(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検出方法であって、
音響信号を受波信号として受波することと、
前記受波信号に対して周波数解析を行うことと、
検出における単位周波数幅及び単位時間幅の領域をセルとして、前記周波数解析の結果に基づき前記セルごとに前記受波信号の到来方位と強度とを求めることと、
前記強度が第１のしきい値を超えているセルが周波数方向または時間方向に隣接する場合に、当該隣接するセルにおける到来方位の差が第２のしきい値以内かどうかを判定し、前記第２のしきい値以内である場合に、当該隣接するセルを１つの検出として連結することと、
を有する、信号検出方法。
【請求項２】
前記セルごとに当該セルでの前記受波信号の強度に応じた輝度を用いて、検出結果をスペクトログラムとして表示することをさらに有する、請求項１に記載の信号検出方法。
【請求項３】
前記セルごとに当該セルでの前記受波信号の到来方位に応じた色を用いて前記検出結果を表示する、請求項２に記載の信号検出方法。
【請求項４】
指定された位置を方位角に変換し、前記変換された方位角を含む角度範囲内の検出結果のみを表示する、請求項２または３に記載の信号検出方法。
【請求項５】
音響信号を受波する受波器と、
受波器で受波した信号に対して周波数解析を行う周波数解析部と、
検出における単位周波数幅及び単位時間幅の領域をセルとして、前記周波数解析の結果に基づき前記セルごとに前記音響信号の到来方位を求める方位計算処理部と、
前記周波数解析の結果に基づき前記セルごとに前記音響信号の強度を求めるレベル検出処理部と、
前記強度が第１のしきい値を超えているセルが周波数方向または時間方向に隣接する場合に、当該隣接するセルにおける到来方位の差が第２のしきい値以内かどうかを判定し、前記第２のしきい値以内である場合に、当該隣接するセルを１つの検出として連結する検出連結処理部と、
を有する、アクティブソーナー装置。
【請求項６】
表示部と、
前記セルごとに当該セルでの前記受波信号の強度に応じた輝度を用いて、検出結果をスペクトログラムとして前記表示部に表示させる表示処理部と、
をさらに有する、請求項５に記載のアクティブソーナー装置。
【請求項７】
前記表示処理部は、前記セルごとに当該セルでの前記受波信号の到来方位に応じた色を用いて前記検出結果を前記表示部に表示させる、請求項６に記載のアクティブソーナー装置。
【請求項８】
表示部と、
位置の指定を受け付け、前記位置を前記受波器からの方位角に変換する位置情報変換処理部と、
前記変換された方位角に対応する到来方位の検出結果のみを前記表示部に表示させる表示制限処理部と、
をさらに有する、請求項５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検出方法とに関する。
【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、音波放射から反射波を受信するまでの時間差から、目標物（すなわち反射物体）までの距離を算出する。受波器として異なる複数の指向性パターンを有するセンサを組み合わせた場合には、反射波の到来方位を知ることもできるから、目標物が存在する方位も求めることができる。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解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。アクティブソーナー装置は、水中あるいは海中を移動する目標物の検出に用いられる。
【０００３】
アクティブソーナー装置において、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は、図１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って周波数解析結果を表示する方法がある。ここで横軸は時間を表しており、縦軸は周波数を表している。受波した信号の信号強度が、画面上での輝度で表される。ここでは、明るいほど信号強度が強いことを示している。図１において送信周波数ｆ0は、アクティブソーナー装置の送波器から水中あるいは海中に放射した音波パルスの周波数を示している。受波した信号の周波数解析を例えばＦＦＴ（高速フーリエ変換）などのデジタルアルゴリズムを用いて実行することから、周波数及び時刻は離散値として表されることとなり、図１に示したスペクトログラムでは、所定の時間幅及び所定の周波数幅の領域（図示、小長方形の領域。以下、セルと呼ぶ）ごとに、その領域での信号レベルが示されることになる。
【０００４】
図１に示したものでは、送信周波数ｆ0において非常に長い時間にわたって信号が検出されているが、これは、送信音波パルスの残響によるものである。特に海中においては、海面や海底での反射、波浪や複雑な海底地形などの影響により、一定周波数の連続波をパルス化したＰＣＷ(pulse continuous wave)信号として短時間幅の音波パルスを放射したとしても、相当に長い時間にわたって、送信周波数において残響が継続する。時刻ｔ8からｔ15までの期間において移動している目標物によって反射された信号、すなわちエコーが観測されている。エコーの周波数は、送信周波数とは異なる周波数ｆ1となっている。詳しく言えば、周波数がｆ1であって、時刻がそれぞれｔ8からｔ15までに相当する連続する８個のセルにおいて、エコーが検出されていることになる。
【０００５】
