(57)【要約】      （修正有）【課題】目標物からの前方散乱波に対するタイムリバーサル波を応用することにより、目標物を探知する。【解決手段】音波パルスを送波する音源と、伝搬環境内の物体からの前方散乱波を受波する領域に配置した変換器アレイと、障害物が伝搬環境に存在する状態で変換器アレイが受波した参照音場での参照信号と、障害物に加えて目標物が伝搬環境に存在する状態で変換器アレイが受波した混合音場での混合信号とをベクトル加算し、前方散乱波の信号のみを抽出する加算処理部と、前期抽出された前方散乱波の信号を受取り、参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源から変換器アレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックする位相共役判定部と、位相共役判定部で位相共役性が成立していると判定したことを条件として、前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた時間反転信号を生成する時間反転処理部とを含む。【選択図】図１
2010112895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝搬環境内に存在する目標物を探知する目標物探知装置であって、
前記目標物から前方に散乱される前方散乱波を用いることにより、前記目標物を探知するものであり、
伝搬環境内に音波パルスを送波する音源と、
前記伝搬環境内に存在する物体から前方に散乱される前方散乱波を受波する領域に配置した変換器アレイと、
障害物が伝搬環境に存在する状態で前記変換器アレイが受波した参照音場での参照信号と、前記障害物に加えて目標物が伝搬環境に存在する状態で前記変換器アレイが受波した混合音場での混合信号とをベクトル加算処理することにより、前記前方散乱波の信号のみを抽出する加算処理部と、
前記加算処理部がベクトル加算処理で抽出した前記前方散乱波の信号を受取り、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源から変換器アレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックする位相共役判定部と、
前記位相共役判定部で位相共役性が成立していると判定したことを条件として、前記前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた時間反転信号を生成する時間反転処理部とを含むことを特徴とする目標物探知装置。
【請求項２】
前記音源は、正位相の音波パルスを参照音場の伝搬環境に送波し、前記正位相の音波パルスと逆位相関係の音波パルスを混合音場の伝搬環境に送波する請求項１に記載の目標物探知装置。
【請求項３】
前記変換器アレイから放射されるタイムリバーサル音場の計算に必要な音響定数を生成する音響定数生成部と、
前記時間反転処理部が生成した時間反転信号と、前記音響定数生成部が生成した音響定数とに基づいて、前記時間反転信号の音波パルスを放射した際のタイムリバーサル音場を計算する音場計算部と、
前記音場計算部が計算した前記タイムリバーサル音場における音波パルスの振幅分布から目標物を判別する目標物判別部とを有する請求項１に記載の目標物探知装置。
【請求項４】
伝搬環境内に存在する目標物の探知を制御する目標物探知制御プログラムであって、
コンピュータに、
障害物が伝搬環境に存在する状態で変換器アレイが受波した参照音場での参照信号と、前記障害物に加えて目標物が伝搬環境に存在する状態で変換器アレイが受波した混合音場での混合信号とをベクトル加算処理することにより、前記前方散乱波の信号のみを抽出する機能と、
前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源から変換器アレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックし、位相共役性が成立していることを条件として、前記抽出した前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた時間反転信号を生成する機能とを実行させることを特徴とする目標物探知制御プログラム。
【請求項５】
前記コンピュータに、
前記変換器アレイから放射されるタイムリバーサル音場の計算に必要な音響定数を生成する機能と、
前記時間反転信号と、前記音響定数とに基づいて、前記時間反転信号の音波パルスを放射した際のタイムリバーサル音場を計算する機能と、
前記タイムリバーサル音場における音波パルスの振幅分布から目標物を判別する機能とを実行させる請求項４に記載の目標物探知制御プログラム。
【請求項６】
伝搬環境内に存在する目標物を探知する目標物探知方法であって、
前記目標物から前方に散乱される前方散乱波を用いることにより、前記目標物を探知するものであり、
伝搬環境内に音波パルスを送波し、
障害物が伝搬環境に存在する状態で前記変換器アレイが受波した参照音場での参照信号と、前記障害物に加えて目標物が伝搬環境に存在する状態で前記変換器アレイが受波した混合音場での混合信号とをベクトル加算処理することにより、前記前方散乱波の信号のみを抽出し、
前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源から変換器アレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックし、位相共役性が成立していることを条件として、前記前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた音波パルスを生成することを特徴とする目標物探知方法。
【請求項７】
正位相の音波パルスを参照音場の伝搬環境に送波し、前記正位相の音波パルスと逆位相関係の音波パルスを混合音場の伝搬環境に送波する請求項６に記載の目標物探知方法。
【請求項８】
前記変換器アレイから放射されるタイムリバーサル音場の計算に必要な音響定数を生成し、
前記時間反転信号と、前記音響定数とに基づいて、前記時間反転信号の音波パルスを放射した際のタイムリバーサル音場を計算し、
前記タイムリバーサル音場における音波パルスの振幅分布から目標物を判別する請求項６に記載の目標物探知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波パルスが伝搬する伝搬環境内に存在する目標物を探知する目標物探知装置及び目標物探知制御プログラム、目標物探知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
音波パルスが伝搬する伝搬環境が、例えば海中である場合、その海中に存在する目標物を探知する方法として、ソーナーが広く用いられている。すなわち、音波ビームを用いて海中を掃引し、音波ビーム内に入った目標物からの反射波を受波して、目標物の距離と方位とを求めている。この探知距離を延長させるには、吸収減衰が少ない低周波音波（例えば５００Ｈｚ）を利用する必要がある。しかし、音波の周波数を低くすると、音波ビームが広くなり、さらに海面や海底での反射による影響を受けるため、目標物の探知が困難となる。
【０００３】
そこで、最近、位相共役波やタイムリバーサル波を利用した新しい目標物の探知方法に関する関心が高まっている。
【０００４】
C.Pradaらは、水中に存在する目標物から音源側に散乱される後方散乱波を受波し、その受波信号の時間軸を反転させる、いわゆるタイムリバーサル処理を施し、そのタイムリバーサル信号を水中に再放射している。その再放射した音波は、目標物の位置に収束する。この収束した音波は、前よりもより強い反射波を発生する。この反射波を受波して、再びタイムリバーサル処理を施して再び放射する。その音波は強く目標物の位置に収束する。
【０００５】
以上の操作を繰り返すことにより、大きな物体から順に小さい物体を特定することができる。
【非特許文献１】C.Prada, S. Manneville, D. Spoliansky, and M. Fink, “Docomposion of the time reversal operator: detection and selective focusing on two scatterers”, J. Acoust. Soc. Am. 99, 2067-2076 (1996)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、C.Pradaらの提案する方法では、タイムリバーサル処理を２回以上繰り返す必要があり、目標物の探知に多大な時間を要する。
【０００７】
また、目標物が隣接して存在する場合や、目標物のサイズが等しい場合には、個々の目標物を識別することが困難となる。また、探知に用いる音波の周波数が低い場合には、海面や海底での反射による影響を受けて、目標物の識別が困難になる。
【０００８】
本発明の目的は、目標物からの後方散乱波に代えて、目標物から前方に散乱される前方散乱波を用い、その前方散乱波に対するタイムリバーサル波を応用することにより、伝搬環境中に存在する目標物を探知する目標物探知装置及び目標物探知制御プログラム、目標物探知方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明に係る目標物探知装置は、伝搬環境内に存在する目標物を探知する目標物探知装置であって、
前記目標物から前方に散乱される前方散乱波を用いることにより、前記目標物を探知するものであり、
伝搬環境内に音波パルスを送波する音源と、
前記伝搬環境内に存在する物体から前方に散乱される前方散乱波を受波する領域に配置した変換器アレイと、
障害物が伝搬環境に存在する状態で前記変換器アレイが受波した参照音場での参照信号と、前記障害物に加えて目標物が伝搬環境に存在する状態で前記変換器アレイが受波した混合音場での混合信号とをベクトル加算処理することにより、前記前方散乱波の信号のみを抽出する加算処理部と、
前記加算処理部がベクトル加算処理で抽出した前記前方散乱波の信号を受取り、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源から変換器アレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックする位相共役判定部と、
前記位相共役判定部で位相共役性が成立していると判定したことを条件として、前記前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた時間反転信号を生成する時間反転処理部とを含むこと特徴とする。
【００１０】
以上の例では、本発明をハードウェアとしての目標物探知装置として構築したが、これに限られるものではない。本発明は、目標物を探知する方法として構築する、或いは探知装置の機能をコンピュータに実行させるソフトウェアとしてのプログラムとして構築してもよいものである。
【００１１】
本発明に係る目標物探知制御プログラムは、伝搬環境内に存在する目標物の探知を制御する目標物探知制御プログラムであって、
コンピュータに、
障害物が伝搬環境に存在する状態で変換器アレイが受波した参照音場での参照信号と、前記障害物に加えて目標物が伝搬環境に存在する状態で変換器アレイが受波した混合音場での混合信号とをベクトル加算処理することにより、前記前方散乱波の信号のみを抽出する機能と、
前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源から変換器アレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックし、位相共役性が成立していることを条件として、前記抽出した前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた時間反転信号を生成する機能とを実行させることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る目標物探知方法は、伝搬環境内に存在する目標物を探知する目標物探知方法であって、
前記目標物から前方に散乱される前方散乱波を用いることにより、前記目標物を探知するものであり、
伝搬環境内に音波パルスを送波し、
障害物が伝搬環境に存在する状態で前記変換器アレイが受波した参照音場での参照信号と、前記障害物に加えて目標物が伝搬環境に存在する状態で前記変換器アレイが受波した混合音場での混合信号とをベクトル加算処理することにより、前記前方散乱波の信号のみを抽出し、
前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源から変換器アレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立しているかをチェックし、位相共役性が成立していることを条件として、前記前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた音波パルスを生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、障害物を含む複雑な伝搬環境からなる参照音場で変換器アレイで受波した参照信号と、前記参照音場内に目標物を含む混合音場で前記変換器アレイで受波した混合信号とをべクトル加算処理することにより、前記目標物の前方散乱波のみを抽出し、その抽出した前方散乱波に対してタイムリバーサル処理を施して目標物の位置に収束させることで、従来のソーナーや後方散乱波とタイムリバーサルを用いる方法では探知が困難な、障害物である海山や氷山の陰影領域に存在する物体、または目標としない物体の後方に存在する目標物を探知することができる。
【００１４】
さらに、前記参照信号を取得する前記参照音場の伝搬環境については、目標物以外に障害物が存在する音波パルスの伝搬環境であっても、目標物の探知に支障を与えないことを検証したため、複雑な伝搬環境や障害物が存在する場合などであっても、参照音場として利用することができ、そのため複雑な伝搬環境中の目標物を探知することが出来る。その結果、従来のソーナーや後方散乱波とタイムリバーサルを用いる方法では探知が困難な、海山や氷山などのような障害物の陰影領域に存在する物体、または目標としない物体の後方に存在する目標物を探知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
C.Pradaらの提案する方法、すなわち目標物から後方に散乱（反射）する後方散乱波に対してタイムリバーサル処理を繰り返す方式では、上述したような問題がある。そこで、本発明の実施形態では、それらの問題点を解決する方法として、目標物から前方に散乱される前方散乱波を用いて目標物の探知を実現する方式を提案するものである。図１及び図２に基づいて、本発明の実施形態を説明するにあたって、参照音場、参照信号、混合音場及び混合信号を次のように定義する。図２に示す音源４と変換器アレイ５との配置において、障害物Ｂまたは目標としない物体Ｍを含む伝搬環境３内に、探知対象である目標物１が存在しない状態で、音源４から音波パルスを送波して、変換器アレイ５で受波する。このときの音場を参照音場として定義する。前記参照音場で変換器アレイ５が受波した音波パルスを参照信号Ｓ１として定義する。次に、前記参照音場内で、探知対象である目標物１が伝搬環境３内に存在する状態で、音源４から音波パルスを送波して、変換器アレイ５で受波する。このときの音場を混合音場として定義する。前記混合音場で変換器アレイ５が受波した音波パルスを混合信号Ｓ２として定義する。
