JP3785715B2 - 目標検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ソーナー、レーダー等、時間的に、または周波数的に振幅値が変動している複数の受信信号列から、各受信信号列の同位置に定常的に存在している物体を目標物体として検出するための目標検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ソーナー、レーダー等、一定の領域に音波、または電波を複数回に亘って送信し、この送信に対する応答としての反射音波、または反射電波としての受信信号列中から、各受信信号列中の同位置に定常的に存在している物体を目標物体として検出するための目標検出装置がこれまでに知られている。一般に、受信信号は、目標とする物体（以下、目標と称す）からの反射信号（以下、目標信号と称す）の他に、目標以外（海面、海底および海中の散乱体等）からの、各受信信号毎にランダムに発生する反射信号、更には、雑音から構成されたものとなっている。その目標検出装置では、目標信号以外の反射信号や雑音が効果的に抑圧された状態として、目標信号が状態良好に検出された上、可視表示されているわけであるが、このような目標信号の検出・表示技術に関しては、重要な技術として従来より研究が進められているのが実情である。例えば「科学計測のための波形データ処理」（南茂夫編著、１９９５年８月１日 ＣＱ出版社発行：pp105〜106）に記載された積算平均化法が知られている。積算平均化法とは、同一条件の下で、繰り返し測定される多数の波形を対象として、各波形の同一測定位置に対する集合平均化（単純平均化）を行う手法であり、これを、簡単ながら説明すれば以下のようである。
【０００３】
即ち、図２６に積算平均化法の原理を示す。各グラフの横軸は時間（あるいは音波、または電波の単位当たりの伝搬距離を乗じることにより求まる距離）、縦軸は振幅値の大きさを表す。図示のように、１回目の測定波形Ｘ1(ｔ)、２回目の測定波形Ｘ2(ｔ)、… … …、Ｋ回目の測定波形ＸK(ｔ)、積算平均化結果ｚ(ｔ)がそれぞれ示されているが、それら測定波形Ｘ1(ｔ)〜ＸK(ｔ)において、目標信号は時刻ｔ2 に存在する場合が想定されたものとなっている。１回目の測定波形Ｘ1(ｔ)には、時刻ｔ1 に目標信号以外の信号が偶発的に混入されているが、他の測定波形Ｘ2(ｔ)〜ＸK(ｔ)各々には、その時刻ｔ1 に目標信号以外の信号が何等混入されていないことから、測定波形Ｘ1(ｔ)〜ＸK(ｔ)に対する積算平均化により目標信号以外の信号は、その分、抑圧される結果として、積算平均化結果ｚ(ｔ)では、時刻ｔ2 における目標信号のみが顕在化された状態の波形として検出され得るものであり、また、その際に、積算平均後の振幅値からは、時刻ｔ2 における目標信号についての平均的なＳＮ比（＝ＳＮＲ）が併せて計算可とされているものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、積算平均化法による場合、目標信号についての平均的なＳＮ比が併せて計算可とされているも、その位置に目標信号が定常的に存在しているか否かについての判定は困難となっている。以下の表１に受信信号列のある２点Ａ，Ｂ各々についての、１０回分に亘る振幅値の積算平均結果（平均ＳＮＲ：単位はdB）を示す。
【０００５】
【表１】
【０００６】
その表１から判るように、両地点Ａ，Ｂともに積算平均結果として、平均ＳＮ比が６dBであるとの結果が得られているが、地点Ａについて、目標信号が存在しているのは１回目の受信信号列のみであり、従って、地点Ａに定常的に目標物体が存在しているとはいえないものとなっている。
【０００７】
よって、本発明の目的は、時間的に、または周波数的に振幅値が変動している複数の受信信号列から、各受信信号列中の同一位置に定常的に存在している目標を検出するに際して、その目標の位置に併せてそのＳＮ比が容易に認識可とされた目標検出装置を供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、目標検出装置が、ソーナー、レーダー等、音波、または電波が複数回に亘って送信信号として送信される度に、その送信信号各々に対する応答としての反射信号を受信信号列として受信した上、その受信信号列各々は映像信号に変換された状態で画像として表示されつつ、上記受信信号列各々からは、同一位置に定常的に存在している物体からの反射信号が目標信号として検出された上、その目標の位置が上記画像上に併せて表示されるべく構成されている場合に、目標の位置とその目標のＳＮ比が画像上に同時に表示されるべく、受信信号列各々からその目標の位置とその目標のＳＮ比を特定する処理を行う目標位置・ＳＮ比特定手段を少なくとも具備せしめることで達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１から図２５により説明する。
先ず本発明の具体的説明に先立って、その理論的な背景について説明しておく。既に、これまでに、目標信号を非目標信号や雑音から効果的に弁別した上、その目標信号の検出性能をより向上させる方法としては、例えば、モラード―バーケット著による“シグナル―デティクション アンド エスティメーション 頁１１５〜１７４”（Mourad-Barket；SIGNAL-Detection & Estimation pp115〜174）に記載されたもの、即ち、尤度比（likelihood ratio）を用いた信号検出法が知られている。この信号検出法による場合、各地点の振幅値および周辺区間の分散値から尤度比が算出された上、予め設定された閾値との比較により目標信号が検出可とされているが、その原理は以下のようである。
【００１０】
即ち、その信号検出法は統計的検定法の１つであり、仮説Ｈ0 ：母集団分布の確率密度関数はｆ0 (ｘ)である、を対立仮説Ｈ1 ：母集団分布の確率密度関数はｆ1 (ｘ)である、に対して検定する方式であり、その手順は観測値ｘ1，ｘ2，…を独立に１つずつ取り、観測値を取る度に、次の３通りの決定のうち、何れか１通りの決定を行うというものである。具体的には、ｍ番目の観測値（ｍ=１,２,…）に対し、以下の数式１で定義されている尤度比Λ(x)が求められる。
【００１１】
【数１】
【００１２】
条件１：もしも、Λ(x)が以下の数式２を満たすならば、(ｍ+１)番目の観測を行う。
【００１３】
【数２】
【００１４】
条件２：もしも、Λ(x)が以下の数式３を満たすならば、観測値を取るのを止めＨ0 を採択する。
【００１５】
【数３】
【００１６】
条件３：もしも、Λ(x)が以下の数式４を満たすならば、観測を止めＨ1 を採択する。
【００１７】
【数４】
【００１８】
但し、それら数式２〜４中における閾値η1 ，η0 は第１種の誤り（Ｈ0 が正しいのにＨ0 を棄却する）、第２種の誤り（Ｈ1 が正しいのにＨ1 を棄却する）の確率がそれぞれα、βになるように選ばれる。尤も、α、βが小さい値であれば、閾値η1 ，η0 はそれぞれ近似的に以下の数式５として表現され得る。
【００１９】
【数５】
【００２０】
さて、以上の信号検出法を目標信号の検出に適用する場合、
ｆ0(x)：目標信号を含まない受信信号列の分布が従うべき確率密度関数
ｆ1(x)：目標信号を含む受信信号列の分布が従うべき確率密度関数
観測値：複数の受信信号列中の同一時刻（あるいは位置）における振幅値ｘ1,ｘ2,…
として設定した上、以下の判定を行う。
【００２１】
即ち、上記条件１を満たすならば、(ｍ+１)番目の受信信号列の観測を行い、また、もしも、上記条件２を満たすならば、振幅値ｘ1,ｘ2,…の示す時刻（あるいは位置）に目標が存在しないと判定し、更に、上記条件３を満たすならば、振幅値ｘ1,ｘ2,…の示す時刻（あるいは位置）に目標が存在すると判定する。
【００２２】
以下、ソーナー、レーダー等、送受波器が受信する受信信号の狭帯域フィルタ出力がレイリー分布に従う場合を例に採り、数式１で定義されている尤度比Λ(x)の具体的な設定方法を説明すれば、先ずレイリー分布は以下の数式６で表現される。
【００２３】
【数６】
【００２４】
ところで、そのレイリー分布に従う受信信号列に対し、振幅値Ａの正弦波信号が重畳された場合、出力ｘは以下の数式７として示すライス分布に従うことが知られている。
【００２５】
【数７】
【００２６】
従って、目標信号を含まない受信信号列の分布が従うべき確率密度関数としてレイリー分布を、また、目標信号を含む受信信号列の分布が従うべき確率密度関数としてライス分布を代入することにより、尤度比Λ(x)は以下の数式８として具体的に定義され得るものである。
【００２７】
【数８】
【００２８】
その数式８より、尤度比Λ(x)の値は３つのパラメータ、即ち、振幅値ｘ、分散値σ2 、および受信信号列に重畳される信号振幅値Ａから決定される。このうち、信号振幅値Ａは、重畳される信号のＳＮ比から求まる定数である。従って、受信信号が数式６として示すレイリー分布に従う場合、受信信号列中の任意の領域内の受信信号振幅値ｘおよびその周辺区間に含まれる受信信号振幅値の分散値σ2 から尤度比Λ(x)が求まり、数式５により予め定められた閾値η1 ，η0 との比較により、その領域に目標信号が存在するか否かの判定が可能となる。以下、検出対象としての受信信号振幅値が含まれている領域を目標捜索領域、分散値計算対象としての受信信号振幅値が含まれている領域を分散計算領域と記す。
【００２９】
さて、図２には、レイリー分布形状、ライス分布形状およびこれら両者の比としての尤度比Λ(ｘ)の変化が、横軸は振幅値、左縦軸は確率密度、右縦軸は尤度比として示されているが、本例では、ライス分布における信号振幅値Ａとして、Ａ＝２.４５(×σ：以下省略)が想定されており、また、図面の簡単化上、尤度比は対数尤度比lnΛ(ｘ)として示されたものとなっている（以下、「尤度比Λ(ｘ)」は対数尤度比lnΛ(ｘ)を意味するものとする）。
【００３０】
図３にはまた、尤度比Λ(ｘ)とＳＮ比の関係が、横軸はＳＮ比(dB)、縦軸は尤度比Λ(ｘ)として示されているが、これより、尤度比Λ(ｘ)はＳＮ比に対して単調増加傾向にあり、しかも、本例での場合（Ａ＝２.４５）、約４dB以上のＳＮ比に対して正の値をとることが判る。例えば閾値η1 ，η0 の算出式（数式５）にα＝10-3(％)、β＝10(％)を代入した場合、閾値η1 ，η0 は以下の数式９として得られる。
【００３１】
【数９】
【００３２】
従って、定常的に４dB以上の信号が存在する領域では、複数の受信信号列に亘って大きい値の尤度比Λ(ｘ)が算出され、複数受信信号の累積の結果、閾値η1 より大きくなった時点で、その領域に目標が存在していると判定し得るものである。これとは逆に、図２６における時刻ｔ1 のように、ある受信信号列のみに信号（非目標信号）が出現している領域については、その受信信号では一時的に大きい値の尤度比Λ(ｘ)が算出されるが、他の受信信号列では信号が存在しないために尤度比Λ(ｘ)の値が小さくなる結果として、その領域には目標が存在しないと判定し得るものである。換言すれば、累積尤度比Λ(ｘ)（以下、「累積尤度比Λ(ｘ)」は累加対数尤度比ΣlnΛ(ｘ)を意味する）が閾値η0 より小さくなった時点で、その領域には目標が存在しないと判定し得るものである。
【００３３】
以上の判定論理により、複数の受信信号列に亘り定常的に存在する目標の検出が可能となるものである。ただ、尤度比の原理をそのまま目標検出に適用しただけでは、その目標検出と同時に、その目標についての平均ＳＮ比算出は困難である。以下の表２には、受信信号列のある３点について各受信信号列におけるＳＮ比と累積尤度比Λ(ｘ)の変化とともに、各ＳＮＲに対する尤度比の算出値が参考として併せて示されているが、目標物体が存在すると判定された領域について、平均的なＳＮ比を直接算出することは不可となっている。
【００３４】
【表２】
【００３５】
なお、用いた尤度比算出式は数式８において、Ａ＝２.４５を代入したものであり、尤度比Λ(ｘ)は図３の対ＳＮ比特性を示す。
【００３６】
その表２より判るように、各地点Ｃ，Ｄ，Ｅは定常的に５dB以上の信号が存在する領域であり、10回以内の受信信号列の累積でその領域に目標が存在すると判定されている。しかしながら、本検出法では、定常的にある一定値以上（本例では４dB以上）のＳＮ比の信号が存在する領域は全て目標が存在すると判定されているため、目標が存在すると判定された領域について、平均的なＳＮ比を直接算出することは不可となっている。
【００３７】
そこで、以上の事情を踏まえ、本願発明者等は尤度比の原理を拡張し、上記尤度比を用いた目標検出処理に必要とされる手段に加え、目標信号を含む受信信号列の分布が従うべきライス分布の確率密度関数を目標信号のＳＮ比に応じて複数設定することにより、複数の尤度比算出式を定義する手段と、検出された受信信号振幅値および算出された受信信号振幅値の分散値を各々の尤度比算出式に代入し、目標捜索領域に対する尤度比を算出する手段と、算出された尤度比を予め定めた閾値と比較し、閾値を上回る尤度比が算出された目標捜索領域に対して目標が存在すると判定する手段と、目標が存在すると判定された領域について、用いた尤度比算出式毎に分類する手段とを追加することにより、各受信信号列中の同一位置に定常的に存在している目標を検出すると同時に、その目標のＳＮ比を算出する機能を有する目標検出装置を考案するに至ったものである。ここで、目標が存在すると判定された領域の平均的なＳＮ比を算出する方法として、信号振幅値Ａが異なるライス分布を用いた複数の尤度比算出式を設定する理由について述べれば以下のようである。
【００３８】
即ち、一般に、レイリー分布に従う受信信号列に信号振幅値Ａの信号が重畳された場合、その際でのＳＮ比は以下の数式１０として定義される。
【００３９】
【数１０】
【００４０】
例えば、図２では、信号振幅値Ａとして、Ａ＝２.４５が代入されているが、これは、数式１０によりＳＮ比＝６dBの信号が重畳された場合に相当する。図２における横軸がＳＮ比に変換されたグラフを図４に示す。そのグラフより６dB付近の確率密度が最も大きくなっていることが判る。また、図３に示す尤度比とＳＮ比の関係より、Ａ＝２.４５の場合は、ＳＮ比＝４dB以上の信号に対して正の値の尤度比Λ(ｘ)が算出されるのが判る。尤度比を用いた目標検出法では、各受信信号において算出される尤度比Λ(ｘ)の累積結果と閾値との比較により目標が検出されており、この場合は、定常的に４dB以上の信号が存在する領域では常に正の値の尤度比Λ(ｘ)が算出されるので、複数受信信号列の累積により目標の検出が可能となる。ここで、図５に、信号振幅値Ａの値が異なる場合でのＳＮ比と確率密度関数および尤度比Λ(ｘ)の関係を示す。図中では、Ａ＝４.２４（数式１０よりＳＮ比10dBに相当）を用いている。Ａ＝４.２４の場合では、確率密度関数のピークはＳＮ比10dB付近に位置し、また、尤度比Λ(ｘ)はＳＮ比＝６dB以上の信号に対して正の値が算出される。
【００４１】
以上より、ライス分布の分布形状を決定するパラメータ、即ち、信号振幅値Ａは信号のＳＮ比を表すと同時に、尤度比を用いて検出可能な信号のＳＮ比の最小値を決定する。しかしながら、課題の項でも述べた通り、１つの信号振幅値Ａでは、検出可能なＳＮ比の下限は決定できるが、上限は決定できず、それ故、検出された目標信号の平均ＳＮ比の算出は困難になっている。そこで、信号振幅値Ａの値を１つではなく、２つ以上設定することを考える。例えば、図５に示すように、Ａ＝２.４５とＡ＝４.２４の２通り設定すれば、図５より、Ａ＝４.２４の場合は、ＳＮ比＝６dB以上の信号に対して、また、Ａ＝２.４５の場合には、ＳＮ比＝４dB以上の信号に対して正の値の尤度比が算出される。従って、４dB〜６dBの信号が定常的に存在する領域に対しては、Ａ＝２.４５のライス分布の確率密度関数を尤度比算出式に用いた場合は、常に正の値の尤度比Λ(ｘ)が算出されるため、複数受信信号の累積により目標信号として検出可能であるが、Ａ＝４.２４の場合は、４dB〜６dBの信号が定常的に存在しても、算出される尤度比Λ(ｘ)は負の値なので、閾値η1 を超えることはなく、目標信号としての検出は不可となる。一方、６dB以上の信号が定常的に存在する領域に対しては、Ａの値が何れであっても正の値の尤度比Λ(ｘ)が算出されるため、目標信号として検出可能である。換言すれば、尤度比算出式がＡ＝２.４５とＡ＝４.２４の２通りに設定された状態で目標検出処理が行われた場合、Ａ＝２.４５の尤度比算出式では、目標信号として検出され得るも、Ａ＝４.２４の尤度比算出式では、目標信号として検出され得なかった領域には、定常的に４〜６dBの信号が存在していると判断し得るものである。
【００４２】
ところで、以上の例では、説明の簡単化上、信号振幅値Ａは２通り分、設定されているが、一般に、信号振幅値Ａが多数設定されることで、信号はそのＳＮ比の大きさ毎に分類され得、また、信号振幅値Ａ間の間隔が小さく設定される程に、信号はそのＳＮ比の大きさが細かく分類され得るものである。
【００４３】
以上、本発明の理論的な背景について説明した。その背景を踏まえ、以下、本発明を具体的に説明すれば、図１に本発明による目標検出装置の一例での要部構成を示す。これによる場合、その要部としての尤度比算出器６０は本発明に直接係わるものとされた上、計算器６１、乗算器６２および判定器６３から構成されているが、このうち、計算器６１は複数の計算器６１ｉ(ｉ＝１,…,ｅ：以下省略)から、また、乗算器６２は複数の乗算器６２ｉから、更に、判定器６３は複数の判定器６３ｉと比較器６４とからそれぞれ構成されたものとなっている。計算器６１ｉには目標捜索領域内に含まれる受信信号振幅値ｘおよび分散計算領域内に含まれる受信信号振幅値の分散値σ2 が入力される一方、比較器６４からは目標が存在すると判定された領域について、用いた尤度比算出器毎の分類結果が出力されているものであるが、尤度比算出器６０での動作をより詳細に説明すれば以下のようである。
【００４４】
即ち、計算器６１ｉには、時間的に変動している複数の受信信号列Ｓ1(ｔ)、Ｓ2(ｔ)、…の時間ｔにおける目標捜索領域内に含まれる受信信号振幅値ｘtおよび該目標捜索領域に対応する分散計算領域内に含まれる受信信号振幅値の分散値σt 2が順次入力されるものとなっている。以下、ｍ番目に入力される受信信号列をＳm(ｔ)として記すものとして、計算器６１ｉ各々では、受信信号振幅値ｘtおよび分散値σt 2が所定に処理されるものとなっている。計算器６１ｉ各々にはそれぞれ異なる信号振幅値Ａのライス分布に基づく尤度比算出式が事前設定されているが、これら尤度比算出式に受信信号振幅値ｘtおよび分散値σt 2が代入されることによって、ｍ番目の受信信号列Ｓm(ｔ)における尤度比Λm(ｘt；ｉ)が算出された上、乗算器６２ｉへ出力されているものである。
【００４５】
その乗算器６２ｉではまた、各受信信号列Ｓ1(ｔ)、Ｓ2(ｔ)、…、Ｓm(ｔ)の同一位置ｔ(＝Ｔとおく)における尤度比Λ1(ｘT；ｉ)、Λ2(ｘT；ｉ)、…、Λm(ｘT；ｉ)が順次累積され累積尤度比Λ(ｘT,ｍ；ｉ)が算出されるものとなっている。例えば累積尤度比Λ(ｘT,ｍ；ｉ)が算出されるに際しては、乗算器６２ｉには受信信号列Ｓ(m-1)(ｔ)までの位置ｔにおける累積尤度比Λ(ｘt,ｍ-１；ｉ)がそれまでの累積尤度比として保持されているが、計算器６１ｉから新たにｍ番目の受信信号列Ｓm(ｔ)における尤度比Λm(ｘt；ｉ)が入力されれば、位置ｔが一致するΛ(ｘt,ｍ-１；ｉ)が取り出された上、その新たなΛm(ｘt；ｉ)と乗算されることにより新たな累積尤度比Λ(ｘt,ｍ；ｉ)が算出されているものである。このようにして算出された累積尤度比Λ(ｘt,ｍ；ｉ)は、判定器６３ｉへ出力される一方では、乗算器６２ｉにそれまでに保持されていた(ｍ-１)番目までの累積尤度比Λ(ｘt,ｍ-１；ｉ)の値と置換されているものである。
【００４６】
一方、判定器６３ｉでは、乗算器６２ｉからの累積尤度比Λ(ｘt,ｍ；ｉ)は、数式５により定めた閾値η0 ，η1 各々との比較により、目標の存否が判定されたものとなっている。即ち、η0 ＜Λ(ｘt,ｍ；ｉ)＜η1 ならば、目標の存否判定は不可とされているも、Λ(ｘt,ｍ；ｉ)≧η1 ならば、位置ｔに目標が存在するとして、また、Λ(ｘt,ｍ；ｉ)≦η0 ならば、位置ｔに目標が存在しないとしてそれぞれ判定されているものである。
【００４７】
上記判定により目標が存在すると判定された場合には、目標捜索領域の位置ｔは比較器６４に出力されているが、比較器６４では、判定器６３ｉからの、各々の尤度比算出式を用いて目標が存在すると判定された目標捜索領域の位置ｔについて、用いた尤度比算出式毎の分類が行われ、分類結果が出力されているものである。例えば、計算器６１１にＡ＝２.４５のライス分布に基づく尤度比算出式が、また、計算器６１２にＡ＝４.２４のライス分布に基づく尤度比算出式がそれぞれ設定されている場合、判定器６３ｉ(ｉ＝１,２)各々からの、目標が存在する旨の判定分類パターンとしては、２通りの分類パターンが考えられるものとなっている。先ず分類パターン１としては、判定器６３１（Ａ＝２.４５）からのみ、目標が存在する旨の判定結果が得られる場合であり、他の分類パターン２としては、判定器６３１、６３２各々から、ともに目標が存在する旨の判定結果が得られる場合である。
【００４８】
さて、以上の如くにしてなる尤度比算出器６０は、尤度比による目標検出処理が行われている目標検出装置、あるいは尤度比演算器に適用されるが、図６にその尤度比算出器６０を含む尤度比演算器の一例での概要構成を示す。図示のように、尤度比演算器７０は、領域設定器７１、分散算出器７２および尤度比算出器６０から構成されたものとなっている。尤度比演算器７０への入力は受信信号列Ｓm(ｔ)とされ、その出力は、目標が存在すると判定された目標捜索領域の位置とされているわけであるが、その動作を、図７に示す時間（あるいは音波、または電波の単位時間当たりの伝搬距離を乗じることにより求まる距離）方向に変動する受信信号列を例に採り説明すれば以下のようである。
【００４９】
即ち、領域設定器７１では、外部から入力される受信信号列Ｓm(ｔ)に対し、図７に示すように、時間（距離）方向に一定幅をもつ目標捜索領域とこの目標捜索領域に対応する分散計算領域とが対として設定されるが、この場合、目標捜索領域はただ１つの受信信号振幅値ｘを含む幅として設定されるものとなっている。換言すれば、受信信号列Ｓm(ｔ)を構成している受信信号振幅値ｘ各々が目標捜索領域として設定されているものである。受信信号列Ｓm(ｔ)の全領域がカバーされるべく、対としての目標捜索領域および分散計算領域は時間（距離）方向に順次シフト設定されているわけであるが、これら両領域がシフト設定される毎に、目標捜索領域に含まれている受信信号振幅値ｘは尤度比算出器６０に、また、分散計算領域に含まれている複数の受信信号振幅値ｘは分散算出器７２にそれぞれ出力されているものである。その分散算出器７２では、領域設定器７１からの、分散計算領域内に含まれている複数の受信信号振幅値に基づき、以下の数式１１によりその分散計算領域上での受信信号振幅値ｘの分散値σ2 が計算された上、尤度比算出器６０に出力されているものである。
【００５０】
【数１１】
【００５１】
その尤度比演算器６０では、既述のように、領域設定器７１からの受信信号振幅値ｘと分散計算器７２からの分散値σ2 とに基づき、尤度比を用いた目標検出が行われているものである。
【００５２】
また、図８に尤度比演算器の他の例での概要構成を示す。図示のように、尤度比演算器９０は、領域設定器９１、分散算出器９２、平均値算出器９３および尤度比算出器９４から構成されているが、図６に示すものとの大きな相違は、領域設定器７１と尤度比算出器６０との間に平均値算出器９３が新たに介在設置されていることである。領域設定器９１では、外部から入力される受信信号列Ｓm(ｔ)に対し、図６の場合と同様、時間（距離）方向に一定幅をもつ目標捜索領域とこの目標捜索領域に対する分散計算領域とが対として設定されているわけであるが、図６の場合とは異なり、目標捜索領域各々はＮ（≠１）個の受信信号振幅値ｘを含む幅として設定されたものとなっている。図６の場合と同様、受信信号列Ｓm(ｔ)の全領域がカバーされるべく、対としての目標捜索領域および分散計算領域は時間（距離）方向に順次シフト設定されているが、これら両領域がシフト設定される毎に、その目標捜索領域に含まれているＮ個の受信信号振幅値ｘはその２乗平均値ｘ2 が平均値算出器９３で計算された上、尤度比算出器９４に出力されている一方、分散計算領域に含まれている複数の受信信号振幅値ｘはその分散値σ2 が分散算出器９２で計算された上、尤度比算出器９４に出力されているものである。尤度比算出器９４では、平均値算出器９３からの２乗平均値ｘ2 と分散算出器９２からの分散値σ2 とに基づき目標検出処理が行われているわけであるが、この尤度比算出器９４自体の構成は、図１に示す尤度比算出器６０とほぼ同様ながらも、計算器６１ｉ各々に設定される尤度比算出式は、図１の場合とは異なるもの（後述の数式１８として定義される尤度比算出式）として設定されたものとなっている。ここで、レイリー分布およびライス分布に従う確率変数の２乗平均値が従う確率密度関数の導出過程および尤度比算出式の設定方法を述べれば、以下のようである。
【００５３】
即ち、例えば領域内にＮ個の受信信号振幅値を含む大きさの目標捜索領域が設定される場合、その領域内の各振幅値の２乗平均値をｘ2 とおくと、各振幅値の２乗和は(Ｎ*ｘ2 )で表される。ところで、レイリー分布に従う確率変数Ｒは、平均値０、分散値σ2 の正規分布に従う確率変数Ｘ，Ｙを用いて以下の数式１２で表される。
【００５４】
【数１２】
【００５５】
数式１２より、Ｎ個の振幅値の２乗和ΣＲi 2は、以下の数式１３として表現され得る。
【００５６】
【数１３】
【００５７】
従って、２乗和Ｎｘ2 を分散値σ2 で正規化することで得られる確率変数χ2 は、以下に数式１４として示す自由度２Ｎのカイ２乗確率密度関数に従う。
【００５８】
【数１４】
【００５９】
確率変数Ｐが数式７として示すライス分布に従う場合、確率変数Ｐは、平均値２-1/2Ａ、分散値σ2 の正規分布に従う確率変数Ｗ，Ｚを用いて以下の数式１５で表される。
【００６０】
【数１５】
【００６１】
数式１５より、Ｎ個の振幅値の２乗和ΣＰi 2は、以下の数式１６として表し得るものである。
【００６２】
【数１６】
【００６３】
従って、２乗和Ｎｘ2 を分散値σ2 で正規化することで得られる確率変数κ2 は、以下に数式１７として示す自由度２Ｎの非心カイ２乗確率密度関数(noncenter chi-square p.d.f)に従う。
【００６４】
【数１７】
【００６５】
故に、尤度比算出器９４に設定される尤度比算出式は、以下の数式１８として定義される。
【００６６】
【数１８】
【００６７】
ところで、数式１８で定義されている尤度比Λ(ｘ)の値は、４つのパラメータ、即ち、目標捜索領域に含まれる受信信号振幅値の２乗平均値ｘ2 、分散計算領域に含まれる受信信号振幅値の分散値σ2 、信号振幅値Ａおよび目標捜索領域内に含まれる受信信号振幅値の数Ｎによって決定されているが、信号振幅値Ａおよび受信信号振幅値数Ｎは事前設定定数であることから、結局、２乗平均値ｘ2 および分散値σ2 から、その目標捜索領域における尤度比Λ(ｘ)が求まり、数式５により予め定められている閾値η1 ，η0 各々との比較により目標信号の検出が可能とされているものである。
【００６８】
その目標信号の検出についてより詳細に説明すれば、図９（ａ）に数式１４、数式１６それぞれで定義されているカイ２乗分布、非心カイ２乗分布（Ａ＝２.４５、４.２４の場合）の分布形状を示す。図示のように、２乗平均値ｘ2 と確率密度関数の関係が、横軸は２乗平均値ｘ2 、縦軸は確率密度として示されている。また、図９（ｂ）には、数式１８により求まる尤度比Λ(ｘ)とＳＮ比の関係が、横軸はＳＮ比(dB)、縦軸は尤度比Λ(ｘ)として示されているが、図９（ｂ）より、尤度比算出式に数式１８を用いた場合でも、尤度比を用いて検出可能な信号の最小ＳＮ比（正の値の尤度比Λ(ｘ)を算出し得るＳＮ比の最小値）は、パラメータとしての信号振幅値Ａによって変化するものであることが判る。従って、信号振幅値Ａが異なる非心カイ２乗分布が尤度比算出式として複数設定される場合であっても、目標が存在すると判定された領域での平均的なＳＮ比が算出可能となるものである。
【００６９】
次に、本発明による目標検出装置の一例での全体構成を図１０に示すが、その構成と動作概要を説明すれば以下のようである。
