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JP6737464B2 - Test system, waveform simulator device, test method and program - Google Patents
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JP6737464B2 - Test system, waveform simulator device, test method and program - Google Patents

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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

本発明は、試験システム、波形シミュレータ装置、試験方法およびプログラムに関する。 The present invention relates to a test system, a waveform simulator device, a test method and a program.

近年の水中ソナーは、多チャンネル圧電振動子アレイを送受波器として用いて、狭指向性ビームを作り出し、そのビームを自在な角度にステアリングすることにより、各方向の目標物の探査を行っている。
通常、圧電振動子を用いて構成された送波器へ送信する電気信号および受波器から受信する電気信号は、信号処理機にて、フィルタ、サンプリングレート変換、ビット深度変換、信号処理、積分計算、四則計算を用いて処理される。ここで、送波器とは、水中で音波を送波する装置である。また、受波器とは、水中で音波を受波する装置である。
信号処理機が具備する各信号処理ブロックには、処理動作を決定するためのパラメータが存在する。そのパラメータの最適値は、実施に使用するもしくは実際に使用するものに近い送受波器と信号処理器(以下、送受波器実機と称する)を接続し、それらを水中に配置し、画像を生成するのに適したターゲットを水中に配置して、実際に近い動作をさせることにより生成される出力画面(以下、ソナー画面と称する)を確認しながら信号処理システムのチューニングするのが通常である。
In recent years, underwater sonar uses a multi-channel piezoelectric oscillator array as a transducer to create a narrow directional beam, and steers the beam at any angle to search for a target in each direction. ..
Normally, an electric signal transmitted to a wave transmitter configured using a piezoelectric vibrator and an electric signal received from a wave receiver are subjected to filter, sampling rate conversion, bit depth conversion, signal processing, integration in a signal processor. Calculation, processed using four arithmetic operations. Here, the wave transmitter is a device that transmits a sound wave in water. A wave receiver is a device that receives sound waves in water.
Each signal processing block included in the signal processor has parameters for determining a processing operation. The optimum value of the parameter is to connect a transducer and a signal processor (hereinafter referred to as actual transducer) that are close to those used or actually used for implementation, arrange them in water, and generate an image. It is normal to tune the signal processing system while arranging a target suitable for the operation in water and checking an output screen (hereinafter referred to as a sonar screen) generated by performing an operation close to an actual one.

図13は、一般的な信号処理システムのチューニングにおいて使用される接続の一例の概念図である。 FIG. 13 is a conceptual diagram of an example of connections used in tuning a general signal processing system.

信号処理システム1−1は、水槽1−7の水中に存在する目標物1−9に対するソナー画像を生成するためのシステムである。水槽1−7は、送波、受波を行うための水中音場を形成するための水槽である。水槽は送波器から送波されるパルス音波が、受波時間内に水槽の壁で反射することがないように、十分な寸法を確保しなければならない。
図13に示した信号処理システム1−1は、送信信号生成部1−2と、送信I/F1−3と、受信I/F1−4と、受信処理部1−5と、画像生成部1−6とを有している。また、水槽1−7には、送波器1−8と、受波器1−10とが存在する。
送信信号生成部1−2は、送波する信号を生成する。送信信号生成部1−2は、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサ上で稼働するソフトウェアにより、チューニング作業者が所望のデジタル送信波形(正弦波、チャープ信号等)を生成する。送信波形は、後述する水中での送波、受波において、反射が十分に無視できる、自遊空間とみなせるように、時間幅を短く設定されたパルスでなければならない。
送信I/F1−3は、送信信号生成部1−2が生成したデジタル信号波形をアナログ波形へと変換した上で、電圧/電力増幅する。具体的には、送信I/F1−3は、送信信号生成部1−2が生成したデジタル信号波形を、D/A(Digital/Analog)コンバータを用いてアナログ波形へ変換し、電力増幅器(アンプ)を用いて、最終的に送波器が必要とする電圧および電力まで増幅し、プラグ、コネクタ及びケーブルを介して送波器1−8へ送信する。
受信I/F1−4は、受波器1−10が音響電気変換した受信信号を電気的に受けるためのインタフェース機能を持つ。受信I/F1−4には、プラグ、コネクタ、ケーブル、低ノイズプリアンプ、およびA/D(Analog/Digital)コンバータ等が含まれる。受信I/F1−4は、最終的には受信信号をデジタル信号として、後段の受信処理部1−5へ送出する。
受信処理部1−5は、受信I/F1−4から送出されたデジタル信号に対して信号処理を行う。受信処理部1−5が行う信号処理としては、フィルタ処理、サンプリングレート変換、ビット深度変換、指向性合成、TS(Target strength)変換、TVG(Time Varied Gain)補正などが挙げられる。この信号処理により、受信I/F1−4から送出されたデジタル信号が、画像の画素値へ変換される。
画像生成部1−6は、ソナー画像を表示する。受信処理部1−5が生成した画素値データに基づいて、表示する画像を生成する。
送波器1−8は、目標物1−9に対して送信波形を音波として放射する。水中送波器は、一般的に圧電素子で構成されることが多い。
目標物1−9は、ソナーで画像化するための目標物(対象物)であり、送波された音波を受波器に対して反射するものである。目標物1−9は、簡素な形状から複雑な形状、また仕様内で想定される最も大きな寸法から、最も小さな寸法までの諸所の目標物を用意してチューニングすることが望ましい。実際には、水槽1−7の大きさとかかる人手の制約上、用意できる目標物1−9は限られる。
受波器1−10は、目標物1−9からの反射音波を受信する。
図13に示した形態においては、チューニングを屋内の水槽にて行う場合を想定しているが、実際の使用環境により近い条件でのチューニングを行うために、海上にてチューニング作業を行うこともある。
The signal processing system 1-1 is a system for generating a sonar image for the target object 1-9 existing in the water in the water tank 1-7. The water tank 1-7 is a water tank for forming an underwater sound field for transmitting and receiving waves. The water tank must have sufficient dimensions so that the pulsed sound waves transmitted from the wave transmitter will not be reflected by the wall of the water tank within the receiving time.
The signal processing system 1-1 shown in FIG. 13 includes a transmission signal generation unit 1-2, a transmission I/F 1-3, a reception I/F 1-4, a reception processing unit 1-5, and an image generation unit 1. -6 and. Further, the water tank 1-7 has a wave transmitter 1-8 and a wave receiver 1-10.
The transmission signal generation unit 1-2 generates a signal to be transmitted. The transmission signal generation unit 1-2 is a digital transmission waveform desired by a tuning operator by software operating on a processor such as a DSP (Digital Signal Processor), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), and a CPU (Central Processing Unit). (Sine wave, chirp signal, etc.). The transmission waveform must be a pulse whose time width is set to be short so that it can be regarded as a free play space in which reflection can be sufficiently ignored in transmission and reception in water, which will be described later.
The transmission I/F 1-3 converts the digital signal waveform generated by the transmission signal generation unit 1-2 into an analog waveform and then amplifies the voltage/power. Specifically, the transmission I/F 1-3 converts the digital signal waveform generated by the transmission signal generation unit 1-2 into an analog waveform using a D/A (Digital/Analog) converter, and a power amplifier (amplifier). ) Is used to finally amplify to the voltage and power required by the transmitter and transmit it to the transmitter 1-8 via the plug, connector and cable.
The reception I/F 1-4 has an interface function for electrically receiving the reception signal acoustically converted by the wave receiver 1-10. The reception I/F 1-4 includes a plug, a connector, a cable, a low noise preamplifier, an A/D (Analog/Digital) converter, and the like. The reception I/F 1-4 finally outputs the reception signal as a digital signal to the reception processing unit 1-5 at the subsequent stage.
The reception processing unit 1-5 performs signal processing on the digital signal transmitted from the reception I/F 1-4. The signal processing performed by the reception processing unit 1-5 includes filter processing, sampling rate conversion, bit depth conversion, directivity synthesis, TS (Target strength) conversion, TVG (Time Varied Gain) correction, and the like. By this signal processing, the digital signal sent from the reception I/F 1-4 is converted into the pixel value of the image.
The image generator 1-6 displays a sonar image. An image to be displayed is generated based on the pixel value data generated by the reception processing unit 1-5.
The wave transmitter 1-8 radiates a transmission waveform as a sound wave to the target 1-9. The underwater transmitter is generally composed of a piezoelectric element in many cases.
The target object 1-9 is a target object (object) to be imaged by the sonar, and reflects the transmitted sound wave to the receiver. The target 1-9 is preferably tuned by preparing targets of various shapes from a simple shape to a complicated shape and from the largest dimension assumed in the specifications to the smallest dimension. In reality, the targets 1-9 that can be prepared are limited due to the size of the water tank 1-7 and the manual labor.
The wave receiver 1-10 receives the reflected sound wave from the target 1-9.
In the form shown in FIG. 13, it is assumed that the tuning is performed in an indoor water tank, but the tuning work may be performed at sea in order to perform the tuning under conditions closer to the actual usage environment. ..

図14は、図13に示した送信器1−8および受信器1−10が設置されたフレームの一例を示す図である。ここで、送信器1−8が送信するビーム方式として、マルチナロービーム方式を採用する場合を例に挙げて説明する。 FIG. 14 is a diagram showing an example of a frame in which the transmitter 1-8 and the receiver 1-10 shown in FIG. 13 are installed. Here, the case where the multi-narrow beam method is adopted as the beam method transmitted by the transmitter 1-8 will be described as an example.

図14に示したフレーム2−1は、内部に空洞を有し、電子回路基板を格納するよう設計することもできる形態となっている。フレーム2−1は、例えば、図13に示した送信I/F1−3および受信I/F1−4を端とする基板を格納することも可能である。フレーム2−1は、ジュラルミン、ステンレス、チタンなどの金属により構成されている。
送波器1−8は、長手方向(図14中の左右方向)に圧電素子が複数チャンネルアレイされているものとする。送波器1−8の搭載部分のフレーム2−1の背面には、図13に示した送信I/F1−3とケーブル等を介して、送信I/F1−3と接続できるように送波器コネクタ2−4が設けられている。フレーム2−1の表面側は水中で水と接するが、この表面をウレタンなどでモールド処理されており、フレーム2−1内部、送波器1−8内部に水が浸入することがないように防水加工されている。
受波器1−10は、構造自体は送波器1−8と同様である。受波器1−10のアレイ方向は送波器1−8と垂直(図中の上下方向)であり、図14に示した例では、送波器1−8と受波器1−10とがL字型に配置されているものとする。また、受波器1−10の搭載部分のフレーム2−1の背面には、図13に示した受信I/F1−4とケーブル等を介して、受信I/F1−4と接続できるように受波器コネクタ2−5が設けられている。
The frame 2-1 shown in FIG. 14 has a cavity inside and can be designed to store an electronic circuit board. The frame 2-1 can also store a board whose ends are the transmission I/F 1-3 and the reception I/F 1-4 shown in FIG. 13, for example. The frame 2-1 is made of a metal such as duralumin, stainless steel, or titanium.
It is assumed that the wave transmitter 1-8 has a plurality of channels of piezoelectric elements arrayed in the longitudinal direction (left-right direction in FIG. 14). On the rear surface of the frame 2-1 on which the wave transmitter 1-8 is mounted, the wave is transmitted so that it can be connected to the transmission I/F1-3 via the transmission I/F1-3 and the cable shown in FIG. A container connector 2-4 is provided. The surface side of the frame 2-1 comes into contact with water in water, but this surface is molded with urethane or the like so that water does not enter the inside of the frame 2-1 and the wave transmitter 1-8. It is waterproof.
The wave receiver 1-10 has the same structure as the wave transmitter 1-8. The array direction of the wave receivers 1-10 is perpendicular to the wave transmitters 1-8 (vertical direction in the figure). In the example shown in FIG. 14, the wave transmitters 1-8 and the wave receivers 1-10 are Are arranged in an L shape. Further, on the rear surface of the frame 2-1 on which the wave receiver 1-10 is mounted, the reception I/F1-4 shown in FIG. 13 and the reception I/F1-4 can be connected via a cable or the like. A wave receiver connector 2-5 is provided.

