(57)【要約】【課題】干渉等により受信信号に不具合が生じても、受信信号から情報信号に基づく情報を適正に取得することが可能な水中通信システムを提供する。【解決手段】水中通信システム１は、同期信号と情報信号とを含むパケット信号を超音波信号として水中に送信する送信器と、超音波信号を受波する受波器と、受波された信号から同期信号を検出する同期信号検出部２４と、同期信号の検出タイミングに基づいて情報信号のゲートを生成するゲート生成部２５と、ゲート内の情報信号の推定周波数を算出する周波数推定部２７と、同期信号の第１検出タイミングと、同期信号の第１検出タイミングよりも前の検出タイミングである第２検出タイミングとに基づいて、情報信号の推定周波数を補正する周波数補正部２８と、を備える。【選択図】図２
2020068500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期信号と情報信号とを含むパケット信号を超音波信号として水中に送信する送信器と、
前記超音波信号を受波する受波器と、
前記受波された信号から前記同期信号を検出する同期信号検出部と、
前記同期信号の検出タイミングに基づいて、前記情報信号を参照するためのゲートを生成するゲート生成部と、
前記ゲート内の前記情報信号の推定周波数を算出する周波数推定部と、
前記同期信号の第１検出タイミングと、前記同期信号の前記第１検出タイミングよりも前の検出タイミングである第２検出タイミングとに基づいて、前記情報信号の推定周波数を補正する周波数補正部と、を備える、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載の水中通信システムにおいて、
前記周波数補正部は、前記第１検出タイミングと前記第２検出タイミングとに基づいて算出されたドップラーシフト値に基づいて、前記情報信号の推定周波数を補正する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項３】
請求項２に記載の水中通信システムにおいて、
前記ドップラーシフト値は、前記第２検出タイミングと前記パケット信号の送信周期とに基づいて設定された前記同期信号の予測タイミングと、前記第１検出タイミングとの差分に基づいて取得される、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項４】
請求項２または３に記載の水中通信システムにおいて、
前記情報信号は、送信情報に応じて変調されており、
前記パケット信号は、既知の周波数の参照信号をさらに含み、
前記ゲート生成部は、前記第１検出タイミングに基づいて、前記参照信号を参照するための他のゲートをさらに生成し、
前記周波数推定部は、前記他のゲート内の前記参照信号の推定周波数をさらに算出し、
前記周波数補正部は、前記参照信号の推定周波数と前記既知の周波数とに基づいて、前記情報信号の推定周波数を補正できない場合に、前記ドップラーシフト値に基づいて、前記情報信号の推定周波数を補正する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項５】
請求項４に記載の水中通信システムにおいて、
前記周波数補正部は、前記参照信号の推定周波数と前記既知の周波数とに基づいて、他のドップラーシフト値を算出し、前記他のドップラーシフト値と、前記ドップラーシフト値との差分に基づいて、前記参照信号の推定周波数の適否を判定し、前記参照信号の推定周波数が適正でない場合に、前記ドップラーシフト値に基づいて、前記情報信号の推定周波数を補正する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項６】
請求項５に記載の水中通信システムにおいて、
前記周波数補正部は、前記他のドップラーシフト値と、前記ドップラーシフト値との差分を所定の閾値と比較して、前記参照信号の推定周波数の適否を判定する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項７】
請求項４ないし６の何れか一項に記載の水中通信システムにおいて、
前記ゲート生成部は、前記同期信号が検出されない場合に、過去の前記参照信号の推定周波数と前記既知の周波数とに基づいて算出した過去のドップラーシフト値に基づき、前記同期信号の検出タイミングを設定する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項８】
請求項７に記載の水中通信システムにおいて、
前記ゲート生成部は、前記パケット信号の送信周期に基づいて設定される前記同期信号の予測タイミングに対し、前記過去のドップラーシフト値に基づく時間ずれを適用して、前記同期信号の検出タイミングを設定する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項９】
所定の変調がなされた同期信号と、既知の周波数の参照信号と、送信情報に応じて変調された情報信号とを含むパケット信号を超音波信号として水中に送信する送信器と、
受波器で受信された前記パケット信号から前記同期信号を検出する同期信号検出部と、
前記同期信号の検出タイミングに基づいて、前記参照信号および前記情報信号を参照するためのゲートを生成するゲート生成部と、
前記各ゲート内の前記参照信号および前記情報信号の推定周波数を算出する周波数推定部と、
前記参照信号の推定周波数と前記既知の周波数とに基づいて、前記情報信号の推定周波数を補正する周波数補正部と、を備え、
前記ゲート生成部は、前記同期信号が検出されない場合に、過去の前記参照信号の推定周波数と前記既知の周波数とに基づいて算出した過去のドップラーシフト値に基づいて、前記同期信号の検出タイミングを設定する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の水中通信システムにおいて、
前記ゲート生成部は、前記パケット信号の送信周期に基づいて設定される前記同期信号の予測タイミングに対し、前記過去のドップラーシフト値に基づく時間ずれを適用して、前記同期信号の検出タイミングを設定する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の水中通信システムにおいて、
前記ゲート生成部は、前記同期信号が検出されない場合に、前記過去のドップラーシフト値から設定した前記同期信号の検出タイミングに基づいて、次の前記同期信号の検出範囲を、前記同期信号検出部に対して設定する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項１２】
請求項１ないし１１の何れか一項に記載の水中通信システムにおいて、
前記パケット信号は、信号のない休止区間を含み、
前記周波数推定部は、前記休止区間の信号に基づいて、前記情報信号のノイズ成分を抑制し、前記ノイズ成分抑制後の前記情報信号に基づいて、前記情報信号の推定周波数を算出する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の水中通信システムにおいて、
前記周波数推定部は、前記休止区間の信号から前記ノイズ成分の周波数スペクトルを取得し、取得した前記ノイズ成分の周波数スペクトルを前記情報信号の周波数スペクトルから除去する処理を実行し、処理後の前記情報信号の周波数スペクトルに基づいて、前記情報信号の推定周波数を算出する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の水中通信システムにおいて、
前記周波数推定部は、過去複数回の前記休止区間の信号から前記ノイズ成分の周波数スペクトルを取得する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載の水中通信システムにおいて、
前記周波数推定部は、過去複数回の前記休止区間の信号の周波数スペクトルについて、スペクトル要素ごとに最大値を取得し、取得した前記スペクトル要素ごとの前記最大値を組合せて、前記ノイズ成分の周波数スペクトルを取得する、
ことを特徴とする水中通信システム。
【請求項１６】
受波器を介して超音波信号として受波された同期信号と情報信号とを含むパケット信号から前記同期信号を検出する同期信号検出部と、
前記同期信号の検出タイミングに基づいて、前記情報信号を参照するためのゲートを生成するゲート生成部と、
前記ゲート内の前記情報信号の推定周波数を算出する周波数推定部と、
前記同期信号の第１検出タイミングと、前記同期信号の前記第１検出タイミングよりも前の検出タイミングである第２検出タイミングとに基づいて、前記情報信号の推定周波数を補正する周波数補正部と、を備える、
ことを特徴とする受信器。
【請求項１７】
同期信号と情報信号とを含むパケット信号を超音波信号として水中に送信し、
前記超音波信号を受波し、
前記受波された信号から前記同期信号を検出し、
前記同期信号の検出タイミングに基づいて、前記情報信号を参照するためのゲートを生成し、
前記ゲート内の前記情報信号に基づいて、前記情報信号の推定周波数を算出し、
前記同期信号の第１検出タイミングと、前記同期信号の前記第１検出タイミングよりも前の検出タイミングである第２検出タイミングとに基づいて、
前記情報信号の推定周波数を補正する、水中通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海中等において水中通信を行う水中通信システムおよび水中通信方法に関し、たとえば、魚網に設置された送信器と漁船に設置された受信器との間で魚網の深度等の情報を送受信する際に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、所定の情報を水中通信するため水中通信システムが、旋網漁等において利用されている。たとえば、魚網に設置された送信器から漁船に設置された受信器に対して、魚網の深度や水温、海底との距離等の情報が随時送信され、これらの情報が受信器側の表示部に表示される。漁船の操作者は、これらの情報を参照することにより、漁を効率的に進めることができる。
【０００３】
以下の特許文献１には、同期信号、参照信号および情報信号を、パケット信号として、発信器から受信器に超音波で送信する水中通信システムが記載されている。この水中通信システムでは、同期信号が、参照信号および情報信号と識別可能に変調される。参照信号は、周波数が既知の正弦波信号に設定される。また、情報信号は、魚網の深度や水温等を示す送信情報に応じて変調される。
【０００４】
受信器側では、受信した参照信号の周波数と既知の周波数とに基づいて、参照信号のドップラーシフトが検出される。そして、検出されたドップラーシフトに基づいて情報信号の周波数が補正され、補正後の周波数に基づいて、送信情報が取得される。これにより、漁船と魚網との間の相対移動に基づくドップラー効果の影響が抑制され、受信器側において送信情報が正確に取得され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４３８６２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような水中通信システムでは、他船に設置された魚群探知機やスキャニングソナー等からの信号が受信信号に干渉して、受信信号が適正に取得されないことが起こり得る。この場合、たとえば、参照信号に干渉が生じると、参照信号に基づくドップラーシフトを適正に検出できなくなる。その結果、受信器側において情報信号に基づく送信情報を適正に取得できず、深度等の表示ができなくなることが起こり得る。
【０００７】
かかる課題に鑑み、本発明は、干渉等により受信信号に不具合が生じても、受信信号から情報信号に基づく情報を適正に取得することが可能な水中通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様は水中通信システムに関する。この態様に係る水中通信システムは、同期信号と情報信号とを含むパケット信号を超音波信号として水中に送信する送信器と、前記超音波信号を受波する受波器と、前記受波された信号から前記同期信号を検出する同期信号検出部と、前記同期信号の検出タイミングに基づいて、前記情報信号を参照するためのゲートを生成するゲート生成部と、前記ゲート内の前記情報信号の推定周波数を算出する周波数推定部と、前記同期信号の第１検出タイミングと、前記同期信号の前記第１検出タイミングよりも前の検出タイミングである第２検出タイミングとに基づいて、前記情報信号の推定周波数を補正する周波数補正部と、を備える。
【０００９】
ここで、周波数補正部は、たとえば、前記第１検出タイミングと前記第２検出タイミングとに基づいて算出されたドップラーシフト値に基づいて、前記情報信号の推定周波数を補正するよう構成され得る。ドップラーシフト値は、前記第２検出タイミングと前記パケット信号の送信周期とに基づいて設定された同期信号の予測タイミングと、前記第１検出タイミングとの差分に基づいて取得され得る。
【００１０】
本発明の第２の態様は、水中通信方法に関する。この態様に係る水中通信方法は、同期信号と情報信号とを含むパケット信号を超音波信号として水中に送信し、前記超音波信号を受波し、前記受波された信号から前記同期信号を検出し、前記同期信号の検出タイミングに基づいて、前記情報信号を参照するためのゲートを生成し、前記ゲート内の前記情報信号に基づいて、前記情報信号の推定周波数を算出し、前記同期信号の第１検出タイミングと、前記同期信号の前記第１検出タイミングよりも前の検出タイミングである第２検出タイミングとに基づいて、前記情報信号の推定周波数を補正する。
【００１１】
本発明の第３の態様は、受信器に関する。この態様に係る受信器は、受波器を介して超音波信号として受波された同期信号と情報信号とを含むパケット信号から前記同期信号を検出する同期信号検出部と、前記同期信号の検出タイミングに基づいて、前記情報信号を参照するためのゲートを生成するゲート生成部と、前記ゲート内の前記情報信号の推定周波数を算出する周波数推定部と、前記同期信号の第１検出タイミングと、前記同期信号の前記第１検出タイミングよりも前の検出タイミングである第２検出タイミングとに基づいて、前記情報信号の推定周波数を補正する周波数補正部と、を備える。
【００１２】
上記態様によれば、同期信号の第１検出タイミングと第２検出タイミングとに基づいて、周波数推定部により算出された情報信号の推定周波数が補正される。よって、干渉等により参照信号に不具合が生じても、情報信号に基づく情報を適正に取得することができる。
【００１３】
本発明の第４の態様は水中通信システムに関する。この態様に係る水中通信システムは、所定の変調がなされた同期信号と、既知の周波数の参照信号と、送信情報に応じて変調された情報信号とを含むパケット信号を超音波信号として水中に送信する送信器と、受波器で受信された前記パケット信号から前記同期信号を検出する同期信号検出部と、前記同期信号の検出タイミングに基づいて、前記参照信号および前記情報信号を参照するためのゲートを生成するゲート生成部と、前記各ゲート内の前記参照信号および前記情報信号の推定周波数を算出する周波数推定部と、前記参照信号の推定周波数と前記既知の周波数とに基づいて、前記情報信号の推定周波数を補正する周波数補正部と、を備える。ここで、前記ゲート生成部は、前記同期信号が検出されない場合に、過去の前記参照信号の推定周波数と前記既知の周波数とに基づいて算出した過去のドップラーシフト値に基づいて、前記同期信号の検出タイミングを設定する。
【００１４】
この態様によれば、同期信号検出部においてパケット信号から同期信号が検出されない場合、過去の参照信号の推定周波数と既知の周波数とに基づいて同期信号の検出タイミングが設定される。よって、干渉等により同期信号に不具合が生じても、情報信号に基づく情報を適正に取得することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のとおり、本発明によれば、干渉等により受信信号に不具合が生じても、受信信号から情報信号に基づく情報を適正に取得することが可能な水中通信システムを提供することができる。
【００１６】
本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１（ａ）は、実施形態１に係る、水中通信システムの構成を示す図である。図１（ｂ）は、実施形態１に係る、送信器から送信されるパケット信号のフォーマットを示す図である。
【図２】図２は、実施形態１に係る、受信器の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、実施形態１に係る、同期信号によりゲートおよび検出範囲を設定する方法の一例を模式的に示すタイミングチャートである。
【図４】図４（ａ）、図４（ｂ）は、それぞれ、実施形態１に係る、水中通信システムにおいて行われる通信処理の基本的な流れを示すフローチャートである。
【図５】図５（ａ）は、実施形態１に係る、ゲート生成処理の処理フローを示すフローチャートである。図５（ｂ）は、実施形態１に係る、周波数補正処理の処理フローを示すフローチャートである。
【図６】図６（ａ）は、実施形態１に係る、周波数推定部によって行われる参照信号の推定周波数の適否を判定する処理を示すフローチャートである。図６（ｂ）は、実施形態１に係る、周波数補正部によって行われる参照信号の推定周波数の適否を判定する処理を示すフローチャートである。
【図７】図７は、実施形態１に係る、ドップラーシフトにより生じる同期予測タイミングと同期検出タイミングとの間のズレを模式的に示すタイミングチャートである。
【図８】図８は、実施形態２に係る、送信器から送信されるパケット信号のフォーマットと、ノイズ成分の除去の流れを概念的に示す図である。
【図９】図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）、図９（ｄ）は、実施形態２に係る、周波数推定部におけるノイズ除去処理が適用された場合の周波数スペクトルの状態を検証した検証結果である。
【図１０】図１０は、実施形態２に係る、ノイズ成分を除去した周波数スペクトルにより推定周波数を取得する処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の実施形態には、旋網漁等に用いられる水中通信システムに本発明を適用した例が示されている。但し、以下の実施形態は、本発明の一実施形態あって、本発明は、以下の実施形態に何ら制限されるものではない。
【００１９】
＜実施形態１＞
図１（ａ）は、水中通信システム１の構成を示す図である。
【００２０】
図１（ａ）に示すように、水中通信システム１は、送信器２と、受波器３と、受信器４とを備える。受波器３と受信器４により受信装置５が構成される。送信器２は、魚網に設置され、受波器３と受信器４は、漁船に設置される。受波器３は、たとえば、漁船の底部に設置され、受信器４は、漁船の船内に設置される。１つの魚網に複数の送信器２が設置され得る。この場合、送信器２ごとに受波器３が設置される。受波器３は、送信器２から送信された超音波信号を受信し、受信した超音波信号を電気信号（以下、「受信信号」という）に変換して受信器４に供給する。受信器４は、受信信号を処理して、魚網の深度等の情報を表示部に表示させる。
【００２１】
送信器２は、制御部１１と、水温計１２と、水圧計１３と、送受波器１４と、送波器１５と、電圧検出回路１６と、電池１７とを備えている。制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理回路とメモリとを備え、メモリに保持されたプログラムに従って、各部を制御する。水温計１２は、送信器２の設置位置における海中の温度を計測する。水圧計１３は、送信器２の設置位置における海中の圧力を計測する。
【００２２】
送受波器１４は、海底に向けて超音波を送信するとともに、海底で反射されたエコーを受信する。超音波を送信してからエコーを受信するまでの時間を計測することにより、魚網から海底までの距離が求められる。送波器１５は、水温、水圧および海底までの距離や、電池１７の電圧等を含む情報を、超音波信号として、受波器３に送信する。電圧検出回路１６は、電池１７の電圧を検出する。電池１７は、送信器２の各部に電源を供給する。
【００２３】
図１（ｂ）は、送信器２から送信されるパケット信号のフォーマットを示す図である。
【００２４】
図１（ｂ）に示すフォーマットのパケット信号が制御部１１により生成される。生成されたパケット信号は、超音波信号として、送波器１５から海中に送信される。パケット信号は、所定の変調がなされた同期信号と、既知の周波数の参照信号と、送信情報に応じて変調された情報信号とを含む。
【００２５】
図１（ｂ）では、便宜上、１つのパケット信号に情報信号が２つ含まれた例が示されているが、１つのパケット信号に含まれる情報信号の数は、これに限られるものではない。たとえば、１つのパケット信号に情報信号が３つ以上含まれてもよい。パケット信号における各信号の配置順序は、図１（ｂ）の例に限られるものではない。たとえば、参照信号の前に情報信号が配置されてもよい。
【００２６】
同期信号は、送信器２と受信器４との間で通信の同期をとるための信号である。同期信号は、たとえば、瞬時周波数が連続的に変化するリニアＦＭ信号である。同期信号の変調方式は、リニアＦＭに限られるものではなく、参照信号および情報信号と識別可能である限りにおいて、適宜、変更可能である。
【００２７】
参照信号は、所定周波数の正弦波信号である。情報信号は、上記水温や水圧などの情報（以下、「送信情報」という）の値に応じた周波数の正弦波信号である。すなわち、情報信号は、送信情報で周波数変調された信号である。情報信号の周波数は、送信情報の値に対応する周波数に固定される。パケット信号は、一定周期で、送波器１５から水中に送信される。
【００２８】
図２は、受信器４の構成を示すブロック図である。
【００２９】
なお、図２には、受信器４の回路系の構成が機能ブロックとして示されている。これらの機能ブロックは、プログラムに従って処理を実行する信号処理回路（プロセッサー）により実現され得る。たとえば、図２に示した構成のうち、周波数変換部２１および表示部３０以外の各部の機能は、信号処理回路（プロセッサー）１００の処理により実現され得る。信号処理回路１００は、必ずしも、１つのハードウエアでなくてもよく、複数のハードウエアにより構成されてもよい。
【００３０】
周波数変換部２１は、受波器３から入力される受信信号の中心周波数を、所定の中間周波数に変換する。また、周波数変換部２１は、受信信号に重畳されたノイズ成分の除去や、受信信号の増幅も行う。上述のように、複数組の送信器２と受波器３とが用いられ、各組で超音波信号の中心周波数が互いに異なる場合に、受信器４での信号処理を共通化するために、周波数変換部２１において、周波数変換が行われる。したがって、この点を考慮する必要がない場合は、周波数変換を行わずに、受信信号そのものをサンプリングするようにしてもよい。この場合、周波数変換部２１は省略される。
【００３１】
Ａ／Ｄ変換器２２は、周波数変換部２１から入力される受信信号を一定のサンプリングレートでサンプリングしてデジタル信号に変換する。
【００３２】
直交検波部２３は、Ａ／Ｄ変換器２２から出力されるデジタル信号から、受信信号の複素包絡線系列を生成し、生成した複素包絡線系列のサンプリングレート（データレート）を所定の割合（間引き比）で低減して出力する。ここでは、出力される複素包絡線系列の実部がＩ［ｎ］で表され、虚部はＱ［ｎ］で表される。
【００３３】
直交検波部２３は、実部符号変換部２３１と、虚部符号変換部２３２と、間引きフィルタ２３３、２３４とを備える。実部符号変換部２３１は、複素包絡線系列の実部を生成し、虚部符号変換部２３２は、複素包絡線系列の虚部を生成する。間引きフィルタ２３３、２３４は、それぞれ、実部符号変換部２３１および虚部符号変換部２３２の出力系列に対して、ローパスフィルタとリサンプル（間引き）の操作を施す。これにより、各出力系列のサンプリングレートが低減する。このようにサンプリングレートが低減するので、以降の信号処理の負荷が軽減される。
【００３４】
なお、直交検波部２３のより詳細な処理については、たとえば、特許文献１に記載の処理と同様であるので、ここではその説明を割愛する。直交検波部２３の詳細な説明として、特許文献１の記載が参照により取り込まれ得る。
【００３５】
同期信号検出部２４は、直交検波部２３から入力される複素包絡線系列Ｉ［ｎ］、Ｑ［ｎ］から、同期信号を検出する。同期信号検出部２４は、マッチドフィルタ部２４１と、バッファメモリ２４２と、最大値検出部２４３とを備える。
【００３６】
マッチドフィルタ部２４１は、実部系列生成部２４１ａと、虚部系列生成部２４１ｂと、絶対値計算部２４１ｃとを備える。実部系列生成部２４１ａと虚部系列生成部２４１ｂとが、複素マッチドフィルタを構成する。実部系列生成部２４１ａは、複素マッチドフィルタの出力の実部系列Ｉｍｆ［ｎ］を生成し、虚部系列生成部２４１ｂは、複素マッチドフィルタの出力の虚部系列Ｑｍｆ［ｎ］を生成する。絶対値計算部２４１ｃは、実部系列Ｉｍｆ［ｎ］と虚部系列Ｑｍｆ［ｎ］とから、絶対値系列Ｄ［ｎ］を生成する。
【００３７】
具体的には、マッチドフィルタ部２４１は、直交検波部２３から入力される複素包絡線系列Ｉ［ｎ］、Ｑ［ｎ］に対して、上述の同期信号に対応する複素マッチドフィルタ処理を施し、処理結果として絶対値系列Ｄ［ｎ］を出力する。同期信号にかかる複素包絡線系列Ｉ［ｎ］、Ｑ［ｎ］のデータ数と等しくなるように、マッチドフィルタのフィルタ長が決められている。マッチドフィルタ部２４１は、後述するフィルタ係数計算部２６から供給される実部および虚部用のフィルタ係数を用いて、受信信号の波形と同期信号の想定される波形との相関処理を行い、これら波形の相関度を示す絶対値系列Ｄ［ｎ］を出力する。これらのフィルタ係数は、マッチドフィルタ内に同期信号にかかる全ての複素包絡線系列Ｉ［ｎ］、Ｑ［ｎ］が揃ったときに、絶対値系列Ｄ［ｎ］の値が最大となるように設定されている。
【００３８】
なお、マッチドフィルタ部２４１のより詳細な処理については、たとえば、特許文献１に記載の処理と同様であるので、ここではその説明を割愛する。マッチドフィルタ部２４１の詳細な説明として、特許文献１の記載が参照により取り込まれ得る。
【００３９】
バッファメモリ２４２は、上記の絶対値系列Ｄ［ｎ］の一部分を一時的に記憶する。具体的には、バッファメモリ２４２は、同期信号を含み得る所定時間幅の範囲（以下、「検出範囲」という）について、絶対値系列Ｄ［ｎ］を一時的に記憶する。検出範囲は、後述のように、１周期前のパケット信号において検出された同期信号の検出タイミングに基づいて、ゲート生成部２５により設定される。
【００４０】
最大値検出部２４３は、バッファメモリ２４２に記憶された検出範囲内における絶対値系列Ｄ［ｎ］の最大値を抽出し、抽出した最大値が所定値以上である場合に、この最大値に対応するタイミング（以下、「同期信号検出タイミング」という）をゲート生成部２５に出力する。同期信号検出タイミングは、上述のマッチドフィルタ部２４１の特性から、同期信号と参照信号の境界に相当するタイミングとなる。同期信号検出タイミングは、ゲート生成部２５においてメモリに保持され、さらに、周波数補正部２８に出力される。上記条件を満たす絶対値系列Ｄ［ｎ］が存在しない場合、最大値検出部２４３は、その旨を示す信号を同期信号検出タイミングに代えてゲート生成部２５に出力する。
【００４１】
ゲート生成部２５は、同期信号検出タイミングを基準として、参照信号のゲートおよび情報信号のゲートの開始タイミングと終了タイミングとを算出し、算出した各タイミングを周波数推定部２７に出力する。また、ゲート生成部２５は、同期信号検出タイミングにパケット周期を加算したタイミング（以下、「同期信号予測タイミング」という）を算出し、算出した同期信号予測タイミングを、周波数補正部２８に出力する。さらに、ゲート生成部２５は、算出した同期信号予測タイミングを中心に、時間の戻る方向および時間が進む方向にそれぞれ同一時間幅を設定して、上述の検出範囲を算出し、算出した検出範囲をバッファメモリ２４２に出力する。
【００４２】
図３は、同期信号によりゲートおよび検出範囲を設定する方法の一例を模式的に示す図である。
【００４３】
図３の例では、同期信号検出タイミングｔｄ１から時間Ｔ１が経過したときのタイミングが、参照信号に設定されるゲートの開始タイミングｔｓ１に設定され、開始タイミングｔｓ１から時間ΔＴ１が経過したタイミングが、このゲートの終了タイミングｔｅ１に設定される。また、開始タイミングｔｓ１から時間Ｔ２が経過したときのタイミングが、１つ目の情報信号に設定されるゲートの開始タイミングｔｓ２に設定され、開始タイミングｔｓ２から時間ΔＴ１が経過したタイミングが、このゲートの終了タイミングｔｅ２に設定される。さらに、開始タイミングｔｓ２から時間Ｔ３が経過したときのタイミングが、２つ目の情報信号に設定されるゲートの開始タイミングｔｓ３に設定され、開始タイミングｔｓ３から時間ΔＴ１が経過したタイミングが、このゲートの終了タイミングｔｅ３に設定される。
【００４４】
こうして、参照信号のゲートは、参照信号の後半部分に設定され、情報信号のゲートは、情報信号の後半部分に設定される。このように参照信号のゲートを設定することにより、海底あるいは海面で反射したのち到来した同期信号が、参照信号のゲート内に混在することを防ぐことができる。同様に、上記のように情報信号のゲートを設定することにより、海底あるいは海面で反射したのち到来した参照信号が、１つ目の情報信号のゲート内に混在することを防ぐことができる。２つ目の情報信号についても、同様である。
【００４５】
また、同期信号検出タイミングｔｄ１からパケット信号の送信周期Ｔｐが経過したタイミングが、次のパケット信号における同期信号予測タイミングｔｐ１に設定される。そして、同期信号予測タイミングｔｐ１を中心に、時間の戻るおよび時間が進む方向にそれぞれ同一時間幅ΔＴ１１を設定したタイミングが、検出範囲の開始タイミングｔｓ１１および終了タイミングｔｅ１１に設定される。時間幅ΔＴ１１は、想定され得るドップラーシフトが生じても、同期信号が検出され得る時間幅に設定される。
【００４６】
図２に戻り、周波数推定部２７は、ゲート生成部２５から入力される参照信号および情報信号のゲート内の複素包絡線系列Ｉ［ｎ］、Ｑ［ｎ］に対して、ＤＦＴ（離散フーリエ変換）とスペクトル補間（補完処理）とを施すことにより、参照信号および情報信号の推定周波数を算出する。ここで算出される推定周波数は、ドップラーシフトが生じた周波数、すなわち受信周波数である。周波数推定部２７は、参照信号および情報信号の周波数の推定値を周波数補正部２８に出力する。また、周波数推定部２７は、参照信号の周波数の推定値をゲート生成部２５に出力する。
【００４７】
なお、周波数推定部２７のより詳細な処理については、たとえば、特許文献１に記載の処理と同様であるので、ここではその説明を割愛する。周波数推定部２７の詳細な説明として、特許文献１の記載が参照により取り込まれ得る。
【００４８】
周波数補正部２８は、参照信号の既知の周波数と、周波数推定部２７により算出された参照信号の推定周波数（周波数の推定値）とに基づいて、周波数推定部２７により算出された情報信号の推定周波数（周波数の推定値）を補正する。ここで、情報信号の補正後の推定周波数をｆｉｃ、参照信号の既知の周波数をｆｐ、周波数推定部２７により算出された参照信号の推定周波数をｆｐｅ、周波数推定部２７により算出された情報信号の推定周波数をｆｉｅとすると、補正後の推定周波数ｆｉｃは、以下の式により算出される。
【００４９】
ｆｉｃ＝ｆｉｅ・ｆｐ／ｆｐｅ  …（１）
【００５０】
式（１）で算出される推定周波数ｆｉｃは、ドップラーシフトが除去された情報信号の周波数であり、理想的には、情報信号の送信時の周波数と等しくなる。
【００５１】
なお、ここでは、補正後の推定周波数ｆｉｃが、周波数をｆｐ、ｆｐｅ、ｆｉｅから直接求められたが、参照信号の既知の周波数ｆｐと、周波数推定部２７により算出された参照信号の推定周波数ｆｐｅとに基づいて、参照信号の推定周波数のドップラーシフト値を求め、求めたドップラーシフト値に基づいて、情報信号の推定周波数ｆｉｅが補正されてもよい。
【００５２】
数値変換部２９は、補正された情報信号の推定周波数を送信情報の値に変換する。変換後の値は、表示部３０に出力される。表示部３０は、受信した送信情報の値（水圧や水温など）を表示する。たとえば、水圧から換算された魚網深度が表示部３０に表示される。
【００５３】
フィルタ係数計算部２６は、参照信号の既知の周波数と、周波数推定部２７により算出された参照信号の推定周波数とに基づいて、上述のマッチドフィルタの実部および虚部のフィルタ係数を算出する。フィルタ係数計算部２６は、算出したフィルタ計数をメモリに保持するとともにマッチドフィルタ部２４１に供給する。
【００５４】
なお、フィルタ係数計算部２６のより詳細な処理については、たとえば、特許文献１に記載の処理と同様であるので、ここではその説明を割愛する。フィルタ係数計算部２６の詳細な説明として、特許文献１の記載が参照により取り込まれ得る。
【００５５】
図４（ａ）、（ｂ）は、水中通信システム１において行われる通信処理の基本的な流れを示すフローチャートである。図４（ａ）の処理は、送信器２において行われ、図４（ｂ）の処理は、受波器３および受信器４において行われる。
【００５６】
まず、図４（ａ）を参照して、送信器２の制御部１１は、水温計１２、水圧計１３および送受波器１４を制御して、水温、水圧および海底までの距離を検出する（Ｓ１Ａ）。制御部１１は、検出結果に基づき送信情報を生成し（Ｓ２Ａ）、生成した送信情報に応じた情報信号を含むパケット信号を超音波信号として水中に送信する（Ｓ３Ａ）。パケット信号には、上記のように、同期信号と参照信号が含まれている。制御部１１は、一定周期（送信周期Ｔｐ）で、Ｓ１Ａ〜Ｓ３Ａの処理を繰り返し実行する。
【００５７】
図４（ｂ）を参照して、受信器４は、送信器２から送信された超音波信号を、受波器３を介して受信する（Ｓ１Ｂ）。これに応じて、受信器４の同期信号検出部２４が、上記のように、受信信号から同期信号を検出する（Ｓ２Ｂ）。さらに、受信器４のゲート生成部２５が、上記のように、同期信号の検出結果（同期信号検出タイミング）に基づいて参照信号および情報信号のゲートを生成し、さらに、次の同期信号の予測タイミング（同期信号予測タイミング）と検出範囲を設定する（Ｓ３Ｂ）。
【００５８】
そして、受信器４の周波数推定部２７が、ゲート内の参照信号および情報信号に対し周波数を推定し（Ｓ４Ｂ）、さらに、周波数補正部２８が、参照信号の推定周波数に基づいて情報信号の推定周波数を補正する（Ｓ５Ｂ）。続いて、受信器４の数値変換部２９が、情報信号の推定周波数を数値に変換し、変換した数値を表示部３０に表示させる（Ｓ６Ｂ）。受信器４は、受信信号の受信に応じて、Ｓ１Ｂ〜Ｓ６Ｂの処理を繰り返し実行する。
【００５９】
ところで、水中通信システム１では、他船に設置された魚群探知機やスキャニングソナー等からの信号が、受信信号に干渉することが起こり得る。これにより、同期信号または参照信号が適正に取得されないことが起こり得る。この場合、参照信号に基づくドップラーシフトの検出を適正に行えなくなり、あるいは、同期信号に基づくゲートの設定を適正に行えなくなる。その結果、受信器４側において情報信号に基づく送信情報を適正に取得できず、深度等の誤表示や表示の欠落等が起こり得る。
【００６０】
そこで、本実施形態では、干渉等により同期信号または参照信号に不具合が生じた場合にも、情報信号の送信情報を適正に取得するための構成が設けられている。以下、この構成について説明する。
【００６１】
まず、受信信号中の同期信号に不具合が生じた場合に、同期信号の検出タイミング（同期信号検出タイミング）を補完するための構成について説明する。この構成は、ゲート生成部２５に設けられている。
【００６２】
図５（ａ）は、図４（ｂ）のステップＳ３Ｂにおいて行われるゲート生成処理の処理フローを示すフローチャートである。
【００６３】
ゲート生成部２５は、同期信号検出部２４（最大値検出部２４３）から同期信号の検出結果を取得すると（Ｓ１１）、同期検出結果に基づいて、同期検出が適正に行えたか否かを判定する（Ｓ１２）。
【００６４】
上記のように最大値検出部２４３は、バッファメモリ２４２に記憶された検出範囲内における絶対値系列Ｄ［ｎ］の最大値を抽出し、抽出した最大値が所定値以上である場合に、最大値に対応するタイミングである同期信号検出タイミングを、同期検出結果として、ゲート生成部２５に出力し、この条件が満たされない場合は、その旨を示す信号を、同期検出結果として、ゲート生成部２５に出力する。
【００６５】
同期検出結果として同期信号検出タイミングを取得した場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、ゲート生成部２５は、同期検出結果として取得した同期信号検出タイミングをそのまま同期信号の検出タイミングに設定する（Ｓ１３）。他方、同期検出結果として同期信号検出タイミングを取得しなかった場合（Ｓ１２：ＮＯ）、ゲート生成部２５は、過去のドップラーシフト値から同期検出タイミングを補完する（Ｓ１４）。
【００６６】
上記のように、ゲート生成部２５は、周波数推定部２７から参照信号の推定周波数を随時、取得している。ゲート生成部２５は、参照信号の推定周波数を取得するごとに、推定周波数と参照信号の既知の周波数とに基づいて、参照信号のドップラーシフト値を算出し、算出したドップラーシフト値をメモリに保持する。
【００６７】
ステップＳ１４において、ゲート生成部２５は、前回設定した同期検出タイミングにパケット信号の周期Ｔｐを加算して求めた同期予測タイミング、すなわち、今回の同期信号に対する同期予測タイミングを、前回の参照信号について算出したドップラーシフト値で補正して同期検出タイミングを求め、求めた同期検出タイミングを、今回の同期信号に対する同期検出タイミングとして設定する。
【００６８】
ここで、同期予測タイミングとドップラーシフト値とに基づいて同期検出タイミングを算出する方法について説明する。
【００６９】
たとえば、送信器２の送信周波数をｆ（Ｈｚ）、受波器３の受信周波数をｆ’（Ｈｚ）、送信器２の移動速度をｖｓ（ｍ／ｓ）、受波器３の移動速度をｖ０（ｍ／ｓ）、水中の音速をＶ（ｍ／ｓ）とすると、以下の関係式が成立する。
【００７０】
【数１】
2020068500.tif 000003
【００７１】
ここで、送信器２の移動速度ｖｓをゼロとし、受波器３の移動速度ｖ０を送信器２と受波器３の相対速度ｖとして扱うと、ドップラーシフト値Δｆ（Ｈｚ）は、以下の式で求められる。
【００７２】
【数２】
2020068500.tif 000004
【００７３】
さらに、パケット信号の送信周期をＴｐ、受信信号のサンプリング周期をｔｓ、同期信号予測タイミングに対する同期検出タイミングのズレをｎとすると、上記式（３）は、以下の式に変形される。
【００７４】
【数３】
2020068500.tif 000005
【００７５】
ここで、サンプリング周期ｔｓは、図２に示した間引きフィルタ２３３、２３４で間引かれた後の受信信号のサンプリング周期である。また、ズレｎは、このサンプリング周期におけるサンプルタイミングの数により、同期信号予測タイミングに対する同期検出タイミングのズレを規定したものである。
【００７６】
上記式（４）において、周波数ｆは、参照信号の送信周波数として既知であり、サンプリング周期ｔｓおよびパケット信号の送信周期Ｔｐも装置の動作条件として既知である。したがって、参照信号の推定周波数に基づき、上記式（１）を用いてドップラーシフト値Δｆ（補正後の推定周波数ｆｉｃと補正前の推定周波数ｆｉｅの差）が求まれば、これを式（４）に代入することにより、ズレｎを算出できる。
【００７７】
ゲート生成部２５は、図５（ａ）のステップＳ１４において、１パケット前のドップラーシフト値を式（４）に適用してズレｎを求め、求めたズレｎを今回の同期信号の同期信号予測タイミングに対し加算して、今回の同期信号の同期信号検出タイミングを取得する。こうして、同期信号検出タイミングの補完が行われる。
【００７８】
ステップＳ１３、Ｓ１４の何れかにより同期検出タイミングを設定した後、ゲート生成部２５は、設定した同期検出タイミングに基づき、次の同期信号の同期予測タイミングを算出し、さらに、次の同期信号の検出範囲を設定する。次の同期信号の同期予測タイミングは、同期検出タイミングにパケット信号の送信周期Ｔｐを加算して求められる。また、検出範囲は、図３に示したように、同期予測タイミングに時間幅ΔＴ１１を加算および減算することにより求められる。ゲート生成部２５は、求めた同期予測タイミングと検出範囲をメモリに保持する。さらに、ゲート生成部２５、同期予測タイミングを周波数推定部２７に出力し、検出範囲をバッファメモリ２４２に出力する。
【００７９】
また、ゲート生成部２５は、ステップＳ１３、Ｓ１４の何れかにより設定した同期検出タイミングに基づき、参照信号のゲートと情報信号のゲートを設定する（Ｓ１６）。こうして、同期検出結果に応じた処理が終了する。ゲート生成部２５は、ステップＳ１１において同期検出結果を取得するごとに、同様の処理を繰り返し実行する。
【００８０】
なお、図５（ａ）の処理では、式（４）に基づくドップラーシフト値の算出がゲート生成部２５において行われたが、ドップラーシフト値の算出が周波数補正部２８において行われてもよい。この場合、周波数補正部２８は、算出したドップラーシフト値を随時、ゲート生成部２５に出力し、ゲート生成部２５は、入力されたドップラーシフト値をメモリに保持する。ゲート生成部２５は、メモリに保持した１パケット前のドップラーシフト値を用いて、ステップＳ１４と同様の処理により、同期検出タイミングを算出して補完する。
【００８１】
次に、受信信号中の参照信号に不具合が生じた場合に、受信信号のドップラーシフト値を補完するための構成について説明する。この構成は、周波数補正部２８に設けられている。
【００８２】
図５（ｂ）は、図４（ｂ）のステップＳ５Ｂにおいて行われる周波数補正処理の処理フローを示すフローチャートである。
【００８３】
周波数補正部２８は、周波数推定部２７から参照信号の周波数の推定結果を取得すると（Ｓ２１）、推定結果に基づいて、推定の適否を判定する（Ｓ２２）。本実施形態では、参照信号の周波数を適正に推定できたか否かの判定が、周波数推定部２７において行われる。周波数推定部２７は、参照信号の周波数を適正に推定できた場合、推定結果として、参照信号の推定周波数を周波数補正部２８に出力する。他方、参照信号の周波数を適正に推定できなかった場合、周波数推定部２７は、推定結果として、その旨を示す信号を周波数補正部２８に出力する。
【００８４】
図６（ａ）は、周波数推定部２７によって行われる参照信号の推定周波数の適否を判定する処理を示すフローチャートである。
【００８５】
周波数推定部２７は、参照信号の推定周波数が正常範囲内であること（Ｓ３１）、前回の推定周波数に対する今回の推定周波数の変化量が閾値未満であること（Ｓ３２）、および参照信号のＳ／Ｎが閾値未満であること（Ｓ３３）を条件として、参照信号の推定周波数が適正であるか否かを判定する。ステップＳ３１〜Ｓ３３の全てがＹＥＳの場合、周波数推定部２７は、周波数の推定が適正であるとして、参照信号の推定周波数を周波数補正部２８に出力する（Ｓ３４）。他方、ステップＳ３１〜Ｓ３３の少なくとも１つがＮＯの場合、周波数推定部２７は、周波数の推定が不適正であるとして、その旨を示す信号を周波数補正部２８に出力する（Ｓ３５）。
【００８６】
図５（ｂ）に戻り、参照信号の推定結果として参照信号の推定周波数を取得した場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、周波数補正部２８は、取得した参照信号の推定結果と参照信号の既知の周波数とに基づき、上記式（１）を用いて、参照信号のドップラーシフト値を算出する（Ｓ２３）。他方、参照信号の推定結果として参照信号の推定周波数を取得しなかった場合（Ｓ２２：ＮＯ）、周波数補正部２８は、同期検出タイミングに基づいてドップラーシフト値を補完する（Ｓ２４）。
【００８７】
具体的には、ステップＳ２４において、周波数補正部２８は、ゲート生成部２５から取得した同期信号予測タイミングと同期信号検出タイミングとのズレｎを求め、求めたズレｎを上記式（４）に適用して、参照信号のドップラーシフト値Δｆを算出する。
【００８８】
図７の上段は、ドップラーシフトの影響がない場合の受信信号の状態を示し、図７の中段および下段は、ドップラーシフトの影響がある場合の受信信号の状態を示す。便宜上、１パケット前の同期信号検出タイミングｔｄ１’は、上段、中段、下段において揃えられている。
【００８９】
図７の中段の例では、ドップラーシフトの影響により受信信号が時間軸方向に縮まっているため、同期信号予測タイミングｔｐ１に対して同期信号検出タイミングｔｄ１が早まっている。この場合、ズレｎは負の値となる。これに対し、図７の下段の例では、ドップラーシフトの影響により受信信号が時間軸方向に伸びているため、同期信号予測タイミングｔｐ１に対して同期信号検出タイミングｔｄ１が遅延している。この場合、ズレｎは正の値となる。周波数補正部２８は、こうして求めたズレｎを上記式（４）に適用して、参照信号のドップラーシフト値Δｆを算出する。
【００９０】
ステップＳ２３、Ｓ２４の何れかによりドップラーシフト値を設定した後、周波数補正部２８は、設定したドップラーシフト値に基づき、情報信号の推定周波数を補正する。これにより、情報信号の推定周波数に対するドップラーシフトの影響が抑制される。こうして、情報信号の推定周波数を補正する処理が終了する。周波数補正部２８は、ステップＳ２１において参照信号の周波数の推定結果を取得するごとに、同様の処理を繰り返し実行する。
【００９１】
なお、図５（ｂ）の処理では、式（４）に基づくドップラーシフト値の算出が周波数補正部２８において行われたが、ドップラーシフト値の算出がゲート生成部２５において行われてもよい。この場合、ゲート生成部２５は、算出したドップラーシフト値を随時、周波数補正部２８に出力し、周波数補正部２８は、入力されたドップラーシフト値を用いて、ステップＳ２４において、ドップラーシフト値を補完する。
【００９２】
また、図５（ｂ）のステップＳ２２の判定において、さらに、図６（ｂ）の判定処理が追加されてもよい。図６（ｂ）の判定処理は、周波数推定部２７から参照信号の周波数の推定値が周波数補正部２８に出力された場合、すなわち、周波数推定部２７において参照信号の周波数が適正に推定されたと判定された場合に、追加的に行われる。
【００９３】
図６（ｂ）において、周波数補正部２８は、周波数推定部２７から入力された参照信号の推定周波数と既知の周波数とに基づいて、参照信号のドップラーシフト値ＤＳ１を取得する（Ｓ４１）。この処理は、図５（ｂ）のステップＳ２３と同様である。次に、周波数補正部２８は、ゲート生成部２５から入力された同期信号検出タイミングと同期信号予測タイミングとに基づいて、ドップラーシフト値ＤＳ２を取得する（Ｓ４２）。この処理は、図５（ｂ）のステップＳ２４と同様である。なお、ステップＳ４１、４２の順番は逆でもよい。
【００９４】
そして、周波数補正部２８は、ドップラーシフト値ＤＳ１、ＤＳ２の差の絶対値が閾値を超えるか否かを判定する（Ｓ４３）。差の絶対値が閾値を超える場合（Ｓ４３：ＹＥＳ）、周波数補正部２８は、参照信号の推定周波数が不適正である判定する（Ｓ４４）。この場合、図５（ｂ）のステップＳ２２の判定はＮＯとなる。他方、差の絶対値が閾値を超えない場合（Ｓ４３：ＮＯ）、周波数補正部２８は、参照信号の推定周波数が適正であると判定する。この場合、図５（ｂ）のステップＳ２２の判定はＹＥＳとなる。
【００９５】
図６（ｂ）の判定を行うことにより、たとえば、図６（ａ）の処理において参照信号の推定周波数が正常範囲内にある場合であっても、ドップラーシフト値ＤＳ１、ＤＳ２との間の乖離が大きい場合に、参照信号の推定周波数が適正でないと判定され、同期検出タイミングに基づくドップラーシフト値を用いて情報信号の周波数が補正される。これにより、情報信号に応じた送信情報をより正確に取得することができる。
【００９６】
なお、図６（ａ）の判定処理に代えて、図６（ｂ）の判定処理が行われてもよく、図６（ａ）のステップＳ３１〜Ｓ３３の何れかの判定処理と図６（ｂ）の判定処理が組み合わされてもよい。
【００９７】
＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、以下の効果が奏され得る。
【００９８】
図５（ｂ）を参照して説明したように、同期信号検出タイミングと、過去の同期信号検出タイミングとに基づいて、周波数推定部２７により算出された情報信号の推定周波数が補正される。具体的には、図５（ｂ）のステップＳ２４、Ｓ２５に示したように、同期信号検出部２４により検出された同期信号検出タイミングと過去の（本実施形態では１パケット前の）同期信号検出タイミングとに基づいて算出されたドップラーシフト値に基づいて、周波数推定部２７により算出された情報信号の推定周波数が補正される。ここで、ドップラーシフト値は、過去の（１パケット前の）同期信号検出タイミングとパケット信号の送信周期Ｔｐとに基づいて設定された同期信号予測タイミングと、同期信号検出部２４により検出された同期信号検出タイミングとの差分に基づいて、上記式（４）により取得される。よって、干渉等により参照信号に不具合が生じても、情報信号に基づく送信情報を適正に取得することができる。
【００９９】
図５（ｂ）に示したように、周波数補正部２８は、周波数推定部２７により算出された参照信号の推定周波数と既知の周波数とに基づいて情報信号の推定周波数を補正できない場合に（Ｓ２２：ＮＯ）、同期信号検出タイミングにより補完されたドップラーシフト値（Ｓ２４）に基づいて、情報信号の推定周波数を補正する（Ｓ２４）。これにより、参照信号の推定周波数に基づく情報信号の推定周波数の補正プロセスを有効に利用しながら、同期信号検出タイミングにより補完されたドップラーシフト値を用いた情報信号の推定周波数の補正を行うことができる。
【０１００】
なお、本実施形態では、同期信号検出タイミングにより情報信号の推定周波数を補正できるため、情報信号の推定周波数を補正する観点からは、必ずしも、参照信号は必須ではない。よって、この観点からは、参照信号がパケット信号から省略されてもよい。但し、本実施形態では、図５（ａ）に示したように、受信信号から同期信号が検出できなかった場合に、参照信号に基づくドップラーシフト値により、同期信号検出タイミングが設定される。よって、この観点からは、パケット信号に参照信号が含まれていることが必要となる。本実施形態では、参照信号と同期信号が互いに相補的に働くことにより、干渉等により何れか一方に不具合が生じても、情報信号に応じた送信情報が正確に取得され得るとの効果が奏される。
【０１０１】
図６（ｂ）に示したように、周波数補正部２８は、周波数推定部２７により算出された参照信号の推定周波数と既知の周波数とに基づいて、ドップラーシフト値ＤＳ１を取得し（Ｓ４１）、このドップラーシフト値ＤＳ１と、同期信号検出タイミングにより取得されたドップラーシフト値ＤＳ２（Ｓ４２）との差異に基づいて、前記参照信号の推定周波数の適否を判定する（Ｓ４３、Ｓ４４）。そして、周波数補正部２８は、参照信号の推定周波数が適正でない場合に、図５（ｂ）のステップＳ２４、Ｓ２５において、同期信号検出タイミングから補完されたドップラーシフト値に基づいて、情報信号の推定周波数を補正する。これにより、不適正な参照信号の推定周波数に基づき情報信号の推定周波数が補正されることが防がれる。よって、情報信号に応じた送信情報をより正確に取得することができる。
【０１０２】
図５（ａ）に示したように、ゲート生成部２５は、同期信号検出部２４により同期信号が検出されない場合に（Ｓ１２：ＮＯ）、周波数推定部２７により算出された過去の参照信号の推定周波数と既知の周波数とに基づいて算出した過去のドップラーシフト値に基づき、同期信号検出タイミングを設定する（Ｓ１４）。具体的には、ゲート生成部２５は、パケット信号の送信周期に基づいて設定される同期信号予測タイミングに対し、過去のドップラーシフト値に基づく時間ずれを適用して、同期信号検出タイミングを設定する。これにより、他の信号との干渉等によって同期信号が検出されない場合にも、参照信号および情報信号のゲートを設定できる（Ｓ１６）。よって、情報信号に応じた通信情報を、途切れなく適正に表示させることができる。
【０１０３】
ここで、ゲート生成部２５は、同期信号検出部２４により同期信号が検出されない場合に、過去のドップラーシフト値から設定した同期信号検出タイミングに基づいて、受信信号に対する同期信号の検出範囲を、同期信号検出部２４（バッファメモリ２４２）に対して設定する（Ｓ１５）。これにより、次の同期信号を円滑に検出でき、同期信号検出タイミングに基づくゲートの設定処理が円滑に進められ得る。よって、情報信号に応じた通信情報を、途切れなく適正に表示させることができる。
【０１０４】
なお、参照信号のドップラーシフト値は、過去の参照信号の推定周波数の変化傾向や、これら推定周波数に基づく過去のドップラーシフト値の変化傾向から予測することもできる。したがって、周波数補正部２８は、過去の参照信号の推定周波数または過去の参照信号の推定周波数に基づく過去のドップラーシフト値に基づいて現在のドップラーシフト値を取得する処理をさらに実行してもよい。そして、この処理によってもドップラーシフト値を取得できない場合に、同期信号検出タイミングにより取得されたドップラーシフト値に基づいて、情報信号の推定周波数を補正するように、周波数補正部２８が構成されてもよい。
【０１０５】
たとえば、受信信号に基づく処理が開始された直後は、過去の参照信号の推定周波数や過去のドップラーシフト値が存在しないため、これらに基づいて現在のドップラーシフト値を取得することができない。したがって、受信信号に基づく処理が開始されてから過去の参照信号に基づく処理によりドップラーシフト値が取得可能となるまでの期間において、同期信号検出タイミングにより算出されたドップラーシフト値に基づいて、情報信号の周波数を補正するように、周波数補正部２８が構成されてもよい。
【０１０６】
＜変更例＞
上記実施形態において示されたドップラーシフト値の式（４）では、送信器２と受波器３との間の相対速度の変化（加速度）が考慮されていない。さらに、この加速度を考慮して、ドップラーシフト値が算出されてもよい。
【０１０７】
この場合、ドップラーシフト値をΔｆａ、加速度をａとすると、式（４）は、以下のように修正される。
【０１０８】
【数４】
2020068500.tif 000006
【０１０９】
ここで、加速度ａは、たとえば、参照信号の周波数から取得されたドップラーシフト値から相対速度を求め、求めた相対速度の変化傾向から取得され得る。
【０１１０】
式（５）を用いることにより、より正確なドップラーシフト値が取得され得る。この場合、図６（ａ）のステップＳ４３における閾値は、式（５）に応じた値に修正されればよい。
【０１１１】
また、上記実施形態では、図５（ｂ）のステップＳ２３、Ｓ２４において、ドップラーシフト値が周波数補正部２８により算出されたが、情報信号の推定周波数の補正において、ドップラーシフト値は、必ずしも算出されなくてもよい。たとえば、同期信号検出タイミングと同期信号予測タイミングとに基づいて、直接、情報信号の推定周波数を補正するための補正値が算出されてもよく、あるいは、同期信号検出タイミングと同期信号予測タイミングとに基づいて、直接、補正後の情報信号の推定周波数が算出されてもよい。この場合、これらの算出式に、ドップラーシフト値の算出工程がマージされる。
【０１１２】
＜実施形態２＞
実施形態２では、周波数推定部２７において、さらに、他の信号の干渉等により参照信号および情報信号に重畳されたノイズ成分が除去される。
【０１１３】
図８は、実施形態２に係るパケット信号の構成と、ノイズ成分の除去の流れを概念的に示す図である。
【０１１４】
図８に示すように、実施形態２では、パケット信号に、信号のない休止区間ＲＴが含まれている。ゲート生成部２５は、さらに、この休止区間ＲＴに対してゲートを設定する。周波数推定部２７は、休止区間ＲＴに設定されたゲートについて、周波数スペクトルを取得する。休止区間ＲＴには信号がないため、休止区間ＲＴから取得された周波数スペクトルは、干渉波等によるノイズの周波数スペクトル（以下、「ノイズスペクトル」という）となる。ノイズスペクトルは、周波数推定部２７により補間処理が行われる前の周波数スペクトルである。
【０１１５】
周波数推定部２７は、１〜３周期前のノイズスペクトルをスペクトル要素ごとに比較して、各スペクトル要素における最大値を取得し、取得したスペクトル要素ごとの最大値を組合せて、ノイズ成分の周波数スペクトル（以下、「除去スペクトル」という）を取得する。そして、周波数推定部２７は、今回のパケット信号から取得した参照信号および情報信号の周波数スペクトル（補間処理前の周波数スペクトル）に対し、スペクトル要素ごとに、除去スペクトルのレベルを減算する。これにより、参照信号および情報信号の周波数スペクトルからノイズ成分が除去される。その後、周波数推定部２７は、ノイズ除去後の参照信号および情報信号の周波数スペクトルに基づいて、参照信号および情報信号の推定周波数として取得する。
【０１１６】
図９（ａ）〜（ｄ）は、周波数推定部２７におけるノイズ除去処理が適用された場合の周波数スペクトルの状態を検証した検証結果である。図９（ａ）〜（ｄ）において、横軸は、スペクトル要素であり、縦軸は、各スペクトル要素のレベルである。横軸は、２５６階調に規格化されている。
【０１１７】
ここでは、図９（ａ）に示す周波数スペクトルの元信号の波形に、図９（ｂ）に示す周波数スペクトルの干渉波を重畳して重畳信号を生成した。この重畳信号にＤＦＴを適用することで、図９（ｃ）の周波数スペクトルが得られた。さらに、図９（ｂ）の周波数スペクトルを除去スペクトルとして、スペクトル要素ごとに、図９（ｃ）の重畳信号の周波数スペクトルに減算処理を施した。その結果、図９（ｄ）の周波数スペクトルが得られた。
【０１１８】
図９（ｃ）の周波数スペクトルでは、元信号のスペクトル要素以外に干渉波の周波数スペクトルが混在し、元信号のスペクトル要素以外のスペクトル要素のレベルが最大となっている。このため、この周波数スペクトルからは、元信号の周波数を適正に検出できない。これに対し、除去スペクトルを減算した後の周波数スペクトルでは、図９（ｄ）のように、干渉波の周波数スペクトルが消失し、元信号の周波数スペクトルと同じスペクトル要素にピークが生じている。したがって、除去スペクトルを用いた減算処理を施すことにより、元信号の周波数を正確に検出できる。すなわち、除去スペクトルを用いた減算処理を施すことにより、参照信号および情報信号の推定周波数を正確に取得できることが確認できた。
【０１１９】
図１０は、ノイズ成分を除去した周波数スペクトルにより推定周波数を取得する処理を示すフローチャートである。この処理は、図４（ｂ）のステップＳ４Ｂにおいて行われる。
【０１２０】
周波数推定部２７は、参照信号または情報信号から周波数スペクトル（補間処理前の周波数スペクトル）を取得すると（Ｓ５１）、１〜３パケット前の休止区間ＲＴから取得したノイズスペクトルをメモリから取得する（Ｓ５２）。次に、周波数推定部２７は、取得した３つのノイズスペクトルからスペクトル要素ごとに最大値を検出し、検出した最大値を組み合わせて除去スペクトルを設定する（Ｓ５３）。
【０１２１】
さらに、周波数推定部２７は、ステップＳ１１で取得した参照信号または情報信号から周波数スペクトルから、スペクトル要素ごとに除去スペクトルを減算する（Ｓ５４）。そして、周波数推定部２７は、減算後の周波数スペクトルに対し補完処理を施して、参照信号または情報信号の推定周波数を取得する（Ｓ５５）。
【０１２２】
ステップＳ５５では、まず、除去スペクトルを減算した後の周波数スペクトルにおいてレベルが最大となるスペクトル要素が検出される。次に、検出したスペクトル要素の付近の周波数帯において、除去スペクトルを減算する前の周波数スペクトルを用いて補完処理が行われる。そして、補間処理後の周波数スペクトルからレベルが最大となる周波数が探索され、探索された周波数が参照信号または情報信号の推定周波数として取得される。なお、補間処理には、たとえば、特許文献１に記載の補間処理は用いられ得る。
【０１２３】
なお、図１０のステップＳ５３では、３つのノイズスペクトルからスペクトル要素ごとに取得された最大値を組み合わせて除去スペクトルが構成されたが、必ずしも最大値でなくともよく、たとえば、平均値や中央値、あるいは各レベルに係数を乗じて算出した値を組み合わせて除去スペクトルが構成されてもよい。なお、発明者の検証によれば、最大値を用いる方法がノイズ成分の除去に最も効果的であった。
【０１２４】
また、図１０のステップＳ５４では、参照信号または情報信号の周波数スペクトルから除去スペクトルがそのまま減算されたが、必ずしも減算でなくともよく、たとえば、除算や、除去スペクトルの各レベルに所定の係数を乗じたレベルを減算する手法が用いられてもよい。なお、発明者の検証によれば、除去スペクトルをそのまま減算方法がノイズ成分の除去に最も効果的であった。
【０１２５】
また、図１０のステップＳ５４では、全てのスペクトル要素に対して一律に減算処理が適用されたが、参照信号または情報信号（元信号）の周波数スペクトルと除去スペクトルとのレベル差の絶対値が所定の閾値を超えるスペクトル要素については、除去スペクトルのレベルを元信号の周波数スペクトルから減算しないように、処理が修正されてもよい。すなわち、このようなスペクトル要素に対して減算が行われると、本来、推定周波数に対応すべきスペクトル要素のレベルが小さくなり過ぎて、推定周波数に対応するスペクトル要素を適正に抽出できないことが起こり得る。これを回避するために、上記のようにレベル差の絶対値が閾値を超えるスペクトル要素には、減算処理を適用しないように、ステップＳ５４の処理が修正されてもよい。なお、この修正は、元信号の周波数スペクトルと除去スペクトルとのレベル差が正の値である場合のみ、すなわち、元信号の周波数スペクトルのレベルの方が高い場合のみ、適用されてもよい。
【０１２６】
また、図１０の処理では、図８に示した処理と同様、１〜３パケット前の休止区間ＲＴからノイズスペクトルが取得されたが、ノイズスペクトルを取得する休止区間ＲＴの数はこれに限られるものではなく、たとえば、４つ以上のパケット信号の休止区間ＲＴからノイズスペクトルが取得されてもよい。但し、休止区間ＲＴの数が増えるほど、除去スペクトルと現在のノイズスペクトルとの間にずれが生じ易くなる。よって、除去スペクトルを生成するための休止区間ＲＴの数は、上記のように３つ程度までに制限することが好ましい。
【０１２７】
なお、直前のパケット信号の休止区間ＲＴから取得されたノイズスペクトルを、そのまま除去スペクトルとして用いて、参照信号または情報信号の周波数スペクトルに減算処理を施してもよい。但し、この場合は、水疱等の要因により、直前の休止期間において一時的に干渉波の受信が遮られたような場合に、参照信号または情報信号に重畳される干渉波の影響を抑制できなくなる場合がある。この観点から、除去スペクトルを生成するための休止区間ＲＴの数は、上記のように３つ程度に設定することが好ましい。
【０１２８】
実施形態２によれば、上記のように、他の信号による干渉等によって参照信号または情報信号に重畳するノイズ成分が除去スペクトルを用いた処理により抑制されるため、参照信号または情報信号の推定周波数をより正確に取得できる。よって、情報信号に応じた通信情報を、より正確に表示させることができる。
【０１２９】
なお、実施形態２の構成は、実施形態１に示した同期信号の補完処理（Ｓ１４）およびドップラーシフト値の補完処理（Ｓ２４）が省略される場合においても有効である。すなわち、図１０の処理は、それ単独として、干渉等による検出信号の影響を有効に抑制し得るものである。
【０１３０】
＜その他の変更例＞
上記実施形態１では、同期信号を検出するためにマッチドフィルタ処理が用いられたが、受信信号の波形と同期信号の想定される波形との相関処理を行うものであれば、他の方法を用いられてもよい。
【０１３１】
また、上記実施形態１では、最大値検出部２４３において、絶対値系列Ｄ［ｎ］の最大値が抽出され、抽出された最大値が所定値以上である場合に、この最大値に対応するタイミングが同期検出タイミングとして取得されたが、絶対値系列Ｄ［ｎ］のレベルの最大値に代えてＳ／Ｎの最大値を抽出し、Ｓ／Ｎの最大値が所定値以上であることを条件に、同期検出タイミングを取得してもよい。あるいは、絶対値系列Ｄ［ｎ］のレベルの最大値を抽出した後、その抽出点におけるＳ／Ｎが所定値以上であるか否かによって、同期検出タイミングを取得してもよい。
【０１３２】
また、上記実施形態１では、直交検波部２３から出力される複素包絡線系列を用いて同期信号の検出や周波数の推定が行われたが、受信信号を実部系列として処理するようにしてもよい。また、１つの受波器３で複数の送信器２からの信号を受信する構成であってもよい。この場合、送信器２ごとに受信器４が設置され、１つの受波器３で受信された信号が分配器によって対応する受信器４に分配される構成であってもよい。
【０１３３】
さらに、上記実施形態１では、水中通信システム１が旋網漁に用いられる場合について説明したが、本発明は、これ以外の水中通信システムにも適用され得る。
【０１３４】
また、上記実施形態２では、２つ目の情報信号の後に休止区間ＲＴが配置されたが、休止区間ＲＴの配置位置はこれに限られるものではなく、たとえば、参照信号と１つ目の情報信号との間に休止区間ＲＴが配置されてもよい。
【０１３５】
この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に記載の範囲で適宜種々の変更可能である。
【符号の説明】
【０１３６】
１  水中通信システム
２  送信器
３  受波器
４  受信器
５  受信装置
２４  同期信号検出部
２５  ゲート生成部
２７  周波数推定部
２８  周波数補正部
ＲＴ  休止区間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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