即ち、目標検出装置１１０自体は船舶に搭載された状態で、水中に存在する目標を検出すべく機能したものとなっている。図１０に示すように、送信装置１１１で周期的に生成されている送信信号は送受波装置１１２で超音波に変換された上、水中内に送波される一方、送信超音波に対する反射超音波はその送受波装置１１２で受波され、電気信号に変換された状態として受信装置１１３で所定に前処理されるものとなっている。受信装置１１３では、送受波装置１１２からの受信信号は電力増幅・ディジタル変換された上、複数方位対応の音響ビームとして形成されているが、これら音響ビーム各々が信号処理装置１１４で所定に信号処理されているものである。信号処理装置１１４での信号処理結果は表示装置１１５上に可視画像として表示されることによって、その表示より複数方位の何れに目標が存在しているかや、その目標の位置・ＳＮ比がほぼ知れるように構成されているものである。また、目標検出装置１１０とは別に、船舶には速度測定装置１１６および水深測定装置１１７が搭載され、これら装置１１６，１１７各々からの測定速度、測定深度は信号処理装置１１４に取込まれた上、信号処理に供されているが、本発明に直接係る尤度比演算器はこの信号処理装置１１４内に含まれたものとなっている。
【００７０】
ここで、受信装置１１３、信号処理装置１１４、表示装置１１５各々についてより詳細に説明する。先ず受信装置１１３であるが、受信装置１１３では、送受波装置１１２からの受信信号は電力増幅された上、図１１（ａ），（ｂ）にディジタル変換前、ディジタル変換後の状態として示すように、事前設定されたサンプリング周期ｔs でディジタル信号に変換されるものとなっている。更に、ディジタル変換後の受信信号に対する整相処理により、図１２に示すように、一定の方位範囲内に一定数のビームが、方位方向対応受信信号波形として放射状に形成されるものとなっている。図１３にはまた、送信装置１１１からの送信信号波形と受信装置１１３で形成されている方位方向対応受信信号波形との関係が、縦軸は受信信号の振幅値、横軸は時間（あるいは音波の単位時間当たりの水中伝搬距離を乗じることにより求まる距離）として示されているが、これを、時間（距離）方向および方位方向に２次元状に配列したものを図１４として示す。以下、ｍ番目の送信信号に対する受信信号列をＳm(ｎ,ｔ)として表すことにする。但し、ｎは方位を、ｔは時間を表す。
【００７１】
図１５にはまた、信号処理装置１１４の一例での構成が示されているが、受信装置１１３からの受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)は映像信号処理器１６１で所定に映像信号に変換処理された上、表示装置１１５上に可視画像として表示されている他、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)中に存在している目標のその位置を特定するための処理が尤度比演算器７０で行われているものである。具体的に、尤度比演算器７０では、受信装置１１３からの受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)に対して、尤度比を用いた目標検出処理が行われており、目標が存在すると判定された目標捜索領域の位置（方位ｎ、距離ｔ）は表示装置１１５上で可視表示されているものである。なお、速度測定器１１６、水深測定器１１７各々からの測定速度、測定深度は、後述のように、乗算器６２ｉに取り込まれた上、所定に処理されるものとなっている。
【００７２】
その尤度比演算器７０での目標検出処理では、具体的に、図１４に示す受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)に対し目標捜索領域および分散計算領域が設定されるが、それら領域の設定態様を図１６に示す。その際に、目標捜索領域は、ただ１つの振幅値を含む大きさとして設定されつつ、目標捜索領域および分散計算領域が時間および方位の方向に順次シフト設定されることで、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)はその全領域がカバーされているものである（なお、目標捜索領域および分散計算領域のシフト設定や処理等に関しては、本願出願人による特願平８ー３３０８８２号に詳細に記載されている）。尤も、船舶自体の移動を伴い超音波が水中に送波される場合には、送信信号対応に得られる受信信号列の座標系は異なるため、各受信信号列中の同一位置（時間ｔ、方位ｎ）の目標捜索領域における尤度比同士を乗算するためには、各受信信号間で位置修正を行うべく、座標変換が行われる必要がある。図１７にその際でのモデルを示す。図示のように、船舶が右側に位置している際に、ｍ番目の送信信号が送波され、それに対する受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)では、目標物体は距離ｒ、方位φに位置しているが、その後、船舶が左方向に距離Ｘ0 分移動された状態で、(ｍ+１)番目の送信信号が送波されたとすれば、それに対する受信信号列Ｓ(m+1)(ｎ,ｔ)では、船舶からすれば、目標物体は距離ｒ'、方位φ'に位置していることになるというわけである。よって、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)の受信信号列Ｓ(m+1)(ｎ,ｔ)への位置修正が行われる必要があり、その位置修正に際しては、ｍ番目の受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)における距離ｔおよび方位ｎは、以下の数式１９に代入されることによって、(ｍ+１）番目の受信信号列Ｓ(m+1)(ｎ,ｔ)における距離ｔ'および方位ｎ'に補正されることで、船舶が移動状態にある間での目標検出処理が可能とされているものである。
【００７３】
【数１９】
【００７４】
なお、数式１９中、受信信号間の移動距離Ｘ0 の値としては、速度測定装置１１６から得られる速度に経過時間を乗じて得られる値が、また、水深ｚの値としては、水深測定装置１１７から得られる深度値がそれぞれ用いられる。
【００７５】
ここで、サフィックス（ｎ，ｔ）はサフィックス（ｎｔ）に、また、サフィックス（ｎ'，ｔ'）はサフィックス（ＮＴ）にそれぞれ置換されているとして、乗算器６２ｉ各々での計算処理方法を説明すれば以下のようである。
即ち、それまでに保持されているｍ番目までの受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)中の距離ｔ、方位ｎにおける累積尤度比Λ(ｘ(nt),ｍ；ｉ)のｎおよびｔは数式１９によりｎ'およびｔ'に変換された上、計算器６１ｉからの新たな(ｍ+１)番目の受信信号列Ｓ(m+1)(ｎ,ｔ)おける尤度比Λ(m+1)(ｘ(nt)；ｉ)のうち、ｎ＝ｎ'およびｔ＝ｔ'である尤度比Λ(m+1)(ｘ(NT)；ｉ)と乗算されることで、(ｍ+１)番目までの受信信号列Ｓ(m+1)(ｎ,ｔ)中の距離ｔ＝ｔ'、方位ｎ＝ｎ'における累積尤度比Λ(ｘ(NT),ｍ+１；ｉ)が算出されているものである。この計算処理結果は判定器６３ｉに出力されると同時に、乗算器６２ｉにそれまで保持されていたΛ(ｘ(NT),ｍ；ｉ)（ｍ番目の受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)の方位ｎ'、位置ｔ'における累積尤度比）と置換されているものである。
【００７６】
表示装置１１５ではまた、映像信号処理器１６１からの、映像信号に変換された状態の受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)は表示画面上に可視画像として表示されているが、この表示に併せて、比較器６４からの、目標が存在すると判定された目標捜索領域の位置（ｎ,ｔ）とその分類結果が同一表示画面上に表示されているものであるが、その表示画面上での画像表示例を図１８に示す。図示のように、半径方向は距離を表しており、これは、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)の距離ｔに相当する。また、円周方向は方位を表しており、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)の方位ｎに相当する。その表示画面上では、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)の振幅値は輝度表示されているが、その際に、比較器６４からの、目標捜索領域の位置（ｎ,ｔ）の分類結果が併せて表示されているものである。既に、比較器６４での機能に関連して説明したように、計算器６１１にはＡ＝２.４５のライス分布に基づく尤度比算出式が、また、計算器６１２にはＡ＝４.２４のライス分布に基づく尤度比算出式が設定されている場合、比較器６４からの判定分類パターンとして、２通りの分類パターン１，２が考えられるものとなっている。図１８に示す表示例では、分類パターン１として分類された目標捜索領域の位置はマーカー○で、また、分類パターン２として分類された目標捜索領域の位置はマーカー□で表示されたものとなっている。なお、目標捜索領域の表示方法としては、上記例のように、マーカー形状で区別する方法の他、マーカー色で区別する方法、あるいはマーカーを用いずに、その目標捜索領域の振幅値をカラーで区別された状態として表示する方法等が容易に考えられるものとなっている。また、ある一定条件を満たす特定分類パターンとして分類された目標捜索領域のみをマーカーで表示することで、特定のＳＮ比の信号が存在する領域のみを検出・表示することも可能である。例えば上記分類パターン１が特定分類パターンとして設定されている場合を想定すれば、該当目標捜索領域のみ、即ち、平均的なＳＮ比が４〜６dBの信号が存在している目標捜索領域のみがマーカー等で表示され得るものである。
【００７７】
以上のように、図１０に示す目標検出装置による場合は、受信信号列に尤度比を用いた目標検出法が適用された上、目標が存在すると判定された領域の位置が受信信号列の画像上に表示されるに際して、その目標のＳＮ比も併せて表示され得るものとなっている。
【００７８】
次に、本発明による目標検出装置の他の例での要部としての構成、即ち、その要部としての信号処理装置１１４の構成について説明すれば、図１９にその構成を示す。図示のように、図１５に示すものと比し、尤度比演算器７０は尤度比演算器９０に置換されていること以外は、事情は図１０や図１５に示すものに同様となっている。既に、図１１（ａ），（ｂ）で説明したように、受信装置１１３では、受信信号はサンプリング周期ｔs でディジタル信号に変換された上、信号処理装置１１４へ出力されているが、その際に、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、受信信号に含まれる目標信号の時間幅がサンプリング周期ｔs 程度と短い場合には、目標信号はディジタル変換後の受信信号列中にただ１つの振幅値として出現するものとなっている。これに対し、図２０（ａ），（ｂ）に示すように、目標信号の時間幅がサンプリング周期ｔs より長い場合には、目標信号はディジタル変換後の受信信号列中に複数の振幅値として連続的に出現するものとなっている。これと同様に、受信信号列が２次元（時間および方位）に分布している状態で、目標信号の方位幅が受信信号列のビーム幅（図１２を参照のこと）より大きい場合にも、目標信号は複数の振幅値に跨がって現れるものとなっている。
【００７９】
さて、図１５に示す信号処理装置１１４では、受信信号列に対して、ただ１つの振幅値を含む大きさの目標捜索領域が設定されており、その目標捜索領域に含まれる振幅値とその周辺に設定されている分散計算領域上での振幅値の分散値から、数式８により尤度比が算出されたものとなっている。しかしながら、上述のように、目標信号が１振幅値ではなく、複数の振幅値に連続的に跨がっている場合には、１振幅値を用いるよりも、複数の振幅値を含む目標捜索領域が設定された上、その領域内の各振幅値をパラメータとして用いるのがより実状に即しており、目標信号がより容易に検出可能になると考えられる。そこで、図１９に示す信号処理装置１１４では、尤度比演算器７０の代りに尤度比演算器９０が設置されたことによって、数式１８で定義されている、複数の受信信号振幅値の２乗平均値ｘ2 および周辺区間の振幅値の分散値σ2 をパラメータとした尤度比算出式を用いた目標検出処理が可能とされているものである。受信信号が２次元（時間および方位）に分布している場合にも、目標捜索領域および分散計算領域は、図１６で説明したように、設定されればよいものである。尤も、目標捜索領域は、その領域内にＮ（≠１）個の振幅値を含む大きさとして設定される。
【００８０】
更に、本発明による目標検出装置の更に異なる他の例での要部としての構成、即ち、その要部としての信号処理装置１１４の構成について説明すれば、図２１にその構成を示す。図示のように、図１５に示すものに比し、映像信号処理器２２２の前段には距離圧縮器２２１が新たに設置され、また、尤度比演算器７０は尤度比演算器２２３に置換されたものとなっている。さて、受信装置１１３で受信信号列がディジタル変換されるに際して、目標信号の検出確率を上げるためには、図２２（ａ）に示すように、サンプリング周期ｔs は小さく設定される必要があるが、その半面、サンプリング周期ｔs が小さく設定される程に、ディジタル変換後の受信信号列の振幅値数が増大する結果として、表示装置１１５の表示画面上に表示しきれないという不具合が新たに生じるものとなっている。これとは逆に、その表示画面上に収まるデータ数にすべく、サンプリング周期ｔs が大きく設定される場合にはまた、図２２（ｂ）に示すように、目標信号の検出確率が低下することは否めないものとなっている。
【００８１】
以上の不具合を解決すべく、図２３（ａ），（ｂ）に示すように、サンプリング周期ｔs でディジタル変換された受信信号列を、Ｒ個の振幅値を含む区間毎に領域分割した上、それら区間各々における最大振幅値を検出出力する距離圧縮処理が距離圧縮器２２１で行われているものである。この処理により表示上でのデータ量は１／Ｒに圧縮されつつも、目標信号の検出性能は従来通り維持されているものである。図２１に示す信号処理装置１１４ではまた、距離圧縮後の受信信号列に対して尤度比を用いた目標検出処理が可能とされたものとなっている。
【００８２】
