JP6258574B2 - パッシブソーナー装置、方位集中処理方法、及び、パッシブソーナー信号処理プログラム - Google Patents

Description

本発明は、パッシブソーナー装置、方位集中処理方法、及び、パッシブソーナー信号処理プログラムに関する。

水中（水面含む）に存在する目標が発した音波を検出することで、目標の存在や位置（方位）等を検出するためにパッシブソーナー装置が用いられている。

このとき、受信信号には目標からの帯域の狭い狭帯域信号（ナローバンド信号）の他に、目標以外からの帯域の広い広帯域信号（ブロードバンド信号）が含まれていることがある。

図５は、受信信号をフーリエ変換して得られた信号を画像表示した図である。横軸は周波数、縦軸は時間を示し、符号Ｓｎはナローバンド信号、符号Ｓｂはブロードバンド信号を示している。ナローバンド信号Ｓｎは帯域が狭いので線状に表示されるが、ブロードバンド信号Ｓｂは帯域が広いため帯状になる。そして、ブロードバンド信号Ｓｂとナローバンド信号Ｓｎとが重なっている領域では、ナローバンド信号Ｓｎの識別性は著しく低下している。

そこで、このブロードバンド信号Ｓｂを検出して識別性を向上させることが考えられる。ブロードバンド信号を検出する技術には、例えば特許文献１のような提案がある。

特開２００４−１１８１０８号公報

しかしながら、特開２００４−１１８１０８号公報においては、ナローバンド信号を残してブロードバンド信号を除去する技術については開示していないため、ナローバンド信号の視認性を向上させることができない問題があった。

そこで、本発明の主目的は、ナローバンド信号に影響を与えることなくブロードバンド信号を除去することによりナローバンド信号の視認性を向上させたパッシブソーナー装置、方位集中処理方法、及び、パッシブソーナー信号処理プログラムを提供することである。

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、受信信号をフーリエ変換し、その後に正規化して正規化信号として出力すると共に、受信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、方位信号に基づき音源の方位密度分布を算出し、該方位密度分布から方位を先鋭化して先鋭化信号として出力する方位集中ユニットと、正規化信号から先鋭化信号を減算してブロード除去信号として出力するブロード方位除去部と、ブロード除去信号に基づき画像を表示する表示処理ユニットと、を備えることを特徴とする。

また、方位集中処理方法に係る発明は、受信信号をフーリエ変換し、その後に正規化して正規化信号として出力すると共に、受信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、方位信号に基づき音源の方位密度分布を算出し、該方位密度分布から方位を先鋭化して先鋭化信号として出力する方位集中手順と、正規化信号から先鋭化信号を減算してブロード除去信号として出力するブロード方位除去手順と、ブロード除去信号に基づき画像を表示する表示処理手順と、を含むことを特徴とする。

さらに、パッシブソーナー信号処理プログラムに係る発明は、受信信号をフーリエ変換し、その後に正規化して正規化信号として出力すると共に、受信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、方位信号に基づき音源の方位密度分布を算出し、該方位密度分布から方位を先鋭化して先鋭化信号として出力する方位集中ステップと、正規化信号から先鋭化信号を減算してブロード除去信号として出力するブロード方位除去ステップと、ブロード除去信号に基づき画像を表示する表示処理ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ブロードバンド信号を先鋭化して除去するので、ナローバンド信号の視認性を向上させることが可能になる。

本発明の実施形態の説明に適用されるパッシブソーナー装置のブロック図である。 パッシブソーナー装置の動作手順を説明するフローチャートである。 先鋭化処理を説明する図で、（ａ）は方位密度分布算出部で演算される方位密度分布図、（ｂ）は先鋭化部で先鋭化して算出した先鋭化信号の模式図である。 ブロードバンド信号を除去する前後の画像等を示す図で、（ａ）は正規化信号を画像表示した図、（ｂ）は先鋭化信号を方位と時間とで示した図、（ｃ）はブロードバンド信号を除去した際の画像である。 関連技術の説明に適用されるブロードバンド信号とナローバンド信号とが重なった図である。

本発明の実施形態を説明する。図１は本実施形態にかかるパッシブソーナー装置２Ａのブロック図である。パッシブソーナー装置２Ａは、信号処理ユニット１０、ブロード方位除去部２０、方位集中ユニット３０、表示処理ユニット４０を含んでいる。

