(57)【要約】  海中に位置して、指示された方位に音波を複数回送波する送波器と、海中に位置して、海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波する第１受波器と、ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように前記送波器に対して送波方位を指示する送波方位設定部と、前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定部と、予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定部と、前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築する連立方程式構築部と、前記連立方程式を解く連立方程式求解部と、前記連立方程式求解部が前記連立方程式を解く際に必要となる初期値をパラメータ初期値として設定する初期パラメータ設定部と、前記連立方程式求解部によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の平均音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成して出力する音速プロファイル出力部と、を含む第１ユニットを備える。
2014083790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海中に位置して、指示された方位に音波を複数回送波する送波手段と、
海中に位置して、海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波する第１受波手段と、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように前記送波手段に対して送波方位を指示する送波方位設定手段と、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定手段と、
予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定手段と、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築する連立方程式構築手段と、
前記連立方程式を解く連立方程式求解手段と、
前記連立方程式求解手段が前記連立方程式を解く際に必要となる初期値をパラメータ初期値として設定する初期パラメータ設定手段と、
前記連立方程式求解手段によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の平均音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成して出力する音速プロファイル出力手段と、を含む第１ユニット手段を備えることを特徴とする環境計測システム。
【請求項２】
第１ユニット手段と通信する複数の第２ユニット手段を備え、
前記第１ユニット手段は、
海中に位置して、指示された方位に音波を送波する送波手段と、
海中に位置して、海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波する第１受波手段と、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように前記送波手段に対して送波方位を指示する送波方位設定手段と、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定手段と、
予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定手段と、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築する連立方程式構築手段と、
前記連立方程式を解く連立方程式求解手段と、
前記連立方程式求解手段が前記連立方程式を解く際に必要となる初期値をパラメータ初期値として設定する初期パラメータ設定手段と、
前記連立方程式求解手段によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成して出力する音速プロファイル出力手段と、
前記第２ユニット手段に前記送波時刻を送信すると共に、当該第２ユニット手段から所要時間を送受信する第１所要時間送受信手段と、を含み、
前記第２ユニット手段は、
前記第１ユニット手段の前記送波手段から送波され、前記反射体で反射された前記音波を受波する第２受波手段と、
前記第１所要時間送受信手段を介して前記送波時刻を受信すると共に、当該第２ユニット手段で計測した前記所要時間を前記第１所要時間送受信手段に送信する第２所要時間送受信手段と、
前記第２受波手段で受波した受波時刻と前記第２所要時間送受信手段を介して受信した前記送波時刻とに基づきに前記所要時間を測定して、前記第２所要時間送受信手段に出力する第２所要時間測定手段と、
を含むことを特徴とする環境計測システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の環境計測システムであって、
前記連立方程式求解手段は、各レイヤにおける平均音速の違いが小さいため前記連立方程式構築手段により構築された前記連立方程式が線形連立方程式に近似できる場合、当該線形連立方程式に基づき前記平均音速を求めることを特徴とする環境計測システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の環境計測システムであって、
前記音速プロファイルに従い前記平均音速を、少なくとも文字情報又は画像情報として表示する表示手段と、
前記音速プロファイルを記憶する蓄積手段と、を備えることを特徴とする環境計測システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の環境計測システムにおいて、
前記音速プロファイル出力手段は、
前記海面で反射された前記音波の前記所要時間を用いて、該海面から当該システムの設置深度までの音速のプロファイルと、
水平方向に平らな前記海底で反射した前記音波の前記所要時間を用いて、当該システムの設置深度から海底までの音速のプロファイルと、
を求めて前記音速プロファイルを導出することを特徴とする環境計測システム。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の環境計測システムにおいて、
前記音速プロファイル出力手段は、
前記海面で反射された前記音波の所要時間を用いて、当該海面から当該システムの設置深度までの音速のプロファイルと、
傾斜状態や凹凸状態の前記海底で反射した前記音波の前記所要時間を用いて、当該システムの設置深度から海底までの音速のプロファイルと、
を求めて前記音速プロファイルを導出することを特徴とする環境計測システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の環境計測システムにおいて、
少なくとも海底の凹凸を深度情報として含む海底マップを保持するマップ保持手段と、
前記送波方位毎の前記平均所要時間に基づき海底深度を導出し、該海底深度と前記海底マップとのマッチングにより当該海底深度を補正し、前記送波方位毎に前記音波が前記海底深度のどの地点から反射されるかを導出して反射深度を求めるマッチング手段と、を備え、
前記レイヤ設定手段は、前記補正された前記反射深度に基づき海中を複数のレイヤに分割し、その際に最も浅い深度までは予め設定された間隔の厚さでレイヤ分割を行い、当該最も浅い深度から最も深い深度までは前記反射深度に基づいて前記送波方位毎にレイヤ数及び厚さが異なることを許容しながらレイヤを設定することを特徴とする環境計測システム。
【請求項８】
指示された方位に音波を複数回送波し、
海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波し、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように送波方位を指示し、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力し、
予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割し、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築し、
前記連立方程式を解き、
前記連立方程式求解手順で連立方程式を解く際に必要となるパラメータ初期値を設定し、
前記連立方程式を解いて得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の平均音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成出力することを特徴とする環境計測方法。
【請求項９】
指示された方位に音波を複数回送波し、
海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波し、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように送波方位を指示し、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力し、
予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割し、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築し、
前記連立方程式を解き、
前記連立方程式求解手順で連立方程式を解く際に必要となるパラメータ初期値を設定し、
前記連立方程式求解手順によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成出力し、
前記送波時刻を受信すると共に計測された所要時間を送信し、
前記指示された方位に送波されて前記反射体で反射された前記音波を受波して受波時刻を計測し、
前記送信された前記送波時刻を受信すると共に、計測された所要時間を送信し、
前記受波された前記送波時刻と前記受信された前記受波時刻とに基づきに前記所要時間を測定することを特徴とする環境計測方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の環境計測方法において、
少なくとも海底の凹凸を深度情報として含む海底マップを保持し、
前記送波方位毎の前記平均所要時間に基づき海底深度を導出し、該海底深度と前記海底マップとのマッチングにより当該海底深度を補正し、前記送波方位毎に前記音波が前記海底深度のどの地点から反射されるかを導出して反射深度を求め、
前記層状のレイヤへの分割においては、前記補正された前記反射深度に基づき海中を複数のレイヤに分割し、その際に最も浅い深度までは予め設定された間隔の厚さでレイヤ分割を行い、当該最も浅い深度から最も深い深度までは前記反射深度に基づいて前記送波方位毎にレイヤ数及び厚さが異なることを許容しながらレイヤを設定することを特徴とする環境計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソーナーを用いて海中の音速分布を推定する環境計測システム及び環境計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ソーナーシステムにとって、海中の音波伝搬方向の把握は極めて重要である。しかし、海中では温度分布や密度分布、塩分濃度分布の違いによって音波の屈折率が異なるため、音波伝搬方向を推測することが困難である。【０００３】
一般的に、海中でのソーナーシステム運用に先立って、又は、運用と同時に海水の垂直方向の温度分布を測定したり、温度分布と同時に塩分濃度分布を測定して、温度分布のみから、あるいは温度分布と塩分濃度分布とから音波に対する屈折率分布を推測することが広く行われている。【０００４】
例えば、非特許文献１で示すように一般的には温度分布のみを測定する装置をXBT、温度分布と塩分濃度分布とを測定する装置をXCTDと呼称している。無論、実際に測定しなくても、過去の測定結果の平均値から音速分布を推定することも広く行われている。【０００５】
また、非特許文献２で概要を示すように、複数の送受波器を対象海域に分散して設置し、音波をお互いに送受波することによって、音速分布を直接測定する海洋音響トモグラフィと言われる手法も広く使われている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Alexander  Sy  and  Darren  Wright,  “XBT/XCTD  Standard  Test  Procedures”,  International  Oceanographic  Commission  (IOC)  and  World  Meteorological  Organization  (WMO)  -  3rd  Session  of  JCOMM  Ship-of-Opportunity  Implementation  Panel  (SOOPIP-III),  March  28-31,  2000,  La  Jolla,  California,  U.S.A.