アクティブソーナー装置では、図１に示すようなスペクトログラムにおいてしきい値を超えた検出値の領域（セル）がある場合に、移動する目標物が存在する、と判定する。異なる周波数（すなわち異なる速度）や異なる時刻のセルにおいて検出値がしきい値を超えていれば、複数の目標物が存在すると判定することになる。しかしながら、上述した残響のように長い時間にわたって大きな検出値を示す場合もあり、また、目標物からのエコーも、送波した音波パルスの継続時間と同等の継続時間を有するものである。そこで、誤検出を低減するために、しきい値を超えていても時間的に連続するセルを一つに連結することが行われる。この連結する処理を時間連結処理と呼ぶ。また、周波数に関しても、ＦＦＴによる処理において離散化して扱っていることに伴う誤差などを考慮して、隣接する周波数のセルのいずれもがしきい値を超えた検出値となっている場合には、それらのセルも一つに連結することが行われる。こちらの連結する処理を周波数連結処理と呼ぶ。
【０００６】
図２は、セルの連結処理を説明するものである。時間及び周波数に関し、例えば（ａ）において“○”が付されているセルが、しきい値を超える検出値（レベル）を有するセルであるとする。時間連結処理では、（ｂ）に示すように、しきい値を超えるレベルのセルのうち最も早い「Ａ」のセルに対して時間的に引き続く「Ｂ」のセルがまず連結される。そして、隣接する周波数ではあるが「Ｂ」のセルに対して時間的に引き続き「Ｃ」のセルが連結され、さらに同様にして「Ｄ」のセルが連結される。その結果、「ＡＢＣＤ」が１つの検出として扱われることになる。周波数連結処理では、（ｃ）に示すように、「Ｂ」のセルに対して時刻が同じであって周波数が隣接する「Ｅ」のセルが連結される。時間連結処理と周波数連結処理とを組み合わせることによって、「ＡＢＣＤＥ」のように、５個のセルが１つの検出として連結されることになる。
【０００７】
誤検出を防ぐためにはセルの連結処理は有効であるが、目標物の移動速度が小さい場合、ドップラーシフト量も小さいので、残響の周波数とエコーの周波数とが隣接し、エコーを残響から分離することができなくなる。図１に示したようなスペクトログラムが得られたとして、これに対して連結処理を行った結果が図３に示されている。レベル（強度）が継続した検出は同一の信号とみなし、１つの検出情報にまとめられている。その結果、残響に近接したエコーまで、１つの検出情報に統合されてしまうことになる。
【０００８】
上述した連結処理を行わないこと前提として、アクティブソーナー装置の操作者（オペレータ）が、目標物からのエコーの有無を残響から容易に分離して判定できるようにするための技術として、セルごとのレベル（強度）を輝度で表すスペクトログラムにおいて、方位情報を色で表すようにしたものがある。方位情報を色で表すようにしたスペクトログラムのことをカラーグラムとも呼ぶ。方位と色との対応例が図４に示されている。例えば、方位角が０°から４５°である信号を赤色で表すこととし、信号のレベルに応じて赤色表示での輝度を変えるようにする。そのようにしてエコーを残響から分離して表示した例が、図５に示されている。説明のため、図５では、セルでの色の違いは、各セルに付された黒色の細実線によるマーキングの形状の違い（例えば、斜め方向の二重線か、「×」印か）によって表されている。
【０００９】
しかしながら、表示色によっては見にくくなり、しかも、表示の際の輝度が変化することを考慮するとヒトが見分けることができる色の数はそれほど多くないから、残響とエコーのそれぞれの方位によってはエコーを残響から区別して視認することが難しくなることもある。
【００１０】
低速で移動している目標物からのエコーを残響などから分離して識別するための技術として、特許文献１には、一定の線形性要件及び排除要件を用いる方法が開示されている。しかしながら特許文献１に記載の方法は、水中あるいは海中に放射する音響信号として、成形された周波数掃引信号を用いるので、既存の例えばＰＣＷパルスを用いるアクティブソーナー装置には適用し難く、また、送信する音波パルスの生成や受信した信号の処理も複雑である、という問題点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１５０６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、目標物の移動速度が小さい場合には、誤検出を防ぎつつ、目標物からのエコーを残響から分離して識別することを簡単に行うことはできない。
【００１３】
本発明の目的は、移動速度が小さな目標物であっても残響等から分離して確実に検出できる、アクティブソーナー装置における信号検出方法を提供することにある。
【００１４】
本発明の別の目的は、移動速度が小さな目標物であっても残響等から分離して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】
【００１５】
本発明の信号検出方法は、アクティブソーナー装置における信号検出方法であって、音響信号を受波信号として受波することと、受波信号に対して周波数解析を行うことと、検出における単位周波数幅及び単位時間幅の領域をセルとして、周波数解析の結果に基づきセルごとに受波信号の到来方位と強度とを求めることと、強度が第１のしきい値を超えているセルが周波数方向または時間方向に隣接する場合に、その隣接するセルにおける到来方位の差が第２のしきい値以内かどうかを判定し、第２のしきい値以内である場合に、その隣接するセルを１つの検出として連結することと、を有する。
