JP6992407B2

JP6992407B2 - 音響センサ装置、音響センサ信号処理方法およびプログラム

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Publication number: JP6992407B2
Application number: JP2017207516A
Authority: JP
Inventors: 真史江村; 一久小林
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: JP2019078695A

Description

本発明は音響センサ装置、音響センサ信号処理方法およびプログラムに関する。

水中航走体の周囲の海面や海底および周囲の物体を検出するために、水中航走体に音響センサを取り付けることが一般的に行われている。
この音響センサに関連して、特許文献１には、ラインアレイ送波器およびラインアレイ受波器が船底に設けられる海底地形表示装置が記載されている。特許文献１に記載の海底地形表示装置では、クロスファン方式の送受信ビームを用いて海底の地形情報を取得する。

また、特許文献２には、複数のビームを用いた流速プロファイラが記載されている。特許文献２に記載の流速プロファイラは、複数のビームを用いて海流の速度情報を取得する。
また、特許文献３には、目標物からの反射音がドップラー付でも目標物の正確な位置を特定するためのソーナーシステムが記載されている。特許文献３に記載のソーナーシステムでは、送信波として周波数ホッピング信号を使用する。

特開昭５９－１０７２８５号公報米国特許第５４８３４９９号明細書特開２０１２－１６８１２２号公報

引用文献１に記載の地形表示装置では、目標との相対速度を取得することはできない。
引用文献２に記載の流速プロファイラでは、ある一点についての距離および相対速度情報のみを取得できる。
引用文献３に記載のソーナーシステムでは、送信波の送信が断続であり、目標物の情報の取得も断続的になる。

本発明は、上述の課題を解決することのできる音響センサ装置、音響センサ信号処理方法およびプログラムを提供することを目的としている。

本発明の第１の態様によれば、音響センサ装置は、音響センサ装置が設置されている航走体の進行方向に対して複数の固定の方位それぞれに向けて、異なる周波数かつ周波数が変化するファンビームの音響ビームにて連続信号を送信する送信用音響アレイと、前記送信用音響アレイが送信した前記複数の音響ビームの反射波を受信する受信用音響アレイと、前記送信用音響アレイを制御して前記音響ビームを送信させる送信制御部と、前記複数の音響ビームを反射した反射体までの距離、および、前記反射体との相対速度を、前記受信用音響アレイが受信した反射波に基づいて算出する受信処理部と、を備え、水中航走体または水上航走体に設置可能な音響センサ装置である。

本発明の第２の態様によれば、音響センサ信号処理方法は、音響センサ装置が設置されている航走体の進行方向に対して複数の固定の方位それぞれに向けて、異なる周波数かつ周波数が変化するファンビームの音響ビームにて連続信号を送信することと、送信した前記複数の音響ビームの反射波を受信することと、前記複数の音響ビームを反射した反射体までの距離、および、前記反射体との相対速度を、受信した前記反射波に基づいて算出することと、を含む。

本発明の第３の態様によれば、プログラムは、コンピュータに、音響センサ装置が設置されている航走体の進行方向に対して複数の固定の方位それぞれに向けて、異なる周波数かつ周波数が変化するファンビームの音響ビームにて送信した連続信号を反射した反射体までの距離、および、前記反射体との相対速度を、前記反射体による反射波に基づいて算出させるためのプログラムである。

