JP6862799B2

JP6862799B2 - 信号処理装置、方位算出方法及び方位算出プログラム

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Publication number: JP6862799B2
Application number: JP2016232880A
Authority: JP
Inventors: 亮平齊藤; 達也小松
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2036-11-30
Also published as: JP2018091647A

Description

本発明は、信号処理装置、方位算出方法及び方位算出プログラムに関する。

信号処理装置は、ソーナー装置、レーダー装置などであり、目標（例えば、航空機、潜水艦や水中機雷等）が発生する音波や電波を捉え、目標の存在を検出し、目標の位置や方位の算出を行う装置である。以下、信号処理装置の一例として、パッシブソーナー装置について説明する。

例えば、目標が発する音の中には、エンジン等を発生源として定常的に発生する音と、船の操舵時等に短い時間だけ発生する音がある。定常的に発生する音のうち、エンジン音などの狭帯域信号はナローバンド信号、フローノイズやキャビテーションノイズなどの広帯域信号はブロードバンド信号と呼ばれ、短い時間だけ発生する過渡音はトランジェント信号と呼ばれる。

ユーザとなるオペレータは聴音やソーナー装置で処理した信号分析結果を画面上で目視し、これらの情報を総合して受信信号中の信号の有無を判断する。信号の分析方式には、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の方式により周波数分析する方法が代表的である。信号の連続時間に合わせて時間分解能を設定し、分析区間をずらしながら周期的に演算を繰り返す短時間ＦＦＴと呼ばれる方法が一般的に用いられる。

ソーナー装置には、指向性ビームを用いて方位を算出するシステムと、指向性ビーム以外の手法で方位を算出するシステムがある。指向性ビームを用いて方位を算出するシステムは、信号を発する物体の位置を特定するため、複数センサから指向性ビームを形成し、そのＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）から方位を計算して音源成分を分離し、方位を算出する。また指向性ビーム以外の手法で方位を算出するシステムは、ＤＩＦＡＲ（ＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＲｅｃｏｒｄｉｎｇ）ソノブイなどが知られている。この関連技術が、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されているＤＩＦＡＲソノブイでの方位算出方式について図１２を用いて説明する。図１２はＤＩＦＡＲソノブイのＯＭＮＩ素子、ＮＳ素子及びＥＷ素子の指向性の一例を示す図である。ＤＩＦＡＲブイは全方位に一様な指向性、すなわちＯＭＮＩ指向性を有するＯＭＮＩ素子と、南北方向に指向性を有するＮＳ（ＮｏｒｔｈＳｏｕｔｈ）素子と、東西方向に指向性を有するＥＷ（ＥａｓｔＷｅｓｔ）素子を内蔵している。ＮＳ素子及びＥＷ素子の指向性は、目標からの信号が、図８に示すように、ＮＳ素子の指向性が最大の方向を基準としてθ傾いた方向から入射し、ＯＭＮＩ素子から出力がＰの信号が出力される場合、出力がＰcosθの信号がＮＳ素子から出力され、出力がＰsinθの信号がＥＷ素子から出力されるような指向性とされている。ＮＳ素子から出力される信号はＮＳ信号又はコサイン信号ともいう。また、ＥＷ素子から出力される信号はＥＷ信号、又はサイン信号ともいう。周波数ごとにＮＳ信号の強度とＥＷ信号の強度の比により目標からの信号の方位を算出することができる。

ソーナー装置は目標の信号の性質に応じて、得られた方位情報に対して更に処理を加え、画面に表示する。フローノイズやキャビテーションノイズなどのブロードバンド信号の影響を抑制する処理方法として、例えば特許文献２に示した方位集中処理がある。

特許文献２に開示されている方位集中処理は、まず周波数ごとの方位情報から音の到来方位の方位密度分布を算出し、方位密度分布を算出した結果に対し方位集中処理を行い、ＢＴＲ（ＢｅａｒｉｎｇＴｉｍｅＲｅｃｏｒｄｓ）と呼ばれる時間・方位表示形式で画面上に表示する。瞬時の分布を表示するために、方位密度分布ではなくヒストグラムが用いられることもある。オペレータはＢＴＲやヒストグラムを目視し、信号到来方位の偏り（最大値など）から信号の有無を判断し、信号到来方位を推定する。特許文献２に開示の技術は、方位集中処理を適用することで、ブロードバンド信号の情報を統計的に活用し、測位精度を高めている。

また他に関連する技術としては、音声分野等において音源分離に関し様々な技術が提案されている。音源分離技術は、カタログテンプレートのような事前の情報を必要とせずにデータをクラスタリングするアルゴリズム（教師なし学習）と、事前に教師データを用いて学習するアルゴリズム（教師あり学習）に大別される。前者はＩＣＡ（ＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＣｏｍｐｏｎｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ：独立成分分析）、後者は特許文献３に開示されているようなＮＭＦ（ＮｏｎｎｅｇａｔｉｖｅＭａｔｒｉｘＦａｃｔｏｒｉｚａｔｉｏｎ：非負値行列因子分解）が知られている。

特開平０６−２０１８１１号公報特開２０１４−０３２０８２号公報特開２０１４−２２２２８１号公報

上述の特許文献１に開示されている方位算出技術では、その方位精度は原則的にＳ／Ｎと比例関係にあり、信号を発する物体の位置を正確に計測するためには、周波数分析結果から最もＳ／Ｎの良い状態にして各方向のセンサから得られたレベルの比を求めることが望ましい。

図１３は、雑音源からのブロードバンド信号による方位算出結果への影響を示す図である。図１３に示すように、目標からの信号をＤＩＦＡＲソノブイで受信するとき、雑音源である別の物体からのブロードバンド信号と混合されて受信すると、目標の真の方位よりも別の物体の方向に偏った結果となり、測位の上で不都合が生じる。

図１４は、目標からのトランジェント信号と雑音源からのブロードバンド信号を混合して受信した場合の時間・周波数表示画面の一例を示す図である。また図１５は、ＮＳ信号及びＥＷ信号中の目標からの信号レベルと雑音源からの信号レベルの一例を示す図である。

図１４に示すように、雑音源からの受信信号がブロードバンド信号であり、時間・周波数表示画面上において雑音源からのブロードバンド信号の周波数の範囲内に重なって、目標からの短時間で多様な周波数特性を持つトランジェント信号が出現した場合を想定する。この場合、時刻Ｔ１における目標からのトランジェント信号の周波数Ｆ１のＮＳ信号とＥＷ信号のレベルＰｎｓ及びＰｅｗを抽出すると、図１５に示すように、目標からの受信信号のレベルＰ１ｎｓ及びＰ１ｅｗに、雑音源からの大きな受信信号のレベルＰ２ｎｓ及びＰ２ｅｗが加えられたレベルとなっている。したがって、ＮＳ信号とＥＷ信号のレベルＰｎｓ及びＰｅｗから目標の方位が算出されると、図１３に示すように、目標の真の方位よりも雑音源である別の物体の方向に大きく偏った方位となる。

ナローバンド信号では受信信号の周波数帯域幅が狭いため、周波数分解能を高める、時間方向に積分処理を行うなどの手法により、多数の周波数分析結果からでも比較的容易にＳ／Ｎの条件を改善することが可能である。またブロードバンド信号では、上記特許文献２に開示された方位集中処理を活用することで、統計的に方位誤差を小さくすることができる。

しかしトランジェント信号ではこれらの受信信号と異なり、信号の出現が短時間で多様な周波数特性を持つため時間方向の積分処理が適用できず、特許文献２の方位集中処理を用いても方位誤差を小さくできない場合が多い。特許文献３は、事前に教師データを用いて学習し音源分離を行う技術であり、特許文献３にも上記のような方位誤差を抑制する技術は開示されていない。

本発明の目的は、目標からの受信信号が短時間で多様な周波数特性を持つ場合でも雑音源からの受信信号による方位誤差を抑制し測位精度を向上することができる信号処理装置、方位算出方法及び方位算出プログラムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の１側面による信号処理装置は、異なる２方向に指向性をもつ第１及び第２のセンサにより目標から受信した第１及び第２の受信信号に対して周波数分析を行う周波数分析処理部と、雑音源を含む１つ以上の音源からの受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得するテンプレート取得部と、前記音源テンプレートに基づき前記第１及び第２の受信信号から前記音源の成分を分離して前記雑音源の成分を除去する音源分離除去部と、前記雑音源の成分が除去された前記第１及び第２の受信信号から前記目標の方位を算出する方位算出部と、を有する。

