JP6703829B2 - 信号処理装置、レーダ装置、水中探知装置、信号処理方法、および、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、信号処理装置、レーダ装置、水中探知装置、信号処理方法、および、プログラムに関する。

たとえば、レーダ装置は、レーダアンテナで受信した到来波を処理することで、到来波が到来する方向（以下、到来方向という）、および到来波の強度を算出する。到来方向をより精度よく算出するための方法として、超解像法が知られている。（たとえば、特許文献１〜５参照）。超解像法として、Ｃａｐｏｎ法、ＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）法などが知られている。

特許文献１に記載の合成開口レーダ装置は、目標画像のクロスレンジ方向各成分を受信し、その後、固有値解析、および評価関数を得る処理を行う。

特許文献２に記載の方向検出装置は、アレーアンテナを有している。アレーアンテナのアンテナ素子毎に、受信回路が設けられている。これらの受信回路は、共分散行列作成部と接続されている。共分散行列作成部は、固有値分解処理部に接続されている。固有値分解処理部は、二次元ＭＵＳＩＣスペクトラム描画部に接続されている。

特許文献３に記載の受信装置は、アレーアンテナを有している。アレーアンテナは、複数のセンサ（受信素子）を有している。また、センサ毎に、帯域制限ろ波器、中間周波数変換器、混合器、Ａ／Ｄ変換器、およびデジタルフィルタが設けられている。各デジタルフィルタからの出力は、１つの到来方位演算部へ与えられる。到来方位演算部は、ＭＵＳＩＣ法を用いて、入射信号の到来方位を算出する。

特許文献４，５に記載の受信装置は、アレーアンテナ装置を用いて、電波到来角を算出する。この算出過程において、ＭＵＳＩＣ法が用いられる。

特開２００１−１１６８３８号公報（［要約］） 特開２００２−１０７４４０号公報（［要約］） 特開２００３−１８５７２６号公報（［要約］、［００３８］） 特開２００４−２５７７５３号公報（［要約］） 特開２００４−３６１３７７号公報（［要約］）

たとえば、ＭＵＳＩＣ法では、受信信号に基づく相関行列に固有値分解を行うことで、当該相関行列の固有値を算出する。相関行列は、たとえば、４×４の行列であり、固有値分解に必要な計算負荷が大きい。

同様の課題は、ソナー装置など、到来波を受信する他の装置においても存在する。

そこで、本発明は、機械的に変位する受信装置を用いて得られた受信信号の処理に際して、高い分解能を実現でき、且つ、計算にかかる負荷をより小さくできる、信号処理装置、レーダ装置、水中探知装置、信号処理方法、および、プログラムを提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる信号処理装置は、信号群設定部と、積算部と、除算部と、物標検出部と、を備えている。信号群設定部は、所定の副走査方向に沿って変位し且つ前記副走査方向と交差する主走査方向からの信号を順次受信する受信装置を用いて得られた受信信号を用いて、所定の第１信号群および当該第１信号群とは前記副走査方向に関する位置が異なる所定の第２信号群を設定する。積算部は、前記第１信号群および前記第２信号群を基に、所定の第１積算値ａおよび当該第１積算値ａとは異なる所定の第２積算値ｂを算出する。除算部は、前記第１積算値ａを前記第２積算値ｂで除した除算値ａ／ｂを算出する。前記物標検出部は、前記主走査方向に沿って前記受信装置から遠ざかるに従い前記副走査方向の中心位置がずらされた複数のアンテナパターンに基づくアンテナパターン比、および、前記除算値ａ／ｂを用いて物標を検出する。

（２）ある場合において、複数の前記アンテナパターンの前記中心位置は、前記主走査方向に所定の第１単位進む毎に、前記副走査方向に所定の第２単位だけずれる。

（３）ある場合において、前記アンテナパターン比は、所定の分子アンテナパターン和ｅを分子とし、所定の分母アンテナパターン和ｄを分母とする比ｅ／ｄで特定される比である。前記分子アンテナパターン和は、所定の前記副走査位置において、前記主走査方向における所定の第１領域内で前記第１単位毎の位置で前記アンテナパターンの強度を加算した総和である。前記分母アンテナパターン和は、所定の前記副走査位置において、前記主走査方向における所定の第２領域内で前記第１単位毎の位置で前記アンテナパターンの強度を加算した総和である。

（４）ある場合において、前記第１領域の長さと前記第２領域の長さは同じに設定されており、前記主走査方向において、前記第１領域の位置と前記第２領域の位置とは、前記第１単位のα倍（αは所定の自然数）分だけずれている。

（５）ある場合において、前記第１領域の長さ、および、前記第２領域の長さは、それぞれ、前記主走査方向における前記第１単位長さのＮ−１倍（Ｎは所定の自然数）であり、前記自然数Ｎは、前記第１信号群の設定に用いられる前記受信信号のサンプリング数である。

（６）ある場合において、前記第１領域は、前記受信装置の位置を基準として、前記第１単位だけ離隔した位置から前記第１単位の（Ｎ−１）倍離隔した位置までの領域である。

（７）ある場合において、前記第２領域は、前記受信装置の位置を基準として、前記第１単位の１＋α倍離隔した位置から、前記第１単位のＮ−１＋α倍離隔した位置までの領域である。

（８）ある場合において、前記信号処理装置は、前記副走査方向における前記物標の探知領域を設定する、領域設定部をさらに備えている。

（９）ある場合において、前記副走査方向に沿って検出された前記受信信号をｘ_ｋ（ｋは、前記副走査方向における位置を特定する変数）とした場合、前記第１積算値ａは、下記式（１）で特定される。

但し、Ｎ，αはそれぞれ自然数であり、Ｎは前記第１信号群の設定に用いられる前記受信信号のサンプリング数である。

（１０）ある場合において、前記副走査方向に沿って検出された前記受信信号をｘ_ｋ（ｋは、前記副走査方向における位置を特定する変数）とした場合、前記第２積算値ｂは、下記式（２）で特定される。

但し、Ｎ，αはそれぞれ自然数であり、Ｎは前記第１信号群の設定に用いられる前記受信信号のサンプリング数である。

（１１）ある場合において、前記副走査方向に沿って検出された前記受信信号をｘ_ｋ（ｋは、前記副走査方向における位置を特定する変数）とした場合、前記第１積算値ａは、下記式（３）で特定される。

但し、Ｎ，ｐはそれぞれ自然数であり、Ｎは前記第１信号群の設定に用いられる前記受信信号のサンプリング数である。

（１２）ある場合において、前記副走査方向に沿って検出された前記受信信号をｘ_ｋ（ｋは、前記副走査方向における位置を特定する変数）とした場合、前記第２積算値ｂは、下記式（４）で特定される。

但し、Ｎ，α，ｐはそれぞれ自然数であり、Ｎは前記第１信号群の設定に用いられる前記受信信号のサンプリング数である。

（１３）ある場合において、前記物標検出部は、前記副走査方向において、前記除算値と前記アンテナパターン比とが一致または実質的に一致する位置を、前記物標の存在する位置として検出する。

（１４）ある場合において、前記信号処理装置は、前記物標検出部における前記物標の検出結果に基づいて、前記副走査方向の位置と信号強度との関係を表わすスペクトラムを設定する、スペクトラム設定部をさらに備えている。

（１５）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わるレーダ装置は、送受信装置と、前記信号処理装置とを備える。前記送受信装置は、所定の方位方向を副走査方向として回転し且つ前記方位方向と交差する距離方向に沿って電磁波を順次送受信するアンテナ部が設けられている。前記信号処理装置の前記信号群設定部は、前記アンテナ部を用いて得られた受信信号を用いて、前記第１信号群および前記第２信号群を設定する。

（１６）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる水中探知装置は、送受信装置と、前記信号処理装置とを備える。前記送受信装置は、所定の方位方向を副走査方向として回転し且つ前記方位方向と交差する距離方向に沿って超音波を順次送受信する超音波振動子が設けられている。前記信号処理装置の前記信号群設定部は、前記超音波振動子を用いて得られた受信信号を用いて、前記第１信号群および前記第２信号群を設定する。

