(57)【要約】【課題】受波器位置の校正精度を高くする。【解決手段】本発明の受波器位置校正装置は、波形信号源からの波形信号が少なくとも３個以上の各受波器に到達する伝搬時間差を用いて、各受波器の位置を校正する受波器位置校正装置において、少なくとも３個以上の受波器のうち、２個の受波器の位置を結んで基線を作成し、その基線回転角を求める基線回転角算出手段と、基線に対する少なくとも１個以上の他の受波器の相対位置を求める受波器相対位置算出手段と、少なくとも、伝搬時間差と基線回転角と基線に対する各受波器相対位置とを用いて、所定の評価関数を構成する評価関数構成手段と、波形信号源の位置、基線回転角及び基線に対する各受波器相対位置が評価関数の極小値となる場合に、波形信号源の位置、基線回転角及び基線に対する各受波器相対位置の推定値として出力し、その推定値に基づいて各受波器の位置を校正する。【選択図】      図１
2007263614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波形信号源から送波された波形信号が少なくとも３個以上の受波器のそれぞれに到達するまでの伝搬時間差を測定する伝搬時間差測定手段を有し、上記伝搬時間差測定手段が測定した伝搬時間差を用いて、上記各受波器の位置を校正する受波器位置校正装置において、
上記少なくとも３個以上の受波器のうち、２個の受波器の位置を結んで基線を作成し、その基線上の上記２個の受波器間の中点を原点とする任意座標系に対する上記基線の回転角を求める基線回転角算出手段と、
上記基線に対する少なくとも１個以上の他の受波器の相対位置を求める受波器相対位置算出手段と、
少なくとも、上記伝搬時間差測定手段により測定された上記伝搬時間差と、上記基線回転角と、上記基線に対する各受波器相対位置とを用いて、所定の評価関数を構成する評価関数構成手段と、
上記波形信号源の位置、上記基線回転角及び上記基線に対する各受波器相対位置が上記評価関数の極小値となる場合に、上記波形信号源の位置、上記基線回転角及び上記基線に対する各受波器相対位置の推定値として出力する推定値出力手段と、
上記推定値出力手段から出力された上記波形信号源の位置、上記基線回転角及び上記基線に対する各受波器相対位置に基づいて、上記各受波器の位置を校正する受波器位置校正手段と
を備えることを特徴とする受波器位置校正装置。
【請求項２】
上記推定値出力手段により、上記波形信号源の位置、上記基線回転角及び上記基線に対する各受波器相対位置が上記評価関数の極小値とならない場合に、上記波形信号源の位置、上記基線回転角及び上記基線に対する各受波器相対位置が極小値に収束するよう補正する補正手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の受波器位置校正装置。
【請求項３】
波形信号源から送波された波形信号が少なくとも３個以上の受波器のそれぞれに到達するまでの伝搬時間差を測定する伝搬時間差測定手段を有し、上記伝搬時間差測定手段が測定した伝搬時間差を用いて、上記各受波器の位置を校正する受波器位置校正装置において、
上記波形信号源と上記各受波器との間の信号源受波器間相対位置を測定する信号源受波器間相対位置測定手段と、
少なくとも、上記伝搬時間差測定手段により測定された上記伝搬時間差と、上記受波器間相対位置測定手段により測定された上記各受波器の信号源受波器間相対位置とに基づいて、所定の評価関数を構成する評価関数構成手段と、
上記波形信号源の位置及び上記各受波器位置が上記評価関数の極小値となる場合に、その上記波形信号源の位置及び上記各受波器位置を推定値として出力する推定値出力手段と、
上記推定値出力手段から出力される上記各受波器位置に基づいて、２個の受波器の位置を結んで基線を作成し、その基線上の上記２個の受波器間の中点を原点とする任意座標系に対する上記基線の回転角を求める基線回転角算出手段と、
上記基線に対する少なくとも１個以上の他の受波器の相対位置を求める受波器相対位置算出手段と、
上記基線の回転角と上記基線に対する各受波器の相対位置とに基づいて、上記各受波器の位置を校正する受波器位置校正手段と
を備えることを特徴とする受波器位置校正装置。
【請求項４】
波形信号源から送波された波形信号が少なくとも３個以上の受波器のそれぞれに到達するまでの伝搬時間差を測定する伝搬時間差測定手段を有し、上記伝搬時間差測定手段が測定した伝搬時間差を用いて、上記各受波器の位置を校正する受波器位置校正方法において、
基線回転角算出手段が、上記少なくとも３個以上の受波器のうち、２個の受波器の位置を結んで基線を作成し、その基線上の上記２個の受波器間の中点を原点とする任意座標系に対する上記基線の回転角を求める基線回転角算出手段と、
上記基線に対する少なくとも１個以上の他の受波器の相対位置を求める受波器相対位置算出工程と、
評価関数構成手段が、少なくとも、上記伝搬時間差測定手段により測定された上記伝搬時間差と、上記基線回転角と、上記基線に対する各受波器相対位置とを用いて、所定の評価関数を構成する評価関数構成工程と、
推定値出力手段が、上記波形信号源の位置、上記基線回転角及び上記基線に対する各受波器相対位置が上記評価関数の極小値となる場合に、上記波形信号源の位置、上記基線回転角及び上記基線に対する各受波器相対位置の推定値として出力する推定値出力工程と、
受波器位置校正手段が、上記推定値出力手段から出力された上記波形信号源の位置、上記基線回転角及び上記基線に対する各受波器相対位置に基づいて、上記各受波器の位置を校正する受波器位置校正工程と
を備えることを特徴とする受波器位置校正方法。
【請求項５】
