JPH0743444A - 空中移動物体の水中からの探知・追尾方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 探知航走体に代えて、曵航式パッシブソナー
を装備し、水中航走体の内部で空中を移動する航空機等
の移動音源の探知や追尾を可能にする空中移動物体の水
中からの探知・追尾方法を提供する。 【構成】 航空機１１の放射雑音のうち、水中に透過し
た音を水中航走体１２に接続される曵航式パッシブソナ
ー１３で受信し、その受信信号を分析して航空機１１の
機種を識別し、その航空機１１の機種に応じた放射雑音
レベルと飛行高度を仮定又は推定し、その航空機１１の
放射雑音レベルと飛行高度に基づいて水中から航空機１
１の距離と方位を推定し、航空機１１の探知・追尾を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空中を移動する航空機
等の移動音源を水中から探知・追尾する方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、以下に示すようなものがあった。図２２及び図
２３を用いて従来例の説明をする。図２２において、水
中航走体１は水中にあり、その水中航走体１は水面下に
停止あるいは進行中のままで、水面上に水中航走体１の
全部あるいは一部を露出することなく、空中を飛行して
いる飛行機３あるいはヘリコプター４等の航空機の形状
や、水中航走体１に対する位置を測定し標定する場合が
ある。

【０００３】このような場合、従来においては、探知航
走体２を水中航走体１から発射し、距離ｌだけ離れた位
置において、探知航走体２の頭部を上にして水面に浮上
させる。探知航走体２の頭部には光学カメラ５等のセン
サが配置されており、このセンサによって空中の映像を
とらえる。光学カメラ５と水中航走体１との間は光ファ
イバケーブル７により接続されており、光学カメラ５に
より撮影された空中の映像は、該光ファイバケーブル７
を介して水中航走体１に伝送される。

【０００４】図２３において、これらの関係を説明す
る。探知航走体２内には光学カメラ５及び電気／光変換
器６が設置され、一方、水中航走体１には光／電気変換
器８及びＣＲＴディスプレイ９等の表示装置が設置され
ている。そして、電気／光変換器６と光／電気変換器８
との間は光ファイバケーブル７により接続されている。
光学カメラ５の映像出力の電気信号は、電気／光変換器
６により光信号に変換され、光ファイバケーブル７によ
り水中航走体１に伝送される。水中航走体１に伝送され
た光信号は、光／電気変換器８により電気信号に再び変
換され、ＣＲＴディスプレイ９上に空中の航空機の映像
が映し出される。

【０００５】そのＣＲＴディスプレイ９上に映し出され
た空中の航空機の映像を、オペレータが確認あるいは適
当な信号処理を施すことにより、航空機の形状や水中航
走体１に対する位置を測定するようにしていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の方法では、以下のような問題点があった。 （１）空中の情報の収集を探知航走体内に設けた光学カ
メラで行っているので、空中の視界が狭く、十分な映像
情報が得られない。 （２）探知航走体は、水面上に浮遊しているので、水面
状態に影響を受け易く、例えば、波の状態によっては波
で視界が遮られたり、波の動きによって映像が揺れたり
する。

【０００７】（３）探知航走体は、光学カメラ及び電気
／光変換器等の装置を内蔵しており、それらの装置を保
持したまま水面上に浮遊している必要があるので、十分
な浮遊力を要し、そのため装置自体が大きくなる。 （４）探知航走体を発射する際、水中に雑音を発生し、
それにより探知航走体の発射が知れたり、水中航走体自
体の存在の秘匿性にも影響を及ぼす可能性がある。

【０００８】（５）探知航走体の一部が水面上に現れる
ため、探知航走体や水中航走体の秘匿性に欠ける。 （６）航空機の水中航走体に対する位置を、ＣＲＴディ
スプレイ上に映し出された空中の飛行体の映像により探
知しているので、空中飛行体との距離及び方向の精度が
十分にとれない。

【０００９】（７）探知航走体を発射させるか否かを判
断するための別の判断手段が必要である等の問題点があ
った。 本発明は、上記問題点を解決するために、上記した問題
を有する探知航走体に代えて、曵航式パッシブソナーを
装備し、水中航走体の内部で空中を移動する航空機等の
移動音源の探知や追尾を可能にする空中移動物体の水中
からの探知・追尾方法を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、空中移動物体の水中航走体による水中か
らの探知・追尾方法において、空中移動物体の放射雑音
のうち、水中に透過した音を水中航走体に接続される曵
航式パッシブソナーで受信し、その受信信号を分析して
空中移動物体の機種を識別し、その空中移動物体の機種
に応じた放射雑音レベルと飛行高度を仮定し、該放射雑
音レベルと飛行高度に基づいて水中から空中移動物体の
距離と方位を推定し、前記空中移動物体の探知・追尾を
行うようにしたものである。

【００１１】また、上記した空中移動物体の機種に応じ
た放射雑音レベルと飛行高度を仮定に代えて、放射雑音
レベルと飛行高度を距離法と周波数法の組み合わせによ
り、推定し、該放射雑音レベルと飛行高度に基づいて水
中から空中移動物体の距離と方位を推定し、空中移動物
体の探知・追尾を行うようにしたものである。

【００１２】

【作用】本発明によれば、上記したように、空中の航空
機を探知・追尾するに際し、これまでの光学カメラを設
けた探知航走体を用いた映像による探知ではなく、空中
の航空機等の発生する放射雑音が空中を通り、水面に到
達した後、更に水中を伝搬してくる透過音を、水中航走
体に装備した曵航式パッシブソナーによって受信する。

