(57)【要約】【課題】既知の標的や音響標識等を必要とせずに実海域で使用可能とし、プラットフォームのヨーイング等の動きも考慮可能な合成開口ソーナーを提供する。【解決手段】相関演算部ａ２２はレンジ圧縮部ａ１９、レンジ圧縮部ｂ２０でレンジ圧縮処理された信号の相関処理を行って両者の位相差を算出し、相関演算部ｃ２３はレンジ圧縮部ｃ２１、レンジ圧縮部ｂ２０でレンジ圧縮処理された信号の相関処理を行って両者の位相差を算出する。動揺推定部ａ２４及び動揺推定部ｃ２５はこれらの位相差情報及びジャイロ３０からのヨーイング等の情報から動揺量を推定する。動揺補正部２６は推定された動揺量を基に受信信号に補正を加え、レンジ曲率補正部２７はその結果を基にその画像上における各画素について近距離音場効果を補正し、アジマス圧縮部２８は補正された画素それぞれについて予め算出された参照信号との相関処理を実施する。【選択図】　　　図１
2004117129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探信波を放射しかつその探信波の反射波を受信する送受波器をプラットフォームに搭載してなる合成開口ソーナーであって、
前記プラットフォームの進行方向に対して直交する方向における動揺成分をなす直線的なドリフト成分を音響的に推定する推定手段と、
前記動揺成分をなしかつ少なくとも周期的なヨーイングを含む前記プラットフォームの重心を中心とした回転運動の成分を測定する測定手段と、
前記推定手段で推定された前記直線的なドリフト成分と前記測定手段で測定された前記回転運動成分とを組合わせて前記動揺成分の動揺量を推定する動揺推定手段と、
前記動揺推定手段で推定された動揺量を基に前記プラットフォームの軌跡が仮想的に直線となるように受信信号に対して補正を加える動揺補正手段とを有することを特徴とする合成開口ソーナー。
【請求項２】
前記プラットフォームの進行方向において前記送受波器を複数個直列に配置することによって前記直線的なドリフト成分を音響的に推定することを特徴とする請求項１記載の合成開口ソーナー。
【請求項３】
前記複数個直列に配置された送受波器の中にある一つの送受波器の位置を前記プラットフォームの重心に合致させたことを特徴とする請求項２記載の合成開口ソーナー。
【請求項４】
前記プラットフォームの運動中心と前記プラットフォームの重心とが不一致となった時に前記回転運動の成分と前記ドリフト成分とを基に前記プラットフォームの運動中心と前記プラットフォームの重心とが一致するように補正して前記動揺補正手段による補正を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか記載の合成開口ソーナー。
【請求項５】
海底残響を利用して前記動揺成分の動揺量を推定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか記載の合成開口ソーナー。
【請求項６】
前記プラットフォームに搭載したジャイロにて前記回転運動成分を直接測定したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか記載の合成開口ソーナー。
【請求項７】
前記動揺推定手段は、一つの探索レンジを複数の領域に分割した分割領域毎に前記動揺成分の動揺量を推定し、
前記動揺補正手段は、前記分割領域毎に前記受信信号に対して補正を加えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか記載の合成開口ソーナー。
【請求項８】
前記分割した各レンジ領域における残響信号の時間ずれ量を求める際、分割した第１のレンジ領域空間と、前記第１のレンジ領域空間より前方へ半分ずれた第２のレンジ領域空間と、前記第１のレンジ領域空間より後方へ半分ずれた第３のレンジ領域空間との３箇所の区間においてそれぞれ相関処理によって前記時間ずれ量を求めることを特徴とする請求項７記載の合成開口ソーナー。
【請求項９】
探信波を放射しかつその探信波の反射波を受信する送受波器をプラットフォームに搭載してなる合成開口ソーナーの動揺補正方法であって、前記プラットフォームの進行方向に対して直交する方向における動揺成分をなす直線的なドリフト成分を音響的に推定するステップと、前記動揺成分をなしかつ少なくとも周期的なヨーイングを含む前記プラットフォームの重心を中心とした回転運動の成分を測定するステップと、これら前記直線的なドリフト成分と前記回転運動の成分とを組合わせて前記動揺成分の動揺量を推定するステップと、その推定された動揺量を基に前記プラットフォームの軌跡が仮想的に直線となるように受信信号に対して補正を加えるステップとを有することを特徴とする動揺補正方法。
【請求項１０】
前記プラットフォームの進行方向において送受波器を複数個直列に配置することによって前記直線的なドリフト成分を音響的に推定することを特徴とする請求項９記載の動揺補正方法。
【請求項１１】
前記複数個直列に配置された送受波器の中にある一つの送受波器の位置を前記プラットフォームの重心に合致させたことを特徴とする請求項１０記載の動揺補正方法。
【請求項１２】
前記プラットフォームの運動中心と前記プラットフォームの重心とが不一致となった時に前記回転運動の成分と前記ドリフト成分とを基に前記プラットフォームの運動中心と前記プラットフォームの重心とが一致するように補正して前記受信信号に対する補正を行うことを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか記載の動揺補正方法。
【請求項１３】
海底残響を利用して前記動揺成分の動揺量を推定することを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか記載の動揺補正方法。
【請求項１４】
前記プラットフォームに搭載したジャイロにて前記回転運動成分を直接測定したことを特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか記載の動揺補正方法。
【請求項１５】
前記動揺成分の動揺量を推定するステップは、一つの探索レンジを複数の領域に分割した分割領域毎に前記動揺成分の動揺量を推定し、
前記受信信号に対して補正を加えるステップは、前記分割領域毎に前記受信信号に対して補正を加えることを特徴とする請求項９から請求項１４のいずれか記載の動揺補正方法。
【請求項１６】
前記分割した各レンジ領域における残響信号の時間ずれ量を求める際、分割した第１のレンジ領域空間と、前記第１のレンジ領域空間より前方へ半分ずれた第２のレンジ領域空間と、前記第１のレンジ領域空間より後方へ半分ずれた第３のレンジ領域空間との３箇所の区間においてそれぞれ相関処理によって前記時間ずれ量を求めることを特徴とする請求項１５記載の動揺補正方法。
【請求項１７】
探信波を放射しかつその探信波の反射波を受信する送受波器をプラットフォームに搭載してなる合成開口ソーナーの動揺補正方法のプログラムであって、コンピュータに、前記プラットフォームの進行方向に対して直交する方向における動揺成分をなす直線的なドリフト成分を音響的に推定する処理と、前記動揺成分をなしかつ少なくとも周期的なヨーイングを含む前記プラットフォームの重心を中心とした回転運動の成分を測定する処理と、これら前記直線的なドリフト成分と前記回転運動の成分とを組合わせて前記動揺成分の動揺量を推定する処理と、その推定された動揺量を基に前記プラットフォームの軌跡が仮想的に直線となるように受信信号に対して補正を加える処理とを実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は合成開口ソーナー及びそれに用いる動揺補正方法並びにそのプログラムに関し、特に海底に沈底／埋没した目標物体等を調査／探知することを目的とした海底探査に用いるサイドスキャンソーナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サイドスキャンソーナーにおいては、海底の地形、海底から係維された目標物体、もしくは海底に沈底／埋没した目標物体を調査／探知することを目的とした海底探査に用いられており、その中にはレーダーの分野において高分解能を得るための合成開口レーダーの技術（例えば、非特許文献１参照）を適用したもの（合成開口ソーナー）もある。
【０００３】
従来のサイドスキャンソーナーにおけるプラットフォームの動揺推定手法としては、二つの送受波器を進行方向において直列に配置し、水槽壁からの探信波の反射を用いて音響的な手法によって推定する方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００４】
上記の手法について、図１２及び図１３を用いて以下に説明する。図１２において、ピング＃１のタイミングにて前方送受波器５（位置はＺａ１）によって探信波をプラットフォームの進行方向に対して直交する方向へ放射する。
【０００５】
プラットフォームが送受波器の開口長Ｄの半分であるＤ／２の距離を、動揺を伴いながら進行した際のタイミングをピング＃２とし、再び前方送受波器５（位置はＺａ２）によって探信波を放射する。
【０００６】
この時、前方送受波器５が位置Ｚａ１にて送信し、位置Ｚａ２に至るまでの間に受信した波形は位置Ｚａ１と位置Ｚａ２へ至るまでの中点にて送受信した波形に等価と近似することができる。一般に、この中点はＤＰＣ（Ｄｉｓｐｌａｃｅｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｃｅｎｔｅｒ）と呼ばれている。
【０００７】
同様に、前方送受波器５が位置Ｚａ２にて送信し、後方受波器６が位置Ｚｂ３に至るまでの間に受信した波形は位置Ｚａ２と位置Ｚｂ３へ至るまでの中点にて送受信した波形に等価と近似することができる。ここで、前方送受波器５が位置Ｚａ１にて送信し、位置Ｚａ２に至るまでの間に受信した場合のＤＰＣと、位置Ｚａ２にて送信し、後方受波器６が位置Ｚｂ３に至るまでの間に受信した場合のＤＰＣとは、プラットフォーム進行方向軸上で同一の位置となる。
【０００８】
この点について図１３を用いて詳細に説明する。図１３において、前方送受波器５がＺａ１にて送信し、水槽壁からの反射をＺａ１−２にて受信した場合、図に示す位置Ｚａ１とＺａ１−２との中点がＤＰＣとなる。続いて、プラットフォームが進行し、前方送受波器５が位置Ｚａ２に至った際に、再び送信すると、後方受波器６が位置Ｚｂ２−３において水槽壁からの反射を受信する。
【０００９】
この場合のＤＰＣは図に示す位置Ｚａ２とＺｂ２−３との中点であるが、これは１ピング前の位置Ｚａ１とＺａ１−２とのＤＰＣと比較した場合、アジマス軸上の位置が一致する。尚、図１３は特定のレンジにある水槽壁からの反射を例に示しているが、この法則は特定のレンジだけではなく、最大レンジに至るまでの任意のレンジにおいて成立する。
【００１０】
以上の結果はプラットフォーム進行方向軸上の同じ位置にて、異なるタイミングにて２回送受信を実施した結果を利用可能であることを意味する。上記の非特許文献１では水槽で試験を実施しており、これら２回の送受信結果から求めた水槽壁までの距離を算出し、両者の距離の差をプラットフォームの動揺量と推定している。但し、この手法ではプラットフォームが進行方向に対して直角に平行移動するのみで、ヨーイング等の影響を考慮していない。前方送受波器５及び後方受波器６がプラットフォーム進行軸に対して平行でない場合には、推定した動揺量にヨーイング等の量に比例した誤差が発生する。
【００１１】
【非特許文献１】
近藤倫正，大橋由昌，実森彰朗，“計測・センサにおけるディジタル信号処理”，昭晃堂，７４−１０６頁，１９９３年．
【非特許文献２】
