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JP7639488B2 - Sonar system, target direction and distance correction method, and program - Google Patents
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JP7639488B2 - Sonar system, target direction and distance correction method, and program - Google Patents

Sonar system, target direction and distance correction method, and program Download PDF

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Description

本発明はソーナーシステム、目標方位・距離補正方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a sonar system, a method for correcting target direction and distance, and a program.

ソーナーは音波を用いて水中の物体等の位置を特定する装置であり、受信した音波を電気信号に変換する受信素子(受波器)を複数並べたアレイで受信した信号に基づき水中の音響情報を得る。えい航式ソーナーは、艦船等のプラットフォームから延びるケーブルの先に複数の受信素子が直線状に並んだラインアレイが一般的である。えい航式ソーナーのうち可変深度ソーナー(Variable Depth Sonar: VDS)は水中の音波受信状況に応じてえい航深度が可変であることに利点がある。 Sonar is a device that uses sound waves to pinpoint the position of underwater objects, obtaining underwater acoustic information based on signals received by an array of multiple receiving elements (transducers) that convert the received sound waves into electrical signals. Towed sonars generally use a line array in which multiple receiving elements are arranged in a straight line at the end of a cable extending from a platform such as a ship. Among towed sonars, the advantage of variable depth sonar (VDS) is that the towing depth can be changed depending on the underwater sound reception conditions.

特許文献1には、ソーナー(ソナー)装置が、ブイモニタ装置に吊下された複数のハイドロフォンのアレイと、前記ハイドロフォンの最下部に装着されたセンサ部を備え、前記センサ部は、前記ハイドロフォンの最下部の深度、水温、塩分及び方位傾度を検出し、検出情報は、水中物体からのソナー情報とともに信号処理部に送信され、前記ソナー情報に重複され送信アンテナから位置計測装置本体に送信される構成が開示されている。深度データ、方位傾度データはハイドロフォン及び水中物体の位置計測精度向上のために使われる。 Patent Document 1 discloses a sonar device that includes an array of multiple hydrophones suspended from a buoy monitor device and a sensor unit attached to the bottom of the hydrophones, which detects the depth, water temperature, salinity and azimuth gradient at the bottom of the hydrophones, and the detected information is transmitted to a signal processing unit along with sonar information from underwater objects, and is superimposed on the sonar information and transmitted from the transmitting antenna to the position measurement device body. The depth data and azimuth gradient data are used to improve the accuracy of position measurement of the hydrophones and underwater objects.

特開平07-198844号公報Japanese Patent Application Publication No. 07-198844

ラインアレイを艦船等でえい航する一般的なえい航式ソーナーでは、例えば図1(A)に指向性イメージ12として模式的に示すように、受信指向性が円錐状(コニカルビーム)となる。すなわち、えい航式ソーナー10のラインアレイを構成する受信素子列での受信信号を整相加算処理等して形成した受信ビームは指向性イメージ12のように円錐状に広がったビームパタンとなる。なお、図1(A)は、海中のえい航式ソーナー10を西(紙面に垂直に表側:Y軸負側)から東(紙面に垂直に裏側:Y軸正側)に向かってみた側面(X-Z面)を模式的に示す模式側面図である。図1(A)では、北側をX軸正側、南側をX軸負側とし、海面側をZ軸正側、海底側をZ軸負側としている。図1(B)は、図1(A)に示した海中のえい航式ソーナー10と目標11(水中物体)を上(Z軸正方向)から見た模式平面図である。 In a typical towed sonar in which a line array is towed by a ship or the like, the receiving directivity is conical (conical beam), as shown, for example, in directional image 12 in FIG. 1(A). That is, the receiving beam formed by performing phasing and summing on the received signals from the receiving element array that constitutes the line array of the towed sonar 10 becomes a beam pattern that spreads out in a cone shape, as shown in directional image 12. FIG. 1(A) is a schematic side view showing the side (X-Z plane) of the underwater towed sonar 10 as seen from the west (front side perpendicular to the paper: negative Y-axis) to the east (back side perpendicular to the paper: positive Y-axis). In FIG. 1(A), the north side is the positive X-axis, the south side is the negative X-axis, the sea surface side is the positive Z-axis, and the seabed side is the negative Z-axis. Figure 1(B) is a schematic plan view of the underwater towed sonar 10 and target 11 (underwater object) shown in Figure 1(A) viewed from above (positive direction of the Z axis).

図1(A)に示すように、水中物体である目標11の深度(目標深度14)がえい航式ソーナー10の深度であるえい航式ソーナー深度13と異なる場合、図1(B)に示すように、目標11の観測方位15と実際の方位16とで誤差が生じる。例えば目標11の深度(目標深度14)がえい航式ソーナー深度13よりも深い場合、えい航式ソーナー深度13(Z軸座標=0)でのX-Y面への円錐状の受信ビームパタンの投影である逆2等辺三角形(指向性イメージ12)の左斜辺に対応する方位が観測方位15とされるが、目標11の実際の方位16は該逆2等辺三角形の左斜辺の方位よりも内側にある。 As shown in Figure 1 (A), when the depth (target depth 14) of the target 11, which is an underwater object, differs from the towed sonar depth 13, which is the depth of the towed sonar 10, an error occurs between the observation direction 15 and the actual direction 16 of the target 11, as shown in Figure 1 (B). For example, when the depth (target depth 14) of the target 11 is deeper than the towed sonar depth 13, the direction corresponding to the left hypotenuse of the inverted isosceles triangle (directional image 12), which is the projection of the conical receiving beam pattern onto the X-Y plane at the towed sonar depth 13 (Z-axis coordinate = 0), is set as the observation direction 15, but the actual direction 16 of the target 11 is inside the direction of the left hypotenuse of the inverted isosceles triangle.

