JPH075257A

JPH075257A - ソナー・システム

Info

Publication number: JPH075257A
Application number: JP6031643A
Authority: JP
Inventors: E Theodore Bick; イー・セオドア・ビック; Scott D Carter; スコット・ディー・カーター; Bradford W Edgerton; ブラッドフォード・ダブリュー・エッジャートン; Cheryl A Suglia; チェリル・エイ・スグリア
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1994-03-01
Publication date: 1995-01-10
Also published as: EP0619501A3; US5309408A; EP0619501A2; US5400300A; KR940022105A

Abstract

(57)【要約】【目的】安全な船の航行を脅かす海底の航行危険物の事
前の警告を行うシステムを提供する。【構成】本システムは、船上で前方監視方向に搭載する
ためのソナー送受信機１６を含む。プロセッサ４２は、
前記ソナー送受信機により生成されるソナー反射波に応
答して、船１０の航路前方における海底領域のソナーが
生成する勾配輪郭を生じる。メモリー４０が、船の前方
における海底領域の勾配輪郭を記憶し、この輪郭は海図
深度データから生成される。記憶された海図深度データ
が生じる勾配輪郭は、ソナー反射波が生じる勾配輪郭と
比較されて、ソナーが生じる勾配輪郭と海図に示された
深度データの勾配輪郭とが相互に一致するかどうかを決
定する。海底領域におけるソナー反射波が生じる勾配輪
郭が予め定めた閾値レベル（あり得る前方の海底危険物
を識別するように選定）より大きく、かつかかる領域の
海図深度データが生じる輪郭がこのあり得る危険物を表
示しなければ、異常が識別されてかかる異常を示す信号
が生成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ソナー・システムに関
し、特に外洋航行船の船体を損傷し得る海底の危険物の
検出および回避を助けるためのソナー・システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】当技術において周知のように、暗礁その
他の海底の危険物の回避における主要な航行補佐手段と
して海図に示された深度データが用いられる。時に、こ
の海図に示された深度情報は時間と共に変化するが、こ
れは地球の変動が前の海図には示されない新たな危険物
を生じることがあるためである。このため、今日の海中
の危険物回避技術は、海底のオンボード・ソナー・マッ
ピングにより補足される。今日のソナー・イメージ形成
法は、垂直方向あるいは略々垂直方向の深度測定を用い
る時、海底の輪郭の高い解像度を提供する。しかし、大
型の外洋航行船舶、特に新しい巨大な油タンカーの出現
により、速度を落とすかあるいは航路を変更するために
要求される時間間隔が比較的長くなる故に、前方の航行
上の危険物の早期の警報が要求される。

【０００３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、安全な
船舶の通行を脅かす海中の航行上の危険の事前の警報を
行うシステムが提供される。本システムは、船上の前方
監視方向に取付けることができるソナー送受信機（ソナ
ー送信機／受信機）を含んでいる。ソナー送受信機によ
り生じるソナーの反射信号に応答して、プロセッサが、
船舶の航路の前方における海底のある領域のソナーが生
じる勾配輪郭を発生する。図化されたデータが生じる勾
配（スロープ）の輪郭（プロファイル）は、図化に示さ
れた深度データから生成される。この海図に示された深
度データが生じる勾配の輪郭は、ソナーの反射信号が生
じる勾配の輪郭と比較されて、ソナーが生じる勾配の輪
郭と図化された深度データの勾配の輪郭が相互に一致す
るかどうかを決定する。海底のある領域におけるソナー
の反射信号が生じる勾配の輪郭が予め定めた閾値レベル
（あり得る前方の海中の危険を識別するため選定され
る）より大きく、かつこの領域の図化された深度データ
が生じる輪郭がこのあり得る危険を示さなければ、異常
が識別されこの異常を示す信号が生成される。

【０００４】本発明の望ましい実施態様において、本シ
ステムは略々平坦な海底を持つ海洋からのソナーの反射
信号におけるエネルギを推定する。次にソナーの反射信
号におけるエネルギは、推定された平坦な海底エネルギ
により正規化されて危険な高い勾配の海底の輪郭領域の
識別を強化する。

【０００５】本発明の概念のより完全な理解のため、次
に図面を参照する。

【０００６】

【実施例】まず図１において、船１０が１つの水域１２
を航行する状態で示される。この船１０は、船上に衝突
防止ソナー・システム１４を搭載している。このシステ
ム１４は、船１０の安全な通行を脅かす海中の航行上の
危険、特に浅い（即ち、１０乃至２０ファゾム；約１８
乃至３６ｍ）海中の危険の事前の警報を行う。本システ
ム１４は、図示の如く、船１０の前方位置に置かれたソ
ナー送受信機セクション１６を含む。また図２におい
て、前記送受信機セクション１６は、キャビテーション
を生じることなく高レベルのソナー圧力を生じることが
できるように、水域１２の表面２２（図１）の下方の充
分な距離の船１０の船体セクション１９に取付けられた
通常の送受信トランスジューサのアレイ１８、本例では
円筒状アレイを含む。このため、ソナー送受信機１６
は、外洋航行船舶、本例では船１０上で前方監視方向２
１（図１）に搭載するようになっている。本システム１
４は、ピング（ｐｉｎｇ）トリガー・パルスを線２５を
介して従来のソナー送信機波形および（反転）ビーム形
成コンピュータ２０へ送出するためのディジタル・コン
ピュータ２４を含む。コンピュータ２０により生じるデ
ィジタル信号は、周知の方法で、アナログ／ディジタル
・コンバータ（図示せず）によりアナログ信号に変換さ
れ、この変換されたアナログ信号は電力増幅器（図示せ
ず）により増幅され、この増幅された信号は送受信切換
え（スイッチ）ネットワーク２３へ送られる。各ピング
トリガー信号に応答して、送信機波形および（反転）ビ
ーム形成コンピュータ２０が、線２１に電気パルスを送
信して最初に送受信（Ｔ／Ｒ）切換えネットワーク２３
を送信モードに置く。このため、周知のように、送信モ
ードでは、送信機波形および（反転）ビーム形成コンピ
ュータ２０の出力が送受信トランスジューサ１８のアレ
イ１８に接続されて、ソナー・エネルギのピングが水域
１２に対して送出されるようにする。その後、線２１上
の信号が変化し、Ｔ／Ｒ切換えネットワーク２３が受信
モードに置かれる。このように、周知のように、受信モ
ードにおいては、送受信トランスジューサ・アレイ１８
が増幅器２６およびアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）・
コンバータ２７を介して通常の受信ビーム形成ネットワ
ーク２９に接続される。受信ビーム形成ネットワーク２
９は、周知の方法で、船１０の前方で９０°（即ち、バ
ウライン３６の両側に４５°）の扇形領域３２を網羅す
るように配置された複数の、本例では例えば９つの同時
に存在する受信ビーム３０₁〜３０₉を生じる。（９つよ
り多数のビーム、例えば、平面トランスジューサ・アレ
イが使用される場合には、例えば１２ビーム）が望まし
いことを理解すべきである。）このため、ビーム３０₁
〜３０₉の各々が異なる角度方向を持つ。本例では、９
つのビーム３０₁〜３０₉の中心線が、それぞれ、船１０
のバウライン３６からの角度的偏差、即ち、θ₁＝−４
０°、θ₂＝−３０°、θ₃＝−２０°、θ₄＝−１０
°、θ₅＝０°、θ₆＝＋１０°、θ₇＝＋２０°、θ₈＝
＋３０°、およびθ₉＝＋４０°を有する。各ビームの
水平方向のビーム幅は、本例では、１０°（即ち、ビー
ム中心線の回りに±５°）である。ビーム３０₁〜３０₉
の中心線は、水域の表面と略々平行である。送信される
音響電力は、本例では、１０，０００ワット程度であ
る。

【０００７】ディジタル・コンピュータ２４（図２）
は、全てが周知の方法で配置されたプログラム即ち命令
メモリー４０と、プロセッサ４２と、データ・メモリー
４４とを含む。本例では、ディジタル・コンピュータ２
４は、ＳｉｌｉｃｏｎＧｒａｐｈｉｃｓ社のワークス
テーション・モデル４Ｄ−３５である。プログラム・メ
モリー４０は、以下に述べる方法でプロセッサ４２によ
り実行される１組のコンピュータ命令を記憶する。プロ
セッサ４２は、以下に詳細に述べるように、この命令に
応答して、データ・メモリー４４の１つ、あるいは１つ
以上の記憶場所に記憶されたデータを処理して、処理さ
れたデータをデータ・メモリー４４の１つ、または１つ
以上の記憶場所に記憶する。（データ・メモリー４４の
全ての記憶場所が数字の表示が与えられのではないこと
に注意すべきであり、データ・メモリー４４において、
プロセッサ４２が本文に述べる種々の要求される計算、
比較および処理を行うのに充分なメモリーが使用可能で
あると理解される。）しかし、ここでは、ソナー送受信
機１６により生じるソナー反射信号、大域（グローバ
ル）標定システム（ＧＰＳ）４５により供給される船１
０の大域位置情報（Ｘ，Ｙ）、船のジャイロ・コンパス
４６により与えられる北に対する船１０の指向情報β、
およびプログラム・メモリー４０に記憶された命令に応
答して、プロセッサ４２が、船１０の航路前方における
扇形領域３２の海底４８（図１）の勾配のソナー生成デ
ータ（即ち、エコー反射信号が生じるデータ）プロファ
イルを計算すると言えば充分であろう。（即ち、受信ビ
ーム３０₁〜３０₉により網羅される扇形領域３２）即
ち、プロセッサ４２は、ソナーの反射信号データに基く
船の航路前方における海底４８の領域のソナー・データ
が生じる勾配の輪郭を生じる。このソナーが生じる勾配
データは、以下に述べるように、データ・メモリー４４
のソナー・データ勾配記憶場所４９に記憶される。しか
し、ここでは、扇形領域３２におけるクラスタまたは領
域が比較的大きな危険の可能性のある勾配の輪郭を持つ
ものとして識別されると言えば充分である。

【０００８】図化された（海図に示された）深度メモリ
ー５０が、船１０の大域位置（Ｘ，Ｙ）の関数として海
図に示された海底深度情報を記憶するために設けられ
る。海図に示された海底深度情報は、船１０の航海に先
立ち海図に示された深度メモリー５０にロードされる。
このようなデータベースは、米国大洋大気庁（Ｎａｔｉ
ｏｎａｌＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｉｃａｎｄＡｔ
ｍｏｓｐｈｅｒｉｃＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ；
ＮＯＡＡ）または米国国防地図庁（ＤｅｆｅｎｃｅＭ
ａｐｐｉｎｇＡｇｅｎｃｙ；ＤＭＡ）から入手可能な
紙の海図を以下に述べる形態のディジタル情報に変換す
ることにより生成される。しかし、ここでは、船の大域
位置（即ち、Ｘ，Ｙ）に応答して、大域標定システム５
０により提供される如き情報、即ち、船１０の前方にお
ける扇形領域３２の海図に示された深度情報がプロセッ
サ４２により海図に示された深度メモリー５０から読出
されると言えば充分である。この読出された海図に示さ
れた深度情報および船１０の方位βに応答して、プロセ
ッサ４２は、扇形領域３２における海底４８（図１）の
海図に示された深度データが生じる勾配の輪郭を計算す
る。即ち、海図に示された深度データに基く船１０の前
方における海底４８の扇形領域３２の勾配の輪郭であ
る。このような計算された海図に示された深度データが
生じる勾配の輪郭は、データ・メモリー４４の記憶場所
５２に記憶される。

【０００９】プロセッサ４２は、プログラム・メモリー
４０に記憶された命令に応答して、記憶された海図に示
されたデータが生じる勾配の輪郭情報を、ソナー・デー
タ勾配記憶場所４９に記憶されたソナーが生じる勾配の
輪郭情報と相関させまたは比較して、後者の勾配の輪郭
が前者の勾配の輪郭と一致するかどうかを決定する。も
しこれらが相関付けられなければ（即ち、一方が他方と
一致しなければ）、異常が識別され船１０は警戒態勢に
入らねばならない。コンピュータ２４により生じた情報
はディスプレイ５１へ送られる。

【００１０】更に、送信された各ソナーピングに応答し
て、周知の方法でエコー反射波が受信されてアレイ１８
により電気信号に変換される。Ｔ／Ｒ切換えネットワー
ク２３、増幅器２６、Ａ／Ｄコンバータ２７を通過する
電気信号は、受信ビーム形成コンピュータ２９により周
知の方法で組合わされて線５４₁〜５４₉上にディジタル
・ワードを生じる。次に、周知のように、線５４₁〜５
４₉上のディジタル化信号のエンベロープはそれぞれ、
船１０の舳先１９から測定された距離（レンジ）ｒの関
数として、ビーム３０₁〜３０₉により受信されるソナー
の反射波の強さＩ（ｒ，θ₁）〜Ｉ（ｒ，θ₉）を表わ
す。このように、９つのビーム３０₁〜３０₉の各々に対
して、９シリーズのディジタル・ワードが生成される。
各シリーズにおけるディジタル・ワードの各々が、船１
０の舳先１９からの対応する距離ｒにおけるエコー反射
信号の強さを表わす。本例では、７６の距離サンプルが
ビーム３０₁〜３０₉の各々に対する距離ｒ₁乃至ｒ₇₆と
対応する。線５６₁における一連のディジタル・ワード
Ｉ（ｒ₁，θ₁）〜Ｉ（ｒ₇₆，θ₉）乃至線５６₉における
一連のディジタル・ワードＩ（ｒ₁，θ₉）〜Ｉ（ｒ₇₆，
θ₉）が、それぞれ図示の如く、データ・メモリー４４
へ送られる。

【００１１】次に図３および図４において、ディジタル
・コンピュータ２４が示される。線５６₁〜５６₉におけ
る一連のディジタル・ワードは、データ・メモリー４４
の位置の強さ（位置強度）のメモリー・セクション６０
へ送られる。プログラム・メモリー４０に記憶された命
令に応答して、プロセッサ４２は、線５６₁〜５６₉にお
けるディジタル・ワードを位置強さメモリー・セクショ
ン６０に記憶させる制御信号を生じる。このため、メモ
リー・セクション６０は、記憶場所マトリックス、本例
では９列（即ち、ビーム３０₁〜３０₉の各々に対して１
つの列）および７６行（即ち、７６の距離サンプルの各
々に対して１つの行）のマトリックスを持つものと見做
すことができる。従って、扇形領域３２（図２）の典型
的位置（ｉ，ｊ）に記憶された強さデータは、図５に示
される如く、Ｉ（ｒ_i，θ_j）であり、但し、ｉは１乃至
７６の整数であり、ｊは１乃至９の整数である。

【００１２】メモリー・セクション６０に記憶された強
さのデータＩ（ｒ_i，θ_j）は、プログラム・メモリー４
０に記憶された命令に応答して、次にこれからプロセッ
サ４２により読出される。プロセッサ４２は次に、時間
ｔ、即ち、パルス幅τについて、式：Ｅ（ｒ_i，θ_j）＝
∫|Ｉ(ｒ_i，θ_j)|²ｄｔに従って積分することにより、
各位置（ｉ，ｊ）におけるエネルギＥ（ｒ_i，θ_j）を計
算する。ビーム位置、本例では、９×７６＝６８４の距
離の各々に対して計算されたエネルギＥ（ｒ_i，θ_j）
は、データ・メモリー４４の位置エネルギ・メモリー・
セクション６２の６８４の記憶場所の対応する１つに記
憶される。

【００１３】海底の勾配からのエコー反射波を強調する
ため、全ソナー反射波から、略々平坦な海底を有する海
から予期される影響を正規化することが望ましい。この
正規化を行うために、「浅い水域」における平坦な海底
の反射波（即ち、残響）を特徴付ける数学的モデル、即
ち式が仮定される。「浅い」水域は、海中の音響学的コ
ンテキストで定義され、この場合、音の伝搬は海底との
多くの相互作用に遭遇する。大型船のコンテキスト「浅
い」水域は、１０乃至２０ファゾムの海図に示された水
深として定義される。

【００１４】更に、一般にソナーのエコー反射波は、そ
の時の海底反射（残響）と非海底反射（残響）の両方か
らなっている。エコー反射波におけるエネルギは、下式
の如く表わすことができる。即ち、

【数３】但し、ｒは距離、ｒ₀は分布後方散乱に必要なソースか
らの遷移距離、Ｉ_T（ｒ₀）はｒ₀における送信音密度、
ｎは合計２経路の拡散損失と整合するよう選定された整
数（円筒状拡散の場合、ｎ＝２）、αは界面における前
方散乱損失および水柱における吸収損失の結果として生
じる減衰係数、φは水平方向のビーム幅、Δｚ（ｒ）／
ΔｒはｒにおけるΔｒにわたる垂直方向の不連続の勾
配、Ｓ_bdは後方散乱強さ、Δｒ＝ｃτ／２は処理する到
達距離の分解能、ｃは音速、τは活性信号パルス幅、お
よびＮはシステムのノイズフロア（ｎｏｉｓｅｆｌｏ
ｏｒ）である。

【００１５】反射波の平坦な海底部分の再表現は、以下
に述べる最小２乗平均推定法（ｌｅａｓｔｒｏｏｔ
ｍｅａｎｓｑｕａｒｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｐｒ
ｏｃｅｓｓ）で容易にするために行われる。しかし、こ
こでは、このような再表現は下式であると言えば充分で
ある。即ち、

【数４】このように、各位置（ｉ，ｊ）に対する予期される平坦
な海底の反射エネルギＥ＾（ｒ_i，θ_j）が、ソナーの反
射波の最初に受信したエネルギ値、ｒ₀＾＝レンジブレ
ーク、ｒ_d＾＝その日のレンジ、α＾＝ｒ₀＾とｒ_d＾と
の間のレンジに対するエネルギの変化、の最初の推定に
より計算される。即ち、再び図６によれば、各ソナーの
ピングに応答して、各位置（ｉ，ｊ）に対してソナーが
検出したエネルギＥ（ｉ，ｊ）が対応する位置（ｉ，
ｊ）に対する推定エネルギＥ＾（ｒ_i，θ_j）から差し引
かれ、各位置（ｉ，ｊ）に対する差ε（ｒ_i，θ_j）が推
定される。パラメータｒ₀＾、ｒ_d＾およびα＾は、従来
の（ＲＭＳ）推定処理技術を用いて、各位置（ｉ，ｊ）
に対する２乗平均（ＲＭＳ）誤差ε（ｒ_i，θ_j）を最小
化するように調整される。このため、各ピングに応答し
て、ビーム３０₁〜３０₉のピングの各々に対して１組の
パラメータが生成される。データ・メモリー４４におけ
る別のメモリー・セクションは推定処理において用いら
れるが、このメモリー・セクションは図示しない。いず
れにしても、９×７６の位置（ｉ，ｊ）の各々に対し
て、船１０の前方における領域（即ち、図２の扇形領域
３２）における平坦な海底の「浅い」水の反射の推定値
Ｅ_R＾（ｒ_i，θ_j）が、平坦な海底反射メモリー・セク
ション６４（図３）の対応する記憶場所に記憶される。
次に、プロセッサ４２は、プログラム・メモリー４０に
おける命令に応答して、位置エネルギのメモリー・セク
ション６２に記憶されたソナーの反射波エネルギＥ（ｒ
_i，θ_j）を読出し、また平坦海底反射エネルギ・メモリ
ー・セクション６４に記憶された推定される平坦海底反
射エネルギＥ_R＾（ｒ_i，θ_j）を読出す。このような読
出しデータに応答して、プロセッサ４２は、メモリー６
４に記憶された推定された平坦海底反射エネルギＥ_R＾
（ｒ_i，θ_j）によりメモリーに記憶されたソナーのエネ
ルギ・データＥ（ｒ_i，θ_j）を正規化して、下式により
正規化されたエネルギＥ_R＾（ｒ_i，θ_j）を各位置
（ｉ，ｊ）毎に生じる。即ち、Ｅ’（ｒ_i，θ_j）＝Ｅ（ｒ_i，θ_j）／Ｅ_R＾（ｒ_i，
θ_j）各位置（ｉ，ｊ）に対する正規化エネルギＥ’（ｒ_i，
θ_j）は、正規化エネルギ位置メモリー・セクション６
６に記憶される。

【００１６】次に、プロセッサ４２は、プログラム・メ
モリー４０に記憶された命令に応答して、周知の補間法
を用いて正規化エネルギ・メモリー・セクション６６か
ら正規化エネルギ・データＥ’（ｒ_i，θ_j）を読出し
て、ビーム・データ点の数を９から本例では４９へ増や
す。即ち、正規化エネルギＥ’（ｒ_i，θ_j）は、正規化
エネルギＥ’（ｒ_i，θ_j+1）（即ち、同じレンジｒ_iで
あるが隣接するビーム角におけるエネルギ）から差し引
かれる。エネルギの差Δ（即ち、Δ＝Ｅ’（ｒ_i，θ_j）
−Ｅ’（ｒ_i，θ_j+1））は、５で除されて、同じレンジ
ｒ_iであるが角度θ_jとθ_j+1との間の角度位置を持つ５
つの「合成ビーム」におけるピクセル位置に適当に分配
される。このため、９つのみのビーム位置（即ち、先に
述べたように、−４０°、−３０°、−２０°、−１０
°、０、＋１０°、＋２０°、＋３０°、＋４０°の角
度における）に対するデータを持つ代わりに、更に４０
の「合成ビーム位置」（即ち、略々−３８．３°、−３
６．７°、−３５°、−３３．４°、−３１．７°、−
２８．３°、、、＋３８．３°）に対して補間法により
データが生成される。このように、位置（ｉ，ｋ）にお
いてピクセルが存在し、ここでｋは１から４９までの整
数である。４９のビーム位置θ_kの各々に対して補間さ
れたエネルギＥ’（ｒ_i，θ_k）が，補間正規化エネルギ
・メモリー・セクション６８に記憶される。

【００１７】先の論議から判るように、メモリー・セク
ション６８に記憶された補間エネルギ・データは、極座
標（即ち、ｒ，θ）にある。プロセッサ４２は、プログ
ラム・メモリー４０に記憶された命令、船１０の大域位
置Ｘ，Ｙ、および北極Ｎ（図５）に対する船１０の方位
角βに応答して、エネルギ・データＥ（ｒ_i，θ_k）をデ
カルト座標（即ち、Ｅ’（ｘ_m，ｙ_n））へ変換する。こ
こで、６４×６４セルが存在する（即ち、ｍは１から６
４までの整数、ｎは１から６４までの整数である）。図
８において、扇形領域３２（図５）の領域７０が拡大さ
れている。この領域７０は、一般に、１対の「実際の」
ソナー・ビーム、ここではビーム３０₇および３０₈に近
い。領域７０はまた、図示の如く、１対の範囲ｒ_i，ｒ
_i+1にも近い。先に述べたように、付加的な４０の「合
成ビーム」（図８に示す）は、補間法で加えられた。図
８において、実際のビーム位置と関連する位置（ｉ，
ｊ）におけるデータ点は記号（・）で示され、ここでは
（レンジｒ_i+1に沿った）位置Ｐ_A、Ｐ_Bおよび（レンジ
ｒ_iに沿った）位置Ｐ_C、Ｐ_Dである。補間データは記号
（ｘ）で表わされ、ここでは（レンジｒ_i+1に沿った）
位置Ｐ_E、Ｐ_F、Ｐ_G、Ｐ_H、Ｐ_I、および（レンジｒ_iに沿
った）Ｐ_J、Ｐ_K、Ｐ_L、Ｐ_M、Ｐ_Nである。実際のビーム
と「合成された」ビームの両方に対する正規化エネルギ
Ｅ’（ｒ_i，θ_k）の極座標位置は、デカルト座標位置へ
変換される。このデカルト座標は、船１０の舳先に対し
て参照され、ここではそのＹ軸が北極方位に整合され、
そのＸ軸は東の方向に整合されている。このため、前記
変換は、下式に従ってプロセッサ４２により行われる。
即ち、ｘ_i，_k＝ｒ_i ｃｏｓ［ｚ］ｙ_i，_k＝ｒ_i ｓｉｎ［ｚ］但し、ｘ_i，_kは北／南方向に沿ったＥ’（ｒ_i，θ）の
位置であり、ｙ_i，_kは東／西方位に沿ったＥ’（ｒ_i，
θ_k）の位置であり、ｚは角度θ_kおよび北（Ｎ）におけ
るビーム間の角度である。方形のデカルト座標の格子
は、極によりプロットされた位置の点Ｐ_A乃至Ｐ_N、レン
ジｒ_i、ｒ_i+1に沿った距離線、およびビーム３０₇乃至
３０₈に重ねられて図８に示される。この格子は、図示
の如く、東／西の格子線Ｅ₁乃至Ｅ₄と、北／南の格子線
Ｎ₁乃至Ｎ₄を有する。北／南の格子線Ｎ₁乃至Ｎ₄、およ
び東／西の格子線Ｅ₁乃至Ｅ₄は、セルＣ_m,_nの行および
列の（Ｎ×Ｍ）マトリックスを定義する。ここで、Ｎお
よびＭはそれぞれ６４である。このため、前記格子は、
北／南の格子線の６４列と、東／西の格子線の６４行と
を持つ方形である。各セルＣ_m,_nは、１対の連続する行
の格子線と１対の連続する列の格子線とにより囲まれた
領域である。このため、各セルＣ_m,_nは、形状におい
て、ここでは長さγおよび幅γを持つ方形である。セル
Ｃ_m,_nのｘ_m，ｙ_n位置は、方形領域の中心にある。この
ため、図８は、例えば北／南の格子線Ｎ₁〜Ｎ₆と東／西
の格子線Ｅ₂、Ｅ₃との間のセルＣ₁〜Ｃ₅を示している。
格子線Ｎ₁〜Ｎ₆、Ｅ₁〜Ｅ₄の大域位置（および、セルＣ
_m,_nの大域位置）は、船１０の大域位置が大域標定シス
テム４４（図２）から知られるため、既知である。こう
して、セルＣ₁〜Ｃ₄の１つの事例、ここではセルＣ₂に
ついて見ると、このようなセルＣ₂が図示の如く１対の
北／南の格子線Ｎ₂、Ｎ₃および１対の東／西の格子線Ｅ
₂、Ｅ₃により囲まれることが最初に判る。格子線Ｎ₂お
よびＮ₃はそれぞれｘ軸（即ち、東／西）の位置ｘ
_(m-y/2)、ｘ_(m+y/2)にあり、格子線Ｅ₂、Ｅ₃はそれぞれ
ｙ軸（即ち、北／南）の位置ｙ_(n+y/2)、ｙ_(n+y/2)にあ
る。このように、セルＣ₂（即ち、Ｃ_m,_n）はｘ_m、ｙ_nの
デカルト座標系におけるある位置にある。また、ソナー
の（実際のおよび「合成された」）データ点がここでは
４９×７６＝３，７２４（即ち、３，７２４のプロット
された極位置点Ｐ）であるが、セルの数はここでは６４
×６４＝４，０９６であることも判る。いずれのセル
も、１つ以上のプロット極位置点Ｐを持つ。例えば、図
８において、例示のセルＣ_m,_n（即ち、セルＣ₂）が２つ
のプロットされた極位置点Ｐ_EおよびＰ_Fを持つ。