【００１３】その受信信号である受信周波数（Ｆ_i ）、
該受信周波数の音圧レベル（Ｐ_r ）、該受信周波数の到
来方位（β）、曵航式パッシブソナー深度（Ｄ）を計測
し、これに基づき、空中移動物体の機種を識別する。つ
まり、航空機はその放射雑音をスペクトル分析すると、
エンジンの基数プロペラの枚数などにより特徴が表れ
る。

【００１４】そこで、この空中移動物体の機種に対応し
た放射雑音レベルと飛行高度を仮定する。あるいは、空
中移動物体の機種に対応した放射雑音レベルと飛行高度
を距離法と周波数法の組み合わせにより推定する。次
に、この放射雑音レベルと飛行高度に基づいて水中から
空中移動物体の距離と方位を推定し、空中移動物体の探
知・追尾を行う。

【００１５】したがって、光学カメラを設けた探知航走
体に代えて、水中航走体の内部で空中を移動する航空機
等の移動音源の探知や追尾を行うことができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図を参照しな
がら詳細に説明する。図１は本発明の基本となる航空機
と水中航走体に曵航された曵航式パッシブソナーとの物
理的な関係を示す図である。図１に示すように、航空機
１１の飛行に伴う放射雑音（単に、雑音という）は、空
中を伝搬し、水面に到達する。

【００１７】空中と水中では密度が違うため、雑音の音
線はまっすぐ進まず、屈折して水中に入射し伝搬する。
伝搬した音は水中航走体１２の曵航式パッシブソナー１
３に達する。１４は水中航走体１２と曵航式パッシブソ
ナー（曵航式受波探知装置）１３とを接続するケーブル
である。ここで、 Ｐ_S ＝音源音圧レベル（放射雑音）， Ｐ_r ＝受信音圧
レベル， Ｈ＝音源高度， Ｄ＝受信深度， θ₁ ＝入射角， θ₂ ＝進入角， Ｃ₁ ＝空中音速， Ｃ₂ ＝水中音
速， ρ₁ ＝空気密度， ρ₂ ＝水の密
度， Ｒ＝音源と受信位置の水平距離 そこで、航空機１１と曵航式パッシブソナー１３間の水
平距離Ｒ及び曵航式パッシブソナー１３の受信音圧レベ
ルＰ_r は次式で与えられる。

【００１８】まず、水平距離Ｒは、図１から明らかなよ
うに、次式によって与えられる。 Ｒ＝Ｈ・ｔａｎ（θ₁ ）＋Ｄ・ｔａｎ（θ₂ ） …（１） 音波の入射角と進入角との関係は、次のスネルの法則に
従う。 〔ｓｉｎ（θ₁ ）〕／Ｃ₁ ＝〔ｓｉｎ（θ₂ ）〕／Ｃ₂ …（２） 空中音の水中における音圧は、次式で与えられる。

【００１９】 Ｐ_r ＝〔２ｃｏｓ（θ₁ ）ｒ₀ ・Ｐ_s 〕／｛Ｈ＋〔Ｄ／（Ｃ_r ・Ｃ₀ ³ ）〕｝ ^1/2 ・｛Ｈ＋〔Ｄ／（Ｃ_r ・Ｃ₀ ）〕｝^1/2 ・｛１＋［〔（ρ・Ｃ）₁ ／（ρ・ Ｃ）₂ 〕・Ｃ₀ ］｝ …（３） 但し、Ｃ_r ＝Ｃ₁ ／Ｃ₂ ，Ｃ₀ ＝ｃｏｓ（θ₂ ）／ｃｏｓ（θ₁ ） …（４） ｒ₀ ＝音圧レベル基準距離（ｒ₀ ＝ｌｍ） 図２に本発明の実施例を示すシステムのブロック図を示
す。

【００２０】この図に示すように、水中航走体１２の持
つ曵航式パッシブソナー１３は、音響信号を電気信号に
変換する受波器１５、その電気信号を増幅するための増
幅器１６、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／
Ｄ変換器１７までの入力系がｎチャネルあり、これらが
ＰＣＭ多重回路１８で多重化され、一本のケーブル１４
で水中航走体１２に伝送される。

【００２１】この水中航走体１２に伝送された信号は、
まず、ＰＣＭ復調回路２１でｎチャネルに分離され、選
択回路２２で必要なチャネルの信号のみを取り出し、整
相回路２３で整相処理を行い、信号処理回路２４でマル
チビームフォーマ処理等を行う。また、圧力センサ１９
により、受信深度Ｄが得られる。すなわち、曵航式パッ
シブソナー１３からは、次のデータを出力する。

【００２２】ａ．受信周波数（Ｆ_i ） ｂ．当該周波数の音圧レベル（Ｐ_r ） ｃ．当該周波数の到来方位（β） ｄ．ソナー深度（Ｄ） ｅ．音速（Ｃ₁ ，Ｃ₂ ）及び密度（ρ₁ ，ρ₂ ）は既知
とする。

【００２３】ここで、航空機の機種の識別について説明
する。航空機のエンジン及びプロペラの雑音を、曵航式
パッシブソナー１３で捕らえて分析し、データベースと
の照合により求める。データベースとしては、機種につ
いてのＦＦＴ分析を行い、最大レベルの周波数Ｆ_mxと相
関処理器により自己相関をとり、基本周波数ｆの高周波
次数ｎがメモリされている。

