JP5192983B2 - Acoustic image simulation apparatus, method, and program - Google Patents

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本発明は、例えば、サイドスキャンソーナー、マルチビーム音響測深機等の音響画像装置の性能評価等に使用される音響画像シミュレーション装置、方法、及びプログラムに関するものである。   The present invention relates to an acoustic image simulation apparatus, method, and program used for performance evaluation of an acoustic image apparatus such as a side scan sonar and a multi-beam acoustic sounding instrument.

海や湖などにおける特定の対象物の探索や海底地形調査等に使用される機器として、サイドスキャンソーナーやマルチビーム音響測深機等の音響画像装置が知られている。このような音響画像装置は、ビームを照射し、この散乱波の方位強度分布および時間強度分布を測定し、測定結果に基づいて音響画像を作成するものである。
特開昭63−75581号公報
2. Description of the Related Art Acoustic imaging devices such as side scan sonars and multi-beam acoustic sounding devices are known as devices used for searching for specific objects in seas, lakes, and the like, and for surveying seafloor topography. Such an acoustic imaging apparatus irradiates a beam, measures the azimuth intensity distribution and temporal intensity distribution of the scattered wave, and creates an acoustic image based on the measurement result.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-75581

サイドスキャンソーナーにより取得される音響画像の品質は、音響ビームの周波数やビーム幅等のサイドスキャンソーナーのパラメータ設定や、サイドスキャンソーナーを搭載するプラットフォームの海底高度や速力等のパラメータ設定の良否に左右される。従来、このような制御パラメータの設定は、作業者の経験に委ねられており、音響画像の品質が安定しないという問題があった。   The quality of the acoustic image acquired by the side scan sonar depends on whether the parameters of the side scan sonar, such as the frequency and width of the acoustic beam, and the parameters such as the seafloor altitude and speed of the platform on which the side scan sonar is installed, are good or bad. Is done. Conventionally, setting of such control parameters is left to the experience of the operator, and there is a problem that the quality of the acoustic image is not stable.

また、サイドスキャンソーナー等により取得された音響画像を画像処理することにより、海底面上に存在する目標物を自動的に探知・類別するシステムとしてCAD/CAC(Computer aided detection/Computer aided classification)が知られている。このCAD/CACの性能評価は、実際に海域等で取得された音響画像を入力データとして用いることにより行われる。安定した精度で性能評価を行うためには、海底条件、目標物体の大きさ、サイドスキャンソーナーのパラメータ条件等の各種運用条件を異ならせた場合の多数の音響画像が必要となる。しかしながら、実際の海底調査等で取得される音響画像の数には限界があり、サンプル数の不足により、性能評価の精度を安定させることが難しいという問題があった。
マルチビーム音響測深機により取得される海底地形データの品質は、マルチビーム音響測深機の海底検出アルゴリズムの良否に左右される。既に実用化されているアルゴリズムが多種存在するが、海底検出アルゴリズムに起因する測深誤差を特定しようにも、他に誤差検定のための計測手段がないため、アルゴリズム良否を判定するのが困難という問題があった。
In addition, CAD / CAC (Computer Aided Detection / Computer Aided Classification) is a system that automatically detects and classifies a target existing on the sea floor by performing image processing on an acoustic image acquired by a side scan sonar. Are known. This performance evaluation of CAD / CAC is performed by using an acoustic image actually acquired in the sea area or the like as input data. In order to perform performance evaluation with stable accuracy, a large number of acoustic images are required when various operating conditions such as seabed conditions, target object size, and side scan sonar parameter conditions are varied. However, there is a limit to the number of acoustic images acquired in actual seafloor surveys, and there is a problem that it is difficult to stabilize the accuracy of performance evaluation due to a shortage of samples.
The quality of the seafloor topographic data acquired by the multibeam acoustic sounder depends on the quality of the seabed detection algorithm of the multibeam acoustic sounder. There are many types of algorithms that have already been put into practical use, but there is no other measurement means for error testing to identify the depth measurement error due to the seafloor detection algorithm, so it is difficult to determine whether the algorithm is good or bad was there.

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、音響画像装置の制御パラメータの良否を評価することができるとともに、音響画像装置によって取得される音響画像を十分な精度で模擬することができ、かつ、音響画像装置の定量的な性能評価を実現させることのできる音響画像シミュレーション装置、方法、及びプログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problem, and can evaluate the quality of the control parameters of the acoustic imaging apparatus and can simulate the acoustic image acquired by the acoustic imaging apparatus with sufficient accuracy. An object of the present invention is to provide an acoustic image simulation apparatus, method, and program capable of realizing quantitative performance evaluation of an acoustic image apparatus.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、シミュレーションに必要となる複数のデータを格納する第1記憶手段と、前記第1記憶手段に格納されているデータに基づいて、シミュレーション空間内に、複数の面積要素からなる海底面を形成する海底面形成手段と、前記第1記憶手段に格納されている音響画像装置が搭載されるプラットフォームの航跡データ、姿勢データ、及びプラットフォームにおける音響画像装置の取り付け位置に基づいて、前記シミュレーション空間内に設定される音源、受信位置、及び音響ビームを照射させる対象面積要素を対応付けた条件テーブルを作成する条件作成手段と、前記条件テーブルに基づいて、シミュレーション空間内に、音源及び受信位置を設定するとともに、該音源から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、該受信位置にて受信される散乱波を模擬信号として生成する模擬信号生成手段と、該模擬信号生成手段によって生成された模擬信号を格納する第2記憶手段と、前記第2記憶手段に記憶されている模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する信号処理手段とを備え、前記模擬信号生成手段は、該シミュレーション空間内に設定する音源位置及び受信位置並びに対象面積要素の位置を前記条件テーブルに基づいて更新することにより、異なる位置における散乱波を順次推定する音響画像シミュレーション装置を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
The present invention provides a first storage means for storing a plurality of data required for a simulation, and a sea bottom composed of a plurality of area elements in a simulation space based on the data stored in the first storage means. Based on the wake data of the platform on which the sea bottom surface forming means to be formed and the acoustic image device stored in the first storage means are mounted, the attitude data, and the mounting position of the acoustic image device on the platform, A condition creation means for creating a condition table that associates a sound source, a reception position, and a target area element to be irradiated with an acoustic beam, and a sound source and a reception position are set in the simulation space based on the condition table In addition, when an acoustic beam is irradiated from the sound source to the target area element, the reception is performed. And simulated signal generating means for generating a scattered wave as test signal received at a position, and a second storage means for storing a simulation signal generated by said simulated signal generating means, stored in said second storage means Signal processing means for creating an acoustic image of the sea floor using a simulated signal, and the simulated signal generating means stores the sound source position and reception position set in the simulation space and the position of the target area element in the condition table. An acoustic image simulation apparatus for sequentially estimating scattered waves at different positions by updating based on the above is provided.

このような構成によれば、水中航走体等のプラットフォームが航跡データに沿って移動することを想定し、このときにサイドスキャンソーナー等の音響画像装置によって取得される散乱波をそれぞれ推定して模擬信号を生成する。具体的には、音響信号生成手段は、シミュレーションで設定された時々刻々のプラットフォーム位置・姿勢と海底条件やソーナー仕様条件を元に、物理現象である音波の伝搬と散乱の推定を行い、受信機にて受信される模擬信号を生成する。そして、生成された模擬信号を用いて、音響画像装置内部の信号処理器と同等な機能のシミュレータ信号処理部により音響画像を作成する。このように、実際の海底地形調査を忠実に模擬した形でシミュレーションを行うので、シミュレーション精度を向上させることができる。
そして、音響画像装置の制御パラメータを変化させてシミュレーションを繰り返し行い、これらのシミュレーション結果として得られた音響画像を比較することにより、最も適切な制御パラメータを選定することが可能となる。
更に、このようなシミュレーション結果を検討することにより、音響画像装置の性能評価を定量的に行うことが可能となる。
According to such a configuration, it is assumed that the platform such as the underwater vehicle moves along the wake data, and at this time, the scattered wave acquired by the acoustic image device such as the side scan sonar is estimated. Generate a simulated signal. Specifically, the acoustic signal generation means estimates the propagation and scattering of sound waves, which are physical phenomena, based on the momentary platform position / posture, seabed conditions and sonar specification conditions set in the simulation. A simulated signal received at is generated. Then, using the generated simulation signal, an acoustic image is created by a simulator signal processing unit having a function equivalent to that of the signal processor inside the acoustic image apparatus. In this way, the simulation is performed in a form that faithfully simulates the actual seafloor topography survey, so that the simulation accuracy can be improved.
Then, it is possible to select the most appropriate control parameter by repeatedly performing the simulation while changing the control parameter of the acoustic image apparatus and comparing the acoustic images obtained as a result of the simulation.
Furthermore, by examining such a simulation result, it is possible to quantitatively evaluate the performance of the acoustic image apparatus.

