JP2782180B2 - 海底堆積層における音速測定方法 - Google Patents
海底堆積層における音速測定方法Info
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- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、海洋の音波伝搬特性を
計算する音波伝搬シミュレーション方法に関して、入力
の環境条件である海底堆積層における音速分布を推定す
る方法に関するものである。
計算する音波伝搬シミュレーション方法に関して、入力
の環境条件である海底堆積層における音速分布を推定す
る方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、次のような文献に記載されるものがあった。 文献１；Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ、８２
（３）、１９８７、Acoustical Society of America 、
（米）、S.D.Rajan 他著、「Perturbative inversion m
ethods for obtaining bottom geoacoustic parameters
in shallow water 」、Ｐ．９９８−１０１７ 文献２；日本音響学会平成６年度秋季講演論文集、１９
９４年、太田 和彦、森下 到、石渡 恒夫、尾崎 俊
二著、「摂動による海底堆積層の音速分布〜ＳＶＤ法と
Regularization法との比較〜」、Ｐ．１２２５−１２５
６ 海洋中の音波は海水中での屈折や、海面・海底での反射
を繰り返し、遠方まで伝搬する。特に、水深の浅い海洋
（以下、浅海域と呼ぶ）では海面・海底で反射を繰り返
す音波が支配的となり、この音場を正確に把握するため
には海底反射損失に影響を及ぼす海底堆積層の音速を把
握することが不可欠である。海底反射損失は従来、音源
からパルスを放射して、時間的に分離した海底反射波の
レベルを測定することによって推定されていた。しかし
ながら浅海域においては海底反射波を時間的に分離する
ことが困難なため、前記文献に記載された連続波を用い
た別の推定方法がRajan らによって提案された。これ
は、海底反射損失を直接測る方法ではなく、水平方向の
音波伝搬特性からハンケル変換を用いてノーマルモード
固有値（以下、モード固有値と呼ぶ）を測定し、このモ
ード固有値と仮定した音速分布（初期値）より理論計算
されたモード固有値との差から、逆問題解法を用いて、
海底反射損失の計算に必要な海底堆積層中の音速を推定
する方法である。水温、水深等の媒質特性が水平方向に
変化しない環境（以下、成層媒質と呼ぶ）での音波伝搬
特性は次のハンケル変換対で与えられる。
例えば、次のような文献に記載されるものがあった。 文献１；Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ、８２
（３）、１９８７、Acoustical Society of America 、
（米）、S.D.Rajan 他著、「Perturbative inversion m
ethods for obtaining bottom geoacoustic parameters
in shallow water 」、Ｐ．９９８−１０１７ 文献２；日本音響学会平成６年度秋季講演論文集、１９
９４年、太田 和彦、森下 到、石渡 恒夫、尾崎 俊
二著、「摂動による海底堆積層の音速分布〜ＳＶＤ法と
Regularization法との比較〜」、Ｐ．１２２５−１２５
６ 海洋中の音波は海水中での屈折や、海面・海底での反射
を繰り返し、遠方まで伝搬する。特に、水深の浅い海洋
（以下、浅海域と呼ぶ）では海面・海底で反射を繰り返
す音波が支配的となり、この音場を正確に把握するため
には海底反射損失に影響を及ぼす海底堆積層の音速を把
握することが不可欠である。海底反射損失は従来、音源
からパルスを放射して、時間的に分離した海底反射波の
レベルを測定することによって推定されていた。しかし
ながら浅海域においては海底反射波を時間的に分離する
ことが困難なため、前記文献に記載された連続波を用い
た別の推定方法がRajan らによって提案された。これ
は、海底反射損失を直接測る方法ではなく、水平方向の
音波伝搬特性からハンケル変換を用いてノーマルモード
固有値（以下、モード固有値と呼ぶ）を測定し、このモ
ード固有値と仮定した音速分布（初期値）より理論計算
されたモード固有値との差から、逆問題解法を用いて、
海底反射損失の計算に必要な海底堆積層中の音速を推定
する方法である。水温、水深等の媒質特性が水平方向に
変化しない環境（以下、成層媒質と呼ぶ）での音波伝搬
特性は次のハンケル変換対で与えられる。
【０００３】
【数２】 ここで、ｒは水平距離、ｋは水平波数、Ｊ0 は０次の第
１種ベッセル関数を表す。今、水平方向の音波伝搬特性
ｐ（ｒ）を測定すると、波数スペクトラムｇ（ｋ）は式
（３）によって計算され、ｇ（ｋ）がピークを持つ水平
波数ｋがモード固有値に対応する。一方、海底堆積層を
含む海洋中の音速・密度等のパラメータが既知であれ
ば、ノーマルモード理論によってモード固有値が計算で
きる。式（２）で計算されるモード固有値とノーマルモ
