JP5670836B2 - Method and apparatus for detecting peak power spectrum of short-time signal with reduced number of samples in Fourier transform - Google Patents

Method and apparatus for detecting peak power spectrum of short-time signal with reduced number of samples in Fourier transform Download PDF

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Description

本発明は、時間に応じて変化する信号の中から所望の時間幅内の部分を切り出し、その切り出された部分に対してフーリエ変換を適用することによってピークパワースペクトルを検出する方法及び装置に関し、特に、所望の周波数分解能力を維持しながらフーリエ変換におけるサンプル数を減らして演算処理時間を短縮でき、かつ検出されるスペクトルの周波数精度を向上させることができる方法及び装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for detecting a peak power spectrum by cutting out a portion within a desired time width from a signal that changes according to time, and applying Fourier transform to the cut-out portion, In particular, the present invention relates to a method and an apparatus that can reduce the number of samples in Fourier transform while maintaining a desired frequency resolution capability, thereby shortening the calculation processing time and improving the frequency accuracy of a detected spectrum.

所定の周波数帯域幅を有して時々刻々と変化する信号の中から所望の時間幅の部分のみを切り出し、その切り出された部分内での信号のピークパワースペクトルを検出することは、後述するように、例えばドップラー計測などで広く行われている。ここでいう所望の時間幅は、信号全体の継続時間に比べた場合には十分に短く、例えば、その開始時刻が与えられているかあるいは開始時刻を自動検出できるものである。また、検出されるピークパワースペクトルは、切り出された部分内での信号の周波数スペクトルの中で一番強いパワースペクトルを有するものである。パワースペクトルの検出には、一般的にフーリエ変換が用いられ、計算量の観点から、中でも、FFT(高速フーリエ変換:Fast Fourier Transform)が使用される。   It will be described later that only a portion having a desired time width is cut out from a signal having a predetermined frequency bandwidth and changes every moment, and the peak power spectrum of the signal in the cut portion is detected. For example, it is widely used in Doppler measurement. The desired time width here is sufficiently short when compared with the duration of the entire signal. For example, the start time is given or the start time can be automatically detected. Further, the detected peak power spectrum has the strongest power spectrum in the frequency spectrum of the signal in the cut out portion. For the detection of the power spectrum, Fourier transform is generally used, and FFT (Fast Fourier Transform) is used from the viewpoint of calculation amount.

ところで、ある信号を媒質中に発射(送信)し、その媒質中から反射した信号(エコー信号)を受信したとき、送信した時刻をスタート時刻とすると、スタート時刻から反射によるエコー信号を受信するまでの時間は、媒質中でのその信号の伝搬距離すなわち対象物までの距離に依存する。したがって、信号の伝搬速度(音波であれば音速)を考慮して、スタート時刻から所望の時間経過した時点で受信されるエコー信号は、その時間経過に応じた距離の位置にある対象物からのエコー信号となる。スタート時刻からの時間(すなわち距離)に応じてエコー信号の強度を映像として表示するようにした応用機器が、例えば、レーダーや魚群探知機である。   By the way, when a signal is emitted (transmitted) into a medium and a signal (echo signal) reflected from the medium is received, if the transmitted time is the start time, the echo signal from the start time is received until the echo signal is received. Is dependent on the propagation distance of the signal in the medium, that is, the distance to the object. Therefore, in consideration of the propagation speed of a signal (the speed of sound in the case of sound waves), an echo signal received when a desired time has elapsed from the start time is from an object located at a distance corresponding to the elapsed time. It becomes an echo signal. Application devices that display the intensity of the echo signal as an image according to the time (that is, distance) from the start time are, for example, a radar and a fish finder.

信号を反射する対象物が相対的に移動しているとすると、反射エコーでは、ドップラー効果により、送信した周波数からの周波数変位が観測される。この周波数差、すなわち媒質に対して送信したときの周波数と反射エコーで観測される周波数との差をドップラー周波数という。ドップラー計測では、一定の周波数の信号を媒質中に発射し、媒質中の対象物によって反射された信号(反射エコー)を受信し、その周波数解析を行って、ドップラー周波数を決定するものである。ドップラー計測を行うものとして、例えば、ドップラーレーダー、ドップラーソナー、ADCP(音波ドップラー流速プロファイラー;acoustic Doppler current profiler)、潮流計、音波レーダー、超音波ドップラー速度計などがあり、これらは、ドップラー周波数に基づいて、対象物との相対速度を決定する。   Assuming that the object that reflects the signal is relatively moving, a frequency shift from the transmitted frequency is observed in the reflected echo due to the Doppler effect. This frequency difference, that is, the difference between the frequency when transmitted to the medium and the frequency observed by the reflected echo is called the Doppler frequency. In Doppler measurement, a signal having a constant frequency is emitted into a medium, a signal reflected by an object in the medium (reflection echo) is received, and the frequency analysis is performed to determine the Doppler frequency. Examples of Doppler measurements include Doppler radar, Doppler sonar, ADCP (acoustic Doppler current profiler), tide meter, sonic radar, and ultrasonic Doppler velocimeter, which are based on Doppler frequency. To determine the relative speed with the object.

送信回路によって一定の送信周波数ftxの信号を生成して、この信号を送受波器から媒質に発射する。媒質中を対象物(反射体)が移動しているとして、ドップラー周波数fdopは、対象物の移動速度をV(m/s)、媒質中での信号の伝搬速度をC(m/s)とすると、媒質中の信号の伝搬速度が対象物の速度よりも十分に速い場合(C≫V)には、次の近似式で表される。 A signal having a constant transmission frequency f tx is generated by the transmission circuit, and this signal is emitted from the transducer to the medium. Assuming that the object (reflector) is moving in the medium, the Doppler frequency f dop has the moving speed of the object as V (m / s) and the propagation speed of the signal in the medium as C (m / s). Then, when the propagation speed of the signal in the medium is sufficiently faster than the speed of the object (C >> V), it is expressed by the following approximate expression.

Figure 0005670836
Figure 0005670836

ここでθは、対象物から送受波器を見たときの方向と対象物の移動方向とがなす角度であり、同じ方向であれば(対象物が送受波器にむかってまっすぐ進んでいるときには)、θ=0となる。したがって、ドップラー周波数fdopは、対象物が近付いているときには正(+)となり、遠ざかるときには負(−)となる。 Here, θ is an angle formed by the direction when the transducer is viewed from the object and the moving direction of the object, and if the direction is the same (when the object is moving straight toward the transducer) ), Θ = 0. Accordingly, the Doppler frequency f dop is positive (+) when the object is approaching, and is negative (−) when the object is moving away.

エコー信号の周波数解析を行ってドップラー周波数fdopを求めるが、この周波数解析には、一般的に、フーリエ変換の手法が使われている。フーリエ変換として、パワースペクトル解析を行う場合にはDFT(離散フーリエ変換;Discrete Fourier Transform)が用いられ、あるいは信号の標本数(サンプル数)が2のべき乗個であるときには、高速演算処理が可能なFFT(高速フーリエ変換:Fast Fourier Transform)が通常用いられている。DFTもFFTも複素乗算演算を反復するものであるが、サンプル数をNとすると、DFTでの複素乗算数回数はN×N回(すなわちN2回)であり、N=2nとすると、FFTでの複素乗算回数は、2n×log2n回(すなわちN×log2 N回)であり、Nが大きくなるほど、FFTはDFTに比べて高速演算ができる。 A frequency analysis of the echo signal is performed to obtain a Doppler frequency f dop , and a Fourier transform method is generally used for this frequency analysis. As the Fourier transform, when performing power spectrum analysis, DFT (Discrete Fourier Transform) is used, or when the number of signal samples (number of samples) is a power of 2, high-speed arithmetic processing is possible. FFT (Fast Fourier Transform) is usually used. Both DFT and FFT repeat complex multiplication operations. If the number of samples is N, the number of complex multiplications in the DFT is N × N times (that is, N 2 times), and N = 2 n , The number of complex multiplications in the FFT is 2 n × log 2 2 n times (that is, N × log 2 N times), and the higher the N, the faster the FFT can perform operations compared to the DFT.

ドップラー周波数を含んだ受信信号からFFTあるいはDFTなどの手法によりフーリエ変換で周波数を求めるためには、アナログ信号である受信信号をデジタル信号に変換することが必要である。サンプリング定理から、このアナログ/デジタル(A/D)変換でのサンプリング周波数は、入力信号の2倍以上の周波数でなければならない。言い換えると、A/D変換の対象となる入力信号はサンプリング周波数の1/2以下でなければならない。   In order to obtain a frequency from the received signal including the Doppler frequency by Fourier transform using a technique such as FFT or DFT, it is necessary to convert the received signal, which is an analog signal, into a digital signal. From the sampling theorem, the sampling frequency in this analog / digital (A / D) conversion must be at least twice the frequency of the input signal. In other words, the input signal to be subjected to A / D conversion must be ½ or less of the sampling frequency.

ところで、ドップラー計測では、対象物の位置と速度の両方に関する情報を取得したい場合が多い。例えば、海洋において深さごとの潮流の方向と速度とを求めて流速プロファイルを得るためには、海中に対して斜め方向に音波パルスを放射して反射エコーを取得し、周波数解析を行う。この際、音波パルスの放射から所定の時間の経過後にある時間幅で反射エコーを切り出し、切り出された部分に対して周波数解析を行うことになる。音波パルスの発射からの所定の時間によって、どの深度の流速を計測しようかが定まることになり、反射エコーを切り出す時の時間幅によって、どの程度の深度範囲(厚さ)にわたる平均として流速が算出されるかが定まることになる。例えば、切り出す時の時間幅が大きければ、海中における厚みの大きい層での平均的な流速が求められることになる。これに対し、時間幅が小さければ、薄い層での流速を求めることが可能になって、結果として、細かな流速プロファイルが得られることになる。   By the way, in Doppler measurement, it is often desirable to acquire information on both the position and speed of an object. For example, in order to obtain the flow velocity profile by obtaining the direction and velocity of the tidal current at each depth in the ocean, a reflected echo is obtained by emitting a sound pulse in an oblique direction with respect to the ocean, and frequency analysis is performed. At this time, the reflected echo is cut out at a certain time width after a lapse of a predetermined time from the emission of the sound wave pulse, and the frequency analysis is performed on the cut out portion. The depth of flow to be measured is determined by the predetermined time after the sound pulse is emitted, and the flow velocity is calculated as an average over the depth range (thickness) according to the time width when the reflected echo is cut out. It will be decided whether or not. For example, if the time width at the time of cutting is large, an average flow velocity in a thick layer in the sea is obtained. On the other hand, if the time width is small, it is possible to obtain the flow velocity in a thin layer, and as a result, a fine flow velocity profile is obtained.

しかしながら、ドップラー周波数を求めるための周波数解析としてのフーリエ変換の問題点として、周波数分解能と時間(距離)分解能とが相反する関係にある、ということが挙げられる。ここでいう周波数分解能は、ドップラー周波数を求める際の分解能であり、これは速度の分解能に比例する。時間分解能とは、反射エコーを切り出す時にどこまで時間幅を小さくできるかということであり、これは、ドップラー計測における距離あるいは位置の分解能に比例する。時間分解能が粗ければ、上述した流速プロファイルの場合であれば、深度方向の厚みが大きな層でのおおざっぱな平均的な流速しか得られないことになる。   However, a problem of Fourier transform as frequency analysis for obtaining the Doppler frequency is that the frequency resolution and the time (distance) resolution are in a contradictory relationship. Here, the frequency resolution is a resolution for obtaining the Doppler frequency, and is proportional to the resolution of the speed. The time resolution refers to how far the time width can be reduced when extracting the reflected echo, which is proportional to the distance or position resolution in Doppler measurement. If the time resolution is rough, in the case of the above-described flow velocity profile, only a rough average flow velocity in a layer having a large thickness in the depth direction can be obtained.

離散フーリエ変換(DFT)は、次の式で表される。   The discrete Fourier transform (DFT) is expressed by the following equation.

Figure 0005670836
Figure 0005670836

DFTまたはFFTでのサンプリング周波数をfft、フーリエ変換の基本波の周期をT0とすると、周期の逆数は、フーリエ変換での基本周波数f0と呼ばれ、
0=1/T0 :式1−4
と表される。この基本周波数f0は、DFTやFFTでの最小分解周波数すなわち周波数の分解能となる。サンプルされた信号点の総数すなわちサンプル数をNとすると、
0=N/fft :式1−5
が当然に成立し、周波数分解能である最小分解周波数f0は、
0=1/T0=fft/N :式1−6
と表されることになる。逆に、所望の周波数分解能f0が与えられたとして、必要なサンプル数Nは、
N=fft/f0 :式1−7
と表されることになる。フーリエ変換では、基本波の周期T0と等しい時間幅の信号から等間隔でN個のサンプルを取り出すから、T0が信号の切り出し時間(切り出しの時間幅)ということになる。
When the sampling frequency in DFT or FFT is f ft and the period of the fundamental wave of Fourier transform is T 0 , the reciprocal of the period is called the fundamental frequency f 0 in Fourier transform,
f 0 = 1 / T 0: Equation 1-4
It is expressed. The fundamental frequency f 0 is the minimum resolution frequency in DFT or FFT, that is, the frequency resolution. If the total number of sampled signal points, ie the number of samples, is N,
T 0 = N / f ft : Formula 1-5
Of course, and the minimum resolution frequency f 0 , which is the frequency resolution, is
f 0 = 1 / T 0 = f ft / N: Equation 1-6
Will be expressed. Conversely, given the desired frequency resolution f 0 , the required number of samples N is
N = f ft / f 0 : Formula 1-7
Will be expressed. In the Fourier transform, N samples are extracted at equal intervals from a signal having a time width equal to the period T 0 of the fundamental wave, so that T 0 is a signal cutting time (cutting time width).

FFTで得られるパワースペクトルの例が図1に示されている。FFTのパワースペクトルは、サンプル数Nに対し、0から(N/2)−1までの一定の周波数間隔で周波数ごとの値14,15が与えられるスペクトルとして表される。ここで周波数間隔は上記のf0と一致し、f0=1/T0である。 An example of a power spectrum obtained by FFT is shown in FIG. The power spectrum of the FFT is expressed as a spectrum in which values 14 and 15 are given for each frequency at a constant frequency interval from 0 to (N / 2) −1 with respect to the number N of samples. Here frequency interval is consistent with the above f 0, a f 0 = 1 / T 0.

式1−4に示すように、周波数分解能f0は、信号の切り出し時間幅T0の逆数であるから、周波数分解能を上げる(f0を低くする)ためには、信号の切り出し時間幅T0を長くしなければならない。その結果、周波数分解能を2倍細かくすると、時間分解能すなわち位置(距離)の分解能は2倍粗くなって劣化する。 As shown in Equation 1-4, the frequency resolution f 0, since the reciprocal of the cut-out duration T 0 of the signal, in order to increase the frequency resolution (the lower f 0), the signal of the cut time width T 0 Must be lengthened. As a result, if the frequency resolution is made twice as fine, the time resolution, that is, the position (distance) resolution becomes twice as coarse and deteriorates.

対象物との相対的な速度によって、ドップラー周波数fdopは変化する。このドップラー周波数ffopが変化する範囲をΔfpとおくことにすると、近づく方向と遠ざかる方向での移動が同等に起こるものと仮定すれば(この過程は、潮流計などの用途において妥当な仮定である)、ドップラー信号の周波数範囲ΔfPの中心周波数fc、つまりドップラー周波数fdopがゼロのときの受信信号の周波数は、送信周波数ftxと一致する(fc=ftx)。 The Doppler frequency f dop changes depending on the relative speed with the object. Assuming that the range in which the Doppler frequency f fop changes is Δf p , assuming that the movement in the approaching direction and the moving away direction occur equally (this process is a reasonable assumption in applications such as tidal current meters). The center frequency f c of the frequency range Δf P of the Doppler signal, that is, the frequency of the received signal when the Doppler frequency f dop is zero matches the transmission frequency f tx (f c = f tx ).

以下の条件に従い、超音波のパルス状の信号を海中に送信し、移動物からの反射エコーのドップラー周波数を測定する場合を考える。   Consider a case where an ultrasonic pulse signal is transmitted into the sea under the following conditions and the Doppler frequency of a reflected echo from a moving object is measured.

海水中の音波伝搬速度C:C=1500(m/s)
送信周波数ftx:ftx=120kHz
検出最大速度(水平方向)V:V=15(m/s)
また、音波は水平方向から斜め方向(θ=60°)に送受信するものとする。式1−1により、
Sound wave velocity in seawater C: C = 1500 (m / s)
Transmission frequency f tx : f tx = 120 kHz
Maximum detection speed (horizontal direction) V: V = 15 (m / s)
It is assumed that sound waves are transmitted and received in the oblique direction (θ = 60 °) from the horizontal direction. From Equation 1-1:

Figure 0005670836
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となり、検出最大速度が15m/sであるとすれば、ドップラー信号として観測される周波数範囲Δfpは、120±1.2(kHz)となる。 Next, if the detection maximum speed is 15 m / s, the frequency range Delta] f p which is observed as Doppler signal is a 120 ± 1.2 (kHz).

測定速度範囲すなわち検出最大速度は、通常、予め決められているので、ドップラー信号についても、その周波数範囲が予め定められて測定する。   Since the measurement speed range, that is, the maximum detection speed is usually determined in advance, the frequency range of the Doppler signal is also determined in advance and measured.

ドップラー計測による速度精度を0.1m/sとすると、それに必要な周波数分解能f0は12Hzとなる。ドップラー計測において検出対象とする位置の範囲(位置分解能)を7.5mとすると、信号の切り出し時間幅は、海水中で音波が1mを往復する時間である2/1500(m/s)を乗ずると、7.5×2/1500=0.01となって、10msとなる。 If the speed accuracy by Doppler measurement is 0.1 m / s, the frequency resolution f 0 required for this is 12 Hz. Assuming that the range (position resolution) of a position to be detected in Doppler measurement is 7.5 m, the signal extraction time width is multiplied by 2/1500 (m / s), which is the time for a sound wave to reciprocate 1 m in seawater. 7.5 × 2/1500 = 0.01, which is 10 ms.

しかしながら、周波数分解能f0である12Hzを式1−4に代入すると、T0=1/f0=1/12≒83.3msとなり、83.3msは、海水中で音波が1mを往復する時間2/1500(m/s)で割ることにより距離に換算すると、83.3(ms)×1500(m/s)/2≒62.5(m)となる。 However, if 12 Hz, which is the frequency resolution f 0 , is substituted into Equation 1-4, T 0 = 1 / f 0 = 1 / 12≈83.3 ms, and 83.3 ms is the time required for the sound wave to reciprocate 1 m in seawater. When converted to a distance by dividing by 2/1500 (m / s), 83.3 (ms) × 1500 (m / s) /2≈62.5 (m).

すなわち、速度精度を0.1m/sとするために周波数分解能f0を12Hzとすると、信号の切り出し時間幅として83msが必要であり、これは距離に換算すれば63mに相当し、位置(距離)に関する分解能を7.5mとする要求を満足することできない。逆に、位置に関する分解能が7.5mである信号でFFTを行うとすると、式1−4より周波数分解能f0が100Hzとなり、速度精度から定められた周波数分解能12Hzの要求を満足できない。 That is, if the frequency resolution f 0 is set to 12 Hz in order to set the speed accuracy to 0.1 m / s, 83 ms is required as the signal extraction time width, which corresponds to 63 m in terms of distance, and the position (distance ) Cannot satisfy the requirement for a resolution of 7.5 m. On the other hand, if FFT is performed with a signal having a position-related resolution of 7.5 m, the frequency resolution f 0 is 100 Hz according to Equation 1-4, and the request for the frequency resolution of 12 Hz determined from the speed accuracy cannot be satisfied.

このようにフーリエ変換には、周波数分解能と、測定対象に関する時間分解能とが両立しない、という基本的な問題があり、これは、ドップラー計測の場合には、周波数分解能あるいは速度分解能と、距離あるいは位置の分解能とが両立しないことを意味する。   As described above, the Fourier transform has a basic problem that the frequency resolution and the time resolution related to the measurement target are not compatible. In the case of Doppler measurement, this is the frequency resolution or velocity resolution and the distance or position. This means that the resolution is not compatible.

図2は、一般的なドップラー計測機器の構成の一例として、受信信号の中から所望の時間幅の部分のみを切り出し、その切り出された部分内での信号のピークパワースペクトルを検出する従来のピークパワースペクトル検出装置の構成を示している。ここでは、信号が音響信号であり、信号が伝搬する媒質が水(あるいは海水)であるとする。音響信号の送受波器1は、送受信切替え回路2を介し、送信回路3の出力と受信増幅器4の入力に接続している。送信回路3は、送信周波数ftxの信号を生成するものである。受信増幅器4の出力には、受信信号を中間周波数信号に周波数変換する変調器5が設けられており、変調器5には、局部発振回路6から局部発振周波数flocの信号が供給されている。変調器5の出力すなわち中間周波数信号は、高次アナログフィルタ60を介してアナログ/デジタル変換器(A/D)10に供給されてデジタル信号に変換され、このデジタル信号は、所定のサンプル数(すなわち時間幅)で信号を切り出す信号切り出しゲート11に供給される。信号切り出しゲート11で切り出された信号は、次にFFT処理部13に送られてFFTによる周波数解析の対象となる。FFT処理部13から、計算されたパワースペクトルが出力される。 FIG. 2 shows an example of a configuration of a general Doppler measuring device, in which only a portion having a desired time width is cut out from a received signal and a peak power spectrum of the signal in the cut portion is detected. The structure of a power spectrum detection apparatus is shown. Here, it is assumed that the signal is an acoustic signal and the medium through which the signal propagates is water (or seawater). The acoustic signal transducer 1 is connected to the output of the transmission circuit 3 and the input of the reception amplifier 4 via a transmission / reception switching circuit 2. The transmission circuit 3 generates a signal having a transmission frequency f tx . The output of the reception amplifier 4 is provided with a modulator 5 that converts the received signal into an intermediate frequency signal. A signal having a local oscillation frequency f loc is supplied from the local oscillation circuit 6 to the modulator 5. . The output of the modulator 5, that is, the intermediate frequency signal, is supplied to an analog / digital converter (A / D) 10 through a high-order analog filter 60 and converted into a digital signal. This digital signal has a predetermined number of samples ( In other words, the signal is supplied to the signal cut-out gate 11 for cutting out the signal by time width. The signal cut out by the signal cut-out gate 11 is then sent to the FFT processing unit 13 and subjected to frequency analysis by FFT. The calculated power spectrum is output from the FFT processing unit 13.

この装置では、水中に音波パルスを発射する時には、送信周波数ftxの信号を送信回路3から送受信切替え回路2を介して送受波器1に供給する、その後、直ちに送受信切替え回路2を受信側とし、媒質(水中)からの反射エコーを送受波器1で受信して電気信号である受信信号に変換し、送受信切替え回路2を介して受信信号を受信増幅器4に供給する。その結果、受信信号は受信増幅器4において信号増幅され、変調器5に対して供給されることになる。 In this apparatus, when a sound wave pulse is emitted into water, a signal having a transmission frequency f tx is supplied from the transmission circuit 3 to the transmitter / receiver 1 via the transmission / reception switching circuit 2, and then the transmission / reception switching circuit 2 is immediately set as the receiving side. The reflected echo from the medium (underwater) is received by the transducer 1 and converted into a received signal which is an electrical signal, and the received signal is supplied to the receiving amplifier 4 via the transmission / reception switching circuit 2. As a result, the received signal is amplified by the receiving amplifier 4 and supplied to the modulator 5.

図3は、受信信号や中間周波数信号などの周波数間の関係を示している。受信増幅器4から出力される信号自体は、図3において符号52で示されるような周波数帯域を有するものとする。受信信号の帯域は、符号52で示す周波数帯域の一部であり、検出対象となるドップラー信号は、符号51で示される周波数範囲Δfpの中にある。周波数範囲Δfpの中心、すなわち、ドップラー周波数がゼロの時の周波数fc(47)は、送信周波数ftxと同じである(fc=ftx)。局部発振回路6は、周波数fcよりも中間周波数fmidだけ高い局部発振周波数floc(45)の局部発振信号を生成し(すなわちfloc>fc)、変調器5に供給する。その結果、変調器5では、局部発振信号を受信信号に乗算することにより、受信信号を中間周波数fmidの中間周波数信号に変換する。 FIG. 3 shows a relationship between frequencies such as a received signal and an intermediate frequency signal. It is assumed that the signal itself output from the receiving amplifier 4 has a frequency band as indicated by reference numeral 52 in FIG. Band of the received signal is part of a frequency band indicated by reference numeral 52, the Doppler signal to be detected is within the frequency range Delta] f p indicated by reference numeral 51. The center of the frequency range Δf p , that is, the frequency f c (47) when the Doppler frequency is zero is the same as the transmission frequency f tx (f c = f tx ). The local oscillation circuit 6 generates a local oscillation signal having a local oscillation frequency f loc (45) higher than the frequency f c by the intermediate frequency f mid (that is, f loc > f c ), and supplies it to the modulator 5. As a result, the modulator 5 multiplies the received signal by the local oscillation signal to convert the received signal into an intermediate frequency signal having the intermediate frequency f mid .

受信信号の周波数帯域のうち、トップラー計測のために着目する周波数範囲Δfpの上限を上限周波数fmax(49)とし、下限を下限周波数fmin(48)とすると、フーリエ変換すべき周波数範囲Δfp(51)は、Δfp=fmax−fminで表される。 Of the frequency band of the received signal, if the upper limit of the frequency range Δf p of interest for topler measurement is the upper limit frequency f max (49) and the lower limit is the lower limit frequency f min (48), the frequency range to be Fourier transformed Δf p (51) is represented by Δf p = f max -f min.

変調器5における中間周波数fmidの信号の生成は、下記の式で表されるものであり、2つの変換周波数から、高次アナログフィルタ60により、低い方の周波数を得る。 Generation of the signal of the intermediate frequency f mid in the modulator 5 is expressed by the following equation, and the lower frequency is obtained from the two conversion frequencies by the high-order analog filter 60.

Figure 0005670836
Figure 0005670836

ドップラー信号の周波数範囲Δfpは、中間周波数fmidを中心に、 Frequency range Delta] f p of the Doppler signal, centered on the intermediate frequency f mid,

Figure 0005670836
Figure 0005670836

の範囲に変換されることとなり、検出対象の周波数範囲Δfpは、周波数変換しても保たれる。上記の式は、floc>fcの時の処理を示しているが、floc<fcの時も、複号(符号(±))が逆になるだけで、同様に処理がなされる。 Will be transformed in the range, the frequency range Delta] f p of the detection target is maintained even if the frequency converter. The above equation is shown a process when the f loc> f c, even when the f loc <f c, only decoding (code (±)) is reversed, the same processing is performed .

図3において、右側部分が受信信号と局部発振周波数flocの信号との関係を表しており、ここでfmid(46)は、fmid=floc−fcの関係を満たしている。一方、図3の左側部分では、中間周波数信号に変換後のスペクトルを示しており、ここでは中間周波数信号の中心周波数はfmid(50)となっている。また、上述の周波数帯域52も周波数帯域54に変換され、検出対象の周波数範囲Δfp(51)は、中心周波数がfmidである周波数範囲Δfp(53)に変換されている。すなわち帯域53は、変調器5によって周波数変換して低い方の周波数成分だけを取り出すことによって中間周波数信号とされ、高次アナログフィルタ60を通過させた後の受信信号におけるΔfpの帯域を表している。 3, the right part represents the relationship between the signal of the received signal and the local oscillation frequency f loc, where f mid (46) satisfies the relationship of f mid = f loc -f c. On the other hand, the left part of FIG. 3 shows the spectrum after being converted into the intermediate frequency signal, and here, the center frequency of the intermediate frequency signal is f mid (50). The above-described frequency band 52 is also converted to the frequency band 54, and the frequency range Δf p (51) to be detected is converted to the frequency range Δf p (53) whose center frequency is f mid . That band 53 is an intermediate frequency signal by removing only the frequency components of the lower and frequency conversion by a modulator 5, represents the band of Delta] f p in the received signal which has passed through a high-order analog filter 60 Yes.

高次アナログフィルタ60は、変調器5から出力される2つの変換周波数のうちの低い方を選択し、さらに、A/D変換でのエリアシングを防ぐためのものであるので、このフィルタには、バンドパスフィルタ(BPF;band-pass filter)かローパスフィルタ(LPF;low-pass filter)が使用される。以下では、説明のため、通過帯域におけるリップルが少ないバターワース型LPFを高次アナログフィルタ60に使用するものとする。A/D変換でのエリアシングを考えると、A/D変換器10におけるA/D変換のデータ幅が8ビットであるときには、A/D変換器10のサンプリング周波数f2adの1/2の周波数すなわちf2ad/2での信号レベルが、フィルタにおける通過帯域での信号レベルを基準として−48dB以下であれば、完全にエリアシングは起こらない。同様に、16ビット幅のA/D変換の場合には、信号レベルが−96dB以下であればエリアシングは完全に起らない。したがって、高次アナログフィルタ60は、中間周波数信号における着目する周波数帯域(周波数fmidを中心とする範囲Δfp)をその通過帯域内に含むとともに、周波数f2ad/2では上述した減衰量(8ビット幅のA/D変換であれば−48dB、16ビット幅であれば−96dB)を有するものである必要がある。逆に言えば、減衰量がこの値となるまでfft/2を高くし、その分、サンプリング周波数f2adも高くする必要がある。 The high-order analog filter 60 selects the lower of the two conversion frequencies output from the modulator 5 and further prevents aliasing in A / D conversion. A band-pass filter (BPF) or a low-pass filter (LPF) is used. In the following, for the sake of explanation, it is assumed that a Butterworth LPF with little ripple in the passband is used for the high-order analog filter 60. Considering aliasing in A / D conversion, when the data width of A / D conversion in the A / D converter 10 is 8 bits, the frequency is ½ of the sampling frequency f 2ad of the A / D converter 10. That is, if the signal level at f 2ad / 2 is −48 dB or less with reference to the signal level in the pass band of the filter, aliasing does not occur completely. Similarly, in the case of 16-bit width A / D conversion, if the signal level is −96 dB or less, aliasing does not occur completely. Therefore, the high-order analog filter 60 includes the frequency band of interest in the intermediate frequency signal (range Δf p centered on the frequency f mid ) in its pass band, and at the frequency f 2ad / 2, the above-described attenuation amount (8 It is necessary to have −48 dB for A / D conversion with a bit width and −96 dB for 16 bit width. In other words, it is necessary to increase f ft / 2 until the attenuation reaches this value, and to increase the sampling frequency f 2ad accordingly .

以下では、A/D変換のデータ幅が8ビットであるものとして説明を進める。図4は、LPFの周波数特性の一例を示している。以下、図4を用いて、受信信号の周波数帯域を説明する。   In the following description, it is assumed that the data width of A / D conversion is 8 bits. FIG. 4 shows an example of the frequency characteristic of the LPF. Hereinafter, the frequency band of the received signal will be described with reference to FIG.

受信信号の周波数fcが120kHz、ドップラー周波数の最大値が1200Hz、フーリエ変換に要求される周波数分解能が12Hzであるとする。式2−3に示すように、受信信号を中間周波数信号に変換したとしても、ドップラー周波数の周波数範囲Δfpそのものは変化しない。その一方で、受信信号と局部発振周波数の信号がクロストークしたり混変調を起したりしないように、局部発振周波数flocを選ぶ必要がある。ここでは、受信信号からその周波数で1割以上離れた局部発振周波数flocを選ぶこととし、17KHz離すこととする。局部発振周波数flocはfloc=fc+17kHz=137KHzとなり、中間周波数fmidは17KHzとなる。このとき、アナログLPFの通過帯域(全帯域)Wは、 Frequency f c of the received signal is 120 kHz, the Doppler maximum frequency is 1200 Hz, the frequency resolution required to Fourier transform to be 12 Hz. As shown in Equation 2-3, even when converting the received signal into an intermediate frequency signal, it does not change the frequency range Delta] f p itself Doppler frequency. On the other hand, it is necessary to select the local oscillation frequency f loc so that the received signal and the local oscillation frequency signal do not crosstalk or cause cross modulation. Here, it is assumed that a local oscillation frequency f loc that is 10% or more away from the received signal at that frequency is selected, and is separated by 17 KHz. The local oscillation frequency f loc is f loc = f c +17 kHz = 137 KHz, and the intermediate frequency f mid is 17 KHz. At this time, the passband (all bands) W of the analog LPF is

Figure 0005670836
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とする必要がある。Δfp/2=1200Hzであり、これに適切なα(減衰域)とfmidとを加算すると、LPFは、図4に示すように、20KHzまでの信号を完全に通過させるものであればよい。図4において、符号74は2次のLPFの特性を示しており、符号73は4次のLPFの特性を示しており、符号72は8次のLPFの特性を示している。アナログLPFでは、構成部品の精度や温度係数などから、8次のLPFを構成することはコスト面からも実用的ではないので、4次のLPFを高次アナログフィルタ26に用いるものとする。 It is necessary to. Δf p / 2 = 1200 Hz, and adding an appropriate α (attenuation region) and f mid to this, the LPF only needs to pass signals up to 20 KHz completely as shown in FIG. . In FIG. 4, reference numeral 74 indicates the characteristics of the second-order LPF, reference numeral 73 indicates the characteristics of the fourth-order LPF, and reference numeral 72 indicates the characteristics of the eighth-order LPF. In an analog LPF, it is not practical from the viewpoint of cost to configure an 8th order LPF because of the accuracy of components, temperature coefficient, and the like, and therefore a 4th order LPF is used for the high order analog filter 26.

上述したように、8ビット幅A/D変換では、サンプリング周波数の1/2の周波数での信号レベルを通過帯域に比べて−48dBとすれば、エリアシングの問題は生じない。図5は、中間周波数に変換された信号とA/D変換のサンプリング周波数の関係を示している。図5においては、サンプリング周波数は、f2ad(78)で示されている。ここでは4次のLPFを使うこととしたので、−48dBの周波数は80kHzとなり、サンプリング周波数f2adの半分の周波数f2ad/2(77)も80kHzに設定される。したがって、A/D変換は、160kHzのサンプリング周波数f2adで行なわれることになる。 As described above, in the 8-bit width A / D conversion, if the signal level at half the sampling frequency is −48 dB compared to the pass band, the aliasing problem does not occur. FIG. 5 shows the relationship between the signal converted to the intermediate frequency and the sampling frequency of A / D conversion. In FIG. 5, the sampling frequency is indicated by f 2ad (78). Since the fourth-order LPF is used here, the frequency of −48 dB is 80 kHz, and the frequency f 2ad / 2 (77) which is half the sampling frequency f 2ad is also set to 80 kHz. Therefore, A / D conversion is performed at a sampling frequency f 2ad of 160 kHz.

その結果、式1−6から、分解能の条件を満たすサンプル数Nは、N=f2ad/f0=160000/16=10000となる。FFTのデータ点数は2のべき乗個とすべきであることから、FFTではサンプル数を16384(=214)とし、このときの周波数分解能f0は、f0=160000/16384=9.77[Hz]となる。このとき、FFTで実行される複素乗算の回数は、
FFT複素乗算回数: 214×log214=229376
となる。FFTの代わりにDFTを用いて周波数解析を行うものとすれば、DFTにおいてはデータ点数が2のべき乗である必要はないので、FFTの場合と同じ条件でDFT計算を行ったときの複素乗算の回数は、
DFT複素乗算回数: 10000×10000=100000000)
となる。DFTでは、必要とする複素乗算回数が1×108回と極めて膨大となり、本発明のような周波数解析の用途には実用的ではない。FFTを用いる場合であっても、膨大な演算が必要となり、FFT演算器に高い処理能力を要求するとともに長大な処理時間を必要とし、その結果、強力なDSP(デジタル信号プロセッサ)やソフト演算能力を備えたCPUが必要となり、周波数検出装置のコストを上昇させる。
As a result, from Equation 1-6, the number N of samples that satisfy the resolution condition is N = f 2ad / f 0 = 16000/16 = 10000. Since the number of FFT data points should be a power of 2, the number of samples in the FFT is 16384 (= 2 14 ), and the frequency resolution f 0 at this time is f 0 = 16000/16384 = 9.77 [ Hz]. At this time, the number of complex multiplications performed in the FFT is
Number of FFT complex multiplications: 2 14 × log 2 2 14 = 229376
It becomes. If frequency analysis is performed using DFT instead of FFT, the number of data points does not need to be a power of 2 in DFT, so that complex multiplication when DFT calculation is performed under the same conditions as in FFT The number of times
Number of DFT complex multiplication: 10000 × 10000 = 100000
It becomes. In DFT, the required number of complex multiplications is as extremely large as 1 × 10 8 , which is not practical for frequency analysis as in the present invention. Even when using FFT, enormous computations are required, requiring high processing capability and long processing time for the FFT computing unit. As a result, powerful DSP (digital signal processor) and software computing capability CPU is required, which increases the cost of the frequency detection device.

図6は、潮流における流速プロファイル測定を行うために、観測船からθ=60°の方向(水平方向から60°下を向いた方向)に対して音波パルスを発射して反射エコーを受信したときの、受波波形の一例を示している。図において横軸は時刻を表している。ここでは反射エコー16は、中間周波数信号に変換されたのちの信号として示されている。時刻0の直後の振幅の大きな信号17は、送信した音波パルス自体を送受波器が受信したことによるものである。また、振幅の大きい波形18は、海底によって反射されたエコー(海底エコー)を示している。海底エコーにも、観測船の船速に応じ、±Δfp/2の周波数範囲内でのドップラーシフトが含まれる。 FIG. 6 shows a case where a reflected echo is received by emitting a sound wave pulse in a direction of θ = 60 ° from the observation ship (a direction facing 60 ° downward from the horizontal direction) in order to measure a flow velocity profile in a tidal current. An example of the received waveform is shown. In the figure, the horizontal axis represents time. Here, the reflected echo 16 is shown as a signal after being converted into an intermediate frequency signal. The large-amplitude signal 17 immediately after time 0 is due to the reception of the transmitted sound wave pulse itself by the transducer. A waveform 18 having a large amplitude indicates an echo reflected from the seabed (seafloor echo). In seabed echo, according to the ship speed of research ship, it includes Doppler shift in the frequency range of ± Δf p / 2.

ここで120±1.2(kHz)の帯域において周波数分解能12Hzでピークパワースペクトルの検出を行う場合を考えると、周波数変換の容易さ及び高次アナログフィルタの実現の容易さを考慮すれば、上述した考察により、中間周波数fmid(すなわち周波数変換された信号の中心周波数)は17kHzとなり、アナログ/デジタル変換でのサンプリング周波数及びFFTでのサンプリング周波数fftは160kHzとなり、フーリエ変換でのサンプル数Nは、N=214=16384となる。このとき、周波数分解能は9.766Hzとなって、上述した速度精度の0.1m/sに対応する周波数分解能12Hzよりも細かく、要求事項を満足している。 Here, considering the case where the peak power spectrum is detected with a frequency resolution of 12 Hz in the band of 120 ± 1.2 (kHz), the above-mentioned will be described if the ease of frequency conversion and the realization of the high-order analog filter are taken into consideration. As a result, the intermediate frequency f mid (that is, the center frequency of the frequency-converted signal) is 17 kHz, the sampling frequency in the analog / digital conversion and the sampling frequency f ft in the FFT is 160 kHz, and the number of samples N in the Fourier transform is N N = 2 14 = 16384. At this time, the frequency resolution is 9.766 Hz, which is finer than the above-described frequency resolution of 12 Hz corresponding to the speed accuracy of 0.1 m / s and satisfies the requirements.

図6において、符号20は、音波パルスの送信と同時に取り込みを開始するとして、FFTに必要な16384個の信号サンプルを取り込むのに要する時間T0を表している。式1−5からT0はT0=102.4msとなる。このT0の期間内には、海底エコーに起因する波形18の他に、送信した音波パルス自体の回り込みによる信号17が含まれている。振幅強度としては、信号17の方が波形18よりも大きいから、時間幅T0内の信号サンプルを取り込んでFFTを行った結果においても、最もパワーが大きな送信信号自体がピークパワースペクトルとして検出されることとなり、海底エコーに含まれるドップラーシフトした周波数をピークパワースペクトルとして検出することはできない。これは、102.4msという時間幅T0を対象としてFFTを行うことは、実質的には、送受波器の位置から海底までをまとめてFFTの対象としているからである。つまり、所望する時間範囲以外に強い信号があるFFT入力信号では、その所望する時間範囲内でのピークパワーとなるスペクトルあるいは周波数を求めることはできない。 In FIG. 6, reference numeral 20 represents a time T 0 required to acquire 16384 signal samples necessary for FFT, assuming that acquisition is started simultaneously with the transmission of the sound wave pulse. From Equation 1-5, T 0 becomes T 0 = 102.4 ms. In the period T 0 , a signal 17 resulting from the wraparound of the transmitted sound wave pulse is included in addition to the waveform 18 caused by the sea bottom echo. Since the amplitude of the signal 17 is larger than that of the waveform 18, the amplitude of the transmission signal itself having the largest power is detected as the peak power spectrum even in the result of taking the signal sample within the time width T 0 and performing the FFT. Therefore, the Doppler shifted frequency included in the seafloor echo cannot be detected as the peak power spectrum. This is because performing FFT for a time width T 0 of 102.4 ms is essentially the FFT target from the position of the transducer to the seabed. That is, for an FFT input signal having a strong signal outside the desired time range, it is not possible to obtain the spectrum or frequency that is the peak power within the desired time range.

図6において、音波パルスの送信時刻を始点として時間t1(22)だけシフトさせ、ピーク18だけを含む時間範囲T1(21)の信号だけを切り出してFFTを行うことも考えられる。T1=6.4msであるとすると、周波数分解能f0は、f0=1/0.0064≒156Hzであり、これは、FFTステップが1つずれれば156Hz異なるという、粗い精度である。この周波数分解能は、要求されている分解能12Hzと比べて極めて粗く、要求に応えることができない。 In FIG. 6, it is also conceivable to perform the FFT by shifting only the signal in the time range T 1 (21) including only the peak 18 by shifting the transmission time of the sound wave pulse by the time t 1 (22). Assuming T 1 = 6.4 ms, the frequency resolution f 0 is f 0 = 1 / 0.0064≈156 Hz, which is a coarse accuracy that is 156 Hz different if the FFT step is shifted by one. This frequency resolution is extremely coarse compared to the required resolution of 12 Hz and cannot meet the requirements.

従来のドップラー計測では、所望の時間間隔内でピークパワーとなる周波数を求める場合、まず、距離(時間)分解能を優先させて、受信信号から必要な範囲T1を切り出し、周波数分解能が粗いままでFFTによる周波数解析を実行する。解析結果において最も高い値となったサンプリング点、次に大きな値となったサンプリング点、また次に大きな値となったサンプリング点などから、スペクトルにおけるピークの形状を仮定したカーブフィッティングなどの手法によって補間を行うことにより、真のピークパワー周波数を推定する方法などを用いていた。補間によるので、真のピークパワー周波数は、FFTにおける周波数分解能よりも細かい分解能で算出できる。 In conventional Doppler measurement, when obtaining the peak power frequency within a desired time interval, first, the distance (time) resolution is prioritized, and the necessary range T 1 is extracted from the received signal until the frequency resolution is coarse. Perform frequency analysis by FFT. Interpolate from the sampling point with the highest value in the analysis result, the sampling point with the next largest value, the sampling point with the next largest value, etc. by a method such as curve fitting that assumes the peak shape in the spectrum The method of estimating a true peak power frequency by performing was used. Because of interpolation, the true peak power frequency can be calculated with a finer resolution than the frequency resolution in FFT.

しかしながら、このような従来のやり方では、補間によってピークパワー周波数を求めるための回路や推定アルゴリズムが複雑になり、その結果、FFT以外の処理にも演算パワーを費やす必要が生じ、演算速度の低下やコストアップの要因となっていた。また、FFTの後で周波数推定を行うため、測定精度が悪化しやすいという問題もある。   However, in such a conventional method, a circuit and an estimation algorithm for obtaining the peak power frequency by interpolation become complicated, and as a result, it is necessary to spend calculation power for processing other than FFT, and the calculation speed is reduced. It was a factor of cost increase. Moreover, since frequency estimation is performed after FFT, there is also a problem that measurement accuracy is likely to deteriorate.

結局、ドップラー計測における従来のピークパワースペクトル検出の手法では、ドップラー周波数すなわちドップラーシフトの帯域幅は小さくても、A/D変換におけるエリアシングを防ぐためのアナログフィルタを容易に実現し、周波数変換を確実に行うことの必要性から、サンプリング周波数を高く設定する必要があって、その分、サンプル数が大きくなり、フーリエ変換の複素乗算回数が膨大になり、演算処理が困難になることがあった。また膨大な複素演算を行うために超高速な演算処理器を必要とし、多大なコストが掛かる問題があった。   In the end, the conventional peak power spectrum detection method in Doppler measurement easily realizes an analog filter for preventing aliasing in A / D conversion even if the Doppler frequency, that is, the bandwidth of Doppler shift is small, and performs frequency conversion. The sampling frequency must be set high due to the necessity of performing it reliably, and as a result, the number of samples increases, the number of times of complex multiplication of Fourier transform becomes enormous, and calculation processing may become difficult. . Moreover, in order to perform enormous complex operations, an extremely high-speed arithmetic processor is required, and there is a problem that a great cost is required.

また、フーリエ変換では、周波数分解能と測定する範囲の距離(時間)分解能は両立しない、という基本的な問題がある。従来のピークパワースペクトル検出方法では、これを解決するために、距離(時間)分解能を優先させて必要な範囲を切り出して粗い周波数分解能のFFTを行い、解析結果において最も高い値となったサンプリング点、次に大きな値となったサンプリング点、また次に大きな値となったサンプリング点などから、スペクトルにおけるピークの形状を仮定したカーブフィッティングなどの手法によって補間を行うことにより、真のピークパワー周波数を推定していた。補間によるので、真のピークパワー周波数は、FFTにおける周波数分解能よりも細かい分解能で算出できる。   In addition, the Fourier transform has a basic problem that the frequency resolution and the distance (time) resolution of the measurement range are not compatible. In the conventional peak power spectrum detection method, in order to solve this problem, the distance (time) resolution is prioritized to cut out the necessary range, and the FFT of the coarse frequency resolution is performed, and the sampling point that has the highest value in the analysis result is obtained. The true peak power frequency can be calculated by interpolating from the sampling point with the next largest value, the sampling point with the next largest value, etc. using a method such as curve fitting that assumes the shape of the peak in the spectrum. I was estimating. Because of interpolation, the true peak power frequency can be calculated with a finer resolution than the frequency resolution in FFT.

しかしながら、このような従来のやり方では、補間によってピークパワー周波数を求めるための回路や推定アルゴリズムが複雑になり、その結果、FFT以外の処理にも演算パワーを費やす必要が生じ、演算速度の低下やコストアップの要因となっていた。また、FFTの後で周波数推定を行うため、測定精度が悪化しやすいという問題もある。   However, in such a conventional method, a circuit and an estimation algorithm for obtaining the peak power frequency by interpolation become complicated, and as a result, it is necessary to spend calculation power for processing other than FFT, and the calculation speed is reduced. It was a factor of cost increase. Moreover, since frequency estimation is performed after FFT, there is also a problem that measurement accuracy is likely to deteriorate.

特許文献1には、FFTにおける演算ポイント数を減らしつつ、周波数分解能を高めるようにした信号処理方法が示されている。   Patent Document 1 discloses a signal processing method that increases the frequency resolution while reducing the number of calculation points in FFT.

WO2006/043511WO2006 / 043511

反射エコーを受信して得られた受信信号に対してドップラー周波数を求めるためなどにフーリエ変換を実行する場合、サンプリング周波数が高くなってフーリエ変換での複素乗算回数が膨大となり、演算処理が困難になることがあり、また、周波数分解能を向上させることと測定対象とする範囲の時間(あるいは距離)についての分解能を向上させることとが両立しない、というフーリエ変換の基本的な問題に起因する問題が生じる。   When performing Fourier transform to obtain the Doppler frequency for the received signal obtained by receiving the reflected echo, the sampling frequency becomes high and the number of complex multiplications in the Fourier transform becomes enormous, which makes computation difficult. In addition, there is a problem caused by the fundamental problem of Fourier transform that the improvement of the frequency resolution and the improvement of the resolution for the time (or distance) of the range to be measured are not compatible. Arise.

本発明の目的は、フーリエ変換における上述した問題を解決し、測定対象とする時間範囲の分解能を高めつつ、周波数分解能を高め、しかもフーリエ変換におけるサンプリング周波数を低くしてサンプル数を少なくし、これによってフーリエ変換での複素乗算回数を減らすことができる検出方法及び装置を提供することにある。   The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in the Fourier transform, increase the frequency resolution while increasing the resolution of the time range to be measured, and lower the sampling frequency in the Fourier transform to reduce the number of samples. It is an object of the present invention to provide a detection method and apparatus that can reduce the number of complex multiplications in Fourier transform.

本発明の検出方法は、時間変化する受信信号における第1の周波数を含む所定の周波数帯域幅内で、かつ所望の時間幅の範囲内で、受信信号のピークパワー周波数を検出する方法であって、第1の周波数とは異なる中間周波数の信号に受信信号を周波数変換する段階と、アナログフィルタを適用して、周波数変換された信号から高域成分を除去する段階と、アナログフィルタを適用した後の信号に対して第2の周波数でサンプリングしてA/D変換する段階と、A/D変換で得られたデジタル信号に対してデジタルバンドパスフィルタを適用し、所定の周波数帯域幅に相当する信号のみを抽出する段階と、第2の周波数の2のべき乗分の1の周波数をダウンサンプリング周波数として、所望の時間幅内において、デジタルバンドパスフィルタから出力される信号をダウンサンプリングして抽出するダウンサンプリング段階と、必要とされる周波数分解能を満たすために高速フーリエ変換において必要なサンプル数を基準サンプル数として、この基準サンプル数に達するように、ダウンサンプリング段階から出力されるデジタルデータ列にゼロデータを付加する付加段階と、ゼロデータが付加されたデジタルデータ列に対してサンプリング周波数として第3の周波数を用いる高速フーリエ変換を行うFFT段階と、を有し、ダウンサンプリング段階において、ダウンサンプリングによって抽出される信号の周波数帯域が周波数ゼロから所定の周波数帯域幅に相当する帯域幅に配置され、高速フーリエ変換の結果において最大値を示す周波数をピークパワー周波数として検出する。 The detection method of the present invention is a method for detecting a peak power frequency of a received signal within a predetermined frequency bandwidth including a first frequency in a time-varying received signal and within a desired time width. After converting the received signal to an intermediate frequency signal different from the first frequency, applying an analog filter to remove high frequency components from the frequency converted signal, and after applying the analog filter A signal is sampled at a second frequency and A / D converted, and a digital bandpass filter is applied to the digital signal obtained by A / D conversion, corresponding to a predetermined frequency bandwidth. a step of extracting a signal only, the two first frequency powers fraction of a second frequency as a down-sampling frequency, within a desired time width, the digital bandpass filter Down-sampling stage to extract and output the signal output from the signal, and the number of samples required in the fast Fourier transform to satisfy the required frequency resolution, and to reach this reference sample number An addition step of adding zero data to the digital data sequence output from the down-sampling step; an FFT step of performing fast Fourier transform using a third frequency as a sampling frequency on the digital data sequence to which zero data is added; has a peak in the down-sampling phase, disposed bandwidth frequency band of the signals extracted by the down-sampling is equivalent from zero frequency to a predetermined frequency bandwidth, the frequency showing the maximum value in the result of the fast Fourier transform Detect as power frequency.

本発明の検出装置は、時間変化する受信信号における第1の周波数を含む所定の周波数帯域幅内で、かつ所望の時間幅の範囲内で、受信信号のピークパワー周波数を検出する装置であって、受信信号を第1の周波数とは異なる中間周波数の信号に周波数変換する周波数変換手段と、周波数変換された信号から高域成分を除去するアナログフィルタと、アナログフィルタから出力される信号を第2の周波数でサンプリングしてA/D変換するA/D変換器と、A/D変換器の出力に接続され、所定の周波数帯域幅に相当する信号のみを含むデジタル信号を出力するデジタルバンドパスフィルタと、第2の周波数の2のべき乗分の1の周波数をダウンサンプリング周波数として、所望の時間幅内において、デジタルバンドパスフィルタから出力される信号をダウンサンプリングして抽出するダウンサンプリング手段と、必要とされる周波数分解能を満たすために高速フーリエ変換において必要なサンプル数を基準サンプル数として、この基準サンプル数に達するように、ダウンサンプリング手段から出力されるデジタルデータ列にゼロデータを付加するゼロ付加手段と、ゼロデータが付加されたデジタルデータ列に対してサンプリング周波数として第3の周波数を用いる高速フーリエ変換を行うFFT手段と、を有し、ダウンサンプリング手段から出力されるデジタルデータ列における信号の周波数帯域が周波数ゼロから所定の周波数帯域幅に相当する帯域幅に配置され、高速フーリエ変換の結果において最大値を示す周波数をピークパワー周波数として検出する。 The detection device of the present invention is a device that detects a peak power frequency of a received signal within a predetermined frequency bandwidth including a first frequency in a time-varying received signal and within a desired time width. , A frequency converting means for converting the frequency of the received signal into a signal having an intermediate frequency different from the first frequency, an analog filter for removing a high frequency component from the frequency converted signal, and a signal output from the analog filter as a second An A / D converter that samples and performs A / D conversion at a frequency, and a digital bandpass filter that is connected to the output of the A / D converter and outputs a digital signal including only a signal corresponding to a predetermined frequency bandwidth When the two first frequency powers fraction of a second frequency as a down-sampling frequency, within a desired time width, of the output from the digital bandpass filter Down-sampling means for down-sampling and extracting the signal to be sampled, and down-sampling means to reach this reference sample number with the number of samples required in the Fast Fourier Transform to satisfy the required frequency resolution as the reference sample number And zero adding means for adding zero data to the digital data string output from the digital data string, and FFT means for performing fast Fourier transform using a third frequency as a sampling frequency for the digital data string to which zero data is added. The frequency band of the signal in the digital data sequence output from the down-sampling means is arranged in the bandwidth corresponding to the predetermined frequency bandwidth from the frequency zero, and the frequency showing the maximum value in the result of the fast Fourier transform is the peak power frequency. Detect as.

本発明によれば、FFT後の補間や推定などを行うことなく、所望の周波数分解能でFFTからピークパワー周波数を直接求めることができ、また、FFTにおけるサンプル数を大幅に減らして演算負荷を小さくすることができるので、複雑な回路やアルゴリズムを必要とせずに、シンプルな構成で、低コストで、精度良く、かつ高速に、ピークパワー周波数を求めることができるようになる。   According to the present invention, the peak power frequency can be obtained directly from the FFT with a desired frequency resolution without performing post-FFT interpolation or estimation, and the number of samples in the FFT can be greatly reduced to reduce the computation load. Therefore, the peak power frequency can be obtained with high accuracy and high speed at a low cost with a simple configuration without requiring a complicated circuit or algorithm.

FFTによる周波数スペクトル解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency spectrum analysis result by FFT. 従来のピークパワースペクトル測定装置の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the conventional peak power spectrum measuring apparatus. 受信信号の中間周波数への変換などを説明するスペクトル図である。It is a spectrum figure explaining conversion etc. to the intermediate frequency of a received signal. 中間周波数への周波数変換を行う場合に用いられるアナログLPFの特性の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the characteristic of analog LPF used when performing frequency conversion to an intermediate frequency. A/D変換でのサンプリング周波数と中間周波数との関係を示すスペクトル図である。It is a spectrum figure which shows the relationship between the sampling frequency in A / D conversion, and an intermediate frequency. 斜め方向に海中に音響信号を送波したときのその反射エコーの受信波形の一例を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows an example of the received waveform of the reflective echo when an acoustic signal is transmitted in the sea in the diagonal direction. 本発明の実施の一形態のピークパワースペクトル検出装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the peak power spectrum detection apparatus of one Embodiment of this invention. 図7に示した装置における受信信号の中間周波数信号への変換を説明するスペクトル図である。It is a spectrum figure explaining the conversion to the intermediate frequency signal of the received signal in the apparatus shown in FIG. 図7に示す装置におけるFFTの対象となる信号を示すスペクトル図である。It is a spectrum figure which shows the signal used as the object of FFT in the apparatus shown in FIG. 2のべき乗でダウンサンプリングした時の信号を説明するスペクトル図である。It is a spectrum figure explaining the signal when down-sampling by the power of 2. デジタルBPF(バンドパスフィルタ)により不要な周波数成分を削除した後の信号を示すのスペクトル図である。It is a spectrum figure which shows the signal after deleting an unnecessary frequency component by digital BPF (band pass filter). 中間周波数とA/D変換器のサンプリング周波数との関係を示すスペクトル図である。It is a spectrum figure which shows the relationship between an intermediate frequency and the sampling frequency of an A / D converter. FFTへの入力信号を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the input signal to FFT.

図7に示した本発明の実施の一形態のピークパワースペクトル検出装置は、フーリエ変換でのサンプル数を最小にして複素乗算回数を少なくすることでFFT演算時間の短縮を図り、かつフーリエ変換の基本的な問題である、周波数分解能と測定する範囲の距離(時間)分解能は両立しない、という問題を解決したものである。まず、図7に示す装置において、どのようにしてフーリエ変換でのサンプル数を少なくしたかについて説明する。   The peak power spectrum detection apparatus according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 7 shortens the FFT operation time by minimizing the number of complex multiplications by minimizing the number of samples in the Fourier transform, and the Fourier transform of the Fourier transform. This solves the basic problem that the frequency resolution and the distance (time) resolution of the measurement range are not compatible. First, how the number of samples in the Fourier transform is reduced in the apparatus shown in FIG. 7 will be described.

媒質に対してある決まった周波数の音波信号や電波信号を発射(送信)して媒質中の対象物(ターゲット)で反射させ、反射してきた信号(反射エコー)を受信する場合を考える。ドップラー効果によって反射エコーの周波数は元の音波信号あるいは電波信号の周波数からずれるが、そのずれの大きさすなわちドップラー周波数の周波数帯域幅は、対象物との間の相対的な移動速度が媒質中での信号の伝搬速度に比べて十分に小さい場合には、元の信号の周波数に比べて十分に小さくなる。例えば、θ=60°とし、ftx=120kHzの超音波信号を水中に反射し、最大測定速度Vを15m/sとしたとき、上記の式1−1から、ドップラー周波数fdopの最大値は1200Hzとなる。対象物の移動方向は近づく方向の場合と遠ざかる方向の場合があるから、ドップラー周波数の周波数帯域幅Δfpは2400Hzとなるが、これは120kHzである送信周波数ftxに比べて十分に小さい。周波数帯域幅Δfpに隣接する減衰域を考慮しないとすれば、受信信号からこのΔfpの範囲内の周波数成分のみを取り出して0から2400Hzの範囲内に配置し、これに対してフーリエ変換を行えば、十分に小さなサンプリング周波数で十分な周波数分解能が得られるはずであり、必要な周波数分解能を得るために最小のサンプル数でフーリエ変換を実行できるはずである。従来技術においては、きわめて低い周波数への周波数変換の困難さや、急峻な特性で高域成分を除去するためのアナログフィルタの実現の困難さのために、最小のサンプル数でフーリエ変換を行って周波数解析を行うことができなかった。 Consider a case in which a sound wave signal or radio wave signal having a certain frequency with respect to a medium is emitted (transmitted), reflected by an object (target) in the medium, and a reflected signal (reflected echo) is received. Due to the Doppler effect, the frequency of the reflected echo deviates from the frequency of the original sound wave signal or radio wave signal, but the magnitude of the deviation, that is, the frequency bandwidth of the Doppler frequency, is such that the relative movement speed between the object and the object is Is sufficiently smaller than the original signal frequency. For example, when θ = 60 °, an ultrasonic signal of f tx = 120 kHz is reflected in water, and the maximum measurement speed V is 15 m / s, the maximum value of the Doppler frequency f dop is obtained from the above equation 1-1. 1200 Hz. Since the moving direction of the object in some cases in the direction away as in the direction to approach, the frequency bandwidth Delta] f p of the Doppler frequency becomes a 2400 Hz, which is sufficiently smaller than the transmission frequency f tx is 120 kHz. If not considering the attenuation band adjacent to the frequency bandwidth Delta] f p, and extracts only the frequency components within this Delta] f p from the received signal are arranged within the range 0 to 2400 Hz, the Fourier transform to this If done, a sufficient frequency resolution should be obtained with a sufficiently small sampling frequency, and a Fourier transform should be able to be performed with a minimum number of samples to obtain the required frequency resolution. In the prior art, due to the difficulty of frequency conversion to an extremely low frequency and the difficulty of realizing an analog filter for removing high-frequency components with steep characteristics, the frequency is obtained by performing a Fourier transform with a minimum number of samples. Analysis could not be performed.

ここで注意すべきことは、式1−6に示したように、フーリエ変換による周波数分解能f0自体は、フーリエ変換の基本波の周期T0すなわち図6に示すように信号の切り出しの長さT0の逆数で表され、サンプリング周波数fftには依存しないことである。周波数分解能f0を一定としてサンプリング周波数fftが高くなれば、式1−7に基づいてサンプル数Nも増加して演算量が増大するが、増加したサンプル数N自体は、周波数解析によって検出可能な周波数範囲をより高周波側に広げることには寄与するが、周波数分解能の向上には寄与しない。サンプリング周波数が高いということは、ドップラー周波数の考え得る変化範囲を超えて、無駄に広い周波数範囲に対して実質的に周波数解析を行っていることを意味する。 It should be noted that the frequency resolution f 0 by the Fourier transform itself is the period T 0 of the fundamental wave of the Fourier transform, that is, the length of the signal cut-out as shown in FIG. This is expressed by the reciprocal of T 0 and does not depend on the sampling frequency f ft . If the frequency resolution f 0 is constant and the sampling frequency f ft is increased, the number of samples N also increases based on Equation 1-7 and the amount of calculation increases. However, the increased number of samples N itself can be detected by frequency analysis. This contributes to extending the frequency range to the higher frequency side, but does not contribute to the improvement of the frequency resolution. A high sampling frequency means that the frequency analysis is practically performed over a wide frequency range beyond the possible change range of the Doppler frequency.

そこで図7に示すピークパワースペクトル検出装置は、オーバーサンプリングによってA/D変換を行った後、デジタルバンドパスフィルタ(D−BPF)を通して必要とする周波数帯域を取り出し、その後、ダウンサンプリングを行うことで、受信信号における周波数解析の対象となる周波数帯域を周波数ゼロから最低周波数範囲に実質的に移動させている。これにより、周波数解析の対象となる周波数帯域幅の2倍に相当するサンプリング周波数でフーリエ変換を行うことが可能となり、最小のサンプル数でフーリエ変換を行って周波数解析を行うことが可能になる。つまり、本実施形態のピークパワースペクトル検出装置によれば、所望する周波数分解能によって、周波数解析の対象としたい周波数帯域に対するパワースペクトル解析を行うことができ、かつ、サンプル数が最小であるので、最速のフーリエ変換を行うことができる。   Therefore, the peak power spectrum detection apparatus shown in FIG. 7 performs A / D conversion by oversampling, then extracts a necessary frequency band through a digital bandpass filter (D-BPF), and then performs downsampling. The frequency band subject to frequency analysis in the received signal is substantially moved from the zero frequency to the lowest frequency range. This makes it possible to perform Fourier transform at a sampling frequency corresponding to twice the frequency bandwidth to be frequency analyzed, and to perform frequency analysis by performing Fourier transform with the minimum number of samples. That is, according to the peak power spectrum detection device of the present embodiment, power spectrum analysis can be performed for a frequency band to be subjected to frequency analysis with a desired frequency resolution, and since the number of samples is minimum, Fourier transform can be performed.

次に、図7に示す装置において、どのようにして周波数分解能と距離(時間)分解能とを両立させたかについて説明する。   Next, how the frequency resolution and the distance (time) resolution are made compatible in the apparatus shown in FIG. 7 will be described.

式1−6に示すように、フーリエ変換による周波数分解能f0自体は、フーリエ変換の基本波の周期T0すなわち図6に示すように信号の切り出しの長さT0の逆数で表され、サンプル数には依存しない。一方、距離(時間)分解能は、信号の切り出しの長さによって決定する。そこで本実施形態では、オーバーサンプリングによるA/D変換とデジタルBPFによる周波数帯域抽出とを行ってダウンサンプリングを行う際に、要求される距離分解能に対応する時間幅Td(ただし、Td<T0)においてのみダウンサンプリングを行ってサンプルを抽出してデジタルデータ列とし、その後、周波数分解能を満たすようにそのデジタルデータ列に値がゼロであるサンプルを付加し、ゼロデータを付加したことにより時間幅がT0となったデジタルデータ列に対してFFTを行うようにしている。 As shown in Expression 1-6, the frequency resolution f 0 itself by the Fourier transform is expressed by the period T 0 of the fundamental wave of the Fourier transform, that is, the reciprocal of the signal cut-out length T 0 as shown in FIG. It does not depend on the number. On the other hand, the distance (time) resolution is determined by the length of signal clipping. Therefore, in this embodiment, when downsampling is performed by performing A / D conversion by oversampling and frequency band extraction by digital BPF, a time width T d (where T d <T 0 ) only in the case of downsampling and extracting the sample into a digital data string, and then adding a sample with a value of zero to the digital data string to satisfy the frequency resolution, and adding zero data to the time FFT is performed on the digital data string whose width becomes T 0 .

以下、図7に示したピークパワースペクトル検出装置について説明する。   Hereinafter, the peak power spectrum detection apparatus shown in FIG. 7 will be described.

図7に示したピークパワースペクトル検出装置は、図2に示す装置において高次アナログフィルタ60及びA/D変換器10と取り除き、その代わりに、オーバーサンプリングにより変調器5の出力をデジタル信号に変換するA/D変換器61と、A/D変換器61から出力されるデジタル信号から、後述するように中間周波数fmidを中心とする所定の周波数帯域Δfpの成分のみを抽出するデジタルBPF62と、デジタルBPF62から出力されるデジタル信号のダウンサンプリングを行うダウンサンプリング部63とを設け、ダウンサンプリング部63から出力されるデジタルデータ列が信号切り出しゲート11に供給されるようにしたものである。さらに、信号切り出しゲート11とFFT処理部13との間に、ゼロ付加部12を挿入したものである。信号切り出しゲート11は、ダウンサンプリング部63からのデジタルデータ列から、測定対象の時間範囲Tdに対応して部分のみを切り出し、ゼロ付加部12は、必要とされる周波数分解能を満たすためにFFTにおいて必要なサンプル数を基準サンプル数として、この基準サンプル数に達するように、信号切り出しゲート11からのデジタルデータ列にゼロデータを付加する。ゼロ付加部12での処理の詳細については後述する。 The peak power spectrum detection device shown in FIG. 7 is removed from the high-order analog filter 60 and the A / D converter 10 in the device shown in FIG. 2, and instead, the output of the modulator 5 is converted into a digital signal by oversampling. an a / D converter 61 which, from the digital signal output from a / D converter 61, a digital BPF62 to extract only the component of the predetermined frequency band Delta] f p around the intermediate frequency f mid as described below A downsampling unit 63 for downsampling the digital signal output from the digital BPF 62 is provided, and a digital data string output from the downsampling unit 63 is supplied to the signal cutout gate 11. Further, a zero adding unit 12 is inserted between the signal cut-out gate 11 and the FFT processing unit 13. The signal cutout gate 11 cuts out only a part corresponding to the time range Td to be measured from the digital data sequence from the downsampling unit 63, and the zero addition unit 12 performs FFT to satisfy the required frequency resolution. Assuming that the required number of samples is the reference sample number, zero data is added to the digital data string from the signal cutout gate 11 so as to reach this reference sample number. Details of processing in the zero adding unit 12 will be described later.

最初に、送受波器1からダウンサンプリング部63までの動作について説明する。   First, the operation from the transducer 1 to the downsampling unit 63 will be described.

このピークパワースペクトル検出装置では、水中に超音波パルスを発射する時には、送信周波数ftxの信号を送信回路3から送受信切替え回路2を介して送受波器1に供給する、その後、直ちに送受信切替え回路2を受信側とし、媒質(水中)からの反射エコーを送受波器1で受信して電気信号である受信信号に変換し、送受信切替え回路2を介して受信信号を受信増幅器4に供給する。その結果、受信信号は受信増幅器4において信号増幅され、変調器5において中間周波数信号に変換される。 In this peak power spectrum detection device, when an ultrasonic pulse is emitted into the water, a signal having a transmission frequency f tx is supplied from the transmission circuit 3 to the transmitter / receiver 1 via the transmission / reception switching circuit 2, and then the transmission / reception switching circuit immediately thereafter. 2 is a reception side, a reflected echo from a medium (underwater) is received by the transducer 1 and converted into a reception signal which is an electrical signal, and the reception signal is supplied to the reception amplifier 4 via the transmission / reception switching circuit 2. As a result, the received signal is amplified by the receiving amplifier 4 and converted into an intermediate frequency signal by the modulator 5.

図8は、受信信号と、局部発振回路6から変調器5に供給される局部発振周波数floc(45)の信号と周波数変換後の中間周波数fmid(46)の信号との関係を示している。受信増幅器2から出力される信号自体は、符号52で示されるような周波数帯域を有するものとする。受信信号の帯域51は、符号52で示す周波数帯域の一部であり、受信信号の周波数帯域の中心は、測定しようとするドップラー周波数の中心となる。これは、ドップラー周波数がゼロの時の周波数fc(47)であって、送信周波数ftxと同じである(fc=ftx)。変調器5は、受信信号と局部発振周波数flocの信号とを乗算して、受信信号を中間周波数fmidの信号に周波数変換する。ここでは、上述の図3の場合と同様に、局部発振周波数flocは受信信号よりも高い周波数に設定される、すなわちfloc>fc+Δfp/2であるものとする。受信信号の上限周波数をfmax(49)とし、下限周波数をfmin(48)とすると、フーリエ変換を実行すべき周波数範囲Δfp(51)は、Δfp=fmax−fminで表される。本実施形態のピークパワースペクトル検出装置では、フーリエ変換における最小サンプル数を実現するために、図9に示すように、ドップラー周波数の変化範囲Δfpを最終的に最小の周波数範囲に収めるようにする。言い換えれば、フーリエ変換の対象とする最高周波数をfbsとして、fbs=Δfpとなるように、周波数ゼロから周波数fbsまでの範囲内に周波数解析の範囲Δfpを収めるようにする。言い換えれば、フーリエ変換の対象とする最高周波数をfbsとして、fbs=Δfpとなるように、周波数ゼロから周波数fbsまでの範囲内に周波数解析の範囲Δfpを収めるようにする。以下、Δfpの範囲をこのように配置することについて説明する。 FIG. 8 shows the relationship between the received signal, the signal of the local oscillation frequency f loc (45) supplied from the local oscillation circuit 6 to the modulator 5 and the signal of the intermediate frequency f mid (46) after frequency conversion. Yes. The signal itself output from the receiving amplifier 2 has a frequency band as indicated by reference numeral 52. The band 51 of the received signal is a part of the frequency band indicated by reference numeral 52, and the center of the frequency band of the received signal is the center of the Doppler frequency to be measured. This is the frequency f c (47) when the Doppler frequency is zero, and is the same as the transmission frequency f tx (f c = f tx ). The modulator 5 multiplies the received signal by the signal having the local oscillation frequency f loc and frequency-converts the received signal to a signal having the intermediate frequency f mid . Here, as in the case of FIG. 3 described above, the local oscillation frequency f loc is set to a frequency higher than the received signal, that is, f loc > f c + Δf p / 2. Assuming that the upper limit frequency of the received signal is f max (49) and the lower limit frequency is f min (48), the frequency range Δf p (51) in which the Fourier transform is to be performed is expressed as Δf p = f max −f min. The In the peak power spectrum detection device of the present embodiment, in order to achieve a minimum number of samples in the Fourier transform, as shown in FIG. 9, so as fit in the final minimum frequency range variation range Delta] f p of the Doppler frequency . In other words, the maximum frequency of interest in the Fourier transform as f bs, such that f bs = Δf p, so as accommodate the range Delta] f p of frequency analysis in the range from zero frequency up to a frequency f bs. In other words, the maximum frequency of interest in the Fourier transform as f bs, such that f bs = Δf p, so as accommodate the range Delta] f p of frequency analysis in the range from zero frequency up to a frequency f bs. The following describes placing a range of Delta] f p in this way.

図9のスペクトル図において、所望する周波数解析の範囲はΔfp(71)であり、その最高周波数はfbs(69)であるから、フーリエ変換のサンプリング周波数fftは、これの2倍でよい。なお、範囲Δfp(71)の中心周波数fmfが符号70で表されている。(サンプリング周波数fftとして、Δfpの2倍よりは少し高めの周波数を使用してもよく、周波数範囲Δfpは、A/D変換の時にエリアシングが発生しない範囲にあればよい。 In the spectrum diagram of FIG. 9, the desired frequency analysis range is Δf p (71), and the highest frequency is f bs (69), so the sampling frequency f ft of the Fourier transform may be twice this. . The center frequency f mf range Δf p (71) is represented by reference numeral 70. (As the sampling frequency f ft , a frequency slightly higher than twice Δf p may be used, and the frequency range Δf p only needs to be within a range where aliasing does not occur during A / D conversion.

まず、中間周波数fmidについて説明する。図10は、2のべき乗でダウンサンプリングした時の信号を説明する図であって、受信信号を中間周波数fmidの信号に周波数変換したときのΔfpの帯域53と、目的とする最小周波数帯に投影したときのΔfpの帯域71とを示している。帯域71の最高周波数69をfbsとすると、fmidを次の式に示すように定めればよい。 First, the intermediate frequency f mid will be described. Figure 10 is a diagram illustrating a signal when downsampling power of 2, a band 53 of Delta] f p when the frequency conversion of the received signal into a signal of intermediate frequency f mid, minimum frequency band of interest It shows a band 71 of Delta] f p when projected onto. If the highest frequency 69 of the band 71 is f bs , f mid may be determined as shown in the following equation.

Figure 0005670836
Figure 0005670836

bs(69)をΔfpの帯域幅と同じに設定するとと、 f bs and (69) and by setting the same as the bandwidth Delta] f p,

Figure 0005670836
Figure 0005670836

が得られる。このようにして中間周波数fmidを求めたら、次に、局部発振周波数flocを決定する。図8の左側部分に示す中間周波数fmid(50)は、右側部分のfmid(46)と等しく、これはfmid=floc−fcであるから、
loc=fc+fmid=ftx+3.5×Δfp :式3−3
とflocを定めればよい。
Is obtained. After determining the intermediate frequency f mid in this way, the local oscillation frequency f loc is determined. The intermediate frequency f mid (50) shown in the left part of FIG. 8 is equal to f mid (46) of the right part, since f mid = f loc −f c ,
f loc = f c + f mid = f tx + 3.5 × Δf p : Equation 3-3
And f loc may be determined.

次に、A/D変換器61でのオーバーサンプリングによるサンプリング周波数fadcについて説明する。図11は、受信信号を中間周波数fmidの信号に周波数変換し、A/D変換器61によりデジタル信号に変換し、その後、デジタルBPF62により不要な周波数成分を削除してΔfpの範囲のみを抽出した信号53と、A/D変換器61のサンプリング周波数fadc(64)との関係を示している。ここで、中間周波数fmidの信号に変換した後のΔfpの範囲の上限周波数66をfmmとおくと、後述するダウンサンプリングを考えて、図10や式3−2に示すように、
mm=4×fbs :式3−4
とすればよいことが分かる。fmmは、A/D変換器61への入力信号の最高周波数となるから、mを2のべき乗(すなわちnを1以上の整数としてm=2n)として、m倍のオーバーサンプリングを行うこととすれば、式3−1から、サンプリング周波数fadcは、
adc=fmm×m=4×m×fbs :式3−5
で表されることになる。
Next, the sampling frequency fadc by oversampling in the A / D converter 61 will be described. 11, frequency-converts the received signal into a signal of intermediate frequency f mid, by the A / D converter 61 into a digital signal, then only the range of Delta] f p by removing unnecessary frequency components by digital BPF62 The relationship between the extracted signal 53 and the sampling frequency f adc (64) of the A / D converter 61 is shown. Here, placing the upper limit frequency 66 ranging Delta] f p after converting into a signal of intermediate frequency f mid and f mm, consider the downsampling described later, as shown in FIG. 10 and Formula 3-2,
f mm = 4 × f bs : Formula 3-4
You can see that. Since f mm is the highest frequency of the input signal to the A / D converter 61, m is oversampling with m being a power of 2 (that is, m = 2 n where n is an integer of 1 or more). Then, from equation 3-1, the sampling frequency f adc is
f adc = f mm × m = 4 × m × f bs : Formula 3-5
It will be represented by

次に、アナログフィルタ7に要求される特性について説明する。図12は、中間周波数fmid(50)とオーバーサンプリングによるサンプリング周波数fadc(64)との関係を示している。 Next, characteristics required for the analog filter 7 will be described. FIG. 12 shows the relationship between the intermediate frequency f mid (50) and the sampling frequency f adc (64) by oversampling.

A/D変換器61に対して供給される入力信号は、サンプリング定理に従い、アナログフィルタ7によって予め高域成分が減衰されていなければならない。上述したように、fmm(66)が信号の最高周波数であるから、これをアナログフィルタ7での通過帯域の上限とし、サンプリング周波数fadc(64)の半分の周波数fadc/2(65)において信号が十分に減衰(例えば、8ビット幅A/D変換であれば−48dB)していればよい。式3−5よりfmm(66)はfadc/mでもあるから、結局、信号の最高周波数であるfmmからみてそのm/2倍の周波数において十分な減衰が確保できればよいことになる。m倍のオーバーサンプリングを行うことにより、アナログフィルタにおいて必要とされるオクターブあたりの減衰量を1/mに緩和することが可能になって、アナログフィルタの設計が容易になる。m=8とした場合には、4次のバタワース型LPFに相当する減衰特性を有するフィルタをアナログフィルタ7に使用することが可能になり、アナログフィルタ7を容易に構成することが可能になる。 The high frequency component of the input signal supplied to the A / D converter 61 must be attenuated in advance by the analog filter 7 in accordance with the sampling theorem. As described above, since f mm (66) is the highest frequency of the signal, this is set as the upper limit of the pass band in the analog filter 7, and the frequency f adc / 2 (65) which is half the sampling frequency f adc (64). It is sufficient that the signal is sufficiently attenuated (for example, −48 dB in the case of 8-bit width A / D conversion). Since f mm (66) is also f adc / m according to the expression 3-5, it is only necessary to secure sufficient attenuation at a frequency that is m / 2 times higher than the maximum frequency f mm of the signal. By performing m-times oversampling, the attenuation per octave required in the analog filter can be reduced to 1 / m, and the design of the analog filter becomes easy. When m = 8, a filter having an attenuation characteristic corresponding to a fourth-order Butterworth LPF can be used for the analog filter 7, and the analog filter 7 can be easily configured.

次に、デジタルBPF62について説明する。アナログフィルタ7を介してA/D変換器61に入力してオーバーサンプリングされデジタル信号に変換された信号は、図12において符号54で示すように、解析対象とする周波数範囲Δfp(53)よりも広い周波数帯域を有している。そこでデジタルBPF62は、符号54で示す周波数範囲の信号から不要な信号成分を取り除き、図11に示すように所望の帯域Δfp(53)のみを取り出してダウンサンプリング部63に供給する。デジタルBPF62としては、BPF特性を有するFIR(有限インパルス応答;finite impulse response)デジタルフィルタを用いることができる。 Next, the digital BPF 62 will be described. The signal that is input to the A / D converter 61 via the analog filter 7 and is oversampled and converted into a digital signal is obtained from the frequency range Δf p (53) to be analyzed, as indicated by reference numeral 54 in FIG. Has a wide frequency band. Therefore, the digital BPF 62 removes unnecessary signal components from the signal in the frequency range indicated by reference numeral 54, extracts only the desired band Δf p (53) as shown in FIG. 11, and supplies it to the downsampling unit 63. As the digital BPF 62, an FIR (finite impulse response) digital filter having a BPF characteristic can be used.

次に、ダウンサンプリング部63によるダウンサンプリングについて説明する。デジタルBPF62によって処理することによって、中間周波数fmidに周波数変換された受信信号は、所望の帯域Δfp(53)の成分のみを有する信号となっている。ダウンサンプリング部63は、この信号を、mによってダウンサンプリングする。言い換えれば、m倍のオーバーサンプリングであるfadcでサンプリングされた信号を、サンプル数が2m分の1になるように、ダウンサンプリングを行う。図10及び図11の符号66は、帯域Δfpの最高周波数fmmを表しているが、式3−5から(fadc/m)=fmmであるから、1/mにダウンサンプリングした周波数fadc/mは、A/D変換時にエリアシングを発生させない最高周波数fmm(66)と等しいことになる。 Next, the downsampling performed by the downsampling unit 63 will be described. The received signal frequency-converted to the intermediate frequency f mid by processing by the digital BPF 62 is a signal having only a component in the desired band Δf p (53). The downsampling unit 63 downsamples this signal by m. In other words, the signal sampled by fadc , which is m times oversampling, is downsampled so that the number of samples becomes 1/2 m. Numeral 66 of FIG. 10 and FIG. 11, but represents the highest frequency f mm band Delta] f p, because it is from equation 3-5 (f adc / m) = f mm, frequency down-sampled to 1 / m f adc / m is equal to the maximum frequency f mm (66) that does not cause aliasing during A / D conversion.

ところで、符号53で表される、中間周波数fmidに変換されたのちの帯域Δfpは、全体として、ダウンサンプリングの周波数fadc/m(66)の半分の周波数fadc/2m(67)よりは高い周波数領域にあり、ダウンサンプリングによるエリアシング領域にあることになる。その結果、ダウンサンプリングを行うことにより、符号53で表される帯域Δfpは、周波数fadc/2m(67)を中心として鏡像対称で折り返され、図12において符号71で表される領域に移ることになる。fmm(66)はこの折り返しにより、符号68で示す周波数に移ることになる。ここでは、Δfp=fbs=fadc/4mとしているので、符号68で示す周波数は0Hzとなる。したがって、ドップラー周波数測定のための周波数解析の対象となる帯域Δfp(71)は、最終的に、0Hzからfbsまでの周波数範囲に移ったことになる。 Incidentally, represented by reference numeral 53, the band Delta] f p of after being converted to an intermediate frequency f mid as a whole, than the half of the down-sampling frequency f adc / m (66) frequency f adc / 2m (67) Is in the high frequency region and is in the aliasing region due to downsampling. As a result, by performing the down-sampling, band Delta] f p represented by reference numeral 53 is folded back in mirror symmetry about the frequency f adc / 2m (67), moves to a region represented by reference numeral 71 in FIG. 12 It will be. f mm (66) shifts to the frequency indicated by reference numeral 68 by this folding. Here, since Δf p = f bs = f adc / 4m, the frequency indicated by reference numeral 68 is 0 Hz. Therefore, the band Δf p (71) to be subjected to frequency analysis for Doppler frequency measurement has finally shifted to the frequency range from 0 Hz to f bs .

ところで、図9及び図10において、帯域Δfp(71)の最高周波数は符号69で表されるfbsである。デジタルBPF62によるデジタルフィルタリングを行っているので、ダウンサンプリング部63からの出力には、周波数fbsを超える成分は現れない。したがって、fbsの2倍である周波数fadc/2m(67)をフーリエ変換のサンプリング周波数fftとすることができる。 Incidentally, in FIG. 9 and FIG. 10, the maximum frequency of the band Δf p (71) is a f bs represented by reference numeral 69. Since digital filtering by the digital BPF 62 is performed, no component exceeding the frequency f bs appears in the output from the downsampling unit 63. Therefore, the frequency f adc / 2m (67) which is twice f bs can be set as the sampling frequency f ft of the Fourier transform.

Figure 0005670836
Figure 0005670836

次に、信号切り出しゲート11からFFT処理部13までの動作を説明する。   Next, the operation from the signal cut-out gate 11 to the FFT processing unit 13 will be described.

ダウンサンプリング部63からは、周波数fmf(70)を中心周波数とするように周波数が移された受信信号における瞬時値を表すデジタル値からなるデジタルデータ列が、クロック周波数をfadc/mとして逐次出力されている。そこで信号切り出しゲート11は、所望する時間範囲で、例えば、海中における深さ方向での潮流の流速分布を求める場合であれば、所望の深さに対応した時間範囲で、ダウンサンプリング部63から出力されるデジタルデータ列を切り出す。この切り出されたデータのサンプル数を切り出しサンプル数とする。ゼロ付加部12は、要求されている周波数分解能に対応するFFTのサンプル数を基準サンプル数として求め、基準サンプル数に達するように、基準サンプル数と切り出しサンプル数との差に相当する数のゼロデータ(値がゼロであるサンプル)を切り出されたデジタルデータ列に付加する。そして、ゼロデータが付加されてサンプル数が基準サンプル数とされたデジタルデータ列に対し、FFT処理部13がFFTを実行し、ピークパワースペクトルを算出する。算出されたピークパワースペクトルは、信号切り出しゲート11において切り出された範囲に対するものであって、信号におけるその時間範囲でのピークパワー周波数を示している。また、ゼロデータが付加されたことにより、信号においてFFTの対象となる時間幅が実質的に拡大されており、この時間幅の逆数が周波数分解能に該当することから、周波数分解能が向上している。このように、本実施形態によれば、受信信号の中での所望の時間範囲(あるいは距離範囲)のピークパワースペクトルを、FFTの演算だけで、所望の周波数精度を満たして検出することができる。 From the down-sampling unit 63, a digital data string composed of digital values representing instantaneous values in the received signal whose frequency is shifted so as to have the frequency f mf (70) as the center frequency is sequentially set with the clock frequency being f adc / m. It is output. Therefore, the signal cut-out gate 11 outputs from the down-sampling unit 63 in a desired time range, for example, when obtaining a flow velocity distribution of a tidal current in the depth direction in the sea, in a time range corresponding to the desired depth. The digital data string to be cut out. The number of samples of the extracted data is defined as the number of cut samples. The zero adding unit 12 calculates the number of FFT samples corresponding to the required frequency resolution as the reference sample number, and the number of zeros corresponding to the difference between the reference sample number and the cut sample number so as to reach the reference sample number. Data (sample with a value of zero) is added to the extracted digital data string. Then, the FFT processing unit 13 performs FFT on the digital data string in which zero data is added and the number of samples is the reference number of samples, and calculates a peak power spectrum. The calculated peak power spectrum is for the range cut out by the signal cut-out gate 11 and indicates the peak power frequency in the time range of the signal. In addition, by adding zero data, the time width to be subjected to FFT in the signal is substantially expanded, and the reciprocal of this time width corresponds to the frequency resolution, so the frequency resolution is improved. . As described above, according to the present embodiment, the peak power spectrum in a desired time range (or distance range) in the received signal can be detected by satisfying the desired frequency accuracy only by the FFT calculation. .

以下、数値例を挙げて、この実施形態における周波数分解能及びFFTにおけるサンプリング周波数について説明する。   Hereinafter, the frequency resolution in this embodiment and the sampling frequency in FFT will be described by giving numerical examples.

背景技術の欄で述べたものと同じ条件で、超音波のパルス状の信号を海中に送信し、移動物からの反射エコーのドップラー周波数を測定する場合を考える。すなわち、海水中の音波伝搬速度CをC=1500(m/s)とし、送信周波数ftxをftx=120kHzとし、検出最大速度(水平方向)VをV=15(m/s)とし、音波を水平方向から斜め方向(θ=60°)に送受信するものとする。 Consider a case where an ultrasonic pulse signal is transmitted into the sea under the same conditions as described in the background art section, and the Doppler frequency of a reflected echo from a moving object is measured. That is, the sound wave propagation speed C in seawater is C = 1500 (m / s), the transmission frequency f tx is f tx = 120 kHz, the maximum detection speed (horizontal direction) V is V = 15 (m / s), It is assumed that sound waves are transmitted and received in a diagonal direction (θ = 60 °) from the horizontal direction.

このとき、ドップラー信号は120±1.2(kHz)の範囲であり、速度精度として0.1m/sを要求すれば周波数分解能f0は12Hzとなる。また、ドップラー計測において検出対象とする位置の範囲(位置分解能)を7.5mとする。 At this time, the Doppler signal is in the range of 120 ± 1.2 (kHz), and if the speed accuracy is required to be 0.1 m / s, the frequency resolution f 0 is 12 Hz. In addition, the range (position resolution) of a position to be detected in Doppler measurement is set to 7.5 m.

観測対象とすべき周波数帯域Δfpは、Δfp≧2×1200=2400としなければならない。また、フーリエ変換での最大周波数fbsをfbs=Δfpとする。 The frequency band Δf p to be observed must be Δf p ≧ 2 × 1200 = 2400. Further, the maximum frequency f bs of the Fourier transform and f bs = Δf p.

信号の減衰帯域(1300Hz)を考慮して、
Δfp=(1200+1300)×2=2500×2=5000
とする。1300Hzの減衰帯域の外側では信号はほとんどゼロと考えてよいので、5kHz(すなわちfbs)においては信号はほとんどゼロである。
Considering the signal attenuation band (1300Hz),
Δf p = (1200 + 1300) × 2 = 2500 × 2 = 5000
And Outside the 1300 Hz attenuation band, the signal may be considered almost zero, so at 5 kHz (ie, f bs ), the signal is almost zero.

式3−1及び式3−3より、
中間周波数の中心: fmid=3.5×fbs=17500
局部発振周波数: floc=ftx+fmid=120000+17500=137500
となる。また、オーバーサンプリングの係数mをm=4とすると、A/D変換のサンプリング周波数fadcは、式3−5より、
A/D変換: fadc=4×m×fbs=16×5000=80000
フーリエ変換のサンプリング周波数fftは、
From Formula 3-1 and Formula 3-3,
Center of the intermediate frequency: f mid = 3.5 × f bs = 17500
Local oscillation frequency: f loc = f tx + f mid = 120,000 + 17500 = 137500
It becomes. Further, if the oversampling coefficient m is m = 4, the sampling frequency f adc of the A / D conversion is expressed by the equation 3-5:
A / D conversion: f adc = 4 × m × f bs = 16 × 5000 = 80000
The sampling frequency f ft of the Fourier transform is

Figure 0005670836
Figure 0005670836

となり、周波数分解能f0を満たすフーリエ変換でのサンプル数Nは、N=fft/f0≒833.3となる。834以上であって834に最も近い2のべき乗数は210=1024であるので、FFTでのサンプル数Nを1024とする。サンプル数を1024としたことにより、10000/1024≒9.77Hzの周波数分解能が達成される。 Thus, the number of samples N in the Fourier transform satisfying the frequency resolution f 0 is N = f ft / f 0 ≈833.3. Since the power of 2 that is equal to or larger than 834 and is closest to 834 is 2 10 = 1024, the number of samples N in FFT is 1024. By setting the number of samples to 1024, a frequency resolution of 10,000 / 1024≈9.77 Hz is achieved.

海中に音波パルスを発射して受信信号を観測し、その受信信号を中間周波数信号に変換した後の波形を示す図6において、上述したように、符号16は反射エコーを表し、符号17は送信信号自体を表し、符号18は海底エコーを表している。海底エコー18の周波数を解析し、式1−1に基づき、ドップラー周波数から船の速度を求める場合を考える。ここでは、送信信号などの不要な信号が含まれないようにするために、海底エコー18の部分だけを切り出してFFTを行い、海底からの反射波に関してドップラー周波数を求める。   In FIG. 6 which shows a waveform after emitting a sound wave pulse in the sea, observing a received signal, and converting the received signal into an intermediate frequency signal, reference numeral 16 represents a reflected echo, and reference numeral 17 represents transmission. The signal represents the signal itself, and reference numeral 18 represents a seabed echo. Consider a case where the frequency of the seafloor echo 18 is analyzed and the speed of the ship is obtained from the Doppler frequency based on Formula 1-1. Here, in order to prevent unnecessary signals such as transmission signals from being included, only the seafloor echo 18 is cut out and subjected to FFT to obtain the Doppler frequency for the reflected wave from the seabed.

図13は、図6に示す信号波形から海底エコーだけを切り出した信号19を示している。ただし、図6はFFTでのサンプリング周波数を160kHzとしたものであるのに対し、本実施形態ではFFTでのサンプリング周波数を10kHzとしているので、図13では、時間長では図6と図13とが一致するように、サンプリング周波数の比に合わせて、横軸もサンプル数表示では1/16にしている。ここでは、海底エコー19の部分として、音波パルスの送信から時間t2(26)の経過後に時間幅T2(24)を切り出すものとする。ここで切り出された信号は、サンプル数としては50個である。 FIG. 13 shows a signal 19 obtained by cutting out only the sea bottom echo from the signal waveform shown in FIG. However, in FIG. 6, the sampling frequency in FFT is 160 kHz, whereas in this embodiment, the sampling frequency in FFT is 10 kHz. Therefore, in FIG. 13, FIG. 6 and FIG. In order to match, the horizontal axis is also set to 1/16 in the sample number display in accordance with the sampling frequency ratio. Here, it is assumed that the time width T 2 (24) is cut out after the elapse of time t 2 (26) from the transmission of the sound wave pulse as the portion of the seabed echo 19. The signal cut out here is 50 samples.

時間幅T2の50個のサンプルのみを用いてフーリエ変換を行った場合の周波数分解能f0は、f0=10000Hz/50=200Hzとなり、要求されている周波数分解能である12Hzを全く満たさない。 The frequency resolution f 0 when the Fourier transform is performed using only 50 samples having the time width T 2 is f 0 = 10000 Hz / 50 = 200 Hz, which does not satisfy the required frequency resolution of 12 Hz.

そこでこの実施形態では、FFTについては周波数分解能f0を満たすようにサンプル数N=1024で実行するものとし、海底エコーの信号19の分のサンプル数は50なので、不足した974個のサンプルについては、ゼロ値からなるサンプルを挿入する。図13においてT0(23)は、1024個のサンプルに対応する時間であり、FFT解析の対象となる時間幅である。 Therefore, in this embodiment, the FFT is executed with the number of samples N = 1024 so as to satisfy the frequency resolution f 0, and the number of samples corresponding to the seafloor echo signal 19 is 50. Insert a sample of zero values. In FIG. 13, T 0 (23) is a time corresponding to 1024 samples and is a time width to be subjected to FFT analysis.

ここでT0=T2+T3の関係が成り立っており、測定したい範囲の信号19を切り出してFFT解析に必要なサンプル数Nを満たすように付加されるゼロ値信号の継続時間が、T3に対応することになる。時間幅T3の挿入位置は、時間幅T2すなわち切り出された信号19の前でも後でもよい。あるいは、信号19を挟むように前後に分割してゼロ値信号を挿入する時間幅を配置してFFT解析の時間幅T0(27)を設定してもよい。 Here, the relationship of T 0 = T 2 + T 3 holds, and the duration of the zero value signal added so as to satisfy the number N of samples necessary for FFT analysis by cutting out the signal 19 in the range to be measured is T 3. It will correspond to. The insertion position of the time width T 3 may be before or after the time width T 2, that is, the extracted signal 19. Alternatively, the time width T 0 (27) for FFT analysis may be set by arranging a time width for inserting the zero value signal by dividing the signal 19 before and after the signal 19 therebetween.

ここで示す例では、音波パルスの送信から信号の切り出しを開始するまでの経過時間t2(図13での符号26)と時間幅T2(図13での符号24)を予め定めているが、海底エコーのような強度の大きな反射エコーを検出対象とする場合であれば、切り出しまでの経過時間t2も切り出しの時間幅T2も自動検出して決定することも可能である。深度ごとの潮流の流速を求める場合などには、自動検出を行うことができないのでt2及びT2について予め設定しておくことになる。 In the example shown here, the elapsed time t 2 (symbol 26 in FIG. 13) and the time width T 2 (symbol 24 in FIG. 13) from the transmission of the sound wave pulse to the start of signal clipping are determined in advance. If a reflected echo having a high intensity such as a sea bottom echo is to be detected, it is possible to automatically detect and determine the elapsed time t 2 until the cutout and the time width T 2 of the cutout. When obtaining the flow velocity of the tidal current at each depth, automatic detection cannot be performed, and t 2 and T 2 are set in advance.

ここでゼロ付加部12によるゼロ値データの付加について説明する。   Here, addition of zero value data by the zero addition unit 12 will be described.

一般にFFTではその対象とするサンプル数は2のべき乗である必要がある。その一方で、FFTによる解析を行いたい対象データにおけるサンプル数が2のべき乗となっていないことはよくあることである。そこで、サンプル数が2のべき乗となるように、ゼロデータのサンプルを付加することがゼロパディングなどと称して行われている。その場合、とにかくFFTを行えるだけのサンプル数となればよいのであるから、対象データのサンプル数をNsとして、2L-1<Ns≦2Lを満たす自然数Lが存在する時に、2L−Ns個のゼロ値データを付加することになる。それに対して本実施形態では、単にFFTの実行が可能になるようにゼロ値データを付加するのではなく、FFTにおけるサンプリング周波数fftを考慮して所望の周波数分解能が得られるように、ゼロ値データを付加する。したがって、付加されるゼロ値データの数も、単にFFTを実行可能になるようにする場合に比べ、はるかに多くなることがある。上述した例では、海底エコーを切り出してサンプル数が50になったとして、単にFFTを実行するためだけであれば26=64であるので14個のゼロ値データを付加すればよいだけであるが、所望の周波数分解能を満たすようにするために、974個もののゼロ値データを付加しているのである。 In general, in FFT, the target number of samples needs to be a power of two. On the other hand, the number of samples in the target data to be analyzed by FFT is often not a power of two. Therefore, adding zero data samples so that the number of samples is a power of 2 is called zero padding. In that case, it is sufficient that the number of samples is enough to perform the FFT anyway. Therefore, when the number of samples of the target data is N s and there is a natural number L that satisfies 2 L−1 <N s ≦ 2 L , 2 L -N s zero value data will be added. On the other hand, in the present embodiment, zero value data is not added so that the FFT can be executed, but the zero value is obtained so that a desired frequency resolution can be obtained in consideration of the sampling frequency f ft in the FFT. Append data. Therefore, the number of zero value data added may be much larger than simply allowing the FFT to be performed. In the above-described example, assuming that the number of samples is 50 by cutting out the sea bottom echo, it is only necessary to add 14 zero-value data because 2 6 = 64 only for executing FFT. However, as many as 974 zero value data are added to satisfy the desired frequency resolution.

またこの実施形態では、FFTにおけるサンプル数は1024であるので、複素乗算の演算回数は10240回で済む。図2〜図5に示した従来の例では、本実施形態におけるものと同じ周波数分解能を得るために、FFTにおいて229376回の複素乗算を行わなければならないので、本実施形態によれば、同じ周波数分解能を得るために必要な複素乗算の回数が大幅に減少することがわかる。また、図2〜図5に示した従来の例では、海底エコーの部分だけを切り出してFFTを行ったときの周波数分解能は156Hzであったのに対し、本実施形態では9.77Hzの周波数分解能が維持される。   In this embodiment, since the number of samples in the FFT is 1024, the number of complex multiplication operations is only 10240. In the conventional example shown in FIGS. 2 to 5, in order to obtain the same frequency resolution as in the present embodiment, 229376 complex multiplications must be performed in the FFT. Therefore, according to the present embodiment, the same frequency is used. It can be seen that the number of complex multiplications required to obtain the resolution is greatly reduced. In the conventional example shown in FIGS. 2 to 5, the frequency resolution when the FFT is performed by cutting out only the sea bottom echo portion is 156 Hz, whereas in the present embodiment, the frequency resolution is 9.77 Hz. Is maintained.

このように本実施形態によれば、周波数分解能と位置分解能とを両立させることができ、しかも、フーリエ変換で必要なサンプル数を大幅に減らして演算量を大幅に削減することが可能になる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to achieve both frequency resolution and position resolution, and it is possible to greatly reduce the number of computations by greatly reducing the number of samples necessary for Fourier transform.

以上、本発明の好ましい実施形態について、反射エコーにおけるドップラー周波数の検出を例に挙げて説明したが、本発明の適用範囲はこれに限られるものではない。検出対象とすべき周波数範囲を想定できる信号から短い時間範囲の部分を切り出してFFTによる解析を行う場合に、本発明は広く一般的に適用可能である。   The preferred embodiment of the present invention has been described above by taking the detection of the Doppler frequency in the reflected echo as an example, but the scope of the present invention is not limited to this. The present invention is widely and generally applicable when a portion of a short time range is cut out from a signal that can assume a frequency range to be detected and analyzed by FFT.

1 送受波器
2 送受信切替え回路
3 送信回路
4 受信増幅器
5 変調器
6 局部発振回路
7 アナログフィルタ
10,61 A/D変換器
11 信号切り出しゲート
12 ゼロ付加部
13 FFT処理部
60 高次アナログフィルタ
62 デジタルBPF(バンドパスフィルタ)
63 ダウンサンプリング部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmitter / receiver 2 Transmission / reception switching circuit 3 Transmission circuit 4 Reception amplifier 5 Modulator 6 Local oscillation circuit 7 Analog filter 10,61 A / D converter 11 Signal extraction gate 12 Zero addition part 13 FFT processing part 60 High-order analog filter 62 Digital BPF (band pass filter)
63 Downsampling unit

Claims (6)

時間変化する受信信号における第1の周波数を含む所定の周波数帯域幅内で、かつ所望の時間幅の範囲内で、前記受信信号のピークパワー周波数を検出する方法であって、
前記第1の周波数とは異なる中間周波数の信号に前記受信信号を周波数変換する段階と、
アナログフィルタを適用して、前記周波数変換された信号から高域成分を除去する段階と、
前記アナログフィルタを適用した後の信号に対して第2の周波数でサンプリングしてA/D変換する段階と、
A/D変換で得られたデジタル信号に対してデジタルバンドパスフィルタを適用し、前記所定の周波数帯域幅に相当する信号のみを抽出する段階と、
前記第2の周波数の2のべき乗分の1の周波数をダウンサンプリング周波数として、前記所望の時間幅内において、前記デジタルバンドパスフィルタから出力される信号をダウンサンプリングして抽出するダウンサンプリング段階と、
必要とされる周波数分解能を満たすために高速フーリエ変換において必要なサンプル数を基準サンプル数として、該基準サンプル数に達するように、前記ダウンサンプリング段階から出力されるデジタルデータ列にゼロデータを付加する付加段階と、
前記ゼロデータが付加された前記デジタルデータ列に対してサンプリング周波数として第3の周波数を用いる高速フーリエ変換を行うFFT段階と、
を有し、
前記ダウンサンプリング段階において、前記ダウンサンプリングによって抽出される信号の周波数帯域が周波数ゼロから前記所定の周波数帯域幅に相当する帯域幅に配置され、
前記高速フーリエ変換の結果において最大値を示す周波数を前記ピークパワー周波数として検出する方法。
A method for detecting a peak power frequency of the received signal within a predetermined frequency bandwidth including a first frequency in a time-varying received signal and within a desired time width,
Transforming the received signal to a signal having an intermediate frequency different from the first frequency;
Applying an analog filter to remove high frequency components from the frequency converted signal;
Sampling the signal after applying the analog filter at a second frequency and performing A / D conversion;
Applying a digital bandpass filter to a digital signal obtained by A / D conversion, and extracting only a signal corresponding to the predetermined frequency bandwidth;
A downsampling step of downsampling and extracting a signal output from the digital bandpass filter within the desired time width, with a frequency that is a power of 2 of the second frequency being a downsampling frequency;
Zero data is added to the digital data sequence output from the downsampling stage so that the number of samples required in the fast Fourier transform to satisfy the required frequency resolution is set as the reference sample number so as to reach the reference sample number. An additional stage;
An FFT stage for performing a fast Fourier transform using a third frequency as a sampling frequency on the digital data sequence to which the zero data is added;
Have
In the down sampling step, the frequency band of the signals extracted by said down-sampling is disposed to a bandwidth corresponding to the predetermined frequency bandwidth from zero frequency,
A method of detecting a frequency showing a maximum value as a result of the fast Fourier transform as the peak power frequency.
前記所定の周波数帯域幅の周波数幅をΔfとし、第2及び第3の周波数をそれぞれf2及びf3とし、前記中間周波数をfmidとし、nを1以上の整数としてm=2nとし、
mid=3.5×Δf,
2=4×m×Δf,
3=f2/(2×m)
とする、請求項1に記載の方法。
The frequency width of the predetermined frequency bandwidth is Δf, the second and third frequencies are f 2 and f 3 , the intermediate frequency is f mid, and n is an integer greater than or equal to 1 and m = 2 n ,
f mid = 3.5 × Δf,
f 2 = 4 × m × Δf,
f 3 = f 2 / (2 × m)
The method according to claim 1.
前記基準サンプル数は、前記サンプリング段階で得られる前記デジタルデータ列のサンプル数の2倍以上である、請求項1または2に記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the reference sample number is at least twice the number of samples of the digital data sequence obtained in the sampling stage. 時間変化する受信信号における第1の周波数を含む所定の周波数帯域幅内で、かつ所望の時間幅の範囲内で、前記受信信号のピークパワー周波数を検出する装置であって、
前記受信信号を前記第1の周波数とは異なる中間周波数の信号に周波数変換する周波数変換手段と、
前記周波数変換された信号から高域成分を除去するアナログフィルタと、
前記アナログフィルタから出力される信号を第2の周波数でサンプリングしてA/D変換するA/D変換器と、
A/D変換器の出力に接続され、前記所定の周波数帯域幅に相当する信号のみを含むデジタル信号を出力するデジタルバンドパスフィルタと、
前記第2の周波数の2のべき乗分の1の周波数をダウンサンプリング周波数として、前記所望の時間幅内において、前記デジタルバンドパスフィルタから出力される信号をダウンサンプリングして抽出するダウンサンプリング手段と、
必要とされる周波数分解能を満たすために高速フーリエ変換において必要なサンプル数を基準サンプル数として、該基準サンプル数に達するように、前記ダウンサンプリング手段から出力されるデジタルデータ列にゼロデータを付加するゼロ付加手段と、
前記ゼロデータが付加された前記デジタルデータ列に対してサンプリング周波数として第3の周波数を用いる高速フーリエ変換を行うFFT手段と、
を有し、
前記ダウンサンプリング手段から出力される前記デジタルデータ列における信号の周波数帯域が周波数ゼロから前記所定の周波数帯域幅に相当する帯域幅に配置され、
前記高速フーリエ変換の結果において最大値を示す周波数を前記ピークパワー周波数として検出する、装置。
An apparatus for detecting a peak power frequency of the received signal within a predetermined frequency bandwidth including a first frequency in a time-varying received signal and within a desired time width,
Frequency conversion means for converting the frequency of the received signal into a signal having an intermediate frequency different from the first frequency;
An analog filter for removing high-frequency components from the frequency-converted signal;
An A / D converter that samples the signal output from the analog filter at a second frequency and performs A / D conversion;
A digital bandpass filter connected to the output of the A / D converter and outputting a digital signal including only a signal corresponding to the predetermined frequency bandwidth;
Downsampling means for downsampling and extracting a signal output from the digital bandpass filter within the desired time width, with a frequency that is a power of 2 of the second frequency being a downsampling frequency;
Zero data is added to the digital data sequence output from the down-sampling means so that the number of samples required in the fast Fourier transform to satisfy the required frequency resolution is set as the reference sample number so as to reach the reference sample number. Zero addition means;
FFT means for performing a fast Fourier transform using a third frequency as a sampling frequency for the digital data sequence to which the zero data is added;
Have
The frequency band of the signal in the digital data string output from the down-sampling means is arranged in a bandwidth corresponding to the predetermined frequency bandwidth from frequency zero,
The apparatus which detects the frequency which shows the maximum value in the result of the said fast Fourier transform as said peak power frequency.
前記所定の周波数帯域幅の周波数幅をΔfとし、第2及び第3の周波数をそれぞれf2及びf3とし、前記中間周波数をfmidとして、nを1以上の整数としてm=2nとし、
mid=3.5×Δf,
2=4×m×Δf,
3=f2/(2×m)
とする、請求項4に記載の装置。
The frequency width of the predetermined frequency bandwidth is Δf, the second and third frequencies are f 2 and f 3 , the intermediate frequency is f mid , and n is an integer greater than or equal to 1 and m = 2 n ,
f mid = 3.5 × Δf,
f 2 = 4 × m × Δf,
f 3 = f 2 / (2 × m)
The apparatus according to claim 4.
前記基準サンプル数は、前記サンプリング手段で得られる前記デジタルデータ列のサンプル数の2倍以上である、請求項5に記載の装置。   6. The apparatus according to claim 5, wherein the reference sample number is at least twice the number of samples of the digital data sequence obtained by the sampling means.
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