JPH0660841B2 - 残響模擬方式 - Google Patents
残響模擬方式Info
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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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- Japan
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- reverberation
- scatterer
- ddm
- simulation
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- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
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。
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。
（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。
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。
（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。
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。
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。
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。
参考文献を以下に示す。
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。
1-123120． 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。
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。
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。
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。
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。
［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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
号の意味は、以下の通りである。
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。
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。
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。
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）。
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）。
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。
の違いによる位相差をあらかじめ考慮しておく。
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。
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。
［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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
式(13)と式(6),(8)より、残響の式として、 を得る。
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。
(14)が、残響模擬の基本式となる。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
る。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
うになる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
式(12)について、ξの表式として、次の形を使う。
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。
／（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。
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。
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。
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。
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。
［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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (1)
- 【請求項１】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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27728889A JPH0660841B2 (ja) | 1989-10-26 | 1989-10-26 | 残響模擬方式 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27728889A JPH0660841B2 (ja) | 1989-10-26 | 1989-10-26 | 残響模擬方式 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03140888A JPH03140888A (ja) | 1991-06-14 |
| JPH0660841B2 true JPH0660841B2 (ja) | 1994-08-10 |
Family
ID=17581449
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27728889A Expired - Lifetime JPH0660841B2 (ja) | 1989-10-26 | 1989-10-26 | 残響模擬方式 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0660841B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3411841B2 (ja) * | 1998-12-04 | 2003-06-03 | リオン株式会社 | 故障診断方法および故障診断器 |
| JP4568413B2 (ja) * | 2000-09-08 | 2010-10-27 | 三菱重工業株式会社 | 振動子対応音響模擬装置 |
| CA2950875C (en) * | 2014-06-09 | 2019-04-16 | Nec Corporation | Target detection device |
| CN111650159B (zh) * | 2020-06-17 | 2023-07-18 | 自然资源部第一海洋研究所 | 一种海面反向散射强度测量方法 |
-
1989
- 1989-10-26 JP JP27728889A patent/JPH0660841B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03140888A (ja) | 1991-06-14 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |