(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ型センサで受信された受波器信号の雑音成分のスペクトル特性をそれぞれ白色化する雑音白色化工程と、
前記雑音白色化工程の出力信号をそれぞれアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換工程と、
前記アナログ／デジタル変換工程の出力信号に基づいて、複数の方位のビーム出力を形成するビーム形成工程と、
前記ビーム形成工程により生成されたビーム出力をあらかじめ設定された分析幅で周波数分析する周波数分析工程と、
前記周波数分析工程により周波数分析された周波数分析結果及びあらかじめ設定された正規化を行う周波数別の空間幅の情報に基づいて、雑音成分のスペクトル特性を推定する雑音スペクトル推定工程と、
前記前記周波数分析工程により周波数分析された周波数分析結果及び前記雑音スペクトル推定工程により推定された雑音成分のスペクトルの推定値に基づいて、各ビームの周波数成分を雑音成分のスペクトルの推定値で正規化するスペクトル正規化工程と、
前記スペクトル正規化工程により正規化されたスペクトルを帯域について加算する積分処理工程と、
前記積分処理工程による加算結果を処理部に出力する出力工程と
を備えることを特徴とする雑音白色化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば雑音背景のもとで遠方から到来する広帯域信号をアレイ型センサを用いて受信し、信号の検出及び到来方位の推定を行う場合の、雑音のスペクトル特性を白色化する雑音白色化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、海洋中における信号の推定を行う場合、複数のセンサ素子で構成されるアレイ型センサでビームを形成し、信号対雑音比（以下、Ｓ／Ｎという）の改善と到来方位の推定を行う場合が多い。
図３は、従来の雑音白色化方法の処理の流れを説明するための説明図であり、アレイ型センサを用いた広帯域信号検出及び方位検出の処理の流れを示している。
【０００３】
図において、１−１〜１−Ｌはアレイ型センサの受波器信号が入力される受波信号入力端子、２−１〜２−Ｌは受波信号入力端子１−１〜１−Ｌから入力された受波器信号の雑音スペクトル特性をそれぞれ白色化するための白色化フィルタ、３−１〜３−Ｌは白色化フィルタ２−１〜２−Ｌの出力信号をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段、４はＡ／Ｄ変換手段３−１〜３−Ｌの出力信号が入力されビーム出力を形成するビーム形成手段、５は帯域加算及び時間積分を行う積分処理手段、６は積分処理手段５の出力信号を表示や信号検出、方位推定処理へ出力する出力端子である。
【０００４】
次に、従来の雑音白色化方法について説明する。
まず、受波信号入力端子１−１〜１−Ｌから入力されたＬ個の受波器の信号は、雑音成分を白色化するための白色化フィルタ２−１〜２−Ｌを通り、Ａ／Ｄ変換手段３−１〜３−Ｌに送られてＡ／Ｄ変換される。
【０００５】
ここで、一般に海中雑音のスペクトル特性は、−５ｄＢ／ｏｃｔ．  から−６ｄＢ／ｏｃｔ．  のスペクトル特性を持つことが多く、例えば、海中雑音スペクトルを、−６ｄＢ／ｏｃｔ．  と仮定すると、この雑音を白色化するためのフィルタは１次の高域通過フィルタで実現できる。
これにより、Ａ／Ｄ変換手段３−１〜３−ＬでのＡ／Ｄ変換における必要なダイナミックレンジは低く抑えられる。
【０００６】
そして、Ａ／Ｄ変換手段３−１〜３−ＬによりＡ／Ｄ変換された各受波器の出力は、ビーム生成手段４に送られ、複数の方位（方位数をＭとする）のビーム出力を生成する処理が行われる。
そして、ビーム生成手段４により生成されたビーム出力は、積分処理手段５に送られ、適当な周波数窓がかけられて２乗積分処理された後、出力端子６から表示処理や信号検出、到来方位推定などの処理に送出される。
【０００７】
ここで、ビーム形成及び積分処理の方法として、ここでは時間領域での遅延加算により、ビーム出力時系列を生成した後、周波数窓をかけて２乗積分しているが、各受波器出力を周波数分析して、各周波数成分別に時間遅延に相当する位相補正を行って全受波器の加算出力を求め、その結果を該周波数窓に相当する重み付けで帯域加算するという方法もあった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の雑音白色化方法では、Ａ／Ｄ変換の前に雑音を白色化し、その後、ビームを形成してビーム出力パワーを算出している。
そして、ビーム形成における各受波器出力の加算は、通常、ビーム主軸方向からの到来信号に対する感度が一定になるように重み付けされているが、この場合、ビーム出力の雑音スペクトル特性は、白色からはずれている場合が多い。
これは、白色化フィルタによって受波器出力のスペクトル特性が白色化されたとしても、ビーム形成を行うことによって、スペクトル特性は白色から変化してしまうことが原因である。
【０００９】
通常、ビーム形成における周波数窓は、主軸感度の周波数特性が単チャネルと等しくなるように設定され、この場合、雑音成分の抑圧量は波長の短い高周波の方が大きい。
したがって、抑圧量の小さい低周波帯域の雑音成分が積分出力に大きな影響を与え、全体としてビーム形成によるＳ／Ｎの改善効果が十分に発揮されないことになる。
【００１０】
また、雑音のスペクトル特性が白色化フィルタや周波数窓の設計において仮定した特性と異なる場合にも、仮定のズレによって強く残ってしまう雑音の帯域が積分出力の雑音レベルに大きく影響し、同様にＳ／Ｎ改善効果が期待通り得られない。
【００１１】
次に、平面配列のアレイを例として、Ｓ／Ｎ改善効果が期待通り得られないという現象の詳細を以下に説明する。
まず、ビーム出力の信号成分及び雑音成分のパワースペクトルをそれぞれＳ（ｆ）  、Ｎ（ｆ）  、帯域積分における周波数窓のパワー応答特性をＧ（ｆ）  、積分時間をＴ、処理帯域を（ｆ１，ｆ２）  とおくと、ビーム出力の信号成分のパワーＰＳ  及び雑音成分のパワーの分散値σＮ２は、それぞれ以下の式で与えられる。
【００１２】
【数１】
0003627138.tif 000002
【００１３】
また、ビーム出力中で信号が雑音の暴れの中からどれだけ浮き上がってくるかを表す指標である信号検出指標ｄは、以下の式で定義される。
【００１４】
ｄ＝ＰＳ２／σＮ２                        …（３）
また、積分処理出力のＳ／Ｎは、Ｓ／ＮＯＵＴ  ＝５ｌｏｇｄで与えられる。
ここで、簡単な場合として、平面配列のアレイを考え、簡単のため、信号成分と背景雑音との受波器入力が相似のスペクトル特性を持ち、白色化フィルタ２−１〜２−Ｌにより白色化されているとする。
【００１５】
白色化フィルタ２−１〜２−Ｌのフィルタ出力は、Ａ／Ｄ変換手段３−１〜３−ＬによりＡ／Ｄ変換された後、ビーム出力生成手段４によりビーム形成処理が行われる。
このとき、ビーム形成による雑音の抑圧度は周波数により異なるが、雑音が３次元等方性であり、アレイの寸法が波長に比べて大きい場合には、周波数の２乗にほぼ比例する抑圧度が得られる。
【００１６】
ここで、受波器出力の信号と雑音のスペクトルをそれぞれ、Ｓ０  、Ｎ０  とおくと、所望信号の到来方向に向けられたビーム出力の信号成分Ｓ（ｆ）  及び雑音成分のスペクトル特性Ｎ（ｆ）  はそれぞれ、以下の式で表される。
Ｓ（ｆ）  ＝Ｓ０  
Ｎ（ｆ）  ＝ａ（ｆ１／ｆ）２  Ｎ０              …（４）
但し、ａは定数である。
【００１７】
この信号と雑音について、積分出力の検出指標ｄを求めてみる。
以下に示すように、周波数窓Ｇ（ｆ）  が平坦な場合Ｇ０（ｆ）と、雑音成分を白色化するように周波数の２乗に比例する特性を持たせた場合Ｇ１（ｆ）とを考える。
Ｇ０（ｆ）＝１
Ｇ１（ｆ）＝ｂ（ｆ／ｆ１）２                  …（５）
【００１８】
そして、上記（４）式、（５）式を、（１）式、（２）式に代入し、（３）式を用いると、それぞれの場合について、信号検出指標ｄ０  、ｄ１  が以下に示したように求められる。
【００１９】
【数２】
0003627138.tif 000003
【００２０】
また、（６）式の両者の比を取ると以下の式が得られる。
【００２１】
【数３】
0003627138.tif 000004
【００２２】
ここで、例えば、周波数帯域が３オクターブ（ｆ２  ＝８ｆ１  ）の場合を考えると、周波数窓Ｇ０（ｆ）とＧ１（ｆ）との違いによる出力の検出指標の差は、以下に示すようになり、周波数窓の選び方によって信号検出性能に大きな差が生じることが分かる。
５ＬＯＧ（ｄ１／ｄ０）＝  ７．２（ｄＢ）            …（８）