本発明の他の側面による方位算出方法は、異なる２方向に指向性をもつ第１及び第２のセンサにより目標から受信した第１及び第２の受信信号に対して周波数分析を行い、雑音源を含む１つ以上の音源からの受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得し、前記音源テンプレートに基づき前記第１及び第２の受信信号から前記音源の成分を分離して前記雑音源の成分を除去し、前記雑音源の成分が除去された前記第１及び第２の受信信号から前記目標の方位を算出する。

本発明の他の側面による方位算出プログラムは、コンピュータに、異なる２方向に指向性をもつ第１及び第２のセンサにより目標から受信した第１及び第２の受信信号に対して周波数分析を行う処理と、雑音源を含む１つ以上の音源からの受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得する処理と、前記音源テンプレートに基づき前記第１及び第２の受信信号から前記音源の成分を分離して前記雑音源の成分を除去する処理と、前記雑音源の成分が除去された前記第１及び第２の受信信号から前記目標の方位を算出する処理と、を実行させる。

本発明により、目標からの受信信号が短時間で多様な周波数特性を持つ場合でも雑音源からの受信信号による方位誤差を抑制し測位精度を向上することができる。

図１は、第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図２は、図１の方位算出の動作を示すフローチャートである。図３は、第２の実施形態の構成を示すブロック図である。図４は、図３の方位算出の動作を示すフローチャートである。図５は、第３の実施形態の構成を示すブロック図である。図６は、第４の実施形態の構成を示すブロック図である。図７は、図６の即席の音源テンプレート生成の動作を示すフローチャートである。図８は、第５の実施形態の構成を示すブロック図である。図９は、図８の即席の音源テンプレート生成の動作を示すフローチャートである。図１０は、第６の実施形態の構成を示すブロック図である。図１１は、各実施形態の各部の機能を実現する情報処理装置の構成の一例を示す図である。図１２は、ＤＩＦＡＲソノブイのＯＭＮＩハイドロホン、ＮＳハイドロホン及びＥＷハイドロホンの指向性の一例を示す図である。図１３は、雑音源からのブロードバンド信号による方位算出結果への影響を示す図である。図１４は、目標からのトランジェント信号と雑音源からのブロードバンド信号を混合して受信した場合の時間・周波数表示画面の一例を示す図である。図１５は、ＮＳ信号及びＥＷ信号中の目標からの受信信号レベルと雑音源からの受信信号レベルの一例を示す図である。

本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の信号処理装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の信号処理装置１は、図１に示すように、第１のセンサ１１と、第２のセンサ１２と、周波数分析処理部１３と、音源テンプレート取得部１４と、音源分離除去部１５と、方位算出部１６を備えている。

第１のセンサ１１と、第２のセンサ１２は、異なる２方向、例えば互いに直角な２方向に指向性をもつ。第１のセンサ１１及び第２のセンサ１２は、例えば、ＤＩＦＡＲソノブイのＮＳハイドロホン及びＥＷハイドロホンとしてよい。なお信号処理装置１は、ＤＩＦＡＲソノブイと同様に、全方位に一様な指向性、すなわちＯＭＮＩ指向性を有するＯＭＮＩハイドロホンを備えていてもよい。

周波数分析処理部１３は、第１のセンサ１１から得られる第１の受信信号と第２のセンサ１２から得られる第２の受信信号に対して周波数分析を行い、第１の受信信号及び第２の受信信号の周波数スペクトルを算出する。周波数分析は例えばＦＦＴ処理で行う。

本実施形態の周波数分析処理部１３は、第１のセンサ１１及び第２のセンサ１２が受信した第１の受信信号及び第２の受信信号を、例えば無線通信により取得する。周波数分析処理部１３は、第１の受信信号及び第２の受信信号から算出した各受信信号の周波数スペクトルを、それぞれ音源分離除去部１５へ出力する。

音源テンプレート取得部１４は、雑音源を含む１つ以上の音源の受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得する。

