特許 5716219 位置推定方法及び位置推定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5716219

(24)【登録日】2015年3月27日

(45)【発行日】2015年5月13日

(54)【発明の名称】位置推定方法及び位置推定装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 5/22 20060101AFI20150423BHJP

【ＦＩ】

   G01S5/22

【請求項の数】6

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2014-25227(P2014-25227)

(22)【出願日】2014年2月13日

【審査請求日】2014年2月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】390014306

【氏名又は名称】防衛省技術研究本部長

(74)【代理人】

【識別番号】110000796

【氏名又は名称】特許業務法人三枝国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大川 圭一

【審査官】 小川 亮

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５４−１０６１８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１４７０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１２１７１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３２６４８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２３１０３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ５／２２

Ｇ０１Ｓ １／７６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

海水面と海底面との間からパルス波を放射する波源の位置を推定するための方法であって、
前記海水面と前記海底面との間に設置された受波器に、前記波源から放射されたパルス波を受信させる受信ステップと、
前記波源から前記受波器に直接到達した直接波の到達時刻、前記海水面で１回反射して前記受波器に到達した第１反射波の到達時刻、及び前記海底面で１回反射して前記受波器に到達した第２反射波の到達時刻を特定する到達時刻特定ステップと、
前記直接波の到達時刻と前記第１反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差を算出し、前記直接波の到達時刻と前記第２反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差を算出する経路差算出ステップと、
前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記受波器を通過する双曲線であって、前記波源と前記海水面に対する前記波源の鏡像とを焦点とする第１双曲線の式を求め、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記受波器を通過する双曲線であって、前記波源と前記海底面に対する前記波源の鏡像とを焦点とする第２双曲線の式を求める双曲線取得ステップと、
前記第１双曲線の式と前記第２双曲線の式とを連立することで、前記波源の座標である前記第１双曲線及び前記第２双曲線の共通の焦点の座標を求める焦点座標算出ステップと
を備える波源の位置推定方法。

【請求項2】

海水面と海底面との間からパルス波を放射する波源の位置を推定するための方法であって、
前記海水面と前記海底面との間に設置された受波器に、前記波源から放射されたパルス波を受信させる受信ステップと、
前記波源から前記受波器に直接到達した直接波の到達時刻、前記海水面で１回反射して前記受波器に到達した第１反射波の到達時刻、及び前記海底面で１回反射して前記受波器に到達した第２反射波の到達時刻を特定する到達時刻特定ステップと、
前記直接波の到達時刻と前記第１反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差を算出し、前記直接波の到達時刻と前記第２反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差を算出する経路差算出ステップと、
前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記波源を通過する双曲線であって、前記受波器と前記海水面に対する前記受波器の鏡像とを焦点とする第１双曲線の式を求め、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記波源を通過する双曲線であって、前記受波器と前記海底面に対する前記受波器の鏡像とを焦点とする第２双曲線の式を求める双曲線取得ステップと、
前記第１双曲線の式と前記第２双曲線の式とを連立して、前記波源の座標である前記第１双曲線及び前記第２双曲線の交点の座標を求める交点座標算出ステップとを備える波源の位置推定方法。

【請求項3】

前記波源は、前記海水面と前記海底面との間から、前記パルス波である音波を放射するものであり、前記受波器には、当該受波器の位置における水圧を測定可能な圧力センサが設けられ、
前記圧力センサが計測した水圧に基づき、前記受波器の座標を求める受波器座標算出ステップをさらに有し、
前記双曲線取得ステップでは、前記受波器座標算出ステップで算出された前記受波器の座標を用いて、前記第１双曲線や前記第２双曲線の式が求められる請求項１又は２に記載の波源の位置推定方法。

【請求項4】

海水面と海底面との間からパルス波を放射する波源の位置を推定するための装置であって、
前記海水面と前記海底面との間に設置されて、前記波源から放射されたパルス波を受信する受波器と、
前記波源から前記受波器に直接到達した直接波の到達時刻、前記海水面で１回反射して前記受波器に到達した第１反射波の到達時刻、及び前記海底面で１回反射して前記受波器に到達した第２反射波の到達時刻を特定する到達時刻特定部と、
前記直接波の到達時刻と前記第１反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差を算出し、前記直接波の到達時刻と前記第２反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差を算出する経路差算出部と、
前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記受波器を通過する双曲線であって、前記波源と前記海水面に対する前記波源の鏡像とを焦点とする第１双曲線の式を求め、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記受波器を通過する双曲線であって、前記波源と前記海底面に対する前記波源の鏡像とを焦点とする第２双曲線の式を求める双曲線取得部と、
前記第１双曲線の式と前記第２双曲線の式とを連立することで、前記波源の座標である前記第１双曲線及び前記第２双曲線の共通の焦点の座標を求める焦点座標算出部とを備える位置推定装置。

【請求項5】

海水面と海底面との間からパルス波を放射する波源の位置を推定するための装置であって、
前記海水面と前記海底面との間に設置されて、前記波源から放射されたパルス波を受信する受波器と、
前記波源から前記受波器に直接到達した直接波の到達時刻、前記海水面で１回反射して前記受波器に到達した第１反射波の到達時刻、及び前記海底面で１回反射して前記受波器に到達した第２反射波の到達時刻を特定する到達時刻特定部と、
前記直接波の到達時刻と前記第１反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差を算出し、前記直接波の到達時刻と前記第２反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差を算出する経路差算出部と、
前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記波源を通過する双曲線であって、前記受波器と前記海水面に対する前記受波器の鏡像とを焦点とする第１双曲線の式を求め、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記波源を通過する双曲線であって、前記受波器と前記海底面に対する前記受波器の鏡像とを焦点とする第２双曲線の式を求める双曲線取得部と、
前記第１双曲線の式と前記第２双曲線の式とを連立して、前記波源の座標である前記第１双曲線及び前記第２双曲線の交点の座標を求める交点座標算出部とを備える位置推定装置。

【請求項6】

前記波源は、前記海水面と前記海底面との間から、前記パルス波である音波を放射するものであり、
前記受波器に設けられて、当該受波器の位置における水圧を測定可能な圧力センサと、
前記圧力センサが計測した水圧に基づき、前記受波器の座標を求める受波器座標算出部とをさらに有し、
前記双曲線取得部は、前記受波器座標算出部が算出した前記受波器の座標を用いて、前記第１双曲線や前記第２双曲線の式を求める請求項４又は５に記載の位置推定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パルス波の波源の位置を推定する方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

水中では電磁波の減衰が大きいため、一般的に水中物体の探知には音波が利用される。音波を利用して水中物体を探知する方式として、アクティブソナーと呼ばれる方式や、パッシブソナーと呼ばれる方式がある。アクティブソナーは、波源から音を送波して物体から反射するエコー音を検出し、物体までの距離と方位を求めるものであるが、自ら音を出すために自身の存在を暴露してしまうことになる。一方、パッシブソナーは、水中物体の放射音を検出するものであり、自ら音を出さないため、秘密裏に水中物体を探知することができる。しかしながら、パッシブソナーでは、物体の方位を求めるのは容易であるが、物体までの距離を求めるためには目標運動解析やマッチドフィールド処理などによる複雑な計算が必要であった。目標運動解析では連続的な放射音により物体までの距離を推定することができるが、一時的な過渡音では物体までの距離を求めることができない。また、マッチドフィールド処理は海洋環境を事前に把握しておく必要があるが、時間空間的に変化する海洋環境の複雑な特性をデータベース化するのは困難である。

【0003】

一時的な過渡音で物体までの距離を求める方法として、音波の伝搬時間差を利用する方法が研究されている。このような方法として、非特許文献１に開示される総当たり法と称される方法がある。以下、図７及び図８を参照して、総当たり法について説明する。

【0004】

総当たり法は、図７（ａ）に示すように、実目標ｈが発生する過渡音を受波器ｊに受信させるものであり、実目標ｈから反射することなく受波器ｊに直接到達した直接波Ｄｈの伝搬時間と、海水面ｗ１や海底面ｗ２で反射して受波器ｊに到達した反射波Ｒｈ１，Ｒｈ２の伝搬時間との差（１），（２）が測定される（図８（ａ））。そして、図７（ｂ）に示すように、実目標ｈが存在すると想定される範囲が格子化されて、各格子点上にある仮目標ｋが過渡音を発生するとした場合に、受波器ｊに直接到達する直接波Ｄｋの伝搬時間と、海水面ｗ１や海底面ｗ２で反射して受波器ｊに到達する反射波Ｒｋ１，Ｒｋ２の伝搬時間との差（３），（４）が、総当たり的（格子点ごとに）に計算される（図８（ｂ））。そして、各仮目標ｋ（各格子点）について計算された伝搬時間差（３），（４）と、実目標ｈについて測定された伝搬時間差（１），（２）との差が算出されて、当該差が最小となる仮目標ｋの位置情報（仮目標の深度、仮目標と受波器との間の距離）が、実目標ｈの位置を示す情報として取得される。

【0005】

また、伝搬経路の違いにより波源の位置を推定する方法が、特許文献１，２に開示されている。特許文献１，２の方法では、異なる位置に複数の音響センサが設置されて、各音響センサが、それぞれ波源からの直接波を受信する。そして、任意の２つの音響センサに受信される直接波の伝搬時間差が算出されて、上記２つの音響センサ間での伝搬時間差が一定となる双曲線が求められる。この双曲線は、任意の２つの音響センサからなる組毎に求められ、２組以上で求められた双曲線の交点が、波源の位置として推定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０００−１２１７１９号公報

【特許文献2】特開平１１−３２６４８９号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】水中無人航走体に搭載されたソーナーに対する逆探方式、防衛技術シンポジウム２００９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、上記の総当たり法では、実目標ｈが存在すると想定される範囲（深度及び距離）が大きい場合や、格子の刻み幅が小さい場合には、格子点の数が多くなる。このため、格子点ごとに伝搬時間差（３），（４）を算出する計算に、長い時間を要する。この問題を改善する手法として、Simulated Annealing法やGenetic Algorism法などの確率論的解法があるが、これらの方法は、解を確実に捜索する方法とはいえない。

【0009】

また、特許文献１，２に開示される方法では、波源位置を求めるために、音響センサを複数の地点に設ける必要がある。

【0010】

本発明は、受波器を複数の地点に設けることを要さずに、短時間で波源位置を推定可能な方法及び装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するため、本発明の第１観点に係る位置推定方法は、第１境界面と第２境界面との間からパルス波を放射する波源の位置を推定するための方法であって、前記第１境界面と前記第２境界面との間に設置された受波器に、前記波源から放射されたパルス波を受信させる受信ステップと、前記波源から前記受波器に直接到達した直接波の到達時刻、前記第１境界面で１回反射して前記受波器に到達した第１反射波の到達時刻、及び前記第２境界面で１回反射して前記受波器に到達した第２反射波の到達時刻を特定する到達時刻特定ステップと、前記直接波の到達時刻と前記第１反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差を算出し、前記直接波の到達時刻と前記第２反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差を算出する経路差算出ステップと、前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記受波器を通過する双曲線であって、前記波源と前記第１境界面に対する前記波源の鏡像とを焦点とする第１双曲線の式を求め、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記受波器を通過する双曲線であって、前記波源と前記第２境界面に対する前記波源の鏡像とを焦点とする第２双曲線の式を求める双曲線取得ステップと、前記第１双曲線の式と前記第２双曲線の式とを連立することで、前記波源の座標である前記第１双曲線及び前記第２双曲線の共通の焦点の座標を求める焦点座標算出ステップとを備える。

【0012】

また、本発明の第２観点に係る位置推定方法は、第１境界面と第２境界面との間からパルス波を放射する波源の位置を推定するための方法であって、前記第１境界面と前記第２境界面との間に設置された受波器に、前記波源から放射されたパルス波を受信させる受信ステップと、前記波源から前記受波器に直接到達した直接波の到達時刻、前記第１境界面で１回反射して前記受波器に到達した第１反射波の到達時刻、及び前記第２境界面で１回反射して前記受波器に到達した第２反射波の到達時刻を特定する到達時刻特定ステップと、前記直接波の到達時刻と前記第１反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差を算出し、前記直接波の到達時刻と前記第２反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差を算出する経路差算出ステップと、前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記波源を通過する双曲線であって、前記受波器と前記第１境界面に対する前記受波器の鏡像とを焦点とする第１双曲線の式を求め、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記波源を通過する双曲線であって、前記受波器と前記第２境界面に対する前記受波器の鏡像とを焦点とする第２双曲線の式を求める双曲線取得ステップと、前記第１双曲線の式と前記第２双曲線の式とを連立して、前記波源の座標である前記第１双曲線及び前記第２双曲線の交点の座標を求める交点座標算出ステップとを備える。

【0013】

また、本発明の第１及び第２観点に係る位置推定方法では、前記波源は、前記第１境界面としての海水面と、前記第２境界面としての海底面との間から、前記パルス波である音波を放射するものであり、前記受波器には、当該受波器の位置における水圧を測定可能な圧力センサが設けられ、前記圧力センサが計測した水圧に基づき、前記受波器の座標を求める受波器座標算出ステップをさらに有し、前記双曲線取得ステップでは、前記受波器座標算出ステップで算出された前記受波器の座標を用いて、前記第１双曲線や前記第２双曲線の式が求められる。

【0014】

また、本発明の第３観点に係る位置推定装置は、第１境界面と第２境界面との間からパルス波を放射する波源の位置を推定するための装置であって、前記第１境界面と前記第２境界面との間に設置されて、前記波源から放射されたパルス波を受信する受波器と、前記波源から前記受波器に直接到達した直接波の到達時刻、前記第１境界面で１回反射して前記受波器に到達した第１反射波の到達時刻、及び前記第２境界面で１回反射して前記受波器に到達した第２反射波の到達時刻を特定する到達時刻特定部と、前記直接波の到達時刻と前記第１反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差を算出し、前記直接波の到達時刻と前記第２反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差を算出する経路差算出部と、前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記受波器を通過する双曲線であって、前記波源と前記第１境界面に対する前記波源の鏡像とを焦点とする第１双曲線の式を求め、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記受波器を通過する双曲線であって、前記波源と前記第２境界面に対する前記波源の鏡像とを焦点とする第２双曲線の式を求める双曲線取得部と、前記第１双曲線の式と前記第２双曲線の式とを連立することで、前記波源の座標である前記第１双曲線及び前記第２双曲線の共通の焦点の座標を求める焦点座標算出部とを備える。

【0015】

また、本発明の第４観点に係る位置推定装置は、第１境界面と第２境界面との間からパルス波を放射する波源の位置を推定するための装置であって、前記第１境界面と前記第２境界面との間に設置されて、前記波源から放射されたパルス波を受信する受波器と、前記波源から前記受波器に直接到達した直接波の到達時刻、前記第１境界面で１回反射して前記受波器に到達した第１反射波の到達時刻、及び前記第２境界面で１回反射して前記受波器に到達した第２反射波の到達時刻を特定する到達時刻特定部と、前記直接波の到達時刻と前記第１反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差を算出し、前記直接波の到達時刻と前記第２反射波の到達時刻とに基づき、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差を算出する経路差算出部と、前記直接波と前記第１反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記波源を通過する双曲線であって、前記受波器と前記第１境界面に対する前記受波器の鏡像とを焦点とする第１双曲線の式を求め、前記直接波と前記第２反射波との伝搬経路差と、前記受波器の座標とに基づき、前記波源を通過する双曲線であって、前記受波器と前記第２境界面に対する前記受波器の鏡像とを焦点とする第２双曲線の式を求める双曲線取得部と、前記第１双曲線の式と前記第２双曲線の式とを連立して、前記波源の座標である前記第１双曲線及び前記第２双曲線の交点の座標を求める交点座標算出部とを備える。

【0016】

また、本発明の第３及び第４観点に係る位置推定装置では、前記波源は、前記第１境界面としての海水面と、前記第２境界面としての海底面との間から、前記パルス波である音波を放射するものであり、前記受波器に設けられて、当該受波器の位置における水圧を測定可能な圧力センサと、前記圧力センサが計測した水圧に基づき、前記受波器の座標を求める受波器座標算出部とをさらに有し、前記双曲線取得部は、前記受波器座標算出部が算出した前記受波器の座標を用いて、前記第１双曲線や前記第２双曲線の式を求める。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、波源の座標が求められるので、波源の位置を推定することができる。そして、波源の座標は、一箇所の受波器に受信される直接波と反射波との伝搬経路差に基づき求められる。このため、受波器を複数の地点に設けることを要しない。よって、受波器を複数の地点に設ける場合のように、設備コストが高額にならず、複数の受波器を設置する手間や、複数の受波器の位置を特定する手間を要しない。

【0018】

また、本発明によれば、直接波と反射波との伝搬時間差を複数の地点ごとに求める反復計算を要しない。このため、短時間で波源の位置を推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１実施形態の位置推定方法の原理を示す概要図である。

【図2】第１実施形態の位置推定装置の構成を示すブロック図である。

【図3】第１実施形態の位置推定方法の手順を示すフロチャートである。

【図4】第２実施形態の位置推定方法の原理を示す概要図である。

【図5】第２実施形態の位置推定装置の構成を示すブロック図である。

【図6】第２実施形態の位置推定方法の手順を示すフロチャートである。

【図7】伝搬時間差から目標波源の距離を求める従来の方法の原理を示す概要図である。

【図8】従来の方法で求められる伝搬時間差を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１は、第１実施形態の位置推定方法の原理を示す概要図である。

【0021】

第１実施形態は、海水面Ｗ１（第１境界面）と海底面Ｗ２（第２境界面）との間から、パルス波である音波を放射する波源Ｈの位置を、受波器Ｊを用いて推定するものである。海水面Ｗ１や海底面Ｗ２は、凹凸のない平面であり、平行である。海水面Ｗ１と海底面Ｗ２との間は、音波を伝える一様な媒質で満たされている。

【0022】

図１は、高さ方向（深さ方向）をＺ軸で表し、水平方向をｒ軸で表すものである。以下では、図１に示すように、受波器Ｊが座標（ｒ，ｚｒ）にあるときに、波源Ｈの座標（０，ｚｓ）を求める場合を例に説明する。

【0023】

波源Ｈから音波が放射されると、受波器Ｊには、まず、受波器Ｊと波源Ｈとを結ぶ直線上を進んだ直接波Ｄが到達し、次に、海水面Ｗ１又は海底面Ｗ２で１回反射した反射波Ｒ１，Ｒ２が受波器Ｊに到達し、この後、海水面Ｗ１及び海底面Ｗ２での多重反射波が受波器Ｊに到達する。

【0024】

海水面Ｗ１で１回反射して受波器Ｊに到達する第１反射波Ｒ１の伝搬経路長は、海水面Ｗ１に対する波源Ｈの鏡像Ｈ１（以下、嘘波源Ｈ１）から直接受波器Ｊに到達する音波の伝搬経路長に等しい。そして、直接波Ｄと第１反射波Ｒ１との伝搬経路差が一定となる軌跡は、波源Ｈと嘘波源Ｈ１を焦点とし、受波器Ｊを通過する第１双曲線Ｓ１になる。

【0025】

また、波源Ｈから放射された音波のうち、海底面Ｗ２で１回反射して受波器Ｊに到達する第２反射波Ｒ２の伝搬経路長は、海底面Ｗ２に対する波源Ｈの鏡像Ｈ２（以下、嘘波源Ｈ２）から直接受波器Ｊに到達する音波の伝搬経路長に等しい。そして、直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬経路差が一定となる軌跡は、波源Ｈと嘘波源Ｈ２を焦点とし、受波器Ｊを通過する第２双曲線Ｓ２になる。

【0026】

上述した第１双曲線Ｓ１や第２双曲線Ｓ２は、以下の式１で表すことができる。

【0027】

【数1】

【0028】

式１の係数ａは、直接波Ｄと反射波Ｒとの伝搬経路差で表される（第１双曲線Ｓ１の式１では、係数ａは、直接波Ｄと第1反射波Ｒ１との伝搬経路差で表される。第２双曲線Ｓ２の式１では、係数ａは、直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬経路差で表される）。式１の係数ｂは、係数ａと、波源ＨのＺ座標ｚｓとから求められる。

【0029】

そして、受波器ＪのＺ座標ｚｒや、直接波Ｄと第１反射波Ｒ１との伝搬経路差が求められる場合には、係数ａやＺ（＝ｚｒ）を実数とし、係数ｂやｒを未知数とする第１双曲線Ｓ１の式１を求めることができる。

【0030】

また、受波器ＪのＺ座標ｚｒや、直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬経路差が求められる場合には、係数ａやＺ（＝ｚｒ）を実数とし、係数ｂやｒを未知数とする第２双曲線Ｓ２の式１を求めることができる。

【0031】

そして、上述のように第１，第２双曲線Ｓ１，Ｓ２の式１が求められる場合には、これら２つの双曲線Ｓ１，Ｓ２の式１を連立することで、２つの未知数ｂ，ｒを求めることができる。この結果、求められるｒは、受波器Ｊと波源Ｈとの間の水平距離に該当する。そしてさらに、係数ａ，ｂから、第１，第２双曲線Ｓ１，２の共通の焦点である波源ＨのＺ座標ｚｓを求めることができる。

【0032】

以上に基づき、第１実施形態では、直接波Ｄが受波器Ｊに到達した時刻Ｔ１や、第１反射波Ｒ１が受波器Ｊに到達した時刻Ｔ２や、第２反射波Ｒ２が受波器Ｊに到達した時刻Ｔ３が特定される。

【0033】

そして、直接波Ｄの到達時刻Ｔ１と第１反射波Ｒ１の到達時刻Ｔ２とに基づき、直接波Ｄと第１反射波Ｒ１との伝搬経路差Ｋ１が算出される。また、直接波Ｄの到達時刻Ｔ１と第２反射波Ｒ２の到達時刻Ｔ３とに基づき、直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬経路差Ｋ２が算出される。

【0034】

また、受波器Ｊの位置における水圧に基づき、受波器ＪのＺ座標ｚｒが求められる。

【0035】

そして、直接波Ｄと第１反射波Ｒ１との伝搬経路差Ｋ１と、受波器ＪのＺ座標ｚｒとに基づき、第1双曲線Ｓ１の式１が求められる。また、直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬経路差Ｋ２と、受波器ＪのＺ座標ｚｒとに基づき、第２双曲線Ｓ２の式１が求められる。

【0036】

そして、第１双曲線Ｓ１の式１と第２双曲線Ｓ２の式１とを連立して、受波器Ｊと波源Ｈとの間の水平距離ｒや、第１，第２双曲線Ｓ１，２の共通の焦点のＺ座標ｚｓが求められる。

【0037】

図２は、上記の処理を実行する位置推定装置Ａのハードウェア構成を示している。

【0038】

位置推定装置Ａは、上述の受波器Ｊと、演算処理装置Ｅとを備える。

【0039】

受波器Ｊには、音圧センサ１０と、圧力センサ１１とが設けられる。音圧センサ１０は、圧電士を備えるものであって、複数配列される。なお、音圧センサ１０は、光ファイバ方式のものであってもよい。圧力センサ１１は、受波器Ｊの位置における水圧を測定する。

【0040】

演算処理装置Ｅは、受波器Ｊの近傍あるいは受波器Ｊと一体的に設けられる。演算処理装置Ｅは、通信回線を介して受波器Ｊと接続されるものであり、到達時刻特定部２０と、経路差算出部２１と、双曲線取得部２２と、焦点座標算出部２３と、受波器座標算出部２４とを備える。上記の各部は、例えば回路から実現される。或いは、上記の各部は、CPU(Central Processing Unit)が、外部記憶部に記憶されているプログラムに従った処理を実行することで実現される。

【0041】

また、演算処理装置Ｅには、海水面Ｗ１と海底面Ｗ２との間にある媒質で音が伝わる速さ（以下、音速）や、圧力センサ１１が測定した水圧を入力するための入力装置（図示せず）が設けられる。また、演算処理装置Ｅは、音波の到来方向を判別するためのビームフォーミングと称される信号処理を実行可能である。

【0042】

次に、図３を参照して、上記の位置推定装置Ａで実行される処理を説明する。

【0043】

受波器Ｊの音圧センサ１０は、波源Ｈから発されて、受波器Ｊに到達する音波を順次受信する（ステップＳ１０１）。そして、音圧センサ１０は、音波を受信するたびに、音波をＡＤ変換して、演算処理装置Ｅの到達時刻特定部２０に伝送する（ステップＳ１０２）。

【0044】

到達時刻特定部２０は、音圧センサ１０から音波の信号を受け取るたびに、当該音波が受波器Ｊに到達した時刻Ｔ（以下、到達時刻Ｔ）を決定する（ステップＳ１０３）。時刻検知の方法としては、信号の立ち上がり点や最大振幅点などから検知する等種々の方法がある。

【0045】

ついで、到達時刻特定部２０は、振幅の大きい３つの音波の信号を選択する。そして、到達時刻特定部２０は、これら３つの音波の到達時刻Ｔのうち、最も早い音波の到達時刻Ｔを直接波Ｄの到達時刻Ｔ１と特定する。また、到達時刻特定部２０は、直接波Ｄに遅れて到達した音波（２番目、３番目に到達した音波）に対して、演算処理装置Ｅ内でのビームフォーミングと称される信号処理により音波の上下の到来方向を判別する。そして、到達時刻特定部２０は、上方向から到達した音波を第１反射波Ｒ１とし、下方向から到達した音波を第２反射波Ｒ２として、これら反射波Ｒ１，Ｒ２の到達時刻Ｔ２，Ｔ３を特定する（ステップＳ１０４）。

【0046】

ついで、経路差算出部２１は、直接波Ｄの到達時刻Ｔ１と第１反射波Ｒ１の到達時刻Ｔ２との間の時間差を、直接波Ｄと第１反射波Ｒ１との伝搬時間差Ｓ１として算出する（ステップＳ１０５）。

【0047】

また、経路差算出部２１は、直接波Ｄの到達時刻Ｔ１と第２反射波Ｒ２の到達時刻Ｔ３との間の時間差を、直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬時間差Ｓ２として算出する（ステップＳ１０５）。

【0048】

ついで、経路差算出部２１は、ステップＳ１０５で算出された伝搬時間差Ｓ１に、入力装置に入力された音速を乗じることで、直接波Ｄと第１反射波Ｒ１との伝搬経路差Ｋ１を算出する（ステップＳ１０６）。

【0049】

また、経路差算出部２１は、ステップＳ１０５で算出された伝搬時間差Ｓ２に、入力装置に入力された音速を乗じることで、直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬経路差Ｋ２を算出する（ステップＳ１０６）。

【0050】

ついで、受波器座標算出部２４は、圧力センサ１１が測定した水圧に基づき、受波器ＪのＺ座標ｚｒ（深度）を算出する（ステップＳ１０７）。

【0051】

ついで、双曲線取得部２２は、ステップＳ１０６で算出された直接波Ｄと第１反射波Ｒ１との伝搬経路差Ｋ１と、ステップＳ１０７で算出された受波器ＪのＺ座標ｚｒとに基づき、第１双曲線Ｓ１の式１を求める（ステップＳ１０８）。

【0052】

また、双曲線取得部２２は、ステップＳ１０６で算出された直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬経路差Ｋ２と、ステップＳ１０７で算出された受波器ＪのＺ座標ｚｒとに基づき、第２双曲線Ｓ２の式１を求める（ステップＳ１０８）。

【0053】

上記のステップＳ１０８で求められる第１，第２双曲線Ｓ１，Ｓ２の式１は、係数ａやＺ（＝ｚｒ）を実数とし、係数ｂやｒを未知数とするものである。

【0054】

ついで、焦点座標算出部２３は、第１双曲線Ｓ１の式１と第２双曲線Ｓ２の式１とを連立して、未知数ｂ，ｒを求める（ステップＳ１０９）。この結果、求められるｒは、受波器Ｊと波源Ｈとの間の水平距離に該当する。さらに、焦点座標算出部２３は、係数ａ，ｂから、第１，第２双曲線Ｓ１，Ｓ２の共通の焦点である波源ＨのＺ座標ｚｓを求める（ステップＳ１０９）。

【0055】

以上のように、第１実施形態によれば、波源ＨのＺ座標ｚｓや、受波器Ｊと波源Ｈとの間の水平距離ｒが求められるので、波源Ｈの位置を推定することができる。

【0056】

そして、上述の波源ＨのＺ座標ｚｓや水平距離ｒは、一箇所の受波器Ｊに受信される直接波Ｄと反射波Ｒ１，Ｒ２との伝搬経路差に基づき求められる。このため、受波器Ｊを複数の地点に設けることを要しない。よって、受波器を複数の地点に設ける場合のように、設備コストが高額にならず、複数の受波器を設置する手間や、複数の受波器の位置を特定する手間を要しない。

【0057】

また従来の総当り法のように、直接波と反射波との伝搬時間差を複数の地点ごとに求める反復計算を要しない。このため、短時間で波源の位置を推定することができる。

【0058】

また、受波器Ｊの圧力センサ１１が計測した水圧に基づき、受波器Ｊの座標が求められ、当該受波器Ｊの座標を用いて、第１双曲線Ｓ１や第２双曲線Ｓ２の式が求められる。このため、受波器Ｊの位置が既知でない場合や、受波器Ｊが移動する場合であっても、第１双曲線Ｓ１や第２双曲線Ｓ２の式を求めて、これらの式に基づき波源Ｈの座標を求めることができる。

【0059】

＜第２実施形態＞

【0060】

次に、本発明の第２実施形態について詳細に説明する。図４は、第２実施形態の位置推定方法の原理を示す概要図である。

【0061】

第２実施形態も、第１実施形態と同様、海水面Ｗ１と海底面Ｗ２との間から、パルス波である音波を放射する波源Ｈの位置を、受波器Ｊを用いて推定するものである。また、第１実施形態と同様、海水面Ｗ１や海底面Ｗ２は、凹凸がない平面であり、平行である。海水面Ｗ１と海底面Ｗ２との間は音波を伝える一様な媒質で満たされる。

【0062】

以下では、図４に示すように、受波器Ｊが座標（０，ｚｒ）にあるときに、波源Ｈの座標（ｒ，ｚｓ）を求める場合を例に説明する。

【0063】

波源Ｈから発せられた音波のうち、海水面Ｗ１で１回反射して受波器Ｊに到達する第１反射波Ｒ１の経路長は、海水面Ｗ１に対する受波器Ｊの鏡像Ｊ１（以下、嘘受波器Ｊ１）に直接到達する音波の経路長に等しい。そして、波源Ｈから直接受波器Ｊに到達する直接波Ｄと、第１反射波Ｒ１との伝搬経路差が一定となる軌跡は、受波器Ｊと嘘受波器Ｊ１を焦点とし、波源Ｈを通過する第１双曲線Ｓ３になる。

【0064】

また、波源Ｈから放射された音波のうち、海底面Ｗ２で１回反射して受波器Ｊに到達する第２反射波Ｒ２の経路長は、海底面Ｗ２に対する受波器Ｊの鏡像Ｊ２（以下、嘘受波器Ｊ２）に直接到達する音波の経路長に等しい。そして、波源Ｈから直接受波器Ｊに到達する直接波Ｄと、第２反射波Ｒ２との伝搬経路差が一定となる軌跡は、受波器Ｊと嘘受波器Ｊ２を焦点とし、波源Ｈを通過する第２双曲線Ｓ４になる。

