(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中航走体を探査する装置であって、
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と、
前記検出された信号の周波数分析の結果から、前記反響音に、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どうかを判定することにより、前記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と、
を備える、ことを特徴とする探査装置。
【請求項２】
前記信号判別部は、２２〜４５Ｈｚの周波数帯域における信号強度が、他の周波数帯域における信号強度よりも大きい場合に、前記反響音に前記共鳴音が含まれていると判定する、
請求項１に記載の探査装置。
【請求項３】
前記発音弾を所定のタイミングで海底に投下するよう指示する発音弾制御部をさらに備える、
請求項１または２に記載の探査装置。
【請求項４】
探信音を生成して、音波出力部に海中に向かって前記探信音を送信させる送信波形生成部と、
前記探信音、および、前記探信音が前記海底突起物に反響して得られる反響音に基づいて、前記海底突起物の方位および距離を計算する計算部と、をさらに備える、
請求項１〜３のいずれかに記載の探査装置。
【請求項５】
探査用水中航走体に搭載される、
請求項１〜４のいずれかに記載の探査装置。
【請求項６】
水中航走体を探査する方法であって、
（ａ）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ステップと、
（ｂ）前記検出された信号の周波数分析の結果から、前記反響音に、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どうかを判定することにより、前記海底突起物が水中航走体であるか否かを判別するステップと、
を有する、ことを特徴とする探査方法。
【請求項７】
コンピュータに、
（ａ）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ステップと、
（ｂ）前記検出された信号の周波数分析の結果から、前記反響音に、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どうかを判定することにより、前記海底突起物が水中航走体であるか否かを判別するステップと、
を実行させる、プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中航走体の探査装置、探査方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
海上を航行する船舶にとって、潜水艦等の水中航走体は時に大きな脅威となりうる。水中航走体が航走する際には音波を出すことから、その音波を検出して水中航走体の存在を検知することができる。
【０００３】
しかし、近年、大陸棚等の浅い海の海底に水中航走体が鎮座して、船舶を待ち伏せする方法が想定されるようになった。水中航走体が海底に鎮座してスクリューの回転を止めていると、音波を出さなくなるため、その存在を検知することは極めて困難となる。ソナー等の音響センサを用いた場合でも、海底に鎮座した水中航走体と海底からの反響音に違いはなく区別は困難である。
【０００４】
例えば、特許文献１には、音響センサから出力される探信音の指向性の範囲から海底が除外されるように探信音の指向性を制御することで、反響音に基づき検出される検出対象の検出精度を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−２０９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、日本近海の大陸棚には、多数の金属製の沈没船が存在しており、特許文献１に記載の技術を用いた場合であっても、これらの沈没船と水中航走体とを判別することは困難である。
【０００７】
そのため、不審な水中航走体を発見した場合であっても、当該水中航走体が沈没船のすぐ傍に着底し、沈没船に紛れてしまうと、捜索できなくなることも考えられる。さらに、海底に鎮座した水中航走体がクレーンまたは煙突等の構造物を偽装した場合、高分解能ソナーを用いて捜索しても、外形が沈没船にしか見えない場合も考えられる。
【０００８】
本発明の目的の一例は、上記問題を解消し、海底に存在する突起物を正確かつ効率的に判別し得る、水中航走体の探査装置、探査方法およびプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の一側面における探査装置は、水中航走体を探査する装置であって、
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と、
前記検出された信号の周波数分析の結果から、前記反響音に、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どうかを判定することにより、前記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と、
を備える、ことを特徴とする。
【００１０】
また、上記目的を達成するため、本発明の一側面における探査方法は、水中航走体を探査する方法であって、
（ａ）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ステップと、
（ｂ）前記検出された信号の周波数分析の結果から、前記反響音に、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どうかを判定することにより、前記海底突起物が水中航走体であるか否かを判別するステップと、
を有する、ことを特徴とする。
