JP4310038B2 - 水中ソナーの信号処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海洋調査船などが水中での障害物を発見する場合などに使用される水中ソナーの信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のソナー信号処理装置では、水中に超音波を発し、運動している対象物からの反射音をとらえる。運動している対象物によるドップラー効果によりそのスペクトルが分離することを用いて目標の識別を行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の信号処理装置では、目標が運動していない場合はスペクトルが分離せず、目標識別が不可能であるという問題があった。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、静止している対象物であっても的確に発見することができるソナー信号処理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】
請求項１に記載の水中ソナーの信号処理装置は、水中に発せられた超音波の反射音を受信する複数対の受信素子と、これら受信素子が受信した信号の相関を取って位相を計算する相関処理器と、前記相関処理器により求められた前記位相を用いて、対象物によるエコーか否かを判断する位相判断手段とを備え、前記位相判断手段は、前記相関処理器により求められた複数の前記位相のうち、二つの位相の位相差分散を計算する位相差分散計算器と、前記相関処理器により求められた複数の前記位相の誤差分散値を計算する位相誤差分散計算器と、前記位相誤差分散計算器により算出された誤差分散値と前記位相差分散計算器により算出された前記位相差分散とを掛け合わせて多重位相分散値を算出する多重位相分散計算器と、前記多重位相分散計算器により求められた前記多重位相分散値と閾値とを比較し、前記多重位相分散値が閾値以下であればエコー検出信号を出力するＨ／Ｌモニタとを備えていることを特徴とする。
【０００６】
対象物（障害物など）の反射音（エコー）は、一定の位相に集まる。残響（海中、海底、海面からの反射音）は、位相が広い範囲に広がっている。したがって、この位相を調べることで、エコーを生ずる対象物を検出することができる。
例えば、図３に示すように、二つの受信素子Ｌ、Ｒによって反射音を受信し、信号の相関を取って位相を計算する。位相を複数求め、これら位相に広がりがある場合は残響と判断し、位相が一定の範囲に集まっている場合には対象物によるエコーと判断する。
【０００８】
図３において、これらの受信素子Ｌ、Ｒに対して角度θで信号が入射してきた場合、位相角は２π（ｄsinθ）／λとなる。ただし、ｄは受信素子間の距離、λは波長である。受信素子Ｌの受信タイミングを、Ｒに対して（ｄsinθ）／ｖ（ｖ：音速）だけ遅らせると、角度θの入射角をもった信号に対してゲインが高くなる。このように、遅延時間を入れてある方向の信号に対して感度を上げる場合、その角度を指向角という。
指向角を異ならせて計測しても、対象物による反射音の位相はある一定の角度近くに分布する。したがって、本発明のように、複数の受信素子の対を複数設けると共に、それぞれ指向角を異ならせて、多重的に処理を行なうことで、より感度よく対象物を検出することができる。
【００１０】
上記のように、対象物による反射音の位相は、ある一定の角度近くに分布する。したがって、位相差の分散は小さくなることが期待できる。したがって、本発明のように位相差の分散も用いて検出を行うことで、より感度よく対象物を検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示す信号処理装置は、不図示の手段で送信した超音波の反射音を受信する２ｎ個の受信素子１−１〜１−２ｎと、受信素子１−１〜１−２ｎによって受信された受信信号２−１〜２−２ｎから実部・虚部を計算する２ｎ個の直交変換器７−１〜７−２ｎ、２個の受信信号から位相を計算する相関処理器２５−１〜２５−ｎ、位相から位相誤差分散を計算する位相誤差分散計算器３１−１〜３１−ｎ、位相誤差分散の対数を計算する対数計算器３７−１〜３７−ｎ、多重位相誤差分散４４を計算する加算器４３、多重位相誤差分散４４と閾値４５とに基づいてエコー検出信号を出力するＨ／Ｌモニタ４６からなる。
なお、対数計算器３７−１〜３７−ｎおよび加算器４３により多重位相分散計算器５０が構成され、位相誤差分散計算器３１−１〜３１−ｎおよび多重位相分散計算器５０により位相判断手段５１が構成されている。
【００１２】
まず、直交変換器７−１〜７−２ｎにおいて、受信信号２−１と受信信号２−２、…、受信信号２−（２ｎ−１）と受信信号２−２ｎがそれぞれ対とされ、各々、
ＳL(k) ＝ ａL(k) + jｂL(k)
ＳR(k) ＝ ａR(k) + jｂR(k)
とされる。但し、kは受信時刻であり、ａL、ａRは実部１３−１〜１３−２ｎ、ｂL、ｂRは虚部１４−１〜１４−２ｎである。
その後、二つずつを対にし、相関処理器２５−１〜２５−ｎに入力するとともに、これら２つの受信信号の相関を取る。これら二つの信号の相関は次のように与えられる。すなわち、
これを時間で積分すると、
【００１３】
【数１】
【００１４】
振幅および位相を求めると
【００１５】
【数２】
【００１６】
となる。これに基づいて位相誤差分散計算器３１−１〜３１−ｎが位相誤差分散を計算する。まず、相関出力の、ある２Ｎ＋１時間内の移動平均をとる。
【００１７】
【数３】
【００１８】
ｋ時点での位相差は次のようになる。
φLR(k) = arctan(ALRI(k)/ALRR(k))
ある２Ｍ＋１時間内の移動平均値は次のようになる。
【００１９】
【数４】
【００２０】
これにより位相差の分散値は次のようになる。
【００２１】
【数５】
【００２２】
サンプリング分散値を次のように取る。
【００２３】
【数６】
【００２４】
これにより、相関関数は次のようになる。
【００２５】
【数７】
【００２６】
結局、位相誤差分散値は
σ(k)2 = σφ(k)2{1-ρ(k)2}
となる。
さらに対数計算器３７−１〜３７−ｎにおいて対数をとり、次いでこれら位相誤差分散を加算して多重位相誤差分散４４を計算する。これをＨ／Ｌモニタ４６において閾値と比較し、多重位相誤差分散４４が閾値４５より大きくなったときにエコー信号４７が検出される。
このように、複数の受信信号から位相誤差分散を計算することにより、信号と残響の比（Ｓ／Ｒ比）が悪い場合でも、対象物の識別が可能となる。
【００２７】
次に、第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
図２において、符号４９−１〜４９−ｎ（ｎ−１）／２は減算器、符号５５−１〜５５−ｎ（ｎ−１）／２は位相差分散計算器、符号６１−１〜６１−ｎ（ｎ−１）／２は対数計算器、符号６７および６９は加算器である。
対数計算器３７−１〜３７−ｎ、対数計算器６１−１〜６１−ｎ（ｎ−１）／２、および、加算器４３、６７，６９によって多重位相分散計算器７５が構成され、多重位相分散計算器７５、減算器４９−１〜４９−ｎ（ｎ−１）／２、および、位相差分散計算器５５−１〜５５−ｎ（ｎ−１）／２によって位相判断手段７６が構成されている。
【００２８】
上記のように相関処理器２５−１〜２５−ｎでｎ個の位相φLRが得られる。以下、これらをφ1〜φnとおく。また、位相誤差分散計算器３１−１〜３１−ｎで得られた分散値をそれぞれσ1〜σnとおく。
各減算器４９−１〜４９−ｎ（ｎ−１）／２では、ｎ個のφiによるｎ（ｎ−１）／２通りの組み合わせの差φi−φjがそれぞれ算出される。
位相差分散計算器５５−１〜５５−ｎ（ｎ−１）／２では、(φi−φj)2が算出され、対数計算器６１−１〜６１−ｎ（ｎ−１）／２で対数とされた後、加算器６７でlog｛Πi,j,i ≠ j(φi−φj)｝が算出され、加算器６９にて、多重位相誤差分散４８としてlog｛Πiσi×Πi,j,i ≠ j(φi−φj)｝が算出される。その後、上記第１の実施形態と同様に、Ｈ／Ｌモニタ４６において閾値４５と比較され、多重位相誤差分散４８が閾値４５より大きくなったらエコー信号４７が検出される。
【００２９】
残響は一様に分布するため、｜φi−φj｜は一様に分布する。このため分散が大きくなる。一方、エコーの場合は、位相がそろっているため、｜φi−φj｜は小さくなる。よって、本例のように位相差の分散をも用いて検出を行うことで、より感度よく対象物を検出することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では反射音の位相に基づいて対象物を検出するので、対象物が静止している場合でも的確に発見することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態として示した水中ソナーの信号処理装置のブロック図である。
【図２】 本発明の第２の実施形態として示した水中ソナーの信号処理装置のブロック図である。
【図３】 受信素子と位相との関係を示す図である。
【符号の説明】
１−１〜１−２ｎ 受信素子
７−１〜７−２ｎ 直交変換器
２５−１〜２５−ｎ 相関処理器
３１−１〜３１−ｎ 位相誤差分散計算器
３７−１〜３７−ｎ 対数計算器
４３ 加算器
４６ Ｈ／Ｌモニタ
４９−１〜４９−ｎ（ｎ−１）／２ 減算器
５０，７５ 多重位相分散計算器
５１、７６ 位相判断手段
５５−１〜５５−ｎ（ｎ−１）／２ 位相差分散計算器
６１−１〜６１−ｎ（ｎ−１）／２ 対数計算器
【発明の属する技術分野】
本発明は、海洋調査船などが水中での障害物を発見する場合などに使用される水中ソナーの信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のソナー信号処理装置では、水中に超音波を発し、運動している対象物からの反射音をとらえる。運動している対象物によるドップラー効果によりそのスペクトルが分離することを用いて目標の識別を行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の信号処理装置では、目標が運動していない場合はスペクトルが分離せず、目標識別が不可能であるという問題があった。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、静止している対象物であっても的確に発見することができるソナー信号処理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】
請求項１に記載の水中ソナーの信号処理装置は、水中に発せられた超音波の反射音を受信する複数対の受信素子と、これら受信素子が受信した信号の相関を取って位相を計算する相関処理器と、前記相関処理器により求められた前記位相を用いて、対象物によるエコーか否かを判断する位相判断手段とを備え、前記位相判断手段は、前記相関処理器により求められた複数の前記位相のうち、二つの位相の位相差分散を計算する位相差分散計算器と、前記相関処理器により求められた複数の前記位相の誤差分散値を計算する位相誤差分散計算器と、前記位相誤差分散計算器により算出された誤差分散値と前記位相差分散計算器により算出された前記位相差分散とを掛け合わせて多重位相分散値を算出する多重位相分散計算器と、前記多重位相分散計算器により求められた前記多重位相分散値と閾値とを比較し、前記多重位相分散値が閾値以下であればエコー検出信号を出力するＨ／Ｌモニタとを備えていることを特徴とする。
【０００６】
対象物（障害物など）の反射音（エコー）は、一定の位相に集まる。残響（海中、海底、海面からの反射音）は、位相が広い範囲に広がっている。したがって、この位相を調べることで、エコーを生ずる対象物を検出することができる。
例えば、図３に示すように、二つの受信素子Ｌ、Ｒによって反射音を受信し、信号の相関を取って位相を計算する。位相を複数求め、これら位相に広がりがある場合は残響と判断し、位相が一定の範囲に集まっている場合には対象物によるエコーと判断する。
【０００８】
図３において、これらの受信素子Ｌ、Ｒに対して角度θで信号が入射してきた場合、位相角は２π（ｄsinθ）／λとなる。ただし、ｄは受信素子間の距離、λは波長である。受信素子Ｌの受信タイミングを、Ｒに対して（ｄsinθ）／ｖ（ｖ：音速）だけ遅らせると、角度θの入射角をもった信号に対してゲインが高くなる。このように、遅延時間を入れてある方向の信号に対して感度を上げる場合、その角度を指向角という。
指向角を異ならせて計測しても、対象物による反射音の位相はある一定の角度近くに分布する。したがって、本発明のように、複数の受信素子の対を複数設けると共に、それぞれ指向角を異ならせて、多重的に処理を行なうことで、より感度よく対象物を検出することができる。
【００１０】
上記のように、対象物による反射音の位相は、ある一定の角度近くに分布する。したがって、位相差の分散は小さくなることが期待できる。したがって、本発明のように位相差の分散も用いて検出を行うことで、より感度よく対象物を検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示す信号処理装置は、不図示の手段で送信した超音波の反射音を受信する２ｎ個の受信素子１−１〜１−２ｎと、受信素子１−１〜１−２ｎによって受信された受信信号２−１〜２−２ｎから実部・虚部を計算する２ｎ個の直交変換器７−１〜７−２ｎ、２個の受信信号から位相を計算する相関処理器２５−１〜２５−ｎ、位相から位相誤差分散を計算する位相誤差分散計算器３１−１〜３１−ｎ、位相誤差分散の対数を計算する対数計算器３７−１〜３７−ｎ、多重位相誤差分散４４を計算する加算器４３、多重位相誤差分散４４と閾値４５とに基づいてエコー検出信号を出力するＨ／Ｌモニタ４６からなる。
なお、対数計算器３７−１〜３７−ｎおよび加算器４３により多重位相分散計算器５０が構成され、位相誤差分散計算器３１−１〜３１−ｎおよび多重位相分散計算器５０により位相判断手段５１が構成されている。
【００１２】
まず、直交変換器７−１〜７−２ｎにおいて、受信信号２−１と受信信号２−２、…、受信信号２−（２ｎ−１）と受信信号２−２ｎがそれぞれ対とされ、各々、
ＳL(k) ＝ ａL(k) + jｂL(k)
ＳR(k) ＝ ａR(k) + jｂR(k)
とされる。但し、kは受信時刻であり、ａL、ａRは実部１３−１〜１３−２ｎ、ｂL、ｂRは虚部１４−１〜１４−２ｎである。
その後、二つずつを対にし、相関処理器２５−１〜２５−ｎに入力するとともに、これら２つの受信信号の相関を取る。これら二つの信号の相関は次のように与えられる。すなわち、
【００１３】
【数１】
振幅および位相を求めると
【００１５】
【数２】
となる。これに基づいて位相誤差分散計算器３１−１〜３１−ｎが位相誤差分散を計算する。まず、相関出力の、ある２Ｎ＋１時間内の移動平均をとる。
【００１７】
【数３】
ｋ時点での位相差は次のようになる。
φLR(k) = arctan(ALRI(k)/ALRR(k))
ある２Ｍ＋１時間内の移動平均値は次のようになる。
【００１９】
【数４】
これにより位相差の分散値は次のようになる。
【００２１】
【数５】
サンプリング分散値を次のように取る。
【００２３】
【数６】
これにより、相関関数は次のようになる。
【００２５】
【数７】
結局、位相誤差分散値は
σ(k)2 = σφ(k)2{1-ρ(k)2}
となる。
さらに対数計算器３７−１〜３７−ｎにおいて対数をとり、次いでこれら位相誤差分散を加算して多重位相誤差分散４４を計算する。これをＨ／Ｌモニタ４６において閾値と比較し、多重位相誤差分散４４が閾値４５より大きくなったときにエコー信号４７が検出される。
このように、複数の受信信号から位相誤差分散を計算することにより、信号と残響の比（Ｓ／Ｒ比）が悪い場合でも、対象物の識別が可能となる。
【００２７】
次に、第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
図２において、符号４９−１〜４９−ｎ（ｎ−１）／２は減算器、符号５５−１〜５５−ｎ（ｎ−１）／２は位相差分散計算器、符号６１−１〜６１−ｎ（ｎ−１）／２は対数計算器、符号６７および６９は加算器である。
対数計算器３７−１〜３７−ｎ、対数計算器６１−１〜６１−ｎ（ｎ−１）／２、および、加算器４３、６７，６９によって多重位相分散計算器７５が構成され、多重位相分散計算器７５、減算器４９−１〜４９−ｎ（ｎ−１）／２、および、位相差分散計算器５５−１〜５５−ｎ（ｎ−１）／２によって位相判断手段７６が構成されている。
【００２８】
上記のように相関処理器２５−１〜２５−ｎでｎ個の位相φLRが得られる。以下、これらをφ1〜φnとおく。また、位相誤差分散計算器３１−１〜３１−ｎで得られた分散値をそれぞれσ1〜σnとおく。
各減算器４９−１〜４９−ｎ（ｎ−１）／２では、ｎ個のφiによるｎ（ｎ−１）／２通りの組み合わせの差φi−φjがそれぞれ算出される。
位相差分散計算器５５−１〜５５−ｎ（ｎ−１）／２では、(φi−φj)2が算出され、対数計算器６１−１〜６１−ｎ（ｎ−１）／２で対数とされた後、加算器６７でlog｛Πi,j,i ≠ j(φi−φj)｝が算出され、加算器６９にて、多重位相誤差分散４８としてlog｛Πiσi×Πi,j,i ≠ j(φi−φj)｝が算出される。その後、上記第１の実施形態と同様に、Ｈ／Ｌモニタ４６において閾値４５と比較され、多重位相誤差分散４８が閾値４５より大きくなったらエコー信号４７が検出される。
【００２９】
残響は一様に分布するため、｜φi−φj｜は一様に分布する。このため分散が大きくなる。一方、エコーの場合は、位相がそろっているため、｜φi−φj｜は小さくなる。よって、本例のように位相差の分散をも用いて検出を行うことで、より感度よく対象物を検出することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では反射音の位相に基づいて対象物を検出するので、対象物が静止している場合でも的確に発見することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態として示した水中ソナーの信号処理装置のブロック図である。
【図２】 本発明の第２の実施形態として示した水中ソナーの信号処理装置のブロック図である。
【図３】 受信素子と位相との関係を示す図である。
【符号の説明】
１−１〜１−２ｎ 受信素子
７−１〜７−２ｎ 直交変換器
２５−１〜２５−ｎ 相関処理器
３１−１〜３１−ｎ 位相誤差分散計算器
３７−１〜３７−ｎ 対数計算器
４３ 加算器
４６ Ｈ／Ｌモニタ
４９−１〜４９−ｎ（ｎ−１）／２ 減算器
５０，７５ 多重位相分散計算器
５１、７６ 位相判断手段
５５−１〜５５−ｎ（ｎ−１）／２ 位相差分散計算器
６１−１〜６１−ｎ（ｎ−１）／２ 対数計算器
Claims (1)
- 水中に発せられた超音波の反射音を受信する複数対の受信素子と、
これら受信素子が受信した信号の相関を取って位相を計算する相関処理器と、
前記相関処理器により求められた前記位相を用いて、対象物によるエコーか否かを判断する位相判断手段と
を備え、
前記位相判断手段は、
前記相関処理器により求められた複数の前記位相のうち、二つの位相の位相差分散を計算する位相差分散計算器と、
前記相関処理器により求められた複数の前記位相の誤差分散値を計算する位相誤差分散計算器と、
前記位相誤差分散計算器により算出された誤差分散値と前記位相差分散計算器により算出された前記位相差分散とを掛け合わせて多重位相分散値を算出する多重位相分散計算器と、
前記多重位相分散計算器により求められた前記多重位相分散値と閾値とを比較し、前記多重位相分散値が閾値以下であればエコー検出信号を出力するＨ／Ｌモニタと
を備えていることを特徴とする水中ソナーの信号処理装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000300206A JP4310038B2 (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | 水中ソナーの信号処理装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000300206A JP4310038B2 (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | 水中ソナーの信号処理装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002107446A JP2002107446A (ja) | 2002-04-10 |
| JP4310038B2 true JP4310038B2 (ja) | 2009-08-05 |
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ID=18781920
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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|---|---|---|---|---|
| JP2010197190A (ja) * | 2009-02-25 | 2010-09-09 | Hitachi Ltd | 目標深度計測装置 |
| JP5730083B2 (ja) * | 2011-03-11 | 2015-06-03 | 古野電気株式会社 | 信号処理装置、探査装置、信号処理プログラム、及び信号処理方法 |
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2000
- 2000-09-29 JP JP2000300206A patent/JP4310038B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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