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JP3202926B2 - Sound ray calculator - Google Patents
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JP3202926B2 - Sound ray calculator - Google Patents

Sound ray calculator

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JP3202926B2
JP3202926B2 JP21854096A JP21854096A JP3202926B2 JP 3202926 B2 JP3202926 B2 JP 3202926B2 JP 21854096 A JP21854096 A JP 21854096A JP 21854096 A JP21854096 A JP 21854096A JP 3202926 B2 JP3202926 B2 JP 3202926B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、音波の伝搬経路(以
下、音線経路という)の長さや伝搬時間等の計算を行う
音線計算装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sound ray calculation device for calculating the length and propagation time of a sound wave propagation path (hereinafter referred to as a sound ray path).

【0002】[0002]

【従来の技術】水中音響の分野において、音線理論を用
いて音線経路を計算する方法がある。これは、水中の或
る位置に或る方向から入射した音波が水平方向に或る微
少距離だけ進んだときの伝搬時間、到達深度、及び通過
する方位を、入射した位置での音速値と該音速値の水平
及び鉛直方向の音速微係数を用いて計算する方法(以
下、1ステップ計算という)であり、これを所望の水平
距離まで繰り返し計算することにより音線経路が計算さ
れる。但し、これには前記音速微係数が連続でなければ
ならないという条件がある。通常、入力する音波の音速
分布は、鉛直方向及び水平方向の双方で一様ではなく、
鉛直方向では或る規定の基準深度、及び水平方向では数
10km〜数100km 間隔のとびとびの位置で与えられる。
そのため、任意の位置における音速値と該音速値の水平
及び鉛直方向の音速微係数の計算には、該音速微係数が
連続という条件を満足するようなデータの補間方法が必
要になる。図2は、従来の音線計算装置の構成ブロック
図である。この従来の音線計算装置における音線計算方
法では、まず、入力した音速分布データaを2次元補間
係数作成処理装置1を用いて音速微係数が連続する条件
が満足される2次元のスプライン補間で補間し、補間係
数bのテーブルを作成する。その後、音速及び音速微係
数計算処理装置2及び1ステップ計算処理装置3で1ス
テップ計算を行う度に補間係数bから任意の位置におけ
る音速値と該音速値の水平及び鉛直方向の音速微係数を
求め、これらを所望の水平距離まで繰り返して音線を計
算し、音線情報cを出力するという方法をとっていた。
2. Description of the Related Art In the field of underwater acoustics, there is a method of calculating a ray path using ray theory. This means that the propagation time, the depth of arrival, and the trajectory of a sound wave that has entered a certain position in water from a certain direction in a horizontal direction when the sound wave travels by a certain small distance in the horizontal direction are determined by the sound velocity value and the sound velocity value at the incident position. This is a method of calculating the sound velocity value using the horizontal and vertical sound velocity derivatives (hereinafter referred to as one-step calculation), and the sound ray path is calculated by repeatedly calculating this to a desired horizontal distance. However, this has a condition that the sound velocity derivative must be continuous. Normally, the sound velocity distribution of the input sound wave is not uniform both vertically and horizontally,
A defined reference depth in the vertical direction and a number in the horizontal direction
It is given at discrete locations at intervals of 10 km to several 100 km.
Therefore, in calculating the sound velocity value at an arbitrary position and the sound velocity derivative in the horizontal and vertical directions of the sound velocity value, a data interpolation method that satisfies the condition that the sound velocity derivative is continuous is required. FIG. 2 is a configuration block diagram of a conventional sound ray calculation device. In the sound ray calculation method in the conventional sound ray calculation apparatus, first, the input sound velocity distribution data a is two-dimensionally spline-interpolated using the two-dimensional interpolation coefficient creation processing apparatus 1 so that the condition that the sound velocity differential coefficient is continuous is satisfied. To create a table of interpolation coefficients b. After that, each time one step calculation is performed by the sound velocity and sound velocity derivative coefficient processing unit 2 and the one-step calculation processing unit 3, the sound velocity value at an arbitrary position and the sound velocity derivative in the horizontal and vertical directions of the sound velocity value are calculated from the interpolation coefficient b. In this case, a sound ray is calculated by repeating these steps until a desired horizontal distance is reached, and sound ray information c is output.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図2の
音線計算装置による音線計算方法では次のような問題点
があった。即ち、1ステップ計算を行う度に2次元のス
プライン補間の補間係数から音速値と該音速値の水平及
び鉛直方向の音速微係数を計算するので、全体の計算量
が多いという問題があった。
However, the sound ray calculation method using the sound ray calculation device shown in FIG. 2 has the following problems. That is, every time one-step calculation is performed, the sound velocity value and the horizontal and vertical sound velocity differential coefficients of the sound velocity value are calculated from the interpolation coefficients of the two-dimensional spline interpolation.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために、水平方向と鉛直方向とに音速分布が変化
する水中の或る位置に或る方向から入射した音波の音速
値と該音速値の水平及び鉛直方向の音速微係数とを用い
て該音波が該入射した位置から水平方向に或る距離だけ
進行したときの該音波の伝搬経路である音線経路におけ
る伝搬時間、到達深度、及び通過する方位を計算する音
線計算装置において、次のような装置を設けている。即
ち、与えられたデータ位置を第1の位置とし、該第1の
位置での音速鉛直分布と予め与えられた該第1の位置で
の鉛直方向の音速分布の平均値である平均音速鉛直分布
との差である音速変動分を求め、更に該音速変動分を次
の処理(i)〜(iv)に示す互いに直交する経験的直交
関数群経験的直交関数(Emprical Orthogonal Functio
n、以下、EOFという)群と該EOF群の重み係数で
ある展開係数群とで表すEOF展開処理装置と、 (i) 一群の音速鉛直分布を、次式(1)に示すよう
に、音速鉛直分布と平均音速鉛直分布との差で表す。 dc(z,x)=c(z,x)−c(z) ・・・(1) 但し、 dc;音速変動分 c;音速鉛直分布 c;平均音速鉛直分布 i;第1の位置の番号 j;深度番号 x;i番目の水平距離 z;j番目の深度 (ii) 音速変動分のデータを次式(2)のようにベク
トル形式で表し、一群の変動量ベクトルを並べて行列を
形成する。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a sound velocity value of a sound wave incident from a certain direction at a certain position in water where the sound velocity distribution changes in a horizontal direction and a vertical direction. Using the horizontal and vertical sound velocity derivatives of the sound velocity value, the propagation time and arrival in the sound ray path that is the propagation path of the sound wave when the sound wave travels a certain distance in the horizontal direction from the incident position The following device is provided in a sound ray calculation device for calculating the depth and the azimuth to pass. That is, a given data position is defined as a first position, and an average sound velocity vertical distribution which is an average value of a sound velocity vertical distribution at the first position and a predetermined vertical sound velocity distribution at the first position. Of the sound velocity fluctuation, which is the difference between the empirical orthogonal functions and the empirical orthogonal functions (Emprical Orthogonal Functio) which are orthogonal to each other in the following processes (i) to (iv).
n, hereinafter referred to as an EOF) group and an EOF expansion processing device represented by an expansion coefficient group which is a weight coefficient of the EOF group; and (i) a sound velocity vertical distribution of a group is expressed by a sound velocity as shown in the following equation (1). Expressed as the difference between the vertical distribution and the average sound velocity vertical distribution. dc (z j, x i) = c (z j, x i) -c 0 (z j) ··· (1) where, dc; sound speed variation c; sound velocity vertical distribution c 0; average sound velocity vertical distribution i A first position number j; a depth number x i ; an i-th horizontal distance z j ; a j-th depth (ii) data of sound speed fluctuations are represented in vector form as in the following equation (2), and a group of The variation vectors are arranged to form a matrix.

【数2】 但し、 v{dC};音速変動分行列ベクトル v{dc(zi ,x)};変動量ベクトル I;水平方向のデータ数 J;深度方向のデータ数 (iii) 音速変動分行列ベクトルv{dC}を次式
(3)のように特異値分解する。 v{dC}=UΣVT ・・・(3) 但し、 U,V;ユニタリ行列 Σ;対角要素にv{dC}の特異値が並ぶ対角行列 T;行列の転置 (iv) 特異値分解によって得られたユニタリ行列Uの
列べクトルが前記EOFであり、このベクトルと音速変
動分ベクトルv{dC}との内積をとったものが展開係
数である。 v{U}=[v{f} v{f}・・・v{f}] v{f}=[v{Uk1}v{Uk2}・・・v{UkJ}]T =v{f T }×v{dC} k=1,2,・・・,J 但し、 k;EOFの次数 f;k次のEOF a;k次の展開係数 更に、前記第1の位置での平均音速鉛直分布及びEOF
群に関して、該平均音速鉛直分布の微係数が連続となる
補間方法を用いて鉛直方向の補間係数をそれぞれ求める
鉛直補間係数作成処理装置と、前記第1の位置での展開
係数群に関して、該展開係数群の微係数が連続となる補
間方法を用いて水平方向の補間係数をそれぞれ求める水
平補間係数作成処理装置と、前記第1の位置を基準とし
て鉛直方向の一定深度刻みのデータ位置を第2の位置と
し、前記第1の位置での鉛直補間係数の値から該第2の
位置毎に平均音速鉛直分布、該平均音速鉛直分布の微係
数、EOF群、及び該EOF群の微係数を求める鉛直テ
ーブル作成処理装置と、水平方向の一定距離刻みのデー
タ位置を第3の位置とし、前記第1の位置での水平補間
係数の値から、該第3の位置毎に展開係数群及び該展開
係数群の微係数を求める水平テーブル作成処理装置とが
設けられている。加えて、前記第2の位置での平均音速
鉛直分布と該平均音速鉛直分布の微係数、該第2の位置
でのEOF群と該EOF群の微係数、及び前記第3の位
置での展開係数群と該展開係数群の微係数を用いて直線
補間及び積和算により前記音線経路上の任意の位置にお
ける音速値と水平及び鉛直方向の音速分布の微係数とを
求める音速及び音速微係数計算処理装置と、前記音波が
到達した位置における音速の実測値と該実測値の水平及
び鉛直方向の音速分布の微係数値とを用いて該音波が入
射した位置から水平方向に或る距離だけ進行したときの
伝搬時間、到達深度、及び通過する方位を求める1ステ
ップ計算処理装置とが備えられている。
(Equation 2) Here, v {dC}; sound velocity variation matrix vector v {dc (z i , x j )}; variation vector I; number of data in horizontal direction J; number of data in depth direction (iii) sound velocity variation matrix vector v {DC} is subjected to singular value decomposition as in the following equation (3). v {dC} = UΣV T ··· (3) where, U, V; unitary matrix sigma; singular values of v {dC} are arranged in diagonal elements diagonal matrix T; transpose of a matrix (iv) singular value decomposition The column vector of the unitary matrix U obtained by the above is the EOF, and the inner product of this vector and the sound velocity variation vector v {dC} is the expansion coefficient. v {U} = [v {f 1 } v {f 2 } ... v {f J J ] v {f k } = [v {U k1 } v {U k2 } ... v} U kJ ] T a k = v {f k T} × v {dC} k = 1,2, ···, J where, k; degree of EOF f k; k following EOF a k; k following expansion coefficient further , Average sound velocity vertical distribution at the first position and EOF
For a group, a vertical interpolation coefficient creation processing device for respectively obtaining a vertical interpolation coefficient using an interpolation method in which the differential coefficient of the average sound velocity vertical distribution is continuous, and a development coefficient group for the expansion coefficient group at the first position. A horizontal interpolation coefficient creation processing device for obtaining interpolation coefficients in the horizontal direction using an interpolation method in which the differential coefficients of the coefficient group are continuous; And an average sound velocity vertical distribution, a derivative of the average sound velocity vertical distribution, an EOF group, and a derivative of the EOF group are obtained from the value of the vertical interpolation coefficient at the first position for each of the second positions. A vertical table creation processing device, and a data position at intervals of a certain distance in the horizontal direction is defined as a third position. From the value of the horizontal interpolation coefficient at the first position, the expansion coefficient group and the expansion The derivative of the coefficient group And a Mel horizontal table creation processing apparatus is provided. In addition, the average sound velocity vertical distribution at the second position, the derivative of the average sound velocity vertical distribution, the EOF group at the second position, the derivative of the EOF group, and the development at the third position The sound velocity and the sound velocity fine value for obtaining the sound velocity value at an arbitrary position on the sound ray path and the differential coefficient of the horizontal and vertical sound velocity distribution by linear interpolation and product-sum using the coefficient group and the differential coefficient of the expansion coefficient group A coefficient calculation processing device and a distance in the horizontal direction from the position where the sound wave is incident using the actual measured value of the sound velocity at the position where the sound wave arrives and the differential coefficient value of the sound velocity distribution in the horizontal and vertical directions of the measured value And a one-step calculation processing device for calculating a propagation time, a reaching depth, and a passing azimuth when the vehicle travels only by a predetermined distance.