【００１１】
さらに、上記目的を達成するため、本発明の一側面におけるプログラムは、コンピュータに、
（ａ）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ステップと、
（ｂ）前記検出された信号の周波数分析の結果から、前記反響音に、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どうかを判定することにより、前記海底突起物が水中航走体であるか否かを判別するステップと、
を実行させる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明によれば、海底に存在する突起物を正確かつ効率的に判別することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における探査装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る探査方法の概要を説明するための図である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る探査方法の概要を説明するための図である。
【図４】図４は、本実施の形態に係る探査方法の概要を説明するための図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態における探査装置の構成を具体的に示すブロック図である。
【図６】図６は、送信用圧電素子アレイ、右受信用圧電素子アレイおよび左受信用圧電素子アレイを概略的に示す（ａ）正面図および（ｂ）平面図である。
【図７】図７は、本実施の形態に係る探査装置における探信音の指向性の範囲の一例について説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態における探査装置の動作を示すフロー図である。
【図９】図９は、深度維持処理の動作を詳しく説明するためのフロー図である。
【図１０】図１０は、海底突起物検出処理の動作を詳しく説明するためのフロー図である。
【図１１】図１１は、海底突起物判別処理の動作を詳しく説明するためのフロー図である。
【図１２】図１２は、本実施の形態に係る探査方法の概要を説明するための図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態で検出される信号強度の時間変化の一例を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態における探査装置を実現するコンピュータの一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態における、探査装置、探査方法およびプログラムについて、図１〜１４を参照しながら説明する。
【００１５】
［装置構成］
最初に、図１を用いて、本発明の実施の形態における探査装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態における探査装置の概略構成を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施の形態における探査装置１００は、信号検出部１０および信号判別部２０を備えている。信号検出部１０は、海底に投下された発音弾から爆発音が発せられた際に、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。
【００１７】
信号検出部１０によって検出された信号は、信号判別部２０に出力される。信号判別部２０は、入力された信号の周波数分析を行う。ここで、海底突起物が沈没船である場合、その内部は海水で満たされているため、爆発音のエネルギーは沈没船内部の海水を透過する。したがって、音響的な共鳴等が生じることはない。
【００１８】
一方、海底突起物が水中航走体である場合、その内部には乗組員の居住空間等の気密室が存在するため、爆発音のエネルギーは空気と海水との間で透過せずに反響する割合が高くなる。よって、音響的な共鳴が発生する。
【００１９】
したがって、信号判別部２０は、入力された信号の周波数分析を行って、海底突起物からの反響音の中に共鳴音が含まれるかどうかの判定を行うことにより、海底突起物が水中航走体であるかどうかを判別することができる。
【００２０】
例えば、気密室の大きさが１４ｍ×７ｍ程度である場合、空気中での音速が３４５ｍ／ｓであることから２２〜４５Ｈｚの共鳴が起きると考えられる。したがって、本実施の形態においては、信号判別部２０は、２２〜４５Ｈｚの周波数帯域における信号強度が、他の周波数帯域における信号強度よりも大きい場合に、海底突起物からの反響音の中に共鳴音が含まれていると判定し、海底突起物は水中航走体であると判断することができる。
【００２１】
このように、本実施の形態では、海底に存在する突起物が沈没船であるのか、水中航走体であるのかを正確かつ効率的に判別することが可能となる。
【００２２】
本実施の形態における探査装置１００の動作の詳細な説明については後述するが、図２〜４を用いて、探査方法の概要を簡単に説明する。図２に示すように、探査装置１００を搭載した探査用水中航走体１は、海底面３に対して略平行な方向に進行する。探査装置１００は、進行方向に探信音Ａを送信し、また、略鉛直下向きの海底面３に対して海底探信音Ｂを送信する。そして、探査装置１００は、探信音Ａが海底突起物５に反響した反響音Ｃを受信し、信号検出部１０がその信号を検出した場合は、海底突起物５の存在を検知したことになる。また、探査用水中航走体１は、海底探信音Ｂが海底面３に反響した海底反響音Ｄを受信して、海底面３からの高さを一定に保つように構成されている。
【００２３】
図３および４に示すように、海底突起物５の存在が検知された場合、探査用水中航走体１は、海底突起物５の方向に進行しながら、所定のタイミングで発音弾２を海底に投下する。投下された発音弾２は、一定時間後に爆発し、水中に爆発音Ｅを放出する。爆発音Ｅは衝撃波として水中を伝わり海底突起物５に入射する。海底突起物５から反射される反響音Ｃを信号として検出する。探査装置１００が備える信号判別部２０は、反響音Ｃの中に共鳴音が含まれていなければ沈没船等であり、含まれていれば海底突起物５は水中航走体であると判断する。
【００２４】
ここで、図５を用いて、本実施の形態における探査装置１００についてさらに具体的に説明する。図５は、本発明の実施の形態における探査装置１００の構成を具体的に示すブロック図である。なお、探査装置１００は、探査用水中航走体１に搭載されている。すなわち、水中航走体１は、探査装置１００と、Ｄ／Ａ変換器４２と、増幅器４４と、送信用圧電素子アレイ（音波出力部）４６と、右受信用圧電素子アレイ１２と、左受信用圧電素子アレイ１４と、Ａ／Ｄ変換器１６と、左右操縦装置５５と、上下操縦装置６５と、発音弾分離装置７５と、を備える。
【００２５】
Ｄ／Ａ変換器４２は、後述する送信波形生成部４０から入力されたデジタルデータを、アナログ送信信号に変換して増幅器４４に出力する。そして、増幅器４４は、Ｄ／Ａ変換器４２から入力されたアナログ送信信号を増幅し、送信用圧電素子アレイ４６に出力する。
【００２６】
送信用圧電素子アレイ４６は、増幅器４４から入力されたアナログ送信信号を音波に変換して、海中に探信音Ａまたは海底探信音Ｂとして送信する。図６に示すように、送信用圧電素子アレイ４６は、複数の圧電素子を縦方向にアレイ状に配列したものである。送信用圧電素子アレイ４６は、例えば、図７に示すように、探査用水中航走体１の進行方向に対して、仰俯角３度の指向性を有する探信音Ａを送信する。
【００２７】
右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４は、海中の音波を受信し、アナログ受信信号に変換してＡ／Ｄ変換器１６に出力する。そして、Ａ／Ｄ変換器１６は、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４から入力されたアナログ受信信号をデジタルデータに変換して、信号検出部１０に出力する。図６に示すように、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４は、複数の圧電素子を縦方向にアレイ状に配列したものである。
【００２８】
図５に示すように、本実施の形態における探査装置１００は、信号検出部１０および信号判別部２０に加えて、計算部３０、送信波形生成部４０、左右操縦制御部５０、上下操縦制御部６０および発音弾制御部７０を備えている。探査装置１００が備える各構成について、以下に詳しく説明する。
【００２９】
図５を参照して、送信波形生成部４０は、計算部３０からの制御により、探査用水中航走体１の送信用圧電素子アレイ４６から送信する探信音Ａおよび海底探信音Ｂの波形を表す２種類のデジタルデータを生成して、Ｄ／Ａ変換器４２に出力する。
【００３０】
送信波形生成部４０は、送信用圧電素子アレイ４６が有する各圧電素子に対して、位相差を設けた音波を送信するように指示することによって、垂直指向性を有する探信音Ａを送信する。また、送信波形生成部４０は、送信用圧電素子アレイ４６が有する複数の圧電素子のうちの最下部の圧電素子に対して音波を送信するように指示することによって、海底探信音Ｂを送信する。
【００３１】
送信波形生成部４０は、送信用圧電素子アレイ４６から先に探信音Ａを送信し、続いて海底探信音Ｂを送信する順番となるようにデジタルデータを出力する。また、探信音Ａおよび海底探信音Ｂのそれぞれの反響音を分離できるようにするため、探信音Ａと海底探信音Ｂとでは周波数が異なる音波を用いる。
【００３２】
信号検出部１０は、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４が有する各圧電素子が受信した音波のデジタルデータについて、整相処理を施すことによって、垂直指向性を有する音波のみを強調することができる。そして、信号検出部１０は、垂直指向性を有する音波のデジタルデータについて、探信音Ａと同じ周波数を通過帯域としたバンドパスフィルタ処理を行い、探信音Ａと同じ周波数成分のみを検出して経時変化を観測する。
【００３３】
探信音Ａの送信後に同じ周波数の音波の強度が増す場合は、探信音Ａが物体に反響して得られた反響音を受信したことを意味する。また、送信波形生成部４０は探信音Ａを発信する際に垂直指向性を制御し、さらに信号検出部１０は垂直指向性を有する音波を強調して検出していることから、海底面３および海面４からの反響音は低減される。したがって、探信音Ａの送信後に同じ周波数の音波の受信強度が増す場合は、探信音Ａが海底突起物に反響した反響音Ｃを受信していると考えられる。このような構成を採用することで、前方に存在する海底突起物５を高精度で検出することが可能となる。
【００３４】
信号検出部１０は、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４が有する複数の圧電素子のうちの最下部の圧電素子が受信した音波のデジタルデータについて、海底探信音Ｂと同じ周波数を通過帯域としたバンドパスフィルタ処理を行うことによって、海底探信音Ｂが海底に反響した海底反響音Ｄを信号として検出する。
【００３５】
信号検出部１０で検出された反響音Ｃおよび海底反響音Ｄのデジタルデータは、計算部３０に出力される。
【００３６】
計算部３０は、送信波形生成部４０に探信音Ａの送信波形のデジタルデータを出力する制御を行ったタイミングから、反響音Ｃを検出したタイミングまでの時間を計測することにより、海底突起物５までの距離を計算する。
【００３７】
また、図６に示すように、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４では、水平方向の指向性の範囲が異なる。そのため、計算部３０は、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４のそれぞれが受信した反響音Ｃのデジタルデータについて、強度を比較することによって、海底突起物５の方位を計算することが可能である。
【００３８】
さらに、計算部３０は、送信波形生成部４０に海底探信音Ｂの送信波形のデジタルデータを出力する制御を行ったタイミングから、海底反響音Ｄを検出したタイミングまでの時間を計測することにより、海底面３までの距離を計算する。
【００３９】
左右操縦制御部５０は、計算部３０によって得られた海底突起物５の方位に関する情報に基づき、探査用水中航走体１の左右操縦装置５５に対して指示を送り、海底突起物５が存在する方向に向かうよう探査用水中航走体１の左右の進行方向を制御する。
【００４０】
また、上下操縦制御部６０は、計算部３０によって得られた海底までの距離に関する情報に基づき、探査用水中航走体１の上下操縦装置６５に対して指示を送り、適切な深度を維持するよう探査用水中航走体１の上下の進行方向を制御する。
【００４１】
発音弾制御部７０は、計算部３０によって得られた海底突起物５までの距離および方位ならびに海底面までの距離が所定の条件を満たした状態において、探査用水中航走体１の発音弾分離装置７５に対して、発音弾２を海底に投下するように指示する。
【００４２】
ここで、投下した発音弾２が探査用水中航走体１に接触しないためには、探査用水中航走体１から発音弾２を勢いよく分離する必要がある。そのため、発音弾分離装置７５は、圧縮空気または少量の火薬の爆発による燃料ガスの膨張によって、発音弾２を勢いよく水中に放出する。なお、発音弾分離装置７５は、発音弾２を投下する際に、一定時間後に爆発が生じるよう、発音弾２に内蔵された遅延信管を起動する。
【００４３】
発音弾２は、例えば、投下されてから１０ｓ後に爆発するように設定された遅延信管を内蔵しており、１ポンド（約４５３ｇ）程度のＴＮＴ火薬を金属容器内で爆発させて、爆発音Ｅを発生させる。発音弾２は海水より比重がはるかに大きいため、爆発する前に海底面３に着底する。
【００４４】
爆発音は、火薬が爆発することによって生じる水中の衝撃波である。金属容器内に詰め込まれた約４５３ｇのＴＮＴ火薬の燃焼時間は約０．５ｍｓであり、０．５ｍｓで燃焼ガスの放出を終える。爆発音は、実際は金属容器の破裂の方向により予測不可能な指向性をわずかに有するものの、理論上は水平方向に対して無指向性の衝撃波と考えられる。なお、発音弾２は公知のものを用いればよいため、その構成については説明を省略する。
【００４５】
海底突起物５で反射してから到達する反響音Ｃは、探査用水中航走体１の右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４によって受信された後、信号検出部１０によって信号として検出される。具体的には、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４は、反響音Ｃを含む海中の音波を受信し、アナログ受信信号に変換してＡ／Ｄ変換器１６に出力する。そして、Ａ／Ｄ変換器１６は、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４から入力されたアナログ受信信号をデジタルデータに変換して、信号検出部１０に出力する。
【００４６】
信号検出部１０は、音波のデジタルデータから、海底突起物５からの反響音Ｃを含む信号を抽出し、信号判別部２０に出力する。
【００４７】
信号判別部２０は、反響音Ｃを含む信号について、周波数分析を行う。具体的には、反響音のデジタルデータに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による周波数分析処理を行う。そして、その分析結果から、海底突起物５が水中航走体であるか沈没船等であるかを判別する。すでに説明したように、上記の分析結果に基づき、例えば、２２〜４５Ｈｚの周波数帯域における信号強度が、他の周波数帯域における信号強度より大きい場合には、反響音Ｃに共鳴音が含まれているため、海底突起物５の内部には気密室が存在し、すなわち、海底突起物５は水中航走体であると判断することができる。
【００４８】
［装置動作］
次に、本実施の形態における探査装置１００の動作について図８〜１１を用いて説明する。図８〜１１は、本発明の実施の形態における探査装置１００の動作を示すフロー図である。以下の説明においては、適宜図２を参酌する。また、本実施の形態では、探査装置１００を動作させることによって、探査方法が実施される。よって、本実施の形態における探査方法の説明は、以下の探査装置１００の動作説明に代える。
【００４９】
図８に示すように、探査装置１００は、まず海底突起物検出処理を行い（ステップＡ）、その後、海底突起物判別処理を行う（ステップＢ）。この間、図９に示すように、探査装置１００を搭載した探査用水中航走体１が海底面３との距離を一定に保つように、深度維持処理を、上記のステップＡまたはステップＢと並行して行う。
【００５０】
まず、図９に示すフロー図を用いて、深度維持処理について詳しく説明する。送信波形生成部４０は、計算部３０の制御により、探査用水中航走体１の送信用圧電素子アレイ４６から送信する海底探信音Ｂの波形を表すデジタルデータを生成する（ステップＳ１）。この際、探信音Ａおよび海底探信音Ｂのそれぞれの反響音を分離できるようにするため、探信音Ａと海底探信音Ｂとでは、異なる周波数帯を選択する。
【００５１】
Ｄ／Ａ変換器４２は、送信波形生成部４０から入力された海底探信音Ｂのデジタルデータを、アナログ送信信号（アナログ信号）に変換する（ステップＳ２）。そして、増幅器４４は、Ｄ／Ａ変換器４２から入力されたアナログ送信信号を増幅する（ステップＳ３）。
【００５２】
送信用圧電素子アレイ４６は、増幅器４４から入力されたアナログ送信信号を音波に変換して、海中に海底探信音Ｂとして送信する（ステップＳ４）。なお、送信波形生成部４０は、送信用圧電素子アレイ４６が有する複数の圧電素子のうちの最下部の圧電素子に対して音波を送信するように指示することによって、海底探信音Ｂを送信する。
【００５３】
続いて、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４は、海中の音波を受信し、アナログ受信信号（アナログ信号）に変換する（ステップＳ５）。そして、Ａ／Ｄ変換器１６は、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４から入力されたアナログ受信信号をデジタルデータに変換する（ステップＳ６）。
【００５４】
信号検出部１０は、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４が有する複数の圧電素子のうちの最下部の圧電素子が受信した音波のデジタルデータについて、海底探信音Ｂと同じ周波数を通過帯域としたバンドパスフィルタ処理を行うことによって、海底探信音Ｂが海底に反響した海底反響音Ｄを信号として検出する（ステップＳ７）。
【００５５】
次に、計算部３０は海底反響音Ｄのデジタルデータに基づき、海底までの距離を計算する（ステップＳ８）。
【００５６】
具体的には、送信波形生成部４０に海底探信音Ｂの送信波形のデジタルデータを出力する制御を行ったタイミングから、海底反響音Ｄを検出したタイミングまでの時間を計測することにより、海底面３までの距離を計算する。例えば、海底探信音Ｂの送信波形のデジタルデータを出力してから海底反響音Ｄを検出するまでの時間をＴ２（ｓ）とすると、水中音速は約１５００ｍ／ｓなので海底面３までの距離Ｌ２（ｍ）は、下記（ii）式で計算される。
Ｌ２＝１５００×Ｔ２／２      ・・・（ii）
【００５７】
計算部３０によって得られた海底までの距離に関する情報に基づき、上下操縦制御部６０は、探査用水中航走体１の上下操縦装置６５に対して指示を送り、探査用水中航走体１の上下の進行方向を制御する（ステップＳ９）。
【００５８】
例えば、海底面３までの距離が設定値よりも大きく、探査用水中航走体１の水深が浅すぎるという結果が得られた場合は、上下操縦制御部６０は上下操縦装置６５に対して降下を指示する。一方、海底面３までの距離が設定値よりも小さく、探査用水中航走体１の水深が深すぎるという結果が得られた場合は、上下操縦制御部６０は上下操縦装置６５に対して上昇を指示する。そして、海底面３までの距離が設定値と等しい場合は、上下操縦制御部６０は上下操縦装置６５に対して水平航走を指示する。
【００５９】
前述のステップＡおよびステップＢが終了したら（ステップＳ１０でＹｅｓの場合）、深度維持処理は終了する（Ｅｎｄ）。一方、ステップＡおよびステップＢが終了していない場合（ステップＳ１０でＮｏの場合）、ステップＳ１の処理を再度行う。
【００６０】
次に、図１０に示すフロー図を用いて、海底突起物検出処理について詳しく説明する。図１０は、ステップＡにおける探査装置１００の動作をさらに詳細に説明するフロー図である。まず、送信波形生成部４０は、計算部３０の制御により、探査用水中航走体１の送信用圧電素子アレイ４６から送信する探信音Ａの波形を表すデジタルデータを生成する（ステップＡ１）。
【００６１】
次に、Ｄ／Ａ変換器４２は、送信波形生成部４０から入力された探信音Ａのデジタルデータを、アナログ送信信号（アナログ信号）に変換する（ステップＡ２）。そして、増幅器４４は、Ｄ／Ａ変換器４２から入力されたアナログ送信信号を増幅する（ステップＡ３）。
【００６２】
送信用圧電素子アレイ４６は、増幅器４４から入力されたアナログ送信信号を音波に変換して、海中に探信音Ａとして送信する（ステップＡ４）。なお、図６に示すように、送信用圧電素子アレイ４６は、複数の圧電素子を縦方向にアレイ状に配列したものである。送信波形生成部４０は、送信用圧電素子アレイ４６が有する各圧電素子に対して、位相差を設けた音波を送信するように指示することによって、垂直指向性を有する探信音Ａを送信する。
【００６３】
続いて、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４は、海中の音波を受信し、アナログ受信信号（アナログ信号）に変換する（ステップＡ５）。そして、Ａ／Ｄ変換器１６は、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４から入力されたアナログ受信信号をデジタルデータに変換する（ステップＡ６）。
【００６４】
図６に示すように、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４は、複数の圧電素子を縦方向にアレイ状に配列したものである。信号検出部１０は、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４が有する各圧電素子が受信した音波のデジタルデータについて、整相処理を施す（ステップＡ７）。これによって、垂直指向性を有する音波のみを強調することができる。
【００６５】
さらに、信号検出部１０は、垂直指向性を有する音波のデジタルデータについて、探信音Ａと同じ周波数を通過帯域としたバンドパスフィルタ処理を行い、探信音Ａと同じ周波数成分のみを検出して経時変化を観測する（ステップＡ８）。探信音Ａの送信後に同じ周波数の音波の強度が増す場合は、探信音Ａが物体に反響して得られた反響音を受信したことを意味する。また、送信波形生成部４０は探信音Ａを発信する際に垂直指向性を制御し、さらに信号検出部１０は垂直指向性を有する音波を強調して検出していることから、海底面３および海面４からの反響音は低減される。そのため、探信音Ａの送信後に同じ周波数の音波の受信強度が増す場合は、探信音Ａが海底突起物に反響した反響音Ｃを受信していると考えられる。したがって、信号検出部１０は、垂直指向性を有する反響音Ｃを受信した場合、海底突起物５を検出したと判定する（ステップＡ９）。
【００６６】
信号検出部１０が海底突起物５を検出した場合（ステップＡ９でＹｅｓの場合）、計算部３０は反響音Ｃのデジタルデータに基づき、海底突起物の方位および距離を計算する（ステップＡ１０）。一方、信号検出部１０が海底突起物５を検出しなかった場合（ステップＡ９でＮｏの場合）、ステップＡ１の処理を再度行う。
【００６７】
具体的には、計算部３０は、送信波形生成部４０に探信音Ａの送信波形のデジタルデータを出力する制御を行ったタイミングから、反響音Ｃを検出したタイミングまでの時間を計測することにより、海底突起物５までの距離を計算する。例えば、探信音Ａの送信波形のデジタルデータを出力してから反響音Ｃを検出するまでの時間をＴ１（ｓ）とすると、水中音速は約１５００ｍ／ｓなので海底突起物５までの距離Ｌ１（ｍ）は、下記（ｉ）式で計算される。
Ｌ１＝１５００×Ｔ１／２      ・・・（ｉ）
【００６８】
また、図６に示すように、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４では、水平方向の指向性の範囲が異なる。計算部３０は、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４のそれぞれが受信した反響音Ｃのデジタルデータについて、強度を比較することによって、海底突起物５の方位を計算する。
【００６９】
計算部３０によって得られた海底突起物５の方位に関する情報に基づき、左右操縦制御部５０は、探査用水中航走体１の左右操縦装置５５に対して指示を送り、探査用水中航走体１の左右の進行方向を制御する（ステップＡ１１）。
【００７０】
例えば、計算部３０が右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４のそれぞれが受信した反響音Ｃのデジタルデータの強度を比較し、右受信用圧電素子アレイ１２の受信レベルが大きいという結果が得られた場合は、左右操縦制御部５０は左右操縦装置５５に対して右旋回を指示する。一方、左受信用圧電素子アレイ１２の受信レベルが大きいという結果が得られた場合は、左右操縦制御部５０は左右操縦装置５５に対して左旋回を指示する。そして、左右の受信レベルが等しいという結果が得られた場合は、左右操縦制御部５０は左右操縦装置５５に対して直進航走を指示する。
【００７１】
計算部３０によって得られた海底突起物５までの距離および方位が所定の条件を満たしたら（ステップＡ１２でＹｅｓの場合）、ステップＡの海底突起物検出処理は終了する（Ｅｎｄ）。一方、計算部３０によって得られた海底突起物５までの距離および方位が所定の条件を満たしていない場合（ステップＡ１２でＮｏの場合）、ステップＡ１の処理を再度行う。
【００７２】
ステップＡの海底突起物検出処理が終了したら、ステップＢの海底突起物判別処理を開始する。図１１は、ステップＢにおける探査装置１００の動作をさらに詳細に説明するフロー図である。図１１に示すように、発音弾制御部７０は、探査用水中航走体１の発音弾分離装置７５に対して、発音弾２を海底に投下するように指示する（ステップＢ１）。例えば、図１２（ａ）に示すように、海底突起物５が探査用水中航走体１の進行方向上に存在し、水平方向の距離が１００ｍとなったタイミングで発音弾２を海底に投下する。
【００７３】
図１２（ａ）に示すように、海底面３から海面４までの距離が１００ｍである海域において、探査用水中航走体１は海底から５ｍの高さの位置を５ｍ／ｓで海底突起物５が存在する方向に航走している。そして、探査用水中航走体１が海底突起物５から水平方向に１００ｍ離れた位置で１０ｓ後に爆発する設定の発音弾２を投下した場合、図１２（ｂ）に示すように、爆発が生じた瞬間における発音弾２と探査用水中航走体１との距離および探査用水中航走体１と海底突起物５との距離はそれぞれ５０ｍとなる。
【００７４】
次に、探査用水中航走体１の右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４は、発音弾２から発せられた爆発音を直接または反響音として受信し、アナログ受信信号（アナログ信号）に変換する（ステップＢ２）。そして、Ａ／Ｄ変換器１６は、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４から入力されたアナログ受信信号をデジタルデータに変換する（ステップＢ３）。その後、信号検出部１０は爆発音およびその反響音のデジタルデータから、海底突起物５からの反響音を含む信号を抽出する（ステップＢ４）。
【００７５】
例えば、図１２（ｂ）に示すように、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４は、直接到達する爆発音Ｅ１、海底突起物５で反射してから到達する反響音Ｃ１、海面４で反射してから到達する爆発音Ｅ２、海面４で反射した後、海底突起物５でさらに反射してから到達する反響音Ｃ２等の音波を受信する。なお、右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４は、海面４と海底面３とを往復した後、到達する爆発音等も受信することが考えられる。しかしながら、これらの音波が右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４に到達するまでには長時間を要し、信号も弱くなるため説明は省略する。
【００７６】
水中での音速を１５００ｍ／ｓとすると、爆発音Ｅ１が直接到達するまでに要する時間は０．０３３ｓである。次に、反響音Ｃ１が到達するまでに要する時間は０．１００ｓである。さらに、爆発音Ｅ２が到達するまでに要する時間は０．１３４ｓである。そして、反響音Ｃ２が到達するまでに要する時間は０．１７９ｓである。