【００１７】
先ず、目標物１から後方に散乱される後方散乱波２ａと、目標物１から前方に散乱される前方散乱波２との関係を図６に基づいて説明する。図６に示すように、音波パルスが伝搬する伝搬環境３を浅海とした場合、その浅海３中に存在する目標物１から音源４側、すなわち後方に散乱される散乱波が後方散乱波２ａであり、目標物１から変換器アレイ５側、すなわち前方に散乱される散乱波が前方散乱波２である。伝搬環境３が浅海である場合、３ａが海面、３ｂが海底である。
【００１８】
一般に、浅海３中を変換器アレイ５に向けて直接進行する音波パルス（進行波６）のレベルは、目標物１から前方に散乱される前方散乱波２のレベルよりも大きいので、受波した音波パルスから前方散乱波２を分離して前記前方散乱波２を識別することは困難である。
【００１９】
そこで、本発明の実施形態では、参照音場での参照信号Ｓ１と混合音場での混合信号Ｓ２とに基づいて目標物１からの前方散乱波２のみを分離し、その分離した前方散乱波２に対してタイムリバーサル処理を施すことにより、伝搬環境３内に存在する目標物１を探知するものである。
【００２０】
すなわち、本発明の実施形態では、図２に示す音源４と変換器アレイ５との配置において、前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて目標物１からの前方散乱波２を抽出することで、伝搬環境３内に存在する目標物１を探知することを特徴とするものである。
【００２１】
目標物１を探知する伝搬環境３を例えば浅海として、その伝搬環境３について考察する。目標物１を探知する実際の伝搬環境（以下、実伝搬環境という。）３では図２に示すように、探知対象である目標物１の他に、海山や氷山などの障害物Ｂや探知対象としない物体Ｍが存在する場合がある。なお、説明の関係上、障害物Ｂと物体Ｍとを纏めて障害物Ｂとする。目標物１が存在しないものと思われる浅海３の伝搬環境での音場を参照音場として利用した場合、参照音場での参照信号Ｓ１には、音源４から変換器アレイ５に直接進行して受波される進行波６の成分に加えて、障害物Ｂから前方に散乱した前方散乱波２ｂの成分も含まれることとなる。
【００２２】
一方、目標物１が存在するものと思われる浅海３の伝搬環境での音場を混合音場として、混合信号Ｓ２を取得した場合、この混合音場での混合信号Ｓ２には、目標物１で前方に散乱した前方散乱波２に加えて、音源４から変換器アレイ５に直接進行して受波される進行波６、及び障害物Ｂから前方に散乱した前方散乱波２ｂの成分も含まれることとなる。
【００２３】
前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて、目標物１で前方に散乱した前方散乱波２ｂを分離（抽出）するには、参照信号Ｓ１及び混合信号Ｓ２から前記進行波６の成分を消失させ、次にその消失処理で得られた残存信号から、目標物１の前方散乱波２を障害物Ｂの前方散乱波２ｂの成分から分離して抽出する必要がある。ここで、障害物Ｂの前方散乱波２ｂは、目標物１の前方散乱波２と同種のものである。何故ならば、音源４からの音波パルスが、まず障害物Ｂに当たり、障害物Ｂから前方散乱波２ｂを発生させる。その結果、音源４からの進行波６と前記前方散乱波２ｂとが目標物１に当たり、目標物１の前方散乱波２を発生させる。したがって、変換器アレイ５の素子５ａには、前記進行波６と前記前方散乱波２ｂと前記前方散乱波２とが同時に到達するので、目標物１の前方散乱波２のみを時間的に分離して判別することは困難である。
【００２４】
位相共役性が成立している伝搬環境で、同一音源から送波された進行波と、その進行によって発生した反射波や散乱波はコヒーレントであることが知られている。また、コヒーレントな波には干渉性があり、それらをベクトル的に加算することが可能である。
文献 D. R. Dowling, “Acoustic pulse compression using passive phase-conjugate processing” J. Acoust. Soc, Am. 95, 1450-1458(1994)
【００２５】
本発明の実施形態では、伝搬環境が参照音場となりうるかを検証する方法を明確にした。その手法を用いて、海山や氷山を含む伝搬環境及び目標としない物体を含む伝搬環境を調べた結果、音波パルスが位相共役性を保持しながら伝搬する音場を参照音場とする方法を考案した。その結果、目標としない不要な障害物（例えば障害物Ｂ及び目標としない物体Ｍ）の影響を除いて、目標とする物体のみを探知することを可能とした。
【００２６】
具体的には、本発明の実施形態では、文献「D. R. Dowling, “Acoustic pulse compression using passive phase-conjugate processing” J. Acoust. Soc, AM. 95, 1450-1458(1994)」で明らかにされている位相共役性が成立する伝搬環境中の波動はコヒーレントであることを応用して、前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とから目標物１の前方散乱波２のみの抽出に成功した。これについては後述するシミュレーションで検証する。
【００２７】
さらに、前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて目標物１からの前方散乱波２を抽出するには、音源４から変換器アレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立することが重要である。図２に示すように、位相共役には、音源４から変換器アレイ５の間の往復路に関係するアクティブ位相共役と、音源４から変換器アレイ５の往路のみに関係するパッシブ位相共役とがある。前記参照音場の判定にはパッシブ位相共役を適用する。
【００２８】
次に、本発明の実施形態における基本原理を説明する。
【００２９】
図２に示す伝搬環境３が例えば大陸棚のような浅海である場合を想定する。図２に示すように、浅海３中に音源４と変換器アレイ５とを対峙して配置する。先ず、音源４と変換器アレイ５との間に目標物１が存在しない場合に、この状態での浅海３の音場を参照音場として音源４から音波パルスを浅海３中に放射して、この浅海３中を伝搬した音波パルスを変換器アレイ５の各素子５ａで受波し、この受波した信号を変換器アレイ５の各素子５ａ毎に保存する。この信号が参照音場での参照信号Ｓ１である。この場合、参照音場として利用する伝搬環境の浅海３中に障害物Ｂまたは物体Ｍが存在していることによる影響は考慮する必要がない。これについては、後述するシミュレーションで検証する。
【００３０】
次に、目標物１が存在すると思われる場合に、この状態での浅海３の音場を混合音場として音源４から、先に放射した音波パルスと逆位相の音波パルスを浅海３中に放射する。前記先に放射した音波パルスとは、前記参照信号Ｓ１を取得する際に音源４から放射した音波パルスである。混合音場で浅海３内を伝搬した音波パルスを変換器アレイ５の各素子５ａで受波する。この信号が混合音場での混合信号Ｓ２である。
