(57)【要約】【課題】  水中移動体の対地速度の計測が可能となる水中移動体の海底からの距離の範囲の拡大化を図る。【解決手段】  海底２に音源装置３を設置する。音源装置３は、自己相関に１つのみピークが存在する波形を、設定された時間間隔で複数回連ねた音響信号７を送信する機能を備える。水中移動体４は、受波アレイ５と演算装置６を備える。演算装置６は、第１の検出部１０で、受波アレイ５で受信された音響信号７の情報を基に、音響信号７が到来する信号到来方向Ｄを求め、第２の検出部１１では、ドップラー効果を利用して、水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度ｖを求める。その後、速度計測部１２では、求められた速度ｖが、水中移動体４の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖの速度ベクトルを、信号到来方向Ｄに正射影したベクトルであることを利用して、水中移動体４の移動方向Ｄｖの対地速度Ｖを求める。【選択図】図１
2019135472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水底に設置された音源装置と、
水中移動体に設けられた受波アレイと、
前記受波アレイから受け取る情報を基に、前記水中移動体の対地速度を求める演算装置と、を備え、
前記音源装置は、自己相関に１つのみピークが存在する波形を、設定された時間間隔で複数回連ねた音響信号を送信する機能を備え、
前記演算装置は、
前記受波アレイで受信された前記音響信号の情報を基に、前記音響信号が到来する信号到来方向を求める第１の検出部と、
前記受波アレイで受信された前記音響信号の情報を基に、前記水中移動体の前記信号到来方向に関する速度を求める第２の検出部と、
前記第１の検出部から受け取る情報と、前記第２の検出部から受け取る情報とを基に、前記水中移動体の対地速度を求める速度計測部とを備えること
を特徴とする速度計測システム。
【請求項２】
前記音源装置が、複数とされ、
前記複数の各音源装置は、互いに識別可能な前記音響信号を送信する機能を備えた
請求項１記載の速度計測システム。
【請求項３】
前記演算装置は、
前記受波アレイで受信された前記各音源装置からの前記各音響信号の情報を基に、前記各音響信号が到来する信号到来方向をそれぞれ求める第１の検出部と、
前記受波アレイで受信された前記各音源装置からの前記各音響信号の情報を基に、前記水中移動体の前記各信号到来方向に関する速度をそれぞれ求める第２の検出部と、を備える
請求項２記載の速度計測システム。
【請求項４】
水底に設置された音源装置から、自己相関に１つのみピークが存在する波形を、設定された時間間隔で複数回連ねた音響信号を送信するステップと、
水中移動体に設けられた受波アレイで前記音響信号を受信するステップと、
前記受波アレイで受信された前記音響信号の情報を基に、前記音響信号が到来する信号到来方向を求めるステップと、
前記受波アレイで受信された前記音響信号の情報を基に、前記水中移動体の前記信号到来方向に関する速度を求めるステップと、
前記音響信号が到来する信号到来方向の情報と、前記水中移動体の前記信号到来方向に関する速度の情報とを基に、前記水中移動体の対地速度を求めるステップと、を行うこと
を特徴とする速度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中移動体の対地速度の計測に用いる速度計測システムおよび速度計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水中を移動する水中移動体の位置を検出することは、水中移動体を計画された経路に沿い移動させるために重要である。
【０００３】
また、たとえば、水中移動体に搭載された探査装置により海底の探査を行う場合、探査装置で検出される物体や海底の構造などの被検出物の直接的な位置の情報は、通常、水中移動体に固定された座標空間における位置情報である。そのため、前記被検出物について、緯度や経度のような地球に固定された座標空間での位置を特定するためには、探査を行ったときの水中移動体の位置を検出して、その水中移動体の位置情報を基に、座標変換の処理を行う必要がある。したがって、海底の探査による被検出物の位置を求めるためには、水中移動体の位置の検出が必要とされる。
【０００４】
水中を移動する水中移動体の位置を検出する手法の一つとしては、慣性航法装置を、対地速度計と共に用いる手法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
水中移動体に搭載される対地速度計としては、ドップラーログ（ＤＶＬ：Doppler Velocity Logともいう）が広く用いられている。
【０００６】
慣性航法装置では、水中移動体を移動させるときに、水中移動体の移動方向に関する情報を、設定された時間間隔で継続して取得することができる。
【０００７】
また、ドップラーログでは、水中を移動する水中移動体について、水中移動体の対地速度に関する情報を、設定された時間間隔で継続して取得することができる。
【０００８】
更に、水中移動体については、たとえば、水中移動体が水面に浮いている状態のときに、ＧＰＳのような全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）を用いて、地球に固定された座標空間で位置が特定された個所を、予め、移動開始点として設定する。
【０００９】
その後、移動開始点からの移動を開始した水中移動体については、慣性航法装置で得られる移動方向の情報と、ドップラーログで得られるその移動方向への対地速度の情報とを、時間の経過に従い順次積算して、移動開始点からの移動量を算出することで、水中移動体の位置を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３２１２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、ドップラーログによる水中移動体の対地速度の計測では、水中移動体に備えたドップラーログの送波器から海底に向けて送信する音波（超音波）の信号が、海底で反射し、その信号の反射波がドップラーログの受波器で受信される必要がある。
【００１２】
したがって、ドップラーログでは、送波器から送信された音波の信号の有するエネルギーは、水中移動体と海底との間を往復する距離に応じて減衰する。
【００１３】
更に、前記音波の信号が海底で反射した反射波のうち、ドップラーログで利用できるのは、水中移動体の方向に向かう反射波のみである。したがって、水中移動体の方向以外の方向に向けて反射した反射波のエネルギーは、散逸してしまう。また、海底が、砂泥状などの音波の反射が弱い底質の場合は、水中移動体に向かう反射波のエネルギーはより弱くなってしまう。
【００１４】
そのため、ドップラーログは、機種により異なるが、最大計測レンジは１００ｍから３００ｍ程度に設定されている。
【００１５】
したがって、水中移動体が、海底との間の距離（海底からの高度）がドップラーログの最大計測レンジを超える位置にいる場合は、ドップラーログによる対地速度の計測を行うことができない、というのが実情である。
【００１６】
そのため、従来は、ドップラーログの最大計測レンジを超える水深の領域で水中移動体を使用する場合、たとえば、海底の探査を行う場合は、水中移動体が、海面から、海底からの距離（高度）がドップラーログの最大計測レンジ以内となる深度まで潜航する間については、ドップラーログから対地速度の計測結果を得ることができず、よって、この間に位置誤差が蓄積してしまう。
【００１７】
そこで、本発明は、水中移動体の対地速度を計測することができ、且つ対地速度の計測が可能となる水中移動体の水底からの距離の範囲を、ドップラーログに比して拡大することができる速度計測システム、および、速度計測方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、前記課題を解決するために、水底に設置された音源装置と、水中移動体に設けられた受波アレイと、前記受波アレイから受け取る情報を基に、前記水中移動体の対地速度を求める演算装置と、を備え、前記音源装置は、自己相関に１つのみピークが存在する波形を、設定された時間間隔で複数回連ねた音響信号を送信する機能を備え、前記演算装置は、前記受波アレイで受信された前記音響信号の情報を基に、前記音響信号が到来する信号到来方向を求める第１の検出部と、前記受波アレイで受信された前記音響信号の情報を基に、前記水中移動体の前記信号到来方向に関する速度を求める第２の検出部と、前記第１の検出部から受け取る情報と、前記第２の検出部から受け取る情報とを基に、前記水中移動体の対地速度を求める速度計測部とを備えた構成を有する速度計測システムとする。
【００１９】
前記音源装置が、複数とされ、前記複数の各音源装置は、互いに識別可能な前記音響信号を送信する機能を備えた構成としてある。
【００２０】
前記演算装置は、前記受波アレイで受信された前記各音源装置からの前記各音響信号の情報を基に、前記各音響信号が到来する信号到来方向をそれぞれ求める第１の検出部と、前記受波アレイで受信された前記各音源装置からの前記各音響信号の情報を基に、前記水中移動体の前記各信号到来方向に関する速度をそれぞれ求める第２の検出部と、を備える構成としてある。
【００２１】
また、水底に設置された音源装置から、自己相関に１つのみピークが存在する波形を、設定された時間間隔で複数回連ねた音響信号を送信するステップと、水中移動体に設けられた受波アレイで前記音響信号を受信するステップと、前記受波アレイで受信された前記音響信号の情報を基に、前記音響信号が到来する信号到来方向を求めるステップと、前記受波アレイで受信された前記音響信号の情報を基に、前記水中移動体の前記信号到来方向に関する速度を求めるステップと、前記音響信号が到来する信号到来方向の情報と、前記水中移動体の前記信号到来方向に関する速度の情報とを基に、前記水中移動体の対地速度を求めるステップと、を行う速度計測方法とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の速度計測システム、および、速度計測方法によれば、水中移動体の対地速度を計測することができ、且つ対地速度の計測が可能となる水中移動体の水底からの距離の範囲の拡大化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】速度計測システムの第１実施形態を示す概略図である。
【図２】速度計測システムによる信号到来方向の速度を検出する原理を説明するための図である。
【図３】速度計測システムにより、信号到来方向の速度の情報から、水中移動体の対地速度を求める原理を説明するための図である。
【図４】速度計測システムの第２実施形態の概略を示す概略側面図である。
【図５】図４の速度計測システムにおける水中移動体の対地速度を求める原理を説明するための図である。
【図６】計測された水中移動体の対地速度を、水中移動体に固定された座標系へ座標変換する例を説明するための図である。
【図７】速度計測システムの第３実施形態の概略を示す概略斜視図である。
【図８】図６の速度計測システムにおける水中移動体の対地速度を求める原理を説明するための図である。
【図９】速度計測システムの第４実施形態として、音源装置から送信する音響信号の別の例を示す図である。
【図１０】図９の音響信号を用いる速度計測システムによる信号到来方向の速度を検出する原理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。
【００２５】
［第１実施形態］
図１は、速度計測システムの第１実施形態を示すもので、図１（ａ）は全体構成を示す概略側面図、図１（ｂ）は、水中移動体に備えた演算装置の詳細を示す図である。図２は、速度計測システムにより、水中移動体の信号到来方向に関する速度を検出する原理を説明するための図で、図２（ａ）は、音源装置が送信する信号を示す図、図２（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、水中移動体と音源装置との距離の変化の状況に応じて水中移動体の受波アレイが受信する信号を示す図である。図３は、速度計測システムにより、信号到来方向の速度の情報から、水中移動体の速度を求める原理を説明するための図である。
