JP2004361258A

JP2004361258A - 整相方法および装置

Info

Publication number: JP2004361258A
Application number: JP2003160281A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Kubota; 達夫窪田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: JP4288663B2

Abstract

【課題】ソーナー等に混入する雑音信号を効果的に低減し、Ｓ／Ｎ比を向上する整相方法および装置を提供する。
【解決手段】マトリクス状に配置された複数の受波器１１１〜１１９でアレイを構成する。このアレイ１００を構成する受波器１１１〜１１９を、中央の受波器１１５を含む縦、横および斜めの４つに組合せ１０１〜１０４に分け、それぞれ受波器１１１〜１１９の出力信号を遅延器１２１〜１２９で遅延させ、複数の加算器１３１〜４３４、平均器１４１〜４４２および適応フィルタ計算器１６０〜４６０を含む処理部で処理する。そして、整相方位に極小部を有する指向特性のリファレンス信号を形成し、プライマリ信号に含まれるリファレンス信号の成分を取り除く。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、整相方法および装置に関し、特にソーナー等においてノイズ（雑音）を低減するノイズ低減技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ソーナー等に混入する各種ノイズをＡＮＣ（ＡｄａｐｔｉｖｅＮｏｉｓｅＣａｎｃｅｌｌｅｒ）手法に基づいて低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させる必要がある。そのための一般的な従来技術を、図４を参照して以下に説明する。
【０００３】
図４に示す如く、一般的な整相装置１０は、複数の受波器により構成されるアレイ１１、適応フィルタ１２、マルチプライヤ１３および加算器１４により構成される。アレイ１１にて整相ビームＢを形成する。そして、目標信号の到来方向にビームステアリングすることにより得られる通常の受信信号（所望信号と各種ノイズ信号）と、所望信号の含まれない各種ノイズ信号と相関性の高い信号のみのリファレンス信号を使用して、ＬＭＳ（ＬｅａｓｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ）等の適応アルゴリズムによる適応フィルタ１２にてフィルタ処理した信号を、マルチプライヤ（乗算器）１３および加算器１４により構成される減算器により、通常の受信信号から減算することにより通常の受信信号に含まれるノイズを低減する。リファレンス信号には、雑音（ノイズ）源にビームステアリングした整相ビームＣ１の出力又は雑音源近傍に設置した受波器Ｃ２の出力等を利用するのが一般的である。
【０００４】
ここで、従来技術として、船の動揺等による影響によりリファレンス信号に所望信号がリーク（漏洩）し、ＡＮＣによる低減効果が減少するのを防ぐため、リファレンス用の整相ビームが、常に所望の信号到来方向にヌルを形成するよう制御する手法等が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、船尾側の船底に受波器を配置して、専ら自船が発する各種の雑音波を受信し、送受波器の信号と位相反転して加算して低周波域での受信雑音を低減するソーナー装置が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−３２３０１７号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平５−１４２３３５号公報（第２−３頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法では、雑音源が単一で遠方にある場合、妨害信号の低減が可能であるが、雑音源が近距離で複数存在するような場合、各受波器に入力する妨害信号の相関がとれる範囲が限定されるため、ビーム合成した後で処理を行う従来の方法ではノイズの相関が低下し十分なノイズ低減効果を期待できない。
【０００７】
また、受波器の数が少なく、小規模なアレイになると、整相による指向幅が広くなるため、雑音源からの妨害信号のみを計測する整相ビームの形成が困難となり、処理の結果、信号レベルも低減してしまうという問題があった。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、従来技術の上述した課題に鑑みなされたものであり、斯かる課題を解消又は軽減する整相方法および装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、本発明による整相方法および装置は、次のような特徴的な構成を採用している。
【００１０】
（１）ソーナー等に混入する各種雑音信号を低減してＡＮＣ（ＡｄａｐｔｉｖｅＮｏｉｓｅ
