JP2008032537A

JP2008032537A - ソノブイ信号処理方式

Info

Publication number: JP2008032537A
Application number: JP2006206394A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takemura; 崇竹村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】ソノブイ信号処理において、周波数分析結果における雑音成分の周波数特性を補正しつつ、時間軸積分の積分時間を短縮し、周波数偏移の大きい信号のS/N低下を防ぐ。
【解決手段】主方向指向性ビーム形成部(3)は、DIFAR復調処理部(2)で復調されたNS，EW，OMNI信号を使用して、着目している任意の方位に指向性を向けたビームを形成し、他方位指向性ビーム形成部(4)は主方向を除く複数の他方位に指向性を向けたビームを形成する。周波数分析部(5)では、主方向ビーム及び他方向ビーム全ての周波数分析を行う。周波数成分平均化部(6)は、主方向を除く複数の他方位ビーム周波数分析結果に対して、周波数成分単位で複数の他方位ビーム間の平均処理を行う。主方位周波数成分正規化部(7)は、主方向ビームの周波数分析結果に対して、周波数成分平均化部(6)の出力を使用して、周波数成分毎の正規化を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、水中音響観測機器に関し、特に航空機から投下して、水中物体からの放射音を観測する、ソノブイ信号の処理方式の改良に関する。

従来、ソノブイを用いた水中音響による目標探知を行うソノブイ信号処理装置において、複数指向性ビームの信号処理結果をグラムデータ、即ち縦軸が時間、横軸が周波数で表される座標上に、各受信周波数のレベルを濃淡で表す表示形式データに変換して表示する技術が提案されている（特許文献１、２等参照）。

例えば特許文献２に記載のソノブイ信号処理装置では、ＤＩＦＡＲソノブイから送信された３つの信号、即ち全方位からの信号を検出するオムニ（ＯＭＮＩ）信号と南北方向に指向性を持つＮＳ信号と東西方向に指向性を持つＥＷ信号は、指向性合成処理部に入力され、指向性合成処理部において東西南北の各方位に最大感度を向けた指向性ビームが形成される。

指向性合成処理部は、ＤＩＦＡＲソノブイ出力であるＯＭＮＩ、ＮＳ、ＥＷの各信号を入力し、Ｎ方向をα＝０度としたとき、これらの３つの信号を合成して任意の方位α度に指向性を持つ指向性ビームを形成する。方位α度に指向性を持つ指向性ビームは、一般に以下の式により形成される。

α度方位の指向性ビーム＝ＯＭＮＩ信号＋ＮＳ信号×ｃｏｓα＋ＥＷ信号×ｓｉｎα

このようにして形成された各方位の指向性ビームデータは、それぞれ周波数分析処理部において周波数分析され、各方位の周波数領域データ、即ちある時間における周波数スペクトラムデータに変換される。

周波数分析された各方位のレベルデータは方位毎に雑音平均処理部に入力されて、周波数分析されたレベルデータから各方位の雑音平均レベルが計算され、該計算された雑音平均レベルで各周波数成分のレベルを除算することにより、正規化される。さらに、この正規化された各方位の周波数レベルデータの雑音変動の影響を小さくするために積分処理部に入力され、積分処理を行うことにより、ＳＮ比の小さな信号と雑音との分離を可能にしている。

特開平１０−４８３０７号公報特開２００５−３５１７２１号公報

上記従来のＤＩＦＡＲソノブイ信号処理においては、その周波数分析出力に対する周波数軸上での正規化、及び時間軸上の積分を、各方位に形成された指向性ビームにのみ着目して、各方位に形成された指向性ビーム内で処理しているので、以下のような問題点がある。

周波数分析出力に対する周波数軸上での正規化のための雑音平均レベルを、当該方位の周波数分析出力のみを用いて計算しているので、雑音頻度分布のばらつきが比較的大きくなるため、周波数軸上で正規化された出力に対して行う時間軸上の積分時間が短いとＳＮ比の小さな信号を雑音と分離することが困難となる状況が生じることがある。それを回避するためには積分時間を長くする必要があり、信号処理に時間がかかる。

また当該方位の周波数分析出力には当該方位からの信号成分も含まれているので、計算された雑音平均レベルは当該方位からの信号成分も加味された値となるため、その分ＳＮ比が低下するという問題がある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、ＤＩＦＡＲ等のソノブイ信号周波数分析結果における雑音の周波数特性を補正しつつ、積分時間を短縮して、周波数偏移の大きい目標信号に対するＳ／Ｎ低下を防ぐことを可能にする手段を提供することにある。

本発明によるソノブイ信号処理方式は、受信したソノブイの信号から指向性合成を行って互いに方位の異なる複数の指向性ビームを形成する指向性ビーム形成手段と、該指向性ビーム形成手段の出力信号を入力し、前記指向性ビーム毎に周波数分析を行って前記指向性ビーム毎の周波数分析結果を出力する周波数分析手段と、前記複数の指向性ビームの内の一つを主方位指向性ビームとして、該主方位指向性ビーム以外の全ての指向性ビームの前記周波数分析結果を、周波数成分単位で平均化する周波数成分平均化手段と、前記主方位指向性ビームの前記周波数分析結果を前記周波数成分平均化手段で平均化された周波数分析結果で正規化する主方位周波数成分正規化手段と、を備えていることを特徴としている。

また、前記主方位周波数成分正規化手段で正規化された主方位周波数成分出力を、時間軸上で積分する時間軸積分手段を備えていることを特徴としている。

本発明によるソノブイ信号処理方式の他の実施形態では、受信したソノブイの信号から指向性合成を行って互いに方位の異なる複数の指向性ビームを形成する指向性ビーム形成手段と、該指向性ビーム形成手段の出力信号を入力し、前記指向性ビーム毎に周波数分析を行って前記指向性ビーム毎の周波数分析結果を出力する周波数分析手段と、前記複数の指向性ビームの内の一つを主方位指向性ビームとして、該主方位指向性ビーム以外の指向性ビームから得られた前記周波数分析結果を用いて、それぞれ前記主方位指向性ビームの前記周波数分析結果を周波数成分単位で正規化する主方位周波数成分正規化手段と、前記主方位周波数成分正規化手段で正規化されたそれぞれの出力を、周波数成分単位で平均化する周波数成分平均化手段と、を備えていることを特徴としている。

また、前記周波数成分平均化手段で平均化された主方位周波数成分正規化出力を、時間軸上で積分する時間軸積分手段を備えていることを特徴としている。

また、前記指向性ビーム形成手段は、復調された無指向性、東西方向、および南北方向への指向性を有するＤＩＦＡＲソノブイ信号から、任意の方位に指向性を向けた前記主方位指向性ビームを形成し、該主方位指向性ビームの方位からそれぞれ９０度、１８０度、および２７０度の方位に指向性を向けた指向性ビームを前記主方位指向性ビーム以外の指向性ビームとして形成する機能を有する構成として実現できる。

本発明によれば、着目している主方位指向性ビーム周波数分析結果を正規化するための情報として、主方位指向性ビームを除く複数の他方位指向性ビーム周波数分析結果の平均値を用いているので、雑音の周波数特性をほぼ平坦に補正しつつ、雑音の各周波数成分におけるばらつきを減らすことが可能となり、周波数軸上正規化の出力に対して行う時間軸上積分における積分時間を短縮することが可能となる。よって、周波数偏移の大きい目標信号に対するＳ／Ｎ低下を防ぐことが出来る。

また、着目している主方位指向性ビーム周波数分析結果を正規化するための情報として、当該主方位指向性ビームの情報を除外しているので、当該主方位指向性ビームに含まれている信号情報が雑音の周波数特性には含まれないため、その分ＳＮ比を向上させることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態を示すソノブイ信号処理方式の機能ブロック図である。