ード理論によって計算されるモード固有値の差をΔｋm
(1) （m=1,2,…,)とすると、実際の海底堆積層の音速分
布とノーマルモード理論で仮定した音速分布の差Δｃ
（ｚ）は、次式（４）で関係付けられる。
１種ベッセル関数を表す。今、水平方向の音波伝搬特性
ｐ（ｒ）を測定すると、波数スペクトラムｇ（ｋ）は式
（３）によって計算され、ｇ（ｋ）がピークを持つ水平
波数ｋがモード固有値に対応する。一方、海底堆積層を
含む海洋中の音速・密度等のパラメータが既知であれ
ば、ノーマルモード理論によってモード固有値が計算で
きる。式（２）で計算されるモード固有値とノーマルモ
ード理論によって計算されるモード固有値の差をΔｋm
(1) （m=1,2,…,)とすると、実際の海底堆積層の音速分
布とノーマルモード理論で仮定した音速分布の差Δｃ
（ｚ）は、次式（４）で関係付けられる。
【０００４】
【数３】 ここで、ｚは深度、ｚB 、Δｚは、それぞれ音速が未知
である海底堆積層の上端深度、層厚、ｃ0 （ｚ）はノー
マルモード理論で仮定した音速分布、Ａ（ｚ）は媒質の
密度、波数、モード固有値、深度関数（固有関数）等に
よって決定される量である。Δｋm (1) は、既知である
から、ｚを離散値として式（４）を行列で置き換え、前
記文献１に記載された正則化法、前記文献２に記載され
た確率論的逆解法等の逆問題解法を用いることにより、
音速が未知である層におけるΔｃ（ｚ）を求めることが
できる。図２は、従来の海底堆積層における音速推定方
法を実施するための音速推定装置の機能ブロック図であ
る。以下、図２を参照しつつ、従来の海底堆積層におけ
る音速推定方法の説明をする。
である海底堆積層の上端深度、層厚、ｃ0 （ｚ）はノー
マルモード理論で仮定した音速分布、Ａ（ｚ）は媒質の
密度、波数、モード固有値、深度関数（固有関数）等に
よって決定される量である。Δｋm (1) は、既知である
から、ｚを離散値として式（４）を行列で置き換え、前
記文献１に記載された正則化法、前記文献２に記載され
た確率論的逆解法等の逆問題解法を用いることにより、
音速が未知である層におけるΔｃ（ｚ）を求めることが
できる。図２は、従来の海底堆積層における音速推定方
法を実施するための音速推定装置の機能ブロック図であ
る。以下、図２を参照しつつ、従来の海底堆積層におけ
る音速推定方法の説明をする。
【０００５】伝搬特性測定装置１中の送波器より一定の
周波数の音波を出力する。受波器によりその音波を受波
して、受波信号が得られる。受波信号の高速フーリエ変
換処理（以下、ＦＦＴと呼ぶ：Fast Fourier Transfor
m) を行って、単一の周波数成分の時系列信号を抽出す
る。送波器（又は受波器）は、移動しながら音波を送波
（又は受波）し、合成開口技術を用いて、抽出された時
系列信号を音波伝搬特性に変換する。ここで得られた音
波伝搬特性は、ハンケル変換処理部２に送られ、式
（３）で記述されるハンケル変換を行って波数スペクト
ラムｇ（ｋ）を計算して、ピーク検出処理部３に送る。
ピーク検出処理部３により、波数スペクトラムｇ（ｋ）
のピーク波数を検出して、該ピーク波数をモード固有値
として逆問題解法処理部７に送る。一方、環境測定装置
４では、送波器、受波器の置かれた海域における水温、
水深等のデータを測定する。これらのデータは環境設定
部５に送られて、環境条件の一部としてノーマルモード
計算処理部６に送られる。環境設定部５では、海底堆積
層における音速、密度、減衰係数も設定する。これらの
データは測定が困難であり、過去の測定データが用いら
れることが多い。ノーマルモード計算処理部６では、ノ
ーマルモード理論に基づいて、入力された環境に応じて
モード固有値を計算して、逆問題解法処理部７に送る。
逆問題解法処理部７では、ピーク検出処理部３とノーマ
ルモード計算処理部６からそれぞれ入力される両者のモ
ード固有値の差Δｋm (1) から式（４）の積分方程式を
解いて音速分布の差Δｃ（ｚ）を計算して環境設定部５
に音速分布を出力する。
周波数の音波を出力する。受波器によりその音波を受波
して、受波信号が得られる。受波信号の高速フーリエ変
換処理（以下、ＦＦＴと呼ぶ：Fast Fourier Transfor
m) を行って、単一の周波数成分の時系列信号を抽出す
る。送波器（又は受波器）は、移動しながら音波を送波
（又は受波）し、合成開口技術を用いて、抽出された時
系列信号を音波伝搬特性に変換する。ここで得られた音
波伝搬特性は、ハンケル変換処理部２に送られ、式
（３）で記述されるハンケル変換を行って波数スペクト
ラムｇ（ｋ）を計算して、ピーク検出処理部３に送る。
ピーク検出処理部３により、波数スペクトラムｇ（ｋ）
のピーク波数を検出して、該ピーク波数をモード固有値
として逆問題解法処理部７に送る。一方、環境測定装置
４では、送波器、受波器の置かれた海域における水温、
水深等のデータを測定する。これらのデータは環境設定
部５に送られて、環境条件の一部としてノーマルモード
計算処理部６に送られる。環境設定部５では、海底堆積
層における音速、密度、減衰係数も設定する。これらの
データは測定が困難であり、過去の測定データが用いら
れることが多い。ノーマルモード計算処理部６では、ノ
ーマルモード理論に基づいて、入力された環境に応じて
