(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子に対応した体積残響を発生するために各振動子に入力されるランダムな体積残響信号に対する統計的に平均のドップラー周波数ごとの振幅を模擬計算する平均体積残響振幅演算装置と、体積残響の各振動子間の相関特性を計算する振動子相関演算装置と、当該振動子相関演算装置の出力を受け各振動子間で体積残響と同じ相関性を持つ乱数を発生させる乱数発生装置と、上記平均体積残響振幅演算装置の出力と上記乱数発生装置の出力とを合成して体積残響を模擬計算し体積残響模擬信号を発生する残響発生装置とを備えたことを特徴とする、振動子対応音響模擬装置。
【請求項２】
振動子に対応した海面・海底残響を発生するために各振動子に入力されるランダムな海面・海底残響信号に対する統計的に平均のドップラー周波数ごとの振幅を模擬計算する平均海面・海底残響振幅演算装置と、海面・海底残響の各振動子間の相関特性を計算する振動子相関演算装置と、当該振動子相関演算装置の出力を受け各振動子間で海面・海底残響と同じ相関性を持つ乱数を発生させる乱数発生装置と、上記平均海面・海底残響振幅演算装置の出力と上記乱数発生装置の出力とを合成して海面・海底残響を模擬計算し海面・海底残響模擬信号を発生する残響発生装置とを備えたことを特徴とする、振動子対応音響模擬装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ソーナーシステムにおける水中音響の模擬信号を発生させることのできる音響模擬装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の水中航走体のソーナーシステムの概略を示す要部概念図、図６は図５の水中航走体のソーナーシステムにおける振動子の配列状態を説明するための要部平面図である。
【０００３】
図５に示すように、水中音響は、受波器０１に設けられた複数の振動子０２を介して、水中の圧力波から電気信号へ変換される。振動子０２は、水中へ音響信号を出力したり水中の音響信号を受け取って電気信号に変換したりする電気音響変換器としての機能を果たす。このような振動子０２は、例えば、図６に示すように平面的に縦横に配列されている。
【０００４】
振動子０２により電気信号に変換された水中音響は、受信機０３により増幅され、ビーム合成される。ビーム合成とは、各振動子０２の出力に対し位相シフト及び重み付けを施すことにより、指向特性を持った信号を形成することである。受信機０３によりビーム合成された水中音響は、信号処理器０４に入力され、信号処理器０４において、例えばフィルタリング等の様々な信号処理が行われる。
【０００５】
従来、このようなソーナーシステムに対し、水中音響を模擬してソーナーシステムの応答性を評価する場合、矢印１０４で示すように受信機０３によるビーム合成に対応した模擬信号を信号処理器０４に入力していた。
【０００６】
従来の模擬信号を生成するための計算アルゴリズムは［数１］式のとおりである。
【数１】
0004568413.tif 000002
ここで、
Ｙ(ｔ)  ：残響の模擬信号波形
Ａｉ    ：水中の空間をＭ個の等時間、等ドップラーで区切られたｉ番目のエリアに対する散乱の振幅、ビームパターン、音波伝搬の効果を含む
残響の平均振幅
Ｍ      ：水中をエリアで区切った時のエリアの数
Ｃｉ    ：平均値０、単位標準偏差のガウス分布の複素乱数
Ｘ(ｔ)  ：ソーナー送信パルスの複素波形
γｉ    ：ｉ番目のエリア中心から反射する音波のドップラシフト
τｉ    ：ｉ番目のエリア中心から反射する音波の時間遅れ
Ｆ１    ：送信パルスの搬送波周波数
Ｆ２    ：受信残響の搬送波周波数
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ソーナーシステムの新しい技術として、振動子に入力される水中音響に対して任意の指向性を持つ音響信号を生成するアダプティブビームフォーミング（ＡＢＦと略される）が開発されている。
ＡＢＦとは、基盤目状に配置される各振動子に入力する音響受信信号に対し、状況に応じて重み付け、移相シフトを行い、その後各振動子の信号を互いに加算することで、必要とする任意の指向性を有するビームを形成することである。この処理は、信号処理装置のビーム形成回路で行われる。
【０００８】
しかし、図５に示したような従来の模擬装置においては、ビームに対応した模擬信号を信号処理器０４へ入力しているため、上述のような新しいソーナーシステムであるアダプティブビームフォーミングに対応する水中音響を模擬することはできなかった。
