(57)【要約】【課題】海底突起物が水中航走体であるか否かを遠方から判別できる海底突起物判別装置を提供する。【解決手段】海底突起物判別装置１００は、海上の船舶に搭載される海底突起物判別装置であって、船舶から撃ち出された発音弾が水中で爆発した時に発生する衝撃波を受けた海底突起物からの反響音が発音弾が爆発した時に発生する音である直接音よりも所定の時間以上遅れて受信される発音弾が撃ち出される場所の船舶および海底突起物に対する水平方向の距離を計算する計算部１０１と、計算された距離の場所に撃ち出された発音弾の爆発を起因とする反響音を受信する受信部１０２と、受信された反響音を周波数解析することによって海底突起物の種類を判別する判別部１０３とを備える。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海上の船舶に搭載される海底突起物判別装置であって、
前記船舶から撃ち出された発音弾が水中で爆発した時に発生する衝撃波を受けた海底突起物からの反響音が前記発音弾が爆発した時に発生する音である直接音よりも所定の時間以上遅れて受信される前記発音弾が撃ち出される場所の前記船舶および前記海底突起物に対する水平方向の距離を計算する計算部と、
計算された距離の場所に撃ち出された発音弾の爆発を起因とする反響音を受信する受信部と、
受信された反響音を周波数解析することによって前記海底突起物の種類を判別する判別部とを備える
ことを特徴とする海底突起物判別装置。
【請求項２】
判別部は、
受信された反響音に空気で満たされた気密室が固有振動する時に発生する周波数成分が含まれているか否かを確認し、
前記周波数成分が含まれていると確認された反響音を発生させた海底突起物の種類が水中航走体であると判別する
請求項１記載の海底突起物判別装置。
【請求項３】
判別部は、確認された周波数成分の周波数帯域を基に水中航走体内の気密室の大きさを推定する
請求項２記載の海底突起物判別装置。
【請求項４】
海上の船舶に搭載される海底突起物判別装置において実行される海底突起物判別方法であって、
前記船舶から撃ち出された発音弾が水中で爆発した時に発生する衝撃波を受けた海底突起物からの反響音が前記発音弾が爆発した時に発生する音である直接音よりも所定の時間以上遅れて受信される前記発音弾が撃ち出される場所の前記船舶および前記海底突起物に対する水平方向の距離を計算し、
計算された距離の場所に撃ち出された発音弾の爆発を起因とする反響音を受信し、
受信された反響音を周波数解析することによって前記海底突起物の種類を判別する
ことを特徴とする海底突起物判別方法。
【請求項５】
受信された反響音に空気で満たされた気密室が固有振動する時に発生する周波数成分が含まれているか否かを確認し、
前記周波数成分が含まれていると確認された反響音を発生させた海底突起物の種類が水中航走体であると判別する
請求項４記載の海底突起物判別方法。
【請求項６】
確認された周波数成分の周波数帯域を基に水中航走体内の気密室の大きさを推定する
請求項５記載の海底突起物判別方法。
【請求項７】
航空機に搭載された海底突起物判別装置が、
前記航空機から撃ち出された発音弾が水中で爆発した時に発生する衝撃波を受けた海底突起物からの反響音が前記発音弾が爆発した時に発生する音である直接音よりも所定の時間以上遅れて受信される前記発音弾が撃ち出される場所の前記航空機および前記海底突起物に対する水平方向の距離を計算し、
前記航空機から海面に投下された音響センサが、
計算された距離の場所に撃ち出された発音弾の爆発を起因とする反響音を受信し、
受信された反響音を周波数解析することによって前記海底突起物の種類を判別する
ことを特徴とする海底突起物判別方法。
【請求項８】
航空機から海面に投下された音響センサが、
受信された反響音に空気で満たされた気密室が固有振動する時に発生する周波数成分が含まれているか否かを確認し、
前記周波数成分が含まれていると確認された反響音を発生させた海底突起物の種類が水中航走体であると判別する
請求項７記載の海底突起物判別方法。
【請求項９】
航空機から海面に投下された音響センサが、
確認された周波数成分の周波数帯域を基に水中航走体内の気密室の大きさを推定する
請求項８記載の海底突起物判別方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底突起物判別装置および海底突起物判別方法に関し、特に爆発音源を用いて海底突起物の種類を判別する海底突起物判別装置および海底突起物判別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
海上を航行する船舶にとって海中に潜水可能な水中航走体は、衝突する危険性等があるため大きな脅威である。
【０００３】
水中航走体は、航走する際に音波を放出する。よって、船舶は、放出された音波を検出することによって水中航走体を検知できる。
【０００４】
しかし、大陸棚等の浅い海の海底に水中航走体が着底し船舶を待ち伏せる事態が生じることも想定される。水中航走体が待ち伏せる事態が生じる理由は、水中航走体が航走せず海底に着底すると、動力を停止させてスクリューの回転を止めるので、音波を放出しなくなる。よって、船舶が水中航走体を検知することが困難になるためである。
【０００５】
