JP4264832B2 - Passive phase conjugate underwater acoustic communication method and passive phase conjugate underwater acoustic communication system - Google Patents
Passive phase conjugate underwater acoustic communication method and passive phase conjugate underwater acoustic communication system Download PDFInfo
- Publication number
- JP4264832B2 JP4264832B2 JP2005152184A JP2005152184A JP4264832B2 JP 4264832 B2 JP4264832 B2 JP 4264832B2 JP 2005152184 A JP2005152184 A JP 2005152184A JP 2005152184 A JP2005152184 A JP 2005152184A JP 4264832 B2 JP4264832 B2 JP 4264832B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- phase conjugate
- signal
- wave
- received
- underwater acoustic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims description 86
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 35
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 63
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 38
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 28
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 45
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 34
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 28
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 20
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
この発明は、音源からプローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号を、複数の受信器から構成される受信器アレイに送信することによって、音源から受信器アレイに情報を伝送する、受動的位相共役水中音響通信方法及びこの方法を実現するシステムに関する。 The present invention transmits information from a sound source to a receiver array by transmitting a transmission signal composed of a probe signal and a data string continuously from the sound source to a receiver array composed of a plurality of receivers. The present invention relates to a passive phase conjugate underwater acoustic communication method and a system for realizing the method.
自律型無人探査機(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)等の運用において、水中音響通信によってAUVの状態を監視したり、あるいはAUVにコマンドを送信したりすることができれば、その運用性を格段に向上させることができる。この場合、長距離水平方向の水中音響通信を、音波が伝播する途中に存在する障害物等に邪魔されることなく、実現する必要がある。 In the operation of autonomous underwater vehicles (AUV), etc., if the AUV status can be monitored or commands sent to the AUV through underwater acoustic communication, the operability will be greatly improved. be able to. In this case, it is necessary to realize long-distance horizontal underwater acoustic communication without being obstructed by an obstacle or the like existing in the middle of propagation of the sound wave.
このような長距離水平方向の水中音響通信を実現するための方法として、位相共役波を用いる方法が検討されている(例えば、非特許文献1、2及び3)。位相共役波とは、ある波と同一の空間的振幅分布を持ち時間的に逆進する波を言い、時間反転波と呼称されることもある。ある音源から発した音波を複数の受信器から構成される送受信器アレイで受信して、その受信した音波を時間軸上で反転して受信した音波に対する位相共役波を生成して、この位相共役波をこの送受信器アレイから再送信すると、元の音源の位置(焦点)に音波が収束する。
As a method for realizing such a long-distance horizontal underwater acoustic communication, a method using a phase conjugate wave has been studied (for example, Non-Patent
位相共役波をアレイから発信すると、音波伝播の現象が、時間が逆転して起こるので、元の音源の位置において、音波が送信された時とは進行方向が逆向きになって、元の信号が受信される。すなわち、位相共役波は音圧の空間的分布形状が同一であって進行方向だけが逆向きである音波であるから、音源から送信された時と同一の空間形状で、元の音源の位置(焦点)に戻ってくることになり、音波が焦点に収束することになる。 When a phase conjugate wave is transmitted from the array, the sound wave propagation phenomenon occurs with the time reversed, so that the traveling direction is reversed from the time when the sound wave was transmitted at the position of the original sound source. Is received. In other words, since the phase conjugate wave is a sound wave having the same spatial distribution shape of sound pressure and only the traveling direction is opposite, the position of the original sound source (with the same spatial shape as when transmitted from the sound source ( The sound wave will converge to the focal point.
位相共役波による収束は、送受信器アレイを発した位相共役波が元の音源に到達するまでに生成される反射波及び屈折波が時間的及び空間的に集まることによって実現される現象である。位相共役波による収束は、従来のビームフォーミングによる手法に比べて、収束性能が非常に高いことが知られている。 Convergence by a phase conjugate wave is a phenomenon realized by temporally and spatially collecting reflected waves and refracted waves generated until the phase conjugate wave emitted from the transceiver array reaches the original sound source. It is known that the convergence by the phase conjugate wave has a very high convergence performance compared to the conventional beam forming technique.
送受信器アレイ(例えば、基地局側)から元の音源(例えば、AUV側)への水中音響通信に、位相共役波を利用するためには、以下のように行う。まず、音源からパルス波を発信し、送受信器アレイを構成する各受信器で受信したパルス波の位相共役波を生成して、位相共役パルス波として用意しておく。すなわち、送受信器アレイを構成する各受信器に備えられている記憶装置にこの位相共役パルス波を記憶させておく。 In order to use a phase conjugate wave for underwater acoustic communication from a transmitter / receiver array (for example, base station side) to an original sound source (for example, AUV side), the following is performed. First, a pulse wave is transmitted from a sound source, a phase conjugate wave of the pulse wave received by each receiver constituting the transceiver array is generated, and prepared as a phase conjugate pulse wave. That is, the phase conjugate pulse wave is stored in a storage device provided in each receiver constituting the transceiver array.
次に、この位相共役パルス波に送信したいデータ列を乗じて、送受信器アレイから音源への送信信号とする。この送信信号には、位相共役パルス波がシンボル間隔で含まれているため、この送信信号を送受信器アレイから音源に向けて送信すれば、音波が元の音源の位置(焦点)に収束し、元のデータ列(送受信器アレイから音源に向けて送信されたデータ列)が音源において受信され、再生される。 Next, the phase conjugate pulse wave is multiplied by a data string to be transmitted to obtain a transmission signal from the transceiver array to the sound source. Since this transmission signal contains phase conjugate pulse waves at symbol intervals, if this transmission signal is transmitted from the transceiver array toward the sound source, the sound wave converges to the position (focus) of the original sound source, The original data string (data string transmitted from the transceiver array toward the sound source) is received and reproduced by the sound source.
もし、送受信器アレイから音源への通信に位相共役波を利用しなければ、反射波や屈折波などから構成されるマルチパス波が、隣の信号と重なってしまい、受信信号の復調ができなくなることがある。すなわちシンボル間干渉が生じ、音源において受信信号が正確に復調されなくなる。そこで、位相共役波を利用しない従来の通信では、上述のマルチパス波を適応フィルタ(AF: Adaptive Filter)の手法を用いて取り除くということが行われていた。しかしながら、AFでマルチパス波をを除去するというこの手法には限界があることが知られている。 If the phase conjugate wave is not used for communication from the transmitter / receiver array to the sound source, the multipath wave composed of the reflected wave and the refracted wave overlaps with the adjacent signal, and the received signal cannot be demodulated. Sometimes. That is, intersymbol interference occurs and the received signal is not accurately demodulated at the sound source. Therefore, in conventional communication that does not use a phase conjugate wave, the above-described multipath wave is removed using an adaptive filter (AF) technique. However, it is known that this method of removing multipath waves by AF has limitations.
一方、従来の位相共役波を利用しない方法に対して、位相共役波を利用する方法によれば、位相共役波が元の音源の位置に収束するために、元の音源の位置においてこの信号を受信すれば、シンボル間干渉がほとんどなく、受信レベルも高いので、通信の精度が高くなる。また、この位相共役波を利用した通信において、元の音源の位置で受信された信号を、更に適応フィルタ処理する手法も検討されている。この適応フィルタ処理する手法によれば、位相共役波を利用してもなお収束しきれずにノイズ状になった信号を、適応フィルタ処理によって除去するという相乗効果が生まれ、適応フィルタ処理をしない従来の位相共役波を利用する水中音響通信と比較して、格段に高い精度で通信が行えることが明らかにされている。 On the other hand, in contrast to the conventional method that does not use the phase conjugate wave, the method that uses the phase conjugate wave converges the signal at the position of the original sound source so that the phase conjugate wave converges to the original sound source position. If received, there is almost no inter-symbol interference and the reception level is high, so the accuracy of communication is high. Further, in communication using this phase conjugate wave, a technique for further adaptively filtering the signal received at the position of the original sound source has been studied. According to this adaptive filter processing method, there is a synergistic effect that adaptive signal processing removes a signal that has not been converged even after using a phase conjugate wave and has become noise-like, and the conventional adaptive filter processing is not performed. It has been clarified that communication can be performed with much higher accuracy than underwater acoustic communication using phase conjugate waves.