【0005】[0005]

【作用】本発明によれば、以上のように音線計算装置を
構成したので、EOF展開処理装置において、第1の位
置での音速鉛直分布と予め与えられた該第1の位置での
鉛直方向の音速分布の平均値である平均音速鉛直分布と
の差である音速変動分が求められ、更に該音速変動分が
EOF群と展開係数群とで表される。次に、鉛直補間係
数作成処理装置において、第1の位置での平均音速鉛直
分布及びEOF群に関して、鉛直補間係数が算出され
る。又、水平補間係数作成処理装置において、第1の位
置での展開係数群に関して、水平補間係数が算出され
る。更に、鉛直テーブル作成処理装置において、第1の
位置での鉛直補間係数の値から第2の位置毎に平均音速
鉛直分布、該平均音速鉛直分布の微係数、EOF群、及
び該EOF群の微係数が算出される。又、水平テーブル
作成処理装置において、第1の位置での水平補間係数の
値から、第3の位置毎に展開係数群及び該展開係数群の
微係数が算出される。そのため、音速及び音速微係数の
データ点の間隔を微少にしたテーブルが作成される。次
に、音速及び音速微係数計算処理装置において、第2の
位置での平均音速鉛直分布と該平均音速鉛直分布の微係
数、該第2の位置でのEOF群と該EOF群の微係数、
及び第3の位置での展開係数群と該展開係数群の微係数
を用いて従来技術におけるスプライン補間よりも計算量
の少ない直線補間及び積和算により前記音線経路上の任
意の位置における音速値と水平及び鉛直方向の音速分布
の微係数とが算出される。そのため、1ステップ計算処
理装置において、音波が到達した位置における音速の実
測値と該実測値の水平及び鉛直方向の音速分布の微係数
値とを用いて該音波が入射した位置から水平方向に或る
距離だけ進行したときの伝搬時間、到達深度、及び通過
する方位が従来よりも少ない計算量で算出される。従っ
て、前記課題を解決できるのである。
According to the present invention, since the sound ray calculation device is configured as described above, in the EOF expansion processing device, the sound velocity vertical distribution at the first position and the predetermined vertical velocity at the first position are obtained. A sound speed variation, which is a difference from an average sound speed vertical distribution, which is an average value of the sound speed distribution in the direction, is obtained, and the sound speed variation is represented by an EOF group and an expansion coefficient group. Next, in the vertical interpolation coefficient creation processing device, a vertical interpolation coefficient is calculated for the average sound velocity vertical distribution at the first position and the EOF group. In the horizontal interpolation coefficient creation processing device, a horizontal interpolation coefficient is calculated for the expansion coefficient group at the first position. Further, in the vertical table creation processing device, the average sound velocity vertical distribution, the differential coefficient of the average sound velocity vertical distribution, the EOF group, and the fine EOF group are calculated for each second position from the value of the vertical interpolation coefficient at the first position. A coefficient is calculated. In the horizontal table creation processing device, a development coefficient group and differential coefficients of the development coefficient group are calculated for each third position from the value of the horizontal interpolation coefficient at the first position. Therefore, a table in which the intervals between the data points of the sound speed and the sound speed derivative are made small is created. Next, in the sound velocity and sound velocity derivative calculation processing device, the average sound velocity vertical distribution at the second position and the derivative of the average sound velocity vertical distribution, the EOF group at the second position and the derivative of the EOF group,
And the velocity of sound at an arbitrary position on the sound ray path by linear interpolation and multiply-accumulation with a smaller amount of calculation than the spline interpolation in the prior art using the expansion coefficient group at the third position and the differential coefficient of the expansion coefficient group The value and the derivative of the sound velocity distribution in the horizontal and vertical directions are calculated. Therefore, in the one-step calculation processing device, the measured value of the sound velocity at the position where the sound wave has arrived and the derivative values of the measured sound values in the horizontal and vertical directions of the sound velocity distribution are used to move the sound wave in the horizontal direction from the incident position. The propagation time, the arrival depth, and the azimuth to pass when traveling a certain distance are calculated with a smaller amount of calculation than in the past. Therefore, the above problem can be solved.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】第1の実施形態 図1は、本発明の実施形態を示す音線計算装置の構成ブ
ロック図である。この音線計算装置は、EOF展開処理
装置11を有している。EOF展開処理装置11は、音
速鉛直分布aから平均音速鉛直分布S11a、EOF群
S11b及び該EOF群11bに対応する展開係数群S
11cを作成する機能を有している。更に、この音線計
算装置は、平均音速鉛直分布S11aとEOF群S11
bの各々に関して鉛直補間係数S12a,S12bを作
成する鉛直補間係数作成処理装置12、及び展開係数群
11cの各々に関して、水平補間係数S13を作成する
水平方向補間係数作成処理装置13を備えている。鉛直
補間係数S12a,S12bは、鉛直テーブル作成処理
装置14に入力されるようになっている。鉛直テーブル
作成処理装置14は、鉛直補間係数S12a,S12b
から平均音速鉛直分布S14a及びその微係数S14
b、EOF群S14c及びその微係数S14dをそれぞ
れ算出し、平均音速鉛直分布テーブルb1、平均音速鉛
直分布の微係数テーブルb2、EOF群テーブルb3、
EOF群の微係数テーブルb4にそれぞれ格納する機能
を有している。又、水平補間係数S13は、水平テーブ
ル作成処理装置15に入力されるようになっている。水
平テーブル作成処理装置15は、水平補間係数S13か
ら展開係数群S15a及びその微係数S15bを算出
し、展開係数群テーブルb5、展開係数群の微係数テー
ブルb6にそれぞれ格納する機能を有している。前記各
テーブルb1〜b6内のデータは、音速及び音速微係数
計算処理装置16に入力されるようになっている。音速
及び音速微係数計算処理装置16は、各テーブルb1〜
b6内のデータから任意の位置における音速値と該音速
値の水平及び鉛直方向の音速微係数S16を求めて1ス
テップ計算処理装置17へ入力するようになっている。
1ステップ計算処理装置17は、音速値と該音速値の水
平及び鉛直方向の音速微係数S16を入力して音線を計
算し、この計算結果を所望の水平距離になるまで繰り返
し音速及び音速微係数計算処理装置16へ帰還して音線
情報cを出力する機能を有している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First Embodiment FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a sound ray calculating apparatus according to an embodiment of the present invention. This sound ray calculation device has an EOF expansion processing device 11. The EOF expansion processing device 11 converts the sound velocity vertical distribution a to the average sound velocity vertical distribution S11a, the EOF group S11b, and the expansion coefficient group S corresponding to the EOF group 11b.
11c. Further, this sound ray calculation device includes an average sound velocity vertical distribution S11a and an EOF group S11.
A vertical interpolation coefficient creation processing device 12 for creating vertical interpolation coefficients S12a and S12b for each of b, and a horizontal interpolation coefficient creation processing device 13 for creating a horizontal interpolation coefficient S13 for each of the expansion coefficient groups 11c. The vertical interpolation coefficients S12a and S12b are input to the vertical table creation processing device 14. The vertical table creation processing device 14 includes vertical interpolation coefficients S12a and S12b.
From the average sound velocity vertical distribution S14a and its derivative S14
b, EOF group S14c and its differential coefficient S14d are calculated respectively, and the average sound velocity vertical distribution table b1, the average sound velocity vertical distribution differential coefficient table b2, the EOF group table b3,
It has a function of storing each in the differential coefficient table b4 of the EOF group. The horizontal interpolation coefficient S13 is input to the horizontal table creation processing device 15. The horizontal table creation processing device 15 has a function of calculating the expansion coefficient group S15a and its differential coefficient S15b from the horizontal interpolation coefficient S13 and storing them in the expansion coefficient group table b5 and the differential coefficient table b6 of the expansion coefficient group, respectively. . The data in each of the tables b1 to b6 is input to the sound speed and sound speed differential coefficient calculation processing device 16. The sonic velocity and sonic differential coefficient calculation processing device 16 calculates each of the tables b1 to b1.
From the data in b6, a sound velocity value at an arbitrary position and a sound velocity differential coefficient S16 in the horizontal and vertical directions of the sound velocity value are obtained and input to the one-step calculation processing device 17.
The one-step calculation processing device 17 calculates the sound ray by inputting the sound velocity value and the horizontal and vertical sound velocity derivatives S16 of the sound velocity value, and repeats the calculation result until the desired horizontal distance is reached. It has a function of returning to the coefficient calculation processing device 16 and outputting sound ray information c.

【0007】図3は、図1におけるデータの流れを示す
図である。この図を参照しつつ、図1の動作を説明す
る。まず、例えば海水の塩分、水温、及び深度等で構成
される海洋データベースから求められた音源から受波器
までの測線に添ったとびとびの位置(以下、第1の位置
という) における鉛直方向の音速分布(以下、音速鉛直
分布という) aをEOF展開処理装置11へ入力する。
次に、EOF展開処理装置11において、入力した第1
の位置における音速鉛直分布aを平均プロファイル(即
ち、第1の位置での平均音速鉛直分布)S11aとこれ
からの変化分とに分ける。そして、この変化分を規格直
交関数の1つであるEOFを用いてEOF展開し、第1
の位置における4次のEOF群S11b及び該EOF群
11bに対応する展開係数群S11cを作成する。EO
F展開とは、次の手順(i)〜(iv)により行われる関
数展開である。 (i) 一群の音速鉛直分布を、次式(1)に示すよう
に、音速鉛直分布と平均音速鉛直分布との差で表す。 dc(z,x)=c(z,x)−c(z) ・・・(1) 但し、 dc;音速変動分 c;音速鉛直分布 c;平均音速鉛直分布 i;第1の位置の番号 j;深度番号 x;i番目の水平距離 z;j番目の深度 (ii) 音速変動分のデータを次式(2)のようにベク
トル形式で表し、一群の変動量ベクトルを並べて行列を
形成する。
FIG. 3 is a diagram showing a data flow in FIG. The operation of FIG. 1 will be described with reference to FIG. First, the sound velocity in the vertical direction at a discrete position (hereinafter referred to as a first position) along a measurement line from a sound source to a receiver obtained from an ocean database composed of, for example, salinity, water temperature, and depth of seawater. A distribution (hereinafter referred to as a sound velocity vertical distribution) a is input to the EOF expansion processing device 11.
Next, in the EOF expansion processing device 11, the input first
Is divided into an average profile (that is, an average sound velocity vertical distribution at the first position) S11a and a change from this. Then, this change is subjected to EOF expansion using EOF, which is one of the standard orthogonal functions, and
The fourth-order EOF group S11b at the position of and the expansion coefficient group S11c corresponding to the EOF group 11b are created. EO
The F expansion is a function expansion performed by the following procedures (i) to (iv). (I) A group of sound velocity vertical distributions is represented by the difference between the sound velocity vertical distribution and the average sound velocity vertical distribution as shown in the following equation (1). dc (z j, x i) = c (z j, x i) -c 0 (z j) ··· (1) where, dc; sound speed variation c; sound velocity vertical distribution c 0; average sound velocity vertical distribution i A first position number j; a depth number x i ; an i-th horizontal distance z j ; a j-th depth (ii) data of sound speed fluctuations are represented in vector form as in the following equation (2), and a group of The variation vectors are arranged to form a matrix.

【数3】 但し、 v{dC};音速変動分行列ベクトル v{dc(zi ,x)};変動量ベクトル I;水平方向のデータ数 J;深度方向のデータ数 (iii) 音速変動分行列ベクトルv{dC}を次式
(3)のように特異値分解する。 v{dC}=UΣVT ・・・(3) 但し、 U,V;ユニタリ行列 Σ;対角要素にv{dC}の特異値が並ぶ対角行列 T;行列の転置 (iv) 特異値分解によって得られたユニタリ行列Uの
列べクトルが前記経験的直交関数であり、このベクトル
と音速変動分ベクトルv{dC}との内積をとったもの
が展開係数である。 v{U}=[v{f} v{f}・・・v{f}] v{f}=[v{Uk1}v{Uk2}・・・v{UkJ}]T =v{f T }×v{dC} k=1,2,・・・,J 但し、 k;EOFの次数 f;k次の経験的直交関数 a;k次の展開係数 上記の処理を、必要とする展開関数の次数分だけ行い、
EOFと展開係数群とを作ることがEOF展開である。
更に、求めた第1の平均音速鉛直分布S11aと第1の
位置でのEOF群S11bの各々に関して、鉛直補間係
数作成処理装置12によりスプライン補間で第1の位置
での鉛直補間係数S12a,S12bを作成し、同様に
第1の位置での展開係数群11cの各々についても、水
平方向補間係数作成処理装置13によりスプライン補間
で第1の水平補間係数S13を作成する。次に、前記第
1の位置を基準として鉛直方向の一定深度刻みのデータ
位置を第2の位置とし、第1の位置での鉛直補間係数S
12a,S12bから鉛直テーブル作成処理装置14に
より1m間隔で第2の位置における平均音速鉛直分布S
14a及びその微係数S14b、EOF群S14c及び
その微係数S14dをそれぞれ算出し、これらを平均音
速鉛直分布テーブルb1及び平均音速鉛直分布の微係数
テーブルb2、EOF群テーブルb3及びEOF群の微
係数テーブルb4に格納する。又、第1の位置での水平
補間係数S13から水平テーブル作成処理装置15によ
り1ステップ計算で用いるのと同じ微少間隔で第2の位
置における展開係数群S15a及びその微係数S15b
を算出し、各々を展開係数群テーブルb5及び展開係数
群の微係数テーブルb6に格納する。
(Equation 3) Here, v {dC}; sound velocity variation matrix vector v {dc (z i , x j )}; variation vector I; number of data in horizontal direction J; number of data in depth direction (iii) sound velocity variation matrix vector v {DC} is subjected to singular value decomposition as in the following equation (3). v {dC} = UΣV T ··· (3) where, U, V; unitary matrix sigma; singular values of v {dC} are arranged in diagonal elements diagonal matrix T; transpose of a matrix (iv) singular value decomposition The column vector of the unitary matrix U obtained by the above is the empirical orthogonal function, and the expansion product is the inner product of this vector and the sound velocity variation vector v {dC}. v {U} = [v {f 1 } v {f 2 } ... v {f J J ] v {f k } = [v {U k1 } v {U k2 } ... v} U kJ ] T a k = v {f k T} × v {dC} k = 1,2, ···, J where, k; degree f k of EOF; k following empirical orthogonal functions a k; k Next Expansion coefficient The above processing is performed for the degree of the required expansion function,
Creating an EOF and an expansion coefficient group is EOF expansion.
Further, with respect to each of the obtained first average sound velocity vertical distribution S11a and the EOF group S11b at the first position, the vertical interpolation coefficient creation processing device 12 converts the vertical interpolation coefficients S12a and S12b at the first position by spline interpolation. Similarly, for each of the expansion coefficient groups 11c at the first position, the first horizontal interpolation coefficient S13 is created by the horizontal interpolation coefficient creation processing unit 13 by spline interpolation. Next, a data position at intervals of a certain depth in the vertical direction with respect to the first position is defined as a second position, and a vertical interpolation coefficient S at the first position is determined.
The average sound velocity vertical distribution S at the second position at 1 m intervals by the vertical table creation processing device 14 from 12a and S12b.
14a and its differential coefficient S14b, its EOF group S14c and its differential coefficient S14d are calculated, and these are calculated as an average sound velocity vertical distribution table b1, an average sound velocity vertical distribution differential coefficient table b2, an EOF group table b3, and an EOF group differential coefficient table. Stored in b4. From the horizontal interpolation coefficient S13 at the first position, the expansion coefficient group S15a and its differential coefficient S15b at the second position at the same minute intervals as those used in the one-step calculation by the horizontal table creation processing device 15.
Are stored in the expansion coefficient group table b5 and the differential coefficient table b6 of the expansion coefficient group.