【００７７】
図１３は、信号検出部１０によって検出された信号強度の時間変化を示した図である。右受信用圧電素子アレイ１２および左受信用圧電素子アレイ１４が上記の爆発音および反響音を受信していることが分かる。探査用水中航走体１、発音弾２および海底突起物５の位置関係から、海底突起物５からの反響音Ｃ１を受信する時間が予測できるため、それを含む信号を抽出することができる。
【００７８】
上述のように信号検出部１０が海底突起物５からの反響音Ｃ１を含む信号を抽出した後、信号判別部２０は、反響音Ｃ１を含む信号について、周波数分析を行う（ステップＢ５）。具体的には、反響音のデジタルデータに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による周波数分析処理を行う。そして、信号判別部２０は、上記の分析結果に基づき、共鳴音が含まれるかどうかを判定する（ステップＢ６）。反響音に共鳴音が含まれるかどうかを判定した結果、例えば、２２〜４５Ｈｚの周波数帯域における信号強度が、他の周波数帯域における信号強度より大きく、すなわち反響音Ｃ１に共鳴音が含まれている場合（ステップＢ６でＹｅｓの場合）、海底突起物５の内部には気密室が存在し、すなわち、海底突起物５は水中航走体であると判断する（ステップＢ７）。一方、反響音Ｃ１に共鳴音が含まれていない場合（ステップＢ６でＮｏの場合）、海底突起物５は水中航走体ではないと判断する（ステップＢ８）。ステップＢ１〜Ｂ８が実行されると、海底突起物判別処理は終了する（Ｅｎｄ）。
【００７９】
［プログラム］
ここで、本実施の形態におけるプログラムについて説明する。まず、本実施の形態におけるプログラムは、コンピュータに、図９に示すステップＳ１〜Ｓ１０、図１０に示されるステップＡ１〜Ａ１２および図１１に示されるステップＢ１〜Ｂ８を実行させるプログラムであればよい。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、本実施の形態における探査装置１０を実現することができる。この場合、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）は、信号検出部１０、信号判別部２０、計算部３０、送信波形生成部４０、左右操縦制御部５０、上下操縦制御部６０および発音弾制御部７０として機能し、処理を行なう。本実施の形態におけるプログラムを実行可能なコンピュータとしては、例えば、探査用水中航走体に搭載されているコンピュータが挙げられる。
【００８０】
ここで、実施の形態におけるプログラムを実行することによって、探査装置１００を実現するコンピュータ２００について図１４を用いて説明する。図１４は、本発明の実施の形態における探査装置を実現するコンピュータの一例を示すブロック図である。
【００８１】
図１４に示すように、コンピュータ２００は、ＣＰＵ２１１と、メインメモリ２１２と、記憶装置２１３と、入力インターフェイス２１４と、表示コントローラ２１５と、データリーダ／ライタ２１６と、通信インターフェイス２１７とを備える。これらの各部は、バス２２１を介して、互いにデータ通信可能に接続される。
【００８２】
ＣＰＵ２１１は、記憶装置２１３に格納された、本実施の形態におけるプログラム（コード）をメインメモリ２１２に展開し、これらを所定順序で実行することにより、各種の演算を実施する。メインメモリ２１２は、典型的には、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等の揮発性の記憶装置である。また、本実施の形態におけるプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体２２０に格納された状態で提供される。なお、本実施の形態におけるプログラムは、通信インターフェイス２１７を介して接続されたインターネット上で流通するものであってもよい。
【００８３】
また、記憶装置２１３の具体例としては、ハードディスクドライブの他、フラッシュメモリ等の半導体記憶装置が挙げられる。入力インターフェイス２１４は、ＣＰＵ２１１と、キーボードおよびマウスといった入力機器２１８との間のデータ伝送を仲介する。表示コントローラ２１５は、ディスプレイ装置２１９と接続され、ディスプレイ装置２１９での表示を制御する。
【００８４】
データリーダ／ライタ２１６は、ＣＰＵ２１１と記録媒体２２０との間のデータ伝送を仲介し、記録媒体１２０からのプログラムの読み出し、およびコンピュータ２００における処理結果の記録媒体２２０への書き込みを実行する。通信インターフェイス２１７は、ＣＰＵ２１１と、他のコンピュータとの間のデータ伝送を仲介する。
【００８５】
また、記録媒体２２０の具体例としては、ＣＦ（Compact Flash（登録商標））およびＳＤ（Secure Digital）等の汎用的な半導体記憶デバイス、フレキシブルディスク（Flexible Disk）等の磁気記憶媒体、またはＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read Only Memory）などの光学記憶媒体が挙げられる。
【００８６】
上述した実施の形態の一部または全部は、以下に記載する（付記１）〜（付記１３）によって表現することができるが、以下の記載に限定されるものではない。
【００８７】
（付記１）水中航走体を探査する装置であって、
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と、
前記検出された信号の周波数分析の結果から、前記反響音に、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どうかを判定することにより、前記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と、
を備える、ことを特徴とする探査装置。
【００８８】
（付記２）前記信号判別部は、２２〜４５Ｈｚの周波数帯域における信号強度が、他の周波数帯域における信号強度よりも大きい場合に、前記反響音に前記共鳴音が含まれていると判定する、
付記１に記載の探査装置。
【００８９】
（付記３）前記発音弾を所定のタイミングで海底に投下するよう指示する発音弾制御部をさらに備える、
付記１または２に記載の探査装置。
【００９０】
（付記４）探信音を生成して、音波出力部に海中に向かって前記探信音を送信させる送信波形生成部と、
前記探信音、および、前記探信音が前記海底突起物に反響して得られる反響音に基づいて、前記海底突起物の方位および距離を計算する計算部と、をさらに備える、
付記１〜３のいずれかに記載の探査装置。
【００９１】
（付記５）探査用水中航走体に搭載される、
付記１〜４のいずれかに記載の探査装置。
【００９２】
（付記６）水中航走体を探査する方法であって、
（ａ）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ステップと、
（ｂ）前記検出された信号の周波数分析の結果から、前記反響音に、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どうかを判定することにより、前記海底突起物が水中航走体であるか否かを判別するステップと、
を有する、ことを特徴とする探査方法。
【００９３】
（付記７）前記（ｂ）のステップにおいて、２２〜４５Ｈｚの周波数帯域における信号強度が、他の周波数帯域における信号強度よりも大きい場合に、前記反響音に前記共鳴音が含まれていると判定する、
付記６に記載の探査方法。
【００９４】
（付記８）（ｃ）前記発音弾を所定のタイミングで海底に投下するよう指示するステップをさらに有する、
付記６または７に記載の探査方法。
【００９５】
（付記９）（ｄ）探信音を生成して、音波出力部に海中に向かって前記探信音を送信させるステップと、
（ｅ）前記探信音、および、前記探信音が前記海底突起物に反響して得られる反響音に基づいて、前記海底突起物の方位および距離を計算するステップと、をさらに有する、
付記６〜８のいずれかに記載の探査方法。
【００９６】
（付記１０）コンピュータに、
（ａ）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ステップと、
（ｂ）前記検出された信号の周波数分析の結果から、前記反響音に、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どうかを判定することにより、前記海底突起物が水中航走体であるか否かを判別するステップと、
を実行させる、プログラム。
【００９７】
（付記１１）前記（ｂ）のステップにおいて、２２〜４５Ｈｚの周波数帯域における信号強度が、他の周波数帯域における信号強度よりも大きい場合に、前記反響音に前記共鳴音が含まれていると判定する、
付記１０に記載のプログラム。
【００９８】
（付記１２）（ｃ）前記発音弾を所定のタイミングで海底に投下するよう指示するステップをさらに有する、
付記１０または１１に記載のプログラム。
【００９９】
（付記１３）（ｄ）探信音を生成して、音波出力部に海中に向かって前記探信音を送信させるステップと、
（ｅ）前記探信音、および、前記探信音が前記海底突起物に反響して得られる反響音に基づいて、前記海底突起物の方位および距離を計算するステップと、をさらに有する、
付記１０〜１２のいずれかに記載のプログラム。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
以上のように、本発明によれば、海底に存在する突起物を正確かつ効率的に判別することが可能となる。
【符号の説明】
【０１０１】
１    探査用水中航走体
２    発音弾
３    海底面
４    海面
５    海底突起物
１０  信号検出部
１２  右受信用圧電素子アレイ
１４  左受信用圧電素子アレイ
１６  Ａ／Ｄ変換器
２０  信号判別部
３０  計算部
４０  送信波形生成部
４２  Ｄ／Ａ変換器
４４  増幅器
４６  送信用圧電素子アレイ
５０  左右操縦制御部
５５  左右操縦装置
６０  上下操縦制御部
６５  上下操縦装置
７０  発音弾制御部
７５  発音弾分離装置
１００  探査装置
２００  コンピュータ
２１１  ＣＰＵ
２１２  メインメモリ
２１３  記憶装置
２１４  入力インターフェイス
２１５  表示コントローラ
２１６  データリーダ／ライタ
２１７  通信インターフェイス
２１８  入力機器
２１９  ディスプレイ装置
２２０  記録媒体
２２１  バス
Ａ    探信音
Ｂ    海底探信音
Ｃ    反響音
Ｄ    海底反響音
Ｅ    爆発音
【図１】
0006478272.tif 000002
【図２】
0006478272.tif 000003
【図３】
0006478272.tif 000004
【図４】
0006478272.tif 000005
【図５】
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【図６】
0006478272.tif 000007
【図７】
0006478272.tif 000008
【図８】
0006478272.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0006478272.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0006478272.tif 000013
【図１３】
0006478272.tif 000014
【図１４】
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