JP2017227480A - 音波監視装置および航走体 - Google Patents

Abstract

【課題】音波監視装置において観測される所望音波成分を雑音成分に対して十分に大きくすることを目的とする。【解決手段】音波監視装置は、それぞれが音波を検出する複数の音響センサと、各音響センサによる受信信号に対して周波数変換処理を施す高速フーリエ変換部３６−１〜３６−ｎと、各高速フーリエ変換部から出力された周波数スペクトラムデータに対する合成処理を実行する合成処理部とを備える。合成処理部は、各高速フーリエ変換部から出力された周波数スペクトラムデータに基づいて、各受信信号に含まれていた同一周波数成分を掛け合わせる乗算器４０を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、音波監視装置に関し、特に、音波の周波数スペクトラムを求める装置に関する。

水中を探索するための航走体として、自律型無人潜水機（ＵＵＶ：Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が広く用いられている。ＵＵＶは、自らの移動距離および移動方向を測定することによって測位を行う測位装置を備えている。ＵＵＶは測位装置の測位結果を用い、予めプログラムされた航路に従って潜水しながら水中を観測する。観測の対象としては、海底、他の潜水艦、船舶等がある。

一般にＵＵＶには、水中を観測するための音波監視装置が搭載されている。海底の形状を観測する音波監視装置は、音波を送信し海底で反射した音波を受信し、受信信号に基づいて海底の形状データを取得する。他の潜水艦、船舶等の物標を観測する音波監視装置は、水中を伝搬する音波を受信し、受信信号に基づいて物標の位置データを取得する。

以下の特許文献１および２には水中の音波を観測する装置が記載されている。特許文献３には、このような装置に用いられる圧電素子が記載されている。

特開平８−６１９５２号公報 特開２０１３−１６０６８２号公報 特開平６−２６９０９１号公報

音波監視装置の受信信号には観測に必要な所望音波成分の他、雑音成分が含まれる。雑音成分が大きい場合、所望音波成分に基づくデータを解析することが困難となることがある。

本発明は、音波監視装置において観測される所望音波成分を雑音成分に対して十分に大きくすることを目的とする。

本発明は、それぞれが音波を検出する複数のセンサ部と、複数の前記センサ部のそれぞれに対して設けられ、前記センサ部による検出信号に対して周波数変換処理を施す変換部と、各前記変換部から出力された周波数スペクトラムデータに対する合成処理を実行する合成処理部と、を備えることを特徴とする。

望ましくは、前記合成処理部は、各前記変換部から出力された周波数スペクトラムデータに基づいて、各前記検出信号に含まれていた同一周波数成分を掛け合わせる乗算器を含む。

望ましくは、前記合成処理部による合成処理によって得られた信号のピーク周波数成分を検出する周波数検出部と、複数の前記センサ部による複数の検出信号のそれぞれに含まれる前記ピーク周波数成分の位相を揃える位相同期部と、位相が揃えられた上で前記位相同期部から出力される複数の同期化信号を合成する同期合成処理部と、前記同期合成処理部による合成信号に対して周波数変換処理を施す第２変換部と、を備える。

本発明は、それぞれが音波を検出する複数のセンサ部と、複数の前記センサ部による複数の検出信号のそれぞれに含まれる特定の周波数成分の位相を揃える位相同期部と、位相が揃えられた上で前記位相同期部から出力される複数の同期化信号を合成する同期合成処理部と、前記同期合成処理部による合成信号に対して周波数変換処理を施す変換部と、を備えることを特徴とする。

望ましくは、前記同期合成処理部は、複数の前記同期化信号を加算合計する。

本発明は、音波を検出するセンサ部と、前記センサ部による検出信号を、時系列順に所定時間長の信号に区切って分割する分割部と、前記検出信号を分割することで得られた複数の分割信号のそれぞれに対して設けられ、前記分割信号に対して周波数変換処理を施す変換部と、各前記変換部から出力された周波数スペクトラムデータに対する合成処理を実行する合成処理部と、を備えることを特徴とする。

望ましくは、前記合成処理部は、各前記変換部から出力された周波数スペクトラムデータに基づいて、各前記分割信号に含まれていた同一周波数成分を掛け合わせる乗算器を含む。

望ましくは、前記合成処理部は、各前記変換部から出力された周波数スペクトラムデータに基づいて、各前記分割信号に含まれていた同一周波数成分を加算合計する加算器を含む。

望ましくは、各前記センサ部は、ピエゾフィルムセンサを備える。

望ましくは、各前記センサ部は、複数の振動子と、前記複数の振動子に基づく指向性を適応的に変化させる指向性制御部と、を備える。

本発明に係る航走体は、望ましくは、前記音波監視装置を搭載する。

本発明によれば、音波監視装置において観測される所望音波成分を雑音成分に対して十分に大きくすることができる。

本発明の実施形態に係る音波監視装置の構成を示す図である。 ＵＵＶに固定された音響センサおよび振動センサを模式的に示す図である。 第１信号処理部の構成を示す図である。 第２信号処理部の構成を示す図である。 第３信号処理部の構成を示す図である。 画像生成部および表示部を備える音波監視装置を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る音波監視装置の構成が示されている。音波監視装置は、例えばＵＵＶに搭載され、他の潜水艦、船舶等から発せられる音波を検出する。音波監視装置は、音響センサ１０−１〜１０−ｎ、音響受信部１２−１〜１２−ｎ、Ｓ／Ｎ改善処理部１４、信号処理ユニット１６、音波データ記憶部１８、振動センサ２０、振動受信部２２、振動高速フーリエ変換部（振動ＦＦＴ）２４、振動データ記憶部２６、操作部２８、制御部３０および測位部３１を備えている。

