(57)【要約】【課題】受信器アレイを構成する受信器の個数を増すことなく、高い精度で受動的位相共役水中音響通信が行える。【解決手段】図2(A)に示す、プローブ信号Pとデータ列Dとが連続して構成される送信信号を、AUVから送信して、受信器アレイで受信する。図2(B-1)に示す時間波形は、受信器アレイを構成する受信器のうちの一つである受信器が受信した、プローブ信号P'とデータ列D'とが連続した受信信号を示している。この受信器で受信したプローブ信号とデータ列との相関波形を求める。図2(C-1)に示す時間波形は、この相関波形である。次に、受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を、加算器によって求める。その結果が、図2(D)に示す時間波形で与えられるデータ列である。受信器アレイにおいて、このデータ列に対して適応フィルタ処理を施し、図2(E)に示す、ノイズ状の信号成分が除去された時間波形を有するデータ列を再生する。【選択図】図２
2006332947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音源から、プローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号を送信する第1ステップと、
該送信信号を、複数の受信器から構成される受信器アレイで受信して、該受信器アレイを構成する各受信器において、それぞれが受信したプローブ信号と受信したデータ列との相関波形を求める第2ステップと、
前記受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を受信信号として求める第3ステップと、
該受信信号に対して適応フィルタによる雑音除去を行う第4ステップと
を含むことを特徴とする受動的位相共役水中音響通信方法。
【請求項２】
プローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号を送信する音源と、
該送信信号を受信して、受信したプローブ信号と受信したデータ列との相関波形を求める複数の受信器から構成される受信器アレイと、
前記受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を受信信号として生成する加算器と、
該受信信号から雑音を除去する適応フィルタと
を具えることを特徴とする受動的位相共役水中音響通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、音源からプローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号を、複数の受信器から構成される受信器アレイに送信することによって、音源から受信器アレイに情報を伝送する、受動的位相共役水中音響通信方法及びこの方法を実現するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自律型無人探査機(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)等の運用において、水中音響通信によってAUVの状態を監視したり、あるいはAUVにコマンドを送信したりすることができれば、その運用性を格段に向上させることができる。この場合、長距離水平方向の水中音響通信を、音波が伝播する途中に存在する障害物等に邪魔されることなく、実現する必要がある。
【０００３】
このような長距離水平方向の水中音響通信を実現するための方法として、位相共役波を用いる方法が検討されている(例えば、非特許文献1、2及び3)。位相共役波とは、ある波と同一の空間的振幅分布を持ち時間的に逆進する波を言い、時間反転波と呼称されることもある。ある音源から発した音波を複数の受信器から構成される送受信器アレイで受信して、その受信した音波を時間軸上で反転して受信した音波に対する位相共役波を生成して、この位相共役波をこの送受信器アレイから再送信すると、元の音源の位置(焦点)に音波が収束する。
【０００４】
位相共役波をアレイから発信すると、音波伝播の現象が、時間が逆転して起こるので、元の音源の位置において、音波が送信された時とは進行方向が逆向きになって、元の信号が受信される。すなわち、位相共役波は音圧の空間的分布形状が同一であって進行方向だけが逆向きである音波であるから、音源から送信された時と同一の空間形状で、元の音源の位置(焦点)に戻ってくることになり、音波が焦点に収束することになる。
【０００５】
位相共役波による収束は、送受信器アレイを発した位相共役波が元の音源に到達するまでに生成される反射波及び屈折波が時間的及び空間的に集まることによって実現される現象である。位相共役波による収束は、従来のビームフォーミングによる手法に比べて、収束性能が非常に高いことが知られている。
【０００６】
送受信器アレイ(例えば、基地局側)から元の音源(例えば、AUV側)への水中音響通信に、位相共役波を利用するためには、以下のように行う。まず、音源からパルス波を発信し、送受信器アレイを構成する各受信器で受信したパルス波の位相共役波を生成して、位相共役パルス波として用意しておく。すなわち、送受信器アレイを構成する各受信器に備えられている記憶装置にこの位相共役パルス波を記憶させておく。
【０００７】
次に、この位相共役パルス波に送信したいデータ列を乗じて、送受信器アレイから音源への送信信号とする。この送信信号には、位相共役パルス波がシンボル間隔で含まれているため、この送信信号を送受信器アレイから音源に向けて送信すれば、音波が元の音源の位置(焦点)に収束し、元のデータ列(送受信器アレイから音源に向けて送信されたデータ列)が音源において受信され、再生される。
【０００８】
もし、送受信器アレイから音源への通信に位相共役波を利用しなければ、反射波や屈折波などから構成されるマルチパス波が、隣の信号と重なってしまい、受信信号の復調ができなくなることがある。すなわちシンボル間干渉が生じ、音源において受信信号が正確に復調されなくなる。そこで、位相共役波を利用しない従来の通信では、上述のマルチパス波を適応フィルタ(AF: Adaptive Filter)の手法を用いて取り除くということが行われていた。しかしながら、AFでマルチパス波をを除去するというこの手法には限界があることが知られている。
【０００９】