【0008】次に、音線計算処理を行う。まず、音速及
び音速微係数計算処理装置16で、次の処理(i)〜
(iv)を行う。 (i) 鉛直テーブル作成処理装置14で作成された平
均音速鉛直分布テーブルb1及び平均音速鉛直分布の微
係数テーブルb2、EOF群テーブルb3及びEOF群
の微係数テーブルb4のデータを用い、音源位置におけ
る平均音速、平均音速の微係数、EOF、及びEOFの
微係数を直線補間により算出する。 (ii) 音源位置における音速を、音源位置におけるEO
F、展開係数の積和に平均音速を加えて算出する。 (iii) 音源位置における水平方向の音速微係数を、音
源位置におけるEOF、展開係数の微係数との積和で算
出する。 (iv) 音源位置における鉛直方向の音速微係数を、音源
位置におけるEOFの微係数、展開係数の積和に平均音
速の微係数を加えて算出する。 そして、1ステップ計算処理装置17で音源位置から水
平方向に100m先の位置における音線の伝搬時間、到達深
度、及び通過する方位を算出する。この100m先の位置を
音源位置として同様の計算を行い、これを受波器位置ま
で繰り返すことにより音線を計算する。
Next, a sound ray calculation process is performed. First, the following processing (i) to the sound speed and sound speed differential coefficient calculation processing device 16 are performed.
Perform (iv). (I) Using the data of the average sound velocity vertical distribution table b1, the average sound velocity vertical distribution differential coefficient table b2, the EOF group table b3, and the EOF group differential coefficient table b4 created by the vertical table creation processing device 14, the The average sound speed, the differential coefficient of the average sound speed, EOF, and the differential coefficient of EOF are calculated by linear interpolation. (ii) The sound velocity at the sound source position is calculated as EO at the sound source position.
F, calculated by adding the average sound speed to the product sum of the expansion coefficients. (iii) The horizontal sound velocity derivative at the sound source position is calculated by the product sum of the EOF at the sound source position and the derivative of the expansion coefficient. (iv) A vertical sound velocity differential coefficient at the sound source position is calculated by adding the product sum of the EOF differential coefficient and the expansion coefficient at the sound source position to the average sound velocity differential coefficient. Then, the one-step calculation processing device 17 calculates the propagation time, the arrival depth, and the azimuth of the sound ray at a position 100 m in the horizontal direction from the sound source position. The same calculation is performed using the position 100 m ahead as the sound source position, and this is repeated up to the receiver position to calculate the sound ray.

【0009】以上のように、本実施形態では、音速及び
音速微係数のデータ点の間隔を微少にしたテーブルを作
成する前処理を行うことにより、音速値及び該音速値の
水平及び鉛直方向の音速微係数をスプライン補間よりも
計算量の少ない直線補間で計算することが可能となる。
その結果、1ステップ計算処理装置17における計算量
が従来よりも減少し、長距離の音線計算を多数行う場
合、従来よりも計算量の少ない音線計算を実現すること
が可能となる。又、前記音速値及び該音速値の水平及び
鉛直方向の音速微係数のデータ点の間隔を微少にしたテ
ーブルを作成する前にEOF展開を行うことにより、テ
ーブルのデータ量を抑えることが可能となる。例えば、
4次のEOFと3次のスプライン補間を用いて最大深度
8000m 、及び音源と受波器間の距離600km の音線2000本
の計算をした場合、計算量を四則計算の回数で表すとす
ると(例えば、加算3回、乗算2回、除算1回の場合、
計算量は6回)、前処理では本実施形態の方が5,000,00
0 回増加するが、1ステップ計算時の音速値及び該音速
値の水平及び鉛直方向の音速微係数に関する計算量は、
従来の100 回に対し、本実施形態は60回と本発明の方が
逆に40回減少し、これを繰り返し行い2,000 本の音線を
計算すると、全体で本実施形態の方が475,000,000 回減
少する。又、このときのテーブルのデータ量は、EOF
展開をしない場合では音速分布のテーブルだけでも48,0
00,000(8,000×6,000)個と非常に多いのに対し、本実施
形態では128,000 ({(8,000+6,000)×4+8,000}*2) 個と
少なく抑えることができる。尚、本発明は上記実施形態
に限定されず、種々の変形が可能である。その変形例と
しては、例えば次のようなものがある。
As described above, in the present embodiment, the sound speed value and the horizontal and vertical directions of the sound speed value are calculated by performing the preprocessing for creating a table in which the interval between the data points of the sound speed and the sound speed differential coefficient is made small. The sound velocity differential coefficient can be calculated by linear interpolation that requires less calculation than spline interpolation.
As a result, the amount of calculation in the one-step calculation processing device 17 is reduced as compared with the related art, and in the case where a large number of long-range sound ray calculations are performed, it is possible to realize a sound ray calculation with a smaller amount of calculation than the related art. Further, by performing EOF expansion before creating a table in which the interval between the data points of the sound velocity value and the sound velocity derivative in the horizontal and vertical directions of the sound velocity value is made small, it is possible to reduce the amount of data in the table. Become. For example,
Maximum depth using quartic EOF and cubic spline interpolation
When calculating 8000m and 2,000 sound rays at a distance of 600km between the sound source and the receiver, if the calculation amount is represented by the number of arithmetic operations (for example, three additions, two multiplications, and one division) ,
The calculation amount is 6 times), and the preprocessing is 5,000,00 in this embodiment.
Although it increases 0 times, the amount of calculation regarding the sound velocity value at the time of one-step calculation and the sound velocity derivatives in the horizontal and vertical directions of the sound velocity value is as follows.
Compared to the conventional 100 times, the present embodiment is reduced to 60 times, and the present invention is reduced by 40 times.When this is repeated and 2,000 sound rays are calculated, the total number of the present embodiment is reduced by 475,000,000 times. I do. At this time, the data amount of the table is EOF.
Without expansion, the sound velocity distribution table alone is 48,0
In contrast to the extremely large number of 00,000 (8,000 × 6,000), in the present embodiment, it can be reduced to 128,000 ({(8,000 + 6,000) × 4 + 8,000} * 2). Note that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. For example, there are the following modifications.

【0010】(a) EOF展開処理装置における生成
するEOF群の次数は4次に限定されない。 (b) 鉛直補間係数作成処埋装置12及び水平補間係
数作成処理装置13におけるスプライン補間は、例えば
akima 法等、微係数が連続になるような補間方法ならば
よい。 (c) 鉛直テーブル作成処理装置14におけるデータ
の間隔は、1mでなく他の値でもよい。 (d) 1ステップ計算処理装置17における水平方向
の更新幅は、100mでなく他の値でもよい。
(A) The order of the EOF group generated in the EOF expansion processing device is not limited to the fourth order. (B) The spline interpolation in the vertical interpolation coefficient creation processing device 12 and the horizontal interpolation coefficient creation processing device 13 is performed by, for example,
Any interpolation method, such as the akima method, in which differential coefficients are continuous may be used. (C) The data interval in the vertical table creation processing device 14 may be other values than 1 m. (D) The update width in the horizontal direction in the one-step calculation processing device 17 is not limited to 100 m and may be another value.

