JPH0660841B2 - Reverberation simulation method - Google Patents
Reverberation simulation methodInfo
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- JPH0660841B2 JPH0660841B2 JP27728889A JP27728889A JPH0660841B2 JP H0660841 B2 JPH0660841 B2 JP H0660841B2 JP 27728889 A JP27728889 A JP 27728889A JP 27728889 A JP27728889 A JP 27728889A JP H0660841 B2 JPH0660841 B2 JP H0660841B2
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Description
【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は、モノスタティックソーナーに対する水中残
響を高速、高忠実度で模擬する信号を生成する残響模擬
方式に関する。この発明により構成した水中残響模擬装
置を水中音場模擬装置に組み込むことで、水中音響セン
サーを利用するシステムの試験、開発等をより効率的に
実行できるようになる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application] The present invention relates to a reverberation simulation method for generating a signal that simulates underwater reverberation with respect to a monostatic sonar at high speed and high fidelity. By incorporating the underwater reverberation simulation device configured according to the present invention into the underwater sound field simulation device, it becomes possible to more efficiently perform testing, development, and the like of a system using an underwater acoustic sensor.
(発明の概要) この発明は、模擬水中残響信号を生成する残響模擬装置
のための残響模擬方式であって、残響模擬方法1),2)で
行ったREVGENオープンループ版3),4)に対する改
良に、模擬残響生成時の乱数の使い方をより柔軟に設定
できるようにするための改良を加えたものである。これ
らの改良は、F.O.M.理論5)の残響の式から出発
し、残響の統計的性質を模擬するのに適した残響模擬式
を導くことにより得られたものであり、その残響模擬式
を用いて水中残響を模擬する信号を作成することによっ
てモノスタティックソーナーに対する水中残響を高速、
高忠実度で模擬可能である。(Summary of the Invention) The present invention is a reverberation simulation method for a reverberation simulation device that generates a simulated underwater reverberation signal, and is for the REVGEN open loop version 3), 4) performed in the reverberation simulation method 1), 2 ) . In addition to the improvements, improvements were made to allow more flexible setting of the usage of random numbers when generating simulated reverberation. These improvements are described in F. O. M. It was obtained by starting from the reverberation equation of theory 5) and deriving a reverberation simulation equation suitable for simulating the statistical properties of reverberation, and a signal that simulates underwater reverberation using the reverberation simulation equation. High speed underwater reverberation for monostatic sonar, by creating
It can be simulated with high fidelity.
(従来の技術) REVGENオープンループ版では、ドップラー密度行
列(DDM)の共分散の計算のために、散乱体の散乱強
度、位置、速度をモンテカルロ法を使って模擬する。こ
うして求めたDDM共分散からマスターDDMを計算
し、それとホワイトノイズからDDMを作り、これをB
マトリックスに変換し、送信波形と掛け合わせて模擬残
響信号を生成する。音響センサーが配置されたソーナー
プラットフォームの運動が予めわかっている場合に対し
ては、マスターDDMの計算までを予め行っておくこと
ができ、残響生成ではマスターDDMの計算よりあとの
部分だけを実行すれば良いので、実時間での残響信号生
成が可能となる。この事前計算を行うとき、すべての時
間に対するマスターDDMを計算せずに、REVGEN
アップデートアルゴリズム6),7)と呼ばれる手法を使っ
て、生成する残響のサンプリング時間により長い時間間
隔で更新したマスターDDMから、それらの間の時間の
DDMについて補間することも行なわれる。(Prior Art) In the REVGEN open loop version, the scattering intensity, position, and velocity of a scatterer are simulated using the Monte Carlo method for calculation of the covariance of the Doppler density matrix (DDM). A master DDM is calculated from the DDM covariance thus obtained, and a DDM is created from that and white noise.
It is converted into a matrix and multiplied with the transmitted waveform to generate a simulated reverberation signal. In the case where the motion of the sonar platform where the acoustic sensor is arranged is known in advance, the calculation of the master DDM can be performed in advance, and only the part after the calculation of the master DDM can be executed in the reverberation generation. Since it is sufficient, the reverberation signal can be generated in real time. When doing this precalculation, REVGEN is calculated without calculating the master DDM for all times.
A method called update algorithm 6), 7) is also used to interpolate the DDM of the time between them from the master DDM updated at a longer time interval by the sampling time of the reverberation to be generated.
本発明者が先に提案した残響模擬方法では、DDM共分
散の計算に、散乱体についてのモンテカルロ計算を使わ
ずにすむ。また、模擬残響の計算時に、マスターDDM
のBマトリックスへの変換をすべてのDDMに対して実
行せずに済ませることができる。The reverberation simulation method previously proposed by the present inventor does not need to use Monte Carlo calculation for a scatterer for calculating DDM covariance. Also, when calculating the simulated reverberation, the master DDM
To the B-matrix need not be performed for all DDMs.
参考文献を以下に示す。References are listed below.