（１７）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる信号処理方法は、信号群設定ステップと、積算ステップと、除算ステップと、物標検出ステップと、を含んでいる。信号群設定ステップは、所定の副走査方向に沿って変位し且つ前記副走査方向と交差する主走査方向からの信号を順次受信する受信装置を用いて得られた受信信号を用いて、所定の第１信号群および当該第１信号群とは前記副走査方向に関する位置が異なる所定の第２信号群を設定する。前記積算ステップは、前記第１信号群および前記第２信号群を基に、所定の第１積算値ａおよび当該第１積算値ａとは異なる所定の第２積算値ｂを算出する。前記除算ステップは、前記第１積算値ａを前記第２積算値ｂで除した除算値ａ／ｂを算出する。前記物標検出ステップは、前記主走査方向に沿って前記受信装置から遠ざかるに従い前記副走査方向の中心位置がずらされた複数のアンテナパターンに基づくアンテナパターン比、および、前記除算値ａ／ｂを用いて物標を検出する。

（１８）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わるプログラムは、信号群設定ステップと、積算ステップと、除算ステップと、物標検出ステップと、をコンピュータに実行させる。前記信号群設定ステップは、所定の副走査方向に沿って変位し且つ前記副走査方向と交差する主走査方向からの信号を順次受信する受信装置を用いて得られた受信信号を用いて、所定の第１信号群および当該第１信号群とは前記副走査方向に関する位置が異なる所定の第２信号群を設定する。前記積算ステップは、前記第１信号群および前記第２信号群を基に、所定の第１積算値ａおよび当該第１積算値ａとは異なる所定の第２積算値ｂを算出する。前記除算ステップは、前記第１積算値ａを前記第２積算値ｂで除した除算値ａ／ｂを算出する。前記物標検出ステップは、前記主走査方向に沿って前記受信装置から遠ざかるに従い前記副走査方向の中心位置がずらされた複数のアンテナパターンに基づくアンテナパターン比、および、前記除算値ａ／ｂを用いて物標を検出する。

本発明によると、機械的に変位する受信装置を用いて得られた受信信号の処理に際して、高い分解能を実現でき、且つ、計算にかかる負荷をより小さくできる。

本発明の第１実施形態にかかる信号処理装置を備えるレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。 レーダ装置の詳細な構成を示すブロック図である。 レーダ装置が自船に設置された状態を示す、模式的な平面図である。 回転アンテナ部におけるビームについてのアンテナパターンのメインローブの一例を示している。 ある距離位置における受信データの包絡線などを示す図である。 アンテナパターン比を説明するための概念図である。 アンテナパターン比を示すグラフである。 表示部に表示される画像の一例を示す図である。 第１実施形態の信号処理装置に代えて、公知のマルチビームフォーマ法によって角度スペクトラムを出力する信号処理装置を用いた場合の、表示部に表示される画像の一例を示す図である。 信号処理装置における処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。 本発明の第３実施形態にかかる水中探知装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ説明する。本発明は、分解能を高めるための信号処理装置として広く適用することができる。なお、以下では、図中同一または相当部分には、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［第１実施形態］
［レーダ装置の概略構成］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる信号処理装置３を備えるレーダ装置１の概略構成を示すブロック図である。レーダ装置１は、漁船などの船舶に搭載される。以下、レーダ装置１が搭載される船舶を、自船という。レーダ装置１は、自船の周囲の物標を探知する。

レーダ装置１は、送受信装置２と、信号処理装置３と、操作・表示装置４と、を有している。

送受信装置２は、指向性を有するパルス状の電波を送信信号として送信する。また、送受信装置２は、この送信信号に対するエコー信号を受信する。送受信装置２は、後述するように、単一のアンテナを有している。送受信装置２は、アンテナで受信された受信信号Ｓ１１をデジタルの受信データｘ（θ_ｉ，Ｒ_ｊ）に変換し、この受信データｘ（θ_ｉ，Ｒ_ｊ）を信号処理装置３へ出力する。

信号処理装置３は、複数の距離位置のそれぞれにおいて、方位θと信号強度との関係を算出するように構成されている。このような構成により、レーダ装置１は、当該レーダ装置１の周囲に存在する物標を探知する。信号処理装置３は、物標探知結果を示す画像データＧを、操作・表示装置４へ出力する。

操作・表示装置４は、操作部５と、表示部６とを有している。操作部５は、レーダ装置１のオペレータによって操作され得る。操作部５は、種々の入力キーなどを備えており、電磁波の送受信、および映像表示などに必要な、種々の設定値などを入力できるように構成されている。操作部５の設定に応じて、角度スペクトラム算出に必要な定数などが設定される構成であってもよい。表示部６は、信号処理装置３から出力された画像データＧに応じた映像を表示する。

［レーダ装置の詳細な構成］
図２は、レーダ装置１の詳細な構成を示すブロック図である。図３は、レーダ装置１が自船１０に設置された状態を示す、模式的な平面図である。図３は、自船１０の周囲に１つの物標１１が存在している状態を例示している。

図２および図３を参照して、本実施形態では、平面視において自船１０を中心とする時計回り方向を、方位方向Ｄ１という。また、平面視において、自船１０を中心とする径方向を、距離方向Ｄ２という。

送受信装置２は、送信部２１と、サーキュレータ２２と、回転アンテナ部（受信装置）２３と、受信部２４と、を有している。

送信部２１は、マグネトロンなどを有している。より具体的には、送信部２１は、マイクロ波を発振する電子素子としてたとえばＤ／Ａコンバータ、周波数変換器、電力増幅器を有している。送信部２１は、定期的にパルス状のレーダ送信信号を生成し、このレーダ送信信号をサーキュレータ２２へ出力する。

送信部２１からレーダ送信信号が出力されるタイミングを示すデータは、送信部２１から信号処理装置３へ出力される。これにより、信号処理装置３は、回転アンテナ部２３から出力された電磁波が反射して生じたエコー信号を回転アンテナ部２３で受信するまでの時間を、算出できる。その結果、信号処理装置３は、物標１１と自船１０との間の距離を算出することができる。

サーキュレータ２２は、送信部２１から出力されたレーダ送信信号を、回転アンテナ部２３へ出力するように構成されている。また、サーキュレータ２２は、回転アンテナ部２３で受信された受信信号Ｓ１１を、受信部２４へ出力する。

回転アンテナ部２３は、たとえば、自船１０のマスト（図示せず）に設置されている。回転アンテナ部２３は、たとえば、スロットアレイアンテナである。

回転アンテナ部２３は、全体として、水平方向に細長い形状（長尺形状）に形成されており、自船１０の上下方向に延びる回転軸線回りを自転するように構成されている。回転アンテナ部２３は、当該回転アンテナ部２３の方位θを示す方位信号を、信号処理装置３に出力する。

回転アンテナ部２３は、方位方向Ｄ１に沿って変位するように構成されている。また、回転アンテナ部２３は、方位方向Ｄ１と交差する距離方向Ｄ２に沿って電磁波（信号）を順次送受信するように構成されている。なお、方位方向Ｄ１は、本発明の「副走査方向」の一例であり、距離方向Ｄ２は、本発明の「主走査方向」の一例である。

前述したように、回転アンテナ部２３は、スロットアレイアンテナなどであり、高い指向性を有する送信信号を送信する。また、回転アンテナ部２３は、受信信号Ｓ１１を受信するように構成されている。受信信号Ｓ１１は、送信信号の反射信号としてのエコー信号と、ノイズ信号と、を含んでいる。

図４は、回転アンテナ部２３におけるビームについてのアンテナパターンＡＰ１のメインローブＰ１１の一例を示している。図２〜図４を参照して、回転アンテナ部２３は、実質的にメインローブＰ１１で信号を受信し、この信号を受信信号Ｓ１１として出力する。メインローブＰ１１は、自船１０回りの方位θと、回転アンテナ部２３で送受信されるビームの信号強度との関係を示している。方位θｐは、回転アンテナ部２３からの信号送信方向の角度である。方位θｐは、メインローブＰ１１の中心位置である。メインローブＰ１１は、方位θｐで、ピークを示している。メインローブＰ１１の信号強さは、方位θｐから遠ざかるに従い、小さくなっている。メインローブＰ１１は、方位方向Ｄ１における一端から他端まで、所定の角度幅（θ_Ｍ−θ_１）を有している。図４では、所定の距離位置Ｒ_ｊ＝αにおけるメインローブＰ１１を示している。

回転アンテナ部２３は、所定の単位方位間隔Δθ（たとえば、方位方向Ｄ１における０．１度）毎に、電磁波の送信と受信とを繰り返す。本実施形態では、レーダ装置１が電磁波を送信してから次の電磁波を送信するまでの動作を「スイープ」という。送受信装置２は、１スイープ毎に、受信信号Ｓ１１を受信部２４へ出力する。なお、単位方位間隔Δθは、回転アンテナ部２３の回転速度と、レーダ送信信号のパルス信号の繰返周波数に依存する。

受信部２４は、回転アンテナ部２３から受信信号Ｓ１１を取り込み、この受信信号Ｓ１１を増幅した後に中間周波数に変換する処理などを行う。その結果として、受信部２４は、受信信号Ｓ１１を受信データｘ（θ_ｉ，Ｒ_ｊ）に変換する。本実施形態では、受信部２４は、１つのみ設けられている。この点、複数の受信素子が備えられ且つ受信素子毎に受信部が設けられるアレイアンテナ装置とは、異なる構成である。本実施形態では、受信部２４の数は、回転アンテナ部２３の特性に拘らず、１つである。

受信部２４は、ＬＮＡ（ローノイズアンプ）２５と、ミキサ２６と、とＡＭＰ（リニアアンプ）２７と、Ａ／Ｄコンバータ２８と、局部発振器２９とを有している。

ＬＮＡ２５は、レーダ受信信号Ｓ１１を増幅するように構成されている。ＬＮＡ２５で増幅された受信信号Ｓ１１は、ミキサ２６へ出力される。ミキサ２６は、局部発振器２９から出力されたローカル信号と、受信信号Ｓ１１とをミキシングすることで、レーダ受信信号Ｓ１１の周波数を、中間周波数に変換する。周波数変換された受信信号Ｓ１１’は、ＡＭＰ２７へ出力される。

ＡＭＰ２７は、中間周波数に変換されたレーダ受信信号Ｓ１１’を対数増幅し、包絡線信号を生成する。Ａ／Ｄコンバータ２８は、ＡＭＰ２７が出力したレーダ受信信号Ｓ１１’’をＩＱ検波などでサンプリングする。これにより、Ａ／Ｄコンバータ２８は、レーダ受信信号Ｓ１１’’を、複素デジタル信号に変換する。即ち、Ａ／Ｄコンバータ２８は、レーダ受信信号Ｓ１１’’を、デジタルの受信データｘ（θ_ｉ，Ｒ_ｊ）に変換する。受信データｘ（θ_ｉ，Ｒ_ｊ）は、信号強度（振幅値）を示す。また、θ_ｉ，Ｒ_ｊは、それぞれ、方位方向Ｄ１の位置と、距離方向Ｄ２における位置（経過時間に相当）とを示す。経過時間は、たとえば、回転アンテナ部２３が電磁波を送信してから受信信号Ｓ１１を受信するまでの時間をいう。

送受信装置２は、一回のスイープによって、方位方向Ｄ１の位置が同じである複数の受信信号Ｓ１１を受信する。送受信装置２は、複数回のスイープによって、方位方向Ｄ１の位置が異なる複数の受信信号Ｓ１１を取得する。

上記の構成により、送受信装置２は、距離方向Ｄ２において、所定の単位距離間隔ΔＲ毎に離散した位置での信号を検出した信号としての受信データｘ（θ_ｉ，Ｒ_ｊ）を生成する。単位距離間隔ΔＲは、本発明の「第１単位」の一例である。また、この受信データｘ（θ_ｉ，Ｒ_ｊ）は、方位方向Ｄ１において、単位方位間隔Δθ毎に離散した位置での信号を検出した信号である。単位方位間隔Δθは、本発明の「第２単位」の一例である。

図５は、ある距離位置Ｒ_ｊ＝Ｎにおける受信データｘ（θ_ｉ，Ｒ_ｊ）の包絡線などを示す図である。なお、以下では、１つの距離位置Ｒ_ｊにおける受信データｘ_ｉについて説明し、距離位置Ｒ_ｊの記載は省略する。図２、および、図５に示すように、送受信装置２は、たとえば、θ＝θ_ｔの位置に物標１１が存在している場合に、図５に示すような受信データｘ（θ_ｉ）を出力する。なお、実際には、受信信号Ｓ１１は、方位方向Ｄ１において単位方位間隔Δθ毎に離散した値であるけれども、図５では、方位方向Ｄ１に連続した包絡線として示している。

信号処理装置３は、送受信装置２から出力された受信データｘ（θ_ｉ）を用いて、超解像処理を行う。即ち、信号処理装置３は、回転アンテナ部２３の解像度を超える解像度で、物標１１などを探知するように構成されている。

［信号処理装置の構成］
信号処理装置３は、方位領域設定部３１と、受信データ抽出部３２と、信号群設定部３３と、積算部３４と、除算部３５と、物標検出部３６と、記憶部３７と、表示用処理部３８と、を有している。

方位領域設定部３１は、本発明の「領域設定部」の一例である。方位領域設定部３１は、方位方向Ｄ１における物標１１の探知範囲を設定するように構成されている。本実施形態では、信号処理装置３は、自船１０を中心とする方位方向Ｄ１における所定の探知領域ＡＲ１を単位として、超解像処理（高分解能処理）を行う。探知領域ＡＲ１の方位範囲は、方位方向Ｄ１における１つのメインローブＰ１１の一端の方位θ_１と他端の方位θ_Ｍとの差（θ_Ｍ−θ_１）未満であってもよいし、差（θ_Ｍ−θ_１）以上であってもよい。本実施形態では、探知領域ＡＲ１の一端の方位はθ_ｌｅｆｔであり、探知領域ＡＲ１の他端の方位はθ_{ｒｉｇｈｔ}である。方位方向Ｄ１における探知領域ＡＲ１の幅は、アンテナパターン（ステアリングベクトル）ＡＰ１などに基づいて設定される。方位領域設定部３１で設定された探知領域ＡＲ１を特定するデータは、受信データ抽出部３２へ出力される。

受信データ抽出部３２は、送受信装置２における複数回のスイープ動作によって得られた複数の受信データｘ_ｉから、信号処理装置３での物標検出に用いる受信データを読み出すように構成されている。受信データ抽出部３２は、受信データｘ_ｉを受信部２４から読み出す。

抽出された受信データｘ_ｉの集合は、信号処理装置３における処理用データであり、下記のように表わされる。
ｘ＝［ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３，…］^Ｔ
なお、Ｔは、転置を表している。

また、Ｎは、所定の自然数であり、後述する第１信号群ｘｆ（第２信号群ｘｓ）の設定に用いられる受信データｘ_ｉのサンプリング数に相当し、受信データ抽出部３２で設定される。なお、Ｎの値は、信号処理装置３の工場出荷時に設定されてもよいし、自船１０の周囲の環境に応じて適宜変更されてもよい。

図５に示す処理用データｘ_ｉの包絡線は、物標１１の存在している方位θ_ｔの周辺において、信号強度が大きくなっていることを示している。但し、当該信号強度は、方位θ_ｔで明確なピークになっているわけではなく、方位θ_ｔの周辺において、滑らかに起伏している。本実施形態では、方位領域設定部３１は、物標１１が存在する方位θ_ｔを含む探知領域ＡＲ１を設定した場合を説明する。受信データ抽出部３２は、処理用データｘ_ｉを、信号群設定部３３に出力する。