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を受信する。そして、この受信信号に基づき正規化信号を生成してブロード方位除去部２０に出力すると共に、方位信号を生成して方位集中ユニット３０に出力する。

方位集中ユニット３０は、方位密度分布算出部３１、先鋭化部３２を含み、先鋭化部３２は、閾値判定部３２ａ、ピーク抽出部３２ｂ、ゲート部３２ｃを含んでいる。そして、信号処理ユニット１０からの方位信号から先鋭化信号を生成して、これをブロード方位除去部２０に出力する。

ブロード方位除去部２０は、正規化信号から先鋭化信号を差引いた値をブロード除去信号として表示処理ユニット４０に出力する。

表示処理ユニット４０は、輝度変換部４１、表示部４２を含んでいる。そして、ブロード方位除去部２０からのブロード除去信号を表示のための輝度信号に変換し、表示する。

以下、各要素の詳細な構成を、図２に示すフローチャートを参照して動作説明と同時に行う。その際に、図３〜図４を参照する。図３（ａ）は、方位密度分布算出部３１で演算される方位密度分布図であり、図３（ｂ）は先鋭化部３２で先鋭化して算出した先鋭化信号の模式図である。先鋭化信号は、各ゲートのゲート値である。このゲート値については、後述する。

また、図４（ａ）は正規化信号を画像表示した図、図４（ｂ）は先鋭化信号を方位と時間とで示した図、図４（ｃ）はブロードバンド信号が除去した際の画像である。なお、図４（ｂ）は、図３（ｂ）における方位−時間平面における方位密度を示している。

ステップＳ１： 信号処理ユニット１０におけるＦＦＴ部１１は、受信信号を時間窓で切り取り、切り取った時間毎のデータを高速フーリエ変換して周波数スペクトルを出力する。

ステップＳ２： 正規化部１２は、周波数毎に予め設定した周波数区間長での局所平均を求め、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。

具体的には、所定分解能に応じた周波数毎の信号レベルのサンプル（ビン）を用いて、ブロードバンド信号の帯域内の予め設定した所定の周波数区間長を単位として、当該周波数区間長内の各信号レベルの平均値である局所平均値を求める。そして、周波数区間長の中央のサンプルの信号レベルを局所平均値で割り算した値を求める。このような正規化を順次サンプル間隔ずつずらして求める。

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、方位信号として方位集中ユニット３０の方位密度分布算出部３１に出力される。

ステップＳ４： 方位集中ユニット３０における方位密度分布算出部３１は、方位計算部１３からの方位信号を用いて、図３（ａ）に示すような各方位に対する方位密度分布を算出する。

ステップＳ５： 先鋭化部３２における閾値判定部３２ａは、予め設定された閾値より大きい方位密度を抽出する。この閾値は、雑音除去等を主目的としており、その値は統計的処理や経験則に基づき予め設定されている。以下、この閾値を超えたデータを先鋭化候補データと記載する。

図３（ａ）において、閾値は点線で示されている。そして、先鋭化候補データ（図３（ａ）においては黒丸印［●］）は、複数のグループを形成している。このグループは、ブロードバンド信号に対応していると見なすことができる。なお、ナローバンド信号も方位密度分布を持つが（方位密度分布にはナローバンド信号も含まれるが）、その密度値に対する寄与は小さく、雑音に隠れてしまう。このため、閾値処理を行うことにより、ナローバンド信号の方位密度は除去される。即ち、閾値判定部３２ａから出力される信号には、実質的にナローバンド信号による密度値は含まれなくなる。無論、閾値が適切に設定されていないような場合には、閾値判定部３２ａから出力される信号にナローバンド信号が含まれることもある。このような場合には、ユーザによる指示が可能になっている。かかる処理については後述する。

ステップＳ６： ピーク抽出部３２ｂは、閾値判定部３２ａにより得られた先鋭化候補データの値を大きい順にソートする。図３（ａ）における１，２，３…の数字は、ソート処理により値の大きい順に付された番号である。以下、この数字をソート番号と記載する。

ステップＳ７： ゲート部３２ｃは、予め設定された幅（ゲート幅）を持つゲートを用いて、そのゲートに含まれる先鋭化候補データを区分けする。なお、ゲート幅は、音を計測するセンサ等の計測器の計測誤差等に対応して決められる。

具体的には、以下の手順でゲートが設定される。先ず、ソート番号の最も若い番号「１」の先鋭化候補データ（最も値が大きい先鋭化候補データ）を選択し、その方位を求める。そして、この方位にゲートの中心（ゲート中心）を合わせ、その先鋭化候補データの値をゲートの値（以下、ゲート値）とする。以下、このゲートを第１ゲートと記載する。なお、図３（ａ）の星印［★］は、ゲート中心を示している。

次に、ソート番号「２」の先鋭化候補データを選択する。この先鋭化候補データの方位が、第１ゲート内に含まれているか否かを判断する。図３（ａ）ではソート番号「２」の先鋭化候補データは第１ゲートに含まれている。既に設定されているゲートに含まれる場合には、ゲート値は設定しない。即ち、新たにゲートを設定した際にのみゲート値は設定される。従って、第１ゲートのゲート値は、ソート番号「１」の先鋭化候補データの値のままである。同様にソート番号「３」も第１ゲートに含まれている。

しかし、ソート番号「４」の先鋭化候補データは、第１ゲートには含まれない。そこで、ゲート部３２ｃは、新しいゲートを割当てる。既に、第１ゲートが割当てられているので、新しいゲートとして第２ゲートが割当てられる。この第２ゲートのゲート中心は、ソート番号「４」の先鋭化候補データの方位に設定され、この先鋭化候補データの値が第２ゲートのゲート値として設定される。

次に、ソート番号「５」の先鋭化候補データの方位が既に割当てられている第１、第２ゲートのいずれに含まれるかの判断が行われる。図３（ａ）では、第１ゲートに含まれている。無論、判断対象となっている先鋭化候補データの方位が既に割当てられているゲートのいずれにも含まれない場合には、新たなゲートが設定されることは、ソート番号「４」の先鋭化候補データの場合と同じである。

以上の処理を全ての先鋭化候補データに対して行うことにより、先鋭化候補データの区分処理が完了する。そして、各ゲート中心に対応する方位とゲート値とが先鋭化信号として出力される。かかる処理を先鋭化処理と記載する。即ち、先鋭化処理はゲート幅に含まれる先鋭化候補データを集約して先鋭化データを作成する処理であり、ゲート幅（例えば、計測精度の範囲）で計測したデータを区分けする作業である。

なお、図３（ｂ）における方位密度分布は、先鋭化データの分布を示していることになる。各先鋭化データの包絡線は点線で示され、方位−時間空間の写像は一点鎖線で示されている。このとき、各先鋭化データはスパイク形状で図示されているが、音源は大きさを持ち、かつ、計測器にも方位誤差等が存在するので、スパイク形状は理想化された表示であることを敢て付言する。

ステップＳ８： ブロード方位除去部２０には、信号処理ユニット１０からの正規化信号と、方位集中ユニット３０からの先鋭化信号とが入力する。そして、ブロード方位除去部２０は、正規化信号から先鋭化信号を減算することにより、正規化信号からブロードバンド信号を除去する。ブロードバンド信号が除去された信号は、ブロード除去信号として表示処理ユニット４０に出力される。

ステップＳ９，Ｓ１０： 表示処理ユニット４０の輝度変換部４１は、ブロード方位除去部２０からの信号を表示用の信号（輝度信号）に変換する。そして、表示部４２は、輝度変換部４１からの輝度信号を画像表示する。

図４（ａ）では、ブロードバンド信号の音源が２つ存在し、それらの周波数帯域が異なる場合を例示している。各ブロードバンド信号Ｓｂ＿１，Ｓｂ＿２は信号レベルが異なるため、それぞれの領域の濃度に違いがある。また、黒線で示す信号Ｓｎは、ナローバンド信号に対応している。ブロードバンド信号Ｓｂ＿１の領域では、ナローバンド信号Ｓｎの識別性は著しく悪い。

これに対し、図４（ｂ）は先鋭化信号を画像表示した図である。先鋭化信号は、ブロードバンド信号に対応しているので、正規化信号から先鋭化信号を減算すると、ブロードバンド信号が除去された信号が得られ、これを画像表示したものが図４（ｃ）である。図４（ａ）と図４（ｃ）とを比較すると容易に解るように、ブロードバンド信号が適正に除去することができて、ナローバンド信号の視認性が向上している。