【００１６】
本発明のアクティブソーナー装置は、音響信号を受波する受波器と、受波器で受波した信号に対して周波数解析を行う周波数解析部と、検出における単位周波数幅及び単位時間幅の領域をセルとして、周波数解析の結果に基づきセルごとに音響信号の到来方位を求める方位計算処理部と、周波数解析の結果に基づきセルごとに音響信号の強度を求めるレベル検出処理部と、強度が第１のしきい値を超えているセルが周波数方向または時間方向に隣接する場合に、その隣接するセルにおける到来方位の差が第２のしきい値以内かどうかを判定し、第２のしきい値以内である場合に、隣接するセルを１つの検出として連結する検出連結処理部と、を有する。
【発明の効果】
【００１７】
セルの連結を行う際に、到来方位における方位差が大きく異なるセルの相互間では連結を行わないので、低速で移動する目標物からのエコーであっても、残響とは到来方位が異なることに基づいて確実に検出できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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２】（ａ）〜（ｃ）は連結処理を説明する図である。
【図３】検出結果における連結を説明する図である。
【図４】方位情報を色で表示し、到来方位を判別できるようにした表示例を示す図である。
【図５】方位に応じた色の選択の一例を示す図である。
【図６】実施の一形態のアクティブソーナー装置における連結を説明する図である。
【図７】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。
【図８】オペレータによって指定された位置に基づく表示例を示す図である。
【図９】実施の一形態に基づく別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】
【００１９】
実施の一形態のアクティブソーナー装置では、目標物からのエコーの誤検出を防ぐために、セルの連結処理を実施する。信号の強度（レベル）がしきい値を超えているセルが継続する場合にそれらのセルを連結して１つの検出とするが、その際、受波した音響信号の到来方位を考慮し、到来方位の差が大きいものについては相互に連結しないようにする。すなわち、セルを連結する際の基準として方位差に関するしきい値を設定し、上述した時間連結処理あるいは周波数連結処理を行うときに連結すべき２つのセル間の方位差がこのしきい値以内であれば連結し、そうでなければ連結しないようにする。
【００２０】
図６は、本実施形態におけるセルの連結を示している。図６において、方位を示すために、セルごとに、黒色の細実線によるマーキングが付されており、ここでは、縦の二重線によるマーキングによって表される方位と斜めの二重線によるマーキングによって表される方位とは、方位差に関してしきい値以内にあるものとし、これらの方位と「×」印のマーキングによって表される方位との差は、方位差に関するしきい値の範囲外であるものとする。図１に示されたスペクトログラムが得られるような場合に、図６に示すように、残響からの信号については方位がしきい値以内であるので相互に連結される。これに対し、エコーの到来方位は、残響の到来方位とはしきい値の範囲内にはないので、エコーに対応するセルは相互には連結されるものの残響に対応するセルとは連結されない。その結果、図６に示した例では、残響とエコーとが別々の検出として扱われることとなり、エコーを残響から分離して検出することが可能になる。１つの検出として連結されたセルの全体の輪郭を例えば太線で表示するなどすることによって、どのセルがどの検出に対応するかを表示画面上で容易に認識することができるようになる。
【００２１】
図７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。
【００２２】
このアクティブソーナー装置は、移動する目標物３０の検出を目的とするものであって、上述したように周波数と時間とを細分化して得られる複数のセルの各々ごとに信号の到来方位とその強度とを求め、移動する目標物３０の検出という観点からその結果を例えばスペクトログラムの形態で画面表示する。アクティブソーター装置は、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、目標物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って受波信号とする復調処理部３４と、各受波信号に対してセルごとにＦＦＴにより周波数解析を行う周波数解析部３５と、周波数解析がされて周波数ごとの受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う正規化処理部３６と、周波数解析がされたセルごとの受波信号に対して方位計算処理を行って方位を算出する方位計算処理部３７と、信号レベルが正規化された受波信号に基づいてセルごとにレベル検出を行うレベル検出処理部３８と、方位計算処理部３７で算出された方位に基づき、連結対象の２つのセルの方位が方位差に関するしきい値以内かどうかを判定する方位判定処理部３９と、セルの周波数連結を行う周波数連結処理部４０と、セルの時間連結処理を行う時間連結処理部４１と、時間連結処理及び周波数連結処理によってセルが連結されたスペクトログラムを生成する表示処理部４２と、表示処理部４２によって生成されたスペクトログラムを表示する表示部４３と、を備えている。送波器３１が水中または海中に放射する音波パルスは例えばＰＣＷパルスである。