音響センサ１０−１〜１０−ｎのそれぞれは、音波を検出するセンサ部としての機能を有し、例えば、ＵＵＶのボデーに固定される。音響センサ１０−１〜１０−ｎには、例えば、ピエゾフィルムセンサ等の圧電素子が用いられる。音響センサ１０−１〜１０−ｎは、ＵＵＶに到来した音波を電気信号に変換し、受信信号としてそれぞれ音響受信部１２−１〜１２−ｎに出力する。音響受信部１２−ｑ（ｑ＝１〜ｎ）は、音響センサ１０−ｑから出力された受信信号を増幅し、さらに、受信信号を時間軸上でサンプリングされたディジタル信号に変換し、Ｓ／Ｎ改善処理部１４に出力する。

振動センサ２０は、例えば、ＵＵＶのボデーに固定される。振動センサ２０には、例えば、ピエゾフィルムセンサ等の圧電素子が用いられる。振動センサ２０は、ＵＵＶのボデーの振動を電気信号に変換し、振動信号として振動受信部２２に出力する。振動受信部２２は、振動センサ２０から出力された振動信号を増幅し、さらに、振動信号を時間軸上でサンプリングされたディジタル信号に変換し、そのディジタル信号をＳ／Ｎ改善処理部１４および振動高速フーリエ変換部２４に出力する。

振動高速フーリエ変換部２４は、振動信号に対して高速フーリエ変換処理を施して振動周波数スペクトラムデータを生成し振動データ記憶部２６に出力する。なお、振動信号は、フーリエ変換処理が施されることなく振動データ記憶部２６に記憶されてもよい。

測位部３１は、複数方向のそれぞれについて加速度センサを備えており、ＵＵＶが航行を開始したときの位置情報と、各方向について検出された加速度に基づいて、ＵＵＶの位置情報を求める。測位部３１は振動データ記憶部２６に位置情報を出力する。振動データ記憶部２６は、振動周波数スペクトラムデータまたは時間領域での振動信号と、測位部３１から出力された位置情報とを対応付けて記憶する。

Ｓ／Ｎ改善処理部１４は、音響受信部１２−１〜１２−ｎから出力された各受信信号に対し、振動受信部２２から出力された振動信号を用いて、各受信信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を大きくする処理、すなわちＳ／Ｎを改善する処理を施す。このＳ／Ｎ改善処理には、時間軸上で離散的に連なる受信信号のサンプル値と、時間軸上で離散的に連なる振動信号のサンプル値に対し、サンプル時間ごとに１回の演算が実行される逐次計算を行う適応アルゴリズムがあり、例えばＬＭＳアルゴリズム等がある。

また、Ｓ／Ｎ改善処理部１４は、振動信号を用いたＳ／Ｎ改善処理が施された各受信信号に対し、さらに、適応線スペクトル強調処理を施してもよい。適応線スペクトル強調処理は、処理対象の信号に含まれる周期的な成分を増大させるフィルタ処理である。適応線スペクトル強調処理には、時間軸上で離散的に連なる受信信号のサンプル値に対し、サンプル時間ごとに１回の演算が実行される逐次計算を行う適応アルゴリズムがある。適応線スペクトル強調処理は、例えば、特開平５−２６８１０５号公報、特開平５−７５３９１号公報等に開示されている。

後述のように、信号処理ユニット１６は、１つまたは複数の音響センサによって観測された音波について、異なる処理によって生成された複数種の周波数スペクトラムデータを生成し、音波データ記憶部１８に記憶する。測位部３１は振動データ記憶部２６の他、音波データ記憶部１８にも位置情報を出力する。音波データ記憶部１８は、信号処理ユニット１６から出力された各周波数スペクトラムデータと、測位部３１から出力された位置情報とを対応付けて記憶する。

操作部２８は、ユーザの操作に基づいて音波監視装置に対する制御情報を生成する。制御部３０は、制御情報に基づいて音波監視装置に対する制御を行う。この制御には、例えば、電源電力のオンオフ、音波データ記憶部１８および振動データ記憶部２６に記憶されたデータの読み出し等がある。

図２（ａ）には、ＵＵＶ３２に固定された音響センサ１０−１〜１０−ｎが模式的に示されている。また、図２（ｂ）には、音響センサ１０−１〜１０−ｎのうちの１つである音響センサ１０−ｑ、振動センサ２０、およびボデー３４の断面が模式的に示されている。この図では、振動センサ２０はボデー３４の表面に固定されており、音響センサ１０−ｑは振動センサ２０上に重ねて固定されている。これによって、振動センサ２０は、ＵＵＶ３２のボデー３４の振動を検出し、ボデー３４の振動に基づく振動信号を出力する。音響センサ１０−ｑは、ＵＵＶ３２に到来した音波に基づく受信信号を出力する。

図１の信号処理ユニット１６は、第１信号処理部１６−１、第２信号処理部１６−２および第３信号処理部１６−３を備える。これらの信号処理部は、１つまたは複数の音響センサによって観測された音波について、異なる処理によって周波数スペクトラムデータを生成する。

図３には第１信号処理部１６−１の構成が示されている。図３に示されている受信信号ｘ_１（ｔ）〜ｘ_ｎ（ｔ）は、それぞれ、図１に示されているＳ／Ｎ改善処理部１４から出力されたものである。「（ｔ）」は時間領域の値であることを示す。受信信号ｘ_１（ｔ）〜ｘ_ｎ（ｔ）は、高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）３６−１〜３６−ｎにそれぞれ入力される。受信信号ｘ_１（ｔ）〜ｘ_ｎ（ｔ）は位相同期部４２にも入力される。

高速フーリエ変換部３６−ｑ（ｑ＝１〜ｎ）は、受信信号ｘ_ｑ（ｔ）に対して高速フーリエ変換処理を施し、受信信号ｘ_ｑ（ｔ）についての周波数スペクトラムデータを求め、パワー演算部３８−ｑに出力する。

高速フーリエ変換処理は、時間軸上に連なるｋサンプル（時間軸上の離散値の個数）の受信信号に対して実行される。高速フーリエ変換処理によって得られる１セットの周波数スペクトラムデータは、複数ｍ個の周波数成分を表すｍ個の複素数を含む。

高速フーリエ変換処理が施される受信信号ｘ_ｑ（ｔ）は（数１）のように表される。

（数１）ｘ_ｑ（ｔ）＝［ｘ_ｑ（ｔ_１），ｘ_ｑ（ｔ_２），・・・・・，ｘ_ｑ（ｔ_ｋ）］

受信信号ｘ_ｑ（ｔ）に対し高速フーリエ変換を施すことにより得られる各周波数成分の実数部および虚数部は、それぞれ（数２）および（数３）のように表される。

（数２）Ｒ_ｑ＝［Ｒ_ｑ（ｆ_１），Ｒ_ｑ（ｆ_２），・・・・・，Ｒ_ｑ（ｆ_ｍ）］
（数３）Ｉ_ｑ＝［Ｉ_ｑ（ｆ_１），Ｉ_ｑ（ｆ_２），・・・・・，Ｉ_ｑ（ｆ_ｍ）］

受信信号ｘ_ｑ（ｔ）の周波数ｆ_１、ｆ_２、・・・・・、ｆ_ｍの各成分は、ｊを虚数単位とする複素数によって、Ｒ_ｑ（ｆ_１）＋ｊ・Ｉ_ｑ（ｆ_１）、Ｒ_ｑ（ｆ_２）＋ｊ・Ｉ_ｑ（ｆ_２）、Ｒ_ｑ（ｆ_３）＋ｊ・Ｉ_ｑ（ｆ_３）、・・・・・、Ｒ_ｑ（ｆ_ｍ）＋ｊ・Ｉ_ｑ（ｆ_ｍ）のように表される。

パワー演算部３８−ｑは、各周波数成分についてパワー値を求める。パワー値は周波数成分を表す複素数の絶対値の自乗として定義される。すなわち、パワー演算部３８−ｑが出力するパワー値は（数４）のように表される。

（数４）Ｐ_ｑ＝［Ｌ_ｑ（ｆ_１），Ｌ_ｑ（ｆ_２），・・・・・，Ｌ_ｑ（ｆ_ｍ）］
ただし、１からｍのうちいずれかの整数をｈとして、Ｌ_ｑ（ｆ_ｈ）＝Ｒ_ｑ（ｆ_ｈ）^２＋Ｉ_ｑ（ｆ_ｈ）^２である。

乗算器４０は、複数の周波数スペクトラムデータに対する合成処理を実行する合成処理部として機能する。すなわち、乗算器４０は、パワー演算部３８−１〜３８−ｎから出力されたパワー値の同一周波数成分を掛け合わせ、ｍ個の新たなパワー値を含む積算周波数スペクトラムデータＰαを生成し、図１の音波データ記憶部１８に出力する。積算周波数スペクトラムデータＰαは、（数５）のように表される。ただし、記号Πは、ｑ＝１〜ｎについて総てを掛け合わせることを意味する。

（数５）Ｐα＝［ΠＬ_ｑ（ｆ_１），ΠＬ_ｑ（ｆ_２），・・・・・，ΠＬ_ｑ（ｆ_ｍ）］

ピーク周波数検出部５０は、乗算器４０から出力される積算周波数スペクトラムデータＰαに基づいて、積算周波数スペクトラムのピーク周波数を検出する。ここで、ピーク周波数とは、積算周波数スペクトラムデータＰαが示す周波数成分のうち、最も大きい周波数成分の周波数をいう。ピーク周波数検出部５０は、ピーク周波数を位相同期部４２に出力する。

位相同期部４２は、受信信号ｘ_１（ｔ）〜ｘ_ｎ（ｔ）に対し、ピーク周波数検出部５０によって求められたピーク周波数の成分について位相を揃える処理を実行する。位相同期部４２は、このような位相同期処理が施された受信信号ｘ_１（ｔ）〜ｘ_ｎ（ｔ）を加算器４４に出力する。

加算器４４は、同期化信号としての受信信号ｘ_１（ｔ）〜ｘ_ｎ（ｔ）を合成する合成処理部としての機能を有する。すなわち、加算器４４は、位相同期化処理が施された受信信号ｘ_１（ｔ）〜ｘ_ｎ（ｔ）を加算合計し、それによって得られた加算合計・受信信号（合成信号）を高速フーリエ変換部４６に出力する。高速フーリエ変換部４６は、加算合計・受信信号に対して高速フーリエ変換処理を施し、加算合計・受信信号についての周波数スペクトラムデータを求め、パワー演算部４８に出力する。パワー演算部４８は、各周波数成分についてパワー値を求め、ｍ個のパワー値を含む位相同期周波数スペクトラムデータＰβを図１の音波データ記憶部１８に出力する。

高速フーリエ変換部４６およびパワー演算部４８が実行する具体的な処理は、それぞれ、高速フーリエ変換部３６−ｑおよびパワー演算部３８−ｑが実行する上述の処理と同様である。

なお、ここでは、ピーク周波数検出部５０がピーク周波数を検出し、位相同期部４２に出力する処理について説明した。このような処理を実行する代わりに、ユーザの操作によってピーク周波数が位相同期部４２に入力されてもよい。

第１信号処理部１６−１が実行する処理によって、積算周波数スペクトラムデータＰα、および位相同期周波数スペクトラムデータＰβが図１の音波データ記憶部１８に出力される。音波データ記憶部１８は、積算周波数スペクトラムデータＰαおよび位相同期周波数スペクトラムデータＰβを、測位部３１から出力された位置情報に対応付けて記憶する。

図４には第２信号処理部１６−２の構成が示されている。図４に示されている受信信号ｘ_１（ｔ）〜ｘ_ｎ（ｔ）は、それぞれ、図１に示されているＳ／Ｎ改善処理部１４から出力されたものである。受信信号ｘ_１（ｔ）〜ｘ_ｎ（ｔ）は、それぞれ、高速フーリエ変換部５２−１〜５２−ｎに入力される。高速フーリエ変換部５２−ｑ（ｑ＝１〜ｎ）は、受信信号ｘ_ｑ（ｔ）に対して高速フーリエ変換処理を施し、受信信号ｘ_ｑ（ｔ）についての周波数スペクトラムデータを求め、複素加算部５４に出力する。

高速フーリエ変換部５２−１〜５２−ｎが実行する高速フーリエ変換処理は、図３の高速フーリエ変換部３６−１〜３６−ｎが実行する高速フーリエ変換処理と同様である。すなわち、受信信号ｘ_ｑ（ｔ）に対し高速フーリエ変換が施されることにより、ｍ個の周波数成分が得られる。各周波数成分の実数部および虚数部は、それぞれ（数２）および（数３）のように表され、受信信号ｘ_ｑ（ｔ）の周波数ｆ_１、ｆ_２、・・・・・、ｆ_ｍの各成分は、複素数によって、Ｒ_ｑ（ｆ_１）＋ｊ・Ｉ_ｑ（ｆ_１）、Ｒ_ｑ（ｆ_２）＋ｊ・Ｉ_ｑ（ｆ_２）、Ｒ_ｑ（ｆ_３）＋ｊ・Ｉ_ｑ（ｆ_３）、・・・・・、Ｒ_ｑ（ｆ_ｍ）＋ｊ・Ｉｑ（ｆ_ｍ）のように表される。

複素加算部５４は、受信信号ｘ_ｑ（ｔ）の周波数ｆ_１、ｆ_２、・・・・・、ｆ_ｍの成分それぞれにつき、実数部および虚数部のそれぞれを加算合計する。実数部の加算合計値は（数６）のように表され、虚数部の加算合計値は（数７）のように表される。ただし、記号Σは、ｑ＝１〜ｎについて総てを加算合計することを意味する。

（数６）Ｒ＝［ΣＲ_ｑ（ｆ_１），ΣＲ_ｑ（ｆ_２），・・・・・，ΣＲ_ｑ（ｆｍ）］
（数７）Ｉ＝［ΣＩ_ｑ（ｆ_１），ΣＩ_ｑ（ｆ_２），・・・・・，ΣＩ_ｑ（ｆｍ）］

複素加算部５４が実行する処理は、横軸に実数部をとり縦軸に虚数部をとった複素平面において、各周波数成分の複素ベクトルを加算合計する処理であるといえる。複素加算部５４は、受信信号ｘ_ｑ（ｔ）の周波数ｆ_１、ｆ_２、・・・・・、ｆ_ｍの成分のそれぞれについて、実数部の加算合計値、および、虚数部の加算合計値をパワー演算部５６に出力する。パワー演算部５６は、各周波数成分について、実数部の自乗および虚数部の自乗を加算して、加算合計周波数スペクトラムデータＰγを求める。加算合計周波数スペクトラムデータＰγは、（数８）のように表される。

（数８）Ｐγ＝［｛ΣＲ_ｑ（ｆ_１）｝^２＋｛ΣＩ_ｑ（ｆ_１）｝^２，｛ΣＲ_ｑ（ｆ_２）｝^２＋｛ΣＩ_ｑ（ｆ_２）｝^２，・・・・・，｛ΣＲ_ｑ（ｆ_ｍ）｝^２＋｛ΣＩ_ｑ（ｆ_ｍ）｝^２］

パワー演算部５６は、加算合計周波数スペクトラムデータＰγを図１の音波データ記憶部１８に出力する。

第２信号処理部１６−２が実行する処理によって、加算合計周波数スペクトラムデータＰγが図１の音波データ記憶部１８に出力される。音波データ記憶部１８は、加算合計周波数スペクトラムデータＰγを、測位部３１から出力された位置情報に対応付けて記憶する。

積算周波数スペクトラムデータＰα、位相同期周波数スペクトラムデータＰβ、および加算合計周波数スペクトラムデータＰγには次のような特徴がある。上記のように、積算周波数スペクトラムデータＰαは、パワー演算部３８−１〜３８−ｎから出力された周波数スペクトラムデータの同一周波数成分値を掛け合わせる処理を経て得られる。また、位相同期周波数スペクトラムデータＰβは、ピーク周波数の成分について位相を揃えた上で受信信号ｘ_ｑ（ｔ）〜ｘ_ｎ（ｔ）を加算合計し、これによって得られた信号に対して高速フーリエ変換処理を施す処理を経て得られる。そして、加算合計周波数スペクトラムデータＰγは、高速フーリエ変換部５２−１〜５２−ｎから出力された周波数スペクトラムデータの同一周波数成分値を、実数部および虚数部のそれぞれについて加算合計する処理を経て得られる。

一般に、雑音成分には観測位置と大きさとの間に規則性がなく、雑音成分は観測位置によって大きさが異なることが通常である。これに対し、特定の周波数成分を有する音波は、観測位置に対する大きさの違いは雑音成分ほど顕著ではない。

したがって、異なる位置に固定された複数の音響センサで検出された雑音成分の値を掛け合わせた値と、その複数の音響センサで検出された音波の周波数成分値を掛け合わせた値との比率であるＳ／Ｎは、音響センサの数が多い程大きくなる。

同様の理由により、異なる位置に固定された複数の音響センサで検出された雑音成分の値を加算合計した値と、その複数の音響センサで検出された音波の周波数成分値を加算合計した値との比率であるＳ／Ｎは、音響センサの数が多い程大きくなる。

積算周波数スペクトラムデータＰαは、このような原理に基づき、異なる位置に配置された複数の音響センサによって観測された周波数スペクトラムデータの各周波数成分を掛け合わせることで、１つの位置で観測される周波数スペクトラムに対しＳ／Ｎを改善するものである。

１つの音響センサによって観測される周波数スペクトラムのＳ／Ｎをα［ｄＢ］とすると、積算周波数スペクトラムのＳ／Ｎは、αｎ＝α＋α（ｎ−１）［ｄＢ］となる。これは、観測される音波の大きさがｎ乗されることに基づく。したがって、デシベルスケールでＳ／Ｎがα（ｎ−１）だけ増加しＳ／Ｎが改善される。

位相同期周波数スペクトラムデータＰβおよび加算合計周波数スペクトラムデータＰγは、同様の原理に基づき、異なる位置に配置された複数の音響センサによって観測された周波数スペクトラムの同一周波数成分を加算合計することで、１つの位置で観測される周波数スペクトラムよりもＳ／Ｎを良好とするものである。位相同期周波数スペクトラムデータＰβが、ある特定の周波数成分の位相を揃えて加算合計するものであるのに対し、加算合計周波数スペクトラムデータＰγは、各周波数成分の位相はそのままとした上で、各周波数成分の複素ベクトルを複素平面上で加算合計するものである点で異なる。しかし、これらの周波数スペクトラムデータにおいて得られる効果は同様である。

１つの音響センサによって観測される周波数スペクトラムのＳ／Ｎをα［ｄＢ］とすると、位相同期周波数スペクトラムおよび加算合計周波数スペクトラムのそれぞれのＳ／Ｎは、α＋１０ｌｏｇ（ｎ）［ｄＢ］となる。これは、観測される音波の大きさがｎ倍となることに基づく。したがって、デシベルスケールで１０ｌｏｇ（ｎ）だけＳ／Ｎが増加し、Ｓ／Ｎが改善される。

図５には第３信号処理部１６−３の構成が示されている。図５に示されている受信信号ｘ_１（ｔ）は、図１に示されている音響センサ１０−１の検出値に基づきＳ／Ｎ改善処理部１４から出力されたものであり、分割部５８に入力される。

分割部５８は、音響センサ１０−１による検出信号としての受信信号を、時系列順に所定時間長の信号に区切って分割する機能を有する。すなわち、分割部５８は、時間軸上で連なる受信信号ｘ_１（ｔ）をｐサンプルごとに区切り、ｘ_１１（ｔ）、ｘ_１２（ｔ）、ｘ_１３（ｔ）、・・・・・、ｘ_１ｓ（ｔ）の順に、ｐサンプルの区切りでｘ_１１（ｔ）〜ｘ_１ｓ（ｔ）を、それぞれ、高速フーリエ変換部６０−１〜６０−ｓに出力する。すなわち、分割部５８は、時間軸上で連なるｓ・ｐ個のサンプル値をｓ個に分割し、分割信号ｘ_１１（ｔ）〜ｘ_１ｓ（ｔ）を出力する。ｘ_１１（ｔ）〜ｘ_１ｓ（ｔ）のそれぞれには、時間軸上で連なるｐ個のサンプル値が含まれる。

高速フーリエ変換部６０−ｕ（ｕ＝１〜ｓ）は、分割信号ｘ_１ｕ（ｔ）に対して高速フーリエ変換処理を施し、分割信号ｘ_１ｕ（ｔ）についての周波数スペクトラムデータを求め、パワー演算部６２−ｕに出力する。

高速フーリエ変換部６０−ｕが実行する高速フーリエ変換処理は、時間軸上に連なるｐサンプルの受信信号に対して実行される。高速フーリエ変換処理によって得られる１セットの周波数スペクトラムデータは、複数ｍ個の周波数成分を表すｍ個の複素数を含む。

ここで、高速フーリエ変換部６０−ｕにおいて高速フーリエ変換処理が施される分割信号ｘ_１ｕ（ｔ）は（数９）のように表される。

（数９）ｘ_１ｕ（ｔ）＝［ｘ_１ｕ（ｔ_１），ｘ_１ｕ（ｔ_２），・・・・・，ｘ_１ｕ（ｔ_ｐ）］

分割信号ｘ_１ｕ（ｔ）に対し高速フーリエ変換を施すことにより得られる各周波数成分の実数部および虚数部は、それぞれ（数１０）および（数１１）のように表される。

（数１０）Ｒ_１ｕ＝［Ｒ_１ｕ（ｆ_１），Ｒ_１ｕ（ｆ_２），・・・・・，Ｒ_１ｕ（ｆ_ｍ）］
（数１１）Ｉ_１ｕ＝［Ｉ_１ｕ（ｆ_１），Ｉ_１ｕ（ｆ_２），・・・・・，Ｉ_１ｕ（ｆ_ｍ）］

分割信号ｘ_１ｕ（ｔ）の周波数ｆ_１、ｆ_２、・・・・・、ｆ_ｍの各成分は、ｊを虚数単位とする複素数によって、Ｒ_１ｕ（ｆ_１）＋ｊ・Ｉ_１ｕ（ｆ_１）、Ｒ_１ｕ（ｆ_２）＋ｊ・Ｉ_１ｕ（ｆ_２）、Ｒ_１ｕ（ｆ_３）＋ｊ・Ｉ_１ｕ（ｆ_３）、・・・・・、Ｒ_１ｕ（ｆ_ｍ）＋ｊ・Ｉ_１ｕ（ｆ_ｍ）のように表される。

パワー演算部６２−ｕは、各周波数成分についてパワー値を求める。パワー値は周波数成分を表す複素数の絶対値の自乗として定義される。すなわち、パワー演算部６２−ｕが出力するパワー値は（数１２）のように表される。

（数１２）Ｐ_１ｕ＝［Ｌ_１ｕ（ｆ_１），Ｌ_１ｕ（ｆ_２），・・・・・，Ｌ_１ｕ（ｆ_ｍ）］
ただし、１からｍのうちいずれかの整数をｈとして、Ｌ_１ｕ（ｆ_ｈ）＝Ｒ_１ｕ（ｆ_ｈ）^２＋Ｉ_１ｕ（ｆ_ｈ）^２である。

乗算器６４および加算器６６のそれぞれは、複数の周波数スペクトラムデータに対する合成処理を実行する合成処理部として機能する。すなわち、乗算器６４は、パワー演算部６２−１〜６２−ｓから出力されたパワー値の同一周波数成分を掛け合わせ、ｍ個の新たなパワー値を含む分割・積算周波数スペクトラムデータＰδを生成し、図１の音波データ記憶部１８に出力する。分割・積算周波数スペクトラムデータＰδは、（数１３）のように表される。ただし、記号Πは、ｕ＝１〜ｓについて総てを掛け合わせることを意味する。

（数１３）Ｐδ＝［ΠＬ_１ｕ（ｆ_１），ΠＬ_１ｕ（ｆ_２），・・・・・，ΠＬ_１ｕ（ｆ_ｍ）］

加算器６６は、パワー演算部６２−１〜６２−ｓから出力されたパワー値の同一周波数成分を加算合計し、ｍ個の新たなパワー値を含む分割・加算合計周波数スペクトラムデータＰεを生成し、図１の音波データ記憶部１８に出力する。分割・加算合計周波数スペクトラムデータＰεは、（数１４）のように表される。ただし、記号Σは、ｕ＝１〜ｓについて加算合計することを意味する。

（数１４）Ｐε＝［ΣＬ_１ｕ（ｆ_１），ΣＬ_１ｕ（ｆ_２），・・・・・，ΣＬ_１ｕ（ｆ_ｍ）］

第３信号処理部１６−３が実行する処理によって、分割・積算周波数スペクトラムデータＰδ、および分割・加算合計周波数スペクトラムデータＰεが図１の音波データ記憶部１８に出力される。音波データ記憶部１８は、分割・積算周波数スペクトラムデータＰδおよび分割・加算合計周波数スペクトラムデータＰεを、測位部３１から出力された位置情報に対応付けて記憶する。

なお、ここでは、音響センサ１０−１に基づく受信信号ｘ_１（ｔ）に基づいて、分割・積算周波数スペクトラムデータＰδおよび分割・加算合計周波数スペクトラムデータＰεを生成する構成について説明した。第３信号処理部１６−３は、同様の構成によって、その他の音響センサ１０−１〜１０−ｎのいずれかに基づく受信信号に基づいて、分割・積算周波数スペクトラムデータＰδおよび分割・加算合計周波数スペクトラムデータＰεを生成するものであってもよい。

分割・積算周波数スペクトラムデータＰδ、および分割・加算合計周波数スペクトラムデータＰεには次のような特徴がある。上記のように、分割・積算周波数スペクトラムデータＰδは、時間軸上で連なるｘ_１（ｔ）をｐサンプルごとに区切り、ｘ_１１（ｔ）、ｘ_１２（ｔ）、ｘ_１３（ｔ）、・・・・・、ｘ_１ｓ（ｔ）の順に、ｐサンプルの区切りでｘ_１１（ｔ）〜ｘ_１ｓ（ｔ）を、それぞれ、高速フーリエ変換部６０−１〜６０−ｓに出力し、高速フーリエ変換部６０−１〜６０−ｎから出力された周波数スペクトラムデータの同一周波数成分値を掛け合わせる処理を経て得られる。そして、分割・加算合計周波数スペクトラムデータは、高速フーリエ変換部６０−１〜６０−ｎから出力された周波数スペクトラムデータの同一周波数成分値を加算合計する処理を経て得られる。