【００２６】
本実施形態の速度計測システムは、図１（ａ）に符号１で示すもので、海底２に設置される音源装置３と、水中移動体４に設けられた受波アレイ５と、受波アレイ５から受け取る情報を基に、水中移動体４の対地速度Ｖを求める演算装置６と、を備えた構成とされている。
【００２７】
音源装置３は、音響信号７を外部に向けて送信する送波部８を備えている。
【００２８】
音源装置３が送波部８から送信する音響信号７は、図２（ａ）に相関処理後の波形を示すように、自己相関に１つのみピークが存在する波形を、設定された時間間隔Ｔ０で、たとえば、２回連ねた信号である。なお、図２（ａ）では、音響信号７は、自己相関に１つのみピークが存在する波形を、設定された時間間隔Ｔ０で２回連ねた信号とした例を示したが、音響信号７は、自己相関に１つのみピークが存在する波形を、３回以上の複数回連ねた信号としてもよいことは勿論である。この種の自己相関に１つのみピークが存在する波形としては、たとえば、Ｍ系列信号、ＴＳＰ信号、Ｇｏｌｄ系列信号の波形を用いることが好適であるが、これらに限定されるものではない。
【００２９】
音源装置３は、送波部８から、音響信号７を、設定された送信間隔で順次繰り返して送信する機能を備えている。
【００３０】
なお、本実施形態では、後述するように、水中移動体４の対地速度を計測する際に、海底２に設置された音源装置３の位置の情報は特に必要としない。
【００３１】
そのため、音源装置３は、水中移動体４の運用を行う海域にて、水中移動体４の運用を開始する以前に、水中移動体４の母船などの図示しない船舶から海中へ投入して、音源装置３に備えたバラスト部９の重さで海底２まで沈降させることで、海底２への設置を行うようにすればよい。
【００３２】
また、音源装置３は、水中移動体４の運用を行う時点で、送波部８から音響信号７の繰り返し送信を実行していれば、音響信号７の繰り返し送信を開始する時期やきっかけは、自在に設定してよい。
【００３３】
たとえば、音源装置３は、船舶から海中へ投入される時点で、送波部８からの音響信号７の繰り返し送信を開始するようにしてよい。あるいは、音源装置３は、船舶から海中に投入された後、音源装置３に備えた図示しない水深計で設定された水深に達したことが検出されると、送波部８からの音響信号７の繰り返し送信を開始するようにしてもよい。また、音源装置３は、海底に設置された後、音響通信によって船舶や水中移動体４から運転開始指令を受け取ると、送波部８からの音響信号７の繰り返し送信を開始するようにしてもよい。
【００３４】
更に、音源装置３は、回収して再利用を図るという観点から考えると、音響通信によって船舶や水中移動体４から離脱指令を受け取ると、バラスト部９を切り離す図示しない音響切り離し装置（リリーサ）を備える構成とすることが好ましい。なお、この音響切り離し装置は、海底に設置された観測機器やトランスポンダの回収に用いられる既存の音響切り離し装置と同様の構成および機能を備えるようにすればよい。
【００３５】
なお、図１に示した音源装置３は、送波部８とバラスト部９の配置、形状、サイズ、および、装置全体の形状などは、図示するための便宜上のものであり、実際の音源装置３では、それぞれ自在に変更してよいことは勿論である。また、音源装置３の水中移動体４に対するサイズの比も、図示するための便宜上のものであって、実際のサイズの比を反映したものではない。
【００３６】
受波アレイ５は、水中移動体４の下面側に設置されていることが好ましい。これは、海底２から高度を取って移動する水中移動体４に対しては、海底２に設置された音源装置３から送信される音響信号７は、真下や斜め下方から到来するので、この音響信号７を受波アレイ５で受信しやすくするためである。
【００３７】
受波アレイ５は、図示しない複数のハイドロフォンを、水中移動体４の前後方向と左右方向に設定された間隔と配列で備えた構成とされている。これにより、受波アレイ５は、個々のハイドロフォンで受信する音響信号７の位相に、音響信号７が到来する方向に応じたずれが生じるようにしてある。受波アレイ５は、各ハイドロフォンで受信した音響信号７の情報を、そのまま演算装置６に送るようにしてある。
【００３８】
演算装置６は、図１（ｂ）に示すように、受波アレイ５より受け取る音響信号７の情報を基に、音響信号７が到来する方向を信号到来方向Ｄとして検出する第１の検出部１０と、水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度ｖを検出する第２の検出部１１と、を備えた構成とされている。
【００３９】
本実施形態では、演算装置６は、水中移動体４の移動方向Ｄｖを検出する検出装置１３から、水中移動体４の移動方向Ｄｖに関する情報を受け取る機能を備えている。なお、この水中移動体４の移動方向Ｄｖを検出する検出装置１３としては、水中移動体４に広く備えられている慣性航法装置を利用することが好適であるが、慣性航法装置とは別に検出装置１３を備える構成としてもよい。
【００４０】
更に、本実施形態では、演算装置６は、第１の検出部１０から受け取る信号到来方向Ｄの情報と、第２の検出部１１から受け取る水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度ｖの情報と、検出装置１３から受け取る水中移動体４の移動方向Ｄｖの情報とを基に、水中移動体４の対地速度Ｖを求める速度計測部１２を備えている。
【００４１】
第１の検出部１０は、受波アレイ５より、受信した音響信号７の情報を受け取ると、受波アレイ５の各ハイドロフォンで受信された音響信号７の位相のずれを基に、受波アレイ５に対して音響信号７が到来した方向を、信号到来方向Ｄとして検出する機能を備えている。
【００４２】
なお、複数のハイドロフォンのアレイを用いて音源の方向を検出する技術は、音響測位の技術分野などで広く用いられている技術であるため、検出原理の詳細な説明は省略する。
【００４３】