Ｓｈｅｒｉｆｆ，Ｒ．Ｗ．，“Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ　Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｐｈａｓｅ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｏｎａｒｓ，”　ＩＥＥＥ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｐ．２３６−２４５，１９９２．
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の合成開口ソーナーの動揺推定手法では、実海域における運用を考えた場合、プラットフォームがあくまでも進行方向とは直角方向に平行移動すると仮定しているが、実際には海上や海中を航行もしくは曳航されており、プラットフォームには平行移動だけではなく、ヨーイング等の動きも加わると予想される。しかしながら、従来の動揺推定手法では、その点について考慮されていないので、実海域における動揺の推定精度が大きく劣化するという問題がある。
【００１３】
また、従来の動揺推定手法では、動揺の推定に探信波の水槽壁における反射を利用しているが、リジッドな壁等が存在しない実海域において、そのままその技術を適用することは不可能である。非特許文献２では信号対残響比の大きい標的を利用する手法、またそのほかにも意図的に設置した音響標識を利用する手法等も考えられるが、それぞれ標的がない場合及び音響標識を設置することができない場合等の運用に問題がある。
【００１４】
そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、既知の標的や音響標識等を必要とせずに実海域で使用することができ、かつプラットフォームのヨーイング等の動きも考慮することができる合成開口ソーナー及びそれに用いる動揺補正方法並びにそのプログラムを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明による合成開口ソーナーは、探信波を放射しかつその探信波の反射波を受信する送受波器をプラットフォームに搭載してなる合成開口ソーナーであって、
前記プラットフォームの進行方向に対して直交する方向における動揺成分をなす直線的なドリフト成分を音響的に推定する推定手段と、
前記動揺成分をなしかつ少なくとも周期的なヨーイングを含む前記プラットフォームの重心を中心とした回転運動の成分を測定する測定手段と、
前記推定手段で推定された前記直線的なドリフト成分と前記測定手段で測定された前記回転運動成分とを組合わせて前記動揺成分の動揺量を推定する動揺推定手段と、
前記動揺推定手段で推定された動揺量を基に前記プラットフォームの軌跡が仮想的に直線となるように受信信号に対して補正を加える動揺補正手段とを備えている。
【００１６】
本発明による動揺補正方法は、探信波を放射しかつその探信波の反射波を受信する送受波器をプラットフォームに搭載してなる合成開口ソーナーの動揺補正方法であって、前記プラットフォームの進行方向に対して直交する方向における動揺成分をなす直線的なドリフト成分を音響的に推定するステップと、前記動揺成分をなしかつ少なくとも周期的なヨーイングを含む前記プラットフォームの重心を中心とした回転運動の成分を測定するステップと、これら前記直線的なドリフト成分と前記回転運動の成分とを組合わせて前記動揺成分の動揺量を推定するステップと、その推定された動揺量を基に前記プラットフォームの軌跡が仮想的に直線となるように受信信号に対して補正を加えるステップとを備えている。
【００１７】
本発明による動揺補正方法のプログラムは、探信波を放射しかつその探信波の反射波を受信する送受波器をプラットフォームに搭載してなる合成開口ソーナーの動揺補正方法のプログラムであって、コンピュータに、前記プラットフォームの進行方向に対して直交する方向における動揺成分をなす直線的なドリフト成分を音響的に推定する処理と、前記動揺成分をなしかつ少なくとも周期的なヨーイングを含む前記プラットフォームの重心を中心とした回転運動の成分を測定する処理と、これら前記直線的なドリフト成分と前記回転運動の成分とを組合わせて前記動揺成分の動揺量を推定する処理と、その推定された動揺量を基に前記プラットフォームの軌跡が仮想的に直線となるように受信信号に対して補正を加える処理とを実行させている。
【００１８】
すなわち、本発明の合成開口ソーナーは、動揺の成分を直線的なドリフト成分と周期的なヨーイング等の回転運動成分とに分解し、前者については進行方向において３個直列に配置した送受波器の測定結果を組合わせることによって推定し、後者については搭載したジャイロによって直接姿勢を測定し、これら両者の結果を組合わせることによってヨーイング等の影響を加味した動揺量の推定を行っている。これによって、本発明の合成開口ソーナーでは、プラットフォームのヨーイング等の動きも考慮することが可能となる。
【００１９】
また、本発明の合成開口ソーナーでは、プラットフォームにおける送受波器の配置として、中心送受波器がプラットフォームの重心及び浮心、すなわち運動中心に合致するような配置とし、その前方及び後方にそれぞれ前方受波器及び後方受波器を配置している。
【００２０】
上記のように、本発明の合成開口ソーナーでは、３個の送受波器を組合わせて、前方／後方それぞれにＤＰＣ（Ｄｉｓｐｌａｃｅｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｃｅｎｔｅｒ）を設けることによって、各ピングあたり２つの独立した動揺量の推定値を求めることが可能となる。これらの値の平均値を求めて最適解とすることによつて、本発明の合成開口ソーナーでは、海中の音響的伝搬環境条件の微小な変化等によって生じる誤差の影響を小さくすることが可能となる。
