(57)【要約】【課題】目標に関するデータの誤差を改善することができる信号処理装置などを得る。【解決手段】受信信号から目標物からの目標信号に係るデータを出力する信号処理装置１００であって、受波器アレイ１０からの複数の受信信号に基づいて、受信信号の周波数に係る変換を行って、アレイ周波数ビンデータにする周波数分割処理部１１１と、アレイ周波数ビンデータに基づいて、最適化問題の解を算出する最適化処理部１１２と、解に基づいて、目標方位データを計算する目標方位計算処理部１１３と、計算された目標方位データから、目標方位の割れを検出する目標方位割れ検出部１１４と、割れた目標方位を１つの目標方位に修正処理する修正目標方位データを計算する目標方位修正処理部１１５と、修正目標方位データとアレイ周波数ビンデータとに基づいて、目標信号の大きさを示す目標レベルを計算する目標レベル計算処理部１１６とを備えるものである。【選択図】図１
2019039789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理装置であって、
複数の前記受波器を有する受波器アレイからの複数の前記受信信号に基づいて、前記受信信号の周波数に係る変換を行って、前記受信信号の振幅と位相とに係るアレイ周波数ビンデータにする周波数分割処理部と、
前記アレイ周波数ビンデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理部と、
前記解に基づいて、前記目標物の目標方位を示す目標方位データを計算する目標方位計算処理部と、
計算された前記目標方位データから、前記目標物に対する、前記目標方位の割れを検出する目標方位割れ検出処理部と、
割れた前記目標方位を１つの前記目標方位に修正処理する修正目標方位データを計算する目標方位修正処理部と、
前記修正目標方位データと前記アレイ周波数ビンデータとに基づいて、前記目標信号の大きさを示す目標レベルを計算する目標レベル計算処理部と
を備える信号処理装置。
【請求項２】
前記目標方位修正処理部は、
２つの割れとして検出した前記目標方位のデータに対し、加算平均値を計算して、前記修正目標方位データとする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項３】
受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理装置であって、
複数の前記受波器を有する受波器アレイからの複数の前記受信信号に基づいて、前記受信信号の周波数に係る変換を行って、前記受信信号の振幅と位相とに係るアレイ周波数ビンデータにする周波数分割処理部と、
前記アレイ周波数ビンデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理部と、
前記解に基づいて、前記目標物の目標方位を示す目標方位データを計算する目標方位計算処理部と、
計算された前記目標方位データから、前記目標物に対する、前記目標方位の割れを検出する目標方位割れ検出処理部と、
前記目標方位データと前記アレイ周波数ビンデータとに基づいて、前記目標信号の大きさを示す目標レベルを計算する目標レベル計算処理部と、
前記目標方位割れ検出処理部が割れとして検出した複数の前記目標方位を１つの前記目標方位に補間し、さらに、複数の前記目標方位に対応する複数の前記目標レベルを１つの前記目標レベルに補間する補間処理部と
を備える信号処理装置。
【請求項４】
前記目標方位割れ検出処理部が前記目標方位の割れとして検出した前記目標方位データについて、検出した前記目標方位の割れが時間的に継続しているか否かに基づいて、前記目標方位が割れているか否かを判定する目標方位割れ判定部をさらに備える請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記目標方位割れ検出処理部が前記目標方位の割れとして検出した２つの前記目標方位の間の範囲を方位範囲とし、
前記目標方位割れ判定部は、前回の処理における前記方位範囲と今回の処理における前記方位範囲との間で重複する範囲があるときには、前記目標方位の割れが時間的に継続していないと判定する処理を行う請求項４に記載の信号処理装置。
【請求項６】
受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理装置であって、
前記受信信号の時間サンプルデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理部と、
前記解に基づいて、前記目標信号の目標周波数を示す目標周波数データを計算する目標周波数計算処理部と、
計算された前記目標周波数データから、前記目標信号に対する、前記目標周波数の割れを検出する目標周波数割れ検出処理部と、
割れた前記目標周波数を１つの前記目標周波数に修正処理する修正目標周波数データを計算する目標周波数修正処理部と、
前記修正目標周波数データと前記時間サンプルデータとに基づいて、前記目標信号の大きさを示す目標レベルを計算する目標レベル計算処理部と
を備える信号処理装置。
【請求項７】
前記目標周波数修正処理部は、
２つの割れとして検出した前記目標周波数のデータに対し、加算平均値を計算して、前記修正目標周波数データとする請求項６に記載の信号処理装置。
【請求項８】
受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理装置であって、
前記受信信号の時間サンプルデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理部と、
前記解に基づいて、前記目標信号の目標周波数を示す目標周波数データを計算する目標周波数計算処理部と、
計算された前記目標周波数データから、前記目標信号に対する、前記目標周波数の割れを検出する目標周波数割れ検出処理部と、
前記目標周波数データと前記時間サンプルデータとに基づいて、前記目標信号の大きさを示す目標レベルを計算する目標レベル計算処理部と、
前記目標周波数割れ検出処理部が割れとして検出した複数の前記目標周波数を１つの前記目標周波数に補間し、さらに、複数の前記目標周波数に対応する複数の前記目標レベルを１つの前記目標レベルに補間する補間処理部と
を備える信号処理装置。
【請求項９】
前記目標周波数割れ検出処理部が前記目標周波数の割れとして検出した前記目標周波数データについて、検出した前記目標周波数の割れが時間的に継続しているか否かに基づいて、前記目標周波数が割れているか否かを判定する目標周波数割れ判定部をさらに備える請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載の信号処理装置。
【請求項１０】
前記目標周波数割れ検出処理部が前記目標周波数の割れとして検出した２つの前記目標周波数の間の範囲を周波数範囲とし、
前記目標周波数割れ判定部は、前回の処理における前記周波数範囲と今回の処理における前記周波数範囲との間で重複する範囲があるときには、前記目標周波数の割れが時間的に継続していないと判定する処理を行う請求項９に記載の信号処理装置。
【請求項１１】
前記目標信号に係るデータを表示する表示装置をさらに備える請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の信号処理装置。
【請求項１２】
受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理方法のプログラムであって、
複数の前記受波器を有する受波器アレイからの複数の前記受信信号に基づいて、前記受信信号の周波数に係る変換を行って、前記受信信号の振幅と位相とに係るアレイ周波数ビンデータにする周波数分割処理工程と、
前記アレイ周波数ビンデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理工程と、
前記解に基づいて、前記目標物の目標方位を示す目標方位データを計算する目標方位計算処理工程と、
計算された前記目標方位データから、前記目標物に対する、前記目標方位の割れを検出処理する目標方位割れ検出処理工程と、
割れた前記目標方位を１つの前記目標方位に修正処理する修正目標方位データを計算処理する目標方位修正処理工程と、
前記修正目標方位データと前記アレイ周波数ビンデータとに基づいて、前記目標信号の大きさを示す目標レベルを計算処理する目標レベル計算処理工程と
をコンピュータに行わせることを特徴とする信号処理方法のプログラム。
【請求項１３】
