(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する送波音場シミュレータと、
前記送波音場シミュレータが計算した送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する目標物シミュレータと、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する受波音場シミュレータと、
前記目標物シミュレータが計算した反射音場遠方界と、前記受波音場シミュレータが計算した受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する受波音圧統合計算部と、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する受波音波時間波形変換部とを有する試験システム。
【請求項２】
請求項１に記載の試験システムにおいて、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、基準画像を生成する基準画像生成部と、
前記受波音波時間波形変換部が計算した受波の時間波形に基づいて生成された画像を、前記基準画像生成部が生成した基準画像に基づいて評価する画像Ｓ／Ｎ比計算評価部とを有する試験システム。
【請求項３】
請求項２に記載の試験システムにおいて、
前記画像Ｓ／Ｎ比計算評価部は、前記基準画像を基準として、前記受波音波時間波形変換部が計算した受波の時間波形に基づいて生成された画像のＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ−Ｎｏｉｓｅ）比を計算することで評価を行う試験システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の試験システムにおいて、
前記受波音圧統合計算部は、グリーン関数を用いて前記指向性関数を計算する試験システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の試験システムにおいて、
前記送波音場シミュレータは、フーリエ変換を用いて、前記送波音場を計算し、
前記受波音場シミュレータは、フーリエ変換を用いて、前記受波音場を計算し、
前記受波音波時間波形変換部は、逆フーリエ変換を用いて、前記受波の時間波形を計算する試験システム。
【請求項６】
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する送波音場シミュレータと、
前記送波音場シミュレータが計算した送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する目標物シミュレータと、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する受波音場シミュレータと、
前記目標物シミュレータが計算した反射音場遠方界と、前記受波音場シミュレータが計算した受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する受波音圧統合計算部と、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する受波音波時間波形変換部とを有する波形シミュレータ装置。
【請求項７】
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する処理と、
前記送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する処理と、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する処理と、
前記反射音場遠方界と前記受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する処理と、
前記計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する処理とを行う試験方法。
【請求項８】
コンピュータに、
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する手順と、
前記送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する手順と、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する手順と、
前記反射音場遠方界と前記受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する手順と、
前記計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する手順とを実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験システム、波形シミュレータ装置、試験方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の水中ソナーは、多チャンネル圧電振動子アレイを送受波器として用いて、狭指向性ビームを作り出し、そのビームを自在な角度にステアリングすることにより、各方向の目標物の探査を行っている。
通常、圧電振動子を用いて構成された送波器へ送信する電気信号および受波器から受信する電気信号は、信号処理機にて、フィルタ、サンプリングレート変換、ビット深度変換、信号処理、積分計算、四則計算を用いて処理される。ここで、送波器とは、水中で音波を送波する装置である。また、受波器とは、水中で音波を受波する装置である。
信号処理機が具備する各信号処理ブロックには、処理動作を決定するためのパラメータが存在する。そのパラメータの最適値は、実施に使用するもしくは実際に使用するものに近い送受波器と信号処理器（以下、送受波器実機と称する）を接続し、それらを水中に配置し、画像を生成するのに適したターゲットを水中に配置して、実際に近い動作をさせることにより生成される出力画面（以下、ソナー画面と称する）を確認しながら信号処理システムのチューニングするのが通常である。
【０００３】
図１３は、一般的な信号処理システムのチューニングにおいて使用される接続の一例の概念図である。
【０００４】
信号処理システム１−１は、水槽１−７の水中に存在する目標物１−９に対するソナー画像を生成するためのシステムである。水槽１−７は、送波、受波を行うための水中音場を形成するための水槽である。水槽は送波器から送波されるパルス音波が、受波時間内に水槽の壁で反射することがないように、十分な寸法を確保しなければならない。
図１３に示した信号処理システム１−１は、送信信号生成部１−２と、送信Ｉ／Ｆ１−３と、受信Ｉ／Ｆ１−４と、受信処理部１−５と、画像生成部１−６とを有している。また、水槽１−７には、送波器１−８と、受波器１−１０とが存在する。
送信信号生成部１−２は、送波する信号を生成する。送信信号生成部１−２は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等のプロセッサ上で稼働するソフトウェアにより、チューニング作業者が所望のデジタル送信波形（正弦波、チャープ信号等）を生成する。送信波形は、後述する水中での送波、受波において、反射が十分に無視できる、自遊空間とみなせるように、時間幅を短く設定されたパルスでなければならない。
送信Ｉ／Ｆ１−３は、送信信号生成部１−２が生成したデジタル信号波形をアナログ波形へと変換した上で、電圧／電力増幅する。具体的には、送信Ｉ／Ｆ１−３は、送信信号生成部１−２が生成したデジタル信号波形を、Ｄ／Ａ（Ｄｉｇｉｔａｌ／Ａｎａｌｏｇ）コンバータを用いてアナログ波形へ変換し、電力増幅器（アンプ）を用いて、最終的に送波器が必要とする電圧および電力まで増幅し、プラグ、コネクタ及びケーブルを介して送波器１−８へ送信する。
受信Ｉ／Ｆ１−４は、受波器１−１０が音響電気変換した受信信号を電気的に受けるためのインタフェース機能を持つ。受信Ｉ／Ｆ１−４には、プラグ、コネクタ、ケーブル、低ノイズプリアンプ、およびＡ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）コンバータ等が含まれる。受信Ｉ／Ｆ１−４は、最終的には受信信号をデジタル信号として、後段の受信処理部１−５へ送出する。
受信処理部１−５は、受信Ｉ／Ｆ１−４から送出されたデジタル信号に対して信号処理を行う。受信処理部１−５が行う信号処理としては、フィルタ処理、サンプリングレート変換、ビット深度変換、指向性合成、ＴＳ（Ｔａｒｇｅｔ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ）変換、ＴＶＧ（Ｔｉｍｅ  Ｖａｒｉｅｄ  Ｇａｉｎ）補正などが挙げられる。この信号処理により、受信Ｉ／Ｆ１−４から送出されたデジタル信号が、画像の画素値へ変換される。
画像生成部１−６は、ソナー画像を表示する。受信処理部１−５が生成した画素値データに基づいて、表示する画像を生成する。
送波器１−８は、目標物１−９に対して送信波形を音波として放射する。水中送波器は、一般的に圧電素子で構成されることが多い。
目標物１−９は、ソナーで画像化するための目標物（対象物）であり、送波された音波を受波器に対して反射するものである。目標物１−９は、簡素な形状から複雑な形状、また仕様内で想定される最も大きな寸法から、最も小さな寸法までの諸所の目標物を用意してチューニングすることが望ましい。実際には、水槽１−７の大きさとかかる人手の制約上、用意できる目標物１−９は限られる。
受波器１−１０は、目標物１−９からの反射音波を受信する。
図１３に示した形態においては、チューニングを屋内の水槽にて行う場合を想定しているが、実際の使用環境により近い条件でのチューニングを行うために、海上にてチューニング作業を行うこともある。
【０００５】
図１４は、図１３に示した送信器１−８および受信器１−１０が設置されたフレームの一例を示す図である。ここで、送信器１−８が送信するビーム方式として、マルチナロービーム方式を採用する場合を例に挙げて説明する。
【０００６】
図１４に示したフレーム２−１は、内部に空洞を有し、電子回路基板を格納するよう設計することもできる形態となっている。フレーム２−１は、例えば、図１３に示した送信Ｉ／Ｆ１−３および受信Ｉ／Ｆ１−４を端とする基板を格納することも可能である。フレーム２−１は、ジュラルミン、ステンレス、チタンなどの金属により構成されている。
送波器１−８は、長手方向（図１４中の左右方向）に圧電素子が複数チャンネルアレイされているものとする。送波器１−８の搭載部分のフレーム２−１の背面には、図１３に示した送信Ｉ／Ｆ１−３とケーブル等を介して、送信Ｉ／Ｆ１−３と接続できるように送波器コネクタ２−４が設けられている。フレーム２−１の表面側は水中で水と接するが、この表面をウレタンなどでモールド処理されており、フレーム２−１内部、送波器１−８内部に水が浸入することがないように防水加工されている。
受波器１−１０は、構造自体は送波器１−８と同様である。受波器１−１０のアレイ方向は送波器１−８と垂直（図中の上下方向）であり、図１４に示した例では、送波器１−８と受波器１−１０とがＬ字型に配置されているものとする。また、受波器１−１０の搭載部分のフレーム２−１の背面には、図１３に示した受信Ｉ／Ｆ１−４とケーブル等を介して、受信Ｉ／Ｆ１−４と接続できるように受波器コネクタ２−５が設けられている。
【０００７】
図１５は、送波器と受波器とに共通に用いられる振動子の構造概念図である。図１５の上図は、アレイ方向を法線とする断面図、下図は４０チャンネルをアレイした全体図である。ここで、送波器および受波器の圧電振動子の内部構造の一例としてコンポジット型圧電振動子である場合を例に挙げて説明する。
モールド３−１は、送受波器全体の防水を保つためのモールドであり、ウレタン等の材料が用いられる。
樹脂層３−２と圧電セラミックス３−４とを交互に配置することによりコンポジット振動子を形成する。コンポジット振動子を用いることで、単体の圧電セラミックスよりも音響インピーダンスを低く抑えることができる。そのため、このような構造は、水との音響インピーダンスマッチング整合に有利となる。また、海中で大きな水圧がかかった際の耐水圧設計も容易となる。また、図１５に示した例では、圧電セラミックスは断面図の上下方向に分極され、縦振動子として使用される。
整合層３−３は、圧電セラミックス３−４とモールド３−１との間の音響インピーダンスが整合しやすくなるように使用する整合層である。一般的に整合層３−３は、エポキシ、ポリイミド等の硬質の樹脂材料が用いられる。ここで、圧電セラミックス３−４単体の音響インピーダンスが
【数１】
0006737464.tif 000002
程度、水の音響インピーダンスが
【数２】
0006737464.tif 000003
で、あるから、圧電セラミックス３−４単体とモールド３−１とが直接接する場合には音響インピーダンスを段階的に引き下げるようにその中間程度の音響インピーダンス、すなわち
【数３】
0006737464.tif 000004
程度の音響インピーダンスの整合層３−３を、所定の周波数での波長をλ［ｍ］として、λ／４［ｍ］の厚さで介在させることが必要となる。しかしながら、コンポジット型振動子の場合には、圧電セラミックス３−４単体よりも音響インピーダンスが数分の１となることから、整合層３−３が必要ない場合もある。
バッキング第１層３−５およびバッキング第２層３−６は、背面に弾性波が抜けるのを防止するためのバッキング層である。低インピーダンスのバッキング第１層３−５と、高インピーダンスのバッキング第２層３−６とを組み合わせることで、振動子からバッキング第２層３−６間での多重反射を起こさせて、背面への弾性波の抜けを防止する。
ワイヤ３−７およびコネクタ３−８は、圧電セラミックス３−４の電気的接続を行うためのものである。
【０００８】
ここで、マルチナロービーム方式について説明する。
マルチナロービーム方式とは、送受波各々の複数のビームを別々の方向に走査させ（多くの場合直交させる）、その格子を形成することにより、格子の各点に目標物が存在するか否かをその反射した音波のレベルにより判定する方式である。
まず、ある特定の周波数においての送受波ビームの形成について説明する。自由空間におけるビームの形成については送波、受波ともに完全に共通である。それは、電気音響変換の可逆性および自由空間における偏微分方程式（定常音場を記述するヘルムホルツ方程式など楕円型偏微分方程式も当然ながら含む）の基本解、すなわちグリーン関数の相反性に基づいて数学的に保証される。
【０００９】
さて、通常は、多チャンネルアレイ振動子に印加する駆動電圧は、振動子の共振周波数近傍にて、各々チャンネルへの電圧の重みづけを掛け合わせて加える。重みづけの関数としては、Ｔｕｒｋｅｙ窓、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ窓などがある。
【００１０】
図１６は、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ窓を用いた座標とフィルタ係数との関係の一例を示す図である。図１６には、４０チャンネルに、式１を用いて計算されたＣｈｅｂｙｓｈｅｖ窓（サイドローブ減衰比−６０ｄＢ）を示す。
【数４】
0006737464.tif 000005
【数５】
0006737464.tif 000006
【数６】
0006737464.tif 000007
ここで、
【数７】
0006737464.tif 000008
である。式２は、ｍ次Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ多項式、ｓはメインローブに対するサイドローブの減衰比である。
【００１１】
図１６に示した電圧重み特性４−１は、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ窓の一例である。また、ビームステアリング（メインローブの方向を移動させる）は、所望のステアリング角度θに対して、振動子各チャンネル間の中心距離ｄ、音速ｃ、振動子の総チャンネル数Ｎとすると、ｎチャンネルの振動子に対して、
【数８】
0006737464.tif 000009
の時間遅延を与えることにより、実現できる。
【００１２】
図１７（ａ）〜１７（ｃ）は、４０チャンネルの振動子が一様に振動していた場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布を示す図である。図１７（ａ）〜１７（ｃ）は、振動子の振動が均一であると仮定した場合の、振動子を包む最外側モールド層の各チャンネル振動子直上の振動速度の絶対値および位相を示す。図１７（ａ）は、ビームステアリングを０ｄｅｇとした場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布５−１を示す。図１７（ｂ）は、ビームステアリングを３０ｄｅｇとした場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布５−２を示す。図１７（ｃ）は、ビームステアリングを６０ｄｅｇとした場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布５−３を示す。
【００１３】
図１８（ａ）〜１７（ｃ）は、図１７（ａ）〜１７（ｃ）に示した速度分布が作り出す、音圧の遠方界指向性の計算結果を示す図である。図１８（ａ）は、図１７（ａ）に示した振動速度分布が作り出すビームステアリング０ｄｅｇとした場合の遠方界指向特性６−１を示す。図１８（ｂ）は、図１７（ｂ）に示した振動速度分布が作り出すビームステアリング３０ｄｅｇとした場合の遠方界指向特性６−２を示す。図１８（ｃ）は、図１７（ｃ）に示した振動速度分布が作り出すビームステアリング６０ｄｅｇとした場合の遠方界指向特性６−３を示す。
【００１４】