音源分離除去部１５は、音源テンプレートに基づき第１及び第２の受信信号から音源の成分を分離して雑音源の成分を除去する。なお音源分離処理については、複数の実施方法が考えられる。本発明で解決を試みる問題は信号に入力される音源の数が未知数かつ通常センサの数より多いものと想定されるため、ＩＣＡのような教師なし学習よりも、既知の情報を活用した教師あり学習の適合性が高い。また、ＮＭＦ（非負値行列因子分解）を用いることで各周波数成分のパワーの大小関係の比率を維持しながら所望の信号に対して音源分離、音源選択及び音源パワー算出を行うことができる。以降の説明においてはＮＭＦ（非負値行列因子分解）を用いた実施形態を最適な形態の例として説明する。ただし、本発明はＮＭＦに限ったものではなく、ＮＭＦの改良手法やその他の音源分離アルゴリズムを使用しても良い。

方位算出部１６は、音源分離除去部１５により雑音源の成分が除去された第１及び第２の受信信号から目標の方位を算出する。

次に本実施形態の方位算出の動作について説明する。図２は、図１の方位算出の動作を示すフローチャートである。

まず信号処理装置１は、第１及び第２のセンサで受信した第１及び第２の受信信号に対し周波数分析処理を行う（ステップＳ１１）。また信号処理装置１は、雑音源を含む１つ以上の音源の受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得する（ステップＳ１２）。そして信号処理装置１は、音源テンプレートに基づき第１及び第２の受信信号から音源の成分を分離して雑音源の成分を除去する（ステップＳ１３）。なおステップＳ１３の音源分離処理については、例えば、各受信信号の周波数分析結果に対し、各音源の周波数成分を示す音源テンプレートを用いて非負値行列因子分解を行って音源の成分を分離し、各受信信号の周波数分析結果から雑音源の成分を除去する。そして信号処理装置１は、雑音源の成分が除去された各受信信号から方位を算出する（ステップＳ１４）。方位を算出すると、図示しない表示部は、算出した方位を表示する。

本実施形態では、雑音源を含む１つ以上の音源の受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得し、音源テンプレートに基づき第１及び第２の受信信号から音源の成分を分離して雑音源の成分を除去し、雑音源の成分が除去された第１及び第２の受信信号から目標の方位を算出する。一方、特許文献２に開示の方式では、ＮＳ信号及びＥＷ信号の周波数成分ごとに、レベルと到来方位を算出し、レベルと到来方位を用いて方位密度分布を算出して、方位密度がピークとなる方位集中処理が行われている。したがって本実施形態によれば、特許文献２の方式と比較して、信号全体のエネルギーを反映して方位算出が可能となる。またトランジェント信号のように短時間で多様な周波数特性を持つ信号に対しても、複数の方位算出手段を必要とせずに方位が得られるほか、雑音源による方位誤差の発生を抑制し、測位精度の向上効果が得られる。

なお第１の実施形態及び後述の各実施形態の信号処理装置の各構成要素は、機能単位のブロックを示している。本実施形態の信号処理装置の各構成要素の一部又は全部は、例えば図１１に示すような情報処理装置１００とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。情報処理装置１００は、一例として、以下のような構成を含む。

・ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）１０１
・ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）１０２
・ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）１０３
・ＲＡＭ１０３にロードされるプログラム１０４
・プログラム１０４を格納する記憶装置１０５
・記録媒体１０６の読み書きを行うドライブ装置１０７
・通信ネットワーク１０９と接続する通信インタフェース１０８
・データの入出力を行う入出力インタフェース１１０
・各構成要素を接続するバス１１１
本実施形態の信号処理装置の各構成要素は、これらの機能を実現するプログラム１０４をＣＰＵ１０１が取得して実行することで実現される。各装置の各構成要素の機能を実現するプログラム１０４は、例えば、予め記憶装置１０５やＲＯＭ１０２やＲＡＭ１０３に格納されており、必要に応じてＣＰＵ１０１が読み出す。

なお、プログラム１０４は、通信ネットワーク１０９を介してＣＰＵ１０１に供給されてもよいし、予め記録媒体１０６に格納されており、ドライブ装置１０７が当該プログラムを読み出してＣＰＵ１０１に供給してもよい。

信号処理装置の各構成要素の実現方法には、様々な変形例がある。例えば、信号処理装置の各構成要素は、構成要素毎にそれぞれ別個の情報処理装置とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。また、各装置が備える複数の構成要素が、一つの情報処理装置とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。

