JP3046876B2

JP3046876B2 - アクティブソーナ疑似信号発生装置

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Publication number: JP3046876B2
Application number: JP4046005A
Authority: JP
Inventors: 高敏小平; 邦造酒井; 直俊柴
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-02-01
Filing date: 1992-02-01
Publication date: 2000-05-29
Anticipated expiration: 2015-05-29
Also published as: JPH05215840A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアクティブソーナ疑似信
号発生装置に関わり、とくに訓練用あるいは試験用の疑
似信号を発生するのに適したアクティブソーナ疑似信号
発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】アクティブソーナ装置の使用訓練あるい
は試験のためには、実際の状況を模擬した画像を表示す
る必要がある。このために用いられてきた画像合成の１
つの従来法は、表示する画像をディジタル画像処理によ
り直接模擬合成するものである。また別の方法として、
専用のアナログ音響処理回路を用いて単純なエコー音響
信号を合成する方法がとられてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記したディジタル画
像処理による画像の直接合成の場合は、模擬のリアリズ
ムに問題がある。また後者のアナログ回路を用いる場合
は、アナログ回路の限界から、模擬信号の融通性、実用
的な複雑性を持った模擬信号の実現性等に問題があっ
た。

【０００４】本発明の目的は、実際の複雑な状況を実時
間で十分精度よく模擬することの可能な、アクティブソ
ーナ疑似信号発生装置を提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、送振波に
対する変調周波数、目標と受振素子の相対運動によるド
プラーシフト、及び受振素子の指向特性で定まる受振周
波数の周波数変化成分を該変化成分の変化の速さに応じ
た第１のサンプリング周期で算出する第１のディジタル
演算手段と、送振波の搬送周波数に応じた第２のサンプ
リング周期で上記周波数変化成分で周波数変調された受
振派を合成する第２のディジタル演算手段とにより各受
振素子毎の出力信号を模擬した疑似信号を生成し、該生
成した疑似信号を上記各受振素子と目標との距離の差を
補正するためのアクティブソーナ整相器へ入力すること
によって達成される。

【０００６】

【作用】送振変調周波数やドプラー効果による周波数シ
フトは搬送周波数に比べて十分小さいから、第１のディ
ジタル演算手段による処理は小さい周波数によるサンプ
リング値に対する処理でよく、高サンプリングレートを
必要とする第２のディジタル演算手段による搬送周波数
成分の処理は少なくて済むので、効率よく疑似信号を生
成できる。

【０００７】

【実施例】図２は、本発明になるアクティブソーナ疑似
信号発生装置を適用したシステム構成例を示すブロック
図で、送受波器１は水中に音波を送信または受信する装
置であり、複数の圧電素子を配列して構成される。整相
器２は、送受波器１の各圧電素子の受信信号を入力とし
て、音響信号の到来方向を求める指向性付与の処理を行
なう。信号処理装置３は、方位別に求められた音響エコ
ーに対する信号処理を実施し、表示制御器４は、操作員
の設定に基づきソーナ表示器５へ表示するビデオデータ
を生成する。以上の各機器がアクティブソーナ装置を構
成するが、本発明のアクティブソーナ疑似信号発生装置
６は、送受波器１が実際の水中で受信するのと同一の信
号形式で疑似信号を発生するものである。切換器１１
は、送受波器１からの実信号とアクティブソーナ疑似信
号発生装置６からの疑似信号を選択的に切り換える。

【０００８】このように、本実施例のアクティブソーナ
ー疑似信号の表示方法では、整相器２に送受波器からの
受振信号をそのまま模擬した疑似信号を入力してアクテ
ィブソーナーの動作を模擬するから、表示された画像は
リアリズム性が高く、またソーナーの詳細内部仕様に影
響される割合が少なく標準化しやすいという利点があ
る。

【０００９】以下、アクティブソーナー疑似信号発生装
置６について詳細に説明する。本装置は、送受波器１か
らの信号を模擬した疑似信号を生成するものであるか
ら、アクティブソーナ装置からの送振信号、送受波器１
での受振動作、整相器２の動作に関係しており、まずこ
れらの説明を行う。

【００１０】アクティブソーナからの送振信号として
は、通常次のものが用いられる。（１）ＣＷ波（ＣＷ矩形波、ＣＷ振幅変調波）（２）リニアＦＭ変調波（ｕｐ／ｄｏｗｎ）ここで、ｕｐ／ｄｏｗｎとは、ＦＭ変調する周波数を時
間的にリニアに増加または減少させることである。

【００１１】次に、送受波器１は送振にも受振にも共用
されるから、送振動作の時には送波器、受振動作の時に
は受波器と呼ぶこともあるが、実体は同一物である。図
３は送受波器１を上方より見た図を示すもので、各送受
波素子は円筒上に等間隔に配置されており、目標方位Ｐ
と中心Ｏを結んだ線ＯＰの右側の送受波素子を順次Ｒ
１，Ｒ２，・・・、線ＯＰの左側の送受波素子を順次Ｌ
１，Ｌ２，・・・と名付ける。但しこれらの記号は素子
自体を表すが、各素子の中心位置を示す記号としても併
用する。円筒形の送受波器１の縦方向に並んだ送受振素
子の１列はステーブと呼ばれるが、図３では１つのステ
ーブが１つの素子Ｒ１，Ｌ１等の対応している。以下の
解析に必要な送受波器１の特性を示すパラメータとして
は、円筒状の受振素子の数（ステーブ数）Ｎ、隣接する
受振素子が中心Ｏに対してなす角φ＝２π／Ｎ［ラジア
ン］、目標方位線ＯＰと受振素子Ｒ１の方位線ＯＲ１の
なす角をψ、目標方位線ＯＰと送受波素子Ｌ１の方位線
ＯＬ１のなす角 φーψ等がある。

