JP6142671B2 - 音響標的 - Google Patents

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本発明は、ソーナーの性能評価試験および操作訓練等に用いられる音響標的に関し、特に、連続波を送信する連続波ソーナーに対応可能な音響標的に関する。
ソーナーを作動させたときに、実際の標的と同じような反射音を発生する音響標的が知られている。この音響標的は、ソーナーの性能評価試験および操作訓練等に用いられる。一般的な音響標的は、パルス信号を送信するソーナーを対象とし、受信したパルス信号に対して時間遅延を実施してパルス信号を返信することによって目標からのエコーを模擬する。パルス信号を送信するソーナーを対象とした音響標的は、例えば、特許文献1や特許文献2に開示されている。
特許文献1や特許文献2の音響標的は、受信したパルス信号を電気信号に変換する受波器と、受波器から出力された電気信号に基づいて所望の出力の送信信号を生成する信号生成装置と、生成された送信信号を音波に変換して送信する送波器と、を有する。
特開平5−071898号公報 特開平3−134500号公報
しかしながら、特許文献1や特許文献2に開示されている音響標的を連続波を送信する連続波ソーナーの性能評価試験等に用いる場合、特許文献1や特許文献2の音響標的はパルス検出を前提としているため、受信信号と自装置から送信した送信信号とを分離をすることが困難である。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、対象ソーナーから連続波の信号が送信される場合においても、対象ソーナーから受信した連続波の受信信号と、自装置から送信した連続波の送信信号とを高精度に分離し、連続波の模擬エコーによる応答を行うことができる音響標的を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明に係る音響標的は、送信波形が登録されたメモリと、信号を受波して受信信号として出力する受波器と、登録された送信波形から送信信号を生成して出力する送信信号生成手段と、出力された送信信号を遅延処理し、該遅延処理した送信信号およびメモリに登録されている送信波形に基づいて出力された受信信号を処理する受信信号処理手段と、出力された送信信号を送波する送波器と、を備える。
上述した本発明の態様によれば、対象ソーナーから連続波の信号が送信される場合においても、対象ソーナーから受信した連続波の受信信号と、自装置から送信した連続波の送信信号とを高精度に分離し、連続波の模擬エコーによる応答を行うことができる。
第1の実施形態に係る音響標的10のブロック構成図である。 第2の実施形態に係る音響標的100の概略構成図である。 第2の実施形態に係る音響標的100のブロック構成図である。 第2の実施形態に係る受信処理回路340の動作フロー図である。 第2の実施形態に係る受信信号判別回路350の動作フロー図である。 第2の実施形態に係る送信信号生成回路360の動作フロー図である。 第2の実施形態に係る他の音響標的100Bの概略構成図である。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について説明する。本実施形態に係る音響標的は、対象ソーナーから送信された連続波の信号を受信し、連続波の模擬エコーによる応答を行う。本実施形態に係る音響標的のブロック構成図を図1に示す。図1において、音響標的10は、メモリ20、受波器30、受信信号処理手段40、送信信号生成手段50および送波器60を備える。
メモリ20には、予め対象ソーナーへ送信する模擬エコー(送信信号)の元となる送信波形が登録されている。
受波器30は、対象ソーナーから送信された連続波の信号を受波し、受波した信号を受信信号として受信信号処理手段40へ出力する。受波器30としてマイクロフォン等を適用することができる。
受信信号処理手段40は、受波器30から入力した受信信号を、メモリ20に登録されている送信波形および送信信号生成手段50から入力した送信信号を用いて処理する。本実施形態において、受信信号処理手段40は、送信信号生成手段50が生成した送信信号を遅延処理し、受波器30から入力した受信信号と遅延処理した送信信号とを、メモリ20に登録されている送信波形を用いて変調する。そして、受信信号処理手段40は、変調した受信信号から変調した送信信号を減算することによって受波器30へ回り込んだ送信信号が除去された受信信号を取得し、取得した受信信号を処理する。
送信信号生成手段50は、メモリ20に登録されている送信波形に所定の処理を施すことによって連続波の送信信号を生成し、生成した送信信号を送波器60および受信信号処理手段40へ出力する。
送波器60は、送信信号生成手段50から入力した連続波の送信信号を模擬エコーとして対象ソーナーに向けて送波する。送波器60としてスピーカ等を適用することができる。