また、信号処理装置の各構成要素の一部又は全部は、その他の汎用または専用の回路（ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）、プロセッサ等やこれらの組み合わせによって実現される。これらは、単一のチップによって構成されてもよいし、バスを介して接続される複数のチップによって構成されてもよい。各装置の各構成要素の一部又は全部は、上述した回路等とプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。

信号処理装置の各構成要素の一部又は全部が複数の情報処理装置や回路等により実現される場合には、複数の情報処理装置や回路等は、集中配置されてもよいし、分散配置されてもよい。例えば、情報処理装置や回路等は、各々が通信ネットワークを介して接続される形態として実現されてもよい。

次に第２の実施形態について説明する。図３は第２の実施形態の構成を示すブロック図である。図３に示すように、本実施形態の信号処理装置２は、音源テンプレート取得部２１が、予め辞書として用意した１つ以上の音源テンプレート２１１１が登録されたデータベース２１１を備え、また音源分離除去部２２が、音源分離部２２１と、音源選択部２２２を備える点で、第１の実施形態と異なる。

各音源テンプレート２１１１は、信号処理装置２の外部で、各種の船舶や生物などの雑音源からセンサにより取得した受信信号から作成し、その周波数分析結果から音源テンプレートが作成される。また雑音源に限らず、信号処理装置２の外部で、目標からセンサにより取得した受信信号が周波数分析され、その周波数分析結果から音源テンプレートが作成されてもよい。外部で作成された雑音源及び目標の音源テンプレート２１１１は、例えばオペレータの手動操作により、予めデータベース２１１に登録しておく。

音源分離部２２１は、第１の受信信号の周波数スペクトルから、各音源の音源テンプレート２１１１を基に、各音源の強度情報に相当するアクティベーション情報Ａを算出する。

また音源分離部２２１は、第２の受信信号の周波数スペクトルから、各音源の音源テンプレート２１１１を基に、各音源の強度情報に相当するアクティベーション情報Ｂを算出する。これは、辞書として用意した各音源テンプレート２１１１を基に第１の受信信号及び第２の受信信号を別個の信号に分離することに相当する。

次に音源選択部２２２は、それぞれ分離した音源を用いて、元の周波数分析結果から不要な音源の成分を除去し、所望の信号成分のみを選択的に抽出する。音源選択部２２２は、音源分離部２２１により第１及び第２の受信信号のそれぞれから分離した音源を用いて、例えばオペレータの手動操作により選択された雑音源の成分を削除する。音源選択部２２２は、方位算出部１６に、選択した所望の信号成分のみを出力する。

方位算出部１６には、第１の受信信号及び第２の受信信号のそれぞれについて、選択された発信源の成分が入力される。方位算出部１６は、第１の受信信号及び第２の受信信号のそれぞれにおける各音源の成分のパワーを算出する。方位算出部１６は、第１の受信信号及び第２の受信信号のそれぞれにおける各音源のパワーに相当する数値を、音源テンプレート２１１１に対するアクティベーション情報Ａ及びＢから算出してよい。

方位算出部１６は、第１の受信信号及び第２の受信信号における各音源の成分のパワーの比から、音源ごとに方位算出を行う。すなわち例えば方位算出部１６は、第１の受信信号から音源テンプレート２１１１について算出されたアクティベーション情報Ａと、第２の受信信号から音源テンプレート２１１１について算出されたアクティベーション情報Ｂの比から、音源テンプレート２１１１の音源についてパワー及び方位の算出を行う。方位算出部１６は、選択された各音源についてこの算出処理を行う。

方位算出部１６は、図示しない表示部により画面上に各音源について算出したパワー及び方位を表示する。

次に本実施形態の方位算出の動作について説明する。図４は、図３の方位算出の動作を示すフローチャートである。

まず信号処理装置２は、雑音源を含む音源の音源テンプレート２１１１を、予めデータベース２１１に登録する（ステップＳ２１）。そして信号処理装置２は、第１及び第２のセンサで受信した第１及び第２の受信信号に対し周波数分析処理を行う（ステップＳ１１）。そして信号処理装置２は、雑音源を含む音源の音源テンプレート２１１１を、データベース２１１から取得する（ステップＳ１２）。

信号処理装置２は、音源テンプレートに基づき第１及び第２の受信信号に対し、データベース２１１に登録された音源テンプレート２１１１に対応する各音源の成分に分離する処理を行う（ステップＳ２２）。

