JP2016197775A - 信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送路を通じてセンサから入力した信号から伝送路上で混入したパルス性雑音だけを抑圧するのは困難であること。
【解決手段】信号処理装置は、検出部と抑圧部とを有する。検出部は、伝送路を通じてセンサから入力した信号を分析し、センサの出力周波数帯域外に現れるパルス性雑音を検出する。抑圧部は、検出部によって検出されたパルス性雑音を信号から抑圧する。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号処理装置、信号処理方法、およびプログラムに関する。

所望の信号と雑音とが混合された信号から、雑音の一部または全部を抑圧し、所望の信号を強調した信号を出力する信号処理技術が、各種提案ないし実用化されている。

例えば、入力信号から雑音を推定し、推定した雑音を入力信号から減算することが、本発明に関連する第１の関連技術として提案されている（例えば特許文献１参照）。また、入力信号を分析し、抑圧対象となる雑音に関する雑音情報を、入力信号の分析結果に応じて混合して混合雑音情報を生成し、この混合雑音情報を用いて入力信号から雑音を抑圧することが、本発明に関連する第２の関連技術として提案されている（例えば特許文献２参照）。

他方、パッシブソーナー装置において、トランジェント信号の周波数帯域外に大きなパワーの雑音源が存在する場合でもトランジェント信号を検出できる信号処理方法が、本発明に関連する第３の関連技術として提案されている（例えば特許文献３参照）。しかし、この第３の関連技術は、音響センサから入力した信号から所望のトランジェント信号を抽出する技術であり、入力信号から雑音を抑圧する技術とは異なる。即ち、第３の関連技術では雑音を抑圧した入力信号は生成していない。このため、入力信号に含まれるトランジェント信号以外の所望信号、例えばエンジン等を発生源とする長時間継続する定常的な音は信号処理の過程で捨てられる。また、音響信号の到来方位の算出が可能な音響センサを必要としている。

特開平８−２２１０９２号公報 国際公開ＷＯ２０１１／１４８８６０ 特開２０１４−３２０８１号公報 特開平１０−１７７０６６号公報

ところで、音響センサなどのセンサで検出された信号が有線や無線による伝送路を通じて信号処理装置に入力される場合、伝送路上で新たな信号が雑音として混入することがある。具体的には、空電ノイズ等のパルス性雑音が混入することがある。センサで検出された信号を正しく処理するためには、伝送路上で混入したパルス性雑音を抑圧しなければならない。しかし、本発明に関連する第１および第２の関連技術では、入力信号のどの信号成分が伝送路上で混入した信号成分か否かを決定することはできないため、入力信号から伝送路上で混入したパルス性雑音だけを抑圧するのは困難であった。

本発明の目的は、上述した課題、すなわち、伝送路を通じてセンサから入力した信号から伝送路上で混入したパルス性雑音だけを抑圧するのは困難である、という課題を解決する信号処理装置を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る信号処理装置は、
伝送路を通じてセンサから入力した信号を分析し、前記センサの出力周波数帯域外に現れるパルス性雑音を検出する検出部と、
前記検出されたパルス性雑音を前記信号から抑圧する抑圧部と、
を有する。

本発明の他の実施形態に係る信号処理方法は、
伝送路を通じてセンサから入力した信号を分析し、前記センサの出力周波数帯域外に現れるパルス性雑音を検出し、
前記検出されたパルス性雑音を前記信号から抑圧する。

本発明の他の実施形態に係るプログラムは、
コンピュータを、
伝送路を通じてセンサから入力した信号を分析し、前記センサの出力周波数帯域外に現れるパルス性雑音を検出する検出部と、
前記検出されたパルス性雑音を前記信号から抑圧する抑圧部と、
して機能させる。

本発明は上述した構成を有するため、伝送路を通じてセンサから入力した信号から伝送路上で混入したパルス性雑音だけを抑圧することができる。

本発明の第１の実施形態に係る信号処理装置のブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る信号処理装置における検出部の一例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る信号処理装置における抑圧部の一例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るパッシブソーナー装置のブロック図である。 本発明の第２の実施形態の雑音判定処理に係るセンサの感度特性、信号及び雑音の帯域のイメージ図である。 本発明の第２の実施形態の雑音判定処理の処理結果のイメージ図である。