【００２４】ｎ＝Ｆ_mx／ｆ そこで、曵航式パッシブソナー１３の音響出力を処理部
において、ＦＦＴ分析回路２５により、最大レベル周波
数Ｆ_mxと、相関処理器２６で自己相関処理を行い、航空
機の雑音の基本周波数ｆを求め、ｎ＝Ｆ_mx／ｆの演算を
行い、高周波次数ｎを求める。

【００２５】ここで、求めたＦ_mx，ｆ，ｎと、データベ
ース２８のＦ_mx，ｆ，ｎを照合回路２７で比較照合し
て、機種を決定する。すなわち、航空機の機種毎に、音
紋データを記憶しておき、曵航式パッシブソナーの音響
出力に基づくデータと照合して、航空機の機種を識別す
ることができる。

【００２６】図３に、航空機１１と曵航式パッシブソナ
ー１３の座標系及び各パラメータの位置関係を示す。そ
こで、空中目標物体である航空機１１が、飛行高度
（Ｈ）（以下、単に高度という）、目標針路（γ）、目
標速度（Ｕ₀ ）、放射周波数（Ｆ₀ ）で移動すれば、曵
航式パッシブソナー１３が受信する周波数（Ｆ_i ）は、
ドプラーを伴って、次式で与えられる。

【００２７】 Ｆ_i ＝Ｆ₀ 〔Ｃ₁ ／（Ｃ₁ ＋Ｕ）〕 …（５） 但し、Ｕは音源位置から水面入射点方向の速度成分で次
式で与えられる。 Ｕ＝Ｕ_O ・ｃｏｓ（α−γ）・ｓｉｎ（θ₁ ） …（６） また、曵航式パッシブソナー１３で得られるソナー方位
βと目標方位αは一致せず、次式で与えられる。

【００２８】 ｓｉｎ（α）＝ｓｉｎ（β）／ｓｉｎ（θ₂ ） …（７） 〔Ａ〕次に、目標位置の推定法（１）について説明す
る。この目標位置の推定法は、目標物体の音圧及び高度
を仮定し、目標位置を求める方法である。 （ａ）ここで、空中の移動目標が、一定高度（Ｈ＝２５
００ｍ）で、等速直線運動（Ｕ_O ＝２００ｋｔ，γ＝−
７５度）をしていると仮定する。

【００２９】その場合、海面上に設定した座標（２次元
座標）系は、図４のとおりである。以下に扱う各パラメ
ータの単位及び常数は、次のとおりとする。 音圧基準：０ｄＢ＝１μＰａ， 距離：海里
（Ｎｍ）， 高度，深度：ｍ， 速度：ｋｔ， Ｃ₁ ＝３３０ｍ／ｓｅｃ， Ｃ₂ ＝１５０
０ｍ／ｓｅｃ， ρ₁ ＝１．０２５×１０^-3ｇ／ｃｍ³ ， ρ₂ ＝１．０
２ｇ／ｃｍ³ （ｂ）航空機（空中移動目標）１１と曵航式パッシブソ
ナー１３との相対位置関係から、目標の移動に伴って受
信音圧レベル（Ｐ_r ）、曵航式パッシブソナー方位
（β）及び同周波数（Ｆ_i ）が曵航式パッシブソナー１
３によって、時系列データとして観測される。

【００３０】受信位置は、簡単化のため移動しないもの
とする。 （ｃ）目標距離（Ｒ′）の推定 曵航式パッシブソナー１３から得られる情報は、前
記したａ〜ｅの５つの項目（６頁参照）のみで、ここで
は、目標の高度、方位、放射音圧、音波の入射角度及び
進入角は不明である。

【００３１】 そこで、上記したように、曵航式パッ
シブソナー１３の計測データと、予め記憶された音紋デ
ータとの照合により、航空機１１の機種を推定し、目標
音圧レベル（Ｐ_S ′）及び高度（Ｈ′）を仮定すると、
前記（３）式から音波入射角（θ₁ ′）及び進入角（θ
₂ ′）が求められる。したがって、音波入射角
（θ₁ ′）及び進入角（θ₂ ′）をその可変範囲内で変
化させて、その変化に対応する受信音圧（Ｐ_r ′）を前
記（３）式から求め、入力音圧（Ｐ_r ）に等しくなる音
波入射角（θ₁ ′）及び進入角（θ₂ ′）を見い出し、
前記（１）式により目標距離（Ｒ′）を求める。

【００３２】 音波入射角（θ₁ ′），進入角
（θ₂ ′）の可変範囲 図１から明らかなように、音波進入角（θ₂ ′）の可変
範囲は０〜（π／２）であり、これに対応する音波入射
角（θ₁ ′）は前記（２）式から、次により求められ
る。 θ₁ ′＝ｓｉｎ^-1〔Ｃ₁ ／Ｃ₂ ・ｓｉｎ（θ₂ ′）〕 移動する空中目標の放射周波数から目標の種類を判
別することが可能であり、それにより、目標放射音圧レ
ベルは、概略推定できるものとする。

【００３３】 仮定高度が目標距離に及ぼす影響は、
前記（１）式において音波進入角が関係しているが、そ
の最大値は１３度以下であり、図１からも分かるよう
に、距離に寄与する度合は比較的小さい。しかし、近距
離では無視できない誤差を生ずる。 （ｄ）目標方位α 通常のソナーの場合は、ソナー探知方位は目標方位と一
致するので、そのまま目標方位とすることができる。し
かし、曵航式パッシブソナーの場合は、図３に示すとお
り一致しないので、前項で求められた進入角（θ₂ ′）
及びソナー方位（β）から前記（７）式によって求めら
れる。

