JPH08339200A - Frequency analysis method for received arrival signal - Google Patents

Frequency analysis method for received arrival signal

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JPH08339200A
JPH08339200A JP7146051A JP14605195A JPH08339200A JP H08339200 A JPH08339200 A JP H08339200A JP 7146051 A JP7146051 A JP 7146051A JP 14605195 A JP14605195 A JP 14605195A JP H08339200 A JPH08339200 A JP H08339200A
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JP
Japan
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frequency spectrum
cross
signal
received
frequency
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JP7146051A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuichi Shiraki
裕一 白木
Kiyohito Tokuda
清仁 徳田
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

PURPOSE: To obtain a noise reducing effect larger than the noise reducing effect brought by a conventional phasing processing which is insufficient. CONSTITUTION: Externally arriving audio signals are received by a receiver group 50 consisting of multiple receivers, a cross-frequency spectrum among the individual signals is calculated (63) by using a linear prediction analysis applying a linear prediction model to the time series among the multiple received signals (61, 62), and in the case of calculating a frequency spectrum by using the cross-frequency spectrum, the cross-frequency spectrum between an optionally selected receiver and the other receivers is compensated to be phased to a desired azimuth before being added (64A) in order to calculate the frequency spectrum (65).

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、音声認識やソーナーシ
ステムなどの分野で行われるように複数の受信器で受信
される信号を用いて、所望の方位の信号の周波数スペク
トルを抽出、表示するための到来受信信号の周波数分析
方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention extracts and displays a frequency spectrum of a signal in a desired azimuth by using signals received by a plurality of receivers as in the fields of voice recognition and sonar systems. The present invention relates to a frequency analysis method for an incoming received signal.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、このような技術は、例えばソーナ
ーシステム等の分野で利用されている。ソーナー装置
は、水中音響を用いて水上あるいは水中を移動する目標
の探索、位置計測及び類別等を行うものである。この装
置は、動作様式によってパッシブソーナー装置とアクテ
ィブソーナー装置に分けられる。パッシブソーナー装置
は目標が放射する音波を用い、アクティブソーナー装置
は、装置側から発した音波の目標からの反射波(エコ
ー)を用いて、目標の探索、位置計測及び類別等を行う
ものである。
2. Description of the Related Art Conventionally, such a technique has been used in the field of sonar systems and the like. The sonar device is for performing search, position measurement, classification, etc. of a target moving on or in water using underwater sound. This device is divided into a passive sonar device and an active sonar device according to the operation mode. The passive sonar device uses sound waves radiated by a target, and the active sonar device uses a reflected wave (echo) of a sound wave emitted from the device side from the target to perform target search, position measurement, and classification. .

【0003】ソーナー装置で用いられる信号検出処理
は、信号の時間的特徴(波形、スペクトル等)を検出す
るために用いる時間的処理と、信号の空間的特徴(位
置、形状、移動速度)を検出するために用いる空間的処
理に分けられる。時間的処理には、整合フィルタ、ウィ
ーナフィルタ及びスペクトル推定がある。スペクトル推
定は、信号の周波数に対する強度を推定するものであ
り、雑音に埋もれた周期的信号(線スペクトル)を検出
し、その信号を放射する目標を類別するために用いられ
る。一方、空間的処理には、ビームフォーミング(以下
BFと記す)及び遅延/位相推定がある。BFは、空間
を伝搬する波動の方向性を利用して方位に応じて受波器
群を構成する複数の受波器の出力信号を整相すること
で、信号のS/Nの改善、信号の入射方向および強度
(空間スペクトル)の推定等を行う。遅延/位相推定
は、少数の受波器で受信される信号の間に生じる遅延ま
たは位相の差を推定する問題であり、主に目標の位置計
測のために用いられる。
The signal detection processing used in the sonar apparatus detects the temporal characteristics (waveform, spectrum, etc.) of the signal and the spatial characteristics (position, shape, moving speed) of the signal. The spatial processing used to Temporal processing includes matched filters, Wiener filters and spectral estimation. Spectral estimation estimates the intensity of a signal with respect to frequency and is used to detect a periodic signal (line spectrum) buried in noise and to classify targets that emit that signal. On the other hand, spatial processing includes beam forming (hereinafter referred to as BF) and delay / phase estimation. The BF uses the directionality of waves propagating in space to phase the output signals of a plurality of wave receivers forming a wave receiver group according to the azimuth, thereby improving the S / N of the signal and the signal. Estimate the incident direction and intensity (spatial spectrum) of. Delay / phase estimation is a problem of estimating a delay or a phase difference occurring between signals received by a small number of receivers, and is mainly used for measuring a position of a target.

【0004】パッシブソーナー装置とアクティブソーナ
ー装置のうち、例えばパッシブソーナー装置は、主に船
舶の船走音及び過渡音を検知するために用いる。図5は
従来のパッシブソーナー装置の構成図であり、図のパッ
シブソーナー装置は、受信器群10、ソーナー受信機2
0、方位表示器30及び周波数表示器40により構成さ
れる。図5のパッシブソーナー装置では、船舶1が放射
する音波を受信する複数の受信器からなる受信器群10
を有し、その出力側には、ソーナー受信機20が接続さ
れている。ソーナー受信機20では、受信器群10から
の受信信号を整相処理し、全周に指向性ビームを形成し
て船舶1からの水中音を受信し、受信点周辺の船舶1の
方位や、該船舶1の信号の特長(例えば周波数)を検出
し、方位表示器30による方位表示や周波数表示器40
による周波数表示を行う。
Among the passive sonar device and the active sonar device, for example, the passive sonar device is mainly used for detecting the running sound and transient sound of a ship. FIG. 5 is a configuration diagram of a conventional passive sonar device. The passive sonar device shown in the figure includes a receiver group 10 and a sonar receiver 2.
0, an azimuth indicator 30, and a frequency indicator 40. In the passive sonar apparatus of FIG. 5, a receiver group 10 including a plurality of receivers that receive the sound waves emitted by the ship 1.
The sonar receiver 20 is connected to the output side of the sonar receiver. In the sonar receiver 20, the received signals from the receiver group 10 are subjected to phasing processing, a directional beam is formed on the entire circumference to receive the underwater sound from the ship 1, and the bearing of the ship 1 around the reception point, The characteristic (for example, frequency) of the signal of the ship 1 is detected, and the azimuth indicator 30 and the frequency indicator 40 are displayed.
The frequency is displayed by.

