JP3815735B2 - 雑音低減回路および該雑音低減回路を有する水中探知装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雑音低減回路に関し、特に雑音成分を推定して雑音成分を除去する雑音低減回路に関する。さらに本発明は、このような雑音低減回路を有する水中探知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海中あるいは海水面に存在する他船舶等の位置情報等を探知する水中探知装置が知られている。水中探知装置は船舶等に搭載され、水中に設置された受波素子が、目標である他船舶等からの反射音や放射音といった音波を受波することで、目標の位置情報等を取得している。受波素子が受波する音波には目標からの音波以外に雑音も多く含まれている。受波素子が受波する雑音として、目標とは異なる船舶からの反射音や放射音、生物が発する生物音、自船が放射するプロペラ雑音等が存在する。目標からの微弱な信号を抽出するためには、これら雑音を低減する必要がある。従来、受波素子の出力に対してシェーディング係数と呼ばれる固定の数値を乗じ、これらを加算することによって雑音を低減する手法や、受波素子の出力に対して相関処理、周波数分析、適応処理等を施し、目標からの信号を抽出することで雑音を低減する手法により、雑音の低減が図られていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
水中探知装置の受波素子は水中に設置されることが一般的であり、このため受波素子を保護する目的で、これら受波素子の近傍に、受波素子を覆い隠すようにＦＲＰ製、ゴム製等のドームが設けられている。雑音はこのドームからも発生する。つまり、受波素子の近傍に設けられたドームが、自船の進行により海水と接触することで振動し、これに伴って発生する音波が受波素子に伝搬して雑音となる場合である。しかしながら、上述した従来の雑音低減手法では、ドーム近傍で発生する雑音、特に目標が存在する方向と同方向からの雑音と目標から伝搬する音波との区別が困難であり、このような雑音の低減に対して有効な手法ではなかった。
【０００４】
そこで本発明は、保護部材の近傍に発生する雑音も低減できる雑音低減回路、および、この雑音低減回路を有する水中探知装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明に係る雑音低減回路は、目標からの音波を受波する受波素子を保護する保護部材からの雑音を検出する雑音センサと、前記雑音センサが出力する雑音信号に基づいて、前記受波素子が出力する受波信号に含まれる雑音信号成分を推定し、推定した雑音信号成分を該受波信号から除去して目標信号成分を抽出する目標信号成分抽出手段と、を有するものとする。
【０００６】
上記構成によれば、保護部材、例えばＦＲＰ製、ゴム製等のドームの近傍で発生する、あるいは保護部材自身が発生する雑音を雑音センサにより検出し、検出結果に基づいて雑音信号成分を推定しているため、雑音の発生方向に関係なく雑音信号成分を推定して除去できる。よって、受波素子近傍すなわち保護部材の近傍で発生する雑音、例えば目標と同じ方向からの雑音に対しても雑音の低減が可能である。
【０００７】
望ましくは、前記目標信号成分抽出手段は、擬似フィルタ部および適応処理部を有し、前記擬似フィルタ部は、前記雑音信号に対応した参照信号を生成し、前記適応処理部は、前記受波信号に対応した主信号および前記参照信号に基づいて、適応信号処理により雑音信号成分を推定するものとする。
【０００８】
望ましくは、前記受波素子および前記雑音センサはそれぞれ任意の複数個であり、前記擬似フィルタ部は、前記各受波素子および前記各雑音センサの対毎に設けられた複数の擬似フィルタを有し、前記各擬似フィルタは、対応する雑音センサの雑音信号を入力とし、対になる受波素子への雑音伝搬特性に対応した参照信号を出力する擬似フィルタであって、前記雑音伝搬特性は該雑音センサが検出する雑音の該受波素子への伝搬特性であるものとする。
【０００９】
上記構成によれば、擬似フィルタが受波素子と雑音センサの対毎に設けられているため、対を成している雑音センサから受波素子への雑音伝搬特性のみを考慮すればよい。よって、例えば擬似フィルタの設計を各々独立して行うことが可能であり、各擬似フィルタの設計が容易になる。そして、各擬似フィルタにおける演算も各々独立して行うことが可能である。また、雑音センサとして振動センサが含まれる場合、振動センサから受波素子への雑音伝搬特性には、振動から音波への変換特性も含まれる。
【００１０】
望ましくは、前記適応処理部は、前記受波素子毎に設けられた複数の適応処理ブロックを有し、前記各適応処理ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた主信号と、該受波素子と対になる前記雑音センサに対応する前記複数の擬似フィルタが出力する複数の参照信号とに基づいて適応信号処理するものとする。
【００１１】
上記構成によれば、適応処理ブロックが受波素子毎に設けられているため、対応する受波素子の出力のみを考慮すればよい。よって、例えば適応ブロックの設計を各々独立して行うことが可能であり、各適応ブロックの設計が容易になる。また、各適応ブロックにおける演算も各々独立して行うことが可能である。
【００１２】
望ましくは、前記適応処理部は、前記複数の受波素子の受波信号の整相加算結果に基づいた主信号と、前記複数の擬似フィルタが出力する複数の参照信号とに基づいて適応信号処理するものとする。
【００１３】
上記構成によれば、主信号が一つにまとめられているため、適応処理部における演算量の削減が見込まれる。
【００１４】
望ましくは、前記適応信号処理は、前記主信号と、前記複数の参照信号を重み付け加算した適応フィルタ出力との差分が最小になるように前記重み付けを設定する信号処理であるものとする。
【００１５】
望ましくは、前記重み付け加算において、重み付けの値が所定値より大きい対に対応する前記主信号と前記参照信号のみを重み付け加算の対象とするものとする。
【００１６】
望ましくは、前記目標信号成分抽出手段は、擬似フィルタ部、信号調整部および適応処理部を有し、前記擬似フィルタ部は、前記雑音信号に対応した参照信号を生成し、前記信号調整部は、前記受波信号に対応した主信号、および、前記参照信号をそれぞれ平滑化して、極端に大きい振幅および極端に小さい振幅を除去した平滑主信号および平滑参照信号を生成し、前記適応処理部は、前記平滑主信号および前記平滑参照信号に基づいて、適応信号処理により雑音信号成分を推定するものとする。
【００１７】
望ましくは、前記受波素子および前記雑音センサはそれぞれ任意の複数個であり、前記擬似フィルタ部は、前記各受波素子および前記各雑音センサの対毎に設けられた複数の擬似フィルタを有し、前記各擬似フィルタは、対応する雑音センサの雑音信号を入力とし、対になる受波素子への雑音伝搬特性に対応した参照信号を出力する擬似フィルタであって、前記雑音伝搬特性は該雑音センサが検出する雑音の該受波素子への伝搬特性であり、前記適応処理部は、前記受波素子毎に設けられた複数の適応処理ブロック、および、振幅計算器を有し、前記各適応処理ブロックは、計算出力ブロックおよび振幅制御ブロックを有し、前記各振幅制御ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた前記平滑主信号と、該受波素子と対になる雑音センサに対応する前記複数の平滑参照信号を重み付け加算した出力との差分が、最小になるように該重み付けを設定して、該重み付けにおける重み付け係数を出力し、前記振幅計算器は、前記各振幅制御ブロックが出力する重み付け係数に基づいて前記各計算出力ブロックに対する振幅制御信号を算出し、前記各計算出力ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた前記平滑主信号と、該受波素子と対になる前記雑音センサに対応する前記複数の平滑参照信号を重み付け加算した出力との差分に、前記振幅計算器が出力する振幅制御信号を乗じて振幅制御差分を算出し、この振幅制御差分が最小になるように該重み付けを設定するものとする。
【００１８】
望ましくは、前記各振幅制御ブロックおよび前記各計算出力ブロックは、平滑参照信号を重み付け加算する際、前記各受波素子および前記各雑音センサの対の中で重み付けの値が所定値より大きい対に対応する平滑参照信号のみを重み付け加算の対象とするものとする。
【００１９】
望ましくは、前記雑音信号から不要な周波数成分を除去する雑音帯域フィルタをさらに有し、前記雑音帯域フィルタは、前記受波信号から不要な周波数成分を除去する受波帯域フィルタと同じ周波数特性であるものとする。
【００２０】
望ましくは、前記雑音センサは、前記保護部材の振動を検出する振動センサを含むものとする。
【００２１】
上記構成によれば、振動センサとして例えば変位センサを保護部材に取り付けるという容易な手法により保護部材の振動検出が可能になる。
【００２２】
望ましくは、前記振動センサは、前記保護部材の外側に配置される外側振動センサと、前記保護部材の内側に配置される内側振動センサとの対からなり、前記外側振動センサと前記内側振動センサとの差分信号を出力とすることで、前記保護部材の表面に発生する縦波成分を相殺して曲げ波成分を検出するものとする。
【００２３】
望ましくは、前記雑音センサは、前記保護部材の近傍に発生する雑音を検出する音響センサを含むものとする。
【００２４】
上記構成によれば、保護部材の振動に基づき発生した雑音以外の雑音においても、雑音である音波のみを効率よく検出できる。また、保護部材の振動以外によって発生する保護部材近傍における雑音も検出できる。
【００２５】
（２）上記目的を達成するために、本発明に係る水中探知装置は、上記（１）の雑音低減回路を有する水中探知装置であって、目標からの音波を受波する受波素子と、前記受波素子を保護する保護部材と、前記雑音低減回路が抽出する前記目標信号成分に基づいて目標情報を生成して出力する目標情報出力手段と、を有するものとする。
【００２６】
上記構成によれば、上記（１）における雑音低減回路の効果と同様な効果を有する水中探知装置が提供できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１には本発明に係る雑音低減回路の好適な実施形態が示されており、図１はこの雑音低減回路が搭載された水中探知装置の全体構成を示すブロック図である。水中探知装置は、例えば船舶に搭載され、海中あるいは海水面に存在する他船舶等の位置情報を探知する。
【００２９】
雑音低減回路は、センサ部１８、データ変換部２０、擬似フィルタ部２２および適応処理部２４で構成される。受信部１０は複数の受波素子を有しており、これら受波素子は、目標である他船舶等が発する音波１２あるいは他船舶等から反射される音波１２を受波して受波信号を出力する。これら複数の受波素子は保護部材であるドーム１４により保護されている。つまり、受波素子を覆い隠すようにドーム１４が設けられている。このドーム１４の内部、表面又は近傍には、複数の雑音センサである振動センサ１６や音響センサ１７が設けられ、これら複数の雑音センサによりセンサ部１８が構成されている。センサ部１８の出力はデータ変換部２０でアナログデジタル変換された後、擬似フィルタ部２２に出力される。擬似フィルタ部２２および適応処理部２４は目標信号抽出手段として機能しており、データ変換部２０の出力に基づいて、受波素子が出力する受波信号に含まれる雑音信号成分を推定し、推定した雑音信号成分を受波信号から除去して目標信号成分を抽出している。目標情報生成部２６は、適応処理部２４が抽出する目標信号成分に基づいて目標の位置情報等の目標情報を生成してディスプレイ２８に出力する。つまり、目標情報生成部２６およびディスプレイ２８が目標情報出力手段として機能している。以下、各部の詳細について説明する。
【００３０】
図２は、センサ部１８、データ変換部２０および擬似フィルタ部２２の内部構成を示すブロック図である。
【００３１】
センサ部１８は、ドーム１４の内部、表面又は近傍に設置したＪｖ個の振動センサ１６、及びＪｓ個の音響センサ１７で構成されている。各センサは、ドーム１４近傍で発生して受波素子に伝搬する雑音を推定するために必要な、ドーム１４内部、表面及び近傍で発生する振動データおよび音響データを測定する。つまり、振動センサ１６はドーム１４の振動そのものを計測し、音響センサ１７はドーム１４の近傍で発生する音波を計測している。振動センサ１６としては例えば変位センサが利用され、音響センサ１７としては例えばハイドロホンが利用される。
【００３２】
データ変換部２０は、Ｊ（＝Ｊｖ＋Ｊｓ）個の雑音センサの各々に対応して設けられたＪ個の帯域フィルタ３０、Ｊ個の増幅器３２およびＪ個のアナログデジタル変換器（ＡＤ変換器）３４で構成される。Ｊ個の帯域フィルタ３０の周波数特性は、受信部の帯域フィルタ（後述）の周波数特性と同じ周波数特性とする。つまり、雑音センサの出力に基づく参照信号と、受波素子の出力に基づく主信号とのインパルス応答を一致させるため、両フィルタの周波数特性が同じ特性に設定される。帯域フィルタ３０の後段に設けられたＪ個の増幅器３２は、各帯域フィルタ３０の出力を所定のレベルに増幅し、後段に設けられたＪ個のＡＤ変換器３４に出力する。ＡＤ変換器３４でＡＤ変換された信号は擬似フィルタ部２２へ出力される。
【００３３】
擬似フィルタ部２２はＪ×Ｉ個の擬似フィルタ４０で構成されている。つまり、Ｊ個の雑音センサにおけるｊセンサと、Ｉ個の受波素子におけるｉ受波素子の対に対して一つの擬似フィルタ４０が対応している。この擬似フィルタ４０のインパルス応答はｊセンサ近傍のドーム１４の振動によって音波が発生しｉ受波素子方向に伝搬する雑音、又は、ｊセンサ近傍の雑音でｉ受波素子方向に進む雑音のインパルス応答とし、予め実験等により測定又は推定しておく。
【００３４】
ｊｖ振動センサ１６とｉ受波素子の対に対応する擬似フィルタ４０のインパルス応答をｆi,jv,l（ｌ＝０〜Ｌｖ−１）、ｊｖ振動センサ１６の出力をＶjv,t（ｊｖ＝１〜Ｊｖ）とすると、ｊｖ振動センサ１６近傍の雑音でｉ受波素子方向に進む雑音ｘi,jv,t（ｊｖ＝１〜Ｊｖ）は次式により算出される。
【数１】
同様に、ｊｓ音響センサ１７とｉ受波素子の対に対応する擬似フィルタ４０のインパルス応答をｇi,js,l（ｌ＝０〜Ｌｓ−１）、ｊｓ音響センサ１７の出力をＺjs,t（ｊｓ＝１〜Ｊｓ）とすると、ｊｓ音響センサ１７近傍の雑音でｉ受波素子方向に進む雑音ｘi,js,t（ｊｓ＝１〜Ｊｓ）は次式により算出される。
【数２】
振動センサ１６および音響センサ１７で得られるデータをまとめて、つまり各擬似フィルタ４０の出力をｘi,j,t（ｊ＝１〜Ｊ：Ｊ＝Ｊｖ＋Ｊｓ）と表現する。
【００３５】
図３は、受信部１０、擬似フィルタ部２２、適応処理部２４および目標情報生成部２６の内部構成を示すブロック図である。
【００３６】
受信部１０は、Ｉ個の受波素子４２、受波素子４２の出力から不要な周波数成分を取り除くＩ個の受波帯域フィルタ４４およびＩ個の増幅器４６で構成される。適応処理部２４は、Ｉ個の適応処理ブロック５０で構成され、これらは受信部１０におけるＩ個の増幅器４６の出力をそれぞれ主信号としている。また各適応処理ブロック５０は、Ｊ個の雑音センサにそれぞれ対応するＪ個の擬似フィルタ４０の主力を参照信号としている。受信部１０における増幅器４６からの出力がアナログ信号の場合は、受信部１０と適応処理部２４の間にＡＤ変換器を挿入するものとする。各適応処理ブロック５０はＪ個の乗算器５２、一つの加算器５４、および一つの減算器５６で構成される。乗算器５２はＪ個の適応処理フィルタ係数を持ち、Ｊ個の擬似フィルタ４０の出力にそれぞれ適応処理フィルタ係数を乗じて出力する。加算器５４はＪ個の乗算器５２の出力の加算を行う。減算器５６は対応する増幅器４６からの出力つまり主信号から、加算器５４の出力つまり適応フィルタ出力を減算して誤差信号を算出し、目標情報生成部２６に出力する。
【００３７】
以下に適応処理部２４の内部動作を説明する。ｊ擬似フィルタ４０の出力つまりｘi,j,t（ｊ＝１〜Ｊ）を参照信号とし、ｊ擬似フィルタ４０の出力に対する適応処理フィルタ係数をｗi,j,n（ｊ＝１〜Ｊ）とすると、ｉ受波素子４２に対応する適応処理フィルタ出力ｙi,j,tは次式により表現できる。
【数３】
さらに、Ｊ個の擬似フィルタ４０の出力の全てによるｉ受波素子４２に対応する適応処理フィルタ出力ｙi,tは次式により表現できる。
【数４】
ここで、ｊ雑音センサ近傍からｉ受波素子４２方向に進んだ雑音をｉ受波素子４２で受波する場合のインパルス応答の理論値をｈi,j,nとすると、ｉ受波素子４２の出力ｎi,j,tは次式で表現できる。
【数５】
また、Ｊ個の雑音センサ近傍からｉ受波素子４２方向に進んだ全ての雑音をｉ受波素子４２で受波する場合のｉ受波素子４２の出力ｎi,tは次式で表現できる。
【数６】
ｓi,tを目標からｉ受波素子４２に伝搬する信号とすると、ｉ受波素子４２に対応する増幅器４６からの出力ｄi,tは、ｉ受波素子４２に伝搬する目標からの信号とドーム近傍で発生しｉ受波素子４２に伝搬する雑音の和として次式で表現される。
【数７】
したがって、ｉ受波素子４２に対応する増幅器４６からの出力ｄi,tと、ｉ受波素子４２に対応する適応処理フィルタ出力ｙi,tとの差分信号をｅi,tとすると次式が成立する。
【数８】
ｓi,tとｘi,j,t-nが無相関とすれば、ｅi,t 2の期待値Ｅ[ｅi,t 2]は次式となる。
【数９】
Ｅ[ｅi,t 2]はｈi,j,n＝ｗi,j,nのとき最小値となる。ここで、Ｅ[ｅi,t 2]をｗi,j,nで変微分すると次式が得られる。
【数１０】
すなわち、数式１０を満足するような適応処理フィルタ係数ｗi,j,nを算出することにより、理論値ｈi,j,nの近似解が求められる。
【００３８】
また、例えば雑音が非定常である場合には、ＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）アルゴリズムを用いて、次式からｗi,j,nを求めることが可能である。
【数１１】
ここで、μはステップサイズである。以上のように算出された差分信号の最小値が、目標情報生成部２６に出力される。
【００３９】
目標情報生成部２６は、入力される各差分信号を遅延する遅延器６０、遅延器６０の出力を加算する加算器６２を有しており、遅延器６０および加算器６２が整相加算処理を実行する。整相加算処理された信号は、信号処理部６４において所定の信号処理が施され、目標情報、例えば目標の位置や目標の形状等の情報が生成される。目標情報はディスプレイに出力され画像表示される。
【００４０】
図４は、受信部１０、擬似フィルタ部２２、適応処理部２４および目標情報生成部２６の他の内部構成を示すブロック図であり、受信部１０において整相加算が行われた後の出力を主信号とする例の構成図である。
【００４１】
適応処理部２４はＩ×Ｊ個の乗算器５２、一つの加算器５４、および一つの減算器５６で構成される。各乗算器５２はそれぞれ適応処理フィルタ係数を持ち、対応する擬似フィルタ４０の出力にそれぞれ適応処理フィルタ係数を乗じて出力する。加算器５４はＩ×Ｊ個の乗算器５２の出力の加算を行う。減算器５６は受信部１０における整相加算後の出力つまり主信号から、加算器５４の出力つまり適応フィルタ出力を減算して差分信号を算出する。
【００４２】
以下に適応処理部２４の内部動作を説明する。Ｉ個の受波素子４２の整相加算出力に対して適応処理を行うためには、次式の差分信号ｅtを算出する。
【数１２】
ここで、ｙi,tは数式４、ｄi,tは数式７にそれぞれ基づいている。また、ｅt 2の期待値Ｅ[ｅt 2]は次式となる。
【数１３】
したがって、Ｅ[ｅt 2]はｈi,j,n＝ｗi,j,nのとき最小値となる。ここで、Ｅ[ｅt 2]をｗi,j,nで変微分すると次式が得られる。
【数１４】
すなわち、数式１４を満足するような適応処理フィルタ係数ｗi,j,nを算出することにより、理論値ｈi,j,nの近似解が求められる。
【００４３】
また、例えば雑音が非定常である場合には、ＬＭＳアルゴリズムを用いて、次式からｗi,j,nを求めることが可能である。
【数１５】
ここで、μはステップサイズである。以上のように算出された差分信号の最小値が、目標情報生成部２６に出力される。
【００４４】
目標情報生成部２６内の信号処理部６４は、入力される差分信号に所定の信号処理を実行して、目標情報、例えば目標の位置や目標の形状等の情報が生成される。目標情報はディスプレイに出力され画像表示される。
【００４５】
図５は、目標情報生成部（図３の符号２６）の他の実施形態を示す図である。つまり、加算器（図３の符号６２）に換えて、乗算器６８および加算器７０を有する目標情報生成部２６である。乗算器６８は、受波素子（図３の符号４２）の各々に対応して複数設けられる。各乗算器６８は、対応する遅延器６０の出力に適応処理フィルタ係数を乗じて出力する。加算器７０は、各乗算器６８の出力に基づいて適応処理出力を算出し、信号処理部６４に出力する。すなわち、各遅延器６０の出力をｅi,t（「数式８」の差分信号を遅延器６０で遅延し目標存在方向に整相した信号）とし、各乗算器６８における適応処理フィルタ係数をｗi,t（前述の適応フィルタ係数ｗi,j,nとは無関係とする）とすると、加算器７０は次式で表現される誤差信号ｙt（前述の適応処理フィルタ出力ｙi,tとは無関係とする）を算出する。
【数１６】
さらに、加算器７０は、数式１７、数式１８及び数式１９を用いて、適応処理演算を実施する。
【数１７】
【数１８】
【数１９】
ここで、ｅt及びｗtはそれぞれ数式２０及び数式２１で定義される。
【数２０】
【数２１】
図６は、適応処理部２４（図３の符号２４）周辺の他の実施形態を示す図であり、受信部１０、擬似フィルタ部２２、信号調整部２８、適応処理部２４及び目標情報生成部２６の内部構成を示すブロック図である。
【００４６】
信号調整部２８は、擬似フィルタ部２２の出力が極端に大きかったり、あるいは、小さかったりする場合にも安定して適応処理計算を行うためのものであり、各振幅安定器７０は、数式２２の計算を実施して平滑参照信号を出力する。
【数２２】
ここで、ｘi,j、tは擬似フィルタ４０の出力であり、受波波形の歪みを起こさないようにするためにはαは１より十分小さい値を選択する。各振幅安定器７０の出力は、直流成分を除去するためにハイパスフィルタ７２を通り適応処理部２４に出力される。ハイパスフィルタ７２の出力を新たにｘi,j、tとする。