なおステップＳ１３の音源分離処理については、複数の実施方法が考えられるが、ＮＭＦ（非負値行列因子分解）を用いる場合、信号処理装置２は、音源分離部２２１により、各受信信号の周波数分析結果に対し、各音源の音源テンプレートを用いて非負値行列因子分解を行う。

次に信号処理装置２は、音源選択部２２２により、各受信信号から不要な雑音源の成分を除去する（ステップＳ２３）。音源選択部２２２は、例えば上述のようにデータベース２１１に登録された音源テンプレートのうちオペレータの手動操作により選択された音源の音源テンプレートを基に不要な雑音源の成分を除去する。

そして信号処理装置２は、方位算出部１６により、不要な音源の成分が除去された各受信信号における音源別のパワーを算出し、算出されたパワーの比を用いて方位を算出する（ステップＳ１４）。方位を算出すると、図示しない表示部が、算出したパワー及び方位を表示する。

特許文献２に開示されているソーナー装置においては周波数成分ごとに方位が算出されるのに対し、本実施形態によれば、音源ごとにＮＭＦのアクティベーションの比をパワーの比として方位算出を行う。これにより、特定の周波数や方位集中処理を行うよりも信号全体のエネルギーを反映して方位算出が可能となる。またＤＩＦＡＲソノブイと同様の方位算出処理を行うレーダー、ソーナー装置において、トランジェント信号のように短時間で多様な周波数特性を持つ信号に対しても複数の方位算出手段を必要とせずに方位が得られるほか、雑音源による方位誤差の発生を抑制し、測位精度の向上効果が得られる。

以上説明した第２の実施形態ではアクティベーションの比を用いて方位算出を行っているが、ＮＭＦを用いた場合、方位算出の方法はアクティベーションの比を用いるものに限られない。例えば、予め計算した結果を用いて方位算出が行われ、表示部に出力されるよう構成してもよい。

図５は第３の実施形態の構成を示すブロック図である。図５に示すように、本実施形態の信号処理装置３は位相計算部３１を備える点で、第１、第２の実施形態と異なる。例えばオペレータの手動操作により周波数分析処理部１３の出力から特定の音源のみから信号を受信している時間における周波数分析結果を選択し、位相計算部３１が選択された周波数分析結果からその音源の方位を計算する。またオペレータの手動操作により特定の音源のみの周波数範囲の成分を選択し、位相計算部３１が選択された周波数分析結果からその音源の方位を計算してもよい。

位相計算部３１は、方位算出部１６で算出された各音源のパワーに各音源の方位を追加して図示しない表示部に出力する。

なお音源テンプレートの数やセンサの数は任意であり、特定の値に限るものではない。

次に第４の実施形態について説明する。図６は、第４の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の信号処理装置４は、図６に示すように、即席の音源テンプレートを生成するためのテンプレート生成部４１１を音源テンプレート取得部４１に備え、新たな音源からの受信信号の周波数分析結果をテンプレート生成部４１１に出力する周波数分析処理部４２を備えている。

図７は、図６の即席の音源テンプレート生成の動作を示すフローチャートである。まず周波数分析処理部４２は第１のセンサ１１又は第２のセンサ１２が受信している新たな雑音源からの受信信号の周波数分析を行う（ステップＳ３１）。周波数分析処理部４２は、データベースに用意されていない新たな雑音源から第１のセンサ１１又は第２のセンサ１２が信号を受信している場合、例えばオペレータの操作により、周波数分析結果をテンプレート生成部４１１へ出力する（ステップＳ３２）。なおテンプレート生成部４１１へ周波数分析結果を出力する処理については、複数の実施方法が考えられる。例えばオペレータは過去の時間範囲や周波数範囲等を指定する操作を行うことにより、指定の時間範囲や周波数範囲における周波数分析結果をテンプレート生成部４１１へ出力するよう周波数分析処理部４２が構成されてもよい。また、例えばオペレータの操作によらず、信号処理装置４を起動するイニシャライズ処理を行うときに所定の時間、周波数分析結果がテンプレート生成部４１１へ出力されるよう構成してもよい。

テンプレート生成部４１１は、入力された周波数分析結果に基づいて即席の音源テンプレートを生成する（ステップＳ３３）。テンプレート生成部４１１は、生成した即席の音源テンプレートをデータベース２１１に登録する。