【００１２】次に整相器２の処理について説明する。整
相とは、円筒状に並んだ送受波器に１つの方位より音波
が到達する際、送受波器各素子の位置により音波の到達
時間にずれが存在することを利用して、音波の到来方向
を知る信号処理である。いま、目標方位ＰよりＡ（ｔ）
ｓｉｎωｔなる音波が到来した場合、目標が十分遠くに
あれば目標方位Ｐと垂直でかつ送受波器の中心Ｏを通過
する直線ＡＯＢ上では同一の信号が受振される。しかし
送受波器断面の円周上に配列されている各送受波素子で
は、時間的にずれた信号が受振される。送受波器断面の
円筒半径をρ（ｍ）、音波の伝搬する速さをｖ［ｍ／se
c］（約1500 m/sec）とすると、各送受波素子Ｒｉ，Ｌ
ｉが直線ＡＯＢ上の点よりも速く受振する時間ｔdRi，
ｔdLi［sec］，ｉ＝１，２，・・・は次となる；

【数１】ｔdRi＝（ρ/υ）cos（ψ＋（ｉ−１））

【数２】ｔdLi＝（ρ/υ）cos(φ-ψ+ iφ)

【００１３】目標方位Ｐより到来する音波に対する指向
性を高めるには、各送受波素子Ｒｉ，Ｌｉから出力され
た信号に対して（数１）（数２）で定まる遅延時間を与
えたのち、加算する。このことにより方位Ｐより到来す
る音波の位相が合い、当該音波に対して選択的に最大の
ゲインが得られる。この遅延時間を与える信号処理が整
相と呼ばれるもので、必要な個数の遅延回路により構成
される。

【００１４】以上がアクティブソーナ装置における整相
動作であるが、本発明のアクティブソーナ疑似信号発生
装置６では、整相器２へ入力する疑似信号を生成するた
めに、逆整相と呼ばれる処理を行い、各送受波素子より
の受振信号を模擬し、その疑似信号を整相器２へ入力し
たとき実機のソーナと同一の映像パターンが得られるよ
うにする。具体的には整相と逆の処理、即ち図３の目標
方位Ｐより到来した音波が与えられたとき、（数１）
（数２）で与えられた時間だけ各送受波素子出力に相当
する信号を進ませるようにする。

【００１５】図４は送受波素子１３（素子Ｒｉ、Ｌｉの
１つ）の指向性Ｄ（θ）の例を示すもので、θは素子１
３の中心線と音波の入力方向（目標方位Ｐ）とのなす角
である。一般に送受波素子はその正面より音波が入射す
るとき（θ＝０）、最も受振ゲインが高く、中心線より
ずれる（｜θ｜が大きくなる）に従いゲインが低下す
る。そこで目標方位Ｐより入射する音波をＡ（ｔ）sin
ωｔとすると、各送受波素子Ｒｉ，Ｌｉから出力される
はずの信号は、上記の指向性Ｄ（θ）と（数１）（数
２）の値を用いて、それぞれ（数３）（数４）で与えら
れる；

【数３】Ａ(t)Ｄ(ψ+（i-1)φ)sinω(t+ｔdRi)

【数４】Ａ(t)Ｄ(φ-ψ+(i-1)φ)sinω(t+ｔdLi) で与えられる。これがＡ（ｔ）sin ωｔなる到来音波に
対する逆整相処理結果である。

【００１６】実際のアクティブソーナー装置の動作を模
擬するには、次のような状況に対応した疑似信号を与え
る必要がある。（１）複数のエコー点が存在する場合に、これらを重畳
により表現できる。（２）ドプラー効果による送振周波数と受振周波数の偏
移を表現できること（３）コード化あるいはＦＭ変調された送振波に対応し
た受振波を表現できること以下、これらに対応する処理を順次説明する。まず１点
からのエコーに対応する疑似信号を生成するには、前述
した逆整相の原理より直ちに求めることができる。すな
わち、１つの目標方位からの入射音波Ａ（ｔ）sinωｔ
に対する（数３）（数４）の信号を合成する。（数３）
（数４）の sin （）の項を展開し、（数１）（数２）
を用いて整理すれば、各素子Ｒｉ，Ｌｉ出力の疑似信号
ＢＲ１（ｔ，ｉ）、ＢＬ１（ｔ，ｉ）は

【数５】ＢＲ１（ｔ，ｉ）＝Ａ(t)Ｄ(ψ+(i-1)φ)sinω(t+ｔdRi) ＝ＦＲＳ・Ａ(t)sinωt ＋ＦＲＣ・Ａ（ｔ）cosωt ，ＦＲＳ＝Ｄ（θ）cos（ω（ρ／ｖ）cosθ）ＦＲＣ＝Ｄ（θ）sin（ω（ρ／ｖ）cosθ） θ＝ψ＋（ｉ−１）φ

