特許 7452362 距離演算装置、距離演算方法、および距離演算プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-11

(45)【発行日】2024-03-19

(54)【発明の名称】距離演算装置、距離演算方法、および距離演算プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01S 3/808 20060101AFI20240312BHJP

   G01S 3/86 20060101ALI20240312BHJP

【ＦＩ】

G01S3/808

G01S3/86

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020164271

(22)【出願日】2020-09-30

(65)【公開番号】P2022056489

(43)【公開日】2022-04-11

【審査請求日】2023-05-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001461

【氏名又は名称】弁理士法人きさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】武田 啓之

【審査官】藤脇 昌也

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６３－１７７０８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－０４３９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０３８０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１４７０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１３５１３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／１４３８１５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ １／７２ － １／８２

３／８０ － ３／８６

５／１８ － ５／３０

７／５２ － ７／６４

１５／００ － １５／９６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

受波器アレイが受信した音波の強さを、時間領域および周波数領域において示すスペクトログラムを用いて、目標の音源との間の距離を演算する距離演算装置であって、
前記音波に基づく信号に指向性を付与する整相処理部と、
前記整相処理部によって前記指向性を付与された前記信号から、前記音源が存在する方位として推定される水平方位からの前記音波に基づく前記信号を抽出する水平抽出部と、
前記水平抽出部が抽出した、前記水平方位からの音波に基づく信号を用いて、前記音源から発せられて前記受波器アレイに到来した前記音波に基づく前記信号を演算する俯仰演算部と、
前記俯仰演算部が演算した前記信号の総和を演算する総和演算部と、
前記総和に基づく前記スペクトログラムを生成するスペクトログラム生成部と、
を備え、
前記俯仰演算部は、
前記受波器アレイが受信した前記音波に基づく前記信号を、ノーマルモード法に基づいて、複数の成分の和として算出するノーマルモード分解部と、
前記複数の成分の各々に対応する音波の相互の干渉の強さに基づいて、２以上の前記成分を示す情報を抽出する成分抽出部と、
前記成分抽出部によって抽出された前記情報が示す前記２以上の成分の各々に対応する前記音波の、俯仰方向における到来方位の仰俯角を算出する仰俯角算出部と、
前記水平抽出部が抽出した前記信号、および、前記仰俯角を用いて、前記音源から発せられて、前記仰俯角の俯仰方位から前記受波器アレイに到来した前記音波に基づく前記信号を演算する補間部と、
を有する、距離演算装置。

【請求項2】

前記成分抽出部は、
前記複数の成分の各々に対応する音波の振幅を用いて、前記複数の成分の各々に対応する音波の、相互の前記干渉の強さを演算する、請求項１に記載の距離演算装置。

【請求項3】

前記成分抽出部は、
前記複数の成分の各々に対応する音波のうち、相互の前記干渉が強い順に、予め定められた２以上の個数の前記音波に対応する前記２以上の成分を示す情報を抽出する、請求項１または請求項２に記載の距離演算装置。

【請求項4】

前記成分抽出部は、
前記複数の成分の各々に対応する音波のうち、相互の前記干渉の強さが、予め定められた閾値以上の、２以上の前記音波に対応する前記２以上の成分を示す情報を抽出する、請求項１または請求項２に記載の距離演算装置。

【請求項5】

前記成分抽出部は、
前記干渉の強さに応じて、前記複数の成分の各々を示す情報を並び替える、請求項３または請求項４に記載の距離演算装置。

【請求項6】

前記仰俯角算出部は、
前記成分抽出部が抽出した前記情報が示す前記成分に対応する前記音波の、水平波数を用いて、前記仰俯角を算出する、請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の距離演算装置。

【請求項7】

前記補間部は、前記水平抽出部が抽出した前記信号、および、前記仰俯角を用いて、補間処理を行うことによって、前記仰俯角の前記俯仰方位からの到来した、前記音源からの前記音波に基づく前記信号を演算する、請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の距離演算装置。

【請求項8】

前記ノーマルモード分解部は、
前記受波器アレイに到達するまでに前記音波が伝搬してきた環境の状態を示す環境情報を用いて、前記受波器アレイが受信した前記音波に基づく信号を、前記複数の成分の和として算出する、請求項１～請求項７のいずれか一項に記載の距離演算装置。

【請求項9】

受波器アレイが受信した音波の強さを、時間領域および周波数領域において示すスペクトログラムを用いて、目標の音源との間の距離を演算する距離演算装置が実行する距離演算方法であって、
前記音波に基づく信号に指向性を付与する整相ステップと、
前記整相ステップにおいて前記指向性を付与された前記信号から、前記音源が存在する方位として推定される水平方位からの前記音波に基づく前記信号を抽出する水平抽出ステップと、
前記水平抽出ステップにおいて抽出された、前記水平方位からの音波に基づく信号を用いて、前記音源から発せられて前記受波器アレイに到来した前記音波に基づく前記信号を演算する俯仰演算ステップと、
前記俯仰演算ステップにおいて演算された前記信号の総和を演算する総和演算ステップと、
前記総和に基づく前記スペクトログラムを生成するスペクトログラム生成ステップと、
を含み、
前記俯仰演算ステップは、
前記受波器アレイが受信した前記音波に基づく前記信号を、ノーマルモード法に基づいて、複数の成分の和として算出するノーマルモード分解ステップと、
前記複数の成分の各々に対応する音波の相互の干渉の強さに基づいて、２以上の前記成分を示す情報を抽出する成分抽出ステップと、
前記成分抽出ステップにおいて抽出された前記情報が示す前記２以上の成分の各々に対応する前記音波の、俯仰方向における到来方位の仰俯角を算出する仰俯角算出ステップと、
前記水平抽出ステップにおいて抽出された前記信号、および、前記仰俯角を用いて、前記音源から発せられて、前記仰俯角の俯仰方位から前記受波器アレイに到来した前記音波に基づく前記信号を演算する補間ステップと、
を含む、距離演算方法。

【請求項10】

受波器アレイが受信した音波の強さを、時間領域および周波数領域において示すスペクトログラムを用いて、目標の音源との間の距離を演算する機能を、コンピュータに実現させるための距離演算プログラムであって、
前記音波に基づく信号に指向性を付与する整相機能と、
前記整相機能によって前記指向性を付与された前記信号から、前記音源が存在する方位として推定される水平方位からの前記音波に基づく前記信号を抽出する水平抽出機能と、
前記受波器アレイが受信した前記音波に基づく前記信号を、ノーマルモード法に基づいて、複数の成分の和として算出するノーマルモード分解機能と、
前記複数の成分の各々に対応する音波の相互の干渉の強さに基づいて、２以上の前記成分を示す情報を抽出する成分抽出機能と、
前記成分抽出機能によって抽出された前記情報が示す前記２以上の成分の各々に対応する前記音波の、俯仰方向における到来方位の仰俯角を算出する仰俯角算出機能と、
前記水平抽出機能によって抽出された前記信号、および、前記仰俯角を用いて、前記音源から発せられて、前記仰俯角の俯仰方位から前記受波器アレイに到来した前記音波に基づく前記信号を演算する補間機能と、
前記補間機能によって演算された前記信号の総和を演算する総和演算機能と、
前記総和に基づく前記スペクトログラムを生成するスペクトログラム生成機能と、
をコンピュータに実現させるための距離演算プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、受信した音波に基づく信号から、音源との間の距離を演算する距離演算装置、距離演算方法、および距離演算プログラムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、水中を伝搬する音波を受信することによって、受波器と音源との間の距離を測定する技術がある（例えば、非特許文献１参照）。水中において音源から発せられた音波は、直接波、海底反射波、および、海面反射波等として、複数の経路を通って伝搬し、受波器により受信される。