【0005】ソーナー受信機20の受信処理において、
船舶1の信号の特徴を検出するには、例えば高速フーリ
エ変換法(FFT法)で時間領域での周波数分析や、あ
るいはデータ数を多くすることによって微細な周波数構
造が検出できる高分解能周波数分析を行い、周波数表示
器40における周波数−時間の2次元平面上にそのスペ
クトルの強度に応じた濃度で周波数表示を行っている。
さらに、このソーナー受信機20では、分析周波数を狭
くすることにより、微細な周波数構造が検出できる超狭
帯域分析を行う機能を有している。
In the reception processing of the sonar receiver 20,
In order to detect the characteristics of the signal of the ship 1, for example, frequency analysis in the time domain by the fast Fourier transform method (FFT method) or high resolution frequency analysis capable of detecting a fine frequency structure by increasing the number of data is performed. Then, the frequency is displayed on the two-dimensional plane of frequency-time on the frequency display 40 at a concentration according to the intensity of the spectrum.
Further, the sonar receiver 20 has a function of performing ultra-narrow band analysis capable of detecting a fine frequency structure by narrowing the analysis frequency.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
従来の到来受信信号の周波数分析方法では、周波数分析
を行うまえに予め受信信号に対して方位ごとの整相処理
を行っており、この整相という単一の処理に2つの機能
あるいは効果の実現を担わせている。この整相処理の機
能・効果の1つは、特定の方向からの信号を抽出すると
いう方位限定機能であり、もう1つは、低SNの信号を
検出するための雑音低減効果である。これは、従来方法
では、全周から入射する雑音をその方位を限定すること
で低減させており、方位限定は即ち雑音低減でもあるか
らである。しかしこの整相処理によって副次的に得られ
る雑音低減によって検出が可能となる微弱な信号より
も、さらに微弱な強度(より低いSN比)の信号を検出
するためには、さらに雑音の低減を図る必要があり、雑
音の低減を整相処理によってもたらされる効果のみに期
待している従来方法では不十分である。この雑音の低減
効果が不十分である点が従来方法における第1の問題点
である。
However, in the above-mentioned conventional frequency analysis method for incoming signals, the received signals are subjected to phasing processing for each azimuth in advance before frequency analysis. A single process is responsible for realizing two functions or effects. One of the functions and effects of this phasing processing is a direction limiting function of extracting a signal from a specific direction, and the other is a noise reduction effect for detecting a low SN signal. This is because in the conventional method, the noise incident from the entire circumference is reduced by limiting the azimuth, and the azimuth limitation is also noise reduction. However, in order to detect a signal with a weaker intensity (lower SN ratio) than the weak signal that can be detected by the noise reduction that is obtained by the phasing process, further noise reduction is required. However, the conventional method, which requires the reduction of noise and expects only the effect brought by the phasing process, is not sufficient. The point that this noise reduction effect is insufficient is the first problem in the conventional method.

【0007】また従来方法における雑音の低減効果は、
整相処理によってもたらさせる効果に期待しているが、
この雑音低減効果の最大値は、使用する受信器の数その
ものに依存し、受信器の数をMとすると雑音の低減効果
は10log (M)となる。しかし従来よりもさらに微弱
な信号を検出するには、さらに大きな雑音の低減効果が
期待されている。特に使用可能な受信器の数が限られて
いる場合は、整相処理によって得られる雑音低減効果も
制限される。この受信器の数が少い場合に小さな雑音低
減効果しか得られない点が従来方法の第2の問題点であ
る。従って従来方法の整相処理によってのみ雑音低減を
図る手法により生じる上記問題点を解決し、限られた受
信器数においてもより高い雑音低減効果を持つ到来受信
信号の信号検出処理方法が求められていた。
The noise reduction effect of the conventional method is
I expect the effect brought by phasing,
The maximum value of this noise reduction effect depends on the number of receivers used per se, and when the number of receivers is M, the noise reduction effect is 10 log (M). However, in order to detect a weaker signal than the conventional one, a larger noise reduction effect is expected. Especially when the number of usable receivers is limited, the noise reduction effect obtained by the phasing process is also limited. The second problem of the conventional method is that only a small noise reduction effect can be obtained when the number of receivers is small. Therefore, there is a demand for a signal detection processing method for an incoming received signal which solves the above-mentioned problems caused by the conventional method of reducing noise only by phasing processing and has a higher noise reduction effect even with a limited number of receivers. It was

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明に係る到来受信信
号の周波数分析方法は、外部から到来する音響信号を複
数の受信器によってそれぞれ受信し、該受信した複数の
受信信号の時系列の間に線形予測モデルを適用する線形
予測分析を用いて各受信信号間のクロス周波数スペクト
ルを算出し、該クロス周波数スペクトルを用いて周波数
スペクトルを算出し、該周波数スペクトル強度を画像表
示する到来受信信号の周波数分析方法において、前記ク
ロス周波数スペクトルを用いて周波数スペクトルを算出
する際に、任意に選んだ1つの受信器とその他の受信器
とのクロス周波数スペクトルを、所望の方位に対して位
相をそろえるように位相補償を施した後に加算して周波
数スペクトルを算出する工程を有するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION A frequency analysis method for an incoming received signal according to the present invention is such that an acoustic signal coming from the outside is received by each of a plurality of receivers, and the received plurality of received signals are time-series. A cross frequency spectrum between each received signal is calculated by using a linear prediction analysis that applies a linear prediction model to a frequency spectrum is calculated using the cross frequency spectrum, and an intensity of the frequency spectrum of an incoming received signal is displayed. In the frequency analysis method, when the frequency spectrum is calculated using the cross frequency spectrum, the cross frequency spectrum between one receiver arbitrarily selected and another receiver is aligned in phase with a desired direction. Is subjected to phase compensation and then added to calculate a frequency spectrum.

【0009】[0009]

【作用】本発明においては、外部から到来する音響信号
を複数の受信器によってそれぞれ受信し、該受信した複
数の受信信号の時系列の間に線形予測モデルを適用する
線形予測分析を用いて各受信信号間のクロス周波数スペ
クトルを算出し、該クロス周波数スペクトルを用いて周
波数スペクトルを算出し、該周波数スペクトル強度を画
像表示する到来受信信号の周波数分析方法において、前
記クロス周波数スペクトルを用いて周波数スペクトルを
算出する際に、任意に選んだ1つの受信器とその他の受
信器とのクロス周波数スペクトルを、所望の方位に対し
て位相をそろえるように位相補償を施した後に加算して
周波数スペクトルを算出するようにした。そして上記の
ように整相処理を行わずに雑音を低減する多変量予測分
析方法を用いたクロス周波数スペクトル算出処理と、こ
のクロス周波数スペクトルを用いて方位を限定する整相
処理とを別個に行う信号処理方法としたので、特定の方
向から到来する音源信号の周波数特性の抽出において、
方位限定機能と雑音低減機能とを持つ整相処理の前段に
設けたクロス周波数スペクトル算出処理によりさらに雑
音低減効果を付加することができ、より信号強度の小さ
い信号を検出可能な到来受信信号の周波数分析法を提供
することができる。
According to the present invention, the acoustic signals coming from the outside are respectively received by the plurality of receivers, and the linear prediction model is applied during the time series of the received plurality of received signals. In a frequency analysis method for an incoming received signal in which a cross frequency spectrum between received signals is calculated, a frequency spectrum is calculated using the cross frequency spectrum, and the frequency spectrum intensity is image-displayed, the frequency spectrum is calculated using the cross frequency spectrum. When calculating, the frequency spectrum is calculated by adding the cross frequency spectrum of one receiver selected arbitrarily and the other receiver after phase compensation so that the phase is aligned with the desired direction. I decided to do it. Then, as described above, the cross frequency spectrum calculation process using the multivariate predictive analysis method that reduces noise without performing the phasing process and the phasing process that limits the azimuth using this cross frequency spectrum are performed separately. Since it is a signal processing method, in extracting the frequency characteristic of the sound source signal coming from a specific direction,
The frequency of the incoming received signal that can detect a signal with a smaller signal strength can be added by the cross frequency spectrum calculation process provided in the preceding stage of the phasing process that has the azimuth limitation function and the noise reduction function. An analytical method can be provided.

【0010】[0010]

【実施例】最初に、本発明における信号処理の概要を前
記従来方法の問題と対比して説明する。従来方法の上述
した第1の問題は、整相処理という単一の処理が方位限
定と雑音低減という2つの目的を負担することから生じ
る。そこで本発明では、雑音低減効果を高めるために、
方位限定機能はないが雑音低減機能をもつ処理を加えて
方位限定機能と雑音低減機能を異なる処理で実現するこ
とを考える。そのために、雑音低減機能を方位限定機能
に前置し、受信信号から雑音低減機能により雑音を低減
し、その信号を方位限定することで雑音をさらに低減す
ることを考える。この雑音低減機能は多変量線形予測分
析を用いることで実現する。ここで多変量予測とは、M
個の異なる種類の信号の第m番目の種類の第n番目の時
系列信号をxm (n) (m=1,2,…,M)とし、これ
らの各信号の時系列上のみならずその他の信号の時系列
上間との間に線形予測モデルを適用するものであり、各
m番目の種類の信号をM種類の過去K個の信号との線形
結合で表現するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, the outline of signal processing in the present invention will be described in comparison with the problems of the conventional method. The above-mentioned first problem of the conventional method arises from the fact that the single process of phasing fulfills the two purposes of azimuth limitation and noise reduction. Therefore, in the present invention, in order to enhance the noise reduction effect,
It is considered that the azimuth limiting function and the noise reducing function are realized by different processes by adding a process having no azimuth limiting function but a noise reducing function. Therefore, it is considered that the noise reduction function is preceded by the direction limiting function, the noise is reduced from the received signal by the noise reduction function, and the noise is further reduced by limiting the direction of the signal. This noise reduction function is realized by using multivariate linear prediction analysis. Here, the multivariate prediction is M
Let m (n) (m = 1, 2, ..., M) be the m-th type n-th time-series signal of these different types of signals, and not only on the time-series of each of these signals. A linear prediction model is applied between other signals in the time series and each m-th type signal is expressed by a linear combination with M types of past K signals.

【0011】即ち、xm (n) (m=1,2,…,M)に
対して多変量ベクトルX(n) =(x1 (n) ,x2 (n) ,
…,xM (n) )t (tは転置を表す)を考え、この多変
量ベクトルX(n) に対して次式(1)で表わされる線形
予測モデルを適用する。
That is, for x m (n) (m = 1, 2, ..., M), the multivariate vector X (n) = (x 1 (n), x 2 (n),
, X M (n)) t (t represents transposition), and a linear prediction model represented by the following equation (1) is applied to this multivariate vector X (n).

【0012】[0012]

【数1】 [Equation 1]

【0013】但し、(1)式のKは予測次数とよばれる
定数であり、A(k) は第k番目のM行M列の予測係数行
列、U(n) は各種類の信号の駆動雑音と呼ばれる信号か
らなるM行1列の信号ベクトルである。ここで、上記M
種類の信号として、M個の受信器から受信されるM個の
信号をあてはめる。今、その信号が一定の方向にある音
源から到来する信号とすると、各受信信号は受信器の相
対位置に応じた遅延(あるいは位相)だけが異なった同
一の信号となる。従って、これらの信号に対する予測係
数を用いて各信号間のクロス周波数スペクトル(各信号
間の周波数成分の相関性を表わすもの)を算出すると、
どの信号間のクロス周波数スペクトルも、位相だけが異
なる同一のパワーを示す。
However, K in the equation (1) is a constant called a prediction order, A (k) is a k-th prediction matrix of M rows and M columns, and U (n) is driving of each kind of signal. It is a signal vector of M rows and 1 column consisting of signals called noise. Where M
As the types of signals, M signals received from M receivers are applied. Now, assuming that the signal comes from a sound source in a certain direction, each received signal is the same signal except for the delay (or phase) according to the relative position of the receiver. Therefore, if the cross frequency spectrum between the signals (which represents the correlation of the frequency components between the signals) is calculated using the prediction coefficients for these signals,
The cross-frequency spectrum between any of the signals shows the same power, differing only in phase.

【0014】一方受信器で受信される信号が時系列的に
もまた相互の信号間でも独立な雑音の場合、そもそも互
いに無関係な信号なので有意義な予測係数は存在せず、
この予測係数を用いて各信号間のクロス周波数スペクト
ルを算出しても、互に与える影響の度合はMを大きくす
るほど小さくなる。これは、各信号間のクロス周波数ス
ペクトルが、信号を他の信号との線形結合和で表わして
いるため、ランダムな信号パワーをそれと独立な信号の
和で表したとすると、それぞれのパワーの寄与率はMを
大きくするほど小さくなり、クロス周波数スペクトルの
値はランダムな位相をもち、受信パワーよりも小さな値
を示す。従って、多変量予測分析方法を用いたクロス周
波数スペクトル値は、音源信号については、そのパワー
値は変化せず、雑音に対してはMを増やすほど小さくす
ることができる。
On the other hand, when the signals received by the receiver are independent noises both in time series and between the mutual signals, there are no significant prediction coefficients because they are unrelated to each other.
Even if the cross frequency spectrum between each signal is calculated using this prediction coefficient, the degree of influence on each other decreases as M increases. This is because the cross frequency spectrum between each signal represents the signal as a linear combination sum with other signals, so if the random signal power is expressed as the sum of the signals independent of it, the contribution of each power The ratio becomes smaller as M becomes larger, and the value of the cross frequency spectrum has a random phase and shows a value smaller than the received power. Therefore, the cross frequency spectrum value using the multivariate predictive analysis method does not change in the power value of the sound source signal, and can be made smaller as the M increases with respect to noise.

【0015】音源信号に対するクロス周波数スペクトル
の位相は、音源信号と受信器の相対的配列に固有な位相
の進みかたを示すので、限定したい方位に相当する位相
を補正して加算すれば、整相処理を行うことができ、こ
の処理により、雑音のクロス周波数スペクトルがランダ
ムなので雑音成分のクロス周波数スペクトルの大きさは
さらに減少する。そこで、本発明の実施例1において
は、整相処理を行わずに雑音を低減する多変量予測分析
方法を用いたクロス周波数スペクトル算出手段と、この
クロス周波数スペクトルを用いて方位を限定する整相処
理手段とを別個に設けたものである。
The phase of the cross frequency spectrum with respect to the sound source signal indicates how the phase peculiar to the relative arrangement of the sound source signal and the receiver advances. Therefore, if the phase corresponding to the azimuth to be limited is corrected and added, it is adjusted. Phase processing can be performed, which further reduces the magnitude of the noise component cross frequency spectrum because the noise cross frequency spectrum is random. Therefore, in the first embodiment of the present invention, a cross frequency spectrum calculation means using a multivariate predictive analysis method for reducing noise without performing a phase phasing process, and a phasing for limiting an azimuth using this cross frequency spectrum. The processing means is provided separately.

【0016】従来方法の上述した第2の問題の発生の起
因は、整相においてその処理の対象となる信号が受信信
号そのものであるため、整相処理における信号の数も受
信器の数そのものとなるためである。整相処理は、一種
の平均処理であり、基本的には、複数の信号それぞれに
処理を加え加算することで、複数の信号から共通した特
徴をもつ成分の値を、共通した特徴をもたない成分にく
らべ強調するこであり、その強調効果は、不必要な信号
にはなく必要な信号には抽出したい共通した特徴があれ
ば、その同じ特徴を有する信号の数が多い程高くなる。
従って、整相処理の効果を高めるには、同じ特徴を有す
る信号の数を増やせばよい。その手段として、整相処理
を施す前に整相処理の対象に成りえる信号の数を増やす
ために、受信信号に対して多変量線形予測分析を行い、
この分析結果を用いて受信信号間のクロス周波数スペク
トル行列を算出し、この行列の要素を整相処理の対象に
することを考える。
The cause of the above-mentioned second problem of the conventional method is that the number of signals in the phasing process is the same as the number of receivers because the signal to be processed in the phasing is the received signal itself. This is because The phasing process is a kind of averaging process, and basically, by adding the processes to each of a plurality of signals and adding them, the values of the components having the common features from the plurality of signals have the common features. If there is a common feature to be extracted in the required signal that is not in the unnecessary signal, the enhancement effect will be higher as the number of signals having the same feature is higher.
Therefore, in order to enhance the effect of the phasing process, the number of signals having the same characteristics may be increased. As a means for doing so, in order to increase the number of signals that can be the subject of phasing processing before performing phasing processing, multivariate linear prediction analysis is performed on the received signal,
It is considered that the cross frequency spectrum matrix between received signals is calculated using the analysis result and the elements of this matrix are subjected to the phasing process.

【0017】M個の受信器から受信されるM個の受信信
号に対する予測係数を用いて各信号間のクロス周波数ス
ペクトル(各信号間の周波数成分の相関性を示すもの)
の算出法は、第1の問題点において説明した通りであ
り、どの信号間のクロス周波数スペクトルも、位相だけ
が異なる同一のパワーを示し、受信信号間のクロス周波
数スペクトルをマトリックス状に配列したクロス周波数
スペクトル行列は、一定の位相関係を持つ成分からな
る。一方受信器で受信される信号が時系列的にもまた相
互の信号間でも独立な雑音の場合、そもそも互いに無関
係な信号なので有意義な予測係数は存在せず、この予測
係数を用いて各信号間のクロス周波数スペクトルを算出
しても、互いに与える影響の度合はMを大きくするほど
小さくなることも上述の通りである。
Cross-frequency spectrum between signals by using prediction coefficients for M received signals received from M receivers (one showing the correlation of frequency components between signals)
The calculation method is as described in the first problem. The cross frequency spectrum between any signals shows the same power with only different phases, and the cross frequency spectrum between received signals is arranged in a matrix. The frequency spectrum matrix is composed of components having a fixed phase relationship. On the other hand, if the signal received by the receiver is independent noise both in time series and between mutual signals, there is no meaningful prediction coefficient because it is a signal that is not related to each other in the first place. As described above, even if the cross frequency spectrum of is calculated, the degree of influence on each other decreases as M increases.

【0018】これは、各信号間のクロス周波数スペクト
ルが、信号を他の信号との線形結合和で表わしているた
め、ランダムな信号パワーをそれと独立な信号の和で表
したとすると、それぞれのパワーの寄与率はMを大きく
するほど小さくなり、クロス周波数スペクトルの値は、
受信パワーよりも小さな値を示す。更に、それらの位相
は音源信号のように一定の位相関係を持たず、クロス周
波数スペクトル行列は、まちまちの位相を示す成分にな
ることになる。但し、クロス周波数スペクトル行列は非
対角成分のうち対称な成分が複素共役な関係を示すの
で、固有の情報を持つ要素は、この非対角成分の内一方
の側の非対角成分だけである。この非対角成分の総数は
M(M−1)/2となる。
This is because the cross frequency spectrum between each signal represents the signal as a linear combination sum with other signals, so if the random signal power is represented by the sum of the independent signals, The power contribution becomes smaller as M is increased, and the value of the cross frequency spectrum is
It shows a value smaller than the received power. Further, those phases do not have a fixed phase relationship like the sound source signal, and the cross frequency spectrum matrix becomes a component showing different phases. However, since the cross-frequency spectrum matrix shows the complex conjugate relationship of the symmetric components among the non-diagonal components, the only elements that have unique information are the non-diagonal components on one side of the non-diagonal components. is there. The total number of non-diagonal components is M (M-1) / 2.

【0019】つまり、このM(M−1)/2個の成分
は、音源信号に対しては受信器配列と音源到来方向から
定まる位相関係を共通して保ち、雑音に対しては共通す
る位相関係も持たずランダムな位相を示すことになる。
従って、これらの成分を用いて整相すれば、整相処理の
対象に成り得る信号の数を増やすことができ、M個の受
信器を用いてM(M−1)/2個の信号に対する整相処
理を行うことができる。そこで、本発明の実施例2にお
いては、整相処理に前置して、多変量予測分析方法を用
いたクロス周波数スペクトル行列算出手段と、このクロ
ス周波数スペクトル行列の非対角成分の内一方の側の非
対角成分を用いた整相処理手段とを設けたものである。
That is, the M (M-1) / 2 components have a common phase relationship determined by the receiver arrangement and the sound source arrival direction for the sound source signal, and have a common phase for the noise. It has no relation and shows a random phase.
Therefore, if phasing is performed using these components, the number of signals that can be subjected to phasing processing can be increased, and M (M-1) / 2 signals for M receivers can be used. A phasing process can be performed. Therefore, in the second embodiment of the present invention, before the phasing process, one of the cross frequency spectrum matrix calculating means using the multivariate predictive analysis method and the non-diagonal component of the cross frequency spectrum matrix is provided. And a phasing processing means using a non-diagonal component on the side.

【0020】実施例1.図1は本発明の実施例1による
到来受信信号の周波数分析方法を説明するブロック図で
あり、図の50は受信器群、60Aは周波数分析部、7
0は表示部である。また周波数分析部60Aは、相互相
関行列算出部61、予測係数行列算出部62、クロス周
波数スペクトル行列算出部63、整相処理部64A及び
周波数スペクトル算出部65を含んでいる。図1におい
て、受信器群50は、船舶等からの音響信号を電気信号
に変換するM個の受信器からなり、その出力側に周波数
分析部60Aが接続されている。周波数分析部60Aで
は、受波器群50から入力されるM個の受信信号から多
変量線形予測分析法を用いた周波数スペクトル分析を行
い周波数スペクトルを表示部70に出力する。表示部7
0では、各周波数の周波数スペクトルをその強弱に応じ
て表示し、必要ならばその時間経過を表示する。
Example 1. 1 is a block diagram for explaining a frequency analysis method for an incoming received signal according to a first embodiment of the present invention, in which 50 is a receiver group, 60A is a frequency analysis unit, and 7A is a frequency analysis unit.
Reference numeral 0 is a display unit. The frequency analysis unit 60A includes a cross-correlation matrix calculation unit 61, a prediction coefficient matrix calculation unit 62, a cross frequency spectrum matrix calculation unit 63, a phasing processing unit 64A, and a frequency spectrum calculation unit 65. In FIG. 1, a receiver group 50 is composed of M receivers that convert acoustic signals from a ship or the like into electrical signals, and a frequency analysis unit 60A is connected to the output side thereof. The frequency analysis unit 60A performs frequency spectrum analysis using the multivariate linear prediction analysis method from the M received signals input from the wave receiver group 50, and outputs the frequency spectrum to the display unit 70. Display 7
At 0, the frequency spectrum of each frequency is displayed according to its strength and, if necessary, its time passage is displayed.

【0021】周波数分析部60Aでは、まず、相互相関
行列算出部61において、受信器群50から入力される
M個の受信信号間の相互相関係数からなる相互相関行列
を算出し、予測係数行列算出部62に出力する。予測係
数行列算出部62では、入力される相互相関行列から多
変量線形予測分析法を用いて予測係数行列を算出し、ク
ロス周波数スペクトル算出部63に出力する。クロス周
波数スペクトル算出部63では、予測係数行列を用いて
各分析周波数に対してクロス周波数スペクトル行列を算
出し、整相処理部64Aに入力する。整相処理部64A
では、クロス周波数スペクトル行列の非対角成分を用い
て所望の方位に相当する位相を加えて整相クロス周波数
スペクトルを算出し、これを周波数スペクトル算出部6
5に入力する。周波数スペクトル算出部65では、各分
析周波数に対する整相クロス周波数スペクトルから周波
数スペクトルを算出し、表示部70に出力する。
In the frequency analysis unit 60A, first, in the cross-correlation matrix calculation unit 61, a cross-correlation matrix composed of cross-correlation coefficients between M received signals input from the receiver group 50 is calculated, and the prediction coefficient matrix is calculated. It is output to the calculation unit 62. The prediction coefficient matrix calculation unit 62 calculates the prediction coefficient matrix from the input cross-correlation matrix using the multivariate linear prediction analysis method, and outputs the prediction coefficient matrix to the cross frequency spectrum calculation unit 63. The cross frequency spectrum calculation unit 63 calculates a cross frequency spectrum matrix for each analysis frequency using the prediction coefficient matrix, and inputs the cross frequency spectrum matrix to the phasing processing unit 64A. Phase adjusting unit 64A
Then, using the non-diagonal components of the cross frequency spectrum matrix, the phase corresponding to the desired azimuth is added to calculate the phased cross frequency spectrum, and this is calculated.
Enter in 5. The frequency spectrum calculation unit 65 calculates a frequency spectrum from the phasing cross frequency spectrum for each analysis frequency and outputs it to the display unit 70.

