JP6236755B2 - Passive sonar device, transient signal processing method and signal processing program thereof - Google Patents
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Description
本発明は、パッシブソーナー装置、トランジェント信号処理方法及びその信号処理プログラムに関する。 The present invention relates to a passive sonar device, a transient signal processing method, and a signal processing program thereof.
パッシブソーナーは、水中(水面含む)に存在する目標が発生する音波を捉え、目標の存在と目標位置(方位)算出する装置である。このような受信音波には、目標が発する音の中で時間的に連続しない、又は、短い時間だけ継続する過渡音がある。以下、受信音波による信号を受信信号、過渡音による信号をトランジェント信号と記載する。 A passive sonar is a device that captures sound waves generated by a target existing in water (including the water surface) and calculates the presence and target position (orientation) of the target. Such a received sound wave includes a transient sound that is not continuous in time among sounds emitted by a target or continues for a short time. Hereinafter, a signal based on a received sound wave is referred to as a received signal, and a signal based on a transient sound is referred to as a transient signal.
このようなトランジェント信号の分析手法には、2つの代表的な手法が知られている。1つの手法は、フーリエ変換(FFT)により周波数分析する方法である。特に、トランジェント信号を分析する場合は、継続時間が短いために短時間FFTといわれる方法が用いられる。他の一つは、受信信号を検波してパワー分析する方法である。 Two typical techniques are known for analyzing such transient signals. One method is a method of performing frequency analysis by Fourier transform (FFT). In particular, when a transient signal is analyzed, a method called short-time FFT is used because the duration time is short. The other is a method of detecting the received signal and analyzing the power.
特開平10−177066号公報においては、パワー分析を用いてトランジェント信号を検出する技術が開示されている(を参照)。 Japanese Patent Laid-Open No. 10-177066 discloses a technique for detecting a transient signal using power analysis (see).
しかしながら、トランジェント信号の周波数帯域外に大きなパワーの雑音が存在する場合は、パワー分析によるトランジェント信号の検出が困難であった。 However, when there is a large power noise outside the frequency band of the transient signal, it is difficult to detect the transient signal by power analysis.
そこで、本発明の主目的は、トランジェント信号の周波数帯域外に大きなパワーの雑音源が存在する場合でもトランジェント信号が検出できるようにしたパッシブソーナー装置、トランジェント信号処理方法及びその信号処理プログラムを提供することである。 Accordingly, a main object of the present invention is to provide a passive sonar device, a transient signal processing method, and a signal processing program thereof that can detect a transient signal even when a high-power noise source is present outside the frequency band of the transient signal. That is.
上記課題を解決するため、パッシブソーナー装置に係る発明は、フーリエ変換された信号をPDAGC処理して、当該信号を正規化した正規化信号を出力すると共に、信号から音源の方位を算出して方位信号として出力する信号処理ユニットと、正規化信号と方位信号との少なくとも1つを周波数加算して、継続時間の短い信号を抽出した雑音除去信号を生成出力する雑音除去ユニットと、雑音除去信号に基づき画像を表示する表示部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to the passive sonar device performs PDAGC processing on the Fourier-transformed signal, outputs a normalized signal obtained by normalizing the signal, calculates the direction of the sound source from the signal, and calculates the direction. A signal processing unit that outputs as a signal, a noise removal unit that generates and outputs a noise removal signal obtained by extracting a signal having a short duration by frequency-adding at least one of a normalized signal and a direction signal, and a noise removal signal And a display unit for displaying an image based on the display unit.
また、トランジェント信号処理方法にかかる発明は、フーリエ変換された信号をPDAGC処理して、当該信号を正規化した正規化信号を出力すると共に、信号から音源の方位を算出して方位信号として出力する信号処理手順と、正規化信号と方位信号との少なくとも1つを周波数加算して、継続時間の短い信号を抽出した雑音除去信号を生成出力する雑音除去手順と、雑音除去信号に基づき画像を表示する表示手順と、を含むことを特徴とする。 In the invention according to the transient signal processing method, the Fourier-transformed signal is subjected to PDAGC processing, and a normalized signal obtained by normalizing the signal is output, and the direction of the sound source is calculated from the signal and output as the direction signal. A signal processing procedure, a noise removal procedure for generating and outputting a noise removal signal obtained by extracting a signal having a short duration by adding the frequency of at least one of a normalized signal and a direction signal, and displaying an image based on the noise removal signal And a display procedure to be performed.
