JP2965245B2 - Mode eigenvalue measurement method - Google Patents

Mode eigenvalue measurement method

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JP2965245B2
JP2965245B2 JP8239125A JP23912596A JP2965245B2 JP 2965245 B2 JP2965245 B2 JP 2965245B2 JP 8239125 A JP8239125 A JP 8239125A JP 23912596 A JP23912596 A JP 23912596A JP 2965245 B2 JP2965245 B2 JP 2965245B2
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mode eigenvalue
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恒夫 石渡
到 森下
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BOEICHO GIJUTSU KENKYU HONBUCHO
Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、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り、海底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
するモード固有値測定方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention is, for example, with respect to wave propagation simulation method of calculating the sound propagation properties of the ocean, a environmental condition of the input, the normal mode eigenvalue necessary to estimate the speed of sound distribution in the seabed sedimentary lamination The method relates to a mode eigenvalue measuring method for measuring the characteristic value.

【0002】[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;J.Acoust.Soc.Am、82(3)、
1987、Acoustical Society of America 、(米)、
S.D.Rajan 他著、「Perturbativeinvesion methods for
obtaining bottom geoacoustic parametersin shallow
water」、P.998−1017 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る連続波を用
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。
2. Description of the Related Art Conventionally, techniques in such a field include:
For example, there is one described in the following literature. Literature; Acoustic. Soc. Am, 82 (3),
1987, Acoustical Society of America, (US),
SDRajan et al., `` Perturbativeinvesion methods for
obtaining bottom geoacoustic parameters in shallow
water ", p. 998-1017 The sound waves in the ocean repeat refraction in the seawater and reflections on the sea surface and the seabed, and propagate to the distant place. In particular, in the shallow ocean (hereinafter referred to as shallow sea area), sound waves that repeatedly reflect on the sea surface and the sea floor are dominant. To accurately grasp this sound field, the seafloor layer that affects the seafloor reflection loss is required. It is essential to know the speed of sound. Conventionally, the seafloor reflection loss has been estimated by emitting a pulse from a sound source and measuring the level of a seafloor reflected wave separated in time. However , in the shallow sea area, it is difficult to temporally separate the seafloor reflected waves, so another estimation method using continuous waves described in the above-mentioned document was proposed by Rajan et al. This is not a method of directly measuring the seafloor return loss, but measuring a normal mode eigenvalue (hereinafter, referred to as a mode eigenvalue) using the Hankel transform from the sound propagation characteristics in the horizontal direction, and assuming the mode eigenvalue as a sound velocity distribution (initial This is a method of estimating the speed of sound in the seabed sedimentary layer necessary for calculation of seafloor reflection loss by using the inverse problem solution method from the difference from the mode eigenvalue calculated from the value e).

【0003】水温、水深等の媒質特性が水平方向に変化
しない環境(これを成層媒質と呼ぶ)での音波伝搬特性
は次のハンケル変換対で与えられる。
A sound wave propagation characteristic in an environment where the medium characteristic such as water temperature and water depth does not change in the horizontal direction ( this is called a stratified medium) is given by the following Hankel transform pair.

【数1】 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
(2)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。前記文献の方法は
この値を用いて海底堆積層の音速分布の推定を行うもの
である。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技術が用いられている。
(Equation 1) Here, r is the horizontal distance, k is the horizontal wave number, and J 0 is the 0th-order Bessel function of the first kind. Now, when measuring the sound wave propagation characteristics p (r) in the horizontal direction, the wave number spectrum g (k) is calculated by equation (2), and the horizontal wave number k at which g (k) has a peak corresponds to the mode eigenvalue. The method of the said document is
This value is used to estimate the sound velocity distribution of the seabed sedimentary layer. As a method for obtaining the mode eigenvalue from the sound wave propagation characteristic p (r) , a synthetic aperture technique is used.

【0004】図2は、従来のモード固有値測定方法を実
施するためのモード固有値測定装置の機能ブロック図で
ある。伝搬特性測定装置1は水中における送波器及び受
波器を有し、該送波器より一定の角周波数ωの音波が出
力される。受波器によりその音波が受波されて、受波信
号p(r,t)が離散フーリエ変換処理部2に送られ
る。受波器を固定、送波器を移動可能として、送波器と
受波器との距離rを変えてゆく。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、次式(3)に示す離散フーリエ変換が行わ
れ、角周波数ωp0の音場の距離特性である音波伝搬特性
p(rn ,ωp0)(n=1,2,…,N)が抽出される。
FIG. 2 is a functional block diagram of a mode eigenvalue measuring apparatus for implementing a conventional mode eigenvalue measuring method. The propagation characteristic measuring device 1 has a transmitter and a receiver underwater, and a sound wave having a constant angular frequency ω is output from the transmitter. The sound wave is received by the receiver, and the received signal p (r, t) is sent to the discrete Fourier transform processing unit 2. The distance r between the transmitter and the receiver is changed while the receiver is fixed and the transmitter is movable. The received signal p (r, t) received by the receiver is sent to the discrete Fourier transform processing unit 2, where the discrete Fourier transform represented by the following equation (3) is performed, and the angular frequency ω p0 is obtained. wave propagation characteristic p is the distance characteristic of the sound field (r n, ω p0) ( n = 1,2, ..., n) are extracted.

【数2】 ここで、ωの添字iiは単一の添字であり、サンプル角周
波数の番号を表す。一般に、ωp0はp(rn ,ωii)が
最大の角周波数ωiiが用いられる。これは、ドップラー
シフト後の受波信号の角周波数に対応し、送波器が等速
直線運動で移動すれば、一定の値となる。ここで得られ
たp(rn ,ωp0)は受波時刻が異なるため、 p(rn ,ω0 )=p(rn ,ωp0)・exp (jω0 n /v) ・・(4) により同時刻における受波信号となるように、即ち同時
に観測した音場と見なせるように位相が補正される。こ
こで、ω0 は送波器から出力された音波の角周波数、v
は送波器の移動速度を表す。
(Equation 2) Here, the subscript ii of ω is a single subscript and represents the number of the sample angular frequency. Generally, omega p0 is p (r n, ω ii) the maximum of the angular frequency omega ii is used. This corresponds to the angular frequency of the received signal after the Doppler shift, and becomes a constant value if the transmitter moves in a uniform linear motion. The obtained p (r n, ω p0) is because the reception time different, p (r n, ω 0 ) = p (r n, ω p0) · exp (jω 0 r n / v) ·· (4) such that the received signal at the same time, i.e. simultaneously
The phase is corrected so that it can be regarded as the sound field observed at the time . Here, ω 0 is the angular frequency of the sound wave output from the transmitter, v
Represents the moving speed of the transmitter.

【0005】そして、位相補正された音波伝搬特性p
(rn ,ω0 )は、ハンケル変換処理部3に送られ、次
式(5)で記述されるハンケル変換が行われて波数スペ
クトラムp(k,ω)が計算される。
[0005] Then, the phase-corrected sound wave Den 搬特 of p
(R n , ω 0 ) is sent to the Hankel transform processing unit 3 and
The Hankel transform described by equation (5) is performed and the wavenumber
The cutrum p (k, ω) is calculated.

【数3】 数スペクトラムp(k,ω)はピーク検出処理部4
に送られて、波数kのピーク検出され、これがモード
固有値として出力される。
(Equation 3) Wavenumber spectrum p (k, ω), the peak detection processing section 4
Is sent to the peak of the wave number k is detected, which is output as the mode eigenvalue.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
モード固有値測定方法では、送波器が移動し、特に移動
速度が大きい場合には、ドップラー効果によって波数が
ずれるため、ハンケル変換して求められた波数のピー
クは、ドップラーシフト後の受波信号に対応するもので
あり、静止した場合のモード固有値とずれるという問題
点があった。
However, in the conventional mode eigenvalue measuring method , the wave number shifts due to the Doppler effect when the transmitter moves, especially when the moving speed is high. The peak of the wave number k corresponds to the received signal after the Doppler shift, and there is a problem that the peak deviates from the mode eigenvalue when stationary.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のうちの第1の発明では、モード固有値測定
方法において、等速直線運動をする送波器から出力され
る一定の周波数の音波を水中に固定された受波器で受波
した受波信号に基づいて、離散フーリエ変換して得られ
た複数の周波数の周波数スペクトラムから各周波数にお
いて周波数スペクトラムが最大となる周波数の周波数ス
ペクトラムを各々算出し、各々同時刻での受波信号とな
るように位相補正を行って音波伝搬特性を算出する音波
伝搬特性算出処理と、前記離散フーリエ変換して得られ
た複数の周波数の周波数スペクトラムの周波数間隔を補
間して、より密な周波数間隔の周波数スペクトラムを求
める補間処理と、前記補間された周波数スペクトラムの
ピーク周波数を検出する第1のピーク検出処理と、前記
検出されたピーク周波数と前記一定の周波数との差によ
る位相差によって、前記算出された音波伝搬特性の位相
補償を行う位相補償処理と、前記位相補償された音波伝
搬特性のハンケル変換をして波数スペクトラムを求める
ハンケル変換処理と、前記求められた波数スペクトラム
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
して出力する第2のピーク検出処理とを、実行してい
る。第2の発明では、モード固有値測定方法において、
等速直線運動をする送波器から出力される一定の周波数
ω 0 の音波を水中に固定された受波器で受波した受波信
号に基づいて、離散フーリエ変換して得られた複数の周
波数の周波数スペクトラムから各周波数において周波数
スペクトラムが最大となる周波数の周波数スペクトラム
を各々算出し、各々同時刻での受波信号となるように位
相補正を行って音波伝搬特性を算出する音波伝搬特性算
出処理と、前記離散フーリエ変換して得られた複数の周
波数の周波数スペクトラムの周波数間隔を補間して、よ
り密な周波数間隔の周波数スペクトラムを求める補間処
理と、前記補間された周波数スペクトラムのピーク周波
ω p を検出する第1のピーク検出処理と、前記算出さ
れた音波伝搬特性のハンケル変換をして波数スペクトラ
ムを求めるハンケル変換処理と、前記求められた波数ス
ペクトラムのピーク波数を検出して該ピーク波数をモー
ド固有値 m ' として推定する第2のピーク検出処理
と、前記一定の周波 数ω 0 、前記検出されたピーク周波
数ω p 、及び前記モード固有値k m ' に基づき、補正値
Δk m =k m ' ・(ω 0 −ω p )/ω p を算出し、該補
正値Δk m により前記ピーク波数を補正して出力するモ
ード固有値補正処理とを、実行している。
According to a first aspect of the present invention, in a method for measuring a mode eigenvalue, a fixed frequency output from a transmitter having a linear motion at a constant velocity is provided. Of the sound waves received by the receiver fixed in the water, to each frequency from the frequency spectrum of multiple frequencies obtained by discrete Fourier transform .
There frequency spectrum is calculated each frequency spectrum of the frequency at which the maximum in the wave propagation characteristic calculation processing for calculating the sound propagation properties by performing phase correction so that each becomes a received signal at the same time, the discrete Fourier transform Interpolating the frequency intervals of the frequency spectra of a plurality of frequencies obtained as a result to obtain a frequency spectrum with a finer frequency interval, and a first peak detection for detecting a peak frequency of the interpolated frequency spectrum Processing, a phase compensation process for performing phase compensation of the calculated sound propagation characteristic by a phase difference caused by a difference between the detected peak frequency and the fixed frequency, and a Hankel transform of the phase-compensated sound propagation characteristic. To obtain the wave number spectrum and the peak wave number of the obtained wave number spectrum. And a second peak detection processing for outputting the peak wavenumber as a mode eigenvalues, running. According to a second aspect, in the mode eigenvalue measuring method,
Constant frequency output from a transmitter with constant linear motion
Based on a received signal of a sound wave of ω 0 received by a receiver fixed in water, a frequency at each frequency is obtained from a frequency spectrum of a plurality of frequencies obtained by discrete Fourier transform.
Frequency spectrum of the frequency where the spectrum is maximum
, Each of which is subjected to phase correction so as to be a received signal at the same time to calculate a sound wave propagation characteristic, and a frequency spectrum of a plurality of frequencies obtained by the discrete Fourier transform. Interpolation processing to obtain a frequency spectrum of a denser frequency interval, a first peak detection processing to detect a peak frequency ω p of the interpolated frequency spectrum, and the calculated sound wave propagation a Hankel transform processing for obtaining the wave number spectrum by the Hankel transform properties, the second peak detection process for estimating the peak wavenumber detects the peak wave number of the obtained wavenumber spectrum as the mode eigenvalue k m ', the constant frequency - omega 0, the detected peak frequency
Number omega p, and based on the mode eigenvalue k m ', the correction value
To calculate the Δk m = k m '· ( ω 0 -ω p) / ω p, 該補
A mode eigenvalue correction process to output by correcting the peak wave number by positive .DELTA.k m, running.

【0008】[0008]

【作用】第1の発明によれば、以上のようにモード固有
値測定方法を構成したので、音波伝搬特性算出処理によ
り求められた複数の周波数の周波数スペクトラムの周波
数間隔が、sinc補間法、ベッセル補間法などによって補
間され、より密な周波数間隔の周波数スペクトラムが求
められる。補間された周波数スペクトラムより、第1の
ピーク検出処理でピーク周波数が検出される。音波伝搬
特性算出処理で算出された音波伝搬特性は、送波器の運
動によるドップラーシフトした周波数に対応するもので
あるので、検出されたピーク周波数と送波器からの音波
の周波数との差による位相差によって、該音波伝搬特性
の位相補償が行われた後、ハンケル変換が行われる。ハ
ンケル変換により得られた波数スペクトラムは、送波器
が静止した状態で音波を一定の周波数で出力したものに
対応し、該波数スペクトラムのピーク波数が第2のピー
ク検出処理で検出され、モード固有値が出力される。第
2の発明によれば、音波伝搬特性算出処理により求めら
れた複数の周波数の周波数スペクトラムが補間され、こ
の補間された周波数スペクトラムのピーク周波数ω p
第1のピーク検出処理で検出される。音波伝搬特性算出
処理で算出された音波伝搬特性は、ハンケル変換されて
波数スペクトラムが求められ、この波数スペクトラムの
ピーク波数が第2のピーク検出処理で検出されてモード
固有値 m ' が推定される。モード固有値補正処理によ
り、前記一定の周波数ω 0 、ピーク周波数ω p 、及びモ
ード固定値k m ' から補正値Δk m が検出され、この補
正値Δk m により前記ピーク波数が補正されて出力され
る。
According to the first aspect of the present invention, since the mode eigenvalue measuring method is configured as described above, the frequency interval of the frequency spectrum of a plurality of frequencies obtained by the sound wave propagation characteristic calculation processing is determined by the sinc interpolation method and the Bessel interpolation method. Interpolation is performed by a method or the like, and a frequency spectrum having a denser frequency interval is obtained. From the interpolated frequency spectrum, a peak frequency is detected in a first peak detection process. Since the sound wave propagation characteristic calculated in the sound wave propagation characteristic calculation process corresponds to the Doppler-shifted frequency due to the motion of the transmitter, the difference between the detected peak frequency and the frequency of the sound wave from the transmitter is calculated. After phase compensation of the sound wave propagation characteristic is performed by the phase difference, Hankel transform is performed. The wave number spectrum obtained by the Hankel transform corresponds to the sound wave output at a constant frequency while the transmitter is stationary, the peak wave number of the wave number spectrum is detected in the second peak detection processing, and the mode eigenvalue Is output. According to the second aspect, the frequency spectra of a plurality of frequencies obtained by the sound wave propagation characteristic calculation processing are interpolated, and the peak frequency ω p of the interpolated frequency spectrum is detected in the first peak detection processing. Wave propagation characteristic calculated by the wave propagation characteristic calculation process, Hankel transform has been wavenumber spectrum is obtained, the peak wave number of the wave number spectrum is detected mode eigenvalue k m 'is estimated by the second peak detection processing . By mode eigenvalue correction processing
The constant frequency ω 0 , the peak frequency ω p , and the
It is detected correction value .DELTA.k m from over de fixed value k m ', the complement
The peak wavenumber is output is corrected by the positive value .DELTA.k m.

【0009】[0009]

【実施例】第1の実施例 図1は、本発明の第1の実施例のモード固有値測定方法
を実施するためのモード固有値測定装置の機能ブロック
図である。本第1の実施例のモード固有値測定方法が従
来のモード固有値測定方法と異なる点は、送波器が移動
した時に波数がドップラー効果によりずれるため、送波
器が静止した状態の音波に対応する音波伝搬特性とする
ために、ドップラーシフトした周波数に対応する音波伝
搬特性p(rn ,ω0 )に対して位相を補償した後、ハ
ンケル変換処理をするようにしたことである。図1に示
すように、本第1の実施例のモード固有値測定装置は、
伝搬特性測定装置11、離散フーリエ変換処理部12、
補間処理部13、ピーク検出処理部14、位相補償装置
15、ハンケル変換処理部16、及びピーク検出処理部
17により構成されている。伝搬特性測定装置11は、
水中における送波器及び受波器を有している。送波器は
等速直線運動し、受波器は固定されている。伝搬特性測
定装置11の出力側には、受波信号を離散フーリエ変換
などをする離散フーリエ変換処理部12が接続されてい
る。離散フーリエ変換処理部12の出力側には、周波数
スペクトラムを補間する補間処理部13が接続されてい
る。補間処理部13の出力側には、補間された周波数ス
ペクトラムからピーク周波数を検出するピーク検出処理
部14が接続されている。離散フーリエ変換処理部12
及びピーク検出処理部14の出力側には、音波伝搬特性
の位相補償をする位相補償装置15が接続されている。
位相補償装置15の出力側には、位相補償された音波伝
搬特性ハンケル変換し波数スペクトラムを算出する
ハンケル変換処理部16が接続され、さらにハンケル
変換処理部16の出力側に、波数スペクトラムのピーク
の波数を算出するピーク検出処理部17が接続されてい
る。以下、図1を参照しつつ、本第1の実施例のモード
固有値測定方法の処理内容(A)〜(F)を明する。
EXAMPLES First Embodiment FIG. 1 is a functional block diagram of a mode eigenvalue measuring apparatus for carrying out the mode eigenvalue measuring method of the first embodiment of the present invention. The difference between the mode eigenvalue measuring method of the first embodiment and the conventional mode eigenvalue measuring method is that the wave number shifts due to the Doppler effect when the transmitter is moved, and thus the mode eigenvalue measurement method corresponds to a sound wave in a state where the transmitter is stationary. to the wave propagation characteristics, after compensating the phase for the wave propagation characteristic p corresponding to a frequency by Doppler shift (r n, ω 0), is that which is adapted to the Hankel transform process. As shown in FIG. 1, the mode eigenvalue measuring apparatus of the first embodiment
Propagation characteristic measuring device 11, discrete Fourier transform processing unit 12,
It comprises an interpolation processing unit 13, a peak detection processing unit 14, a phase compensator 15, a Hankel conversion processing unit 16, and a peak detection processing unit 17. The propagation characteristic measuring device 11
It has a transmitter and receiver in water. The transmitter moves linearly at a constant speed, and the receiver is fixed. The output side of the propagation characteristic measuring device 11 is connected to a discrete Fourier transform processing unit 12 that performs a discrete Fourier transform on the received signal. The output side of the discrete Fourier transform processing unit 12 is connected to an interpolation processing unit 13 for interpolating a frequency spectrum. The output side of the interpolation processing unit 13 is connected to a peak detection processing unit 14 that detects a peak frequency from the interpolated frequency spectrum. Discrete Fourier transform processing unit 12
A phase compensator 15 for phase-compensating the sound wave propagation characteristic is connected to the output side of the peak detection processor 14.
The output side of the phase compensator 15, Hankel transform processing section 16 for calculating a wave number spectrum is connected to Hankel transform the phase compensated wave propagation characteristics, the more the output side of the Hankel transform processing unit 16, a wave number spectrum The peak detection processing unit 17 for calculating the wave number of the peak is connected. Hereinafter, with reference to FIG. 1, the processing content of the mode eigenvalue measuring method according to the first embodiment of the (A) ~ (F) Ru theory Aquiraz.

【0010】(A)音波伝搬特性算出処 伝搬特性測定装置11中の等速直線運動をしている送波
器により、一定の角周波数ω0 で音波が出力される。こ
の音波が受波器により受波されて、時系列の受波信号p
(r,t)が逐次、離散フーリエ変換処理部12に送ら
れる。ここで、rは送波器と受波器の水平距離、tは時
刻である。離散フーリエ変換処理部12では、受波信号
p(r,t)を所定のサンプリング周期でサンプリング
して、式(3)に示す離散フーリエ変換を行、複数の
一定の角周波数ωiiの周波数スペクトラムp(rn ,ω
ii)を得て、該周波数スペクトラムp(rn ,ωii)を
補間処理部13に送る。そして、周波数スペクトラムp
(rn ,ωiiが最大となる角周波数ωp0の周波数スペ
クトラムp(rn ,ωp0)を得た後、式(4)と同様
同時刻における受波信号となるように周波数スペク
トラムp(rn ,ωp0)の位相補を行って音場の距離
特性である音波伝搬特性p(rn ,ω0 )を得て、この
音波伝搬特性p(rn ,ω0 を位相補償装置15に送
る。このようにして、任意の基準時刻と受信時刻との差
に対応する時間の間の送波信号の位相変化分を補正する
ことができる。 (B) 補間処 補間処理部13では、受波信号周波数の精測を行うた
め、離散フーリエ変換処理部12より送られてきた周波
数スペクトラムp(rn ,ωii)(ii=1,2,…,II)か
ら、sinc補間法またはベッセル補間法などを用いて、
波数スペクトラムp(r n ,ω ii )が最大となる角周波
数ωp0の周辺の角周波数のデータを補間し、ピーク検出
処理部14に送る。このような補間処理を行うことによ
り、ピーク検出処理部14でのピーク検出処理の精度を
向上させることができる。 また、この補間法だけでな
く、離散フーリエ変換処理部12に入力される入力デー
タに0データを追加してデータ長を長くし、これを離散
フーリエ変換するという方法で補間を実現することも可
能である。 (C) 第1のピーク検出処 ピーク検出処理部14では、補間された周波数スペクト
ラムをハンケル変換処 理を行う距離区間r n (n=1,2,
…,N)について平均し、周波数のピークωp を算出し
て、位相補償装置15に出力する。
[0010] The (A) wave propagation property calculation processing channel measurement device transmitters that a uniform linear motion of 11, waves are output at a constant angular frequency omega 0. This sound wave is received by the receiver, and a time-series received signal p
(R, t) are sequentially sent to the discrete Fourier transform processing unit 12. Here, r is the horizontal distance between the transmitter and the receiver, and t is the time. In the discrete Fourier transform processing unit 12, by sampling received signals p (r, t) at a predetermined sampling period, have rows discrete Fourier transform shown in equation (3), the frequency of the plurality of constant angular frequency omega ii spectrum p (r n, ω
Newsletter ii), and sends the frequency spectrum p (r n, the omega ii) to the interpolation processing unit 13. And the frequency spectrum p
(R n, omega ii) the frequency spectrum p (r n, omega p0) of the angular frequency omega p0 becomes maximum after obtaining, as for formula (4), the frequency so that the received signal at the same time spectrum p (r n, ω p0) distance of the sound field by performing a phase compensation of
Wave propagation characteristic p (r n, ω 0) is the characteristic to obtain, and sends the wave propagation characteristics p (r n, ω 0) in position phase compensator 15. In this way, the difference between any reference time and the reception time
The phase change of the transmitted signal during the time corresponding to
be able to. (B) In the interpolation processing interpolation processing unit 13, for performing the measurement accuracy of the received signal frequency, the discrete Fourier transform processing unit 12 frequency spectrum p of the sent from (r n, ω ii) ( ii = 1,2 , ..., from II), sinc interpolation Houma other by using a Bessel interpolation method, the circumferential
Wavenumber spectrum p (r n, ω ii) is interpolated data of the angular frequency around the angular frequency omega p0 having the maximum and sends it to the peak detection processing section 14. By performing such interpolation processing,
The accuracy of the peak detection process in the peak detection processing unit 14
Can be improved. Also, this interpolation method alone is not enough.
Input data input to the discrete Fourier transform processing unit 12
Data length by adding 0 data to the
Interpolation can be realized by Fourier transform
Noh. (C) first the peak detection processing peak detection processing section 14, the distance interval r n (n = 1,2 performing Hankel transform processing the interpolated frequency spectrum,
, N) to calculate a frequency peak ω p and output it to the phase compensator 15.

【0011】(D)位相補償処 角周波数ω0 で送波器から出力された音波は、ドップラ
ー効果の影響により角周波数ωp で受波される。モード
固有値は、角周波数に比例して変化する(モード固有値
は、角周波数を音速で割ったもの)ため、送波器及び受
波器が静止している場合のモード固有値km 、送波器
が移動している場合のモード固有値km' との間には、
次の近似式(6)が成り立つ。 Δkm =km −km ' =(ω0 /C0 )・(ω0 −ωp )/ω0 ・・(6) ここで、C0 は送波器の深度における音速である。式
(4)で示される音波伝搬特性p( n ,ω0 )をハン
ケル変換した波数スペクトラムのピーク波数はkm ' な
ので、静止している場合のモード固有値kmを得るため
には、式(5)の波数スペクトラムをΔkm だけ平行移
動した波数スペクトラムであればよい。これは、音波伝
搬特性p(r n ,ω 0 )のデータに対して予め、Δk m
・r n に相当する位相回転を与えておけばよい。式
(6)から、mの値によらずΔk m はほぼ一定となるの
で、これをΔkとおく。そこで、位相補償装置15で
は、音波伝搬特性p(rn ,ω0 )にexp(jΔk・
n )を乗じて、ハンケル変換処理部16に送る。(E) ハンケル変換処 ハンケル変換処理部16では、位相補償された音波伝搬
特性を式(5)と同様にハンケル変換して波数空間のス
ペクトラムを得て、ピーク検出処理部17に送る。(F) 第2のピーク検出処 ピーク検出処理部17では、波数スペクトラムのピー
検出する。ここで検出されるピークは、ドップラーシ
フト分が位相補償されたものなので、静止時のモード固
有値km が得られる。以上説明したように、本第1の実
施例によれば、離散フーリエ変換した周波数スペクトラ
ムp(r n ,ω ii )を補間して周波数のピークω p を検
出し、送波器 から出力された音波の周波数からのずれか
らドップラーシフト量を計算し、このドップラーシフト
量に応じた水平方向の音波伝搬特性p(r n ,ω 0 )の
位相補償を行った後に、ハンケル変換を行うようにした
ので、送波器の移動によるドップラーシフト分を取り除
いたモード固有値 m 検出できる。
[0011](D)Phase compensation processingReason Angular frequency ω0The sound wave output from the transmitter at
-Angular frequency ω due to the effect ofpIs received by mode
The eigenvalue changes in proportion to the angular frequency (mode eigenvalue
Is the angular frequency divided by the speed of sound).
Mode eigenvalue k when the wave is stationarym When, Transmitter
Mode eigenvalue k when is movingm'Between
Next approximationEquation (6) holds. Δkm= Km-Km'= (Ω0/ C0) ・ (Ω0−ωp) / Ω0 ・ ・ (6) where C0Is the speed of sound at the depth of the transmitter. formula
The sound wave propagation characteristic p (r n , Ω0) Han
The peak wave number of the wave number spectrum after Kel transform is km''
Therefore, the mode eigenvalue k when stationarymTo get
Has the wave number spectrum of equation (5) as ΔkmOnly translation
Any wave number spectrum that has moved may be used.This is a sonic transmission
The transfer characteristic p (r n , Ω 0 ) In advance m
・ R n It is sufficient to provide a phase rotation corresponding to. formula
From (6), Δk m Is almost constant
Then, this is set as Δk.Therefore, the phase compensator 15
Is the sound propagation characteristic p (rn, Ω0) To exp (jΔk ・
rn) And sends the result to the Hankel transform processing unit 16.(E) Hankel transformationReason In the Hankel transform processing unit 16, the phase-compensated sound wave propagation
The characteristics are transformed by Hankel transform in the same manner as in equation (5), and the
The spectrum is obtained and sent to the peak detection processing unit 17.(F) Second peak detection processingReason In the peak detection processing unit 17, the peak of the wave number spectrum isK
ToTo detect. The peak detected here is Doppler
Mode is phase-compensated, so the mode
Value kmIs obtained. As described above, the first actual
According to the example,Discrete Fourier-transformed frequency spectrum
M p (r n , Ω ii ) To interpolate the frequency peak ω p Detect
Out, transmitter From the frequency of the sound wave output from the
Calculate the amount of Doppler shift from
Horizontal sound wave propagation characteristic p (r n , Ω 0 )of
Perform Hankel transform after phase compensationdid
Removes Doppler shift due to transmitter movement
Mode eigenvaluek m TodetectionCanYou.

【0012】第2の実施例 図3は、本発明の第2の実施例のモード固有値測定方法
を実施するためのモード固有値測定装置の機能ブロック
図であり、図1中のモード固有値測定装置の要素と共通
の要素には共通の符号が付されている。本第2の実施例
のモード固有値測定方法が第1の実施例のモード固有値
測定方法と異なる点は、送波器の移動により受波信号の
周波数がドップラー効果によりずれるための解決方法と
して、ドップラーシフトした受波信号に対応するピーク
波数を求めた後、ドップラーシフトによるモード固有値
のずれを補正するようにしたことである。図3に示すよ
うに、モード固有値測定装置は、伝搬特性測定装置1
1、離散フーリエ変換処理部12、補間処理部13、ピ
ーク検出処理部14、ハンケル変換処理部16、ピーク
検出処理部17、及びモード固有値補正装置18により
構成されている。搬特性測定装置11の出力側に離散
フーリエ変換処理部12が接続され、離散フーリエ変
換処理部12の出力側に、補間処理部13及びハンケル
変換処理部16が接続されている。補間処理部13の出
力側には、ピーク検出処理部14が接続されている。ハ
ンケル変換処理部16の出力側には、ピーク検出処理部
17が接続されている。ピーク検出処理部1417の
出力側には、ドップラーシフト分だけモード固有値を補
正するモード固有値補正装置18が接続されている。以
下、図3を参照しつつ、本第2の実施例のモード固有値
測定方法の処理内容(a)〜(f)を明する。
Second Embodiment FIG. 3 is a functional block diagram of a mode eigenvalue measuring apparatus for performing a mode eigenvalue measuring method according to a second embodiment of the present invention. Elements common to the elements are denoted by common reference numerals. The mode eigenvalue measurement method of the second embodiment differs from the mode eigenvalue measurement method of the first embodiment in that the frequency of the received signal shifts due to the Doppler effect due to the movement of the transmitter.
Then , after the peak wave number corresponding to the received signal subjected to the Doppler shift is obtained, the deviation of the mode eigenvalue due to the Doppler shift is corrected. As shown in FIG. 3, the mode eigenvalue measuring device is a propagation characteristic measuring device 1
1, a discrete Fourier transform processing unit 12, an interpolation processing unit 13, a peak detection processing unit 14, a Hankel transform processing unit 16, a peak detection processing unit 17, and a mode eigenvalue correction unit 18. Discrete output side of the propagation characteristics measuring device 11
Fourier transform processing unit 12 is connected to the output side of the discrete Fourier transform processing unit 12, the interpolation processing unit 13 and the Hankel transform processing unit 16 is connected. A peak detection processing unit 14 is connected to an output side of the interpolation processing unit 13. A peak detection processing unit 17 is connected to an output side of the Hankel conversion processing unit 16. The output side of the peak detection processing units 14 and 17 is connected to a mode eigenvalue correction device 18 that corrects the mode eigenvalue by the Doppler shift. Hereinafter, with reference to FIG. 3, the processing content of the mode eigenvalue measuring method of the second embodiment of (a) ~ (f) Ru theory Aquiraz.

【0013】(a)音波伝搬特性算出処 伝搬特性測定装置11中の等速直線運動をしている送波
器により、一定の角周波数ω0 で音波が出力される。こ
の音波が受波器により受波されて、時系列の受波信号p
(r,t)が逐次、離散フーリエ変換処理部12に送ら
れる。離散フーリエ変換処理部12では、受波信号p
(r,t)を所定のサンプリング周期でサンプリングし
て、式(3)に示す離散フーリエ変換を行、複数の
定の角周波数ωiiの周波数スペクトラムp(rn
ωii)を得て、該周波数スペクトラムp(rn ,ωii
補間処理部13に送る。一方、周波数スペクトラムp
(rn ,ωiiが最大となる角周波数ωp0における周
数スペクトラムp(rn ,ωp0)は受波時刻が異なる
ため、式(4)と同様に同時刻における受波信号とな
るように位相補を行い、音波伝搬特性p(r,ω0
をハンケル変換処理部16に送る。(b) 補間処 補間処理部13では、受波信号周波数の精測を行うた
め、離散フーリエ変換処理部12より送られてきた周波
数スペクトラムp(rn ,ωii)(ii=1,2,…,II)か
ら、sinc補間法またはベッセル補間法などを用いて、
波数スペクトラムp(r n ,ω ii )が最大となる角周波
数ωp0の周辺の角周波数のデータを補間し、ピーク検出
処理部14に送る。(c) 第1のピーク検出処 ピーク検出処理部14では、補間された周波数スペクト
ラムをハンケル変換処理を行う距離区間r n (n=1,2,
…,N)について平均し、周波数のピークωp を算出し
て、モード固有値補正装置18に出力する。
[0013] The (a) wave propagation property calculation processing channel measurement device transmitters that a uniform linear motion of 11, waves are output at a constant angular frequency omega 0. This sound wave is received by the receiver, and a time-series received signal p
(R, t) are sequentially sent to the discrete Fourier transform processing unit 12. In the discrete Fourier transform processing unit 12, the received signal p
(R, t) is sampled at a predetermined sampling period, have rows discrete Fourier transform shown in equation (3), a plurality of one
Frequency spectrum p (r n of the constant angular frequency ω ii,
to obtain omega ii), the frequency spectrum p (r n, ω ii)
A letter to the interpolation processing unit 13. On the other hand, the frequency spectrum p
(R n, omega ii) the angular frequency becomes the maximum omega that put the p0-frequency <br/> number spectrum p (r n, omega p0), since the reception time are different, like the equation (4) , performs phase compensation so that the received signal at the same time, sound wave propagation characteristics p (r, ω 0)
To the Hankel transform processing unit 16. In (b) the interpolation processing interpolation processing unit 13, for performing the measurement accuracy of the received signal frequency, the discrete Fourier transform processing unit 12 frequency spectrum p of the sent from (r n, ω ii) ( ii = 1,2 , ..., from II), sinc interpolation Houma other by using a Bessel interpolation method, the circumferential
Wavenumber spectrum p (r n, ω ii) is interpolated data of the angular frequency around the angular frequency omega p0 having the maximum and sends it to the peak detection processing section 14. (C) In the first peak detection processing peak detection processing section 14, the distance interval r n (n = 1,2 for performing Hankel transform processing the interpolated frequency spectrum,
.., N) to calculate the frequency peak ω p and output it to the mode eigenvalue correction device 18.

【0014】(d)ハンケル変換処 ハンケル変換処理部16では、音波伝搬特性p(rn
ω0 )をハンケル変換して波数空間のスペクトラムを計
し、ピーク検出処理部17に送る。(e) 第2のピーク検出処 ピーク検出処理部17では、ハンケル変換処理部16よ
り送られた波数スペクトラムp(k,ω0 )のピーク波
数を検出して、モード固有値補正装置18に送る。ここ
で得られたピーク波数は、従来と同じドップラーシフト
したモード固有値 m ' である。(f) モード固有値補正処 角周波数ω0 で送波器から出力された音波は、ドップラ
ー効果の影響により角周波数ωp で受波される。モード
固有値は、角周波数に比例して変化するため、送波器及
び受波器が静止している場合のモード固有値km
ップラーシフトしたモード固有値km ' との間には、
の関係式(7)が成り立つ。 Δkm =km −km ' =km ' ・(ω0 −ωp )/ωp ・・・(7) そこで、モード固有値補正装置18では、式(7)より
補正値Δkm を算出し、ピーク検出処理部17検出さ
れたピーク波数であるモード固有値m ' に補正値Δk
m を加算して、ドップラーシフト分を取り除いたモード
固有値km を求める。以上説明したように、本第2の実
施例によれば、離散フーリエ変換した周波数スペクトラ
ムp(r n ,ω ii )を補間して周波数のピークω p を検
出し、送波器から出力された音波の周波数からのずれか
らドップラーシフト量を計算し、このドップラーシフト
量に応じた波数のピーク補正を行うようにしたので、
波器の移動によるドップラーシフト分を取り除いたモー
ド固有値 m 検出できる。
The (d) The in Hankel transform processing Hankel transform processing unit 16, the sound wave propagation characteristic p (r n,
ω 0 ) is Hankel-transformed to calculate a spectrum in the wave number space, and sends it to the peak detection processing unit 17. Peak wave (e) the second peak detection processing peak detection processing section 17, a wave number spectrum p (k, ω 0) sent from the Hankel transform processing unit 16
The number is detected and sent to the mode eigenvalue correction device 18. Here the peak wave number obtained is the same Doppler shifted mode eigenvalue k m 'and conventional. (F) sound wave output from the wave transmitter mode eigenvalue correction processing angular frequency omega 0 is received at the angular frequency omega p due to the influence of the Doppler effect. Mode eigenvalue, since changes in proportion to the angular frequency, between the mode eigenvalue k m in the case of wave transmitter and wave receiver are stationary, the Doppler shifted mode eigenvalue k m ', the following < The relational expression (7) holds. Δk m = k m -k m ' = k m' · (ω 0 -ω p) / ω p ··· (7) Therefore, the mode eigenvalue correction device 18, calculates a correction value .delta.k m from the equation (7) and, the correction value Δk in the mode eigenvalue k m 'is the peak wave number detected by the peak detection processing section 17
by adding the m, determine the mode eigenvalue k m removal of the de Doppler shift amount. As described above, according to the second embodiment, the frequency spectrum subjected to the discrete Fourier transform is used.
Beam p (r n, ω ii) by interpolating the detected a peak ω p of frequency
Out of the frequency of the sound wave output from the transmitter
Calculate the amount of Doppler shift from
Since to carry out the wavenumber of the peak corrected according to the amount, Ru can detect mode eigenvalue k m removal of the Doppler shift caused by the movement of the transmitters.

【0015】[0015]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第1の発明
によれば、離散フーリエ変換した周波数スペクトラムを
補間してピーク周波数を検出し、このピーク周波数と一
定の周波数との差による位相差によって、音波伝搬特性
の位相補償を行った後に、ハンケル変換を行って波数ス
ペクトラムを求め、ピーク波数を検出してモード固有値
を出力するようにしたので、送波器の移動によるドップ
ラーシフト分を取り除いたモード固有値を検出できる。
第2の発明によれば、離散フーリエ変換した周波数スペ
クトラムを補間してピーク周波数ω p を検出し、このピ
ーク周波数ω p 、一定の周波数ω 0 、及びモード固有値
m ' に基づいて補正値Δk m を算出し、該補正値Δk
m により、第2のピーク検出処理で検出されたピーク波
を補正するようにしたので、第1の発明と同様に、送
波器の移動によるドップラーシフト分を取り除いたモー
ド固有値を検出できる。
As described above in detail, according to the first aspect, the peak frequency is detected by interpolating the frequency spectrum subjected to the discrete Fourier transform, and the phase difference due to the difference between the peak frequency and the fixed frequency is detected. After performing phase compensation of sound wave propagation characteristics, the wave number spectrum is obtained by performing Hankel transform, the peak wave number is detected, and the mode eigenvalue is output, so the Doppler shift due to the movement of the transmitter is removed. Mode eigenvalue can be detected.
According to the second invention, it detects the peak frequency omega p by interpolating the frequency spectrum obtained by discrete Fourier transform, the peak
Ω p , constant frequency ω 0 , and mode eigenvalue
It calculates a correction value .DELTA.k m based on k m ', the correction value .DELTA.k
By m , the peak wave detected in the second peak detection processing
Since the number is corrected, the mode eigenvalue from which the Doppler shift due to the movement of the transmitter has been removed can be detected as in the first invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例のモード固有値測定装置
の機能ブロック図である。
FIG. 1 is a functional block diagram of a mode eigenvalue measuring device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】従来のモード固有値測定装置の機能ブロック図
である。
FIG. 2 is a functional block diagram of a conventional mode eigenvalue measuring device.

【図3】本発明の第2の実施例のモード固有値測定装置
の機能ブロック図である。
FIG. 3 is a functional block diagram of a mode eigenvalue measuring device according to a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 伝搬特性測定装置 12 離散フーリエ変換処理部 13 補間処理部 14,17 ピーク検出処理部 15 位相補償装置 16 ハンケル変換処理 8 モード固有値補正装置11 channel measurement device 12 discrete Fourier transform processing section 13 interpolation processing section 14, 17 a peak detection processing section 15 phase compensator 16 Hankel transform processing unit 1 8 mode eigenvalue correction device

───────────────────────────────────────────────────── 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 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01H 3/00 G01S 3/82 G01S 15/88 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Toru Morishita 1-7-12 Toranomon, Minato-ku, Tokyo Oki Electric Industry Co., Ltd. (72) Inventor Shunji Ozaki 1-7-112 Toranomon, Minato-ku, Tokyo Oki Electric Industry Co., Ltd. (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) G01H 3/00 G01S 3/82 G01S 15/88

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 等速直線運動をする送波器から出力され
る一定の周波数の音波を水中に固定された受波器で受波
した受波信号に基づいて、離散フーリエ変換して得られ
た複数の周波数の周波数スペクトラムから各周波数にお
いて周波数スペクトラムが最大となる周波数の周波数ス
ペクトラムを各々算出し、各々同時刻での受波信号とな
るように位相補正を行って音波伝搬特性を算出する音波
伝搬特性算出処理と、 前記離散フーリエ変換して得られた複数の周波数の周波
数スペクトラムの周波数間隔を補間して、より密な周波
数間隔の周波数スペクトラムを求める補間処理と、 前記補間された周波数スペクトラムのピーク周波数を検
出する第1のピーク検出処理と、 前記検出されたピーク周波数と前記一定の周波数との差
による位相差によって、前記算出された音波伝搬特性の
位相補償を行う位相補償処理と、 前記位相補償された音波伝搬特性のハンケル変換をして
波数スペクトラムを求めるハンケル変換処理と、 前記求められた波数スペクトラムのピーク波数を検出し
て該ピーク波数をノーマルモード固有値として出力する
第2のピーク検出処理とを、 実行することを特徴とするモード固有値測定方法。
1. A discrete Fourier transform is performed on a sound wave of a constant frequency output from a transmitter having a constant linear motion based on a received signal received by a receiver fixed in water. All from the frequency spectrum of a plurality of frequencies to each frequency
There frequency spectrum is calculated each frequency spectrum of the frequency at which the maximum in the wave propagation characteristic calculation processing for calculating the sound propagation properties by performing phase correction so that each becomes a received signal at the same time, the discrete Fourier transform Interpolation processing for interpolating the frequency intervals of the frequency spectrums of a plurality of frequencies obtained as described above to obtain a frequency spectrum of denser frequency intervals, and a first peak detection for detecting a peak frequency of the interpolated frequency spectrum Processing, phase compensation processing for performing phase compensation of the calculated sound wave propagation characteristic by a phase difference due to a difference between the detected peak frequency and the fixed frequency, and Hankel transform of the phase-compensated sound wave propagation characteristic. To obtain a wave number spectrum, and a peak wave number of the obtained wave number spectrum. Second and peak detection processing mode eigenvalue measuring method characterized by performing the detecting and outputting the peak wavenumber as a normal mode eigenvalue.
【請求項2】 等速直線運動をする送波器から出力され
る一定の周波数ω 0 の音波を水中に固定された受波器で
受波した受波信号に基づいて、離散フーリエ変換して得
られた複数の周波数の周波数スペクトラムから各周波数
において周波数スペクトラムが最大となる周波数の周波
数スペクトラムを各々算出し、各々同時刻での受波信号
となるように位相補正を行って音波伝搬特性を算出する
音波伝搬特性算出処理と、 前記離散フーリエ変換して得られた複数の周波数の周波
数スペクトラムの周波数間隔を補間して、より密な周波
数間隔の周波数スペクトラムを求める補間処理と、 前記補間された周波数スペクトラムのピーク周波数ω p
を検出する第1のピーク検出処理と、 前記算出された音波伝搬特性のハンケル変換をして波数
スペクトラムを求めるハンケル変換処理と、 前記求められた波数スペクトラムのピーク波数を検出し
て該ピーク波数をノーマルモード固有値 m ' として推
定する第2のピーク検出処理と、前記一定の周波数ω 0 、前記検出されたピーク周波数ω
p 、及び前記ノーマルモード固有値k m ' に基づき、補
正値Δk m =k m ' ・(ω 0 −ω p )/ω p を算出し、
該補正値Δk m により前記ピーク波数 を補正して出力す
るモード固有値補正処理とを、 実行することを特徴とするモード固有値測定方法。
2. A discrete Fourier transform is performed on a sound wave having a constant frequency ω 0 output from a transmitter having a constant linear motion based on a reception signal received by a receiver fixed in water. Each frequency is obtained from the obtained frequency spectrum of multiple frequencies.
Frequency spectrum calculated respectively frequency <br/> number spectrum of frequencies with a maximum at a wave propagation characteristic calculation processing for calculating the sound propagation properties by performing phase correction so that each becomes a received signal at the same time Interpolating the frequency intervals of the frequency spectrum of a plurality of frequencies obtained by the discrete Fourier transform to obtain a frequency spectrum of a denser frequency interval; and a peak frequency ω p of the interpolated frequency spectrum.
A first peak detection process of detecting the calculated wave number spectrum, a Hankel conversion process of obtaining the wave number spectrum by performing the Hankel conversion of the calculated sound wave propagation characteristic, and detecting the peak wave number of the calculated wave number spectrum to calculate the peak wave number. a second peak detection process for estimating the normal mode eigenvalue k m ', the fixed frequency omega 0, the peak frequency omega of the detected
p, and the basis of the normal mode eigenvalue k m ', complement
To calculate the positive value Δk m = k m '· ( ω 0 -ω p) / ω p,
Mode eigenvalue measuring method characterized by a mode eigenvalue correction process to output by correcting the peak wave number by the correction value .DELTA.k m, executes.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101522204B1 (en) * 2013-12-27 2015-05-21 국방과학연구소 Automatic frequency line tracking method at narrowband analysis

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