【数６】ＢＬ１（ｔ，ｉ）＝Ａ(t)Ｄ(φ−ψ+(i-1)φ)sinω(t+ｔdLi) ＝ＦＬＳ・Ａ(t)sinωt ＋ＦＬＣ・Ａ（ｔ）cosωt ，ＦＬＳ＝Ｄ（η）cos（ω（ρ／ｖ）cosη）ＦＬＣ＝Ｄ（η）sin（ω（ρ／ｖ）cosη） η＝φ−ψ＋（ｉ−１）φ で与えられる。ＢＲ、ＢＬにつけた１は１点エコーであ
ることを示している。ここでθ、ηはそれぞれ、送受波
素子Ｒｉ，Ｌｉの中心と送受波器の中心を結ぶ中心線Ｏ
Ｒｉ，ＯＬｉと目標方位ＯＰとのなす角度である。また
送振周波数ｆ＝ω／２πが一定でかつドプラー効果もな
いとき（ｖ＝一定）は、ＦＲＳ，ＦＲＣ，ＦＬＳ，ＦＬ
Ｃ等は送受波素子から見たエコー発生源（目標）の方位
Ｐのみできまる項であり、時間的に一定の定数である。
また、Ａ（ｔ）はエコー波の包絡線を示す時間関数であ
るから、その変化速度は搬送波ｓｉｎωｔのおよそ１／
１０以下となるのが普通である。

【００１７】図５は、１目標に対して素子Ｒｉから出力
されるはずのエコー信号、即ち疑似信号を（数５）にし
たがって合成するためのシグナルフローダイアグラム
で、太線部分は搬送波周波数ωの成分を持つ信号経路、
細線部分は搬送波ωの１／１０程度の周波数成分を持つ
信号経路を示し、ｓｉｎωｔ，ｃｏｓωｔは９０度位相
の異なる搬送波である。ＦＲＳ，ＦＲＣは、上述のよう
に信号処理上は定数と見てよいもので、変化時定数が概
ね秒オーダーで機械的な動きに対応しているものであ
る。送受波素子Ｌｉについても同様である。

【００１８】次に多点エコーの場合を説明する。（数
５）及び（数６）は送受波素子ＲｉおよびＬｉ（ｉ＝
１、２、・・・）の、それらに対してθ及びηの角度を
なす目標からのエコーを模擬する信号であった。従って
異なる方位Pkに目標がｍ個あり、これらが素子Ｒｉおよ
びＬｉの中心線ＯＲｉおよびＯＬｉとなす角度をそれぞ
れθｋ及びηｋ（ｋ＝１，２，・・・ｍ）とすると、
（数５）（数６）のθ、ηにθｋ、ηｋをそれぞれ代入
した値が方位Ｐkからのエコーに対する疑似信号を与え
る。多点エコーに対する疑似信号はそれらの和で与えら
れるので、素子Ｒｉ，Ｌｉに対してそれらをＢＲｍ
（ｔ），ＢＬｍ（ｔ）とかくと、

【数７】

【数８】ここでＡｋ（ｔ）は方位Ｐkからのエコーの包絡線を示
し、送振信号の包絡線と、送受波器とエコー発生源の距
離と、水中音響伝搬状況により定まるもので、これは予
め与えておく。

【００１９】次にドプラー効果がある場合を述べる。送
振周波数をω、目標Ｐkと送受波器との間の相対速度を
Ｖdk（近づく方向を正）とすると、受振周波数はドップ
ラー効果によりω・((υ+Ｖdk)/υ)²となるが、周波数変
位をωdkとするとＶdk／υであるので

【数９】ωdk＝ω (((υ+Ｖdk)/υ)² - 1.0) ここでＶdkがυに較べ非常に小さいときには ωdk＝ω (2Ｖdk/υ) で近似できる。そこでいま、多点エコーの内目標Ｐkの
みが速度Ｖdkで移動しており、他は静止している場合を
考える。送受波素子Ｒｉのこのときの出力疑似信号をＤ
ＢＲｍ（ｔ）とかくと、これは（数７）でｋに対する項
のみを、ωに代わってω＋ωｄｋで置き換えたときの信
号となる。この置き換えを行い、三角関数の展開を行っ
て sin ωｔ、cos ωｔの項で整理すると、以下のよう
になる；

【数１０】 D(θk)cos((ω+ωdk)(ρ/v)cosθk)Ak(t)sin(ω＋ωdk)t +D(θk)sin((ω+ωdk)(ρ/v)cosθk)Ak(t)cos(ω＋ωdk)t ={DRSk・Ak(t)}sinωt+{DRCk・Ak(t)}cosωt

【数１１】 DRSk=D(θk)cos{(ω+ωdk)(ρ/v)cosθk+ωdk・t} DRCk=D(θk)sin{(ω+ωdk)(ρ/v)cosθk+ωdk・t} 従って目標Ｐkだけが移動しているときの多点エコーの
疑似信号ＤＢＲｍ（ｔ）は、（数７）のｋの項において
ＦＲＳｋ，ＦＲＣｋを（数１０）のＤＲＳｋ，ＤＲＣｋ
でそれぞれ置き換えた式で与えられる。

【００２０】送受波素子Ｌｉの場合も同様であり、目標
Ｐkのみ速度Ｖdkで移動しているときは（数８）のＦＬ
Ｓｋ，ＦＬＣｋに代わって次のＤＬＳｋ，ＤＬＣｋを用
いればよい；