【００２１】
また、本発明の合成開口ソーナーでは、壁のようなリジッドな構造物を設けるのではなく、特定のレンジにある海底による反射、すなわち海底残響を利用することによって解決している。一般的に、ロングレンジのソーナーにおいて、海底残響は波浪状況によって刻々と変化する海面反射のマルチパスの影響や音速プロファイルの変化等、伝搬環境のゆらぎに影響されるため、全く同一の環境においても時間が数秒以上のオーダーで異なればコヒーレント性はない。
【００２２】
しかしながら、探索レンジを比較的近距離に限定するサイドスキャンソーナーでは、パルス繰返し周期が非常に短く、コヒーレントな海底残響を得ることが可能である。
【００２３】
そこで、本発明はこの点に着目し、隣り合うピングのＤＰＣが曳航体進行方向軸上において重なることを利用し、隣り合うピング間における海底残響の位相ずれを計測することによって動揺量の推定を行っている。
【００２４】
さらに、隣り合うピング間において得られた波形の位相ずれを比較する場合には、海底上のある特定のレンジ領域区間における反射のみを用いるものとする。これは動揺によって隣り合うピングの波形が僅かに圧縮もしくは展長する効果の影響を避けるためである。
【００２５】
これによって、本発明の合成開口ソーナーでは、前方及び後方の二つのＤＰＣを重複させる動揺検出過程において、ジャイロによる姿勢変化検出量を補正値として組合わせているので、プラットフォームの動揺にドリフト成分のみではなく、ヨーイング等の回転運動による周期的な成分が含まれている場合においても、それを検出し、正しく補正することが可能となる。
【００２６】
また、本発明の合成開口ソーナーでは、送信及び画像形成／動揺補正データ取得用の送受波器をプラットフォームの運動中心に設置し、その送受波器自身がヨーイング等の回転運動によってレンジ方向へ移動することを防いでいるので、ヨーイング等の回転運動が直接合成開口処理に与える影響及び動揺検出処理に与える影響を最小化することが可能となる。
【００２７】
さらに、本発明の合成開口ソーナーでは、動揺量の音響的な検出に海底残響のコヒーレント性を利用しているので、音響標識や信号対残響比の良い標的の存在がなくても、正しく動揺量を推定することが可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例による合成開口ソーナーの構成を示すブロック図である。図１において、合成開口ソーナー１は前方受波器１１と、中心送受波器１２と、後方受波器１３と、送信制御部１４と、送信回路部１５と、受信回路／ＡＤ部ａ１６と、受信回路／ＡＤ部ｂ１７と、受信回路／ＡＤ部ｃ１８と、レンジ圧縮部ａ１９と、レンジ圧縮部ｂ２０と、レンジ圧縮部ｃ２１と、相関演算部ａ２２と、相関演算部ｃ２３と、動揺推定部ａ２４と、動揺推定部ｃ２５と、動揺補正部２６と、レンジ曲率補正部２７と、アジマス圧縮部２８と、画像記録部２９と、ジャイロ３０と、記録媒体３１とから構成されている。
【００２９】
探信波の送信については送信制御部１４にて送信タイミングを制御し、送信回路部１５にて送信波形を生成／増幅して中心送受波器１２へ印加することによって、送信波形の電気エネルギを音響エネルギへと変換し、この音響エネルギを海中に探信波として放射する。
【００３０】
放射された探信波は標的や海底によって反射し、前方受波器１１と中心送受波器１２と後方受波器１３とによって再び音響エネルギから電気エネルギへと変換される。それぞれの受波／送受波器によって受信した信号は受信回路／ＡＤ部ａ１６、受信回路／ＡＤ部ｂ１７、受信回路／ＡＤ部ｃ１８にて増幅、フィルタ処理、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換処理され、さらにレンジ圧縮部ａ１９、レンジ圧縮部ｂ２０、レンジ圧縮部ｃ２１にて送信波形のレプリカ信号との相関処理によるレンジ圧縮が施される。この段階までは各受波／送受波器によって受信した信号が全て同じ処理を施される。
【００３１】
次に、相関演算部ａ２２ではレンジ圧縮部ａ１９とレンジ圧縮部ｂ２０とによってレンジ圧縮処理された信号の相関処理を行い、両者の位相差を算出する。同様に、相関演算部ｃ２３ではレンジ圧縮部ｃ２１とレンジ圧縮部ｂ２０とによってレンジ圧縮処理された信号の相関処理を行い、両者の位相差を算出する。
【００３２】
これらの位相差情報及びジャイロ３０によって計測されたヨーイング等の情報はそれぞれ動揺推定部ａ２４と動揺推定部ｃ２５に入力され、両者によって推定された動揺量と、レンジ圧縮部ｂ２０によってレンジ圧縮された受信信号とが動揺補正部２６に入力される。
【００３３】
動揺補正部２６では推定された動揺量を基に、プラットフォームの軌跡が仮想的に直線となるよう受信信号に補正を加え、その結果をレンジ曲率補正部２７へ出力する。レンジ曲率補正部２７では受信信号が２次元の画像を形成するように一定期間のバッファ処理を実施し、その画像上における各画素について近距離音場効果を補正し、アジマス圧縮部２８へ出力する。
【００３４】
アジマス圧縮部２８では近距離音場効果を補正された画素それぞれについて，予め算出された参照信号との相関処理を実施することによりアジマス圧縮を完了し、その結果を画像記録部２９へ出力する。
【００３５】
上記の各部の処理動作は、合成開口ソーナーで用いられるコンピュータ（図示せず）が記録媒体３１に格納されたプログラムを読出して実行することで、実現される。
【００３６】
図２は本発明の一実施例によるプラットフォームへ受波／送受波器アレイを搭載した状態を示す模式図であり、図３は本発明の原理を説明するための模式図である。これら図２及び図３を参照して本発明の原理について説明する。
【００３７】
本発明では、プラットフォーム３２における送受波器の配置として、図２に示すように、中心送受波器１２をプラットフォーム３２の重心及び浮心、すなわち運動中心に合致するような配置としている。但し、これはプラットフォーム３２の運動中心とその重心とが一致する場合の例である。つまり、プラットフォーム３２の自力航行時にはプラットフォーム３２の運動中心とその重心とが一致することになる。
【００３８】
また、プラットフォーム３２の曳航時にはプラットフォーム３２の運動中心とその重心とが不一致となる場合がある。しかしながら、重心以外の点を中心として回転運動を行った場合においても、その回転運動によって生ずる変移はプラットフォーム３２の重心を中心とした回転及び重心の直線移動の二つの変移量に分解することが可能である。重心の直線移動成分はさらに進行方向及びそれに直交する方向に分解可能であるが、本発明で想定しているようなプラットフォーム３２の直線曳航状態ではプラットフォーム３２の回転運動量が微小であり、その場合には重心の直線移動成分は進行方向に直交する方向、つまりドリフト量のみと近似可能である。
【００３９】
すなわち、運動中心がプラットフォーム３２の重心とずれた場合でも、その影響はプラットフォーム３２の重心を中心とした回転量と、重心の進行方向に直交する方向へのドリフト量との問題に帰着する。したがって、本発明では運動中心の位置と重心との関係によらず、プラットフォーム３２の理想航跡からの動揺量を正しく推定することが可能である。
【００４０】
上述した従来の動揺推定手法と同様に、ピング２回にわたってプラットフォーム３２が移動する過程を考える。但し、図３において、プラットフォーム３２は進行方向に対して平行な姿勢を保ったまま動揺するのではなく、ヨーイング等によって角度を持ちながら動揺するものと考える。
【００４１】
この場合、プラットフォーム３２の運動中心が中心送受波器１２に合致しているため、ヨーイング等の回転運動は中心送受波器１２を中心にして発生し、中心送受波器１２が位置Ｚｂ１，Ｚｂ２において探信波を放射し、それぞれ位置Ｚｂ２，Ｚｂ３に至るまでの間に受信したデータがヨーイング等の回転運動の影響を受けることはない。この場合には、ヨーイング等の回転運動によって中心送受波器１２と標的との距離が変わるわけではなく、厳密には見込む視野が若干変化するが、ヨーイング等の回転運動が極端に大きくない限りは影響を受けない。
【００４２】
次に、先に述べたＤＰＣの一致を利用した手法を応用し、ヨーイング等の回転運動も考慮した動揺量の推定手法について説明する。中心送受波器１２が位置Ｚｂ１で送信して位置Ｚｂ２に至るまでの間のＤＰＣと、中心送受波器１２が位置Ｚｂ２で送信して後方受波器１３が位置Ｚｃ３に至るまでの間のＤＰＣとは一致し、これを後方ＤＰＣと呼ぶ。
【００４３】
この間において受信した波形の時間的なずれを求めることによって、プラットフォーム３２の動揺量が推定可能となる。但し、図３に示すように、ヨーイング等の回転運動が発生している場合、求めた動揺量はヨーイング等の回転運動による成分を含んでいる。
【００４４】
そこで、ジャイロ３０によって姿勢変化量を計測し、求めた動揺量に対して補正を加えることで、正しい値が推定可能となる。また、厳密にはヨーイング等の回転運動によってＤＰＣの位置が若干ずれるが、回転運動量が極端に大きくない限り、その影響は無視することができる。
【００４５】
さらに、中心送受波器１２が位置Ｚｂ１で送信して前方受波器１１が位置Ｚａ２に至るまでの間のＤＰＣと、中心送受波器１２が位置Ｚｂ２で送信して位置Ｚｂ３に至るまでの間のＤＰＣも一致し、これを前方ＤＰＣと呼ぶ。この間においても受信した波形の時間的なずれを求め、ジャイロ３０によってヨーイング等の回転運動量を計測して補正を加えることで、プラットフォーム３２の動揺量を正しく推定することが可能となる。
【００４６】
結局、本実施例では、上述した３個の送受波器を組合わせて前方／後方それぞれにＤＰＣを設けることによって、各ピングあたり２つの独立した動揺量の推定値を求めることが可能となるので、これらの値の平均値を求めて最適解とすることで、海中の音響的伝搬環境条件の微小な変化やノイズ等によって生じる誤差の影響を小さくすることが可能となる。
【００４７】
また、本実施例では、従来の動揺推定手法のように、壁のようなリジッドな構造物を設けるのではなく、特定のレンジにある海底による反射、すなわち海底残響を利用することによって上記の課題を解決している。
【００４８】
一般的に、ロングレンジのソーナーにおいて、海底残響は波浪状況によって刻々と変化する海面反射のマルチパスの影響や音速プロファイルの変化等、伝搬環境のゆらぎに影響されるため、全く同一の環境においても時間が数秒以上のオーダで異なればコヒーレント性はない。しかしながら、探索レンジを比較的近距離に限定するサイドスキャンソーナーでは、パルス繰返し周期が非常に短く、コヒーレントな海底残響を得ることが可能である。
【００４９】
そこで、本実施例では、この点に着目し、隣り合うピングのＤＰＣが曳航体進行方向軸上において重なることを利用し、隣り合うピング間における海底残響の位相ずれを計測することによって動揺量の推定を行っている。
【００５０】
さらに、本実施例では、隣り合うピング間において得られた波形の位相ずれを比較する場合、海底上のある特定のレンジ領域区間における反射のみを用いるものとする。これは動揺によって隣り合うピングの波形が僅かに圧縮もしくは展長する効果の影響を避けるためである。
【００５１】
図４は本発明の一実施例による合成開口ソーナー１の動作を示すフローチャートである。これら図１〜図４を参照して本発明の一実施例による合成開口ソーナー１の動作について説明する。尚、図４に示す処理は合成開口ソーナー１で用いられるコンピュータが記録媒体３１のプログラムを読出して実行することで実現される。
【００５２】
