JP2012247304A - Method and device for detection of peak power spectrum of short-time signal - Google Patents

Method and device for detection of peak power spectrum of short-time signal Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance frequency resolution while enhancing resolution in a time range to be measured, in detection of peak power spectrum by Fourier transform.SOLUTION: A method for detecting a peak power frequency within an intended duration in a temporally-changing signal includes: a sampling step of sampling a signal within the intended duration and determining it as a digital data column; an addition step of setting a sample number required in fast Fourier transform to satisfy required frequency resolution as a reference sample number and adding zero data to the digital data column so as to reach the reference sample number; and an FFT step of applying the fast Fourier transform to the zero-data-added digital data column. A frequency showing a maximum value in a result of the fast Fourier transform is detected as a peak power frequency.

Description

本発明は、時間に応じて変化する信号の中から所望の時間幅内の部分を切り出し、その切り出された部分における信号のピークパワースペクトルを検出する方法と装置とに関し、特に、検出の高速化を図りつつ、検出されるスペクトルの周波数精度を向上させた方法及び装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for extracting a portion within a desired time width from a signal that changes according to time and detecting a peak power spectrum of the signal in the extracted portion, and in particular, speeding up detection. It is related with the method and apparatus which improved the frequency accuracy of the spectrum detected, aiming at.

所定の周波数帯域幅を有して時々刻々と変化する信号の中から所望の時間幅の部分のみを切り出し、その切り出された部分内での信号のピークパワースペクトルを検出することは、後述するように、例えばドップラー計測などで広く行われている。ここでいう所望の時間幅は、信号全体の継続時間に比べた場合には十分に短く、例えば、その開始時刻が与えられているかあるいは開始時刻を自動検出できるものである。また、検出されるピークパワースペクトルは、切り出された部分内での信号の周波数スペクトルの中で一番強いパワースペクトルを有するものである。パワースペクトルの検出には、一般的にフーリエ変換が用いられ、計算量の観点から、中でも、FFT(高速フーリエ変換:Fast Fourier Transform)が使用される。   It will be described later that only a portion having a desired time width is cut out from a signal having a predetermined frequency bandwidth and changes every moment, and the peak power spectrum of the signal in the cut portion is detected. For example, it is widely used in Doppler measurement. The desired time width here is sufficiently short when compared with the duration of the entire signal. For example, the start time is given or the start time can be automatically detected. Further, the detected peak power spectrum has the strongest power spectrum in the frequency spectrum of the signal in the cut out portion. For the detection of the power spectrum, Fourier transform is generally used, and FFT (Fast Fourier Transform) is used from the viewpoint of calculation amount.

ところで、ある信号を媒質中に発射(送信)し、その媒質中から反射した信号(エコー信号)を受信したとき、送信した時刻をスタート時刻とすると、スタート時刻から反射によるエコー信号を受信するまでの時間は、媒質中でのその信号の伝搬距離すなわち対象物までの距離に依存する。したがって、信号の伝搬速度(音波であれば音速)を考慮して、スタート時刻から所望の時間経過した時点で受信されるエコー信号は、その時間経過に応じた距離の位置にある対象物からのエコー信号となる。スタート時刻からの時間(すなわち距離)に応じてエコー信号の強度を映像として表示するようにした応用機器が、例えば、レーダーや魚群探知機である。   By the way, when a signal is emitted (transmitted) into a medium and a signal (echo signal) reflected from the medium is received, if the transmitted time is the start time, the echo signal from the start time is received until the echo signal is received. Is dependent on the propagation distance of the signal in the medium, that is, the distance to the object. Therefore, in consideration of the propagation speed of a signal (the speed of sound in the case of sound waves), an echo signal received when a desired time has elapsed from the start time is from an object located at a distance corresponding to the elapsed time. It becomes an echo signal. Application devices that display the intensity of the echo signal as an image according to the time (that is, distance) from the start time are, for example, a radar and a fish finder.

信号を反射する対象物が相対的に移動しているとすると、反射エコーでは、ドップラー効果により、送信した周波数からの周波数変位が観測される。この周波数差、すなわち媒質に対して送信したときの周波数と反射エコーで観測される周波数との差をドップラー周波数という。ドップラー計測では、一定の周波数の信号を媒質中に発射し、媒質中の対象物によって反射された信号(反射エコー)を受信し、その周波数解析を行って、ドップラー周波数を決定するものである。ドップラー計測を行うものとして、例えば、ドップラーレーダー、ドップラーソナー、ADCP(音波ドップラー流速プロファイラー;acoustic Doppler current profiler)、潮流計、音波レーダー、超音波ドップラー速度計などがあり、これらは、ドップラー周波数に基づいて、対象物との相対速度を決定する。   Assuming that the object that reflects the signal is relatively moving, a frequency shift from the transmitted frequency is observed in the reflected echo due to the Doppler effect. This frequency difference, that is, the difference between the frequency when transmitted to the medium and the frequency observed by the reflected echo is called the Doppler frequency. In Doppler measurement, a signal having a constant frequency is emitted into a medium, a signal reflected by an object in the medium (reflection echo) is received, and the frequency analysis is performed to determine the Doppler frequency. Examples of Doppler measurements include Doppler radar, Doppler sonar, ADCP (acoustic Doppler current profiler), tide meter, sonic radar, and ultrasonic Doppler velocimeter, which are based on Doppler frequency. To determine the relative speed with the object.

送信回路によって一定の送信周波数ftxの信号を生成して、この信号を送受波器から媒質に発射する。媒質中を対象物(反射体)が移動しているとして、ドップラー周波数fdopは、対象物の移動速度をV(m/s)、媒質中での信号の伝搬速度をC(m/s)とすると、媒質中の信号の伝搬速度が対象物の速度よりも十分に速い場合(C≫V)には、次の近似式で表される。 A signal having a constant transmission frequency f tx is generated by the transmission circuit, and this signal is emitted from the transducer to the medium. Assuming that the object (reflector) is moving in the medium, the Doppler frequency f dop has the moving speed of the object as V (m / s) and the propagation speed of the signal in the medium as C (m / s). Then, when the propagation speed of the signal in the medium is sufficiently faster than the speed of the object (C >> V), it is expressed by the following approximate expression.

Figure 2012247304
Figure 2012247304

ここでθは、対象物から送受波器を見たときの方向と対象物の移動方向とがなす角度であり、同じ方向であれば(対象物が送受波器にむかってまっすぐ進んでいるときには)、θ=0となる。したがって、ドップラー周波数fdopは、対象物が近付いているときには正(+)となり、遠ざかるときには負(−)となる。 Here, θ is an angle formed by the direction when the transducer is viewed from the object and the moving direction of the object, and if the direction is the same (when the object is moving straight toward the transducer) ), Θ = 0. Accordingly, the Doppler frequency f dop is positive (+) when the object is approaching, and is negative (−) when the object is moving away.

エコー信号の周波数解析を行ってドップラー周波数fdopを求めるが、この周波数解析には、一般的に、フーリエ変換の手法が使われている。フーリエ変換として、パワースペクトル解析を行う場合にはDFT(離散フーリエ変換;Discrete Fourier Transform)が用いられ、あるいは信号の標本数(サンプル数)が2のべき乗個であるときには、高速演算処理が可能なFFT(高速フーリエ変換:Fast Fourier Transform)が通常用いられている。DFTもFFTも複素乗算演算を反復するものであるが、サンプル数をNとすると、DFTでの複素乗算数回数はN×N回(すなわちN2回)であり、N=2nとすると、FFTでの複素乗算回数は、2n×log2n回(すなわちN×log2 N回)であり、Nが大きくなるほど、FFTはDFTに比べて高速演算ができる。 A frequency analysis of the echo signal is performed to obtain a Doppler frequency f dop , and a Fourier transform method is generally used for this frequency analysis. As the Fourier transform, when performing power spectrum analysis, DFT (Discrete Fourier Transform) is used, or when the number of signal samples (number of samples) is a power of 2, high-speed arithmetic processing is possible. FFT (Fast Fourier Transform) is usually used. Both DFT and FFT repeat complex multiplication operations. If the number of samples is N, the number of complex multiplications in the DFT is N × N times (that is, N 2 times), and N = 2 n , The number of complex multiplications in the FFT is 2 n × log 2 2 n times (that is, N × log 2 N times), and the higher the N, the faster the FFT can perform operations compared to the DFT.