【００３４】（ｅ）目標の追尾 上述のように目標音圧と高度を仮定することによ
り、次の（８）式から推定目標方位（α′）、距離
（Ｒ′）及び推定目標位置（Ｘａ′，Ｙａ′）が求めら
れ、目標の追尾が可能となる。 Ｒ′＝Ｈ′・ｔａｎ（θ₁ ′）＋Ｄ・ｔａｎ（θ₂ ′） α′＝ｓｉｎ^-1〔ｓｉｎ（β）／ｓｉｎ（θ₂ ′）〕 Ｘａ′＝Ｒ′・ｃｏｓ（α′），Ｙａ′＝Ｒ′・ｓｉｎ（α′） …（８） 仮定目標音圧を目標音圧（Ｐ_S ＝１６５ｄＢ）に等
しいとして、仮定高度を目標高度（Ｈ＝２５００ｍ）の
±２５００ｍとした場合の高度変化による目標航跡及び
真の航跡の計算結果を図５に示す。

【００３５】ここで、条件としては、目標高度２５００
ｍ、目標針路−７５度、目標音圧１６５ｄＢ、受信深度
５００ｍ、仮定音圧１６５ｄＢ、仮定最低高度０ｍ、仮
定最高高度５０００ｍである。この図５に示すように、
仮定高度変化による航跡誤差は、高度誤差による影響は
比較的少なく、遠距離より近距離の方が大きい。

【００３６】次に、仮定目標高度が目標高度（Ｈ＝２５
００ｍ）に等しいとして、仮定目標音圧を目標音圧の±
５ｄＢとした場合の音圧変化による目標航跡及び真の航
跡の計算結果を図６に示す。ここで、条件としては、目
標高度２５００ｍ、目標針路−７５度、目標音圧１６５
ｄＢ、受信深度５００ｍ、仮定高度２５００ｍ、仮定最
低音圧１６０ｄＢ、仮定最高音圧１７０ｄＢである。

【００３７】この図６に示すように、仮定音圧変化によ
る航跡誤差は、音圧誤差の影響を受けて大きいが、その
航跡は目標航跡とほぼ平行である。このように、距離法
により、目標である航空機の概略位置を求めることがで
きることが明らかである。上記からして、以下のことが
言える。

【００３８】 目標運動の如何に関わらず、リアルタ
イムに目標の概略位置が簡単に求められる。このよう
に、空中移動物体の水中航走体による水中からの探知・
追尾を行うことができ、従来の方式に比べて、有利であ
る。 目標位置の推定に当り、仮定目標高度の使用により
誤差要因となっている。遠距離ではその誤差は無視し得
る程度であるが、近距離においては誤差が増大する。

【００３９】 仮定目標音圧の誤差が推定位置の大き
な誤差要因となっている。 上記に鑑みて、さらに、誤差を少なくするため、 〔Ｂ〕次に、目標位置の推定法（２）について説明す
る。この目標位置の推定法は、目標音圧レベル及び高度
を推定し、推定目標位置を求める方法である。

【００４０】（ａ）仮定目標音圧及び高度が推定目標針
路及び方位に及ぼす影響 図６から明らかなように、仮定目標音圧レベルが目
標音圧と異なっていても、推定目標針路は概ね目標針路
と平行であり、また推定目標方位も目標方位に近いこと
から目標針路及び方位が求められる。 前項と同じ方法により、目標の距離を求め適当な数
の時系列データを使用して目標針路及び方位を求め、仮
定目標音圧及び高度がその誤差に及ぼす影響を調べた結
果を図７〜図９に示す。

【００４１】図７〜図９の条件は次のとおりである。仮
定目標音圧を目標音圧の±５ｄＢに設定し、１秒間隔の
時系列データから目標の距離、方位を求め、１０個のデ
ータから目標針路を計算し、その針路を代表方位とし、
その中心方位による目標位置、針路（γ）誤差及び方位
（α）誤差を表示している。

【００４２】図７は、仮定高度を目標高度に等しく２５
００ｍに設定。図８は、仮定高度を１５０ｍに設定。図
９は、仮定高度を５０００ｍに設定。図７から図９にお
ける他の条件は、目標高度２５００ｍ、目標針路−７５
度、目標音圧１６５ｄＢ、受信深度５００ｍ、仮定最低
音圧１６０ｄＢ、仮定最高音圧１７０ｄＢである。図７
〜図９から次のことが分かる。

【００４３】目標方位誤差は仮定目標音圧及び高度の誤
差にかかわらず、概ね０．５度以内のほぼ同じ値であ
り、殆ど誤差なく求められている。目標針路誤差は、仮
定目標高度に大きな誤差を含む場合、誤差が大きくなっ
ているが、それでも最大４度以内である。 以上より、仮定目標音圧及び高度を使用して、目標
針路及び方位を推定しても大きな誤差要因にならない。
また、高低の仮定目標音圧範囲が目標音圧を含むように
適切に設定すれば、真の目標位置は、仮定目標音圧に対
応する推定目標距離の範囲内に存在する。

【００４４】（ｂ）目標速度及び放射周波数 目標速度は２つの方法によって求めることができる。１
つは前項の時系列データから得られる目標位置から適当
なデータ数を使用し、目標の移動距離から求められる。
この方法は、仮定目標音圧に比例して速度が大きく変動
する特徴があり、距離を利用することから距離法と呼
ぶ。

【００４５】その他は、目標の受信周波数の変化を利用
し、前記（５）式において、Ｆ₀ 及びＵ₀ を常数として
求める方法である。この方法は、仮定目標音圧の変化に
対し変動の少ない速度が得られる特徴があり、周波数を
利用することから周波数法と呼ぶ。 距離法 図７〜図９に示されるように、目標航跡が時系列データ
として求められるので、適当な数の時系列データを使用
することにより、その間の目標の移動距離及び時間か
ら、単純に目標速度が得られる。また、目標の速度、方
位及び音波入射角が求められているので、前記（５）及
び（６）式より目標の放射周波数も求めることができ
る。

【００４６】ここで、目標速度は次のように求められ
る。 仮定データ：Ｐ_S ′，Ｈ′ 入力データ：Ｄ，Ｐ_r ，β より前項の目標距離の推定法における前記（８）式から
時系列データＰ_r ，βに対応する目標位置（Ｘａ′，Ｙ
ａ′）が求められる。

【００４７】次いで、目標速度（Ｕ₀ ′）及び針路
（γ′）は、使用する時系列データ数をＮＤ個、時間間
隔をＴ_i とすると、単純に次のように求める。 Ｕ₀ ′＝〔（Ｘａ₁ ′−Ｘａ_ND′）² ＋（Ｙａ₁ ′−Ｙａ_ND′）² 〕^1/2 ／〔 Ｔ_i （ＮＤ−１）〕 γ′＝ｔａｎ^-1〔（Ｘａ₁ ′−Ｘａ_ND′）／（Ｙａ₁ ′−Ｙａ_ND′）〕 …（９） 目標放射周波数は、前記（５）式を次のように変更し
て、上記で求められた各値から求められる。

【００４８】 Ｆ₀ ＝Ｆ_i 〔１＋（Ｕ₀ ′／Ｃ₁ ）・ｃｏｓ（α′−γ′）・ｓｉｎ（θ₁ ′ ）〕 …（１０） この方法によって求められる目標速度及び周波数は、仮
定目標音圧の変化に対し、図７〜図９に示す目標航跡か
らも分かるように大きく変動する。 周波数法 移動目標からの受信周波数（Ｆ_i ）は、前記（５）式及
び（６）式によって与えられる。この両式により、目標
の放射周波数、針路、速度、方位、入射角及び空中音速
によって決まる周波数が受信される。これら各項目のう
ち、目標の速度と放射周波数は、使用する時系列データ
の時間内では、一定値と考えられる。目標の移動速度が
早い場合、比較的強いドプラー及び方位変化を観測する
ことができることから、時系列データとしての受信周波
数及び方位は、有意な変化をすると考えられる。

【００４９】時系列データとして得られる受信周波数
（Ｆ_i ）及び前項の目標方位（α′）、目標針路
（γ′）から前記（５）式及び（６）式によって原理的
に２個の時系列データから、目標速度（Ｕ₀ ′′）及び
同放射周波数（Ｆ₀ ′′）を求めることができる。この
方法によって、求められた目標速度及び目標針路は、仮
定目標音圧及び高度の変化に対して、変動する要素は目
標針路、方位及び音波入射角である。仮定目標音圧及び
高度の変化によるこれらの値の変動の模様を図１０〜１
２に示す。

【００５０】図１０は、仮定高度を目標高度に等しく２
５００ｍに設定。図１１は、仮定高度を１５０ｍに設
定。図１２は、仮定高度を５０００ｍに設定。図１０か
ら図１２における他の条件は、目標高度２５００ｍ、目
標針路−７５度、目標音圧１６５ｄＢ、受信深度５００
ｍ、仮定最低音圧１６０ｄＢ、仮定最高音圧１７０ｄＢ
である。

【００５１】図１０〜１２から分かるように、目標針路
と方位の角度差（α−γ）及び音波入射角（θ₁ ）の誤
差は、それぞれ最大４度と０．１度程度である。したが
って、ここで得られる目標速度及び放射周波数は、仮定
音圧の変化に対して距離法で求められるこれらの値と異
なり、変動は極めて少ないものになる。目標速度及び放
射周波数の求め方は次のとおりである。

【００５２】放射周波数Ｆ₀ 及び目標速度Ｕ₀ は一定値
と考えられるので、前記（５）式の変数を推定して、Ｆ
₀ ，Ｕ₀ について線形に変形する。 Ｆ₀ ′′／Ｆ_i ＝１＋（Ｕ／Ｃ₁ ）＝１＋（Ｕ₀ ′′／Ｃ₁ ）・ｃｏｓ（α′ −γ′）・ｓｉｎ（θ₁ ′）＝１＋（Ｕ₀ ′′／Ｃ₁ ）・ζｉ …（１１） 但し、ζｉ＝ｃｏｓ（α′−γ′）・ｓｉｎ（θ₁ ′） ここで、Ｆ_i は受信周波数、ζ_i は目標位置によって決
まる変数であり、時系列データとして距離法から求めら
れる。

【００５３】いま、前記（１１）式に最小自乗法を適用
すると、Ｆ₀ ′′，Ｕ₀ ′′は、次のように求められ
る。 Ｆ₀ ′′＝１／Ａ・〔Σζ_i ・Σ（ζ_i ／Ｆ_i ）−Σζ_i ² ・Σ（ζ_i ／Ｆ_i ）〕１／Ｃ² Ｕ₀ ′′＝１／Ａ・〔Σζ_i ・Σ（１／Ｆ_i ² ）−Σ（ζ_i ／Ｆ_i ）・Σ（１ ／Ｆ_i ）〕 但し、Ａ＝１／Ｃ₁ ・［〔Σ（ζ_i ／Ｆ_i ）〕² −Σζ_i ² ・Σ（ζ_i ／Ｆ_i ² ）］ …（１２） （ｃ）目標音圧レベルの推定 目標高度を適当に仮定し、仮定目標音圧レベルを目標音
圧を含む適当な範囲で変化させ、前項の距離法と周波数
法で求められる目標の速度または放射周波数を比較し、
両者の値が一致した仮定目標音圧レベルが、仮定目標高
度に対する推定目標音圧となる。

【００５４】音圧推定過程の例を図１３〜図１５に示
す。速度の一致度は、速度差の自乗和（Ｆ₀ ′−
Ｆ₀ ′′）² の最小値で求めている。本例の条件は、目
標初期位置をＸ_i ＝３Ｎｍ，Ｙ_i ＝１Ｎｍとし、データ
間隔を１秒、使用データ数を１０個とし、他の条件は今
までの例と同様である。

【００５５】図１３は、仮定目標高度が目標高度（２５
００ｍ）と等しい場合。推定目標音圧は、目標音圧に等
しい。図１４は、仮定目標高度を１５０ｍとした場合。
推定目標音圧は、目標飛行音圧に比べて１ｄＢ高い。図
１５は、仮定高度を５０００ｍとした場合。推定目標音
圧は、目標音圧に比べて１．５ｄＢ低い。

【００５６】なお、図１３〜図１５における他の条件
は、目標初期位置（Ｘ，Ｙ）はそれぞれ３．０，１．０
（Ｎｍ）、目標高度２５００ｍ、目標針路−７５度、目
標速度２００ｋｔ、目標音圧１６５ｄＢ、受信深度５０
０ｍ、仮定最低音圧１６０ｄＢ、仮定最高音圧１７０ｄ
Ｂ、音圧変化範囲１０ｄＢ、使用データ数１０、データ
間隔１秒、〇印は距離法、×印は周波数法である。

【００５７】以上から、推定目標音圧レベルに誤差があ
ると、推定距離に誤差を生じるため、目標高度の推定が
できることが望まれる。 （ｄ）目標高度の推定 上記〔Ｂ〕（ａ）項で述べた仮定目標高度誤差が
推定目標針路に及ぼす影響は、図７の仮定目標高度が目
標高度に等しいときは、推定針路に誤差を与えていない
が、図８，図９の仮定目標高度に誤差がある時は、推定
針路に誤差を与えている。受信音圧を与える前記（３）
式は、高度に関して線形でない。

【００５８】したがって、目標が直線運動している場
合、推定目標高度が目標高度に一致している場合は、推
定目標航跡は直線で求められるが、推定目標高度に誤差
がある場合には、推定目標航跡は直線とならない。目標
高度の推定には、この非直線性を利用して、目標航跡の
直線度の高い仮定目標高度を推定目標高度とすることで
求められる。

【００５９】 目標高度を含む仮定目標高度範囲を変
化させ、時系列データを利用した距離法で求められる推
定目標位置から、目標の推定航跡を表す回帰直線を最小
自乗法により求め、その残差平方和の最小値を取る仮定
目標高度を推定高度とする。その方法は次のとおりであ
る。前項の距離法と同様に、時系列データに対応するＸ
ａ′またはＹａ′を使用し、時間ｔの関数として回帰直
線を求める。この理由は、目標の直線移動に対し、変数
として誤差のない時間の関数としたほうが、残差平方和
に差が出やすいためである。この際、Ｘａ′かＹａ′何
れでも構わないが、変化の多いほうを使用する。ここで
は、Ｙａ′を使用した例について述べる。推定する目標
の回帰直線を次のようにおけば、 Ｙａ′′＝ａ・ｔ＋ｂ …（１３） 良く知られているように、

【００６０】

【数１】

【００６１】ここで、Ｓｔｙ及びＳｙ、ＳｔはＹａ′及
びｔの共分散及び分散である。前記（１３）式の適合度
を計る残差平方和（δ）は次のとおりである。 δ＝Σ（Ｙａ′−Ｙａ′′）² 図１６〜１８に前述の推定目標音圧とこの方法によ
る高度推定過程とその結果を示す。残差平方和（δ）は
航跡の直線度として図に表示している。

【００６２】図１６は高度初期値を目標高度と等しく２
５００ｍに設定した場合。図１７は高度初期値を１５０
ｍとした場合。図１８は高度初期値を５０００ｍとした
場合。なお、図１６〜図１８における他の条件は、目標
初期位置（Ｘ，Ｙ）はそれぞれ３．０，１．０（Ｎ
ｍ）、目標高度２５００ｍ、目標針路−７５度、目標速
度２００ｋｔ、目標音圧１６５ｄＢ、受信深度５００
ｍ、仮定最低音圧１６０ｄＢ、仮定最高音圧１７０ｄ
Ｂ、音圧変化範囲１０ｄＢ、使用データ数１０、データ
間隔１秒、〇印は距離法、×印は周波数法である。図１
６を除き、推定目標音圧レベルは、約１ｄＢ変化した結
果を示しているが、その推定音圧を用いて高度を求めた
結果を図１７（ｂ）、図１８（ｂ）に示す。