受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理方法のプログラムであって、
前記受信信号の時間サンプルデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理工程と、
前記解に基づいて、前記目標信号の目標周波数を示す目標周波数データを計算する目標周波数計算処理工程と、
計算された前記目標周波数データから、前記目標信号に対する、前記目標周波数の割れを検出する目標周波数割れ検出処理工程と、
割れた前記目標周波数を１つの前記目標周波数に修正処理する修正目標周波数データを計算する目標方位修正処理工程と、
前記修正目標周波数データと前記時間サンプルデータとに基づいて、前記目標信号の大きさを示す目標レベルを計算する目標レベル計算処理工程と
をコンピュータに行わせることを特徴とする信号処理方法のプログラム。
【請求項１４】
受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理方法であって、
複数の前記受波器を有する受波器アレイからの複数の前記受信信号に基づいて、前記受信信号の周波数に係る変換を行って、前記受信信号の振幅と位相とに係るアレイ周波数ビンデータにする周波数分割処理工程と、
前記アレイ周波数ビンデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理工程と、
前記解に基づいて、前記目標物の目標方位を示す目標方位データを計算する目標方位計算処理工程と、
計算された前記目標方位データから、前記目標物に対する、前記目標方位の割れを検出処理する目標方位割れ検出処理工程と、
割れた前記目標方位を１つの前記目標方位に修正処理する修正目標方位データを計算処理する目標方位修正処理工程と、
前記修正目標方位データと前記アレイ周波数ビンデータとに基づいて、前記目標信号の大きさを示す目標レベルを計算処理する目標レベル計算処理工程と
を有する信号処理方法。
【請求項１５】
受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理方法であって、
前記受信信号の時間サンプルデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理工程と、
前記解に基づいて、前記目標信号の目標周波数を示す目標周波数データを計算する目標周波数計算処理工程と、
計算された前記目標周波数データから、前記目標信号に対する、前記目標周波数の割れを検出する目標周波数割れ検出処理工程と、
割れた前記目標周波数を１つの前記目標周波数に修正処理する修正目標周波数データを計算する目標方位修正処理工程と、
前記修正目標周波数データと前記時間サンプルデータとに基づいて、前記目標信号の大きさを示す目標レベルを計算する目標レベル計算処理工程と
を有する信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、目標物が発する信号をソーナーなどの受波器で受信した受信信号に対して、整相処理、周波数分析処理などを行う信号処理装置、信号処理方法のプログラムおよび信号処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、受波器アレイが受信した音などの受信信号を処理し、目標物の特定、目標物の方位推定などを行う信号処理装置などがある。信号処理装置における信号処理方法としては、たとえば、スパース信号処理を用いたグリッドフリー圧縮整相処理方法がある（たとえば、非特許文献１参照）。また、スパース信号処理を用いたグリッドフリー圧縮周波数分析処理方法がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Xenaki A. and Gerstoft P.,“Grid-free compressive beamforming“，1923-1935 J. Acoust. Soc. Am. 137(4)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
各受波器の受信信号に雑音が含まれない場合においては、圧縮整相処理結果の目標方位と目標レベルは、その真値と一致する。
【０００５】
しかしながら、各受波器の受信信号に雑音が含まれていると、圧縮整相処理結果において、目標方位の真値を挟んで、真値付近の両側の方位に目標方位が割れてしまう場合がある。また、割れた各目標方位に対して目標レベルが計算されるため、目標レベルも真値よりも低い複数の目標レベルに割れる。以下においては、特に２つに割れるものとして説明する。
【０００６】
割れに関する問題は、受波器の受信信号における周波数成分を分析処理する圧縮周波数分析処理結果においても発生する。圧縮周波数分析処理においても、目標物からの信号における目標周波数が、真値の付近で複数の目標周波数に割れてしまい、目標レベルも、各目標周波数に合わせて、真値よりも低い複数の目標レベルに割れてしまう。このような目標方位の割れまたは目標周波数の割れが発生することで、真値との間に誤差が発生し、目標方位、目標周波数、目標レベルなどの目標物に関するデータを正確に得ることが難しくなる。
【０００７】
そこで、目標方位、目標周波数、目標レベルなどの目標物に関するデータに含まれる誤差を改善することができる信号処理装置などの実現が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る信号処理装置は、受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理装置であって、複数の受波器を有する受波器アレイからの複数の受信信号に基づいて、受信信号の周波数に係る変換を行って、受信信号の振幅と位相とに係るアレイ周波数ビンデータにする周波数分割処理部と、アレイ周波数ビンデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理部と、解に基づいて、目標物の目標方位を示す目標方位データを計算する目標方位計算処理部と、計算された目標方位データから、目標物に対する、目標方位の割れを検出する目標方位割れ検出処理部と、割れた目標方位を１つの目標方位に修正処理する修正目標方位データを計算する目標方位修正処理部と、修正目標方位データとアレイ周波数ビンデータとに基づいて、目標信号の大きさを示す目標レベルを計算する目標レベル計算処理部とを備えるものである。
【０００９】
また、この発明に係る信号処理装置は、受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理装置であって、受信信号の時間サンプルデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理部と、解に基づいて、目標信号の目標周波数を示す目標周波数データを計算する目標周波数計算処理部と、計算された目標周波数データから、目標信号に対する、目標周波数の割れを検出する目標周波数割れ検出処理部と、割れた目標周波数を１つの目標周波数に修正処理する修正目標周波数データを計算する目標周波数修正処理部と、修正目標周波数データと時間サンプルデータとに基づいて、目標信号の大きさを示す目標レベルを計算する目標レベル計算処理部とを備えるものである。
【００１０】
また、この発明に係る信号処理方法のプログラムは、受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理方法のプログラムであって、複数の受波器を有する受波器アレイからの複数の受信信号に基づいて、受信信号の周波数に係る変換を行って、受信信号の振幅と位相とに係るアレイ周波数ビンデータにする周波数分割処理工程と、アレイ周波数ビンデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理工程と、解に基づいて、目標物の目標方位を示す目標方位データを計算する目標方位計算処理工程と、計算された目標方位データから、目標物に対する、目標方位の割れを検出処理する目標方位割れ検出処理工程と、割れた目標方位を１つの目標方位に修正処理する修正目標方位データを計算処理する目標方位修正処理工程と、修正目標方位データとアレイ周波数ビンデータとに基づいて、目標信号の大きさを示す目標レベルを計算処理する目標レベル計算処理工程とをコンピュータに行わせるものである。
【００１１】
また、この発明に係る信号処理方法のプログラムは、受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理方法のプログラムであって、受信信号の時間サンプルデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理工程と、解に基づいて、目標信号の目標周波数を示す目標周波数データを計算する目標周波数計算処理工程と、計算された目標周波数データから、目標信号に対する、目標周波数の割れを検出する目標周波数割れ検出処理工程と、割れた目標周波数を１つの目標周波数に修正処理する修正目標周波数データを計算する目標方位修正処理工程と、修正目標周波数データと時間サンプルデータとに基づいて、目標信号の大きさを示す目標レベルを計算する目標レベル計算処理工程とをコンピュータに行わせるものである。
【００１２】
また、この発明に係る信号処理方法は、受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理方法であって、複数の受波器を有する受波器アレイからの複数の受信信号に基づいて、受信信号の周波数に係る変換を行って、受信信号の振幅と位相とに係るアレイ周波数ビンデータにする周波数分割処理工程と、アレイ周波数ビンデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理工程と、解に基づいて、目標物の目標方位を示す目標方位データを計算する目標方位計算処理工程と、計算された目標方位データから、目標物に対する、目標方位の割れを検出処理する目標方位割れ検出処理工程と、割れた目標方位を１つの目標方位に修正処理する修正目標方位データを計算処理する目標方位修正処理工程と、修正目標方位データとアレイ周波数ビンデータとに基づいて、目標信号の大きさを示す目標レベルを計算処理する目標レベル計算処理工程とを有するものである。
【００１３】
また、この発明に係る信号処理方法は、受波器からの受信信号に基づいて、目標物から発せられる目標信号に係るデータを出力する信号処理方法であって、受信信号の時間サンプルデータに基づいて、線形行列不等式を制約として用いた最適化問題の解を算出する最適化処理工程と、解に基づいて、目標信号の目標周波数を示す目標周波数データを計算する目標周波数計算処理工程と、計算された目標周波数データから、目標信号に対する、目標周波数の割れを検出する目標周波数割れ検出処理工程と、割れた目標周波数を１つの目標周波数に修正処理する修正目標周波数データを計算する目標方位修正処理工程と、修正目標周波数データと時間サンプルデータとに基づいて、目標信号の大きさを示す目標レベルを計算する目標レベル計算処理工程とを有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、目標物から発生される目標信号を含む受信信号を処理し、処理において、本来１つのデータが複数のデータに割れた割れを検出し、割れたデータを１つにまとめる修正を行って、目標信号に係るデータを出力するようにしたので、真値との誤差を小さくし、目標物に関するデータをより正確に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１に係る信号処理を実現する信号処理装置１００を中心とする構成を説明する図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る信号処理の概要を説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る目標方位割れ検出処理部１１４の処理を説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る目標方位修正処理部１１５の処理を説明する図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る信号処理装置１００において、目標方位修正処理を行って表示装置１３０に表示される圧縮整相処理結果を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る信号処理を実現する信号処理装置１００を中心とする構成を説明する図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る目標補間処理部１１７の処理を説明する図である。
【図８】この発明の実施の形態３に係る信号処理を実現する信号処理装置１００を中心とする構成を説明する図である。
【図９】この発明の実施の形態４に係る信号処理を実現する信号処理装置１００を中心とする構成を説明する図である。
【図１０】この発明の実施の形態５に係る信号処理を実現する信号処理装置１００を中心とする構成を説明する図である。
【図１１】この発明の実施の形態６に係る信号処理を実現する信号処理装置１００を中心とする構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、説明する。ここで、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。また、明細書全文に示されている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適宜、適用することができる。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る信号処理を実現する信号処理装置１００を中心とする構成を説明する図である。図１において、受波器アレイ１０は、目標物が発生する信号（目標信号）を含む信号を受波し、受信信号に変換する複数の受波器（図示せず）を有している。ここで、説明を簡単にするため、受波器アレイ１０の受波器は、直線上に等間隔で配置されているものとする。図１に示すように、受波器アレイ１０と信号処理装置１００とは、通信可能に接続されている。受波器アレイ１０は、複数の受波器がそれぞれ受信した信号を、Ａ／Ｄ変換などによりデジタル信号に変換し、アレイ受信信号として信号処理装置１００に送る。
【００１８】
信号処理装置１００は、演算処理装置１１０、記憶装置１２０および表示装置１３０を有している。記憶装置１２０は、演算処理装置１１０の処理に係るデータを記憶する装置である。記憶装置１２０は、データを一時的に記憶できるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの揮発性記憶装置（図示せず）およびハードディスク、データを長期的に記憶できるフラッシュメモリなどの不揮発性の補助記憶装置（図示せず）を有している。また、表示装置１３０は、信号処理装置１００から送られる圧縮整相処理結果を示す表示信号に基づく表示を行う。具体的には、たとえば、目標物の方位、信号の大きさ（目標レベル）などを表示する表示信号が演算処理装置１１０から送られる。
【００１９】
演算処理装置１１０は、周波数分割処理部１１１、最適化処理部１１２、目標方位計算処理部１１３、目標方位割れ検出処理部１１４、目標方位修正処理部１１５および目標レベル計算処理部１１６を有している。
【００２０】
周波数分割処理部１１１は、受波器アレイ１０からのアレイ受信信号に対して、周波数分割処理を行い、受信信号の振幅と位相とに係るアレイ周波数ビンデータに変換する。また、最適化処理部１１２は、周波数分割処理部１１１が変換したアレイ周波数ビンデータに基づいて、最適化問題の解を計算する。さらに、目標方位計算処理部１１３は、最適化処理部１１２が計算した解に基づいて、目標物の方位（以下、目標方位という）を示す目標方位データに変換する。
【００２１】
また、目標方位割れ検出処理部１１４は、目標方位計算処理部１１３からの目標方位データに基づいて、目標方位の割れを検出する。そして、検出した割れに基づいて、修正対象となる目標方位を示す修正対象目標方位データを生成する。また、目標方位修正処理部１１５は、目標方位割れ検出処理部１１４が生成した修正対象目標方位データに基づいて、目標方位の割れを修正した修正目標方位データを生成する。そして、目標レベル計算処理部１１６は、目標方位修正処理部１１５からの修正目標方位データに基づいて、目標レベルを計算する。そして、圧縮整相処理結果を示す表示信号を表示装置１３０に送る。
【００２２】
ここで、通常、演算処理装置１１０は、たとえば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）を中心とするコンピュータなどの制御演算処理を行う装置で構成されている。そして、演算処理装置１１０は、各部が行う信号処理方法の手順を、あらかじめプログラム化したものを実行して、信号処理の工程を実現する。ここで、たとえば、前述した記憶装置１２０が、プログラムのデータを有している。ただし、これに限定するものではなく、各部を別個に専用機器（ハードウェア）で構成してもよい。
