(57)【要約】【課題】音響画像装置の制御パラメータの良否を評価すること、音響画像装置によって取得される音響画像を十分な精度で模擬すること、及び、音響画像装置の定量的な性能評価を実現させることを目的とする。【解決手段】複数の面積要素からなる海底面を形成する海底面形成部２２と、水中航走体の航跡データ等に基づいて、シミュレーション空間内に設定される音源、受信位置、及び対象面積要素を対応付けた条件テーブルを作成する条件作成部２３と、条件テーブルに基づいて、シミュレーション空間内に、音源、受信位置、対象面積要素を設定し、該受信位置にて受信される散乱波を推定して模擬信号を生成する模擬信号生成部２４と、模擬信号生成部２４によって生成された模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する信号処理部２６とを備える音響画像シミュレーション装置１０を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シミュレーションに必要となる複数のデータを格納する第１記憶手段と、
前記第１記憶手段に格納されているデータに基づいて、シミュレーション空間内に、複数の面積要素からなる海底面を形成する海底面形成手段と、
前記第１記憶手段に格納されている音響画像装置が搭載されるプラットフォームの航跡データ、姿勢データ、及びプラットフォームにおける音響画像装置の取り付け位置に基づいて、前記シミュレーション空間内に設定される音源、受信位置、及び音響ビームを照射させる対象面積要素を対応付けた条件テーブルを作成する条件作成手段と、
前記条件テーブルに基づいて、シミュレーション空間内に、音源及び受信位置を設定するとともに、該音源から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、該受信位置にて受信される散乱波を模擬信号として生成する模擬信号生成手段と、
該模擬信号生成手段によって生成された模擬信号を格納する第２記憶手段と、
前記記憶手段に記憶されている模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する信号処理手段と
を備え、
前記模擬信号生成手段は、該シミュレーション空間内に設定する音源位置及び受信位置並びに対象面積要素の位置を前記条件テーブルに基づいて更新することにより、異なる位置における散乱波を順次推定する音響画像シミュレーション装置。
【請求項２】
前記模擬信号生成手段は、前記音源と前記対象面積要素との間の距離、前記対象面積要素と該受信位置との間の距離、前記音源に対する前記対象面積要素の方位、及び海底入射角を含むパラメータを求め、これらのパラメータを用いて、前記模擬信号の振幅、位相、波形の立ち上がりタイミング、及び該波形の立下りタイミングを算出することにより、該散乱波を模擬する請求項１に記載の音響画像シミュレーション装置。
【請求項３】
前記探査面作成手段は、水深及び音響インピーダンスに基づいて、複数の前記面積要素からなる海底面を形成する請求項１または請求項２に記載の音響画像シミュレーション装置。
【請求項４】
前記模擬信号生成手段は、正弦波または余弦波で表された模擬信号を推定する請求項１から請求項３のいずれかに記載の音響画像シミュレーション装置。
【請求項５】
前記模擬信号生成手段は、前記正弦波または余弦波で表された模擬信号を更にビートダウンした低周波信号を模擬信号として算出する請求項１から請求項３のいずれかに記載の音響画像シミュレーション装置。
【請求項６】
前記模擬信号生成手段は、前記正弦波または余弦波で表された模擬信号をビートダウンした後の低周波信号を、前記模擬信号の振幅、位相、波形の立ち上がりタイミング、及び該波形の立下りタイミングを用いて直接的に求める請求項１から請求項３のいずれかに記載の音響画像シミュレーション装置。
【請求項７】
前記模擬信号を受信する受信機が複数存在する場合において、
前記模擬信号生成手段は、複数の受信機のうちのいずれか一つの位置を前記受信位置として設定して模擬信号を生成し、この模擬信号の位相をそれぞれの他の前記受信機の配置位置に基づいて補正することで、それぞれの前記受信機によって受信される模擬信号を推定する請求項１から請求項６のいずれかに記載の音響画像シミュレーション装置。
【請求項８】
シミュレーション空間内に、複数の面積要素からなる海底面を形成する過程と、
前記シミュレーション空間内に、音響ビームを射出する音源の位置、該音響ビームの反射波である散乱波を受信する受信機の位置を設定するとともに、該音響ビームを照射させる対象面積要素を設定し、前記音源の位置から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、該受信機の位置にて受信される散乱波を模擬信号として生成し、該音源の位置及び前記対象面積要素の少なくともいずれかを変更しながら、海底面を構成する全ての面積要素に対する模擬信号を生成する過程と、
生成した前記模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する過程と
