto the two-dimensional XY plane as final processing results.

本実施形態によれば、捜索対象深度24及びえい航式ソーナー20のアレイピッチ角αを用いることにより、えい航式ソーナー104で特定した目標21(水中物体)の方位及び距離を補正し、誤差を低減することができる。 According to this embodiment, by using the search target depth 24 and the array pitch angle α of the towed sonar 20, the azimuth and distance of the target 21 (underwater object) identified by the towed sonar 104 are corrected, and the error is reduced. can do.

図6は、本実施形態の方法を説明する図である。受信処理装置103は、ラインアレイの受信データから目標の方位・距離を算出する(ステップS11)。 FIG. 6 is a diagram for explaining the method of this embodiment. The reception processing device 103 calculates the azimuth/distance of the target from the reception data of the line array (step S11).

受信処理装置103は、ラインアレイの姿勢情報(深度センサ、姿勢センサからのセンシング情報)からラインアレイのピッチ角(深度方向の傾き)であるアレイピッチ角αを算出する(ステップS12)。なお、ステップS11、S12はいずれが先であってもよい。 The reception processing device 103 calculates an array pitch angle α, which is the pitch angle (inclination in the depth direction) of the line array, from the orientation information of the line array (depth sensor, sensing information from the orientation sensor) (step S12). Either of steps S11 and S12 may be performed first.

受信処理装置103は、設定入力された捜索対象深度24とアレイピッチ角αを用いて、ラインアレイの受信データから特定される目標の方位及び距離から、えい航式ソーナー20の音響中心位置を原点とした目標の位置の3次元座標(XYZ座標)を演算処理によって求める(ステップS13)。 Using the input search target depth 24 and array pitch angle α, the reception processing unit 103 uses the acoustic center position of the towed sonar 20 as the origin from the azimuth and distance of the target specified from the received data of the line array. The three-dimensional coordinates (XYZ coordinates) of the position of the target are obtained by arithmetic processing (step S13).

受信処理装置103は、ステップS13で求めた3次元座標から2次元座標(X-Y面)に投影した方位25と距離26を、目標21の位置として出力する(ステップS14)。 The reception processing device 103 outputs the azimuth 25 and the distance 26 obtained by projecting the three-dimensional coordinates obtained in step S13 onto the two-dimensional coordinates (XY plane) as the position of the target 21 (step S14).

図7は、一実施例を説明する図である。捜索対象深度24を100m(えい航式ソーナー深度基準)、アレイピッチ角を10°の場合に得られたえい航式ソーナー探知情報(方位、距離)に対して実施形態を適用した場合の効果を示したものである。図7において、グラフは、えい航式ソーナーの音響中心位置を原点とし、えい航式ソーナーで得られた探知方位、距離、及び、本発明を適用して補正した探知方位・距離を平面座標に展開したものである。 FIG. 7 is a diagram illustrating an example. The effect of applying the embodiment to the towed sonar detection information (azimuth and distance) obtained when the search target depth 24 is 100m (towing sonar depth standard) and the array pitch angle is 10° is shown. It is. In FIG. 7, the graph is plotted with the acoustic center position of the towed sonar as the origin, and the detected azimuth and distance obtained by the towed sonar and the detected azimuth and distance corrected by applying the present invention are developed into plane coordinates. It is.

えい航式ソーナーと目標との間に深度差がある場合、えい航式ソーナーの指向性(コニカルビーム)により、実際の方位は観測方位よりも原点側に寄ることとなるが、その性質が補正されていることが分かる。捜索対象深度は、操作端末等によってだけでなく、予め記憶装置等に記憶しておき任意に読み出す方式によっても可能である。 When there is a depth difference between the towed sonar and the target, the directivity (conical beam) of the towed sonar causes the actual azimuth to be closer to the origin than the observed azimuth, but this property has been corrected. I know there is. The search target depth can be obtained not only by an operation terminal or the like, but also by a method of storing it in advance in a storage device or the like and arbitrarily reading it.

図8は、本発明の実施の形態を説明する図であり、受信処理装置103をコンピュータ装置110に実装した場合の構成を説明する図である。図8を参照すると、コンピュータ装置110は、プロセッサ111と、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)等の半導体メモリやHDD(Hard Disk Drive)等の記憶装置112と、表示装置105と、えい航式ソーナー104や表示装置105と通信接続するためのインタフェース114と、を備えている。プロセッサ111はDSP(Digital Signal Processor)であってもよい。記憶装置112に格納されたプログラム113を読み出して実行することで、プロセッサ111は、図5の受信処理装置103の整相処理部1032、信号処理部1033、方位・距離補正部1034の各処理を実行する。なお、コンピュータ装置110は、図4の送信制御装置101の機能を実装するようにしてもよい。 FIG. 8 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention, and is a diagram for explaining the configuration when the reception processing device 103 is implemented in the computer device 110. As shown in FIG. Referring to FIG. 8, the computer device 110 includes a processor 111, semiconductor memories such as RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), and HDD (Hard Disk Drive). etc., a display device 105 , and an interface 114 for communication connection with the towed sonar 104 and the display device 105 . The processor 111 may be a DSP (Digital Signal Processor). By reading and executing the program 113 stored in the storage device 112, the processor 111 performs each processing of the phasing processing unit 1032, the signal processing unit 1033, and the azimuth/distance correction unit 1034 of the reception processing device 103 in FIG. Run. Note that the computer device 110 may implement the functions of the transmission control device 101 in FIG.