上記のように構成された音響標的10においては、送信信号生成手段50がメモリ20に登録されている送信波形を用いて生成した連続波の送信信号を対象ソーナーに向けて送波することから、受信信号処理手段40は、メモリ20に登録されている送信波形を参照して受信信号と送信信号とを容易に分離することができる。すなわち、受信信号処理手段40は、送信信号生成手段50から入力した送信信号に送信信号の生成から受信信号の出力までに要する時間と同等の時間を付与することによって遅延処理した後、受信信号から遅延処理した送信信号を減算し、受波器30へ回り込んだ送信信号が高精度に除去された受信信号を取得する。
従って、本実施形態に係る音響標的10は、対象ソーナーから連続波の信号が送信される場合においても、受波した連続波の受信信号と自装置から送信した連続波の送信信号とを高精度に分離して、連続波の模擬エコーによる応答を行うことができる。
ここで、受波器30としてマイクロフォンを、送波器60としてスピーカを用いる場合、一般的な音響標的においては、ハウリングを抑制するために、受波器と送波器の距離を大きくして配置したり、受波器と送波器にそれぞれ重複しないように指向性をもたせたりする。しかし、本実施形態に係る音響標的10においては、受波器30と送波器60のそれぞれの指向性に対する制限は無く、受波器30と送波器60を所望の位置に配置することができ、受波器30と送波器60とは、受信信号が飽和しない範囲であれば接近させ配置することができる。
なお、メモリ20に複数の対象ソーナーとそれぞれ対応する複数の送信波形を登録しておくこともできる。この場合、受信信号処理手段40は、メモリ20に登録されている全ての送信波形ごとに変調処理することによって最も確からしい送信波形を抽出し、抽出した送信波形を用いて受信信号を処理する。一方、送信信号生成手段50は、受信信号処理手段40が抽出した送信波形を用いて連続波の送信信号を生成する。
また、上述の実施形態では、連続波を送信する連続波ソーナーを対象としたが、本実施形態に係る音響標的10は、パルス信号を送信するソーナーを対象とすることもできる。この場合、メモリ20にパルス状の波形を登録しておく。送信信号生成手段50は、メモリ20に登録されているパルス状の波形に所定の処理を施すことによってパルス状の送信信号を生成する。
(第2の実施形態)
第2の実施形態について説明する。本実施形態に係る音響標的の概略構成図を図2に、ブロック構成図を図3に示す。本実施形態に係る音響標的100は、受波器200において受信信号を連続受信し、送受信器300において受信信号を連続的に受信処理すると共に受信処理結果に基づいて送信信号を連続的に生成し、送波器400において生成した送信信号を連続送信する。
図2に示すように、本実施形態に係る音響標的100は、水中自走式の航走体110の前方に受波器200を、中央に送受信器300を、後方に送波器400をそれぞれ配置することによって構成される。なお、受波器200、送受信器300および送波器400の配置位置はこれに限定されない。
受波器200は、対象ソーナーから受波した信号を電気信号に変換し、受信信号として送受信器300へ出力する。
送受信器300は、受波器200から入力した受信信号に対して、予め記憶した音響標的100から送信する送信信号の元となる信号波形(以下、ソーナー波形と記載する。)に基づいて連続伝送周波数変調(CTFM:continuous transmission frequency modulated)や周波数分析(FFT:Fast Fourier Transform)等の処理を施すことによって、受信信号を連続的に処理する。さらに、送受信器300は、受信信号の処理結果に基づいて最適なソーナー波形を抽出し、抽出したソーナー波形を用いて送信信号を生成して送信信号を送波器400へ出力する。
図3に示すように、本実施形態に係る送受信器300は、受信回路310、A/D(Anarog/Digital)コンバータ320、記憶装置330、受信処理回路340、受信信号判別回路350、送信信号生成回路360および送信回路370を備える。
受信回路310は、受波器200から入力した電気信号の受信信号を所定のレベルまで増幅してフィルタ処理等を行った後、A/Dコンバータ320へ出力する。
A/Dコンバータ320は、受信回路310において処理されたアナログデータの受信信号を、デジタルデータの受信信号に変換して受信処理回路340へ出力する。本実施形態において、A/Dコンバータ320は、増幅およびフィルタ処理されたデジタルデータの受信信号「Sig RX」を受信処理回路340へ出力する。
記憶装置330には、音響標的100から送信する送信信号の元となる複数の信号波形(ソーナー波形)が対象ソーナーごとに予め記録されている。本実施形態において、記憶装置330には予め、n台の対象ソーナーにそれぞれ対応するn種類のソーナー波形「Sig Ref1〜n」が記録されている。
