| 【発明の名称】 |
パッシブ弾着標定装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】富岡 義幸
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| 【要約】 |
【課題】安全性に優れ、低コストで簡易な構成で弾着の爆音検出を行うことにより弾着位置の標定を自動的に実行可能とするパッシブ弾着標定装置を得る。
【解決手段】少なくとも３つの観測点にマイクロホンを設け、各観測点における砲弾の弾着時に発生する爆音を当該マイクロホンで検出し、各観測点での爆音検出時刻、観測間距離および音速度とから弾着位置を標定する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 砲弾の弾着時に発生する爆音をパッシブに検出する、距離の離れた位置に少なくとも３台配置された標定マイクロホンと、上記標定マイクロホンの位置をそれぞれ検出する位置センサと、上記標定マイクから出力される音響信号から爆音をそれぞれ検出し、それぞれの検出タイミングを出力する爆音検出手段と、上記爆音検出手段からの検出タイミングをそれぞれ受け、それぞれの検出時刻を発生する基準時刻発生手段と、上記それぞれの基準時刻発生手段からの検出時刻から各々の検出時刻差を検出する時刻差検出手段と、大気の音響伝搬速度を記録した音速度テーブルと、上記時刻差検出手段の出力と上記音速度テーブルの出力とから各々の弾着観測距離差を演算する弾着観測距離差演算手段と、各々の上記位置センサの出力から観測間距離を検出する位置差検出手段と、上記弾着観測距離差演算手段の出力と上記位置差検出手段の出力とから弾着位置を標定する弾着位置標定演算手段とを備えたことを特徴とするパッシブ弾着標定装置。
【請求項２】 砲弾の弾着時に発生する爆音をパッシブに検出する、距離の離れた位置に少なくとも３台配置された標定マイクロホンと、上記標定マイクロホンの位置をそれぞれ検出する位置センサと、上記標定マイクから出力される音響信号から爆音をそれぞれ検出し、それぞれの検出タイミングを出力する爆音検出手段と、上記爆音検出手段からの検出タイミングをそれぞれ受け、それぞれの検出時刻を発生する基準時刻発生手段と、上記それぞれの基準時刻発生手段からの検出時刻から各々の検出時刻差を検出する時刻差検出手段と、大気温度を計測する大気温センサと、上記大気温センサ出力の大気温度から音速度を算出する音速度演算手段と、上記時刻差検出手段の出力と上記音速度演算手段の出力とから各々の弾着観測距離差を演算する弾着観測距離差演算手段と、各々の上記位置センサの出力から観測間距離を検出する位置差検出手段と、上記弾着観測距離差演算手段の出力と上記位置差検出手段の出力とから弾着位置を標定する弾着位置標定演算手段とを備えたことを特徴とするパッシブ弾着標定装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、砲弾の弾着観測が必要であるシステムにおいて用いられる弾着位置を標定するためのパッシブ弾着標定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図５はパッシブ弾着標定装置が適用されるシステムの一例を示す。このシステムは、火砲５０から発射された砲弾５１が弾着点１に到達した時、複数の観測地点に設置されたパッシブ弾着標定装置４９によって弾着位置を標定するために用いられる。
【０００３】図６は従来の弾着標定装置を示す構成図である。図において５４は砲弾の弾着点１方向からの入射光５２を撮像する撮像カメラ、５７は撮像カメラ５４からのビデオ信号５６を入力とし観測状況５８を表示出力する観測状況表示器、５９は測距指令６３の入力を受け弾着点１までの距離を測距レーザ光５３を発射、計測しレーザ弾着距離６２を出力するレーザ測遠器、６１は撮像カメラ５４とレーザ測遠器５９を各々カメラ位置調整機構５５およびレーザ位置調整機構６０を介して搭載し、方向制御指令６４により可動する搭載架台である。
【０００４】従来の弾着標定装置は上記のように構成され、次のように動作する。撮像カメラ５４の入射光５２方向である視軸方向と、レーザ測遠器５９の測距レーザ光５３方向であるレーザ光軸は、搭載架台６１上にて同一方向を指向するようにカメラ位置調整機構５５及びレーザ位置調整機構６０を介して取り付けられる。従って、弾着点１を含む入射光５２を撮像カメラ５４にて撮像し、観測状況表示器５７の出力の観測状況５８から弾着点１を観測し、観測された弾着点１方向となるように方向制御指令６４を入力し搭載架台６１を可動させ、その後、測距指令６３を入力することによりレーザ測遠器５９からレーザ弾着観測距離６２が計測できる。
【０００５】図７は、従来の弾着標定装置の操作方法を示す図である。図７において６５は撮像カメラ５４の視軸方向と一致するように方向調整されたレーザ光軸方向である。図７（ａ）は弾着時の観測状況５８を示すものであり、観測された弾着点１は、レーザ光軸方向６５とずれた位置にあることを示す。図７（ｂ）は、レーザ測遠器５９の計測を可能とするため、方向制御指令６４により搭載架台６１を可動させ、観測された弾着点１とレーザ光軸方向６５を一致させた状況を示すものである。このように、従来の弾着標定装置では、弾着時に弾着点１を観測状況５８から検出し、レーザ光軸方向６５を弾着点１方向と一致させるよう搭載架台６１を可動させた後、レーザ測遠器５９によりレーザ弾着観測距離６２の計測を行うものである。このような弾着標定装置を離れた観測位置に２台以上使用することにより、各々の観測位置から観測された弾着点までの距離から弾着位置を標定することが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の弾着標定装置では、撮像カメラ５４により観測した弾着点方向に対して、長距離計測が可能なアクティブな観測手段であるレーザ測遠器５９を利用するものである。長距離計測が可能なレーザ測遠器５９は出力が大きく誤検知、誤動作時の人身に対する安全性の面から、撮像カメラ５４の観測した弾着点方向の検出から距離測定までの自動化が困難であるため、弾着地付近での危険作業だが操作員が操作を行う必要があるといった問題があった。また、距離測定のためにはレーザ光軸方向６５を精密に弾着点方向に合わせるための操作及び構成が必要であり、長距離計測が可能なレーザ測遠器５９と合わせ、高価な装置となるといった問題があった。
【０００７】この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、砲弾が弾着する時に発生する爆音のみを利用するため、操作員が弾着方向を注視する必要が無くなり、また、センサとして低コストなマイクロホンを適用することで指向性制約の少ない簡易な構成を可能とし、安全性上の問題を解消することで、低コスト、取り扱いが容易な簡易な構成にて、昼夜間に係わらず、無人化及び弾着位置の自動計測を可能とするパッシブ弾着標定装置を得ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】第１の発明によるパッシブ弾着標定装置は、砲弾の弾着時に発生する爆音をパッシブに検出する、距離の離れた位置に少なくとも３台配置された標定マイクロホンと、上記標定マイクロホンの位置をそれぞれ検出する位置センサと、上記標定マイクから出力される音響信号から爆音をそれぞれ検出し、それぞれの検出タイミングを出力する爆音検出手段と、上記爆音検出手段からの検出タイミングをそれぞれ受け、それぞれの検出時刻を発生する基準時刻発生手段と、上記それぞれの基準時刻発生手段からの検出時刻から各々の検出時刻差を検出する時刻差検出手段と、大気の音響伝搬速度を記録した音速度テーブルと、上記時刻差検出手段の出力と上記音速度テーブルの出力とから各々の弾着観測距離差を演算する弾着観測距離差演算手段と、各々の上記位置センサの出力から観測間距離を検出する位置差検出手段と、上記弾着観測距離差演算手段の出力と上記位置差検出手段の出力とから弾着位置を標定する弾着位置標定演算手段とを備えたものである。
【０００９】また、第２の発明によるパッシブ弾着標定装置は、上記音速度テーブルに代えて大気温度により変化する大気の音響伝搬速度を自動的に得るための大気温検出手段と、大気音による音速度を算出する音速度演算手段とを設けたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１を示す構成図である。図において１は弾着点、２は弾着時に弾着点からある１つの観測地点方向へ発生する爆音Ａ、３は別の観測地点方向へ発生する爆音Ｂ、４はさらに別の観測地点方向へ発生する爆音Ｃ、５は爆音を入力し音響信号を出力する標定マイクロホン（以下標定マイクという）であり、ある１つの観測地点では爆音Ａ２の入力に対して音響信号Ａ７を出力し、他の観測地点でも同様に機能する。