JP7467992B2 - 水中物体捜索支援装置、水中物体捜索支援方法及びそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は水中物体捜索支援装置、水中物体捜索支援方法及びそのプログラムに関し、特に、捜索海域の状況に応じた最適なセンサの配置間隔を計算する水中物体捜索支援装置、水中物体捜索支援方法、およびそのプログラムに関する。

水中の物体を捜索する水中物体捜索装置としてソナー装置がある。このソナー装置には、大別すると、パッシブソナー装置とアクティブソナー装置とがある。パッシブソナー装置とは、水中（水面含む）に存在する目標（例えば、潜水艦や水中機雷等）が発生する音波を捉え、目標の存在と目標位置（方位）算出する装置である。また、アクティブソナー装置は、送波器から海中に音波を放射して、目標物からの反射音を受波器にて検出し、送波器が放射する放射音と目標物が反射する反射音との時間差、或いは、反射音の検出方位に基づき目標物の位置や距離、速度を測定する装置である。

また、アクティブソナー装置には、送波器と受波器が離れた位置にある形態を有するマルチスタティックソナー装置がある。このマルチスタティックソナー装置では、１つの送波器に対して、複数の位置に受波器を設置する場合もある。このマルチスタティックソナー装置では、目標からの反射音以外に、送波器から直接伝搬した音（例えば、直接波）も受波信号に含まれる。

マルチスタティックソナー装置においては、受波器を複数配置し、マルチスタティックソナーシステムとして作動するものがある。この例について、ソノブイを用いる形態について説明する。ソノブイとは、水中音響信号を受信して、電波を送信する航空機投下式の対潜水艦用音響捜索機器であり、受波器のみを備えたソノブイをパッシブソノブイ、送波器を備えたものをアクティブソノブイという。ソノブイを用いたマルチスタティックソナーシステムでは、これら２種類を組み合わせてシステムを構成する。また、ソノブイが潮流で流された場合や、目標の存在圏が絞られた場合などにはソノブイを追加敷設することがある。

ここで、ソナー装置を用いた水中物体捜索の支援に必要となる技術である水測予察について説明する。水測予察とは、ソナー装置の捜索海域における水温や背景雑音およびソナー装置の特性などから、その海域におけるソナー装置の探知可能距離を定められた条件と方法によって予測することである。水測予察は捜索の実施前に行われるため、ソナーの使用海域の水温や風速、周囲雑音について予報値や統計値を用いて計算するのが一般的である。そこで、水測予察に関する技術が特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載の送受信装置の配置決定装置は、複数の送信装置と複数の受信装置とを備え、各送信装置からの音波を探索領域に送信し、当該探索領域内の水中物体により反射されたエコー信号を受信装置により受信することにより、水中物体を探索する水中物体捜索支援装置において、所定の探索領域で所定の送受信装置数にて所定のカバレッジ率以上となるように探知して上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する送受信装置の配置決定装置であって、探知判定のために必要な実環境測定値を測定し、上記測定した実環境測定値に基づいて上記配置による残響を考慮したカバレッジを計算し、上記カバレッジの計算結果に基づいて、所定の最適化手法を用いて上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定する配置計算部を備え、上記配置計算部は、上記各送信装置のコストと、上記複数の送信装置の個数と、上記各受信装置のコストと、上記複数の受信装置の個数とを含むコスト関数の値が最小となるように上記複数の送信装置と上記複数の受信装置の配置を決定することを特徴とする。

特開２０１５－１９０９１４号公報

上述したように、捜索海域における捜索可能距離は、捜索海域の水温や環境雑音により大きく変化するものの、予報や統計と差異があることが多く、探知可能距離の見積もりが大きくずれることがある。そこで、特許文献１に記載の送受信装置の配置決定装置では、しかしながら、探知判定のために必要な実環境測定値を測定し、測定した実環境測定値に基づいて配置による残響を考慮したカバレッジを計算する。

しかしながら、特許文献１に記載の送受信装置の配置決定装置では、実環境測定値を用いた残響を考慮したカバレッジを計算する具体的な手法については開示されていない。そして、例えば、実環境測定値として水温のみを用いた場合、十分な探知可能距離を算出できない問題が生じる。

本発明にかかる水中物体捜索支援装置の一態様は、捜索海域に設置した送波器から発せられた水中音響信号を受波器により受信することで生成される入力信号から前記捜索海域の前記水中音響信号の伝搬損失の推定値である伝搬損失推定値、音波伝搬の実測結果と予察結果の間にある経路差の量を示す経路差情報、前記入力信号の時系列情報を含むノイズレベル実測情報及び前記入力信号のノイズレベルの標準偏差を算出するソナーパラメータ推定部と、前記捜索海域に関する海象データ、海底地形データ、センサ諸元情報を少なくとも含む入力データに基づき算出される予報値を、前記ソナーパラメータ推定部で算出された値で置換、または、補正することにより前記捜索海域の前記水中音響信号のエコーレベル値及びマスキングレベル値を算出する予察部と、前記エコーレベル値及び前記マスキングレベル値に基づきシグナルエクセス値を算出するシグナルエクセス算出部と、前記シグナルエクセス値と前記ノイズレベルの標準偏差とに基づき探知確率の距離特性を示す探知距離特性情報を算出する探知確率算出部と、前記探知距離特性情報とオペレータが指定した捜索範囲の重複率とに基づきセンサの設置間隔を算出するセンサ間隔算出部と、を有する。

本発明にかかる水中物体捜索支援装置おける水中物体捜索方法の一態様は、捜索海域に関する海象データ、海底地形データ、センサ諸元情報を少なくとも含む入力データに基づき水中音響信号のエコーレベル値及びマスキングレベル値を算出する予察部と、前記エコーレベル値及び前記マスキングレベル値に基づきシグナルエクセス値を算出するシグナルエクセス算出部と、前記シグナルエクセス値に基づき探知確率の距離特性を算出する探知確率算出部と、前記探知確率の距離特性とオペレータが指定した捜索範囲の重複率とに基づきセンサの設置間隔を算出するセンサ間隔算出部と、を有する水中物体捜索支援装置における水中物体捜索支援方法であって、前記捜索海域に設置した送波器から発せられた水中音響信号を受波器により受信することで生成される入力信号から前記捜索海域の前記水中音響信号の伝搬損失の推定値、音波伝搬の実測結果と予察結果の間にある経路差の量を示す経路差情報、前記入力信号の時系列情報を含むノイズレベル実測情報及び前記入力信号のノイズレベルの標準偏差を算出し、前記予察部において、前記エコーレベル値及び前記マスキングレベル値を算出する際に前記伝搬損失の推定値である伝搬損失推定値を用いて残響レベル予報値を算出し、前記経路差情報により前記残響レベル予報値を補正して残響レベル補正値を算出し、前記入力データに基づき前記ノイズレベルの予報値であるノイズレベル予報値を算出し、前記ノイズレベル予報値を前記ノイズレベルの推定値であるノイズレベル推定値に置換し、前記残響レベル補正値と前記ノイズレベル推定値のうち大きな値となる方を選択して、選択した値を前記マスキングレベル値として出力し、前記伝搬損失推定値と前記送波器の出力レベルを示すソースレベル値とに基づき前記捜索海域中の前記水中音響信号に関する前記エコーレベル値を算出し、前記探知確率算出部において、前記シグナルエクセス値に前記ノイズレベルの前記標準偏差を加味して前記探知確率の距離特性を算出する。

本発明にかかる水中物体捜索支援プログラムの一態様は、演算装置上で実行され、捜索海域に関する海象データ、海底地形データ、センサ諸元情報を少なくとも含む入力データと、前記捜索海域に設置した送波器から発せられた水中音響信号を受波器により受信することで生成される入力信号と、に基づきセンサの設置間隔を算出する水中物体捜索プログラムであって、前記入力信号から前記捜索海域における前記水中音響信号の伝搬損失の推定値、音波伝搬の実測結果と予察結果の間にある経路差の量を示す経路差情報、前記入力信号の時系列情報を含むノイズレベル実測情報及び前記入力信号のノイズレベルの標準偏差を算出するソナーパラメータ推定処理と、前記入力データに基づき算出される予報値を、前記ソナーパラメータ推定処理で算出された値で置換、または、補正することにより前記捜索海域の前記水中音響信号のエコーレベル値及びマスキングレベル値を算出する予察処理と、前記エコーレベル値及び前記マスキングレベル値に基づきシグナルエクセス値を算出するシグナルエクセス算出処理と、前記シグナルエクセス値と前記ノイズレベルの標準偏差とに基づき探知確率の距離特性を算出する探知確率算出処理と、前記探知確率の距離特性とオペレータが指定した捜索範囲の重複率とに基づき前記センサの設置間隔を算出するセンサ間隔算出処理と、を行う。

本発明にかかる水中物体捜索支援装置、水中物体捜索支援方法及びそのプログラムによれば、捜索可能距離の算出精度を高めることができる。

実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置のブロック図である。 実施の形態１にかかる伝搬損失置換処理部の処理を説明する伝搬損失の特性図である。 実施の形態１にかかる残響レベル判定部の処理を説明する残響の特性図である。 水中音響信号の伝搬経路の予報値と実測値との違いを説明する図である。 経路差に起因する残響ピーク位置推定方法を説明する図である。 オペレータが指定した目標想定速力におけるマスキングレベルの計算方法を説明する図である。 シグナルエクセス値と探知確率の特性の標準偏差による違いを説明するグラフである。 センサの探知可能距離と重複率の関係を説明するグラフである。

説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に記載される各要素は、ハードウェア的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、その他の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１は、データベース１０に格納された海象データ、海底地形データ及びセンサ諸元情報に基づき捜索海域に設置するセンサの最適な配置間隔を示すセンサ間隔距離を算出する水測予察処理を行う。ここで、海象データには、捜索海域に設置されたブイから取得される気温、湿度、気圧、雨量、日射、海水の流れ、水温、塩分濃度等の情報（例えば、ブイ情報ＢＴ）が含まれる。また、センサ諸元情報としては、送波器Ｔ及び受波器Ｒで利用される水中音響信号の周波数、送波器Ｔ及び受波器Ｒが設置される深度等の情報が含まれる。

