JP6403327B2 - 信号処理装置、水中探知装置、及びレーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の受信素子のそれぞれで受波された受信波から得られる受信信号を処理する信号処理装置、当該信号処理装置を備えた水中探知装置、及びレーダ装置に関する。

従来より、複数の方位から到来する到来波を互いに判別するための様々な手法が知られている。例えば、非特許文献１には、相関行列に周波数平均を用いることにより、複数の方位から到来する到来波を互いに判別する手法が開示されている。また、非特許文献２には相関行列に空間平均を用いる手法が、非特許文献３には相関行列に時間平均を用いる手法が、それぞれ開示されている。

H.Wang他、「Coherent Signal-Subspace Processing for the Detection and Estimation of Angles of Arrival of Multiple Wide-Band Sources」、IEEE TRANSACTIONS ON ACOUSTICS, SPEECH, AND SIGNAL PROCESSING、IEEE、1985年8月、vol.33、No.4、P823-P831 Harry L. Van Trees、「Optimum Array Processing Part IV of Detection, Estimation, and Modulation Theory」、WILEY-INTERSCIENCE、chapter6.12.4、P605-P607 D.R. Van Rheeden他、「A Temporal Smoothing Approach to Direction of Arrival Estimation of Coherent Signals in Fading Channels」、Wireless Communications and Networking Conference、1999年、vol.1、P286-P290

ところで、上述のように単に時間平均、空間平均、周波数平均を利用して物標の方位を推定した場合、十分な分解能を得ることができない。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、分解能の劣化を抑制しつつ、複数の方位から到来する到来波を互いに判別することである。

（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る信号処理装置は、複数の受信素子のそれぞれで受波された受信波から得られる受信信号に基づいて受信信号ベクトルを生成する信号ベクトル生成部と、異なるタイミングで生成された複数の前記受信信号ベクトルの中から対象受信信号ベクトルを選択する対象信号ベクトル選択部と、複数の前記対象受信信号ベクトルに基づいて、前記受信波が到来した方位を推定する物標方位推定部と、を備えている。

（２）好ましくは、前記対象信号ベクトル選択部は、前記受信信号ベクトルに含まれる複数の前記受信信号の強度のばらつき度合いに基づいて、前記対象受信信号ベクトルを選択する。

（３）更に好ましくは、前記ばらつき度合いは、標準偏差、最大値と最小値との差としての範囲、又は分散である。

（４）好ましくは、前記対象信号ベクトル選択部は、前記ばらつき度合いに基づく値が閾値以下となる前記受信信号ベクトルを前記対象受信信号ベクトルとして選択する。

（５）好ましくは、前記対象信号ベクトル選択部は、各前記受信信号ベクトルの相関行列を生成する相関行列生成部を有し、該相関行列生成部で生成された複数の前記相関行列の中から対象相関行列を選択することにより、前記対象受信信号ベクトルを選択する。

（６）更に好ましくは、前記対象信号ベクトル選択部は、複数の前記相関行列のそれぞれの時間的変化に基づいて、前記対象相関行列を選択する。

（７）更に好ましくは、前記時間的変化は、各前記相関行列の微分値である。

（８）更に好ましくは、前記対象信号ベクトル選択部は、前記微分値に基づく値が閾値以下となる前記相関行列を前記対象相関行列として選択する。

（９）好ましくは、前記閾値は、所定値として設定され、又は、ノイズレベルに応じて設定される。

（１０）好ましくは、前記物標方位推定部は、ビームフォーミング法又は適応ビームフォーミング法を用いて前記受信波の方位を推定する。

（１１）好ましくは、前記複数の受信素子は、送信部から送信された送信波が物標で反射して帰来する反射波を、前記受信波として受波し、前記信号ベクトル生成部は、前記反射波から得られる前記受信信号に基づいて前記受信信号ベクトルを生成する。

（１２）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る水中探知装置は、上述したいずれかの信号処理装置を備えている。

（１３）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係るレーダ装置は、上述したいずれかの信号処理装置を備えている。

本発明によれば、分解能の劣化を抑制しつつ、複数の方位から到来する到来波を互いに判別できる。

本発明の実施形態に係る水中探知装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す信号処理部において到来波の方位推定が行われるまでに行われる処理を説明するための図である。 （Ａ）は、本発明の実施形態に係る水中探知装置によって算出されるエコー強度のシミュレーション結果であって、方位方向及び距離方向に対するエコー強度を示すグラフであり、（Ｂ）は、従来の水中探知装置によって算出されるエコー強度のシミュレーション結果であって、（Ａ）に対応させて示す図である。 各時刻での受信信号ベクトルごとに生成された相関行列を用いて算出された角度スペクトラムのグラフを説明するための図であって、（Ａ）は各超音波振動子によって受信される受信信号の振幅の時間的変化の一例を示す図、（Ｂ）から（Ｄ）は、各時刻のときの相関行列に基づいて算出された角度スペクトラムのグラフである。 変形例に係る水中探知装置の構成を示すブロック図である。 図５に示す信号処理部において到来波の方位推定が行われるまでに行われる処理を説明するための図である。 変形例に係る水中探知装置の構成を示すブロック図である。 図７に示す信号処理部において到来波の方位推定が行われるまでに行われる処理を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。

本発明の実施形態に係る信号処理部３０（信号処理装置）を備えた水中探知装置１について、図を参照して説明する。本発明の実施形態に係る水中探知装置１は、水中の物標（例えば魚群）を探知するために用いられる。水中探知装置１は、例えば漁船等の船舶に装備される。

［構成］
図１は、水中探知装置１の構成を示すブロック図である。水中探知装置１は、図１に示すように、トランスデューサ１０（送信部、受信部）と、送信機１１と、送受切替部１５と、受信機２０と、操作・表示装置４０とを備えている。

トランスデューサ１０は、超音波の送受信を行うため、例えば、船底に装備されて海中に露出されている。本実施形態におけるトランスデューサ１０は、送信素子アレイ及び受信素子アレイの双方として動作する送受信素子アレイとして設けられている。トランスデューサ１０は、複数の超音波振動子Ａ_ｊ（送受信素子、受信素子）を有している。複数の超音波振動子Ａ_ｊは、例えば一例として、互いに間隔をあけて直線状に配列されている。しかし、複数の超音波振動子Ａ_ｊの配置については、これに限らず、例えば、２次元状又は３次元状に配置されていてもよい。

送受切替部１５は、送信時には、送信機１１からトランスデューサ１０に送信信号（パルス波）が送られる接続に切り替える。また、送受切替部１５は、受信時には、トランスデューサ１０によって超音波から変換された電気信号がトランスデューサ１０から受信機２０に送られる接続に切り替える。

送信機１１は、操作・表示装置４０において設定された条件に基づいてパルス波を生成する。また、送信機１１は、送受切替部１５を介して、該パルス波が所定時刻毎に各超音波振動子Ａ_ｊから送信されるように、該パルス波をトランスデューサ１０に対して出力する。このパルス波により、各超音波振動子Ａ_ｊが駆動され、トランスデューサ１０から所定時刻毎にパルス波（超音波）が放射される。

受信機２０は、増幅部２１と、Ａ／Ｄ変換部２２と、信号処理部３０とを有している。増幅部２１は、各超音波振動子Ａ_ｊから送受切替部１５を介して送られてきた電気信号を増幅し、それらをＡ／Ｄ変換部２２に対して出力する。Ａ／Ｄ変換部２２は、増幅部２１から出力される受信信号をＩＱ検波等により複素デジタル信号に変換し、この複素デジタル信号に変換後の受信信号を信号処理部３０に出力する。

信号処理部３０は、Ａ／Ｄ変換部２２から出力される受信信号を処理して角度スペクトラムを生成するとともに、該角度スペクトラムに基づき到来波の到来方向および強度を推定する処理を行う。また、信号処理部３０は、角度スペクトラムに基づいて映像信号を生成する処理を行う。信号処理部３０は、生成した映像信号を操作・表示装置４０に出力する。信号処理部３０については、詳しくは後述する。

操作・表示装置４０は、表示部４１と、操作部４２とを有している。表示部４１は、映像信号に応じた映像を表示画面に表示する。操作部４２は、例えば種々の入力キーなどを有し、超音波の送受信や映像表示に必要な種々の設定や種々のパラメータなどを入力できるように構成されている。

［信号処理部］
信号処理部３０は、受信信号を処理して到来波の到来方向および強度を推定する処理を行う。信号処理部３０は、詳しくは後述するが、到来波の到来方向を推定する際に用いられる受信信号ベクトルのうち、所定の条件を満たす受信信号ベクトルを選択する。そして、信号処理部３０は、当該受信信号ベクトルを用いて到来波の到来方向を推定することにより、物標の方位を正確に導出することができる。以下、信号処理部３０について詳細に説明する。

信号処理部３０は、図１に示すように、信号ベクトル生成部３１と、相関行列生成部３２と、閾値設定部３３と、対象信号ベクトル選択部３４と、時間平均処理部３６と、到来波演算部３７（物標方位推定部）とを備えている。

図２は、信号処理部３０において到来波の方位推定が行われるまでに行われる処理を説明するための図である。図２では、トランスデューサ１０を構成する各超音波振動子Ａ_ｊ（ｊ＝１，２，…）が各時刻ｔ_ｉ（ｉ＝１，２，…）で信号を受信している状態を模式的に示している。

信号ベクトル生成部３１は、各超音波振動子Ａ_ｊ（ｊ＝１，２，…）によって各時刻ｔ_ｉ（ｉ＝１，２，…）に受信された受信信号ｘ_ｊ（ｔ_ｉ）に基づき、複数の超音波振動子によって時刻ｔ_ｉ毎に得られる受信信号ベクトルＸ_ｉ（＝[ｘ_１（ｔ_ｉ），ｘ_２（ｔ_ｉ），ｘ_３（ｔ_ｉ），…，ｘ_ｊ（ｔ_ｉ），…］^Ｔ）を生成する。

相関行列生成部３２は、信号ベクトル生成部３１によって生成された受信信号ベクトルＸ_ｉに基づき、時刻ｔ_ｉ毎に相関行列Ｒ_ｉ（＝［Ｘ_ｉＸ_ｉ ^Ｈ］）を生成する。

閾値設定部３３は、相関行列生成部３２で生成された相関行列Ｒ_ｉに基づき、閾値ｄＲ_ｍａｘを設定する。閾値ｄＲ_ｍａｘは、到来波の到来方向を推定するための対象相関行列を選択するために用いられるものである。閾値ｄＲ_ｍａｘは、各相関行列Ｒ_ｉ（ｉ＝１，２，…）に対応して生成される。具体的には、閾値ｄＲ_ｍａｘは、相関行列Ｒ_ｉの微分行列のノルム||ｄＲ_ｉ／ｄｔ||_Ｆの標準偏差ＳＤ_ｉに所定の係数αを乗算した値である（ｄＲ_ｍａｘ＝α×ＳＤ_ｉ（||ｄＲ_ｉ／ｄｔ||_Ｆ））。相関行列Ｒ_ｉの微分行列の要素は相関行列Ｒ_ｉの要素の微分となる。これにより、閾値設定部３３によって、ノイズの影響及び各エコーのパワーのばらつきが加味された適切な閾値が設定される。

対象信号ベクトル選択部３４は、対象相関行列選択部３５を有している。対象相関行列選択部３５は、相関行列生成部３２で生成された時刻ｔ_ｉ毎の相関行列Ｒ_ｉの中から、到来波の到来方向を推定するために用いられる対象相関行列を選択する。具体的には、対象相関行列選択部３５は、各相関行列Ｒ_ｉのうち、該各相関行列Ｒ_ｉの微分のノルムが閾値ｄＲ_ｍａｘ以下の相関行列を、対象相関行列Ｒ_ＳＪＴｎ（ｎ＝１，２，…）として選択する。一方、各相関行列Ｒ_ｉのうち、該各相関行列の微分のノルムが閾値ｄＲ_ｍａｘを超える相関行列については、対象相関行列Ｒ_ＳＪＴｎから除外する。これにより、対象信号ベクトル選択部３４は、結果的に、複数の受信信号ベクトルの中から、到来方向の推定に用いられる対象受信信号ベクトルを選択していることになる。

時間平均処理部３６は、対象相関行列Ｒ_ＳＪＴｎ（ｎ＝１，２，…）を平均する処理（時間平均処理）を行う。これにより、時間平均処理部３６は、平均相関行列Ｒ_ＡＶＥを算出する。

到来波演算部３７は、時間平均処理部３６で算出された平均相関行列Ｒ_ＡＶＥに基づいて到来波の方向及び強度を算出する。到来波演算部３７は、平均相関行列Ｒ_ＡＶＥを用いてＭＵＳＩＣ法、Ｃａｐｏｎ法、サブスペース空間の分析を使用したビームフォーマ等によって、到来波の角度スペクトラムを導出する。到来波演算部３７は、このように算出した到来波の角度スペクトラムから映像信号を生成し、この映像信号を操作・表示装置４０に出力する。

図３（Ａ）は、本実施形態に係る水中探知装置１によって算出されるエコー強度のシミュレーション結果であって、方位方向及び距離方向に対するエコー強度を示すグラフである。また、図３（Ｂ）は、従来の水中探知装置によって算出されるエコー強度のシミュレーション結果であって、図３（Ａ）に対応させて示す図である。図３では、２０°方向及び−６０°方向から反射波が帰来している例を示している。すなわち、図３に示す例では、２０°方向及び−６０°方向に物標が存在している。また、図３では、エコーの強度を、ハッチングの濃度に対応させて示している。具体的には、エコー強度が強い領域ではハッチングの濃度が濃くなっており、エコー強度が弱い領域ではハッチングの高度が薄くなっているか、又は、ハッチングが省略されている。

図３（Ｂ）に示すように、従来の水中探知装置（対象相関行列の選択を行わず、生成した全ての相関行列に基づいてエコー強度を算出するように構成された水中探知装置）では、本実施形態に係る水中探知装置１と比べて、方位分解能が悪く（すなわち、物標に起因するエコー強度の方位方向の幅が広く）なっている。更に、従来の水中探知装置では、本来は存在しない物標の虚像（図３（Ｂ）の場合、７０°〜９０°付近に発生するエコー像）が生じる場合がある。これに対して、本実施形態に係る水中探知装置１によれば、受信信号に対して上述のような処理を行うことにより、図３（Ａ）に示すように、方位分解能を向上することができ、更に、虚像の発生を抑制することができる。従って、探知対象となる物標の方位をより正確に把握することができる。

［対象相関行列について］
上述のように、対象相関行列選択部３５では、各相関行列の微分のノルムが閾値ｄＲ_ｍａｘ以下の相関行列を、対象相関行列Ｒ_ＳＪＴｎとして選択する。言い換えれば、対象相関行列選択部３５において選択されない相関行列は、上述したノルムが閾値を超える相関行列である。このような相関行列は、到来波の波面の立ち上がり部分（又は立ち下がり部分）における相関行列であり、例えば図２の場合では、ｔ_２〜ｔ_４の範囲内の各時刻における受信信号ベクトルに基づいて生成された相関行列Ｒ_２〜Ｒ_４である。このような相関行列が、到来方向を推定するために用いられる対象相関行列から除外される理由を、以下で説明する。

図４は、各時刻での受信信号ベクトルごとに生成された相関行列を用いて角度スペクトラムを算出した場合の角度スペクトラムのグラフを説明するための図であって、（Ａ）は各超音波振動子によって受信される受信信号の振幅の時間的変化の一例を示す図、（Ｂ）から（Ｄ）は、各時刻（ｔ_２，ｔ_４，ｔ_ｉ）のときの相関行列に基づいて算出された角度スペクトラムのグラフである。

例えば、複数の超音波振動子Ａ_ｊのうち１つの超音波振動子のみが物標からの反射波を受信している場合、その時刻ｔ_２における相関行列によって算出される角度スペクトラムは、図４（Ｂ）に示すように、方位分解能が非常に低いグラフとなる。また、複数の超音波振動子のうちのいくつかが物標からの反射波を受信している場合、その時刻ｔ_４における相関行列によって算出される角度スペクトラムは、図４（Ｃ）に示すようなグラフとなる。このグラフは、図４（Ｂ）のグラフに比べると方位分解能が高くなっているものの、方位分解能は十分とは言えない。これらに対して、複数の超音波振動子Ａ_ｊの全てで反射波を受信している場合、その時刻ｔ_ｉにおける相関行列によって算出される角度スペクトラムは、図４（Ｄ）に示すように、方位分解能が非常に高いグラフとなる。

すなわち、本実施形態の対象相関行列選択部３５は、方位分解能が低い角度スペクトラムを算出する原因となる相関行列（図２に示す例の場合、ｔ_２〜ｔ_４のときの相関行列）を対象相関行列から除外し、残りの相関行列（対象相関行列）に基づいて物標の方位を推定している。これにより、水中探知装置１の方位分解能を向上することができる。

［効果］
以上のように、本実施形態に係る水中探知装置１の信号処理部３０では、複数の受信信号ベクトルの中から、物標の方位を推定するために用いられる対象受信信号ベクトルが選択される。こうすると、物標の方位分解能が劣化する要因となる受信信号ベクトルを除外し、残りの受信信号ベクトルで物標の方位を推定することが可能になる。

従って、信号処理部３０では、分解能の劣化を抑制しつつ、複数の方位から到来する到来波を互いに判別できる。

また、信号処理部３０では、複数の相関行列の時間平均を行う際に生成される各時刻での相関行列から必要な相関行列が選択されるため、受信信号ベクトルの信号処理を行う一連の流れの中で対象相関行列を選択することができる。

また、信号処理部３０では、各相関行列の時間変化に基づいて、対象相関行列が選択される。これにより、分解能が劣化する要因となる相関行列を、対象相関行列から適切に除外することができる。