［信号群設定部の構成］
信号群設定部３３は、受信データ抽出部３２で抽出された処理用データｘ_ｉを用いて（受信信号Ｓ１を用いて）、所定の第１信号群ｘｆおよび当該第１信号群ｘｆとは方位方向Ｄ１に関する位置が異なる所定の第２信号群ｘｓを設定するように構成されている。第１信号群ｘｆおよび第２信号群ｘｓは、以下の式で表わされる。

第１信号群ｘｆ＝［ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３，…ｘ_Ｎ−１］
第２信号群ｘｓ＝［ｘ_１＋α，ｘ_２＋α，ｘ_３＋α，…ｘ_{Ｎ−１＋α}］

なお、係数αは、自然数であり、適宜設定される。係数αは、たとえば、１に設定される。係数αが大きいほど、第１信号群ｘｆの処理用データｘ_ｉと第２信号群ｘｓの処理用データｘ_ｉとの重複度合いが小さくなる。

信号群設定部３３は、設定した第１信号群ｘｆを特定するデータと、第２信号群ｘｓを特定するデータとを、積算部３４に出力する。

［積算部の構成］
積算部３４は、第１信号群ｘｆおよび第２信号群ｘｓを基に、所定の第１積算値ａおよび当該第１積算値ａとは異なる所定の第２積算値ｂを算出するように構成されている。具体的には、方位方向Ｄ２に沿って検出された受信データｘ_ｋについて、積算部３４は、第１積算値ａを、以下の式（１）によって算出する。

また、積算部３４は、第２積算値ｂを、以下の式（２）によって算出する。

したがって、係数αが１のとき、第１積算値ａおよび第２積算値ｂは、下記のように表わすことができる。
ａ＝ｘ_１ ^２＋ｘ_２ ^２＋…＋ｘ_Ｎ−１ ^２
ｂ＝ｘ_１ｘ_２＋ｘ_２ｘ_３＋…＋ｘ_Ｎ−１ｘ_Ｎ

積算部３４は、算出した第１積算値ａを特定するデータおよび第２積算値ｂを特定するデータを、除算部３５へ出力する。

除算部３５は、ａ／ｂの除算処理を行う。すなわち、除算部３５は、除算値ａ／ｂを算出する。除算部３５は、除算値ａ／ｂを特定するデータを、物標検出部３６へ出力する。

物標検出部３６は、方位方向Ｄ１における物標１１の位置、および、物標１１からの反射信号（受信データｘ_ｉ）の信号強度を検出するように構成されている。具体的には、物標検出部３６は、除算部３５で算出された除算値ａ／ｂと、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉとに基づいて、物標１１の位置を検出する。アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉの詳細は、後述する。物標検出部３６は、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉを、記憶部３７から読み出す。

記憶部３７は、アンテナパターン比記憶部３７１と、ビームパターン記憶部３７２とを有している。

アンテナパターン比記憶部３７１は、回転アンテナ部２３のアンテナパターンＡＰ１（メインローブＰ１１）に基づく比を、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉとして記憶している。本実施形態では、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉは、距離方向Ｄ２に沿って回転アンテナ部２３から遠ざかるに従い方位方向Ｄ１の位置がずらされた複数のアンテナパターンＡＰ１の比である。

図６は、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉを説明するための概念図である。図６において、横軸方向は、方位方向Ｄ１を示しており、縦軸方向は、距離方向Ｄ２を示している。図２、図５、および、図６を参照して、自船１０からの距離Ｒ_ｊ＝１でのアンテナパターンＡＰ１におけるメインローブＰ１１の強度は、ｈ_１ ^２（θ_１），ｈ_１ ^２（θ_２），…ｈ_１ ^２（θ_ｐ），…ｈ_１ ^２（θ_Ｍ）で表わされる。同様に、自船１０からの距離Ｒ_ｊ＝Ｎである位置でのアンテナパターンＡＰ１におけるメインローブＰ１１の強度は、ｈ_Ｎ ^２（θ_１），ｈ_Ｎ ^２（θ_２），…，ｈ_Ｎ ^２（θ_{ｐ＋Ｎ−１}），…，ｈ_Ｎ ^２（θ_{Ｍ＋Ｎ−１}）で表わされる。

アンテナパターン比記憶部３７１は、距離Ｒ_ｊ＝１から、信号処理装置３で探知可能な距離Ｒ_{ｊ＝ｊｍａｘ}までの各メインローブＰ１１の強度を記憶している。

このように、アンテナパターン比記憶部３７１は、図６に示すようなメインローブＰ１１の強度の分布を記憶している。複数のメインローブＰ１１のそれぞれの中心位置は、自船１０から距離方向Ｄ２に単位距離間隔ΔＲだけ遠ざかる毎に、単位方位間隔Δθだけ方位方向Ｄ１にずれている。

そして、アンテナパターン比記憶部３７１は、図６に示すメインローブＰ１１の強度分布に基づいて規定される、各方位θ_ｉにおけるアンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉを記憶している。アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉは、距離方向Ｄ２に沿って回転アンテナ部２３から遠ざかるに従い方位方向Ｄ１の中心位置が方位方向Ｄ１の下流側にずらされた複数のメインローブＰ１１（アンテナパターンＡＰ１）に基づいて設定される。アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉ（Ｈθ_ｉ）は、、下記式で表わされる。

すなわち、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉは、分子アンテナパターン和ｅ_ｉを分子とし、且つ、分母アンテナパターン和ｄ_ｉを分母とする比ｅ_ｉ／ｄ_ｉである。

上記式から明らかなように、分子アンテナパターン和ｅ_ｉは、所定の方位θ_ｉにおいて、自船１０からの距離Ｒ_ｊがＲ_ｊ＝１〜Ｒ_{ｊ＝Ｎ−１}における、単位距離間隔ΔＲ毎の各点での、メインローブＰ１１の信号強さの和である。なお、自船１０からの距離Ｒ_ｊがＲ_ｊ＝１〜Ｒ_{ｊ＝Ｎ−１}である領域を、本実施形態では、第１領域という。

また、分母アンテナパターン和ｄ_ｉは、所定の方位θ_ｉにおいて、自船１０からの距離Ｒ_ｊがＲ_{ｊ＝１＋α}〜Ｒ_{ｊ＝Ｎ−１＋α}における、単位距離間隔ΔＲ毎の各点での、メインローブＰ１１の信号強さの和である。なお、自船１０からの距離Ｒ_ｊがＲ_{ｊ＝１＋α}〜Ｒ_{ｊ＝Ｎ−１＋α}である領域を、本実施形態では、第２領域という。

上記の説明から明らかなように、距離方向Ｄ２における第１領域の長さと第２領域の長さは同じに設定されている。また、距離方向Ｄ２において、第１領域の位置と第２領域の位置とは、単位距離間隔ΔＲのα倍だけずれている。さらに、距離方向Ｄ２における第１領域の長さ、および、第２領域の長さは、それぞれ、単位距離間隔ΔＲの（Ｎ−１）倍に設定されている。

さらに、第１領域は、回転アンテナ部２３の位置を基準として、単位距離間隔ΔＲだけ離隔した位置から単位距離間隔ΔＲの（Ｎ−１）倍離隔した位置までの領域である。また、第２領域は、回転アンテナ部２３の位置を基準として、単位距離間隔ΔＲの（１＋α）倍離隔した位置（ｈ_１＋αの位置）から、単位距離間隔ΔＲの（Ｎ−１＋α）倍離隔した位置までの領域である。

図７は、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉを示すグラフである。アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉのグラフは、図５に記載されているグラフと同内容である。図２、および、図７を参照して、本実施形態では、前述したように、探知領域ＡＲ１は、所定の角度範囲に設定される。また、単位方位間隔Δθは、所定の単位方位に設定される。

なお、本実施形態では、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉが、アンテナパターン比記憶部３７１に記憶されている形態を例に説明している。しかしながら、この通りでなくてもよい。たとえば、アンテナパターン比記憶部３７１は、図６に示すアンテナパターンＡＰ１の強度分布のみを記憶しておいてもよい。この場合、物標検出部３６は、上記の分布を用いて、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉを算出する。

アンテナパターン比記憶部３７１は、上記アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉを特定するデータを、物標検出部３６に出力する。

物標検出部３６は、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉと、除算値ａ／ｂとを用いて、物標１１（一つの物標）を検出するように構成されている。具体的には、物標検出部３６は、除算値ａ／ｂと一致または実質的に一致するアンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉを検索する。すなわち、物標検出部３６は、除算値ａ／ｂと同じか、または、除算値ａ／ｂに最も近いいアンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉを検索する。

なお、以下では、除算値ａ／ｂと同じか、または、除算値ａ／ｂに最も近いアンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉのことを、最近アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉという。そして、物標検出部３６は、方位方向Ｄ１において、最近アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉで特定される位置を、物標１１の存在している方位であると検出する。

たとえば、図７では、最近アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉで特定される位置θ_ｉについて、ｉ＝所定値ｔである場合を示している。よって、この場合、物標検出部３６は、方位θ_ｉ＝ｔに物標１１が存在していることを検出する。また、物標検出部３６は、物標１１が検出された位置での当該物標１１からの受信信号の強度を算出する。物標検出部３６は、たとえば、除算値ａ／ｂとアンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉとが一致または最も近くなるときの方位θ＝ｔにおけるメインローブＰ１１の強さを用いて、物標１１についての信号強度を算出する。

物標検出部３６は、物標１１の検出結果を特定するデータを、表示用処理部３８へ出力する。

表示用処理部３８は、物標検出部３６で生成された、物標１１の検出結果を特定するデータを基に、表示部６に表示される画像データＧを生成するように構成されている。

表示用処理部３８は、スペクトラム設定部３８１を有している。

スペクトラム設定部３８１は、物標１１の検出結果に基づいて、方位θと信号強度との関係を示すスペクトラムＳＰ（θ）を設定する。

より具体的には、物標検出部３６から出力される、物標１１の位置を特定するデータは、方位方向Ｄ１における一点（方位θ_ｔ）についてのみ物標１１が存在することを示している。しかしながら、実際には、物標１１は、方位方向Ｄ１にある程度の幅を有している。そこで、スペクトラム設定部３８１は、方位方向Ｄ１において、物標１１が検出された位置を中心として、所定の信号強度の分布を有するスペクトラムＳＰ（θ）を設定する。

スペクトラム設定部３８１は、まず、ビームパターン記憶部３７２に記憶されているパターンＰＴのデータを読み出す。ビームパターン記憶部３７２は、たとえば、３つのパターンＰＴ（ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３）のデータを記憶している。

パターンＰＴ１は、回転アンテナ部２３に関するメインローブＰ１１の包絡線形状と同様の正弦波状のパターンである。パターンＰＴ２は、矩形波のパターンである。パターンＰＴ３は、三角波のパターンである。

パターンＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３のビーム幅は、それぞれ、方位方向Ｄ１に所定の長さを有している。これにより、表示部６で方位方向Ｄ１に十分な幅を持つエコー像を表示させることが可能である。

スペクトラム設定部３８１は、パターンＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３の何れかを選択する。この場合、スペクトラム設定部３８１は、たとえば、予めオペレータによって設定されたパターンＰＴを選択する。

このとき、スペクトラム設定部３８１は、パターンＰＴ１のピークの大きさおよび方位を、物標検出部３６で特定される大きさおよび方位θ_ｔに設定する。

スペクトラム設定部３８１は、このパターンＰＴ１を特定する画像データＧを生成し、表示部６に出力する。

表示部６は、たとえば、ＰＰＩ（Plan Position Indicator）装置である。表示部６は、信号処理装置３から出力された画像データＧに基づき、当該表示部６の表示画面に画像を表示する。一の距離Ｒ_ｊについての画像データＧは、方位方向Ｄ１に沿う画像１ライン分の濃淡データになる（スペクトラムＳＰ（θ）で示される信号強度が、その色と対応する）。自船１０の周囲の全周に亘って、目的の距離Ｒ_ｊまでのスペクトラムＳＰ（θ）を取得すれば、角度−距離の２次元濃淡画像を形成できる。たとえば、信号処理装置３が、角度−距離の２次元濃淡画像のデータを座標変換することで、東西距離−南北距離の２次元画像データを生成することができる。これにより、図８に示されているような画像が、表示部６に表示される。

図８は、表示部６に表示される画像の一例を示す図である。図２および図８を参照して、表示部６の表示画面には、物標１１に対応する物標像ｅ１１が示されている。図８から明らかなように、物標像ｅ１１は、方位方向Ｄ１の幅が適度に確保されている。このため、表示部６において、物標１１を示す物標像ｅ１１は、より自然な態様で表示される。

なお、図９は、信号処理装置３に代えて、公知のマルチビームフォーマ法によって角度スペクトラムを出力する信号処理装置を用いた場合の、表示部に表示される画像の一例を示す図である。図８および図９は、点線の間隔が短いほど、角度スペクトラムの信号強度が大きいことを示している。図８および図９から明らかなように、公知の信号処理装置を用いて得られた物標像ｅ１１’は、方位方向Ｄ１にぼやけており、方位方向Ｄ１に必要以上に広い。この場合、方位方向Ｄ１における分解能は、低い。これに対して、信号処理装置３を用いて得られた物標像ｅ１１の輪郭は、より明確である。

［信号処理装置における処理の流れ］
次に、信号処理装置３における処理の流れの一例について、図１０を参照しつつ説明する。図１０は、信号処理装置３における処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。なお、フローチャートを参照して説明する場合は、フローチャート以外の図も適宜参照する。

物標１１の探知処理においては、まず、信号処理装置３の方位領域設定部３１が、探知領域ＡＲ１を設定する（ステップＳ１０１）。次に、受信データ抽出部３２が、受信部２４から、受信データｘ_１〜ｘ_{Ｎ−１＋α}を読み出す（ステップＳ１０２）。次に、信号群設定部３３が、処理用データｘ_１〜ｘ_{Ｎ−１＋α}を用いて、第１信号群ｘｆおよび第２信号群ｘｓを設定する（ステップＳ１０３）。

次に、積算部３４が、第１積算値ａおよび第２積算値ｂを算出する（ステップＳ１０４）。その後、除算部３５が、除算値ａ／ｂを算出する（ステップＳ１０５）。

次に、物標検出部３６は、除算値ａ／ｂと、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉとが一致または実質的に一致する方位θ_ｔを検出する（ステップＳ１０６）。この際、物標検出部３６は、公知の方法を用いて、方位θ_ｔを迅速に検出することができる。物標検出部３６において、物標１１の位置θ_ｔと、当該物標１１に対応する信号強度とが検出された後、スペクトラム設定部３８１は、表示用処理を行う（ステップＳ１０７）。

具体的には、スペクトラム設定部３８１は、ビームパターン記憶部３７２からパターンＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３の何れかを読み出す。次いで、スペクトラム設定部３８１は、物標検出部３６で検出された物標１１の位置θ_ｔをピークとする、スペクトラムＳＰ（θ）を設定する。スペクトラム設定部３８１は、当該スペクトラムＳＰ（θ）を特定するデータを画像データＧとして設定し、当該画像データＧを表示部６へ出力する。

信号処理装置３は、一の距離Ｒ_ｊ毎に、上記の処理を繰り返すことで、単位距離間隔ΔＲ毎の画像データＧを生成する。操作・表示装置４の表示部６は、これらの画像データＧを基に、自船１０を中心とする、二次元のエコー画像を表示する。