図15は、送波器と受波器とに共通に用いられる振動子の構造概念図である。図15の上図は、アレイ方向を法線とする断面図、下図は40チャンネルをアレイした全体図である。ここで、送波器および受波器の圧電振動子の内部構造の一例としてコンポジット型圧電振動子である場合を例に挙げて説明する。
モールド3−1は、送受波器全体の防水を保つためのモールドであり、ウレタン等の材料が用いられる。
樹脂層3−2と圧電セラミックス3−4とを交互に配置することによりコンポジット振動子を形成する。コンポジット振動子を用いることで、単体の圧電セラミックスよりも音響インピーダンスを低く抑えることができる。そのため、このような構造は、水との音響インピーダンスマッチング整合に有利となる。また、海中で大きな水圧がかかった際の耐水圧設計も容易となる。また、図15に示した例では、圧電セラミックスは断面図の上下方向に分極され、縦振動子として使用される。
整合層3−3は、圧電セラミックス3−4とモールド3−1との間の音響インピーダンスが整合しやすくなるように使用する整合層である。一般的に整合層3−3は、エポキシ、ポリイミド等の硬質の樹脂材料が用いられる。ここで、圧電セラミックス3−4単体の音響インピーダンスが
程度、水の音響インピーダンスが
で、あるから、圧電セラミックス3−4単体とモールド3−1とが直接接する場合には音響インピーダンスを段階的に引き下げるようにその中間程度の音響インピーダンス、すなわち
程度の音響インピーダンスの整合層3−3を、所定の周波数での波長をλ[m]として、λ/4[m]の厚さで介在させることが必要となる。しかしながら、コンポジット型振動子の場合には、圧電セラミックス3−4単体よりも音響インピーダンスが数分の1となることから、整合層3−3が必要ない場合もある。
バッキング第1層3−5およびバッキング第2層3−6は、背面に弾性波が抜けるのを防止するためのバッキング層である。低インピーダンスのバッキング第1層3−5と、高インピーダンスのバッキング第2層3−6とを組み合わせることで、振動子からバッキング第2層3−6間での多重反射を起こさせて、背面への弾性波の抜けを防止する。
ワイヤ3−7およびコネクタ3−8は、圧電セラミックス3−4の電気的接続を行うためのものである。
FIG. 15 is a structural conceptual diagram of a vibrator commonly used for a wave transmitter and a wave receiver. The upper part of FIG. 15 is a cross-sectional view with the array direction as a normal line, and the lower part is an overall view in which 40 channels are arrayed. Here, as an example of the internal structure of the piezoelectric vibrator of the wave transmitter and the wave receiver, a case of a composite piezoelectric vibrator will be described as an example.
The mold 3-1 is a mold for maintaining the waterproofness of the entire wave transmitter/receiver, and a material such as urethane is used.
A composite oscillator is formed by alternately arranging the resin layers 3-2 and the piezoelectric ceramics 3-4. By using the composite vibrator, the acoustic impedance can be suppressed to be lower than that of a single piezoelectric ceramic. Therefore, such a structure is advantageous for acoustic impedance matching matching with water. In addition, it becomes easy to design a water pressure resistance when a large water pressure is applied in the sea. Further, in the example shown in FIG. 15, the piezoelectric ceramic is polarized in the vertical direction of the cross-sectional view and used as a vertical vibrator.
The matching layer 3-3 is a matching layer used for facilitating matching of acoustic impedance between the piezoelectric ceramics 3-4 and the mold 3-1. Generally, a hard resin material such as epoxy or polyimide is used for the matching layer 3-3. Here, the acoustic impedance of the piezoelectric ceramics 3-4 alone is
The degree of acoustic impedance of water
Therefore, when the piezoelectric ceramics 3-4 alone and the mold 3-1 are in direct contact with each other, the acoustic impedance at an intermediate level, that is, the acoustic impedance, is gradually reduced, that is,
It is necessary to interpose the matching layer 3-3 having a certain acoustic impedance with a wavelength of λ[m] at a predetermined frequency and a thickness of λ/4[m]. However, in the case of the composite type vibrator, since the acoustic impedance is a fraction of that of the piezoelectric ceramics 3-4 alone, the matching layer 3-3 may be unnecessary.
The backing first layer 3-5 and the backing second layer 3-6 are backing layers for preventing elastic waves from leaking to the back surface. By combining the low-impedance backing first layer 3-5 and the high-impedance backing second layer 3-6, multiple reflection occurs between the oscillator and the backing second layer 3-6, and the back surface is transmitted to the back surface. To prevent the escape of elastic waves.
The wire 3-7 and the connector 3-8 are for electrically connecting the piezoelectric ceramics 3-4.

ここで、マルチナロービーム方式について説明する。
マルチナロービーム方式とは、送受波各々の複数のビームを別々の方向に走査させ(多くの場合直交させる)、その格子を形成することにより、格子の各点に目標物が存在するか否かをその反射した音波のレベルにより判定する方式である。
まず、ある特定の周波数においての送受波ビームの形成について説明する。自由空間におけるビームの形成については送波、受波ともに完全に共通である。それは、電気音響変換の可逆性および自由空間における偏微分方程式(定常音場を記述するヘルムホルツ方程式など楕円型偏微分方程式も当然ながら含む)の基本解、すなわちグリーン関数の相反性に基づいて数学的に保証される。
Here, the multi-narrow beam method will be described.
The multi-narrow beam method scans a plurality of beams of transmitted and received waves in different directions (often orthogonal to each other) and forms a grid to determine whether or not a target is present at each point of the grid. This is a method of judging by the level of the reflected sound wave.
First, formation of a transmission/reception beam at a specific frequency will be described. Beam formation in free space is completely common to both transmitting and receiving. It is based on the reversibility of electroacoustic transformation and the fundamental solution of partial differential equations in free space (including elliptic partial differential equations such as Helmholtz equation describing a stationary sound field), that is, the mathematical reciprocity of the Green's function Guaranteed.

さて、通常は、多チャンネルアレイ振動子に印加する駆動電圧は、振動子の共振周波数近傍にて、各々チャンネルへの電圧の重みづけを掛け合わせて加える。重みづけの関数としては、Turkey窓、Chebyshev窓などがある。 Now, normally, the drive voltage applied to the multi-channel array oscillator is applied by multiplying the weighting of the voltage to each channel in the vicinity of the resonance frequency of the oscillator. Examples of weighting functions include the Turkey window and the Chebyshev window.

図16は、Chebyshev窓を用いた座標とフィルタ係数との関係の一例を示す図である。図16には、40チャンネルに、式1を用いて計算されたChebyshev窓(サイドローブ減衰比−60dB)を示す。
ここで、
である。式2は、m次Chebyshev多項式、sはメインローブに対するサイドローブの減衰比である。
FIG. 16 is a diagram illustrating an example of the relationship between the coordinates and the filter coefficient using the Chebyshev window. FIG. 16 shows the Chebyshev window (sidelobe attenuation ratio −60 dB) calculated using Equation 1 for 40 channels.
here,
Is. Formula 2 is the m-th order Chebyshev polynomial, and s is the attenuation ratio of the side lobe to the main lobe.

図16に示した電圧重み特性4−1は、Chebyshev窓の一例である。また、ビームステアリング(メインローブの方向を移動させる)は、所望のステアリング角度θに対して、振動子各チャンネル間の中心距離d、音速c、振動子の総チャンネル数Nとすると、nチャンネルの振動子に対して、
の時間遅延を与えることにより、実現できる。
The voltage weighting characteristic 4-1 shown in FIG. 16 is an example of the Chebyshev window. Further, beam steering (moving the direction of the main lobe) is performed with respect to a desired steering angle θ, where the center distance d between the transducer channels, the sound velocity c, and the total number of transducer channels N are n channels. For the oscillator,
This can be achieved by giving a time delay of.

図17(a)〜17(c)は、40チャンネルの振動子が一様に振動していた場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布を示す図である。図17(a)〜17(c)は、振動子の振動が均一であると仮定した場合の、振動子を包む最外側モールド層の各チャンネル振動子直上の振動速度の絶対値および位相を示す。図17(a)は、ビームステアリングを0degとした場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布5−1を示す。図17(b)は、ビームステアリングを30degとした場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布5−2を示す。図17(c)は、ビームステアリングを60degとした場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布5−3を示す。 17(a) to 17(c) are diagrams showing the distribution of the vibration velocity amplitude and the vibration velocity phase when the transducer of 40 channels was vibrating uniformly. 17A to 17C show the absolute value and phase of the vibration velocity immediately above each channel vibrator of the outermost mold layer enclosing the vibrator, assuming that the vibration of the vibrator is uniform. .. FIG. 17A shows the distribution 5-1 of the vibration velocity amplitude and the vibration velocity phase when the beam steering is set to 0 deg. FIG. 17B shows the distribution 5-2 of the vibration velocity amplitude and the vibration velocity phase when the beam steering is set to 30 deg. FIG. 17C shows a distribution 5-3 of the vibration velocity amplitude and the vibration velocity phase when the beam steering is set to 60 deg.

図18(a)〜17(c)は、図17(a)〜17(c)に示した速度分布が作り出す、音圧の遠方界指向性の計算結果を示す図である。図18(a)は、図17(a)に示した振動速度分布が作り出すビームステアリング0degとした場合の遠方界指向特性6−1を示す。図18(b)は、図17(b)に示した振動速度分布が作り出すビームステアリング30degとした場合の遠方界指向特性6−2を示す。図18(c)は、図17(c)に示した振動速度分布が作り出すビームステアリング60degとした場合の遠方界指向特性6−3を示す。 18(a) to 17(c) are diagrams showing calculation results of the far field directivity of sound pressure produced by the velocity distributions shown in FIGS. 17(a) to 17(c). FIG. 18A shows a far-field directional characteristic 6-1 when the beam steering generated by the vibration velocity distribution shown in FIG. 17A is 0 deg. FIG. 18B shows a far-field directional characteristic 6-2 when the beam steering 30 deg produced by the vibration velocity distribution shown in FIG. 17B is used. FIG. 18C shows a far-field directional characteristic 6-3 when the beam steering 60 deg produced by the vibration velocity distribution shown in FIG. 17C is used.

図17(a)〜17(c)および図18(a)〜17(c)に示した特性からわかるように、送受波のビーム形成とビームステアリングとが、各振動子の重みづけ(シェーディング)と各チャンネル間の遅延時間とに基づいて制御可能となる。ビームステアリングを1degステップで行えば、ステアリング方向に音波放射方向面を1degに対応した距離格子で分解することができる。そのため、送波器と受波器とを図14に示したように互いに直交して配置すれば、音波放射方向の空間を直交格子状に分解することができる。送波器から放射された音波は、目標物がある方向のみから強い反射音が返ってきて、受波される。そのため、送受波器から見て目標物のある方位の送受波ステアリング位置に対応する格子には、目標物としての反応が確認できる。 As can be seen from the characteristics shown in FIGS. 17(a) to 17(c) and FIGS. 18(a) to 17(c), the beam formation of the transmitted/received waves and the beam steering are weighted (shading) of each transducer. And the delay time between each channel. If the beam steering is performed in 1 deg steps, the sound wave radiation direction surface can be decomposed in the steering direction by a distance grid corresponding to 1 deg. Therefore, if the wave transmitter and the wave receiver are arranged orthogonally to each other as shown in FIG. 14, the space in the sound wave radiation direction can be decomposed into an orthogonal lattice shape. The sound wave radiated from the wave transmitter is received as a strong reflected sound is returned only from the direction in which the target object is present. Therefore, the reaction as the target can be confirmed on the grid corresponding to the transmitting/receiving steering position of the target in the azimuth direction as viewed from the transmitter/receiver.

図19は、マルチナロービーム方式でのスキャン概念図を示す図である。
図19に示すように、ビームステアリングの方向を以下のように記載している。
・左→右: 送波ビームのステアリング方向
・上→下: 受波ビームのステアリング方向
FIG. 19 is a diagram showing a scan conceptual diagram in the multi-narrow beam system.
As shown in FIG. 19, the beam steering direction is described as follows.
・Left → Right: Transmitted beam steering direction ・Up → Down: Received beam steering direction

また、目標物からの反射波の振幅成分を、周波数分析を行って評価する方式や、目標物からの反射波の信号成分を搬送周波数よりも十分に小さなサンプリングレートでデジタル演算したものを用いて搬送周波数帯の疑似信号を生成する疑似信号発生装置が考えられている(例えば、特許文献1,2参照。)。 In addition, the amplitude component of the reflected wave from the target object is evaluated by frequency analysis, or the signal component of the reflected wave from the target object is digitally calculated at a sampling rate sufficiently smaller than the carrier frequency. A pseudo signal generator that generates a pseudo signal in a carrier frequency band has been considered (for example, see Patent Documents 1 and 2).

特開平04−254780号公報JP, 04-254780, A 特開平05−215840号公報Japanese Patent Laid-Open No. 05-215840

上述した技術においては、精度の良いソナー画面を得るためには、多数のパラメータを用いて最適化チューニングが必要となる。このような多数のパラメータを用いて測定系を毎回構築して信号処理システムをチューニングするには、多大な時間とコストがかかってしまうという問題点がある。 In the technique described above, in order to obtain an accurate sonar screen, optimization tuning using a large number of parameters is required. There is a problem that it takes a lot of time and cost to tune the signal processing system by constructing the measurement system each time using such a large number of parameters.

本発明の目的は、上記課題を解決する試験システム、波形シミュレータ装置および試験方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a test system, a waveform simulator device, and a test method that solve the above problems.