【0003】

複数の伝搬経路の各々を通って受波器に受信される音波同士には、位相差がある。このため、複数の伝搬経路の各々からの音波は、相互に干渉し合う。受波器は、複数の音波が互いを強めたり弱めたりすることによって生成された音波を受信する。音源と受波器との間の相対距離が時間的に変化する場合には、干渉状態は周期的に発生する。すなわち、受波器が受信する音波の強弱は周期的なものとなる。そして、音波が広帯域信号である場合には、当該音波の強さを時間－周波数平面におけるスペクトログラムとして表示すると、複数の伝搬経路を通ってきた複数の音波の相互干渉による干渉縞が現れる。この干渉縞によって示される情報が、受波器と音源との間の距離の演算において用いられている。

【0004】

上述の測距技術においては、単一の受波器が用いられてもよいが、受波器アレイが用いられて整相処理が行われてもよい。整相処理により、受波器を基準にした方位であって、音源が存在する方位以外の方位からのノイズを低減することが可能となる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】ケビン・エル・コックレル（Kevin L. Cockrell）、ヘンリック・シュミット（Henrik Schmidt）共著、「ウェーブガイド不変量を用いたロバスト（頑強）なパッシブ測距（Robust passive range estimation using the waveguide invariant）」、米国音響学会誌（Journal of the Acoustical Society of America）、米国、米国音響学会（Acoustical Society of America）、２０１０年５月、第１２７巻、第５号、ｐ．２７８０―２７８９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ここで、上述したスペクトログラムにおける干渉縞は、直接波、海面反射波、および海底反射波等として複数の伝搬経路を経由してきた、音源からの音波の相互干渉に起因するものである。このような干渉縞を用いての距離の演算において、整相処理が行われると、以下のような問題が生じ得る。目標の音源からの音波であっても、メインローブ以外の方位からの音波に基づく信号は、整相処理によって弱められる。当該信号の振幅は、音波の強さと対応付けられるが、当該信号が弱まることにより、当該信号を用いて生成されるスペクトログラムにおける、音波の干渉状態を示す干渉縞も、微弱な干渉状態を示すものとなる可能性がある。従って、ノイズの低減のための整相処理を行っても、距離の演算に用いられるスペクトログラムの信号対雑音比が低下する虞がある。

【0007】

当該問題の解決のために、整相処理によって得られた信号を加算してスペクトログラムを生成することによって、音波の干渉状態を再現することが考えられる。なお、この場合において加算の対象となる信号は、目標からの音波に基づく信号である。しかし、音源からの音波がどの方位から受波器に到来するかは未知の場合が多く、目標からの音波に基づく信号のみを抽出して、スペクトログラムの生成に用いるのは困難である。このため、目標以外の音源からのノイズによる影響を低減しながら、信号対雑音比の高いスペクトログラムを生成することは困難であった。

【0008】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、目標の音源との距離の演算に用いられるスペクトログラムにおける、ノイズの低減と、信号対雑音比の向上とを図り、距離の演算の精度を向上させる、距離演算装置、距離演算方法、および距離演算プログラム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】

【0009】

本発明に係る距離演算装置は、受波器アレイが受信した音波の強さを、時間領域および周波数領域において示すスペクトログラムを用いて、目標の音源との間の距離を演算する距離演算装置であって、前記音波に基づく信号に指向性を付与する整相処理部と、前記整相処理部によって前記指向性を付与された前記信号から、前記音源が存在する方位として推定される水平方位からの前記音波に基づく前記信号を抽出する水平抽出部と、前記水平抽出部が抽出した、前記水平方位からの音波に基づく信号を用いて、前記音源から発せられて前記受波器アレイに到来した前記音波に基づく前記信号を演算する俯仰演算部と、前記俯仰演算部が演算した前記信号の総和を演算する総和演算部と、前記総和に基づく前記スペクトログラムを生成するスペクトログラム生成部と、を備え、前記俯仰演算部は、前記受波器アレイが受信した前記音波に基づく前記信号を、ノーマルモード法に基づいて、複数の成分の和として算出するノーマルモード分解部と、前記複数の成分の各々に対応する音波の相互の干渉の強さに基づいて、２以上の前記成分を示す情報を抽出する成分抽出部と、前記成分抽出部によって抽出された前記情報が示す前記２以上の成分の各々に対応する前記音波の、俯仰方向における到来方位の仰俯角を算出する仰俯角算出部と、前記水平抽出部が抽出した前記信号、および、前記仰俯角を用いて、前記音源から発せられて、前記仰俯角の俯仰方位から前記受波器アレイに到来した前記音波に基づく前記信号を演算する補間部と、を有する。

【0010】

本発明に係る距離演算方法は、受波器アレイが受信した音波の強さを、時間領域および周波数領域において示すスペクトログラムを用いて、目標の音源との間の距離を演算する距離演算装置が実行する距離演算方法であって、前記音波に基づく信号に指向性を付与する整相ステップと、前記整相ステップにおいて前記指向性を付与された前記信号から、前記音源が存在する方位として推定される水平方位からの前記音波に基づく前記信号を抽出する水平抽出ステップと、前記水平抽出ステップにおいて抽出された、前記水平方位からの音波に基づく信号を用いて、前記音源から発せられて前記受波器アレイに到来した前記音波に基づく前記信号を演算する俯仰演算ステップと、前記俯仰演算ステップにおいて演算された前記信号の総和を演算する総和演算ステップと、前記総和に基づく前記スペクトログラムを生成するスペクトログラム生成ステップと、を含み、前記俯仰演算ステップは、前記受波器アレイが受信した前記音波に基づく前記信号を、ノーマルモード法に基づいて、複数の成分の和として算出するノーマルモード分解ステップと、前記複数の成分の各々に対応する音波の相互の干渉の強さに基づいて、２以上の前記成分を示す情報を抽出する成分抽出ステップと、前記成分抽出ステップにおいて抽出された前記情報が示す前記２以上の成分の各々に対応する前記音波の、俯仰方向における到来方位の仰俯角を算出する仰俯角算出ステップと、前記水平抽出ステップにおいて抽出された前記信号、および、前記仰俯角を用いて、前記音源から発せられて、前記仰俯角の俯仰方位から前記受波器アレイに到来した前記音波に基づく前記信号を演算する補間ステップと、を含む。

【0011】

本発明に係る距離演算プログラムは、受波器アレイが受信した音波の強さを、時間領域および周波数領域において示すスペクトログラムを用いて、目標の音源との間の距離を演算する機能を、コンピュータに実現させるための距離演算プログラムであって、前記音波に基づく信号に指向性を付与する整相機能と、前記整相機能によって前記指向性を付与された前記信号から、前記音源が存在する方位として推定される水平方位からの前記音波に基づく前記信号を抽出する水平抽出機能と、前記受波器アレイが受信した前記音波に基づく前記信号を、ノーマルモード法に基づいて、複数の成分の和として算出するノーマルモード分解機能と、前記複数の成分の各々に対応する音波の相互の干渉の強さに基づいて、２以上の前記成分を示す情報を抽出する成分抽出機能と、前記成分抽出機能によって抽出された前記情報が示す前記２以上の成分の各々に対応する前記音波の、俯仰方向における到来方位の仰俯角を算出する仰俯角算出機能と、前記水平抽出機能によって抽出された前記信号、および、前記仰俯角を用いて、前記音源から発せられて、前記仰俯角の俯仰方位から前記受波器アレイに到来した前記音波に基づく前記信号を演算する補間機能と、前記補間機能によって演算された前記信号の総和を演算する総和演算機能と、前記総和に基づく前記スペクトログラムを生成するスペクトログラム生成機能と、をコンピュータに実現させるためのものである。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係る距離演算装置、距離演算方法、および距離演算プログラムによれば、水平抽出部により、水平方向においてノイズが低減された、目標の音源からの音波に基づく信号が得られる。俯仰演算部における成分抽出部は、ノーマルモード分解部によって得られた複数の成分の各々に対応する音波の、相互の干渉の強さに基づいて、２以上の成分を示す情報を抽出する。これにより、成分抽出部は、目標の音源からの音波に対応する成分を示す情報を抽出できる。そして、仰俯角算出部は、当該情報を用いることにより、当該音源からの音波が到来する仰俯角を算出し、俯仰演算部は、水平抽出部が抽出した信号と、当該仰俯角とを用いることにより、ノイズを低減した、当該音源からの音波に基づく信号を演算できる。また、総和演算部が、俯仰演算部による当該信号の総和を演算することにより、当該信号が強められる。従って、目標の音源との距離の演算に用いられるスペクトログラムにおける、ノイズの低減と、信号対雑音比の向上とが図られる。よって、目標との間の距離の演算の精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施の形態に係る距離演算装置に含まれる構成要素と、当該距離演算装置による処理の流れとを例示する図である。

