JP5919869B2 - Sound source position estimation device - Google Patents
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Description
この発明は音源位置推定装置に関し、特に水中の音源から放射されたパルス状の音波の直接波とマルチパス波を受信し、これらの到来時間差から音源の位置を推定する装置に関する。 The present invention relates to a sound source position estimation device, and more particularly to a device that receives a direct wave and a multipath wave of a pulsed sound wave radiated from a sound source in water and estimates the position of the sound source from the arrival time difference therebetween.
水中の音波伝搬では、音源から直接受波器に到来する音波(直接波)の他に、海面や海底で反射して到来するマルチパス波があり、そのようなマルチパス波は、直接波と異なる時刻に到来する。水中において音源からのパルス状の音波(パルス波)を受信して音源の位置を推定する技術として、下記の特許文献1に示されるものがある。
In underwater sound wave propagation, in addition to the sound waves (direct waves) that arrive directly at the receiver from the sound source, there are multipath waves that arrive after being reflected at the sea surface or the sea floor. Arrives at different times. As a technique for estimating the position of a sound source by receiving a pulsed sound wave (pulse wave) from a sound source in water, there is one disclosed in
特許文献1に示される従来の音源位置推定装置においては、音響センサー(受波器)で受信した音波(到来波)を表す信号に基づき直接波とマルチパス波の到来時間差を検出し、検出した到来時間差観測値として出力する。一方、水中の音速プロファイルに基づき、複数の仮想音源の各々からの音波の音線計算を行うことにより音波の到来時間を推定し、推定結果を到来時間差テーブル値(理論値)として、記憶しておく。そして、到来時間差の観測値とテーブル値より、それらの不一致度を反映したコスト関数の値を算出し、該コスト関数が最小となる仮想音源位置を、推定対象(目標)の音源位置と推定する。
In the conventional sound source position estimation device disclosed in
上記の従来の装置を用いた場合、音源と受波器を結ぶ線上のコスト関数の値が、音源の位置の前後のかなり広い範囲にわたり小さな値となるため、音源位置を正確に推定することが困難であるという問題があった。即ち、到来時間差は観測誤差を含むため、コスト関数の値が小さい場所で大きく推定位置がずれる可能性が大きく、このため観測誤差が比較的大きいという問題があった。 When the above-described conventional apparatus is used, the value of the cost function on the line connecting the sound source and the receiver becomes a small value over a considerably wide range before and after the position of the sound source, so that the sound source position can be accurately estimated. There was a problem that it was difficult. That is, since the arrival time difference includes an observation error, there is a high possibility that the estimated position is greatly shifted at a place where the value of the cost function is small. Therefore, there is a problem that the observation error is relatively large.
そこで、到来時間差観測値に誤差がある場合にも、音源位置の推定誤差を小さくするため、到来ふ仰角が上向きのマルチパス波と到来ふ仰角が下向きのマルチパス波について別個に到来時間差のテーブル値を記憶しておき、受信したマルチパス波の各々について到来ふ仰角が上向きか下向きかの判定を行い、観測された到来時間差とテーブル値との不一致度を上向きのふ仰角を有するマルチパス波と下向きのふ仰角を有するマルチパス波の各々について別個に算出して、その和をコスト関数として、音源位置の推定を行うことが提案されている(特許文献2)。 Therefore, even if there is an error in the arrival time difference observation value, in order to reduce the estimation error of the sound source position, the arrival time difference table is separately provided for the multipath wave whose arrival elevation angle is upward and the multipath wave whose arrival elevation angle is downward. Value is memorized, it is judged whether the incoming elevation angle is upward or downward for each received multipath wave, and the discrepancy between the observed arrival time difference and the table value is determined as a multipath wave having an upward elevation angle. And a multipath wave having a downward elevation angle are separately calculated, and the sound source position is estimated using the sum as a cost function (Patent Document 2).
なお、非特許文献1については後に言及する。
Non-patent
しかしながら、特許文献2の方法でも、音源位置の推定を正確に行うことができない場合があった。その要因としては、以下の2つのことが挙げられる。
一つは、到来時間差の観測値とテーブルとの対応関係の誤りである。これは、特許文献2の方法を用いることで、特許文献1の方法よりも減少させることができるが、十分とはいえない。他の一つは、到来波についての、誤検出や検出漏れによる推定結果の誤りである。
However, even with the method disclosed in
One is an error in the correspondence between the observation value of the arrival time difference and the table. This can be reduced by using the method of
本発明の目的は、到来波の誤検出や検出漏れがあっても、音源位置の正確な推定を可能にすることにある。 An object of the present invention is to enable accurate estimation of a sound source position even if there is an erroneous detection or omission of an incoming wave.
本発明の音源推定装置は、
複数の受波器から成る受波器群で受信した到来波に基づいて音源の位置を推定する音源推定装置において、
一連の到来波列における到来波間の到来時間差の検出値又は該到来時間差の複数回の測定結果の平均値と、各到来波の到来ふ仰角の検出値又は該到来ふ仰角の複数回の測定結果の平均値を求めるとともに、前記各到来波の到来時間差の標準偏差及び前記各到来波の到来ふ仰角の標準偏差を出力する到来波解析部と、
前記一連の到来波列における到来波の到来順序とは逆の順序で、かつ相前後するパルス波間の時間差を前記到来波の到来時間差又はその平均値と同じにしたパルス波列を構成する複数のパルス波を、それぞれ対応する到来波の到来ふ仰角又はその平均値と同じ送出ふ仰角で、前記受波器群から順次送出した場合の各パルス波の伝搬経路を音線計算により推定し、各時刻に上記推定した伝搬経路上及びその周囲の各位置に、前記各パルス波が存在する尤度を推定する逆伝搬推定部と、
前記パルス波列の先頭のパルス波の送出後の各時刻において、前記パルス波列のそれぞれのパルス波が前記各位置に存在する尤度の、すべてのパルス波についての合計を求める統合尤度計算部と、
前記逆伝搬推定部で、前記複数のパルス波について、それぞれ推定された各時刻の尤度の分布間の距離を求めて、該距離が最小となる時刻を収束時刻と推定する収束時刻判定部と、
前記収束時刻判定部で推定された収束時刻において、前記統合尤度計算部で算出された前記尤度の合計が最大となる位置を音源位置と推定する収束位置判定部と
を有することを特徴とする。
The sound source estimation apparatus of the present invention is
In a sound source estimation device that estimates the position of a sound source based on an incoming wave received by a receiver group composed of a plurality of receivers ,
Detection value of arrival time difference between arrival waves in a series of arrival wave trains or average value of a plurality of measurement results of the arrival time difference, detection value of arrival elevation angle of each arrival wave, or measurement results of the arrival elevation angle multiple times An arrival wave analysis unit that outputs the standard deviation of the arrival time difference of each arrival wave and the standard deviation of the arrival elevation angle of each arrival wave;
A plurality of pulse wave trains that are in an order opposite to the arrival order of the incoming waves in the series of incoming wave trains, and in which the time difference between successive pulse waves is the same as the arrival time difference of the incoming waves or the average value thereof. Estimate the propagation path of each pulse wave by sound ray calculation when the pulse wave is sequentially transmitted from the receiver group at the same elevation angle as the arrival angle of the corresponding incoming wave or the average value thereof, A back propagation estimator for estimating the likelihood that each pulse wave exists at each position on and around the estimated propagation path at time;
Integrated likelihood calculation for obtaining the sum of all the pulse waves of the likelihood that each pulse wave of the pulse wave train exists at each position at each time after the transmission of the first pulse wave of the pulse wave train And
A convergence time determination unit that obtains a distance between likelihood distributions at the respective times estimated for the plurality of pulse waves in the back propagation estimation unit, and estimates a time at which the distance is minimum as a convergence time; ,
A convergence position determining unit configured to estimate, as a sound source position, a position at which the sum of the likelihoods calculated by the integrated likelihood calculating unit is maximum at the convergence time estimated by the convergence time determining unit. To do.