さらに、トランジェント信号処理プログラムに係る発明は、フーリエ変換された信号をPDAGC処理して、当該信号を正規化した正規化信号を出力すると共に、信号から音源の方位を算出して方位信号として出力する信号処理ステップと、正規化信号と方位信号との少なくとも1つを周波数加算して、継続時間の短い信号を抽出した雑音除去信号を生成出力する雑音除去ステップと、雑音除去信号に基づき画像を表示する表示ステップと、を含むことを特徴とする。 Furthermore, the invention according to the transient signal processing program performs PDAGC processing on the signal subjected to Fourier transform, outputs a normalized signal obtained by normalizing the signal, calculates the azimuth of the sound source from the signal, and outputs the azimuth signal. A signal processing step, a noise removal step for generating and outputting a noise removal signal obtained by extracting a signal having a short duration by adding at least one of a normalized signal and an orientation signal, and displaying an image based on the noise removal signal And a display step.
本発明によれば、トランジェント信号の帯域外に大きなパワーの雑音源が存在する場合でもトランジェント信号が検出できるようになり、表示の視認性や信頼性が向上する。 According to the present invention, it becomes possible to detect a transient signal even when a noise source having a large power is present outside the band of the transient signal, and the visibility and reliability of display are improved.
本発明の実施形態を説明する。図1は、本実施形態に係るパッシブソーナー装置2のブロック図である。このパッシブソーナー装置2は、信号処理ユニット4、雑音除去ユニット6、表示部8を含んでいる。
An embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram of a
信号処理ユニット4は、FFT部11、正規化部12、方位計算部13を含んでいる。そして、信号処理ユニット10には、全方位からの信号を検出するオムニ(OMNI)信号、南北方向に指向性を持つNS信号、東西方向に指向性を持つEW信号を含む受信信号が入力する。そこで、信号処理ユニット10は、受信信号に基づき正規化信号を生成すると共に、方位信号を生成して出力する。
The
雑音除去ユニット6は、加算部14、減算部15、信号検出部16を含んでいる。そして、雑音除去ユニット6には正規化信号及び方位信号が入力して、これらの信号に対してAGC加算処理及びセクタ加算処理を行うことにより雑音が除去された雑音除去信号を生成し、またトランジェント信号を抽出した抽出信号を生成して出力する。
The
以下、各要素の詳細な構成及びその動作を図2に示すフローチャート及び図3〜図7を参照して説明する。 The detailed configuration and operation of each element will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. 2 and FIGS.
ステップS1: FFT部11は、受信信号に対してFFT処理を行う。このFFT処理は、信号を所定の時間窓で切り取り、切り取った時間毎の受信信号を高速フーリエ変換することにより周波数スペクトルを導出する処理である。
Step S1: The
ステップS2: 正規化部12は、FFT処理された信号の正規化を行い、これを正規化信号として出力する。この正規化方法としては公知の方法が適用できる。例えば、FFT部11で導出された周波数スペクトルの時間軸上での変動を抑制するため、入力した信号を所定の時定数で積分して正規化するポスト・デイテクト・オートマテック・ゲイン・コントロール(PDAGC:Post Detection Automatic Gain Control)が適用できる。
Step S2: The normalizing
即ち、このPDAGC処理は、周波数毎に予め設定した時間方向の指数移動平均(積分)を求め、その平均値でその周波数の振幅レベルを除算する等により、局所的な正規化を行う。そして、このような正規化を全ての周波数について順次実施する。このとき、周波数が低周波の場合は時定数を長い時間に設定し、高周波の場合は時定数を短い時間に設定することで、雑音の適切な除去が行える。このときPDAGC処理においてはフィルタを用いないので、簡単な構成で雑音除去が可能になる。 That is, this PDAGC process performs local normalization by, for example, obtaining an exponential moving average (integration) in the time direction set in advance for each frequency and dividing the amplitude level of the frequency by the average value. Then, such normalization is sequentially performed for all frequencies. At this time, when the frequency is low, the time constant is set to a long time, and when the frequency is high, the time constant is set to a short time, whereby noise can be appropriately removed. At this time, since no filter is used in the PDAGC process, noise can be removed with a simple configuration.