以上説明したように、送受信器アレイから発信した信号を元の音源で受信する水中音響通信、すなわちアレイから点状の対象に対しての通信は、アレイから実際に位相共役波を発信しているので、能動的位相共役水中音響通信、Active Time Reversal通信等と呼称されている。これに対して、点状の音源から発信した信号をアレイで受信する水中音響通信に関しても、位相共役波の理論を適用することができ、その検討が行われている(例えば、非特許文献4及び5)。 As described above, underwater acoustic communication in which a signal transmitted from the transceiver array is received by the original sound source, that is, communication from the array to a point-like object is actually transmitting a phase conjugate wave from the array. Therefore, it is called active phase conjugate underwater acoustic communication, Active Time Reversal communication, etc. On the other hand, the theory of phase conjugate wave can be applied to underwater acoustic communication in which an array of signals transmitted from a point-like sound source is received (for example, Non-Patent Document 4). And 5).
この場合には、点状の音源から送りたい情報をアレイに向けて送っているので、このアレイは受信器としての機能を負っている。そこで、点状の音源から送られた情報を受信するアレイを受信器アレイと呼ぶこととする。 In this case, since the information to be sent from the point-like sound source is sent to the array, this array has a function as a receiver. Therefore, an array that receives information sent from a point-like sound source is called a receiver array.
点状の音源から発信した信号を受信器アレイで受信する水中音響通信に、位相共役波の理論を適用するには次のように行う。まず、音源からプローブ信号と送信したい情報を反映させたデータ列とを連続させて構成した送信信号を送信する。次にこの送信信号を、複数の受信器から構成される受信器アレイで受信して、この受信器アレイを構成する各受信器において、それぞれが受信したプローブ信号と受信したデータ列との相関波形を求める。最後に受信器アレイを構成している各受信器において求められた相関波形の和を受信信号として求めれば、位相共役波を用いた通信における場合と同等の処理をしたことになり、音源から送られたデータ列とほぼ同一のデータ列が再生される。 In order to apply the theory of phase conjugate wave to underwater acoustic communication in which a signal transmitted from a point-like sound source is received by a receiver array, the following is performed. First, a transmission signal composed of a probe signal and a data string reflecting information to be transmitted is continuously transmitted from the sound source. Next, this transmission signal is received by a receiver array composed of a plurality of receivers, and at each receiver constituting the receiver array, a correlation waveform between the received probe signal and the received data string. Ask for. Finally, if the sum of correlation waveforms obtained at each receiver constituting the receiver array is obtained as a received signal, the processing is the same as in communication using a phase conjugate wave, and it is transmitted from the sound source. A data string that is almost identical to the recorded data string is reproduced.
上述の点状の音源から発信した信号をアレイで受信する水中音響通信においては、実際には音源あるいはアレイの外部に位相共役波を発信していない。そのためこの通信方法は、受動的位相共役(Passive Phase Conjugate)水中音響通信、Virtual Time Reversal水中音響通信等と呼称されている。
受動的位相共役水中音響通信においても、能動的位相共役水中音響通信の場合と同様に、位相共役波を利用してもなお信号にノイズ状になった信号が混在する。受信器アレイを構成する受信器の個数を増すことによって、このノイズ状になった信号を小さくすることができるが、受信器アレイを構成する受信器の個数を増すことは、技術的にも経済的にも困難をともなう。 In the passive phase conjugate underwater acoustic communication, as in the case of the active phase conjugate underwater acoustic communication, even if the phase conjugate wave is used, the signal in the form of noise is still mixed. By increasing the number of receivers constituting the receiver array, this noise-like signal can be reduced. However, increasing the number of receivers constituting the receiver array is technically economical. With some difficulties.
そこで、この発明の目的は、受信器アレイを構成する受信器の個数を増すことなく、高い精度で通信が行える受動的位相共役水中音響通信方法、及びこの方法を実現するためのシステムを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a passive phase conjugate underwater acoustic communication method capable of performing communication with high accuracy without increasing the number of receivers constituting the receiver array, and a system for realizing the method. There is.
限られた個数の受信器で構成された受信器アレイを用いた受動的位相共役水中音響通信においては、ノイズ状になった信号を何らかの方法で除去することが必要となる。このノイズ状になった信号を除去することができれば、受信器アレイを構成する受信器の個数が少なくとも、受動的位相共役水中音響通信において高い精度で通信が行えることが期待される。 In passive phase conjugate underwater acoustic communication using a receiver array composed of a limited number of receivers, it is necessary to remove a noise-like signal by some method. If this noise-like signal can be removed, it is expected that at least the number of receivers constituting the receiver array can be communicated with high accuracy in passive phase conjugate underwater acoustic communication.
今まで、受信器アレイを構成している各受信器において求められた相関波形の和として再生されたデータ列に対して、なおこのデータ列に混在するノイズ状の信号を除去する手段を具えた、受動的位相共役水中音響通信方法は報告されていない。 Up to now, there has been provided means for removing a noise-like signal mixed in the data sequence reproduced from the data sequence reproduced as the sum of correlation waveforms obtained in each receiver constituting the receiver array. No passive phase conjugate underwater acoustic communication method has been reported.
上述の課題を解決するため、この発明の受動的位相共役水中音響通信方法は、次に示すステップを含む。
(A)音源から、プローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号を送信する第1ステップ
(B)送信信号を、複数の受信器から構成される受信器アレイで受信して、この受信器アレイを構成する各受信器において、それぞれが受信したプローブ信号と受信したデータ列との相関波形を求める第2ステップ
(C)受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を受信信号として求める第3ステップ
(D)この受信信号に対して適応フィルタによる雑音除去を行う第4ステップ。
そして本発明の方法では、受信器アレイを構成する複数の受信器の個数は、受信信号中に位相共役波の収束特性によっては収束しきれないノイズ状の信号成分が残る個数である。また適応フィルタは、受信信号中の収束しきれずに残ったノイズ状の信号成分を除去するものである。
To solve the problems described above, the passive phase conjugate underwater acoustic communication method of the present invention, the steps listed below including.
(A) A first step of transmitting a transmission signal composed of a probe signal and a data string continuously from a sound source (B) A transmission signal is received by a receiver array composed of a plurality of receivers, In each receiver constituting the receiver array, a second step for obtaining a correlation waveform between the received probe signal and the received data string (C) Correlation output from all receivers constituting the receiver array Third step for obtaining the sum of waveforms as a received signal (D) A fourth step for performing noise removal on the received signal using an adaptive filter.
In the method of the present invention, the number of the plurality of receivers constituting the receiver array is the number of remaining noise-like signal components that cannot be converged due to the convergence property of the phase conjugate wave in the received signal. The adaptive filter removes a noise-like signal component remaining in the received signal without being converged.
また、上述の受動的位相共役水中音響通信方法を実現させるためのシステムは次のように構成される。すなわち、受動的位相共役水中音響通信システムは、音源と、受信器アレイと、加算器と、適応フィルタとを具える。音源からは、プローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号が送信される。受信器アレイは、複数の受信器から構成されている。この送信信号は、この複数の受信器でそれぞれ受信されて、受信されたプローブ信号と受信されたデータ列との相関波形が求められる。加算器は、受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を受信信号として生成する。適応フィルタは、この受信信号から雑音を除去する。本発明のシステムでは、受信器アレイを構成する複数の受信器の個数は、受信信号中に位相共役波の収束特性によっては収束しきれないノイズ状の信号成分が残る個数である。また適応フィルタは、受信信号中の収束しきれずに残ったノイズ状の信号成分を除去するものである。 A system for realizing the above-described passive phase conjugate underwater acoustic communication method is configured as follows. That is, the passive phase conjugate underwater acoustic communication system includes a sound source, a receiver array, an adder, and an adaptive filter. A transmission signal composed of a probe signal and a data string is transmitted from the sound source. The receiver array is composed of a plurality of receivers. The transmission signals are received by the plurality of receivers, respectively, and a correlation waveform between the received probe signal and the received data string is obtained. The adder generates a sum of correlation waveforms output from all receivers constituting the receiver array as a reception signal. The adaptive filter removes noise from this received signal. In the system of the present invention, the number of the plurality of receivers constituting the receiver array is the number of noise-like signal components that cannot be converged due to the convergence property of the phase conjugate wave in the received signal. The adaptive filter removes a noise-like signal component remaining in the received signal without being converged.
この発明の受動的位相共役水中音響通信方法は、従来の受動的位相共役水中音響通信が具える第1ステップから第3ステップに加えて、更に適応フィルタによって雑音除去を行う第4ステップを具えている。また、この第1から第4ステップは、この発明の受動的位相共役水中音響通信システムにおいて実現できる。すなわち、第1ステップから第4ステップは、それぞれ、上述の音源、受信器アレイ、加算器、適応フィルタによって実行される。 The passive phase conjugate underwater acoustic communication method of the present invention further includes a fourth step of performing noise removal by an adaptive filter in addition to the first to third steps provided by the conventional passive phase conjugate underwater acoustic communication. Yes. The first to fourth steps can be realized in the passive phase conjugate underwater acoustic communication system of the present invention. That is, the first to fourth steps are executed by the above-described sound source, receiver array, adder, and adaptive filter, respectively.
従ってこの発明によれば、受信器アレイにおいて再生されたデータ列に含まれる、従来十分に収束し切れなかったノイズ状の信号を、第4スッテップで実行される適応フィルタによる雑音除去処理によって除去できるという効果が得られる。すなわち、適応フィルタによる雑音除去処理によって、実用上ノイズ障害が発生しない通信が可能となる程度にノイズ状の信号成分が少ないデータ列を再生することが可能となる。 Therefore, according to the present invention, a noise-like signal that has not been sufficiently converged in the past can be removed by the noise removal process by the adaptive filter executed in the fourth step, which is included in the data string reproduced in the receiver array. The effect is obtained. In other words, the noise removal processing by the adaptive filter makes it possible to reproduce a data string having a small amount of noise-like signal components to such an extent that communication that does not cause noise failure in practice can be performed.
言い換えれば、受信器アレイを構成する受信器を十分な数だけ具えることが困難である状況下でも、位相共役波を利用する手法を用いてもなお収束し切れなかったノイズ状の信号を、第4ステップで十分に除去することができる。このことによって、受信器アレイを構成する受信器を十分な数だけ具えることが困難である状況下でも、十分な数の受信器を具えた受信器アレイを利用した場合と同等程度の、高い精度で通信が行える。 In other words, even in a situation where it is difficult to provide a sufficient number of receivers constituting the receiver array, a noise-like signal that still cannot be converged using a method using a phase conjugate wave, It can be removed sufficiently in the fourth step. As a result, even when it is difficult to provide a sufficient number of receivers constituting the receiver array, it is as high as when using a receiver array including a sufficient number of receivers. Communication can be performed with accuracy.
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、各図は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、各図において同様の構成要素については、その重複する説明を省略することもある。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Each figure shows one configuration example according to the present invention, and only schematically shows the arrangement relationship of each component to the extent that the present invention can be understood. It is not limited to. In addition, overlapping description of the same components in each drawing may be omitted.
まず、図1(A)から(D)を参照して、能動的位相共役水中音響通信の原理について具体的に説明する。図1(A)は、海底14上の海水12中に、音源を搭載しているAUV 10からプローブ波Sを発信して、AUV 10から水平方向遠方の位置に設置されている送受信器アレイ20で受信される様子を示している。送受信器アレイ20は、受信器20-1から20-5の合計5つの受信器が鉛直方向に直線的に連なって配列されて構成されている。
First, the principle of active phase conjugate underwater acoustic communication will be specifically described with reference to FIGS. 1 (A) to (D). FIG. 1 (A) shows a transmitter /
図1(A)においては、合計5つの受信器から構成されている送受信器アレイ20を示しているが、必ずしも受信器の個数は5つに限られるものではない。また、送受信器アレイ20が、図1(A)では、鉛直方向に一列に配置されているが、このように一列に配置する必要はなく、配置の形状は任意でよい。送受信器アレイが具える受信器の個数は多いほど、後述する位相共役波の収束性能が高まり、水中音響通信の品質が高くなるが、送受信器アレイが大型化し、送受信器アレイの製造、及び海中への設置作業が困難になる。一方送受信器アレイが具える受信器の個数が少なければ、送受信器アレイの製造及びその設置作業が軽減される代わりに、位相共役波の収束性が悪くなり、水中音響通信の品質が低下する。
In FIG. 1A, a
音源を搭載しているAUV 10から発信されたプローブ波Sは、海底面18や海水面16によって反射され(反射波)、あるいは海水12の音速分布の不均一等に起因して屈折あるいは回折され(回折波)、また、海水12中に存在する障害物で散乱されて(散乱波)、送受信器アレイ20を構成する各受信器(受信器20-1から受信器20-5)に到達する。以下の説明において、上述した反射波、回折波、散乱波を含めて、マルチパス波ということもある。
The probe wave S transmitted from the
AUV 10が搭載している音源からプローブ波Sが発信されると、海水12を伝播中にマルチパス波を生成しつつ、送受信器アレイ20近傍では、AUV 10が搭載している音源から発信された直後のプローブ波Sとは波面が変形して受信波であるプローブ波Rとなって送受信器アレイ20で受信される。
When the probe wave S is transmitted from the sound source installed in the
図1(C)は、送受信器アレイ20を構成している受信器20-1から受信器20-5の各受信器が受信したプローブ波Rの時間波形の一例を概念的に示した図である。上から順に受信器20-1から受信器20-5の各受信器が受信した受信波を示している。例えば、受信器20-1においは、図1(C)の一番上部に示すように、まず矢印を付けてPと示す波の部分が到達し、最後に矢印を付けてQと示す波の部分が到達する様子が描かれている。受信器20-2から受信器20-5においても、それぞれ同様に、図1(C)の上から2番目の列にから5番目の列に示すような時間波形を有する波が受信される。
FIG. 1 (C) is a diagram conceptually showing an example of a time waveform of the probe wave R received by each of the receivers 20-1 to 20-5 constituting the
AUV 10が搭載している音源から発信されるプローブ波Sは、例えば、時間軸に対して対称な音波パルス波(あるいは、バースト波)が使われるが、海水12中を伝播する間にマルチパス波が発生し、送受信器アレイ20において受信される際には、これらのマルチパス波が混在しているために、受信されるプローブ波Rは、図1(C)に示すように、複雑な時間波形となる。また、送受信器アレイ20を構成する各受信器(受信器20-1から受信器20-5)で受信されるプローブ波も、受信器が設定されている空間的な位置がそれぞれ異なるために、時間波形はそれぞれに異なった形状となっている。
For example, a sonic pulse wave (or burst wave) that is symmetrical with respect to the time axis is used as the probe wave S transmitted from the sound source mounted on the
図1(B)は、送受信器アレイ20を構成する各受信器においてプローブ波Rに対する位相共役波S'が生成されて発信され、AUV 10で位相共役波R'が受信される様子を示している。
FIG. 1B shows a state where a phase conjugate wave S ′ with respect to the probe wave R is generated and transmitted at each receiver constituting the
送受信器アレイ20を構成している各受信器においては、プローブ波Rが受信されて、この受信信号波の時間軸が反転された信号波(位相共役波)S'が生成される。送受信器アレイ20から発信された直後の位相共役波S'は、海水12を伝播中にマルチパス波を生成しつつ、AUV 10近傍では、送受信器アレイ20から発信された直後の位相共役波S'とは波面が変形して位相共役波R'となってAUV 10で受信される。
Each receiver constituting the
図1(D)は、送受信器アレイ20を構成している受信器20-1から受信器20-5において生成された位相共役波の時間波形の一例を概念的に示した図である。例えば、受信器20-1で生成される位相共役波は、図1(D)の一番上部に示す時間波形となる。この時間波形は、図1(C)の一番上に示す時間波形を、左右逆転させて描かれていることから分かるように、時間軸を反転させた波として表される。すなわち、受信器20-1がプローブ波を受信した時とは逆に、まず矢印を付けてQと示す波の部分が先に伝播し、最後に矢印を付けてPと示す波の部分が伝播する様子が描かれている。波の時間波形を示すパラメータ(時間t)の符号を正負反転させることによって、位相共役波は生成される。
FIG. 1D is a diagram conceptually illustrating an example of a time waveform of a phase conjugate wave generated in the receiver 20-5 from the receiver 20-1 constituting the
送受信器アレイ20から発信される位相共役波S'は、AUV 10近傍においては、送受信器アレイ20から発信された直後の時間波形とはその形状が変形して、位相共役波R'となる。そして、位相共役波が本来的に有する性質として、位相共役波R'は、AUV 10に収束する。ただし、完全に収束するためには、AUV 10と送受信器アレイ20との途中の、音波の伝播に対して、反射、回折、散乱等の効果を与える要素が、プローブ波SがAUV 10から発信されて送受信器アレイ20で受信された過程と、位相共役波S'が送受信器アレイ20から発信されてAUV 10で受信される過程とが、同一の状態であることが必要である。
In the vicinity of the
