JP5493582B2 - 水中目標物探索システム、水中目標物探索方法及び水中目標物探索用プログラム - Google Patents

Description

本発明は、水中目標物探索システム等に係り、特に、音波を送受信して水中内の目標物からのエコー音波から得られるドップラー効果に基づいて、当該目標物を探知するための水中目標物探索システム、水中目標物探索方法及び水中目標物探索用プログラムに関する。

音波を送受信して水中内の目標物からのエコー音波から得られるドップラー効果に基づいて、当該目標物を探知する水中目標物探索システムとしてアクティブソナー装置が広く知られている。

関連技術におけるアクティブソナー装置は、目標探索用の音波を水中内の目標物に向けて発信し、その目標物からの反射波であるエコー音波及び海底からの残響の音波やその他のノイズ成分を含む音波を、受波センサによって受信し信号処理して目標物の方向を特定する。次に、この種のアクティブソナー装置では、捕捉した受信信号に含まれているエコー信号を検出して、目標物までの距離を特定する。特定された目標物の方向及び目標物までの距離は、例えば、横軸を方向とし、縦軸を距離とした２次元の画像によって表示される。

アクティブソナー装置では、一般に、受信信号からエコー信号を検出する方法として、レプリカ信号を用いた相関信号処理を行っている。レプリカ信号とは、励振信号を複製（レプリカ）した信号であり、狭義には、励振信号の虚数部の位相を反転した共役信号で構成される。しかし、広義には、励振信号を複製したものでなくても、受信信号と相関信号処理を行うための被相関信号をレプリカ信号と称している。

この相関信号処理においては、受信信号に対してレプリカ信号の時間をずらしながら相互相関を繰り返すことにより、波形がもっとも類似した時刻で相関度の最大値が現れる。この相関信号処理のために使用されるレプリカ信号の元となる励振信号としては、周波数が線形に変調された直線状周波数変調（ＬＦＭ：Linear Frequency Modulation ）信号と、一定周波数連続波（ＰＣＷ：Pulse Continuous Wave) 信号の２種類が主に用いられている。

アクティブソナー装置には、目標物に向けて音波を送信する送信側と目標物からの反射波を受信する受信側とが一体になっているモノスタティックソナー方式と、送信側と受信側とが分離して異なる位置に配置されるマルチスタティックソナー方式とがある。

モノスタティックソナー方式の関連技術として、例えば、ＬＦＭパルス信号とＰＣＷパルス信号とを重畳して加算する加算器を設け、ＬＭＦパルス信号とＰＣＷパルス信号とを重ね合わせて励振信号を生成する技術が知られている（特許文献１参照）。

図１１に、上記特許文献１によるアクティブソナー装置の構成を示すブロック図を示す。この図１１に示すアクティブソナー装置は、目標物の探索のための音波を送受波する送受波部１００と、送受波部１００に対して励振信号を供給する送信部２００と、送受波部１００から供給される受信信号を処理する受信部３００と、探索結果の表示やその他の処理を行う表示制御部４００とを備えている。以下、この特許文献１における特徴的な技術について説明する。

この図１１において、送信部２００は、ＬＦＭパルス発生部２０１で生成されたＬＦＭパルス及びＰＣＷパルス発生部２０２で生成されたＰＣＷパルスの両パルスを加算器２０３によって重ね合わせて、１系統の励振信号を生成する。

又、受信部３００には、目標物からの反射により得られるエコー信号を含む受信信号が入力される。この受信信号は、周波数分離されてＬＦＭ整相器３０１とＰＣＷ整相器３０２とにそれぞれ入力され、その後、送信部２００の励振信号に基づくレプリカ信号に基づいて相関信号処理がなされる。

受信部３００の前記ＬＦＭ整相器３０１は、時間分解能の高いＬＦＭパルス成分の受信信号に応じた相関信号処理により目標物の位置（距離）を検出し、その検出結果をビデオ系処理部３０３に出力する。一方、ＰＣＷ整相器３０２は、ドップラー分解能（周波数分解能）の高いＰＣＷパルス成分の受信信号に応じた相関信号処理により目標物の移動変化を表すドップラーシフト量を検出して、その検出結果をドップラー系処理部３０４に出力する。

一方、マルチスタティックソナー方式の関連技術として、周波数が直線的に増加するＬＦＭ信号と周波数が直線的に減少するＬＦＭ信号とを連続させた励振信号を生成し、検出時のエコー信号の時間差からドップラーシフト量を検出する技術が知られている（特許文献２参照）。

又、マルチスタティックソナー方式の他の関連技術として、受信信号とレプリカ信号との相関信号処理をするため、異なる周波数からなるレプリカ信号を複数用意して、エコー信号のドップラーシフトの有無を検出する技術が知られている（特許文献３参照）。

更に又、モノスタティックソナー方式の他の関連技術として、環境計測のために広帯域のＬＦＭ信号を生成し、その検出結果を踏まえて、環境に対して適切なパラメータにチューニングされた高い時間分解能及び高いドップラー分解能（周波数分解能）を同時に実現するために、周波数が不規則に変化する周波数ホッピング方式のＰＣＷ信号を用いると共に、受信信号を複数の帯域に分割して、各分割受信信号と周波数ホッピング方式のレプリカ信号とのマッチドフィルタ処理を行う技術が知られている（特許文献４参照）。

特開平９−２８１２３４号公報 特開昭５９−２２５３７５号公報 特開平３−２４２５８６号公報 特開２０００−３０４８５９号公報

上記特許文献４にも記載されているように、アクティブソナー装置の性能を向上させるためには、時間分解能とドップラー分解能（周波数分解能）とを同時に満たす必要がある。

特に、ドップラー分解能の向上を図るためには、周波数ホッピング信号やＨＦＭ（Hyperbolic Frequency Modulation）信号等のように、周波数が非直線的に変化し且つ周波数範囲が異なる複数の励振信号を送信側で生成し、この送信側の複数の励振信号のレプリカ信号を受信側で用意して、受信側で受信した反射波の受信信号とこのレプリカ信号との相関信号処理を行うようになっている。

このため、上記特許文献１乃至特許文献４においては、受信側において、周波数範囲が異なる複数のレプリカ信号を生成する信号生成回路を設けてドップラー分解能の向上を実現している。

しかしながら、このような複数のレプリカ信号を生成する信号生成回路を設けることは、回路規模が増大すると共に、受信信号と複数のレプリカ信号との相関信号処理の負荷も増加するという課題がある。

特に、特許文献２及び特許文献３のように送信側と受信側とが分離しているマルチスタティックソナー方式の場合には、送信側の励振信号を利用することができないので、発振回路や分周回路等も必要になり、よりいっそう回路規模が増大するという課題がある。

更に、上記特許文献２及び特許文献３においては、ＬＦＭ信号に基づく２つのレプリカ信号だけでドップラーシフト量を検出するようになっているが、受信信号とＬＦＭ信号との相関信号処理では十分な相関信号出力が得られないので、実際の残響や雑音が多く存在する環境ではドップラーシフト量の誤検出が多く発生するという課題がある。

〔発明の目的〕
本発明は、このような関連技術の有する課題を解決するために成されたもので、受信側における回路規模を削減して相関信号処理の負荷を軽減することを可能にすると共に、実際の残響や雑音が多く存在する環境においても、目標物を確実に検出することを可能にする水中目標物探索システム、水中目標物探索方法、及び水中目標物探索処理用プログラムを提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る水中目標物探索システムは、目標探索用の音波を水中内目標物に向けて発信する送波手段と、前記目標物からの反射波を受信して受信信号を捕捉する受波手段と、前記音波出力用の励振信号を生成する励振信号生成手段とを備えた水中目標物探索システムにおいて、前記励振信号生成手段が、周波数が時間に対して線形に変化する第１励振信号と予め設定されている複数の一定時間の区間ごとに周波数が時間に対して非線形に変化し且つ第２励振信号とを生成する励振信号生成機能と、前記第１励振信号に前記複数の区間の第２励振信号を付加して励振用合成信号を生成して前記音波出力用の励振信号とする合成信号生成機能を備え、前記受信信号と前記励振信号生成手段によって生成された前記第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理及び前記受信信号と予め設定されている単一の周波数からなる単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って前記受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を検出する受信信号処理手段を備えたことを特徴とする。

又、上記目的を達成するため、本発明に係る水中目標物探索方法は、音波出力用の励振信号を励振信号生成手段が生成し、この生成された励振信号を目標探索用の音波に変換して水中の目標物に向けて送波手段が発信し、前記目標物からの反射波を受波手段が受信して受信信号に変換し、この変換された受信信号を受信信号処理手段が信号処理することによって前記目標物を特定する水中目標物探索方法において、周波数が時間に対して線形に変化する第１励振信号と予め設定されている複数の一定時間の区間ごとに周波数が時間に対して非線形に変化し且つ周波数範囲が異なる第２励振信号とを、前記励振信号生成手段が個別に生成し、次に、前記複数の区間ごとの前記第２励振信号を前記第１励振信号に付加して励振用合成信号を前記励振信号生成手段が生成し、この励振用合成信号を、前記送波手段から変換出力される音波出力用の励振信号として使用し、前記受信信号と前記生成された前記第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理及び前記受信信号と予め設定されている単一の周波数からなる単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って前記受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を前記受信信号処理手段が検出することを特徴とする。

又、上記目的を達成するため、本発明に係る水中目標物探索用プログラムは、音波出力用として生成された励振信号を目標探索用の音波に変換して水中の目標物に向けて発信する送波手段と、前記目標物からの反射波を受信し受信信号に変換する受波手段と、前記音波出力用の励振信号を生成する励振信号生成手段と、を備えた水中目標物探索システムにあって、前記励振信号の生成に際しては、前記音波出力用の励振信号の一部を成す周波数が時間に対して線形に変化する第１励振信号を生成する第１励振信号生成機能、前記受信信号処理手段における相関信号処理に使用される単一の周波数からなる単一周波数レプリカ信号に対応して、前記音波出力用の励振信号の一部を成す周波数が時間に対して非線形に変化し且つ複数の一定時間の区間ごとに周波数範囲が異なる第２励振信号を生成する第２励振信号生成機能、及び前記第１励振信号に前記複数の区間の第２励振信号を付加して励振用合成信号を生成する合成信号生成機能、を、前記励振信号生成手段が備えているコンピュータに実行させるようにしたことを特徴とする。

又、上記目的を達成するため、本発明に係る水中目標物探索用プログラムは、音波出力用として生成された励振信号を目標探索用の音波に変換して水中の目標物に向けて発信する送波手段と、前記目標物からの反射波を受信し受信信号に変換する受波手段と、周波数が時間に対して線形に変化する第１励振信号及び当該第１励振信号に連結される周波数が時間に対して非線形に変化し且つ複数の一定時間の区間ごとに周波数範囲が異なる第２励振信号を前記音波出力用の励振用合成信号として生成する励振信号生成手段と、前記受信信号を受信信号処理手段が信号処理することによって前記目標物を特定する水中目標物探索システムにあって、前記捕捉された受信信号と前記励振信号生成手段によって生成された第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理及び前記受信信号と予め設定されている単一の周波数からなる単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って前記受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を検出する受信信号処理機能を備え、この受信信号処理機能の実行内容を、前記受信信号を分析し前記目標物からの反射波である反射ピーク信号の信号ピーク位置を時間座標上にて検出するピーク位置検出処理機能、この検出された信号ピーク位置を起点とする前記励振用合成信号に対応した時間長の信号部分を抽出する時間長信号抽出機能、及び前記抽出した時間長の信号部分と前記単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って当該受信信号に含まれる前記エコー信号を検出するエコー信号検出機能、により構成し、これらを前記受信信号処理手段が備えているコンピュータに実行させるようにしたことを特徴とする。

本発明は以上のように構成したので、これによると、送信側では、周波数が直線的に変化する第１励振信号及び第１励振信号に連結される周波数が非直線的に変化し且つ複数の一定時間の区間ごとに周波数範囲が異なる第２励振信号を音波出力用の励振信号として生成し、受信側では、受信信号と第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理、及び受信信号と予め設定されている単一の周波数からなる単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って、受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を検出する構成にしたので、受信側における回路規模を削減して相関信号処理の負荷を軽減することができると共に、実際の残響や雑音が多く存在する環境においても、目標物を確実に検出することができるという優れた水中目標物探索システム、水中目標物探索方法及び水中目標物探索用プログラムを提供することができる。

本発明の第１実施形態における水中目標物探索システムにおける送波装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態における水中目標物探索システムにおける受波装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態における水中目標物探索システムの送信及び受信の各装置の配置の例を示す説明図である。 図１中に開示した励振信号生成手段によって生成される励振信号を示す波形図である。 図１中に開示した受信信号処理手段によって処理される信号波形を示す波形図である。 本発明の第１実施形態における目標物のドップラーシフトの概念を示す概念図である。 本発明の第２実施形態における水中目標物探索システムの送波装置の構成を示すブロック図である。 図７に開示した送波装置における励振信号発生処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態における水中目標物探索システムの受波装置の構成を示すブロック図である。 図９に開示した受波装置における受信信号処理の手順を示すフローチャートである。 関連技術におけるアクティブソナー装置の一例を示すブロック図である。

以下、本発明に係るマルチスタティックソナー方式の水中目標物探索システムの第１実施形態を、図１乃至図６に基づいて説明する。
[第１実施形態]
まず、図３において、水中目標物探索システム１は、探索対象の海に設置された１つの送波装置１０及び３個の受波装置２０Ａ、２０Ｂ、及び２０Ｃで構成されたマルチスタティック方式の水中目標物探索システムであり、送波装置１０からの音波の送波を受けた目標物３０による反射波を各受波装置２０が受信することによって、海中や海上を移動する目標物３０を探索する。

図１は図３に示した送波装置１０の内部構成を示すブロック図である。この図１において、送波装置１０は、目標探索用の音波を水中内の目標物３０に向けて発信する送波手段１１と、送波手段１１に入力するための音波出力用の励振信号を生成する励振信号生成手段１２と、を備えている。又、送波装置１０は、図１の各受波装置２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）との間で無線通信を行う無線通信部１３と、この無線通信部１３に接続されていると共に空中において電波を送受信するために海面から上に延びたアンテナ１４と、を備えている。

図２は図３に示した受波装置２０の内部構成を示すブロック図である。この図２において、受波装置２０は、目標物３０からの反射波を受信して受信信号を捕捉する受波手段２１と、受波手段２１によって捕捉された受信信号と送波装置１０の励振信号生成手段１２によって生成された励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理を行って受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を検出する受信信号処理手段２２と、送波装置１０との間で無線通信を行う無線通信部２３と、無線通信部２３に接続されると共に空中において電波を送受信するために海面から上に延びたアンテナ２４と、受信信号処理手段２２によって検出されたエコー信号を表示信号に変換処理する表示処理部２５と、この表示処理部２５で処理された表示信号に基づく画像を表示する表示部２６と、を備えている。

このため、受信信号と励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理によってエコー信号を検出し、エコー信号の到達時刻、無線通信によって得られる送波装置１０における音波の発信時刻、及び音波の速度によって目標物３０の位置を特定することができる。

ここで、図には示していないが、受波手段２１に受信方向センサが設けられており、この受信方向センサによって受信した反射波の方向に基づいて目標物３０が存在する方向を特定することができる。この受信方向センサについては、関連技術において既に広く知られているので詳細な説明は省略する。

（励振信号生成手段の構成）
次に、上記送波装置１０の主要部である励振信号生成手段１２について説明する。図１の励振信号生成手段１２は、目標物探索に用いる励振信号を予め生成する。この励振信号生成手段１２は、本実施形態では、励振信号生成機能及び合成信号生成機能を備えている。この内、励振信号生成機能は、目標物３０に音波を発信する際に、直線的に周波数が変化する第１励振信号（本実施形態では、図４に示すＬＦＭ信号）を生成する低ドップラー感度励振信号生成部１２Ａと、非直線的に周波数が変化する第２励振信号（本実施形態では図４に示すように、周波数が双曲線的に変化するＨＦＭ（Hyperbolic Frequency Modulation）信号を予め生成する高ドップラー感度励振信号生成部１２Ｂとによって実現される。

これにより、簡単なデジタル回路又はソフトウェアの簡単なアルゴリズムによって、直線的に周波数が変化する第１励振信号（ＬＦＭ信号）及び非直線的に周波数が変化する第２励振信号（ＨＦＭ信号）を容易に生成することができる。

又、励振信号生成手段１２は、高ドップラー感度励振信号生成部１２Ｂによって生成された各第２励振信号を順次変調して、予め設定されている３個の一定時間の区間（本実施形態では、図４に示す区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｃ）ごとに周波数範囲が異なる３個の第２励振信号（図４に示す３個のＨＦＭ信号）を生成するドップラー変調処理部１２Ｃと、ドップラー変調処理部１２Ｃによって順次変調された３個の第２励振信号を目標物探索動作に先立って予め格納する励振信号データベース１２Ｄとを備えている。ここで、高ドップラー感度励振信号生成部１２Ｂ及びドップラー変調処理部１２Ｃは３個よりも多い複数のＨＦＭ信号を生成するように構成してもよい。

これにより、広い周波数範囲をカバーする第２励振信号を生成することができると共に、目標物探索動作の開始に際して、複数の第２励振信号をリアルタイムで生成する必要がなくなり迅速な探索動作が可能になる。

更に、励振信号生成手段１２の機能の内、前述した合成信号生成機能は、目標物３０に向けて音波を発信する際に、上記の励振信号データベース１２Ｄに格納されている複数の第２励振信号を読み出してこれと低ドップラー感度励振信号生成部１２Ａによって生成される第１励振信号に連結することにより、励振用合成信号のパルス列を生成するパルス列生成部１２Ｅによって実行される。

これにより、目標物探索動作の開始に際して、励振用合成信号のパルス列を迅速に生成することができる。

又更に、励振信号生成手段１２は、パルス列生成部１２Ｅによって生成された励振用合成信号を音波出力用の電力として十分なレベルに増幅して送波手段１１に出力する増幅器１２Ｆを備えている。

目標物探索動作の開始によって、励振信号生成手段１２から励振用合成信号を受けて送波手段１１から発信された音波は、水中内を伝搬して目標物３０に到達すると共に各受波装置２０にも到達する。目標物３０に到達した音波は目標物３０によって反射され、その音波の反射波が水中内を伝搬する。この場合において、目標物３０が移動しているときは、反射波はその移動変化の影響を受ける。

この目標物３０の移動変化は、反射波のドップラーシフト量の変化として表れ、そのドップラーシフト量の変化が反射波を受信する受波装置２０における相関信号処理（これについては後述する）によって、目標物３０の移動変化として検出される。すなわち、ドップラーシフト量の複数の予想値に対応して目標物３０の複数の移動変化値が検出される。

このため、図１に示したドップラー変調処理部１２Ｃは、複数の第２励振信号を順次変調する場合に、図２に示した受波装置２０内の受波手段２１によって捕捉された受信信号に含まれるドップラーシフト量の予想値に対応して変調する。すなわち、ドップラー変調処理部１２Ｃは、予め予想される受信信号のドップラーシフト量に対応した周波数で第２励振信号を変調する。

この場合において、ドップラー変調処理部１２Ｃは、ドップラーシフト量が無いと想定される場合におけるシフト値０に対応して基準励振信号を生成すると共に、この生成された基準励振信号を複数のドップラーシフト量（複数の予想値）に対応してそれぞれ変調して、励振信号データベース１２Ｄに格納する。すなわち、励振信号生成手段１２は、生成される第２励振信号を第１励振信号との合成用として記憶する励振信号データベース１２Ｄ（記憶手段）を併設した構成になっている。

これにより、励振信号生成手段１２は、予め適切なドップラーシフト量を予想することにより、目標物３０の正確な移動変化を検出することが可能となると共に、合成用の複数の第２励振信号を励振信号データベース１２Ｄから読み出して、極めて迅速に励振用合成信号を生成することができる。

更に、この場合において、ドップラー変調処理部１２Ｃは、シフト値０に対応した基準励振信号に対するドップラーシフト量に応じた変調を、ドップラーシフト量の増加又は減少に対応して周波数を増加又は減少させるようにして変調する。したがって、目標物３０が送波装置１０に近づいてくる場合や送波装置１０から遠ざかる場合に、その目標物３０の位置及び速度変化を高い精度で特定することができる。

（励振信号生成手段の動作）
次に、励振信号生成手段１２による励振信号生成の動作について図４に基づいて説明する。図１に示したパルス列生成部１２Ｅにおいて、低ドップラー感度励振信号（第１励振信号）に複数（本第１実施形態では３個）の高ドップラー感度励振信号（第２励振信号）が連結されて励振用合成信号を構成している。

図４に示すように、第１励振信号である低ドップラー感度励振信号は、ＬＦＭ信号で構成されている。また、低ドップラー感度励振信号に付加された３つの区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｃの各第２励振信号である高ドップラー感度励振信号は、ＨＦＭ信号で構成されている。そして、ＬＦＭ信号に３個のＨＦＭ信号を連結した励振用合成信号は、一定の時間長Ｔで構成されている。区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｃの３個のＨＦＭ信号は、目標物３０が送波装置１０から遠ざかる速度が３ノット（ｋｔ）、２ノット、１ノットのドップラーシフト量に対応して、励振信号生成手段１２において生成されたものである。

例えば、３ノットに対応する区間ＡのＨＭＦ信号の中心周波数を８０６Ｈｚ、２ノットに対応する区間ＢのＨＭＦ信号の中心周波数を８０４Ｈｚ、１ノットに対応する区間ＣのＨＭＦ信号の中心周波数を８０２Ｈｚとする。この場合において、１ノットの移動速度に対してドップラーシフトによる周波数の低下は２Ｈｚである。したがって、目標物３０が送波装置１０から３ノット、２ノット、又は１ノットで遠ざかるとすると、目標物３０によって反射されて受波装置２０で受信されたエコー信号の中心周波数は、ドップラーシフトによって８０６Ｈｚ、８０４Ｈｚ、８０２Ｈｚからそれぞれ６Ｈｚ、４Ｈｚ、２Ｈｚだけ減少していずれも８００Ｈｚに低下する。

ここで、本第１実施形態では目標物３０が送波装置１０に近づく速度が３ノット、２ノット、１ノットのドップラーシフト量の減少に対応して作成された３個のＨＦＭ信号を組み合わせた場合について説明したが、ドップラーシフト量が増加する場合も含めて、合計６個のＨＦＭ信号がＬＦＭ信号に付加されたものを使用してもよい。もっとも、ＬＦＭ信号に付加するＨＦＭ信号の個数は６個に限定されるものではなく、探索対象の目標物に応じて適宜に作成されて付加される。このように、複数の第２励振信号は、周波数が双曲線的に変化する信号であるので、デジタル信号処理によって簡単に複数の第２励振信号を作成することができる。

又、上記第２励振信号として、双曲線的周波数変調に代えて、周波数が不規則に変化する周波数ホッピング方式の信号を用いる構成でもよい。周波数ホッピング方式（ＦＨ−ＳＳ： Frequency Hopping Spread Spectrum）とは、スペクトラム拡散方式の１つであり、極めて短い時間（例えば、０．１秒程度）ごとに周波数を変更するものである。第２励振信号を周波数ホッピング方式で構成した場合も、異なる周波数範囲の複数の第２励振信号（ＦＨ−ＳＳ信号）を第１励振信号（ＬＦＭ信号）に付加する。したがって、例えば、携帯電話等に広く使用されていることにより、量産効果による安価な構成の周波数ホッピング方式で第２励振信号を生成すれば、極めて短い時間ごとに周波数を変更することができるので、目標物３０の移動変化範囲が大きい場合にも対応することができる。

（受信信号処理手段の構成）
次に、図２に示した受波装置２０の主要部である受信信号処理手段２２の構成について説明する。図２に示す受信信号処理手段２２は、送波装置１０の励振信号生成手段１２において生成された低ドップラー感度励振信号（第１励振信号）に基づく共役信号のレプリカ信号（第１レプリカ信号）のデータが予め格納されているＬＦＭレプリカ信号のメモリ２２Ａ１と、予め設定されている単一の周波数８００Ｈｚからなる単一周波数レプリカ信号のデータが予め格納されているメモリ２２Ａ２とを有するレプリカ信号データベース２２Ａを備えている。

すなわち、第１励振信号に基づく第１レプリカ信号及び単一周波数の第２レプリカ信号は、受信信号処理手段２２が予め備えているレプリカ信号データベース２２Ａ（メモリ）に格納したものを使用する構成になっている。したがって、受信信号とレプリカ信号との相関信号処理を迅速に行うことができる上、新たに受波装置２０を増設する場合でも、既存の受波装置２０のレプリカ信号データベース２２Ａから読み出したレプリカ信号をその新たな受波装置２０に転送して容易に格納することができる。

又、受信信号処理手段２２は、受波手段２１から得られる受信信号の信号処理を行うために十分なレベルに増幅する増幅器２２Ｂを備えている。

更に、受信信号処理手段２２は、受信信号から得られる目標物３０からの反射波である反射ピーク信号の信号ピーク位置を時間座標上にて検出するピーク位置検出機能と、この検出された信号ピーク位置を起点とする受信信号の励振用合成信号に対応した時間長（図４に示した時間長Ｔ）の信号部分を抽出する時間長信号抽出機能と、この抽出した時間長の信号部分と単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って受信信号に含まれるエコー信号を検出するエコー信号検出機能と、を備えている。

したがって、励振用合成信号に対応した時間長の信号部分からエコー信号を検出するための相関信号処理において、単一の周波数からなるレプリカ信号を用いるので、複数のレプリカ信号を生成する場合に比べて、受信側における回路規模を削減して相関信号処理の負荷を軽減することができる。

受信信号処理手段２２のピーク位置検出機能は、上記の反射ピーク信号を受信信号と第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理を行うことにより検出する機能である。そして、このピーク位置検出機能は、増幅器２２Ｂによって増幅された受信信号とレプリカ信号データベース２２Ａから読み出した単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行う低ドップラー感度レプリカ信号相関部２２Ｃと、低ドップラー感度レプリカ信号相関部２２Ｃによって相関信号処理された受信信号に含まれる反射ピーク信号（これを第１反射ピーク信号と称する）の信号ピーク位置を、予め設定されている閾値ＴＨ１と比較することで、時間座標上にて検出する低ドップラー感度レプリカ信号検出部２２Ｄと、によって実現される。

