JPH0693016B2 - パッシブソーナーの信号処理装置 - Google Patents

パッシブソーナーの信号処理装置

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JPH0693016B2
JPH0693016B2 JP29314086A JP29314086A JPH0693016B2 JP H0693016 B2 JPH0693016 B2 JP H0693016B2 JP 29314086 A JP29314086 A JP 29314086A JP 29314086 A JP29314086 A JP 29314086A JP H0693016 B2 JPH0693016 B2 JP H0693016B2
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hydrophones
sound wave
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underwater sound
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はパッシブソーナーの信号処理装置に関し、特に
少なくとも2個のハイドロホンの受信信号に基づき水中
音波の到来方位を検出するに際しS/N改善を図ったパッ
シブソーナーの信号処理装置に関する。
〔従来の技術〕 形成すべき受波指向性等の運用条件を勘案して複数のハ
イドロホンを配置し、その受信信号間の位相差に基づき
目標の方位を決定するパッシブソーナーの信号処理装置
はよく知られている。
第2図は2個のハイドロホンの受信信号の位相差により
音波の到来方位を検出する説明図である。
いま、基準方位に対し方位角θにある音源からの到来音
波がハイドロホンA,Bにそれぞれ入射するものとする
と、ハイドロホンA,Bの受信信号SA,SBは次の(1),
(2)式で示される。
SA=Asin(ωt+φ) …………(1) SB=Asin(ωt+φ+Δφ) ……(2) 但し、Aは振幅、ωは角周波数、φは位相、Δφは位相
差である。
また、ハイドロホンA,Bの到来音波の伝搬時間差をΔT
とし、ハイドロホンA,B間の距離をdとし、音速をcと
すれば、第2図からΔT=dsinθ/cであるから、Δφ=
ωΔT=ωd・sinθ/cとなり、次の(3)式がられ
る。
従って、受信信号の位相差Δφと周波数が分かれば、
(3)式から容易に方位角θを求めることができる。上
述した内容はハイドロホンが2個の場合を例としている
が、2個以上の場合でも、これを同数の2群に分割し、
それぞれの群ごとに配置条件にもとづく相互の位相差を
無くすように受信信号に対し整相処理を施すことによっ
て、基本的には2個のハイドロホンの場合と同様に処理
できる。このようにして、従来のこの種の方位検出技術
は、各方位ごとに等しい複数のハイドロホンの受信信号
を位相合成し、全体として1つの合成指向性を提供せし
め、これら合成指向性による受信信号相互間で(3)式
を利用して方位角を検出しているものが多い。
ところで、2個もしくはそれ以上の複数のハイドロホン
を使用して方位検出を行うとき、ハイドロホンの受信信
号を所定時間にわたって時間積分しつつ利用することが
多い。この時間積分の目的は、積分によって定常性が高
い信号成分のエネルギーを増大させ、結果として高S/N
(Signal/Noise)を得ることにある。この場合、時間積
分の時間長としてはパッシブソーナーの運用条件等を考
慮して通常数10秒程度をとる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上述したように従来は、信号処理における高S/Nを得る
目的から各方位ごとの受信信号に対して時間積分を施し
ている。しかしながら、このような時間積分効果による
S/Nの改善には限界があり、定常性の高い信号成分エネ
ルギーの積分効果は得られるものの雑音成分エネルギー
の抑圧効果は少ない。この理由は基本的に、信号と雑音
の自己相関特性の差異に起因すると考えられている。
すなわち、雑音成分エネルギーは互いに無相関であるの
で十分長時間にわたって時間積分すればほぼ相殺し合う
ことが期待でき、また、信号成分エネルギーは自己関特
性があるため十分長時間の時間積分により蓄積効果があ
る。しかし、数10秒程度の短時間では積分効果が十分に
得られない。
本発明の目的は、雑音を含む各方位の到来信号の伝搬損
失の距離特性を自動利得制御によって平準化した後、音
波の到来方位,レベルに対応した空間ベクトルを設定し
て時間、空間的に積分することにより、積分時間が数10
秒程度であってもランダムに発生する雑音を抑圧して著
しくS/Nを改善できるパッシブソーナーの信号処理装置