【０００９】
模擬できなかった理由は以下のとおりである。すなわち、ＡＢＦの性能を評価するためには、各振動子に入力される信号同士の相関性が重要となるが、従来においては振動子間の相関性を模擬計算するアルゴリズムはなく、ビーム形成が固定されていたため、予めビーム特性を入れた模擬信号を入力するだけで十分であった。その際、ビーム形成回路をバイパスしてビーム形成回路の出力としての模擬音響を信号処理器０４に入力していた。
【００１０】
しかし、ＡＢＦを評価するためには、ビーム形成回路をバイパスすることはできず、図５に矢印１０３で示すように振動子０２の出力に対応して、模擬信号を受信機０３に入力することができるような、振動子に対応したビーム形成回路の入力としての模擬音響が必要となった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明の振動子対応音響模擬装置は、振動子に対応した体積残響を発生するために各振動子に入力されるランダムな体積残響信号に対する統計的に平均のドップラー周波数ごとの振幅を模擬計算する平均体積残響振幅演算装置と、体積残響の各振動子間の相関特性を計算する振動子相関演算装置と、当該振動子相関演算装置の出力を受け各振動子間で体積残響と同じ相関性を持つ乱数を発生させる乱数発生装置と、上記平均体積残響振幅演算装置の出力と上記乱数発生装置の出力とを合成して体積残響を模擬計算し体積残響模擬信号を発生する残響発生装置とを備えている。
【００１２】
また、本発明の振動子対応音響模擬装置は、振動子に対応した海面・海底残響を発生するために各振動子に入力されるランダムな海面・海底残響信号に対する統計的に平均のドップラー周波数ごとの振幅を模擬計算する平均海面・海底残響振幅演算装置と、海面・海底残響の各振動子間の相関特性を計算する振動子相関演算装置と、当該振動子相関演算装置の出力を受け各振動子間で海面・海底残響と同じ相関性を持つ乱数を発生させる乱数発生装置と、上記平均海面・海底残響振幅演算装置の出力と上記乱数発生装置の出力とを合成して海面・海底残響を模擬計算し海面・海底残響模擬信号を発生する残響発生装置とを備えている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る振動子対応音響模擬装置の全体構成を示す系統図、図２は図１の実施の形態に係る振動子対応音響模擬装置の振動子相関演算装置のアルゴリズムを説明するための説明図、図３は本発明の第２の実施の形態に係る振動子対応音響模擬装置の全体構成を示す系統図、図４は図３の実施の形態に係る振動子対応音響模擬装置の振動子相関演算装置のアルゴリズムを説明するための説明図である。
【００１４】
まず図１及び図２において、振動子対応音響模擬装置は、各振動子に入力されるランダムな体積残響信号に対する統計的に平均のドップラー周波数ごとの振幅を模擬計算する平均体積残響振幅演算装置０５と、体積残響の各振動子間の相関特性を計算する振動子相関演算装置０６と、振動子相関演算装置０６の出力を受け各振動子間で体積残響と同じ相関性を持つ乱数を発生させる乱数発生装置０７と、平均体積残響振幅演算装置０５の出力と乱数発生装置０７の出力とを合成し体積残響を模擬計算する残響発生装置０８とを備える。
【００１５】
平均体積残響振幅演算装置０５の計算アルゴリズムは、図２を参照して、［数２］式のとおりである。
【数２】
ＡＭＰJK＝｜ＢT(θ，φ)・ＢRL(θ，φ)｜・ＰＬＯＳＳ・ＳV・ＶJK・ＳＬ
ここで、
ＡＭＰJK：等時間Ｊ及び等ドップラーＫで区切られるエリア０９からの散乱振幅
｜ＢT(θ，φ)・ＢRL(θ，φ)｜:エリア０９に対する振動子Ｌ１０の送受信の平均指向性損失
ＰＬＯＳＳ  ：エリア０９に対する音波の伝搬損失
ＳV：単位体積当たりの体積散乱強度
ＶJK：エリア０９の体積
ＳＬ：送受波器０１のソースレベル
【００１６】
振動子相関演算装置０６のアルゴリズムは、図２を参照して、以下のとおりである。
エリア０９からの反射波で、振動子Ｌ１０と振動子Ｍ１４に入力する信号の相互相関係数は、微小体積１１からの反射波ＶL(ｔ)１２とＶM(ｔ)１３とから[数３］式で与えられる。
【数３】
ＲLM＝｛＜ＶL(ｔ)・ＶM(ｔ)*＞｝／√｛＜ＶL(ｔ)2＞＜ＶM(ｔ)2＞｝
【００１７】
振動子０２の相関係数は、［数４］式の相関マトリックスとして定義される。
【数４】
0004568413.tif 000003
ここで、ＬＬは振動子の数である。
【００１８】
乱数発生装置０７のアルゴリズムは、図２を参照して、以下のとおりである。
各振動子間の残響と同じ相互相関性をもつ乱数発生を［数５］式で行う。
【数５】
ｄJK＝ＡJKｃ
ここで、
ｄJK：各振動子間で残響と同じ相関特性を持つＬＬ次の乱数（ベクトル）
ｃ：ＬＬ次の独立な単位標準偏差のガウス乱数（ベクトル）
ＡJK：［数６］式
【数６】
0004568413.tif 000004
ここで、
ｕ：ＥJKV の固有ベクトル
λn：ＥJKV の固有値
【００１９】
残響発生装置０８のアルゴリズムは、図２を参照して、［数７］式のとおりである。
【数７】
0004568413.tif 000005
ここで、
ＹL(ｔ)  ：振動子Ｌでの体積残響の模擬信号波形
ＡＭＰJK ：平均体積残響振幅演算装置０５の出力
Ｍ       ：水中をエリアで区切った時のエリアの数
ｄJK(Ｌ) ：乱数発生装置０７の出力（ベクトル）
Ｘ(ｔ)   ：ソーナー送信パルスの複素波形
γｉ     ：エリア０９の中心から反射する音波のドップラシフト
τｉ     ：エリア０９の中心から反射する音波の時間遅れ
Ｆ１     ：送信パルスの搬送波周波数
Ｆ２     ：受信残響の搬送波周波数
【００２０】
図１の振動子対応音響模擬信号によれば、平均体積残響振幅演算装置０５において、残響の統計的平均の振幅を計算し、振動子相関演算装置０６において各振動子間の相関マトリックスを計算し、振動子相関演算装置０６の出力を受け乱数発生装置０７において、体積残響と同じ相関性を持つ乱数を計算し、平均体積残響振幅演算装置０５の出力と乱数発生装置０７の出力とを残響発生装置０８において合成することにより、各振動子ごとの体積残響を発生することができ、従来の技術では評価できなかったアダプティブビームフォーミングの機能を持つソーナーシステムに対する模擬信号を発生することができる。
【００２１】
図３及び図４において、振動子対応音響模擬装置は、各振動子に入力されるランダムな海面・海底残響信号に対する統計的に平均のドップラー周波数ごとの振幅を模擬計算する平均海面・海底残響振幅演算装置１５と、海面・海底残響の各振動子間の相関特性を計算する振動子相関演算装置１６と、振動子相関演算装置１６の出力を受け各振動子間で体積残響と同じ相関性を持つ乱数を発生させる乱数発生装置０７と、平均海面・海底残響振幅演算装置１５の出力と乱数発生装置０７の出力とを合成し海面・海底残響を模擬計算する残響発生装置０８とを備えている。
【００２２】
平均海面・海底残響振幅演算装置１５のアルゴリズムは、図４を参照して、［数８］式のとおりである。
【数８】
ＡＭＰJK＝｜ＢT(θ，φ)・ＢRL(θ，φ)｜・ＰＬＯＳＳ・ＳS・ＡＢJK・ＳＬ
ここで、
ＡＭＰJK：等時間Ｊ及び等ドップラーＫで区切られるエリア１７からの散乱振幅
｜ＢT(θ，φ)・ＢRL(θ，φ)｜:エリア１７に対する振動子Ｌ１８の送受信の平均指向性損失
ＰＬＯＳＳ：エリア１７に対する音波の伝搬損失
ＳS       ：単位面積当たりの海面・海底散乱強度
ＡＢJK    ：エリア１７の面積
ＳＬ      ：送受波器０１のソースレベル
【００２３】
振動子相関演算装置１６のアルゴリズムは、図４を参照して、以下のとおりである。
エリア１７からの反射波で、振動子Ｌ１８と振動子Ｍ２２に入力する信号の相互相関係数は、微小面積１９からの反射波ＶL（ｔ）２０とＶM（ｔ）２１とから［数９］式で与えられる。
【数９】
ＲLM＝｛＜ＶL(ｔ)・ＶM(ｔ)*＞｝／√｛＜ＶL(ｔ)2＞＜ＶM(ｔ)2＞｝
【００２４】
振動子０２の相関係数は、［数１０］式の相関マトリックスとして定義される。
【数１０】
0004568413.tif 000006
ここで、ＬＬは振動子の数である。
【００２５】
乱数発生装置０７のアルゴリズム、残響発生装置０８のアルゴリズムは、それぞれ図１の場合における乱数発生装置０７のアルゴリズム、残響発生装置０８のアルゴリズムと同じである。
【００２６】
図３の振動子対応音響模擬装置によれば、平均海面・海底残響振幅演算装置１５において、海面・海底残響の統計的平均の振幅を計算し、振動子相関演算装置１６において、各振動子間の相関マトリックスを計算し、振動子相関演算装置１６の出力を受け乱数発生装置０７で、海面、海底残響と同じ相関性を持つ乱数を計算し、平均海面・海底残響振幅演算装置１５の出力と乱数発生装置０７の出力とを残響発生装置０８において合成することにより、各振動子ごとの海面・海底残響を発生することができ、従来の技術で評価できなかったアダプティブビームフォーミングの機能を持つソーナーシステムに対する模擬信号を発生することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の振動子対応音響模擬装置によれば以下のような効果が得られる。