図2(A)は、えい航式ソーナー10自体が、海流などの外力等により深度方向に傾いた場合を模式的に示している。図2(A)は、図1(A)と同様、海中のえい航式ソーナー10を西から東(Y軸負方向から正方向)に向かってみたX-Z面を模式的に示す模式側面図である。えい航式ソーナー10のラインアレイがY軸を中心にピッチ角α傾いており、円錐状の指向性イメージ12も同様にピッチ角α傾いている。ここで、ピッチ角αは、Y軸を中心に反時計回りを正としている。なお、進行方向(X軸正値の北側)に対して90度の正横では、ビームはつぶれた形(円盤状)となる(指向性イメージ12A)。なお、図2(A)において、3次元座標系XYZ(左手系)の原点は、えい航式ソーナー10の音響中心(例えばラインアレイの中心)であり、X軸は北側を正、南側を負とし、Y軸は西側(紙面に垂直に表側)を負、東側(紙面に垂直に裏側)と正とし、Z軸は海面側を正、海底側を負としている。 Figure 2(A) shows a schematic diagram of the towed sonar 10 itself tilted in the depth direction due to external forces such as ocean currents. Like Figure 1(A), Figure 2(A) is a schematic side view showing the X-Z plane of the towed sonar 10 underwater as viewed from west to east (from negative to positive Y-axis direction). The line array of the towed sonar 10 is tilted at a pitch angle α around the Y-axis, and the conical directional image 12 is also tilted at a pitch angle α. Here, the pitch angle α is positive in the counterclockwise direction around the Y-axis. Note that when angled 90 degrees to the lateral direction relative to the direction of travel (north of the positive X-axis), the beam becomes squashed (disk-shaped) (directional image 12A). In FIG. 2(A), the origin of the three-dimensional coordinate system XYZ (left-handed system) is the acoustic center of the towed sonar 10 (e.g., the center of the line array), the north side of the X axis is positive and the south side is negative, the west side (the front side perpendicular to the paper) of the Y axis is negative and the east side (the back side perpendicular to the paper) is positive, and the sea surface side of the Z axis is positive and the seabed side is negative.

図2(B)は、図2(A)に示した海中のえい航式ソーナー10と目標11(水中物体)を上(Z軸正方向)から見た模式平面図である。Y軸を中心にピッチ角α傾いたラインアレイからの受信データに基づく受信ビームは、指向性イメージ12として示すように、Y軸を中心に3次元座標系XYZを角度α回転させた3次元座標系X’YZ’(左手系)において、X’軸を中心軸とし円錐型に広がるビームパタンとなる。実際の目標11は、図2(A)に示すように、3次元座標系XYZにおいて、X=0のY-Z面上に位置しているにもかかわらず、図2(B)の例では、ラインアレイからの受信データに基づき観測される目標11Aは、指向性イメージ12をX’-Y面に投影した逆二等辺三角形(高さ=a)の左端となる。すなわち、観測される目標11Aは、X’軸の値がaのY-Z’面上で観測され、観測方位15は逆2等辺三角形(指向性イメージ12)の頂角の半分となる。このように、観測方位15と実際の方位16とで誤差が生じ、観測される目標11Aと実際の目標11との間で距離に誤差が生じる。これらの誤差は、ソーナーの測的性能に悪影響を及ぼす。 Figure 2 (B) is a schematic plan view of the underwater towed sonar 10 and target 11 (underwater object) shown in Figure 2 (A) viewed from above (positive Z-axis direction). The received beam based on the received data from the line array tilted by pitch angle α around the Y axis forms a cone-shaped beam pattern with the X' axis as the central axis in a three-dimensional coordinate system X'YZ' (left-handed system) in which the three-dimensional coordinate system XYZ is rotated by angle α around the Y axis, as shown as directional image 12. Although the actual target 11 is located on the Y-Z plane at X=0 in the three-dimensional coordinate system XYZ as shown in Figure 2 (A), in the example of Figure 2 (B), the target 11A observed based on the received data from the line array is the left end of an inverted isosceles triangle (height = a) projected onto the X'-Y plane of the directional image 12. That is, the observed target 11A is observed on the Y-Z' plane with the X' axis value being a, and the observation direction 15 is half the apex angle of the inverted isosceles triangle (directional image 12). Thus, an error occurs between the observation direction 15 and the actual direction 16, causing an error in the distance between the observed target 11A and the actual target 11. These errors have a negative effect on the sonar's measurement performance.

本発明は、上記課題に鑑みて創案されたものであって、その目的は、ラインアレイからの受信データで特定される目標の方位誤差及び距離誤差を低減可能とするソーナーシステム、目標方位・距離補正方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention was devised in consideration of the above problems, and its purpose is to provide a sonar system, a target azimuth/distance correction method, and a program that can reduce azimuth and distance errors of targets identified by data received from a line array.

本発明によれば、複数の受信素子で構成されるラインアレイの深度方向の傾きを検出する手段を備え、さらに、前記ラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離に対して、前記ラインアレイの深度方向の傾きによって生じる誤差を補正する方位・距離補正手段を備えたソーナーシステムが提供される。 The present invention provides a sonar system that includes a means for detecting the inclination of a line array composed of multiple receiving elements in the depth direction, and further includes an azimuth/distance correction means for correcting errors caused by the inclination of the line array in the depth direction with respect to the target direction and distance identified by the received data from the line array.

本発明によれば、複数の受信素子で構成されるラインアレイの深度方向の傾きを検出し、前記ラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離に対して、前記えい航式ソーナーの深度方向の傾きによって生じる誤差を補正する、目標方位・距離補正方法が提供される。 The present invention provides a method for correcting target direction and distance by detecting the inclination of a line array composed of multiple receiving elements in the depth direction, and correcting errors caused by the inclination of the towed sonar in the depth direction with respect to the target direction and distance identified by the data received from the line array.

本発明によれば、ソーナーシステムのコンピュータに、複数の受信素子で構成されるラインアレイの深度方向の傾きを検出し、前記ラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離に対して、前記えい航式ソーナーの深度方向の傾きによって生じる誤差を補正する補正処理を実行させるプログラムが提供される。さらに、本発明によれば、上記プログラムを記憶したコンピュータ可読型記録媒体(例えばRAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、又は、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM)等の半導体ストレージ、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disc)等が提供される。 According to the present invention, a program is provided that causes a sonar system computer to detect the inclination in the depth direction of a line array composed of multiple receiving elements, and execute a correction process that corrects an error caused by the inclination in the depth direction of the towed sonar with respect to the target direction and distance specified by the received data from the line array. Furthermore, according to the present invention, a computer-readable recording medium (e.g., RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), or semiconductor storage such as EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM), HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), CD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc), etc. that stores the above program is provided.

本発明によれば、ラインアレイからの受信データで特定された目標の方位誤差及び距離誤差を低減することができる。 The present invention can reduce azimuth and distance errors of targets identified in data received from a line array.

(A)、(B)は関連技術を模式的に説明する図である。1A and 1B are diagrams for explaining a related technique. (A)、(B)は関連技術を模式的に説明する図である。1A and 1B are diagrams for explaining a related technique. 本発明の実施形態を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の装置構成の一例を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an apparatus configuration according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の装置構成の一例を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an apparatus configuration according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の方法を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a method according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施例を示す図である。FIG. 1 illustrates an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の構成を例示する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an embodiment of the present invention.

本発明の実施形態について説明する。図3は、本発明の実施形態を説明する図である。図3(A)は、図2(A)と同様、えい航式ソーナー20の音響中心位置を、3次元座標系XYZ(左手系)の原点とし、X軸は北側を正、南側を負とし、Y軸は西側(紙面に垂直に表側)を負、東側(紙面に垂直に裏側)と正とし、Z軸は海面側を正、海底側を負としている。図3(A)は、Y軸負側から見たX-Z面を模式的に示している。図3(B)は、図3(A)のZ軸の正側からみたX-Y面を模式的に示している。なお、3次元座標系XYZ(左手系)は単に説明のためのものであり、右手系であってもよいことは勿論である。また、えい航式ソーナー20の進行方向が、北側に制限されることを意味するものでないことは勿論である。 An embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention. In FIG. 3(A), as in FIG. 2(A), the acoustic center position of the towed sonar 20 is the origin of a three-dimensional coordinate system XYZ (left-handed system), the north side of the X axis is positive, the south side is negative, the west side (the front side perpendicular to the paper surface) is negative, the east side (the back side perpendicular to the paper surface) is positive, and the Z axis is positive on the sea surface side and negative on the seabed side. FIG. 3(A) shows the X-Z plane as seen from the negative side of the Y axis. FIG. 3(B) shows the X-Y plane as seen from the positive side of the Z axis of FIG. 3(A). Note that the three-dimensional coordinate system XYZ (left-handed system) is merely for the purpose of explanation, and it is of course possible to use a right-handed system. It is of course not intended to mean that the traveling direction of the towed sonar 20 is limited to the north side.

えい航式ソーナー20と送信音源を備えた艦船に搭載されソーナーシステムのコントローラとして機能するコンピュータ装置は、えい航式ソーナーに対し、捜索対象の目標(水中物体)の深度情報である捜索対象深度24を、不図示の操作用端末等から予め設定する。 A computer device mounted on a ship equipped with a towed sonar 20 and a transmitting sound source and functioning as a controller for the sonar system pre-sets the search target depth 24, which is depth information of the target (underwater object) to be searched, for the towed sonar via an operation terminal (not shown) or the like.

えい航式ソーナー20には姿勢情報(ラインアレイの前後方向の角度(ピッチ角))を検出するセンサ(例えば、姿勢センサ等)が取り付けられている。コンピュータ装置は、センサからの姿勢情報に基づき、該ラインアレイの深度方向の傾き(図3(A)ではY軸周りのピッチ角)であるアレイピッチ角αを算出する。例えば、深度センサをえい航式ソーナー20ラインアレイの異なる位置に複数取り付ける。コンピュータ装置は、任意の時刻の深度情報からえい航式ソーナー20の深度方向に傾く角度(アレイピッチ角)を得ることができるものとする。 The towed sonar 20 is fitted with a sensor (e.g., an attitude sensor) that detects attitude information (the front-to-back angle (pitch angle) of the line array). Based on the attitude information from the sensor, the computer device calculates the array pitch angle α, which is the inclination of the line array in the depth direction (pitch angle around the Y axis in Figure 3 (A)). For example, multiple depth sensors are attached to different positions on the towed sonar 20 line array. The computer device is capable of obtaining the angle of inclination of the towed sonar 20 in the depth direction (array pitch angle) from the depth information at any time.

コンピュータ装置は、えい航式ソーナー20のラインアレイからの受信データによって特定される目標(水中物体)の方位及び距離に対して、捜索対象深度24及びアレイピッチ角αから、補正を行い、方位及び距離の誤差を低減する。すなわち、コンピュータ装置は、捜索対象深度24とアレイピッチ角αを用いて、えい航式ソーナー20のラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離から、えい航式ソーナー20の音響中心位置を原点とした、目標の位置の3次元座標(XYZ座標)を求める。 The computer device performs corrections on the direction and distance of the target (underwater object) identified by the data received from the line array of the towed sonar 20, based on the search target depth 24 and the array pitch angle α, thereby reducing errors in the direction and distance. In other words, the computer device uses the search target depth 24 and the array pitch angle α to determine the three-dimensional coordinates (XYZ coordinates) of the target's position, with the acoustic center position of the towed sonar 20 as the origin, based on the direction and distance of the target identified by the data received from the line array of the towed sonar 20.

コンピュータ装置は、求めた3次元座標から2次元座標(X-Y面)に水平に投影した方位及び距離を、目標の位置として出力する。 The computer device outputs the direction and distance horizontally projected from the determined three-dimensional coordinates onto two-dimensional coordinates (X-Y plane) as the target position.

上記処理を行うことで、コンピュータ装置は、えい航式ソーナー20のラインアレイの指向性が円錐状(コニカルビーム)であることにより生じる誤差を補正する。 By performing the above processing, the computer device corrects errors that arise due to the directivity of the line array of the towed sonar 20 being conical (conical beam).