また、海底に着底した水中航走体からの反響音と海底からの反響音との間に違いはないため、音波で物体を探知する装置であるソナーの音響センサであっても、両者を区別することは困難である。
【０００６】
具体的には、ソナーが送信した音波に対する反響音を用いてもドップラーシフト等の物理現象が原因で、船舶は、水中航走体等の突起物と海底とを区別できない。すなわち、船舶がソナーを用いて海底に着底した水中航走体を発見することは困難である。
【０００７】
また、東シナ海の大陸棚や南シナ海の大陸棚には、太平洋戦争時の金属製の沈没船が海底に多数着底している。着底している沈没船と水中航走体とを判別する有効な手段は確立されていない。
【０００８】
図１３は、海底に着底した水中航走体の例を示す説明図である。図１３に示すように沈没船９１のすぐ近くの海底２に水中航走体９０が着底することによって、水中航走体９０の操縦士が沈没船９１に紛れて捜索から逃れようと画策することも考えられる。
【０００９】
図１３に示すように水中航走体９０の操縦士が意図的に沈没船９１の近傍の海底２に着底した場合、沈没船９１と水中航走体９０との判別は特に困難になる。
【００１０】
また、判別対象の海底突起物に対して高分解能の合成開口ソナー等で形状や寸法を観測することによって沈没船等と判別する方法も考えられる。しかし、沈没船に偽装させるために水中航走体にクレーンや煙突等の構造物が取り付けられるような事象も考えられる。海底に着底した水中航走体に偽物のクレーンや煙突等の構造物が取り付けられると、高分解能ソナーで捜索が行われても沈没船としか判別されない可能性が高い。
【００１１】
また、海底突起物が水中航走体であるか否かを確認するためにサイドスキャンソナー等の高分解能ソナーを携えて海底突起物の直上または近傍に接近する方法は、海底突起物が水中航走体である場合に接触事故等が発生する可能性を考えると、危険な方法である。
【００１２】
上記のように、捜索側の水中航走体に装備された音響センサを使用するソナーで海底に着底している水中航走体等の突起物を検出することは困難である。また、判別対象の海底突起物が水中航走体であるか否かを安全な遠方から判別することは困難である。さらに、判別対象の海底突起物が水中航走体であるか、または水中航走体以外の沈没船や自然の岩石等であるかを判別することは更に困難である。
【００１３】
特許文献１には、海底に存在する突起物を正確かつ効率的に判別できる水中航走体の探査装置が記載されている。特許文献１に記載されている探査装置は、海底に投下された発音弾から発せられる爆発音が海底突起物に反響して得られる反響音を信号として検出する信号検出部を備える。
【００１４】
また、特許文献１に記載されている探査装置は、検出された信号の周波数分析の結果から反響音に気体が充満した空間に起因して生じた共鳴音が含まれるか否かを判定することによって海底突起物が水中航走体であるか否かを判別する信号判別部を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１６−１８８８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献１に記載されている探査装置は、発音弾の爆発を起因とする海底残響の影響を回避するため、海底突起物、水中航走体、および発音弾の垂直方向の位置関係に応じた音波の受信タイミングの違いを利用している。
【００１７】
しかし、特許文献１に記載されている探査装置は海底突起物、水中航走体、および発音弾の水平方向の位置関係に応じた音波の受信タイミングの違いを利用していないため、海底突起物が水中航走体であるか否かを安全な遠方から判別することが困難である。
【００１８】
［発明の目的］
そこで、本発明は、上述した課題を解決する、海底突起物が水中航走体であるか否かを遠方から判別できる海底突起物判別装置および海底突起物判別方法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】
【００１９】
本発明による海底突起物判別装置は、海上の船舶に搭載される海底突起物判別装置であって、船舶から撃ち出された発音弾が水中で爆発した時に発生する衝撃波を受けた海底突起物からの反響音が発音弾が爆発した時に発生する音である直接音よりも所定の時間以上遅れて受信される発音弾が撃ち出される場所の船舶および海底突起物に対する水平方向の距離を計算する計算部と、計算された距離の場所に撃ち出された発音弾の爆発を起因とする反響音を受信する受信部と、受信された反響音を周波数解析することによって海底突起物の種類を判別する判別部とを備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明による海底突起物判別方法は、海上の船舶に搭載される海底突起物判別装置において実行される海底突起物判別方法であって、船舶から撃ち出された発音弾が水中で爆発した時に発生する衝撃波を受けた海底突起物からの反響音が発音弾が爆発した時に発生する音である直接音よりも所定の時間以上遅れて受信される発音弾が撃ち出される場所の船舶および海底突起物に対する水平方向の距離を計算し、計算された距離の場所に撃ち出された発音弾の爆発を起因とする反響音を受信し、受信された反響音を周波数解析することによって海底突起物の種類を判別することを特徴とする。