又、受信信号処理手段２２の時間長信号抽出機能は、低ドップラー感度レプリカ信号相関部２２Ｃと低ドップラー感度レプリカ信号検出部２２Ｄとによって検出された信号ピーク位置を起点とする受信信号の励振用合成信号に対応した時間長Ｔの信号部分を抽出する検出信号切り出し部２２Ｅによって実現される。

そして、受信信号処理手段２２のエコー信号検出機能は、検出信号切り出し部２２Ｅによって抽出された時間長Ｔの信号部分とレプリカ信号データベース２２Ａから読み出した単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行う高ドップラー感度レプリカ信号相関部２２Ｆと、高ドップラー感度レプリカ信号相関部２２Ｆによって相関信号処理された信号部分に含まれる反射ピーク信号（これを第２反射ピーク信号と称する）の信号ピーク位置を、予め設定されている閾値ＴＨ２と比較することで、エコー信号として検出する高ドップラー感度レプリカ信号検出部２２Ｇと、によって実現される。

更に、受信信号処理手段２２は、高ドップラー感度レプリカ信号検出部２２Ｇによって検出されたエコー信号に含まれるドップラーシフト量に基づいて、目標物３０の位置及び移動変化を特定するドップラーシフト量検出部２２Ｈ（目標物特定手段）を備えている。

（受信信号処理手段の動作）
次に、目標物３０の位置及び移動変化を特定するために、受信信号処理手段２２による信号処理の動作について図５に基づいて説明する。

図５（ａ）は、低ドップラー感度レプリカ信号相関部２２Ｃにおける受信信号と第１レプリカ信号との相関信号処理後の信号と、閾値ＴＨ１とを比較した状態を示す波形図である。受信信号と第１レプリカ信号との相関信号処理の場合には相関度のレベルが高いので、閾値ＴＨ１を高い値に設定しても相関信号出力の中から信号ピーク位置を検出することが可能である。図５（ａ）において、閾値ＴＨ１を超える相関出力信号の信号ピーク位置は、励振用合成信号の先頭部分すなわち第１励振信号（ＬＦＭ信号）と第１レプリカ信号との相関信号処理によって検出された音波の先頭を表している。

送波装置１０から発信された音波は、目標物３０及び海底や岩等によって反射されるが、その反射波が受波装置２０に到達する前に、送波装置１０から発信された直接波の音波のほうが先に到達する。したがって、最初の信号ピーク位置Ｐ１は、目標物３０又は海底や岩等からの反射波に起因するものではなく、送波装置１０からの直接波の音波に起因するものである。すなわち、２番目の信号ピーク位置Ｐ２、３番目の信号ピーク位置Ｐ３、及び図示しない４番目以降の信号ピーク位置が、目標物３０又は海底や岩等からの反射波に起因するものとなる。このため、低ドップラー感度レプリカ信号検出部２２Ｄは、２番目以降の信号ピーク位置を反射波に起因するものとして検出する。検出信号切り出し部２２Ｅは、２番目以降の信号ピーク位置を起点とする時間長Ｔ（図４に示した励振用合成信号の時間長Ｔ）を抽出する。

図５（ｂ）は、信号ピーク位置Ｐ２を起点とする時間長Ｔの信号部分と８００Ｈｚの単一周波数レプリカ信号との相関信号処理後の信号と、閾値ＴＨ２とを比較した状態を示す波形図である。受信信号と単一周波数レプリカ信号との相関信号処理においては相関度のレベルが低いので、閾値ＴＨ２は閾値ＴＨ１よりも低い値に設定されている。

図５（ｂ）に示すように、高ドップラー感度レプリカ信号検出部２６Ｇは、励振用合成信号に対応する時間長Ｔの期間内の区間Ｂの中央において相関度が高いピーク信号を検出している。すなわち、目標物３０が２ノットの速度で遠ざかることを想定して生成されたＨＦＭ信号に基づく第２レプリカ信号の区間Ｂに対応する時間座標上において、高ドップラー感度レプリカ信号検出部２６Ｇは、閾値ＴＨ２を超えるピーク信号の信号ピーク位置をエコー信号の到達時刻として検出して、ドップラーシフト量検出部２２Ｈに入力する。

図４に示した励振用合成信号を構成する３つのＨＦＭ信号の周波数、すなわち送波装置１０から発信する３つのＨＦＭ信号に対応する音波の周波数はそれぞれ８０６Ｈｚ、８０４Ｈｚ、８０２Ｈｚである。このため、目標物３０が送波装置１０から一定の速度（例えば、ｘノット）で遠ざかっている場合には、上記したように、受波装置２０で受信した受信信号のうち３つのＨＦＭ信号に対応する反射波の周波数は、１ノットに対して２Ｈｚだけ低下するので、目標物３０がｘノットで遠ざかっている場合には、受信信号の周波数は２ｘＨｚだけ低下する。

高ドップラー感度レプリカ信号検出部２２Ｇで検出されたエコー信号の位置は、図５に示すように、送波装置１０から発信された８０４ＨｚのＨＦＭ信号の区間Ｂの中央である。したがって、下記の演算式により、目標物３０は２ノットで遠ざかっていることが分かる。
８０４−２ｘ＝８００
ｘ＝２

ここで、送波装置１０から発信された区間Ｂに対応するＨＦＭ信号の周波数範囲を８０４Ｈｚ±１Ｈｚとすると、目標物３０が２ノット±ｙ（０＜ｙ＜０．５）ノットで遠ざかっている場合には、検出されるエコー信号の位置は区間Ｂの中央から前方又は後方にずれる。

仮に、高ドップラー感度レプリカ信号検出部２２Ｇで検出されたエコー信号の位置が区間Ａ又は区間Ｃの中央である場合には、下記の演算式により、目標物３０は３ノット又は１ノットで遠ざかっていることが分かる。
８０６−２ｘ＝８００
ｘ＝３
８０２−２ｘ＝８００
ｘ＝１

ドップラーシフト量検出部２２Ｈは、高ドップラー感度レプリカ信号検出部２２Ｇによって検出されたエコー信号の到達時刻によって、ドップラーシフト量すなわち目標物３０の移動変化（実施形態では、２ノットの速度で遠ざかっている状態）を特定すると共に、音波の送波時刻からエコー信号の到達時刻までの時間と水中内の音速とによって、目標物３０までの距離を算出する。

例えば、無線通信部２３を介して図１に示した送波装置１０の無線通信部１３から受信した送波手段１１の送波時刻をｔ０とした場合、図２に示す高ドップラー感度レプリカ信号検出部２２Ｇによって検出されたエコー信号の到達時刻がｔ１であるとする。この場合には、ドップラーシフト量検出部２２Ｈは、海洋環境の条件によって特定される音速ｖによって、送波装置１０から目標物３０までの距離Ｄ１及び目標物３０から受波装置２０までの距離Ｄ２を下記の演算式によって算出する。

Ｄ１＋Ｄ２＝（ｔ１−ｔ０）×ｖ
算出された距離（Ｄ１＋Ｄ２）は、送波装置１０及び受波装置２０を楕円の２つの焦点とした場合に、目標物３０がその楕円の円周上に存在することを示している。上記したように、受波装置２０には受信した反射波の方向すなわち目標物３０の方向を検出する受信方向センサ（図示せず）が設けられているので、楕円の円周及び目標物３０の方向によって、目標物３０の位置を特定することができる。

図５（ｃ）は、ピーク位置Ｐ３を起点とする時間長Ｔの信号部分と第２レプリカ信号との相関信号処理後の信号と、閾値ＴＨ２とを比較した状態を示す波形図である。この場合には、閾値ＴＨ２を超えるピーク信号は検出されない。この状態は、受信信号に含まれるエコー信号のドップラーシフト量が０又はそれに近い値である状態を表している。すなわち、ピーク位置Ｐ３を起点とする時間長Ｔの信号部分に対応する反射波は、海底や岩などの移動しない物からの残響などのノイズ成分を含む反射波であることを表している。したがって、受信信号処理手段２２は、このような海底や岩などからの残響などのノイズ成分を含む反射波を目標物３０からの反射波として誤検出することがない。

図６は、送波装置１０から発信された音波が目標物３０で反射され、その反射波を３個の受波装置２０Ａ、２０Ｂ及び２０Ｃによって受信する様子を示す図である。この場合において、目標物３０は、受波装置２０Ａを中心とする円を描くように移動している。すなわち、受波装置２０Ａと目標物３０との間の距離は変化しない。したがって。受波装置２０Ａにおいては、目標物３０からの反射波によって検出されたエコー信号のドップラーシフト量は０である。

これに対して、目標物３０は、受波装置２０Ｂに近づくように移動すると共に、受波装置２０Ｃから遠ざかるように移動している。したがって、受波装置２０Ｂにおいては、目標物３０からの反射波によって検出されたエコー信号のドップラーシフト量は、受波装置２０Ａのドップラーシフト量を基準とすると正の値で増加している。これに対して、受波装置２０Ｃにおいては、目標物３０からの反射波によって検出されたエコー信号のドップラーシフト量は、受波装置２０Ａのドップラーシフト量を基準とすると負の値で増加している。したがって、３個の受波装置２０Ａ、２０Ｂ及び２０Ｃにおけるドップラーシフト量のデータを受信した送波装置１０は、目標物３０の移動方向及び移動速度を正確に特定することができる。

このように、本第１実施形態では、図１に示した送波装置１０において、音波出力用の励振信号を励振信号生成手段１２が生成し、この生成された励振信号を目標探索用の音波に変換して水中の目標物３０に向けて送波手段１１が発信する。そして、図２に示した受波装置２０において、目標物３０からの反射波を受波手段２１が受信して受信信号に変換し、この変換された受信信号を受信信号処理手段２２が信号処理する構成になっている。

この場合において、送波装置１０における励振信号生成手段１２は、周波数が直線的に変化する第１励振信号と周波数が非直線的に変化し且つ周波数範囲が異なる複数の第２励振信号とを個別に生成する。次に、励振信号生成手段１２は、複数の第２励振信号を第１励振信号に付加して励振用合成信号を生成し、この励振用合成信号を、送波手段１１から変換出力される音波出力用の励振信号として使用する。

これに対して、図２に示した受波装置２０における受信信号処理手段２２は、受信信号を分析して目標物３０からの反射波である反射ピーク信号の信号ピーク位置を時間座標上にて検出する。次に、受信信号処理手段２２は、この検出された信号ピーク位置を起点とする受信信号の時間長Ｔの信号部分を抽出する。更に、受信信号処理手段２２は、この抽出した時間長の信号部分と基準信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理を行って受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を検出する。

ここで、図１に示した励振信号生成手段１２内の低ドップラー感度励振信号生成部１２Ａは、目標物３０に音波を発信する際に、第１励振信号を生成するようにしたが、第１励振信号についても、第２励振信号と同様に、目標物３０に音波を発信する前に予め生成して励振信号データベース１２Ｄに格納しておき、目標物３０に音波を発信する際に、パルス列生成部１２Ｅが、第１励振信号及び複数の第２励振信号の双方を励振信号データベース１２Ｄから読み出して、パルス列の励振用合成信号を生成する構成にしてもよい。このようにすれば、目標物３０に音波を発信する際の低ドップラー感度励振信号生成部１２Ａによるリアルタイムの第１励振信号の生成処理時間を短縮できる利点がある。

（第１実施形態の効果）
以上のように、本第１実施形態の水中目標物探索システム１によれば、送信側では、周波数が直線的に変化する第１励振信号及び第１励振信号に連結される周波数が非直線的に変化し且つ複数の一定時間の区間ごとに周波数範囲が異なる第２励振信号を音波出力用の励振信号として生成し、受信側では、受信信号と第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理、及び受信信号と予め設定されている単一の周波数からなる単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って、受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を検出する構成にしたので、受信側における回路規模を削減して相関信号処理の負荷を軽減することができる。

更に、受信信号処理手段５０は、受信信号を分析し目標物３０からの反射波である反射ピーク信号の信号ピーク位置を時間座標上にて検出し、この検出された信号ピーク位置を起点とする励振用合成信号に対応した時間長Ｔの信号部分を抽出し、抽出した時間長Ｔの信号部分と単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って受信信号に含まれるエコー信号を検出するので、相関度の高い相関信号処理によって目標物３０からの反射波の先頭となる信号ピーク位置を検出した後に、その信号ピーク位置を起点とする一定の時間長の信号部分に対して相関度の低い相関信号処理を行う２段階の相関信号処理により、実際の残響や雑音が多く存在する環境においても、目標物を確実に検出することができる。

[第２実施形態]
（励振信号生成手段の構成）
次に、本発明の第２実施形態について、図７乃至図１０を参照すると共に第１実施形態における図４及び図５を援用して説明する。図７は、第２実施形態における励振信号生成手段４０の構成を示したブロック図である。この図７において、送波装置１０は、目標探索用の音波を水中内の目標物３０に向けて発信する送波手段１１と、送波手段１１に入力するための音波出力用の励振信号を生成する励振信号生成手段４０と、を備えている。

更に、この励振信号生成手段４０は、この励振信号生成手段４０を全体的に制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）４１、及びＣＰＵ４１と下記の各部との間でデータ及びコマンドの授受をするためのシステムバス４２を備えている。

このシステムバス４２には、ＣＰＵ４１によって実行されるプログラムが格納されたＲＯＭ（Read Only Memory）４３、ＣＰＵ４１によって処理されるデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）４４、目標物探索用のメッセージ等を表示する表示部４７及び目標物探索の条件等のデータやコマンドを入力するキーボードやポインティングデバイス等からなる入力部４８とＣＰＵ４１との間でデータの授受を行うＩ／Ｆ（Interface）４５が接続されている。

又、システムバス４２には、ＣＰＵ４１によって生成された音波出力用の励振信号をデジタル信号からアナログ信号に変換して送波手段１１に入力するＤ／Ａ変換器（Digital to Analog Converter）４６を備えている。図７では省略されているが、Ｄ／Ａ変換器４６と送波手段１１との間には、図１に示した第１実施形態における増幅器１２Ｆと同様の構成からなる増幅器が設けられている。

第２実施形態における励振信号生成手段４０は、図１に示した第１実施形態における励振信号生成手段１２の一部に相当するものである。励振信号生成手段４０におけるＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４３に格納されたプログラムを実行することによって、図１に示したように、直線的に周波数が変化する第１励振信号（図４に示したＬＦＭ信号）を生成する機能（図１に示した低ドップラー感度励振信号生成部１２Ａに相当する機能）、非直線的に周波数が変化する第２励振信号（図４に示した３個のＨＦＭ信号）を予め生成する機能（図１に示した高ドップラー感度励振信号生成部１２Ｂに相当する機能）、生成された複数の第２励振信号を順次変調して周波数範囲が異なる複数の第２励振信号を生成する機能（図１に示したドップラー変調処理部１２Ｃに相当する機能）、及び第１励振信号に複数の第２励振信号を付加して励振用合成信号を生成する機能（図１に示したパルス列生成部１２Ｅに相当する機能）を実現する。

その他の情報処理、例えば、Ｉ／Ｆ４５を介した入力部４９からの指令情報の入力処理や表示部４８に対する画像情報の出力処理などについても、ＣＰＵ４１がＲＯＭ４３に格納されたプログラムを実行することによって実行される。

又、第２実施形態におけるＲＡＭ４４は、図１に示した第１実施形態における励振信号データベース１２Ｄに相当するものであり、ＣＰＵ４１によって生成された励振用合成信号、すなわち図４に示したＬＦＭ信号（第１励振信号）に３つの一定時間の区間ごとに異なる周波数範囲の３個のＨＦＭ信号（第２励振信号）を連結して付加した励振用合成信号を記憶する。

本第２実施形態においても、実際は、目標物３０が送波装置１０に近づく速度が１ノット、２ノット、３ノットのドップラーシフト量の増加に対応して作成された３個のＨＦＭ信号を含めて、合計６個のＨＦＭ信号がＬＦＭ信号に付加されている。又、ＬＦＭ信号に付加するＨＦＭ信号の個数は６個に限定されるものではなく、探索対象の目標物に応じて適宜に作成されて付加される。このように、複数の第２励振信号は、周波数が双曲線的に変化する信号であるので、ＣＰＵ４１が実行するデジタル信号処理のアルゴリズムによって簡単に複数の第２励振信号を作成することができる。

ここで、上記第２励振信号として、双曲線的周波数変調に代えて、周波数が不規則に変化する周波数ホッピング方式のＦＨ−ＳＳ信号で構成してもよい。第２励振信号を周波数ホッピング方式の信号で構成した場合も、複数の一定時間の区間ごとに異なる周波数範囲の第２励振信号（ＦＨ−ＳＳ信号）を第１励振信号（ＬＦＭ信号）に付加する。したがって、周波数ホッピング方式で第２励振信号を生成すれば、極めて短い時間ごとに周波数を変更することができるので、目標物３０の移動変化範囲が大きい場合にも対応することができる。

前述した第１実施形態の場合には、図１に示したように、高ドップラー感度励振信号生成部１２Ｂ及びドップラー変調処理部１２Ｃによって生成された複数の第２励振信号を励振信号データベース１２Ｄに格納し、パルス列生成部１２Ｅが、励振信号データベース１２Ｄに格納された複数の第２励振信号を読み出して、低ドップラー感度励振信号生成部１２Ａによってリアルタイムで生成される第１励振信号に付加する構成にした。