【００１８】プロセッサ４２は、プログラム・メモリー
４０に記憶された命令に応答して、３，７２４全ての正
規化エネルギ・データＥ’（ｒ_i，θ_k）に対する計算さ
れたｘ，ｙ位置を記憶し、データ・メモリー４４の図示
しないメモリー・セクションに結果を記憶する。このよ
うに、各正規化エネルギ・データＥ’（ｒ_i，θ_k）に対
して、そのｘ，ｙ位置がこのようなメモリー・セクショ
ンに記憶される。プロセッサ４２は、記憶された命令に
応答して、このようなメモリー・セクションを読出して
４，０９６のセルＣ_m,_nのどれがこのようなｘ，ｙ位置
を含むかを決定する。プロセッサ４２はまた、セルの各
々における正規化エネルギ・データ点（即ち、サンプ
ル）の数Ｎ_m,_nをカウントする（即ち、Ｎ_m,_nはセルＣ_m,
_nにおけるサンプル数である）。このように、図８に示
される例示のセルＣ_m,_n（ここではＣ₂）について見れ
ば、このようなセルＣ_m,_n（即ち、Ｃ₂）は２つのサンプ
ル（即ち、Ｎ_m,_n＝２）：Ｅ’₁（ｘ_m，ｙ_n）とＥ’
₂（ｘ_m，ｙ_n）とを持つ（即ち、一般の場合は、Ｅ’ι
（ｘ_m，ｙ_n）。但し、ιはエネルギ・サンプル数であ
る）。３，７２４の正規化エネルギ・サンプルＥ’ι
（ｘ_m，ｙ_n）および４，０９６のセルの各々におけるサ
ンプル数Ｎ_m,_nはデータとして正規化された大域位置エ
ネルギ・メモリー・セクション７２に記憶される。

【００１９】次に、プロセッサ４２は、プログラム・メ
モリー４０に記憶された命令に応答して、３，７２４の
正規化エネルギ・サンプルＥ’ι（ｘ_m，ｙ_n）および
４，０９６のセルＣ_m,_nの各々におけるサンプル数Ｎ_m,_n
を正規化大域位置エネルギ・メモリー・セクション７２
から読出す。このような読出しデータから、プロセッサ
４２は、４，０９６のセルＣ_m,_nの各々に対して、統計
的にスペースおよび時間で平均された勾配検出統計値Ｙ
_m,_nを計算する。この勾配検出統計値Ｙ_m,_nは、下式によ
り計算される。即ち、

【数５】上式から、正規化エネルギ・サンプルＥ’ι（ｘ_m，
ｙ_n）が平坦な海底に対して推定されたエネルギ準位
（レベル）により正規化されるソナーのエネルギ準位を
表わすことが最初に観察される。このため、正規化エネ
ルギ・サンプルＥ’ι（ｘ_m，ｙ_n）の準位が１ならば、
上式から｜Ｅ’ι（ｘ_m，ｙ_n）｜が０に等しくなる。こ
のため、ｌｏｇ（１＋｜Ｅ’ι（ｘ_m，ｙ_n）−１｜）は
ゼロに等しくなり、海底の勾配のないこと（即ち、平坦
な海底の存在）を示す。このため、前記式のこの部分
は、増加する海底の勾配により準位が増加することにな
る。次に、大きさ（即ち、１０：１）の変化に応答する
対数の１の単位における増加が海底の勾配である故に、
大きな勾配のみが検出されることが判る。最後に、先に
述べた式がセルＣ_m,_nにおけるＮ_m,_nのエネルギ・サンプ
ルの全てにわたる計算、ｌｏｇ（１＋｜Ｅ’ι（ｘ_m，
ｙ_n）−１｜を平均化することが判る。（上式により表
わされる如き多くの空間的サンプルからの検出統計値を
生じるこのプロセスが、時に、ゼロ速度の仮定（即ち、
静的な、即ち平坦な海底特徴）による対数可能性比検出
機能と呼ばれる）。プロセッサ４２は、勾配検出統計値
メモリー・セクション７４に４，０９６の計算された勾
配検出統計値Ｙ_m,_nを記憶する。

【００２０】次に、プロセッサ４２は、計算された勾配
検出統計値Ｙ_m,_nを勾配検出統計値メモリー・セクショ
ン７４から読出し、統計値Ｙ_m,_nを連続的なピングにわ
たり濾波（即ち、時間平均化）しあるいは平滑化する。
この濾波は、下式に従って、４，０９６のセルＣ_m,_nの
各々に対してプロセッサ４２により行われる。即ち、

【数６】ここで、（ａ＋ｂ）＝１．０、およびｇはピング指標
（インデックス）である。パラメータａは、船１０の速
度と共に線形的に変化する。ここで、例えば船１０の速
度が５ノットであり、レンジＲ₇₆が約９１００ｍ（１
０，０００ヤード）であり、セルＣ_m,_nの長さが約２９
３ｍ（３２０ヤード）であるならば、ａ＝０．０５およ
びｂ＝０．９５である。上式により表わされるプロセス
は、時定数が（１／ａ）、ここでは２０である低域通過
フィルタを用いる低域濾波としての特徴を有する。この
ため、この場合、段階的変化が勾配検出統計値Ｙ_m,_nに
おいてなされたならば、１つの安定状態値まで達するの
に２０ピングを要する。計算された平均勾配検出統計値
Ｙ(~)_m,_n（ｇ）が、平均勾配検出統計値メモリー・セク
ション７６に記憶される。