次に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
[第１の実施形態]
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態に係る信号処理装置１００は、伝送路１０１を通じてセンサ１０２に接続されている。

センサ１０２は、例えば、信号処理装置１００がパッシブソーナー装置に適用される場合、音響センサである。但し、信号処理装置１００はパッシブソーナー装置のみに適用を限定されない。このため、センサ１０２は音響センサに限定されない。例えば、振動を検出する振動センサ、光信号を検出する光センサ、人の会話や音楽等を検出するマイクロフォン等であってもよい。センサ１０２は、検知した信号１０３を、伝送路１０１を通じて信号処理装置１００へ送信する。

信号処理装置１００は、伝送路１０１を通じてセンサ１０２から信号１０３を入力し、信号１０３から伝送路１０１上で混入したパルス性雑音だけを抑圧する機能を有する。そのために信号処理装置１００は、検出部１１０と抑圧部１２０とを有する。

検出部１１０は、信号１０３を分析し、センサ１０２の出力周波数帯域外に現れるパルス性雑音を検出する機能を有する。センサ１０２の出力周波数帯域とは、センサ１０２が出力可能な周波数の帯域のことである。検出部１１０は、センサ１０２の出力周波数帯域が例えば０．１ｋＨｚ〜９０ｋＨｚであるとき、９０ｋＨｚ以上、上限閾値以下の周波数帯の一部または全部に現れるパルス性雑音を検出する。ここで、上限閾値は、パルス性雑音の周波数帯域の上限である。検出部１１０は、パルス性雑音を検出すると、検出情報１１１を抑圧部１２０に出力する。検出情報１１１は、例えば、パルス性雑音が存在するか否かを示す情報（雑音存在情報）であってよい。例えば、検出情報１１１は、パルス性雑音が存在しない期間は所定の値（例えば論理値０）を示し、パルス性雑音が存在する期間は所定の他の値（例えば論理値１）を示す情報であってよい。

抑圧部１２０は、検出部１１０で検出されたパルス性雑音だけを信号１０３から抑圧する機能を有する。例えば、抑圧部１２０は、信号１０３と検出情報１１１とを入力し、検出情報１１１によって示される、パルス性雑音が存在している期間に限定して、信号１０３からパルス性雑音を抑圧する。抑圧部１２０は、パルス性雑音を抑圧した信号１０３を信号１２１として出力する。信号１２１は、信号処理装置１００の使用目的に応じて、その後処理される。

次に本実施形態に係る信号処理装置１００の動作を説明する。

信号処理装置１００の検出部１１０は、伝送路１０１を通じてセンサ１０２から入力した信号１０３を分析し、センサ１０２の出力周波数帯域外に現れるパルス性雑音を検出し、パルス性雑音が存在するか否かを示す検出情報１１１を抑圧部１２０へ通知する。

抑圧部１２０は、信号１０３と検出情報１１１とを入力し、検出部１１０によって検出されたパルス性雑音だけを信号１０３から抑圧し、パルス性雑音を抑圧した信号１０３を信号１２１として出力する。

このように本実施形態によれば、伝送路１０１を通じてセンサ１０２から入力した信号１０３から伝送路１０１上で混入したパルス性雑音だけを抑圧することができる。その理由は、伝送路１０１を通じてセンサ１０２から入力した信号を分析し、センサ１０２の出力周波数帯域外に現れるパルス性雑音を検出する検出部１１０と、検出されたパルス性雑音を信号１０３から抑圧する抑圧部１２０を有するためである。

次に、検出部１１０の具体例について説明する。なお、検出部１１０の構成は、以下に例示する構成に限定されない。

図２を参照すると、検出部１１０の一例は、ハイパスフィルタ２０１とコンパレータ２０２とから構成される。ハイパスフィルタ２０１は、信号１０３を入力し、センサ１０２の出力周波数帯域の上限より高い周波数成分の信号を抽出してコンパレータ２０２の＋入力端子に入力する。コンパレータ２０２の−入力端子には、所定の閾値が入力されている。コンパレータ２０２は、＋入力端子の入力レベルが−入力端子の入力レベルより高ければ、出力である検出情報１１１を論理値１とし、そうでなければ論理値０とする。

