JP2541959B2 - 発音物体の方位測定装置 - Google Patents

発音物体の方位測定装置

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JP2541959B2 JP62017105A JP1710587A JP2541959B2 JP 2541959 B2 JP2541959 B2 JP 2541959B2 JP 62017105 A JP62017105 A JP 62017105A JP 1710587 A JP1710587 A JP 1710587A JP 2541959 B2 JP2541959 B2 JP 2541959B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、移動する船舶等の発音物体から発生する音
波を受信してその発音物体の存在する点の方位を求める
発音物体の方位測定装置に関するものである。
(従来の技術) 一般に船舶等の発音物体からの発生される音波を背景
雑音の中から検出し、その存在を探知するには、雑音と
異なる信号の特徴を検出することにより行なわれる。こ
の信号には、方向性があり、および雑音と異なる周
波数スペクトルを持つ、という2つの特徴があり、この
特徴を利用して種々の方位測定装置が提案されている。
従来、この種の方位測定装置としては、特公昭57−19
389号公報、および土屋明訳、西村実監修「水中音響の
原理」初版(昭54−11−20)共立出版(株)P.52−57に
記載されるものがあった。以下、その構成を図を用いて
説明する。
第2図は従来の発音物体の方位測定装置における待ち
受けビームの型を示した図である。発音物体の方位を測
定するためには、多数の受波器から構成される受波器配
列を用いて位相合成により、第2図のような待ち受けビ
ームQを作り、最大の出力を与えるビームの方向によっ
て発音物体の方位を求める方法の装置が使われている。
この種の装置は前記の信号の特徴を利用した方法を用
いたものである。
第3図は従来の他の発音物体の方位測定装置における
直交するダイポール指向性を示す図である。この図に示
すように、COS指向性X1およびSIN指向性X2からなる2つ
のダイポール指向性を作り、それら各ダイポール指向性
X1,X2から得られる受信信号のレベル比を測定し、さら
に中心にある無指向性受波器の信号を用いることによ
り、音波の到来方向の方位を求める装置が使われてい
る。この種の装置も前記の信号の特徴を利用した方法
を用いている。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、上記構成の装置では、次のような問題
点があった。
前記第2図の方位測定装置において、船舶等の広帯域
雑音を検出し、その方位を求めるためには、受波器配列
を用いれば可能であるが、十分精度の良いビームを作る
ためには、大きな受波器配列が必要になる。このためブ
イや小型船舶等に取付けて発音物体の方位測定を行なう
には適しておらず、さらに装置が大型になるためコスト
高になるという問題点があった。
また第3図の方位測定装置では、前記の信号の特徴
を利用しないと、ビーム幅が広いために十分な信号/雑
音比(以下、S/N比という)がとれず、正確な方位が求
められない。ところが、この方位測定装置では前記の
信号の特徴を利用しているため、船舶等の広帯域雑音を
精度良く検出できる構造にすると、前記の信号の特徴
を利用できなくなる。そのため十分な方位精度が得られ
ないという問題があった。
特に、近年の造船技術の進歩によって船舶等の機械音
が減少し、周波数スペクトルの検出が困難となり、船舶
等の広帯域雑音を検出しなければ、船舶等の方位を求め
ることが難しくなりつつある。
本発明は前記従来技術が持っていた問題点として、装
置の大型化とコスト高の点、広帯域雑音発生源に対する
方位測定の精度が低い点について解決した発音物体の方
位測定装置を提供するものである。
(問題点を解決するための手段) 本発明は、前記問題点を解決するために、発音物体の
方位を電気音響的に測定する方位測定装置において、発
音物体が発生する音波を受信する直交する2つのダイポ
ール指向性受波器と、前記音波を受信する1つの無指向
性受波器と、前記各受波器の出力信号に重み付けをする
重み付け回路と、前記重み付け回路で重み付けされた2
つの直交するダイポール指向性出力信号と1つの無指向
性出力信号とを加算し、各45゜ずつ最大指向性軸の異な
る8つのカーディオイド指向性信号を生成して出力する
加算回路と、演算装置とを、備えている。
ここで、演算装置は、前記加算回路の出力信号に基づ
き、下記の式に従い、最大平均雑音電力Pk(但し、kは
平均雑音電力Pの最大となるカーディオイド指向性信号
の番号であり、角度0゜のときk=0、角度が45゜増す
毎にkが+1増分され、最大値が角度315゜のときk=
7となる)を発生するカーディオイド指向性信号とその
感度軸が±45゜異なるカーディオイド指向性信号の平均
雑音電力Pk+1,Pk-1とを用いて前記雑音物体からの広帯
域雑音の到来方位θを算出するものである。
(作 用) 本発明によれば、以上のように発音物体の方位測定装
置を構成したので、2つのダイポール指向性受波器の出
力信号と1つの無指向性受波器の出力信号とが重み付け
回路を通して加算回路に供給されると、この加算回路は
前記重み付け回路の出力信号を加算することにより、45
゜ずつ指向性最大感度軸の異なる8つのカーディオイド
指向性を生成し、それを演算装置に与える。演算装置
は、8つのカーディオイド指向性のそれぞれの平均雑音
電力を求め、最大平均雑音電力Pkを有する1つのカーデ
ィオイド指向性と、その指向性最大感度軸が±45゜異な
るカーディオイド指向性の平均雑音電力Pk+1,Pk-1とを
用いて、所定の式に従って方位計算を行う。これによ
り、小型で、低コストのハードウエア構成にもかかわら
ず、精度の高い方位測定が行える。従って、前記問題点
を除去できるのである。
(実施例) 第1図は本発明の実施例を示す方位測定装置の要部で
ある受波器及びカーディオイド指向性形成回路の構成ブ
ロック図、第4図はそのカーディオイド指向性を示す図
である。
方位測定装置は受波器、カーディオイド指向性形成回
路、及び演算装置で構成され、そのうち受波器及びカー
ディオイド指向性形成回路が第1図に示されている。第
1図において、1つの無指向性受波器1と、直交する2
つのダイポール指向性受波器であるCOS指向性受波器2
及びSIN指向性受波器3とが設けられている。これらの
各受波器1,2,3は図示しない船舶等の発音物体からの音
波を受信するもので、それらの各出力側がカーディオイ
ド指向性形成回路に接続されている。カーディオイド指
向性形成回路は、3個8組の重み付け回路11〜13,21〜2
3,31〜33,41〜43,51〜53,61〜63,71〜71,81〜83と、8
個の加算回路101〜108とを備えている。各重み付け回路
11〜13,…,81〜83は、図のブロック内に示す数の重みを
有し、受波器1〜3の出力にその数の重みを付けて加算
回路101〜108へ供給する回路である。そのうち各組の重
み付け回路11,21,…,81は無指向性受波器1に、同じく
回路12,22,…,82はCOS指向性受波器2に、回路13,23,
…,83はSIN指向性受波器3にそれぞれ接続されている。
さらにそれら各組の重み付け回路11〜13は加算回路101
に、同じく回路21〜23は加算回路102にそれぞれ接続さ
れている。以下同様に回路31〜33,41〜43,51〜53,61〜6
3,71〜73,81〜83は各加算回路103〜108にそれぞれ接続
されている。各加算回路101〜108は各組の重み付け回路
11〜13,…,81〜83の出力をそれぞれ加算してカーディオ
イド指向性信号01〜08を出力する回路である。
以上の構成において、無指向性受波器1の出力は重み
付け回路11,21,…,81で重み付けされ、加算回路101〜10
8に加えられる。COS指向性受波器2の出力は重み付け回
路12,22,…,82で重み付けられ、加算回路101〜108に加
えられる。SIN指向性受波器3の出力は重み付け回路13,
23,…,83で重み付けられ、加算回路101〜108に加えられ
る。すると、各加算回路101〜108は3入力をそれぞれ加
算して0゜方向に最大感度を持つカーディオイド指向性
信号01〜08を出力する。
このカーディオイド指向性信号01〜08の波形が第4図
に示されている。ここで、各信号01〜08のうち、信号01
は0゜方向に最大感度を持つカーディオイド指向性波
形、信号02は45゜方向に最大感度を持つカーディオイド
指向性波形になる。以下同様に信号03〜08はそれぞれ指
向性最大感度軸が45゜ずつ異なるカーディオイド指向性
波形となる。これら各信号01〜08は図示しない演算装置
へ与えられ、その演算装置で方位の計算が行なわれる。
広帯域雑音発生源の方位は、平均雑音電力が最大とな
る1つのカーディオイド指向性と、その最大感度軸に対
して±45゜だけ最大感度軸の異なる2つのカーディオイ
ド指向性との、3つの平均雑音電力出力を用いて計算す
ることによって得られる。
第5図は方位計算の方法の説明図である。横軸に角度
(θ)、縦軸に電力(P)をとり、角度Δθ=45゜の
時、角度0゜,45゜,…,315゜に対応して番号k=0,1,
…,7を設定する。すなわち、k=0の時最大感度軸は0
゜に向けており、kが1つ増す毎に45゜ずつ加えられ、
k=7のとき最大感度軸は315゜に向いているものとす
る。
平均雑音電力Pと角度θの関係は、次式のように表わ
される。
P=aθ+bθ+c ……(1) 但し、a,b,c;定数 この広帯域雑音の到来方位をθとすると、(1)式
を微分しθとした式は次式のように零となる。
また、平均雑音電力Pの最大となるカーディオイド出
力をk番目とすると、(1)式は次のようになる。
Pk−1=a(k−1)(Δθ) +b(k−1)(Δθ)+c ……(3) Pk=ak2(Δθ)+bk(Δθ)+c ……(4) Pk+1=a(k+1)(Δθ) +b(k+1)(Δθ)+c ……(5) (4)式から(3)式を引き、(5)式から(4)式
を引くと、次の(6)式、(7)式が得られる。
Pk−Pk−1=a(2k−1)(Δθ)+b(Δθ) ……(6) Pk+1−Pk=a(2k−1)(Δθ)+b(Δθ) ……(7) (7)式から(6)式を引くことにより、定数2aに関
する(8)式,(9)式が得られる。
2a(Δθ)=Pk+1−2Pk+Pk−1 ……(8) (9)式を(6)式に代入することにより、定数bに
関する(10)式が得られる。
(9)式及び(10)式を(2)式に代入することによ
り、到来方位θが次式のように得られる。
従って広帯域雑音発生源の正確な方位を測定すること
ができる。
第6図は方位計算を行うための演算装置の構成ブロッ
ク図である。この演算装置は、最大値検出回路201、減
算器202−1,202−2、加算器203−1,203−2、乗数2の
乗算器204、乗数4の乗算器205、割算器206、乗数45゜
の乗算器207−1,207−2を備えている。
第1図のカーディオイド指向性信号01〜08が最大値検
出回路201に与えられると、この最大値検出回路201は最
大平均雑音電力Pk、及びその±45゜の感度軸を持つ平均
雑音電力Pk+1,Pk−1を算出してそれらを出力すると共
に、番号kを出力する。これら各Pk,Pk+1,Pk−1,kは減
算器202−1,202−2,加算器203−1,203−2、乗算器204,
205,207−1,207−2、及び割算器206を使って(11)式
が計算され、到来方位θが出力される。すなわち、最
大平均雑音電力Pkは乗算器205で数値4が掛けられ、減
算器202−2に与えられる。平均雑音電力Pk+1とPk−
1は、加算器203−1で加算され乗算器204で数値2が掛
けられた後に減算器202−2に与えられると共に、減算
器202−1で減算されて割算器206へ与えられる。乗算器
204,205の出力は減算器202−2で減算され、その減算結
果と減算器202−1の出力とが割算器206で割算された
後、乗算器207−1で角度45゜が掛けられて加算器203−
2に与えられる。ここで、最大値検出回路201の番号k
は乗算器207−2で角度45゜が掛けられて加算器203−2
に与えられるため、この加算器203−2により2入力が
加算されて到来方位θ値が出力される。
このような第6図の演算装置と第1図の受波器及びカ
ーディオイド指向性形成回路とで方位測定装置を構成す
れば、装置の小型、軽量化が図れると共に、低コスト化
が可能となる。
なお、本発明は図示の実施例に限定されず、種々の変
形が可能である。例えば、第1図における重み付け回路
11〜13,…,81〜83の重みを図示の数値以外の数値にした
り、あるいは第6図の演算装置において信号01〜08をA/
Dコンバータでディジタル信号に変換した後、その信号
をマイクロコンピュータで処理する等、他の回路で構成
することもできる。
(発明の効果) 以上詳細に説明したように、本発明によれば、2つの
直交するダイポール指向性受波器、1つの無指向性受波
器、簡単な重み付け回路、及び加算回路を用いて8個の
ビームを形成し、演算処理によってそれら8個のビーム
から最大平均雑音電力Pkを有するビームと感度軸が±45
゜の2つのビームとを用いて到来方位θを算出するよ
うにしたので、広帯域雑音の正確な到来方向を求めるこ
とが可能となり、さらに装置の小型化及び低コスト化も
図れる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す受波器及びカーディオイ
ド指向性形成回路の構成ブロック図、第2図は従来の待
ち受けビームの型を示す図、第3図は従来の直交するダ
イポール指向性を示す図、第4図は第1図のカーディオ
イド指向性を示す図、第5図は本発明の実施例を示す方
位計算方法の説明図、第6図は本発明の実施例を示す演
算装置の構成ブロック図である。 1……無指向性受波器、2……COS指向性受波器、3…
…SIN指向性受波器、11〜13,21〜23,31〜33,41〜43,51
〜53,61〜63,71〜73,81〜83……重み付け回路、101〜10
8……加算回路。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】発音物体が発生する音波を受信する直交す
    る2つのダイポール指向性受波器と、前記音波を受信す
    る1つの無指向性受波器と、 前記各受波器の出力信号に重み付けをする重み付け回路
    と、 前記重み付け回路で重み付けされた2つの直交するダイ
    ポール指向性出力信号と1つの無指向性出力信号とを加
    算し、各45゜ずつ最大指向性軸の異なる8つのカーディ
    オイド指向性信号を生成して出力する加算回路と、 前記加算回路の出力信号に基づき、下記の式に従い、最
    大平均雑音電力Pk(但し、kは平均雑音電力Pの最大と
    なるカーディオイド指向性信号の番号であり、角度0゜
    のときk=0、角度が45゜増す毎にkが+1増分され、
    最大値が角度315゜のときk=7となる)を発生するカ
    ーディオイド指向性信号とその感度軸が±45゜異なるカ
    ーディオイド指向性信号の平均雑音電力Pk+1,Pk-1とを
    用いて前記雑音物体から広帯域雑音の到来方位θを算
    出する演算装置とを、 備えたことを特徴とする発音物体の方位測定装置。
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