この発明によれば、複数の位置それぞれについて位置情報および相対速度情報を、より速い更新レートで取得することができる。

本発明の第１実施形態に係る音響センサ装置の運用環境の例を示した図である。同実施形態に係る音響センサ装置の機能構成を示した概略ブロック図である。同実施形態に係る音響アレイの配置例を示した図である。同実施形態に係る送信用音響アレイが送信する音響ビームの形状の例を示す図である。同実施形態に係る送信用音響アレイが送信する音波の送信波形の周波数変化を示す図である。同実施形態に係る受信用音響アレイが受信する音響ビームの形状の例を示す図である。同実施形態に係る受信処理部が行う信号処理の例を示す処理ブロック図である。同実施形態に係る送信用音響アレイが送信する音波と航走体および目標との位置関係の例を示す図である。同実施形態に係る受信用音響アレイが受信する音波の受信波形の周波数変化の例を示す図である。同実施形態で、音響センサ信号処理方式における変調処理後の変調後受信信号の例を示す図である。同実施形態に係る情報表示装置における情報表示の例を示す図である。第２実施形態に係る音響センサ装置の送信ビームの概要を示している。第３実施形態に係る音響センサ装置による送信ビームの送信方向の例を示す図である。第４実施形態に係る航走体における音響アレイ配置の概要である。第５実施形態に係る航走体における音響アレイの配置例を示す図である。本発明に係る音響センサ装置の最小構成の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る音響センサ装置の運用環境の例を示した図である。
図１において音響センサ装置１１１は航走体１１２に搭載され通信用ケーブル１１３により母機１２１内の情報表示装置１２２に接続されている。音響センサ装置１１１は音波を送受信し、目標１０１からの直接反射音および目標１０１により作られたウェーキ１０２からの反射音を取得する。
ここで航走体１１２は無人航走体であり、母機１２１は有人潜水艇であることを基本とするが、共に有人であっても良い。
また、以下では航走体１１２が水中航走体である場合を例に説明するが、航走体１１２が水上航走体である場合も、同様に本願発明を適用可能である。

図２は、音響センサ装置１１１の機能構成を示した概略ブロック図である。
図１を参照して説明したように、航走体１１２には音響センサ装置１１１が搭載されている。また、母機１２１には情報表示装置１２２が搭載されている。情報表示装置１２２は、音響センサ装置１１１と通信用ケーブル１１３で接続されている。図１を参照して説明したように、通信用ケーブル１１３は航走体１１２と母機１２１との間の通信を行うケーブルであり、光通信、電気通信等の通信方式は問わない。

音響センサ装置１１１内では通信装置２１０が、航走体１１２に対する指令信号を受信し、航走体制御装置２１１へ転送する。航走体制御装置２１１は、指令信号内の送信制御に関する指令値を送信制御部２１２へ出力し、受信制御に関する指令値を受信制御部３１６へ出力する。
音響センサ装置１１１内における送信音響信号２０４の送信処理では、送信制御部２１２が指令信号に基づき送信諸元を生成する。送信波形生成部２１３は、送信諸元に基づき送信波形のデジタルデータを生成する。ＤＡ変換部２１４は、送信波形のデジタルデータから小振幅のアナログ送信波形を生成する。増幅部２１５は、小振幅のアナログ信号から大振幅・大電力のアナログ送信波形に変換（増幅）する。送信用音響アレイ２１６は、電気音響変換された送信音響信号２０４を送信（航走体１１２の外部へ出力）する。

音響センサ装置１１１内における音響信号２０６の受信処理では、送信音響信号２０４に対して目標１０１から反射された音響信号２０６を受信用音響アレイ２２１が音響電気変換する。増幅部２２２は、音響電気変換された信号を増幅する。ＡＤ変換部２２３は、増幅された信号を受信波形のデジタルデータへ変換する。受信処理部２２４が、受信波形のデジタルデータの受信処理を実施した後、目標検出部２２５が、当該データに基づいて目標情報を生成する。目標検出部２２５は、目標情報を航走体制御装置２１１へ出力し、航走体制御装置２１１は、目標情報を航走体１１２の制御に利用する。

また、航走体１１２の通信装置２１０は、受信処理部２２４が生成する受信信号と、目標検出部２２５が生成する目標情報とを、母機１２１の通信装置２３１へ送信する。母機１２１では、表示処理部２３２が、航走体１１２からの情報に基づいてセンサ受信情報の表示データを生成する。表示部２３３は、表示処理部２３２からの表示データに従ってセンサ受信情報を表示する。
ここで、通信用ケーブル１１３が切断される等により母機１２１と航走体１１２の通信が断絶された場合についても、航走体１１２単体で航走体制御装置２１１の制御によりセンサ情報に基づいて自律した動作をすることができる。

図３は、音響アレイ（送信用音響アレイ２１６及び受信用音響アレイ２２１）の配置例を示した図である。
図３において送信用音響アレイ２１６はラインアレイであり航走体１１２の進行方向に長軸が向く方向で配置される。受信用音響アレイ２２１はラインアレイであり送信用音響アレイに対して垂直方向に長軸が向く方向で配置される。

