(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信信号を音波に変換して発信する送波器と、目標物からの反射音波を含む水中音響信号を受波して、受信信号に変換する受波器と、前記受信信号を対象とし、前記送信信号をレプリカ信号としてレプリカ相関処理を行い、レプリカ相関処理結果を出力するレプリカ相関処理部と、前記レプリカ相関処理結果から目標反響音の信号Ｓ／Ｎ比を算出する信号Ｓ／Ｎ比算出部と、から構成されるアクティブソーナー装置において、前記信号Ｓ／Ｎ比算出部は、
受信チャネル（受信方位）ごとの前記レプリカ相関処理結果に対し、時刻tのデータで時刻ｔ＋Δｔ（Δｔ：時間分解能）のデータを割り算して得られる信号レベルの増減比を算出して、該信号レベルの増減比を微分データとして出力する微分処理部と、
前記微分データに対し、１．０未満の値を強制的に１．０とし、前記信号レベルが増加する方向の正の変化量のみを抽出して、抽出処理後データを出力する抽出処理部と、
前記抽出処理後データに対し、１を超える区間のみを区間毎に積算することによって、ワンクロス積分値を算出して、該ワンクロス積分値を表わす積分データを出力するワンクロス積分処理部と、
前記積分データから目標エコーの前記信号Ｓ／Ｎ比を算出するＳ／Ｎ比算出処理部と、
を有することを特徴とするアクティブソーナー装置。
【請求項２】
前記Ｓ／Ｎ比算出処理部は、前記積分データに対し、デシベル値（＝２０log（積分値））を算出することで特定方位（受信チャネル）の時間軸方向における前記信号Ｓ／Ｎ比を算出することを特徴とする、請求項１に記載のアクティブソーナー装置。
【請求項３】
送信信号のレプリカ信号と受信信号との間のレプリカ相関処理によって得られたレプリカ相関処理結果から信号Ｓ／Ｎ比を算出する信号処理方法であって、
受信チャネル（受信方位）ごとの前記レプリカ相関処理結果に対し、時刻tのデータで時刻ｔ＋Δｔ（Δｔ：時間分解能）のデータを割り算して得られる信号レベルの増減比を算出して、該信号レベルの増減比を微分データとして出力する微分処理ステップと、
前記微分データに対し、１．０未満の値を強制的に１．０とし、前記信号レベルが増加する方向の正の変化量のみを抽出して、抽出処理後データを出力する抽出処理ステップと、
前記抽出処理後データに対し、１を超える区間のみを区間毎に積算することによって、ワンクロス積分値を算出して、該ワンクロス積分値を表わす積分データを出力するワンクロス積分処理ステップと、
前記積分データから目標エコーの前記信号Ｓ／Ｎ比を算出するＳ／Ｎ比算出処理ステップと、
を含むことを特徴とする信号処理方法。
【請求項４】
前記Ｓ／Ｎ比算出処理ステップは、前記積分データに対し、デシベル値（＝２０log（積分値））を算出することで特定方位（受信チャネル）の時間軸方向における前記信号Ｓ／Ｎ比を算出することを特徴とする、請求項３に記載の信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブソーナー装置およびその信号処理方法に関し、特に相関処理結果から目標反響音の信号Ｓ／Ｎ比を算出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この技術分野において周知のように、ソーナー装置とは、水中音波を用いて、海中の物体に関する情報を得るための装置をいう。ソーナー装置は、アクティブソーナー装置とパッシブソーナー装置とに大別される。
【０００３】
アクティブソーナー装置の原理はやまびこと同じである。すなわち、アクティブソーナー装置は、自分から音を出し、その音が目標物で反射して戻って来て、その反射音が聞こえるまでの時間差から、当該装置と目標物との間の距離を知るのが原理である。換言すれば、アクティブソーナー装置は、装置によって放射された音波が、ある離れた物体によって受ける影響を評価し、その物体に関する情報を得るための装置をいう。
【０００４】