ところで、ドップラー計測では、対象物の位置と速度の両方に関する情報を取得したい場合が多い。例えば、海洋において深さごとの潮流の方向と速度とを求めて流速プロファイルを得るためには、海中に対して斜め方向に音波パルスを放射して反射エコーを取得し、周波数解析を行う。この際、音波パルスの放射から所定の時間の経過後にある時間幅で反射エコーを切り出し、切り出された部分に対して周波数解析を行うことになる。音波パルスの発射からの所定の時間によって、どの深度の流速を計測しようとするかが定まることになり、反射エコーを切り出す時の時間幅によって、どの程度の深度範囲(厚さ)にわたる平均として流速が算出されるかが定まることになる。例えば、切り出す時の時間幅が大きければ、海中における厚みの大きい層での平均的な流速が求められることになる。これに対し、時間幅が小さければ、薄い層での流速を求めることが可能になって、結果として、細かな流速プロファイルが得られることになる。   By the way, in Doppler measurement, it is often desirable to acquire information on both the position and speed of an object. For example, in order to obtain the flow velocity profile by obtaining the direction and velocity of the tidal current at each depth in the ocean, a reflected echo is obtained by emitting a sound pulse in an oblique direction with respect to the ocean, and frequency analysis is performed. At this time, the reflected echo is cut out at a certain time width after a lapse of a predetermined time from the emission of the sound wave pulse, and frequency analysis is performed on the cut out portion. The depth of flow to be measured is determined by the predetermined time after the sound wave is emitted, and the flow velocity as an average over the depth range (thickness) is determined by the time width when the reflected echo is cut out. Whether or not is calculated is determined. For example, if the time width at the time of cutting is large, an average flow velocity in a thick layer in the sea is obtained. On the other hand, if the time width is small, it is possible to obtain the flow velocity in a thin layer, and as a result, a fine flow velocity profile is obtained.

しかしながら、ドップラー周波数を求めるための周波数解析としてのフーリエ変換の問題点として、周波数分解能と時間(距離)分解能とが相反する関係にある、ということが挙げられる。ここでいう周波数分解能は、ドップラー周波数を求める際の分解能であり、これは速度の分解能に比例する。時間分解能とは、反射エコーを切り出す時にどこまで時間幅を小さくできるかということであり、これは、ドップラー計測における距離あるいは位置の分解能に比例する。時間分解能が粗ければ、上述した流速プロファイルの場合であれば、深度方向の厚みが大きな層でのおおざっぱな平均的な流速しか得られないことになる。   However, a problem of Fourier transform as frequency analysis for obtaining the Doppler frequency is that the frequency resolution and the time (distance) resolution are in a contradictory relationship. Here, the frequency resolution is a resolution for obtaining the Doppler frequency, and is proportional to the resolution of the speed. The time resolution refers to how far the time width can be reduced when extracting the reflected echo, which is proportional to the distance or position resolution in Doppler measurement. If the time resolution is rough, in the case of the above-described flow velocity profile, only a rough average flow velocity in a layer having a large thickness in the depth direction can be obtained.

離散フーリエ変換(DFT)は、次の式で表される。   The discrete Fourier transform (DFT) is expressed by the following equation.

Figure 2012247304
Figure 2012247304

DFTまたはFFTでのサンプリング周波数をfft、フーリエ変換の基本波の周期をT0とすると、周期の逆数は、フーリエ変換での基本周波数f0と呼ばれ、
0=1/T0 :式1−4
と表される。この基本周波数f0は、DFTやFFTでの最小分解周波数すなわち周波数の分解能となる。サンプルされた信号点の総数すなわちサンプル数をNとすると、
0=N/fft :式1−5
が当然に成立し、周波数分解能である最小分解周波数f0は、
0=1/T0=fft/N :式1−6
と表されることになる。逆に、所望の周波数分解能f0が与えられたとして、必要なサンプル数Nは、
N=fft/f0 :式1−7
と表されることになる。フーリエ変換では、基本波の周期T0と等しい時間幅の信号から等間隔でN個のサンプルを取り出すから、T0が信号の切り出し時間(切り出しの時間幅)ということになる。
When the sampling frequency in DFT or FFT is f ft and the period of the fundamental wave of Fourier transform is T 0 , the reciprocal of the period is called the fundamental frequency f 0 in Fourier transform,
f 0 = 1 / T 0: Equation 1-4
It is expressed. The fundamental frequency f 0 is the minimum resolution frequency in DFT or FFT, that is, the frequency resolution. If the total number of sampled signal points, ie the number of samples, is N,
T 0 = N / f ft : Formula 1-5
Of course, and the minimum resolution frequency f 0 , which is the frequency resolution, is
f 0 = 1 / T 0 = f ft / N: Equation 1-6
Will be expressed. Conversely, given the desired frequency resolution f 0 , the required number of samples N is
N = f ft / f 0 : Formula 1-7
Will be expressed. In the Fourier transform, N samples are extracted at equal intervals from a signal having a time width equal to the period T 0 of the fundamental wave, so that T 0 is a signal cutting time (cutting time width).

FFTで得られるパワースペクトルの例が図1に示されている。FFTのパワースペクトルは、サンプル数Nに対し、0から(N/2)−1までの一定の周波数間隔で周波数ごとの値14,15が与えられるスペクトルとして表される。ここで周波数間隔は上記のf0と一致し、f0=1/T0である。 An example of a power spectrum obtained by FFT is shown in FIG. The power spectrum of the FFT is expressed as a spectrum in which values 14 and 15 are given for each frequency at a constant frequency interval from 0 to (N / 2) −1 with respect to the number N of samples. Here frequency interval is consistent with the above f 0, a f 0 = 1 / T 0.

式1−4に示すように、周波数分解能f0は、信号の切り出し時間幅T0の逆数であるから、周波数分解能を上げる(f0を低くする)ためには、信号の切り出し時間幅T0を長くしなければならない。その結果、周波数分解能を2倍細かくすると、時間分解能すなわち位置(距離)の分解能は2倍粗くなって劣化する。 As shown in Equation 1-4, the frequency resolution f 0, since the reciprocal of the cut-out duration T 0 of the signal, in order to increase the frequency resolution (the lower f 0), the signal of the cut time width T 0 Must be lengthened. As a result, if the frequency resolution is made twice as fine, the time resolution, that is, the position (distance) resolution becomes twice as coarse and deteriorates.

対象物との相対的な速度によって、ドップラー周波数fdopは変化する。このドップラー周波数ffopが変化する範囲をΔfpとおくことにすると、近づく方向と遠ざかる方向での移動が同等に起こるものと仮定すれば(この過程は、潮流計などの用途において妥当な仮定である)、ドップラー信号の周波数範囲ΔfPの中心周波数fc、つまりドップラー周波数fdopがゼロのときの受信信号の周波数は、送信周波数ftxと一致する(fc=ftx)。 The Doppler frequency f dop changes depending on the relative speed with the object. Assuming that the range in which the Doppler frequency f fop changes is Δf p , assuming that the movement in the approaching direction and the moving away direction occur equally (this process is a reasonable assumption in applications such as tidal current meters). The center frequency f c of the frequency range Δf P of the Doppler signal, that is, the frequency of the received signal when the Doppler frequency f dop is zero matches the transmission frequency f tx (f c = f tx ).

以下の条件に従い、超音波のパルス状の信号を海中に送信し、移動物からの反射エコーのドップラー周波数を測定する場合を考える。   Consider a case where an ultrasonic pulse signal is transmitted into the sea under the following conditions and the Doppler frequency of a reflected echo from a moving object is measured.

海水中の音波伝搬速度C:C=1500(m/s)
送信周波数ftx:ftx=120kHz
検出最大速度(水平方向)V:V=15(m/s)
また、音波は水平方向から斜め方向(θ=60°)に送受信するものとする。式1−1により、
Sound wave velocity in seawater C: C = 1500 (m / s)
Transmission frequency f tx : f tx = 120 kHz
Maximum detection speed (horizontal direction) V: V = 15 (m / s)
It is assumed that sound waves are transmitted and received in the oblique direction (θ = 60 °) from the horizontal direction. From equation 1-1:

Figure 2012247304
Figure 2012247304

となり、検出最大速度が15m/sであるとすれば、ドップラー信号として観測される周波数範囲Δfpは、120±1.2(kHz)となる。 Next, if the detection maximum speed is 15 m / s, the frequency range Delta] f p which is observed as Doppler signal is a 120 ± 1.2 (kHz).

測定速度範囲すなわち検出最大速度は、通常、予め決められているので、ドップラー信号についても、その周波数範囲が予め定められて測定する。   Since the measurement speed range, that is, the maximum detection speed is usually determined in advance, the frequency range of the Doppler signal is also determined in advance and measured.

ドップラー計測による速度精度を0.1m/sとすると、それに必要な周波数分解能f0は12Hzとなる。ドップラー計測において検出対象とする位置の範囲(位置分解能)を7.5mとすると、信号の切り出し時間幅は、海水中で音波が1mを往復する時間である2/1500(m/s)を乗ずると、7.5×2/1500=0.01となって、10msとなる。 If the speed accuracy by Doppler measurement is 0.1 m / s, the frequency resolution f 0 required for this is 12 Hz. Assuming that the range (position resolution) of a position to be detected in Doppler measurement is 7.5 m, the signal extraction time width is multiplied by 2/1500 (m / s), which is the time for a sound wave to reciprocate 1 m in seawater. 7.5 × 2/1500 = 0.01, which is 10 ms.

しかしながら、周波数分解能f0である12Hzを式1−4に代入すると、T0=1/f0=1/12≒83.3msとなり、83.3msは、海水中で音波が1mを往復する時間2/1500(m/s)で割ることにより距離に換算すると、83.3(ms)×1500(m/s)/2≒62.5(m)となる。 However, if 12 Hz, which is the frequency resolution f 0 , is substituted into Equation 1-4, T 0 = 1 / f 0 = 1 / 12≈83.3 ms, and 83.3 ms is the time required for the sound wave to reciprocate 1 m in seawater. When converted to a distance by dividing by 2/1500 (m / s), 83.3 (ms) × 1500 (m / s) /2≈62.5 (m).

すなわち、速度精度を0.1m/sとするために周波数分解能f0を12Hzとすると、信号の切り出し時間幅として83msが必要であり、これは距離に換算すれば63mに相当し、位置(距離)に関する分解能を7.5mとする要求を満足することできない。逆に、位置に関する分解能が7.5mである信号でFFTを行うとすると、式1−4より周波数分解能f0が100Hzとなり、速度精度から定められた周波数分解能12Hzの要求を満足できない。 That is, if the frequency resolution f 0 is set to 12 Hz in order to set the speed accuracy to 0.1 m / s, 83 ms is required as the signal extraction time width, which corresponds to 63 m in terms of distance, and the position (distance ) Cannot satisfy the requirement for a resolution of 7.5 m. On the other hand, if FFT is performed with a signal having a position-related resolution of 7.5 m, the frequency resolution f 0 is 100 Hz according to Equation 1-4, and the request for the frequency resolution of 12 Hz determined from the speed accuracy cannot be satisfied.

このようにフーリエ変換には、周波数分解能と、測定対象に関する時間分解能とが両立しない、という基本的な問題があり、これは、ドップラー計測の場合には、周波数分解能あるいは速度分解能と、距離あるいは位置の分解能とが両立しないことを意味する。   As described above, the Fourier transform has a basic problem that the frequency resolution and the time resolution related to the measurement target are not compatible. In the case of Doppler measurement, this is the frequency resolution or velocity resolution and the distance or position. This means that the resolution is not compatible.

図2は、一般的なドップラー計測機器の構成の一例を示している。ここでは、信号が音響信号であり、信号が伝搬する媒質が水(あるいは海水)であるとする。音響信号の送受波器1は、送受信切替回路2を介し、送信回路3の出力と受信増幅器4の入力に接続している。送信回路3は、送信周波数ftxの信号を生成するものである。受信増幅器4の出力には、受信信号を中間周波数信号に周波数変換する変調器5が設けられており、変調器5には、局部発振回路6から局部発振周波数flocの信号が供給されている。変調器5の出力すなわち中間周波数信号は、アナログフィルタ7を介してアナログ/デジタル変換器(A/D)10に供給されてデジタル信号に変換され、このデジタル信号は、所定のサンプル数(すなわち時間幅)で信号を切り出す信号切り出しゲート11に供給される。信号切り出しゲート11で切り出された信号は、次にFFT処理部13に送られてFFTによる周波数解析の対象となる。FFT処理部13から、計算されたパワースペクトルが出力される。 FIG. 2 shows an example of the configuration of a general Doppler measuring device. Here, it is assumed that the signal is an acoustic signal and the medium through which the signal propagates is water (or seawater). The acoustic signal transmitter / receiver 1 is connected to the output of the transmission circuit 3 and the input of the reception amplifier 4 via a transmission / reception switching circuit 2. The transmission circuit 3 generates a signal having a transmission frequency f tx . The output of the reception amplifier 4 is provided with a modulator 5 that converts the received signal into an intermediate frequency signal. A signal having a local oscillation frequency f loc is supplied from the local oscillation circuit 6 to the modulator 5. . An output of the modulator 5, that is, an intermediate frequency signal, is supplied to an analog / digital converter (A / D) 10 through an analog filter 7 to be converted into a digital signal, and this digital signal has a predetermined number of samples (that is, time). Is supplied to a signal cut-out gate 11 that cuts out a signal by width). The signal cut out by the signal cut-out gate 11 is then sent to the FFT processing unit 13 and subjected to frequency analysis by FFT. The calculated power spectrum is output from the FFT processing unit 13.

このドップラー計測機器では、水中に音波パルスを発射する時には、送信周波数ftxの信号を送信回路3から送受信切替え回路2を介して送受波器1に供給する。その後、直ちに送受信切替え回路2を受信側とし、媒質(水中)からの反射エコーを送受波器1で受信して電気信号である受信信号に変換し、送受信切替え回路2を介して受信信号を受信増幅器4に供給する。その結果、受信信号は受信増幅器4において信号増幅され、変調器5に対して供給されることになる。 In this Doppler measuring device, when a sound wave pulse is emitted in water, a signal having a transmission frequency f tx is supplied from the transmission circuit 3 to the transmitter / receiver 1 via the transmission / reception switching circuit 2. Immediately thereafter, the transmission / reception switching circuit 2 is set as the reception side, the reflected echo from the medium (underwater) is received by the transducer 1 and converted into a reception signal which is an electrical signal, and the reception signal is received via the transmission / reception switching circuit 2. This is supplied to the amplifier 4. As a result, the received signal is amplified by the receiving amplifier 4 and supplied to the modulator 5.

図3は、受信信号や中間周波数信号などの周波数間の関係を示している。受信増幅器4から出力される信号自体は、図3において符号52で示されるような周波数帯域を有するものとする。受信信号の帯域は、符号52で示す周波数帯域の一部であり、検出対象となるドップラー信号は、符号51で示される周波数範囲Δfpの中にある。周波数範囲Δfpの中心、すなわち、ドップラー周波数がゼロの時の周波数fc(47)は、送信周波数ftxと同じである(fc=ftx)。局部発振回路6は、周波数fcよりも中間周波数fmidだけ低い局部発振周波数floc(45)の局部発振信号を生成し(すなわちfc>floc)、変調器5に供給する。その結果、変調器5では、局部発振信号を受信信号に乗算することにより、受信信号を中間周波数fmidの中間周波数信号に変換する。 FIG. 3 shows a relationship between frequencies such as a received signal and an intermediate frequency signal. It is assumed that the signal itself output from the receiving amplifier 4 has a frequency band as indicated by reference numeral 52 in FIG. Band of the received signal is part of a frequency band indicated by reference numeral 52, the Doppler signal to be detected is within the frequency range Delta] f p indicated by reference numeral 51. The center of the frequency range Δf p , that is, the frequency f c (47) when the Doppler frequency is zero is the same as the transmission frequency f tx (f c = f tx ). The local oscillation circuit 6 generates a local oscillation signal having a local oscillation frequency f loc (45) lower than the frequency f c by the intermediate frequency f mid (that is, f c > f loc ), and supplies it to the modulator 5. As a result, the modulator 5 multiplies the received signal by the local oscillation signal to convert the received signal into an intermediate frequency signal having the intermediate frequency f mid .

