特許 7596725 ソーナーシステム、方法、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】2024-12-02

(45)【発行日】2024-12-10

(54)【発明の名称】ソーナーシステム、方法、プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/52 20060101AFI20241203BHJP

   G01S 3/808 20060101ALI20241203BHJP

   G01S 15/08 20060101ALI20241203BHJP

【ＦＩ】

G01S7/52 U

G01S7/52 V

G01S3/808

G01S15/08

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020185624

(22)【出願日】2020-11-06

(65)【公開番号】P2022075074

(43)【公開日】2022-05-18

【審査請求日】2023-10-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100080816

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 朝道

(74)【代理人】

【識別番号】100098648

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 潔人

(72)【発明者】

【氏名】鳴海 達也

【審査官】藤脇 昌也

(56)【参考文献】

【文献】独国特許出願公開第１０２０１１１１７５９２（ＤＥ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０２７７０３４４（ＥＰ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／０２３１８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０５１１６３７２（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００１６２１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１９５６２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭５５－１２１１６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－１６００７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０３８１２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２１０５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２６１７２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２０２０４２（ＪＰ，Ａ）

(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】

ソーナーシステムの受信処理装置であって、
えい航用のケーブルで連結されアレイを構成する複数の受信素子の互いに異なる複数の組み合わせの各々について、音波の受信データから前記音波の到来方位を計算し、前記到来方位と、前記音波の到来時間に基づき、前記アレイの形状を推定する、ことを特徴とする受信処理装置。

【請求項2】

前記アレイを構成する複数の前記受信素子について、隣り合う２つの受信素子の組の各々について、前記音波の受信データから前記音波の到来方位を計算し、
前記音波の音源の位置座標と、
隣り合う２つの受信素子の各組ごとの、
前記到来方位、受信素子間の距離、前記音源までの距離、及び、真北を基準とした前記ケーブルの正横方位と、
に基づき、
各受信素子の位置座標を算出する、ことを特徴とする請求項１記載の受信処理装置。

【請求項3】

前記各受信素子及び前記音源の位置座標を、前記各受信素子及び前記音源を２次元平面上に射影した２次元座標上で算出し、前記アレイの形状を２次元平面上で推定する、ことを特徴とする請求項２記載の受信処理装置。

【請求項4】

アレイを構成する複数の受信素子と、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の受信処理装置と、
音波を送信する送信装置と、
前記送信装置に対して送信波形と送信時刻を与える制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記受信処理装置に対して少なくとも前記音波の送信時刻を与え、
前記受信処理装置は、前記音波の送信時刻と前記受信素子での前記音波の受信時刻から前記音波の音源までの距離を求める、ことを特徴とするソーナーシステム。

【請求項5】

前記アレイを構成する前記複数の受信素子は、
前記送信装置からの直接波、
目標からの反射波、
前記目標からのトランジェント信号のうちのいずれかを受信し、
前記受信処理装置は、前記アレイを構成する前記複数の受信素子の受信データから、前記アレイの形状を推定する、ことを特徴とする請求項４記載のソーナーシステム。

【請求項6】

前記受信素子は、円筒型受感部を備え、プラットフォームから前記ケーブルでえい航される、ことを特徴とする請求項４又は５記載のソーナーシステム。

【請求項7】

えい航ソーナーシステムにおける複数の受信素子からなるアレイの形状を推定する方法であって、
前記受信素子の互いに異なる複数の組み合わせの各々について、音波の受信データから前記音波の到来方位を計算し、前記到来方位と、前記音波の到来時間に基づき、前記アレイの形状を推定する、ことを特徴とするアレイ形状推定方法。

【請求項8】

えい航用のケーブルで連結され前記アレイを構成する複数の前記受信素子について、隣り合う２つの受信素子の組の各々について、前記音波の受信データから前記音波の到来方位を計算し、
前記音波の音源の位置座標と、隣り合う２つの受信素子の各組ごとの前記到来方位、受信素子間の距離、前記音源までの距離、真北を基準とした前記ケーブルの正横方位とに基づき、各受信素子の位置座標を算出する、ことを特徴とする請求項７記載のアレイ形状推定方法。

【請求項9】

えい航ソーナーシステムにおける複数の受信素子からなるアレイの形状を推定する処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記受信素子の互いに異なる複数の組み合わせの各々について、音波の受信データから前記音波の到来方位を計算し、前記到来方位と、前記音波の到来時間に基づき、前記アレイの形状を推定する、プログラム。