一方、従来の位相共役波を利用しない方法に対して、位相共役波を利用する方法によれば、位相共役波が元の音源の位置に収束するために、元の音源の位置においてこの信号を受信すれば、シンボル間干渉がほとんどなく、受信レベルも高いので、通信の精度が高くなる。また、この位相共役波を利用した通信において、元の音源の位置で受信された信号を、更に適応フィルタ処理する手法も検討されている。この適応フィルタ処理する手法によれば、位相共役波を利用してもなお収束しきれずにノイズ状になった信号を、適応フィルタ処理によって除去するという相乗効果が生まれ、適応フィルタ処理をしない従来の位相共役波を利用する水中音響通信と比較して、格段に高い精度で通信が行えることが明らかにされている。
【００１０】
以上説明したように、送受信器アレイから発信した信号を元の音源で受信する水中音響通信、すなわちアレイから点状の対象に対しての通信は、アレイから実際に位相共役波を発信しているので、能動的位相共役水中音響通信、Active Time Reversal通信等と呼称されている。これに対して、点状の音源から発信した信号をアレイで受信する水中音響通信に関しても、位相共役波の理論を適用することができ、その検討が行われている(例えば、非特許文献4及び5)。
【００１１】
この場合には、点状の音源から送りたい情報をアレイに向けて送っているので、このアレイは受信器としての機能を負っている。そこで、点状の音源から送られた情報を受信するアレイを受信器アレイと呼ぶこととする。
【００１２】
点状の音源から発信した信号を受信器アレイで受信する水中音響通信に、位相共役波の理論を適用するには次のように行う。まず、音源からプローブ信号と送信したい情報を反映させたデータ列とを連続させて構成した送信信号を送信する。次にこの送信信号を、複数の受信器から構成される受信器アレイで受信して、この受信器アレイを構成する各受信器において、それぞれが受信したプローブ信号と受信したデータ列との相関波形を求める。最後に受信器アレイを構成している各受信器において求められた相関波形の和を受信信号として求めれば、位相共役波を用いた通信における場合と同等の処理をしたことになり、音源から送られたデータ列とほぼ同一のデータ列が再生される。
【００１３】
上述の点状の音源から発信した信号をアレイで受信する水中音響通信においては、実際には音源あるいはアレイの外部に位相共役波を発信していない。そのためこの通信方法は、受動的位相共役(Passive Phase Conjugate)水中音響通信、Virtual Time Reversal水中音響通信等と呼称されている。
【非特許文献１】T. Shimura, Y. Watanabe, H. Ochi, "A Basic Research on the Long Horizontal Active Time Reversal communication", Oceans 2004, pp. 2219-2224 (2004).
【非特許文献２】志村拓也、渡邊佳孝、越智  寛、「Active Time Reversal による水中音響通信の基礎的検討」2004年度海洋音響学会講演論文集、pp.61-64 (2004).
【非特許文献３】志村拓也、渡邊佳孝、越智  寛、「Active Time Reversal による水中音響通信の基礎的検討」電子情報通信学会信学技報、US2004-33, pp．7-12 (2004).
【非特許文献４】T. C. Yang, "Differences Between Passive-Phase Conjugation and Decision-Feedback Equalizer for Underwater Acoustic Communications", IEEE J. Oceanic Engineering, Vol 29, No. 2, pp. 472-487.
【非特許文献５】D. Rouseff, et al., "Underwater Acoustic Communication by Passive-Phase Conjugation: Theory and Exprimental Results", IEEE J. Oceanic Engineering, Vol. 26, No. 4, pp.821-831 (2001).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
受動的位相共役水中音響通信においても、能動的位相共役水中音響通信の場合と同様に、位相共役波を利用してもなお信号にノイズ状になった信号が混在する。受信器アレイを構成する受信器の個数を増すことによって、このノイズ状になった信号を小さくすることができるが、受信器アレイを構成する受信器の個数を増すことは、技術的にも経済的にも困難をともなう。
【００１５】
そこで、この発明の目的は、受信器アレイを構成する受信器の個数を増すことなく、高い精度で通信が行える受動的位相共役水中音響通信方法、及びこの方法を実現するためのシステムを提供することにある。
【００１６】
限られた個数の受信器で構成された受信器アレイを用いた受動的位相共役水中音響通信においては、ノイズ状になった信号を何らかの方法で除去することが必要となる。このノイズ状になった信号を除去することができれば、受信器アレイを構成する受信器の個数が少なくとも、受動的位相共役水中音響通信において高い精度で通信が行えることが期待される。
【００１７】
今まで、受信器アレイを構成している各受信器において求められた相関波形の和として再生されたデータ列に対して、なおこのデータ列に混在するノイズ状の信号を除去する手段を具えた、受動的位相共役水中音響通信方法は報告されていない。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述の課題を解決するため、この発明の受動的位相共役水中音響通信方法は、次に示すステップを含むことを特徴とする。
（A）音源から、プローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号を送信する第1ステップ
（B）送信信号を、複数の受信器から構成される受信器アレイで受信して、この受信器アレイを構成する各受信器において、それぞれが受信したプローブ信号と受信したデータ列との相関波形を求める第2ステップ
（C）受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を受信信号として求める第3ステップ
（D）この受信信号に対して適応フィルタによる雑音除去を行う第4ステップ。
【００１９】