【００４７】
同様に、受信部１０の出力が極端に大きかったり、あるいは、小さかったりする場合にも安定して適応処理計算を行うため、各振幅安定器７４は、数式２３の計算を実施して平滑主信号を出力する。
【数２３】
ここで、ｄi,tは増幅器４６の出力であり、受波波形の歪みを起こさないようにするためにはαは１より十分小さい値を選択する。各振幅安定器７４の出力は、直流成分を除去するためにハイパスフィルタ７５を通り適応処理部２４に出力される。ハイパスフィルタ７５の出力を新たにｄi,tとする。
【００４８】
適応処理部２４は、一つの振幅計算器９０及び各受波素子４２に対応して設けられるＩ個の適応処理ブロック３２を有する。各適応処理ブロック３２は計算出力ブロック３４及び振幅制御ブロック３６を有する。各計算出力ブロック３４は各雑音センサにそれぞれ対応するＪ個の第一乗算器７６、一つの加算器７８、一つの減算器８０及び一つの第二乗算器８２で構成される。各振幅制御ブロック３６はＪ個の乗算器８４、一つの加算器８６、及び、一つの減算器８８で構成される。
【００４９】
振幅制御ブロック３６の各乗算器８４は適応フィルタ係数を持ち、対応するハイパスフィルタ７２の出力つまり平滑参照信号にそれぞれ適応フィルタ係数を乗じて出力する。加算器８６はＪ個の乗算器８４の出力の加算を行う。減算器８８は対応するハイパスフィルタ７５からの出力つまり平滑主信号から、加算器８６の出力を減算して誤差信号を算出する。振幅計算器９０は、各振幅制御ブロック３６で算出されるＩ×Ｊ個の適応フィルタ係数を用いて数式２４の計算を実行して振幅制御信号ｑi,tを算出し、各計算出力ブロック３４に出力する。
【数２４】
数式２４において、βは調整係数であり、適応フィルタ係数をβ乗することによって、主信号と参照信号との相関がない場合、目標情報生成部への出力の低減率を調整するものである。また、受波波形の歪みを起こさないようにするため、αは１より十分小さい値を選択する。
【００５０】
計算出力ブロック３４の各第一乗算器７６は適応フィルタ係数を持ち、対応するハイパスフィルタ７２の出力にそれぞれ適応フィルタ係数を乗じて出力する。加算器７８はＪ個の第一乗算器７６の出力の加算を行う。減算器８０は対応するハイパスフィルタ７５からの出力つまり平滑主信号から、加算器７８の出力を減算して誤差信号を算出し、第二乗算器８２に出力する。第二乗算器８２は誤差信号に振幅計算器９０で算出される振幅制御信号ｑi,tを乗じ、受波素子の受信雑音（即ち主信号）と雑音センサの雑音（即ち参照信号）との相関性がない雑音、例えば電気的な雑音等が発生した場合の影響を低減して、目標情報生成部２６に出力する。計算出力ブロック３６における適応処理計算は数式２５により行う。
【数２５】
なお、前述の数式２４で使用したｗi,j、nの代わりにｊハイパスフィルタ７２の出力とｉハイパスフィルタ７５の出力との相関係数を用いて同様な計算を行ってもよい。
【００５１】
数式１０、数式１１、数式１４、数式１５及び数式２５の計算において、ｉ番目の受波素子とｊ番目の雑音センサとの位置が離れていたり、両者の間に障害物等がある場合には、適応フィルタ係数ｗi,j、nの値は他に比べて小さくなり、雑音信号の受波信号への寄与が少なくなることから、予め適応フィルタ係数ｗi,j、nを測定あるいは推定し、適応フィルタ係数ｗi,j、nが一定以上の値を持つ受波素子と雑音センサの組についてのみ計算を行うものとして、計算量を削減することも可能である。
【００５２】
図７は、雑音センサの好適な実施形態を示す図であり、雑音センサとしてひずみゲージ等の振動センサを利用する例を示す図である。ドーム９２の外側の振動センサ９４と、内側の振動センサ９６を対に配置し、外側の振動センサ９４の出力と内側の振動センサ９６の出力に基づいて、減算器９８において数式２６の計算を実行する。
【数２６】
この振動センサは、図７の（ａ）に示すように音波１００等によりドーム表面に縦波による伸縮が発生する場合は、ドームの厚さは入射波の波長に比べて十分小さいので、振動センサ９４と振動センサ９６が同時に伸縮し、振動センサの出力は相殺される。一方、流体等の外力によりドーム表面に曲げ波が発生する場合は、外側振動センサ９４が伸び（縮み）、内側センサ９６が縮み（伸び）するため、図７の（ｂ）や（ｃ）に示すように振動センサ９４の出力と振動センサ９６の出力に差が発生することによって曲げ波を検出する。このように、本来取得したい曲げ波のみを検出することができる。
【００５３】
本実施の形態において、雑音センサは例えば実験結果などに基づいて、雑音の取得に適した配置に設けられることが望ましい。雑音センサの配置を適切に行うことにより、雑音センサの数を減らす、つまり適応信号処理演算の演算量を減らすことも可能になる。もちろん既に配置されている雑音センサの中から、任意のセンサを選択的に利用しても演算量の削減が可能であり、必要に応じて受波素子出力を選択的に利用してもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、受波素子の近傍に発生する雑音も低減できる雑音低減回路、および、この回路を有する水中探知装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る雑音低減回路が搭載された水中探知装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明に係る水中探知装置のセンサ部、データ変換部および擬似フィルタ部の内部構成を示すブロック図である。
【図３】 本発明に係る水中探知装置の受信部、擬似フィルタ部、適応処理部および目標情報生成部の内部構成を示すブロック図である。
【図４】 本発明に係る水中探知装置の受信部、擬似フィルタ部、適応処理部および目標情報生成部の他の内部構成を示すブロック図である。
【図５】 目標情報生成部の他の実施形態を示す図である。
【図６】 適応処理部周辺の他の実施形態を示す図である。
【図７】 雑音センサの好適な実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１６ 振動センサ、１７ 音響センサ、２２ 擬似フィルタ部、２４ 適応処理部、２８ 信号調整部、３４ 計算出力ブロック、３６ 振幅制御ブロック、４０ 擬似フィルタ、５０ 適応処理ブロック、９０ 振幅計算器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、雑音低減回路に関し、特に雑音成分を推定して雑音成分を除去する雑音低減回路に関する。さらに本発明は、このような雑音低減回路を有する水中探知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海中あるいは海水面に存在する他船舶等の位置情報等を探知する水中探知装置が知られている。水中探知装置は船舶等に搭載され、水中に設置された受波素子が、目標である他船舶等からの反射音や放射音といった音波を受波することで、目標の位置情報等を取得している。受波素子が受波する音波には目標からの音波以外に雑音も多く含まれている。受波素子が受波する雑音として、目標とは異なる船舶からの反射音や放射音、生物が発する生物音、自船が放射するプロペラ雑音等が存在する。目標からの微弱な信号を抽出するためには、これら雑音を低減する必要がある。従来、受波素子の出力に対してシェーディング係数と呼ばれる固定の数値を乗じ、これらを加算することによって雑音を低減する手法や、受波素子の出力に対して相関処理、周波数分析、適応処理等を施し、目標からの信号を抽出することで雑音を低減する手法により、雑音の低減が図られていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