そして、実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１では、捜索海域に設置した送波器Ｔと受波器Ｒとを用いて捜索海域において伝搬させた水中音響信号により入力信号Ｓｉを取得する。そして、実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１では、入力信号Ｓｉから算出する値（例えば、ソナーパラメータ推定値）を用いてセンサ間隔距離の算出に用いるパラメータを置換又は補正する。実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１では、上記水測予察処理において入力信号Ｓｉを用いて算出したソナーパラメータ推定値を用いるところに特徴の１つを有する。そこで、以下で、実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１について詳細に説明する。

図１に実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１のブロック図を示す。図１に示すように、実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１は、データベース１０、予察部１１、入力信号処理部１２、ソナーパラメータ推定部１３、シグナルエクセス算出部１４、探知確率算出部１５、センサ間隔算出部１６、表示部１７を有する。また、図１では、水中物体捜索支援装置１が利用するセンサとして送波器Ｔ及び受波器Ｒを示した。なお、図１では、送波器Ｔ及び受波器Ｒを１組のみ示したが、送波器Ｔ及び受波器Ｒは、いずれか一方、或いは、両方が複数用いられるものとし、その個数は適宜変更可能である。

データベース１０、予察部１１、入力信号処理部１２、ソナーパラメータ推定部１３、シグナルエクセス算出部１４、探知確率算出部１５、センサ間隔算出部１６、表示部１７は、１つの装置として実装されていても、分散した別の装置として実装されていても良い。また、予察部１１、入力信号処理部１２、ソナーパラメータ推定部１３、シグナルエクセス算出部１４、探知確率算出部１５、センサ間隔算出部１６は、例えば、演算装置（例えば、コンピュータ）上で実行されるプログラムにより実現することが可能である。

予察部１１は、捜索海域に関する海象データ、海底地形データ、センサ諸元情報を少なくとも含む入力データＤｉに基づき算出される予報値を算出する。そして、予察部１１は、ソナーパラメータ推定部１３で算出された値で算出した予報値を置換、または、補正することにより捜索海域の水中音響信号のエコーレベル値ＥＬ１及びマスキングレベル値ＭＬ２を算出する。

入力信号処理部１２は、捜索海域に設置した送波器Ｔから発せられた水中音響信号を受波器Ｒにより受信することで生成される入力信号をコンピュータが処理可能な入力信号Ｄｉに変換する。入力信号処理部１２における信号処理の内容は、ソナーの送信波形によって異なる。送波器Ｔが発する水中音響信号がＦＭ（Frequency Modulation）いわゆるチャープ信号である場合は、伝搬損失置換処理部２１は入力信号についてレプリカ相関処理を行い、受信レベルを算出する。また、送波器Ｔが発する水中音響信号がＰＣＷ（Pulsed Continuous Wave）であった場合は、入力信号処理部１２は、ＦＦＴ等の周波数分析処理により、周波数ごとに受信レベルを算出する。当該処理は送波器Ｔからの発振の有無に関わらず常時行う。

ソナーパラメータ推定部１３は、入力信号Ｓｉから伝搬損失推定値ＴＬｅ、残響レベル判定情報ＲＬｅ、経路差情報ＲＴｄ、ノイズレベル実測情報ＮＬｅ、標準偏差ＳＤを算出する。伝搬損失推定値ＴＬｅは、捜索海域の水中音響信号の伝搬損失の推定値である。残響レベル判定情報ＲＬｅは、入力信号Ｓｉの信号レベルが水中音響信号の残響レベルで伝搬する期間を示す情報である。経路差情報ＲＴｄは、音波伝搬の実測結果と予察結果の間にある経路差の量を示す情報である。ノイズレベル実測情報ＮＬｅは、入力信号の時系列情報を含む情報である。標準偏差ＳＤは、入力信号Ｄｉ（つまり、水中音響信号）のノイズレベルの標準偏差である。

そして、シグナルエクセス算出部１４は、エコーレベル値ＥＬ１及びマスキングレベル値ＭＬ２に基づきシグナルエクセス値ＳＥ１を算出する。探知確率算出部１５は、シグナルエクセス値ＳＥ１とノイズレベルの標準偏差ＳＤとに基づき探知確率の距離特性を示す探知距離特性情報ＳＲを算出する。センサ間隔算出部１６は、探知距離特性情報ＳＲとオペレータが指定した捜索範囲の重複率とに基づきセンサの設置間隔を算出する。表示部１７は、センサ間隔算出部１６が算出したセンサの設置間隔を表示する。また、表示部１７は、水中物体捜索支援装置１を操作するためのユーザーインタフェースを表示する。

ここで、実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１では、予察部１１及びソナーパラメータ推定部１３における処理に特徴の１つを有する。そこで、以下では、予察部１１及びソナーパラメータ推定部１３の詳細について説明する。

予察部１１は、伝搬損失算出部２０、伝搬損失置換処理部２１、ノイズレベル算出部２２、ノイズレベル置換処理部２３、残響レベル算出部２４、残響レベル補正処理部２５、マスキングレベル算出部２６、マスキングレベル置換処理部２７、エコーレベル算出部２８を有する。また、ソナーパラメータ推定部１３は、伝搬損失推定部３０、残響レベル判定部３１、ノイズレベル実測部３２、経路差算出部３３、標準偏差算出部３４を有する。実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１では、予察部１１及びソナーパラメータ推定部１３に実装される処理ブロックを協働させて動作させることで、演算を行う。

伝搬損失算出部２０は、入力データＤｉを読み込んで伝搬損失予報値ＴＬ１を算出する。伝搬損失予報値ＴＬ１は、天気予報、定点観測点（例えば、気象観測用ブイ）により取得された海象データ、海底地形データ及びセンサ諸元等の事前に取得された情報に基づき計算されるものであり、捜索海域における水中音響信号の伝搬損失の予報値である。伝搬損失推定部３０は、送波器Ｔが水中音響信号を出力する強度を示すソースレベル値から入力信号Ｓｉの信号レベルを減算して伝搬損失推定値ＴＬｅを出力する。伝搬損失置換処理部２１は、伝搬損失予報値ＴＬ１を伝搬損失推定値ＴＬｅに置換して伝搬損失置換値ＴＬ２を出力する。つまり、伝搬損失置換値ＴＬ２は、伝搬損失推定値ＴＬｅと同じモノと考えることができる。

ここで、伝搬損失算出部２０、伝搬損失推定部３０及び伝搬損失置換処理部２１による伝搬損失置換値ＴＬ２の算出処理について説明する。そこで、図２に実施の形態１にかかる伝搬損失置換処理部の処理を説明する伝搬損失の特性図を示す。図２に示す例では、受波器Ｒとの距離が異なる３つのセンサ（図２中のセンサＡ～Ｃ）から取得した入力信号Ｓｉに基づき３点の伝搬損失推定値ＴＬｅを算出した例である。伝搬損失置換処理部２１では、伝搬損失推定部３０が算出した伝搬損失推定値ＴＬｅに基づき伝搬損失の推定特性曲線を生成する。図２では、伝搬損失の推定特性曲線を破線で示した。また、図２では、図２では、伝搬損失算出部２０が算出した伝搬損失予報値ＴＬ１を用いた予報特性曲線を実線で示した。伝搬損失置換処理部２１では、予報特性曲線を推定特性曲線で置き換えることで伝搬損失置換値ＴＬ２を出力する。

ノイズレベル算出部２２は、入力データＤｉに基づきノイズレベルの予報値であるノイズレベル予報値ＮＬ１を算出する。また、ノイズレベル実測部３２は、入力信号Ｓｉに基づき入力信号Ｓｉの時系列情報であるノイズレベル実測情報ＮＬｅを出力する。より具体的には、ノイズレベル実測部３２は、入力信号Ｓｉの受信レベルに対してソナー装置の諸元（ＤＩ（受波器の指向性利得）、受信周波数帯域等）を加味して、ノイズレベル実測情報ＮＬｅを算出する。ノイズレベル置換処理部２３は、ノイズレベル予報値ＮＬ１をノイズレベル実測情報ＮＬｅに置換してノイズレベル置換値ＮＬ２を出力する。なお、このノイズレベル実測情報ＮＬｅには、入力信号Ｓｉの信号レベルが残響レベルを示す残響レベル判定情報ＲＬｅが含まれる。

残響レベル算出部２４は、伝搬損失の推定値を示す伝搬損失推定値ＴＬｅ（或いは伝搬損失置換値ＴＬ２）に基づき水中音響信号の残響レベルの予報値である残響レベル予報値ＲＬ１を算出する。残響レベル判定部３１は、入力信号Ｓｉの信号レベルに基づき水中音響信号が残響レベルで伝搬する期間を残響領域期間として判定して、残響領域期間を示す残響レベル判定情報ＲＬｅを出力する。この残響レベル判定情報ＲＬｅは、ノイズレベル実測部３２及び経路差算出部３３に出力される。

ここで、図３に実施の形態１にかかる残響レベル判定部３１の処理を説明する残響の特性図を示す。そして、図３を参照して、残響レベル判定部３１の処理について説明する。図３に示すように、残響レベル判定部３１は、送波器Ｔからの発振後の入力信号Ｓｉの信号レベルと発振前に計測したノイズレベル実測情報ＮＬｅとを毎時刻ごとに比較し、２つの差分があらかじめ設定していた閾値を超える場合は、当該時刻を水中音響信号の残響領域と判定する。

続いて、経路差算出部３３は、残響レベル判定情報ＲＬｅと残響レベル予報値ＲＬ１とに基づき経路差情報ＲＴｄを算出する。ここで、図４に水中音響信号の伝搬経路の予報値と実測値との違いを説明する図を示し、図５に経路差に起因する残響ピーク位置推定方法を説明する図を示す。そして、図４及び図５を参照して経路差算出部３３における経路差情報の算出方法について詳細に説明する。

まず、予報や統計により生成される海象データを用いた場合、実際の音波伝搬の状況と海象データを用いて予察した音波伝搬の状況との間には差異が発生することがある。図４では、予報情報から算出した音波伝搬経路である予報経路と実測値から導き出される音波伝搬経路である実測経路の間に差異が生じたケースを示している。この用は伝搬経路の差異が生じた場合、図５の上図に示したような残響レベル予報値に含まれる予報残響ピークと実測結果から得られる実測残響ピークとの間に差異が生じる。図５では、予報値に比べ実測値の伝搬経路が長い場合を示すものである。そのため、図５に示す例では、伝搬経路の経路差の分だけ残響ピークを受信する時間が遅くなっている。

ここで、図１に示したセンサＡ～Ｃを用いた残響ピーク到来時刻の推定処理について説明する。具体的には、センサＡ、Ｂを既設のセンサとし、センサＣの位置における残響ピーク到来時刻を推定する処理について説明する。まず、経路差算出部３３は、センサＡ、センサＢの受信レベルを計測し、残響レベルがピークとなる時刻を算出する。次に、経路差算出部３３は、残響レベル予報値ＲＬ１に基づき予察によって算出した残響到来時刻を認識し、実測残響ピークと予報残響ピークとの時間差を求め、距離に対する経路差比を求める。そして、経路差算出部３３は、算出された経路差比を経路差情報ＲＴｄとして出力する。この経路差情報ＲＴｄは、残響レベル補正処理部２５により用いられる。

残響レベル補正処理部２５は、経路差情報ＲＴｄに基づき残響レベル予報値ＲＬ１を補正して、残響レベル補正値ＲＬ２を算出する。より具体的には、残響レベル補正処理部２５は、残響レベル予報値ＲＬ１のうちセンサＣの予察の残響レベル到来時間に経路差比を乗算し、ピーク時刻を補正する。

なお、残響レベル補正処理部２５における残響レベル補正処理の方法は、更新後の伝搬損失（例えば、伝搬損失置換値ＴＬ２）を使用する方法以外にも考えられる。例えば、既設のセンサの受信レベルからデータを補間し、任意の位置における残響レベルを算出してもよい。また、残響レベルの補正処理は、目標の速力が既知の場合や、周波数分析結果（スペクトログラム等）から目標速力を把握した場合は、速力に合致する周波数帯域の時系列データからマスキングレベル値ＭＬを計測して残響レベルＲＬを推定する方式としてもよい。この方式では、速力を考慮して更に残響レベルの精度を高めることができる。

ここで、マスキングレベル値ＭＬから残響レベルを推定する方式について説明する。図６にオペレータが指定した目標想定速力におけるマスキングレベルの計算方法を説明する図を示す。図６に示すように、この方式では、入力信号Ｓｉに対してスペクトラム分析を行う。そして、目標物体と受波器Ｒとの相対速力に合致する周波数帯域の時系列データからマスキングレベル値ＭＬを計測することで残響レベルＲＬを推定することができる。

マスキングレベル算出部２６は、残響レベル補正値ＲＬ２とノイズレベル置換値ＮＬ２（例えば、ノイズレベル実測情報ＮＬｅ）から算出されるノイズレベル値のうち大きな値となる方を選択して、選択した値をマスキングレベル値（例えば、マスキングレベル計算値ＭＬ１）として出力する。ここで、マスキングレベル値ＭＬ１は、次の２つの場合によって異なる。妨害雑音として雑音が支配的な場合（雑音制限状態）では、マスキングレベル値ＭＬ＝ノイズレベルＮＬ－受波器の指向性利得ＤＩとなる。つまり、この雑音制限状態では、マスキングレベル値ＭＬは、すでにノイズレベルＮＬから受信器の指向性利得ＤＩが考慮されたノイズレベル実測情報ＮＬｅとなる。一方、妨害雑音として残響が支配的な場合（残響制限状態）では、マスキングレベル値ＭＬ＝残響レベル補正値ＲＬ２となる。一般的に、送波器Ｔが発振した直後では残響レベルが支配的となり、一定時間が経過するとノイズレベルが支配的となる。

マスキングレベル置換処理部２７は、ノイズレベル実測情報ＮＬｅにより示される入力信号Ｓｉの大きさが直接波を受信している期間を示している場合にマスキングレベル算出部２６の出力をノイズレベル実測情報ＮＬｅに置換してマスキングレベル値ＭＬ２を出力する。つまり、マスキングレベル値ＭＬ２は、直接波測定時はノイズレベル実測情報ＮＬｅ相当の値となり、ノイズレベル実測情報ＮＬｅが直接波測定時以外の期間はマスキングレベル計算値ＭＬ１となる。

エコーレベル算出部２８は、伝搬損失推定値（例えば、伝搬損失置換値ＴＬ２）と送波器Ｔの出力レベルを示すソースレベル値ＳＬとに基づき捜索海域中の水中音響信号に関するエコーレベル値ＥＬを算出する。エコーレベル値ＥＬ１は、ソースレベル値をＳＬ、反射帯が音を反射する強度であるターゲットストレングスをＴＳ、往路の伝搬損失をＴＬａ、復路の伝搬損失をＴＬｂとするとＥＬ１＝ＳＬ－ＴＬａ－ＴＬｂ＋ＴＳで算出される。