上記条件設定手段は、例えば、前記第1記憶手段に格納されているプラットフォームの航跡データ、姿勢データ、及びプラットフォームにおける音響画像装置の取り付け位置に基づいて、シミュレーション空間内に前記音源及び前記受信位置を設定し、設定した該音源の座標及び音響ビームの入射角度に基づいて前記対象面積要素を求め、該音源、該受信位置及び該対照面積要素を対応付けた前記条件テーブルを作成する。   The condition setting means, for example, sets the sound source and the reception position in the simulation space based on the platform track data, posture data, and the mounting position of the acoustic image device on the platform stored in the first storage means. The target area element is determined based on the set coordinates of the sound source and the incident angle of the acoustic beam, and the condition table in which the sound source, the reception position, and the reference area element are associated is created.

上記音響画像シミュレーション装置において、前記模擬信号生成手段は、前記音源と前記対象面積要素との間の距離、前記対象面積要素と該受信位置との間の距離、前記音源に対する前記対象面積要素の方位、及び海底入射角を含むパラメータを求め、これらのパラメータを用いて、前記模擬信号の振幅、位相、波形の立ち上がりタイミング、及び該波形の立下りタイミングを算出することにより、該散乱波を模擬することとしてもよい。   In the acoustic image simulation apparatus, the simulation signal generating means includes a distance between the sound source and the target area element, a distance between the target area element and the reception position, and an orientation of the target area element with respect to the sound source. And the parameters including the seafloor incidence angle, and using these parameters, the amplitude, phase, waveform rise timing, and waveform fall timing of the simulation signal are calculated to simulate the scattered wave. It is good as well.

これにより、散乱波を容易に推定することが可能となる。   This makes it possible to easily estimate the scattered wave.

上記音響画像シミュレーション装置において、前記海底面形成手段は、水深及び音響インピーダンスに基づいて、複数の前記面積要素からなる海底面を形成することとしてもよい。 In the acoustic image simulation apparatus, the sea bottom forming means may form a sea bottom composed of a plurality of the area elements based on a water depth and an acoustic impedance.

これにより、海底面の地質等を反映させた精巧な海底面をシミュレーション空間に形成することが可能となる。そして、このような海底面の情報を用いて散乱波を推定することにより、シミュレーション精度を向上させることが可能となる。   As a result, it is possible to form an elaborate sea bottom reflecting the geology of the sea bottom in the simulation space. And it becomes possible to improve a simulation precision by estimating a scattered wave using such information of the sea bottom.

上記音響画像シミュレーション装置において、前記模擬信号生成手段は、正弦波または余弦波で表された模擬信号を生成することとしてもよいし、前記正弦波または余弦波で表された模擬信号を更にビートダウン(例えば、直交変調ビートダウン)した低周波信号を模擬信号として算出することとしてもよい。更に、前記模擬信号生成手段は、前記正弦波または余弦波で表された模擬信号をビートダウン(例えば、直交変調ビートダウン)した後の低周波信号を、前記模擬信号の振幅、位相、波形の立ち上がりタイミング、及び該波形の立下りタイミングを用いて直接的に求めることとしてもよい。   In the above acoustic image simulation apparatus, the simulation signal generating means may generate a simulation signal represented by a sine wave or a cosine wave, and further beat down the simulation signal represented by the sine wave or cosine wave. A low-frequency signal (for example, quadrature modulation beat-down) may be calculated as a simulation signal. Further, the simulated signal generating means beats a simulated signal represented by the sine wave or cosine wave after the beat down (for example, quadrature modulation beat down), the amplitude, phase, waveform of the simulated signal It may be obtained directly using the rise timing and the fall timing of the waveform.

これにより、シミュレーションにおいて音響画像の作成に用いられる散乱波と実際の運用時において音響画像の作成に用いられる模擬信号の質を一致させることが可能となる。例えば、実際の音響画像装置において、ビートダウンした低周波信号を用いて音響画像を作成している場合には、シミュレーションにおいても模擬信号としてビートダウンした低周波信号を生成することで、信号処理部を実機とシミュレーションで完全に同一のものとすることができるとともに、シミュレーションの演算負荷を大幅に低減させることができる。   This makes it possible to match the quality of the scattered wave used for creating the acoustic image in the simulation and the quality of the simulation signal used for creating the acoustic image during actual operation. For example, in an actual acoustic imaging apparatus, when an acoustic image is created using a beat-down low-frequency signal, the signal processing unit generates a beat-down low-frequency signal as a simulation signal in simulation. Can be made completely the same between the actual machine and the simulation, and the computation load of the simulation can be greatly reduced.

上記音響画像シミュレーション装置において、前記模擬信号を受信する受信機が複数存在する場合において、前記模擬信号生成手段は、複数の受信機のうちのいずれか一つの位置を前記受信位置として設定して模擬信号を生成し、この模擬信号の位相をそれぞれの他の前記受信機の配置位置に基づいて補正することで、それぞれの前記受信機によって受信される模擬信号を生成することとしてもよい。   In the acoustic image simulation apparatus, when there are a plurality of receivers that receive the simulation signal, the simulation signal generation unit simulates by setting any one of the plurality of receivers as the reception position. A simulated signal received by each of the receivers may be generated by generating a signal and correcting the phase of the simulated signal based on the arrangement position of each of the other receivers.

このようにすることで、複数の受信機が設けられている場合であっても、各受信機にて受信される散乱波を容易にかつ迅速に推定することができる。   By doing in this way, even if it is a case where a some receiver is provided, the scattered wave received by each receiver can be estimated easily and rapidly.

本発明は、シミュレーション空間内に、複数の面積要素からなる海底面を形成する過程と、前記シミュレーション空間内に、音響ビームを射出する音源の位置、該音響ビームの反射波である散乱波を受信する受信機の位置を設定するとともに、該音響ビームを照射させる対象面積要素を設定し、前記音源の位置から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、該受信機の位置にて受信される散乱波を模擬信号として生成し、該音源の位置及び前記対象面積要素の少なくともいずれかを変更しながら、海底面を構成する全ての面積要素に対する模擬信号を生成する過程と、生成した前記模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する過程とを含む音響画像シミュレーション方法を提供する。   The present invention receives a process of forming a sea bottom composed of a plurality of area elements in a simulation space, a position of a sound source that emits an acoustic beam, and a scattered wave that is a reflected wave of the acoustic beam in the simulation space. When the target area element to be irradiated with the acoustic beam is set and the acoustic beam is irradiated to the target area element from the position of the sound source, reception is performed at the position of the receiver. Generating a scattered signal as a simulation signal, generating a simulation signal for all the area elements constituting the sea floor while changing at least one of the position of the sound source and the target area element, and the generated An acoustic image simulation method including a process of creating an acoustic image of a sea floor using a simulated signal is provided.

本発明は、シミュレーション空間内に、複数の面積要素からなる海底面を形成する処理と、前記シミュレーション空間内に、音響ビームを射出する音源の位置、該音響ビームの反射波である散乱波を受信する受信機の位置を設定するとともに、該音響ビームを照射させる対象面積要素を設定し、前記音源の位置から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、該受信機の位置にて受信される散乱波を模擬信号として生成し、該音源の位置及び前記対象面積要素の少なくともいずれかを変更しながら、海底面を構成する全ての面積要素に対する模擬信号を生成する処理と、生成した前記模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する処理とをコンピュータに実行させるための音響画像シミュレーションプログラムを提供する。   The present invention receives a process of forming a sea bottom composed of a plurality of area elements in a simulation space, a position of a sound source that emits an acoustic beam, and a scattered wave that is a reflected wave of the acoustic beam in the simulation space. When the target area element to be irradiated with the acoustic beam is set and the acoustic beam is irradiated to the target area element from the position of the sound source, reception is performed at the position of the receiver. Generated as a simulation signal, changing the position of the sound source and at least one of the target area elements, generating simulation signals for all area elements constituting the sea floor, and the generated Provided is an acoustic image simulation program for causing a computer to execute processing for creating an acoustic image of a seabed using a simulated signal.

本発明によれば、音響画像装置の制御パラメータの良否を評価することができるとともに、音響画像装置によって取得される音響画像を十分な精度で模擬することができ、かつ、音響画像装置の定量的な性能評価を実現させることができるという効果を奏する。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to evaluate the quality of the control parameter of an acoustic imaging device, the acoustic image acquired by an acoustic imaging device can be simulated with sufficient precision, and quantitative of an acoustic imaging device is possible. It is possible to achieve an effective performance evaluation.

以下に、本発明に係る音響画像シミュレーション装置、方法、及びプログラムの実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of an acoustic image simulation apparatus, method, and program according to the present invention will be described with reference to the drawings.

〔第1の実施形態〕
本発明の第1の実施形態に係る音響画像シミュレーション装置は、サイドスキャンソーナーの性能評価に適用される装置である。
図1は、本実施形態に係る音響画像シミュレーション装置の概略構成を示した図である。図1に示すように、本実施形態に係る音響画像シミュレーション装置10は、コンピュータシステム(計算機システム)であり、CPU(中央演算処理装置)11、RAM(Random Access Memory)等の主記憶装置12、HDD(Hard Disk Drive)等の補助記憶装置13、キーボードやマウスなどの入力装置14、及びモニタやプリンタなどの出力装置15、外部の機器と通信を行うことにより情報の授受を行う通信装置16などで構成されている。
補助記憶装置13には、各種プログラム(例えば、音響画像シミュレーションプログラム)が格納されており、CPU11が補助記憶装置13から主記憶装置12にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。
[First Embodiment]
The acoustic image simulation apparatus according to the first embodiment of the present invention is an apparatus applied to the performance evaluation of a side scan sonar.
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an acoustic image simulation apparatus according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, an acoustic image simulation apparatus 10 according to the present embodiment is a computer system (computer system), and includes a CPU (Central Processing Unit) 11, a main storage device 12 such as a RAM (Random Access Memory), An auxiliary storage device 13 such as an HDD (Hard Disk Drive), an input device 14 such as a keyboard and a mouse, an output device 15 such as a monitor and a printer, a communication device 16 that exchanges information by communicating with external devices, and the like It consists of
Various programs (for example, an acoustic image simulation program) are stored in the auxiliary storage device 13, and the CPU 11 reads out the programs from the auxiliary storage device 13 to the main storage device 12 and executes them to implement various processes.

図2は、音響画像シミュレーション装置10が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図2に示されるように、音響画像シミュレーション装置10は、第1記憶部(第1記憶手段)21、海底面形成部(海底面形成手段)22と、条件作成部(条件作成手段)23と、模擬信号生成部(模擬信号生成手段)24と、第2記憶部(第2記憶手段)25と、信号処理部(信号処理手段)26とを備えている。   FIG. 2 is a functional block diagram showing the functions provided in the acoustic image simulation apparatus 10 in an expanded manner. As shown in FIG. 2, the acoustic image simulation apparatus 10 includes a first storage unit (first storage unit) 21, a sea bottom formation unit (sea bottom formation unit) 22, and a condition creation unit (condition creation unit) 23. , A simulation signal generation unit (simulation signal generation unit) 24, a second storage unit (second storage unit) 25, and a signal processing unit (signal processing unit) 26.

第1記憶部21には、シミュレーションに必要となる各種データが格納されている。第1記憶部21に格納されている各種データは、例えば、シミュレーションに先んじて作業員により入力・登録されたものである。このデータの一例としては、例えば、サイドスキャンソーナーが取り付けられた水中航走体の航跡データ、海底面を作成するために必要とされる海底面データ、サイドスキャンソーナーのスペックデータ、水中航走体におけるソーナーの取り付け座標等が挙げられる。
上記海底面データは、例えば、海底面をメッシュで分割したそれぞれの面積要素毎に、その座標、海底面の水深、散乱強度(例えば、音響インピーダンス)等が設定されたデータ群である。第1記憶部21に格納されたこれらデータは、シミュレーション実行時において、適宜読み出されて利用される。
The first storage unit 21 stores various data necessary for the simulation. The various data stored in the first storage unit 21 are, for example, input and registered by an operator prior to the simulation. Examples of this data include, for example, the track data of an underwater vehicle equipped with a side scan sonar, the sea floor data required to create the sea floor, the spec data of the side scan sonar, the underwater vehicle The sonar mounting coordinates and the like.
The sea bottom data is, for example, a data group in which the coordinates, the water depth of the sea bottom, the scattering intensity (for example, acoustic impedance) and the like are set for each area element obtained by dividing the sea bottom with a mesh. These data stored in the first storage unit 21 are appropriately read and used when the simulation is executed.

海底面形成部22は、第1記憶部21に格納されている海底面データに基づいて、シミュレーション空間内に海底面を形成する。これにより、図3に示すように、シミュレーション空間に複数のメッシュに分割された海底面が形成される。図3において、メッシュの各々が、面積要素に相当する。   The sea bottom forming unit 22 forms the sea bottom in the simulation space based on the sea bottom data stored in the first storage unit 21. Thereby, as shown in FIG. 3, the sea bottom divided into a plurality of meshes is formed in the simulation space. In FIG. 3, each mesh corresponds to an area element.

条件作成部23は、シミュレーション空間内に、音響ビームを射出する音源、音源から射出された音響ビームが海底面にて反射されることにより生成される散乱波を受信する受信機の位置を設定するとともに、該音響ビームを照射させる面積要素を対象面積要素として設定する。
本実施形態では、音源と受信機とが同じ位置に取り付けられている場合を想定している。従って、音源の位置を設定することで、同時に受信機の位置についても設定したこととなる。
The condition creating unit 23 sets, in the simulation space, the position of a sound source that emits an acoustic beam and a receiver that receives a scattered wave generated when the acoustic beam emitted from the sound source is reflected on the sea floor. At the same time, an area element to be irradiated with the acoustic beam is set as a target area element.
In the present embodiment, it is assumed that the sound source and the receiver are attached at the same position. Therefore, by setting the position of the sound source, the position of the receiver is also set at the same time.

具体的には、条件作成部23は、第1記憶部21に格納されている水中航走体の航跡データ、水中航走体におけるサイドスキャンソーナーの取り付け位置、ソーナーの音響ビームの射出角度(または海底面における入射角度)等を読み出し、これらのデータから各時間におけるサイドスキャンソーナーの位置に基づいて音源の位置を設定し、続いて、設定した各音源から、第1記憶部21に設定されている音響ビームの射出角度で音響ビームを照射した場合に、該音響ビームが到達する海底面の位置座標を含む面積要素を求め、この面積要素を海底状況を観察する対象面積要素として設定する。このとき、音響ビームの幅や音源と海底面との位置関係によっては、一つの音源位置において複数の面積要素に音響ビームが照射される場合が考えられる。このような場合には、一つの音源の位置に対応して複数の面積要素が算出される。
また、本実施形態では、対象面積要素の中心を代表位置として距離や方位の計算を行い、面積要素の大きさの効果は散乱波の振幅や波形立ち上がり、立ち下がりを算出するときに考慮してシミュレーションを実施する。
Specifically, the condition creating unit 23 stores the track data of the underwater vehicle stored in the first storage unit 21, the attachment position of the side scan sonar on the underwater vehicle, the emission angle of the acoustic beam of the sonar (or The incident angle at the sea bottom) is read out, the position of the sound source is set based on the position of the side scan sonar at each time from these data, and then the first storage unit 21 is set from each set sound source. When an acoustic beam is irradiated at a certain acoustic beam emission angle, an area element including the position coordinates of the sea bottom reached by the acoustic beam is obtained, and this area element is set as a target area element for observing the seabed condition. At this time, depending on the width of the acoustic beam and the positional relationship between the sound source and the sea bottom, there may be a case where the acoustic beam is applied to a plurality of area elements at one sound source position. In such a case, a plurality of area elements are calculated corresponding to the position of one sound source.
In the present embodiment, the distance and direction are calculated with the center of the target area element as the representative position, and the effect of the area element size is taken into account when calculating the amplitude, waveform rise and fall of the scattered wave. Perform a simulation.

