JP4281617B2 - 合成開口ソーナーの信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は水中の情報を可視化する合成開口ソーナーの信号処理装置に関し、特にその動揺補正技術に関する。

レーダー、ソーナーにおいて、巨大な送受信アレイを備えることができない場合において、移動体上等に搭載した送受信手段を移動することによりホログラムを形成して画像化を行う合成開口技術が広く知られている。移動体の軌道が直線の場合を特にストリップマップ（strip-map）方式と呼称されている。ソーナー技術においても、海上の船舶より牽引する航走体や所定の目的範囲を航行する自律航走体に送受波器を搭載して水中や海底の画像を得る合成開口ソーナー（ＳＡＳ：Synthetic Aperture SONAR）技術が知られている。

図２は、従来技術のＳＡＳの基本原理を説明する図である。
図２に図示しない移動体手段に搭載された複数の送受波器群よりなる実アレイ２００は、直線軌道２０１に沿って一定速で進む間に所定の時間周期、所定の移動間隔で送受信を反復する。送受信で得られた全てのデータのうち、送信位置２０２から順に送信位置２０４までを、撮像領域内の点Ｔの像の合成のために、仮想口径２０３として用いる。点Ｔが直線軌道２０１に近ければ、仮想口径２０３に含める口径位置の数、即ち、仮想口径２０３を減少させ、遠い場合は増加させる。これにより仮想口径２０３の中央を通り直線軌道２０１に垂直な線上の像が形成される。また、仮想口径位置２０５から仮想口径位置２０７を使用して仮想口径２０６の中央を通り直線軌道２０１に垂直な線上の像が形成される。

図３は、従来技術の合成開口処理での動揺修正処理を説明する図である。
一方、実際の海中でのＳＡＳで、はソーナーを搭載する航走体の運動は、ソーナーで使用する音波の波長に比べると十分に位置精度の高い直線運動が確保できない場合が多い。図３に示すように、目的の直線軌道２０１より変動した軌道３０１を描くのが常である。この変動を補正する方法として、例えば、隣接した送信間の反射信号の相関を利用して補正する技術がある（例えば、特許文献１）。こうした補正技術の基本は、送信ごとに実アレイ２００の位置を一部重畳させ、重畳部分の受信信号相関から変動量を逐次的に求める方式であり、に基本的概念が知られいる（例えば、特許文献２、非特許文献１）。

この技術は、ＤＰＣ（Displaced Phase Center)補正技術として広く知られている。ＤＰＣに代表される受信信号の相関に基づく補正では、図３に示すように、送信位置３０２での送受信時間区間に該当する音波の海底照射域３０６と送信位置３０３での送受信時間区間に該当する音波の海底照射域３０７とは、実アレイの上の互いに重なる部分的アレイにおいて高い相互相関を示すはずであるという前提で処理が進められる。

ＤＰＣに限らず、複数位置での受信信号間の相互相関や位相差を元に補正を行う技術では、主に海底からの一様乱数的な反射体群からのエコーが存在することが仮定になっている。即ち、照射された海底域からの反射において、相関計算等に用いる時間区間の信号において、相関による推定精度を悪くする構造がないことが重要である。

図３に示すように、送信位置３０４での送受信時間区間に該当する音波の海底照射域３０８と送信位置３０５での送受信時間区間に該当する音波の海底照射域３０９との共通の領域に海底の平均的反射レベルよりも特段強い反射を有する直線状の人工物Ｄがあり、人工物ＤがＳＡＳの方位方向に沿って存在した場合、送受信時間区間内での相関によるアジマス方向の推定変位は、この人工物Ｄの反射に支配されることになる。このため、状況によっては相関によって求めようとした誤差は、アジマス方向の変動に対して鈍感になった故に精度が低下する場合もあり得る。このような問題は、海底の反射体分布のエコーを用いて基準とする限りは避けられない。

また、反射信号の中には、海面での反射を経るマルチパスによる信号が含まれる場合もある。海面は風浪により反射面の分布が時間的に著しく変動するため、送信間の時間間隔が、海面の変動速度に比べて非常に長いＳＡＳの場合、海面での反射を経た信号エネルギーの比率が高いエコーは、互いに相関が失われる。このように、受信信号間の相関を用いた補正を精密に行う場合には、相関演算を行う領域について受信信号の時間区間について既知の情報を元に限定を設けるほうが望ましい場合がある。

特開２００２−２１４３４１号公報

米国特許第４２４４０３６明細書 R.S.Raven,"ELECTRONIC STABILIZATION FOR DISPLACED PHASE CENTER SYSTEMS"