ここで、シグナルエクセス算出部１４におけるシグナルエクセス値の算出について説明する。マルチスタティックソナー装置では、シグナルエクセス算出部１４は、シグナルエクセス値をＳＥ１、マスキングレベル値をＭＬ２、反射された音をオペレータが視認できるレベルの閾値となる探知閾値をＤＴとすると、ＳＥ１＝ＥＬ１－ＭＬ２－ＤＴとの演算によりシグナルエクセス値ＳＥ１を算出する。

そして、実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１では、シグナルエクセス値ＳＥ１を用いて探知距離特性情報ＳＲを算出するが、このとき標準偏差ＳＤを加味して探知距離特性情報ＳＲを算出する。そこで、標準偏差ＳＤを算出する標準偏差算出部３４及び探知距離特性情報ＳＲを算出する探知確率算出部１５の動作について説明する。

まず、標準偏差算出部３４は、ピーク除外判定部３５を有する。標準偏差算出部３４は、ノイズレベル実測部３２が算出した時系列のノイズレベル実測情報ＮＬｅを入力とし、その標準偏差ＳＤを算出する。ここで、ノイズレベル実測情報ＮＬｅは、時間とともに変動するため、正確な探知確率の算出には、標準偏差ＳＤを求めて探知確率の計算に加味する必要がある。

ここで、シグナルエクセス値と探知確率の特性の標準偏差による違いを説明するグラフを図７に示す。そして、図７を参照して標準偏差が探知確率に与える影響を説明する。図７では、ノイズレベルの標準偏差をσとして、σ＝０ｄＢ、３ｄＢ、６ｄＢとしたときの探知可能確率Ｐの特性を示したものである。ここで、標準偏差ＳＤの算出時に残響制限領域の受信データを加えてしまうと、標準偏差ＳＤが極端に大きくなってしまい、探知可能確率Ｐの精度を低くしてしまう。そこで実施の形態１にかかる標準偏差算出部３４では、ピーク除外判定部３５を設けあらかじめピークを除外することで、標準偏差ＳＤの精度を高めた構成としている。

ピーク除外判定部３５の処理について説明する。ピーク除外判定部３５は、時刻ごとの入力信号Ｓｉの受信レベルに対応するノイズレベル実測情報ＮＬｅと探索海域のノイズレベル予報値とのレベルの差を計測し、閾値処理を行い、大きすぎる時刻のデータを計算する対象から除外する。そして、標準偏差算出部３４は、除外判定した領域のノイズレベル実測情報ＮＬｅから標準偏差ＳＤの算出を行う。そして、この標準偏差ＳＤを用いて探知確率算出部１５が探知距離特性情報ＳＲを出力する。

続いて、センサ間隔算出部１６について説明する。そこで、図８にセンサの探知可能距離と重複率の関係を説明するグラフを示す。センサ間隔算出部１６では、探知距離特性情報ＳＲを用いてオペレータが指定した重複率となるセンサ間隔を算出する。ここで、重複率とは、探知可能距離を分母として、隣接するセンサ間距離をどれだけ重複させるかを示す値であり式（１）より算出されるものである。ここで、探知可能距離とは、探知距離特性情報ＳＲにより示されるものである。
重複率＝１－（（センサ間距離－探知可能距離）／探知可能距離）・・・（１）

図８に示す例では、上図に重複率として７５％を指定したセンサ配置例を示し、下図に重複率として１２．５％を指定したセンサ配置例を示した。また、図８に示す例では、水中物体捜索支援装置１を用いて算出された探知距離特性情報ＳＲに基づき１つのセンサのカバレッジ範囲となる探知可能距離を１．６海里（１．６ＮＭ）とした例である。図８に示すように、重複率を変更するとセンサ間距離を２ＮＭ或いは３ＮＭとすることが可能になる。センサ間隔算出部１６では、重複率と探知距離特性情報ＳＲに基づきこのセンサ間距離を算出する。

上記説明より、実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１では、センサを敷設する捜索海域で送波器Ｔ及び受波器Ｒを用いて取得した捜索海域の水中音響信号の特性から予察部１１でもちいるソナーパラメータの推測値を算出する。そして、実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１では、ソナーパラメータ推定部１３で算出された推定値により予察部１１が算出するエコーレベル値ＥＬ１及びマスキングレベル値ＭＬ２の算出に用いる予報値を置き換え、或いは、補正する。このようにして算出した値を用いて、シグナルエクセス値ＳＥ１及び探知距離特性情報ＳＲを算出することで、水中物体捜索支援装置１では、探索海域における水中音響信号の伝搬特性を演算結果に反映して、センサの探知可能距離の精度を高めることができる。