モード固有値を計算して、逆問題解法処理部７に送る。
逆問題解法処理部７では、ピーク検出処理部３とノーマ
ルモード計算処理部６からそれぞれ入力される両者のモ
ード固有値の差Δｋm (1) から式（４）の積分方程式を
解いて音速分布の差Δｃ（ｚ）を計算して環境設定部５
に音速分布を出力する。
【０００６】環境設定部５は逆問題解法処理部７から入
力された音速補正値Δｃ（ｚ）に応じて海底堆積層にお
ける音速分布を補正した後、補正値がある一定値以内で
あれば、処理を終了して音速分布を出力する。その他の
場合は、再びノーマルモード計算処理部６に補正した音
速分布を送り、音速分布を初期値としてモード固有値を
計算して処理を繰り返す。式（４）を解くためには、海
底堆積層の層厚Δｚが既知である必要がある。この層厚
Δｚを推定するためにサブボトムプロファイラが用いら
れる。図３は、サブボトムプロファイラにより海底堆積
層を横切る伝搬時間を求める原理図である。ここでは、
簡単のために２層の海底を考える。図３中のＸ印は受波
器の位置を示している。海底境界からの反射波の伝搬時
間Ｔ1 （＝ｔ1 ＋ｔ4 ）と堆積層１と堆積層２の境界か
らの反射波の伝搬時間Ｔ2 （＝ｔ1 ＋ｔ2 ＋ｔ3 ＋
ｔ4 ）が観測される。ｔ2 ＝ｔ3 と仮定するとｔ2 （＝
ｔ3 ）は、 ｔ2 ＝（Ｔ2 −Ｔ1 ）／２ ・・・（５） により求められる。ここで堆積層１の音速をｃB と仮定
すると層厚Δｚは Δｚ＝ｃB ・ｔ2 ・・・（６） となる。逆問題解法として、確率論的逆解法、正則化法
などの逆問題解法を用いる場合、音速分布が深度方向に
滑らかに変化するという拘束条件で相関行列を設定する
が、層の境界で滑らかに変化しないことが多いため、層
の境界にまたがる相関成分を０とおくことにより精度の
高い推定が期待できる。
力された音速補正値Δｃ（ｚ）に応じて海底堆積層にお
ける音速分布を補正した後、補正値がある一定値以内で
あれば、処理を終了して音速分布を出力する。その他の
場合は、再びノーマルモード計算処理部６に補正した音
速分布を送り、音速分布を初期値としてモード固有値を
計算して処理を繰り返す。式（４）を解くためには、海
底堆積層の層厚Δｚが既知である必要がある。この層厚
Δｚを推定するためにサブボトムプロファイラが用いら
れる。図３は、サブボトムプロファイラにより海底堆積
層を横切る伝搬時間を求める原理図である。ここでは、
簡単のために２層の海底を考える。図３中のＸ印は受波
器の位置を示している。海底境界からの反射波の伝搬時
間Ｔ1 （＝ｔ1 ＋ｔ4 ）と堆積層１と堆積層２の境界か
らの反射波の伝搬時間Ｔ2 （＝ｔ1 ＋ｔ2 ＋ｔ3 ＋
ｔ4 ）が観測される。ｔ2 ＝ｔ3 と仮定するとｔ2 （＝
ｔ3 ）は、 ｔ2 ＝（Ｔ2 −Ｔ1 ）／２ ・・・（５） により求められる。ここで堆積層１の音速をｃB と仮定
すると層厚Δｚは Δｚ＝ｃB ・ｔ2 ・・・（６） となる。逆問題解法として、確率論的逆解法、正則化法
などの逆問題解法を用いる場合、音速分布が深度方向に
滑らかに変化するという拘束条件で相関行列を設定する
が、層の境界で滑らかに変化しないことが多いため、層
の境界にまたがる相関成分を０とおくことにより精度の
高い推定が期待できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
海底堆積層における音速推定方法においては、次のよう
な課題があった。サブボトムプロファイラによる層厚の
推定に海底堆積層の音速の仮定値ｃB を用いて逆問題解
法を行っていたため、音速の仮定値が実際と異なる場合
に層厚も実際と異なる。そのために、堆積層の境界の深
度が正確に求められなくなり音速の推定精度が劣化して
しまうという問題点があった。
海底堆積層における音速推定方法においては、次のよう
な課題があった。サブボトムプロファイラによる層厚の
推定に海底堆積層の音速の仮定値ｃB を用いて逆問題解
法を行っていたため、音速の仮定値が実際と異なる場合
に層厚も実際と異なる。そのために、堆積層の境界の深
度が正確に求められなくなり音速の推定精度が劣化して
しまうという問題点があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】第１の発明の海底堆積層
における音速の推定方法は、前記課題を解決するため
に、音源からの受波信号をフーリエ変換して水平方向の
音波伝搬特性を算出する音波伝搬特性算出処理と、前記
音波伝搬特性をハンケル変換した波数スペクトラムに基
づいて、第１のノーマルモード固有値を算出する第１の
ノーマルモード固有値算出処理と、仮定した音速分布か
らノーマルモード理論を用いた計算によって第２のノー
マルモード固有値を算出する第２のノーマルモード固有
値算出処理とを実行する。そして、前記海底堆積層の上
端からある深度まで伝搬する音波の伝搬時間ｔ2をΔｔ
i （ｉ＝１〜Ｎ，Ｎ≧２）の刻み時間の間隔でＮ個の区
間に分割して、補正前の音速分布と前記刻み時間Δｔi
から、前記区間に対応するＮ個の深度サンプル点ｚ
i （ｉ＝１〜Ｎ）を求める深度サンプル点算出処理と、
前記第１と第２のノーマルモード固有値の差Δｋm (1)
と前記深度サンプル点ｚi における係数Ａ（ｚi ）と前
記刻み時間Δｔi との間の関係式（７）から、逆問題解
法によって前記深度サンプル点ｚi における音速の補正
値Δｃ（ｚi ）を算出して、前記深度サンプル点ｚi の
音速を補正する音速・層厚補正処理とを実行する。
における音速の推定方法は、前記課題を解決するため
に、音源からの受波信号をフーリエ変換して水平方向の
音波伝搬特性を算出する音波伝搬特性算出処理と、前記
音波伝搬特性をハンケル変換した波数スペクトラムに基
づいて、第１のノーマルモード固有値を算出する第１の
ノーマルモード固有値算出処理と、仮定した音速分布か
らノーマルモード理論を用いた計算によって第２のノー
マルモード固有値を算出する第２のノーマルモード固有
値算出処理とを実行する。そして、前記海底堆積層の上
端からある深度まで伝搬する音波の伝搬時間ｔ2をΔｔ
i （ｉ＝１〜Ｎ，Ｎ≧２）の刻み時間の間隔でＮ個の区
間に分割して、補正前の音速分布と前記刻み時間Δｔi
から、前記区間に対応するＮ個の深度サンプル点ｚ
i （ｉ＝１〜Ｎ）を求める深度サンプル点算出処理と、
前記第１と第２のノーマルモード固有値の差Δｋm (1)
と前記深度サンプル点ｚi における係数Ａ（ｚi ）と前
記刻み時間Δｔi との間の関係式（７）から、逆問題解
法によって前記深度サンプル点ｚi における音速の補正
値Δｃ（ｚi ）を算出して、前記深度サンプル点ｚi の
音速を補正する音速・層厚補正処理とを実行する。
【数４】
【０００９】
【作用】第１の発明によれば、以上のように海底堆積層
における音速測定方法を構成したので、伝搬時間ｔ2 を
Δｔi の刻み時間の間隔でＮ個の区間に分割して、補正
前の音速分布と刻み時間Δｔi から深度サンプル点ｚi
を求める。例えば、海底堆積層の上端の深度をｚ0 とす
ると、ｚ1 ＝ｚ0 ＋ｃ（ｚ0 ）・Δｔ1 となり、以下帰
納的に求まる。式（４）をｄｚ＝ｃ0 （ｚ）・ｄｔとす
ると、式（７）のような離散系に変換される。そこで、
式（７）にしたがって、逆問題解法によって音速の補正
値Δｃ（ｚi ）を求める。サンプル深度での音速の補正
値Δｃ（ｚi ）により、サンプル深度が補正され、サン
プル深度ｚN と海底堆積層の上端の深度ｚo との差は層
厚となり、層厚も同時に補正される。従って、前記課題
を解決できるのである。
における音速測定方法を構成したので、伝搬時間ｔ2 を
Δｔi の刻み時間の間隔でＮ個の区間に分割して、補正
前の音速分布と刻み時間Δｔi から深度サンプル点ｚi
を求める。例えば、海底堆積層の上端の深度をｚ0 とす
ると、ｚ1 ＝ｚ0 ＋ｃ（ｚ0 ）・Δｔ1 となり、以下帰
納的に求まる。式（４）をｄｚ＝ｃ0 （ｚ）・ｄｔとす
ると、式（７）のような離散系に変換される。そこで、
式（７）にしたがって、逆問題解法によって音速の補正
値Δｃ（ｚi ）を求める。サンプル深度での音速の補正
値Δｃ（ｚi ）により、サンプル深度が補正され、サン
プル深度ｚN と海底堆積層の上端の深度ｚo との差は層
厚となり、層厚も同時に補正される。従って、前記課題
を解決できるのである。
【００１０】
【実施例】図１は、本発明の実施例の海底堆積層におけ
る音速推定方法を実施するための音速推定装置の機能ブ
ロック図である。本実施例の音速測定方法が従来の音速
推定方法と異なる点は、サブボトムプロファイラによる
層厚の代わりに、海底堆積層を横切る音波の伝搬時間ｔ
2 によって逆問題解法を行うことにより、音速分布と層
厚を同時に補正するようにしたことである。図１に示す
ように、本実施例の音速測定装置は、伝搬特性測定装置
１１、ハンケル変換処理部１２、ピーク検出処理部１
３、環境測定装置１４、環境設定部１５、ノーマルモー
ド計算処理部１６、音速・層厚補正部１７により構成さ
れている。伝搬特性推定装置１１は、水中における送波
器、受波器、ＦＦＴを行う信号処理部を有している。送
波器、受波器のどちらか一方を固定、他方を移動可能と
している。ハンケル変換処理部１２は、伝搬特性推定装
置１１より音波伝搬特性を入力して、ハンケル変換して
波数スペクトラムを求める。ピーク検出処理部１３は、
ハンケル変換処理部１２より波数スペクトラムを入力し
て、第１のノーマルモード固有値としてのピーク波数を
出力する。環境測定装置１４は、送波器、受波器の置か
れた海域における水温、水深などのデータを測定する。
環境設定部１５は、環境測定装置１４より水温、水深な
どのデータを入力し、音速・層厚補正部１７より音速の
補正値を入力する。ノーマルモード計算処理部１６は、
環境測定設定部１５より海底堆積層における音速、密
度、減衰係数、補正した音速を入力して、ノーマルモー
ド理論を用いて第２のノーマルモード固有値を出力す
る。音速・層厚補正処理部１７は、ピーク検出処理部１
３よりモード固有値、ノーマルモード計算処理部１６よ
り初期値として仮定した音速分布とモード固有値が入力
され、図示しないサブボトムプロファイラにより求めら
れた海底堆積層を横切る伝搬時間ｔ2 が入力される。以
下、図１を参照しつつ、本実施例の海底堆積層における
音速測定方法の説明をする。
る音速推定方法を実施するための音速推定装置の機能ブ
ロック図である。本実施例の音速測定方法が従来の音速
推定方法と異なる点は、サブボトムプロファイラによる
層厚の代わりに、海底堆積層を横切る音波の伝搬時間ｔ
2 によって逆問題解法を行うことにより、音速分布と層
厚を同時に補正するようにしたことである。図１に示す
ように、本実施例の音速測定装置は、伝搬特性測定装置
１１、ハンケル変換処理部１２、ピーク検出処理部１
３、環境測定装置１４、環境設定部１５、ノーマルモー
ド計算処理部１６、音速・層厚補正部１７により構成さ
れている。伝搬特性推定装置１１は、水中における送波
器、受波器、ＦＦＴを行う信号処理部を有している。送
波器、受波器のどちらか一方を固定、他方を移動可能と
している。ハンケル変換処理部１２は、伝搬特性推定装
置１１より音波伝搬特性を入力して、ハンケル変換して
波数スペクトラムを求める。ピーク検出処理部１３は、
ハンケル変換処理部１２より波数スペクトラムを入力し
て、第１のノーマルモード固有値としてのピーク波数を
出力する。環境測定装置１４は、送波器、受波器の置か
れた海域における水温、水深などのデータを測定する。
環境設定部１５は、環境測定装置１４より水温、水深な
どのデータを入力し、音速・層厚補正部１７より音速の
補正値を入力する。ノーマルモード計算処理部１６は、
環境測定設定部１５より海底堆積層における音速、密
度、減衰係数、補正した音速を入力して、ノーマルモー
ド理論を用いて第２のノーマルモード固有値を出力す
る。音速・層厚補正処理部１７は、ピーク検出処理部１
３よりモード固有値、ノーマルモード計算処理部１６よ
り初期値として仮定した音速分布とモード固有値が入力
され、図示しないサブボトムプロファイラにより求めら
れた海底堆積層を横切る伝搬時間ｔ2 が入力される。以
下、図１を参照しつつ、本実施例の海底堆積層における
音速測定方法の説明をする。
【００１１】［音波伝搬特性算出処理］伝搬特性測定装
置１１中の送波器により、一定の角周波数で音波が出力
されて、該音波が受波器により受波される。受波器によ
り受波された受波信号が信号処理部によりＦＦＴ処理さ
れて、単一周波数成分の時系列信号が抽出される。送波
器（又は受波器）は移動しながら音波を送波（又は受
波）し、合成開口技術を用いて、抽出された時系列信号
を音場の距離特性である音波伝搬特性に変換する。ここ
で得られた音波伝搬特性は、ハンケル変換処理部１２に
送られる。 ［ハンケル変換処理］ハンケル変換処理部１２により、
式（３）にしたがって音波伝搬特性をハンケル変換して
波数空間のスペクトラムを計算して、ピーク検出処理部
１３に送る。 ［第１のノーマルモード固有値算出処理］ピーク検出処
理部１３により、波数空間をピークの波数を検出し、こ
のピークを第１のモード固有値として音速・層厚補正処
理部１７に送る。 ［環境測定］一方、環境測定装置１４により、送波器、
受波器の置かれた海域における水温、水深等のデータが
測定されて、これらのデータが環境設定部１５に送られ
て、一部のデータは環境条件の一部としてノーマルモー
ド計算処理部１６に送られる。 ［環境設定処理］環境設定部１５により、水温、水深等
のデータから海底堆積層における音速、密度、減衰係数
を設定して、ノーマルモード計算処理部１６に送られ
る。また、後述する音速・層厚補正部１７より求められ
る音速補正値Δｃ（ｚ）から音速を補正して、補正した
音速をノーマルモード計算処理部１６に送る。 ［第２のノーマルモード固有値算出処理］ノーマルモー
ド計算処理部１６により、入力された環境条件及び仮定
した音速値に応じてノーマルモード理論によって第２の
ノーマルモード固有値を計算して、音速・層厚補正部１
７に送る。
置１１中の送波器により、一定の角周波数で音波が出力
されて、該音波が受波器により受波される。受波器によ
り受波された受波信号が信号処理部によりＦＦＴ処理さ
れて、単一周波数成分の時系列信号が抽出される。送波
器（又は受波器）は移動しながら音波を送波（又は受
波）し、合成開口技術を用いて、抽出された時系列信号
を音場の距離特性である音波伝搬特性に変換する。ここ
で得られた音波伝搬特性は、ハンケル変換処理部１２に
送られる。 ［ハンケル変換処理］ハンケル変換処理部１２により、
式（３）にしたがって音波伝搬特性をハンケル変換して
波数空間のスペクトラムを計算して、ピーク検出処理部
１３に送る。 ［第１のノーマルモード固有値算出処理］ピーク検出処
理部１３により、波数空間をピークの波数を検出し、こ
のピークを第１のモード固有値として音速・層厚補正処
理部１７に送る。 ［環境測定］一方、環境測定装置１４により、送波器、
受波器の置かれた海域における水温、水深等のデータが
測定されて、これらのデータが環境設定部１５に送られ
て、一部のデータは環境条件の一部としてノーマルモー
ド計算処理部１６に送られる。 ［環境設定処理］環境設定部１５により、水温、水深等
のデータから海底堆積層における音速、密度、減衰係数
を設定して、ノーマルモード計算処理部１６に送られ
る。また、後述する音速・層厚補正部１７より求められ
る音速補正値Δｃ（ｚ）から音速を補正して、補正した
音速をノーマルモード計算処理部１６に送る。 ［第２のノーマルモード固有値算出処理］ノーマルモー
ド計算処理部１６により、入力された環境条件及び仮定
した音速値に応じてノーマルモード理論によって第２の
ノーマルモード固有値を計算して、音速・層厚補正部１
７に送る。
【００１２】深さ方向の変位量ｄｚは ｄｚ＝ｃ（ｚ）・ｄｔ≒ｃ0 （ｚ）・ｄｔ ・・・（８） となる。積分方程式（３）を式（８）の関係を用いて、
式（９）のように変形する。
式（９）のように変形する。
【数５】 となる。ここで、ｚB は時刻ｔ1 、ｚB ＋Δｚは時刻ｔ
1 ＋ｔ2 に対応する。式（９）を逆問題解法によって解
くことにより、音速が未知である層におけるΔｃ（ｔ）
を求めることができる。Δｃ（ｔ）は時刻ｔの関数とな
るので、音速と同時に深度（層厚）も補正されることに
なり、深度（層厚）の誤差は音速の誤差に依存するた
め、音速が真値に近づくことにより、逆問題解法として
確率的逆解法や正則化法を用いた場合に、各層の境界に
またがる相関係数を０として層の境界で急激に音速が変
化する場合にも精度の良い推定が期待できる。図４は、
音速・層厚補正部１７の処理内容を示すフローチャート
である。以下、図４を参照しつつ、以下、音速・層厚補
正処理を詳述する。
1 ＋ｔ2 に対応する。式（９）を逆問題解法によって解
くことにより、音速が未知である層におけるΔｃ（ｔ）
を求めることができる。Δｃ（ｔ）は時刻ｔの関数とな
るので、音速と同時に深度（層厚）も補正されることに
なり、深度（層厚）の誤差は音速の誤差に依存するた
め、音速が真値に近づくことにより、逆問題解法として
確率的逆解法や正則化法を用いた場合に、各層の境界に
またがる相関係数を０として層の境界で急激に音速が変
化する場合にも精度の良い推定が期待できる。図４は、
音速・層厚補正部１７の処理内容を示すフローチャート
である。以下、図４を参照しつつ、以下、音速・層厚補
正処理を詳述する。
【００１３】［深度サンプル点算出処理］ステップＳ１
において、サブボトムプロファイラによって計測された
堆積層１における伝搬時間ｔ2 が音速・層厚補正部１７
に入力される。ステップＳ２において、送波器より送波
された音波の周波数ｆより時間刻みｄｔを決定する。式
（９）中のＡ（ｔ）には、鉛直方向に進行するモード波
の深度関数の２乗の項が含まれるので、時間刻みｄｔ
は、サンプリングの定理により１／（４ｆ）よりも小さ
い値が望ましい。ステップＳ３において、ステップＳ２
で決定された時間刻みｄｔより各サンプル時刻ｔi （ｉ
＝１〜Ｎ）における深度サンプル点ｚi （i=0,1,…,N;
ｔ2 ＝Ｎ・ｄｔ）を以下にして計算する。最初に海底の
深度ｚ0 における仮定した音速値ｃ0 （ｚ0 ）から時間
刻みｄｔだけ進む深度をｚ1 （＝ｚ0 ＋ｃ0 （ｚ0 ）・
ｄｔ）とする。以下、ｚi-1 が計算されれば、仮定した
音速値ｃ0 （ｚi-1 ）から、ｚi （＝ｚi-1 ＋ｃ0 （ｚ
i- 1 ）・ｄｔ）が計算できる。このを深度ｚi （ｉ＝１
〜Ｎ）を順次求めてゆく。深度ｚN は、堆積層１と堆積
層２の境界の深度の推定値である。仮定する音速値ｃ0
（ｚi-1 ）は、最初、ノーマルモード計算部１６で使用
する初期値が使用されるが、以降、前回の処理でステッ
プＳ５において推定された音速値が使用されるため、サ
ンプル深度ｚi は処理が進むにつれて正確な値を取るよ
うになる。
において、サブボトムプロファイラによって計測された
堆積層１における伝搬時間ｔ2 が音速・層厚補正部１７
に入力される。ステップＳ２において、送波器より送波
された音波の周波数ｆより時間刻みｄｔを決定する。式
（９）中のＡ（ｔ）には、鉛直方向に進行するモード波
の深度関数の２乗の項が含まれるので、時間刻みｄｔ
は、サンプリングの定理により１／（４ｆ）よりも小さ
い値が望ましい。ステップＳ３において、ステップＳ２
で決定された時間刻みｄｔより各サンプル時刻ｔi （ｉ
＝１〜Ｎ）における深度サンプル点ｚi （i=0,1,…,N;
ｔ2 ＝Ｎ・ｄｔ）を以下にして計算する。最初に海底の
深度ｚ0 における仮定した音速値ｃ0 （ｚ0 ）から時間
刻みｄｔだけ進む深度をｚ1 （＝ｚ0 ＋ｃ0 （ｚ0 ）・
ｄｔ）とする。以下、ｚi-1 が計算されれば、仮定した
音速値ｃ0 （ｚi-1 ）から、ｚi （＝ｚi-1 ＋ｃ0 （ｚ
i- 1 ）・ｄｔ）が計算できる。このを深度ｚi （ｉ＝１
〜Ｎ）を順次求めてゆく。深度ｚN は、堆積層１と堆積
層２の境界の深度の推定値である。仮定する音速値ｃ0
（ｚi-1 ）は、最初、ノーマルモード計算部１６で使用
する初期値が使用されるが、以降、前回の処理でステッ
プＳ５において推定された音速値が使用されるため、サ
ンプル深度ｚi は処理が進むにつれて正確な値を取るよ
うになる。
【００１４】［音速補正処理］ステップＳ４において、
海底堆積層の密度、波数、モード固有値、深度関数等か
ら、深度サンプル点ｚi における係数Ａ（ｚi ）を計算
する。式（６）は離散系では次式（１０）となる。
海底堆積層の密度、波数、モード固有値、深度関数等か
ら、深度サンプル点ｚi における係数Ａ（ｚi ）を計算
する。式（６）は離散系では次式（１０）となる。
【数６】 ステップＳ５において、式（１０）を逆問題解法によ
り、Δｃ（ｔi ）を求めて、深度ｚi における音速ｃ
（ｚi ）＝ｃ0 （ｚi ）＋Δｃ（ｔi ）（ｉ＝１〜Ｎ）
を推定する。ステップＳ６において、式（１０）の逆問
題解法により得られた全てのΔｃ（ｔi ）（＝Δｃ（ｚ
i ））（ｉ＝１〜Ｎ）がある微少な値ε以下であるかを
判別して、ε以下であれば、収束したものと判定して処
理を終える。それ以外の場合には、ステップＳ７に進
む。ステップＳ７において、ｃ0 （ｚi ）にｃ（ｚi ）
を代入してステップＳ３に戻る。
り、Δｃ（ｔi ）を求めて、深度ｚi における音速ｃ
（ｚi ）＝ｃ0 （ｚi ）＋Δｃ（ｔi ）（ｉ＝１〜Ｎ）
を推定する。ステップＳ６において、式（１０）の逆問
題解法により得られた全てのΔｃ（ｔi ）（＝Δｃ（ｚ
i ））（ｉ＝１〜Ｎ）がある微少な値ε以下であるかを
判別して、ε以下であれば、収束したものと判定して処
理を終える。それ以外の場合には、ステップＳ７に進
む。ステップＳ７において、ｃ0 （ｚi ）にｃ（ｚi ）
を代入してステップＳ３に戻る。
【００１５】以上説明したように、本実施例によれば、
音速の補正に伴って深度サンプル点と層厚の補正を同時
に行いながら逆問題解法を行うため、層厚を推定でき
る。そのため、音速が真値に近づいてゆくにつれて深度
サンプル点と層厚も真値に近付づいてゆくので、音速分
布が大きく変化する層境界を正確に把握することがで
き、逆問題解法として確率論的逆解法、正則化法等を用
いる場合に相関行列における層境界にまたがる相関成分
を０とする場合に、精度の良い音速分布（層厚）の推定
ができるという利点がある。なお、本発明は、上記実施
例に限定されず種々の変形が可能である。その変形例と
しては、例えば次のようなものがある。 （１） 音速分布の推定の収束は、層厚（ｚN −ｚ0 ）
の補正値がある微少な値ε１以下の時としてもよい。あ
るいは、サンプル深度ｚi （ｉ＝１〜Ｎ）の補正値があ
る微少な値ε２以下の時としてもよい。さらに、音速分
布の補正値Δｃ（ｚｉ）の２乗の和（ｉ＝１〜Ｎ）が微
少な値以下の時としてもよい。 （２） 刻み時間ｄｔを可変Δｔｉ（ｉ＝１〜Ｎ）にし
てもよい。
音速の補正に伴って深度サンプル点と層厚の補正を同時
に行いながら逆問題解法を行うため、層厚を推定でき
る。そのため、音速が真値に近づいてゆくにつれて深度
サンプル点と層厚も真値に近付づいてゆくので、音速分
布が大きく変化する層境界を正確に把握することがで
き、逆問題解法として確率論的逆解法、正則化法等を用
いる場合に相関行列における層境界にまたがる相関成分
を０とする場合に、精度の良い音速分布（層厚）の推定
ができるという利点がある。なお、本発明は、上記実施
例に限定されず種々の変形が可能である。その変形例と
しては、例えば次のようなものがある。 （１） 音速分布の推定の収束は、層厚（ｚN −ｚ0 ）
の補正値がある微少な値ε１以下の時としてもよい。あ
るいは、サンプル深度ｚi （ｉ＝１〜Ｎ）の補正値があ
る微少な値ε２以下の時としてもよい。さらに、音速分
布の補正値Δｃ（ｚｉ）の２乗の和（ｉ＝１〜Ｎ）が微
少な値以下の時としてもよい。 （２） 刻み時間ｄｔを可変Δｔｉ（ｉ＝１〜Ｎ）にし
てもよい。
【００１６】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１〜第２
の発明によれば、深度サンプル点の補正と層厚の補正を
同時に行いながら逆問題解法を行うため、逆問題解法と
して確率的逆解法、正則化法などを用いる場合は相関行
列における層境界にまたがる相関成分を０とする場合
に、音速が真値に近づいてゆくにつれて深度サンプル点
と層厚も真値に近付いてゆき、精度のよい音速分布の推
定ができる。
の発明によれば、深度サンプル点の補正と層厚の補正を
同時に行いながら逆問題解法を行うため、逆問題解法と
して確率的逆解法、正則化法などを用いる場合は相関行
列における層境界にまたがる相関成分を０とする場合
に、音速が真値に近づいてゆくにつれて深度サンプル点
と層厚も真値に近付いてゆき、精度のよい音速分布の推
定ができる。
【図１】本発明の実施例の海底堆積層における音速推定
方法を実施するための音速推定装置の機能ブロック図で
ある。
方法を実施するための音速推定装置の機能ブロック図で
ある。
【図２】従来の音速推定装置の機能ブロック図である。
【図３】サブボトムプロファイラの原理図である。
【図４】音速・層厚補正部の処理内容を示すフローチャ
ートである。
ートである。
１１ 伝搬特性測定装置 １２ ハンケル変換処理部 １３ ピーク検出処理部 １４ 環境測定装置 １５ 環境設定部 １６ ノーマルモード計算処理部 １７ 音速・層厚補正部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森下 到 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電 気工業株式会社内 (72)発明者 尾崎 俊二 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電 気工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平９−325183（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−13984（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−111928（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01S 3/80 - 3/86 G01S 5/18 - 5/30 G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96 G01H 5/00