【００２３】
このように、従来の雑音白色化方法では、ビーム形成、積分処理によるＳ／Ｎ改善効果が積分出力の雑音スペクトル特性に左右され、雑音のスペクトル特性が白色化フィルタや周波数窓の設計における過程からはずれている場合に所望の信号検出性能が得られないという問題点があった。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る雑音白色化方法は、
アレイ型センサで受信された受波器信号の雑音成分のスペクトル特性をそれぞれ白色化する雑音白色化工程と、雑音白色化工程の出力信号をそれぞれアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換工程と、アナログ／デジタル変換工程の出力信号に基づいて、複数の方位のビーム出力を形成するビーム形成工程と、ビーム形成工程により生成されたビーム出力をあらかじめ設定された分析幅で周波数分析する周波数分析工程と、周波数分析工程により周波数分析された周波数分析結果及びあらかじめ設定された正規化を行う周波数別の空間幅の情報に基づいて、雑音成分のスペクトル特性を推定する雑音スペクトル推定工程と、周波数分析工程により周波数分析された周波数分析結果及び雑音スペクトル推定工程により推定された雑音成分のスペクトルの推定値に基づいて、各ビームの周波数成分を雑音成分のスペクトルの推定値で正規化するスペクトル正規化工程と、スペクトル正規化工程により正規化されたスペクトルを帯域について加算する積分処理工程と、積分処理工程による加算結果を処理部に出力する出力工程とを備えるものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この実施の形態は、ビーム出力における雑音スペクトル特性を全ビームのスペクトルの測定値から推定し、推定した雑音スペクトル特性を用いて各ビーム出力スペクトルを正規化し、積分出力の信号検出指標の最大化を図るようにしたものである。
【００２６】
図１は本発明の一実施の形態に係る雑音白色化方法の処理の流れを説明するための説明図である。
図において、１−１〜１−Ｌはアレイ型センサの受波器信号が入力される受波信号入力端子、２−１〜２−Ｌは受波信号入力端子１−１〜１−Ｌから入力された受波器信号の雑音スペクトル特性をそれぞれ白色化するための白色化フィルタ、３−１〜３−Ｌは白色化フィルタ２−１〜２−Ｌの出力信号をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段、４はＡ／Ｄ変換手段３−１〜３−Ｌの出力信号が入力されビーム出力を形成するビーム形成手段、７はビーム出力の周波数分析を行う周波数分析手段、８は各周波数成分の方位分布から、雑音成分のスペクトル特性を推定する雑音スペクトル推定手段、９は各ビームの周波数成分を雑音スペクトルの推定値で正規化するスペクトル正規化手段、１０は正規化されたスペクトルを帯域について加算し積分処理を行う積分処理手段、１４は積分処理手段１０の出力信号を表示や信号検出、方位推定処理へ出力する出力端子である。
【００２７】
次に、この実施の形態の動作について説明する。
まず、受波信号入力端子１−１〜１−Ｌから入力されたＬ個の受波器の信号は、雑音成分を白色化するための白色化フィルタ２−１〜２−Ｌを通り、Ａ／Ｄ変換手段３−１〜３−Ｌに送られてＡ／Ｄ変換される。
【００２８】
そして、Ａ／Ｄ変換手段３−１〜３−ＬによりＡ／Ｄ変換された各受波器の出力は、ビーム生成手段４に送られ、複数の方位（方位数をＭとする）のビーム出力を生成する処理が行われる。
そして、ビーム生成手段４により生成されたＭ個の方位ビーム出力は、周波数分析手段７に送られ、あらかじめ設定された分析幅で周波数分析され、各ビームの周波数スペクトルＸ（ｆｋ，θｍ）  、ｋ＝１，．．．，Ｋ、ｍ＝１，．．．，Ｍが算出される。
ここで、ｆｋ（ｋ＝１，．．．，Ｋ）は周波数分析におけるサンプル周波数である。
この周波数分析の方法としては、ＦＦＴや並列に配置されたフィルタ群などがある。
【００２９】
そして、周波数分析手段７による周波数分析により得られた各周波数のスペクトルは雑音スペクトル推定手段８及びスペクトル正規化手段９に送られる。
そして、雑音スペクトル推定手段８では、周波数分析手段７から送られた周波数分析結果をもとに、各周波数について、雑音スペクトルＮ（ｆｋ）、ｋ＝１，．．．，Ｋを推定する。