また、実施の形態１にかかる水中物体捜索支援装置１では、水中物体捜索支援装置１で用いるソナーパラメータを実測により得られた値で置き換えるのみであるため、予察部１１を用いた計算時間が長くなることを防止することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 水中物体捜索支援装置
１０ データベース
１１ 予察部
１２ 入力信号処理部
１３ ソナーパラメータ推定部
１４ シグナルエクセス算出部
１５ 探知確率算出部
１６ センサ間隔算出部
１７ 表示部
２０ 伝搬損失算出部
２１ 伝搬損失置換処理部
２２ ノイズレベル算出部
２３ ノイズレベル置換処理部
２４ 残響レベル算出部
２５ 残響レベル補正処理部
２６ マスキングレベル算出部
２７ マスキングレベル置換処理部
２８ エコーレベル算出部
３０ 伝搬損失推定部
３１ 残響レベル判定部
３２ ノイズレベル実測部
３３ 経路差算出部
３４ 標準偏差算出部
３５ ピーク除外判定部
Ｄｉ 入力データ
Ｓｉ 入力信号
ＴＬ１ 伝搬損失予報値
ＴＬ２ 伝搬損失置換値
ＲＬ１ 残響レベル予報値
ＲＬ２ 残響レベル補正値
ＮＬ１ ノイズレベル予報値
ＮＬ２ ノイズレベル置換値
ＴＬｅ 伝搬損失推定値
ＲＬｅ 残響レベル判定情報
ＲＴｄ 経路差情報
ＮＬｅ ノイズレベル実測情報
ＳＤ 標準偏差
ＥＬ１ エコーレベル値
ＭＬ１ マスキングレベル計算値
ＭＬ２ マスキングレベル値
ＳＥ１ シグナルエクセス値
ＳＲ 探知距離特性情報
ＡＳ 想定目標速力情報
ＳＬ 送波レベル情報
Ｔ 送波器
Ｒ 受波器

Claims (8)

1. 捜索海域に設置した送波器が水中音響信号を出力する強度を示すソースレベル値から前記水中音響信号を受波器により受信することで生成される入力信号の信号レベルを減算して前記捜索海域の前記水中音響信号の伝搬損失の推定値である伝搬損失推定値を算出するとともに、音波伝搬の実測結果と予察結果の間にある経路差の量を示す経路差情報、前記入力信号の時系列情報を含むノイズレベル実測情報及び前記入力信号のノイズレベルの標準偏差を算出するソナーパラメータ推定部と、
   前記捜索海域に関する海象データ、海底地形データ、センサ諸元情報を少なくとも含む入力データに基づき算出される伝搬損失予報値を前記伝搬損失推定値で置換した値をマスキングレベル値として出力するとともに、前記ノイズレベル実測情報により示される前記入力信号の大きさが直接波を受信している期間を示している場合に前記ノイズレベル実測情報をマスキングレベル値として出力し、かつ、前記捜索海域中の前記水中音響信号に関するエコーレベル値を出力する予察部と、
   前記エコーレベル値及び前記マスキングレベル値に基づきシグナルエクセス値を算出するシグナルエクセス算出部と、
   前記シグナルエクセス値と前記ノイズレベルの標準偏差とに基づき探知確率の距離特性を示す探知距離特性情報を算出する探知確率算出部と、
   前記探知距離特性情報と、探知可能距離を分母として、隣接するセンサ間距離をどれだけ重複させるかを示す捜索範囲の重複率と、に基づきセンサの設置間隔を算出するセンサ間隔算出部と、
   を有する水中物体捜索支援装置。
2. 前記予察部は、
   前記伝搬損失の推定値を示す伝搬損失推定値に基づき前記水中音響信号の残響レベルの予報値である残響レベル予報値を算出する残響レベル算出部と、
   前記経路差の推定値を示す経路差情報に基づき前記残響レベル予報値を補正して、残響レベル補正値を算出する残響レベル補正処理部と、
   前記入力データに基づき前記ノイズレベルの予報値であるノイズレベル予報値を算出するノイズレベル算出部と、
   前記ノイズレベル予報値を前記ノイズレベル実測情報に置換するノイズレベル置換処理部と、
   前記残響レベル補正値と前記ノイズレベル実測情報のうち大きな値となる方を選択して、選択した値を前記マスキングレベル値として出力するマスキングレベル算出部と、
   前記伝搬損失推定値と前記送波器の出力レベルを示すソースレベル値とに基づき前記捜索海域中の前記水中音響信号に関する前記エコーレベル値を算出するエコーレベル算出部と、
   をさらに有する請求項１に記載の水中物体捜索支援装置。
3. 前記ソナーパラメータ推定部は、
   前記送波器が前記水中音響信号を出力する強度を示すソースレベル値から前記入力信号の信号レベルを減算して前記伝搬損失推定値を出力する伝搬損失推定部と、
   前記入力信号の信号レベルに基づき前記水中音響信号が残響レベルで伝搬する期間を残響領域期間として判定して、前記残響領域期間を示す残響レベル判定情報を出力する残響レベル判定部と、
   前記残響レベル判定情報から把握される実測残響ピークと前記残響レベル予報値から把握される予報残響ピークとの時間差から算出される距離に対する経路差比を前記経路差情報として算出する経路差算出部と、
   前記入力信号に基づき前記入力信号の時系列情報であるノイズレベル実測情報を出力するノイズレベル実測部と、
   前記ノイズレベル実測情報に基づき前記入力信号の前記ノイズレベルの前記標準偏差を算出する標準偏差算出部と、
   を有する請求項２に記載の水中物体捜索支援装置。
4. 前記予察部は、
   前記ノイズレベル実測情報により示される前記入力信号の大きさが直接波を受信している期間を示している場合に前記マスキングレベル算出部の出力を前記ノイズレベル実測情報に置換して前記マスキングレベル値を出力するマスキングレベル置換処理部をさらに有する請求項３に記載の水中物体捜索支援装置。
5. 前記標準偏差算出部は、前記ノイズレベル実測情報から前記残響領域期間の情報を除外するピーク除外判定部を有し、前記残響領域期間を除外した前記ノイズレベル実測情報に基づき前記標準偏差を算出する請求項３に記載の水中物体捜索支援装置。
6. 前記予察部は、
   前記入力データに基づき前記捜索海域における前記水中音響信号の前記伝搬損失の予報値である伝搬損失予報値を算出する伝搬損失算出部と、
   前記伝搬損失予報値を前記伝搬損失推定値に置換する伝搬損失置換部と、をさらに有する請求項２乃至５のいずれか１項に記載の水中物体捜索支援装置。
7. 捜索海域に関する海象データ、海底地形データ、センサ諸元情報を少なくとも含む入力データに基づき水中音響信号のエコーレベル値及びマスキングレベル値を算出する予察部と、
   前記エコーレベル値及び前記マスキングレベル値に基づきシグナルエクセス値を算出するシグナルエクセス算出部と、
   前記シグナルエクセス値に基づき探知確率の距離特性を算出する探知確率算出部と、
   前記探知確率の距離特性と探知可能距離を分母として、隣接するセンサ間距離をどれだけ重複させるかを示す捜索範囲の重複率とに基づきセンサの設置間隔を算出するセンサ間隔算出部と、を有する水中物体捜索支援装置における水中物体捜索支援方法であって、
   前記捜索海域に設置した送波器が水中音響信号を出力する強度を示すソースレベル値から前記水中音響信号を受波器により受信することで生成される入力信号の信号レベルを減算して前記捜索海域の前記水中音響信号の伝搬損失の推定値である伝搬損失推定値を算出するとともに、音波伝搬の実測結果と予察結果の間にある経路差の量を示す経路差情報、前記入力信号の時系列情報を含むノイズレベル実測情報及び前記入力信号のノイズレベルの標準偏差を算出し、
   前記予察部において、
   前記エコーレベル値及び前記マスキングレベル値を算出する際に前記伝搬損失推定値を用いて残響レベル予報値を算出し、
   前記経路差情報により前記残響レベル予報値を補正して残響レベル補正値を算出し、
   前記入力データに基づき前記ノイズレベルの予報値であるノイズレベル予報値を算出し、
   前記ノイズレベル予報値を前記ノイズレベルの推定値であるノイズレベル推定値に置換し、
   前記残響レベル補正値と前記ノイズレベル推定値のうち大きな値となる方を選択して、選択した値を前記マスキングレベル値として出力し、
   前記伝搬損失推定値と前記送波器の出力レベルを示すソースレベル値とに基づき前記捜索海域中の前記水中音響信号に関する前記エコーレベル値を算出し、
   前記探知確率算出部において、
   前記シグナルエクセス値に前記ノイズレベルの前記標準偏差を加味して前記探知確率の距離特性を算出する水中物体捜索支援装置おける水中物体捜索支援方法。
8. 演算装置上で実行され、捜索海域に関する海象データ、海底地形データ、センサ諸元情報を少なくとも含む入力データと、前記捜索海域に設置した送波器から発せられた水中音響信号を受波器により受信することで生成される入力信号と、に基づきセンサの設置間隔を算出する水中物体捜索プログラムであって、
   前記水中音響信号を出力する強度を示すソースレベル値から前記入力信号の信号レベルを減算してから前記捜索海域における前記水中音響信号の伝搬損失の推定値である伝搬損失推定値を算出すると共に、音波伝搬の実測結果と予察結果の間にある経路差の量を示す経路差情報、前記入力信号の時系列情報を含むノイズレベル実測情報及び前記入力信号のノイズレベルの標準偏差を算出するソナーパラメータ推定処理と、
   前記入力データに基づき算出される伝搬損失予報値を前記伝搬損失推定値で置換した値をマスキングレベル値として出力するとともに、前記ノイズレベル実測情報により示される前記入力信号の大きさが直接波を受信している期間を示している場合に前記ノイズレベル実測情報をマスキングレベル値として出力し、かつ、前記捜索海域中の前記水中音響信号に関するエコーレベル値を出力する予察処理と、
   前記エコーレベル値及び前記マスキングレベル値に基づきシグナルエクセス値を算出するシグナルエクセス算出処理と、
   前記シグナルエクセス値と前記ノイズレベルの標準偏差とに基づき探知確率の距離特性を算出する探知確率算出処理と、
   前記探知確率の距離特性と、探知可能距離を分母として、隣接するセンサ間距離をどれだけ重複させるかを示す捜索範囲の重複率とに基づき前記センサの設置間隔を算出するセンサ間隔算出処理と、
   を行う水中物体捜索支援プログラム。

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