例えば、海流等に起因して、海水12の屈折率分布が、プローブ波SがAUV 10から発信されて送受信器アレイ20で受信された時と、位相共役波S'が送受信器アレイ20から発信されてAUV 10で受信された時とで異なっていれば、位相共役波R'は、完全には収束しない。しかしながら、プローブ波Rが送受信器アレイ20で受信されてから、位相共役波S'が発信されるまでの時間は、それほど長くはなく、実際の水中音響通信においては、海水12の屈折率分布等、音波の伝播に対して、反射、回折、散乱等の効果を与える要素が大きくその状況を変えていることはない。従って、位相共役波R’は、十分に高い精度でAUV 10に収束する。
For example, due to ocean currents, the refractive index distribution of
位相共役波が本来的に有する性質である、プローブ波を発信した音源の位置に収束するという性質を利用して、送受信器アレイ20(例えば、基地局)から元の音源を具えているAUV 10に対して情報を送るための通信を行うには、次のようにする。
An
まず、AUV 10からプローブ波(音波パルス)Sを発信し、送受信器アレイ20を構成する受信器20-1から20-5で受信する。受信器20-1から20-5のそれぞれにおいて、受信したプローブ波Rに対して時間反転処理をする。すなわち、受信したプローブ波Rに対する位相共役波を生成する。そして、基地局である送受信器アレイ20からAUV 10に向けて送信したい情報を反映させたデータ列を、この位相共役波に乗じて、送信信号として生成する。この送信信号には、パルス状の位相共役波がシンボル間隔で含まれているため、この送信信号S'を送受信器アレイ20から送信すれば、AUV 10の位置にこの送信信号R'が収束する。そのために、AUV 10において送信信号R'が効率よく受信され、結果として高い通信品質をもって、送受信器アレイ20から送信されたデータ列が再生される。
First, a probe wave (sound pulse) S is transmitted from the
このように、送受信器アレイ20からAUV 10に向けて情報を送るために位相共役波を用いれば、AUV 10において高い忠実度でデータ列が再生されるので、シンボル間干渉がほとんど起こらず、高い受信レベルが実現される。従って、精度の高い通信を実現することが可能となる。
In this way, if a phase conjugate wave is used to send information from the
以上説明したように、送受信器アレイ20からAUV 10に向けて情報を送る水中音響通信においては、送受信器アレイ20を構成する複数の受信器(受信器20-1から受信器20-5)から位相共役波S'を実際の音波として発信している。送受信器アレイ20からAUV 10に向けて情報を送る水中音響通信は、送受信器アレイ20を構成する複数の受信器(受信器20-1から受信器20-5)から、伝送される情報を担った音波が送信されて、海水中の一点に存在しているAUV 10において受信されるという伝送システムである。そこで、このような水中音響通信を送受信器アレイから一点に向けての通信という。
As described above, in underwater acoustic communication for transmitting information from the
一方、海水中の一点に存在しているAUVから受信器アレイに向けて情報を送るための水中音響通信については、一点から受信器アレイに向けての通信という。一点から受信器アレイに向けての通信には、既に説明したように、受動的位相共役水中音響通信が使われる。そこで、受動的位相共役水中音響通信について、図2(A)から(E)を参照して説明する。受動的位相共役水中音響通信においては、位相共役波そのものを海水中に向けて発信することはない。 On the other hand, underwater acoustic communication for sending information from an AUV present at one point in seawater toward the receiver array is called communication from one point toward the receiver array. As described above, passive phase conjugate underwater acoustic communication is used for communication from one point to the receiver array. Thus, passive phase conjugate underwater acoustic communication will be described with reference to FIGS. 2 (A) to 2 (E). In passive phase conjugate underwater acoustic communication, the phase conjugate wave itself is not transmitted toward seawater.
図1(A)は、能動的位相共役水中音響通信の原理を説明するために参照した図面であるが、AUVからアレイに向けて音波を伝送するという点では、以下に説明する受動的位相共役水中音響通信においても共通するので、便宜上受動的位相共役水中音響通信についても、図1(A)を再度参照して説明をする。ただし、受動的位相共役水中音響通信においては、アレイ側から位相共役波が海水中に向けて発信されるわけではないので、受動的位相共役水中音響通信についての説明に図1(A)を参照する場合には、送受信器アレイ20を受信器アレイ20と読み替えるものとする。また、受信器アレイ20が、図1(A)では、鉛直方向に一列に配置されているが、前述した能動的位相共役水中音響通信の場合と同様に、このように一列に配置する必要はなく、配置の形状は任意でよい。
Fig. 1 (A) is a drawing referenced to explain the principle of active phase conjugate underwater acoustic communication, but in terms of transmitting sound waves from the AUV toward the array, the passive phase conjugate described below. Since it is common in underwater acoustic communication, for convenience, passive phase conjugate underwater acoustic communication will be described with reference to FIG. 1 (A) again. However, in passive phase conjugate underwater acoustic communication, the phase conjugate wave is not transmitted into the seawater from the array side, so see Figure 1 (A) for an explanation of passive phase conjugate underwater acoustic communication. In this case, the
AUV 10から送信される音波は、上述した能動的位相共役水中音響通信においては、プローブ波であったのに対して、受動的位相共役水中音響通信においては、プローブ信号とデータ列とが連続して構成される送信信号である点が異なる。しかしながら、以下の受動的位相共役水中音響通信の説明においては、混乱が生じない範囲で、AUV 10から送信される送信信号を送信信号Sと表記することとし、受信器アレイ20の直前における送信信号を送信信号Rと表記することとする。
The sound wave transmitted from the
図2(A)は、AUV 10から送信される送信信号Sの時間波形を示している。プローブ信号Pとデータ列Dとは、連続して構成されている。図2(B-1)及び(B-5)は、受信器アレイ20を構成する受信器20-1及び受信器20-5が、それぞれ受信した受信信号の時間波形を示している。すなわち、受信器アレイ20を構成する受信器20-2から20-4のそれぞれが受信した受信信号の時間波形を省略して示してある。ここでは、上述の能動的位相共役水中音響通信の説明をしたときと同様に、受信器アレイ20を構成する受信器を5つとして説明するが、5つに限る必要がないことも同様である。
FIG. 2A shows a time waveform of the transmission signal S transmitted from the
図2(B-1)において、時間波形P'は受信器20-1で受信したプローブ信号を示しており、時間波形D'は受信器20-1で受信したデータ列を示している。同様に図2(B-5)において、時間波形P'は受信器20-5で受信したプローブ信号を示しており、時間波形D'は受信器20-5で受信したデータ列を示している。 In FIG. 2 (B-1), the time waveform P ′ indicates the probe signal received by the receiver 20-1, and the time waveform D ′ indicates the data string received by the receiver 20-1. Similarly, in FIG. 2 (B-5), the time waveform P ′ indicates the probe signal received by the receiver 20-5, and the time waveform D ′ indicates the data string received by the receiver 20-5. .
図2(C-1)に示す時間波形は、図2(B-1)において、受信器20-1で受信したプローブ信号P'の時間波形と、図2(B-1)において、受信器20-1で受信したデータ列D'の時間波形との相関波形である。また、図2(C-5)に示す時間波形は、図2(B-5)において、受信器20-5で受信したプローブ信号P'の時間波形と、図2(B-5)において、受信器20-5で受信したデータ列D'の時間波形との相関波形である。これらの相関波形は、受信器20-1及び受信器20-5に具えられたデジタル信号処理機によって生成される。 The time waveform shown in FIG. 2 (C-1) is the time waveform of the probe signal P ′ received by the receiver 20-1 in FIG. 2 (B-1) and the receiver in FIG. This is a correlation waveform with the time waveform of the data string D ′ received at 20-1. Also, the time waveform shown in FIG. 2 (C-5) is the time waveform of the probe signal P ′ received by the receiver 20-5 in FIG. 2 (B-5), and in FIG. This is a correlation waveform with the time waveform of the data string D ′ received by the receiver 20-5. These correlation waveforms are generated by a digital signal processor provided in the receiver 20-1 and the receiver 20-5.
受信器アレイ20を構成する全ての受信器(20-1から20-5)から出力される相関波形の和を加算器によって求めると、図2(D)に示す時間波形で与えられるデータ列がえられる。このデータ列は、AUV 10から送信される送信信号を構成しているデータ列と同一の時間波形を有する。すなわち、加算器によって相関波形の和を求めることによって、AUV 10から送信されたデータ信号が再生されることが知られている(例えば、非特許文献5)。
When the sum of correlation waveforms output from all the receivers (20-1 to 20-5) constituting the
受信器アレイを構成する各受信器で受信した受信信号から相関波形を求め、加算器によってこれらの相関波形の和を求める過程が、上述の能動的位相共役水中音響通信における位相共役波発生と同一の数学的な処理に対応する。このために、AUV 10から送信されたデータ列が、正確に再生された受信信号として受信器アレイ20において生成される。このように受動的位相共役水中音響通信においては、実際には位相共役波を受信器アレイ20から海水中に向けて発信しているわけではない。
The process of obtaining the correlation waveform from the received signals received by each receiver constituting the receiver array and obtaining the sum of these correlation waveforms by the adder is the same as the phase conjugate wave generation in the active phase conjugate underwater acoustic communication described above. Corresponds to the mathematical processing of For this purpose, the data string transmitted from the
この発明では、受信器アレイ20において再生されたデータ列に対して、更に適応フィルタ処理を施すことに特徴がある。図2(E)に示すように、図2(D)に示す再生されたデータ列に対して、適応フィルタ処理によって雑音状の信号が除去された時間波形を有するデータ列を再生する。このように、受信器アレイ20において再生されたデータ列に対して、更に適応フィルタ処理を施すことによって、以下に説明するような効果が得られることを、この発明者等がシミュレーションによって確かめた。
The present invention is characterized in that adaptive filter processing is further applied to the data string reproduced in the
<浅海域でのシミュレーション結果>
図3を参照して、浅海域での受動的位相共役水中音響通信における適応フィルタ処理の効果をシミュレーションした結果について説明する。図3は、このシミュレーションにおける条件設定についての説明に供する図である。このシミュレーションでは、海中での音速が水深に依存せず一定であるとみなせる程度の浅い海域での、受動的位相共役水中音響通信について適応フィルタ処理の効果を検証した。
<Simulation results in shallow water>
With reference to FIG. 3, the result of simulating the effect of adaptive filter processing in passive phase conjugate underwater acoustic communication in shallow water will be described. FIG. 3 is a diagram for explaining condition setting in this simulation. In this simulation, the effect of adaptive filter processing was verified for passive phase conjugate underwater acoustic communication in shallow water where the speed of sound in the sea can be regarded as constant regardless of water depth.
海底34の海底面38から海水32の海水面36までの間隔である水深Hを100 m、AUV 30と受信器アレイ40との距離を25 kmとした。また、受信器アレイ40を構成する受信器の個数を全部で7つとして、海水面36に近い側から順番に受信器40-1から受信器40-7までの合計7つの受信器を配置して構成されているものとし、各受信器間の間隔を15 mとした。
The depth H, which is the distance from the bottom 38 of the
海水32中の音波の伝播計算には、海水32中の音速を深さに依存せず1500 m/s(後述するc1の値)であるものとして、ノーマルモード法のPekeris 解を用いた(例えば、C.B. Officer著, Introduction to the Theory of SOUND TRANSMISSION with Application to the Ocean, New York, McGraw-HILL Book Company. pp. 117-145参照)。
In the calculation of the propagation of sound waves in the
すなわち、任意の受波点の位置の位置ベクトルをr、AUV 30の位置を示す位置ベクトルをrsとしたとき下記の式(1)で与えられる速度ポテンシャルを用いた。ここで、A(kn)は振幅係数であり、下記式(2)で与えられる。Hは、水深(海水面36から海底面38までの間隔)、knは、n次モードの水平方向の波数、β1及びβ2は、それぞれ海水32中及び海底34における鉛直方向の波数である。β1及びβ2は、それぞれ下記式(3)及び式(4)で与えられる。jは虚数単位、c1及びc2は、それぞれ海水32中及び海底34中の音速であり、ρ1及びρ2は、それぞれ海水32及び海底34の密度である。そしてbは、下記式(5)で与えられる。
That is, the velocity potential given by the following equation (1) is used, where r is the position vector at the position of any receiving point and r s is the position vector indicating the position of the
ここでは、c1=1500 m/s、c2=1600 m/s、ρ1=1000 kg/m3、ρ2=1500 kg/m3としてシミュレーションを行った。 Here, the simulation was performed with c 1 = 1500 m / s, c 2 = 1600 m / s, ρ 1 = 1000 kg / m 3 , and ρ 2 = 1500 kg / m 3 .
また、受動的位相共役水中音響通信に用いる搬送波の周波数は500 Hzとし、この通信に使用する帯域幅を100 Hzとした。プローブ信号には、図4(A)及び(B)に示す特性を有するロールオフフィルタ(Roll Off filter:帯域制限フィルタ)を通した、パルス波を使用するものとした。図4(A)は、ロールオフフィルタの時間応答特性を示しており、横軸は時間を秒単位で目盛って示してあり、縦軸は振幅を任意メモリで目盛って示してある。図4(B)は、ロールオフフィルタの周波数応答特性を示しており、横軸は周波数を示してあり、縦軸は振幅を任意メモリで目盛って示してある。 The frequency of the carrier wave used for passive phase conjugate underwater acoustic communication was 500 Hz, and the bandwidth used for this communication was 100 Hz. As the probe signal, a pulse wave that has passed through a roll-off filter having the characteristics shown in FIGS. 4A and 4B is used. FIG. 4 (A) shows the time response characteristics of the roll-off filter. The horizontal axis shows time in units of seconds, and the vertical axis shows amplitude in units of arbitrary memory. FIG. 4B shows the frequency response characteristic of the roll-off filter, where the horizontal axis indicates the frequency, and the vertical axis indicates the amplitude scaled by an arbitrary memory.
このシミュレーションに用いたロールオフフィルタは、図4(A)に示すように、0.01秒のシンボル間隔でデータを送信するために、0.01秒ごとに0になる形になっている。また、図4(B)に示すように周波数応答特性を示す特性曲線は、帯域幅が100 Hzに対応する周波数特性を有するフィルタである。 As shown in FIG. 4 (A), the roll-off filter used in this simulation has a form of 0 every 0.01 seconds in order to transmit data at a symbol interval of 0.01 seconds. As shown in FIG. 4B, the characteristic curve indicating the frequency response characteristic is a filter having a frequency characteristic corresponding to a bandwidth of 100 Hz.
受動的位相共役水中音響通信に用いる変調方式として、シミュレーションでは、直交振幅変調(QAM: quadrature amplitude modulation)方式であって、振幅と位相にそれぞれ4ビットを割り当てる16 QAM方式を採用した。 As the modulation method used for passive phase conjugate underwater acoustic communication, the simulation used the quadrature amplitude modulation (QAM) method, which is a 16 QAM method that assigns 4 bits to each of amplitude and phase.
図5(A)及び(B)と図6(A)及び(B)とを参照して、シミュレーションの結果を説明する。図5(A)及び(B)は、16 QAM方式の復調結果を示す相関図である。横軸は同相成分、縦軸は直交成分を示しており、黒点で示す位置が16 QAM方式の信号点配置を示している。図6(A)及び(B)は、復調結果を時系列で正解値と比較して示す図であり、横軸は時間軸上に並ぶシンボルの配置される位置を示し、縦軸は信号の振幅を示している。 The simulation results will be described with reference to FIGS. 5 (A) and 5 (B) and FIGS. 6 (A) and 6 (B). FIGS. 5A and 5B are correlation diagrams showing demodulation results of the 16 QAM system. The horizontal axis indicates the in-phase component, the vertical axis indicates the quadrature component, and the positions indicated by black dots indicate the 16 QAM signal point arrangement. 6 (A) and 6 (B) are diagrams showing demodulation results in comparison with correct values in time series, the horizontal axis indicates the positions where symbols arranged on the time axis, and the vertical axis indicates the signal The amplitude is shown.
シミュレーションでは、1500シンボルのデータ列を送信して、タップ数が85の適応フィルタ処理をした場合としなかった場合とを比較した。図5(A)に示す相関図は、適応フィルタ処理をしなかった場合の結果を示しており、図5(B)に示す相関図は、適応フィルタ処理をした場合の結果を示している。図5(A)及び(B)に示す相関図においては、データ列の第1000番目のシンボルから第1500番目のシンボルまでの復調結果を示している。 In the simulation, a 1500-symbol data string was transmitted and compared with and without an adaptive filter process with 85 taps. The correlation diagram shown in FIG. 5 (A) shows the result when the adaptive filter processing is not performed, and the correlation diagram shown in FIG. 5 (B) shows the result when the adaptive filter processing is performed. In the correlation diagrams shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B), demodulation results from the 1000th symbol to the 1500th symbol of the data sequence are shown.
データ列の第1000番目のシンボルから第1500番目のシンボルまでの間で発生したビットエラーと、出力信号のS/N比とを比較すると、次のようになった。図5(A)に示す、適応フィルタ処理をしなかった場合には、エラーの生じたビット数は355ビットであったのに対して、図5(B)に示す、適応フィルタ処理をした場合には2ビットであった。また、出力信号のS/N比は、適応フィルタ処理をしなかった場合には、6.4であったのに対して、適応フィルタ処理をした場合には、17.7であった。 The bit error generated between the 1000th symbol and the 1500th symbol of the data string was compared with the S / N ratio of the output signal as follows. When the adaptive filter processing shown in FIG. 5 (A) is not performed, the number of bits in which an error has occurred is 355 bits, whereas the adaptive filter processing shown in FIG. 5 (B) is performed It was 2 bits. Further, the S / N ratio of the output signal was 6.4 when the adaptive filter processing was not performed, whereas it was 17.7 when the adaptive filter processing was performed.
