JPS63250576A - 距離算出回路付パツシブ受波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はパッシブソナーによる距離測定に関するもので
、特に海底に設置された受波器で受信される信号を信号
処理することにより、受波器と海面上の音源との間の水
平距離又は直距離を検出する装置の改良に関する。

（従来の技術） 第５図は従来の複数のパッシブ受波器による距離算出の
原理説明図である。音源の所在を知り音源までの距離を
知ることは船舶の航行や海洋の利用上極めて重要なこと
である。

従来１つのパッシブ受波器で受信する場合、その受波器
が無指向性である場合には受信した信号からは音源の存
在の有無のみが検知されるにすぎず、指向性を有する受
波器である場合にも音源の存在の有無と方位を検知でき
るにすぎず音源までの距離を検出することはできなかっ
た。

そこでパッシブ受波器で受波器から音源までの距離を検
出しようとする場合には、例えば第５図に示す様に、指
向性を有する複数のパッシブ受波器５１および同５２を
所定の距離だけ離隔して配置し、受波器５１および同５
２のそれぞれにおける音源５３の方位を知り、この２つ
の方位軸の交点を求め、これから算出しなければならな
かった。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来の装置においては受波器から音源ま
での距離を知るためには、指向性を有する複数のパッシ
ブ受波器を同一音源の信号を受信できる位置に離隔して
配置しなければならず設備規模が大きくなり費用が嵩む
ことになり、さらには複数の受波器で測定することにな
るので測定能率も上がらないという欠点を有していた。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決するため
に、パッシブ受波器に演算機能を含む信号処理機能を具
備せしめ、既知の音速および水深データを入力すること
により、１台のパッシブ受波器のみで、受波器から音源
までの水平Ｖ＠離又は直距離を算出することのできる距
離算出回路付パッシブ受波器を提供しようとするもので
ある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するために次の手段構成を有
する。即ち、本発明の距離算出回路付パッシブ受波器は
音源からの音波を受波し電気信号に変換する受波器と；
　電気信号に変換された受信信号の自己相関関数を算出
する自己相関演算回路と；　時間軸上で、前記自己相関
関数の値が極大となる位置を検出しそのうち時間軸上の
０に最も近い位置を検出する極大位置検出回路と；　前
記検出された極大位置と他の手段で得た音速と水深のデ
ータを受けて前記受波器と音源との間の水平距離又は直
距離を算出する関数演算回路と；を具備することを特徴
とする距離算出回路付パッシブ受波器である。

（作　用） 以下、上記手段構成を有する本発明の距離算出回路付パ
ッシブ受波器の作用について述べる。

本発明の原理をまず説明する。第３図は水深が一定の海
域中の音源と受波器とその間を伝搬する音波の伝搬経路
との関係を示す本発明の距離算出回路の原理説明図であ
る。パッシブ受波器３１は、水深がｄで一定の海域の海
底に設置され、音源３２は、パッシブ受波器３１から水
平に距離ｒだけ離れた海面にあるものとする。このとき
、ｒは未知である。

音源３２から発射された音は、海底および海面での反射
によって、複数の伝搬経路を経て、パッシブ受波器３１
に到達する。このとき、海底および海面でそれぞれｎ回
反射を行う伝搬経路を経て、パッシブ受波器３１によっ
て受信される信号を時間ｔの関数ｘｎ（ｔ）とし、その
時の伝搬経路長をｒｎとすると、受波器出力ｙ（ｔ）お
よびｒ６は、それぞれ次の（１）式および（２）式の様
になる。

ｙ　（ｔ）　＝Σ　ｘｎ（ｔ　）　　　　　　　−一−
−−−＝−（１）ｎ＋０ 但し　（ｎ＝０．１，２．・・・） ｘｎ（ｔ）の振幅をａｌｌとし Δｒ、　＝　ｒｎ　−ｒ、）　　　　　　　　　−＝−
°＝−−−　（３）とすると、受波器出力ｙ（ｔ）は ｏｏ　ａｎ　　　　Δｒ ｙ（ｔ）＝Σ−ｘ、）（ｔ　ｕ→　　　−−−−−−−
（４）ｆｌ、Ｑ　　ａ、）　　　　　　　　　Ｃとなる
。（４）式のＣは音速である。

受波器出力ｙ（ｔ）の自己相関関数Ｃ（τ）は自己相関
関数の定義より ・−・−・−・−・（５） で与えられる。

Δｒ （４）式ハｘｏ（ｔ、　　）＝Ｘａ（ｔ　　Ａ、ｒ　＋
ｒ）　ノとき極大値をとるからＣ（τ）は τ＝−Ｌ−（Δｒ、−Δｒａ　＞　　　　　　”−’−
’　”−・−（６）のとき極大値をとる偶関数となる。

Ｃ（τ）が極大値をとるときのτはτ−０゜±でｈ±τ
２・・・（０〈ｆｌくτ２〈・・・）と置くことができ
る。第４図はこの様子を示したものである。ここで、ｆ
ｌはτキ０でＣ（τ）が極大値をとるτの最小値である
から（６）式からτ１＝−Ｌ−（Δｒｌ−Δｒ　Ｏ）　
　　　　−＝−・−一−−（７）を得る。（７）式より Ｃτ１＝Δｒ１−ΔｒＱ・−一・・−一一峠−・−−一
・・・−（８）（３）式から Δｒｌ　二ｒｌ　−ｒＱ Δｒ、）　＝ｒ、）　−ｒｔ３　＝Ｏであるから（８）
式は Ｃτ＋＝（ｒ＋　　ｒｏ）　（ｒｏ　ｒｏ）＝ｒ＋　　
ｒｏ　　　　　−−−−（９）となる、ここで（２）式
と第３図を参照すればｒｌ＝！司胃 ｒＱ　＝Ｊ廼］〒口了 であ６ことが分るから（９）式は Ｃτｌ　＝　ｒ”　＋３石正正−ｒ”　＋１石胃−−−
−（１０）（１０）式の両辺に　Ｅ７７四丁十Ｌ７扁７
　をかけて整理すると （１０）式と（１１）式よりｒを求めると、ｒ≧０であ
るから となる。即ち水深ｄと音速Ｃおよび時間遅延量τ１が分
かれば受波器と音源との間の水平圧ｌｒが求められる。

そこで本発明の装置においては、ます受波器で受波した
音波は電気信号に変換される。電気信号に変換された受
信信号は自己相関演算回路へ入力され受信信号自身の自
己相関関数が算出される。

算出された自己相関関数出力は極大位置検出回路へ入力
され受波器出力ｙ（ｔ）の自己相関関数が極大値をとる
時間遅延τの最小時間遅延量τ１が検出される。この検
出された時間遅延量τ１と他の手段で既知となっている
音速Ｃと受波器の配置されている海底の水深ｄとが関数
演算回路へ入力されると、関数演算回路は前記（１２）
式に基づいて演算し、受波器と音源の間の水平圧ＩＲｆ
ｔ　ｒを算出する。

以上のように本発明においては、水深と音速が既知であ
れば、１台のパッシング受波器のみで音源の所在と受波
器から音源までの水平距離を測定することができる。ま
た、水深は既知であるから、水平距離が知れれば直距離
も容易に知ることができる。

（実　施　例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図は本発明の距離算出回路付パッシブ受波器の実施例の
基本構成を示すブロック図である。

説明の便宜上ブロックとブロックの間を接続する線につ
けである番号は回路のその点におけるデータまたは信号
を表わす。

本発明による距離算出回路は、自己相関演算回路１１と
極大位置検出回路１２および関数演算回路１３とからな
り、自己相関演算回路１１は時間ｔの関数である入力デ
ータ１０１から、時間遅延τの関数である自己相関関数
１０２を計算する機能を持ち、極大位置検出回路１２は
、時間遅延τの絶対値が０以外の最小の位置で自己相関
関数１０２が極大となる位置を検出し、その時の時間遅
延量１０３を出力する機能を持ち、関数演算回路１３に
は時間遅延量１０３と音速データ１０４と水深データ１
０５が入力され（１２）式の計算を行い距離データ１０
６を出力する機能を有する。

本発明の距離算出回路の動作は、水深が一定な海域の海
底に設置された受波器１で受信された時間の関数である
受信データ１０１が受波器１から入力され、自己相関演
算回路１１で受信データ１０１の自己相関演算が行われ
、時間遅延τの関数である自己相関関数１０２が出力さ
れ、極大位置検出回路１２で自己相関演算１０２が極大
となる位置で時間遅延τの絶対値が０以外で最小である
位置を検出し、その時の時間遅延での絶対値が時間遅延
量１０３として出力され、関数演算回路１３で時間遅延
Ｊｉ１０３と音速データ１０４と水深データ１０５から
（１２）式の演算が行われ、受波器と音源との水平距離
データ１０６が出力され、出力端子４から取り出される
ものである。

第２図は、第１図の関数演算回路の実施例を示すブロッ
ク図である。第２図の関数演算回路は、乗算回路２１、
同２２、同２３および同２７と除算回路２４および同２
５と減算回路２６および同２８と平方根演算回路２９と
から構成される。

乗算回路２１は入力データ１１１と同１１２の債のデー
タ１１３を算出する機能を有し、乗算回路２２は入力デ
ータ１１４の２乗したデータ１１５を算出する機能を有
し、乗算回路２３は積データ１１５の４倍の値のデータ
１１６を算出する機能と有し、除算回路２４は乗算回路
２３で算出された値のデータ１１６と乗算回路２１で算
出された積データ１１３との商データ１１７を算出する
機能を有し、除算回路２５は積データ１１３の２分の１
の値のデータ１１８を算出する機能を有し、減算回路２
６は除算回路２４および同２５で算出された値のデータ
１１７およびデータ１１８の間の差のデータ１１９を算
出する機能を有し、乗算回路２７は差データ１１９の２
乗したデータ１２０を算出する機能を有し、減算回路２
８は乗算回路２７および同２２で算出された値のデータ
１２０および同１１５の間の差データ１２１を算出する
機能を有し、平方根演算回路２９は差データ１２１の平
方根データ１２２を算出する機能を有している。

第２図の関数演算回路の動作は、第１図の極大位置検出
回路１２の出力である時間遅延量τ１が端子５から入力
され、音速Ｃが端子６から入力され、乗算回路２１で時
間遅延量τ１と音速Ｃの積Ｃτ１が積のデータ１１３と
して算出され、水深ｄが端子７から入力され、乗算回路
２２で水深ｄの２乗ｄ２　が積データ１１５として算出
され、乗算回路２３でｄ２　である積データ１１５の４
倍の４ｄ２　が績データ１１６として算出され、除算回
路２４で積データ１１６と績データ１１３との商のデー
タ　４ｄ”−である商データ１１７が算出さＣｒ２ れ、除算回路２５で積データ１１３の２分の１刊円であ
る商データ１１８が算出され、減算回路２６で商データ
１１７と商データ１１８との差が差データ１１９として
算出され、乗算回路２７で差データ１１９を２乗した く！１−ｅ−−１）′ Ｃｒ１２ が積データ１２０として算出され、減算回路２８で積デ
ータ１２０と積データ１１５との差（４ｄ−Ｃ？工）”
−ｄ２ Ｃｒ１２ が差データ１２１として算出される。

平方根演算回路２９では差データ１２１の平方が平方根
データ１２２として算出される。

この平方根データ１２２が受波器と音源との間の水平圧
Ｈｒとして出力端子８がら取り出される。

以上は個々の回路ブロックでそれぞれに所定の演算機能
を持たせて全体として水平距離を算出するようにした実
施例であるが、受波器がらの受信信号を電気信号に変換
し、さらに所定のフォーマットのデジタル信号に変換し
、マイクロコンピュータを組込んだ演算機能を持つ距離
算出回路に自己相関演算機能と極大位置検出機能と関数
演算機能とを持たせ、外部から所定のフォーマットのデ
ジタル信号化された音速データと水深データを入力して
音源までの距離を算出するようにプログラムされた装置
でも前記の実施例と同様の作用効果が得られる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明の距離算出回路付パッシブ受
波器は、自己相関演算回路と極大位置検出回路と関数演
算回路とを具備せしめ、受信信号の自己相関関数の性質
を利用し、既知の音速と水深データを入力することによ
り、１台のパッシブ受波器による受渡信号から音源の所
在位置即ち受波器と音源との間の水平距離又は直距離を
検知することができるという利点を有している。

その結果、従来の複数の受波器による距離測定に較べて
測定能率も向上し設備費用も低減され産業上の大きな効
果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の距離算出回路付パッシブ受波器の実施
例の構成図、第２図は本発明の関数演算回路の実施例の
ブロック図、第３図は本発明の距離算出回路の原理説明
図、第４図は自己相関関数の極大値をとる様子を示す図
、第５図は従来の複数のパッシブ受波器による距離測定
方法を示す図である。 １・・・・・・受波器、　２．３，５，６．７・・・・
・・入力端子、　４，８・・・・・・出力端子、　１１
・・・・・・自己相関演算回路、　１２・・・・・・極
大位置検出回路、１３・・・・・・関数演算回路、　２
１，２２，２３．２７・・・・・・乗算回路、　２４．
２５・・・・・・除算回路、２６．２８・・・・・・減
算回路、　２つ・・・・・・平方根演算回路、　３１・
・・・・・パッシブ受波器、　３２．５３・・・・・・
音源、　５１．５２・・・・・・指向性を持ったパッシ
ブ受波器。 代理人　弁理士　　八　幡　　義　博 本禿所／ｌ受浪器ｆ欠施例０購入図 第　７　目 本発明ｔｒＡ数膚算回路勿菅施、倒０グロｌＺｚ率　２
　図 ′＄　３　図 自己Ｊｇ藺ｒ、ｆｉ＆のＪを夫・ＩＬを乙る轟手七不ゴ
図第　４　図 扱東の複数％ｙ）′ｌ′ップグ女液、昏ＩＪろ距離う刺
え方法図第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 音源からの音波を受波し電気信号に変換する受波器と；
   電気信号に変換された受信信号の自己相関関数を算出す
   る自己相関演算回路と；時間軸上で、前記自己相関関数
   の値が極大となる位置を検出しそのうち時間軸上の０に
   最も近い位置を検出する極大位置検出回路と；前記検出
   された極大位置と他の手段で得た音速と水深のデータを
   受けて前記受波器と音源との間の水平距離又は直距離を
   算出する関数演算回路と；を具備することを特徴とする
   距離算出回路付パッシブ受波器。