Ｃａｎｃｅｌｌｅｒ）技法によりＳ／Ｎ比を向上させる整相方法において、
整相方位に極小部を有する指向性のリファレンス信号を形成することと、プライマリ信号に含まれるリファレンス信号の成分を取り除くこととより成る整相方法。
【００１１】
（２）前記プライマリ信号に含まれるリファレンス信号の成分の取り除きには、ＬＭＳ（ＬｅａｓｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ）適応アルゴリズムを採用する上記（１）の整相方法。
【００１２】
（３）ソーナー等に混入する各種雑音信号を低減してＡＮＣ技法によりＳ／Ｎ比を向上させる整相装置において、
中央およびその周囲に配置された複数の受波器を含むアレイと、該アレイの前記各受波器の出力信号を遅延させる複数の遅延器と、複数の加算器および適応フィルタ計算器を含む処理部とを備え、該処理部の前記適応フィルタ計算器には、前記中央の受波器の出力信号および前記周囲の受波器の出力信号の平均値の差信号が入力される整相装置。
【００１３】
（４）前記処理部は、前記適応フィルタ計算器の出力信号および前記アレイの全ての受波器の出力信号の平均値の差信号を出力する上記（３）の整相装置。
【００１４】
（５）前記処理部は、前記アレイの前記受波器を異なる方向毎に複数の組合せに分け、該組合せ毎に処理して、処理結果を加算する上記（３）又は（４）の整相装置。
【００１５】
（６）前記アレイは、マトリクス状に配置された９個の受波器により構成される上記（３）、（４）又は（５）の整相装置。
【００１６】
（７）前記マトリクス状に配置された９個の受波器は、中央の受波器を含む縦横および斜めの４つの組合せにする上記（６）の整相装置。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による整相方法および装置の好適実施形態の構成および動作を、添付図を参照して詳細に説明する。
【００１８】
先ず、図１は、本発明による整相方法および装置の第１実施形態の説明図である。本発明は、アレイ１００、このアレイ１００を構成する複数の受波器１１１〜１１９の出力信号を遅延させ位相を調整する遅延器１２１〜１２９、これら遅延器の出力信号を処理する処理部により構成される。図１（Ａ）に示す如く、アレイ１００は、中央の受波器１１５を囲むようにして縦３×横３の９個の受波器１１１〜１１９がマトリクス状に配列されている。また、図１（Ｂ）に示す如く、アレイ１００には、２個の受波器で中央の受波器１１５を挟む１０１〜１０４の４つの組合せが含まれている。即ち、第１組合せ１０１は、右下がり斜め方向の受波器１１１、１１５および１１９で構成されている。第２組合せ１０２は、垂直方向の受波器１１４、１１５および１１６で構成される。第３組合せ１０３は、右上がり斜め方向の受波器１１３、１１５および１１７で構成される。最後に、第４組合せ１０４は、水平方向の受波器１１２、１１５および１１８で構成される。
【００１９】
図１（Ｃ）のブロック図に示す如く、アレイ１００の第１組合せ１０１乃至第４組み合わせ１０４の出力は、それぞれ遅延器、加算器および適応フィルタ計算器等により構成される処理部で処理される。そして、以下に詳述する如く、各組合せ１０１〜１０４の出力信号は、図１（Ｄ）を参照して後述する如く、加算され平均化される。
【００２０】
第１組合せ１０１の受波器１１１、１１５および１１９は、水中や空中に発信した音波による目標からの反響音又は目標の放射音を受信する。遅延器１２１、１２５および１２９は、整相方位によって生じる伝搬経路差に基づき、受波器出力の遅延処理を行う。加算器（第１加算器）１３１は、遅延器１２１および１２９の出力を加算する。平均器（第１平均器）１４１は、加算器１３１の出力に１／２を乗算して平均する。乗算器（第１乗算器）１５１は、遅延器１２５の出力に−１を乗算する。加算器（第２加算器）１３２は、平均器１４１および乗算器１５１の出力を加算する。ここで、加算器１３２の出力をリファレンス信号という。
【００２１】
次に、適応フィルタ計算器１６０は、リファレンス信号のフィルタ処理を行う。乗算器（第２乗算器）１５２は、適応フィルタ計算器１６０の出力に−１を乗算する。加算器（第３加算器）１３３は、遅延器１２１、１２５および１２９の出力を加算する。平均器（第２平均器）１４２は、加算器１３３の出力に１／３を乗算して平均する。この平均器１４２の出力をプライマリ信号という。加算器（第４加算器）１３４は、プライマリ信号および乗算器１５２の出力を加算する。加算器１３４の出力をキャンセルド信号（又はキャンセル済み信号）という。適応フィルタ計算器１６０は、リファレンス信号および１サンプル前のキャンセルド信号からＬＭＳ等の適応アルゴリズムによりフィルタ係数を毎サンプル更新する。
【００２２】
図１（Ｃ）中には一部省略するが、受波器１１４、１１５および１１６による第２組合せ１０２、受波器１１７、１１５および１１３による第３組合せ１０３、更に受波器１１２、１１５および１１８による第４組合せ１０４のそれぞれにおいても、上述した第１組合せ１０１と同様の処理を行う。そして、図１（Ｄ）に示す如く、加算器３５は、各組合せ１０１、１０２、１０３および１０４の加算器１３４、２３４、３３４および４３４からのキャンセルド信号を加算する。平均器４３は、加算器３５の出力に１／４を乗算して平均する。
【００２３】
次に、図２（Ａ）は上述したプライマリ信号の指向特性を示し、図２（Ｂ）は上述したリファレンス信号の指向特性を示す。プライマリ信号は、整相方位に指向特性を有するビームである。一方、リファレンス信号は、整相方位に極小部を有する団子状のビームである。上述した第１乃至第４の４つの組合せ１０１〜１０４の出力を加算することにより、リファレンス信号は整相方位に極小部を有するドーナツ状のビームを近似的に形成する。このドーナツ状のビームにより整相方位とは異なる方位からの妨害信号を捕らえ、この妨害信号を上述したプライマリ信号から取り除くように動作する。
【００２４】
次に、図３を参照して本発明の第２実施形態について説明する。図３は、本発明による整相方法および装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。尚、この第２実施形態において、説明の便宜上、第１実施形態と対応する構成要素には、同様または類似の参照符号を使用する。この第２実施形態は、マトリクス状に配置された９個の受波器１１１〜１１９、これら受波器１１１〜１１９の出力側に接続された遅延器１２１〜１２９、第１加算器５３１、第２加算器５３２、第３加算器５３３、第４加算器５３４、第１平均器５４１、第２平均器５４２、第１乗算器５５１、第２乗算器５５２および適応フィルタ計算器５６０により構成されている。
【００２５】
遅延器１２１〜１２９は、整相方位によって生じる伝搬経路差に基づき受波器１１１〜１１９からの出力信号の遅延処理を行う。第１加算器５３１は、中央の受波器１１５の遅延器１２５を除く８個の遅延器１１１〜１１４および１１６〜１１９の出力信号を加算する。第１平均器５４１は、第１加算器５３１の出力信号に１／８を乗算して平均する。
【００２６】
第１乗算器５５１は、遅延器１２５の出力信号に−１を乗算する。第２加算器５３２は、第１平均器５４１および第１乗算器５５１の出力信号を加算し、リファレンス信号を出力する。適応フィルタ計算器５６０は、リファレンス信号のフィルタ処理を行う。第２乗算器５５２は、適応フィルタ計算器５６０の出力信号に−１を乗算する。第３加算器５３３は、第１加算器５３１および中央の遅延器１２５の出力信号を加算する。第２平均器５４２は、第３加算器５３３の出力信号に１／９を乗算して平均し、プライマリ信号を出力する。第４加算器５３４は、このプライマリ信号および第２乗算器５５２の出力信号を加算し、最終的なキャンセルド信号を出力する。
【００２７】
ここで、適応フィルタ計算器５６０は、リファレンス信号および１サンプル前のキャンセルド信号からＬＭＳ等の適応アルゴリズムによりフィルタ係数を毎サンプル更新する。斯かる構成によるリファレンス信号は、整相方位に極小部を有するドーナツ状の指向性を有する。従って、リファレンス信号を入力した適応フィルタ計算器５６０の出力をプライマリ信号から減算することにより、上述した第１実施形態と同等の効果を発揮する。また、第１実施形態と比較して構成が簡単になる。
【００２８】
以上、本発明による整相方法および装置の好適実施形態の構成および動作を詳述した。しかし、斯かる実施形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかな如く、本発明の整相方法および装置によると、次の如き実用上の顕著な効果が得られる。即ち、整相方位に極小部を有する指向性のリファレンス信号を形成し、プライマリ信号に含まれるリファレンス信号の成分を取り除くように適応フィルタ処理した信号をプライマリ信号から減算する。適応フィルタ計算器は、リファレンス信号および加算器の１サンプル前の出力信号からＬＭＳ等の適応アルゴリズムによりプライマリ信号に含まれるリファレンス信号の成分を取り除くようにフィルタ係数を更新する。その結果、雑音源からの妨害信号のみを計測する整相ビームを効果的に形成し、十分な雑音信号の低減が可能であり、Ｓ／Ｎ比を大幅に向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による整相方法および装置の第１実施形態の説明図である。
【図２】図１に示す本発明の第１実施形態の動作説明図であり、（Ａ）はプライマリ信号の指向性を示し、（Ｂ）はリファレンス信号の指向性を示す。
【図３】本発明による整相方法および装置の第２実施形態の説明図であり、（Ａ）は複数の受波器で構成されたアレイ、（Ｂ）はアレイの出力信号を処理する処理部のブロック図である。
【図４】一般的な従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１００アレイ
１１１〜１１９受波器
１０１〜１０４受波器の組合せ
１２１〜１２９遅延器
３５、１３１〜１３４、４３１〜４３４、５３１〜５３４加算器
４３、１４１、１４２、４４１、４４２、５４１、５４２平均器
１６０、４６０、５６０適応フィルタ計算器

Claims

ソーナー等に混入する各種雑音信号を低減してＡＮＣ（ＡｄａｐｔｉｖｅＮｏｉｓｅＣａｎｃｅｌｌｅｒ）技法によりＳ／Ｎ比を向上させる整相方法において、
整相方位に極小部を有する指向性のリファレンス信号を形成することと、プライマリ信号に含まれるリファレンス信号の成分を取り除くこととより成ることを特徴とする整相方法。
前記プライマリ信号に含まれるリファレンス信号の成分の取り除きには、ＬＭＳ（ＬｅａｓｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ）適応アルゴリズムを採用することを特徴とする請求項１に記載の整相方法。
ソーナー等に混入する各種雑音信号を低減してＡＮＣ技法によりＳ／Ｎ比を向上させる整相装置において、
中央およびその周囲に配置された複数の受波器を含むアレイと、該アレイの前記各受波器の出力信号を遅延させる複数の遅延器と、複数の加算器および適応フィルタ計算器を含む処理部とを備え、該処理部の前記適応フィルタ計算器には、前記中央の受波器の出力信号および前記周囲の受波器の出力信号の平均値の差信号が入力されることを特徴とする整相装置。
前記処理部は、前記適応フィルタ計算器の出力信号および前記アレイの全ての受波器の出力信号の平均値の差信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の整相装置。
前記処理部は、前記アレイの前記受波器を異なる方向毎に複数の組合せに分け、該組合せ毎に処理して、処理結果を加算することを特徴とする請求項３又は４に記載の整相装置。
前記アレイは、マトリクス状に配置された９個の受波器により構成されることを特徴とする請求項３、４又は５に記載の整相装置。
前記マトリクス状に配置された９個の受波器は、中央の受波器を含む縦横および斜めの４つの組合せにすることを特徴とする請求項６に記載の整相装置。