1)須藤恭史:“残響模擬方法,”公開特許公報特開平
1-123120. 2)須藤恭史:“水中残響シミュレーション方法の改善
について,”防衛庁技術研究本部技報1029、昭和6
3年6月. 3)D.W.Princehoues:“Reverberation generator
ocean algorithm,a status report,”Applied Phisics
Lab.,Univ.Washington,APL-UW7806,Feb.1
5,1987.4)−−−:“REVGEN,Areal-t
ime reveraberation generator,”in1977IEEE
International Conference.on Acoustics Speech and
Signal Processings,pp.827−835,1977. 5)V.V.Ol′shevskii:“Characteristics of S
ea Reverberation,”English translation byV.M.A
lbers.New York:Consultants,Bureau,1967. 6)S.G.Chamberlain andJ.C.Galli:“AMode
l for Numerical Simulation of Non-stationary Sonar
Reverberation Using Linear Spectral Prediction,”
IEEE JOUR.Ocean Engineering,vol.oe8,on.1
pp.21−36,Jan.1983. 7)J.G.Melville and M.E.Stegman:“The E
ffect of Update Randomization onREVGEN Outp
ut:Broadband Energy Detector,”Naval Ocean system
s Center, NOSC tr292,Aug.1978. 6)M.E.Stegman andJ.G.Melville:“The Eff
ect of Update Randomization onREVGEN Outpu
t:Matched Filter Processor,”Naval Ocean Systems
Center,NOSCtr451,Aug.1979. (発明が解決しようとする課題) 従来のREVGENオープンループ版では、残響の生成
自体はアップデートアルゴリズムと組み合わせることに
より実時間で実行できるが、マスターDDMを得るため
の前処理に多大の時間を要する。1) Kyoji Sudo: "Reverberation simulation method," Japanese Patent Laid-Open Publication
1-123120. 2) K. Sudo: “On the improvement of the underwater reverberation simulation method,” Defense Agency Technical Research Division, Technical Report 1029, Showa 6
June 3rd. 3) D. W. Princehoues: “Reverberation generator
ocean algorithm, a status report, ”Applied Phisics
Lab., Univ. Washington, APL-UW7806, Feb. 1
5, 1987.4) ---: "REVGEN, Areal-t.
ime reveraberation generator, “in1977 IEEE
International Conference.on Acoustics Speech and
Signal Processings, pp.827-835, 1977. 5) V. V. Ol'shevskii: “Characteristics of S
ea Reverberation, ”English translation by VMA
lbers. New York: Consultants, Bureau, 1967. 6) S. G. Chamberlain and J. C. Galli: "AMode
l for Numerical Simulation of Non-stationary Sonar
Reverberation Using Linear Spectral Prediction, ”
IEEE JOUR. Ocean Engineering, vol.oe8, on.1
pp.21-36, Jan. 1983. 7) J. G. Melville and M.M. E. Stegman: “The E
ffect of Update Randomization on REVGEN Outp
ut: Broadband Energy Detector, ”Naval Ocean system
s Center, NOSC tr292, Aug. 1978. 6) M. E. Stegman and J. G. Melville: “The Eff
ect of Update Randomization on REVGEN Outpu
t: Matched Filter Processor, ”Naval Ocean Systems
Center, NOSCtr451, Aug. 1979. (Problems to be Solved by the Invention) In the conventional REVGEN open-loop version, the reverberation generation itself can be executed in real time by combining it with an update algorithm, but a large amount of time is required for preprocessing to obtain a master DDM.
また、本発明者が先に提案した残響模擬方法では、上記
のような点については改善したものであるが、残響模擬
装置に用いるハードウェアの計算能力に余裕があり、散
乱体の運動による残響の乱雑さとビーム間相関を生成す
る乱数の発生を1つのピング(1回の音波の送信)に対
する残響模擬の間に複数回行える場合の取り扱いについ
て定義されていない。Although the reverberation simulation method proposed by the present inventor has improved the above points, the hardware used for the reverberation simulation apparatus has a sufficient computing capacity, and the reverberation due to the motion of the scatterer is large. However, the handling is not defined when the randomness for generating the randomness and the generation of the random number that generates the inter-beam correlation can be performed multiple times during the reverberation simulation for one ping (transmission of one sound wave).
この発明は上記のような問題を解決するためになされた
もので、マスターDDMを求めるための散乱体模擬が簡
略化でき、DDMを生成するために必要となる散乱体の
運動とビーム間相関を表す乱数の更新も残響模擬装置に
用いるハードウェアの演算能力に合わせた形で行うこと
ができ、残響生成のための計算もより高速計算に適した
形をした、模擬水中残響を生成する残響模擬方式を提供
することを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems, and simplifies the scatterer simulation for obtaining the master DDM, and the motion of the scatterer and the inter-beam correlation required to generate the DDM can be obtained. The random number to be expressed can be updated in a form that matches the computing capacity of the hardware used in the reverberation simulator, and the reverberation simulation that produces simulated underwater reverberation is also suitable for faster computation. The purpose is to provide a scheme.
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために、この発明に係る残響模擬方
式は、F.O.M.理論による残響の式 [但し、添字nは各散乱体に関する量であることを表
し、送信ビーム数を1本、受信ビーム数をL本としたと
き、 第i成分をL本のうちi番目の受信ビームで観測される
残響とするL−列ベクトル、△fn:音響センサーが配置
されるプラットフォームとn番目の散乱体の運動による
ドップラーシフト、 θn:n番目の散乱体によるフェーズシフト、 rn:プラットフォームとn番目の散乱体との相対距離、 St(t):送信波形(時間t<0で0とする)、 c:音速、 n番目の散乱体の散乱強度とビームパターンから求めら
れるL−列ベクトル、とする。]から導いたシミュレー
ションに適した形のドップラー密度行列(DDM)の模擬式 [但し、添字m(m=1,2,…)により、時間軸を(O=to
<t1<…<tm<…)と区切ったときの区間tm-1<t≦tm
での対応する代表値を表し、 :周波数 それぞれが独立な単位複素正規ホワイトノイズを成分と
るL−列ベクトル、 ξm(t):単位複素正規ホワイトノイズ、L×L行列とな
るマスターDDM は、 から求められる。ここで、 α:吸収係数、 rm:ctm/2 Ω:プラットフォームを中心とする立体角、 第i成分をm番目の時間区間におけるi番目の受信ビー
ムパターンと送信時のビームパターン(いずれもビーム
毎に位相差を含めておく)の積とするL−列ベクトル、 am(Ω):散乱体の散乱強度に関係する振幅(正の実数
とする)、 ρm(f,Ω):Ω、tに対応する領域内の散乱体の運動に
よるドップラーシフトについての確率密度関係、 Fm(Ω):立体角Ω方向の、プラットフォームの運動に
よるドップラーシフト、 エルミート共役、とする。] 及び、これから導かれる残響模擬式 を用いて水中残響を模擬する信号を生成することを特徴
としている。[Configuration of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the reverberation simulation method according to the present invention is based on the F. O. M. Reverberation formula by theory [However, the subscript n represents an amount relating to each scatterer, and when the number of transmission beams is 1 and the number of reception beams is L, L-column vector with the i-th component being the reverberation observed in the i-th received beam of L, Δf n : Doppler shift due to the motion of the platform where the acoustic sensor is arranged and the n-th scatterer, θ n : Phase shift due to the nth scatterer, r n : relative distance between the platform and the nth scatterer, St (t): transmission waveform (0 at time t <0), c: speed of sound, Let L-column vector obtained from the scattering intensity of the nth scatterer and the beam pattern. ] The simulation formula of the Doppler density matrix (DDM) of the form suitable for the simulation derived from [However, with the subscript m (m = 1,2, ...), the time axis is (O = t o
<T 1 <... <t m <...) section t m-1 <t ≤ t m
Represents the corresponding representative value in L-column vector each having independent complex normal white noise component, ξ m (t): Unit complex normal white noise, master DDM that is an L × L matrix Is Required from. Where α: absorption coefficient, r m : ct m / 2 Ω: solid angle centered on the platform, An L-column vector in which the i-th component is the product of the i-th received beam pattern in the m-th time section and the beam pattern at the time of transmission (both include the phase difference for each beam), a m (Ω): Amplitude (assuming positive real number) related to scattering intensity of scatterer, ρ m (f, Ω): Ω, probability density relationship for Doppler shift due to motion of scatterer in the region corresponding to t, F m ( Ω): Doppler shift due to platform motion in the solid angle Ω direction, Hermitian conjugation. ] And the reverberation simulation formula derived from this Is used to generate a signal that simulates an underwater reverberation.
この発明で用いる上記残響模擬式は、以下のようにして
F.O.M.理論による残響の式から導かれる。基本的
には、残響模擬においては残響の統計的性質が再現でき
れば良いこと、残響の統計的性質は準定常正規確率過程
と近似できること、模擬残響信号の生成においては正規
乱数や一様乱数を使った形が便利であることを考慮した
ものである。The above reverberation simulation formula used in the present invention is defined by F. O. M. It is derived from the theory of reverberation. Basically, it is only necessary to reproduce the statistical properties of the reverberation in the reverberation simulation, the statistical properties of the reverberation can be approximated to a quasi-stationary normal stochastic process, and normal random numbers and uniform random numbers are used in the generation of the simulated reverberation signal. This is because the shape is convenient.
F.O.M.理論によれば、残響は、準定常正規確率過
程として近似でき、水中に存在する多数の散乱体による
送信信号の反射の重ね合わせとして次のように表され
る。但し、送信信号のバンド幅がその中心周波数に比べ
て小さいとし、送波及び受波装置が同一位置にあるモノ
スタティックソーナーを考える。また、表式を簡単にす
るため、水中の音速cを一定として表す。F. O. M. According to theory, the reverberation can be approximated as a quasi-stationary normal stochastic process, and is expressed as the superposition of reflections of a transmitted signal by a large number of scatterers existing in water as follows. However, assuming that the bandwidth of the transmission signal is smaller than its center frequency, consider a monostatic sonar in which the transmitting and receiving devices are located at the same position. Further, in order to simplify the expression, the sound velocity c in water is expressed as constant.
但し、送信ビームを1本、受信ビームをL本とし、各記
号の意味は、以下の通りである。 However, the number of transmission beams is 1, the number of reception beams is L, and the meanings of the symbols are as follows.