本発明の試験システムは、
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する送波音場シミュレータと、
前記送波音場シミュレータが計算した送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する目標物シミュレータと、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する受波音場シミュレータと、
前記目標物シミュレータが計算した反射音場遠方界と、前記受波音場シミュレータが計算した受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する受波音圧統合計算部と、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する受波音波時間波形変換部とを有する。
また、本発明の波形シミュレータ装置は、
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する送波音場シミュレータと、
前記送波音場シミュレータが計算した送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する目標物シミュレータと、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する受波音場シミュレータと、
前記目標物シミュレータが計算した反射音場遠方界と、前記受波音場シミュレータが計算した受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する受波音圧統合計算部と、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する受波音波時間波形変換部とを有する。
また、本発明の試験方法は、
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する処理と、
前記送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する処理と、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する処理と、
前記反射音場遠方界と前記受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する処理と、
前記計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する処理とを行う。
また、本発明のプログラムは、
コンピュータに実行させるためのプログラムであって、
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する手順と、
前記送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する手順と、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する手順と、
前記反射音場遠方界と前記受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する手順と、
前記計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する手順とを実行させる。
The test system of the present invention is
Based on the transmission signal and the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a transmitted sound field simulator for calculating a transmitted sound field,
Based on the transmitted sound field calculated by the transmitted sound field simulator, the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a target object simulator for calculating the reflected sound field far field generated by the target object surface,
A receiver sound field simulator that calculates the receiver sound field by applying unit vibration speeds to multiple points on the receiver,
Reflected sound field far field calculated by the target simulator, based on the received sound field calculated by the received sound field simulator, a received sound pressure integrated calculation unit for calculating a directivity function to the target object,
A received sound wave time waveform conversion unit that calculates a time waveform of a received wave based on the directivity function calculated by the received sound pressure integrated calculation unit.
In addition, the waveform simulator device of the present invention,
Based on the transmission signal and the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a transmitted sound field simulator for calculating a transmitted sound field,
Based on the transmitted sound field calculated by the transmitted sound field simulator, the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a target object simulator for calculating the reflected sound field far field generated by the target object surface,
A receiver sound field simulator that calculates the receiver sound field by applying unit vibration speeds to multiple points on the receiver,
Reflected sound field far field calculated by the target simulator, based on the received sound field calculated by the received sound field simulator, a received sound pressure integrated calculation unit for calculating a directivity function to the target object,
A received sound wave time waveform conversion unit that calculates a time waveform of a received wave based on the directivity function calculated by the received sound pressure integrated calculation unit.
Further, the test method of the present invention,
Based on the transmission signal and the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, the process of calculating the transmitted sound field,
Based on the transmitted sound field, the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a process of calculating a reflected sound field far field produced by the target surface,
A process of calculating a received sound field by giving unit vibration speeds to a plurality of points of a receiver,
Based on the reflected sound field far field and the received sound field, a process of calculating a directivity function to the target object,
A process of calculating the time waveform of the received wave is performed based on the calculated directivity function.
Further, the program of the present invention is
A program for causing a computer to execute,
Based on the transmission signal, the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a procedure for calculating the transmitted sound field,
Based on the transmitted sound field and the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a procedure for calculating a reflected sound field far field produced by the target surface,
A procedure for calculating the received sound field by applying unit vibration speeds to multiple points on the receiver,
Based on the reflected sound field far field and the received sound field, a step of calculating a directivity function to the target,
And a procedure of calculating a time waveform of the received wave based on the calculated directivity function.

以上説明したように、本発明においては、容易に精度の良いソナー画面を得ることができる。 As described above, in the present invention, a highly accurate sonar screen can be easily obtained.

本発明の試験システムの第1の実施の形態を示す図である。It is a figure which shows 1st Embodiment of the test system of this invention. 図1に示した受波波形シミュレータシステムがシミュレートする送波器、目標物、海底面および受波器の配置の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline|summary of arrangement|positioning of the wave transmitter, the target object, the seabed, and the wave receiver which the wave reception waveform simulator system shown in FIG. 1 simulates. 送波器面に付与する振動速度の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the vibration speed given to a wave-transmitter surface. マルチナロービーム方式において、送波器面に付与する振動速度とソナー画像上の対応について示した図である。In the multi-narrow beam system, it is a diagram showing the correspondence between the vibration velocity applied to the wave transmitter surface and the sonar image. xyz座標系における送波(受波)面を示す図である。It is a figure which shows the wave transmission (wave reception) surface in an xyz coordinate system. 図1に示した基準画像生成部が生成した基準画像データと、目的物を検知したエリアの一例を示す図である。It is a figure which shows the reference image data which the reference image production|generation part shown in FIG. 1 produced, and an example of the area which detected the target object. 座標系に存在する目標物の様子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a mode of the target object which exists in a coordinate system. メインローブに対するサイドローブの減衰比を90dBとした場合のソナー画面の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a sonar screen when the attenuation ratio of the side lobe with respect to the main lobe is 90 dB. メインローブに対するサイドローブの減衰比を60dBとした場合のソナー画面の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a sonar screen when the attenuation ratio of the side lobe with respect to the main lobe is 60 dB. メインローブに対するサイドローブの減衰比を30dBとした場合のソナー画面の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a sonar screen when the attenuation ratio of the side lobe with respect to the main lobe is set to 30 dB. 図1に示した画像S/N比計算評価部が、式29〜式34を用いて、SNavrおよびSNmaxを計算した結果を示す図である。Image S / N ratio calculating evaluation unit shown in FIG. 1, using the equation 29 to equation 34 is a graph showing the results of calculating the SN avr and SN max. 本発明の試験システムの第1の変形例を示す図である。It is a figure which shows the 1st modification of the test system of this invention. 本発明の試験システムの第2の実施の形態を示す図である。It is a figure which shows the 2nd Embodiment of the test system of this invention. 図11に示した試験システムにおける試験方法の一例を説明するためのフローチャートである。12 is a flowchart for explaining an example of a test method in the test system shown in FIG. 11. 一般的な信号処理システムのチューニングにおいて使用される接続の一例の概念図である。It is a conceptual diagram of an example of the connection used in the tuning of a general signal processing system. 図13に示した送信器および受信器が設置されたフレームの一例を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing an example of a frame in which the transmitter and the receiver shown in FIG. 13 are installed. 送波器と受波器とに共通に用いられる振動子の構造概念図である。It is a structure conceptual diagram of the vibrator commonly used for a wave transmitter and a wave receiver. Chebyshev窓を用いた座標とフィルタ係数との関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the coordinate using a Chebyshev window, and a filter coefficient. ビームステアリングを0degとした場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of a vibration velocity amplitude and a vibration velocity phase when beam steering is set to 0 deg. ビームステアリングを30degとした場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布を示す図である。It is a figure showing distribution of vibration velocity amplitude and vibration velocity phase when beam steering is set to 30 deg. ビームステアリングを60degとした場合の振動速度振幅および振動速度位相の分布を示す図である。It is a figure showing distribution of vibration velocity amplitude and vibration velocity phase when beam steering is set to 60 deg. 図17(a)に示した振動速度分布が作り出すビームステアリング0degとした場合の遠方界指向特性を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing a far-field directional characteristic when the beam steering generated by the vibration velocity distribution shown in FIG. 17A is 0 deg. 図17(b)に示した振動速度分布が作り出すビームステアリング30degとした場合の遠方界指向特性を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing a far-field directional characteristic when the beam steering 30 deg produced by the vibration velocity distribution shown in FIG. 17B is used. 図17(c)に示した振動速度分布が作り出すビームステアリング60degとした場合の遠方界指向特性を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing a far-field directional characteristic when the beam steering 60 deg produced by the vibration velocity distribution shown in FIG. 17C is used. マルチナロービーム方式でのスキャン概念図である。It is a scanning conceptual diagram in a multi-narrow beam system.

本発明は、水中探査おける音響トモグラフィ、水中ソナーにおいて、様々な画像を生成するための信号処理機のパラメータチューンニング、デバッグを、実際の送受波器なしに、容易に行うことを可能とするソナー信号処理試験機を提案するものである。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention makes it possible to easily perform parameter tuning and debugging of a signal processor for generating various images in acoustic tomography in underwater exploration and underwater sonar without an actual transducer. We propose a sonar signal processing tester.

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)

図1は、本発明の試験システムの第1の実施の形態を示す図である。本形態は図1に示すように、信号処理システム8−1と、受波波形シミュレータシステム8−7と、画像評価システム8−15とを有している。 FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a test system of the present invention. As shown in FIG. 1, this embodiment has a signal processing system 8-1, a received wave simulator system 8-7, and an image evaluation system 8-15.

信号処理システム8−1は、図1に示すように、送信信号生成部8−2と、送信I/F8−3と、受信I/F8−4と、受信処理部8−5と、画像生成部8−6とを有している。
送信信号生成部8−2は、送波する信号を生成する。送信信号生成部8−2は、DSP、FPGA、CPU等のプロセッサ上で稼働するソフトウェアにより、チューニング作業者が所望のデジタル送信波形(正弦波、チャープ信号等)を生成する。送信波形は、水中での送波、受波において、反射が十分に無視できる、自遊空間とみなせるように、時間幅を短く設定されたパルスでなければならない。
送信I/F8−3は、送信信号生成部8−2が生成したデジタル信号波形をアナログ波形へと変換した上で、電圧/電力増幅する。具体的には、送信I/F8−3は、送信信号生成部8−2が生成したデジタル信号波形を、D/Aコンバータを用いてアナログ波形へ変換し、電力増幅器(アンプ)を用いて、最終的に送波器が必要とする電圧および電力まで増幅し、送波器をシミュレートする受波波形シミュレータシステム8−7へ送信する。
受信I/F8−4は、受波波形シミュレータシステム8−7から送信されてきた受波音圧時間波形である信号を電気的に受けるためのインタフェース機能を持つ。受信I/F8−4には、プラグ、コネクタ、ケーブル、低ノイズプリアンプ、およびA/Dコンバータ等が含まれる。受信I/F8−4は、最終的には受信信号をデジタル信号として、後段の受信処理部8−5へ送出する。
受信処理部8−5は、受信I/F8−4から送出されたデジタル信号に対して信号処理を行う。受信処理部8−5が行う信号処理としては、フィルタ処理、サンプリングレート変換、ビット深度変換、指向性合成、TS変換、TVG補正などが挙げられる。この信号処理により、受信I/F8−4から送出されたデジタル信号が、画像の画素値へ変換される。
画像生成部8−6は、ソナー画像を画像評価システム8−15へ送信する。このとき、画像生成部8−6は、受信処理部8−5が生成した画素値データに基づいて、表示する画像を生成して、画像評価システム8−15へ送信する。
As shown in FIG. 1, the signal processing system 8-1 includes a transmission signal generation unit 8-2, a transmission I/F 8-3, a reception I/F 8-4, a reception processing unit 8-5, and an image generation. Parts 8-6.
The transmission signal generator 8-2 generates a signal to be transmitted. The transmission signal generation unit 8-2 generates a desired digital transmission waveform (sine wave, chirp signal, etc.) desired by the tuning operator by software running on a processor such as DSP, FPGA, CPU. The transmission waveform must be a pulse whose time width is set to be short so that it can be regarded as a free-floating space in which reflection can be sufficiently ignored during transmission and reception in water.
The transmission I/F 8-3 converts the digital signal waveform generated by the transmission signal generation unit 8-2 into an analog waveform and then amplifies the voltage/power. Specifically, the transmission I/F 8-3 converts the digital signal waveform generated by the transmission signal generation unit 8-2 into an analog waveform using a D/A converter, and uses a power amplifier (amplifier), Finally, the voltage and power required by the transmitter are amplified and transmitted to the receiving waveform simulator system 8-7 which simulates the transmitter.
The reception I/F 8-4 has an interface function for electrically receiving a signal which is the received sound pressure time waveform transmitted from the received waveform simulator system 8-7. The reception I/F 8-4 includes a plug, a connector, a cable, a low noise preamplifier, an A/D converter and the like. The reception I/F 8-4 finally outputs the reception signal as a digital signal to the reception processing unit 8-5 in the subsequent stage.
The reception processing unit 8-5 performs signal processing on the digital signal sent from the reception I/F 8-4. The signal processing performed by the reception processing unit 8-5 includes filter processing, sampling rate conversion, bit depth conversion, directivity synthesis, TS conversion, TVG correction, and the like. By this signal processing, the digital signal transmitted from the reception I/F 8-4 is converted into the pixel value of the image.
The image generation unit 8-6 transmits the sonar image to the image evaluation system 8-15. At this time, the image generation unit 8-6 generates an image to be displayed based on the pixel value data generated by the reception processing unit 8-5 and transmits it to the image evaluation system 8-15.