【0022】図1の実施例1の動作を詳細に説明する。
周波数分析部60Aでは、受信器群50から入力される
M個の受信信号のサンプル時系列を一定のサンプル数N
からなる分析フレームに区切り、この分析フレーム毎に
以下の処理が行われる。また、受信器群50から入力さ
れる第m番目の受信信号のサンプル時系列信号を分析す
べき分析フレーム内でのサンプル時系列番号nを用いて
s(n,m) (n=1,2,…,N、m=1,2,…,M)
と表記する。周波数分析部60A内の相互相関行列算出
部61では、サンプル時系列r(n,m) を用いてK個のM
行M列の行列である相互相関行列R(k) (k=0,1,
…,K−1)を次式(2)により算出する。
The operation of the first embodiment shown in FIG. 1 will be described in detail.
The frequency analysis unit 60A converts the sample time series of the M received signals input from the receiver group 50 into a fixed number N of samples.
It is divided into analysis frames consisting of, and the following processing is performed for each analysis frame. In addition, s (n, m) (n = 1,2) using the sample time series number n in the analysis frame in which the sample time series signal of the m-th received signal input from the receiver group 50 is to be analyzed. , ..., N, m = 1, 2, ..., M)
It is written as. The cross-correlation matrix calculation unit 61 in the frequency analysis unit 60A uses the sample time series r (n, m) to generate K M
Cross-correlation matrix R (k) (k = 0, 1,
, K-1) is calculated by the following equation (2).

【0023】[0023]

【数2】 [Equation 2]

【0024】ここでKは予測次数(定数)であり、第k
番目の相互相関行列R(k) の第i行j列の成分r
i,j (k) は次式(3)に基づいて算出される。
Here, K is the predicted order (constant), and is the kth
The element r in the i-th row and the j-th column of the th cross-correlation matrix R (k)
i, j (k) is calculated based on the following equation (3).

【0025】[0025]

【数3】 (Equation 3)

【0026】予測係数行列算出部62では、相互相関行
列算出部61から入力される相互相関行列R(k) (k=
0,1,…,K−1)を用いて次式(4)のK個の方程
式を解くことによりK個のM行M列の行列である予測係
数行列A(k) (k=0,1,…、K−1)を算出する。
In the prediction coefficient matrix calculating section 62, the cross correlation matrix R (k) (k =
0, 1, ..., K−1) is used to solve the K equations of the following equation (4), and the prediction coefficient matrix A (k) (k = 0, , ..., K-1) are calculated.

【0027】[0027]

【数4】 [Equation 4]

【0028】上式は、例えば多変量に拡張されたレビン
ソンアルゴリズムを用いて解けばよい。クロス周波数ス
ペクトル行列算出部63では、まず、予測係数行列算出
部62から入力される予測係数行列A(k) (k=0,
1,…,K−1)を用い、次式(5)に基づいて分析周
波数fに対するM行M列の複素行列である周波数応答の
逆行列H(f) を算出する。
The above equation may be solved by using, for example, a multivariately extended Levinson algorithm. In the cross frequency spectrum matrix calculation unit 63, first, the prediction coefficient matrix A (k) (k = 0,
, ..., K−1), the inverse matrix H (f) of the frequency response, which is a complex matrix of M rows and M columns with respect to the analysis frequency f, is calculated based on the following equation (5).

【0029】[0029]

【数5】 (Equation 5)

【0030】ここで式(5)のhij(f) は次式(6)に
基づき算出される。但し式(6)のqは虚数単位、a
i,j (k) はA(k) の第i行j列の成分であり、Ci,j
次式(7)を満たす係数である。
Here, h ij (f) in the equation (5) is calculated based on the following equation (6). However, q in the equation (6) is an imaginary unit, a
i, j (k) is a component in the i-th row and j-th column of A (k), and C i, j is a coefficient that satisfies the following expression (7).

【0031】[0031]

【数6】 (Equation 6)

【0032】[0032]

【数7】 (Equation 7)

【0033】次に前記式(5)のH(f) を用いて、次式
(8)に基づいて分析周波数fに対するM行M列の複素
行列であるクロス周波数スペクトル行列PC (f) を算出
し、整相処理部64Aに出力する。
Next, using H (f) of the above equation (5), a cross frequency spectrum matrix P C (f) which is a complex matrix of M rows and M columns for the analysis frequency f is calculated based on the following equation (8). The calculated value is output to the phasing processing unit 64A.

【0034】[0034]

【数8】 (Equation 8)

【0035】但し、式(8)の*は共役転置を表し、W
は次式(9)で与えられる。
However, * in the equation (8) represents a conjugate transposition, and W
Is given by the following equation (9).

【0036】[0036]

【数9】 [Equation 9]

【0037】整相処理部64Aでは、クロス周波数スペ
クトル行列PC (f) の成分のうちクロス周波数スペクト
ル成分である非対角要素、即ちi≠jとなる成分pci,j
(f)の位相を整相方位θに応じて定まる位相補償を用い
て基準位相にそろえて加算して整相クロス周波数スペク
トルpc (f) を算出する。いま受信器が等間隔dで直線
状に配列されており、音源信号の方位がθ(配列の方向
を0°とする)である場合、基準位相を第1番目の受信
器信号の位相とすると、pc (f) は次式(10)により
算出される。
In the phasing processor 64A, out of the components of the cross frequency spectrum matrix P C (f), a non-diagonal element that is a cross frequency spectrum component, that is, a component p ci, j for which i ≠ j
calculating a phased cross frequency spectrum p c (f) is added to align the reference phase using the phase compensation determined according phases for stabilizing partner position θ of (f). If the receivers are arranged linearly at equal intervals d and the direction of the sound source signal is θ (the direction of the arrangement is 0 °), the reference phase is the phase of the first receiver signal. , P c (f) is calculated by the following equation (10).

【0038】[0038]

【数10】 [Equation 10]

【0039】但し、式(10)のbj (θ)は第j番目
の受信器での受信信号に対する位相補償であり、qを虚
数単位として次式(11),(12),(13)で与え
られる。
However, b j (θ) in the equation (10) is the phase compensation for the received signal at the j-th receiver, and the following equations (11), (12), (13) are used, where q is an imaginary unit. Given in.

【0040】[0040]

【数11】 [Equation 11]

【0041】[0041]

【数12】 (Equation 12)

【0042】[0042]

【数13】 (Equation 13)

【0043】周波数スペクトル算出部65では、前記式
(10)のpc (f) を用いて次式(14)に基づいて周
波数スペクトルP(f) を算出し、表示器70に出力す
る。
The frequency spectrum calculating unit 65 calculates the frequency spectrum P (f) based on the following equation (14) using pc (f) of the equation (10) and outputs it to the display 70.

【0044】[0044]

【数14】 [Equation 14]

【0045】表示部70では、分析フレーム毎に周波数
スペクトルS(f) をその強弱に応じて表示する。
The display unit 70 displays the frequency spectrum S (f) for each analysis frame according to its strength.

【0046】本実施例1によれば、上記のようにクロス
周波数スペクトル算出手段と整相処理手段を別個に設け
る構成の到来受信信号の周波数分析方法としたので、特
定の方向から到来する音源信号の周波数特性の抽出にお
いて、方位限定機能と雑音低減機能とを持つ整相処理手
段の前段に設けたクロス周波数スペクトル算出手段によ
りさらに雑音低減効果を付加することができ、より信号
強度の小さい信号を検出可能な到来受信信号の周波数分
析法を提供することができる。また、線形予測分析に基
づいているためフーリエに変換する周波数分析よりも短
時間での分析能力に優れ、船舶等の過渡音及び狭帯域分
析における音源信号の正確な抽出が可能となる。
According to the first embodiment, since the frequency analysis method for the incoming received signal has the structure in which the cross frequency spectrum calculating means and the phasing processing means are separately provided as described above, the sound source signal coming from a specific direction is obtained. In the extraction of the frequency characteristic of, the noise reduction effect can be further added by the cross frequency spectrum calculation means provided in the preceding stage of the phasing processing means having the azimuth limitation function and the noise reduction function, and a signal with a smaller signal strength can be obtained. It is possible to provide a frequency analysis method for the incoming signal that can be detected. Further, since it is based on the linear predictive analysis, it has a better analysis capability in a shorter time than the frequency analysis converted into Fourier, and it becomes possible to accurately extract the transient sound of a ship or the like and the sound source signal in the narrow band analysis.

【0047】実施例2.図2は本発明の実施例2による
到来受信信号の周波数分析方法の説明図であり、図2の
周波数分析部60Bは、図1の周波数分析部60A内の
整相処理部64Aに代えてマトリックス整相処理部64
Bを設けた構成であり、その他の61〜63及び65の
各部は図1と同一のものである。図2の周波数分析部6
0Bにおいて、相互相関行列算出部61、予測係数行列
算出部62及びクロス周波数スペクトル行列算出部63
は図1の場合と同一の動作を行う。
Example 2. FIG. 2 is an explanatory diagram of a frequency analysis method of an incoming received signal according to the second embodiment of the present invention. The frequency analysis unit 60B of FIG. 2 is a matrix instead of the phasing processing unit 64A in the frequency analysis unit 60A of FIG. Phase adjusting unit 64
B is provided, and other parts of 61 to 63 and 65 are the same as those in FIG. Frequency analysis unit 6 of FIG.
In 0B, the cross-correlation matrix calculation unit 61, the prediction coefficient matrix calculation unit 62, and the cross frequency spectrum matrix calculation unit 63.
Performs the same operation as in FIG.

【0048】即ち周波数分析部60Bでは、まず、相互
相関行列算出部61において、受信器群50から入力さ
れるM個の受信信号間の相互相関係数からなる相互相関
行列を算出し、予測係数行列算出部62に出力する。予
測係数行列算出部62では、入力される相互相関行列か
ら多変量線形予測分析法を用いて予測係数行列を算出
し、クロス周波数スペクトル算出部63に出力する。ク
ロス周波数スペクトル算出部63では、予測係数行列を
用いて各分析周波数に対してクロス周波数スペクトル行
列を算出し、マトリックス整相処理部64Bに入力す
る。マトリックス整相処理部64Bでは、クロス周波数
スペクトル行列の非対角成分を用いて所望の方位に相当
する位相を加えて整相クロス周波数スペクトルを算出
し、これを周波数スペクトル算出部65に入力する。周
波数スペクトル算出部65では、各分析周波数に対する
整相クロス周波数スペクトルから周波数スペクトルを算
出し、表示部70に出力する。
That is, in the frequency analysis unit 60B, first, in the cross-correlation matrix calculation unit 61, a cross-correlation matrix composed of cross-correlation coefficients between M received signals input from the receiver group 50 is calculated, and the prediction coefficient is calculated. It is output to the matrix calculation unit 62. The prediction coefficient matrix calculation unit 62 calculates the prediction coefficient matrix from the input cross-correlation matrix using the multivariate linear prediction analysis method, and outputs the prediction coefficient matrix to the cross frequency spectrum calculation unit 63. The cross frequency spectrum calculation unit 63 calculates a cross frequency spectrum matrix for each analysis frequency using the prediction coefficient matrix, and inputs it to the matrix phasing processing unit 64B. The matrix phasing processing unit 64B calculates the phasing cross frequency spectrum by adding the phase corresponding to the desired direction using the non-diagonal components of the cross frequency spectrum matrix, and inputs this to the frequency spectrum calculation unit 65. The frequency spectrum calculation unit 65 calculates a frequency spectrum from the phasing cross frequency spectrum for each analysis frequency and outputs it to the display unit 70.

【0049】図2の実施例2の動作を詳細に説明する。
但し実施例1において説明した相互相関行列算出部61
からクロス周波数スペクトル行列算出部63までの式
(2)〜(9)を含む動作説明は、実施例1,2共に同
一であるので、重複する説明は省略する。マトリックス
整相処理部64Bでは、クロス周波数スペクトル行列P
C (f) の成分のうちクロス周波数スペクトル成分である
非対角要素の内の一方の対称成分、即ちi<jとなる成
分pCi,j(f) の位相を整相方位θに応じて定まる位相補
償を用いて基準位相にそろえて加算して整相クロス周波
数スペクトルpc (f) を算出する。
The operation of the second embodiment shown in FIG. 2 will be described in detail.
However, the cross-correlation matrix calculation unit 61 described in the first embodiment
Since the operation description including Expressions (2) to (9) from to the cross frequency spectrum matrix calculation unit 63 is the same in Embodiments 1 and 2, duplicate description will be omitted. In the matrix phasing processor 64B, the cross frequency spectrum matrix P
Of the components of C (f), the phase of one symmetric component of the non-diagonal elements that is the cross frequency spectrum component, that is, the component p Ci, j (f) where i <j, is set according to the phasing direction θ. Phased cross frequency spectrum p c (f) is calculated by aligning and adding to the reference phase using the defined phase compensation.

【0050】ここで前記基準位相としては、i=jとな
る対角成分を用いる。この成分は同一の受信器信号間の
オートパワースペクトル(クロス(相互)ではなく、オ
ート(自己)の受信器のパワースペクトル)となり、実
数として取り扱えるので、行番号iに依らず位相は0度
となる。整相に用いる要素をi<jとするのは、つぎの
理由による。まず、クロス周波数スペクトル行列P
C (f) は、対角要素が共役な行列として扱えるので、第
i行第j列の要素と第j行第i列の要素の持つ強度と位
相に関する情報の固有性は同一なので、固有な情報をも
つものは、その一方のi≦jとなる。 i≠jとなるク
ロス周波数スペクトル成分は、相互の雑音の無相関性に
よりi=jとなるオートパワースペクトル成分よりも雑
音成分が低減されているので、整相処理の際にこのi=
jとなる成分を用いてもよいが、この成分を除いたi≠
jとなる成分を用いたほうが整相出力から雑音を低減す
るのに有利である。
Here, as the reference phase, a diagonal component with i = j is used. This component becomes an auto power spectrum between the same receiver signals (not a cross (mutual) but a power spectrum of an auto (self) receiver) and can be treated as a real number, so that the phase is 0 degree regardless of the row number i. Become. The reason why i <j is used for the phasing is as follows. First, the cross frequency spectrum matrix P
Since C (f) can be treated as a matrix in which diagonal elements are conjugate, the elements of the i-th row and the j-th column and the elements of the j-th row and the i-th column have the same peculiarity of information on the strength and phase, and thus One having information has one of i ≦ j. In the cross frequency spectrum component with i ≠ j, the noise component is reduced from the auto power spectrum component with i = j due to the mutual correlation of noises.
A component that is j may be used, but i ≠
It is advantageous to use the component that is j in order to reduce noise from the phased output.