音源分離部２２１は、データベース２１１に予め登録された音源テンプレートと同様に、テンプレート生成部４１１が生成した即席の音源テンプレートに基づき、第１の受信信号及び第２の受信信号について、各音源からの信号の強度に相当するアクティベーション情報を算出する。音源選択部２２２は、即席の音源テンプレートも含めデータベース２１１に登録された音源テンプレートのうち例えばオペレータの手動操作により選択された音源の音源テンプレートを基に不要な雑音源の成分を除去する。

方位算出部１６は、第１の受信信号及び第２の受信信号における各音源のアクティベーション情報の比から、音源ごとに方位算出を行う。

本実施形態の構成によれば、データベース２１１に音源テンプレートが無い条件下においても新たな音源から信号を受信することで、即席の音源テンプレートを生成して音源分離が可能となる。すなわち環境に応じて音源テンプレートが用意されていなかった新たな雑音源の成分を除去することが可能となり、測位精度を向上することができる。

なお複数のセンサを広範囲に離散させて設置しておき、音源テンプレートがデータベースに用意されていない音源が出現した場合、例えばセンサを選択して信号を受信し音源テンプレートを生成するよう構成してもよい。

図８は、第５の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の信号処理装置５は、広範囲に離散させて設置した複数のセンサ５１と、センサが設置された範囲内に存在する音源、例えば船舶や生物等の位置を検知する音源位置検出部５２１、センサ５１を選択するセンサ選択部５２２、周波数分析処理部５２３及びテンプレート生成部５２４を含む音源テンプレート取得部５２を備える。

図９は、図８の即席の音源テンプレート生成の動作を示すフローチャートである。まず音源位置検出部５２１は、例えばレーダー装置や撮像装置を備え船舶や生物の位置を検知する（ステップＳ４１）。例えば音源位置検出部５２１は、例えばセンサの位置、地形とともに検知した船舶や生物の位置を示す画像を生成し、図示しない表示部に表示することでオペレータに検知した船舶や生物の位置を示す。

センサ選択部５２２は、例えばオペレータが船舶や生物の位置を参照して操作することにより、例えば音源の近くに設置されているセンサ５１を選択する（ステップＳ４２）。センサ選択部５２２に選択されたセンサ５１により受信された受信信号が、音源テンプレート取得部５２の周波数分析処理部５２３に出力される。

周波数分析処理部５２３は、入力された受信信号の周波数分析を行う（ステップＳ４３）。周波数分析処理部５２３は、周波数分析結果をテンプレート生成部５２４へ出力する。

テンプレート生成部５２４は、入力された信号に基づいて即席の音源テンプレートを生成する（ステップＳ４４）。テンプレート生成部５２４は、生成した即席の音源テンプレートをデータベース２１１に登録する。

音源分離部２２１は、第４の実施形態と同様に、データベース２１１に予め登録された音源テンプレートと同様に、テンプレート生成部５２４が生成した即席の音源テンプレートに基づき、第１の受信信号及び第２の受信信号について、音源の強度情報に相当するアクティベーション情報を算出する。音源選択部２２２は、即席の音源テンプレートも含めデータベース２１１に登録された音源テンプレートのうち例えばオペレータの手動操作により選択された音源の音源テンプレートを基に不要な雑音源の成分を除去する。方位算出部１６は、第１の受信信号及び第２の受信信号における各音源のアクティベーション情報の比から、音源ごとに方位算出を行う。

このように本実施形態によれば、第４の実施形態と同様、データベース２１１に音源テンプレートが無い条件下においても音源分離が可能となる効果を得ることができる。また、複数のセンサを設置し、センサを選択することで品質の良い音源テンプレートを生成することが可能となる。

次に第６の実施形態について説明する。図１０は、第６の実施形態の構成を示すブロック図である。水中では周波数に応じて音波の減衰量が異なるため、これを補正するため、本実施形態の信号処理装置６は、図１０に示すように伝搬損失補正部６１と、音源から信号を受信しているセンサの距離を推定する距離推定部６２を備えてもよい。

