JPH05157835A - 霧笛音の伝播特性を利用した距離の検知方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子出願以前の出願であるので 要約・選択図及び出願人の識別番号は存在しない。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、濃霧航行中に近接船との距離や近接 船の大きさを検知する方法及びその装置に関する。

更に詳しくは、受信された霧笛音をケプストラム 法で信号処理して近接船との距離や近接船の大き さを検知する方法、及び、その装置に関するもの である。

（従来の技術） 視界不良の輻輳海域における近接船のレーダ画 像には自船近傍での海面反射像が現われ、他船の 像との識別が困難になることがあるため、霧笛応 答は極めて重要である。

しかしながら、近接船からの霧笛音の検知は、 一般に操船者の聴覚機能により霧笛音の強度から 近接船までの距離を求めるように行なわれている ものである。この場合、到来する霧笛音の音線は 空中の温度勾配で曲がり、しかも、濃霧中の温度 勾配は常に揺らいでいるため、受音点における霧 笛音の強度は一定の値とならないから操船者の聴 覚機能の応答特性に影響されて、霧笛音の認識に ついての精度は不安定になることもあって衝突事 故の一原因になることがある。この対策として、 霧笛音の強度を増幅する聴音器方式のものはある が、現在、霧笛音をリアルタイムで信号処理して 直接近接船までの水平距離や近接船の大きさを求 める方式のものは存在していない。

（発明が解決しょうとする課題） 操船者の聴覚機能を介して霧笛音の強度から近 接船の水平距離を捉えようとする場合、人間の聴 覚機能には個人差や聴覚環境によって近接船の霧 笛音が聞こえたり聞こえなかったりする現象が現 われ、霧笛音の検知精度の低下を伴うことがある。

このため、発明者は音響信号による距離検知シス テムを開発すべく霧笛音を直接信号処理する検知 方式について鋭意、検討を重ねた。その結果、受 信された霧笛音を電気信号に変換して求めた音響 強度をケプストラム法で信号処理する場合、近接 船までの水平距離等の情報を操船者の個人差や聴 覚環境に影響されない不変な情報量としてリアル タイムで入手できることを見い出し、本発明を完 成するに至った。

［発明の構成］ （解決するための手段） 本発明を概説すれば、本発明は濃霧航行中の近 接船の霧笛音より近接船までの距離を検知する方 法において、1)近接船の霧笛音源から直接伝播す る直接音波と一度海面に反射して伝播する反射音 波の重畳している霧笛音を垂直方向の２箇所で受 信し、2)該２箇所で受信した夫々の霧笛音をケプ ストラム法により信号処理して霧笛音に含まれて いる直接音波に対する反射音波の遅れ時間を測定 し、3)別途にリアルタイム計測で求めた大気中の 音速値と前記信号処理で得た遅れ時間との積より、 夫々の受信点における直接音波と反射音波の霧笛 音に関する伝播経路の違いによる音線（霧笛音波 面の法線の軌跡）差を求め、4)次いで霧笛音の伝 播経路に関する音線の幾何構造と前記音線差と受 音点の高さから霧笛音を発した近接船迄の水平距 離を算出して検知する、ことを特徴とする霧笛音 の伝播特性を利用した距離の検知方法、及び、そ のための装置に関するものである。

以下、本発明の技術的構成及び実施の態様を図 面を参照して詳しく説明する。なお、本発明の霧 笛音の伝播特性を利用した距離の検知方法は、後 述する様に霧笛音を発した近接船までの水平距離 を正確に検知することができることは勿論のこと、 霧笛音源の位置の高さ、即ち、近接船の大きさも 検知することができるという特徴を有するもので ある。

近接船の霧笛音源から発せられ大気中を伝播 してくる霧笛音波には、第１図に示される様に霧 笛音源から直接伝播してきた直接音波と一度海面 に反射してきた反射音波という二つの伝播経路の 異なった音波が重畳して自船に到達することにな る。本発明は前記した点に着目して、自船のマス ト等で垂直方向の高さ異なる２箇所の夫々の位置 受音点で霧笛音を受信した後、夫々の受音点で電 気信号に変換された霧笛音の音響強度に関してケ プストラム法で信号処理を行ない、夫々の受音点 で直接音波に対する反射音波の遅れ時間を求め、 次に、この値と別途にリアルタイム測定で得られ た空中の伝播音速値との積より、霧笛音に含まれ ている直接音波と反射音波の伝播経路の違いから 音線（霧笛音波面の法線の軌跡）差を求め、霧笛 音の伝播経路に関する音線の幾何構造、及び前記 音線差と受音点の高さから霧笛音を発信した近接 船までの水平距離ならびに近接船における海面か らの霧笛音源までの高さを算出するという技術的 構成を採用する。

（作用） 本発明は、空中に発せられた霧笛音の伝播経路 の違いよる音線差から距離を算出するもので、霧 笛音の大気中の伝播現象を利用するものである。

第２図に、本発明の霧笛音の伝播特性を利用した 距離検知システム、特に、システムを構成する装 置の概要を示す。

本発明の霧笛音による近接船迄の距離や近接船 の大きさを検出するシステムにおいて、信号処理 のフローは第３図に示す。

本発明は第３図に示される様に、まず霧笛音波 の伝播過程で直接音波と海面で反射した反射音波 の時間遅れ時間を測定する。これは後述するケプ ストラム法の信号処理により測定する。次いで、 この遅れ時間と大気中の音波値との積から、直接 音波と反射音波の伝播過程の違いに基づいた両音 波の音線差の値を求める。更に、後述する霧笛音 による距離検出の信号処理のアルゴリズムに従っ て、霧笛音を発信した近接船までの水平距離と近 接船の大きさ（霧笛音源の高さ）を求めるもので ある。

(i)距離の検出アルゴリズムについて 本発明に適用される霧笛音による距離の検出ア ルゴリズムについて説明する。まず、近接船間に おける霧笛音の伝達モデルを第４図に示す。この 図で霧笛音源と受音点を結ぶ直接音波の音線の長 さをL₁、虚像音源と受音点を結ぶ海面反射波の音 線の長さをL₂、霧笛音源と受音点の水平距離をｘ、 受音点の高さをｚ、霧笛音源の高さをｈ、と置け ば、夫々、 Ｌ_１＝（（ｈ−ｚ）^２＋ｘ^２）^１／２、 Ｌ_２＝（（ｈ＋ｚ）^２＋ｘ^２）^１／２ (1) となる。前記(1)式において、両音線の差△Ｌ＝ Ｌ_２−Ｌ_１と置いて、霧笛音源と受音点の水平距離 ｘが霧笛音源の海面高さｈや受音点の高さｚの値 に比べて十分に大きとした条件のとき、即ち、 ｈ＋ｚ＜＜ｘ，ｈ−ｚ＜＜ｘで近似ですると、 △L=L₂−L₁〜（２ｈｚ／ｘ）｛１−（ｈ^２＋ｚ^２） ／２ｘ^２＋・・｝ (2) となる。音線の差△Ｌは霧笛音源の高さｈと受音 点の高さｚの相乗積に比例することが判る。また、 霧笛音源と受音点との水平距離ｘは ｘ〜２ｈｚ／△Ｌ (3) となる。しかし、通常の場合(3)式のｈは未知数 となっている。

そこで、霧笛音源の高さｈの値は、受音点の高 さｚをｚ＋δｚに替えたときの音線差の変化分 δ（△Ｌ）より推定することを考える。

即ち、音線差△Ｌに関する(2)式を受音点の高 さｚで微分して、(2)式と組み合わせると、(4) 式の関係が得られる。

｛δ（△Ｌ）／δｚ｝／｛△Ｌ／ｚ｝〜 １−ｚ^２／ｘ^２＋・・ (4) 従って、(2)，(4)式から距離ｘと霧笛音源の高 さｈは、夫々、 ｘ〜ｚ／［１−｛δ（△Ｌ）／δｚ｝／｛△Ｌ／
ｚ｝］^１／２ (5) ｈ〜0.5z/{△Ｌ／ｚ｝／［１−｛δ（△Ｌ） ／δｚ｝］^１／２
(6) として求めることができる。

なお、(4)式中の音線差△Ｌを受音点の高さｚ で微分 δ（△Ｌ）／δｚ するとき、受音点を ２箇所選べば、差分式に置き換えることができる ことは言うまでもないことである。