【0051】更に、音源の場合、各受信器間の相対的位
相は受信器間の相対的位置に固有(しかも音源の到来方
向により一義的)なので、基準受信器に対する固有な相
対的位相情報の数は、受信器の数をMとして、i<jと
なる総計M(M−1)/2個の要素の内(M−1)個し
かない。もし、雑音に対するクロス周波数スペクトル行
列の要素が受信器間の相対的位置のみに決まるランダム
値とすると、整相処理の候補の要素は、どれか1つの行
の(M−1)個(対角成分も用いるならばM個)しか意
味がない。ところが、受信器で受信される信号が時系列
的にもまた相互の信号間でも独立な雑音の場合、そもそ
も互いに無関係な信号なので有意義な予測は存在せず、
クロス周波数スペクトルの位相は、受信器の相対的位置
が同一でも行番号が違えば位相も異なるものとなる。
Further, in the case of a sound source, the relative phase between the receivers is unique to the relative position between the receivers (and is unique depending on the direction of arrival of the sound source). The number is only (M-1) out of a total of M (M-1) / 2 elements where i <j, where M is the number of receivers. If the elements of the cross-frequency spectrum matrix for noise are random values that are determined only by the relative positions between the receivers, the elements that are candidates for the phasing process are (M-1) (diagonal) of any one row. If components are also used, only M) is meaningful. However, when the signal received by the receiver is independent noise both in time series and between the mutual signals, there is no meaningful prediction because they are unrelated signals in the first place,
Regarding the phase of the cross frequency spectrum, even if the relative position of the receiver is the same, if the row number is different, the phase is also different.

【0052】即ち、第i行の第j列の位相の第i列の基
準位相に対する位相差と第i′行の第j′列の位相の第
i′列の基準位相に対する位相差は、その差(j−i)
と(j′−i′)が等しくとも異なることになる。した
がって、i<jの要素に対して、音源方向と受信器の相
対的位置に応じた位相補償を行えば、音源に対しては、
全て同一の位相に整相され、雑音は各要素がまちまちな
位相となり、有意義な整相処理をM(M−1)/2個の
要素に渡って行うことができる。以上の理由から、整相
クロス周波数スペクトルpc (f) を次の式(15)に基
づいて算出する。ここでは、受信器が等間隔dで直線状
に配列されており、音源信号の方位がθ(受信器の配列
の方向を0°とする)としている。
That is, the phase difference between the phase of the j-th column of the i-th row and the reference phase of the i-th column and the phase difference of the phase of the j'th column of the i'th row with respect to the reference phase of the i'th column are Difference (j-i)
And (j'-i ') are equal or different. Therefore, if phase compensation according to the direction of the sound source and the relative position of the receiver is performed on the element of i <j,
All are phased to the same phase, and each element of noise has a different phase, and meaningful phasing processing can be performed over M (M-1) / 2 elements. For the above reasons, it is calculated on the basis of the phasing cross frequency spectrum p c (f) in the following equation (15). Here, the receivers are linearly arranged at equal intervals d, and the direction of the sound source signal is θ (the direction of the arrangement of the receivers is 0 °).

【0053】[0053]

【数15】 (Equation 15)

【0054】但し、式(15)のbij(θ,f)は第i
行第j列の成分に対する位相補償であり、qを虚数単位
として次式(16)で与えられる。
However, in equation (15), b ij (θ, f) is the i-th
This is phase compensation for the component in the j-th row and is given by the following equation (16), where q is an imaginary unit.

【0055】[0055]

【数16】 [Equation 16]

【0056】周波数スペクトル算出部65では、前記式
(10)のpc (f) を用いて前記式(14)に基づいて
周波数スペクトルP(f) を算出し、表示器70に出力す
る。表示部70では、分析フレーム毎に周波数スペクト
ルS(f) をその強弱に応じて表示する。以下に本発明の
実施例2による動作をシミュレーションにより示す。分
析周波数帯域は100Hzで雑音はこの帯域に帯域制限
されており、受信器は100Hzの波長の1/2の間隔
で直線状に配置されている。音源は0度方向から入射す
る周波数50Hzのトーン信号である。図示する周波数
スペクトルは各分析フレームで得られる周波数スペクト
ルを10フレーム分平均したものである。
The frequency spectrum calculation unit 65 calculates the frequency spectrum P (f) based on the equation (14) using pc (f) of the equation (10) and outputs it to the display 70. The display unit 70 displays the frequency spectrum S (f) for each analysis frame according to its strength. The operation according to the second embodiment of the present invention will be shown below by simulation. The analysis frequency band is 100 Hz, the noise is band-limited to this band, and the receivers are linearly arranged at intervals of 1/2 of the wavelength of 100 Hz. The sound source is a tone signal with a frequency of 50 Hz that is incident from the 0 degree direction. The frequency spectrum shown is an average of the frequency spectra obtained in each analysis frame for 10 frames.

【0057】図3は本実施例2において受信器の数Mを
1とした場合の周波数スペクトル分析結果を示す図であ
り、横軸は周波数(Hz)であり、縦軸は周波数スペク
トル値(dB)である。図3においては、M=1として
あるので、整相処理は無く、クロス周波数スペクトル行
列から取り出す要素は第1行第1列のものである。従っ
て、この出力は1つの受信器で線形予測分析を行ったも
のと同一となる。この分析結果から音源の周波数を除い
た周波数の平均レベルは音源周波数のパワーを0dBと
して−8dBである。
FIG. 3 is a diagram showing a frequency spectrum analysis result when the number M of receivers is set to 1 in the second embodiment. The horizontal axis represents frequency (Hz) and the vertical axis represents frequency spectrum value (dB). ). In FIG. 3, since M = 1, there is no phasing process, and the elements extracted from the cross frequency spectrum matrix are those of the first row and first column. Therefore, this output will be the same as the linear predictive analysis performed with one receiver. The average level of the frequencies excluding the frequency of the sound source from this analysis result is -8 dB when the power of the sound source frequency is 0 dB.

【0058】図4は本実施例2において受信器の数Mを
4とした場合の周波数スペクトル分析結果を示す図であ
る。図4においては、音源の周波数を除いた周波数の平
均レベルは−19dBである。従って、本発明によるこ
の場合の雑音低減効果は11dB(=19dB−8d
B)となる。これは従来の整相処理において4つの受信
器で得られる雑音低減効果である6dB(=10log
(4))より高い雑音低減効果である。
FIG. 4 is a diagram showing a frequency spectrum analysis result when the number M of receivers is 4 in the second embodiment. In FIG. 4, the average level of frequencies excluding the frequency of the sound source is −19 dB. Therefore, the noise reduction effect in this case according to the present invention is 11 dB (= 19 dB-8d).
B). This is the noise reduction effect obtained by four receivers in the conventional phasing process. 6 dB (= 10 log
(4)) A higher noise reduction effect.

【0059】本実施例2によれば、上記のように到来受
信信号の周波数分析方法を構成したので、特定の方向か
ら到来する音源信号の周波数特性の抽出において、高い
雑音低減効果を持つ整相処理が可能となり、より信号強
度の小さい信号を検出可能な到来受信信号の周波数分析
方式を提供することができる。また、線形予測分析に基
づいているためフーリエ変換による周波数分析よりも短
時間での分析能力に優れ、船舶等の過渡音及び狭帯域分
析における音源信号の正確な抽出が可能となる。
According to the second embodiment, since the frequency analysis method of the incoming received signal is configured as described above, in the extraction of the frequency characteristic of the sound source signal coming from a specific direction, the phasing having a high noise reduction effect is performed. It is possible to provide a frequency analysis method of an incoming received signal that can be processed and can detect a signal having a smaller signal strength. Further, since it is based on the linear predictive analysis, it has a better analysis capability in a shorter time than the frequency analysis by the Fourier transform, and it is possible to accurately extract the transient sound of a ship or the like and the sound source signal in the narrow band analysis.

【0060】[0060]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、外部から
到来する音響信号を複数の受信器によってそれぞれ受信
し、該受信した複数の受信信号の時系列の間に線形予測
モデルを適用する線形予測分析を用いて各受信信号間の
クロス周波数スペクトルを算出し、該クロス周波数スペ
クトルを用いて周波数スペクトルを算出し、該周波数ス
ペクトル強度を画像表示する到来受信信号の周波数分析
方法において、前記クロス周波数スペクトルを用いて周
波数スペクトルを算出する際に、任意に選んだ1つの受
信器とその他の受信器とのクロス周波数スペクトルを、
所望の方位に対して位相をそろえるように位相補償を施
した後に加算して周波数スペクトルを算出するようにし
たので、特定の方向から到来する音源信号の周波数特性
の抽出において、方位限定機能と雑音低減機能とを持つ
整相処理とは別個に設けたクロス周波数スペクトル算出
処理によりさらに雑音低減効果を付加することができ、
より信号強度の小さい信号の検出が可能となる。更に、
線形予測分析に基づいているためフーリエ変換による周
波数分析よりも短時間での分析能力に優れ、船等の過渡
音及び狭帯域分析における音源信号の正確な抽出が可能
となる。
As described above, according to the present invention, acoustic signals coming from the outside are respectively received by a plurality of receivers, and a linear prediction model is applied during the time series of the received plurality of received signals. In the frequency analysis method of the incoming received signal, the cross frequency spectrum between the received signals is calculated using linear prediction analysis, the frequency spectrum is calculated using the cross frequency spectrum, and the cross frequency spectrum is image-displayed. When calculating the frequency spectrum using the frequency spectrum, the cross frequency spectrum between one receiver arbitrarily selected and the other receiver,
Since the frequency spectrum is calculated by adding after performing phase compensation so that the phase is aligned with the desired direction, in the extraction of the frequency characteristics of the sound source signal coming from a specific direction, the direction limiting function and noise The noise reduction effect can be further added by the cross frequency spectrum calculation process provided separately from the phasing process having the reduction function.
It becomes possible to detect a signal having a smaller signal strength. Furthermore,
Since it is based on the linear predictive analysis, it has a better analysis capability in a shorter time than the frequency analysis by the Fourier transform, and enables accurate extraction of the transient sound of a ship or the like and the sound source signal in the narrow band analysis.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例1による到来受信信号の周波数
分析方法の説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a frequency analysis method for an incoming received signal according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例2による到来受信信号の周波数
分析方法の説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a frequency analysis method for an incoming received signal according to a second embodiment of the present invention.

【図3】実施例2において受信器の数を1とした場合の
周波数スペクトル分析結果を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a frequency spectrum analysis result when the number of receivers is 1 in the second embodiment.

【図4】実施例2において受信器の数を4とした場合の
周波数スペクトル分析結果を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a frequency spectrum analysis result when the number of receivers is 4 in the second embodiment.

【図5】従来のパッシブソーナー装置の構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of a conventional passive sonar device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

50 受信器群 60A,60B 周波数分析部 61 相互相関行列算出部 62 予測係数行列算出部 63 クロス周波数スペクトル算出部 64A 整相処理部 64B マトリックス整相処理部 65 周波数スペクトル算出部 70 表示部 50 receiver group 60A, 60B frequency analysis unit 61 cross-correlation matrix calculation unit 62 prediction coefficient matrix calculation unit 63 cross frequency spectrum calculation unit 64A phasing processing unit 64B matrix phasing processing unit 65 frequency spectrum calculation unit 70 display unit

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 外部から到来する音響信号を複数の受信
器によってそれぞれ受信し、該受信した複数の受信信号
の時系列の間に線形予測モデルを適用する線形予測分析
を用いて各受信信号間のクロス周波数スペクトルを算出
し、該クロス周波数スペクトルを用いて周波数スペクト
ルを算出し、該周波数スペクトル強度を画像表示する到
来受信信号の周波数分析方法において、 前記クロス周波数スペクトルを用いて周波数スペクトル
を算出する際に、任意に選んだ1つの受信器とその他の
受信器とのクロス周波数スペクトルを、所望の方位に対
して位相をそろえるように位相補償を施した後に加算し
て周波数スペクトルを算出することを特徴とする到来受
信信号の周波数分析方法。
1. An inter-reception signal is received using a linear prediction analysis in which an acoustic signal coming from the outside is received by a plurality of receivers and a linear prediction model is applied between time series of the received plurality of reception signals. In the frequency analysis method of the incoming received signal for calculating the frequency spectrum using the cross frequency spectrum and displaying the frequency spectrum intensity as an image, and calculating the frequency spectrum using the cross frequency spectrum. At this time, it is possible to calculate the frequency spectrum by adding the cross frequency spectrums of one receiver arbitrarily selected and other receivers after phase compensation so that the phases are aligned with respect to the desired azimuth. A characteristic frequency analysis method for incoming signals.
【請求項2】 外部から到来する音響信号を複数の受信
器によってそれぞれ受信し、該受信した複数の受信信号
の時系列の間に線形予測モデルを適用する線形予測分析
を用いて各受信信号間のクロス周波数スペクトル行列を
算出し、該クロス周波数スペクトル行列の成分を整相
し、その整相値を用いて周波数スペクトルを算出し、該
周波数スペクトル強度を画像表示する到来受信信号の周
波数分析方法において、 前記クロス周波数スペクトル行列の成分を用いて整相す
る際に、該クロス周波数スペクトル行列の片側の非対角
成分あるいはこれに対角成分を含めた成分に対して、各
行あるいは列に含まれる対角成分を基準位相として、そ
れと同一の行あるいは列に含まれるその他の成分を所望
方位に整相し、これをすべての行あるいは列に対して行
って得られる各整相値を加算して整相出力を得ることを
特徴とする到来受信信号の周波数分析方法。
2. An acoustic signal arriving from the outside is received by each of a plurality of receivers, and a linear prediction model is applied between time series of the received plurality of received signals. In the frequency analysis method of the incoming reception signal for calculating the cross frequency spectrum matrix, phasing the components of the cross frequency spectrum matrix, calculating the frequency spectrum using the phasing value, and displaying the frequency spectrum intensity as an image. , When performing phasing using the components of the cross frequency spectrum matrix, the pair included in each row or column for the non-diagonal component on one side of the cross frequency spectrum matrix or the component including the diagonal component Using the angular component as the reference phase, the other components contained in the same row or column are aligned in the desired direction, and this is applied to all rows or columns. Frequency analysis method of the incoming received signal and obtaining a phasing adding and outputting the phasing values obtained by performing.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004294915A (en) * 2003-03-27 2004-10-21 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Method, device, and program for noise discrimination
WO2008106534A1 (en) * 2007-02-27 2008-09-04 Tektronix, Inc. Systems and methods for performing external correction
US8060047B2 (en) 2006-05-30 2011-11-15 Ntt Docomo, Inc. Signal frequency band detection device

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