JP3573090B2

JP3573090B2 - 水中目標物位置検出装置及び方法

Info

Publication number: JP3573090B2
Application number: JP2000369730A
Authority: JP
Inventors: 定生島津
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: JP2002168937A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置検出装置、特に水中の目標物の位置を検出するマルチスタティック方式の水中目標物位置検出装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ここで、マルチスタティック方式の水中目標物位置検出装置とは、１個以上の水中音源から発信した音波を水中目標物にて反射した反響音を複数のハイドロフォン（水中受信器）にて受信し、水中目標物の位置（又は方位）を検出する装置である。水中の物体又は魚群等を検出するためにソーナー等の装置が知られている。斯かる分野の従来技術は、例えば特開昭６２−２０１３８２号公報の「自船位置自動補正装置付航法装置」、特開平５−６６２６６号公報の「ソーナー映像表示処理回路」、特開平６−１０９４７２号公報の「予察計算処理器」、特開平８−８６８６６号公報の「水中目標探知装置」、特開平９−２６４９４８号公報の「水中航走体検出装置」および特開２０００−８８９４２号公報の「バイスタティックソーナーの左右判別方法」等に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術には幾つかの解決するべき課題があった。第１に、マルチスタティック方式による水中目標物位置検出装置において、海底からの反射波が水中目標物からの反響音の検出性能に大きく影響し、海底からの反射波が水中目標物からの反響音の検出を妨げてしまうことである。その理由は、海底反射波は、水中目標物からの反響音よりも数倍から数百倍も受信レベルが大きく、これと水中目標物からの反響音が重なった場合に、水中目標物からの反響音を検出することが全く不可能である。特に、水中の音源が火薬等の爆発による場合には、音源から発信する音波に周波数特性や振幅特性を付与することができないため、水中目標物からの反響音に特徴がない。従って、信号処理による反響音信号の抽出の効果が期待できないためである。
【０００４】
第２に、マルチスタティック方式の水中目標物位置検出装置では、複数の水中受信器（ハイドロフォン）にて受信した信号を扱うため、操作者が受信信号を監視するのが非常に困難である。その理由は、例えば１０本のハイドロフォンを使用してマルチスタティック方式の水中目標物検出装置を作動させた場合に、１０本のハイドロフォンの受信信号を同時に監視しなければならないので、人間による監視作業が非常に繁忙になるためである。
【０００５】
【発明の目的】
従って、本発明の目的は、海底反射音および海面反射音の影響を軽減し、位置検出性能を改善するマルチスタティック方式の水中目標物位置検出装置を提供することである。また、本発明の他の目的は、複数のハイドロフォンによる受信信号の表示を１つの画面に集中することにより、操作者の負担を軽減する水中目標物検出装置及び方法を提供することである。
【０００６】
本発明の更に他の目的は、マルチスタティック方式による水中目標物位置検出回路において、海底反射音又は海面反射音と水中目標物からの反響音が重なった場合に、水中目標物からの反響音を検出する性能の低下を軽減する水中目標物検出装置及び方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の水中目標物検出装置は、１個以上の水中音源から発信した音波を水中目標物にて反射した反響音を複数のハイドロフォンで受信して水中目標物の位置を検出するものであって、海域上に設定した水中目標物の仮定位置に水中目標物が存在した場合の反響音がハイドロフォンに到達する時刻を計算し、その時刻におけるハイドロフォンの受信信号のレベルを、複数の前記仮定位置毎に積分して地図上に表現することにより前記水中目標物の位置を検出する。