を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明のパッシブソーナーの信号処理装置は、少なくと
も2個のハイドロホンの受信信号に基づき水中音波の到
来方位を検出するパッシブソーナーの信号処理装置であ
って、前記少なくとも2個のハイドロホンからの受信信
号に対し所定処理時間単位ごとに伝播損失をそれぞれ補
償する自動利得制御手段と、この自動利得制御手段によ
って伝播損失が補償された前記少なくとも2個のハイド
ロホンの受信信号に対し前記所定処理時間単位ごとにそ
れぞれフーリェ変換処理を行ってレベル対周波数スペク
トラムを示す周波数領域データを出力する周波数分析手
段と、前記周波数領域データを受けて前記所定処理時間
単位ごとに前記周波数スペクトラムの最大レベル値に対
応する周波数を求めると共に前記最大レベル値に対応す
る周波数における前記少なくとも2個のハイドロホン間
の位相差を求めて前記水中音波の到来方位を演算する方
位演算手段と、この方位演算手段が演算した前記水中音
波の到来方位を方向とし前記周波数スペクトラムの最大
レベル値を大きさとするベクトル量を前記所定処理時間
単位ごとに求めるベクトル演算手段と、前記ベクトル量
を所定時間にわたって空間的に積分して前記水中音波の
到来方位を検出する目標方位検出手段とを備える。
〔実施例〕
次に図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第1図は本発明の一実施例を示すブロック図である。こ
こでは、ハイドロホン1,2、AGC(Automatic Gain Contr
ol)回路3,4、周波数分析回路5,6、方位/ベクトル演算
回路7、目標方位検出回路8等を備えて構成される。
まず本発明の要点について説明する。
信号処理の対象となる信号成分は、音波の到来方位とレ
ベルとに対応する空間ベクトルとして見た場合、音波の
発生源となる目標が遠距離であれば方位変化は小さく、
所定の設定処理時間内ではほぼ一定方位のベクトルと見
做しうる場合が多い。一方、雑音成分は、いわゆる背景
雑音であり、海中の生物音、波浪等時間的にも空間的に
もランダムに発生するので、方位分散ベクトルと見做し
うる。
このような受信信号を所定時間にわたって積分すれば、
特定の方位から到来する信号成分のエネルギーは積分さ
れ、一方、雑音成分のエネルギーは相殺し合って減少す
るので、S/Nの改善が可能となる。この場合、対象空間
内の雑音を効果的に減少せしめるには、音源である目標
から受波点であるハイドロホンまでの伝搬損失の距離依
存性を排除して平準化すればよく、第1図に示した実施
例もこのような観点に立って構成されている。
さて、第1図において、ハイドロホン1,2は所定の距離
間隔で配置され、到来する目標からの音波および対象空
間の背景雑音を入力音波として受波し、電気信号に変換
してAGC回路3および4にそれぞれ供給する。
AGC回路3,4は、入力する信号に対し所定の受信処理時間
単位ごとに所定の許容変動範囲内で、あらかじめ設定さ
れた特性の自動利得制御を行なう。このあらかじめ設定
された自動利得制御特性は、距離の自乗に逆比例して減
衰する水中音波の伝播損失を運用距離にわたって補償す
る特性、すなわち、伝播損失特性とは逆の特性としてい
る。従って、AGC回路3,4から出力される信号のレベル
は、伝播損失分が正規化され平準化されている。これら
AGC回路3,4の出力はそれぞれ周波数分析回路5,6に供給
される。
周波数分析回路5,6は、AGC回路3,4の出力信号に対して
受信処理時間単位ごとに周波数分析を行い、ハイドロホ
ン1,2で取得した入力音波に関する周波数情報を抽出す
る。周波数分析は、FFT(Fast Fourier Transform)を
利用して行われ、入力信号のレベル対周波数スペクトル
を示す周波数領域データ501,601を生成する。この周波
数領域データ501,601は、到来する水中音波の周波数を
検出するための情報として方位/ベクトル演算回路7へ
供給される。
方位/ベクトル演算回路7は、周波数分析回路5,6から
周波数領域データ501,601をそれぞれ受け、これらデー
タに基づきハイドロホン1,2に到来する水中音波の到来
方位を受信処理時間単位ごとに算出すると共に、入力レ
ベルを大きさとし到来方位を方向とするベクトル量を設
定する。この場合、周波数領域データ501,601から提供
される周波数スペクトルのうちの最大レベル値に対応す
る周波数を求め、(3)式に基づき方位角を算出する。
そして、最大レベル値を大きさとし、算出した方位角を
方向とし、受信点を座標原点とするベクトル量を設定す
る。このように、AGC処理後の入力音波の周波数スペク
トルの最大レベル値に対応する周波数により(3)式の
演算を行うので、雑音成分の影響の少ない正確な方位角
を算出することができる。また、方位/ベクトル演算回
路7は、設定したベクトル量と共に、周波数領域データ
501,601によってもたらされた周波数スペクトル情報を
目標方位検出回路8へ供給する。
目標方位検出回路8は、方位/ベクトル演算回路7が出
力するベクトル量を所定の時間にわたって座標原点を中
心として空間的に積分し、その積分データに基づいてハ
イドロホン1,2への入力音波が所望の目標からの音波で
あるか否かの判定を行ない、所望の目標からの音波であ
ると判定した場合には、到来音波のレベルおよび周波数
を決定する。その処理内容は次のとおりである。
すなわち、所定時間にわたって積分して得られた方位角
の時間特性に現われる方位角の分散を求め、この分散が
所定の判定しきい値の許容範囲に入っている場合には、
この方位角を提供した音波が目標からの到来音波である
と判定する。このことは、ハイドロホン1,2に対して十
分遠方にある目標からの音波の方位角の時間変化率は明
らかに小さく、かつ比較的に規則的な変化を示すので、
その方位角の分散も小さいことに基づいている。なお、
判定しきい値は、多数の運用実績や設計データ等に基づ
いて予め設定される。
このようにして目標の方位を決定する一方、入力音波信
号が時間的かつ空間的に積分されたベクトル量が得られ
る。この積分されたベクトル量は、伝播減衰がAGC回路
3,4によってノーマライズ(normalize)されたものであ
り、ベクトル方向の変化がランダムな雑音成分ベクトル
の相殺効果は、ノーマライズされない従来の時間積分の
場合に比して著しく大きい効果を示し、ベクトル方向の
変化が小さくかつ本質的にほぼ定常的と見做し得る信号
成分ベクトルは、強い自己相関をもって累積されるの
で、S/Nが大幅に改善される。
なお、第1図の実施例はパッシブソーナーを構成するハ
イドロホンのうち、所定の間隔で配置された2個を取り
上げて説明したが、他のハイドロホンの2個ずつの組合
せについても全く同様にして実施しうることは明らかで
ある。また、この2個のハイドロホンが2個以上の複数
個を利用して指向性を合成されたものとしても勿論差支
えない。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、少なくとも2個の
ハイドロホンの受信信号に対しAGC回路によって伝播損
失を補償した後、フーリェ変換処理を行って最大レベル
値の周波数および受信信号の位相差を求め、水中音波の
到来方位を所定処理時間単位ごとに演算し、この演算し
た到来方位を方向とし、周波数スペクトラムの最大レベ
ル値を大きさとするベクトル量を所定処理時間単位ごと
に設定し、このベクトル量を所定時間にわたって空間的
に積分することにより、著しくS/Nを改善して音波の到
来方位を検出することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示すブロック図、第2図は
2個のハイドロホンによる受信信号の位相差から目標方
位を検出する説明図である。 1,2……ハイドロホン、3,4……AGC回路、5,6……周波数
分析回路、7……方位/ベクトル演算回路、8……目標
方位検出回路、501,601……周波数領域データ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも2個のハイドロホンの受信信号
    に基づき水中音波の到来方位を検出するパッシブソーナ
    ーの信号処理装置であって、 前記少なくとも2個のハイドロホンからの受信信号に対
    し所定処理時間単位ごとに伝播損失をそれぞれ補償する
    自動利得制御手段と、この自動利得制御手段によって伝
    播損失が補償された前記少なくとも2個のハイドロホン
    の受信信号に対し前記所定処理時間単位ごとにそれぞれ
    フーリェ変換処理を行ってレベル対周波数スペクトラム
    を示す周波数領域データを出力する周波数分析手段と、
    前記周波数領域データを受けて前記所定処理時間単位ご
    とに前記周波数スペクトラムの最大レベル値に対応する
    周波数を求めると共に前記最大レベル値に対応する周波
    数における前記少なくとも2個のハイドロホン間の位相
    差を求めて前記水中音波の到来方位を演算する方位演算
    手段と、この方位演算手段が演算した前記水中音波の到
    来方位を方向とし前記周波数スペクトラムの最大レベル
    値を大きさとするベクトル量を前記所定処理時間単位ご
    とに求めるベクトル演算手段と、前記ベクトル量を所定
    時間にわたって空間的に積分して前記水中音波の到来方
    位を検出する目標方位検出手段とを備えることを特徴と
    するパッシブソーナーの信号処理装置。
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