受信信号の周波数帯域のうち、トップラー計測のために着目する周波数範囲Δfpの上限を上限周波数fmax(49)とし、下限を下限周波数fmin(48)とすると、フーリエ変換すべき周波数範囲Δfp(51)は、Δfp=fmax−fminで表される。 Of the frequency band of the received signal, if the upper limit of the frequency range Δf p of interest for topler measurement is the upper limit frequency f max (49) and the lower limit is the lower limit frequency f min (48), the frequency range to be Fourier transformed Δf p (51) is represented by Δf p = f max -f min.

変調器5における中間周波数fmidの信号の生成は、下記の式で表されるものであり、2つの変換周波数から、ローパスフィルタかバンドパスフィルタを使用して、低い方の周波数を得る。 Generation of the signal of the intermediate frequency f mid in the modulator 5 is expressed by the following equation, and the lower frequency is obtained from the two conversion frequencies using a low-pass filter or a band-pass filter.

Figure 2012247304
Figure 2012247304

ドップラー信号の周波数範囲Δfpは、中間周波数fmidを中心に、 Frequency range Delta] f p of the Doppler signal, centered on the intermediate frequency f mid,

Figure 2012247304
Figure 2012247304

の範囲に変換されることとなり、検出対象の周波数範囲Δfpは、周波数変換しても保たれる。上記の式は、floc<fcの時の処理を示しているが、floc>fcの時も、複号(符号(±))が逆になるだけで、同様に処理がなされる。 Will be transformed in the range, the frequency range Delta] f p of the detection target is maintained even if the frequency converter. The above equation, <while indicating processing time of f c, f loc> f loc even when f c, only decoding (code (±)) is reversed, the same processing is performed .

図3において、右側部分が受信信号と局部発振信号との関係を表しており、ここでfmid(46)は、fmid=fc−flocの関係を満たしている。一方、図3の左側部分では、中間周波数信号に変換後のスペクトルを示しており、ここでは中間周波数信号の中心周波数はfmid(50)となっている。また、上述の周波数帯域52も周波数帯域54に変換され、検出対象の周波数範囲Δfp(51)は、中心周波数がfmidである周波数範囲Δfp(53)に変換されている。 In FIG. 3, the right portion represents the relationship between the received signal and the local oscillation signal, where f mid (46) satisfies the relationship of f mid = f c −f loc . On the other hand, the left part of FIG. 3 shows the spectrum after being converted into the intermediate frequency signal, and here, the center frequency of the intermediate frequency signal is f mid (50). The above-described frequency band 52 is also converted to the frequency band 54, and the frequency range Δf p (51) to be detected is converted to the frequency range Δf p (53) whose center frequency is f mid .

図4は、潮流における流速プロファイル測定を行うために、観測船からθ=60°の方向(水平方向から60°下を向いた方向)に対して音波パルスを発射して反射エコーを受信したときの、受波波形の一例を示している。図において横軸は時刻を表している。ここでは反射エコー16は、中間周波数信号に変換されたのちの信号として示されている。時刻0の直後の振幅の大きな信号17は、送信した音波パルス自体を送受波器が受信したことによるものである。また、振幅の大きい波形18は、海底によって反射されたエコー(海底エコー)を示している。海底エコーにも、観測船の船速に応じ、±Δfp/2の周波数範囲内でのドップラーシフトが含まれる。 FIG. 4 shows a case where a reflected echo is received by emitting a sound wave pulse from the observation ship in the direction of θ = 60 ° (direction directed downward 60 ° from the horizontal direction) in order to measure the flow velocity profile in the tidal current. An example of the received waveform is shown. In the figure, the horizontal axis represents time. Here, the reflected echo 16 is shown as a signal after being converted into an intermediate frequency signal. The large-amplitude signal 17 immediately after time 0 is due to the reception of the transmitted sound wave pulse itself by the transducer. A waveform 18 having a large amplitude indicates an echo reflected from the seabed (seafloor echo). In seabed echo, according to the ship speed of research ship, it includes Doppler shift in the frequency range of ± Δf p / 2.

ここで中間周波数fmid(すなわち周波数変換された信号の中心周波数)は5kHzであるとし、アナログ/デジタル変換でのサンプリング周波数及びFFTでのサンプリング周波数fftは20kHzであるとする。このとき、フーリエ変換でのサンプル数Nは、式1−7より、N=fft/f0=20000/12≒1667となるが、FFTの使用を前提とすると、サンプル数は2のべき乗としなければならないので、サンプル数N=211=2048とする。サンプル数Nが2048であるとき、周波数分解能は、式1−6よりf0=20000/2048=9.766Hzとなり、上述した速度精度の0.1m/sに対応する周波数分解能12Hzよりも細かく、要求事項を満足している。 Here, it is assumed that the intermediate frequency f mid (that is, the center frequency of the frequency-converted signal) is 5 kHz, and the sampling frequency in analog / digital conversion and the sampling frequency f ft in FFT are 20 kHz. At this time, the number of samples N in the Fourier transform is N = f ft / f 0 = 20000 / 12≈1667 from Equation 1-7. However, assuming the use of FFT, the number of samples is a power of two. Therefore, the number of samples is N = 2 11 = 2048. When the number of samples N is 2048, the frequency resolution is f 0 = 20000/2048 = 9.766 Hz from Equation 1-6, which is finer than the frequency resolution of 12 Hz corresponding to the speed accuracy of 0.1 m / s, Satisfies the requirements.

図4において、符号20は、音波パルスの送信と同時に取り込みを開始するとして、FFTに必要な2048個の信号サンプルを取り込むのに要する時間T0を表している。この2048個の信号サンプルに対してFFTを行った結果を図5に示す。 In FIG. 4, reference numeral 20 represents a time T 0 required to acquire 2048 signal samples necessary for FFT, assuming that acquisition is started simultaneously with transmission of a sound wave pulse. FIG. 5 shows the result of performing FFT on the 2048 signal samples.

図5に示すスペクトルは、FFTステップで512番目に位置するピーク38と、574番目あたりに位置するピーク39とを顕著なピークとして含んでおり、強度としては、ピーク38の方が大きい。FFTステップ数に周波数分解能f0を乗じたものが実際の周波数であり、ここでは、f0=20000/2048=9.766Hzであるから、ピーク38の周波数は、9.766Hz×512=5000Hzとなる。上述のように、中間周波数信号における中心周波数fmidは5kHzであって、これは送信周波数の信号を周波数変換したものと一致するから、ピーク38は、送信波を直接検出したピークに対応する。また、同様の考察を行うと、ピーク39は、海底エコーに相当するものであり、船速に応じて送信周波数がドップラーシフトした周波数となっている。ここに示した例では、サンプリング周波数fft=20kHzであってサンプル数N=2048としているから、式1−5からT0=102.4msとなる。これは、距離に換算すれば、送受波器の位置から海底までをまとめてFFTの対象としていることになる。その結果、最もパワーが大きな送信信号自体がピークパワースペクトルとして検出されたことになる。つまり、所望する時間範囲以外に強い信号があるFFT入力信号では、その所望する時間範囲内でのピークパワーとなるスペクトルあるいは周波数を求めることはできない。 The spectrum shown in FIG. 5 includes the peak 38 located at the 512th in the FFT step and the peak 39 located around the 574th as prominent peaks, and the peak 38 is larger in intensity. The frequency obtained by multiplying the number of FFT steps by the frequency resolution f 0 is the actual frequency. Here, f 0 = 2000/2048 = 9.766 Hz, and therefore the frequency of the peak 38 is 9.766 Hz × 512 = 5000 Hz. Become. As described above, the center frequency f mid in the intermediate frequency signal is 5 kHz, which matches the frequency converted signal of the transmission frequency, so that the peak 38 corresponds to the peak obtained by directly detecting the transmission wave. Further, when the same consideration is made, the peak 39 corresponds to a sea bottom echo, and the transmission frequency is a frequency that is Doppler shifted according to the ship speed. In the example shown here, since the sampling frequency f ft = 20 kHz and the number of samples N = 2048, T 0 = 102.4 ms from Equation 1-5. In terms of distance, this means that the location from the position of the transducer to the sea floor is collectively subject to FFT. As a result, the transmission signal itself having the highest power is detected as the peak power spectrum. That is, for an FFT input signal having a strong signal outside the desired time range, it is not possible to obtain the spectrum or frequency that is the peak power within the desired time range.