本発明によれば、誤検出や検出漏れを考慮に入れた尤度分布に基づいて音源位置の推定を行っているので、伝搬経路到来波の誤検出や検出漏れがあっても誤差を大きくすることなく音源位置を正確に推定することができる。 According to the present invention, since the sound source position is estimated based on the likelihood distribution taking into account erroneous detection and detection omission, the error is increased even if there is an erroneous detection or detection omission of the propagation path arrival wave. The sound source position can be accurately estimated without any problem.
実施の形態1.
本発明の実施の形態1の音源位置推定装置を図1に示す。図示の音源位置推定装置は、音源から放射されたパルス状音波(パルス波)の直接波とマルチパス波を受信し、それらの到来時間差に基づいて音源の位置を推定するものであり、音源の推定位置は深度及び受波器からの水平方向距離で表される。なお、音源の位置する方角を示す情報は別途得られるものとする。
FIG. 1 shows a sound source position estimation apparatus according to
図示の音源位置推定装置は、第1及び第2の受波器201a、201bと、第1及び第2の到来時刻決定部202a及び202bと、到来波解析部203と、逆伝搬推定部205と、統合尤度計算部206と、収束時刻判定部207と、収束位置判定部208と、データベース209とを有する。
The illustrated sound source position estimation apparatus includes first and
データベース209には、音速プロファイル209a、海底地形209b、受波器位置209cを示す情報が保存されている。
音速プロファイル209aを示す情報としては、「現場で実測した音速」、又は「温度分布、塩分濃度から経験式により算出した音速プロファイル」を用いることが望ましい。これらが得られない場合は、一般に市販されているデータベースの値を用いるか、又は音速は一定の値として処理する(例えば通常良く用いられている1500m/s一定値を用いる)ことができる。
The
As the information indicating the sound velocity profile 209a, it is desirable to use “the sound velocity actually measured in the field” or “the sound velocity profile calculated from the temperature distribution and the salinity concentration by an empirical formula”. When these cannot be obtained, the value of a commercially available database can be used, or the sound speed can be processed as a constant value (for example, a constant value of 1500 m / s which is usually used) is used.
海底地形209bを示す情報としては、実測値もしくは一般に市販されているデータベースの値などを用いる。
受波器位置209cを示す情報としては、受波器201a、201bが設定されている深度、及び水平方向の位置を示す情報が入力される。
As the information indicating the seabed topography 209b, an actual measurement value or a value of a database that is generally available on the market is used.
As information indicating the receiver position 209c, information indicating the depth at which the
音源WSからの伝搬経路は例えば図2に示すように想定される。図2には、簡単のため、5つの伝搬経路WP1〜WP5のみが示されている。伝搬経路(音線:音のエネルギーの流れ)が直線的でないのは、水温、塩分濃度などの不均一性のため、音速が一定ではないことによる。
一度も反射をせずに受波点WRに達した波は直接波と呼ばれ、海面や海底で1回以上反射して受波器に達した波はマルチパス波と呼ばれる。
The propagation path from the sound source WS is assumed as shown in FIG. In FIG. 2, only five propagation paths WP1 to WP5 are shown for simplicity. The reason why the propagation path (sound ray: flow of sound energy) is not linear is that the speed of sound is not constant due to non-uniformity such as water temperature and salinity.
A wave that reaches the receiving point WR without being reflected once is called a direct wave, and a wave that has reflected at the sea surface or the bottom of the sea once and reached the receiver is called a multipath wave.
音源と受波器群との間に他の音源がない状態であると、音波伝搬は自由空間の波動方程式で表される。自由空間の波動方程式の解はGreen関数で表される。Green関数の一つの大きな特徴として、相反性がある。本発明に関する特性としては、相反性が成り立つため、音源から出て受波器群に到達した直接波及びマルチパス波の順序を逆にして(時間反転して)受波器群から逆方向に伝搬させると、受波器群から出た音波は音源位置に収束する。 When there is no other sound source between the sound source and the receiver group, the sound wave propagation is expressed by a wave equation in free space. The solution of the wave equation in free space is represented by the Green function. One major feature of the Green function is reciprocity. As a characteristic related to the present invention, since reciprocity is established, the order of the direct wave and the multipath wave that have come out of the sound source and reached the receiver group is reversed (reversed in time) in the reverse direction from the receiver group. When propagating, the sound waves emitted from the receiver group converge at the sound source position.
これは、波動方程式を近似した音線計算でも成り立ち、受信時の到来時間、到来角を観測し、到来波の順序を逆にして、到来角と同じ角度(同じふ仰角および方角)で逆向きに受波器群から音源方向にパルス波を送出したと仮定して、送出された各パルス波の各時点における到達位置を音線計算により推定すると、各パルス波の到達位置は時間とともに変化するが、すべてのパルス波が同時に音源位置に到達する(収束)するはずである。本発明では、この性質を利用して、音源位置を推定する。 This is also true for the sound ray calculation that approximates the wave equation, observing the arrival time and arrival angle at the time of reception, reversing the order of the arrival waves, and reversing at the same angle (the same elevation angle and direction) as the arrival angle Assuming that pulse waves were sent from the receiver group in the direction of the sound source, the arrival position of each transmitted pulse wave at each time point is estimated by sound ray calculation. The arrival position of each pulse wave changes with time. However, all pulse waves should reach (converge) the sound source position at the same time. In the present invention, the sound source position is estimated using this property.
第1の受波器201a及び第2の受波器201bは、到来波を受信するためのものであり、到来波のふ仰角を求めるため、同じ鉛直線上の異なる位置に設けられている。受波器201a及び201bにより受波器群201が構成されている。
The
第1及び第2の受波器201a及び201bは、例えば、図3に示すように、間隔DWRを開けて配置されている。間隔DWRは受信位置において想定される音速の最大値と受波器201a、201bで測定可能な最小時間差の積以上の値に設定される。
第1及び第2の受波器201a及び201bはそれぞれ上側及び下側に配置されるので、「上側の受波器」、「下側の受波器」と呼ばれることもある。
For example, as shown in FIG. 3, the first and
Since the first and
上側及び下側の受波器201a及び201bの出力は、それぞれ第1及び第2の到来時刻決定部202a及び202bに入力される。
The outputs of the upper and
第1及び第2の受波器201a及び201bは、それらで受信される音波をサンプリングすることで得られるサンプル値を表すデータを出力するが、音波をサンプリングすることで得られるサンプル値の絶対値を時間軸上に並べたものの包絡線は、例えば、図4に示す如くとなる。なお、サンプル値の絶対値の代りにサンプル値の自乗値の包絡線を用いる場合もある。
The first and
第1及び第2の到来時刻決定部202a及び202bでは、それぞれ上側及び下側の受波器201a及び201bからのデータの列に基づき到来波の受信時刻(到来時刻)を判断する。到来時刻の判断には、従来と同様に、レプリカ相関による方法、立ち上がり検出による方法などを用いることができる。これらの方法は、例えば上記特許文献1において到来時間差測定部の動作の一部として説明されている。
The first and second arrival
図5(a)及び(b)に、第1及び第2の到来時刻決定部202a及び202bで決定乃至検出された上側の受波器201a及び下側の受波器201bにおけるパルス波の到来時刻(検出タイミング)を示す。図5(a)は、上側の受波器201aにおける検出タイミングを、早い順にTA1、TA2、…で示し、図5(b)は、下側の受波器201bにおける検出タイミングを、早い順にTB1、TB2、…で示す。
5A and 5B, the arrival times of the pulse waves at the
なお、到来波の到来時間差と到来ふ仰角を観測する方法は、所望の情報が観測できる方法であれば何れの方法も適用可能で、2つの受波器間での受信タイミングに関する情報を用いる他に、受波器アレイを構成して整相処理を行い、その結果から所望の情報を得ることも可能である。 Note that any method can be applied to the method of observing the arrival time difference and the arrival angle of the incoming wave as long as the desired information can be observed. In addition to using the information related to the reception timing between the two receivers. In addition, it is possible to configure a receiver array and perform phasing processing, and obtain desired information from the result.
第1及び第2の到来時刻決定部202a及び202bの出力は、到来波解析部203に入力される。
The outputs of the first and second arrival
到来波解析部203は、到来時刻決定部202a及び202bの出力を受け、一連のパルス波を構成する複数のパルス波(直接波及びマルチパス波)の各々についての到来時間差及び到来ふ仰角を算出する。到来時間差は、一連のパルス波のうちの先頭のパルス波の受信(到来)から、各パルス波の各々の受信(到来)までの時間差を意味する。先頭のパルス波については、到来時間差はゼロであるとして扱えば、以降の処理を一律に行うことができる。到来時間差及び到来ふ仰角の算出に当たり、以下のような処理をする。
The arrival
まず、上側の受波器201aと下側の受波器201bとでは同じパルス波の受信時刻が異なるが、この受信時刻の差異、並びに受波器201a、201b間の間隔、及び受波器群の配置されている位置における音速に基づいてふ仰角を算出する。また、到来時間差の算出に当たっては、2つの受波器201a及び201bにおける受信時刻の中間値を受波器群201における受信時刻とする。
First, although the reception time of the same pulse wave is different between the
一連のパルス波のみに基づいて(一連のパルス波の先頭のパルス波と後続のパルス波の受信に基づいて)、到来時間差や到来ふ仰角を求めることもできるが、そのようにした場合には、到来波の検出漏れ、到来波の誤検出による測定誤差があり得る。そこで、本実施の形態では、一連のパルス波の受信を複数回繰り返した結果に基づいて到来時間差の平均値を取り、平均値を「到来時間差」として用いる。到来ふ仰角についても同様に、複数回の受信結果の平均値を用いる。
これとともに、複数回の測定結果に基づき、各到来波について観測された到来時間差のばらつきの程度を表す指標としての到来時間差の標準偏差iσtと、各到来波について観測された到来ふ仰角のばらつきの程度を表す指標として到来ふ仰角の標準偏差iσθを求める。
Based on only a series of pulse waves (based on reception of the first pulse wave and the subsequent pulse wave of a series of pulse waves), the arrival time difference and the arrival angle can be obtained. There may be measurement errors due to missed detection of incoming waves and erroneous detection of incoming waves. Therefore, in the present embodiment, an average value of arrival time differences is taken based on a result of repeating a series of reception of pulse waves a plurality of times, and the average value is used as an “arrival time difference”. Similarly, the average value of the reception results of a plurality of times is used for the arrival angle.
At the same time, based on the measurement results of a plurality of times, the standard deviation i σ t of the arrival time difference as an index indicating the degree of variation in the arrival time difference observed for each arrival wave, and the arrival elevation angle observed for each arrival wave A standard deviation i σ θ of the arrival angle is obtained as an index representing the degree of variation.
なお、複数回の測定結果を行う間に音源又は受波器群の位置が変化する可能性があるが、その変化は十分に小さいものとする。逆に言えば、複数回の測定を、音源や受波器群の位置の変化に対して十分に短い時間で行うものとする。 It should be noted that the position of the sound source or the receiver group may change during the measurement results of a plurality of times, but the change is sufficiently small. In other words, a plurality of measurements are performed in a sufficiently short time with respect to changes in the positions of the sound source and the receiver group.
到来波解析部203で求められた一連の到来波についての到来時間差(平均値)及び到来ふ仰角(平均値)を示す情報は、逆伝搬推定部205に供給される。
Information indicating the arrival time difference (average value) and the arrival elevation angle (average value) for the series of arrival waves obtained by the arrival
逆伝搬推定部205は、到来波解析部203で求められた一連の到来波列における到来波の到来順序とは逆の順序で、かつ相前後するパルス波間の時間差を、到来波の到来時間差(平均値)と同じにしたパルス波列を構成する複数のパルス波を、それぞれ対応する到来波の到来ふ仰角(平均値)と同じ送出ふ仰角で、受波器群201から順次送出した場合の各パルス波の伝搬経路を音線計算により推定し、各時刻に、推定した伝搬経路上及びその周囲の各位置に、各パルス波が存在する尤度を推定する。具体的には、推定された伝搬経路上の位置を尤度の中心とし、標準偏差iσt、iσθに基づいて、尤度の中心及びその周囲の各位置に、各パルス波が存在する尤度を求め、各位置と尤度との関係を尤度分布として出力する。この場合、尤度の分布が正規分布であると仮定する。
The back-
上記の伝搬経路の推定に当たっては、データベース209に記憶されている音速プロファイル209a、海底地形209b、及び受波器位置209cを示す情報をも利用する。
In estimating the propagation path, information indicating the sound velocity profile 209a, the seafloor topography 209b, and the receiver position 209c stored in the
逆伝搬推定部205は、例えば、図6に示すように、順序反転部51と、第1乃至第Nの伝搬計算部52−1〜52−Nと、第1乃至第Nの尤度計算部53−1〜53−Nと、第1乃至第Nの分散共分散計算部54−1〜54−Nとを有する。
For example, as illustrated in FIG. 6, the back
順序反転部51は、到来波解析部203から逆伝搬推定部205に入力された到来時間差及び到来ふ仰角についての情報に基づいて、一連のパルス波(到来波)の順序を逆にしたパルス波列を表す情報を生成する。
即ち、到来波解析部203から供給された情報が、第1、第2、…第Nのパルス波を順に受信した場合、順序を逆転し、第N、第N−1、…第1のパルス波の順に並べ替えたパルス波列を表す情報を生成する。この場合第i(iは1〜N−1のいずれか)のパルス波と、第i+1のパルス波の間隔は、受信した到来波列における間隔と同じにする。後述のように、これらのパルス波についての情報は、該パルス波を仮想的に送出した場合の伝搬経路の推定に利用されるものである。
The
That is, when the information supplied from the incoming
具体的には、到来波列の第iの到来波(i番目に到来したパルス波)についての到来時間差(先頭の到来波の受信時刻と第iの到来波の受信時刻の差)をFiとし、第N(最後)の到来波についての到来時間差をFNとすると、当該第iの到来波に対応する第iのパルス波の時間差(先頭のパルス波との時間差)Giは、
Gi=FN−Fi …(1)
とする。この時間差Giは、後述伝搬経路計算のための仮想的送出のタイミングを決めるために利用されるものであり、送出時間差と呼ぶ。
このような処理をする結果、到来波列における第iの到来波に対応する、パルス波列における第iのパルス波は、パルス波列において、後ろから数えたときにi番目に位置するものとなる。
Specifically, the arrival time difference (the difference between the reception time of the first arrival wave and the reception time of the i-th arrival wave) for the i-th arrival wave (i-th arrival pulse wave) of the arrival wave train is defined as Fi. If the arrival time difference for the Nth (last) arrival wave is FN, the time difference (time difference from the first pulse wave) Gi of the i-th pulse wave corresponding to the i-th arrival wave is
Gi = FN-Fi (1)
And This time difference Gi is used to determine the timing of virtual transmission for calculating a propagation path, which will be described later, and is called a transmission time difference.