（１）振動子に対応した体積残響を発生するために各振動子に入力されるランダムな体積残響信号に対する統計的に平均のドップラー周波数ごとの振幅を模擬計算する平均体積残響振幅演算装置と、体積残響の各振動子間の相関特性を計算する振動子相関演算装置と、当該振動子相関演算装置の出力を受け各振動子間で体積残響と同じ相関性を持つ乱数を発生させる乱数発生装置と、上記平均体積残響振幅演算装置の出力と上記乱数発生装置の出力とを合成して体積残響を模擬計算し体積残響模擬信号を発生する残響発生装置とを備えているので、平均体積残響振幅演算装置において、残響の統計的平均の振幅を計算し、振動子相関演算装置において各振動子間の相関マトリックスを計算し、振動子相関演算装置の出力を受け乱数発生装置において、体積残響と同じ相関性を持つ乱数を計算し、平均体積残響振幅演算装置の出力と乱数発生装置の出力とを残響発生装置において合成することにより、各振動子ごとの体積残響を発生することができ、従来の技術では評価できなかったアダプティブビームフォーミングの機能を持つソーナーシステムに対する模擬信号を発生することができる（請求項１）。
（２）振動子に対応した海面・海底残響を発生するために各振動子に入力されるランダムな海面・海底残響信号に対する統計的に平均のドップラー周波数ごとの振幅を模擬計算する平均海面・海底残響振幅演算装置と、海面・海底残響の各振動子間の相関特性を計算する振動子相関演算装置と、当該振動子相関演算装置の出力を受け各振動子間で海面・海底残響と同じ相関性を持つ乱数を発生させる乱数発生装置と、上記平均海面・海底残響振幅演算装置の出力と上記乱数発生装置の出力とを合成して海面・海底残響を模擬計算し海面・海底残響模擬信号を発生する残響発生装置とを備えているので、平均海面・海底残響振幅演算装置において、海面・海底残響の統計的平均の振幅を計算し、振動子相関演算装置において、各振動子間の相関マトリックスを計算し、振動子相関演算装置の出力を受け乱数発生装置で、海面、海底残響と同じ相関性を持つ乱数を計算し、平均海面・海底残響振幅演算装置の出力と乱数発生装置の出力とを残響発生装置において合成することにより、各振動子ごとの海面・海底残響を発生することができ、従来の技術で評価できなかったアダプティブビームフォーミングの機能を持つソーナーシステムに対する模擬信号を発生することができる（請求項２）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る振動子対応音響模擬装置の全体構成を示す系統図である。
【図２】図１の実施の形態に係る振動子対応音響模擬装置の振動子相関演算装置のアルゴリズムを説明するための説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る振動子対応音響模擬装置の全体構成を示す系統図である。
【図４】図３の実施の形態に係る振動子対応音響模擬装置の振動子相関演算装置のアルゴリズムを説明するための説明図である。
【図５】従来の水中航走体のソーナーシステムの概略を示す要部概念図である。
【図６】図５の水中航走体のソーナーシステムにおける振動子の配列状態を説明するための要部平面図である。
【符号の説明】
０１    受波器
０２    振動子
０３    受信器
０４    信号処理器
０５    平均体積残響振幅演算装置
０６    振動子相関演算装置
０７    乱数発生装置
０８    残響発生装置
０９    エリア
１０    振動子Ｌ
１１    微小体積
１２    振動子Ｌでの体積残響の模擬信号波ＶL（ｔ）を示す矢印
１３    振動子Ｍでの体積残響の模擬信号波ＶM（ｔ）を示す矢印
１４    振動子Ｍ
１５    平均海面・海底残響振幅演算装置
１６    振動子相関演算装置
１７    エリア
１８    振動子Ｌ
１９    微小面積
２０    微小面積１９からの反射波ＶL（ｔ）を示す矢印
２１    微小面積１９からの反射波ＶM（ｔ）を示す矢印
２２    振動子Ｍ
１０３    模擬信号の入力を示す矢印
１０４    模擬信号の入力を示す矢印
【図１】
0004568413.tif 000007
【図２】
0004568413.tif 000008
【図３】
0004568413.tif 000009
【図４】
0004568413.tif 000010
【図５】
0004568413.tif 000011
【図６】
0004568413.tif 000012