受波波形シミュレータシステム8−7は、図13に示した水槽1−7内を最適化チューニング用のシミュレータに置き換えたものである。受波波形シミュレータシステム8−7は、信号処理システム8−1から送信された各チャンネルの送信信号に基づいて、所定の物理定数、送波器、受波器、目標物の座標情報を用いて、受信I/F8−4に入力する受信波形を生成する。受波波形シミュレータシステム8−7は図1に示すように、送波音場シミュレータ8−8と、目標物シミュレータ8−9と、受波音場シミュレータ8−10と、受波音圧統合計算部8−11と、受波音波時間波形変換部8−13と、基準画像生成部8−14とを有している。受波波形シミュレータシステム8−7は、これらの構成要素を具備する1つの装置(波形シミュレータ装置)であっても良い。
ここで、送波音場シミュレータ8−8と、目標物シミュレータ8−9と、受波音場シミュレータ8−10と、受波音圧統合計算部8−11とで、フーリエ領域シミュレータ8−12を構成する。フーリエ領域シミュレータ8−12は、所定の計算帯域内のある単一周波数成分に関して逐次計算を行い、最終的には帯域内の周波数成分について計算する。受波音波時間波形変換部8−13は、受波音圧統合計算部8−11から出力された帯域内の全周波数成分に関する計算結果を、逆フーリエ変換の因果律を考慮した上で時間波形に変換する。また、受波波形シミュレータシステム8−7内部の全ての計算においては、送受波器から目標物が波長に比して十分に遠く離れていること(レイリー距離の2倍以上)を前提として、遠方界計算を行うものである。実際のソナーにおいても、遠方界とみなせる距離で使用されることがほとんどである。そのため、このような仮定と近似とが可能である。なお、受波波形シミュレータシステム8−7を構成する各要素は、各々が1つのCPU、DSP、FPGA等のプロセッサ上でソフトウェア的に構築することも可能であるし、各々が互いに異なるプロセッサで構築することも可能である。フーリエ領域シミュレータ8−12は、単一のフーリエ成分に分けて、所定の帯域内の全てのフーリエ成分について計算を行う。このフーリエ領域シミュレータは、フーリエ変換領域において、送波の各々のビームステアリング角度に対して、受波器の各チャンネルの受波音圧を計算するようにループもしくは並列計算を行う。
送波音場シミュレータ8−8は、送信I/F8−3から送出された送信信号と、送波器の配置座標情報と水中音速等の物理定数とに基づいて、送波音場の遠方界を計算する。
目標物シミュレータ8−9は、送波音場シミュレータ8−8が計算した送波音場と送波器の配置座標情報と水中音速等の物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する。
受波音場シミュレータ8−10は、受波器が目標物に作り出す受波音場を計算する。受波音場シミュレータ8−10は、受波器の各点もしくは各チャンネルに、単位振動速度を与えることにより音場を計算し、それをグリーン関数の相反性を利用して受波音場の指向性関数として解釈することで受波音場を求める。
受波音圧統合計算部8−11は、目標物シミュレータ8−9の計算結果と受波音場シミュレータ8−10の計算結果とを入力し、受波器の各チャンネルが受ける音圧を統合的に計算する。受波音圧統合計算部8−11は、受波器の各チャンネルが受ける音圧計算結果を、全帯域内周波数成分について集めて整理する。実際の計算としては、受波音圧統合計算部8−11は、巨大な行列計算を行う。
受波音波時間波形変換部8−13は、フーリエ領域シミュレータ8−12から送出されたデータに基づいて、逆フーリエ変換を用いて受波音波の時間波形を計算する。
基準画像生成部8−14は、受波波形シミュレータシステム8−7内部のデータのみで生成される基準的な画像データを生成する。
The received waveform simulator system 8-7 is one in which the inside of the water tank 1-7 shown in FIG. 13 is replaced with a simulator for optimization tuning. The wave reception waveform simulator system 8-7 uses predetermined physical constants, a wave transmitter, a wave receiver, and coordinate information of a target object based on the transmission signal of each channel transmitted from the signal processing system 8-1. , Generate a reception waveform to be input to the reception I/F 8-4. As shown in FIG. 1, the received wave simulator system 8-7 includes a transmitted sound field simulator 8-8, a target object simulator 8-9, a received sound field simulator 8-10, and a received sound pressure integrated calculator 8-. 11, a received sound wave time waveform converter 8-13, and a reference image generator 8-14. The received waveform simulator system 8-7 may be one device (waveform simulator device) including these components.
Here, the transmitted sound field simulator 8-8, the target object simulator 8-9, the received sound field simulator 8-10, and the received sound pressure integrated calculation unit 8-11 configure a Fourier domain simulator 8-12. .. The Fourier domain simulator 8-12 sequentially calculates a single frequency component within a predetermined calculation band, and finally calculates a frequency component within the band. The received sound wave time waveform conversion unit 8-13 converts the calculation result regarding all frequency components in the band output from the received sound pressure integrated calculation unit 8-11 into a time waveform after considering the causality of the inverse Fourier transform. To do. Further, in all calculations inside the received wave simulator system 8-7, it is assumed that the target is sufficiently far from the transmitter/receiver in comparison with the wavelength (more than twice the Rayleigh distance). Boundary calculation is performed. Even in actual sonar, it is mostly used at a distance that can be regarded as a far field. Therefore, such assumptions and approximations are possible. Each component of the received wave simulator system 8-7 can be constructed by software on a processor such as one CPU, DSP, FPGA or the like, or each can be constructed by different processors. It is also possible to do so. The Fourier domain simulator 8-12 divides it into a single Fourier component and performs calculation on all Fourier components within a predetermined band. This Fourier domain simulator performs loop or parallel calculation in the Fourier transform domain so as to calculate the received sound pressure of each channel of the receiver for each beam steering angle of the transmitted wave.
The transmitted sound field simulator 8-8 calculates the far field of the transmitted sound field based on the transmission signal transmitted from the transmission I/F 8-3, the arrangement coordinate information of the transmitter, and the physical constants such as the underwater sound velocity. To do.
The target object simulator 8-9 is a distant reflected sound field created by the surface of the target object based on the transmitted sound field calculated by the transmitted sound field simulator 8-8, the arrangement coordinate information of the transmitter and the physical constants such as the underwater sound velocity. Calculate the world.
The received sound field simulator 8-10 calculates the received sound field created by the receiver on the target object. The receiving sound field simulator 8-10 calculates the sound field by giving a unit vibration velocity to each point or each channel of the receiver, and calculates the sound field using the reciprocity of the Green's function. The received sound field is obtained by interpreting it as a function.
The received sound pressure integrated calculation unit 8-11 inputs the calculation result of the target object simulator 8-9 and the calculation result of the received sound field simulator 8-10, and integrates the sound pressure received by each channel of the receiver. calculate. The received sound pressure integrated calculation unit 8-11 collects and arranges the sound pressure calculation results received by the respective channels of the receiver for the frequency components within the entire band. As an actual calculation, the received sound pressure integrated calculator 8-11 performs a huge matrix calculation.
The received sound wave time waveform converter 8-13 calculates the time waveform of the received sound wave using inverse Fourier transform based on the data sent from the Fourier domain simulator 8-12.
The reference image generation unit 8-14 generates reference image data generated only by the data inside the received wave simulator system 8-7.

画像評価システム8−15は、受波波形シミュレータシステム8−7から生成された時間波形に基づいて、信号処理システム8−1が生成した画像データの良否を評価する。画像評価システム8−15は、あるパラメータ設定(送受波器シェーディング窓係数等)を基準として、各種パラメータ設定を変更した場合の画像の良否を判定するシステムである。画像評価システム8−15は、画像S/N比計算評価部8−16を有する。
画像S/N比計算評価部8−16は、画像S/N比計算評価機であり、基準画像生成部8−14が生成した基準的な画像データと、評価対象となる信号処理システム8−1が生成した画像データとを比較し、後述の定義に基づき画像のS/N比を計算評価する。
The image evaluation system 8-15 evaluates the quality of the image data generated by the signal processing system 8-1 based on the time waveform generated by the received wave simulator system 8-7. The image evaluation system 8-15 is a system that determines the quality of an image when various parameter settings are changed with reference to a certain parameter setting (transceiver shading window coefficient or the like). The image evaluation system 8-15 has an image S/N ratio calculation evaluation unit 8-16.
The image S/N ratio calculation/evaluation unit 8-16 is an image S/N ratio calculation/evaluator, and includes the standard image data generated by the reference image generation unit 8-14 and the signal processing system 8- which is the evaluation target. 1 is compared with the image data generated, and the S/N ratio of the image is calculated and evaluated based on the definition described later.

図2は、図1に示した受波波形シミュレータシステム8−7がシミュレートする送波器、目標物、海底面および受波器の配置の概要を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing an outline of the arrangement of the wave transmitter, the target object, the sea bottom, and the wave receiver simulated by the wave reception waveform simulator system 8-7 shown in FIG.

送波器面9−1は、入射音を出力する。以下の説明において、送波器面9−1上の点のサフィックスをjで表す。
目標物9−2は、探査の対象となる目標物である。図2中では、適当な楕円体として示している。目標物9−2および海底面9−4上のサフィックスをiで表す。
目標物による海底面の陰面9−3は、目標物9−2の海底面9−4への陰面である。このほかに、目標物9−2上である点が別の点に作る陰面もあるが、図2中では割愛している。陰面については、後述の目標物シミュレータの項目で簡単に説明する。
受波器面9−5は、目標物9−2から反射してきた反射音を受信する。受波器面9−5上の点のサフィックスをkで表す。送波器面9−1と、受波器面9−5とは、同一平面上にあっても、互いに異なる平面上にあっても良い。
The wave transmitter surface 9-1 outputs an incident sound. In the following description, the suffix of the point on the transmitter surface 9-1 is represented by j.
The target 9-2 is a target to be searched. In FIG. 2, it is shown as a suitable ellipsoid. The suffixes on the target 9-2 and the sea bottom 9-4 are represented by i.
The hidden surface 9-3 of the sea bottom by the target is the hidden surface of the target 9-2 to the sea bottom 9-4. In addition to this, there is also a hidden surface that makes a point on the target 9-2 at another point, but it is omitted in FIG. The hidden surface will be briefly described in the item of the target object simulator described later.
The wave receiver surface 9-5 receives the reflected sound reflected from the target object 9-2. The suffix of the point on the receiver surface 9-5 is represented by k. The wave transmitter surface 9-1 and the wave receiver surface 9-5 may be on the same plane or on different planes.

以下に、図1に示した受波波形シミュレータシステム8−7内の各シミュレータ(もしくは計算部)について、詳細の動作説明を述べる。なお、以下の説明に用いる数式は、連続関数についての解析的表現(積分記号等)を用いて説明するが、実際のシステムにおけるソフトウェアコーディング等の実装作業においては、離散処理を考慮した置き換えが必要となる。 The detailed operation of each simulator (or calculation unit) in the received waveform simulator system 8-7 shown in FIG. 1 will be described below. Note that the mathematical expressions used in the following description are explained using analytical expressions (integral symbols, etc.) for continuous functions, but in implementation work such as software coding in an actual system, replacement is necessary in consideration of discrete processing. Becomes

図3は、送波器面に付与する振動速度の一例を示す図である。
図3において、送波器として図14に示した送波器1−8を想定し、80×2以上のグリッドメッシュを用意し、その中の40×1チャンネル分のみに振動速度を与えるものとする。塗りつぶした部分が振動速度分布を与えた部分のイメージである。1チャンネル分を2×2グリッド以上に分割してメッシュグリッドを生成するように設定している。また、設定する振動速度分布は図16に示したChebyshev窓を仮定する。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the vibration velocity applied to the wave transmitter surface.
In FIG. 3, assuming that the wave transmitter 1-8 shown in FIG. 14 is used as a wave transmitter, a grid mesh of 80×2 or more is prepared, and the vibration velocity is given only to 40×1 channel of the grid mesh. To do. The filled part is an image of the part given the vibration velocity distribution. It is set to generate a mesh grid by dividing one channel into 2×2 grids or more. The Chebyshev window shown in FIG. 16 is assumed for the vibration velocity distribution to be set.

図4は、マルチナロービーム方式において、送波器面に付与する振動速度とソナー画像上の対応について示した図である。縦方向の1列を送波ビームステアリング方向に割り当てる場合、ソナー画像上の1つのフーリエ成分が1つの送波器振動速度分布に対応する。横方向に割り当てられた受波ビームステアリング方向の各角度への分解は、信号処理システム8−1の受信処理のうち、指向性合成により行われる。 FIG. 4 is a diagram showing a correspondence between a vibration velocity applied to a wave transmitter surface and a sonar image in the multi-narrow beam method. When one column in the vertical direction is assigned to the transmitting beam steering direction, one Fourier component on the sonar image corresponds to one transmitter vibration velocity distribution. The decomposition of the received beam steering direction assigned in the lateral direction into each angle is performed by directivity synthesis in the reception processing of the signal processing system 8-1.

