JPH0720230A - ソーナー俯角制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ソーナーのビーム俯角制御時に、音の屈折等
を考慮して正確に自動制御可能とする。 【構成】 最適ビーム俯角算出部５で、ソーナー２，水
温測定器３，航法装置４からの各情報と入力部６で入力
された信号余剰レベル算出条件と、データ登録部７から
入力された垂直ビーム領域や信号余剰算出パラメータ等
から、音の屈折を考慮しつつ垂直ビーム領域の算出を行
う。また、目標検出時に、ソーナー２及び航法装置４か
ら入力される各情報から目標位置の算出を行う。以後、
船の移動に伴い目標位置が垂直ビーム領域中の基準から
ずれると、ビーム俯角を変化させ、中心音線上で信号余
剰レベルが最大または正となる位置上に俯角を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はソーナー俯角制御装置に
関し、特に垂直方向に指向性を有し俯角方向に可変制御
できるビームを用いて海底の目標または海底近傍に係維
された目標を捜索するソーナーのビーム俯角制御装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のソーナー俯角制御装置の概略構成
を示すと、図１４の如くなっている。ソーナー自動俯角
制御装置１は最適ビームを算出する最適ビーム俯角算出
部５を有しており、ソーナー２から得られる検出目標８
（図１５参照）までの距離ＲTOと、航法装置４から得ら
れる水深ＺTOとに基づいて、図１５に示す様に、幾何学
的に（三角関数を用いて）最適ビーム俯角θB1を算出し
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のこの様なソーナ
ー俯角制御装置では、水深と検出目標距離との２つのパ
ラメータによってのみ、幾何学的に最適ビーム俯角の算
出を行っており、海中の深度方向の水温や水圧変化に起
因して音が垂直方向に曲って伝搬することを考慮に入れ
ていないために、適確な自動俯角追尾はできないという
欠点がある。

【０００４】本発明の目的は、音の屈折等を考慮して正
確にビーム俯角を算出するようにしたソーナーの俯角制
御装置を提供することである。

【０００５】本発明の他の目的は、船の移動に伴って検
出目標の自動俯角追尾を正確に行うようにしたソーナー
の俯角制御装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によるソーナー俯
角制御装置は、垂直方向に指向性を有するビームを使用
して海底の目標を捜索するソーナーの俯角制御装置であ
って、ソーナーの設定俯角におけるビーム中心音線を水
温の垂直分布を考慮しつつ算出してこの音線と海底との
交点を求める手段と、ソーナーにより検出された目標距
離である直距離とソーナー深度及び水深とから、水温の
垂直分布を考慮しつつ音線計算を行い検出目標の海底位
置を算出する手段と、前記交点と前記海底位置とが一致
する俯角を算出してソーナーの送受信俯角制御をなす手
段とを含むことを特徴とする。

【０００７】本発明による他のソーナー俯角制御装置
は、垂直方向に指向性を有するビームを使用して海底の
目標を捜索するソーナーの俯角制御装置であって、ソー
ナーにより検出された目標距離である直距離とソーナー
深度及び水深とから、水温の垂直分布を考慮しつつ音線
計算を行い、この算出された音線に基づくソーナービー
ムが海底と交差する領域の前記目標に対する信号余剰レ
ベルを、ソーナーの能力値と海底の反射損失と更には音
波伝搬損失とから算出する手段と、前記直距離とソーナ
ー深度及び水深とから、水温の垂直分布を考慮しつつ音
線計算を行い目標の海底位置を算出する手段と、前記信
号余剰レベルの最大の海底位置と検出目標の海底位置と
が一致する俯角を算出してソーナーの送受信俯角制御を
なす手段とを含むことを特徴とする。

【０００８】本発明による別のソーナー俯角制御装置
は、上記構成の他に更に、予め設定された検出確率に基
づく信号余剰レベルを算出し、この信号余剰レベルが正
となる遠近２つの海底位置に対して、船が目標に接近す
るときは近位置と前記検出目標の海底位置とが一致する
俯角を算出し、船が目標から離れるときは遠位置と前記
目標位置の海底位置とが一致する俯角を算出してソーナ
ーの送受信俯角制御をなす手段を含むことを特徴とす
る。

【０００９】

【実施例】以下に、図面を用いて本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１０】図１は本発明の実施例の概略ブロック図で
あり、最適ビーム俯角算出部５はソーナー２，水温検出
部３，航法装置４，入力部６，データ登録部７からの各
データに基づいて最適ビーム俯角の算出を行う。

【００１１】この最適ビーム俯角の算出手順につき、図
２〜図７を参照しつつ以下に詳細に説明する。

【００１２】ソーナー２から入力されるソーナー運用モ
ード及びビーム俯角θBOに基づいて、データ登録部７か
ら出力されるソーナービーム幅（図４参照）と、水温計
測器３から入力される深度に対する水温分布とから、垂
直ビーム領域（図２，３参照）及びビーム俯角θBOの音
線（ビーム中心音線）の計算を行う。

【００１３】音線は、図２に示す如く、音の発射角にお
ける音の伝わる道を線で表現したものであり、一定距離
間隔△ｌで与えられるｎ個のサンプリング点で構成され
るものとして考えると、各サンプリング位置はスネルの
法則により、次に示す手順で近似計算される。

【００１４】初期サンプリング位置（ソーナー位置）の
座標を水平距離Ｘ0 ，深度Ｚ0 とする。また、音の発射
角θ0 とする。水温の垂直分布から深度Ｚ0 における音
速Ｃ0 をＬｅｒｏｙの式により算出する。

【００１５】そして、サンプリング間隔△ｌの距離だけ
進めた次のサンプリング位置（Ｘ1，Ｚ1 ）を、 Ｘ1 ＝Ｘ0 ＋△ｌcos θ0 Ｚ1 ＝Ｚ0 ＋△ｌsin θ0 により算出する。この深度Ｚ１における音速Ｃ1 を同じ
くＬｅｒｏｙの式により求める。

【００１６】次に、スネルの法則により、サンプル位置
（Ｘ1 ，Ｚ1 ）における音の発射角θ1 を，

【００１７】

【数１】

【００１８】なる式にて求める。

【００１９】以降、上記の各手順を用いて各サンプリン
グ位置を次々に算出することにより、ビーム中心音線が
水音の垂直分布を考慮して求まることになる。尚、ビー
ム中心音線とは、初期サンプリング位置（ソーナー位
置）における音の発射角がビーム俯角θB0のときの音線
である。

【００２０】次に、航法装置４から入力される水深デー
タからビーム中心音線と海底との交点を求めて図６のＸ
T1を算出する。この場合、先に求めたビーム中心音線と
水深（海底）ＺT0との交点（ＸBt，ＺT0）を求め、この
交点とソーナー位置（Ｘ0 ，Ｚ0 ）とから、 ＸT1＝ＸBT−Ｘ0 により、図６のＸT1を算出する。

【００２１】そして、ソーナー２から入力される検出距
離（ソーナー２と目標８との間の直距離）ＲS0と、水深
ＺT0と、水温分布データとから、目標位置ＰT0を求めて
水平距離ＸT0を算出する（図３参照）。

【００２２】この目標位置ＰT0の算出方法は次の如くで
ある。まず、入力情報として、航法装置４の目標検出時
の水深ＺT0，水温計測器３の水温の垂直分布，データ登
録部７のソーナービーム幅が与えられる。そして、図４
に示す様に、ソーナービーム中でサンプリング発射角△
θで示されるＮ本の音線を仮定する。

【００２３】ソーナーから海底までの範囲でＭ番目（Ｍ
＝１，２，……，Ｎ）の音線計算を行い、音線の長さＬ
M を、 ＬM ＝（サンプリング間隔△ｌの和）＋（音線と海底と
の交点、最後のサンプリング点間の距離△ｌEND ） として算出する（図５参照）。

【００２４】そして、音線の長さＬM が検出距離ＲSOと
一致する音線を検索し、長さが一致した音線と海底との
交点を検出目標位置ＰT0（ＸT0，ＺT0）とするのであ
る。

【００２５】図７に示す如く、船の移動に伴い、検出目
標８が中心音線上に存在しなくなると、検出目標８が垂
直ビーム領域内のどの位置（中心音線を基準として手前
側か外側か）に存在するかを判定する。

【００２６】この判定においては、その前提条件とし
て、水深ＺT0及びソーナーと垂直ビーム領域（音線）と
の位置関係は変化しないものと仮定する。この条件で、
ソーナーから目標までの水平距離ＸT0（船が前進または
後退時にＸT0は変化する）及びソーナーから中心音線と
海底との交点までの水平距離ＸT1（船が移動中でもＸT1
は固定）を比較することにより行う。

【００２７】すなわち、ＸT0＜ＸT1のときに中心音線の
手前側と判定し、ＸT0＞ＸT1のとき中心音線外側と判定
する（図６参照）。

【００２８】検出目標８が中心音線の手前側に存在した
場合には、ビーム俯角を増加方向に変化させ、外側に存
在した場合は減少方向として、水平距離ＸT0とＸT1とが
一致する俯角（最適ビーム俯角θB1）を計算する（図６
参照）。

【００２９】この最適ビーム俯角θB1は、中心音線の発
射角であるビーム俯角θB0を変化させて中心音線を再算
出することにより、以下の如く求める。

【００３０】ビーム俯角θB0（中心音線の発射角）の変
化方向を、検出目標が中心音線の手前側にあるときは、
増加方向に（θB0＋△θ），外側にあるときは減少方向
に（θB0−△θ）とする。

【００３１】こうして変化した中心音線の再算出を行
う。そして、ソーナーから検出目標までの水平距離ＸT0
及びソーナーから再算出された中心音線と海底（水深Ｚ
T0）との交点までの水平距離ＸT1を算出する。

【００３２】この水平距離ＸT1とＸT0とを比較して距離
が異なるときは、再び上記のビーム俯角の変化（±△
θ）処理に戻る。一致したときは、中心音線の算出に用
いたビーム俯角を最適ビーム俯角θB1とする。

【００３３】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。この実施例の構成は図１のブロックと同一である
が、最適ビーム俯角算出部５の算出手順が異なり、以下
に詳細に説明する。

【００３４】ソーナー２から入力されるソーナー運用モ
ード及びビーム俯角θB0に基づいて、データ登録部７か
ら出力されるソーナービーム幅と、水温計測器３から入
力される深度に対する温度分布データとから、垂直ビー
ム領域（図２参照）及び音線計算を行う。更に、航法装
置４から入力される水深データから、垂直ビーム領域と
海底とが交わる範囲において、音波伝搬損失の算出を行
う。

【００３５】音波伝搬損失ＴＬは、ソーナー送波レベル
（発射音レベル）が水中伝搬中にどれだけ減衰するかを
示す損失レベルであり、

【００３６】

【数２】

【００３７】で算出する。

【００３８】ここに、ｒは音線の長さＬM （Ｍ＝１〜
Ｎ）であり、αは減衰係数［ｄＢ／ｋｙｄ］（ＴＨＯＲ
Ｐの式により計算）を示している。

【００３９】垂直ビーム領域でＮ本の音線計算を行い、
各音線について音線の長さＬM （Ｍ＝１〜Ｎ）及び音線
と海底との交点を算出する。そして、音線の長さＬM を
用いて、各音線と海底との交点における音波伝搬損失Ｔ
ＬM （Ｍ＝１〜Ｎ）を上記式にて算出する（図８参
照）。

【００４０】ソーナー２から入力されるソーナー運用モ
ードに基づいて、データ登録部７から出力される送波レ
ベル，ビーム特性，ドーム内雑音特性と、更に入力部６
で設定された海底質に基づいて、データ登録部７から出
力される海底散乱強度と先に求めた音波伝搬損失ＴＬと
から、図９に示す垂直ビーム領域と海底が交わる範囲に
おいて、信号余剰レベルの算出を行う。