図４は、送信用音響アレイ２１６が送信する音響ビームの形状の例を示す図である。
図４において、送信用音響アレイ２１６は受信用音響アレイ２２１と共に航走体１１２の上面に搭載されている。送信ビーム４１１および４１２は、送信用音響アレイ２１６が送信した音響ビーム（音響信号）である。送信用音響アレイ２１６は、進行方向に狭く横方向に広い扇型で、進行方向に対して異なる２つの方向に音響ビームを送信する。このように、送信用音響アレイ２１６は、ファンビームの音響ビームを送信する。
以後、進行方向に対して前側の送信ビームをＴｘＦビーム、後側の送信ビームをＴｘＲビームと称する。なお、ＴｘＦとＴｘＲとでは、２つのビームのビームシフト角を比較しての前後関係を示している。２つのビームが共に鉛直方向より前方、または後方を中央とする指向性を有していても良い。

図５は、送信用音響アレイ２１６が送信する音波の送信波形の周波数変化を示す図である。図５のグラフの横軸は時間を表し、縦軸は周波数を表す。
図５において送信波形６０１は、図４に示したＴｘＲビームについての周波数変化を示す。送信波形６０２は、図４に示したＴｘＦビームについての周波数変化を示してしている。これらの送信波形は共に繰り返し周期をもつ連続波である。

ＴｘＲの送信波形６０１は、ｆ_ＲＬからｆ_ＲＨに単調増加し、繰返し周期がｔ_１－ｔ₀であるＬＦＭ（Linear Frequency Modulation）波形を示している。ＴｘＦの送信波形６０２も同様に、ｆ_ＲＬからｆ_ＲＨに単調増加し、繰返し周期をもつＬＦＭ波形を示している。
図５の例では、ＴｘＲとＴｘＦとで、繰返し周期および繰り返し開始時刻が同一となっているが、これらの値は異なっていてもよい。また、図５の例ではＴｘＲのほうがＴｘＦよりも高い周波数となっているがこの関係は逆転してもよい。また、図５の例では、周波数掃引が単調増加する波形となっているが、単調減少する波形となっていてもよい。

図６は、受信用音響アレイ２２１が受信する音響ビームの形状の例を示す図である。図４を参照して説明したように、本実施形態では、受信用音響アレイ２２１は送信用音響アレイ７０２と共に航走体１１２の上面に搭載されている。受信ビーム７１１は複数のビームで構成されており、ここではＲｘ１からＲｘｎまでのｎ本のビームによって構成されている。それぞれのビームは進行方向に広く、横方向に狭い扇型の形状である。

図７は、受信処理部２２４が行う信号処理（音響センサ信号処理）の例を示す処理ブロック図である。
図７において受信データ９０１は、受信用音響アレイ２２１が取得した音響データであり、受信用音響アレイ２２１を構成する各チャンネルが得た音響信号をＡＤ変換した後の時系列の波形データである。受信データ９０１は、ｃｈ１からｃｈｍまでのｍ個の異なるデータで構成される。

変調処理９０２では、ｃｈ１からｃｈｍまでのｍ個のデータのそれぞれに対して、かつ、ＴｘＲおよびＴｘＦそれぞれの送信ビームに対応した周波数帯域ごとに、「帯域分離」、「変調」、「ＦＦＴ」の各処理を行う。「帯域分離」処理では、受信データから所定周波数を分離する。「変調」処理では、分離した所定周波数のデータに対して、送信信号の送信波形に対応した変調を行う。「ＦＦＴ」処理では、変調後の受信信号に対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を行い、細かく周波数分離された変調信号を生成する。個々の処理は連続波を用いたソーナーの受信処理では一般的であるため、ここでは詳細を示さない。

指向性合成処理９０３は各チャンネルの変調処理後のデータから図６に示した受信ビームに対応した指向性合成を行う処理である。各チャンネルおよび送信ビームごとに生成された変調処理済みのＦＦＴデータより、全ての周波数ＢＩＮに対して指向性合成処理を行う。ここで実施する指向性合成処理は一般的な遅延加算方式のビームフォーミングの他、アダプティブビームフォーミングの利用も可能である。

指向性合成処理の出力データとして、Ｒｘ１からＲｘｎまでのｎ本のビームについて、かつ、ＴｘＲ、ＴｘＦそれぞれの送信ビームごとのデータについて、変調処理におけるＦＦＴにてＢＩＮ数分に細かく周波数分離された指向性合成データを得る。
情報算出処理９０４は、細かく周波数分離された指向性合成データから反射音を抽出し、目標１０１までの距離と目標１０１との相対速度を算出する処理である。情報算出処理については図８および図９を用いて以下で説明する。