ところで、先に、閾値判定部３２ａにおける閾値が不適切な場合があり得ることを述べた。このような場合には、図４（ｃ）のような画像とならない場合がある。即ち、雑音が多い場合がある。このような場合には、ユーザは表示部４２から閾値変更指令を閾値判定部３２ａに指示しても良い。閾値判定部３２ａは、閾値変更指令に基づき閾値を変更するので、雑音の状態に応じた表示が可能になる。

また、一部のナローバンド信号が欠落した画像である場合や、ユーザがナローバンド信号の認識と共にブロードバンド信号の存在等を知りたい場合もある。このような場合は、表示部４２から減算周波数指令をブロード方位除去部２０に指示しても良い。これによりブロード方位除去部２０は減算周波数指令で指定された周波数帯域の先鋭化信号成分に関して正規化信号からの減算処理を行わない、又は該当する周波数帯域のブロードバンド信号の輝度を減少させる減算処理を行う。従って、ユーザの要求に応じた表示が可能になる。

なお、上述した各実施形態にかかる信号処理方法をコンピュータが処理できるプログラムにコーディングすることは可能である。この場合、当該プログラムを情報記録媒体に記録して頒布し、またコンピュータにインストールすることが可能である。

２Ａ パッシブソーナー装置
３ 先鋭化候補データ
１０ 信号処理ユニット
１３ 方位計算部
２０ ブロード方位除去部
３０ 方位集中ユニット
３１ 方位密度分布算出部
３２ 先鋭化部
３２ａ 閾値判定部
３２ｂ ピーク抽出部
３２ｃ ゲート部
４０ 表示処理ユニット
４１ 輝度変換部
４２ 表示部

Claims (9)