As a result of such processing, the i-th pulse wave in the pulse wave train corresponding to the i-th incoming wave in the incoming wave train is positioned i-th when counted from the back in the pulse wave train. Become.
例えば、到来波列を構成する到来波の数が5であり、図7(a)に示されるように、到来波FW1〜FW5が図示のタイミングで受信された場合、順序を逆にし、隣り合うパルス波間の時間間隔は元のままとして、図7(b)に示すようなパルス波GW5〜GW1から成るパルス波列を示す情報を生成する。
式(1)より、
G5=F5−F5=0
G4=F5−F4
G3=F5−F3
G2=F5−F2
G1=F5−F1=F5
の関係がある。
For example, when the number of arriving waves constituting the arriving wave train is 5, and the arriving waves FW1 to FW5 are received at the timing shown in FIG. 7A, the order is reversed and adjacent to each other. Information indicating a pulse wave train composed of the pulse waves GW5 to GW1 as shown in FIG. 7B is generated with the original time interval between the pulse waves.
From equation (1),
G5 = F5-F5 = 0
G4 = F5-F4
G3 = F5-F3
G2 = F5-F2
G1 = F5-F1 = F5
There is a relationship.
順序反転部51では上記のようなパルス波列を構成するパルス波の送出時間差についての情報を生成するとともに、各パルス波のふ仰角を表す情報を合わせて生成する。この場合、各到来波列の各到来波についての到来ふ仰角をそのままパルス波列の対応するパルス波についての送出ふ仰角として生成する。
The
順序反転部51の出力(パルス波列の各パルス波について送出時間差及び送出ふ仰角についての情報)は、それぞれ第1乃至第Nの伝搬計算部52−1乃至52−Nに供給される。即ち、第iのパルス波についての情報は、第iの伝搬計算部52−iに供給される。 The output of the order inversion unit 51 (information on the transmission time difference and the transmission elevation angle for each pulse wave of the pulse wave train) is supplied to the first to Nth propagation calculation units 52-1 to 52-N, respectively. That is, information about the i-th pulse wave is supplied to the i-th propagation calculation unit 52-i.
第1乃至第Nの伝搬計算部52−1〜52−Nは、それぞれ順序反転部51で生成された第1乃至第Nのパルス波についての情報と、データベース209に記憶されている音速プロファイル209a、海底地形209b、及び受波器位置209cを示す情報を入力として、それぞれ第1乃至第Nのパルス波について、それぞれ送出時間差で決められる仮想的送出のタイミングで送出した場合の、それぞれのパルス波の伝搬経路の計算を行う。
The first to Nth propagation calculation units 52-1 to 52-N respectively include information on the first to Nth pulse waves generated by the
第1乃至第Nの伝搬計算部52−1〜52−Nの各々、即ち、第iの伝搬計算部52−i(iは1乃至Nのいずれか)は、順序反転部51から供給された第iのパルス波についての到来時間差及び到来ふ仰角についての情報と、該第iのパルス波(パルス状音波)を、当該パルス波についての送出時間差Giに対応するタイミングで、当該パルス波についての送出ふ仰角で音源の方角に(到来波と同じ方角に)仮想的に送出(発射)した場合の、該パルス波の伝搬経路(音線)を推定し、各時刻(最初に送出したパルス波の送出後の経過時間)における当該パルス波の到達位置を推定する。なお、上記の「最初に送出したパルス波の送出後の経過時間」を単に逆伝搬時間ということもある。
「送出時間差Giに対応するタイミング」は、第1乃至第Nの伝搬計算部52−1〜52−N間で互いに関係付けられる。即ち、第iの伝搬計算部52−iにおいては第iのパルス波について設定される送出のタイミングは、第Nの伝搬計算部52−Nで第Nのパルス波について設定される送出のタイミングよりも時間差Giだけ後である。
Each of the first to N-th propagation calculation units 52-1 to 52-N, that is, the i-th propagation calculation unit 52-i (i is any one of 1 to N) is supplied from the
The “timing corresponding to the transmission time difference Gi” is related to the first to Nth propagation calculation units 52-1 to 52-N. That is, the transmission timing set for the i-th pulse wave in the i-th propagation calculation unit 52-i is based on the transmission timing set for the N-th pulse wave in the N-th propagation calculation unit 52-N. Is also after the time difference Gi.
伝搬経路の推定(音線計算)の方法としては、例えば、上記の非特許文献1に記載された方法を用いることができる。具体的には、深度をz、受波器群201から音源に向かう方向をrで表し、次の式(2a)〜(2d)を用いて計算を行う。
式(2a)乃至(2d)において、Cは音速である。
ζ、ξは、送出ふ仰角θに基づいて
ζ=sinθ/C(0)
ξ=cosθ/C(0)
により求められる。ここで、C(0)は、受波器群の位置における音速である。
sは媒介変数で伝搬経路に沿う伝搬経路の長さを表す。
In the expressions (2a) to (2d), C is the speed of sound.
ζ and ξ are based on the sending elevation angle θ ζ = sin θ / C (0)
ξ = cos θ / C (0)
Is required. Here, C (0) is the speed of sound at the position of the receiver group.
s is a parameter and represents the length of the propagation path along the propagation path.
伝搬経路上の各位置に各パルス波が到達する時間は、次の式(3)により計算する。
式(3)の積分項は、伝搬経路に沿う伝搬時間を表す。すなわち、この積分項は、媒介変数sについての積分であるので、伝搬経路に沿った形で音速の逆数を積分する形で求められる。また、式(2a)〜(2d)からは音波伝搬の開始点(パルス波が送出された受波器群)からの経路長(伝搬経路に沿う長さ)も求めることができる。 The integral term in equation (3) represents the propagation time along the propagation path. That is, since this integral term is an integral with respect to the parameter s, it is obtained by integrating the reciprocal of the sound velocity along the propagation path. Further, from the equations (2a) to (2d), the path length (the length along the propagation path) from the start point of the sound wave propagation (the receiver group to which the pulse wave is transmitted) can be obtained.