図８は、送信用音響アレイ２１６が送信する音波と航走体１１２および目標１０１との位置関係の例を示す図である。
図８において音響センサ装置１１１が搭載された航走体１１２が速度Ｖ_Ｕで移動しており、目標１０１は速度Ｖ_Ｔで移動している。航走体１１２と目標１０１は鉛直方向について距離ｄの間隔があるものとする。航走体１１２に搭載された音響センサ装置１１１が、送信ビームＴｘＦ１００３および送信ビームＴｘＲ１００４を送信している。これらＴｘＦ１００３および送信ビームＴｘＲ１００４は、図４におけるＴｘＦおよびＴｘＲと同じ音響ビームを示す。

図９は、受信用音響アレイ２２１が受信する音波の受信波形の周波数変化の例を示す図である。図９は、図７に示した受信信号処理における各チャンネルの受信データ９０１の受信波形を示している。図９のグラフの横軸は時間を表し、縦軸は周波数を表す。図９では、受信信号のうち１周波数掃引分のみを抜き取った場合の例を示している。
信号１１１１は、送信ビームＴｘＲを示している。また、目標１０１が音響センサ装置１１１の直近に位置し相対速度が０である場合に、目標１０１が送信ビームＴｘＲを反射することにより、信号１１１１の受信信号を得られる。すなわち、この場合は送信信号と同じ周波数かつ同じ位相の受信信号を得られる。

信号１１１２は、音響センサ装置１１１から離れた位置に静止中の目標１０１が送信ビームＴｘＲを反射して得られる受信信号である。信号１１１２では、送信から受信までの間にΔｔ_Ｒの時間遅延があるが、目標１０１は静止しているので周波数差は無い。
受信信号１１１３は、音響センサ装置１１１から目標１０１までの距離が離れており、かつ相対速度がゼロでない場合に、目標１０１が送信ビームＴｘＲを反射して得られる受信信号である。受信信号１１１３では、送信から受信までの時間差Δｔ_Ｒに加えてドップラー現象によるΔｆ_Ｒの周波数差が発生している。

同様に、信号１１０１は、送信ビームＴｘＦを示している。また、目標１０１が音響センサ装置１１１の直近に位置し相対速度が０である場合に、目標１０１が送信ビームＴｘＦを反射することにより、信号１１０１の受信信号を得られる。
信号１１０２は、音響センサ装置１１１から離れた位置に静止中の目標１０１が送信ビームＴｘＦを反射して得られる受信信号である。
受信信号１１０３は、音響センサ装置１１１から目標１０１までの距離が離れており、かつ相対速度がゼロでない場合に、目標１０１が送信ビームＴｘＦを反射して得られる受信信号である。

図１０は、図７の音響センサ信号処理方式における変調処理後の変調後受信信号の例を示す図である。図１０に示す信号は、図７に示した受信信号処理における情報算出処理９０４に入力される。
図１０は、ある瞬間の変調後受信信号の周波数スペクトルを示している。ゼロとなる周波数は変調時の局発信号すなわち送信波形の周波数を示す。

スペクトル１２０２は、送信ビームＴｘＲの送信に対する変調後の受信信号のスペクトルであり、図９に示す受信信号１１１３を変調した後の信号である。ここで、この変調後周波数をｍｆ_Ｒとする。
同様にスペクトル１２０１は送信ビームＴｘＦの送信に対する変調後の受信信号のスペクトルであり、図９に示す受信信号１１０３を変調した後の信号である。ここで、この変調後周波数をｍｆ_Ｆとする。
図８に示した航走体１１２と目標１０１の位置関係の場合、ｍｆ_Ｆは式（１）のように表される。

ここで、θ_Ｆは送信ビームシフト角を示す。ｃは水中音速を示す。Ｓ_Ｆは送信ビームＴｘＦの周波数掃引の傾きを示す。ｆは目標１０１と航走体１１２の速度差からドップラー周波数を算出する関数を示す。
また、ｍｆ_Ｒは式（２）のように表される。

ここで、θ_Ｒは送信ビームＴｘＲの送信ビームシフト角を示す。Ｓ_Ｒは送信ビームＴｘＲの周波数掃引の傾きを示す。
図７の情報算出処理９０４では、式（１）および式（２）、送信ビームシフト角θ_Ｆ、θ_Ｒ、周波数掃引の傾きＳ_Ｆ、Ｓ_Ｒおよび水中音速ｃを既知の値として、目標１０１までの距離ｄと相対速度Ｖ_Ｕ－Ｖ_Ｔを算出する。