【００２３】
図２は、この発明の実施の形態１に係る信号処理の概要を説明する図である。受波器アレイ１０のアレイ受信信号において、各受波器の受信信号に雑音が含まれない場合は、図２（ａ）に示すように、圧縮整相処理結果の目標方位と目標レベルは、その真値と一致する。
【００２４】
一方、受信信号に雑音が含まれると、図２（ｂ）に示すように、目標方位の真値の付近の両側に目標方位が割れてしまう。また、各方位が示す目標信号の目標レベルも真値よりも低くなる。そこで、実施の形態１の信号処理装置１００は、目標物における目標方位割れを検出し、割れた目標方位を、１つに修正し、目標レベルを計算するようにする。
【００２５】
次に、信号処理装置１００の演算処理装置１１０が行うグリッドフリー圧縮整相処理に係る動作について、詳細に説明する。ここでは、演算処理装置１１０が、圧縮整相処理を行い圧縮整相処理結果として、目標方位および目標レベルを出力する。受波器アレイ１０からのアレイ受信信号が入力されると、周波数分割処理部１１１は、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）などを用いて、アレイ受信信号を周波数分割処理する。周波数分割処理部１１１は、周波数分割処理により、受波器毎の受信信号をアレイ周波数ビンデータに変換する。ここで、周波数ビン番号ｊのアレイ周波数ビンデータｙｊは、受波器番号ｍの受波器の周波数ビンをｙｊ（ｍ）とすると、次式（１）で表すことができる。ここで、ｍは受波器番号で、ｍ＝１，…、Ｍである。Ｍは、受波器アレイ１０を構成する受波器の全受波器数である。また、ｊは周波数ビン番号で、ｊ＝１，…，Ｊである。Ｊは周波数ビン数である。そして、Ｔはベクトルの転置を表す。
【００２６】
【数１】
2019039789.tif 000003
【００２７】
最適化処理部１１２は、周波数分割処理部１１１が変換したアレイ周波数ビンデータから、周波数ビンｊ毎に次式（２）に基づく最適化問題の解ｃ＾ｊを計算する。ここで、式（２）の解ｃ＾ｊは、ｃ＾ｊ＝［ｃｊ（０），ｃｊ（１），…，ｃｊ（Ｍ−１）］Ｔとなる。Ｈはベクトルまたは行列の複素共役転置を表し、Ｔはベクトルまたは行列の転置を表す。
【００２８】
【数２】
2019039789.tif 000004
【００２９】
また、式（２）において、Ｆｊは、Ｎ個の方位ｔｎ＝ｓｉｎφ（ｎ）から目標物が発する信号が到来すると仮定して作成した、各受波器の受信信号を表したＭ×Ｎの行列である。Ｆｊは、次式（３）で表される。ここで、ｔｎは仮定した目標方位を表す。また、ｎは目標番号であり、ｎ＝１，…，Ｎ（Ｎ＞Ｍ）である。Ｎは仮定した目標数である。λｊは、ｊ番目の周波数ビンの波長である。そして、ΔＤは、受波器アレイ１０が有する受波器の間隔である。
【００３０】
【数３】
2019039789.tif 000005
【００３１】
次に、式（２）における不等式制約内のＦｊＨｃｊを、全受波器数Ｍ個の係数を用いて表した次式（４）の三角多項式Ｈｊ（ｚ）を定義する。そして、式（２）の不等式制約を、有限次数の線形行列不等式制約に変換する。そして、線形行列不等式制約の最適化問題に変換した次式（５）に基づく最適化問題の解ｃ＾ｊを計算する。ここで、Ｑ＝ｃｊＨｃｊである。また、λｊは、ｊ番目の周波数ビンの波長である。そして、式（５）の解ｃ＾ｊは、前述したように、ｃ＾ｊ＝［ｃｊ（０），ｃｊ（１），…，ｃｊ（Ｍ−１）］Ｔとなる。Ｈはベクトルまたは行列の複素共役転置を表し、Ｔはベクトルまたは行列の転置を表す。
【００３２】
【数４】
2019039789.tif 000006
【数５】
2019039789.tif 000007
【００３３】
目標方位計算処理部１１３は、最適化処理部１１２が計算した解ｃ＾ｊから、周波数ビンｊ毎に、次式（６）に基づく多項式Ｐ＋（ｚｊ）のＭ−１個の根ｚｊを計算する。ここで、根ｚｊは、ｚｊ＝［ｚｊ（１），ｚｊ（２），…，ｚｊ（ｍ），…ｚｊ（Ｍ−１）］Ｔとなる。Ｔはベクトルの転置を表す。また、ｍ＞０である。ｒｊ、ｍは、次式（７）で表される。そして、ｒｊ、−ｍ＝ｒ＊ｊ、ｍである。
【００３４】
【数６】
2019039789.tif 000008
【数７】
2019039789.tif 000009
【００３５】
目標方位計算処理部１１３は、さらに、次式（８）を用いて、根ｚｊから複素平面の単位円上にある根ｗｊを取り出す処理を行う。そして、次式（９）に基づき、根ｗｊから目標方位ｖ＾ｊを計算する。ここで、ｗｊは、ｗｊ＝［ｗｊ（１），…，ｗｊ（ｋ），…，ｗｊ（Ｋ）］Ｔとなる。また、ｖ＾ｊ＝［ｖ＾ｊ（１），…，ｖ＾ｊ（ｋ），…，ｖ＾ｊ（Ｋ）］Ｔとなる。そして、Ｔはベクトルまたは行列の転置を表す。さらに、ｓｅｌｅｃｔ（）は（）内の複素値から、複素平面の単位円上にある複素値を選択する処理を表す。ａｒｇ（）は、（）内の複素値の位相角の計算値を表す。そして、Ｋは、複素平面の単位円上にある根の個数である。
【００３６】
【数８】
2019039789.tif 000010
【数９】
2019039789.tif 000011
【００３７】
図３は、この発明の実施の形態１に係る目標方位割れ検出処理部１１４の処理を説明する図である。図３は、目標方位ｖ＾ｊ内の各目標方位間の方位間隔Δｔｋの計算および方位間隔Δｔｋの閾値処理による目標の割れの検出の過程について説明している。
【００３８】
目標方位割れ検出処理部１１４は、目標方位計算処理部１１３が計算した目標方位ｖ＾ｊに基づいて、周波数ビンｊ毎に目標方位ｖ＾ｊ内の目標方位の割れを閾値処理を行って検出する。図３（ａ）では、１つの目標方位が２つの目標方位ｔ３と目標方位ｔ４とに割れている。また、図３（ｂ）の方位間隔Δｔ３は、２つに割れた目標方位ｔ３と目標方位ｔ４との方位間隔である。目標方位割れ検出処理部１１４は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すような、目標方位ｖ＾ｊから前後の目標方位ｔｋと目標方位ｔｋ＋１との間の方位間隔Δｔｋを、次式（１０）を用いて計算する。ここで、ｋ＝１，２，…，Ｋ−１，Ｋは、複素平面の単位円上にある解の個数である。
【００３９】
【数１０】
2019039789.tif 000012
【００４０】
次に、目標方位割れ検出処理部１１４は、式（１０）で計算した各方位間隔Δｔｋの中から、閾値ｔＴＨ以下の方位間隔Δｔｋを検出する。そして、検出した方位間隔の番号ｋを、修正対象方位番号ｈとして記憶装置１２０に保存する。また、検出した方位間隔Δｔｋの計算に使用した２つの目標方位ｔｋと目標方位ｔｋ＋１とを、修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１とし、修正対象目標方位データとして記憶装置１２０に保存する。ここで、ｈ＝１，２，…，Ｈ，Ｈは、検出した方位間隔数である。
【００４１】
図４は、この発明の実施の形態１に係る目標方位修正処理部１１５の処理を説明する図である。目標方位修正処理部１１５は、目標方位割れ検出処理部１１４が修正対象目標方位データとして記憶装置１２０に保存した修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１とに基づき、周波数ビンｊ毎に目標方位ｖ＾ｊ内の目標方位の割れを修正する。
【００４２】
目標方位ｖ＾ｊが２つの目標方位ｔｋと目標方位ｔｋ＋１に割れた場合、目標方位ｖ＾ｊの真値は、割れた２つの目標方位ｔｋと目標方位ｔｋ＋１との間にある。そこで、図４に示すように、次式（１１）に基づき、修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１との加算平均値を計算して、修正後目標方位ｔｈ１とする。ここで、ｈ１＝１，２，…，Ｈは、検出した方位間隔数である。
【００４３】
【数１１】
2019039789.tif 000013
【００４４】
目標方位修正処理部１１５は、修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１とを、目標方位ｖ＾ｊから削除する。そして、削除した修正対象目標方位ｔｈおよび修正対象目標方位ｔｈ＋１に代えて、修正後目標方位ｔｈ１を目標方位ｖ＾ｊに追加する修正を行い、修正後の目標方位ｖ＾ｊの修正目標方位データを生成する。
【００４５】
目標レベル計算処理部１１６は、目標方位修正処理部１１５が生成した修正目標方位データに基づき、次式（１２）に表される目標レベルｘ＾ｊを、周波数ビンｊ毎に計算する。目標方位ｖ＾ｊと目標レベルｘ＾ｊとを含む圧縮整相処理結果を示す表示信号を表示装置１３０に送る。ここで、行列Ａｊ＋は行列Ａｊの疑似逆行列である。また、ｘ＾ｊ＝［ｘ＾ｊ（１），…，ｘ＾ｊ（ｇ），…，ｘ＾ｊ（Ｇ）］Ｔ、ｖ＾ｊ＝［ｖ＾ｊ（１），…，ｖ＾ｊ（ｇ），…，ｖ＾ｊ（Ｇ）］Ｔ、Ｇは修正後の目標方位データ数である。そして、式（１３）におけるａｂｓ（）は、（）内の絶対値の計算である。
【００４６】
【数１２】
2019039789.tif 000014
【数１３】
2019039789.tif 000015
【００４７】
図５は、この発明の実施の形態１に係る信号処理装置１００において、目標方位修正処理を行って表示装置１３０に表示される圧縮整相処理結果を示す図である。以上のように、実施の形態１の信号処理装置１００によれば、演算処理装置１１０は、目標方位割れ検出処理部１１４および目標方位修正処理部１１５を備えるものである。そして、目標方位計算処理部１１３が計算した目標方位ｖ＾ｊに対し、目標方位割れ検出処理部１１４が目標方位ｖ＾ｊ内の目標方位の割れを検出した。さらに、目標方位修正処理部１１５が、割れた目標方位の加算平均を算出して、割れを修正した修正目標方位データを生成するようにした。このため、図５に示すように、圧縮整相処理結果における目標方位について、目標方位の真値との誤差を小さくすることができる。また、目標レベル計算処理部１１６において、目標方位の真値との方位誤差が小さくなった目標方位から目標レベルを計算することで、目標レベルについても、目標レベルの真値との誤差を小さくすることができる。
【００４８】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係る信号処理を実現する信号処理装置１００を中心とする構成を説明する図である。図６において、図１と同じ符号を付している機器などについては、基本的には、実施の形態１において説明したことと同様の動作、処理などを行う。
【００４９】
図６において、実施の形態２の信号処理装置１００の演算処理装置１１０では、目標レベル計算処理部１１６は、目標方位計算処理部１１３からの目標方位データに基づいて、目標レベルを計算する。また、実施の形態２の演算処理装置１１０は、実施の形態１における目標方位修正処理部１１５を有していない。その代わりに、実施の形態２の演算処理装置１１０は、目標補間処理部１１７を有している。目標補間処理部１１７は、目標方位割れ検出処理部１１４からの修正対象目標方位データに基づいて、目標方位を補間処理する。また、修正対象目標方位データに基づいて、目標レベル計算処理部１１６が計算した目標レベルを補間処理する。そして、補間処理した修正目標方位および修正目標レベルを含む圧縮整相処理結果を示す表示信号を表示装置１３０に送る。
【００５０】
次に、実施の形態２の信号処理装置１００の演算処理装置１１０が行う処理について説明する。目標方位割れ検出処理部１１４が修正対象目標方位データを生成するまでの各部の処理については、実施の形態１で説明したことと同様である。
【００５１】
また、目標レベル計算処理部１１６は、修正目標方位データの代わりに、目標方位計算処理部１１３からの目標方位データに基づいて、目標レベルｘ＾ｊを計算する。目標方位データからの計算であるが、目標レベル計算処理部１１６が行う処理の内容については、実施の形態１で説明したことと同様である。
【００５２】
目標補間処理部１１７は、目標方位割れ検出処理部１１４からの修正対象目標方位データおよび目標レベル計算処理部１１６からの目標方位ｖ＾ｊおよび目標レベルｘ＾ｊに基づいて、目標方位ｖ＾ｊ内における割れと対応する目標レベルｘ＾ｊ内における割れとを補間する補間処理を行う。
【００５３】
図７は、この発明の実施の形態２に係る目標補間処理部１１７の処理を説明する図である。処理手順については、はじめに、記憶装置１２０に修正対象目標方位データとして保存された修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１とを読み込む。また、修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１とにそれぞれ対応した修正対象目標レベルｌｈと修正対象目標レベルｌｈ＋１とを抽出する。そして、図７に示すように、次式（１４）に基づき、修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１との方位間隔Δｔｈと、修正対象目標レベルｌｈと修正対象目標レベルｌｈ＋１とから、補間後目標方位ｔｈ１を計算する。また、次式（１５）に基づき、修正対象目標レベルｌｈと修正対象目標レベルｌｈ＋１とから、補間後目標レベルｌｈ１を計算する。ここで、方位間隔Δｔｈ（＝ｔｈ＋１−ｔｈ）である。
【００５４】
【数１４】
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【数１５】
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【００５５】
次に、目標補間処理部１１７は、修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１とを、目標方位ｖ＾ｊから削除する。そして、削除した修正対象目標方位ｔｈおよび修正対象目標方位ｔｈ＋１に代えて、補間後目標方位ｔｈ１を目標方位ｖ＾ｊに追加する修正を行い、修正後の目標方位ｖ＾ｊの修正目標方位データを生成する。
【００５６】
また、修正対象目標レベルｌｈと修正対象目標レベルｌｈ＋１とを、目標レベルｘ＾ｊから削除する。そして、削除した修正対象目標レベルｌｈおよび修正対象目標レベルｌｈ＋１に代えて、補間後目標レベルｌｈ１を目標レベルｘ＾ｊに追加する修正を行い、補間後の目標レベルｘ＾ｊの修正目標レベルデータを生成する。そして、目標補間処理部１１７は、補間処理後の修正目標方位および修正目標レベルを含む圧縮整相処理結果を示す表示信号を表示装置１３０に送る。
【００５７】
以上のように、実施の形態２の信号処理装置１００は、目標方位割れ検出処理部１１４および目標補間処理部１１７を有するものである。そして、目標方位割れ検出処理部１１４が、割れた目標方位を修正対象目標方位として検出する。また、目標補間処理部１１７が、２つに割れた目標方位とそれに対応した２つの目標レベルとについて、補間処理を行って、修正対象目標方位および修正対象目標レベルを、補間後目標方位と補間後目標レベルとに代えた修正目標方位と修正目標レベルを圧縮整相処理結果として出力するようにした。このようにして、２つに割れた目標方位とそれに対応した２つの目標レベルとから、補間処理による計算で、修正目標方位と修正目標レベルとを得るようにした。修正対象目標方位と修正対象目標レベルとを、補間処理によって１つにすることで、目標方位の真値が、割れた２つの目標方位の中央付近ではない場合でも、真値との誤差が小さい修正目標方位および修正目標レベルを得ることができる。
【００５８】
実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３に係る信号処理を実現する信号処理装置１００を中心とする構成を説明する図である。図８において、図１および図６と同じ符号を付している機器などについては、基本的には、実施の形態１および実施の形態２において説明したことと同様の動作、処理などを行う。
【００５９】
図８に示すように、実施の形態３の信号処理装置１００の演算処理装置１１０では、方位割れ判定処理部１１８を有している。方位割れ判定処理部１１８は、目標方位割れ検出処理部１１４が計算した修正対象目標方位データに基づいて、割れた目標方位が１目標のものであり、修正を行う必要があるか否かを判定する。
【００６０】
次に、実施の形態３の信号処理装置１００の演算処理装置１１０が行う処理について、説明する。目標方位割れ検出処理部１１４が修正対象目標方位データを生成するまでの各部の処理については、実施の形態１などで説明したことと同様である。
【００６１】
方位割れ判定処理部１１８の処理について説明する。方位割れ判定処理部１１８は、修正対象目標方位データに基づいて、周波数ビンｊ毎に修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１を調べて、目標方位の割れが時間的に継続しているか否かを判定する。具体的には、前回の処理に用いた処理時刻ｓ−１における修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１とを下限方位と上限方位とした方位範囲［ｔｈ，ｔｈ＋１］ｓ−１を設定する。また、今回処理する処理時刻ｓにおける修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１とを下限方位と上限方位とした方位範囲［ｔｈ，ｔｈ＋１］ｓを設定する。そして、方位範囲［ｔｈ，ｔｈ＋１］ｓ−１と方位範囲［ｔｈ，ｔｈ＋１］ｓとを比較する。２つの方位範囲［ｔｈ，ｔｈ＋１］ｓ−１と方位範囲［ｔｈ，ｔｈ＋１］ｓとを比較して、重複する範囲があれば、目標方位の割れが時間的に継続していると判定する。一方、重複する範囲がなければ、目標方位の割れが時間的に継続していないと判定する。
【００６２】
判定結果について、方位割れ判定処理部１１８が目標方位の割れが時間的に継続していないと判定すると、目標信号が１つであり、目標物に対して、目標方位の割れが発生していると判定する。判定対象とした修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１を削除せず、修正対象目標方位データを生成する。
【００６３】
一方、方位割れ判定処理部１１８が目標方位の割れが時間的に継続していると判定したときは、目標信号が２つであり、目標方位の割れは発生していないと判定する。判定対象とした修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１を修正対象目標方位から削除した修正対象目標方位データを生成する。
【００６４】
目標補間処理部１１７における補間処理および圧縮整相処理結果の表示については、実施の形態１および実施の形態２において説明したことと同様である。
【００６５】
以上のように、実施の形態３は、目標方位の割れが、時間的に継続して発生するものではないことに着目するものである。実施の形態３の信号処理装置１００は、目標方位割れ検出処理部１１４の後段に目標方位割れ判定処理部１１８を備えるようにした。そして、修正対象目標方位ｔｈと修正対象目標方位ｔｈ＋１を調べて、目標方位の割れと思われる部分が時間的に継続して発生しているか否かを判定し、２つの目標方位が割れによるものか否かを判定するようにした。このため、判定結果に応じて目標方位の修正を制御することができる。目標方位の割れが時間的に継続していれば、２つの目標信号から得られた２つの目標方位であるとして、目標方位および目標レベルの修正を行わないようにした。したがって、２つの目標方位からの目標信号を、１つの目標方位および目標レベルに修正することを防止することができる。
【００６６】
実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４に係る信号処理を実現する信号処理装置１００を中心とする構成を説明する図である。図９において、図１、図６および図８と同じ符号を付している機器などについては、基本的には、実施の形態１〜実施の形態３において説明したことと、同様の動作、処理などを行う。実施の形態１〜実施の形態３の信号処理装置１００は、グリッドフリー圧縮整相処理を行って、目標方位および目標レベルを出力した。実施の形態４の信号処理装置１００においては、グリッドフリー圧縮周波数分析処理を行って、目標周波数および目標レベルを圧縮周波数分析処理結果として出力するものである。このとき、信号処理装置１００は、目標周波数の割れを検出し、割れに基づいて、目標周波数を修正する処理を行う。
【００６７】
演算処理装置１１０は、実施の形態１において説明した周波数分割処理部１１１、目標方位計算処理部１１３、目標方位割れ検出処理部１１４および目標方位修正処理部１１５を有していない。代わりに、図９に示すように、実施の形態４の信号処理装置１００の演算処理装置１１０は、目標周波数計算処理部１２１、目標周波数割れ検出処理部１２２および目標周波数修正処理部１２３を有している。また、実施の形態４の最適化処理部１１２における最適化問題の解の計算の処理が、実施の形態１における処理とは少し異なる。
【００６８】
目標周波数計算処理部１２１は、最適化処理部１１２が計算した解に基づいて、目標信号を含む受波器アレイ１０の受信信号における目標周波数を計算する。目標周波数割れ検出処理部１２２は、目標周波数計算処理部１２１が計算した目標周波数のデータに基づいて、目標周波数の割れを検出する。そして、検出した割れに基づいて、修正対象となる目標周波数を示す修正対象目標周波数データを生成する。目標周波数修正処理部１２３は、目標周波数割れ検出処理部１２２が生成した修正対象目標周波数データに基づいて、目標方位の割れを修正した修正目標周波数データを生成する。
【００６９】
次に、実施の形態４の信号処理装置１００の演算処理装置１１０が行うグリッドフリー圧縮周波数分析処理に係る動作について、詳細に説明する。ここでは、演算処理装置１１０が、圧縮周波数分析処理を行い、圧縮周波数分析処理結果として、目標周波数および目標レベルを出力する。
【００７０】
実施の形態１と同様に、信号処理装置１００の演算処理装置１１０に、受波器アレイ１０からのアレイ受信信号が入力される。ここで、以下においては、アレイ受信信号のうち、１つの受波器（受波器番号ｍ）が受信した受信信号に関する周波数分析処理について説明する。そして、受波器番号ｍの受波器が受信した受信信号は、次式（１６）で表される。ここで、ｕは、時間サンプル番号で、ｕ＝１，…、Ｕである。Ｕは、受信信号の時間サンプル数である。これにより、演算処理装置１１０は、受信信号の時間サンプルデータを得る。そして、Ｔはベクトルの転置を表す。また、ｍは受波器番号で、ｍ＝１，…、Ｍである。Ｍは、受波器アレイ１０を構成する受波器の全受波器数である。
【００７１】
【数１６】
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【００７２】
最適化処理部１１２は、受信信号から、次式（１７）に基づく最適化問題の解ｃ＾ｍを計算する。ここで、式（１７）の解ｃ＾ｍは、ｃ＾ｍ＝［ｃｍ（０），ｃｍ（１），…，ｃｍ（Ｕ−１）］Ｔとなる。Ｈはベクトルまたは行列の複素共役転置を表し、Ｔはベクトルまたは行列の転置を表す。
【００７３】
【数１７】
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【００７４】
また、式（１７）において、Ｆｍは、目標物からＮ個の周波数ｔｎの信号が到来すると仮定して作成した、各時間サンプルｕの受信信号を表したＵ×Ｎの行列である。Ｆｍは、次式（１８）で表される。ここで、ｔｎは仮定した目標周波数を表す。また、ｎは目標番号であり、ｎ＝１，…，Ｎ（Ｎ＞Ｕ）である。Ｎは仮定した目標数である。
【００７５】
【数１８】
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【００７６】
次に、式（１７）における不等式制約内のＦｍＨｃｍを、Ｕ個の係数を用いて表した次式（１９）の三角多項式Ｈｍ（ｚ）を定義する。そして、式（１７）の不等式制約を、有限次数の線形行列不等式制約に変換する。そして、線形行列不等式制約の最適化問題に変換した次式（２０）に基づく最適化問題の解ｃ＾ｍを計算する。ここで、Ｑ＝ｃｍＨｃｍである。そして、式（２０）の解ｃ＾ｍは、前述したように、ｃ＾ｍ＝［ｃｍ（０），ｃｍ（１），…，ｃｍ（ｕ），…，ｃｍ（Ｕ−１）］Ｔとなる。Ｈはベクトルまたは行列の複素共役転置を表し、Ｔはベクトルまたは行列の転置を表す。
【００７７】
【数１９】
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【数２０】
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【００７８】
目標周波数計算処理部１２１は、最適化処理部１１２が計算した解ｃ＾ｍから、受波器番号ｍ毎に、次式（２１）に基づく多項式Ｐ＋（ｚｍ）のＵ−１個の根ｚｍを計算する。ここで、根ｚｍは、ｚｍ＝［ｚｍ（１），ｚｍ（２），…，ｚｍ（ｕ），…ｚｍ（Ｕ−１）］Ｔとなる。Ｔはベクトルの転置を表す。また、ｕ＞０である。ｒｍ、ｕは、次式（２２）で表される。そして、ｒｍ、−ｕ＝ｒ＊ｍ、ｕである。
【００７９】
【数２１】
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【数２２】
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【００８０】
目標周波数計算処理部１２１は、さらに、次式（２３）を用いて、根ｚｍから複素平面の単位円上にある根ｗｍを取り出す処理を行う。そして、次式（２４）に基づき、根ｗｍから目標周波数ｖ＾ｍを計算する。ここで、ｗｍは、ｗｍ＝［ｗｍ（１），…，ｗｍ（ｋ），…，ｗｍ（Ｋ）］Ｔとなる。また、ｖ＾ｍ＝［ｖ＾ｍ（１），…，ｖ＾ｍ（ｋ），…，ｖ＾ｍ（Ｋ）］Ｔとなる。そして、Ｔはベクトルまたは行列の転置を表す。さらに、ｓｅｌｅｃｔ（）は（）内の複素値から、複素平面の単位円上にある複素値を選択する処理を表す。ａｒｇ（）は、（）内の複素値の位相角の計算値を表す。また、Ｋは、複素平面の単位円上にある根の個数である。そして、ΔＴは、受信信号ｙｍの時間サンプリング間隔である。
【００８１】
【数２３】
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【数２４】
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【００８２】
目標周波数割れ検出処理部１２２は、目標周波数計算処理部１２１が計算した目標周波数ｖ＾ｍに基づいて、受波器番号ｍ毎に目標周波数ｖ＾ｍ内の目標周波数の割れを閾値処理を行って検出する。目標周波数割れ検出処理部１２２は、目標周波数ｖ＾ｍから前後の目標周波数ｔｋと目標周波数ｔｋ＋１との間の周波数間隔Δｔｋを、次式（２５）を用いて計算する。ここで、ｋ＝１，２，…，Ｋ−１，Ｋは、複素平面の単位円上にある解の個数である。
【００８３】
【数２５】
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【００８４】
次に、目標周波数割れ検出処理部１２２は、式（２５）で計算した各周波数間隔Δｔｋの中から、閾値ｔＴＨ以下の周波数間隔Δｔｋを検出する。そして、検出した周波数間隔の番号ｋを、修正対象方位番号ｈとして記憶装置１２０に保存する。また、検出した周波数間隔Δｔｋの計算に使用した２つの目標周波数ｔｋと目標周波数ｔｋ＋１とを、修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１として記憶装置１２０に保存する。ここで、ｈ＝１，２，…，Ｈ，Ｈは、検出した周波数間隔数である。
【００８５】
目標周波数修正処理部１２３は、目標周波数割れ検出処理部１２２が検出処理を行い、記憶装置１２０に保存した修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１とに基づき、受波器番号ｍ毎に目標周波数ｖ＾ｍ内の目標周波数の割れを修正する。
【００８６】
目標周波数ｖ＾ｍが２つの目標周波数ｔｋと目標周波数ｔｋ＋１に割れた場合、目標周波数ｖ＾ｍの真値は、割れた２つの目標周波数ｔｋと目標周波数ｔｋ＋１との間にある。そこで、次式（２６）に基づき、修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１との平均値を計算して、修正後目標周波数ｔｈ１とする。ここで、ｈ１＝１，２，…，Ｈは、検出した周波数間隔数である。
【００８７】
【数２６】
2019039789.tif 000028
【００８８】
目標周波数修正処理部１２３は、修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１とを、目標周波数ｖ＾ｍから削除する。そして、削除した修正対象目標周波数ｔｈおよび修正対象目標周波数ｔｈ＋１に代えて、修正後目標周波数ｔｈ１を目標周波数ｖ＾ｍに追加する修正を行い、修正後の目標周波数ｖ＾ｍの修正目標周波数データを生成する。
【００８９】
目標レベル計算処理部１１６は、目標周波数修正処理部１２３が生成した修正目標周波数データに基づき、次式（２７）に表される目標レベルｘ＾ｍを、受波器番号ｍ毎に計算する。目標周波数ｖ＾ｍと目標レベルｘ＾ｍとを含む圧縮周波数分析処理結果を示す表示信号を表示装置１３０に送る。ここで、行列Ａｍ＋は行列Ａｍの疑似逆行列である。また、ｘ＾ｍ＝［ｘ＾ｍ（１），…，ｘ＾ｍ（ｇ），…，ｘ＾ｍ（Ｇ）］Ｔ、ｖ＾ｍ＝［ｖ＾ｍ（１），…，ｖ＾ｍ（ｇ），…，ｖ＾ｍ（Ｇ）］Ｔ、Ｇは修正後の目標周波数データ数である。そして、式（２８）におけるａｂｓ（）は、（）内の絶対値の計算である。
【００９０】
【数２７】
2019039789.tif 000029
【数２８】
2019039789.tif 000030
【００９１】
以上のように、実施の形態４の信号処理装置１００によれば、演算処理装置１１０は、目標周波数割れ検出処理部１２２および目標周波数修正処理部１２３を備えるものである。そして、目標周波数計算処理部１２１が計算した目標周波数ｖ＾ｍに対し、目標周波数割れ検出処理部１２２が、目標周波数ｖ＾ｍ内の目標周波数の割れを検出した。さらに、目標周波数修正処理部１２３が割れた目標周波数の加算平均を算出して、割れを修正した修正目標周波数データを生成するようにした。このため、圧縮周波数分析処理結果における目標周波数について、目標周波数の真値との誤差を小さくすることができる。また、目標レベル計算処理部１１６において、目標周波数の真値との周波数誤差が小さくなった目標周波数から目標レベルを計算することで、目標レベルについても、目標レベルの真値との誤差を小さくすることができる。
【００９２】
実施の形態５．
図１０は、この発明の実施の形態５に係る信号処理を実現する信号処理装置１００を中心とする構成を説明する図である。図１０において、図１、図９などと同じ符号を付している機器などについては、基本的には、実施の形態１〜実施の形態４において説明したことと、同様の動作、処理などを行う。
【００９３】
図１０において、実施の形態５の信号処理装置１００の演算処理装置１１０では、目標レベル計算処理部１１６は、目標周波数計算処理部１２１からの目標周波数データに基づいて、目標レベルを計算する。また、演算処理装置１１０は、実施の形態４において説明した目標周波数修正処理部１２３を有していない。その代わりに、演算処理装置１１０は、実施の形態２などにおいて説明した目標補間処理部１１７をさらに有している。目標補間処理部１１７は、目標周波数割れ検出処理部１２２からの修正対象目標周波数データに基づいて、目標周波数を修正処理する。また、修正対象目標周波数データに基づいて、目標レベル計算処理部１１６が計算した目標レベルを補間処理する。そして、補間処理した修正目標周波数および修正目標レベルを含む圧縮周波数分析処理結果を示す表示信号を表示装置１３０に送る。
【００９４】
次に、実施の形態５の信号処理装置１００の演算処理装置１１０が行う処理について、説明する。目標周波数割れ検出処理部１２２が修正対象目標周波数データを生成するまでの各部の処理については、実施の形態４で説明したことと同様である。
【００９５】
また、目標レベル計算処理部１１６は、修正目標周波数データの代わりに、目標周波数計算処理部１２１からの目標周波数データに基づいて、目標レベルｘ＾ｍを計算する。処理の内容については、実施の形態４で説明したことと同様である。
【００９６】
目標補間処理部１１７は、目標周波数割れ検出処理部１２２からの修正対象目標周波数データおよび目標レベル計算処理部１１６からの目標周波数ｖ＾ｍおよび目標レベルｘ＾ｍから、目標周波数ｖ＾ｍの割れと目標レベルｘ＾ｍの割れとを補正する補間処理を行う。
【００９７】
目標補間処理部１１７が行う処理の手順については、はじめに、記憶装置１２０に修正対象目標周波数データとして保存された修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１とを読み込む。また、修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１とにそれぞれ対応した修正対象目標レベルｌｈと修正対象目標レベルｌｈ＋１とを抽出する。そして、次式（２９）および次式（３０）に基づき、修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１との周波数間隔Δｔｈと、修正対象目標レベルｌｈと修正対象目標レベルｌｈ＋１とから、補間後目標周波数ｔｈ１と補間後目標レベルｌｈ１を計算する。ここで、周波数間隔Δｔｈ（＝ｔｈ＋１−ｔｈ）である。
【００９８】
【数２９】
2019039789.tif 000031
【数３０】
2019039789.tif 000032
【００９９】
次に、目標補間処理部１１７は、修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１とを、目標周波数ｖ＾ｍから削除する。そして、削除した修正対象目標周波数ｔｈおよび修正対象目標周波数ｔｈ＋１に代えて、補間後目標周波数ｔｈ１を目標周波数ｖ＾ｍに追加する修正を行い、修正後の目標周波数ｖ＾ｍの修正目標周波数データを生成する。
【０１００】
また、修正対象目標レベルｌｈと修正対象目標レベルｌｈ＋１とを、目標レベルｘ＾ｍから削除する。そして、削除した修正対象目標レベルｌｈおよび修正対象目標レベルｌｈ＋１に代えて、補間後目標レベルｌｈ１を目標レベルｘ＾ｍに追加する修正を行い、補間後の目標レベルｘ＾ｍの修正目標レベルデータを生成する。そして、目標補間処理部１１７は、補間処理後の修正目標周波数および修正目標レベルを含む圧縮周波数分析処理結果を示す表示信号を表示装置１３０に送る。
【０１０１】
以上のように、実施の形態５の信号処理装置１００は、目標周波数割れ検出処理部１２２および目標補間処理部１１７を有するものである。そして、目標周波数割れ検出処理部１２２が、割れた目標周波数を修正対象目標周波数として検出する。また、目標補間処理部１１７が、２つに割れた目標周波数とそれに対応した２つの目標レベルとについて、補間処理を行って、修正対象目標周波数と修正対象目標レベルを圧縮周波数分析結果として出力するようにした。このようにして、２つに割れた目標周波数とそれに対応した２つの目標レベルとから、補間処理による計算で、修正目標方位と修正目標レベルとを得るようにした。修正対象目標周波数と修正対象目標レベルとを、補間処理によって１つにすることで、目標周波数の真値が、割れた２つの目標周波数の中央付近ではない場合でも、真値との誤差が小さい修正目標周波数および修正目標レベルを得ることができる。
【０１０２】
実施の形態６．
図１１は、この発明の実施の形態６に係る信号処理を実現する信号処理装置１００を中心とする構成を説明する図である。図１１において、図１、図９、図１０などと同じ符号を付している機器などについては、基本的には、実施の形態１〜実施の形態５において説明したことと、同様の動作、処理などを行う。
【０１０３】
図１１において、実施の形態６の信号処理装置１００の演算処理装置１１０では、周波数割れ判定処理部１２４を有している。周波数割れ判定処理部１２４は、目標周波数割れ検出処理部１２２が計算した修正対象目標周波数データに基づいて、割れた目標周波数が１目標のものであり、修正を行う必要があるか否かを判定する。
【０１０４】
次に、実施の形態６の信号処理装置１００の演算処理装置１１０が行う処理について、説明する。目標周波数割れ検出処理部１２２が修正対象目標周波数データを生成するまでの各部の処理については、実施の形態４で説明したことと同様である。
【０１０５】
周波数割れ判定処理部１２４の処理について説明する。周波数割れ判定処理部１２４は、修正対象目標周波数データに基づいて、受波器番号ｍ毎に修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１を調べて、目標周波数の割れが時間的に継続しているか否かを判定する。具体的には、前回の処理に用いた処理時刻ｓ−１における修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１とを下限周波数と上限周波数とした周波数範囲［ｔｈ，ｔｈ＋１］ｓ−１を設定する。また、今回処理する処理時刻ｓにおける修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１とを下限周波数と上限周波数とした周波数範囲［ｔｈ，ｔｈ＋１］ｓを設定する。そして、周波数範囲［ｔｈ，ｔｈ＋１］ｓ−１と周波数範囲［ｔｈ，ｔｈ＋１］ｓとを比較する。２つの周波数範囲［ｔｈ，ｔｈ＋１］ｓ−１と周波数範囲［ｔｈ，ｔｈ＋１］ｓとを比較して、重複する範囲があれば、目標周波数の割れが時間的に継続していると判定する。一方、重複する範囲がなければ、目標周波数の割れが時間的に継続していないと判定する。
【０１０６】
判定結果について、周波数割れ判定処理部１２４が目標周波数の割れが時間的に継続していないと判定すると、目標信号が１つであり、目標物に対して、目標周波数の割れが発生していると判定する。判定対象とした修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１を削除せず、修正対象目標周波数データを生成する。
【０１０７】
一方、周波数割れ判定処理部１２４が目標周波数の割れが時間的に継続していると判定したときは、目標信号が２つであり、目標周波数の割れは発生していないと判定する。判定対象とした修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１を削除した修正対象目標周波数データを生成する。
【０１０８】
目標補間処理部１１７における補間処理および圧縮周波数分析処理結果の表示については、実施の形態４および実施の形態５において説明したことと同様である。
【０１０９】
以上のように、実施の形態６は、目標周波数の割れが、時間的に継続して発生するものではないことに着目するものである。実施の形態６の信号処理装置１００は、目標周波数割れ検出処理部１２２の後段に目標周波数割れ判定処理部１２４を備えるようにした。そして、修正対象目標周波数ｔｈと修正対象目標周波数ｔｈ＋１を調べて、目標周波数の割れと思われる部分が時間的に継続して発生しているか否かを判定し、２つの目標周波数が割れによるものか否かを判定するようにした。このため、判定結果に応じて目標周波数の修正を制御することができる。目標周波数の割れが時間的に継続していれば、２つの目標信号から得られた２つの目標周波数であるとして、目標周波数および目標レベルの修正を行わないようにした。したがって、２つの目標周波数からの目標信号を、１つの目標周波数および目標レベルに修正することを防止することができる。
【０１１０】
実施の形態７．
前述した実施の形態３の信号処理装置１００では、実施の形態２の信号処理装置１００と同様の構成の装置に、方位割れ判定処理部１１８を有するものであった。しかしながら、実施の形態１の信号処理装置１００と同様の構成の装置に、方位割れ判定処理部１１８を有する構成としてもよい。
【０１１１】
また、前述した実施の形態６の信号処理装置１００では、実施の形態５の信号処理装置１００と同様の構成の装置に、周波数割れ判定処理部１２４を有するものであった。しかしながら、実施の形態４の信号処理装置１００と同様の構成の装置に、周波数割れ判定処理部１２４を有する構成としてもよい。
【０１１２】
また、前述した実施の形態１〜実施の形態６の信号処理装置１００は、ソーナーなどに用いられる直線上に等間隔で配置された複数の受波器を有する受波器アレイ１０のアレイ受信信号（音響信号）を処理する例について説明したが、これに限定するものではない。たとえば、ソーナー以外の超音波センサ、振動センサなどで構成した受波器アレイ１０のアレイ受信信号に対して処理を行うことができる。また、受波器の間隔が不等間隔で配置された複数の受波器で構成した受波器アレイ１０のアレイ受信信号、複数の受波器で構成した平面アレイ、立体アレイなどのアレイ受信信号にも処理を適用することができる。
【０１１３】
また、受波器アレイ１０のアレイ受信信号を実時間で処理する必要はない。たとえば、アレイ受信信号をデータとして記憶装置１２０に記憶させておき、演算処理装置１１０は、記憶装置１２０からデータを読み込んで処理を行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１１４】
１０  受波器アレイ
１００  信号処理装置
１１０  演算処理装置
１１１  周波数分割処理部
１１２  最適化処理部
１１３  目標方位計算処理部
１１４  目標方位割れ検出処理部
１１５  目標方位修正処理部
１１６  目標レベル計算処理部
１１７  目標補間処理部
１１８  目標方位割れ判定処理部
１２０  記憶装置
１２１  目標周波数計算処理部
１２２  目標周波数割れ検出処理部
１２３  目標周波数修正処理部
１２４  目標周波数割れ判定処理部
１３０  表示装置
【図１】
2019039789.tif 000033
【図２】
2019039789.tif 000034
【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】
2019039789.tif 000039
【図８】
2019039789.tif 000040
【図９】
2019039789.tif 000041
【図１０】
2019039789.tif 000042
【図１１】
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