【請求項10】

えい航用のケーブルで連結され前記アレイを構成する複数の前記受信素子について、隣り合う２つの受信素子の組ごとに前記音波の受信データから前記音波の到来方位を計算し、
前記音波の音源の位置座標と、隣り合う２つの受信素子の各組ごとの前記到来方位、受信素子間の距離、前記音源までの距離、真北を基準とした前記ケーブルの正横方位とに基づき、各受信素子の位置座標を算出する処理を前記コンピュータに実行させる、請求項９記載のプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、受信処理装置、ソーナーシステム、方法、プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

ソーナーは、音波を用いて水中の物体の位置を特定する装置であり、音波を受信する受信素子を複数並べたアレイを備え、水中の音響情報を得る。受信素子は、受信した音波を電気信号に変換する。えい航式ソーナーでは、船舶等のプラットフォームが、受信素子を複数並べたアレイをケーブルでえい航する。ケーブルおよびアレイは、プラットフォームの移動や海流などから外力を受け変形する。この変形は予測が難しい。このため、プラットフォームから見たアレイの正確な位置の推定を困難としている。このようなアレイの位置誤差は信号処理などに影響を及ぼし、ソーナー自体の性能に悪影響を及ぼす。

【0003】

例えば特許文献１には、ラインアレイの受波器の位置にコンパスを設定し、各コンパスの出力と、既知である受波器間の間隔とを用いて、各受波器の座標を求め、ラインアレイが変形した場合の形状を求めている。このように、ジャイロコンパスなどのセンサを、アレイを構成する複数の受波器に複数付けることで、プラットフォームから見たアレイの位置の推定精度を高めている。しかし、アレイを構成する受波器の数だけ、センサ（コンパス)が必要となる。えい航式ソーナーでは、受波器は多数配列されるため、多数のセンサ（コンパス）をアレイに内蔵する必要があり、製造コスト等の点で実用性に欠けたものとなる。この問題に対して、特許文献２には、えい航ケーブルにコンパスを備え、信号処理装置は、えい航ケーブルを通じてコンパスからコンパス方位情報（コンパス方位）と、ラインアレイの各受波器から受波信号とを受け取り、これらコンパス方位及び受波信号を用いて整相処理を行ない、整相出力を用いて目標の存在や方位等（例えば、方位、深度、傾斜度など）を検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００８－２６１７２７号公報

【文献】特開２０１１－１５８３９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記したように、えい航式ソーナーは、水中にあるアレイの形状が正確に把握できないため、信号処理などにおいて誤差を発生させる要因となり、ソーナーの性能に悪影響を及ぼす。

【0006】

本発明は、上記課題に鑑みて創案されたものであって、その目的は、コンパス等のセンサによらずに、えい航式アレイの形状を推定可能な装置、方法、プログラムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一つの側面によれば、ソーナーシステムの受信処理装置は、アレイを構成する複数の受信素子の互いに異なる複数の組み合わせの各々について、音波の受信データから前記音波の到来方位を計算し、前記到来方位と、前記音波の到来時間に基づき、前記アレイの形状を推定する。

【0008】

本発明の一つの側面によれば、えい航ソーナーシステムにおける複数の受信素子からなるアレイの形状を推定する方法であって、
前記受信素子の互いに異なる複数の組み合わせの各々について、音波の受信データから前記音波の到来方位を計算し、
前記到来方位と、前記音波の到来時間に基づき、前記アレイの形状を推定する、アレイ形状推定方法が提供される。

【0009】

本発明の一つの側面によれば、えい航ソーナーシステムにおける複数の受信素子からなるアレイの形状を推定する処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記受信素子の互いに異なる複数の組み合わせの各々について、音波の受信データから前記音波の到来方位を計算し、前記到来方位と、前記音波の到来時間に基づき、前記アレイの形状を推定する、プログラムが提供される。さらに、本発明によれば、上記プログラムを記憶したコンピュータ可読型記録媒体（（例えばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory)、又は、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM））等の半導体ストレージ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc））が提供される。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、コンパス等のセンサによらずに、えい航式アレイの形状を推定可能としている。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態の構成を模式的に例示する図である。

【図2】本発明の実施形態を模式的に例示する図である。

【図3】本発明の実施形態の構成を模式的に例示する図である。

【図4】本発明の実施形態を説明する図である。

【図5】本発明の実施形態を説明する図である。

【図6】本発明の実施形態を説明する図である。

【図7】本発明の実施形態の構成を模式的に例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の実施形態について説明する。本発明によれば、えい航式ソーナーにおけるアレイの各受信素子で受信した音響信号に基づき、信号処理などの数値演算によりアレイの形状の推定を実現している。ここでは、えい航式ソーナーとして、えい航用のケーブルに複数の受信素子（受波器）が数珠つなぎ（線状）に並んだアレイ（ラインアレイ）を想定する。えい航式ソーナーと送信装置を備えた艦船等のプラットフォームにおいて、アレイの受信素子の受信データから、該アレイの形状を推定する。すなわち、ラインアレイ上に並んだ複数の受信素子がある音源から発せられた音響信号（音波）を受信したとき、隣り合う受信素子対の受信信号から位相差を計算し、該受信素子対の中間点から見た音源の方位を計算する。この音源方位の計算を、ラインアレイの隣り合う受信素子対間で行うことで、ラインアレイから見た音源の方位線を複数本引くことができる。音源の位置が既知の場合、該音源から見たラインアレイの形状を推定することできる。

【0013】

図１を参照して、本発明の一実施形態のソーナーシステム１００を説明する。図１において、送受信制御装置１０１、送信装置１０２、受信処理装置１０３は、艦船等のプラットフォームに配置される。アレイ（ラインアレイ）１０５を構成する複数（N個）の受信素子１０４は不図示のケーブルでえい航され、受信処理装置１０３に電気的に接続される。

【0014】

送信装置１０２は、送受信制御装置１０１から供給される送信信号（電気信号）を音響信号（音波）に変換して送出する。

【0015】

各受信素子１０４は、音波を受信し該音波を電気信号に変換し、受信処理装置１０３にデータを送る。なお、各受信素子１０４では、音波を変換した電気信号を不図示のアナログデジタル変換器でデジタル信号データに変換し、不図示のケーブルの伝送線路を介して受信処理装置１０３に送信するようにしてもよい。受信処理装置１０３では、各受信素子１０４から送信されたデータが、いずれの受信素子１０４からのものであるか判別可能に構成されている。

【0016】

送受信制御装置１０１は、送信装置１０２から送信する送信信号波形や送信時間などの情報（データ）を、送信装置１０２と受信処理装置１０３に送る。

【0017】

受信処理装置１０３は、送受信制御装置１０１と、各受信素子１０４から送信されたデータに対して演算処理を行うことで、アレイ１０５の形状を推定する。

【0018】

図２は、本発明の実施形態のシステムを説明する図である。図１の送受信制御装置１０１、送信装置１０２、受信処理装置１０３を備えた艦船１１０は、艦尾側から、複数の受信素子１０４（Ｎ個の受信素子１０４₁～１０４_N）がケーブル１０６で連結されたアレイ１０５（「えい航アレイ」ともいう）をえい航する。艦船１１０の船底側の送信装置１０２から送信された音波は、アレイ１０５の複数の受信素子１０４で受信される。受信素子１０４は、円筒型受感部を備えた円筒型ハイドロフォンで構成される。アレイ１０５の複数の受信素子１０４は、艦船１１０内の受信処理装置１０３とケーブル１０６を介して電気的に接続される。

【0019】

図３は、図１の受信処理装置１０３で実行される処理（機能）を説明する図である。受信データ１０３１は、各受信素子１０４で受信した音響信号（音波）をデジタル信号に変換したデータを含む。また、各受信素子１０４からの受信データ１０３１は各受信素子１０４で当該音響信号（音波）を受信した時刻情報を含むようにしてもよい。

【0020】

方位計算処理１０３２は、隣り合う受信素子１０４対からの受信データ１０３１の組から、受信した音波の周波数と、受信素子間の距離を用いて、音波の到来方位を計算する。

【0021】

図４は、方位計算処理１０３２を説明する図である。図４における到来方位θ_iは、隣り合うi番目と(i+1)番目の受信素子１０４間の距離：ｄ_i、音波の周波数：ｆ、音速：Ｃ、隣り合うi番目と(i+1)番目の受信素子１０４間の位相差αを用いて、次式（１）で求められる。sin^-1は逆正弦関数である。

【0022】

…(1)

【0023】

ただし、式（１）の解は、受信素子間距離ｄ_iが、音波の波長:Ｃ／ｆより大きい場合、すなわち、ｄ_i＞Ｃ／ｆの場合に、－π＜θ_i＜πとなり、到来方位を求めることができない領域が存在する。

【0024】

音源である送信装置１０２が、このような波長の音波を用いる場合は、位相差αの代わりに、

…(2)
を用いて式（１）を解くようにしてもよい。このとき、到来方位は（２ｎ＋１）個求まるが、同じ方位から到来する複数の波長の音波に対して同様の計算をすることで、真の到来方位を求めることができる。

【0025】

方位計算処理１０３２を、隣り合う受信素子１０４からの受信データ１０３１に対して行うことで、図５に示すように、音波の到来方位線を複数本引くことができる。すなわち、隣り合う受信素子間の中心の各々における、音源である送信装置１０２に対する方位（到来方位線）が求まる。図５から、音源（送信装置１０２）の位置座標が、到来方位線（到来方位と、隣り合う受信素子間の中心と音源との間の距離）と、隣り合う受信素子間距離ｄ_iから、隣り合う受信素子の位置が求まる。

【0026】

形状推定処理１０３３は、受信データ１０３１から算出した音波の到来時間（受信素子１０４での音波の受信時刻）や方位計算処理１０３２での方位の結果などを用いることで、アレイの形状を推定する。送受信制御装置１０１からの音波の送信時刻と到来時間から、該受信素子１０４と音源との間の距離が求まる。具体的には、例えば、図６に示すような変数に対して、以下の式（３）～（６）を用いて、隣り合うi番目と(i+1)番目の受信素子１０４の座標を求める。

【0027】

図６において、受信素子座標（ｘ_i, y_i）、（x_i+1, y_i+1）は、隣り合うi番目と(i+1)番目の受信素子（図２の受信素子１０４_i、１０４_i＋１（i=1,…,N-1））の２次元位置座標、（ｘ₀, y₀）は音源（送信装置１０２）の２次元位置座標である。なお、図６において、横方向はｘ座標（ｘ軸）、縦方向はｙ座標（ｙ軸）である。本実施形態では、受信素子１０４、音源の各座標は、例えば海面に平行な２次元平面への射影座標としている。これは、アレイ１０５の受信素子１０４は、例えば中性浮力ケーブル等を用いて海面に平行となるように設計されており、２次元平面で扱っても誤差は小さいためである。すなわち、Z軸座標（深度）の値は同一としても、アレイ形状の推定誤差は小さい。したがって、形状推定処理１０３３で推定されるアレイの形状は、２次元平面上に射影された形状となる。

【0028】

図６において、ｄ_iは、隣り合う受信素子１０４_i、１０４_i+1間の距離（受信素子間距離）（既知）である。音源距離ｌ_ｉは、隣り合う受信素子１０４_i、１０４_i+1の中心からの音源（図１の送信装置１０２）までの距離である。音源距離ｌ_ｉは、受信素子１０４_i、１０４_i+1でそれぞれ求めた音源（図１の送信装置１０２）までの距離（算出済み）を算術平均した値としてもよい。隣り合う受信素子１０４_i、１０４_i+1に関するケーブル正横方位φ_iは、真北からの真方位である。到来方位θ_iは、隣り合う受信素子１０４_i、１０４_i+1の中心における音波の到来方位（算出済み）である。図６から、次式（３）～（６）が成立することがわかる。

【0029】

…(3)

【0030】

…(4)

【0031】

…(5)

【0032】

…(6)

【0033】

隣り合う受信素子１０４_i、１０４_i+1(i=1,..,N-1)に関するケーブル正横方位φ_i(i=1,..,N-1)が既知の場合、上式（３）～（６）から、隣り合う受信素子１０４_i、１０４_i+1の位置座標（ｘ_i, y_i）、（ｘ_i+1, y_i+1）が求まる。

【0034】

一方、隣り合う１番目と２番目の受信素子１０４₁、１０４₂に関するケーブル正横方位φ₁が既知であるが、隣り合う受信素子１０４_i、１０４_i+1(i=2,..,N-1)に関するケーブル正横方位φ_iが未知の場合、例えば次式（７）、（８）から、まず１番目の受信素子１０４₁の位置座標（ｘ₁, y₁）を求める。

【0035】

…(7)