このように、送信用音響アレイ２１６が複数方向に音響信号を送信することで、式（１）および式（２）のように複数の等式を得ることができる。音響センサ装置１１１は、これら複数の等式を解くことで、航走体１１２から目標１０１までの距離ｄといった目標位置情報、および、航走体１１２と目標１０１との相対速度Ｖ_Ｕ－Ｖ_Ｔを得られる。
送信用音響アレイ２１６が複数方向への音響信号を連続的に送信し、音響センサ装置１１１が連続的に信号処理を行うことで、音響センサ装置１１１は、時間的連続性を有した目標位置情報および相対速度情報を得られる。従って、音響センサ装置１１１によれば、目標１０１を継続的に追跡することができる。
なお、航走体１１２の速度Ｖ_Ｕが別の手法によって既知である場合は、目標１０１の速度Ｖ_Ｔの絶対値の算出が可能であり、目標１０１が静止状態であることが既知である場合は、航走体１１２の速度Ｖ_Ｕの絶対値を算出することができる。

図１１は、情報表示装置１２２における情報表示の例を示す図である。表示に関する処理は、図２中の表示処理部２３２が実施する。ユーザへの画面表示は、表示部２３３が実施する。
図１１（ａ）は、航走体１１２を上面から俯瞰した表示例を示す。図１１（ａ）では、縦軸を進行方向、横軸を進行方向に直行する方向として航走体１１２の上部の状態を表示している。

図１１（ｂ）は航走体１１２の側面からの断面図のイメージの表示例を示す。図１１（ｂ）では、縦軸を航走体１１２からのレンジ、横軸を進行方向として、航走方向における海中の鉛直方向についての状態を示している。
図１１（ｃ）は、航走体１１２を背面より見たイメージの表示例を示す。図１１（ｃ）は、縦軸を航走体１１２からのレンジ、横軸を進行方向に直行する方向として航走体１１２の直上の状態を示している。
図１１（ｄ）は、航走体１１２の上部についての３次元表示の例を示している。

これら図１１に示した各表示方法について、各セルの表示の際に利用するデータは、進行方向については時系列のデータより生成する。横方向については、複数生成された受信ビームごとのデータより生成する。垂直方向については、受信信号のレンジ情報より生成する。
各セルの表示色について、受信レベルの大きさに応じて輝度を設定し、受信信号のドップラー効果に応じて色を設定することで、受信レベルとドップラー効果の情報を合わせて表示できる。
これらの表示は母機１２１の表示部２３３が行い、リアルタイムに表示を更新する。なお、航走体１１２が母機１２１と接続されずに単体で動作する場合は、この表示処理は実施されない。

以上の処理を実施することで航走中の水中航走体（航走体１１２）について、航走体１１２の上面に存在する物体の位置および相対速度についての空間分解能が高く時間的連続性を有した情報を母機１２１にて表示することが可能となる。
ここで、航走体１１２が母機１２１と接続されずに単体で動作する場合は、母機１２１における表示処理は実施されないが、音響センサ装置１１１により出力された航走体１１２の周囲に関する情報は、航走体１１２自身の運動制御に利用される。

以上のように、送信用音響アレイ２１６は、複数のファンビームの音響ビームにて連続信号を送信する。受信用音響アレイ２２１は、送信用音響アレイ２１６が送信した複数の音響ビームの反射波を受信する。送信制御部２１２は、送信用音響アレイ２１６を制御して音響ビームを送信させる。受信処理部２２４は、複数の音響ビームを反射した反射体までの距離、および、反射体との相対速度を、受信用音響アレイが受信した反射波に基づいて算出する。これらを備える音響センサ装置１１１は、水中航走体または水上航走体に設置可能である。

これにより、音響センサ装置１１１によれば、複数の位置それぞれについて位置情報および相対速度情報を、より速い更新レートで取得することができる。
特に、送信用音響アレイ２１６が、複数の音響ビームを送信することで、位置情報および相対速度情報の両方を得られる。
また、送信用音響アレイ２１６がファンビームの音響ビームを送信することで、１点に限らずより広い範囲の位置情報および相対速度情報を得られる。
また、送信用音響アレイ２１６が、ファンビームの音響ビームを連続的に送信することで、受信処理部２２４は、例えば位置情報および相対速度情報を連続的に取得するなど、より速い更新レートで取得することができる。

