JPH087260B2 - 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

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つ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、発明者は影響信号に
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、側ち、
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
による音線差から距離を検出するもので、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
音速値との積から、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、 L₁＝（（ｈ−ｚ）^２＋x²）^1/2、 L₂＝（（ｈ−ｚ）^２＋x²）^1/2 （１） となる。前記（１）式において、両音線の差ΔＬ＝L₂−
L₁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、 ΔＬ＝L₂−L₁〜（2hz/x）｛１−（h²＋z²） /2x²＋・・｝ （２） となる。音線の差ΔＬ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/ΔＬ （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（ΔＬ）より
推定することを考える。

即ち、音線差ΔＬ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（ΔＬ）／δｚ｝／｛ΔL/z｝〜 １−z²/x²＋・・ （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（ΔＬ）／δｚ｝／｛ΔL/z｝］
^1/2 （５） ｈ〜0.5z/｛ΔL/z｝／［１ −｛δ（ΔＬ）／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ΔＬを受音点の高さｚで微
分δ（ΔＬ）／δｚするとき、受音点を２個所選べば、
差分式に置き換えす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
の直性音波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＋r² ＋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＋r² ＋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、霧笛音が伝播媒質の
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 審査官 倉地 保幸

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、（イ）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海面（平均水
   面）に対する垂直方向の２箇所で受信し、（ロ）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、（ハ）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、（ニ）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】（イ）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受ける受音器を、自船にお
   いて海面に対する垂直方向の高さが異なる２個所の位置
   に備えた霧笛音収録装置と、（ロ）前記収録装置からの
   信号より霧笛音と騒音を識別する信号弁別装置と、
   （ハ）前記２個所の受音器それぞれの位置における、信
   号弁別された霧笛音に重畳された直接音波と反射音波の
   遅れ時間を求める信号処理装置と、（ニ）前記遅れ時間
   と、実測した大気中の音速値とにより、霧笛音を発した
   近接船までの水平距離を演算する演算装置と、（ホ）前
   記演算の結果を表示する表示装置、とからなる霧笛音の
   伝播特性を利用した距離の検知装置。