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明細書 :雑音低減回路および該雑音低減回路を有する水中探知装置

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第3815735号 (P3815735)
公開番号 特開2004-317240 (P2004-317240A)
登録日 平成18年6月16日(2006.6.16)
発行日 平成18年8月30日(2006.8.30)
公開日 平成16年11月11日(2004.11.11)
発明の名称または考案の名称 雑音低減回路および該雑音低減回路を有する水中探知装置
国際特許分類 G01S   7/527       (2006.01)
G01S   7/536       (2006.01)
G01S   7/526       (2006.01)
FI G01S 7/66
G01S 7/52 J
請求項の数または発明の数 13
全頁数 18
出願番号 特願2003-110279 (P2003-110279)
出願日 平成15年4月15日(2003.4.15)
審査請求日 平成15年4月25日(2003.4.25)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】390014306
【氏名又は名称】防衛庁技術研究本部長
【識別番号】390011095
【氏名又は名称】ジェイ・アール・シー特機株式会社
発明者または考案者 【氏名】武捨 貴昭
【氏名】永田 安彦
【氏名】菊池 達夫
個別代理人の代理人 【識別番号】100075258、【弁理士】、【氏名又は名称】吉田 研二
【識別番号】100096976、【弁理士】、【氏名又は名称】石田 純
審査官 【審査官】中村 説志
参考文献・文献 特開2000-241534(JP,A)
特開平05-142335(JP,A)
特開平07-134061(JP,A)
特開昭57-124267(JP,A)
特開平02-147978(JP,A)
特開昭61-102571(JP,A)
特開平03-017583(JP,A)
調査した分野 G01S 1/72- 1/82
G01S 3/80- 3/86
G01S 5/18- 5/30
G01S 7/52- 7/64
G01S15/00-15/96
特許請求の範囲 【請求項1】
目標からの音波を受波する受波素子を覆い隠すように設けられたドームからの雑音を検出する雑音センサと、
前記雑音センサが出力する雑音信号に基づいて、前記受波素子が出力する受波信号に含まれる雑音信号成分を推定し、推定した雑音信号成分を該受波信号から除去して目標信号成分を抽出する目標信号成分抽出手段と、
を有し、
前記雑音センサは、前記ドームの振動を検出する振動センサを含む、
ことを特徴とする雑音低減回路であって、
前記目標信号成分抽出手段は、擬似フィルタ部および適応処理部を有し、
前記擬似フィルタ部は、前記雑音信号に対応した参照信号を生成し、
前記適応処理部は、前記受波信号に対応した主信号および前記参照信号に基づいて、適応信号処理により雑音信号成分を推定し、
さらに、
前記受波素子および前記雑音センサはそれぞれ任意の複数個であり、
前記擬似フィルタ部は、前記各受波素子および前記各雑音センサの対毎に設けられた複数の擬似フィルタを有し、
前記各擬似フィルタは、対応する雑音センサの雑音信号を入力とし、対になる受波素子への雑音伝搬特性に対応した参照信号を出力する擬似フィルタであって、前記雑音伝搬特性は該雑音センサが検出する雑音の該受波素子への伝搬特性である、
ことを特徴とする雑音低減回路。
【請求項2】
目標からの音波を受波する受波素子を覆い隠すように設けられたドームからの雑音を検出する雑音センサと、
前記雑音センサが出力する雑音信号に基づいて、前記受波素子が出力する受波信号に含まれる雑音信号成分を推定し、推定した雑音信号成分を該受波信号から除去して目標信号成分を抽出する目標信号成分抽出手段と、
を有し、
前記雑音センサは、前記ドームの近傍に発生する雑音を検出する音響センサを含む、
ことを特徴とする雑音低減回路であって、
前記目標信号成分抽出手段は、擬似フィルタ部および適応処理部を有し、
前記擬似フィルタ部は、前記雑音信号に対応した参照信号を生成し、
前記適応処理部は、前記受波信号に対応した主信号および前記参照信号に基づいて、適応信号処理により雑音信号成分を推定し、
さらに、