また、送信用音響アレイ２１６は、変調された連続信号による音響ビームを、音響センサ装置１１１を搭載した航走体１１２の進行方向に対して複数の異なる方位に向けて送信する。
このように、送信用音響アレイ２１６が異なった角度で信号を出力することで、受信処理部２２４は、より多様な情報を得られる。これによって受信処理部２２４が位置情報および相対速度情報をより高精度に算出ることが期待される。

また、送信用音響アレイ２１６は、音響センサ装置１１１を搭載した航走体１１２の進行方向を長軸方向として配置されるラインアレイである。受信用音響アレイ２２１は、送信用音響アレイ２１６に直行して配置されるラインアレイである。
これにより、受信用音響アレイ２２１は、送信用音響アレイ２１６が送信した１つの音響ビームの反射信号を、ラインアレイにおける複数の要素それぞれで受信することができる。この点で、音響センサ装置１１１は、分解能の高い受信データを得られる。

［第２実施形態］
第１実施形態では送信ビームを送信方向の異なる２本の音響ビームとしていたが、より多くの送信ビームを使用することができる。
図１２は、第２実施形態に係る音響センサ装置の送信ビームの概要を示している。
図１２における各部のうち、図４における各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１１２、２１６、２２１）を示し、共通部分についての説明を省略する。

第２実施形態では、送信用音響アレイ２１６が３本の音響ビームを送信する点（図１２参照）が、第１実施形態の場合（図４参照）と異なる。また、第２実施形態では、この相違点に伴って、音響センサ装置１１１（図２）が行う処理が、第１実施形態の場合と異なる。それ以外は、第１実施形態について図１から図１１を参照して説明したのと同様である。
送信ビーム１４１１、１４１２および１４１３は、音響センサ装置１１１が送信した音響ビームである。音響センサ装置１１１は、進行方向に狭く横方向に広い扇型で、進行方向に対して異なる３つの方向に音響ビームを送信する。

音響センサ装置１１１は、第１実施形態より追加された送信ビームとして、残りの２つの送信ビームと周波数が重ならない範囲で他の送信ビームと同様の変調された連続信号を送信する。追加した送信ビームに対する受信処理は、第１実施形態で示した他の送信ビームに対する処理と同様である。音響センサ装置１１１が、追加された送信ビームに関する受信処理を追加で実施することで、目標１０１までの距離と速度に関する情報の精度を高めることができる。
以降に示す第３実施形態から第５実施形態においても、３本以上の送信ビームによる送受信処理が可能である。

［第３実施形態］
第１実施形態では、音響アレイ（送信用音響アレイ２１６および受信用音響アレイ２２１）を航走体１１２の上部に設置し、音響ビームを航走体の上面に向けることで海面および海面付近の物体に関する情報を取得している。これに限らず、音響アレイを航走体１１２の下部に設置し音響ビームを航走体１１２の下面に向けることで、海底および海底付近の物体に関する情報を取得ことができる。

図１３は、第３実施形態に係る音響センサ装置による送信ビームの送信方向の例を示す図である。
図１３における各部のうち、図４における各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１１２、２１６、２２１）を示し、共通部分についての説明を省略する。

第３実施形態では、送信用音響アレイ２１６および受信用音響アレイ２２１が、航行体１１２の下面に設けられている点（図１３参照）が、第１実施形態の場合（図４参照）と異なる。それ以外は、第１実施形態について図１から図１１を参照して説明したのと同様である。
送信ビーム１６１１および１６１２は、音響センサ装置１１１が送信した音響ビームである。音響センサ装置１１１は、進行方向に狭く横方向に広い扇型で、進行方向に対して異なる２つの方向、かつ、下向きに送信を行う。音響センサ装置１１１は、これら２本の送信ビームに対して音響アレイを上面に配置した場合と同様の受信処理を行うことで、海底側の情報を取得することができる。

［第４実施形態］
第１実施形態および第３実施形態では、航走体１１２の上面および下面のうちいずれか１方向のみに音響アレイを設置し、単一方向のみ情報を取得している。これに対し、航走体の複数の面に音響センサ装置を設置することで、複数の方向の情報を取得することができる。

