JP7135592B2 - 音響通信システム - Google Patents

Description

本発明は、水上または水中に配置されて通信対象と音響通信を行う通信局に備える音響通信システムに関するものである。

海底や湖底や水中における種々の探査を行うための手段の１つとして、自律航走を行う水中移動体を用いる手法が考えられている。

また、このような探査などに水中移動体を使用する場合、音響通信機を備えた水上移動体を一緒に運用して、水中移動体に備えた音響通信機との音響通信により、水中移動体が探査により得た情報を水上移動体で収集することや、水上移動体側からの音響測位などにより検出した水中移動体の位置に関する情報を、水上移動体から水中移動体へ送ることが考えられている。

更に、水上移動体は、水中移動体と音響通信を行う音響通信機と、母船と無線通信を行う無線通信機とを備えた構成として、水中移動体と母船との通信を中継する自走式の中継器として使用することも考えられている（たとえば、特許文献１参照）。

なお、従来、水上移動体や水中移動体で使用される音響通信機は、一般に、音響信号の送信と受信に用いる送受波器が、仕様として、設定された指向性（指向方向と指向角）を有している。

そのため、自走式中継器として使用される水上移動体と、水中移動体との間で音響通信を行う場合は、水上移動体と水中移動体が相互に音響通信可能な範囲が、たとえば、水上移動体の垂直軸を基準として０～約４５度程度に制限されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００１－３０８７６６号公報

ところで、水上移動体と水中移動体は、実際の運用時には、水面の波の影響や、周囲の相対的な水の流れなど影響を受けて動揺を生じることがある。

水上移動体や水中移動体がピッチ、ヨー、ロールの回転の動揺を生じる場合は、その動揺に伴って音響通信機の送受波器の姿勢が変化するため、送受波器の指向性の指向方向も、水上移動体や水中移動体の姿勢変化に応じて変化する。

そのため、特許文献１に示された通信システムは、水上移動体と水中移動体が相互に音響通信可能な範囲が、水上移動体の垂直軸を基準として０～約４５度程度とされているが、水上移動体と水中移動体の一方または双方に前記したような動揺が生じると、その動揺に伴い姿勢変化した音響通信機の送受波器の指向角の範囲から、通信対象が断続して逸脱する可能性がある。

このように、水上移動体や水中移動体に備えた音響通信機にて、通信対象が送受波器の指向角から逸脱する現象が生じた場合は、音響通信機同士の間で送受信される音響信号の強度が低下する。そのため、音響信号の受信時は、受信する音響信号のＳＮ比（信号対雑音比）が低下するという問題が生じる。また、音響信号の送信時には、通信対象に伝送される音響信号のＳＮ比が低下するという問題が生じる。

なお、水面に浮遊するブイ等の水上浮遊体や、水底に係留索を介して係留された水中浮遊体も、音響通信機を装備して通信対象と音響通信を行う通信局としての機能を備える場合がある。この種の水上浮遊体や水中浮遊体も、水面の波の影響や、周囲の相対的な水の流れなどの要因により、前記水上移動体や水中移動体と同様な動揺が生じることがある。

そこで、本発明は、音響通信機を備えて水上または水中に配置される通信局が、通信対象と音響通信を行う際に、該通信局に動揺が生じても、送信または受信する音響信号のＳＮ比の低下を抑制することができる音響通信システムを提供しようとするものである。

本発明は、前記課題を解決するために、水上または水中に配置される通信局と、前記通信局に装備された電気音響変換器のアレイを有する音響通信機と、前記通信局の位置の情報を取得する位置情報取得装置と、前記通信局の姿勢を検出する姿勢検出装置と、前記通信局の音響通信による通信対象の位置を推定する推定装置と、計算装置と、を備え、前記計算装置は、前記位置情報取得装置で取得された前記通信局の位置の情報と、前記推定装置で推定された前記通信対象の位置とを基に、前記通信局を基準とする前記通信対象の方向を推定する方向推定処理を行う機能と、前記姿勢検出装置で検出される前記通信局の姿勢の変化を基に、前記通信局のピッチ、ヨー、ロールの動揺を検出する機能と、前記方向推定処理で推定された前記通信局を基準とする前記通信対象の方向に対応して、音響信号のビーム方向を設定し、前記動揺を検出する機能で検出された前記通信局のピッチ、ヨー、ロールの動揺に対応して、前記音響信号のビーム幅を設定したビームフォーミングの指令を、前記音響通信機に与える機能と、を備える構成を有する音響通信システムとする。

前記通信局は、水上移動体であり、前記通信対象が水中移動体とされた構成としてもよい。

前記通信局は、水中移動体であり、前記通信対象が水上移動体とされた構成としてもよい。

前記計算装置は、前記音響信号が前記通信局の前記音響通信機に受信されたときに、前記ビームフォーミングの指令を、前記音響通信機に与える機能を備えた構成としてもよい。

前記計算装置は、前記音響信号が前記通信局の前記音響通信機より送信されるときに、前記ビームフォーミングの指令を、前記音響通信機に与える機能を備えた構成としてもよい。

本発明の音響通信システムによれば、音響通信機を備えて水上または水中に配置される通信局が、通信対象と音響通信を行う際に、該通信局に動揺が生じても、送信または受信する音響信号のＳＮ比の低下を抑制することができる。

音響通信システムの第１実施形態を示す図である。 図１の音響通信システムを水中移動体と音響通信を行う水上移動体に適用する場合の構成を示す図である。 音響通信システムの計算装置で行われる受信時処理を示す図である。 音響通信システムの計算装置で行われる送信時処理を示す図である。 水上移動体に生じる動揺を示す概要図である。 音響通信システムの音響通信機で行うビームフォーミングを説明するための図である。 音響通信システムの第２実施形態を示す図である。 音響通信システムの第３実施形態を示す図である。 図８の音響通信システムを水上移動体と音響通信を行う水中移動体に適用する場合の構成を示す図である。

本発明の音響通信システムについて、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、音響通信システムの第１実施形態を示す概要図である。図２は、図１の音響通信システムを水中移動体と音響通信を行う水上移動体に適用する場合の具体的構成を示す図である。図３は、音響通信システムの計算装置で行われる受信時処理のフローを示す図である。図４は、音響通信システムの計算装置で行われる送信時処理のフローを示す図である。図５は、水上移動体に生じる動揺を示す概要図である。図６（ａ）（ｂ）は、音響通信システムの音響通信機で行うビームフォーミングについて説明する図である。

第１実施形態は、本開示の音響通信システムを、図１、図２に示すように、音響通信機３を備えて水上に配置される通信局としての水上移動体２に適用する場合の例を示すものである。また、本実施形態は、水上移動体２の音響通信による通信対象を、音響通信機５を備えた水中移動体４とした例を示す。

本実施形態の通信システムの基本的な構成は、図１に符号１で示すもので、水上に配置される通信局としての水上移動体２と、水上移動体２に装備された音響通信機３と、水上移動体２の位置情報を取得する位置情報取得装置６と、水上移動体２の姿勢を検出する姿勢検出装置７と、通信対象としての水中移動体４の位置を推定する推定装置８と、計算装置９と、を備えた構成とされている。

次に、本実施形態の音響通信システム１を適用した水上移動体２の具体的な構成について説明する。

水上移動体２は、本実施形態では、図２に示すように、水面Ｗの数メートル下方の水中を航走する機体１０と、機体１０の上側に取り付けられて上端側が水面上に突出するストラット１１と、ストラット１１の上端側に取り付けられて気中に保持される基台１２と、を備えた構成の半没型の水上移動体２とされている。

機体１０には、下方に向く姿勢で、音響通信機３が設けられている。これは、水上移動体２と水中移動体４の運用時には、通常、水上移動体２が水中移動体４よりも上方、すなわち、より浅い深度に配置されるためである。

また、機体１０には、位置情報取得装置６、姿勢検出装置７、推定装置８、計算装置９が装備されている。

音響通信機３は、図示しない電気音響変換器のアレイを備えた構成とされ、計算装置９より受け取る指令Ｃ１に基づきビームフォーミングを実施する機能を備えている。なお、音響通信機３は、後述するように計算装置９で設定されるビームフォーミングのビーム方向とビーム幅を実現可能であれば、アレイにおける電気音響変換器の数や配置は任意の設定でよいことは勿論である。

位置情報取得装置６は、本実施形態では、基台１２に設置されたＧＰＳなどの全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）の信号受信用のアンテナ１３に接続された構成を備えている。これにより、位置情報取得装置６は、アンテナ１３で受信されるＧＮＳＳ信号を基に、水上移動体２の位置の情報を、たとえば、緯度と経度のような地球に固定された座標の情報として取得することができる。この地球に固定された座標系は、以下、地球固定座標系という。

更に、位置情報取得装置６は、取得した水上移動体２の位置の情報を、推定装置８と、計算装置９と、後述する制御装置１７へ送る機能を備えている。

姿勢検出装置７は、水上移動体２の姿勢として、水上移動体２の前後軸、左右軸、上下軸が、それぞれ地球固定座標系にて、どの方向に配置されているかを検出する機能を備えている。更に、姿勢検出装置７は、水上移動体２の前後軸、左右軸、上下軸の方向の時間経過に伴う変化を基に、水上移動体２のピッチ、ヨー、ロールの回転の動揺を検出する機能を備えている。

姿勢検出装置７は、たとえば、ＭＥＭＳジャイロ、光ファイバジャイロなどのジャイロ方式の姿勢センサを用いてもよいし、あるいは、慣性航法装置を用いるようにしてもよい。更に、姿勢検出装置７は、水上移動体２の前記所定の姿勢および動揺を検出することができれば、任意の形式、任意の検出方式の姿勢検出装置７を用いてもよいことは勿論である。

更に、姿勢検出装置７は、水上移動体２の姿勢および動揺の検出結果を、計算装置９と、後述する制御装置１７へ送る機能を備えている。

推定装置８は、本実施形態では、水上移動体２の機体１０に備えた音響測位装置１４に接続されている。

音響測位装置１４は、測位信号Ｄａを送信する機能と、水中移動体４に備えたトランスポンダ１５が測位信号Ｄａに応答して発する応答信号Ｄｂを受信する機能とを備えている。

また、音響測位装置１４は、測位信号Ｄａを送信してから応答信号Ｄｂを受信するまでにかかる時間と、測位信号Ｄａおよび応答信号Ｄｂの速度である水中での音速と、応答信号Ｄｂが到来する方向とを基に、音響測位装置１４を備えた水上移動体２の位置を基準として、トランスポンダ１５を備えた水中移動体４の方向と距離、すなわち、水上移動体２の位置を基準とする水中移動体４の相対位置を検出する機能を備えている。

更に、音響測位装置１４は、水上移動体２の位置を基準とする水中移動体４の相対位置の検出結果を、推定装置８へ送る機能を備えている。

推定装置８は、音響測位装置１４より水上移動体２の位置を基準とする水中移動体４の相対位置の検出結果を受け取ると、その検出結果と、位置情報取得装置６より受け取る地球固定座標系における水上移動体２の位置の情報とを基に、地球固定座標系における水中移動体４の位置を、たとえば、緯度と経度と深度の情報として推定する機能を備えている。

なお、音響測位装置１４は、応答信号Ｄｂの到来方向を、音響測位装置１４自体の姿勢を基準とする相対的な方向として検出している。水上移動体２にピッチ、ヨー、ロールのうちの少なくとも１つの回転の動揺が生じている場合は、水上移動体２の動揺による姿勢変化に伴い、音響測位装置１４にも姿勢変化が生じる。したがって、この場合は、音響測位装置１４の姿勢変化により、音響測位装置１４が検出する相対的な応答信号Ｄｂの到来方向にも変化が生じる。

そこで、推定装置８は、水上移動体２が動揺している状況下でも水中移動体４の位置を推定可能とするための手法として、たとえば、音響測位装置１４より、水上移動体２の位置を基準とする水中移動体４の相対位置の検出結果を、設定された或る期間継続して受け取り、その期間における検出結果の平均を用いて、地球固定座標系における水中移動体４の位置を推定するようにすればよい。