第i成分をL本のうちのi番目の受信ビームで観測され
る残響とするL−列ベクトル(送信の開始を時間tの原
点とする。)、 △fn:音響センサーが配置されるプラットフォームとn
番目の散乱体の運動によるドップラーシフト、 θn:n番目の散乱体によるフェーズシフト、 rn:プラットフォームとn番目の散乱体との相対距離、 St(t):送信波形(送信開始時刻を時間の原点t=0と
する)、 c:音速。 L-column vector with the i-th component being the reverberation observed in the i-th received beam of L (the start of transmission is the origin of time t), Δf n : platform on which the acoustic sensor is arranged And n
The Doppler shift due to the motion of the th scatterer, θ n : Phase shift due to the n th scatterer, r n : Relative distance between the platform and the n th scatterer, St (t): Transmission waveform (transmission start time Time origin t = 0), c: speed of sound.
また、L−列ベクトル は と書ける。但し、 と書け、記号については、以下の通りである。Also, the L-column vector Is Can be written. However, And the symbols are as follows.
Ωn:プラットフォームから見たn番目の散乱体の方位
を表す立体角、 第i成分をi番目の受信ビームの複素ビームパターンと
するL−列ベクトル、 bT(Ω):送信ビームの複素ビームパターン、 α:吸収係数、 An:散乱体の散乱強度に関係する振幅(正の実数とす
る)。Ω n : solid angle representing the orientation of the nth scatterer as seen from the platform, L-column vector with the i-th component as the complex beam pattern of the i-th received beam, b T (Ω): complex beam pattern of the transmitted beam, α: absorption coefficient, A n : amplitude related to scattering intensity of scatterer (It should be a positive real number).
なお、ビームパターンについては、ビーム毎の音響中心
の違いによる位相差をあらかじめ考慮しておく。Regarding the beam pattern, the phase difference due to the difference in the acoustic center of each beam is considered in advance.
プラットフォームと散乱体の速度が音速に比べて小さい
ときは、Δfn=F(Ωn)+fnとプラットフォームの運
動によるドップラーシフトと散乱体の運動によるドップ
ラーシフトの和の形に近似できる。ここで、F(Ω)
は、立体角Ω方向の、プラットフォームの運動によるド
ップラーシフト、fnは、n番目の散乱体の運動によるド
ップラーシフトとする。これらのことを使うと式(1)は
立体角についての積分を使って次の形に書ける。When the velocities of the platform and the scatterer are smaller than the speed of sound, it can be approximated to the form of Δf n = F (Ω n ) + f n and the Doppler shift due to the motion of the platform and the Doppler shift due to the motion of the scatterer. Where F (Ω)
Is the Doppler shift due to the movement of the platform in the solid angle Ω direction, and f n is the Doppler shift due to the movement of the n-th scatterer. Using these things, equation (1) can be written in the form of using the integral about the solid angle.
[但し、δ:ディラックのデルタ関数] さらに式(4)は、 とおくと、 と書ける。この式は、残響模擬式でも指摘したように、
連続時間のB行列である。これに対応する連続時間のD
DMは、Bに対し、 と置いたものである。逆変換は、 となる。式(5),(7)より、 と書ける。DDMの共分散は、文献2)で示したように
してF.O.M.理論のフェーズシフトについてのラン
ダムフェーズの仮定により導かれる。このとき、半径r
(ct/2)、 c×単位時間/2の厚さを持つ球殼のΩ方向の単位立体
角領域内を考え、この領域内の散乱体の運動によるドッ
プラーシフト確率密度関数を、ρt(f,Ω)で代表させ
る。これは、実際の観測においては、個々の散乱体のド
ップラーシフト確率密度関数ではなく、この領域全体と
してのドップラーシフト確率密度関数がわかることに対
応することによる。すると、 と書ける。ここで、 とおいた。 [However, δ: Dirac delta function] Furthermore, the equation (4) is If you put it Can be written. This formula, as pointed out in the reverberation simulation formula,
It is a continuous-time B matrix. Corresponding continuous time D
DM is to B I put it. The inverse transformation is Becomes From equations (5) and (7), Can be written. The covariance of DDM can be calculated by F.S. O. M. It is guided by the assumption of a random phase for the theoretical phase shift. At this time, the radius r
Considering the unit solid angle region of the spherical shell having a thickness of (ct / 2), c × unit time / 2 in the Ω direction, the Doppler shift probability density function due to the motion of the scatterer in this region is given by ρ t ( f, Ω). This is because, in actual observation, the Doppler shift probability density function of the entire scatterer, not the Doppler shift probability density function of each scatterer, is known. Then, Can be written. here, I said.
このように、DDMの共分散が、観測量だけから計算で
きる形に書けるので、DDMをシミュレーション計算に
適した形に表すことができる。本発明の場合は、残響の
準定常性を従来の方法より積極的に取り入れるために、
時間軸を残響の準定常性からその中では平均量がほぼ一
定と見なせる区間に分ける。送信開始時間を時間の原点
にとって、O=t0<t1<t2…とし、m番目の区間(tm-1
<t≦tm)における平均量の代表値を示すための下添字
mを用いることにする。このことと、式(10)が、t,f
について対角的であることより、次の形にDDMを表す
ことができる。Thus, the covariance of the DDM can be written in a form that can be calculated from only the observed amount, and thus the DDM can be expressed in a form suitable for simulation calculation. In the case of the present invention, in order to more positively incorporate the quasi-stationarity of reverberation than the conventional method,
From the quasi-stationarity of reverberation, the time axis is divided into sections in which the average amount can be regarded as almost constant. With the transmission start time as the origin of time, O = t 0 <t 1 <t 2 ... And the m-th section (t m-1
The subscript m is used to indicate the representative value of the average amount in <t ≦ t m ). This, and the equation (10), t, f
Being diagonal with respect to, the DDM can be expressed in the following form.
ここで、 をそれぞれが独立な単位複素正規ホワイトノイズを成分
とするL−列ベクトル、ξm(t)を単位複素正規ホワイト
ノイズとする。これらは、平均は0で、互いに独立、共
分散については、 とする。ここで、δ(t-t′)等は、ディラックのデルタ
関数である。hm,m′は、m=m′の時に1、他の場合に
は1か0の値をとるとする。δm,m′は、クロネッカー
のδである。 here, Are L-column vectors each having an independent unit complex normal white noise as a component, and ξ m (t) is a unit complex normal white noise. They have a mean of 0, are independent of each other, and for covariance And Here, δ (tt ′) and the like are Dirac delta functions. It is assumed that h m, m ′ has a value of 1 when m = m ′ and 1 or 0 otherwise. δ m, m ′ is Kronecker δ.
は、L×L単位行列である。mは、m番目の区間にお
ける平均量の代表値と、 の関係で結ばれる。この行列方程式を解く方法として
は、右辺がエルミート行列であることから を対角要素が実の下三角行列として、上式より各要素を
遂次的に求めていけば良い。一般的に送信信号の幅程度
では残響の平均量は、ほぼ一定と見なせることが知られ
ているので、このことを利用して区間の幅を定めれば良
い。 Is an L × L identity matrix. m is the representative value of the average amount in the mth section, Are tied together. As the method to solve this matrix equation, the right side is Hermitian matrix The diagonal element is a real lower triangular matrix, and each element can be sequentially obtained from the above equation. In general, it is known that the average amount of reverberation can be regarded as substantially constant when the width of the transmission signal is approximately equal to the width of the section.
式(13)と式(6),(8)より、残響の式として、 を得る。From equation (13) and equations (6) and (8), To get
式(11)が、この発明におけるDDMの計算式であり、式
(14)が、残響模擬の基本式となる。The formula (11) is a DDM calculation formula in the present invention.
(14) is the basic equation for reverberation simulation.
(作用) 上で導いたこれらの式を使って、本発明が従来の方法に
対する改良になっていることが理解できる。マスターD
DMを計算するために必要となる残響共分散は、式(13)
からわかるように散乱体についての模擬をせずに観測量
を基に直接計算できる。従って、マスターDDM計算時
の散乱体についての模擬が大幅に簡略化されることにな
る。また、残響の準定常性を考慮することで、すべての
時間についてマスターDDMを計算しなくても、残響の
統計的性質を再現するDDMを、マスターDDMと複素
正規ホワイトノイズで表せている。これにより、マスタ
ーDDMの計算は、上に述べた時間幅についての説明か
ら、送信信号の持続時間τ程度の周期で行えば良いこと
になる。この点も計算量の低減につながる特徴である。
式(14)に現れている乱数の使い方も、模擬残響生成時の
計算量低減につながる形をしている。REVGENの場
合は、各DDM毎にB行列に変換する必要があるが、本
発明の組み合わせを使うことにより、残響計算時には、
式(14)の和の各項毎にドップラー部分[式(14)において
周波数を含む前半分]の計算とレンジ部分[式(14)に
おいてt′を含む後半部分]の計算をそれぞれ行ってか
ら、それらの積により、m番目の項からの残響への寄与
が求められる。(Effect) Using these formulas derived above, it can be understood that the present invention is an improvement over the conventional method. Master D
The reverberation covariance required to calculate DM is given by equation (13)
As can be seen, it is possible to directly calculate based on the observed amount without simulating the scatterer. Therefore, the simulation of the scatterer at the time of calculating the master DDM is greatly simplified. Also, by considering the quasi-stationarity of reverberation, the DDM that reproduces the statistical properties of reverberation can be represented by the master DDM and complex normal white noise without calculating the master DDM for all times. Accordingly, the calculation of the master DDM may be performed in a cycle of about the duration τ of the transmission signal from the above description of the time width. This point is also a feature that leads to a reduction in the amount of calculation.
The use of random numbers appearing in equation (14) also leads to a reduction in the amount of calculation when generating simulated reverberation. In the case of REVGEN, it is necessary to convert each DDM into a B matrix, but by using the combination of the present invention, when reverberation is calculated,
After calculating the Doppler part [the first half including the frequency in formula (14)] and the range part [the latter half including t ′ in formula (14)] for each term of the sum of formula (14), , Their product gives the reverberation contribution from the m th term.