また、上述の受動的位相共役水中音響通信方法を実現させるためのシステムは次のように構成される。すなわち、受動的位相共役水中音響通信システムは、音源と、受信器アレイと、加算器と、適応フィルタとを具える。音源からは、プローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号が送信される。受信器アレイは、複数の受信器から構成されている。この送信信号は、この複数の受信器でそれぞれ受信されて、受信されたプローブ信号と受信されたデータ列との相関波形が求められる。加算器は、受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を受信信号として生成する。適応フィルタは、この受信信号から雑音を除去する。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の受動的位相共役水中音響通信方法は、従来の受動的位相共役水中音響通信が具える第1ステップから第3ステップに加えて、更に適応フィルタによって雑音除去を行う第4ステップを具えている。また、この第1から第4ステップは、この発明の受動的位相共役水中音響通信システムにおいて実現できる。すなわち、第1ステップから第4ステップは、それぞれ、上述の音源、受信器アレイ、加算器、適応フィルタによって実行される。
【００２１】
従ってこの発明によれば、受信器アレイにおいて再生されたデータ列に含まれる、従来十分に収束し切れなかったノイズ状の信号を、第4スッテップで実行される適応フィルタによる雑音除去処理によって除去できるという効果が得られる。すなわち、適応フィルタによる雑音除去処理によって、実用上ノイズ障害が発生しない通信が可能となる程度にノイズ状の信号成分が少ないデータ列を再生することが可能となる。
【００２２】
言い換えれば、受信器アレイを構成する受信器を十分な数だけ具えることが困難である状況下でも、位相共役波を利用する手法を用いてもなお収束し切れなかったノイズ状の信号を、第4ステップで十分に除去することができる。このことによって、受信器アレイを構成する受信器を十分な数だけ具えることが困難である状況下でも、十分な数の受信器を具えた受信器アレイを利用した場合と同等程度の、高い精度で通信が行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、各図は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、各図において同様の構成要素については、その重複する説明を省略することもある。
【実施例】
【００２４】
まず、図1(A)から(D)を参照して、能動的位相共役水中音響通信の原理について具体的に説明する。図1(A)は、海底14上の海水12中に、音源を搭載しているAUV 10からプローブ波Sを発信して、AUV 10から水平方向遠方の位置に設置されている送受信器アレイ20で受信される様子を示している。送受信器アレイ20は、受信器20-1から20-5の合計5つの受信器が鉛直方向に直線的に連なって配列されて構成されている。
【００２５】
図1(A)においては、合計5つの受信器から構成されている送受信器アレイ20を示しているが、必ずしも受信器の個数は5つに限られるものではない。また、送受信器アレイ20が、図1(A)では、鉛直方向に一列に配置されているが、このように一列に配置する必要はなく、配置の形状は任意でよい。送受信器アレイが具える受信器の個数は多いほど、後述する位相共役波の収束性能が高まり、水中音響通信の品質が高くなるが、送受信器アレイが大型化し、送受信器アレイの製造、及び海中への設置作業が困難になる。一方送受信器アレイが具える受信器の個数が少なければ、送受信器アレイの製造及びその設置作業が軽減される代わりに、位相共役波の収束性が悪くなり、水中音響通信の品質が低下する。
【００２６】
音源を搭載しているAUV 10から発信されたプローブ波Sは、海底面18や海水面16によって反射され(反射波)、あるいは海水12の音速分布の不均一等に起因して屈折あるいは回折され(回折波)、また、海水12中に存在する障害物で散乱されて(散乱波)、送受信器アレイ20を構成する各受信器（受信器20-1から受信器20-5）に到達する。以下の説明において、上述した反射波、回折波、散乱波を含めて、マルチパス波ということもある。
【００２７】
AUV 10が搭載している音源からプローブ波Sが発信されると、海水12を伝播中にマルチパス波を生成しつつ、送受信器アレイ20近傍では、AUV 10が搭載している音源から発信された直後のプローブ波Sとは波面が変形して受信波であるプローブ波Rとなって送受信器アレイ20で受信される。
【００２８】
図1(C)は、送受信器アレイ20を構成している受信器20-1から受信器20-5の各受信器が受信したプローブ波Rの時間波形の一例を概念的に示した図である。上から順に受信器20-1から受信器20-5の各受信器が受信した受信波を示している。例えば、受信器20-1においは、図1(C)の一番上部に示すように、まず矢印を付けてPと示す波の部分が到達し、最後に矢印を付けてQと示す波の部分が到達する様子が描かれている。受信器20-2から受信器20-5においても、それぞれ同様に、図1(C)の上から2番目の列にから5番目の列に示すような時間波形を有する波が受信される。
【００２９】
AUV 10が搭載している音源から発信されるプローブ波Sは、例えば、時間軸に対して対称な音波パルス波（あるいは、バースト波）が使われるが、海水12中を伝播する間にマルチパス波が発生し、送受信器アレイ20において受信される際には、これらのマルチパス波が混在しているために、受信されるプローブ波Rは、図1(C)に示すように、複雑な時間波形となる。また、送受信器アレイ20を構成する各受信器（受信器20-1から受信器20-5）で受信されるプローブ波も、受信器が設定されている空間的な位置がそれぞれ異なるために、時間波形はそれぞれに異なった形状となっている。
【００３０】
図１(B)は、送受信器アレイ20を構成する各受信器においてプローブ波Rに対する位相共役波S'が生成されて発信され、AUV 10で位相共役波R'が受信される様子を示している。
【００３１】
送受信器アレイ20を構成している各受信器においては、プローブ波Rが受信されて、この受信信号波の時間軸が反転された信号波(位相共役波)S'が生成される。送受信器アレイ20から発信された直後の位相共役波S'は、海水12を伝播中にマルチパス波を生成しつつ、AUV 10近傍では、送受信器アレイ20から発信された直後の位相共役波S'とは波面が変形して位相共役波R'となってAUV 10で受信される。
