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【発明の名称】 航行物体までの距離検出装置および距離検出方法
【発明者】 【氏名】碓村 仁啓

【氏名】河端 康司
【要約】 【課題】音波を発信することなく航行する船舶までの距離を検出し得る距離検出装置を提供する。

【解決手段】船舶の航走音を海面下で受信する音波受信器１１と、この音波受信器からの音波信号に１回および２回微分を施し音波受信器に対して船舶が最も接近する地点およびこの最接近位置に対して４５度方向の地点を通過する時点を検出する測定位置通過時点検出部２１と、上記音波信号の周波数スペクトル解析を行う周波数解析部２２と、上記各通過時点および周波数スペクトル解析結果を入力して、ドップラー効果により生じる周波数のシフト量に基づき船舶の速度を求める速度計算部２３と、２回微分された音波波形の最接近位置における値を検出する微分値検出部２４と、この２回微分値と船舶の速度を入力して、最接近位置までの距離を計算する距離計算部２５とから構成したもの。
【特許請求の範囲】
【請求項１】海面または海中を航行する航行物体から発される航走音を海面下にて受信する音波受信器と、この音波受信器からの音波信号に１回および２回微分を施して音波受信器に対して航行物体が最も接近する地点を通過する第１通過時点およびこの最接近位置に対して４５度方向の地点を通過する第２通過時点を検出する測定位置通過時点検出部と、上記音波受信器からの音波信号を入力して所定時間毎に音波信号の周波数スペクトル解析を行う周波数解析部と、上記測定位置通過時点検出部からの第１および第２通過時点並びに周波数解析部からの周波数スペクトル解析結果をそれぞれ入力して、ドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求めるとともに、このずれ量から第２通過時点での航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出する速度計算部と、上記２回微分された音波波形の第１通過時点における２回微分値および上記速度計算部により求められた速度を入力して、最接近位置までの距離を計算する距離計算部とから構成したことを特徴とする航行物体までの距離検出装置。
【請求項２】海面または海中を航行する航行物体から発される走行音を海面下に設けられた音波受信器により受信し、この音波受信器からの音波信号に１回および２回微分を施して、音波受信器に対して航行物体が最も接近する地点を通過する第１通過時点およびこの最接近位置に対して４５度方向の地点を通過する第２通過時点を検出し、上記音波受信器からの音波信号を入力して所定間隔毎に周波数スペクトル解析を行い、第１通過時点と第２通過時点との周波数スペクトル解析結果からドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求め、このずれ量に基づき第２通過時点における航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出し、次に上記２回微分された音波波形の第１通過時点における２回微分値および上記速度計算部で求められた速度に基づき、音波受信器から最接近位置までの距離を検出することを特徴とする航行物体までの距離検出方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、航行物体までの距離検出装置および距離検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、海面（または海中）を航行する船舶までの距離を検出するものとしては、アクティブ方式の装置がある。
【０００３】このアクティブ方式は、船舶が航行する海域の海底に、船舶を検出するための音波発信器および受信器が設けられた検出装置を配置しておき、音波発信器から発射（送信）された音波が船舶に反射して戻ってきた音波を受信器にて受信し、このときの音波の送受信間隔に海中での音速を掛け算することにより、音波発信器から船舶までの距離を検出するものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述したアクティブ方式の装置によると、自ら音波を発信するとともに、所定地域の海面に向けて設置する必要があるという問題があった。
【０００５】そこで、本発明は、自ら音波を発信することなく、かつ設置を容易に行い得る航行物体までの距離検出装置および距離検出方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明の航行物体までの距離検出装置は、海面または海中を航行する航行物体から発される航走音を海面下にて受信する音波受信器と、この音波受信器からの音波信号に１回および２回微分を施して音波受信器に対して航行物体が最も接近する地点を通過する第１通過時点およびこの最接近位置に対して４５度方向の地点を通過する第２通過時点を検出する測定位置通過時点検出部と、上記音波受信器からの音波信号を入力して所定時間毎に音波信号の周波数スペクトル解析を行う周波数解析部と、上記測定位置通過時点検出部からの第１および第２通過時点並びに周波数解析部からの周波数スペクトル解析結果をそれぞれ入力して、ドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求めるとともに、このずれ量から第２通過時点での航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出する速度計算部と、上記２回微分された音波波形の第１通過時点における値および上記速度計算部により求められた速度を入力して、最接近位置までの距離を計算する距離計算部とから構成したものである。
【０００７】また、本発明の航行物体までの距離検出方法は、海面または海中を航行する航行物体から発される走行音を海面下に設けられた音波受信器により受信し、この音波受信器からの音波信号に１回および２回微分を施して、音波受信器に対して航行物体が最も接近する地点を通過する第１通過時点およびこの最接近位置に対して４５度方向の地点を通過する第２通過時点を検出し、上記音波受信器からの音波信号を入力して所定間隔毎に周波数スペクトル解析を行い、第１通過時点と第２通過時点との周波数スペクトル解析結果からドップラー効果により生じる周波数のずれ量を求め、このずれ量に基づき第２通過時点における航行物体の音波受信器方向での速度成分を求めた後、この速度成分から航行物体の進行方向での速度を検出し、次に上記２回微分された音波波形の第１通過時点における２回微分値および上記速度計算部で求められた速度に基づき、音波受信器から最接近位置までの距離を検出する方法である。
【０００８】上記の各構成によると、海面または海中を航行する航行物体からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のずれ量を求め、そしてこのずれ量にドップラー効果の式を適用することにより、航行物体の速度を検出するとともに、この速度および第１通過時点における音波信号の２回微分値を使用して、船舶までの距離を検出するようにしたので、速度検出のための信号を出力する必要がなく、またその検出方向についても全方位的である。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態における航行物体までの距離検出装置および距離検出方法を、図１〜図４に基づき説明する。
【００１０】本実施の形態においては、航行物体として、海面（水面も含む）を航行する船舶の場合について説明する。本実施の形態における距離検出方式は、図１に示すように、距離検出装置１の内、少なくとも音波受信器（音響センサーの一例で、より具体的には、音圧センサーが用いられる）１１を所定海域の海底に設置しておき、船舶２がこの海域を航行する際に、船舶２から発される航走音の音波を受信して、航行している船舶２の速度を検出し、そしてこの速度を所定の計算式に代入して、最接近位置における船舶までの距離を検出するものである。
【００１１】まず、距離検出装置の構成および距離検出の原理について説明する。図２に示すように、この距離検出装置１は、海底（または、海中）に設置されて海面を航行する船舶２から発される航走音などの音波を受信する音波受信器１１と、この音波受信器１１で受信された音波信号（音圧信号）を増幅器１２で増幅した後入力するとともに所定の演算を行い、船舶２の速度およびこの速度に基づき船舶２までの距離を検出する演算処理部（ディジタルシグナルプロセッサー、マイクロコンピュータなどから構成されている）１３と、例えば陸上に設けられた基地局などのその検出速度を送信する送信部１４とから構成されている。
【００１２】上記演算処理部１３は、増幅器１２で増幅された音波信号を入力して、音波受信器１１に対して予め設定された２個所の測定位置を船舶が通過した時点を検出する測定位置通過時点検出部２１と、同じく上記増幅器１２からの音波信号を入力して、音波信号の周波数スペクトル解析（ＦＥＴ解析）を行う周波数解析部２２と、上記測定位置通過時点検出部２１からの通過時点および周波数解析部２２からの解析結果を入力して、ドップラー効果を利用して船舶２の速度を計算する速度計算部２３と、音波受信器１２からの音波信号を２回微分（この構成については後述する）して得られた値の内、第１通過時点における２回微分値を検出する微分値検出部２４と、上記速度計算部２３で求められた速度とこの微分値検出部２４で求められた２回微分値とに基づき所定の計算を行い、船舶２までの距離を計算する距離計算部２５とから構成されている。
【００１３】上記測定位置通過時点検出部２１は、増幅された音波信号から必要な帯域分を取り出すバンドパスフィルタ（またはローパスフィルタ）などのフィルタ部３１と、この帯域で取り出された音波信号から所定の信号波形を取り出す検波回路部３２と、この取り出された信号波形を微分する第１微分回路部３３と、この第１微分回路部３３で微分された信号波形をさらに微分する第２微分回路部３４と、上記第１微分回路部３３で得られた１回微分による信号波形のゼロ点を求める第１通過時点検出部３５と、上記第２微分回路部３４で得られた２回微分による信号波形のゼロ点を求める第２通過時点検出部３５とから構成されている。
【００１４】ここで、上記１回微分および２回微分により、船舶２の通過時点、すなわち２つの測定対象位置を決定した理由について説明する。上述したように、船舶２の速度をドップラー効果を用いて検出するように説明したが、この場合、まず所定速度で航行する船舶２の音波信号を異なる２個所で測定して得られた両周波数のずれ量（以下、シフト量という）を求め、次にこのシフト量をドップラー効果の式に適用して、真の（進行方向での）船舶２の速度を求めるのであるが、このドップラー効果の式を適用する際に、シフトが生じていない基本周波数を知る必要がある。このため、船舶２が音波受信器１１に最も接近した位置（最接近位置）Ａを通過した時点の周波数を検出することにより、基本周波数を知ることができる。
【００１５】すなわち、この基本周波数は音波受信器１１にて測定した音圧レベルが最も高い（強い）時点における周波数であり、この音圧レベルが最も高い位置は、音波信号（音圧レベル信号）を１回微分したとき、その値がゼロとなるときである。
【００１６】次に、２回微分をする理由であるが、ドップラー効果により求められた船舶２の速度は、船舶２における速度の内、音波受信器１１に対する速度成分であり、この速度成分から船舶２の進行方向での真の速度を求める必要がある。このため、この速度成分の方向と進行方向との交差角θを知る必要がある（図４参照）。
【００１７】この交差角θを、単に、船舶２から受信した音波信号から知ろうとすると、２回微分することにより、音圧レベルの変化点、すなわち交差角θが４５度である地点を容易に知り得るからである。
【００１８】以下、上記事項を具体的に説明する。図１に示すように、海底に設置された速度検出装置１の音波受信器１１の位置を、三次元座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）での原点（０，０，０）とするとともに、航行する船舶２の三次元座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、船舶２と音波受信器１１との相対距離（直線距離）ｒは、下記の（１）式にて表わされる。なお、（１）式を変形して、船舶２と音波受信器１１との最接近距離ｄで表わすと、（２）式のようになる。
【００１９】
【数１】