【数１２】 DLSk=D(ηk)cos{(ω+ωdk)(ρ/v)cosηk+ωdk・t} DLCk=D(ηk)sin{(ω+ωdk)(ρ/v)cosηk+ωdk・t}

【００２１】図６は相対速度Ｖdkで移動する目標Ｐkに
対する受振素子Ｒｉの疑似信号を合成するためのシグナ
ルフローダイアグラムで、図５におけるＦＲＳ，ＦＲＣ
をそれぞれＤＲＳｋ，ＤＲＣｋで置き換えたものであ
る。他の移動していない目標に対する疑似信号は図５で
θ＝θｉ（ｉ＝１、２、・・・，ｉ≠ｋ）として求めら
れ、受振素子Ｒｉの多点エコーの疑似信号ＤＢＲｍ
（ｔ）はこれら全ての和で与えられる。受振素子Ｌｉの
場合も同様である。

【００２２】次に船体エコーの場合を説明する。船体は
空間的な広がりがあり、船体からのエコーには次の特徴
がある。（１）送受波器に対して船体がどの方向を向いているか
（アスペクト）によってエコー波形の強度、継続時間が
異なる。（２）船体にはエコーを反射するスポット（エコースポ
ット）が分布しておりアスペクトによりどのスポットが
エコーに寄与するか変化する。（３）各エコースポット自体、送受波器に対するアスペ
クトにより生成するエコーの強度が異なり、船体エコー
はこれらエコーの総和である。（１）〜（３）の特徴に対応して、異なった船体毎に、
船体の形状に対応して複数点のエコースポットを定義
し、各エコースポットに対して予め指向性を定めておく
ことにより、空間的な広がりを持つ船体のエコーを近似
することができる。図７は船型の外形２６に対し、船体
のエコーを複数のエコー点２７の集合で記述する例で、
このようにして船体のエコーは船体の形状と音響的反射
特性に対応した複数点のエコーより構成されるものとし
て表現できる。

【００２３】以上で多点エコー及びドプラー効果への対
応を述べたが、次に種々の送振波形への対応について説
明する。送受波器より送振される信号には、搬送波の周
波数を変化させず振幅のみを変えるパルス変調波、振幅
と搬送波の周波数を時間的に変化させるＦＭ変調波が用
いられる。

【００２４】まずパルス変調波の場合、目標Ｐkよりの
エコーの包絡線の時間変化Ａｋ（ｔ）は、目標Ｐkが１
点であるとすれば、パルス変調波を目標Ｐkまでの往復
時間だけ遅らせた波形とすればよい。このとき受振素子
ＲｉおよびＬｉ対応の、ドプラー効果を含めた疑似信号
は前述の（数１０）〜（数１２）で与えられる。またパ
ルス変調以外の振幅変調を行った場合も、その振幅変調
波を目標Ｐkまでの往復時間だけ遅延させた波形をＡｋ
（ｔ）とすることで、パルス変調と同じ（数１０）（数
１１）で疑似信号が与えられる。

【００２５】次にリニアＦＭ変調波の場合を説明する。
送振波がリニアＦＭ変調波である場合には、搬送波角周
波数がωの替わりにω+ωfm・(t-T0) となる。ここでωf
m はリニアＦＭの角周波数変化率（ラジアン／sec）、T
0 はリニアＦＭ変調が開始される時点である。ドップラ
ー効果のある目標Ｐkからのエコーに対する素子Ｒｉの
受振信号は（数１０）で与えられたが、いまこれを（数
９）を用いて変形し、その式のωにω＋ωfm（t-T0)を
代入し、ＦＭ変調による項ωfm(t-T0)はωより十分小さ
いとしてωdk/(ω+ωfm(t-T0))又はωdk/ωと近似し、
その結果を搬送基本周波数成分 sin ωｔ及びcos ωｔ
について展開すると、

【数１３】Ｄ(θk)cos((ω+ωdk)(ρ/υ)cos(θk))・Ａk(t)sin(ω+ωdk)t +Ｄ(θk)sin((ω+ωdk)(ρ/υ)cos(θk))・Ａk(t)cos(ω+ωdk)t ＝Ｄ(θk)cos(ω(1+2Vdk/v)(ρ/υ)cos(θk))・Ａk(t)・sin(ω(1+2Vdk/v)t) +Ｄ(θk)sin(ω(1+2Vdk/v)(ρ/υ)cos(θk))・Ａk(t)・cos(ω(1+2Vdk/v)t) ＝Ｄ(θk)cos((ω+ωfm・(t-T0))(1+2Vdk/v)(ρ/υ)cos(θk)) ・Ａk(t)・sin((ω+ωfm・(t-T0))(1+2Vdk/v)t) +Ｄ(θk)sin((ω+ωfm・(t-T0))(1+2Vdk/v)(ρ/υ)cos(θk)) ・Ａk(t)・cos((ω+ωfm・(t-T0))(1+2Vdk/v)t) ＝ＭＲＣｋ・Ａｋ（ｔ）sin ωｔ＋ＭＲＳｋ・Ａｋ（ｔ）cos ωｔが得られる。ただし