次に、抑圧部１２０の具体例について説明する。なお、抑圧部１２０の構成は、以下に例示する構成に限定されない。

図３を参照すると、抑圧部１２０の一例は、入力端子３０１、変換部３０２、雑音抑圧部３０３、逆変換部３０４、出力端子３０５、分析部３０６、混合部３０７、雑音情報記憶部３０８、入力端子３０９を有する。この抑圧部１２０は、本発明に関連する第２の関連技術を利用している。即ち、抑圧部１２０は、入力した信号１０３を分析し、予め記憶された雑音情報を用いて、分析結果に応じて混合方法によって混合雑音情報を生成し、更に、その混合雑音情報を用いて雑音の抑圧を行う。

入力端子３０１には、信号１０３が入力される。入力端子３０１に入力された信号１０３は、変換部３０２においてフーリエ変換などの変換を施されて複数の周波数成分に分割される。複数の周波数成分の振幅スペクトルは雑音抑圧部３０３へ供給され、位相スペクトルは、逆変換部３０４に伝達される。ここでは、雑音抑圧部３０３に振幅スペクトルが供給されているが、その二乗に相当するパワースペクトルが雑音抑圧部３０３に供給されてもよい。

雑音情報記憶部３０８は、半導体メモリなどの記憶素子を含み、抑圧対象としての既知の雑音の特性に関する情報（雑音情報）を記憶している。抑圧対象として記憶される既知の雑音は、例えば、空電などによって生じるパルス性雑音などである。

一方、分析部３０６は、変換部３０２で生成された振幅スペクトルを入力し、分析を行う。分析部３０６は、振幅スペクトルを分析することによって、信号１０３に含まれる雑音の特性を決定し、その特性に応じた雑音情報の混合方法を決定する。そして、分析部３０６は、決定した混合方法を混合部３０７に渡す。混合部３０７は、分析部３０６から受け取った混合方法に応じて、雑音情報記憶部３０８に記憶された雑音情報から混合雑音情報を生成する。

雑音抑圧部３０３には、入力端子３０９から検出情報１１１が供給される。雑音抑圧部３０３は、検出情報１１１によって示される雑音が存在している期間に限定して、変換部３０２から供給された振幅スペクトルと混合部２０７から供給された混合雑音情報とを用いて、各周波数で雑音を抑圧し、雑音抑圧結果としての振幅スペクトルを逆変換部２０４に伝達する。雑音抑圧部３０３は、検出情報１１１によって示される雑音が存在していない期間は、変換部３０２から供給された振幅スペクトルをそのまま逆変換部２０４に伝達する。逆変換部３０４は、雑音抑圧部３０３から供給された振幅スペクトルと変換部３０２から供給された信号１０３の位相スペクトルとを合わせて逆変換を行い、信号１２１として、出力端子３０５に供給する。

変換部３０２、雑音抑圧部３０３、逆変換部３０４、分析部３０６、混合部３０７、雑音情報記憶部３０８の詳細は、特許文献２に記載されているので、その説明は省力する。

本実施形態は、上記の構成を基本としつつ、各種の付加変更が可能である。

例えば、検出部１１０は、センサ１０２の出力周波数帯域情報を記憶する記憶部を有し、この記憶部に記憶されたセンサの出力周波数帯域情報に基づいて、センサ１０２の出力周波数帯域外に現れるパルス性雑音を検出するように構成されていてよい。例えば、センサの出力周波数帯域情報が、０．１ｋＨｚ〜９０ｋＨｚであるとき、９０ｋＨｚ＋α以上、９０ｋＨｚ＋α＋β未満の帯域に現れるパルス性雑音を検出するように構成されていてよい。ここで、αはセンサの出力周波数帯域の上限との距離を規定する定数、βはパルス性雑音を検出する帯域幅を規定する定数である。