また、信号処理部３０では、各相関行列の微分値に基づいて、対象相関行列が選択される。これにより、各相関行列の時間変化を、容易に導出することができる。

また、信号処理部３０では、各相関行列の微分値に基づく値（具体的には、各相関行列の微分値のノルム）が閾値以下となる相関行列が、対象相関行列として選択される。言い換えると、上述した微分値に基づく値が閾値を超える相関行列（すなわち、方位分解能の劣化の要因となる相関行列）が対象相関行列から除外されるため、対象相関行列をより適切に選択することができる。

また、信号処理部３０では、上述した閾値がノイズレベルに応じて設定される。具体的には、信号処理部３０では、閾値ｄＲ_ｍａｘは、相関行列Ｒ_ｉの微分のノルムの標準偏差に基づいて設定される。これにより、ノイズレベルに応じた適切な閾値を設定することができる。

また、信号処理部３０では、適応ビームフォーミング法を用いて到来波の到来方向及びエコー強度の算出が行われるため、到来波の到来方向を正確に把握することができる。

また、水中探知装置１では、分解能の劣化を抑制しつつ、複数の方位から到来する到来波を互いに判別できる水中探知装置を提供できる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

（１）図５は、変形例に係る水中探知装置１ａの構成を示すブロック図である。本変形例に係る水中探知装置１ａは、上記実施形態に係る水中探知装置１の場合と異なり、相関行列を生成する前に、装置の方位分解能に悪影響を及ぼす受信信号ベクトルを予め取り除いた後、その残りの受信信号ベクトル（対象受信信号ベクトル）から相関行列（対象相関行列）を生成するように構成されている。

図６は、図５に示す信号処理部３０ａにおいて到来波の方位推定が行われるまでに行われる処理を説明するための図である。本変形例に係る水中探知装置１ａは、上記実施形態に係る水中探知装置１と比べて、信号処理部の構成が異なっている。具体的には、本変形例の信号処理部３０ａは、図５に示すように、信号ベクトル生成部３１、閾値設定部３８、対象信号ベクトル選択部３９、対象相関行列生成部４５、時間平均処理部３６、及び到来波演算部３７、を有している。これらのうち、信号ベクトル生成部３１、時間平均処理部３６、及び到来波演算部３７については、上記実施形態の場合と構成及び動作が同じであるため、その説明を省略する。

閾値設定部３８は、受信信号ベクトルＸ_ｉ（＝[ｘ_１（ｔ_ｉ），ｘ_２（ｔ_ｉ），ｘ_３（ｔ_ｉ），…，ｘ_ｊ（ｔ_ｉ），…］^Ｔ）に基づき、対象信号ベクトルを選択するために用いられる閾値ｄＸ_ｍａｘを設定する。具体的には、閾値ｄＸ_ｍａｘは、受信信号ベクトルＸ_ｉに含まれる全ての要素（受信信号）の強度の標準偏差ＳＤ_ｊの時間的な標準偏差ＳＤ_ｉに所定の係数βを乗算した値である。本変形例では、閾値ｄＸ_ｍａｘは、ｄＸ_ｍａｘ＝β×ＳＤ_ｉ（ＳＤ_ｊ（ｘ_ｊ（ｔ_ｉ）））、と表すことができる。

対象信号ベクトル選択部３９は、時刻ｔ_ｉ（ｉ＝１，２，…）毎の受信信号ベクトルＸ_ｉの中から、到来波の到来方向を推定するために用いられる対象信号ベクトルを選択する。具体的には、対象信号ベクトル選択部３９は、各受信信号ベクトルＸ_ｉのうち、該各受信信号ベクトルＸ_ｉに含まれる全ての要素の強度の標準偏差が閾値ｄＸ_ｍａｘ以下の受信信号ベクトルを、対象受信信号ベクトルＸ_ＳＪＴｎ（ｎ＝１，２，…）として選択する。一方、各受信信号ベクトルＸ_ｉのうち、該各受信信号ベクトルＸ_ｉに含まれる全ての要素の強度の標準偏差が閾値ｄＸ_ｍａｘを超える受信信号ベクトルについては、対象受信信号ベクトルＸ_ＳＪＴｎから除外する。

対象相関行列生成部４５は、対象信号ベクトル選択部３９で選択された対象受信信号ベクトルＸ_ＳＪＴｎのそれぞれにおいて、相関行列を生成する。この対象相関行列生成部４５で生成される相関行列は、到来波の到来方位を推定するために用いられる対象相関行列Ｒ_ＳＪＴｎである。

以上のように、本変形例に係る信号処理部３０ａは、上記実施形態に係る信号処理部３０の場合と比べて、対象相関行列Ｒ_ＳＪＴｎを生成する過程が異なるものの、上記実施形態の場合と同様の対象相関行列Ｒ_ＳＪＴｎを生成することができる。これにより、上記実施形態の場合と同様、分解能の劣化を抑制しつつ、複数の方位から到来する到来波を互いに判別できる。