一般に、雑音成分には時間についての規則性がなく、雑音成分は時間経過に対してランダムに変化することが通常である。一方、特定の周波数成分を有する音波は、時間経過に対する大きさの違いは雑音成分ほど顕著ではない。

したがって、異なる複数の分割時間帯で検出された雑音成分の値を掛け合わせた値と、その複数の分割時間帯で検出された音波の周波数成分値を掛け合わせた値との比率であるＳ／Ｎは、分割時間帯の数ｓが多い程大きくなる。

同様の理由により、異なる複数の分割時間帯で検出された雑音成分の値を加算合計した値と、その複数の分割時間帯で検出された音波の周波数成分値を加算合計した値との比率であるＳ／Ｎは、分割時間帯の数ｓが多い程大きくなる。

分割・積算周波数スペクトラムデータＰδは、このような原理に基づき、異なる複数の分割時間帯のそれぞれで観測された周波数スペクトラムデータの各周波数成分を掛け合わせることで、１つの分割時間帯で観測される周波数スペクトラムに対しＳ／Ｎを良好とするものである。

１つの分割時間帯によって観測される周波数スペクトラムのＳ／Ｎをα［ｄＢ］とすると、分割・積算周波数スペクトラムのＳ／Ｎは、αｓ＝α＋α（ｓ−１）［ｄＢ］となる。これは、観測される音波の大きさがｓ乗されることに基づく。したがって、デシベルスケールでＳ／Ｎがα（ｓ−１）だけ増加しＳ／Ｎが改善される。

分割・加算合計周波数スペクトラムＰεは、同様の原理に基づき、異なる複数の分割時間帯で観測された周波数スペクトラムの同一周波数成分を加算合計することで、１つの分割時間帯で観測される周波数スペクトラムよりもＳ／Ｎを良好とするものである。

１つの分割時間帯で観測される周波数スペクトラムのＳ／Ｎをα［ｄＢ］とすると、分割・加算合計周波数スペクトラムのＳ／Ｎは、α＋１０ｌｏｇ（ｓ）［ｄＢ］となる。これは、観測される音波の大きさがｓ倍となることに基づく。したがって、デシベルスケールで１０ｌｏｇ（ｓ）だけＳ／Ｎが増加し、Ｓ／Ｎが改善される。

図１に戻って音波監視装置について説明する。音波監視装置を搭載したＵＵＶは、予めプログラムされた航路を航行した後、ユーザによって回収される。ユーザは、音波監視用のコンピュータを用いて音波データ記憶部１８および振動データ記憶部２６に記憶されたデータを回収する。

音波データ記憶部１８に記憶された積算周波数スペクトラムデータＰα、位相同期周波数スペクトラムデータＰβ、加算合計周波数スペクトラムデータＰγ、分割・積算周波数スペクトラムデータＰδ、および分割・加算合計周波数スペクトラムデータＰεは位置情報に対応付けられている。音波データ記憶部１８に記憶されたデータによって、ＵＵＶの各航行位置についてＵＵＶに到来した音波についての解析が行われる。例えば、音波監視用のコンピュータは、これらの周波数スペクトラムデータのいずれか１つ、または、組み合わせに基づく音波監視用画像データを生成し、音波監視用画像データに基づく画像を表示してもよい。

また、振動データ記憶部２６に記憶された振動周波数スペクトラムデータは位置情報に対応付けられている。振動データ記憶部２６に記憶されたデータによって、ＵＵＶの各航行位置についてＵＵＶのボデーの振動についての解析が行われる。例えば、音波監視用のコンピュータは、振動周波数スペクトラムデータに基づく振動監視用画像データを生成し、振動監視用画像データに基づく画像を表示してもよい。

音波監視装置は、航走体として有人の潜水艦や船舶に搭載されてもよい。この場合、音波監視用画像データおよび振動監視用画像データを生成する画像生成部と、音波監視用画像データまたは振動監視用画像データに基づく画像を表示する表示部を音波監視装置が備える。音波監視装置が船舶に搭載される場合、測位部３１はＧＰＳ測位装置等、測位衛星から信号を受信する装置であってもよい。

図６には、画像生成部６８および表示部７０を備える音波監視装置が示されている。画像生成部６８は、信号処理ユニット１６から出力された積算周波数スペクトラムデータＰα、位相同期周波数スペクトラムデータＰβ、加算合計周波数スペクトラムデータＰγ、分割・積算周波数スペクトラムデータＰδ、および分割・加算合計周波数スペクトラムデータＰεのうちいずれか１つ、または、いずれかの組み合わせに基づく音波監視用画像データを生成する。また、画像生成部６８は、振動高速フーリエ変換部２４から出力された振動周波数スペクトラムデータに基づく振動監視用画像データを生成する。画像生成部６８は、音波監視用画像データおよび振動監視用画像データに対し、各画像データが取得された位置を示す情報を含ませる。画像生成部６８は、音波監視用画像データおよび振動監視用画像データに基づいて表示用画像データを生成し表示部７０に出力する。表示用画像データは、音波監視用画像データ、振動監視用画像データまたはこれらの組み合わせに基づく画像を表す画像データである。表示部７０は、表示用画像データに基づく画像を表示する。また、表示部７０は、表示用画像データに基づく画像と共に、その画像が取得された位置を示す情報を表示してもよい。

このような構成によれば、航走体に搭乗するユーザは、航走体が航行しているときに表示部７０を参照することで、航走体に到来する音波および航走体のボデーの振動を観測することができる。

上記では、ｎ個の音響センサを用いた音波監視装置について説明した。１つの音響センサは、音響センサアレイに置き換えられてもよい。音響センサアレイは、複数の振動子と指向性制御部とを備える。指向性制御部は、各振動子から出力される信号の大きさおよび遅延時間の少なくとも一方を調整して合成する。これによって、受信指向性が音波の到来方向に応じて変化するセンサ部が構成される。

なお、図１に示されているＳ／Ｎ改善処理部１４、信号処理ユニット１６、振動ＦＦＴ２４、制御部３０、および図６に示されている画像生成部６８は、プロセッサ等の演算処理デバイスによって構成してもよい。この場合、予め読み込まれたプログラムによって、各機能を実行してもよい。また、各機能はハードウエアによって個別に構成してもよい。

１０−１〜１０−ｎ 音響センサ、１２−１〜１２−ｎ 音響受信部、１４ Ｓ／Ｎ改善処理部、１６ 信号処理ユニット、１６−１ 第１信号処理部、１６−２ 第２信号処理部、１６−３ 第３信号処理部、１８ 音波データ記憶部、２０ 振動センサ、２２ 振動受信部、２４ 振動高速フーリエ変換部、２６ 振動データ記憶部、２８ 操作部、３０ 制御部、３１ 測位部、３２ ＵＵＶ、３４ ボデー、３６−１〜３６−ｎ，４６，５２−１〜５２−ｎ，６０−１〜６０−ｓ 高速フーリエ変換部、３８−１〜３８−ｎ，４８，５６，６２−１〜６２−ｓ パワー演算部、４０，６４ 乗算器、４２ 位相同期部、４４ 加算器、５０ ピーク周波数検出部、５４ 複素加算部、５８ 分割部、６６ 加算器、６８ 画像生成部、７０ 表示部。

Claims (11)

1. それぞれが音波を検出する複数のセンサ部と、
   複数の前記センサ部のそれぞれに対して設けられ、前記センサ部による検出信号に対して周波数変換処理を施す変換部と、
   各前記変換部から出力された周波数スペクトラムデータに対する合成処理を実行する合成処理部と、
   を備えることを特徴とする音波監視装置。
2. 請求項１に記載の音波監視装置において、
   前記合成処理部は、
   各前記変換部から出力された周波数スペクトラムデータに基づいて、各前記検出信号に含まれていた同一周波数成分を掛け合わせる乗算器を含むことを特徴とする音波監視装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の音波監視装置において、
   前記合成処理部による合成処理によって得られた信号のピーク周波数成分を検出する周波数検出部と、
   複数の前記センサ部による複数の検出信号のそれぞれに含まれる前記ピーク周波数成分の位相を揃える位相同期部と、
   位相が揃えられた上で前記位相同期部から出力される複数の同期化信号を合成する同期合成処理部と、
   前記同期合成処理部による合成信号に対して周波数変換処理を施す第２変換部と、
   を備えることを特徴とする音波監視装置。
4. それぞれが音波を検出する複数のセンサ部と、
   複数の前記センサ部による複数の検出信号のそれぞれに含まれる特定の周波数成分の位相を揃える位相同期部と、
   位相が揃えられた上で前記位相同期部から出力される複数の同期化信号を合成する同期合成処理部と、
   前記同期合成処理部による合成信号に対して周波数変換処理を施す変換部と、
   を備えることを特徴とする音波監視装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の音波監視装置において、
   前記同期合成処理部は、
   複数の前記同期化信号を加算合計することを特徴とする音波監視装置。
6. 音波を検出するセンサ部と、
   前記センサ部による検出信号を、時系列順に所定時間長の信号に区切って分割する分割部と、
   前記検出信号を分割することで得られた複数の分割信号のそれぞれに対して設けられ、前記分割信号に対して周波数変換処理を施す変換部と、
   各前記変換部から出力された周波数スペクトラムデータに対する合成処理を実行する合成処理部と、
   を備えることを特徴とする音波監視装置。
7. 請求項６に記載の音波監視装置において、
   前記合成処理部は、
   各前記変換部から出力された周波数スペクトラムデータに基づいて、各前記分割信号に含まれていた同一周波数成分を掛け合わせる乗算器を含むことを特徴とする音波監視装置。
8. 請求項６に記載の音波監視装置において、
   前記合成処理部は、
   各前記変換部から出力された周波数スペクトラムデータに基づいて、各前記分割信号に含まれていた同一周波数成分を加算合計する加算器を含むことを特徴とする音波監視装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の音波監視装置において、
   各前記センサ部は、ピエゾフィルムセンサを備えることを特徴とする音波監視装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の音波監視装置において、
    各前記センサ部は、
    複数の振動子と、
    前記複数の振動子に基づく指向性を適応的に変化させる指向性制御部と、
    を備えることを特徴とする音波監視装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の音波監視装置を搭載した航走体。
    

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