JPH09304500A - 信号検出方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 指向性受波器を有するソノブイを用いて水中
のナローバンド信号を検出し、その到来方位を求める信
号検出方式において、従来より微弱な信号を探知する。 【構成】 方位分散計算部１３では、信号検出部１０で
レベル判定によって信号であると１次判定された周波数
成分について、方位記憶部１２で記憶された一定時間区
間の方位値の分散を計算する。信号判定部１４において
は、その方位の分散値がスレッショルドと比較して大き
いか小さいかにより信号と雑音を２次判定する。雑音は
等方性のため分散は大となり、信号は方向性を有するた
め分散は小となる。 【効果】 低Ｓ／Ｎの信号でも誤警報率を悪化させるこ
となく検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水中音の検出を行う信
号検出方式に関し、特に指向性受波器を有するソノブイ
による水中音のナローバンド信号の信号検出方式に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の信号検出方式では、ナローバンド
信号を検出して、その周波数及び方位を求めるため、指
向性受波器を有するソノブイと、その信号処理を行う系
統から成っている。これを図を用いて説明する。

【０００３】図２は従来の方式であり、送信側の指向性
ソノブイ１と受信側２とで構成される。ソノブイ１は無
指向性受波器１１と、磁北に対して南北にダイポール指
向性を有する南北ダイポール指向性受波器１２と、東西
にダイポール指向性を有する東西ダイポール指向性受波
器１３と、それらの受波器で受波した水中音を電波で観
測機等に送信する送信部１４とから成る。

【０００４】受信側２は観測機等であり、ソノブイから
の電波を受信する受信部３と、ソノブイの３個の受波器
の信号を周波数分析する周波数分析部４，５，６と、周
波数分析結果を周波数成分毎に、時間的に積分する積分
部７，８，９と、無指向性受波器で受波した水中音の積
分された周波数分析結果から信号を検出する信号検出部
１０と、各々の受波器の受波レベルの関係から受波音の
到来方位を計算する方位計算部１１とから成る。

【０００５】次に動作について説明する。水中音源が放
射するナローバンド信号は指向性ソノブイ１において、
無指向性受波器１１、南北ダイポール指向性受波器１
２、東西ダイポール指向性受波器１３で受信される。そ
れぞれの受波音は送信部１４に送られ、周波数多重化さ
れた後、無線周波数に変調して電力増幅後、アンテナを
介して送出される。一方、この電波は受信側２において
はアンテナを介して受信部３に送られ、復調処理されて
無指向性受波器１１の受波音を周波数分析部４に南北ダ
イポール指向性受波器１２の受波音を周波数分析部５
に、東西ダイポール指向性受波器１３の受波音を周波数
分析部６にそれぞれ出力する。

【０００６】周波数分析部４においては、無指向性受波
器１１で受波された水中音を周波数分析して、周波数ス
ペクトラムが得られる。水中に、ナローバンド信号が存
在すると周波数スペクトラムに狭帯域のスペクトルとし
てあらわれる。水中音には一般に周囲雑音が多く含まれ
るため周波数スペクトラムにおいても雑音があらわれ観
測時刻ごとに雑音スペクトルが変動しナローバンド信号
が検出しにくいため、積分部７に送って、各周波数成分
毎にあらかじめ決められた時間長さの積分を行う。次
に、積分結果は信号検出部１０へ送られる。信号検出部
１０においては雑音スペクトルの平均値を基準としてス
レッショルドを設定し、そのスレッショルドを越えるス
ペクトルを信号成分として検出している。その方法は次
のとおりである。

【０００７】まず、水中音の周波数成分データの雑音平
均値Ｍｐを式１により求める。なお、Ｎセル個の周波数
成分があり、周波数セルは昇順に並んでいるとする。

【０００８】

【数１】

【０００９】ただし、Ｘｉ：ｉ番目のセルのレベル（ｉ
＝１〜Ｎ）、Ｍｐ：ｐ番目のセルに対する雑音平均値
（ｐ＝１〜Ｎ）、Ｗ：雑音平均値計算に用いるセルの数 なお、ｐ＜＝Ｗ／２または、ｐ＞＝Ｎ−Ｗ／２の場合
は、それぞれ、ｐ＝Ｗ／２＋１，ｐ＝Ｎ−Ｗ／２−１の
雑音平均値を用いる。また、雑音平均を計算するセルは
計算の対象からはずしている。

【００１０】次に、雑音平均値をもとにスレッショルド
Ｔｉを式２より求める。

【００１１】Ｔｉ＝Ｋ・Ｍｉ …式２ ただし、Ｋ：定数 そして、スレッショルドと周波数成分を比較して、スレ
ッショルドを越えるものを信号として検出する。

【００１２】一方、南北ダイポール指向性受波器１２の
受波音は、受信部３から周波数分析部５へ、更に東西ダ
イポール指向性受波器１３の受波音は周波数分析部６へ
送られ、各々周波数分析された後、各々積分部８，９へ
送られて、周波数成分毎にあらかじめ決められた時間長
の積分を行う。積分部８，９の出力は方位計算部１１へ
送られる。方位計算部１１では以下に説明するように信
号の到来方位を求める。図３は各受波器で到来信号Ｓ
（ｔ）を受波した様子を示している。南北ダイポール指
向性受波器の出力をＮＳ、東西ダイポール指向性受波器
の出力をＥＷとすると、

【００１３】

【数２】

【００１４】ここでＫは音圧感度等の定数である。上式
において

【００１５】

【数３】

【００１６】であるので、 ＥＷ／ＮＳ＝ｓｉｎα／ｃｏｓα＝ｔａｎα 従って、α＝ａｒｃｔａｎ（ＥＷ／ＮＳ） ところで、上式のみでは方位の象限が決まらないが、受
波器の出力特性として、南北ダイポール指向性受波器に
おいては北側から音が入射されると無指向性受波器の出
力と同相となり、南側からから音が入射されると無指向
性受波器の出力と逆相となるようにしており、同様に東
西ダイポール指向性受波器では、東から入ると同相、西
から入ると逆相となっており、各受波器の位相関係を図
４の表によって調べることにより、象限の決定を行う。
前記の方位計算は、周波数分析した周波数成分の各々に
ついて実行され方位が決められる。

【００１７】以上説明したように従来方式ではレベルの
大小を基準としてスレッショルドによりナローバンド信
号か否かの判定を行っていた。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】この従来の信号検出方
式では、ナローバンド信号が存在するか否かはレベルの
大小によってのみ判断しているため、低Ｓ／Ｎのナロー
バンド信号を検出しようとするとスレッショルドを下げ
る必要がある。すると雑音成分も検出される確率が高ま
るので誤検出が多くなって実用に価しなくなってしまう
という問題があった。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の信号検出方式
は、ソノブイの無指向性受波器、南北ダイポール指向性
受波器及び東西ダイポール指向性受波器の各々の受波音
を各々周波数分析する手段と、その結果を周波数成分毎
に時間積分する手段と、積分結果の周波数成分について
従来より低いレベルのスレッショルドを設けて信号と雑
音を１次判別する信号検出手段と、前記３種の受波音の
周波数成分の積分結果のレベル比及び位相判定から周波
数成分毎の方位を計算する手段と、これを時系列的に記
憶する手段と、信号検出手段で信号であると１次判別さ
れた周波数成分の時系列的な方位の分散を計算する手段
と、１次判別された周波数成分のうち、方位の分散値が
所定のスレッショルド以下のものを信号であると２次判
別する信号判定手段とを備えている。

【００２０】

【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図１は本発明の一実施例である。使用する送信側の
ソノブイは従来通りのものであり、図２の指向性ソノブ
イ１と同様であり、図１では省略してある。

【００２１】図１で、ソノブイから伝送された電波が受
信部３に送られて、無指向性、南北ダイポール指向性、
東西ダイポール指向性の各々の受波器の受波音に復調さ
れ、各々周波数分析部４，５，６において周波数分析さ
れた後、積分部７，８，９において周波数成分毎に時間
積分されるのも従来通りである。さらに、それら３種の
受波器の受波音の周波数成分の積分値のレベル比及び位
相判定から、周波数成分毎の方位を方位計算部１１にお
いて計算するが、これも従来方式のとおりである。

【００２２】一方、信号検出部１０においては従来方式
の式１，式２によってレベルのスレッショルドを設定す
るが、式２における定数Ｋとしては従来よりも小さい値
とする。ここで図５にレベルのスレッショルドについて
示す。信号成分は水中雑音に重畳されるため、レベル毎
の発生頻度をとると雑音成分の分布とそれよりもレベル
の高い所にピークをもつ信号成分の分布が得られる。同
図にあるようにレベルのスレッショルドＴＨで信号を判
別すると、黒い部分は雑音を信号と誤って検出する即
ち、誤警報となる。一般には、必要な検出率（図５の斜
線部）と誤警報で決まるレベルにスレッショルドを設定
する。本発明では従来方式よりもスレッショルドを下げ
る。これによって従来よりも低いＳ／Ｎの信号について
も検出できるようになる。ところがスレッショルドを下
げると誤警報が増加するが、本発明ではこれに対して
は、次に示すように方位の一貫性を２次判別として調べ
ることにより、雑音成分を除去している。

【００２３】図１にもどり、方位記憶部１２は、方位計
算部１１で計算された周波数成分毎の方位の値を時系列
的に記憶する。方位分散計算部１３では、信号検出部１
０で、レベルをもとに信号であると１次判別された周波
数成分について、方位記憶部１２から一定時間区間の方
位値を読み出しその分散を計算する。信号判定部１４に
おいては、その方位の分散値がスレッショルドと比較し
て大きいか小さいかにより信号と雑音を２次判別する。
雑音は等方性とみなせるので分散は大となり、一方信号
は雑音が重畳しているため方位はバラつくものの、信号
自体は方向性を有するため、方位の分散は雑音のみの時
に比べて小さくなる。この点を利用して、１次判別の中
に誤って含まれている雑音成分を除去することができ
る。

【００２４】ここで分散の計算について説明する。ある
周波数に対して、周波数分析の周期毎に得られるＮ個の
方位値データをｘ₁ ，ｘ₂ ，…，ｘ_N を考えると、分散
は次式で得られる。

【００２５】

【数４】

【００２６】また、得られた分散に対するスレッショル
ドレベルは、方位の値が０〜３６０°の間で一様に分布
していると仮定したときの偏差（分散の平方根）は約１
０４であるから、これを１／Ｋ′倍した値を設定する。
Ｋ′の値は例えば実海面の種々の状況に対応して可変す
ればよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、検
出レベルのスレッショルドを下げて従来より低いＳ／Ｎ
の信号を処理でき、これによって増加する誤検出を方位
の分散の大小に着目して抑圧するので従来にくらべて、
Ｓ／Ｎの悪い音響信号に対しても、目的とする信号を検
出することができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック図。

【図２】従来方式のブロック図。

【図３】指向性ソノブイの指向性パターンと受波の説明
図。

【図４】検出信号の方位の象限の決定を示す表。

【図５】信号と雑音のレベルの頻度分布とスレッショル
ド説明図。

【符号の説明】

１ 指向性ソノブイ ２ 受信側 ３ 受信部 ４〜６ 周波数分析部 ７〜９ 積分部 １０ 信号検出部 １１ 方位計算部 １２ 方位記憶部 １３ 方位分散計算部 １４ 信号判定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 康 千葉県印旛郡白井町大山口２−４−16− 203 (72)発明者 山本 琢 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無指向性受波器と、指向性受波器と、無
   指向性受波器からの出力を第１のスレッショルドと比較
   し信号か雑音かを１次判別する第１の判別手段と、指向
   性受波器からの出力を受け前記第１の判別手段により信
   号と判別されたとき受波信号の到来方向を求める方向検
   出手段と、前記方向検出手段からの検出結果の時系列的
   な分散を求める分散計算手段と、前記分散を第２のスレ
   ッショルドと比較し信号か雑音かを２次判別する第２の
   判別手段とを具備する信号検出方式。
2. 【請求項２】 前記受波信号を複数の周波数帯に分け、
   各周波数帯毎に信号か雑音かを判定する請求項１の信号
   検出方式。
3. 【請求項３】 ソノブイの無指向性受波器、南北ダイポ
   ール指向性受波器及び東西ダイポール指向性受波器の各
   々の受波音を各々、周波数分析する手段と、周波数分析
   結果を周波数成分毎に時間積分する手段と、積分結果の
   周波数成分について第１のスレッショルドを設けて信号
   と雑音を１次判別する信号検出手段と、前記３種の受波
   音の周波数成分の積分結果のレベル比及び位相判定から
   周波数成分毎の方位を計算する手段と、信号であると１
   次判別された周波数成分の時系列的な方位の分散を計算
   する手段と、１次判別された周波数成分のうち、方位の
   分散値が第２のスレッショルド以下のものを信号である
   と２次判別する信号判定手段を備えている信号検出方
   式。