前記受波素子および前記雑音センサはそれぞれ任意の複数個であり、
前記擬似フィルタ部は、前記各受波素子および前記各雑音センサの対毎に設けられた複数の擬似フィルタを有し、
前記各擬似フィルタは、対応する雑音センサの雑音信号を入力とし、対になる受波素子への雑音伝搬特性に対応した参照信号を出力する擬似フィルタであって、前記雑音伝搬特性は該雑音センサが検出する雑音の該受波素子への伝搬特性である、
ことを特徴とする雑音低減回路。
【請求項3】
請求項1記載の雑音低減回路であって、
前記雑音センサは、前記ドームの近傍に発生する雑音を検出する音響センサを含む、
ことを特徴とする雑音低減回路。
【請求項4】
請求項1から3のいずれか1項に記載の雑音低減回路であって、
前記適応処理部は、前記受波素子毎に設けられた複数の適応処理ブロックを有し、
前記各適応処理ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた主信号と、該受波素子と対になる前記雑音センサに対応する前記複数の擬似フィルタが出力する複数の参照信号とに基づいて適応信号処理する、
雑音低減回路。
【請求項5】
請求項1から3のいずれか1項に記載の雑音低減回路であって、
前記適応処理部は、前記複数の受波素子の受波信号の整相加算結果に基づいた主信号と、前記複数の擬似フィルタが出力する複数の参照信号とに基づいて適応信号処理する、雑音低減回路。
【請求項6】
請求項4または5記載の雑音低減回路であって、
前記適応信号処理は、前記主信号と、前記複数の参照信号を重み付け加算した適応フィルタ出力との差分が最小になるように前記重み付けを設定する信号処理である、雑音低減回路。
【請求項7】
請求項6記載の雑音低減回路であって、
前記重み付け加算において、重み付けの値が所定値より大きい対に対応する前記主信号と前記参照信号のみを重み付け加算の対象とする、雑音低減回路。
【請求項8】
請求項1から3のいずれか1項に記載の雑音低減回路であって、
前記目標信号成分抽出手段は、擬似フィルタ部および適応処理部に加えてさらに信号調整部を有し、
前記信号調整部は、前記受波信号に対応した主信号、および、前記参照信号をそれぞれ平滑化して、極端に大きい振幅および極端に小さい振幅を除去した平滑主信号および平滑参照信号を生成し、
前記適応処理部は、前記平滑主信号および前記平滑参照信号に基づいて、適応信号処理により雑音信号成分を推定する、
雑音低減回路。
【請求項9】
請求項8記載の雑音低減回路であって
記適応処理部は、前記受波素子毎に設けられた複数の適応処理ブロック、および、振幅計算器を有し、
前記各適応処理ブロックは、計算出力ブロックおよび振幅制御ブロックを有し、
前記各振幅制御ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた前記平滑主信号と、該受波素子と対になる雑音センサに対応する前記複数の平滑参照信号を重み付け加算した出力との差分が、最小になるように該重み付けを設定して、該重み付けにおける重み付け係数を出力し、
前記振幅計算器は、前記各振幅制御ブロックが出力する重み付け係数に基づいて前記各計算出力ブロックに対する振幅制御信号を算出し、
前記各計算出力ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた前記平滑主信号と、該受波素子と対になる雑音センサに対応する前記複数の平滑参照信号を重み付け加算した出力との差分に、前記振幅計算器が出力する振幅制御信号を乗じて振幅制御差分を算出し、この振幅制御差分が最小になるように該重み付けを設定する、
雑音低減回路。
【請求項10】
請求項9記載の雑音低減回路であって、
前記各振幅制御ブロックおよび前記各計算出力ブロックは、平滑参照信号を重み付け加算する際、前記各受波素子および前記各雑音センサの対の中で重み付けの値が所定値より大きい対に対応する平滑参照信号のみを重み付け加算の対象とする、
雑音低減回路。
【請求項11】
請求項1から10いずれか1項記載の雑音低減回路であって、
前記雑音信号から不要な周波数成分を除去する雑音帯域フィルタをさらに有し、
前記雑音帯域フィルタは、前記受波信号から不要な周波数成分を除去する受波帯域フィルタと同じ周波数特性である、
雑音低減回路。
【請求項12】
請求項1記載の雑音低減回路であって、
