JP3998363B2 - 航行物体までの距離検出装置および距離検出方法 - Google Patents
航行物体までの距離検出装置および距離検出方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航行物体までの距離検出装置および距離検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、海面（または海中）を航行する船舶までの距離を検出するものとしては、アクティブ方式の装置がある。
このアクティブ方式は、船舶が航行する海域の海底に、船舶を検出するための音波発信器および受信器が設けられた検出装置を配置しておき、音波発信器から発射（送信）された音波が船舶に反射して戻ってきた音波を受信器にて受信し、このときの音波の送受信間隔に海中での音速を掛け算することにより、音波発信器から船舶までの距離を検出するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したアクティブ方式の装置によると、自ら音波を発信するとともに、所定地域の海面に向けて設置する必要があるという問題があった。
そこで、本発明は、自ら音波を発信することなく、かつ設置を容易に行い得る航行物体までの距離検出装置および距離検出方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の航行物体までの距離検出装置は、海面または海中を航行する航行物体から発される音を海面下にて受信する音波受信器と、この音波受信器からの音圧信号に１回微分を施して音圧最大時における航行物体が通過する第１通過時点および上記音圧信号に２回微分を施して音圧信号の変曲点における航行物体が通過する第２通過時点を検出する測定位置通過時点検出部と、上記音波受信器からの音圧信号を入力して所定時間毎に音圧信号の周波数スペクトル解析を行う周波数解析部と、上記測定位置通過時点検出部からの第１および第２通過時点並びに周波数解析部からの周波数スペクトル解析結果をそれぞれ入力して、ドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求めるずれ量検出部と、このずれ量検出部で求められた検出ずれ量と設定ずれ量とを比較して検出対象航行物体であるか否かを判断する対象航行物体判別部と、この対象航行物体判別部で検出対象航行物体であると判断されたずれ量を入力するとともにこのずれ量に基づき第２通過時点での航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出する速度計算部と、上記２回微分された音圧波形の第１通過時点における２回微分値および上記速度計算部により求められた速度を入力して、最接近位置までの距離を計算する距離計算部とから構成したものである。
【０００５】
また、本発明の第１の航行物体までの距離検出方法は、海面または海中を航行する航行物体から発される音を海面下に設けられた音波受信器により受信し、この音波受信器からの音圧信号に１回微分を施して音圧最大時における航行物体が通過する第１通過時点および上記音圧信号に２回微分を施して音圧信号の変曲点における航行物体が通過する第２通過時点を検出し、上記音波受信器からの音圧信号を入力して所定間隔毎に周波数スペクトル解析を行い、第１通過時点と第２通過時点との周波数スペクトル解析結果からドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求め、この検出ずれ量と設定ずれ量とを比較して検出対象航行物体であるか否かを判断し、検出対象航行物体である場合に、上記検出ずれ量に基づき第２通過時点における航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出し、次に上記２回微分された音圧波形の第１通過時点における２回微分値および上記求められた速度に基づき、音波受信器から最接近位置までの距離を検出する方法である。
【０００６】
上記第１の距離検出装置および検出方法の構成によると、海面または海中を航行する航行物体からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のずれ量を求め、そしてこのずれ量にドップラー効果の式を適用することにより、航行物体の速度を検出するとともに、この速度および第１通過時点における音圧信号の２回微分値を使用して、航行物体までの距離を検出するようにしたので、速度検出のための信号を出力する必要がなく、またその検出方向についても全方位的である。
【０００７】
また、音圧信号の周波数スペクトラムのピークのずれ量を設定ずれ量と比較して検出対象航行物体であるか否かを判断するようにしたので、検出対象航行物体以外の航行物体を検出する必要がなくなる。
さらに、本発明の第２の航行物体までの距離検出装置は、海面または海中を航行する航行物体から発される音を海面下にて受信する音波受信器および航行物体の磁気量を検出する磁気検出器と、上記磁気検出器で検出された磁気信号のピーク値を検出する磁気ピーク検出部と、上記音波受信器からの音圧信号に１回および２回微分を施して音波受信器に対して航行物体が最も接近する地点を通過する第１通過時点およびこの最接近位置に対して４５度方向の地点を通過する第２通過時点を検出する測定位置通過時点検出部と、上記音波受信器からの音圧信号を入力して所定時間毎に音圧信号の周波数スペクトル解析を行う周波数解析部と、上記測定位置通過時点検出部からの第１および第２通過時点並びに周波数解析部からの周波数スペクトル解析結果をそれぞれ入力して、ドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求めるとともに、このずれ量から第２通過時点での航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出する速度計算部と、上記２回微分された音波波形の第１通過時点における２回微分値および上記速度計算部により求められた速度を入力して、最接近位置までの距離を計算する距離計算部と、上記磁気ピーク検出部で検出されたピーク値が、航行物体の第１通過時点までに少なくとも１回検出された場合、検出対象航行物体でないと判断する対象航行物体判別部とから構成したものである。
【０００８】
また、本発明の第２の航行物体までの距離検出方法は、海面または海中を航行する航行物体から発される音を海面下に設けられた音波受信器により受信し、この音波受信器からの音圧信号に１回および２回微分を施して、音波受信器に対して航行物体が最も接近する地点を通過する第１通過時点およびこの最接近位置に対して４５度方向の地点を通過する第２通過時点を検出し、上記音波受信器からの音圧信号を入力して所定間隔毎に周波数スペクトル解析を行い、第１通過時点と第２通過時点との周波数スペクトル解析結果からドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求め、このずれ量に基づき第２通過時点における航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出し、次に上記２回微分された音波波形の第１通過時点における２回微分値および上記速度計算部で求められた速度に基づき、音波受信器から最接近位置までの距離を検出し、かつこの距離を検出するに際し、航行物体が第１通過時点に移動する前に、磁気検出器により検出される航行物体の磁気信号のピーク値が少なくとも１回検出された場合には、検出対象航行物体でないと判断する方法である。
【０００９】
上記第２の距離検出装置および検出方法の構成によると、海面または海中を航行する航行物体からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のずれ量を求め、そしてこのずれ量にドップラー効果の式を適用することにより、航行物体の速度を検出するとともに、この速度および第１通過時点における音圧信号の２回微分値を使用して、船舶までの距離を検出するようにしたので、速度検出のための信号を出力する必要がなく、またその検出方向についても全方位的である。
【００１０】
また、音波検出器の他に、磁気検出器を配置して、航行物体が磁気信号を発しているような場合、すなわち検出対象でない航行物体である場合には、距離などの検出動作または距離検出装置での所定の処理動作を停止させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態における航行物体までの距離検出装置および距離検出方法を、図１〜図６に基づき説明する。
本第１の実施の形態においては、航行物体として、海面（水面も含む）を航行する船舶の場合について説明する。
【００１２】
本第１の実施の形態における距離検出方式は、図１に示すように、距離検出装置１の内、少なくとも音波受信器（音響センサーの一例で、より具体的には、音圧センサーが用いられる）１１を所定海域の海底に設置しておき、船舶２がこの海域を航行する際に、船舶２から発される航走音の音波を受信して、航行している船舶２の速度を検出し、そしてこの速度を所定の計算式に代入して、最接近位置における船舶までの距離を検出するものである。
【００１３】
まず、距離検出装置の構成および距離検出の原理について説明する。
図２に示すように、この距離検出装置１は、海底（または、海中）に設置されて海面を航行する船舶２から発される航走音などの音波を受信する音波受信器１１と、この音波受信器１１で受信された音波信号すなわち音圧信号を増幅器１２で増幅した後入力するとともに所定の演算を行い、船舶２の速度およびこの速度に基づき船舶２までの距離を検出する演算処理部（ディジタルシグナルプロセッサー、マイクロコンピュータなどから構成されている）１３と、例えば陸上に設けられた基地局などのその検出速度を送信する送信部１４とから構成されている。
【００１４】
上記演算処理部１３は、増幅器１２で増幅された音圧信号を入力して、音波受信器１１に対して予め設定された２個所の測定位置を船舶が通過した時点を検出する測定位置通過時点検出部２１と、同じく上記増幅器１２からの音圧信号を入力して、音圧信号の周波数スペクトル解析（ＦＥＴ解析）を行う周波数解析部２２と、上記測定位置通過時点検出部２１からの通過時点および周波数解析部２２からの解析結果を入力して、ドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求めるずれ量検出部２３と、このずれ量検出部２３で検出された検出ずれ量と予め設定された設定ずれ量とを比較して検出対象航行物体であるか否かを判断する対象航行物体判別部２４と、この対象航行物体判別部２４で検出対象航行物体であると判断された検出ずれ量を入力するとともにこのずれ量に基づき船舶の速度を検出する速度計算部２５と、音波受信器１２からの音圧信号を２回微分（この構成については後述する）して得られた値の内、第１通過時点における２回微分値を検出する微分値検出部２６と、上記速度計算部２５で求められた速度とこの微分値検出部２６で求められた２回微分値とに基づき所定の計算を行い、船舶２までの距離を計算する距離計算部２７とから構成されている。
【００１５】
上記測定位置通過時点検出部２１は、増幅された音圧信号から必要な帯域分を取り出すバンドパスフィルタなどのフィルタ部３１と、この帯域で取り出された音圧信号から所定の信号波形を取り出す検波回路部３２と、この取り出された信号波形を微分する第１微分回路部３３と、この第１微分回路部３３で微分された信号波形をさらに微分する第２微分回路部３４と、上記第１微分回路部３３で得られた１回微分による信号波形のゼロ点、すなわち音圧最大時における船舶２が通過する第１通過時点を求める第１通過時点検出部３５と、上記第２微分回路部３４で得られた２回微分による信号波形のゼロ点、すなわち音圧信号（信号波形）の変曲点における船舶２が通過する第２通過時点を求める第２通過時点検出部３６とから構成されている。
【００１６】
ここで、上記１回微分および２回微分により、船舶２の通過時点、すなわち２つの測定位置を決定した理由について説明する。
上述したように、船舶２の速度をドップラー効果を用いて検出するように説明したが、この場合、まず所定速度で航行する船舶２の音圧信号を異なる２個所で測定して得られた両周波数のずれ量（以下、シフト量という）を求め、次にこのシフト量をドップラー効果の式に適用して、真の（進行方向での）船舶２の速度を求めるのであるが、このドップラー効果の式を適用する際に、シフトが生じていない基本周波数を知る必要がある。このため、船舶２が音波受信器１１に最も接近した位置（最接近位置）Ａを通過した時点の周波数を検出することにより、基本周波数を知るようにしたのである。
【００１７】
すなわち、この基本周波数は音波受信器１１にて測定した音圧レベルが最も高い（強い）時点における周波数であり、この音圧レベルが最も高い位置は、音圧信号を１回微分したとき、その値がゼロとなるときである。
次に、２回微分をする理由であるが、ドップラー効果により求められた船舶２の速度は、船舶２における速度の内、音波受信器１１に対する速度成分であり、この速度成分から船舶２の進行方向での真の速度を求める必要がある。このため、この速度成分の方向と進行方向との交差角θを知る必要がある（図３参照）。
【００１８】
この交差角θを、単に、船舶２から受信した音圧信号から知ろうとすると、２回微分することにより、音圧レベルの変化点（変曲点）、すなわち交差角θが４５度である地点を容易に知り得るからである。
以下、上記事項を具体的に説明する。
図１に示すように、海底に設置された速度検出装置１の音波受信器１１の位置を、三次元座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）での原点（０，０，０）とするとともに、航行する船舶２の三次元座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、船舶２と音波受信器１１との相対距離（直線距離）ｒは、下記の（１）式にて表わされる。なお、（１）式を変形して、船舶２と音波受信器１１との最接近距離ｄで表わすと、（２）式のようになる。
【００１９】
【数１】
また、船舶２から発される音波の受波レベルの距離減衰に関しては、下記の（３）式が成立する。
【００２０】
上記（３）式に、ｘ＝ｖｔ［ｖは船舶２の速度を示し、ｔは船舶２の現在位置（検出位置）Ｂから水中局１１に対する最接近位置Ａまでの所要時間を示す。］を代入して変形すると、下記（４）式のようになる。
【００２１】
【数２】
上記（４）式を１回微分すると、下記（５）式となり、さらに微分して２回微分を行うと、下記（６）式となる。
【００２２】
【数３】
そして、上記２回微分した（６）式の値がゼロとなるようにする。すなわち、分子［（ｖｔ）2−ｄ2］の値がゼロとなる条件は、ｖｔとｄとが等しいときであり、このことは、船舶２の現在位置Ｂと船舶２の最接近位置Ａとの交差角θが４５度であることを示している。
【００２３】
次に、上記周波数解析部２２は、周波数スペクトル解析の対象となる帯域（例えば、１０００〜１０３０Ｈｚ）だけを抽出するための周波数変換部４１と、この帯域における音圧信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部４２と、このＡ／Ｄ変換部４２で変換された信号の周波数スペクトル解析（ＦＥＴ解析）を行う解析部４３と、所定時間毎の解析結果を記録する解析結果記録部４４とから構成されている。
【００２４】
上記解析部４３では、所定時間毎に周波数スペクトル解析が行われ、それぞれの解析結果が解析結果記録部４４にて記録保持される。
そして、ずれ量検出部２３では、解析結果記録部４４からの解析結果が入力されるとともに、上記各通過時点検出部３５，３６で得られた通過時刻が入力されて、図４に示すように、速度の計算に必要な測定位置（Ａ，Ｂ）に応じて、すなわち基本周波数を示している基本スペクトラムｆOおよび交差角θが４５度の時のシフトスペクトラムｆD´に基づき、両測定位置におけるスペクトラムのシフト量ＦDが求められる。
【００２５】
