JP4211218B2 - 目標判別方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の音響受波器よりなる直線アレイを用いて探知した目標のうちから実目標と虚目標とを判別する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばソナーやレーダー等では、多数のセンサを並べたアレイを用いて鋭い指向性を持つビームを形成し、目標の探知や測位を行っている。
アレイの一つの形態として、複数のセンサーを直線状に並べた直線アレイがある。ソナーの分野では、この直線アレイは広く使われており、例えば直線アレイを船舶からえい航して、目標（例えば水中航走体等）の探知や測位に使用する方法がある。
【０００３】
直線アレイの公知文献としては、下記の文献１がある。
文献１：ROBERT J.URICK著、土屋 明 訳、西村 実 監修、
水中音響の原理、1978年11月初版、共立出版株式会社、P52-55
直線アレイは、上記文献１の図３．９で示されるようにアレイ直線軸に対して左右対称のビームパターンを持つ（即ち単一指向性のビームではない）。
文献１の図３．９では、音響軸とアレイ軸が直交している例を示しているが、直交していない場合もアレイ軸対称のビームパターンとなる。
例えば複数の音響受波器を所定間隔に配列して直線アレイを形成した場合、この直線アレイを含む水平面内のビームパターンは図４のようになる。図４の（ａ）は音響軸とアレイ軸が直交している例であり、図４の（ｂ）は音響軸とアレイ軸が直交していない例である。
【０００４】
図５は従来の直線アレイを用いた目標探知装置の構成図である。
直線アレイとしては、例えば等間隔配列アレイのほかに、対数間隔配列アレイ（アレイの両端部の間隔が最大で、中央部に向って対数的に小さくなり、中央部の間隔が最小となる配列）や、所望の探知範囲や指向特性をもたせるように特定間隔に設計された特定間隔配列アレイもある。
目標探知装置は、これら等間隔配列アレイ、対数間隔配列アレイ、特定間隔配列アレイ等のいずれも使用することができる。
なお本明細書では、上記等間隔配列、対数間隔配列、特定間隔配列などを一括して所定間隔の配列と称する。
図５の１は直線アレイであり、複数の音響受波器を所定の間隔にロープ等で結合して船舶でえい航することにより直線状のアレイが構成される。そして、直線アレイ１内の各音響受波器の受波信号は、それぞれえい航船舶に伝送される。また直線アレイ１内には方位センサが共に搭載され、えい航時におけるえい航方位信号も同様にえい航船舶に伝送される。
【０００５】
図５においては、複数の音響受波器を船舶でえい航して直線アレイ１を形成し、直線アレイ１の各音響受波器がそれぞれ受波した複数の受波信号とえい航方位信号とが連続的に船内の待ち受け整相器２に伝送される。待ち受け整相器２は、入力される複数の受波信号を整相処理して各方位に対する信号のレベルに変換する。なおここで整相処理とは、直線アレイ１内の複数の各受波信号の位相もしくは遅延時間の分布を制御して目的とする方位毎の受波ビームを形成する処理をいう。
【０００６】
目標検出器３は、各方位に対する信号のレベルのピーク値等から目標の方位を検出する。
しかし直線アレイ１のビームパターンは、図４に示したように、アレイ軸に対して左右対称の指向特性を有するので、目標検出器３は実目標のほかに虚目標も検出する。
図６は変針がない場合の実目標と虚目標の表示例を示す図であり、同図の（ａ）は、直線アレイのえい航方位、実目標方位及び虚目標方位の説明図である。
いま直線アレイのえい航方位が０°（真北）であり、このえい航方位から時計廻り角度６０°の方位６０°に実目標が存在するとすると、えい航方位から反時計廻り角度６０°の方位３００°に虚目標を検出してしまう。反対にえい航方位０°、実目標方位３００°の場合には、方位６０°に虚目標を検出してしまう。
【０００７】
表示器７は、目標検出器３が検出したすべての目標を表示する。従って実目標のほかに虚目標も表示される。
表示器７の表示方式は、図６の（ｂ）に示すように、水平面での、えい航方位、実目標方位、虚目標方位を横軸に、記録時間を縦軸に、検出した物標の信号レベルを表示色の濃淡によって表示するＢＴＲ（Bearing Time Recording）表示方式が一般的である。
なお図６の（ｂ）では、表示時間内において、えい航船は直進して進路変更が無く、この表示時間内では直線アレイから測定した目標方位は一定であるため、実目標または虚目標の方位も一定となっている。
【０００８】
従来、上記の実目標と虚目標を識別するために、えい航船舶を変針させ、直線アレイの向きを変える方法が用いられていた。
図７は変針がある場合の実目標と虚目標の表示例を示す図である。
いま直線アレイのえい航方位が０°（真北）で、このえい航方位から反時計廻りの角度７０°の方位２９０°に実目標が存在するとすると、えい航方位から時計廻り角度７０°の方位７０°に虚目標が検出される（図７の（ａ）を参照）。
ここで図７の（ｂ）のように、船舶が取舵（左舷方向へ）２０°変針したとすると、新進路に変針後のえい航方位は３４０°となり、直線アレイに搭載された方位センサから３４０°の方位信号は受信される。変針後のえい航方位３４０°から実目標までは反時計廻りの角度５０°と計測されるから、実目標方位は２９０°と算出され、実目標の方位は変化しない。
一方変針後のえい航方位３４０°から虚目標までは時計廻り角度５０°と計測されるから、虚目標方位３０°と算出される。即ち虚目標の方位はアレイのえい航方向の変化の２倍変化する。
【０００９】
図７の（ｃ）は、ＢＴＲ表示により、えい航方位、実目標方位、虚目標方位を、同図の（ａ）の変針前の記録と、変針により直線アレイが湾曲し、アレイの性能が落ち一次的に失探した変針中の状態と、（ｂ）の変針後の記録として示したものであり、直線アレイのえい航方向の変化に対し、実目標の方位は変化しないのに、虚目標の方位はえい航方向の変化分の２倍変化するので、実目標と虚目標とを識別することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら直線アレイをえい航して目標探知を行う方式での実目標と虚目標とを識別するめたに、えい航船舶を変針させる方法では、下記の問題点があった。
（１）新しく目標を探知する度に変針が必要であり、この変針により直線アレイが湾曲し、アレイの性能が落ち一時的に失探し、その後再探知までに時間を要する。
（２）変針することで直進した場合に比較して、船舶の走行時間が長くなり、運行費用が増加する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る目標判別方法は、複数の音響受波器を所定間隔に配列して船舶でえい航することにより形成される直線アレイを用いて探知した目標の判別方法において、前記直線アレイを用いて探知した目標のうちから目標方位が直線アレイのえい航方位に対して左右対称の方位にある一対の目標を検出し、下記（１），（２）のいずれかの判別を行う。
（１）前記一対の各目標について各々の方位信号と直線アレイのえい航方位信号との相関値をそれぞれ計算し、前記一対の各目標について計算した相関値の大きい方を虚目標、小さい方を実目標として判別する。
（２）前記一対の各目標について各々の方位信号と直線アレイのえい航方位信号との相関値をそれぞれ計算し、また前記一対の各目標について各々の方位信号の時間的変化から方位分散値をそれぞれ算出し、前記一対の各目標について計算した方位相関値の大きい方の目標と方位分散値の大きい方の目標が同一目標である場合に、この目標を虚目標と判別する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施形態１
図１は本発明の実施形態１に係る目標探知装置の構成図及び信号波形図である。
図１の（ａ）の構成においては、直線アレイ１の出力は待ち受け整相器２に入力され、待ち受け整相器２の出力は目標検出器３に入力される。ここまでは従来の装置と同様であるが、本実施形態１では、目標検出器３の出力は目標ペア検出器４に入力され、目標ペア検出器４の出力は方位相関計算器５に入力される。そして方位相関計算器５の出力は虚目標判別器６に入力され、虚目標判別器６の出力は表示器７に入力される。
【００１３】
図１の（ａ）の装置の動作を、（ｂ）の信号波形を参照して説明する。なお、図１の（ａ）の直線アレイ１から目標検出器３までの動作は、図４で詳細に説明した通りであるので、要点のみを述べる。
即ち直線アレイ１は船舶によりえい航され、直線アレイ１内の複数の各音響受波器の受信信号とえい航方位信号が待ち受け整相器２に入力され、ここで各方位に対する信号のレベルに変換される。目標検出器３は各方位に対する信号のレベルのピーク値等から目標の方位を検出する。
【００１４】
目標ペア検出器４は、目標検出器３で検出した目標の中から、目標方位が直線アレイのえい航方位に対して左右対称の方位にある一対の目標（図６の（ａ）に示したように、えい航方位からの方位差が等しく、一方は時計廻り方向に、他方は反時計廻り方位にある一対の目標）を目標ペア（実目標と虚目標のペア）として検出する。
【００１５】
直線アレイ１は、前記のように、複数の音響受波器を所定の間隔にロープ等で結合して船舶でえい航するものであるから、船舶が直進したとしても潮流等により、えい航方位はわずかではあるが常に変動している。図１の（ｂ）の（ロ）は、えい航方位信号が時間軸に対してわずかではあるが常に方位変動している様子を示している。そして虚目標方位信号は、図７で説明したように、えい航方位の変動分の２倍変動するので、図１の（ｂ）の（ハ）に示すように、その方位変動波形はえい航方位信号の波形と類似で、その方位変動幅はえい航方位信号の方位変動幅の２倍となる。一方実目標方位信号は、えい航方位信号の変動分が遅滞なく正確に補正されれば一定方位のはずであるが、航行船舶音や海中雑音の影響で多少の方位変動が生じる。しかし実目標方位信号の方位変動波形は、えい航方位信号の方位変動波形と類似するものとはならない（図７の（ｂ）の（イ）を参照）。
【００１６】
方位相関計算器５は、前記目標ペアの各目標について、各々の方位信号と直線アレイのえい航方位信号との相関値（即ち方位相関値）をそれぞれ計算する。相関演算においては、２波形の振幅は正規化され、同一振幅として処理され、一方の波形を時間軸上にずらせて行き、このずらした波形と他方の波形との積和を求めることにより２波形の類似度を算出する。
えい航方位信号と虚目標方位信号との相関値は、図１の（ｂ）のように２波形が類似していることにより大きく、えい航方位信号と実目標方位信号との相関値は、図１の（ｂ）のように２波形が類似していないことにより小さい。
【００１７】
虚目標検出器６は、方位相関計算器５が目標ペアの各目標について、それぞれ計算した各々の方位信号とえい航方位信号との相関値を比較して、その相関値の大きい方の目標を虚目標、小さい方の目標を実目標と判別する。
表示器７は、目標検出器３が検出した目標のうち、虚目標検出器６が虚目標と判別とた目標を実目標と区別して表示する。
【００１８】
以上のように本実施形態１によれば、直接アレイをえい航して目標探知を行う方式で実目標と虚目標とを識別するため、従来のように船舶を変針させることは不要となり、目標ペアの各目標についての方位信号とえい航方位信号との相関値を比較するのみで実目標と虚目標の識別が可能となった。
【００１９】
実施形態２
図２は本発明の実施形態２に係る目標探知装置の構成図である。
図２の装置は、図１の構成の方位相関計算器５及び虚目標判別器６を方位分散計算器８及び虚目標判別器９に置換して構成したもので、その他の１〜４及び７の各機器は図１と同様のものである。従ってここでは方位分散計算器８及び虚目標判別器９に係る動作を主に説明する。
【００２０】
目標ペア検出器４は、目標検出器３で検出した目標の中から、目標方位が直線アレイのえい航方位に対して左右対称の方位にある一対の目標（ペア目標）を検出する。
前記のように船舶によりえい航される直線アレイ１は、船舶が直進したとしても潮流等により、えい航方位信号はわずかではあるが常に変動している（図１の（ｂ）の（ロ）を参照）。そして虚目標方位信号は、図１の（ｂ）の（ハ）に示すように、その方位変動波形はえい航方位信号の波形と類似で、その方位変動幅はえい航方位信号の方位変動幅の２倍となる。一方実目標方位信号には航行船舶音や水中の音響雑音等が重畳したりするので、図１の（ｂ）の（イ）に示すように、多少の方位変動はある。しかしその方位変動波形はえい航方位信号の波形と類似せず、その方位変動幅は虚目標方位信号の方位変動幅に比較してかなり小さい。
【００２１】
方位分散計算器８は、目標ペア検出器４が検出した目標ペアの各目標について、各々の目標方位の時間的な変化から方位分散値をそれぞれ計算する。
方位分散の計算では、単位時間にｎ個の方位データが得られると、このｎ個の方位データの平均方位値を求め、この平均方位値に対するｎ個の各方位データの偏差を２乗して、その平均を求める演算を行う。
従って単位時間内に方位変動幅の大きい虚目標の方位分散値は、同一単位時間内に方位変動幅の小さい実目標の方位分散値よりも大きな値となる。
【００２２】
虚目標判別器９は、方位分散計算器８が算出した目標ペアの各目標の方位分散値を比較して、方位分散値の大きい方の目標を虚目標と判別する。表示器７は、目標検出器３が検出した目標のうち、虚目標検出器９が虚目標と判別した目標を実目標と区別して表示する。
【００２３】
以上のように本実施形態２によれば、直線アレイをえい航して目標探知を行う方式で実目標と虚目標とを識別するため、従来のように船舶を変針させることは不要となり、目標ペアの各目標についての方位分散値を比較するのみで、実目標と虚目標の識別が可能となった。
【００２４】
実施形態３
図３は本発明の実施形態３に係る目標探知装置の構成図である。
図３の装置は、虚目標判別用の計算手段として、実施形態１で用いた方位相関計算器５と、実施形態２で用いた方位分散計算器８の両方を組込んだ構成としたものである。従って図３の１〜５の各機器は実施形態１の場合と同様に動作し、方位分散計算器８は実施形態２の場合と同様に動作する。
【００２５】
虚目標判別器１０は、目標ペアの各目標について、方位相関計算器５が算出した方位相関値が大きい方の目標と、方位分散計算器８が算出した方位分散値が大きい方の目標とが同一目標であるか否かを判別し、同一目標である場合は、これを虚目標と判別する。同一目標でない場合には虚目標とは判別しない。これによって虚目標の判別精度が向上する。
【００２６】