前記振動センサは、前記ドームの外側に配置される外側振動センサと、前記ドームの内側に配置される内側振動センサとの対からなり、前記外側振動センサと前記内側振動センサとの差分信号を出力とすることで、前記ドームの表面に発生する縦波成分を相殺して曲げ波成分を検出する、雑音低減回路。
【請求項13】
請求項1から12のいずれか1項に記載の雑音低減回路を有する水中探知装置であって、
目標からの音波を受波する受波素子と、
前記受波素子を覆い隠すように設けられたドームと、
前記雑音低減回路が抽出する前記目標信号成分に基づいて目標情報を生成して出力する目標情報出力手段と、
を有する、水中探知装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雑音低減回路に関し、特に雑音成分を推定して雑音成分を除去する雑音低減回路に関する。さらに本発明は、このような雑音低減回路を有する水中探知装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
海中あるいは海水面に存在する他船舶等の位置情報等を探知する水中探知装置が知られている。水中探知装置は船舶等に搭載され、水中に設置された受波素子が、目標である他船舶等からの反射音や放射音といった音波を受波することで、目標の位置情報等を取得している。受波素子が受波する音波には目標からの音波以外に雑音も多く含まれている。受波素子が受波する雑音として、目標とは異なる船舶からの反射音や放射音、生物が発する生物音、自船が放射するプロペラ雑音等が存在する。目標からの微弱な信号を抽出するためには、これら雑音を低減する必要がある。従来、受波素子の出力に対してシェーディング係数と呼ばれる固定の数値を乗じ、これらを加算することによって雑音を低減する手法や、受波素子の出力に対して相関処理、周波数分析、適応処理等を施し、目標からの信号を抽出することで雑音を低減する手法により、雑音の低減が図られていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
水中探知装置の受波素子は水中に設置されることが一般的であり、このため受波素子を保護する目的で、これら受波素子の近傍に、受波素子を覆い隠すようにFRP製、ゴム製等のドームが設けられている。雑音はこのドームからも発生する。つまり、受波素子の近傍に設けられたドームが、自船の進行により海水と接触することで振動し、これに伴って発生する音波が受波素子に伝搬して雑音となる場合である。しかしながら、上述した従来の雑音低減手法では、ドーム近傍で発生する雑音、特に目標が存在する方向と同方向からの雑音と目標から伝搬する音波との区別が困難であり、このような雑音の低減に対して有効な手法ではなかった。
【0004】
そこで本発明は、保護部材の近傍に発生する雑音も低減できる雑音低減回路、および、この雑音低減回路を有する水中探知装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
(1)上記目的を達成するために、本発明に係る雑音低減回路は、目標からの音波を受波する受波素子を保護する保護部材からの雑音を検出する雑音センサと、前記雑音センサが出力する雑音信号に基づいて、前記受波素子が出力する受波信号に含まれる雑音信号成分を推定し、推定した雑音信号成分を該受波信号から除去して目標信号成分を抽出する目標信号成分抽出手段と、を有するものとする。
【0006】
上記構成によれば、保護部材、例えばFRP製、ゴム製等のドームの近傍で発生する、あるいは保護部材自身が発生する雑音を雑音センサにより検出し、検出結果に基づいて雑音信号成分を推定しているため、雑音の発生方向に関係なく雑音信号成分を推定して除去できる。よって、受波素子近傍すなわち保護部材の近傍で発生する雑音、例えば目標と同じ方向からの雑音に対しても雑音の低減が可能である。
【0007】
望ましくは、前記目標信号成分抽出手段は、擬似フィルタ部および適応処理部を有し、前記擬似フィルタ部は、前記雑音信号に対応した参照信号を生成し、前記適応処理部は、前記受波信号に対応した主信号および前記参照信号に基づいて、適応信号処理により雑音信号成分を推定するものとする。
【0008】
望ましくは、前記受波素子および前記雑音センサはそれぞれ任意の複数個であり、前記擬似フィルタ部は、前記各受波素子および前記各雑音センサの対毎に設けられた複数の擬似フィルタを有し、前記各擬似フィルタは、対応する雑音センサの雑音信号を入力とし、対になる受波素子への雑音伝搬特性に対応した参照信号を出力する擬似フィルタであって、前記雑音伝搬特性は該雑音センサが検出する雑音の該受波素子への伝搬特性であるものとする。