条件作成部23は、上述の手順で、各時刻における各音源の位置及び該音源に対する対象面積要素を決定すると、各音源の位置と対象面積要素の座標とを対応付けた条件テーブルを作成する。これにより、水中航走体の航跡に沿った音源の位置並びに対応面積要素がそれぞれ設定されることとなる。これにより、この条件テーブルに基づいて、後段の模擬信号生成部24が各音源の位置から射出された音響ビームにおける散乱波を順次推定することで、実際に行われる海底探索を可能な限り忠実に模擬することが可能となる。   When the condition creation unit 23 determines the position of each sound source and the target area element for the sound source at each time in the above-described procedure, the condition creation unit 23 creates a condition table that associates the position of each sound source with the coordinates of the target area element. As a result, the position of the sound source and the corresponding area element along the track of the underwater vehicle are set. Thus, based on this condition table, the simulation signal generation unit 24 in the subsequent stage sequentially estimates scattered waves in the acoustic beam emitted from the position of each sound source, so that the actual seabed search can be performed as faithfully as possible. It becomes possible to simulate.

模擬信号生成部24は、条件作成部23によって設定された音源の位置から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、受信機の位置にて受信される散乱波を推定する。ここで行われる散乱波の推定方法の詳細については後述する。模擬信号生成部24は、条件テーブルに設定されている各受信機の位置において散乱波を推定し、推定した散乱波の情報を第2記憶部25に格納する。これにより、第2記憶部25には、海底面の全ての面積要素における推定散乱波の情報が格納されることとなる。   The simulation signal generation unit 24 estimates a scattered wave received at the position of the receiver when the target area element is irradiated with the acoustic beam from the position of the sound source set by the condition generation unit 23. The details of the scattered wave estimation method performed here will be described later. The simulation signal generator 24 estimates the scattered wave at the position of each receiver set in the condition table, and stores the estimated scattered wave information in the second storage unit 25. Thereby, the information of the estimated scattered wave in all area elements of the sea bottom is stored in the second storage unit 25.

信号処理部26は、第2記憶部25に格納されている散乱波を処理することで、海底面の音響画像を作成する。この信号処理部26は、評価対象としているサイドスキャンソーナーが備える信号処理部と同じ機能・性能を有するものであることが好ましい。このようにすることで、評価対象のサイドスキャンソーナーの性能をより正確に評価することが可能となる。   The signal processing unit 26 processes the scattered wave stored in the second storage unit 25 to create an acoustic image of the sea bottom. The signal processing unit 26 preferably has the same function and performance as the signal processing unit included in the side scan sonar to be evaluated. By doing in this way, it becomes possible to evaluate more accurately the performance of the side scan sonar to be evaluated.

〔散乱波の推定方法〕
次に、上記模擬信号生成部24によって行われる散乱波の推定方法について説明する。
まず、散乱波は、振幅、位相、波形の立ち上がり、及び波形の立下りからなる4つの要素によって決定付けられる。
以下、これらの要素の算出手法についてそれぞれ述べる。
[Method of estimating scattered waves]
Next, the scattered wave estimation method performed by the simulation signal generator 24 will be described.
First, the scattered wave is determined by four elements including amplitude, phase, waveform rising edge, and waveform falling edge.
Hereinafter, calculation methods of these elements will be described respectively.

〔振幅〕
振幅は、海底エコーレベルELから求めることができる。海底エコーレベルELは、以下の(1)式により表される。
〔amplitude〕
The amplitude can be obtained from the seafloor echo level EL. The seafloor echo level EL is expressed by the following equation (1).

EL=SL−2TL+10logS+BS(θi)+20log|D(θX,θY)| (1) EL = SL-2TL + 10 log S + BS (θ i ) +20 log | D (θ X , θ Y ) | (1)

上記(1)式において、SLは音響ビームの送波レベルであり、例えば、予め作業員により設定され第1記憶部21に格納されているデータを読み出すことで決定される。TLは、音響ビームが音源の位置から対象面積要素に達するまでに生ずる伝搬損失であり、これに2を乗算していることから往復距離における音響ビームの伝搬損失が求められる。このTLは、例えば、以下の(2)式により求めることができる。   In the above equation (1), SL is the transmission level of the acoustic beam, and is determined, for example, by reading data set in advance by an operator and stored in the first storage unit 21. TL is a propagation loss that occurs until the acoustic beam reaches the target area element from the position of the sound source. Since TL is multiplied by 2, the propagation loss of the acoustic beam at the round-trip distance is obtained. This TL can be obtained by the following equation (2), for example.

TL=20logR×α・R (2)   TL = 20logR × α · R (2)

上記(2)式において、Rは音源から対象面積要素までの距離、αは吸収係数と呼ばれるものであり、海水中における単位長さあたりの音響ビーム減衰量を示している。   In the above equation (2), R is the distance from the sound source to the target area element, α is called the absorption coefficient, and indicates the acoustic beam attenuation per unit length in seawater.

S=RΦ・(cτ/(2sinθi)) (3)
ここで、残響面積Sは、予め設定されている対象面積要素の面積と式(3)で表される面積の小さい方を採用する。
S = RΦ · (cτ / (2sinθ i )) (3)
Here, as the reverberation area S, the smaller one of the area of the target area element set in advance and the area represented by Expression (3) is adopted.

上記(3)式において、Rは音源から対象面積要素までの距離、Φは前後方向の等価ビーム幅、τは音響ビームのパルス幅、cは音速、θiは海底面への入射角である。 In the above equation (3), R is the distance from the sound source to the target area element, Φ is the equivalent beam width in the front-rear direction, τ is the pulse width of the acoustic beam, c is the speed of sound, and θ i is the angle of incidence on the sea floor. .

(1)式において、BS(θi)は、単位面積当たりの後方散乱強度であり、例えば、図4に示すようなテーブルから読み取ることができる。図4において、横軸は海底面への入射角θi、縦軸は単位面積当たりの後方散乱強度BS(θi)を示している。 In the equation (1), BS (θ i ) is the backscattering intensity per unit area, and can be read from a table as shown in FIG. 4, for example. In FIG. 4, the horizontal axis represents the incident angle θ i to the sea bottom, and the vertical axis represents the backscattering intensity BS (θ i ) per unit area.

(1)式における20log|D(θX,θY)|は、サイドスキャンソーナーの指向性関数であり、第1記憶部21に格納されているサイドスキャンソーナーのスペックデータに基づいて決定される。ここで、θXは、サイドスキャンソーナー、つまり、音源を基準としたときの水中航走体の前後方向における対象面積要素の方位であり,θYは、サイドスキャンソーナー、つまり、音源を基準としたときの水中航走体の軸方向に直交する方向(横方向)における対象面積要素の方位である。 20log | D (θ X , θ Y ) | in the equation (1) is a directivity function of the side scan sonar and is determined based on the spec data of the side scan sonar stored in the first storage unit 21. . Here, θ X is the side scan sonar, that is, the orientation of the target area element in the front-rear direction of the underwater vehicle with reference to the sound source, and θ Y is the side scan sonar, that is, the sound source as a reference. It is an azimuth | direction of the object area element in the direction (lateral direction) orthogonal to the axial direction of the underwater vehicle at the time of doing.

