JP2867019B2 - モード固有値計測方法 - Google Patents
モード固有値計測方法Info
- Publication number
- JP2867019B2 JP2867019B2 JP8218288A JP21828896A JP2867019B2 JP 2867019 B2 JP2867019 B2 JP 2867019B2 JP 8218288 A JP8218288 A JP 8218288A JP 21828896 A JP21828896 A JP 21828896A JP 2867019 B2 JP2867019 B2 JP 2867019B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wave number
- estimated value
- mode eigenvalue
- difference
- initial estimated
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
ある海底堆積層における音速分布を推定するために必要
な、ノーマルモード固有値を計測するモード固有値計測
方法に関するものである。
・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(以降、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であるため、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(J.A
coust.Soc.Am.,82(3),1987,
S.D.Rajan,et al.,“Perturb
ative inversion methods f
or obtaining bottom geoac
oustic parameters inshall
ow water”,p998−1017,以下文献1
という)。
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(以降、
モード固有値と呼ぶ)を測定し、このモード固有値から
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(成層媒質と呼
ぶ)での音波伝搬特性は次の式(1),(2)によるハ
ンケル変換対で与えられる。
0 は0次の第1種ベッセル関数を表わす。いま、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(2)によって計算され、g(k) がピーク
を持つ水平波数k(k=2π/λ、ここでλは波長であ
り音波の伝搬速度を周波数で除算した商として得られ
る)が、モード固有値に対応する。文献1の方法はこの
値を用いて海底堆積層の音速分布の推定を行う。音波伝
搬特性p(r) からモード固有値を求める方法については
合成開口レーダ等で使用されている合成開口技術が用い
られている。
順序を示す図であり、図において1は伝搬特性測定装
置、2は離散フーリエ変換処理部、3はハンケル変換処
理部、5はピーク検出処理部である。図7の動作を説明
する。伝搬特性測定装置1は水中における送波器、受波
器を有し、送波器、受波器のどちらか一方を固定し、他
方を等速直線運動にて移動可能とする。受波器にて受波
された受波信号p(r,t) は、離散フーリエ変換処理部2
に送られて次の式(3)に示すフーリエ変換を行って角
周波数ωの音場の距離特性p(r,ω)を抽出する。
なるため、同時刻における受波信号となるように位相を
補正する。この位相補正が終えると、ハンケル変換処理
部3に送られて、次の式(4)で記述されるハンケル変
換を行って波数スペクトラムp(k,ω)を計算する。
はピーク検出処理部5に送られて、波数kのピークを検
出し、このピークを持つ波数kがモード固有値として出
力される。以上が従来のモード固有値測定装置の処理順
序の概要である。なお式(3)は便宜上連続系で記述し
ているが、実際の処理においては離散フーリエ変換を行
う。
うな従来のモード固有値計測方法では、ハンケル変換の
結果をそのまま用いてモード固有値を推定しているた
め、測定距離によって分解能が制限されてしまい、周波
数が高い場合や水深の深い海域ではモード固有値の推定
に必要な分解能を得るために大きな測定距離が必要とな
り、成層媒質の環境を保持するのが困難となるという問
題があった。
値計測方法は、水中の送受波器で収集された時系列の受
波信号からフーリエ変換及びハンケル変換によってノー
マルモード固有値を求めるモード固有値計測方法におい
て、前記ハンケル変換によって得られる波数スペクトラ
ムに対して、前記波数スペクトラムに比例する、補間に
よってサンプルデータを増やした初期推定値を与え、次
に前記ハンケル変換の窓関数の感度特性を算出し、次に
前記初期推定値と前記感度特性の畳み込み演算を行い、
次に前記ハンケル変換によって得られる波数スペクトラ
ムと前記畳み込み演算の結果との差から前記初期推定値
を補正し、次に前記初期推定値と前記補正した初期値推
定値との差がある所定の値以下であるかを判別し、前記
差が所定の値以下でない場合には、前記補正した初期推
定値により上記処理を繰り返し、前記差が所定の値以下
に収束する波数スペクトラムを推定し、次に前記収束し
た波数スペクトラムのピークを持つ波数を検出し、該ピ
ークを持つ波数をモード固有値として計測するものであ
る。
された時系列の受波信号からフーリエ変換及びハンケル
変換によってノーマルモード固有値を求めるモード固有