第iの伝搬計算部52−iは、上記の式のr、zの代わりに、対応する第iのパルス波についての伝搬経路上の位置を表すrih、zihを用いて、適切な時間毎の、即ち、先頭パルス波(第Nのパルス波)送出後の所定の時間が経過する毎の、各パルス波の到達位置(rih(t),zih(t))、及び受波器群201からの経路長si(t)を数値計算で求めて、対応する第iの尤度計算部53−i及び第iの分散共分散計算部54−iに出力する。
The i-th propagation calculation unit 52-i uses r ih and z ih representing the position on the propagation path for the corresponding i-th pulse wave in place of r and z in the above formula, for an appropriate time. The arrival position of each pulse wave (r ih (t), z ih (t)) and the received wave at every time, that is, every time a predetermined time elapses after the head pulse wave (Nth pulse wave) is transmitted. The path length s i (t) from the
一方、到来波解析部203からは、受波器群201で観測した第iのパルス波についての到来時間差の標準偏差iσt及び到来ふ仰角の標準偏差iσθを示す情報が尤度計算部53−i及び第iの分散共分散計算部54−iに供給される。
On the other hand, from the incoming
上記のように、第iの伝搬計算部52−iでは、第iのパルス波について、対応する第iの到来波の到来時間差(平均値)及び到来ふ仰角(平均値)に基づいて各時刻における到達位置(尤度の中心)が算出されるが、到来波解析部203での解析の結果には、パルス波の誤検出、検出漏れによるものがあり、受波器群201で受信される到来波の到来時間差及び到来ふ仰角にはバラツキがあり、これらを考慮に入れると、各時刻における到達位置は、伝搬計算部52−iで推定された伝搬経路上の位置のみならず、その周囲の位置に存在する可能性もある。そこで、各時刻に各パルス波が存在する(到達している)尤度は、上記の推定された伝搬経路上の位置を中心としてその周囲にも分布しているとみなして、これらの位置にパルス波が存在する尤度の分布を求める。
As described above, in the i-th propagation calculation unit 52-i, each time of the i-th pulse wave is determined based on the arrival time difference (average value) and the arrival elevation angle (average value) of the corresponding i-th arrival wave. The arrival position (the center of likelihood) is calculated by the incoming
具体的には、到来波解析部203で求めた到来時間差の標準偏差iσt及び到来ふ仰角の標準偏差iσθを用いて、到達位置の尤度を算出する。そのようにして得られる尤度は、対応する第iの到来波の到来時間差(平均値)及び到来ふ仰角(平均値)に基づいて音線計算により求めた各時刻における到達位置(尤度の中心)を中心とする分布である。以下では、該分布が上記のように、正規分布であるとして説明する。
Specifically, the likelihood of the arrival position is calculated using the standard deviation i σ t of the arrival time difference and the standard deviation i σ θ of the arrival angle obtained by the arrival
時刻t(先頭パルス波の送出時刻からの経過時間)に第iのパルス波の到達位置が、位置(ri(t),zi(t))である尤度は次の式(4)で定義される。
Li(t)=pi(ri(t),zi(t)|Pathi)p(Pathi) (4)
The likelihood that the arrival position of the i-th pulse wave at the time t (elapsed time from the transmission time of the first pulse wave) is the position (r i (t), z i (t)) is expressed by the following equation (4). Defined by
L i (t) = p i (r i (t), z i (t) | Path i) p (Path i) (4)
ここで、p(Pathi)は、第iのパルス波に対応する第iの到来波が生じる(第iの到来波が受波器群に到達する)事前確率である。
通常は、受波器群側から音源の指向性などの情報は得られないと考えられるので、ラプラスの不十分理由の原理により各到来波についての事前確率は等しいとすべきである。
Here, p (Path i ) is a prior probability that the i-th arrival wave corresponding to the i-th pulse wave is generated (the i-th arrival wave reaches the receiver group).
Normally, it is considered that information such as the directivity of the sound source cannot be obtained from the receiver group side, and therefore the prior probabilities for each incoming wave should be equal based on the principle of Laplace's insufficient reason.
また、条件付き確率は、具体的に確率密度関数が明確となる情報が得られれば、それに従って構成すべきである。
上記の確率密度関数が明確になる情報がない場合は、図8に示すように音線経路方向をs、音線経路に垂直な方向をηとして、到来時間差(平均値)及び到来ふ仰角(平均値)に対応する送出時間差及び送出ふ仰角を用いて音線計算により求めた位置(rih(t),zih(t))を原点とする局所座標(ui(t),vi(t))で表される位置(位置(ri(t),zi(t)で表される位置)が第iの送出波の到達位置である尤度は下記の式(5)で表される。尤度計算部53−iでは下記の式による演算を行うことで尤度Li(t)を求める。
In addition, the conditional probability should be configured in accordance with the information that makes the probability density function clear.
When there is no information for clarifying the probability density function, the arrival time difference (average value) and the arrival elevation angle (with s as the ray path direction and η as the direction perpendicular to the ray path as shown in FIG. Local coordinates (u i (t), v i ) having the origin (r ih (t), z ih (t)) obtained by sound ray calculation using the transmission time difference and the elevation angle corresponding to the average value) as the origin The likelihood that the position represented by (t)) (position (position represented by r i (t), z i (t)) is the arrival position of the i-th transmitted wave is expressed by the following equation (5). The likelihood calculation unit 53-i calculates the likelihood L i (t) by performing an operation according to the following equation.
式(5)において、
si(t)は、上記の位置(rih(t),zih(t))までの伝搬経路の長さである。
iσtは第iのパルス波についての到来時間差標準偏差、iσθは第iのパルス波についての到来ふ仰角標準偏差(ラジアンで表したもの)である。
また、式(5)の導出に当たっては、これ以降の処理において、尤度の絶対値ではなく、相対的な大きさを問題とするので、式(4)のp(Pathi)=1として処理している。
In equation (5),
s i (t) is the length of the propagation path to the above position (r ih (t), z ih (t)).
i σ t is the arrival time difference standard deviation for the i- th pulse wave, and i σ θ is the arrival elevation standard deviation (expressed in radians) for the i-th pulse wave.
Further, in the derivation of the equation (5), since the relative size, not the absolute value of the likelihood, is a problem in the subsequent processing, the processing is performed with p (Path i ) = 1 in the equation (4). doing.
式(5)で表される尤度分布を図9に概念的に示す。
図9では、2つパルス波(第1の到来波、第2の到来波に対応する送出パルス波)が、時刻(先頭のパルス波の送出からの経過時間)tに、各々各位置に到達する尤度を等高線で示している。即ち、第1の到来波に対応する送出パルス波の、時刻tにおける到達位置が各位置(r,z)である尤度p1(r1(t),z1(t)|Path1)と、第2の到来波に対応する送出パルス波の、時刻tにおける到達位置が各位置(r,z)である尤度p2(r2(t),z2(t)|Path2)とが示されている。
The likelihood distribution represented by the equation (5) is conceptually shown in FIG.
In FIG. 9, two pulse waves (the first arrival wave and the transmission pulse wave corresponding to the second arrival wave) reach each position at time t (elapsed time from the transmission of the first pulse wave) t. Likelihood to do is shown by the contour line. That is, the likelihood p 1 (r 1 (t), z 1 (t) | Path 1 ) that the arrival position at the time t of the transmitted pulse wave corresponding to the first incoming wave is each position (r, z). And the likelihood p 2 (r 2 (t), z 2 (t) | Path 2 ) that the arrival position of the transmitted pulse wave corresponding to the second incoming wave is each position (r, z) at time t. Is shown.
上記のように、到来時間差の平均値及び到来ふ仰角の平均値に基づいて求めた位置(尤度の中心)に対して標準偏差に対応する値だけずれた位置が鎖線で示されている。鎖線で示すように、標準偏差に対応する位置は、楕円状である。 As described above, a position shifted by a value corresponding to the standard deviation with respect to a position (center of likelihood) obtained based on the average value of the arrival time difference and the average value of the arrival angle is indicated by a chain line. As indicated by the chain line, the position corresponding to the standard deviation is elliptical.
上記の処理が第1乃至第Nの尤度計算部53−1〜53−Nの各々で行われ、それぞれの尤度計算部53−1〜53−Nで求められた尤度Li(t)が、統合尤度計算部206及び収束時刻判定部207に出力される。
The above processing is performed in each of the first to Nth likelihood calculation units 53-1 to 53-N, and the likelihoods L i (t (t) obtained by the respective likelihood calculation units 53-1 to 53-N ) Is output to the integrated
分散共分散計算部54−iでは、下記の式(6A)〜(6C)により分散及び共分散を求める。
式(6A)〜(6C)で表される第iのパルス波についての分散及び共分散をまとめて符号VCiで表す。
上記の処理が第1乃至第Nの分散共分散計算部54−1〜54−Nの各々で行われ、それぞれの分散共分散計算部54−1〜54−Nで求められた分散及び共分散VCiが、収束時刻計算部207に出力される。
The dispersion and covariance for the i-th pulse wave represented by the formulas (6A) to (6C) are collectively represented by the symbol VC i .