【００２０】また、船舶２から発される音波の受波レベルの距離減衰に関しては、下記の（３）式が成立する。
ＲＬ＝ＳＬ−ＴＬ・・・（３）
（３）式中、ＲＬ：音波受信器での受波レベル（ｄＢ）
ＳＬ：船舶からの音の送波レベル（ｄＢ）
ＴＬ：伝搬損失（ｄＢ）で、ＴＬ＝２０logｒである。
【００２１】上記（３）式に、ｘ＝ｖｔ［ｖは船舶２の速度を示し、ｔは船舶２の現在位置（検出位置）Ｂから水中局１１に対する最接近位置Ａまでの所要時間を示す。］を代入して変形すると、下記（４）式のようになる。
【００２２】
【数２】

【００２３】上記（４）式を１回微分すると、下記（５）式となり、さらに微分して２回微分を行うと、下記（６）式となる。
【００２４】
【数３】

【００２５】そして、上記２回微分した（６）式の値がゼロとなるようにする。すなわち、分子［（ｖｔ）2−ｄ2］の値がゼロとなる条件は、ｖｔとｄとが等しいときであり、このことは、船舶２の現在位置Ｂと船舶２の最接近位置Ａとの交差角θが４５度であることを示している。
【００２６】次に、上記周波数解析部２２は、周波数スペクトル解析の対象となる帯域（例えば、１０００〜１０３０Ｈｚ）だけを抽出するための周波数変換部４１と、この帯域における音波信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部４２と、このＡ／Ｄ変換部４２で変換された信号の周波数スペクトル解析（ＦＥＴ解析）を行う解析部４３と、所定時間毎の解析結果を記録する解析結果記録部４４とから構成されている。
【００２７】上記解析部４３では、所定時間毎に周波数スペクトル解析が行われ、それぞれの解析結果が解析結果記録部４４にて記録保持される。そして、速度計算部２３では、解析結果記録部４４からの解析結果が入力されるとともに、上記各通過時点検出部３５，３６で得られた通過時点すなわち通過時刻が入力されて、図３に示すように、速度の計算に必要な測定位置（Ａ，Ｂ）に応じて、すなわち基本周波数を示している基本スペクトラムｆ0および交差角θが４５度の時のシフトスペクトラムｆDに基づき、両測定位置におけるスペクトラムのシフト量ＦDが求められる。
【００２８】以下、シフト量ＦDに基づき船舶２の音波受信器１１方向での速度ｖrを求める手順を説明する。ドップラー効果の基本式から、下記（７）式が求まる。
【００２９】
ｆD＝｛ｃ／（ｃ−ｖr）｝×ｆ0・・・（７）
但し、ｃは音速を表わす。ここで、シフト量ＦDは下記（８）式にて表わされる。
【００３０】ＦD＝ｆD−ｆ0・・・（８）
上記（８）式に（７）式を代入すると、シフト量ＦDは、下記（９）式で表わされる。
【００３１】
ＦD＝｛ｃ／（ｃ−ｖr）｝×ｆ0−ｆ0＝｛ｖr／（ｃ−ｖr）｝×ｆ0・・・（９）
上記（９）式を変形して、ｖrを求めると、下記（１０）式のようになる。
【００３２】
ｖr＝ＦD×ｃ／（ＦD＋ｆ0）
＝（ＦD×ｃ）／ｆD・・・（１０）
上記（１０）式より、ｖrが求められると、下記（１１）式により、船舶２の進行方向での速度ｖが求められる。
【００３３】ｖ＝ｖr／ｓｉｎθ・・・（１１）
また、上記微分値検出部２４においては、音波信号を２回微分した波形信号の値の内、第１通過時点Ａにおける２回微分値（値が正の場合には最大値、値が負の場合には最小値である）（−Ｈ）および速度計算部２３で求められた速度ｖに基づき、船舶３までの最接近距離（最短距離）ｄが計算される。
【００３４】以下、この計算手順について説明する。この計算においては、上記受波レベルを示す（３）式を２回微分して得られた（６）式を使用する。
【００３５】すなわち、最接近位置Ａにおける船舶２の位置（ｔ＝０の時）を求めるため、（６）式にｔ＝０を代入すると、下記（１２）式が得られる。
【００３６】
【数４】

【００３７】ところで、ｔ＝０の時の上記（１２）式の左辺の値は−Ｈであるため、下記（１３）式が成立する。（１３）式を変形して、ｄを求めると、下記（１４）式のようになる。
【００３８】
【数５】

【００３９】次に、上記距離検出装置により、船舶までの最接近距離（最短距離）の検出方法を概略的に説明する。まず、音波受信器１１にて海面を航行する船舶２の航走音の音波を受信する。
【００４０】この受信された音波信号は増幅器１２で増幅された後、測定位置通過時点検出部２１に入力され、ここで１回微分および２回微分が施されて、音波受信器１１からの最接近位置Ａおよび４５度位置Ｂを通過した時刻が検出される。
【００４１】一方、増幅器１２で増幅された音波信号は、測定位置通過時点検出部２１と並列に、周波数解析部２２に入力され、ここで所定時間毎の周波数スペクトラムが求められる。
【００４２】そして、測定位置通過時点検出部２１における第１および第２通過時点検出部３５，３６で得られた最接近位置Ａおよび４５度位置Ｂの各通過時刻および周波数解析部２２での解析結果が速度計算部２３に入力される。
【００４３】ここでは、図３に示すように、各位置Ａ，Ｂでの各通過時刻に対応する周波数スペクトラムを示すグラフから周波数のシフト量ＦDが求められた後、上記（１０）式に基づき、音波受信器１１方向での速度成分ｖrが求められ、さらに（１１）式から、進行方向での船舶２の真の速度ｖが求められる。
【００４４】次に、上記第２微分回路部３４で求められた値が微分値検出部２４に入力され、ここで第１通過時点Ａにおける２回微分値である最小値（−Ｈ）が求められる。
【００４５】そして、上記船舶２の速度ｖおよび最小値（−Ｈ）が距離計算部２５に入力されて、船舶２の最接近位置Ａまでの距離、すなわち最短距離ｄが計算される。なお、この求められた最短距離ｄは送信部１４を介して陸上の基地局に送られ、例えばモニターなどに表示される。
【００４６】このように、海面を航行する船舶からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のシフト量を求め、そしてこのシフト量にドップラー効果の式を適用して、船舶の速度を検出するとともに、音波信号の２回微分値を使用して、船舶までの最短距離を検出するようにしたので、従来のように、距離検出装置側からわざわざ検出用信号を出力する必要がないとともに、その検出方向については無指向性であるため、方位角検出器を使用するものに比べて、その設置を極めて容易に行うことができる。
【００４７】ところで、上記実施の形態においては、海面上を航行する船舶までの距離を検出する場合について説明したが、海中（水中も含む）を航行する物体例えば潜水艦までの距離の検出にも適用することができる。
【００４８】
【発明の効果】以上のように本発明の距離検出装置および距離検出方法によると、海面または海中を航行する航行物体からの航走音を音波受信器にて受信するとともに、異なる通過地点における両周波数のずれ量を求め、そしてこのずれ量にドップラー効果の式を適用して航行物体の速度を検出するとともに、この速度および第１通過時点における音波信号の２回微分値を使用して、船舶までの距離を検出するようにしたので、従来のように、距離検出装置側から検出用信号を出力する必要がないとともに、その検出方向については無指向性であるため、方位角検出器を使用するものに比べて、その設置を極めて容易に行うことができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５１１９
【氏名又は名称】日立造船株式会社
【出願日】 平成１０年（１９９８）３月２６日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】森本 義弘
【公開番号】 特開平１１−２７１４４５
【公開日】 平成１１年（１９９９）１０月８日
【出願番号】 特願平１０−７８１７９