値計測方法において、ハンケル変換処理部とピーク検出
処理部との間に設けられた高分解能処理部は、前記ハン
ケル変換によって得られる波数スペクトラムに対して、
前記波数スペクトラムに比例する、補間によってサンプ
ルデータを増やした初期推定値を与え、次に前記ハンケ
ル変換の窓関数の感度特性を算出し、次に前記初期推定
値と前記感度特性の畳み込み演算を行い、次に前記ハン
ケル変換によって得られる波数スペクトラムと前記畳み
込み演算の結果との差から前記初期推定値を補正し、次
に前記初期値推定値と前記補正した初期推定値との差が
ある所定の値以下であるかを判別し、前記差が所定の値
以下でない場合には、前記補正した初期推定値により上
記処理を繰り返し、前記差が所定の値以下に収束する波
数スペクトラムを推定し、ピーク検出処理部は、高分解
能処理部が推定した前記収束した波数スペクトラムのピ
ークを持つ波数を検出し、該ピークを持つ波数をモード
固有値として計測するようにしたので、音源と雑音のレ
ベルや海洋の環境条件等から測定距離が十分とれない場
合でも、前記補正した初期推定値を用いての繰り返し演
算によって高分解能の波数スペクトラムが推定でき、従
来の方法ではモードの分解が困難となるような測定距離
においてもモード固有値の推定が可能となった。
変換の結果をそのまま用いてモード固有値を得るのでは
なく、ハンケル変換の結果に高分解能処理を行い、この
処理の結果得られる高分解能の波数スペクトラムに基づ
きモード固有値を得るようにしている。本発明の実施形
態について述べる前に、本発明の処理の概要について説
明する。図2〜図6は本発明の処理概要を説明する図
(A)〜(E)である。図においては、連続的な曲線で
記述してあるが、実際の処理は水平距離(図の横軸)を
細かく区切った離散的な点ri (i=1,2,…,I)
における曲線上の点を用いて行われる。なお図2の
(c)と、図3の(a)、図4の(a)及び図5の
(a)とは同一の波形であり、図2の(a)及び(b)
と図6の(a)及び(b)も同一波形である。またこれ
らの同一波形は、各図における処理工程の説明におい
て、同一図面内で他の波形と並置して説明するのが理解
しやすいと考え、重複して記載した。
高分解能の波数スペクトラム、(b)は実際の測定距離
範囲にて得られる波数スペクトラムを示す。図2の
(b)は測定距離範囲が小さいため、同図の(a)で2
つ見えているピークは(b)では分解能の不足により1
つになっている。このとき図2の波数スペクトラム
(b)は、同図の波数スペクトラム(a)に、図3の
(b)、図4の(b)、図5の(b)等で示される感度
特性が畳み込まれた形になる。これらの感度特性は、実
際の測定において用いるハンケル変換の窓関数をハンケ
ル変換することにより計算できる。次に、実際の測定距
離範囲にて得られる波数スペクトラム(図2の(b))
に対して、図3、4、5の(b)等で示される感度特性
を仮定して、求めたいもとの波数スペクトラム(図2の
(a))の推定を行う方法を以下の手順により示す。
初期推定値を図2の(c)のように仮定し、これが正し
いと仮定して前記ハンケル変換の窓関数の感度特性を算
出し、次に前記初期推定値と前記感度特性の畳み込み演
算を行い、実際の測定距離範囲にて得られる波数スペク
トラムを図2の(d)のように計算する。ここで前記波
数スペクトラムの初期推定値(図2の(c))は、一般
に図2の(b)で得られた波数スペクトラムに比例し、
補間によってサンプルデータを増やした波数スペクトラ
ムを初期推定値として用いる。即ち、求めたい波数スペ
クトラムは、実際の測定距離範囲にて得られる波数スペ
クトラムよりも高い分解能が期待されるため、初期推定
値を生成する際、補間によってサンプルデータを増やす
処理が必要となる。いま、波数ksj(j=1,…,J)
について波数スペクトラムF0,sjが得られたとき、波数
ki (i=1,…,I;I>J)に対する波数スペクト
ラムF0,iは、ksj<ki <ksj+1が成り立つとき、線
形補間を演算する次の(5)式によって求められる。
(c)と(d)の差を図2の(e)のように計算し、こ
の差をΔとする。 ステップ3.求めたい波数スペクトラムの初期推定値
(図3の(a)、図2の(c)と同一波形)と距離r1
にて得られるパターン(図3の(b))とを加算し、そ
の加算値(図3の(c))のうちでしきい値Tを越える
部分を補正値(図3の(d))として取り出す。このと
き距離r1 についての補正値C1iは次の式(6)にて計
算する。
は図3の(a)に示す波数スペクトルの初期推定値、R
1 は図3の(b)に示す距離r1 における感度特性、D
1iはFの値を補正するか否かのフラグを表す。また距離
rn についての補正値Cniも同様に以下の式(7)にて
計算できる。
(c),(d)に、n=3の場合の波形は図5の
(b),(c),(d)にそれぞれ示される。 ステップ4.各距離サンプルrn について個別に得られ
た補正値Cniの平均値をとることにより全体としての補
正量を決定することができる。距離サンプルri につい
ては次の式(8)で表される。
の初期推定値を図6の(c)に示す。 ステップ5.ステップ1で図2の(c)のように仮定し
た波数スペクトラムの初期推定値と、図6の(c)に示
される前記補正した初期推定値との差が予め設定された
所定値以下であるか否かを判別し、前記差が所定値以下
でない場合は、図6の(c)に示される補正された初期
推定値を用いて再びステップ2以下の処理を繰り返す。
このように初期推定値と補正した初期推定値との差が所
定値以下に収束するまで前記補正を繰り返すこにより、