【００６３】図に示されているように、目標高度が良く
推定されている。次に、推定された目標高度を使用し、
再度目標音圧を求めれば、目標音圧は図１６に示すよう
に推定される。 （ｅ）目標の追尾 目標は、前記した目標位置の推定法（１）（７頁参
照）で設定した条件により空中を移動するものとし、上
述のように目標音圧及び高度の変化範囲を仮定し、ソナ
ーから出力される時系列データを利用して目標を追尾す
る例を図１９に示す。目標は（Ａ）点から（Ｂ）点に向
かって移動し、ソナーは２秒間隔でデータを出力し、そ
の時系列データから１０個毎に区切ったデータを使用し
て、推定目標音圧、高度及び速度を求めその値を破線で
示す。また、推定目標位置を表す（〇）印は、図上で錯
綜するので４秒間隔で表示している。

【００６４】なお、図１９における条件は、航空機初期
位置（Ｘ，Ｙ）はそれぞれ５．０，１．０Ｎｍ、航空機
高度２５００ｍ、航空機針路−７５度、航空機速度２０
０ｋｔ、航空機音圧１６５ｄＢ、潜水艦深度５００ｍ、
仮定高度初期値１５０ｍ、仮定最低音圧１６０ｄＢ、仮
定最高音圧１７０ｄＢ、音圧変化範囲１０ｄＢ、仮定最
低高度１０００ｍ、仮定最高高度６０００ｍ、使用デー
タ数１０、データ間隔２秒、プロット間隔４秒である。

【００６５】最初の処理で得られた推定目標高度は、次
回以降の仮定高度として使用して、最初と同様に求めて
いる。（Ａ）点及び（Ｂ）点近傍の遠距離では、推定目
標音圧及び高度に誤差を生じているが、前者は受信周波
数に、後者は目標航跡の直線度に有意な変化が得られな
い結果であるが、少々の高度誤差は、推定目標位置に大
きな影響を与えていないことが示されている。

【００６６】上記からして、以下のことが言える。 （i)目標音圧及び高度が推定できるため、正確な追尾が
可能である。 （ii) 主に遠距離において、受信周波数及び仮定高度の
変化に対する目標航跡の直線度に有意な変化がない時
は、目標音圧及び高度の推定ができないため、正確な目
標の推定位置は求まらない。目標の音圧、高度及び速度
の推定中の目標の移動は、等高度等速直線運動に限定さ
れる。

【００６７】このように、受信周波数に有意な変化が得
られない条件下では、目標音圧の推定ができない。この
ような場合、図６にあるように目標音圧を仮定して、目
標の位置を推定できるが、音圧は僅かな誤差でも大きな
距離誤差を生ずるので適切でない。図１６の例では、音
圧の１０ｄＢの変化に対して速度は約１２０ｋｔ、すな
わち、１ｄＢで約１２ｋｔの変化である。空中を移動す
る目標の速度は、概ね巡航速度が一般的であり、頻繁に
速度を変化することはあまりない。

【００６８】したがって、仮定目標速度に２０ｋｔの誤
差があったとしても、目標音圧の誤差は、約１．７ｄＢ
である。以上のように、目標速度を仮定することによ
り、目標音圧及び高度を推定することができ、推定目標
位置は仮定目標速度の誤差から生ずる位置誤差を含んで
いても、リアルタイムで目標を追尾することができる。

【００６９】このような目標追尾の過程において、有意
な受信信号の変化が得られる条件になった時、目標音圧
及び高度の推定が可能となる。図１９と同じ条件で、有
意な受信周波数の変化及び航跡の直線度が得られない条
件から有意な受信信号の変化が得られる過程を示すため
に、受信信号周波数の分解能を下げ遠距離で有意な信号
が得られない条件を付加した例を図２０及び図２１に示
す。

【００７０】仮定目標速度を図２０では２２０ｋｔ、図
２１では１８０ｋｔと設定して目標の位置を求めてい
る。図２０と図２１とも、推定目標速度が得られていな
いＡ点とＢ点の近傍では、仮定目標速度に対応した目標
位置に誤差を生じているが、距離が接近し、受信周波数
に有意な変化が表れ始めると、目標放射音圧及び高度を
推定している過程を示している。

【００７１】以上のように、本推定法に基づいて、目標
の放射音圧レベル、高度及び速度が推定されると、その
後の目標位置の推定にはこれらの諸推定値を使用し、目
標の略一定高度の如何なる運動についても、リアルタイ
ムに目標の追尾が可能となる。この間に、目標の諸条件
に変動を生じた場合、推定位置に大きな誤差を生ずる
が、受信音圧レベル、周波数及び方位の変化状況を監視
することにより、目標の条件変化を確認できることか
ら、改めて諸値の推定を行い、追尾を継続することが可
能である。

【００７２】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能で
あり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００７３】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、曵航式パッシブソナーにより、受信周波数（Ｆ
_i ）、該受信周波数の音圧レベル（Ｐ_r ）、該受信周波
数の到来方位（β）、ソナー深度（Ｄ）を計測する。次
に、その計測した周波数の分析から、空中の移動目標の
機種（例えば航空機の機種）を識別し、この機種が分か
ると、目標の放射雑音の音源レベルと高度を仮定するこ
とができる。

【００７４】このように、水中での実測データと仮定デ
ータから、空中の移動目標までの距離（Ｒ）と目標方位
（α）が推定でき、移動目標の追尾が可能となる。ま
た、音源レベルと高度は、距離法と周波数法との組み合
わせにより、推定することができる。その場合、周波数
法において、受信周波数に有意な変化が得られない場合
は、目標速度のチェックを行い、補完することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本となる航空機と水中航走体に曵航
された曵航式パッシブソナーとの物理的な関係を示す図
である。

【図２】本発明の実施例を示すシステムのブロック図を
示す。

【図３】本発明の実施例を示す航空機と曵航式パッシブ
ソナーの座標系及び各パラメータの位置関係を示す図で
ある。

【図４】本発明の実施例を示す空中の移動目標と曵航式
パッシブソナーの経時的位置を示す図である。

【図５】本発明の仮定高度を目標高度（Ｈ＝２５００
ｍ）の±２５００ｍとした場合の高度変化による目標航
跡及び真の航跡の計算結果を示す図である。

【図６】本発明の仮定目標高度が目標高度（Ｈ＝２５０
０ｍ）に等しいとして、仮定目標音圧を目標音圧の±５
ｄＢとした場合の音圧変化による目標航跡及び真の航跡
の計算結果を示す図である。

【図７】本発明の仮定高度を目標高度と等しく２５００
ｍに設定した場合の目標方位と針路の誤差を示す図であ
る。

【図８】本発明の仮定高度を１５０ｍに設定した場合の
目標方位と針路の誤差を示す図である。

【図９】本発明の仮定高度を５０００ｍに設定した場合
の目標方位と針路の誤差を示す図である。

【図１０】本発明の仮定高度を目標高度と等しく２５０
０ｍに設定した場合の音波入射角、方位と針路差の誤差
を示す図である。

【図１１】本発明の仮定高度を１５０ｍに設定した場合
の音波入射角、方位と針路差の誤差を示す図である。

【図１２】本発明の仮定高度を５０００ｍに設定した場
合の音波入射角、方位と針路差の誤差を示す図である。

【図１３】本発明の高度初期値を目標高度と等しく２５
００ｍに設定した場合の入力データと目標音圧の推定を
示す図である。

【図１４】本発明の高度初期値を１５０ｍに設定した場
合の入力データと目標音圧の推定を示す図である。

【図１５】本発明の高度初期値を５０００ｍに設定した
場合の入力データと目標音圧の推定を示す図である。

【図１６】本発明の高度初期値を目標高度と等しく２５
００ｍに設定した場合の目標音圧と高度推定を示す図で
ある。

【図１７】本発明の高度初期値を１５０ｍに設定した場
合の目標音圧と高度推定を示す図である。

【図１８】本発明の高度初期値を５０００ｍに設定した
場合の目標音圧と高度推定を示す図である。

【図１９】本発明の推定目標航跡を示す図（その１）で
ある。

【図２０】本発明の推定目標航跡を示す図（その２）で
ある。

【図２１】本発明の推定目標航跡を示す図（その３）で
ある。

【図２２】従来の空中を移動する物体の水中から探知・
追尾する方法の説明図である。

【図２３】従来の空中を移動する物体の水中から探知・
追尾するためのシステムのブロック図である。

【符号の説明】

１１ 航空機 １２ 水中航走体 １３ 曵航式パッシブソナー １４ ケーブル １５ 受波器 １６ 増幅器 １７ Ａ／Ｄ変換器 １８ ＰＣＭ多重回路 １９ 圧力センサ ２１ ＰＣＭ復調回路 ２２ 選択回路 ２３ 整相回路 ２４ 信号処理回路 ２５ ＦＦＴ分析回路 ２６ 相関処理器 ２７ 照合回路 ２８ データベース

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空中移動物体の水中航走体による水中か
   らの探知・追尾方法において、（ａ）空中移動物体の放
   射雑音のうち、水中に透過した音を水中航走体に接続さ
   れる曵航式パッシブソナーで受信し、（ｂ）該受信信号
   を分析して空中移動物体の機種を識別し、（ｃ）該空中
   移動物体の機種に応じた放射雑音レベルと飛行高度を仮
   定し、（ｄ）該放射雑音レベルと飛行高度に基づいて水
   中から空中移動物体の距離と方位を推定し、（ｅ）前記
   空中移動物体の探知・追尾を行うことを特徴とする空中
   移動物体の水中からの探知・追尾方法。
2. 【請求項２】 空中移動物体の水中航走体による水中か
   らの探知・追尾方法において、（ａ）空中移動物体の放
   射雑音のうち、水中に透過した音を水中航走体に接続さ
   れる曵航式パッシブソナーで受信し、（ｂ）該受信信号
   を分析して空中移動物体の機種を識別し、（ｃ）該空中
   移動物体の機種に応じた放射雑音レベルと飛行高度を距
   離法と周波数法との組み合わせにより推定し、（ｄ）前
   記放射雑音レベルと飛行高度に基づいて水中から空中移
   動物体の距離と方位を推定し、（ｅ）前記空中移動物体
   の探知・追尾を行うことを特徴とする空中移動物体の水
   中からの探知・追尾方法。
3. 【請求項３】 前記周波数法において、受信周波数に有
   意な変化が得られない場合は、目標速度のチェックを行
   うことを特徴とする請求項２記載の空中移動物体の水中
   からの探知・追尾方法。
4. 【請求項４】 前記曵航式パッシブソナーの受信信号は
   受信周波数（Ｆ_i ）、該受信周波数の音圧レベル
   （Ｐ_r ）、該受信周波数の到来方位（β）、前記曵航式
   パッシブソナー深度（Ｄ）である請求項１又は２記載の
   空中移動物体の水中からの探知・追尾方法。