【００２１】
本発明による海底突起物判別方法は、航空機に搭載された海底突起物判別装置が、航空機から撃ち出された発音弾が水中で爆発した時に発生する衝撃波を受けた海底突起物からの反響音が発音弾が爆発した時に発生する音である直接音よりも所定の時間以上遅れて受信される発音弾が撃ち出される場所の航空機および海底突起物に対する水平方向の距離を計算し、航空機から海面に投下された音響センサが、計算された距離の場所に撃ち出された発音弾の爆発を起因とする反響音を受信し、受信された反響音を周波数解析することによって海底突起物の種類を判別することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、海底突起物が水中航走体であるか否かを遠方から判別できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による海底突起物判別方法の例を示す説明図である。
【図２】本発明による海底突起物判別方法の他の例を示す説明図である。
【図３】本発明による海底突起物判別装置３０の第１の実施形態の構成例を示すブロック図である。
【図４】船舶３、発音弾７、および海底突起物６の水平方向の位置関係の例を示す説明図である。
【図５】音響センサ５が受波する音波のレベルの時間経過に伴う変化の例を示す説明図である。
【図６】気密室内で発生する共鳴の例を示す説明図である。
【図７】信号表示部５７による海底突起物判別結果の表示例を示す説明図である。
【図８】第１の実施形態の海底突起物判別装置３０による海底突起物判別処理の動作を示すシーケンス図である。
【図９】本発明による海底突起物判別方法の他の例を示す説明図である。
【図１０】本発明による海底突起物判別方法の他の例を示す説明図である。
【図１１】本発明による海底突起物判別装置の概要を示すブロック図である。
【図１２】本発明による海底突起物判別方法の概要を示す説明図である。
【図１３】海底に着底した水中航走体の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
実施形態１．
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２５】
本発明による海底突起物判別方法は、海上の船舶に装備される音響センサと水中で衝撃波を発生させる発音弾とを組み合わせて用いることによって、海底突起物からの反響音に共鳴音の周波数成分が含まれているか否かを観測する。観測することによって、海底突起物判別方法は、海底突起物が水中航走体であるか否かを判別する。
【００２６】
本発明による海底突起物判別方法は、音響センサを用いて水中航走体を検出する。検出において、海底突起物判別方法は、海底に着底した水中航走体等の海底突起物の中に空気が含まれているか否かを確認することによって、海底突起物が作動可能な水中航走体であるか、または作動不可な沈没船等であるかを判別する。
【００２７】
図１は、本発明による海底突起物判別方法の例を示す説明図である。図１に示す海底突起物判別方法は、海底に着底した水中航走体を検出できる方法である。
【００２８】
図１には、海面１と、海底２と、船舶３と、海底突起物６とが記載されている。また、図１に示すように、船舶３には、砲撃体４と、音響センサ５とが搭載されている。砲撃体４は、発音弾７を発射する機能を有する。砲撃体４は、発音弾７を遠方に撃ち出すことができる。
【００２９】
また、音響センサ５は、海中の音波を受波し、受波された音波を電気信号に変換する機能を有する。音響センサ５は、後述する信号処理を行うことによって、海底突起物６からの反響音１０を検出する。
【００３０】
また、発音弾７は、砲撃体４から発射され、海中に落下した後に内蔵される遅延信管または水圧信管により海中で爆発する砲弾である。なお、発音弾７を海中で爆発させるために発音弾７に内蔵される遅延信管または水圧信管は、当業者によく知られている装置である。
【００３１】
また、図１には、海中で爆発した発音弾７が記載されている。また、図１には、衝撃波８と、直接音９と、反響音１０とが記載されている。
【００３２】
図１に示す衝撃波８は、発音弾７の爆発が原因で発生した海底突起物６に向かう衝撃波である。また、直接音９は、発音弾７の爆発が原因で発生した船舶３に向かう直接音（衝撃波）である。また、反響音１０は、衝撃波８を受けた海底突起物６が発生させた反響音である。
【００３３】
以下、図１を参照して本実施形態の海底突起物判別方法を具体的に説明する。海底２に着底した水中航走体である可能性がある判別対象の海底突起物６の近傍に向けて、海上の船舶３の砲撃体４が発音弾７を発射する。
【００３４】
次いで、発音弾７が海中で爆発することによって、衝撃波８が発生する。発音弾７の爆発が原因で発生する衝撃波８は、特定の周波数成分を有しない水中音波（粗密波）である。次いで、発生した衝撃波８が、海底突起物６を振動させる。
【００３５】
海底突起物６には、衝撃波８を受けると、固有振動数（固有周波数）で振動するという傾向がある。海底突起物６が固有振動数で振動する時、海底突起物６から反響する音波である反響音１０に含まれる固有振動に対応する周波数成分の音波のレベルと継続時間は、海底突起物６の状態に依存する。
【００３６】
例えば、海底突起物６の内部に空気で満たされた気密室が存在する場合と、気密室が存在せず海底突起物６が完全に水没している場合とで、固有振動に対応する周波数成分の音波のレベルと継続時間は異なる。
【００３７】
海底突起物６が水中航走体であり気密室が存在する場合、水中航走体の外殻内の気密室部分で共鳴が発生するため、反響音１０における共鳴音の周波数成分が大きくなる。かつ、共鳴音の継続時間も比較的長くなる。
【００３８】
海底突起物６が沈没船等であり気密室が存在しない場合、共鳴が発生しない。すなわち、反響音１０における共鳴音の周波数成分は、比較的短時間で減衰する。
【００３９】
なお、水中航走体の気密室で共鳴が発生するような強力な音波を圧電セラミックス等で放射することは、現時点の技術を用いて実現することが困難である。しかし、図１に示すように火薬等を爆発させることによって衝撃波を発生させるような発音弾が使用されれば、比較的容易に水中航走体の気密室で共鳴が発生する。
【００４０】
図２は、本発明による海底突起物判別方法の他の例を示す説明図である。図２に示すように、本発明による水中航走体の検出方法は、海底２に着底していない水中航走体９０の検出にも利用される。
【００４１】
本発明による水中航走体の検出方法が海底２に着底していない水中航走体９０を検出できる理由は、魚群探知ソナーが魚の体内の空気が入った浮き袋で反射する音波を検出する原理と同じ原理が検出方法で用いられているからである。
【００４２】
図３は、本発明による海底突起物判別装置３０の第１の実施形態の構成例を示すブロック図である。図３に示すように、海底突起物判別装置３０は、船舶３に搭載されている。
【００４３】
また、図３に示すように、海底突起物判別装置３０は、砲撃体４と、音響センサ５とで構成されている。海底突起物判別装置３０を構成する砲撃体４には、発射される前の発音弾７が用意されている。
【００４４】
図３に示すように、音響センサ５は、圧電素子アレイ５１と、プリアンプ（前段増幅器）BPF(Band Pass Filter)５２と、A/D変換部５３と、指向性合成部５４と、周波数分析部５５と、信号検出部５６と、信号表示部５７と、弾道計算部５８とを備える。
【００４５】
圧電素子アレイ５１は、海中の音波を受波し、受波された音波を電気信号に変換する機能を有する。圧電素子アレイ５１は、音響センサ５の一部として船舶３に搭載される。
【００４６】
プリアンプBPF５２は、バンドパスフィルタの機能に相当するアナログ信号処理を行い、処理された信号をプリアンプで増幅する機能を有する。プリアンプBPF５２は、例えば圧電素子アレイ５１が出力する微弱な電気信号から、海底残響の主な周波数成分である周波数が300Hz未満の低周波成分、および周波数がA/D変換部５３のサンプリング周波数の1/2以上である高周波成分を除去する。
【００４７】
A/D変換部５３は、プリアンプBPF５２から入力された海中の音波の電気信号をデジタルデータに所定のサンプリング周期で変換する機能を有する。
【００４８】
指向性合成部５４は、圧電素子アレイ５１における個々の圧電素子の間隔と配置を基に、水平方向の指向性を有するビームデータ、および垂直方向の指向性を有するビームデータをそれぞれ算出し出力する機能を有する。指向性合成部５４が出力するビームデータが有する指向性は、海底突起物６の方向に向けられている。
【００４９】
周波数分析部５５は、高速フーリエ変換(FFT: Fast Fourier Transform)等のアルゴリズムを使用して、入力された指向性を有するビームデータの時系列データを、所定の周期で周波数成分ごとに受波レベルの時系列データに変換する機能を有する。
【００５０】
信号検出部５６は、指向性を有するビームデータごと、かつ周波数成分ごとの受波レベルの時系列データを監視する。直接音９が音響センサ５に到達した後に共鳴音の周波数成分の受波レベルが、所定の比率以上で所定の時間以上監視された場合、信号検出部５６は、監視されたデータを共鳴音の信号として検出する。なお、共鳴音の周波数成分は、例えば周波数帯域が300〜600Hzの周波数成分である。
【００５１】
信号表示部５７は、周波数分析部５５による海底突起物６の方向に指向性を有するビームデータの分析結果、および信号検出部５６による検出結果を表示する機能を有する。信号表示部５７は、例えば後述する図７に示す内容のように結果を表示する。
【００５２】
弾道計算部５８は、船舶３と海底突起物６との位置関係を基に発音弾７の最適な着弾位置を計算し、砲撃体４から発音弾７が発射される際の弾道計算を行う機能を有する。例えば、弾道計算部５８は、砲撃体４が発音弾７を撃ち出す際の水平角および仰角をそれぞれ算出する。なお、弾道計算部５８による弾道計算の方法として、他にも多くの方法が当業者に知られている。
【００５３】
以下、船舶３、海底突起物６、および発音弾７の位置関係の算出例を、図４を参照して説明する。図４は、船舶３、発音弾７、および海底突起物６の水平方向の位置関係の例を示す説明図である。
【００５４】
一般的に、船舶３の音響センサ５には、発音弾７、音響センサ５、海底２、および海底突起物６の位置関係が正確に設定されていない。位置関係が設定されていないため、音響センサ５は、衝撃波８で海底２が振動することによって放射される音波である海底残響を音響センサ５の指向性を用いて回避することによって、反響音１０のみを受波することができない。