【非特許文献２】海洋音響学会  編，“海洋音響の基礎と応用”，成山堂書店，2004．p.218.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、XBTやXCTDは使い捨ての装置であるため、長時間頻繁に音速分布を把握したい場合は、当該装置が大量に必要となって、費用が増大する問題がある。【０００８】
また、ブイから吊り下げて用いる可変深度方式の測定装置も考えられるが、やはり長時間頻繁に深度を変える運用に耐えるものを作るには大きな費用がかかる問題がある。【０００９】
また、これらの装置は温度分布のみ、あるいは温度分布と塩分濃度分布とから経験則に基づいて音速分布を推定するものであり、音速そのものを測定するものでないため、誤差の発生が懸念される。【００１０】
一方、海洋音響トモグラフィは音速分布を直接測定するものであるが、複数の送受波器を設置する必要があり、費用がかかる上、運用によっては複数の送受波器を設置する機会が無い場合がある。また、頻繁には設置場所を変更できない。そのため、音速分布の測定そのものを目的としない一般的なソーナーシステムの運用においては、実用的ではない。【００１１】
さらに、海洋音響トモグラフィは離れた地点の測定器間でネットワークを組む必要があり、通信用のブイを用いることが多いが、これも迅速な設置場所の変更に適していない。更にはブイ自体が見えることや、通信電波を送受信するため秘匿性が低い問題がある。【００１２】
そこで、本発明の主目的は、単一の送波器で音速分布を低費用で推定する環境計測システム及び環境計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、環境計測システムに係る発明は、海中に位置して、指示された方位に音波を複数回送波する送波器と、海中に位置して、海面又は海底の反射体で反射された音波を受波する第１受波器と、ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように送波器に対して送波方位を指示する送波方位設定部と、音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定部と、予め設定された距離で、海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定部と、送波方位、所要時間、レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築する連立方程式構築部と、連立方程式を解く連立方程式求解部と、連立方程式求解部が連立方程式を解く際に必要となる初期値をパラメータ初期値として設定する初期パラメータ設定部と、連立方程式求解部によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の平均音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成して出力する音速プロファイル出力部と、を含む第１ユニットを備えることを特徴とする。【００１４】
また、環境計測方法に係る発明は、指示された方位に音波を複数回送波する送波手順と、海面又は海底の反射体で反射された音波を受波する第１受波手順と、ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように送波方位を指示する送波方位設定手順と、音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定手順と、予め設定された距離で、海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定手順と、送波方位、所要時間及びレイヤの厚さを用いると共に当該レイヤにおける平均音速を未知数とした連立方程式を構築する連立方程式構築手順と、連立方程式を解く連立方程式求解手順と、連立方程式求解手順で連立方程式を解く際に必要となるパラメータ初期値を設定する初期パラメータ設定手順と、連立方程式求解手順によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成出力する音速プロファイル出力手順と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、送波器から複数の方位に音波を送波して、音速を未知数とする連立方程式を構築し、この連立方程式を解いて平均音速を求めるので、１つの送波器でも音速分布が低費用で推定できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる環境計測システムのブロック図である。
【図２Ａ】海中を複数のレイヤに分割した際の様子を示す図で、海面からの反射音を測定する場合のレイヤの設定例を示す図である。
【図２Ｂ】海中を複数のレイヤに分割した際の様子を示す図で、海底からの反射音を測定する場合のレイヤの設定例を示す図である。
【図３】図１に示す環境計測システムに代る海底からの反射音を検出するシステムのブロック図である。
【図４】図１に示す環境計測システムに代る海面及び海底からの反射音を検出するシステムのブロック図である。
【図５】第１実施形態にかかる環境計測システムの音速分布推定手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる環境計測システムのブロック図である。
【図７】第２実施形態にかかる環境計測システムの音速分布推定手順を示すフローチャートである。
【図８】海中を複数のレイヤに分割した際の様子を示す図である。
【図９】本発明の第３実施形態にかかる環境計測システムのブロック図である。
【図１０】海中を複数のレイヤに分割した際の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態にかかる環境計測システム２Ａのブロック図である。この環境計測システム２Ａは、送波器１１、第１受波器１２、送波方位設定部１３、第１所要時間測定部１４、レイヤ設定部１５、連立方程式構築部１６、連立方程式求解部１７、音速プロファイル出力部１８、初期パラメータ設定部１９、表示部２０、蓄積部２１を含んでいる。なお、表示部２０、蓄積部２１は、環境計測システム２Ａの付加的な構成要素とすることも可能である。即ち、これら表示部２０、蓄積部２１は環境計測システム２Ａの専用装置でなく、他の装置と併用される装置であってもよい。
【００１８】
送波器１１は、送波方位毎に音波を複数回海中に送波する。この送波器１１として、圧電効果、電歪効果、磁歪効果等に基づいて電気信号を音響信号に変換する音響素子を複数備えた構成が例示できる。
【００１９】
そして、送波器１１は、送波方位設定部１３により指定された方位に対して、方位毎に複数回音波を送波し、送波時刻を第１所要時間測定部１４に出力する。
【００２０】
第１受波器１２は、海面（反射体）で反射された音波を受波して、受波信号と受波時刻とを第１所要時間測定部１４に出力する。この第１受波器１２として、圧電効果、電歪効果、磁歪効果等に基づいて音響信号を電気信号に変換する音響素子を複数備えた構成が例示できる。
【００２１】
なお、送波機能と受波機能とが一体に形成された素子を備えて送波と受波を兼用するセンサや、送波機能を持つ素子と受波機能を持つ素子とを併せ持つ送波と受波を兼用するセンサを用いることも可能である。送波機能と受波機能とが一体化している場合は送受波器と呼ぶこともある。
【００２２】
送波方位設定部１３は、送波器１１に対して音波を送波する際の方位（送波方位）を指定すると共に、連立方程式構築部１６に指定した送波方位を出力する。方位の変更については垂直方位のみが必要である。水平方位については特に指定することは無い。
【００２３】
方位の数については、レイヤ設定部１５で設定するレイヤの数以上が必要である。また、送波方位設定部１３は、所要時間の測定毎に、送波方位を連立方程式構築部１６に出力する。
【００２４】
第１所要時間測定部１４は、送波器１１で音波を送波した送波時刻と、この音波が海面で反射されて第１受波器１２で受波された受波時刻とから送受波に要した時間（所要時間）を求める。
この算出は、送波時刻と受波時刻との差分とする。このとき、送波器１１は一定の送波方位に対して複数回音波を送波するので、所要時間も複数回計測される。そこで、第１所要時間測定部１４は、計測された複数回の所要時間の平均値を算出して、これを平均所要時間として、連立方程式構築部１６に出力する。
【００２５】
レイヤ設定部１５は、海中を海面に平行な複数（予め定められた数）のレイヤに仮想的に分割する。後述する図２Ａ，図２Ｂは、このように海中をレイヤに分割した様子を示している。レイヤの数やレイヤの厚さは任意であり、予め定めておくこととする。ただし、送波方位設定部１３で設定した送波方位の数を上回ってはならない。一つのレイヤの中では音速は一定とし、この音速をこのレイヤにおける平均音速とする。レイヤの厚さを薄くしてレイヤの数を増やすと、音速分布は高精度に推定できる。
【００２６】
連立方程式構築部１６は、送波方位設定部１３で設定した送波方位と、第１所要時間測定部１４で得られた送波方位毎の平均所要時間とを用い、レイヤ設定部１５で設定した各レイヤの厚さを既知の変数として、レイヤ設定部１５で設定した各レイヤの平均音速を未知の変数とする連立方程式を構築する。なお、レイヤの数が送波方位の数を上回っている場合は、送波方位の数と合うように、使うレイヤを指定して、レイヤ数を削減する。
【００２７】
初期パラメータ設定部１９は、連立方程式を解く際のパラメータの初期値（以下、パラメータ初期値と記載する）を設定する。ただし、パラメータ初期値が必要でない場合は設定しない。
【００２８】
連立方程式求解部１７は、連立方程式構築部１６で構築された連立方程式を、パラメータ初期値を使って解くことにより、各レイヤにおける平均音速を求める。
【００２９】
音速プロファイル出力部１８は、求めた各レイヤの平均音速を深度順に並べることにより音速プロファイルを作成する。この音速プロファイルは、表示部２０に出力されて表示され、また蓄積部２１に出力されて蓄積される。
【００３０】
表示部２０は、コンピュータディスプレイ等で構成される装置であり、音速プロファイルを音速対深度のグラフ等の図形情報や数値の文字情報により表示する。
【００３１】
蓄積部２１は、ハードディスク等で構成される装置であり、音速プロファイルを保存する。音速プロファイルを保存する際には、海域や測定時期等と関連付けしてもよい。
【００３２】
なお、上記説明では、送波器１１からの音波が海面で反射されて第１受波器１２に受波される場合について説明したが、本実施形態はかかる構成に限定するものではない。例えば、図３及び図４に示すような環境計測システムでもよい。
【００３３】
図３に示す環境計測システムは、送波器１１からの音波が海底（反射体）で反射され、これを第１受波器１２が受波する場合を示している。このとき海底は、水平で凹凸がほとんど無いとする。
【００３４】
また、図４に示す環境計測システムは、海面３２からの反射音と海底３３からの反射音とを受波する構成となっている。この場合、送受波器は海中にあり、水平方向より上向きについては図１に示す環境計測システムと同様の動作を行い、音速プロファイル出力部１８において音速プロファイルを得て、これを上向き音速プロファイルとする。また、下向きについては図３に示す環境計測システムと同様の動作を行い、音速プロファイル出力部１８において音速プロファイルを得て、これを下向き音速プロファイルとする。そして、この２つの音速プロファイルを音速プロファイル出力部１８において深度順に並べることにより、海中の音速プロファイルが得られる。
【００３５】
次に、連立方程式構築部１６及び連立方程式求解部１７について、図２Ａ，図２Ｂを参照して詳細に説明する。図２Ａは、海中を複数のレイヤに分割した際の様子を示す図で、海面からの反射音を測定する場合のレイヤの設定例を示す図である。図２Ｂは、海中を複数のレイヤに分割した際の様子を示す図で、海底からの反射音を測定する場合のレイヤの設定例を示す図である。
【００３６】
図２Ａでは、海中を海底から厚みｄ１〜ｄＮの第１レイヤ〜第Ｎレイヤ（Ｎは正の整数）に分割している。これに対して、図２Ｂでは、海中を海面から厚みｄ１〜ｄＮの第１レイヤ〜第Ｎレイヤに分割している。レイヤの厚さｄｍは、任意に設定できる。
【００３７】
なお、ｃｎは第ｎレイヤの平均音速を示している。また、角度θｉ，ｊは、ｉ番目の送波方位に対し、第ｊレイヤから第ｊ＋１レイヤへの音波の入射角を示す。添字「ｉ」は、送波器１１から送波される音波の方向を示している。即ち、後述するように、送波器１１からは複数の送波方位に音波が放射される。このときの送波方位を示す添字が「ｉ」である。ここで、ｋ，ｉ，ｊ，ｍ，Ｎ等は正の整数である。
【００３８】
このようなレイヤを用いて連立方程式構築部１６では、各レイヤにおける平均音速を未知変数、各送波方位と送波方位毎の所要時間を既知変数とした非線形連立方程式を構築する。また、連立方程式求解部１７は、連立方程式構築部１６により構築された非線形連立方程式を既知の逐次数値計算法を用いて解く。
【００３９】
例えば、図２Ａのようなレイヤに海中を分割した場合、ソーナーから海面までの音波伝搬の所要時間をＴとすると、例えばｉ番目の送波方位に対し所要時間Ｔは、各レイヤを通過するのに要する時間の総和として、
2014083790.tif 000003
で与えられる。
【００４０】
ここで、音波がレイヤの通過する際の音波の伝搬方向は、レイヤの密度等の違いによりスネルの法則に従い変化するので、
2014083790.tif 000004
の関係が成立つ。
【００４１】
従って、式１の所要時間Ｔは、
2014083790.tif 000005
となる。以降では簡略化のため、角度θｉ，1をθｉと表記する。
【００４２】
ここで第１レイヤから第２レイヤへの音波の入射角をθ１〜θＮとＮ通りに変化させて、各々の場合の海面からのエコー到達時間Ｔｎを測定したとする。これによりＮ個の非線形連立方程式が得られる。この場合、エコー到達時間Ｔｎは、
2014083790.tif 000006
の連立方程式で与えられる。Ｎ個の各レイヤの音速を未知数とすると、Ｎ個の連立方程式によりＮ個のレイヤでの音速が求まる。
【００４３】
次に、
2014083790.tif 000007
と関数ｆｎ(C)を定義する。ここでＣは、ベクトルである。この関数ｆｎ(C)を用いて式４は、
2014083790.tif 000008
のように表わされる。
【００４４】
なお、Ｆ(C)はベクトルである。
【００４５】
このような非線形の連立方程式を解くには広く知られた様々な手法を用いることができる。最もよく使われている手法は２分法とニュートン・ラプソン法である。
２分法では例えば、最初に
2014083790.tif 000009
2014083790.tif 000010
となる音速を選び、これを初期の音速の推定範囲とし、順次
2014083790.tif 000011
2014083790.tif 000012
として音速の推定範囲を狭めていく手法である。
【００４６】
次に、ニュートン・ラプソン法の適用の仕方について説明する。ここで、ニュートン・ラプソン法の第ｋステップで得られた第ｎレイヤの平均音速をｃｎ，ｋとし、この平均音速の集合を
2014083790.tif 000013
のようにベクトル表記する。
【００４７】
すると、ニュートン・ラプソン法による第ｋ＋１ステップでの平均音速CK+1の集合は、
2014083790.tif 000014
で表わされる。
【００４８】
ここで、
2014083790.tif 000015
である。
【００４９】
各項は、
2014083790.tif 000016
2014083790.tif 000017
となる。
【００５０】
さて、例えば、初期パラメータ設定部１９において、各平均音速の初期値を、
2014083790.tif 000018
とする。
【００５１】
この音速を式１０に入れ、それを式９に代入し、逆行列を求め、式８を用いて次のステップでの平均音速を求める。収束条件としては、例えば、更新部分の割合が一定未満（１％未満）等になったら更新を停止するといった条件を用いてもよい。
また、ここでは
2014083790.tif 000019
という連立方程式に２分法やニュートン・ラプソン法を適用したが、
2014083790.tif 000020
として、
2014083790.tif 000021
という連立方程式に対して２分法やニュートン・ラプソン法を適用してもよい。
【００５２】
次に、もう一つの計算方法について説明する。この計算方法では、一般的に、各レイヤにおける平均音速の違いが小さいことを利用する。各レイヤにおける平均音速の違いが小さい場合、非線形連立方程式の式４を線形連立方程式に近似して考えることができる。
【００５３】
まず式４の第ｎ行は
2014083790.tif 000022
であり、この式の左辺第ｍ項は、
2014083790.tif 000023
であることに着目する。
【００５４】
ここで式１３を
2014083790.tif 000024
と変形する。
【００５５】
このとき、
2014083790.tif 000025
という条件の下でさらに変形する。
【００５６】
すると式１４は、
2014083790.tif 000026
のように展開できる。
【００５７】
ここの近似では、
2014083790.tif 000027
について１次の項までを取る。
【００５８】
つまり
2014083790.tif 000028
とする。
【００５９】
この式１８を式１２に代入すると
2014083790.tif 000029
式１９が得られる。
【００６０】
さらに、式１９を整理すると、
2014083790.tif 000030
となる。
【００６１】
ここで、２Ｎ−１通りの角度で測定すると、
2014083790.tif 000031
の連立方程式が得られる。
【００６２】
この連立方程式は、
2014083790.tif 000032
のように書きかえることができる。
【００６３】
ここで
2014083790.tif 000033
2014083790.tif 000034
2014083790.tif 000035
と定義すると、行列Θ、ベクトルΨの各成分は既知であるので、式２２はベクトルΞについて解くことができる。
【００６４】
ただし、行列Θは逆行列を持つ必要があることから、
2014083790.tif 000036
でなければならない。
【００６５】
今回、未知数の個数Ｎに対して２Ｎ−１個の連立方程式を立てて音速を求めている。このため、一つの音速に対し、２通りの解があり得る。この場合、正の解が一つの場合はその解を、正の解が二つある場合は二つの平均をとればよい。
