アクティブソーナー装置、アクティブソーナー装置における信号正規化方法およびそのプログラム
【課題】
強い海底反射波などが入ってきた場合においても、エコー信号のＳ／Ｎの低下を抑制することができる、アクティブソーナー装置、アクティブソーナー装置における信号正規化方法およびそのプログラムを提供する。
【解決手段】
本発明のアクティブソーナー装置１０は、所定時間長さを有するエコー信号を生成し、音波として送信する送信手段２０と、目標物から反射されたエコー信号を含む反射波を受信信号として受信する受信手段３０と、受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割する区分手段４０と、区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出する抽出手段５０と、抽出した信号を用いて正規化する正規化手段６０と、を備える。
強い海底反射波などが入ってきた場合においても、エコー信号のＳ／Ｎの低下を抑制することができる、アクティブソーナー装置、アクティブソーナー装置における信号正規化方法およびそのプログラムを提供する。
【解決手段】
本発明のアクティブソーナー装置１０は、所定時間長さを有するエコー信号を生成し、音波として送信する送信手段２０と、目標物から反射されたエコー信号を含む反射波を受信信号として受信する受信手段３０と、受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割する区分手段４０と、区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出する抽出手段５０と、抽出した信号を用いて正規化する正規化手段６０と、を備える。
【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に関し、特にアクティブソーナーの正規化方法、プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
アクティブソーナー装置は、送波器から音波を発振し、目標物からの反射波を受波器にて受波し、受波信号のレベル、周波数、方位などの情報に基づいて目標物の位置、速度、進行方向などの計測を行う。ここで、受波信号には目標物からの反射されたエコー信号の他に、残響信号等が含まれる。一般に残響信号はエコー信号と比較して帯域に広がりを持ち、強いエネルギーを持つ場合が多い。そのため、受波信号に対してエコー信号の検出処理を行う場合、残響信号の影響を取り除くことが望ましい。
【０００３】
例えば、特許文献１には、受波信号を所定経過時間毎に区分し、その区分した所定経過時間毎の各時刻における受波信号をそれぞれ所定送信回数だけ積分して各所定経過時間毎の平均残響特性を取得し、取得した平均残響特性を用いて受波信号から残響信号の影響を取り除くアクティブソーナー装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０４-１１６４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のアクティブソーナー装置のように、平均残響特性を積分によって取得する場合、強い海底反射波などが入ってきた場合、平均残響特性がこの海底反射波に影響を受け、エコー信号のＳ／Ｎが低下する。
【０００６】
本発明の目的は、強い海底反射波などが入ってきた場合においても、エコー信号のＳ／Ｎの低下を抑制することができる、アクティブソーナー装置、アクティブソーナー装置における信号正規化方法およびそのプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明に係るアクティブソーナー装置は、所定時間長さを有するエコー信号を生成し、音波として送信する送信手段と、目標物から反射されたエコー信号を含む反射波を受信信号として受信する受信手段と、受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割する区分手段と、区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出する抽出手段と、抽出した信号を用いて正規化する正規化手段と、を備える。
【０００８】
上記目的を達成するために本発明に係るアクティブソーナー装置における信号正規化方法は、所定時間長さを有するエコー信号を生成して音波として送信し、目標物から反射されたエコー信号を含む反射波を受信信号として受信し、受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割し、区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出し、抽出した信号を用いて正規化する。
【０００９】
上記目的を達成するために本発明に係るプログラムは、アクティブソーナー装置において信号の正規化を行うコンピュータが実行可能なプログラムであって、所定時間長さを有するエコー信号を生成して音波として送信する機能、目標物から反射されたエコー信号を含む反射波を受信信号として受信する機能、受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割する機能、区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出する機能、抽出した信号を用いて正規化する機能、を、コンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にアクティブソーナー装置、アクティブソーナー装置における信号正規化方法およびそのプログラムは、強い海底反射波などが入ってきた場合においても、エコー信号のＳ／Ｎの低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るアクティブソーナー装置１０のブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るアクティブソーナー装置１００のブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る受波部１３０において受波される（ａ）エコー信号、（ｂ）残響信号、（ｃ）雑音信号、（ｄ）受信信号の波形である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る時間方向正規化処理部１５０のブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る時間方向正規化処理部１５０の処理手順である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る時間方向正規化処理部１５０の（ａ）正規化前、（ｂ）正規化後の信号波形である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るコンピュータ４００のブロック図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るアクティブソーナー装置５００のブロック図である。
【図９】ＰＤＡＧＣによる正規化処理で用いられる信号の波形である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。本実施形態に係るアクティブソーナー装置のブロック図を図１に示す。図１において、本実施形態に係るアクティブソーナー装置１０は、送信手段２０、受信手段３０、区分手段４０、抽出手段５０および正規化手段６０を備える。
【００１３】
送信手段２０は、所定時間長さを有するエコー信号を生成し、音波として送信する。受信手段３０は、目標物から反射されたエコー信号を含む反射波を、受信信号として受信する。
【００１４】
区分手段４０は、受信手段３０が受信した受信信号を時間軸方向や周波数軸方向等の所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割する。本実施形態に係る区分手段４０は、隣接する区間同士が重なるように受信信号から複数の区間を切り出し、さらに、切り出した各区間内の受信信号を複数のセルに分割する。
【００１５】
抽出手段５０は、区分手段４０が分割した複数セルを、セル内に含まれる信号の大きさ順に並びかえる。本実施形態において、抽出手段５０は、区分手段４０が分割したセル内に含まれる信号の信号レベルをそれぞれ数値化し、区間内のセルを、信号レベルの大きい順に並び替える。らに、抽出手段５０は、送信手段２０が生成したエコー信号の長さに対応するセル数分、並びかえた大きい方からセルを削除し、残ったセル内の信号を残響信号として抽出し、正規化手段６０へ出力する。
【００１６】
正規化手段６０は、抽出手段５０から出力された残響信号を用いて正規化処理を行う。本実施形態において、正規化手段６０は、出力された残響信号を残響信号の減衰特性曲線やスペクトル特性曲線等の特性曲線に内挿してフロアレベルを決定する。さらに、正規化手段６０は、決定したフロアレベルを、区分手段４０が切り出した区間の中心位置の信号レベルで除算することにより、正規化を行う。ここで、フロアレベルとは、エコー信号を除いた残響信号および雑音信号を含む信号のレベルである。
【００１７】
以上のように、本実施形態に係るアクティブソーナー装置１０は、積分や平均値を用いるのではなく、信号レベルを並び替えることにより、エコー信号と残響信号とを区分する。目標物以外からの強い反射波が混入している場合、積分値や平均値を適用する場合は演算結果にこの反射波に引っ張られて影響を受けるのに対し、並び替えを適用する場合はこの反射波の影響を最低限に抑えることができる。従って、強いレベル変動によってＳ／Ｎ比が低下することを抑制することができる。
【００１８】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係るアクティブソーナー装置のブロック図を図２に示す。図２において、本実施形態に係るアクティブソーナー装置１００は、送信信号生成部１１０、送波部１２０、受波部１３０、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）処理部１４０および時間方向正規化処理部１５０を備える。
【００１９】
送信信号生成部１１０は、パルス状の送信信号３１０を生成して送波部１２０へ出力する。
【００２０】
送波部１２０は、送信信号生成部１１０から出力された送信信号３１０を音波３２０に変換し、外部へ送波する。
【００２１】
受波部１３０は、送波部１２０から送波された音波３２０が目標物２００で反射して生じた目標物２００エコーを含む反射波３３０を受波し、受信信号３４０としてＦＦＴ処理部１４０へ出力する。
【００２２】
ＦＦＴ処理部１４０は、受波部１３０から出力された受信信号３４０に対して周波数解析および正規化を行い、処理結果を周波数分析結果３５０として時間方向正規化処理部１５０へ出力する。
【００２３】
時間方向正規化処理部１５０は、ＦＦＴ処理部１４０から出力された周波数分析結果３５０からエコー信号を取り除き、残響の減衰特性曲線を用いてフロアレベルを決定し、決定したフロアレベルを正規化して計測結果３６０として出力する。時間方向正規化処理部１５０の機能については後述する。
【００２４】
次に、受波部１３０が音波３２０として海中へ出力されたパルス状の送信信号３１０が目標物において反射されて反射波３３０として受波された場合に、受波部１３０から出力される受信信号３４０について説明する。
【００２５】
音波３２０として出力されたパルス状の送信信号３１０は目標物２００で反射され、図３（ａ）に示すパルス状のエコー信号３４１として、受波部１３０で受波される。ここで、エコー信号３４１の継続時間長は、送信信号生成部１１０が送信信号３１０を生成した時間により決まるため、既知である。
【００２６】
また、音波３２０として出力されたパルス状の送信信号３１０が海中へ出力された場合、送信信号３１０は、海底や水中に分布している不均一物質によって多重反射され、図３（ｂ）に示す残響信号３４２として、受波部１３０で受波される。一般的に、残響信号３４２の継続時間は、目標物２００からの反射波（エコー信号３４１）の継続時間に比べて長く、徐々に減衰する。
【００２７】
さらに、受波部１３０は、図３（ｃ）に示す雑音信号３４３を受波する。従って、パルス状の送信信号３１０を含む音波３２０が出力されることにより、受波部１３０は図３（ｄ）に示す受信信号３４０を出力する。残響信号３４２がエコー信号３４１と比較して帯域に広がりを持ち、強いエネルギーを持つことから、受信信号３４０からエコー信号３４１を検出する場合、誤って残響信号３４２を検出してしまう場合がある。この場合、アクティブソーナー装置１００の目標物２００の検出性能が低下する。本実施形態に係るアクティブソーナー装置１００は、時間方向正規化処理部１５０が、エコー信号３４１と、残響信号３４２および雑音信号３４３と、を切り分けることにより、アクティブソーナー装置１００の目標物２００の検出性能が低下することを抑制する。
【００２８】
時間方向正規化処理部１５０の機能について詳細に説明する。本実施形態に係る時間方向正規化処理部１５０のブロック図を図４に示す。図４において、時間方向正規化処理部１５０は、フロアレベル算出部１５１および正規化部１５５を備える。フロアレベル算出部１５１は、信号切出部１５２、並替部１５３およびフロアレベル決定部１５４を備え、ＦＦＴ処理部１４０から出力された周波数分析結果３５０からエコー信号３４１を取り除き、フロアレベルを決定する。正規化部１５５は、フロアレベル算出部１５１が決定したフロアレベルを正規化し、計測結果３６０を出力する。
【００２９】
時間方向正規化処理部１５０の動作について図５を用いて説明する。フロアレベル算出部１５１は、信号切出部１５２を用いて、ＦＦＴ処理部１４０から出力された周波数分析結果３５０を、ある時刻を中心とする一定時間区間で切り出す。本実施形態において、信号切出部１５２は、隣接する区間同士の一部が重なり合うように、中心時刻および区間長さを設定し、周波数分析結果３５０全体を複数の時間区間で切り出す。図５（ａ）に、エコー信号３４１付近の３区間（区間ａ、区間ｂ、区間ｃ）を例示する。図５（ａ）において、区間ａの一部と区間ｂの一部が、区間ｂの一部と区間ｃの一部がそれぞれ重なり合う。
【００３０】
次に、フロアレベル算出部１５１は、並替部１５３を用いて、信号切出部１５２が切り出した時間区間毎に区間を複数のセルに分割し、このセル内の信号の強度レベルを数値化し、時間区間内のセルを信号の強度レベル順に並び替える。並替部１５３が、区間ｃ内の複数のセルを信号の強度レベル順に並びかえた例を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）において、左側が並びかえる前のセル、右側が並びかえた後のセルである。また、上段がセルの番号、下段が信号の強度レベルである。図５（ｂ）に示すように、並替部１５３は、区間ｃを１１のセル（セル（１）−セル（１１））に分割する。そして、各セル内の信号の強度レベルを数値化し、昇順に並びかえる。例えば、セル（１）の信号レベルは「１６」であり、並びかえによりセル（１）は右から４番目に配置される。
【００３１】
さらに、並替部１５３は、エコー信号３４１の継続時間長が既知であることから、エコー信号３４１の継続時間長分に対応する範囲をエコー信号出現範囲と設定し、エコー信号出現範囲内の信号を取り除く。すなわち、エコー信号出現範囲内の信号をエコー信号３４１、それ以外の範囲（残響信号出現範囲と記載する。）の信号を残響信号３４２および雑音信号３４３とする。
【００３２】
すなわち、図５（ｂ）において、並替部１５３は、昇順にエコー信号出現範囲に含まれる信号（信号レベルが２５−１６まで）をエコー信号３４１とする。そして、並替部１５３は、残響信号出現範囲に含まれる信号（信号レベルが１５以下）を残響信号３４２および雑音信号３４３として抽出し、フロアレベル決定部１５４へ出力する。
【００３３】
さらに、フロアレベル算出部１５１は、フロアレベル決定部１５４を用いて、抽出された残響信号３４２および雑音信号３４３を、図５（ｃ）に示した残響の減衰特性曲線に内挿することにより、フロアレベルを求める。残響の減衰特性曲線は、残響の時間経過に伴う減衰特性を表す雑音を加味した曲線である。残響の減衰特性曲線は、実環境で音波を送波し、残響レベルを測定することにより得ることができる。