【図2】音源から発信されて、受波器アレイによって受信される音波の伝搬経路を例示する模式図である。

【図3】方位および整相方位番号について説明するための図である。

【図4】スペクトログラム生成部が生成したスペクトログラムの一例を示す図である

【図5】鉛直方向に沿う開口を有する受波器アレイを例示する図である。

【図6】受波器アレイが受信する音波に対する、俯仰方向における指向性の付与によって生じる、当該音波の強弱について説明するための模式図である。

【図7】実施の形態における俯仰演算部に含まれる構成要素と、当該俯仰演算部による処理の流れとを例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

実施の形態．
以下、実施の形態に係る距離演算装置１について、図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態に係る距離演算装置１に含まれる構成要素と、当該距離演算装置１による処理の流れとを例示する図である。距離演算装置１は、整相処理部１０、水平抽出部１１、俯仰演算部１２、総和演算部１３、フーリエ変換部１４、スペクトログラム生成部１５、傾き算出部１６、時間距離変換部１７、および距離算出部１８を備える。なお、図１において破線によって示されるブロックにおいて示される情報は、距離演算装置１に含まれる上記各部において生成された情報、または、上記各部において用いられる情報である。ここで、当該ブロックにおいて示される情報のうち、各部の下側に示される情報は、当該各部において生成された情報である。そして、各部の上側に示される情報と、各部に向かう破線矢印の起点に示される情報は、当該各部において用いられる情報である。

【0015】

距離演算装置１は、有線または無線によって、受波器アレイ３と接続されている。受波器アレイ３は、アレイ構造の複数の受波器３０を有する。各受波器３０は、水中を伝搬してきた音波を受信する。そして、各受波器３０は、受信した音波の強さを定量的に示す信号を距離演算装置１に出力する。なお、音波の強さとしては、音圧、音響エネルギー、または音響インテンシティ等が挙げられる。

【0016】

距離演算装置１は、当該信号を用いて、目標の音源との間の距離を演算するものである。なお、実施の形態１においては、距離演算装置１は、受波器アレイ３を外部に設けるものとするが、受波器アレイ３を含むものでもよい。

【0017】

次に、受波器アレイ３が受信する音波について図２を参照しながら説明する。図２は、音源から発信されて、受波器アレイによって受信される音波の伝搬経路を例示する模式図である。目標となる音源４から発信された音波は、例えば、伝搬経路４０～４２のそれぞれを通って受波器アレイ３に到達する。伝搬経路４０は、音源４から直接的に受波器アレイ３へ伝わる音波である直接波の進行経路の一例である。伝搬経路４１は、音源４からの音波が海面において反射することにより生じる音波である海面反射波が、受波器アレイ３に到達するまでに通過する経路の一例である。伝搬経路４２は、音源４からの音波が海底において反射することにより生じる音波である海底反射波が、受波器アレイ３に到達するまでに通過する経路の一例である。なお、伝搬経路４０～４２のそれぞれにおける矢印は、音波の進行方向を示す。

【0018】

図２に示すように、直接波の伝搬経路４０と、海面反射波の伝搬経路４１と、海底反射波の伝搬経路４２は、互いに異なる経路である。このため、受波器アレイ３に到達する、これらの音波には位相差が生じ得る。当該位相差により、これらの音波は相互に干渉し合う。受波器アレイ３は、これらの音波が相互に干渉し合うことによって生成された音波を受信する。なお、以下では、干渉によって生成された当該音波を、干渉波と記載する場合もある。

【0019】

図１の参照に戻る。各受波器３０は、受信した音波の音圧を定量的に示す電圧値または電力値等の時系列データＸ_ｔ’を生成する。なお、各受波器３０が生成するＸ_ｔ’は、音波の音響エネルギーまたは音響インテンシティ等を定量的に示す電圧値または電力値等の時系列データであってもよい。当該Ｘ_ｔ’は、上述した、音波の強さを定量的に示す信号に相当する。Ｘ_ｔ’は、詳細には、ｎ×ｋ個のサンプリングデータｘ_{ｔｉ（ｊ）}を含み、以下の数１式により表される。

【0020】

【数1】

【0021】

ｉおよびｊは、時間に関するインデックスであり、ｉは１からｎまでの自然数であり、ｊは１からｋまでの自然数である。サンプリングデータｘ_{ｔｉ（ｊ）}は、ｉおよびｊに対応する時間において受波器３０が受信した音波の音圧、音響エネルギー、または音響インテンシティ等を示す電圧値または電力値等である。以下では、サンプリングデータｘ_{ｔｉ（ｊ）}を出力値ｘ_{ｔｉ（ｊ）}と記載する場合もある。ｘ_{ｔｉ（ｊ）}およびＸ_ｔ’は、それぞれ音波に基づく信号の例である。

【0022】

各受波器３０は、Ｘ_ｔ’をｎ行ｋ列の行列表現に変形し、数２式で示される時系列データＸ_ｔを生成する。時系列データＸ_ｔのｉ番目の要素であるｘ_ｔｉは、ｊが１からｋまでの各出力値ｘ_{ｔｉ（ｊ）}を成分とし、数３式で表される。なお、Ｘ_ｔおよびｘ_ｔｉは、それぞれ音波に基づく信号の例である。

【0023】

【数2】

【0024】

【数3】

【0025】

受波器アレイ３は、各受波器３０が生成した信号Ｘ_ｔを整相処理部１０に出力する。整相処理部１０は、受波器アレイ３から取得した信号Ｘ_ｔに対して、水平方向および俯仰方向に指向性を付与する整相処理を実行し、数４式で示されるＸ_ｂ（ｐ、ｑ）を生成する。なお、俯仰方向とは、仰俯角が変化する方向を指す。

【0026】

【数4】

【0027】

Ｘ_ｂ（ｐ、ｑ）のｉ番目の要素であるｘ_ｂｉ（ｐ、ｑ）は、ｊが１からｋまでの各ｘ_{ｂｉ（ｊ）}（ｐ、ｑ）を成分とし、数５式で表される。なお、Ｘ_ｂ（ｐ、ｑ）およびｘ_ｂｉ（ｐ、ｑ）は、それぞれ音波に基づく信号の例である。