より具体的に、図２１に示す信号処理装置１１４での処理について説明すれば、受信装置１１３からの受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)は距離圧縮器２２１および尤度比演算器２２３へ出力されているが、このうち、距離圧縮器２２１では、受信装置１１３からの受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)はＲ個の振幅値を含む区間毎に領域分割された上、それら区間各々における最大振幅値が検出される、といった距離圧縮処理が行われており、距離圧縮処理後の受信信号列ＳPm(ｎ,ｔ,Ｒ)は映像信号処理器２２２および尤度比演算器２２３に出力されているものである。その映像信号処理器２２２では、距離圧縮器２２１からの受信信号列ＳPm(ｎ,ｔ,Ｒ)は映像信号に変換された上、表示装置１１５上で画像として表示されているものである。一方、尤度比演算器２２３では、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)と受信信号列ＳPm(ｎ,ｔ,Ｒ)とに基づく処理が所定に行われているが、その処理を図２４を参照しつつ、説明すれば以下のようである。
【００８３】
即ち、その尤度比演算器２２３自体は、領域設定器２５１、振幅値検出器２５２、分散算出器２５３および尤度比算出器２５４から構成されているが、図８に示す尤度比演算器９０に比し、平均値算出器９３が振幅値検出器２５２に置換されており、また、尤度比算出器２５４は図１に示す尤度比演算器６０に比し、計算器６１ｉに設定される尤度比算出式が異なるだけで、これら以外の構成は同様となっている。その尤度比演算器２２３での処理であるが、先ず領域設定器２５１では、受信装置１１３からの受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)に対し、時間（距離）および方位方向に一定幅をもつ目標捜索領域および分散計算領域が設定されているが、その際、目標捜索領域は、距離圧縮器２２１で設定されている領域と同一として領域設定器２５１で設定されるものとなっている。受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)の全領域がカバーされるべく、目標捜索領域および分散計算領域は時間（距離）および方位方向に順次シフト設定されているわけであるが、そのシフト設定の度に、目標捜索領域間境界信号が振幅値保持器２５２へ、分散計算領域に含まれる受信信号振幅値が分散算出器２５３に出力されているものであるが、この分散算出器２５３の機能は尤度比演算器７０における分散算出器７２と同様である。一方、振幅値保持器２５２では、距離圧縮器２２１からの、距離圧縮処理後の受信信号列ＳPm(ｎ,ｔ,Ｒ)が目標捜索領域間境界信号により、所望の目標捜索領域に相当する領域の最大振幅値ｘPHとして一時的に保持された上、尤度比算出器２５４へ出力され、また、尤度比算出器２５４では、振幅値保持器２５２からの最大振幅値ｘPHと分散算出器２５３からの受信信号振幅値の分散値σ2 とから尤度比Λm(ｘ(nt))が算出されているものである。
【００８４】
ここで、レイリー分布およびライス分布に従う確率変数の一定区間の最大値が従う確率密度関数の導出過程および尤度比算出式の設定方法を以下に示す。
即ち、一般に、確率変数ｘが確率密度関数ｐ(ｘ)に従う場合、Ｒ個の出力の最大値ｘPHが従う確率密度関数ｐPH(ｘPH)は以下の数式２０で表される。
【００８５】
【数２０】
【００８６】
従って、ｐ(ｘ)にレイリー分布の確率密度関数（数式６）を代入することにより、目標信号が含まれない受信信号列の、一定区間内の最大振幅値の分布が従うべき確率密度関数ｐ0(ｘPH)は以下の数式２１として得られる。
【００８７】
【数２１】
【００８８】
同様に、ｐ(ｘ)にライス分布の確率密度関数（数式７）を代入することにより、目標信号を含む受信信号列の、一定区間内の最大振幅値の分布が従うべき確率密度関数ｐ1(ｘPH)は以下の数式２２として得られる。
【００８９】
【数２２】
【００９０】
故に、計算器６１ｉにおける尤度比算出式は以下の数式２３として定義される。
【００９１】
【数２３】
【００９２】
その数式２３より、尤度比Λ(ｘ)の値を決定する４つのパラメータ、即ち、目標捜索領域に含まれる受信信号振幅値の最大値ｘPH、分散計算領域に含まれる受信信号振幅値の分散値σ2 、信号振幅値Ａ、および一定区間内（目標捜索領域内）に含まれる受信信号振幅値の数Ｒのうち、信号振幅値Ａおよび振幅値の数Ｒは事前設定される定数であることから、結局、最大値ｘPHおよび分散値σ2 からその目標捜索領域における尤度比Λ(ｘ)が求まり、数式５により予め設定されている閾値η1 ，η0 各々との比較により目標信号の検出が可能とされているものである。
【００９３】
因みに、図２５（ａ）に一定区間内の最大振幅値が従うべき確率密度関数の分布形状と最大値ｘPHとの関係を示す。図中、レイリー分布と併記されている分布形状は、数式２０で定義されている確率密度関数に、また、ライス分布と併記されている分布形状（Ａ＝２.４５、Ａ＝４.２４の場合）は、数式２２で定義されている確率密度関数にそれぞれ基づいている。図２５（ｂ）にはまた、数式２３により求まる尤度比Λ(ｘ)とＳＮ比の関係を示す。これより、尤度比算出式として数式２３が用いられた場合でも、尤度比を用いて検出可能な信号の最小ＳＮ比（正の値の尤度比Λ(ｘ)を算出し得るＳＮ比の最小値）は、パラメータとしての信号振幅値Ａによって変化するものであることが判る。従って、信号振幅値Ａが異なる尤度比算出式が複数設定される場合は、目標物体が存在すると判定された領域の平均的なＳＮ比が算出可能となる。
【００９４】
以上、説明したように、本発明に係る各実施の形態での目標検出装置では、尤度比を用いた目標検出法が適用されたことにより、受信信号列中の目標信号が検出され得るばかりか、検出された目標信号はそのＳＮ比毎に分類されていることから、ユーザに目標の位置と同時に、その目標のＳＮ比をも容易に認識させ得るものとなっている。また、目標信号、あるいは受信信号列の特徴に応じて、目標捜索領域および尤度比算出式が変更される場合には、目標信号の検出性能は高性能に維持されるものとなっている。更に、以上の説明では、目標検出装置は船舶に搭載された状態で、水中に超音波を送波し、反射超音波を信号処理して目標信号が検出される構成とされているが、これに限定されることなく、例えば超音波の代わりに電波を用い、大気中に存在している目標物体を検出する場合にも適用可とされたものとなっている。
【００９５】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１〜７によれば、時間的に、または周波数的に振幅値が変動している複数の受信信号列から、各受信信号列中の同一位置に定常的に存在している物体を目標として検出するに際して、その目標の位置に併せてそのＳＮ比が容易に認識され得るものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による目標検出装置の一例での要部構成を示す図
【図２】図２は、レイリー分布形状、ライス分布形状およびこれら両者の比としての尤度比の変化を示す図
【図３】図３は、尤度比とＳＮ比の関係を示す図
【図４】図４は、ＳＮ比と確率密度関数の関係を示す図
【図５】図５は、パラメータ（信号振幅値）Ａと尤度比の関係を示す図
【図６】図６は、尤度比による目標検出処理が行われている、尤度比算出器を含む尤度比演算器の一例での概要構成を示す図
【図７】図７は、時間方向に変動する受信信号列への、目標捜索領域および分散計算領域の設定態様を示す図
【図８】図８は、尤度比演算器の他の例での概要構成を示す図
【図９】図９（ａ）は、カイ２乗確率密度関数の分布形状を、また、図９（ｂ）は、ＳＮ比（ＳＮＲ）と尤度比の関係を示す図
【図１０】図１０は、本発明による目標検出装置の一例での全体構成を示す図
【図１１】図１１（ａ），（ｂ）は、それぞれディジタル変換前の受信信号、ディジタル変換後の受信信号を示す図
【図１２】図１２は、整相処理による複数ビーム形成を説明するための図
【図１３】図１３は、送信信号波形に対する、方位方向対応受信信号波形との関係を示す図
【図１４】図１４は、その方位方向対応受信信号波形を２次元状に配列した状態として示す図
【図１５】図１５は、本発明による目標検出装置における映像信号・尤度比演算処理に係る一例での構成を示す図
【図１６】図１６は、２次元状に配列された受信信号列への、目標捜索領域および分散計算領域の設定態様を示す図
【図１７】図１７は、受信信号間で座標変換が行われる際でのモデルを示す図
【図１８】図１８は、受信信号列の画像としての表示例を示す図
【図１９】図１９は、本発明による目標検出装置の他の例での要部としての、映像信号・尤度比演算処理に係る構成を示す図
【図２０】図２０（ａ），（ｂ）は、目標信号の時間幅がサンプリング周期より長い場合での、ディジタル変換前の受信信号、ディジタル変換後の受信信号をそれぞれ示す図
【図２１】図２１は、本発明による目標検出装置の更に異なる他の例での要部としての、映像信号・尤度比演算処理に係る構成を示す図
【図２２】図２２（ａ），（ｂ）は、ディジタル変換前の受信信号がサンプリング周期の相違によって、如何にディジタル変換されるかを示す図
【図２３】図２３（ａ），（ｂ）は、それぞれ距離圧縮処理前の受信信号、距離圧縮処理後の受信信号をそれぞれ示す図
【図２４】図２４は、その距離圧縮処理後の受信信号が考慮された、尤度比演算処理に係る構成を示す図
【図２５】図２５（ａ）は、一定区間内の最大振幅値が従うべき確率密度関数の分布形状を、図２５（ｂ）は、尤度比とＳＮ比の関係をそれぞれ示す図
【図２６】図２６は、積算平均化法の原理を説明するための図
【符号の説明】
６０，９４，２５４…尤度比算出器、６１，６１ｉ…計算器、６２，６２ｉ…乗算器、６３，６３ｉ…判定器、６４…比較器、７０，９０，２２３…尤度比演算器、７１，９１，２５１…領域設定器、９２，２５３…分散算出器、９３…平均値算出器、１１１…送信装置、１１２…送受波装置、１１３…受信装置、１１４…信号処理装置、１１５…表示装置、１１６…速度測定装置、１１７…水深測定装置、１６２、２２２…映像信号処理器、２２１…距離圧縮器、２５２…振幅値保持器
【発明の属する技術分野】
本発明は、ソーナー、レーダー等、時間的に、または周波数的に振幅値が変動している複数の受信信号列から、各受信信号列の同位置に定常的に存在している物体を目標物体として検出するための目標検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ソーナー、レーダー等、一定の領域に音波、または電波を複数回に亘って送信し、この送信に対する応答としての反射音波、または反射電波としての受信信号列中から、各受信信号列中の同位置に定常的に存在している物体を目標物体として検出するための目標検出装置がこれまでに知られている。一般に、受信信号は、目標とする物体（以下、目標と称す）からの反射信号（以下、目標信号と称す）の他に、目標以外（海面、海底および海中の散乱体等）からの、各受信信号毎にランダムに発生する反射信号、更には、雑音から構成されたものとなっている。その目標検出装置では、目標信号以外の反射信号や雑音が効果的に抑圧された状態として、目標信号が状態良好に検出された上、可視表示されているわけであるが、このような目標信号の検出・表示技術に関しては、重要な技術として従来より研究が進められているのが実情である。例えば「科学計測のための波形データ処理」（南茂夫編著、１９９５年８月１日 ＣＱ出版社発行：pp105〜106）に記載された積算平均化法が知られている。積算平均化法とは、同一条件の下で、繰り返し測定される多数の波形を対象として、各波形の同一測定位置に対する集合平均化（単純平均化）を行う手法であり、これを、簡単ながら説明すれば以下のようである。
【０００３】
即ち、図２６に積算平均化法の原理を示す。各グラフの横軸は時間（あるいは音波、または電波の単位当たりの伝搬距離を乗じることにより求まる距離）、縦軸は振幅値の大きさを表す。図示のように、１回目の測定波形Ｘ1(ｔ)、２回目の測定波形Ｘ2(ｔ)、… … …、Ｋ回目の測定波形ＸK(ｔ)、積算平均化結果ｚ(ｔ)がそれぞれ示されているが、それら測定波形Ｘ1(ｔ)〜ＸK(ｔ)において、目標信号は時刻ｔ2 に存在する場合が想定されたものとなっている。１回目の測定波形Ｘ1(ｔ)には、時刻ｔ1 に目標信号以外の信号が偶発的に混入されているが、他の測定波形Ｘ2(ｔ)〜ＸK(ｔ)各々には、その時刻ｔ1 に目標信号以外の信号が何等混入されていないことから、測定波形Ｘ1(ｔ)〜ＸK(ｔ)に対する積算平均化により目標信号以外の信号は、その分、抑圧される結果として、積算平均化結果ｚ(ｔ)では、時刻ｔ2 における目標信号のみが顕在化された状態の波形として検出され得るものであり、また、その際に、積算平均後の振幅値からは、時刻ｔ2 における目標信号についての平均的なＳＮ比（＝ＳＮＲ）が併せて計算可とされているものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、積算平均化法による場合、目標信号についての平均的なＳＮ比が併せて計算可とされているも、その位置に目標信号が定常的に存在しているか否かについての判定は困難となっている。以下の表１に受信信号列のある２点Ａ，Ｂ各々についての、１０回分に亘る振幅値の積算平均結果（平均ＳＮＲ：単位はdB）を示す。
【０００５】
【表１】
その表１から判るように、両地点Ａ，Ｂともに積算平均結果として、平均ＳＮ比が６dBであるとの結果が得られているが、地点Ａについて、目標信号が存在しているのは１回目の受信信号列のみであり、従って、地点Ａに定常的に目標物体が存在しているとはいえないものとなっている。
【０００７】
よって、本発明の目的は、時間的に、または周波数的に振幅値が変動している複数の受信信号列から、各受信信号列中の同一位置に定常的に存在している目標を検出するに際して、その目標の位置に併せてそのＳＮ比が容易に認識可とされた目標検出装置を供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、目標検出装置が、ソーナー、レーダー等、音波、または電波が複数回に亘って送信信号として送信される度に、その送信信号各々に対する応答としての反射信号を受信信号列として受信した上、その受信信号列各々は映像信号に変換された状態で画像として表示されつつ、上記受信信号列各々からは、同一位置に定常的に存在している物体からの反射信号が目標信号として検出された上、その目標の位置が上記画像上に併せて表示されるべく構成されている場合に、目標の位置とその目標のＳＮ比が画像上に同時に表示されるべく、受信信号列各々からその目標の位置とその目標のＳＮ比を特定する処理を行う目標位置・ＳＮ比特定手段を少なくとも具備せしめることで達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１から図２５により説明する。
先ず本発明の具体的説明に先立って、その理論的な背景について説明しておく。既に、これまでに、目標信号を非目標信号や雑音から効果的に弁別した上、その目標信号の検出性能をより向上させる方法としては、例えば、モラード―バーケット著による“シグナル―デティクション アンド エスティメーション 頁１１５〜１７４”（Mourad-Barket；SIGNAL-Detection & Estimation pp115〜174）に記載されたもの、即ち、尤度比（likelihood ratio）を用いた信号検出法が知られている。この信号検出法による場合、各地点の振幅値および周辺区間の分散値から尤度比が算出された上、予め設定された閾値との比較により目標信号が検出可とされているが、その原理は以下のようである。
【００１０】
即ち、その信号検出法は統計的検定法の１つであり、仮説Ｈ0 ：母集団分布の確率密度関数はｆ0 (ｘ)である、を対立仮説Ｈ1 ：母集団分布の確率密度関数はｆ1 (ｘ)である、に対して検定する方式であり、その手順は観測値ｘ1，ｘ2，…を独立に１つずつ取り、観測値を取る度に、次の３通りの決定のうち、何れか１通りの決定を行うというものである。具体的には、ｍ番目の観測値（ｍ=１,２,…）に対し、以下の数式１で定義されている尤度比Λ(x)が求められる。
【００１１】
【数１】
条件１：もしも、Λ(x)が以下の数式２を満たすならば、(ｍ+１)番目の観測を行う。
【００１３】
【数２】
条件２：もしも、Λ(x)が以下の数式３を満たすならば、観測値を取るのを止めＨ0 を採択する。
【００１５】
【数３】
条件３：もしも、Λ(x)が以下の数式４を満たすならば、観測を止めＨ1 を採択する。
【００１７】
【数４】
但し、それら数式２〜４中における閾値η1 ，η0 は第１種の誤り（Ｈ0 が正しいのにＨ0 を棄却する）、第２種の誤り（Ｈ1 が正しいのにＨ1 を棄却する）の確率がそれぞれα、βになるように選ばれる。尤も、α、βが小さい値であれば、閾値η1 ，η0 はそれぞれ近似的に以下の数式５として表現され得る。
【００１９】
【数５】
さて、以上の信号検出法を目標信号の検出に適用する場合、
ｆ0(x)：目標信号を含まない受信信号列の分布が従うべき確率密度関数
ｆ1(x)：目標信号を含む受信信号列の分布が従うべき確率密度関数
観測値：複数の受信信号列中の同一時刻（あるいは位置）における振幅値ｘ1,ｘ2,…
として設定した上、以下の判定を行う。
【００２１】
即ち、上記条件１を満たすならば、(ｍ+１)番目の受信信号列の観測を行い、また、もしも、上記条件２を満たすならば、振幅値ｘ1,ｘ2,…の示す時刻（あるいは位置）に目標が存在しないと判定し、更に、上記条件３を満たすならば、振幅値ｘ1,ｘ2,…の示す時刻（あるいは位置）に目標が存在すると判定する。
【００２２】
以下、ソーナー、レーダー等、送受波器が受信する受信信号の狭帯域フィルタ出力がレイリー分布に従う場合を例に採り、数式１で定義されている尤度比Λ(x)の具体的な設定方法を説明すれば、先ずレイリー分布は以下の数式６で表現される。
【００２３】
【数６】
ところで、そのレイリー分布に従う受信信号列に対し、振幅値Ａの正弦波信号が重畳された場合、出力ｘは以下の数式７として示すライス分布に従うことが知られている。
【００２５】
【数７】
従って、目標信号を含まない受信信号列の分布が従うべき確率密度関数としてレイリー分布を、また、目標信号を含む受信信号列の分布が従うべき確率密度関数としてライス分布を代入することにより、尤度比Λ(x)は以下の数式８として具体的に定義され得るものである。
【００２７】
【数８】
その数式８より、尤度比Λ(x)の値は３つのパラメータ、即ち、振幅値ｘ、分散値σ2 、および受信信号列に重畳される信号振幅値Ａから決定される。このうち、信号振幅値Ａは、重畳される信号のＳＮ比から求まる定数である。従って、受信信号が数式６として示すレイリー分布に従う場合、受信信号列中の任意の領域内の受信信号振幅値ｘおよびその周辺区間に含まれる受信信号振幅値の分散値σ2 から尤度比Λ(x)が求まり、数式５により予め定められた閾値η1 ，η0 との比較により、その領域に目標信号が存在するか否かの判定が可能となる。以下、検出対象としての受信信号振幅値が含まれている領域を目標捜索領域、分散値計算対象としての受信信号振幅値が含まれている領域を分散計算領域と記す。
【００２９】
さて、図２には、レイリー分布形状、ライス分布形状およびこれら両者の比としての尤度比Λ(ｘ)の変化が、横軸は振幅値、左縦軸は確率密度、右縦軸は尤度比として示されているが、本例では、ライス分布における信号振幅値Ａとして、Ａ＝２.４５(×σ：以下省略)が想定されており、また、図面の簡単化上、尤度比は対数尤度比lnΛ(ｘ)として示されたものとなっている（以下、「尤度比Λ(ｘ)」は対数尤度比lnΛ(ｘ)を意味するものとする）。
【００３０】
図３にはまた、尤度比Λ(ｘ)とＳＮ比の関係が、横軸はＳＮ比(dB)、縦軸は尤度比Λ(ｘ)として示されているが、これより、尤度比Λ(ｘ)はＳＮ比に対して単調増加傾向にあり、しかも、本例での場合（Ａ＝２.４５）、約４dB以上のＳＮ比に対して正の値をとることが判る。例えば閾値η1 ，η0 の算出式（数式５）にα＝10-3(％)、β＝10(％)を代入した場合、閾値η1 ，η0 は以下の数式９として得られる。
【００３１】
【数９】
従って、定常的に４dB以上の信号が存在する領域では、複数の受信信号列に亘って大きい値の尤度比Λ(ｘ)が算出され、複数受信信号の累積の結果、閾値η1 より大きくなった時点で、その領域に目標が存在していると判定し得るものである。これとは逆に、図２６における時刻ｔ1 のように、ある受信信号列のみに信号（非目標信号）が出現している領域については、その受信信号では一時的に大きい値の尤度比Λ(ｘ)が算出されるが、他の受信信号列では信号が存在しないために尤度比Λ(ｘ)の値が小さくなる結果として、その領域には目標が存在しないと判定し得るものである。換言すれば、累積尤度比Λ(ｘ)（以下、「累積尤度比Λ(ｘ)」は累加対数尤度比ΣlnΛ(ｘ)を意味する）が閾値η0 より小さくなった時点で、その領域には目標が存在しないと判定し得るものである。
【００３３】
以上の判定論理により、複数の受信信号列に亘り定常的に存在する目標の検出が可能となるものである。ただ、尤度比の原理をそのまま目標検出に適用しただけでは、その目標検出と同時に、その目標についての平均ＳＮ比算出は困難である。以下の表２には、受信信号列のある３点について各受信信号列におけるＳＮ比と累積尤度比Λ(ｘ)の変化とともに、各ＳＮＲに対する尤度比の算出値が参考として併せて示されているが、目標物体が存在すると判定された領域について、平均的なＳＮ比を直接算出することは不可となっている。
【００３４】
【表２】
なお、用いた尤度比算出式は数式８において、Ａ＝２.４５を代入したものであり、尤度比Λ(ｘ)は図３の対ＳＮ比特性を示す。
【００３６】
その表２より判るように、各地点Ｃ，Ｄ，Ｅは定常的に５dB以上の信号が存在する領域であり、10回以内の受信信号列の累積でその領域に目標が存在すると判定されている。しかしながら、本検出法では、定常的にある一定値以上（本例では４dB以上）のＳＮ比の信号が存在する領域は全て目標が存在すると判定されているため、目標が存在すると判定された領域について、平均的なＳＮ比を直接算出することは不可となっている。
【００３７】
そこで、以上の事情を踏まえ、本願発明者等は尤度比の原理を拡張し、上記尤度比を用いた目標検出処理に必要とされる手段に加え、目標信号を含む受信信号列の分布が従うべきライス分布の確率密度関数を目標信号のＳＮ比に応じて複数設定することにより、複数の尤度比算出式を定義する手段と、検出された受信信号振幅値および算出された受信信号振幅値の分散値を各々の尤度比算出式に代入し、目標捜索領域に対する尤度比を算出する手段と、算出された尤度比を予め定めた閾値と比較し、閾値を上回る尤度比が算出された目標捜索領域に対して目標が存在すると判定する手段と、目標が存在すると判定された領域について、用いた尤度比算出式毎に分類する手段とを追加することにより、各受信信号列中の同一位置に定常的に存在している目標を検出すると同時に、その目標のＳＮ比を算出する機能を有する目標検出装置を考案するに至ったものである。ここで、目標が存在すると判定された領域の平均的なＳＮ比を算出する方法として、信号振幅値Ａが異なるライス分布を用いた複数の尤度比算出式を設定する理由について述べれば以下のようである。
【００３８】
即ち、一般に、レイリー分布に従う受信信号列に信号振幅値Ａの信号が重畳された場合、その際でのＳＮ比は以下の数式１０として定義される。
【００３９】
【数１０】
例えば、図２では、信号振幅値Ａとして、Ａ＝２.４５が代入されているが、これは、数式１０によりＳＮ比＝６dBの信号が重畳された場合に相当する。図２における横軸がＳＮ比に変換されたグラフを図４に示す。そのグラフより６dB付近の確率密度が最も大きくなっていることが判る。また、図３に示す尤度比とＳＮ比の関係より、Ａ＝２.４５の場合は、ＳＮ比＝４dB以上の信号に対して正の値の尤度比Λ(ｘ)が算出されるのが判る。尤度比を用いた目標検出法では、各受信信号において算出される尤度比Λ(ｘ)の累積結果と閾値との比較により目標が検出されており、この場合は、定常的に４dB以上の信号が存在する領域では常に正の値の尤度比Λ(ｘ)が算出されるので、複数受信信号列の累積により目標の検出が可能となる。ここで、図５に、信号振幅値Ａの値が異なる場合でのＳＮ比と確率密度関数および尤度比Λ(ｘ)の関係を示す。図中では、Ａ＝４.２４（数式１０よりＳＮ比10dBに相当）を用いている。Ａ＝４.２４の場合では、確率密度関数のピークはＳＮ比10dB付近に位置し、また、尤度比Λ(ｘ)はＳＮ比＝６dB以上の信号に対して正の値が算出される。
【００４１】
以上より、ライス分布の分布形状を決定するパラメータ、即ち、信号振幅値Ａは信号のＳＮ比を表すと同時に、尤度比を用いて検出可能な信号のＳＮ比の最小値を決定する。しかしながら、課題の項でも述べた通り、１つの信号振幅値Ａでは、検出可能なＳＮ比の下限は決定できるが、上限は決定できず、それ故、検出された目標信号の平均ＳＮ比の算出は困難になっている。そこで、信号振幅値Ａの値を１つではなく、２つ以上設定することを考える。例えば、図５に示すように、Ａ＝２.４５とＡ＝４.２４の２通り設定すれば、図５より、Ａ＝４.２４の場合は、ＳＮ比＝６dB以上の信号に対して、また、Ａ＝２.４５の場合には、ＳＮ比＝４dB以上の信号に対して正の値の尤度比が算出される。従って、４dB〜６dBの信号が定常的に存在する領域に対しては、Ａ＝２.４５のライス分布の確率密度関数を尤度比算出式に用いた場合は、常に正の値の尤度比Λ(ｘ)が算出されるため、複数受信信号の累積により目標信号として検出可能であるが、Ａ＝４.２４の場合は、４dB〜６dBの信号が定常的に存在しても、算出される尤度比Λ(ｘ)は負の値なので、閾値η1 を超えることはなく、目標信号としての検出は不可となる。一方、６dB以上の信号が定常的に存在する領域に対しては、Ａの値が何れであっても正の値の尤度比Λ(ｘ)が算出されるため、目標信号として検出可能である。換言すれば、尤度比算出式がＡ＝２.４５とＡ＝４.２４の２通りに設定された状態で目標検出処理が行われた場合、Ａ＝２.４５の尤度比算出式では、目標信号として検出され得るも、Ａ＝４.２４の尤度比算出式では、目標信号として検出され得なかった領域には、定常的に４〜６dBの信号が存在していると判断し得るものである。
【００４２】
ところで、以上の例では、説明の簡単化上、信号振幅値Ａは２通り分、設定されているが、一般に、信号振幅値Ａが多数設定されることで、信号はそのＳＮ比の大きさ毎に分類され得、また、信号振幅値Ａ間の間隔が小さく設定される程に、信号はそのＳＮ比の大きさが細かく分類され得るものである。
【００４３】
以上、本発明の理論的な背景について説明した。その背景を踏まえ、以下、本発明を具体的に説明すれば、図１に本発明による目標検出装置の一例での要部構成を示す。これによる場合、その要部としての尤度比算出器６０は本発明に直接係わるものとされた上、計算器６１、乗算器６２および判定器６３から構成されているが、このうち、計算器６１は複数の計算器６１ｉ(ｉ＝１,…,ｅ：以下省略)から、また、乗算器６２は複数の乗算器６２ｉから、更に、判定器６３は複数の判定器６３ｉと比較器６４とからそれぞれ構成されたものとなっている。計算器６１ｉには目標捜索領域内に含まれる受信信号振幅値ｘおよび分散計算領域内に含まれる受信信号振幅値の分散値σ2 が入力される一方、比較器６４からは目標が存在すると判定された領域について、用いた尤度比算出器毎の分類結果が出力されているものであるが、尤度比算出器６０での動作をより詳細に説明すれば以下のようである。
【００４４】
即ち、計算器６１ｉには、時間的に変動している複数の受信信号列Ｓ1(ｔ)、Ｓ2(ｔ)、…の時間ｔにおける目標捜索領域内に含まれる受信信号振幅値ｘtおよび該目標捜索領域に対応する分散計算領域内に含まれる受信信号振幅値の分散値σt 2が順次入力されるものとなっている。以下、ｍ番目に入力される受信信号列をＳm(ｔ)として記すものとして、計算器６１ｉ各々では、受信信号振幅値ｘtおよび分散値σt 2が所定に処理されるものとなっている。計算器６１ｉ各々にはそれぞれ異なる信号振幅値Ａのライス分布に基づく尤度比算出式が事前設定されているが、これら尤度比算出式に受信信号振幅値ｘtおよび分散値σt 2が代入されることによって、ｍ番目の受信信号列Ｓm(ｔ)における尤度比Λm(ｘt；ｉ)が算出された上、乗算器６２ｉへ出力されているものである。