しかしながら、この第２実施形態においては、高速処理が可能なハードウェアの低ドップラー感度励振信号生成部１２Ａに代えて、ＣＰＵ４１によって実行されるソフトウェアで第１励振信号を生成するので、送波出力の際に、リアルタイムでの第１励振信号の生成が間に合わないおそれもある。このため、第１励振信号についても予め作成してＲＡＭ４４に記憶する構成とする。
（励振信号生成手段の動作）

次に、図７に示した励振信号生成手段４０のＣＰＵ４１によって実行される励振信号生成処理の動作について、図８のフローチャートに基づいて説明する。ＣＰＵ４１は、第１励振信号を生成する処理（ステップＳ１０１）、及び、その生成した励振信号をＲＡＭ４４に記憶する処理（ステップＳ１０２）により、音波出力用の励振信号の一部を成す周波数が直線的に変化する第１励振信号を生成する第１励振信号生成工程を実行する。

次に、ＣＰＵ４１は、シフト量０に対応する基準の第２励振信号を生成する処理（ステップＳ１０３）、その基準の第２励振信号を予測のドップラーシフト量に対応する第２励振信号に変調する処理（ステップＳ１０４）、全ての予測シフト量に対応する変調処理が終了したか否かを判別する処理（ステップＳ１０５）、及び、全ての予測シフト量に対応する変調処理が終了していない場合（ステップＳ１０５；ＮＯ）には、全ての予測シフト量に対応する変調処理が終了するまで（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）ステップＳ１０４の処理を繰り返すことにより、音波出力用の励振信号の一部を成す周波数が非直線的に変化し且つ周波数範囲が異なる複数の第２励振信号を生成する第２励振信号生成工程を実行する。

次に、ＣＰＵ４１は、ＲＡＭ４４に記憶した第１励振信号に複数の第２励振信号を付加する処理（ステップＳ１０６）により、励振用合成信号を生成する合成信号生成工程を実行する。この結果、図４に示したＬＦＭ信号（第１励振信号）に複数のＨＦＭ信号（第２励振信号）を付加して連結された時間長Ｔの励振用合成信号が予めＲＡＭ４４に記憶される。

このように、励振信号生成手段４０は、予め想定される受信信号のドップラーシフト量に対応した周波数で第２励振信号を変調する。この場合において、ＣＰＵ４１は、ドップラーシフト量が無いと想定される場合におけるシフト値０に対応して基準励振信号を生成すると共に、この生成された基準励振信号を複数のドップラーシフト量（複数の予想値）に対応してそれぞれ変調して、ＲＡＭ４４に格納する。すなわち、励振信号生成手段４０は、生成される第２励振信号を第１励振信号との合成用として記憶するＲＡＭ４４（記憶手段）を併設した構成になっている。

したがって、励振信号生成手段４０は、予め適切なドップラーシフト量を予想することにより、目標物３０の正確な移動変化を検出できると共に、合成用の複数の第２励振信号をＲＡＭ４４から読み出して、極めて迅速に励振用合成信号を生成することができる。

更に、この場合において、ＣＰＵ４１は、シフト値０に対応した基準励振信号に対するドップラーシフト量に応じた変調を、ドップラーシフト量の増加又は減少に対応して周波数を増加又は減少させるようにして変調する。したがって、目標物３０が送波装置１０に近づいてくる場合や送波装置１０から遠ざかる場合に、その目標物３０の位置及び速度変化を高い精度で特定することができる。

その後、入力部４９から音波の発信指令すなわち目標物３０の探索動作開始の指令が入力されたときは、ＣＰＵ４１は、ＲＡＭ４４から励振用合成信号を読み出して、Ｄ／Ａ変換器４６及び図示しない増幅器を介して送波手段１１に入力する。
（受信信号処理手段の構成）

図９は、第２実施形態における受信信号処理手段５０の構成を示したものである。図９において、受信信号処理手段５０は、この受信信号処理手段５０を全体的に制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）５１、及びＣＰＵ５１と下記の各部との間でデータ及びコマンドの授受をするためのシステムバス５２を備えている。

このシステムバス５２には、ＣＰＵ５１によって実行されるプログラムが格納されたＲＯＭ（Read Only Memory）５３、ＣＰＵ５１によって処理されるデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）５４、探索した目標物３０のデータを表示する表示部５７及び表示するデータの選択その他の条件を入力するキーボードやポインティングデバイス等からなる入力部５８とＣＰＵ５１との間でデータの授受を行うＩ／Ｆ（Interface）５５が接続されている。

又、システムバス５２には、受波手段２１によって捕捉された受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換してＣＰＵ５１に入力するＡ／Ｄ変換器（Analog to Digital Converter）５６を備えている。図９には示していないが、受波手段２１とＡ／Ｄ変換器５６との間には図２に示した増幅器２２Ｂと同様の増幅器が設けられている。

この第２実施形態におけるＲＡＭ５４は、図２に示したレプリカ信号データベース２２Ａに対応する記憶エリアを有し、図７に示した励振信号生成手段４０によって生成され、ＲＡＭ４４に記憶された第１励振信号に基づくレプリカ信号（第１レプリカ信号）及び単一周波数レプリカ信号（第２レプリカ信号）を予め記憶している。

すなわち、第１励振信号に基づく第１レプリカ信号及び第２レプリカ信号（単一周波数レプリカ信号）は、受信信号処理手段５０が予め備えているＲＡＭ５４（メモリ）に格納したものを使用する構成になっている。したがって、受信信号とレプリカ信号との相関信号処理を迅速に行うことができる上、新たに受波装置２０を増設する場合でも、既存の受波装置２０のＲＡＭ５４から読み出したレプリカ信号をその新たな受波装置２０に転送して容易に格納することができる。

又、第２実施形態における受信信号処理手段５０は、図２に示した第１実施形態における受信信号処理手段２２の一部に相当するものである。すなわち、受信信号処理手段５０は、受波手段２１によって捕捉された受信信号とＲＡＭ５４に記憶されたレプリカ信号との相関信号処理を行って受信信号に含まれるエコー信号を検出する。

又、この受信信号処理手段５０は、ＲＯＭ５３に格納されたプログラムをＣＰＵ５１に実行させることによって、受信信号から目標物３０からの反射波である反射ピーク信号の信号ピーク位置を時間座標上にて検出するピーク位置検出機能と、この検出された信号ピーク位置を起点とする受信信号の励振用合成信号に対応した時間長の信号部分を抽出する時間長信号抽出機能と、この抽出した時間長の信号部分と単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って受信信号に含まれるエコー信号を検出するエコー信号検出機能と、を備えている。

この場合において、受信信号処理手段５０のピーク位置検出機能は、上記の反射ピーク信号を受信信号と第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理を行うことにより検出する機能である。そして、このピーク検出機能は、受信信号とＲＡＭ５４から読み出した第１レプリカ信号との相関信号処理を行う機能（図２に示した低ドップラー感度レプリカ信号相関部２２Ｃに相当する機能）と、相関信号処理された受信信号に含まれる反射ピーク信号（第１反射ピーク信号）の信号ピーク位置を予め設定されている閾値ＴＨ１と比較することで時間座標上にて検出する機能（図２に示した低ドップラー感度レプリカ信号検出部２２Ｄの機能）と、によって実現される。

又、受信信号処理手段５０の時間長信号抽出機能は、上記ピーク位置検出機能によって検出された信号ピーク位置を起点とする受信信号の励振用合成信号に対応した時間長（図４に示した時間長Ｔ）の信号部分を抽出する機能（図２に示した検出信号切り出し部２２Ｅに相当する機能）によって実現される。

そして、受信信号処理手段５０のエコー信号検出機能は、上記時間長信号抽出機能によって抽出された時間長Ｔの信号部分とＲＡＭ５４から読み出した単一周波数レプリカ信号（第２レプリカ信号）との相関信号処理を行う機能（図２に示した高ドップラー感度レプリカ信号相関部２２Ｆに相当する機能）と、この機能によって相関信号処理された信号部分に含まれる反射ピーク信号（第２反射ピーク信号）の信号ピーク位置を予め設定されている閾値ＴＨ２と比較することで、エコー信号として検出する機能（図２に示した高ドップラー感度レプリカ信号検出部２２Ｇに相当する機能）と、によって実現される。

更に、受信信号処理手段５０は、高ドップラー感度レプリカ信号検出部２２Ｇに相当する機能によって検出されたエコー信号に含まれるドップラーシフト量に基づいて、目標物３０の位置及び移動変化を特定する機能（図２に示したドップラーシフト量検出部２２Ｈに相当する機能）を実現する。

（受信信号処理手段の動作）
次に、図９の受信信号処理手段５０のＣＰＵ５１によって実行される受信信号処理の動作について説明する。

図７の送波手段１１から発信された音波が目標物３０によって反射され、その反射波が図９の受波手段２１によって捕捉される。受信信号処理手段５０は、受波手段２１によって捕捉された受信信号を図示しない増幅器及びＡ／Ｄ変換器５６を介してＣＰＵ５１に入力する。