この結果から、適応フィルタ処理することによって、エラーの生じたビット数が355ビットから2ビットまで減少し、出力信号のS/N比は、6.4から17.7まで向上することが確かめられた。図5(A)と図5(B)とを比較すると、16 QAM方式の信号点配置について、前者では黒点で示す信号点配置が一様に散っているのに対して、後者では信号点配置が16箇所にまとまりを持って集まっていることが読み取れる。 From this result, it was confirmed that the number of errored bits was reduced from 355 bits to 2 bits by adaptive filtering, and the S / N ratio of the output signal was improved from 6.4 to 17.7. Comparing Fig. 5 (A) and Fig. 5 (B), the signal point arrangement indicated by black dots is uniformly scattered in the former with respect to the 16 QAM signal point arrangement, whereas in the latter, the signal point arrangement is It can be seen that 16 are gathered together in 16 places.
また、データ列の第1400番目のシンボルから第1450番目のシンボルまでの復調結果を時系列で正解値と比較して示した図6(A)及び(B)を比較すると次のことが分かる。図6(A)は適応フィルタ処理をしなかった場合の結果を示しており、図6(B)は、適応フィルタ処理をした場合の結果を示している。何れの図においても、正解値を×印で示し、それらを破線で結んで示してある。また、復調結果については●印で示し、それらを実線で結んで示してある。 Further, when the demodulation results from the 1400th symbol to the 1450th symbol of the data string are compared with the correct values in time series, FIG. 6A and FIG. FIG. 6 (A) shows the result when the adaptive filter processing is not performed, and FIG. 6 (B) shows the result when the adaptive filter processing is performed. In any of the figures, correct values are indicated by crosses and connected by broken lines. The demodulation results are indicated by ● and connected by a solid line.
図6(A)に示す適応フィルタ処理をしなかった場合の復調結果と、図6(B)に示す適応フィルタ処理をした場合の復調結果とを比較すると、正解値と復調結果との一致の度合いが、図6(B)に示す適応フィルタ処理をした場合の方が高いことが読み取れる。すなわち図6(B)に示す×印と●印との縦軸方向の位置ずれの大きさは、図6(A)に示す×印と●印との縦軸方向の位置ずれの大きさに比べて、小さく、より正解値に近い値が復調されていることが読み取れる。 Comparing the demodulation result when the adaptive filter processing shown in FIG. 6 (A) is not performed with the demodulation result when the adaptive filter processing shown in FIG. It can be seen that the degree is higher when the adaptive filter processing shown in FIG. 6B is performed. That is, the magnitude of the positional deviation in the vertical axis direction between the X mark and the ● mark shown in FIG. 6 (B) is the size of the positional deviation in the vertical axis direction between the X mark and the It can be seen that a smaller value closer to the correct value is demodulated.
以上の結果から、適応フィルタ処理をしなければ、復調がうまく行われないことを示している。すなわち、このシミュレーションにおいて仮定した、受信器アレイを7つという少数の受信器で構成する場合には、適応フィルタ処理をしなければ、AUV 30と受信器アレイ40との間に、通信路を確保できないことを意味している。
From the above results, it is shown that demodulation is not performed well without adaptive filter processing. In other words, if the receiver array is composed of as few as seven receivers, as assumed in this simulation, a communication path is secured between the
受動的位相共役水中音響通信においても、位相共役波の収束特性によって、シンボル間干渉の効果が低減できるが、受信器アレイを構成する受信器の個数が、十分な数だけ具えられていなければ、受信信号として収束しきれずに残るノイズ状の信号成分の大きさは無視できない。この収束しきれずに残ったノイズ状の信号成分が適応フィルタによって除去できたために、上述したように、適応フィルタ処理を行うことによって、良好な受動的位相共役水中音響通信が実現されたものと解釈される。 Even in passive phase conjugate underwater acoustic communication, the effect of intersymbol interference can be reduced by the convergence property of the phase conjugate wave, but if a sufficient number of receivers are included in the receiver array, The magnitude of the noise-like signal component that remains without being converged as the received signal cannot be ignored. Since the noise-like signal component remaining without being converged can be removed by the adaptive filter, it is interpreted that good passive phase conjugate underwater acoustic communication has been realized by performing the adaptive filter processing as described above. Is done.
<深海域でのシミュレーション結果>
次に、図7(A)、(B)及び(C)を参照して、深海域での受動的位相共役水中音響通信における適応フィルタ処理による効果をシミュレーションした結果について説明する。図7(A)、(B)及び(C)は、このシミュレーションにおける条件設定についての説明に供する図である。このシミュレーションでは、上述した浅海域におけるシミュレーションを行った場合と異なって、海中での音速が水深に依存することを無視できない程度の深海域での、受動的位相共役水中音響通信について適応フィルタ処理による効果を検証した。
<Deep sea simulation results>
Next, with reference to FIGS. 7 (A), (B), and (C), the results of simulation of the effect of adaptive filter processing in passive phase conjugate underwater acoustic communication in the deep sea will be described. FIGS. 7A, 7B, and 7C are diagrams for explaining the condition setting in this simulation. In this simulation, unlike the simulation in the shallow sea area described above, the adaptive filter processing is used for passive phase conjugate underwater acoustic communication in the deep sea area where the speed of sound in the sea cannot be ignored. The effect was verified.
海水52中の音波の伝播計算には、PE (Parabolic Equation)法(例えば、Ding Lee and Martin H. Schultz共著, Numerical Ocean Acoustic Propagation in Three Dimensions, Singapore, World Scientific、3章及び4章を参照)を用いた。
PE (Parabolic Equation) method (for example, see Ding Lee and Martin H. Schultz, Numerical Ocean Acoustic Propagation in Three Dimensions, Singapore, World Scientific, Chapters 3 and 4) for calculation of sound wave propagation in
ここでは、海中での音速依存性を2通りの場合に分けてシミュレーションを行った。まず、図7(A)に示す音速依存性を仮定してシミュレーションを行った。この場合を、説明の便宜上ケース(A)とする。また、図7(B)に示す音速依存性を仮定してシミュレーションを行った。この場合を、説明の便宜上ケース(B)とする。すなわち、海水52中の音速c1は、ケース(A)及び(B)の場合は、それぞれ図7(A)及び図7(B)に示す深さに関する関数として与えられる。
Here, the simulation was performed by dividing the sound speed dependence in the sea into two cases. First, the simulation was performed assuming the sound speed dependence shown in FIG. 7 (A). This case is referred to as case (A) for convenience of explanation. In addition, the simulation was performed assuming the sound speed dependency shown in FIG. 7 (B). This case is referred to as case (B) for convenience of explanation. That is, the sound velocity c 1 in the
図7(A)及び(B)の横軸は音速をm/s単位で目盛って示してあり、縦軸は海面56からの深さをm単位で目盛って示してある。ケース(A)は、音速が、海面56から1400 mまでは深さとともに減速し、再びそれ以上の深さにおいては、深くなるに従って増大するケースである。一方ケース(B)は、音速が海面56から深くなるに従って増大するケースである。
7A and 7B, the horizontal axis indicates the sound velocity in units of m / s, and the vertical axis indicates the depth from the
以下において、ケース(A)及びケース(B)におけるシミュレーション結果を説明する。 Hereinafter, the simulation results in case (A) and case (B) will be described.
[ケース(A)]
図7(C)を参照して、ケース(A)のシミュレーションの条件について説明する。海底54の海底面58から海水52の海水面56までの間隔である水深Hを5000 m、AUV 50と受信器アレイ60との距離を500 kmとした。また、受信器アレイ60を構成する受信器はその間隔を10 mとしてその個数を全部で19個とした。図7(C)では、簡便のために受信器を9つ描いてあるが、実際には19個具えられている。受信器アレイ60の深度hを4000 mとしてある。受信器アレイ60の深度hとは、海水面56から受信器アレイ60の中心までの距離をいい、この場合は、受信器アレイ60の中心とは、受信器アレイ60を構成している上から10番目の受信器の位置までの距離を言う。また、海底54中の音速c2、海水52及び海底54のそれぞれの密度ρ1及びρ2は、c2=1600 m/s、ρ1=1000 kg/m3、ρ2=1500 kg/m3としてシミュレーションを行った。
[Case (A)]
With reference to FIG. 7 (C), the simulation conditions of case (A) will be described. The water depth H, which is the distance from the
ロールオフフィルタの特性は、上述した浅海領域のシミュレーションにおいて仮定した図4(A)及び(B)で与えられるものと同一のものを使用し、海水52中の音波の伝播計算には、前述したPE法を用いた。 The characteristics of the roll-off filter are the same as those given in FIGS. 4 (A) and 4 (B) assumed in the simulation of the shallow sea region described above. The PE method was used.