を含む音響画像シミュレーション方法。
【請求項９】
シミュレーション空間内に、複数の面積要素からなる海底面を形成する処理と、
前記シミュレーション空間内に、音響ビームを射出する音源の位置、該音響ビームの反射波である散乱波を受信する受信機の位置を設定するとともに、該音響ビームを照射させる対象面積要素を設定し、前記音源の位置から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、該受信機の位置にて受信される散乱波を模擬信号として生成し、該音源の位置及び前記対象面積要素の少なくともいずれかを変更しながら、海底面を構成する全ての面積要素に対する模擬信号を生成する処理と、
生成した前記模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する処理と
をコンピュータに実行させるための音響画像シミュレーションプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、サイドスキャンソーナー、マルチビーム音響測深機等の音響画像装置の性能評価等に使用される音響画像シミュレーション装置、方法、及びプログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海や湖などにおける特定の対象物の探索や海底地形調査等に使用される機器として、サイドスキャンソーナーやマルチビーム音響測深機等の音響画像装置が知られている。このような音響画像装置は、ビームを照射し、この散乱波の方位強度分布および時間強度分布を測定し、測定結果に基づいて音響画像を作成するものである。
【特許文献１】特開昭６３−７５５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
サイドスキャンソーナーにより取得される音響画像の品質は、音響ビームの周波数やビーム幅等のサイドスキャンソーナーのパラメータ設定や、サイドスキャンソーナーを搭載するプラットフォームの海底高度や速力等のパラメータ設定の良否に左右される。従来、このような制御パラメータの設定は、作業者の経験に委ねられており、音響画像の品質が安定しないという問題があった。
【０００４】
また、サイドスキャンソーナー等により取得された音響画像を画像処理することにより、海底面上に存在する目標物を自動的に探知・類別するシステムとしてＣＡＤ／ＣＡＣ（Computer aided detection／Computer aided classification）が知られている。このＣＡＤ／ＣＡＣの性能評価は、実際に海域等で取得された音響画像を入力データとして用いることにより行われる。安定した精度で性能評価を行うためには、海底条件、目標物体の大きさ、サイドスキャンソーナーのパラメータ条件等の各種運用条件を異ならせた場合の多数の音響画像が必要となる。しかしながら、実際の海底調査等で取得される音響画像の数には限界があり、サンプル数の不足により、性能評価の精度を安定させることが難しいという問題があった。
マルチビーム音響測深機により取得される海底地形データの品質は、マルチビーム音響測深機の海底検出アルゴリズムの良否に左右される。既に実用化されているアルゴリズムが多種存在するが、海底検出アルゴリズムに起因する測深誤差を特定しようにも、他に誤差検定のための計測手段がないため、アルゴリズム良否を判定するのが困難という問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、音響画像装置の制御パラメータの良否を評価することができるとともに、音響画像装置によって取得される音響画像を十分な精度で模擬することができ、かつ、音響画像装置の定量的な性能評価を実現させることのできる音響画像シミュレーション装置、方法、及び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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、シミュレーションに必要となる複数のデータを格納する第１記憶手段と、前記第１記憶手段に格納されているデータに基づいて、シミュレーション空間内に、複数の面積要素からなる海底面を形成する海底面形成手段と、前記第１記憶手段に格納されている音響画像装置が搭載されるプラットフォームの航跡データ、姿勢データ、及びプラットフォームにおける音響画像装置の取り付け位置に基づいて、前記シミュレーション空間内に設定される音源、受信位置、及び音響ビームを照射させる対象面積要素を対応付けた条件テーブルを作成する条件作成手段と、前記条件テーブルに基づいて、シミュレーション空間内に、音源及び受信位置を設定するとともに、該音源から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、該受信位置にて受信される散乱波を模擬信号として生成する模擬信号生成手段と、該模擬信号生成手段によって生成された模擬信号を格納する第２記憶手段と、前記記憶手段に記憶されている模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する信号処理手段とを備え、前記模擬信号生成手段は、該シミュレーション空間内に設定する音源位置及び受信位置並びに対象面積要素の位置を前記条件テーブルに基づいて更新することにより、異なる位置における散乱波を順次推定する音響画像シミュレーション装置を提供する。
【０００７】
このような構成によれば、水中航走体等のプラットフォームが航跡データに沿って移動することを想定し、このときにサイドスキャンソーナー等の音響画像装置によって取得される散乱波をそれぞれ推定して模擬信号を生成する。具体的には、音響信号生成手段は、シミュレーションで設定された時々刻々のプラットフォーム位置・姿勢と海底条件やソーナー仕様条件を元に、物理現象である音波の伝搬と散乱の推定を行い、受信機にて受信される模擬信号を生成する。そして、生成された模擬信号を用いて、音響画像装置内部の信号処理器と同等な機能のシミュレータ信号処理部により音響画像を作成する。このように、実際の海底地形調査を忠実に模擬した形でシミュレーションを行うので、シミュレーション精度を向上させることができる。
そして、音響画像装置の制御パラメータを変化させてシミュレーションを繰り返し行い、これらのシミュレーション結果として得られた音響画像を比較することにより、最も適切な制御パラメータを選定することが可能となる。
更に、このようなシミュレーション結果を検討することにより、音響画像装置の性能評価を定量的に行うことが可能となる。
【０００８】
上記条件設定手段は、例えば、前記第１記憶手段に格納されているプラットフォームの航跡データ、姿勢データ、及びプラットフォームにおける音響画像装置の取り付け位置に基づいて、シミュレーション空間内に前記音源及び前記受信位置を設定し、設定した該音源の座標及び音響ビームの入射角度に基づいて前記対象面積要素を求め、該音源、該受信位置及び該対照面積要素を対応付けた前記条件テーブルを作成する。
【０００９】
上記音響画像シミュレーション装置において、前記模擬信号生成手段は、前記音源と前記対象面積要素との間の距離、前記対象面積要素と該受信位置との間の距離、前記音源に対する前記対象面積要素の方位、及び海底入射角を含むパラメータを求め、これらのパラメータを用いて、前記模擬信号の振幅、位相、波形の立ち上がりタイミング、及び該波形の立下りタイミングを算出することにより、該散乱波を模擬することとしてもよい。
【００１０】
これにより、散乱波を容易に推定することが可能となる。
【００１１】
上記音響画像シミュレーション装置において、前記探査面作成手段は、水深及び音響インピーダンスに基づいて、複数の前記面積要素からなる海底面を形成することとしてもよい。
【００１２】
これにより、海底面の地質等を反映させた精巧な海底面をシミュレーション空間に形成することが可能となる。そして、このような海底面の情報を用いて散乱波を推定することにより、シミュレーション精度を向上させることが可能となる。
【００１３】
上記音響画像シミュレーション装置において、前記模擬信号生成手段は、正弦波または余弦波で表された模擬信号を生成することとしてもよいし、前記正弦波または余弦波で表された模擬信号を更にビートダウン（例えば、直交変調ビートダウン）した低周波信号を模擬信号として算出することとしてもよい。更に、前記模擬信号生成手段は、前記正弦波または余弦波で表された模擬信号をビートダウン（例えば、直交変調ビートダウン）した後の低周波信号を、前記模擬信号の振幅、位相、波形の立ち上がりタイミング、及び該波形の立下りタイミングを用いて直接的に求めることとしてもよい。
【００１４】
これにより、シミュレーションにおいて音響画像の作成に用いられる散乱波と実際の運用時において音響画像の作成に用いられる模擬信号の質を一致させることが可能となる。例えば、実際の音響画像装置において、ビートダウンした低周波信号を用いて音響画像を作成している場合には、シミュレーションにおいても模擬信号としてビートダウンした低周波信号を生成することで、信号処理部を実機とシミュレーションで完全に同一のものとすることができるとともに、シミュレーションの演算負荷を大幅に低減させることができる。
【００１５】
上記音響画像シミュレーション装置において、前記模擬信号を受信する受信機が複数存在する場合において、前記模擬信号生成手段は、複数の受信機のうちのいずれか一つの位置を前記受信位置として設定して模擬信号を生成し、この模擬信号の位相をそれぞれの他の前記受信機の配置位置に基づいて補正することで、それぞれの前記受信機によって受信される模擬信号を生成することとしてもよい。
【００１６】
このようにすることで、複数の受信機が設けられている場合であっても、各受信機にて受信される散乱波を容易にかつ迅速に推定することができる。
【００１７】
本発明は、シミュレーション空間内に、複数の面積要素からなる海底面を形成する過程と、前記シミュレーション空間内に、音響ビームを射出する音源の位置、該音響ビームの反射波である散乱波を受信する受信機の位置を設定するとともに、該音響ビームを照射させる対象面積要素を設定し、前記音源の位置から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、該受信機の位置にて受信される散乱波を模擬信号として生成し、該音源の位置及び前記対象面積要素の少なくともいずれかを変更しながら、海底面を構成する全ての面積要素に対する模擬信号を生成する過程と、生成した前記模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する過程とを含む音響画像シミュレーション方法を提供する。
【００１８】
本発明は、シミュレーション空間内に、複数の面積要素からなる海底面を形成する処理と、前記シミュレーション空間内に、音響ビームを射出する音源の位置、該音響ビームの反射波である散乱波を受信する受信機の位置を設定するとともに、該音響ビームを照射させる対象面積要素を設定し、前記音源の位置から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、該受信機の位置にて受信される散乱波を模擬信号として生成し、該音源の位置及び前記対象面積要素の少なくともいずれかを変更しながら、海底面を構成する全ての面積要素に対する模擬信号を生成する処理と、生成した前記模擬信号を用いて海底面の音響画像を作成する処理とをコンピュータに実行させるための音響画像シミュレーションプログラムを提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、音響画像装置の制御パラメータの良否を評価することができるとともに、音響画像装置によって取得される音響画像を十分な精度で模擬することができ、かつ、音響画像装置の定量的な性能評価を実現させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る音響画像シミュレーション装置、方法、及びプログラムの実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る音響画像シミュレーション装置は、サイドスキャンソーナーの性能評価に適用される装置である。
図１は、本実施形態に係る音響画像シミュレーション装置の概略構成を示した図である。図１に示すように、本実施形態に係る音響画像シミュレーション装置１０は、コンピュータシステム（計算機システム）であり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１１、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の主記憶装置１２、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の補助記憶装置１３、キーボードやマウスなどの入力装置１４、及びモニタやプリンタなどの出力装置１５、外部の機器と通信を行うことにより情報の授受を行う通信装置１６などで構成されている。
補助記憶装置１３には、各種プログラム（例えば、音響画像シミュレーションプログラム）が格納されており、ＣＰＵ１１が補助記憶装置１３から主記憶装置１２にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。
【００２２】
図２は、音響画像シミュレーション装置１０が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図２に示されるように、音響画像シミュレーション装置１０は、第１記憶部（第１記憶手段）２１、海底面形成部（海底面形成手段）２２と、条件作成部（条件作成手段）２３と、模擬信号生成部（模擬信号生成手段）２４と、第２記憶部（第２記憶手段）２５と、信号処理部（信号処理手段）２６とを備えている。
【００２３】
第１記憶部２１には、シミュレーションに必要となる各種データが格納されている。第１記憶部２１に格納されている各種データは、例えば、シミュレーションに先んじて作業員により入力・登録されたものである。このデータの一例としては、例えば、サイドスキャンソーナーが取り付けられた水中航走体の航跡データ、海底面を作成するために必要とされる海底面データ、サイドスキャンソーナーのスペックデータ、水中航走体におけるソーナーの取り付け座標等が挙げられる。
上記海底面データは、例えば、海底面をメッシュで分割したそれぞれの面積要素毎に、その座標、海底面の水深、散乱強度（例えば、音響インピーダンス）等が設定されたデータ群である。第１記憶部２１に格納されたこれらデータは、シミュレーション実行時において、適宜読み出されて利用される。
【００２４】
海底面形成部２２は、第１記憶部２１に格納されている海底面データに基づいて、シミュレーション空間内に海底面を形成する。これにより、図３に示すように、シミュレーション空間に複数のメッシュに分割された海底面が形成される。図３において、メッシュの各々が、面積要素に相当する。
【００２５】
条件作成部２３は、シミュレーション空間内に、音響ビームを射出する音源、音源から射出された音響ビームが海底面にて反射されることにより生成される散乱波を受信する受信機の位置を設定するとともに、該音響ビームを照射させる面積要素を対象面積要素として設定する。
本実施形態では、音源と受信機とが同じ位置に取り付けられている場合を想定している。従って、音源の位置を設定することで、同時に受信機の位置についても設定したこととなる。
【００２６】
具体的には、条件作成部２３は、第１記憶部２１に格納されている水中航走体の航跡データ、水中航走体におけるサイドスキャンソーナーの取り付け位置、ソーナーの音響ビームの射出角度（または海底面における入射角度）等を読み出し、これらのデータから各時間におけるサイドスキャンソーナーの位置に基づいて音源の位置を設定し、続いて、設定した各音源から、第１記憶部２１に設定されている音響ビームの射出角度で音響ビームを照射した場合に、該音響ビームが到達する海底面の位置座標を含む面積要素を求め、この面積要素を海底状況を観察する対象面積要素として設定する。このとき、音響ビームの幅や音源と海底面との位置関係によっては、一つの音源位置において複数の面積要素に音響ビームが照射される場合が考えられる。このような場合には、一つの音源の位置に対応して複数の面積要素が算出される。
また、本実施形態では、対象面積要素の中心を代表位置として距離や方位の計算を行い、面積要素の大きさの効果は散乱波の振幅や波形立ち上がり、立ち下がりを算出するときに考慮してシミュレーションを実施する。
【００２７】
条件作成部２３は、上述の手順で、各時刻における各音源の位置及び該音源に対する対象面積要素を決定すると、各音源の位置と対象面積要素の座標とを対応付けた条件テーブルを作成する。これにより、水中航走体の航跡に沿った音源の位置並びに対応面積要素がそれぞれ設定されることとなる。これにより、この条件テーブルに基づいて、後段の模擬信号生成部２４が各音源の位置から射出された音響ビームにおける散乱波を順次推定することで、実際に行われる海底探索を可能な限り忠実に模擬することが可能となる。
【００２８】
模擬信号生成部２４は、条件作成部２３によって設定された音源の位置から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、受信機の位置にて受信される散乱波を推定する。ここで行われる散乱波の推定方法の詳細については後述する。模擬信号生成部２４は、条件テーブルに設定されている各受信機の位置において散乱波を推定し、推定した散乱波の情報を第２記憶部２５に格納する。これにより、第２記憶部２５には、海底面の全ての面積要素における推定散乱波の情報が格納されることとなる。
【００２９】
信号処理部２６は、第２記憶部２５に格納されている散乱波を処理することで、海底面の音響画像を作成する。この信号処理部２６は、評価対象としているサイドスキャンソーナーが備える信号処理部と同じ機能・性能を有するものであることが好ましい。このようにすることで、評価対象のサイドスキャンソーナーの性能をより正確に評価することが可能となる。
【００３０】
〔散乱波の推定方法〕
次に、上記模擬信号生成部２４によって行われる散乱波の推定方法について説明する。
まず、散乱波は、振幅、位相、波形の立ち上がり、及び波形の立下りからなる４つの要素によって決定付けられる。
以下、これらの要素の算出手法についてそれぞれ述べる。
【００３１】
〔振幅〕
振幅は、海底エコーレベルＥＬから求めることができる。海底エコーレベルＥＬは、以下の（１）式により表される。
【００３２】
ＥＬ＝ＳＬ−２ＴＬ＋１０logＳ＋ＢＳ（θi）＋２０log｜Ｄ（θX，θY）｜    （１）
【００３３】
上記（１）式において、ＳＬは音響ビームの送波レベルであり、例えば、予め作業員により設定され第１記憶部２１に格納されているデータを読み出すことで決定される。ＴＬは、音響ビームが音源の位置から対象面積要素に達するまでに生ずる伝搬損失であり、これに２を乗算していることから往復距離における音響ビームの伝搬損失が求められる。このＴＬは、例えば、以下の（２）式により求めることができる。
【００３４】
ＴＬ＝２０logＲ×α・Ｒ      （２）
【００３５】
上記（２）式において、Ｒは音源から対象面積要素までの距離、αは吸収係数と呼ばれるものであり、海水中における単位長さあたりの音響ビーム減衰量を示している。
【００３６】
Ｓ＝ＲΦ・（ｃτ／（２sinθi））      （３）
ここで、残響面積Ｓは、予め設定されている対象面積要素の面積と式（３）で表される面積の小さい方を採用する。
【００３７】
上記（３）式において、Ｒは音源から対象面積要素までの距離、Φは前後方向の等価ビーム幅、τは音響ビームのパルス幅、ｃは音速、θiは海底面への入射角である。
【００３８】
（１）式において、ＢＳ（θi）は、単位面積当たりの後方散乱強度であり、例えば、図４に示すようなテーブルから読み取ることができる。図４において、横軸は海底面への入射角θi、縦軸は単位面積当たりの後方散乱強度ＢＳ（θi）を示している。
【００３９】
（１）式における２０log｜Ｄ（θX，θY）｜は、サイドスキャンソーナーの指向性関数であり、第１記憶部２１に格納されているサイドスキャンソーナーのスペックデータに基づいて決定される。ここで、θXは、サイドスキャンソーナー、つまり、音源を基準としたときの水中航走体の前後方向における対象面積要素の方位であり，θYは、サイドスキャンソーナー、つまり、音源を基準としたときの水中航走体の軸方向に直交する方向（横方向）における対象面積要素の方位である。
【００４０】
上記（１）に各パラメータを入力することにより、海底エコーレベルＥＬが得られると、対数で表現されている海底エコーレベルＥＬを以下の（４）式を用いて真数で表すことで、散乱波の振幅実効値Ａを得ることができる。
【００４１】
Ａ＝１０（EL/20）      （４）
【００４２】
〔位相〕
次に、位相の算出方法について説明する。
位相θは、以下の（５）式により算出することができる。
【００４３】
θ＝２Ｒ／λ×２π      （５）
【００４４】
〔波形の立ち上がり及び波形の立下り〕
波形の立ち上がり立下りは、図５に示すように、音源から対象面積要素までの距離をＲ、対象面積要素の幅をΔｙ、基準位置からみたときの水中航走体の軸方向に直交する方向（横方向）における対象面積要素の方位をθY、音速をｃ、パルス幅をτとした場合に以下の（６）式及び（７）式で表される。
【００４５】
波形の立ち上がり＝２Ｒ／ｃ−（Δｙ・sinθY）／ｃ      （６）
波形の立下り＝２Ｒ／ｃ＋τ＋（Δｙ・sinθY）／ｃ      （７）
【００４６】
上記模擬信号生成部２４は、上記散乱波を特定するための４つの要素について算出すると、上記振幅、波形の立ち上がり、立下りを有し、算出した位相になるような正弦波の散乱波を求め、この散乱波の情報を第２記憶部２５に格納する。
【００４７】
次に、上述した本実施形態に係る音響画像シミュレーション装置が備える各部において実行される処理内容について図６を参照して説明する。なお、図６に示した各部により実現される後述の各種処理は、ＣＰＵ１１が補助記憶装置１３に記憶されている音響画像シミュレーションプログラムを主記憶装置１２に読み出して実行することにより実現されるものである。
【００４８】
まず、シミュレーションを実施する前段階として、シミュレーションに必要となる各種データの入力作業が行われる。この入力作業は、例えば、音響画像シミュレーション装置が有する入力装置１４（図１参照）を作業員が操作することにより行われる。入力される各種データについては、上述した通りである。
【００４９】
シミュレーション実行時には、まず、第１記憶部２１から海底面データが読み出され、この海底面データに基づいて、シミュレーション空間内に海底面が形成される（ステップＳＡ１）。この海底面は、複数の面積要素で構成されている（図３参照）。
次に、第１記憶部２１に格納されている水中航走体の航跡データ、サイドスキャンソーナーの取り付け位置、音響ビームの射出角度等に基づき、音源と対象面積要素とを対応付けた条件テーブルが作成される（ステップＳＡ２）。
続いて、作成された条件テーブルに基づいて各音源の位置から対象面積要素に対して音響ビームを照射した場合に、受信機（音源）の位置にて受信される散乱波を推定し、模擬信号を生成する模擬信号生成処理を行う（ステップＳＡ３）。
【００５０】
以下、上記ステップＳＡ３において行われる模擬信号生成処理の処理手順について図７を参照して説明する。
まず、条件テーブルを参照して、一つの音源の位置が設定され（ステップＳＢ１）、この音源の位置に対応付けられている対象面積要素が読み出される（ステップＳＢ２）。次に、読み出した対象面積要素が複数か否かが判定され、複数であった場合にはその内の一つが設定され、一つであった場合には、その一つが設定される（ステップＳＢ３）。このようにして、音源の位置と対象面積要素とが設定されると、設定された音源の位置から設定された対象面積要素に対して音響ビームを照射したときの散乱波の推定が行われ、模擬信号が生成される（ステップＳＢ４）。この散乱波の推定手順については、上述した通りである。
【００５１】
続いて、推定した散乱波に対して陰面処理が行われることにより、散乱波の振幅等が調整され（ステップＳＢ５）、調整後の散乱波の情報が該音源の位置及び対象面積要素の位置に対応付けられて第２記憶部２５に格納される（ステップＳＢ６）。
続いて、条件テーブルにおいて、今回設定した音源の位置に対応付けられている対象面積要素の全てについて、模擬信号の生成が行われたか否かを判定し（ステップＳＢ７）、全てについて終了していなければ、ステップＳＢ３において、未処理の対象面積要素を新たに設定することで、該音源の位置と新たに設定した対象面積要素との関係における模擬信号の生成を行う。
【００５２】
このようにして、設定した音源の位置に対応付けられている対象面積要素の全てにおいて処理が終了すると（ステップＳＢ７において「ＹＥＳ」）、条件テーブルに設定されている全ての音源の位置において処理が終了したか否かを判定する（ステップＳＢ８）。この結果、処理が終了していない場合には（ステップＳＢ８において「ＮＯ」）、ステップＳＢ１に戻り、未処理の音源の位置が設定され、この音源の位置に対応付けられている対象面積要素における模擬信号が順次生成される。そして、全ての音源の位置またこれに対応する対象面積要素において模擬信号が生成されると（ステップＳＢ８において「ＹＥＳ」）、本処理を終了する。