(ii) 霧笛音のケプストラム法による信号処理 霧笛装置には蒸気弁、空気弁、あるいは電気弁 を用いる三種類のものがある。通常、船舶で用い られている霧笛音源の音響特性は、霧笛音の大気 中の吸収を考慮して、周波数帯域で、略、150〜 1,500Ｈｚ範囲内において放射エネルギーが大きな ものを使用している。また、霧笛音を放射する送 波器の放射面の大きさは霧笛音波の波長に比べて 小さいため、第５図に示す様に音波エネルギーが 全方位に拡散される指向性を持つものであるから 霧笛音源を点音源として取り扱って、霧笛音の信 号処理を行なうことができる。

即ち、近接船における任意の受音点において、 霧笛音の直接音波ｘ(t)と霧笛音が一度海面に反 射してＴという時間遅れの反射音波ｘ(t-T)が混 じって到達するとした音波信号ｙ(t)を考えると、 該音波信号ｙ(t)は次式の様に書くことができる。

ｙ(t)＝ｘ(t)＋ｒ・ｘ(t-T) (7) なお、ｒは海面反射係数とし、ｒ・ｘ(t-T)の演 算はコンボリューションになるが、直接音波と反 射音波の２経路の伝達関数の違いは無視する。

ここで、(7)式の両辺のフーリェ変換を行なう と、次式が得られる。

Ｙ(f)＝Ｘ(f)［１＋ｒ ｅｘｐ(-j2πfT)］ (8) 但し、Ｙ(f)，Ｘ(f)は夫々ｙ(t)，ｘ(t)の周波数 スペクトルである。

(8)式で、受音点における音波信号ｙ(t)のパワ ースペクトルを計算すると、 ｜Ｙ(f)｜^２＝｜Ｘ(f)｜^２［１＋ｒ^２＋２ｒ Cos(2πfT)］ (9) になる。即ち、｜Ｙ(f)｜^２は直接音波のパワース ペクトル｜Ｘ(f)｜^２の大きさを周波数軸に沿って 周期１／Ｔで変調したものになる。

しかし、海面の反射係数ｒの周波数依存性は小 さいが、直接音波のパワースペクトル｜Ｘ(f)｜^２ の周波数依存性は前記に示した様な帯域をもって いる。このため、(9)式から直接時間遅れＴを求 めることは困難である。

そこで、まず、(9)式の両辺の対数を採ると、 Log｜Ｙ(f)｜^２＝Log｜Ｘ(f)｜^２＋Log［１＋ｒ^２ ＋2r Cos(2πfT)］ (10) となる。(10)式の右辺の第１項は霧笛音源に関係 する直接音波のｘ(t)の対数パワースペクトルと なり、第２項は周期関数となって、周期項を分離 することができるが、余弦波のCos(2πfT)が重なっ ている。

次に、(10)式の対数パワースペクトル Log｜Ｙ(f)｜^２を周波数軸に沿っての波形と見な し、この波形のフーリェ変換を行なえば、第２項の フーリェ変換が線スペクトルになるのに対し、第 １項のフーリェ変換は霧笛音源の対数強度のスペ クトルとなる。

即ち、(10)式の両辺のフーリェ変換を(11)式の様 に書くと、 C(q)=F{Log|Y(f)|²}=F{Log|X(f)|²}+ F{Log[1+r²+2r Cos
(2πfT]} (11) (11)式の第２項から1/Tを周期とする周期関数のス ペクトルが現われることになる。

従って、Ｃ(q)は対数パワースペクトルのフーリェ 変換であることからこの絶対値の２乗、｜C(q)｜^２ の意味は霧笛音源に関係する直接音波の対数パワ ースペクトルのパワースペクトルを表わしたもの でケプストラム(Cepstrum)となっている。

霧笛音に関するケプストラムの実測例は第６図 の様になり、この図は自船前方１８５ｍ地点を横 切る近接船の霧笛音を海面から５ｍの位置で受信 して、ケプストラム法で信号処理した実測例であ る。図中の｜Ｃ(q)｜^２の横軸は、直接音波に対す る反射音波の遅れ時間Ｔの整数倍の値になるとこ ろで鋭いピークが表れ、これは、(11)式の第２項 の基本成分とする高調波成分も表われることから、 夫々のピークの出ている間隔の平均値から霧笛音 の直接音波と反射音波との遅れ時間Ｔを測定する ことができる。なお、横軸は周波数を時間と見な してフーリェ変換したものであるから、ケフレン シー(quefrency)と呼ばれるもので、時間次元を 持つものである。

従って、船上の受音された霧笛音について(11) 式のケプストラム法で信号処理を行なえば、霧笛 音の直接波と霧笛音が一度海面に反射して来る反 射波との時間遅れＴを求めることができる。