本実施形態の音源テンプレートには、センサと音源の想定距離の情報が含まれている。距離推定部６２は、例えばセンサの位置情報が入力されると、センサと各音源との距離を推定し伝搬損失補正部６１に出力する。伝搬損失補正部６１は、距離推定部６２により推定された音源とセンサの推定距離と、音源テンプレートに含まれるセンサとの想定距離を比較し、推定距離と想定距離の差から水中の音波伝搬特性に応じた減衰量を周波数ごとに求め、音源テンプレート取得部１４の各音源テンプレートを補正する。伝搬損失補正部６１は、補正した音源テンプレートを音源分離除去部１５へ出力する。

音源分離除去部１５は補正された音源テンプレートに基づき音源分離処理を行い雑音源の成分を除去する。そして方位算出部１６は、音源分離除去部１５により雑音源の成分が除去された第１の受信信号及び第２の受信信号における各音源の成分のパワーの比から、音源ごとに方位算出を行う。

本実施形態によれば、水中の音波伝搬特性が加味され、環境条件に対しての柔軟性が向上できる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１、２、３、４、５、６信号処理装置
１１第１のセンサ
１２第２のセンサ
１３、４２、５２３周波数分析処理部
１４、２１、４１、５２音源テンプレート取得部
１５、２２音源分離除去部
１６方位算出部
２１１データベース
２１１１音源テンプレート
２２１音源分離部
２２２音源選択部
３１位相計算部
４１１、５２４テンプレート生成部
５１センサ
５２１音源位置検出部
５２２センサ選択部
６１伝搬損失補正部
６２距離推定部

Claims

異なる２方向に指向性をもつ第１及び第２のセンサにより目標から受信した第１及び第２の受信信号に対して周波数分析を行う周波数分析処理部と、
雑音源を含む１つ以上の音源からの受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得するテンプレート取得部と、
前記音源テンプレートに基づき前記第１及び第２の受信信号から前記音源の成分を分離して前記雑音源の成分を除去する音源分離除去部と、
前記雑音源の成分が除去された前記第１及び第２の受信信号から前記目標の方位を算出する方位算出部と、
水中の音波伝搬特性に応じた減衰量を周波数ごとに求め、前記音源テンプレートを補正して前記音源分離除去部へ出力する伝搬損失補正部と
を有する信号処理装置。
前記方位算出部は、前記第１及び第２の受信信号における周波数分析結果から前記音源テンプレートに基づき音源別の成分のパワーに相当するアクティベーション情報を算出し、前記音源別のアクティベーション情報を用いて前記音源別の成分の方位を算出する、請求項１に記載の信号処理装置。
前記方位算出部は、前記音源を選択する音源選択部を有する請求項１又は２に記載の信号処理装置。
前記テンプレート取得部は、前記音源テンプレートが登録されるデータベースを備える、
請求項１から３のいずれかに記載の信号処理装置。
前記方位算出部は、前記第１及び第２の受信信号における周波数分析結果から方位を算出する位相計算部を有する請求項１から４のいずれかに記載の信号処理装置。
周波数分析結果に基づいて前記音源テンプレートを作成するテンプレート生成部を有する請求項１から５のいずれかに記載の信号処理装置。
異なる２方向に指向性をもつ第１及び第２のセンサにより目標から受信した第１及び第２の受信信号に対して周波数分析を行い、
雑音源を含む１つ以上の音源からの受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得し、
水中の音波伝搬特性に応じた減衰量を周波数ごとに求め、前記音源テンプレートを補正し、
補正された前記音源テンプレートに基づき前記第１及び第２の受信信号から前記音源の成分を分離して前記雑音源の成分を除去し、
前記雑音源の成分が除去された前記第１及び第２の受信信号から前記目標の方位を算出する、
方位算出方法。
コンピュータに、
異なる２方向に指向性をもつ第１及び第２のセンサにより目標から受信した第１及び第２の受信信号に対して周波数分析を行う処理と、
雑音源を含む１つ以上の音源からの受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得する処理と、
水中の音波伝搬特性に応じた減衰量を周波数ごとに求め、前記音源テンプレートを補正する処理と、
補正された前記音源テンプレートに基づき前記第１及び第２の受信信号から前記音源の成分を分離して前記雑音源の成分を除去する処理と、
前記雑音源の成分が除去された前記第１及び第２の受信信号から前記目標の方位を算出する処理と、
を実行させる方位算出プログラム。