高分解能の波数スペクトラム(図2の(a))を推定し
て、モード固有値の推定が可能となる。
の処理順序を示す図であり、図において、1は水中に固
定された送波器(又は受波器)、水中を等速直線運動に
て移動する受波器(又は送波器)で構成される伝搬特性
測定装置、2は時系列の受波信号を逐次入力して送波信
号における等時間(等距離)間隔の時系列信号(音場)
を出力する離散フーリエ変換処理部、3は等距離間隔の
音場を入力して波数スペクトラムを出力するハンケル変
換処理部、4はハンケル変換処理部3の出力信号を用い
て高分解能の波数スペクトラムを推定する高分解能処理
部、5は高分解能の波数スペクトラムを入力してピーク
を持つ波数(即ちモード固有値)を出力するピーク検出
処理部である。
定装置1の動作は従来と同様である。受波器にて受波さ
れた受波信号は、離散フーリエ変換処理部2に送られ
る。離散フーリエ変換処理部2では離散フーリエ変換を
行って所定の周波数成分(送波器から送波された音波の
周波数に対する周波数成分)の等時間間隔の時系列信号
が抽出され、合成開口技術を用いて音場の距離特性に変
換される。このとき受波器(または送波器)の移動速度
が一定であれば距離特性は等距離間隔のデータとなる。
離散フーリエ変換部2で得られた音場の距離特性はハン
ケル変換処理部3へ送られる。ハンケル変換処理部3で
は等距離間隔の音場の距離特性をハンケル変換して波数
空間のスペクトラムが計算されて、高分解能処理部4に
送られる。高分解能処理部4では入力された波数空間の
スペクトラムから上記の処理概要で述べたステップ1〜
5の各処理の繰り返し処置により、さらに高分解能の波
数スペクトラムを推定してピーク検出処理部5に送る。
ピーク検出処理部では入力される高分解能の波数スペク
トラムのピークを持つ波数k(k=2π/λ、ここでλ
は波長)を検出し、このピークを持つ波数kをピークモ
ード固有値として出力する。以上が本発明に係るモード
固有値測定装置の動作原理である。
受波器で収集された時系列の受波信号からフーリエ変換
及びハンケル変換によってノーマルモード固有値を求め
るモード固有値計測方法において、ハンケル変換処理部
とピーク検出処理部との間に設けられた高分解能処理部
は、前記ハンケル変換によって得られる波数スペクトラ
ムに対して、前記波数スペクトラムに比例する、補間に
よってサンプルデータを増やした初期推定値を与え、次
に前記ハンケル変換の窓関数の感度特性を算出し、次に
前記初期推定値と前記感度特性の畳み込み演算を行い、
次に前記ハンケル変換によって得られる波数スペクトラ
ムと前記畳み込み演算の結果との差から前記初期推定値
を補正し、次に前記初期推定値と前記補正した初期値推
定値との差がある所定の値以下であるかを判別し、前記
差が所定の値以下でない場合には、前記補正した初期推
定値により上記処理を繰り返し、前記差が所定の値以下
に収束する波数スペクトラムを推定し、ピーク検出処理
部は、高分解能処理部が推定した前記収束した波数スペ
クトラムのピークを持つ波数を検出し、該ピークを持つ
波数をモード固有値として計測するようにしたので、音
源と雑音のレベルや海洋の環境条件等から測定距離が十
分とれない場合でも、前記補正した初期推定値を用いて
の繰り返し演算によって高分解能の波数スペクトラムが
推定でき、従来の方法ではモードの分解が困難となるよ
うな測定距離においてもモード固有値の推定が可能とな
る効果が得られる。
を示す図である。
図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 水中の送受波器で収集された時系列の受
波信号からフーリエ変換及びハンケル変換によってノー
マルモード固有値を求めるモード固有値計測方法におい
て、 前記ハンケル変換によって得られる波数スペクトラムに
対して、前記波数スペクトラムに比例する、補間によっ
てサンプルデータを増やした初期推定値を与え、 次に前記ハンケル変換の窓関数の感度特性を算出し、 次に前記初期推定値と前記感度特性の畳み込み演算を行
い、 次に前記ハンケル変換によって得られる波数スペクトラ
ムと前記畳み込み演算の結果との差から前記初期推定値
を補正し、 次に前記初期推定値と前記補正した初期推定値との差が
ある所定の値以下であるかを判別し、前記差が所定の値
以下でない場合には、前記補正した初期推定値により上
記処理を繰り返し、前記差が所定の値以下に収束する波
数スペクトラムを推定し、 次に前記収束した波数スペクトラムのピークを持つ波数
を検出し、該ピークを持つ波数をモード固有値として計
測することを特徴とするモード固有値計測方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8218288A JP2867019B2 (ja) | 1996-08-20 | 1996-08-20 | モード固有値計測方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8218288A JP2867019B2 (ja) | 1996-08-20 | 1996-08-20 | モード固有値計測方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1062537A JPH1062537A (ja) | 1998-03-06 |
JP2867019B2 true JP2867019B2 (ja) | 1999-03-08 |
Family
ID=16717495
