JP5996325B2 - パルス検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルス検出装置に係り、特に、音源から発射されたパルス音を受信する装置で受信されたバースト信号の信号列から予め設定した条件に一致するパルスを検出するパルス検出装置に関する。

従来から、船上に搭載した受波器により受信された信号列から予め設定した条件に一致するパルスを検出するパルス検出装置が知られている。
パルス検出手法に関し、背景雑音の急激な変化に対応する手法は、特許文献１に示されている。特許文献１は、閾値を越える狭帯域分析結果が存在し、かつ、広帯域での比較処理により、広帯域レベルの急激な変化が検出されなかった場合に関してのみ、閾値を越えた狭帯域分析結果をパルス音と判定するパルス音探知装置を開示する。

特開平１０−２６８０２０号公報

しかし、特許文献１によるパルス音探知装置は、背景雑音と閾値の関係から雑音が閾値を上回らないことを前提としている。しかし、周囲環境の変動によりクラッタノイズ等の瞬時パワーが大きい指向幅を持つノイズを信号として誤検出してしまう。この問題に対して、ビーム本数を増加させ、指向幅の狭いビームにより雑音と信号の判別を行なう必要がある。パルス検出装置では到来方位を検出するため、ビーム本数を増加することにより、処理負荷が増大するため、ハードウェア規模が増大する。また、指向幅の狭いビームを形成するためには受波器の規模が増大してしまう。

上述した課題は、音源から発射されたパルス音を受信する装置で受信された信号列から、ディジタル信号処理により予め設定した条件に一致するバーストパルスを検出するパルス検出装置において、入力される前記信号列を周波数分析し、スペクトルを算出する手段と、背景雑音から閾値を算出する手段と、方位検出をする手段と、スペクトルと算出した閾値とを比較し、閾値を上回るスペクトルを検出した場合、閾値を上回る区間に対してパルスが存在すると判定する手段と、算出したパルス幅と予め設定するパルス幅とを比較し、予め設定するパルス幅より短い場合、第２閾値判定する手段とを備えることにより達成することができる。

本発明によれば、システム規模を大きくすることなく、検出確率を維持しつつ、瞬時パワーが大きいノイズに対しても誤警報確率を低減し、精度良く算出可能なパルス検出装置が可能となる。

目標検出装置の機能ブロック図である。 背景雑音を説明する図である。 パルス検出処理部の機能ブロック図である。 第２閾値を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、実施例を用い画面を参照しながら説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。

図１を参照して、目標検出装置の構成を説明する。図１において、目標検出装置１は、受波部２と、受信部３と、パルス検出処理部４とで構成されている。受波部２は、水中からの到来音波を受信する。受波部２は、音波を、電気信号に変換する。受信部３は、受信データの整相処理と帯域制限を行なう。受信部３は、左ビームと右ビームのスプリットビームを出力する。パルス検出処理部４は、入力された信号列にバーストパルスが存在するとき、その到来方位、パルス周波数およびパルス幅を出力する。

図２を参照して、背景雑音を説明する。図２において、横軸は時刻、縦軸は信号レベルである。信号部分の前後には、雑音部分が存在し、信号部分の背景にも雑音部分が重畳していると推定できる。

図３を参照して、パルス検出処理部の構成を説明する。図３において、パルス検出処理部４は、スペクトル検出部４１と、背景雑音算出部４２と、閾値判定部４３と、方位検出部４４と、パルス検出部４５と、第２閾値判定部４６とで構成されている。

スペクトル検出部４１は、入力信号列である左右スプリットビームの和から予め設定する長さのデータ窓を切り出す。スペクトル検出部４１は、当該窓に対して周波数分析を実行する。スペクトル検出部４１は、当該窓の周波数分析結果（周波数スペクトルレベル）を背景雑音算出部４２へ出力する。

背景雑音算出部４２は、入力されたデータ列から背景雑音を算出する。背景雑音を算出する際に、雑音のばらつきを抑制するため、受信データを積分した値を用いることが一般的である。しかし、図２に示すように、積分した背景雑音を用いる場合、信号部分を含めて切り出し、背景雑音が実際の推定値よりも高く設定される可能性がある。この場合、背景雑音が実際の推定値よりも大きく見積もられ、目標の検出確率が低下してしまう。

そこで、背景雑音推定結果が信号に影響されないように考慮し、背景雑音は受信データの中央値を使用する。中央値を用いた背景雑音は、Ｎ（ｆ）を周波数ｆにおける背景雑音、ｋを受信データのスペクトルレベルを小さい順に並べたとき中央に位置する時刻、Ｘ（ｆ，ｋ）を周波数ｆにおける時刻ｋのスペクトルレベルとすると、式１により算出される。背景雑音算出部４２は、算出した背景雑音を閾値判定部４３に出力する。

閾値判定部４３は、背景雑音算出部４２から入力された背景雑音から閾値を算出する。閾値判定部４３は、スペクトル検出部４１から入力された各データ窓の周波数スペクトルと閾値を比較し、閾値を上回るスペクトルの検出を行なう。検出閾値をＤＴとすると、周波数ｆにおける閾値Ｔ（ｆ）は式２により求められる。

スペクトルを検出した場合、閾値判定部４３は、方位検出部４４へ検出結果を出力する。
方位検出部４４は、受信部３の出力であるスプリットビームによる受信信号を利用する。方位検出部４４は、方位角について、スプリットビーム相関後の複素信号から位相差を求め、この位相差と周波数、音速およびビーム間距離から求める。方位検出部４４は、複素信号の実数部Ｒｅと虚数部Ｉｍにより位相差φを式３により求める。

この位相差φ、信号周波数ｆ、音速ｃ、ビーム間距離ｄに基づいて、方位検出部４４は、受信信号の到来方位角θを式４により求める。求めた到来方位角について、方位検出部４４は、パルス検出部４５へ出力する。

パルス検出部４５は、閾値を上回るスペクトルの検出結果を時系列に整理する。パルス検出部４５は、周波数の連続性および到来方位角の連続性からパルス検出を実施する。パルス検出部４５は、パルス検出が連続している区間をパルス幅とする。パルス検出部４５は、検出したスペクトルの周波数をパルス周波数、パルス幅をパルス検出結果とする。パルス検出部４５は、パルス検出結果を第２閾値判定部４６に出力する。

第２閾値判定部４６は、パルス検出部結果から予め設定した条件により、短パルスの判定を行なう。短パルスの判定がされなかった場合、第２閾値判定部４６は、パルス検出結果をそのまま信号として出力する。

一方、短パルスと判定した場合、第２閾値判定部４６は、パルス幅に応じた閾値により第２閾値判定を実施する。第２閾値判定部４６は、第２閾値以上の場合信号、第２閾値未満の場合雑音と判定する。パルス幅に応じた検出閾値をＤＴ２、周波数ｆにおける第２閾値をＴ２（ｆ）とすると、第２閾値判定部４６は、式５からＴ２（ｆ）を算出する。

図４を参照して、第２閾値を説明する。図４において、横軸は時刻、縦軸は信号レベルである。第２閾値判定部４６は、パルス幅がＷｓｐを超えるパルスに対して、（第１の）閾値を適用する。一方、パルス幅がＷｓｐ以下のパルスに対して、第２閾値判定部４６は、第２閾値を適用する。したがって、パルス幅がＷｓｐを超える時刻Ａのパルスを、第２閾値判定部４６は、信号と捕らえる。パルス幅がＷｓｐ以下の時刻Ｂのパルスを、第２閾値判定部４６は、雑音と捕らえる。すなわち、第２閾値判定部４６は、時刻Ｂのパルスをクラッタノイズと判定する。一方、パルス幅がＷｓｐ以下の時刻Ｃのパルスを、第２閾値判定部４６は、信号と捕らえる。なお、Ｗｓｐについて、第２閾値判定部４６は、適応的に変化させる。

パルス検出装置で検出するパルス幅は、目標の音源が遠距離の場合広く、近距離の場合狭いことは周知である。スペクトルレベルとパルス幅に明確な関係が存在するため、スペクトルレベルとパルス幅の関係を予め設定することにより、信号と雑音の判別がより精度よく実施することができる。

以上、本実施例により、周囲環境の変動によりクラッタノイズ等の瞬時パワーが大きいノイズをパルスとして誤検出してしまう問題に対し、パルス幅とスペクトルレベルの関係性を考慮した第２閾値判定が適用するため、瞬時パワーが大きいノイズに対しても誤警報確率を低減し、精度良く算出可能となる。

１…目標検出装置、２…受波部、３…受信部、４…パルス検出処理部、４１…スペクトル検出部、４２…背景雑音算出部、４３…閾値判定部、４４…方位検出部、４５…パルス検出部、４６…第２閾値判定部。

Claims (1)

1. 音源から発射されたパルス音を受信する装置で受信された信号列から、ディジタル信号処理によりバーストパルスを検出するパルス検出装置において、
   水中から受信した到来音波を電気信号に変換する受波部と、
   変換された電気信号から第１のスプリットビームと第２のスプリットビームとを出力する受信部と、
   前記第１のスプリットビームと前記第２のスプリットビームとの和である和ビームから切り出したデータ窓を周波数分析し、前記データ窓の周波数スペクトルレベルを出力するスペクトル検出部と、
   周波数スペクトルの、各周波数における時間軸方向の信号レベルの変化の中央値を背景雑音とする背景雑音算出部と、
   周波数スペクトルレベルのうち、前記背景雑音と遠距離信号または近距離信号を含む受信信号を検出するための検出閾値とに基づいて定められた第１の閾値を上回るレベルの周波数を検出する閾値判定部と、
   前記閾値判定部により検出された周波数について、受信信号の信号レベルの時系列の変化を求めるパルス検出部と、
   前記変化が連続している区間のうち、前記第１の閾値を上回る時刻と前記第１の閾値を下回る時刻との間をパルスとし、前記第１の閾値を上回る時刻と下回る時刻の間をパルス幅とし、前記パルス幅が所定のパルス幅を超えるパルスを遠距離信号ととらえ、前記パルス幅が所定のパルス幅以下の前記パルスについて、信号レベルが前記第１の閾値と近距離の信号を検出するための検出閾値とに基づいて定められた第２の閾値を超えるパルスを近距離信号ととらえ、信号レベルが前記第２の閾値以下のパルスを雑音としてとらえる第２閾値判定部と、
   を備えることを特徴とするパルス検出装置。

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