図3に示すように、平面領域Λ状に振動速度分布Sjが存在するときの音圧の遠方界指向性関数の計算方法を以下に示す。まず、音源面上の全ての点∪ΛSjが、目標物および図2の海底面9−4上の点Piに作る速度ポテンシャルについて考える。
式5において、rijは、音源面上の点Si、目標物および海底上の点Piの距離、dsは音源面上の点Siの微小面積、viは設定される粒子速度であり、Λは音源平面の全領域である。実際の計算は、後述のとおり2次元フーリエ変換による遠距離音場計算により実行し、式5を計算に用いることはない。2次元フーリエ変換により、式5の積分計算は、直交座標系から球面座標系への座標変換を含んで実行され、数値計算実行を行う上で効率的である。線形音響に関する基礎理論から、一般的にある平面上の粒子速度分布が、音源平面から十分に離れた任意の点に作る速度ポテンシャルは、直交座標系から球面座標系への座標変換も伴い、式6を用いて2次元のフーリエ変換により計算される。
ここで、viは平面音源上の点における粒子速度、r0は音源平面中心から観測点への距離、xy平面音源上の直交座標であり、kは波数、θ、φは各々図15に示した音源面の法線ベクトルとxy軸とのなす角度である。V(・,・)は、平面音源の音源分布の2次元フーリエ変換である。数値計算上、重要な点は式5において遠方界指向性は、距離減衰を示す因数
と、指向性関数
とに因数分解して計算できるということである。両者が独立に計算できることにより、遠方計算の計算量が節約できる。このことは、後述する本発明における計算処理において重要である。これは、指向性関数
は、2次元FFT(Fast Fourier Transform)による高速計算により、送波器上の各点が、ある観測点に作る音場を全て積分計算により求める膨大な式4を代替させることができるためである。
以上の計算による、任意の点について、送波器が作る音場が計算される。
As shown in FIG. 3, the calculation method of the far-field directivity function of the sound pressure when the vibration velocity distribution S j exists in the plane area Λ is shown below. First, consider the velocity potential created by all points ∪ΛS j on the sound source plane at the target and the point P i on the sea bottom 9-4 in FIG.
In Equation 5, r ij is the point S i on the sound source plane, target and distance of a point P i on the seabed, ds is small area of the points S i on the sound source plane, v i is the particle velocity to be set Yes, Λ is the entire area of the sound source plane. As will be described later, the actual calculation is performed by the far-field calculation by the two-dimensional Fourier transform, and the formula 5 is not used for the calculation. By the two-dimensional Fourier transform, the integral calculation of Expression 5 is executed including the coordinate conversion from the rectangular coordinate system to the spherical coordinate system, which is efficient in executing the numerical calculation. From the basic theory of linear acoustics, the velocity potential that a particle velocity distribution on a certain plane generally creates at an arbitrary point that is sufficiently distant from the sound source plane is expressed by the following equation with coordinate transformation from a rectangular coordinate system to a spherical coordinate system. 6 is calculated by a two-dimensional Fourier transform.
Here, v i is the particle velocity at a point on the plane sound source, r 0 is the distance from the center of the sound source plane to the observation point, Cartesian coordinates on the xy plane sound source, k is the wave number, and θ and φ are respectively shown in FIG. It is the angle formed by the normal vector of the indicated sound source plane and the xy axes. V(·,·) is the two-dimensional Fourier transform of the sound source distribution of the plane sound source. In numerical calculation, the important point is that the far-field directivity is a factor indicating distance attenuation in Equation 5.
And the directional function
It means that it can be factored into and calculated. Since both can be calculated independently, the calculation amount of far calculation can be saved. This is important in the calculation processing in the present invention described later. This is a directional function
This is because a high-speed calculation by a two-dimensional FFT (Fast Fourier Transform) can substitute the enormous Equation 4 in which each sound field created at a certain observation point is obtained by integral calculation. ..
By the above calculation, the sound field created by the transmitter is calculated at an arbitrary point.

目標物シミュレータ8−9は、図2に示した目標物と海底面のメッシュグリッドを作成する。目標物のメッシュグリッド作成に当たっては、送受波器の各点から見て、目標物が海底面につくる陰面および目標物上で他の目標物上の点が作る陰面をあらかじめリストアップしておき、以下で説明する反射波の計算から除去する必要がある。ここで、通常の画像処理と同様、陰面は、同次座標(4次元空間座標)による透視投影計算等を用いることにより計算可能であるため、ここではその詳細な処理については記載しない。
続いて、目標物シミュレータ8−9は、目標物および海底面のメッシュグリッドの各点にフィッティング近似していくことにより、目標物および海底面上における入射波の速度ポテンシャルを計算する。目標物シミュレータ8−9は、入射波の速度ポテンシャルに、反射係数を乗じることで、反射波の速度ポテンシャルを計算する。
目標物および海底面表面での反射波の速度ポテンシャルは、反射面に対する入射角度および入射媒質と反射物体との音響インピーダンスを用いて計算できる。以下、目標物上の点は・(i1)のように添字に「1」を付与し、海底面上の点については・(i2)のように添字に「2」を付与して記載するものとして、説明する。サフィックスと括弧書きとしているのは、文字の見やすさのためのみであり、下付けのサフィックスと意味の違いはない。
音源面の中心点を原点として、目標物の各点(ノード)の位置ベクトルを
とし、目標各点において計算される接平面に対する法線ベクトルを
とし、水中の音速及び音響インピーダンスをc1,Z1(c1=1500m/s,Z1=1.5×106Pa・s/m)とし、目標物中の音速及び音響インピーダンスをc2,Z2(c2=6000m/s,Z1=46.4×106Pa・s/m)とし、目標物により決定される反射の位相定数(定数)をγtrgとすると、目標物への音波の入射角度と陰面となる条件は、以下のとおりとなる。
また、目標物の速度ポテンシャル反射率は、以下に示す目標物への入射角度の式8を用いて計算される。また、目標物及び海底面各点での速度ポテンシャルの反射係数τtrg(i)は、その反射点において割り付けられる面積ΔS(i)を乗じて、式9を用いて計算される。
The target simulator 8-9 creates the mesh grid of the target and the sea bottom shown in FIG. When creating the mesh grid of the target, list the hidden surfaces that the target makes on the sea floor and the hidden surfaces created by the points on other targets in advance, from each point of the transducer, It needs to be removed from the reflected wave calculation described below. Here, like the normal image processing, the hidden surface can be calculated by using perspective projection calculation using homogeneous coordinates (four-dimensional space coordinates), and thus detailed processing thereof will not be described here.
Subsequently, the target simulator 8-9 calculates the velocity potential of the incident wave on the target and the sea bottom by performing fitting approximation to each point of the mesh grid on the target and the sea bottom. The target object simulator 8-9 calculates the velocity potential of the reflected wave by multiplying the velocity potential of the incident wave by the reflection coefficient.
The velocity potential of the reflected wave on the target and the surface of the sea bottom can be calculated using the incident angle with respect to the reflecting surface and the acoustic impedance between the incident medium and the reflecting object. In the following, points on the target object are described by adding "1" to the subscript as in (i 1 ) and by adding "2" in the subscript as at (i 2 ) for points on the sea floor. It will be explained as what is done. Suffixes and parentheses are used only for legibility, and there is no difference in meaning from subscript suffixes.
The position vector of each point (node) of the target is set with the center point of the sound source plane as the origin.
And the normal vector to the tangent plane calculated at each target point is
And the sound velocity and acoustic impedance in water are c 1 and Z 1 (c 1 =1500 m/s, Z 1 =1.5×10 6 Pa·s/m), and the sound velocity and acoustic impedance in the target object are c 2 , Z 2 (c 2 =6000 m/s, Z 1 =46.4×10 6 Pa·s/m) and the reflection phase constant (constant) determined by the target object is γ trg , The conditions for the incident angle of the sound wave and the hidden surface are as follows.
Further, the velocity potential reflectance of the target object is calculated using the following equation 8 of the incident angle to the target object. Further, the reflection coefficient τ trg (i) of the velocity potential at each point of the target object and the sea bottom is calculated by using Expression 9 by multiplying the area ΔS(i) assigned at the reflection point.

受波音場シミュレータ8−10は、目標物および海底面上の全ての点∪ΓPiが、受音面上の点Rkに作る速度ポテンシャルについても、2次元フーリエ変換を用いて実際の計算を実行する。しかしながら、2次元フーリエ変換による遠距離音場計算は、平面上に配置された音源が作る音場についてのみ計算が可能である。そこで、受波音場シミュレータ8−10は、グリーン関数の相反性を利用する。受波音場シミュレータ8−10は、受音面の各チャンネルに相当する領域ηに解析的にはDiracのデルタ関数を、実際の数値処理ではチャンネル毎に単位速度を与え、目標物および海底上の点Piへの伝搬関数(グリーン関数)を計算する。その上で、受波音場シミュレータ8−10は、グリーン関数の相反性を利用して、点Piのそれぞれから受音面上の点Rkへのグリーン関数とする。
すなわち、あるチャンネルに相当する領域η上の点kに対するグリーン関数は、
として計算することができる。ただし、δ(k∈η)は、領域η以外で値が0となるDiracのデルタ関数、Γは受音面の全領域を示す。
The receiving sound field simulator 8-10 uses the two-dimensional Fourier transform to actually calculate the velocity potentials created by all the points ∪ΓP i on the target and the sea bottom at the points R k on the receiving surface. Execute. However, the long-distance sound field calculation by the two-dimensional Fourier transform can calculate only the sound field created by the sound source arranged on the plane. Therefore, the received sound field simulator 8-10 utilizes the reciprocity of the Green's function. The receiving sound field simulator 8-10 gives a delta function of Dirac analytically to the area η corresponding to each channel of the sound receiving surface, and gives a unit velocity for each channel in the actual numerical processing, and Calculate the propagator (Green's function) to the point P i . Then, the received sound field simulator 8-10 uses the reciprocity of the Green's function to obtain the Green's function from each point P i to the point R k on the sound receiving surface.
That is, the Green's function for the point k on the region η corresponding to a certain channel is
Can be calculated as However, δ(kεη) represents a Dirac delta function whose value is 0 outside the region η, and Γ represents the entire region of the sound receiving surface.

受波音圧統合計算部8−11は、式10を用いて計算されたグリーン関数G(k,i)に式9を用いて計算されたPiでの反射係数τtrg(i)と式5を用いて計算された速度ポテンシャルΦiをかけることにより、受音面の各チャンネル上の点kに作られる速度ポテンシャルΨkを、
と計算する。ただし、Ωは目標物および海底面の全領域である。2次元フーリエ変換を適用するのは、式10のみであり、式5には適用できず表式のままの積分計算を下記の(1)〜(3)を実行することとなる。
図5は、xyz座標系における送波(受波)面を示す図である。図5には、座標系12−2の、送波(受波)面12−1と角度φおよびθとが示されている。
(1)受音面のある1チャンネルに相当する各領域にDiracのデルタ関数、すなわち離散的には数値の1を与えて、目標物と海底面へのグリーン関数を計算する。具体的には、グリーン関数を任意の遠方点に対して計算できる多項式をフィッティングにより図5に示した角度φおよびθそれぞれについて係数情報の行列KφおよびKθを得る。行列Kは、(フィッティング次数)×(チャンネル数)の行列となる。
(2)上記(1)で求めたグリーン関数(行列KφおよびKθ)および式6の距離依存因子から、目標物と海底面の全ての点∪ΓPiへの指向性関数数値計算し、反射される速度ポテンシャルと掛け合わせる。
(3)上記(2)で計算した速度ポテンシャルを全て加え合わせて音圧に変換し、その受音チャンネルで受音する音圧とする。
以下、上記(1)〜(3)について数式を用いて説明する。グリーン関数のフィッティング係数情報について、フィッティング次数がn−1次、チャンネル数をkとすると、行列KφおよびKθは、以下のようになる。
ここで、極座標を(φ(j),θ(j),r(j))とすると、受音チャンネル上の速度ポテンシャルの角度φおよびθ、距離にそれぞれ依存する因子は、以下のようになる。
したがって、水中の伝搬損失をη、目標物上のあるノード上で計算されたkチャンネル分の速度ポテンシャルをまとめたベクトル

とすると、各受波器のチャンネルが受けるkチャンネル分の速度ポテンシャルのl番目のフーリエ成分をまとめたベクトル
は、
と計算できる。なお、左上の添字tは、行列の転置を表す。
The received sound pressure integrated calculation unit 8-11 calculates the Green's function G(k,i) calculated using Expression 10 and the reflection coefficient τ trg (i) at P i calculated using Expression 9 and Expression 5 By multiplying the velocity potential Φ i calculated using, the velocity potential Ψ k created at the point k on each channel of the sound receiving surface is given by
And calculate. However, Ω is the entire area of the target and the sea bottom. The two-dimensional Fourier transform is applied only to the expression 10, and cannot be applied to the expression 5, and the following integral calculations (1) to (3) are executed as they are.
FIG. 5 is a diagram showing a transmitting (receiving) surface in the xyz coordinate system. FIG. 5 shows the wave transmission (reception) surface 12-1 and the angles φ and θ of the coordinate system 12-2.
(1) A Dirac delta function, that is, a numerical value of 1 discretely is given to each region corresponding to one channel having a sound receiving surface, and a Green function to the target and the sea bottom is calculated. Specifically, by fitting a polynomial that can calculate the Green's function for any distant point, the coefficient information matrices Kφ and Kθ for the angles φ and θ shown in FIG. 5 are obtained. The matrix K is a (fitting order)×(number of channels) matrix.
(2) From the Green's functions (matrix Kφ and Kθ) obtained in (1) above and the distance-dependent factors in Equation 6, the directivity function to all points ∪ΓP i on the target and the seabed is calculated and reflected. It is multiplied by the velocity potential.
(3) All the velocity potentials calculated in (2) above are added together to be converted into sound pressure, and the sound pressure is received by the sound receiving channel.
Hereinafter, the above (1) to (3) will be described using mathematical expressions. Regarding the fitting coefficient information of the Green's function, assuming that the fitting order is n−1 and the number of channels is k, the matrices Kφ and Kθ are as follows.
Here, if the polar coordinates are (φ(j), θ(j), r(j)), the factors depending on the angles φ and θ of the velocity potential on the sound receiving channel and the distance are as follows. ..
Therefore, η is the propagation loss in the water, and a vector summarizing velocity potentials for k channels calculated on a certain node on the target.
To
Then, a vector summarizing the l-th Fourier component of the velocity potential for k channels received by each receiver channel.
Is
Can be calculated. The upper left subscript t represents the transpose of the matrix.