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8218288A Expired - Lifetime JP2867019B2 (ja) | 1996-08-20 | 1996-08-20 | モード固有値計測方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2867019B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108020811B (zh) * | 2017-12-06 | 2021-02-19 | 吉林大学 | 基于目标源相移差分技术的1维均匀线性阵列测向方法 |
-
1996
- 1996-08-20 JP JP8218288A patent/JP2867019B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH1062537A (ja) | 1998-03-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2798682C (en) | Method and device for estimating an inter-node distance between nodes arranged along towed acoustic linear antennas | |
US5357484A (en) | Method and apparatus for locating an acoustic source | |
KR100195576B1 (ko) | 이동 물체 속도 측정 장치 | |
Ballard et al. | Geoacoustic inversion for the New Jersey shelf: 3-D sediment model | |
Ballard et al. | Estimates of the temporal and spatial variability of ocean sound speed on the New Jersey shelf | |
JP3468845B2 (ja) | 海洋等の測深方法 | |
EP2903530A1 (en) | Shear wave attenuation from k-space analysis system | |
Zhang et al. | Inversion of the sound speed with radiated noise of an autonomous underwater vehicle in shallow water waveguides | |
RU2655478C1 (ru) | Способ измерения частотной зависимости коэффициента отражения звука от поверхности | |
US8437222B2 (en) | System and method of range estimation | |
US7363177B2 (en) | Apparatus and method for performing the time delay estimation of signals propagating through an environment | |
Carrière et al. | Sequential Bayesian geoacoustic inversion for mobile and compact source-receiver configuration | |
JP2867019B2 (ja) | モード固有値計測方法 | |
CN110108797B (zh) | 利用声阻抗变化信息的介质分界面超声检测方法 | |
JP3007914B2 (ja) | モード固有値計測方法 | |
JP2782180B2 (ja) | 海底堆積層における音速測定方法 | |
CN115061197A (zh) | 二维海面鬼波水体成像测量方法、系统、终端及测流设备 | |
JP2789030B2 (ja) | モード固有値計測方法 | |
Boltryk et al. | An ultrasonic transducer array for velocity measurement in underwater vehicles | |
Prior et al. | Modeling acoustical pressure and particle acceleration close to marine seismic airguns and airgun arrays | |
US11493627B2 (en) | Method, module and system for determining a velocity profile of sound waves in a water column | |
Tan et al. | Recursive Bayesian synthetic aperture geoacoustic inversion in the presence of motion dynamics | |
JP2965245B2 (ja) | モード固有値測定方法 | |
CN111551639B (zh) | 一种土壤弹性波色散曲线的测量方法 | |
US6711094B1 (en) | Method and apparatus for active sonar detection enhancement |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |