JP3007914B2 - Mode eigenvalue measurement method - Google Patents

Mode eigenvalue measurement method

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JP3007914B2
JP3007914B2 JP9166800A JP16680097A JP3007914B2 JP 3007914 B2 JP3007914 B2 JP 3007914B2 JP 9166800 A JP9166800 A JP 9166800A JP 16680097 A JP16680097 A JP 16680097A JP 3007914 B2 JP3007914 B2 JP 3007914B2
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
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Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、海洋中の音波伝搬
特性を計算する音波伝搬シミュレーション方法に用いら
れ、音波伝搬特性計算装置に対する入力信号の環境条件
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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used in a sound wave propagation simulation method for calculating sound wave propagation characteristics in the ocean, and estimates a sound velocity distribution in a seabed sediment, which is an environmental condition of an input signal to a sound wave propagation characteristic calculation device. The method relates to a mode eigenvalue measuring method for measuring a normal mode eigenvalue necessary for the above.

【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1;J.Acoust.Soc.Am.,82(3)(1987)、Acoustical S
ociety of America 、(米),S.D.Rajan,et al.,"Pertu
rbative inversion methods for obtaining bottom geo
acoustic parameters in shallowwater",P.998-1017 文献2;J.Acoust.Soc.Am.,93(1)(1993)、Acoustical S
ociety of America 、(米),S.D.RajanandS.D.Bhatt
a,"Evaluation on high-resolution frequency method
s for determining frequencies ofeigenmodes in shal
low water acoustic field",P.378-389 海洋中の音波は、海水中での屈折や海面及び海底での反
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、浅海域という) では、海面及び海底で反射を
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中
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、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、浅海域で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、前記文献1に記載され
た連続波を用いる別の推定方法がRajan らによって提案
された。
2. Description of the Related Art Conventionally, techniques in such a field include:
For example, there is one described in the following literature. Reference 1: J. Acoust. Soc. Am., 82 (3) (1987), Acoustical S
ociety of America, (US), SDRajan, et al., "Pertu
rbative inversion methods for obtaining bottom geo
acoustic parameters in shallowwater ", P.998-1017 Reference 2; J.Acoust.Soc.Am., 93 (1) (1993), Acoustical S
ociety of America, (US), SDRajanandS.D.Bhatt
a, "Evaluation on high-resolution frequency method
s for determining frequencies ofeigenmodes in shal
low water acoustic field ", P.378-389 Sound waves in the ocean repeatedly travel in the distance, repeating refraction in the seawater and reflections on the sea surface and the seabed. In particular, shallow oceans (hereinafter shallow sea area) In this case, sound waves that repeatedly reflect on the sea surface and the sea floor become dominant, and in order to accurately grasp this sound field, it is indispensable to grasp the speed of sound in the sea bottom sedimentary layer, which affects the sea bottom reflection loss. Return loss has traditionally been estimated by radiating pulses from a sound source and measuring the level of temporally separated submarine reflected waves, but it is difficult to separate submarine reflected waves temporally in shallow waters. Therefore, Rajan et al. Proposed another estimation method using continuous waves described in Reference 1.

【0003】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、モード固有値という)を
測定し、このモード固有値と仮定した音速分布の初期値
から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。水温や水深等の媒質特性が水平
方向に変化しない媒質(即ち、成層媒質) での音波伝搬
特性P(r,zr ,zs )及び波数スペクトラムG(k
r ,zr ,zs)は、次式(1),(2)に示すハンケ
ル変換対でそれぞれ与えられる。
[0003] This is not a method of directly measuring the seafloor reflection loss, but rather measuring a normal mode eigenvalue (hereinafter referred to as a mode eigenvalue) using the Hankel transform from a horizontal sound wave propagation characteristic, and determining a sound velocity distribution of the sound velocity distribution assuming this mode eigenvalue. This is a method of estimating the sound velocity in the seabed sedimentary layer required for calculation of seafloor reflection loss using the inverse problem solution method from the difference from the mode eigenvalue calculated from the initial value. Medium medium characteristics such as temperature and water depth is not changed in the horizontal direction (i.e., stratified medium) wave propagation characteristic P in (r, z r, z s) and the wave number spectrum G (k
r, z r, z s), the following equation (1), given respectively Hankel transform pair shown in (2).

【0004】[0004]

【数1】 今、水平方向の音波伝搬特性P(r,zr ,zs )を測
定すると、波数スペクトラムG(kr ,zr ,zs )は
式(2)によって計算され、該波数スペクトラムG(k
r ,zr ,zs )がピークをもつ水平波数kr がモード
固有値に対応する。又、前記文献2に示された方法は、
文献1の式(1),(2)のハンケル変換の代わりにMU
SIC,ESPRIT等の高分解能手法を適用した例である。
(Equation 1) Now, as measured in the horizontal direction of the sound wave propagation characteristic P (r, z r, z s), wave number spectrum G (k r, z r, z s) is calculated by equation (2), the wave number spectrum G (k
r, z r, z s) horizontal wavenumber k r corresponds to the mode eigenvalue having a peak. In addition, the method described in the above reference 2 is
MU instead of Hankel transform in equations (1) and (2)
This is an example in which a high-resolution method such as SIC or ESPRIT is applied.

【0005】ここでは、MUSIC を用いたモード固有値計
測方法の原理について説明する。海水中を移動する音源
から放射された音波を、固定された受波器にて受波す
る。尚、この場合、音源を固定し、受波器を移動させて
もよい。受波信号は、離散フーリエ変換(DFT) が逐次行
われ、更に音源信号周波数にドップラーシフト分を考慮
した周波数成分の信号が抽出される。ここで抽出された
信号と位置が時々刻々変化する音源と受波器間のデータ
から、音場の距離特性(即ち、水平方向の音波伝搬特
性) P(r,zr ,zs ) が計測される。このとき、音源又は受波器のいずれか一
方が移動しながら測定を行うので、距離が異なるデータ
は受信時刻も異なるため、合成開口手法を用いて同一時
刻における受信信号になるように位相を補正する。次
に、距離rn (n=0,1,…,N-1)に対する音場 y(n)=P(rn ,zr ,zs )(水平方向の音波伝
搬特性) から、共分散行列Ryyを計算する。共分散行列Ryyの各
成分は次式(3)で計算される。
Here, the principle of a mode eigenvalue measuring method using MUSIC will be described. Sound waves emitted from a sound source moving in seawater are received by a fixed receiver. In this case, the sound source may be fixed and the receiver may be moved. A discrete Fourier transform (DFT) is sequentially performed on the received signal, and a signal of a frequency component in which the Doppler shift is considered in the frequency of the sound source signal is extracted. From the data between the source and the receivers of The extracted signal and position changes every moment, the sound field of distance characteristics (i.e., wave propagation characteristics in the horizontal direction) P (r, z r, z s) is measured Is done. At this time, since the measurement is performed while either the sound source or the receiver moves, the data at different distances also have different reception times, so the phase is corrected using the synthetic aperture method so that the reception signals are at the same time. I do. Then, the distance r n (n = 0,1, ... , N-1) sound for field y (n) = P from (r n, z r, z s) ( sound wave propagation characteristics in the horizontal direction), the covariance Calculate the matrix R yy . Each component of the covariance matrix R yy is calculated by the following equation (3).

【0006】[0006]

【数2】 共分散行列RyyがM行M列であれば、固有値分解又は特
異値分解によってM個の固有ベクトル [v1 ,v2 ,…,vM ]が生成される。そのため、伝
搬するモード波をL個(L<M)と仮定すると、雑音行
列Eは、 E=[vL+1 ,…,vM ] で定義される。
(Equation 2) If the covariance matrix R yy is M rows and M columns, M eigenvectors [v 1 , v 2 ,..., V M ] are generated by eigenvalue decomposition or singular value decomposition. Therefore, assuming that the number of propagating mode waves is L (L <M), the noise matrix E is defined as E = [v L + 1 ,..., V M ].

【0007】波数kのモード波については、次式(4)
に示すステアリングベクトルe e=[exp( jkr0 ) ,exp( jkr1 ) ,…,exp( jkrM-1 ) )]T ・・・(4) 但し、 T;転置 を定義する。このステアリングベクトルeの各要素は、
波数kの進行波の位相変化を表す。波数kがモード波の
波数に一致するとき、雑音行列Eとステアリングベクト
ルeとの相関値 (eH EEH e)(H;共役転置) は小さな値をとる。従って、相関値(eH EEH e)の
逆数(eH EEH e)-1は大きな値になり、波数kに対
する相関値の逆数(eH EEH e)-1の極大点からモー
ド固有値が推定できる。
For a mode wave having a wave number k, the following equation (4)
Steering vector e e = [exp (jkr 0 ), exp (jkr 1), ..., exp (jkr M-1))] shown in T ··· (4) where, T; defines the transpose. Each element of this steering vector e is
This represents the phase change of the traveling wave having the wave number k. When the wave number k matches the wave number of mode wave, a correlation value of a noise matrix E and the steering vector e (e H EE H e) (H; conjugate transpose) takes a small value. Therefore, the reciprocal (e H EE H e) -1 is a large value of the correlation values (e H EE H e), inverse of the correlation value of the wave number k (e H EE H e) mode eigenvalue from the maximum point of -1 Can be estimated.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、MUSIC
を用いた従来のモード固有値計測方法では、次のような
課題があった。即ち、MUSIC では波数空間におけるピー
クの大きい信号を抽出するので、信号よりも大きいピー
クをもつ雑音が多数存在する場合には、信号が検出でき
なくなるという欠点がある。そのため、従来の方法では
雑音が含まれる環境下では十分な性能が発揮できないと
いう問題があった。この発明は、この問題を解決するた
め、ハンケル変換の結果にMUSIC を適用することによ
り、信号成分と異なる波数成分を持つ雑音成分の影響を
軽減したモード固有値計測方法を提供するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION However, MUSIC
The conventional mode eigenvalue measurement method using the method has the following problems. That is, since MUSIC extracts a signal having a large peak in the wave number space, there is a drawback that if there are many noises having a peak larger than the signal, the signal cannot be detected. Therefore, the conventional method has a problem that sufficient performance cannot be exhibited in an environment including noise. In order to solve this problem, the present invention provides a mode eigenvalue measuring method in which the effect of a noise component having a wave number component different from a signal component is reduced by applying MUSIC to the result of Hankel transform.

【0009】[0009]

【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の発明は、モード固有値計測方
法において、一方が固定されかつ他方が等速直線運動を
する送波器と受波器とを海水中に設け、該送波器から出
力された一定の周波数の音波を該受波器で受波すること
によって生成された受波信号を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に対して移動
時間分の位相補償を施して該送波器と該受波器との間が
等距離間隔になる場合の音波伝搬特性を求める音波伝搬
特性算出処理と、前記音波伝搬特性を離散フーリエ変換
して水平波数成分毎の音波伝搬特性を表す波数スペクト
ラムを求める離散フーリエ変換処理と、前記波数スペク
トラムの各波数データに対して隣接する該各波数データ
間の共分散行列を求める共分散行列生成処理と、前記共
分散行列に固有値分解又は特異値分解を施して複数の固
有ベクトルを求め、該複数の固有ベクトルを信号ベクト
ルと雑音ベクトルとに分割し、前記送波器と前記受波器
との間の水平距離と前記受波信号の波数とから求めた信
号成分のステアリングべクトルと該雑音ベクトルとの内
積の逆数を計算する高分解能処理と、前記内積の逆数が
ピークを持つ波数を求め、該ピークを持つ波数をノーマ
ルモード固有値とするピーク検出処理とを、行うように
している。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for measuring a mode eigenvalue, comprising: a transmitter having one fixed and the other having a uniform linear motion. And a receiver provided in seawater, and a discrete Fourier transform of a received signal generated by receiving a sound wave of a constant frequency output from the transmitter by the receiver was obtained. A sound wave propagation characteristic calculation process for performing a phase compensation for a moving time on a frequency spectrum of a plurality of frequencies to obtain a sound wave propagation characteristic when the transmitter and the receiver are at an equal distance interval, Discrete Fourier transform of the sound wave propagation characteristics to obtain a wave number spectrum representing sound wave propagation characteristics for each horizontal wave number component; and covariance between each wave number data adjacent to each wave number data of the wave number spectrum. Matrix Covariance matrix generation processing, eigenvalue decomposition or singular value decomposition is performed on the covariance matrix to obtain a plurality of eigenvectors, the plurality of eigenvectors are divided into a signal vector and a noise vector, and the transmitter and the High-resolution processing for calculating the reciprocal of the inner product of the noise vector and the steering vector of the signal component obtained from the horizontal distance between the receiver and the wave number of the received signal, and the reciprocal of the inner product has a peak. And a peak detection process in which the wave number having the peak is set as the normal mode eigenvalue.

【0010】この第1の発明によれば、以上のようにモ
ード固有値計測方法を構成したので、高分解能処理の入
力信号は、モード波の波数成分を含む狭い波数帯域で制
限された波数スペクトラムから生成された共分散行列に
なる。第2の発明では、第1の発明において、離散フー
リエ変換処理は、音波伝搬特性算出処理で得られた音波
伝搬特性を複数の距離区間に分割した後に行い、共分散
行列生成処理は、前記離散フーリエ変換で得られた各波
数スペクトラムから生成された前記距離区間毎の共分散
行列をそれぞれ生成した後、累加を行って前記共分散行
列を計算するようにしている。この第2の発明によれ
ば、複数の距離区間に分割した共分散行列が生成された
後、加算される。
According to the first aspect, since the mode eigenvalue measuring method is configured as described above, the input signal of the high resolution processing is obtained from the wave number spectrum limited by the narrow wave number band including the wave number component of the mode wave. This is the generated covariance matrix. According to a second aspect, in the first aspect, the discrete Fourier transform processing is performed after dividing the sound wave propagation characteristic obtained by the sound wave propagation characteristic calculation processing into a plurality of distance sections, and the covariance matrix generation processing is After generating a covariance matrix for each distance section generated from each wavenumber spectrum obtained by Fourier transform, the covariance matrix is calculated by performing addition. According to the second aspect, a covariance matrix divided into a plurality of distance sections is generated and then added.

【0011】第3の発明では、一方が固定されかつ他方
が等速直線運動する送波器と受波器とを海水中に設け、
該送波器から出力された一定の周波数の音波を該受波器
で受波することによって生成された受波信号を離散フー
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
ムに対して移動時間分の位相補償を施して該送波器と該
受波器との間が等距離間隔になる場合の音波伝搬特性を
求める音波伝搬特性算出処理と、前記音波伝搬特性に対
してハンケル変換を行い、波数帯域をモード波の成分を
含む帯域に制限して逆ハンケル変換を行うことにより、
帯域制限された音波伝搬特性を求める帯域制限処理と、
前記帯域制限された音波伝搬特性のデータに対し、各デ
ータ間の共分散行列を求める共分散行列生成処理と、第
1の発明の高分解能処理とピーク検出処理とを、行うよ
うにしている。この第3の発明によれば、高分解能処理
の入力信号は、モード波の波数成分を含む狭い波数帯域
で制限された複素振幅データから生成された共分散行列
になる。
In the third invention, a transmitter and a receiver, one of which is fixed and the other of which is linearly moved at a constant speed, are provided in seawater,
Moving time for a plurality of frequency spectra obtained by performing a discrete Fourier transform on a received signal generated by receiving a sound wave of a constant frequency output from the transmitter by the receiver. A sound wave propagation characteristic calculation process for obtaining sound wave propagation characteristics when the transmitter and the receiver are equidistantly spaced by performing phase compensation for the same, and performing Hankel transform on the sound wave propagation characteristics By limiting the wavenumber band to the band containing the mode wave component and performing the inverse Hankel transform,
A band limiting process for obtaining a band-limited sound propagation characteristic,
A covariance matrix generation process for obtaining a covariance matrix between the data and the high resolution process and the peak detection process of the first invention are performed on the band-limited sound propagation characteristic data. According to the third aspect, the input signal of the high-resolution processing is a covariance matrix generated from complex amplitude data limited in a narrow wavenumber band including a wavenumber component of a mode wave.

【0012】第4の発明では、第3の発明において、共
分散行列生成処理は、帯域制限処理で求めた帯域制限さ
れた音波伝搬特性を複数の距離区間に分割した後に行
い、その後、累加を行って共分散行列を計算するように
している。この第4の発明によれば、複数の距離区間に
分割した共分散行列が生成された後、加算される。第5
の発明では、第3の発明において、音波伝搬特性算出処
理は、受波信号列を複数の距離区間に分割した後に離散
フーリエ変換をそれぞれ行って該距離区間毎の音波伝搬
特性を求め、帯域制限処理は、前記距離区間毎の音波伝
搬特性に対してそれぞれ行い、共分散行列生成処理は、
前記距離区間毎の共分散行列の累加を行って前記共分散
行列を計算するようにしている。この第5の発明によれ
ば、受波信号の離散フーリエ変換が複数の距離区間に分
割されて行われ、最後に複数の距離区間に分割した共分
散行列が生成された後、加算される。従って、前記課題
を解決できるのである。
In a fourth aspect based on the third aspect, the covariance matrix generation processing is performed after dividing the band-limited sound wave propagation characteristic obtained by the band limitation processing into a plurality of distance sections, and thereafter, accumulating. To calculate the covariance matrix. According to the fourth aspect, a covariance matrix divided into a plurality of distance sections is generated and then added. Fifth
In the third invention, in the third invention, the sound wave propagation characteristic calculation processing includes dividing the received signal sequence into a plurality of distance sections, and then performing discrete Fourier transform to obtain sound wave propagation characteristics for each of the distance sections. The processing is performed on the sound wave propagation characteristics for each of the distance sections, and the covariance matrix generation processing includes:
The covariance matrix is calculated by accumulating the covariance matrix for each distance section. According to the fifth aspect, the discrete Fourier transform of the received signal is performed by dividing into a plurality of distance sections, and a covariance matrix divided into a plurality of distance sections is finally generated and added. Therefore, the above problem can be solved.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】図2は、本発明の原理を説明する
図である。この図では、ハンケル変換によりモード1と
2が分離できない例が示されている。図中の斜線を施し
た波数範囲s以外にはレベルの大きな雑音が存在するの
で、MUSIC を適用すると、この雑音が音源信号のモード
波と見なされ、モード1,2の両方又はどちらか一方が
隠れてしまうことが考えられる。そこで、次の(a),
(b)等の方法により、波数範囲s以外にある大きな雑
音成分の影響を取り除き、MUSIC の性能を引き出すよう
にする。 (a) 斜線部分(波数範囲s)を取り出した波数スペ
クトラムの共分散行列に対してMUSIC を適用する。この
場合、ステアリングベクトルは、式(4)のステアリン
グベクトルeをフーリエ変換したものが用いられる。 (b) 斜線部分(波数範囲s)を抽出した後に逆ハン
ケル変換を行った信号(波数の帯域を制限した音場の音
波伝搬特性に相当する) の共分散行列に対してMUSIC を
適用する。この場合、ステアリングベクトルは、式
(4)のステアリングベクトルeと同一のものが用いら
れる。
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the present invention. In this figure, an example is shown in which modes 1 and 2 cannot be separated by Hankel transform. Since high-level noise exists outside the range of wave numbers s indicated by hatching in the figure, when MUSIC is applied, this noise is regarded as a mode wave of the sound source signal, and both or one of the modes 1 and 2 is generated. It can be hidden. Therefore, the following (a),
By the method of (b) or the like, the effect of a large noise component outside the wave number range s is removed, and the performance of MUSIC is brought out. (A) Apply MUSIC to the covariance matrix of the wavenumber spectrum from which the hatched portion (wavenumber range s) is extracted. In this case, a steering vector obtained by performing a Fourier transform on the steering vector e in Expression (4) is used. (B) MUSIC is applied to the covariance matrix of the signal (corresponding to the sound wave propagation characteristic of the sound field in which the wave number band is limited) subjected to the inverse Hankel transform after extracting the shaded portion (wave number range s). In this case, the same steering vector as the steering vector e in Equation (4) is used.

【0014】第1の実施形態 図1は、本発明の第1の実施形態のモード固有値計測方
法を実施するためのモード固有値計測装置の構成ブロッ
ク図である。このモード固有値計測装置は、伝搬特性測
定装置1と、第1の離散フーリエ変換処理部2と、合成
開口処理部3と、第2の離散フーリエ変換処理部4と、
共分散行列生成部5と、高分解能処理部6と、ピーク検
出処理部7とを備えている。伝搬特性測定装置1は、水
中に固定された受波器と水中を移動する音源(送波器)
で構成され、受波信号S1を生成する機能を有してい
る。第1の離散フーリエ変換処理部2は、受波信号S1
を逐次入力して離散フーリエ変換を行い、離散フーリエ
変換出力信号S2を出力する機能を有している。合成開
口処理部3は、離散フーリエ変換出力信号S2から同時
刻で等距離間隔の複素振幅データS3を生成する機能を
有している。第2の離散フーリエ変換処理部4は、複素
振幅データS3を入力して波数スペクトラムS4を出力
する機能を有している。共分散行列生成部5は、波数ス
ペクトラムS4の各波数データに対して隣接する各波数
データ間の共分散行列S5を生成する機能を有してい
る。高分解能処理部6は、共分散行列S5に対してMUSI
C を行い、処理結果S6を生成する機能を有している。
ピーク検出処理部7は、処理結果S6を入力してピーク
を持つ波数(モード固有値) S7を出力する機能を有し
ている。次に、図1を参照しつつ、本実施形態のモード
固有値計測方法の各処理(A)〜(E)を説明する。
First Embodiment FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a mode eigenvalue measuring apparatus for implementing a mode eigenvalue measuring method according to a first embodiment of the present invention. The mode eigenvalue measuring device includes a propagation characteristic measuring device 1, a first discrete Fourier transform processing unit 2, a synthetic aperture processing unit 3, a second discrete Fourier transform processing unit 4,
It includes a covariance matrix generation unit 5, a high resolution processing unit 6, and a peak detection processing unit 7. The propagation characteristic measuring device 1 includes a receiver fixed in water and a sound source (transmitter) moving in water.
And has a function of generating the received signal S1. The first discrete Fourier transform processing unit 2 receives the received signal S1
Are sequentially input, a discrete Fourier transform is performed, and a discrete Fourier transform output signal S2 is output. The synthetic aperture processing unit 3 has a function of generating complex amplitude data S3 at an equal distance at the same time from the discrete Fourier transform output signal S2. The second discrete Fourier transform processing unit 4 has a function of inputting the complex amplitude data S3 and outputting a wave number spectrum S4. The covariance matrix generation unit 5 has a function of generating a covariance matrix S5 between each wave number data adjacent to each wave number data of the wave number spectrum S4. The high-resolution processing unit 6 performs MUSI on the covariance matrix S5.
C and has a function of generating a processing result S6.
The peak detection processing section 7 has a function of inputting the processing result S6 and outputting a wave number (mode specific value) S7 having a peak. Next, each process (A) to (E) of the mode eigenvalue measuring method of the present embodiment will be described with reference to FIG.

【0015】(A)音波伝搬特性算出処理 伝搬特性測定装置1において、送波器から出力された一
定の周波数の音波を受波器で受波することによって受波
信号S1が生成される。受波信号S1は、第1の離散フ
ーリエ変換処理部2に送出される。第1の離散フーリエ
変換処理部2は、受波信号S1に対して離散フーリエ変
換を行って周波数成分毎の音波伝搬特性 P(r,zr ,zs ) を生成する。この音波伝搬特性はドップラーシフト分の
補正が行われ、音源周波数に等しい周波数に対応する音
波伝搬特性S2として合成開口処理部3に送出される。
合成開口処理部3は、音波伝搬特性S2が同時刻におけ
る受波信号の伝搬特性になるように位相補正を行い、補
間により音源と受波器間の距離が等距離間隔となる複素
振幅データS3 S3=P(r,zr ,zs ) を生成する。複素振幅データS3は、第2の離散フーリ
エ変換処理部4に送出される。
(A) Sound Wave Propagation Characteristic Calculation Process In the propagation characteristic measuring apparatus 1, a sound wave having a constant frequency output from a transmitter is received by a receiver to generate a received signal S1. The received signal S1 is sent to the first discrete Fourier transform processing unit 2. The first discrete Fourier transform processing unit 2, wave propagation characteristics P of each frequency component by performing discrete Fourier transform on the received signals S1, it generates a (r, z r, z s ). This sound wave propagation characteristic is corrected by the Doppler shift, and sent to the synthetic aperture processing unit 3 as a sound wave propagation characteristic S2 corresponding to a frequency equal to the sound source frequency.
The synthetic aperture processing unit 3 corrects the phase so that the sound wave propagation characteristic S2 becomes the propagation characteristic of the received signal at the same time, and the complex amplitude data S3 in which the distance between the sound source and the receiver becomes an equal distance by interpolation. S3 = P (r, z r , z s) to produce a. The complex amplitude data S3 is sent to the second discrete Fourier transform processing unit 4.

【0016】(B)離散フーリエ変換処理 第2の離散フーリエ変換処理部4は、複素振幅データS
3に対して離散フーリエ変換を行って波数スペクトラム
S4 S4=G(kr ,zr ,zs ) を出力する。波数スペクトラムS4は、共分散行列生成
部5に送出される。 (C)共分散行列生成処理 共分散行列生成部5は、波数スペクトラムS4のうちの
モード波の成分を含む帯域成分を抽出し、音波伝搬特性
y(n) y(n)=G(krn,zr ,zs ) として式(3)に示す共分散行列S5S5=Ryyを計算
する。共分散行列S5は、高分解能処理部6に送出され
る。
(B) Discrete Fourier Transform Processing The second discrete Fourier transform processing unit 4 generates the complex amplitude data S
Wavenumber spectrum S4 S4 performs discrete Fourier transform to 3 = G (k r, z r, z s) and outputs a. The wave number spectrum S4 is sent to the covariance matrix generation unit 5. (C) Covariance Matrix Generation Processing The covariance matrix generation unit 5 extracts a band component including a mode wave component from the wavenumber spectrum S4, and performs a sound propagation characteristic y (n) y (n) = G (k rn , Z r , z s ) to calculate a covariance matrix S5S5 = R yy shown in Expression (3). The covariance matrix S5 is sent to the high-resolution processing unit 6.

【0017】(D)高分解能処理 高分解能処理部6は、共分散行列S5に対してMUSIC を
行う。即ち、共分散行列S5に固有値分解又は特異値分
解を行って雑音行列Eを生成し、信号成分のべクトルで
ある波数空間におけるステアリングベクトル(即ち、式
(4)に示すステアリングベクトルeをフーリエ変換し
たもの)を計算し、両者の相関値の逆数(eH EE
H e)-1を計算し、処理結果S6を生成する。処理結果
S6は、ピーク検出処理部7に送出される。 (E)ピーク検出処理 ピーク検出処理部7は処理結果S6のピークを検出し、
これがモード固有値S7として出力される。以上のよう
に、この第1の実施形態では、MUSIC を行う高分解能処
理部6の入力信号としてモード波の波数成分を含む狭い
波数帯域で制限された波数スペクトラムから生成された
共分散行列を用いるようにしたので、波数帯域外の雑音
の影響を除くことができ、MUSIC の性能の向上を図るこ
とができる。
(D) High Resolution Processing The high resolution processing unit 6 performs MUSIC on the covariance matrix S5. That is, eigenvalue decomposition or singular value decomposition is performed on the covariance matrix S5 to generate a noise matrix E, and a steering vector in a wave number space that is a vector of signal components (that is, a steering vector e shown in Expression (4) is Fourier-transformed) Is calculated, and the reciprocal of the correlation value between them (e H EE)
He e) -1 is calculated to generate a processing result S6. The processing result S6 is sent to the peak detection processing section 7. (E) Peak detection processing The peak detection processing unit 7 detects the peak of the processing result S6,
This is output as the mode unique value S7. As described above, in the first embodiment, a covariance matrix generated from a wavenumber spectrum limited in a narrow wavenumber band including a wavenumber component of a mode wave is used as an input signal of the high-resolution processing unit 6 for performing MUSIC. As a result, the effects of noise outside the wavenumber band can be eliminated, and the performance of MUSIC can be improved.

【0018】第2の実施形態 図3は、本発明の第2の実施形態のモード固有値計測方
法を実施するためのモード固有値計測装置の構成ブロッ
ク図であり、図1中の要素と共通の要素には共通の符号
が付されている。このモード固有値計測装置では、図1
のモード固有値計測装置に距離区間分割部8及び加算器
9が追加され、第2の離散フーリエ変換処理部4に代え
てN個の離散フーリエ変換処理部4−1〜4−N、及び
共分散行列生成部5に代えてN個の共分散行列生成部5
−1〜5−Nが設けられている。距離区間分割部8は、
複素振幅データS3をN個の距離区間に分割して等距離
間隔の複素振幅データS8−1〜S8−Nとする機能を
有している。離散フーリエ変換処理部4−1〜4−N
は、等距離間隔の複素振幅データS8−1〜S8−Nを
それぞれ入力して波数スペクトラムS4−1〜S4−N
をそれぞれ出力する機能を有している。共分散行列生成
部5−1〜5−Nは、波数スペクトラムS4−1〜S4
−Nの各波数データに対して隣接する各波数データ間の
共分散行列S5−1〜S5−Nをそれぞれ生成する機能
を有している。加算器9は、N個の共分散行列S5−1
〜S5−Nの加算を行う機能を有している。他は、図1
と同様の構成である。
Second Embodiment FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a mode eigenvalue measuring apparatus for implementing a mode eigenvalue measuring method according to a second embodiment of the present invention. Are denoted by the same reference numerals. In this mode eigenvalue measurement device, FIG.
, A distance section dividing unit 8 and an adder 9 are added to the mode eigenvalue measuring device, and N discrete Fourier transform processing units 4-1 to 4-N instead of the second discrete Fourier transform processing unit 4, and covariance N covariance matrix generators 5 instead of matrix generator 5
-1 to 5-N are provided. The distance section dividing unit 8
It has a function of dividing the complex amplitude data S3 into N distance sections to obtain complex amplitude data S8-1 to S8-N at equidistant intervals. Discrete Fourier transform processing units 4-1 to 4-N
Input the complex amplitude data S8-1 to S8-N at equidistant intervals and input wavenumber spectra S4-1 to S4-N.
Are output. The covariance matrix generation units 5-1 to 5-N generate wave number spectra S4-1 to S4.
It has a function of generating covariance matrices S5-1 to S5-N between adjacent wavenumber data for each -N wavenumber data. The adder 9 has N covariance matrices S5-1.
To S5-N. Others are shown in Figure 1
This is the same configuration as.

【0019】このモード固有値計測装置におけるモード
固有値計測方法では、次の点が図1と異なっている。即
ち、離散フーリエ変換処理において、距離区間分割部8
は、複素振幅データS3をN組の距離区間に分割し、そ
れぞれ離散フーリエ変換処理部4−1〜4−Nへ送出す
る。各離散フーリエ変換処理部4−1〜4−Nでは、第
1の実施形態の離散フーリエ変換処理部4と同様の処理
がそれぞれ行われる。共分散行列生成処理において、各
共分散行列生成部5−1〜5−Nでは、各距離区間毎に
第1の実施形態の共分散行列生成部5と同様の処理がそ
れぞれ行われ、N個の共分散行列S5−1〜S5−Nが
得られて加算器9へ送出される。加算器9はN個の共分
散行列S5−1〜S5−Nを加算して無相関な雑音成分
を除去し、加算信号S9として高分解能処理部6へ送出
する。以下、第1の実施形態と同様の処理が行われる。
以上のように、この第2の実施形態では、第1の実施形
態の利点に加え、N個の距離区間に分割した共分散行列
S5−1〜S5−Nを生成した後、加算するようにした
ので、無相関な雑音成分が除去され、ランダムな雑音の
影響を受けない処理が期待できる。
The mode eigenvalue measuring method in the mode eigenvalue measuring apparatus differs from FIG. 1 in the following points. That is, in the discrete Fourier transform processing, the distance section dividing unit 8
Divides the complex amplitude data S3 into N sets of distance sections and sends them to the discrete Fourier transform processing units 4-1 to 4-N. In each of the discrete Fourier transform processing units 4-1 to 4-N, the same processing as that of the discrete Fourier transform processing unit 4 of the first embodiment is performed. In the covariance matrix generation processing, each of the covariance matrix generation units 5-1 to 5-N performs the same processing as that of the covariance matrix generation unit 5 of the first embodiment for each distance section. Are obtained and sent to the adder 9. The adder 9 removes uncorrelated noise components by adding the N covariance matrices S5-1 to S5-N, and sends the result to the high-resolution processing unit 6 as an addition signal S9. Hereinafter, the same processing as in the first embodiment is performed.
As described above, in the second embodiment, in addition to the advantages of the first embodiment, the covariance matrices S5-1 to S5-N divided into N distance sections are generated and then added. Therefore, uncorrelated noise components are removed, and processing that is not affected by random noise can be expected.

【0020】第3の実施形態 図4は、本発明の第3の実施形態のモード固有値計測方
法を実施するためのモード固有値計測装置の構成ブロッ
ク図であり、図1中の要素と共通の要素には共通の符号
が付されている。このモード固有値計測装置では、図1
中の離散フーリエ変換処理部4に代えて波数帯域フィル
タ10が設けられている。波数帯域フィルタ10は、複
素振幅データS3を入力し、帯域制限された波数帯域に
おける等距離間隔の複素振幅データS10を生成する機
能を有している。他は、図1と同様の構成である。次
に、図4を参照しつつ、本実施形態のモード固有値計測
方法の各処理(A)〜(E)を説明する。
Third Embodiment FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a mode eigenvalue measuring apparatus for implementing a mode eigenvalue measuring method according to a third embodiment of the present invention. Are denoted by the same reference numerals. In this mode eigenvalue measurement device, FIG.
A wavenumber bandpass filter 10 is provided instead of the discrete Fourier transform processing unit 4 in the middle. The wavenumber bandpass filter 10 has a function of receiving the complex amplitude data S3 and generating equidistantly spaced complex amplitude data S10 in a band-limited wavenumber band. Other configurations are the same as those in FIG. Next, each processing (A) to (E) of the mode eigenvalue measuring method of the present embodiment will be described with reference to FIG.

【0021】(A)音波伝搬特性算出処理 第1の実施形態と同様である。 (B)帯域制限処理 波数帯域フィルタ10は、複素振幅データS3 S3=P(r,zr ,zs ) に対してハンケル変換を行い、波数帯域をモード波の成
分を含む帯域に制限して逆ハンケル変換を行うことによ
り、帯域制限された複素振幅データS10 S10=P(r,zr ,zs ) を生成する。帯域制限された複素振幅データS10は、
共分散行列生成部5に送出される。 (C)共分散行列生成処理 共分散行列生成部5は、帯域制限された複素振幅データ
S10を用いて、音波伝搬特性y(n) y(n)=P(rn ,zr ,zs ) として式(3)に示す共分散行列S5 S5=Ryy を計算する。共分散行列S5は、高分解能処理部6に送
出される。
(A) Sound Wave Propagation Characteristics Calculation Processing This is the same as in the first embodiment. (B) band limitation processing frequency band filter 10 performs Hankel transform complex amplitude data S3 S3 = P (r, z r, z s) with respect to, limit the frequency band to band including the components of the mode wave by performing an inverse Hankel transform, the band-limited complex amplitude data S10 S10 = P (r, z r, z s) to produce a. The band-limited complex amplitude data S10 is
It is sent to the covariance matrix generator 5. (C) the covariance matrix generation process covariance matrix generation unit 5, by using the complex amplitude data S10 which has been band-limited, wave propagation characteristic y (n) y (n) = P (r n, z r, z s ) And calculate the covariance matrix S5 S5 = R yy shown in equation (3). The covariance matrix S5 is sent to the high-resolution processing unit 6.

【0022】(D)高分解能処理 高分解能処理部6は、共分散行列S5に対してMUSIC を
行う。即ち、共分散行列S5の固有値分解又は特異値分
解を行って雑音行列Eを生成し、信号成分のべクトルで
ある距離空間におけるステアリングベクトル(即ち、式
(4)に示すステアリングベクトルe)を計算して、両
者の相関値の逆数(eH EEH e)-1を計算し、処理結
果S6を生成する。処理結果S6は、ピーク検出処理部
7に送出される。 (E)ピーク検出処理 ピーク検出処理部7は処理結果S6のピークを検出し、
これがモード固有値S7として出力される。以上のよう
に、この第3の実施形態では、MUSIC を行う高分解能処
理部6の入力信号として、モード波の波数成分を含む狭
い波数帯域で制限された複素振幅データS10から生成
された共分散行列S5を用いるようにしたので、波数帯
域外の雑音の影響を除くことができ、MUSIC の性能の向
上を図ることができる。
(D) High-resolution processing The high-resolution processing unit 6 performs MUSIC on the covariance matrix S5. That is, the noise matrix E is generated by performing the eigenvalue decomposition or the singular value decomposition of the covariance matrix S5, and the steering vector in the metric space that is the vector of the signal component (that is, the steering vector e shown in Expression (4)) is calculated. and, the reciprocal (e H EE H e) -1 of the correlation value of the two is calculated, to generate a processing result S6. The processing result S6 is sent to the peak detection processing section 7. (E) Peak detection processing The peak detection processing unit 7 detects the peak of the processing result S6,
This is output as the mode unique value S7. As described above, in the third embodiment, the covariance generated from the complex amplitude data S10 limited by the narrow wavenumber band including the wavenumber component of the mode wave is used as the input signal of the high-resolution processing unit 6 that performs MUSIC. Since the matrix S5 is used, the influence of noise outside the wavenumber band can be eliminated, and the performance of the MUSIC can be improved.

【0023】第4の実施形態 図5は、本発明の第4の実施形態のモード固有値計測方
法を実施するためのモード固有値計測装置の構成ブロッ
ク図であり、図3及び図4中の要素と共通の要素には共
通の符号が付されている。このモード固有値計測装置で
は、図4のモード固有値計測装置に距離区間分割部8及
び加算器9が追加され、共分散行列生成部5に代えてN
個の共分散行列生成部5−1〜5−Nが設けられてい
る。距離区間分割部8は、複素振幅データS10をN個
の距離区間に分割して等距離間隔の複素振幅データS8
−1〜S8−Nとする機能を有している。共分散行列生
成部5−1〜5−Nは、複素振幅データS8−1〜S8
−Nに対して共分散行列S5−1〜S5−Nをそれぞれ
生成する機能を有している。加算器9は、N個の共分散
行列S5−1〜S5−Nの加算を行う機能を有してい
る。他は、図4と同様の構成である。
Fourth Embodiment FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a mode eigenvalue measuring device for implementing a mode eigenvalue measuring method according to a fourth embodiment of the present invention. Common elements are denoted by common reference numerals. In this mode eigenvalue measuring device, a distance section dividing unit 8 and an adder 9 are added to the mode eigenvalue measuring device of FIG.
The covariance matrix generation units 5-1 to 5-N are provided. The distance section dividing unit 8 divides the complex amplitude data S10 into N distance sections and divides the complex amplitude data
-1 to S8-N. The covariance matrix generators 5-1 to 5-N generate complex amplitude data S8-1 to S8.
It has a function of generating the covariance matrices S5-1 to S5-N for -N. The adder 9 has a function of adding N covariance matrices S5-1 to S5-N. Other configurations are the same as those in FIG.

【0024】このモード固有値計測装置におけるモード
固有値計測方法では、次の点が図4と異なっている。即
ち、距離区間分割部8は、複素振幅データS10 S10=P(r,zr ,zs ) をN個の距離区間に分割して、それぞれ共分散行列生成
部5−1〜5−Nへ送出する。共分散行列生成部5−1
〜5−Nは、各距離区間毎に式(3)に示す共分散行列
S5−1〜S5−Nをそれぞれ計算して加算器9へ送出
する。加算器9は共分散行列S5−1〜S5−Nを累加
し、加算信号S9として高分解能処理部6へ送出する。
以下、第3の実施形態と同様である。以上のように、こ
の第4の実施形態では、第3の実施形態の利点に加え、
N個の距離区間に分割した共分散行列S5−1〜S5−
Nを生成した後、加算するようにしたので、無相関な雑
音成分が除去され、ランダムな雑音の影響を受けない処
理ができる。
The mode eigenvalue measuring method in this mode eigenvalue measuring apparatus differs from FIG. 4 in the following point. That is, the distance section dividing unit 8, the complex amplitude data S10 S10 = P (r, z r, z s) and is divided into N distance intervals, the respective covariance matrix generation unit 5-1 to 5-N Send out. Covariance matrix generator 5-1
.About.5-N calculate the covariance matrices S5-1 to S5-N shown in equation (3) for each distance section and send them to the adder 9. The adder 9 accumulates the covariance matrices S5-1 to S5-N and sends it to the high resolution processing unit 6 as an addition signal S9.
Hereinafter, it is similar to the third embodiment. As described above, in the fourth embodiment, in addition to the advantages of the third embodiment,
Covariance matrices S5-1 to S5- divided into N distance sections
Since N is generated and then added, uncorrelated noise components are removed, and processing not affected by random noise can be performed.

【0025】第5の実施形態 図6は、本発明の第5の実施形態のモード固有値計測方
法を実施するためのモード固有値計測装置の構成ブロッ
ク図であり、図4及び図5中の要素と共通の要素には共
通の符号が付されている。このモード固有値計測装置で
は、伝搬特性測定装置1が距離区間分割部8に接続され
ている。距離区間分割部8は、受波信号S1をN個の距
離区間に分割して受波信号S8−1〜S8−Nとする機
能を有している。距離区間分割部8の出力側は、離散フ
ーリエ変換処理部2−1〜2−Nにそれぞれ接続されて
いる。離散フーリエ変換処理部2−1〜2−Nは、分割
された受波信号S8−1〜S8−Nをそれぞれ逐次入力
して離散フーリエ変換を行い、離散フーリエ変換信号S
2−1〜S2−Nを生成する機能を有している。離散フ
ーリエ変換処理部2−1〜2−Nの出力側は、合成開口
処理部3−1〜3−Nにそれぞれ接続されている。
Fifth Embodiment FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a mode eigenvalue measuring device for implementing a mode eigenvalue measuring method according to a fifth embodiment of the present invention. Common elements are denoted by common reference numerals. In this mode eigenvalue measuring device, the propagation characteristic measuring device 1 is connected to the distance section dividing unit 8. The distance section dividing unit 8 has a function of dividing the received signal S1 into N distance sections to obtain received signals S8-1 to S8-N. The output side of the distance section dividing unit 8 is connected to the discrete Fourier transform processing units 2-1 to 2-N, respectively. The discrete Fourier transform processing units 2-1 to 2-N sequentially input the divided received signals S8-1 to S8-N, perform discrete Fourier transform, and perform discrete Fourier transform signal S
It has a function of generating 2-1 to S2-N. Output sides of the discrete Fourier transform processing units 2-1 to 2-N are connected to the synthetic aperture processing units 3-1 to 3-N, respectively.

【0026】合成開口処理部3−1〜3−Nは、離散フ
ーリエ変換信号S2−1〜S2−Nから同時刻かつ等距
離間隔の複素振幅データS3−1〜S3−Nをそれぞれ
出力する機能を有している。合成開口処理部3−1〜3
−Nの出力側は、波数帯域フィルタ10−1〜10−N
にそれぞれ接続されている。波数帯域フィルタ10−1
〜10−Nは、複素振幅データS3−1〜S3−Nを入
力して或る波数帯域における等距離間隔の複素振幅デー
タS10−1〜S10−Nをそれぞれ生成する機能を有
している。波数帯域フィルタ10−1〜10−Nの出力
側は、共分散行列生成部5−1〜5−Nにそれぞれ接続
されている。共分散行列生成部5−1〜5−N以降は、
図4と同様の構成である。このモード固有値計測装置に
おけるモード固有値計測方法では、次の点が第4の実施
形態と異なっている。
The synthetic aperture processing units 3-1 to 3-N output complex amplitude data S3-1 to S3-N at the same time and equidistant intervals from the discrete Fourier transform signals S2-1 to S2-N, respectively. have. Synthetic aperture processing units 3-1 to 3
-N output side is a wave number bandpass filter 10-1 to 10-N
Connected to each other. Wavenumber bandpass filter 10-1
10 to 10-N have a function of receiving the complex amplitude data S3-1 to S3-N and generating the complex amplitude data S10-1 to S10-N at equidistant intervals in a certain wavenumber band. Output sides of the wavenumber bandpass filters 10-1 to 10-N are connected to the covariance matrix generation units 5-1 to 5-N, respectively. After the covariance matrix generation units 5-1 to 5-N,
This is a configuration similar to that of FIG. The mode eigenvalue measuring method in this mode eigenvalue measuring device differs from the fourth embodiment in the following points.

【0027】即ち、距離区間分割部8は、受波信号S1
をN個の距離区間に分割し、離散フーリエ変換処理部2
−1〜2−Nへ送出する。離散フーリエ変換処理部2−
1〜2−N、合成開口処理部3−1〜3−N、波数帯域
フィルタ10−1〜10−N、及び共分散行列生成部5
−1〜5−Nは、第3の実施形態における離散フーリエ
変換処理部2、合成開口処理部3、共分散行列生成部5
と同様の処理をそれぞれ行い、N個の共分散行列S5−
1〜S5−Nを得て加算器9へ送出する。加算器9以降
は、第4の実施形態と同様の処理を行う。以上のよう
に、この第5の実施形態では、受波信号S1の離散フー
リエ変換を或る距離区間に分割して行い、最後に共分散
行列S5−1〜S5−Nを生成して加算するようにした
ので、無相関な雑音成分が除去され、ランダムな雑音の
影響を受けない処理ができる。
That is, the distance section dividing unit 8 receives the received signal S1
Is divided into N distance sections, and a discrete Fourier transform processing unit 2
-1 to 2-N. Discrete Fourier transform processing unit 2-
1-2-N, synthetic aperture processing units 3-1-3-N, wavenumber bandpass filters 10-1-10-N, and covariance matrix generation unit 5
−1 to 5-N are the discrete Fourier transform processing unit 2, the synthetic aperture processing unit 3, the covariance matrix generation unit 5 in the third embodiment.
Are performed, and N covariance matrices S5-
1 to S5-N are obtained and sent to the adder 9. After the adder 9, the same processing as in the fourth embodiment is performed. As described above, in the fifth embodiment, the discrete Fourier transform of the received signal S1 is performed by dividing it into certain distance sections, and finally, the covariance matrices S5-1 to S5-N are generated and added. As a result, uncorrelated noise components are removed, and processing free from the influence of random noise can be performed.

【0028】[0028]

【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、高分解能処理の入力信号としてモード波の波
数成分を含む狭い波数帯域で制限された波数スペクトラ
ムから生成された共分散行列を用いるようにしたので、
波数帯域外の雑音の影響を除くことができ、MUSIC の性
能の向上を図ることができる。第2の発明によれば、第
1の発明の効果に加え、複数の距離区間に分割した共分
散行列を生成した後に加算するようにしたので、無相関
な雑音成分が除去され、ランダムな雑音の影響を受けな
い処理ができる。第3の発明によれば、高分解能処理の
入力信号としてモード波の波数成分を含む狭い波数帯域
で制限された複素振幅データから生成された共分散行列
を用いるようにしたので、波数帯域外の雑音の影響を除
くことができ、MUSIC の性能の向上を図ることができ
る。
As described above in detail, according to the first aspect, the covariance generated from the wavenumber spectrum limited in a narrow wavenumber band including the wavenumber component of the mode wave as an input signal for high resolution processing. Since I used a matrix,
The effect of noise outside the wavenumber band can be eliminated, and the performance of MUSIC can be improved. According to the second aspect, in addition to the effect of the first aspect, since a covariance matrix divided into a plurality of distance sections is generated and then added, uncorrelated noise components are removed, and random noise is removed. Process that is not affected by According to the third aspect, a covariance matrix generated from complex amplitude data limited in a narrow wavenumber band including a wavenumber component of a mode wave is used as an input signal for high-resolution processing. The effects of noise can be eliminated, and the performance of MUSIC can be improved.

【0029】第4の発明によれば、第3の発明の効果に
加え、複数の距離区間に分割した共分散行列を生成した
後に加算するようにしたので、無相関な雑音成分が除去
され、ランダムな雑音の影響を受けない処理ができる。
第5の発明によれば、受波信号の離散フーリエ変換を複
数の距離区間に分割して行い、最後に共分散行列を生成
して加算するようにしたので、無相関な雑音成分が除去
され、ランダムな雑音の影響を受けない処理ができる。
According to the fourth aspect, in addition to the effect of the third aspect, since a covariance matrix divided into a plurality of distance sections is generated and then added, uncorrelated noise components are removed. Processing not affected by random noise can be performed.
According to the fifth aspect, the discrete Fourier transform of the received signal is performed by dividing it into a plurality of distance sections, and a covariance matrix is finally generated and added. Therefore, uncorrelated noise components are removed. In addition, processing that is not affected by random noise can be performed.

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

【図1】本発明の第1の実施形態のモード固有値計測装
置の構成ブロック図である。
FIG. 1 is a configuration block diagram of a mode eigenvalue measurement device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の原理を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of the present invention.

【図3】本発明の第2の実施形態のモード固有値計測装
置の構成ブロック図である。
FIG. 3 is a configuration block diagram of a mode eigenvalue measurement device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第3の実施形態のモード固有値計測装
置の構成ブロック図である。
FIG. 4 is a configuration block diagram of a mode eigenvalue measurement device according to a third embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第4の実施形態のモード固有値計測装
置の構成ブロック図である。
FIG. 5 is a configuration block diagram of a mode eigenvalue measurement device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第5の実施形態のモード固有値計測装
置の構成ブロック図である。
FIG. 6 is a configuration block diagram of a mode eigenvalue measuring device according to a fifth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 伝搬特性測定装置 2 第1の離散フーリエ変
換処理部 3,3−1〜3−N 合成開口処理部 4,4−1〜4−N 第2の離散フーリエ変
換処理部 5,5−1〜5−N 共分散行列生成部 6 高分解能処理部 7 ピーク検出処理部 8 距離区間分割部 9 加算器 10,10−1〜10−N 波数帯域フィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Propagation characteristic measuring apparatus 2 1st discrete Fourier transform processing part 3,3-1-3-N Synthetic aperture processing part 4,4-1-4-N 2nd discrete Fourier transform processing part 5,5-1-1 5-N covariance matrix generation unit 6 high-resolution processing unit 7 peak detection processing unit 8 distance section division unit 9 adder 10, 10-1 to 10-N wavenumber bandpass filter

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石渡 恒夫 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 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4−74985(JP,A) 特開 平9−33652(JP,A) 特開 平11−23700(JP,A) 特開 平9−274081(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01H 3/00 G01H 5/00 G01S 15/89 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tsuneo Ishiwatari 1-7-12 Toranomon, Minato-ku, Tokyo Oki Electric Industry Co., Ltd. (72) Inventor Toru Morishita 1-7-112 Toranomon, Minato-ku, Tokyo Oki Electric Industry Co., Ltd. (72) Inventor Shunji Ozaki 1-7-12 Toranomon, Minato-ku, Tokyo Oki Electric Industry Co., Ltd. (56) References JP-A-4-744985 (JP, A) JP JP-A-9-33652 (JP, A) JP-A-11-23700 (JP, A) JP-A-9-274081 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01H 3 / 00 G01H 5/00 G01S 15/89

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 一方が固定されかつ他方が等速直線運動
をする送波器と受波器とを海水中に設け、該送波器から
出力された一定の周波数の音波を該受波器で受波するこ
とによって生成された受波信号を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に対して移
動時間分の位相補償を施して該送波器と該受波器との間
が等距離間隔になる場合の音波伝搬特性を求める音波伝
搬特性算出処理と、 前記音波伝搬特性を離散フーリエ変換して水平波数成分
毎の音波伝搬特性を表す波数スペクトラムを求める離散
フーリエ変換処理と、 前記波数スペクトラムの各波数データに対して隣接する
該各波数データ間の共分散行列を求める共分散行列生成
処理と、 前記共分散行列に固有値分解又は特異値分解を施して複
数の固有ベクトルを求め、該複数の固有ベクトルを信号
ベクトルと雑音ベクトルとに分割し、前記送波器と前記
受波器との間の水平距離と前記受波信号の波数とから求
めた信号成分のステアリングべクトルと該雑音ベクトル
との内積の逆数を計算する高分解能処理と、 前記内積の逆数がピークを持つ波数を求め、該ピークを
持つ波数をノーマルモード固有値とするピーク検出処理
とを、行うことを特徴とするモード固有値計測方法。
1. A transmitter and a receiver, one of which is fixed and the other of which performs a constant-velocity linear motion, are provided in seawater, and a sound wave of a fixed frequency output from the transmitter is received by the receiver. The phase difference of the moving time is applied to the frequency spectrum of a plurality of frequencies obtained by performing the discrete Fourier transform on the received signal generated by receiving the A sound wave propagation characteristic calculating process for obtaining a sound wave propagation characteristic when the intervals are equal distance intervals; a discrete Fourier transform process for obtaining a wave number spectrum representing the sound wave propagation characteristic for each horizontal wave number component by performing a discrete Fourier transform on the sound wave propagation characteristic; A covariance matrix generation process for obtaining a covariance matrix between each of the wavenumber data adjacent to each of the wavenumber data of the wavenumber spectrum; and performing eigenvalue decomposition or singular value decomposition on the covariance matrix to obtain a plurality of eigenvectors. The plurality of eigenvectors are divided into a signal vector and a noise vector, and the steering vector of the signal component obtained from the horizontal distance between the transmitter and the receiver and the wave number of the received signal. High resolution processing of calculating the reciprocal of the inner product with the noise vector, and the reciprocal of the inner product finds a wave number having a peak, and a peak detection processing that makes the wave number having the peak a normal mode eigenvalue, Mode eigenvalue measurement method to be used.
【請求項2】 前記離散フーリエ変換処理は、前記音波
伝搬特性算出処理で得られた音波伝搬特性を複数の距離
区間に分割した後に行い、 前記共分散行列生成処理は、前記離散フーリエ変換で得
られた各波数スペクトラムから生成された前記距離区間
毎の共分散行列をそれぞれ生成した後、累加を行って前
記共分散行列を計算することを特徴とする請求項1記載
のモード固有値計測方法。
2. The discrete Fourier transform process is performed after dividing the sound wave propagation characteristic obtained in the sound wave propagation characteristic calculation process into a plurality of distance sections, and the covariance matrix generation process is performed by the discrete Fourier transform. 2. The mode eigenvalue measurement method according to claim 1, wherein after generating a covariance matrix for each of the distance sections generated from each of the obtained wavenumber spectra, the covariance matrix is calculated by performing addition.
【請求項3】 一方が固定されかつ他方が等速直線運動
する送波器と受波器とを海水中に設け、該送波器から出
力された一定の周波数の音波を該受波器で受波すること
によって生成された受波信号を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に対して移動
時間分の位相補償を施して該送波器と該受波器との間が
等距離間隔になる場合の音波伝搬特性を求める音波伝搬
特性算出処理と、 前記音波伝搬特性に対してハンケル変換を行い、波数帯
域をモード波の成分を含む帯域に制限して逆ハンケル変
換を行うことにより、帯域制限された音波伝搬特性を求
める帯域制限処理と、 前記帯域制限された音波伝搬特性のデータに対し、各デ
ータ間の共分散行列を求める共分散行列生成処理と、 請求項1記載の高分解能処理と、請求項1記載のピーク
検出処理とを、行うことを特徴とするモード固有値計測
方法。
3. A transmitter and a receiver, one of which is fixed and the other of which moves linearly at a constant speed, are provided in seawater, and a sound wave of a constant frequency output from the transmitter is received by the receiver. Received signal generated by receiving is subjected to discrete Fourier transform to obtain a frequency spectrum of a plurality of frequencies, and phase-compensated for a moving time to perform a phase compensation between the transmitter and the receiver. Is a sound wave propagation characteristic calculation processing for obtaining sound wave propagation characteristics in the case of equidistant intervals, performs Hankel transform on the sound wave propagation characteristics, restricts the wavenumber band to a band including a mode wave component, and performs inverse Hankel transformation. Performing a band-limited process for obtaining a band-limited sound propagation characteristic; and a covariance matrix generation process for obtaining a covariance matrix between the data for the band-limited sound propagation characteristic data. High-resolution processing described and A method for measuring a mode eigenvalue, comprising: performing the peak detection processing according to claim 1.
【請求項4】 前記共分散行列生成処理は、前記帯域制
限処理で求めた前記帯域制限された音波伝搬特性を複数
の距離区間に分割した後に行い、その後、累加を行って
前記共分散行列を計算することを特徴とする請求項3記
載のモード固有値計測方法。
4. The covariance matrix generation processing is performed after dividing the band-limited sound propagation characteristic obtained in the band restriction processing into a plurality of distance sections, and thereafter, the covariance matrix is calculated by performing accumulation. The mode eigenvalue measuring method according to claim 3, wherein the mode eigenvalue is calculated.
【請求項5】 前記音波伝搬特性算出処理は、前記受波
信号列を複数の距離区間に分割した後に前記離散フーリ
エ変換をそれぞれ行って該距離区間毎の音波伝搬特性を
求め、 前記帯域制限処理は、前記距離区間毎の音波伝搬特性に
対してそれぞれ行い、 前記共分散行列生成処理は、前記距離区間毎の共分散行
列の累加を行って前記共分散行列を計算することを特徴
とする請求項3記載のモード固有値計測方法。
5. The sound wave propagation characteristic calculating process, wherein the received signal sequence is divided into a plurality of distance sections, and then the discrete Fourier transform is performed to obtain sound wave propagation characteristics for each of the distance sections. Is performed for each of the sound wave propagation characteristics for each of the distance sections, and the covariance matrix generation process calculates the covariance matrix by performing addition of the covariance matrix for each of the distance sections. Item 3. The mode eigenvalue measurement method according to item 3.
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