JP5699736B2

JP5699736B2 - パッシブソナー信号処理装置、パッシブソナー信号処理方法及びパッシブソナー信号処理プログラム

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Publication number: JP5699736B2
Application number: JP2011067975A
Authority: JP
Inventors: 和崇坂本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: JP2012202837A

Description

本発明は、パッシブソナー信号処理装置、パッシブソナー信号処理方法及びパッシブソナー信号処理プログラムに関し、特に目標が放射する信号の方位を検出する処理に用いられるパッシブソナー信号処理装置、パッシブソナー信号処理方法及びパッシブソナー信号処理プログラムに関する。

一般的に知られている通常のパッシブソナー装置は、例えば、特許文献１及び２に記載されている。

特許文献１及び２の例に限らず、パッシブソナー装置の基本的な原理としては、複数のアレイを配置し、整相処理によって特定の方位に受波指向性を持たせたうえで、その受波信号に対して、
（１）周波数分析によって特徴周波数を抽出する
（２）位相差あるいは、受信信号のエネルギー分布から信号到来方位を算出する
ための処理を行う。いかなる前処理や後処理を行うにしても、最終的には目標が放つ音の特徴周波数とその方位を検出することに集約される。

ところで、背景雑音レベルはランダムな雑音によって常に変化するため、単純な閾値設定を行うことによって信号検出を行うことは困難である。そのため、いかなる処理系であろうとも、Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ比）を抽出する処理が必須である。

一般的には、現在取得しているデータから移動平均等の統計処理によって背景雑音レベルを推定し、その値で正規化するＡＧＣ処理が良く知られている。

しかし、統計処理によって背景雑音レベルを推定する方法では、常に過去のデータに依存しているので、背景雑音レベルに大きな変動があった場合や異常値が混入した場合には、正常に信号検出が出来なくなる問題がある。

この課題を解決するための技術として、特許文献３に記載されている技術が提案されている。

特許文献３に記載されている技術は、３つの積分出力信号を用い、最小値検出回路を備え、最小値検出回路の出力信号を用いてダイナミックレンジの広い受信信号の背景雑音レベルを均一にするための自動利得調整回路に関するものである。

その他に、特許文献４及び５に記載されている技術が本願発明に関連したものである。

特公平６−９３０１６号公報特開平４−１４３６８３号公報特開昭６２−２４５１７３号公報特開平５−６６２５６号公報特開平８−１８４６６１号公報

通常の技術では、目標が放射する信号の方位を検出するための処理方法として、ＢＤＡＧＣ処理が用いられてきた。これは、任意の時刻における方位毎の周波数処理帯域加算データに対し、処理を行う両隣の方位データを用いて２次曲線回帰計算を行い、その結果を背景雑音レベルの推定値とし、その値で正規化することによりＳ／Ｎ比を算出する方法である。

しかし、ＢＤＡＧＣを用いた場合、ある方位に強い信号レベルが検出されると（図１参照）、その方位の両側における推定背景雑音レベルが２次曲線回帰計算によって高くなってしまうことから、信号Ｓ／Ｎ比が算出されないブラインドゾーンとなってしまう問題点がある（図２参照）。
さらに、ブラインドゾーンとなる方位の直近の方位については、推定背景雑音レベルが２次曲線回帰計算によって著しく低下することから、その値で正規化が行われることによって信号Ｓ／Ｎ比が算出され、意図しない方位に信号Ｓ／Ｎ比が検出されるゴーストが発生する問題点がある（図２参照）。

本発明の目的は、ブラインドゾーンもゴーストも発生しないパッシブソナー信号処理装置、パッシブソナー信号処理方法及びパッシブソナー信号処理プログラムを提供することを目的とする。

本発明の第１の観点によれば、パッシブソナーで受信した信号のレベルの隣接する方位チャネル間の比率を増減比として計算する微分処理手段と、前記増減比の値が１未満であることが続く各区間毎、前記増減比が１を超えることが続く各区間毎及び前記増減比が１である各区間毎にその区間に含まれる方位チャネルの前記増減比を掛け合わせることにより各区間毎の合計増減比を計算する積分処理手段と、前記合計増減比の値に基づいて選択された相互に異なった複数の方位チャネルの前記合計増減比に基づいて、前記信号のＳ／Ｎ比を計算するＳ／Ｎ検出処理手段と、を備え、前記Ｓ／Ｎ検出処理手段は、前記合計増減比が１を超える方位チャネル毎に、前記１を超える前記合計増減比と、前記合計増減比が１未満の方位チャネルのうち前記１を超える前記合計増減比に対応する方位チャネルの直近の方位チャネルの前記合計増減比の逆数との相乗平均を、前記合計増減比が１を超える前記方位チャネルの１つ下の隣接方位チャネルの信号のＳ／Ｎ比として計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理装置が提供される。

また、本発明の第２の観点によれば、パッシブソナーで受信した信号のレベルの隣接する方位チャネル間の比率を増減比として計算する微分処理ステップと、前記増減比の値が１未満であることが続く各区間毎、前記増減比が１を超えることが続く各区間毎及び前記増減比が１である各区間毎にその区間に含まれる方位チャネルの前記増減比を掛け合わせることにより各区間毎の合計増減比を計算する積分処理ステップと、前記合計増減比の値に基づいて選択された相互に異なった複数の方位チャネルの前記合計増減比に基づいて、前記信号のＳ／Ｎ比を計算するＳ／Ｎ検出処理ステップと、を有し、前記Ｓ／Ｎ検出処理ステップは、前記合計増減比が１を超える方位チャネル毎に、前記１を超える前記合計増減比と、前記合計増減比が１未満の方位チャネルのうち前記１を超える前記合計増減比に対応する方位チャネルの直近の方位チャネルの前記合計増減比の逆数との相乗平均を、前記合計増減比が１を超える前記方位チャネルの１つ下の隣接方位チャネルの信号のＳ／Ｎ比として計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理方法が提供される。

更に、本発明の第３の観点によれば、パッシブソナー信号処理装置としてコンピュータを機能させるためのパッシブソナー信号処理プログラムであって、前記コンピュータを、パッシブソナーで受信した信号のレベルの隣接する方位チャネル間の比率を増減比として計算する微分処理手段、前記増減比の値が１未満であることが続く各区間毎、前記増減比が１を超えることが続く各区間毎及び前記増減比が１である各区間毎にその区間に含まれる方位チャネルの前記増減比を掛け合わせることにより各区間毎の合計増減比を計算する積分処理手段、前記合計増減比の値に基づいて選択された相互に異なった複数の方位チャネルの前記合計増減比に基づいて、前記信号のＳ／Ｎ比を計算するＳ／Ｎ検出処理手段、として機能させ、前記Ｓ／Ｎ検出処理手段は、前記合計増減比が１を超える方位チャネル毎に、前記１を超える前記合計増減比と、前記合計増減比が１未満の方位チャネルのうち前記１を超える前記合計増減比に対応する方位チャネルの直近の方位チャネルの前記合計増減比の逆数との相乗平均を、前記合計増減比が１を超える前記方位チャネルの１つ下の隣接方位チャネルの信号のＳ／Ｎ比として計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理プログラムが提供される。

本発明によれば、ブラインドゾーンもゴーストも発生しない。

本発明の有効性を示すための、入力信号の一例を示す図である。通常の技術を用いた場合の問題点を説明するための図である。本発明の実施形態によるパッシブソナー信号処理装置の全体構成を示すブロック図である。図３に示す微分処理部の出力信号である方位チャネル毎の増減比を示す図である。図３に示すワンクロス積分処理部の出力信号である方位チャネル毎の合計増減比を示す図である。図３に示すＳ／Ｎ検出処理部の出力信号である方位チャネル毎のＳ／Ｎ比を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

図３に本実施形態によるパッシブソナー信号処理装置の全体構成を示す。

図３を参照すると、本実施形態によるパッシブソナー信号処理装置は、パッシブソナーで受信した方位チャネル毎の信号の方位チャネル間の増減比を計算する微分処理部１、増減比が１である区間、増減比が１を超える区間及び増減比が１未満である区間毎にその区間に含まれる方位チャネルの増減比を掛け合わせることにより合計増減比を計算するワンクロス積分処理部２、１を超える合計増減比と１を超えない合計増減比をペアとして抽出し、１を超える合計増減比と１を超えない合計増減比の逆数との相乗平均をとることによって、方位チャネル毎の信号Ｓ／Ｎ比を計算するＳ／Ｎ検出処理部３を含む。

次に、本実施形態によるパッシブソナー信号処理装置により行なわれるパッシブソナー信号処理方法について説明する。

微分処理部１は（１）式により、方位チャネル毎の信号増減比diff[ch+1]を算出する。

ch:受信チャネル（方位） (ch=0,1,・・・,N)
ワンクロス積分処理部２は、（２）式により、信号増減比が１未満であることが続く区間、信号増減比が１を超えることが続く区間及び信号増減比が１である区間毎にその区間に含まれる方位チャネルの増減比を掛け合わせることにより合計増減比Integral[j+1]を算出する。

但し、
信号増減比が１未満であることが続く区間については、
Diff[i-1]=>1, Diff[i]<1, Diff[i+1]<1,・・・,Diff[j]<1, Diff[j+1]=>1
信号増減比が１を超えることが続く区間については、
Diff[i-1]=<1, Diff[i]>1, Diff[i+1]>1,・・・,Diff[j]>1, Diff[j+1]=<1
信号増減比が１である区間については、
Diff[i]=Diff[i+1]=…Diff[j]=1
なおそのとき、（２）式によっては、i番目の方位チャネルからｊ番目の方位チャネルについての合計増減比を計算することができないが、それらのチャネルについての合計増減比を１とする。すなわち、
Integral[i]=integral[i+1]=integral[j]=1
とする。

Ｓ／Ｎ検出処理部３は、合計増減比が１を超える方位チャネルについて、２つの合計増減比に基づいて、信号Ｓ／Ｎ比を計算する。すなわち、Ｓ／Ｎ検出処理部３は、全ての方位チャネルの合計増減比を調べる。そして、合計増減比が１を超える各方位チャネル（以下、「第１次着目方位チャネル」という。）について、合計増減比が１未満である方位チャネルのうち第１次着目方位チャネルから最も近い方位チャネル（以下、「第２次着目方位チャネル」という。）を探す。そして、第１次着目方位チャネルの合計増減比と、第２次着目方位チャネルの合計増減比の逆数と、の相乗平均を第１次着目方位チャネルの隣の方位チャネルの信号Ｓ／Ｎ比S/N[ch-1]として計算する。この計算のための計算式を（３）式に表す。

ch :第１次着目方位チャネル
ch’:第２次着目方位チャネル
合計増減比が１を超えない方位チャネルについては、信号Ｓ／Ｎ比率を１とする。

本実施形態によれば、ブラインドゾーンもゴーストも発生しないという効果が奏される。

その理由は、本実施形態における処理において、入力信号から背景雑音レベル等を推定する処理ではなく、微分処理によって方位毎の増減比を直接算出し、ワンクロス積分処理によって合計増減比の算出を行い、Ｓ／Ｎ比検出処理によって合計増減比に基づいて方位毎のＳ／Ｎ比を算出するため、入力信号において確認できるピークとその増減比を、雑音レベル等を推定することなく直接算出するということである。

次に、具体例を用いてパッシブソナー信号処理装置により行なわれるパッシブソナー信号処理方法について説明をする。

図１に示すように、ある時刻において、受信方位チャネル毎にある周波数帯域でエネルギー加算されたデータが３６方位チャネル分入力されたとする。図１を参照すると、第３３方位チャネルの信号レベルが約６５０であり、第３４方位チャネルの信号レベルが約１７００であり、第３５方位チャネルの信号レベルが約５５０であり、その他の方位チャネルの信号レベルが約１００である。

微分処理部１は、前述の（１）式により、方位毎の信号増減比を算出する。その結果を図４に示す。図４を参照すると、第３３方位チャネルの増減比が約６．５（＝６５０／１００）であり、第３４方位チャネルの増減比が約２．６（＝１７００／６５０）であり、第３５方位チャネルの増減比が約０．３（＝５５０／１７００）であり、第３６方位チャネルの増減比が約０．２（＝１００／５５０）であり、他の方位チャネルの増減比が１（＝１００／１００）である。

ワンクロス積分処理部２は、具体的には、第３３方位チャネルと第３４方位チャネルよりなる区間が増減比が１を超えることが続く区間であるので、第３３方位チャネルの増減比（＝約６．５）と第３４方位チャネルの増減比（＝約２．６）とを掛け合わせることにより得た値（＝約１６．９）を、第３４方位チャネルの次の方位チャネルである第３５方位チャネルの合計増減比として計算する。また、ワンクロス積分処理部２は、具体的には、第３５方位チャネルから第３６方位チャネルを経由して第１方位チャネルまでの区間が増減比が１未満であることが続く区間であるので、第３５方位チャネルの増減比（＝約０．３）と第３６方位チャネルの増減比（＝約０．２）と第１方位チャネルの増減比（＝約０．９９）とを掛け合わせることにより得た値（＝約０．０６）を、第１方位チャネルの次の方位チャネルである第２方位チャネルの合計増減比として計算する。これら方位チャネル毎の合計増減比の計算結果を図５に示す。

Ｓ／Ｎ検出処理部３は、具体的には、第１次着目方位チャネルが第３５方位チャネルであり、第２次着目方位チャネルが第２方位チャネルであるので、第３５方位チャネルの合計増減比（＝約１６．９）と、第２チャネルの合計増減比（＝０．０６）の逆数の相乗平均（＝約１６．８）を、第３５方位チャネルの１つ下の隣接方位チャネルである第３４方位チャネルの信号Ｓ／Ｎ比として計算する。これら方位チャネル毎のＳ／Ｎ比の計算結果を図６に示す。

なお、上記のパッシブソナー信号処理装置は、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組合わせにより実現することができる。また、上記のパッシブソナー信号処理装置により行なわれるパッシブソナー信号処理方法も、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組合わせにより実現することができる。ここで、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えば、フレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば、光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ(Read Only Memory)、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ(Programmable ROM)、ＥＰＲＯＭ(Erasable PROM)、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ(random access memory)）を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）
信号のレベルの方位チャネル間の増減比を計算する微分処理手段と、
前記増減比の値に基づいて決められた区間毎に、該区間に含まれる方位チャネルの前記増減比を基に、合計増減比を計算する積分処理手段と、
前記合計増減比の値に基づいて選択された相互に異なった複数の方位チャネルの前記合計増減比に基づいて、前記信号のＳ／Ｎ比を計算するＳ／Ｎ検出処理手段と、
を備えることを特徴とするパッシブソナー信号処理装置。

（付記２）
付記１に記載のパッシブソナー信号処理装置であって、
前記微分処理手段は、前記信号のレベルの隣接する方位チャネル間の比率を前記増減比として計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理装置。

（付記３）
付記１又は２に記載のパッシブソナー信号処理装置であって、
前記積分処理手段は、前記増減比が１未満であることが続く各区間毎、前記増減比が１を超えることが続く各区間毎及び前記増減比が１である各区間毎にその区間に含まれる方位チャネルの前記増減比を掛け合わせることにより各区間毎の前記合計増減比を計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理装置。

（付記４）
付記１乃至３の何れか１に記載のパッシブソナー信号処理装置であって、
前記Ｓ／Ｎ検出処理手段は、１を超える前記合計増減比に対応する方位チャネル毎に、前記１を超える前記合計増減比と、１未満の前記合計増減比に対応する方位チャネルのうちの１を超える前記合計増減比に対応する方位チャネルの直近の方位チャネルに対応する前記合計増減比との比率に基づいて前記信号のＳ／Ｎ比を計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理装置。

（付記５）
信号のレベルの方位チャネル間の増減比を計算する微分処理ステップと、
前記増減比の値に基づいて決められた区間毎に、該区間に含まれる方位チャネルの前記増減比を基に、合計増減比を計算する積分処理ステップと、
前記合計増減比の値に基づいて選択された相互に異なった複数の方位チャネルの前記合計増減比に基づいて、前記信号のＳ／Ｎ比を計算するＳ／Ｎ検出処理ステップと、
を有することを特徴とするパッシブソナー信号処理方法。

（付記６）
付記５に記載のパッシブソナー信号処理方法であって、
前記微分処理ステップでは、前記信号のレベルの隣接する方位チャネル間の比率を前記増減比として計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理方法。

（付記７）
付記５又は６に記載のパッシブソナー信号処理方法であって、
前記積分処理ステップでは、前記増減比が１未満であることが続く各区間毎、前記増減比が１を超えることが続く各区間毎及び前記増減比が１である各区間毎にその区間に含まれる方位チャネルの前記増減比を掛け合わせることにより各区間毎の前記合計増減比を計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理方法。

（付記８）
付記５乃至７の何れか１に記載のパッシブソナー信号処理方法であって、
前記Ｓ／Ｎ検出処理ステップでは、１を超える前記合計増減比に対応する方位チャネル毎に、前記１を超える前記合計増減比と、１未満の前記合計増減比に対応する方位チャネルのうちの１を超える前記合計増減比に対応する方位チャネルの直近の方位チャネルに対応する前記合計増減比との比率に基づいて前記信号のＳ／Ｎ比を計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理方法。

（付記９）
パッシブソナー信号処理装置としてコンピュータを機能させるためのパッシブソナー信号処理プログラムであって、
コンピュータを、
信号のレベルの方位チャネル間の増減比を計算する微分処理手段と、
前記増減比の値に基づいて決められた区間毎に、該区間に含まれる方位チャネルの前記増減比を基に、合計増減比を計算する積分処理手段と、
前記合計増減比の値に基づいて選択された相互に異なった複数の方位チャネルの前記合計増減比に基づいて、前記信号のＳ／Ｎ比を計算するＳ／Ｎ検出処理手段と、
として機能させるためのパッシブソナー信号処理プログラム。

（付記１０）
付記９に記載のパッシブソナー信号処理プログラムであって、
前記微分処理手段は、前記信号のレベルの隣接する方位チャネル間の比率を前記増減比として計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理プログラム。

（付記１１）
付記９又は１０に記載のパッシブソナー信号処理プログラムであって、
前記積分処理手段は、前記増減比が１未満であることが続く各区間毎、前記増減比が１を超えることが続く各区間毎及び前記増減比が１である各区間毎にその区間に含まれる方位チャネルの前記増減比を掛け合わせることにより各区間毎の前記合計増減比を計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理プログラム。

（付記１２）
付記９乃至１１の何れか１に記載のパッシブソナー信号処理プログラムであって、
前記Ｓ／Ｎ検出処理手段は、１を超える前記合計増減比に対応する方位チャネル毎に、前記１を超える前記合計増減比と、１未満の前記合計増減比に対応する方位チャネルのうちの１を超える前記合計増減比に対応する方位チャネルの直近の方位チャネルに対応する前記合計増減比との比率に基づいて前記信号のＳ／Ｎ比を計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理プログラム。

１微分処理部
２ワンクロス積分処理部
３Ｓ／Ｎ比算出処理部

Claims

パッシブソナーで受信した信号のレベルの隣接する方位チャネル間の比率を増減比として計算する微分処理手段と、
前記増減比の値が１未満であることが続く各区間毎、前記増減比が１を超えることが続く各区間毎及び前記増減比が１である各区間毎にその区間に含まれる方位チャネルの前記増減比を掛け合わせることにより各区間毎の合計増減比を計算する積分処理手段と、
前記合計増減比の値に基づいて選択された相互に異なった複数の方位チャネルの前記合計増減比に基づいて、前記信号のＳ／Ｎ比を計算するＳ／Ｎ検出処理手段と、
を備え、
前記Ｓ／Ｎ検出処理手段は、前記合計増減比が１を超える方位チャネル毎に、前記１を超える前記合計増減比と、前記合計増減比が１未満の方位チャネルのうち前記１を超える前記合計増減比に対応する方位チャネルの直近の方位チャネルの前記合計増減比の逆数との相乗平均を、前記合計増減比が１を超える前記方位チャネルの１つ下の隣接方位チャネルの信号のＳ／Ｎ比として計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理装置。
パッシブソナーで受信した信号のレベルの隣接する方位チャネル間の比率を増減比として計算する微分処理ステップと、
前記増減比の値が１未満であることが続く各区間毎、前記増減比が１を超えることが続く各区間毎及び前記増減比が１である各区間毎にその区間に含まれる方位チャネルの前記増減比を掛け合わせることにより各区間毎の合計増減比を計算する積分処理ステップと、
前記合計増減比の値に基づいて選択された相互に異なった複数の方位チャネルの前記合計増減比に基づいて、前記信号のＳ／Ｎ比を計算するＳ／Ｎ検出処理ステップと、
を有し、
前記Ｓ／Ｎ検出処理ステップは、前記合計増減比が１を超える方位チャネル毎に、前記１を超える前記合計増減比と、前記合計増減比が１未満の方位チャネルのうち前記１を超える前記合計増減比に対応する方位チャネルの直近の方位チャネルの前記合計増減比の逆数との相乗平均を、前記合計増減比が１を超える前記方位チャネルの１つ下の隣接方位チャネルの信号のＳ／Ｎ比として計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理方法。
パッシブソナー信号処理装置としてコンピュータを機能させるためのパッシブソナー信号処理プログラムであって、
前記コンピュータを、
パッシブソナーで受信した信号のレベルの隣接する方位チャネル間の比率を増減比として計算する微分処理手段、
前記増減比の値が１未満であることが続く各区間毎、前記増減比が１を超えることが続く各区間毎及び前記増減比が１である各区間毎にその区間に含まれる方位チャネルの前記増減比を掛け合わせることにより各区間毎の合計増減比を計算する積分処理手段、
前記合計増減比の値に基づいて選択された相互に異なった複数の方位チャネルの前記合計増減比に基づいて、前記信号のＳ／Ｎ比を計算するＳ／Ｎ検出処理手段、
として機能させ、
前記Ｓ／Ｎ検出処理手段は、前記合計増減比が１を超える方位チャネル毎に、前記１を超える前記合計増減比と、前記合計増減比が１未満の方位チャネルのうち前記１を超える前記合計増減比に対応する方位チャネルの直近の方位チャネルの前記合計増減比の逆数との相乗平均を、前記合計増減比が１を超える前記方位チャネルの１つ下の隣接方位チャネルの信号のＳ／Ｎ比として計算することを特徴とするパッシブソナー信号処理プログラム。