より詳細には、アクティブソーナー装置の基本的な原理としては、複数のアレイを配置し、整相処理によって特定の方位に送波および受波指向性を持たせたうえで、自ら音波を発生して送波し、受信した信号を信号処理し、受信信号に含まれる目標物からの反響音（エコー）を検出し、それに基づいて当該目標物の方位と距離とを特定する。
【０００５】
従来のアクティブソーナー装置では、受信信号からエコー信号を検出する方法として、レプリカ相関処理が用いられている。ここで、「レプリカ相関」とは、自らが送波した信号の標本となる信号（レプリカ信号）と受信した信号との間の相関度を計算する信号処理方式であり、相互相関処理とも呼ばれる。このとき、受信信号に対して時間をずらしながらレプリカ相関を繰り返すと、レプリカ信号と受信信号がもっとも類似した時刻、すなわちエコーを受信した時刻で相互相関処理結果が最大値となる。アクティブソーナー装置では、この相互相関処理により、エコー信号の検出を行う。
【０００６】
従来から、種々のアクティブソーナー装置が提案されている。例えば、特開２００８−２３２８６１号公報（特許文献１）は、ドップラーシフトに対応するために、エコー信号が検出された時刻部分だけを切り出してレプリカ相関処理を行って、信号処理区間以外の雑音の影響を除くようにした、アクティブソーナー装置を開示している。
【０００７】
ところで、背景雑音レベルはランダムな雑音によって常に変化している。また、自らが送信した音が、海底反射によって強い残響となることもあり、実海面においては、予測不可能な時刻に強い信号が発生する。その結果、その時刻においても相互相関処理の結果は相対的に大きな値となる。そのため単純な固定値による閾値設定を行うことによってエコー信号検出を行うことは困難である。そのため、いかなる処理系であろうとも、背景雑音との差分、Ｓ／Ｎ比（Signal/Noise比）を抽出する処理が必須となる。
【０００８】
一般的には、現在取得しているデータから移動平均等の統計処理によって背景雑音レベルを推定し、その値で正規化するＡＧＣ（automatic gain control）処理が良く知られている(例えば、特許文献２、特許文献３参照)。但し、特許文献２および特許文献３では、レプリカ相関処理を行っていない。
【０００９】
従来手法では、送波信号（レプリカ信号）と受信信号との間の相互相関処理結果に対し、ＰＤＡＧＣ（post detection automatic gain control）処理が用いられてきた。これは、相互相関処理結果に対し、過去Ｎ点のデータの平均値を背景雑音レベルの推定値とし、その値で正規化することによりＳ／Ｎ比を算出する手法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−２３２８６１号公報
【特許文献２】特許第２９９５３７４号公報
【特許文献３】特許第４７３８０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、統計処理によって背景雑音レベルを推定する方法では、常に過去のデータに依存することとなる。そのため、突発的に強い信号や異常値が混入した場合、正常にエコー信号の検出が出来なくなる問題がある。
【００１２】
詳述すると、実海面においては、自らが送信した音による残響や突発的な背景雑音レベルの変化により、予測不可能な時刻に強い信号が発生する。そのため従来のＰＤＡＧＣ手法である過去Ｎ点のデータの平均値を背景雑音レベルの推定値とする方法では、信号レベルの高い時刻付近では必然的に推定雑音レベルも高くなるため、信号Ｓ／Ｎ比が検出されないブラインドゾーンが発生してしまう問題点がある（図４参照）。
【００１３】
［発明の目的］
本発明の目的は、アクティブソーナー信号処理における信号Ｓ/Ｎ算出処理において、信号Ｓ/Ｎ比が検出されないブラインドゾーン問題を解決し、安定した信号Ｓ/Ｎ検出精度を保つことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の信号処理方法は、送信信号のレプリカ信号と受信信号との間のレプリカ相関処理によって得られたレプリカ相関処理結果から信号Ｓ／Ｎ比を算出する信号処理方法であって、受信チャネル（受信方位）ごとのレプリカ相関処理結果に対し、時刻tのデータで時刻ｔ＋Δｔ（Δｔ：時間分解能）のデータを割り算して得られる信号レベルの増減比を算出して、信号レベルの増減比を微分データとして出力する微分処理ステップと、微分データに対し、１．０未満の値を強制的に１．０とし、信号レベルが増加する方向の正の変化量のみを抽出して、抽出処理後データを出力する抽出処理ステップと、抽出処理後データに対し、１を超える区間のみを区間毎に積算することによって、ワンクロス積分値を算出して、そのワンクロス積分値を表わす積分データを出力するワンクロス積分処理ステップと、積分データから目標エコーの信号Ｓ／Ｎ比を算出するＳ／Ｎ比算出処理ステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、突発的な強い信号が原因となるブラインドゾーンが発生しない、信号Ｓ／Ｎ比を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係るアクティブソーナー装置内のアクティブソーナー信号処理部（信号Ｓ／Ｎ比算出部）の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の有効性を示すための、入力データ（相関処理結果）の実例を示す図である。
【図３】図２中の入力データ（相関処理結果）の実例のうちエコー部分の拡大図である。
【図４】従来手法を用いた場合の問題点を示した実例を示す図である。
【図５】図２で示した入力データ（相関処理結果）に対して微分処理部によって微分処理を行って得られる微分データ（微分処理結果）の実例を示す図である。
【図６】図５で示した入力データ（微分処理結果）に対して抽出処理部によって抽出処理を行って得られる抽出処理後データ（抽出処理結果）の実例を示す図である。
【図７】図６で示した入力データ（抽出処理結果）に対してワンクロス積分処理部によってワンクロス積分処理を行って得られる積分データ（ワンクロス積分処理結果）の実例を示す図である。
【図８】図７で示した入力データ（ワンクロス積分処理結果）に対してＳ／Ｎ比算出処理部によってＳ／Ｎ比算出処理を行って得られる信号Ｓ／Ｎ比データ（信号Ｓ／Ｎ比算出処理結果）の実例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図示はしないが、本発明の実施形態が適用されるアクティブソーナー装置は、送信信号を音波に変換して発信する送波器と、目標物からの反射音波を含む水中音響信号を受波して、受信信号に変換する受波器と、受信信号を対象とし、送信信号をレプリカ信号としてレプリカ相関処理を行い、レプリカ相関処理結果を出力するレプリカ相関処理部と、レプリカ相関処理結果から目標反響音の信号Ｓ／Ｎ比を算出する信号Ｓ／Ｎ比算出部と、から構成される。
【００１９】
本発明は、アクティブソーナー装置内の信号Ｓ／Ｎ比算出部の改良に関する。信号Ｓ／Ｎ比算出部は、アクティブソーナー信号処理部と呼ばれる。
【００２０】
［構成の説明］
図１は、本発明の一実施形態に係るアクティブソーナー信号処理部の全体構成を示すブロック図である。
【００２１】
本発明の実施形態に係るアクティブソーナー信号処理部は、微分処理部１と、抽出処理部２と、ワンクロス積分処理部と、Ｓ／Ｎ比算出処理部４とから構成される。
【００２２】
微分処理部１は、レプリカ相関処理結果の信号レベルの増減比を算出して、微分データを出力する。詳述すると、微分処理部１は、アクティブソーナー装置で受信した、ある特定方位（受信チャネル）のデータのレプリカ相関処理結果に対し、時刻ｔと時刻ｔ+Δｔの信号増減比を算出して、その信号増減比を表わす微分データを出力する。
【００２３】
抽出処理部２は、微分データから正の変化量のみを抽出して、抽出処理後データを出力する。詳述すると、抽出処理部２は、微分データに対し、１．０未満の値を強制的に１．０とし、正の変化量のみを抽出する。
【００２４】
ワンクロス積分処理部３は、抽出処理後データからそのワンクロス積分値を算出し、そのワンクロス積分値を表わす積分データを出力する。すなわち、ワンクロス積分処理部３は、抽出処理後データに対し、１を超える区間毎に積算することによって、ワンクロス積分値を算出する。
【００２５】
Ｓ／Ｎ比算出処理部４は、積分データから目標エコーの信号Ｓ／Ｎ比を算出する。詳述すると、Ｓ／Ｎ比算出処理部４は、積分データに対し、デシベル値（＝２０log（積分値））を算出することで特定方位（受信チャネル）の時間軸方向における信号Ｓ／Ｎ比を算出する。
【００２６】
［動作の説明］
次に、図１に示したアクティブソーナー信号処理部の動作について説明する。
【００２７】
微分処理部１は、下記数１により、時間軸方向の信号増減比を算出して、微分データを出力する。
【００２８】
【数１】
0006048637.tif 000002
ここで、t：時刻  Δｔ：時間分解能である。
【００２９】
抽出処理部２は、微分データに対して、下記数２に従って、１．０未満の値を強制的に１．０とし、正の変化量のみを抽出する。
【００３０】
【数２】
0006048637.tif 000003
【００３１】
ワンクロス積分処理部３は、下記数３により、信号増加比が１．０を超える区間ごとに積算を行い、合計増加比（ワンクロス積分値）を算出する。
【００３２】
【数３】
0006048637.tif 000004
【００３３】
Ｓ／Ｎ比算出処理部４は、下記数４によりデシベル値（＝２０log（積分値））を算出することで時間軸方向における信号S/N比を算出する。
【００３４】
【数４】
0006048637.tif 000005
【実施例１】
【００３５】
次に、図１に示したアクティブソーナー信号処理部の実施例について説明する。
【００３６】
ある特定の方位（受信チャネル）において、送信信号（レプリカ信号）と受信信号との間のレプリカ相関処理結果が、距離０[yd]〜２５００0[yd]まで入力されたとする。
【００３７】
図２は、そのレプリカ相関処理結果（入力データ）を示す図である。図２において、横軸は距離[yd]を示し、縦軸は電圧［Ｖ］を示す。
【００３８】
図３は、図２のエコー部分を拡大して示す図である。図３では、図２の距離１５００[yd]〜２５００0[yd]の部分を拡大している。図３から、２つのエコー信号である、エコー１とエコー２とが存在することが分かる。エコー１は、約２０００[yd]に存在し、エコー２は、約２４００[yd]に存在している。
【００３９】
微分処理部１にて前述の数１により、信号増加比を算出する。
【００４０】
図５は、微分処理部１によって得られる微分データ（部分処理結果）を示す図である。図５において、横軸は距離[yd]を示し、縦軸は信号増加比を示す。
【００４１】
抽出処理部２にて前述の数２により、正の変化量のみを抽出する。
【００４２】
図６は、抽出処理部２によって得られる抽出処理後データ（抽出処理結果）を示す図である。図６において、横軸は距離[yd]を示し、縦軸は信号増加比を示す。
【００４３】
ワンクロス積分処理部３にて前述の数３により、信号増加比が１．０を超える区間ごとに積算を行い、合計増加比を算出する。
【００４４】
図７は、ワンクロス積分処理部３によって得られる積分データ（ワンクロス積分処理結果）を示す図である。図７において、横軸は距離[yd]を示し、縦軸は合計信号増加比を示す。
【００４５】
Ｓ／Ｎ比算出処理部４では、前述の数４によりデシベル値を算出する。
【００４６】
図８は、Ｓ／Ｎ比算出処理部４によって得られる信号Ｓ／Ｎ比算出処理結果を示す図である。図８において、横軸は距離[yd]を示し、縦軸は信号Ｓ／Ｎ比［ｄＢ］を示す。図８から、約２０００[yd]にエコー１が存在し、約２４００[yd]にエコー２に存在することが分かる。また、図８から、本実施例においては、１ｄＢ程度のエコーであっても算出可能である。
【００４７】
本実施形態（実施例）の効果について説明する。
【００４８】
本実施形態（実施例）を用いてＳ／Ｎ比算出処理を行うことによって、突発的な強い信号が原因となるブラインドゾーンが発生せず、１ｄＢ程度の信号S/N比であっても検出することが可能となる。その理由は、本実施形態（実施例）における処理において、入力データから背景雑音レベル等を推定する処理ではなく、微分処理によって時間軸方向の信号増減比を直接算出し、抽出処理によって正の変化量のみを抽出し、ワンクロス積分処理によって合計増加比の算出を行い、Ｓ／Ｎ比算出処理によって合計増加比に対してデシベル換算を行い、時間軸方向の信号Ｓ／Ｎ比を算出しているからである。すなわち、入力データにおける信号レベルの増加比を、雑音レベル等を推定することなく直接算出することを可能にしたからである。
【００４９】
尚、図１に示したアクティブソーナー信号処理部（信号Ｓ／Ｎ比算出部）は、コンピュータによって実現され得る。コンピュータは、周知のように、中央処理装置（ＣＰＵ）と、データを格納するＲＡＭなどの記憶装置と、プログラムを格納するプログラム用メモリ（ＲＯＭ）とを備える。そして、プログラム用メモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを読み出すことにより、ＣＰＵは、微分処理部１、抽出処理部２、ワンクロス積分処理部３、およびＳ／Ｎ比算出処理部４の機能を実現する。
【００５０】
以上、実施形態（実施例）を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態（実施例）に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００５１】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限定されない。
【００５２】
（付記１）  送信信号を音波に変換して発信する送波器と、目標物からの反射音波を含む水中音響信号を受波して、受信信号に変換する受波器と、前記受信信号を対象とし、前記送信信号をレプリカ信号としてレプリカ相関処理を行い、レプリカ相関処理結果を出力するレプリカ相関処理部と、前記レプリカ相関処理結果から目標反響音の信号Ｓ／Ｎ比を算出する信号Ｓ／Ｎ比算出部と、から構成されるアクティブソーナー装置において、前記信号Ｓ／Ｎ比算出部は、
前記レプリカ相関処理結果の信号レベルの増減比を算出して、微分データを出力する微分処理部と、
前記微分データから正の変化量のみを抽出して、抽出処理後データを出力する抽出処理部と、
前記抽出処理後データからワンクロス積分値を算出して、該ワンクロス積分値を表わす積分データを出力するワンクロス積分処理部と、
前記積分データから目標エコーの前記信号Ｓ／Ｎ比を算出するＳ／Ｎ比算出処理部と、
を有することを特徴とするアクティブソーナー装置。
【００５３】
（付記２）  前記微分処理部は、受信チャネル（受信方位）ごとの前記レプリカ相関処理結果に対し、時刻tと時刻ｔ＋Δｔ（Δｔ：時間分解能）のデータに対して、その増減比を算出することを特徴とする、付記１に記載のアクティブソーナー装置。
【００５４】
（付記３）  前記抽出処理部は、前記微分データに対し、１．０未満の値を強制的に１．０とし、正の変化量のみを抽出することを特徴とする、付記１又は２に記載のアクティブソーナー装置。
【００５５】
（付記４）  前記ワンクロス積分処理部は、前記抽出処理後データに対し、１を超える区間のみを区間毎に積算することによって、前記ワンクロス積分値を算出することを特徴とする、付記１乃至３のいずれか１項に記載のアクティブソーナー装置。
【００５６】
（付記５）  前記Ｓ／Ｎ比算出処理部は、前記積分データに対し、デシベル値（＝２０log（積分値））を算出することで特定方位（受信チャネル）の時間軸方向における前記信号Ｓ／Ｎ比を算出することを特徴とする、付記１乃至４のいずれか１項に記載のアクティブソーナー装置。
【００５７】
（付記６）  送信信号のレプリカ信号と受信信号との間のレプリカ相関処理によって得られたレプリカ相関処理結果から信号Ｓ／Ｎ比を算出する信号処理方法であって、
前記レプリカ相関処理結果の信号レベルの増減比を算出して、微分データを出力する微分処理ステップと、
前記微分データから正の変化量のみを抽出して、抽出処理後データを出力するする抽出処理ステップと、
前記抽出処理後データからそのワンクロス積分値を算出して、該ワンクロス積分値を表わす積分データを出力するワンクロス積分処理ステップと、
前記積分データから目標エコーの前記信号Ｓ／Ｎ比を算出するＳ／Ｎ比算出処理ステップと、
を含むことを特徴とする信号処理方法。
【００５８】
（付記７）  前記微分処理ステップは、受信チャネル（受信方位）ごとの前記レプリカ相関処理結果に対し、時刻tと時刻ｔ＋Δｔ（Δｔ：時間分解能）のデータに対して、その増減比を算出することを特徴とする、付記６に記載の信号処理方法。
【００５９】
（付記８）  前記抽出処理ステップは、前記微分データに対し、１．０未満の値を強制的に１．０とし、正の変化量のみを抽出することを特徴とする、付記６又は７に記載の信号処理方法。
【００６０】
（付記９）  前記ワンクロス積分処理ステップは、前記抽出処理後データに対し、１を超える区間のみを区間毎に積算することによって、前記ワンクロス積分値を算出することを特徴とする、付記６乃至８のいずれか１項に記載の信号処理方法。
【００６１】
（付記１０）  前記Ｓ／Ｎ比算出処理ステップは、前記積分データに対し、デシベル値（＝２０log（積分値））を算出することで特定方位（受信チャネル）の時間軸方向における前記信号Ｓ／Ｎ比を算出することを特徴とする、付記６乃至９にいずれか１項に記載の信号処理方法。
【００６２】
（付記１１）  コンピュータに、送信信号のレプリカ信号と受信信号との間のレプリカ相関処理によって得られたレプリカ相関処理結果から信号Ｓ／Ｎ比を算出させる信号処理プログラムであって、前記コンピュータに、
前記レプリカ相関処理結果の信号レベルの増減比を算出して、微分データを出力する微分処理と、
前記微分データから正の変化量のみを抽出して、抽出処理後データを出力するする抽出処理と、
前記抽出処理後データからそのワンクロス積分値を算出して、該ワンクロス積分値を表わす積分データを出力するワンクロス積分処理と、
前記積分データから目標エコーの前記信号Ｓ／Ｎ比を算出するＳ／Ｎ比算出処理と、
を実行させるための信号処理プログラム。
【００６３】
（付記１２）  前記微分処理は、前記コンピュータに、受信チャネル（受信方位）ごとの前記レプリカ相関処理結果に対し、時刻tと時刻ｔ＋Δｔ（Δｔ：時間分解能）のデータに対して、その増減比を算出させることを特徴とする、付記１１に記載の信号処理プログラム。
【００６４】
（付記１３）  前記抽出処理は、前記コンピュータに、前記微分データに対し、１．０未満の値を強制的に１．０とし、正の変化量のみを抽出させることを特徴とする、付記１１又は１２に記載の信号処理プログラム。
【００６５】
（付記１４）  前記ワンクロス積分処理は、前記コンピュータに、前記抽出処理後データに対し、１を超える区間のみを区間毎に積算することによって、前記ワンクロス積分値を算出させることを特徴とする、付記１１乃至１３のいずれか１項に記載の信号処理プログラム。
【００６６】
（付記１５）  前記Ｓ／Ｎ比算出処理は、前記コンピュータに、前記積分データに対し、デシベル値（＝２０log（積分値））を算出することで特定方位（受信チャネル）の時間軸方向における前記信号Ｓ／Ｎ比を算出させることを特徴とする、付記１１乃至１４にいずれか１項に記載の信号処理プログラム。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、アクティブソーナー装置に関する信号処理機能にて利用できる可能性を有する。
【符号の説明】
【００６８】
１  微分処理部
２  抽出処理部
３  ワンクロス積分処理部
４  S/N比算出処理部
【図１】
0006048637.tif 000006
【図２】
0006048637.tif 000007
【図３】
0006048637.tif 000008
【図４】
0006048637.tif 000009
【図５】
0006048637.tif 000010
【図６】
0006048637.tif 000011
【図７】
0006048637.tif 000012
【図８】
0006048637.tif 000013