第２の検出部１１は、受波アレイ５より、受信した音響信号７の情報を受け取ると、以下の処理により、水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度ｖを求める機能を備えている。
【００４４】
すなわち、第２の検出部１１は、受波アレイ５より、受信した音響信号７の情報を受け取ると、音響信号７についての相関処理を行って、図２（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、時間軸に沿い２つのピークが存在する波形を求める。更に、第２の検出部１１は、求めた波形について、時間軸に沿い隣接するピーク間の時間間隔Ｔ１を求める。
【００４５】
なお、音源装置３が送信する音響信号７として、自己相関に１つのみピークが存在する波形を、設定された時間間隔Ｔ０で３回以上の複数回連ねた形式の音響信号７を用いる場合は、第２の検出部１１では、次の処理を行うようにすればよい。すなわち、この場合は、第２の検出部１１は、先ず、受波アレイ５で受信した音響信号７の相関処理を行い、時間軸に沿い３つ以上の複数のピークが存在する波形を求める。次に、第２の検出部１１は、求めた波形について、時間軸に沿い隣接するピーク同士の時間間隔を個別に求める。次いで、第２の検出部１１は、求めた各時間間隔を基に平均処理を行い、その結果を、時間軸に沿い隣接するピーク間の時間間隔Ｔ１とする処理を行う。したがって、この手法によれば、第２の検出部１１で求める時間間隔Ｔ１について、より安定した値を得る効果が期待できる。
【００４６】
第２の検出部１１は、音源装置３より送信される音響信号７について、図２（ａ）に示した如き相関処理後の波形において時間軸に沿い隣接するピーク間の時間間隔Ｔ０の設定情報を、予め保存している。
【００４７】
次に、第２の検出部１１は、受信信号情報に基づいて求めた時間間隔Ｔ１を、図２（ａ）に示した送信信号情報に基づく時間間隔Ｔ０と比較する。
【００４８】
この比較の結果、図２（ｂ）に示すように、時間間隔Ｔ１が、図２（ａ）に示した時間間隔Ｔ０と変化していない場合は、ドップラー効果が作用していない状態であるから、水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度がゼロであることが分かる。すなわち、この場合は、水中移動体４は、音源装置３に近付く方向に移動しておらず、離れる方向にも移動していないことが分かる。
【００４９】
これに対し、図２（ｃ）に示すように、時間間隔Ｔ１が、図２（ａ）に示した時間間隔Ｔ０よりも小さい場合は、ドップラー効果によるものであるため、水中移動体４は、信号到来方向Ｄに関して、音源装置３に近付く方向に移動していることが分かる。更に、時間間隔Ｔ１の時間間隔Ｔ０に対する減少量からは、水中移動体４が信号到来方向Ｄに沿い音源装置３に近付く方向へ移動する速度を求めることができる。
【００５０】
一方、図２（ｄ）に示すように、時間間隔Ｔ１が、図２（ａ）に示した時間間隔Ｔ０よりも大きい場合は、ドップラー効果によるものであるため、水中移動体４は、信号到来方向Ｄに関して、音源装置３から離れる方向に移動していることが分かる。また、時間間隔Ｔ１の時間間隔Ｔ０に対する増加量からは、水中移動体４が信号到来方向Ｄに沿い音源装置３から離れる方向へ移動する速度を求めることができる。
【００５１】
よって、第２の検出部１１は、以上の原理に基づいて、受信信号情報に基づいて求めた時間間隔Ｔ１を、図２（ａ）に示した送信信号情報に基づく時間間隔Ｔ０と比較することで、水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度ｖを求めるようにしてある。
【００５２】
このようにして求められた水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度ｖの速度ベクトルは、図３に示すように、水中移動体４の真の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖの速度ベクトルを、信号到来方向Ｄに正射影したベクトルを意味している。
【００５３】
そこで、演算装置６の速度計測部１２は、第１の検出部１０からの信号到来方向Ｄの情報と、第２の検出部１１からの水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度ｖの情報を受け取り、更に、検出装置１３から水中移動体４の移動方向Ｄｖについての情報を受け取ると、水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度ｖの速度ベクトルについて、水中移動体４の移動方向Ｄｖについての正射影の逆写像を求める計算を行う。
【００５４】
この際、図３に示すように、水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度ｖの速度ベクトルの先端の位置で、信号到来方向Ｄに垂直な仮想平面１４と、水中移動体４の位置から移動方向Ｄｖに延びる直線との交点の位置が、水中移動体４の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖの速度ベクトルの先端の位置となる。
【００５５】
よって、速度計測部１２では、幾何学的な計算により、水中移動体４の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖの速度ベクトルを求めることができる。
【００５６】
このように、本実施形態の速度計測システム１では、演算装置６による以上の処理を基に、水中移動体４の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖを計測することができる。
【００５７】
なお、図３では、水中移動体４の向きと、水中移動体４の移動方向Ｄｖが一致しているように図示している。しかし、実際には、検出装置１３で検出される水中移動体４の移動方向Ｄｖは、たとえば、水中移動体４が前進している状態であっても、潮流などの外乱の影響を受けた状態での移動方向であるため、水中移動体４の向きに一致しているとは限らない。
【００５８】
そのため、水中移動体４の前後方向、左右方向、上下方向の３軸方向について、個別に移動する速度の情報が必要とされる場合は、前記のように演算装置６の速度計測部１２で求めた水中移動体４の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖについて、水中移動体４に固定された前後方向、左右方向、上下方向の各軸方向の速度成分を求めるようにすればよい。
【００５９】
また、本実施形態の速度計測システム１では、音源装置３から送信される音響信号７は、水中移動体４に備えた受波アレイ５で直接受信すればよいので、ドップラーログで必要とされていたような、水中移動体４と海底２との間での音波の往復や、音波の海底２での反射を必要としない。
【００６０】
したがって、本実施形態の速度計測システム１によれば、音源装置３から送信する音響信号７が水中移動体４の受波アレイ５に到達するまでのエネルギーの損失を抑えることができるため、対地速度Ｖの計測が可能となる水中移動体４の海底２からの距離の範囲について、拡大化を図ることができる。たとえば、本実施形態の速度計測システム１によれば、対地速度Ｖの計測が可能となる水中移動体４の海底２からの距離の範囲を、ドップラーログの場合に比して２倍か、それ以上まで大幅に拡大することが可能になる。
【００６１】
そのため、ドップラーログの最大計測レンジを超えるような大水深の領域で水中移動体４を使用する場合、たとえば、海底の探査を行う場合であっても、本実施形態の速度計測システム１によれば、水中移動体４が、海面から海底２付近まで潜航する間、継続して対地速度Ｖの計測を行うことができる。
【００６２】
したがって、本実施形態の速度計測システム１を、従来のドップラーログに代えて、あるいはドップラーログと共に、慣性航法装置と組み合わせて用いることにより、ドップラーログの最大計測レンジを超えるような大水深の領域で水中移動体４を使用する場合であっても、水中移動体４の位置をより精度良く検出することが可能になる。
【００６３】
［第１実施形態の第１応用例］
前記第１実施形態と同様の構成において、音源装置３は、送波部８から高低異なる２つの周波数の音響信号７を切り替えて送信する機能と、水中移動体４までの距離を計測する測距機能と、測距機能により計測された水中移動体４までの距離が設定された基準距離よりも長いときには、低周波側の音響信号７を送波部８より送信し、測距機能により計測された水中移動体４までの距離が設定された基準距離以下の場合は、高周波側の音響信号７を送波部８より送信する機能を備えるようにしてもよい。
【００６４】
なお、音源装置３が備える測距機能は、たとえば、音源装置３が備えるトランシーバから送信される音響による測距信号を、水中移動体４が備えるトランスポンダが返信するというような、既存の水中距離探知装置を採用すればよい。
【００６５】
なお、水中移動体４が、音源装置３までの測距機能を備えて、水中移動体４と音源装置３との距離の計測結果を、音響通信により音源装置３へ与える構成としてもよいことは勿論である。
【００６６】
このようにすれば、本応用例における速度計測システム１は、水中移動体４の対地速度Ｖの計測機能について、音源装置３と水中移動体４との距離に応じて、最大計測レンジの拡大化と、高精度化とを、共に図ることができる。
【００６７】
［第１実施形態の第２応用例］
前記第１実施形態と同様の構成において、水中移動体４に備える受波アレイ５が、音源装置３からの音響信号７を受信すると、その信号到来方向Ｄに向けて、ビームフォーミングによる指向性を形成する機能を備えるようにしてもよい。
【００６８】
このようにすれば、本応用例における速度計測システム１は、水中の雑音の影響をより受けにくいものとすることができる。
【００６９】
［第２実施形態］
図４は、速度計測システムの第２実施形態を示すもので、図４（ａ）は全体構成を示す概略側面図、図４（ｂ）は、水中移動体に備えた演算装置の詳細を示す図である。図５は、速度計測システムにより、２つの信号到来方向の速度の情報から、水中移動体の速度を求める原理を説明するための図である。図６は、計測された水中移動体の対地速度を、水中移動体に固定された座標系へ座標変換する例を説明するための図で、図６（ａ）は、計測された対地速度を斜交座標系で示す図、図６（ｂ）は、対地速度を斜交座標系から、水中移動体に固定された座標系へ座標変換した図である。
【００７０】
なお、図４（ａ）（ｂ）、図５、図６（ａ）（ｂ）において、第１実施形態に示したものと同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。
【００７１】
本実施形態の速度計測システムは、図４（ａ）に符号１Ａで示すもので、第１実施形態と同様の構成において、１台の音源装置３を使用する構成に代えて、２台の音源装置３ａ，３ｂを使用する構成としたものである。
【００７２】
音源装置３ａと音源装置３ｂは、第１実施形態における音源装置３と同様の構成を備え、互いに識別可能な音響信号７ａと音響信号７ｂを送信する機能を備えている。なお、音響信号７ａと音響信号７ｂは、いずれも、第１実施形態における音源装置３から送信される音響信号７（図２（ａ）参照）と同様に、自己相関に１つのみピークが存在する波形を、設定された時間間隔Ｔ０で複数回連ねた信号である。
【００７３】
また、音源装置３ａと音源装置３ｂは、海底２における異なる位置に設置されている。
【００７４】
本実施形態における演算装置６では、図４（ｂ）に示すように、第１の検出部１０は、受波アレイ５より受け取る音響信号７ａの情報を基に、音響信号７ａが到来する方向を信号到来方向Ｄａとして検出する機能と、受波アレイ５より受け取る音響信号７ｂの情報を基に、音響信号７ｂが到来する方向を信号到来方向Ｄｂとして検出する機能と、を備えている。
【００７５】
本実施形態における第２の検出部１１は、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）で説明したと同様の原理を用いて、受波アレイ５より受け取る音響信号７ａの情報を基に、水中移動体４の信号到来方向Ｄａに関する速度ｖａを求める機能と、受波アレイ５より受け取る音響信号７ｂの情報を基に、水中移動体４の信号到来方向Ｄｂに関する速度ｖｂを求める機能と、を備えている。
【００７６】
このようにして求められた水中移動体４の信号到来方向Ｄａに関する速度ｖａの速度ベクトルは、図５に示すように、水中移動体４の真の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖの速度ベクトルを、信号到来方向Ｄａに正射影したベクトルを意味している。
【００７７】
また、求められた水中移動体４の信号到来方向Ｄｂに関する速度ｖｂの速度ベクトルは、図５に示すように、水中移動体４の真の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖの速度ベクトルを、信号到来方向Ｄｂに正射影したベクトルを意味している。
【００７８】
したがって、図５に示すように、水中移動体４の信号到来方向Ｄａに関する速度ｖａの速度ベクトルの先端の位置で、信号到来方向Ｄａに垂直な仮想平面１５と、水中移動体４の信号到来方向Ｄｂに関する速度ｖｂの速度ベクトルの先端の位置で、信号到来方向Ｄｂに垂直な仮想平面１６を形成すると、水中移動体４の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖの速度ベクトルの先端の位置は、仮想平面１５と仮想平面１６との交線１７上に位置することになる。
【００７９】
この際、水中移動体４が、音源装置３ａと音源装置３ｂとを結ぶ直線の真上以外に配置されていれば、仮想平面１５と仮想平面１６と交線１７は、傾斜した状態で上下方向に延びる直線となる。
【００８０】
この点に鑑みて、本実施形態における速度計測部１２は、水中移動体４の移動方向Ｄｖを検出する検出装置１３から、水中移動体４の移動方向Ｄｖについて、少なくとも上下方向の角度に関する情報を受け取る機能を備えている。
【００８１】
これにより、速度計測部１２は、前記した仮想平面１５と仮想平面１６との交線１７と、水中移動体４の移動方向Ｄｖの上下方向の角度の情報とを基に、幾何学的な計算により、水中移動体４の対地速度Ｖを求めることができる。
【００８２】
なお、本実施形態においても、速度計測部１２は、第１実施形態の速度計測部１２と同様の処理により、水中移動体４の対地速度Ｖを求めるようにしてもよいことは勿論である。すなわち、速度計測部１２は、検出装置１３から水中移動体４の移動方向Ｄｖの情報を受け取り、水中移動体４の信号到来方向Ｄａに関する速度ｖａの速度ベクトル、あるいは、水中移動体４の信号到来方向Ｄｂに関する速度ｖｂの速度ベクトルについて、水中移動体４の移動方向Ｄｖについての正射影の逆写像を求める計算を行うことで、水中移動体４の対地速度Ｖを求めるようにしてもよい。
【００８３】
したがって、本実施形態の速度計測システム１Ａによっても、第１実施形態の速度計測システム１と同様に使用して、同様の効果を得ることができる。
【００８４】
更に、本実施形態では、図６（ａ）に示すように、信号到来方向Ｄａと信号到来方向Ｄｂが或る角度φで交差している場合、信号到来方向Ｄａに関する速度ｖａの速度ベクトルと、信号到来方向Ｄｂに関する速度ｖｂの速度ベクトルとから求められる水中移動体４の対地速度Ｖは、信号到来方向Ｄａの速度成分ｖ１と、信号到来方向Ｄｂの速度成分ｖ２に分解して表示することができる。なお、図６（ａ）では、説明の便宜上、信号到来方向Ｄａと信号到来方向Ｄｂと、対地速度Ｖの速度ベクトルが、同じ平面に位置していると仮定する（図６（ｂ）も同様）。
【００８５】
この場合、信号到来方向Ｄａに関する速度ｖａ、および、信号到来方向Ｄｂに関する速度ｖｂと、対地速度Ｖの信号到来方向Ｄａの速度成分ｖ１、および、信号到来方向Ｄｂの速度成分ｖ２との関係式は、次の式で表される。
【００８６】
【数１】
2019135472.tif 000003
【００８７】
この状態で、図６（ｂ）に示すように、水中移動体４に固定された前後方向Ｄｙおよび左右方向Ｄｘの直交座標系での速度が必要とされる場合は、次式による座標変換を行って、水中移動体４の前後方向Ｄｙの速度ｖｙ、および、左右方向Ｄｘの速度ｖｘを求めるようにすればよい。
【００８８】
【数２】
2019135472.tif 000004
【００８９】
［第３実施形態］
図７は、速度計測システムの第３実施形態を示すもので、図７（ａ）は全体構成を示す概略斜視図、図７（ｂ）は、水中移動体に備えた演算装置の詳細を示す図である。図８は、速度計測システムにより、３つの信号到来方向の速度の情報から、水中移動体の速度を求める原理を説明するための図である。
【００９０】
なお、図７（ａ）（ｂ）、図８において、第１実施形態に示したものと同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。
【００９１】
本実施形態の速度計測システムは、図７（ａ）に符号１Ｂで示すもので、第１実施形態と同様の構成において、１台の音源装置３を使用する構成に代えて、３台の音源装置３ｃ，３ｄ，３ｅを使用する構成としたものである。
【００９２】
音源装置３ｃと音源装置３ｄと音源装置３ｅは、第１実施形態における音源装置３と同様の構成を備え、互いに識別可能な音響信号７ｃと音響信号７ｄと音響信号７ｅを送信する機能を備えている。なお、各音響信号７ｃ，７ｄ，７ｅは、いずれも、第１実施形態における音源装置３から送信される音響信号７（図２（ａ）参照）と同様に、自己相関に１つのみピークが存在する波形を、設定された時間間隔Ｔ０で複数回連ねた信号である。
【００９３】
また、音源装置３ｃと音源装置３ｄと音源装置３ｅは、海底２における異なる位置に設置されている。
【００９４】
本実施形態における演算装置６では、図７（ｂ）に示すように、第１の検出部１０は、受波アレイ５より受け取る音響信号７ｃの情報を基に、音響信号７ｃが到来する方向を信号到来方向Ｄｃとして検出する機能と、受波アレイ５より受け取る音響信号７ｄの情報を基に、音響信号７ｄが到来する方向を信号到来方向Ｄｄとして検出する機能と、音響信号７ｅが到来する方向を信号到来方向Ｄｅとして検出する機能と、を備えている。
【００９５】
本実施形態における第２の検出部１１は、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）で説明したと同様の原理を用いて、受波アレイ５より受け取る音響信号７ｃの情報を基に、水中移動体４の信号到来方向Ｄｃに関する速度ｖｃを求める機能と、受波アレイ５より受け取る音響信号７ｄの情報を基に、水中移動体４の信号到来方向Ｄｄに関する速度ｖｄを求める機能と、受波アレイ５より受け取る音響信号７ｅの情報を基に、水中移動体４の信号到来方向Ｄｅに関する速度ｖｅを求める機能と、を備えている。
【００９６】
このようにして求められた水中移動体４の信号到来方向Ｄｃに関する速度ｖｃの速度ベクトルは、図８に示すように、水中移動体４の真の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖの速度ベクトルを、信号到来方向Ｄｃに正射影したベクトルを意味している。
【００９７】
また、求められた水中移動体４の信号到来方向Ｄｄに関する速度ｖｄの速度ベクトルは、図８に示すように、水中移動体４の真の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖの速度ベクトルを、信号到来方向Ｄｄに正射影したベクトルを意味している。
【００９８】
同様に、求められた水中移動体４の信号到来方向Ｄｅに関する速度ｖｅの速度ベクトルは、図８に示すように、水中移動体４の真の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖの速度ベクトルを、信号到来方向Ｄｅに正射影したベクトルを意味している。
【００９９】
したがって、図８に示すように、水中移動体４の信号到来方向Ｄｃに関する速度ｖｃの速度ベクトルの先端の位置で、信号到来方向Ｄｃに垂直な仮想平面１８と、水中移動体４の信号到来方向Ｄｄに関する速度ｖｄの速度ベクトルの先端の位置で、信号到来方向Ｄｄに垂直な仮想平面１９と、水中移動体４の信号到来方向Ｄｅに関する速度ｖｅの速度ベクトルの先端の位置で、信号到来方向Ｄｅに垂直な仮想平面２０を形成すると、水中移動体４の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖの速度ベクトルの先端の位置は、仮想平面１８と仮想平面１９と仮想平面２０の交点２１上に位置することになる。
【０１００】
これにより、速度計測部１２は、前記した仮想平面１８と仮想平面１９と仮想平面２０との交点２１を、幾何学的な計算により求めることで、水中移動体４の対地速度Ｖを求めることができる。
【０１０１】
したがって、本実施形態では、速度計測部１２は、検出装置１３から水中移動体４の移動方向Ｄｖの情報を受け取らなくても、水中移動体４の対地速度Ｖを求めることができる。
【０１０２】
なお、本実施形態における速度計測部１２は、第１実施形態の速度計測部１２と同様の処理により、水中移動体４の対地速度Ｖを求めるようにしてもよいことは勿論である。
【０１０３】
以上の構成としてある本実施形態の速度計測システム１Ｂによっても、第１実施形態の速度計測システム１と同様に使用して、同様の効果を得ることができる。
【０１０４】
［第４実施形態］
図９（ａ）（ｂ）および図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）は、速度計測システムの第４実施形態を示すものである。
【０１０５】
図９（ａ）は、音源装置が送信する信号の一例を示す図、図９（ｂ）は、水中移動体の受波アレイが受信する信号の一例を示す図である。図１０は、受波アレイが受信した信号に対する直交検波の処理の結果を示すもので、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）は、水中移動体と音源装置との距離の変化の状況が異なる場合の結果をそれぞれ示す図である。
【０１０６】
なお、本実施形態の速度計測システム１の構成は、音源装置の機能と、演算装置における第２の検出部の機能以外は、図１（ａ）（ｂ）に示した第１実施形態と同様である。
【０１０７】
本実施形態における音源装置３は、送波部８から、図９（ａ）に示す如く、一定周波数の正弦波によるトーンバースト信号を、音響信号２２として外部に送信する機能を備えている。この音源装置３から送信される音響信号２２の周波数は、ｆ０［Ｈｚ］とする。
【０１０８】
また、音源装置３は、送波部８から、音響信号２２を、設定された送信間隔で順次繰り返して送信する機能を備えている。
【０１０９】
したがって、本実施形態では、水中移動体４に備えた受波アレイ５は、図示しない複数のハイドロフォンで音響信号２２を受信すると、音響信号２２の情報を、そのまま演算装置６に送る。なお、受波アレイ５で受信される音響信号２２は、図９（ｂ）に示すように、トーンバースト信号となるが、音源装置３から送信された音響信号２２とは周波数が変化している場合がある。この受波アレイ５で受信される音響信号２２の周波数は、ｆ１［Ｈｚ］とする。
【０１１０】
本実施形態における演算装置６の第２の検出部１１は、受波アレイ５より、受信した音響信号２２の情報を受け取ると、以下の処理により、水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度ｖを求める機能を備えている。
【０１１１】
本実施形態では、第２の検出部１１は、音源装置３より送信される音響信号２２の周波数ｆ０［Ｈｚ］の設定情報を、予め保存している。
【０１１２】
第２の検出部１１は、受波アレイ５より、受信した音響信号２２の情報を受け取ると、周波数ｆ０［Ｈｚ］の設定情報を用いて、直交検波の処理を行う。
【０１１３】
第２の検出部１１で行われる直交検波の処理により、図１０（ａ）に示すように、時間軸方向に沿い、位相θ［ｒａｄ］が一定の値を取る結果が得られた場合は、ｆ１＝ｆ０となる状態、すなわち、ドップラー効果が作用していない状態である。このことから、水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度がゼロであることが分かる。よって、この場合は、水中移動体４は、音源装置３に近付く方向に移動しておらず、離れる方向にも移動していないことが分かる。
【０１１４】
これに対し、第２の検出部１１で行われる直交検波の処理の結果として、図１０（ｂ）に示すように、位相θ［ｒａｄ］の値が時間経過とともに増加する変化を周期的に繰り返す結果が得られた場合は、ｆ１＞ｆ０であることが分かる。このように音響信号２２の周波数がｆ０からｆ１に増加したのは、ドップラー効果によるものである。この結果からは、水中移動体４が、信号到来方向Ｄに関して、音源装置３に近付く方向に移動していることが分かる。
【０１１５】
更に、位相θ［ｒａｄ］の値が増加するときの傾き（ｄθ／ｄｔ（＞０））を計測することにより、以下の式により、受波アレイ５で受信した音響信号２２の周波数ｆ１と、水中移動体４が信号到来方向Ｄに沿い音源装置３に近付く方向へ移動する速度を求めることができる。
【０１１６】
【数３】
2019135472.tif 000005
ここで、ｃは水中での音速（１５００ｍ／ｓ）である。
【０１１７】
一方、第２の検出部１１で行われる直交検波の処理の結果として、図１０（ｃ）に示すように、位相θ［ｒａｄ］の値が時間経過とともに減少する変化を周期的に繰り返す結果が得られた場合は、ｆ１＜ｆ０であることが分かる。このように音響信号２２の周波数がｆ０からｆ１に減少したのは、ドップラー効果によるものである。この結果からは、水中移動体４が、信号到来方向Ｄに関して、音源装置３から離れる方向に移動していることが分かる。
【０１１８】
更に、位相θ［ｒａｄ］の値が減少するときの傾き（ｄθ／ｄｔ（＜０））を計測することにより、前記と同じ式により、受波アレイ５で受信した音響信号２２の周波数ｆ１を求めることができると共に、水中移動体４が信号到来方向Ｄに沿い音源装置３から離れる方向へ移動する速度を、音源装置３に近付く方向へ移動する速度に関する負の値として、求めることができる。
【０１１９】
よって、第２の検出部１１は、以上の原理に基づいて、受信した音響信号２２の周波数ｆ１と、図２（ａ）に示した送信時の音響信号２２の周波数ｆ０との関連を基に、水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度ｖを求める機能を備えている。
【０１２０】
このように、本実施形態では、第２の検出部１１にて、水中移動体４の信号到来方向Ｄに関する速度ｖを求めることができるため、速度計測部１２では、水中移動体４の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖの速度ベクトルを求めることができる。
【０１２１】
よって、本実施形態の速度計測システム１によっても、演算装置６による処理を基に、水中移動体４の移動方向Ｄｖに関する対地速度Ｖを計測することができて、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１２２】
なお、本実施形態における音響信号２２を送信する音源装置３と、演算装置６の第２の検出部１１は、第１実施形態の第１応用例および第２応用例に適用してもよいことは勿論である。
【０１２３】
更に、本実施形態における音響信号２２を送信する音源装置３と、演算装置６の第２の検出部１１は、第２実施形態の速度計測システム１Ａ、および、第３実施形態の速度計測システム１Ｂに適用してもよいことは勿論である。
【０１２４】
なお、本発明は前記各実施形態と各応用例にのみ限定されるものではなく、音源装置３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅの数は４台以上としてもよいことは勿論である。
【０１２５】
第２実施形態における音源装置３ａ，３ｂの配置や、第３実施形態における音源装置３ｃ，３ｄ，３ｅの配置は、複数の音源装置を使用する場合の配置例を示すものであり、実際の音源装置の配置は自在に設定してよい。
【０１２６】
速度計測部１２は、第１の検出部１０と、第２の検出部１１と、必要に応じて検出装置１３から得る水中移動体４の移動方向Ｄｖに関する情報とを基に、水中移動体４の対地速度Ｖを算出することができれば、実際に行う計算手法、計算工程は自在に設定してもよい。
【０１２７】
演算装置６における第１の検出部１０、第２の検出部１１、および、速度計測部１２は、演算装置６に機能として備えられていればよく、それぞれ独立した部品や機器である必要はない。
【０１２８】
本発明の速度計測システムは、海中以外の水中を移動する水中移動体４の対地速度の計測に適用してよい。その場合は、各実施形態および各応用例の説明における海域、海中、海面、海底２を、それぞれ水域、水中、水面、水底と読み替えればよい。
【０１２９】
また、対地速度Ｖの計測対象となる水中移動体４は、探査以外の任意の使用目的で使用される水中移動体４であってもよい。
【０１３０】
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【０１３１】
２  海底（水底）、３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ  音源装置、４  水中移動体、５  受波アレイ、６  演算装置、７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ  音響信号、１０  第１の検出部、１１  第２の検出部、１２  速度計測部、Ｄ，Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃ，Ｄｄ，Ｄｅ  信号到来方向、Ｖ  対地速度、ｖ，ｖａ，ｖｂ，ｖｃ，ｖｄ，ｖｅ  速度
【図１】
2019135472.tif 000006
【図２】
2019135472.tif 000007
【図３】
2019135472.tif 000008
【図４】
2019135472.tif 000009
【図５】
2019135472.tif 000010
【図６】
2019135472.tif 000011
【図７】
2019135472.tif 000012
【図８】
2019135472.tif 000013
【図９】
2019135472.tif 000014
【図１０】
2019135472.tif 000015