【0028】

【数5】

【0029】

ｐは、整相処理において、俯仰方向における方位に割り当てられたインデックスであり、ｑは、整相処理において、水平方向における方位に割り当てられたインデックスである。以下では、俯仰方向における方位を俯仰方位と記載し、水平方向における方位を水平方位と記載する場合もある。また、以下では、ｐ、ｑを整相方位番号と記載する場合もある。以下、方位および整相方位番号について、図３を参照して詳細に説明する。図３は、方位および整相方位番号について説明するための図である。ｐは、受波器アレイ３を中心に、俯仰方向における各角度範囲Δφに対応する方位に割り当てられた整相方位番号である。なお、ｐは、１からＰまでの自然数であるとする。ここで、互いに異なる整相方位番号ｐが割り当てられた、複数の俯仰方位の各々に対応する角度範囲Δφの大きさは、互いに等しくとも異なっていてもよい。図３においては、整相方位番号ｐとして、ｐａが割り当てられた方位と、ｐｂが割り当てられた方位とが例示されている。なお、ｐａとｐｂは、１以上Ｐ以下の自然数である。

【0030】

一方、ｑは、受波器アレイ３を中心に、水平方向における各角度範囲Δθに対応する方位に割り当てられた整相方位番号である。なお、ｑは、１からＱまでの自然数であるとする。ここで、互いに異なる整相方位番号ｑが割り当てられた、複数の水平方位の各々に対応する角度範囲Δθの大きさは、互いに等しくとも異なっていてもよい。図３においては、整相方位番号ｑとして、ｑａが割り当てられた方位と、ｑｂが割り当てられた方位とが例示されている。なお、ｑａとｑｂは、１以上Ｑ以下の自然数である。

【0031】

図１の参照に戻る。整相処理部１０は、１からＱまでの各整相方位番号ｑが割り当てられた方位における、１からＰまでの各整相方位番号ｐが割り当てられた方位から、受波器アレイ３に到来した音波に基づく信号Ｘ_ｂ（ｐ、ｑ）を、上述のＸ_ｔから生成する。そして、整相処理部１０は、生成した信号Ｘ_ｂ（ｐ、ｑ）を、水平抽出部１１に出力する。

【0032】

水平抽出部１１および俯仰演算部１２は、ノイズを低減するためのものである。水平抽出部１１および俯仰演算部１２の詳細については後述する。水平抽出部１１は、音源４からの音波の、水平方向における到来方位として推定される水平方位を抽出する。そして、水平抽出部１１は、抽出した水平方位から到来した音波に基づく信号Ｘ_ｂ（ｐ）を、Ｐ×Ｑ個の信号Ｘ_ｂ（ｐ、ｑ）の中から抽出する。水平抽出部１１は、当該信号Ｘ_ｂ（ｐ）を俯仰演算部１２に出力する。信号Ｘ_ｂ（ｐ）の詳細については後述する。

【0033】

俯仰演算部１２は、音源４からの音波が到来する俯仰方位について演算する。そして、俯仰演算部１２は、演算によって得られた俯仰方位からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を、水平抽出部１１が抽出したＸ_ｂ（ｐ）を用いて演算する。当該信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）の詳細については後述する。

【0034】

総和演算部１３は、後述するスペクトログラム生成部１５が生成するスペクトログラムにおける信号対雑音比を高くするためのものである。総和演算部３２の詳細については後述するが、総和演算部１３は、俯仰演算部１２が演算した信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）から、数６式で示される信号Ｘ_ｂｓｕｍを生成する。なお、Ｘ_ｂｓｕｍのｉ番目の要素であるｘ_{ｂｓｕｍｉ}は、ｊが１からｋまでの各ｘ_{ｂｓｕｍｉ（ｊ）}を成分とし、数７式で表される。Ｘ_ｂｓｕｍおよびｘ_{ｂｓｕｍｉ}は、それぞれ音波に基づく信号の例である。

【0035】

【数6】

【0036】

【数7】

【0037】

フーリエ変換部１４は、Ｘ_ｂｓｕｍをフーリエ変換し、数８式で示される周波数領域のデータＸ_ωを生成する。なお、Ｘ_ωのｉ番目の要素であるｘ_ωｉは、ｊが１からｋまでの各々のｘ_{ωｉ（ｊ）}を成分とし、数９式で表される。Ｘ_ωおよびｘ_ωｉは、それぞれ音波に基づく信号の例である。

【0038】

【数8】

【0039】

【数9】

【0040】

スペクトログラム生成部１５は、フーリエ変換部１４が生成したＸ_ωを二乗し、スペクトラム｜Ｘ_ω｜^２を得る。スペクトログラム生成部１５は、｜Ｘ_ω｜^２を、時間－周波数平面において示すスペクトログラム、または当該スペクトログラムに対応する情報を生成する。なお、｜Ｘ_ω｜^２は、例えば、音圧、音響エネルギー、または音響インテンシティ等の音波の強さに対応し、スペクトログラムは、時間領域および周波数領域における音波の強さを示す情報である。

【0041】

図４は、スペクトログラム生成部が生成したスペクトログラムの一例を示す図である。音源４と受波器アレイ３との間の距離が時間的に変化する場合には、受波器アレイ３が受信する音波は、干渉によって、周期的に、強まったり、弱まったりする。そして、音波が広帯域信号である場合には、図４に示すように、スペクトログラムには、音波の干渉による干渉縞が現れる。なお、干渉縞は、時間－周波数平面を示す２次元の画面上に｜Ｘ_ω｜^２を示す際に、当該｜Ｘ_ω｜^２の大きさの変化に応じて、色彩、濃淡の度合い、または画素数等を変化させることによって現れる。ただし、干渉縞は、２次元平面上に現れる縞模様以外にも、次のものを含んでもよい。例えば、時間軸と周波数軸をそれぞれｘ軸、ｙ軸とし、｜Ｘ_ω｜^２を、ｚ軸であって高さ方向で示した場合には、干渉縞は、交互に現れる山と谷によって表されるものでもよい。

【0042】

図１の参照に戻る。傾き算出部１６は、スペクトログラム生成部１５によるスペクトログラムの干渉縞の傾きｄｔ／ｄωを算出する。ここで、ｔは時間であり、ωは周波数である。なお、傾き算出部１６による傾きｄｔ／ｄωの算出には既存の算出方法が用いられる。

【0043】

時間距離変換部１７は、傾き算出部１６が算出した傾きｄｔ／ｄωを用いて、ｄｒ／ｄωを演算する。なお、ｒは、音源４と受波器アレイ３との間の距離である。時間距離変換部１７は、例えば以下のように、ｄｔ／ｄωからｄｒ／ｄωを演算する。受波器アレイ３と音源４との間の相対速度ｖが一定である場合には、ｄｒ＝ｖｄｔが成り立つ。時間距離変換部１７は、相対速度ｖを取得可能である場合において、当該相対速度ｖが一定である場合には、当該相対速度ｖを用いて、ｄｔ／ｄωからｄｒ／ｄωを演算することができる。

【0044】

距離算出部１８は、時間距離変換部１７による出力結果ｄｒ／ｄω、音波の平均周波数ω’、およびウェーブガイド不変量βを用いて、数１０式から、音源４と受波器アレイ３との間の距離ｒを算出する。なお、音波の平均周波数ω’は、スペクトログラムなどから得ることができる。ウェーブガイド不変量βは、ｒとω’とｄｒ／ｄωの３変数を関係付ける量であって、実施の形態では、予め得られている量とする。

【0045】

【数10】

【0046】

上述のようにして、距離演算装置１は、受波器アレイ３が受信した音波に基づく信号から、受波器アレイ３と音源４との間の距離を演算することができる。ここで、従来、音波を用いての測距においては、例えば水平方向におけるノイズを低減し、俯仰方向において音波に指向性を付与するなどの目的のために、鉛直方向に沿う開口を有する受波器アレイ３が用いられることが多い。図５は、鉛直方向に沿う開口を有する受波器アレイを例示する図である。図５には、鉛直アレイ、平面アレイ、および円筒アレイが示されている。これらのアレイの各々において複数の受波器３０は、鉛直方向に並ぶように配置されている。そして、これらのアレイの各々は、鉛直方向に沿う開口を有する。このように、鉛直方向に沿う開口を有する受波器アレイ３を用いることによって、受波器アレイ３が受信する音波に対する、俯仰方向における指向性の付与が可能になる。しかし、このような俯仰方向における指向性の付与により、次のような問題が生じ得る。以下、当該問題について、図６を参照して説明する。

【0047】

図６は、受波器アレイが受信する音波に対する、俯仰方向における指向性の付与によって生じる、当該音波の強弱について説明するための模式図である。俯仰方向における指向性の付与によって、受波器アレイ３が受信する音波の強さは、俯仰方向における角度範囲毎に異なるものとなり得る。図６では、当該指向性の付与によって、角度範囲α_０における方位からの音波に基づく信号がメインローブに含まれる。すなわち、当該角度範囲α_０における方位からの音波に基づく信号が、他の方位から到来した音波に基づく信号に比べて、強い音波を示すものとなる。

【0048】

一方、当該指向性の付与により、角度範囲α_１の外からの音波は、受波器アレイ３によって受信されないか、あるいは、受波器アレイ３による受信が制限され得る。また、当該指向性の付与により、角度範囲α_１における方位であっても、角度範囲α_０から外れた方位からの音波に基づく信号は、メインローブから外れ、微弱な音波を示すものになり得る。

【0049】

ここで、上述したように、受波器アレイ３が受信する音波は、直接波、海面反射波、および海底反射波等の干渉波である。図６においては、伝搬経路４０Ａを通過する直接波と、伝搬経路４１Ａを通過する海面反射波と、伝搬経路４２Ａを通過する海底反射波は、角度範囲α_０の方位から受波器アレイ３に到来する。このため、これらの干渉波に基づく信号はメインローブに含まれる。しかし、伝搬経路４１Ｂを通過する海面反射波と、伝搬経路４２Ｂを通過する海底反射波は、角度範囲α_１の方位からではあるが、角度範囲α_０から外れた方位から受波器アレイ３に到来する。そのため、これらの音波に基づく信号は、メインローブには含まれず、微弱な音波を示すものとなり得る。また、伝搬経路４１Ｃを通過する海面反射波と、伝搬経路４２Ｃを通過する海底反射波は、角度範囲α_１から外れた方位から受波器アレイ３に到来する。このため、これらの音波は、受波器アレイ３に受信されない可能性がある。なお、伝搬経路４１Ｂ、４１Ｃ、４２Ｂ、４２Ｃを通過する音波は、実際には音源４から受波器アレイ３に到達するまでに海面もしくは海底において複数回反射することが想定される。しかし、図６を参照しての理解を容易にするため、図６では、かかる多重反射を示す記載を省略し、音波が最後に受波器アレイ３に到達する際に通過する伝搬経路４１Ｂ、４１Ｃ、４２Ｂ、４２Ｃのみを記載している。

【0050】

以上のことから、従来の距離演算装置においては、伝搬経路によって、音源４からの音波が、信号化されなかったり、微弱な信号として扱われたりする場合があった。従って、音波に基づく信号が示す、干渉波の強さが微弱なものとなり、結果として、スペクトログラムにおける干渉縞が微弱な干渉状態を示すものとなり、スペクトログラムにおける信号対雑音比が低くなる可能性があった。一方、音源４との間の距離が大きくなると、音波の強さを示す上記出力値ｘ_{ｔｉ（ｊ）}などが小さくなるため、信号対雑音比が低くなるが、整相処理の実行によって更に当該信号対雑音比が低まる虞がある。

【0051】

実施の形態１に係る水平抽出部１１と俯仰演算部１２と総和演算部１３は、ノイズを低減しながら、上記信号対雑音比を向上させるためのものである。水平抽出部１１は、整相処理部１０が生成したＸ_ｂ（ｐ、ｑ）に対して次のような処理を行う。水平抽出部１１は、水平方向における整相方位番号ｑの中から、特定の整相方位番号ｑ’を抽出する。なお、当該整相方位番号ｑ’は、例えば、音波の強さが最大となる水平方位に割り当てられているものでもよいし、追尾している水平方位に割り当てられているものでもよい。音波の強さが最大となる水平方位、および、追尾している水平方位は、それぞれ音源４が存在すると推定される水平方位の例である。

【0052】

水平抽出部１１は、Ｘ_ｂ（ｐ、ｑ）から、整相方位番号ｑ’におけるＸ_ｂ（ｐ）を抽出する。Ｘ_ｂ（ｐ）は、整相方位番号ｑ’の水平方位における、整相方位番号ｐが１からＰまでの各俯仰方位からの、音波に基づく信号の例である。

【0053】

俯仰演算部１２は、水平抽出部１１が抽出したＸ_ｂ（ｐ）を用いて、整相方位番号ｑ’の水平方位における、音源４からの音波が到来する俯仰方位からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を演算する。音源４からの音波は、上述のように、直接波、海面反射波、または海底反射波として、複数の伝搬経路を通って、受波器アレイ３に到達する。そのため、音源４からの音波が到来する俯仰方位としては、複数の俯仰方位が考えられる。俯仰演算部１２は、音源４から発せられた音波が到来する、Ｐ_ｓｅｌ個の俯仰方位の各々の仰俯角を演算する。なお、Ｐ_ｓｅｌは、１以上であってＰ以下の自然数である。そして、俯仰演算部１２は、各仰俯角の俯仰方位から到来した音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を、上記Ｘ_ｂ（ｐ）を用いて演算する。

【0054】

総和演算部１３は、Ｐ_ｓｅｌ個のＸ_ｂＩ（ｍ）の総和を演算する。当該総和は、上記数６式が示す信号Ｘ_ｂｓｕｍに相当する。フーリエ変換部１４は、当該Ｘ_ｂｓｕｍをフーリエ変換し、上記数８式が示す信号Ｘ_ωを生成する。そして、スペクトログラム生成部１５は、当該Ｘ_ωからスペクトラム｜Ｘ_ω｜^２を生成し、当該スペクトラム｜Ｘ_ω｜^２を時間領域と周波数領域とで表すスペクトログラムを生成する。当該スペクトログラムは、音源４から発せられた音波として推定される音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）の、総和から得られている。このため、スペクトログラムにおいて、信号Ｘ_ｂ（ｐ、ｑ）のうちのノイズとして推定される部分による影響が低減する。また、総和演算部１３が、上記整相処理によって微弱化された、音源４からの音波に基づく信号の総和を演算し、スペクトログラム生成部１５が、当該総和に基づいてスペクトログラムを生成するため、スペクトログラムが示す干渉波の強さが高められる。結果として、スペクトログラムにおける干渉縞が鮮明になり、スペクトログラムにおける信号対雑音比が向上する。従って、距離演算装置１は、距離ｒの演算の精度を向上させることができる。

【0055】

ここで、音源４から発せられた音波が到来する俯仰方向における方位は、音波が伝搬する水中の環境などによって変化し得るものであり、未知の場合が多い。そのため、総和演算部１３は、水平抽出部１１が抽出したＰ個のＸ_ｂ（ｐ）の総和を演算してもよく、距離演算装置１は、当該総和を用いてスペクトログラムを生成してもよい。しかし、この場合には、総和演算部１３によってノイズによる信号も加算されてしまうことになり、スペクトログラムにおいてノイズによる影響が生じ得る。これにより、距離ｒの演算精度が低減する虞がある。このため、実施の形態のように、俯仰演算部１２が、音源４から発せられた音波が到来する仰俯角を演算し、総和演算部１３が、俯仰演算部１２が演算した仰俯角の俯仰方位からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を加算することが望ましい。以下、実施の形態における俯仰演算部１２について、更に詳述する。

【0056】

図７は、実施の形態における俯仰演算部に含まれる構成要素と、当該俯仰演算部による処理の流れとを例示する図である。俯仰演算部１２は、ノーマルモード分解部１９、成分抽出部２０、仰俯角算出部２１、および補間部２２を有する。なお、図７において破線によって示されるブロックにおいて示される情報は、俯仰演算部１２に含まれる上記各部において生成された情報、または、上記各部において用いられる情報である。ここで、当該ブロックにおいて示される情報のうち、各部の下側に示される情報は、当該各部において生成された情報である。そして、各部の上側に示される情報と、各部に向かう破線矢印の起点に示される情報は、当該各部において用いられる情報である。

【0057】

ノーマルモード分解部１９は、ノーマルモード法に基づいて、音場ｐ（ｒ、ω）を、環境情報を用いて、数１１式で示す多項式として算出する。ここで、音場ｐ（ｒ、ω）は、受波器アレイ３が受信した音波の音圧である。当該音圧は、受波器アレイ３による信号Ｘ_ｔに対応するものでもよいし、整相処理部１０による信号Ｘ_ｂ（ｐ、ｑ）に対応するものでもよいし、水平抽出部１１による信号Ｘ_ｂ（ｐ）に対応するものでもよい。音場ｐ（ｒ、ω）は、音圧以外にも、音響エネルギーまたは音響インテンシティ等であってもよい。数１１式に示す音場ｐ（ｒ、ω）は、音波に基づく信号の例である。数１１式におけるｒは、受波器アレイ３と音源４との間の距離である。同様に、数１１式におけるωは、音波の周波数である。距離ｒおよび周波数ωの各値は、任意である。環境情報は、音波が伝搬する水中の環境の状態を示す情報であって、音速の深度特性を示す音速プロファイル、または、音源４の深度等の、音場を決定するために必要な情報である。

【0058】

【数11】

【0059】

数１１式に示されるように、ノーマルモード分解部１９は、音場ｐ（ｒ、ω）を、インデックスｍが互いに異なる、複数の直交成分（以下、成分と記す）の和として算出する。なお、インデックスｍの当該成分は、Ａ_ｍ・ｅｘｐ（ｉｋ_ｒｍｒ）である。各成分は、上記音場ｐ（ｒ、ω）の成分であることから、当該音場ｐ（ｒ、ω）が示す音波に含まれる、要素としての音波による音場に相当する。以下では、音場ｐ（ｒ、ω）の成分に対応する音波と記載する場合には、当該音場ｐ（ｒ、ω）が示す音波に含まれる、要素としての音波であって、当該成分と等しい音場の音波を指すものとする。同様に、音波に対応する成分と記載する場合には、当該音波は、当該成分を含む音場ｐ（ｒ、ω）が示す音波における要素としての音波であって、当該成分と等しい音場の音波を指すものとする。数１１式におけるＡ_ｍは、インデックスｍの成分の音波の振幅に対応し、数１２式によって表される。

【0060】

【数12】

【0061】

数１２式における、ｚは受波器アレイ３の深度であり、ｚ_ｓは音源４の深度である。ψ_ｍは、振動を示すモード関数である。なお、ψ_ｍが示す振動の振動数は、インデックスｍ毎に異なる。モード関数ψ_ｍは、深度に依存する。ｋ_ｒｍは、インデックスｍの成分に対応する音波の水平波数である。

【0062】

ノーマルモード分解部１９は、ｐ（ｒ、ｍ）の算出において、音速プロファイル、受波器アレイ３の深度ｚ、音源４の深度ｚ_ｓ、音波の周波数ω、水深、海水密度、海水振幅減衰量、および海底特性等のうちの少なくとも１つの環境情報を既存のプログラムに入力する。なお、海底特性とは、海底における泥などの物質を伝搬する音の速度、当該物質の密度、または当該物質における海水振幅減衰量等を指す。また、既存のプログラムとしては、例えば、Ocean Acoustics Libraryが配布する公開プログラムであるKrakenが挙げられる。ノーマルモード分解部１９は、当該既存のプログラムに環境情報を入力し、数値シミュレーションを実行することによって、音場ｐ（ｒ、ω）における水平波数ｋ_ｒｍおよびモード関数ψ_ｍ等を計算する。

【0063】

実施の形態に係る距離演算プログラムは、上記既存のプログラムを含むものであってもよいし、呼び出すものであってもよい。ノーマルモード分解部１９は、上記数値シミュレーションにおいて、例えば、音波の周波数ωとして当該音波の平均周波数ω’を設定してもよいし、音源４の深度ｚ_ｓとして想定値を設定してもよい。なお、音波の平均周波数ω’は、例えば、数２式または数４式に示される信号を時間領域から周波数領域にフーリエ変換した結果から得られたものでもよいし、他の既存の手法から得られたものでもよい。

【0064】

成分抽出部２０は、ノーマルモード分解部１９が計算した水平波数ｋ_ｒｍおよびモード関数ψ_ｍを用いて、干渉波の干渉状態を定式化する。なお、成分抽出部２０は、数１１式における、インデックスｍが互いに異なる２つの成分の積を演算することによって、干渉状態を定式化する。数１３式は、成分抽出部２０によって得られる、音波の干渉状態を示す式である。数１３式におけるインデックスｍおよびインデックスｌは、互いに異なる自然数であって、それぞれ１からＭまでの自然数である。数１３式におけるΔｋ_ｍｌは、数１４式によって示される。

【0065】

【数13】

【0066】

【数14】

【0067】

数１３式におけるＡ_ｍＡ_ｌの項は、インデックスｍの成分Ａ_ｍ・ｅｘｐ（ｉｋ_ｒｍｒ）に対応する音波と、インデックスｌの成分Ａ_ｌ・ｅｘｐ（ｉｋ_ｒｌｒ）に対応する音波の、相互の干渉の強さを示す項である。すなわち、Ａ_ｍＡ_ｌの値が大きいほど、これら２つの成分の各々に対応する音波は、互いに強く干渉し合う。なお、数１３式におけるｃｏｓ(Δｋ_ｍｌｒ)の項は、インデックスｍの成分Ａ_ｍ・ｅｘｐ（ｉｋ_ｒｍｒ）に対応する音波と、インデックスｌの成分Ａ_ｌ・ｅｘｐ（ｉｋ_ｒｌｒ）に対応する音波の、相互の干渉の度合いの変化を表す。

【0068】

ここで、１つの音源４から発せられ、複数の伝搬経路の各々を通って受波器アレイ３に到達した音波は、互いに強く干渉すると考えられる。例えば、当該音波同士の干渉は、当該音波とノイズとの干渉よりも強いと考えられる。また、当該音波同士の干渉は、多くの場合、ノイズ同士の干渉よりも強いと考えられる。

【0069】

成分抽出部２０は、Ａ_ｍＡ_ｌの値が大きい順に、インデックスｍとインデックスｌの組み合わせをソートする。そして、成分抽出部２０は、Ａ_ｍＡ_ｌの値が大きいインデックスｍおよびインデックスｌを抽出する。実施の形態における成分抽出部２０は、数１５式においてｓｏｒｔ（Ａ_ｍＡ_ｌ）によって示されるｓｏｒｔ関数を用いて、Ａ_ｍＡ_ｌの値が大きい順番に、インデックスｍおよびインデックスｌの組み合わせを得る。なお、当該ｓｏｒｔ関数は、引数であるＡ_ｍＡ_ｌを、値が大きい順番に並び替える関数であって、並び替えられたＡ_ｍＡ_ｌの値と、当該Ａ_ｍＡ_ｌのインデックスｍおよびインデックスｌとを返す関数である。

【0070】

【数15】

【0071】

数１５式の左辺における、インデックスＩｄｘ１およびインデックスＩｄｘ２の組み合わせは、ソートされた、インデックスｍおよびインデックスｌの組み合わせに相当する。なお、インデックスＩｄｘ１がインデックスｍに相当し、インデックスＩｄｘ２がインデックスｌに相当する。以下では、数１５式におけるＩｄｘ１とＩｄｘ２の組み合わせを、単に組み合わせと記載する場合もある。