【数１４】ＭＲＣｋ＝Ｄ（θｋ）cos ωe(t) ＭＲＳｋ＝Ｄ（θｋ）sin ωe(t)

【数１５】ωe(t)＝(ω+ωfm・(t-T0))(1+2Vdk/v)(ρ/
υ)cosθk +ωfm・(t-T0)(1+2Vdk/v)t +ω・(2Vdk/v)t である。なお、（数１３）〜（数１５）は受振素子Ｒｉ
の受振信号であるが、それを示すパラメータｉはθｋの
中に（数５）の形で含まれていて、ここでは陽に現れて
いない。また、素子Ｌｉに対する受振信号も同様に表せ
る。

【００２６】以上によって種々の場合の計算式が求めら
れたので、次に実際の計算のための処理アルゴリズムを
説明する。この処理のアルゴリズムを考える場合、次の
事実が成り立つ場合にはハードウェアの小型化、低コス
ト化を図ることができる。（１）送振波の搬送波に関する位相情報はソーナーの信
号処理器で利用していない。（２）ドプラー効果による
周波数偏移は移動体の速度の５％程度である。（３）リニアＦＭの周波数偏移は搬送波の１０％程度で
ある。（４）ＣＷ矩形波、各種振幅変調波の場合でも変調波の
周波数成分は搬送波周波数の１０％程度である。（１）の条件を使用することにより、搬送波に関する処
理と包絡線に関する処理を分離することが可能となる。
また（２）〜（４）の条件を使用することにより、包絡
線波形に関する信号処理のサンプリング周波数は、搬送
波に対する信号処理のそれの約１／１０程度でよい。従
ってまず包絡線波形に関する信号処理を搬送波に対する
信号処理の約１０分の１程度のサンプリング周期で行な
い、信号合成の最終段で搬送波による変調を一括して実
施し、高いサンプリング周期で行なわなければならない
処理の部分を最小限に限定することによって処理負荷を
削減することができる。

【００２７】上記の諸点に注目して、以下ではまず、１
目標に対して送振されたリニアＦＭに対するドップラー
効果つきエコーの受振素子受振信号合成アルゴリズムを
求め、それを組み合わせることによりアクティブソーナ
ー全体の各受振素子に対する受振信号合成アルゴリズム
を求めていく。

【００２８】図８はリニアＦＭ送振、１目標、ドプラー
効果付きの時の、受振素子Ｒｉの目標Ｐkからのエコー
信号の疑似信号合成モデルを示しており、（数１３）を
図示したものである。このシグナルフローダイアグラム
の各部信号の意味は図５、６と同様で、太線部分は搬送
は周波数成分を持つ信号経路を示し、細線部分は搬送波
の１／１０程度の周波数成分を持つ信号経路を表す。こ
の図８の計算モデルを実行するためには、sin ωｔ、co
s ωｔの係数となる低周波（ωの１／１０程度）の成分
ＭＲＳｋ，ＭＲＣｋが必要であるが、このためには（数
１５）のωe(t)を求めねばならない。（数１５）のωe
(t)をそのままシグナルフローダイアグラムとして書く
と図９となり、細線は一定定数、２本線は目標相対運動
により変化するデータ、太線はサンフ゜リンク゛周期に依存する
データを表す。ωe（ｔ）の計算をこのフローに従って
行うこともできるが、次に述べる漸化式表現を求めれ
ば、前回のサンプリング値を用いて今回の計算ができる
ため、リアルタイム処理に極めて都合がよい。そこでま
ず（数１５）でエコーの到着時間を時間の原点とし（T0
＝０）、それ以降をteであらわすと

【数１６】 ωe(te) = (ω+ωfm・te)(1+2Vdk/v)(ρ/υ)cosθk +(ωfm・te(1+2Vdk/v)+ω・(2Vdk/v))te となる。この式で前回のサンフ゜ル時点をt0 とすれ
ば、次のサンプリング時点ｔeは

【数１７】te = t0 + △t であり、これを（数１６）に代入して△ｔについて展開
すれば、

【数１８】 ωe(te) = ωe(t0 + △t) = (ω+ωfm・(t0+△t))(1+2Vdk/v)(ρ/υ)cosθk +(ωfm・(t0+△t)(1+2Vdk/v)+ω(2Vdk/v))(t0+△t) = ωe(t0)+{ωfm・(1+2Vdk/v)(ρ/υ)cosθk+2ωfmt0(1+2Vdk/v) +ω(2Vdk/v)}△t+ωfm・(1+2Vdk/v)(△t)² であるから、(△t)²の項を省くと、

【数１９】 △ωe(te) = ωe(te)-ωe(t0) ＝[ωfm・(1+2Vdk/v)(ρ/υ)cosθk+2ωfm(1+2Vdk/v)t0+ω(2Vdk/v)]△t なる漸化式が得られる。さらにωfm・teをΩfm(te)とか
くと、Ωfm(te)についても次のように漸化式表現ができ
る。

【数２０】Ωfm(te) = ωfm・(t0 + △t) = Ωfm(t0) + ωfm・△t この式を用いると、

【数２１】 △ωe(te) ＝ωe(t0)+[ωfm(1+2Vdk/v)(ρ/υ)cosθk+2Ωfm(t0)(1+2Vdk/v) +ω(2Vdk/v)]△t と表現でき、右辺に現れるΩfm(t0)も（数２０）の漸化
式で計算できる。

【００２９】図１０は、（数２０）（２１）をシグナル
フローダイアグラムで示したもので、２本線は目標相対
運動により変化するデータ、太線はサンプリング周期に
依存するデータを表す。このフローによる方が、前回の
値を利用できる分だけ計算が簡単になる。

【００３０】リニアＦＭ送振波に対するドップラー効果
つき１目標エコーの受振素子Ｒｉの疑似信号は、（数１
３）（数１５）で与えられたからこれをＥｉ（ｔ）と書
き、エコー受振開始時点を原点として、以降の時間をｔ
eとすれば、Ｅｉ（ｔe）を求めるシグナルフローダイア
グラムは図１１となる。同図で,上半部分は図１０のωe
(te)を求めるフローを再掲したもので、下半分がＥｉ
（ｔｅ）を求めるために追加した部分である。

【００３１】次にｎ目標に対する受振素子Ｒｉの疑似信
号計算アルゴリズムを求める。目標Ｐkの受振素子Ｒｉ
にたいする疑似信号は上記のＥｉ（ｔｅ）で与えられた
が、これは受振素子を示す添え字ｉを陽に含んでいない
ので、これを陽に示した形で書くと（数１３）〜（数１
５）より

【数２２】Ｅki(tek) = Ａki(tek)Ｄ(θki)・[cos(ωe(tek))・sinωtek +sin(ωe(tek))・cosωtek ] となる。ただし

【数２３】 ωe(tek) =ωe(tek-△t)+[ωfm・(1+2Vdki/v)(ρ/υ)cosθki +2Ωfm(tek-△t)(1+2Vdki/v)+ω(2Vdki/v)]△t

【数２４】 Ωfm(tek) = Ωfm(tek-△t) + ωfm・△t

【数２５】θki＝θi-θk であり、またθkは目標Ｐkの方位角、θiは受振素子Ｒ
ｉの方位角であり、Aki(tek)、dkiもこれらの間の受振
素子の指向特性、ドプラー成分を示す。また、エコー開
始よりの時間ｔｅは受波器円筒の中心線に音波が到達す
る時間を原点として定義しており、エコー到達時間は目
標毎に異なるから、目標毎に時間軸を定義し、目標Ｐk
に対するものをｔekと記した。ここで共通時間軸をｔと
し、その上での目標Ｐkに対するエコーの開始時点をＴe
kとすれば

【数２６】ｔek = ｔ - Ｔek となり時間軸が統一される。ここで、エコー包絡線Ａｋ
ｉ（ｔ−Ｔek）は送受波素子に依存せず、送受波素子の
位置のずれに対応した時間のずれのみ生ずるとしてＡk
（ｔ−Ｔeki）と表現し、またωeは受振素子の番号ｉと
目標の番号ｋで変わるので、これらのｉ，ｋも添え字に
いれてωeikと表すと、

【数２７】Ｅki(t-Ｔek)＝Ａi(t-Ｔeki)Ｄ(θki)・[cos(ωeik(t-Ｔek))・sinωt +sin(ωeik(t-Ｔek))・cosωt]

【数２８】 ωeik(t-Ｔek)＝ ωeik(t-Ｔek-△t)+[ωfm・(1+2Vdik/v)(ρ/υ)cosθki +2Ωfmi(t-Ｔek-△t)(1+2Vdik/v)+ω(2Vdik/v)]△t

【数２９】 Ωfmi(t-Ｔek)＝Ωfmi(t-Ｔek-△t) + ωfm・△t 送受波素子Ｒｉに対して全ての目標Ｐkについての総和
をとれば送受波素子Ｒｉについての受振音響信号Ｅｉ
（ｔ）が得られる。；

【数３０】

【数３１】 ωeik(t-Ｔek)＝ ωeik(t-Ｔek-△t)+[ωfm・(1+2Vdik/v)(ρ/υ)cosθki +2Ωfm(t-Ｔek-△t)(1+2Vdik/v)+ω(2Vdik/v)]△t

【数３２】 Ωfm(t-Ｔek) = Ωfm(t-Ｔek-△t) + ωfm・△t 従って、送受波素子Ｒｉに対する多重エコー（ｋ目標）
生成のシグナルフローダイアグラムは（数３０）〜（数
３２）をそのまま図示した図１となる。これが本発明に
なるアクティブソーナ疑似信号発生装置の信号合成方式
の基本をなす部分であり、以下、この式を用いたシステ
ム構成例を示す。

【００３２】図１２は本発明のアクティブソーナ疑似信
号発生装置の構成の一実施例を示すブロック図で、制御
プロセッサ２９は、ＤＳＰＵ（ディジタル信号処理ユニ
ット）群３０，３１を制御し、ＤＳＰＵ群３０，３１は
（数３０）〜（数３２）に基づいて疑似信号を計算し、
送受波器ステーブごとに疑似信号出力部３２に送出す
る。疑似信号出力部３２は、各ステーブ毎の信号を整相
器２が処理可能な形式にフォーマット変換するものであ
り、最近のソーナでは、ステーブごとに時分割でシリア
ル化したものが通常である。信号３３は、アクティブソ
ーナの操作モード、及びソーナと目標の相対位置に関す
るデータを周期的に受信する。信号３４は、ＤＳＰＵ群
３０，３１に対する制御信号で計算開始命令と、（数３
０）〜（数３２）で用いるパラメータを与える。図１３
はＤＳＰＵ群３０または３１を構成する個々のＤＳＰユ
ニットの構成を示すもので、信号処理プロセッサ（ＤＳ
Ｐ）３７を中核とし、制御プロセッサインターフェイス
３４を介して制御プロセッサ２９からの信号を受ける。
ＤＳＰ３７は、（数３０）〜（数３２）の演算を実施す
るが、プログラムおよび作業エリアは主メモリ３９に割
り当てられる。ＤＳＰＵインターフェイス４１は、シリ
アル伝送または、パラレル伝送の形式で他の接続先のＤ
ＳＰＵとデータ伝送を行なう。バファメモリ４０は交替
バッファを形成しており、ＤＳＰ３７でのデータ処理と
ＤＳＰＵインターフェイス４１のデータ伝送がパイプラ
イン形式で実施出来るようにしたものである。ＤＳＰＵ
の構成法については、平１特願２２８６０２号”マルチ
プロセッサシステム及びそれを用いた信号処理方法”に
実施例がある。

【００３３】図１４は制御プロセッサ２９の処理内容を
示すフローチャートで、この処理は模擬対象の状態に応
じて周期的に実施される。処理内容は、アクティブソー
ナ疑似信号発生処理の基本パラメータの計算であり、下
記より構成される。 (1)目標情報計算（処理ブロック４２）；目標情報は、
アクティブソーナの探知対象となる目標と、アクティブ
ソーナを搭載するセンサー側プラットフォームの相対運
動により定まるもので、距離、方位、アスペクト（目標
の基準方位より見て受振素子を見込む角度）、およびド
プラー速度（レンジ方向速度）であり、目標とセンサー
側プラットフォームの位置座標と速度成分より幾何計算
によりもとめることができる。このほかに目標の種類が
設定により規定される。 (2) エコーポイント情報計算（処理ブロック４３）；目
標に対するアクティブソーナ疑似信号は図７に示すごと
く、エコーポイントの集合として表現される。従って目
標に対応してエコーポイント数、エコーポイント毎のタ
ーゲットストレンクス、エコーポイント毎の距離と方
位、およびエコーポイントのドプラー速度をエコーポイ
ント情報として定める。このために、(1)の目標情報よ
り目標の種別が定まるので、目標識別コードを検索キー
として図１５に示したような目標エコーライブラリーを
用意しておき、これを検索してどのようにエコーポイン
トの集合として表わせられるかを、以下のようにして求
める。即ち、目標エコーライブラリは１目標につき複数
のエコーポイントより構成されており、その個数を規定
する。各エコーポイントの位置は目標の中心を基準とし
た相対座標系（エコーポイントｋのＸ座標とＹ座標）で
示される。目標の位置とアスペクトが求まっているの
で、目標エコーライブラリより各構成エコーポイントの
送受波器よりみた方位、距離、アスペクトが幾何計算よ
り求まる。求まったアスペクトから目標エコーライブラ
リのアスペクトに対応したターゲットストレンクステー
ブルを検索し、補間してエコーポイント毎のターゲット
ストレンクス（ＴＳ）を求める。各エコーポイントに対
するドップラー速度は目標に対するドプラー速度と同じ
である。 (3)エコーエンベロープ情報計算（処理ブロック４
４）；エコーエンベロープを生成するのに必要なエコー
開始タイミング、関連ステーブ番号、およびステーブ別
受振信号レベルを求める。エコーエンベロープは目標よ
り反射して受振素子に受振される音響信号の包絡線であ
り、形状は送振波形と同一とする。実際の受振波形は例
え目標が点であっても水中を伝搬する間に時間軸上で広
がりを持つようになるが、時間的な広がりは目標を複数
のエコーポイントで表現することにより模擬する。従っ
て、包絡線については予め送振波形に対応したデータテ
ーブルの形態で記憶しておくことができる。エコー開始
タイミングは送振時点から音波が目標に反射しそのエコ
ーが送受波器の各ステーブまで戻ってくるまでの時間遅
れを示す。従って往復の距離を水中音速で割った数値と
なる。関連ステーブ番号は目標からのエコーが受振され
るステーブの識別番号を示し、ソーナの基準軸に対する
目標の相対的方位により自動的に計算される。目標側を
向いているステーブ数は、全ステーブ数の１／２である
が、受振レベルの低い両サイドのステーブは省略しても
構わないので、目標に面している全ステーブ数の１／２
から１／３の数のステーブにエコー信号が受振されると
する。 (4) ステーブエコー情報計算（処理ブロック４５）；送
受波器ステーブ毎の受振信号レベルは各ステーブから見
た目標の方位に基づき受振素子の指向性ゲインＤ(θ)
と、受振素子の位置に於けるエコーの音圧レベルにより
定まる。受振素子の位置に於けるエコーの音圧レベル
は、送振出力（ＳＧ）、水中音響伝搬損失（ＴＬ）、目
標のターゲットストレンクス（ＴＳ）により次の式で定
まる。ここで単位はデシベル表現である。

【数３３】ＳＧ−２・ＴＬ＋ＴＳ＋Ｄ(θ)