【００３４】
次に、時間方向正規化処理部１５０の正規化部１５５は、フロアレベル算出部１５１が算出したフロアレベルを正規化し、計測結果３６０として出力する。本実施形態において、正規化部１５５は、フロアレベル算出部１５１で決定したフロアレベルを、時間方向正規化処理部１５０に入力した元信号（すなわち、周波数分析結果３５０）の、信号切り出しを行った中心時刻の信号の強度レベルで除算することにより正規化する。
【００３５】
時間方向正規化処理部１５０は、時間区間ごとに一連の正規化処理を行う。すなわち、一つの時間区間についての正規化処理までの処理が終了したら、信号切り出しの中心時刻、および信号切り出し時間区間を次の時刻に移し、次の時間区間の正規化処理を開始する。そして、時間方向正規化処理部１５０は、切り出した全ての時間区間のフロアレベルに対して正規化を行った結果を、計測結果３６０として出力する。
【００３６】
ここで、内挿に用いる残響の減衰特性曲線は、実測値の他、海域ごとの海底地形や水温構造を考慮した、実測値を基に構築した実験式、季節毎に集計して得られる統計データ、残響減衰の理論モデル、等により得られる減衰特性曲線を用いても良い。また、信号切り出し区間の長さに対して、エコー信号の継続時間長が十分短い場合、あるいは切り出し区間内において残響の減衰が小さく、エコー信号を除去した前後でのレベル差が小さい場合、残響の減衰特性曲線への内挿を行わず、並び替えにより得られた残響・雑音部分の信号の中から、フロアレベルを選択しても良い。選択の際には、平均値や中央値、エコー信号除去の前後の特定の位置などにより決定しても良い。
【００３７】
また、図５（ａ）に示した、区間ａ等のエコー信号が含まれない区間のフロアレベルを決定する場合、エコー信号出現範囲内に残響信号が配置され、エコー信号出現範囲内の残響信号を削除し、残響信号範囲内の信号のみを用いてフロアレベルを決定する。残響信号範囲内の信号は影響を受けないため、残響信号３４２および雑音信号３４３として抽出された残響信号範囲内の信号を残響の減衰特性曲線に内挿することにより、フロアレベルを求めることができる。また、区間内に強い海底反射波が入射した場合、エコー信号範囲内にこの海底反射波のデータが配置され、削除される。残響信号範囲内のデータは影響を受けないため、残響の減衰特性曲線に内挿することによりフロアレベルを求めることができる。
【００３８】
以上のように、本実施形態に係るアクティブソーナー装置１００は、切り出した時間区間内において信号の強度レベルを並び替え、エコー信号３４１を取り除いた信号からフロアレベルを決定し、正規化する。決定したフロアレベルにエコー信号３４１の成分が混入しないことから、正規化におけるＳ／Ｎ比の低下を最小限に留めることが出来る。
【００３９】
さらに、本実施形態に係るアクティブソーナー装置１００は、エコー信号を劣化させること無く信号の正規化を行うことができる。すなわち、正規化処理後の出力結果では、見かけ上、残響信号および雑音信号が除去されるため、エコー信号以外（残響信号および雑音信号）のレベルを正規化することができる。正規化する前の信号波形を図６（ａ）に、正規化した後の信号波形を図６（ｂ）に示す。
【００４０】
ここで、時間方向正規化処理部１５０の機能を正規化処理プログラムとして実現し、この正規化処理プログラムをコンピュータ４００によって実行することもできる。コンピュータ４００のブロック図を図７に示す。図７において、コンピュータ４００は、ＣＰＵ４１０、ＲＡＭ４２０、ＲＯＭ４３０、入出力インターフェース４４０等を備える。コンピュータ４００にＦＦＴ処理部１４０から周波数分析結果３５０が入力されることにより、ＣＰＵ４１０は、ＲＡＭ４２０またはＲＯＭ４３０に記憶されている正規化処理プログラムを読み出し、切り出し処理、並び替え処理、フロアレベルの決定処理および正規化処理を実行し、計測結果３６０を出力する。なお、本正規化処理プログラムは、光ディスク、半導体メモリなどなどの非一時的な記録媒体（non-transitory storage medium）に記録されてもよい。その場合、正規化処理プログラムは、記録媒体からコンピュータ４００によって読み出され、実行される。
【００４１】
なお、上述の正規化処理は、海中に音波を送波する場合に限らず、空中に音波を送波した場合も同様の効果が得られる。空中に電波を送波した場合、残響は主に地面反射波または海面反射波になるので、本実施形態に係る時間方向正規化処理部１５０を用いることにより、同様の効果が得られる。空中から空中へ電波を送波した場合、特に、空中から更に低い空中へ電波を送波した場合、地面反射波または海面反射波が多くなり、効果がより顕著に現れる。すなわち、時間方向正規化処理部１５０をレーダ装置へ適用することもできる。
【００４２】
また、音波、電波の代わりに光を用いるＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）への適用も可能である。ここで、空中に音波を送波する場合およびＬＩＤＡＲへ適用した場合においても、正規化手法は、時間軸方向への正規化に限らず、周波数軸方向への正規化に対して適用しても良い。
【００４３】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。本実施形態に係るアクティブソーナー装置のブロック図を図８に示す。図８において、本実施形態に係るアクティブソーナー装置５００は、送信信号生成部５１１、送信信号増幅部５１２、送波部５１３、受波部５２１、受信信号増幅部５２２、帯域濾波部５２３、Ａ／Ｄ変換部５２４、ＦＦＴ処理部５２５、周波数方向正規化処理部５２６、信号検出部５３１および表示部５３２を備える。
【００４４】
送信信号生成部５１１は、時刻と共に周波数が変化する周波数変調波のパルス信号を送信信号６１０として生成し、送信信号増幅部５１２へ出力する。この送信信号６１０は電気信号であり、周波数が直線状に変化する周波数変調波の信号である。
【００４５】
送信信号増幅部５１２は、送信信号生成部５１１から出力された送信信号６１０を電力増幅して送波部１２０出力する。送波部５１３は、送信信号増幅部５１２において電力増幅された送信信号６１０を音響信号に変換し、音波６２０として水中へ出力する。
【００４６】
水中に出力された音波６２０は、目標物２００で反射され、受波部５２１において受波される。なお、目標物２００が移動している場合、反射波はドップラーシフトして雑音信号とともに受波部５２１において受波される。受波部５２１は、エコー信号を含む反射波６３０を受波し、受波した反射波６３０を電気信号に変換し、受信信号６４０として受信信号増幅部５２２へ出力する。
【００４７】
受信信号増幅部５２２は、受波部５２１から入力した受信信号６４０を電力増幅して帯域濾波部５２３へ出力する。帯域濾波部５２３は、受信信号増幅部５２２から入力した電力信号から、不要な帯域の信号を除去する。例えば、送信信号生成部５１１が、中心周波数が１０００Ｈｚ、帯域幅が５０Ｈｚの送信信号６１０を生成した場合、ドップラーシフトによる周波数の変動を考慮し、例えば、９２５−１０７５Ｈｚ間の信号を通過させる。
【００４８】
Ａ／Ｄ変換部５２４は、帯域濾波部５２３から出力された９２５−１０７５Ｈｚ間のアナログ信号を、予め決められたサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換する。Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号は、ＦＦＴ処理部５２５へ出力される。
【００４９】
ＦＦＴ処理部５２５は、Ａ／Ｄ変換部５２４から出力されたデジタル信号を高速フーリエ変換して周波数解析および正規化を行い、周波数分析結果６５０として周波数方向正規化処理部５２６へ出力する。
【００５０】
周波数方向正規化処理部５２６は、ＦＦＴ処理部５２５から出力された周波数分析結果６５０を周波数方向に切り出し、切り出した区間内の信号をさらに複数セルに分割する。周波数方向正規化処理部５２６は、複数セル内の信号をスペクトルレベルが大きい順に信号を並び替え、エコー信号６４１に対応する範囲内に位置する信号をエコー信号６４１として削除する。すなわち、周波数方向正規化処理部５２６は、エコー信号出現範囲に入った信号をエコー信号６４１と見なして削除することにより、残響信号６４２および雑音信号６４３を抽出する。
【００５１】
さらに、周波数方向正規化処理部５２６は、抽出した残響信号６４２および雑音信号６４３を、スペクトル特性曲線に内挿することによりフロアレベルを決定し、決定したフロアレベルを切り出した区間の中心位置のスペクトルレベルで除算することにより正規化を行う。そして、信号を切り出す位置をシフトさせながら連続的に上記の信号処理を繰り返し、計測結果６６０を信号検出部５３１および表示部５３２へ出力する。
【００５２】
なお、実測値のスペクトル特性曲線に内挿することによってフロアレベルを求める他、実験式、統計データ、理論モデル、切り出した信号内からの選択等によって周波数方向のフロアレベルを決定することもできる。
【００５３】
信号検出部５３１は、Ｓ／Ｎによる閾値判定処理を行った後、判定結果を表示部５３２へ出力する。表示部５３２は、信号検出部５３１から入力した判定結果に基づき、周波数方向正規化処理部５２６から入力した計測結果６６０を周波数分析結果として、図示しないモニタ部へ表示する。本実施形態において、モニタ部には、信号を時間−周波数の２軸を有し、信号のレベルを輝度等で表現するグラフが表示される。なお、Ｓ／Ｎが良好であることから、残響信号がエコー信号よりも強く表示されたり、時間経過に伴う輝度変化によってエコー信号の識別がしづらくなる等の不具合が低減される。
【００５４】
以上のように、本実施形態に係るアクティブソーナー装置５００は、周波数方向に切り出した信号の並び替えを行い、エコー信号と残響信号の分離を行った上で、スペクトル特性に合わせたフロアレベルを決定し、除算することで、Ｓ／Ｎ低下を起こすことなく、信号の正規化を行う。これにより、アクティブソーナー装置５００における、検出性能を向上させ、信号の表示におけるエコー信号６４１の識別性を向上させることが出来る。
【００５５】
なお、信号切り出しの際、時間と周波数の２次元データとして切り出し、残響の減衰特性曲線およびスペクトル特性曲線を用いて、第２の実施形態で説明した時間方向正規化と、本実施形態で説明した周波数方向正規化と、を同時に行うこともできる。
【００５６】
ここで、アクティブソーナー装置における一般的な正規化処理として、入力信号を自身の積分値で正規化し、誤警報確率を一定にするＰＤＡＧＣ（Post Detection Automatic Gain Control）処理が広く用いられている。このＰＤＡＧＣ処理等を用いる信号正規化方法では、正規化によるＳ／Ｎ低下や、海底反射波の受信など大きなレベル変動の前後で、フロアレベルの変動が生じてＳ／Ｎが低下するため、アクティブソーナー装置の検出性能の低下、および、表示のエコー視認性の低下が発生する。その理由を図９を用いて説明する。
【００５７】
図９において、６５１は周波数分析結果６５０を短積分した信号、６５２は周波数分析結果６５０を長積分した信号、６５３は短積分した信号６５１を長積分した信号６５２で除算した正規化信号である。ＰＤＡＧＣでは、短積分信号６５１を長積分信号６５２によって除算することにより周波数分析結果６５０を正規化するが、図９から分かるように、正規化信号６５３は、積分値の除算によってＳ／Ｎの低下が生じる。これは、フロアレベルとして除算している長積分信号６５２自体に、エコー信号６４１の成分が含まれているためである。
【００５８】
また、長積分信号６５２は周波数分析結果６５０よりも信号レベルの低下が遅れるため、強い海底反射波などの信号の直後にエコー信号が入ってきた場合、正規化信号６５３の信号レベルが低下する。これは、エコー信号６４１のレベルを低下させる要因となる。
【００５９】
従って、ＰＤＡＧＣ処理によって、信号のフロアレベルが時系列で一定とするような正規化処理を行った場合、急激な信号レベル変化の前後におけるフロアレベル変動や、積分による平滑化が生じ、正規化処理によりエコー信号のＳ／Ｎを低下させ、アクティブソーナー装置の検出性能、およびグラフ表示におけるエコー視認性が低下する。
【００６０】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。
【符号の説明】
【００６１】
１０ アクティブソーナー装置
２０ 送信手段
３０ 受信手段
４０ 区分手段
５０ 抽出手段
６０ 正規化手段
１００ アクティブソーナー装置
１１０ 送信信号生成部
１２０ 送波部
１３０ 受波部
１４０ ＦＦＴ処理部
１５０ 時間方向正規化処理部
１５１ フロアレベル算出部
１５２ 信号切出部
１５３ 並替部
１５４ フロアレベル決定部
１５５ 正規化部
２００ 目標物
３１０、６１０ 送信信号
３２０、６２０ 音波
３３０、６３０ 反射波
３４０、６４０ 受信信号
３４１ エコー信号
３４２ 残響信号
３４３ 雑音信号
３５０、６５０ 周波数分析結果
３６０、６６０ 計測結果
４００ コンピュータ
４１０ ＣＰＵ
４２０ ＲＡＭ
４３０ ＲＯＭ
４４０ 入出力インターフェース
５００ アクティブソーナー装置
５１１ 送信信号生成部
５１２ 送信信号増幅部
５１３ 送波部
５２１ 受波部
５２２ 受信信号増幅部
５２３ 帯域濾波部
５２４ Ａ／Ｄ変換部
５２５ ＦＦＴ処理部
５２６ 周波数方向正規化処理部
５３１ 信号検出部
５３２ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブソーナー装置に関し、特にアクティブソーナーの正規化方法、プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
アクティブソーナー装置は、送波器から音波を発振し、目標物からの反射波を受波器にて受波し、受波信号のレベル、周波数、方位などの情報に基づいて目標物の位置、速度、進行方向などの計測を行う。ここで、受波信号には目標物からの反射されたエコー信号の他に、残響信号等が含まれる。一般に残響信号はエコー信号と比較して帯域に広がりを持ち、強いエネルギーを持つ場合が多い。そのため、受波信号に対してエコー信号の検出処理を行う場合、残響信号の影響を取り除くことが望ましい。
【０００３】
例えば、特許文献１には、受波信号を所定経過時間毎に区分し、その区分した所定経過時間毎の各時刻における受波信号をそれぞれ所定送信回数だけ積分して各所定経過時間毎の平均残響特性を取得し、取得した平均残響特性を用いて受波信号から残響信号の影響を取り除くアクティブソーナー装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０４-１１６４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のアクティブソーナー装置のように、平均残響特性を積分によって取得する場合、強い海底反射波などが入ってきた場合、平均残響特性がこの海底反射波に影響を受け、エコー信号のＳ／Ｎが低下する。
【０００６】
本発明の目的は、強い海底反射波などが入ってきた場合においても、エコー信号のＳ／Ｎの低下を抑制することができる、アクティブソーナー装置、アクティブソーナー装置における信号正規化方法およびそのプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明に係るアクティブソーナー装置は、所定時間長さを有するエコー信号を生成し、音波として送信する送信手段と、目標物から反射されたエコー信号を含む反射波を受信信号として受信する受信手段と、受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割する区分手段と、区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出する抽出手段と、抽出した信号を用いて正規化する正規化手段と、を備える。
【０００８】
上記目的を達成するために本発明に係るアクティブソーナー装置における信号正規化方法は、所定時間長さを有するエコー信号を生成して音波として送信し、目標物から反射されたエコー信号を含む反射波を受信信号として受信し、受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割し、区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出し、抽出した信号を用いて正規化する。
【０００９】
上記目的を達成するために本発明に係るプログラムは、アクティブソーナー装置において信号の正規化を行うコンピュータが実行可能なプログラムであって、所定時間長さを有するエコー信号を生成して音波として送信する機能、目標物から反射されたエコー信号を含む反射波を受信信号として受信する機能、受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割する機能、区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出する機能、抽出した信号を用いて正規化する機能、を、コンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にアクティブソーナー装置、アクティブソーナー装置における信号正規化方法およびそのプログラムは、強い海底反射波などが入ってきた場合においても、エコー信号のＳ／Ｎの低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るアクティブソーナー装置１０のブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るアクティブソーナー装置１００のブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る受波部１３０において受波される（ａ）エコー信号、（ｂ）残響信号、（ｃ）雑音信号、（ｄ）受信信号の波形である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る時間方向正規化処理部１５０のブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る時間方向正規化処理部１５０の処理手順である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る時間方向正規化処理部１５０の（ａ）正規化前、（ｂ）正規化後の信号波形である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るコンピュータ４００のブロック図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るアクティブソーナー装置５００のブロック図である。
【図９】ＰＤＡＧＣによる正規化処理で用いられる信号の波形である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。本実施形態に係るアクティブソーナー装置のブロック図を図１に示す。図１において、本実施形態に係るアクティブソーナー装置１０は、送信手段２０、受信手段３０、区分手段４０、抽出手段５０および正規化手段６０を備える。
【００１３】
送信手段２０は、所定時間長さを有するエコー信号を生成し、音波として送信する。受信手段３０は、目標物から反射されたエコー信号を含む反射波を、受信信号として受信する。
【００１４】
区分手段４０は、受信手段３０が受信した受信信号を時間軸方向や周波数軸方向等の所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割する。本実施形態に係る区分手段４０は、隣接する区間同士が重なるように受信信号から複数の区間を切り出し、さらに、切り出した各区間内の受信信号を複数のセルに分割する。
【００１５】
抽出手段５０は、区分手段４０が分割した複数セルを、セル内に含まれる信号の大きさ順に並びかえる。本実施形態において、抽出手段５０は、区分手段４０が分割したセル内に含まれる信号の信号レベルをそれぞれ数値化し、区間内のセルを、信号レベルの大きい順に並び替える。らに、抽出手段５０は、送信手段２０が生成したエコー信号の長さに対応するセル数分、並びかえた大きい方からセルを削除し、残ったセル内の信号を残響信号として抽出し、正規化手段６０へ出力する。
【００１６】
正規化手段６０は、抽出手段５０から出力された残響信号を用いて正規化処理を行う。本実施形態において、正規化手段６０は、出力された残響信号を残響信号の減衰特性曲線やスペクトル特性曲線等の特性曲線に内挿してフロアレベルを決定する。さらに、正規化手段６０は、決定したフロアレベルを、区分手段４０が切り出した区間の中心位置の信号レベルで除算することにより、正規化を行う。ここで、フロアレベルとは、エコー信号を除いた残響信号および雑音信号を含む信号のレベルである。
【００１７】
以上のように、本実施形態に係るアクティブソーナー装置１０は、積分や平均値を用いるのではなく、信号レベルを並び替えることにより、エコー信号と残響信号とを区分する。目標物以外からの強い反射波が混入している場合、積分値や平均値を適用する場合は演算結果にこの反射波に引っ張られて影響を受けるのに対し、並び替えを適用する場合はこの反射波の影響を最低限に抑えることができる。従って、強いレベル変動によってＳ／Ｎ比が低下することを抑制することができる。
【００１８】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係るアクティブソーナー装置のブロック図を図２に示す。図２において、本実施形態に係るアクティブソーナー装置１００は、送信信号生成部１１０、送波部１２０、受波部１３０、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）処理部１４０および時間方向正規化処理部１５０を備える。
【００１９】
送信信号生成部１１０は、パルス状の送信信号３１０を生成して送波部１２０へ出力する。
【００２０】
送波部１２０は、送信信号生成部１１０から出力された送信信号３１０を音波３２０に変換し、外部へ送波する。
【００２１】
受波部１３０は、送波部１２０から送波された音波３２０が目標物２００で反射して生じた目標物２００エコーを含む反射波３３０を受波し、受信信号３４０としてＦＦＴ処理部１４０へ出力する。
【００２２】
ＦＦＴ処理部１４０は、受波部１３０から出力された受信信号３４０に対して周波数解析および正規化を行い、処理結果を周波数分析結果３５０として時間方向正規化処理部１５０へ出力する。
【００２３】
時間方向正規化処理部１５０は、ＦＦＴ処理部１４０から出力された周波数分析結果３５０からエコー信号を取り除き、残響の減衰特性曲線を用いてフロアレベルを決定し、決定したフロアレベルを正規化して計測結果３６０として出力する。時間方向正規化処理部１５０の機能については後述する。
【００２４】
次に、受波部１３０が音波３２０として海中へ出力されたパルス状の送信信号３１０が目標物において反射されて反射波３３０として受波された場合に、受波部１３０から出力される受信信号３４０について説明する。
【００２５】
音波３２０として出力されたパルス状の送信信号３１０は目標物２００で反射され、図３（ａ）に示すパルス状のエコー信号３４１として、受波部１３０で受波される。ここで、エコー信号３４１の継続時間長は、送信信号生成部１１０が送信信号３１０を生成した時間により決まるため、既知である。
【００２６】
また、音波３２０として出力されたパルス状の送信信号３１０が海中へ出力された場合、送信信号３１０は、海底や水中に分布している不均一物質によって多重反射され、図３（ｂ）に示す残響信号３４２として、受波部１３０で受波される。一般的に、残響信号３４２の継続時間は、目標物２００からの反射波（エコー信号３４１）の継続時間に比べて長く、徐々に減衰する。
【００２７】
さらに、受波部１３０は、図３（ｃ）に示す雑音信号３４３を受波する。従って、パルス状の送信信号３１０を含む音波３２０が出力されることにより、受波部１３０は図３（ｄ）に示す受信信号３４０を出力する。残響信号３４２がエコー信号３４１と比較して帯域に広がりを持ち、強いエネルギーを持つことから、受信信号３４０からエコー信号３４１を検出する場合、誤って残響信号３４２を検出してしまう場合がある。この場合、アクティブソーナー装置１００の目標物２００の検出性能が低下する。本実施形態に係るアクティブソーナー装置１００は、時間方向正規化処理部１５０が、エコー信号３４１と、残響信号３４２および雑音信号３４３と、を切り分けることにより、アクティブソーナー装置１００の目標物２００の検出性能が低下することを抑制する。
【００２８】
時間方向正規化処理部１５０の機能について詳細に説明する。本実施形態に係る時間方向正規化処理部１５０のブロック図を図４に示す。図４において、時間方向正規化処理部１５０は、フロアレベル算出部１５１および正規化部１５５を備える。フロアレベル算出部１５１は、信号切出部１５２、並替部１５３およびフロアレベル決定部１５４を備え、ＦＦＴ処理部１４０から出力された周波数分析結果３５０からエコー信号３４１を取り除き、フロアレベルを決定する。正規化部１５５は、フロアレベル算出部１５１が決定したフロアレベルを正規化し、計測結果３６０を出力する。
【００２９】
時間方向正規化処理部１５０の動作について図５を用いて説明する。フロアレベル算出部１５１は、信号切出部１５２を用いて、ＦＦＴ処理部１４０から出力された周波数分析結果３５０を、ある時刻を中心とする一定時間区間で切り出す。本実施形態において、信号切出部１５２は、隣接する区間同士の一部が重なり合うように、中心時刻および区間長さを設定し、周波数分析結果３５０全体を複数の時間区間で切り出す。図５（ａ）に、エコー信号３４１付近の３区間（区間ａ、区間ｂ、区間ｃ）を例示する。図５（ａ）において、区間ａの一部と区間ｂの一部が、区間ｂの一部と区間ｃの一部がそれぞれ重なり合う。
【００３０】
次に、フロアレベル算出部１５１は、並替部１５３を用いて、信号切出部１５２が切り出した時間区間毎に区間を複数のセルに分割し、このセル内の信号の強度レベルを数値化し、時間区間内のセルを信号の強度レベル順に並び替える。並替部１５３が、区間ｃ内の複数のセルを信号の強度レベル順に並びかえた例を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）において、左側が並びかえる前のセル、右側が並びかえた後のセルである。また、上段がセルの番号、下段が信号の強度レベルである。図５（ｂ）に示すように、並替部１５３は、区間ｃを１１のセル（セル（１）−セル（１１））に分割する。そして、各セル内の信号の強度レベルを数値化し、昇順に並びかえる。例えば、セル（１）の信号レベルは「１６」であり、並びかえによりセル（１）は右から４番目に配置される。
【００３１】
さらに、並替部１５３は、エコー信号３４１の継続時間長が既知であることから、エコー信号３４１の継続時間長分に対応する範囲をエコー信号出現範囲と設定し、エコー信号出現範囲内の信号を取り除く。すなわち、エコー信号出現範囲内の信号をエコー信号３４１、それ以外の範囲（残響信号出現範囲と記載する。）の信号を残響信号３４２および雑音信号３４３とする。
【００３２】
すなわち、図５（ｂ）において、並替部１５３は、昇順にエコー信号出現範囲に含まれる信号（信号レベルが２５−１６まで）をエコー信号３４１とする。そして、並替部１５３は、残響信号出現範囲に含まれる信号（信号レベルが１５以下）を残響信号３４２および雑音信号３４３として抽出し、フロアレベル決定部１５４へ出力する。
【００３３】
さらに、フロアレベル算出部１５１は、フロアレベル決定部１５４を用いて、抽出された残響信号３４２および雑音信号３４３を、図５（ｃ）に示した残響の減衰特性曲線に内挿することにより、フロアレベルを求める。残響の減衰特性曲線は、残響の時間経過に伴う減衰特性を表す雑音を加味した曲線である。残響の減衰特性曲線は、実環境で音波を送波し、残響レベルを測定することにより得ることができる。
【００３４】
次に、時間方向正規化処理部１５０の正規化部１５５は、フロアレベル算出部１５１が算出したフロアレベルを正規化し、計測結果３６０として出力する。本実施形態において、正規化部１５５は、フロアレベル算出部１５１で決定したフロアレベルを、時間方向正規化処理部１５０に入力した元信号（すなわち、周波数分析結果３５０）の、信号切り出しを行った中心時刻の信号の強度レベルで除算することにより正規化する。
【００３５】
時間方向正規化処理部１５０は、時間区間ごとに一連の正規化処理を行う。すなわち、一つの時間区間についての正規化処理までの処理が終了したら、信号切り出しの中心時刻、および信号切り出し時間区間を次の時刻に移し、次の時間区間の正規化処理を開始する。そして、時間方向正規化処理部１５０は、切り出した全ての時間区間のフロアレベルに対して正規化を行った結果を、計測結果３６０として出力する。
【００３６】
ここで、内挿に用いる残響の減衰特性曲線は、実測値の他、海域ごとの海底地形や水温構造を考慮した、実測値を基に構築した実験式、季節毎に集計して得られる統計データ、残響減衰の理論モデル、等により得られる減衰特性曲線を用いても良い。また、信号切り出し区間の長さに対して、エコー信号の継続時間長が十分短い場合、あるいは切り出し区間内において残響の減衰が小さく、エコー信号を除去した前後でのレベル差が小さい場合、残響の減衰特性曲線への内挿を行わず、並び替えにより得られた残響・雑音部分の信号の中から、フロアレベルを選択しても良い。選択の際には、平均値や中央値、エコー信号除去の前後の特定の位置などにより決定しても良い。
【００３７】
また、図５（ａ）に示した、区間ａ等のエコー信号が含まれない区間のフロアレベルを決定する場合、エコー信号出現範囲内に残響信号が配置され、エコー信号出現範囲内の残響信号を削除し、残響信号範囲内の信号のみを用いてフロアレベルを決定する。残響信号範囲内の信号は影響を受けないため、残響信号３４２および雑音信号３４３として抽出された残響信号範囲内の信号を残響の減衰特性曲線に内挿することにより、フロアレベルを求めることができる。また、区間内に強い海底反射波が入射した場合、エコー信号範囲内にこの海底反射波のデータが配置され、削除される。残響信号範囲内のデータは影響を受けないため、残響の減衰特性曲線に内挿することによりフロアレベルを求めることができる。
【００３８】
以上のように、本実施形態に係るアクティブソーナー装置１００は、切り出した時間区間内において信号の強度レベルを並び替え、エコー信号３４１を取り除いた信号からフロアレベルを決定し、正規化する。決定したフロアレベルにエコー信号３４１の成分が混入しないことから、正規化におけるＳ／Ｎ比の低下を最小限に留めることが出来る。
【００３９】
さらに、本実施形態に係るアクティブソーナー装置１００は、エコー信号を劣化させること無く信号の正規化を行うことができる。すなわち、正規化処理後の出力結果では、見かけ上、残響信号および雑音信号が除去されるため、エコー信号以外（残響信号および雑音信号）のレベルを正規化することができる。正規化する前の信号波形を図６（ａ）に、正規化した後の信号波形を図６（ｂ）に示す。
【００４０】
ここで、時間方向正規化処理部１５０の機能を正規化処理プログラムとして実現し、この正規化処理プログラムをコンピュータ４００によって実行することもできる。コンピュータ４００のブロック図を図７に示す。図７において、コンピュータ４００は、ＣＰＵ４１０、ＲＡＭ４２０、ＲＯＭ４３０、入出力インターフェース４４０等を備える。コンピュータ４００にＦＦＴ処理部１４０から周波数分析結果３５０が入力されることにより、ＣＰＵ４１０は、ＲＡＭ４２０またはＲＯＭ４３０に記憶されている正規化処理プログラムを読み出し、切り出し処理、並び替え処理、フロアレベルの決定処理および正規化処理を実行し、計測結果３６０を出力する。なお、本正規化処理プログラムは、光ディスク、半導体メモリなどなどの非一時的な記録媒体（non-transitory storage medium）に記録されてもよい。その場合、正規化処理プログラムは、記録媒体からコンピュータ４００によって読み出され、実行される。
【００４１】
なお、上述の正規化処理は、海中に音波を送波する場合に限らず、空中に音波を送波した場合も同様の効果が得られる。空中に電波を送波した場合、残響は主に地面反射波または海面反射波になるので、本実施形態に係る時間方向正規化処理部１５０を用いることにより、同様の効果が得られる。空中から空中へ電波を送波した場合、特に、空中から更に低い空中へ電波を送波した場合、地面反射波または海面反射波が多くなり、効果がより顕著に現れる。すなわち、時間方向正規化処理部１５０をレーダ装置へ適用することもできる。
【００４２】