この雑音スペクトル推定の方法としては、全ビーム出力の平均値を用いる方法、中央値（メジアン）を用いる方法などがある。
【００３０】
そして、推定された雑音スペクトルＮ（ｆｋ）、ｋ＝１，．．．，Ｋはスペクトル正規化手段９に送られ、スペクトル正規化手段９では、雑音スペクトル推定手段８から雑音スペクトル推定値Ｎ（ｆｋ）、ｋ＝１，．．．，Ｋが送られると、以下に示すように、周波数分析手段７から送られた各ビーム出力の周波数スペクトルＸ（ｆｋ，θｍ）  との比を正規化されたビーム出力スペクトルＹ（ｆｋ，θｍ）として計算し、積分処理手段１０に送出する。
0003627138.tif 000005
【００３１】
そして、積分処理手段１０では、スペクトル正規化手段９から送られた正規化されたビーム出力スペクトルをビーム毎に全帯域、ｆ１〜ｆＫについて加算し、出力端子１４から表示処理や信号検出、到来方位推定などの処理に送出する。
ここで、帯域加算した各ビームの出力は、所定の時間だけ積分するようにしてもよい。
【００３２】
この実施の形態では、雑音スペクトル特性を全ビームのスペクトル特性を用いて推定し、それに基づいて、各ビーム出力のスペクトル特性を正規化しているため、雑音スペクトル特性の仮定からのズレや時間的な変動がある場合にも、レベルの高い雑音周波数成分に影響されることなく、安定に背景雑音の白色化が行われ、信号検出や方位推定に最適な帯域積分出力を供給することが可能となる。
【００３３】
実施の形態２．
この実施の形態は、雑音が全方位一様ではなく、緩やかな方位特性を持つ場合に、アレイのビーム幅に応じて空間的に局所的な正規化を行うようにしたものであり、離れた方位に高い雑音や強い別の信号源がある場合に、それに影響されずに信号を検出できるようにしたものである。
【００３４】
図２は本発明の他の実施の形態に係る雑音白色化方法の処理の流れを説明するための説明図である。
図において、１−１〜１−Ｌはアレイ型センサの受波器信号が入力される受波信号入力端子、２−１〜２−Ｌは受波信号入力端子１−１〜１−Ｌから入力された受波器信号の雑音スペクトル特性をそれぞれ白色化するための白色化フィルタ、３−１〜３−Ｌは白色化フィルタ２−１〜２−Ｌの出力信号をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段、４はＡ／Ｄ変換手段３−１〜３−Ｌの出力信号が入力されビーム出力を形成するビーム形成手段、７はビーム出力の周波数分析を行う周波数分析手段、１１は正規化を行う空間幅を記憶した正規化幅テーブル、１２は空間的に局所的な雑音スペクトルを推定するローカルな雑音スペクトル推定手段、１３は空間的に異なった雑音レベル値を用いて正規化を行うスペクトル正規化手段、１０は正規化されたスペクトルを帯域について加算し積分処理を行う積分処理手段、１４は積分処理手段１０の出力信号を表示や信号検出、方位推定処理へ出力する出力端子である。
【００３５】
次に、この実施の形態の動作について説明する。
まず、受波信号入力端子１−１〜１−Ｌから入力されたＬ個の受波器の信号は、雑音成分を白色化するための白色化フィルタ２−１〜２−Ｌを通り、Ａ／Ｄ変換手段３−１〜３−Ｌに送られてＡ／Ｄ変換される。
【００３６】
そして、Ａ／Ｄ変換手段３−１〜３−ＬによりＡ／Ｄ変換された各受波器の出力は、ビーム生成手段４に送られ、複数の方位（方位数をＭとする）のビーム出力を生成する処理が行われる。
そして、ビーム生成手段４により生成されたＭ個の方位ビーム出力は、周波数分析手段７に送られ、あらかじめ設定された分析幅で周波数分析され、各ビームの周波数スペクトルＸ（ｆｋ，θｍ）  、ｋ＝１，．．．，Ｋ、ｍ＝１，．．．，Ｍが算出される。
ここで、ｆｋ（ｋ＝１，．．．，Ｋ）は周波数分析におけるサンプル周波数である。
この周波数分析の方法としては、ＦＦＴや並列に配置されたフィルタ群などがある。
【００３７】
そして、周波数分析手段７による周波数分析により得られた各ビームの周波数スペクトルＸ（ｆｋ，θｍ）  、ｋ＝１，．．．，Ｋ、ｍ＝１，．．．，Ｍはローカルな雑音スペクトル推定手段１２及びスペクトル正規化手段１３に送られる。
そして、雑音スペクトル推定手段１２では周波数分析手段７から送られた周波数分析結果をもとに、各周波数について、ビーム別に雑音スペクトルＮ（ｆｋ，θｍ）  、ｋ＝１，．．．，Ｋ、ｍ＝１，．．．，Ｍを推定する。
このとき、全空間のビーム出力を用いるのではなく、正規化幅テーブル１１に示された周波数別の空間範囲のビーム出力データを用いる。
【００３８】
ここで、円筒型アレイのように、ビーム形成に用いる受波器配列のビーム主軸方位に対する形状が方位によらず等しい場合には、正規化に用いるビーム出力データの幅は方位に依存しない値とすることが出来るが、平面型アレイの場合や複雑な配列構造のアレイの場合には、方位によってビーム幅が異なる。
このような場合、正規化に用いるビーム出力データの範囲は方位の関数として設定することもできる。一般に、ビーム幅の数倍以上の正規化幅が取られる。
また、雑音スペクトル推定方法としては、実施の形態１と同様に、正規化幅の範囲のビーム出力の平均値を用いる方法、中央値（メジアン）を用いる方法などがある。
【００３９】
そして、雑音スペクトル推定手段１２により推定された雑音スペクトルＮ（ｆｋ，θｍ）  、ｋ＝１，．．．，Ｋ、ｍ＝１，．．．，Ｍはスペクトル正規化手段１３に送られ、スペクトル正規化手段１３では、雑音スペクトル推定手段１２から雑音スペクトル推定値Ｎ（ｆｋ，θｍ）  、ｋ＝１，．．．，Ｋ、ｍ＝１，．．．，Ｍを送られると、以下に示すように、周波数分析手段７から送られた各ビーム出力の周波数スペクトルＸ（ｆｋ，θｍ）  との比を正規化されたビーム出力スペクトルＹ（ｆｋ，θｍ）として計算し、積分処理手段１０に送出する。
0003627138.tif 000006
【００４０】
この実施の形態では、雑音スペクトル特性をビーム毎にその近傍のビームのスペクトル特性を用いて推定し、それに基づいて各ビーム出力のスペクトル特性を正規化しているため、全空間における雑音スペクトル特性の仮定からのズレや時間的な変動だけでなく、空間的に限られた方位に高いレベルの雑音がある場合にも、それに影響されることなく、ローカルに背景雑音の白色化が行われ、信号検出や方位推定に最適な帯域積分出力を供給することが可能となる。
特に、離れた方位にある高いレベルの広帯域雑音や広帯域目標の影響を排除して、低いレベルの目標を強調して捉えるのに有効である。
【００４１】
なお、実施の形態１、実施の形態２では、海洋中における音響信号の検出に適用する場合の例として説明しているが、本発明は海洋音響に限らず、雑音の中から広帯域の信号をアレイ型センサで検出し、方位推定を行う全ての問題に適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、アレイ型センサで受信された受波器信号の雑音成分のスペクトル特性をそれぞれ白色化し、その出力信号をそれぞれアナログ／デジタル変換し、その出力信号に基づいて、複数の方位のビーム出力を形成し、その生成されたビーム出力をあらかじめ設定された分析幅で周波数分析し、周波数分析された周波数分析結果及びあらかじめ設定された正規化を行う周波数別の空間幅の情報に基づいて、雑音成分のスペクトル特性を推定し、周波数分析された周波数分析結果及び推定された雑音成分のスペクトルの推定値に基づいて、各ビームの周波数成分を雑音成分のスペクトルの推定値で正規化し、正規化されたスペクトルを帯域について加算し、その加算結果を処理部に出力するようにしたので、雑音スペクトル特性の仮定からのズレや時間的な変動がある場合にも、レベルの高い雑音周波数成分に影響されることなく、安定に背景雑音の白色化が行われ、信号検出や方位推定に最適な帯域積分出力を供給することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る雑音白色化方法の処理の流れを説明するための説明図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る雑音白色化方法の処理の流れを説明するための説明図である。
【図３】従来の雑音白色化方法の処理の流れを説明するための説明図である。
【符号の説明】
１−１〜１−Ｌ  受波信号入力端子
２−１〜２−Ｌ  白色化フィルタ
３−１〜３−Ｌ  Ａ／Ｄ変換手段
４  ビーム形成手段
７  周波数分析手段
８  雑音スペクトル推定手段
９  スペクトル正規化手段
１０  積分処理手段
１１  正規化幅テーブル
１２  ローカルな雑音スペクトル推定手段
１３  スペクトル正規化手段
１４  出力端子
【図１】
0003627138.tif 000007
【図２】
0003627138.tif 000008
【図３】
0003627138.tif 000009