【０００８】
また、本発明の水中目標物検出装置の好適実施形態によると、所定パラメータを設定するパラメータ入力部と、このパラメータから音波の伝播時間を計算する位置計算部と、ハイドロフォンからの直接到達音を検出する信号検出部と、この直接到達音を検出した時刻を測定する時刻計測部と、水中音源にて音波を発信した時刻以降にハイドロフォンにて受信した信号を記憶する受信信号メモリ部と、この受信信号メモリ部および位置計算部の出力信号を受けて格子状に設定した水中目標物仮定位置毎の受信確度として表示器に表示する指標値を出力する地図データ処理部とを備える。受信信号メモリ部および地図データ処理部の間に反響音のみを抽出する信号処理部を設ける。上述のパラメータ入力部は、水中音源の位置、ハイドロフォンの位置および水中音速値を設定する。更に、上述の信号検出部は、ハイドロフォンの受信信号に対して予め設定されたスレッショルドを最初に超えた音波を直接到達音とする。
【０００９】
更に、本発明の水中目標物検出方法は、１個以上の水中音源から発信した音波を水中目標物にて反射した反響音を複数のハイドロフォンで受信して前記水中目標物の位置を検出する水中目標物位置検出方法において、
海域上に設定した水中目標物の仮定位置に水中目標物が存在した場合の反響音がハイドロフォンに到達する時刻を計算し、当該時刻における前記ハイドロフォンの受信信号のレベルを、複数の前記仮定位置毎に積分して地図上に表現することにより前記水中目標物の位置を検出する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による水中目標物検出装置及び方法の好適実施形態の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
先ず、図１は、本発明による水中目標物位置検出装置及び方法の好適実施形態の構成を示す。図１には、水中音源１、水中に設置された複数のハイドロフォン２、本発明による水中目標物位置検出回路３および表示器４を示す。ハイドロフォン２にて受信する音波は、次の６種類である。
▲１▼水中音源１から最短コースでハイドロフォン２に到達する直接到達音。
▲２▼水中音源１から図２に示す如く一度海底５に到達し、海底５で反射して、ハイドロフォン２に到達した海底反射音。
▲３▼水中音源１から図３に示す如く一度海面６に到達し、海面６で反射して、ハイドロフォン２に到達した海面反射音。
▲４▼水中音源１から水中目標物７に到達し、水中目標物７にて反射して、ハイドロフォン２に到達した反響音。
▲５▼水中音源１から海底５、海面６および水中目標物７以外の物体にて反射して、ハイドロフォン２に到達した雑音。
▲６▼水中音源１から音波以外の水中の背景雑音。
【００１２】
本発明による水中目標物位置検出装置は、水中目標物位置検出回路３を使用して、▲４▼の水中目標物にて反射した反響音により、水中目標物７の位置を検出することを意図する。しかし、水中目標物７からの反響音を直接的に検出せず、水中目標物仮定位置８と、それに対応するハイドロフォン２の受信信号レベルを地図上にプロットし、水中目標物７からの反響音による地図上の受信レベルのピーク位置を検出する。表示器４に表示する地図において、水中目標物仮定位置８を図１に示す如く格子状に設定する。この水中目標物仮定位置８を設定することにより、水中音源１から発信した音波は、水中目標物仮定位置８にて反射して、ハイドロフォン２に到達すると仮定することができる。
【００１３】
水中目標物位置検出回路３では、最初に水中音源１からハイドロフォン２の距離およびその距離を音波が伝播するために必要な時間と、水中音源１から水中目標物仮定位置８の距離およびその距離を音波が伝播するために必要な時間と、水中目標物仮定位置８からハイドロフォン２の距離およびその距離を音波が伝播するために必要な時間とを計算しておく。
【００１４】
一方、水中音源１から発信した音波は、直接到達音として最短コースでハイドロフォン２にも到達する。水中目標物位置検出回路３では、先ずハイドロフォン２で受信した直接到達音の受信時刻を検出する。次に、水中音源１から発信した音波が水中目標物仮定位置８にて反射し、ハイドロフォン２に到達するために必要な時間を計算する。直接到達音の受信時刻を基準に、水中目標物仮定位置８にて反射した反響音がハイドロフォン２に到達した時刻を予想し、その時刻のハイドロフォン２の受信レベルを参照する。それを表示器４に表示する地図上に受信レベルの強弱で表現して表示する。
【００１５】
この水中目標物仮定位置８毎のハイドロフォン２の受信レベル表示について、複数のハイドロフォン２の受信レベル値を積分する。これにより、各ハイドロフォン２毎の海底反射音および海面反射音の影響を軽減し、地図上で一定の位置にある水中目標物７からの反響音を強調することができる。斯かる水中目標物検出方式を採用すると、表示器４に表示する画面は、水中目標物仮定位置８毎にハイドロフォン２の受信レベルをプロットした地図だけとなり、操作者が監視すべき表示器４の画面が１種類のみとなる。
【００１６】
図１中に示す水中目標物位置検出回路３の第１具体例の構成を、図４のブロック図に示す。この水中目標物位置検出回路３は、パラメータ入力部９、位置計算部１０、信号検出部１１、時刻計測部１２、受信信号メモリ部１３および地図データ処理部１４により構成される。ハイドロフォン２の出力信号は、信号検出部１１および受信信号メモリ部１３に入力される。信号検出部１１の出力信号は、時刻計測部１２を介して受信信号メモリ部１３に入力される。一方、パラメータ入力部９の出力信号は、位置計算部１０を介して地図データ処理部１４に入力される。そして、受信信号メモリ部１３および地図データ処理部１４は、双方向に接続されている。
【００１７】
パラメータ入力部９は、水中音源１の位置＝（ａ，ｂ）およびハイドロフォン２の位置＝（ｃ，ｄ）、水中音速値＝Ｖ（ＮＭ／ｓｅｃ）を予め設定する。位置計算部１０は、パラメータ入力部９において設定されたパラメータに基づき、水中音源１からハイドロフォン２の距離＝Ｌ１およびこの距離Ｌ１を音波が伝播するために必要な時間＝ｔ１、水中音源１から水中目標物仮定位置８（ｘ，ｙ）の距離＝Ｌ２およびこの距離Ｌ２を音波が伝播するために必要な時間＝ｔ２、水中目標物仮定位置８（ｘ、ｙ）からハイドロフォン２の距離＝Ｌ３およびその距離Ｌ３を音波が伝播するために必要な時間＝ｔ３を計算する。
【００１８】
信号検出部１１は、ハイドロフォン２の受信信号に対して予め設定されたスレッショルドを最初に超えた音波を直接到達音として検出する。次に、時刻検出部１２は、信号検出部１１にて直接到達音を検出した時刻を測定し、地図データ処理部１４に直接到達音の受信時刻＝Ｔ０を出力する。受信信号メモリ部１３は、水中音源１にて音波を発信した時刻以降にハイドロフォン２にて受信した信号を記憶する。
【００１９】
地図データ処理部１４は、水中目標物位置検出回路３を使用する海域において、格子状に設定した水中目標物仮定位置８（ｘ、ｙ）毎の水中目標物７からの反響音と直接到達音の到達時間差＝ｔ４および水中目標物７からの反響音の予想受信時刻＝Ｔ１を計算し、水中目標物７からの反響音の予想受信時刻Ｔ１に対応する受信信号を受信信号メモリ部１３から読み出す。地図上の水中目標物仮定位置８（ｘ、ｙ）の位置に、水中目標物７が本当に存在した場合の受信確度を示す指標値として表示器４に表示する。
【００２０】
次に、本発明による水中目標物位置検出装置の動作を、図１および図４を参照して説明する。水中音源１にて音波を発信する前に、パラメータ入力部９において、水中音源１の位置＝（ａ，ｂ）、ハイドロフォン２の位置＝（ｃ、ｄ）および水中音速値＝Ｖ（ＮＭ／ｓｅｃ）を予め設定する。位置計算部１０では、パラメータ入力部９において設定されたパラメータから、水中音源１からハイドロフォン２の距離＝Ｌ１およびその距離Ｌ１を音波が伝播するために必要な時間＝ｔ１、水中音源１から水中目標物仮定位置８（ｘ、ｙ）の距離＝Ｌ２およびその距離Ｌ２を音波が伝播するために必要な時間＝ｔ２、水中目標物仮定位置８（ｘ、ｙ）からハイドロフォン２の距離＝Ｌ３およびその距離Ｌ３を音波が伝播するために必要な時間＝ｔ３を下記の如く計算しておく。
Ｌ１＝ＳＱＲＴ（（ａ−ｃ）＾２＋（ｂ−ｄ）＾２）、ｔ１＝Ｌ１／Ｖ
Ｌ２＝ＳＱＲＴ（（ａ−ｘ）＾２＋（ｂ−ｙ）＾２）、ｔ２＝Ｌ２／Ｖ
Ｌ３＝ＳＱＲＴ（（ｃ−ｘ）＾２＋（ｄ−ｙ）＾２）、ｔ３＝Ｌ３／Ｖ
【００２１】
水中音源１にて音波を発信すると、信号検出部１１にて直接到達音を監視し検出する。水中音源１にて発信した人工的な音波は、水中の自然の背景雑音に比べると水中音源１が発信する音波の受信レベルの方が非常に大きいため、信号検出部１１にてスレッショルドを設定する。そして、一定以上の受信レベルの受信信号且つ最初に受信した信号を直接到達音として検出する。
【００２２】
時刻計測部１２では、信号検出部１１にて直接到達音を検出した時刻を検出し、地図データ処理部１４に直接到達音の受信時刻＝Ｔ０を出力する。受信信号メモリ部１３は、水中音源１にて音波を発信した時刻以降にハイドロフォン２にて受信した信号を内部のメモリに記憶する。地図データ処理部１４は、水中目標物位置検出回路３を使用する海域において、格子状に設定した水中目標物仮定位置８（ｘ、ｙ）毎の水中目標物７からの反響音と直接到達音の到達時間差＝ｔ４および水中目標物７からの反響音の予想受信時刻＝Ｔ１を、次式により計算する。
水中目標物７の反響音と直接到達音の到達時間差：ｔ４＝ｔ２＋ｔ３−ｔ１
水中目標物７の反響音の予想受信時刻：Ｔ１＝Ｔ０＋ｔ４
【００２３】
ハイドロフォン２にて受信した受信信号のうち、水中目標物７からの反響音の予想受信時刻Ｔ１に対応する受信信号を受信信号メモリ部１３から読み出し、地図上の水中目標物仮定位置８（ｘ、ｙ）の位置に水中目標物７が本当に存在した場合の受信確度を示す指標値として表示器４に表示する。水中目標物仮定位置８（ｘ、ｙ）は、格子状に複数設定する。例えば、南北方向に１００個、東西方向に１００個の水中目標物仮定位置８（ｘ、ｙ）を設定した場合には、水中目標物仮定位置８毎の存在確度の計算を１００×１００＝１０，０００回繰り返す。更に、１０本のハイドロフォン２を使用した場合には、ハイドロフォン２毎に水中目標物仮定位置８（ｘ、ｙ）毎の存在確度の計算を行うため、１０，０００×１０＝１００，０００回の受信確度の計算を繰り返す。２本のハイドロフォン２による表示器４の画面表示例を図５に示す。
【００２４】
次に、水中目標物位置検出回路３の第２具体例を、図６のブロック図を参照して説明する。この水中目標物位置検出回路３’は、図４に示す水中目標物検出回路３の受信信号メモリ部１３および地図データ処理部１４間に信号処理部１５を追加している。他の構成は図４と同様であるので、説明を省略する。信号処理部１５は、受信信号メモリ部１３から読み出した受信信号について、その前後の受信信号と読み出した受信信号の差を地図データ処理部１４に出力する。信号処理部１５は、水中音源１の発信する音波のパルス幅と等しい時間の反響音が水中目標物７から反射されることを利用し、反響音のみを抽出する。水中目標物７からの反響音は、海底反射音および海面反射音に比べて受信レベルが小さいため、絶対レベルで比較すると、複数のハイドロフォン２の受信信号による積分効果を利用しても、Ｓ／Ｎ（信号対ノイズ）比の改善が難しいことが予想される。そこで、海底反射音および海面反射音を背景雑音と見なし、これに反響音が付加されるものと考え、背景雑音の受信レベルに対して、反響音の受信レベルが付加され突出した部分のみをハイドロフォン２の受信信号とするものである。
【００２５】
水中目標物７からの反響音の予想受信時刻＝Ｔ１における受信信号について、図７に示す如く水中音源１の発信するパルス幅をｔ５とすると、反響音を受信する前の時刻であるＴ１−ｔ５／２および反響音を受信し終わった後の時刻であるＴ１＋ｔ５＋ｔ５／２の時刻における受信信号の平均値に対し、反響音の受信時刻であるＴ１＋ｔ５／２の受信信号がどれだけ付加されているかを計算する。この計算結果をＴ１の受信信号とする。
【００２６】
以上、本発明による水中目標物位置検出装置及び方法の好適実施形態の構成および動作を詳述した。しかし、斯かる実施形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかな如く、本発明の水中目標物位置検出装置及び方法によると、次の如き実用上の顕著な効果が得られる。第１に、マルチスタティック方式による水中目標物位置検出装置において、海底反射音および海面反射音が水中目標物からの反響音の検出に大きく影響し、水中目標物７からの反響音の検出を妨げることを軽減する。その理由は、複数のハイドロフォンによる受信信号の反響音の受信信号を積分することによって、海底反射音および海面反射音と反響音のＳ／Ｎ比を改善可能であるからである。
【００２８】
第２に、本発明によるマルチスタティック方式の水中目標物位置検出装置及び方法では、複数のハイドロフォン２にて受信した信号について、操作者の監視作業が非常に容易になる。その理由は、複数のハイドロフォン２の受信信号を１つの地図画面上に表示するため、監視する画面が１つでよく、従来技術の如く全てのハイドロフォンの受信信号を個別に監視する必要がないからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマルチスタティック方式の水中目標物位置検出装置及び方法の好適実施形態を示す構成図である。
【図２】海底反射音の説明図である。
【図３】海面反射音の説明図である。
【図４】図１中に示す水中目標物位置検出回路の第１具体例の構成を示すブロック図である。
【図５】図４に示す水中目標物検出回路を使用する２本のハイドロフォンによる地図表示例である。
【図６】図１中に示す水中目標物検出回路の第２具体例の構成を示すブロック図である。
【図７】反響音成分レベル計算の説明図である。
【符号の説明】
１水中音源
２ハイドロフォン
３、３’ 水中目標物位置検出回路
４表示器
５海底
６海面
７水中目標物
８水中目標物仮定位置
９パラメータ入力部
１０位置計算部
１１信号検出部
１２時刻計測部
１３受信信号メモリ部
１４地図データ処理部
１５信号処理部

Claims

１個以上の水中音源から発信した音波を水中目標物にて反射した反響音を複数のハイドロフォンで受信して前記水中目標物の位置を検出する水中目標物位置検出装置において、
海域上に設定した水中目標物の仮定位置に水中目標物が存在した場合の反響音がハイドロフォンに到達する時刻を計算し、当該時刻における前記ハイドロフォンの受信信号のレベルを、複数の前記仮定位置毎に積分して地図上に表現することにより前記水中目標物の位置を検出することを特徴とする水中目標物位置検出装置。
所定パラメータを設定するパラメータ入力部と、前記パラメータから音波の伝播時間を計算する位置計算部と、前記ハイドロフォンからの直接到達音を検出する信号検出部と、前記直接到達音を検出した時刻を測定する時刻計測部と、前記水中音源にて前記音波を発信した時刻以降に前記ハイドロフォンにて受信した信号を記憶する受信信号メモリ部と、該受信信号メモリ部および前記位置計算部の出力信号を受けて格子状に設定した水中目標物仮定位置毎の受信確度として表示器に表示する指標値を出力する地図データ処理部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の水中目標物位置検出装置。
前記受信信号メモリ部および前記地図データ処理部の間に反響音のみを抽出する信号処理部を設けることを特徴とする請求項２に記載の水中目標物位置検出装置。
前記パラメータ入力部は、前記水中音源の位置、前記ハイドロフォンの位置および水中音速値を設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の水中目標物位置検出装置。
前記信号検出部は、前記ハイドロフォンの受信信号に対して予め設定されたスレッショルドを最初に超えた音波を直接到達音とすることを特徴とする請求項２、３又は４に記載の水中目標物位置検出装置。
１個以上の水中音源から発信した音波を水中目標物にて反射した反響音を複数のハイドロフォンで受信して前記水中目標物の位置を検出する水中目標物位置検出方法において、
海域上に設定した水中目標物の仮定位置に水中目標物が存在した場合の反響音がハイドロフォンに到達する時刻を計算し、当該時刻における前記ハイドロフォンの受信信号のレベルを、複数の前記仮定位置毎に積分して地図上に表現することにより前記水中目標物の位置を検出することを特徴とする水中目標物位置検出方法。