【0072】

成分抽出部２０は、ソートによって得られた複数の組み合わせの中から、インデックスＩｄｘ１、Ｉｄｘ２の重複を排除して、Ａ_ｍＡ_ｌの値が大きい、Ｐ_ｓｅｌ個のインデックスを抽出する。当該インデックスは、成分を示す情報の例である。成分抽出部２０は、インデックスに代えて、Ａ_ｍＡ_ｌの値が大きいＰ_ｓｅｌ個の成分を抽出してもよい。この場合には、当該情報は、当該成分となる。

【0073】

Ｐ_ｓｅｌは、上述したようにＰ以下の自然数であると同時に、Ｍ以下の自然数であるとする。当該Ｐ_ｓｅｌは、予め定められた数であってもよい。あるいは、当該Ｐ_ｓｅｌは、Ａ_ｍＡ_ｌの値が予め定められた閾値よりも大きい、インデックスの数であってもよい。

【0074】

実施の形態における成分抽出部２０は、数１６式においてｓｅｌｅｃｔ（Ｉｄｘ１、Ｉｄｘ２）によって示されるｓｅｌｅｃｔ関数を用いて、Ａ_ｍＡ_ｌの値が大きい、Ｐ_ｓｅｌ個のインデックスを、重複を排除して抽出する。

【0075】

【数16】

【0076】

ｓｅｌｅｃｔ（Ｉｄｘ１、Ｉｄｘ２）の括弧内のＩｄｘ１およびＩｄｘ２は、それぞれ、ｓｅｌｅｃｔ関数の引数であって、数１５式の左辺に示す組み合わせを構成するものである。当該ｓｅｌｅｃｔ関数は、Ｉｄｘ１とＩｄｘ２の、複数の組み合わせから、重複を排除して、Ａ_ｍＡ_ｌの値が大きいＰ_ｓｅｌ個のインデックスを返す関数である。数１６式のｅｉｇＩｄｘは、ｓｅｌｅｃｔ関数によって得られたＰ_ｓｅｌ個のインデックスの集合に相当する。ｅｉｇＩｄｘは、数１１式における成分のうち、より強い干渉を引き起こす成分のインデックスの集まりである。当該成分は、複数の伝搬経路を通過して受波器アレイ３に到達した、音源４からの音波の成分として推定できる。

【0077】

仰俯角算出部２１は、ｅｉｇＩｄｘに含まれるインデックスｍの水平波数ｋ_ｒｍを用いて、音源４からの音波の各成分の到来方位の仰俯角を算出する。ここで、ｅｉｇＩｄｘに含まれる各インデックスｍの成分であって、音源４からの音波の成分の到来方位の仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）は、数１７式から算出できる。

【0078】

【数17】

【0079】

数１７式におけるｋは、音響波数であって、以下の数１８式から算出できる。

【0080】

【数18】

【0081】

数１８式におけるωは、数１１式におけるωに対応するものであって、音波の角周波数である。

【0082】

仰俯角算出部２１は、ｅｉｇＩｄｘに含まれるインデックスｍの水平波数ｋ_ｒｍ、および、数１８式に示される角周波数を、数１７式に代入し、音源４からの音波の成分の到来方位の仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）を算出する。

【0083】

ここで、仰俯角算出部２１によって算出された仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）に対応する俯仰方位は、上記整相処理における、上記Ｐ個の整相方位番号に対応する俯仰方位と一致するとは限らない。補間部２２は、上記水平抽出部１１が抽出したＸ_ｂ（ｐ）を用いて補間処理を行い、仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）に対応する俯仰方位からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を演算する。補間部２２は、数１９式においてｉｎｔｅｒｐ（Ｘ_ｂ（ｐ）、φ_ｐｒｅ（ｍ））によって示されるｉｎｔｅｒｐ関数を用いて信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を得る。なお、数１９式において補間部２２は、ｉｎｔｅｒｐ関数に、信号Ｘ_ｂ（ｐ）および仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）を代入している。

【0084】

【数19】

【0085】

ｉｎｔｅｒｐ関数は、代入された信号Ｘ_ｂ（ｐ）を用いて、代入された仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）に対応する俯仰方位からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を返す。当該ｉｎｔｅｒｐ関数としては、例えば、ベッセル関数またはＳｉｎｃ関数等が用いられてもよい。

【0086】

総和演算部１３は、数２０式に示すように、ｅｉｇＩｄｘに含まれるＰｓｅｌ個の全インデックスｍの各々の信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）の総和を演算し、数６式に示すＸ_ｂｓｕｍを得る。

【0087】

【数20】

【0088】

俯仰演算部１２が、水平抽出部１１によって抽出された信号Ｘ_ｂ（ｐ）から、音源４からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を演算することによって、俯仰方向において伝搬するノイズの影響を低減することができる。具体的には、成分抽出部２０は、信号Ｐ（ｒ、ω）の成分のうち、より強く干渉し合う２以上の成分のインデックスを抽出する。これにより、音源４からの音波の成分のインデックスが抽出される。仰俯角算出部２１は、抽出されたインデックスの成分に対応する音波の、俯仰方向における到来方位の仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）を算出する。これにより、音源４からの音波の成分の到来方位の俯仰角が得られる。補間部２２は、上記Ｘ_ｂ（ｐ）を用いて補間処理を行い、仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）に対応する俯仰方位からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を演算する。これにより、水平方向だけではなく、俯仰方向においてもノイズを低減させた、音源４からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）が得られる。

【0089】

総和演算部１３が、俯仰演算部１２によって得られた信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を加算することによって、スペクトログラムの生成において用いられる、音波の強さに対応する｜Ｘ_ω｜^２の増大が図られ、信号対雑音比が向上する。

【0090】

次に距離演算装置１のハードウェア構成について説明する。距離演算装置１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＭＰＵ（Micro Processing Unit）等のプロセッサと、ＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリと、通信インターフェースとを用いて構成可能である。整相処理部１０による機能は、プロセッサが、通信インターフェース回路を介して受波器アレイ３と通信し、メモリに記憶されている距離演算プログラムを読み出して実行することにより実現できる。水平抽出部１１、俯仰演算部１２、総和演算部１３、フーリエ変換部１４、スペクトログラム生成部１５、傾き算出部１６、時間距離変換部１７、および距離算出部１８の各機能は、プロセッサが、メモリに記憶されている距離演算プログラムを読み出して実行することにより実現することができる。距離演算装置１は、その全部または一部を専用のハードウェアとしてもよい。