また、信号処理部３０ａでは、各受信信号ベクトルに含まれる複数の受信信号の強度のばらつき度合いに基づいて、対象受信信号ベクトルが選択される。これにより、分解能が劣化する要因となる受信信号ベクトルを、対象受信信号ベクトルから適切に除外することができる。

また、信号処理部３０ａでは、各受信信号ベクトルに含まれる全ての要素の強度の標準偏差に基づいて、対象受信信号ベクトルが選択される。これにより、各受信信号ベクトルに含まれる各受信信号の時間的変化を、容易に導出することができる。

また、信号処理部３０ａでは、各受信信号ベクトルに含まれる全ての要素の強度の標準偏差に基づく値が閾値以下となる受信信号ベクトルが、対象受信信号ベクトルとして選択される。言い換えると、上述した標準偏差に基づく値が閾値を超える受信信号ベクトル（すなわち、方位分解能の劣化の要因となる受信信号ベクトル）が対象受信信号ベクトルから除外されるため、対象受信信号ベクトルをより適切に選択することができる。

なお、本変形例では、各受信信号ベクトルに含まれる全ての要素のばらつき度合いとして、標準偏差を用いたが、これに限らず、その他のばらつき度合い、例えば、範囲（最大値と最小値の差）、分散等を利用することもできる。

（２）上記実施形態では、対象相関行列Ｒ_ＳＪＴｎを選択するための閾値ｄＲ_ｍａｘを、各相関行列Ｒ_ｉの微分値に基づいて算出したが、これに限らず、各相関行列Ｒ_ｉの全要素の値のばらつき度合い（例えば、標準偏差、範囲（最大値と最小値の差）、分散等）に基づいて設定してもよい。

図２及び図４を参照して説明すると、対象相関行列として選択したい相関行列は、例えば時刻ｔ_１及び時刻ｔ_５のそれぞれで生成される相関行列のように、受信信号ベクトルに含まれる各受信信号の値のばらつき度合いが小さい相関行列である。言い換えれば、対象相関行列から除外したい相関行列は、例えば時刻ｔ_２〜ｔ_４のそれぞれで生成される相関行列のように、受信信号ベクトルに含まれる各受信信号の値のばらつき度合いが大きい相関行列である。よって、本変形例のように、各受信信号の値のばらつき度合いが大きい相関行列を対象相関行列から除外することで、上記実施形態の場合と同様、適切に対象相関行列を選択することができる。

（３）上記実施形態では、複数の対象相関行列を時間平均して平均相関行列Ｒ_ＡＶＥを算出したが、これに限らず、空間平均を組み合わせて平均相関行列を算出してもよい。

（４）上記実施形態では、平均相関行列Ｒ_ＡＶＥを算出する際、各対象相関行列Ｒ_ＳＪＴｎに重み付けを行わずに平均処理を行ったが、これに限らず、各対象相関行列Ｒ_ＳＪＴｎに重み付けを行った後、平均処理を行ってもよい。

（５）図７は、変形例に係る水中探知装置１ｂの構成を示すブロック図である。上述した実施形態及び変形例における到来波の到来方向の推定手法の一例としては、トランスデューサ１０によって受信された信号に基づいて平均相関行列Ｒ_ＡＶＥを生成した後、この平均相関行列Ｒ_ＡＶＥの固有値及び固有ベクトルを算出し、これらの固有値及び固有ベクトルに基づいて到来波の到来方向を推定する手法が挙げられる。しかし、本変形例に係る水中探知装置１ｂでは、平均相関行列Ｒ_ＡＶＥを生成することなく、当該平均相関行列Ｒ_ＡＶＥの固有値及び固有ベクトルが算出される。具体的には、本変形例では、特異値分解を行うことにより、平均相関行列Ｒ_ＡＶＥの固有値及び固有ベクトルが算出される。

本変形例に係る水中探知装置１ｂの信号処理部３０ｂは、図７に示すように、信号ベクトル生成部３１、閾値設定部３８、対象信号ベクトル選択部３９、データ行列生成部４６、特異値分解部４７、及び到来波演算部３７ａ、を有している。これらのうち、信号ベクトル生成部３１、閾値設定部３８、及び対象信号ベクトル選択部３９については、図５の場合と同様であるため、その説明を省略する。

図８は、図７に示す信号処理部３０ｂにおいて到来波の方位推定が行われるまでに行われる処理を説明するための図である。データ行列生成部４６は、対象信号ベクトル選択部３９によって選択された対象受信信号ベクトルＸ_ＳＪＴｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）から、データ行列Ｘ（＝［Ｘ_ＳＪＴ１，Ｘ_ＳＪＴ２，…］）を生成する。