従来技術では、合成開口ソーナーの動揺修正において、相関演算を行う領域について、任意の領域で一様に受信信号の相関演算を基にした補正を行うことは、必ずしも適切でない場合があるという課題があった。画像化を行う対象位置において、上記相関の精度を低下させる要因が既知情報としてある場合、又は、そうした要因を仮定する場合に、それを効率よく除外して動揺の影響を軽減する技術は知られていなかった。
本発明の目的は、合成開口ソーナーの動揺修正の精度を効率よく向上できる合成開口ソーナーの信号処理装置を提供することにある。

本発明の合成開口ソーナーの信号処理装置では、受信信号間の相互相関を用いる合成開口ソーナーの動揺修正において、航走体の直線軌道方向と受信信号の時間方向の２次元エコーグラムを表示する手段と、上記エコーグラムを分割表示して、相関演算を行う領域を制限する手段を設けることを特徴とする。

また、合成開口像の特定の点に対応させて、上記エコーグラム上の合成開口に関与する信号範囲を図示する手段を備えたことを特徴とする。
また、前記相互相関処理を行う領域が異なる条件での合成結果を同時に図示する手段を備えたことを特徴とする。

相関演算を用いて合成開口ソーナーの動揺を補償する合成開口ソーナーの信号処理装置において、相関演算を行う領域について、画像化を行う対象位置で上記相関の精度を低下させる要因が既知情報としてある場合、又は、そうした要因を仮定する場合に、それを効率よく除外して動揺の影響を軽減できる。

本発明の合成開口ソーナーの信号処理装置によれば、合成開口ソーナーの動揺修正の精度を効率よく向上できる。

図１は、本発明の実施例の合成開口ソーナーの信号処理装置を説明する図である。
実アレイ２００は、ｋ個の圧電素子等で構成される送受波器の配列であり、多重化結合回路１０２において、送信回路１０１と受信回路１０３に接続される。実アレイ２００の一部の送受波器が、送信回路１０１の出力をにより音波を送信し、全て又は一部が受信回路１０３に接続されて、エコー信号が記憶手段１０４に保持される。合成開口演算を行うビームフォーマ１０５は、記憶手段１０４より読み出して合成したホログラム像情報を、輝度情報に変換して画像メモリ１０７に書き込む。

また、エコーグラム演算手段１１１は、記憶手段１０４より読み出したエコー信号に対し、送信信号のレプリカを用いるレンジ圧縮処理や復調処理を施した信号等を、輝度情報に変換して画像メモリ１０７に書き込む。相関演算手段１０６は記憶手段１０４より、所定の時間区間、所定のチャネルのエコー信号を取り出し、受信信号間の相互相関係数を演算し、動揺変動量の推定情報から、ビームフォーマ１０５に与えるべき時間又は位相の補正値を出力する。動揺量の推定方法としてはＤＰＣ等が適用できる。

表示装置１０８は、画像メモリ１０７の内容を表示する。また、指示入力手段１１０は、ポインティングデバイスやタッチパネル等のセンシング・指示手段であり、その出力に従って、座標変換手段１０９により種々の指示図形情報を、画像メモリ１０７に書き込む。また、座標変換手段１０９は、相関演算手段１０６に対しても受信信号区間の特定の領域を、相関演算に含めるかどうかについての情報を出力する。この情報が、変更されると、相関演算手段１０６は相関演算を行う条件を変更し、新たな受信信号間の相互相関係数を演算し、動揺変動量の推定情報から、ビームフォーマ１０５に与えるべき時間又は位相の補正値を更新して出力する。

また、指示入力手段１１０による直接指定の他に、予め登録された判定手順に従い、記憶手段１０４の情報を読み出した結果を、演算して座標変換手段１０９に対して指示入力手段１１０と同様の指令を発生する自動判定手段１１２を備える。

自動判定手順とは、例えば、受信回路１０３のダイナミックレンジを超過して不適切な信号が含まれた場合に、記憶手段１０４の読出し値で判定し、該当する位置に対して予め自動的に指定を行う等をあげることができるが、これに限るものではない。

ビームフォーマ１０５は、再び合成したホログラム像情報を輝度方法に変換して、画像メモリ１０７の別の物理空間に書き込む。この一連の動作により、後で、詳述するように、図６に示すように、表示手段１０８には、合成開口前のエコーグラム４００、相関演算条件変更前の合成開口像６０１、相関演算条件変更後の合成開口像６０２が同時に表示され、オペレータは補正の妥当性を評価できる。

図４は、本発明の実施例において、エコグラムと合成開口処理の関係を説明する図である。図４を参照して、エコグラム上での相関演算領域の限定について説明する。エコグラム４００において、ｘ軸が、ストリップマップ方向であり各送信点の回数方向になる。また、ｙ軸方向は、レンジ方向であり海底反射源までの往復時間となる。合成開口像全体を得るための送信回数をｍ、仮想口径に供される送信位置の個数をｖとする。信号は、アレイの送受波器の受信信号の一つやその部分和でよい。データは、時間方向に長さＬｃ点づつ、ｎ個の区間に区切られている。Ｌｃは相関演算を行う時間長と音速を少なくとも考慮して決定する。

今、動揺による変動がないと考え、合成開口像上の結像点の１点Ｔを音速とともに仮定すると、そのＴ点の像を形成するために加算される信号の位置は、ＳＡＳ信号処理のカーバチャ補正として広く知られるように、エコグラム４００の上では、所定の曲線区間上に存在する。例として、Ｔに対応する信号位置の仮想口径が、図４の曲線Ｃの上のデータであるとする。曲線Ｃに対応する信号点としては、４２１ｃ、４２２ｃ、４１ｖｃ等が、曲線の中央Ｔｅを中心に含まれることになる。合成開口像上の結像点Ｔを指定すると、音速からエコグラム４００の上で、曲線の中心Ｔｅを対応させることができる。実際の海中では、深度、水塊の水温による音速の変動と航走体の軌道からの変動を区別することができないため、所定の合成開口像上の結像点を中心に動揺の変動を推定して補正を最適化する場合が多い。

そのような場合は、変動の推定を行う相関演算には、４２１、４２２、…４２ｖといった区間から、互いにｘ軸方向に隣接する区間を選び出して推定するのが望ましい。一方、Ｔｅ付近に既知の人工物等があり、そのエコーの様子から、相関の推定結果に偏りを与えると予想される場合等は、逆に相関演算を行う領域から除外しながらも近くの領域を設定するのが望ましい。
図５は、本発明の実施例において、エコグラム上の除外領域の指定を説明する図である。

次に、相関演算に供され得る領域と実際の反射信号分布の関係を確認しながら、対話的に限定する方法を図５にて説明する。図５では、エコグラム４００の上に、破線グリッド５０２が重畳されて表示されている。グリッドは、ストリップマップ方向にＡ１、Ａ２、…、Ａ５のように、等間隔に区間分割しており、レンジ方向には、Ｒ１、Ｒ２、…、Ｒ５のように、等間隔に区間分割されている。図５（ａ）に示すように、図１の入力手段１１０の変位入力により、白抜きの矢印示す図形５０４が移動すると、図形５０４の先端が含まれ、（Ａ４、Ｒ５）で指定できる分割区画５０３の内部の像が、半透過色等に変化し、図１の指示入力手段１１０の別入力があると、相関演算補正に用いない領域として、別の色調等に指定する。

このような指定を、対話的に区画（Ａ１，Ｒ１）、（Ａ１，Ｒ２）、（Ａ２，Ｒ２）、（Ａ２，Ｒ３）、（Ａ３，Ｒ３）、（Ａ３，Ｒ４）、（Ａ４，Ｒ４）にも反復設定して、図５（ｂ）に示すように、相関演算を行わない除外領域５０５（実線で囲まれる領域）を決定する。また、除外領域５０５と合成開口像上の結像点Ｔとの関係を把握できるように、図４のＴｅに相当する点を表す図形５０１と、図４の曲線Ｃに相当する図形５０７とが同時に描かれる。

図５（ｂ）に示すように、区間Ａ２に属する送受信信号において、相互相関による推定を行う場合、時間方向の領域区間Ｒ２，Ｒ３に当する部分は除外される。そこで、Ｒ１、Ｒ４、Ｒ５の区間に含まれ、時間方向の長さＬｃ相関演算の区間が、図４の分割領域の中から選ばれる。なお、図４のＬｃに該当する時間長と、図５のＲ１、Ｒ２、…、Ｒ５の分割幅に直接の関係を持たせる必要はない。

図６は、本発明の実施例において、エコグラムと合成開口像を用いた対話的補正を説明する図である。
図６に示すように、表示手段１０８には、合成開口前のエコーグラム４００と除外領域５０５、相関演算条件変更前の合成開口像６０１、相関演算条件変更後の合成開口像６０２とが同時に表示される。合成開口像６０１、６０２には、結像点Ｔの位置を表す図形６０３、６０４が×印で描かれている。図形６０３、６０４と、図５の図形５０１、５０７とは連動して描かれる。こうした一連の作業から、オペレータは、補正の妥当性を評価しながら、作業を進めることができる。

図７は、本発明の実施例において、対話的補正を手順を説明する流れ図である。
図７において、まず、初期の合成開口像の表示７０１が行われる。初期の合成開口像は、動揺修正を含めたものでも含めないものでも良く、図６の像６０１に相当する。次に、エコグラムの表示７０２が行われる。さらに、図５に示した除外領域の指定・解除７０３が行われ、全除外領域の指定確認７０４を行う。全て指定されていなければ、除外領域の指定７０３を反復し、指定されていれば、動揺量の相関による推定７０５を行う。得られる推定変動量を反映した合成開口像の表示７０６を行う。この表示される合成開口像は、図６の６０２に相当する。引き続き、除外領域の変更継続確認７０７を行い、継続するのであれば、除外領域の指定・解除７０３から再び反復する。また、継続しなければ補正終了７０８とする。

本発明は、動揺補正技術によって、詳細に水中の情報を可視化できる合成開口ソーナー装置を提供できるので、産業上の利用可能性大である。

本発明の実施例の合成開口ソーナーの信号処理装置を説明する図。 従来技術のＳＡＳの基本原理を説明する図である。 従来技術の合成開口処理での動揺修正処理を説明する図。 本発明の実施例において、エコグラムと合成開口処理の関係を説明する図。 本発明の実施例において、エコグラム上の除外領域の指定を説明する図。 本発明の実施例において、エコグラムと合成開口像を用いた対話的補正を説明する図。 本発明の実施例において、対話的補正を手順を説明する流れ図。

符号の説明

２００…実アレイ、２０１…直線軌道、２０２、２０４、２０５、２０７、３０２、３０３、…送信位置、Ｔ…撮像領域内の点、２０３、２０６…仮想口径、３０１…変動した軌道、３０６、３０７、３０７、３０９…海底照射域、Ｄ…人工物、１０１…送信回路、１０２…多重化結合回路、１０３…受信回路、１０４…記憶手段、１０５…ビームフォーマ、１０６…相関演算手段、１０７…画像メモリ、１０８…表示装置、１０９…座標変換手段、１１０…指示入力手段、１１１…エコーグラム演算手段、１１２…自動判定手段、４００…エコーグラム、６０１、６０２…合成開口像、Ｌｃ…相関演算を行う長さ、Ｃ…カーバチャに対応する曲線、４２１ｃ、４２２ｃ、４１ｖｃ…信号点、４２１、４２２、４２ｖ…信号の区間、Ａ１、Ａ２、…、Ａ５、Ｒ１、Ｒ２、…、Ｒ５グリッド分割の指標、５０１、５０４、５０７、６０３、６０４…図形、５０３…分割区画、５０５…除外領域、７０１…初期の合成開口像の表示、７０２…エコグラムの表示、７０３…除外領域の指定・解除、７０４…全除外領域の指定確認、７０５…動揺量の相関による推定、７０６…合成開口像の表示、７０７…除外領域の変更継続確認、７０８…補正終了。

Claims (4)

1. 複数の受信素子からなる実開口アレイと、
   前記実開口アレイの異なる空間位置での送信と受信の結果得られる受信信号の相互相関処理を行なう相関演算手段と、
   前記実開口アレイの進行方向と前記受信信号の時間方向の２次元のエコーグラムを表示する手段と、
   前記エコーグラムを領域分割表示する手段と、
   前記分割表示された分割した領域の中で、相関補正演算に含めない領域の選択指定を受け付ける入力手段と、
   前記選択指令受けた領域に該当する前記受信信号の区間の情報を、前記相関演算手段に出力する座標変換手段とを有し、
   前記相関演算手段は、前記受信信号の区間を除外した前記受信信号の相関演算処理を行うことを特徴とする合成開口ソーナーの信号処理装置。
2. 複数の受信素子からなる実開口アレイと、
   前記実開口アレイの異なる空間位置での送信と受信の結果得られる受信信号の相互相関処理を行なう相関演算手段と、
   前記実開口アレイの進行方向と前記受信信号の時間方向の２次元のエコーグラムを表示する手段と、
   前記エコーグラムを領域分割表示する手段と、
   前記分割表示された分割した領域の中で、前記受信信号が予め登録された判定手順に基づき、相関補正演算に含めない領域を定める自動判定手段と、
   前記定められた領域に該当する前記受信信号の区間の情報を、前記相関演算手段に出力する座標変換手段とを有し、
   前記相関演算手段は、前記受信信号の区間を除外した前記受信信号の相関演算処理を行うことを特徴とする合成開口ソーナーの信号処理装置。
3. 請求項１または２に記載の信号処理装置において、合成開口像の特定の点に対応させて、前記エコーグラム上の合成開口に関与する信号範囲を図示する手段を有することを特徴とする合成開口ソーナーの信号処理装置。
4. 請求項１または２に記載の信号処理装置において、前記相互相関処理を行う領域が異なる条件での合成結果を同時に図示する手段を有することを特徴とする合成開口ソーナーの信号処理装置。

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