上に述べたように、マスターDDMの計算は、生成する
残響のサンプリング時間より長い周期で更新すれば良い
ので、本発明の方式により残響生成時の計算量が軽減さ
れることになる。また、乱数の更新についても、式(12)
のhm,m′のm≠m′の時の値をどのように定めるかによ
って、自由に設定できる。例えば、残響模擬装置の乱数
発生部に余力があれば、μの更新をマスターDDMの更
新周期と同じ周期で行える。これは、m≠m′の時は、
hm,m′=0とすることに対応する。このように、本発明
者が先に提案した残響模擬方法では、一通りであった乱
数の更新方法が、本発明においては、より柔軟性に富む
ものに改良された。As described above, the calculation of the master DDM may be updated in a cycle longer than the sampling time of the reverberation to be generated, so that the method of the present invention reduces the amount of calculation at the time of reverberation generation. Also, for updating the random number, Equation (12)
Can be freely set depending on how to determine the value of h m, m 'of m ≠ m'. For example, if the random number generation unit of the reverberation simulator has a surplus capacity, μ can be updated at the same cycle as the master DDM update cycle. This means that when m ≠ m ',
This corresponds to setting h m, m ′ = 0. As described above, in the reverberation simulation method previously proposed by the present inventor, the random number updating method has been improved to be more flexible in the present invention.
こうして、上に導いた方式を用いると、従来の方法より
計算量が軽減し、残響生成における柔軟性も増し、なお
かつ生成される残響については必要とされる統計的性質
を正しく再現できるので、高速かつ高忠実度の残響模擬
装置を構成できることになる。In this way, the method introduced above reduces the amount of calculation compared to the conventional method, increases the flexibility in reverberation generation, and can reproduce exactly the required statistical properties of the reverberation generated. In addition, a high-fidelity reverberation simulator can be constructed.
(実施例) 以下、本発明の残響模擬方式の実施例について説明す
る。(Example) An example of the reverberation simulation method of the present invention will be described below.
ここでは初めに、特に観測量との関係を示すために水中
が、第1図の如く体積残響部分、海面残響部分、海底残
響部分に分けられる場合の(14)式を導く。その後、従来
の方法との関係を示し、乱数設定の柔軟性について説明
する。Here, first, in order to show the relationship with the observed amount, we derive equation (14) when the water is divided into volume reverberation, sea surface reverberation, and sea bottom reverberation as shown in Fig. 1. After that, the relationship with the conventional method is shown, and the flexibility of random number setting is described.
文献2)で示したように、体積残響における単位体積あ
たりの後方散乱強度Sv、海面残響における単位面積あた
りの後方散乱強度SS、海底残響における単位面積あたり
の後方散乱強度SBを使うと となる。一般に、音響センサーが配置されたソーナープ
ラットフォームの海面、海底に対するグレージングアン
グルによりSS、SBは、変化するので添字mをつけてあ
る。また、tが送信信号の持続時間よりある程度大きい
ときには、半径r、厚さc×(単位時間)/2の球殼内
の海面部分に対する立体角要素は、方位角φ、海面のグ
レージングアングルθSを使って と近似できることから(海底についてもグレージングア
ングルθBを使用して同様に表せる)、それぞれの領域
の散乱体ドップラーシフト確率密度を、ρV(f),ρS(f)
とし、海底部分については散乱体の運動はないとして、
これらのΩ依存性を無視するとすると、式(13)は、 但し、 と書ける。ここで、*はfについての畳込みを示し、 である。∫vmdΩは、区間mにおける体積残響部分につ
いてのみの立体角積分であることを示す。水中をさらに
いくつかの領域に分けた場合も同様に扱える。As shown in Reference 2), using the backscattering intensity S v per unit volume in volume reverberation, the backscattering intensity S S per unit area in sea surface reverberation, and the backscattering intensity S B per unit area in seafloor reverberation Becomes In general, since S S and S B change depending on the grazing angle with respect to the sea surface and the seabed of the sonar platform on which the acoustic sensor is arranged, the subscript m is added. When t is larger than the duration of the transmitted signal to some extent, the solid angle element with respect to the sea surface portion in the spherical shell having radius r and thickness c × (unit time) / 2 is azimuth angle φ and sea surface grazing angle θ S. Using Because it can approximate (expressed in the same manner using the grazing angle theta B also submarine), the scatterer Doppler shift probability density for each region, ρ V (f), ρ S (f)
Assuming that there is no scatterer motion on the bottom of the sea,
Ignoring these Ω dependences, equation (13) becomes However, Can be written. Where * indicates the convolution for f, Is. ∫ vm dΩ indicates that it is a solid angle integral only for the volume reverberation part in the section m. The same can be done when the water is further divided into several areas.
実際に水中音響模擬装置を構成するときには、ディジタ
ルコンピュータを使う場合が多いと思われる。その際、
式(13)に表れるfについての積分は、FFTを使って計
算できる。この時のFFTのサイズは、F.O.M.理
論によると残響の相関 が、t′を止めて考えると、t′−τ≦t≦t′+τの
範囲内でのみ0と異なるので、エリアジングの影響を避
けるために2τをサンプリング時間で割った値とれば良
い。When actually constructing the underwater acoustic simulator, it seems that a digital computer is often used. that time,
The integral for f appearing in equation (13) can be calculated using FFT. The size of the FFT at this time is F. O. M. Correlation of reverberation according to theory However, when t ′ is stopped and considered, the value differs from 0 only within the range of t′−τ ≦ t ≦ t ′ + τ. Therefore, in order to avoid the influence of aliasing, a value obtained by dividing 2τ by the sampling time may be used.
この場合の残響模擬方式は構成は、第2図、第3図のよ
うになる。The reverberation simulation method in this case has a configuration as shown in FIGS. 2 and 3.