Claims (2)
- 【請求項１】 音源からの受波信号をフーリエ変換して
水平方向の音波伝搬特性を算出する音波伝搬特性算出処
理と、 前記音波伝搬特性をハンケル変換した波数スペクトラム
に基づいて、第１のノーマルモード固有値を算出する第
１のノーマルモード固有値算出処理と、 仮定した音速分布からノーマルモード理論を用いた計算
によって第２のノーマルモード固有値を算出する第２の
ノーマルモード固有値算出処理と、 前記海底堆積層の上端からある深度まで伝搬する音波の
伝搬時間ｔ2 をΔｔi（ｉ＝１〜Ｎ，Ｎ≧２）の刻み時
間の間隔でＮ個の区間に分割して、補正前の音速分布と
前記刻み時間Δｔi から、前記区間に対応するＮ個の深
度サンプル点ｚi （ｉ＝１〜Ｎ）を求める深度サンプル
点算出処理と、 前記第１と第２のノーマルモード固有値の差Δｋm (1)
と前記深度サンプル点ｚi における係数Ａ（ｚi ）と前
記刻み時間Δｔi との間の関係式（１）から、逆問題解
法によって前記深度サンプル点ｚi における音速の補正
値Δｃ（ｚi ）を算出して、前記深度サンプル点ｚi の
音速を補正する音速補正処理とを、 実行することを特徴とする海底堆積層における音速測定
方法。 【数１】 - 【請求項２】 前記音速の全ての補正値Δｃ（ｚi ）
（i=1,2,…N ）、又は前記全ての深度サンプル点ｚ
i （i=1,2,…N ）の補正値、又は層厚の補正値（前記深
度サンプル点ｚN の補正値）が所定の値に収束するま
で、前記深度サンプル点算出処理と前記音速補正処理と
を繰り返して実行することを特徴とする請求項１記載の
海底堆積層における音速測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8081085A JP2782180B2 (ja) | 1996-04-03 | 1996-04-03 | 海底堆積層における音速測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8081085A JP2782180B2 (ja) | 1996-04-03 | 1996-04-03 | 海底堆積層における音速測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09274081A JPH09274081A (ja) | 1997-10-21 |
| JP2782180B2 true JP2782180B2 (ja) | 1998-07-30 |
Family
ID=13736559
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8081085A Expired - Lifetime JP2782180B2 (ja) | 1996-04-03 | 1996-04-03 | 海底堆積層における音速測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2782180B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102508247A (zh) * | 2011-10-20 | 2012-06-20 | 哈尔滨工程大学 | 基于射线声学的三维倾斜海底参数快速测量方法 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008076294A (ja) * | 2006-09-22 | 2008-04-03 | Ihi Corp | 水底下探査方法及び装置 |
| CN108107437B (zh) * | 2017-09-28 | 2021-05-28 | 哈尔滨工程大学 | 一种利用简正波耦合干涉的海洋环境监测方法 |
| KR102278281B1 (ko) * | 2020-03-30 | 2021-07-16 | 엘아이지넥스원 주식회사 | 어뢰 음향기만장치 및 제어방법 |
| CN112964231B (zh) * | 2021-02-03 | 2022-02-22 | 广东海洋大学 | 一种基于声速扰动模态匹配的海洋混合层深度获取方法 |
| CN116519799B (zh) * | 2023-07-03 | 2024-01-09 | 自然资源部第一海洋研究所 | 宽频域海底沉积物取样测量声速值校正方法、装置和介质 |
| CN117249894B (zh) * | 2023-11-16 | 2024-04-05 | 自然资源部第一海洋研究所 | 一种水下远场声传播在海底透射厚度的诊断方法 |
-
1996
- 1996-04-03 JP JP8081085A patent/JP2782180B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102508247A (zh) * | 2011-10-20 | 2012-06-20 | 哈尔滨工程大学 | 基于射线声学的三维倾斜海底参数快速测量方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09274081A (ja) | 1997-10-21 |
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