また、水上移動体２における音響測位装置１４の設置姿勢は、設計事項や、実機の構造を基に、予め分かる。そのため、音響測位装置１４で水中移動体４の測位が行われた時点での水上移動体２の姿勢が分かれば、その時点での音響測位装置１４の姿勢を求めることができる。よって、推定装置８は、音響測位装置１４より、水上移動体２の位置を基準とする水中移動体４の相対位置の検出結果を受け取ると共に、姿勢検出装置７より、音響測位装置１４で水中移動体４の測位が行われた時点での水上移動体２の姿勢に関する情報を取得して、音響測位装置１４の姿勢変化分を補正しながら、地球固定座標系における水中移動体４の位置を推定するようにしてもよい。

更に、推定装置８は、地球固定座標系における水中移動体４の位置の推定結果を、計算装置９へ送る機能を備えている。

計算装置９の機能の詳細については、後述する。

水上移動体２は、更に、機体１０に、移動装置１６と、水上移動体２の移動の制御を行う制御装置１７と、を備えた構成とされている。

移動装置１６は、制御装置１７から受け取る指令Ｃ２に従い、水上移動体２の推進や操舵を伴う移動を行う装置である。

本実施形態では、一例として、移動装置１６は、図２に示すように、機体１０の後部にメインスラスタ１６ａと、舵１６ｂとを備えた構成を示してある。しかし、移動装置１６は、制御装置１７から受け取る指令Ｃ２に従って、水上移動体２を移動させることができれば、推進手段および操舵手段の形式は特に限定されない。更に、移動装置１６は、たとえば、機体１０の左右方向に推進力を生じる図示しないスラスタを備えていてもよい。したがって、移動装置１６は、水上移動体２の移動を行わせるために望まれる運動性能などを考慮して、自在に選定してよい。

制御装置１７は、水上移動体２の移動に関する航走計画あるいは目標位置が設定される機能を備えている。

更に、制御装置１７は、位置情報取得装置６より受け取る水上移動体２の位置情報と、姿勢検出装置７より受け取る水上移動体２の姿勢の検出結果とを基に、自機を設定された航走計画に従って移動させるため、あるいは、自機の位置を設定された目標位置まで移動させるために必要とされる移動装置１６の操作量を求める機能と、求めた操作量を、指令Ｃ２として移動装置１６へ送る機能とを備えている。

これにより、水上移動体２は、移動装置１６が、制御装置１７より受け取る指令Ｃ２に応じて制御されるため、制御装置１７に設定された航走計画に従う航走、あるいは、設定された目標位置への移動を行うことができる。

次いで、水中移動体４の構成について説明する。

水中移動体４は、機体１８に、水中移動体４の位置情報を取得する位置情報取得装置１９と、水中移動体４の姿勢を検出する姿勢検出装置２０と、移動装置２１と、水中移動体４の移動の制御を行う制御装置２２とを備え、更に、音響通信機５と、トランスポンダ１５を備えた構成とされている。

位置情報取得装置１９は、たとえば、慣性航法装置（ＩＮＳ）、または、慣性航法装置にドップラーログ（ＤＶＬ）を組み合わせた装置と、深度計とを備えた構成とすればよい。これにより、位置情報取得装置１９は、水中移動体４の位置の情報を、水上移動体２と同様の地球固定座標系における緯度と経度と深度のような情報として取得することができる。

なお、水中移動体４に備える位置情報取得装置１９は、水中移動体４が水面付近に浮上した状態のときに、ＧＮＳＳ信号を図示しないアンテナで受信して、水中移動体４の自機の位置について、緯度と経度のような絶対位置を取得する機能を備えるようにしてもよい。

更に、位置情報取得装置１９は、取得した水中移動体４の位置の情報を、制御装置２２へ送る機能を備えている。

なお、位置情報取得装置１９は、水中移動体４の位置の情報を取得することができれば、水中移動体４の位置の情報を求める手法として、前記した以外の手法を用いるものであってもよいことは勿論である。たとえば、図示しないが、位置情報取得装置１９は、水上移動体２の推定装置８で推定された水中移動体４の位置の推定結果を、音響通信機３と音響通信機５との音響通信を介して取得するようにしてもよい。

姿勢検出装置２０は、水中移動体４の姿勢として、水中移動体４の前後軸、左右軸、上下軸が、それぞれ地球固定座標系にて、どの方向に配置されているかを検出する機能を備えている。

姿勢検出装置２０は、たとえば、ＭＥＭＳジャイロ、光ファイバジャイロなどのジャイロ方式の姿勢センサを用いてもよいし、あるいは、慣性航法装置を用いるようにしてもよい。更に、姿勢検出装置２０は、水中移動体４の前記所定の姿勢を検出することができれば、任意の形式、任意の検出方式の姿勢検出装置２０を用いてもよいことは勿論である。また、姿勢検出装置２０は、位置情報取得装置１９と統合された装置とされていてもよい。

更に、姿勢検出装置２０は、水中移動体４の姿勢の検出結果を、制御装置２２へ送る機能を備えている。

移動装置２１は、制御装置２２から受け取る指令Ｃ３に従い、水中移動体４の推進や操舵を伴う移動を行う装置である。

図２では、一例として、移動装置２１が、機体１８の後部に配置されたメインスラスタ２１ａ、および、舵２１ｂと、機体１８の内部に配置された浮力調整装置２１ｃとを備えた構成を示してある。なお、移動装置２１は、制御装置２２から受け取る指令Ｃ３に従って、水中移動体４を移動させることができれば、推進手段、操舵手段および浮沈の手段の形式は特に限定されない。更に、移動装置２１は、たとえば、機体１８の上下方向や左右方向に推進力を生じる図示しないスラスタを備えていてもよい。したがって、移動装置２１は、水中移動体４の移動を行わせるために望まれる運動性能などを考慮して、自在に選定してよい。

制御装置２２は、水中移動体４の移動に関する航走計画あるいは目標位置が設定される機能を備えている。

更に、制御装置２２は、位置情報取得装置１９より受け取る水中移動体４の位置情報と、姿勢検出装置２０より受け取る水中移動体４の姿勢の検出結果とを基に、自機を設定された航走計画に従って移動させるため、あるいは、自機の位置を設定された目標位置まで移動させるために必要とされる移動装置２１の操作量を求める機能と、求めた操作量を、指令Ｃ３として移動装置２１へ送る機能とを備えている。