図１０のフローチャートにおいて、ＣＰＵ５１は、受信信号と第１レプリカ信号受信信号を捕捉する処理（ステップＳ１１１）、第１閾値と受信信号とを比較する処理（ステップＳ１１２）、及び、信号ピーク位置を検出したか否かを判別する処理（ステップＳ１１３）により、その受信信号を分析し目標物３０からの反射波である反射ピーク信号の信号ピーク位置を時間座標上にて検出するピーク位置検出処理工程を実行する。

次に、ＣＰＵ５１は、ステップＳ１１３によって検出されたピーク信号が図７の送波手段１１からの直接波であるか否かを判別し（ステップＳ１１４）、直接波である場合（ステップＳ１１４；ＹＥＳ）には、その後の処理を行わず、ステップＳ１１２に移行して、ピーク位置検出処理工程を再度実行する。

ＣＰＵ５１は、ステップＳ１１３において検出したピーク信号が図７の送波手段１１からの直接波でない場合（ステップＳ１１４；ＮＯ）には、ピーク信号の信号ピーク位置を起点とする信号部分を抽出する処理（ステップＳ１１５）により、この検出された信号ピーク位置を起点とする励振信号に対応した時間長の信号部分を抽出する時間長信号抽出工程を実行する。又、その抽出した信号部分と単一周波数レプリカ信号との相関信号処理（ステップＳ１１６）、第２閾値と抽出された信号部分とを比較する処理（ステップＳ１１７）、及びピーク信号を検出したか判別する処理（ステップＳ１１８）により、抽出した時間長の信号部分と励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理を行って、その受信信号に含まれるエコー信号を検出するエコー信号検出工程を実行する。

このように、本第２実施形態では、図７に示した送波装置１０において、音波出力用の励振信号を励振信号生成手段４０が生成し、この生成された励振信号を目標探索用の音波に変換して水中の目標物３０に向けて送波手段１１が発信する。そして、図９に示した受波装置２０において、目標物３０からの反射波を受波手段２１が受信して受信信号に変換し、この変換された受信信号を受信信号処理手段２２が信号処理する構成になっている。

この場合において、送波装置１０における励振信号生成手段４０は、周波数が直線的に変化する第１励振信号と周波数が非直線的に変化し且つ周波数範囲が異なる複数の第２励振信号とを個別に生成する。次に、励振信号生成手段４０は、複数の第２励振信号を第１励振信号に付加して励振用合成信号を生成し、この励振用合成信号を、送波手段１１から変換出力される音波出力用の励振信号として使用する。

これに対して、図９に示した受波装置２０における受信信号処理手段５０は、受信信号を分析して目標物３０からの反射波である反射ピーク信号の信号ピーク位置を時間座標上にて検出する。次に、受信信号処理手段５０は、この検出された信号ピーク位置を起点とする受信信号の時間長Ｔの信号部分を抽出する。更に、受信信号処理手段５０は、この抽出した時間長の信号部分と単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を検出する。

（第２実施形態の効果）
本第２実施形態の水中目標物探索システム１によれば、図７に示した送信側では、周波数が直線的に変化する第１励振信号及び第１励振信号に連結される周波数が非直線的に変化し且つ複数の一定時間の区間ごとに周波数範囲が異なる第２励振信号を音波出力用の励振信号として生成し、図９に示した受信側では、受信信号と第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理、及び受信信号と予め設定されている単一の周波数からなる単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って、受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を検出する構成にしたので、受信側における回路規模を削減して相関信号処理の負荷を軽減することができる。

更に、受信信号処理手段５０は、受信信号を分析し目標物３０からの反射波である反射ピーク信号の信号ピーク位置を時間座標上にて検出し、この検出された信号ピーク位置を起点とする励振用合成信号に対応した時間長Ｔの信号部分を抽出し、抽出した時間長Ｔの信号部分と単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って受信信号に含まれるエコー信号を検出するので、相関度の高い相関信号処理によって目標物３０からの反射波の先頭となる信号ピーク位置を検出した後に、その信号ピーク位置から励振信号に対応する時間長の信号部分に対して相関度の低い相関信号処理を行う２段階の相関信号処理によって、実際の残響や雑音が多く存在する環境においても、目標物を確実に検出することができる。

ここで、上記第１及び第２実施形態においては、送波装置１０と各受波装置２０との間で無線通信を行う構成にしたが、送波装置１０を海底の設置した水中目標物探索システムも考えられる。この場合には、各受波装置２０との間で無線通信を行うことができないので、双方をケーブルで接続して有線通信を行うことになる。あるいは、各受波装置２０で特定した目標物３０の位置及び移動変化を送波装置１０以外の情報管理システムに無線送信する構成の場合には、各受波装置２０で必要な送波装置１０の情報は、送波の発信時刻だけである。

したがって、海底に設置した送波装置１０と海面近くの水中内に設置した各受波装置２０との間の距離が予め確定している場合には、ある受波装置２０において、確定している距離をＤ、図５（ｂ）に示した直接波の信号ピーク位置Ｐ１の到達時刻をｔ０’とすると、送波装置１０の送波の発信時刻ｔ０は、温度センサ（図示せず）によって測定される現在温度によって特定される海中内の音速ｖを用いて、下記の式で表される。

ｔ０＝ｔ０’−Ｄ／ｖ
このように、送波装置１０を海底に設置した水中目標物探索システムにおいても、各受波装置２０によって目標物３０の位置及び移動速度を特定することができる。

尚、上記各実施形態においては、水中内の目標物を探索する水中目標物探索システムについて本発明を説明したが、飛行物体等の大気中の目標物を探索する空中目標物探索システムについて本発明を応用することも可能である。例えば、海上又は陸上において、ある位置に配置された送波装置から探索対象の空間に向けて音波を発信し、他の位置に配置した受波装置によって探索空間からの反射波を受信して、その探索空間を通過する目標物の位置及び移動変化を検出する空中目標物探索システムが考えられる。

本発明は、送波装置と受波装置とが分離した水中目標物探索システム、又は、送波装置と受波装置とが一体化された水中目標物探索システムを製造する製造業や、その他これに関連する産業に適用可能である。

１ 水中目標物探索システム
１０ 送波装置
１１ 送波手段
１２ 励振信号生成手段
１２Ａ 低ドップラー感度励振信号生成部
１２Ｂ 高ドップラー感度励振信号生成部
１２Ｃ ドップラー変調処理部
１２Ｄ 励振信号データベース
１２Ｅ パルス列生成部
２０ 受波装置
２１ 受波手段
２２ 受信信号処理手段
２２Ａ レプリカ信号データベース
２２Ｃ 低ドップラー感度レプリカ相関部
２２Ｄ 低ドップラー感度レプリカ検出部
２２Ｅ 検出信号切り出し部
２２Ｆ 高ドップラー感度レプリカ相関部
２２Ｇ 高ドップラー感度レプリカ検出部
２２Ｈ ドップラーシフト量検出部
３０ 目標物
４０ 励振信号生成手段
４１ ＣＰＵ
４４ ＲＡＭ
５０ 受信信号処理手段
５１ ＣＰＵ
５４ ＲＡＭ

Claims (19)