【００５３】
上記模擬信号の生成処理が終了することにより、第２記憶部２５には、水中航走体が第１記憶部２１に格納されていた航跡データに基づいて移動したときに得られる散乱波の情報が模擬信号として格納されることとなる。
【００５４】
続いて、第２記憶部２５に格納されている散乱波の情報を用いて画像処理を行うことで、音響画像が作成され（図６のステップＳＡ４）、この音響画像がディスプレイ或いは印刷されることにより、出力される（図６のステップＳＡ５）。
【００５５】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る音響画像シミュレーション装置、方法、及びプログラムによれば、水中航走体が航跡データに沿って移動することを想定し、このときにサイドスキャンソーナーによって取得される散乱波をそれぞれ推定して模擬信号を生成し、模擬信号を用いて音響画像を作成する。このように、実際の海底地形調査を忠実に模擬した形でシミュレーションを行うので、シミュレーション精度を向上させることができる。
そして、サイドスキャンソーナーの制御パラメータを変化させてシミュレーションを繰り返し行い、これらのシミュレーション結果として得られた音響画像を比較することにより、最も適切な制御パラメータを選定することが可能となる。
更に、このようなシミュレーション結果を検討することにより、サイドスキャンソーナーの性能評価を定量的に行うことが可能となる。
【００５６】
なお、上記実施形態においては、サイドスキャンソーナーにより海底地形調査を行う場合を例に挙げて説明したが、例えば、海底面に存在する目標対象物を探知する目的としてサイドスキャンソーナーが利用される場合がある。このような場合には、目標対象物と海底面とを判別し、如何に正確に目標対象物を探知するかという点が重要となる。
【００５７】
この場合には、作業員は、上述した実施形態と同様に海底面データを入力するとともに、海底面上に配置させる目標対象物に関する対象物データについても入力する。例えば、対象物データとして、目標対象物の設定座標、大きさ、形状、音響インピーダンス等を設定する。
【００５８】
このようにすることで、上記海底面の形成処理においては、シミュレーション空間内に海底面が形成されるとともに、該海底面上の所定の位置に目標対象物が形成されることとなる。その後は、上述と同様の処理が進められることにより、最終的には海底面上に目標対象物が配置されているような音響画像が作成されることとなる。
【００５９】
そして、このような音響画像シミュレーションを音響ビームの入射角度、ビーム幅、周波数等のサイドスキャンソーナーの制御パラメータを変更しながら行うことにより、異なる制御パラメータ条件下で取得される音響画像を取得することができる。そして、得られた音響画像を比較することにより、目標対象物を最も鮮明にかつ最も正確に映し出している音響画像を特定し、この音響画像が得られたときのパラメータを最適パラメータとして、実際の目標対象物の探知に用いることとすればよい。
【００６０】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る音響画像シミュレーション装置、方法、及びプログラムについて説明する。
上述した第１の実施形態では、サイドスキャンソーナーを対象としたが、本実施形態では、マルチビーム音響測探機を対象とした場合について説明する。
マルチビーム音響測探機は、散乱波を受信する受信機が複数設けられており、これらの受信機がアレイ状に配置されている点で上述したサイドスキャンソーナーと異なる。
【００６１】
このように、受信機が複数存在する場合には、その中の一つを代表受信機として定め、該音源の位置から音響ビームを射出し、その散乱波を代表受信機にて受信する場合の散乱波の推定を行う。このとき、代表受信機の位置は、音源の位置と同じにしてもよいし、異なる位置を設定してもよい。
そして、この代表受信機における散乱波が推定されると、推定した散乱波の位相を各受信機と該代表受信機との配置位置、例えば、配置間隔等に基づいて補正することで、各受信機における散乱波を推定する。
このようにして、音源の位置を移動させたときの代表受信機における散乱波をそれぞれ推定し、更に、この推定結果を用いて他の受信機における散乱波を推定し、全ての面積要素において各受信機における散乱波の推定が終了した後に、推定結果として得られた模擬信号を信号処理して音響画像を作成する。
【００６２】
上述してきたように、複数の受信機がアレイ状に配置されたマルチビーム音響測探機等を対象とする場合には、アレイ状に配置された受信機のうちのいずれか一つを代表受信機として定め、この代表受信機における模擬信号を生成し、他の受信機によって受信される信号については、該代表受信機で受信される信号の位相を補正することにより、模擬信号を生成する。このようにすることで、各受信機における散乱波をそれぞれ推定する場合に比べて、処理の負担を大幅に軽減することが可能となる。