これにより、水中移動体４は、移動装置２１が、制御装置２２より受け取る指令Ｃ３に応じて制御されるため、制御装置２２に設定された航走計画に従う航走、あるいは、設定された目標位置への移動を行うことができる。

また、水中移動体４は、図示しないが、水中の情報収集に使用する、カメラ、サイドスキャンソーナー、マルチビームソーナーなどの観測装置を備えた構成としてもよい。

更に、水中移動体４は、これらの観測装置が取得した観測データ、および、水中移動体４のステータスの情報を、音響通信機５から、水上移動体２の音響通信機３へ音響通信により送信する機能を備えている。

次いで、水上移動体２に備えた計算装置９の機能について説明する。

計算装置９は、水上移動体２の音響通信機３が、水中移動体４の音響通信機５より音響信号を受信する場合には、図３に示す受信時処理を行い、水上移動体２の音響通信機３が、水中移動体４の音響通信機５に向けて音響信号を送信する場合には、図４に示す送信時処理を行う。

先ず、図３の計算装置９の受信時処理について説明する。

水上移動体２の音響通信機３が、水中移動体４の音響通信機５より送信された音響信号を受信すると（ステップＳａ１）、その時点で、計算装置９は、方向推定処理を行う（ステップＳａ２）。

方向推定処理では、計算装置９は、位置情報取得装置６より、水上移動体２の地球固定座標系における位置の情報を受け取る。また、計算装置９は、姿勢検出装置７より、水上移動体２の姿勢の検出結果、すなわち、水上移動体２の前後軸、左右軸、上下軸の地球固定座標系における方向の情報を受け取る。更に、計算装置９は、推定装置８より、受け取る水中移動体４の地球固定座標系における位置の推定結果を受け取る。その後、計算装置９は、受け取った各情報および推定結果を基に、水上移動体２に対する通信対象の水中移動体４の相対的な位置情報を求める。

次に、計算装置９は、ビームフォーミング計算処理を行う（ステップＳａ３）。

ここで、水上移動体２の計算装置９が、ビームフォーミング計算処理で設定するビーム方向（メインローブの方向）とビーム幅を導出する手法について説明する。

図５に示すように、水上移動体２には、前後軸（ロール軸）をｘ軸、左右軸（ピッチ軸）をｙ軸、上下軸（ヨー軸）をｚ軸で示す機体固定座標系を設定する。なお、図５では、図示する便宜上、水上移動体２は、ストラット１１（図１参照）を省略し、構成を簡略化して示してある。

一例として、水上移動体２の通信対象となる水中移動体４が、ｘ軸とｚ軸を含む平面内で、水上移動体２の前方の斜め下方位置となる点Ｐに存在している状態を仮定する。なお、水上移動体２の機体固定座標系における水中移動体４の位置は、水中移動体の4の位置の座標を地球固定座標系から機体固定座標系へ座標変換を行うことで求めることができる。

また、この状態で、水上移動体２に、ｙ軸を中心とするピッチの回転の動揺が角度αで生じ、ｚ軸を中心とするヨーの回転の動揺が角度βで生じ、ｘ軸を中心とするロールの回転の動揺が角度γで生じた状況を想定する。

この状況について、水上移動体２の姿勢を基準とした場合の点Ｐの相対的な変位を考える。水上移動体２がピッチの回転の動揺を角度αで生じると、図６（ａ）に示すように、点Ｐは、ｙ軸を中心とする円周上を、角度αに対応する中心角で相対的に変位する。また、水上移動体２がヨーの回転の動揺を角度βで生じると、図６（ｂ）に示すように、点Ｐは、ｚ軸を中心とする円周上を、角度βに対応する中心角で相対的に変位する。よって、水上移動体２のピッチの回転の動揺と、ヨーの回転の動揺によって点Ｐが相対的に変位する可能性がある範囲は、図６（ｂ）に示す、略矩形の領域Ｑとなる。

更に、水上移動体２がロールの回転の動揺を角度γで生じると、点Ｐが相対的に変位する可能性がある範囲は、図６（ｂ）に示すように、領域Ｑを、ｘ軸を中心とする円周に沿い、角度γに対応する中心角で動かした領域Ｒとなる。

なお、ここでは、説明の便宜上、先ず、ピッチとヨーの動揺を基に領域Ｑを規定し、次いで、ロールの動揺を加えることで領域Ｒを求める手順を示した。これに対し、水上移動体２では、水上移動体２の機体固定座標系にて水中移動体４の相対的な配置を示す点Ｐの座標と、水上移動体２のピッチとヨーとロールのそれぞれの動揺の角度α、角度β、角度γが決まれば、領域Ｒは、幾何学的な計算で求めることができる。よって、領域Ｒを求める計算は、前記したように領域Ｑを一旦求める手順以外の手順で行ってもよいことは勿論である。

このように求めた領域Ｒは、水上移動体２がピッチ、ヨー、ロールの各回転の動揺を、それぞれ角度α、角度β、角度γで生じる場合に、通信対象である水中移動体４が相対的に変位する可能性のある範囲である。よって、水上移動体２では、この領域Ｒをカバーするように、図６（ｂ）に二点鎖線で示す如き範囲Ｓを設定して、音響通信機３と範囲Ｓの中央とを結ぶ方向を、音響通信機３より送信する音響信号のビーム方向とし、音響通信機３と範囲Ｓの周縁とを結ぶ線によって形成される内側の角度を、ビーム幅に設定することで、領域Ｒを含む範囲Ｓに向けて、音響通信機３から音響信号のビーム（メインローブ）を送信することができることになる。

なお、図６（ｂ）では、範囲Ｓを楕円で示したが、範囲Ｓの形状は、音響通信機３で形成可能な音響信号のビーム（メインローブ）の断面形状に対応した形状に設定すればよい。

したがって、領域Ｒが決まれば、範囲Ｓは、幾何学的な計算で設定することができ、更に、前記したビーム方向と、ビーム幅も幾何学的な計算で求めることができる。

そこで、計算装置９は、ステップＳａ３では、ビームフォーミング計算処理として、前記した領域Ｒを求めた後、範囲Ｓを設定し、更に、ビーム方向およびビーム幅を求める計算を行う。