また、受動的位相共役水中音響通信に用いる変調方式として、深海域のシミュレーションでも、16 QAM方式を採用した。また深海域のシミュレーションでも、1500シンボルのデータ列を送信して、浅海域でのシミュレーションで用いたタップ数が85の同一の適応フィルタを用いて、適応フィルタ処理をした場合としなかった場合とを比較した。 In addition, the 16 QAM method was adopted as a modulation method used for passive phase conjugate underwater acoustic communication in simulations in the deep sea. Also, in the deep sea simulation, a 1500-symbol data string is transmitted and the adaptive filter processing is performed with or without the same adaptive filter with 85 taps used in the shallow sea simulation. Compared.
図8(A)及び(B)を参照して、深海域のケース(A)に対するシミュレーションの結果を説明する。図8(A)及び(B)は、図5(A)及び(B)と同様の16 QAM方式の復調結果を示す相関図である。 With reference to FIGS. 8 (A) and (B), simulation results for case (A) in the deep sea area will be described. FIGS. 8A and 8B are correlation diagrams showing demodulation results of the 16 QAM scheme similar to FIGS. 5A and 5B.
図8(A)に示す相関図は、適応フィルタ処理をしなかった場合の結果を示しており、図8(B)に示す相関図は、適応フィルタ処理をした場合の結果を示している。図8(A)及び(B)に示す相関図においては、図5(A)及び(B)と同様に、データ列の第1000番目のシンボルから第1500番目のシンボルまでの復調結果を示している。 The correlation diagram shown in FIG. 8 (A) shows the result when the adaptive filter processing is not performed, and the correlation diagram shown in FIG. 8 (B) shows the result when the adaptive filter processing is performed. In the correlation diagrams shown in FIGS. 8 (A) and (B), as in FIGS. 5 (A) and (B), the demodulation results from the 1000th symbol to the 1500th symbol of the data sequence are shown. Yes.
データ列の第1000番目のシンボルから第1500番目のシンボルまでの間で発生したビットエラーと、出力信号のS/N比とを比較すると、次のようになった。図8(A)に示す、適応フィルタ処理をしなかった場合には、エラーの生じたビット数は296ビットであったのに対して、図8(B)に示す、適応フィルタ処理をした場合には6ビットであった。また、出力信号のS/N比は、適応フィルタ処理をしなかった場合には、2.1であったのに対して、適応フィルタ処理をした場合には、15.1であった。 The bit error generated between the 1000th symbol and the 1500th symbol of the data string was compared with the S / N ratio of the output signal as follows. When the adaptive filter processing shown in FIG. 8 (A) is not performed, the number of bits in which an error has occurred is 296 bits, whereas the adaptive filter processing shown in FIG. 8 (B) is performed It was 6 bits. Further, the S / N ratio of the output signal was 2.1 when the adaptive filter processing was not performed, whereas it was 15.1 when the adaptive filter processing was performed.
この結果から、適応フィルタ処理することによって、エラーの生じたビット数が296ビットから6ビットまで減少し、出力信号のS/N比は、2.1から15.1まで向上することが確かめられた。図8(A)と図8(B)とを比較すると、16 QAM方式の信号点配置について、前者では黒点で示す信号点配置が一様に散っているのに対して、後者では信号点配置が16箇所にまとまりを持って集まっていることが読み取れる。 From this result, it was confirmed that the number of bits in which errors occurred was reduced from 296 bits to 6 bits by adaptive filter processing, and the S / N ratio of the output signal was improved from 2.1 to 15.1. Comparing Fig. 8 (A) and Fig. 8 (B), with respect to the signal point arrangement of 16 QAM system, the signal point arrangement indicated by black dots is uniformly scattered in the former, whereas the signal point arrangement in the latter is It can be seen that 16 are gathered together in 16 places.
[ケース(B)]
ケース(B)のシミュレーションにおいては、海底54の海底面58から海水52の海水面56までの間隔である水深Hを3500 m、AUV 50と受信器アレイ60との距離を1000 kmとした。また、受信器アレイ60を構成する受信器はその間隔を10 mとしてその個数を全部で19個とした。また、受信器アレイ60の深度hを2000 mとしてある。また、海底54中の音速c2、海水52及び海底54のそれぞれの密度ρ1及びρ2は、c2=1600 m/s、ρ1=1000 kg/m3、ρ2=1500 kg/m3としてシミュレーションを行った。
[Case (B)]
In the simulation of case (B), the depth H, which is the distance from the bottom 58 of the
ここでも、ロールオフフィルタの特性は、上述した浅海領域のシミュレーションにおいて仮定した図4(A)及び(B)で与えられるものと同一のものを使用し、海水52中の音波の伝播計算には、前述したPE法を用いた。 Here again, the roll-off filter has the same characteristics as those given in FIGS. 4 (A) and 4 (B) assumed in the simulation of the shallow sea region described above. The PE method described above was used.
また、変調方式として16 QAM方式を採用した。また、1500シンボルのデータ列を送信して、浅海域でのシミュレーションで用いたタップ数が85の同一の適応フィルタを用いて、適応フィルタ処理をした場合としなかった場合とを比較した。 Also, the 16 QAM system was adopted as the modulation system. In addition, a 1500-symbol data string was transmitted, and the case where adaptive filter processing was performed using the same adaptive filter with 85 taps used in the simulation in the shallow sea area was compared with the case where it was not.
図9(A)及び(B)を参照して、深海域のケース(B)に対するシミュレーションの結果を説明する。図9(A)及び(B)は、図5(A)及び(B)と同様の16 QAM方式の復調結果を示す相関図である。 With reference to FIGS. 9 (A) and (B), simulation results for case (B) in the deep sea area will be described. FIGS. 9 (A) and (B) are correlation diagrams showing demodulation results of the 16 QAM system similar to FIGS. 5 (A) and 5 (B).
図9(A)に示す相関図は、適応フィルタ処理をしなかった場合の結果を示しており、図9(B)に示す相関図は、適応フィルタ処理をした場合の結果を示している。図9(A)及び(B)に示す相関図においては、図5(A)及び(B)と同様に、データ列の第1000番目のシンボルから第1500番目のシンボルまでの復調結果を示している。 The correlation diagram shown in FIG. 9 (A) shows the result when the adaptive filter processing is not performed, and the correlation diagram shown in FIG. 9 (B) shows the result when the adaptive filter processing is performed. In the correlation diagrams shown in FIGS. 9 (A) and (B), the demodulation results from the 1000th symbol to the 1500th symbol of the data string are shown, as in FIGS. 5 (A) and (B). Yes.
データ列の第1000番目のシンボルから第1500番目のシンボルまでの間で発生したビットエラーと、出力信号のS/N比とを比較すると、次のようになった。図9(A)に示す、適応フィルタ処理をしなかった場合には、エラーの生じたビット数は339ビットであったのに対して、図9(B)に示す、適応フィルタ処理をした場合には0ビットであった。また、出力信号のS/N比は、適応フィルタ処理をしなかった場合には、0.8であったのに対して、適応フィルタ処理をした場合には、18.1であった。 The bit error generated between the 1000th symbol and the 1500th symbol of the data string was compared with the S / N ratio of the output signal as follows. When adaptive filter processing shown in Fig. 9 (A) is not performed, the number of bits in which errors occurred was 339 bits, whereas when adaptive filter processing shown in Fig. 9 (B) was performed It was 0 bit. Further, the S / N ratio of the output signal was 0.8 when the adaptive filter processing was not performed, but was 18.1 when the adaptive filter processing was performed.
この結果から、適応フィルタ処理することによって、エラーの生じたビット数が339ビットから0ビットまで減少し、出力信号のS/N比は、0.8から18.1まで向上することが確かめられた。図9(A)と図9(B)とを比較すると、16 QAM方式の信号点配置について、前者では黒点で示す信号点配置が一様に散っているのに対して、後者では信号点配置が16箇所にまとまりを持って集まっていることが読み取れる。 From this result, it was confirmed that the number of errored bits was reduced from 339 bits to 0 bits by adaptive filter processing, and the S / N ratio of the output signal was improved from 0.8 to 18.1. Comparing Fig. 9 (A) and Fig. 9 (B), the signal point arrangement indicated by the black dots in the former is uniformly scattered in the 16 QAM system. It can be seen that 16 are gathered together in 16 places.