【００３２】
図1(D)は、送受信器アレイ20を構成している受信器20-1から受信器20-5において生成された位相共役波の時間波形の一例を概念的に示した図である。例えば、受信器20-1で生成される位相共役波は、図1(D)の一番上部に示す時間波形となる。この時間波形は、図１(C)の一番上に示す時間波形を、左右逆転させて描かれていることから分かるように、時間軸を反転させた波として表される。すなわち、受信器20-1がプローブ波を受信した時とは逆に、まず矢印を付けてQと示す波の部分が先に伝播し、最後に矢印を付けてPと示す波の部分が伝播する様子が描かれている。波の時間波形を示すパラメータ(時間t)の符号を正負反転させることによって、位相共役波は生成される。
【００３３】
送受信器アレイ20から発信される位相共役波S'は、AUV 10近傍においては、送受信器アレイ20から発信された直後の時間波形とはその形状が変形して、位相共役波R'となる。そして、位相共役波が本来的に有する性質として、位相共役波R'は、AUV 10に収束する。ただし、完全に収束するためには、AUV 10と送受信器アレイ20との途中の、音波の伝播に対して、反射、回折、散乱等の効果を与える要素が、プローブ波SがAUV 10から発信されて送受信器アレイ20で受信された過程と、位相共役波S'が送受信器アレイ20から発信されてAUV 10で受信される過程とが、同一の状態であることが必要である。
【００３４】
例えば、海流等に起因して、海水12の屈折率分布が、プローブ波SがAUV 10から発信されて送受信器アレイ20で受信された時と、位相共役波S'が送受信器アレイ20から発信されてAUV 10で受信された時とで異なっていれば、位相共役波R'は、完全には収束しない。しかしながら、プローブ波Rが送受信器アレイ20で受信されてから、位相共役波S'が発信されるまでの時間は、それほど長くはなく、実際の水中音響通信においては、海水12の屈折率分布等、音波の伝播に対して、反射、回折、散乱等の効果を与える要素が大きくその状況を変えていることはない。従って、位相共役波R’は、十分に高い精度でAUV 10に収束する。
【００３５】
位相共役波が本来的に有する性質である、プローブ波を発信した音源の位置に収束するという性質を利用して、送受信器アレイ20(例えば、基地局)から元の音源を具えているAUV 10に対して情報を送るための通信を行うには、次のようにする。
【００３６】
まず、AUV 10からプローブ波（音波パルス）Sを発信し、送受信器アレイ20を構成する受信器20-1から20-5で受信する。受信器20-1から20-5のそれぞれにおいて、受信したプローブ波Rに対して時間反転処理をする。すなわち、受信したプローブ波Rに対する位相共役波を生成する。そして、基地局である送受信器アレイ20からAUV 10に向けて送信したい情報を反映させたデータ列を、この位相共役波に乗じて、送信信号として生成する。この送信信号には、パルス状の位相共役波がシンボル間隔で含まれているため、この送信信号S'を送受信器アレイ20から送信すれば、AUV 10の位置にこの送信信号R'が収束する。そのために、AUV 10において送信信号R'が効率よく受信され、結果として高い通信品質をもって、送受信器アレイ20から送信されたデータ列が再生される。
【００３７】
このように、送受信器アレイ20からAUV 10に向けて情報を送るために位相共役波を用いれば、AUV 10において高い忠実度でデータ列が再生されるので、シンボル間干渉がほとんど起こらず、高い受信レベルが実現される。従って、精度の高い通信を実現することが可能となる。
【００３８】
以上説明したように、送受信器アレイ20からAUV 10に向けて情報を送る水中音響通信においては、送受信器アレイ20を構成する複数の受信器(受信器20-1から受信器20-5)から位相共役波S'を実際の音波として発信している。送受信器アレイ20からAUV 10に向けて情報を送る水中音響通信は、送受信器アレイ20を構成する複数の受信器(受信器20-1から受信器20-5)から、伝送される情報を担った音波が送信されて、海水中の一点に存在しているAUV 10において受信されるという伝送システムである。そこで、このような水中音響通信を送受信器アレイから一点に向けての通信という。
【００３９】
一方、海水中の一点に存在しているAUVから受信器アレイに向けて情報を送るための水中音響通信については、一点から受信器アレイに向けての通信という。一点から受信器アレイに向けての通信には、既に説明したように、受動的位相共役水中音響通信が使われる。そこで、受動的位相共役水中音響通信について、図2(A)から(E)を参照して説明する。受動的位相共役水中音響通信においては、位相共役波そのものを海水中に向けて発信することはない。
【００４０】
図1(A)は、能動的位相共役水中音響通信の原理を説明するために参照した図面であるが、AUVからアレイに向けて音波を伝送するという点では、以下に説明する受動的位相共役水中音響通信においても共通するので、便宜上受動的位相共役水中音響通信についても、図1(A)を再度参照して説明をする。ただし、受動的位相共役水中音響通信においては、アレイ側から位相共役波が海水中に向けて発信されるわけではないので、受動的位相共役水中音響通信についての説明に図1(A)を参照する場合には、送受信器アレイ20を受信器アレイ20と読み替えるものとする。また、受信器アレイ20が、図1(A)では、鉛直方向に一列に配置されているが、前述した能動的位相共役水中音響通信の場合と同様に、このように一列に配置する必要はなく、配置の形状は任意でよい。
【００４１】
AUV 10から送信される音波は、上述した能動的位相共役水中音響通信においては、プローブ波であったのに対して、受動的位相共役水中音響通信においては、プローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号である点が異なる。しかしながら、以下の受動的位相共役水中音響通信の説明においては、混乱が生じない範囲で、AUV 10から送信される送信信号を送信信号Sと表記することとし、受信器アレイ20の直前における送信信号を送信信号Rと表記することとする。
【００４２】
図2(A)は、AUV 10から送信される送信信号Sの時間波形を示している。プローブ信号Pとデータ列Dとは、連続して構成されている。図2(B-1)及び(B-5)は、受信器アレイ20を構成する受信器20-1及び受信器20-5が、それぞれ受信した受信信号の時間波形を示している。すなわち、受信器アレイ20を構成する受信器20-2から20-4のそれぞれが受信した受信信号の時間波形を省略して示してある。ここでは、上述の能動的位相共役水中音響通信の説明をしたときと同様に、受信器アレイ20を構成する受信器を5つとして説明するが、5つに限る必要がないことも同様である。
【００４３】
図2(B-1)において、時間波形P'は受信器20-1で受信したプローブ信号を示しており、時間波形D'は受信器20-1で受信したデータ列を示している。同様に図2(B-5)において、時間波形P'は受信器20-5で受信したプローブ信号を示しており、時間波形D'は受信器20-5で受信したデータ列を示している。
【００４４】
図2(C-1)に示す時間波形は、図2(B-1)において、受信器20-1で受信したプローブ信号P'の時間波形と、図2(B-1)において、受信器20-1で受信したデータ列D'の時間波形との相関波形である。また、図2(C-5)に示す時間波形は、図2(B-5)において、受信器20-5で受信したプローブ信号P'の時間波形と、図2(B-5)において、受信器20-5で受信したデータ列D'の時間波形との相関波形である。これらの相関波形は、受信器20-1及び受信器20-5に具えられたデジタル信号処理機によって生成される。
【００４５】
受信器アレイ20を構成する全ての受信器（20-1から20-5）から出力される相関波形の和を加算器によって求めると、図2(D)に示す時間波形で与えられるデータ列がえられる。このデータ列は、AUV 10から送信される送信信号を構成しているデータ列と同一の時間波形を有する。すなわち、加算器によって相関波形の和を求めることによって、AUV 10から送信されたデータ信号が再生されることが知られている(例えば、非特許文献5)。
【００４６】
受信器アレイを構成する各受信器で受信した受信信号から相関波形を求め、加算器によってこれらの相関波形の和を求める過程が、上述の能動的位相共役水中音響通信における位相共役波発生と同一の数学的な処理に対応する。このために、AUV 10から送信されたデータ列が、正確に再生された受信信号として受信器アレイ20において生成される。このように受動的位相共役水中音響通信においては、実際には位相共役波を受信器アレイ20から海水中に向けて発信しているわけではない。
【００４７】
この発明では、受信器アレイ20において再生されたデータ列に対して、更に適応フィルタ処理を施すことに特徴がある。図2(E)に示すように、図2(D)に示す再生されたデータ列に対して、適応フィルタ処理によって雑音状の信号が除去された時間波形を有するデータ列を再生する。このように、受信器アレイ20において再生されたデータ列に対して、更に適応フィルタ処理を施すことによって、以下に説明するような効果が得られることを、この発明者等がシミュレーションによって確かめた。
【００４８】
＜浅海域でのシミュレーション結果＞
図3を参照して、浅海域での受動的位相共役水中音響通信における適応フィルタ処理の効果をシミュレーションした結果について説明する。図3は、このシミュレーションにおける条件設定についての説明に供する図である。このシミュレーションでは、海中での音速が水深に依存せず一定であるとみなせる程度の浅い海域での、受動的位相共役水中音響通信について適応フィルタ処理の効果を検証した。
【００４９】
海底34の海底面38から海水32の海水面36までの間隔である水深Hを100 m、AUV 30と受信器アレイ40との距離を25 kmとした。また、受信器アレイ40を構成する受信器の個数を全部で7つとして、海水面36に近い側から順番に受信器40-1から受信器40-7までの合計7つの受信器を配置して構成されているものとし、各受信器間の間隔を15 mとした。
【００５０】
海水32中の音波の伝播計算には、海水32中の音速を深さに依存せず1500 m/s（後述するc1の値）であるものとして、ノーマルモード法のPekeris 解を用いた（例えば、C.B. Officer著, Introduction to the Theory of SOUND TRANSMISSION with Application to the Ocean, New York, McGraw-HILL Book Company. pp. 117-145参照）。
【００５１】
すなわち、任意の受波点の位置の位置ベクトルをr、AUV 30の位置を示す位置ベクトルをrsとしたとき下記の式(1)で与えられる速度ポテンシャルを用いた。ここで、A(kn)は振幅係数であり、下記式(2)で与えられる。Hは、水深(海水面36から海底面38までの間隔)、knは、n次モードの水平方向の波数、β1及びβ2は、それぞれ海水32中及び海底34における鉛直方向の波数である。β1及びβ2は、それぞれ下記式(3)及び式(4)で与えられる。jは虚数単位、c1及びc2は、それぞれ海水32中及び海底34中の音速であり、ρ1及びρ2は、それぞれ海水32及び海底34の密度である。そしてbは、下記式(5)で与えられる。
【００５２】
ここでは、c1＝1500 m/s、c2＝1600 m/s、ρ1＝1000 kg/m3、ρ2＝1500 kg/m3としてシミュレーションを行った。
【００５３】
【数１】
2006332947.tif 000003
【００５４】
また、受動的位相共役水中音響通信に用いる搬送波の周波数は500 Hzとし、この通信に使用する帯域幅を100 Hzとした。プローブ信号には、図4(A)及び(B)に示す特性を有するロールオフフィルタ（Roll Off filter：帯域制限フィルタ）を通した、パルス波を使用するものとした。図4(A)は、ロールオフフィルタの時間応答特性を示しており、横軸は時間を秒単位で目盛って示してあり、縦軸は振幅を任意メモリで目盛って示してある。図4(B)は、ロールオフフィルタの周波数応答特性を示しており、横軸は周波数を示してあり、縦軸は振幅を任意メモリで目盛って示してある。
【００５５】
このシミュレーションに用いたロールオフフィルタは、図4(A)に示すように、0.01秒のシンボル間隔でデータを送信するために、0.01秒ごとに0になる形になっている。また、図4(B)に示すように周波数応答特性を示す特性曲線は、帯域幅が100 Hzに対応する周波数特性を有するフィルタである。
【００５６】
受動的位相共役水中音響通信に用いる変調方式として、シミュレーションでは、直交振幅変調（QAM: quadrature amplitude modulation）方式であって、振幅と位相にそれぞれ4ビットを割り当てる16 QAM方式を採用した。
【００５７】
図5(A)及び(B)と図6(A)及び(B)とを参照して、シミュレーションの結果を説明する。図5(A)及び(B)は、16 QAM方式の復調結果を示す相関図である。横軸は同相成分、縦軸は直交成分を示しており、黒点で示す位置が16 QAM方式の信号点配置を示している。図6(A)及び(B)は、復調結果を時系列で正解値と比較して示す図であり、横軸は時間軸上に並ぶシンボルの配置される位置を示し、縦軸は信号の振幅を示している。
【００５８】
シミュレーションでは、1500シンボルのデータ列を送信して、タップ数が85の適応フィルタ処理をした場合としなかった場合とを比較した。図5(A)に示す相関図は、適応フィルタ処理をしなかった場合の結果を示しており、図5(B)に示す相関図は、適応フィルタ処理をした場合の結果を示している。図5(A)及び(B)に示す相関図においては、データ列の第1000番目のシンボルから第1500番目のシンボルまでの復調結果を示している。
【００５９】
データ列の第1000番目のシンボルから第1500番目のシンボルまでの間で発生したビットエラーと、出力信号のS/N比とを比較すると、次のようになった。図5(A)に示す、適応フィルタ処理をしなかった場合には、エラーの生じたビット数は355ビットであったのに対して、図5(B)に示す、適応フィルタ処理をした場合には2ビットであった。また、出力信号のS/N比は、適応フィルタ処理をしなかった場合には、6.4であったのに対して、適応フィルタ処理をした場合には、17.7であった。
【００６０】
この結果から、適応フィルタ処理することによって、エラーの生じたビット数が355ビットから2ビットまで減少し、出力信号のS/N比は、6.4から17.7まで向上することが確かめられた。図5(A)と図5(B)とを比較すると、16 QAM方式の信号点配置について、前者では黒点で示す信号点配置が一様に散っているのに対して、後者では信号点配置が16箇所にまとまりを持って集まっていることが読み取れる。
【００６１】
また、データ列の第1400番目のシンボルから第1450番目のシンボルまでの復調結果を時系列で正解値と比較して示した図6(A)及び(B)を比較すると次のことが分かる。図6(A)は適応フィルタ処理をしなかった場合の結果を示しており、図6(B)は、適応フィルタ処理をした場合の結果を示している。何れの図においても、正解値を×印で示し、それらを破線で結んで示してある。また、復調結果については●印で示し、それらを実線で結んで示してある。
【００６２】
図6(A)に示す適応フィルタ処理をしなかった場合の復調結果と、図6(B)に示す適応フィルタ処理をした場合の復調結果とを比較すると、正解値と復調結果との一致の度合いが、図6(B)に示す適応フィルタ処理をした場合の方が高いことが読み取れる。すなわち図6(B)に示す×印と●印との縦軸方向の位置ずれの大きさは、図6(A)に示す×印と●印との縦軸方向の位置ずれの大きさに比べて、小さく、より正解値に近い値が復調されていることが読み取れる。
【００６３】
以上の結果から、適応フィルタ処理をしなければ、復調がうまく行われないことを示している。すなわち、このシミュレーションにおいて仮定した、受信器アレイを7つという少数の受信器で構成する場合には、適応フィルタ処理をしなければ、AUV 30と受信器アレイ40との間に、通信路を確保できないことを意味している。
【００６４】
受動的位相共役水中音響通信においても、位相共役波の収束特性によって、シンボル間干渉の効果が低減できるが、受信器アレイを構成する受信器の個数が、十分な数だけ具えられていなければ、受信信号として収束しきれずに残るノイズ状の信号成分の大きさは無視できない。この収束しきれずに残ったノイズ状の信号成分が適応フィルタによって除去できたために、上述したように、適応フィルタ処理を行うことによって、良好な受動的位相共役水中音響通信が実現されたものと解釈される。
【００６５】
＜深海域でのシミュレーション結果＞
次に、図7(A)、(B)及び(C)を参照して、深海域での受動的位相共役水中音響通信における適応フィルタ処理による効果をシミュレーションした結果について説明する。図7(A)、(B)及び(C)は、このシミュレーションにおける条件設定についての説明に供する図である。このシミュレーションでは、上述した浅海域におけるシミュレーションを行った場合と異なって、海中での音速が水深に依存することを無視できない程度の深海域での、受動的位相共役水中音響通信について適応フィルタ処理による効果を検証した。
【００６６】
海水52中の音波の伝播計算には、PE (Parabolic Equation)法（例えば、Ding Lee and Martin H. Schultz共著, Numerical Ocean Acoustic Propagation in Three Dimensions, Singapore, World Scientific、3章及び4章を参照）を用いた。
【００６７】
ここでは、海中での音速依存性を2通りの場合に分けてシミュレーションを行った。まず、図7(A)に示す音速依存性を仮定してシミュレーションを行った。この場合を、説明の便宜上ケース(A)とする。また、図7(B)に示す音速依存性を仮定してシミュレーションを行った。この場合を、説明の便宜上ケース(B)とする。すなわち、海水52中の音速c1は、ケース(A)及び(B)の場合は、それぞれ図7(A)及び図７(B)に示す深さに関する関数として与えられる。
【００６８】
図７(A)及び(B)の横軸は音速をm/s単位で目盛って示してあり、縦軸は海面56からの深さをm単位で目盛って示してある。ケース(A)は、音速が、海面56から1400 mまでは深さとともに減速し、再びそれ以上の深さにおいては、深くなるに従って増大するケースである。一方ケース(B)は、音速が海面56から深くなるに従って増大するケースである。
【００６９】
以下において、ケース(A)及びケース(B)におけるシミュレーション結果を説明する。
【００７０】
［ケース(A)］
図7(C)を参照して、ケース(A)のシミュレーションの条件について説明する。海底54の海底面58から海水52の海水面56までの間隔である水深Hを5000 m、AUV 50と受信器アレイ60との距離を500 kmとした。また、受信器アレイ60を構成する受信器はその間隔を10 mとしてその個数を全部で19個とした。図7(C)では、簡便のために受信器を9つ描いてあるが、実際には19個具えられている。受信器アレイ60の深度hを4000 mとしてある。受信器アレイ60の深度hとは、海水面56から受信器アレイ60の中心までの距離をいい、この場合は、受信器アレイ60の中心とは、受信器アレイ60を構成している上から10番目の受信器の位置までの距離を言う。また、海底54中の音速c2、海水52及び海底54のそれぞれの密度ρ1及びρ2は、c2＝1600 m/s、ρ1＝1000 kg/m3、ρ2＝1500 kg/m3としてシミュレーションを行った。
【００７１】
ロールオフフィルタの特性は、上述した浅海領域のシミュレーションにおいて仮定した図4(A）及び(B)で与えられるものと同一のものを使用し、海水52中の音波の伝播計算には、前述したPE法を用いた。
【００７２】
また、受動的位相共役水中音響通信に用いる変調方式として、深海域のシミュレーションでも、16 QAM方式を採用した。また深海域のシミュレーションでも、1500シンボルのデータ列を送信して、浅海域でのシミュレーションで用いたタップ数が85の同一の適応フィルタを用いて、適応フィルタ処理をした場合としなかった場合とを比較した。
【００７３】
図8(A)及び(B)を参照して、深海域のケース(A)に対するシミュレーションの結果を説明する。図8(A)及び(B)は、図5(A)及び(B)と同様の16 QAM方式の復調結果を示す相関図である。
【００７４】
図8(A)に示す相関図は、適応フィルタ処理をしなかった場合の結果を示しており、図8(B)に示す相関図は、適応フィルタ処理をした場合の結果を示している。図8(A)及び(B)に示す相関図においては、図5(A)及び(B)と同様に、データ列の第1000番目のシンボルから第1500番目のシンボルまでの復調結果を示している。
【００７５】
データ列の第1000番目のシンボルから第1500番目のシンボルまでの間で発生したビットエラーと、出力信号のS/N比とを比較すると、次のようになった。図8(A)に示す、適応フィルタ処理をしなかった場合には、エラーの生じたビット数は296ビットであったのに対して、図8(B)に示す、適応フィルタ処理をした場合には6ビットであった。また、出力信号のS/N比は、適応フィルタ処理をしなかった場合には、2.1であったのに対して、適応フィルタ処理をした場合には、15.1であった。
【００７６】
この結果から、適応フィルタ処理することによって、エラーの生じたビット数が296ビットから6ビットまで減少し、出力信号のS/N比は、2.1から15.1まで向上することが確かめられた。図8(A)と図8(B)とを比較すると、16 QAM方式の信号点配置について、前者では黒点で示す信号点配置が一様に散っているのに対して、後者では信号点配置が16箇所にまとまりを持って集まっていることが読み取れる。
【００７７】
［ケース(B)］
ケース(B)のシミュレーションにおいては、海底54の海底面58から海水52の海水面56までの間隔である水深Hを3500 m、AUV 50と受信器アレイ60との距離を1000 kmとした。また、受信器アレイ60を構成する受信器はその間隔を10 mとしてその個数を全部で19個とした。また、受信器アレイ60の深度hを2000 ｍとしてある。また、海底54中の音速c2、海水52及び海底54のそれぞれの密度ρ1及びρ2は、c2＝1600 m/s、ρ1＝1000 kg/m3、ρ2＝1500 kg/m3としてシミュレーションを行った。
【００７８】
ここでも、ロールオフフィルタの特性は、上述した浅海領域のシミュレーションにおいて仮定した図4(A）及び(B)で与えられるものと同一のものを使用し、海水52中の音波の伝播計算には、前述したPE法を用いた。
【００７９】
また、変調方式として16 QAM方式を採用した。また、1500シンボルのデータ列を送信して、浅海域でのシミュレーションで用いたタップ数が85の同一の適応フィルタを用いて、適応フィルタ処理をした場合としなかった場合とを比較した。
【００８０】
図9(A)及び(B)を参照して、深海域のケース(B)に対するシミュレーションの結果を説明する。図9(A)及び(B)は、図5(A)及び(B)と同様の16 QAM方式の復調結果を示す相関図である。
【００８１】
図9(A)に示す相関図は、適応フィルタ処理をしなかった場合の結果を示しており、図9(B)に示す相関図は、適応フィルタ処理をした場合の結果を示している。図9(A)及び(B)に示す相関図においては、図5(A)及び(B)と同様に、データ列の第1000番目のシンボルから第1500番目のシンボルまでの復調結果を示している。
【００８２】
データ列の第1000番目のシンボルから第1500番目のシンボルまでの間で発生したビットエラーと、出力信号のS/N比とを比較すると、次のようになった。図9(A)に示す、適応フィルタ処理をしなかった場合には、エラーの生じたビット数は339ビットであったのに対して、図9(B)に示す、適応フィルタ処理をした場合には0ビットであった。また、出力信号のS/N比は、適応フィルタ処理をしなかった場合には、0.8であったのに対して、適応フィルタ処理をした場合には、18.1であった。
【００８３】
この結果から、適応フィルタ処理することによって、エラーの生じたビット数が339ビットから0ビットまで減少し、出力信号のS/N比は、0.8から18.1まで向上することが確かめられた。図9(A)と図9(B)とを比較すると、16 QAM方式の信号点配置について、前者では黒点で示す信号点配置が一様に散っているのに対して、後者では信号点配置が16箇所にまとまりを持って集まっていることが読み取れる。
【００８４】
以上の結果から、深海域における受動的位相共役水中音響通信においても適応フィルタ処理をしなければ、復調がうまく行われないことを示している。すなわち、このシミュレーションにおいて仮定した、受信器アレイを19個という少数の受信器で構成する場合には、適応フィルタ処理をしなければ、AUV 50と受信器アレイ60との間に、通信路を確保できないことを意味している。
【００８５】
深海域における受動的位相共役水中音響通信においても、浅海域における受動的位相共役水中音響通信の場合と同様に、位相共役波の収束特性によって、シンボル間干渉の効果が低減できるが、受信器アレイを構成する受信器の個数が、十分な数だけ具えられていなければ、受信信号として収束しきれずに残るノイズ状の信号成分の大きさは無視できない。この収束しきれずに残ったノイズ状の信号成分が適応フィルタによって除去できたために、上述したように、適応フィルタ処理を行うことによって、深海域においても、良好な受動的位相共役水中音響通信が実現されたものと解釈される。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】位相共役波による水中音響通信の原理の説明に供する図である。
【図２】受動的位相共役水中音響通信の原理の説明に供する図である。
【図３】浅海域でのシミュレーションにおける条件設定についての説明に供する図である。
【図４】ロールオフフィルタの特性を示す図である。
【図５】浅海域における復調結果を示す相関図である。
【図６】復調結果を時系列で正解値と比較して示す図である。
【図７】深海域でのシミュレーションにおける条件設定についての説明に供する図である。
【図８】ケース(A)における復調結果を示す相関図である。
【図９】ケース(B)における復調結果を示す相関図である。
【符号の説明】
【００８７】
10、30、50：自律型無人探査機(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)
12、32、52：海水
14、34、54：海底
16、36、56：海水面
18、38、58：海底面
20：(送)受信器アレイ
40、60：受信器アレイ
【図１】
2006332947.tif 000004
【図２】
2006332947.tif 000005
【図３】
2006332947.tif 000006
【図４】
2006332947.tif 000007
【図５】
2006332947.tif 000008
【図６】
2006332947.tif 000009
【図７】
2006332947.tif 000010
【図８】
2006332947.tif 000011
【図９】
2006332947.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月31日(2005.5.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2006332947.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月16日(2006.5.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音源から、プローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号を送信する第1ステップと、
該送信信号を、複数の受信器から構成される受信器アレイで受信して、該受信器アレイを構成する各受信器において、それぞれが受信したプローブ信号と受信したデータ列との相関波形を求める第2ステップと、
前記受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を受信信号として求める第3ステップと、
該受信信号に対して適応フィルタによる雑音除去を行う第4ステップとを含み、
前記受信器アレイを構成する前記複数の受信器の個数は、前記受信信号中に位相共役波の収束特性によっては収束しきれないノイズ状の信号成分が残る個数であり、
前記適応フィルタは、前記受信信号中の収束しきれずに残った前記ノイズ状の信号成分を除去するものであることを特徴とする受動的位相共役水中音響通信方法。
【請求項２】
プローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号を送信する音源と、
該送信信号を受信して、受信したプローブ信号と受信したデータ列との相関波形を求める複数の受信器から構成される受信器アレイと、
前記受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を受信信号として生成する加算器と、
該受信信号から雑音を除去する適応フィルタと
を備え、
前記受信器アレイを構成する前記複数の受信器の個数は、前記受信信号中に位相共役波の収束特性によっては収束しきれないノイズ状の信号成分が残る個数であり、
前記適応フィルタは、前記受信信号中の収束しきれずに残った前記ノイズ状の信号成分を除去するものであることを特徴とする受動的位相共役水中音響通信システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
上述の課題を解決するため、この発明の受動的位相共役水中音響通信方法は、次に示すステップを含む。
（A）音源から、プローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号を送信する第1ステップ
（B）送信信号を、複数の受信器から構成される受信器アレイで受信して、この受信器アレイを構成する各受信器において、それぞれが受信したプローブ信号と受信したデータ列との相関波形を求める第2ステップ
（C）受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を受信信号として求める第3ステップ
（D）この受信信号に対して適応フィルタによる雑音除去を行う第4ステップ。
そして本発明の方法では、受信器アレイを構成する複数の受信器の個数は、受信信号中に位相共役波の収束特性によっては収束しきれないノイズ状の信号成分が残る個数である。また適応フィルタは、受信信号中の収束しきれずに残ったノイズ状の信号成分を除去するものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
また、上述の受動的位相共役水中音響通信方法を実現させるためのシステムは次のように構成される。すなわち、受動的位相共役水中音響通信システムは、音源と、受信器アレイと、加算器と、適応フィルタとを具える。音源からは、プローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号が送信される。受信器アレイは、複数の受信器から構成されている。この送信信号は、この複数の受信器でそれぞれ受信されて、受信されたプローブ信号と受信されたデータ列との相関波形が求められる。加算器は、受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を受信信号として生成する。適応フィルタは、この受信信号から雑音を除去する。本発明のシステムでは、受信器アレイを構成する複数の受信器の個数は、受信信号中に位相共役波の収束特性によっては収束しきれないノイズ状の信号成分が残る個数である。また適応フィルタは、受信信号中の収束しきれずに残ったノイズ状の信号成分を除去するものである。