受波音波時間波形変換部8−13において、以下に示す式18を用いて、計算された帯域内のフーリエ成分それぞれについて、チャンネル毎に作られる速度ポテンシャルが計算されれば、逆フーリエ変換により時間応答が計算される。すなわち、音源面がある平面上に固定されているという前提から、2次元座標
で表される点の振動速度
は、振動速度分布
を各々角周波数ωに対応してさらに並べた配列
となる。すなわち、音源面の2次元グリッド数m×nがωの要素数lとすると、
となる。したがって、任意波形に対する時間応答を計算するために、計算手順は、以下の(1)〜(3)のようになる。
(1)以下に示す式19の角周波数に対する行列について、式11〜式18に従い、受波音圧統合計算部8−11または受波音波時間波形変換部8−13が、受音面の各受音チャンネルで受ける音圧を計算する。なお、離散計算に当たっては、ナイキスト周波数帯域の全てを計算する必要はなく、信号を与える周波数帯域についてのみ各受音チャンネルの受ける速度ポテンシャルを計算し、信号の帯域外については全てのチャンネルの速度ポテンシャルを0とすれば良い。
(2)上記(1)の結果を逆フーリエ変換し、時間応答を計算する。
(3)上記(2)にて計算された時間応答において、非因果部分(左半分の)応答を削除し、右半分のみを実際の受波音圧波形として採用する。
以下において、サフィックスを下記の通り定義する。この定義は、上述したものと異なっている。時間列を
と定義し、受波チャンネル数を
と定義し、送波ピングの番数
と定義する。上記(1)の計算結果として、各受音チャンネルで受けるフーリエ変換領域での応答をまとめた結果
は、下記の通り、式17を周波数列に並べた結果となる。式17の
は、l番目のフーリエ成分に対する各受音チャンネルの音圧を並べたベクトルであるから、全ての周波数応答をまとめた結果
は、チャンネルkと周波数ベクトルの要素数lとからなる行列となる。
遠方であるから平面波を仮定して、式19の速度ポテンシャルは、各周波数ベクトルの列ベクトルを行方向にチャンネル数kだけ並べた行列どのアダマール積を用いて、下記の通り音圧に変換される。
ここで、ρは水の質量密度、cは水中の音速である。
時間領域での音圧波形
は、式20のk番目の列ベクトルである。受波音波時間波形変換部8−13は、
を取り出し、逆フーリエ変換にて時間領域信号とすれば良い(離散信号計算の場合、積分区間は正負ナイキスト周波数となる)。
この中の1つの要素
は、時間列に対するベクトルと同じ要素数lである。ここで、
は、式21を用いた計算方法によっては、左右対称の線形位相のインパルス応答として計算される。これは、時刻0の軸を対称に正負時間で左右対称となるインパルス応答を時間シフトにより因果性を付与した結果である。しかしながら、実際のソナーの受波波形は、右半分のみ、すなわち時刻0以前には反射の応答がない部分の波形となるため、左半分は捨てる必要がある。
このようにして計算された
が、1つの送波ピングのkチャンネル目の受波器受波音圧波形である。
In the received sound wave time waveform conversion unit 8-13, if the velocity potential created for each channel is calculated for each of the Fourier components in the calculated band using Equation 18 below, the time is calculated by the inverse Fourier transform. The response is calculated. That is, assuming that the sound source surface is fixed on a plane, the two-dimensional coordinates
The vibration velocity of the point represented by
Is the vibration velocity distribution
An array in which each is further arranged corresponding to the angular frequency ω
Becomes That is, assuming that the number of two-dimensional grids m×n on the sound source surface is the number of elements of ω,
Becomes Therefore, in order to calculate the time response for the arbitrary waveform, the calculation procedure is as in the following (1) to (3).
(1) Regarding the matrix for the angular frequency of Expression 19 shown below, according to Expressions 11 to 18, the received sound pressure integrated calculation unit 8-11 or the received sound wave time waveform conversion unit 8-13 is used for each receiving surface of the sound receiving surface. Calculate the sound pressure received by a sound channel. In the discrete calculation, it is not necessary to calculate the entire Nyquist frequency band, but the velocity potentials of the sound receiving channels are calculated only for the frequency band that gives the signal, and the velocity potentials of all the channels are calculated outside the signal band. Should be 0.
(2) The result of (1) above is inverse Fourier transformed to calculate the time response.
(3) In the time response calculated in (2) above, the non-causal part (left half) response is deleted and only the right half is adopted as the actual received sound pressure waveform.
In the following, the suffix is defined as follows. This definition differs from the one described above. Time sequence
Is defined as
Defined as the number of transmission pings
It is defined as. As a result of the calculation in (1) above, the result of summarizing the responses in the Fourier transform domain received by each sound receiving channel.
Is the result of arranging Equation 17 in the frequency sequence as follows. Of Equation 17
Is a vector in which the sound pressures of the sound receiving channels for the l-th Fourier component are arranged, so the result of summarizing all frequency responses
Is a matrix consisting of channel k and the number of frequency vector elements l.
Assuming a plane wave because it is distant, the velocity potential of Expression 19 is converted into sound pressure as follows using a Hadamard product of a matrix in which column vectors of each frequency vector are arranged in the row direction by the number of channels k. ..
Here, ρ is the mass density of water, and c is the speed of sound in water.
Sound pressure waveform in the time domain
Is the k-th column vector of Equation 20. The received sound wave time waveform converter 8-13
Should be taken out and converted into a time domain signal by the inverse Fourier transform (in the case of discrete signal calculation, the integration section has positive and negative Nyquist frequencies).
One element in this
Is the same number of elements l as the vector for the time sequence. here,
Is calculated as a bilaterally symmetric linear-phase impulse response depending on the calculation method using Expression 21. This is a result of imposing causality by time-shifting the impulse response which is symmetrical with respect to the axis at time 0 and symmetrical in positive and negative times. However, the actual received wave of the sonar is only the right half, that is, the waveform of the portion where there is no reflection response before time 0, so the left half must be discarded.
Calculated in this way
Is the wave-received sound pressure waveform of the k-th receiver of one transmission ping.

以上の計算を全ての送波ピングに対して行うことにより、最終的に受波音波時間波形変換部8−13から出力されるデータξが計算される。ξは、下記の通り、時間列l、受波チャンネル数k、および送波ピング数の番数nの3つのサフィックスからなる3次元配列である。
式22を用いて計算されるデジタルデータ
は、D/A変換され、受波波形シミュレータシステム8−7の出力として検査する信号処理システム8−1へ送出される。
By performing the above calculation for all the transmission pings, the data ξ finally output from the received sound wave time waveform conversion unit 8-13 is calculated. ξ is a three-dimensional array composed of three suffixes of the time sequence 1, the number of receiving channels k, and the number of transmission pings n, as described below.
Digital data calculated using Equation 22
Is D/A converted and sent to the signal processing system 8-1 to be inspected as the output of the received wave simulator system 8-7.

基準画像生成部8−14は、
の1ピングのデータに対して、基準的な指向性合成処理を行うことにより、基準的なソナー画像を生成することができる。以下に、基準画像生成部8−14が行う、基準的なソナー画像を生成するための演算について説明する。
のうち、送波ピングの番数nの2次元配列
を改めて行列の形に書き下すと、
となる。
をチャンネル毎、すなわち列毎にフーリエ変換したものを、
とすると、
となる。次に、受波の
番目のビームステアリングの角度を列ベクトルにまとめて、下記を定義する。
ここで、式24および式25から、送波ビームステアリング(ピング)n番目、受波ビームステアリングm番目のソナー画像画素値はスカラー値となり、
となる。ソナー画像画素値κmnをすべて並べて画像化することにより、基準ソナー画像が生成される。
最適化の対象となる信号処理システム8−1も、大まかには上記と同様の手法を用いてソナー画像データを生成する。ただし、信号処理システム8−1は、オンラインにて、実際の送受波器から送出されるデータストリーミングに対して、迅速な処理を行う必要もある。また、信号処理システム8−1は、装置自体のサイズや発熱量等の制約のため、データサンプリングのデシメーション、ビットレート変換、数値精度変換(倍精度から単精度など)を実行しつつ、計算手法も簡略化する必要がある。そのため、データの質が劣化する。したがって、基準画像データ
は、受波波形シミュレータシステム8−7内で生成することが望ましい。
The reference image generation unit 8-14
A standard sonar image can be generated by performing a standard directivity combining process on the data of 1 ping. The calculation for generating a standard sonar image performed by the standard image generation unit 8-14 will be described below.
Of the two-dimensional array of transmission ping numbers n
If you write down again in the form of a matrix,
Becomes
Fourier transformed for each channel, that is, for each column,
Then,
Becomes Next,
The angles of the th beam steering are combined into a column vector and the following is defined.
Here, from Equation 24 and Equation 25, the sonar image pixel value of the nth transmitted beam steering (ping) and the mth received beam steering becomes a scalar value,
Becomes The reference sonar image is generated by arranging and imaging all the sonar image pixel values κ mn .
The signal processing system 8-1 to be optimized also generates sonar image data using a method similar to the above. However, the signal processing system 8-1 also needs to perform a rapid process on-line for data streaming sent from an actual transceiver. In addition, the signal processing system 8-1 performs a calculation method while executing decimation of data sampling, bit rate conversion, and numerical precision conversion (double precision to single precision, etc.) due to restrictions such as the size and heat generation amount of the device itself. Also needs to be simplified. Therefore, the quality of data deteriorates. Therefore, the reference image data
Is preferably generated within the received waveform simulator system 8-7.

画像評価システム8−15は、画像S/N比計算評価部8−16を有する。画像S/N比計算評価部8−16は、基準画像データ
を基準として、実際に信号処理システム8−1にて処理して画像S/N比計算評価部8−16へ送信されてきた実データをS/N比という形で評価する。信号処理システム8−1にて処理した画像データを
とすると、
と、
とは、同サイズの行列もしくは配列である。S/N比の計算方法および手順は、以下に示す(1)〜(2)の通り行うこととする。
(1)目標物存在エリアの定義:S/N比の定義に当たって、まず画像データ上で目標物の存在するエリア
と、存在しないエリア
とを、
から算出する必要がある。
The image evaluation system 8-15 has an image S/N ratio calculation evaluation unit 8-16. The image S/N ratio calculation/evaluation unit 8-16 uses the reference image data.
Is used as a reference, the actual data actually processed by the signal processing system 8-1 and transmitted to the image S/N ratio calculation/evaluation unit 8-16 is evaluated in the form of S/N ratio. Image data processed by the signal processing system 8-1
Then,
When,
And are matrices or arrays of the same size. The calculation method and procedure of the S/N ratio are performed as described in (1) and (2) below.
(1) Definition of target existence area: In defining the S/N ratio, first, the area where the target exists on the image data.
And a nonexistent area
And
It is necessary to calculate from.

図6は、図1に示した基準画像生成部8−14が生成した基準画像データと、目的物を検知したエリアの一例を示す図である。図6に示す基準画像データ
において、目標物が存在するエリアは図6の基準画像データ13−1の明部が示す通り、反射波のレベルが大きくなる。したがって、目標物存在判定行列
を設け、所定の閾値Tレベル以上には1を、未満には0を割り付けることにより、目標物存在エリアと存在しないエリアが明示できる。すなわち、
となり、この式28より、判定した結果は図6に示した基準画像目的物検知エリア13−2となる。明部が目標物の存在エリアを示す。
(2)別条件で、計算した画像データ
について
を用いて、目標物が存在するエリアの平均値Eavrと最大値Emax、目標物が存在しないエリアの平均値Navrと最大値Nmax、およびそれぞれの比をS/N比として、SNavrおよびSNmaxを下記のように計算する。すなわち、平均値については、
となる。また、最大値については、
となる。ここで、
は、行列のアダマール積を、上付きバー
は、論理の反転を示すものとする。SNavrおよびSNmaxのいずれも大きな方がソナー画像の鮮明さが良好であり望ましい。よって、これら2つのS/N比が大きくなる条件を探索することにより信号処理システムの最適化がなされる。
FIG. 6 is a diagram showing an example of the reference image data generated by the reference image generation unit 8-14 shown in FIG. 1 and an area in which the object is detected. Reference image data shown in FIG.
In the area where the target object exists, the level of the reflected wave becomes large as shown by the bright part of the reference image data 13-1 in FIG. Therefore, the target existence determination matrix
Is provided, and 1 is assigned to the level equal to or higher than the predetermined threshold T level, and 0 is assigned to the level less than the predetermined threshold T level, whereby the target object existing area and the non-existing area can be clearly indicated. That is,
Therefore, the determination result from the equation 28 is the reference image target object detection area 13-2 shown in FIG. The bright part indicates the area where the target exists.
(2) Image data calculated under different conditions
about
By using the average value E avr and the maximum value E max of the area where the target is present, the average value N avr and the maximum value N max of the area where the target is not present, and the respective ratios as S/N ratio, SN Calculate avr and SN max as follows: That is, for the average value,
Becomes Also, regarding the maximum value,
Becomes here,
Is the Hadamard product of the matrix and the superscript bar
Indicates the inversion of logic. Larger values of SN avr and SN max are preferable because the sharpness of the sonar image is good. Therefore, the signal processing system is optimized by searching for conditions under which these two S/N ratios become large.

図7は、座標系に存在する目標物の様子の一例を示す図である。図7に示した目標物14−1は、楕円体形状の目標物であり、各方向の半径は10m(x軸方向)×30m(y軸方向)×5m(z軸方向)であり、中心座標は、(x,y,z)=(20,−10,−50)である。ここで、深さ方向は、z軸の負の方向である。海底面14−2は、目標物14−1を測定する海底の面であり、その中心座標は、(x,y,z)=(0,0,−55)であり、200m四方の正方形である。 FIG. 7 is a diagram showing an example of a state of a target object existing in the coordinate system. The target object 14-1 shown in FIG. 7 is an ellipsoidal target object, and the radius in each direction is 10 m (x-axis direction)×30 m (y-axis direction)×5 m (z-axis direction), and its center is The coordinates are (x, y, z)=(20, -10, -50). Here, the depth direction is the negative direction of the z axis. The sea bottom surface 14-2 is a surface of the sea bottom that measures the target object 14-1, and its center coordinates are (x, y, z)=(0, 0, -55), and a square of 200 m square. is there.