以上の結果から、深海域における受動的位相共役水中音響通信においても適応フィルタ処理をしなければ、復調がうまく行われないことを示している。すなわち、このシミュレーションにおいて仮定した、受信器アレイを19個という少数の受信器で構成する場合には、適応フィルタ処理をしなければ、AUV 50と受信器アレイ60との間に、通信路を確保できないことを意味している。
From the above results, it is shown that demodulation is not performed well without adaptive filter processing even in passive phase conjugate underwater acoustic communication in the deep sea. In other words, assuming that the receiver array is composed of a small number of 19 receivers assumed in this simulation, a communication path is secured between the
深海域における受動的位相共役水中音響通信においても、浅海域における受動的位相共役水中音響通信の場合と同様に、位相共役波の収束特性によって、シンボル間干渉の効果が低減できるが、受信器アレイを構成する受信器の個数が、十分な数だけ具えられていなければ、受信信号として収束しきれずに残るノイズ状の信号成分の大きさは無視できない。この収束しきれずに残ったノイズ状の信号成分が適応フィルタによって除去できたために、上述したように、適応フィルタ処理を行うことによって、深海域においても、良好な受動的位相共役水中音響通信が実現されたものと解釈される。 In passive phase conjugate underwater acoustic communication in the deep sea area, the effect of intersymbol interference can be reduced by the convergence property of the phase conjugate wave as in the case of passive phase conjugate underwater acoustic communication in the shallow sea area. If a sufficient number of receivers are not provided, the magnitude of the noise-like signal component that remains without being converged as a received signal cannot be ignored. Since the noise-like signal component that has not been fully converged can be removed by the adaptive filter, as described above, by performing the adaptive filter processing, excellent passive phase conjugate underwater acoustic communication is realized even in the deep sea area. It is interpreted.
10、30、50:自律型無人探査機(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)
12、32、52:海水
14、34、54:海底
16、36、56:海水面
18、38、58:海底面
20:(送)受信器アレイ
40、60:受信器アレイ
10, 30, 50: Autonomous Underwater Vehicle (AUV)
12, 32, 52: Seawater
14, 34, 54: Undersea
16, 36, 56: Sea level
18, 38, 58: Bottom of the sea
20: (Sending) receiver array
40, 60: Receiver array
Claims (2)
該送信信号を、複数の受信器から構成される受信器アレイで受信して、該受信器アレイを構成する各受信器において、それぞれが受信したプローブ信号と受信したデータ列との相関波形を求める第2ステップと、
前記受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を受信信号として求める第3ステップと、
該受信信号に対して適応フィルタによる雑音除去を行う第4ステップとを含み、
前記受信器アレイを構成する前記複数の受信器の個数は、前記受信信号中に位相共役波の収束特性によっては収束しきれないノイズ状の信号成分が残る個数であり、
前記適応フィルタは、前記受信信号中の収束しきれずに残った前記ノイズ状の信号成分を除去するものであることを特徴とする受動的位相共役水中音響通信方法。 A first step of transmitting a transmission signal composed of a probe signal and a data string continuously from a sound source;
The transmission signal is received by a receiver array composed of a plurality of receivers, and a correlation waveform between the received probe signal and the received data string is obtained at each receiver constituting the receiver array. The second step,
A third step for obtaining as a received signal the sum of correlation waveforms output from all receivers constituting the receiver array;
Look including a fourth step of performing noise cancellation by the adaptive filter to the received signal,
The number of the plurality of receivers constituting the receiver array is the number of noise-like signal components that cannot be converged due to the convergence characteristics of the phase conjugate wave in the received signal,
The passive phase conjugate underwater acoustic communication method according to claim 1, wherein the adaptive filter removes the noise-like signal component remaining in the received signal without being converged .
該送信信号を受信して、受信したプローブ信号と受信したデータ列との相関波形を求める複数の受信器から構成される受信器アレイと、
前記受信器アレイを構成する全ての受信器から出力される相関波形の和を受信信号として生成する加算器と、
該受信信号から雑音を除去する適応フィルタと
を備え、
前記受信器アレイを構成する前記複数の受信器の個数は、前記受信信号中に位相共役波の収束特性によっては収束しきれないノイズ状の信号成分が残る個数であり、
前記適応フィルタは、前記受信信号中の収束しきれずに残った前記ノイズ状の信号成分を除去するものであることを特徴とする受動的位相共役水中音響通信システム。 A sound source that transmits a transmission signal composed of a probe signal and a data string continuously;
A receiver array comprising a plurality of receivers for receiving the transmission signal and obtaining a correlation waveform between the received probe signal and the received data sequence;
An adder for generating a sum of correlation waveforms output from all receivers constituting the receiver array as a received signal;
An adaptive filter for removing noise from the received signal ,
The number of the plurality of receivers constituting the receiver array is the number of noise-like signal components that cannot be converged due to the convergence characteristics of the phase conjugate wave in the received signal,
The passive phase conjugate underwater acoustic communication system characterized in that the adaptive filter removes the noise-like signal component remaining in the received signal without being completely converged .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005152184A JP4264832B2 (en) | 2005-05-25 | 2005-05-25 | Passive phase conjugate underwater acoustic communication method and passive phase conjugate underwater acoustic communication system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005152184A JP4264832B2 (en) | 2005-05-25 | 2005-05-25 | Passive phase conjugate underwater acoustic communication method and passive phase conjugate underwater acoustic communication system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006332947A JP2006332947A (en) | 2006-12-07 |
JP4264832B2 true JP4264832B2 (en) | 2009-05-20 |
Family
ID=37554177
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005152184A Expired - Fee Related JP4264832B2 (en) | 2005-05-25 | 2005-05-25 | Passive phase conjugate underwater acoustic communication method and passive phase conjugate underwater acoustic communication system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4264832B2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5150125B2 (en) * | 2007-03-30 | 2013-02-20 | 日本電気株式会社 | Detection apparatus, detection program, and detection method |
JP5110529B2 (en) * | 2008-06-27 | 2012-12-26 | 日本電気株式会社 | Target search device, target search program, and target search method |
JP5317176B2 (en) * | 2008-11-07 | 2013-10-16 | 日本電気株式会社 | Object search device, object search program, and object search method |
JP5317177B2 (en) * | 2008-11-07 | 2013-10-16 | 日本電気株式会社 | Target detection apparatus, target detection control program, and target detection method |
-
2005
- 2005-05-25 JP JP2005152184A patent/JP4264832B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2006332947A (en) | 2006-12-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gussen et al. | A survey of underwater wireless communication technologies | |
Stojanovic | Recent advances in high-speed underwater acoustic communications | |
Kebkal et al. | Sweep-spread carrier for underwater communication over acoustic channels with strong multipath propagation | |
Stojanovic | Underwater acoustic communications | |
Istepanian et al. | Underwater acoustic digital signal processing and communication systems | |
Song et al. | Multiuser communications using passive time reversal | |
Geller et al. | Equalizer for video rate transmission in multipath underwater communications | |
Lou et al. | Underwater Communications and Networks | |
Galvin et al. | Analysis of the performance of an underwater acoustic communications system and comparison with a stochastic model | |
JP4264832B2 (en) | Passive phase conjugate underwater acoustic communication method and passive phase conjugate underwater acoustic communication system | |
Shimura et al. | Experiment results of time-reversal communication at the range of 300 km | |
Maia et al. | Environmental model-based time-reversal underwater communications | |
Shimura et al. | Demonstration of time-reversal communication combined with spread spectrum at the range of 900 km in deep ocean | |
Dushin | Modeling of a high-frequency hydroacoustic communication channel in shallow water of the black sea | |
Shimura et al. | A basic research on the long horizontal active time reversal communication | |
Tong et al. | Channel equalization based on data reuse LMS algorithm for shallow water acoustic communication | |
Kim et al. | Verification of the feasibility of higher-order modulation for long-range communication in deep water | |
Bozzi et al. | Vector sensor beam steering for underwater acoustic communications | |
Stojanovic | Coherent digital communications for rapidly fading channels with applications to underwater acoustics | |
Divya et al. | Mitigation of interference in underwater wireless acoustic communication-A survey | |
Shimura et al. | Results of basic at-sea experiments on time-reversal communication in the deep ocean | |
Kim et al. | Long-range multiple-input-multiple-output underwater communication in deep water | |
Yoon | High-rate digital acoustic communications in a shallow water channel | |
Kim et al. | MIMO Communication Based on Adaptive Passive Time Reversal in Deep Water | |
Essebbar et al. | Simulation of communication system for underwater acoustics |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060322 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090204 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4264832 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120227 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120227 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130227 Year of fee payment: 4 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140227 Year of fee payment: 5 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |