(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクティブソーナー装置における信号処理方法であって、
第１の時間幅を有する音波信号を媒質に送波することと、
前記媒質を伝播してきた音波信号を受波音波信号として受波することと、
前記受波音波信号の時間軸を前記第１の時間幅よりも短い第２の時間幅で区切ったものをそれぞれ時間セルとして、前記各時間セルごとに、前記受波音波信号の到来方位と強度とを求めることと、
前記各時間セルごとに、当該時間セルを含む複数の連続する時間セル内での前記到来方位の方位集中度を算出し、当該時間セルでの前記強度に前記方位集中度を重み付けしたものを検出値とすることと、
を有し、
Ｎが２以上の整数であって、かつ、Ｎ個の連続する時間セルの長さが前記第１の時間幅と等しいかそれよりも短いものとして、各時間セルの到来方位をそれぞれ大きさが等しい方位ベクトルで表し、着目する時間セルに対する方位集中度を、当該時間セルを含むＮ個の連続する時間セルの各々の前記方位ベクトルをベクトル加算して加算結果の絶対値をＮで除したものとする、信号処理方法。
【請求項２】
前記受波音波信号に対して周波数解析を行うことをさらに有して、周波数ごとに、前記各時間セルごとの前記到来方位と前記強度とを求め、前記周波数ごとに、前記各時間セルごとの前記方位集中度を算出して前記検出値を決定する、請求項１に記載の信号処理方法。
【請求項３】
一方の軸を前記音波信号を前記媒質に送波してからの経過時間とし、他方の軸を周波数として、画面上に前記検出値に応じた輝度で表示を行う、請求項２に記載の信号処理方法。
【請求項４】
一方の軸を前記音波信号を前記媒質に送波してからの経過時間とし、他方の軸を周波数として、前記強度がしきい値を超えている検出値に基づいて画面上に表示を行う、請求項２に記載の信号処理方法。
【請求項５】
第１の時間幅を有する音波信号を媒質に送波し前記媒質を伝播してきた音波信号を受波音波信号として受波するアクティブソーナー装置であって、
前記受波音波信号の時間軸を前記第１の時間幅よりも短い第２の時間幅で区切ったものをそれぞれ時間セルとして、前記各時間セルごとに、前記受波音波信号の到来方位と強度とを求める信号処理部と、
前記周波数ごとにかつ前記各時間セルごとに、当該時間セルを含む複数の連続する時間セル内での前記到来方位の方位集中度を算出する方位集中度算出部と、
当該時間セルでの前記強度に前記方位集中度を重み付けしたものを検出値とする信号強調処理部と、
を有し、
前記加算処理部は、Ｎが２以上の整数であって、かつ、Ｎ個の連続する時間セルの長さが前記第１の時間幅と等しいかそれよりも短いものとして、各時間セルの到来方位をそれぞれ大きさが等しい方位ベクトルで表し、着目する時間セルに対する方位集中度を、当該時間セルを含むＮ個の連続する時間セルの各々の前記方位ベクトルをベクトル加算して加算結果の絶対値をＮで除したものとする、アクティブソーナー装置。
【請求項６】
前記受波音波信号に対して周波数解析を行う周波数解析部をさらに有して、周波数ごとに、前記各時間セルごとの前記到来方位と前記強度とを求め、前記周波数ごとに、前記各時間セルごとの前記方位集中度を算出して前記検出値を決定する、請求項５に記載のアクティブソーナー装置。
【請求項７】
表示部をさらに備え、一方の軸を前記音波信号を前記媒質に送波してからの経過時間とし、他方の軸を周波数として、前記表示部の画面上に前記検出値に応じた輝度で表示を行う、請求項６に記載のアクティブソーナー装置。
【請求項８】
表示部をさらに備え、一方の軸を前記音波信号を前記媒質に送波してからの経過時間とし、他方の軸を周波数として、前記強度がしきい値を超えている検出値に基づいて前記表示部の画面上に表示を行う、請求項６に記載のアクティブソーナー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波を放射して目標物からの反射波信号を検出するアクティブソーナー装置と、アクティブソーナー装置における信号処理方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
水中などにおいて用いられるアクティブソーナー装置は、音波を放射し、放射した音波の反射波を検出し、反射波の受信方位と、音波放射から反射波を受信するまでの時間差とから、目標物（すなわち反射物体）までの方位と距離とを算出する。図１は、アクティブソーナー装置を用いた目標の検出を説明する図である。アクティブソーナー装置としてソノブイ９１が用いられている。図１は、ソノブイ９１から音波を放射し目標９２からの反射波を測定することにより、反射波の到来方位と受信時刻とに基づいて、目標９２までの距離と方位を決定できることを示している。
【０００３】
目標物が移動する場合、反射波の周波数はドップラー効果によってシフトするので、反射波に対してフーリエ変換を適用して周波数分析を行うことにより、目標物の移動速度も求めることができる。ドップラーシフトの大きさは、アクティブソーナー装置から見た目標物の視線速度に比例する。
【０００４】
そこで、移動する目標物を検出して報知するための表示方法として、図２に示すように周波数別の信号強度を示すスペクトログラムによる方法がある。ここでは横軸は、音波パルスの放射からの時間差であり、縦軸は周波数である。受波した信号の信号強度が、色の濃淡で表されている。図２では、説明の都合上、白色は信号強度が弱いことを示し、暗部ほど信号強度が強いことを示している。実際に表示画面上に表示する場合であれば、明るい方が信号強度が強いことを示すように輝度によって信号強度を表すのが一般的である。
【０００５】
図２に示した例では、放射した音波信号が送信信号としてそのまま受波されており、それに引き続いて、送信信号よりも低周波側で目標で反射された信号がエコー信号として受波されている。エコー信号の強度は送信信号を受波したものよりも小さい。さらに、しばらくの時間をおいて、雑音と思われる信号を受波している。
【０００６】
しかしながら、反射波においてドップラーシフトを有する成分を検出することにより、上述のようにして水中において移動する目標を検出しようとする場合、水中での雑音レベルが高く、反射波の信号対雑音比（ＳＮ比）が小さくなったりノイズの標準偏差が大きかったりする場合に、表示画面上での視認性が低下したり、あるいは、検出性能が悪化する。
【０００７】
特許文献１には、水中の音波信号を受信してその到来方向を解析する際に、受信した音波信号に対してフーリエ変換などによる周波数分析を実施し、分析された周波数ごとに到来方向と信号強度を示す方位ベクトルを算出し、所定の帯域幅内での方位ベクトルを加算して加算ベクトルとすることを、加算対象となる周波数帯域をシフトさせながら繰り返し、最大の加算ベクトルの方向及び大きさをそれぞれ信号の到来方向と集中度として出力することが開示されている。また、特許文献１の技術を改良するものとして、特許文献２には、方位の一定範囲ごとに方位ベクトルを複数の方位グループに分類し、方位グループの中で方位ベクトルの数が所定値以上であるグループを短時間信号として判定し、その後、周波数帯域ごとに、短時間信号ごとに他の短時間信号を除いて方位ベクトルの加算を行い、目標方位を定めることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１５０６６２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６９６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
信号対雑音比（ＳＮ比）が高かったり、雑音の標準偏差が大きかったりする条件下では、ドップラーシフトを有する反射波を検出することで移動目標を検出する際の検出性能が低下し、また、処理結果を画面に表示する際の視認性の低下などの問題が生じる。特許文献１，２に記載のものも、周波数解析の結果、異なる周波数に属するものとされている方向ベクトルを加算しているため、移動している目標の検出のためのものとしては必ずしも適切なものであるとは言えない。
【００１０】
本発明の目的は、アクティブソーナー装置における信号処理方法であって、移動している目標などの目標をより確実に検出できる方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、移動している目標などの目標をより確実に検出できるアクティブソーナー装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の信号処理方法は、アクティブソーナー装置における信号処理方法であって、第１の時間幅を有する音波信号を媒質に送波することと、媒質を伝播してきた音波信号を受波音波信号として受波することと、受波音波信号の時間軸を第１の時間幅よりも短い第２の時間幅で区切ったものをそれぞれ時間セルとして、各時間セルごとに、受波音波信号の到来方位と強度とを求めることと、各時間セルごとに、その時間セルを含む複数の連続する時間セル内での到来方位の方位集中度を算出し、その時間セルでの強度に方位集中度を重み付けしたものを検出値とすることと、を有する。
【００１３】
本発明のアクティブソーナー装置は、第１の時間幅を有する音波信号を媒質に送波し媒質を伝播してきた音波信号を受波音波信号として受波するアクティブソーナー装置であって、受波音波信号の時間軸を第１の時間幅よりも短い第２の時間幅で区切ったものをそれぞれ時間セルとして、各時間セルごとに、受波音波信号の到来方位と強度とを求める信号処理部と、周波数ごとにかつ各時間セルごとに、その時間セルを含む複数の連続する時間セル内での到来方位の方位集中度を算出する方位集中度算出部と、その時間セルでの強度に方位集中度を重み付けしたものを検出値とする信号強調処理部と、を有する。
【発明の効果】
【００１４】
第１の時間幅の長さの音波信号を淡水や海水などの媒質中に送波したとき、目標によって反射した音波信号を受波したとすると、その到来方位はほぼ一定であり、その継続時間は第１の時間幅とほぼ等しいと考えられる。本発明では、受波音波信号をその時間軸に沿って多数の時間セルに区切り、時間セルごとに受波音波信号の到来方位を決定し、連続する複数の時間セルについて到来方位の方位集中度を算出する。目標によって反射された音波信号に対してはこの方位集中度が大きくなると考えられるのに対し、雑音成分についてはその到来方位が分散しているので、方位集中度が小さくなる。受波音波信号の強度を検出値とするのではなく、強度に方位集中度を重み付けしたものを検出値とすることにより、目標からの反射エコーに対応した受波音波信号を確実に検出できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】目標の方位と距離とを算出する原理を示す図である。
【図２】アクティブソーナー装置における検出結果の表示例を示す図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は方位ベクトルの加算を説明する図である。
【図４】本発明の実施の一形態のアクティブソーナー装置における検出処理を説明するブロック図である。
【図５】実際の検出処理の例を示す図である。
【図６】本発明の実施の一形態のアクティブソーナー装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の一形態のアクティブソーナー装置は、音波信号を例えば水中に放射し反射されてきた音波信号を受信するものである。水中の放射される音波信号は所定の周波数と所定の時間長とを有する音波パルスである。目標がこのような音波パルスを反射したとすると、ソーナー装置で受信される音波信号は、継続時間が音波パルスの長さとほぼ同じで、かつ、目標の速度に応じて送信周波数に対してドップラーシフトを有する信号であると考えられる。放射する音波パルスの時間長の範囲内で目標の位置が大きく変化しないとすると、目標で反射されて受波された音波信号の到来方向は、音波パルスの時間長の範囲内でほぼ一定である。これに対し、水中における各種の雑音の到来方向は、一点に集中するものではなく、ランダムに分散しているものであると考えられる。
【００１７】
そこで本実施形態のアクティブソーナー装置では、音波パルスを例えば水中に送波して、水中を伝播してきた音波信号を受波音波信号として受波する。そして、受波音波信号の時間軸を音波パルスの長さよりも時間幅で区切ったものをそれぞれ時間セルとして、各時間セルごとに、受波音波信号の到来方位と強度とを求める。時間セルごとの到来方位を例えば長さが１である方位ベクトルとして表し、送波した音波パルスに見合う長さの複数のする時間セル内での方位ベクトルを加算してその絶対値を求めることにより方位集中度を算出する。図３（ａ），（ｂ）は、１４個の時間セルのそれぞれについて方位ベクトルを算出した場合における方位ベクトルの加算を説明する図である。図３（ａ）では、雑音などによる受信音波信号を受信した場合に相当して、受信音波信号の到来方位が分散している。到来方位が分散している場合には、方位ベクトルを加算して得られる結果のベクトルの大きさ（すなわちベクトル値の絶対値）は小さくなる。これに対して図３（ｂ）は、目標で反射された音波信号を受信した場合に相当し、この場合は、受波音波信号の到来方位が集中するので、方位ベクトルを加算して得られる結果のベクトルの大きさは大きくなる。加算して得られる結果のベクトルの大きさを方位集中度とすると、受波音波信号が雑音に基づく場合には方位集中度は小さくなるが、目標からのエコー信号を受波した場合には方位集中度が大きくなる。そこで、受波音波信号の強度に方位集中度を重み付けした結果を検出値とすれば、ＳＮ比が小さかったり雑音の標準偏差が大きい場合であっても、目標からのエコー信号を確実に検出できるようになる。
【００１８】
以下、本実施形態のアクティブソーナー装置における検出処理について説明する。ここでは、受波音波信号を周波数解析し、受波音波信号の周波数ごとに方位集中度を求めて検出値を出力するものとする。図４は検出処理を示し、図５は検出処理における各情報の具体例を示している。
【００１９】
受波音波信号に対し、まず、信号処理１０が行われる。複数の受波器により音波信号を受波することにより、受波器の指向性や受波器間での位相差によって、音波信号の到来方位を決定することができる。また、受波信号に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）などの周波数解析を行うことにより、周波数ごとに強度を決めることができる。そこで信号処理１０では、周波数解析とを到来方位の決定と行って、その結果をそれぞれ時刻ごとのレベル情報１１と方位情報１２として出力する。ここでの時刻は、時間セルｔ1，ｔ2，…を単位として示されており、レベル情報１１では、図５に示すように、各時間セルの期間における周波数ｆ1，ｆ2，…ごとの受波音波信号の強度が示されている。方位情報１２では、同様に、各時間セルの期間における周波数ごとの受波音波信号の到来方位が示されている。到来方位をθとすると、方位ベクトル（ｘ，ｙ）は（ｘ，ｙ）＝（ｃｏｓ θ，ｓｉｎ θ）で表される。方位情報１２から方位集中度を算出して、周波数ごと各時間セルごとの方位集中度からなる集中度情報１３が生成される。
【００２０】
図５に示した例では、送信される音波パルスの長さは時間セルにして７個分の長さであり、方位集中度の計算には連続する５個の時間セルを用いるものとする。その結果、例えば、周波数ｆiかつ時間セルｔjでの方位をθi,jとすると、周波数ｆiかつ時間セルｔkに対する方位集中度Ｃi,kは、
【００２１】
【数１】
0005423713.tif 000002
で表される。その結果、図５の集中度情報１３として具体的に示される数値が得られることになる。一般的に示すとすると、Ｎ個（Ｎ≧２）の連続する時間セルを用いるとすれば、方位集中度Ｃi,jは、
【００２２】
【数２】
0005423713.tif 000003
によって表されることになる。あるいは、Ｎが奇数であってＮ＝２ｍ＋１で表される場合であれば、
【００２３】
【数３】
0005423713.tif 000004
のようにしてもよい。Ｎは、例えば、Ｎ個の連続する時間セルの長さが、放射する音波パルスの継続時間と等しいかそれよりも短くなるように設定する。Ｎ個の連続する時間セルの長さが放射する音波パルスの継続時間と等しい場合には、エコー信号において方位が集中することの利点を最大限に生かすことができるが、方位集中度が最大となる時間セルが１つしかないこととなり、検出結果を表示する際の視認性に問題が生じるおそれがあるので、満足できる視認性が得られるまでＮを小さくする。ただし、Ｎが小さすぎると、エコー信号において方位が集中することの利点を得られにくくなる。
【００２４】
上述のようにして集中度情報１３が得られたら、レベル情報１１に集中度情報１３を重み付けして、検出値を表す表示情報１４を生成する。図５に示した例では、重み付けの手法として乗算を使用し、周波数ごと時間セルごとの強度（レベル）に対して対応する周波数及び時間セルの方位集中度を乗算して、その周波数及び時間セルに対する検出値とする。その後、検出値に基づいて、表示部５０において表示を行う。
【００２５】
表示部５０における表示方法としては、例えば、横軸を音波パルスの送波からの経過時間を横軸とし、受波音波信号での周波数を縦軸として、検出値に応じた輝度で表示を行うスペクトログラムを用いてもよい。さらには、受波音波信号の強度自体があるしきい値以下である場合には、表示を行わずに視認性を向上させるようにしてもよい。このような表示方法を採用すると、目標からのエコー信号に基づく像では、方位集中度が１００％に近いので輝度はそのままとなり、その一方では、雑音に基づく像は、方位集中度が小さいので、輝度が低下する。強度を方位集中度で重み付けることにより、実質的にダイナミックレンジが拡大したことになる。
【００２６】
図５は、本実施形態に基づくアクティブソーナー装置の具体的な構成例を示している。このアクティブソーナー装置は、目標３０を検出しようとするものであり、水中あるいは海中に音波パルスを送波する送波器３１と、送波器３１に対して送信信号を送って送波器３１を駆動する送信処理部３２と、目標３０によって反射されたエコー信号などの音響信号を複数の異なる指向性パターンで受波する受波器１１と、受波器１１で受信した各指向性パターンでの音響信号に対して復調処理を行う復調処理部３４と、復調処理部３４で処理された各信号に対して指向性合成処理を行って受波音波信号とする指向性合成処理部３５と、受波音波信号に対してＦＦＴなどの周波数解析を行う周波数解析部３６と、周波数解析がされて周波数ごとの受波音波信号に対して方位計算処理を行って方位情報１２を生成する方位計算処理部３７と、周波数解析がされて周波数ごとの受波音波信号に対して信号レベルを正規化する正規化処理を行いレベル情報１１を生成する正規化処理部３８と、レベル情報に基づき有意な情報か否かを判定する信号検出処理部３９と、方位情報１２に対して上述した処理を行って集中度情報１３を生成する方位集中度算出部４０と、レベル情報１１に対して上述したように集中度情報１３による重み付けを行って表示情報１４を生成する信号強調処理部４１と、表示情報１４に基づいて画面表示を行う表示部４２と、を備えている。周波数解析部３６は、音波パルスの時間長よりも短い時間長である時間セルを単位として周波数解析を行っており、それに基づき、方位計算処理部３７は周波数ごとかつ時間セルごとに到来方位を計算し、正規化処理部３８は周波数ごとかつ時間セルごとに受波音波信号の強度を計算する。音波パルスの放出時から音響信号の受波までの時間差に基づく表示を表示部４２において行うために、送信処理部２２から周波数処理部３６に対してタイミング信号が送られており、これにより、音波パルスの放射タイミングに対応するのがどの時間セルであるかが分かるようになっている。受波音波信号の強度がしきい値に満たない場合には表示を行わないようにする際には、信号検出処理部３９からの出力に基づいて表示部４２での表示を制御すればよい。
【００２７】
図５に示す構成においては、復調処理部３４と指向性合成処理部３５とによって前処理ブロック２１が構成され、周波数解析部３６、方位計算処理部３７及び正規化処理部３８によって、信号処理部に相当する信号処理ブロック２２が構成されている。また、信号検出処理部３９によって信号検出ブロック２３が構成され、方位集中度算出部４０及び信号強調処理部４１によって表示処理ブロック２４が構成されている。送波器３１が無変調の音波パルスを送波する場合には、復調処理部３４を設ける必要はない。
【符号の説明】
【００２８】
１０    信号処理
１１    レベル情報
１２    方位情報
１３    集中度情報
１４    表示情報
２１    前処理ブロック
２２    信号処理ブロック
２３    信号検出ブロック
２４    表示処理ブロック
３０    目標
３１    送波器
３２    送信処理部
３３    受波器
３４    復調処理部
３５    指向性合成処理部
３６    周波数解析部
３７    方位計算処理部
３８    正規化処理部
３９    信号検出処理部
４０    方位集中度算出部
４１    信号強調処理部
４２    表示部
【図１】
0005423713.tif 000005
【図２】
0005423713.tif 000006
【図３】
0005423713.tif 000007
【図４】
0005423713.tif 000008
【図５】
0005423713.tif 000009
【図６】
0005423713.tif 000010