【００６６】
この方法はニュートン・ラプソン法の場合より計測を約２倍の数の角度で行うことが必要になる反面、繰り返し計算が不要になる利点がある。
【００６７】
連立方程式求解部１７では、上記式２３の連立方程式に対し、例えば、式２４で示す行列Θの逆両列を求めることによって解は容易に得られる。
【００６８】
次に、上述した環境計測システムにおける音速分布推定処理を説明する。図５は、かかる音速分布推定処理手順を示すフローチャートである。なお、以下の説明においては、非線形連立方程式の式４を用いた場合を例に説明する。
【００６９】
ステップＳＡ１：  先ず、レイヤ設定部１５は、計測対象の海中を複数のレイヤに分割する。無論、このレイヤは仮想的なレイヤで、各レイヤ内での音速は一定とする。そして、レイヤ数を送波方位設定部１３に出力する。
【００７０】
ステップＳＡ２：  次に、送波方位設定部１３は、レイヤ数を参考に複数の送波方位を設定し、送波器１１と連立方程式構築部１６とに出力する。なお、方位数をＮｄ、レイヤ数をＮＬとしたとき、方位数Ｎｄはレイヤ数ＮＬ以上（Ｎｄ≧ＮＬ）に設定する。
【００７１】
ステップＳＡ３：  送波器１１は、送波方位設定部１３から送波方位が指示されると、指定された方位毎に音波を複数回送波すると共に、送波時刻を第１所要時間測定部１４に出力する。
【００７２】
ステップＳＡ４：  送波器１１から送波された音波は、水面や海底で反射されて第１受波器１２で受波される。第１受波器１２は、受波した時刻を第１所要時間測定部１４に出力する。
【００７３】
ステップＳＡ５：  第１所要時間測定部１４は、送波時刻と受波時刻との差分から、音波が海中を伝わるのに要した時間（所要時間）を算出する。そして、各送波方位に対する所要時間が複数回を求められ、これらの平均値が平均所要時間として連立方程式構築部１６に出力される。なお、音波は複数の方位に送波されるので、平均所要時間も送波方位の数だけ求められる。
【００７４】
ステップＳＡ６：  連立方程式構築部１６は、レイヤ設定部１５から入力したレイヤ数に対応する連立方程式を、上述した方法に従い構築する。
【００７５】
ステップＳＡ７：  その後、構築された連立方程式は、連立方程式求解部１７において初期パラメータ設定部１９から指示された初期値を用いて解析されて、各レイヤでの平均音速が求められる。
【００７６】
ステップＳＡ８：  音速プロファイル出力部１８は、各レイヤでの平均音速を深度順に並べて音速プロファイルを作成する。この音速プロファイルは、表示部２０に出力されて表示され、また蓄積部２１に出力されて蓄積される。
【００７７】
以上、説明したように、１つのソーナーシステムにより音速プロファイルを直接推定することができるので、音速プロファイルの取得が安価になる。
【００７８】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００７９】
本実施形態にかかる環境計測システム２Ｂを図６に示す。環境計測システム２Ｂは、第１実施形態にかかる環境計測システム２Ａに対しマップ保持部２２及びマッチング部２３が追設されると共に、レイヤ設定部１５が多段レイヤ設定部（レイヤ設定部）２４に変更された点が相違している。そこで、以下の説明では、同一部分の説明は省略して相違点についてのみ説明する。
【００８０】
マップ保持部２２は、測定海域における海底の深度マップを予め保持している。
【００８１】
マッチング部２３は、深度マップから作成した補正深度マップと実際に測定して取得する音響深度マップとのマッチング処理を行って補正音響深度マップを作成する。そして、多段レイヤ設定部２４は、この補正音響深度マップに基づき海中を複数のレイヤに分割する。この補正音響深度マップの作成手順を、図７に示すフローチャートに従い説明する。
【００８２】
ステップＳＢ１〜ＳＢ３：  マッチング部２３は、測定の日時等から潮汐の状態を求めて、マップ保持部２２から取得した深度マップの深度を補正し、これを補正深度マップとして保持する。
【００８３】
ステップＳＢ４：  次に、マッチング部２３は、第１所要時間測定部１４で得られた、各送波方位に対する平均所要時間から、音波が直進するという近似の下で海底の深度マップを作成する。以下、この深度マップを音響深度マップと記載する。
【００８４】
ステップＳＢ５、ＳＢ６：  マッチング部２３は、送波方位設定部１３で設定された複数の送波方位について、音波が直進するという近似の下で、海底のどの部分で音波が反射されるかを推定する。そして、推定した領域に余白領域を設けた領域（余白は予め定め設定されている）を切出し、補正深度マップとして取得する。その後、この補正深度マップと音響深度マップとのマッチングを行う。
【００８５】
音速分布がある場合、音波は直進しない。このため、音響深度マップは補正深度マップに対して歪んでいる場合がある。しかし、これらのマッチング対象が歪んでいる場合でもマッチングできることが好ましい。このようなマッチング手法として、後述するような非特許文献３〜非特許文献５が例示できる。例えば、非特許文献３には、２つのパターンのマッチング処理を行う場合、一方に微小な歪みがあると整合性が悪くなるので、マッチングの際に、一方のパターンをゴムのように非線形に伸縮させて、最も整合した状態をマッチング結果とする手法について概説されている。また、非特許文献４には、マッチング対象を分割して部分的にマッチングを行う技術が開示されている。さらに、非特許文献５には、マッチング対象の変形を考慮したアフィンマッチング方法に関する技術が開示されている。
＜非特許文献3＞  内田，  "DPマッチング概説  〜基本と様々な拡張〜"，  信学技報，  IEICE  Technical  Report，  PRMU2006−166，  （2006−12）．
＜非特許文献4＞  金子，  堀，  "小領域のブロックマッチングを複数用いたロバストなオブジェクト追跡法"，  電子情報通信学会論文誌，  D−II，  Vol．  J85−D−II，  No．7，  pp．1188−1200，  2002年7月．
＜非特許文献5＞  山田  他，  "アフィンマッチングによるカラー動画像の動き抽出"，  テレビジョン学会技術報告，  ITEJ  Technical  Report  Vol．  16，  No．70，  pp．  37−40．
【００８６】
ステップＳＢ７：  このようなマッチング方法を用いて、補正深度マップと音響深度マップとのマッチングを行い、マッチングにより得られた結果から各平均所要時間を測定した際の深度マップ（以下、補正音響マップと記載する）を得る。
【００８７】
ステップＳＢ８：  多段レイヤ設定部２４は、補正音響マップを用いて、海中を、例えば図８に示すようなレイヤに設定する。
【００８８】
なお、図８は、海底に凹凸がある海中に対してレイヤ設定したときの図である。従って、多段レイヤ設定部２４は、レイヤ設定時に上記補正音響マップを必要とするか否かの点でレイヤ設定部１５と相違するが、基本的処理は同じである。
【００８９】
しかしながら、多段レイヤ設定部２４により設定されたレイヤは、実際の海底の状態に即しているため、海底の状態（海底が水平であるか否か）によらず適切なレイヤ設定ができるようになる。従って、海底が水平かつ平坦でない多くの実際の状況に対応して音速プロファイルを求めることができる。
【００９０】
図８のように海底に凹凸がある場合は、例えば連立方程式は
2014083790.tif 000037
のようになる。これは第１方位での送波に対する第Ｎレイヤの厚さと第２方位での送波に対する第Ｎレイヤの厚さとが異なり、且つ、第Ｎ方位での送波ではレイヤ数がＮ−１しかない例を示している。このような場合でも式９を算出することができる。ただし、ある方位に対するレイヤ数が少なすぎて式９の逆行列を計算できない場合は、逆行列が計算できるように、レイヤ数を削減する。
【００９１】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態を説明する。なお、第１実施形態及び第２実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００９２】
これまで説明した各実施形態においては、環境計測システムは、送波器と第１受波器とを備えて、音波をＮ個の送波方位角で送波し、その反射音を受波することで、Ｎ個の非線形連立方程式を得た。これに対して、本実施形態では、音波の送波方位角の個数を方程式の個数より少ない数でも、音速分布推測が行えるようにした。
【００９３】
図９は、本実施形態にかかる環境計測システム２Ｃのブロック図である。また、図１０は、当該環境計測システム２Ｃによりレイヤ分割した海中の図である。この環境計測システム２Ｃは、第１ユニット３Ａと第２ユニット３Ｂとを含んでいる。
【００９４】
第１ユニット３Ａは、送波器１１、第１受波器１２、送波方位設定部１３、第１所要時間測定部１４、レイヤ設定部１５、連立方程式構築部１６、連立方程、送波方位送信部３２を含んでいる。このように、第１ユニット３Ａは送受波が可能なユニットで、図１に示す環境計測システム２Ａに対して、所要時間送受信部３１ａが追加されている点が相違する。
【００９５】
一方、第２ユニット３Ｂは、複数の受波専用装置４（４ａ〜４ｎ：ｎは正の整数）を備えている。各受波専用装置４は、第２受波器１２ｂ、第２所要時間測定部１４ｂ、第２所要時間送受信部３１ｂを含んでいる。
【００９６】
このとき、第２受波器１２ｂは第１受波器１２と、第２所要時間測定部１４ｂは第１所要時間測定部１４と概ね同じ構成である。但し、第２受波器１２は、第１受波器１２に対して受波方位を取得する機能が追加されている。これは、第２ユニット３Ｂで取得した所要時間を用いて連立方程式に組み入れる際に、受波方位も必要となるためである。
【００９７】
このように、第２ユニット３Ｂは受波専用のユニットであり、当該ユニット３Ｂ自体では連立方程式構築機能や連立方程式求解機能を持たず、受波した信号の所要時間及び受波方位を計測し、計測した時間を第２所要時間送受信部３１ｂから第１ユニット３Ａの第１所要時間受信部３１ａに送信する機能を持つ。
【００９８】
送信方法は、水中での音響通信や光通信が利用可能である。更には、ブイを経由して海面上にアンテナを設け、電波により通信してもよい。
【００９９】
このようなシステムで、海中を図８に示すようなレイヤに分割して音波の送受波を行う場合を考える。この場合、第１ユニット３Ａにおける送波器１１から放射された音波が海面に伝搬するために要する時間は、
2014083790.tif 000038
となる。
【０１００】
一方、送波された音波が海面で反射されて、第２ユニット３Ｂに受波されるために要する時間は、
2014083790.tif 000039
となる。
【０１０１】
従って、第１ユニット３Ａでは、海面からの散乱波の到達時間から海面で散乱した時刻が分かるため、海面からの散乱波が第２ユニット３Ｂに到達する時間もわかる。
【０１０２】
即ち、式２７のＴ１も分かる。従って、１回の送信で、式２６と式２７の２通りの（受信）角度に対する方程式が得られる。そして、第２ユニット３ＢがＮ個あれば、（Ｎ＋１）通りの式が得られる。言換えると、送波側で送波方位角を様々に変化させなくても、１つの送波方位角の送波だけで、第２ユニット３ＢがＮ個あれば（Ｎ＋１）個の非線形連立方程式が得られる。
【０１０３】
このようにして、送波器から複数のレイヤ数以下の個数の送波方位角で音波を送波しても、少ないシステムで、音速分布を高精度に得ることが可能になる。
【０１０４】
上記実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
＜付記１＞
海中に位置して、指示された方位に音波を複数回送波する送波器と、
海中に位置して、海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波する第１受波器と、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように前記送波器に対して送波方位を指示する送波方位設定部と、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定部と、
予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定部と、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築する連立方程式構築部と、
前記連立方程式を解く連立方程式求解部と、
前記連立方程式求解部が前記連立方程式を解く際に必要となる初期値をパラメータ初期値として設定する初期パラメータ設定部と、
前記連立方程式求解部によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の平均音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成して出力する音速プロファイル出力部と、を含む第１ユニットを備えることを特徴とする環境計測システム。
＜付記２＞
第１ユニットと通信する複数の第２ユニットを備え、
前記第１ユニットは、
海中に位置して、指示された方位に音波を送波する送波器と、
海中に位置して、海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波する第１受波器と、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように前記送波器に対して送波方位を指示する送波方位設定部と、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定部と、
予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定部と、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築する連立方程式構築部と、
前記連立方程式を解く連立方程式求解部と、
前記連立方程式求解部が前記連立方程式を解く際に必要となる初期値をパラメータ初期値として設定する初期パラメータ設定部と、
前記連立方程式求解部によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成して出力する音速プロファイル出力部と、
前記第２ユニットに前記送波時刻を送信すると共に、当該第２ユニットから所要時間を送受信する第１所要時間送受信部と、を含み、
前記第２ユニットは、
前記第１ユニットの前記送波器から送波され、前記反射体で反射された前記音波を受波する第２受波器と、
前記第１所要時間送受信部を介して前記送波時刻を受信すると共に、当該第２ユニットで計測した前記所要時間を前記第１所要時間送受信部に送信する第２所要時間送受信部と、
前記第２受波器で受波した受波時刻と前記第２所要時間送受信部を介して受信した前記送波時刻とに基づきに前記所要時間を測定して、前記第２所要時間送受信部に出力する第２所要時間測定部と、
を含むことを特徴とする環境計測システム。
＜付記３＞
付記１又は２に記載の環境計測システムであって、
前記連立方程式求解部は、各レイヤにおける平均音速の違いが小さいため前記連立方程式構築部により構築された前記連立方程式が線形連立方程式に近似できる場合、当該線形連立方程式に基づき前記平均音速を求めることを特徴とする環境計測システム。
＜付記４＞
付記１乃至３のいずれか１項に記載の環境計測システムであって、
前記音速プロファイルに従い前記平均音速を、少なくとも文字情報又は画像情報として表示する表示部と、
前記音速プロファイルを記憶する蓄積部と、を備えることを特徴とする環境計測システム。
＜付記５＞
付記１乃至４のいずれか１項に記載の環境計測システムにおいて、
前記音速プロファイル出力部は、
前記海面で反射された前記音波の前記所要時間を用いて、該海面から当該システムの設置深度までの音速のプロファイルと、
水平方向に平らな前記海底で反射した前記音波の前記所要時間を用いて、当該システムの設置深度から海底までの音速のプロファイルと、
を求めて前記音速プロファイルを導出することを特徴とする環境計測システム。
＜付記６＞
付記１乃至４のいずれか１項に記載の環境計測システムにおいて、
前記音速プロファイル出力部は、
前記海面で反射された前記音波の所要時間を用いて、当該海面から当該システムの設置深度までの音速のプロファイルと、
傾斜状態や凹凸状態の前記海底で反射した前記音波の前記所要時間を用いて、当該システムの設置深度から海底までの音速のプロファイルと、
を求めて前記音速プロファイルを導出することを特徴とする環境計測システム。
＜付記７＞
付記１乃至６のいずれか１項に記載の環境計測システムにおいて、
少なくとも海底の凹凸を深度情報として含む海底マップを保持するマップ保持部と、
前記送波方位毎の前記平均所要時間に基づき海底深度を導出し、該海底深度と前記海底マップとのマッチングにより当該海底深度を補正し、前記送波方位毎に前記音波が前記海底深度のどの地点から反射されるかを導出して反射深度を求めるマッチング部と、を備え、
前記レイヤ設定部は、前記補正された前記反射深度に基づき海中を複数のレイヤに分割し、その際に最も浅い深度までは予め設定された間隔の厚さでレイヤ分割を行い、当該最も浅い深度から最も深い深度までは前記反射深度に基づいて前記送波方位毎にレイヤ数及び厚さが異なることを許容しながらレイヤを設定することを特徴とする環境計測システム。
＜付記８＞
指示された方位に音波を複数回送波する送波手順と、
海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波する第１受波手順と、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように送波方位を指示する送波方位設定手順と、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定手順と、
予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定手順と、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築する連立方程式構築手順と、
前記連立方程式を解く連立方程式求解手順と、
前記連立方程式求解手順で連立方程式を解く際に必要となるパラメータ初期値を設定する初期パラメータ設定手順と、
前記連立方程式求解手順によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の平均音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成出力する音速プロファイル出力手順と、を含むことを特徴とする環境計測方法。