図4において、音波パルスの送信時刻を始点として時間t1(22)だけシフトさせ、ピーク18だけを含む時間範囲T1(21)の信号だけを切り出してFFTを行うことも考えられる。ちょうど128個のサンプルが切り出されてFFTを行ったとすると、周波数分解能f0は、f0=20000/128≒156Hzであり、これは、FFTステップが1つずれれば156Hz異なるという、粗い精度である。この周波数分解能は、要求されている分解能12Hzと比べて極めて粗く、要求に応えることができない。 In FIG. 4, it is conceivable to perform FFT by shifting only the signal in the time range T 1 (21) including only the peak 18 by shifting the transmission time of the sound wave pulse by the time t 1 (22). Assuming that 128 samples are cut out and FFT is performed, the frequency resolution f 0 is f 0 = 20000 / 128≈156 Hz, which is 156 Hz different if the FFT step is shifted by 1 with a coarse accuracy. is there. This frequency resolution is extremely coarse compared to the required resolution of 12 Hz and cannot meet the requirements.

なお、説明のため、図6ではスペクトルが連続する実線で描かれているが、実際にはFFTによる解析結果であるので、図1に示したものと同様に、FFTステップごとの離散値として表されるものである。   For the sake of explanation, in FIG. 6, the spectrum is drawn with a continuous solid line, but since it is actually an analysis result by FFT, it is expressed as a discrete value for each FFT step, as shown in FIG. It is what is done.

従来のドップラー計測では、所望の時間間隔内でピークパワーとなる周波数を求める場合、まず、距離(時間)分解能を優先させて、受信信号から必要な範囲T1を切り出し、周波数分解能が粗いままでFFTによる周波数解析を実行する。解析結果において最も高い値となったサンプリング点、次に大きな値となったサンプリング点、また次に大きな値となったサンプリング点などから、スペクトルにおけるピークの形状を仮定したカーブフィッティングなどの手法によって補間を行うことにより、真のピークパワー周波数を推定する方法などを用いていた。補間によるので、真のピークパワー周波数は、FFTにおける周波数分解能よりも細かい分解能で算出できる。 In conventional Doppler measurement, when obtaining the peak power frequency within a desired time interval, first, the distance (time) resolution is prioritized, and the necessary range T 1 is extracted from the received signal until the frequency resolution is coarse. Perform frequency analysis by FFT. Interpolate from the sampling point with the highest value in the analysis result, the sampling point with the next largest value, the sampling point with the next largest value, etc. by a method such as curve fitting that assumes the peak shape in the spectrum The method of estimating a true peak power frequency by performing was used. Because of interpolation, the true peak power frequency can be calculated with a finer resolution than the frequency resolution in FFT.

しかしながら、このような従来のやり方では、補間によってピークパワー周波数を求めるための回路や推定アルゴリズムが複雑になり、その結果、FFT以外の処理にも演算パワーを費やす必要が生じ、演算速度の低下やコストアップの要因となっていた。また、FFTの後で周波数推定を行うため、測定精度が悪化しやすいという問題もある。   However, in such a conventional method, a circuit and an estimation algorithm for obtaining the peak power frequency by interpolation become complicated, and as a result, it is necessary to spend calculation power for processing other than FFT, and the calculation speed is reduced. It was a factor of cost increase. Moreover, since frequency estimation is performed after FFT, there is also a problem that measurement accuracy is likely to deteriorate.

特許文献1には、FFTにおける演算ポイント数を減らしつつ、周波数分解能を高めるようにした信号処理方法が示されている。   Patent Document 1 discloses a signal processing method that increases the frequency resolution while reducing the number of calculation points in FFT.

WO2006/043511WO2006 / 043511

上述したように、ドップラー計測などにフーリエ変換を適用する場合、周波数分解能を向上させることと測定対象とする範囲の時間(あるいは距離)についての分解能を向上させることとが両立しない、というフーリエ変換の基本的な問題に起因する問題が生じる。この問題を回避するために、所望の短い時間幅で信号を切り出した上でFFTを行い、そのFFT結果に対して各種の補間方法や推定方法を適用して、FFTによって離散化した周波数間隔よりも細かくピークパワーの周波数を求めることも行われているが、これは、構成の肥大化やアルゴリズムの複雑化をもたらし、そのために演算速度の低下やコストアップがもたらされる。さらに、これらの補間方法や推定方法を用いた場合には、必ずしも所望の周波数精度が得られない、という問題点もある。   As described above, when Fourier transform is applied to Doppler measurement or the like, improvement of frequency resolution and improvement of resolution with respect to time (or distance) of a range to be measured are incompatible with each other. Problems arise from basic problems. In order to avoid this problem, the signal is cut out in a desired short time width and then FFT is performed. Various interpolation methods and estimation methods are applied to the FFT result, and the frequency interval discretized by FFT is used. Although the frequency of the peak power is also finely determined, this leads to an increase in the configuration and complexity of the algorithm, which leads to a decrease in calculation speed and an increase in cost. Furthermore, when these interpolation methods and estimation methods are used, there is a problem that desired frequency accuracy cannot always be obtained.

本発明の目的は、フーリエ変換における上述した基本的な問題を解決し、測定対象とする時間範囲の分解能を高めつつ、周波数分解能を高めることができる検出方法及び装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a detection method and apparatus capable of solving the above-described basic problems in Fourier transform and increasing the frequency resolution while increasing the resolution of the time range to be measured.

本発明の検出方法は、時間変化する信号における所望の時間幅の範囲内でのピークパワー周波数を検出する方法であって、信号を所望の時間幅内においてサンプリングしてデジタルデータ列とするサンプリング段階と、必要とされる周波数分解能を満たすために高速フーリエ変換において必要なサンプル数を基準サンプル数として、この基準サンプル数に達するように、デジタルデータ列にゼロデータを付加する付加段階と、ゼロデータが付加されたデジタルデータ列に対して高速フーリエ変換を行うFFT段階と、を有し、高速フーリエ変換の結果において最大値を示す周波数をピークパワー周波数として検出する。   The detection method of the present invention is a method for detecting a peak power frequency within a range of a desired time width in a time-varying signal, wherein the signal is sampled within the desired time width to obtain a digital data sequence. And an additional step of adding zero data to the digital data string so as to reach the reference sample number, with the number of samples required in the fast Fourier transform to satisfy the required frequency resolution as the reference sample number, and zero data An FFT stage that performs fast Fourier transform on the digital data sequence to which is added, and detects a frequency showing a maximum value in the result of the fast Fourier transform as a peak power frequency.

本発明の検出装置は、時間変化する信号における所望の時間幅の範囲内でのピークパワー周波数を検出する装置であって、信号を所望の時間幅内においてサンプリングしてデジタルデータ列とするサンプリング手段と、必要とされる周波数分解能を満たすために高速フーリエ変換において必要なサンプル数を基準サンプル数として、この基準サンプル数に達するように、デジタルデータ列にゼロデータを付加するゼロ付加手段と、ゼロデータが付加されたデジタルデータ列に対して高速フーリエ変換を行うFFT手段と、を有する。   The detection device of the present invention is a device for detecting a peak power frequency within a desired time width in a time-varying signal, and sampling means for sampling the signal within a desired time width to obtain a digital data string And zero adding means for adding zero data to the digital data string so as to reach the reference sample number, with the number of samples required in the fast Fourier transform to satisfy the required frequency resolution as the reference sample number, and zero FFT means for performing a fast Fourier transform on a digital data sequence to which data is added.

本発明では、粗い周波数分解能でのFFTの結果から補間や推定によってピークパワー周波数を求めるのではなく、所望の周波数分解能が得られるようにゼロデータを付加してからFFTを行うので、FFT後の補間や推定などを行うことなく、所望の周波数分解能でFFTからピークパワー周波数を直接求めることができるようになる。本発明は、複雑な回路やアルゴリズムを必要としないので、シンプルな構成で、低コストで、精度良く、かつ高速に、ピークパワー周波数を求めることができる。   In the present invention, instead of obtaining the peak power frequency by interpolation or estimation from the FFT result with coarse frequency resolution, the FFT is performed after adding zero data so that a desired frequency resolution can be obtained. The peak power frequency can be directly obtained from the FFT with a desired frequency resolution without performing interpolation or estimation. Since the present invention does not require a complicated circuit or algorithm, the peak power frequency can be obtained with a simple configuration, low cost, high accuracy, and high speed.

FFTによる周波数スペクトル解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency spectrum analysis result by FFT. ドップラー計測機器の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of a Doppler measuring device. 受信信号の中間周波数への変換などを説明するスペクトル図である。It is a spectrum figure explaining conversion etc. to the intermediate frequency of a received signal. 斜め方向に海中に音響信号を送波したときのその反射エコーの受信波形の一例を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows an example of the received waveform of the reflective echo when an acoustic signal is transmitted in the sea in the diagonal direction. 送信信号を含んだ反射エコーの周波数スペクトル解析結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the frequency spectrum analysis result of the reflective echo containing a transmission signal. 入力サンプル数が少ない時のFFTによる周波数スペクトル解析結果を示す図である。It is a figure which shows the frequency spectrum analysis result by FFT when there are few input samples. 本発明の実施の一形態のピークパワースペクトル検出装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the peak power spectrum detection apparatus of one Embodiment of this invention. FFTへの入力信号を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the input signal to FFT.

図7は、本発明の実施の一形態のピークパワースペクトル検出方法の実施に適したドップラー計測機器の構成を示している。このドップラー計測機器は、本発明に基づくピークパワースペクトル検出装置の一例である。   FIG. 7 shows a configuration of a Doppler measurement device suitable for implementing the peak power spectrum detection method according to the embodiment of the present invention. This Doppler measuring device is an example of a peak power spectrum detection device based on the present invention.

図7に示したドップラー計測機器は、図2に示したドップラー計測機器において、信号切り出しゲート11とFFT処理部13との間に、ゼロ付加部12を挿入したものである。信号切り出しゲート11からは、測定対象の時間範囲に対応して信号をサンプリングしデジタル化して得られるデジタルデータ列が出力されるが、ゼロ付加部12は、必要とされる周波数分解能を満たすためにFFTにおいて必要なサンプル数を基準サンプル数として、この基準サンプル数に達するように、デジタルデータ列にゼロデータを付加するものである。ゼロ付加部12での処理の詳細については後述する。   The Doppler measuring device shown in FIG. 7 is obtained by inserting a zero adding unit 12 between the signal cut-out gate 11 and the FFT processing unit 13 in the Doppler measuring device shown in FIG. The signal cut-out gate 11 outputs a digital data string obtained by sampling and digitizing a signal corresponding to the time range to be measured. The zero adding unit 12 is used to satisfy the required frequency resolution. The number of samples required in FFT is used as a reference sample number, and zero data is added to the digital data string so as to reach this reference sample number. Details of processing in the zero adding unit 12 will be described later.

図7に示すドップラー計測機器では、図2に示したものと同様に、変調器5及び局部発振回路6を使用して、送受波器1で受信した信号における上述の周波数範囲Δfpを低周波数側に周波数変換している。これは、高い周波数成分を検出するためにFFTを行うためには、サンプリング周波数を高くする必要があり、サンプリング周波数が高い分だけサンプル数が膨大となり過ぎるからである。ドップラー計測の場合、例えば、120kHz±1.2(kHz)の周波数範囲内でドップラー周波数を検出すればよく、検出対象とすべき周波数範囲Δfpが決まっているから、FFTにおいてサンプリング周波数を低下させ、かつ、必要な分解能の範囲内でサンプル数を減らすために、本実施形態では、受信信号を元の周波数よりも低い周波数の中間周波数信号に周波数変換している。前述の式2−1〜2−3などを用いて示したように、周波数変換後の中間周波数信号でも、周波数範囲Δfpは保たれている。 The Doppler measurement apparatus shown in FIG. 7, in the same manner as shown in FIG. 2, by using the modulator 5 and the local oscillator 6, low-frequency frequency range Delta] f p above in the received signal at the transducer 1 Frequency conversion on the side. This is because in order to perform FFT in order to detect a high frequency component, it is necessary to increase the sampling frequency, and the number of samples becomes too large for the higher sampling frequency. For Doppler measurements, for example, may be detected Doppler frequency in the frequency range of 120kHz ± 1.2 (kHz), since the frequency range Delta] f p to be a detection target are determined, lowering the sampling frequency in the FFT In this embodiment, the received signal is frequency-converted into an intermediate frequency signal having a frequency lower than the original frequency in order to reduce the number of samples within a necessary resolution range. As shown by the like above equations 2-1 to 2-3, even in an intermediate frequency signal after the frequency conversion, the frequency range Delta] f p is maintained.

変調器5の出力から低周波側の中間周波数成分だけを取り出すことと、後段のアナログ/デジタル変換においてエリアシングが生じないようにすることのために、アナログフィルタ7が設けられている。アナログ/デジタル変換器(A/D)10は、FFTの実行が可能なサンプリング周波数でアナログフィルタ7の出力をサンプリングしてアナログ/デジタル変換する。これにより、A/D変換器10から、中間周波数信号における瞬時値を表すデジタル値からなるデジタルデータ列が出力されることになる。信号切り出しゲート11は、所望する時間範囲のデジタルデータ列を切り出す。この切り出されたデータのサンプル数を切り出しサンプル数とする。ゼロ付加部12は、要求されている周波数分解能に対応するFFTのサンプル数を基準サンプル数として求め、基準サンプル数に達するように、基準サンプル数と切り出しサンプル数との差に相当する数のゼロデータ(値がゼロであるサンプル)を切り出されたデジタルデータ列に付加する。そして、ゼロデータが付加されてサンプル数が基準サンプル数とされたデジタルデータ列に対し、FFT処理部13がFFTを実行し、ピークパワースペクトルを算出する。算出されたピークパワースペクトルは、信号切り出しゲート11において切り出された範囲に対するものであって、信号におけるその時間範囲でのピークパワー周波数を示している。また、ゼロデータが付加されたことにより、信号においてFFTの対象となる時間幅が実質的に拡大されており、この時間幅の逆数が周波数分解能に該当することから、周波数分解能が向上している。このように、本実施形態によれば、受信信号の中での所望の時間範囲(あるいは距離範囲)のピークパワースペクトルを、FFTの演算だけで、所望の周波数精度を満たして検出することができる。   An analog filter 7 is provided to extract only the intermediate frequency component on the low frequency side from the output of the modulator 5 and to prevent aliasing from occurring in the subsequent analog / digital conversion. The analog / digital converter (A / D) 10 samples the output of the analog filter 7 at a sampling frequency at which FFT can be performed, and performs analog / digital conversion. As a result, the A / D converter 10 outputs a digital data string composed of digital values representing instantaneous values in the intermediate frequency signal. The signal cut-out gate 11 cuts out a digital data string in a desired time range. The number of samples of the extracted data is defined as the number of cut samples. The zero adding unit 12 calculates the number of FFT samples corresponding to the required frequency resolution as the reference sample number, and the number of zeros corresponding to the difference between the reference sample number and the cut sample number so as to reach the reference sample number. Data (sample with a value of zero) is added to the extracted digital data string. Then, the FFT processing unit 13 performs FFT on the digital data string in which zero data is added and the number of samples is the reference number of samples, and calculates a peak power spectrum. The calculated peak power spectrum is for the range cut out by the signal cut-out gate 11 and indicates the peak power frequency in the time range of the signal. In addition, by adding zero data, the time width to be subjected to FFT in the signal is substantially expanded, and the reciprocal of this time width corresponds to the frequency resolution, so the frequency resolution is improved. . As described above, according to the present embodiment, the peak power spectrum in a desired time range (or distance range) in the received signal can be detected by satisfying the desired frequency accuracy only by the FFT calculation. .