【００２１】プロセッサ４２は、プログラム・メモリー
４０に記憶された命令に応答して、メモリー・セクショ
ン７６から平均勾配検出統計値Ｙ(~)_m,_nを読出し、各セ
ルＣ_m,_nに対して、ソナーが船の安全に関してこのよう
なセルＣ_m,_nにおける統計的に有意な勾配をであるした
かどうかを決定する。更に、平均勾配検出統計値［Ｙ
(~)_m,_n（ｇ）］が閾値レベルＴＨと比較される。典型的
なデフォルト閾値レベルは１であるが、この閾値レベル
はオペレータ選択とすることができる。平均勾配検出統
計値［Ｙ(~)_m,_n（ｇ）］が閾値レベルＴＨより大きいか
あるいはこれと等しければ、プロセッサ４２は検出信号
Ｓ_m,_n＝１を生じ、一方、平均勾配検出統計値［Ｙ(~)_m,
_n（ｇ）］が１より小さければ、プロセッサ４２は、検
出信号Ｓ_m,_n＝０を生じる。この検出信号Ｓ_m,_nは、検出
信号［Ｓ_m,_n］メモリー・セクション７８に記憶され
る。図９は、４，０９６のセルの一部を示し、ここでは
６×６セルのアレイ部分（即ち、セルＣ_m,_n乃至セルＣ
_m+5,_n+5）を示している。検出信号Ｓ_m,_n乃至Ｓ_m+5，_n+5
は、ここでは、検出信号が１として表示される下記のセ
ルを除いて、０として表示される。即ち、図示の如く、
Ｃ_m,_n、Ｃ_m,_n+1、Ｃ_m+1,_n、Ｃ_m+2,_n、Ｃ_m+3,_n、
Ｃ_m+4,_n、Ｃ_m+2,_n+2、Ｃ_m+2,_n+4、Ｃ_m+3,_n+2、Ｃ_m+3,
_n+3、Ｃ_m+4,_n+2、およびＣ_m+4,_n+4。

【００２２】プロセッサ４２は、プログラム・メモリー
４０に記憶された命令および検出信号［Ｓ_m,_n］メモリ
ー・セクション７８から読出されたデータに応答して、
検出されたセル勾配をクラスタまたは領域Ｒ_jと関連付
ける。このように、本例においては、海底に２つのクラ
スタまたは領域、即ちＲ₁およびＲ₂（即ち、ｊ＝２）が
存在する。領域Ｒ₁は、下記のセルからなっている。即
ち、Ｃ_m,_n、Ｃ_m,_n+1、Ｃ_m+1,_n、Ｃ_m+3,_n、Ｃ_m+4,_nであ
り、領域Ｒ₂は下記のセルからなっている。即ち、
Ｃ_m+2,_n+2、Ｃ_m+2,_n+4、Ｃ_m+3,_n+2，Ｃ_m+3,_n+3、Ｃ_m+4,
_n+2、およびＣ_m+4,_n+4である。領域Ｒ₁は、図４および
図１３に示される如くソナー・データ勾配メモリー・セ
クション４９に記憶される。このように、各領域Ｒ_jは
指標が付され、領域のガウス座標位置が図示の如く記憶
される。

【００２３】更に、図９において、プロセッサ４２は逐
次行単位にセルＣ_m,_n乃至Ｃ_m+5,_n+5の各々を検査する。
この場合、プロセスは左下隅部（即ち、セルＣ_m+5,_n）
におけるセルから始めて、左から右へ（即ち、セルＣ
_m+5,_n+5まで）継続し、次いで２番目に高い行のセルＣ
_m+4,_nまで上方へ進み、本例ではセルＣ_m,_n+5が検査され
るまで行単位で継続する。この検査プロセスについて
は、図１０のフロー図により概要が示され、下記の如く
である。検査されるセルのソナー・エネルギ勾配Ｓ_m,_n
が勾配／非勾配決定閾値ＴＨ（即ち、Ｓ_m,_n＝０）と交
差しなかったならば、ゼロの識別番号（ＩＤ＃）がセル
に割当てられる。一方、検査されるセルのエネルギ勾配
Ｓ_m,_nが閾値ＴＨと交差したエネルギ準位（即ち、Ｓ_m,_n
＝１）を持つならば、ゼロでないＩＤ＃がセルに割当て
られる。更に、検査されたセルが閾値ＴＨと交差したエ
ネルギ準位を持っていたならば、検査されたセルの「近
傍」セルに割当てられたＩＤ＃が「探される」。（この
場合、「探される」「近傍」セルは、検査されたセルの
左、左下、最下部または右下のセルである。このため、
図９において、セルＣ_m+3,_n+3の左、左下、最下部およ
び右下とは、それぞれＣ_m+3,_n+2、Ｃ_m+4,_n+2、Ｃ_m+4,
_n+3、Ｃ_m+4,_n+4である。）。ここで、「近傍」セルのセ
ルのＩＤ＃が下記のシーケンスで「探される」。即ち、
最初に検査されるセルの左側のセルが「探され」、次に
検査されるセルの最下部のセルが「探され」、次に検査
探されるセルの左下のセルが「探され」、最後に検査さ
れるセルの右下のセルが「探される」。検査されるセル
に対して「近傍の」セルがどれもゼロでないＩＤ＃を持
たなければ、検査されるセルは次に続くゼロでないＩＤ
＃が与えられる。しかし、「探された」「近傍」セルの
どれかがゼロでないＩＤ＃を持つならば、検査中のセル
は「探された」「近傍」セルの順序で最初のゼロでない
ＩＤ＃のＩＤ＃が割当てられる（即ち、先に述べたよう
に、検査されるセルの左、最下部、左下および最後に右
下の順序）。検査中のセルに割当てられたＩＤ＃が「探
される」セルの「近傍」の全てのセルのＩＤ＃と同じで
あるならば、プロセッサ４２は、プロセスにおける次の
セルを検査する。しかし、逐次「探される」「近傍」セ
ルが検査中のセルに割当てられたＩＤ＃と異なるＩＤ＃
を持つならば、この異なるＩＤ＃の前に検査された各セ
ルは検査中のセルのＩＤ＃が再び割当てられる。

【００２４】このように、図９に示される事例によれ
ば、ゼロのＩＤ＃は図１１にに示されるように、セルＣ
_m+5,_n、Ｃ_m+5,_n+1、Ｃ_m+5,_n+2、Ｃ_m+5,_n+3、
Ｃ_m+5,_n+4、Ｃ_m+5,_n+5に対して割当てられるが、これは
これらのセルが閾値レベルＴＨと交差したレベルを持た
なかった故である。検査される次のセル（図９）は、セ
ルＣ_m+4,_nである。このセルは、閾値レベルと交差しな
かったレベルを持つ。更に、ゼロでないＩＤ＃が割当て
られた検査されたセルの左、左下、最下部または右下に
はセルがない。従って、検査されたセルＣ_m+4,_nは、図
１１に示されるように、次に続くＩＤ＃、ここではＩＤ
＃₁が割当てられる。検査される次のセル（図９）であ
るＣ_m+4,_n+1は、図１１に示されるように、閾値ＴＨと
交差せず、従って、ゼロのＩＤ＃が割当てられる。次の
検査されるセル（図９）であるＣ_m+4,_n+2は、閾値レベ
ルと交差したレベルを有する。検査されるセルの左、左
下、最下部または右下のセルは、ゼロでないＩＤ＃が割
当てられなかった。従って、検査されたセル、ここでは
セルＣ_m+4,_n+2は、図１１に示されるように、次に続く
ゼロでないＩＤ＃、ここではＩＤ＃₂が割当てられる。

【００２５】次の検査されるセルは、セルＣ_m+4,_n+3で
ある。このセルは、閾値レベルと交差せず、従って、こ
れは図１１に示されるように、ゼロのＩＤ＃が割当てら
れる。検査される次のセルはセルＣ_m+4,_n+4である。こ
のセルは、閾値レベルと交差したレベルを有する。検査
されたセルの左、左下、最下部あるいは右下のセルはゼ
ロでないＩＤ＃が割当てられたものがなかった。従っ
て、セルＣ_m+4,_n+4は、次に続くゼロでないＩＤ＃が割
当てられる。このため、セルＣ_m+4,_n+4は、図１１に示
されるように、ＩＤ＃₃が割当てられる。検査された次
のセルはセルＣ_m+4,_n+5である。このセルは、図１１に
示されるように、閾値レベルと交差せず、従って、これ
はゼロのＩＤ＃が割当てられる。

【００２６】検査される次のセル（図９）はセルＣ_m+3,
_nである。このセルは、閾値レベルと交差したレベルを
有する。検査されたセルの左、左下、最下部、右下のセ
ルの唯１つ、ここでは検査されたセルの最下部のセル
（即ち、セルＣ_m+4,_n）がゼロでないＩＤ＃、ここでは
ＩＤ＃₁が割当てられた。従って、セルＣ_m+3,_nは、セル
Ｃ_m+4,_nと同じゼロでないＩＤ＃が割当てられる。この
ため、図１１に示されるように、検査されたセルＣ_m+3,
_nにＩＤ＃₁が割当てられる。