なお、水上移動体２の機体固定座標系における水中移動体４の位置が異なると、水上移動体２のピッチ、ヨー、ロールの各回転の動揺に応じて、通信対象である水中移動体４が相対的に変位する可能性のある範囲としての領域Ｒの形状や配置は変化する。しかし、この場合であっても、計算装置９は、幾何学的な計算により領域Ｒを求めることができるため、更に、範囲Ｓを設定し、ビーム方向およびビーム幅を求める計算を行うことができる。

次いで、計算装置９は、ステップＳａ４に進み、前記ステップＳａ３で求めたビーム方向およびビーム幅をデジタルビームフォーミングで実現するために必要とされるパラメータを推定するパラメータ推定処理を行う。

このパラメータ推定処理では、計算装置９は、音響通信機３における電気音響変換器のアレイの構成や、音響通信機３で受信する音響信号の周波数などの情報を基に、位相や振幅の重みづけの要求量の計算を行う。

その後、計算装置９は、前記ステップＳａ４のパラメータ推定処理で推定したパラメータを、指令Ｃ１として音響通信機３へ与える処理を行う。

これにより、音響通信機３は、ステップＳａ１で水中移動体４の音響通信機５より受信した音響信号に対して、計算装置９より受け取る指令Ｃ１に基づくビームフォーミング処理を行い（ステップＳａ５）、次いで、復調の処理を行うことで（ステップＳａ６）、水中移動体４から送られた情報を取得する。

このように、本実施形態の音響通信システム１によれば、水上移動体２の音響通信機３が受信側となる場合には、水上移動体２がピッチ、ヨー、ロールの回転の動揺を生じるときには、その動揺によって通信対象である水中移動体４が相対的に変位する可能性のある範囲をカバーするようにビーム方向とビーム幅を定めたビームフォーミングを行うことができる。また、このビームフォーミングでは、水上移動体２の動揺の大きさに対応して、ビーム幅を調整することができる。そのため、音響通信機３で受信する音響信号について、ＳＮ比の低下を抑制することができる。よって、水上移動体２が水中移動体４より受け取る音響信号の伝送効率の向上化を図ることができる。

次に、図４の計算装置９の送信時処理について説明する。

送信時には、水上移動体２の音響通信機３は、水中移動体４へ送る情報について、音響信号への変調を行う（ステップＳｂ１）。

送信時処理では、計算装置９は、方向推定処理（ステップＳｂ２）と、ビームフォーミング計算処理（ステップＳｂ３）を行う。

この計算装置９によるステップＳｂ２の方向推定処理と、ステップＳｂ３のビームフォーミング計算処理は、受信時処理におけるステップＳａ２の方向推定処理と、ステップＳａ３のビームフォーミング計算処理と同様である。

次に、計算装置９は、前記ステップＳｂ３で求めたビーム方向およびビーム幅をデジタルビームフォーミングで実現するために必要とされるパラメータを推定するパラメータ推定処理を行う（ステップＳｂ４）。

このパラメータ推定処理では、計算装置９は、音響通信機３における電気音響変換器のアレイの構成や、音響通信機３より送信する音響信号の周波数などの情報を基に、位相や振幅の重みづけの要求量の計算を行う。

その後、計算装置９は、前記ステップＳｂ４のパラメータ推定処理で推定したパラメータを、指令Ｃ１として音響通信機３へ与える処理を行う。

これにより、音響通信機３は、ステップＳｂ１で変調した音響信号に対して、計算装置９より受け取る指令Ｃ１に基づくビームフォーミング処理を行い（ステップＳｂ５）、その後、送信の処理を行う（ステップＳｂ６）。

このように、本実施形態の音響通信システム１によれば、水上移動体２の音響通信機３が送信側となる場合にも、水上移動体２がピッチ、ヨー、ロールの回転の動揺を生じるときには、その動揺によって通信対象である水中移動体４が相対的に変位する可能性のある範囲をカバーするようにビーム方向とビーム幅を定めたビームフォーミングを行うことができる。また、このビームフォーミングでは、水上移動体２の動揺の大きさに対応して、ビーム幅を調整することができる。そのため、音響通信機３で送信した後、水中移動体４の音響通信機５で受信される音響信号について、ＳＮ比の低下を抑制することができる。よって、水上移動体２から水中移動体４へ送信する音響信号の伝送効率の向上化を図ることができる。

更に、本実施形態の音響通信システム１は、水上移動体２に備えた音響通信機３でビームフォーミング処理を行うようにしてある。このため、たとえば、水上移動体２が、複数の水中移動体４から、観測データを収集する場合のように、水上移動体２が複数の水中移動体を通信対象とする場合には、水上移動体２の音響通信機３で、それぞれの水中移動体４の位置に応じたビーム方向とビーム幅の音響信号を形成するビームフォーミングを、順次切り替えて実施することができる。

したがって、本実施形態の音響通信システム１は、音響通信機３を備えた水上の通信局である水上移動体２が、複数の通信対象としての水中移動体４との通信を行う場合に好適なものとすることができる。この際、本実施形態の音響通信システム１は、水上移動体２に動揺が生じても、それぞれの水中移動体４に送信または受信する音響信号のＳＮ比の低下を抑制することができる。

［第２実施形態］
前記第１実施形態では、水上移動体２の音響通信機３が受信する音響信号に対するビームフォーミング処理を、水上移動体２で行う場合の構成について示した。これに対し、水上移動体２の音響通信機３が受信する音響信号に対するビームフォーミング処理は、水上移動体２の外部に備えた計算装置で行うようにしてもよい。この場合の装置構成は、以下の第２実施形態のようにすればよい。

図７は、音響通信システムの第２実施形態を示す概要図である。

なお、図７において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の音響通信システム１は、図７に示すように、第１実施形態と同様の構成において、水上移動体２とは別の水上移動体２３を備え、この水上移動体２３に受信時処理用の計算装置２４を備えた構成としたものである。

図７では、水上移動体２３を船舶とする場合の例を図示してあるが、水上移動体２３は、水上移動体２と同様の半没型の水上移動体としてもよいことは勿論である。また、水上移動体２３は、水上移動体２や水中移動体４の母船であってもよい。

本実施形態では、水上移動体２と水上移動体２３は、無線通信機２５，２６を備えて、相互通信が可能な構成とされている。

なお、水上移動体２に備える無線通信機２５は、アンテナ２５ａを、水面Ｗの上方に配置される基台１２上に備えた構成とすればよい。

本実施形態では、水上移動体２に備えた無線通信機２５は、音響通信機３が受信した音響信号の情報と、水上移動体２の位置情報取得装置６より受け取る水上移動体２の位置の情報と、姿勢検出装置７より受け取る水上移動体２の姿勢の情報と、推定装置８より受け取る水中移動体４の位置の推定結果とを、それぞれ時間の情報と共に、水上移動体２３の無線通信機２６を通信対象として送信する機能を備えている。

水上移動体２３の無線通信機２６は、水上移動体２の無線通信機２５から送信される音響信号の情報と、水上移動体２の位置の情報と、水上移動体２の姿勢の情報と、水中移動体４の位置の推定結果を、それぞれの時間の情報と共に受け取ると、それを計算装置２４へ送る機能を備えている。

計算装置２４は、記憶部２７を備えた構成とされている。これにより、計算装置２４は、無線通信機２６より音響信号の情報と、水上移動体２の位置の情報と、水上移動体２の姿勢の情報と、水中移動体４の位置の推定結果を受け取ると、それを記憶部２７に、時間の情報と共に、ログとして保存する機能を備えている。

更に、計算装置２４は、記憶部２７に保存された情報を取り出して、図３に示した受信時処理と同様の受信時処理を行う機能を備えている。

なお、計算装置２４は、図３のステップＳａ１のように、水上移動体２がリアルタイムで受信した音響信号を処理するのではなく、記憶部２７に保存された音響信号の情報を取り出して処理を行うことになる。そのため、計算装置２４は、音響信号の情報を取り出すと、その音響信号を受信した時点の水上移動体２の位置の情報と、水上移動体２の姿勢の情報と、水中移動体４の位置の推定結果を、記憶部から取り出して、図３における、方向推定処理（ステップＳａ２）、ビームフォーミング計算処理（ステップＳａ３）、パラメータ推定処理（ステップＳａ４）を行う。

更に、本実施形態では、計算装置２４が、水上移動体２の音響通信機３に代わり、音響信号に対して、図３に示したと同様のビームフォーミング処理（ステップＳａ５）と、次いで、復調の処理（ステップＳａ６）を行うことで、水中移動体４から送られた情報を取得するようにすればよい。

このように、本実施形態の音響通信システム１によれば、水上移動体２の音響通信機３が受信側となる場合には、音響通信機３で受信した音響信号の情報を別の水上移動体２３に備えた計算装置２４へ送り、計算装置２４でビームフォーミング処理を行って、水中移動体４から送られた情報を取得することができる。よって、本実施形態の音響通信システム１によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

更に、本実施形態における計算装置２４は、音響通信機３で受信した音響信号の情報を記憶部２７に一旦保存してからビームフォーミング処理を行うことができるため、たとえば、或る時点で水上移動体２の音響通信機３が受信した音響信号に対して、異なるパラメータによるビームフォーミング処理を複数回行うことが可能になる。

したがって、たとえば、水上移動体２が複数の水中移動体を通信対象とする場合は、水上移動体２の音響通信機３が、複数の水中移動体４の音響通信機５から送信された音響信号を同時に受信した場合でも、それぞれの水中移動体４の位置にビーム方向を対応させたビームフォーミング処理を行うことができる。更には、ビーム方向を向ける水中移動体４以外の他の水中移動体４が存在する方向には、ヌルの方向を対応させるビームフォーミング処理を行うことも可能になる。

この際、複数の水中移動体４の音響通信機５が、それぞれ異なる周波数帯の音響信号を送信する機能を備えていれば、ビーム方向を対応させる水中移動体４の音響通信機５が送信する音響信号の周波数帯を選択的に抽出する処理を行うことも可能になる。

よって、本実施形態の音響通信システムは、音響通信機３を備えた水上の通信局である水上移動体２が、複数の通信対象としての水中移動体４との通信を、同時に行う可能性がある場合に好適なものとすることができる。

［第３実施形態］
図８は、音響通信システムの第３実施形態を示す概要図である。図９は、図８の音響通信システムを水上移動体と音響通信を行う水中移動体に適用する場合の具体的構成を示す図である。

なお、図８、図９において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

第３実施形態は、本開示の音響通信システムを、図８、図９に示すように、音響通信機５を備えて水中に配置される通信局としての水中移動体４に適用する場合の例を示すものである。また、本実施形態は、水中移動体４の音響通信による通信対象を、音響通信機３を備えた水上移動体２とした例を示す。

本実施形態の通信システムの基本的な構成は、図８に符号１Ａで示すもので、水中に配置される通信局としての水中移動体４と、水中移動体４に装備された音響通信機５と、水中移動体４の位置情報を取得する位置情報取得装置１９と、水中移動体４の姿勢を検出する姿勢検出装置２０と、通信対象としての水上移動体２の位置を推定する推定装置２８と、計算装置９Ａと、を備えた構成とされている。

次に、本実施形態の音響通信システム１Ａを適用した水中移動体４の具体的な構成について説明する。

水中移動体４は、第１実施形態と同様の構成に加えて、推定装置２８と計算装置９Ａとを備えた構成とされている。

本実施形態では、音響通信機５は、図示しない電気音響変換器のアレイを備えた構成とされ、計算装置９Ａより受け取る指令Ｃ４に基づきビームフォーミングを実施する機能を備えている。なお、音響通信機５は、計算装置９Ａで設定されるビームフォーミングのビーム方向とビーム幅を実現可能であれば、アレイにおける電気音響変換器の数や配置は任意の設定でよいことは勿論である。

推定装置２８は、本実施形態では、水中移動体４の音響通信機５に接続されている。

一方、本実施形態では、水上移動体２に備えた音響通信機３は、水上移動体２の位置情報取得装置６より受け取る水上移動体２の位置の情報を、水中移動体４の音響通信機５を通信対象として送信する機能を備えている。

これにより、水中移動体４に備えた推定装置２８は、水上移動体２の位置情報取得装置６が取得した水上移動体２の位置の情報を受け取って、地球固定座標系における水上移動体２の位置の情報を推定結果とする機能と、その推定結果を計算装置９Ａへ送る機能とを備えている。

本実施形態では、水中移動体４の位置情報取得装置１９は、取得した水中移動体４の地球固定座標系における位置の情報を計算装置９Ａへ送る機能を備えている。

また、本実施形態では、姿勢検出装置２０は、第１実施形態と同様の機能に加えて、水上移動体２の前後軸、左右軸、上下軸の方向の時間経過に伴う変化を基に、水中移動体４のピッチ、ヨー、ロールの回転の動揺を検出する機能を備えている。更に、姿勢検出装置２０は、水中移動体４の姿勢および動揺の検出結果を、計算装置９Ａへ送る機能を備えている。

計算装置９Ａの機能の詳細については、後述する。

本実施形態では、水上移動体２は、第１実施形態と同様の構成において、計算装置９と推定装置８と音響測位装置１４を省いた構成とされている。なお、水上移動体２を音響測位装置１４を省いた構成とすることに伴い、本実施形態の水中移動体４は、トランスポンダ１５を省いた構成とされている。

次いで、水中移動体４に備えた計算装置９Ａの機能について説明する。

計算装置９Ａは、水中移動体４の音響通信機５が、水上移動体２の音響通信機３より音響信号を受信する場合には、受信時処理を行い、水中移動体４の音響通信機５が、水上移動体２の音響通信機３に向けて音響信号を送信する場合には送信時処理を行う。

先ず、計算装置９Ａの受信時処理について説明する。

計算装置９Ａは、水上移動体２の音響通信機３が、水中移動体４の音響通信機５より音響信号を受信する場合には、図３に示した第１実施形態の計算装置９と同様に、方向推定処理（ステップＳａ２）、ビームフォーミング計算処理（ステップＳａ３）、パラメータ推定処理（ステップＳａ４）と同様を行う。

この際、計算装置９Ａが行う処理は、前述した第１実施形態の計算装置９による各処理の説明における水上移動体２、音響通信機３、位置情報取得装置６、姿勢検出装置７、推定装置８、計算装置９、指令Ｃ１と、水中移動体４、音響通信機５、位置情報取得装置１９、姿勢検出装置２０、推定装置２８、計算装置９Ａ、指令Ｃ４とをそれぞれ置き換えた処理を行うようにすればよい。

これにより、音響通信機５は、水上移動体２の音響通信機３より受信した音響信号に対して、計算装置９Ａより受け取る指令Ｃ４に基づくビームフォーミング処理を行い、次いで、復調の処理を行うことで、水上移動体２から送られた情報を取得する。

このように、本実施形態の音響通信システム１Ａによれば、水中移動体４の音響通信機５が受信側となる場合には、水中移動体４がピッチ、ヨー、ロールの回転の動揺を生じるときには、その動揺によって通信対象である水上移動体２が相対的に変位する可能性のある範囲をカバーするようにビーム方向とビーム幅を定めたビームフォーミングを行うことができる。また、このビームフォーミングでは、水中移動体４の動揺の大きさに対応して、ビーム幅を調整することができる。そのため、音響通信機５で受信する音響信号について、ＳＮ比の低下を抑制することができる。よって、水中移動体４が水上移動体２より受け取る音響信号の伝送効率の向上化を図ることができる。

次に、計算装置９Ａの送信時処理について説明する。

送信時には、水中移動体４の音響通信機５は、水上移動体２へ送る情報について、音響信号への変調を行う。

送信時処理では、計算装置９Ａは、図４に示した第１実施形態の計算装置９と同様に、方向推定処理（ステップＳｂ２）、ビームフォーミング計算処理（ステップＳｂ３）、パラメータ推定処理（ステップＳｂ４）を行う。

この際、計算装置９Ａが行う処理は、前述した第１実施形態の計算装置９による各処理の説明における水上移動体２、音響通信機３、位置情報取得装置６、姿勢検出装置７、推定装置８、計算装置９、指令Ｃ１と、水中移動体４、音響通信機５、位置情報取得装置１９、姿勢検出装置２０、推定装置２８、計算装置９Ａ、指令Ｃ４とをそれぞれ置き換えた処理を行うようにすればよい。

これにより、音響通信機５は、変調した音響信号に対して、計算装置９Ａより受け取る指令Ｃ４に基づくビームフォーミング処理を行い、その後、送信の処理を行う。

このように、本実施形態の音響通信システム１Ａによれば、水中移動体４の音響通信機５が送信側となる場合にも、水中移動体４がピッチ、ヨー、ロールの回転の動揺を生じるときには、その動揺によって通信対象である水上移動体２が相対的に変位する可能性のある範囲をカバーするようにビーム方向とビーム幅を定めたビームフォーミングを行うことができる。また、このビームフォーミングでは、水中移動体４の動揺の大きさに対応して、ビーム幅を調整することができる。そのため、音響通信機５で送信した後、水上移動体２の音響通信機３で受信される音響信号について、ＳＮ比の低下を抑制することができる。よって、水中移動体４から水上移動体２へ送信する音響信号の伝送効率の向上化を図ることができる。

［第１応用例］
第１実施形態および第２実施形態は、水中移動体４に、第３実施形態と同様の音響通信システム１Ａを備えた構成としてもよい。この構成によれば、水上移動体２と水中移動体４の双方で、送受信する音響信号に対するビームフォーミングを行うことができる。

［第２応用例］、
前記各実施形態では、計算装置９，９Ａは、ビームフォーミング計算処理にて、ビーム幅を、水上移動体２の動揺により水中移動体４が相対的に変位する領域Ｒ、あるいは、水中移動体４の動揺により水上移動体２が相対的に変位する領域Ｒに対応する範囲に応じて設定する例を示した。

これに対し、水上移動体２と水中移動体４との距離が設定された距離よりも小さくなると、計算装置９，９Ａは、ビーム幅をより広く設定する処理を行うようにしてもよい。

これは、水上移動体２と水中移動体４には、回転の振動以外に、サージ、スウェイ、ヒーブによる平行移動の振動も生じること、水上移動体２と水中移動体４との距離が近づくにつれて、水上移動体２が送受信する音響信号のビームが到達する範囲に対する水上移動体２の前記平行移動の振動の影響が大きくなること、同様に、水上移動体２と水中移動体４との距離が近づくにつれて、水中移動体４が送受信する音響信号のビームが到達する範囲に対する水中移動体４の前記平行移動の振動の影響が大きくなること、に対応できるようにするためである。