＜付記９＞
指示された方位に音波を複数回送波する送波手順と、
海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波する第１受波手順と、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように送波方位を指示する送波方位設定手順と、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定手順と、
予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定手順と、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築する連立方程式構築手順と、
前記連立方程式を解く連立方程式求解手順と、
前記連立方程式求解手順で連立方程式を解く際に必要となるパラメータ初期値を設定する初期パラメータ設定手順と、
前記連立方程式求解手順によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成出力する音速プロファイル出力手順と、
前記送波時刻を受信すると共に計測された所要時間を送信する第１所要時間送受信手順と、
前記送波手順において送波されて前記反射体で反射された前記音波を受波して受波時刻を計測する第２受波手順と、
前記第１所要時間送受信手順からの前記送波時刻を受信すると共に、計測された所要時間を送信する第２所要時間送受信手順と、
前記第２受波手順で受波された前記送波時刻と前記第２所要時間送受信手順で受信された前記受波時刻とに基づきに前記所要時間を測定する第２所要時間測定手順と、
を含むことを特徴とする環境計測方法。
＜付記１０＞
付記８又は９に記載の環境計測方法であって、
前記連立方程式求解手順は、各レイヤにおける平均音速の違いが小さく前記連立方程式構築手順により構築された前記連立方程式が線形連立方程式に近似できる場合に、当該線形連立方程式に基づき前記平均音速を求めることを特徴とする環境計測方法。
＜付記１１＞
付記８乃至１０のいずれか１項に記載の環境計測方法であって、
前記音速プロファイルに従い前記平均音速を、少なくとも文字情報又は画像情報として表示する表示手順と、
前記音速プロファイルを記憶する蓄積手順と、
を含むことを特徴とする環境計測方法。
＜付記１２＞
付記８乃至１１のいずれか１項に記載の環境計測方法において、
前記音速プロファイル出力手順は、
前記海面で反射された前記音波の前記所要時間を用いて、該海面から環境計測システムの設置深度までの音速のプロファイルと、
水平方向に平らな前記海底で反射した前記音波の所要時間を用いて、前記環境計測システムの設置深度から海底までの音速のプロファイルと、
を求めて前記音速プロファイルを導出することを特徴とする環境計測方法。
＜付記１３＞
付記８乃至１１のいずれか１項に記載の環境計測方法において、
前記音速プロファイル出力手順は、
前記海面で反射された前記音波の前記所要時間を用いて、該海面から環境計測システムの設置深度までの音速のプロファイルと、
傾斜状態や凹凸状態の前記海底で反射した前記音波の所要時間を用いて、前記環境計測システムの設置深度から海底までの音速プロファイルと、
を求めて前記音速プロファイルを導出することを特徴とする環境計測方法。
＜付記１４＞
付記８乃至１３のいずれか１項に記載の環境計測方法において、
少なくとも海底の凹凸を深度情報として含む海底マップを保持するマップ保持手順と、
前記送波方位毎の前記平均所要時間に基づき海底深度を導出し、該海底深度と前記海底マップとのマッチングにより当該海底深度を補正し、前記送波方位毎に前記音波が前記海底深度のどの地点から反射されるかを導出して反射深度を求めるマッチング手順と、を備え、
前記レイヤ設定手順は、前記補正された前記反射深度に基づき海中を複数のレイヤに分割し、その際に最も浅い深度までは予め設定された間隔の厚さでレイヤ分割を行い、当該最も浅い深度から最も深い深度までは前記反射深度に基づいて前記送波方位毎にレイヤ数及び厚さが異なることを許容しながらレイヤを設定することを特徴とする環境計測方法。
以上、実施形態（及び実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１２年１１月２７日に出願された日本出願特願２０１２−２５８７５１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【０１０５】
２Ａ〜２Ｃ    環境計測システム
３Ａ    第１ユニット
３Ｂ    第２ユニット
１１    送波器
１２    第１受波器
１２ｂ    第２受波器
１３    送波方位設定部
１４    第１所要時間測定部
１４ｂ    第２所要時間測定部
１５    レイヤ設定部
１６    連立方程式構築部
１７    連立方程式求解部
１８    音速プロファイル出力部
１９    初期パラメータ設定部
２０    表示部
２１    蓄積部
２２    マップ保持部
２３    マッチング部
２４    多段レイヤ設定部（レイヤ設定部）
３１ａ    第１所要時間送受信部
３１ｂ    第２所要時間送受信部
【図１】
2014083790.tif 000040
【図２Ａ】
2014083790.tif 000041
【図２Ｂ】
2014083790.tif 000042
【図３】
2014083790.tif 000043
【図４】
2014083790.tif 000044
【図５】
2014083790.tif 000045
【図６】
2014083790.tif 000046
【図７】
2014083790.tif 000047
【図８】
2014083790.tif 000048
【図９】
2014083790.tif 000049
【図１０】
2014083790.tif 000050
【手続補正書】
【提出日】平成28年2月19日(2016.2.19)
【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】
海中に位置して、指示された方位に音波を複数回送波する送波器と、
海中に位置して、海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波する第１受波器と、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように前記送波器に対して送波方位を指示する送波方位設定部と、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定部と、
予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定部と、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築する連立方程式構築部と、
前記連立方程式を解く連立方程式求解部と、
前記連立方程式求解部が前記連立方程式を解く際に必要となる初期値をパラメータ初期値として設定する初期パラメータ設定部と、
前記連立方程式求解部によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の平均音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成して出力する音速プロファイル出力部と、を含む第１ユニットを備える環境計測システムにおいて、
少なくとも海底の凹凸を深度情報として含む海底マップを保持するマップ保持部と、
前記送波方位毎の前記平均所要時間に基づき海底深度を導出し、該海底深度と前記海底マップとのマッチングにより当該海底深度を補正し、前記送波方位毎に前記音波が前記海底深度のどの地点から反射されるかを導出して反射深度を求めるマッチング部と、を備え、
前記レイヤ設定部は、前記補正された前記反射深度に基づき海中を複数のレイヤに分割し、その際に最も浅い深度までは予め設定された間隔の厚さでレイヤ分割を行い、当該最も浅い深度から最も深い深度までは前記反射深度に基づいて前記送波方位毎にレイヤ数及び厚さが異なることを許容しながらレイヤを設定することを特徴とする環境計測システム。
【請求項２】
第１ユニットと通信する複数の第２ユニットを備え、
前記第１ユニットは、
海中に位置して、指示された方位に音波を送波する送波器と、
海中に位置して、海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波する第１受波器と、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように前記送波器に対して送波方位を指示する送波方位設定部と、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定部と、
予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定部と、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築する連立方程式構築部と、
前記連立方程式を解く連立方程式求解部と、
前記連立方程式求解部が前記連立方程式を解く際に必要となる初期値をパラメータ初期値として設定する初期パラメータ設定部と、
前記連立方程式求解部によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成して出力する音速プロファイル出力部と、
前記第２ユニットに前記送波時刻を送信すると共に、当該第２ユニットから所要時間を受信する第１所要時間送受信部と、を含み、
前記第２ユニットは、
前記第１ユニットの前記送波器から送波され、前記反射体で反射された前記音波を受波し受波方位を取得する第２受波器と、
前記第１所要時間送受信部を介して前記送波時刻を受信すると共に、当該第２ユニットで計測した前記所要時間を前記第１所要時間送受信部に送信する第２所要時間送受信部と、
前記第２受波器で受波した受波時刻と前記第２所要時間送受信部を介して受信した前記送波時刻とに基づき前記所要時間を測定して、前記第２所要時間送受信部に出力する第２所要時間測定部と、
を含む環境計測システムにおいて、
少なくとも海底の凹凸を深度情報として含む海底マップを保持するマップ保持部と、
前記送波方位毎の前記平均所要時間に基づき海底深度を導出し、該海底深度と前記海底マップとのマッチングにより当該海底深度を補正し、前記送波方位毎に前記音波が前記海底深度のどの地点から反射されるかを導出して反射深度を求めるマッチング部と、を備え、
前記レイヤ設定部は、前記補正された前記反射深度に基づき海中を複数のレイヤに分割し、その際に最も浅い深度までは予め設定された間隔の厚さでレイヤ分割を行い、当該最も浅い深度から最も深い深度までは前記反射深度に基づいて前記送波方位毎にレイヤ数及び厚さが異なることを許容しながらレイヤを設定することを特徴とする環境計測システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の環境計測システムであって、
前記連立方程式求解部は、各レイヤにおける平均音速の違いが小さいため前記連立方程式構築部により構築された前記連立方程式が線形連立方程式に近似できる場合、当該線形連立方程式に基づき前記平均音速を求めることを特徴とする環境計測システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の環境計測システムであって、
前記音速プロファイルに従い前記平均音速を、少なくとも文字情報又は画像情報として表示する表示部と、
前記音速プロファイルを記憶する蓄積部と、を備えることを特徴とする環境計測システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の環境計測システムにおいて、
前記音速プロファイル出力部は、
前記海面で反射された前記音波の前記所要時間を用いて、該海面から当該システムの設置深度までの音速のプロファイルと、
水平方向に平らな前記海底で反射した前記音波の前記所要時間を用いて、当該システムの設置深度から海底までの音速のプロファイルと、
を求めて前記音速プロファイルを導出することを特徴とする環境計測システム。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の環境計測システムにおいて、
前記音速プロファイル出力部は、
前記海面で反射された前記音波の所要時間を用いて、当該海面から当該システムの設置深度までの音速のプロファイルと、
傾斜状態や凹凸状態の前記海底で反射した前記音波の前記所要時間を用いて、当該システムの設置深度から海底までの音速のプロファイルと、
を求めて前記音速プロファイルを導出することを特徴とする環境計測システム。
【請求項７】
指示された方位に音波を複数回送波し、
海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波し、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように送波方位を指示し、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力し、
予め設定された距離で、海中を水平方向に層状のレイヤに分割し、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築し、
前記連立方程式を解き、
前記連立方程式求解手順で連立方程式を解く際に必要となるパラメータ初期値を設定し、
前記連立方程式を解いて得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の平均音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成出力する環境計測方法において、
少なくとも海底の凹凸を深度情報として含む海底マップを保持し、
前記送波方位毎の前記平均所要時間に基づき海底深度を導出し、該海底深度と前記海底マップとのマッチングにより当該海底深度を補正し、前記送波方位毎に前記音波が前記海底深度のどの地点から反射されるかを導出して反射深度を求め、
前記層状のレイヤへの分割においては、前記補正された前記反射深度に基づき海中を複数のレイヤに分割し、その際に最も浅い深度までは予め設定された間隔の厚さでレイヤ分割を行い、当該最も浅い深度から最も深い深度までは前記反射深度に基づいて前記送波方位毎にレイヤ数及び厚さが異なることを許容しながらレイヤを設定することを特徴とする環境計測方法。
【請求項８】
第１ユニットと通信する複数の第２ユニットを備える環境計測システムの環境計測方法であって、
前記第１ユニットが、
指示された方位に音波を複数回送波し、
海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波し、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように送波方位を指示し、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力し、
予め設定された距離で、海中を水平方向に層状のレイヤに分割し、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築し、
前記連立方程式を解き、
前記連立方程式求解手順で連立方程式を解く際に必要となるパラメータ初期値を設定し、
前記連立方程式求解手順によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成出力し、
前記第２ユニットに前記送波時刻を送信すると共に前記第２ユニットから計測された所要時間を受信し、
前記第２ユニットが、
前記指示された方位に送波されて前記反射体で反射された前記音波を受波して受波時刻及び受波方位を計測し、
前記第１ユニットから送信された前記送波時刻を受信すると共に、前記第２ユニットで計測された所要時間を前記第１ユニットに送信し、
前記受信された前記送波時刻と前記受波された前記受波時刻とに基づき前記所要時間を測定する環境計測方法において、
少なくとも海底の凹凸を深度情報として含む海底マップを保持し、
前記送波方位毎の前記平均所要時間に基づき海底深度を導出し、該海底深度と前記海底マップとのマッチングにより当該海底深度を補正し、前記送波方位毎に前記音波が前記海底深度のどの地点から反射されるかを導出して反射深度を求め、
前記層状のレイヤへの分割においては、前記補正された前記反射深度に基づき海中を複数のレイヤに分割し、その際に最も浅い深度までは予め設定された間隔の厚さでレイヤ分割を行い、当該最も浅い深度から最も深い深度までは前記反射深度に基づいて前記送波方位毎にレイヤ数及び厚さが異なることを許容しながらレイヤを設定することを特徴とする環境計測方法。
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月19日(2016.7.19)
【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】
海中に位置して、指示された方位に音波を複数回送波する送波器と、
海中に位置して、海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波する第１受波器と、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように前記送波器に対して送波方位を指示する送波方位設定部と、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定部と、
予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定部と、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築する連立方程式構築部と、
前記連立方程式を解く連立方程式求解部と、
前記連立方程式求解部が前記連立方程式を解く際に必要となる初期値をパラメータ初期値として設定する初期パラメータ設定部と、
前記連立方程式求解部によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の平均音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成して出力する音速プロファイル出力部と、を含む第１ユニットを備える環境計測システムにおいて、
少なくとも海底の凹凸を深度情報として含む海底マップを保持するマップ保持部と、