【００２７】上記プロセスは、図９および図１１に示さ
れるように継続する。しかし、セルＣ_m+3,_n+3の検査に
注目されたい。セルＣ_m+3,_n+3が検査される時、プロセ
ッサ４２は、先に述べたシーケンスで「近傍」セルを
「探す」。「探される」最初の「近傍」セルはセルＣ
_m+3,_n+2であり、これはここではＩＤ＃₂を有する。この
ように、セルＣ_m+3,_n+3にＩＤ＃₂が割当てられる。「探
される」シーケンスにおける次のセルはセルＣ_m+4,_n+2
であり、これはセルＣ_m+3,_n+3に割当てられたものと同
じＩＤ＃、即ち、ＩＤ＃₂を有する。「探される」シー
ケンスにおける次のセルはセルＣ_m+4,_n+3であるが、こ
のセルは、プロセッサ４２がこのゼロのＩＤ＃のセルを
飛越してシーケンスにおける次の「近傍」セル、ここで
はセルＣ_m+4,_n+4を探すように、ゼロのＩＤ＃を有す
る。セルＣ_m+4,_n+4は、前にＩＤ＃₃のＩＤ＃が割当てら
れた。このため、「近傍」セルＣ_m+4,_n+4に割当てられ
たＩＤ＃は、その時検査中のセルＣ_m+3,_n+3のＩＤ＃と
は異なる。従って、プロセッサ４２は、図示されるよう
に、「探される」「近傍」セルＣ_m+4,_n+4のＩＤ＃（即
ち、ＩＤ＃₃）を持つ全てのセルに、検査中であるセル
のＩＤ＃（即ち、セルＣ_m+3,_n+3のＩＤ＃）を再び割当
てる。（ここで、唯１つの「近傍」セルＣ_m+4,_n+4が、
図１２に示されるように、新しいＩＤ＃を再び割当てら
れねばならない。プロセッサ４２は、先に述べたよう
に、図１２における事例に対して示されるように、セル
にＩＤ＃を割当て続ける。最後に、プロセッサ４２は、
図１３に関して先に述べたように、同じＩＤ＃を持つ全
てのセルを共通の領域Ｒ（ｊ）に分類する。このため、
先に述べたように、本例では、海底に２つのクラスタま
たは領域、即ち、Ｒ₁およびＲ₂（即ち、ｊ＝２）があ
る。領域Ｒ₁は、Ｃ_m,_n、Ｃ_m,_n+1、Ｃ_m+1,_n、Ｃ_m+2,_n、
Ｃ_m+3,_n、およびＣ_m+4,_nからなり（全てのこれらセルが
共通のＩＤ＃、ここでは全てがＩＤ＃₁を持つ故に）、
またＲ₂は、セルＣ_m+2,_n+2、Ｃ_m+2,_n ₊₄、Ｃ_m+3,_n+2、Ｃ
_m+3,_n+3、Ｃ_m+4,_n+2、およびＣ_m+4,_n+4からなっている
（全てのこれらセルが共通のＩＤ＃、ここではＩＤ＃₂
を持つ故に）。

【００２８】プロセッサ４２は、プログラム・メモリー
４０に記憶された命令、海図に示された深度メモリー５
０に記憶された海図に示された深度データ、大域標定シ
ステム４４から得た船１０の大域位置（Ｘ，Ｙ）、北極
に対する船１０の方位βに応答して、船１０の前方にお
ける海底の勾配の輪郭を計算する。（勾配の輪郭が、ソ
ナー・データ勾配記憶場所４９に記憶されたソナー・デ
ータの勾配の輪郭と同じ地球の即ち大域の位置座標にあ
ることが判る。）図１４において、船が現在位置して海
図に示された深度メモリー５０から呼出される領域の海
図が示される。この海図は、深度の等高線、ここでは１
対の等高線Ｃ₁およびＣ₂、ならびに深度の周囲状況、こ
こでは７つの深度の周囲状況Ｄ₁〜Ｄ₇を示している。こ
れら等高線Ｃ₁、Ｃ₂を表わすデータは、同じ深度を持つ
Ｘ，Ｙの位置としてデータベース・メモリー５０に記憶
されている。更に、線Ｃ₁における全ての位置が同じ深
度を持ち、また線Ｃ₂における全ての位置が同じ深度を
持つが、線Ｃ₁における位置の深度は線Ｃ₂における位置
の深度とは異なる。また、等高線からのデータは、デー
タが１つの等高線からのものであることを示す指標と共
に記憶される。各周囲状況データＤ₁〜Ｄ₇は、Ｘ，Ｙ位
置、深度およびデータが１つの周囲状況からのものであ
ることを示す指標として記憶される。プロセッサ５０
は、プログラム・メモリー４０に記憶された命令に応答
して、輪郭データと周囲状況データを、それらの輪郭／
周囲状況の指標と共に図示しないがデータ・メモリーの
一部であるランダム・アクセス・メモリー（ＲＡＭ）に
記憶する。ここでは、このＲＡＭは、データのピクセル
の記憶された１０００×１０００の位置を記憶するため
のものであるが、図１４に示される事例においては、ピ
クセルの２２×１６アレイが示される。等高線Ｃ₁およ
びＣ₂は、周囲状況Ｄ₁〜Ｄ₇と共に、ピクセルのアレイ
に重ねて示される。このため、ここでは記憶されたデー
タが、等高線Ｃ₁またはＣ₂が通るピクセルに対して得ら
れ、またデータが周囲状況Ｄ₁〜Ｄ₇を持つピクセルに対
して得られる。空である（即ち、海図データからの深度
情報がない）かなりの数のピクセルがあることが判るで
あろう。空のピクセルは、２つの補間法により「充填」
される。即ち、第１は「最近傍」法であり、次に「直角
補間」法である。

【００２９】記憶された命令により、プロセッサ４２
は、ピクセルを記憶する周囲状況データ（輪郭データと
は異なる）が検出されるまで、ピクセルに記憶されたデ
ータを行単位に読出す。このように、本例においては、
この基準を満たす最初の周囲状況ピクセルが周囲状況Ｄ
₁におけるデータとなる。次に、プロセッサ４２はこの
ピクセルを更なる検査のために選定する。次いで、プロ
セッサ４２は、検査中のピクセルを中心とする方形の１
１×１１ピクセル・ウインドウ内の近傍の周囲状況また
は輪郭からデータが存在するかどうかを決定する。この
ウインドウ内のデータを持つピクセルがなければ、プロ
セスは次の周囲状況へ進む。一方、ウインドウ内にデー
タが存在するならば、プロセッサ４２は、選択されたプ
ロセスによるこれ以上の処理の実施を継続する。更に、
プロセッサ４２は、最も近いピクセル（あるいは、１つ
以上のプロセスが検査中のプロセスから等距離にあるな
らば、これらのピクセル）を識別する。次に、プロセッ
サ４２は検査中のピクセルの深度と、近傍ピクセルの深
度との間で補間し、補間されたデータで検査中のピクセ
ルと近傍ピクセルとの間を通る線と交差する空のピクセ
ルを充填する。この線と交差するピクセルにデータが存
在するならば、このようなピクセルのデータは変更され
ない。このため、図１４において、１１×１１ウインド
ウＷ₁が最初の選択されたセル、ここでは周囲状況Ｄ₁を
有するセルの周囲に置かれる。しかし、この場合、海図
の境界の故に、ウインドウは最上部の境界に沿って示さ
れる如く切取られている。次に、ここではウインドウ内
に、等高線Ｃ₁（即ち、ピクセルＰ₁、Ｐ₂およびＰ₃にお
けるデータ）と等高線Ｃ₂（即ち、ピクセルＰ₄〜Ｐ₁₀に
おけるデータ）の両方からのデータが存在することが判
るであろう。ここで、ピクセルＰ₁およびＰ₅が周囲状況
Ｄ₁から等距離である。このため、プロセッサ４２は、
ピクセルＤ₁における深度とピクセルＰ₁における深度と
の間で補間することにより、深度データを２つのピクセ
ルＤ₁とＰ₁（即ち、ピクセルＦ₁、Ｆ₂、Ｆ₃）間の線Ｌ₁
に沿って配置される（即ち、これにより交差される）ピ
クセルに充填し、また深度データを線Ｌ₂により交差さ
れるピクセル（即ち、ピクセルＦ₄およびＦ₅）に充填す
るように線Ｌ₂に沿って補間する。