【００４１】信号余剰レベルＳＥ（Ｓｉｇｎａｌ Ｅｘ
ｃｅｓｓ）は、ソーナービーム中のある位置における信
号レベルと残音レベルとのレベル差を示すものであり、
次式により算出する。尚、ＳＥ＞０のときに、設定され
た目標検出確率で目標検出可能となる特性を有する。

【００４２】信号余剰レベルＳＥは、 ＳＥ＝ＳＬ−２ＴＬ＋ＴＳ−ＮＲＬ−ＲＤ で求められる。ＳＬはソーナー送波レベル、２ＴＬは往
復伝搬損失レベル、ＴＳはターゲットストリングス（検
出する目標により変化する），ＮＲＬは雑音，残響レベ
ル，ＲＤは認識デファレンシャル（探知確率により変化
する）である。

【００４３】音波伝搬損失ＴＬ算出時に求めた各音線と
海底との交点における信号余剰レベルＳＥM （Ｍ＝１〜
Ｎ）を上記式にて算出する。このとき、ＳＬ，ＴＳ，Ｎ
ＲＬ，ＲＤ等はデータ登録部７のデータを用い、ＴＬは
計算値を使用する。

【００４４】こうして算出したＳＥM のなかでレベルが
最大となる位置（音線Ｍと海底との交点）とソーナー間
の水平距離をＸT2として算出する（図１０参照）。

【００４５】次に、ソーナー２から入力される検出距離
（ソーナーと目標との間の距離ＲS0と航法装置４から入
力される水深ＺT0と、水温計測器３から入力される深度
に対する水温分布データとから、前述の第１の実施例に
述べたと同様な手法により、検出目標位置ＰT0を求め、
水平距離ＸT0を算出する。

【００４６】そして、船の移動に伴い、目標２が最大信
号余剰レベルとなる位置上に存在しない場合（図９）、
ビーム俯角を増加または減少方向に変化させて前述の水
平距離ＸT0とＸT2とが一致する俯角（最適ビーム俯角θ
B1）を算出する（図１０参照）。

【００４７】この第２の実施例の方式は、第１の実施例
の方式に比較して最も目標検出確率が高くなる様にビー
ム俯角を制御するので、安定した追尾が可能である。

【００４８】次に、第３の実施例について以下に説明す
る。ソーナー２から入力されるソーナー運用モード及び
ビーム俯角θB0に基づいて、データ登録部７から入力さ
れるソーナービーム幅と、水温計測器３から入力される
深度に対する水温分布とから、垂直ビーム領域（図２参
照）と音線計算を行い、更に航法装置４から入力される
水深データとから、垂直ビーム領域と海底とが交わる範
囲において、音波伝搬損失ＴＬの算出を、第２実施例と
同様にして行う。

【００４９】そして、ソーナー２から入力されるソーナ
ー運用モードに基づき、データ登録部７からの送波レベ
ル、ビーム特性、ドーム内雑音特性と、入力部６で設定
された海底質とに基づいて、データ登録部７からの海底
散乱強度と入力部６で設定された目標検出確率値と、先
の音波伝搬損失とから、先に述べた垂直ビーム領域と海
底とが交わる範囲において、信号余剰レベルの算出を行
う（図１１参照）。

【００５０】そして、信号余剰レベルが正となる（設定
された目標検出確立で目標検出が可能な場合、信号余剰
レベルが正となる）水平距離の下限ＸT3及び上限ＸT4を
求める（図１２及び図１３参照）。

【００５１】次に、ソーナー２から入力される検出距離
（ソーナーと目標間の直距離）ＲS0と航法装置４から入
力される水深ＺT0と水温計測器３から入力される深度に
対する水温分布データとから、検出目標位置ＰT0を求
め、水平距離ＸT0を算出する（図３参照）。

【００５２】船の移動に伴って、検出目標８が、信号余
剰レベルが正となる位置に存在せず（図１１参照）、船
が前進している場合には、水平距離ＸT0とＸT3とが一致
する俯角（最適ビーム俯角θB1）を算出する。船が後進
している場合は、ＸT0とＸT4とが一致する俯角（最適ビ
ーム俯角θB1）を算出する（図１２参照）。

【００５３】この第３の実施例では、ビーム俯角θB0を
ソーナー自動俯角制御装置１から出力される最適ビーム
俯角θB1に応じてθB0を自動で制御し、検出目標の自動
俯角追尾を行う。

【００５４】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明によれば、音が
垂直方向に曲って伝搬した場合にも、船の移動毎に垂直
ビーム領域を算出し、目標が中心音線または設定された
信号余剰レベルの位置になる様に最適ビーム俯角を算出
することにより、正確な自動俯角追尾が可能になるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のブロック図である。

【図２】中心音線算出概念を示す図である。

【図３】検出目標位置算出概念を示す図である。

【図４】検出目標位置及び水平距離の算出概念図であ
る。

【図５】音線の長さＬM を算出する概念図である。

【図６】第１の実施例における最適ビーム俯角算出概念
図である。

【図７】船の移動時における垂直ビーム領域と検出目標
との位置関係を示す図である。

【図８】音波伝搬損失の算出時の計算範囲を示す図であ
る。

【図９】検出目標位置と最大信号余剰レベル位置との関
係を示す図である。

【図１０】第２の実施例における最適ビーム俯角算出概
念図である。

【図１１】検出目標位置と信号余剰レベル位置との関係
を示す図である。

【図１２】第３の実施例における最適ビーム俯角算出概
念図である。

【図１３】検出目標位置と信号余剰レベル位置との詳細
関係を示す図である。

【図１４】従来のソーナー俯角制御装置のブロック図で
ある。

【図１５】従来の最適ビーム俯角算出方法の概念図であ
る。

【符号の説明】

１ ソーナー自動俯角制御装置 ２ ソーナー ３ 水温計測器 ４ 航法装置 ５ 最適ビーム俯角算出部 ６ 入力部 ７ データ登録部 ８ 検出目標

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直方向に指向性を有するビームを使用
   して海底の目標を捜索するソーナーの俯角制御装置であ
   って、ソーナーの設定俯角におけるビーム中心音線を水
   温の垂直分布を考慮しつつ算出してこの音線と海底との
   交点を求める手段と、ソーナーにより検出された目標距
   離である直距離とソーナー深度及び水深とから、水温の
   垂直分布を考慮しつつ音線計算を行い検出目標の海底位
   置を算出する手段と、前記交点と前記海底位置とが一致
   する俯角を算出してソーナーの送受信俯角制御をなす手
   段とを含むことを特徴とするソーナー俯角制御装置。
2. 【請求項２】 垂直方向に指向性を有するビームを使用
   して海底の目標を捜索するソーナーの俯角制御装置であ
   って、ソーナーにより検出された目標距離である直距離
   とソーナー深度及び水深とから、水温の垂直分布を考慮
   しつつ音線計算を行い、この算出された音線に基づくソ
   ーナービームが海底と交差する領域の前記目標に対する
   信号余剰レベルを、ソーナーの能力値と海底の反射損失
   と更には音波伝搬損失とから算出する手段と、前記直距
   離とソーナー深度及び水深とから、水温の垂直分布を考
   慮しつつ音線計算を行い目標の海底位置を算出する手段
   と、前記信号余剰レベルの最大の海底位置と検出目標の
   海底位置とが一致する俯角を算出してソーナーの送受信
   俯角制御をなす手段とを含むことを特徴とするソーナー
   俯角制御装置。
3. 【請求項３】 予め設定された検出確率に基づく信号余
   剰レベルを算出し、この信号余剰レベルが正となる遠近
   ２つの海底位置に対して、船が目標に接近するときは近
   位置と前記検出目標の海底位置とが一致する俯角を算出
   し、船が目標から離れるときは遠位置と前記目標位置の
   海底位置とが一致する俯角を算出してソーナーの送受信
   俯角制御をなす手段を含むことを特徴とする請求項２記
   載のソーナー俯角制御装置。