以下、数値例を挙げて、この実施形態における周波数分解能について説明する。   Hereinafter, the frequency resolution in this embodiment will be described by giving numerical examples.

背景技術の欄で述べたものと同じ条件で、超音波のパルス状の信号を海中に送信し、移動物からの反射エコーのドップラー周波数を測定する場合を考える。すなわち、海水中の音波伝搬速度CをC=1500(m/s)とし、送信周波数ftxをftx=120kHzとし、検出最大速度(水平方向)VをV=15(m/s)とし、音波を水平方向から斜め方向(θ=60°)に送受信するものとする。 Consider a case where an ultrasonic pulse signal is transmitted into the sea under the same conditions as described in the background art section, and the Doppler frequency of a reflected echo from a moving object is measured. That is, the sound wave propagation speed C in seawater is C = 1500 (m / s), the transmission frequency f tx is f tx = 120 kHz, the maximum detection speed (horizontal direction) V is V = 15 (m / s), It is assumed that sound waves are transmitted and received in a diagonal direction (θ = 60 °) from the horizontal direction.

このとき、ドップラー信号は120±1.2(kHz)の範囲であり、速度精度として0.1m/sを要求すれば周波数分解能f0は12Hzとなる。また、ドップラー計測において検出対象とする位置の範囲(位置分解能)を7.5mとし、周波数変換後の信号の中心周波数すなわち中間周波数fmid(50)を5kHzとし、アナログ/デジタル変換でのサンプリング周波数及びFFTのサンプリング周波数fftを20kHzとする。 At this time, the Doppler signal is in the range of 120 ± 1.2 (kHz), and if the speed accuracy is required to be 0.1 m / s, the frequency resolution f 0 is 12 Hz. In addition, the range (position resolution) of the position to be detected in Doppler measurement is 7.5 m, the center frequency of the signal after frequency conversion, that is, the intermediate frequency f mid (50) is 5 kHz, and the sampling frequency in analog / digital conversion. And the sampling frequency f ft of FFT is 20 kHz.

周波数分解能f0から必要なT0を求めると、T0=1/f0=1/12≒83.3msとなる。 When obtaining the T 0 required from the frequency resolution f 0, the T 0 = 1 / f 0 = 1/12 ≒ 83.3ms.

海中に音波パルスを発射して受信信号を観測し、その受信信号を中間周波数信号に変換した後の波形を示す図4において、上述したように、符号16は反射エコーを表し、符号17は送信信号自体を表し、符号18は海底エコーを表している。海底エコー18の周波数を解析し、式1−1に基づき、ドップラー周波数から船の速度を求める場合を考える。ここでは、送信信号などの不要な信号が含まれないようにするために、海底エコー18の部分だけを切り出してFFTを行い、海底からの反射波に関してドップラー周波数を求める。図8は、図4に示す信号波形から海底エコーだけを切り出した信号19を示している。ここでは、海底エコー19の部分として、音波パルスの送信から時間t2(26)の経過後に時間幅T2(24)を切り出すものとする。ここで切り出された信号は、サンプル数としては100個である。 In FIG. 4 which shows the waveform after emitting a sound wave pulse in the sea, observing the received signal, and converting the received signal into an intermediate frequency signal, reference numeral 16 represents a reflected echo and reference numeral 17 represents transmission. The signal represents the signal itself, and reference numeral 18 represents a seabed echo. Consider a case where the frequency of the seafloor echo 18 is analyzed and the speed of the ship is obtained from the Doppler frequency based on Formula 1-1. Here, in order to prevent unnecessary signals such as transmission signals from being included, only the seafloor echo 18 is cut out and subjected to FFT to obtain the Doppler frequency for the reflected wave from the seabed. FIG. 8 shows a signal 19 obtained by cutting out only the sea bottom echo from the signal waveform shown in FIG. Here, it is assumed that the time width T 2 (24) is cut out after the elapse of time t 2 (26) from the transmission of the sound wave pulse as the portion of the seabed echo 19. The signal cut out here is 100 samples.

時間幅T2の100個のサンプルのみを用いてフーリエ変換を行った場合の周波数分解能f0は、f0=20000Hz/100=200Hzとなり、要求されている周波数分解能である12Hzを全く満たさない。 The frequency resolution f 0 when the Fourier transform is performed using only 100 samples of the time width T 2 is f 0 = 20000 Hz / 100 = 200 Hz, and does not satisfy the required frequency resolution of 12 Hz.

ここで、要求されている周波数分解能である12Hzをフーリエ変換が満たすために必要なサンプル数Nを求めると、式1−7から、N=fft/f0=20000/12≒1667となる。1667は2のべき乗数ではないので、1667を超えて最も1667に近い2のべき乗数を考えると、211=2048が見つかる。そこで、FFTにおけるサンプル数Nとして2048を採用すると、式1−6より、周波数分解能f0は、f0=20000Hz/2048=9.766Hzとなって、要求事項を満足している。 Here, when the number N of samples necessary for the Fourier transform to satisfy the required frequency resolution of 12 Hz is obtained, N = f ft / f 0 = 20000 / 12≈1667 from Expression 1-7. Since 1667 is not a power of 2, considering the power of 2 that is closest to 1667 beyond 1667, 2 11 = 2048 is found. Therefore, when 2048 is adopted as the number of samples N in the FFT, the frequency resolution f 0 is f 0 = 20000 Hz / 2048 = 9.766 Hz from Equation 1-6, which satisfies the requirements.

そこでこの実施形態では、FFTをサンプル数N=2048で実行するものとし、海底エコーの信号19の分のサンプル数は100なので、不足した1948個のサンプルについては、ゼロ値からなるサンプルを挿入する。図8においてT0(23)は、2048個のサンプルに対応する時間であり、FFT解析の対象となる時間幅である。 Therefore, in this embodiment, it is assumed that FFT is executed with the number of samples N = 2048, and the number of samples of the signal 19 of the sea bottom echo is 100. Therefore, for the insufficient 1948 samples, samples having zero values are inserted. . In FIG. 8, T 0 (23) is a time corresponding to 2048 samples and is a time width to be subjected to FFT analysis.

ここでT0=T2+T3の関係が成り立っており、測定したい範囲の信号19を切り出してFFT解析に必要なサンプル数Nを満たすように付加されるゼロ値信号の継続時間が、T3に対応することになる。時間幅T3の挿入位置は、時間幅T2すなわち切り出された信号19の前でも後でもよい。あるいは、信号19を挟むように前後に分割してゼロ値信号を挿入する時間幅を配置してFFT解析の時間幅T0(27)を設定してもよい。 Here, the relationship of T 0 = T 2 + T 3 holds, and the duration of the zero value signal added so as to satisfy the number N of samples necessary for FFT analysis by cutting out the signal 19 in the range to be measured is T 3. It will correspond to. The insertion position of the time width T 3 may be before or after the time width T 2, that is, the extracted signal 19. Alternatively, the time width T 0 (27) for FFT analysis may be set by arranging a time width for inserting the zero value signal by dividing the signal 19 before and after the signal 19 therebetween.

ここで示す例では、音波パルスの送信から信号の切り出しを開始するまでの経過時間t2(図8での符号26)と時間幅T2(図8での符号24)を予め定めているが、海底エコーのような強度の大きな反射エコーを検出対象とする場合であれば、切り出しまでの経過時間t2も切り出しの時間幅T2も自動検出して決定することも可能である。深度ごとの潮流の流速を求める場合などには、自動検出を行うことができないのでt2及びT2について予め設定しておくことになる。 In the example shown here, the elapsed time t 2 (symbol 26 in FIG. 8) and the time width T 2 (symbol 24 in FIG. 8) from the transmission of the sound wave pulse to the start of signal clipping are determined in advance. If a reflected echo having a high intensity such as a sea bottom echo is to be detected, it is possible to automatically detect and determine the elapsed time t 2 until the cutout and the time width T 2 of the cutout. When obtaining the flow velocity of the tidal current at each depth, automatic detection cannot be performed, and t 2 and T 2 are set in advance.