また検出部１１０は、センサ１０２の出力周波数帯域情報の学習機能を備えていてよい。例えば、検出部１１０は、信号１０３の出力周波数帯域を一定期間ごとに複数回にわたって観測し、それらの平均を算出し、この算出した平均主力周波数帯域を上記記憶部に保存するように構成されていてよい。

また検出部１１０および抑圧部１２０は、信号処理装置１００を構成するコンピュータとプログラムとによって実現することができる。プログラムは、半導体メモリ等の記録媒体に記録され、コンピュータの立ち上げ時にコンピュータに読み取られ、コンピュータの動作を制御することにより、コンピュータ上に検出部１１０および抑圧部１２０を実現する。

[第２の実施形態]
次に本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、本発明における信号処理装置の一例として、ソーナー装置における応用について説明する。

ソーナー装置は、パッシブソーナー装置とアクティブソーナー装置に大別される。パッシブソーナー装置とは、水中（水面含む）に存在する目標（たとえば、潜水艦や水中機雷等）が発生する音波を捉え、目標の存在と目標位置（方位）を算出する装置である。これに対し、アクティブソーナー装置とは、海中に音波を放射し、目標物からの反射音を検出し、放射音と反射音との時間差や反射音の検出方位から目標物の位置や距離を測定する装置を指す。

目標が発する音の中には、エンジン等を発生源とする長時間継続する定常的な音と、船の操舵時等に発生する時間的に連続しない、又は、短い時間だけ継続する過渡音がある。以下、受信音波による信号を受信信号、過渡音による信号をトランジェント信号と記載する。

これらの受信信号をソーナー装置で処理し、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の画面表示を目視し、これらの情報を統合して信号の有無を判断する。信号の分析手法には、２つの代表的な手法が知られている。１つの手法は、フーリエ変換（ＦＦＴ）等の手法により周波数分析する方法である。信号の継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。他の一つは、受信信号を検波してパワー分析する方法であり、トランジェント信号の抽出手段として用いられることが多い。

特許文献４には、パワー分析を用いてトランジェント信号を検出する技術が開示されている。パワー分析では、トランジェント信号の帯域外に大きなパワーの雑音が存在する場合、信号を認識できないとう欠点がある。

また本発明に関連する第３の関連技術によれば、周波数毎の正規化レベルの合算値を利用することにより、レベルの変化量を表した帯域特性に依存しないトランジェント信号の表示が可能となる。しかし、本発明に関連する第３の関連技術では、雑音を抑圧した入力信号は生成しないため、入力信号に含まれるトランジェント信号以外の所望信号、例えばエンジン等を発生源とする長時間継続する定常的な音は信号処理の過程で捨てられる。また、音響信号の到来方位の算出が可能な音響センサを必要としている。

＜本実施形態が解決しようとする課題＞
オペレータは、水中の目標以外の音源が発する雑音や、ソーナー装置、ソーナー装置の伝送路で混入する電気的雑音など、無数の雑音の中から目標が発生する音響信号を発見しなければならない。これらの雑音は、信号を聴音した際の聴感上の音質の悪化や、信号分析結果の表示における目標信号の視認性の悪化、自動検出処理における探知確率の低下、誤警報確率の増加など、目標信号を発見する際の大きな妨げとなっている。特に、トランジェント信号と同様に非定常的である空電ノイズ等の雑音は、パワー分析を用いるトランジェント信号の検出において誤警報確率増加の大きな要因となる。

本発明に関連する第２の関連技術を利用して空電ノイズ等のインパルス性の雑音を除去することはできるが、パッシブソーナー装置においては目標が発生するトランジェント音まで空電ノイズと共に除去してしまい、探知確率が低下する可能性がある。ラジオ等においても、音声以外のパルス性の所望音（打楽器など）を抑圧してしまう可能性がある。

本実施形態の主目的は、音響信号及び周波数分析結果から、所望音を抑圧することなく空電ノイズ等の非定常的なパルス性の雑音を除去し、信号処理結果における目標信号の目視・聴音による探知認識と自動検出における誤警報確率を改善させた信号処理装置、信号処理方法、及び、その信号処理プログラムを提供することである。