図4は、本発明の実施形態を説明する図である。図4において、えい航式ソーナー104は、図3のえい航式ソーナー20に対応しており、複数の受信素子(不図示)が直線状に接続されたラインアレイからなり、各受信素子は、水中物体から反射した音波を受信して電気信号に変換する。えい航式ソーナー104において、ラインアレイの長手方向に沿って互いに所定距離(L)離間して、少なくとも2つの深度センサ106A、106Bが取り付けられている。 Figure 4 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention. In Figure 4, the towed sonar 104 corresponds to the towed sonar 20 in Figure 3, and is composed of a line array in which multiple receiving elements (not shown) are connected in a straight line, and each receiving element receives sound waves reflected from an underwater object and converts them into an electrical signal. In the towed sonar 104, at least two depth sensors 106A, 106B are attached along the longitudinal direction of the line array, spaced a predetermined distance (L) from each other.

送信制御装置101は、送信音源102の制御を行うと共に、その制御情報を受信処理装置103に送信する。送信制御装置101は、表示装置105から受信した音波の波形や送信時間等の情報から電気信号を発生させ、送信音源102に出力する。また送信制御装置101は、受信処理装置103に音波の波形や送信時間等の情報を出力する。 The transmission control device 101 controls the transmission sound source 102 and transmits the control information to the reception processing device 103. The transmission control device 101 generates an electrical signal from information such as the sound wave waveform and transmission time received from the display device 105, and outputs it to the transmission sound source 102. The transmission control device 101 also outputs information such as the sound wave waveform and transmission time to the reception processing device 103.

送信音源102は、音波を発生される装置であり、送信制御装置101から送られてきた電気信号(送信信号波形)を音響信号に変換し音波を水中に送信する。 The transmission sound source 102 is a device that generates sound waves, converts the electrical signal (transmission signal waveform) sent from the transmission control device 101 into an acoustic signal, and transmits the sound waves underwater.

えい航式ソーナー104は、送信音源102から送波された音波に対して目標(水中物体)から反射された音響信号を受信素子列(ラインアレイ)で受信し電気信号に変換して受信処理装置103に送信する。また、えい航式ソーナー104は、深度センサで検出した2点の深度情報を例えば予め定められた周期で受信処理装置103に送信する。えい航式ソーナー104からの受信信号、及び深度情報はえい航用のケーブル(不図示)を介して艦船に搭載されソーナーシステムの受信処理装置103に送信される。 The towed sonar 104 receives acoustic signals reflected from a target (underwater object) in response to sound waves sent from the transmitting sound source 102 using a receiving element row (line array), converts them into electrical signals, and transmits them to the reception processing device 103. The towed sonar 104 also transmits depth information of two points detected by a depth sensor to the reception processing device 103, for example, at a predetermined cycle. The received signal and depth information from the towed sonar 104 are transmitted to the reception processing device 103 of the sonar system mounted on the ship via a towing cable (not shown).

受信処理装置103は、送信制御装置101からの送信情報(例えば送信タイミング、送信波形のレプリカ信号等)と、えい航式ソーナー104の受信素子列で受信した受信信号とえい航式ソーナー104の深度センサ106A、106Bで検出した深度情報と、捜索対象深度とから、目標の方位及び距離情報を補正する演算を行い、演算結果を表示装置105に出力する。受信処理装置103は、捜索対象深度とラインアレイの深度方向の傾き角を用いて、該えい航式ソーナー104の受信素子列(ラインアレイ)からの受信データによって特定される目標の方位及び距離から、えい航式ソーナー104の音響中心位置を原点とした、目標の位置の3次元座標(XYZ座標)を求め、3次元座標から2次元座標面(X-Y面)に水平に投影した方位及び距離を目標の位置として出力する。 The reception processing device 103 performs calculations to correct the target's direction and distance information based on the transmission information from the transmission control device 101 (e.g., transmission timing, replica signal of transmission waveform, etc.), the reception signal received by the receiving element array of the towed sonar 104, the depth information detected by the depth sensors 106A and 106B of the towed sonar 104, and the search target depth, and outputs the calculation results to the display device 105. The reception processing device 103 uses the search target depth and the inclination angle of the line array in the depth direction to determine the three-dimensional coordinates (XYZ coordinates) of the target's position, with the acoustic center position of the towed sonar 104 as the origin, from the direction and distance of the target identified by the reception data from the receiving element array (line array) of the towed sonar 104, and outputs the direction and distance projected horizontally from the three-dimensional coordinates onto a two-dimensional coordinate plane (X-Y plane) as the target's position.

表示装置105(端末装置)は、受信処理装置103が出力したデータを、画像情報等に変換して表示する。また表示装置105は、送信音源102から送信する音波の情報(波形情報、送信タイミング等)を設定して送信制御装置101に送信するとともに、捜索対象深度を入力する機能を有する。表示装置105の不図示の入力装置から、担当者は、送信音源102で送信する音波の波形や送信時間等の情報を入力するとともに捜索対象深度を入力する。 The display device 105 (terminal device) converts the data output by the receiving and processing device 103 into image information and displays it. The display device 105 also has the function of setting information on the sound waves (waveform information, transmission timing, etc.) to be transmitted from the transmitting sound source 102 and transmitting it to the transmission control device 101, as well as inputting the search target depth. From an input device (not shown) of the display device 105, the person in charge inputs information such as the waveform and transmission time of the sound waves transmitted by the transmitting sound source 102, as well as the search target depth.

図5は、受信処理装置103で行う処理を説明する機能構成図である。図5において、整相処理部1032は、えい航式ソーナー104のラインアレイを構成するN個の受信素子1~受信素子NからのN個の受信データ1031を入力して整相処理を行い、整相処理結果を信号処理部1033へ出力する。 Figure 5 is a functional block diagram explaining the processing performed by the reception processing device 103. In Figure 5, the phasing processing unit 1032 inputs N pieces of reception data 1031 from N pieces of reception elements 1 to N that make up the line array of the towed sonar 104, performs phasing processing, and outputs the phasing processing results to the signal processing unit 1033.

