特許 7454834 水中通信システム

(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】2024-03-14

(45)【発行日】2024-03-25

(54)【発明の名称】水中通信システム

(51)【国際特許分類】

   H04B 11/00 20060101AFI20240315BHJP

【ＦＩ】

H04B11/00 D

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019239492

(22)【出願日】2019-12-27

(65)【公開番号】P2021108432

(43)【公開日】2021-07-29

【審査請求日】2022-08-04

(73)【特許権者】

【識別番号】598003955

【氏名又は名称】海洋電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100148518

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100160314

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 公芳

(74)【代理人】

【識別番号】100134038

【弁理士】

【氏名又は名称】野田 薫央

(72)【発明者】

【氏名】川上 太一

(72)【発明者】

【氏名】大橋 徹

【審査官】対馬 英明

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１９４９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０４２４４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－２６５１８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２１７２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２４４４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２５２３３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｂ １／００

Ｈ０４Ｂ １／３０

Ｈ０４Ｂ １／５９

Ｈ０４Ｂ １／７２

Ｈ０４Ｂ １１／００－１３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基準信号を発生する基準信号発生部と、
前記基準信号発生部が発生した基準信号をデジタル変調してデータを含む物理信号に変換し、水中に送信するデータ送信部と、
前記データ送信部が送信した物理信号を受信するデータ受信部と、
前記データ送信部がデジタル変調した基準信号又は前記データ受信部が受信した物理信号を補正するイコライザー部と、
前記データ受信部が受信した物理信号と前記イコライザー部が補正した基準信号との相関、又は、前記データ受信部が受信し前記イコライザー部が補正した物理信号と前記データ送信部がデジタル変調した基準信号との相関をＰＯＣにより計算する相関計算部とを備え、
前記デジタル変調は、ＰＳＫ変調であることを特徴とする水中通信システム。

【請求項2】

基準信号を発生する基準信号発生部と、
前記基準信号発生部が発生した基準信号をデジタル変調してデータを含む物理信号に変換し、水中に送信するデータ送信部と、
前記データ送信部が送信した物理信号を受信するデータ受信部と、
前記データ送信部がデジタル変調した基準信号又は前記データ受信部が受信した物理信号を補正するイコライザー部と、
前記データ受信部が受信した物理信号と前記イコライザー部が補正した基準信号との相関、又は、前記データ受信部が受信し前記イコライザー部が補正した物理信号と前記データ送信部がデジタル変調した基準信号との相関をＰＯＣにより計算する相関計算部とを備え、
前記イコライザー部は、前記基準信号又は前記データ受信部が受信した物理信号を前記データ送信部及び前記データ受信部の伝達特性のみに基づいて補正することを特徴とする水中通信システム。

【請求項3】

前記基準信号発生部は、前記相関計算部の計算結果に基づいて、発生する基準信号を複数の基準信号の中から選択可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水中通信システム。

【請求項4】

前記データ受信部は、前記データ送信部による物理信号の送信時に動作を停止することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の水中通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、データ送信部が基準信号に基づいて水中に送信したデータを含む物理信号をデータ受信部が受信し、このデータ受信部が受信した物理信号について基準信号との相関を計算する水中通信システムに関する。

【背景技術】

【0002】

データ送信部が基準信号に基づいて水中に送信したデータを含む物理信号をデータ受信部が受信し、このデータ受信部が受信した物理信号について基準信号との相関を計算する水中通信システムとして、例えば特許文献１に記載の水中通信システムが知られている。

【0003】

図５に示すように、このような従来の水中通信システム１では、基準信号発生器２が発生した電気信号である基準信号について、データ送信部３が変調部４においてＰＳＫ（Phase Shift Keying：位相偏移変調）等のデジタル変調を行うとともに、変換器（トランスデューサー）５においてデータを含む超音波信号、光信号等の物理信号に変換し、水中に送信する。そして、被測定物における反射等により物理信号が戻ってくると、その物理信号をデータ受信部６が受信し、バンドパスフィルタリング及び増幅して相関計算器７に出力する。相関計算器７には、データ受信部６が受信した物理信号とともに、データ送信部３でデジタル変調された基準信号（特許文献１においては、同期信号）が入力され、相関計算器７では、図６（ａ）に示すように、それらの信号がフーリエ変換された後に、振幅及び位相が合成されて逆フーリエ変換されることにより、データ受信部６が受信した物理信号について基準信号との相関が計算される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００６－２１７２６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、従来の水中通信システムでは、伝送系が遅延波やドップラー効果で歪むことにより相関結果が分散し、相関を正確に計算できないことが多かった。そこで、相関結果を分散させずに相関のピークを検出しやすくするために、ＰＯＣ（Phase Only Correlation：位相限定相関法）のアルゴリズムを使用することが考えられる。前述のとおり、相関の計算には、通常は振幅及び位相を用いるが、ＰＯＣでは、図６（ｂ）に示すように、位相だけを用いて相関を計算することにより、相関のピークが出やすくなる。

【0006】

しかしながら、ＰＯＣでは、相関計算に用いられる基準信号や物理信号の精度が高くなければならず、たとえ従来の水中通信システムでは問題にならない精度であったとしても、ＰＯＣによる計算時には誤差が増大して実用的ではないという問題がある。例えば、従来の計算では、図７（ａ）に示すような波形（横軸は位相又は時間、縦軸は振幅又は相関値）がＰＯＣによる計算では同図（ｂ）に示すような波形になるはずであっても、実際には同図（ａ）に類する同図（ｃ）に示すような波形にしかならないことが多々生じる。

【0007】

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ＰＯＣにも好適で相関を正確性高く計算することができる水中通信システムを提供することを課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明に係る水中通信システムは、基準信号を発生する基準信号発生部と、前記基準信号発生部が発生した基準信号をデジタル変調してデータを含む物理信号に変換し、水中に送信するデータ送信部と、前記データ送信部が送信した物理信号を受信するデータ受信部と、前記基準信号又は前記データ受信部が受信した物理信号を補正するイコライザー部と、前記データ受信部が受信した物理信号と前記イコライザー部が補正した基準信号との相関、又は、前記データ受信部が受信し前記イコライザー部が補正した物理信号と前記基準信号との相関を計算する相関計算部とを備えることを特徴とする。

【0009】

前記イコライザー部は、前記基準信号又は前記データ受信部が受信した物理信号を前記データ送信部及び前記データ受信部の伝達特性に基づいて補正してもよく、前記相関計算部は、ＰＯＣにより相関を計算してもよい。

【0010】

また、前記基準信号発生部は、前記相関計算部の計算結果に基づいて、発生する基準信号を複数の基準信号の中から選択可能であってもよく、前記データ受信部は、前記データ送信部による物理信号の送信時に動作を停止してもよい。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る水中通信システムによれば、ＰＯＣにも好適で相関を正確性高く計算することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】発明を実施するための形態に係る水中音響通信システムを示す説明図である。

【図2】発明を実施するための他の形態に係る水中音響通信システムを示す説明図である。

【図3】発明を実施するためのさらに他の形態に係る水中音響通信システムを示す説明図である。

【図4】（ａ）は１シンボルが８波の基本波に対して反射波が遅延した場合を示す説明図、（ｂ）は（ａ）の遅延が４波分でＳ／Ｎが０ｄＢになる場合を示す説明図、（ｃ）は遅延が４波分の際にシンボル長を２倍にした場合を示す説明図である。

【図5】従来の水中音響通信システムを示す説明図である。

【図6】（ａ）は従来の相関の計算方法を示す説明図、（ｂ）はＰＯＣによる相関の計算方法を示す説明図である。

【図7】（ａ）は従来の相関の計算方法によるピークの出現例を示す説明図、（ｂ）はＰＯＣによる相関の計算方法による理想的なピークの出現例を示す説明図、（ｃ）はＰＯＣによる相関の計算方法による実際のピークの出現例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。

【0014】

図１に示すように、本実施の形態に係る水中音響通信システム１０は、基準信号発生器１１と、データ送信部１２と、データ受信部１３と、イコライザー部１４と、相関計算器１５とを備える。

【0015】

基準信号発生器１１は、デジタル信号であるＭ系列等の基準信号を発生し、データ送信部１２に出力する。

【0016】

データ送信部１２は、変調部１６及び変換器（トランスデューサー）１７を有し、基準信号発生器１１が発生した基準信号が入力されると、その基準信号を変調部１６においてデジタル変調し、変換器１７においてアナログ信号に変換した後にデータを含む超音波信号として水中に送信する。

【0017】

データ受信部１３は、データ送信部１２が送信した超音波信号が被測定物における反射等により戻ってくると、その超音波信号を受信し、バンドパスフィルタリング及び増幅して相関計算器１５に出力する。

【0018】

イコライザー部１４には、変調部１６においてデジタル変調された基準信号がデータ送信部１２から入力され、イコライザー部１４は、その基準信号をデータ送信部１２及びデータ受信部１３の伝達特性に基づいて補正し、補正した基準信号を相関計算器１５に出力する。すなわち、データ送信部１２及びデータ受信部１３は、Ｓ／Ｎや妨害特性の改善を目的として帯域制限をするため、データ受信部１３が相関計算器１５に出力する超音波信号には歪みが生じるが、イコライザー部１４は、データ送信部１２及びデータ受信部１３の伝達関数を再現し、その超音波信号との相関をとる基準信号を超音波信号と同様に歪ませる補正を行う。

【0019】

相関計算器１５は、データ受信部１３が受信した超音波信号及びイコライザー部１４が補正した基準信号が入力されると、両信号をフーリエ変換した後に位相を合成して逆フーリエ変換し（図６（ｂ）参照）、両信号の相関をＰＯＣにより計算する。この計算結果により、水中音響通信システム１０又は外部の演算装置では、データ受信部１３が受信した超音波信号についてのデータ復調のタイミングや伝達時間（超音波信号を発信してから受信するまでの伝達時間）が求められる。

【0020】

水中音響通信システム１０は、図２に示すように、イコライザー部１４がデータ送信部１２と相関計算器１５との間に設けられるのではなく、データ受信部１３と相関計算器１５との間に設けられてもよい。この場合、イコライザー部１４は、データ送信部１２及びデータ受信部１３の逆伝達関数を再現し、データ受信部１３が受信した超音波信号をデータ送信部１２及びデータ受信部１３による伝送系歪みをキャンセルするように補正して、補正した超音波信号を相関計算器１５に出力する。相関計算器１５には、変調部１６においてデジタル変調された基準信号がデータ送信部１２から入力され、相関計算器１５は、その基準信号とともにイコライザー部１４が補正した超音波信号が入力されると、両信号をフーリエ変換した後に位相を合成して逆フーリエ変換し、両信号の相関をＰＯＣにより計算する。

【0021】

また、水中音響通信システム１０は、図３に示すように、複数が組み合わせられてもよく、同図においては、２つの水中音響通信システム１０が組み合わせられ、各水中音響通信システム１０を区別するために符号の末尾にＡ，Ｂを付している。例えば水中音響通信システム１０Ａは海上（船上）に設置可能であり、水中音響通信システム１０Ｂは海底に設置可能である。

【0022】

水中音響通信システム１０Ａのデータ送信部１２Ａから送信された超音波信号は、水中音響通信システム１０Ｂのデータ受信部１３Ｂで受信された後、相関計算器１５Ｂに入力される。相関計算器１５Ｂには、基準信号発生器１１Ｂで発生してデータ送信部１２Ｂの変調部１６Ｂでデジタル変調され、さらにイコライザー部１４Ｂで補正された基準信号も入力され、この補正された基準信号とデータ受信部１３Ｂが受信した超音波信号との相関が計算される。

【0023】

一方、水中音響通信システム１０Ｂは、水中音響通信システム１０Ａから超音波信号を受信すると、データ送信部１２Ｂから水中音響通信システム１０Ａに向けて超音波信号を送信する。データ送信部１２Ｂから送信された超音波信号は、水中音響通信システム１０Ａのデータ受信部１３Ａで受信された後、相関計算器１５Ａに入力される。相関計算器１５Ａには、基準信号発生器１１Ａで発生してデータ送信部１２Ａの変調部１６Ａでデジタル変調され、さらにイコライザー部１４Ａで補正された基準信号も入力され、この補正された基準信号とデータ受信部１３Ａが受信した超音波信号との相関が計算される。