第2図は、本発明による残響模擬方式のブロックダイヤ
グラムである。第1図のように残響が三つの領域からの
寄与として表せる場合についてのものである。第2図で
は、離散化した場合を念頭にしており、簡単のため、送
信信号の持続時間τをサンプリング周期で割った値(N
で表す)を4としている。同図中の*は、線形畳込みで
ある。もちろんこの畳込みは、送信信号、正規乱数それ
ぞれの数列に、0の要素を追加して、長さ2Nの周期数
列の円状畳込みとして計算しても良い。マスターDDM
と正規乱数の積のところは、各周波数成分毎に、ビー
ム成分に関する行列とベクトルの積を実行することを表
す、その下のは、各時間成分毎の積を表す。その右の
は、時間成分毎の和を表す。FIG. 2 is a block diagram of the reverberation simulation method according to the present invention. This is for the case where reverberation can be expressed as contributions from three regions as shown in FIG. In FIG. 2, the case of discretization is kept in mind, and for the sake of simplicity, a value obtained by dividing the duration τ of the transmission signal by the sampling period (N
Is represented by 4). * In the figure is a linear convolution. Of course, this convolution may be calculated as a circular convolution of a period sequence having a length of 2N by adding an element of 0 to each sequence of the transmission signal and the normal random number. Master DDM
And the product of the normal random numbers indicate that the matrix-vector product relating to the beam component is executed for each frequency component, and the product below it indicates the product for each time component. On the right side, the sum for each time component is shown.
第3図は、第1図のように残響が三つの部分からの寄与
の和と表せる場合について、第2図に現れたマスターD
DMの計算方法を示したブロックダイヤグラムである。
は、右の括弧内の数列の各周波数成分に伝播損失と後
方散乱強度の効果を掛けることを表す。括弧内の*は、
周波数成分に関する畳込みを表す。ここで、式(17)のγ
mや、ρvmの周波数方向の広がりは、通常は、周波数方
向全体に広がっているようなものではないので、この畳
込みは、円状畳込みとして計算できる。FIG. 3 shows the case where the reverberation can be represented as the sum of contributions from three parts as shown in FIG.
6 is a block diagram showing a method of calculating DM.
Indicates that each frequency component in the sequence in parentheses on the right is multiplied by the effects of propagation loss and backscattering intensity. * In parentheses
Represents a convolution on frequency components. Where γ in equation (17)
Since the spread of m and ρ vm in the frequency direction is not normally spread over the entire frequency direction, this convolution can be calculated as a circular convolution.
分解と書いたのは、式(13)の後に書いたことを意味す
る。海面残響部分の寄与、海底残響部分の寄与も同様に
して計算できる。 The word “decomposition” means that it is written after the equation (13). The contribution of the sea surface reverberation part and the seabed reverberation part can be calculated in the same manner.
さて、本発明者が先に提案した残響模擬方法との関係を
見るには、式(12)で、すべてのmに対し、hm,m′=1と
すればよい。すなわち、 の更新は、ピング毎に行い、一回のピング内において
は、一度設定した値の組をそのまま使う場合が、従来の
残響模擬方法に相当するのがわかる。Now, to see the relationship with the reverberation simulation method previously proposed by the present inventor, it is sufficient to set h m, m ′ = 1 for all m in equation (12). That is, It can be seen that the update of is performed for each ping, and that a set of values set once is used as it is in a single ping, which corresponds to the conventional reverberation simulation method.
従来のアップデートアルゴリズムとの関係を見るには、
式(12)について、ξの表式として、次の形を使う。To see the relationship with traditional update algorithms,
For the expression (12), the following form is used as the expression of ξ.
ξm(t)=kmδ(t-τm) ここで、 <kmkm′*>=δm,m′|tm-tm-1| であり、τmの分布関数は、区間tm-1<t≦tmでは、1
/(tm-tm-1)、その外では0とする。この表式が式1
3)を満たすのは、容易にわかる。この式を使うと残響
の式(14)は、次のようになる。 ξ m (t) = k m δ (t-τ m) where, <k m k m '* > = δ m, m' | t m -t m-1 | a is the distribution function of tau m is , In the interval t m-1 <t ≦ t m , 1
/ (T m -t m-1 ), otherwise 0. This expression is Equation 1
It is easy to understand that 3) is satisfied. Using this equation, the reverberation equation (14) becomes:
この式を見ると、従来のアップデートアルゴリズムの考
え方に相当するドップラー成分についてのランダム化に
よる更新に加えて、散乱体とプラットフォームとの相対
距離のランダムさに対応するτmの影響が考慮されてい
るのがわかる。 Looking at this equation, in addition to updating by Doppler component randomization, which is equivalent to the idea of conventional updating algorithms, the effect of τ m corresponding to the randomness of the relative distance between the scatterer and the platform is considered. I understand.
このように、本発明の残響模擬方式は、従来の方法より
もさらに柔軟な乱数の更新を可能にしているのがわか
る。Thus, it can be seen that the reverberation simulation method of the present invention enables more flexible updating of the random number than the conventional method.
[発明の効果] 以上のようにこの発明の残響模擬方式においては、マス
ターDDMを計算するための処理に要する手間が大幅に
軽減される。また、模擬残響信号生成時の計算について
も計算量が軽減され、乱数の更新方法を柔軟に設定でき
る。これらの特徴にも拘わらず、生成される残響信号
は、必要な統計的性質を満たしている。[Effects of the Invention] As described above, in the reverberation simulation method of the present invention, the labor required for the processing for calculating the master DDM is significantly reduced. Further, the calculation amount for the calculation at the time of generating the simulated reverberation signal is also reduced, and the updating method of the random number can be flexibly set. Despite these features, the reverberant signal produced meets the required statistical properties.
また、プラットフォームの運動についてあらかじめ定ま
っている場合については、REVGENオープンループ
におけるように、マスターDDMの計算までをあらかじ
め行っておき、乱数を使っての残響の生成部分のみ実時
間で実行するという使い方も可能である。この場合も、
本発明の方式では、マスターDDMの計算に乱数発生は
必要としないので、計算の手間は大幅に軽減される。In addition, when the movement of the platform is predetermined, as in the REVGEN open loop, the calculation of the master DDM is performed in advance, and only the reverberation generation part using random numbers is executed in real time. It is possible. Also in this case,
According to the method of the present invention, the random number generation is not required for the calculation of the master DDM, so that the calculation labor is greatly reduced.
第1図は本発明に係る残響模擬方式の実施例において考
えた海中の三つの領域の模式図、第2図は実施例の場合
のブロックダイヤグラム、第3図は第2図に現れるマス
ターDDMの計算方法を示したブロックダイヤグラムで
ある。FIG. 1 is a schematic diagram of three regions in the sea considered in the embodiment of the reverberation simulation method according to the present invention, FIG. 2 is a block diagram in the case of the embodiment, and FIG. 3 shows a master DDM appearing in FIG. It is a block diagram showing a calculation method.
Claims (1)
し、送信ビーム数を1本、受信ビーム数をL本としたと
き、 第i成分をL本のうちのi番目の受信ビームで観測され
る残響とするL−列ベクトル、Δfn:音響センサーが配
置されるプラットフォームとn番目の散乱体の運動によ
るドップラーシフト、 θn:n番目の散乱体によるフェーズシフト、 rn:プラットフォームとn番目の散乱体との相対距離、 St(t):送信波形(時間t<0で0とする)、 c:音速、 n番目の散乱体の散乱強度とビームパターンから求めら
れるL−列ベクトル、とする。]から導いたシミュレー
シヨンに適した形のドップラー密度行列(DDM)の模擬式 [但し、添字m(m=1,2,…)により、時間軸を(0=to
<tl<…<tm<…)と区切ったときの区間tm-1<t≦tm
での対応する代表値を表し、 :周波数、 それぞれが独立な単位複素正規ホワイトノイズを成分と
するL−列ベクトル、 ξm(t):単位複素正規ホワイトノイズ、L×L行列とな
るマスターDDM は、 から求められる。ここで、 α:吸収係数、 rm:ctm/2 Ω:プラットフォームを中心とする立体角、 第i成分をm番目の時間区間におけるi番目の受信ビー
ムパターンと送信時のビームパターン(いずれもビーム
毎に位相差を含めておく)の積とするL−列ベクトル、 am(Ω):散乱体の散乱強度に関係する振幅(正の実数
とする)、 ρm(f,Ω):Ω、tに対応する領域内の散乱体の運動に
よるドップラーシフトについての確率密度関数、 Fm(Ω):立体角Ω方向の、プラットフォームの運動に
よるドップラーシフト、 エルミート共役、とする。] 及び、これから導かれる残響模擬式 を用いて水中残響を模擬する信号を生成することを特徴
とする残響模擬方式。1. F. O. M. Reverberation formula by theory [However, the subscript n represents an amount relating to each scatterer, and when the number of transmission beams is 1 and the number of reception beams is L, L-column vector with the i-th component being the reverberation observed in the i-th received beam of L, Δf n : Doppler shift due to the motion of the platform where the acoustic sensor is arranged and the n-th scatterer, θ n : Phase shift due to the nth scatterer, r n : relative distance between the platform and the nth scatterer, St (t): transmission waveform (0 at time t <0), c: speed of sound, Let L-column vector obtained from the scattering intensity of the nth scatterer and the beam pattern. ], The simulation formula of the Doppler density matrix (DDM) of the form suitable for the simulation [However, with the subscript m (m = 1,2, ...), the time axis is (0 = t o
<T l <... <t m <...) section t m-1 <t ≤ t m
Represents the corresponding representative value in L-column vector each having independent complex normal white noise as a component, ξ m (t): unit complex normal white noise, master DDM that is an L × L matrix Is Required from. Where α: absorption coefficient, r m : ct m / 2 Ω: solid angle centered on the platform, An L-column vector in which the i-th component is the product of the i-th received beam pattern in the m-th time section and the beam pattern at the time of transmission (both include the phase difference for each beam), a m (Ω): Amplitude related to the scattering intensity of the scatterer (assuming a positive real number), ρ m (f, Ω): Ω, probability density function for Doppler shift due to motion of the scatterer in the region corresponding to t, F m ( Ω): Doppler shift due to platform motion in the solid angle Ω direction, Hermitian conjugation. ] And the reverberation simulation formula derived from this A reverberation simulation method characterized by generating a signal simulating underwater reverberation using.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| JPH03140888A JPH03140888A (en) | 1991-06-14 |
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-
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