受信処理回路340は、記憶装置330に記録されているn種類のソーナー波形のそれぞれを用いて受信信号および送信信号にCTFMおよびFFTを行い、処理結果を受信信号判別回路350へ出力する。
本実施形態において、受信処理回路340は、記憶装置330から読みだされたn種類のソーナー波形「Sig Ref1〜n」をそれぞれ用いてA/Dコンバータ320から出力された受信信号「Sig RX」に対してCTFMおよびFFTを実施し、受信信号判別回路350へ「Data TX1〜n」を出力する。また、受信処理回路340は、後述する送信信号生成回路360から出力された送信信号「Sig TX」に対して所定の遅延処理を施した後、ソーナー波形「Sig Ref1〜n」に基づいてCTFMおよびFFTを実施し、受信信号判別回路350へ「Data RX1〜n」を出力する。本実施形態において、受信処理回路340は、遅延処理として、送信信号に対して送信信号の生成から受信信号の生成までに要する時間と同等の時間を付与する。受信処理回路340の動作については後述する。
受信信号判別回路350は、受信処理回路340から出力された変調処理が施された受信信号および送信信号を用いて、受波器200へ回り込んだ送信信号を受信信号から除去して連続受信処理する。さらに、受信信号判別回路350は、処理結果に基づいて記憶装置330に記録されているn個のソーナー波形の中から最も確からしいソーナー波形を抽出し、抽出したソーナー波形を送信信号生成回路360へ出力する。
具体的には、受信信号判別回路350は、記憶装置330に記録されているn種類のソーナー波形「Sig Ref1〜n」ごとに、受信処理回路340から出力された受信信号「Data RX1〜n」および送信信号「Data TX1〜n」に対して、受信信号判別処理、検波処理、減算処理および受信信号検出処理等の一連の処理を行うことによって、連続受信処理する。なお、本実施形態では、一連の処理は周波数ごとに区分して実施する。そして、受信信号判別回路350は、処理結果に基づいて記憶装置330に記録されているn個のソーナー波形のうちで最も確からしいソーナー波形を抽出し、抽出したソーナー波形「Sig Ref m」を送信信号生成回路360へ出力する。受信信号判別回路350の動作については後述する。
送信信号生成回路360は、受信信号判別回路350から入力した最も確からしいソーナー波形に対して模擬エコーとするための処理を行い、受信処理回路340および送信回路370へ出力する。すなわち、送信信号生成回路360は、受信信号判別回路350から入力したソーナー波形「Sig Ref m」に対して周波数変調処理および遅延処理を施すことによって模擬エコーを生成し、送信信号「Sig TX」として受信処理回路340および送信回路370へ出力する。送信信号生成回路360の動作については後述する。
送信回路370は送信信号生成回路360から入力した送信信号「Sig TX」を所定の電力レベルまで増幅し、インピーダンス整合を行った後、送信信号として送波器400へ出力する。
送波器400は、送受信器300から入力した送信信号を音響標的100からの送信音(模擬エコー)として連続送信する。
次に、受信処理回路340、受信信号判別回路350および送信信号生成回路360の機能について詳細に説明する。先ず、受信処理回路340の機能について説明する。受信処理回路340の動作フロー図を図4に示す。
図4において、受信処理回路340は、送信信号生成回路360から入力した送信信号「Sig TX」に遅延処理を施す(S101)。すなわち、受信処理回路340は、送信信号「Sig TX」に、送信信号の生成から受信信号の生成までに要する時間と同等の時間を付与する。 その後受信処理回路340は、記憶装置330に予め記録されているn種類のソーナー波形「Sig Ref1〜n」に基づいて、A/Dコンバータ320から入力した受信信号「Sig RX」およびS101において遅延処理した送信信号「Sig TX」に対してそれぞれCTFMを施す(S102)。2つの信号に対してn種類のソーナー波形ごとにCTFMを施すことにより、S102において2×nの処理が並列で実施される。
受信処理回路340はさらに、CTFMが施された「Sig TX」および「Sig RX」に対してそれぞれFFTを施し(S103)、受信信号判別回路350へn種類の「Data TX1〜n」および「Data RX1〜n」を出力する。S103においても、S102と同様に2×nの処理が並列で実施される。
ここで、「Data TX1〜n」は、ソーナー波形「Sig Ref1〜n」に基づいて「Sig TX」に対してCTFMおよびFFTを施したデータであり、「Data RX1〜n」は、ソーナー波形「Sig Ref1〜n」に基づいて「Sig RX」に対してCTFMおよびFFTを施したデータである。
受信信号判別回路350の動作フロー図を図5に示す。図5において、本実施形態に係る受信信号判別回路350は、記憶装置330に予め記録されているn種類のソーナー波形「Sig Ref1〜n」ごとに、受信処理回路340から入力した「Data TX」および「Data RX」に対してそれぞれ、検波処理(S201)、減算処理(S202)および受信信号検出処理(S203)を施す。ここで、k番目のソーナー波形「Sig Refk」についてのS201〜S203の処理を、ブロック(Sig Ref k)と記載する。すなわち、受信信号判別回路350において、nブロックの処理が並列で実施される。
また、本実施形態では、「Data TX」および「Data RX」を周波数ごとに分割し、分割した「Data TX1〜p」および「Data RX1〜p」に対してS201、S202の処理を行った後、S203においてそれらを結合する。すなわち、n個のブロック(Sig Ref 1〜n)にそれぞれ、p個の「Data TX BIN1〜p」および「Data RX BIN1〜p」が入力する。ここで、「Data TX BINi」は図4の「Data TX1」のうちi番目のビン番号のデータであり、「Data RX BINi」は図4の「Data RX1」のうちi番目のビン番号のデータである。
例えば、ブロック(Sig Ref k)において、受信信号判別回路350は、入力した「Data TX BIN1〜p」および「Data RX BIN1〜p」についてそれぞれ検波処理を行い(S201)減算処理を行う(S202)。S202において周波数ごとに検波処理した受信信号から送信信号を減算することにより、受信信号から送信信号の受波器への回り込みが除去される。
受信信号判別回路350はさらに、周波数ごとに送信信号の回り込みが除去されたp個の受信信号を用いて受信信号検出処理を行い(S203)、処理結果として「信号検出指標k」を出力する。本実施形態に係る受信信号判別回路350は、周波数ごとに処理したp個の受信信号を積分し、積分値を閾値と比較することによって得た結果を、ブロック(Sig Ref k)の「信号検出指標k」として出力する。
受信信号判別回路350がn個の受信信号検出ブロック(Sig Ref 1〜n)について、周波数ごとに「Data TX1〜p」および「Data RX1〜p」に対してS201〜S203の一連の処理を行うことにより、n個の「信号検出指標1〜n」が出力される。ここで、信号検出指標は検出結果の確からしさを表す。
受信信号判別回路350はさらに、n種類のソーナー波形ごとに出力されたn個の「信号検出指標1〜n」の中から最も確からしいものを判別することによって、最も確からしいソーナー波形「Sig Ref m」を抽出する。そして、受信信号判別回路350は、抽出したソーナー波形を用いて受信信号を処理し、受信信号判別結果を出力する(S204)。ここで、受信信号判別結果は検出した対象ソーナーの種別の情報である。受信信号判別回路350はさらに、S204において抽出した最も確からしいソーナー波形「Sig Ref m」を送信信号生成回路360へ出力する。
送信信号生成回路360の動作フロー図を図6に示す。図6において、「Sig Ref m」は、図5のS204で出力された記憶装置330に記録されているn個のソーナー波形のうちで最も確からしいと判別されたソーナー波形である。送信信号生成回路360は、入力したソーナー波形「Sig Ref m」に対して模擬エコーとするための処理を行う。すなわち、送信信号生成回路360は、ソーナー波形「Sig Ref m」に周波数変調(S301)および遅延処理(S302)を施すことによって送信信号「Sig Tx」を生成し、生成した送信信号を送信回路370へ出力する。
ここで、予め記憶装置330に記録されているソーナー波形に対して周波数変調を行うことによって目標のドップラーを再現し、遅延処理を行うことによって目標からのエコーの時間遅れを再現する。そして、送信回路370へ出力された送信信号「Sig TX」は、送信回路370において所定の電力レベルまで増幅され、インピーダンス整合が施された後、送波器400から音響標的100の送信音(模擬エコー)として送信される。
以上のように、本実施形態に係る音響標的100において、送受信器300は、記憶装置330に予め記録されているソーナー波形を用いて送信信号を生成すると共に、生成した送信信号を遅延処理した後、送信信号と受信信号とを記憶装置330に記録されているソーナー波形に基づいてそれぞれ変調し、受信信号から送信信号を差し引くことによって受信信号を処理する。
記憶装置330に予め記録されているソーナー波形を用いて生成した送信信号を用いることにより、受信信号から送信信号を容易に分離することができる。
すなわち、受波器200において受波した受信信号と、ソーナー波形を用いて生成した遅延処理済みの送信信号と、を記憶装置330に記録されているソーナー波形を用いて変調してそれらの差分を取ることにより、対象ソーナーの送信波形を自動的に判別して受信信号と送信信号とを高精度に分離でき、連続波の信号を送受信する場合においても、受信信号に含まれている送信信号を高精度に抽出して、受信信号を連続的に受信処理することができる。
従って、本実施形態に係る音響標的100は、対象ソーナーからのCTFMによる連続波を連続受信できると共に、連続波の模擬エコーによる応答ができる。
ここで、記憶装置330に対象ソーナーごとにソーナー波形を記録することにより、対象ソーナーに応じた適切な送信信号を生成することができる。送受信器300は、受信信号を記憶装置330に記録されている全てのソーナー波形を用いて変調することにより、対応するソーナー波形を高精度に抽出することができる。
また、本実施形態に係る音響標的100において、送受信器300は、遅延処理として、生成した送信信号に送信信号の生成から受信信号の生成までに要する時間と同等の時間を付加する。送信信号に上記の遅延処理を施すことにより、送信信号の受波器への回り込みを受信信号から適切に除去することができる。
上記のように構成された音響標的100においては、送波器400と受波器200のそれぞれの指向性に対する制限は無く、送波器400と受波器200を水中自走式の航走体110の任意の箇所に設置することができる。そして、送波器400と受波器200とは、受信信号が飽和しない範囲であれば接近させ配置することができる。
図2に示すように、本実施形態の音響標的100は、受波器200、送受信器300および送波器400を水中自走式の航走体110に配置することによって構成したが、例えば、それらを静止体に配置することもできる。静止体に受波器、送受信器および送波器を配置した場合の音響標的の概略構成図を図7に示す。図7の音響標的100Bは、静止体である浮標120Bに、送受信器300B、受波器200Bおよび送波器400Bをこの順で吊架されることによって構成される。なお、音響標的100Bにおいても送受信器300B、受波器200Bおよび送波器400Bの配置順はこれに限定されない。図7に示した音響標的100Bも、図2に示した音響標的100と同様に機能する。
本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。
10 音響標的
20 メモリ
30 受波器
40 受信信号処理手段
50 送信信号生成手段
60 送波器
100 音響標的
110 航走体
200 受波器
300 送受信器
310 受信回路
320 A/Dコンバータ
330 記憶装置
340 受信処理回路
350 受信信号判別回路
360 送信信号生成回路
370 送信回路
400 送波器

Claims (9)

  1. 送信波形が登録されたメモリと、
    信号を受波して受信信号として出力する受波器と、
    前記登録された送信波形から送信信号を生成して出力する送信信号生成手段と、
    前記登録された送信波形に基づいて前記受信信号および遅延処理された送信信号を変調し、前記変調した受信信号から変調した送信信号を減算することによって受信信号を処理する受信信号処理手段と、
    前記出力された送信信号を送波する送波器と、
    を備える音響標的。
  2. 前記メモリには複数の前記送信波形が登録され、
    前記受信信号処理手段は、メモリに登録されている全ての送信波形ごとに、前記受信信号および遅延処理された送信信号を変調する、請求項記載の音響標的。
  3. 前記受信信号処理手段は、前記受信信号および遅延処理された送信信号の変調結果に対応する送信波形を前記メモリから抽出し、
    前記送信信号生成手段は、前記抽出した送信波形から送信信号を生成する、
    請求項記載の音響標的。
  4. 前記受信信号処理手段は、前記受信信号および遅延処理された送信信号を周波数ごとに分割して変調および減算し、周波数ごとの変調および減算結果を結合する、請求項乃至のいずれか1項記載の音響標的。
  5. 前記遅延処理は、前記出力された送信信号に前記送信信号の生成から前記受信信号の出力までに要する時間と同等の時間を付与する処理である、請求項1乃至のいずれか1項記載の音響標的。
  6. 前記送信信号生成手段は、前記登録された送信波形に周波数変調処理および遅延処理を施すことによって送信信号を生成する、請求項1乃至のいずれか1項記載の音響標的。
  7. 前記メモリには、連続波の送信信号の元となる送信波形が登録されており、
    前記受波器は、連続波の信号を受波して受信信号として出力し、
    前記送波器は、出力された連続波の送信信号を送波する、
    請求項1乃至のいずれか1項記載の音響標的。
  8. 水中自走式の航走体をさらに備え、
    前記受波器および送波器は前記航走体に配置される、
    請求項1乃至のいずれか1項記載の音響標的。
  9. 静止体である浮標をさらに備え、
    前記受波器および送波器は前記浮標に配置される、
    請求項1乃至のいずれか1項記載の音響標的。
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