【００２３】
図７に示す構成においては、復調処理部３４によって前処理ブロック２１が構成され、周波数解析部３５、正規化処理部３６及び方位計算処理部３７によって信号処理ブロック２２が構成されている。また、方位判定処理部３９、周波数連結処理部４０及び時間連結処理部４１によって検出連結処理部として機能する検出連結処理ブロック２４が構成されており、この検出連結処理ブロック２４とレベル検出処理部３８とによって信号検出ブロック２３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。
【００２４】
検出連結処理ブロック２４は、検出値がしきい値を超えているセルの連結処理を行うものである。本実施形態では、検出値がしきい値を超えているセルが時間方向あるいは周波数方向に隣接していても、周波数連結処理部４０及び時間連結処理部４１は、方位判定処理部３９での判定結果に基づき、連結しようとするセルの方位差が方位差に関するしきい値以内にない場合には、それらのセルの連結を行わない。その結果、図７に示すアクティブソーナー装置によれば、図６に示すように、残響とエコーとの周波数が近接する場合であっても、残響とエコーとが別々に連結されて検出されることになる。
【００２５】
表示部４３に表示するスペクトログラムにおいて、信号の到来方位に応じてセルの表示色を変える場合（カラーグラム表示とする場合）には、方位計算処理部３７での方位計算結果を表示処理部４２にも供給し、表示処理部４２がカラーグラムを生成して表示部４３に表示するようにすればよい。
【００２６】
さらに本実施形態では、スペクトログラムあるいはカラーグラム上において、オペレータによって指定された特定の方位からの信号だけを画面上に表示し、信号を検出できるようにすることもできる。例えば、ある水域または海域内においてオペレータが指定した位置に目標物が存在するか否かを判断したい場合がある。その場合には、その水域または海域の複数の位置に受波器を配置し、各受波器において反射波を受波する。そして、受波器ごとに、その受波器の位置に応じて、指定された位置からの信号のみを検出、表示するようにする。図８に示した例では、海域内に３個の受波器（受波器＃１〜＃３）が配置されている。そして、オペレータによって海域内の特定の位置Ｐが指定された場合、受波器＃１〜＃３からの結果を表示する場合に、それぞれ、位置Ｐを含む狭い方位範囲θ1，θ2，θ3からの信号に基づく検出結果だけを表示するようにする。
【００２７】
この場合、オペレータによって指定される位置Ｐは、例えば、平面座標系（ｘｙ座標系）での値として表されるから、受波器ごとに、その受波器の位置に基づいて、位置Ｐがどの方位に存在するかを計算する必要があり、その計算された方位に基づいて表示を制限する。
【００２８】
図９は、複数の受波器を備え、オペレータによって指定された位置に基づいて受波器ごとに特定方位からの信号に基づく結果のみを表示、検出できるようにした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。図９に示すアクティブソーナー装置は、図７に示すものと同様のものであるが、受波器３３が複数設けられている点と、表示処理部の代わりに位置情報変換処理部４４と表示制限処理部４５が設けられている点で、図７に示すたものと異なっている。複数の受波器３３は、異なる位置に配置されており、復調処理部３４は、これらの受波器３３を切り替えて復調処理を実行する。あるいは、前処理ブロック２１、信号処理ブロック２２及び信号検出ブロック２３において、複数の受波器３３の各々からの信号に対する処理を並列して実行するようにしてもよい。
【００２９】
位置情報変換処理部４４は、オペレータによって入力された位置を、受波器ごとにその受波器からの方位角に変換する。表示制限処理部４５は、上述の表示処理部４２と同様の機能を有するものであるが、さらに、位置情報変換処理部４４によって変換された受波器ごとの方位角によって、その受波器で検出した信号の表示を制限する機能を有する。これにより、オペレータが入力した位置に基づき、受波器ごとに、特定方位からの信号に基づく結果のみが表示部４３の画面上に表示されるようになる。
【符号の説明】
【００３０】
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    検出連結処理ブロック
３０    目標
３１    送波器
３２    送信処理部
３３    受波器
３４    復調処理部
３５    周波数解析部
３６    正規化処理部
３７    方位計算処理部
３８    レベル検出処理部
３９    方位判定処理部
４０    周波数連結処理部
４１    時間連結処理部
４２    表示処理部
４３    表示部
４４    位置情報変換処理部
４５    表示制限処理部
【図１】
0005333498.tif 000002
【図２】
0005333498.tif 000003
【図３】
0005333498.tif 000004
【図４】
0005333498.tif 000005
【図５】
0005333498.tif 000006
【図６】
0005333498.tif 000007
【図７】
0005333498.tif 000008
【図８】
0005333498.tif 000009
【図９】
0005333498.tif 000010