JP4356530B2 - パルス音の到来時間差推定方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルス音の到来時間差推定方法及びその装置に関するものである。

従来、艦船等から発信されたＰＣＷ（Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）、ＬＦＭ（Ｌｉｎｅａｒ ＦＭ）等の探信音としてのパルス音を、複数の音響センサ装置で受信し、各音響センサ装置間のパルス音の到来時間差から発信源の方位や距離を算出する音源方位測定装置又は音源位置局限装置において用いられるパルス音の到来時間差を推定する方法の一つとして、二つの信号による相関カーブから時間差を求める方法が提供されている（例えば、特許文献１参照。）。

図２は従来のパルス音の到来時間差推定装置の構成を示すブロック図、図３は従来のパルス音の到来時間差推定装置における検知器の構成を示すブロック図である。

図２において、（１）及び（２）は音響センサ装置からの入力端子、１０１ａは第１のバッファメモリ、１０１ｂは第２のバッファメモリ、１０２は検知器、１０３ａは第１の波形選択器、１０３ｂは第２の波形選択器、１０４は相関器、１０５は時間差推定器、（３）は出力端子である。そして、前記検知器１０２は、図３に示されるように、瞬時パワー算出器１１１、短時間積分器１１２、長時間積分器１１３、閾（しきい）値算出器１１４及び比較器１１５を有する。なお、（４）は前記入力端子（１）との接続端子であり、（５）は前記第１の波形選択器１０３ａ及び第２の波形選択器１０３ｂとの接続端子である。

次に、前記従来のパルス音の到来時間差推定装置の動作について説明する。

まず、音響センサ装置で受信した受信信号は、ディジタル信号の時系列データとして入力端子（１）及び（２）を通して第１のバッファメモリ１０１ａ及び第２のバッファメモリ１０１ｂにそれぞれ入力される。また、入力端子（１）を通る時系列データは検知器１０２にも入力される。

ここで、前記第１のバッファメモリ１０１ａは、ＦＩＦＯ（Ｆｉｒｓｔ−Ｉｎ Ｆｉｒｓｔ−Ｏｕｔ）方式のメモリであり、入力端子（１）から入力された前記受信信号のディジタル形式の時系列データを現在の時刻から一定時間遡（さかのぼ）った時刻まで記憶しておく。なお、前記第１のバッファメモリ１０１ａの記憶サイズは、相関器１０４の相関処理に必要なデータ量や検知器１０２の応答性を考慮して決定される。また、前記第２のバッファメモリ１０１ｂについては、同様の処理となるので、説明を省略する。

次に、前記検知器１０２においては、入力端子（１）から入力された前記受信信号のディジタル形式の時系列データが、接続端子（４）を通して瞬時パワー算出器１１１に入力される。続いて、該瞬時パワー算出器１１１は接続端子（４）を通して入力された前記受信信号の時系列データＸ１（ｋ）に対して、次の式（１）で示される処理を行うことによって、瞬時パワーＹ１（ｋ）を算出し、その結果を短時間積分器１１２及び長時間積分器１１３に出力する。ただし、ｋは時刻を表すインデックスである。
Ｙ１（ｋ）＝Ｘ１（ｋ）・Ｘ１（ｋ） ・・・式（１）
次に、短時間積分器１１２は、瞬時パワー算出器１１１からの前記受信信号の瞬時パワーＹ１（ｋ）が入力されると、次の式（２）の指数積分によって、その短時間積分値ＺＳ（ｋ）を求め、その結果を比較器１１５に出力する。ここで、積分定数αは背景雑音の分散がある程度低減され、かつ、パルス音に対してはそのピークレベル低下があまり起こらない範囲内の値を採用する。
ＺＳ（ｋ）＝α・Ｙ１（ｋ）＋（１−α）・ＺＳ（ｋ−１） ・・・式（２）
続いて、長時間積分器１１３は、瞬時パワー算出器１１１からの前記受信信号の瞬時パワーＹ１（ｋ）が入力されると、前記短時間積分器１１２と同様に、次の式（３）の指数積分によって、その長時間積分値ＺＬ（ｋ）を求めることによって背景雑音レベルを推定し、その結果を閾値算出器１１４に出力する。ここで、長時間積分用の積分定数βはパルス音のピークレベルが十分小さくなり、かつ、背景雑音レベルの変動に十分追従することができる範囲内の値を採用する。
ＺＬ（ｋ）＝β・Ｙ１（ｋ）＋（１−β）・ＺＬ（ｋ−１） ・・・式（３）
そして、閾値算出器１１４は、長時間積分器１１３から背景雑音レベルの推定結果である長時間積分値ＺＬ（ｋ）が入力されると、次の式（４）によって、パルス音を検知するための閾値ＴＨＬ（ｋ）を算出し、その結果を比較器１１５に出力する。ここで、定数γは検知確率・誤警報確率を考慮して設定する。
ＴＨＬ（ｋ）＝γ・ＺＬ（ｋ） ・・・式（４）
次に、比較器１１５は、前記短時間積分器１１２からの短時間積分値ＺＳ（ｋ）及び閾値算出器１１４からの閾値ＴＨＬ（ｋ）が入力されると、短時間積分値ＺＳ（ｋ）と閾値ＴＨＬ（ｋ）比較し、次の式（５）の条件を満足した場合、すなわち、閾値ＴＨＬ（ｋ）を超える短時間積分値ＺＳ（ｋ）が一定期間ＮＷ続いた場合、前記受信信号内にパルス音が存在すると判定し、短時間積分値ＺＳ（ｋ）が最初に閾値ＴＨＬ（ｋ）を上回るインデックスｋの値をパルス音の開始時刻ＫＳとし、開始時刻ＫＳ以降、短時間積分値ＺＳ（ｋ）が最初に閾値ＴＨＬ（ｋ）を下回るインデックスｋの値をパルス音の終了時刻ＫＥとする。そして、パルス音の開始時刻ＫＳ及び終了時刻ＫＥを接続端子（５）を通して第１の波形選択器１０３ａ及び第２の波形選択器１０３ｂに出力する。
ＺＳ（ｋ）＞ＴＨＬ（ｋ） ・・・式（５）
ｋ＝ＫＳ、ＫＳ＋１、…、ＫＥ−１、ＫＥ
ＫＥ−ＫＳ＞ＮＷ
続いて、第１の波形選択器１０３ａは、検知器１０２内の比較器１１５からパルス音の開始時刻ＫＳ及び終了時刻ＫＥが接続端子（５）を通して入力されると、次の式（６）によって波形切り出し開始時刻ｊＳを算出し、次の式（７）によって波形切り出し終了時刻ｊＥを算出する。そして、第１のバッファメモリ１０１ａから該当する時間部分の切り出し波形Ｗ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ、ｊＳ＋１、…、ｊＥ−１、ｊＥ）を読み出し、その結果を相関器１０４に出力する。
ｊＳ＝ＫＳ−Ｍ１ ・・・式（６）
ｊＥ＝ＫＥ＋Ｍ２ ・・・式（７）
ただし、Ｍ１及びＭ２は区間〔ｊＳ、ｊＥ〕で波形を切り出した場合、受信波形内のパルス音が区間〔ｊＳ、ｊＥ〕内に含有する形で切り出されるように、かつ、相関処理に必要なサイズを考慮して決定される。

また、第２の波形選択器１０３ｂも、同様に、検知器１０２内の比較器１１５からパルス音の開始時刻ＫＳ及び終了時刻ＫＥが接続端子（５）を通して入力されると、前記式（６）によって波形切り出し開始時刻ｊＳを算出し、前記式（７）によって波形切り出し終了時刻ｊＥを算出する。そして、第２のバッファメモリ１０１ｂから該当する時間部分の切り出し波形Ｗ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ、ｊＳ＋１、…、ｊＥ−１、ｊＥ）を読み出し、その結果を相関器１０４に出力する。ここで、波形切り出し開始時刻ｊＳ及び波形切り出し終了時刻ｊＥは基本的に第１の波形選択器１０３ａと同一時刻での切り出しとする。

次に、相関器１０４は、第１の波形選択器１０３ａから出力された切り出し波形Ｗ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ、ｊＳ＋１、…、ｊＥ−１、ｊＥ）、及び、第２の波形選択器１０３ｂから出力された切り出し波形Ｗ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ、ｊＳ＋１、…、ｊＥ−１、ｊＥ）が入力されると、例えば、次の式（８）の時間領域での相関処理の手法を用いて相関カーブを算出し、その結果を時間差推定器１０５に出力する。

なお、ラグタイムτは、
τ＝−（Ｎ₀ −２）、−（Ｎ₀ −１）、…、−１、０、１、…、Ｎ₀ −２、Ｎ₀ −１
によって表すことができる。

次に、時間差推定器１０５は、相関器１０４からの相関カーブが入力されると、相関カーブがピークとなる位置と相関処理における基準時刻との差を到来時間差として検出し、その結果を出力端子（３）に出力する。

このように、前記相関カーブのピーク位置を検出し、相関カーブの基準時刻との差を算出することによって、到来時間差を求めることができる。また、前記相関カーブのピーク位置はサンプリングの単位で求めるか、必要に応じて二次曲線フィッティング等を行うことによって、そのピーク位置を精測する。

そして、前記出力端子（３）から出力された到来時間差は、方位を算出するのに利用したり、もう一組の音響センサ装置で受信した受信波形から算出した到来時間差と組み合わせて、パルス音を放射した発信源までの距離と方位とを算出することによって音源位置を局限したりして、各種信号処理に利用される。
特開平１１−３２６４８１号公報

しかしながら、前記従来のパルス音の到来時間差推定方法においては、実際に音響センサ装置が受信する受信信号に、発信源から直接到来する信号だけでなく、反射体からの反射信号等の異なる経路、すなわち、マルチパスの信号が重複して受信されてしまうので、パルス音の到来時間差を高精度で推定することができなかった。

図４は従来の受信信号の例を示す図、図５は従来の受信信号内のパルス音の開始時刻からマルチパスが重なる前の時刻までの部分を切り出した部分を使ったＳＮ比が無限大である場合の相関処理波形を示す図、図６は従来の受信信号内のパルス音の開始時刻からマルチパスが重なる前の時刻までの部分を切り出した部分を使ったＳＮ比が低下した場合の相関処理波形を示す図である。なお、図４において、横軸に時間を、縦軸に振幅を採ってあり、図５及び６において、横軸にラグタイムτを、縦軸に相関係数を採ってある。

ここで、図４（ａ）はマルチパスが重なった受信信号の例を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）に示される受信信号内においてマルチパスの影響を受けない部分の拡大図を示している。このように、前記従来のパルス音の到来時間差推定方法において、図４（ａ）に示されるようなマルチパスが重複した受信信号を使って相関処理を行うと、マルチパスの影響によって相関カーブのピーク位置が真の時間差からずれてしまう。

そこで、図４（ｂ）に示されるように、受信信号内のパルス音の開始時刻からマルチパスが重なる前の時刻までの部分を切り出し、前述された時間差推定方法を行うことが考えられる。

例えば、ＳＮ比が無限大である場合、二つの音響センサ装置において、図４（ａ）に示されるようなマルチパスを含んだ受信信号を受信したとする。ここで、マルチパスを含まない図４（ｂ）に示される部分について、前述された相関処理による時間差推定を行う。ただし、相関処理は式（９）を用いて行う。なお、Ｃ２（τ）は相関係数である。

そして、受信信号のＳＮ比が無限大である場合、相関処理出力波形は図５に示されるようになる。また、受信信号のＳＮ比が低下した場合、相関処理出力波形は図６に示されるようになる。これにより、受信信号のＳＮ比が無限大である場合は、相関カーブのピーク位置を推定することによってパルス音の到来時間差の推定を行うことができる。

ところが、図６から分かるように、パルス音の立ち上がりにテーパが掛かっている場合には、ＳＮ比の低下に伴って、一方の音響センサ装置の受信信号を基準にした場合、他方の音響センサ装置の受信信号との相関カーブのピーク位置がバイアス的に正方向にシフトしてしまう。そのため、パルス音の到来時間差の推定を高い精度で行うことができなくなってしまう。

本発明は、前記従来のパルス音の到来時間差推定方法の問題点を解決して、一方のパルス音を、他方のパルス音に対し、時系列正方向にずらして相関係数を算出し、他方のパルス音を、一方のパルス音に対し、時系列負方向にずらして相関係数を算出し、該二つの相関係数の平均値から算出した相関係数平均カーブのピーク位置から前記複数のパルス音の到来時刻差を算出することによって、パルス音の到来時間差の推定を高い精度で行うことができるパルス音の到来時間差推定方法及びその装置を提供することを目的とする。

そのために、本発明のパルス音の到来時間差推定方法においては、複数の音響センサ装置を用いて音源から放射された時間的に制限されたパルス音を受信し、前記複数の音響センサ装置が受信した複数のパルス音の相関を取ることによって、最短経路を伝搬した前記複数のパルス音の到来時間差を推定するパルス音の到来時間差推定方法であって、前記複数のパルス音の立ち上がり時刻をそれぞれ検出し、該立ち上がり時刻から最短経路以外の経路を伝搬したパルス音が重複しない時間幅に対応する部分を、一方のパルス音及び他方のパルス音から切り出し、切り出した一方のパルス音に対して他方のパルス音を時系列正方向にずらして第１相関係数を算出し、切り出した他方のパルス音に対して一方のパルス音を時系列負方向にずらして第２相関係数を算出し、同一ずらし時刻における第１相関係数と第２相関係数との平均値を各ずらし時刻について算出することによって、相関係数平均カーブを算出し、該相関係数平均カーブのピーク位置から前記複数のパルス音の到来時刻差を算出する。

本発明の他のパルス音の到来時間差推定方法においては、さらに、前記音源と前記複数の音響センサ装置との想定される最大探知距離、音速及び深度情報から、最短経路以外の経路を伝搬したパルス音の到来最小時刻を算出し、前記立ち上がり時刻から前記到来最小時刻までを、前記最短経路以外の経路を伝搬したパルス音が重複しない時間幅とする。

本発明の更に他のパルス音の到来時間差推定方法においては、さらに、前記音源と前記複数の音響センサ装置との想定される最大探知距離、音速及び深度情報から、最短経路以外の経路を伝搬したパルス音の到来最小時刻を算出し、前記立ち上がり時刻から前記到来最小時刻までを切り出し幅に設定し、該切り出し幅に対応する部分を、一方のパルス音及び他方のパルス音から切り出し、切り出した一方のパルス音に対して他方のパルス音を時系列正方向にずらして第３相関係数を算出し、切り出した他方のパルス音に対して一方のパルス音を時系列負方向にずらして第４相関係数を算出し、同一ずらし時刻における第３相関係数と第４相関係数との平均値を各ずらし時刻について算出することによって、相関係数平均カーブを算出し、前記切り出し幅を変化させて、前記切り出し幅に対応する部分を切り出してから相関係数平均カーブを算出までの動作を繰り返すことによって、各切り出し幅に対応する前記相関係数平均カーブを算出し、すべての前記相関係数平均カーブのピーク位置から前記複数のパルス音の到来時刻差を算出する。

本発明の更に他のパルス音の到来時間差推定方法においては、さらに、前記音源と前記複数の音響センサ装置との想定される最大探知距離、音速及び深度情報から、最短経路以外の経路を伝搬したパルス音の到来最小時刻を算出し、前記立ち上がり時刻から前記到来最小時刻までを推定切り出し幅に設定し、該推定切り出し幅に対応する部分を、一方のパルス音及び他方のパルス音から切り出し、切り出した一方のパルス音に対して他方のパルス音を時系列正方向にずらして第５相関係数を算出し、切り出した他方のパルス音に対して一方のパルス音を時系列負方向にずらして第６相関係数を算出し、同一ずらし時刻における第５相関係数と第６相関係数との平均値を各ずらし時刻について算出することによって、相関係数平均カーブを算出し、該相関係数平均カーブのピーク位置から前記複数のパルス音の概略到来時刻差を算出し、前記複数のパルス音の一方の立ち上がり時刻を、他方の立ち上がり時刻と前記概略時間差とから決定し、決定された一方の立ち上がり時刻及び前記他方の立ち上がり時刻に基づいて前記推定切り出し幅を変化させて第７相関係数を算出し、該第７相関係数のピーク位置から前記最短経路以外の経路を伝搬したパルス音の到来時刻を決定し、決定された前記複数のパルス音の一方及び他方の立ち上がり時刻から前記到来時刻までを切り出し幅に設定し、該切り出し幅に対応する部分を、一方のパルス音及び他方のパルス音から切り出す。

本発明のパルス音の到来時間差推定装置においては、複数の音響センサ装置を用いて音源から放射された時間的に制限されたパルス音を受信し、前記複数の音響センサ装置が受信した複数のパルス音の相関を取ることによって、最短経路を伝搬した前記複数のパルス音の到来時間差を推定するパルス音の到来時間差推定装置であって、前記複数のパルス音の立ち上がり時刻をそれぞれ検出する手段と、前記立ち上がり時刻から最短経路以外の経路を伝搬したパルス音が重複しない時間幅に対応する部分を、一方のパルス音及び他方のパルス音から切り出す手段と、切り出した一方のパルス音に対して他方のパルス音を時系列正方向にずらして第１相関係数を算出する手段と、切り出した他方のパルス音に対して一方のパルス音を時系列負方向にずらして第２相関係数を算出する手段と、同一ずらし時刻における第１相関係数と第２相関係数との平均値を各ずらし時刻について算出することによって、相関係数平均カーブを算出する手段と、該相関係数平均カーブのピーク位置から前記複数のパルス音の到来時刻差を算出する手段とを有する。

本発明によれば、パルス音の到来時間差推定方法は、切り出した一方のパルス音を、切り出した他方のパルス音に対し、時系列正方向にずらして相関係数を算出し、切り出した他方のパルス音を、切り出した一方のパルス音に対し、時系列負方向にずらして相関係数を算出し、該二つの相関係数の平均値から算出した相関係数平均カーブのピーク位置から前記複数のパルス音の到来時刻差を算出するようになっている。

そのため、パルス音の到来時間差の推定を高い精度で行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の構成を示すブロック図、図７は本発明の第１の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の第１の検知器の構成を示すブロック図、図８は本発明の第１の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の第２の検知器の構成を示すブロック図である。

図１において、１０は本実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置である。該パルス音の到来時間差推定装置１０は、艦船等から発信されたＰＣＷ、ＬＦＭ等の探信音としてのパルス音を、三つ以上の音響センサ装置で受信し、各音響センサ装置間のパルス音の到来時間差から発信源の方位や距離を算出する音源方位測定装置、音源位置局限装置等に使用される。

そして、前記パルス音の到来時間差推定装置１０は、第１のバッファメモリ３１ａ、第２のバッファメモリ３１ｂ、パルス音の立ち上がり時刻を検出する手段としての第１の検知器３２ａ及び第２の検知器３２ｂ、立ち上がり時刻から最短経路以外の経路を伝搬したパルス音が重複しない時間幅に対応する部分をパルス音から切り出す手段としての第１の部分選択器３３ａ及び第２の部分選択器３３ｂ、相関係数を算出する手段としての第１の相関器３４ａ及び第２の相関器３４ｂ、相関係数平均カーブを算出する手段としての平均値算出器３５、並びに、複数のパルス音の到来時刻差を算出する手段としての時間差推定器３６を有する。なお、（６）は音響センサ装置からの第１の入力端子、（７）は音響センサ装置からの第２の入力端子、（８）は出力端子である。

また、前記第１の検知器３２ａは、図７に示されるように、瞬時パワー算出器２１ａ、短時間積分器２２ａ、長時間積分器２３ａ、閾値算出器２４ａ及び比較器２５ａを有する。なお、（９）は前記第１の入力端子（６）との接続端子であり、（１０）は前記第１の部分選択器３３ａ及び第２の部分選択器３３ｂへの接続端子である。

さらに、前記第２の検知器３２ｂは、図８に示されるように、瞬時パワー算出器２１ｂ、短時間積分器２２ｂ、長時間積分器２３ｂ、閾値算出器２４ｂ及び比較器２５ｂを有する。なお、（１１）は前記第２の入力端子（７）との接続端子であり、（１２）は前記第１の部分選択器３３ａ及び第２の部分選択器３３ｂへの接続端子である。

次に、前記構成のパルス音の到来時間差推定装置１０の動作について説明する。

まず、図示されない音響センサ装置で受信した受信信号は、ディジタル信号の時系列データとして第１の入力端子（６）及び第２の入力端子（７）を通して第１のバッファメモリ３１ａ及び第２のバッファメモリ３１ｂに入力されるとともに、第１の検知器３２ａ及び第２の検知器３２ｂにも入力される。

ここで、前記第１のバッファメモリ３１ａはＦＩＦＯ方式のメモリであり、入力端子（６）から入力した前記受信信号のディジタル形式の時系列データを現在の時刻から一定時間遡った時刻まで記憶しておく。なお、その記憶サイズは、第１の相関器３４ａ及び第２の相関器３４ｂの相関処理に必要なデータ量や第１の検知器３２ａの応答性を考慮して決定される。また、前記第２のバッファメモリ３１ｂについては、前記第１のバッファメモリ３１ａと同様であるので、説明を省略する。

次に、第１の検知器３２ａにおいては、第１の入力端子（６）から入力された前記受信信号のディジタル形式の時系列データが、接続端子（９）を通して瞬時パワー算出器２１ａに入力される。続いて、該瞬時パワー算出器２１ａは、接続端子（９）を通じて入力される前記受信信号の時系列データＸ１（ｋ）に対して、「背景技術」の項において説明した前記式（１）で示される自乗処理を行うことによって、瞬時パワーＹ１（ｋ）を算出し、その結果を短時間積分器２２ａ及び長時間積分器２３ａに出力する。

続いて、短時間積分器２２ａは、瞬時パワー算出器２１ａからの前記受信信号の瞬時パワーＹ１（ｋ）が入力されると、「背景技術」の項において説明した前記式（２）で示される指数積分によって、その短時間積分値ＺＳ（ｋ）を求め、その結果を比較器２５ａに出力する。ここで、積分定数αは背景雑音の分散がある程度低減され、かつ、パルス音に対してはそのピークレベル低下があまり起こらない範囲内の値を採用する。

続いて、長時間積分器２３ａは、瞬時パワー算出器２１ａからの前記受信信号の瞬時パワーＹ１（ｋ）が入力されると、「背景技術」の項において説明した前記式（３）で示される指数積分によってその長時間積分値ＺＬ（ｋ）を求め、これにより、背景雑音レベルを推定し、その結果を閾値算出器２４ａに出力する。ここで、長時間積分用の積分定数βはパルス音のピークレベルが十分小さくなり、かつ、背景雑音レベルの変動に十分追従することができる範囲内の値を採用する。

そして、閾値算出器２４ａは、長時間積分器２３ａから背景雑音レベルの推定結果である長時間積分値ＺＬ（ｋ）が入力される、「背景技術」の項において説明した前記式（４）によってパルス音を検知するための閾値ＴＨＬ（ｋ）を算出し、その結果を比較器２５ａに出力する。ここで、定数γは検知確率及び誤警報確率を考慮して設定する。

続いて、比較器２５ａは、前記短時間積分器２２ａからの短時間積分値ＺＳ（ｋ）及び閾値算出器２４ａからの閾値ＴＨＬ（ｋ）が入力されると、短時間積分値ＺＳ（ｋ）と閾値ＴＨＬ（ｋ）とを比較し、「背景技術」の項において説明した前記式（５）の条件を満足した場合、すなわち、閾値ＴＨＬ（ｋ）を超える短時間積分値ＺＳ（ｋ）が一定期間ＮＷ続いた場合、前記受信信号内にパルス音が存在すると判定する。そして、短時間積分値ＺＳ（ｋ）が最初に閾値ＴＨＬ（ｋ）を上回る時刻をパルス音の開始時刻ＫＳ１とし、開始時刻ＫＳ１を接続端子（１０）を通じて第１の部分選択器３３ａ及び第２の部分選択器３３ｂに出力する。

一方、第２の検知器３２ｂは、第２の入力端子（７）から入力された前記受信信号のディジタル形式の時系列データが接続端子（１１）を通じて入力されると、前記第１の検出器３２ａと同様の動作を行い、第２の入力端子（７）が受信するパルス音の開始時刻ＫＳ２とし、開始時刻ＫＳ２を接続端子（１２）を通じて第１の部分選択器３３ａ及び第２の部分選択器３３ｂに出力する。なお、第２の検知器３２ｂにおける瞬時パワー算出器２１ｂ、短時間積分器２２ｂ、長時間積分器２３ｂ、閾値算出器２４ｂ及び比較器２５ｂの動作は、前記第１の検出器３２ａにおける瞬時パワー算出器２１ａ、短時間積分器２２ａ、長時間積分器２３ａ、閾値算出器２４ａ及び比較器２５ａと同様であるので、説明を省略する。

続いて、第１の部分選択器３３ａには、第１の検知器３２ａの比較器２５ａからのパルス音の開始時刻ＫＳ１及び第２の検知器３２ｂの比較器２５ｂからのパルス音の開始時刻ＫＳ２が接続端子（１０）及び（１２）を通して入力される。すると、第１の部分選択器３３ａは、次の式（１０）によって波形切り出し開始時刻ｊＳ１を算出し、次の式（１１）によって波形切り出し終了時刻ｊＥ１を算出する。そして、第１のバッファメモリ３１ａから該当する時間分の切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ１、ｊＳ１＋１、…、ｊＥ１−１、ｊＥ１）を読み出し、その結果を第１の相関器３４ａ及び第２の相関器３４ｂに出力する。

ここで、波形切り出し開始時刻ｊＳ１及び波形切り出し終了時刻ｊＥ１について、前記第１の部分選択器３３ａはあらかじめ決定された切り出し時間幅Ｙを有しているので、
ＹＡ＝ＫＳ１＋Ｙ
ＹＢ＝ＫＳ２＋Ｙ
とし、また、サンプリング周波数をｆｓとすると、波形切り出し開始時刻ｊＳ１は次の式（１０）によって算出され、波形切り出し終了時刻ｊＥ１は次の式（１１）によって算出される。
ｊＳ１＝｛ＭＩＮ（ＫＳ１，ＫＳ２，ＹＡ，ＹＢ）−Ｙ｝／（１／ｆｓ）
・・・式（１０）
ｊＥ１＝｛ＭＡＸ（ＫＳ１，ＫＳ２，ＹＡ，ＹＢ）＋Ｙ｝／（１／ｆｓ）
・・・式（１１）
このとき、ＭＩＮ（）は（）内の数値の中の最小値を取り、ＭＡＸ（）は（）内の数値の中の最大値を取る。

また、第２の部分選択器３３ｂは、第２のバッファメモリ３１ｂから、前記第１の部分選択器３３ａと同一時刻に該当する時間分の切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ１、ｊＳ１＋１、…、ｊＥ１−１、ｊＥ１）を読み出し、その結果を第１の相関器３４ａ及び第２の相関器３４ｂに出力する。

次に、第１の相関器３４ａには、第１の部分選択器３３ａから出力された切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ１、ｊＳ１＋１、…、ｊＥ１−１、ｊＥ１）及び第２の部分選択器３３ｂから出力された切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ１、ｊＳ１＋１、…、ｊＥ１−１、ｊＥ１）が入力される。ここで、
Ａ＝Ｙ／（１／ｆｓ）
Ｂ＝（ＫＳ２−ＫＳ１）／（１／ｆｓ）
とすると、第１の相関器３４ａは、「発明が解決しようとする課題」の項で説明した前記式（９）と同様に、次の式（１２）を用いて相関係数を算出し、その結果を平均値算出器３５に出力する。これを第１相関係数とする。

なお、ｎは、
ｎ＝Ａ＋１、Ａ＋２、…、２Ａ−１、２Ａ
とする。

また、ラグタイムτは、
τ＝−Ａ、−Ａ＋１、…、−１、０、１、…、Ａ、Ａ＋Ｂ
によって表すことができる。

次に、第２の相関器３４ｂには、第１の部分選択器３３ａから出力された切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ１、ｊＳ１＋１、…、ｊＥ１−１、ｊＥ１）及び第２の部分選択器３３ｂから出力された切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ１、ｊＳ１＋１、…、ｊＥ１−１、ｊＥ１）が入力される。そして、第２の相関器３４ｂは、次の式（１３）を用いて、第１の相関器３４ａと比較すると時系列逆方向に相関係数を算出し、その結果を平均値算出器３５に出力する。これを第２相関係数とする。

なお、ｍは、
ｍ＝Ａ＋Ｂ＋１、Ａ＋Ｂ＋２、…、２Ａ＋Ｂ−１、２Ａ＋Ｂ
とする。

次に、平均値算出器３５は、第１の相関器３４ａにおいて算出された第１相関係数及び第２の相関器３４ｂにおいて算出された第２相関係数が入力されると、次の式（１４）によって相関係数平均カーブを算出する。
ＡＶＥ（τ）＝｛Ｃ１_S （τ）＋Ｃ２_S （τ）｝／２ ・・・式（１４）

ここで、相関係数平均カーブのピーク位置は、サンプリング間隔の単位で求めるか、必要に応じて、二次曲線フィッティング等を行うことによって、精密に測定する。そして、前記出力端子（８）から出力された到来時間差は、方位を算出するのに利用され、また、もう一つの音響センサ装置を用いることにより、パルス音を放射した発信源までの距離と方位とを算出することによって音源位置を局限する等、各種信号処理に利用される。

このように、本実施の形態においては、二つの受信信号の一部分をパルス音の立ち上がり時刻から固定時間幅を切り出し、一方の音響センサ装置の受信信号を基準にして、他方の音響センサ装置の受信信号を時系列正方向にずらしながら相関係数を求めた結果である第１相関係数、及び、他方の音響センサ装置の受信信号を基準にして、一方の音響センサ装置の受信信号を時系列負方向にずらしながら相関係数を求めた結果である第２相関係数の相関係数平均カーブを算出することによって、ＳＮ比の低下に伴う相関係数のピーク位置が時間差正方向にバイアス的にシフトしてしまうのを防止し、かつ、精度のよい到来時間差を推定することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図９は本発明の第２の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の構成を示すブロック図である。

本実施の形態において、パルス音の到来時間差推定装置１０は、図９に示されるように、前記第１の実施の形態に加えて、外部情報入力端子（１３）及びマルチパス到来最小時刻算出器４１を有する。なお、その他の点の構成については、前記第１の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置１０と同様であるので、説明を省略する。また、第１の検知器３２ａ及び第２の検知器３２ｂの構成についても、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

次に、本実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置１０の動作について説明する。

まず、音響センサ装置で受信した受信信号は、ディジタル信号の時系列データとして第１の入力端子（６）及び第２の入力端子（７）を通して第１のバッファメモリ３１ａ及び第２のバッファメモリ３１ｂに入力されるとともに、第１の検知器３２ａ及び第２の検知器３２ｂにも入力される。

ここで、前記第１のバッファメモリ３１ａは、前記第１の実施の形態と同様に、入力端子（６）から入力された前記受信信号のディジタルデータを現在の時刻から一定時間遡った時刻まで記憶しておく。また、前記第２のバッファメモリ３１ｂについては、前記第１のバッファメモリ３１ａと同様であるので、説明を省略する。

次に、第１の検知器３２ａは、前記第１の実施の形態と同様に、立ち上がり時刻ＫＳ１を第１の部分選択器３３ａ及び第２の部分選択器３３ｂに出力する。また、第２の検知器３２ｂも、前記第１の実施の形態と同様に、立ち上がり時刻ＫＳ２を第１の部分選択器３３ａ及び第２の部分選択器３３ｂに出力する。

次に、マルチパス到来最小時刻算出器４１は、外部から与えられる最大探知距離、音速及び深度情報から、音響センサ装置が探知することができる最大距離Ｌ、音速ｃ及び深度Ｈの情報が入力されると、直接波とマルチパス波との到来時間差最小値ＭＳを算出し、その結果を第１の部分選択器３３ａ及び第２の部分選択器３３ｂに出力する。ここで、直接波は最短経路を伝搬したパルス音であり、マルチパス波は最短経路以外の経路を伝搬したパルス音である。

続いて、第１の部分選択器３３ａには、第１の検知器３２ａの比較器２５ａからのパルス音の開始時刻ＫＳ１及び第２の検知器３２ｂの比較器２５ｂからのパルス音の開始時刻ＫＳ２が接続端子（１０）及び（１２）を通して入力される。すると、第１の部分選択器３３ａは、次の式（１６）によって波形切り出し開始時刻ｊＳ２を算出し、次の式（１７）によって波形切り出し終了時刻ｊＥ２を算出する。そして、第１のバッファメモリ３１ａから該当する時間分の切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ２、ｊＳ２＋１、…、ｊＥ２−１、ｊＥ２）を読み出し、その結果を第１の相関器３４ａ及び第２の相関器３４ｂに出力する。

ここで、波形切り出し開始時刻ｊＳ２及び波形切り出し終了時刻ｊＥ２については、マルチパス到来最小時刻算出器４１によって算出された直接波とマルチパス波との到来時間差最小値ＭＳから、マルチパス波の重複開始時刻ＭＳ１及びＭＳ２が、それぞれ、
ＭＳ１＝ＫＳ１＋ＭＳ
ＭＳ２＝ＫＳ２＋ＭＳ
として与えられる。

また、波形切り出し開始時刻ｊＳ２は次の式（１６）によって算出され、波形切り出し終了時刻ｊＥ２は次の式（１７）によって算出される。
ｊＳ２＝ＭＩＮ（ＫＳ１，ＫＳ２，ＭＳ１，ＭＳ２）−ＭＳ ・・・式（１６）
ｊＥ２＝ＭＡＸ（ＫＳ１，ＫＳ２，ＭＳ１，ＭＳ２）＋ＭＳ ・・・式（１７）
また、第２の部分選択器３３ｂには、第１の検知器３２ａの比較器２５ａからのパルス音の開始時刻ＫＳ１及び第２の検知器３２ｂの比較器２５ｂからのパルス音の開始時刻ＫＳ２が接続端子（１０）及び（１２）を通して入力される。すると、第２の部分選択器３３ｂは、第２のバッファメモリ３１ｂから第１の部分選択器３３ａと同一時刻に該当する時間分の切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ２、ｊＳ２＋１、…、ｊＥ２−１、ｊＥ２）を読み出し、その結果を第１の相関器３４ａ及び第２の相関器３４ｂに出力する。

次に、第１の相関器３４ａには、第１の部分選択器３３ａから出力された切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ２、ｊＳ２＋１、…、ｊＥ２−１、ｊＥ２）及び第２の部分選択器３３ｂから出力された切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ２、ｊＳ２＋１、…、ｊＥ２−１、ｊＥ２）が入力される。ここで、
Ｃ＝ＭＳ／（１／ｆｓ）
Ｄ＝（ＫＳ２−ＫＳ１）／（１／ｆｓ）
とすると、第１の相関器３４ａは、前記第１の実施の形態において説明した前記式（１２）と同様に、次の式（１８）を用いて相関係数を算出し、その結果が平均値算出器３５に出力する。これを第１相関係数とする。

なお、ｎは、
ｎ＝Ｃ＋１、Ｃ＋２、…、２Ｃ−１、２Ｃ
とする。

また、ラグタイムτは、
τ＝−Ｃ、−Ｃ＋１、…、−１、０、１、…、Ｃ＋Ｄ−１、Ｃ＋Ｄ
によって表すことができる。

次に、第２の相関器３４ｂには、第１の部分選択器３３ａから出力された切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ２、ｊＳ２＋１、…、ｊＥ２−１、ｊＥ２）及び第２の部分選択器３３ｂから出力された切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ２、ｊＳ２＋１、…、ｊＥ２−１、ｊＥ２）が入力される。そして、第２の相関器３４ｂは、次の式（１９）を用いて、第１の相関器３４ａと比較すると時系列逆方向に相関係数が算出し、その結果を平均値算出器３５に出力する。これを第２相関係数とする。

なお、ｍは、
ｍ＝Ｃ＋Ｄ＋１、Ｃ＋Ｄ＋２、…、２Ｄ＋Ｄ−１、２Ｃ＋Ｄ
とする。

次に、平均値算出器３５は、第１の相関器３４ａにおいて算出された第１相関係数及び第２の相関器３４ｂにおいて算出された第２相関係数が入力されると、前記第１の実施の形態において説明した前記式（１４）によって相関係数平均カーブを算出する。

ここで、相関係数平均カーブのピーク位置は、サンプリング間隔の単位で求めるか、必要に応じて、二次曲線フィッティング等を行うことによって、精密に測定する。そして、前記出力端子（８）から出力された到来時間差は、方位を算出するのに利用され、また、もう一つの音響センサ装置を用いることにより、パルス音を放射した発信源までの距離と方位とを算出することによって音源位置を局限する等、各種信号処理に利用される。

このように、本実施の形態においては、最大探知距離、音速、深度等の外部からの情報からマルチパス波が重複する最小時間を算出し、受信信号内のパルス音を立ち上がり時刻からマルチパス波が重複する最小時間までを切り出すことによって、切り出し波形にマルチパスを含まない、更に切り出し幅が短過ぎない部分を用いることができる。これにより、切り出し波形の中にマルチパス波が含まれてしまう可能性があり、マルチパス波は含まれないが切り出し時間幅が短過ぎてしまうという前記第１の実施の形態における問題を解決することができる。そのため、より精度のよい到来時間差推定を行うことができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１０は本発明の第３の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の構成を示すブロック図である。

本実施の形態において、パルス音の到来時間差推定装置１０は、図１０に示されるように、前記第２の実施の形態における第１の相関器３４ａ及び第２の相関器３４ｂに代えて、第１の２次元相関器５１ａ及び第２の２次元相関器５１ｂを有する。この場合、第１の２次元相関器５１ａ及び第２の２次元相関器５１ｂは、相関係数を算出する手段として機能する。そして、マルチパス到来最小時刻算出器４１の出力が、第１の部分選択器３３ａ及び第２の部分選択器３３ｂでなく、第１の２次元相関器５１ａ及び第２の２次元相関器５１ｂに入力されるようになっている。なお、その他の点の構成については、前記第２の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置１０と同様であるので、説明を省略する。また、第１の検知器３２ａ及び第２の検知器３２ｂの構成についても、前記第１及び第２の実施の形態の構成と同様であるので、説明を省略する。

次に、本実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置１０の動作について説明する。

まず、音響センサ装置で受信した受信信号は、ディジタル信号の時系列データとして第１の入力端子（６）及び第２の入力端子（７）を通して第１のバッファメモリ３１ａ及び第２のバッファメモリ３１ｂに入力されるとともに、第１の検知器３２ａ及び第２の検知器３２ｂにも入力される。

ここで、前記第１のバッファメモリ３１ａは、前記第１の実施の形態と同様に、入力端子（６）から入力された前記受信信号のディジタルデータを現在の時刻から一定時間遡った時刻まで記憶しておく。また、前記第２のバッファメモリ３１ｂについては、前記第１のバッファメモリ３１ａと同様であるので、説明を省略する。

次に、第１の検知器３２ａは、前記第１の実施の形態と同様に、立ち上がり時刻ＫＳ１を第１の部分選択器３３ａ及び第２の部分選択器３３ｂに出力する。また、第２の検知器３２ｂも、前記第１の実施の形態と同様に、立ち上がり時刻ＫＳ２を第１の部分選択器３３ａ及び第２の部分選択器３３ｂに出力する。

次に、マルチパス到来最小時刻算出器４１は、外部から与えられる最大探知距離、音速及び深度情報から、音響センサ装置が探知することができる最大距離Ｌ、音速ｃ及び深度Ｈの情報が入力されると、直接波とマルチパス波との到来時間差最小値ＭＳを算出し、その結果を第１の２次元相関器５１ａ及び第２の２次元相関器５１ｂに出力する。

続いて、第１の部分選択器３３ａには、第１の検知器３２ａの比較器２５ａからのパルス音の開始時刻ＫＳ１及び第２の検知器３２ｂの比較器２５ｂからのパルス音の開始時刻ＫＳ２が接続端子（１０）及び（１２）を通して入力される。すると、第１の部分選択器３３ａは、次の式（２０）によって波形切り出し開始時刻ｊＳ３を算出し、次の式（２１）によって波形切り出し終了時刻ｊＥ３を算出する。そして、第１のバッファメモリ３１ａから該当する時間分の切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ３、ｊＳ３＋１、…、ｊＥ３−１、ｊＥ３）を読み出し、その結果を第１の２次元相関器５１ａ及び第２の２次元相関器５１ｂに出力する。

ここで、波形切り出し開始時刻ｊＳ３及び波形切り出し終了時刻ｊＥ３について、マルチパス重複開始時刻ＭＸ１及びＭＸ２が、それぞれ、
ＭＸ１＝ＫＳ１＋Ｒｍｘ
ＭＸ２＝ＫＳ２＋Ｒｍｘ
として与えられる。

この場合、Ｒｍｘは、ユーザが受信信号の時間波形を観測することによって判断する直接波とマルチパスの到来時間差であり、マニュアル形式で入力する値とする。また、波形切り出し開始時刻ｊＳ３は次の式（２０）によって算出され、波形切り出し終了時刻ｊＥ３は次の式（２１）によって算出される。
ｊＳ３＝ＭＩＮ（ＫＳ１，ＫＳ２，ＭＸ１，ＭＸ２）−Ｒｍｘ ・・・式（２０）
ｊＥ３＝ＭＡＸ（ＫＳ１，ＫＳ２，ＭＸ１，ＭＸ２）＋Ｒｍｘ ・・・式（２１）
また、第２の部分選択器３３ｂには、第１の検知器３２ａの比較器２５ａからのパルス音の開始時刻ＫＳ１及び第２の検知器３２ｂの比較器２５ｂからのパルス音の開始時刻ＫＳ２が接続端子（１０）及び（１２）を通して入力される。すると、第２の部分選択器３３ｂは、第２のバッファメモリ３１ｂから第１の部分選択器３３ａと同一時刻に該当する時間分の切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ３、ｊＳ３＋１、…、ｊＥ３−１、ｊＥ３）を読み出し、その結果を第１の２次元相関器５１ａ及び第２の２次元相関器５１ｂに出力する。

次に、第１の２次元相関器５１ａには、第１の部分選択器３３ａから出力された切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ３、ｊＳ３＋１、…、ｊＥ３−１、ｊＥ３）及び第２の部分選択器３３ｂから出力された切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ３、ｊＳ３＋１、…、ｊＥ３−１、ｊＥ３）が入力され、さらに、マルチパス到来最小時刻算出器４１から出力された直接波とマルチパスとの到来時間差最小値ＭＳが入力される。ここで、
Ｅ（ｒ）＝｛ＭＳ／（１／ｆｓ）｝＋ｒ
Ｆ＝（ＫＳ２−ＫＳ１）／（１／ｆｓ）
Ｇ＝（ＭＳ＋Ｒｔ）／（１／ｆｓ）
ｒ＝１、２、…、Ｒｔ／（１／ｆｓ）−１、Ｒｔ／（１／ｆｓ）
Ｒｔ＝Ｒｍｘ−ＭＳ
とすると、第１の２次元相関器５１ａは、前記第１の実施の形態において説明した前記式（１２）と同様に、次の式（２２）によって相関係数を算出し、その結果が平均値算出器３５に出力される。これを第３相関係数とする。

なお、ｎは、
ｎ＝Ｇ＋１、Ｇ＋２、…、Ｇ＋Ｅ（ｒ）−１、Ｇ＋Ｅ（ｒ）
とする。

また、ラグタイムτ１は、
τ１＝−Ｇ、−Ｇ＋１、…、−１、０、１、…、２Ｇ−Ｅ（ｒ）−１、２Ｇ−Ｅ（ｒ）
によって表すことができる。

次に、第２の２次元相関器５１ｂには、第１の部分選択器３３ａから出力された切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ３、ｊＳ３＋１、…、ｊＥ３−１、ｊＥ３）及び第２の部分選択器３３ｂから出力された切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ３、ｊＳ３＋１、…、ｊＥ３−１、ｊＥ３）が入力され、さらに、マルチパス到来最小時刻算出器４１から出力された直接波とマルチパスとの到来時間差最小値ＭＳが入力される。そして、第２の２次元相関器５１ｂは、次の式（２３）を用いて、第１の２次元相関器５１ａと比較すると時系列逆方向に相関係数を算出し、その結果を平均値算出器３５に出力する。これを第４相関係数とする。

なお、ｍは、
ｍ＝Ｇ＋Ｆ＋１、Ｇ＋Ｆ＋２、…、Ｇ＋Ｆ＋Ｅ（ｒ）−１、Ｇ＋Ｆ＋Ｅ（ｒ）
とする。

また、ラグタイムτ２は、
τ２＝−（２Ｇ−Ｆ−Ｅ（ｒ））、−（２Ｇ−Ｆ−Ｅ（ｒ））＋１、…、−１、０、１、…、２Ｇ−Ｆ−Ｅ（ｒ）
によって表すことができる。

次に、平均値算出器３５は、第１の２次元相関器５１ａにおいて算出された第３相関係数及び第２の２次元相関器５１ｂにおいて算出された第４相関係数が入力されると、次の式（２４）によって第３相関係数と第４相関係数との平均値として相関係数平均値を算出する。
ＡＶＥ（ｒ，τ）＝｛Ｃ１_S （ｒ，τ）＋Ｃ２_S （ｒ，τ）｝／２ ・・・式（２４）
ただし、τの範囲は、
τ＝−ＭＳ／（１／ｆｓ）、−ＭＳ／（１／ｆｓ）＋１、…、−１、０、１、…、ＭＳ／（１／ｆｓ）−１、ＭＳ／（１／ｆｓ）
と指定される。

そして、前記出力端子（８）から出力された到来時間差は、方位を算出するのに利用され、また、もう一つの音響センサ装置を用いることにより、パルス音を放射した発信源までの距離と方位とを算出することによって音源位置を局限する等、各種信号処理に利用される。

このように、本実施の形態においては、音響センサ装置の最大探知距離、音速、深度等の外部からの情報からマルチパスが到来する最小時刻を算出し、受信信号内のパルス音を立ち上がり時刻からマルチパスの到来最小時刻の幅を初期値として、各ラグタイムτに対して相関係数を計算する幅を拡大していき、ラグタイムτ及び相関係数を計算する幅に対して最大となる相関係数を算出するようになっている。そのため、二つの音響センサ装置の受信パルス音をそれぞれの立ち上がり時刻からマルチパス波が重複しない最大時刻まで用いることができるので、前記第２の実施の形態と比較して、更に精度の高い時間差推定を行うことができる。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１１は本発明の第４の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の構成を示すブロック図、図１２は本発明の第４の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の概略時間差推定器の構成を示すブロック図、図１３は本発明の第４の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置のマルチパス到来時刻推定器の構成を示すブロック図、図１４は本発明の第４の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の詳細時間差推定器の構成を示すブロック図である。

本実施の形態において、パルス音の到来時間差推定装置１０は、図１１に示されるように、前記第３の実施の形態における、平均値算出器３５、時間差推定器３６、第１の２次元相関器５１ａ及び第２の２次元相関器５１ｂに代えて、概略時間差推定器６１、マルチパス到来時刻推定器６２及び詳細時間差推定器６３を有する。また、（１４）は出力端子である。

そして、前記概略時間差推定器６１は、図１２に示されるように、第１の時刻相関器７１ａ、第２の時刻相関器７１ｂ、第１の平均値算出器７２ａ及び概略時間差算出器７３を有する。なお、（１５）は第１の部分選択器３３ａからの出力データの入力端子、（１７）は第２の部分選択器３３ｂからの出力データの入力端子、（１６）はマルチパス到来最小時刻算出器４１からの出力データの入力端子、（１８）はマルチパス到来時刻推定器６２への出力端子である。

また、該マルチパス到来時刻推定器６２は、図１３に示されるように、区間相関器８１及びマルチパス到来時刻算出器８２を有する。なお、（１９）は第１の部分選択器３３ａからの出力データの入力端子、（２０）は第２の部分選択器３３ｂからの出力データの入力端子、（２１）は概略時間差推定器６１の出力端子（１８）との接続端子、（２２）は詳細時間差推定器６３への出力端子である。

さらに、前記詳細時間差推定器６３は、図１４に示されるように、第３の時刻相関器７１ｃ、第４の時刻相関器７１ｄ、第２の平均値算出器７２ｂ及び詳細時間差算出器９１を有する。なお、（２３）は第１の部分選択器３３ａからの出力データの入力端子、（２４）は第２の部分選択器３３ｂからの出力データの入力端子、（２５）はマルチパス到来時刻推定器６２からの出力データの入力端子、（２６）は出力端子（１４）との接続端子である。また、その他の点の構成については、前記第３の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置１０と同様であるので、説明を省略する。さらに、第１の検知器３２ａ及び第２の検知器３２ｂの構成についても、前記第１及び第２の実施の形態と構成と同様であるので、説明を省略する。

次に、本実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置１０の動作について説明する。なお、本実施の形態において、第１のバッファメモリ３１ａ、第２のバッファメモリ３１ｂ、第１の検知器３２ａ、第２の検知器３２ｂ及びマルチパス到来最小時刻算出器４１の動作は、前記第３の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

この場合、第１の部分選択器３３ａには、第１の検知器３２ａの比較器２５ａからのパルス音の開始時刻ＫＳ１及び第２の検知器３２ｂの比較器２５ｂからのパルス音の開始時刻ＫＳ２が接続端子（１０）及び（１２）を通して入力される。すると、第１の部分選択器３３ａは、次の式（２５）によって波形切り出し開始時刻ｊＳ４を算出し、次の式（２６）によって波形切り出し終了時刻ｊＥ４を算出する。そして、第１のバッファメモリ３１ａから該当する時間分の切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ４、ｊＳ４＋１、…、ｊＥ４−１、ｊＥ４）を読み出し、その結果を概略時間差推定器６１、マルチパス到来時刻推定器６２及び詳細時間差推定器６３に出力する。

ここで、ユーザが図示されない一方の音響センサ装置の受信信号の時間波形を観測することによって、概略マルチパス到来時刻Ｒｘ１を判断し、マニュアル形式で入力すると、図示されない他方の音響センサ装置の受信信号における概略マルチパス到来時刻Ｒｘ２は、
Ｒｘ２＝ＫＳ２＋（Ｒｘ１−ＫＳ１）
として表される。

また、波形切り出し開始時刻ｊＳ４及び波形切り出し終了時刻ｊＥ４は、
ｊＳ４＝ＭＩＮ（ＫＳ１，ＫＳ２，Ｒｘ１，Ｒｘ２）−（Ｒｘ１−ＫＳ１）
・・・式（２５）
ｊＥ４＝ＭＡＸ（ＫＳ１，ＫＳ２，Ｒｘ１，Ｒｘ２）＋（Ｒｘ１−ＫＳ１）
・・・式（２６）
として表される。

一方、第２の部分選択器３３ｂには、第１の検知器３２ａの比較器２５ａからのパルス音の開始時刻ＫＳ１及び第２の検知器３２ｂの比較器２５ｂからのパルス音の開始時刻ＫＳ２が接続端子（１０）及び（１２）を通して入力される。すると、第２の部分選択器３３ｂは、第２のバッファメモリ３１ｂから第１の部分選択器３３ａと同一時刻に該当する時間分の切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ４、ｊＳ４＋１、…、ｊＥ４−１、ｊＥ４）を読み出し、その結果を概略時間差推定器６１、マルチパス到来時刻推定器６２及び詳細時間差推定器６３に出力する。

次に、概略時間差推定器６１の第１の時刻相関器７１ａには、第１の部分選択器３３ａから出力された切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ４、ｊＳ４＋１、…、ｊＥ４−１、ｊＥ４）が入力端子（１５）から入力され、第２の部分選択器３３ｂから出力された切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ４、ｊＳ４＋１、…、ｊＥ４−１、ｊＥ４）が入力端子（１７）から入力され、さらに、マルチパス到来最小時刻算出器４１から出力された直接波とマルチパスとの到来時間差最小値ＭＳが入力端子（１６）から入力される。ここで、
Ｒｘ＝Ｒｘ１−ＫＳ１
Ｌ＝Ｒｘ／（１／ｆｓ）
Ｍ＝（Ｒｘ＋ＭＳ）／（１／ｆｓ）
とすると、第１の時刻相関器７１ａは、次の式（２７）によって相関係数カーブを算出し、第１の平均値算出器７２ａに出力する。

ただし、ラグタイムτ１は、
τ１＝−Ｌ、−Ｌ＋１、…、−１、０、１、…、３Ｌ−Ｍ−１、３Ｌ−Ｍ
とする。

また、概略時間差推定器６１の第２の時刻相関器７１ｂにも、第１の部分選択器３３ａから出力された切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ４、ｊＳ４＋１、…、ｊＥ４−１、ｊＥ４）、第２の部分選択器３３ｂから出力された切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ４、ｊＳ４＋１、…、ｊＥ４−１、ｊＥ４）、及び、マルチパス到来最小時刻算出器４１から出力された直接波とマルチパスとの到来時間差最小値ＭＳが入力される。ここで、
Ｎ＝（ＫＳ２−ＫＳ１）／（１／ｆｓ）
とすると、第２の時刻相関器７１ｂは、次の式（２８）によって相関係数カーブを算出し、第１の平均値算出器７２ａに出力する。

ただし、ラグタイムτ２は、
τ２＝−（Ｌ＋Ｎ）、−（Ｌ＋Ｎ）＋１、…、−１、０、１、…、｛３Ｌ−（Ｍ＋Ｎ）｝−１、｛３Ｌ−（Ｍ＋Ｎ）｝
とする。

次に、第１の平均値算出器７２ａは、第１の時刻相関器７１ａから算出された第５相関係数Ｃ_gt1 （τ１）及び第２の時刻相関器７１ｂから算出された第６相関係数Ｃ_gt2 （τ２）が入力されると、次の式（２９）によって平均値を計算し、この結果を概略時間差算出器７３に出力する。
ＡＶＥ（τ）＝｛Ｃ_gt1 （τ１）＋Ｃ_gt2 （τ２）｝／２ ・・・式（２９）
ただし、τの範囲は、
τ＝−ＭＳ／（１／ｆｓ）、−ＭＳ／（１／ｆｓ）＋１、…、−１、０、１、…、ＭＳ／（１／ｆｓ）−１、ＭＳ／（１／ｆｓ）
と指定される。

続いて、概略時間差算出器７３は、第５相関係数Ｃ_gt1 （τ１）と第６相関係数Ｃ_gt2 （τ２）との平均値ＡＶＥ（τ）が入力されると、そのピーク位置をサンプリングの単位で検出する。ここで、平均値ＡＶＥ（τ）がピーク値となるときのラグタイムτを概略時間差τｓとすると、該概略時間差τｓが出力端子（１８）を通してマルチパス到来時刻推定器６２に出力される。

次に、該マルチパス到来時刻推定器６２の区間相関器８１には、第１の部分選択器３３ａから出力された切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ４、ｊＳ４＋１、…、ｊＥ４−１、ｊＥ４）が入力端子（１９）から入力され、第２の部分選択器３３ｂから出力された切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ４、ｊＳ４＋１、…、ｊＥ４−１、ｊＥ４）が接続端子（２１）から入力され、さらに、概略時間差推定器６１から出力された概略時間差τｓが入力端子（２０）から入力される。すると、区間相関器８１は、次の式（３０）によって相関区間に対する相関係数カーブを算出し、この結果をマルチパス到来時刻推定器８２に出力する。

この場合、
Ｈ＝０、１、２、…、（Ｒｘ−ＭＳ）／（１／ｆｓ）−１、（Ｒｘ−ＭＳ）／（１／ｆｓ）
とする。

続いて、マルチパス到来時刻算出器８２は、区間相関器８１から相関区間に対する相関係数カーブ（Ｃ_K （Ｈ））が入力されると、そのピーク位置をサンプリングの単位で検出する。ここで、相関係数カーブ（Ｃ_K （Ｈ））がピーク値となるときのＨをＨｓとすると、直接波とマルチパスとの到来時間差推定値ＭＳＸは、
ＭＳＸ＝ＭＳ＋Ｈｓ
と表される。そして、該到来時間差推定値ＭＳＸは、出力端子（２２）を通して詳細時間差推定器６３に出力される。

次に、該詳細時間差推定器６３の第３の時刻相関器７１ｃには、第１の部分選択器３３ａから出力された切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ４、ｊＳ４＋１、…、ｊＥ４−１、ｊＥ４）が入力端子（２３）から入力され、第２の部分選択器３３ｂから出力された切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ４、ｊＳ４＋１、…、ｊＥ４−１、ｊＥ４）が入力端子（２５）から入力され、さらに、マルチパス到来時刻推定器６２から出力された直接波とマルチパスとの到来時間差ＭＳＸが入力端子（２４）から入力される。ここで、
Ｑ＝（Ｒｘ＋ＭＳＸ）／（１／ｆｓ）
とすると、第３の時刻相関器７１ｃは、前記式（２７）と同様に、次の式（３１）によって相関係数カーブを算出し、第２の平均値算出器７２ｂに出力する。

ただし、ラグタイムτ３は、
τ３＝−Ｌ、−Ｌ＋１、…、−１、０、１、…、３Ｌ−Ｑ−１、３Ｌ−Ｑ
とする。

続いて、詳細時間差推定器６３の第４の時刻相関器７１ｄにも、第１の部分選択器３３ａから出力された切り出し波形Ｓ１（ｋ）（ｋ＝ｊＳ４、ｊＳ４＋１、…、ｊＥ４−１、ｊＥ４）、第２の部分選択器３３ｂから出力された切り出し波形Ｓ２（ｋ）（ｋ＝ｊＳ４、ｊＳ４＋１、…、ｊＥ４−１、ｊＥ４）、及び、マルチパス到来時刻推定器６２から出力された直接波とマルチパスとの到来時間差ＭＳＸが入力される。すると、第４の時刻相関器７１ｄは、前記式（２８）と同様に、次の式（３２）によって相関係数カーブを算出し、第２の平均値算出器７２ｂに出力する。

ただし、ラグタイムτ４は、
τ４＝−（Ｌ＋Ｎ）、−（Ｌ＋Ｎ）＋１、…、−１、０、１、…、｛３Ｌ−（Ｑ＋Ｎ）｝−１、｛３Ｌ−（Ｑ＋Ｎ）｝
とする。

次に、第２の平均値算出器７２ｂは、第３の時刻相関器７１ｃから算出された相関係数Ｃ_st1 （τ３）及び第４の時刻相関器７１ｄから算出された相関係数Ｃ_st2 （τ４）が入力されると、次の式（３３）によってこれらの平均値を算出し、詳細時間差算出器９１に出力する。
ＡＶＥ（τ）＝｛Ｃ_st1 （τ３）＋Ｃ_st2 （τ４）｝／２ ・・・式（３３）

ここで、相関係数平均カーブのピーク位置は、サンプリング間隔の単位で求めるか、必要に応じて、二次曲線フィッティング等を行うことによって、精密に測定する。そして、前記出力端子（１４）から出力された到来時間差は、方位を算出するのに利用され、また、もう一つの音響センサ装置を用いることにより、パルス音を放射した発信源までの距離と方位とを算出することによって音源位置を局限する等、各種信号処理に利用される。

このように、本実施の形態においては、相関係数計算幅として直接波とマルチパスとの到来時間差最小値を用いて概略時間差推定を行い、該概略時間差推定を用いて直接波とマルチパスとの到来時間差を推定する。さらに、前記直接波とマルチパスとの到来時間差推定値を用いて詳細時間差推定を行う。このように、各ラグタイムτに対して相関係数計算幅を変化させながら第７相関係数を算出するようになっているので、前記第３の実施の形態と比較して処理量を少なくすることができる。

なお、前記第１〜第４の実施の形態において、第１の検知器３２ａ及び第２の検知器３２ｂは、長時間積分器２３ａ及び長時間積分器２３ｂを用い、設定した閾値と短時間積分器２２との比較処理によってパルス音開始時刻ＫＳを算出しているが、パルス音の一部又は全部が包含されるような検出方法であればどのような検知方法を用いてもよい。

また、前記第１及び第２の実施の形態における第１の相関器３４ａ及び第２の相関器３４ｂ、前記第３の実施の形態における第１の２次元相関器５１ａ及び第２の２次元相関器５１ｂ、並びに、前記第４の実施の形態における第１の時刻相関器７１ａ、第２の時刻相関器７１ｂ、第３の時刻相関器７１ｃ、第４の時刻相関器７１ｄ及び区間相関器８１の動作の説明においては、時間領域の相関処理によって相関カーブを算出する方法について説明したが、前記第２の部分選択器３３ａ及び第２の部分選択器３３ｂの出力をそれぞれフーリエ変換することによって周波数領域に変換し、両者のクロススペクトラムを求めた後に、逆フーリエ変換によって相関カーブを算出する方法を用いてもよい。

さらに、前記第３の実施の形態においては、マルチパス到来最小時刻算出器４１で算出する直接波とマルチパスとの到来時刻最小値ＭＳを初期値として相関係数計算幅を変化させているが、この初期値は０に指定してもよい。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の第１の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の構成を示すブロック図である。 従来のパルス音の到来時間差推定装置の構成を示すブロック図である。 従来のパルス音の到来時間差推定装置における検知器の構成を示すブロック図である。 従来の受信信号の例を示す図である。 従来の受信信号内のパルス音の開始時刻からマルチパスが重なる前の時刻までの部分を切り出した部分を使ったＳＮ比が無限大である場合の相関処理波形を示す図である。 従来の受信信号内のパルス音の開始時刻からマルチパスが重なる前の時刻までの部分を切り出した部分を使ったＳＮ比が低下した場合の相関処理波形を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の第１の検知器の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の第２の検知器の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の概略時間差推定器の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置のマルチパス到来時刻推定器の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態におけるパルス音の到来時間差推定装置の詳細時間差推定器の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ パルス音の到来時間差推定装置
３２ａ 第１の検知器
３２ｂ 第２の検知器
３３ａ 第１の部分選択器
３３ｂ 第２の部分選択器
３４ａ 第１の相関器
３４ｂ 第２の相関器
３５ 平均値算出器
３６ 時間差推定器
５１ａ 第１の２次元相関器
５１ｂ 第２の２次元相関器

Claims (5)

1. 複数の音響センサ装置を用いて音源から放射された時間的に制限されたパルス音を受信し、前記複数の音響センサ装置が受信した複数のパルス音の相関を取ることによって、最短経路を伝搬した前記複数のパルス音の到来時間差を推定するパルス音の到来時間差推定方法であって、
   （ａ）前記複数のパルス音の立ち上がり時刻をそれぞれ検出し、
   （ｂ）該立ち上がり時刻から最短経路以外の経路を伝搬したパルス音が重複しない時間幅に対応する部分を、一方のパルス音及び他方のパルス音から切り出し、
   （ｃ）切り出した一方のパルス音に対して他方のパルス音を時系列正方向にずらして第１相関係数を算出し、
   （ｄ）切り出した他方のパルス音に対して一方のパルス音を時系列負方向にずらして第２相関係数を算出し、
   （ｅ）同一ずらし時刻における第１相関係数と第２相関係数との平均値を各ずらし時刻について算出することによって、相関係数平均カーブを算出し、
   （ｆ）該相関係数平均カーブのピーク位置から前記複数のパルス音の到来時刻差を算出することを特徴とするパルス音の到来時間差推定方法。
2. （ａ）前記音源と前記複数の音響センサ装置との想定される最大探知距離、音速及び深度情報から、最短経路以外の経路を伝搬したパルス音の到来最小時刻を算出し、
   （ｂ）前記立ち上がり時刻から前記到来最小時刻までを、前記最短経路以外の経路を伝搬したパルス音が重複しない時間幅とする請求項１に記載のパルス音の到来時間差推定方法。
3. （ａ）前記音源と前記複数の音響センサ装置との想定される最大探知距離、音速及び深度情報から、最短経路以外の経路を伝搬したパルス音の到来最小時刻を算出し、
   （ｂ）前記立ち上がり時刻から前記到来最小時刻までを切り出し幅に設定し、
   （ｃ）該切り出し幅に対応する部分を、一方のパルス音及び他方のパルス音から切り出し、
   （ｄ）切り出した一方のパルス音に対して他方のパルス音を時系列正方向にずらして第３相関係数を算出し、
   （ｅ）切り出した他方のパルス音に対して一方のパルス音を時系列負方向にずらして第４相関係数を算出し、
   （ｆ）同一ずらし時刻における第３相関係数と第４相関係数との平均値を各ずらし時刻について算出することによって、相関係数平均カーブを算出し、
   （ｇ）前記切り出し幅を変化させて、前記（ｃ）〜（ｆ）を繰り返すことによって、各切り出し幅に対応する前記相関係数平均カーブを算出し、
   （ｈ）すべての前記相関係数平均カーブのピーク位置から前記複数のパルス音の到来時刻差を算出する請求項１に記載のパルス音の到来時間差推定方法。
4. （ａ）前記音源と前記複数の音響センサ装置との想定される最大探知距離、音速及び深度情報から、最短経路以外の経路を伝搬したパルス音の到来最小時刻を算出し、
   （ｂ）前記立ち上がり時刻から前記到来最小時刻までを推定切り出し幅に設定し、
   （ｃ）該推定切り出し幅に対応する部分を、一方のパルス音及び他方のパルス音から切り出し、
   （ｄ）切り出した一方のパルス音に対して他方のパルス音を時系列正方向にずらして第５相関係数を算出し、
   （ｅ）切り出した他方のパルス音に対して一方のパルス音を時系列負方向にずらして第６相関係数を算出し、
   （ｆ）同一ずらし時刻における第５相関係数と第６相関係数との平均値を各ずらし時刻について算出することによって、相関係数平均カーブを算出し、
   （ｇ）該相関係数平均カーブのピーク位置から前記複数のパルス音の概略到来時刻差を算出し、
   （ｈ）前記複数のパルス音の一方の立ち上がり時刻を、他方の立ち上がり時刻と前記概略時間差とから決定し、
   （ｉ）決定された前記複数のパルス音の一方及び他方の立ち上がり時刻に基づいて前記推定切り出し幅を変化させて第７相関係数を算出し、
   （ｊ）該第７相関係数のピーク位置から前記最短経路以外の経路を伝搬したパルス音の到来時刻を決定し、
   （ｋ）決定された前記複数のパルス音の一方及び他方の立ち上がり時刻から前記到来時刻までを切り出し幅に設定し、
   （ｌ）該切り出し幅に対応する部分を、一方のパルス音及び他方のパルス音から切り出す請求項１に記載のパルス音の到来時間差推定方法。
5. 複数の音響センサ装置を用いて音源から放射された時間的に制限されたパルス音を受信し、前記複数の音響センサ装置が受信した複数のパルス音の相関を取ることによって、最短経路を伝搬した前記複数のパルス音の到来時間差を推定するパルス音の到来時間差推定装置であって、
   （ａ）前記複数のパルス音の立ち上がり時刻をそれぞれ検出する手段と、
   （ｂ）前記立ち上がり時刻から最短経路以外の経路を伝搬したパルス音が重複しない時間幅に対応する部分を、一方のパルス音及び他方のパルス音から切り出す手段と、
   （ｃ）切り出した一方のパルス音に対して他方のパルス音を時系列正方向にずらして第１相関係数を算出する手段と、
   （ｄ）切り出した他方のパルス音に対して一方のパルス音を時系列負方向にずらして第２相関係数を算出する手段と、
   （ｅ）同一ずらし時刻における第１相関係数と第２相関係数との平均値を各ずらし時刻について算出することによって、相関係数平均カーブを算出する手段と、
   （ｆ）該相関係数平均カーブのピーク位置から前記複数のパルス音の到来時刻差を算出する手段とを有することを特徴とするパルス音の到来時間差推定装置。

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