【００３１】
次に、混合音場で受波した混合信号Ｓ２と参照音場で受波した参照信号Ｓ１とをベクトル的に加算する（ベクトル加算処理）。この場合、音源４から放射されて変換器アレイ５に直接受波された音波パルスそのものの成分（進行波６）及び障害物Ｂで散乱される前方散乱波２ｂの成分は参照信号Ｓ１と混合信号Ｓ２とに、互いに逆の位相関係で含まれているため、ベクトル加算処理により打ち消し合って消滅する。前記互いに逆の位相関係とは、参照信号Ｓ１の位相が正位相であるとすると、混合信号Ｓ２の位相が逆位相となる関係をいう。
【００３２】
音源４から放射された進行波６に対するベクトル加算処理については以上説明した通りであるが、目標物１で前方に散乱した前方散乱波２について説明する。音源４から放射された音波パルスが目標物１に入射して前方に散乱された前方散乱波２の成分は、混合音場で受波した混合信号Ｓ２には含まれ、参照音場で受波した参照信号Ｓ１には含まれていない。また、目標物１が浅海３中に存在する場合には、混合音場で受波した混合信号Ｓ２に前方散乱波２の成分が含まれる。また、目標物１が浅海３中に存在しない場合には、混合信号Ｓ２に前方散乱波２の成分が含まれない。これらの信号Ｓ１，Ｓ２の特性を利用して前方散乱波２を抽出する。
【００３３】
そこで、本発明の実施形態では、混合音場で受波した混合信号Ｓ２と参照音場で受波した参照信号Ｓ１とをベクトル的に加算する（ベクトル加算処理）。このベクトル加算処理した結果、混合信号Ｓ２に前方散乱波２が含まれていれば、その前方散乱波２の成分はベクトル加算処理によっても打ち消されずに残存する。
【００３４】
前記ベクトル加算処理としては、文献「D. R. Dowling, “Acoustic pulse compression using passive phase-conjugate processing” J. Acoust. Soc, AM. 95, 1450-1458(1994)」で明らかにされている位相共役性が成立する伝搬環境中の波動はコヒーレントであることを応用した。
【００３５】
前記ベクトル加算処理によって変換器アレイ５の各素子５ａ毎に残存した前方散乱波２に対してタイムリバーサル処理を施し、そのタイムリバーサル処理した時間反転信号である音波パルスを変換器アレイ５の各素子５ａから同時に、音源４が設置されている方向に向けて放射する。ここで、前記抽出した前方散乱波２にタイムリバーサル処理して変換器アレイ５の各素子５ａから放射した前記音波パルスは、タイムリバーサルの原理により、目標物１の位置に収束する。
【００３６】
前記タイムリバーサル処理して変換器アレイ５の各素子５ａから放射した全探知海域にわたる音波パルスの振幅分布をディスプレイ上で監視することにより、目標物１を探知する。
【００３７】
上述したように、本発明の実施形態では、前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて目標物１からの前方散乱波２を抽出することで、伝搬環境３内に存在する目標物１を探知することを特徴とするものである。前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて目標物１からの前方散乱波２を抽出するには、音源４から変換器アレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立することが重要である。位相共役には、音源４から変換器アレイ５の間の往復路に関係するアクティブ位相共役と、音源４から変換器アレイ５の往路のみに関係するパッシブ位相共役とがある。
【００３８】
本発明の実施形態では、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源４から変換器アレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立することをチェックし、位相共役性が成立していることを条件として、上述したように前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて目標物１を探知する。
【００３９】
次に、本発明の実施形態における特徴をシミュレーションにて確認する。
【００４０】
シミュレーション結果；
（１）障害物（海山）Ｂが存在する浅海でのタイムリバーサル音場；
図２に示したように、障害物の一種である海山Ｂが存在する浅海３に、音源４と変換器アレイ５を対峙して配置する。水深は１００ｍで海山Ｂの高さは海底３ｂから５０ｍである。音源４から海山Ｂまでの距離は１ｋｍ、音源４から変換器アレイ５までの距離は３ｋｍである。深度５０ｍの音源４から、中心周波数５００Ｈｚのトーンバースト波（音波パルス）を放射する。放射された音波パルスを変換器アレイ５の各素子５ａで受波して、その受信した信号に時間反転処理を施した、いわゆるタイムリバーサル波を全素子５ａから同時に放射する。放射されたタイムリバーサル波の振幅分布を図８に示す。なお、図８を含めて、以下に示す音波パルスの振幅分布を示す図において、音源４からの音波パルスの音圧が強い部分は白色で示し、音圧が弱い部分は黒色で示し、その中間強度の音圧をその強さに比例して白色に近づくように階調を付けた灰色で示してある。また、音波パルスの振幅分布を示す図では、縦軸に深度（ｍ）、横軸に距離（ｋｍ）を取っている。
【００４１】
変換器アレイ５の全素子５ａから同時に放射したタイムリバーサル波は図８から明らかなように、海山Ｂを越えて音源４の位置に進行して、その音源４の位置に収束している。これはタイムリバーサルの原理と特徴を示している。
【００４２】
（２）障害物Ｂと目標物１を含む場合のタイムリバーサル音場；
次に、図２に示す海山Ｂが存在する浅海３中に目標物１を置き、そのときのタイムリバーサル音場を求める。探知対象である目標物１の位置は音源から１．５ｋｍ、深度７０ｍで、その材質は鉄で、その大きさは縦横２ｍである。この目標物１は音源４から見た場合、海山Ｂの陰影部にあり、従来のソーナーでは探知出来ない。この伝搬環境でのタイムリバーサル音場を図９に示す。
【００４３】
図９は、図８とほとんど変わらずに、タイムリバーサル波は音源４の位置に進行しているが、目標物１付近のパターンの変化は全く見られない。この目標物１は縦横２ｍの大きさであって、音波パルスの波長である３ｍより小さいため、従来のソーナーでも探知が困難な大きさである。従って、目標物１による前方散乱波２のレベルが音源４からの直接波である進行波６のレベルに比べて小さいため、目標物１の前方散乱波２は進行波６でマスクされていると考えられる。
【００４４】
（３）目標物１で前方に散乱される前方散乱波２のみのタイムリバーサル音場
音源４からの進行波６と目標物１からの前方散乱波の分離については、上述した基本原理の節で述べている。この原理に基づいて、目標物１からの前方散乱波２のみのタイムリバーサル音場を求める。
【００４５】
先ず、目標物１が伝搬環境３に存在しないときに、音源４から音波パルスを放射して、その波を変換器アレイ５の各素子５ａで受波して保存する。これが参照信号Ｓ１である。
【００４６】
次に、目標物１が伝搬環境３に存在する場合に、前記目標物１が存在しない場合での音波パルスの位相を正位相とすると、これに対して逆位相の音波パルスを音源４から浅海３中に放射して、その波を変換器アレイ５の各素子５ａで受波して保存する。これが混合信号Ｓ２である。
【００４７】
次に、前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とをベクトル的に加算する。この操作により、進行波６の成分及び障害物Ｂからの前方散乱波２ｂが打ち消され、目標物１からの散乱波成分２のみが各素子５ａに残る。これは、進行波６の成分及び障害物Ｂからの前方散乱波２ｂは位相が逆の状態で参照信号Ｓ１と混合信号Ｓ２とに含まれるため、逆位相の関係にある進行波６の成分及び障害物Ｂからの前方散乱波２ｂ同士が互いに打ち消しあって消失するためである。
【００４８】
前記各素子５ａに残された信号に時間反転処理を施し、そのタイムリバーサル波を各素子５ａから同時に再放射する。この方法で放射されたタイムリバーサル波の振幅分布を図１０に示す。図１０から明らかに、前記タイムリバーサル波は目標物１の位置に収束していることが分かる。音源４や海山Ｂに収束する波は見られない。要するに、音源４から見て海山Ｂの陰影部に存在する目標物１を容易に探知することができる。
【００４９】
（４）複数の目標物が存在する場合のタイムリバーサル音場
前記（３）項に示した手法は複数の目標物１が存在する場合にも有効である。海山Ｂのない平坦な伝搬環境３中に、二つの目標物１ａ、１ｂを鉛直に配置する。目標物１ａ，１ｂの距離は音源４から１．５ｋｍで、一方の目標物１ａの深度は４０ｍ、他方の目標物１ｂの深度は６０ｍである。前記（３）項に示した進行波６を消去する方法で作成したタイムリバーサル音場を図１１に示す。
【００５０】
図１１から明らかなように、２つの目標物１ａ、１ｂが鉛直に配置して伝搬環境３内に存在していることが分かる。
【００５１】
（５）障害物Ｂの陰影部に目標物が存在する場合のタイムリバーサル音場
前記（４）項において、前記（３）項に示した手法は複数の目標物１が存在する場合にも有効であることが証明された。しかしながら、目標物１の配置によっては、進行波６以外に目標としない物体Ｍからの前方散乱波の影響を受けるため、音波パルスの振幅分布が不明確になる場合もある。
【００５２】
そこで、２つの物体すなわち目標物１と目標としない物体Ｍを水平に配置した場合を考える。音源４から目標としない物体Ｍまでの距離を１．５ｋｍ、音源４から目標物１間での距離を１．７ｋｍ、目標物１と物体Ｍの深度は共に５０ｍの位置に設置した。この場合、参照信号Ｓ１として用いる信号が、前記（３）項で用いた、平坦な伝搬環境中を伝搬する音波パルスに基づく参照信号と異なっている。すなわち、（５）項の場合、参照信号Ｓ１としては、平坦な伝搬環境３中に目標としない物体Ｍのみが存在する場合に伝搬する音波パルスに基づく信号を用いる。そして、前記目標としない物体Ｍに加えて目標物１を伝搬環境３内に配置する。
【００５３】
この状態で音源４からの音波パルスを送波する。前記目標物１と目標としない物体Ｍから前方に散乱した前方散乱波と、音源４からの進行波６とを変換器アレイ５の各素子５ａで受波する。これがこの場合の混合信号Ｓ２である。そして、前記混合信号Ｓ２と前記参照信号Ｓ１とをベクトル加算する。この場合、前記目標としない物体Ｍからの前方散乱波と音源４からの進行波６は、参照信号Ｓ１と混合信号Ｓ２とに互いに逆位相の関係で含まれるため、これらの信号成分が相殺しあって消失し、目標物１からの前方散乱波のみの信号が残存する。この信号に時間反転処理を加えて、時間反転信号の音波パルスを変換器アレイ５の各素子５ａから音源４の方向に送波すると、目標物１からの前方散乱波のみのタイムリバーサル音場が生成される。前記生成されたタイムリバーサル音場を図１２に示す。音波パルスの振幅分布を図示したものが図１２である。図１２から明らかなように、探知対象である目標物１のみが、音源４から距離１．７ｋｍの位置で存在することが分かる。
【００５４】
背景技術の欄で示した非特許文献１が提案する探知方法では、タイムリバーサル処理を２回以上繰り返さなければならない上に、目標物の大きさが等しい場合には目標物の識別が困難であったことと比較すると、本発明の実施形態が提案する方式は、その有効性が鮮明である。
【００５５】
以上の技術的解析及びシミュレーションの結果に基づいて、本発明の実施形態では、図２に示す音源４と変換器アレイ５との配置において、参照音場で受波した参照信号Ｓ１と混合音場で受波した混合信号Ｓ２に基づいて目標物１からの前方散乱波２を抽出することで、伝搬環境３内に存在する目標物１を探知するものであって、しかも、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源４から変換器アレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立しているかをチェックし、位相共役性が成立していることを条件として、前記抽出した前方散乱波２に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた音波パルスを生成して再放射するものである。以下に具体例を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００５６】
本発明の実施形態に係る目標物探知装置は図１に示すように、基本的な構成として、加算処理部７と、時間反転処理部８と、位相共役判定部９と、音響定数生成部１０と、音場計算部１１と、目標物判別部１２とを有している。
【００５７】
制御部１４は、上述した加算処理部７と、時間反転処理部８と、位相共役判定部９と、音響定数生成部１０と、音場計算部１１と、目標物判別部１２などを総合的に制御するものである。１６は、制御部１４の動作に必要な情報、及び演算に必要な作業領域を提供する記憶部、１５は、制御部１４を通して出力されるデータを外部に出力する指示部である。
【００５８】
加算処理部７は、変換器アレイ５の素子５ａに対応させて素子５ａの個数と同数設けてある。そして、加算処理部７は素子５ａ単位で、目標物１が存在しない参照音場で音源４から送波した音波パルス（正位相の音波パルス）を変換器アレイ５の各素子５ａで受波した参照音場での参照信号Ｓ１を記憶する。そして、加算処理部７は、目標物１が存在すると思われる混合音場で先に音源４から送波した音波パルスと逆位相の音波パルスを送波して変換器アレイ５の各素子５ａで受波した混合音場での混合信号Ｓ２を取得する。さらに、加算処理部７は、ベクトル加算処理により前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて目標物１からの前方散乱波２を抽出する。
【００５９】
前記ベクトル加算処理としては、文献「D. R. Dowling, “Acoustic pulse compression using passive phase-conjugate processing” J. Acoust. Soc, AM. 95, 1450-1458(1994)」で明らかにされている位相共役性が成立する伝搬環境中の波動はコヒーレントであることを応用した。
【００６０】
加算処理部７は、変換器アレイ５の各素子５ａで受波した受波信号を時間窓／ＡＤ変換部１３でアナログ信号からデジタル信号に変換した信号を受け取る。なお、時間窓／ＡＤ変換部１３は、変換器アレイ５の各素子５ａに対応させて素子５ａの個数と同数設けてある。
【００６１】
時間反転処理部８は、２以上の加算処理部７がそれぞれ混合信号Ｓ２と参照信号Ｓ１とをベクトル加算処理して抽出した目標物１からの前方散乱波２のみの信号を受取り、前記抽出された前方散乱波２に対してタイムリバーサル処理を施して、時間反転させた時間反転信号である音波パルスを生成する。
【００６２】
位相共役判定部９は、目標物１が存在しない伝搬環境で、音源４から正位相と逆位相との校正信号を送波して、変換器アレイ５の素子５ａで受波し、正位相と逆位相の音波パルスが相殺すること及びパルスに圧縮性があることを利用して、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源４から変換器アレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立しているかをチェックする。
【００６３】
音響定数生成部１０は、音響定数を生成する。具体的に説明すると、目標物１が存在しない伝搬環境で、音源４から正位相の音波パルスを送波して、変換器アレイ５の各素子５ａで受波する。音響定数生成部１０は、前記受波した音波パルスと、予め予測した音響定数で音場計算部１１が計算した受波パルスとを比較する。音響定数生成部１０は、前記比較した結果に差異があれば、音響定数を変化させて再度受波した音波パルスと比較し、それらが一致したときの定数を音響定数と定める。
【００６４】
音場計算部１１は、前記音響定数生成部１０が定めた音響定数を基に、前記時間反転処理部８が生成した時間反転信号である音波パルスであって変換器アレイ５の素子５ａから送波されるタイムリバーサル音場を計算する。
【００６５】
目標物判定部１２は、音場計算部１１が計算したタイムリバーサル音場での音波パルスの収束が曖昧な場合に機能し、目標物１の判定を行う。
【００６６】
次に、本発明の実施形態に係る目標物探知装置を用いて、伝搬環境である浅海３中に存在する目標物１を探知する場合について説明する。
【００６７】
先ず、探知を行う前段階において、音源４から浅海３中に校正信号を送波し、その校正信号を変換器アレイ５の１つの素子５ａで受波し、その受波した信号を音響定数生成部１０に送信する。音響定数生成部１０は、前記受波信号を取り込み、不要な信号を除去すると共にＡ／Ｄ変換し、これを校正信号として用いる。さらに、音響定数生成部１０は、前記校正信号に基づいて伝搬環境の定数、すなわち、音波パルスが伝搬する実際の伝搬環境の音場を演算する。具体的に説明する。
【００６８】
本発明の実施形態に係る目標物探知装置は、例えば大陸棚のような比較的浅い海域で用いられる。その環境における音波伝搬に関する海洋の音響定数は、水深、海水の音速、海底堆積物（音速，密度）等のデータである。また、前記環境における音波パルスに関する海洋の音響定数は、音波パルスの中心周波数、音波パルスのスペクトル及び音波パルスのバンド幅等のデータである。海洋の音響定数を決定するための水深のデータは、測深機などの測定機器を用いることで直接計測により求められる。海洋の音響定数を決定するための海水の音速データは、水温の計測により、例えばメドイン（H.Medwin）の式などの既知の音速の式から求められる。
【００６９】
海洋の音響定数を決定するための海底堆積物のデータは、海図などから大凡の値を推定できるが、より正確な値は、既知の校正法により求められる。すなわち、目標物が存在しない伝搬環境の探知海域に吊下した音源４から正位相の音波パルスを送波して、その音波パルスを変換器アレイ５で受波し、その受波信号と予測した海底堆積物の定数とを変化させながら演算することで、実海域での堆積物のデータを取得する。ここに、音響定数とは、実際に音波パルスが伝搬環境中を伝搬する際に前記音波の伝搬に影響を及ぼす要因となる環境因子を意味する。なお、海中での目標物１を探知する場合を想定しているので、海洋の音響定数を用いたが、これに限られるものではない。伝搬環境として海洋以外のものを用いる場合、前記音響定数は、実際に音波パルスが伝搬環境を伝搬する際に前記音波パルスの伝搬に影響を及ぼす要因となる環境因子を意味することとなる。
【００７０】
音響定数生成部１０には、上述した音波伝搬及び音波パルスに関する実海域での海洋の音響定数を決定するためのデータが入力され、音響定数生成部１０は、前記入力された海洋の音響定数を決定するためのデータと、前記校正信号とに基づいて実海域の海洋の音響定数を決定する。音響定数生成部１０は、決定した実海域での海洋の音響定数を音場計算部１１に出力する。なお、海中での目標物１を探知する場合を想定しているので、海洋の音響定数を用いたが、これに限られるものではない。伝搬環境として海洋以外のものを用いる場合、音響定数生成部１０は、実際に音波パルスが伝搬環境を伝搬する際に前記音波パルスの伝搬に影響を及ぼす要因となる実際の音響定数を出力することとなる。
【００７１】
音響定数生成部１０での処理が終了した時点で、音源４と変換器アレイ５との間に障害物Ｂまた目標としない物体Ｍが存在する状態での参照音場で音源４から音波パルスを浅海３中に放射し、変換器アレイ５の各素子５ａは浅海中３を伝搬した音波パルスを参照音場での参照信号Ｓ１として取得する。
【００７２】
変換器アレイ５の各素子５ａは、取得した参照音場での参照信号Ｓ１（電気信号）を時間窓／ＡＤ変換部１３に出力する。時間窓／ＡＤ変換部１３は、前記参照信号Ｓ１を受け取ると、その参照信号Ｓ１をアナログ信号からデジタル信号に変換し、その変換した信号を加算処理部７に出力する。
【００７３】
加算処理部７は、全ての時間窓／ＡＤ変換部１３から出力される参照信号Ｓ１を受取り、これを記憶する。
【００７４】
次に、音源４と変換器アレイ５との間に、障害物Ｂまたは目標としない物体Ｍに混じって目標物１が存在すると思われる状態の混合音場で、参照音場で音源４から放射した音波パルスと逆位相の関係にある音波パルスを音源４から浅海３中に放射し、変換器アレイ５の各素子５ａは浅海３中を伝搬した音波パルスを混合音場での混合信号Ｓ２として取得する。
【００７５】
変換器アレイ５の各素子５ａは、前記取得した混合信号Ｓ２（電気信号）を時間窓／ＡＤ変換部１３に出力する。時間窓／ＡＤ変換部１３は、前記混合信号Ｓ２を受け取ると、その混合信号Ｓ２をアナログ信号からデジタル信号に変換し、その変換した混合信号Ｓ２を加算処理部７に出力する。
【００７６】
加算処理部７は、全ての時間窓／ＡＤ変換部１３から出力される混合信号Ｓ２を受取り、参照信号Ｓ１と混合信号Ｓ２とを取得した際に、参照信号Ｓ１と混合信号Ｓ２とに対してベクトル加算処理を施すことにより、進行波６及び障害物Ｂまたは目標としない物体Ｍからの散乱波の成分が消失した目標物１からの前方散乱波２の信号を抽出する（図５のステップ１００）。そして、加算処理部７は、抽出した前方散乱波２を時間反転処理部８に出力する。
【００７７】
位相共役判定部９は、目標物１が存在しない伝搬環境で、音源４から正位相と逆位相との校正信号を送波して、変換器アレイ５の素子５ａで受波し、正位相と逆位相の音波パルスが相殺すること及びパルスに圧縮性があることを利用して、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源４から変換器アレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立しているかをチェックする（図５のステップ１０２）。
【００７８】
次に、位相共役判定部９が行う処理について詳細に説明する。
【００７９】
前記参照信号Ｓ１と前記混合信号Ｓ２とに基づいて目標物１からの前方散乱波２を抽出するには、音源４から変換器アレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立することが重要である。図２に示すように位相共役には、音源４から変換器アレイ５の間の往復路に関係するアクティブ位相共役と、音源４から変換器アレイ５の往路のみに関係するパッシブ位相共役とがある。
【００８０】
位相共役判定部９は、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用する。具体的には位相共役判定部９は、次式（１）、（２）に基づいて前記参照音場での位相共役性の判定を行う。
【数１】
2010112895.tif 000003
式（１）の右辺は基準信号とデータ信号との相関を示しており、その相関の結果が
【数２】
2010112895.tif 000004
である。ここで、伝搬環境中での目標物の探知の場合は、基準信号とデータ信号とが同一であるから、
【数３】
2010112895.tif 000005
は自己相関関数である。
【００８１】
参照音場での伝搬環境３が位相共役性をもつ場合には式（２）が成立しなければならない。位相共役判定部９は、参照音場での伝搬環境３に音源４から送波した音波パルスの自己相関関数と、変換器アレイ５の全ての素子５ａで受波した参照信号Ｓ１の自己相関関数を合算した相関結果である式（２）で示されるＳ（ｔ）との相似を検討し、相似である場合に参照音場での伝搬環境３であるとして判定する。
【００８２】
一般に、位相共役性の判定は式（２）に基づいて行われるが、本発明の実施形態では、位相共役判定部９により、音源４からの正位相と逆位相との音波パルスを相殺させていることが重要である。すなわち、本発明の実施形態では上述したように、位相共役判定部９は、目標物１が存在しない伝搬環境で、音源４から正位相と逆位相との校正信号を送波して、変換器アレイ５の素子５ａで受波し、正位相と逆位相の音波パルスが相殺すること及びパルスに圧縮性があることを利用して、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源４から変換器アレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立しているかをチェックしている。
【００８３】
また、式（２）は相互相関関数の形態を示しているが、本発明の実施形態では位相共役判定部９が前記自己相関関数を用いている。位相共役判定部９が自己相関関数で比較することは、その基となる音波パルスの波形で比較することと同じである。したがって、位相共役判定部９での音波パルスの相殺性をみるために、以下では音波パルスの波形で示す。
【００８４】
目標物１が浅海３中に存在しない場合のパルス波形のシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、伝搬環境である浅海３の水深は１００ｍ、音源４と変換器アレイ５との間の距離は３ｋｍ、音源４を設置した深度は５０ｍ、音波パルスは図７に示すように中心周波数５００Ｈｚの８サイクルからなるトーンバースト波である。
【００８５】
目標物１が浅海３中に存在しない場合、音源４からトーンバースト波を送波して、変換器アレイ５の中心に位置する素子５ａで受波したパルス波形を図３（ａ）に示す。図３（ａ）のａ１で示すパルス波形は、参照音場の伝搬環境３内に音源４から正位相の音波パルスを送波し、その音波パルスを変換器アレイ５が受波した参照信号Ｓ１のパルス波形である。図３（ａ）のａ２で示すパルス波形は、前記正位相の音波パルスと逆位相の音波パルスを送波し、その音波パルスを変換器アレイ５が受波した参照信号Ｓ１のパルス波形である。したがって、ａ１で示す参照信号Ｓ１とａ２で示す混合信号Ｓ２との位相関係は逆の位相関係になっている。
【００８６】
加算処理部７は、ａ１で示す参照音場での参照信号Ｓ１とａ２で示す混合音場での混合信号Ｓ２とをベクトル加算処理する。この場合、伝搬環境３内に目標物１が存在しないことが条件であるから、加算処理部７がベクトル加算処理した結果、その出力信号には、進行波６が消失されかつ目標物１からの前方散乱波２が存在することはなく、図３（ａ）のａ３で示すように信号レベルはゼロとなる。
【００８７】
図３（ｂ）は変換器アレイ５の各素子５ａが受波した信号を全て加算した信号の波形である。これは式（２）に対応した表示である。ｂ１が正位相の音波パルス、ｂ２が逆位相の音波パルス、そしてｂ３はｂ１とｂ２との音波パルスを加算処理部７で加算した波形である。図３（ｂ）のｂ１とｂ２を図３（ａ）のａ１とａ２と比較すると、音波パルスの幅が短くなっていることが分かる。ｂ１とｂ２は、音源４から送波されたトーンバースト波になっていることが分かる。これは伝搬環境３が位相共役性を有していることを証明している。この場合、位相共役判定部９は、参照音場が位相共役性を有しているものとして判定する（図１０２；ＹＥＳ）。
【００８８】
次に、障害物Ｂに混じって目標物１が伝搬環境３に存在する場合のパルス波形のシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、伝搬環境である浅海３の水深は１００ｍ、音源４と変換器アレイ５との間の距離は３ｋｍ、音源４を設置した深度は５０ｍ、音源４から距離１．５ｋｍ、深度５０ｍの位置に、縦横２ｍの目標物１を設置している。
【００８９】
伝搬環境３中に目標物１が存在する場合のパルス波形を図４に示す。図３と同様に図４（ａ）は変換器アレイ５の複数の素子５ａのうち中間に位置する素子５ａで受波した音波パルスの波形である。図４（ｂ）は、変換器アレイ５の各素子５ａが受波した信号を全て加算した信号の波形である。これは式（２）に対応した表示である。ｂ１が正位相の音波パルス、ｂ２が逆位相の音波パルス、そしてｂ３はｂ１とｂ２との音波パルスを加算処理部７で加算した波形である。図４（ｂ）の正位相のｂ１と図４（ａ）の正位相ａ１、図４（ｂ）の逆位相のｂ１と図４（ａ）の逆位相のａ２とをそれぞれ比較すると、音波パルスの幅が短くなっていることが分かる。
【００９０】
しかし、図４（ａ）のａ３と図４（ｂ）のｂ３は加算処理部７での加算処理を行った場合、ゼロにならず、信号が残存する。加算処理部７は、前記残存信号を目標物１で散乱された前方散乱波２のみの信号として抽出する。時間反転処理部８は、加算処理部７で抽出した目標物１の前方散乱波２のみに対して時間反転処理して時間反転信号である音波パルスを生成する。時間反転信号である音波パルスを変換器アレイ５の素子５ａから再放射すると、目標物１の位置に収束するので、その収束位置から目標物１が分かる。
【００９１】
音場計算部１１は、位相共役判定部９によるチェック結果が音源４から変換器アレイ５までの伝搬環境３で位相共役性が成立している場合を条件として、前記音響定数生成部１０が定めた音響定数を基に、前記時間反転処理部８が生成した時間反転信号である音波パルスであって変換器アレイ５の素子５ａから送波されるタイムリバーサル音場を計算する（図５のステップ１０３）。
すなわち音場計算部１１は、時間反転処理部８からの時間反転させた音波パルスを受取り、その音波パルスのタイムリバーサル音場を式（３）に基づいて計算する（図５のステップ１０３）。
【数４】
2010112895.tif 000006
式（３）は、W. A. Kuperman, W. S. Hodgkiss, C. Song, T. Akal, C. Ferla and D. R. Jackson “Phase conjugation in the ocean; Experimental demonstration of an acoustic time-reversal mirror” J. Acoust. Soc. Am. 103, 25-40(1998) で確立されている。
式（３）において、Gω，ｔ，ｚはそれぞれ、グリーン関数，時間，深度である。ｒは変換器アレイ５から計算点までの距離を示す。Sｒ（ω）は変換器アレイ５から送波される音波パルスの周波数スペクトル、ωは角周波数である。
【００９２】
音場計算部１１が計算したタイムリバーサル音場での音波パルスの収束が明瞭な場合（図５のステップ１０４；ＹＥＳ）、制御部１４は、音場計算部１１からの出力を受けて、タイムリバーサル音場での音波パルスの振幅分布を指示部１５の画面にＧＵＩを使って表示する。オペレータは指示部１５に表示されたタイムリバーサル音場での音波パルスの振幅分布を監視して目標物１を探知する（図５のステップ１０５）。
【００９３】
目標物判定部１２は、音場計算部１１が計算したタイムリバーサル音場での音波パルスの収束が曖昧な場合（図５のステップ１０４；ＮＯ）に機能し、目標物１の判定を行う（図５のステップ１０６）。具体的に説明すると、図１２において、タイムリバーサル処理した音波パルスが目標物１に収束する位置は音源４に対する距離が１．７ｋｍ、深度が５０ｍであるが、タイムリバーサル音場が不鮮明なこともある。すなわち、距離が１．７ｋｍである位置では、タイムリバーサル処理した音波パルスが目標物１に収束しているが、図１２から明らかなように、目標物１に音波パルスが収束したことを示す白色の部分を挟んでその上下にも音圧が最も強いことを示す白色を示す部分があり、この上下の白色と中央の白色（タイムリバーサル音波パルスの収束）とを区別する必要がある。
【００９４】
そこで、目標物判定部１２は、図４で示したようにタイムリバーサル処理した音波パルスであって目標物１の位置に収束する音波パルスと、音源４から目標物１に到来した音波パルスとの波形が相似になることを利用して、目標物１を判定する。すなわち、目標物判定部１２は図４の原理を応用して、上下の白色と中央の白色（タイムリバーサル音波パルスの収束）とを区別することで、目標物１を判定する（図５のステップ１０６）。
【００９５】
以上説明したように本発明の実施形態によれば、探知対象の目標物以外の障害物が存在する実伝搬環境の参照音場で取得した参照信号と、前記目標物が存在する前記実伝搬環境の混合音場で取得した混合信号とについてベクトル加算処理を施すことにより、目標物で前方に散乱した前方散乱波を抽出し、その抽出した前方散乱波にタイムリバーサル処理を施して目標物の位置に収束させることで、従来のソーナーや後方散乱波とタイムリバーサルを用いる方法では探知が困難な、海山や氷山の陰影領域に存在する物体、または障害物の後方に存在する目標物を探知することができる。
【００９６】
さらに、前記参照信号を取得する前記参照音場の伝搬環境については、目標物以外に障害物が存在する音波パルスの伝搬環境であっても、目標物の探知に支障を与えないことを検証したため、複雑な伝搬環境や障害物が存在する場合などであっても、参照音場として利用することができ、そのため複雑な伝搬環境中の目標物を探知することが出来る。その結果、従来のソーナーや後方散乱波とタイムリバーサルを用いる方法では探知が困難な、海山や氷山の陰影領域に存在する物体、または障害物の後方に存在する目標物を探知することができる。
【００９７】
さらに、前記参照音場の判定にパッシブ位相共役を適用することで、音源から変換器アレイまでの伝搬環境で位相共役性が成立することをチェックし、位相共役性が成立していることを条件として、前記参照信号と前記混合音場とに基づいて伝搬環境内の目標物を探知するため、前記目標物を正確かつ確実に探知することができる。
【００９８】
C.Pradaらの提案する方法、すなわち目標物から後方に散乱（反射）する後方散乱波に対してタイムリバーサル処理を繰り返す方法では、タイムリバーサル処理を２回以上繰り返す必要があり、目標物の探知に多大な時間を要するが、本発明の実施形態では、タイミリバーサル処理を１回行うことにより、目標物を探知することができ、探知に要する時間を短縮することができる。
【００９９】
本発明の実施形態では、伝搬環境を浅海として説明したが、これに限られるものではない。音波パルスが伝搬する伝搬環境であれば、いずれの場合にも適用できるものである。
【０１００】
なお、以上の説明では、本発明の実施形態に係る探知装置をハードウェアとして構築する場合について説明したが、これに限られるものではない。すなわち、本発明の実施形態に係る目標物探知装置が実行する機能をプログラムとして構築し、そのプログラムをコンピュータに実行させることにより、本発明の実施形態に係る目標物探知装置が実行する機能を実現するようにしてもよいものである。この場合、前記プログラムは記録媒体に記録され、その状態で商取引の対象となる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明によれば、探知対象である目標物が、音源から見て障害物の陰影部に存在する場合であっても、これらの目標物を容易に探知することができ、広範囲な目標物の探知に応用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の実施形態に係る探知装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態において参照音場の判定を行うための原理を説明する図である。
【図３】伝搬環境に探知対象である目標物が存在しない場合におけるパルス波形を示す図である。
【図４】伝搬環境に探知対象である目標物が存在する場合におけるパルス波形を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る探知装置を用いて目標物の探知を行う場合を示すフローチャートである。
【図６】目標物に入射した音波パルスに基づく後方散乱波と前方散乱波との関係を示す図である。
【図７】音源から送波するトーンバースト波を示す図である。
【図８】本発明の実施形態においてシミュレーションを行った結果での音波パルスの振幅分布を示す図である。
【図９】本発明の実施形態においてシミュレーションを行った結果での音波パルスの振幅分布を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態においてシミュレーションを行った結果での音波パルスの振幅分布を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態においてシミュレーションを行った結果での音波パルスの振幅分布を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態においてシミュレーションを行った結果での音波パルスの振幅分布を示す図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１  目標物
２  前方散乱波
３  伝搬環境
４  音源
５  変換器アレイ
７  加算処理部
８  時間反転処理部
９  音場計算部
１０  音響定数部
１１  音場計算部
１２  目標物判定部
Ｓ１  参照信号
Ｓ２  混合信号
【図１】
2010112895.tif 000007
【図２】
2010112895.tif 000008
【図３】
2010112895.tif 000009
【図４】
2010112895.tif 000010
【図５】
2010112895.tif 000011
【図６】
2010112895.tif 000012
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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