＜課題を解決するための手段＞
上記課題を解決するため、本実施形態ではパルス雑音抑圧処理の前段に、センサの感度情報を基にした目標信号と雑音の判定手段を設ける（図４のセンサ特性情報３、及び、インパルス雑音判定処理部４）。また、あらかじめセンサ特性情報３を得られない場合、インパルス雑音判定処理部４は、受信処理部２から出力される信号を一定時間蓄積し、平均処理を施すなどして、センサ特性情報３を自ら生成しても良い。

通常、音響センサは、入力される音響信号の周波数に対して感度特性を有している（図５の丸付きの１、２。以下、丸付きの数字は明細書では(1)のように括弧付きの数字で表記する）。そのため、音響センサで受信した音響信号は、音響センサの感度特性が畳み込まれた状態で処理部へ伝送され（図５の(3)）、ＦＦＴ等による周波数分析処理が行われる。一方、音響センサ後段の有線や無線による伝送経路や信号処理部内部等で混入した雑音は、音響センサの信号の感度特性が畳み込まれることなく信号処理部へ伝送され、周波数分析処理が行われる。そのため周波数分析結果において、伝送経路で混入した空電ノイズなどの広帯域に広がる雑音は、本来音響センサの感度が低い帯域においてもその周波数成分が現れる（図５の(4)）。

本実施形態では、この音響センサの有する感度特性と異なる帯域に現れるパルス性の雑音の検出、判定を行い、音響センサの受信帯域内におけるパルス性の雑音を抑圧する。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態により、パルス性の所望音を抑圧することなく、空電ノイズ等の音響センサ外から入力されるパルス性の雑音が抑圧できる。ソーナー装置においては雑音を抑圧することにより誤検出を低減し、誤警報確率を低減することができる。

本実施形態による処理結果のイメージを図６に示す。本実施形態による手法では、方位算出用のセンサを有する音響処理装置だけでなく、方位算出用のセンサを持たない単一のセンサでも所望音を抑圧することなくパルス性の雑音の抑圧が可能である。また、本実施形態は、ソーナー装置の他、ラジオやトランシーバ等の音響センサを有する音響処理装置、音響通信機器に適用可能であり、打楽器等のパルス性の所望音を誤って抑圧することなく、伝送経路で混入したパルス性の雑音を抑圧することにより、音質の向上が可能である。

＜本実施形態の構成＞
図４は本実施形態に係るパッシブソーナー装置のブロック図である。パッシブソーナー装置は、音響センサ部１と、表示部９と、処理部１０とを備える。また処理部１０は、受信処理部２、センサ特性情報３、インパルス雑音判定処理部４、インパルス雑音抑圧処理部５、周波数分析処理部６、パワー分析処理部７、及び、信号検出処理部８を有する。

音響センサ部１は、水中に設置され、水中の音響信号を受信する。音響信号には、目標からの定常的な信号やトランジェント音、雑音源からの定常的及び非定常的な雑音が含まれる。音響センサ部１からの出力信号は、音響センサの感度特性が畳み込まれた状態となる（図５の(1)、(2)、(3)）。音響センサ部１は、自らの感度特性が畳み込まれた音響信号を必要に応じて変調し、有線あるいは無線による伝送路にて送信する。この際、信号は伝送路において空電ノイズ等の雑音が加算された状態となる（図５の(4)）。受信処理部２は、送信されてきた信号を受信し、必要に応じて復調処理を行い、音響情報を取り出してインパルス雑音判定処理部４へと出力する。

インパルス雑音判定処理部４は、受信した信号に対し、センサ特性情報３を基に、センサ出力信号帯域外の伝送雑音帯域内においてパルス性の雑音の検出を行う。あらかじめセンサ特性情報３を有さない場合、インパルス雑音判定処理部４は一定時間の入力信号の情報を蓄積し、平均化処理を行う等して伝送雑音帯域の判定に用いるセンサ特性情報３を生成してもよい。インパルス雑音判定処理部４は、入力された音響信号と、伝送雑音帯域における広帯域信号の検出結果を雑音抑圧処理部５へと出力する。

インパルス雑音抑圧処理部５は、受信した伝送雑音帯域における広帯域信号の検出結果に基づき、検出が上がった信号に対してのみインパルス雑音抑圧処理を行う。伝送雑音帯域における広帯域信号の検出結果に基づきインパルス雑音抑圧処理を行うことにより、目標からのトランジェント音を抑圧することなく、信号の伝送経路で混入した雑音を抑圧することが可能となる。インパルス雑音抑圧処理部５は、検出が上がった信号に対してのみインパルス雑音抑圧処理を施した音響信号を周波数分析処理部６及びパワー分析処理部７へ出力する。インパルス雑音抑圧処理部５には、特許文献２に記載されるパルス雑音抑圧技術を適用することができる。

周波数分析処理部６では、ＦＦＴ、あるいはウェーブレット変換等の周波数分析処理を行い、信号検出処理部８へ出力する。また、パワー分析処理部７では信号のパワーを算出し、信号検出処理部８へ出力する。信号検出処理部８は、入力された周波数分析結果およびパワー分析処理結果に対して閾値判定を行い、結果を表示部９へ出力する。表示部９は受信した信号を基に、信号の周波数分析結果、パワー分析結果、検出結果等の情報を画面に表示する。

以上説明したように、本実施形態により、目標からのトランジェント音を抑圧することなく、信号の伝送経路で混入した雑音を抑制し、誤警報を低減した状態の検出結果を提示することが可能となる。

本発明は、伝送路を通じてセンサから信号を入力し、当該信号から伝送路上で混入したパルス性雑音だけを抑圧する信号処理装置に適用可能である。

１…音響センサ部
２…受信処理部
３…センサ特性情報
４…インパルス雑音判定処理部
５…インパルス雑音抑圧処理部
６…周波数分析処理部
７…パワー分析処理部
８…信号検出処理部
９…表示部
１０…処理部
１００…信号処理装置
１０１…伝送路
１０２…センサ
１０３…信号
１０４…信号
１１０…検出部
１１１…検出情報
１２０…抑圧部
１２１…信号
２０１…ハイパスフィルタ
２０２…コンパレータ
３０１…入力端子
３０２…変換部
３０３…雑音抑圧部
３０４…逆変換部
３０５…出力端子
３０６…分析部
３０７…混合部
３０８…雑音情報記憶部
３０９…入力端子

Claims (7)

1. 伝送路を通じてセンサから入力した信号を分析し、前記センサの出力周波数帯域外に現れるパルス性雑音を検出する検出部と、
   前記検出されたパルス性雑音を前記信号から抑圧する抑圧部と、
   を有する信号処理装置。
2. 前記センサの出力周波数帯域情報を記憶する記憶部を有し、
   前記検出部は、前記記憶部に記憶された前記センサの出力周波数帯域情報に基づいて、前記センサの出力周波数帯域外に現れるパルス性雑音を検出する、
   請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記検出部は、前記信号から前記センサの出力周波数帯域情報を学習して前記記憶部に記憶する、
   請求項２に記載の信号処理装置。
4. 前記抑圧部は、前記信号を分析し、抑圧対象となる雑音に関する雑音情報を、前記信号の分析結果に応じて混合して混合雑音情報を生成し、前記混合雑音情報を用いて前記検出されたパルス性雑音の抑圧を行う、
   請求項１乃至３の何れかに記載の信号処理装置。
5. 前記検出部は、前記パルス性雑音が存在するか否かを示す検出情報を前記抑圧部へ通知し、
   前記抑圧部は、前記検出情報に基づいて、前記検出部によって検出されたパルス性雑音だけを前記信号から抑圧する、
   請求項１乃至４の何れかに記載の信号処理装置。
6. 伝送路を通じてセンサから入力した信号を分析し、前記センサの出力周波数帯域外に現れるパルス性雑音を検出し、
   前記検出されたパルス性雑音を前記信号から抑圧する、
   信号処理方法。
7. コンピュータを、
   伝送路を通じてセンサから入力した信号を分析し、前記センサの出力周波数帯域外に現れるパルス性雑音を検出する検出部と、
   前記検出されたパルス性雑音を前記信号から抑圧する抑圧部と、
   して機能させるためのプログラム。

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