本実施形態のソノブイ信号処理方式は、ソノブイからの電波を受信するソノブイ無線器（１）、複合化されているソノブイ信号を復調するＤＩＦＡＲ復調処理部（２）、着目している主方位に向けたビームを形成する主方位指向性ビーム形成部（３）、着目している主方位以外の互いに異なる複数の方位に向けたビームを形成する他方位指向性ビーム形成部（４）、主方向及び他方位ビームそれぞれの周波数成分を分析する周波数分析部（５）、他方位ビームに関する周波数分析結果の各周波数成分を平均する周波数成分平均化部（６）、主方位ビームの周波数分析結果に対して他方位周波数成分平均出力にて正規化を行う主方位周波数成分正規化部（７）、および主方位周波数成分正規化の出力に対して時間軸上での積分を行う時間軸積分処理部（８）にて構成されている。

図３〜図４は、本実施形態の各周波数分析部における周波数分析結果、図５は、本実施形態の主方位周波数成分正規化部の出力および雑音頻度分布の例を示しており、図６は、比較対象として従来例における主方位周波数成分正規化部の出力および雑音頻度分布の例を示している。次に、図１、図３〜図６を参照して、本実施形態の動作について説明する。

ソノブイ無線器（１）で受信したソノブイ受信信号に対して、ＤＩＦＡＲ復調処理部（２）は、南北に指向性のあるＮＳ信号，東西に指向性のあるＥＷ信号、全周方向に無指向性であるＯＭＮＩ信号の復調を行う。主方向指向性ビーム形成部（３）は、復調されたＮＳ，ＥＷ，ＯＭＮＩ信号を使用して、着目している任意の方位（方位：α度）に指向性を向けたビームを形成する。また、他方位指向性ビーム形成部（４）は、復調されたＮＳ，ＥＷ，ＯＭＮＩ信号を使用して、主方向を除く複数の他方位（方位：α＋９０度、α＋１８０度、α＋２７０度）に指向性を向けたビームを形成する。

周波数分析部（５）では、主方向ビーム及び他方向ビーム全ての周波数分析をそれぞれ行う。本実施形態の特徴要素である周波数成分平均化部（６）は、主方向を除く複数の他方位ビーム周波数分析結果に対して、周波数成分単位で複数の他方位ビーム間の平均処理を行う。また本実施形態の特徴要素である主方位周波数成分正規化部（７）は、主方向ビームの周波数分析結果に対して、周波数成分平均化部（６）の出力を使用して、周波数成分毎の正規化を行う。時間軸積分処理部（８）は、主方位周波数成分正規化部（７）の出力に対して時間軸上での積分を行う。

本実施形態によれば、着目している主方向ビームを除く全ての他方位ビーム周波数分析結果を用いて平均化された周波数分析結果を計算し、この平均化された周波数分析結果で主方位周波数成分を正規化しているので、図５に示すように、図６に示す主方向ビームの周波数分析結果を平均化した周波数分析結果で主方位周波数成分を正規化した場合と比較して、雑音の周波数特性をより平坦に補正して、雑音の各周波数成分におけるばらつきを減らすことが可能となる。

図２は、本発明の第２の実施形態を示すソノブイ信号処理方式の機能ブロック図である。

本実施形態のソノブイ信号処理方式は、ソノブイからの電波を受信するソノブイ無線器（１）、複合化されているソノブイ信号を復調するＤＩＦＡＲ復調処理部（２）、着目している主方位に向けたビームを形成する主方位指向性ビーム形成部（３）、着目している主方位以外の互いに異なる複数の方位に向けたビームを形成する他方位指向性ビーム形成部（４）、主方向及び他方位ビームそれぞれの周波数成分を分析する周波数分析部（５）を備えている点では、第１の実施形態と同様である。

本実施形態では、主方位指向性ビームの周波数分析結果に対して、各他方位ビーム周波数分析結果をそれぞれ使用して周波数成分単位での正規化を行う主方位周波数成分正規化部（９）、複数ある主方位周波数成分正規化部（９）の出力に対して平均化処理を行う周波数成分平均化部（１０）および、周波数成分平均化部（１０）出力に対して時間軸上での積分を行う時間軸積分処理部（８）を備えた点を特徴としている。

以下、図２を参照して、本実施形態の動作について説明する。

ソノブイ無線器（１）からのソノブイ受信信号に対して、ＤＩＦＡＲ復調処理部（２）は、南北に指向性のあるＮＳ信号，東西に指向性のあるＥＷ信号、全周方向に無指向性であるＯＭＮＩ信号への復調を行う。主方向指向性ビーム形成部（３）は、復調されたＮＳ，ＥＷ，ＯＭＮＩ信号を使用して、着目している任意の方位に指向性を向けたビームを形成する。また、他方位指向性ビーム形成部（４）は、復調されたＮＳ，ＥＷ，ＯＭＮＩ信号を使用して、主方向を除く複数の他方位に指向性を向けたビームを形成する。

周波数分析部（５）では、主方向ビーム及び他方向ビーム全ての周波数分析をそれぞれ行う。本実施形態の特徴要素である主方位周波数成分正規化部（９）は、主ビームの周波数分析結果に対して、他方位ビーム周波数分析結果を使用して周波数成分単位での正規化をそれぞれ行う。また本実施形態の特徴要素である周波数成分平均化部（１０）は、複数ある主方位周波数成分正規化部（９）の出力を平均化する処理を行う。時間軸積分処理部（８）は、周波数成分平均化部（１０）の出力に対して時間軸上での積分を行う。

本実施形態の構成においても第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態のブロック図である。本発明の第２の実施の形態のブロック図である。本発明による主方位指向性ビームの周波数分析結果を示すグラフである。本発明による他方位指向性ビームの周波数分析結果を示すグラフである。本発明による出力および雑音頻度分布を示すグラフである。従来方式による出力および雑音頻度分布を示すグラフである。

符号の説明

１ソノブイ無線機
２ＤＩＦＡＲ復調処理部
３主方位指向性ビーム形成部
４他方位指向性ビーム形成部
５周波数分析部
６，１０周波数成分平均化ぶ
７，９主方位周波数成分正規化部
８時間軸積分処理部

Claims

受信したソノブイの信号から指向性合成を行って互いに方位の異なる複数の指向性ビームを形成する指向性ビーム形成手段と、
該指向性ビーム形成手段の出力信号を入力し、前記指向性ビーム毎に周波数分析を行って前記指向性ビーム毎の周波数分析結果を出力する周波数分析手段と、
前記複数の指向性ビームの内の一つを主方位指向性ビームとして、該主方位指向性ビームを除く他の全ての指向性ビームの前記周波数分析結果を、周波数成分単位で平均化する周波数成分平均化手段と、
前記主方位指向性ビームの前記周波数分析結果を前記周波数成分平均化手段で平均化された周波数分析結果で正規化する主方位周波数成分正規化手段と、
を備えていることを特徴とするソノブイ信号処理方式。
前記主方位周波数成分正規化手段で正規化された主方位周波数成分出力を、時間軸上で積分する時間軸積分手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のソノブイ信号処理方式。
受信したソノブイの信号から指向性合成を行って互いに方位の異なる複数の指向性ビームを形成する指向性ビーム形成手段と、
該指向性ビーム形成手段の出力信号を入力し、前記指向性ビーム毎に周波数分析を行って前記指向性ビーム毎の周波数分析結果を出力する周波数分析手段と、
前記複数の指向性ビームの内の一つを主方位指向性ビームとして、該主方位指向性ビーム以外の指向性ビームから得られた前記周波数分析結果を用いて、それぞれ前記主方位指向性ビームの前記周波数分析結果を周波数成分単位で正規化する主方位周波数成分正規化手段と、
前記主方位周波数成分正規化手段で正規化されたそれぞれの出力を、周波数成分単位で平均化する周波数成分平均化手段と、
を備えていることを特徴とするソノブイ信号処理方式。
前記周波数成分平均化手段で平均化された主方位周波数成分正規化出力を、時間軸上で積分する時間軸積分手段を備えていることを特徴とする請求項３に記載のソノブイ信号処理方式。
前記指向性ビーム形成手段は、復調された無指向性、東西方向、および南北方向への指向性を有するＤＩＦＡＲソノブイ信号から、任意の方位に指向性を向けた前記主方位指向性ビームと、該主方位指向性ビームの方位からそれぞれ９０度、１８０度、および２７０度の方位に指向性を向けた指向性ビームを形成する機能を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のソノブイ信号処理方式。