上記実施形態では、えい航式ソーナーの深度方向の傾きは、2つの深度センサを用いた例としたが、複数の深度センサを搭載して算出する方法によっても可能である。また、加速度センサ等、姿勢情報を得ることのできるセンサであれば利用することが可能である。また、図4では、艦艇からえい航されるラインアレイの実施例を示したが、本発明は受信指向性が円錐状となるラインアレイである場合に広く用いることができる。 In the above embodiment, the tilt in the depth direction of the towed sonar is an example of using two depth sensors, but it is also possible to calculate the tilt using a plurality of depth sensors. Also, any sensor that can obtain posture information, such as an acceleration sensor, can be used. In addition, FIG. 4 shows an embodiment of a line array towed from a warship, but the present invention can be widely used in the case of a line array with conical receiving directivity.

なお、上記の特許文献1の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施の形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素(各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む)の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。 The disclosure of Patent Document 1 above is incorporated herein by reference. Within the framework of the full disclosure of the present invention (including the scope of claims), modifications and adjustments of the embodiments and examples are possible based on the basic technical concept thereof. Also, various combinations and selections of various disclosure elements (including each element of each claim, each element of each embodiment, each element of each drawing, etc.) are possible within the scope of the claims of the present invention. . That is, the present invention naturally includes various variations and modifications that can be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including claims and technical ideas.

10、20 えい航式ソーナー
11、11A、21、21A 目標
12、12A、22 指向性イメージ
13、23 えい航式ソーナー深度
14 目標深度
15 観測方位
16 実際の方位
24 捜索対象深度
25 方位
26 距離
101 送信制御装置
102 送信音源
103 受信処理装置
104 えい航式ソーナー
105 表示装置
110 コンピュータ装置
111 プロセッサ
112 記憶装置
113 プログラム
114 インタフェース
106A、106B 深度センサ
1031 受信データ
1032 整相処理部
1033 信号処理部
1034 方位・距離補正部
10, 20 towed sonar 11, 11A, 21, 21A targets 12, 12A, 22 directional images 13, 23 towed sonar depth 14 target depth 15 observation azimuth 16 actual azimuth 24 search target depth 25 azimuth 26 range 101 transmission control Device 102 Transmission sound source 103 Reception processing device 104 Towed sonar 105 Display device 110 Computer device 111 Processor 112 Storage device 113 Program 114 Interfaces 106A and 106B Depth sensor 1031 Received data 1032 Phase adjustment processing unit 1033 Signal processing unit 1034 Azimuth/distance correction unit

Claims (9)

複数の受信素子で構成されるラインアレイの深度方向の傾きを検出する手段を備え、さらに、
前記ラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離に対して、前記ラインアレイの深度方向の傾きによって生じる誤差を補正する方位・距離補正手段を備えたソーナーシステム。
comprising means for detecting a tilt in the depth direction of a line array composed of a plurality of receiving elements; and
A sonar system comprising azimuth/distance correcting means for correcting an error caused by tilt of the line array in the depth direction with respect to the target azimuth and distance specified by the data received from the line array.
前記ラインアレイがえい航式ソーナーのラインアレイであり、
前記目標の捜索対象深度を入力する手段を備え、
前記方位・距離補正手段は、前記ラインアレイからの受信データによって特定される前記目標の方位及び距離に対して、予め設定入力された前記捜索対象深度を用いて、前記えい航式ソーナーの音響中心位置の深度と前記目標の深度との差によって生じる誤差を、補正する、請求項1記載のソーナーシステム。
wherein the line array is a towed sonar line array;
comprising means for inputting a search target depth of said target;
The azimuth/distance correction means calculates the acoustic center position of the towed sonar using the search target depth set and input in advance with respect to the azimuth and distance of the target specified by the received data from the line array. 2. The sonar system of claim 1, wherein the sonar system of claim 1 corrects for errors caused by differences between the depth of the target and the depth of the target.
前記えい航式ソーナーに互いに離間した少なくとも2つの深度センサを備え、
前記方位・距離補正手段は、
前記深度センサで検出された深度情報から深度方向の傾きであるアレイピッチ角を算出し、
前記捜索対象深度と前記アレイピッチ角を用いて、前記ラインアレイからの受信データによって特定される前記目標の方位及び距離から、前記えい航式ソーナーの音響中心位置を原点とした前記目標の位置の3次元座標を求め、
前記3次元座標から2次元座標に投影した方位及び距離を出力する、請求項2記載のソーナーシステム。
comprising at least two depth sensors spaced apart from each other on the towed sonar;
The azimuth/distance correction means is
calculating an array pitch angle, which is a tilt in the depth direction, from the depth information detected by the depth sensor;
Using the search target depth and the array pitch angle, the azimuth and distance of the target specified by the data received from the line array are used to determine three possible positions of the target with the acoustic center of the towed sonar as the origin. find the dimensional coordinates,
3. The sonar system of claim 2, outputting bearing and distance projected from said three-dimensional coordinates to two-dimensional coordinates.
複数の受信素子で構成されるラインアレイの深度方向の傾きを検出し、
前記ラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離に対して、前記えい航式ソーナーの深度方向の傾きによって生じる誤差を補正する、目標方位・距離補正方法。
Detecting the tilt in the depth direction of a line array composed of multiple receiving elements,
A target azimuth/distance correcting method for correcting an error caused by tilt in the depth direction of the towed sonar with respect to the target azimuth and distance specified by the data received from the line array.
前記ラインアレイがえい航式ソーナーのラインアレイであり、
前記目標の捜索対象深度の設定値を入力し、
前記ラインアレイからの受信データによって特定される前記目標の方位及び距離に対して、前記えい航式ソーナーの音響中心位置の深度と前記目標の深度との差によって生じる誤差を、予め設定入力された前記捜索対象深度を用いて、補正する、請求項4記載の目標方位・距離補正方法。
wherein the line array is a towed sonar line array;
inputting a set value for the target search depth;
An error caused by a difference between the depth of the acoustic center position of the towed sonar and the depth of the target is preset and input with respect to the azimuth and distance of the target specified by the data received from the line array. 5. The target azimuth/distance correction method according to claim 4, wherein correction is performed using a search target depth.
前記えい航式ソーナーに互いに離間した少なくとも2つの深度センサを同一高さに取り付け、
前記深度センサで検出された深度情報から深度方向の傾きであるアレイピッチ角を算出し、
前記捜索対象深度と前記アレイピッチ角を用いて、前記ラインアレイからの受信データによって特定される前記目標の方位及び距離から、前記えい航式ソーナーの音響中心位置を原点とした前記目標の位置の3次元座標を求め、
前記3次元座標から2次元座標に投影した方位及び距離を目標の位置として出力する、請求項5記載の目標方位・距離補正方法。
mounting at least two spaced apart depth sensors at the same height on the towed sonar;
calculating an array pitch angle, which is a tilt in the depth direction, from the depth information detected by the depth sensor;
Using the search target depth and the array pitch angle, the azimuth and distance of the target specified by the data received from the line array are used to determine three possible positions of the target with the acoustic center of the towed sonar as the origin. find the dimensional coordinates,
6. The target azimuth/distance correction method according to claim 5, wherein the azimuth and distance projected from the three-dimensional coordinates onto the two-dimensional coordinates are output as the target position.
ソーナーシステムのコンピュータに、
複数の受信素子で構成されるラインアレイの深度方向の傾きを検出する処理と、
前記ラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離に対して、前記ラインアレイの深度方向の傾きによって生じる誤差を補正する補正処理と、
を実行させるプログラム。
on the sonar system computer,
a process of detecting a tilt in the depth direction of a line array composed of a plurality of receiving elements;
Correction processing for correcting an error caused by the tilt of the line array in the depth direction with respect to the target azimuth and distance specified by the data received from the line array;
program to run.
前記ラインアレイがえい航式ソーナーのラインアレイであり、
前記補正処理は、前記ラインアレイからの受信データによって特定される前記目標の方位及び距離に対して、前記えい航式ソーナーの音響中心位置の深度と前記目標の深度との差によって生じる誤差を、予め設定入力された前記目標の捜索対象深度を用いて、補正する、請求項7記載のプログラム。
wherein the line array is a towed sonar line array;
In the correction process, an error caused by a difference between the depth of the acoustic center position of the towed sonar and the depth of the target is corrected in advance with respect to the azimuth and distance of the target specified by the data received from the line array. 8. The program according to claim 7, wherein correction is performed using the set and input target search depth.
前記補正処理は、前記えい航式ソーナーに互いに離間して取り付けられた少なくとも2つの深度センサで検出された深度情報から深度方向の傾きであるアレイピッチ角と、前記捜索対象深度を用いて、前記ラインアレイからの受信データによって特定される前記目標の方位及び距離から、前記えい航式ソーナーの音響中心位置を原点とした前記目標の位置の3次元座標を求め、
前記3次元座標から2次元座標に投影した方位及び距離を目標の位置として出力する、請求項8記載のプログラム。
The correction process uses the array pitch angle, which is the inclination in the depth direction, from depth information detected by at least two depth sensors attached to the towed sonar with a space from each other, and the depth of the search target, to determine the line Obtaining three-dimensional coordinates of the position of the target with the acoustic center position of the towed sonar as the origin from the azimuth and distance of the target specified by the data received from the array;
9. The program according to claim 8, wherein the azimuth and distance projected from the three-dimensional coordinates to the two-dimensional coordinates are output as the target position.
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