したがって、ビーム幅の設定の切り替えを行う距離と、ビーム幅を変化させる量は、水上移動体２と水中移動体４に生じる平行移動の振動の大きさを考慮して定めるようにすればよい。

なお、この手法では、ビーム幅を広げることに伴い音響信号の強度は減少するが、水上移動体２と水中移動体４との距離が近づくほど、伝送される音響信号の減衰量は小さくなるので、ビーム幅を広げることに起因する音響信号の強度不足の問題は生じない。

［第３応用例］
前記第１実施形態では、水上移動体２の推定装置８は、音響測位装置１４による水上移動体２の位置を基準とする水中移動体４の相対位置の検出結果を基に、地球固定座標系における水中移動体４の位置を推定する機能を備えるものとして説明した。

これに対し、推定装置８は、地球固定座標系における水中移動体４の位置を推定する機能を実現することができれば、推定の手法は、前記以外の手法を採用してもよい。

たとえば、推定装置８は、水中移動体４の位置情報取得装置１９で検出される水中移動体４の深度の情報を、音響通信を介して受け取り、その深度の情報と、水中移動体４のトランスポンダ１５による応答信号Ｄｂ（図２参照）の到来方向、または、音響通信のための音響信号の到来方向とを基に、地球固定座標系における水中移動体４の位置を推定するようにしてもよい。

また、推定装置８は、水中移動体４の位置情報取得装置１９で取得される地球固定座標系における水中移動体４の位置を、音響通信を介して受け取るようにしてもよい。

更に、推定装置８は、予め水中移動体４の航走計画を、ウェイポイントファイルのような情報として記憶し、音響通信を行う時刻と、航走計画とを基に、地球固定座標系における水中移動体４の位置を推定するようにしてもよい。

［第４応用例］
前記第３実施形態では、水中移動体４の推定装置２８は、水上移動体２の位置情報取得装置６が取得した水上移動体２の位置の情報を、音響通信を介して受け取るものとして説明した。

これに対し、推定装置２８は、地球固定座標系における水上移動体２の位置を推定する機能を実現することができれば、推定の手法は、前記以外の手法を採用してもよい。

たとえば、推定装置２８は、水中移動体４の位置情報取得装置１９で取得される地球固定座標系における水中移動体４の深度の情報を含む位置の情報と、水上移動体２の音響測位装置１４による測位信号Ｄａ（図２参照）の到来方向、または、音響通信のための音響信号の到来方向とを基に、地球固定座標系における水上移動体２の位置を推定するようにしてもよい。

なお、本開示の音響通信システムは、前記各実施形態および各応用例にのみ限定されるものではない。

水上移動体２、水中移動体４、水上移動体２３の形状やサイズ、サイズの比は、図示するための便宜上のものであり、実際の形状やサイズ、サイズの比を反映したものではない。

第１実施形態および第２実施形態では、音響通信機を備えた水上の通信局が、水上移動体２である構成を示した。これに対し、本開示の音響システムにて、音響通信機を備える水上の通信局は、たとえば、水面に浮遊するブイのように航走機能を有していない水上浮遊体であってもよい。この場合は、水上浮遊体に前後軸、左右軸、上下軸を適宜設定し、各軸に関する動揺を検出して、音響通信機で送受信する音響信号のビーム方向とビーム幅を定めるビームフォーミングを行うようにすればよい。

第３実施形態では、音響通信機を備えた水上の通信局が、水上移動体２である構成を示した。これに対し、本開示の音響システムにて、音響通信機を備える水中の通信局は、たとえば、水底に係留された航走機能を有していない水中浮遊体であってもよい。この場合は、水中浮遊体に前後軸、左右軸、上下軸を適宜設定し、各軸に関する動揺を検出して、音響通信機で送受信する音響信号のビーム方向とビーム幅を定めるビームフォーミングを行うようにすればよい。

本開示の音響通信システムは、音響通信機を備えた水中の通信局が、水中移動体や水中浮遊体を通信対象として音響通信を行う構成に適用してもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

２ 水上移動体（通信局）、３ 音響通信機、４ 水中移動体（通信局）、５ 音響通信機、６ 位置情報取得装置、７ 姿勢検出装置、８ 推定装置、９，９Ａ 計算装置、１９ 位置情報取得装置、２０ 姿勢検出装置、２８ 推定装置、Ｃ１ 指令、Ｃ４ 指令、Ｗ 水面

Claims (3)

1. 水上または水中に配置される通信局と、
   前記通信局に装備された電気音響変換器のアレイを有する音響通信機と、
   前記通信局の位置の情報を取得する位置情報取得装置と、
   前記通信局の姿勢を検出する姿勢検出装置と、
   前記通信局の音響通信による通信対象の位置を推定する推定装置と、
   計算装置と、を備え、
   前記計算装置は、
   前記位置情報取得装置で取得された前記通信局の位置の情報と、前記推定装置で推定された前記通信対象の位置とを基に、前記通信局を基準とする前記通信対象の方向を推定する方向推定処理を行う機能と、
   前記姿勢検出装置で検出される前記通信局の姿勢の変化を基に、前記通信局のピッチ、ヨー、ロールの動揺を検出する機能と、
   前記方向推定処理で推定された前記通信局を基準とする前記通信対象の方向に対応して、音響信号のビーム方向を設定し、前記動揺を検出する機能で検出された前記通信局のピッチ、ヨー、ロールの動揺に対応して、前記音響信号のビーム幅を設定したビームフォーミングの指令を、前記音響通信機に与える機能と、
   前記音響信号が前記通信局の前記音響通信機に受信されたときに、前記ビームフォーミングの指令を、前記音響通信機に与える機能を備えること、
   を特徴とする音響通信システム。
2. 前記通信局は、水上移動体であり、前記通信対象が水中移動体とされた
   請求項１に記載の音響通信システム。
3. 前記通信局は、水中移動体であり、前記通信対象が水上移動体とされた
   請求項１に記載の音響通信システム。

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