まず、合成開口ソーナー１では画像形成が開始されると、送信制御部１４にて送信タイミングを制御し、送信回路部１５にて送信波形を生成／増幅して中心送受波器１２へ印加することによって、中心送受波器１２から探信波が放射される（図４ステップＳ１）。
【００５３】
探信波の放射完了後、合成開口ソーナー１ではそれぞれ前方受波器１１、中心送受波器１２、後方受波器１３によって標的から反射したエコー信号の受信を行う（図４ステップＳ２〜Ｓ４）。
【００５４】
それぞれ前方受波器１１、中心送受波器１２、後方受波器１３で受信された信号はレンジ圧縮部ａ１９、レンジ圧縮部ｂ２０、レンジ圧縮部ｃ２１によって送信波形のレプリカとの相関処理を行うことによってあるレンジ圧縮が施される（図４ステップＳ５〜Ｓ７）。尚、レンジ圧縮部ａ１９でレンジ圧縮が施された信号は１ピング分遅延がかけられ（図４ステップＳ８）、レンジ圧縮部ｂ２０でレンジ圧縮が施された信号は動揺補正部２６に出力されるとともに、１ピング分遅延がかけられる（図４ステップＳ９）。
【００５５】
次に、合成開口ソーナー１では相関演算部ａ２２にて中心送受波器１２のレンジ圧縮信号と１ピング分遅延がかけられた前方受波器１１のレンジ圧縮信号との相関処理を行い、両者の位相差を算出する（図４ステップＳ１０）。同様に、合成開口ソーナー１では相関演算部ｃ２３にて後方受波器１３のレンジ圧縮信号と１ピング分遅延がかけられた中心送受波器１２のレンジ圧縮信号との相関処理を行い、両者の位相差を算出する（図４ステップＳ１１）。
【００５６】
この後、合成開口ソーナー１では動揺推定部ａ２４及び動揺推定部ｃ２５にて上記の処理で算出された位相差にジャイロ３０で計測されたヨーイング等のデータによる補正を加え、両者の平均値を算出して動揺量の推定を行う（図４ステップＳ１２）。合成開口ソーナー１ではプラットフォーム３２の軌跡が仮想的に直線となるように、動揺補正部２６にて上記で推定した動揺量を基に中心送受波器１２のレンジ圧縮信号に補正を加え（図４ステップＳ１３）、その補正されたデータが動揺補正部２６内に保存される（図４ステップＳ１４）。
【００５７】
合成開口ソーナー１では、２次元の画像形成に必要なピング数をカウントし、規定されたピング数に達するまで（図４ステップＳ１５）、上述したステップＳ１〜Ｓ１４のレンジ毎の処理を繰返し行う。
【００５８】
合成開口ソーナー１では規定されたピング数に達すると、レンジ曲率補正部２７にて画像上における各画素について近距離音場効果を補正し（図４ステップＳ１６）、アジマス補正部２８にて近距離音場効果が補正された画素それぞれについて、予め算出された参照信号との相関処理を実施することによってアジマス圧縮を完了し（図４ステップＳ１７）、画像記録部２９にてその結果を記録することで画像形成処理を完了する（図４ステップＳ１８）。尚、ステップＳ１６以降にある合成開口処理の詳細については、上記の非特許文献１等に記載されている方法を用いることができる。
【００５９】
このように、本実施例では、前方及び後方の二つのＤＰＣを重複させる動揺検出過程において、ジャイロ３０による姿勢変化検出量を補正値として組合わせているので、プラットフォーム３２の動揺にドリフト成分のみではなく、ヨーイング等の回転運動による周期的な成分が含まれている場合においても、自力航行時におけるプラットフォーム３２の重心を中心とした回転運動の成分や曳航時におけるプラットフォーム３２の運動中心（重心とはずれいる場合）を中心とした回転運動の成分をそれぞれ検出し、正しく補正することができる。
【００６０】
また、本実施例では、送信及び画像形成／動揺補正データ取得用の送受波器をプラットフォーム３２の運動中心に設置し、その送受波器自身がヨーイング等の回転運動によってレンジ方向へ移動することを防いでいるので、ヨーイング等の回転運動が直接合成開口処理に与える影響及び動揺検出処理に与える影響を最小化することができる。
【００６１】
さらに、本実施例では、動揺量の音響的な検出に海底残響のコヒーレント性を利用しているので、音響標識や信号対残響比の良い標的の存在がなくても、正しく動揺量を推定することができる。
【００６２】
尚、上記の説明では、受波／送受波器アレイをプラットフォーム３２の片舷のみに装備した場合について述べたが、同等のアレイ及び処理回路を両舷へ装備することによって、探索範囲を２倍に広げることが可能となる。その場合、右舷及び左舷においては独立に求めた動揺量の平均を算出して最適解とすることによって、さらに動揺補正の精度を上げることが可能となる。
【００６３】
図５は本発明の他の実施例によるプラットフォームへ受波／送受波器アレイを搭載した状態を示す模式図であり、図６は図５のプラットフォームの断面図である。図５及び図６において、本発明の他の実施例では、上述した本発明の一実施例によるプラットフォーム３２が送受波器アレイを１つ装備して片舷方向のみを探索しているのに対し、左舷アレイ２及び右舷アレイ３の２つの送受波器アレイを装備し、左舷及び右舷の両方を探索することを可能としている。
【００６４】
ここで、左舷アレイ２は左舷前方受波器４１と、左舷中心送受波器４２と、左舷後方受波器４３とから構成され、右舷アレイ３は右舷前方受波器５１と、右舷中心送受波器５２と、右舷後方受波器５３とから構成されている。この場合、基本的には左舷及び右舷において、二つの等価でかつ独立して動作するシステムを搭載することになるが、それぞれのシステムにおいてプラットフォーム３２の動揺推定量を独立に推定することが可能となる。
【００６５】
したがって、例えば探信周期が左舷及び右舷で同期している場合、それらの独立して求めた動揺推定量を平均化することによって、海中の音響的伝搬環境条件の微小な変化やノイズ等によって生じる誤差の影響を小さくすることが可能となる。また、その場合には、例えばジャイロに測定誤差があった場合等において、両舷の推定値を平均化することによって、両舷それぞれの中に含まれる誤差を相殺する効果が期待される。
【００６６】