また、音波、電波の代わりに光を用いるＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）への適用も可能である。ここで、空中に音波を送波する場合およびＬＩＤＡＲへ適用した場合においても、正規化手法は、時間軸方向への正規化に限らず、周波数軸方向への正規化に対して適用しても良い。
【００４３】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。本実施形態に係るアクティブソーナー装置のブロック図を図８に示す。図８において、本実施形態に係るアクティブソーナー装置５００は、送信信号生成部５１１、送信信号増幅部５１２、送波部５１３、受波部５２１、受信信号増幅部５２２、帯域濾波部５２３、Ａ／Ｄ変換部５２４、ＦＦＴ処理部５２５、周波数方向正規化処理部５２６、信号検出部５３１および表示部５３２を備える。
【００４４】
送信信号生成部５１１は、時刻と共に周波数が変化する周波数変調波のパルス信号を送信信号６１０として生成し、送信信号増幅部５１２へ出力する。この送信信号６１０は電気信号であり、周波数が直線状に変化する周波数変調波の信号である。
【００４５】
送信信号増幅部５１２は、送信信号生成部５１１から出力された送信信号６１０を電力増幅して送波部１２０出力する。送波部５１３は、送信信号増幅部５１２において電力増幅された送信信号６１０を音響信号に変換し、音波６２０として水中へ出力する。
【００４６】
水中に出力された音波６２０は、目標物２００で反射され、受波部５２１において受波される。なお、目標物２００が移動している場合、反射波はドップラーシフトして雑音信号とともに受波部５２１において受波される。受波部５２１は、エコー信号を含む反射波６３０を受波し、受波した反射波６３０を電気信号に変換し、受信信号６４０として受信信号増幅部５２２へ出力する。
【００４７】
受信信号増幅部５２２は、受波部５２１から入力した受信信号６４０を電力増幅して帯域濾波部５２３へ出力する。帯域濾波部５２３は、受信信号増幅部５２２から入力した電力信号から、不要な帯域の信号を除去する。例えば、送信信号生成部５１１が、中心周波数が１０００Ｈｚ、帯域幅が５０Ｈｚの送信信号６１０を生成した場合、ドップラーシフトによる周波数の変動を考慮し、例えば、９２５−１０７５Ｈｚ間の信号を通過させる。
【００４８】
Ａ／Ｄ変換部５２４は、帯域濾波部５２３から出力された９２５−１０７５Ｈｚ間のアナログ信号を、予め決められたサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換する。Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号は、ＦＦＴ処理部５２５へ出力される。
【００４９】
ＦＦＴ処理部５２５は、Ａ／Ｄ変換部５２４から出力されたデジタル信号を高速フーリエ変換して周波数解析および正規化を行い、周波数分析結果６５０として周波数方向正規化処理部５２６へ出力する。
【００５０】
周波数方向正規化処理部５２６は、ＦＦＴ処理部５２５から出力された周波数分析結果６５０を周波数方向に切り出し、切り出した区間内の信号をさらに複数セルに分割する。周波数方向正規化処理部５２６は、複数セル内の信号をスペクトルレベルが大きい順に信号を並び替え、エコー信号６４１に対応する範囲内に位置する信号をエコー信号６４１として削除する。すなわち、周波数方向正規化処理部５２６は、エコー信号出現範囲に入った信号をエコー信号６４１と見なして削除することにより、残響信号６４２および雑音信号６４３を抽出する。
【００５１】
さらに、周波数方向正規化処理部５２６は、抽出した残響信号６４２および雑音信号６４３を、スペクトル特性曲線に内挿することによりフロアレベルを決定し、決定したフロアレベルを切り出した区間の中心位置のスペクトルレベルで除算することにより正規化を行う。そして、信号を切り出す位置をシフトさせながら連続的に上記の信号処理を繰り返し、計測結果６６０を信号検出部５３１および表示部５３２へ出力する。
【００５２】
なお、実測値のスペクトル特性曲線に内挿することによってフロアレベルを求める他、実験式、統計データ、理論モデル、切り出した信号内からの選択等によって周波数方向のフロアレベルを決定することもできる。
【００５３】
信号検出部５３１は、Ｓ／Ｎによる閾値判定処理を行った後、判定結果を表示部５３２へ出力する。表示部５３２は、信号検出部５３１から入力した判定結果に基づき、周波数方向正規化処理部５２６から入力した計測結果６６０を周波数分析結果として、図示しないモニタ部へ表示する。本実施形態において、モニタ部には、信号を時間−周波数の２軸を有し、信号のレベルを輝度等で表現するグラフが表示される。なお、Ｓ／Ｎが良好であることから、残響信号がエコー信号よりも強く表示されたり、時間経過に伴う輝度変化によってエコー信号の識別がしづらくなる等の不具合が低減される。
【００５４】
以上のように、本実施形態に係るアクティブソーナー装置５００は、周波数方向に切り出した信号の並び替えを行い、エコー信号と残響信号の分離を行った上で、スペクトル特性に合わせたフロアレベルを決定し、除算することで、Ｓ／Ｎ低下を起こすことなく、信号の正規化を行う。これにより、アクティブソーナー装置５００における、検出性能を向上させ、信号の表示におけるエコー信号６４１の識別性を向上させることが出来る。
【００５５】
なお、信号切り出しの際、時間と周波数の２次元データとして切り出し、残響の減衰特性曲線およびスペクトル特性曲線を用いて、第２の実施形態で説明した時間方向正規化と、本実施形態で説明した周波数方向正規化と、を同時に行うこともできる。
【００５６】
ここで、アクティブソーナー装置における一般的な正規化処理として、入力信号を自身の積分値で正規化し、誤警報確率を一定にするＰＤＡＧＣ（Post Detection Automatic Gain Control）処理が広く用いられている。このＰＤＡＧＣ処理等を用いる信号正規化方法では、正規化によるＳ／Ｎ低下や、海底反射波の受信など大きなレベル変動の前後で、フロアレベルの変動が生じてＳ／Ｎが低下するため、アクティブソーナー装置の検出性能の低下、および、表示のエコー視認性の低下が発生する。その理由を図９を用いて説明する。
【００５７】
図９において、６５１は周波数分析結果６５０を短積分した信号、６５２は周波数分析結果６５０を長積分した信号、６５３は短積分した信号６５１を長積分した信号６５２で除算した正規化信号である。ＰＤＡＧＣでは、短積分信号６５１を長積分信号６５２によって除算することにより周波数分析結果６５０を正規化するが、図９から分かるように、正規化信号６５３は、積分値の除算によってＳ／Ｎの低下が生じる。これは、フロアレベルとして除算している長積分信号６５２自体に、エコー信号６４１の成分が含まれているためである。
【００５８】
また、長積分信号６５２は周波数分析結果６５０よりも信号レベルの低下が遅れるため、強い海底反射波などの信号の直後にエコー信号が入ってきた場合、正規化信号６５３の信号レベルが低下する。これは、エコー信号６４１のレベルを低下させる要因となる。
【００５９】
従って、ＰＤＡＧＣ処理によって、信号のフロアレベルが時系列で一定とするような正規化処理を行った場合、急激な信号レベル変化の前後におけるフロアレベル変動や、積分による平滑化が生じ、正規化処理によりエコー信号のＳ／Ｎを低下させ、アクティブソーナー装置の検出性能、およびグラフ表示におけるエコー視認性が低下する。
【００６０】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。
【符号の説明】
【００６１】
１０ アクティブソーナー装置
２０ 送信手段
３０ 受信手段
４０ 区分手段
５０ 抽出手段
６０ 正規化手段
１００ アクティブソーナー装置
１１０ 送信信号生成部
１２０ 送波部
１３０ 受波部
１４０ ＦＦＴ処理部
１５０ 時間方向正規化処理部
１５１ フロアレベル算出部
１５２ 信号切出部
１５３ 並替部
１５４ フロアレベル決定部
１５５ 正規化部
２００ 目標物
３１０、６１０ 送信信号
３２０、６２０ 音波
３３０、６３０ 反射波
３４０、６４０ 受信信号
３４１ エコー信号
３４２ 残響信号
３４３ 雑音信号
３５０、６５０ 周波数分析結果
３６０、６６０ 計測結果
４００ コンピュータ
４１０ ＣＰＵ
４２０ ＲＡＭ
４３０ ＲＯＭ
４４０ 入出力インターフェース
５００ アクティブソーナー装置
５１１ 送信信号生成部
５１２ 送信信号増幅部
５１３ 送波部
５２１ 受波部
５２２ 受信信号増幅部
５２３ 帯域濾波部
５２４ Ａ／Ｄ変換部
５２５ ＦＦＴ処理部
５２６ 周波数方向正規化処理部
５３１ 信号検出部
５３２ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定時間長さを有するエコー信号を生成し、音波として送信する送信手段と、
目標物から反射された前記エコー信号を含む反射波を受信信号として受信する受信手段と、
前記受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割する区分手段と、
前記区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、前記エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出する抽出手段と、
前記抽出した信号を用いて正規化する正規化手段と、
を備えるアクティブソーナー装置。
【請求項２】
前記区分手段は、前記受信信号を時間方向に切り出し、
前記抽出手段は、前記セルをセル内に含まれる信号の強度レベル順に並びかえる、
請求項１記載のアクティブソーナー装置。
【請求項３】
前記正規化手段は、前記抽出した信号を残響信号の減衰特性曲線へ内挿してフロアレベルを決定し、前記切り出した区間の中心位置の強度レベルで除算することにより、正規化を行う、請求項２記載のアクティブソーナー装置。
【請求項４】
前記区分手段は、前記受信信号を周波数方向に切り出し、
前記抽出手段は、前記セルをセル内に含まれる信号のスペクトルレベル順に並びかえる、
請求項１記載のアクティブソーナー装置。
【請求項５】
前記正規化手段は、前記抽出した信号をスペクトル特性曲線へ内挿してフロアレベルを決定し、前記切り出した区間の中心位置のスペクトルレベルで除算することにより、正規化を行う、請求項４記載のアクティブソーナー装置。
【請求項６】
前記区分手段は、隣接する区間同士が重なるように前記受信信号から複数の区間を切り出す、請求項１乃至５のいずれか１項記載のアクティブソーナー装置。
【請求項７】
前記送信手段は、前記エコー信号として、時刻と共に周波数が変化する周波数変調波のパルス信号を生成する、請求項１乃至６のいずれか１項記載のアクティブソーナー装置。
【請求項８】
所定時間長さを有するエコー信号を生成して音波として送信し、
目標物から反射された前記エコー信号を含む反射波を受信信号として受信し、
前記受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割し、
前記区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、前記エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出し、
前記抽出した信号を用いて正規化する、
アクティブソーナー装置における信号正規化方法。
【請求項９】
アクティブソーナー装置において信号の正規化を行うコンピュータが実行可能なプログラムであって、
所定時間長さを有するエコー信号を生成して音波として送信する機能、
目標物から反射された前記エコー信号を含む反射波を受信信号として受信する機能、
前記受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割する機能、
前記区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、前記エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出する機能、
前記抽出した信号を用いて正規化する機能、
を、前記コンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１】
所定時間長さを有するエコー信号を生成し、音波として送信する送信手段と、
目標物から反射された前記エコー信号を含む反射波を受信信号として受信する受信手段と、
前記受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割する区分手段と、
前記区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、前記エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出する抽出手段と、
前記抽出した信号を用いて正規化する正規化手段と、
を備えるアクティブソーナー装置。
【請求項２】
前記区分手段は、前記受信信号を時間方向に切り出し、
前記抽出手段は、前記セルをセル内に含まれる信号の強度レベル順に並びかえる、
請求項１記載のアクティブソーナー装置。
【請求項３】
前記正規化手段は、前記抽出した信号を残響信号の減衰特性曲線へ内挿してフロアレベルを決定し、前記切り出した区間の中心位置の強度レベルで除算することにより、正規化を行う、請求項２記載のアクティブソーナー装置。
【請求項４】
前記区分手段は、前記受信信号を周波数方向に切り出し、
前記抽出手段は、前記セルをセル内に含まれる信号のスペクトルレベル順に並びかえる、
請求項１記載のアクティブソーナー装置。
【請求項５】
前記正規化手段は、前記抽出した信号をスペクトル特性曲線へ内挿してフロアレベルを決定し、前記切り出した区間の中心位置のスペクトルレベルで除算することにより、正規化を行う、請求項４記載のアクティブソーナー装置。
【請求項６】
前記区分手段は、隣接する区間同士が重なるように前記受信信号から複数の区間を切り出す、請求項１乃至５のいずれか１項記載のアクティブソーナー装置。
【請求項７】
前記送信手段は、前記エコー信号として、時刻と共に周波数が変化する周波数変調波のパルス信号を生成する、請求項１乃至６のいずれか１項記載のアクティブソーナー装置。
【請求項８】
所定時間長さを有するエコー信号を生成して音波として送信し、
目標物から反射された前記エコー信号を含む反射波を受信信号として受信し、
前記受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割し、
前記区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、前記エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出し、
前記抽出した信号を用いて正規化する、
アクティブソーナー装置における信号正規化方法。
【請求項９】
アクティブソーナー装置において信号の正規化を行うコンピュータが実行可能なプログラムであって、
所定時間長さを有するエコー信号を生成して音波として送信する機能、
目標物から反射された前記エコー信号を含む反射波を受信信号として受信する機能、
前記受信信号を所定方向に切り出し、切り出した区間内に含まれる信号を複数セルに分割する機能、
前記区間内においてセル内に含まれる信号のレベル順にセルを並びかえ、前記エコー信号の長さに対応する範囲に位置するセル内の信号を抽出する機能、
前記抽出した信号を用いて正規化する機能、
を、前記コンピュータに実行させるためのプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−６８５５３（Ｐ２０１３−６８５５３Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０８２６２（Ｐ２０１１−２０８２６２）
【出願日】平成２３年９月２３日（２０１１．９．２３）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２３日（２０１１．９．２３）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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