The above processing is performed in each of the first to Nth variance-covariance calculation units 54-1 to 54-N, and the variance and covariance obtained by the respective variance-covariance calculation units 54-1 to 54-N VC i is output to the convergence
統合尤度計算部206は、第1乃至第Nの尤度計算部53−1乃至53−Nから出力される第1乃至第Nの尤度L1(t)〜LN(t)を入力として、尤度を統合し、統合結果を統合尤度Ls(t)として、収束位置判定部208に出力する。
統合尤度計算部206では、各時刻tにおける第1乃至第Nの尤度L1(t)〜LN(t)を下記の式(7)により加算することで上記の統合を行う。
The integrated
The integrated
Ls(t1)、Ls(t2)、Ls(t3)、…
が得られる。
Is obtained.
収束時刻判定部207は、逆伝搬推定部205の尤度計算部53−1〜53−Nで推定された尤度L1(t)〜LN(t)の分布間の距離を求めて、該距離が最小となる時刻を推定する。
具体的には、収束時刻判定部207は、複数のパルス波から2つを取り出したすべての組合せの各々を構成する2つのパルス波についての尤度の分布間の距離を求め、該距離の、すべての組み合わせについての合計を求めて、複数のパルス波についての尤度の分布間の距離として出力する。
The convergence
Specifically, the convergence
収束時刻判定部207は例えば、図10に示されるように、複数個の分布間距離計算部71−(1,2)〜71(N−1,N)と、距離加算部72とを有する。分布間距離計算部71−(1,2)〜71(N−1,N)の総数Uとパルス波の数Nとの間には、
U=(N−1)・N/2
の関係がある。
For example, as shown in FIG. 10, the convergence
U = (N−1) · N / 2
There is a relationship.
各分布間距離計算部71−(i,j)(iは、1から(N−1)までのいずれか、jは(i+1)からNまでのいずれか、従ってj≠i)は、第iの尤度計算部53−iから出力される尤度Li(t)と、第jの尤度計算部53−jから出力される尤度Lj(t)と、第iの分散共分散計算部54−iから出力される分散及び共分散VCiと、第jの分散共分散計算部54−jから出力される分散及び共分散VCjとを受け、第iの送出波の尤度分布と第jの送出波の尤度分布の分布間距離d(i,j)を求める。 Each inter-distribution distance calculation unit 71- (i, j) (i is any one from 1 to (N-1), j is any one from (i + 1) to N, and therefore j ≠ i) Likelihood L i (t) output from the likelihood calculator 53-i, likelihood Lj (t) output from the j-th likelihood calculator 53-j, and i-th covariance calculation and variances and covariances VC i is output from the section 54-i, receives the variance and covariance VC j outputted from the variance-covariance calculation unit 54-j of the j, the likelihood distribution of delivery wave of the i And the inter-distribution distance d (i, j) of the likelihood distribution of the j-th transmitted wave.
分布間距離d(i,j)は式(8)によって求められる
Σiは第iの送出波の尤度の分散共分散行列であり、
Σjは第jの送出波の尤度の分散共分散行列であり、
また、t(μi−μj)は(μi−μj)の転置ベクトルである。
The inter-distribution distance d (i, j) is obtained by the equation (8).
Σ i is the variance-covariance matrix of the likelihood of the i-th transmitted wave,
Σ j is the variance-covariance matrix of the likelihood of the j-th transmitted wave,
Also, t (μ i −μ j ) is a transposed vector of (μ i −μ j ).
式(8)で求められる値は、一般にマハラノビス距離と呼ばれるものである。図9は、このマハラノビス距離を概念的に説明するものである。 The value obtained by equation (8) is generally called the Mahalanobis distance. FIG. 9 conceptually illustrates this Mahalanobis distance.
図9には、特定の時刻tにおける、2つの尤度分布L1(t)、L2(t)間のマハラノビス距離が符号d(1,2)で示されている。 In FIG. 9, the Mahalanobis distance between two likelihood distributions L 1 (t) and L 2 (t) at a specific time t is indicated by a symbol d (1, 2).
分布間距離計算部71−(i,j)(i=1〜(N−1)、j=(i+1)〜N)の各々は、それぞれ入力される尤度の分布間の距離(送出波分布間距離)d(i,j)を計算し、計算結果を距離加算部72に出力する。
Each of the inter-distribution distance calculation units 71- (i, j) (i = 1 to (N−1), j = (i + 1) to N) is a distance between the input likelihood distributions (transmitted wave distribution). Distance) d (i, j) is calculated, and the calculation result is output to the
距離加算部72は、分布間距離計算部71(1,2)〜71−(N−1,N)で求められた分布間距離d(1,2)〜d(N−1,N)を入力として、収束時刻を計算し、計算結果を出力する。即ち、距離加算部72は、分布間距離d(1,2)〜d(N−1,N)を入力とし、式(11)によって分布間距離の総和を求める。
分布間距離の総和Ds(t)は逆伝搬時間(先頭の送出波の送出からの経過時間)tの関数である。この分布間距離の総和Ds(t)を用い、収束時刻tcを式(12)によって求める。
tc = t such that Ds(t) → minimum …(12)
即ち、Ds(t)が最小となる時刻が収束時刻tcである。
収束時刻判定部207は、求めた収束時刻tcを表す情報を出力する。
The total distance Ds (t) between the distributions is a function of the reverse propagation time (elapsed time from the transmission of the first transmission wave) t. Using the sum Ds (t) of the inter-distribution distance, the convergence time t c is obtained by the equation (12).
t c = t such that Ds (t) → minimum (12)
That is, the time that Ds (t) is minimum the convergence time t c.
Convergence
収束位置判定部208は、統合尤度計算部206から尤度関数Ls(t)を受け、収束時刻判定部207から収束時刻tcを受け、時刻tcにおける尤度関数Ls(t)の中で(異なる(r,z)の値に対する尤度Ls(t)の分布の中で)、最も尤度Ls(t)の値が大きくなる(r,z)の値を求め、求めた(r,z)の値で表される位置を収束位置を表すものとして出力する。
Convergence
図11に示すように、受波器群WRは距離r=0m、深度z=70mにあり、音源WSは距離r=150m、深度z=10mにあり、海底は75mでフラット、音速分布は一定で1500m/sであるとしてシミュレーションを行った場合の、逆伝搬時間tと分布間距離Di(t)の総和Ds(t)の関係は図12に示す如くである。
図11の位置関係の場合、送出波の伝搬を開始してから113msecの時点で、音線経路が収束したと判定されるのが正しい。
As shown in FIG. 11, the receiver group WR is at a distance r = 0 m and a depth z = 70 m, the sound source WS is at a distance r = 150 m and a depth z = 10 m, the sea floor is 75 m flat and the sound velocity distribution is constant. FIG. 12 shows the relationship between the back propagation time t and the sum Ds (t) of the inter-distribution distances D i (t) when the simulation is performed at 1500 m / s.
In the case of the positional relationship of FIG. 11, it is correct to determine that the sound ray path has converged at 113 msec from the start of propagation of the transmitted wave.
図12に示されるように、分布間距離の総和は、すべての送出波の音線(伝搬経路)が互いに最も近い位置にある(最も収束した)時刻に最小となっており、分布間距離の総和に基づいて、最も収束した時刻を正しく判定できることが分かる。 As shown in FIG. 12, the sum of the inter-distribution distances is the smallest at the time when the sound rays (propagation paths) of all the outgoing waves are closest to each other (most converged). It can be seen that the most converged time can be correctly determined based on the sum.
収束位置判定部208は、上記のように、統合尤度計算部206から出力される統合尤度Ls(t)及び収束時刻判定部207から出力される収束時刻tcを入力として、収束位置を検出し、収束位置を表す情報を出力する。
As described above, the convergence
図13(a)〜(c)に到来時間差の標準偏差と到来ふ仰角の標準偏差に相当する範囲を楕円で表して、該範囲が逆伝搬時間とともにどのように変化するかを示す。図14は、図13(c)の、推定音源位置の部分を拡大して示す。図13(a)〜(c)及び図14も、音源と受波器群の位置関係は上記の図11に示すごとくであると仮定した場合のシミュレーションの結果を示す。 13A to 13C, the range corresponding to the standard deviation of the arrival time difference and the standard deviation of the arrival angle is represented by an ellipse, and shows how the range changes with the back propagation time. FIG. 14 shows an enlarged portion of the estimated sound source position in FIG. FIGS. 13A to 13C and FIG. 14 also show simulation results when it is assumed that the positional relationship between the sound source and the receiver group is as shown in FIG.
上記の説明では、逆伝搬推定部205に設けられた伝搬計算部52−1〜52−Nの数に等しい数の到来波から成る到来波列が得られた場合を想定しているが、到来波解析部203で得られた到来波列を構成する到来波の数nが、伝搬計算部52−1〜52−Nの数Nよりも少ない場合には、伝搬計算部52−1〜52−Nのうちのn個のみを用いて伝搬経路の計算を行い、尤度計算部53−1〜53−Nのうちのn個のみを用いて尤度の計算を行う。同様に、収束時刻判定部207では、n個の尤度L1(t)〜Ln(t)に基づいて、分布間距離計算部71−(i,j)〜71−(N−1,N)のうちの一部である分布間距離計算部71−(i,j)〜71−(n−1,n)のみを用いて分布間距離d(1,2)〜d(n−1,n)の計算を行う。また、順序反転部51では、第1乃至第nの到来波を反転して第1乃至第nのパルス波を生成する。この場合、上記の式(1)の代わりに、下記の式(13)により送出のタイミングを求める。
Gi=Fn−Fi (13)
ここで、Fnは、第nの到来波の到来時間差である。
In the above description, it is assumed that an incoming wave sequence including a number of incoming waves equal to the number of propagation calculation units 52-1 to 52-N provided in the back
Gi = Fn-Fi (13)
Here, Fn is the arrival time difference of the nth arrival wave.
上記の実施の形態による方法を用いる場合、従来の装置で用いていた到来時間差−観測値のテーブルを用いない。従って、観測した到来波と到来時間差−観測値のテーブルを対応付ける必要がなく、従来で生じていた対応付けの誤りによる測距誤差が生じ得ない。 When the method according to the above embodiment is used, the arrival time difference-observed value table used in the conventional apparatus is not used. Therefore, it is not necessary to associate the observed arrival wave with the arrival time difference-observed value table, and a ranging error due to an association error that has occurred in the past cannot occur.
上記の実施の形態では音源からの音波を受信するために上下に配置された受波器から成る受波器群を用いているが、代わりに受信アレイを用いても良く、要するに、到来時間差と到来ふ仰角を観測する構成であれば良い。 In the above embodiment, a receiver group consisting of receivers arranged above and below is used to receive sound waves from a sound source. However, a receiving array may be used instead. Any configuration that observes the elevation angle of arrival is acceptable.
また、1つの受波器群ではなく、複数の受波器群を設けることとしても良い。例えば複数の受波器群を、深度の異なる位置に配置してそれぞれの位置で情報収集を行えば、音源の推定精度を向上させることができる。 Moreover, it is good also as providing not only one receiver group but several receiver groups. For example, if a plurality of receiver groups are arranged at different depths and information is collected at each position, the sound source estimation accuracy can be improved.
また、誤差分散を実測により求めることとしているが、同じ状況の観測値が少なく、標準偏差を算出するに足るサンプル数を確保できない場合は、受信時のSN比を測定して、Cramer−Raoの不等式から得られる値を、標準偏差として用いることも可能である。この場合の上記の到来波解析部203として、上記のようにして標準偏差を求めるように構成したものを用いる。
In addition, error variance is obtained by actual measurement. However, when the number of samples in the same situation is small and the number of samples sufficient to calculate the standard deviation cannot be secured, the SN ratio at the time of reception is measured, and Cramer-Rao's The value obtained from the inequality can be used as the standard deviation. In this case, the arrival
51 順序反転部、 52−1〜52−N 伝搬計算部、 53−1〜53−N 尤度計算部、 71−(1,2)〜71−(n−1,n) 分布間距離計算部、 72 距離加算部、 201a、201b 受波器、 202a、202b 到来時刻決定部、 203 到来波解析部、 205 逆伝搬推定部、 206 統合尤度計算部、 207 収束時刻判定部、 208 収束位置判定部。
51 order reversal unit, 52-1 to 52-N propagation calculation unit, 53-1 to 53-N likelihood calculation unit, 71- (1,2) to 71- (n-1, n) inter-distribution
Claims (7)
一連の到来波列における到来波間の到来時間差の検出値又は該到来時間差の複数回の測定結果の平均値と、各到来波の到来ふ仰角の検出値又は該到来ふ仰角の複数回の測定結果の平均値を求めるとともに、前記各到来波の到来時間差の標準偏差及び前記各到来波の到来ふ仰角の標準偏差を出力する到来波解析部と、
前記一連の到来波列における到来波の到来順序とは逆の順序で、かつ相前後するパルス波間の時間差を前記到来波の到来時間差又はその平均値と同じにしたパルス波列を構成する複数のパルス波を、それぞれ対応する到来波の到来ふ仰角又はその平均値と同じ送出ふ仰角で、前記受波器群から順次送出した場合の各パルス波の伝搬経路を音線計算により推定し、各時刻に上記推定した伝搬経路上及びその周囲の各位置に、前記各パルス波が存在する尤度を推定する逆伝搬推定部と、
前記パルス波列の先頭のパルス波の送出後の各時刻において、前記パルス波列のそれぞれのパルス波が前記各位置に存在する尤度の、すべてのパルス波についての合計を求める統合尤度計算部と、
前記逆伝搬推定部で、前記複数のパルス波について、それぞれ推定された各時刻の尤度の分布間の距離を求めて、該距離が最小となる時刻を収束時刻と推定する収束時刻判定部と、
前記収束時刻判定部で推定された収束時刻において、前記統合尤度計算部で算出された前記尤度の合計が最大となる位置を音源位置と推定する収束位置判定部と
を有する音源位置推定装置。 In a sound source estimation device that estimates the position of a sound source based on an incoming wave received by a receiver group composed of a plurality of receivers ,
Detection value of arrival time difference between arrival waves in a series of arrival wave trains or average value of a plurality of measurement results of the arrival time difference, detection value of arrival elevation angle of each arrival wave, or measurement results of the arrival elevation angle multiple times An arrival wave analysis unit that outputs the standard deviation of the arrival time difference of each arrival wave and the standard deviation of the arrival elevation angle of each arrival wave;
A plurality of pulse wave trains that are in an order opposite to the arrival order of the incoming waves in the series of incoming wave trains, and in which the time difference between successive pulse waves is the same as the arrival time difference of the incoming waves or the average value thereof. Estimate the propagation path of each pulse wave by sound ray calculation when the pulse wave is sequentially transmitted from the receiver group at the same elevation angle as the arrival angle of the corresponding incoming wave or the average value thereof, A back propagation estimator for estimating the likelihood that each pulse wave exists at each position on and around the estimated propagation path at time;
Integrated likelihood calculation for obtaining the sum of all the pulse waves of the likelihood that each pulse wave of the pulse wave train exists at each position at each time after the transmission of the first pulse wave of the pulse wave train And
A convergence time determination unit that obtains a distance between likelihood distributions at the respective times estimated for the plurality of pulse waves in the back propagation estimation unit, and estimates a time at which the distance is minimum as a convergence time; ,
A sound source position estimation apparatus comprising: a convergence position determination unit configured to estimate, as a sound source position, a position at which the total of the likelihoods calculated by the integrated likelihood calculation unit is maximum at the convergence time estimated by the convergence time determination unit. .