【0009】
上記構成によれば、擬似フィルタが受波素子と雑音センサの対毎に設けられているため、対を成している雑音センサから受波素子への雑音伝搬特性のみを考慮すればよい。よって、例えば擬似フィルタの設計を各々独立して行うことが可能であり、各擬似フィルタの設計が容易になる。そして、各擬似フィルタにおける演算も各々独立して行うことが可能である。また、雑音センサとして振動センサが含まれる場合、振動センサから受波素子への雑音伝搬特性には、振動から音波への変換特性も含まれる。
【0010】
望ましくは、前記適応処理部は、前記受波素子毎に設けられた複数の適応処理ブロックを有し、前記各適応処理ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた主信号と、該受波素子と対になる前記雑音センサに対応する前記複数の擬似フィルタが出力する複数の参照信号とに基づいて適応信号処理するものとする。
【0011】
上記構成によれば、適応処理ブロックが受波素子毎に設けられているため、対応する受波素子の出力のみを考慮すればよい。よって、例えば適応ブロックの設計を各々独立して行うことが可能であり、各適応ブロックの設計が容易になる。また、各適応ブロックにおける演算も各々独立して行うことが可能である。
【0012】
望ましくは、前記適応処理部は、前記複数の受波素子の受波信号の整相加算結果に基づいた主信号と、前記複数の擬似フィルタが出力する複数の参照信号とに基づいて適応信号処理するものとする。
【0013】
上記構成によれば、主信号が一つにまとめられているため、適応処理部における演算量の削減が見込まれる。
【0014】
望ましくは、前記適応信号処理は、前記主信号と、前記複数の参照信号を重み付け加算した適応フィルタ出力との差分が最小になるように前記重み付けを設定する信号処理であるものとする。
【0015】
望ましくは、前記重み付け加算において、重み付けの値が所定値より大きい対に対応する前記主信号と前記参照信号のみを重み付け加算の対象とするものとする。
【0016】
望ましくは、前記目標信号成分抽出手段は、擬似フィルタ部、信号調整部および適応処理部を有し、前記擬似フィルタ部は、前記雑音信号に対応した参照信号を生成し、前記信号調整部は、前記受波信号に対応した主信号、および、前記参照信号をそれぞれ平滑化して、極端に大きい振幅および極端に小さい振幅を除去した平滑主信号および平滑参照信号を生成し、前記適応処理部は、前記平滑主信号および前記平滑参照信号に基づいて、適応信号処理により雑音信号成分を推定するものとする。
【0017】
望ましくは、前記受波素子および前記雑音センサはそれぞれ任意の複数個であり、前記擬似フィルタ部は、前記各受波素子および前記各雑音センサの対毎に設けられた複数の擬似フィルタを有し、前記各擬似フィルタは、対応する雑音センサの雑音信号を入力とし、対になる受波素子への雑音伝搬特性に対応した参照信号を出力する擬似フィルタであって、前記雑音伝搬特性は該雑音センサが検出する雑音の該受波素子への伝搬特性であり、前記適応処理部は、前記受波素子毎に設けられた複数の適応処理ブロック、および、振幅計算器を有し、前記各適応処理ブロックは、計算出力ブロックおよび振幅制御ブロックを有し、前記各振幅制御ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた前記平滑主信号と、該受波素子と対になる雑音センサに対応する前記複数の平滑参照信号を重み付け加算した出力との差分が、最小になるように該重み付けを設定して、該重み付けにおける重み付け係数を出力し、前記振幅計算器は、前記各振幅制御ブロックが出力する重み付け係数に基づいて前記各計算出力ブロックに対する振幅制御信号を算出し、前記各計算出力ブロックは、対応する受波素子の受波信号に基づいた前記平滑主信号と、該受波素子と対になる前記雑音センサに対応する前記複数の平滑参照信号を重み付け加算した出力との差分に、前記振幅計算器が出力する振幅制御信号を乗じて振幅制御差分を算出し、この振幅制御差分が最小になるように該重み付けを設定するものとする。
【0018】
望ましくは、前記各振幅制御ブロックおよび前記各計算出力ブロックは、平滑参照信号を重み付け加算する際、前記各受波素子および前記各雑音センサの対の中で重み付けの値が所定値より大きい対に対応する平滑参照信号のみを重み付け加算の対象とするものとする。
【0019】
望ましくは、前記雑音信号から不要な周波数成分を除去する雑音帯域フィルタをさらに有し、前記雑音帯域フィルタは、前記受波信号から不要な周波数成分を除去する受波帯域フィルタと同じ周波数特性であるものとする。
【0020】
望ましくは、前記雑音センサは、前記保護部材の振動を検出する振動センサを含むものとする。
【0021】
上記構成によれば、振動センサとして例えば変位センサを保護部材に取り付けるという容易な手法により保護部材の振動検出が可能になる。
【0022】
望ましくは、前記振動センサは、前記保護部材の外側に配置される外側振動センサと、前記保護部材の内側に配置される内側振動センサとの対からなり、前記外側振動センサと前記内側振動センサとの差分信号を出力とすることで、前記保護部材の表面に発生する縦波成分を相殺して曲げ波成分を検出するものとする。
【0023】
望ましくは、前記雑音センサは、前記保護部材の近傍に発生する雑音を検出する音響センサを含むものとする。
【0024】
上記構成によれば、保護部材の振動に基づき発生した雑音以外の雑音においても、雑音である音波のみを効率よく検出できる。また、保護部材の振動以外によって発生する保護部材近傍における雑音も検出できる。
【0025】
(2)上記目的を達成するために、本発明に係る水中探知装置は、上記(1)の雑音低減回路を有する水中探知装置であって、目標からの音波を受波する受波素子と、前記受波素子を保護する保護部材と、前記雑音低減回路が抽出する前記目標信号成分に基づいて目標情報を生成して出力する目標情報出力手段と、を有するものとする。
【0026】
上記構成によれば、上記(1)における雑音低減回路の効果と同様な効果を有する水中探知装置が提供できる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0028】
図1には本発明に係る雑音低減回路の好適な実施形態が示されており、図1はこの雑音低減回路が搭載された水中探知装置の全体構成を示すブロック図である。水中探知装置は、例えば船舶に搭載され、海中あるいは海水面に存在する他船舶等の位置情報を探知する。
【0029】
雑音低減回路は、センサ部18、データ変換部20、擬似フィルタ部22および適応処理部24で構成される。受信部10は複数の受波素子を有しており、これら受波素子は、目標である他船舶等が発する音波12あるいは他船舶等から反射される音波12を受波して受波信号を出力する。これら複数の受波素子は保護部材であるドーム14により保護されている。つまり、受波素子を覆い隠すようにドーム14が設けられている。このドーム14の内部、表面又は近傍には、複数の雑音センサである振動センサ16や音響センサ17が設けられ、これら複数の雑音センサによりセンサ部18が構成されている。センサ部18の出力はデータ変換部20でアナログデジタル変換された後、擬似フィルタ部22に出力される。擬似フィルタ部22および適応処理部24は目標信号抽出手段として機能しており、データ変換部20の出力に基づいて、受波素子が出力する受波信号に含まれる雑音信号成分を推定し、推定した雑音信号成分を受波信号から除去して目標信号成分を抽出している。目標情報生成部26は、適応処理部24が抽出する目標信号成分に基づいて目標の位置情報等の目標情報を生成してディスプレイ28に出力する。つまり、目標情報生成部26およびディスプレイ28が目標情報出力手段として機能している。以下、各部の詳細について説明する。
【0030】
図2は、センサ部18、データ変換部20および擬似フィルタ部22の内部構成を示すブロック図である。
【0031】
センサ部18は、ドーム14の内部、表面又は近傍に設置したJv個の振動センサ16、及びJs個の音響センサ17で構成されている。各センサは、ドーム14近傍で発生して受波素子に伝搬する雑音を推定するために必要な、ドーム14内部、表面及び近傍で発生する振動データおよび音響データを測定する。つまり、振動センサ16はドーム14の振動そのものを計測し、音響センサ17はドーム14の近傍で発生する音波を計測している。振動センサ16としては例えば変位センサが利用され、音響センサ17としては例えばハイドロホンが利用される。
【0032】
データ変換部20は、J(=Jv+Js)個の雑音センサの各々に対応して設けられたJ個の帯域フィルタ30、J個の増幅器32およびJ個のアナログデジタル変換器(AD変換器)34で構成される。J個の帯域フィルタ30の周波数特性は、受信部の帯域フィルタ(後述)の周波数特性と同じ周波数特性とする。つまり、雑音センサの出力に基づく参照信号と、受波素子の出力に基づく主信号とのインパルス応答を一致させるため、両フィルタの周波数特性が同じ特性に設定される。帯域フィルタ30の後段に設けられたJ個の増幅器32は、各帯域フィルタ30の出力を所定のレベルに増幅し、後段に設けられたJ個のAD変換器34に出力する。AD変換器34でAD変換された信号は擬似フィルタ部22へ出力される。
【0033】
擬似フィルタ部22はJ×I個の擬似フィルタ40で構成されている。つまり、J個の雑音センサにおけるjセンサと、I個の受波素子におけるi受波素子の対に対して一つの擬似フィルタ40が対応している。この擬似フィルタ40のインパルス応答はjセンサ近傍のドーム14の振動によって音波が発生しi受波素子方向に伝搬する雑音、又は、jセンサ近傍の雑音でi受波素子方向に進む雑音のインパルス応答とし、予め実験等により測定又は推定しておく。
【0034】
jv振動センサ16とi受波素子の対に対応する擬似フィルタ40のインパルス応答をfi,jv,l(l=0~Lv-1)、jv振動センサ16の出力をVjv,t(jv=1~Jv)とすると、jv振動センサ16近傍の雑音でi受波素子方向に進む雑音xi,jv,t(jv=1~Jv)は次式により算出される。
【数1】
JP0003815735B2_000002t.gif同様に、js音響センサ17とi受波素子の対に対応する擬似フィルタ40のインパルス応答をgi,js,l(l=0~Ls-1)、js音響センサ17の出力をZjs,t(js=1~Js)とすると、js音響センサ17近傍の雑音でi受波素子方向に進む雑音xi,js,t(js=1~Js)は次式により算出される。
【数2】
JP0003815735B2_000003t.gif振動センサ16および音響センサ17で得られるデータをまとめて、つまり各擬似フィルタ40の出力をxi,j,t(j=1~J:J=Jv+Js)と表現する。
【0035】
図3は、受信部10、擬似フィルタ部22、適応処理部24および目標情報生成部26の内部構成を示すブロック図である。
【0036】
受信部10は、I個の受波素子42、受波素子42の出力から不要な周波数成分を取り除くI個の受波帯域フィルタ44およびI個の増幅器46で構成される。適応処理部24は、I個の適応処理ブロック50で構成され、これらは受信部10におけるI個の増幅器46の出力をそれぞれ主信号としている。また各適応処理ブロック50は、J個の雑音センサにそれぞれ対応するJ個の擬似フィルタ40の主力を参照信号としている。受信部10における増幅器46からの出力がアナログ信号の場合は、受信部10と適応処理部24の間にAD変換器を挿入するものとする。各適応処理ブロック50はJ個の乗算器52、一つの加算器54、および一つの減算器56で構成される。乗算器52はJ個の適応処理フィルタ係数を持ち、J個の擬似フィルタ40の出力にそれぞれ適応処理フィルタ係数を乗じて出力する。加算器54はJ個の乗算器52の出力の加算を行う。減算器56は対応する増幅器46からの出力つまり主信号から、加算器54の出力つまり適応フィルタ出力を減算して誤差信号を算出し、目標情報生成部26に出力する。
【0037】
以下に適応処理部24の内部動作を説明する。j擬似フィルタ40の出力つまりxi,j,t(j=1~J)を参照信号とし、j擬似フィルタ40の出力に対する適応処理フィルタ係数をwi,j,n(j=1~J)とすると、i受波素子42に対応する適応処理フィルタ出力yi,j,tは次式により表現できる。
【数3】
JP0003815735B2_000004t.gifさらに、J個の擬似フィルタ40の出力の全てによるi受波素子42に対応する適応処理フィルタ出力yi,tは次式により表現できる。
【数4】
JP0003815735B2_000005t.gifここで、j雑音センサ近傍からi受波素子42方向に進んだ雑音をi受波素子42で受波する場合のインパルス応答の理論値をhi,j,nとすると、i受波素子42の出力ni,j,tは次式で表現できる。
【数5】
JP0003815735B2_000006t.gifまた、J個の雑音センサ近傍からi受波素子42方向に進んだ全ての雑音をi受波素子42で受波する場合のi受波素子42の出力ni,tは次式で表現できる。
【数6】