上記(1)に各パラメータを入力することにより、海底エコーレベルELが得られると、対数で表現されている海底エコーレベルELを以下の(4)式を用いて真数で表すことで、散乱波の振幅実効値Aを得ることができる。   When the seafloor echo level EL is obtained by inputting each parameter to the above (1), the seafloor echo level EL expressed in logarithm is expressed as a true number by using the following equation (4), thereby scattering. The effective amplitude value A of the wave can be obtained.

A=10(EL/20) (4) A = 10 (EL / 20) (4)

〔位相〕
次に、位相の算出方法について説明する。
位相θは、以下の(5)式により算出することができる。
〔phase〕
Next, a method for calculating the phase will be described.
The phase θ can be calculated by the following equation (5).

θ=2R/λ×2π (5)   θ = 2R / λ × 2π (5)

〔波形の立ち上がり及び波形の立下り〕
波形の立ち上がり立下りは、図5に示すように、音源から対象面積要素までの距離をR、対象面積要素の幅をΔy、基準位置からみたときの水中航走体の軸方向に直交する方向(横方向)における対象面積要素の方位をθY、音速をc、パルス幅をτとした場合に以下の(6)式及び(7)式で表される。
[Wave rise and fall of waveform]
As shown in FIG. 5, the rising and falling edges of the waveform are R as the distance from the sound source to the target area element, Δy as the width of the target area element, and a direction orthogonal to the axial direction of the underwater vehicle as viewed from the reference position. When the orientation of the target area element in the (lateral direction) is θ Y , the sound speed is c, and the pulse width is τ, the following expression (6) and (7) are used.

波形の立ち上がり=2R/c−(Δy・sinθY)/c (6)
波形の立下り=2R/c+τ+(Δy・sinθY)/c (7)
Rise of waveform = 2R / c− (Δy · sin θ Y ) / c (6)
Fall of waveform = 2R / c + τ + (Δy · sinθ Y ) / c (7)

上記模擬信号生成部24は、上記散乱波を特定するための4つの要素について算出すると、上記振幅、波形の立ち上がり、立下りを有し、算出した位相になるような正弦波の散乱波を求め、この散乱波の情報を第2記憶部25に格納する。   When the simulation signal generation unit 24 calculates the four elements for specifying the scattered wave, the simulated signal generation unit 24 obtains a sine wave scattered wave having the amplitude, waveform rising and falling, and having the calculated phase. The information on the scattered wave is stored in the second storage unit 25.

次に、上述した本実施形態に係る音響画像シミュレーション装置が備える各部において実行される処理内容について図6を参照して説明する。なお、図6に示した各部により実現される後述の各種処理は、CPU11が補助記憶装置13に記憶されている音響画像シミュレーションプログラムを主記憶装置12に読み出して実行することにより実現されるものである。   Next, processing contents executed in each unit included in the above-described acoustic image simulation apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Various processes described later realized by the respective units illustrated in FIG. 6 are realized by the CPU 11 reading out and executing the acoustic image simulation program stored in the auxiliary storage device 13 to the main storage device 12. is there.

まず、シミュレーションを実施する前段階として、シミュレーションに必要となる各種データの入力作業が行われる。この入力作業は、例えば、音響画像シミュレーション装置が有する入力装置14(図1参照)を作業員が操作することにより行われる。入力される各種データについては、上述した通りである。   First, as a pre-stage for carrying out the simulation, an operation of inputting various data necessary for the simulation is performed. This input work is performed by, for example, an operator operating the input device 14 (see FIG. 1) of the acoustic image simulation device. Various types of data to be input are as described above.

シミュレーション実行時には、まず、第1記憶部21から海底面データが読み出され、この海底面データに基づいて、シミュレーション空間内に海底面が形成される(ステップSA1)。この海底面は、複数の面積要素で構成されている(図3参照)。
次に、第1記憶部21に格納されている水中航走体の航跡データ、サイドスキャンソーナーの取り付け位置、音響ビームの射出角度等に基づき、音源と対象面積要素とを対応付けた条件テーブルが作成される(ステップSA2)。
続いて、作成された条件テーブルに基づいて各音源の位置から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、受信機(音源)の位置にて受信される散乱波を推定し、模擬信号を生成する模擬信号生成処理を行う(ステップSA3)。
When the simulation is executed, first, the bottom surface data is read from the first storage unit 21, and the bottom surface is formed in the simulation space based on the bottom surface data (step SA1). The sea bottom is composed of a plurality of area elements (see FIG. 3).
Next, there is a condition table in which sound sources and target area elements are associated with each other based on the track data of the underwater vehicle stored in the first storage unit 21, the attachment position of the side scan sonar, the emission angle of the acoustic beam, and the like. It is created (step SA2).
Subsequently, when the target area element is irradiated with an acoustic beam from the position of each sound source based on the created condition table, the scattered wave received at the position of the receiver (sound source) is estimated, and a simulated signal A simulation signal generation process is performed to generate (step SA3).

以下、上記ステップSA3において行われる模擬信号生成処理の処理手順について図7を参照して説明する。
まず、条件テーブルを参照して、一つの音源の位置が設定され(ステップSB1)、この音源の位置に対応付けられている対象面積要素が読み出される(ステップSB2)。次に、読み出した対象面積要素が複数か否かが判定され、複数であった場合にはその内の一つが設定され、一つであった場合には、その一つが設定される(ステップSB3)。このようにして、音源の位置と対象面積要素とが設定されると、設定された音源の位置から設定された対象面積要素に対して音響ビームを照射したときの散乱波の推定が行われ、模擬信号が生成される(ステップSB4)。この散乱波の推定手順については、上述した通りである。
Hereinafter, the processing procedure of the simulation signal generation process performed in step SA3 will be described with reference to FIG.
First, referring to the condition table, the position of one sound source is set (step SB1), and the target area element associated with the position of this sound source is read (step SB2). Next, it is determined whether or not there are a plurality of read target area elements. If there are a plurality of target area elements, one of them is set, and if it is one, one is set (step SB3). ). In this way, when the position of the sound source and the target area element are set, estimation of the scattered wave is performed when the acoustic beam is irradiated to the target area element set from the set position of the sound source, A simulation signal is generated (step SB4). The procedure for estimating the scattered wave is as described above.

続いて、推定した散乱波に対して陰面処理が行われることにより、散乱波の振幅等が調整され(ステップSB5)、調整後の散乱波の情報が該音源の位置及び対象面積要素の位置に対応付けられて第2記憶部25に格納される(ステップSB6)。
続いて、条件テーブルにおいて、今回設定した音源の位置に対応付けられている対象面積要素の全てについて、模擬信号の生成が行われたか否かを判定し(ステップSB7)、全てについて終了していなければ、ステップSB3において、未処理の対象面積要素を新たに設定することで、該音源の位置と新たに設定した対象面積要素との関係における模擬信号の生成を行う。
Subsequently, hidden surface processing is performed on the estimated scattered wave to adjust the amplitude and the like of the scattered wave (step SB5), and the adjusted scattered wave information is added to the position of the sound source and the position of the target area element. It is associated and stored in the second storage unit 25 (step SB6).
Subsequently, in the condition table, it is determined whether or not a simulation signal has been generated for all the target area elements associated with the position of the sound source set this time (step SB7), and all the processing must be completed. For example, in step SB3, an unprocessed target area element is newly set, thereby generating a simulation signal in the relationship between the position of the sound source and the newly set target area element.

このようにして、設定した音源の位置に対応付けられている対象面積要素の全てにおいて処理が終了すると(ステップSB7において「YES」)、条件テーブルに設定されている全ての音源の位置において処理が終了したか否かを判定する(ステップSB8)。この結果、処理が終了していない場合には(ステップSB8において「NO」)、ステップSB1に戻り、未処理の音源の位置が設定され、この音源の位置に対応付けられている対象面積要素における模擬信号が順次生成される。そして、全ての音源の位置またこれに対応する対象面積要素において模擬信号が生成されると(ステップSB8において「YES」)、本処理を終了する。   In this way, when the processing is completed for all target area elements associated with the set sound source positions (“YES” in step SB7), the processing is performed for all sound source positions set in the condition table. It is determined whether or not the processing has been completed (step SB8). As a result, when the process is not completed (“NO” in step SB8), the process returns to step SB1, the position of the unprocessed sound source is set, and the target area element associated with the position of the sound source is set. Simulated signals are sequentially generated. When simulation signals are generated at the positions of all the sound sources or the corresponding target area elements (“YES” in step SB8), this process is terminated.

上記模擬信号の生成処理が終了することにより、第2記憶部25には、水中航走体が第1記憶部21に格納されていた航跡データに基づいて移動したときに得られる散乱波の情報が模擬信号として格納されることとなる。   When the simulation signal generation process ends, the second storage unit 25 stores information on scattered waves obtained when the underwater vehicle moves based on the wake data stored in the first storage unit 21. Is stored as a simulation signal.

続いて、第2記憶部25に格納されている散乱波の情報を用いて画像処理を行うことで、音響画像が作成され(図6のステップSA4)、この音響画像がディスプレイ或いは印刷されることにより、出力される(図6のステップSA5)。   Subsequently, an acoustic image is created by performing image processing using the scattered wave information stored in the second storage unit 25 (step SA4 in FIG. 6), and this acoustic image is displayed or printed. (Step SA5 in FIG. 6).

以上、説明してきたように、本実施形態に係る音響画像シミュレーション装置、方法、及びプログラムによれば、水中航走体が航跡データに沿って移動することを想定し、このときにサイドスキャンソーナーによって取得される散乱波をそれぞれ推定して模擬信号を生成し、模擬信号を用いて音響画像を作成する。このように、実際の海底地形調査を忠実に模擬した形でシミュレーションを行うので、シミュレーション精度を向上させることができる。
そして、サイドスキャンソーナーの制御パラメータを変化させてシミュレーションを繰り返し行い、これらのシミュレーション結果として得られた音響画像を比較することにより、最も適切な制御パラメータを選定することが可能となる。
更に、このようなシミュレーション結果を検討することにより、サイドスキャンソーナーの性能評価を定量的に行うことが可能となる。
As described above, according to the acoustic image simulation apparatus, method, and program according to the present embodiment, it is assumed that the underwater vehicle moves along the wake data, and at this time, by the side scan sonar. Each of the acquired scattered waves is estimated to generate a simulation signal, and an acoustic image is created using the simulation signal. In this way, the simulation is performed in a form that faithfully simulates the actual seafloor topography survey, so that the simulation accuracy can be improved.
Then, it is possible to select the most appropriate control parameter by repeating the simulation while changing the control parameters of the side scan sonar and comparing the acoustic images obtained as a result of the simulation.
Further, by examining such simulation results, it is possible to quantitatively evaluate the performance of the side scan sonar.

なお、上記実施形態においては、サイドスキャンソーナーにより海底地形調査を行う場合を例に挙げて説明したが、例えば、海底面に存在する目標対象物を探知する目的としてサイドスキャンソーナーが利用される場合がある。このような場合には、目標対象物と海底面とを判別し、如何に正確に目標対象物を探知するかという点が重要となる。   In the above embodiment, the case where the seafloor topography survey is performed by the side scan sonar has been described as an example. For example, when the side scan sonar is used for the purpose of detecting the target object existing on the seabed. There is. In such a case, it is important to discriminate between the target object and the seabed and how to accurately detect the target object.

この場合には、作業員は、上述した実施形態と同様に海底面データを入力するとともに、海底面上に配置させる目標対象物に関する対象物データについても入力する。例えば、対象物データとして、目標対象物の設定座標、大きさ、形状、音響インピーダンス等を設定する。   In this case, the worker inputs the sea bottom data as in the above-described embodiment, and also inputs the object data related to the target object to be placed on the sea bottom. For example, as the object data, set coordinates, size, shape, acoustic impedance, and the like of the target object are set.

このようにすることで、上記海底面の形成処理においては、シミュレーション空間内に海底面が形成されるとともに、該海底面上の所定の位置に目標対象物が形成されることとなる。その後は、上述と同様の処理が進められることにより、最終的には海底面上に目標対象物が配置されているような音響画像が作成されることとなる。   By doing in this way, in the formation process of the sea bottom, the sea bottom is formed in the simulation space, and the target object is formed at a predetermined position on the sea bottom. Thereafter, the same processing as described above is performed, so that an acoustic image in which the target object is finally arranged on the sea bottom is created.

そして、このような音響画像シミュレーションを音響ビームの入射角度、ビーム幅、周波数等のサイドスキャンソーナーの制御パラメータを変更しながら行うことにより、異なる制御パラメータ条件下で取得される音響画像を取得することができる。そして、得られた音響画像を比較することにより、目標対象物を最も鮮明にかつ最も正確に映し出している音響画像を特定し、この音響画像が得られたときのパラメータを最適パラメータとして、実際の目標対象物の探知に用いることとすればよい。   By performing such acoustic image simulation while changing the control parameters of the side scan sonar such as the incident angle, beam width, and frequency of the acoustic beam, it is possible to acquire acoustic images acquired under different control parameter conditions. Can do. Then, by comparing the obtained acoustic images, the acoustic image that most clearly and most accurately reflects the target object is specified, and the parameters when the acoustic images are obtained are used as the optimum parameters. It may be used for detecting the target object.

〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態に係る音響画像シミュレーション装置、方法、及びプログラムについて説明する。
上述した第1の実施形態では、サイドスキャンソーナーを対象としたが、本実施形態では、マルチビーム音響測探機を対象とした場合について説明する。
マルチビーム音響測探機は、散乱波を受信する受信機が複数設けられており、これらの受信機がアレイ状に配置されている点で上述したサイドスキャンソーナーと異なる。
[Second Embodiment]
Next, an acoustic image simulation apparatus, method, and program according to the second embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment described above, the side scan sonar is targeted. In the present embodiment, a case where the multi-beam acoustic sounder is targeted will be described.
The multi-beam acoustic sounder is provided with a plurality of receivers that receive scattered waves, and differs from the above-described side scan sonar in that these receivers are arranged in an array.

このように、受信機が複数存在する場合には、その中の一つを代表受信機として定め、該音源の位置から音響ビームを射出し、その散乱波を代表受信機にて受信する場合の散乱波の推定を行う。このとき、代表受信機の位置は、音源の位置と同じにしてもよいし、異なる位置を設定してもよい。
そして、この代表受信機における散乱波が推定されると、推定した散乱波の位相を各受信機と該代表受信機との配置位置、例えば、配置間隔等に基づいて補正することで、各受信機における散乱波を推定する。
このようにして、音源の位置を移動させたときの代表受信機における散乱波をそれぞれ推定し、更に、この推定結果を用いて他の受信機における散乱波を推定し、全ての面積要素において各受信機における散乱波の推定が終了した後に、推定結果として得られた模擬信号を信号処理して音響画像を作成する。
Thus, when there are a plurality of receivers, one of them is set as a representative receiver, an acoustic beam is emitted from the position of the sound source, and the scattered wave is received by the representative receiver. Estimate scattered waves. At this time, the position of the representative receiver may be the same as the position of the sound source, or a different position may be set.
Then, when the scattered wave in the representative receiver is estimated, the phase of the estimated scattered wave is corrected based on the arrangement position of each receiver and the representative receiver, for example, the arrangement interval, etc. Estimate scattered waves in the machine.
In this way, the scattered waves at the representative receiver when the position of the sound source is moved are estimated, and further, the scattered waves at the other receivers are estimated using this estimation result. After the estimation of the scattered wave in the receiver is completed, an acoustic image is created by performing signal processing on the simulation signal obtained as the estimation result.