［プログラム］
本実施形態にかかるプログラムは、コンピュータに、信号処理装置３の処理を実行させるプログラムであればよい。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、本実施形態における信号処理装置３と、信号処理方法と、を実現することができる。この場合、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）は、方位領域設定部３１、受信データ抽出部３２、信号群設定部３３、積算部３４、除算部３５、物標検出部３６、および、表示用処理部３８として機能し、処理を行う。なお、ＣＰＵ以外に、ＤＳＰ、ＳＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＰＡＬなどが用いられてもよい。また、コンピュータのＲＯＭ（Read Only Memory）は、記憶部３７として機能する。なお、信号処理装置３は、このようにソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよいし、ハードウェアによって実現されてもよい。また、本実施形態にかかるプログラムは、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの記録媒体に記録された状態で流通されてもよいし、有線または無線を用いた通信回線によって流通されてもよい。

以上説明したように、信号処理装置３によると、物標１１の算出に際しては、除算部３５は、第１信号群ｘｆおよび第２信号群ｘｓを基に算出された第１積算値ａおよび第２積算値ｂを用いて、除算値ａ／ｂを算出する。そして、物標検出部３６が、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉ、および、除算値ａ／ｂに基づいて、物標１１を検出する。このような構成であれば、信号処理装置３は、手間のかかる演算としての多数次の行列を演算する必要がなく、物標１１の検出に係る計算負荷を、格段に小さくできる。しかも、信号処理装置３は、演算負荷の大きい固有値分解を行う必要がなく、物標１１の検出に係る計算負荷を、より小さくできる。よって、信号処理装置３は、物標１１の検出に必要な演算時間と、演算用メモリの容量とを、より小さくできる。また、物標検出部３６は、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉと除算値ａ／ｂとに基づいて物標１１を検出する。このような物標検出手法は、超解像法を用いた物標検出法に基づく手法である。本実施形態では、信号処理装置３は、１つの回転アンテナ部２３による複数回のスイープによって得られた受信信号Ｓ１１（受信データｘ_ｉ）を、アレイアンテナによって得られた受信信号と同様に扱うことができる。これにより、信号処理装置３は、アレイアンテナによって得られた受信信号に対する超分解能処理と同様の処理を、１つの回転アンテナ部２３によって得られた受信信号Ｓ１１（受信データｘ_ｉ）に行うことができる。よって、物標検出部３６は、物標１１を高い分解能で検出することができる。以上の次第で、信号処理装置３は、機械的に変位する回転アンテナ部２３を用いて得られた受信信号Ｓ１１の処理に際して、高い分解能を実現でき、且つ、計算にかかる負荷をより小さくできる。

また、本実施形態では、信号処理装置３での処理によって、高分解能化を達成する構成である。すなわち、本実施形態は、回転アンテナ部２３の全長を長くすることで送信ビーム幅を狭くして高分解能化を達成する構成ではない。このため、回転アンテナ部２３として、全長の比較的短いアンテナを用いることができる。これにより、小型であることから安価な回転アンテナを、回転アンテナ部２３として用いることができる。さらに、全長の短い回転アンテナ部２３が採用されることで、小型船舶など、設置スペースに制限がある箇所への回転アンテナ部２３の設置を実現できる。

また、信号処理装置３によると、アンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉの算出に用いられる複数のアンテナパターンＡＰ１の中心位置は、単位距離間隔ΔＲ進む毎に、単位方位間隔Δθずれる。このような構成により、物標検出部３６における物標検出の分解能を、より高くできる。

また、信号処理装置３によると、分子アンテナパターン和ｅ_ｉは、方位θ_ｉにおいて、距離方向Ｄ２における第１領域内で単位距離間隔ΔＲ毎の位置でアンテナパターンＡＰ１の強度を加算した総和である。また、分母アンテナパターン和ｄ_ｉは、方位θ_ｉにおいて、距離方向Ｄ２における第２領域内で単位距離間隔ΔＲ毎の位置でアンテナパターンＡＰ１の強度を加算した総和である。このような構成により、物標検出部３６における物標検出の分解能を、より高くできる。

また、信号処理装置３によると、第１領域の長さと第２領域の長さは同じに設定されている。さらに、距離方向Ｄ２において、第１領域の位置と第２領域の位置とは、単位距離間隔ΔＲのα倍分だけずれている。このような構成により、物標検出部３６における物標検出の分解能を、より高くできる。

また、信号処理装置３によると、第１領域の長さ、および、第２領域の長さは、それぞれ、距離方向Ｄ２における単位距離間隔ΔＲのＮ−１倍（Ｎは自然数）である。また、自然数Ｎは、第１信号群ｘｆの設定（第２信号群ｘｓの設定）に用いられる受信信号Ｓ１１（受信データｘ_ｉ）のサンプリング数である。このような構成により、物標検出部３６における物標検出の分解能を、より高くできる。

また、信号処理装置３によると、第１領域は、回転アンテナ部２３の位置を基準として、単位距離間隔ΔＲだけ離隔した位置から、単位距離間隔ΔＲの（Ｎ−１）倍離隔した位置までの領域である。また、第２領域は、回転アンテナ部２３の位置を基準として、単位距離間隔ΔＲの１＋α倍離隔した位置から、単位距離間隔ΔＲのＮ−１＋α倍離隔した位置までの領域である。このような構成により、物標検出部３６における物標検出の分解能を、より高くできる。

また、信号処理装置３によると、方位領域設定部３１が物標１１の探知領域ＡＲ１を設定する。このような構成により、物標検出部３６は、探知領域ＡＲ１内における物標１１の有無を検出すればよい。よって、物標１１の検出にかかる演算負荷を、より少なくできる。

また、信号処理装置３によると、積算部３４は、第１積算値ａおよび第２積算値ｂを、前述した式（１），（２）を用いて算出する。このような構成により、信号処理装置３は、物標１１の位置をより正確に検出するための除算値ａ／ｂを算出することができる。

また、信号処理装置３によると、物標検出部３６は、方位方向Ｄ１において、除算値ａ／ｂとアンテナパターン比ｅ_ｉ／ｄ_ｉとが一致または実質的に一致する位置を、物標１１の存在する位置として検出する。このような構成によると、物標検出部３６は、簡易な演算処理で、物標１１を検出できる。よって、物標１１の検出にかかる計算負荷は、十分に小さい。

また、信号処理装置３によると、スペクトラム設定部３８１は、物標検出部３６における物標１１の検出結果に基づいて、方位方向Ｄ１の位置と信号強度との関係を表わすスペクトラムＳＰ（θ）を設定する。このような構成により、表示部６の表示画面において、物標１１に対応する位置には、方位方向Ｄ１に幅を持った物標像ｅ１１（エコー像）が表示される。これにより、信号処理装置３は、物標１１の形状に対応した、より自然な態様の物標像ｅ１１を、表示部６に表示させることができる。

［第２実施形態］
以下では、第１実施形態の構成と異なる構成について主に説明し、第１実施形態と同様の構成には同様の符号を付して説明を省略する。

第２実施形態では、積算部３４は、下記式（３）、（４）を用いて第１積算値ａおよび第２積算値ｂを算出する。

なお、ｐは、自然数であり、積算部３４の計算負荷を考慮すると、好ましくは、ｐ＝１または２である。

第２実施形態によると、信号処理装置３の積算部３４は、第１積算値ａおよび第２積算値ｂを、前述した式（３），（４）を用いて算出する。このような構成により、信号処理装置３は、物標１１の位置をより正確に検出するための除算値ａ／ｂを算出することができる。

また、上記のｐ＝１に設定することにより、信号処理装置３の積算部３４の演算負荷をより低減することができる。

［第３実施形態］
図１１は、本発明の第３実施形態にかかる水中探知装置１００の構成を示すブロック図である。図１１を参照して、水中探知装置１００は、超音波探知装置であり、たとえば、自船に備えられる。水中探知装置１００は、水中の物標を探知するために用いられる。本実施形態において、水中探知装置１００は、サーチライトソナーであり、自船を中心とする所定の単位方位間隔毎に、超音波の送受信を繰り返す。

水中探知装置１００は、送受信装置２Ｂと、信号処理装置３Ｂと、操作・表示装置４Ｂと、を備えている。

送受信装置２Ｂは、超音波を送受信する機能を有している。送受信装置２Ｂは、自船の船底に配置された取り付けられた受信装置としての超音波振動子１０１を、１つ有している。超音波振動子１０１は、鉛直軸線回りの方位方向を副走査方向として、自転するように構成されている。超音波振動子１０１は、自転した状態で、方位方向と交差する距離方向に向かって超音波を水中に送信するとともに、水中からのエコーを受信する。送受信装置２Ｂは、このエコー信号に基づく受信信号を電気信号に変換することで、受信データｘＢ（θ_ｉ，Ｒ_ｊ）を生成する。

このように、送受信装置２Ｂは、自船回りの各方位において、距離方向Ｄ１に沿う超音波を順次送受信する。この受信データｘＢ（θ_ｉ，Ｒ_ｊ）は、単位方位間隔Δθ毎に生成される。この受信データｘＢ（θ_ｉ，Ｒ_ｊ）は、信号処理装置３Ｂへ出力される。信号処理装置３Ｂは、受信データｘＢ（θ_ｉ，Ｒ_ｊ）を基に、画像データＧＢを生成する。信号処理装置３Ｂは、この画像データＧＢを、操作・表示装置４Ｂへ出力する。操作・表示装置４Ｂは、画像データに基づく画像を表示する。

このような構成によると、水中探知装置１００は、受信信号Ｓ１１の処理に際して、高い分解能を実現でき、且つ、計算にかかる負荷をより小さくできる。

なお、第３実施形態では、超音波振動子の数が１である形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。たとえば、複数の超音波振動子と、これらの超音波振動子が受信した信号の位相を一致させる整相器と、を設けてもよい。

なお、第３実施形態では、超音波探知装置の一例として、水中探知装置１００を例に説明した。しかしながら、この形態に限定されない。本発明は、超音波探知装置としての魚群探知機に適用されてもよい。

以上、本発明の実施形態について複数説明したけれども、本発明は上述の実施の形態に限られない。本発明は、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能である。たとえば、次のように変更して実施してもよい。

（１）上述の各実施形態では、信号処理装置に種々の構成が備えられる形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。信号処理装置は、少なくとも、信号群設定部と、積算部と、除算部と、物標検出部とを備えていればよい。

（２）また、上述の各実施形態では、信号群設定部３３が第１信号群ｘｆと第２信号群ｘｓを設定した後、積算部３４が第１積算値ａおよび第２積算値ｂを算出する形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。信号処理装置３において、受信データ抽出部３２から与えられた受信データｘ_ｉを用いて、直接第１積算値ａおよび第２積算値ｂを算出する積算部が設けられてもよい。この場合、当該積算部は、本発明の「信号群設定部」と「積算部」の双方を兼ねることとなる。すなわち、本発明においては、「信号群設定部」と「積算部」とは、別々の概念ではあるけれども、実際の処理においては、「信号群設定部」における処理と「積算部」における処理とが同時に行われてもよい。

（３）また、各上記実施形態において、送受信装置２から出力された受信データｘ_ｉにフィルタ処理を施すことで、ノイズ信号（強度が所定値未満の受信信号）を除去する、フィルタ処理部が設けられてもよい。また、物標検出部と表示用処理部との間にフィルタ処理部が設けられてもよい。

（４）また、上述の各実施形態のうち、レーダ装置では、回転アンテナ部が、方位方向において１回に１つの受信信号を出力する形態を例に説明した。この限りにおいて、回転アンテナ部は、アレイアンテナであってもよいし、アレイアンテナでなくてもよい。また、上述の実施形態のうち、水中探知装置では、超音波振動子が方位方向において１回に１つの受信信号を出力する形態を例に説明した。この限りにおいて、超音波振動子は、アレイであってもよいし、アレイでなくてもよい。

（５）また、上述の各実施形態では、信号処理装置が、レーダ装置または水中探知装置に適用された形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。たとえば、信号処理装置は、超音波などを利用する医療機器、通信機器、ネットワーク機器、または、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）システムの利用者受信機など、他の機器に備えられていてもよい。

本発明は、信号処理装置、レーダ装置、水中探知装置、信号処理方法、および、プログラムとして、広く適用することができる。

１ レーダ装置
２，２Ｂ 送受信装置
３，３Ｂ 信号処理装置
１１ 物標
２３ 回転アンテナ部（受信装置、アンテナ部）
３１ 方位領域設定部（領域設定部）
３３ 信号群設定部
３４ 積算部
３５ 除算部
３６ 物標検出部
１００ 水中探知装置
１０１ 超音波振動子（受信装置、アンテナ部）
３８１ スペクトラム設定部
ＡＰ１ アンテナパターン
ＡＲ１ 探知領域
Ｄ１ 方位方向（副走査方向）
Ｄ２ 距離方向（主走査方向）
ｅ_ｉ／ｄ_ｉ アンテナパターン比
Ｓ１１ 受信信号
ｘｆ 第１信号群
ｘｓ 第２信号群
ΔＲ 単位距離間隔（第１単位）
Δθ 単位方位間隔（第２単位）

Claims (16)

1. 所定の副走査方向に沿って変位し且つ前記副走査方向と交差する主走査方向からの信号を順次受信する受信装置を用いて得られた受信信号を用いて、所定の第１信号群および当該第１信号群とは前記副走査方向に関する位置が異なる所定の第２信号群を設定する、信号群設定部と、
   前記第１信号群および前記第２信号群を基に、所定の第１積算値ａおよび当該第１積算値ａとは異なる所定の第２積算値ｂを算出する積算部と、
   前記第１積算値ａを前記第２積算値ｂで除した除算値ａ／ｂを算出する除算部と、
   前記主走査方向に沿って前記受信装置から遠ざかるに従い前記副走査方向の中心位置がずらされた複数のアンテナパターンに基づくアンテナパターン比、および、前記除算値ａ／ｂを用いて物標を検出する、物標検出部と、
   を備え、
   複数の前記アンテナパターンの前記中心位置は、前記主走査方向に所定の第１単位進む毎に、前記副走査方向に所定の第２単位だけずれ、
   前記アンテナパターン比は、所定の分子アンテナパターン和ｅを分子とし、所定の分母アンテナパターン和ｄを分母とする比ｅ／ｄで特定される比であり、
   前記分子アンテナパターン和は、所定の前記副走査方向の位置において、前記主走査方向における所定の第１領域内で前記第１単位毎の位置で前記アンテナパターンの強度を加算した総和であり、
   前記分母アンテナパターン和は、所定の前記副走査方向の位置において、前記主走査方向における所定の第２領域内で前記第１単位毎の位置で前記アンテナパターンの強度を加算した総和であ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であって、
   前記第１領域の長さと前記第２領域の長さは同じに設定されており、
   前記主走査方向において、前記第１領域の位置と前記第２領域の位置とは、前記第１単位のα倍（αは所定の自然数）分だけずれてい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であって、
   前記第１領域の長さ、および、前記第２領域の長さは、それぞれ、前記主走査方向における前記第１単位長さのＮ−１倍（Ｎは所定の自然数）であり、
   前記自然数Ｎは、前記第１信号群の設定に用いられる前記受信信号のサンプリング数であることを特徴とする、信号処理装置。
4. 請求項３に記載の信号処理装置であって、
   前記第１領域は、前記受信装置の位置を基準として、前記第１単位だけ離隔した位置から前記第１単位の（Ｎ−１）倍離隔した位置までの領域であることを特徴とする、信号処理装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の信号処理装置であって、
   前記第２領域は、前記受信装置の位置を基準として、前記第１単位の１＋α倍離隔した位置から、前記第１単位のＮ−１＋α倍離隔した位置までの領域であることを特徴とする、信号処理装置。
6. 請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の信号処理装置であって、
   前記副走査方向における前記物標の探知領域を設定する、領域設定部をさらに備えていることを特徴とする、信号処理装置。
7. 請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の信号処理装置であって、
   前記副走査方向に沿って検出された前記受信信号をｘ_ｋ（ｋは、前記副走査方向における位置を特定する変数）とした場合、前記第１積算値ａは、下記式（１）で特定されることを特徴とする、信号処理装置。
   

   

   
   但し、Ｎ，αはそれぞれ自然数であり、Ｎは前記第１信号群の設定に用いられる前記受信信号のサンプリング数である。
8. 請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の信号処理装置であって、
   前記副走査方向に沿って検出された前記受信信号をｘ_ｋ（ｋは、前記副走査方向における位置を特定する変数）とした場合、前記第２積算値ｂは、下記式（２）で特定されることを特徴とする、信号処理装置。
   

   

   
   但し、Ｎ，αはそれぞれ自然数であり、Ｎは前記第１信号群の設定に用いられる前記受信信号のサンプリング数である。
9. 請求項１ないし請求項８の何れか１項に記載の信号処理装置であって、
   前記副走査方向に沿って検出された前記受信信号をｘ_ｋ（ｋは、前記副走査方向における位置を特定する変数）とした場合、前記第１積算値ａは、下記式（３）で特定されることを特徴とする、信号処理装置。
   

   

   
   但し、Ｎ，ｐはそれぞれ自然数であり、Ｎは前記第１信号群の設定に用いられる前記受信信号のサンプリング数である。
10. 請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載の信号処理装置であって、
    前記副走査方向に沿って検出された前記受信信号をｘ_ｋ（ｋは、前記副走査方向における位置を特定する変数）とした場合、前記第２積算値ｂは、下記式（４）で特定されることを特徴とする、信号処理装置。
    

    

    
    但し、Ｎ，α，ｐはそれぞれ自然数であり、Ｎは前記第１信号群の設定に用いられる前記受信信号のサンプリング数である。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の信号処理装置であって、
    前記物標検出部は、前記副走査方向において、前記除算値と前記アンテナパターン比とが一致または実質的に一致する位置を、前記物標の存在する位置として検出することを特徴とする、信号処理装置。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の信号処理装置であって、
    前記物標検出部における前記物標の検出結果に基づいて、前記副走査方向の位置と信号強度との関係を表わすスペクトラムを設定する、スペクトラム設定部をさらに備えていることを特徴とする、信号処理装置。
13. 所定の方位方向を副走査方向として回転し且つ前記方位方向と交差する主走査方向に沿って電磁波を順次送受信するアンテナ部が設けられた、送受信装置と、
    請求項１ないし請求項１２の何れか１項に記載の信号処理装置と、を備え、
    前記信号群設定部は、前記アンテナ部を用いて得られた受信信号を用いて、前記第１信号群および前記第２信号群を設定することを特徴とする、レーダ装置。
14. 所定の方位方向を副走査方向として回転し且つ前記方位方向と交差する主走査方向に沿って超音波を順次送受信する超音波振動子が設けられた、送受信装置と、
    信号処理装置と、を備え、
    前記信号処理装置は、
    前記超音波振動子を用いて得られた受信信号を用いて、所定の第１信号群および当該第１信号群とは前記副走査方向に関する位置が異なる所定の第２信号群を設定する、信号群設定部と、
    前記第１信号群および前記第２信号群を基に、所定の第１積算値ａおよび当該第１積算値ａとは異なる所定の第２積算値ｂを算出する積算部と、
    前記第１積算値ａを前記第２積算値ｂで除した除算値ａ／ｂを算出する除算部と、
    前記主走査方向に沿って前記送受信装置から遠ざかるに従い前記副走査方向の中心位置がずらされた前記超音波振動子の複数のビームパターンに基づくビームパターン比、および、前記除算値ａ／ｂを用いて物標を検出する、物標検出部と、
    を含み、
    複数の前記ビームパターンの前記中心位置は、前記主走査方向に所定の第１単位進む毎に、前記副走査方向に所定の第２単位だけずれ、
    前記ビームパターン比は、所定の分子ビームパターン和ｅを分子とし、所定の分母ビームパターン和ｄを分母とする比ｅ／ｄで特定される比であり、
    前記分子ビームパターン和は、所定の前記副走査方向の位置において、前記主走査方向における所定の第１領域内で前記第１単位毎の位置で前記ビームパターンの強度を加算した総和であり、
    前記分母ビームパターン和は、所定の前記副走査方向の位置において、前記主走査方向における所定の第２領域内で前記第１単位毎の位置で前記ビームパターンの強度を加算した総和であることを特徴とする、水中探知装置。
15. 所定の副走査方向に沿って変位し且つ前記副走査方向と交差する主走査方向からの信号を順次受信する受信装置を用いて得られた受信信号を用いて、所定の第１信号群および当該第１信号群とは前記副走査方向に関する位置が異なる所定の第２信号群を設定する、信号群設定ステップと、
    前記第１信号群および前記第２信号群を基に、所定の第１積算値ａおよび当該第１積算値ａとは異なる所定の第２積算値ｂを算出する積算ステップと、
    前記第１積算値ａを前記第２積算値ｂで除した除算値ａ／ｂを算出する除算ステップと、
    前記主走査方向に沿って前記受信装置から遠ざかるに従い前記副走査方向の中心位置がずらされた複数のアンテナパターンに基づくアンテナパターン比、および、前記除算値ａ／ｂを用いて物標を検出する、物標検出ステップと、
    を含み、
    複数の前記アンテナパターンの前記中心位置は、前記主走査方向に所定の第１単位進む毎に、前記副走査方向に所定の第２単位だけずれ、
    前記アンテナパターン比は、所定の分子アンテナパターン和ｅを分子とし、所定の分母アンテナパターン和ｄを分母とする比ｅ／ｄで特定される比であり、
    前記分子アンテナパターン和は、所定の前記副走査方向の位置において、前記主走査方向における所定の第１領域内で前記第１単位毎の位置で前記アンテナパターンの強度を加算した総和であり、
    前記分母アンテナパターン和は、所定の前記副走査方向の位置において、前記主走査方向における所定の第２領域内で前記第１単位毎の位置で前記アンテナパターンの強度を加算した総和であることを特徴とする、信号処理方法。
16. 所定の副走査方向に沿って変位し且つ前記副走査方向と交差する主走査方向からの信号を順次受信する受信装置を用いて得られた受信信号を用いて、所定の第１信号群および当該第１信号群とは前記副走査方向に関する位置が異なる所定の第２信号群を設定する、信号群設定ステップと、
    前記第１信号群および前記第２信号群を基に、所定の第１積算値ａおよび当該第１積算値ａとは異なる所定の第２積算値ｂを算出する積算ステップと、
    前記第１積算値ａを前記第２積算値ｂで除した除算値ａ／ｂを算出する除算ステップと、
    前記主走査方向に沿って前記受信装置から遠ざかるに従い前記副走査方向の中心位置がずらされた複数のアンテナパターンに基づくアンテナパターン比、および、前記除算値ａ／ｂを用いて物標を検出する、物標検出ステップと、
    をコンピュータに実行させ、
    複数の前記アンテナパターンの前記中心位置は、前記主走査方向に所定の第１単位進む毎に、前記副走査方向に所定の第２単位だけずれ、
    前記アンテナパターン比は、所定の分子アンテナパターン和ｅを分子とし、所定の分母アンテナパターン和ｄを分母とする比ｅ／ｄで特定される比であり、
    前記分子アンテナパターン和は、所定の前記副走査方向の位置において、前記主走査方向における所定の第１領域内で前記第１単位毎の位置で前記アンテナパターンの強度を加算した総和であり、
    前記分母アンテナパターン和は、所定の前記副走査方向の位置において、前記主走査方向における所定の第２領域内で前記第１単位毎の位置で前記アンテナパターンの強度を加算した総和であることを特徴とする、プログラム。

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