図１４は、第４実施形態に係る航走体における音響アレイ配置の概要である。
図１４の航走体は、図４の航走体１１２に対応して同様の機能を有しているため、同一の符号１１２を付して共通部分についての説明を省略する。
第４実施形態では、音響アレイの数および配置（図１４参照）が、第１実施形態の場合（図４ｗ参照）と異なる。また、第４実施形態では、この相違点に伴って、音響センサ装置１１１（図２）が行う処理が、第１実施形態の場合と異なる。それ以外は、第１実施形態について図１から図１１を参照して説明したのと同様である。

図１４では、航走体１１２に、上面用送信用音響アレイ１７０１と、側面用送信用音響アレイ１７０２および１７０３と、下面用送信用音響アレイ１７０４と、受信用音響アレイ１７０５とが配置されている。
上面用送信用音響アレイ１７０１はラインアレイであり、航走体１１２の上面に進行方向に沿って長軸が向く方向に配置される。側面用送信用音響アレイ１７０２および１７０３、下面用送信用音響アレイ１７０４も同様にラインアレイであり、航走体側面および仮面に進行方向に沿って長軸が向く方向に配置される。受信用音響アレイ１７０５は円周状に配置されたラインアレイであり、送信用音響アレイに対して垂直の方向に長軸が向く方向で配置される。

第１実施形態および第３実施形態では１つの送信用音響アレイに対して１つの受信用音響アレイが配置されていたのに対して、本実施形態では複数の送信用音響アレイに対して１つの受信用音響アレイが配置されている。第４実施形態における受信ビームが、他実施形態の場合と同様に、進行方向に広く進行方向の鉛直方向に鋭い指向性を有していることで、１つの受信用音響アレイで複数の送信用音響アレイに対応可能である。
図１４では送信アレイを４つ配置しているが、より多くの送信アレイを配置することも可能である。

［第５実施形態］
第１実施形態から第４実施形態では、送信用音響アレイと受信用音響アレイを共に航走体１１２の側面に配置している。これに対し、受信用音響アレイを航走体１１２の前面に配置しても側面に配置する場合と同様に航走体周囲の情報の取得をすることができる。
ここでいう側面は、航走体１１２の本体の円筒形部分の側面であり、第４実施形態の説明における上面、側面、および下面を含む。

図１５は、第５実施形態に係る航走体における音響アレイの配置例を示す図である。
図１５における各部のうち、図１４における各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１１２、１７０１、１７０２、１７０３、１７０４）を付して説明を省略する。
第５実施形態では、受信用音響アレイ１８１１の配置（図１５参照）が、第１実施形態の場合（図４参照）および第４実施形態の場合（図１４参照）と異なる。それ以外の点は、第１実施形態について図１から１１を参照して説明し、第４実施形態について図１４を参照して説明したのと同様である。

図１５における受信用音響アレイ１８１１は、航走体１１２の前面に搭載された平面アレイである。
第４実施形態における音響アレイの配置の場合、送信信号は、他の実施形態の場合と同様に航走体１１２の進行方向に対して異なるビームシフトをさせた複数の音響ビームによって構成される。受信信号は、前面に配置された平面アレイ（受信用音響アレイ１８１１）が受信する複数の音響ビームによって構成される。他の実施形態の場合と同様の受信信号処理を行うことで、航走体周囲の情報を取得することができる。
航走体１１２の前面に、他の用途で利用するための受信用音響アレイが設けられている場合、上面用送信用音響アレイ１７０１と、側面用送信用音響アレイ１７０２および１７０３と、下面用送信用音響アレイ１７０４とを追加設置することで、他の実施形態の場合と同様に情報を取得できる。この場合、受信用音響アレイ１８１１を別途設ける必要がない。

以上のように、上面用送信用音響アレイ１７０１と、側面用送信用音響アレイ１７０２および１７０３と、下面用送信用音響アレイ１７０４とは、音響センサ装置１１１を搭載した航走体１１２の進行方向を長軸方向として配置されるラインアレイである。受信用音響アレイ２２１は、航走体１１２の前面に配置される平面アレイである。受信用音響アレイ２２１が複数の送信用音響アレイそれぞれからのビームの反射波を受信することで、他の場合と同様、目的物の位置情報および相対速度情報を得られる。また、航走体１１２の前面に、他の用途で利用するための受信用音響アレイが設けられている場合、上面用送信用音響アレイ１７０１と、側面用送信用音響アレイ１７０２および１７０３と、下面用送信用音響アレイ１７０４とを追加設置することで、他の実施形態の場合と同様に情報を取得できる。この場合、受信用音響アレイ１８１１を別途設ける必要がない。

次に、図１６を参照して本発明の最小構成について説明する。
図１６は、本発明に係る音響センサ装置の最小構成の例を示す図である。図１６に示す音響センサ装置１０は、送信用音響アレイ１１と、受信用音響アレイ１２と、送信制御部１３と、受信処理部１４とを備える。
かかる構成にて、送信用音響アレイ１１は、複数のファンビームの音響ビームにて連続信号を送信する。受信用音響アレイ１２は、送信用音響アレイ１１が送信した複数の音響ビームの反射波を受信する。送信制御部１３は、送信用音響アレイ１１を制御して音響ビームを送信させる。受信処理部１４は、複数の音響ビームを反射した反射体までの距離、および、反射体との相対速度を、受信用音響アレイ１２が受信した反射波に基づいて算出する。音響センサ装置１０は、水中航走体または水上航走体に設置可能である。

これにより、音響センサ装置１０によれば、複数の位置それぞれについて位置情報および相対速度情報を、より速い更新レートで取得することができる。
特に、送信用音響アレイ１１が、複数の音響ビームを送信することで、位置情報および相対速度情報の両方を得られる。
また、送信用音響アレイ１１がファンビームの音響ビームを送信することで、１点に限らずより広い範囲の位置情報および相対速度情報を得られる。
また、送信用音響アレイ１１が、ファンビームの音響ビームを連続的に送信することで、受信処理部１４は、例えば位置情報および相対速度情報を連続的に取得するなど、より速い更新レートで取得することができる。

なお、音響センサ装置１１１が行う処理の全部または一部を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１０、１１１音響センサ装置
１１、２１６送信用音響アレイ
１２、２２１受信用音響アレイ
１３、２１２送信制御部
１４、２２４受信処理部
１０１目標
１０２ウェーキ
１１２航走体
１１３通信用ケーブル
１２１母機
１２２情報表示装置
２１０通信装置
２１１航走体制御装置
２１３送信波形生成部
２１４ＤＡ変換部
２１５増幅部
２２２増幅部
２２３ＡＤ変換部
２２５目標検出部
３１６受信制御部

Claims

音響センサ装置が設置されている航走体の進行方向に対して複数の固定の方位それぞれに向けて、異なる周波数かつ周波数が変化するファンビームの音響ビームにて連続信号を送信する送信用音響アレイと、
前記送信用音響アレイが送信した前記複数の音響ビームの反射波を受信する受信用音響アレイと、
前記送信用音響アレイを制御して前記音響ビームを送信させる送信制御部と、
前記複数の音響ビームを反射した反射体までの距離、および、前記反射体との相対速度を、前記受信用音響アレイが受信した反射波に基づいて算出する受信処理部と、
を備え、水中航走体または水上航走体に設置されている音響センサ装置。
前記送信用音響アレイは、前記音響センサ装置を搭載した航走体の進行方向を長軸方向として配置されるラインアレイであり、
前記受信用音響アレイは、前記送信用音響アレイに直行して配置されるラインアレイである、
請求項１に記載の音響センサ装置。
前記送信用音響アレイは、前記音響センサ装置を搭載した航走体の進行方向を長軸方向として配置されるラインアレイであり、
前記受信用音響アレイは、前記航走体の前面に配置される平面アレイである、
請求項１または請求項２に記載の音響センサ装置。
音響センサ装置が設置されている航走体の進行方向に対して複数の固定の方位それぞれに向けて、異なる周波数かつ周波数が変化するファンビームの音響ビームにて連続信号を送信することと、
送信した前記複数の音響ビームの反射波を受信することと、
前記複数の音響ビームを反射した反射体までの距離、および、前記反射体との相対速度を、受信した前記反射波に基づいて算出することと、
を含む、
音響センサ信号処理方法。
コンピュータに、
音響センサ装置が設置されている航走体の進行方向に対して複数の固定の方位それぞれに向けて、異なる周波数かつ周波数が変化するファンビームの音響ビームにて送信された連続信号を反射した反射体までの距離、および、前記反射体との相対速度を、前記反射体による反射波に基づいて算出させるためのプログラム。