【００５５】
本実施形態の弾道計算部５８は、船舶３から発射される発音弾７の爆発位置を、海底突起物６からの反響音１０、発音弾７の爆発を起因とする直接音９、および海底残響が船舶３に到達する各タイミングを考慮して決定する。弾道計算部５８は、反響音１０と直接音９が同時に音響センサ５に到達しないように、または反響音１０と海底残響が同時に音響センサ５に到達しないように爆発位置を制御する。
【００５６】
弾道計算部５８は、具体的には例えば以下の各条件を用いて発音弾７の爆発位置を決定する。
【００５７】
・水中の音速は1500m/sであると仮定する。
・発音弾７には400gのTNT（トリニトロトルエン）火薬が内蔵されており、TNT火薬の燃焼時間は0.5ミリ秒であると仮定する。
・発音弾７の爆発が原因で発生する海底残響の持続時間は1秒間であると仮定する。
【００５８】
弾道計算部５８は、発音弾７の爆発が原因で発生する直接音９と海底残響の到達時刻よりも1秒以上遅れて音響センサ５が判別対象の海底突起物６からの反響音１０を受波するように、船舶３、発音弾７、および海底突起物６の位置関係を決定する。船舶３の砲撃体４は、発音弾７を弾道計算部５８により設定された位置に投入する。
【００５９】
図４に示すように、海底突起物６、船舶３、および発音弾７を単純に直角三角形の頂点にそれぞれ配置する場合、弾道計算部５８は、以下の関係式が成り立つように発音弾７の投入位置を決定する。
【００６０】
（距離L3）＋1500m ≦ （距離L1）＋（距離L2）
【００６１】
なお、船舶３は予め海底突起物６を発見しているので、図４に示す距離L1は、固定値である。
【００６２】
上記の関係式が成り立つように海底突起物６、船舶３、発音弾７の位置関係が設定されれば、音響センサ５は、図５に示すような受波レベルで音波を受波できる。図５は、音響センサ５が受波する音波のレベルの時間経過に伴う変化の例を示す説明図である。
【００６３】
図５に示す例では、直接音９の到達時刻と反響音１０の到達時刻の間隔が1秒間以上空いている。よって、反響音１０は、海底残響に埋もれずに音響センサ５で観測される。
【００６４】
また、本実施形態の海底突起物判別方法は、反響音１０における発音弾７の爆発を起因とする海底残響の周波数成分の特徴と共鳴音の周波数成分の特徴との違いも活用する。
【００６５】
発音弾７の爆発が原因で発生した衝撃波８を受けた海底２が振動することによって生じる海底残響の音波には、周波数が非常に低いという特徴がある。海底２は無限に広がる平面と考えられるので、海底面そのものが共振現象を起こすと周波数が非常に低い音波が発生すると予想される。例えば、計測されたある海底残響には、周波数が300Hz未満の周波数成分が多く含まれていた。
【００６６】
また、気密室が設けられている水中航走体で発生する共鳴音には、300〜600Hzの周波数帯域の周波数成分が含まれていると考えられる。
【００６７】
図６は、気密室内で発生する共鳴の例を示す説明図である。図６（ａ）は、気密室の例を示す。図６（ａ）に示すように気密室１７の形状が単純な直方体である場合、空気を含む空間と海水との境界に存在する長辺の長さがLの平面状の金属板１８は、衝撃波８を受けると、波長がL/2の共鳴音を発生させる共振振動を行う。
【００６８】
図６（ｂ）は、波長がL/2の共鳴音を発生させる共振振動の例を示す。共振振動に伴い、金属板１８の両側から共鳴音が発生している。また、下の金属板の両側からも共鳴音が発生している。
【００６９】
金属板１８の周囲が海水であれば、海水の音響インピーダンスと金属板１８の音響インピーダンスとの違いが小さいため、共振振動を起こす粗密波の運動エネルギーは、海水に拡散する。すなわち、共振振動が比較的短時間で終息する。例えば、水中で金属板をハンマーで叩くと「コン」という短い音がするだけで音が響かないことは、容易に体験される。
【００７０】
金属板１８の片側が空気で満たされた気密室１７の場合、金属板１８の音響インピーダンスと空気の音響インピーダンスとの違いが大きいため、共振振動を起こす粗密波が気密室１７内で反射を繰り返す。すなわち、粗密波の運動エネルギーは、海中に比較的長い時間の共鳴音を放射する。例えば、空中で音叉を叩くと「キーン」という音が響くことは、容易に体験される。
【００７１】
本実施形態の海底突起物判別方法は、具体的には例えば以下の条件を用いて共鳴音の周波数を計算する。
【００７２】
・水の音響インピーダンス＝1.5×106[Kg/(m2s)]、水中の音速＝約1500[m/s]
・鉄の音響インピーダンス＝46.4×106[Kg/(m2s)]、鉄中の音速＝約5950[m/s]
・空気の音響インピーダンス＝428[Kg/(m2s)]、空気中の音速＝約340[m/s]
・音響インピーダンスの空気を1とした場合の比率：鉄＝108×103、水＝3.5×103
・気密室の寸法が長さL[m]の場合の共振周波数
＝金属板の音速[m/s]÷長さL[m]÷2（閉じた空間であるため波長が2倍になる）
【００７３】
金属板が鉄（音速5950m/s）であり、気密室の長さLが10mである場合、共振周波数は約300Hzと計算される。従って、プリアンプBPF５２が船舶３の音響センサ５の圧電素子アレイ５１で受波された音波のうち、300〜600Hzの周波数帯域の周波数成分のみを通過させ、周波数が300Hz未満の周波数成分をカットすると、海底残響と共鳴音とが判別される。
【００７４】
図７は、信号表示部５７による海底突起物判別結果の表示例を示す説明図である。図７に示すように、信号表示部５７は、時間経過に伴う周波数成分の変化と受波レベルの変化とを上下に並べて表示する。
【００７５】
図７（ａ）は、時間経過に伴う周波数成分の変化を示す。縦軸は、海底突起物６の方向で観測された周波数成分の周波数を示す。すなわち、図７（ａ）の上に示されるほど高周波の周波数成分であり、下に示されるほど低周波の周波数成分である。また、横軸は時間である。
【００７６】
図７（ｂ）は、時間経過に伴う受波レベルの変化を示す。図７（ｂ）に示す表記の意味は、図５に示す表記の意味と同様である。
【００７７】
図７に示すように、直接音９は、非常に受波レベルが大きく、かつ短時間で終息し周波数が低いという特徴を有する音波として表現される。直接音９は、火薬が燃焼して発生した燃焼ガスが水圧で潰れる現象において発生する。発音弾７の爆発燃焼時間は約0.5ミリ秒程度であるが、直接音９自体は数10ミリ秒程度観測される。
【００７８】
また、図７に示すように、海底残響は、受波レベルが大きく、かつ1秒以上継続し周波数が低いという特徴を有する音波として表現される。海底残響は、時間の経過と共に減衰する。
【００７９】
また、図７に示すように、反響音１０は、海底突起物６のサイズが有限であり、ある程度の規模の共振振動により引き起こされるため、海底残響よりも受波レベルが大きい音波として表現される。
【００８０】
海底突起物６の内部に気密室１７が存在する場合、数10ミリ秒〜数100ミリ秒継続する共鳴音の周波数成分が観測される。利用者は、共鳴音の周波数成分の有無、または共鳴音の継続時間を基に、海底突起物６の内部に気密室１７が存在するか否かを判断し、海底突起物６が水中航走体９０であるか否かを判別する。
【００８１】
なお、図７に示す共鳴音の周波数は、気密室１７のサイズおよび金属板１８の素材を基に決定される。また、一般的に水中航走体は鉄を主成分とする鋼鉄で作られているため、利用者は、観測された共鳴音の周波数を基に気密室１７のサイズを推定することもできる。
【００８２】
本実施形態の海底突起物判別装置は、海底に判別対象の水中航走体が着底していると想定し、海上の船舶から海底突起物の近傍に発音弾を発射する。発音弾が海中で爆発すると、水中で衝撃波が発生する。
【００８３】
海底突起物が完全に水没した沈没船である場合、船舶の音響センサで受波された反響音における共鳴音の周波数成分は、極めて短時間しか観測されない。一方、気密室を有するため内部に空気がある海底突起物の場合、反響音における共鳴音の周波数成分が比較的長い時間観測される。以上の差異を用いて、海上の船舶における海底突起物判別装置は、海底突起物が水中航走体であるか否かを判別できる。
【００８４】
［動作の説明］
以下、本実施形態の海底突起物判別装置３０の海底突起物の種類を判別する動作を図８を参照して説明する。図８は、第１の実施形態の海底突起物判別装置３０による海底突起物判別処理の動作を示すシーケンス図である。
【００８５】
図８に示すステップS101〜ステップS115の処理は、海底突起物６が空気を含む気密室１７を有する水中航走体９０であるか否かを海底突起物判別装置３０が判別する際に行う処理である。
【００８６】
音響センサ５の弾道計算部５８は、予め別の手段で発見された海底突起物６に関して、図５に示すように直接音９の受波タイミングと反響音１０の受波タイミングとが所定時間以上ずれるように、発音弾７を投入するための弾道計算を行う（ステップS101）。
【００８７】
次いで、砲撃体４は、弾道計算部５８による弾道計算結果における水平角および仰角で発音弾７を発射する（ステップS102）。
【００８８】
次いで、発音弾７は、海面１に着水した後、海底２に到達して爆発する（ステップS103）。発音弾７の爆発が原因で、水中で衝撃波８が発生する。
【００８９】
次いで、音響センサ５の圧電素子アレイ５１は、発音弾７の爆発が原因で生じた水中の衝撃波８を起因とする直接音９を受波する（ステップS104）。
【００９０】
また、海底２が水中の衝撃波８を受けて振動し、海底残響を放射する（ステップS105）。次いで、音響センサ５の圧電素子アレイ５１は、海底残響を受波する（ステップS106）。
【００９１】
また、海底突起物６が水中の衝撃波８を受けて振動し、反響音１０を放射する（ステップS107）。海底突起物６の内部に気密室１７が存在する場合、気密室１７と海水との間に存在する金属板が共振振動を起こし、共鳴音を放射する。
【００９２】
次いで、音響センサ５の圧電素子アレイ５１は、反響音１０を受波する（ステップS108）。次いで、圧電素子アレイ５１は、受波された直接音９、海底残響、および反響音１０の海中の音波（粗密波）を電気信号に変換する（ステップS109）。圧電素子アレイ５１は、変換された電気信号をプリアンプBPF５２に入力する。
【００９３】