前記送波方位毎の前記平均所要時間に基づき海底深度を導出し、該海底深度と前記海底マップとのマッチングにより当該海底深度を補正し、前記送波方位毎に前記音波が前記海底深度のどの地点から反射されるかを導出して反射深度を求めるマッチング部と、を備え、
前記レイヤ設定部は、前記補正された前記反射深度に基づき海中を複数のレイヤに分割し、その際に最も浅い深度までは予め設定された間隔の厚さでレイヤ分割を行い、当該最も浅い深度から最も深い深度までは前記反射深度に基づいて前記送波方位毎にレイヤ数及び厚さが異なることを許容しながらレイヤを設定することを特徴とする環境計測システム。
【請求項２】
第１ユニットと通信する複数の第２ユニットを備え、
前記第１ユニットは、
海中に位置して、指示された方位に音波を送波する送波器と、
海中に位置して、海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波する第１受波器と、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように前記送波器に対して送波方位を指示する送波方位設定部と、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力する第１所要時間測定部と、
予め設定された距離で、前記海中を水平方向に層状のレイヤに分割するレイヤ設定部と、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築する連立方程式構築部と、
前記連立方程式を解く連立方程式求解部と、
前記連立方程式求解部が前記連立方程式を解く際に必要となる初期値をパラメータ初期値として設定する初期パラメータ設定部と、
前記連立方程式求解部によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成して出力する音速プロファイル出力部と、
前記第２ユニットに前記送波時刻を送信すると共に、当該第２ユニットから所要時間を受信する第１所要時間送受信部と、を含み、
前記第２ユニットは、
前記第１ユニットの前記送波器から送波され、前記反射体で反射された前記音波を受波し受波方位を取得する第２受波器と、
前記第１所要時間送受信部を介して前記送波時刻を受信すると共に、当該第２ユニットで計測した前記所要時間を前記第１所要時間送受信部に送信する第２所要時間送受信部と、
前記第２受波器で受波した受波時刻と前記第２所要時間送受信部を介して受信した前記送波時刻とに基づき前記所要時間を測定して、前記第２所要時間送受信部に出力する第２所要時間測定部と、
を含む環境計測システムにおいて、
少なくとも海底の凹凸を深度情報として含む海底マップを保持するマップ保持部と、
前記送波方位毎の前記平均所要時間に基づき海底深度を導出し、該海底深度と前記海底マップとのマッチングにより当該海底深度を補正し、前記送波方位毎に前記音波が前記海底深度のどの地点から反射されるかを導出して反射深度を求めるマッチング部と、を備え、
前記レイヤ設定部は、前記補正された前記反射深度に基づき海中を複数のレイヤに分割し、その際に最も浅い深度までは予め設定された間隔の厚さでレイヤ分割を行い、当該最も浅い深度から最も深い深度までは前記反射深度に基づいて前記送波方位毎にレイヤ数及び厚さが異なることを許容しながらレイヤを設定することを特徴とする環境計測システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の環境計測システムであって、
前記連立方程式求解部は、各レイヤにおける平均音速の違いが小さいため前記連立方程式構築部により構築された前記連立方程式が線形連立方程式に近似できる場合、当該線形連立方程式に基づき前記平均音速を求めることを特徴とする環境計測システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の環境計測システムであって、
前記音速プロファイルに従い前記平均音速を、少なくとも文字情報又は画像情報として表示する表示部と、
前記音速プロファイルを記憶する蓄積部と、を備えることを特徴とする環境計測システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の環境計測システムにおいて、
前記音速プロファイル出力部は、
前記海面で反射された前記音波の前記所要時間を用いて、該海面から当該システムの設置深度までの音速のプロファイルと、
水平方向に平らな前記海底で反射した前記音波の前記所要時間を用いて、当該システムの設置深度から海底までの音速のプロファイルと、
を求めて前記音速プロファイルを導出することを特徴とする環境計測システム。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の環境計測システムにおいて、
前記音速プロファイル出力部は、
前記海面で反射された前記音波の所要時間を用いて、当該海面から当該システムの設置深度までの音速のプロファイルと、
傾斜状態や凹凸状態の前記海底で反射した前記音波の前記所要時間を用いて、当該システムの設置深度から海底までの音速のプロファイルと、
を求めて前記音速プロファイルを導出することを特徴とする環境計測システム。
【請求項７】
指示された方位に音波を複数回送波し、
海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波し、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように送波方位を指示し、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力し、
予め設定された距離で、海中を水平方向に層状のレイヤに分割し、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築し、
前記連立方程式を解き、
前記連立方程式を解く際に必要となるパラメータ初期値を設定し、
前記連立方程式を解いて得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の平均音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成出力する環境計測方法において、
少なくとも海底の凹凸を深度情報として含む海底マップを保持し、
前記送波方位毎の前記平均所要時間に基づき海底深度を導出し、該海底深度と前記海底マップとのマッチングにより当該海底深度を補正し、前記送波方位毎に前記音波が前記海底深度のどの地点から反射されるかを導出して反射深度を求め、
前記層状のレイヤへの分割においては、前記補正された前記反射深度に基づき海中を複数のレイヤに分割し、その際に最も浅い深度までは予め設定された間隔の厚さでレイヤ分割を行い、当該最も浅い深度から最も深い深度までは前記反射深度に基づいて前記送波方位毎にレイヤ数及び厚さが異なることを許容しながらレイヤを設定することを特徴とする環境計測方法。
【請求項８】
第１ユニットと通信する複数の第２ユニットを備える環境計測システムの環境計測方法であって、
前記第１ユニットが、
指示された方位に音波を複数回送波し、
海面又は海底の反射体で反射された前記音波を受波し、
ユーザが予め指定した方位に音波を送波するように送波方位を指示し、
前記音波の送波時刻と受波時刻とから、送波方位毎に当該音波が帰ってくる時間を所要時間として測定し、送波方位毎にその平均値を平均所要時間として出力し、
予め設定された距離で、海中を水平方向に層状のレイヤに分割し、
前記送波方位、前記所要時間、前記レイヤの厚さを用い、かつ、当該レイヤにおける平均音速を未知数とする連立方程式を構築し、
前記連立方程式を解き、
前記連立方程式を解く際に必要となるパラメータ初期値を設定し、
前記連立方程式求解手順によって得られた解を各レイヤの平均音速として、レイヤ毎の音速を深度順に並べた音速のプロファイルを作成出力し、
前記第２ユニットに前記送波時刻を送信すると共に前記第２ユニットから計測された所要時間を受信し、
前記第２ユニットが、
前記指示された方位に送波されて前記反射体で反射された前記音波を受波して受波時刻及び受波方位を計測し、
前記第１ユニットから送信された前記送波時刻を受信すると共に、前記第２ユニットで計測された所要時間を前記第１ユニットに送信し、
前記受信された前記送波時刻と前記受波された前記受波時刻とに基づき前記所要時間を測定する環境計測方法において、
少なくとも海底の凹凸を深度情報として含む海底マップを保持し、
前記送波方位毎の前記平均所要時間に基づき海底深度を導出し、該海底深度と前記海底マップとのマッチングにより当該海底深度を補正し、前記送波方位毎に前記音波が前記海底深度のどの地点から反射されるかを導出して反射深度を求め、
前記層状のレイヤへの分割においては、前記補正された前記反射深度に基づき海中を複数のレイヤに分割し、その際に最も浅い深度までは予め設定された間隔の厚さでレイヤ分割を行い、当該最も浅い深度から最も深い深度までは前記反射深度に基づいて前記送波方位毎にレイヤ数及び厚さが異なることを許容しながらレイヤを設定することを特徴とする環境計測方法。
【国際調査報告】
2014083790.tif 000051
2014083790.tif 000052
2014083790.tif 000053
2014083790.tif 000054