【００３０】次に、プロセッサ４２は、別の周囲状況、
ここではＤ₂（図１５も参照）が検出されるまで行単位
で走査し続ける。再び選択されたのは周囲状況Ｄ₂。１
１×１１のピクセル・ウインドウＷ₂が選択されたピク
セル、ここでは周囲状況Ｄ₂を持つピクセルの周囲に置
かれる。ここで、ウインドウＷ₂が、等高線Ｃ₁、周囲状
況Ｄ₃および補間されたデータを持つピクセルＦ₁〜Ｆ₅
と関連するデータを有するピクセルを包囲する。２つの
ピクセル、ここではピクセルＰ₁₁およびＰ₁₂が選択され
たピクセルＤ₂に最も近い。（この場合、２つのピクセ
ルＰ₁₁およびＰ₁₂は選択されたピクセルＤ₂から等距離
にある）。このため、ＬＮＬ₃およびＬ₄により交差され
たピクセル（即ち、ピクセルＦ₆〜Ｆ₉）は、補間された
データで充填される。周囲状況Ｄ₂を持つピクセルから
周囲状況Ｄ₃を持つピクセルまでの距離が、周囲状況Ｄ₂
とピクセルＰ₁₁およびＰ₁₂との間の距離より大きく、従
って補間法に含まれるべき「最も近い近傍」ではないこ
とが判る。プロセスは、海図における全ての周囲状況が
選択されるまで継続する。最初のプロセスが終了した
後、海図は図１６に示される如く線Ｌ₁〜Ｌ₉により交差
されたピクセルを充填する。

【００３１】全ての周囲状況を選択した後、プロセッサ
４２は、海図の２回目の走査を行い、最初の周囲状況、
ここでは周囲状況Ｄ₁を再び選択する。しかし、この
時、ウインドウが１３×１３ピクセルのウインドウに大
きさが増加する。このプロセスは、２回目の走査が完了
するまで継続する。本プロセスは、ここで図１７に示さ
れるように、データを線Ｌ₉、Ｌ₁₀、Ｌ₁₁およびＬ₁₂に
沿ったピクセルに充填する。２回目の走査が前に充填さ
れなかったピクセル数を２％より多く増加するならば、
３回目の走査が行われる。本プロセスが継続され、補間
データで充填される未充填のピクセル数において２％よ
り小さい増加が生じるまで、海図に対してその後の走査
が行われる。２％より小さな増加が生じる時、２回目の
「直角補間」を用いて補間法を完了する。いずれにして
も、２％より大きい充填が生じる場合でも、本プロセス
は、１００×１００ピクセルの大きさのウインドウが海
図に走査された後に停止する。ここで再び、この最初の
プロセスが停止し、２回目の「直角補間」法が開始す
る。図１８は、補間の目的のため、「最近傍」補間法の
結果として加えられる線を示している。

【００３２】「直角補間」法においては、プロセッサ４
２が、前と同じように記憶されたデータを行単位で走査
する。しかし、この時メモリーはまた「最近傍」法から
補間されたデータを有する。プロセッサ４２が、充填さ
れたピクセル、ここでは測深即ち輪郭から、あるいは補
間されたデータから、ピクセルがデータを有するかどう
かを検出すると、１０ピクセルのウインドウが検出され
たセルの後で次のピクセルから始めて１行の検出された
セルに沿って探索される。プロセッサ４２は、検出され
たセルと同じ行の全てのセルを調べて、その間の全ての
セルに補間データを充填する。海図が行単位で探索され
た後、この海図は列単位で探索される。プロセッサ４２
が充填されたピクセルを、ここではピクセルが測深即ち
輪郭からの、あるいは補間データからのデータを有する
かどうかを検出すると、１０ピクセル・ウインドウが、
検出されたセルの後の次のピクセルから始めて１列の検
出されたセルに沿って探索される。プロセッサ４２は、
検出されたセルと同じ列の全てのセル調べて、その間の
全てのセルに補間データを充填する。１０ピクセルの長
さのウインドウを用いて海図が行単位および列単位で探
索された後、ウインドウ長は５ピクセル長から１０ピク
セル長へ増やされる。このプロセスは、２０、５０およ
び１００のウインドウ長で連続的に反復される。本プロ
セスは、ウインドウが海図の境界に達するまで継続す
る。

【００３３】図１９において、船の前方の海底部分（図
１の扇形領域３２参照）の補間された海図に示された深
度データが、図示の如く、深さＤ₁,₁乃至Ｄ₆,₆としてＣ
₁,₁乃至Ｃ₆,₆の行および列のアレイについてそれぞれ示
されている。セルの列は北／南方向、またセルの行は東
／西方向にある。（これは、ソナー・データが生じる勾
配について図８に示されたセルの行および列と同じであ
る。）Ｃ_m,_nの各々に対して、勾配ベクトル、ｓ(-)＝ｓ
_NS＋ｊｓ_EW（但し、ｊ＝√−１）の北／南成分ｓ_NSと
東／西成分ｓ_EWとがプロセッサ４２により計算される。
例えば、図１９および例示のセルＣ₃,₄については、ｓ
_NS（３，４）＝［Ｄ₂,₄−Ｄ₄,₄］／δであり（但し、δ
はセルＣ₂,₄およびセルＣ₄,₄の中心間の距離）、またｓ
_EW（３，４）＝［Ｄ₃,₃−Ｄ₃,₅］／δである。（深さＤ
_m,_nの単位はδの単位と同じであることが判る。このた
め、勾配は無次元の比である。）Ｃ_m,_nの各々に対する
北／南および東／西の勾配成分ｓ_NS（ｍ，ｎ）およびｓ
_EW（ｍ，ｎ）は、先に述べたように計算される。計算さ
れた各勾配ベクトル、ｓ(-)（ｍ，ｎ）は、海図データ
勾配ベクトルのメモリー・セクション８０（図４）に複
素数として記憶される。ここで、メモリー・セクション
８０に記憶されたデータは、船１０の航海に先立ち計算
されて記憶される。

【００３４】プロセッサ４２は、プログラム・メモリー
４０に記憶された命令および海図データ勾配ベクトルの
メモリー・セクション８０に記憶された勾配ベクトルに
応答して、４９のソナー・ビーム３０_k（即ち、ビーム
３０₁〜３０₉ならびに４０の「合成」ビーム）の１つの
方向における海図データに基く勾配を計算する。但し、
ｋは１から４９までの整数である。このように、再び図
１９を参照して例えばセルＣ₃,₄について再び考察する
と、ここでビーム３０_kはこのセルＣ₃,₄を通るように示
される。また、ビーム３０_kは、船１０の舳先線３６
（図１）から角度θ_kにある。更に、船１０は、図示の
如く、北極からβの方位を有する。勾配ベクトルｓ(→)
（３，４）の北／南成分ｓ_NS（３，４）およびこのベク
トルｓ(→)（３，４）の東／西成分ｓ_EW（ｍ，ｎ）は、
結果として生じる勾配ベクトルｓ(→)（３，４）と共に
示される。勾配ベクトルｓ(→)（３，４）とビーム３０
_k間の角度はΨである。ビーム３０_kの方向は、ビーム３
０_kにより「見かけ」としての勾配ベクトルの勾配ｓ
(→)（ｍ，ｎ）の一部である単位ベクトルμ(→)により
定義されるが、海図により生じるもの（即ち、勾配ｓ
_CHART）は［μ(→)・ｓ(→)（ｍ，ｎ）、即ち、μ(→)
とｓ(→)（ｍ，ｎ）のドット積に等しい。従って、勾配
ｓ_CHARTは、結果として得る勾配ベクトルｓ(→)（ｍ，
ｎ）のビーム３０_kの方向に対する投影である。６４×
６４セル（ｍ，ｎ）の各々に対する勾配ｓ_CHAR _Tは、こ
れと対応するセルのアドレス場所でデータ・メモリー４
４（図４）の海図データ勾配メモリー・セクション５２
に記憶される。プロセッサ４２は、プログラム・メモリ
ー４０に記憶された命令に応答して、異常が存在するか
どうかを決定する。即ち、ソナー・データ勾配記憶場所
４９に記憶された各クラスタまたは領域Ｒ_jに対して、
プロセッサ４２は、海図データ勾配メモリー・セクショ
ン５２に対するアドレスとしてこのクラスタにおけるセ
ルを用いてアドレス指定されたクラスタにおける海図勾
配データｓ_CHARTを読出す。次いで、プロセッサ４２
は、アドレス指定されたクラスタのいずれかのセルに含
まれる海図読出し勾配データｓ_CHARTがＳ_CHARTの勾配閾
値ＳＴより大きなレベル、ここでは０．５の勾配を持つ
かどうかを決定する。もしそうであれば、クラスタおよ
び海図データは一致し、海図データは信頼し得るものと
見做される。一方、海図データがＳ_CHAR _Tの勾配閾値Ｓ
Ｔより大きな勾配ｓ_CHART、ここでは０．５を示さなけ
れば、海図データとソナー・データとの間に異常が存在
する。このため、海図にないソナーが検出した海底の危
険が存在することがある。異常に対する１つのあり得る
説明は、海面上の船の存在である。この種の異常は、船
のレーダにより解明される。コンピュータにより生じる
情報は、図２０に示されるように、ディスプレイ５１
（図１）へ送られる。図示の如く、異常は円９０により
示される。この円９０は、領域Ｒ_jと異なる色で表示す
ることができ、あるいは、例えば「点滅する」フォーマ
ットで表示することもできる。

【００３５】本発明の望ましい実施態様について記述し
たが、当業者には、本発明の概念を盛込んだ他の実施態
様の使用が可能なことが明らかであろう。従って、本文
に示した本発明は、望ましい実施態様により限定される
ことなく、特許請求の範囲の趣旨および範囲によっての
み限定されるべきものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による衝突防止システムを用いる水域を
航行する船を示す概略図である。

【図２】図１における船により使用される衝突防止シス
テムを示すブロック図である。

【図３】図２の衝突防止システムにおいて用いられるデ
ィジタル・コンピュータのブロック図の一部である。

【図４】図２の衝突防止システムにおいて用いられるデ
ィジタル・コンピュータのブロック図の一部である。

【図５】図２の衝突防止システムにおいて用いられるソ
ナー・システムにより形成されるビームの角度方向を示
す図である。

【図６】海底の平坦な輪郭を評価するため図２の衝突防
止システムにより用いられる評価装置を示すブロック図
である。

【図７】図５の評価装置により用いられる、平坦な海底
からの反射から受信するソナー信号の評価されたエネル
ギの方程式を示すカーブである。

【図８】北に関してソナー・システムにより生じる図５
のビームの一部を示す図である。

【図９】比較的大きな勾配を持つ海底の領域を識別する
ため用いられるクラスタ（ｃｌｕｓｔｅｒ）または領域
識別プロセスの理解に役立つ、海底の多数のセル位置に
よる処理の後ソナーが生じる海底の勾配の一例を示す図
である。

【図１０】図９のクラスタまたは領域識別プロセスの理
解に役立つフロー図である。

【図１１】図９のクラスタまたは領域識別プロセスの理
解に役立つ図である。

【図１２】図９のクラスタまたは領域識別プロセスの理
解に役立つ図である。

【図１３】図９、図１０、図１１および図１２に関して
示されたプロセスにより識別される種々の領域における
図９のセルを示す図である。

【図１４】海図に示された深度情報から海底の勾配情報
を決定するための深度情報を生成するため用いられるｎ
補間プロセスの理解に役立つ図である。

【図１５】海図に示された深度情報から海底の勾配情報
を決定するための深度情報を生成するため用いられるｎ
補間プロセスの理解に役立つ図である。

【図１６】海図に示された深度情報から海底の勾配情報
を決定するための深度情報を生成するため用いられるｎ
補間プロセスの理解に役立つ図である。

【図１７】海図に示された深度情報から海底の勾配情報
を決定するための深度情報を生成するため用いられるｎ
補間プロセスの理解に役立つ図である。

【図１８】海図に示された深度情報から海底の勾配情報
を決定するための深度情報を生成するため用いられるｎ
補間プロセスの理解に役立つ図である。

【図１９】図１４乃至図１８に関して示された海図に示
された海底情報から生じる海底の勾配ベクトルと、図８
に関して示されたソナー・システムにより生じるビーム
の方向との間の関係を示す図である。

【図２０】図１のシステムにおいて用いられるディスプ
レイの例示図である。

【符号の説明】

１０船１２水域１４衝突防止ソナー・システム１６ソナー送受信機１８送受信トランスジューサ・アレイ１９船体セクション２０ソナー送信機波形および（反転）ビーム形成コン
ピュータ２３送受信（Ｔ／Ｒ）切換えネットワーク２４ディジタル・コンピュータ２６増幅器２７アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）・コンバータ２９受信ビーム形成ネットワーク３２扇形領域４０プログラム・メモリー４２プロセッサ４４データ・メモリー４６船のジャイロ・コンパス４８海底４９ソナー・データ勾配記憶場所５０海図に示された深度メモリー５１ディスプレイ５２海図データ勾配メモリー・セクション６０位置強さメモリー・セクション６２位置エネルギ・メモリー・セクション６４平坦海底反射エネルギ・メモリー・セクション６６正規化エネルギ位置メモリー・セクション６８補間正規化エネルギ・メモリー・セクション７２正規化大域位置エネルギ・メモリー・セクション７４勾配検出統計値メモリー・セクション７６平均勾配検出統計値メモリー・セクション７８検出信号［Ｓ_m,_n］メモリー・セクション８０海図データ勾配ベクトルのメモリー・セクション

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｓ 15/89 Ｇ０８Ｇ 1/0969 7531−3Ｈ 1/16 Ｃ 7531−3Ｈ (72)発明者スコット・ディー・カーターアメリカ合衆国ロード・アイランド州 02806，バーリントン，オーク・グローブ・アベニュー 25 (72)発明者ブラッドフォード・ダブリュー・エッジャートンアメリカ合衆国ロード・アイランド州 02840，ニューポート，エアオールト・ストリート 82 (72)発明者チェリル・エイ・スグリアアメリカ合衆国ロード・アイランド州 02852，ノース・キングスタウン，デイナ・ロード 115

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】安全な船の航行を脅かす海底の航行危険
の事前の警告を行うシステムにおいて、外洋航行船舶上に前方監視方向に搭載するためのソナー
送受信機と、前記ソナー送受信機により生じるソナーの反射波に応答
して、船舶の航路前方における海底の領域の勾配輪郭を
生成する手段と、図化データから生じる勾配輪郭を記憶する手段と、記憶された図化データの勾配輪郭を生成された勾配輪郭
と比較して、船舶の前方における勾配輪郭が図化データ
が生じた勾配輪郭と一致するかどうかを決定する手段
と、を設けてなるシステム。
【請求項２】前記生成手段が、海底の背景残響を推定
する手段を含む請求項１記載のシステム。
【請求項３】推定される前記海底背景反射と、その時
の海底反射および非海底反射の両方からなるその時のエ
コー反射波とに応答して、船舶の航路前方における海底
のフロア領域の勾配輪郭を表わす信号を生じる手段を設
ける請求項２記載のシステム。
【請求項４】前記推定手段が、下式の形態のモデルを
生成する手段を含む請求項２記載のシステム。【数１】但し、ｒは距離、ｒ₀は分布後方散乱に必要なソースか
らの遷移距離、Ｉ_T（ｒ₀）はｒ₀における送信音密度、
ｎは合計２経路の拡散損失と整合するよう選定された整
数（円筒状拡散の場合、ｎ＝２）、αは界面における前
方散乱損失および水柱における吸収損失の結果として生
じる減衰係数、φは水平方向のビーム幅、Δｚ（ｒ）／
ΔｒはｒにおけるΔｒにわたる垂直方向の不連続の勾
配、Ｓ_bdは後方散乱強さ、Δｒ＝ｃτ／２は処理する到
達距離の分解能、ｃは音速、τは活性信号パルス幅、お
よびＮはシステムのノイズフロアである。
【請求項５】前記推定手段が、下式の形態におけるモ
デルを生成する手段を含む請求項２記載のシステム。【数２】
【請求項６】図化深度データから、海底の勾配の大き
さおよびグローバル方向を表わすベクトルを決定する手
段を設け、予め定めた角度方向を有する受信ビームを生
じ、かつ前記ビームの方向に対する勾配ベクトルの投影
を決定する請求項１記載のシステム。