６は標定マイク５の観測地点位置を検出し検出位置を出力する位置センサであり、ある１つの観測地点では検出位置Ａ１０を出力し、他の観測地点でも同様に機能する。１３は音響信号から爆音を検出し検出タイミングを出力する爆音検出回路であり、ある１つの観測地点では音響信号Ａ７の入力に対して検出タイミングＡ１４を出力し、他の観測地点でも同様に機能する。１７は検出タイミングの発生時刻を検出時刻として出力する基準時刻発生器であり、ある１つの観測地点では検出タイミングＡ１４の入力に対して検出時刻Ａ１８を出力し、他の観測地点でも同様に機能する。ここで、標定マイク５、位置センサ６、爆音検出回路１３、基準時刻発生器１７は、各々別の観測地点に設置して使用されるものであり、各々の観測地点での検出時刻、検出位置を出力する。また、各観測地点での入出力信号をＡ、Ｂを付けて区別しているが、物理的な意味、動作は同一のものである。２１は各々の検出時刻Ａ１８、検出時刻Ｂ１９、検出時刻Ｃ２０を入力し各々の検出時刻の時間差を検出し検出時刻差２２を出力する時刻差検出回路、２４は検出時刻差２２と音速度２３を入力し各々の観測地点での弾着観測距離差２５を求める弾着観測距離差演算回路、２６は検出位置Ａ１０、検出位置Ｂ１１、検出位置Ｃ１２を入力し各々の観測間距離２７を検出、出力する位置差検出回路、２８は弾着観測距離差２５と観測間距離２７とを入力し弾着標定位置２９を演算、出力する弾着位置標定演算回路、３０は標定された弾着標定位置２９を表示する表示器、３２は設定入力３１により設定された音速度を記憶し音速度２３を出力する音速度テーブルである。
【００１１】上記のように構成されたパッシブ弾着標定装置の弾着位置標定の原理を図３及び図４を用いて説明する。図３は弾着位置標定の原理を説明するための観測系モデルの一例を示す図である。図３において３７は観測系位置のＸ方向座標軸、３８は観測系位置のＹ方向座標軸、３９はある１つの観測地点である観測点Ａ、４０は観測点Ａと離れた位置にある別の観測地点である観測点Ｂ、４１はさらに別の観測地点である観測点Ｃ、４２は弾着点１と観測点Ａ３９との等距離範囲、４３は観測点Ａ３９と観測点Ｂ４０との間の観測間距離ＡＢ、４４は観測点Ａ３９と観測点Ｃ４１との間の観測間距離ＡＣ、４５は弾着点１と観測点Ａ３９との距離と弾着点１と観測点Ｂ４０との距離との差である弾着観測距離差ＡＢ、４６は弾着点１と観測点Ａ３９との距離と弾着点１と観測点Ｃ４１との距離との差である弾着観測距離差ＡＣである。
【００１２】また、弾着点１の座標をＴ（ｘＴ，ｙＴ）、観測点Ａ３９の座標をＡ（０，０）、観測点Ｂ４０の座標をＢ（ＬＯ，０）、観測点Ｃ４１の座標をＣ（ＬＯ’、０）とする。弾着点１に近い観測位置を観測点Ａ３９、観測点Ｂ４０、観測点Ｃ４１の順とし、観測点Ａ３９、観測点Ｂ４０、観測点Ｃ４１がＸ方向座標軸３７上にあるとした場合、観測点Ｂ４０及び観測点Ｃ４１の観測点Ａ３９からの観測間距離ＡＢ４３及び観測間距離ＡＣ４４は各々ＬＯ及びＬＯ’となる。また、弾着点１からの時刻ｔにおける音響伝搬の方程式は、音響が空間的に円形に拡がって行くことから音速度をＶとして、任意の点（ｘ，ｙ）に対し次式により与えられる。ここでＶｔは音響の到達距離を示す。
【００１３】
【数１】
【００１４】弾着からの経過時刻ｔａにおいて爆音Ａ２は観測点Ａ３９に到達するため、（ｘ，ｙ）にＡ（０，０）を代入し次式を得る。ここでＶｔａは弾着点１と観測点Ａ３９との距離を示し、音響は円形に伝搬することから、弾着点１と観測点Ａ３９との等距離範囲４２は半径Ｖｔａの円となる。
【００１５】
【数２】
【００１６】同様にして、観測点Ａ３９に到達後、観測点Ｂ４０及び観測点Ｃ４１では、検出時刻差Δｔ及びΔｔ’だけ遅れて爆音が到達するため、（ｘ，ｙ）にＢ（ＬＯ，０）及びＣ（ＬＯ’，０）を各々代入し次式を得る。ここでＶ（ｔａ＋Δｔ）、Ｖ（ｔａ＋Δｔ’）は各々弾着点１と観測点Ｂ４０、観測点Ｃ４１との距離を示す。
【００１７】
【数３】
【００１８】
【数４】
【００１９】また、各位置の幾何学的関係から観測間距離ＡＢ４３及び観測間距離ＡＣ４４であるＬＯ及びＬＯ’に対して、各々次式を得る。
【００２０】
【数５】
【００２１】
【数６】
【００２２】また、弾着観測距離差ＡＢ４５及び弾着観測距離差ＡＣ４６を各々ｍ及びｍ’とすると、各々次式で与えられる。
【００２３】
【数７】
【００２４】
【数８】
【００２５】ここでは、一例として次式の条件を与える。
【００２６】
【数９】
【００２７】
【数１０】
【００２８】以上の関係式から、観測点Ａ３９及び観測点Ｂ４０の観測系から標定される弾着標定位置の曲線及び観測点Ａ３９及び観測点Ｃ４１の観測系から標定される弾着標定位置の曲線は、各々次式により得られる。
【００２９】
【数１１】
【００３０】
【数１２】
【００３１】図４に弾着位置標定の処理方法を示す。図において４７は観測点Ａ及び観測点Ｂの観測系から標定される弾着標定位置曲線、４８は観測点Ａ及び観測点Ｃの観測系から標定される弾着標定位置曲線である。図に示すとおり弾着標定位置は、各々の組み合わされる観測系から標定される弾着標定位置曲線の交点として求めることができる。従って、観測系にて弾着標定位置曲線を求めるために必要な諸元である各観測点の位置間の距離である観測間距離及び音速度と検出時刻差の積である弾着観測距離差を得るために、観測点の位置座標の計測、音速度の入力、爆音の検出時刻差の検出を行えば、弾着位置の標定を可能とするパッシブ弾着標定装置を実現することができる。
【００３２】上記の原理に基づき図１に示すように構成されたパッシブ弾着標定装置の動作を説明する。弾着点１から発生される爆音を各観測点に設置された標定マイク５にて取得し、標定マイク５から出力される音響信号から爆音検出回路１３により到達爆音を検出し、その検出タイミングの出力を受け基準時刻発生器１７にて検出時刻を求める。また、位置センサ６は各観測点の標定マイク５の位置座標を検出位置として出力する。このようにして、各観測点で検出時刻及び検出位置が求められ、各観測点からの検出時刻を入力とし時刻差検出回路２１により検出時刻差２２を求め、弾着観測距離差演算回路２４にて検出時刻差２２と予め設定入力された音速度テーブル３２からの音速度２３との積を弾着観測距離差２５として求める。また、各観測点からの検出位置を入力とし位置差検出回路２６により観測間距離２７を求め、弾着観測距離差２５と観測間距離２７との入力を受け、弾着位置標定演算回路２８にて弾着標定位置曲線とその交点の座標から弾着標定位置２９を求め、標定結果である弾着標定位置２９が表示器３０に表示される。このようにして、複数の観測点での弾着点からの爆音の検出により弾着位置を自動的に標定可能とするパッシブ弾着標定装置が構成される。
【００３３】実施の形態２．図２はこの発明の実施の形態２を示す構成図である。図において１から３０は図１と同一のものである。３４は大気３３の大気温度３５を計測する大気温センサ、３６は大気温度３５から音速度２３を求める音速度演算回路である。
【００３４】上記のように構成されたパッシブ弾着標定装置の動作を説明する。大気での音響伝搬速度は大気温度に依存して変化するものであり、一般的に音速度をＶ（ｍ／ｓ）、大気温θ（℃）とすると、音速度２３は次式により求められる。
【００３５】
【数１３】
【００３６】従って、観測時刻での大気温を大気温センサ３４で入手し、音速度演算回路３６にて求める音速度２３を弾着観測距離差演算回路２４に適用することで、大気温による音速度の変動性に対応可能なパッシブ弾着標定装置が構成される。
【００３７】
【発明の効果】第１の発明によれば、砲弾が弾着する時に発生する爆音のみを利用するため、センサとして低コストなマイクロホンを適用することで指向性制約の少ない簡易な構成を可能とし、パッシブ型センサの適用と観測点での操作員の無人化構成が可能となることから安全性に優れ、低コストで取り扱い容易な簡易な構成にて弾着位置の自動計測が可能となる。
【００３８】また、第２の発明によれば、観測誤差の要因となる大気温による音速度の変動性に対応することから、観測精度の高い弾着位置の自動計測が可能となる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年９月２４日（１９９９．９．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０２４３９
【弁理士】
【氏名又は名称】宮田 金雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−９１１９６（Ｐ２００１−９１１９６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年４月６日（２００１．４．６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２７００４７ |
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