【0036】

…(8)

【0037】

そして、１番目の受信素子１０４_１の位置座標（ｘ₁, y₁）から、上式（５）、（６）の漸化式を用いて２番目の受信素子１０４₂の位置座標（ｘ₂, y₂）が求まる。

【0038】

隣り合う２番目と３番目の受信素子１０４₂、１０４₃に関するケーブル正横方位φ_２は、φ_２と２番目の受信素子１０４_２の位置座標（ｘ₂, y₂）と音源座標（ｘ₀, y₀）と受信素子間距離ｄ₂及び音源距離ｌ₂の間で成り立つ関係式（逆三角関数）を用いてφ_２を求め、式（５）、（６）より、３番目の受信素子１０４_３の位置座標（ｘ₃, y₃）を再帰的に求めるようにしてもよい。ケーブル正横方位φ_i(i=3,..,N-1)についても、上記と同様に、φ_iとi番目の受信素子の位置座標（ｘ_i，ｙ_i）と音源座標（ｘ₀，ｙ₀）と受信素子間距離ｄ_i及び音源距離ｌ_iで成り立つ関係式（逆三角関数の関係式）を用いてφ_iを求め、式’５）、（６）から(i+1)番目の受信素子１０４_i+1の位置座標（ｘ_i+1，ｙ_i+1）を再帰的に求めるようにしてもよい。

【0039】

本実施形態によれば、えい航式ソーナーシステムにおいて、送信装置（音源）から送信した音響信号（音波）のアレイでの受信信号から該音響信号の到来方位を求め、到来方位と、音源距離、音源の位置座標に基づき、演算処理によってアレイを構成する複数の受信素子の位置座標を算出している。このため、アレイの受信素子にジャイロなどのセンサ等をつけることなく、アレイの形状を推定することができる。

【0040】

図７は、本発明の実施形態を説明する図であり、図１の受信処理装置１０３をコンピュータ装置２００に実装した場合の構成を説明する図である。図７を参照すると、コンピュータ装置２００は、プロセッサ２０１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等の半導体メモリ等（あるいは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等であってもよい）の記憶装置２０２と、表示装置２０３と、図１の送受信制御装置１０１や受信素子１０４に接続するインタフェース２０４を備えている。プロセッサ２０１はＤＳＰ（Digital Signal Processor）であってもよい。記憶装置２０２に格納されたプログラムを実行することで、プロセッサ２０１は、図３の受信処理装置１０３の処理を実行する。

【0041】

なお、図２では、艦船からえい航されるラインアレイの例を示したが、本実施形態は、複数の受信素子の相対位置を推定したい場合に広く用いることができる。

【0042】

また、図３では、説明の簡易化のため、方位計算処理１０３２は、隣接する２つの受信素子１０４の受信データ１０３１を用いているが、方位計算処理１０３２で用いる受信データは、必ずしも隣接していなくてもよいことは勿論である。例えば方位計算処理１０３２は、３つ以上の受信データ１０３１から計算してもよい。

【0043】

方位計算処理１０３２について、受信素子間距離ｄが音波の波長より大きい場合に、複数の波長の音波を用いる処理について説明したが、ビーム中心の近い二つのビームを作り、その位相差から、到来方位を求めるなどの処理を用いることもできる。

【0044】

本実施形態において、アレイ１０５の受信素子１０４で受信する音波は、図２に例示したような、送信装置１０２からの直接波だけでなく、例えば、目標からの反射波など時間情報の含まれる音波であってもよい。目標が発する音の中には、エンジン等を発生源として定常的に発生する音と、船の操舵時等に短い時間だけ発生する音がある。短い時間だけ発生する過渡音はトランジェント信号と呼ばれる。アレイ１０５の受信素子１０４で受信する音波は、目標からのトランジェント信号であってもよい。

【0045】

なお、上記の特許文献１、２の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施の形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

【符号の説明】

【0046】

１００ ソーナーシステム
１０１ 送受信制御装置
１０２ 送信装置
１０３ 受信処理装置
１０４、１０４_１～１０４_N 受信素子
１０５ ラインアレイ
１０６ ケーブル
１１０ 艦船
２００ コンピュータ装置
２０１ プロセッサ
２０２ 記憶装置
２０３ 表示装置
２０４ インタフェース
１０３１ 受信データ
１０３２ 方位計算処理
１０３３ 形状推定処理

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】