トップ :: G 物理学 :: G01 測定;試験




【発明の名称】 航行物体の速度検出装置および速度検出方法
【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の速度を検出し得る速度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微分処理を施し音波受信器に対して船舶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２１と、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２２と、上記測定位置通過時点検出部からの第１，第２通過時点および周波数解析部２２からの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を求めるとともに、このシフト量から第２通過時点での船舶の音波受信器方向における速度成分を求めた後、この速度成分から船舶の進行方向での速度を検出する速度計算部２３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微分処理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から構成したことを特徴とする航行物体の速度検出装置。
【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微分処理を施して、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することを特徴とする航行物体の速度検出方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、航行物体の速度検出装置および速度検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、海面（または海）を航行する船舶の速度を検出する方式としては、アクティブ方式およびパッシブ方式がある。
【０００３】アクティブ方式のものは、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、そのドップラー効果を利用して、船舶の速度を検出するものである。
【０００４】一方、パッシブ方式のものは、海底の異なる２個所に音波受信装置を配置しておき、船舶から発される航走音を時間差を設けて２個所で検出することにより、時間差から船舶の速度を求めるものである。
【０００５】
【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ものによると、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り、また上記パッシブ方式のものによると、各音波受信装置に３個の方位角検出器を必要とし、したがって合計６個の方位角検出器を必要とするとともに、やはりその方位角検出器の設置方向を所定海域の海面に向けて設置する必要があり、非常に面倒であるという問題があった。
【０００６】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の速度検出装置および速度検出方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明の航行物体の速度検出装置は、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微分処理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から構成したものである。
【０００８】また、本発明の航行物体の速度検出方法は、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微分処理を施して、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、上記第１通過時点および第２通過時点における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する方法である。
【０００９】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。
【００１０】
【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の速度検出装置および速度検出方法を、図１〜図４に基づき説明する。
【００１１】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速度検出方式は、図１に示すように、速度検出装置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の速度を自動的に検出するものである。
【００１２】まず、速度検出装置の構成および速度検出原理について説明する。図２に示すように、この速度検出装置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。
【００１３】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、ドップラー効果から船舶２の速度を計算する速度計算部２３とから構成されている。
【００１４】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。
【００１５】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。
【００１６】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。
【００１７】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）。
【００１８】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。
【００１９】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。
【００２０】
【数１】

【００２１】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。
【００２２】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。
【００２３】
【数２】

【００２４】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。
【００２５】
【数３】

【００２６】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。
【００２７】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。
【００２８】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。
【００２９】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。
【００３０】
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。
【００３１】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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】ｖ＝ｖr／ｓｉｎθ・・・（１１）
次に、上記速度検出装置により、船舶の速度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。
【００３５】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。
【００３６】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。
【００３７】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。
【００３８】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。
【００３９】なお、この求められた速度ｖ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。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ようにしたので、従来のように、速度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。
【００４０】ところで、上記実施の形態においては、周波数解析部２２を１つだけ設けたが、例えば図５に示すように、周波数解析部２２，２２′を、並列に２個設けることもできる。この場合、周波数スペクトル解析の対象となる周波数帯域が互いに異なるようにされるとともに、それぞれの周波数解析部２２，２２′に応じて速度計算部２３，２３′が設けられ、そしてこれら両速度計算部２３，２３′で得られた速度が速度計算結果照合部５１に入力されて照合が行われ、速度の検出精度の向上が図られる。
【００４１】また、上記実施の形態においては、海面上を航行する船舶の速度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などの速度の検出にも適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】以上のように本発明の速度検出装置および速度検出方法によると、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ようにしたので、従来のように、速度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１１−２７１４４６
【公開日】 平成１１年（１９９９）１０月８日
【出願番号】 特願平１０−７８１８０