JP2008216005A - アクティブソーナー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送信信号に周波数変調がなされた信号を用いるとともに、レプリカ相関を用いることなく受信信号に含まれるエコー信号の検出できるようにし、エコー信号の性能を向上させる。
【解決手段】周波数変調がなされる送信信号を生成して出力する送信信号生成部２と、送信信号を音波として送波する送波部４と、送波部からの音波が目標１１で反射されてなるエコーを含む音波を受波し、これを受信信号として出力する受波部５と、受信信号に含まれるエコーに対応するエコー信号を送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号に変換する信号処理部９０とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音波を送受波可能なアクティブソーナー装置に関し、特に、周波数変調がなされる音波を送波するアクティブソーナー装置に関する。

一般に、アクティブソーナー装置とは、自ら音波を発生、送波し、受信した音波を電気信号にしてこれを処理し、目標からのエコー（反射波）を用いて方位、距離を特定するものである。送波する音波は、主に、線形に周波数変調されたＬＦＭ（Ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｅｓ Ｗａｖｅ）信号からなる。
このようなアクティブソーナー装置において、受信信号からエコーに対応するエコー信号の取り出しは、送波する音波にＣＷ信号を生成した場合、フーリエ変換すれば、周波数を取り出すことができる。
一方、ＣＷ信号が残響などの雑音に弱いことから、送波する音波にＬＦＭ信号を用いることがある。

図１３に、従来のアクティブソーナー装置を示す。
同図に示すように、従来、この種のアクティブソーナー装置１ａは、送信信号を生成して出力する送信信号生成部２と、送信信号増幅部３で増幅された送信信号を音波にして送波する送波部４と、目標で反射したエコー及びその他の雑音を含む音波を受信信号として出力する受波部５と、受信信号増幅部６、帯域濾波部７、Ａ／Ｄ変換部８により増幅、濾波及びＡ／Ｄ変換された受信信号を処理する信号処理部１２とを備えている。

信号処理部１２は、ＬＦＭ信号を用いたときの受信信号は、単にフーリエ変換しても、ＣＷ信号に比較して各周波数のレベルが低く、取り出しにくいので、送信信号と同等のレプリカ信号を生成し、このレプリカ信号を用いていわゆるレプリカ相関処理を行ってエコー信号を取り出している。
レプリカ相関は、受信信号に対して時間をずらしながら受信信号と標本となる信号（レプリカ信号）との相関度を計算する信号処理方式であり、相互相関ともいわれる。信号処理部は、送信信号をレプリカ信号として、受信信号との相関度を計算している。
図１４に、レプリカ相関によるエコー信号の検出の概念図を示す。
同図に示すように、受信信号Ｇに対して時間をずらしながらレプリカ信号Ｒとの相関を求めることにより、波形が最も類似した時刻で相関度のピークｐを出現させる。そして、この最も相関の高いときに、エコーが到達した時刻ｔｅ’としている。

以上のような信号処理を行う信号処理部１２は、具体的には、図１３に示すように、受信信号のフーリエ変換手段１２１と、信号生成手段から送られる送信信号データに基づいてレプリカ信号を生成するレプリカ信号生成手段１２２と、レプリカ信号のフーリエ変換手段１２３と、受信信号及びレプリカ信号のフーリエ変換後の片方の複素共役を乗算する乗算手段１２４と、乗算手段による積を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段１２５と、受信信号からエコー信号を検出する検出手段１２６とを備えてなる。
信号処理部１２は、受信信号とレプリカ信号とを、時刻をずらしながら乗算手段１２４で積を求めていき、これを逆フーリエ変換手段１２５で逆フーリエ変換することにより、図１４に示したようなレプリカ相関を得ている。

また、従来、ＬＦＭ信号を用いたアクティブソーナー装置としては、特許文献１〜５に記載の技術が知られている。
特許文献１には、パルス幅の中間で周波数が増加から減少へ、又は、減少から増加へ反転するＬＦＭ信号からなる送信信号を音波にして送波し、受信信号に含まれたエコー信号の周波数が増加する部分及び減少する部分の双方に対するレプリカ相関を求め、この結果からエコー信号のドップラーシフトを計測する技術が記載されている。

特許文献２には、入力信号の内、ＬＦＭ受信帯域を複数に分割し、分割された各帯域の信号成分を検波し、検波信号のレベルを所定のレベルと比較して、１又は０ビット信号に変換し、そのパルス列の順序により、ドップラーシフトを検出する技術が記載されている。
特許文献３には、送信信号に対し、同一周波数だけ高い周波数及び低い周波数にシフトされた２つのレプリカ信号を利用して受信信号とレプリカ相関を行うことにより、一定時間における２つの相関結果の最大振幅幅の比からドップラーシフトを含むエコー信号を求める技術が記載されている。

特許文献４には、正のドップラーシフト、負のドップラーシフト、ドップラーシフトなしの３つのレプリカ信号と受信信号とを相関処理し、３つの相関結果を３値補間（ラグランジュ補間）することにより、目標のドップラーシフトを計測する技術が記載されている。
特許文献５には、周波数が上昇するＬＦＭ信号と、周波数が下降するＬＦＭ信号の２つのＬＦＭ信号を送波し、受波した２つの信号の時間をそろえて相関処理を行い、ドップラーシフトの影響を除去する技術が記載されている。

特開昭５９−２２５３７５号公報 特開平０３−１１５８７９号公報 特開平０３−２４２５８６号公報 特開平０７−１２０５５３号公報 特開平０８−１１４６７２号公報

しかしながら、このようなアクティブソーナー装置においては、送信信号にＬＦＭ信号を用いると、レプリカ相関はドップラー効果の影響を受けやすいので、検出性能に劣るというという問題があった。

詳しくは、図１４に示すように、レプリカ信号Ｒと受信信号Ｇの相互相関からエコー信号Ｅを検出しているので、エコー信号Ｅにドップラーシフトがないときには、比較的大きい相関度が得られる。
一方、図１５に示すように、エコー信号Ｅにドップラーシフトがあるときには、エコー信号Ｅとレプリカ信号Ｒの間に差異が生じてしまうので、相関度が小さくなる。そのため、ドップラーシフトが大きいと、エコー信号Ｅの検出が難しい。また、相関度が小さくなるので、エコー信号Ｅの雑音に対する比（Ｓ／Ｎ比）が小さい場合の検出が特に難しくなる。
また、この問題を解決する技術として、レプリカ信号を複数用いる前記の特許文献３、複数の送信信号を送信して、送信信号のうちのひとつをレプリカ信号とする特許文献５があるが、これらの装置は、構成が複雑になったり、処理負荷が増大するなどしてしまうという新たな問題が発生した。

本発明は、以上のような従来の技術が有する問題を解決するために提案されたものであり、送信信号に周波数変調がなされた信号を用いるとともに、レプリカ相関を用いることなく受信信号に含まれるエコー信号の検出できるようにし、エコー信号の性能を向上させたアクティブソーナー装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１記載のアクティブソーナー装置は、音波を送受波可能なアクティブソーナー装置であって、周波数変調がなされる送信信号を生成して出力する送信信号生成部と、前記送信信号を音波として送波する送波部と、該送波部からの音波が目標で反射されてなるエコーを含む音波を受波し、これを受信信号として出力する受波部と、前記受信信号に含まれる前記エコーに対応するエコー信号を前記送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号に変換する信号処理部とを備えてなる。

このような構成からなる本発明のアクティブソーナー装置は、信号処理部の処理により、エコー信号が送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号に変換される。これにより、エコー信号をＣＷ信号として扱うことができる。そのため、受信信号からエコー信号を容易に取り出せるようになり、検出性能を向上させることができる。
また、レプリカ相関を用いないので、この点でも、検出性能の向上が期待できる。
さらに、送信信号に周波数変調がなされた信号を送波部で音波にして送波しているので、残響などの雑音に対しても強い音波を送波できる。

また、前記信号処理部は、前記受信信号から所定時間幅分を切り出す信号切り出し手段と、切り出された受信信号を、前記送信信号の周波数変調の変化率に対応して変化するサンプリング周波数でサンプリングするとともに該サンプリングによるサンプルデータを出力するサンプリング手段と、前記サンプルデータを任意の周期で再配置して受信信号を再構成し、これを出力する再構成手段と、該再構成された受信信号の周波数スペクトルを算出しこれを出力するスペクトル算出手段とを備えてなることが好ましい。

このような構成のアクティブソーナー装置によれば、サンプリング手段で、送信信号の周波数変調の変化率に対応して変化するサンプリング周波数でサンプリングされているので、再構成手段でサンプルが再配置されると、エコー信号を送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号とすることができる。
また、切り出された受信信号に含まれるエコー信号を、帯域幅の小さい周波数変調信号にしたので、周波数スペクトルにエコー信号部分のピークが大きくあらわれる。これにより、受信信号にエコー信号以外の雑音が含まれる比率が比較的大きくても、確実にエコー信号を検出できる。

また、前記送信信号生成部は、送信信号の周波数ｆｔを、時間ｔをパラメータとする関数ｇ（ｔ）で生成し、前記受波部と前記信号処理部との間に介装され、前記受信信号を、所定のサンプリング周波数ｆｓでデジタル化するＡ／Ｄ変換部を設け、前記サンプリング手段は、切出し開始位置から時間ｔｓ後の受信信号をサンプリングする周波数ｆｓ’と、Ａ／Ｄ変換部のサンプリング周波数ｆｓとの関係が、ｇ（０）：ｆｓ＝ｇ（ｔｓ）：ｆｓ’の関係を満たすようにサンプリングすることが好ましい。
このような構成とすると、切り出された受信信号のエコー信号は、送信信号の周波数変調の変化率に対応して変化するサンプリング周波数でサンプリングされる。そのため、エコー信号は、送信信号よりも小さな帯域幅の周波数変調波信号となる。

また、前記サンプリング手段は、ｎ番目のサンプルとして、切出した受信信号の切出し開始位置から下記式（１）で求める時間ｔｓ_ｎの当該受信信号の振幅の値を取り出すことが好ましい。

式（１）において、ｎは、１以上の正の整数、ｆｓは、Ａ／Ｄ変換部でのサンプリング周波数である。
このような構成からなるアクティブソーナー装置は、エコー信号を、受信信号に含まれるエコー信号が送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号に、確実に変換することができる。

また、前記サンプリング手段は、前記Ａ／Ｄ変換部でデジタル化された受信信号を補間する補間機能を備えることが好ましい。
これにより、サンプリング手段は補間機能が、Ａ／Ｄ変換部でサンプリングされていても、ｎ番目のサンプルを取り出すときに、時間ｔｓ_ｎの前後のＡ／Ｄ変換でのサンプルを適宜補間して、時間ｔｓ_ｎに対応するサンプルを求めることができる。

また、前記関数ｇ（ｔ）が、下記式（２）で定められることが好ましい。
ｇ（ｔ）＝ｍｔ＋ｃ 式（２）
式（２）において、ｍは周波数掃引勾配、ｃは、ｍ＞０のとき送信信号の下限周波数ｆｌ、ｍ＜０のとき送信信号の上限周波数ｆｈとなる値である。
この構成によれば、送信信号生成部は、線形周波数変調信号を生成する。
これにより、送信信号が周波数が上昇するだけの簡単な波形となるので、エコー信号の波形も簡単になる。そのため、信号処理部で、複雑な処理を簡単にできる。

また、前記再構成手段は、前記式（１）から求まる周期ｔｓ_１−ｔｓ_０間隔で前記サンプルを再配置することが好ましい。
この構成によれば、切出し開始位置と、エコー信号の最初が一致するとき、その切り出された受信信号に含まれるエコー信号は、その周波数がｇ（０）とほぼ同じ値に変換される。そのため、ドップラーシフト量を容易に算出できる。

また、前記信号処理部は、前記信号切り出し手段、サンプリング手段、再構成手段、及び、スペクトル算出手段を、切出し開始位置を所定時間ずつ遅らせてループ処理せしめることが好ましい。
これにより、アクティブソーナー装置は、受信信号に含まれるエコー信号が、受信信号のどの時刻部分にあるかわからなくても、切出し開始位置が所定時間遅らされて処理され、受信信号全部を総当り的に調べるので、切り出された受信信号のいずれかに確実にエコー信号を含ませることができる。

また、前記信号処理部から出力される複数の周波数スペクトルに基づいて、前記エコー信号を検出するとともに、該検出されたエコー信号から前記エコーの到達時間及び当該エコー信号の周波数を算出する検出処理部を備えることが好ましい。
この構成のアクティブソーナー装置は、切り出された受信信号の切出し開始位置と、検出されたエコー信号の最初とが異なっていても、複数の周波数スペクトルからエコーの到達時刻及びエコー信号の周波数を、補正して出力できる。

また、前記信号処理部から出力されるエコー信号を含む受信信号から前記エコー信号を検出する検出手段を備えることが好ましい。
この構成のアクティブソーナー装置は、信号処理部で、エコー信号を送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号に変換しているので、検出手段でのエコー信号を検出するための閾値を低くでき、検出性能を向上できる。

以上のように、本発明のアクティブソーナー装置によれば、信号処理部を設けたので、エコー信号が送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号に変換され、エコー信号をＣＷ信号として扱うことができる。そのため、受信信号からエコー信号を容易に取り出せるようになり、検出性能を向上させることができる。
また、レプリカ相関を用いないので、この点でも、検出性能の向上が期待できる。
さらに、送信信号に周波数変調がなされた信号を送波部で音波にして送波しているので、残響などの雑音に強くできる。

以下、本発明に係るアクティブソーナー装置１の好ましい実施形態について説明する。
なお、従来のアクティブソーナー装置と同様のものには、同一の符号を付している。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るアクティブソーナー装置１は、音波を送受波可能なアクティブソーナー装置１であって、周波数変調がなされる送信信号を生成して出力する送信信号生成部２と、送信信号を音波として送波する送波部４と、送波部４からの音波が目標で反射されてなるエコーを含む音波を受波し、これを受信信号として出力する受波部５と、受信信号に含まれるエコーに対応するエコー信号を送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号に変換する信号処理部９０とを備えてなる。

送信信号生成部２は、図２（ａ）に示すように、いわゆるＦＭ信号である送信信号Ｆを、送信時間幅Ｈｔ［ｓｅｃ］分だけ生成する。本実施形態においては、送信信号生成部２は、送信信号Ｆの周波数ｆｔを、信号生成開始時刻からの時間ｔをパラメータとする関数ｇ（ｔ）で生成する。
なお、関数ｇ（ｔ）は、少なくとも、０≦ｔ＜Ｈｔの範囲内において、ｇ（ｔ）＞０の関係を満たす関数である。

関数ｇ（ｔ）は、例えば、下記の式（２）としている。
周波数ｆｔ＝ｇ（ｔ）＝ｍ・ｔ＋ｃ 式（２）
ここで、式（２）において、ｍは周波数掃引勾配、ｃは、ｍ＞０のとき送信信号Ｆの下限周波数ｆｌ、ｍ＜０のとき送信信号Ｆの上限周波数ｆｈとなる値である。
なお、周波数掃引勾配ｍは、送信信号Ｆの帯域幅ｆｂｗ［Ｈｚ］（送信信号Ｆの上限周波数ｆｈから送信信号Ｆの下限周波数ｆｌを減算した値）を送信信号Ｆの送信時間幅Ｈｔ［ｓｅｃ］で割った値（ｍ＝ｆｂｗ／Ｈｔ）である。
本実施形態においては、ｍ＞０，ｃ＝ｆｌとしている。この関数ｇ（ｔ）で生成される信号は、ＦＭ信号の中でもＬＦＭ信号（線形周波数変調波信号）と言われるものとなる。

また、送信信号生成部２で生成される送信信号Ｆは、送信信号増幅部３で増幅されるとともに送波部４で音波に変換され、目標方向に送波される。
この送波部４には、既存の送波器を用いてもよい。
送波部４で送られた音波は、目標に当たって反射してエコー（反射波）となる。

受波部５は、エコー及び残響などからなる音波をほぼ常時受信している。そして、受波部５は、受波した音波を受信信号Ｇに変換して出力する。この受波部５には、既存の受波器を用いてもよい。また、本実施形態では、受波部５は、送波部４とほぼ同じ位置に設けられている。

受波部５からの受信信号Ｇは、受信信号増幅部６で増幅され、帯域濾波部７で受信信号の帯域幅を小さくされる。
帯域濾波部７は、受信信号Ｇからエコー信号Ｅが含まれうる必要な周波数帯域を取り出すために設けられている。
また、受信信号Ｇは、帯域濾波部７と信号処理部９０の間に介装されたＡ／Ｄ変換部８により、信号処理部９０による処理の前に、予め、所定のサンプリング周波数ｆｓでデジタル化される。
サンプリング周波数ｆｓは、いわゆるサンプリング定理により、少なくとも、送信信号Ｆの上限周波数ｆｈの２倍よりも大きな値でなければならない（ｆｓ＞２・ｆｈ）。
本実施形態では、なお、サンプリング周波数ｆｓは、信号処理部９０での処理の際に、スプリアスの発生を小さくするために、大きな値とすることが望ましい。本実施形態では、サンプリング周波数ｆｓは、送信信号Ｆの中心周波数の２０倍（ｆｓ＝２０・ｆｃ）に設定されている。

信号処理部９０は、受信信号Ｇから所定時間幅分を切り出す信号切り出し手段９１と、切り出された受信信号Ｇを、送信信号Ｆの周波数変調の変化率に対応して変化するサンプリング周波数でサンプリングするとともにサンプリングによるサンプルデータを出力するサンプリング手段９２と、サンプルデータを任意の周期で再配置して受信信号Ｇを再構成し、これを出力する再構成手段９３と、再構成された後の受信信号Ｇの周波数スペクトルを算出しこれを出力するスペクトル算出手段９４とを備えてなる。

信号切り出し手段９１は、予め、設定された時間幅Ｈｓ分をデジタル化された受信信号Ｇから切出し、受信信号セルＣ１〜Ｃ３として出力するものである。時間幅Ｈｓは、少なくとも、送信時間幅Ｈｔ以上であり（Ｈｔ≦Ｈｓ）、かつ、０≦ｔ≦Ｈｓにおいて、ｇ（ｔ）＞０となるような値が定められる。
本実施形態においては、時間幅Ｈｓは、送信時間幅Ｈｔの２倍（Ｈｓ＝２・Ｈｔ）に設定されている。

サンプリング手段９２には、送信信号生成部２から、中心周波数ｆｃ、帯域幅ｆｂｗ、送信時間幅Ｈｔ、信号の種類（ＬＦＭ信号であれば、例えば、周波数上昇（ＵＰ）または降下（ＤＯＷＮ））などの送信信号のデータが送られている。サンプリング手段９２は、送信信号生成部２から送られた送信信号のデータから、予め、関数ｇ（ｔ）を導き出している。

そして、このサンプリング手段９２は、切出し開始位置から時間ｔｓ後の受信信号セルをサンプリングする周波数ｆｓ’と、Ａ／Ｄ変換部のサンプリング周波数ｆｓとの関係が、ｇ（０）：ｆｓ＝ｇ（ｔｓ）：ｆｓ’の関係を満たすようにサンプリングし、このサンプリングにより求められたサンプルデータを出力している。
図３（ａ）に示すように、上記の関係から、サンプリング手段９２の周波数ｆｓ’＝ｆｓ・ｇ（ｔ）／ｇ（０）となるように定められており、ｎ番目とｎ−１番目の間の周期Ｔｓ_ｎがＴｓ_ｎ＝１／ｆｓ’となる。

すなわち、サンプリング手段９２は、受信信号セルの切出し開始位置を、ｔｓ_０＝０とし、ｎ番目のサンプル（Ｓｎ）として、ｔｓ_０から式（１）で求める時間ｔｓ_ｎ後の受信信号Ｇの振幅の値を取り出すものである。

式（１）において、ｎは、１以上の正の整数、ｆｓは、Ａ／Ｄ変換部でのサンプリング周波数である。

この式（１）に、上記式（２）を代入すると、

となる。
そして、サンプリング手段９２は、ｔｓ_ｎがＨｓよりも大きくなり（ｔｓ_ｎ＞Ｈｓ）、サンプリングができなくなるまでサンプリングを行う。

また、サンプリング手段９２は、デジタル化された受信信号Ｇを補間する補間機能を備えている。この補間機能は、受信信号Ｇが、Ａ／Ｄ変換部ですでに一度、サンプリング及び量子化されており、Ａ／Ｄ変換部のサンプリングのサンプルの間の値をサンプリング手段９２でサンプリングするときに機能するものである。補間機能としては、例えば、線形補間、二次関数による補間、ラグランジュ補間、スプライン補間など種々の方法がある。
本実施形態では、図４に示すように、サンプリング手段９２の補間機能は、線形補間によって行われるものであり、ｔｓ_ｎの値が、サンプルの間にあるときには、ｔｓ_ｎの前後にあるＡ／Ｄ変換によるサンプルＳａ，Ｓａの双方を通る直線上においてｔｓ_ｎに対応する点をサンプルＳｎとして取り出している。

図３（ｂ）に示すように、再構成手段９３は、ｔｓ_１−ｔｓ_０（＝Ｔｓ_１）間隔でサンプリング手段９２からのサンプルデータの各サンプル（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２・・・Ｓｎ−１，Ｓｎ，Ｓｎ＋１・・・）を再配置して、受信信号セルを再構成している。本実施形態では、ｔｓ_０＝０であり、ｔｓ_１＝１／ｆｓなので、サンプリング周波数の周期（１／ｆｓ）で再配置する。
スペクトル算出手段９４は、再構成された受信信号セルをフーリエ変換し、受信信号セルの周波数成分の周波数スペクトルを算出している。

また、信号処理部９０は、信号切り出し手段９１、サンプリング手段９２、再構成手段９３、及び、スペクトル算出手段９４を、切出し開始位置を所定時間ずつ遅らせてループ処理している。
切出し開始位置を遅延させる遅延時間Ｔｃは、切出し幅Ｈｓとの関係がＴｃ≦Ｈｓに設定される。本実施形態においては、Ｔｃ＝Ｈｓ／２に設定される。

検出処理部９５は、図１及び図２（ｃ），（ｄ）に示すように、フーリエ変換により得られた周波数スペクトルからエコー信号Ｅを検出する検出手段９６と、得られたエコー信号Ｅの検出結果からエコーを受波した時刻の算出を行うエコー到達時刻算出手段９７と、得られたエコー信号Ｅの検出結果の周波数からドップラーシフト量の算出をおこなうエコー信号周波数算出手段９８と、を備えてなる。

図５に示すように、検出手段９６は、スペクトル算出手段９４から出力された周波数スペクトルごとに、設定した閾値ｋを越えるレベルの周波数成分を、エコー信号Ｅの周波数成分として検出し、閾値ｋ以下の周波数成分を切り捨てる。
そして、検出結果（Ｐ１’〜Ｐ３’）を切出し開始位置が時刻順になるように列設してスペクトログラムとする。
図２（ｃ）に示すように、このスペクトログラムは、例えば、時間、周波数及び各周波数のレベルからなる三次元のデータである。また、このスペクトログラムは、例えば、ＣＲＴなどのディスプレイモニタに出力表示される。このとき、スペクトログラムは、横軸に時間、縦軸に周波数、輝度又は色彩（実施形態では輝度）で周波数のレベルで表されるグラフにより表示される。

このスペクトログラムには、遅延時間Ｔｃと時間幅Ｈｓの関係が、Ｔｃ≦Ｈｓなので、複数の受信信号セルにエコー信号Ｅが含まれる。そのため、スペクトログラムにおいて、複数の周波数スペクトルに含まれる。あらわれるエコー信号Ｅの検出結果の個数は、時間幅Ｈｓと遅延時間Ｔｃによって変化する。
本実施形態では、時間幅Ｈｓを送信時間幅Ｈｔの２倍、遅延時間Ｔｃを時間幅Ｈｓの１／２としているので、エコー信号Ｅの検出結果が２〜３個（図は３個の場合を示している）あらわれる。

エコー到達時刻算出手段９７は、スペクトログラムに基づいて、検出された複数のエコー信号Ｅを補間して実際にエコーが到達した時刻を算出する。
この補間についての概念を、エコー信号Ｅの検出結果Ｐ１’〜Ｐ３’が３個あらわれる場合で説明する。この場合、検出した周波数のレベルを切出し幅分の時間平均と考え、各周波数スペクトルの周波数成分のレベルの最大値Ｍ１〜Ｍ３を、遅延時間Ｔｃの中央のレベルとする。
そして、これらの周波数成分のレベルの最大値が異なる（Ｍ２＞Ｍ１，Ｍ３）ときは、閾値ｋを越えた複数のエコー信号Ｅのレベルを補間し、時刻−周波数レベルのエコー到達時刻補正グラフを作成し、これに補間曲線Ｌ１を描く、補間曲線Ｌ１の頂点Ｌｍの時刻を、エコーが到達した時刻（ｔｅ’）として算出する。

また、図６（ｃ）に示すように、周波数成分のレベルの最大値のうち、中間（Ｍ２）とこれの前方（Ｍ１）の値がほぼ同値である（Ｍ１≒Ｍ２＞Ｍ３）ときは、中間（Ｍ２）側の周波数スペクトルに対応する受信信号セルの切出し開始位置の時刻をエコーが到達した時刻（ｔｅ’）として算出する。

エコー信号周波数算出手段９８は、図２（ｃ）及び図５（ｂ）に示すように、スペクトログラムを用い、各受信信号セルＣ１〜Ｃ３の最大レベルの周波数成分であって、各受信信号セルＣ１〜Ｃ３の切出し開始位置を通る補間線Ｌ２上において、エコー信号Ｅが到達した時刻に対応する点の周波数ｆｅ’を、エコー信号Ｅの周波数として算出する。このエコー信号Ｅの周波数ｆｅ’と、送信信号Ｆの周波数の下限周波数ｆｌとの差がドップラーシフト量となり、これを出力する。
また、算出したエコーが到達した時刻、及び、ドップラーシフト量から、目標までの距離と、目標の移動速度とを算出する算出部（図示せず）が設けられている。