図8(a)〜図8(c)は、式1〜式3で述べたChebyshevフィルタを送受波器に設定し、そのメインローブに対するサイドローブの減衰比を変化させた場合のソナー画面の一例を示す図である。図8(a)は、メインローブに対するサイドローブの減衰比を90dBとした場合のソナー画面の一例を示す図である。図8(b)は、メインローブに対するサイドローブの減衰比を60dBとした場合のソナー画面の一例を示す図である。図8(c)は、メインローブに対するサイドローブの減衰比を30dBとした場合のソナー画面の一例を示す図である。なお、図1に示した画像S/N比計算評価部8−16の計算において基準となる基準画像データ
および基準画像目標物検知エリアについては図6に示した。図8(a)〜図8(c)に示すように、Chebyshevフィルタのサイドローブ減衰比を減少させると、特に30dBまで低下させると、ソナー画像の鮮明さが低下していることがわかる。
8A to 8C are examples of sonar screens when the Chebyshev filter described in Equations 1 to 3 is set in the transducer and the attenuation ratio of the side lobe to the main lobe is changed. FIG. FIG. 8A is a diagram showing an example of a sonar screen when the attenuation ratio of the side lobe to the main lobe is 90 dB. FIG. 8B is a diagram showing an example of a sonar screen when the attenuation ratio of the side lobe to the main lobe is 60 dB. FIG. 8C is a diagram showing an example of a sonar screen when the attenuation ratio of the side lobe to the main lobe is 30 dB. In addition, the reference image data used as a reference in the calculation of the image S/N ratio calculation evaluation unit 8-16 shown in FIG.
The reference image target detection area is shown in FIG. As shown in FIGS. 8A to 8C, it can be seen that when the sidelobe attenuation ratio of the Chebyshev filter is reduced, particularly, when it is reduced to 30 dB, the sharpness of the sonar image is reduced.

図9は、図1に示した画像S/N比計算評価部8−16が、式29〜式34を用いて、SNavrおよびSNmaxを計算した結果を示す図である。図9に示すように、Chebyshevフィルタのサイドローブ減衰比を減少させると、SNavrおよびSNmaxが低下していくことがわかる。 FIG. 9 is a diagram showing a result of calculation of SN avr and SN max by the image S/N ratio calculation evaluation unit 8-16 shown in FIG. 1 using Formulas 29 to 34. As shown in FIG. 9, it can be seen that SN avr and SN max decrease as the sidelobe attenuation ratio of the Chebyshev filter is decreased.

なお、画像S/N比計算評価部8−16が、SNavrとSNmaxとのいずれか一方のみを用いて評価するものであっても良い。 Note that the image S/N ratio calculation evaluation unit 8-16 may perform evaluation using only one of SN avr and SN max .

また、送受波器は、コンポジット型ではない圧電振動子や磁歪素子を用いて構成しても良い。 The wave transmitter/receiver may be configured using a piezoelectric vibrator or a magnetostrictive element that is not a composite type.

以上の結果から、Chebyshevフィルタのサイドローブ減衰比は、本例の信号処理システムおよび送受波器の指向性と配置においては、90dB程度と大きな方が、ソナー画像が鮮明となることがわかる。以上は簡単なパラメータの例であるが、同様に計算評価することにより、定量的に最適なソナー画像生成条件の探索が可能となる。
(変形例)
From the above results, it can be seen that the sidelobe attenuation ratio of the Chebyshev filter becomes clearer as the sonar image becomes larger by about 90 dB in the directivity and arrangement of the signal processing system and the transceiver of this example. Although the above is an example of simple parameters, it is possible to quantitatively search for optimum sonar image generation conditions by performing similar calculation evaluation.
(Modification)

図10は、本発明の試験システムの第1の変形例を示す図である。
図10に示した信号処理システム17−1が有する、送信信号生成部17−2、送信I/F17−3、受信I/F17−4、受信処理部17−5および画像生成部17−6はそれぞれ、図1に示した送信信号生成部8−2、送信I/F8−3、受信I/F8−4、受信処理部8−5および画像生成部8−6と同じものである。また、受波波形シミュレータシステム17−7が有する、フーリエ領域シミュレータ17−12および受波音波時間波形変換部17−13はそれぞれ、図1に示したフーリエ領域シミュレータ8−12および受波音波時間波形変換部8−13と同じものである。また、フーリエ領域シミュレータ17−12が有する、送波音場シミュレータ17−8、目標物シミュレータ17−9、受波音場シミュレータ17−10および受波音圧統合計算部17−11はそれぞれ、図1に示したフーリエ領域シミュレータ8−12が有する、送波音場シミュレータ8−8、目標物シミュレータ8−9、受波音場シミュレータ8−10および受波音圧統合計算部8−11と同じものである。
図10に示した画像評価システム17−15は、画像S/N比計算評価部17−16を有する。画像S/N比計算評価部17−16は、画像S/N比計算評価機であり、ある条件を用いて信号処理システム17−1が生成した基準画像17−14に基づいて、画像評価システムにて画像評価を行う。
FIG. 10: is a figure which shows the 1st modification of the test system of this invention.
The transmission signal generation unit 17-2, the transmission I/F 17-3, the reception I/F 17-4, the reception processing unit 17-5, and the image generation unit 17-6 included in the signal processing system 17-1 illustrated in FIG. These are the same as the transmission signal generation unit 8-2, the transmission I/F 8-3, the reception I/F 8-4, the reception processing unit 8-5, and the image generation unit 8-6 shown in FIG. 1, respectively. Further, the Fourier domain simulator 17-12 and the received sound wave time waveform converter 17-13 included in the received wave simulator system 17-7 are respectively the Fourier domain simulator 8-12 and the received sound wave time waveform shown in FIG. It is the same as the converter 8-13. Further, the transmitted sound field simulator 17-8, the target object simulator 17-9, the received sound field simulator 17-10, and the received sound pressure integrated calculation unit 17-11 included in the Fourier domain simulator 17-12 are shown in FIG. 1, respectively. It is the same as the transmitted sound field simulator 8-8, the target object simulator 8-9, the received sound field simulator 8-10, and the received sound pressure integrated calculation unit 8-11 included in the Fourier domain simulator 8-12.
The image evaluation system 17-15 shown in FIG. 10 has an image S/N ratio calculation evaluation unit 17-16. The image S/N ratio calculation/evaluation unit 17-16 is an image S/N ratio calculation/evaluator, and based on a reference image 17-14 generated by the signal processing system 17-1 using a certain condition, the image evaluation system is used. Image evaluation is performed at.

なお、本第1の実施の形態において、圧電振動子や磁歪振動子を用いた送受波器との接続を前提とするものであっても良い。また、狭指向性ビームを機械式もしくは電子式で走査することを可能とする、送受波器との接続を前提とするものであっても良い。
(第2の実施の形態)
Note that the first embodiment may be premised on connection with a transducer using a piezoelectric vibrator or a magnetostrictive vibrator. Further, it may be premised on a connection with a wave transmitter/receiver, which makes it possible to scan a narrow directional beam mechanically or electronically.
(Second embodiment)

図11は、本発明の試験システムの第2の実施の形態を示す図である。本形態は図11に示すように、送波音場シミュレータ100と、目標物シミュレータ101と、受波音場シミュレータ102と、受波音圧統合計算部103と、受波音波時間波形変換部104とを有している。
送波音場シミュレータ100は、送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する。目標物シミュレータ101は、送波音場シミュレータ100が計算した送波音場と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する。受波音場シミュレータ102は、受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する。受波音圧統合計算部103は、目標物シミュレータ101が計算した反射音場遠方界と、受波音場シミュレータ102が計算した受波音場とに基づいて、目標物への指向性関数を計算する。受波音波時間波形変換部104は、受波音圧統合計算部103が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する。
FIG. 11 is a diagram showing a second embodiment of the test system of the present invention. As shown in FIG. 11, this embodiment includes a transmitted sound field simulator 100, a target object simulator 101, a received sound field simulator 102, a received sound pressure integrated calculation unit 103, and a received sound wave time waveform conversion unit 104. doing.
The transmitted sound field simulator 100 calculates the transmitted sound field based on the transmission signal, the arrangement coordinates of the transmitter, and the physical constants. The target object simulator 101 calculates the far field of the reflected sound field produced by the surface of the target object based on the transmitted sound field calculated by the transmitted sound field simulator 100, the arrangement coordinates of the transmitter, and the physical constants. The received sound field simulator 102 calculates the received sound field by applying unit vibration speeds to a plurality of points on the receiver. The received sound pressure integrated calculator 103 calculates the directivity function to the target object based on the reflected sound field far field calculated by the target simulator 101 and the received sound field calculated by the received sound field simulator 102. The received sound wave time waveform conversion unit 104 calculates the received time waveform based on the directivity function calculated by the received sound pressure integrated calculation unit 103.

以下に、図11に示した試験システムにおける試験方法について説明する。 The test method in the test system shown in FIG. 11 will be described below.

図12は、図11に示した試験システムにおける試験方法の一例を説明するためのフローチャートである。
まず、送波音場シミュレータ100が、送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する(ステップS1)。続いて、目標物シミュレータ101が、送波音場シミュレータ100が計算した送波音場と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する(ステップS2)。また、受波音場シミュレータ102が、受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する(ステップS3)。このステップS2の処理と、ステップS3の処理とは、どちらを先に行っても構わない。
続いて、受波音圧統合計算部103が、目標物シミュレータ101が計算した反射音場遠方界と、受波音場シミュレータ102が計算した受波音場とに基づいて、目標物への指向性関数を計算する(ステップS4)。受波音波時間波形変換部104が、受波音圧統合計算部103が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する(ステップS5)。
FIG. 12 is a flow chart for explaining an example of the test method in the test system shown in FIG.
First, the transmitted sound field simulator 100 calculates the transmitted sound field based on the transmission signal, the arrangement coordinates of the transmitter, and the physical constants (step S1). Subsequently, the target object simulator 101 calculates the reflected sound field far field generated by the target object surface based on the transmitted sound field calculated by the transmitted sound field simulator 100, the arrangement coordinates of the transmitter, and the physical constants (step). S2). Further, the received sound field simulator 102 calculates the received sound field by giving unit vibration speeds to a plurality of points on the receiver (step S3). Either of the processing of step S2 and the processing of step S3 may be performed first.
Subsequently, the received sound pressure integrated calculation unit 103 determines a directivity function to the target object based on the reflected sound field far field calculated by the target object simulator 101 and the received sound field calculated by the received sound field simulator 102. Calculate (step S4). The received sound wave time waveform converter 104 calculates the time waveform of the received wave based on the directivity function calculated by the received sound pressure integrated calculator 103 (step S5).

このように、送波器および受波器をシミュレートすることで、容易に精度の良いソナー画面を得ることができる。 In this way, by simulating the wave transmitter and the wave receiver, it is possible to easily obtain an accurate sonar screen.

上述した試験システムに設けられた各構成要素が行う処理は、目的に応じてそれぞれ作製された論理回路で行うようにしても良い。また、処理内容を手順として記述したコンピュータプログラム(以下、プログラムと称する)を試験システムにて読取可能な記録媒体に記録し、この記録媒体に記録されたプログラムを試験システムに読み込ませ、実行するものであっても良い。試験システムにて読取可能な記録媒体とは、フロッピー(登録商標)ディスク、光磁気ディスク、DVD(Digital Versatile Disc)、CD(Compact Disc)、Blu−ray(登録商標) Discなどの移設可能な記録媒体の他、試験システムに内蔵されたROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等のメモリやHDD(Hard Disc Drive)等を指す。この記録媒体に記録されたプログラムは、試験システムに設けられたCPU(Central Processing Unit)にて読み込まれ、CPUの制御によって、上述したものと同様の処理が行われる。ここで、CPUは、プログラムが記録された記録媒体から読み込まれたプログラムを実行するコンピュータとして動作するものである。 The processing performed by each component provided in the above-described test system may be performed by a logic circuit manufactured according to the purpose. Further, a computer program (hereinafter, referred to as a program) in which the processing content is described as a procedure is recorded in a recording medium readable by a test system, and the program recorded in the recording medium is read into the test system and executed. May be The recording medium readable by the test system is a removable recording medium such as a floppy (registered trademark) disk, a magneto-optical disk, a DVD (Digital Versatile Disc), a CD (Compact Disc), and a Blu-ray (registered trademark) Disc. In addition to the medium, it refers to a memory such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory) built in the test system, an HDD (Hard Disc Drive), and the like. The program recorded on this recording medium is read by a CPU (Central Processing Unit) provided in the test system, and the same processing as that described above is performed under the control of the CPU. Here, the CPU operates as a computer that executes the program read from the recording medium in which the program is recorded.

上記の実施の形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
(付記1)
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する送波音場シミュレータと、
前記送波音場シミュレータが計算した送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する目標物シミュレータと、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する受波音場シミュレータと、
前記目標物シミュレータが計算した反射音場遠方界と、前記受波音場シミュレータが計算した受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する受波音圧統合計算部と、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する受波音波時間波形変換部とを有する試験システム。
(付記2)前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、基準画像を生成する基準画像生成部と、
前記受波音波時間波形変換部が計算した受波の時間波形に基づいて生成された画像を、前記基準画像生成部が生成した基準画像に基づいて評価する画像S/N比計算評価部とを有する、付記1に記載の試験システム。
(付記3)前記画像S/N比計算評価部は、前記基準画像を基準として、前記受波音波時間波形変換部が計算した受波の時間波形に基づいて生成された画像のSN(Signal−Noise)比を計算することで評価を行う、付記2に記載の試験システム。
(付記4)前記受波音圧統合計算部は、グリーン関数を用いて前記指向性関数を計算する、付記1から3のいずれか1項に記載の試験システム。
(付記5)前記送波音場シミュレータは、フーリエ変換を用いて、前記送波音場を計算し、
前記受波音場シミュレータは、フーリエ変換を用いて、前記受波音場を計算し、
前記受波音波時間波形変換部は、逆フーリエ変換を用いて、前記受波の時間波形を計算する、付記1から4のいずれか1項に記載の試験システム。
(付記6)送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する送波音場シミュレータと、
前記送波音場シミュレータが計算した送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する目標物シミュレータと、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する受波音場シミュレータと、
前記目標物シミュレータが計算した反射音場遠方界と、前記受波音場シミュレータが計算した受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する受波音圧統合計算部と、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する受波音波時間波形変換部とを有する波形シミュレータ装置。
(付記7)送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する処理と、
前記送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する処理と、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する処理と、
前記反射音場遠方界と前記受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する処理と、
前記計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する処理とを行う試験方法。
(付記8)コンピュータに、
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する手順と、
前記送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する手順と、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する手順と、
前記反射音場遠方界と前記受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する手順と、
前記計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する手順とを実行させるためのプログラム。
The whole or part of the exemplary embodiments disclosed above can be described as, but not limited to, the following supplementary notes.
(Appendix 1)
Based on the transmission signal and the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a transmitted sound field simulator for calculating a transmitted sound field,
Based on the transmitted sound field calculated by the transmitted sound field simulator, the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a target object simulator for calculating the reflected sound field far field generated by the target object surface,
A receiver sound field simulator that calculates the receiver sound field by applying unit vibration speeds to multiple points on the receiver,
Reflected sound field far field calculated by the target simulator, based on the received sound field calculated by the received sound field simulator, a received sound pressure integrated calculation unit for calculating a directivity function to the target object,
A received sound wave time waveform converter that calculates a time waveform of a received wave based on the directivity function calculated by the received sound pressure integrated calculator.
(Supplementary Note 2) A reference image generation unit that generates a reference image based on the directivity function calculated by the received sound pressure integrated calculation unit,
An image S/N ratio calculation evaluation unit that evaluates an image generated based on the time waveform of the received wave calculated by the received sound wave time waveform conversion unit based on the reference image generated by the reference image generation unit. The test system according to Appendix 1, which has.
(Supplementary Note 3) The image S/N ratio calculation/evaluation unit uses the reference image as a reference, and the SN (Signal-) of the image generated based on the received time waveform calculated by the received sound wave time waveform conversion unit. The test system according to Note 2, wherein evaluation is performed by calculating a Noise) ratio.
(Supplementary note 4) The test system according to any one of supplementary notes 1 to 3, wherein the received sound pressure integrated calculation unit calculates the directional function using a Green's function.
(Supplementary Note 5) The transmitted sound field simulator calculates the transmitted sound field using Fourier transform,
The received sound field simulator uses Fourier transform to calculate the received sound field,
The test system according to any one of appendices 1 to 4, wherein the received sound wave time waveform converter calculates the time waveform of the received wave using an inverse Fourier transform.
(Supplementary note 6) A transmitted sound field simulator for calculating a transmitted sound field based on a transmission signal, a placement coordinate of a transmitter, and a physical constant,
Based on the transmitted sound field calculated by the transmitted sound field simulator, the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a target object simulator for calculating the reflected sound field far field created by the target surface,
A receiver sound field simulator that calculates the receiver sound field by applying unit vibration speeds to multiple points on the receiver,
Reflected sound field far field calculated by the target simulator, based on the received sound field calculated by the received sound field simulator, a received sound pressure integrated calculation unit for calculating a directivity function to the target object,
A waveform simulator device comprising: a received sound wave time waveform conversion unit that calculates a received time waveform based on the directivity function calculated by the received sound pressure integrated calculation unit.
(Supplementary Note 7) A process of calculating a transmitted sound field based on the transmission signal, the arrangement coordinates of the transmitter, and the physical constants,
Based on the transmitted sound field, the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a process of calculating a reflected sound field far field produced by the target surface,
A process of calculating a received sound field by giving unit vibration speeds to a plurality of points of a receiver,
Based on the reflected sound field far field and the received sound field, a process of calculating a directivity function to the target object,
A test method for performing processing of calculating a time waveform of a received wave based on the calculated directivity function.
(Appendix 8)
Based on the transmission signal, the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a procedure for calculating the transmitted sound field,
Based on the transmitted sound field and the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a procedure for calculating a reflected sound field far field produced by the target surface,
A procedure for calculating the received sound field by applying unit vibration speeds to multiple points on the receiver,
Based on the reflected sound field far field and the received sound field, a step of calculating a directivity function to the target,
A program for executing a procedure for calculating a time waveform of a received wave based on the calculated directivity function.

8−1,17−1 信号処理システム
8−2,17−2 送信信号生成部
8−3,17−3 送信I/F
8−4,17−4 受信I/F
8−5,17−5 受信処理部
8−6,17−6 画像生成部
8−7,17−7 受波波形シミュレータシステム
8−8,17−8,100 送波音場シミュレータ
8−9,17−9,101 目標物シミュレータ
8−10,17−10,102 受波音場シミュレータ
8−11,17−11,103 受波音圧統合計算部
8−12,17−12 フーリエ領域シミュレータ
8−13,17−13,104 受波音波時間波形変換部
8−14 基準画像生成部
8−15,17−15 画像評価システム
8−16,17−16 画像S/N比計算評価部
9−1 送波器面
9−2,14−1 目標物
9−3 目標物による海底面の陰面
9−4,14−2 海底面
9−5 受波器面
12−1 送波(受波)面
12−2 座標系
13−1 基準画像データ
13−2 基準画像目的物検知エリア
17−14 基準画像
8-1, 17-1 Signal Processing System 8-2, 17-2 Transmission Signal Generation Unit 8-3, 17-3 Transmission I/F
8-4, 17-4 Receive I/F
8-5, 17-5 Reception processing unit 8-6, 17-6 Image generation unit 8-7, 17-7 Receiving waveform simulator system 8-8, 17-8, 100 Transmit sound field simulator 8-9, 17 -9,101 Target simulator 8-10,17-10,102 Received sound field simulator 8-11,17-11,103 Received sound pressure integrated calculation unit 8-12,17-12 Fourier domain simulator 8-13,17 -13,104 Received sound wave time waveform conversion unit 8-14 Reference image generation unit 8-15,17-15 Image evaluation system 8-16,17-16 Image S/N ratio calculation evaluation unit 9-1 Transmitter surface 9-2, 14-1 Target 9-3 Sea-bed hidden surface by target 9-4, 14-2 Sea-bottom 9-5 Receiver plane 12-1 Transmitting (receiving) plane 12-2 Coordinate system 13-1 Reference Image Data 13-2 Reference Image Target Object Detection Area 17-14 Reference Image

Claims (8)

送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する送波音場シミュレータと、
前記送波音場シミュレータが計算した送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する目標物シミュレータと、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する受波音場シミュレータと、
前記目標物シミュレータが計算した反射音場遠方界と、前記受波音場シミュレータが計算した受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する受波音圧統合計算部と、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する受波音波時間波形変換部とを有する試験システム。
Based on the transmission signal and the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a transmitted sound field simulator for calculating a transmitted sound field,
Based on the transmitted sound field calculated by the transmitted sound field simulator, the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a target object simulator for calculating the reflected sound field far field generated by the target object surface,
A receiver sound field simulator that calculates the receiver sound field by applying unit vibration speeds to multiple points on the receiver,
Reflected sound field far field calculated by the target simulator, based on the received sound field calculated by the received sound field simulator, a received sound pressure integrated calculation unit for calculating a directivity function to the target object,
A received sound wave time waveform converter that calculates a time waveform of a received wave based on the directivity function calculated by the received sound pressure integrated calculator.
請求項1に記載の試験システムにおいて、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、基準画像を生成する基準画像生成部と、
前記受波音波時間波形変換部が計算した受波の時間波形に基づいて生成された画像を、前記基準画像生成部が生成した基準画像に基づいて評価する画像S/N比計算評価部とを有する試験システム。
The test system according to claim 1,
Based on the directivity function calculated by the received sound pressure integrated calculation unit, a reference image generation unit that generates a reference image,
An image S/N ratio calculation evaluation unit that evaluates an image generated based on the time waveform of the received wave calculated by the received sound wave time waveform conversion unit based on the reference image generated by the reference image generation unit. Having a test system.
請求項2に記載の試験システムにおいて、
前記画像S/N比計算評価部は、前記基準画像を基準として、前記受波音波時間波形変換部が計算した受波の時間波形に基づいて生成された画像のSN(Signal−Noise)比を計算することで評価を行う試験システム。
The test system according to claim 2,
The image S/N ratio calculation/evaluation unit uses the reference image as a reference to calculate the SN (Signal-Noise) ratio of the image generated based on the time waveform of the received wave calculated by the received sound wave time waveform conversion unit. A test system that evaluates by calculating.
請求項1から3のいずれか1項に記載の試験システムにおいて、
前記受波音圧統合計算部は、グリーン関数を用いて前記指向性関数を計算する試験システム。
The test system according to any one of claims 1 to 3,
The received sound pressure integrated calculator is a test system for calculating the directional function using a Green's function.
請求項1から4のいずれか1項に記載の試験システムにおいて、
前記送波音場シミュレータは、フーリエ変換を用いて、前記送波音場を計算し、
前記受波音場シミュレータは、フーリエ変換を用いて、前記受波音場を計算し、
前記受波音波時間波形変換部は、逆フーリエ変換を用いて、前記受波の時間波形を計算する試験システム。
The test system according to any one of claims 1 to 4,
The transmitted sound field simulator uses Fourier transform to calculate the transmitted sound field,
The received sound field simulator uses Fourier transform to calculate the received sound field,
The received sound wave time waveform conversion unit is a test system for calculating a time waveform of the received wave using an inverse Fourier transform.
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する送波音場シミュレータと、
前記送波音場シミュレータが計算した送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する目標物シミュレータと、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する受波音場シミュレータと、
前記目標物シミュレータが計算した反射音場遠方界と、前記受波音場シミュレータが計算した受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する受波音圧統合計算部と、
前記受波音圧統合計算部が計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する受波音波時間波形変換部とを有する波形シミュレータ装置。
Based on the transmission signal and the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a transmitted sound field simulator for calculating a transmitted sound field,
Based on the transmitted sound field calculated by the transmitted sound field simulator, the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a target object simulator for calculating the reflected sound field far field created by the target surface,
A receiver sound field simulator that calculates the receiver sound field by applying unit vibration speeds to multiple points on the receiver,
The reflected sound field far field calculated by the target simulator, and the received sound field calculated by the received sound field simulator, the received sound pressure integrated calculation unit for calculating the directivity function to the target object,
A waveform simulator device comprising: a received sound wave time waveform conversion unit that calculates a received time waveform based on the directivity function calculated by the received sound pressure integrated calculation unit.
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する処理と、
前記送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する処理と、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する処理と、
前記反射音場遠方界と前記受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する処理と、
前記計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する処理とを行う試験方法。
Based on the transmission signal and the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, the process of calculating the transmitted sound field,
Based on the transmitted sound field, the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a process of calculating a reflected sound field far field produced by the target surface,
A process of calculating a received sound field by giving unit vibration speeds to a plurality of points of a receiver,
Based on the reflected sound field far field and the received sound field, a process of calculating a directivity function to the target object,
A test method for performing processing of calculating a time waveform of a received wave based on the calculated directivity function.
コンピュータに、
送信信号と送波器の配置座標と物理定数とに基づいて、送波音場を計算する手順と、
前記送波音場と前記送波器の配置座標と前記物理定数とに基づいて、目標物表面が作り出す反射音場遠方界を計算する手順と、
受波器の複数の点に対して単位振動速度を与えることで受波音場を計算する手順と、
前記反射音場遠方界と前記受波音場とに基づいて、前記目標物への指向性関数を計算する手順と、
前記計算した指向性関数に基づいて、受波の時間波形を計算する手順とを実行させるためのプログラム。
On the computer,
Based on the transmission signal, the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a procedure for calculating the transmitted sound field,
Based on the transmitted sound field and the arrangement coordinates of the transmitter and the physical constants, a procedure for calculating a reflected sound field far field produced by the target surface,
A procedure for calculating the received sound field by applying unit vibration speeds to multiple points on the receiver,
Based on the reflected sound field far field and the received sound field, a step of calculating a directivity function to the target,
A program for executing a procedure for calculating a time waveform of a received wave based on the calculated directivity function.
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