信号処理部1033は、整相処理部1032から受信した整相処理結果に対し、相関処理等を用いて目標(水中物体)の反響音(エコー)を抽出する。 The signal processing unit 1033 extracts the reverberation (echo) of the target (underwater object) using correlation processing or the like from the phasing processing result received from the phasing processing unit 1032.

送信音源102の送信時刻、位置及びえい航式ソーナー104の位置が既知であることから、幾何学的に反響音(エコー)の方位及び距離を算出する。 Since the transmission time and position of the transmitting sound source 102 and the position of the towed sonar 104 are known, the direction and distance of the reflected sound (echo) are calculated geometrically.

信号処理部1033は、目標の方位θT’及び距離rT’、捜索対象深度dss、アレイピッチ角αから、えい航式ソーナー20の音響中心位置を原点とした目標の位置の3次元座標(図3(A)の3次元座標系XYZでの座標)を求める。 The signal processing unit 1033 determines the three-dimensional coordinates of the target position (coordinates in the three-dimensional coordinate system XYZ in Figure 3(A)) with the acoustic center position of the towed sonar 20 as the origin, from the target's azimuth θ T ' and distance r T ', search depth d ss, and array pitch angle α.

えい航式ソーナー104(ラインアレイ)に、少なくとも2つの深度センサ106A、106Bを備え、その間の間隔がL[m]であるとする。えい航式ソーナー20の音響中心位置に関するラインアレイのピッチ角(アレイピッチ角)がαである場合に、深度センサ106Aでの深度がd[m](正:海底方向)、深度センサ106Bでの深度がd[m](d>d)であるとすると、深度センサ106A、106Bの水平軸に対する傾きがαであることから、深度の差=d-d=Lsin(α)より、アレイピッチ角αは次式(1)で与えられる。

Figure 0007639488000001
・・・(1) Assume that the towed sonar 104 (line array) is equipped with at least two depth sensors 106A, 106B, with a distance between them of L [m]. If the pitch angle (array pitch angle) of the line array relative to the acoustic center position of the towed sonar 20 is α, and the depth at the depth sensor 106A is d 1 [m] (positive: toward the seabed) and the depth at the depth sensor 106B is d 2 [m] (d 1 > d 2 ), then since the inclination of the depth sensors 106A and 106B with respect to the horizontal axis is α, the difference in depth = d 1 - d 2 = L sin(α), the array pitch angle α is given by the following equation (1).
Figure 0007639488000001
...(1)

方位・距離補正部1034では、式(1)からアレイピッチ角αを算出する。方位・距離補正部1034は、深度センサ106A、106Bの情報と捜索対象深度24(図3(A))から、えい航式ソーナーの音響中心位置を基準(0m)とした捜索対象深度dssを算出する。 The azimuth/distance correction unit 1034 calculates the array pitch angle α from equation (1). The azimuth/distance correction unit 1034 calculates the search target depth dss based on the acoustic center position of the towed sonar as the reference (0 m) from the information from the depth sensors 106A and 106B and the search target depth 24 (FIG. 3A).

えい航式ソーナー20(ラインアレイのN個の受信素子)からのN個の受信データで特定される目標21の方位θT’及び距離rT’は、図3(A)の3次元座標系X’YZ’で求めた値である。3次元座標系X’YZ’は、3次元座標系XYZを、Y軸を中心としてピッチ角α回転したものである。3次元座標系X’YZ’において目標21の位置(x’, y’, z’)は以下で与えられる。 The azimuth θ T ' and distance r T ' of the target 21 identified by N pieces of received data from the towed sonar 20 (N receiving elements of a line array) are values determined in the three-dimensional coordinate system X'YZ' in Figure 3(A). The three-dimensional coordinate system X'YZ' is obtained by rotating the three-dimensional coordinate system XYZ by a pitch angle α around the Y axis. The position (x', y', z') of the target 21 in the three-dimensional coordinate system X'YZ' is given by:

Figure 0007639488000002

Figure 0007639488000003

Figure 0007639488000004

・・・(2)
Figure 0007639488000002

Figure 0007639488000003

Figure 0007639488000004

...(2)

ただし、φは次式で与えられる。

Figure 0007639488000005
・・・(3) Here, φ is given by the following equation.
Figure 0007639488000005
...(3)

式(2)において、目標21の方位θT’は、X’-Y面においてX’軸から反時計周りの角度である。なお、左手系座標では、X’-Y面においてX’軸から反時計周りの角度は負であるが、説明の簡単のため、方位θT’は正値とする。図3(A)において、目標21を原点(えい航式ソーナー20の音響中心位置)から長さ(距離)rT’のベクトルと考え、該ベクトルのX’軸への投影(射影)値x’はrT’cos(θT’)で与えられ、角度φは、X’軸への投影rT’cos(θT’)に直交する成分(長さrT’sin(θT’)のベクトル)のY-Z’面への投影がY軸となす角度とみなせる。したがって、Y軸への投影値y’(西側が負)は、-rT’sin(θT’)・cos(φ)、Z軸への投影値z’は、-rT’sin(θT’)・sin(φ)で与えられる。 In equation (2), the azimuth θ T ' of the target 21 is the angle counterclockwise from the X' axis on the X'-Y plane. In left-handed coordinates, the angle counterclockwise from the X' axis on the X'-Y plane is negative, but for simplicity, the azimuth θ T ' is taken to be a positive value. In FIG. 3(A), the target 21 is considered to be a vector of length (distance) r T ' from the origin (the acoustic center position of the towed sonar 20), and the projection value x' of this vector onto the X' axis is given by r T 'cos(θ T '), and the angle φ can be considered to be the angle formed by the projection onto the Y-Z' plane of the component (vector of length r T 'sin(θ T ')) perpendicular to the projection r T 'cos(θ T ') onto the X' axis, with the Y axis. Therefore, the projection value y' onto the Y axis (west is negative) is given by -r T ' sin(θ T ') · cos(φ), and the projection value z' onto the Z axis is given by -r T ' sin(θ T ') · sin(φ).

式(3)において、逆正弦関数sin-1における分子は目標21の距離rT’のX’軸への投影値rT’cos(θT’)をZ軸(負側)へ投影した値(rT’cos(θT’)・sin(α)>0)に捜索対象深度dss(<0)を加算した値である。分母はrT’sin(θT’)にcos(α)を乗算した値であり、分子が負値であり、角度φを非負値としているため、マイナス符号を付してある。 In equation (3), the numerator in the arcsine function sin -1 is the sum of the search target depth dss (<0) and the value ( rT'cos ( θT ')·sin(α)>0) obtained by projecting the distance rT ' of the target 21 onto the X' axis, rT'cos ( θT '), onto the Z axis (negative side). The denominator is the product of rT'sin ( θT ') multiplied by cos(α), and a minus sign is added because the numerator is negative and the angle φ is non-negative.

方位・距離補正部1034は、3次元座標系X’YZ’での目標21の位置(x', y', z')に対して、Y軸周りに-α度回転する変換行列R(-α):

Figure 0007639488000006
・・・(4)
を施してXYZ座標系での座標値に変換する。 The azimuth/distance correction unit 1034 calculates a transformation matrix R(-α) that rotates the target 21 by -α degrees around the Y axis with respect to the position (x', y', z') of the target 21 in the three-dimensional coordinate system X'YZ':

Figure 0007639488000006
...(4)
is applied to convert the result into coordinate values in the XYZ coordinate system.

Figure 0007639488000007

・・・(5)
Figure 0007639488000007

...(5)

式(5)から、

Figure 0007639488000008

Figure 0007639488000009

Figure 0007639488000010
・・・(6) From equation (5),
Figure 0007639488000008

Figure 0007639488000009

Figure 0007639488000010
...(6)

方位・距離補正部1034は、上式(6)により目標21の3次元座標系XYZでの座標(x,y,z)を算出する。 The azimuth and distance correction unit 1034 calculates the coordinates (x, y, z) of the target 21 in the three-dimensional coordinate system XYZ using the above formula (6).

続いて、方位・距離補正部1034は、3次元座標系XYZでの目標21の位置座標(x,y,z)から、次式(7)、(8)により、2次元座標面であるX-Y面に投影した座標(x、y)である方位θ(図3(B)の25)と距離r(図3(B)の26)を求める。 Next, the orientation/distance correction unit 1034 calculates the orientation θ t (25 in FIG. 3B) and distance r t ( 26 in FIG. 3B), which are the coordinates (x, y) projected onto the two-dimensional coordinate plane, the XY plane, from the position coordinates (x, y, z) of the target 21 in the three-dimensional coordinate system XYZ , using the following equations (7) and (8).

Figure 0007639488000011
・・・(7)
Figure 0007639488000011
...(7)

Figure 0007639488000012
・・・(8)
Figure 0007639488000012
...(8)

なお、式(7)では、方位θを非負値としているため、tan-1の計算において、目標21の位置のY座標の値:y(負値)を-yとしているが、図3(B)の25で示す方位θを負値としてする場合、式(7)の(-y/x)は、(y/x)となる。 In addition, in equation (7), since the direction θt is a non-negative value, in the calculation of tan −1 , the Y coordinate value: y (negative value) of the position of the target 21 is set to −y. However, if the direction θt shown by 25 in FIG. 3B is set to a negative value, (−y/x) in equation (7) becomes (y/x).

方位・距離補正部1034は、2次元X-Y面に投影された目標21Aの方位θ及び距離rを最終的な処理結果として出力する。 The direction and distance correction unit 1034 outputs the direction θ t and distance r t of the target 21A projected onto the two-dimensional XY plane as the final processing results.

本実施形態によれば、捜索対象深度24及びえい航式ソーナー20のアレイピッチ角αを用いることにより、えい航式ソーナー104で特定した目標21(水中物体)の方位及び距離を補正し、誤差を低減することができる。 According to this embodiment, by using the search target depth 24 and the array pitch angle α of the towed sonar 20, the direction and distance of the target 21 (underwater object) identified by the towed sonar 104 can be corrected, thereby reducing errors.

図6は、本実施形態の方法を説明する図である。受信処理装置103は、ラインアレイの受信データから目標の方位・距離を算出する(ステップS11)。 Figure 6 is a diagram explaining the method of this embodiment. The reception processing device 103 calculates the azimuth and distance of the target from the received data of the line array (step S11).

受信処理装置103は、ラインアレイの姿勢情報(深度センサ、姿勢センサからのセンシング情報)からラインアレイのピッチ角(深度方向の傾き)であるアレイピッチ角αを算出する(ステップS12)。なお、ステップS11、S12はいずれが先であってもよい。 The reception processing device 103 calculates the array pitch angle α, which is the pitch angle (tilt in the depth direction) of the line array, from the line array attitude information (sensing information from the depth sensor and attitude sensor) (step S12). Note that either step S11 or S12 may be performed first.

受信処理装置103は、設定入力された捜索対象深度24とアレイピッチ角αを用いて、ラインアレイの受信データから特定される目標の方位及び距離から、えい航式ソーナー20の音響中心位置を原点とした目標の位置の3次元座標(XYZ座標)を演算処理によって求める(ステップS13)。 The reception processing device 103 uses the input search depth 24 and array pitch angle α to calculate the three-dimensional coordinates (XYZ coordinates) of the target position, with the acoustic center position of the towed sonar 20 as the origin, from the target direction and distance identified from the line array reception data (step S13).

受信処理装置103は、ステップS13で求めた3次元座標から2次元座標(X-Y面)に投影した方位25と距離26を、目標21の位置として出力する(ステップS14)。 The reception processing device 103 outputs the direction 25 and distance 26 projected onto two-dimensional coordinates (X-Y plane) from the three-dimensional coordinates obtained in step S13 as the position of the target 21 (step S14).

図7は、一実施例を説明する図である。捜索対象深度24を100m(えい航式ソーナー深度基準)、アレイピッチ角を10°の場合に得られたえい航式ソーナー探知情報(方位、距離)に対して実施形態を適用した場合の効果を示したものである。図7において、グラフは、えい航式ソーナーの音響中心位置を原点とし、えい航式ソーナーで得られた探知方位、距離、及び、本発明を適用して補正した探知方位・距離を平面座標に展開したものである。 Figure 7 is a diagram explaining one embodiment. It shows the effect of applying the embodiment to towed sonar detection information (azimuth, distance) obtained when the search target depth 24 is 100 m (based on the towed sonar depth) and the array pitch angle is 10°. In Figure 7, the graph has the acoustic center position of the towed sonar as the origin, and the detection azimuth and distance obtained by the towed sonar, as well as the detection azimuth and distance corrected by applying the present invention, are expanded into plane coordinates.

えい航式ソーナーと目標との間に深度差がある場合、えい航式ソーナーの指向性(コニカルビーム)により、実際の方位は観測方位よりも原点側に寄ることとなるが、その性質が補正されていることが分かる。捜索対象深度は、操作端末等によってだけでなく、予め記憶装置等に記憶しておき任意に読み出す方式によっても可能である。 When there is a depth difference between the towed sonar and the target, the actual direction will be closer to the origin than the observed direction due to the directionality (conical beam) of the towed sonar, but it can be seen that this property is corrected. The search target depth can be determined not only by an operating terminal, but also by a method in which it can be stored in a memory device in advance and read out at will.

図8は、本発明の実施の形態を説明する図であり、受信処理装置103をコンピュータ装置110に実装した場合の構成を説明する図である。図8を参照すると、コンピュータ装置110は、プロセッサ111と、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)等の半導体メモリやHDD(Hard Disk Drive)等の記憶装置112と、表示装置105と、えい航式ソーナー104や表示装置105と通信接続するためのインタフェース114と、を備えている。プロセッサ111はDSP(Digital Signal Processor)であってもよい。記憶装置112に格納されたプログラム113を読み出して実行することで、プロセッサ111は、図5の受信処理装置103の整相処理部1032、信号処理部1033、方位・距離補正部1034の各処理を実行する。なお、コンピュータ装置110は、図4の送信制御装置101の機能を実装するようにしてもよい。 FIG. 8 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention, and is a diagram for explaining a configuration in the case where the reception processing device 103 is implemented in a computer device 110. Referring to FIG. 8, the computer device 110 includes a processor 111, a storage device 112 such as a semiconductor memory such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), or an HDD (Hard Disk Drive), a display device 105, and an interface 114 for communicating with the towed sonar 104 and the display device 105. The processor 111 may be a DSP (Digital Signal Processor). By reading and executing a program 113 stored in the storage device 112, the processor 111 executes the processes of the phasing processing device 1032, the signal processing device 1033, and the azimuth/distance correction device 1034 of the reception processing device 103 in FIG. 5. The computer device 110 may be configured to implement the functions of the transmission control device 101 in FIG. 4.

上記実施形態では、えい航式ソーナーの深度方向の傾きは、2つの深度センサを用いた例としたが、複数の深度センサを搭載して算出する方法によっても可能である。また、加速度センサ等、姿勢情報を得ることのできるセンサであれば利用することが可能である。また、図4では、艦艇からえい航されるラインアレイの実施例を示したが、本発明は受信指向性が円錐状となるラインアレイである場合に広く用いることができる。 In the above embodiment, the inclination of the towed sonar in the depth direction is an example using two depth sensors, but it can also be calculated by installing multiple depth sensors. Any sensor that can obtain attitude information, such as an acceleration sensor, can be used. Also, while Figure 4 shows an example of a line array towed from a ship, the present invention can be widely used in cases where the receiving directivity is a conical line array.

なお、上記の特許文献1の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施の形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素(各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む)の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。 The disclosure of Patent Document 1 is incorporated herein by reference. Modifications and adjustments of the embodiments and examples are possible within the framework of the entire disclosure of the present invention (including the scope of the claims), and further based on the basic technical ideas. Furthermore, various combinations and selections of the various disclosed elements (including each element of each claim, each element of each example, each element of each drawing, etc.) are possible within the framework of the scope of the claims of the present invention. In other words, the present invention naturally includes various modifications and alterations that a person skilled in the art would be able to make in accordance with the entire disclosure, including the scope of the claims, and the technical ideas.

10、20 えい航式ソーナー
11、11A、21、21A 目標
12、12A、22 指向性イメージ
13、23 えい航式ソーナー深度
14 目標深度
15 観測方位
16 実際の方位
24 捜索対象深度
25 方位
26 距離
101 送信制御装置
102 送信音源
103 受信処理装置
104 えい航式ソーナー
105 表示装置
110 コンピュータ装置
111 プロセッサ
112 記憶装置
113 プログラム
114 インタフェース
106A、106B 深度センサ
1031 受信データ
1032 整相処理部
1033 信号処理部
1034 方位・距離補正部
10, 20 Towed sonar 11, 11A, 21, 21A Target 12, 12A, 22 Directional image 13, 23 Towed sonar depth 14 Target depth 15 Observation direction 16 Actual direction 24 Search target depth 25 Direction 26 Distance 101 Transmission control device 102 Transmission sound source 103 Reception processing device 104 Towed sonar 105 Display device 110 Computer device 111 Processor 112 Storage device 113 Program 114 Interface 106A, 106B Depth sensor 1031 Received data 1032 Phase adjustment processing unit 1033 Signal processing unit 1034 Direction and distance correction unit

Claims (6)

複数の受信素子で構成されるラインアレイの深度方向の傾きを検出する手段を備え、
前記ラインアレイはえい航式ソーナーのラインアレイであり、さらに
前記ラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離に対して、前記ラインアレイの深度方向の傾きによって生じる誤差を補正する方位・距離補正手段と、
前記目標の捜索対象深度を入力する手段と、
備え
前記方位・距離補正手段は、前記ラインアレイからの受信データによって特定される前記目標の方位及び距離に対して、予め設定入力された前記捜索対象深度を用いて、前記えい航式ソーナーの音響中心位置の深度と前記目標の深度との差によって生じる誤差を、補正する、ソーナーシステム。
A means for detecting a tilt in a depth direction of a line array composed of a plurality of receiving elements is provided,
the line array being a line array of a towed sonar, and further comprising: an azimuth/distance correction means for correcting an error caused by a tilt of the line array in a depth direction with respect to the azimuth and distance of a target identified by data received from the line array;
means for inputting a search depth of the target;
Equipped with
a search target depth inputted in advance for the target's azimuth and distance specified by the received data from the line array, thereby correcting an error caused by a difference between the depth of the acoustic center position of the towed sonar and the depth of the target .
前記えい航式ソーナーに互いに離間した少なくとも2つの深度センサを備え、
前記方位・距離補正手段は、
前記深度センサで検出された深度情報から深度方向の傾きであるアレイピッチ角を算出し、
前記捜索対象深度と前記アレイピッチ角を用いて、前記ラインアレイからの受信データによって特定される前記目標の方位及び距離から、前記えい航式ソーナーの音響中心位置を原点とした前記目標の位置の3次元座標を求め、
前記3次元座標から2次元座標に投影した方位及び距離を出力する、請求項記載のソーナーシステム。
The towed sonar includes at least two depth sensors spaced apart from one another;
The azimuth and distance correction means
Calculating an array pitch angle, which is a tilt in the depth direction, from the depth information detected by the depth sensor;
using the search depth and the array pitch angle, determining three-dimensional coordinates of the position of the target with the acoustic center position of the towed sonar as the origin from the azimuth and distance of the target identified by the reception data from the line array;
The sonar system according to claim 1 , which outputs a direction and a distance projected from the three-dimensional coordinates onto a two-dimensional coordinate.
複数の受信素子で構成されるラインアレイであってえい航式ソーナーのラインアレイの深度方向の傾きを検出し、
目標の捜索対象深度の設定値を入力し、
前記ラインアレイからの受信データによって特定される前記目標の方位及び距離に対して、前記えい航式ソーナーの音響中心位置の深度と前記目標の深度との差によって生じる誤差を、予め設定入力された前記捜索対象深度を用いて、補正する、目標方位・距離補正方法。
A line array is configured with a plurality of receiving elements, and a tilt in the depth direction of the line array of the towed sonar is detected;
Enter the target search depth setting,
A target bearing/distance correction method in which an error occurring due to a difference between the depth of the acoustic center position of the towed sonar and the depth of the target is corrected for the target bearing and distance specified by the received data from the line array, by using the search target depth that is set and input in advance .
前記えい航式ソーナーに互いに離間した少なくとも2つの深度センサを同一高さに取り付け、
前記深度センサで検出された深度情報から深度方向の傾きであるアレイピッチ角を算出し、
前記捜索対象深度と前記アレイピッチ角を用いて、前記ラインアレイからの受信データによって特定される前記目標の方位及び距離から、前記えい航式ソーナーの音響中心位置を原点とした前記目標の位置の3次元座標を求め、
前記3次元座標から2次元座標に投影した方位及び距離を目標の位置として出力する、請求項記載の目標方位・距離補正方法。
At least two depth sensors are mounted on the towed sonar at the same height and spaced apart from each other;
Calculating an array pitch angle, which is a tilt in the depth direction, from the depth information detected by the depth sensor;
using the search depth and the array pitch angle, determining three-dimensional coordinates of the position of the target with the acoustic center position of the towed sonar as the origin from the azimuth and distance of the target identified by the reception data from the line array;
4. The target direction/distance correction method according to claim 3, further comprising the steps of: outputting the direction and distance projected from the three-dimensional coordinates onto two-dimensional coordinates as the position of the target.
ソーナーシステムのコンピュータに、
複数の受信素子で構成されるラインアレイの深度方向の傾きを検出する処理と、
前記ラインアレイからの受信データによって特定される目標の方位及び距離に対して、前記ラインアレイの深度方向の傾きによって生じる誤差を補正する補正処理と、
を実行させるプログラムであって、
前記ラインアレイはえい航式ソーナーのラインアレイであり、
前記補正処理は、前記ラインアレイからの受信データによって特定される前記目標の方位及び距離に対して、前記えい航式ソーナーの音響中心位置の深度と前記目標の深度との差によって生じる誤差を、予め設定入力された前記目標の捜索対象深度を用いて、補正する、プログラム。
The sonar system computer
A process of detecting the inclination in the depth direction of a line array composed of multiple receiving elements;
a correction process for correcting an error caused by a tilt of the line array in the depth direction with respect to a target direction and distance specified by the received data from the line array;
A program for executing
the line array is a towed sonar line array,
The correction process is a program that corrects errors caused by the difference between the depth of the acoustic center position of the towed sonar and the depth of the target, relative to the azimuth and distance of the target identified by the received data from the line array, by using a previously input search depth of the target .
前記補正処理は、前記えい航式ソーナーに互いに離間して取り付けられた少なくとも2つの深度センサで検出された深度情報から深度方向の傾きであるアレイピッチ角と、前記捜索対象深度を用いて、前記ラインアレイからの受信データによって特定される前記目標の方位及び距離から、前記えい航式ソーナーの音響中心位置を原点とした前記目標の位置の3次元座標を求め、
前記3次元座標から2次元座標に投影した方位及び距離を目標の位置として出力する、請求項記載のプログラム。
The correction process uses an array pitch angle, which is a tilt in the depth direction, from depth information detected by at least two depth sensors attached to the towed sonar at a distance from each other, and the search target depth, to calculate three-dimensional coordinates of the position of the target, with the acoustic center position of the towed sonar as the origin, from the azimuth and distance of the target specified by the received data from the line array;
6. The program according to claim 5 , further comprising: outputting, as the position of the target, a direction and a distance projected from the three-dimensional coordinates onto a two-dimensional coordinates.
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