特異値分解部４７は、データ行列生成部４６で生成されたデータ行列Ｘを、次の式（１）のように分解（特異値分解）する。

［数１］
Ｘ＝ＵＳＶ^Ｈ ・・・（１）

上式（１）において、Ｓは対角行列であり、その対角要素が特異値と呼ばれる。また、Ｕ及びＶは、列ベクトルが互いに直交するユニタリ行列であり、それぞれが特異ベクトルと呼ばれる。なお、式（１）におけるＵは左特異ベクトル、Ｖは右特異ベクトル、とも呼ばれる。

到来波演算部３７ａは、特異値分解部４７で算出された左特異ベクトルＵから、平均相関行列Ｒ_ＡＶＥの固有ベクトルを算出する。また、到来波演算部３７ａは、特異値分解部４７で算出された特異値から、平均相関行列Ｒ_ＡＶＥの固有値を算出する。

ここで、データ行列Ｘと平均相関行列Ｒ_ＡＶＥとの関係は、次の式（２）で与えられる。

式（２）において、ＸＸ^Ｈ＝Ｒ、とした場合、データ行列Ｘの特異値の２乗は、Ｒの固有値に等しい。また、データ行列Ｘの左特異ベクトルＵは、Ｒの固有ベクトルに等しい。到来波演算部３７ａは、これらの関係を用いて、平均相関行列Ｒ_ＡＶＥの固有値及び固有ベクトルを算出する。そして、到来波演算部３７ａは、上述のように算出された固有値及び固有ベクトルに基づいて、上記実施形態の場合と同様、到来波の到来方向、及び到来波のエコー強度の算出を行う。

以上のように、本変形例に係る水中探知装置１ｂのように特異値分解を利用しても、上記実施形態の場合と同様、分解能の劣化を抑制しつつ、複数の方位から到来する到来波を互いに判別できる。

（６）上記実施形態及び上記変形例では、適応ビームフォーミング法を用いて到来波の到来方向を推定する例を挙げて説明したが、これに限らず、ビームフォーミング法を用いて到来波の到来方向を推定してもよい。

（７）上記実施形態及び上記変形例では、探知装置の一例として水中探知装置を挙げて説明したが、これに限らず、レーダ装置に適用することもできる。

図９は、本発明の実施形態に係るレーダ装置１ｃの構成を示すブロック図である。レーダ装置１ｃは、海上の物標（例えば他船）を探知するために用いられる。レーダ装置１ｃは、例えば漁船等の船舶に装備される。

以下、レーダ装置１ｃについて、上記実施形態に係る水中探知装置１と異なる点について主に説明し、水中探知装置１と同様の構成の説明については、図面において同一の符号を付すことで又は同一の符号を引用して説明することで、省略する。

［構成］
図９に示すように、レーダ装置１ｃは、アンテナ１０ａ（送信部、受信部）と、送信機１１と、送受切替部１５と、受信機２０と、操作・表示装置４０とを備えている。

アンテナ１０ａは、電磁波の送受信を行うため、例えば船上に装備されている。本変形例におけるアンテナ１０ａは、送信素子アレイ及び受信素子アレイの双方として動作する。アンテナ１０ａは、送信素子及び受信素子の双方として動作するアンテナ素子Ｂ_ｊ（送受信素子、受信素子）を複数有している。これらのアンテナ素子Ｂ_ｊは、例えば、直線状に配列されている。しかし、複数のアンテナ素子Ｂ_ｊの配置については、これに限らず、例えば、２次元状又は３次元状に配置されていてもよい。

そして、レーダ装置１ｃの送信機１１、送受切替部１５、受信機２０、操作・表示装置４０は、送信波及び受信波として電磁波を取り扱う点を除き、上記実施形態に係る水中探知装置１の場合と同様に動作する。

従って、レーダ装置１ｃによれば、上記実施形態に係る水中探知装置１の場合と同様、分解能の劣化を抑制しつつ、複数の方位から到来する到来波を互いに判別できる。

（８）図１０は、本発明の実施形態に係る信号処理装置３０ｄの構成を示すブロック図である。信号処理装置３０ｄは、信号ベクトル生成部３１と、対象信号ベクトル選択部３９と、物標方位推定部３７ｂと、を有している。

上記実施形態及び変形例では、相関行列の各要素の値、又は受信信号ベクトルの各受信信号の値に基づいて閾値を設定したが、これに限らない。具体的には、本実施形態では、閾値として、予め設定された所定値が用いられる。

また、上記実施形態及び変形例では、適応ビームフォーミング法又はビームフォーミング法を用いて到来波の到来方向を推定する例を挙げて説明したが、これに限らず、到来波の到来方向を推定できる方法であれば、どのような方法であってもよい。

（９）上述した実施形態及び変形例では、送信部として設けられたトランスデューサ又はアンテナから送信された送信波の反射波を受信し、当該反射波の方位を推定した。すなわち、上述した実施形態及び変形例では、本発明の適用例として、いわゆるアクティブ方式の探知装置を例に挙げて説明したが、これに限らない。具体的には、本発明は、送信素子を有さずに受信素子のみを有する、いわゆるパッシブ方式の探知装置に適用することもできる。

（１０）上記実施形態及び上記変形例では、探知装置の具体例として、水中探知装置及びレーダ装置を例に挙げて説明したが、これに限らず、例えば、超音波診断装置等の医療機器に適用することもできる。

本発明は、複数の受信素子のそれぞれで受波された受信波から得られる受信信号を処理する信号処理装置、当該信号処理装置を備えた水中探知装置、及びレーダ装置として広く適用することができるものである。

１，１ａ，１ｂ 水中探知装置（探知装置）
１ｃ レーダ装置（探知装置）
３０，３０ａ〜３０ｃ 信号処理部（信号処理装置）
３０ｄ 信号処理装置
３１ 信号ベクトル生成部
３４，３９ 対象信号ベクトル選択部
３７，３７ａ 到来波演算部（物標方位推定部）
３７ｂ 物標方位推定部
Ａ_ｊ 超音波振動子（受信素子）
Ｂ_ｊ アンテナ素子（受信素子）

Claims (13)

1. 複数の受信素子のそれぞれで受波された受信波から得られる受信信号に基づいて受信信号ベクトルを生成する信号ベクトル生成部と、
   異なるタイミングで生成された複数の前記受信信号ベクトルの中から対象受信信号ベクトルを選択する対象信号ベクトル選択部と、
   複数の前記対象受信信号ベクトルに基づいて、前記受信波が到来した方位を推定する物標方位推定部と、
   を備えていることを特徴とする、信号処理装置。
2. 請求項１に記載の信号処理装置において、
   前記対象信号ベクトル選択部は、前記受信信号ベクトルに含まれる複数の前記受信信号の強度のばらつき度合いに基づいて、前記対象受信信号ベクトルを選択することを特徴とする、信号処理装置。
3. 請求項２に記載の信号処理装置において、
   前記ばらつき度合いは、標準偏差、最大値と最小値との差としての範囲、又は分散であることを特徴とする、信号処理装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の信号処理装置において、
   前記対象信号ベクトル選択部は、前記ばらつき度合いに基づく値が閾値以下となる前記受信信号ベクトルを前記対象受信信号ベクトルとして選択することを特徴とする、信号処理装置。
5. 請求項１に記載の信号処理装置において、
   前記対象信号ベクトル選択部は、各前記受信信号ベクトルの相関行列を生成する相関行列生成部を有し、該相関行列生成部で生成された複数の前記相関行列の中から対象相関行列を選択することにより、前記対象受信信号ベクトルを選択することを特徴とする、信号処理装置。
6. 請求項５に記載の信号処理装置において、
   前記対象信号ベクトル選択部は、複数の前記相関行列のそれぞれの時間的変化に基づいて、前記対象相関行列を選択することを特徴とする、信号処理装置。
7. 請求項６に記載の信号処理装置において、
   前記時間的変化は、各前記相関行列の微分値であることを特徴とする、信号処理装置。
8. 請求項７に記載の信号処理装置において、
   前記対象信号ベクトル選択部は、前記微分値に基づく値が閾値以下となる前記相関行列を前記対象相関行列として選択することを特徴とする、信号処理装置。
9. 請求項４又は請求項８に記載の信号処理装置において、
   前記閾値は、所定値として設定され、又は、ノイズレベルに応じて設定されることを特徴とする、信号処理装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の信号処理装置において、
    前記物標方位推定部は、ビームフォーミング法又は適応ビームフォーミング法を用いて前記受信波が到来した方位を推定することを特徴とする、信号処理装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の信号処理装置において、
    前記複数の受信素子は、送信部から送信された送信波が物標で反射して帰来する反射波を、前記受信波として受波し、
    前記信号ベクトル生成部は、前記反射波から得られる前記受信信号に基づいて前記受信信号ベクトルを生成することを特徴とする、信号処理装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の信号処理装置を備えた、水中探知装置。
13. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の信号処理装置を備えた、レーダ装置。

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