また、上記の本発明の一実施例の説明では、受波／送受波器を計３個用いてアレイとし、独立して推定した二つの動揺量の平均値を用いる場合を示しているが、これを受波／送受波器各１個づつの計２個のアレイとすることも可能である。その場合、動揺量の推定値を一つしか求めることができないが、実現でき得る機能に差はない。これとは反対に、素子の数をより増やすことによって、進行方向軸上において重複するＤＰＣの数を増やし、動揺量の推定精度をさらに向上させることも可能である。
【００６７】
図７は本発明の別の実施例の原理を説明するための模式図である。この図７を参照して本発明の別の実施例の原理について説明する。本発明の一実施例では受波器２台と送受波器１台との計３台を組み合わせたアレイによる構成例を示しているが、本実施例では２台以上の任意の数の受波／送受波器からアレイを構成している。
【００６８】
図７において、本発明の別の実施例によるアレイ４は受波器４台と送受波器１台とからなる構成例を示している。アレイ４は計５台の受波／送受波器を用いた構成としているが、本発明の一実施例と同様の原理で、そのプラットフォーム３２の重心に送受波器を設置することによって、送受波器を中心として前後４つのＤＰＣの重複個所を得ることが可能である。これらの独立して求めた動揺推定量を平均化することによって、海中の音響的伝搬環境条件の微小な変化等によって生じる誤差の影響をより小さくすることが可能となる．
【００６９】
さらに、上記の本発明の一実施例の説明では、音響的な計測によって動揺のドリフト成分を推定し、ジャイロ３０による姿勢変化の計測でヨーイング等の周期的成分を求め、両者を合わせて動揺を推定しているが、前方及び後方の二つのＤＰＣはプラットフォーム３２の運動中心から相対して均等に離れており、ヨーイング等の影響が互いに逆の方向の成分となって現れる。
【００７０】
そこで、ヨーイング等の周期に比較してピングの周期が十分に短い場合、音響的に推定した二つの動揺量を加算することによって、それらに含まれるヨーイング等の影響による成分を相殺することが可能となり、その場合にはジャイロ３０を省略することができる。
【００７１】
図８〜図１０は本発明のさらに別の実施例の原理を説明するための模式図である。これら図８〜図１０を参照して本発明のさらに別の実施例の原理について説明する。あるレンジ内において、プラットフォーム３２が動揺した場合、例えばＰ１　−Ｐ２　間で受信した信号とＰ２　−Ｐ３　間で受信した信号との間に、図９に示すように、時間ずれ量（ドリフト量）が生ずることになる。
【００７２】
この場合、Ｐ１−１　で受信した信号とＰ２−１　で受信した信号との間の時間ずれ量と、Ｐ１−２　で受信した信号とＰ２−２　で受信した信号との間の時間ずれ量とが大きく異なるため、Ｐ１　−Ｐ２　間で受信した信号とＰ２　−Ｐ３　間で受信した信号とを比較しても、整合性がとれなくなる可能性がある。
【００７３】
そこで、本発明のさらに別の実施例では、各レンジをそれぞれ分割し、分割したレンジ領域（以下、分割レンジ領域とする）毎に残響信号の時間ずれ量を求め、求めた各値をそれ以前の全ての値の差分の総和と比較する等して整合性を確認し、その差が最小となるようにドリフト推定量の最適化を行っている。
【００７４】
分割した各レンジ領域における残響信号の時間ずれ量を求める際、図１０に示すように、そのレンジ領域空間Ｒｎ　、このレンジ領域空間Ｒｎ　より前方へ半分ずれたレンジ領域空間Ｒｎ−０．５　、このレンジ領域空間Ｒｎ　より後方へ半分ずれたレンジ領域空間Ｒｎ＋０．５　の３箇所の区間において、それぞれ相関処理によって時間ずれ量を求めることとする。レンジ領域空間Ｒｎ　における最終的な時間ずれ量はＲｎ　、Ｒｎ−０．５　、Ｒｎ＋０．５　の３種類のオーバラップした区間で求めた時間ずれ量に重み付けして求めた平均値とする。
【００７５】
実際に、合成開口処理を行うレンジ領域空間はＲｎ−１　，Ｒｎ　，Ｒｎ＋１　の単位であるが、各区間における時間ずれ量をその前後の区間で求めた量と、オーバラップした区間で求めた量とで平均化することによって、海中の音響的伝搬環境やノイズの影響等による誤差を含んだ場合でも、測定値の極端な劣化を防ぐことが可能となる。
【００７６】
また、それぞれの区間における測定値をそのピング全体の測定値の分散と比較する方法等の手法によって、異常値を検出した場合にはその値を用いずに、その前後の平均値を代用する。このようなアルゴリズムによって、冗長性を持たせて特異な値による測定値の劣化を防止し、ドリフト推定量の精度を向上させることが可能となる。尚、本発明のさらに別の実施例による合成開口ソーナーの構成及びその原理は図１〜図３に示す本発明の一実施例による合成開口ソーナーと同じものとする。
【００７７】
図１１は本発明のさらに別の実施例による合成開口ソーナーの動作を示すフローチャートである。これら図１〜図３及び図１１を参照して本発明のさらに別の実施例による合成開口ソーナー１の動作について説明する。尚、図１１に示す処理は合成開口ソーナー１で用いられるコンピュータが記録媒体３１のプログラムを読出して実行することで実現される。
【００７８】
まず、合成開口ソーナー１では画像形成が開始されると、送信制御部１４にて送信タイミングを制御し、送信回路部１５にて送信波形を生成／増幅して中心送受波器１２へ印加することによって、中心送受波器１２から探信波が放射される（図１１ステップＳ２１）。
【００７９】
探信波の放射完了後、合成開口ソーナー１ではそれぞれ前方受波器１１、中心送受波器１２、後方受波器１３によって標的から反射したエコー信号の受信を行う（図１１ステップＳ２２〜Ｓ２４）。
【００８０】