次いで、プリアンプBPF５２は、入力された微弱な電気信号から、海底残響の主成分である低周波成分、および周波数がA/D変換部５３のサンプリング周波数の1/2以上である高周波成分を除去する。除去した後、プリアンプBPF５２は、処理された電気信号をプリアンプで増幅する（ステップS110）。プリアンプBPF５２は、増幅された電気信号をA/D変換部５３に入力する。
【００９４】
次いで、A/D変換部５３は、入力されたアナログ電気信号をデジタルデータに所定のサンプリング周波数で変換する（ステップS111）。A/D変換部５３は、変換されたデジタルデータを指向性合成部５４に入力する。
【００９５】
次いで、指向性合成部５４は、入力された圧電素子アレイ５１の圧電素子ごとのデジタルデータを、海底突起物６の方向の指向性を有する指向性ビームデータに変換する（ステップS112）。
【００９６】
変換された指向性ビームデータは、海底突起物６の方向の感度が大きいデータである。指向性合成部５４は、変換された指向性ビームデータを周波数分析部５５に入力する。
【００９７】
次いで、周波数分析部５５は、入力された指向性ビームデータを、高速フーリエ変換(FFT)等のアルゴリズムに従って所定の周期で周波数成分ごとに受波レベルの時系列データに変換する（ステップS113）。周波数分析部５５は、変換された受波レベルの時系列データを信号検出部５６に入力する。
【００９８】
次いで、信号検出部５６は、入力された周波数成分ごとの受波レベルの時系列データのうち、水中航走体９０内の気密室１７の長さL、および金属板１８の素材から推定される共鳴音の周波数成分の受波レベルの時系列データの変化を監視する。
【００９９】
信号検出部５６は、推定された周波数成分のうち受波レベルが予め想定された比率以上に大きく、かつ予め想定された時間以上継続した周波数成分を共鳴音の周波数成分として検出する（ステップS114）。
【０１００】
次いで、信号表示部５７は、周波数成分ごとに受波レベルの時系列データを表示する。また、信号表示部５７は、信号検出部５６の処理結果を基に共鳴音として検出された信号を表示する（ステップS115）。なお、共鳴音として検出された信号の周波数を基に、気密室１７のサイズが推定されてもよい。
【０１０１】
なお、１回の発音弾７の爆発のみで海底突起物６の種類を正確に判別することは困難である。海底突起物判別装置３０は、図８に示すステップS101〜ステップS115の処理を繰り返し実行することによって、海底突起物６の種類の判別結果を複数回確認できる。
【０１０２】
［効果の説明］
以上のように、本実施形態の海底突起物判別装置は、次の２つの効果を奏する。
【０１０３】
第１の効果として、本実施形態の海底突起物判別装置は、海上の船舶に搭載された音響センサを使用し、海底突起物に空気で満たされた気密室が存在するか否かを確認することによって、海底突起物が水中航走体であるか否かを遠方から判定できる。
【０１０４】
第２の効果として、本実施形態の海底突起物判別装置は、水中航走体から放射される共鳴音の周波数を観測することによって、水中航走体内の気密室のサイズを推定できる。また、海底突起物判別装置は、推定された気密室のサイズを基に水中航走体の種類を推定してもよい。
【０１０５】
本実施形態の海底突起物判別装置は、海底に判別対象の水中航走体が着底していると想定し、海上の船舶から海底突起物の近傍に発音弾を発射する。発音弾が海中で爆発すると、衝撃波が発生する。
【０１０６】
海底突起物が完全に水没した沈没船や岩石等である場合、船舶の音響センサで受波された反響音における共鳴音の周波数成分は、殆ど観測されない。
【０１０７】
一方、気密室を有するため内部に空気がある海底突起物の場合、反響音における共鳴音の周波数成分が十分に観測される。以上の差異を用いて、海上の船舶における海底突起物判別装置は、海底突起物が水中航走体であるか否かを判別できる。
【０１０８】
特許文献１に記載されている探査方法において、発音弾の爆発を起因とする海底残響の影響を回避するため、水中航走体の先端に装備されたソナーは垂直指向性を有する。
【０１０９】
本実施形態の海底突起物判別装置は、装置から遠く離れた場所で発生した反響音を受波する。反響音が垂直指向性を有することは期待されないため、本実施形態ではソナーに垂直指向性が求められないという利点がある。海中の音波には、概ね100m以上進むと垂直方向に曲がって伝搬するという特徴がある。
【０１１０】
なお、本実施形態の音響センサ５は、航空機から海面１に投下されてもよい。図９は、本発明による海底突起物判別方法の他の例を示す説明図である。
【０１１１】
図９に示す海底突起物判別方法では、航空機３２から投下される投下式ソナー３３と、発音弾７とが使用される。投下式ソナー３３に付随する音響センサ５は、海底突起物６からの反響音１０を観測し、海底突起物６内の気密室１７の共振振動に起因する共鳴音の周波数成分が存在するか否かを確認する。確認することによって、音響センサ５は、海底突起物６が水中航走体であるか否かを判別する。
【０１１２】
また、図２と同様に、航空機から海面１に投下された音響センサ５は、海底２に着底していない水中航走体９０を検出できる。図１０は、本発明による海底突起物判別方法の他の例を示す説明図である。
【０１１３】
本実施形態の海底突起物判別装置は、発音弾の爆発が原因で発生する衝撃波を受けて生じる気密室の固有振動数（固有周波数）の共鳴音を利用して、海底突起物が水中航走体であるか沈没船や海底の岩石等であるかを判別する。すなわち、本実施形態の海底突起物判別装置は、水中航走体を効率よく検出できる装置である。
【０１１４】
本実施形態の海底突起物判別装置は、海上の船舶に装備される音響センサ（ソナー）の技術分野、および海上を飛行する航空機から海中に投下される音響センサ（ソナー）の技術分野等で好適に利用されることが期待される。
【０１１５】
次に、本発明の概要を説明する。図１１は、本発明による海底突起物判別装置の概要を示すブロック図である。本発明による海底突起物判別装置１００は、海上の船舶に搭載される海底突起物判別装置であって、船舶から撃ち出された発音弾が水中で爆発した時に発生する衝撃波を受けた海底突起物からの反響音が発音弾が爆発した時に発生する音である直接音よりも所定の時間以上遅れて受信される発音弾が撃ち出される場所の船舶および海底突起物に対する水平方向の距離を計算する計算部１０１（例えば、弾道計算部５８）と、計算された距離の場所に撃ち出された発音弾の爆発を起因とする反響音を受信する受信部１０２（例えば、圧電素子アレイ５１）と、受信された反響音を周波数解析することによって海底突起物の種類を判別する判別部１０３（例えば、周波数分析部５５および信号検出部５６）とを備える。
【０１１６】
そのような構成により、海底突起物判別装置は、海底突起物が水中航走体であるか否かを遠方から判別できる。
【０１１７】
また、判別部１０３は、受信された反響音に空気で満たされた気密室が固有振動する時に発生する周波数成分が含まれているか否かを確認し、周波数成分が含まれていると確認された反響音を発生させた海底突起物の種類が水中航走体であると判別してもよい。
【０１１８】
そのような構成により、海底突起物判別装置は、周波数成分を基に海底突起物が水中航走体であるか否かを判別できる。
【０１１９】
また、判別部１０３は、確認された周波数成分の周波数帯域を基に水中航走体内の気密室の大きさを推定してもよい。
【０１２０】
そのような構成により、海底突起物判別装置は、水中航走体の種類を判別できる。
【０１２１】
また、図１２は、本発明による海底突起物判別方法の概要を示す説明図である。本発明による海底突起物判別方法では、航空機２０１（例えば、航空機３２）に搭載された海底突起物判別装置２００が、航空機２０１から撃ち出された発音弾が水中で爆発した時に発生する衝撃波２０４を受けた海底突起物２０６からの反響音２０５が発音弾が爆発した時に発生する音である直接音２０３よりも所定の時間以上遅れて受信される発音弾が撃ち出される場所の航空機２０１および海底突起物２０６に対する水平方向の距離を計算し、航空機２０１から海面に投下された音響センサ２０２（例えば、投下式ソナー３３）が、計算された距離の場所に撃ち出された発音弾の爆発を起因とする反響音２０５を受信し、受信された反響音２０５を周波数解析することによって海底突起物２０６の種類を判別する。
【０１２２】
そのような構成により、海底突起物判別方法は、海底突起物が水中航走体であるか否かを遠方から判別できる。
【０１２３】
また、航空機２０１から海面に投下された音響センサ２０２が、受信された反響音２０５に空気で満たされた気密室が固有振動する時に発生する周波数成分が含まれているか否かを確認し、周波数成分が含まれていると確認された反響音２０５を発生させた海底突起物２０６の種類が水中航走体であると判別してもよい。
【０１２４】
そのような構成により、海底突起物判別方法は、周波数成分を基に海底突起物が水中航走体であるか否かを判別できる。
【０１２５】
また、航空機２０１から海面に投下された音響センサ２０２が、確認された周波数成分の周波数帯域を基に水中航走体内の気密室の大きさを推定してもよい。
【０１２６】
そのような構成により、海底突起物判別装置は、水中航走体の種類を判別できる。
【符号の説明】
【０１２７】
１  海面
２  海底
３  船舶
４  砲撃体
５、２０２  音響センサ
６、２０６  海底突起物
７  発音弾
８、２０４  衝撃波
９、２０３  直接音
１０、２０５  反響音
１７  気密室
１８  金属板
３０、１００、２００  海底突起物判別装置
３２、２０１  航空機
３３  投下式ソナー
５１  圧電素子アレイ
５２  プリアンプBand Pass Filter(BPF)
５３  A/D変換部
５４  指向性合成部
５５  周波数分析部
５６  信号検出部
５７  信号表示部
５８  弾道計算部
９０  水中航走体
９１  沈没船
【図１】
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【図２】
2018171980.tif 000004
【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】
2018171980.tif 000011
【図１０】
2018171980.tif 000012
【図１１】
2018171980.tif 000013
【図１２】
2018171980.tif 000014
【図１３】
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