JP2017001522A - Vibration source detection device, detection system, and method - Google Patents

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洋平 川口
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洋平 川口
遠藤 隆
Takashi Endo
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泰 村上
Yasushi Murakami
泰 村上
健太郎 加藤
Kentaro Kato
健太郎 加藤
真人 戸上
Masato Togami
真人 戸上
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Ryoichi Takashima
遼一 高島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device for estimating the position of an object even in the case that a signal which can estimate the position of the object can be observed only intermittently in time.SOLUTION: A detection system for a ship is a detection system including a detection part for detecting vibrations from an object existing underwater to acquire vibration information, a determination part for determining a state of a ship, and an estimation part for acquiring information of the object by using vibration information at timing when the determination part determines that a state of the ship can estimate information of the object on the basis of the vibration information.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、例えば船舶などに用いられる振動源検知装置、システムおよび方法に関する。   The present invention relates to a vibration source detection device, system, and method used for, for example, ships.

水中パッシブソーナーなど、鯨や魚などの水中の物体から発せられる振動信号(源信号)を観測し、その物体の位置を推定するシステムは広く存在する。このような例としては、例えば、特開平10−203486号公報(特許文献1)がある。   There are a wide variety of systems for observing vibration signals (source signals) emitted from underwater objects such as whales and fish, such as underwater passive sonar, and estimating the position of the object. As such an example, for example, there is JP-A-10-203486 (Patent Document 1).

特開平10−203486号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-203486

特許文献1には、自動操船装置と水中音響機器を併用する場合の船舶のノイズを、水中音響利用機器の許容ノイズ以下に抑える方法について記載されている。   Patent Document 1 describes a method of suppressing the noise of a ship when using an automatic marine vessel maneuvering device and an underwater acoustic device to less than the allowable noise of the underwater acoustic equipment.

しかし、船舶を高速で駆動せざるをえない場合には、物体の方向や位置を推定できる信号が時間断続的にしか観測できない場合がある。例えば、船舶が非常に高速に移動しているために、検知器(ソナーに用いるハイドロホンやマイクロホンなどの素子等)が水面から浮上してしまい、物体の方向や位置を推定できる信号自体を受信できない場合である。あるいは、船舶の駆動に伴うノイズが大きすぎて検知器の信号が飽和してしまう場合等である。大きなノイズの例としては、例えば、船体の上下動により水面に船体が衝突する際のノイズが考えられる。   However, when the ship must be driven at high speed, a signal that can estimate the direction and position of the object may be observed only intermittently. For example, because the ship is moving at a very high speed, detectors (hydrophones, microphones, and other elements used for sonar) rise from the surface of the water and receive signals that can estimate the direction and position of objects. It is a case where it cannot be done. Or it is the case where the noise accompanying the drive of the ship is too large and the signal of the detector is saturated. As an example of a large noise, for example, the noise when the hull collides with the water surface due to the vertical movement of the hull can be considered.

特許文献1等の従来技術では、このような場合でも対象とする物体の位置を特定できる技術は開示されていない。従って、従来のシステムでは、例えば、船舶を高速で駆動せざるをえない場合等の状況により、物体の位置を推定できる信号が時間断続的にしか観測できない場合、物体の位置を推定できなかった。   In the conventional technique such as Patent Document 1, a technique that can specify the position of a target object even in such a case is not disclosed. Therefore, in the conventional system, for example, when a signal that can estimate the position of the object can be observed only intermittently due to a situation where the ship must be driven at high speed, the position of the object cannot be estimated. .

そこで、本発明は、物体の位置を推定できる信号が時間断続的にしか観測できない場合であっても、物体の位置を推定する装置を提供する。   Therefore, the present invention provides an apparatus for estimating the position of an object even when a signal that can estimate the position of the object can be observed only intermittently in time.

上記課題を解決するために、本発明の一側面は、船舶用の検知システムであって、水中にある対象物からの振動を検知して、振動情報を得る検知部と、船舶の状態を判定する判定部と、判定部により船舶の状態が、振動情報に基づいて対象物の情報を推定可能と判定されたタイミングの振動情報を用いて、対象物の情報を得る推定部と、を有する検知システムである。   In order to solve the above-described problems, one aspect of the present invention is a detection system for a ship, which detects vibration from an object in water and obtains vibration information, and determines the state of the ship. And a estimator for obtaining information on the object using vibration information at a timing when the state of the ship is determined to be able to estimate the object information based on the vibration information. System.

典型的な例を示すと、船舶の状態が、振動情報に基づいて対象物の情報を推定可能と判定されたタイミングとは、検知部が水中にあり、振動情報を検知可能な状態のタイミングを少なくとも含む。逆にいうと、検知部が水中から出てしまい、振動情報を得ることができないタイミングや、検知部が水面に衝突して信号が飽和してしまうタイミングの信号では、対象物の情報を推定不可能と判定する。   As a typical example, the timing at which the state of the ship is determined to be able to estimate the information of the object based on the vibration information is the timing at which the detection unit is in water and the vibration information can be detected. Including at least. In other words, the information on the object cannot be estimated at the timing when the detection unit gets out of the water and vibration information cannot be obtained, or when the detection unit collides with the water surface and the signal is saturated. Judge that it is possible.

本発明の他の側面は、水中もしくは水上を移動可能な移動体に設けられ、水中の対象物からの振動を検知することにより、対象物の方向を推定する振動源検知システム装置であって、前記対象物からの振動を検知して、振動情報を得る検知部と、移動体の状態が、対象物の方向を推定することが可能な方向推定可能状態であるか否かを判定する判定部と、検知部が検知し得た振動情報のうち、方向推定可能状態の時に検知した振動情報を用いて、移動体からみた振動源対象物の方向を推定する推定部と、を有する振動源検知装置である。   Another aspect of the present invention is a vibration source detection system device that is provided in a movable body that can move in water or on water, and detects the direction of the object by detecting vibration from the object in water, A detection unit that detects vibration from the object and obtains vibration information, and a determination unit that determines whether or not the state of the moving body is a direction inferable state capable of estimating the direction of the object. And an estimator that estimates the direction of the vibration source object viewed from the moving body using the vibration information detected when the direction can be estimated among the vibration information detected by the detector. Device.

本発明の他の側面は、水上を移動する船舶において、水中にある対象物からの振動を検知して振動情報を得る検知部を用い、振動情報に基づいて対象物の情報を推定する検知方法であって、検知部が水面から浮上しているタイミングおよび水面に接触したタイミングにおける、振動情報を排除して、対象物の情報を推定することを特徴とする検知方法である。   Another aspect of the present invention is a detection method for estimating information on an object based on vibration information using a detection unit that detects vibration from an object in water and obtains vibration information in a ship moving on the water. In this detection method, the information on the object is estimated by eliminating the vibration information at the timing when the detection unit floats from the water surface and the timing when the detection unit comes into contact with the water surface.

本発明の典型的な具体例では、水中の対象物からの振動を得て対象物の情報を推定する検知器は、パッシブソーナーとして構成される。   In a typical embodiment of the present invention, a detector that obtains vibrations from an underwater object and estimates information about the object is configured as a passive sonar.

本発明の好ましい具体例では、移動体もしくは船舶の状態を判定するために、検知器によって検出される振動スペクトルや、別途設けられた加速度や圧力のセンサの情報を用いる。   In a preferred specific example of the present invention, in order to determine the state of the moving body or the ship, the vibration spectrum detected by the detector or the information of an acceleration or pressure sensor provided separately is used.

本発明の好ましい具体例では、移動体もしくは船舶の状態を判定するために、移動体もしくは船舶の状態遷移モデルを用いる。   In a preferred embodiment of the present invention, a state transition model of the moving body or ship is used to determine the state of the moving body or ship.

本発明の好ましい具体例では、移動体もしくは船舶の状態遷移モデルは、移動体もしくは船舶の駆動(運転)命令情報の類型に応じて準備される。   In a preferred embodiment of the present invention, the state transition model of the moving body or ship is prepared according to the type of driving (operation) command information of the moving body or ship.