図１７（ａ）〜１７（ｃ）および図１８（ａ）〜１７（ｃ）に示した特性からわかるように、送受波のビーム形成とビームステアリングとが、各振動子の重みづけ（シェーディング）と各チャンネル間の遅延時間とに基づいて制御可能となる。ビームステアリングを１ｄｅｇステップで行えば、ステアリング方向に音波放射方向面を１ｄｅｇに対応した距離格子で分解することができる。そのため、送波器と受波器とを図１４に示したように互いに直交して配置すれば、音波放射方向の空間を直交格子状に分解することができる。送波器から放射された音波は、目標物がある方向のみから強い反射音が返ってきて、受波される。そのため、送受波器から見て目標物のある方位の送受波ステアリング位置に対応する格子には、目標物としての反応が確認できる。
【００１５】
図１９は、マルチナロービーム方式でのスキャン概念図を示す図である。
図１９に示すように、ビームステアリングの方向を以下のように記載している。
・左→右: 送波ビームのステアリング方向
・上→下: 受波ビームのステアリング方向
【００１６】
また、目標物からの反射波の振幅成分を、周波数分析を行って評価する方式や、目標物からの反射波の信号成分を搬送周波数よりも十分に小さなサンプリングレートでデジタル演算したものを用いて搬送周波数帯の疑似信号を生成する疑似信号発生装置が考えられている（例えば、特許文献１，２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平０４−２５４７８０号公報
【特許文献２】特開平０５−２１５８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述した技術においては、精度の良いソナー画面を得るためには、多数のパラメータを用いて最適化チューニングが必要となる。このような多数のパラメータを用いて測定系を毎回構築して信号処理システムをチューニングするには、多大な時間とコストがかかってしまうという問題点がある。
【００１９】
本発明の目的は、上記課題を解決する試験システム、波形シミュレータ装置および試験方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の試験システムは、
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する送波音場シミュレータと、
前記送波音場シミュレータが計算した送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する目標物シミュレータと、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する受波音場シミュレータと、
前記目標物シミュレータが計算した反射音場遠方界と、前記受波音場シミュレータが計算した受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する受波音圧統合計算部と、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する受波音波時間波形変換部とを有する。
また、本発明の波形シミュレータ装置は、
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する送波音場シミュレータと、
前記送波音場シミュレータが計算した送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する目標物シミュレータと、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する受波音場シミュレータと、
前記目標物シミュレータが計算した反射音場遠方界と、前記受波音場シミュレータが計算した受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する受波音圧統合計算部と、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する受波音波時間波形変換部とを有する。
また、本発明の試験方法は、
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する処理と、
前記送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する処理と、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する処理と、
前記反射音場遠方界と前記受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する処理と、
前記計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する処理とを行う。
また、本発明のプログラムは、
コンピュータに実行させるためのプログラムであって、
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する手順と、
前記送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する手順と、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する手順と、
前記反射音場遠方界と前記受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する手順と、
前記計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する手順とを実行させる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明においては、容易に精度の良いソナー画面を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の試験システムの第１の実施の形態を示す図である。
【図２】図１に示した受波波形シミュレータシステムがシミュレートする送波器、目標物、海底面および受波器の配置の概要を示す図である。
【図３】送波器面に付与する振動速度の一例を示す図である。
【図４】マルチナロービーム方式において、送波器面に付与する振動速度とソナー画像上の対応について示した図である。
【図５】ｘｙｚ座標系における送波（受波）面を示す図である。
【図６】図１に示した基準画像生成部が生成した基準画像データと、目的物を検知したエリアの一例を示す図である。
【図７】座標系に存在する目標物の様子の一例を示す図である。
【図８（ａ）】メインローブに対するサイドローブの減衰比を９０ｄＢとした場合のソナー画面の一例を示す図である。
【図８（ｂ）】メインローブに対するサイドローブの減衰比を６０ｄＢとした場合のソナー画面の一例を示す図である。
【図８（ｃ）】メインローブに対するサイドローブの減衰比を３０ｄＢとした場合のソナー画面の一例を示す図である。
【図９】図１に示した画像Ｓ／Ｎ比計算評価部が、式２９〜式３４を用いて、ＳＮavrおよびＳＮmaxを計算した結果を示す図である。
【図１０】本発明の試験システムの第１の変形例を示す図である。
【図１１】本発明の試験システムの第２の実施の形態を示す図である。
【図１２】図１１に示した試験システムにおける試験方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【図１３】一般的な信号処理システムのチューニングにおいて使用される接続の一例の概念図である。
【図１４】図１３に示した送信器および受信器が設置されたフレームの一例を示す図である。
【図１５】送波器と受波器とに共通に用いられる振動子の構造概念図である。
【図１６】Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ窓を用いた座標とフィルタ係数との関係の一例を示す図である。
【図１７（ａ）】ビームステアリングを０ｄｅｇとした場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布を示す図である。
【図１７（ｂ）】ビームステアリングを３０ｄｅｇとした場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布を示す図である。
【図１７（ｃ）】ビームステアリングを６０ｄｅｇとした場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布を示す図である。
【図１８（ａ）】図１７（ａ）に示した振動速度分布が作り出すビームステアリング０ｄｅｇとした場合の遠方界指向特性を示す図である。
【図１８（ｂ）】図１７（ｂ）に示した振動速度分布が作り出すビームステアリング３０ｄｅｇとした場合の遠方界指向特性を示す図である。
【図１８（ｃ）】図１７（ｃ）に示した振動速度分布が作り出すビームステアリング６０ｄｅｇとした場合の遠方界指向特性を示す図である。