【００６３】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係る音響画像シミュレーション装置、方法、及びプログラムについて説明する。
上述した第１の実施形態では、振幅、位相、波形の立ち上がり、及び波形の立下りからなる４つの要素を算出し、これらの要素を用いて該位相を持つ正弦波（または、余弦波）として散乱波を取り扱っていた。図８に第１の実施形態において推定される散乱波の一例を示す。これに対し、本実施形態においては、図９に示すように、図８に示したアナログ信号をビートダウンした低周波信号を散乱波として推定する。
【００６４】
実際の音響画像装置においては、アナログ信号である散乱波を直交変調ビートダウンして低周波信号に変換し、この低周波信号をサンプリングしてデジタル信号処理により音響画像を作成することが多い。
例えば、図１０に示すように、周波数ｆの原信号Ｘ（ｔ）に、cos（２πｆcｔ）とsin（２πｆcｔ）をそれぞれ乗算した後に、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）を通過させ、原信号周波数ｆと局発周波数ｆｃとの差周波数成分を求め、この差周波信号のcos成分ａ（ｔ）とsin成分ｂ（ｔ）をアナログ／デジタル変換器でデジタル信号に変換することで、原信号を低周波信号に変換する。このように、直交変調ビートダウンすることで、受信信号の位相情報を保持したまま受信信号を低速でサンプリングすることが可能となり、データ点数を大幅に減らすことができる。
【００６５】
このように、音響画像のシミュレーション時に、模擬信号を一旦ソーナー音響信号の原信号周波数で生成してから直交変調ビートダウンするのではなく、最初から模擬信号をビートダウン後の低周波信号として生成することで、処理負荷を大幅に軽減することが可能となるとともに、シミュレーションの信号処理部を音響画像装置の信号処理器の処理内容と同一にすることができる。
【００６６】
具体的には、模擬信号生成部２５は、上述した第１の実施形態と同様の方法により、振幅、波形の立ち上がり、波形の立下りを算出するとともに、局発周波数を原信号周波数に一致させ、位相θを以下の（８）式により得る。
【００６７】
θ＝ａｒｇ[ｂ（ｎ）／ａ（ｎ）]＝２π×（２Ｒ／λ）      （８）
【００６８】
上記（８）式において、ａ（ｎ）は差周波信号のcos成分、ｂ（ｎ）は差周波信号のcos成分、Ｒは音源の位置から対象面積要素までの距離、λは音響ビームの波長である。
サンプリング周波数ｆｓは、距離方向分解能をΔｒとしたときに、ｆｓ＝ｃ／（２×Δｒ）とするのが好ましい。ここで、ｃは音速である。
【００６９】
なお、上記説明では、局発周波数を原信号周波数に一致させたが、必ずしも一致させる必要がない。ただし、一致させることで、サンプリング周波数を粗くすることが可能となる。
【００７０】
なお、上記実施形態においては、ビートダウンされた低周波信号を４つの要素を用いて直接的に算出していたが、これに代えて、上述した第１の実施形態において得られたアナログ信号の散乱波に対してビートダウン処理を実施することで、低周波信号を得、これを用いて音響画像を作成することとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る音響画像シミュレーション装置の全体構成を示したブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る音響画像シミュレーション装置が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。
【図３】シミュレーション空間に形成される海底面の一例を説明するための図である。
【図４】単位面積当たりの後方散乱強度ＢＳ（θi）について説明するための図である。
【図５】散乱波の波形の立ち上がり立下りの算出手法について説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る音響画像シミュレーション装置の作用について説明したフローチャートである。
【図７】図６に示した散乱波推定処理の処理手順を示したフローチャートである。
【図８】本発明の第１の実施形態において推定される散乱波の一例を示した図である。
【図９】本発明の第３の実施形態において推定される散乱波の一例を示した図である。
【図１０】ビートダウン処理を実現する回路構成の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０  音響画像シミュレーション装置
２１  第１記憶部
２２  海底面形成部
２３  条件作成部
２４  模擬信号生成部
２５  第２記憶部
２６  信号処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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