本発明の好ましい具体例では、移動体もしくは船舶は高速で移動する船舶、例えば小型大出力の船舶や、ウォータージェットにより推進する船舶である。   In a preferred embodiment of the present invention, the moving body or ship is a ship that moves at a high speed, for example, a small-sized high-power ship or a water-jet propelled ship.

本発明のさらに別の側面は、ウォータージェットにより推進する移動体に設けられ、水中の振動を検知する検知部と、移動体が方向推定可能状態であるか否かを判定する判定部と、検知部検知した振動情報のうち方向推定可能状態の時に検知した振動情報を用いて、移動体からみた振動源の方向を推定する推定部と、を有する振動源検知装置である。   Still another aspect of the present invention is a detection unit that is provided in a moving body that is propelled by a water jet and detects underwater vibration, a determination unit that determines whether the moving body is in a state in which direction estimation is possible, and a detection The vibration source detection apparatus includes: an estimation unit that estimates the direction of the vibration source as viewed from the moving body using vibration information detected when the direction of the vibration information is detected in the vibration detection information.

本発明によれば、物体の位置を推定できる信号が時間断続的にしか観測できない場合であっても、物体の位置を推定することが可能である。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。   According to the present invention, it is possible to estimate the position of an object even when a signal that can estimate the position of the object can be observed only intermittently in time. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.

実施例の推定システムのハードウェア構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the hardware constitutions of the estimation system of an Example. 実施例の推定システムの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the estimation system of an Example. 実施例の推定システムの推定時のフローチャートである。It is a flowchart at the time of estimation of the estimation system of an Example. 結果出力処理の例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of a result output process. 自船状態遷移モデルのデータ構造を示す表図である。It is a table | surface figure which shows the data structure of the own ship state transition model. 実施例の方向推定処理のフローチャートである。It is a flowchart of the direction estimation process of an Example. 実施例の軌跡推定処理のフローチャートである。It is a flowchart of the locus | trajectory estimation process of an Example. 自船状態遷移モデルのデータ構造の他の例を示す表図である。It is a table | surface figure which shows the other example of the data structure of the own ship state transition model. 実施例の推定システムの自船状態遷移モデル学習時のフローチャートである。It is a flowchart at the time of the own ship state transition model learning of the estimation system of an Example. 実施例の推定システムのハードウェア構成の他の例を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the other example of the hardware constitutions of the estimation system of an Example. 実施例の推定システムの他の例を示した機能ブロック図である。It is the functional block diagram which showed the other example of the estimation system of an Example. 自船状態遷移モデルのデータ構造の他の例を示す表図である。It is a table | surface figure which shows the other example of the data structure of the own ship state transition model.

以下、実施例を、図面を用いて説明する。以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。   Hereinafter, examples will be described with reference to the drawings. In the structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and redundant description may be omitted.

以下の実施例においては、例えばパッシブソーナーの信号により、水中の物体の方向や位置を特定できないタイミング、例えば、検知部が水中から出てしまい、振動情報を得ることができないタイミングや、検知部が水面に衝突して信号が飽和してしまうタイミングの信号では、対象物の情報を推定不可能と判定する。このようなタイミングでは、正確に水中の物体の情報を推定できないからである。従って、このようなタイミングでは、パッシブソーナーの信号を用いない。このため、以下の実施例では時間的に離散的にパッシブソーナーの信号を得て、物体の情報を推定することになる。パッシブソーナーの信号が得られないタイミングにおいては、時間的に離散的に得られた物体の情報を、外掃あるいは内掃して情報を補完する。外掃あるいは内掃の方式は、種々の公知技術を用いることができる。以下の実施例では、さらに具体的な例を説明する。   In the following embodiments, for example, when the direction and position of an underwater object cannot be specified by a signal of a passive sonar, for example, when the detection unit gets out of water and vibration information cannot be obtained, It is determined that the information on the object cannot be estimated from the signal at the timing when the signal is saturated due to collision with the water surface. This is because the information on the underwater object cannot be accurately estimated at such timing. Therefore, the passive sonar signal is not used at such timing. For this reason, in the following embodiments, the signal of the passive sonar is obtained discretely in time, and the object information is estimated. At the timing when the signal of the passive sonar cannot be obtained, the information of the object obtained discretely in time is externally or internally swept to complement the information. Various known techniques can be used for the external sweep or internal sweep. In the following examples, more specific examples will be described.

本実施例では、船舶を高速で駆動する等の場合、物体の位置を推定できる信号が時間断続的にしか観測できない場合であっても、物体の位置を推定することが可能な振動源検知装置の例を説明する。本実施例は例えば、船舶に搭載された水中パッシブソーナーシステムである。   In this embodiment, when driving a ship at high speed, etc., a vibration source detection device capable of estimating the position of an object even when a signal capable of estimating the position of the object can only be observed intermittently An example will be described. This embodiment is, for example, an underwater passive sonar system mounted on a ship.

図1は、本実施例の推定システム100のハードウェア構成を示したブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram illustrating a hardware configuration of the estimation system 100 according to the present embodiment.

本実施例の推定システム100は、ハイドロホンやマイクロホンなどの素子101_1〜101_N、複数チャンネルAD変換器102、中央演算装置103、ユーザインタフェース部104、記憶媒体105、揮発性メモリ106から構成されている。ユーザインタフェース部104はディスプレイのような出力装置や、キーボードのような入力装置を含む。   An estimation system 100 according to the present embodiment includes elements 101_1 to 101_N such as a hydrophone and a microphone, a multi-channel AD converter 102, a central processing unit 103, a user interface unit 104, a storage medium 105, and a volatile memory 106. . The user interface unit 104 includes an output device such as a display and an input device such as a keyboard.

素子101_1〜101_Nは、水中あるいは空中の音波をアナログ電圧値に変換し、複数チャンネルAD変換器102に送る。複数チャンネルAD変換器102は、複数チャンネルのアナログ電圧値を複数チャンネルのデジタル信号に変換し、中央演算装置103に送る。中央演算装置103は、ユーザインタフェース部104で操作可能であり、収集されたデータや、制御用の情報は、記憶媒体105、揮発性メモリ106に格納することができる。   The elements 101_1 to 101_N convert sound waves in water or air into analog voltage values and send them to the multi-channel AD converter 102. The multi-channel AD converter 102 converts a multi-channel analog voltage value into a multi-channel digital signal and sends it to the central processing unit 103. The central processing unit 103 can be operated by the user interface unit 104, and collected data and control information can be stored in the storage medium 105 and the volatile memory 106.

なお、一般に素子101_1〜101_Nは、音波信号を取得するために水中あるいは空中に暴露される位置に配置される。船舶のソナー場合には、例えば船底や船側面の1または複数個所である。   In general, the elements 101_1 to 101_N are arranged at positions exposed in water or in the air in order to acquire sound wave signals. In the case of a sonar of a ship, for example, it is one or a plurality of places on the bottom or the side of the ship.

図2は、本実施例の推定システム100の機能ブロック図である。信号処理部2000は、具体的な構成例としては、信号取得部201、方向推定部202、軌跡推定部203、結果出力部205、自船状態推定部206は、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源である中央演算装置103、ユーザインタフェース部104、記憶媒体105、揮発性メモリ106を用いて当該機能を実現する。あるいは、当該機能がハードウェアのみで実現される場合は、当該処理を実現する専用回路構成を示す。   FIG. 2 is a functional block diagram of the estimation system 100 of the present embodiment. As a specific configuration example, the signal processing unit 2000 includes a signal acquisition unit 201, a direction estimation unit 202, a trajectory estimation unit 203, a result output unit 205, and an own ship state estimation unit 206. These functions are realized using the central processing unit 103, the user interface unit 104, the storage medium 105, and the volatile memory 106. Or when the said function is implement | achieved only by hardware, the exclusive circuit structure which implement | achieves the said process is shown.

信号取得部201は、サンプリングの時間間隔δ秒ごとに、複数チャンネルAD変換器102から複数チャンネル入力信号z(n, t)を受信し、z(n, t)をバッファリングする。ただし、z(n, t)は時刻t秒での素子nの入力信号を意味する。   The signal acquisition unit 201 receives the multi-channel input signal z (n, t) from the multi-channel AD converter 102 and buffers z (n, t) at every sampling time interval Δsec. However, z (n, t) means an input signal of the element n at time t seconds.

信号取得部201は、バッファリングされた過去M回にわたっての入力信号系列[z(n, t-(M-1)δ), z(n, t-(M-2)δ), …, z(n, t-δ), z(n, t)]に対して、窓関数の乗算と短時間フーリエ変換を行い、複数チャンネル周波数領域信号x(n, τ)=[x(n, τ, 1),…,x(n, τ, F)]を計算し、出力する。ただし、δはサンプリングの時間間隔、Fは短時間フーリエ変換の周波数番号の個数、τは窓関数の乗算と短時間フーリエ変換の対象時間の範囲(t-(M-1)δからtまでの時刻帯)を一つの時間フレームとみなしたときのフレーム番号を表す。   The signal acquisition unit 201 receives the buffered input signal sequence over the past M times [z (n, t- (M-1) δ), z (n, t- (M-2) δ), ..., z (n, t-δ), z (n, t)] is multiplied by a window function and subjected to a short-time Fourier transform to obtain a multi-channel frequency domain signal x (n, τ) = [x (n, τ, 1), ..., x (n, τ, F)] are calculated and output. Where δ is the sampling time interval, F is the number of frequency numbers of the short-time Fourier transform, τ is the range of the target time of the multiplication of the window function and the short-time Fourier transform (from t- (M-1) δ to t This represents the frame number when (time zone) is regarded as one time frame.

自船状態推定部206は、複数チャンネル周波数領域信号x(n, τ)を入力として、自船状態推定処理を実行し、時刻τの自船状態推定結果c(τ)を出力する。   The own ship state estimation unit 206 receives the multi-channel frequency domain signal x (n, τ) as input, executes own ship state estimation processing, and outputs the own ship state estimation result c (τ) at time τ.

方向推定部202は、複数チャンネル周波数領域信号x(n, τ)と自船状態推定結果を入力として、方向推定処理を実行し、時刻τの方向推定結果y(τ)=[y(τ,1),…, y(τ,D)]を出力する。ただし、Dは離散化した方向番号の個数である。方向推定処理は公知のように、複数の素子からの信号の時間差に基づいて、音源の方向を推定する。   The direction estimation unit 202 receives the multi-channel frequency domain signal x (n, τ) and the own ship state estimation result as input, and executes the direction estimation process, and the direction estimation result y (τ) = [y (τ, 1), ..., y (τ, D)] are output. Where D is the number of discretized direction numbers. As is well known, the direction estimation process estimates the direction of a sound source based on the time difference between signals from a plurality of elements.

軌跡推定部203は、複数時刻の方向推定結果[y(τ-(B-1)), y(τ-(B-2)), …, y(τ)]と自船状態推定結果を入力として、軌跡推定処理を実行し、方向の時系列である軌跡推定結果Traj(τ) = [θ(τ-(B-1)), θ(τ-(B-2)), …, θ(τ)]を出力する。   The trajectory estimation unit 203 inputs the direction estimation results [y (τ- (B-1)), y (τ- (B-2)), ..., y (τ)] at multiple times and the own ship state estimation results The trajectory estimation process is executed, and the trajectory estimation result Traj (τ) = [θ (τ- (B-1)), θ (τ- (B-2)),…, θ ( τ)] is output.

結果出力部205は、Traj(τ)をユーザに提示する。提示方法は、たとえば、ユーザインタフェース部104を介した画像情報提示、点字ディスプレイによる提示、音声による提示、プリンタを介した画像情報の印刷などである。   The result output unit 205 presents Traj (τ) to the user. The presentation method includes, for example, image information presentation via the user interface unit 104, presentation by a braille display, presentation by voice, printing of image information via a printer, and the like.

図3は、本実施例の推定システム100の推定時のフローチャートである。   FIG. 3 is a flowchart at the time of estimation of the estimation system 100 of the present embodiment.

まず、本実施例の推定システム100は、S301で、停止操作が行われたかどうかを判断し、測定停止操作が行われていなければS302以降の処理を実行する。測定停止操作が行われていれば推定システム100は停止する。   First, in S301, the estimation system 100 according to the present embodiment determines whether or not a stop operation has been performed. If the measurement stop operation has not been performed, the estimation system 100 executes the processing from S302. If the measurement stop operation is performed, the estimation system 100 stops.

次に、信号取得処理S302で、信号取得部201が、複数チャンネル入力信号z(n, t)をバッファリングし、バッファリングした入力信号系列[z(n, t-(M-1)δ), z(n, t-(M-2)δ),…,z(n, t-δ), z(n, t)]に対して窓関数の乗算と短時間フーリエ変換を行い、複数チャンネル周波数領域信号x(n, τ)=[x(n, τ, 1),…,x(n, τ, F)]を出力する。   Next, in the signal acquisition process S302, the signal acquisition unit 201 buffers the multi-channel input signal z (n, t), and buffers the input signal sequence [z (n, t- (M-1) δ). , z (n, t- (M-2) δ), ..., z (n, t-δ), z (n, t)], perform window function multiplication and short-time Fourier transform to obtain multiple channels Output frequency domain signal x (n, τ) = [x (n, τ, 1),..., X (n, τ, F)].

次に、自船状態推定処理S303で、自船状態推定部206が、複数チャンネル周波数領域信号x(n, τ)に基づいて自船状態の推定を行う。自船状態の推定には、隠れマルコフモデル(HMM)の状態推定方法である、ビタビアルゴリズムなどのアルゴリズムを用いる(図5で説明する)。自船状態は、たとえば「着水」、「浮上」、「降下」のいずれかのシンボルとして得られる。   Next, in own ship state estimation processing S303, the own ship state estimation unit 206 estimates the own ship state based on the multi-channel frequency domain signal x (n, τ). In order to estimate the ship's own state, an algorithm such as a Viterbi algorithm, which is a state estimation method of a hidden Markov model (HMM), is used (described with reference to FIG. 5). The own ship state is obtained, for example, as a symbol of “landing”, “floating”, or “descent”.

次に、方向推定処理S304で、方向推定部202が、複数チャンネル周波数領域信号x(n, τ) と自船状態推定結果に基づいて音源方向推定を行う。方向推定結果は、方向ヒストグラムと呼ばれる、各時刻における各方向の音源の音量の大きさを表す2次元の信号y(τ, θ)として得られる。   Next, in direction estimation processing S304, the direction estimation unit 202 performs sound source direction estimation based on the multi-channel frequency domain signal x (n, τ) and the own ship state estimation result. The direction estimation result is obtained as a two-dimensional signal y (τ, θ), which is called a direction histogram, and represents the volume of the sound source in each direction at each time.

次に、軌跡推定処理S305で、軌跡推定部203が、複数時刻の方向推定結果[y(τ-(B-1)), y(τ-(B-2)), …, y(τ)]を入力として、軌跡推定結果Traj(τ) = [θ(τ-(B-1)), θ(τ-(B-2)), …, θ(τ)]を出力する。   Next, in the trajectory estimation process S305, the trajectory estimation unit 203 performs the direction estimation results [y (τ- (B-1)), y (τ- (B-2)), ..., y (τ) at multiple times. ] Is input, and the trajectory estimation result Traj (τ) = [θ (τ- (B-1)), θ (τ- (B-2)),..., Θ (τ)] is output.

次に、結果出力処理S305で、結果出力部205が、軌跡推定結果Traj(τ)を出力し、S301に戻る。   Next, in result output processing S305, the result output unit 205 outputs the trajectory estimation result Traj (τ), and the process returns to S301.

図4は、本実施例の結果出力部205が、ユーザインタフェース部104を用いて、軌跡推定結果Traj(τ)を提示した例である。   FIG. 4 is an example in which the result output unit 205 of the present embodiment presents the trajectory estimation result Traj (τ) using the user interface unit 104.

方向推定結果410と軌跡推定結果420に加えて、対応する自船状態も同時に提示することで、正確な方向推定結果が存在しない時間において、その原因が特定の自船状態によるものであることが明確となり、ユーザは正確な方向推定結果と対応する自船状態の時間だけに注目することができるという効果がある。   In addition to the direction estimation result 410 and the trajectory estimation result 420, the corresponding own ship state is also presented at the same time, so that the cause may be due to a specific own ship state in the time when there is no accurate direction estimation result. It becomes clear, and there is an effect that the user can pay attention only to the time of the own ship state corresponding to the accurate direction estimation result.

図5は、本実施例の自船状態推定処理S303で用いる、自船状態遷移モデルのデータ構造の例である。このデータ構造は、例えば、記憶媒体105に記憶しておき、適宜処理に用いる。   FIG. 5 is an example of the data structure of the own ship state transition model used in the own ship state estimation process S303 of the present embodiment. This data structure is stored in, for example, the storage medium 105 and used for processing as appropriate.

本実施例では、自船状態遷移モデルが隠れマルコフモデルであり、S個の自船状態s(1), …, s(S)を持つ。各自船状態は、「着水」、「浮上」、「降下」といったシンボルと対応する。各自船状態は、i番目の状態s(i)において生成する振動スペクトルの確率分布dist(i)および、次の時間フレームにi番目の状態s(i)からj番目の状態s(j)に遷移する遷移確率q(i, j)を持つ。周波数スペクトルの確率分布dist(i)はたとえば混合ガウスモデル(GMM)であり、dist(i)はC(i)個のクラスタ[c(i, 1), …, c(i, C(i))]を持つ。c_l番目のクラスタc(i, c_l)はスペクトルの平均μ(i, c_l)(数1)とスペクトルの共分散行列Σ(i, c_l)(数2)により定義される。   In this embodiment, the own ship state transition model is a hidden Markov model, and has S own ship states s (1),..., S (S). Each ship state corresponds to symbols such as “landing”, “floating”, and “descent”. Each ship's state is the probability distribution dist (i) of the vibration spectrum generated in the i-th state s (i) and from the i-th state s (i) to the j-th state s (j) in the next time frame. Has transition probability q (i, j) to transition. The probability distribution dist (i) of the frequency spectrum is, for example, a mixed Gaussian model (GMM), and dist (i) is C (i) clusters [c (i, 1),…, c (i, C (i) )]have. The c_l-th cluster c (i, c_l) is defined by the spectrum mean μ (i, c_l) (Equation 1) and the spectrum covariance matrix Σ (i, c_l) (Equation 2).

Figure 2017001522
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Figure 2017001522
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例えば単純な例として、自船状態が、素子101(または船)が水中に存在する「着水」、素子が水面から出ている「浮上」、素子が水面上を下降し水面に衝突する「降下」の状態を持つとする。複数チャンネル周波数領域信号x(n, τ)は、各状態において特有の周波数スペクトルを持つ。例えば、「着水」状態であれば、自船の雑音(水を介して入ってくるエンジン音、水との摩擦音等)と水中音(物体からの反射音等)のスペクトルである。また、水面から浮いた状態である「浮上」状態であれば、自船の雑音(エンジン音)のみのスペクトルであり、水中音は得られない。また、「降下」状態であれば船体と水との衝突により瞬間的に大きなノイズが発生する。このような特有のスペクトルを用いて、現在の状態がある程度推定できるが、本実施例ではさらに自船状態遷移モデルを用いて、ある状態からある状態への遷移確率を反映させ、精度のよい状態推定を行う。   For example, as a simple example, the ship's state is “landing” in which the element 101 (or ship) is present in the water, “floating” in which the element is out of the water surface, and the element descends on the water surface and collides with the water surface. Suppose that it has a status of “descent”. The multi-channel frequency domain signal x (n, τ) has a unique frequency spectrum in each state. For example, in the “landing” state, there are spectra of own ship noise (engine sound entering through water, friction sound with water, etc.) and underwater sound (reflection sound from an object, etc.). Further, in the “floating” state, which is a state of floating from the surface of the water, the spectrum is only the noise (engine sound) of the ship, and underwater sound cannot be obtained. In the “descent” state, a large noise is instantaneously generated due to the collision between the hull and water. The current state can be estimated to some extent using such a unique spectrum, but in this example, the ship's state transition model is further used to reflect the transition probability from a certain state to a certain state, and the state with high accuracy Make an estimate.

すなわち、船舶の状態は所定状態を一定の法則または周期で遷移する遷移モデルとして考えることができる。自船状態遷移モデルは、例えば、「浮上」状態の次は「降下」状態に遷移する確率が高い。「降下」状態の次は「着水」状態に遷移する確率が高いなどのモデルを、船舶の物理的な運動の実験またはシミュレーションにより作成すればよい。   That is, the state of the ship can be considered as a transition model in which a predetermined state is changed with a certain rule or cycle. In the own ship state transition model, for example, the probability of transition to the “descent” state is high after the “floating” state. After the “descent” state, a model having a high probability of transition to the “landing” state may be created by experiments or simulations of the physical movement of the ship.

以上のように、自船状態推定部206は、複数チャンネル周波数領域信号x(n, τ)と自船状態遷移モデルにより、自船状態を推定する。   As described above, the own ship state estimation unit 206 estimates the own ship state based on the multi-channel frequency domain signal x (n, τ) and the own ship state transition model.

図6は、本実施例の方向推定処理S304のフローチャートである。   FIG. 6 is a flowchart of the direction estimation process S304 of the present embodiment.

まず、本実施例の方向推定部202は、S601で、自船状態が「着水」であるかどうかを判断する。「着水」であれば素子101は水中の物体から発せられる振動信号(源信号)を観測し、その物体の位置を推定することができる。よって、状態が「着水」であればS602以降を実行し、そうでなければ終了する。すなわち、図5にて説明したように、「浮上」状態であれば素子101が水中の物体からの信号が得られない。また、「降下」状態であれば大きなノイズのために素子101が正確に信号を取得できない。よって、「浮上」「降下」状態においては方向推定処理を行わない。   First, the direction estimation unit 202 of the present embodiment determines whether or not the own ship state is “landing” in S601. If it is “landing”, the element 101 can observe a vibration signal (source signal) emitted from an object in water and estimate the position of the object. Therefore, if the state is “landing”, S602 and subsequent steps are executed, and if not, the process ends. That is, as described with reference to FIG. 5, in the “floating” state, the element 101 cannot obtain a signal from an underwater object. In the “descent” state, the element 101 cannot accurately acquire a signal due to a large noise. Therefore, the direction estimation process is not performed in the “floating” and “descent” states.

次に、方向推定部202は、S602で、数3により各周波数fにおける素子間共分散行列R(f, τ)を計算する。ただし、γは0以上1以下の定数である。   Next, the direction estimation unit 202 calculates an inter-element covariance matrix R (f, τ) at each frequency f using Equation 3 in S602. However, γ is a constant from 0 to 1.

Figure 2017001522
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次に、方向推定部202は、S603で数4により、方向ヒストグラムを計算し、終了する。   Next, the direction estimation unit 202 calculates a direction histogram by Equation 4 in S603, and ends.

Figure 2017001522
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ただし、a(f, θ)=[a(f,θ,1), …, a(f,θ,N)]は周波数fにおける方向θのステアリングベクトルを表し、a(f, θ)の各要素a(f, θ, n)は素子配置に基づくシミュレーションによって数5で計算される。ただし、η(n)は素子1と素子nの間での源信号の到達時間の差であり、FreqMaxは周波数番号Fに対応する周波数である。   Where a (f, θ) = [a (f, θ, 1), ..., a (f, θ, N)] represents the steering vector in direction θ at frequency f, and each of a (f, θ) The element a (f, θ, n) is calculated by Equation 5 by simulation based on the element arrangement. However, η (n) is the difference in arrival time of the source signal between the element 1 and the element n, and FreqMax is a frequency corresponding to the frequency number F.

Figure 2017001522
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本実施例では、音源方向推定に最小分散ビームフォーマ法を用いているが、音源方向推定には他にも遅延和アレー法、最小分散ビームフォーマ法、GCC-PHAT法、SRP-PHAT法、MUSIC法、ESPRIT法、SPIRE法などが存在し、それらのいずれを用いても良い。   In this example, the minimum variance beamformer method is used for sound source direction estimation. However, for the sound source direction estimation, the delay sum array method, the minimum dispersion beamformer method, GCC-PHAT method, SRP-PHAT method, MUSIC Method, ESPRIT method, SPIRE method, etc., and any of them may be used.

以上のように、本実施例では状態が「着水」のとき方向推定処理を行うように構成される。この結果、図4に示したように、方向推定結果410は離散的に求められる。   As described above, this embodiment is configured to perform the direction estimation process when the state is “landing”. As a result, as shown in FIG. 4, the direction estimation results 410 are obtained discretely.

図7は、本実施例の軌跡推定処理S305のフローチャートである。   FIG. 7 is a flowchart of the trajectory estimation process S305 of the present embodiment.

軌跡推定は、具体的には、軌跡仮説を構成する音源方向θ(τ)を観測信号として、カルマンフィルタを実行することで、真の音源方向θ~(τ)を計算する。たとえば、カルマンフィルタのシステムモデルと観測モデルは、それぞれ数6と数7であらわされる。ただし、Δτは時間フレームの間隔を表し、R_ξは或る共分散行列を表し、σ_ψは或る分散値を表す。   Specifically, the trajectory estimation calculates the true sound source direction θ˜ (τ) by executing a Kalman filter using the sound source direction θ (τ) constituting the trajectory hypothesis as an observation signal. For example, the system model and the observation model of the Kalman filter are expressed by Equation 6 and Equation 7, respectively. Here, Δτ represents a time frame interval, R_ξ represents a certain covariance matrix, and σ_ψ represents a certain variance value.

Figure 2017001522
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Figure 2017001522
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ここで、カルマンフィルタの代わりにパーティクルフィルタなど他の追跡アルゴリズムを用いてもよい。まず、本実施例の軌跡推定部203は、S701で、数8により軌跡を予測する。   Here, instead of the Kalman filter, another tracking algorithm such as a particle filter may be used. First, the trajectory estimation unit 203 according to the present exemplary embodiment predicts a trajectory according to Equation 8 in S701.

Figure 2017001522
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次に、本実施例の軌跡推定部203は、S702で、自船状態が「着水」であるかどうかを判断する。「着水」であればS703を実行し、そうでなければS704を実行する。本実施例の軌跡推定部203は、S703で、数9により軌跡の推定値を更新し、終了する。   Next, the trajectory estimation unit 203 of the present embodiment determines whether or not the own ship state is “landing” in S702. If “landing”, S703 is executed, otherwise S704 is executed. In step S703, the trajectory estimation unit 203 according to the present exemplary embodiment updates the trajectory estimation value according to Equation 9, and ends.

Figure 2017001522
Figure 2017001522

本実施例の軌跡推定部203は、S704で、数10により軌跡の推定値に予測値を格納し、終了する。   In step S704, the trajectory estimation unit 203 of the present example stores the predicted value in the estimated trajectory value according to Equation 10, and the process ends.

Figure 2017001522
Figure 2017001522

以上のように、本実施例では状態が「着水」のとき軌跡の更新処理を行うように構成される。一方、状態が「着水」ではない場合には、時刻τの方向推定結果y(τ)が得られないため、予測値を推定軌跡として格納する。   As described above, the present embodiment is configured to perform a locus update process when the state is “landing”. On the other hand, when the state is not “landing”, since the direction estimation result y (τ) at time τ cannot be obtained, the predicted value is stored as an estimated trajectory.

本実施例は、以上の構成により、船舶を高速で駆動せざるをえない場合であっても、物体の位置を推定することが可能である。   In the present embodiment, the position of the object can be estimated by the above configuration even when the ship must be driven at high speed.

なお、図2のブロック図では、自船状態推定結果c(τ)を方向推定部202と軌跡推定部203の両方に入力している。そして、図7の処理では、軌跡推定部203で、処理S702において自船状態推定結果c(τ)により状態を検知しているが、S702において自船状態推定結果c(τ)を用いず、方向推定部202からの方向推定結果y(τ)が得られないことにより、状態が「着水」ではないことを知ることもできる。この場合は、軌跡推定部203に自船状態推定結果c(τ)を入力する必要はない。   In the block diagram of FIG. 2, the own ship state estimation result c (τ) is input to both the direction estimation unit 202 and the trajectory estimation unit 203. In the process of FIG. 7, the trajectory estimation unit 203 detects the state based on the own ship state estimation result c (τ) in process S702, but does not use the own ship state estimation result c (τ) in S702. Since the direction estimation result y (τ) from the direction estimation unit 202 is not obtained, it can be known that the state is not “landing”. In this case, it is not necessary to input the own ship state estimation result c (τ) to the trajectory estimation unit 203.

また、他の変形例としては、方向推定部202では常に方向推定処理を行い、常に方向推定結果y(τ)を軌跡推定部203に入力し、軌跡推定部203において自船状態推定結果c(τ)を用いてフィルタリングを行ってもよい。この場合は、方向推定部202に自船状態推定結果c(τ)を入力する必要はない。   As another modification, the direction estimation unit 202 always performs direction estimation processing, always inputs the direction estimation result y (τ) to the trajectory estimation unit 203, and the trajectory estimation unit 203 uses the own ship state estimation result c ( Filtering may be performed using τ). In this case, it is not necessary to input the own ship state estimation result c (τ) to the direction estimation unit 202.

なお、上記の単純な例では、「着水」、「浮上」、「降下」の3つの状態で例示したが、振動スペクトルの確率分布の分類に基づいて、さらに細分化してもよいのはもちろんである。   In the above simple example, three states of “landing”, “floating”, and “descent” are illustrated, but it may be further subdivided based on the classification of the probability distribution of the vibration spectrum. It is.

本実施例では、船舶の駆動命令を利用して、自船状態や状態遷移の頻度が異なる場合であっても、物体の位置を推定する振動源検知装置の例を説明する。本実施例では、船舶の運転に使用する制御信号に基づいて、状態遷移モデルを選択する。船舶の駆動命令とは、出力(エンジン)の制御命令、操舵命令(舵を持つ船では舵の駆動信号、ウォータージェット推進の船舶では、ノズルの噴射方向制御信号等)など、船舶の状態を変更するための命令全般を含む。   In the present embodiment, an example of a vibration source detection apparatus that estimates the position of an object even when the ship's ship state and the frequency of state transition are different using a ship drive command will be described. In this embodiment, a state transition model is selected based on a control signal used for ship operation. Vessel drive command changes the state of the vessel, such as output (engine) control command, steering command (rudder drive signal for boats with rudder, nozzle injection direction control signal for water jet propulsion vessels, etc.) Includes general instructions for

図8は、本実施例の自船状態遷移モデルのデータ構造の例である。自船駆動命令kごとに異なった自船状態遷移モデルu(k)を割り当て、データベースに格納している。それぞれの自船状態遷移モデルu(k)が隠れマルコフモデルであり、S(k)個の状態s(k,1), …, s(k, S(k))を持つ。自船状態遷移モデルu(k)は、自船駆動命令kがi番目の状態s(k,i)において生成する振動の周波数スペクトルの確率分布dist(k, i)、および、自船駆動命令kが次の時刻フレームにi番目の状態s(k,i)からj番目の状態s(k,j)に遷移する遷移確率q(k, i, j)を持つ。周波数スペクトルの確率分布dist(k, i)はたとえば混合ガウスモデル(GMM)であり、dist(k, i)はC(k, i)個のクラスタ[c(k, i, 1), …, c(k, i, C(k, i))]を持つ。c_l番目のクラスタc(k, i, c_l)はスペクトルの平均μ(k, i, c_l)(数11)とスペクトルの共分散行列Σ(k, i, cl)(数12)により定義される。   FIG. 8 is an example of the data structure of the own ship state transition model of the present embodiment. A different own ship state transition model u (k) is assigned to each own ship driving command k and stored in the database. Each own ship state transition model u (k) is a hidden Markov model, and has S (k) states s (k, 1),..., S (k, S (k)). The own ship state transition model u (k) includes the probability distribution dist (k, i) of the frequency spectrum of vibration generated by the own ship drive command k in the i-th state s (k, i), and the own ship drive command. k has a transition probability q (k, i, j) for transition from the i-th state s (k, i) to the j-th state s (k, j) in the next time frame. The probability distribution dist (k, i) of the frequency spectrum is, for example, a mixed Gaussian model (GMM), and dist (k, i) is C (k, i) clusters [c (k, i, 1),…, c (k, i, C (k, i))]. The c_l-th cluster c (k, i, c_l) is defined by the spectrum mean μ (k, i, c_l) (Equation 11) and the spectrum covariance matrix Σ (k, i, cl) (Equation 12) .

Figure 2017001522
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Figure 2017001522
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本実施例は、このように自船駆動命令kごとに自船状態遷移モデルu(k)を持つので、自船駆動命令kの情報に基づいて、自船駆動命令kに適した自船状態遷移モデルu(k)を選択し、使用することができる。すなわち本実施例では、自船状態を表す振動スペクトルや遷移確率は自船駆動命令kごとに定められることになる。   Since this embodiment has the own ship state transition model u (k) for each own ship drive command k in this way, the own ship state suitable for the own ship drive instruction k based on the information of the own ship drive instruction k. A transition model u (k) can be selected and used. That is, in this embodiment, the vibration spectrum and transition probability representing the own ship state are determined for each own ship drive command k.

図9は、本実施例の推定システム100の、自船状態遷移モデル学習時のフローチャートである。例えば実際に操船することにより、自船の状態遷移を学習する。 推定システム100は、すべての自船駆動命令に対して、S801以降の処理を反復する。   FIG. 9 is a flowchart at the time of learning the own ship state transition model of the estimation system 100 of the present embodiment. For example, the state transition of the ship is learned by actually maneuvering the ship. The estimation system 100 repeats the processing from S801 onward for all own ship drive commands.

まず、推定システム100は、自船駆動方法提示処理S801で、ユーザインタフェース部104を用いて、これから学習する自船状態遷移モデルに対応する自船駆動命令をユーザに提示する。これを受けて、ユーザは、提示された自船駆動命令を開始し、継続することが期待される。   First, in the own ship drive method presentation process S801, the estimation system 100 uses the user interface unit 104 to present the own ship drive command corresponding to the own ship state transition model to be learned to the user. In response to this, the user is expected to start and continue the proposed ship drive command.

次に、信号取得処理S802で、信号取得部201が、複数チャンネル入力信号z(n, t)をバッファリングし、バッファリングした入力信号系列[z(n, t-(M-1)δ), z(n, t-(M-2)δ),…,z(n, t-δ), z(n, t)]に対して窓関数の乗算と短時間フーリエ変換を行い、複数チャンネル周波数領域信号x(n, τ)=[x(n, τ, 1),…,x(n, τ, F)]を出力する。   Next, in the signal acquisition process S802, the signal acquisition unit 201 buffers the multi-channel input signal z (n, t), and buffers the input signal sequence [z (n, t− (M−1) δ). , z (n, t- (M-2) δ), ..., z (n, t-δ), z (n, t)], perform window function multiplication and short-time Fourier transform to obtain multiple channels Output frequency domain signal x (n, τ) = [x (n, τ, 1),..., X (n, τ, F)].

次に、自船状態遷移モデル学習処理S803で、自船状態推定部206が、複数チャンネル周波数領域信号x(n, τ)に基づいて自船状態遷移モデルの学習を行う。自船状態遷移モデルの学習には、隠れマルコフモデル(HMM)の学習方法である、Baum-Welchアルゴリズムなどのアルゴリズムを用いる。   Next, in the own ship state transition model learning process S803, the own ship state estimating unit 206 learns the own ship state transition model based on the multi-channel frequency domain signal x (n, τ). For learning the own ship state transition model, an algorithm such as a Baum-Welch algorithm, which is a hidden Markov model (HMM) learning method, is used.

次に、推定システム100は、S804で学習が完了したかどうかを判断する。具体的には、自船状態遷移モデルu(k)の周波数スペクトルの確率分布dist(k, i)と遷移確率q(k, i, j)が収束し、前回の反復と比べて変化量が小さくなった時に学習が完了したと判断する。完了したと判断した場合、次の自船駆動命令に対し、S801以降の処理を反復実行する。そうでない場合、信号取得処理S802に戻る。
本実施例は、以上の構成により、船舶の駆動命令によって自船状態や状態遷移の頻度が異なる場合であっても、物体の位置を推定することが可能である。
Next, the estimation system 100 determines whether learning is completed in S804. Specifically, the probability distribution dist (k, i) and transition probability q (k, i, j) of the frequency spectrum of own ship state transition model u (k) converge, and the amount of change compared to the previous iteration When it becomes small, it is judged that learning is completed. If it is determined that the process has been completed, the processes subsequent to S801 are repeatedly executed for the next own ship drive command. Otherwise, the process returns to the signal acquisition process S802.
In the present embodiment, the position of the object can be estimated even when the own ship state and the frequency of the state transition are different depending on the ship drive command.

本実施例では、自船状態と振動信号の間の相関が小さい場合であっても、物体の位置を推定する振動源検知装置の例を説明する。例えば、加速度センサと気圧センサの検出情報を利用する。   In the present embodiment, an example of a vibration source detection apparatus that estimates the position of an object even when the correlation between the own ship state and the vibration signal is small will be described. For example, detection information of an acceleration sensor and an atmospheric pressure sensor is used.

図10は、本実施例の推定システム100のハードウェア構成を示した図である。   FIG. 10 is a diagram illustrating a hardware configuration of the estimation system 100 according to the present embodiment.

本実施例の推定システム100は、ハイドロホンやマイクロホンなどの素子101_1〜101_N、複数チャンネルAD変換器102、中央演算装置103、ユーザインタフェース部104、記憶媒体105、揮発性メモリ106、加速度センサ1001、気圧センサ1002から構成されている。   The estimation system 100 of this embodiment includes elements 101_1 to 101_N such as a hydrophone and a microphone, a multi-channel AD converter 102, a central processing unit 103, a user interface unit 104, a storage medium 105, a volatile memory 106, an acceleration sensor 1001, It is composed of an atmospheric pressure sensor 1002.

素子101_1〜101_Nは、水中あるいは空中の音波をアナログ電圧値に変換し、複数チャンネルAD変換器102に送る。複数チャンネルAD変換器102は、複数チャンネルのアナログ電圧値を複数チャンネルのデジタル信号に変換し、中央演算装置103に送る。   The elements 101_1 to 101_N convert sound waves in water or air into analog voltage values and send them to the multi-channel AD converter 102. The multi-channel AD converter 102 converts a multi-channel analog voltage value into a multi-channel digital signal and sends it to the central processing unit 103.

図11は、本実施例の推定システム100の機能ブロック図である。   FIG. 11 is a functional block diagram of the estimation system 100 of the present embodiment.

信号処理部11000は、具体的な構成例としては、信号取得部201、方向推定部202、軌跡推定部203、結果出力部205、自船状態推定部206は、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源である中央演算装置103、ユーザインタフェース部104、記憶媒体105、揮発性メモリ106を用いて当該機能を実現する。あるいは、当該機能がハードウェアのみで実現される場合は、当該処理を実現する専用回路構成を示す。   As a specific configuration example, the signal processing unit 11000 includes a signal acquisition unit 201, a direction estimation unit 202, a trajectory estimation unit 203, a result output unit 205, and an own ship state estimation unit 206. These functions are realized using the central processing unit 103, the user interface unit 104, the storage medium 105, and the volatile memory 106. Or when the said function is implement | achieved only by hardware, the exclusive circuit structure which implement | achieves the said process is shown.

信号取得部201は、サンプリングの時間間隔δ秒ごとに、複数チャンネルAD変換器102から複数チャンネル入力信号z(n, t)を受信し、z(n, t)をバッファリングする。ただし、z(n, t)は時刻t秒での素子nの入力信号を意味する。バッファリングされた過去M回にわたっての入力信号系列[z(n, t-(M-1)δ), z(n, t-(M-2)δ), …, z(n, t-δ), z(n, t)]に対して、窓関数の乗算と短時間フーリエ変換を行い、複数チャンネル周波数領域信号x(n, τ)=[x(n, τ, 1),…,x(n, τ, F)]を計算し、出力する。ただし、δはサンプリングの時間間隔、Fは短時間フーリエ変換の周波数番号の個数、τは窓関数の乗算と短時間フーリエ変換の対象時間の範囲(t-(M-1)δからtまでの時刻帯)を一つの時間フレームとみなしたときのフレーム番号を表す。   The signal acquisition unit 201 receives the multi-channel input signal z (n, t) from the multi-channel AD converter 102 and buffers z (n, t) at every sampling time interval Δsec. However, z (n, t) means an input signal of the element n at time t seconds. Buffered input signal sequence over the past M times [z (n, t- (M-1) δ), z (n, t- (M-2) δ),…, z (n, t-δ ), z (n, t)], a window function multiplication and a short-time Fourier transform, and a multi-channel frequency domain signal x (n, τ) = [x (n, τ, 1), ..., x (n, τ, F)] is calculated and output. Where δ is the sampling time interval, F is the number of frequency numbers of the short-time Fourier transform, τ is the range of the target time of the multiplication of the window function and the short-time Fourier transform (from t- (M-1) δ to t This represents the frame number when (time zone) is regarded as one time frame.

自船状態推定部1101は、加速度センサ1001と気圧センサ1002のセンサ値を入力として、自船状態推定処理を実行し、時刻τの自船状態推定結果c(τ)を出力する。この場合、例えば、加速度センサ1001により船体の上下の動きを検知し、「着水」「浮上」「降下」等の状態を検知する。また、圧力センサ1002により、水中か否かなどの状態を検知する。実施例1,2と同様に、自船状態推定部1101の自船状態の推定には、隠れマルコフモデル(HMM)の状態推定方法である、ビタビアルゴリズムなどのアルゴリズムを用いる。自船状態は、たとえば「着水」、「浮上」、「降下」のいずれかのシンボルとして得られる。   The own ship state estimation unit 1101 receives the sensor values of the acceleration sensor 1001 and the atmospheric pressure sensor 1002 as input, executes own ship state estimation processing, and outputs the own ship state estimation result c (τ) at time τ. In this case, for example, the acceleration sensor 1001 detects the vertical movement of the hull, and detects a state such as “landing”, “floating”, and “descent”. Further, the pressure sensor 1002 detects a state such as whether or not it is underwater. As in the first and second embodiments, the own ship state estimation unit 1101 estimates an own ship state using an algorithm such as a Viterbi algorithm, which is a hidden Markov model (HMM) state estimation method. The own ship state is obtained, for example, as a symbol of “landing”, “floating”, or “descent”.

方向推定部202は、複数チャンネル周波数領域信号x(n, τ)と自船状態推定結果を入力として、方向推定処理を実行し、時刻τの方向推定結果y(τ)=[y(τ,1),…, y(τ,D)]を出力する。ただし、Dは離散化した方向番号の個数である。   The direction estimation unit 202 receives the multi-channel frequency domain signal x (n, τ) and the own ship state estimation result as input, and executes the direction estimation process, and the direction estimation result y (τ) = [y (τ, 1), ..., y (τ, D)] are output. Where D is the number of discretized direction numbers.

軌跡推定部203は、複数時刻の方向推定結果[y(τ-(B-1)), y(τ-(B-2)), …, y(τ)]と自船状態推定結果を入力として、軌跡推定処理を実行し、方向の時系列である軌跡推定結果Traj(τ) = [θ(τ-(B-1)), θ(τ-(B-2)), …, θ(τ)]を出力する。   The trajectory estimation unit 203 inputs the direction estimation results [y (τ- (B-1)), y (τ- (B-2)), ..., y (τ)] at multiple times and the own ship state estimation results The trajectory estimation process is executed, and the trajectory estimation result Traj (τ) = [θ (τ- (B-1)), θ (τ- (B-2)),…, θ ( τ)] is output.

結果出力部205は、Traj(τ)をユーザに提示する。提示方法は、たとえば、ユーザインタフェース部104を介した画像情報提示、点字ディスプレイによる提示、音声による提示、プリンタを介した画像情報の印刷などである。   The result output unit 205 presents Traj (τ) to the user. The presentation method includes, for example, image information presentation via the user interface unit 104, presentation by a braille display, presentation by voice, printing of image information via a printer, and the like.

本実施例では、センサ1001,1002の情報により自船状態を推定するが、合わせて、実施例1,2のように振動スペクトルを併用してもよい。なお、センサの情報量が大きく情報精度が高ければ、状態遷移モデルを用いずに、センサのみで自船状態の推定が可能である場合もあるが、センサを維持するコストを考慮すると、状態遷移モデルを用いる利点がある。   In the present embodiment, the own ship state is estimated based on information from the sensors 1001 and 1002, but a vibration spectrum may be used in combination as in the first and second embodiments. If the sensor's information volume is large and the information accuracy is high, it may be possible to estimate the ship's state using only the sensor without using the state transition model, but considering the cost of maintaining the sensor, the state transition There is an advantage of using a model.

図12は、本実施例の自船状態遷移モデルのデータ構造の例である。   FIG. 12 is an example of the data structure of the own ship state transition model of the present embodiment.

自船駆動命令kごとに異なった自船状態遷移モデルu(k)を割り当て、データベースに格納している。それぞれの自船状態遷移モデルu(k)が隠れマルコフモデルであり、S(k)個の状態s(k,1), …, s(k, S(k))を持つ。自船状態遷移モデルu(k)は、自船駆動命令kがi番目の状態s(k,i)において生成する、1次元目に加速度センサの値、2次元目に気圧センサの値を持つベクトル(センサベクトル)の確率分布dist(k, i)、および、自船駆動命令kが次の時刻フレームにi番目の状態s(k,i)からj番目の状態s(k,j)に遷移する遷移確率q(k, i, j)を持つ。センサベクトルの確率分布dist(k, i)はたとえば混合ガウスモデル(GMM)であり、dist(k, i)はC(k, i)個のクラスタ[c(k, i, 1), …, c(k, i, C(k, i))]を持つ。c_l番目のクラスタc(k, i, c_l)はセンサベクトルの平均μ(k, i, c_l)(数13)とセンサベクトルの共分散行列Σ(k, i, cl)(数14)により定義される。   A different own ship state transition model u (k) is assigned to each own ship driving command k and stored in the database. Each own ship state transition model u (k) is a hidden Markov model, and has S (k) states s (k, 1),..., S (k, S (k)). The own ship state transition model u (k) has an acceleration sensor value in the first dimension and an atmospheric pressure sensor value in the second dimension, which is generated by the own ship drive command k in the i-th state s (k, i). Probability distribution dist (k, i) of vector (sensor vector) and own ship drive command k change from i-th state s (k, i) to j-th state s (k, j) in the next time frame Has transition probability q (k, i, j) to transition. The probability distribution dist (k, i) of the sensor vector is, for example, a mixed Gaussian model (GMM), and dist (k, i) is C (k, i) clusters [c (k, i, 1),…, c (k, i, C (k, i))]. The c_l-th cluster c (k, i, c_l) is defined by the sensor vector mean μ (k, i, c_l) (Equation 13) and the sensor vector covariance matrix Σ (k, i, cl) (Equation 14) Is done.

Figure 2017001522
Figure 2017001522

Figure 2017001522
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本実施例は、このように、振動入力と異なる加速度や気圧といったセンサ入力を用いて自船状態遷移の遷移を行うので、自船状態と振動信号の間の相関が小さい場合であっても、物体の位置を推定することができる。図12に示す例では、自船状態を表すセンサ情報や遷移確率は自船駆動命令kごとに定められることになる。   Since the present embodiment performs the transition of the own ship state transition using the sensor input such as the acceleration and the atmospheric pressure different from the vibration input as described above, even if the correlation between the own ship state and the vibration signal is small, The position of the object can be estimated. In the example shown in FIG. 12, the sensor information indicating the own ship state and the transition probability are determined for each own ship driving command k.

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。   In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。   Each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit. Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor. Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a recording device such as a memory, a hard disk, or an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。   Further, the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.

100:推定システム、101:素子、102:複数チャンネルAD変換器、103:中央演算装置、104:ユーザインタフェース部、105:記憶媒体、106:揮発性メモリ 100: estimation system, 101: element, 102: multi-channel AD converter, 103: central processing unit, 104: user interface unit, 105: storage medium, 106: volatile memory

Claims (15)

船舶用の検知システムであって、
水中にある対象物からの振動を検知して、振動情報を得る検知部と、
前記船舶の状態を判定する判定部と、
前記判定部により前記船舶の状態が、前記振動情報に基づいて前記対象物の情報を推定可能と判定されたタイミングの前記振動情報を用いて、前記対象物の情報を得る推定部と、
を有する検知システム。
A detection system for a ship,
A detection unit that detects vibration from an object in water and obtains vibration information;
A determination unit for determining the state of the ship;
An estimation unit that obtains information on the object using the vibration information at a timing at which the state of the ship is determined by the determination unit to be able to estimate information on the object based on the vibration information;
Having a detection system.
前記船舶の状態が、前記振動情報に基づいて前記対象物の情報を推定可能と判定されたタイミングとは、前記検知部が水中にあり、前記振動情報を検知可能な状態のタイミングを少なくとも含む、
請求項1記載の検知システム。
The timing at which the state of the ship is determined to be able to estimate the information on the object based on the vibration information includes at least the timing at which the detection unit is in water and the vibration information can be detected.
The detection system according to claim 1.
前記判定部は、
前記検知部からの信号および前記船舶の状態遷移をあらわすモデルを用いて、
前記船舶の状態を判定する、
請求項1記載の検知システム。
The determination unit
Using a model representing the signal from the detector and the state transition of the ship,
Determining the state of the ship;
The detection system according to claim 1.
前記判定部は、
前記船舶に備えられたセンサにより取得される情報および前記船舶の状態遷移をあらわすモデルを用いて、
前記船舶の状態を判定する、
請求項1記載の検知システム。
The determination unit
Using information obtained by sensors provided in the ship and a model representing the state transition of the ship,
Determining the state of the ship;
The detection system according to claim 1.
前記判定部は、
前記船舶の駆動命令のパターンごとに、前記船舶の状態遷移をあらわすモデルを選択し、当該選択されたモデルを用いて、
前記船舶の状態を判定する、
請求項1記載の検知システム。
The determination unit
For each pattern of the ship drive command, select a model representing the state transition of the ship, and using the selected model,
Determining the state of the ship;
The detection system according to claim 1.
水中もしくは水上を移動可能な移動体に設けられ、水中の対象物からの振動を検知することにより、前記対象物の方向を推定する振動源検知装置であって、
前記対象物からの振動を検知して、振動情報を得る検知部と、
前記移動体の状態が、前記対象物の方向を推定することが可能な方向推定可能状態であるか否かを判定する判定部と、
前記検知部が得た振動情報のうち、前記方向推定可能状態の時に検知した振動情報を用いて前記対象物の方向を推定する推定部と、
を有する振動源検知装置。
A vibration source detection device that is provided in a movable body that can move in water or on water, and detects the direction of the object by detecting vibration from the object in water,
A detection unit for detecting vibration from the object and obtaining vibration information;
A determination unit that determines whether or not the state of the moving body is a direction estimation possible state capable of estimating the direction of the object;
Of the vibration information obtained by the detection unit, an estimation unit that estimates the direction of the object using vibration information detected in the state in which the direction can be estimated;
A vibration source detection device having:
請求項6に記載の振動源検知装置であって、
前記判定部が、前記検知部および前記移動体に設けられた他のセンサの少なくとも一つからの信号と、前記移動体の状態の時間遷移を表すモデルを用いて、前記方向推定可能状態か否かを判定することを特徴とする振動源検知装置。
The vibration source detection device according to claim 6,
Whether the determination unit is in a state in which the direction can be estimated using a signal from at least one of the detection unit and another sensor provided in the moving body and a model representing a time transition of the state of the moving body. A vibration source detection device characterized by determining whether or not.
請求項7に記載の振動源検知装置であって、
前記判定部が、前記移動体の駆動命令に応じて前記モデルを選択することを特徴とする振動源検知装置。
The vibration source detection device according to claim 7,
The determination unit selects the model in accordance with a driving command for the moving body.
請求項8に記載の振動源検知装置であって、
ユーザに船舶の駆動命令を提示する駆動命令提示部と、
提示する前記駆動命令に対応する前記モデルを前記判定部が学習することを特徴とする振動源検知装置。
The vibration source detection device according to claim 8,
A drive command presentation unit for presenting a ship drive command to the user;
The vibration source detection apparatus, wherein the determination unit learns the model corresponding to the driving command to be presented.
請求項6に記載の振動源検知装置であって、
推定した前記対象物の方向と前記方向推定可能状態を、同一の時間軸を用いて同時に表示する、結果出力部を有する振動源検知装置。
The vibration source detection device according to claim 6,
The vibration source detection apparatus which has a result output part which displays the estimated direction of the said target object and the said direction estimation possible state simultaneously using the same time axis.
請求項6に記載の振動源検知装置であって、
前記判定部が加速度および気圧の情報の少なくとも一つを用いて、前記方向推定可能状態であるか否かを判定することを特徴とする振動源検知装置。
The vibration source detection device according to claim 6,
The determination unit determines whether or not the direction can be estimated using at least one of acceleration and atmospheric pressure information.
水上を移動する船舶において、水中にある対象物からの振動を検知して振動情報を得る検知部を用い、該振動情報に基づいて前記対象物の情報を推定する検知方法であって、
前記検知部が水面から浮上しているタイミングおよび水面に接触したタイミングにおける、前記振動情報を排除して、前記対象物の情報を推定することを特徴とする検知方法。
In a ship moving on the water, using a detection unit that detects vibration from an object in water and obtains vibration information, a detection method for estimating information on the object based on the vibration information,
A detection method characterized in that the information on the object is estimated by eliminating the vibration information at a timing when the detection unit ascends from the water surface and a timing when the detection unit contacts the water surface.
前記タイミングを判定するために、前記検知部からの信号を用いるか、あるいはこれに加えて前記船舶の状態遷移モデルを用いることを特徴とする請求項12記載の検知方法。   13. The detection method according to claim 12, wherein a signal from the detection unit is used to determine the timing, or a state transition model of the ship is used in addition thereto. 前記タイミングを判定するために、加速度センサおよび圧力センサの少なくとも一つからの信号を用いるか、あるいはこれに加えて前記船舶の状態遷移モデルを用いることを特徴とする請求項12記載の検知方法。   13. The detection method according to claim 12, wherein a signal from at least one of an acceleration sensor and a pressure sensor is used to determine the timing, or a state transition model of the ship is used in addition thereto. 前記タイミングを判定するために、前記船舶の駆動命令および、前記船舶の駆動命令パターンごとに準備された前記船舶の状態遷移モデルを用いることを特徴とする請求項12記載の検知方法。   13. The detection method according to claim 12, wherein a state transition model of the ship prepared for each of the ship drive command and the ship drive command pattern is used to determine the timing.
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