ところで、船舶が検出対象航行物体でない場合、例えば自分で音響信号を周期的に発しているような航行物体と、このような周期的な音響信号を発していない検出対象である船舶との判別を行う場合、スペクトラムのシフト量に基づき判断が行われる。
すなわち、図５に示すように、自分で音響信号を周期的に発しているような航行物体においては、第１通過時点（Ａ位置）にくるまで、音圧最大検出箇所（ピーク位置、Ｃ位置）が既に１回以上現われることになり、このため、図６に示すように、この音圧ピークと４５度位置（Ｂ位置）での周波数分布のピークとの差が非常に接近して検出される。すなわち、シフト量ＦD（＝ｆD−ｆD´）がかなり小さくなる。例えば、図３の仮想線にて示すように、距離検出装置１から離れたＣ位置とＢ位置との間で生じるシフト量は、例えばＢ位置とＡ位置との間で生じるシフト量よりもかなり小さくなる。したがって、このシフト量が予め設定された設定シフト量（例えば、実験により求めておけばよい）と比較することにより、検出した航行物体が検出すべき船舶２であるか否かの判別を行うことができる。
【００２６】
次に、上記シフト量の判断により、航行物体が検出すべき船舶であると判別された場合、船舶２の音波受信器１１方向での速度ｖrを求める手順を説明する。
ドップラー効果の基本式から、下記（７）式が求まる。
ｆD＝｛ｃ／（ｃ−ｖr）｝×ｆO・・・（７）
但し、ｃは音速を表わす。
ここで、シフト量ＦDは下記（８）式にて表わされる。
【００２７】
ＦD＝ｆD−ｆO・・・（８）
上記（８）式に（７）式を代入すると、シフト量ＦDは、下記（９）式で表わされる。
上記（９）式を変形して、ｖrを求めると、下記（１０）式のようになる。
【００２８】
上記（１０）式より、ｖrが求められると、下記（１１）式により、船舶２の進行方向での速度ｖが求められる。
ｖ＝ｖr／ｓｉｎθ・・・（１１）
また、上記微分値検出部２６においては、音圧信号を２回微分した波形信号の値の内、第１通過時点Ａにおける２回微分値（値が正の場合には最大値、値が負の場合には最小値である）（−Ｈ）および速度計算部２５で求められた速度ｖに基づき、船舶２までの最接近距離（最短距離）ｄが計算される。
【００２９】
以下、この計算手順について説明する。
この計算においては、上記受波レベルを示す（３）式を２回微分して得られた（６）式を使用する。
すなわち、最接近位置Ａにおける船舶２の位置（ｔ＝０の時）を求めるため、（６）式にｔ＝０を代入すると、下記（１２）式が得られる。
【００３０】
【数４】
ところで、ｔ＝０の時の上記（１２）式の左辺の値は−Ｈであるため、下記（１３）式が成立する。
上記（１３）式を変形して、ｄを求めると、下記（１４）式のようになる。
【００３１】
【数５】
次に、上記距離検出装置により、船舶までの最接近距離（最短距離）の検出方法を概略的に説明する。
まず、音波受信器１１にて海面を航行する船舶２の航走音の音波を受信する。
この受信された音圧信号は増幅器１２で増幅された後、測定位置通過時点検出部２１に入力され、ここで１回微分および２回微分が施されて、音波受信器１１からの最接近位置Ａおよび４５度位置Ｂを通過した時刻が検出される。
【００３２】
一方、増幅器１２で増幅された音圧信号は、測定位置通過時点検出部２１と並列に、周波数解析部２２に入力され、ここで所定時間毎の周波数スペクトラムが求められる。
次に、測定位置通過時点検出部２１における第１および第２通過時点検出部３５，３６で得られた最接近位置Ａおよび音圧最大検出位置（例えば、Ｃ位置）並びに４５度位置Ｂの各通過時刻および周波数解析部２２での解析結果がずれ量検出部２３に入力され、そしてこの検出シフト量（検出ずれ量）が対象航行物体判別部２４に入力されて、検出信号が検出対象船舶からのものであるか否かが判断され、検出対象船舶からのものであると判断された場合には、この検出シフト量が速度計算部２５に入力される。
【００３３】
この速度計算部２５では、図４に示すように、各位置Ａ，Ｂでの各通過時刻に対応する周波数スペクトラムを示すグラフから周波数のシフト量Ｆ Ｄ が求められた後、上記（１０）式に基づき、音波受信器１１方向での速度成分ｖ ｒ が求められ、さらに（１１）式から、進行方向での船舶２の真の速度ｖが求められる。
次に、上記第２微分回路部３４で求められた値が微分値検出部２６に入力され、ここで第１通過時点Ａにおける２回微分値である最小値（−Ｈ）が求められる。
【００３４】
そして、上記船舶２の速度ｖおよび最小値（−Ｈ）が距離計算部２７に入力されて、船舶２の最接近位置Ａまでの距離、すなわち最短距離ｄが計算される。
この求められた最短距離ｄは送信部１４を介して陸上の基地局に送られ、例えばモニターなどに表示される。なお、この最短距離ｄが計算されることにより、この距離検出装置１自身で、他の必要な処理作業を行わせることもできる。
【００３５】
一方、対象航行物体判別部２４で、船舶が検出対象でないと判断された場合には、後の計算処理が停止されるか、または計算処理が続行された後、必要な処理作業が停止される。
このように、海面を航行する船舶からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のシフト量を求め、そしてこのシフト量にドップラー効果の式を適用して、船舶の速度を検出するとともに、音圧信号の２回微分値を使用して、船舶までの最短距離を検出するようにしたので、従来のように、距離検出装置側からわざわざ検出用信号を出力する必要がないとともに、その検出方向については無指向性であるため、方位角検出器を使用するものに比べて、その設置を極めて容易に行うことができる。
【００３６】
また、音圧信号の周波数スペクトラムのピークのシフト量を設定シフト量と比較して検出対象船舶であるか否かを判断するようにしたので、検出対象船舶以外の航行物体を検出する必要がなくなる。
次に、本発明の第２の実施の形態における航行物体までの距離検出装置および距離検出方法を、図７に基づき説明する。
【００３７】
本第２の実施の形態と、第１の実施の形態とは、航行物体である船舶までの距離を検出することについては同じであるが、検出航行物体が、検出すべき航行物体であるか否かを判別するのに、磁気検出器を使用した点で異なる。
本第２の実施の形態においては、この異なる部分について説明するものとし、第１の実施の形態と同一の部品には、同一の番号を付して、その説明を省略する。
【００３８】
すなわち、図７に示すように、この距離検出装置５１においては、音波受信器１１と同一場所に配置されて航行物体の磁気量を検出する磁気検出器（磁気センサー）６１と、この磁気検出器６１で検出された磁気信号（磁気量）を増幅器６２を介して入力してそのピークを求める磁気ピーク検出部（具体的には、微分回路が用いられる）６３と、この磁気ピーク検出部６３で求められた発生時刻などのピーク情報および測定位置通過時点検出部２１の第１通過時点検出部３５で得られた時刻を入力して検出すべき対象船舶であるか否かを判断する対象航行物体判別部６４とが具備されており、さらには音波受信器１１で受信されてアンプ１２から出力された音圧信号を監視する音圧監視部７１が具備されている。
【００３９】
この音圧監視部７１は、検出された音圧レベルが背景雑音より所定レベル、例えば３ｄＢ程度高いしきい値と比較して、このしきい値よりも高い場合に、磁気検出器６１を作動させるようにするものであり、単なる雑音で距離検出装置５１が作動しないようにしている。
次に、上記距離検出装置５１により、船舶までの最接近距離（最短距離）の検出方法を概略的に説明する。
【００４０】
まず、音波受信器１１にて海面を航行する船舶２の航走音の音波を受信する。
この受信された音圧信号は増幅器１２で増幅された後、測定位置通過時点検出部２１に入力され、ここで１回微分および２回微分が施されて、音波受信器１１からの最接近位置Ａおよび４５度位置Ｂを通過した時刻が検出される。
一方、増幅器１２で増幅された音圧信号は、測定位置通過時点検出部２１と並列に周波数解析部２２に入力され、ここで所定時間毎の周波数スペクトラムが求められる。
【００４１】
そして、測定位置通過時点検出部２１における第１および第２通過時点検出部３５，３６で得られた最接近位置Ａおよび４５度位置Ｂの各通過時刻および周波数解析部２２での解析結果がずれ量検出部２３に入力され、ここで、ドップラー効果に基づく周波数スペクトラムのシフト量が求められ、このシフト量が速度計算部２５に入力されて、船舶２の速度ｖが求められる。
【００４２】
ところで、上記演算と同時に、増幅器１２からの音圧信号は、音圧監視部７１に入力されて、自然音かそれとも航行物体のものであるかが判断され、航行物体からの音圧信号であると判断された場合には、磁気検出器６１にその作動信号が出力される。
航行物体からの音圧信号であると判断された場合には、磁気検出器６１で検出された磁気信号に基づき、さらに検出対象航行物体であるか否かが判別される。
【００４３】
すなわち、磁気ピーク検出部６３にて、微分処理により磁気信号のピークが検出され、このピークが検出された時刻および第１通過時点検出部３５で得られたＡ点通過の時刻が対象航行物体判別部６４に入力され、ここで、このＡ点通過時刻より以前において、磁気信号のピークが存在しているかどうかが検出される。
ピーク値が存在していない場合には、磁気信号を発してしない航行物体、すなわち検出対象である船舶であると判断して、速度計算部２５にて、船舶２の速度が計算される。この速度に基づき、距離計算部２７にて、船舶２までの最短距離ｄが計算されることになる。
【００４４】
一方、磁気信号にピークが存在している場合には、磁気信号を発している航行物体であると判断し、検出する必要がない旨の指示が、例えば速度計算部２５に入力されて、計算動作が停止される。
なお、計算停止を行う替わりに、例えば距離検出装置５１における所定の処理動作を停止させることもできる。
【００４５】
このように、海面を航行する船舶からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のシフト量を求め、そしてこのシフト量にドップラー効果の式を適用して、船舶の速度を検出するとともに、音圧信号の２回微分値を使用して、船舶までの最短距離を検出するようにしたので、従来のように、距離検出装置側からわざわざ検出用信号を出力する必要がないとともに、その検出方向については無指向性であるため、方位角検出器を使用するものに比べて、その設置を極めて容易に行うことができる。
【００４６】
さらに、音波検出器の他に、磁気検出器を配置して、航行物体が磁気信号を発しているような場合、すなわち検出対象でない航行物体である場合には、距離などの検出動作または距離検出装置での所定の処理動作を停止させることができる。
ところで、上記各実施の形態においては、海面上を航行する船舶までの距離を検出する場合について説明したが、海中（水中も含む）を航行する物体例えば潜水艦までの距離検出にも適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１および２に係る距離検出装置および距離検出方法によると、海面または海中を航行する航行物体からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のずれ量を求め、そしてこのずれ量にドップラー効果の式を適用して航行物体の速度を検出するとともに、この速度および第１通過時点における音圧信号の２回微分値を使用して、船舶までの距離を検出するようにしたので、従来のように、距離検出装置側から検出用信号を出力する必要がないとともに、その検出方向については無指向性であるため、方位角検出器を使用するものに比べて、その設置を極めて容易に行うことができる。また、音圧信号の周波数スペクトラムのピークのずれ量を設定ずれ量と比較して検出対象航行物体であるか否かを判断するようにしたので、検出対象以外の航行物体を検出する必要がなくなる。
【００４８】
また、本発明の請求項３および４に係る距離検出装置および距離検出方法によると、海面または海中を航行する航行物体からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のずれ量を求め、そしてこのずれ量にドップラー効果の式を適用して航行物体の速度を検出するとともに、この速度および第１通過時点における音圧信号の２回微分値を使用して、航行物体までの距離を検出するようにしたので、従来のように、距離検出装置側から検出用信号を出力する必要がないとともに、その検出方向については無指向性であるため、方位角検出器を使用するものに比べて、その設置を極めて容易に行うことができる。また、音波検出器の他に、磁気検出器を配置して、航行物体が磁気信号を発しているような場合、すなわち検出対象でない航行物体である場合には、距離などの検出動作または距離検出装置での所定の処理動作を停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における船舶と音波受信器との配置状態を示す模式図である。
【図２】同第１の実施の形態における距離検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】同距離検出装置の速度計算部での速度を求める手順を説明する図である。
【図４】同距離検出装置の周波数解析部での周波数スペクトル解析結果を示す図である。
【図５】同距離検出装置の音圧信号およびその１回微分における波形を示す図である。
【図６】同距離検出装置の周波数解析部での周波数スペクトル解析結果を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における距離検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 距離検出装置
２ 船舶
１１ 音波受信器
１３ 演算処理部
２１ 測定位置通過時点検出部
２２ 周波数解析部
２３ ずれ量検出部
２４ 対象航行物体判別部
２５ 速度計算部
２６ 微分最大値検出部
２７ 距離計算部
３３ 第１微分回路部
３４ 第２微分回路部
３５ 第１通過時点検出部
３６ 第２通過時点検出部
４３ 解析部
４４ 解析結果記録部
５１ 距離検出装置
６１ 磁気検出器
６３ 磁気ピーク検出部
６４ ずれ量検出部
７１ 音圧監視部
【発明の属する技術分野】
本発明は、航行物体までの距離検出装置および距離検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、海面（または海中）を航行する船舶までの距離を検出するものとしては、アクティブ方式の装置がある。
このアクティブ方式は、船舶が航行する海域の海底に、船舶を検出するための音波発信器および受信器が設けられた検出装置を配置しておき、音波発信器から発射（送信）された音波が船舶に反射して戻ってきた音波を受信器にて受信し、このときの音波の送受信間隔に海中での音速を掛け算することにより、音波発信器から船舶までの距離を検出するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したアクティブ方式の装置によると、自ら音波を発信するとともに、所定地域の海面に向けて設置する必要があるという問題があった。
そこで、本発明は、自ら音波を発信することなく、かつ設置を容易に行い得る航行物体までの距離検出装置および距離検出方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の航行物体までの距離検出装置は、海面または海中を航行する航行物体から発される音を海面下にて受信する音波受信器と、この音波受信器からの音圧信号に１回微分を施して音圧最大時における航行物体が通過する第１通過時点および上記音圧信号に２回微分を施して音圧信号の変曲点における航行物体が通過する第２通過時点を検出する測定位置通過時点検出部と、上記音波受信器からの音圧信号を入力して所定時間毎に音圧信号の周波数スペクトル解析を行う周波数解析部と、上記測定位置通過時点検出部からの第１および第２通過時点並びに周波数解析部からの周波数スペクトル解析結果をそれぞれ入力して、ドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求めるずれ量検出部と、このずれ量検出部で求められた検出ずれ量と設定ずれ量とを比較して検出対象航行物体であるか否かを判断する対象航行物体判別部と、この対象航行物体判別部で検出対象航行物体であると判断されたずれ量を入力するとともにこのずれ量に基づき第２通過時点での航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出する速度計算部と、上記２回微分された音圧波形の第１通過時点における２回微分値および上記速度計算部により求められた速度を入力して、最接近位置までの距離を計算する距離計算部とから構成したものである。
【０００５】
また、本発明の第１の航行物体までの距離検出方法は、海面または海中を航行する航行物体から発される音を海面下に設けられた音波受信器により受信し、この音波受信器からの音圧信号に１回微分を施して音圧最大時における航行物体が通過する第１通過時点および上記音圧信号に２回微分を施して音圧信号の変曲点における航行物体が通過する第２通過時点を検出し、上記音波受信器からの音圧信号を入力して所定間隔毎に周波数スペクトル解析を行い、第１通過時点と第２通過時点との周波数スペクトル解析結果からドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求め、この検出ずれ量と設定ずれ量とを比較して検出対象航行物体であるか否かを判断し、検出対象航行物体である場合に、上記検出ずれ量に基づき第２通過時点における航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出し、次に上記２回微分された音圧波形の第１通過時点における２回微分値および上記求められた速度に基づき、音波受信器から最接近位置までの距離を検出する方法である。
【０００６】
上記第１の距離検出装置および検出方法の構成によると、海面または海中を航行する航行物体からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のずれ量を求め、そしてこのずれ量にドップラー効果の式を適用することにより、航行物体の速度を検出するとともに、この速度および第１通過時点における音圧信号の２回微分値を使用して、航行物体までの距離を検出するようにしたので、速度検出のための信号を出力する必要がなく、またその検出方向についても全方位的である。
【０００７】
また、音圧信号の周波数スペクトラムのピークのずれ量を設定ずれ量と比較して検出対象航行物体であるか否かを判断するようにしたので、検出対象航行物体以外の航行物体を検出する必要がなくなる。
さらに、本発明の第２の航行物体までの距離検出装置は、海面または海中を航行する航行物体から発される音を海面下にて受信する音波受信器および航行物体の磁気量を検出する磁気検出器と、上記磁気検出器で検出された磁気信号のピーク値を検出する磁気ピーク検出部と、上記音波受信器からの音圧信号に１回および２回微分を施して音波受信器に対して航行物体が最も接近する地点を通過する第１通過時点およびこの最接近位置に対して４５度方向の地点を通過する第２通過時点を検出する測定位置通過時点検出部と、上記音波受信器からの音圧信号を入力して所定時間毎に音圧信号の周波数スペクトル解析を行う周波数解析部と、上記測定位置通過時点検出部からの第１および第２通過時点並びに周波数解析部からの周波数スペクトル解析結果をそれぞれ入力して、ドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求めるとともに、このずれ量から第２通過時点での航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出する速度計算部と、上記２回微分された音波波形の第１通過時点における２回微分値および上記速度計算部により求められた速度を入力して、最接近位置までの距離を計算する距離計算部と、上記磁気ピーク検出部で検出されたピーク値が、航行物体の第１通過時点までに少なくとも１回検出された場合、検出対象航行物体でないと判断する対象航行物体判別部とから構成したものである。
【０００８】
また、本発明の第２の航行物体までの距離検出方法は、海面または海中を航行する航行物体から発される音を海面下に設けられた音波受信器により受信し、この音波受信器からの音圧信号に１回および２回微分を施して、音波受信器に対して航行物体が最も接近する地点を通過する第１通過時点およびこの最接近位置に対して４５度方向の地点を通過する第２通過時点を検出し、上記音波受信器からの音圧信号を入力して所定間隔毎に周波数スペクトル解析を行い、第１通過時点と第２通過時点との周波数スペクトル解析結果からドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求め、このずれ量に基づき第２通過時点における航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出し、次に上記２回微分された音波波形の第１通過時点における２回微分値および上記速度計算部で求められた速度に基づき、音波受信器から最接近位置までの距離を検出し、かつこの距離を検出するに際し、航行物体が第１通過時点に移動する前に、磁気検出器により検出される航行物体の磁気信号のピーク値が少なくとも１回検出された場合には、検出対象航行物体でないと判断する方法である。
【０００９】
上記第２の距離検出装置および検出方法の構成によると、海面または海中を航行する航行物体からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のずれ量を求め、そしてこのずれ量にドップラー効果の式を適用することにより、航行物体の速度を検出するとともに、この速度および第１通過時点における音圧信号の２回微分値を使用して、船舶までの距離を検出するようにしたので、速度検出のための信号を出力する必要がなく、またその検出方向についても全方位的である。
【００１０】
また、音波検出器の他に、磁気検出器を配置して、航行物体が磁気信号を発しているような場合、すなわち検出対象でない航行物体である場合には、距離などの検出動作または距離検出装置での所定の処理動作を停止させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態における航行物体までの距離検出装置および距離検出方法を、図１〜図６に基づき説明する。
本第１の実施の形態においては、航行物体として、海面（水面も含む）を航行する船舶の場合について説明する。
【００１２】
本第１の実施の形態における距離検出方式は、図１に示すように、距離検出装置１の内、少なくとも音波受信器（音響センサーの一例で、より具体的には、音圧センサーが用いられる）１１を所定海域の海底に設置しておき、船舶２がこの海域を航行する際に、船舶２から発される航走音の音波を受信して、航行している船舶２の速度を検出し、そしてこの速度を所定の計算式に代入して、最接近位置における船舶までの距離を検出するものである。
【００１３】
まず、距離検出装置の構成および距離検出の原理について説明する。
図２に示すように、この距離検出装置１は、海底（または、海中）に設置されて海面を航行する船舶２から発される航走音などの音波を受信する音波受信器１１と、この音波受信器１１で受信された音波信号すなわち音圧信号を増幅器１２で増幅した後入力するとともに所定の演算を行い、船舶２の速度およびこの速度に基づき船舶２までの距離を検出する演算処理部（ディジタルシグナルプロセッサー、マイクロコンピュータなどから構成されている）１３と、例えば陸上に設けられた基地局などのその検出速度を送信する送信部１４とから構成されている。
【００１４】
上記演算処理部１３は、増幅器１２で増幅された音圧信号を入力して、音波受信器１１に対して予め設定された２個所の測定位置を船舶が通過した時点を検出する測定位置通過時点検出部２１と、同じく上記増幅器１２からの音圧信号を入力して、音圧信号の周波数スペクトル解析（ＦＥＴ解析）を行う周波数解析部２２と、上記測定位置通過時点検出部２１からの通過時点および周波数解析部２２からの解析結果を入力して、ドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求めるずれ量検出部２３と、このずれ量検出部２３で検出された検出ずれ量と予め設定された設定ずれ量とを比較して検出対象航行物体であるか否かを判断する対象航行物体判別部２４と、この対象航行物体判別部２４で検出対象航行物体であると判断された検出ずれ量を入力するとともにこのずれ量に基づき船舶の速度を検出する速度計算部２５と、音波受信器１２からの音圧信号を２回微分（この構成については後述する）して得られた値の内、第１通過時点における２回微分値を検出する微分値検出部２６と、上記速度計算部２５で求められた速度とこの微分値検出部２６で求められた２回微分値とに基づき所定の計算を行い、船舶２までの距離を計算する距離計算部２７とから構成されている。
【００１５】
上記測定位置通過時点検出部２１は、増幅された音圧信号から必要な帯域分を取り出すバンドパスフィルタなどのフィルタ部３１と、この帯域で取り出された音圧信号から所定の信号波形を取り出す検波回路部３２と、この取り出された信号波形を微分する第１微分回路部３３と、この第１微分回路部３３で微分された信号波形をさらに微分する第２微分回路部３４と、上記第１微分回路部３３で得られた１回微分による信号波形のゼロ点、すなわち音圧最大時における船舶２が通過する第１通過時点を求める第１通過時点検出部３５と、上記第２微分回路部３４で得られた２回微分による信号波形のゼロ点、すなわち音圧信号（信号波形）の変曲点における船舶２が通過する第２通過時点を求める第２通過時点検出部３６とから構成されている。
【００１６】
ここで、上記１回微分および２回微分により、船舶２の通過時点、すなわち２つの測定位置を決定した理由について説明する。
上述したように、船舶２の速度をドップラー効果を用いて検出するように説明したが、この場合、まず所定速度で航行する船舶２の音圧信号を異なる２個所で測定して得られた両周波数のずれ量（以下、シフト量という）を求め、次にこのシフト量をドップラー効果の式に適用して、真の（進行方向での）船舶２の速度を求めるのであるが、このドップラー効果の式を適用する際に、シフトが生じていない基本周波数を知る必要がある。このため、船舶２が音波受信器１１に最も接近した位置（最接近位置）Ａを通過した時点の周波数を検出することにより、基本周波数を知るようにしたのである。
【００１７】
すなわち、この基本周波数は音波受信器１１にて測定した音圧レベルが最も高い（強い）時点における周波数であり、この音圧レベルが最も高い位置は、音圧信号を１回微分したとき、その値がゼロとなるときである。
次に、２回微分をする理由であるが、ドップラー効果により求められた船舶２の速度は、船舶２における速度の内、音波受信器１１に対する速度成分であり、この速度成分から船舶２の進行方向での真の速度を求める必要がある。このため、この速度成分の方向と進行方向との交差角θを知る必要がある（図３参照）。
【００１８】
この交差角θを、単に、船舶２から受信した音圧信号から知ろうとすると、２回微分することにより、音圧レベルの変化点（変曲点）、すなわち交差角θが４５度である地点を容易に知り得るからである。
以下、上記事項を具体的に説明する。
図１に示すように、海底に設置された速度検出装置１の音波受信器１１の位置を、三次元座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）での原点（０，０，０）とするとともに、航行する船舶２の三次元座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、船舶２と音波受信器１１との相対距離（直線距離）ｒは、下記の（１）式にて表わされる。なお、（１）式を変形して、船舶２と音波受信器１１との最接近距離ｄで表わすと、（２）式のようになる。
【００１９】
【数１】
上記（３）式に、ｘ＝ｖｔ［ｖは船舶２の速度を示し、ｔは船舶２の現在位置（検出位置）Ｂから水中局１１に対する最接近位置Ａまでの所要時間を示す。］を代入して変形すると、下記（４）式のようになる。
【００２１】
【数２】
【００２２】
【数３】
【００２３】
次に、上記周波数解析部２２は、周波数スペクトル解析の対象となる帯域（例えば、１０００〜１０３０Ｈｚ）だけを抽出するための周波数変換部４１と、この帯域における音圧信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部４２と、このＡ／Ｄ変換部４２で変換された信号の周波数スペクトル解析（ＦＥＴ解析）を行う解析部４３と、所定時間毎の解析結果を記録する解析結果記録部４４とから構成されている。
【００２４】
上記解析部４３では、所定時間毎に周波数スペクトル解析が行われ、それぞれの解析結果が解析結果記録部４４にて記録保持される。
そして、ずれ量検出部２３では、解析結果記録部４４からの解析結果が入力されるとともに、上記各通過時点検出部３５，３６で得られた通過時刻が入力されて、図４に示すように、速度の計算に必要な測定位置（Ａ，Ｂ）に応じて、すなわち基本周波数を示している基本スペクトラムｆOおよび交差角θが４５度の時のシフトスペクトラムｆD´に基づき、両測定位置におけるスペクトラムのシフト量ＦDが求められる。
【００２５】
ところで、船舶が検出対象航行物体でない場合、例えば自分で音響信号を周期的に発しているような航行物体と、このような周期的な音響信号を発していない検出対象である船舶との判別を行う場合、スペクトラムのシフト量に基づき判断が行われる。
すなわち、図５に示すように、自分で音響信号を周期的に発しているような航行物体においては、第１通過時点（Ａ位置）にくるまで、音圧最大検出箇所（ピーク位置、Ｃ位置）が既に１回以上現われることになり、このため、図６に示すように、この音圧ピークと４５度位置（Ｂ位置）での周波数分布のピークとの差が非常に接近して検出される。すなわち、シフト量ＦD（＝ｆD−ｆD´）がかなり小さくなる。例えば、図３の仮想線にて示すように、距離検出装置１から離れたＣ位置とＢ位置との間で生じるシフト量は、例えばＢ位置とＡ位置との間で生じるシフト量よりもかなり小さくなる。したがって、このシフト量が予め設定された設定シフト量（例えば、実験により求めておけばよい）と比較することにより、検出した航行物体が検出すべき船舶２であるか否かの判別を行うことができる。
【００２６】
次に、上記シフト量の判断により、航行物体が検出すべき船舶であると判別された場合、船舶２の音波受信器１１方向での速度ｖrを求める手順を説明する。
ドップラー効果の基本式から、下記（７）式が求まる。
ｆD＝｛ｃ／（ｃ−ｖr）｝×ｆO・・・（７）
但し、ｃは音速を表わす。
ここで、シフト量ＦDは下記（８）式にて表わされる。
【００２７】
ＦD＝ｆD−ｆO・・・（８）
上記（８）式に（７）式を代入すると、シフト量ＦDは、下記（９）式で表わされる。
【００２８】
ｖ＝ｖr／ｓｉｎθ・・・（１１）
また、上記微分値検出部２６においては、音圧信号を２回微分した波形信号の値の内、第１通過時点Ａにおける２回微分値（値が正の場合には最大値、値が負の場合には最小値である）（−Ｈ）および速度計算部２５で求められた速度ｖに基づき、船舶２までの最接近距離（最短距離）ｄが計算される。
【００２９】
以下、この計算手順について説明する。
この計算においては、上記受波レベルを示す（３）式を２回微分して得られた（６）式を使用する。
すなわち、最接近位置Ａにおける船舶２の位置（ｔ＝０の時）を求めるため、（６）式にｔ＝０を代入すると、下記（１２）式が得られる。
【００３０】
【数４】
上記（１３）式を変形して、ｄを求めると、下記（１４）式のようになる。
【００３１】
【数５】
まず、音波受信器１１にて海面を航行する船舶２の航走音の音波を受信する。
この受信された音圧信号は増幅器１２で増幅された後、測定位置通過時点検出部２１に入力され、ここで１回微分および２回微分が施されて、音波受信器１１からの最接近位置Ａおよび４５度位置Ｂを通過した時刻が検出される。
【００３２】
一方、増幅器１２で増幅された音圧信号は、測定位置通過時点検出部２１と並列に、周波数解析部２２に入力され、ここで所定時間毎の周波数スペクトラムが求められる。
次に、測定位置通過時点検出部２１における第１および第２通過時点検出部３５，３６で得られた最接近位置Ａおよび音圧最大検出位置（例えば、Ｃ位置）並びに４５度位置Ｂの各通過時刻および周波数解析部２２での解析結果がずれ量検出部２３に入力され、そしてこの検出シフト量（検出ずれ量）が対象航行物体判別部２４に入力されて、検出信号が検出対象船舶からのものであるか否かが判断され、検出対象船舶からのものであると判断された場合には、この検出シフト量が速度計算部２５に入力される。
【００３３】
この速度計算部２５では、図４に示すように、各位置Ａ，Ｂでの各通過時刻に対応する周波数スペクトラムを示すグラフから周波数のシフト量Ｆ Ｄ が求められた後、上記（１０）式に基づき、音波受信器１１方向での速度成分ｖ ｒ が求められ、さらに（１１）式から、進行方向での船舶２の真の速度ｖが求められる。
次に、上記第２微分回路部３４で求められた値が微分値検出部２６に入力され、ここで第１通過時点Ａにおける２回微分値である最小値（−Ｈ）が求められる。
【００３４】
そして、上記船舶２の速度ｖおよび最小値（−Ｈ）が距離計算部２７に入力されて、船舶２の最接近位置Ａまでの距離、すなわち最短距離ｄが計算される。
この求められた最短距離ｄは送信部１４を介して陸上の基地局に送られ、例えばモニターなどに表示される。なお、この最短距離ｄが計算されることにより、この距離検出装置１自身で、他の必要な処理作業を行わせることもできる。
【００３５】
一方、対象航行物体判別部２４で、船舶が検出対象でないと判断された場合には、後の計算処理が停止されるか、または計算処理が続行された後、必要な処理作業が停止される。
このように、海面を航行する船舶からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のシフト量を求め、そしてこのシフト量にドップラー効果の式を適用して、船舶の速度を検出するとともに、音圧信号の２回微分値を使用して、船舶までの最短距離を検出するようにしたので、従来のように、距離検出装置側からわざわざ検出用信号を出力する必要がないとともに、その検出方向については無指向性であるため、方位角検出器を使用するものに比べて、その設置を極めて容易に行うことができる。
【００３６】
また、音圧信号の周波数スペクトラムのピークのシフト量を設定シフト量と比較して検出対象船舶であるか否かを判断するようにしたので、検出対象船舶以外の航行物体を検出する必要がなくなる。
次に、本発明の第２の実施の形態における航行物体までの距離検出装置および距離検出方法を、図７に基づき説明する。
【００３７】
本第２の実施の形態と、第１の実施の形態とは、航行物体である船舶までの距離を検出することについては同じであるが、検出航行物体が、検出すべき航行物体であるか否かを判別するのに、磁気検出器を使用した点で異なる。
本第２の実施の形態においては、この異なる部分について説明するものとし、第１の実施の形態と同一の部品には、同一の番号を付して、その説明を省略する。
【００３８】
すなわち、図７に示すように、この距離検出装置５１においては、音波受信器１１と同一場所に配置されて航行物体の磁気量を検出する磁気検出器（磁気センサー）６１と、この磁気検出器６１で検出された磁気信号（磁気量）を増幅器６２を介して入力してそのピークを求める磁気ピーク検出部（具体的には、微分回路が用いられる）６３と、この磁気ピーク検出部６３で求められた発生時刻などのピーク情報および測定位置通過時点検出部２１の第１通過時点検出部３５で得られた時刻を入力して検出すべき対象船舶であるか否かを判断する対象航行物体判別部６４とが具備されており、さらには音波受信器１１で受信されてアンプ１２から出力された音圧信号を監視する音圧監視部７１が具備されている。
【００３９】
この音圧監視部７１は、検出された音圧レベルが背景雑音より所定レベル、例えば３ｄＢ程度高いしきい値と比較して、このしきい値よりも高い場合に、磁気検出器６１を作動させるようにするものであり、単なる雑音で距離検出装置５１が作動しないようにしている。
次に、上記距離検出装置５１により、船舶までの最接近距離（最短距離）の検出方法を概略的に説明する。
【００４０】
まず、音波受信器１１にて海面を航行する船舶２の航走音の音波を受信する。
この受信された音圧信号は増幅器１２で増幅された後、測定位置通過時点検出部２１に入力され、ここで１回微分および２回微分が施されて、音波受信器１１からの最接近位置Ａおよび４５度位置Ｂを通過した時刻が検出される。
一方、増幅器１２で増幅された音圧信号は、測定位置通過時点検出部２１と並列に周波数解析部２２に入力され、ここで所定時間毎の周波数スペクトラムが求められる。
【００４１】
そして、測定位置通過時点検出部２１における第１および第２通過時点検出部３５，３６で得られた最接近位置Ａおよび４５度位置Ｂの各通過時刻および周波数解析部２２での解析結果がずれ量検出部２３に入力され、ここで、ドップラー効果に基づく周波数スペクトラムのシフト量が求められ、このシフト量が速度計算部２５に入力されて、船舶２の速度ｖが求められる。
【００４２】
ところで、上記演算と同時に、増幅器１２からの音圧信号は、音圧監視部７１に入力されて、自然音かそれとも航行物体のものであるかが判断され、航行物体からの音圧信号であると判断された場合には、磁気検出器６１にその作動信号が出力される。
航行物体からの音圧信号であると判断された場合には、磁気検出器６１で検出された磁気信号に基づき、さらに検出対象航行物体であるか否かが判別される。
【００４３】
すなわち、磁気ピーク検出部６３にて、微分処理により磁気信号のピークが検出され、このピークが検出された時刻および第１通過時点検出部３５で得られたＡ点通過の時刻が対象航行物体判別部６４に入力され、ここで、このＡ点通過時刻より以前において、磁気信号のピークが存在しているかどうかが検出される。
ピーク値が存在していない場合には、磁気信号を発してしない航行物体、すなわち検出対象である船舶であると判断して、速度計算部２５にて、船舶２の速度が計算される。この速度に基づき、距離計算部２７にて、船舶２までの最短距離ｄが計算されることになる。
【００４４】
一方、磁気信号にピークが存在している場合には、磁気信号を発している航行物体であると判断し、検出する必要がない旨の指示が、例えば速度計算部２５に入力されて、計算動作が停止される。
なお、計算停止を行う替わりに、例えば距離検出装置５１における所定の処理動作を停止させることもできる。
【００４５】
このように、海面を航行する船舶からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のシフト量を求め、そしてこのシフト量にドップラー効果の式を適用して、船舶の速度を検出するとともに、音圧信号の２回微分値を使用して、船舶までの最短距離を検出するようにしたので、従来のように、距離検出装置側からわざわざ検出用信号を出力する必要がないとともに、その検出方向については無指向性であるため、方位角検出器を使用するものに比べて、その設置を極めて容易に行うことができる。
【００４６】
さらに、音波検出器の他に、磁気検出器を配置して、航行物体が磁気信号を発しているような場合、すなわち検出対象でない航行物体である場合には、距離などの検出動作または距離検出装置での所定の処理動作を停止させることができる。
ところで、上記各実施の形態においては、海面上を航行する船舶までの距離を検出する場合について説明したが、海中（水中も含む）を航行する物体例えば潜水艦までの距離検出にも適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１および２に係る距離検出装置および距離検出方法によると、海面または海中を航行する航行物体からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のずれ量を求め、そしてこのずれ量にドップラー効果の式を適用して航行物体の速度を検出するとともに、この速度および第１通過時点における音圧信号の２回微分値を使用して、船舶までの距離を検出するようにしたので、従来のように、距離検出装置側から検出用信号を出力する必要がないとともに、その検出方向については無指向性であるため、方位角検出器を使用するものに比べて、その設置を極めて容易に行うことができる。また、音圧信号の周波数スペクトラムのピークのずれ量を設定ずれ量と比較して検出対象航行物体であるか否かを判断するようにしたので、検出対象以外の航行物体を検出する必要がなくなる。
【００４８】
また、本発明の請求項３および４に係る距離検出装置および距離検出方法によると、海面または海中を航行する航行物体からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のずれ量を求め、そしてこのずれ量にドップラー効果の式を適用して航行物体の速度を検出するとともに、この速度および第１通過時点における音圧信号の２回微分値を使用して、航行物体までの距離を検出するようにしたので、従来のように、距離検出装置側から検出用信号を出力する必要がないとともに、その検出方向については無指向性であるため、方位角検出器を使用するものに比べて、その設置を極めて容易に行うことができる。また、音波検出器の他に、磁気検出器を配置して、航行物体が磁気信号を発しているような場合、すなわち検出対象でない航行物体である場合には、距離などの検出動作または距離検出装置での所定の処理動作を停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における船舶と音波受信器との配置状態を示す模式図である。
【図２】同第１の実施の形態における距離検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】同距離検出装置の速度計算部での速度を求める手順を説明する図である。
【図４】同距離検出装置の周波数解析部での周波数スペクトル解析結果を示す図である。
【図５】同距離検出装置の音圧信号およびその１回微分における波形を示す図である。
【図６】同距離検出装置の周波数解析部での周波数スペクトル解析結果を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における距離検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 距離検出装置
２ 船舶
１１ 音波受信器
１３ 演算処理部
２１ 測定位置通過時点検出部
２２ 周波数解析部
２３ ずれ量検出部
２４ 対象航行物体判別部
２５ 速度計算部
２６ 微分最大値検出部
２７ 距離計算部
３３ 第１微分回路部
３４ 第２微分回路部
３５ 第１通過時点検出部
３６ 第２通過時点検出部
４３ 解析部
４４ 解析結果記録部
５１ 距離検出装置
６１ 磁気検出器
６３ 磁気ピーク検出部
６４ ずれ量検出部
７１ 音圧監視部
Claims (4)
- 海面または海中を航行する航行物体から発される音を海面下にて受信する音波受信器と、この音波受信器からの音圧信号に１回微分を施して音圧最大時における航行物体が通過する第１通過時点および上記音圧信号に２回微分を施して音圧信号の変曲点における航行物体が通過する第２通過時点を検出する測定位置通過時点検出部と、上記音波受信器からの音圧信号を入力して所定時間毎に音圧信号の周波数スペクトル解析を行う周波数解析部と、上記測定位置通過時点検出部からの第１および第２通過時点並びに周波数解析部からの周波数スペクトル解析結果をそれぞれ入力して、ドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求めるずれ量検出部と、このずれ量検出部で求められた検出ずれ量と設定ずれ量とを比較して検出対象航行物体であるか否かを判断する対象航行物体判別部と、この対象航行物体判別部で検出対象航行物体であると判断されたずれ量を入力するとともにこのずれ量に基づき第２通過時点での航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出する速度計算部と、上記２回微分された音圧波形の第１通過時点における２回微分値および上記速度計算部により求められた速度を入力して、最接近位置までの距離を計算する距離計算部とから構成したことを特徴とする航行物体までの距離検出装置。
- 海面または海中を航行する航行物体から発される音を海面下に設けられた音波受信器により受信し、この音波受信器からの音圧信号に１回微分を施して音圧最大時における航行物体が通過する第１通過時点および上記音圧信号に２回微分を施して音圧信号の変曲点における航行物体が通過する第２通過時点を検出し、上記音波受信器からの音圧信号を入力して所定間隔毎に周波数スペクトル解析を行い、第１通過時点と第２通過時点との周波数スペクトル解析結果からドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求め、この検出ずれ量と設定ずれ量とを比較して検出対象航行物体であるか否かを判断し、検出対象航行物体である場合に、上記検出ずれ量に基づき第２通過時点における航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出し、次に上記２回微分された音圧波形の第１通過時点における２回微分値および上記求められた速度に基づき、音波受信器から最接近位置までの距離を検出することを特徴とする航行物体までの距離検出方法。
- 海面または海中を航行する航行物体から発される音を海面下にて受信する音波受信器および航行物体の磁気量を検出する磁気検出器と、上記磁気検出器で検出された磁気信号のピーク値を検出する磁気ピーク検出部と、上記音波受信器からの音圧信号に１回および２回微分を施して音波受信器に対して航行物体が最も接近する地点を通過する第１通過時点およびこの最接近位置に対して４５度方向の地点を通過する第２通過時点を検出する測定位置通過時点検出部と、上記音波受信器からの音圧信号を入力して所定時間毎に音圧信号の周波数スペクトル解析を行う周波数解析部と、上記測定位置通過時点検出部からの第１および第２通過時点並びに周波数解析部からの周波数スペクトル解析結果をそれぞれ入力して、ドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求めるとともに、このずれ量から第２通過時点での航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出する速度計算部と、上記２回微分された音波波形の第１通過時点における２回微分値および上記速度計算部により求められた速度を入力して、最接近位置までの距離を計算する距離計算部と、上記磁気ピーク検出部で検出されたピーク値が、航行物体の第１通過時点までに少なくとも１回検出された場合、検出対象航行物体でないと判断する対象航行物体判別部とから構成したことを特徴とする航行物体までの距離検出装置。
- 海面または海中を航行する航行物体から発される音を海面下に設けられた音波受信器により受信し、この音波受信器からの音圧信号に１回および２回微分を施して、音波受信器に対して航行物体が最も接近する地点を通過する第１通過時点およびこの最接近位置に対して４５度方向の地点を通過する第２通過時点を検出し、上記音波受信器からの音圧信号を入力して所定間隔毎に周波数スペクトル解析を行い、第１通過時点と第２通過時点との周波数スペクトル解析結果からドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求め、このずれ量に基づき第２通過時点における航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出し、次に上記２回微分された音波波形の第１通過時点における２回微分値および上記速度計算部で求められた速度に基づき、音波受信器から最接近位置までの距離を検出し、かつこの距離を検出するに際し、航行物体が第１通過時点に移動する前に、磁気検出器により検出される航行物体の磁気信号のピーク値が少なくとも１回検出された場合には、検出対象航行物体でないと判断することを特徴とする航行物体までの距離検出方法。
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