次に、以上のような構成からなる本実施形態のアクティブソーナー装置１の動作（作用）を説明する。
以下、アクティブソーナー装置１の作用を説明する。
図１，図２及び図６に示すように、送信信号生成部２は、上記の関数ｇ（ｔ）に従って、時間とともに周波数ｆｔが高くなるいわゆるＬＦＭ信号を、送信信号Ｆとして生成する（図２（ａ），図６（ａ））。
この送信信号Ｆは、送波部４から音波として送波できるように、送信信号増幅部３で、電力増幅され、送波部４に入力される。
そして、送波部４は、増幅された送信信号Ｆが入力されると、送信信号Ｆを音波として水中に送波する。
水中に送波された音波は、目標で反射してその一部がエコーとなる。

次に、受波部５は、エコーを含む音波を常時受波し、電気信号である受信信号Ｇに変換し、これを出力する。
受波部５から出力された受信信号Ｇは、受信信号増幅部６に入力されて、微弱信号の増幅がなされ、帯域濾波部７に出力される。
帯域濾波部７では、エコー信号Ｅがドップラーシフトした場合を考慮し、この周波数が含まれるように、受信信号Ｇから所望の帯域部分を取り出され、これをＡ／Ｄ変換部に出力する（図６（ｂ））。
次に、Ａ／Ｄ変換部では、サンプリング周波数ｆｓでサンプリングし、アナログ信号をデジタル信号に変換し、これを信号処理部９０に出力する。

信号処理部９０に入力された受信信号Ｇは、図７に示すフローチャートに従って処理される。
信号処理部９０に入力された受信信号Ｇは、まず、信号切り出し手段９１で、受信信号Ｇを切出して受信信号セル（図６ではＣ２の処理の場合を示している）、サンプリング手段９２に出力する（Ｃｈ１−１，図６（ｄ））。

図３（ａ）に示すように、サンプリング手段９２で、まず、受信信号Ｇの切出し開始位置をｔｓ_０＝０とし、サンプリングしてサンプルを取り出す（Ｃｈ１−２）。
次に、１番目のサンプリングは、上記式（１）のｇ（ｔ）にｔ＝０を代入し（Ｃｈ１−３）、ｔｓ_１＝１／ｆｓとなり、このときの振幅の値を、サンプリングしてサンプルを取り出す（Ｃｈ１−５）。
２番目のサンプリングは、式（１）のｇ（ｔ）のｔにｔｓ_１（＝１／ｆｓ）を代入し（Ｃｈ１−３）、ｔｓ_２＝１／ｆｓ＋ｆｌ／（（ｔｓ_１）×ｆｓ））となり、このときの振幅の値を、サンプリングしてサンプルを取り出す（Ｃｈ１−５）。
このようにして、３番目以降のサンプリングにおいても、順次ｔｓ_ｎを求めてサンプリングしてサンプルＳｎを取り出していく。そして、Ｈｓ＜ｔｓ_ｎとなるまで、上記の処理を続ける（Ｃｈ１−４Ｎ）。
このようにして、取り出されたサンプル（Ｓ０，Ｓ１・・・Ｓｎ−１，Ｓｎ，Ｓｎ＋１・・・）の集合は、サンプルデータとして、再構成手段９３に出力される（Ｃｈ１−４Ｙ，Ｃｈ１−６）。

この際、図４に示すように、Ａ／Ｄ変換部で、予め、サンプリング周波数ｆｓでサンプリングされてはいるが、サンプリング手段９２は補間機能を備えているので、ｎ番目のサンプルを取り出すときに、ｔｓ_ｎ［ｓｅｃ］の前後のＡ／Ｄ変換でのサンプルＳａから、線形補間して、ｔｓ_ｎ［ｓｅｃ］に対応するサンプルＳｎを求めることができる（Ｃｈ１−５）。

図３（ｂ）及び図６（ｆ）に示すように、再構成手段９３は、サンプリング手段９２からのサンプルデータの入力があると、サンプルデータの各サンプルを、Ｔｓ周期で再配置して受信信号セルを再構成する（Ｃｈ１−７）。
次に、図６（ｇ）に示すように、スペクトル算出手段９４は、再構成された受信信号セルＣ２’が入力されると、この受信信号セルＣ２’の受信信号Ｇをフーリエ変換し、周波数スペクトルＰ１〜Ｐ３を算出する（Ｃｈ１−８）。

この際、サンプリング手段９２で、ｇ（０）：ｆｓ＝ｇ（ｔｓ）：ｆｓ’の関係を満たすようにサンプリングされていることから、サンプリング手段９２及び再構成手段９３で処理されたあとのエコー信号Ｅは、送信信号Ｆよりも小さな帯域幅を持った送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号となる。
そのため、スペクトル算出手段９４においては、帯域幅が小さくなったエコー信号Ｅがフーリエ変換されて、周波数スペクトルＰ１〜Ｐ３の算出がなされる。
そして、スペクトル算出手段９４で算出された周波数スペクトルＰ１〜Ｐ３は、検出処理部９５の検出手段９６に出力される（Ｃｈ１−９）。

この信号処理部９０での処理は、上記の切出し開始位置が、Ｔｃだけ遅らせられて、次の処理が行なわれる（Ｃｈ１−１０）。
これにより、受信信号Ｇに含まれるエコー信号Ｅが、受信信号Ｇのどの時刻部分にあるかわからなくても、切出し開始位置が遅らされて処理され、受信信号Ｇ全部を総当り的に調べるので、受信信号セルのいずれかに確実にエコー信号Ｅを含ませることができる。

次に、検出処理部９５では、受信信号Ｇに対し、以下のような処理が行われる。
図２（ｃ）及び図６（ｈ）に示すように、検出手段９６において、スペクトル算出手段からの周波数スペクトルＰ１〜Ｐ３の入力があると、周波数スペクトルＰ１〜Ｐ３から設定した閾値を越えるレベルの周波数成分を選別する。
この際、再構成された後の受信信号セルＣ１〜Ｃ３（Ｃ２’）のエコー信号Ｅは、送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号にされており、これをフーリエ変換すると、周波数スペクトルＰ１〜Ｐ３にエコー信号Ｅ部分のピークが顕著にあらわれる。これにより、受信信号Ｇにエコー信号Ｅ以外の雑音が含まれる比率が比較的大きくても、エコー信号Ｅを確実に検出できる。
そして、図６（ｉ）に示すように、検出手段９６は、周波数スペクトルＰ１〜Ｐ３において、選別した結果（Ｐ１’〜Ｐ３’）を、切出し開始位置順に並べ、スペクトログラムとする。

このスペクトログラムにおいて、所定レベル以上の周波数成分が含まれている周波数スペクトルＰ１’，Ｐ２’，Ｐ３’が連続するとき、以下の処理を行う。
図２（ｄ）及び図６（ｊ）に示すように、エコー到達時刻算出手段９７において、遅延時間幅の中央に、周波数スペクトル中の最大の周波数レベルの値をプロットし（本実施形態ではＭ１〜Ｍ３の３個）、時刻−周波数レベルのグラフを作成する。次に、これらのプロットされた点Ｍ１〜Ｍ３から補間曲線Ｌ１を形成し、補間曲線Ｌ１の頂点Ｌｍの時刻を、エコーが到達した時刻ｔｅ’として算出する。

また、図５（ｃ）に示すように、周波数成分のレベルの最大値のうちいずれか二つがほぼ同値である（Ｍ１≒Ｍ２＞Ｍ３）ときは、後ろ側の周波数スペクトルに対応する受信信号セルの切出し開始位置の時刻を、エコーが到達した時刻ｔｅ’として算出する。
次に、エコー信号周波数算出手段９８において、検出された複数のエコー信号Ｅの検出結果の周波数から補間線Ｌ２を求め、エコー到達時刻算出手段９７で求めたエコー到達時刻ｔｅ’に対応する周波数ｆｅ’を補間線Ｌ２から算出する。

そして、送信信号Ｆを音波にして送波した時刻（ｔ０）と、このエコーが到達した時刻（ｔｅ’）と、音速とから目標までの距離を算出する。
また、このエコー信号Ｅの周波数ｆｅ’と、送信信号Ｆの周波数の下限周波数ｆｌとの差から、ドップラーシフト量を算出する。そして、このドップラーシフト量から目標の移動速度を算出する。

すなわち、上記のような構成のアクティブソーナー装置１によれば、ＬＦＭ信号を用いているので、残響などの雑音に対し強くなる。
また、サンプリング手段９２及び再構成手段９３で処理された後のエコー信号Ｅは、帯域幅が小さくなっており、ほとんど周波数変調のない信号となり、擬似的なＣＷ信号とすることができる。そのため、受信信号Ｇを、単にフーリエ変換するだけで、エコー信号の周波数成分を求めることができ、周波数のピークも容易に検出できる。これにより、検出性能を向上させることができる。

また、送信信号ＦとしてＬＦＭ信号を用いるので、波形が簡単であり、信号処理部９０でサンプリング手段９２及び再構成手段９３で受信信号Ｇに処理することにより、エコー信号Ｅを、確実に、送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号に変換することができる。また、サンプリング部でのサンプリングが簡単になり、この点でも、エコー信号Ｅを、確実に、送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号に変換することができる。

本実施形態において、中心周波数ｆｃ＝１０００［Ｈｚ］，帯域幅ｆｂｗ＝５０［Ｈｚ］，送信時間幅Ｈｔ＝０．１［ｓｅｃ］、ｍ＝５００［Ｈｚ／ｓｅｃ］、時間幅Ｈｓ＝０．２［ｓｅｃ］、サンプリング周波数ｆｓ＝２０ｋ［Ｈｚ］、遅延時間Ｔｃ＝０．１［ｓｅｃ］としたときについての具体的な説明をする。

アクティブソーナー装置１の受波部５及び目標がどちらも停止している場合、ドップラーシフトが生じないので、送信信号Ｆの下限周波数ｆｌと、上限周波数ｆｈの両方ともそのままで、かつ、エコー信号の最初から終わりまでの時間幅が送信時間幅Ｈｔとかわらない状態のエコーが受波部５で受波される。
この場合、エコー信号Ｅの含まれた受信信号セルＣ１〜Ｃ３は、信号処理部９０において、以下のように処理される。

サンプリング周期ｔｓは、上記式（３）に代入すると、
ｔｓ_０＝０
ｔｓ_１＝１／２００００
ｔｓ_２＝１／２００００＋９７５／（９７５．０２５×２００００）
・・・
となる。そして、周期ｔｓ_１＝１／２００００［ｓｅｃ］で再配置する。
このようにサンプリングされたエコー信号Ｅは、再配置されると、次のような周波数のエコー信号Ｅに変換される。

図９には、この場合のスペクトログラム及びエコー時刻補正グラフを合わせたグラフ図の例を示している。
図９（ａ）には、受信信号セルのうち、Ｃ１，Ｃ２及びＣ３の３つの受信信号セルでエコー信号Ｅの検出があった場合であって、受信信号セルＣ１では、受信信号セルＣ１の切出し開始位置から０．１４［ｓｅｃ］後にエコー信号Ｅの最初があり、受信信号セルＣ２では、受信信号セルＣ２の切出し開始位置から０．０４［ｓｅｃ］後にエコー信号Ｅの最初があり、受信信号セルＣ３では、受信信号セルＣ３の切出し開始位置がエコー信号Ｅの途中にある場合を示している。

受信信号セルＣ１において、エコー信号Ｅの最初が、切出し開始位置（＝ｔｓ_０＝０）から０．１４ｓｅｃだけ後ろ側に位置しているのだから、エコー信号Ｅの下限周波数ｆｌ１’は、切出し開始位置から時刻０．１４ｓｅｃのときのサンプリング周波数で決められる。
また、受信信号セルＣ１の切出し終了位置は、エコー信号Ｅの途中に位置することから、この時のエコー信号Ｅの周波数ｆｈ１’は、送信信号の送信開始から０．０６［ｓｅｃ］後の周波数ｆｔ＝ｇ（０．０６）であって、切出し開始位置から時刻０．２０ｓｅｃのときのサンプリング周波数で決められる。

したがって、エコー信号Ｅの最初でのサンプリング周波数ｆｓ’は、ｇ（０）：２０ｋＨｚ＝ｇ（０．１４）：ｆｓ’を満たすように決められており、ｆｌ１’＝９７５×９７５／（９７５＋０．１４×５００）≒９０９．７Ｈｚとなる。また、切出し終了位置でのエコー信号Ｅのサンプリング周波数ｆｓ’は、ｇ（０）：２０ｋ＝ｇ（０．２０）：ｆｓ’を満たすので、ｆｈ’＝１００５×９７５／（９７５＋０．２０×５００）≒９１１．５Ｈｚとなる。サンプリング手段９２及び再構成手段９３で処理されたあと受信信号セルＣ１において、エコー信号Ｅは、９０９．７Ｈｚ〜９１１．５Ｈｚというわずかな帯域幅を持った、ＣＷ信号とほとんど同等の信号となる。

受信信号セルＣ２において、エコー信号Ｅの最初が、切出し開始位置（＝ｔｓ_０＝０）から０．０４ｓｅｃだけ後ろ側に位置し、エコー信号Ｅの最後が、切出し開始位置から０．１４ｓｅｃだけ後ろ側に位置している。
そのため、上記と同様に、エコー信号Ｅの下限周波数ｆｌ２’は、切出し開始位置から時刻０．０４ｓｅｃのときのサンプリング周波数で決められる。また、エコー信号Ｅの上限周波数ｆｈ２’は、切出し開始位置から時刻０．２０ｓｅｃのときのサンプリング周波数で決められる。
したがって、ｆｌ２’＝９７５×９７５／（９７５＋０．０４×５００）≒９５５．４Ｈｚ、ｆｈ２’＝１０２５×９７５／（９７５＋０．１４×５００）≒９５６．３Ｈｚとなる。そのため、サンプリング手段９２及び再構成手段９３で処理されると、受信信号セルＣ２において、エコー信号Ｅは、９５５．４Ｈｚ〜９５６．３Ｈｚというわずかな帯域幅を持った、ＣＷ信号とほとんど同等の信号となる。

受信信号セルＣ３において、エコー信号Ｅの最初から０．０６ｓｅｃが、切出し開始位置（＝ｔｓ_０＝０）に位置し、エコー信号Ｅの最後が、切出し開始位置から０．０４ｓｅｃだけ後ろ側に位置している。そのため、上記と同様に、エコー信号Ｅの上限周波数ｆｌ３’は、送信信号の送信開始から０．０６［ｓｅｃ］後の周波数ｆｔ＝ｇ（０．０６）であって、切出し開始位置でのサンプリング周波数で決められる。また、エコー信号Ｅの終端の上限周波数ｆｈ３’は、切出し開始位置から時刻０．０４ｓｅｃのときのサンプリング周波数で決められる。
したがって、ｆｌ３’＝１００５×９７５／（９７５＋０×５００）＝１００５．０Ｈｚ、ｆｈ３’＝１０２５×９７５／（９７５＋０．０４×５００）≒１００４．４Ｈｚとなる。そのため、サンプリング手段９２及び再構成手段９３で処理されると、受信信号セルＣ３において、エコー信号Ｅは、１００４．４Ｈｚ〜１００５．０Ｈｚというわずかな帯域幅を持った、ＣＷ信号とほとんど同等の信号となる。

この場合、エコー信号Ｅの最初と、受信信号Ｇの切出し開始位置が一致しない受信信号セルがあるときであり、エコー信号Ｅ全部を含む受信信号セルが三つのうち一つ（Ｃ２）しかないので、これらの周波数成分のレベルの最大値が異なるようになる。そのため、補間曲線Ｌ１の頂点Ｌｍの時刻を、エコーが到達した時刻として算出する。また、この場合、Ｃ１には、エコー信号Ｅの６／１０が含まれ、Ｃ２には、エコー信号Ｅの全部が含まれ、Ｃ３には、エコー信号Ｅの４／１０が含まれているのだから、各受信信号セル（Ｃ１〜Ｃ３）の周波数成分のレベルの最大値を、仮に、Ｃ１：Ｃ２：Ｃ３＝６：１０：４とする。

また、Ｃ１の切出し開始位置の時刻を０［ｓｅｃ］とし、０．５［ｓｅｃ］のとき０．６に（Ｍ１）、１．５［ｓｅｃ］のとき１に（Ｍ２）、２．５［ｓｅｃ］のとき０．４に（Ｍ３）、それぞれ点をプロットし、これをスプライン曲線（Ｌ１）で補間すると、約０．１４５［ｓｅｃ］（ｔｅ’）に頂点（Ｌｍ）がくる。
そのため、上記したように、実際のエコー信号Ｅの到達時刻とほとんど同じ値を取り出すことができる。また、この時の周波数は、補間線Ｌ２により、約９７７．４Ｈｚとなり、これについても、ほとんど同じ値を取り出すことができる。なお、補間線Ｌ２は、点ｑ１（０［ｓｅｃ］，９１０．６［Ｈｚ］）、点ｑ２（１．０［ｓｅｃ］，９５５．９［Ｈｚ］）、点ｑ３（２．０［ｓｅｃ］，１００４．７［Ｈｚ］）を通るスプライン曲線である。これらの点は、ｙ値に、エコー信号Ｅの下限周波数と上限周波数の和を２で除算した値を用いている。

図９（ｂ）には、信号切り出し手段９１において、受信信号セルＣ１では、受信信号セルＣ１の切出し開始位置から０．１［ｓｅｃ］後にエコー信号Ｅの最初があり、受信信号セルＣ２では、受信信号セルＣ２の切出し開始位置とエコー信号Ｅの最初が一致している場合を示している。

上記と同様にして、各受信信号セルＣ１〜Ｃ３のエコー信号Ｅの下限周波数及び上限周波数を計算すると、受信信号セルＣ１において、ｆｌ１’＝９７５×９７５／（９７５＋０．１０×５００）≒９２７．４Ｈｚ、ｆｈ１’＝１０２５×９７５／（９７５＋０．２０×５００）≒９２９．７Ｈｚとなる。受信信号セルＣ２において、ｆｌ２’＝９７５×９７５／（９７５＋０．００×５００）＝９７５Ｈｚ、ｆｈ２’＝１０２５×９７５／（９７５＋０．１０×５００）＝９７５Ｈｚとなる。受信信号セルＣ３には、エコー信号Ｅが含まれない。

また、エコー信号Ｅ全部を含む受信信号セルが三つ（Ｃ１〜Ｃ３）のうち二つ（Ｃ１，Ｃ２）あるので、これらの周波数成分のレベルの最大値がほとんど同じ値になる。そのため、後ろ側の周波数スペクトルに対応する受信信号セルＣ２の切出し開始位置の時刻をエコーが到達した時刻（ｔｅ’）として算出する。この位置は、上記の通り実際のエコー信号Ｅの到達時刻である。また、この時の周波数は、上記と同様にして求めた点ｑ２（１．０［ｓｅｃ］，９８８．３［Ｈｚ］）により、９７５Ｈｚとなる。そのため、実際のエコー信号Ｅの到達時刻と、周波数を取り出すことができる。

次に、上記と同様の条件であるが、アクティブソーナー装置１の観測点である送波部４及び受波部５が停止し、目標が２０ｍ／ｓで近づいている場合について説明する。

この場合、上記と異なり、受波部５で受波されたエコーは、アクティブソーナー装置１の受波部５と、目標とが相対的に移動し、近づいているので、ドップラーシフトが生じる。ここで、ドップラーシフトをうけたエコー信号Ｅの周波数ｆ’は、下記式（４）により求まる。
ｆ’＝（Ｖｓ−Ｖｐ）・ｆｔ／（Ｖｓ−Ｖｏ） 式（４）
式（４）において、Ｖｓは音速、Ｖｐはアクティブソーナー装置１の移動速度、Ｖｏは目標の移動速度である。
そのため、エコーの各周波数成分が、ｆ’＝ｇ（ｔ）・（１５２０／１５００）となる。このうちの一部としては、例えば、エコー（エコー信号Ｅ）の下限周波数ｆｌ’＝９８８Ｈｚ，上限周波数ｆｈ’≒１０３８．７Ｈｚとなる。また、送信時間幅Ｈｔも０．１ｓｅｃから０．１×（１５００／１５２０）＝０．０９８７ｓｅｃと短くなる。

このドップラーシフトしたエコー信号Ｅを含む受信信号Ｇについても上記と同様にして信号処理部９０の処理が行われる。
図１０には、この場合のスペクトログラム及びエコー時刻補正グラフを合わせたグラフ図の例を示している。
図１０（ａ）には、例えば、上記と同様に、３つの受信信号セルＣ１〜Ｃ３でエコー信号Ｅの検出があった場合であって、受信信号セルＣ１では、受信信号セルＣ１の切出し開始位置から０．１４［ｓｅｃ］後にエコー信号Ｅの最初があり、受信信号セルＣ２では、受信信号セルＣ２の切出し開始位置から０．０４［ｓｅｃ］後にエコー信号Ｅの最初があり、受信信号セルＣ３では、受信信号セルＣ３の切出し開始位置がエコー信号Ｅの最初から０．０６［ｓｅｃ］後にある場合を示している。

受信信号セルＣ１において、エコー信号Ｅの最初でのサンプリング周波数ｆｓ’は、ｇ（０）：２０ｋＨｚ＝ｇ（０．１４）：ｆｓ’を満たすように決められており、ｆｌ１’＝９８８×９７５／（９７５＋０．１４×５００）≒９２１．８Ｈｚとなる。また、切出し終了位置でのエコー信号Ｅのサンプリング周波数ｆｓ’は、ｇ（０）：２０ｋ＝ｇ（０．２０）：ｆｓ’を満たすので、ｆｈ１’＝１０１８．４×９７５／（９７５＋０．２０×５００）≒９２３．７Ｈｚとなる。サンプリング手段９２及び再構成手段９３で処理されたあと受信信号セルＣ１において、エコー信号Ｅは、９２１．８Ｈｚ〜９２３．７Ｈｚというわずかな帯域幅を持った、ＣＷ信号とほとんど同等の信号となる。

受信信号セルＣ２において、エコー信号Ｅの最初が、切出し開始位置（＝ｔｓ_０＝０）から０．０４ｓｅｃだけ後ろ側に位置し、エコー信号Ｅの最後が、切出し開始位置から０．１３９８６８４ｓｅｃだけ後ろ側に位置している。そのため、上記と同様に、エコー信号Ｅの下限周波数ｆｌ２’は、切出し開始位置から時刻０．０４ｓｅｃのときのサンプリング周波数で決められ、エコー信号Ｅの上限周波数ｆｈ２’は、切出し開始位置から時刻０．１３９８６８４ｓｅｃのときのサンプリング周波数で決められる。
したがって、ｆｌ２’＝９８８×９７５／（９７５＋０．０４×５００）≒９６８．１４Ｈｚ、ｆｈ２’＝１０３８．７×９７５／（９７５＋０．１３９８６８４×５００）≒９６９．２Ｈｚとなる。サンプリング手段９２及び再構成手段９３で処理されたあと、受信信号セルＣ２において、エコー信号Ｅは、９５５．４Ｈｚ〜９６９．２Ｈｚというわずかな帯域幅を持った、ＣＷ信号とほとんど同等の信号となる。

受信信号セルＣ３において、エコー信号Ｅの最初から０．０６ｓｅｃが、切出し開始位置に位置し、エコー信号Ｅの最後が、切出し開始位置から０．０３９８６８４ｓｅｃだけ後ろ側に位置している。そのため、上記と同様に、エコー信号Ｅの下限周波数ｆｌ３’は、切出し開始位置から時刻０．０６ｓｅｃのときのサンプリング周波数で決められ、エコー信号Ｅの終端の上限周波数ｆｈ３’は、切出し開始位置から時刻０．０３９８６８４ｓｅｃのときのサンプリング周波数で決められる。
すなわち、ｆｌ３’＝１０１８．４×９７５／（９７５＋０×５００）＝１０１８．４Ｈｚ、ｆｈ３’＝１０３８．７×９７５／（９７５＋０．０４×５００）≒１０１８．５Ｈｚとなる。サンプリング手段９２及び再構成手段９３で処理されたあと、受信信号セルＣ３において、エコー信号Ｅは、１０１８．４Ｈｚ〜１０１８．５Ｈｚというわずかな帯域幅を持った、ＣＷ信号とほとんど同等の信号となる。

この場合、エコー信号Ｅの最初と、受信信号Ｇの切出し開始位置が一致しない受信信号セルがあるときであり、エコー信号Ｅ全部を含む受信信号セルが三つのうち一つ（Ｃ２）しかないので、これらの周波数成分のレベルの最大値が異なるようになる。そのため、補間曲線Ｌ１の頂点Ｌｍの時刻を、エコーが到達した時刻として算出する。また、この場合、Ｃ１には、エコー信号Ｅの６／１０が含まれ、Ｃ２には、エコー信号Ｅの全部が含まれ、Ｃ３には、エコー信号Ｅの４／１０が含まれているのだから、各受信信号セル（Ｃ１〜Ｃ３）の周波数成分のレベルの最大値を、仮に、Ｃ１：Ｃ２：Ｃ３＝６：１０：４とする。

また、Ｃ１の切出し開始位置の時刻を０［ｓｅｃ］とし、０．５［ｓｅｃ］のとき０．６（Ｍ１），１．５［ｓｅｃ］のとき１（Ｍ２），２．５［ｓｅｃ］のとき０．４（Ｍ３）に点をプロットし、これをスプライン曲線（Ｌ１）で補間すると、約０．１４５［ｓｅｃ］（ｔｅ’）に頂点（Ｌｍ）がくる。そのため、上記したように、実際のエコー信号Ｅの受波時刻とほとんど同じ値を取り出すことができる。
また、この時の周波数は、補間線Ｌ２により、約９８６．７Ｈｚとなり、これについても、ほとんど同じ値を取り出すことができる。なお、補間線Ｌ２は、点ｑ１（０［ｓｅｃ］，９２２．７［Ｈｚ］）、点ｑ２（１．０［ｓｅｃ］，９６８．６［Ｈｚ］）、点ｑ３（２．０［ｓｅｃ］，１０１８．４［Ｈｚ］）を通る線である。これらの点は、ｙ値に、各受信信号セルにおいて、エコー信号Ｅの下限周波数と上限周波数の和を２で割った値を用いている。

信号切り出し手段９１において、受信信号セルＣ１では、受信信号セルＣ１の切出し開始位置から０．１［ｓｅｃ］後にエコー信号Ｅの最初があり、受信信号セルＣ２では、受信信号セルＣ２の切出し開始位置とエコー信号Ｅの最初が一致している場合を示している。

上記ドップラーシフトがない場合と同様にすると、受信信号セルＣ１において、ｆｌ１’＝９８８×９７５／（９７５＋０．１０×５００）≒９３９．８Ｈｚ、ｆｈ１’＝１０３８．７×９７５／（９７５＋０．１９８６８４×５００）≒９４２．６Ｈｚとなる。受信信号セルＣ２において、ｆｌ２’＝９８８×９７５／（９７５＋０．００×５００）＝９８８Ｈｚ、ｆｈ２’＝１０３８．７×９７５／（９７５＋０．０９８６８４×５００）≒９８８．６Ｈｚとなる。受信信号セルＣ３には、エコー信号Ｅが含まれない。
したがって、受信信号セルＣ１に含まれるエコー信号Ｅは、９３９．８Ｈｚ〜９４２．６Ｈｚの帯域幅をもつ信号に変換される。また、受信信号セルＣ２に含まれるエコー信号Ｅは、９８８Ｈｚ〜９８８．６Ｈｚの帯域幅をもつ信号に変換される。

また、エコー信号Ｅ全部を含む受信信号セルが三つのうち二つ（Ｃ１，Ｃ２）あるので、これらの周波数成分のレベルの最大値がほとんど同じ値になる。そのため、後ろ側の周波数スペクトルに対応する受信信号セルＣ２の切出し開始位置の時刻をエコーが到達した時刻（ｔｅ’）として算出する。この位置は、上記の通り実際のエコー信号Ｅの到達時刻である。また、この時の周波数は、上記と同様にして求めた点ｑ２（１．０［ｓｅｃ］，９８８．３［Ｈｚ］）により、９８８．３Ｈｚとなる。そのため、実際のエコー信号Ｅの到達時刻と、周波数とほぼ同じ値を取り出すことができる。

上記したように、ドップラーシフトがない場合及びある場合の両方の場合において、特に、受信信号セルの切出し開始位置と、エコー信号Ｅの最初が異なっており、検出手段９６で検出される周波数が、実際のエコー信号Ｅとは異なっているときでも、エコー到達時刻算出手段９７及びエコー信号周波数算出手段９８での処理で、補正されるので、エコー信号Ｅの実際の到達時刻及び周波数とほぼ同じ値を算出することができる。

エコー到達時刻算出手段９７及びエコー信号周波数算出手段９８で、エコー信号Ｅの到達時刻及び周波数を算出するためには、周波数スペクトルに、検出手段９６に設定された閾値ｋを越える周波数成分のレベルがなければならない。
以下に、検出手段９６に設定される閾値ｋについて説明する。

アクティブソーナー装置１における目標の検出には、エコー信号の有無を判定するための基準（閾値ｋ）を設定しなければならない。
一般に、この時に必要なエコー信号のＳＮ比を、検出閾値（ＤＴ：Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）という。
すなわち、エコー信号のＳＮ比がＤＴを越えた時に、エコー信号が入力したと判定する。また、ＤＴが小さいほど、検出性能が良いといえる。

本発明の実施形態に係る検出手段９６のＤＴの理論式を説明する。
一般的に、未知の受信信号に対するソーナー装置のＤＴは、下記式（５）で表される。
ＤＴ＝５ｌｏｇ（ｄ／（ｗ・Ｈｔ）） 式（５）
式（５）において、ｄは検出確率と誤警報確率から得られる検出指標、ｗ［Ｈｚ］は残響及び／又は雑音の周波数帯域幅、Ｈｔ［ｓｅｃ］は、送信信号の送信時間幅である。

エネルギー検波による処理利得を考えると、エコー信号は、信号処理部９０で送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号に変換されるので、パルス幅が有限のＣＷ信号として入力され、帯域幅ｗは送信信号の帯域幅である１／Ｈｔ［Ｈｚ］とした時が最小のＤＴとなる。つまり、ｗとＨｔの積が１となる条件が理想であり、ここで得られる処理利得は０である。次にフーリエ変換における処理利得を考える。

また、フーリエ変換によるフィルタ処理で得られる処理利得は、下記式（６）で表される。
処理利得＝１０ｌｏｇ（Ｗ・Ｈｔ） 式（６）
式（６）中、Ｗ［Ｈｚ］は受信信号の周波数帯域幅、Ｈｔ［ｓｅｃ］は、送信信号の送信時間幅である。

また、信号処理部９０での処理がなされると、周波数変調のために雑音の特性が変化し、エコー信号が存在する周波数帯域において雑音の増加が発生する。この増加量をα［ｄＢ］とすると、本発明の実施形態に係る検出手段９６のＤＴの式は、下記式（７）で表される。
ＤＴ＝５ｌｏｇ（ｄ）−１０ｌｏｇ（Ｗ・Ｈｔ）＋α 式（７）
式（７）中、ｄは検出確率と誤警報確率から得られる検出指標、ｗ［Ｈｚ］は残響及び／又は雑音の周波数帯域幅、Ｈｔ［ｓｅｃ］は、送信信号の送信時間幅、Ｗ［Ｈｚ］は受信信号の周波数帯域幅である。

一方、送信信号ＦにＬＦＭ信号を用いたときの従来のレプリカ相関処理におけるＤＴは、下記式（８）で表される。
ＤＴ＝１０ｌｏｇ（ｄ／（２Ｗ・Ｈｔ））［ｄＢ］ 式（８）
式（８）中、Ｗ［Ｈｚ］は、受信信号の帯域幅、Ｈｔ［ｓｅｃ］は、送信信号の送信時間幅、ｄは検出確率と誤警報確率から得られる検出指標である。

図１１及び図１２には、本実施形態のアクティブソーナー装置１と、従来のレプリカ相関によるアクティブソーナー装置１の検出性能の理論値のグラフ図を示している。
上記の計算例での数値を用い、送信信号は、中心周波数ｆｃ＝１ｋＨｚ，周波数帯域幅ｆｂｗ＝５０Ｈｚ，送信時間幅Ｈｔ＝０．１ｓｅｃのＬＦＭ信号とした。受信信号の帯域幅Ｗは、帯域濾波部７で１５０Ｈｚにして制限した。さらに、信号処理部９０による雑音の増加分α＝０．５ｄＢとした。検出指標ｄの値は、検出確率ｐ（Ｄ）＝５０％、誤検出確率ｐ（ＦＡ）＝０．０１％、正規分布の白色雑音を仮定してｄ＝１３．８としている。

図１１には、ドップラーシフト量を様々に変化させたときの本実施形態のアクティブソーナー装置１、及び、従来のレプリカ相関によるアクティブソーナー装置１ａの双方のＤＴの理論値の変化を示している。縦軸はＤＴ、横軸には送信信号の周波数帯域幅ｆｂｗに対するドップラーシフト量の割合としている。
本発明の実施形態にかかるアクティブソーナー装置１においては、信号処理部９０での処理は、エコー信号がドップラーシフトしていたり、信号切出し位置がエコー信号の最初と一致していなかったりすると完全なＣＷ信号にはならないが、エコー信号の周波数帯域幅の広がりによるレベルの低下は僅かであるため、完全なＣＷ信号が入力されたものとしてＤＴの計算をしている。

本発明の実施形態のアクティブソーナー装置１は、ドップラーシフトがあってもＤＴの理論値が変化せず、検出性能がレプリカ相関より高くなる。一方、従来のレプリカ相関による処理によるアクティブソーナー装置１ａは、ドップラーシフトが大きくなるにつれてＤＴ理論地も大きくなる。そのため、本発明の実施形態のアクティブソーナー装置１は、レプリカ相関を用いたものに比較して、検出性能が良好である。また、ドップラーシフトがあるときに特に有効である。
また、検出指標ｄ、送信信号の帯域幅ｆｂｗ、受信信号の帯域幅Ｗの値によって、２つの方式の優位性が変わることもあるが、受信信号の帯域幅Ｗは、ドップラーシフトを考慮して送信信号の帯域幅ｆｂｗよりも大きくするので、実用上において優位性もほとんど変わることは少ない。

また、図１２には、ドップラーシフトがない条件で、検出指標ｄを変化させたときのＤＴを比較したグラフ図を示している。検出指標ｄが小さな値になると本発明とレプリカ相関のＤＴの差が小さくなる傾向にあるが、検出指標ｄの値は９〜１０が一般的であるので、実用上、本発明の処理方式がレプリカ相関と比較して優位である。
また、図１１及び図１２は、受信信号に含まれる雑音として、受信信号に含まれる残響を考えない場合の理論値の計算例であるが、例えば、受信信号中に送信信号の残響が存在する場合には、ＬＦＭ信号である送信信号の残響の周波数帯域幅は、送信信号の帯域幅ｆｂｗと等しく５０Ｈｚとなる。この残響は、信号処理部９０で受信信号が処理されると、残響の周波数帯域幅は、１／Ｈｔの１０Ｈｚとなる。これにより、ＤＴを低減することができ、検出性能を向上できる。

すなわち、本発明の実施形態に係るアクティブソーナー装置１は、従来のレプリカ相関を用いたアクティブソーナー装置１に比較して、検出手段９６の閾値であるＤＴ値を大幅に低くすることができる。これにより、検出性能を向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係るアクティブソーナー装置１によれば、信号処理部９０で、エコー信号Ｅを送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号に変換しているので、エコー信号Ｅを検出するための閾値（ＤＴ）を低くでき、検出性能を向上できる。

以上、本発明のアクティブソーナー装置について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係るアクティブソーナー装置は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、関数ｇ（ｔ）は、式（２）に限定されるものでなく、例えば、ｇ（ｔ）＝ａ（ｔ＋ｂ）^２＋ｃであらわされる二次関数など、どのような関数であってもよい。

さらに、サンプリング手段でのサンプリングは、切出し開始位置から時間ｔｓ後の受信信号をサンプリングする周波数ｆｓ’と、Ａ／Ｄ変換部のサンプリング周波数ｆｓとの関係が、ｇ（０）：ｆｓ＝ｇ（ｔｓ）：ｆｓ’の関係を満たすようにすることとしたが、任意の定数ｉを定め、ｇ（ｉ）：ｆｓ＝ｇ（ｔｓ）：ｆｓ’のようにしてもよい。
また、再構成手段は、前記式（１）から求まる周期ｔｓ_１−ｔｓ_０間隔でサンプルを再配置することとしたが、この間隔に限定されず、例えば、ｔｓ_ｎ−ｔｓ_ｎ−１間隔で再配置してもよい。
また、送波部と受波部が別の位置にあってよい。
また、送波部、受波部、及び、目標が水中にある場合としたが、これに限定されるものでなく、空気中であってもよい。

本発明の実施形態に係るアクティブソーナー装置を示す機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係るアクティブソーナー装置の処理の概念を示す図であって、（ａ）送信信号Ｆ、（ｂ）信号切り出し手段による受信信号の切出し、（ｃ）スペクトグラム、（ｄ）エコー到達時刻補正グラフを示す図である。 本発明の実施形態に係るアクティブソーナー装置の処理の概念を示す図であって、（ａ）サンプリング手段でのサンプリング，（ｂ）再構成手段でのサンプルの再配置を示すグラフ図である。 本発明の実施形態に係るアクティブソーナー装置のサンプリング手段の補間機能の概念を示す図である。 本発明の実施形態に係るアクティブソーナー装置の検出手段の処理概念を示す図である。 本発明の実施形態に係るアクティブソーナー装置の処理の概念を示す図であって、（ａ）信号切り出し手段による受信信号の切出し、（ｂ）スペクトグラム、（ｃ）エコー到達時刻補正グラフを示す図である。 本発明の実施形態に係るアクティブソーナー装置の全体の処理の概念を示す図である。 本発明の実施形態に係るアクティブソーナー装置の信号処理部のフローチャートを示す図である。 本発明の実施形態に係るアクティブソーナー装置において、エコーがドップラーシフトしていない場合のエコー到達時刻及びエコー信号の周波数を求めるときの図である。 本発明の実施形態に係るアクティブソーナー装置において、エコーがドップラーシフトしている場合のエコー到達時刻及びエコー信号の周波数を求めるときの図である。 アクティブソーナー装置において、ドップラーシフト量を様々に変化させたときのＤＴの理論値の変化を示すグラフ図である。 アクティブソーナー装置において、ドップラーシフトがない条件で、検出指標ｄを変化させたときのＤＴの理論値の変化を示すグラフ図を示している。 従来のアクティブソーナー装置の一例を示す図である。 レプリカ相関の概念を示す図である。 ドップラーシフトがあったときのレプリカ相関を示す図である。

符号の説明

１ アクティブソーナー装置
２ 送信信号生成部
３ 送信信号増幅部
４ 送波部
５ 受波部
６ 受信信号増幅部
７ 帯域濾波部
８ Ａ／Ｄ変換部
１０ 表示部
１１ 目標
９０ 信号処理部
９１ 信号切り出し手段
９２ サンプリング手段
９３ 再構成手段
９４ スペクトル算出手段
９５ 検出処理部
９６ 検出手段
９７ エコー到達時刻算出手段
９８ エコー信号周波数算出手段

Claims (10)

1. 音波を送受波可能なアクティブソーナー装置であって、
   周波数変調がなされる送信信号を生成して出力する送信信号生成部と、前記送信信号を音波として送波する送波部と、該送波部からの音波が目標で反射されてなるエコーを含む音波を受波し、これを受信信号として出力する受波部と、前記受信信号に含まれる前記エコーに対応するエコー信号を前記送信信号よりも帯域幅の小さい周波数変調信号に変換する信号処理部とを備えることを特徴とするアクティブソーナー装置。
2. 前記信号処理部は、前記受信信号から所定時間幅分を切り出す信号切り出し手段と、切り出された受信信号を、前記送信信号の周波数変調の変化率に対応して変化するサンプリング周波数でサンプリングするとともに該サンプリングによるサンプルデータを出力するサンプリング手段と、前記サンプルデータを任意の周期で再配置して受信信号を再構成し、これを出力する再構成手段と、該再構成された受信信号の周波数スペクトルを算出しこれを出力するスペクトル算出手段とを備えてなることを特徴とする請求項１記載のアクティブソーナー装置。
3. 前記送信信号生成部は、送信信号の周波数ｆｔを、送信生成開始時刻からの時間ｔをパラメータとする関数ｇ（ｔ）で生成し、
   前記受波部と前記信号処理部との間に介装され、前記受信信号を、所定のサンプリング周波数ｆｓでデジタル化するＡ／Ｄ変換部を設け、
   前記サンプリング手段は、切出し開始位置から時間ｔｓ後の受信信号をサンプリングする周波数ｆｓ’と、Ａ／Ｄ変換部のサンプリング周波数ｆｓとの関係が、ｇ（０）：ｆｓ＝ｇ（ｔｓ）：ｆｓ’の関係を満たすようにサンプリングすることを特徴とする請求項３記載のアクティブチューナー装置。
4. 前記サンプリング手段は、ｎ番目のサンプルとして、切出した受信信号の切出し開始位置から下記式（１）で求める時間ｔｓ_ｎの当該受信信号の振幅の値を取り出すことを特徴とする請求項３記載のアクティブソーナー装置。
   

   

   式（１）において、ｎは、１以上の正の整数、ｆｓは、Ａ／Ｄ変換部でのサンプリング周波数である。
5. 前記サンプリング手段は、前記Ａ／Ｄ変換部でデジタル化された受信信号を補間する補間機能を備えることを特徴とする請求項３又は４記載のアクティブソーナー装置。
6. 前記関数ｇ（ｔ）が、下記式（２）で定められることを特徴とする請求項４記載のアクティブソーナー装置。
   ｇ（ｔ）＝ｍｔ＋ｃ 式（２）
   式（２）において、ｍは周波数掃引勾配、ｃは、ｍ＞０のとき送信信号の下限周波数ｆｌ、ｍ＜０のとき送信信号の上限周波数ｆｈとなる値である。
7. 前記再構成手段は、前記式（１）から求まる周期ｔｓ_１−ｔｓ_０間隔で前記サンプルを再配置することを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載のアクティブソーナー装置。
8. 前記信号処理部は、前記信号切り出し手段、サンプリング手段、再構成手段、及び、スペクトル算出手段を、切出し開始位置を所定時間ずつ遅らせてループ処理せしめることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載のアクティブソーナー装置。
9. 前記信号処理部から出力される複数の周波数スペクトルに基づいて、前記エコー信号を検出するとともに、該検出されたエコー信号から前記エコーの到達時間及び当該エコー信号の周波数を算出する検出処理部を備えることを特徴とする請求項８記載のアクティブソーナー装置。
10. 前記信号処理部から出力されるエコー信号を含む受信信号から前記エコー信号を検出する検出手段を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のアクティブソーナー装置。

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