例えば、直線アレイ１の各音響受波器により海中を伝搬してくる音波を受波して水中航走体を探知するような場合、音波は水中航走体の推進機関以外にも、海上の航行船舶等からも発生され、さらに海中雑音（波浪雑音、熱雑音、海氷雑音、乱流雑音等）も存在するから、これらの外乱信号の混入された受波信号を用いて虚目標の判別を行う場合には、本実施形態３のように、方位相関計算器５の計算結果に基づく第１の判別結果と、方位分散計算器８の計算結果に基づく第２の判別結果との論理積演算を行って最終判別を行うことで、虚目標の判別精度を向上させることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複数の音響受波器を所定間隔に配列して船舶でえい航することにより形成される直線アレイを用いて探知した目標の判別方法において、前記直線アレイを用いて探知した目標のうちから目標方位が直線アレイのえい航方位に対して左右対称の方位にある一対の目標を検出し、前記一対の各目標について各々の方位信号と直線アレイのえい航方位信号との相関値をそれぞれ計算し、前記一対の各目標について計算した相関値の大きい方を虚目標、小さい方を実目標として判別するようにしたので、従来のように実目標と虚目標とを識別するためえい航船舶を変針させる必要がなくなった。
【００２８】
また本発明によれば、複数の音響受波器を所定間隔に配列して船舶でえい航することにより形成される直線アレイを用いて探知した目標の判別方法において、前記直線アレイを用いて探知した目標のうちから目標方位が直線アレイのえい航方位に対して左右対称の方位にある一対の目標を検出し、前記一対の各目標について各々の方位信号の時間的変化から方位分散値をそれぞれ計算し、前記一対の各目標について計算した方位分散値の大きい方を虚目標、小さい方を実目標として判別するようにしたので、前記と同様に、従来のように実目標と虚目標とを識別するためえい航船舶を変針させる必要がなくなった。
【００２９】
また本発明によれば、複数の音響受波器を所定間隔に配列して船舶でえい航することにより形成される直線アレイを用いて探知した目標の判別方法において、前記直線アレイを用いて探知した目標のうちから目標方位が直線アレイのえい航方位に対して左右対称の方位にある一対の目標を検出し、前記一対の各目標について各々の方位信号と直線アレイのえい航方位信号の相関値をそれぞれ計算し、また前記一対の各目標について各々の方位信号の時間的変化から方位分散値をそれぞれ計算し、前記一対の各目標について計算した方位相関値の大きい方の目標と方位分散値の大きい方の目標が同一目標である場合に、この目標を虚目標と判別するようにしたので、従来のように実目標と虚目標とを識別するためえい航船舶を変針させる必要がなくなると共に虚目標の判別精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る目標探知装置の構成図及び信号波形図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る目標探知装置の構成図である。
【図３】本発明の実施形態３に係る目標探知装置の構成図である。
【図４】直線アレイを含む水平面内のビームパターンを示す図である。
【図５】従来の直線アレイを用いた目標探知装置の構成図である。
【図６】変針がない場合の実目標と虚目標の表示例を示す図である。
【図７】変針がある場合の実目標と虚目標の表示例を示す図である。
【符号の説明】
１ 直線アレイ
２ 待ち受け整相器
３ 目標検出器
４ 目標ペア検出器
５ 方位相関計算器
６，９，１０ 虚目標判別器
７ 表示器
８ 方位分散計算器

Claims (2)

1. 複数の音響受波器を所定間隔に配列して船舶でえい航することにより形成される直線アレイを用いて探知した目標の判別方法において、
   前記直線アレイを用いて探知した目標のうちから目標方位が直線アレイのえい航方位に対して左右対称の方位にある一対の目標を検出し、前記一対の各目標について各々の方位信号と直線アレイのえい航方位信号との相関値をそれぞれ計算し、前記一対の各目標について計算した相関値の大きい方を虚目標、小さい方を実目標として判別することを特徴とする目標判別方法。
2. 複数の音響受波器を所定間隔に配列して船舶でえい航することにより形成される直線アレイを用いて探知した目標の判別方法において、
   前記直線アレイを用いて探知した目標のうちから目標方位が直線アレイのえい航方位に対して左右対称の方位にある一対の目標を検出し、前記一対の各目標について各々の方位信号と直線アレイのえい航方位信号の相関値をそれぞれ計算し、また前記一対の各目標について各々の方位信号の時間的変化から方位分散値をそれぞれ計算し、前記一対の各目標について計算した方位相関値の大きい方の目標と方位分散値の大きい方の目標が同一目標である場合に、この目標を虚目標と判別することを特徴とする目標判別方法。

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