波形信号源から送波された波形信号が少なくとも３個以上の受波器のそれぞれに到達するまでの伝搬時間差を測定する伝搬時間差測定手段を有し、上記伝搬時間差測定手段が測定した伝搬時間差を用いて、上記各受波器の位置を校正する受波器位置校正方法において、
受波器相対位置測定手段が、上記波形信号源と上記各受波器との間の信号源受波器間相対位置を測定する信号源受波器間相対位置測定工程と、
評価関数構成手段が、少なくとも、上記伝搬時間差測定手段により測定された上記伝搬時間差と、上記信号源受波器間相対位置測定手段により測定された上記各受波器の信号源受波器間相対位置とに基づいて、所定の評価関数を構成する評価関数構成工程と、
推定値出力手段が、上記波形信号源の位置及び上記各受波器位置が上記評価関数の極小値となる場合に、その上記波形信号源の位置及び上記各受波器位置を推定値として出力する推定値出力工程と、
基線回転角算出手段が、上記推定値出力手段から出力される上記各受波器位置に基づいて、２個の受波器の位置を結んで基線を作成し、その基線上の上記２個の受波器間の中点を原点とする任意座標系に対する上記基線の回転角を求める基線回転角算出工程と、
受波器相対位置算出手段が、上記基線に対する少なくとも１個以上の他の受波器の相対位置を求める受波器相対位置算出工程と、
受波器位置校正手段が、上記基線の回転角と上記基線に対する各受波器の相対位置とに基づいて、上記各受波器の位置を校正する受波器位置校正工程と
を備えることを特徴とする受波器位置校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受波器位置校正装置及び方法に関し、例えば、音源から受波器までの距離を、３点以上の受波器を用いて伝搬時間差により測定する距離測定装置における受波器の位置校正装置及び方法に適用し得る。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、音源が発した音波の３点以上の受波器に到来する伝搬時間差を用いて、受波器から見た音源までの距離を測定する測距装置がある。
【０００３】
このような音源・受波器間の距離を測定する測距装置の原理を説明する（非特許文献１参照）。
【０００４】
図２において、Ｓは音源を示し、Ｒ１〜Ｒ３は受波器を示しており、受波器Ｒ１〜Ｒ３は直線上に等間隔Ｌで並んでいるものとする。
【０００５】
また、図３は、従来の測距装置の内部構成を示す構成図であり、Ｎ点（Ｎは正の整数）の受波器（Ｃｈ．１〜Ｃｈ.Ｎ）で受波した音波信号は、センサ間時間差算出部１−１〜１−に与えられ、センサ間時間差算出部１−１〜１−Ｎのそれぞれにより受信信号の伝搬時間差が算出される。センサ間時間差算出部１−１〜１−Ｎにより伝搬時間差が求められると、それぞれの伝搬時間差が深信音源距離算出部２に与えられ、探信音源距離算出部２により、音源Ｓから受波器Ｒ２までの距離ｒｓと、音源Ｓの方位とが求められる。
【０００６】
ここで、音源Ｓの方位としては、受波器Ｒ１〜Ｒ３を結んでいる直線から、受波器Ｒ２の位置を基準としたとき音源Ｓの角度θｓとする。
【０００７】
また、受波器側では、音源Ｓの送波時刻が判らないので、音源Ｓが発した音波の各受波器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３への伝搬時間をτ１、τ２、τ３を観測値として、以下のようにして、音源Ｓから受波器Ｒ２までの距離ｒｓ、角度θｓを求める。
【０００８】
すなわち、従来の測距装置は、各受波器Ｒ１〜Ｒ３の伝搬時間より、下記式（１）、（２）より、伝搬時間差τ１２、τ２３を観測値として求める。
【０００９】
τ１２＝τ２−τ１        （１）
τ２３＝τ３−τ２        （２）
ここで、今回の問題の場合、ｒｓ＞＞Ｌを仮定しても良いので、Ｌ／Ｒｓの２次のオーダーまでの近似式を求めると次のようになる。
【数１】
2007263614.tif 000003
【００１０】
なお、Ｃは、音波信号の音速（伝播速度）を示す。
【００１１】
そこで、上記式（５）−上記式（３）により、下記式（６）が得られる。
【数２】
2007263614.tif 000004
【００１２】
また、ｒｓは、上記式（４）−上記式（３）より、
【数３】
2007263614.tif 000005
【００１３】
の関係式、もしくは、さらに近似して、
【数４】
2007263614.tif 000006
【００１４】
が得られる。よって、上記式（８）に上記式（６）を代入することで、観測値である伝搬時間差τ１２、τ２３から、ｒｓを求めることができる。
【００１５】
この従来の測距装置は、例えば、通常艦船に設置して目標に対する距離・方位を求める目的に用いられるため、基線上に比べて目標の距離は遠い。図２の符号を用いるとＬ＜＜ｒｓであるので、受波器位置の位置誤差は測距結果に大きな影響を与えることとなる。
【００１６】
典型的な例では、測距精度１０％を得るために１ｍｍ以下の受波器位置精度が必要である。通常、艦船に装備する場合、受波器位置を１ｍｍ以下の精度で装備することは困難と考えられる。このため、受波器装備後に位置を校正することが必要となる。
【００１７】
陸上でのレーザー測距方法では、測距装置に水圧がかかった状態での受波器位置校正は困難なため、通常は音源と受波器との相対的な位置をＧＰＳなど別の手段で測定した上で、複数回音源・受波器間で音波伝搬を行い、その伝搬時間差を計測して、受波器位置を校正する方法が用いられる。
【００１８】
図４は、従来のＧＰＳにより音源と受波器との相対的な位置を利用して、受波器位置校正する方法を説明する図であり、受波器位置校正時の音源及び受波器位置に関する変数を示す。
【００１９】
受波器は３次元空間上に配置されているが、鉛直方向のずれに対する測距誤差は軽微であるので、図４においては受波器の水平方向の位置関係を示し、水平方向のみ位置誤差を校正するものとする。
【００２０】
図４において、受波器の位置は（ｘｎ，ｙｎ）（但し、ｎ＝１，…，Ｎ）、ｉ番目の音源位置を（ｘｓｉ，ｙｓｉ）（但し、ｉ＝１，…，Ｉ）と表す。ここで、ｘｓｉ，ｙｓｉの上付きのｉは、観測の番号を示す。
【００２１】
図４において、測距装置における観測値としては、ＧＰＳの位置及び伝搬時間差であるので、「観測値の個数は４Ｉ」である。Ｉは観測数、すなわち音源の発音回数を示す。
【００２２】
一方、推定量は、相対位置と受波器位置とが必要である。推定の不定性を防ぐため、受波器位置のどこか１点は固定する必要がある。この観点から、相対位置と図中の（ｘ２，ｙ２）及びｘ３を推定するものとすると、「推定値の個数：２Ｉ＋３」となり、Ｉ＞（３／２）であれば、観測値の個数＞推定値の個数となるので、受波器位置を求めることができ、受波器の位置校正ができる。
【００２３】
図５は、従来方式での受波器位置校正装置の構成例を示す。Ｃｈ．１〜Ｃｈ．Ｎは受波器チャネルを表す。
【００２４】
センサ間時間差算出部１−１〜１−Ｎでは、各受波器に入力された音波の伝搬時間差を算出する。センサ間時間差誤差共分散行列算出部３では、各受波器に入力された音波の誤差共分散を計算する。センサ間時間差蓄積部４−１〜４−Ｎでは、センサ間時間差算出部１−１〜１−Ｎで算出された伝搬時間差を音源の発音回数（Ｉ回）を蓄積する。６は音源・受波器間の相対位置情報であり、音源・受波器相対位置蓄積部７が相対位置情報を格納する。また、８は音源・受波器の相対位置誤差に関する共分散情報である。位置誤差の共分散は、相対位置を測定した方法に従って外部から入力する。
【００２５】
９は、音源・受波器位置評価関数構成部であり、音源・受波器位置推定部１０は、音源・受波器位置推定部であり、音源・受波器位置評価関数構成部９が求めた計算結果が十分収束していれば、その計算結果を音源・受波器位置推定結果１２として解を出す。また収束していない場合は、音源・受波器位置補正部１１で受波器位置を修正し、音源・受波器位置評価関数構成部９で繰り返し計算を行なう。
【００２６】
ここで、音源・受波器位置評価関数構成部９における演算は重要なので、この点について詳細に説明する。音源・受波器位置評価関数構成部９における評価関数による推定量を音源・受波器相対位置と図中の（ｘ２，ｙ２）及びｘ３とすると下記式（９）と表わすことができる。
【数５】
2007263614.tif 000007
【００２７】
一方、観測量は相対位置情報（ｘｓｉ，ｙｓｉ）と伝搬時間差（Ｔ１２ｉ，Ｔ１３ｉ）なので、下記式（１０）と表わすことができる。
【数６】
2007263614.tif 000008
【００２８】
受波器位置校正は通常行われるように、コスト関数を定義して、コスト関数の最小となるパラメータを求めることで実現する。受波器に入力される探信音の時間差から測距する方式は、受波器３個が基本なので、受波器が３個の場合で説明する。コスト関数は次の式を用いる。
【数７】
2007263614.tif 000009
【００２９】
伝搬時間は以下のようにして求められる。まず、受波器Ｒ１〜Ｒ３及び音源Ｓの位置ベクトルは、下記式（１２）〜（１５）のように表すことができる。
【数８】
2007263614.tif 000010
【００３０】
そうすると、上記式（１２）〜（１５）を用いて、音源Ｓから各受波器Ｒ１〜Ｒ３までの距離を求めると、下記式（１６）〜（１８）のように表すことができる。
【数９】
2007263614.tif 000011
【００３１】
上記式（１６）〜（１８）を用いて、伝搬時間差を表すと、下記式（１９）、（２０）のようになる。
【数１０】
2007263614.tif 000012
【００３２】
以上により、上記式（１１）のコスト関数を構成することができる。
【００３３】
音源・受波器位置推定部１０では、推定値［ｘ２，ｙ２，ｘ３，｛ｘｓｉ｝，｛ｙｓｉ｝］に対して作成した上記式（１１）のコスト関数が最小となるか判定し、最小でない場合は、音源・受波器位置補正部１１が音源・受波器位置を補正する。なお、収束方法に関しては、通常の非線形に対応した評価関数の最小化問題のアルゴリズムであれば用いることができる。
【００３４】
以上の方法により、音源・受波器位置を推定し、その結果を受波器位置校正に用いることができる。
【００３５】
【非特許文献１】Ｄ．Ｖａｎ  Ｃａｐｐｌｅ，”Ｔａｒｇｅｔ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ａｎａｌｙｓ  ｕｓｉｎｇ  Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙｓ  Ｍｅａｓｕｒｅｄ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ａｒｒａｙ”，ｉｎ  Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  Ｉｎｔ．  Ｃｏｎｆ．  ｏｎ  Ａｃｏｕｓｔ．  Ｓｐｅｅｃｈ，  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，  ｐｐ．２７２４−２７２７，１９８９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
ところで、Ｌ＜＜ｒｓの条件の下で、例えば測距精度１０％以下を確保するためには、中央素子の受波器位置精度は１ｍｍ以下の精度を確保することが必要である。
【００３７】
しかしながら、上述した従来の受波器位置校正方法を用いた場合、受波器位置校正精度１ｍｍ以下を達成するためには、相対位置誤差を極めて小さく押さえる必要がある。シミュレーション側では、０．１ｍ以下が必要との結果が得られている。これは、Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ  ＧＰＳを用いれば、達成可能であるが、Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ  ＧＰＳは全ての場所・条件で用いることはできない。
【００３８】
例えば、Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ  ＧＰＳは陸上の基地局が必要であり、基地局からの距離に測距精度が依存する。したがって、試験海域によっては十分な精度が得られない場合がある。
【００３９】
さらに、上述した従来の受波器位置校正方法を用いた場合、受波器位置校正の目的として水圧のかかる環境への対応が必要となる。しかし、水中ではＧＰＳを受信することができず、Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ  ＧＰＳ精度を期待できない。慣性航法装置での位置情報を、海上でのＧＰＳで補正した場合、ＧＰＳで補正した場合、１００ｍオーダーの誤差が生じると考えられるが、従来方式による受波器位置校正手法を用いた場合、１００ｍｍ程度の精度のため、所望の受波器位置校正精度が得られない。
【００４０】
そのため、これらの問題を解決するため、精度の高い受波器位置の校正装置及び方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
かかる課題を解決するために、第１の本発明の受波器位置校正装置は、波形信号源から送波された波形信号が少なくとも３個以上の受波器のそれぞれに到達するまでの伝搬時間差を測定する伝搬時間差測定手段を有し、伝搬時間差測定手段が測定した伝搬時間差を用いて、各受波器の位置を校正する受波器位置校正装置において、（１）少なくとも３個以上の受波器のうち、２個の受波器の位置を結んで基線を作成し、その基線上の２個の受波器間の中点を原点とする任意座標系に対する基線の回転角を求める基線回転角算出手段と、（２）基線に対する少なくとも１個以上の他の受波器の相対位置を求める受波器相対位置算出手段と、（３）少なくとも、伝搬時間差測定手段により測定された伝搬時間差と、基線回転角と、基線に対する各受波器相対位置とを用いて、所定の評価関数を構成する評価関数構成手段と、（４）波形信号源の位置、基線回転角及び基線に対する各受波器相対位置が評価関数の極小値となる場合に、波形信号源の位置、基線回転角及び基線に対する各受波器相対位置の推定値として出力する推定値出力手段と、（５）推定値出力手段から出力された波形信号源の位置、基線回転角及び基線に対する各受波器相対位置に基づいて、各受波器の位置を校正する受波器位置校正手段とを備えることを特徴とする。
【００４２】
第２の本発明の受波器位置校正装置は、波形信号源から送波された波形信号が少なくとも３個以上の受波器のそれぞれに到達するまでの伝搬時間差を測定する伝搬時間差測定手段を有し、伝搬時間差測定手段が測定した伝搬時間差を用いて、各受波器の位置を校正する受波器位置校正装置において、（１）波形信号源と各受波器との間の信号源受波器間相対位置を測定する信号源受波器間相対位置測定手段と、（２）少なくとも、伝搬時間差測定手段により測定された伝搬時間差と、受波器間相対位置測定手段により測定された各受波器の信号源受波器間相対位置とに基づいて、所定の評価関数を構成する評価関数構成手段と、（３）波形信号源の位置及び各受波器位置が評価関数の極小値となる場合に、その波形信号源の位置及び各受波器位置を推定値として出力する推定値出力手段と、（４）推定値出力手段から出力される各受波器位置に基づいて、２個の受波器の位置を結んで基線を作成し、その基線上の２個の受波器間の中点を原点とする任意座標系に対する基線の回転角を求める基線回転角算出手段と、（５）基線に対する少なくとも１個以上の他の受波器の相対位置を求める受波器相対位置算出手段と、（６）基線の回転角と基線に対する各受波器の相対位置とに基づいて、各受波器の位置を校正する受波器位置校正手段とを備えることを特徴とする。
【００４３】
第３の本発明の受波器位置校正方法は、波形信号源から送波された波形信号が少なくとも３個以上の受波器のそれぞれに到達するまでの伝搬時間差を測定する伝搬時間差測定手段を有し、伝搬時間差測定手段が測定した伝搬時間差を用いて、各受波器の位置を校正する受波器位置校正方法において、（１）基線回転角算出手段が、少なくとも３個以上の受波器のうち、２個の受波器の位置を結んで基線を作成し、その基線上の上記２個の受波器間の中点を原点とする任意座標系に対する基線の回転角を求める基線回転角算出手段と、（２）基線に対する少なくとも１個以上の他の受波器の相対位置を求める受波器相対位置算出工程と、（３）評価関数構成手段が、少なくとも、伝搬時間差測定手段により測定された伝搬時間差と、基線回転角と、基線に対する各受波器相対位置とを用いて、所定の評価関数を構成する評価関数構成工程と、（４）推定値出力手段が、波形信号源の位置、基線回転角及び基線に対する各受波器相対位置が評価関数の極小値となる場合に、波形信号源の位置、基線回転角及び基線に対する各受波器相対位置の推定値として出力する推定値出力工程と、（５）受波器位置校正手段が、推定値出力手段から出力された波形信号源の位置、基線回転角及び基線に対する各受波器相対位置に基づいて、各受波器の位置を校正する受波器位置校正工程とを備えることを特徴とする。
【００４４】
第４の本発明の受波器位置校正方法は、波形信号源から送波された波形信号が少なくとも３個以上の受波器のそれぞれに到達するまでの伝搬時間差を測定する伝搬時間差測定手段を有し、伝搬時間差測定手段が測定した伝搬時間差を用いて、各受波器の位置を校正する受波器位置校正方法において、（１）受波器相対位置測定手段が、波形信号源と各受波器との間の信号源受波器間相対位置を測定する信号源受波器間相対位置測定工程と、（２）評価関数構成手段が、少なくとも、伝搬時間差測定手段により測定された伝搬時間差と、信号源受波器間相対位置測定手段により測定された各受波器の信号源受波器間相対位置とに基づいて、所定の評価関数を構成する評価関数構成工程と、（３）推定値出力手段が、波形信号源の位置及び各受波器位置が評価関数の極小値となる場合に、波形信号源の位置及び各受波器位置を推定値として出力する推定値出力工程と、（４）基線回転角算出手段が、推定値出力手段から出力される各受波器位置に基づいて、２個の受波器の位置を結んで基線を作成し、その基線上の２個の受波器間の中点を原点とする任意座標系に対する基線の回転角を求める基線回転角算出工程と、（５）受波器相対位置算出手段が、基線に対する少なくとも１個以上の他の受波器の相対位置を求める受波器相対位置算出工程と、（６）受波器位置校正手段が、基線の回転角と基線に対する各受波器の相対位置とに基づいて、各受波器の位置を校正する受波器位置校正工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、受波器位置の校正精度を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明の受波器位置校正装置及び方法の第１の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４７】
第１の実施形態では、本発明に係る受波器位置校正装置及び方法を利用して、水中又は水上に位置する音源が発した音波信号を、複数の受波器が受波し、それら受波器における音波信号の伝搬時間差を用いて音源と受波器との間の距離を測定する測距装置における受波器位置を校正する場合を説明する。
【００４８】
（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、本実施形態に係る測距装置の内部構成を示す構成図である。図１において、本実施形態の測距装置２０Ａは、受波器チャネルＣｈ．１〜Ｃｈ．Ｎ、センサ間時間差算出部１−１〜１−Ｎ、センサ間時間差誤差共分散行列算出部３、センサ間時間差蓄積部４−１〜４−Ｎ、センサ間時間差誤差共分散行列蓄積部５、音源・受波器相対位置蓄積部７、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置推定部１４、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置補正部１５、を有して構成される。
【００４９】
また、図１では、音源・受波器相対位置情報６、音源・受波器相対位置誤差共分散情報８、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置推定結果１６、についても符号を付して示している。
【００５０】
図１では、図示しないが、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置推定結果１６に基づいて、各受波器の位置を校正する受波器位置校正手段を有する。
【００５１】
なお、図１において、受波器チャネルＣｈ．１〜Ｃｈ．Ｎ、センサ間時間差算出部１−１〜１−Ｎ、センサ間時間差誤差共分散行列算出部３、センサ間時間差蓄積部４−１〜４−Ｎ、センサ間時間差誤差共分散行列蓄積部５、音源・受波器相対位置情報６、音源・受波器相対位置蓄積部７、音源・受波器相対位置誤差共分散情報８は、図５に示す従来の測距装置２０Ｃの内部構成に対応する構成要素であり、図５で示した符号を用いて示している。
【００５２】
受波器チャネルＣｈ．１〜Ｃｈ．Ｎは、到来した音波信号を受波し、伝搬時間を算出し、その伝搬時間をセンサ間時間差算出部１−１〜１−Ｎに与えるものである。
【００５３】
センサ間時間差算出部１−１〜１−Ｎは、受波器チャネルＣｈ．１〜Ｃｈ．Ｎを受信し、受波した音波信号の伝搬時間差を算出するものであり、この算出した伝搬時間差は観測値として利用される。また、センサ間時間差算出部１−１〜１−Ｎは、算出した伝搬時間差をセンサ間時間差蓄積部４−１〜４−Ｎに与えるものである。
【００５４】
センサ間時間差蓄積部４−１〜４−Ｎは、それぞれ対応するセンサ間時間差算出部１−１〜１−Ｎから、算出した伝搬時間差を受け取り、音源の発音回数（Ｉ回）に応じた伝搬時間差を格納するものである。センサ間時間差蓄積部４−１〜４−Ｎが格納している伝搬時間差は、適宜、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３により読み出される。
【００５５】
センサ間時間差誤差共分散行列算出部３は、全ての受波器チャネルＣｈ．１〜Ｃｈ．Ｎを受け取り、各受波器に入力された音波信号の誤差共分散行列を算出するものであり、算出した音波信号の誤差共分散行列をセンサ間時間差誤差共分散行列蓄積部５に与えるものである。
【００５６】
センサ間時間差誤差共分散行列蓄積部５は、センサ間時間差誤差共分散行列算出部３から受け取った音波信号の誤差共分散行列を格納するものである。また、センサ間時間差誤差共分散行列蓄積部５が格納するセンサ間時間差誤差は、適宜、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３により読み出される。
【００５７】
音源・受波器相対位置蓄積部７は、音源・受波器相対位置情報６を蓄積するものである。
【００５８】
ここで、音源・受波器相対位置情報６は、音源と受波器との間の相対位置情報であり、例えば、ＧＰＳ等による観測値や、水中にいる場合には水上時のＧＰＳで補正された慣性航法による位置情報などが該当する。
【００５９】
音源・受波器相対位置誤差共分散情報８は、位置測定方法に対応した誤差共分散情報である。
【００６０】
音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３は、その詳細な機能については後述するが、センサ間時間差蓄積部４−１〜４−Ｎから伝搬時間差、センサ間時間差誤差共分散行列蓄積部５から音波信号の誤差共分散行列、音源・受波器相対位置蓄積部７から音源・受波器相対位置情報６、及び、音源・受波器相対位置誤差共分散情報８を受け取り、これらの情報を用いて、予め定義されている評価関数を構成することにより、音源位置、後で詳細に説明する基線回転角、中央受波器相対位置を求めるものである。
【００６１】
また、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３は、評価関数により得られた上記結果を音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置推定部１４に与えるものである。
【００６２】
音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置推定部１４は、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３により求められた評価関数の結果を受け取り、その評価関数による結果が、推定値に対して収束しているか否かを判定し、評価関数による結果が推定値に収束しているとき、その評価関数による結果を音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置推定結果１６として出力する。一方、評価関数による結果が推定値に収束していないときには、その旨を音源・受波器基線回転角・中央受波器相対位置補正部１５に通知し、値を補正させるものである。
【００６３】
音源・受波器基線回転角・中央受波器相対位置補正部１５は、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置推定部１４から、評価関数による結果が推定値に収束していないと判定されると、補正した値を音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３に与え、収束するまで繰り返し演算するものである。
【００６４】
ここで、評価関数による結果が推定値に収束させる収束方法は、既存の技術を適用することができ、通常の非線形に対応した評価関数の最小化問題のアルゴリズムであれば、広く適用することができる。
【００６５】
（Ａ−２）音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３についての詳細な構成
上述したように、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３は、予め定義された評価関数を用いて音源位置と、基線回転角、中央受波器相対位置を求めるものである。
【００６６】
図６は、第１の実施形態の受波器位置校正を説明するための図であり、音源Ｓと３個の受波器Ｒ１〜Ｒ３の位置関係を示す図である。
【００６７】
受波器は３次元空間上に配置されているが、鉛直方向のずれに対する測距誤差は軽微であるので、図６においては受波器Ｒ１〜Ｒ３の水平方向の位置関係を示し、水平方向のみの位置誤差を校正するものとする。
【００６８】
図６に示すＸ−Ｙ座標軸系は、受波器Ｒ１の位置と受波器Ｒ３の位置との２点を通る基線を引き、その基線の中点を原点とする座標系であり、Ｘ座標軸、Ｙ座標軸の軸方向は任意とする。
【００６９】
このような図６のＸ−Ｙ座標系において、音源Ｓの位置を（ｘｓｉ，ｙｓｉ）と表す。ここで、ｘｓｉ，ｙｓｉの上付きのｉは、音波信号の観測の番号を示す。
【００７０】
また、受波器Ｒ１とＲ３との基線のＸ座標軸に対する回転角θ１とする。さらに、受波器Ｒ１と受波器Ｒ３との間の中央に位置する受波器（この受波器を特に中央受波器という）Ｒ２の位置ベクトルについては、基線をｘ座標軸とし、基線中央の原点を通り基線（ｘ座標軸）に直角なｙ座標軸としたとき、中央受波器Ｒ２の位置ベクトルを（ｘ２，ｙ２）とする。
【００７１】
このとき、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３による推定量は、音源２の位置（ｘｓｉ，ｙｓｉ）、基線回転角θ１、中央受波器位置ベクトル（ｘ２，ｙ２）であるから、下記式（２１）のように表せる。
【数１１】
2007263614.tif 000013
【００７２】
一方、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３は、音源・受波器相対位置蓄積部７から音源・受波器相対位置情報（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ）と、センサ間時間差蓄積部４−１〜４−Ｎから伝搬時間差（Ｔ１２ｉ，Ｔ１３ｉ）とを観測値として受け取る。従って、観測値は、下記式（２２）のように示すことができる。
【数１２】
2007263614.tif 000014
【００７３】
ここで、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３は、下記式（２３）で定義される評価関数が設定されている。
【数１３】
2007263614.tif 000015
【００７４】
ここで、伝搬時間τ１２ｉ及びτ２３ｉについては、音源Ｓから各受波器Ｒ１〜Ｒ３までの距離と伝播速度Ｃとの関係から求めることができる。
【００７５】
つまり、音源Ｓ及び受波器Ｒ１〜Ｒ３の位置ベクトルは、
【数１４】
2007263614.tif 000016
【００７６】
であるから、上記式（２４）〜（２７）を用いて、音源Ｓから各受波器Ｒ１〜Ｒ３までの距離ρ１ｉ、ρ２ｉ、ρ３ｉのそれぞれを求めると、
【数１５】
2007263614.tif 000017
【００７７】
となる。よって、伝搬時間差τ１２ｉ及びτ２３ｉは、
【数１６】
2007263614.tif 000018
【００７８】
となる。
【００７９】
また、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３は、センサ間時間差誤差共分散行列蓄積部５からセンサ間時間差誤差共分散情報（στ１２）２、（στ２３）２と、音源・受波器相対位置誤差共分散情報（σｉ）２、（σｉ）２とを受け取る。
【００８０】
そこで、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３は、観測値である音源・受波器相対位置情報（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ）及び伝搬時間差（Ｔ１２ｉ，Ｔ１３ｉ）と、センサ間時間差誤差共分散情報（στ１２）２、（στ２３）２及び音源・受波器相対位置誤差共分散情報（σｉ）２、（σｉ）２と、上記式（２３）〜（３２）を用いることで、評価関数を構成することができる。
【００８１】
これにより、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部１３は、評価関数に基づく演算結果を、音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置推定部１４に与える。
【００８２】
（Ａ−３）第１の実施形態の効果
以上のように、第１の実施形態によれば、基線の回転角と基線を基準とした中央受波器の相対位置を推定量とする受波器位置校正方法である。基線の回転角は、音源の測角精度には１対１で影響を及ぼすが、測角誤差が０．１°程度の場合にＬ＞＞ｒｓの条件を満たす音源に対しては、距離誤差はほとんど影響がない。
【００８３】
一方、中央受波器位置の精度は、音源・受波器の相対位置誤差が１００ｍであっても、１ｍｍ以下の精度を保つことが可能であり、少ない測距誤差を確保することが可能である。音源・受波器間の相対測距誤差を１００ｍ程度ということは、ＧＰＳで補正された慣性航法による位置データを用いることが可能となるため、水中で水圧を受けた状態での受波器位置校正を実現できる。
【００８４】
（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明の受波器位置校正装置及び方法の第２の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００８５】
第２の実施形態も、第１の実施形態と同様に、本発明に係る受波器位置校正装置及び方法を利用して、水中又は水上に位置する音源が発した音波信号を、複数の受波器が受波し、それら受波器における音波信号の伝搬時間差を用いて音源と受波器との間の距離を測定する測距装置における受波器位置を校正する場合を説明する。
【００８６】
図７は、第２の実施形態の測距装置２０Ｂの内部構成を示す図である。図７において、第２の実施形態の測距装置２０Ｂは、受波器チャネルＣｈ．１〜Ｃｈ．Ｎ、センサ間時間差算出部１−１〜１−Ｎ、センサ間時間差誤差共分散行列算出部３、センサ間時間差蓄積部４−１〜４−Ｎ、センサ間時間差誤差共分散行列蓄積部５、音源・受波器相対位置蓄積部７、音源・受波器位置評価関数構成部９、音源・受波器位置推定部１０、音源・受波器位置補正部１１、基線回転角中央受波器相対位置抽出部１７、を有して構成される。
【００８７】
また、図７では、音源・受波器相対位置情報６、音源・受波器相対位置誤差共分散情報８、音源・受波器位置推定結果１２、基線回転角中央受波器装置位置推定結果１８、ついても符号を付して示している。
【００８８】
図７では、図示しないが、音源・受波器位置推定結果１２、基線回転角中央受波器装置位置推定結果１８に基づいて、各受波器の位置を校正する受波器位置校正手段を有する。
【００８９】
図７において、第２の実施形態の測距装置２０Ｂが、図５に示す従来の測距装置２０Ｃと異なる点は、内部構成として基線回転角中央受波器相対位置抽出部１７を新たに備える点と、測距装置２０Ｂが出力する出力結果が異なる点である。
【００９０】
従って、以下では、第２の実施形態の測距装置２０Ｂの特徴的な構成である基線回転角中央受波器相対位置抽出部１７と、基線回転角中央受波器装置位置推定結果１８とについて詳細に説明し、それ以外の構成は従来の構成と同一であるため、これら構成の機能説明については割愛する。
【００９１】
基線回転角中央受波器相対位置抽出部１７は、音源・受波器位置推定部１０により推定された音源・受波器位置推定結果を受け取り、その音源・受波器位置推定結果から、基線の回転角と、基線を基準とした中央受波器の相対位置とを抽出するものである。また、基線回転角中央受波器相対位置抽出部１７は、抽出した基線の回転角と基線を基準とした中央受波器相対位置とを、基線回転角中央受波器装置位置推定結果１８として出力するものである。
【００９２】
ここで、基線回転角中央受波器相対位置抽出部１７による基線の回転角と基線を基準とした中央受波器相対位置との抽出方法について説明する。
【００９３】
図８は、基線の回転角と、中央受波器相対位置との関係を示す説明図であり、音源Ｓと３個の受波器Ｒ１〜Ｒ３の位置関係を示す。
【００９４】
受波器は３次元空間上に配置されているが、鉛直方向のずれに対する測距誤差は軽微であるので、図８においては受波器Ｒ１〜Ｒ３の水平方向の位置関係を示し、水平方向のみの位置誤差を校正するものとする。
【００９５】
図８に示すＸ−Ｙ座標軸系は、受波器Ｒ１の位置と受波器Ｒ３の位置との２点を通る基線を引き、その基線の中点を原点とする座標系であり、Ｘ座標軸、Ｙ座標軸の軸方向は任意とする。
【００９６】
このような図８のＸ−Ｙ座標系において、音源Ｓの位置を（ｘｓｉ，ｙｓｉ）と表す。ここで、ｘｓｉ，ｙｓｉの上付きのｉは、音波信号の観測の番号を示す。
【００９７】
また、受波器Ｒ１とＲ３との基線の回転角としては、任意の点（この場合、受波器Ｒ１）を基準とする回転角をφとする。
【００９８】
さらに、中央受波器Ｒ２の相対位置としては、中央受波器Ｒ２から基線上に下ろした垂線の足を求め、この垂線の足の長さと、基線上の足の位置から基準点（この場合、受波器Ｒ１）までの基線方向の長さを求める。
【００９９】
そして、この中央受波器Ｒ２から基線上に下ろした垂線の足の長さｌｙと、基線上の足の位置から基準点（この場合、受波器Ｒ１）までの基線方向の長さｌｘを、中央受波器相対位置（ｌｘ、ｌｙ）とする。
【０１００】
なお、この中央受波器Ｒ２から基線上に下ろした垂線の足の長さｌｙと、基線上の足の位置から基準点（この場合、受波器Ｒ１）までの基線方向の長さｌｘとは、音源・受波器位置推定結果１２より、３個の受波器Ｒ１〜Ｒ３の位置が求められているから、定義した幾何学的配置の対応関係より、回転角φと中央受波器相対位置（ｌｘ、ｌｙ）を求めることができる。
【０１０１】
（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
以上のように、第２の実施形態によれば、基線回転角・中央受波器相対位置に関しては、第１の実施形態と同等の精度が得られることから、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０２】
また、第２の実施形態によれば、既に従来方式で作成された装置、校正結果に対して基線回転角・中央受波器相対位置抽出部を付加することで、第１の実施形態と同様な効果が得られる。したがって、過去の校正結果を再利用することが可能である。
【０１０３】
（Ｃ）他の実施形態
第１及び第２の実施形態では、水中の音波伝搬を例に説明したが、例えば光（もしくは電波）の受信器位置構成を、光（電波）で光源（電波源）から３つ以上の受信器までの伝搬時間差から構成する方法全てに適用することができる。
【０１０４】
第１及び第２の実施形態では、３個の受波器を用いて、中央受波器の基線に対する相対位置を求めることとしたが、４個以上の受波器を用いて、そのうちの２個の受波器により基線を作成し、その基線に対する残りの２個以上の他の受波器の基線に対する相対位置を求めるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】第１の実施形態の測距装置の内部構成を示すブロック図である。
【図２】従来技術の測距方式を説明するための音源と受波器との位置関係を説明する説明図である。
【図３】従来の測距装置の内部構成を示すブロック図である。
【図４】従来の受波器位置の校正方法を説明するための説明図である。
【図５】従来の測距装置の内部構成を示すブロック図である。
【図６】第１の実施形態の受波器位置校正方法を説明するための説明図である。
【図７】第２の実施形態の測距装置の内部構成を示すブロック図である。
【図８】第２の実施形態の受波器位置校正方法を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【０１０６】
２０Ａ、２０Ｂ…測距装置、Ｃｈ．１〜Ｃｈ．Ｎ…受波器チャネル、１−１〜１−Ｎ…センサ間時間差算出部、３…センサ間時間差誤差共分散行列算出部、４−１〜４−Ｎ…センサ間時間差蓄積部、５…センサ間時間差誤差共分散行列蓄積部、７…音源・受波器相対位置蓄積部、９…音源・受波器位置評価関数構成部、１０…音源・受波器位置推定部、１１…音源・受波器位置補正部、１３…音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置評価関数構成部、１４…音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置推定部、１５…音源位置・基線回転角・中央受波器相対位置補正部、１７…基線回転角中央受波器相対位置抽出部１７。
【図１】
2007263614.tif 000019
【図２】
2007263614.tif 000020
【図３】
2007263614.tif 000021
【図４】
2007263614.tif 000022
【図５】
2007263614.tif 000023
【図６】
2007263614.tif 000024
【図７】
2007263614.tif 000025
【図８】
2007263614.tif 000026