図3は、受信信号に対してPDAGC処理を行い得られた正規化信号を示した図である。また、図4は、PDAGC処理の前後の信号(FFT信号及び正規化信号)を模式的に示した分布図で、図4(a)はPDAGC処理前のFFT信号の周波数−時間分布、図4(b)はPDAGC処理後の正規化信号の周波数−時間分布である。図5も図4と同様にPDAGC処理の前後の信号を模式的に示した分布図である。但し、図5(a)はPDAGC処理前のFFT信号のレベル−周波数分布を示し、図5(b)はPDAGC処理後の正規化信号のレベル−周波数分布を示している。特に、図4から明瞭に解るように、FFT信号に対してPDAGC処理を行うことにより、継続時間の長い信号が抑圧又は除去された(即ち、トランジェント信号が残った)、正規化信号が得られる。 FIG. 3 is a diagram illustrating a normalized signal obtained by performing PDAGC processing on a received signal. 4 is a distribution diagram schematically showing signals before and after PDAGC processing (FFT signal and normalized signal). FIG. 4A is a frequency-time distribution of the FFT signal before PDAGC processing. (B) is a frequency-time distribution of the normalized signal after PDAGC processing. FIG. 5 is also a distribution diagram schematically showing signals before and after the PDAGC process as in FIG. 5A shows the level-frequency distribution of the FFT signal before PDAGC processing, and FIG. 5B shows the level-frequency distribution of the normalized signal after PDAGC processing. In particular, as clearly shown in FIG. 4, by performing PDAGC processing on the FFT signal, a signal with a long duration is suppressed or removed (that is, a transient signal remains), and a normalized signal is obtained. .
ステップS3: 方位計算部13は、NS信号やEW信号に基づきOMNI信号のフーリエ変換による周波数スペクトルが示す方位を算出する。この算出結果は、方位信号として雑音除去ユニット6に出力される。
Step S3: The direction calculation unit 13 calculates the direction indicated by the frequency spectrum by Fourier transform of the OMNI signal based on the NS signal and the EW signal. This calculation result is output to the
ステップS4: 加算部14は、正規化信号又は方位信号を周波数加算して度数信号を出力する。このとき、正規化信号に対して周波数加算処理(以下、AGC加算処理という)を行うか、方位信号に対して周波数加算処理(以下、セクタ加算処理という)を行うかは、ユーザによる選択指示が可能になっている。しかし、本実施形態はかかる構成に限定するものではなく、デフォルトとして両方の処理を自動的に行い、ユーザが表示部8における表示画面を見ながら選択できるようにしても良い。
Step S4: The adding
(AGC加算処理)
ユーザがAGC加算処理を選択した場合、加算部14は図5(b)に示すようなPDAGC処理による正規化信号を周波数について加算する。図6は、このことを説明する図で、図6(a)は図5(b)で示したレベル分布図であり、図6(b)は加算値(AGC加算処理により得られた値)を時間で示したレベル度数分布を示している。
(AGC addition processing)
When the user selects the AGC addition process, the
加算部14は、全周波数にわたってレベルを加算(レベル度数)して加算値を算出し、この加算値を度数信号として出力する。なお、図6(a)は或時間での周波数に対するレベル分布を示し、この加算値(レベル度数)が図6(b)における斜線に対応している。
(セクタ加算処理)
一方、ユーザがセクタ加算処理を選択した場合は、方位信号の周波数加算が行われて、度数信号が出力される。図7は、セクタ加算処理を説明する図である。以下、セクタ加算処理に得られた結果を方位度数、この方位度数分布を度数信号として出力する。図7(a)は方位信号を示した図であり、図7(b)は方位度数分布を示した図である。なお、図7(b)は、加算方位範囲を45度とした場合を例示している。そして、例えば中心方位90度は、方位67.5度〜112.5度の範囲の加算値(方位度数)である。
The
(Sector addition processing)
On the other hand, when the user selects the sector addition process, the frequency of the azimuth signal is added and a frequency signal is output. FIG. 7 is a diagram illustrating the sector addition process. Hereinafter, the result obtained in the sector addition process is output as an orientation frequency, and this orientation frequency distribution is output as a frequency signal. FIG. 7A is a diagram showing the azimuth signal, and FIG. 7B is a diagram showing the azimuth frequency distribution. FIG. 7B illustrates the case where the addition azimuth range is 45 degrees. For example, the central azimuth of 90 degrees is an added value (azimuth frequency) in the range of 67.5 degrees to 112.5 degrees of azimuth.
以下、適宜、レベル度数及び方位度数を単に度数と記載する。 Hereinafter, the level frequency and the azimuth frequency are simply referred to as frequency.
ステップS5: 減算部15は、レベル度数又は方位度数の平均値(度数平均値)を算出して、レベル度数又は方位度数から度数平均値を減算する。
Step S5: The
AGC加算処理の場合、減算部15は、レベル度数の時間に対する平均値を算出する。一方、セクタ加算処理の場合、減算部15は、方位度数の中心方位に対する平均値を算出する。図6(b)及び図7(b)における点線は度数平均値を示している。
In the case of the AGC addition process, the
そして、減算部15は、レベル度数又は方位度数から度数平均値を減算する。これにより、無指向性の雑音が除去された雑音除去信号を取得することができる。即ち、トランジェント信号の帯域外に大きなパワーの雑音源が存在する場合でもトランジェント信号が高精度に検出できるようになる。雑音除去信号は、信号検出部16及び表示部8に出力される。
Then, the
ステップS6: 信号検出部16は、雑音除去信号に対して予め設定された閾値で、閾値処理を行う。そして、この閾値より大きい値の信号を抽出して、抽出信号として表示部8に出力される。抽出された信号は、トランジェント信号を示している。
Step S6: The signal detection unit 16 performs threshold processing with a preset threshold for the noise removal signal. Then, a signal having a value larger than the threshold value is extracted and output to the
ステップS7: 表示部8は、雑音除去信号や抽出信号を画像表示する。このとき、表示部8は雑音除去信号を画像表示すると共に、その上に抽出信号を画像表示する。抽出信号を画像表示することにより、トランジェント信号を強調して表示することが可能になる。無論、本実施形態は抽出信号を画像表示することに限定するものではなく、文字情報として表示しても良い。
Step S7: The
そして、ユーザは表示をAGC加算処理に基づく画像を表示させるか、セクタ加算処理に基づく画像を表示させるかを加算部14に指示する。これにより、AGC加算処理に基づく画像が表示されている場合には、セクタ加算処理に基づく画像が表示できるようになる。
Then, the user instructs the adding
以上により、トランジェント信号の帯域外に大きなパワーの雑音源が存在する場合でもトランジェント信号が検出できるようになる。 As described above, the transient signal can be detected even when a noise source with a large power exists outside the band of the transient signal.
また、AGC加算処理とセクタ加算処理とに基づく画像が選択できるようになるため、ユーザの要求に適合した画像表示が可能になり、利便性が向上する。 Further, since an image based on the AGC addition process and the sector addition process can be selected, it is possible to display an image suitable for the user's request, and the convenience is improved.
2 パッシブソーナー装置
4 信号処理ユニット
6 雑音除去ユニット
8 表示部
10 信号処理ユニット
12 正規化部
13 方位計算部
14 加算部
15 減算部
16 信号検出部
2
Claims (12)
前記正規化信号を周波数加算すると共に前記方位信号を周波数加算して、継続時間の短い信号を抽出した雑音除去信号を生成出力する雑音除去ユニットと、
前記雑音除去信号に基づき画像を表示する表示部と、を備え、
前記雑音除去ユニットは、
前記正規化信号を周波数加算すると共に前記方位信号を周波数加算して度数信号として出力する加算部と、
前記度数信号の平均値を算出し、前記度数信号から当該平均値を減算して雑音除去信号として出力する減算部と、
予め設定された閾値より大きい前記雑音除去信号を抽出して抽出信号として出力する信号検出部と、
を備えることを特徴とするパッシブソーナー装置。 An exponential moving average in the time direction set in advance for each frequency of the Fourier-transformed signal is obtained, and a normalized signal obtained by dividing the amplitude level of the frequency by the average value is output. A signal processing unit that calculates an azimuth and outputs it as an azimuth signal;
The orientation signal by the frequency adder as well as frequency adding the normalized signal, a noise elimination unit for generating and outputting a noise removing signal obtained by extracting the short signal duration,
A display unit for displaying an image based on the noise removal signal,
The noise removal unit includes:
An addition unit for outputting a frequency signal the direction signal and the frequency sum with frequency adding the normalized signal,
A subtractor that calculates an average value of the frequency signal and subtracts the average value from the frequency signal and outputs it as a noise removal signal;
A signal detection unit that extracts the noise removal signal that is larger than a preset threshold and outputs the signal as an extraction signal;
A passive sonar device comprising:
前記加算部は、前記正規化信号から前記度数信号を算出する際に、所定の時間間隔で前記正規化信号のレベルを加算したレベル度数を導出して、所定時間にわたるレベル度数分布を算出して出力することを特徴とするパッシブソーナー装置。 The passive sonar device according to claim 1,
The adding unit derives a level frequency obtained by adding the levels of the normalized signal at a predetermined time interval when calculating the frequency signal from the normalized signal, and calculates a level frequency distribution over a predetermined time. A passive sonar device characterized by output.
前記加算部は、前記方位信号から前記度数信号を算出する際に、所定の方位範囲に含まれる方位信号を加算した方位度数を導出して、所定方位範囲にわたる方位度数分布を算出して出力することを特徴とするパッシブソーナー装置。 The passive sonar device according to claim 1,
The adding unit derives the azimuth frequency obtained by adding the azimuth signals included in the predetermined azimuth range when calculating the frequency signal from the azimuth signal, and calculates and outputs the azimuth frequency distribution over the predetermined azimuth range. A passive sonar device characterized by that.
前記表示部は、前記減算部からの雑音除去信号を画像表示すると共に、前記信号検出部からの前記抽出信号を画像で表示し、又は文字情報で表示することを特徴とするパッシブソーナー装置。 The passive sonar device according to any one of claims 1 to 3,
The display unit displays a noise removal signal from the subtraction unit as an image, and displays the extracted signal from the signal detection unit as an image or character information.
前記正規化信号を周波数加算すると共に前記方位信号を周波数加算して、継続時間の短い信号を抽出した雑音除去信号を生成出力する雑音除去手順と、
前記雑音除去信号に基づき画像を表示する表示手順と、を含み、
前記雑音除去手順は、
前記正規化信号を周波数加算すると共に前記方位信号を周波数加算して度数信号として出力する加算手順と、
前記度数信号の平均値を算出し、前記度数信号から当該平均値を減算して雑音除去信号として出力する減算手順と、
予め設定された閾値より大きい前記雑音除去信号を抽出して抽出信号として出力する信号検出手順と、を含むことを特徴とするトランジェント信号処理方法。 An exponential moving average in the time direction set in advance for each frequency of the Fourier-transformed signal is obtained, and a normalized signal obtained by dividing the amplitude level of the frequency by the average value is output. A signal processing procedure for calculating an azimuth and outputting it as an azimuth signal;
The orientation signal by the frequency adder as well as frequency adding the normalized signal, and noise removal procedure for generating and outputting a noise removing signal obtained by extracting the short signal duration,
A display procedure for displaying an image based on the noise removal signal,
The denoising procedure includes:
An addition procedure for adding the frequency of the normalized signal and adding the frequency of the azimuth signal to output as a frequency signal;
A subtraction procedure for calculating an average value of the frequency signal, subtracting the average value from the frequency signal and outputting as a noise removal signal;
And a signal detection procedure for extracting the noise removal signal larger than a preset threshold value and outputting the extracted signal as an extraction signal.
前記加算手順は、前記正規化信号から前記度数信号を算出する際に、所定の時間間隔で前記正規化信号のレベルを加算したレベル度数を導出して、所定時間にわたるレベル度数分布を算出して出力することを特徴とするトランジェント信号処理方法。 The transient signal processing method according to claim 5,
When the frequency signal is calculated from the normalized signal, the addition procedure derives a level frequency obtained by adding the levels of the normalized signal at a predetermined time interval, and calculates a level frequency distribution over a predetermined time. A transient signal processing method comprising: outputting a transient signal.
前記加算手順は、前記方位信号から前記度数信号を算出する際に、所定の方位範囲に含まれる方位信号を加算した方位度数を導出して、所定方位範囲にわたる方位度数分布を算出して出力することを特徴とするトランジェント信号処理方法。 The transient signal processing method according to claim 5,
In the addition procedure, when calculating the frequency signal from the azimuth signal, the azimuth frequency obtained by adding the azimuth signals included in the predetermined azimuth range is derived, and the azimuth frequency distribution over the predetermined azimuth range is calculated and output. And a transient signal processing method.
前記表示手順は、前記減算手順からの雑音除去信号を画像表示すると共に、前記信号検出手順からの前記抽出信号を画像で表示し、又は文字情報で表示することを特徴とするトランジェント信号処理方法。 The transient signal processing method according to any one of claims 5 to 7,
In the display procedure, the noise removal signal from the subtraction procedure is displayed as an image, and the extracted signal from the signal detection procedure is displayed as an image or displayed as character information.
前記正規化信号を周波数加算すると共に前記方位信号を周波数加算して、継続時間の短い信号を抽出した雑音除去信号を生成出力する雑音除去ステップと、
前記雑音除去信号に基づき画像を表示する表示ステップと、を含み、
前記雑音除去ステップは、
前記正規化信号を周波数加算すると共に前記方位信号を周波数加算して度数信号として出力する加算ステップと、
前記度数信号の平均値を算出し、前記度数信号から当該平均値を減算して雑音除去信号として出力する減算ステップと、
予め設定された閾値より大きい前記雑音除去信号を抽出して抽出信号として出力する信号検出ステップと、を含むことを特徴とするトランジェント信号処理プログラム。 An exponential moving average in the time direction set in advance for each frequency of the Fourier-transformed signal is obtained, and a normalized signal obtained by dividing the amplitude level of the frequency by the average value is output. A signal processing step of calculating an azimuth and outputting it as an azimuth signal;
The orientation signal by the frequency adder as well as frequency adding the normalized signal, and noise removal step for generating and outputting a noise removing signal obtained by extracting the short signal duration,
Displaying an image based on the noise removal signal, and
The noise removal step includes:
An addition step of adding the frequency of the normalized signal and adding the frequency of the azimuth signal to output as a frequency signal;
A subtraction step of calculating an average value of the frequency signal, subtracting the average value from the frequency signal and outputting as a noise removal signal;
And a signal detection step of extracting the noise removal signal larger than a preset threshold value and outputting the extracted signal as an extraction signal.
前記加算ステップは、前記正規化信号から前記度数信号を算出する際に、所定の時間間隔で前記正規化信号のレベルを加算したレベル度数を導出して、所定時間にわたるレベル度数分布を算出して出力することを特徴とするトランジェント信号処理プログラム。 The transient signal processing program according to claim 9,
In the addition step, when calculating the frequency signal from the normalized signal, a level frequency obtained by adding the level of the normalized signal at a predetermined time interval is derived, and a level frequency distribution over a predetermined time is calculated. A transient signal processing program for outputting.
前記加算ステップは、前記方位信号から前記度数信号を算出する際に、所定の方位範囲に含まれる方位信号を加算した方位度数を導出して、所定方位範囲にわたる方位度数分布を算出して出力することを特徴とするトランジェント信号処理プログラム。 The transient signal processing program according to claim 9,
In the adding step, when calculating the frequency signal from the azimuth signal, the azimuth frequency obtained by adding the azimuth signals included in the predetermined azimuth range is derived, and the azimuth frequency distribution over the predetermined azimuth range is calculated and output. The transient signal processing program characterized by the above-mentioned.
前記表示ステップは、前記減算ステップからの雑音除去信号を画像表示すると共に、前記信号検出ステップからの前記抽出信号を画像で表示し、又は文字情報で表示することを特徴とするトランジェント信号処理プログラム。 A transient signal processing program according to any one of claims 9 to 11,
In the transient signal processing program, the display step displays an image of the noise removal signal from the subtraction step, and displays the extracted signal from the signal detection step as an image or character information.
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