【0024】

本実施の形態において、基準信号発生器１１は、相関計算器１５の計算結果に基づいて発生する基準信号を複数の基準信号の中から選択可能であり、伝送系の歪みに適した基準信号を発生させることもできる。

【0025】

例えば、遅延波が想定遅延より長い伝送系について説明すると、図４（ａ）に示すように、変調部１６においてＰＳＫで１シンボルごとに位相を変更して基準信号を変調し（図４は６シンボル（６ビット）で基準信号を構成し、１シンボル区間に８波のｓｉｎ波が入った例を表す。）、基本波に対して反射波が時間ｔ_Ｉだけ遅れて到達する場合、基本波のうち、そのｔ_Ｉに相当する部分が干渉を受け、シンボルのＳ／Ｎはｔ_Ｓ／ｔ_Ｉとなる（ｔ_Ｉに相当する部分＋ｔ_Ｓに相当する部分＝１シンボル）。

【0026】

したがって、同図（ｂ）に示すように、ｔ_Ｉに相当する部分及びｔ_Ｓに相当する部分がいずれも４波だとすると、Ｓ／Ｎは０ｄＢになって基準信号としては使えなくなるが、基準信号発生器１１は、同図（ｃ）に示すように、シンボル長を２倍とする基準信号を選択して発生することができ、これにより、Ｓ／Ｎは１０ｄＢになって基準信号として利用可能になる。

【0027】

本実施の形態に係る水中音響通信システム１０は、基準信号を発生する基準信号発生器１１と、基準信号発生器１１が発生した基準信号をデジタル変調してデータを含む超音波信号に変換し、水中に送信するデータ送信部１２と、データ送信部１２が送信した超音波信号を受信するデータ受信部１３と、基準信号又はデータ受信部１３が受信した超音波信号を補正するイコライザー部１４と、データ受信部１３が受信した超音波信号とイコライザー部１４が補正した基準信号との相関、又は、データ受信部１３が受信しイコライザー部１４が補正した超音波信号と基準信号との相関を計算する相関計算器１５とを備えるので、相関計算に用いられる基準信号や超音波信号がイコライザー部１４により補正され、相関計算時の水中伝送系以外の送受信機内（データ送信部１２及びデータ受信部１３の内部の）伝送系歪みの影響が除かれることにより、相関を正確性高く計算することができる。

【0028】

ここでは、イコライザー部１４が基準信号又はデータ受信部１３が受信した超音波信号をデータ送信部１２及びデータ受信部１３の伝達特性に基づいて補正することによって、ＰＯＣにより相関を計算しても図７（ｂ）に示すような波形が得られるので、相関計算器１５は、ＰＯＣにより相関を計算し、相関のピークが正確に検出される。

【0029】

また、基準信号発生器１１は、相関計算器１５の計算結果に基づいて、発生する基準信号を複数の基準信号の中から選択可能であるので、１つの基準信号では相関の計算が難しいような場合にも相関の計算が可能となり（図４（ｂ），（ｃ）参照）、相関を利用した様々な分析等が可能になる。

【0030】

以上、本発明を実施するための形態について例示したが、本発明の実施形態は上述したものに限られず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更等してもよい。

【0031】

例えば、水中通信システムが送受信する物理信号は超音波信号に限られず、光信号等であってもよく、基準信号発生器が発生する複数の基準信号は、シンボル長を異ならせたものではなく波の数等を異ならせたものでもよい（図４（ｃ）においては、シンボル長を２倍にしたが、シンボル数は６個のまま、１シンボルを１６波とすることもできる。）。

【0032】

さらに、データ受信部は、データ送信部による物理信号の送信時に動作を停止し、物理信号を受信しないように構成してもよく、これにより、データ送信部が送信していない物理信号をデータ受信部が誤って受信し、相関計算に悪影響が生じる事態を防止することができる。

【符号の説明】

【0033】

１０ 水中音響通信システム（水中通信システム）
１１ 基準信号発生器（基準信号発生部）
１２ データ送信部
１３ データ受信部
１４ イコライザー部
１５ 相関計算器（相関計算部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】