1. 目標探索用の音波を水中内目標物に向けて発信する送波手段と、前記目標物からの反射波を受信して受信信号を捕捉する受波手段と、前記音波出力用の励振信号を生成する励振信号生成手段とを備えた水中目標物探索システムにおいて、
   前記励振信号生成手段が、
   周波数が時間に対して線形に変化する第１励振信号と予め設定されている複数の一定時間の区間ごとに周波数が時間に対して非線形に変化し且つ周波数範囲が異なる第２励振信号とを生成する励振信号生成機能と、前記第１励振信号に前記複数の区間の第２励振信号を付加して励振用合成信号を生成して前記音波出力用の励振信号とする合成信号生成機能を備え、
   前記受信信号と前記励振信号生成手段によって生成された前記第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理及び前記受信信号と予め設定されている単一の周波数からなる単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って前記受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を検出する受信信号処理手段を備えたことを特徴とする水中目標物探索システム。
2. 請求項１に記載の水中目標物探索システムにおいて、
   前記複数の区間ごとの各第２励振信号は、周波数が双曲線的に変化する信号であることを特徴とした水中目標物探索システム。
3. 請求項１に記載の水中目標物探索システムにおいて、
   前記複数の区間ごとの各第２励振信号は、周波数が不規則に変化する信号であることを特徴とした水中目標物探索システム。
4. 請求項１に記載の水中目標物探索システムにおいて、
   前記受信信号処理手段は、前記受信信号と前記第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理によって前記目標物からの反射波である反射ピーク信号の信号ピーク位置を時間座標上にて検出するピーク位置検出機能と、この検出された信号ピーク位置を起点とする前記受信信号の前記励振用合成信号に対応した時間長の信号部分を抽出する時間長信号抽出機能と、この抽出した時間長の信号部分と前記単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って当該受信信号に含まれる前記エコー信号を検出するエコー信号検出機能と、を備えていることを特徴とする水中目標物探索システム。
5. 請求項４に記載の水中目標物探索システムにおいて、
   前記受信信号処理手段のピーク位置検出機能は、前記反射ピーク信号を、前記受信信号と前記第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理を行うことにより検出する機能であり、前記受信信号処理手段のエコー信号検出機能は、前記複数の区間の第２励振信号に対応した信号部分と前記単一周波数レプリカ信号との相関信号処理によって１つの区間内の信号ピーク位置を前記エコー信号のドップラーシフト量として検出するドップラーシフト量検出機能を備えていることを特徴とする水中目標物探索システム。
6. 請求項５に記載の水中目標物探索システムにおいて、
   前記第１励振信号に基づくレプリカ信号及び前記単一周波数レプリカ信号は、前記受信信号処理手段が予め備えているメモリに格納したものを使用する構成としたことを特徴とする水中目標物探索システム。
7. 請求項５に記載の水中目標物探索システムにおいて、
   前記励振信号生成手段の励振信号生成機能は、周波数が直線的に変化する第１励振信号を生成する低ドップラー感度励振信号生成部と、前記複数の区間ごとに周波数が非直線的に変化する前記第２励振信号を生成する高ドップラー感度励振信号生成部及びドップラー変調生成部とにより実現する機能であることを特徴とする水中目標物探索システム。
8. 請求項７に記載の水中目標物探索システムにおいて、
   前記励振信号生成手段の合成信号生成機能は、生成された前記複数の区間の第２励振信号を前記第１励振信号に連結するパルス列生成部によって実現する機能であることを特徴とする水中目標物探索システム。
9. 請求項１乃至８の何れか一つに記載の水中目標物探索システムにおいて、
   前記受信信号処理手段に、当該受信信号処理手段によって検出されたエコー信号に基づいて前記目標物の位置及び移動変化を特定する目標物特定手段を併設したことを特徴とする水中目標物探索システム。
10. 請求項１に記載の水中目標物探索システムにおいて、
    前記励振信号生成手段は、
    前記第２励振信号を、予め想定される受信信号のドップラーシフト量に対応した周波数で変調して生成する機能を有し、
    この変調による前記第２励振信号の生成に際しては、前記ドップラーシフト量が無いと想定される場合におけるシフト値０に対応して基準励振信号を生成すると共にこの生成された基準励振信号を前記ドップラーシフト量に対応してそれぞれ変調する構成とし、
    前記励振信号生成手段に、当該励振信号生成手段で生成される前記第２励振信号を前記第１励振信号との合成用として記憶する記憶手段を併設したことを特徴とした水中目標物探索システム。
11. 請求項１０に記載の水中目標物探索システムにおいて、
    前記基準励振信号に対する前記ドップラーシフト量に応じた変調は、前記ドップラーシフト量の増加又は減少に対応して周波数を増加又は減少させるようした変調であることを特徴とする水中目標物探索システム。
12. 音波出力用の励振信号を励振信号生成手段が生成し、この生成された励振信号を目標探索用の音波に変換して水中の目標物に向けて送波手段が発信し、前記目標物からの反射波を受波手段が受信して受信信号に変換し、この変換された受信信号を受信信号処理手段が信号処理することによって前記目標物を特定する水中目標物探索方法において、
    周波数が時間に対して線形に変化する第１励振信号と予め設定されている複数の一定時間の区間ごとに周波数が時間に対して非線形に変化し且つ周波数範囲が異なる第２励振信号とを、前記励振信号生成手段が個別に生成し、
    次に、前記複数の区間ごとの前記第２励振信号を前記第１励振信号に付加して励振用合成信号を前記励振信号生成手段が生成し、
    この励振用合成信号を、前記送波手段から変換出力される音波出力用の励振信号として使用し、
    前記受信信号と前記生成された前記第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理及び前記受信信号と予め設定されている単一の周波数からなる単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って前記受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を前記受信信号処理手段が検出することを特徴とする水中目標物探索方法。
13. 請求項１２に記載の水中目標物探索方法において、
    前記受信信号を分析して前記目標物からの反射波である反射ピーク信号の信号ピーク位置を時間座標上にて前記受信信号処理手段が検出し、
    この検出された信号ピーク位置を起点とする前記受信信号の前記励振用合成信号に対応する時間長の信号部分を前記受信信号処理手段が抽出し、
    この抽出した時間長の信号部分と前記単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って当該受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を前記受信信号処理手段が検出する、構成としたことを特徴とする水中目標物探索方法。
14. 請求項１３に記載の水中目標物探索方法において、
    前記受信信号処理手段による前記ピーク位置の検出工程は、前記反射ピーク信号を、前記受信信号と前記第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理を行うことにより実行され、前記受信信号処理手段による前記エコー信号の検出工程は、前記複数の区間の第２励振信号に対応した信号部分と前記単一周波数レプリカ信号との相関信号処理によって１つの区間内の信号ピーク位置を前記エコー信号のドップラーシフト量として検出することにより実行されることを特徴とする水中目標物探索方法。
15. 請求項１３に記載の水中目標物探索方法において、
    前記励振信号生成手段による前記励振信号の生成に際しては、周波数が直線的に変化する第１励振信号を低ドップラー感度励振信号生成部が生成し、前記複数の区間ごとに周波数が非直線的に変化し且つ周波数範囲が異なる第２励振信号を高ドップラー感度励振信号生成部及びドップラー変調処理部が生成する構成としたことを特徴とする水中目標物探索方法。
16. 請求項１５に記載の水中目標物探索方法において、
    前記励振信号生成手段による励振用合成信号の生成に際しては、生成された前記複数の区間の第２励振信号を、パルス列生成部が前記第１励振信号に連結するようにしたことを特徴とする水中目標物探索方法。
17. 請求項１６に記載の水中目標物探索方法において、
    前記受信信号処理手段によって検出されたエコー信号に基づいて、予め装備された目標物特定手段が前記目標物の位置及び移動変化を特定する構成としたことを特徴とする水中目標物探索方法。
18. 音波出力用として生成された励振信号を目標探索用の音波に変換して水中の目標物に向けて発信する送波手段と、前記目標物からの反射波を受信し受信信号に変換する受波手段と、前記音波出力用の励振信号を生成する励振信号生成手段と、を備えた水中目標物探索システムにあって、
    前記励振信号の生成に際しては、
    前記音波出力用の励振信号の一部を成す周波数が時間に対して線形に変化する第１励振信号を生成する第１励振信号生成機能、
    前記受信信号処理手段における相関信号処理に使用される単一の周波数からなる単一周波数レプリカ信号に対応して、前記音波出力用の励振信号の一部を成す周波数が時間に対して非線形に変化し且つ複数の一定時間の区間ごとに周波数範囲が異なる第２励振信号を生成する第２励振信号生成機能、
    及び前記第１励振信号に前記複数の区間の第２励振信号を付加して励振用合成信号を生成する合成信号生成機能、
    を、前記励振信号生成手段が備えているコンピュータに実行させるようにしたことを特徴とする水中目標物探索用プログラム。
19. 音波出力用として生成された励振信号を目標探索用の音波に変換して水中の目標物に向けて発信する送波手段と、前記目標物からの反射波を受信し受信信号に変換する受波手段と、周波数が時間に対して線形に変化する第１励振信号及び当該第１励振信号に連結される周波数が時間に対して非線形に変化し且つ複数の一定時間の区間ごとに周波数範囲が異なる第２励振信号を前記音波出力用の励振用合成信号として生成する励振信号生成手段と、前記受信信号を受信信号処理手段が信号処理することによって前記目標物を特定する水中目標物探索システムにあって、
    前記捕捉された受信信号と前記励振信号生成手段によって生成された第１励振信号に基づくレプリカ信号との相関信号処理及び前記受信信号と予め設定されている単一の周波数からなる単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って前記受信信号に含まれる目標物特定用のエコー信号を検出する受信信号処理機能を備え、
    この受信信号処理機能の実行内容を、
    前記受信信号を分析し前記目標物からの反射波である反射ピーク信号の信号ピーク位置を時間座標上にて検出するピーク位置検出処理機能、
    この検出された信号ピーク位置を起点とする前記励振用合成信号に対応した時間長の信号部分を抽出する時間長信号抽出機能、
    及び前記抽出した時間長の信号部分と前記単一周波数レプリカ信号との相関信号処理を行って当該受信信号に含まれる前記エコー信号を検出するエコー信号検出機能、
    により構成し、これらを前記受信信号処理手段が備えているコンピュータに実行させるようにしたことを特徴とする水中目標物探索用プログラム。

Images