【００３４】次にＤＳＰＵ群３０、３１による処理を説
明する。この処理は（数３０）〜（数３２）に基づいて
実施され、（ａ）エコー変調成分計算と（ｂ）搬送波変
調から構成される。（ａ）エコー変調成分計算；制御プロセッサ２９で求め
た各目標に対応するエコーポイントについてのエコーポ
イントエンベロープ情報に基づき、エコー変調波のｓｉ
ｎ成分とｃｏｓ成分を各エコーポイント、各関連ステー
ブ毎にＤＳＰＵ群３０により算出する。すなわち、（数
３１）及び（数３２）によるωeik(t-Ｔek)およびΩfm
(t-Ｔek)の算出と、この結果を用いて（数３０）の sin
ωt, cosωt の係数（これらをＥsini(t),Ｅcosi(t)と
かく）

【数３４】の算出を行う。そしてこの結果に対して、サンプリング
周期を送振搬送波にあわせるためオーバサンプリングを
行なう。（ｂ）搬送波変調；（数３４）の結果を用い、ＤＳＰＵ
群３１によって各ステーブ毎のアクティブソーナ疑似信
号を下記（数３５）により求める。

【数３５】Ｅi(t) = Ｅsini(t) ・ sinωt + Ｅcosi(t) ・ cosωt すなわち送振搬送波とサンプリング周期をあわせたエコ
ー変調波のｃｏｓ成分，ｓｉｎ成分で９０度位相のずれ
た送振搬送波ｃｏｓωｔ、ｓｉｎωｔを各々振幅変調し
て加算する。この計算だけはサンプリング点が多くな
り、計算量が大きくなるが、（数３４）までの処理は搬
送波の１／１０程度のサンプリング周波数なので、計算
量は大幅に少なくてよい。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、アクティブソーナの各
受振素子に印加する時間領域信号を効率よく発生させる
ことができるので、低コストで高い模擬信号発生能力を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】リニアＦＭ送振波に対するドップラー効果つき
１点エコーの受振素子受振信号合成モデルを示す図であ
る。

【図２】本発明になるアクティブソーナ模擬装置を適用
したシステム構成例を示すブロック図である。

【図３】ソーナ送受波器の構造及び整相原理を示す図で
ある。

【図４】送受波素子の指向性を示す図である。

【図５】１点エコーの受波器信号合成モデルを示す図で
ある。

【図６】ドップラー効果つき１点エコーの受波器信号合
成モデルを示す図である。

【図７】船型に対するエコーポイント配置例を示す図で
ある。

【図８】リニアＦＭ送振波に対するドップラー効果つき
１点エコーの受波器信号合成モデルを示す図である。

【図９】リニアＦＭ送振波に対するドップラー効果つき
１点エコーの受波器信号変調成分計算アルゴリズムを示
す図である。

【図１０】リニアＦＭ送振波に対するドップラー効果つ
き１点エコーの受波器信号変調成分計算アルゴリズム
（漸化式表現）を示す図である。

【図１１】受振素子ｋに対する多重エコー（ｉ目標）生
成ブロックダイアグラムを示す図である。

【図１２】アクティブソーナ疑似信号発生装置の構成例
を示す図である。

【図１３】ＤＳＰユニットの構成例を示す図である。

【図１４】制御プロセッサの処理内容を示す図である。

【図１５】目標エコーライブラリのファイル構造例を示
す図である。

【符号の説明】

１送受波器２整相器３信号処理装置６アクティブソーナ疑似信号発生装置１１切換器２９制御プロセッサ３０ＤＳＰＵ群３１ＤＳＰＵ群

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−13879（ＪＰ，Ａ) 特開平２−311777（ＪＰ，Ａ) 特開平２−154185（ＪＰ，Ａ) 特開平１−305385（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−96878（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−173772（ＪＰ，Ａ) 特開平１−232276（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−155977（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−181985（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 3/80 - 3/86 G01S 5/18 - 5/30 G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アクティブソーナ送受波器に配置された
各受振素子毎の出力信号を模擬した疑似信号を生成し、
該生成した疑似信号を上記各受振素子と目標との相対方
位を計出するためのアクティブソーナ整相器へ入力する
ことによってアクティブソーナの動作を模擬するように
するアクティブソーナ疑似信号発生装置において、送振
波に対する変調周波数、目標と受振素子の相対運動によ
るドプラーシフト、及び受振素子の指向特性で定まる受
振周波数の周波数変化成分を該変化成分の変化の速さに
応じた第１のサンプリング周期で算出する第１のディジ
タル演算手段と、送振波の搬送周波数に応じた第２のサ
ンプリング周期で上記周波数変化成分で周波数変調され
た受振波を合成する第２のディジタル演算手段とにより
前記疑似信号を生成することを特徴とするアクティブソ
ーナ疑似信号発生装置。
【請求項２】前記第１の演算手段は、現在の第１サン
プリング時点の周波数変化成分を、１つ前のサンプリン
グ時点に求めた周波数変化成分と上記現在の周波数変化
成分との差を与える式より算出した後、これを上記１つ
前の第１サンプリング時点の周波数変化成分に加えるこ
とにより算出することを特徴とする請求項１記載のアク
ティブソーナ疑似信号発生装置。
【請求項３】目標が空間的広がりを持つ場合に、その
各々が独自の反射特性を有する複数の反射点により上記
目標からの反射波を模擬することを特徴とする請求項１
または２に記載のアクティブソーナ疑似信号発生装置。