【図１９】マルチナロービーム方式でのスキャン概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、水中探査おける音響トモグラフィ、水中ソナーにおいて、様々な画像を生成するための信号処理機のパラメータチューンニング、デバッグを、実際の送受波器なしに、容易に行うことを可能とするソナー信号処理試験機を提案するものである。
【００２４】
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
【００２５】
図１は、本発明の試験システムの第１の実施の形態を示す図である。本形態は図１に示すように、信号処理システム８−１と、受波波形シミュレータシステム８−７と、画像評価システム８−１５とを有している。
【００２６】
信号処理システム８−１は、図１に示すように、送信信号生成部８−２と、送信Ｉ／Ｆ８−３と、受信Ｉ／Ｆ８−４と、受信処理部８−５と、画像生成部８−６とを有している。
送信信号生成部８−２は、送波する信号を生成する。送信信号生成部８−２は、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＣＰＵ等のプロセッサ上で稼働するソフトウェアにより、チューニング作業者が所望のデジタル送信波形（正弦波、チャープ信号等）を生成する。送信波形は、水中での送波、受波において、反射が十分に無視できる、自遊空間とみなせるように、時間幅を短く設定されたパルスでなければならない。
送信Ｉ／Ｆ８−３は、送信信号生成部８−２が生成したデジタル信号波形をアナログ波形へと変換した上で、電圧／電力増幅する。具体的には、送信Ｉ／Ｆ８−３は、送信信号生成部８−２が生成したデジタル信号波形を、Ｄ／Ａコンバータを用いてアナログ波形へ変換し、電力増幅器（アンプ）を用いて、最終的に送波器が必要とする電圧および電力まで増幅し、送波器をシミュレートする受波波形シミュレータシステム８−７へ送信する。
受信Ｉ／Ｆ８−４は、受波波形シミュレータシステム８−７から送信されてきた受波音圧時間波形である信号を電気的に受けるためのインタフェース機能を持つ。受信Ｉ／Ｆ８−４には、プラグ、コネクタ、ケーブル、低ノイズプリアンプ、およびＡ／Ｄコンバータ等が含まれる。受信Ｉ／Ｆ８−４は、最終的には受信信号をデジタル信号として、後段の受信処理部８−５へ送出する。
受信処理部８−５は、受信Ｉ／Ｆ８−４から送出されたデジタル信号に対して信号処理を行う。受信処理部８−５が行う信号処理としては、フィルタ処理、サンプリングレート変換、ビット深度変換、指向性合成、ＴＳ変換、ＴＶＧ補正などが挙げられる。この信号処理により、受信Ｉ／Ｆ８−４から送出されたデジタル信号が、画像の画素値へ変換される。
画像生成部８−６は、ソナー画像を画像評価システム８−１５へ送信する。このとき、画像生成部８−６は、受信処理部８−５が生成した画素値データに基づいて、表示する画像を生成して、画像評価システム８−１５へ送信する。
【００２７】
受波波形シミュレータシステム８−７は、図１３に示した水槽１−７内を最適化チューニング用のシミュレータに置き換えたものである。受波波形シミュレータシステム８−７は、信号処理システム８−１から送信された各チャンネルの送信信号に基づいて、所定の物理定数、送波器、受波器、目標物の座標情報を用いて、受信Ｉ／Ｆ８−４に入力する受信波形を生成する。受波波形シミュレータシステム８−７は図１に示すように、送波音場シミュレータ８−８と、目標物シミュレータ８−９と、受波音場シミュレータ８−１０と、受波音圧統合計算部８−１１と、受波音波時間波形変換部８−１３と、基準画像生成部８−１４とを有している。受波波形シミュレータシステム８−７は、これらの構成要素を具備する１つの装置（波形シミュレータ装置）であっても良い。
ここで、送波音場シミュレータ８−８と、目標物シミュレータ８−９と、受波音場シミュレータ８−１０と、受波音圧統合計算部８−１１とで、フーリエ領域シミュレータ８−１２を構成する。フーリエ領域シミュレータ８−１２は、所定の計算帯域内のある単一周波数成分に関して逐次計算を行い、最終的には帯域内の周波数成分について計算する。受波音波時間波形変換部８−１３は、受波音圧統合計算部８−１１から出力された帯域内の全周波数成分に関する計算結果を、逆フーリエ変換の因果律を考慮した上で時間波形に変換する。また、受波波形シミュレータシステム８−７内部の全ての計算においては、送受波器から目標物が波長に比して十分に遠く離れていること（レイリー距離の２倍以上）を前提として、遠方界計算を行うものである。実際のソナーにおいても、遠方界とみなせる距離で使用されることがほとんどである。そのため、このような仮定と近似とが可能である。なお、受波波形シミュレータシステム８−７を構成する各要素は、各々が１つのＣＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ等のプロセッサ上でソフトウェア的に構築することも可能であるし、各々が互いに異なるプロセッサで構築することも可能である。フーリエ領域シミュレータ８−１２は、単一のフーリエ成分に分けて、所定の帯域内の全てのフーリエ成分について計算を行う。このフーリエ領域シミュレータは、フーリエ変換領域において、送波の各々のビームステアリング角度に対して、受波器の各チャンネルの受波音圧を計算するようにループもしくは並列計算を行う。
送波音場シミュレータ８−８は、送信Ｉ／Ｆ８−３から送出された送信信号と、送波器の配置座標情報と水中音速等の物理定数とに基づいて、送波音場の遠方界を計算する。
目標物シミュレータ８−９は、送波音場シミュレータ８−８が計算した送波音場と送波器の配置座標情報と水中音速等の物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する。
受波音場シミュレータ８−１０は、受波器が目標物に作り出す受波音場を計算する。受波音場シミュレータ８−１０は、受波器の各点もしくは各チャンネルに、単位振動速度を与えることにより音場を計算し、それをグリーン関数の相反性を利用して受波音場の指向性関数として解釈することで受波音場を求める。
受波音圧統合計算部８−１１は、目標物シミュレータ８−９の計算結果と受波音場シミュレータ８−１０の計算結果とを入力し、受波器の各チャンネルが受ける音圧を統合的に計算する。受波音圧統合計算部８−１１は、受波器の各チャンネルが受ける音圧計算結果を、全帯域内周波数成分について集めて整理する。実際の計算としては、受波音圧統合計算部８−１１は、巨大な行列計算を行う。
受波音波時間波形変換部８−１３は、フーリエ領域シミュレータ８−１２から送出されたデータに基づいて、逆フーリエ変換を用いて受波音波の時間波形を計算する。
基準画像生成部８−１４は、受波波形シミュレータシステム８−７内部のデータのみで生成される基準的な画像データを生成する。
【００２８】
画像評価システム８−１５は、受波波形シミュレータシステム８−７から生成された時間波形に基づいて、信号処理システム８−１が生成した画像データの良否を評価する。画像評価システム８−１５は、あるパラメータ設定（送受波器シェーディング窓係数等）を基準として、各種パラメータ設定を変更した場合の画像の良否を判定するシステムである。画像評価システム８−１５は、画像Ｓ／Ｎ比計算評価部８−１６を有する。
画像Ｓ／Ｎ比計算評価部８−１６は、画像Ｓ／Ｎ比計算評価機であり、基準画像生成部８−１４が生成した基準的な画像データと、評価対象となる信号処理システム８−１が生成した画像データとを比較し、後述の定義に基づき画像のＳ／Ｎ比を計算評価する。
【００２９】
図２は、図１に示した受波波形シミュレータシステム８−７がシミュレートする送波器、目標物、海底面および受波器の配置の概要を示す図である。
【００３０】
送波器面９−１は、入射音を出力する。以下の説明において、送波器面９−１上の点のサフィックスをｊで表す。
目標物９−２は、探査の対象となる目標物である。図２中では、適当な楕円体として示している。目標物９−２および海底面９−４上のサフィックスをｉで表す。
目標物による海底面の陰面９−３は、目標物９−２の海底面９−４への陰面である。このほかに、目標物９−２上である点が別の点に作る陰面もあるが、図２中では割愛している。陰面については、後述の目標物シミュレータの項目で簡単に説明する。
受波器面９−５は、目標物９−２から反射してきた反射音を受信する。受波器面９−５上の点のサフィックスをｋで表す。送波器面９−１と、受波器面９−５とは、同一平面上にあっても、互いに異なる平面上にあっても良い。
【００３１】
以下に、図１に示した受波波形シミュレータシステム８−７内の各シミュレータ（もしくは計算部）について、詳細の動作説明を述べる。なお、以下の説明に用いる数式は、連続関数についての解析的表現（積分記号等）を用いて説明するが、実際のシステムにおけるソフトウェアコーディング等の実装作業においては、離散処理を考慮した置き換えが必要となる。
【００３２】
図３は、送波器面に付与する振動速度の一例を示す図である。
図３において、送波器として図１４に示した送波器１−８を想定し、８０×２以上のグリッドメッシュを用意し、その中の４０×１チャンネル分のみに振動速度を与えるものとする。塗りつぶした部分が振動速度分布を与えた部分のイメージである。１チャンネル分を２×２グリッド以上に分割してメッシュグリッドを生成するように設定している。また、設定する振動速度分布は図１６に示したＣｈｅｂｙｓｈｅｖ窓を仮定する。
【００３３】
図４は、マルチナロービーム方式において、送波器面に付与する振動速度とソナー画像上の対応について示した図である。縦方向の１列を送波ビームステアリング方向に割り当てる場合、ソナー画像上の１つのフーリエ成分が１つの送波器振動速度分布に対応する。横方向に割り当てられた受波ビームステアリング方向の各角度への分解は、信号処理システム８−１の受信処理のうち、指向性合成により行われる。
【００３４】
図３に示すように、平面領域Λ状に振動速度分布Ｓjが存在するときの音圧の遠方界指向性関数の計算方法を以下に示す。まず、音源面上の全ての点∪ΛＳjが、目標物および図２の海底面９−４上の点Ｐiに作る速度ポテンシャルについて考える。
【数９】
0006737464.tif 000010
式５において、ｒijは、音源面上の点Ｓi、目標物および海底上の点Ｐiの距離、ｄｓは音源面上の点Ｓiの微小面積、ｖiは設定される粒子速度であり、Λは音源平面の全領域である。実際の計算は、後述のとおり２次元フーリエ変換による遠距離音場計算により実行し、式５を計算に用いることはない。２次元フーリエ変換により、式５の積分計算は、直交座標系から球面座標系への座標変換を含んで実行され、数値計算実行を行う上で効率的である。線形音響に関する基礎理論から、一般的にある平面上の粒子速度分布が、音源平面から十分に離れた任意の点に作る速度ポテンシャルは、直交座標系から球面座標系への座標変換も伴い、式６を用いて２次元のフーリエ変換により計算される。
【数１０】
0006737464.tif 000011
ここで、ｖiは平面音源上の点における粒子速度、ｒ0は音源平面中心から観測点への距離、ｘｙ平面音源上の直交座標であり、ｋは波数、θ、φは各々図１５に示した音源面の法線ベクトルとｘｙ軸とのなす角度である。Ｖ（・，・）は、平面音源の音源分布の２次元フーリエ変換である。数値計算上、重要な点は式５において遠方界指向性は、距離減衰を示す因数
【数１１】
0006737464.tif 000012
と、指向性関数
【数１２】
0006737464.tif 000013
とに因数分解して計算できるということである。両者が独立に計算できることにより、遠方計算の計算量が節約できる。このことは、後述する本発明における計算処理において重要である。これは、指向性関数
【数１３】
0006737464.tif 000014
は、２次元ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）による高速計算により、送波器上の各点が、ある観測点に作る音場を全て積分計算により求める膨大な式４を代替させることができるためである。
以上の計算による、任意の点について、送波器が作る音場が計算される。
【００３５】
目標物シミュレータ８−９は、図２に示した目標物と海底面のメッシュグリッドを作成する。目標物のメッシュグリッド作成に当たっては、送受波器の各点から見て、目標物が海底面につくる陰面および目標物上で他の目標物上の点が作る陰面をあらかじめリストアップしておき、以下で説明する反射波の計算から除去する必要がある。ここで、通常の画像処理と同様、陰面は、同次座標（４次元空間座標）による透視投影計算等を用いることにより計算可能であるため、ここではその詳細な処理については記載しない。
続いて、目標物シミュレータ８−９は、目標物および海底面のメッシュグリッドの各点にフィッティング近似していくことにより、目標物および海底面上における入射波の速度ポテンシャルを計算する。目標物シミュレータ８−９は、入射波の速度ポテンシャルに、反射係数を乗じることで、反射波の速度ポテンシャルを計算する。
目標物および海底面表面での反射波の速度ポテンシャルは、反射面に対する入射角度および入射媒質と反射物体との音響インピーダンスを用いて計算できる。以下、目標物上の点は・（ｉ1）のように添字に「１」を付与し、海底面上の点については・（ｉ2）のように添字に「２」を付与して記載するものとして、説明する。サフィックスと括弧書きとしているのは、文字の見やすさのためのみであり、下付けのサフィックスと意味の違いはない。
音源面の中心点を原点として、目標物の各点（ノード）の位置ベクトルを
【数１４】
0006737464.tif 000015
とし、目標各点において計算される接平面に対する法線ベクトルを
【数１５】
0006737464.tif 000016
とし、水中の音速及び音響インピーダンスをｃ1，Ｚ1（ｃ1＝１５００ｍ／ｓ，Ｚ1＝１．５×１０6Ｐａ・ｓ／ｍ）とし、目標物中の音速及び音響インピーダンスをｃ2，Ｚ2（ｃ2＝６０００ｍ／ｓ，Ｚ1＝４６．４×１０6Ｐａ・ｓ／ｍ）とし、目標物により決定される反射の位相定数(定数)をγtrgとすると、目標物への音波の入射角度と陰面となる条件は、以下のとおりとなる。
【数１６】
0006737464.tif 000017
また、目標物の速度ポテンシャル反射率は、以下に示す目標物への入射角度の式８を用いて計算される。また、目標物及び海底面各点での速度ポテンシャルの反射係数τtrg（ｉ）は、その反射点において割り付けられる面積ΔＳ（ｉ）を乗じて、式９を用いて計算される。
【数１７】
0006737464.tif 000018
【数１８】
0006737464.tif 000019
【００３６】
受波音場シミュレータ８−１０は、目標物および海底面上の全ての点∪ΓＰiが、受音面上の点Ｒkに作る速度ポテンシャルについても、２次元フーリエ変換を用いて実際の計算を実行する。しかしながら、２次元フーリエ変換による遠距離音場計算は、平面上に配置された音源が作る音場についてのみ計算が可能である。そこで、受波音場シミュレータ８−１０は、グリーン関数の相反性を利用する。受波音場シミュレータ８−１０は、受音面の各チャンネルに相当する領域ηに解析的にはＤｉｒａｃのデルタ関数を、実際の数値処理ではチャンネル毎に単位速度を与え、目標物および海底上の点Ｐiへの伝搬関数（グリーン関数）を計算する。その上で、受波音場シミュレータ８−１０は、グリーン関数の相反性を利用して、点Ｐiのそれぞれから受音面上の点Ｒkへのグリーン関数とする。
すなわち、あるチャンネルに相当する領域η上の点ｋに対するグリーン関数は、
【数１９】
0006737464.tif 000020
として計算することができる。ただし、δ（ｋ∈η）は、領域η以外で値が０となるＤｉｒａｃのデルタ関数、Γは受音面の全領域を示す。
【００３７】
受波音圧統合計算部８−１１は、式１０を用いて計算されたグリーン関数Ｇ（ｋ，ｉ）に式９を用いて計算されたＰiでの反射係数τtrg（ｉ）と式５を用いて計算された速度ポテンシャルΦiをかけることにより、受音面の各チャンネル上の点ｋに作られる速度ポテンシャルΨkを、
【数２０】
0006737464.tif 000021
と計算する。ただし、Ωは目標物および海底面の全領域である。２次元フーリエ変換を適用するのは、式１０のみであり、式５には適用できず表式のままの積分計算を下記の（１）〜（３）を実行することとなる。
図５は、ｘｙｚ座標系における送波（受波）面を示す図である。図５には、座標系１２−２の、送波（受波）面１２−１と角度φおよびθとが示されている。
（１）受音面のある１チャンネルに相当する各領域にＤｉｒａｃのデルタ関数、すなわち離散的には数値の１を与えて、目標物と海底面へのグリーン関数を計算する。具体的には、グリーン関数を任意の遠方点に対して計算できる多項式をフィッティングにより図５に示した角度φおよびθそれぞれについて係数情報の行列ＫφおよびＫθを得る。行列Ｋは、（フィッティング次数）×（チャンネル数）の行列となる。
（２）上記（１）で求めたグリーン関数（行列ＫφおよびＫθ）および式６の距離依存因子から、目標物と海底面の全ての点∪ΓＰiへの指向性関数数値計算し、反射される速度ポテンシャルと掛け合わせる。
（３）上記（２）で計算した速度ポテンシャルを全て加え合わせて音圧に変換し、その受音チャンネルで受音する音圧とする。
以下、上記（１）〜（３）について数式を用いて説明する。グリーン関数のフィッティング係数情報について、フィッティング次数がｎ−１次、チャンネル数をｋとすると、行列ＫφおよびＫθは、以下のようになる。
【数２１】
0006737464.tif 000022
ここで、極座標を（φ（ｊ），θ（ｊ），ｒ（ｊ））とすると、受音チャンネル上の速度ポテンシャルの角度φおよびθ、距離にそれぞれ依存する因子は、以下のようになる。
【数２２】
0006737464.tif 000023
【数２３】
0006737464.tif 000024
【数２４】
0006737464.tif 000025
したがって、水中の伝搬損失をη、目標物上のあるノード上で計算されたｋチャンネル分の速度ポテンシャルをまとめたベクトル
【数２５】
0006737464.tif 000026
を
【数２６】
0006737464.tif 000027
とすると、各受波器のチャンネルが受けるｋチャンネル分の速度ポテンシャルのｌ番目のフーリエ成分をまとめたベクトル
【数２７】
0006737464.tif 000028
は、
【数２８】
0006737464.tif 000029
と計算できる。なお、左上の添字ｔは、行列の転置を表す。
【００３８】
受波音波時間波形変換部８−１３において、以下に示す式１８を用いて、計算された帯域内のフーリエ成分それぞれについて、チャンネル毎に作られる速度ポテンシャルが計算されれば、逆フーリエ変換により時間応答が計算される。すなわち、音源面がある平面上に固定されているという前提から、２次元座標
【数２９】
0006737464.tif 000030
で表される点の振動速度
【数３０】
0006737464.tif 000031
は、振動速度分布
【数３１】
0006737464.tif 000032
を各々角周波数ωに対応してさらに並べた配列
【数３２】
0006737464.tif 000033
となる。すなわち、音源面の2次元グリッド数ｍ×ｎがωの要素数ｌとすると、
【数３３】
0006737464.tif 000034
となる。したがって、任意波形に対する時間応答を計算するために、計算手順は、以下の（１）〜（３）のようになる。
（１）以下に示す式１９の角周波数に対する行列について、式１１〜式１８に従い、受波音圧統合計算部８−１１または受波音波時間波形変換部８−１３が、受音面の各受音チャンネルで受ける音圧を計算する。なお、離散計算に当たっては、ナイキスト周波数帯域の全てを計算する必要はなく、信号を与える周波数帯域についてのみ各受音チャンネルの受ける速度ポテンシャルを計算し、信号の帯域外については全てのチャンネルの速度ポテンシャルを０とすれば良い。
（２）上記（１）の結果を逆フーリエ変換し、時間応答を計算する。
（３）上記（２）にて計算された時間応答において、非因果部分（左半分の）応答を削除し、右半分のみを実際の受波音圧波形として採用する。
以下において、サフィックスを下記の通り定義する。この定義は、上述したものと異なっている。時間列を
【数３４】
0006737464.tif 000035
と定義し、受波チャンネル数を
【数３５】
0006737464.tif 000036
と定義し、送波ピングの番数
【数３６】
0006737464.tif 000037
と定義する。上記（１）の計算結果として、各受音チャンネルで受けるフーリエ変換領域での応答をまとめた結果
【数３７】
0006737464.tif 000038
は、下記の通り、式１７を周波数列に並べた結果となる。式１７の
【数３８】
0006737464.tif 000039
は、ｌ番目のフーリエ成分に対する各受音チャンネルの音圧を並べたベクトルであるから、全ての周波数応答をまとめた結果
【数３９】
0006737464.tif 000040
は、チャンネルｋと周波数ベクトルの要素数ｌとからなる行列となる。
【数４０】
0006737464.tif 000041
遠方であるから平面波を仮定して、式１９の速度ポテンシャルは、各周波数ベクトルの列ベクトルを行方向にチャンネル数ｋだけ並べた行列どのアダマール積を用いて、下記の通り音圧に変換される。
【数４１】
0006737464.tif 000042
ここで、ρは水の質量密度、ｃは水中の音速である。
時間領域での音圧波形
【数４２】
0006737464.tif 000043
は、式２０のｋ番目の列ベクトルである。受波音波時間波形変換部８−１３は、
【数４３】
0006737464.tif 000044
を取り出し、逆フーリエ変換にて時間領域信号とすれば良い（離散信号計算の場合、積分区間は正負ナイキスト周波数となる）。
【数４４】
0006737464.tif 000045
この中の１つの要素
【数４５】
0006737464.tif 000046
は、時間列に対するベクトルと同じ要素数ｌである。ここで、
【数４６】
0006737464.tif 000047
は、式２１を用いた計算方法によっては、左右対称の線形位相のインパルス応答として計算される。これは、時刻０の軸を対称に正負時間で左右対称となるインパルス応答を時間シフトにより因果性を付与した結果である。しかしながら、実際のソナーの受波波形は、右半分のみ、すなわち時刻０以前には反射の応答がない部分の波形となるため、左半分は捨てる必要がある。
このようにして計算された
【数４７】
0006737464.tif 000048
が、１つの送波ピングのｋチャンネル目の受波器受波音圧波形である。
【００３９】
以上の計算を全ての送波ピングに対して行うことにより、最終的に受波音波時間波形変換部８−１３から出力されるデータξが計算される。ξは、下記の通り、時間列ｌ、受波チャンネル数ｋ、および送波ピング数の番数ｎの３つのサフィックスからなる３次元配列である。
【数４８】
0006737464.tif 000049
式２２を用いて計算されるデジタルデータ
【数４９】
0006737464.tif 000050
は、Ｄ／Ａ変換され、受波波形シミュレータシステム８−７の出力として検査する信号処理システム８−１へ送出される。
【００４０】
基準画像生成部８−１４は、
【数５０】
0006737464.tif 000051
の１ピングのデータに対して、基準的な指向性合成処理を行うことにより、基準的なソナー画像を生成することができる。以下に、基準画像生成部８−１４が行う、基準的なソナー画像を生成するための演算について説明する。
【数５１】
0006737464.tif 000052
のうち、送波ピングの番数ｎの２次元配列
【数５２】
0006737464.tif 000053
を改めて行列の形に書き下すと、
【数５３】
0006737464.tif 000054
となる。
【数５４】
0006737464.tif 000055
をチャンネル毎、すなわち列毎にフーリエ変換したものを、
【数５５】
0006737464.tif 000056
とすると、
【数５６】
0006737464.tif 000057
となる。次に、受波の
【数５７】
0006737464.tif 000058
番目のビームステアリングの角度を列ベクトルにまとめて、下記を定義する。
【数５８】
0006737464.tif 000059
ここで、式２４および式２５から、送波ビームステアリング（ピング）ｎ番目、受波ビームステアリングｍ番目のソナー画像画素値はスカラー値となり、
【数５９】
0006737464.tif 000060
となる。ソナー画像画素値κmnをすべて並べて画像化することにより、基準ソナー画像が生成される。
【数６０】
0006737464.tif 000061
最適化の対象となる信号処理システム８−１も、大まかには上記と同様の手法を用いてソナー画像データを生成する。ただし、信号処理システム８−１は、オンラインにて、実際の送受波器から送出されるデータストリーミングに対して、迅速な処理を行う必要もある。また、信号処理システム８−１は、装置自体のサイズや発熱量等の制約のため、データサンプリングのデシメーション、ビットレート変換、数値精度変換（倍精度から単精度など）を実行しつつ、計算手法も簡略化する必要がある。そのため、データの質が劣化する。したがって、基準画像データ
【数６１】
0006737464.tif 000062
は、受波波形シミュレータシステム８−７内で生成することが望ましい。
【００４１】
画像評価システム８−１５は、画像Ｓ／Ｎ比計算評価部８−１６を有する。画像Ｓ／Ｎ比計算評価部８−１６は、基準画像データ
【数６２】
0006737464.tif 000063
を基準として、実際に信号処理システム８−１にて処理して画像Ｓ／Ｎ比計算評価部８−１６へ送信されてきた実データをＳ／Ｎ比という形で評価する。信号処理システム８−１にて処理した画像データを
【数６３】
0006737464.tif 000064
とすると、
【数６４】
0006737464.tif 000065
と、
【数６５】
0006737464.tif 000066
とは、同サイズの行列もしくは配列である。Ｓ／Ｎ比の計算方法および手順は、以下に示す（１）〜（２）の通り行うこととする。
（１）目標物存在エリアの定義：Ｓ／Ｎ比の定義に当たって、まず画像データ上で目標物の存在するエリア
【数６６】
0006737464.tif 000067
と、存在しないエリア
【数６７】
0006737464.tif 000068
とを、
【数６８】
0006737464.tif 000069
から算出する必要がある。
【００４２】
図６は、図１に示した基準画像生成部８−１４が生成した基準画像データと、目的物を検知したエリアの一例を示す図である。図６に示す基準画像データ
【数６９】
0006737464.tif 000070
において、目標物が存在するエリアは図６の基準画像データ１３−１の明部が示す通り、反射波のレベルが大きくなる。したがって、目標物存在判定行列
【数７０】
0006737464.tif 000071
を設け、所定の閾値Ｔレベル以上には１を、未満には０を割り付けることにより、目標物存在エリアと存在しないエリアが明示できる。すなわち、
【数７１】
0006737464.tif 000072
となり、この式２８より、判定した結果は図６に示した基準画像目的物検知エリア１３−２となる。明部が目標物の存在エリアを示す。
（２）別条件で、計算した画像データ
【数７２】
0006737464.tif 000073
について
【数７３】
0006737464.tif 000074
を用いて、目標物が存在するエリアの平均値Ｅavrと最大値Ｅmax、目標物が存在しないエリアの平均値Ｎavrと最大値Ｎmax、およびそれぞれの比をＳ／Ｎ比として、ＳＮavrおよびＳＮmaxを下記のように計算する。すなわち、平均値については、
【数７４】
0006737464.tif 000075
【数７５】
0006737464.tif 000076
【数７６】
0006737464.tif 000077
となる。また、最大値については、
【数７７】
0006737464.tif 000078
【数７８】
0006737464.tif 000079
【数７９】
0006737464.tif 000080
となる。ここで、
【数８０】
0006737464.tif 000081
は、行列のアダマール積を、上付きバー
【数８１】
0006737464.tif 000082
は、論理の反転を示すものとする。ＳＮavrおよびＳＮmaxのいずれも大きな方がソナー画像の鮮明さが良好であり望ましい。よって、これら２つのＳ／Ｎ比が大きくなる条件を探索することにより信号処理システムの最適化がなされる。
【００４３】
図７は、座標系に存在する目標物の様子の一例を示す図である。図７に示した目標物１４−１は、楕円体形状の目標物であり、各方向の半径は１０ｍ（ｘ軸方向）×３０ｍ（ｙ軸方向）×５ｍ（ｚ軸方向）であり、中心座標は、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（２０，−１０，−５０）である。ここで、深さ方向は、ｚ軸の負の方向である。海底面１４−２は、目標物１４−１を測定する海底の面であり、その中心座標は、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，−５５）であり、２００ｍ四方の正方形である。
【００４４】
図８（ａ）〜図８（ｃ）は、式１〜式３で述べたＣｈｅｂｙｓｈｅｖフィルタを送受波器に設定し、そのメインローブに対するサイドローブの減衰比を変化させた場合のソナー画面の一例を示す図である。図８（ａ）は、メインローブに対するサイドローブの減衰比を９０ｄＢとした場合のソナー画面の一例を示す図である。図８（ｂ）は、メインローブに対するサイドローブの減衰比を６０ｄＢとした場合のソナー画面の一例を示す図である。図８（ｃ）は、メインローブに対するサイドローブの減衰比を３０ｄＢとした場合のソナー画面の一例を示す図である。なお、図１に示した画像Ｓ／Ｎ比計算評価部８−１６の計算において基準となる基準画像データ
【数８２】
0006737464.tif 000083
および基準画像目標物検知エリアについては図６に示した。図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖフィルタのサイドローブ減衰比を減少させると、特に３０ｄＢまで低下させると、ソナー画像の鮮明さが低下していることがわかる。
【００４５】
図９は、図１に示した画像Ｓ／Ｎ比計算評価部８−１６が、式２９〜式３４を用いて、ＳＮavrおよびＳＮmaxを計算した結果を示す図である。図９に示すように、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖフィルタのサイドローブ減衰比を減少させると、ＳＮavrおよびＳＮmaxが低下していくことがわかる。
【００４６】
なお、画像Ｓ／Ｎ比計算評価部８−１６が、ＳＮavrとＳＮmaxとのいずれか一方のみを用いて評価するものであっても良い。
【００４７】
また、送受波器は、コンポジット型ではない圧電振動子や磁歪素子を用いて構成しても良い。
【００４８】
以上の結果から、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖフィルタのサイドローブ減衰比は、本例の信号処理システムおよび送受波器の指向性と配置においては、９０ｄＢ程度と大きな方が、ソナー画像が鮮明となることがわかる。以上は簡単なパラメータの例であるが、同様に計算評価することにより、定量的に最適なソナー画像生成条件の探索が可能となる。
（変形例）
【００４９】
図１０は、本発明の試験システムの第１の変形例を示す図である。
図１０に示した信号処理システム１７−１が有する、送信信号生成部１７−２、送信Ｉ／Ｆ１７−３、受信Ｉ／Ｆ１７−４、受信処理部１７−５および画像生成部１７−６はそれぞれ、図１に示した送信信号生成部８−２、送信Ｉ／Ｆ８−３、受信Ｉ／Ｆ８−４、受信処理部８−５および画像生成部８−６と同じものである。また、受波波形シミュレータシステム１７−７が有する、フーリエ領域シミュレータ１７−１２および受波音波時間波形変換部１７−１３はそれぞれ、図１に示したフーリエ領域シミュレータ８−１２および受波音波時間波形変換部８−１３と同じものである。また、フーリエ領域シミュレータ１７−１２が有する、送波音場シミュレータ１７−８、目標物シミュレータ１７−９、受波音場シミュレータ１７−１０および受波音圧統合計算部１７−１１はそれぞれ、図１に示したフーリエ領域シミュレータ８−１２が有する、送波音場シミュレータ８−８、目標物シミュレータ８−９、受波音場シミュレータ８−１０および受波音圧統合計算部８−１１と同じものである。
図１０に示した画像評価システム１７−１５は、画像Ｓ／Ｎ比計算評価部１７−１６を有する。画像Ｓ／Ｎ比計算評価部１７−１６は、画像Ｓ／Ｎ比計算評価機であり、ある条件を用いて信号処理システム１７−１が生成した基準画像１７−１４に基づいて、画像評価システムにて画像評価を行う。
【００５０】
なお、本第１の実施の形態において、圧電振動子や磁歪振動子を用いた送受波器との接続を前提とするものであっても良い。また、狭指向性ビームを機械式もしくは電子式で走査することを可能とする、送受波器との接続を前提とするものであっても良い。
（第２の実施の形態）
【００５１】
図１１は、本発明の試験システムの第２の実施の形態を示す図である。本形態は図１１に示すように、送波音場シミュレータ１００と、目標物シミュレータ１０１と、受波音場シミュレータ１０２と、受波音圧統合計算部１０３と、受波音波時間波形変換部１０４とを有している。
送波音場シミュレータ１００は、送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する。目標物シミュレータ１０１は、送波音場シミュレータ１００が計算した送波音場と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する。受波音場シミュレータ１０２は、受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する。受波音圧統合計算部１０３は、目標物シミュレータ１０１が計算した反射音場遠方界と、受波音場シミュレータ１０２が計算した受波音場とに基づいて、目標物への指向性関数を計算する。受波音波時間波形変換部１０４は、受波音圧統合計算部１０３が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する。
【００５２】
以下に、図１１に示した試験システムにおける試験方法について説明する。
【００５３】
図１２は、図１１に示した試験システムにおける試験方法の一例を説明するためのフローチャートである。
まず、送波音場シミュレータ１００が、送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する（ステップＳ１）。続いて、目標物シミュレータ１０１が、送波音場シミュレータ１００が計算した送波音場と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する（ステップＳ２）。また、受波音場シミュレータ１０２が、受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する（ステップＳ３）。このステップＳ２の処理と、ステップＳ３の処理とは、どちらを先に行っても構わない。
続いて、受波音圧統合計算部１０３が、目標物シミュレータ１０１が計算した反射音場遠方界と、受波音場シミュレータ１０２が計算した受波音場とに基づいて、目標物への指向性関数を計算する（ステップＳ４）。受波音波時間波形変換部１０４が、受波音圧統合計算部１０３が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する（ステップＳ５）。
【００５４】
このように、送波器および受波器をシミュレートすることで、容易に精度の良いソナー画面を得ることができる。
【００５５】
上述した試験システムに設けられた各構成要素が行う処理は、目的に応じてそれぞれ作製された論理回路で行うようにしても良い。また、処理内容を手順として記述したコンピュータプログラム（以下、プログラムと称する）を試験システムにて読取可能な記録媒体に記録し、この記録媒体に記録されたプログラムを試験システムに読み込ませ、実行するものであっても良い。試験システムにて読取可能な記録媒体とは、フロッピー（登録商標）ディスク、光磁気ディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）  Ｄｉｓｃなどの移設可能な記録媒体の他、試験システムに内蔵されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリやＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｃ  Ｄｒｉｖｅ）等を指す。この記録媒体に記録されたプログラムは、試験システムに設けられたＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）にて読み込まれ、ＣＰＵの制御によって、上述したものと同様の処理が行われる。ここで、ＣＰＵは、プログラムが記録された記録媒体から読み込まれたプログラムを実行するコンピュータとして動作するものである。
【００５６】
上記の実施の形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する送波音場シミュレータと、
前記送波音場シミュレータが計算した送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する目標物シミュレータと、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する受波音場シミュレータと、
前記目標物シミュレータが計算した反射音場遠方界と、前記受波音場シミュレータが計算した受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する受波音圧統合計算部と、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する受波音波時間波形変換部とを有する試験システム。
（付記２）前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、基準画像を生成する基準画像生成部と、
前記受波音波時間波形変換部が計算した受波の時間波形に基づいて生成された画像を、前記基準画像生成部が生成した基準画像に基づいて評価する画像Ｓ／Ｎ比計算評価部とを有する、付記１に記載の試験システム。
（付記３）前記画像Ｓ／Ｎ比計算評価部は、前記基準画像を基準として、前記受波音波時間波形変換部が計算した受波の時間波形に基づいて生成された画像のＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ−Ｎｏｉｓｅ）比を計算することで評価を行う、付記２に記載の試験システム。
（付記４）前記受波音圧統合計算部は、グリーン関数を用いて前記指向性関数を計算する、付記１から３のいずれか１項に記載の試験システム。
（付記５）前記送波音場シミュレータは、フーリエ変換を用いて、前記送波音場を計算し、
前記受波音場シミュレータは、フーリエ変換を用いて、前記受波音場を計算し、
前記受波音波時間波形変換部は、逆フーリエ変換を用いて、前記受波の時間波形を計算する、付記１から４のいずれか１項に記載の試験システム。
（付記６）送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する送波音場シミュレータと、
前記送波音場シミュレータが計算した送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する目標物シミュレータと、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する受波音場シミュレータと、
前記目標物シミュレータが計算した反射音場遠方界と、前記受波音場シミュレータが計算した受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する受波音圧統合計算部と、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する受波音波時間波形変換部とを有する波形シミュレータ装置。
（付記７）送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する処理と、
前記送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する処理と、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する処理と、
前記反射音場遠方界と前記受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する処理と、
前記計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する処理とを行う試験方法。
（付記８）コンピュータに、
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する手順と、
前記送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する手順と、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する手順と、
前記反射音場遠方界と前記受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する手順と、
前記計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する手順とを実行させるためのプログラム。
【符号の説明】
【００５７】
８−１，１７−１    信号処理システム
８−２，１７−２    送信信号生成部
８−３，１７−３    送信Ｉ／Ｆ
８−４，１７−４    受信Ｉ／Ｆ
８−５，１７−５    受信処理部
８−６，１７−６    画像生成部
８−７，１７−７    受波波形シミュレータシステム
８−８，１７−８，１００    送波音場シミュレータ
８−９，１７−９，１０１    目標物シミュレータ
８−１０，１７−１０，１０２    受波音場シミュレータ
８−１１，１７−１１，１０３    受波音圧統合計算部
８−１２，１７−１２    フーリエ領域シミュレータ
８−１３，１７−１３，１０４    受波音波時間波形変換部
８−１４    基準画像生成部
８−１５，１７−１５    画像評価システム
８−１６，１７−１６    画像Ｓ／Ｎ比計算評価部
９−１    送波器面
９−２，１４−１    目標物
９−３    目標物による海底面の陰面
９−４，１４−２    海底面
９−５    受波器面
１２−１    送波（受波）面
１２−２    座標系
１３−１    基準画像データ
１３−２    基準画像目的物検知エリア
１７−１４    基準画像
【図１】
0006737464.tif 000084
【図２】
0006737464.tif 000085
【図３】
0006737464.tif 000086
【図４】
0006737464.tif 000087
【図５】
0006737464.tif 000088
【図６】
0006737464.tif 000089
【図７】
0006737464.tif 000090
【図８（ａ）】
0006737464.tif 000091
【図８（ｂ）】
0006737464.tif 000092
【図８（ｃ）】
0006737464.tif 000093
【図９】
0006737464.tif 000094
【図１０】
0006737464.tif 000095
【図１１】
0006737464.tif 000096
【図１２】
0006737464.tif 000097
【図１３】
0006737464.tif 000098
【図１４】
0006737464.tif 000099
【図１５】
0006737464.tif 000100
【図１６】
0006737464.tif 000101
【図１７（ａ）】
0006737464.tif 000102
【図１７（ｂ）】
0006737464.tif 000103
【図１７（ｃ）】
0006737464.tif 000104
【図１８（ａ）】
0006737464.tif 000105
【図１８（ｂ）】
0006737464.tif 000106
【図１８（ｃ）】
0006737464.tif 000107
【図１９】
0006737464.tif 000108