【0011】[0011]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、音速及び音速微係数のデータ点の間隔を微少にし
たテーブルを作成する前処理を行うことにより、音速値
及び該音速値の水平及び鉛直方向の音速微係数をスプラ
イン補間よりも計算量の少ない直線補間で計算できる。
そのため、1ステップ計算処理装置における計算量が減
少し、長距離の音線計算を多数行う場合に従来よりも計
算量の少ない音線計算を実現できる。その上、音速及び
音速微係数のデータ点の間隔を微少にしたテーブルを作
成する前にEOF展開を行うようにしたので、該テーブ
ルのデータ量を抑えることができる。
As described above in detail, according to the present invention, the sound velocity value and the sound velocity value can be obtained by performing a pre-process for creating a table in which the intervals between the data points of the sound velocity and the sound velocity differential coefficient are made small. The horizontal and vertical sound velocity derivatives can be calculated by linear interpolation, which requires less calculation than spline interpolation.
Therefore, the calculation amount in the one-step calculation processing device is reduced, and when performing many long-range sound ray calculations, a sound ray calculation with a smaller calculation amount than in the related art can be realized. In addition, since the EOF expansion is performed before the table in which the interval between the data points of the sound speed and the sound speed differential coefficient is made small, the data amount of the table can be suppressed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態を示す音線計算装置の構成ブ
ロック図である。
FIG. 1 is a configuration block diagram of a sound ray calculation device according to an embodiment of the present invention.

【図2】従来の音線計算装置の構成ブロック図である。FIG. 2 is a configuration block diagram of a conventional sound ray calculation device.

【図3】図1におけるデータの流れを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a data flow in FIG. 1;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 EOF展開処
理装置 12 鉛直補間係数
作成処理装置 13 水平補間係数
作成処理装置 14 鉛直テーブル
作成処理装置 15 水平テーブル
作成処理装置 16 音速及び音速
微係数計算処理装置 17 1ステップ計
算処理装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 EOF expansion processing apparatus 12 Vertical interpolation coefficient preparation processing apparatus 13 Horizontal interpolation coefficient preparation processing apparatus 14 Vertical table preparation processing apparatus 15 Horizontal table preparation processing apparatus 16 Sound velocity and sound velocity differential coefficient calculation processing apparatus 17 One-step calculation processing apparatus

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鴨志田 隆 東京都港区虎ノ門1丁目7番12号 沖電 気工業株式会社内 (72)発明者 賀谷 彰夫 東京都港区虎ノ門1丁目7番12号 沖電 気工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平8−297163(JP,A) 特開 平8−255074(JP,A) 特公 平7−46137(JP,B2) 特許2775096(JP,B2) 特許2905785(JP,B2) R.J.ユーリック著、土屋 明 訳、西村 実 監修、「水中音響の原 理」、共立出版、昭和53年12月1日初版 発行、P.99−192 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01S 3/80 - 3/86 G01S 5/18 - 5/30 G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96 G01D 21/00 G01H 17/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Takashi Kamoshida 1-7-12 Toranomon, Minato-ku, Tokyo Oki Electric Industry Co., Ltd. (72) Inventor Akio Katani 1-7-12 Toranomon, Minato-ku, Tokyo Oki Electric Industry Co., Ltd. (56) References JP-A-8-297163 (JP, A) JP-A-8-255074 (JP, A) JP-B-7-46137 (JP, B2) Patent 2775096 (JP, A B2) Patent 2905785 (JP, B2) J. Eurick, Translated by Akira Tsuchiya, supervised by Minoru Nishimura, "The Principles of Underwater Acoustics", Kyoritsu Shuppan, first published on December 1, 1978, 99-192 (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01S 3/80-3/86 G01S 5/18-5/30 G01S 7/52-7/64 G01S 15/00-15 / 96 G01D 21/00 G01H 17/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 水平方向と鉛直方向とに音速分布が変化
する水中の或る位置に或る方向から入射した音波の音速
値と該音速値の水平及び鉛直方向の音速微係数とを用い
て該音波が該入射した位置から水平方向に或る距離だけ
進行したときの該音波の伝搬経路である音線経路におけ
る伝搬時間、到達深度、及び通過する方位を計算する音
線計算装置において、 与えられたデータ位置を第1の位置とし、該第1の位置
での音速鉛直分布と予め与えられた該第1の位置での鉛
直方向の音速分布の平均値である平均音速鉛直分布との
差である音速変動分を求め、更に該音速変動分を次の処
理(i)〜(iv)に示す互いに直交する経験的直交関数
群と該経験的直交関数群の重み係数である展開係数群と
で表す経験的直交関数展開処理装置と、 (i) 一群の音速鉛直分布を、次式(1)に示すよう
に、音速鉛直分布と平均音速鉛直分布との差で表す。 dc(z,x)=c(z,x)−c(z) ・・・(1) 但し、 dc;音速変動分 c;音速鉛直分布 c;平均音速鉛直分布 i;第1の位置の番号 j;深度番号 x;i番目の水平距離 z;j番目の深度 (ii) 音速変動分のデータを次式(2)のようにベク
トル形式で表し、一群の変動量ベクトルを並べて行列を
形成する。 【数1】 但し、 v{dC};音速変動分行列ベクトル v{dc(zi ,x)};変動量ベクトル I;水平方向のデータ数 J;深度方向のデータ数 (iii) 音速変動分行列ベクトルv{dC}を次式
(3)のように特異値分解する。 v{dC}=UΣVT ・・・(3) 但し、 U,V;ユニタリ行列 Σ;対角要素にv{dC}の特異値が並ぶ対角行列 T;行列の転置 (iv) 特異値分解によって得られたユニタリ行列Uの
列べクトルが前記経験的直交関数であり、このベクトル
と音速変動分ベクトルv{dC}との内積をとったもの
が展開係数である。 v{U}=[v{f} v{f}・・・v{f}] v{f}=[v{Uk1}v{Uk2}・・・v{UkJ}]T =v{f T }×v{dC} k=1,2,・・・,J 但し、 k;経験的直交関数の次数 f;k次の経験的直交関数 a;k次の展開係数 前記第1の位置での平均音速鉛直分布及び経験的直交関
数群に関して、該平均音速鉛直分布の微係数が連続とな
る補間方法を用いて鉛直方向の補間係数をそれぞれ求め
る鉛直補間係数作成処理装置と、 前記第1の位置での展開係数群に関して、該展開係数群
の微係数が連続となる補間方法を用いて水平方向の補間
係数をそれぞれ求める水平補間係数作成処理装置と、 前記第1の位置を基準として鉛直方向の一定深度刻みの
データ位置を第2の位置とし、前記第1の位置での鉛直
補間係数の値から該第2の位置毎に平均音速鉛直分布、
該平均音速鉛直分布の微係数、経験的直交関数群、及び
該経験的直交関数群の微係数を求める鉛直テーブル作成
処理装置と、 水平方向の一定距離刻みのデータ位置を第3の位置と
し、前記第1の位置での水平補間係数の値から、該第3
の位置毎に展開係数群及び該展開係数群の微係数を求め
る水平テーブル作成処理装置と、 前記第2の位置での平均音速鉛直分布と該平均音速鉛直
分布の微係数、該第2の位置での経験的直交関数群と該
経験的直交関数群の微係数、及び前記第3の位置での展
開係数群と該展開係数群の微係数を用いて直線補間及び
積和算により前記音線経路上の任意の位置における音速
値と水平及び鉛直方向の音速分布の微係数とを求める音
速及び音速微係数計算処理装置と、 前記音波が到達した位置における音速の実測値と該実測
値の水平及び鉛直方向の音速分布の微係数値とを用いて
該音波が入射した位置から水平方向に或る距離だけ進行
したときの伝搬時間、到達深度、及び通過する方位を求
める1ステップ計算処理装置とを、 備えたことを特徴とする音線計算装置。
1. Using a sound velocity value of a sound wave incident from a certain direction at a certain position in water where sound velocity distribution changes in a horizontal direction and a vertical direction, and horizontal and vertical sound velocity derivatives of the sound velocity value. A sound ray calculation device that calculates a propagation time, an arrival depth, and an azimuth through which a sound ray travels as a propagation path of the sound wave when the sound wave travels a certain distance in the horizontal direction from the incident position. The obtained data position is defined as a first position, and the difference between the sound velocity vertical distribution at the first position and the average sound velocity vertical distribution which is a predetermined average value of the vertical sound velocity distribution at the first position. , And the empirical orthogonal functions that are orthogonal to each other and expansion coefficients that are weighting coefficients of the empirical orthogonal functions shown in the following processes (i) to (iv). An empirical orthogonal function expansion processor represented by: (i) a group The sound velocity vertical distribution, as shown in the following equation (1), expressed by the difference between the average sound velocity vertical distribution and acoustic velocity vertical distribution. dc (z j, x i) = c (z j, x i) -c 0 (z j) ··· (1) where, dc; sound speed variation c; sound velocity vertical distribution c 0; average sound velocity vertical distribution i A first position number j; a depth number x i ; an i-th horizontal distance z j ; a j-th depth (ii) data of sound speed fluctuations are represented in vector form as in the following equation (2), and a group of The variation vectors are arranged to form a matrix. (Equation 1) Here, v {dC}; sound velocity variation matrix vector v {dc (z i , x j )}; variation vector I; number of data in horizontal direction J; number of data in depth direction (iii) sound velocity variation matrix vector v {DC} is subjected to singular value decomposition as in the following equation (3). v {dC} = UΣV T ··· (3) where, U, V; unitary matrix sigma; singular values of v {dC} are arranged in diagonal elements diagonal matrix T; transpose of a matrix (iv) singular value decomposition The column vector of the unitary matrix U obtained by the above is the empirical orthogonal function, and the expansion product is the inner product of this vector and the sound velocity variation vector v {dC}. v {U} = [v {f 1 } v {f 2 } ... v {f J J ] v {f k } = [v {U k1 } v {U k2 } ... v} U kJ ] T a k = v {f k T} × v {dC} k = 1,2, ···, J where, k; degree f k empirical orthogonal functions; the next k empirical orthogonal functions a k; k-th expansion coefficient With respect to the average sound velocity vertical distribution at the first position and the empirical orthogonal function group, vertical coefficients for obtaining vertical interpolation coefficients using an interpolation method in which differential coefficients of the average sound velocity vertical distribution are continuous. An interpolation coefficient creation processing device, and a horizontal interpolation coefficient creation processing device for respectively obtaining a horizontal interpolation coefficient using an interpolation method in which the differential coefficients of the expansion coefficient group are continuous with respect to the expansion coefficient group at the first position. A data position at a constant depth in the vertical direction with respect to the first position as a second position, The average sound velocity vertical distribution from the value of the vertical interpolation coefficient at the first position for each position of the second,
A vertical table creation processing device for calculating the differential coefficient of the average sound velocity vertical distribution, the empirical orthogonal function group, and the differential coefficient of the empirical orthogonal function group, and a data position at regular intervals in the horizontal direction as a third position; From the value of the horizontal interpolation coefficient at the first position, the third
A horizontal table creation processing apparatus for obtaining a development coefficient group and a derivative of the development coefficient group for each position of: an average sound velocity vertical distribution at the second position, a derivative of the average sound velocity vertical distribution, and the second position Using the empirical orthogonal function group and the differential coefficient of the empirical orthogonal function group, and the expansion coefficient group at the third position and the differential coefficient of the expansion coefficient group, by linear interpolation and multiply-accumulate by the sound ray. A sound velocity and sound velocity differential coefficient calculation processing device for obtaining a sound velocity value at an arbitrary position on a route and a derivative of a sound velocity distribution in the horizontal and vertical directions; an actual measured value of the sound velocity at the position where the sound wave arrives; And a one-step calculation processing device for calculating a propagation time, a depth of arrival, and an azimuth passing when the sound wave travels a certain distance in a horizontal direction from a position where the sound wave is incident, using a differential coefficient value of a sound velocity distribution in a vertical direction, and Characterized by having Sound ray computing device.
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