本発明においては前記の様にして求めた時間遅 れＴと別途に測定した大気中の音速値Ｖとの積か ら直接音波と海面反射音波の両音線差ΔＬを知る ことができる。そして、音線差ΔＬが求まれば、 前記の(5)、(6)式によりｘ値とｈ値を決定するこ とができる。

［発明の効果］ 濃霧航行時に他船の位置情報を収集する場合、 搭載レーダ画像には自船近傍で海面反射像が現わ れ、他船画像と識別が困難となり、近接船に対し ては霧笛応答が極めて重要な情報源になっている。

現状では、操船者の聴覚機能によって霧笛音の認 識が行なわれているが、聴覚機能に個人差があっ たり、あるいは、霧笛音が伝播煤質の温度勾配に よって上空に拡散し、しかも、この温度勾配は常 に揺らいでいるので、霧笛音の受音強度には距離 損失の他に大気の温度勾配による損失の影響が存 在する。このため、操船者が霧笛音を聞き取る時 の受音強度は一定とはならず、聴覚機能の音響強 度レベルの変動に対する応答特性によっては、操 船者に霧笛音が聞こえたり聞こえなかったりして、 近接船迄の距離認識における精度の低下によって衝 突事故の一原因につながることがある。

本発明の霧笛音による距離検知方式は、操船者 の聴覚機能を全く使用していないため、高精度の 近接船情報を操船者に提供することができ、濃霧 航行時の安全精度の向上に大きく寄与することが できる。また、本発明の霧笛音による距離検知方 式は近接船の保有する霧笛音源の特性に左右され ず、自船の霧笛音の受音機構で対応することがで きるため、別言すれば、各種船舶で用いられてい る霧笛音源に対して加工の必要性が無いため、濃 霧航行における運行支援装置として極めて有効な ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明における霧笛音の伝播経路モデ ルを説明する図である。 第２図は、本発明の霧笛音による距離検知システ ム装置の概要図である。 第３図は、本発明の霧笛音による距離検知システ ム装置の信号処理のフローである。 第４図は、本発明において用いる霧笛音の伝達モ デルを説明する図である。 第５図は、本発明において用いる霧笛音源の指向 特性モデルを説明する図である。 第６図は、本発明において用いる霧笛音のケプス トラム分析の実測値を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原野 勝博 東京都府中市片町１―10―６―202 (72)発明者 藤井 忍 東京都大田区南久が原２―19―７

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 濃霧航行中の近接船の霧笛音より近接船
   まで の距離を検知する方法において、1)近接船の霧笛 音源から直接伝播する直接音波と一度海面に反射 して伝播する反射音波が重畳している霧笛音を垂 直方向の２箇所で受信し、2)該２箇所で受信した 夫々の霧笛音をケプストラム法により信号処理し て霧笛音に含まれている直接音波に対する反射音 波の遅れ時間を測定し、3)別途にリアルタイム計 測で求めた大気中の音速値と前記信号処理で得た 遅れ時間との積より、夫々の受信点における直接 音波と反射音波の霧笛音に関する伝播経路の違い による音線（霧笛音波面の法線の軌跡）差を求め、 4)次いで、霧笛音の伝播経路に関する音線の幾何 構造と前記音線差と受音点の高さから霧笛音を発 した近接船迄の水平距離を算出して検知する、こ とを特徴とする霧笛音の伝播特性を利用した距離 の検知方法。
2. 【請求項２】 請求項 １．を実施するための装置が、
   1)近 接船の霧笛音源から大気中に放射されて伝播して きた霧笛音を自船において垂直方向の高さが異な る２箇所の夫々の位置で該霧笛音の収録用の受音 器を持つ霧笛音収録装置、2)霧笛音と騒音を識別 する信号弁別装置、3)重畳して伝播する霧笛音か ら直接音波に対する反射音波の遅れ時間を求める 信号処理装置、4)霧笛音が大気中を伝播するとき の音速をリアルタイムで計測する音速測定装置、 5)霧笛音に重畳している直接音波と反射音波の伝 播経路の違いから両者の音線差を求め、霧笛音を 発した近接船までの水平距離を計測する演算装置、 6)これらの演算結果を示す表示装置、で構成され るものであることを特徴とする霧笛音の伝播特性 を利用した距離の検知装置。