水中探知装置の受波素子は水中に設置されることが一般的であり、このため受波素子を保護する目的で、これら受波素子の近傍に、受波素子を覆い隠すようにＦＲＰ製、ゴム製等のドームが設けられている。雑音はこのドームからも発生する。つまり、受波素子の近傍に設けられたドームが、自船の進行により海水と接触することで振動し、これに伴って発生する音波が受波素子に伝搬して雑音となる場合である。しかしながら、上述した従来の雑音低減手法では、ドーム近傍で発生する雑音、特に目標が存在する方向と同方向からの雑音と目標から伝搬する音波との区別が困難であり、このような雑音の低減に対して有効な手法ではなかった。
【０００４】
そこで本発明は、保護部材の近傍に発生する雑音も低減できる雑音低減回路、および、この雑音低減回路を有する水中探知装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明に係る雑音低減回路は、目標からの音波を受波する受波素子を保護する保護部材からの雑音を検出する雑音センサと、前記雑音センサが出力する雑音信号に基づいて、前記受波素子が出力する受波信号に含まれる雑音信号成分を推定し、推定した雑音信号成分を該受波信号から除去して目標信号成分を抽出する目標信号成分抽出手段と、を有するものとする。
【０００６】
上記構成によれば、保護部材、例えばＦＲＰ製、ゴム製等のドームの近傍で発生する、あるいは保護部材自身が発生する雑音を雑音センサにより検出し、検出結果に基づいて雑音信号成分を推定しているため、雑音の発生方向に関係なく雑音信号成分を推定して除去できる。よって、受波素子近傍すなわち保護部材の近傍で発生する雑音、例えば目標と同じ方向からの雑音に対しても雑音の低減が可能である。
【０００７】
望ましくは、前記目標信号成分抽出手段は、擬似フィルタ部および適応処理部を有し、前記擬似フィルタ部は、前記雑音信号に対応した参照信号を生成し、前記適応処理部は、前記受波信号に対応した主信号および前記参照信号に基づいて、適応信号処理により雑音信号成分を推定するものとする。
【０００８】
望ましくは、前記受波素子および前記雑音センサはそれぞれ任意の複数個であり、前記擬似フィルタ部は、前記各受波素子および前記各雑音センサの対毎に設けられた複数の擬似フィルタを有し、前記各擬似フィルタは、対応する雑音センサの雑音信号を入力とし、対になる受波素子への雑音伝搬特性に対応した参照信号を出力する擬似フィルタであって、前記雑音伝搬特性は該雑音センサが検出する雑音の該受波素子への伝搬特性であるものとする。
【０００９】
上記構成によれば、擬似フィルタが受波素子と雑音センサの対毎に設けられているため、対を成している雑音センサから受波素子への雑音伝搬特性のみを考慮すればよい。よって、例えば擬似フィルタの設計を各々独立して行うことが可能であり、各擬似フィルタの設計が容易になる。そして、各擬似フィルタにおける演算も各々独立して行うことが可能である。また、雑音センサとして振動センサが含まれる場合、振動センサから受波素子への雑音伝搬特性には、振動から音波への変換特性も含まれる。
【００１０】
望ましくは、前記適応処理部は、前記受波素子毎に設けられた複数の適応処理ブロックを有し、前記各適応処理ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた主信号と、該受波素子と対になる前記雑音センサに対応する前記複数の擬似フィルタが出力する複数の参照信号とに基づいて適応信号処理するものとする。
【００１１】
上記構成によれば、適応処理ブロックが受波素子毎に設けられているため、対応する受波素子の出力のみを考慮すればよい。よって、例えば適応ブロックの設計を各々独立して行うことが可能であり、各適応ブロックの設計が容易になる。また、各適応ブロックにおける演算も各々独立して行うことが可能である。
【００１２】
望ましくは、前記適応処理部は、前記複数の受波素子の受波信号の整相加算結果に基づいた主信号と、前記複数の擬似フィルタが出力する複数の参照信号とに基づいて適応信号処理するものとする。
【００１３】
上記構成によれば、主信号が一つにまとめられているため、適応処理部における演算量の削減が見込まれる。
【００１４】
望ましくは、前記適応信号処理は、前記主信号と、前記複数の参照信号を重み付け加算した適応フィルタ出力との差分が最小になるように前記重み付けを設定する信号処理であるものとする。
【００１５】
望ましくは、前記重み付け加算において、重み付けの値が所定値より大きい対に対応する前記主信号と前記参照信号のみを重み付け加算の対象とするものとする。
【００１６】
望ましくは、前記目標信号成分抽出手段は、擬似フィルタ部、信号調整部および適応処理部を有し、前記擬似フィルタ部は、前記雑音信号に対応した参照信号を生成し、前記信号調整部は、前記受波信号に対応した主信号、および、前記参照信号をそれぞれ平滑化して、極端に大きい振幅および極端に小さい振幅を除去した平滑主信号および平滑参照信号を生成し、前記適応処理部は、前記平滑主信号および前記平滑参照信号に基づいて、適応信号処理により雑音信号成分を推定するものとする。
【００１７】
望ましくは、前記受波素子および前記雑音センサはそれぞれ任意の複数個であり、前記擬似フィルタ部は、前記各受波素子および前記各雑音センサの対毎に設けられた複数の擬似フィルタを有し、前記各擬似フィルタは、対応する雑音センサの雑音信号を入力とし、対になる受波素子への雑音伝搬特性に対応した参照信号を出力する擬似フィルタであって、前記雑音伝搬特性は該雑音センサが検出する雑音の該受波素子への伝搬特性であり、前記適応処理部は、前記受波素子毎に設けられた複数の適応処理ブロック、および、振幅計算器を有し、前記各適応処理ブロックは、計算出力ブロックおよび振幅制御ブロックを有し、前記各振幅制御ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた前記平滑主信号と、該受波素子と対になる雑音センサに対応する前記複数の平滑参照信号を重み付け加算した出力との差分が、最小になるように該重み付けを設定して、該重み付けにおける重み付け係数を出力し、前記振幅計算器は、前記各振幅制御ブロックが出力する重み付け係数に基づいて前記各計算出力ブロックに対する振幅制御信号を算出し、前記各計算出力ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた前記平滑主信号と、該受波素子と対になる前記雑音センサに対応する前記複数の平滑参照信号を重み付け加算した出力との差分に、前記振幅計算器が出力する振幅制御信号を乗じて振幅制御差分を算出し、この振幅制御差分が最小になるように該重み付けを設定するものとする。
【００１８】
望ましくは、前記各振幅制御ブロックおよび前記各計算出力ブロックは、平滑参照信号を重み付け加算する際、前記各受波素子および前記各雑音センサの対の中で重み付けの値が所定値より大きい対に対応する平滑参照信号のみを重み付け加算の対象とするものとする。
【００１９】
望ましくは、前記雑音信号から不要な周波数成分を除去する雑音帯域フィルタをさらに有し、前記雑音帯域フィルタは、前記受波信号から不要な周波数成分を除去する受波帯域フィルタと同じ周波数特性であるものとする。
【００２０】
望ましくは、前記雑音センサは、前記保護部材の振動を検出する振動センサを含むものとする。
【００２１】
上記構成によれば、振動センサとして例えば変位センサを保護部材に取り付けるという容易な手法により保護部材の振動検出が可能になる。
【００２２】
望ましくは、前記振動センサは、前記保護部材の外側に配置される外側振動センサと、前記保護部材の内側に配置される内側振動センサとの対からなり、前記外側振動センサと前記内側振動センサとの差分信号を出力とすることで、前記保護部材の表面に発生する縦波成分を相殺して曲げ波成分を検出するものとする。
【００２３】
望ましくは、前記雑音センサは、前記保護部材の近傍に発生する雑音を検出する音響センサを含むものとする。
【００２４】
上記構成によれば、保護部材の振動に基づき発生した雑音以外の雑音においても、雑音である音波のみを効率よく検出できる。また、保護部材の振動以外によって発生する保護部材近傍における雑音も検出できる。
【００２５】
（２）上記目的を達成するために、本発明に係る水中探知装置は、上記（１）の雑音低減回路を有する水中探知装置であって、目標からの音波を受波する受波素子と、前記受波素子を保護する保護部材と、前記雑音低減回路が抽出する前記目標信号成分に基づいて目標情報を生成して出力する目標情報出力手段と、を有するものとする。
【００２６】
上記構成によれば、上記（１）における雑音低減回路の効果と同様な効果を有する水中探知装置が提供できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１には本発明に係る雑音低減回路の好適な実施形態が示されており、図１はこの雑音低減回路が搭載された水中探知装置の全体構成を示すブロック図である。水中探知装置は、例えば船舶に搭載され、海中あるいは海水面に存在する他船舶等の位置情報を探知する。
【００２９】
雑音低減回路は、センサ部１８、データ変換部２０、擬似フィルタ部２２および適応処理部２４で構成される。受信部１０は複数の受波素子を有しており、これら受波素子は、目標である他船舶等が発する音波１２あるいは他船舶等から反射される音波１２を受波して受波信号を出力する。これら複数の受波素子は保護部材であるドーム１４により保護されている。つまり、受波素子を覆い隠すようにドーム１４が設けられている。このドーム１４の内部、表面又は近傍には、複数の雑音センサである振動センサ１６や音響センサ１７が設けられ、これら複数の雑音センサによりセンサ部１８が構成されている。センサ部１８の出力はデータ変換部２０でアナログデジタル変換された後、擬似フィルタ部２２に出力される。擬似フィルタ部２２および適応処理部２４は目標信号抽出手段として機能しており、データ変換部２０の出力に基づいて、受波素子が出力する受波信号に含まれる雑音信号成分を推定し、推定した雑音信号成分を受波信号から除去して目標信号成分を抽出している。目標情報生成部２６は、適応処理部２４が抽出する目標信号成分に基づいて目標の位置情報等の目標情報を生成してディスプレイ２８に出力する。つまり、目標情報生成部２６およびディスプレイ２８が目標情報出力手段として機能している。以下、各部の詳細について説明する。
【００３０】
図２は、センサ部１８、データ変換部２０および擬似フィルタ部２２の内部構成を示すブロック図である。
【００３１】
センサ部１８は、ドーム１４の内部、表面又は近傍に設置したＪｖ個の振動センサ１６、及びＪｓ個の音響センサ１７で構成されている。各センサは、ドーム１４近傍で発生して受波素子に伝搬する雑音を推定するために必要な、ドーム１４内部、表面及び近傍で発生する振動データおよび音響データを測定する。つまり、振動センサ１６はドーム１４の振動そのものを計測し、音響センサ１７はドーム１４の近傍で発生する音波を計測している。振動センサ１６としては例えば変位センサが利用され、音響センサ１７としては例えばハイドロホンが利用される。
【００３２】
データ変換部２０は、Ｊ（＝Ｊｖ＋Ｊｓ）個の雑音センサの各々に対応して設けられたＪ個の帯域フィルタ３０、Ｊ個の増幅器３２およびＪ個のアナログデジタル変換器（ＡＤ変換器）３４で構成される。Ｊ個の帯域フィルタ３０の周波数特性は、受信部の帯域フィルタ（後述）の周波数特性と同じ周波数特性とする。つまり、雑音センサの出力に基づく参照信号と、受波素子の出力に基づく主信号とのインパルス応答を一致させるため、両フィルタの周波数特性が同じ特性に設定される。帯域フィルタ３０の後段に設けられたＪ個の増幅器３２は、各帯域フィルタ３０の出力を所定のレベルに増幅し、後段に設けられたＪ個のＡＤ変換器３４に出力する。ＡＤ変換器３４でＡＤ変換された信号は擬似フィルタ部２２へ出力される。
【００３３】
擬似フィルタ部２２はＪ×Ｉ個の擬似フィルタ４０で構成されている。つまり、Ｊ個の雑音センサにおけるｊセンサと、Ｉ個の受波素子におけるｉ受波素子の対に対して一つの擬似フィルタ４０が対応している。この擬似フィルタ４０のインパルス応答はｊセンサ近傍のドーム１４の振動によって音波が発生しｉ受波素子方向に伝搬する雑音、又は、ｊセンサ近傍の雑音でｉ受波素子方向に進む雑音のインパルス応答とし、予め実験等により測定又は推定しておく。
【００３４】
ｊｖ振動センサ１６とｉ受波素子の対に対応する擬似フィルタ４０のインパルス応答をｆi,jv,l（ｌ＝０〜Ｌｖ−１）、ｊｖ振動センサ１６の出力をＶjv,t（ｊｖ＝１〜Ｊｖ）とすると、ｊｖ振動センサ１６近傍の雑音でｉ受波素子方向に進む雑音ｘi,jv,t（ｊｖ＝１〜Ｊｖ）は次式により算出される。
【数１】
【数２】
【００３５】
図３は、受信部１０、擬似フィルタ部２２、適応処理部２４および目標情報生成部２６の内部構成を示すブロック図である。
【００３６】
受信部１０は、Ｉ個の受波素子４２、受波素子４２の出力から不要な周波数成分を取り除くＩ個の受波帯域フィルタ４４およびＩ個の増幅器４６で構成される。適応処理部２４は、Ｉ個の適応処理ブロック５０で構成され、これらは受信部１０におけるＩ個の増幅器４６の出力をそれぞれ主信号としている。また各適応処理ブロック５０は、Ｊ個の雑音センサにそれぞれ対応するＪ個の擬似フィルタ４０の主力を参照信号としている。受信部１０における増幅器４６からの出力がアナログ信号の場合は、受信部１０と適応処理部２４の間にＡＤ変換器を挿入するものとする。各適応処理ブロック５０はＪ個の乗算器５２、一つの加算器５４、および一つの減算器５６で構成される。乗算器５２はＪ個の適応処理フィルタ係数を持ち、Ｊ個の擬似フィルタ４０の出力にそれぞれ適応処理フィルタ係数を乗じて出力する。加算器５４はＪ個の乗算器５２の出力の加算を行う。減算器５６は対応する増幅器４６からの出力つまり主信号から、加算器５４の出力つまり適応フィルタ出力を減算して誤差信号を算出し、目標情報生成部２６に出力する。
【００３７】
以下に適応処理部２４の内部動作を説明する。ｊ擬似フィルタ４０の出力つまりｘi,j,t（ｊ＝１〜Ｊ）を参照信号とし、ｊ擬似フィルタ４０の出力に対する適応処理フィルタ係数をｗi,j,n（ｊ＝１〜Ｊ）とすると、ｉ受波素子４２に対応する適応処理フィルタ出力ｙi,j,tは次式により表現できる。
【数３】
【数４】
【数５】
【数６】
【数７】
【数８】
【数９】
【数１０】
【００３８】
また、例えば雑音が非定常である場合には、ＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）アルゴリズムを用いて、次式からｗi,j,nを求めることが可能である。
【数１１】
【００３９】
目標情報生成部２６は、入力される各差分信号を遅延する遅延器６０、遅延器６０の出力を加算する加算器６２を有しており、遅延器６０および加算器６２が整相加算処理を実行する。整相加算処理された信号は、信号処理部６４において所定の信号処理が施され、目標情報、例えば目標の位置や目標の形状等の情報が生成される。目標情報はディスプレイに出力され画像表示される。
【００４０】
図４は、受信部１０、擬似フィルタ部２２、適応処理部２４および目標情報生成部２６の他の内部構成を示すブロック図であり、受信部１０において整相加算が行われた後の出力を主信号とする例の構成図である。
【００４１】
適応処理部２４はＩ×Ｊ個の乗算器５２、一つの加算器５４、および一つの減算器５６で構成される。各乗算器５２はそれぞれ適応処理フィルタ係数を持ち、対応する擬似フィルタ４０の出力にそれぞれ適応処理フィルタ係数を乗じて出力する。加算器５４はＩ×Ｊ個の乗算器５２の出力の加算を行う。減算器５６は受信部１０における整相加算後の出力つまり主信号から、加算器５４の出力つまり適応フィルタ出力を減算して差分信号を算出する。
【００４２】
以下に適応処理部２４の内部動作を説明する。Ｉ個の受波素子４２の整相加算出力に対して適応処理を行うためには、次式の差分信号ｅtを算出する。
【数１２】
【数１３】
【数１４】
【００４３】
また、例えば雑音が非定常である場合には、ＬＭＳアルゴリズムを用いて、次式からｗi,j,nを求めることが可能である。
【数１５】
【００４４】
目標情報生成部２６内の信号処理部６４は、入力される差分信号に所定の信号処理を実行して、目標情報、例えば目標の位置や目標の形状等の情報が生成される。目標情報はディスプレイに出力され画像表示される。
【００４５】
図５は、目標情報生成部（図３の符号２６）の他の実施形態を示す図である。つまり、加算器（図３の符号６２）に換えて、乗算器６８および加算器７０を有する目標情報生成部２６である。乗算器６８は、受波素子（図３の符号４２）の各々に対応して複数設けられる。各乗算器６８は、対応する遅延器６０の出力に適応処理フィルタ係数を乗じて出力する。加算器７０は、各乗算器６８の出力に基づいて適応処理出力を算出し、信号処理部６４に出力する。すなわち、各遅延器６０の出力をｅi,t（「数式８」の差分信号を遅延器６０で遅延し目標存在方向に整相した信号）とし、各乗算器６８における適応処理フィルタ係数をｗi,t（前述の適応フィルタ係数ｗi,j,nとは無関係とする）とすると、加算器７０は次式で表現される誤差信号ｙt（前述の適応処理フィルタ出力ｙi,tとは無関係とする）を算出する。
【数１６】
【数１７】
【数２０】
【００４６】
信号調整部２８は、擬似フィルタ部２２の出力が極端に大きかったり、あるいは、小さかったりする場合にも安定して適応処理計算を行うためのものであり、各振幅安定器７０は、数式２２の計算を実施して平滑参照信号を出力する。
【数２２】
【００４７】
同様に、受信部１０の出力が極端に大きかったり、あるいは、小さかったりする場合にも安定して適応処理計算を行うため、各振幅安定器７４は、数式２３の計算を実施して平滑主信号を出力する。
【数２３】
【００４８】
適応処理部２４は、一つの振幅計算器９０及び各受波素子４２に対応して設けられるＩ個の適応処理ブロック３２を有する。各適応処理ブロック３２は計算出力ブロック３４及び振幅制御ブロック３６を有する。各計算出力ブロック３４は各雑音センサにそれぞれ対応するＪ個の第一乗算器７６、一つの加算器７８、一つの減算器８０及び一つの第二乗算器８２で構成される。各振幅制御ブロック３６はＪ個の乗算器８４、一つの加算器８６、及び、一つの減算器８８で構成される。
【００４９】
振幅制御ブロック３６の各乗算器８４は適応フィルタ係数を持ち、対応するハイパスフィルタ７２の出力つまり平滑参照信号にそれぞれ適応フィルタ係数を乗じて出力する。加算器８６はＪ個の乗算器８４の出力の加算を行う。減算器８８は対応するハイパスフィルタ７５からの出力つまり平滑主信号から、加算器８６の出力を減算して誤差信号を算出する。振幅計算器９０は、各振幅制御ブロック３６で算出されるＩ×Ｊ個の適応フィルタ係数を用いて数式２４の計算を実行して振幅制御信号ｑi,tを算出し、各計算出力ブロック３４に出力する。
【数２４】
【００５０】
計算出力ブロック３４の各第一乗算器７６は適応フィルタ係数を持ち、対応するハイパスフィルタ７２の出力にそれぞれ適応フィルタ係数を乗じて出力する。加算器７８はＪ個の第一乗算器７６の出力の加算を行う。減算器８０は対応するハイパスフィルタ７５からの出力つまり平滑主信号から、加算器７８の出力を減算して誤差信号を算出し、第二乗算器８２に出力する。第二乗算器８２は誤差信号に振幅計算器９０で算出される振幅制御信号ｑi,tを乗じ、受波素子の受信雑音（即ち主信号）と雑音センサの雑音（即ち参照信号）との相関性がない雑音、例えば電気的な雑音等が発生した場合の影響を低減して、目標情報生成部２６に出力する。計算出力ブロック３６における適応処理計算は数式２５により行う。
【数２５】
【００５１】
数式１０、数式１１、数式１４、数式１５及び数式２５の計算において、ｉ番目の受波素子とｊ番目の雑音センサとの位置が離れていたり、両者の間に障害物等がある場合には、適応フィルタ係数ｗi,j、nの値は他に比べて小さくなり、雑音信号の受波信号への寄与が少なくなることから、予め適応フィルタ係数ｗi,j、nを測定あるいは推定し、適応フィルタ係数ｗi,j、nが一定以上の値を持つ受波素子と雑音センサの組についてのみ計算を行うものとして、計算量を削減することも可能である。
【００５２】
図７は、雑音センサの好適な実施形態を示す図であり、雑音センサとしてひずみゲージ等の振動センサを利用する例を示す図である。ドーム９２の外側の振動センサ９４と、内側の振動センサ９６を対に配置し、外側の振動センサ９４の出力と内側の振動センサ９６の出力に基づいて、減算器９８において数式２６の計算を実行する。
【数２６】
【００５３】
本実施の形態において、雑音センサは例えば実験結果などに基づいて、雑音の取得に適した配置に設けられることが望ましい。雑音センサの配置を適切に行うことにより、雑音センサの数を減らす、つまり適応信号処理演算の演算量を減らすことも可能になる。もちろん既に配置されている雑音センサの中から、任意のセンサを選択的に利用しても演算量の削減が可能であり、必要に応じて受波素子出力を選択的に利用してもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、受波素子の近傍に発生する雑音も低減できる雑音低減回路、および、この回路を有する水中探知装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る雑音低減回路が搭載された水中探知装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明に係る水中探知装置のセンサ部、データ変換部および擬似フィルタ部の内部構成を示すブロック図である。
【図３】 本発明に係る水中探知装置の受信部、擬似フィルタ部、適応処理部および目標情報生成部の内部構成を示すブロック図である。
【図４】 本発明に係る水中探知装置の受信部、擬似フィルタ部、適応処理部および目標情報生成部の他の内部構成を示すブロック図である。
【図５】 目標情報生成部の他の実施形態を示す図である。
【図６】 適応処理部周辺の他の実施形態を示す図である。
【図７】 雑音センサの好適な実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１６ 振動センサ、１７ 音響センサ、２２ 擬似フィルタ部、２４ 適応処理部、２８ 信号調整部、３４ 計算出力ブロック、３６ 振幅制御ブロック、４０ 擬似フィルタ、５０ 適応処理ブロック、９０ 振幅計算器。
Claims (13)
- 目標からの音波を受波する受波素子を覆い隠すように設けられたドームからの雑音を検出する雑音センサと、
前記雑音センサが出力する雑音信号に基づいて、前記受波素子が出力する受波信号に含まれる雑音信号成分を推定し、推定した雑音信号成分を該受波信号から除去して目標信号成分を抽出する目標信号成分抽出手段と、
を有し、
前記雑音センサは、前記ドームの振動を検出する振動センサを含む、
ことを特徴とする雑音低減回路であって、
前記目標信号成分抽出手段は、擬似フィルタ部および適応処理部を有し、
前記擬似フィルタ部は、前記雑音信号に対応した参照信号を生成し、
前記適応処理部は、前記受波信号に対応した主信号および前記参照信号に基づいて、適応信号処理により雑音信号成分を推定し、
さらに、
前記受波素子および前記雑音センサはそれぞれ任意の複数個であり、
前記擬似フィルタ部は、前記各受波素子および前記各雑音センサの対毎に設けられた複数の擬似フィルタを有し、
前記各擬似フィルタは、対応する雑音センサの雑音信号を入力とし、対になる受波素子への雑音伝搬特性に対応した参照信号を出力する擬似フィルタであって、前記雑音伝搬特性は該雑音センサが検出する雑音の該受波素子への伝搬特性である、
ことを特徴とする雑音低減回路。 - 目標からの音波を受波する受波素子を覆い隠すように設けられたドームからの雑音を検出する雑音センサと、
前記雑音センサが出力する雑音信号に基づいて、前記受波素子が出力する受波信号に含まれる雑音信号成分を推定し、推定した雑音信号成分を該受波信号から除去して目標信号成分を抽出する目標信号成分抽出手段と、
を有し、
前記雑音センサは、前記ドームの近傍に発生する雑音を検出する音響センサを含む、
ことを特徴とする雑音低減回路であって、
前記目標信号成分抽出手段は、擬似フィルタ部および適応処理部を有し、
前記擬似フィルタ部は、前記雑音信号に対応した参照信号を生成し、
前記適応処理部は、前記受波信号に対応した主信号および前記参照信号に基づいて、適応信号処理により雑音信号成分を推定し、
さらに、
前記受波素子および前記雑音センサはそれぞれ任意の複数個であり、
前記擬似フィルタ部は、前記各受波素子および前記各雑音センサの対毎に設けられた複数の擬似フィルタを有し、
前記各擬似フィルタは、対応する雑音センサの雑音信号を入力とし、対になる受波素子への雑音伝搬特性に対応した参照信号を出力する擬似フィルタであって、前記雑音伝搬特性は該雑音センサが検出する雑音の該受波素子への伝搬特性である、
ことを特徴とする雑音低減回路。 - 請求項１記載の雑音低減回路であって、
前記雑音センサは、前記ドームの近傍に発生する雑音を検出する音響センサを含む、
ことを特徴とする雑音低減回路。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の雑音低減回路であって、
前記適応処理部は、前記受波素子毎に設けられた複数の適応処理ブロックを有し、
前記各適応処理ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた主信号と、該受波素子と対になる前記雑音センサに対応する前記複数の擬似フィルタが出力する複数の参照信号とに基づいて適応信号処理する、
雑音低減回路。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の雑音低減回路であって、
前記適応処理部は、前記複数の受波素子の受波信号の整相加算結果に基づいた主信号と、前記複数の擬似フィルタが出力する複数の参照信号とに基づいて適応信号処理する、雑音低減回路。 - 請求項４または５記載の雑音低減回路であって、
前記適応信号処理は、前記主信号と、前記複数の参照信号を重み付け加算した適応フィルタ出力との差分が最小になるように前記重み付けを設定する信号処理である、雑音低減回路。 - 請求項６記載の雑音低減回路であって、
前記重み付け加算において、重み付けの値が所定値より大きい対に対応する前記主信号と前記参照信号のみを重み付け加算の対象とする、雑音低減回路。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の雑音低減回路であって、
前記目標信号成分抽出手段は、擬似フィルタ部および適応処理部に加えてさらに信号調整部を有し、
前記信号調整部は、前記受波信号に対応した主信号、および、前記参照信号をそれぞれ平滑化して、極端に大きい振幅および極端に小さい振幅を除去した平滑主信号および平滑参照信号を生成し、
前記適応処理部は、前記平滑主信号および前記平滑参照信号に基づいて、適応信号処理により雑音信号成分を推定する、
雑音低減回路。 - 請求項８記載の雑音低減回路であって、
前記適応処理部は、前記受波素子毎に設けられた複数の適応処理ブロック、および、振幅計算器を有し、
前記各適応処理ブロックは、計算出力ブロックおよび振幅制御ブロックを有し、
前記各振幅制御ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた前記平滑主信号と、該受波素子と対になる雑音センサに対応する前記複数の平滑参照信号を重み付け加算した出力との差分が、最小になるように該重み付けを設定して、該重み付けにおける重み付け係数を出力し、
前記振幅計算器は、前記各振幅制御ブロックが出力する重み付け係数に基づいて前記各計算出力ブロックに対する振幅制御信号を算出し、
前記各計算出力ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた前記平滑主信号と、該受波素子と対になる雑音センサに対応する前記複数の平滑参照信号を重み付け加算した出力との差分に、前記振幅計算器が出力する振幅制御信号を乗じて振幅制御差分を算出し、この振幅制御差分が最小になるように該重み付けを設定する、
雑音低減回路。 - 請求項９記載の雑音低減回路であって、
前記各振幅制御ブロックおよび前記各計算出力ブロックは、平滑参照信号を重み付け加算する際、前記各受波素子および前記各雑音センサの対の中で重み付けの値が所定値より大きい対に対応する平滑参照信号のみを重み付け加算の対象とする、
雑音低減回路。 - 請求項１から１０のいずれか１項に記載の雑音低減回路であって、
前記雑音信号から不要な周波数成分を除去する雑音帯域フィルタをさらに有し、
前記雑音帯域フィルタは、前記受波信号から不要な周波数成分を除去する受波帯域フィルタと同じ周波数特性である、
雑音低減回路。 - 請求項１記載の雑音低減回路であって、
前記振動センサは、前記ドームの外側に配置される外側振動センサと、前記ドームの内側に配置される内側振動センサとの対からなり、前記外側振動センサと前記内側振動センサとの差分信号を出力とすることで、前記ドームの表面に発生する縦波成分を相殺して曲げ波成分を検出する、雑音低減回路。 - 請求項１から１２のいずれか１項に記載の雑音低減回路を有する水中探知装置であって、
目標からの音波を受波する受波素子と、
前記受波素子を覆い隠すように設けられたドームと、
前記雑音低減回路が抽出する前記目標信号成分に基づいて目標情報を生成して出力する目標情報出力手段と、
を有する、水中探知装置。
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