【００４５】
その乗算器６２ｉではまた、各受信信号列Ｓ1(ｔ)、Ｓ2(ｔ)、…、Ｓm(ｔ)の同一位置ｔ(＝Ｔとおく)における尤度比Λ1(ｘT；ｉ)、Λ2(ｘT；ｉ)、…、Λm(ｘT；ｉ)が順次累積され累積尤度比Λ(ｘT,ｍ；ｉ)が算出されるものとなっている。例えば累積尤度比Λ(ｘT,ｍ；ｉ)が算出されるに際しては、乗算器６２ｉには受信信号列Ｓ(m-1)(ｔ)までの位置ｔにおける累積尤度比Λ(ｘt,ｍ-１；ｉ)がそれまでの累積尤度比として保持されているが、計算器６１ｉから新たにｍ番目の受信信号列Ｓm(ｔ)における尤度比Λm(ｘt；ｉ)が入力されれば、位置ｔが一致するΛ(ｘt,ｍ-１；ｉ)が取り出された上、その新たなΛm(ｘt；ｉ)と乗算されることにより新たな累積尤度比Λ(ｘt,ｍ；ｉ)が算出されているものである。このようにして算出された累積尤度比Λ(ｘt,ｍ；ｉ)は、判定器６３ｉへ出力される一方では、乗算器６２ｉにそれまでに保持されていた(ｍ-１)番目までの累積尤度比Λ(ｘt,ｍ-１；ｉ)の値と置換されているものである。
【００４６】
一方、判定器６３ｉでは、乗算器６２ｉからの累積尤度比Λ(ｘt,ｍ；ｉ)は、数式５により定めた閾値η0 ，η1 各々との比較により、目標の存否が判定されたものとなっている。即ち、η0 ＜Λ(ｘt,ｍ；ｉ)＜η1 ならば、目標の存否判定は不可とされているも、Λ(ｘt,ｍ；ｉ)≧η1 ならば、位置ｔに目標が存在するとして、また、Λ(ｘt,ｍ；ｉ)≦η0 ならば、位置ｔに目標が存在しないとしてそれぞれ判定されているものである。
【００４７】
上記判定により目標が存在すると判定された場合には、目標捜索領域の位置ｔは比較器６４に出力されているが、比較器６４では、判定器６３ｉからの、各々の尤度比算出式を用いて目標が存在すると判定された目標捜索領域の位置ｔについて、用いた尤度比算出式毎の分類が行われ、分類結果が出力されているものである。例えば、計算器６１１にＡ＝２.４５のライス分布に基づく尤度比算出式が、また、計算器６１２にＡ＝４.２４のライス分布に基づく尤度比算出式がそれぞれ設定されている場合、判定器６３ｉ(ｉ＝１,２)各々からの、目標が存在する旨の判定分類パターンとしては、２通りの分類パターンが考えられるものとなっている。先ず分類パターン１としては、判定器６３１（Ａ＝２.４５）からのみ、目標が存在する旨の判定結果が得られる場合であり、他の分類パターン２としては、判定器６３１、６３２各々から、ともに目標が存在する旨の判定結果が得られる場合である。
【００４８】
さて、以上の如くにしてなる尤度比算出器６０は、尤度比による目標検出処理が行われている目標検出装置、あるいは尤度比演算器に適用されるが、図６にその尤度比算出器６０を含む尤度比演算器の一例での概要構成を示す。図示のように、尤度比演算器７０は、領域設定器７１、分散算出器７２および尤度比算出器６０から構成されたものとなっている。尤度比演算器７０への入力は受信信号列Ｓm(ｔ)とされ、その出力は、目標が存在すると判定された目標捜索領域の位置とされているわけであるが、その動作を、図７に示す時間（あるいは音波、または電波の単位時間当たりの伝搬距離を乗じることにより求まる距離）方向に変動する受信信号列を例に採り説明すれば以下のようである。
【００４９】
即ち、領域設定器７１では、外部から入力される受信信号列Ｓm(ｔ)に対し、図７に示すように、時間（距離）方向に一定幅をもつ目標捜索領域とこの目標捜索領域に対応する分散計算領域とが対として設定されるが、この場合、目標捜索領域はただ１つの受信信号振幅値ｘを含む幅として設定されるものとなっている。換言すれば、受信信号列Ｓm(ｔ)を構成している受信信号振幅値ｘ各々が目標捜索領域として設定されているものである。受信信号列Ｓm(ｔ)の全領域がカバーされるべく、対としての目標捜索領域および分散計算領域は時間（距離）方向に順次シフト設定されているわけであるが、これら両領域がシフト設定される毎に、目標捜索領域に含まれている受信信号振幅値ｘは尤度比算出器６０に、また、分散計算領域に含まれている複数の受信信号振幅値ｘは分散算出器７２にそれぞれ出力されているものである。その分散算出器７２では、領域設定器７１からの、分散計算領域内に含まれている複数の受信信号振幅値に基づき、以下の数式１１によりその分散計算領域上での受信信号振幅値ｘの分散値σ2 が計算された上、尤度比算出器６０に出力されているものである。
【００５０】
【数１１】
その尤度比演算器６０では、既述のように、領域設定器７１からの受信信号振幅値ｘと分散計算器７２からの分散値σ2 とに基づき、尤度比を用いた目標検出が行われているものである。
【００５２】
また、図８に尤度比演算器の他の例での概要構成を示す。図示のように、尤度比演算器９０は、領域設定器９１、分散算出器９２、平均値算出器９３および尤度比算出器９４から構成されているが、図６に示すものとの大きな相違は、領域設定器７１と尤度比算出器６０との間に平均値算出器９３が新たに介在設置されていることである。領域設定器９１では、外部から入力される受信信号列Ｓm(ｔ)に対し、図６の場合と同様、時間（距離）方向に一定幅をもつ目標捜索領域とこの目標捜索領域に対する分散計算領域とが対として設定されているわけであるが、図６の場合とは異なり、目標捜索領域各々はＮ（≠１）個の受信信号振幅値ｘを含む幅として設定されたものとなっている。図６の場合と同様、受信信号列Ｓm(ｔ)の全領域がカバーされるべく、対としての目標捜索領域および分散計算領域は時間（距離）方向に順次シフト設定されているが、これら両領域がシフト設定される毎に、その目標捜索領域に含まれているＮ個の受信信号振幅値ｘはその２乗平均値ｘ2 が平均値算出器９３で計算された上、尤度比算出器９４に出力されている一方、分散計算領域に含まれている複数の受信信号振幅値ｘはその分散値σ2 が分散算出器９２で計算された上、尤度比算出器９４に出力されているものである。尤度比算出器９４では、平均値算出器９３からの２乗平均値ｘ2 と分散算出器９２からの分散値σ2 とに基づき目標検出処理が行われているわけであるが、この尤度比算出器９４自体の構成は、図１に示す尤度比算出器６０とほぼ同様ながらも、計算器６１ｉ各々に設定される尤度比算出式は、図１の場合とは異なるもの（後述の数式１８として定義される尤度比算出式）として設定されたものとなっている。ここで、レイリー分布およびライス分布に従う確率変数の２乗平均値が従う確率密度関数の導出過程および尤度比算出式の設定方法を述べれば、以下のようである。
【００５３】
即ち、例えば領域内にＮ個の受信信号振幅値を含む大きさの目標捜索領域が設定される場合、その領域内の各振幅値の２乗平均値をｘ2 とおくと、各振幅値の２乗和は(Ｎ*ｘ2 )で表される。ところで、レイリー分布に従う確率変数Ｒは、平均値０、分散値σ2 の正規分布に従う確率変数Ｘ，Ｙを用いて以下の数式１２で表される。
【００５４】
【数１２】
数式１２より、Ｎ個の振幅値の２乗和ΣＲi 2は、以下の数式１３として表現され得る。
【００５６】
【数１３】
従って、２乗和Ｎｘ2 を分散値σ2 で正規化することで得られる確率変数χ2 は、以下に数式１４として示す自由度２Ｎのカイ２乗確率密度関数に従う。
【００５８】
【数１４】
確率変数Ｐが数式７として示すライス分布に従う場合、確率変数Ｐは、平均値２-1/2Ａ、分散値σ2 の正規分布に従う確率変数Ｗ，Ｚを用いて以下の数式１５で表される。
【００６０】
【数１５】
数式１５より、Ｎ個の振幅値の２乗和ΣＰi 2は、以下の数式１６として表し得るものである。
【００６２】
【数１６】
従って、２乗和Ｎｘ2 を分散値σ2 で正規化することで得られる確率変数κ2 は、以下に数式１７として示す自由度２Ｎの非心カイ２乗確率密度関数(noncenter chi-square p.d.f)に従う。
【００６４】
【数１７】
故に、尤度比算出器９４に設定される尤度比算出式は、以下の数式１８として定義される。
【００６６】
【数１８】
ところで、数式１８で定義されている尤度比Λ(ｘ)の値は、４つのパラメータ、即ち、目標捜索領域に含まれる受信信号振幅値の２乗平均値ｘ2 、分散計算領域に含まれる受信信号振幅値の分散値σ2 、信号振幅値Ａおよび目標捜索領域内に含まれる受信信号振幅値の数Ｎによって決定されているが、信号振幅値Ａおよび受信信号振幅値数Ｎは事前設定定数であることから、結局、２乗平均値ｘ2 および分散値σ2 から、その目標捜索領域における尤度比Λ(ｘ)が求まり、数式５により予め定められている閾値η1 ，η0 各々との比較により目標信号の検出が可能とされているものである。
【００６８】
その目標信号の検出についてより詳細に説明すれば、図９（ａ）に数式１４、数式１６それぞれで定義されているカイ２乗分布、非心カイ２乗分布（Ａ＝２.４５、４.２４の場合）の分布形状を示す。図示のように、２乗平均値ｘ2 と確率密度関数の関係が、横軸は２乗平均値ｘ2 、縦軸は確率密度として示されている。また、図９（ｂ）には、数式１８により求まる尤度比Λ(ｘ)とＳＮ比の関係が、横軸はＳＮ比(dB)、縦軸は尤度比Λ(ｘ)として示されているが、図９（ｂ）より、尤度比算出式に数式１８を用いた場合でも、尤度比を用いて検出可能な信号の最小ＳＮ比（正の値の尤度比Λ(ｘ)を算出し得るＳＮ比の最小値）は、パラメータとしての信号振幅値Ａによって変化するものであることが判る。従って、信号振幅値Ａが異なる非心カイ２乗分布が尤度比算出式として複数設定される場合であっても、目標が存在すると判定された領域での平均的なＳＮ比が算出可能となるものである。
【００６９】
次に、本発明による目標検出装置の一例での全体構成を図１０に示すが、その構成と動作概要を説明すれば以下のようである。
即ち、目標検出装置１１０自体は船舶に搭載された状態で、水中に存在する目標を検出すべく機能したものとなっている。図１０に示すように、送信装置１１１で周期的に生成されている送信信号は送受波装置１１２で超音波に変換された上、水中内に送波される一方、送信超音波に対する反射超音波はその送受波装置１１２で受波され、電気信号に変換された状態として受信装置１１３で所定に前処理されるものとなっている。受信装置１１３では、送受波装置１１２からの受信信号は電力増幅・ディジタル変換された上、複数方位対応の音響ビームとして形成されているが、これら音響ビーム各々が信号処理装置１１４で所定に信号処理されているものである。信号処理装置１１４での信号処理結果は表示装置１１５上に可視画像として表示されることによって、その表示より複数方位の何れに目標が存在しているかや、その目標の位置・ＳＮ比がほぼ知れるように構成されているものである。また、目標検出装置１１０とは別に、船舶には速度測定装置１１６および水深測定装置１１７が搭載され、これら装置１１６，１１７各々からの測定速度、測定深度は信号処理装置１１４に取込まれた上、信号処理に供されているが、本発明に直接係る尤度比演算器はこの信号処理装置１１４内に含まれたものとなっている。
【００７０】
ここで、受信装置１１３、信号処理装置１１４、表示装置１１５各々についてより詳細に説明する。先ず受信装置１１３であるが、受信装置１１３では、送受波装置１１２からの受信信号は電力増幅された上、図１１（ａ），（ｂ）にディジタル変換前、ディジタル変換後の状態として示すように、事前設定されたサンプリング周期ｔs でディジタル信号に変換されるものとなっている。更に、ディジタル変換後の受信信号に対する整相処理により、図１２に示すように、一定の方位範囲内に一定数のビームが、方位方向対応受信信号波形として放射状に形成されるものとなっている。図１３にはまた、送信装置１１１からの送信信号波形と受信装置１１３で形成されている方位方向対応受信信号波形との関係が、縦軸は受信信号の振幅値、横軸は時間（あるいは音波の単位時間当たりの水中伝搬距離を乗じることにより求まる距離）として示されているが、これを、時間（距離）方向および方位方向に２次元状に配列したものを図１４として示す。以下、ｍ番目の送信信号に対する受信信号列をＳm(ｎ,ｔ)として表すことにする。但し、ｎは方位を、ｔは時間を表す。
【００７１】
図１５にはまた、信号処理装置１１４の一例での構成が示されているが、受信装置１１３からの受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)は映像信号処理器１６１で所定に映像信号に変換処理された上、表示装置１１５上に可視画像として表示されている他、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)中に存在している目標のその位置を特定するための処理が尤度比演算器７０で行われているものである。具体的に、尤度比演算器７０では、受信装置１１３からの受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)に対して、尤度比を用いた目標検出処理が行われており、目標が存在すると判定された目標捜索領域の位置（方位ｎ、距離ｔ）は表示装置１１５上で可視表示されているものである。なお、速度測定器１１６、水深測定器１１７各々からの測定速度、測定深度は、後述のように、乗算器６２ｉに取り込まれた上、所定に処理されるものとなっている。
【００７２】
その尤度比演算器７０での目標検出処理では、具体的に、図１４に示す受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)に対し目標捜索領域および分散計算領域が設定されるが、それら領域の設定態様を図１６に示す。その際に、目標捜索領域は、ただ１つの振幅値を含む大きさとして設定されつつ、目標捜索領域および分散計算領域が時間および方位の方向に順次シフト設定されることで、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)はその全領域がカバーされているものである（なお、目標捜索領域および分散計算領域のシフト設定や処理等に関しては、本願出願人による特願平８ー３３０８８２号に詳細に記載されている）。尤も、船舶自体の移動を伴い超音波が水中に送波される場合には、送信信号対応に得られる受信信号列の座標系は異なるため、各受信信号列中の同一位置（時間ｔ、方位ｎ）の目標捜索領域における尤度比同士を乗算するためには、各受信信号間で位置修正を行うべく、座標変換が行われる必要がある。図１７にその際でのモデルを示す。図示のように、船舶が右側に位置している際に、ｍ番目の送信信号が送波され、それに対する受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)では、目標物体は距離ｒ、方位φに位置しているが、その後、船舶が左方向に距離Ｘ0 分移動された状態で、(ｍ+１)番目の送信信号が送波されたとすれば、それに対する受信信号列Ｓ(m+1)(ｎ,ｔ)では、船舶からすれば、目標物体は距離ｒ'、方位φ'に位置していることになるというわけである。よって、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)の受信信号列Ｓ(m+1)(ｎ,ｔ)への位置修正が行われる必要があり、その位置修正に際しては、ｍ番目の受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)における距離ｔおよび方位ｎは、以下の数式１９に代入されることによって、(ｍ+１）番目の受信信号列Ｓ(m+1)(ｎ,ｔ)における距離ｔ'および方位ｎ'に補正されることで、船舶が移動状態にある間での目標検出処理が可能とされているものである。
【００７３】
【数１９】
なお、数式１９中、受信信号間の移動距離Ｘ0 の値としては、速度測定装置１１６から得られる速度に経過時間を乗じて得られる値が、また、水深ｚの値としては、水深測定装置１１７から得られる深度値がそれぞれ用いられる。
【００７５】
ここで、サフィックス（ｎ，ｔ）はサフィックス（ｎｔ）に、また、サフィックス（ｎ'，ｔ'）はサフィックス（ＮＴ）にそれぞれ置換されているとして、乗算器６２ｉ各々での計算処理方法を説明すれば以下のようである。
即ち、それまでに保持されているｍ番目までの受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)中の距離ｔ、方位ｎにおける累積尤度比Λ(ｘ(nt),ｍ；ｉ)のｎおよびｔは数式１９によりｎ'およびｔ'に変換された上、計算器６１ｉからの新たな(ｍ+１)番目の受信信号列Ｓ(m+1)(ｎ,ｔ)おける尤度比Λ(m+1)(ｘ(nt)；ｉ)のうち、ｎ＝ｎ'およびｔ＝ｔ'である尤度比Λ(m+1)(ｘ(NT)；ｉ)と乗算されることで、(ｍ+１)番目までの受信信号列Ｓ(m+1)(ｎ,ｔ)中の距離ｔ＝ｔ'、方位ｎ＝ｎ'における累積尤度比Λ(ｘ(NT),ｍ+１；ｉ)が算出されているものである。この計算処理結果は判定器６３ｉに出力されると同時に、乗算器６２ｉにそれまで保持されていたΛ(ｘ(NT),ｍ；ｉ)（ｍ番目の受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)の方位ｎ'、位置ｔ'における累積尤度比）と置換されているものである。
【００７６】
表示装置１１５ではまた、映像信号処理器１６１からの、映像信号に変換された状態の受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)は表示画面上に可視画像として表示されているが、この表示に併せて、比較器６４からの、目標が存在すると判定された目標捜索領域の位置（ｎ,ｔ）とその分類結果が同一表示画面上に表示されているものであるが、その表示画面上での画像表示例を図１８に示す。図示のように、半径方向は距離を表しており、これは、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)の距離ｔに相当する。また、円周方向は方位を表しており、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)の方位ｎに相当する。その表示画面上では、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)の振幅値は輝度表示されているが、その際に、比較器６４からの、目標捜索領域の位置（ｎ,ｔ）の分類結果が併せて表示されているものである。既に、比較器６４での機能に関連して説明したように、計算器６１１にはＡ＝２.４５のライス分布に基づく尤度比算出式が、また、計算器６１２にはＡ＝４.２４のライス分布に基づく尤度比算出式が設定されている場合、比較器６４からの判定分類パターンとして、２通りの分類パターン１，２が考えられるものとなっている。図１８に示す表示例では、分類パターン１として分類された目標捜索領域の位置はマーカー○で、また、分類パターン２として分類された目標捜索領域の位置はマーカー□で表示されたものとなっている。なお、目標捜索領域の表示方法としては、上記例のように、マーカー形状で区別する方法の他、マーカー色で区別する方法、あるいはマーカーを用いずに、その目標捜索領域の振幅値をカラーで区別された状態として表示する方法等が容易に考えられるものとなっている。また、ある一定条件を満たす特定分類パターンとして分類された目標捜索領域のみをマーカーで表示することで、特定のＳＮ比の信号が存在する領域のみを検出・表示することも可能である。例えば上記分類パターン１が特定分類パターンとして設定されている場合を想定すれば、該当目標捜索領域のみ、即ち、平均的なＳＮ比が４〜６dBの信号が存在している目標捜索領域のみがマーカー等で表示され得るものである。
【００７７】
以上のように、図１０に示す目標検出装置による場合は、受信信号列に尤度比を用いた目標検出法が適用された上、目標が存在すると判定された領域の位置が受信信号列の画像上に表示されるに際して、その目標のＳＮ比も併せて表示され得るものとなっている。
【００７８】
次に、本発明による目標検出装置の他の例での要部としての構成、即ち、その要部としての信号処理装置１１４の構成について説明すれば、図１９にその構成を示す。図示のように、図１５に示すものと比し、尤度比演算器７０は尤度比演算器９０に置換されていること以外は、事情は図１０や図１５に示すものに同様となっている。既に、図１１（ａ），（ｂ）で説明したように、受信装置１１３では、受信信号はサンプリング周期ｔs でディジタル信号に変換された上、信号処理装置１１４へ出力されているが、その際に、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、受信信号に含まれる目標信号の時間幅がサンプリング周期ｔs 程度と短い場合には、目標信号はディジタル変換後の受信信号列中にただ１つの振幅値として出現するものとなっている。これに対し、図２０（ａ），（ｂ）に示すように、目標信号の時間幅がサンプリング周期ｔs より長い場合には、目標信号はディジタル変換後の受信信号列中に複数の振幅値として連続的に出現するものとなっている。これと同様に、受信信号列が２次元（時間および方位）に分布している状態で、目標信号の方位幅が受信信号列のビーム幅（図１２を参照のこと）より大きい場合にも、目標信号は複数の振幅値に跨がって現れるものとなっている。
【００７９】
さて、図１５に示す信号処理装置１１４では、受信信号列に対して、ただ１つの振幅値を含む大きさの目標捜索領域が設定されており、その目標捜索領域に含まれる振幅値とその周辺に設定されている分散計算領域上での振幅値の分散値から、数式８により尤度比が算出されたものとなっている。しかしながら、上述のように、目標信号が１振幅値ではなく、複数の振幅値に連続的に跨がっている場合には、１振幅値を用いるよりも、複数の振幅値を含む目標捜索領域が設定された上、その領域内の各振幅値をパラメータとして用いるのがより実状に即しており、目標信号がより容易に検出可能になると考えられる。そこで、図１９に示す信号処理装置１１４では、尤度比演算器７０の代りに尤度比演算器９０が設置されたことによって、数式１８で定義されている、複数の受信信号振幅値の２乗平均値ｘ2 および周辺区間の振幅値の分散値σ2 をパラメータとした尤度比算出式を用いた目標検出処理が可能とされているものである。受信信号が２次元（時間および方位）に分布している場合にも、目標捜索領域および分散計算領域は、図１６で説明したように、設定されればよいものである。尤も、目標捜索領域は、その領域内にＮ（≠１）個の振幅値を含む大きさとして設定される。
【００８０】
更に、本発明による目標検出装置の更に異なる他の例での要部としての構成、即ち、その要部としての信号処理装置１１４の構成について説明すれば、図２１にその構成を示す。図示のように、図１５に示すものに比し、映像信号処理器２２２の前段には距離圧縮器２２１が新たに設置され、また、尤度比演算器７０は尤度比演算器２２３に置換されたものとなっている。さて、受信装置１１３で受信信号列がディジタル変換されるに際して、目標信号の検出確率を上げるためには、図２２（ａ）に示すように、サンプリング周期ｔs は小さく設定される必要があるが、その半面、サンプリング周期ｔs が小さく設定される程に、ディジタル変換後の受信信号列の振幅値数が増大する結果として、表示装置１１５の表示画面上に表示しきれないという不具合が新たに生じるものとなっている。これとは逆に、その表示画面上に収まるデータ数にすべく、サンプリング周期ｔs が大きく設定される場合にはまた、図２２（ｂ）に示すように、目標信号の検出確率が低下することは否めないものとなっている。
【００８１】
以上の不具合を解決すべく、図２３（ａ），（ｂ）に示すように、サンプリング周期ｔs でディジタル変換された受信信号列を、Ｒ個の振幅値を含む区間毎に領域分割した上、それら区間各々における最大振幅値を検出出力する距離圧縮処理が距離圧縮器２２１で行われているものである。この処理により表示上でのデータ量は１／Ｒに圧縮されつつも、目標信号の検出性能は従来通り維持されているものである。図２１に示す信号処理装置１１４ではまた、距離圧縮後の受信信号列に対して尤度比を用いた目標検出処理が可能とされたものとなっている。
【００８２】
より具体的に、図２１に示す信号処理装置１１４での処理について説明すれば、受信装置１１３からの受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)は距離圧縮器２２１および尤度比演算器２２３へ出力されているが、このうち、距離圧縮器２２１では、受信装置１１３からの受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)はＲ個の振幅値を含む区間毎に領域分割された上、それら区間各々における最大振幅値が検出される、といった距離圧縮処理が行われており、距離圧縮処理後の受信信号列ＳPm(ｎ,ｔ,Ｒ)は映像信号処理器２２２および尤度比演算器２２３に出力されているものである。その映像信号処理器２２２では、距離圧縮器２２１からの受信信号列ＳPm(ｎ,ｔ,Ｒ)は映像信号に変換された上、表示装置１１５上で画像として表示されているものである。一方、尤度比演算器２２３では、受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)と受信信号列ＳPm(ｎ,ｔ,Ｒ)とに基づく処理が所定に行われているが、その処理を図２４を参照しつつ、説明すれば以下のようである。
【００８３】
即ち、その尤度比演算器２２３自体は、領域設定器２５１、振幅値検出器２５２、分散算出器２５３および尤度比算出器２５４から構成されているが、図８に示す尤度比演算器９０に比し、平均値算出器９３が振幅値検出器２５２に置換されており、また、尤度比算出器２５４は図１に示す尤度比演算器６０に比し、計算器６１ｉに設定される尤度比算出式が異なるだけで、これら以外の構成は同様となっている。その尤度比演算器２２３での処理であるが、先ず領域設定器２５１では、受信装置１１３からの受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)に対し、時間（距離）および方位方向に一定幅をもつ目標捜索領域および分散計算領域が設定されているが、その際、目標捜索領域は、距離圧縮器２２１で設定されている領域と同一として領域設定器２５１で設定されるものとなっている。受信信号列Ｓm(ｎ,ｔ)の全領域がカバーされるべく、目標捜索領域および分散計算領域は時間（距離）および方位方向に順次シフト設定されているわけであるが、そのシフト設定の度に、目標捜索領域間境界信号が振幅値保持器２５２へ、分散計算領域に含まれる受信信号振幅値が分散算出器２５３に出力されているものであるが、この分散算出器２５３の機能は尤度比演算器７０における分散算出器７２と同様である。一方、振幅値保持器２５２では、距離圧縮器２２１からの、距離圧縮処理後の受信信号列ＳPm(ｎ,ｔ,Ｒ)が目標捜索領域間境界信号により、所望の目標捜索領域に相当する領域の最大振幅値ｘPHとして一時的に保持された上、尤度比算出器２５４へ出力され、また、尤度比算出器２５４では、振幅値保持器２５２からの最大振幅値ｘPHと分散算出器２５３からの受信信号振幅値の分散値σ2 とから尤度比Λm(ｘ(nt))が算出されているものである。
【００８４】
ここで、レイリー分布およびライス分布に従う確率変数の一定区間の最大値が従う確率密度関数の導出過程および尤度比算出式の設定方法を以下に示す。
即ち、一般に、確率変数ｘが確率密度関数ｐ(ｘ)に従う場合、Ｒ個の出力の最大値ｘPHが従う確率密度関数ｐPH(ｘPH)は以下の数式２０で表される。
【００８５】
【数２０】
従って、ｐ(ｘ)にレイリー分布の確率密度関数（数式６）を代入することにより、目標信号が含まれない受信信号列の、一定区間内の最大振幅値の分布が従うべき確率密度関数ｐ0(ｘPH)は以下の数式２１として得られる。
【００８７】
【数２１】
同様に、ｐ(ｘ)にライス分布の確率密度関数（数式７）を代入することにより、目標信号を含む受信信号列の、一定区間内の最大振幅値の分布が従うべき確率密度関数ｐ1(ｘPH)は以下の数式２２として得られる。
【００８９】
【数２２】
故に、計算器６１ｉにおける尤度比算出式は以下の数式２３として定義される。
【００９１】
【数２３】
その数式２３より、尤度比Λ(ｘ)の値を決定する４つのパラメータ、即ち、目標捜索領域に含まれる受信信号振幅値の最大値ｘPH、分散計算領域に含まれる受信信号振幅値の分散値σ2 、信号振幅値Ａ、および一定区間内（目標捜索領域内）に含まれる受信信号振幅値の数Ｒのうち、信号振幅値Ａおよび振幅値の数Ｒは事前設定される定数であることから、結局、最大値ｘPHおよび分散値σ2 からその目標捜索領域における尤度比Λ(ｘ)が求まり、数式５により予め設定されている閾値η1 ，η0 各々との比較により目標信号の検出が可能とされているものである。
【００９３】
因みに、図２５（ａ）に一定区間内の最大振幅値が従うべき確率密度関数の分布形状と最大値ｘPHとの関係を示す。図中、レイリー分布と併記されている分布形状は、数式２０で定義されている確率密度関数に、また、ライス分布と併記されている分布形状（Ａ＝２.４５、Ａ＝４.２４の場合）は、数式２２で定義されている確率密度関数にそれぞれ基づいている。図２５（ｂ）にはまた、数式２３により求まる尤度比Λ(ｘ)とＳＮ比の関係を示す。これより、尤度比算出式として数式２３が用いられた場合でも、尤度比を用いて検出可能な信号の最小ＳＮ比（正の値の尤度比Λ(ｘ)を算出し得るＳＮ比の最小値）は、パラメータとしての信号振幅値Ａによって変化するものであることが判る。従って、信号振幅値Ａが異なる尤度比算出式が複数設定される場合は、目標物体が存在すると判定された領域の平均的なＳＮ比が算出可能となる。
【００９４】
以上、説明したように、本発明に係る各実施の形態での目標検出装置では、尤度比を用いた目標検出法が適用されたことにより、受信信号列中の目標信号が検出され得るばかりか、検出された目標信号はそのＳＮ比毎に分類されていることから、ユーザに目標の位置と同時に、その目標のＳＮ比をも容易に認識させ得るものとなっている。また、目標信号、あるいは受信信号列の特徴に応じて、目標捜索領域および尤度比算出式が変更される場合には、目標信号の検出性能は高性能に維持されるものとなっている。更に、以上の説明では、目標検出装置は船舶に搭載された状態で、水中に超音波を送波し、反射超音波を信号処理して目標信号が検出される構成とされているが、これに限定されることなく、例えば超音波の代わりに電波を用い、大気中に存在している目標物体を検出する場合にも適用可とされたものとなっている。
【００９５】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１〜７によれば、時間的に、または周波数的に振幅値が変動している複数の受信信号列から、各受信信号列中の同一位置に定常的に存在している物体を目標として検出するに際して、その目標の位置に併せてそのＳＮ比が容易に認識され得るものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による目標検出装置の一例での要部構成を示す図
【図２】図２は、レイリー分布形状、ライス分布形状およびこれら両者の比としての尤度比の変化を示す図
【図３】図３は、尤度比とＳＮ比の関係を示す図
【図４】図４は、ＳＮ比と確率密度関数の関係を示す図
【図５】図５は、パラメータ（信号振幅値）Ａと尤度比の関係を示す図
【図６】図６は、尤度比による目標検出処理が行われている、尤度比算出器を含む尤度比演算器の一例での概要構成を示す図
【図７】図７は、時間方向に変動する受信信号列への、目標捜索領域および分散計算領域の設定態様を示す図
【図８】図８は、尤度比演算器の他の例での概要構成を示す図
【図９】図９（ａ）は、カイ２乗確率密度関数の分布形状を、また、図９（ｂ）は、ＳＮ比（ＳＮＲ）と尤度比の関係を示す図
【図１０】図１０は、本発明による目標検出装置の一例での全体構成を示す図
【図１１】図１１（ａ），（ｂ）は、それぞれディジタル変換前の受信信号、ディジタル変換後の受信信号を示す図
【図１２】図１２は、整相処理による複数ビーム形成を説明するための図
【図１３】図１３は、送信信号波形に対する、方位方向対応受信信号波形との関係を示す図
【図１４】図１４は、その方位方向対応受信信号波形を２次元状に配列した状態として示す図
【図１５】図１５は、本発明による目標検出装置における映像信号・尤度比演算処理に係る一例での構成を示す図
【図１６】図１６は、２次元状に配列された受信信号列への、目標捜索領域および分散計算領域の設定態様を示す図
【図１７】図１７は、受信信号間で座標変換が行われる際でのモデルを示す図
【図１８】図１８は、受信信号列の画像としての表示例を示す図
【図１９】図１９は、本発明による目標検出装置の他の例での要部としての、映像信号・尤度比演算処理に係る構成を示す図
【図２０】図２０（ａ），（ｂ）は、目標信号の時間幅がサンプリング周期より長い場合での、ディジタル変換前の受信信号、ディジタル変換後の受信信号をそれぞれ示す図
【図２１】図２１は、本発明による目標検出装置の更に異なる他の例での要部としての、映像信号・尤度比演算処理に係る構成を示す図
【図２２】図２２（ａ），（ｂ）は、ディジタル変換前の受信信号がサンプリング周期の相違によって、如何にディジタル変換されるかを示す図
【図２３】図２３（ａ），（ｂ）は、それぞれ距離圧縮処理前の受信信号、距離圧縮処理後の受信信号をそれぞれ示す図
【図２４】図２４は、その距離圧縮処理後の受信信号が考慮された、尤度比演算処理に係る構成を示す図
【図２５】図２５（ａ）は、一定区間内の最大振幅値が従うべき確率密度関数の分布形状を、図２５（ｂ）は、尤度比とＳＮ比の関係をそれぞれ示す図
【図２６】図２６は、積算平均化法の原理を説明するための図
【符号の説明】
６０，９４，２５４…尤度比算出器、６１，６１ｉ…計算器、６２，６２ｉ…乗算器、６３，６３ｉ…判定器、６４…比較器、７０，９０，２２３…尤度比演算器、７１，９１，２５１…領域設定器、９２，２５３…分散算出器、９３…平均値算出器、１１１…送信装置、１１２…送受波装置、１１３…受信装置、１１４…信号処理装置、１１５…表示装置、１１６…速度測定装置、１１７…水深測定装置、１６２、２２２…映像信号処理器、２２１…距離圧縮器、２５２…振幅値保持器
Claims (7)
- ソーナー、レーダー等、音波、または電波が複数回に亘って送信信号として送信される度に、該送信信号各々に対する応答としての反射信号を受信信号列として受信した上、上記受信信号列各々から、尤度比を用いて同一位置に定常的に存在している目標からの反射信号を目標信号として検出し、該目標の位置を画像上に表示されるようにした目標検出装置であって、
目標信号を含む受信信号列の分布が従うべき確率密度関数を目標信号のＳＮ比に応じて複数設定し、複数の尤度比算出式を定義する手段と、検出された受信信号振幅値および算出された受信信号振幅値の分散値を各々の尤度比算出式に代入し、目標捜索領域に対する尤度比を算出する手段と、算出された尤度比を予め定めた閾値と比較し、閾値を上回る尤度比が算出された目標捜索領域に対して目標が存在すると判定する手段と、目標が存在すると判定された領域について、用いた尤度比算出式毎に分類する手段とを備え、目標信号の検出を行う尤度比演算器と、
前記各受信信号列中の同一位置に定常的に存在している目標の検出結果および前記分類結果を画像表示する映像信号処理器とを少なくとも有することを特徴とする目標検出装置。 - 前記目標信号を含む受信信号列の分布が従うべき確率密度関数は、目標信号のＳＮ比に応じて複数設定されたもので、尤度比算出式毎の分類はＳＮ比の大きさの分類に対応しており、前記映像信号処理器において、一定の条件を満たす分類の目標検出結果をパターン表示するよう制御することで、特定のＳＮ比の信号が存在する領域を画像上に表示することを特徴とする請求項１に記載の目標検出装置。
- ソーナー、レーダー等、音波、または電波が複数回に亘って送信信号として送信される度に、該送信信号各々に対する応答としての反射信号を受信信号列として受信した上、上記受信信号列各々から、同一位置に定常的に存在している目標からの反射信号が目標信号として検出し、該目標の位置が画像上に表示されるようにした目標検出装置であって、前記目標検出装置は目標位置特定手段を有し、該目標位置特定手段は、
受信信号列が得られる度に、該受信信号列中に任意の目標捜索領域および該目標捜索領域に対応する分散計算領域を順次更新設定する手段と、該目標捜索領域から該領域内に含まれる受信信号振幅値を検出する手段と、該分散計算領域から該領域内に含まれる受信信号振幅値の分散値を算出する手段と、目標信号を含まない受信信号列の分布が従うべきレイリー分布の確率密度関数と目標信号を含む受信信号列の分布が従うべきライス分布の、目標信号のＳＮ比に応じた複数の確率密度関数各々との比として定義される尤度比算出式が複数設定された状態で、上記受信信号列が得られる度に、該目標捜索領域各々から検出された受信信号振幅値と上記分散計算領域各々から算出された分散値とにもとづき、上記尤度比算出式各々から目標捜索領域毎に尤度比を算出する手段と、目標捜索領域毎に算出された尤度比各々の事前設定閾値との比較によって、該閾値を上回る累積尤度比に係る目標捜索領域に目標が存在すると判定する手段と、目標が存在すると判定された目標捜索領域を該目標の位置として、用いられた尤度比算出式毎に分類する手段と、目標が存在すると判定された目標捜索領域を該目標の位置として、該位置を分類結果とともに画像上に表示せしめる手段とから構成されている目標検出装置。 - ソーナー、レーダー等、音波、または電波が複数回に亘って送信信号として送信される度に、該送信信号各々に対する応答としての反射信号を受信信号列として受信した上、上記受信信号列各々から、同一位置に定常的に存在している目標からの反射信号が目標信号として検出し、該目標の位置が画像上に表示されるようにした目標検出装置であって、前記目標検出装置は目標位置特定手段と有し、該目標位置特定手段は、
受信信号列が得られる度に、該受信信号列中に任意の目標捜索領域および該目標捜索領域に対応する分散計算領域を順次更新設定する手段と、該目標捜索領域から該領域内に含まれる受信信号振幅値の２乗平均値を算出する手段と、該分散計算領域から該領域内に含まれる受信信号振幅値の分散値を算出する手段と、目標信号を含まない受信信号列の２乗平均値の分布が従うべきカイ２乗分布の確率密度関数と目標信号を含む受信信号列の２乗平均値の分布が従うべき非心カイ２乗分布の、目標信号のＳＮ比に応じた複数の確率密度関数各々との比として定義される尤度比算出式が複数設定された状態で、上記受信信号列が得られる度に、該目標捜索領域各々から検出された受信信号振幅値の２乗平均値と上記分散計算領域各々から算出された分散値とにもとづき、上記尤度比算出式各々から目標捜索領域毎に尤度比を算出する手段と、目標捜索領域毎に算出された尤度比各々の事前設定閾値との比較によって、該閾値を上回る累積尤度比に係る目標捜索領域に目標が存在すると判定する手段と、目標が存在すると判定された目標捜索領域を該目標の位置として、用いられた尤度比算出式毎に分類する手段と、目標が存在すると判定された目標捜索領域を該目標の位置として、該位置を分類結果とともに画像上に表示せしめる手段とから構成されている目標検出装置。 - ソーナー、レーダー等、音波、または電波が複数回に亘って送信信号として送信される度に、該送信信号各々に対する応答としての反射信号を受信信号列として受信し、上記受信信号列各々から、尤度比を用いた処理により同一位置に定常的に存在している目標からの反射信号が目標信号として検出され、該目標の位置が画像上に表示されるようにした目標検出装置であって、前記目標検出装置は尤度比を用いて信号検出を行うものであり、複数の尤度比計算器を備え、それぞれの尤度比計算器に前記受信信号列の分布が従うべき確率密度変数を目標信号のＳＮ比に応じて複数設定し、尤度比とＳＮ比を対応させることにより目標のＳＮ比を算出する手段とを少なくとも含む構成の目標検出装置。
- ソーナー、レーダー等、音波、または電波が複数回に亘って送信信号として送信される度に、該送信信号各々に対する応答としての反射信号を受信信号列として受信した上、上記受信信号列各々に更新設定された目標捜索領域及び分散計算領域から、尤度比を用いた処理により同一位置に定常的に存在している目標からの反射信号が目標信号として検出し、該目標の位置が画像上に表示されるようにした目標検出装置であって、前記目標検出装置は目標位置特定手段を有し、該目標位置特定手段は、目標信号を含む受信信号列の分布が従うべきライス分布の、目標信号のＳＮ比に応じた確率密度関数として定義される尤度比算出式が複数設定された状態で、受信信号列が得られる度に、目標捜索領域各々から検出された受信信号振幅値と上記分散計算領域各々から算出された分散値とにもとづき、上記尤度比算出式各々から目標捜索領域毎に尤度比を算出する手段と、目標捜索領域毎に算出された尤度比各々の事前設定閾値との比較によって、該閾値を上回る累積尤度比に係る目標捜索領域に目標が存在すると判定する手段と、目標が存在すると判定された目標捜索領域を該目標の位置として、用いられた尤度比算出式毎に分類する手段と、目標が存在すると判定された目標捜索領域を該目標の位置として、該位置を分類結果とともに画像上に表示せしめる手段とから構成されている目標検出装置。
- ソーナー、レーダー等、音波、または電波が複数回に亘って送信信号として送信される度に、該送信信号各々に対する応答としての反射信号を受信信号列として受信した上、上記受信信号列各々に更新設定された目標捜索領域及び分散計算領域からは、尤度比を用いた処理により同一位置に定常的に存在している目標からの反射信号が目標信号として検出し、該目標の位置が画像上に表示されるようにした目標検出装置であって、前記目標検出装置は目標位置特定手段を有し、該目標位置特定手段は、目標信号を含む受信信号列の２乗平均値の分布が従うべき非心カイ２乗分布分布の、目標信号のＳＮ比に応じた確率密度関数として定義される尤度比算出式が複数設定された状態で、受信信号列が得られる度に、目標捜索領域各々から算出された受信信号振幅値の２乗平均値と上記分散計算領域各々から算出された分散値とにもとづき
、上記尤度比算出式各々から目標捜索領域毎に尤度比を算出する手段と、目標捜索領域毎に算出された尤度比各々の事前設定閾値との比較によって、該閾値を上回る累積尤度比に係る目標捜索領域に目標が存在すると判定する手段と、目標が存在すると判定された目標捜索領域を該目標の位置として、用いられた尤度比算出式毎に分類する手段と、目標が存在すると判定された目標捜索領域を該目標の位置として、該位置を分類結果とともに画像上に表示せしめる手段とから構成されている目標検出装置。
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