上述してきたように、複数の受信機がアレイ状に配置されたマルチビーム音響測探機等を対象とする場合には、アレイ状に配置された受信機のうちのいずれか一つを代表受信機として定め、この代表受信機における模擬信号を生成し、他の受信機によって受信される信号については、該代表受信機で受信される信号の位相を補正することにより、模擬信号を生成する。このようにすることで、各受信機における散乱波をそれぞれ推定する場合に比べて、処理の負担を大幅に軽減することが可能となる。   As described above, when a multi-beam acoustic detector or the like in which a plurality of receivers are arranged in an array is targeted, any one of the receivers arranged in an array is representatively received. The simulated signal is generated in the representative receiver, and the simulated signal is generated by correcting the phase of the signal received by the representative receiver for the signal received by the other receiver. By doing in this way, compared with the case where the scattered wave in each receiver is each estimated, it becomes possible to reduce the processing burden significantly.

〔第3の実施形態〕
次に、本発明の第3の実施形態に係る音響画像シミュレーション装置、方法、及びプログラムについて説明する。
上述した第1の実施形態では、振幅、位相、波形の立ち上がり、及び波形の立下りからなる4つの要素を算出し、これらの要素を用いて該位相を持つ正弦波(または、余弦波)として散乱波を取り扱っていた。図8に第1の実施形態において推定される散乱波の一例を示す。これに対し、本実施形態においては、図9に示すように、図8に示したアナログ信号をビートダウンした低周波信号を散乱波として推定する。
[Third Embodiment]
Next, an acoustic image simulation apparatus, method, and program according to the third embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment described above, four elements consisting of amplitude, phase, waveform rising edge, and waveform falling edge are calculated, and these elements are used as a sine wave (or cosine wave) having the phase. I was dealing with scattered waves. FIG. 8 shows an example of the scattered wave estimated in the first embodiment. On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 9, a low frequency signal obtained by beat-down of the analog signal shown in FIG. 8 is estimated as a scattered wave.

実際の音響画像装置においては、アナログ信号である散乱波を直交変調ビートダウンして低周波信号に変換し、この低周波信号をサンプリングしてデジタル信号処理により音響画像を作成することが多い。
例えば、図10に示すように、周波数fの原信号X(t)に、cos(2πfct)とsin(2πfct)をそれぞれ乗算した後に、低域通過フィルタ(LPF)を通過させ、原信号周波数fと局発周波数fcとの差周波数成分を求め、この差周波信号のcos成分a(t)とsin成分b(t)をアナログ/デジタル変換器でデジタル信号に変換することで、原信号を低周波信号に変換する。このように、直交変調ビートダウンすることで、受信信号の位相情報を保持したまま受信信号を低速でサンプリングすることが可能となり、データ点数を大幅に減らすことができる。
In an actual acoustic image apparatus, a scattered wave, which is an analog signal, is converted into a low-frequency signal by quadrature modulation beat-down, and the low-frequency signal is sampled to generate an acoustic image by digital signal processing.
For example, as shown in FIG. 10, the original signal X (t) of frequency f is multiplied by cos (2πf c t) and sin (2πf c t), respectively, and then passed through a low-pass filter (LPF). By obtaining a difference frequency component between the original signal frequency f and the local frequency fc, and converting the cos component a (t) and sin component b (t) of the difference frequency signal into a digital signal by an analog / digital converter, Convert the original signal to a low frequency signal. Thus, by performing quadrature modulation beat-down, it is possible to sample the received signal at a low speed while retaining the phase information of the received signal, and the number of data points can be greatly reduced.

このように、音響画像のシミュレーション時に、模擬信号を一旦ソーナー音響信号の原信号周波数で生成してから直交変調ビートダウンするのではなく、最初から模擬信号をビートダウン後の低周波信号として生成することで、処理負荷を大幅に軽減することが可能となるとともに、シミュレーションの信号処理部を音響画像装置の信号処理器の処理内容と同一にすることができる。   In this way, when simulating an acoustic image, the simulated signal is not generated once at the original signal frequency of the sonar acoustic signal and then beat-down by quadrature modulation, but the simulated signal is generated as a low-frequency signal after the beatdown from the beginning. Thus, the processing load can be significantly reduced, and the simulation signal processing unit can be made the same as the processing content of the signal processor of the acoustic image apparatus.

具体的には、模擬信号生成部25は、上述した第1の実施形態と同様の方法により、振幅、波形の立ち上がり、波形の立下りを算出するとともに、局発周波数を原信号周波数に一致させ、位相θを以下の(8)式により得る。   Specifically, the simulation signal generation unit 25 calculates the amplitude, the rise of the waveform, and the fall of the waveform by the same method as in the first embodiment described above, and matches the local frequency to the original signal frequency. The phase θ is obtained by the following equation (8).

θ=arg[b(n)/a(n)]=2π×(2R/λ) (8)   θ = arg [b (n) / a (n)] = 2π × (2R / λ) (8)

上記(8)式において、a(n)は差周波信号のcos成分、b(n)は差周波信号のcos成分、Rは音源の位置から対象面積要素までの距離、λは音響ビームの波長である。
サンプリング周波数fsは、距離方向分解能をΔrとしたときに、fs=c/(2×Δr)とするのが好ましい。ここで、cは音速である。
In the above equation (8), a (n) is the cos component of the difference frequency signal, b (n) is the cos component of the difference frequency signal, R is the distance from the position of the sound source to the target area element, and λ is the wavelength of the acoustic beam. It is.
The sampling frequency fs is preferably fs = c / (2 × Δr) where the distance direction resolution is Δr. Here, c is the speed of sound.

なお、上記説明では、局発周波数を原信号周波数に一致させたが、必ずしも一致させる必要がない。ただし、一致させることで、サンプリング周波数を粗くすることが可能となる。   In the above description, the local oscillation frequency is matched with the original signal frequency, but it is not always necessary to match. However, the sampling frequency can be roughened by matching.

なお、上記実施形態においては、ビートダウンされた低周波信号を4つの要素を用いて直接的に算出していたが、これに代えて、上述した第1の実施形態において得られたアナログ信号の散乱波に対してビートダウン処理を実施することで、低周波信号を得、これを用いて音響画像を作成することとしてもよい。   In the above embodiment, the beat-down low-frequency signal is directly calculated using four elements, but instead of this, the analog signal obtained in the above-described first embodiment is calculated. A low frequency signal may be obtained by performing beat-down processing on the scattered wave, and an acoustic image may be created using the low frequency signal.

本発明の第1の実施形態に係る音響画像シミュレーション装置の全体構成を示したブロック図である。1 is a block diagram illustrating an overall configuration of an acoustic image simulation apparatus according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る音響画像シミュレーション装置が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。It is the functional block diagram which expand | deployed and showed the function with which the acoustic image simulation apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention is provided. シミュレーション空間に形成される海底面の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the sea bottom formed in simulation space. 単位面積当たりの後方散乱強度BS(θi)について説明するための図である。It is a figure for demonstrating backscattering intensity | strength BS ((theta) i ) per unit area. 散乱波の波形の立ち上がり立下りの算出手法について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation method of the rising / falling of the waveform of a scattered wave. 本発明の第1の実施形態に係る音響画像シミュレーション装置の作用について説明したフローチャートである。It is the flowchart explaining the effect | action of the acoustic image simulation apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図6に示した散乱波推定処理の処理手順を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the process sequence of the scattered wave estimation process shown in FIG. 本発明の第1の実施形態において推定される散乱波の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the scattered wave estimated in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態において推定される散乱波の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the scattered wave estimated in the 3rd Embodiment of this invention. ビートダウン処理を実現する回路構成の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the circuit structure which implement | achieves a beatdown process.

符号の説明Explanation of symbols

10 音響画像シミュレーション装置
21 第1記憶部
22 海底面形成部
23 条件作成部
24 模擬信号生成部
25 第2記憶部
26 信号処理部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Acoustic image simulation apparatus 21 1st memory | storage part 22 Sea bottom formation part 23 Condition preparation part 24 Simulation signal generation part 25 2nd memory | storage part 26 Signal processing part

Claims (9)

シミュレーションに必要となる複数のデータを格納する第1記憶手段と、
前記第1記憶手段に格納されているデータに基づいて、シミュレーション空間内に、複数の面積要素からなる海底面を形成する海底面形成手段と、
前記第1記憶手段に格納されている音響画像装置が搭載されるプラットフォームの航跡データ、姿勢データ、及びプラットフォームにおける音響画像装置の取り付け位置に基づいて、前記シミュレーション空間内に設定される音源、受信位置、及び音響ビームを照射させる対象面積要素を対応付けた条件テーブルを作成する条件作成手段と、
前記条件テーブルに基づいて、シミュレーション空間内に、音源及び受信位置を設定するとともに、該音源から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、該受信位置にて受信される散乱波を模擬信号として生成する模擬信号生成手段と、
該模擬信号生成手段によって生成された模擬信号を格納する第2記憶手段と、
前記第2記憶手段に記憶されている模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する信号処理手段と
を備え、
前記模擬信号生成手段は、該シミュレーション空間内に設定する音源位置及び受信位置並びに対象面積要素の位置を前記条件テーブルに基づいて更新することにより、異なる位置における散乱波を順次推定する音響画像シミュレーション装置。
First storage means for storing a plurality of data necessary for the simulation;
Based on the data stored in the first storage means, a sea bottom forming means for forming a sea bottom composed of a plurality of area elements in the simulation space;
The sound source and reception position set in the simulation space based on the wake data, attitude data of the platform on which the acoustic image device stored in the first storage means is mounted, and the mounting position of the acoustic image device on the platform And a condition creating means for creating a condition table in which target area elements to be irradiated with an acoustic beam are associated with each other;
Based on the condition table, the sound source and the reception position are set in the simulation space, and when the acoustic beam is irradiated from the sound source to the target area element, the scattered wave received at the reception position is simulated. Simulated signal generation means for generating a signal;
Second storage means for storing the simulation signal generated by the simulation signal generation means;
Signal processing means for creating an acoustic image of the sea floor using the simulation signal stored in the second storage means,
The simulation signal generation unit sequentially estimates scattered waves at different positions by updating the sound source position and reception position set in the simulation space and the position of the target area element based on the condition table. .
前記模擬信号生成手段は、前記音源と前記対象面積要素との間の距離、前記対象面積要素と該受信位置との間の距離、前記音源に対する前記対象面積要素の方位、及び海底入射角を含むパラメータを求め、これらのパラメータを用いて、前記模擬信号の振幅、位相、波形の立ち上がりタイミング、及び該波形の立下りタイミングを算出することにより、該散乱波を模擬する請求項1に記載の音響画像シミュレーション装置。   The simulation signal generating means includes a distance between the sound source and the target area element, a distance between the target area element and the reception position, an orientation of the target area element with respect to the sound source, and a seafloor incident angle. The acoustic according to claim 1, wherein the scattered wave is simulated by obtaining parameters and calculating the amplitude, phase, waveform rise timing, and waveform fall timing of the simulated signal using these parameters. Image simulation device. 前記海底面形成手段は、水深及び音響インピーダンスに基づいて、複数の前記面積要素からなる海底面を形成する請求項1または請求項2に記載の音響画像シミュレーション装置。 The acoustic image simulation apparatus according to claim 1, wherein the sea bottom surface forming unit forms a sea bottom surface including a plurality of the area elements based on a water depth and an acoustic impedance. 前記模擬信号生成手段は、正弦波または余弦波で表された模擬信号を推定する請求項1から請求項3のいずれかに記載の音響画像シミュレーション装置。   The acoustic image simulation apparatus according to claim 1, wherein the simulation signal generation unit estimates a simulation signal represented by a sine wave or a cosine wave. 前記模擬信号生成手段は、前記正弦波または余弦波で表された模擬信号を更にビートダウンした低周波信号を模擬信号として算出する請求項1から請求項3のいずれかに記載の音響画像シミュレーション装置。   The acoustic image simulation apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the simulation signal generation unit calculates a low-frequency signal obtained by further beat-downing the simulation signal represented by the sine wave or cosine wave as a simulation signal. . 前記模擬信号生成手段は、前記正弦波または余弦波で表された模擬信号をビートダウンした後の低周波信号を、前記模擬信号の振幅、位相、波形の立ち上がりタイミング、及び該波形の立下りタイミングを用いて直接的に求める請求項1から請求項3のいずれかに記載の音響画像シミュレーション装置。   The simulated signal generating means uses the simulated signal represented by the sine wave or the cosine wave to beat down the low frequency signal, the simulated signal amplitude, phase, waveform rising timing, and waveform falling timing. The acoustic image simulation apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the acoustic image simulation apparatus is obtained directly using a computer. 前記模擬信号を受信する受信機が複数存在する場合において、
前記模擬信号生成手段は、複数の受信機のうちのいずれか一つの位置を前記受信位置として設定して模擬信号を生成し、この模擬信号の位相をそれぞれの他の前記受信機の配置位置に基づいて補正することで、それぞれの前記受信機によって受信される模擬信号を推定する請求項1から請求項6のいずれかに記載の音響画像シミュレーション装置。
When there are a plurality of receivers that receive the simulated signal,
The simulation signal generating means generates a simulation signal by setting any one position of a plurality of receivers as the reception position, and sets the phase of the simulation signal to the arrangement position of each of the other receivers. The acoustic image simulation apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein a simulation signal received by each of the receivers is estimated by performing correction based on the correction.
シミュレーション空間内に、複数の面積要素からなる海底面を形成する過程と、
前記シミュレーション空間内に、音響ビームを射出する音源の位置、該音響ビームの反射波である散乱波を受信する受信機の位置を設定するとともに、該音響ビームを照射させる対象面積要素を設定し、前記音源の位置から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、該受信機の位置にて受信される散乱波を模擬信号として生成し、該音源の位置及び前記対象面積要素の少なくともいずれかを変更しながら、海底面を構成する全ての面積要素に対する模擬信号を生成する過程と、
生成した前記模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する過程と
を含む音響画像シミュレーション方法。
In the simulation space, a process of forming a sea bottom composed of a plurality of area elements,
In the simulation space, setting the position of the sound source that emits the acoustic beam, the position of the receiver that receives the scattered wave that is the reflected wave of the acoustic beam, and setting the target area element to irradiate the acoustic beam, When a target area element is irradiated with an acoustic beam from the position of the sound source, a scattered wave received at the position of the receiver is generated as a simulation signal, and at least one of the position of the sound source and the target area element The process of generating simulated signals for all area elements constituting the sea floor while changing
And a process of creating an acoustic image of the sea floor using the generated simulation signal.
シミュレーション空間内に、複数の面積要素からなる海底面を形成する処理と、
前記シミュレーション空間内に、音響ビームを射出する音源の位置、該音響ビームの反射波である散乱波を受信する受信機の位置を設定するとともに、該音響ビームを照射させる対象面積要素を設定し、前記音源の位置から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、該受信機の位置にて受信される散乱波を模擬信号として生成し、該音源の位置及び前記対象面積要素の少なくともいずれかを変更しながら、海底面を構成する全ての面積要素に対する模擬信号を生成する処理と、
生成した前記模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する処理と
をコンピュータに実行させるための音響画像シミュレーションプログラム。
In the simulation space, a process of forming a sea bottom composed of a plurality of area elements;
In the simulation space, setting the position of the sound source that emits the acoustic beam, the position of the receiver that receives the scattered wave that is the reflected wave of the acoustic beam, and setting the target area element to irradiate the acoustic beam, When a target area element is irradiated with an acoustic beam from the position of the sound source, a scattered wave received at the position of the receiver is generated as a simulation signal, and at least one of the position of the sound source and the target area element Processing to generate simulated signals for all area elements constituting the sea floor,
An acoustic image simulation program for causing a computer to execute a process of creating an acoustic image of the sea floor using the generated simulation signal.
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