ここでゼロ付加部12によるゼロ値データの付加について説明する。   Here, addition of zero value data by the zero addition unit 12 will be described.

一般にFFTではその対象とするサンプル数は2のべき乗である必要がある。その一方で、FFTによる解析を行いたい対象データにおけるサンプル数が2のべき乗となっていないことはよくあることである。そこで、サンプル数が2のべき乗となるように、ゼロデータのサンプルを付加することがゼロパディングなどと称して行われている。その場合、とにかくFFTを行えるだけのサンプル数となればよいのであるから、対象データのサンプル数をNsとして、2m-1<Ns≦2mを満たす自然数mが存在する時に、2m−Ns個のゼロ値データを付加することになる。それに対して本実施形態では、単にFFTの実行が可能になるようにゼロ値データを付加するのではなく、FFTにおけるサンプリング周波数fftを考慮して所望の周波数分解能が得られるように、ゼロ値データを付加する。したがって、付加されるゼロ値データの数も、単にFFTを実行可能になるようにする場合に比べ、はるかに多くなることがある。上述した例では、海底エコーを切り出してサンプル数が100になったとして、単にFFTを実行するためだけであれば27=128であるので28個のゼロ値データを付加すればよいだけであるが、所望の周波数分解能を満たすようにするために、1948個もののゼロ値データを付加しているのである。 In general, in FFT, the target number of samples needs to be a power of two. On the other hand, the number of samples in the target data to be analyzed by FFT is often not a power of two. Therefore, adding zero data samples so that the number of samples is a power of 2 is called zero padding. In that case, it is sufficient that the number of samples is enough to perform the FFT anyway. Therefore, when the number of samples of the target data is N s and there is a natural number m satisfying 2 m−1 <N s ≦ 2 m , 2 m -N s zero value data will be added. On the other hand, in the present embodiment, zero value data is not added so that the FFT can be executed, but the zero value is obtained so that a desired frequency resolution can be obtained in consideration of the sampling frequency f ft in the FFT. Append data. Therefore, the number of zero value data added may be much larger than simply allowing the FFT to be performed. In the above-described example, assuming that the number of samples is 100 by cutting out the sea bottom echo, if only to execute FFT, 2 7 = 128, so only 28 zero-value data need be added. However, 1948 zero-value data are added to satisfy the desired frequency resolution.

以上、本発明の好ましい実施形態について、反射エコーにおけるドップラー周波数の検出を例に挙げて説明したが、本発明の適用範囲はこれに限られるものではない。検出対象とすべき周波数範囲を想定できる信号から短い時間範囲の部分を切り出してFFTによる解析を行う場合に、本発明は広く一般的に適用可能である。例えば、バンドパスフィルター等のフィルターを通して所望する周波数帯域の中の信号へと変換し、その後、短い時間信号を切りだして周波数検出を行うことに対しても、本発明は適用可能である。   As described above, the preferred embodiment of the present invention has been described by taking the detection of the Doppler frequency in the reflected echo as an example, but the scope of application of the present invention is not limited to this. The present invention is widely and generally applicable when a portion of a short time range is cut out from a signal that can assume a frequency range to be detected and analyzed by FFT. For example, the present invention can be applied to the case where the signal is converted into a signal in a desired frequency band through a filter such as a band pass filter, and then the signal is detected by cutting out a short time signal.

1 送受波器
2 送受信切替回路
3 送信回路
4 受信増幅器
5 変調器
6 局部発振回路
7 アナログフィルタ
10 アナログ/デジタル変換器(A/D)
11 信号切り出しゲート
12 ゼロ付加部
13 FFT処理部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmitter / receiver 2 Transmission / reception switching circuit 3 Transmission circuit 4 Reception amplifier 5 Modulator 6 Local oscillation circuit 7 Analog filter 10 Analog / digital converter (A / D)
11 Signal Extraction Gate 12 Zero Addition Unit 13 FFT Processing Unit

Claims (7)

時間変化する信号における所望の時間幅の範囲内でのピークパワー周波数を検出する方法であって、
前記信号を前記所望の時間幅内においてサンプリングしてデジタルデータ列とするサンプリング段階と、
必要とされる周波数分解能を満たすために高速フーリエ変換において必要なサンプル数を基準サンプル数として、該基準サンプル数に達するように、前記デジタルデータ列にゼロデータを付加する付加段階と、
前記ゼロデータが付加された前記デジタルデータ列に対して高速フーリエ変換を行うFFT段階と、
を有し、
前記高速フーリエ変換の結果において最大値を示す周波数を前記ピークパワー周波数として検出する方法。
A method for detecting a peak power frequency within a desired time width in a time-varying signal, comprising:
A sampling step of sampling the signal within the desired time width into a digital data sequence;
An additional step of adding zero data to the digital data string so as to reach the reference sample number, with the number of samples required in the fast Fourier transform to satisfy the required frequency resolution as a reference sample number;
An FFT stage for performing a fast Fourier transform on the digital data sequence to which the zero data is added;
Have
A method of detecting a frequency showing a maximum value as a result of the fast Fourier transform as the peak power frequency.
前記基準サンプル数は、前記サンプリング段階で得られる前記デジタルデータ列のサンプル数の2倍以上である、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the reference sample number is at least twice the number of samples of the digital data sequence obtained in the sampling step. 前記信号は、所定の周波数帯域を有し、前記所定の周波数帯域が低周波側に変換されるように、前記サンプリング段階の前に、前記信号に対して周波数変換を行う段階を有する、請求項1または2に記載の方法。   The signal has a predetermined frequency band, and includes a step of performing frequency conversion on the signal before the sampling step so that the predetermined frequency band is converted to a low frequency side. The method according to 1 or 2. 時間変化する信号における所望の時間幅の範囲内でのピークパワー周波数を検出する装置であって、
前記信号を前記所望の時間幅内においてサンプリングしてデジタルデータ列とするサンプリング手段と、
必要とされる周波数分解能を満たすために高速フーリエ変換において必要なサンプル数を基準サンプル数として、該基準サンプル数に達するように、前記デジタルデータ列にゼロデータを付加するゼロ付加手段と、
前記ゼロデータが付加された前記デジタルデータ列に対して高速フーリエ変換を行うFFT手段と、
を有する装置。
An apparatus for detecting a peak power frequency within a desired time width in a time-varying signal,
Sampling means for sampling the signal within the desired time width into a digital data string;
Zero addition means for adding zero data to the digital data sequence so as to reach the reference sample number, with the number of samples required in the fast Fourier transform to satisfy the required frequency resolution as a reference sample number;
FFT means for performing a fast Fourier transform on the digital data sequence to which the zero data is added;
Having a device.
前記基準サンプル数は、前記サンプリング手段で得られる前記デジタルデータ列のサンプル数の2倍以上である、請求項4に記載の装置。   The apparatus according to claim 4, wherein the reference sample number is at least twice the number of samples of the digital data sequence obtained by the sampling means. 前記サンプリング手段は、前記信号に対してアナログ/デジタル変換を行うA/D変換器と、前記所望の時間幅に応じ、前記A/D変換器から出力されるデジタルデータ列を切り出す信号切り出しゲートと、を有する、請求項4または5に記載の装置。   The sampling means includes an A / D converter that performs analog / digital conversion on the signal, and a signal cutout gate that cuts out a digital data string output from the A / D converter according to the desired time width. The device according to claim 4, comprising: 前記信号は所定の周波数帯域を有しており、
さらに、前記サンプリング手段の前に、前記所定の周波数帯域が低周波側に変換されるように前記信号に対して周波数変換を行う周波数変換手段を有する、請求項4乃至6のいずれか1項に記載の装置。
The signal has a predetermined frequency band;
Furthermore, before the said sampling means, it has a frequency conversion means which performs a frequency conversion with respect to the said signal so that the said predetermined frequency band may be converted into the low frequency side. The device described.
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