前記推定された伝搬経路上の位置を尤度の中心とし、前記標準偏差に基づいて、前記尤度の中心及びその周囲の各位置に、各パルス波が存在する尤度を求め、各位置と尤度との関係を尤度分布として出力する
ことを特徴とする請求項1に記載の音源位置推定装置。 The back propagation estimator is
Using the estimated position on the propagation path as the center of likelihood, based on the standard deviation, the likelihood that each pulse wave exists at each of the center of the likelihood and the surrounding positions is obtained, The sound source position estimation apparatus according to claim 1, wherein a relationship with likelihood is output as a likelihood distribution.
前記複数のパルス波から2つを取り出したすべての組合せの各々を構成する2つのパルス波についての尤度の分布間の距離を求め、該距離の、すべての組み合わせについての合計を求めて、前記複数のパルス波についての尤度の分布間の距離として出力する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の音源位置推定装置。 The convergence time determination unit
Obtaining a distance between likelihood distributions of two pulse waves constituting each of all combinations obtained by extracting two from the plurality of pulse waves, obtaining a sum of all the combinations of the distances, The sound source position estimation apparatus according to claim 1, wherein the sound source position estimation apparatus outputs a distance between likelihood distributions of a plurality of pulse waves.
前記一連の到来波列における第1乃至第nの到来波の到来順序とは逆の順序で、かつ相前後するパルス波間の時間差を前記到来波の到来時間差又はその平均値と同じにしたパルス波列を構成する第1乃至第nのパルス波の仮想的送出のタイミングを示す情報及び該パルス波の到来ふ仰角を示す情報を生成する順序反転部と、
前記順序反転部で生成された第1乃至第nのパルス波についての前記情報をそれぞれ入力とし、それぞれ第1乃至第nのパルス波について、それぞれ前記仮想的送出のタイミングで送出した場合の、それぞれのパルス波の伝搬経路の計算を行う第1乃至第nの伝搬計算部と、
前記第1乃至第nの伝搬計算部による前記第1乃至第nのパルス波についての伝搬経路の計算結果に基づいて各位置における尤度を計算する第1乃至第nの尤度計算部とを有し、
第iの伝搬計算部(iは1乃至nのいずれか)は、第iのパルス波を、対応する第iの到来波の到来時間差に対応した前記仮想的送出のタイミングで、前記第iの到来波の到来ふ仰角又はその平均値と同じ送出ふ仰角で、前記受波器群から、送出した場合の第iのパルス波の伝搬経路を音線計算により推定し、
第iの尤度計算部は、前記第iの伝搬計算部で推定された第iのパルス波の伝搬経路上の位置を尤度の中心とし、前記第iの到来波の到来時間差の標準偏差及び前記第iの到来波の到来ふ仰角の標準偏差に基づいて、前記第iのパルス波の前記尤度の中心及びその周囲の各位置に、前記第iのパルス波が存在する尤度を求め、各位置と尤度との関係を第iのパルス波についての尤度分布として出力する
ことを特徴とする請求項1に記載の音源位置推定装置。 The back propagation estimator is
Pulse waves in which the time difference between successive pulse waves is the same as the arrival time difference of the arrival waves or the average value thereof in the order opposite to the arrival order of the first to n-th arrival waves in the series of arrival wave trains An order reversing unit that generates information indicating the timing of virtual transmission of the first to n-th pulse waves constituting the sequence and information indicating the arrival angle of the pulse waves;
When the information about the 1st to n-th pulse waves generated by the order reversing unit is input, and the 1st to n-th pulse waves are respectively transmitted at the virtual transmission timing, respectively. First to n-th propagation calculation units for calculating propagation paths of pulse waves of
First to n-th likelihood calculators for calculating likelihoods at respective positions based on calculation results of propagation paths for the first to n-th pulse waves by the first to n-th propagation calculators; Have
The i-th propagation calculation unit (i is any one of 1 to n) transmits the i-th pulse wave at the virtual transmission timing corresponding to the arrival time difference of the corresponding i-th arrival wave. Estimating the propagation path of the i-th pulse wave when transmitted from the receiver group at the same elevation angle as the arrival elevation angle or the average value of the arrival waves by sound ray calculation,
The i-th likelihood calculation unit uses the position on the propagation path of the i-th pulse wave estimated by the i-th propagation calculation unit as the center of likelihood, and the standard deviation of the arrival time difference of the i-th arrival wave And the likelihood that the i-th pulse wave exists at each of the center of the likelihood of the i-th pulse wave and its surroundings based on the standard deviation of the angle of elevation of the i-th incoming wave. 2. The sound source position estimating apparatus according to claim 1, wherein the sound source position estimating apparatus outputs the relationship between each position and likelihood as a likelihood distribution for the i-th pulse wave.
前記第1乃至第nのパルス波から2つを取り出したすべての組合せについて各時刻における尤度の分布間の距離を求める複数の分布間距離計算部と、
前記複数の分布間距離計算部で求めた分布間距離の合計を求める距離加算部とを有し、
各分布間距離計算部は、対応する組合せを構成する第iのパルス波についての尤度の分布と、第j(jは1からnのいずれか、但しj≠i)のパルス波についての尤度の分布の距離を求める
ことを特徴とする請求項4に記載の音源位置推定装置。 The convergence time determination unit
A plurality of inter-distribution distance calculation units for obtaining distances between likelihood distributions at each time for all combinations obtained by extracting two from the first to n-th pulse waves;
A distance addition unit for obtaining a total of the inter-distribution distances obtained by the plurality of inter-distribution distance calculation units,
Each inter-distribution distance calculation unit calculates the likelihood distribution for the i-th pulse wave constituting the corresponding combination and the likelihood for the j-th pulse wave (j is 1 to n, where j ≠ i). The sound source position estimation apparatus according to claim 4, wherein a distance of degree distribution is obtained.
ことを特徴とする請求項2又は4に記載の音源位置推定装置。 The sound source position estimation apparatus according to claim 2 or 4, wherein the likelihood of each position is obtained assuming that the likelihood distribution is a normal distribution.
一連の到来波列における到来波間の到来時間差の検出値の複数回の測定結果に基づいて各到来波の到来時間差の標準偏差を求め、
一連の到来波列における各到来波のふ仰角の複数回の測定結果に基づいて各到来波の到来ふ仰角の標準偏差を求める
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の音源位置推定装置。 The incoming wave analysis unit
Obtain the standard deviation of the arrival time difference of each arrival wave based on the measurement results of the arrival time difference between arrival waves in a series of arrival wave sequences,
The sound source according to any one of claims 1 to 6, wherein a standard deviation of the arrival angle of each incoming wave is obtained based on a plurality of measurement results of the elevation angle of each incoming wave in a series of incoming wave trains. Position estimation device.
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