1. 受信信号をフーリエ変換して周波数スペクトルを出力し、周波数毎の信号レベルのサンプルを用いて正規化して正規化信号として出力すると共に、前記受信信号から音源の前記周波数スペクトルが示す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、
   前記方位信号に基づき前記音源の方位密度分布を算出し、該方位密度分布から方位を先鋭化して先鋭化信号として出力する方位集中ユニットと、
   前記正規化信号から前記先鋭化信号の方位に対応したブロードバンド信号を除去してブロード除去信号として出力するブロード方位除去部と、
   前記ブロード除去信号に基づき画像を表示する表示処理ユニットと、を備えるパッシブソーナー装置において、
   前記方位集中ユニットは、
   前記方位信号から前記方位密度分布を算出する方位密度分布算出部と、
   予め設定された方位範囲に含まれる前記方位密度の最大値を当該方位範囲の方位密度とすることにより、前記方位密度分布の先鋭化を行う先鋭化部と、を備え、
   前記先鋭化部は、前記方位密度分布に対して予め設定された閾値より大きなデータを先鋭化候補データとして抽出する閾値判定部と、
   抽出された前記先鋭化候補データを値の大きい順にソートするピーク抽出部と、
   前記先鋭化候補データをソート順に選び、選んだ前記先鋭化候補データが既に設定されて所定幅のゲートに含まれる場合には当該ゲートに割当て、含まれない場合には新たなゲートを設定して前記先鋭化候補データの値を新たに設定した前記ゲートの値にすると共に該先鋭化候補データの方位を前記ゲートの中心に設定して得られたデータを前記先鋭化信号として出力するゲート部と、を備えることを特徴とするパッシブソーナー装置。
2. 請求項１に記載のパッシブソーナー装置であって、
   前記ゲートの幅は、センサの計測精度に設定したことを特徴とするパッシブソーナー装置。
3. 請求項１又は２に記載のパッシブソーナー装置であって、
   前記表示処理ユニットは、
   前記ブロード除去信号を表示用の輝度信号に変換する輝度変換部と、
   前記輝度信号に基づき画像表示する表示部と、を備えることを特徴とするパッシブソーナー装置。
4. 受信信号をフーリエ変換して周波数スペクトルを出力し、周波数毎の信号レベルのサンプルを用いて正規化して正規化信号として出力すると共に、前記受信信号から音源の前記周波数スペクトルが示す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、
   前記方位信号に基づき前記音源の方位密度分布を算出し、該方位密度分布から方位を先鋭化して先鋭化信号として出力する方位集中手順と、
   前記正規化信号から前記先鋭化信号の方位に対応したブロードバンド信号を除去してブロード除去信号として出力するブロード方位除去手順と、
   前記ブロード除去信号に基づき画像を表示する表示処理手順と、を含む方位集中処理方法において、
   前記方位集中手順は、
   前記方位信号から前記方位密度分布を算出する方位密度分布算出手順と、
   予め設定された方位範囲に含まれる前記方位密度の最大値を当該方位範囲の方位密度とすることにより、前記方位密度分布の先鋭化を行う先鋭化手順と、を含み
   前記先鋭化手順は、前記方位密度分布に対して予め設定された閾値より大きなデータを先鋭化候補データとして抽出する閾値判定手順と、
   抽出された前記先鋭化候補データを値の大きい順にソートするピーク抽出手順と、
   前記先鋭化候補データをソート順に選び、選んだ前記先鋭化候補データが既に設定されて所定幅のゲートに含まれる場合には当該ゲートに割当て、含まれない場合には新たなゲートを設定して前記先鋭化候補データの値を新たに設定した前記ゲートの値にすると共に該先鋭化候補データの方位を前記ゲートの中心に設定して得られたデータを前記先鋭化信号として出力するゲート手順と、を含むことを特徴とする方位集中処理方法。
5. 請求項４に記載の方位集中処理方法であって、
   前記ゲートの幅は、センサの計測精度に設定したことを特徴とする方位集中処理方法。
6. 請求項４又は５に記載の方位集中処理方法であって、
   前記表示処理手順は、
   前記ブロード除去信号を表示用の輝度信号に変換する輝度変換手順と、
   前記輝度信号に基づき画像表示する表示手順と、を含むことを特徴とする方位集中処理方法。
7. 受信信号をフーリエ変換して周波数スペクトルを出力し、周波数毎の信号レベルのサンプルを用いて正規化して正規化信号として出力すると共に、前記受信信号から音源の前記周波数スペクトルが示す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、
   前記方位信号に基づき前記音源の方位密度分布を算出し、該方位密度分布から方位を先鋭化して先鋭化信号として出力する方位集中ステップと、
   前記正規化信号から前記先鋭化信号の方位に対応したブロードバンド信号を除去してブロード除去信号として出力するブロード方位除去ステップと、
   前記ブロード除去信号に基づき画像を表示する表示処理ステップと、を含むパッシブソーナー信号処理プログラムにおいて、
   前記方位集中ステップは、
   前記方位信号から前記方位密度分布を算出する方位密度分布算出ステップと、
   予め設定された方位範囲に含まれる前記方位密度の最大値を当該方位範囲の方位密度とすることにより、前記方位密度分布の先鋭化を行う先鋭化ステップと、を含み、
   前記先鋭化ステップは、前記方位密度分布に対して予め設定された閾値より大きなデータを先鋭化候補データとして抽出する閾値判定ステップと、
   抽出された前記先鋭化候補データを値の大きい順にソートするピーク抽出ステップと、
   前記先鋭化候補データをソート順に選び、選んだ前記先鋭化候補データが既に設定されて所定幅のゲートに含まれる場合には当該ゲートに割当て、含まれない場合には新たなゲートを設定して前記先鋭化候補データの値を新たに設定した前記ゲートの値にすると共に該先鋭化候補データの方位を前記ゲートの中心に設定して得られたデータを前記先鋭化信号として出力するゲートステップと、を含むことを特徴とするパッシブソーナー信号処理プログラム。
8. 請求項７に記載のパッシブソーナー信号処理プログラムであって、
   前記ゲートの幅は、センサの計測精度に設定したことを特徴とするパッシブソーナー信号処理プログラム。
9. 請求項７又は８に記載のパッシブソーナー信号処理プログラムであって、
   前記表示処理ステップは、
   前記ブロード除去信号を表示用の輝度信号に変換する輝度変換ステップと、
   前記輝度信号に基づき画像表示する表示ステップと、を含むことを特徴とするパッシブソーナー信号処理プログラム。

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