それぞれ前方受波器１１、中心送受波器１２、後方受波器１３で受信された信号はレンジ圧縮部ａ１９、レンジ圧縮部ｂ２０、レンジ圧縮部ｃ２１によって送信波形のレプリカとの相関処理を行うことによってあるレンジ圧縮が施される（図１１ステップＳ２５〜Ｓ２７）。尚、レンジ圧縮部ａ１９でレンジ圧縮が施された信号は１ピング分遅延がかけられ（図１１ステップＳ２８）、レンジ圧縮部ｂ２０でレンジ圧縮が施された信号は動揺補正部２６に出力されるとともに、１ピング分遅延がかけられる（図１１ステップＳ２９）。
【００８１】
次に、合成開口ソーナー１では上記の分割レンジ領域毎に相関演算部ａ２２にて中心送受波器１２のレンジ圧縮信号と１ピング分遅延がかけられた前方受波器１１のレンジ圧縮信号との相関処理を行い、両者の位相差を算出する（図１１ステップＳ３０）。同様に、合成開口ソーナー１では上記の分割レンジ領域毎に相関演算部ｃ２３にて後方受波器１３のレンジ圧縮信号と１ピング分遅延がかけられた中心送受波器１２のレンジ圧縮信号との相関処理を行い、両者の位相差を算出する（図１１ステップＳ３１）。
【００８２】
この後、合成開口ソーナー１では動揺推定部ａ２４及び動揺推定部ｃ２５にて上記の処理で算出された分割レンジ領域毎の位相差にジャイロ３０で計測されたヨーイング等のデータによる補正を加え、両者の平均値を算出して分割レンジ領域毎の動揺量の推定を行う（図１１ステップＳ３２）。合成開口ソーナー１では分割レンジ領域毎に、プラットフォーム３２の軌跡が仮想的に直線となるように、動揺補正部２６にて上記で推定した動揺量を基に中心送受波器１２のレンジ圧縮信号に補正を加え（図１１ステップＳ３３）、その補正されたデータが動揺補正部２６内に保存される（図１１ステップＳ３４）。
【００８３】
合成開口ソーナー１では、分割レンジ領域毎の処理を分割数分行い、この処理が２次元の画像形成に必要なピング数になるまでカウントを行って、そのカウント数が規定されたピング数に達するまで（図１１ステップＳ３５）、上述したステップＳ２１〜Ｓ３４の分割レンジ領域毎の処理を繰返し行う。
【００８４】
合成開口ソーナー１では規定されたピング数に達すると、レンジ曲率補正部２７にて画像上における各画素について近距離音場効果を補正し（図１１ステップＳ３６）、アジマス補正部２８にて近距離音場効果が補正された画素それぞれについて、予め算出された参照信号との相関処理を実施することによってアジマス圧縮を完了し（図１１ステップＳ３７）、画像記録部２９にてその結果を記録することで画像形成処理を完了する（図１１ステップＳ３８）。尚、ステップＳ３６以降にある合成開口処理の詳細については、上記の非特許文献１等に記載されている方法を用いることができる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、探信波を放射しかつその探信波の反射波を受信する送受波器をプラットフォームに搭載してなる合成開口ソーナーにおいて、プラットフォームの進行方向に対して直交する方向における動揺成分をなす直線的なドリフト成分を音響的に推定し、動揺成分をなしかつ少なくとも周期的なヨーイングを含む回転運動成分を測定し、推定された直線的なドリフト成分と測定された回転運動成分とを組合わせて動揺成分の動揺量を推定することによって、既知の標的や音響標識等を必要とせずに実海域で使用することができ、かつプラットフォームのヨーイング等の動きも考慮することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による合成開口ソーナーの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施例によるプラットフォームへ受波／送受波器アレイを搭載した状態を示す模式図である。
【図３】本発明の原理を説明するための模式図である。
【図４】本発明の一実施例による合成開口ソーナーの動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の他の実施例によるプラットフォームへ受波／送受波器アレイを搭載した状態を示す模式図である。
【図６】図５のプラットフォームの断面図である。
【図７】本発明の別の実施例の原理を説明するための模式図である。
【図８】本発明のさらに別の実施例の原理を説明するための模式図である。
【図９】本発明のさらに別の実施例の原理を説明するための模式図である。
【図１０】本発明のさらに別の実施例の原理を説明するための模式図である。
【図１１】本発明のさらに別の実施例による合成開口ソーナーの動作を示すフローチャートである。
【図１２】従来の技術を説明するための模式図である。
【図１３】従来の技術を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１　合成開口ソーナー
２　左舷アレイ
３　右舷アレイ
４　アレイ
１１　前方受波器
１２　中心送受波器
１３　後方受波器
１４　送信制御部
１５　送信回路部
１６　受信回路／ＡＤ部ａ
１７　受信回路／ＡＤ部ｂ
１８　受信回路／ＡＤ部ｃ
１９　レンジ圧縮部ａ
２０　レンジ圧縮部ｂ
２１　レンジ圧縮部ｃ
２２　相関演算部ａ
２３　相関演算部ｃ
２４　動揺推定部ａ
２５　動揺推定部ｃ
２６　動揺補正部
２７　レンジ曲率補正部
２８　アジマス圧縮部
２９　画像記録部
３０　ジャイロ
３１　記録媒体
３２　プラットフォーム
４１　左舷前方受波器
４２　左舷中心送受波器
４３　左舷後方受波器
５１　右舷前方受波器
５２　右舷中心送受波器
５３　右舷後方受波器
【図１】
2004117129.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004117129.tif 000011
【図１０】
2004117129.tif 000012
【図１１】
2004117129.tif 000013
【図１２】
2004117129.tif 000014
【図１３】
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