【0065】

上述した第１双曲線Ｓ３や第２双曲線Ｓ４は、以下の式２で表すことができる。

【0066】

【数2】

【0067】

式２の係数ａは、直接波Ｄと反射波Ｒとの伝搬経路差で表される（第１双曲線Ｓ３の式２では、係数ａは、直接波Ｄと第１反射波Ｒ１との伝搬経路差Ｋ１で表される。第２双曲線Ｓ４の式２では、係数ａは、直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬経路差Ｋ２で表される）。式２の係数ｃは、係数ａと、受波器ＪのＺ座標ｚｒで表すことができる。

【0068】

受波器ＪのＺ座標ｚｒや、直接波Ｄと第１反射波Ｒ１との伝搬経路差Ｋ１が求められる場合には、係数ａ，ｃを実数とし、Ｚやｒを未知数とする第１双曲線Ｓ３の式２を求めることができる。

【0069】

また、受波器ＪのＺ座標ｚｒや、直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬経路差Ｋ２が求められる場合には、係数ａ，ｃを実数とし、Ｚやｒを未知数とする第２双曲線Ｓ４の式２を求めることができる。

【0070】

そして、上述のように第１，第２双曲線Ｓ３，Ｓ４の式２が求められる場合には、これら２つの双曲線Ｓ３，Ｓ４の式２を連立することで、２つの未知数Ｚ，ｒを求めることができる。この結果、求められるＺは、第２双曲線Ｓ３，Ｓ４の交点である波源ＨのＺ座標ｚｓに該当し、求められるｒは、受波器Ｊと波源Ｈとの間の水平距離（波源Ｈのｒ座標）に該当する。

【0071】

以上に基づき、第２実施形態では、第１実施形態と同様、直接波Ｄや反射波Ｒ１，Ｒ２の到達時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が特定される。そして、これらの到達時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に基づき、直接波Ｄと第１反射波Ｒ１との伝搬経路差Ｋ１や、直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬経路差Ｋ２が算出される。

【0072】

そして、受波器Ｊの位置における水圧に基づき、受波器ＪのＺ座標ｚｒが求められる。

【0073】

そして、直接波Ｄと第１反射波Ｒ１との伝搬経路差Ｋ１と、受波器ＪのＺ座標ｚｒとに基づき、第１双曲線Ｓ３の式２が求められる。また、直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬経路差Ｋ２と、受波器ＪのＺ座標ｚｒとに基づき、第２双曲線Ｓ４の式２が求められる。

【0074】

そして、双曲線Ｓ３，Ｓ４の式２を連立して、第２双曲線Ｓ３，Ｓ４の交点である波源ＨのＺ座標ｚｓや、受波器Ｊと波源Ｈとの間の水平距離ｒが算出される。

【0075】

図５は、上記の処理を実行する位置推定装置Ｂのハードウェア構成を示している。

【0076】

位置推定装置Ｂは、受波器Ｊと、演算処理装置Ｆとを備える。

【0077】

受波器Ｊには、音圧センサ１０と、圧力センサ１１とが設けられる。音圧センサ１０や圧力センサ１１は、第１実施形態と同様である。このため、詳細な説明を省略する。

【0078】

演算処理装置Ｆは、通信回線を介して受波器Ｊと接続されるものであり、到達時刻特定部２０と、経路差算出部２１と、双曲線取得部２５と、交点座標算出部２６と、受波器座標算出部２４とを備える。上記の各部は、例えば回路から構成される。或いは、上記の各部は、CPUが、外部記憶部に記憶されているプログラムに従った処理を実行することで構成される。また、演算処理装置Ｆには、媒質中の音速や、圧力センサ１１が測定した水圧を入力するための入力装置が設けられる。また、演算処理装置Ｅは、ビームフォーミングと称される信号処理を実行可能である。

【0079】

次に図６を参照して、上記の位置推定装置Ｆで実行される処理を説明する。

【0080】

ステップＳ２０１，Ｓ２０２は、受波器Ｊで実行され、ステップＳ２０３，Ｓ２０４は、到達時刻特定部２０で実行され、ステップＳ２０５，Ｓ２０６は、経路差算出部２１で実行され、ステップＳ２０７は受波器座標算出部２４で実行される。これらステップＳ２０１〜ステップＳ２０７は、図３のステップＳ１０１〜Ｓ１０７と同様である。よって以下では、ステップＳ２０８以降について説明する。

【0081】

双曲線取得部２５は、ステップＳ２０６で算出された直接波Ｄと第１反射波Ｒ１との伝搬経路差Ｋ１と、ステップＳ２０７で算出された受波器ＪのＺ座標ｚｒとに基づき、第１双曲線Ｓ３の式２を求める（ステップＳ２０８）。

【0082】

また、双曲線取得部２５は、ステップＳ２０６で算出された直接波Ｄと第２反射波Ｒ２との伝搬経路差Ｋ２と、ステップＳ２０７で求められた受波器ＪのＺ座標ｚｒとに基づき、第２双曲線Ｓ４の式２を求める（ステップＳ２０８）。

【0083】

上記のステップＳ２０８で求められる第１，第２双曲線Ｓ３，Ｓ４の式２は、係数ａ，ｃを実数とし、Ｚやｒを未知数とするものである。

【0084】

ついで、交点座標算出部２６は、第１双曲線Ｓ３の式２と第２双曲線Ｓ４の式２とを連立して、未知数Ｚ，ｒを求める（ステップＳ２０９）。この処理により、求められるＺは、第１，第２双曲線Ｓ３，Ｓ４の交点である波源ＨのＺ座標ｚｓであり、求められるｒは、受波器Ｊと波源Ｈとの間の水平距離（波源Ｈのｒ座標）である。

【0085】

以上のように、第２実施形態においても、波源ＨのＺ座標ｚｓや水平距離ｒが求められるので、波源Ｈの位置を推定することができる。

【0086】

また、第２実施形態においても、一箇所の受波器Ｊに受信される直接波Ｄと反射波との伝搬経路差を利用して、波源Ｈの位置が推定される。このため、受波器Ｊを複数の地点に設けることを要しない。よって、設備コストが高額にならず、複数の受波器Ｊを所望の位置に設置する手間や、複数の受波器Ｊの位置を特定する手間を要しない。また、複数点における直接波Ｄと反射波との伝搬時間差を求める反復計算を要しないので、短時間で波源Ｈ位置を推定可能である。

【0087】

また、受波器Ｊの圧力センサ１１が計測した水圧に基づき、受波器Ｊの座標が求められるとともに、当該受波器Ｊの座標を用いて、第１双曲線Ｓ３や第２双曲線Ｓ４の式が求められる。このため、受波器Ｊの位置が既知でない場合や、受波器Ｊが移動する場合であっても、第１双曲線Ｓ３や第２双曲線Ｓ４の式を求めて、これらの式に基づき波源Ｈの座標を求めることができる。

【0088】

なお、本発明は、上記の第１，第２実施形態に限定されず、種々改変することができる。

【0089】

例えば、上記の第１，第２実施形態では、媒質中の音速が一様である例を示したが、媒質中の音速は一様でなくてもよい。この場合、音速の平均値が演算処理装置Ｅ，Ｆ（図２，図５）に入力される。そして、図３のステップＳ１０６や、図６のステップＳ２０６では、音速の平均値を伝搬時間差Ｓ１，Ｓ２に乗じることで、伝搬経路差Ｋ１，Ｋ２が算出される。

【0090】

また、第１，第２実施形態では、境界面（海水面Ｗ１や海底面Ｗ２）が平面である例を示したが、本発明は、境界面に起伏や凸凹がある場合にも適用可能である。境界面に起伏や凸凹がある場合には、その平均平面が、境界面の伸びる方向（図１や図４のｒ軸に相当）に設定される。

【0091】

また、第１，第２実施形態では、圧力センサの測定値に基づき、受波器Ｊの座標を求める例を示したが、受波器Ｊが固定されて静止するものである場合には、受波器Ｊの座標を演算処理装置Ｅ，Ｆに入力して、この入力値に基づき、第１の双曲線や第２の双曲線の式が求められてもよい。

【0092】

また、第１，第２実施形態では、波源Ｈが音波を出力する例を示したが、本発明は、波源が音波以外のパルス波（電磁波や弾性波等）を出力する場合にも適用可能である。

【0093】

例えば、波源が電磁波や弾性波を出力する場合には、電磁波や弾性波を受信可能な受波器が、第１境界面と第２境界面との間に設けられる。そして、図３のステップＳ１０１や図６のステップＳ２０１に対応する処理では、上記の受波器に、波源から直接受波器に到達した直接波や、第１境界面で１回反射して受波器に到達した第１反射波や、第２境界面で１回反射して受波器に到達した第２反射波が受信される。そして、図３のステップＳ１０６や図６のステップＳ２０６に対応する処理では、演算処理装置に入力された光速や弾性波の速度に基づき、直接波と第１，第２反射波との伝搬経路差が算出される。

【符号の説明】

【0094】

１１ 圧力センサ
２０ 到達時刻特定部
２１ 経路差算出部
２２，２５ 双曲線取得部
２３ 焦点座標算出部
２４ 受波器座標算出部
２６ 交点座標算出部
Ａ 位置推定装置
Ｄ 直接波
Ｊ 受波器
Ｈ 波源
Ｈ１ 第１境界面に対する波源Ｈの鏡像
Ｈ２ 第２境界面に対する波源Ｈの鏡像
Ｓ１ 第１双曲線
Ｓ２ 第２双曲線
Ｒ１ 第１反射波
Ｒ２ 第２反射波
Ｗ１ 海水面（第１境界面）
Ｗ２ 海底面（第２境界面）

【要約】

【課題】受波器を複数の地点に設けることを要さずに、短時間で波源位置を推定可能な方法を提供する。
【解決手段】海水面Ｗ１と海底面Ｗ２との間に設置された受波器Ｊが、波源Ｈから受波器Ｊに直接到達した直接波Ｄや、海水面Ｗ１で１回反射して受波器Ｊに到達した第１反射波Ｒ１や、海底面Ｗ２で１回反射して受波器Ｊに到達した第２反射波Ｒ２を受信する。そして、波源Ｈと第１境界面に対する波源Ｈの鏡像Ｈ１とを焦点とする第１双曲線Ｓ１の式や、波源Ｈと海底面Ｗ２に対する波源Ｈの鏡像Ｈ２とを焦点とする第２双曲線Ｓ２の式が求められる。そして、第１双曲線Ｓ１の式と第２双曲線Ｓ２の式とを連立することで、波源Ｈの座標である第１双曲線Ｓ１及び第２双曲線Ｓ２の共通の焦点の座標が求められる。
【選択図】図１

【図2】

【図3】

【図5】

【図6】

【図1】

【図4】

【図7】

【図8】