【0091】

以下、実施の形態に係る距離演算装置１による効果について詳述する。実施の形態に係る距離演算装置１は、受波器アレイ３が受信した音波の強さを、時間領域および周波数領域において示すスペクトログラムを用いて、音源４との間の距離ｒを演算するものである。距離演算装置１は、整相処理部１０、水平抽出部１１、俯仰演算部１２、総和演算部１３、および、スペクトログラム生成部１５を備える。整相処理部１０は、受波器アレイ３が受信した音波に基づく信号に指向性を付与する。水平抽出部１１は、整相処理部１０によって指向性を付与された信号Ｘ_ｂ（ｐ、ｑ）から、音源４が存在する方位として推定される水平方位からの音波に基づく信号Ｘ_ｂ（ｐ）を抽出する。俯仰演算部１２は、水平抽出部１１が抽出した信号Ｘ_ｂ（ｐ）を用いて、音源４から発せられて受波器アレイ３に到来した音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を演算する。総和演算部１３は、俯仰演算部１２が演算した信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）の総和Ｘ_ｂｓｕｍを演算する。スペクトログラム生成部１５は、当該総和Ｘ_ｂｓｕｍに基づくスペクトログラムを生成する。俯仰演算部１２は、ノーマルモード分解部１９、成分抽出部２０、仰俯角算出部２１、および補間部２２を有する。ノーマルモード分解部１９は、受波器アレイ３が受信した音波に基づく信号ｐ（ｒ、ω）を、ノーマルモード法に基づいて、複数の成分の和として算出する。当該信号ｐ（ｒ、ω）は、信号Ｘ_ｔに対応するものでもよいし、信号Ｘ_ｂ（ｐ、ｑ）に対応するものでもよいし、信号Ｘ_ｂ（ｐ）に対応するものでもよい。成分抽出部２０は、当該複数の成分の各々に対応する音波の相互の干渉の強さに基づいて、２以上の成分のインデックスを抽出する。仰俯角算出部２１は、成分抽出部２０によって抽出されたインデックスの、上記２以上の成分の各々に対応する音波の、俯仰方向における到来方位の仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）を算出する。補間部２２は、水平抽出部１１が抽出した信号Ｘ_ｂ（ｐ）、および、当該仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）を用いて、音源４から発せられて、仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）における俯仰方位から受波器アレイ３に到来した音波に基づく信号を演算する。

【0092】

上記構成によれば、水平抽出部１１および俯仰演算部１２によって、目標以外からの音波に基づくノイズが低減され、総和演算部１３によって、信号対雑音比が向上する。詳細には、水平抽出部１１が、整相処理によって指向性を付与された信号Ｘ_ｂ（ｐ、ｑ）から、目標の音源４が存在すると推定される水平方位からの音波に基づく信号Ｘ_ｂ（ｐ）を抽出するため、水平方向においてノイズが低減される。そして、俯仰演算部１２における成分抽出部２０が、ノーマルモード分解部１９によって得られた複数の成分の各々に対応する音波の相互の干渉の強さに基づいてインデックスを抽出するため、目標以外からのノイズによる成分が排除され得る。仰俯角算出部２１が、抽出されたインデックスの成分に対応する音波の、俯仰方向における到来方位の仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）を算出することにより、目標からの音波が到来する仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）が得られる。そして、補間部２２が当該仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）と上記信号Ｘ_ｂ（ｐ）とを用いることによって、ノイズを低減した、音源４から発せられた信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）が得られる。また、総和演算部１３が、当該信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）の総和Ｘ_ｂｓｕｍを演算し、スペクトログラム生成部１５が、当該総和Ｘ_ｂｓｕｍに基づくスペクトログラムを生成するため、スペクトログラムにおいて、ノイズの低減と信号対雑音比の向上とが図られる。結果として、目標との間の距離ｒの演算の精度が向上する。

【0093】

実施の形態における成分抽出部２０は、複数の成分の各々に対応する音波の振幅Ａ_ｍを用いて、当該複数の成分の各々に対応する音波の、相互の干渉の強さを演算する。成分抽出部２０は、当該振幅Ａ_ｍを用いることにより、各成分に対応する音波同士の干渉の強さを正確に演算可能になる。そして、成分抽出部２０は、演算した当該干渉の強さを用いることで、目標からの音波に対応する成分のインデックスを抽出できる。結果として、距離演算装置１は、ノイズを低減し、距離ｒの演算に必要な信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を反映したスペクトログラムを生成することができる。よって、距離演算装置１は、距離ｒの演算精度を向上できる。

【0094】

実施の形態における成分抽出部２０は、複数の成分の各々に対応する音波のうち、相互の干渉が強い順に、予め定められた２以上の個数の音波に対応する２以上の成分のインデックスを抽出する。音源４から発せられて、複数の伝搬経路を通過して受波器アレイ３に到来する音波による相互の干渉は、ノイズ同士による干渉、あるいは、ノイズと当該音波との干渉に比べ、強いと考えられる。成分抽出部２０が、相互の干渉が強い音波に対応する成分のインデックスを抽出することにより、俯仰演算部１２は、ノイズを低減した、音源４からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を演算できる。従って、距離演算装置１は、距離ｒの演算に必要な信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を反映し、ノイズを低減したスペクトログラムを生成することができる。よって、距離演算装置１は、距離ｒの演算精度を向上できる。

【0095】

実施の形態における成分抽出部２０は、複数の成分の各々に対応する音波のうち、相互の干渉の強さが、予め定められた閾値以上の、２以上の音波に対応する２以上の成分のインデックスを抽出する。成分抽出部２０が、相互の干渉の強さが閾値以上の音波に対応する成分のインデックスを抽出することにより、俯仰演算部１２は、ノイズを低減した、音源４からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を演算できる。従って、距離演算装置１は、距離ｒの演算に必要な信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を反映し、ノイズを低減したスペクトログラムを生成することができる。よって、距離演算装置１は、距離ｒの演算精度を向上できる。

【0096】

実施の形態における成分抽出部２０は、相互の干渉の強さに応じて、複数の成分の各々のインデックスを並び替える。これにより、成分抽出部２０は、相互の干渉が強い音波に対応する成分のインデックスを容易に抽出可能になる。

【0097】

実施の形態における仰俯角算出部２１は、成分抽出部２０が抽出したインデックスの成分に対応する音波の水平波数ｋ_ｒｍを用い、仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）を算出する。これにより、距離演算装置１は、目標からの音波が到来する俯仰方位を正確に得ることができる。従って、距離演算装置１は、俯仰方向においてノイズの低減したスペクトログラムを生成することができ、距離ｒの演算精度を向上できる。

【0098】

実施の形態における補間部２２は、水平抽出部１１が抽出した信号Ｘ_ｂ（ｐ）、および、仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）を用いて、補間処理を行うことによって、仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）の俯仰方位からの到来した、音源４からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を演算する。これにより、俯仰演算部１２は、音源４からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を演算することができる。

【0099】

実施の形態におけるノーマルモード分解部１９は、受波器アレイ３に到達するまでに音波が伝搬してきた環境の状態を示す環境情報を用いて、受波器アレイ３が受信した音波に基づく信号ｐ（ｒ、ω）を、複数の成分の和として算出する。ノーマルモード分解部１９が、環境情報を用いて、当該信号ｐ（ｒ、ω）を複数の成分の和として算出することにより、各成分は正確に算出される。そして、成分抽出部２０は、複数の成分の各々に対応する音波の相互の干渉の強さを正確に演算できるようになり、音源４からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）に含まれる成分のインデックスを正確に抽出できる。これにより、仰俯角算出部２１は、音源４からの音波が到来する仰俯角φ_ｐｒｅ（ｍ）を正確に算出できる。従って、俯仰演算部１２は、ノイズを低減した、音源４からの音波に基づく信号Ｘ_ｂＩ（ｍ）を演算できる。よって、スペクトログラムにおいて、ノイズの低減と、信号対雑音比の向上とが図られ、距離演算装置１は、距離ｒの演算精度を向上できる。

【0100】

上記実施の形態に係る距離演算装置１は、整相処理部１０が、インデックスｉおよびｊによって示される時間領域において整相処理を実行するものであったが、整相処理部１０は、時間領域に代えて周波数領域で整相処理を実行するものでもよい。

【符号の説明】

【0101】

１ 距離演算装置、３ 受波器アレイ、４ 音源、１０ 整相処理部、１１ 水平抽出部、１２ 俯仰演算部、１３ 総和演算部、１４ フーリエ変換部、１５ スペクトログラム生成部、１６ 傾き算出部、１７ 時間距離変換部、１８ 距離算出部、１９ ノーマルモード分解部、２０ 成分抽出部、２１ 仰俯角算出部、２２ 補間部、３０ 受波器、４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４１、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４２、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ 伝搬経路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】