JP0003815735B2_000007t.gifi,tを目標からi受波素子42に伝搬する信号とすると、i受波素子42に対応する増幅器46からの出力di,tは、i受波素子42に伝搬する目標からの信号とドーム近傍で発生しi受波素子42に伝搬する雑音の和として次式で表現される。
【数7】
JP0003815735B2_000008t.gifしたがって、i受波素子42に対応する増幅器46からの出力di,tと、i受波素子42に対応する適応処理フィルタ出力yi,tとの差分信号をei,tとすると次式が成立する。
【数8】
JP0003815735B2_000009t.gifi,tとxi,j,t-nが無相関とすれば、ei,t2の期待値E[ei,t2]は次式となる。
【数9】
JP0003815735B2_000010t.gifE[ei,t2]はhi,j,n=wi,j,nのとき最小値となる。ここで、E[ei,t2]をwi,j,nで変微分すると次式が得られる。
【数10】
JP0003815735B2_000011t.gifすなわち、数式10を満足するような適応処理フィルタ係数wi,j,nを算出することにより、理論値hi,j,nの近似解が求められる。
【0038】
また、例えば雑音が非定常である場合には、LMS(Least Mean Square)アルゴリズムを用いて、次式からwi,j,nを求めることが可能である。
【数11】
JP0003815735B2_000012t.gifここで、μはステップサイズである。以上のように算出された差分信号の最小値が、目標情報生成部26に出力される。
【0039】
目標情報生成部26は、入力される各差分信号を遅延する遅延器60、遅延器60の出力を加算する加算器62を有しており、遅延器60および加算器62が整相加算処理を実行する。整相加算処理された信号は、信号処理部64において所定の信号処理が施され、目標情報、例えば目標の位置や目標の形状等の情報が生成される。目標情報はディスプレイに出力され画像表示される。
【0040】
図4は、受信部10、擬似フィルタ部22、適応処理部24および目標情報生成部26の他の内部構成を示すブロック図であり、受信部10において整相加算が行われた後の出力を主信号とする例の構成図である。
【0041】
適応処理部24はI×J個の乗算器52、一つの加算器54、および一つの減算器56で構成される。各乗算器52はそれぞれ適応処理フィルタ係数を持ち、対応する擬似フィルタ40の出力にそれぞれ適応処理フィルタ係数を乗じて出力する。加算器54はI×J個の乗算器52の出力の加算を行う。減算器56は受信部10における整相加算後の出力つまり主信号から、加算器54の出力つまり適応フィルタ出力を減算して差分信号を算出する。
【0042】
以下に適応処理部24の内部動作を説明する。I個の受波素子42の整相加算出力に対して適応処理を行うためには、次式の差分信号etを算出する。
【数12】
JP0003815735B2_000013t.gifここで、yi,tは数式4、di,tは数式7にそれぞれ基づいている。また、et2の期待値E[et2]は次式となる。
【数13】
JP0003815735B2_000014t.gifしたがって、E[et2]はhi,j,n=wi,j,nのとき最小値となる。ここで、E[et2]をwi,j,nで変微分すると次式が得られる。
【数14】
JP0003815735B2_000015t.gifすなわち、数式14を満足するような適応処理フィルタ係数wi,j,nを算出することにより、理論値hi,j,nの近似解が求められる。
【0043】
また、例えば雑音が非定常である場合には、LMSアルゴリズムを用いて、次式からwi,j,nを求めることが可能である。
【数15】
JP0003815735B2_000016t.gifここで、μはステップサイズである。以上のように算出された差分信号の最小値が、目標情報生成部26に出力される。
【0044】
目標情報生成部26内の信号処理部64は、入力される差分信号に所定の信号処理を実行して、目標情報、例えば目標の位置や目標の形状等の情報が生成される。目標情報はディスプレイに出力され画像表示される。
【0045】
図5は、目標情報生成部(図3の符号26)の他の実施形態を示す図である。つまり、加算器(図3の符号62)に換えて、乗算器68および加算器70を有する目標情報生成部26である。乗算器68は、受波素子(図3の符号42)の各々に対応して複数設けられる。各乗算器68は、対応する遅延器60の出力に適応処理フィルタ係数を乗じて出力する。加算器70は、各乗算器68の出力に基づいて適応処理出力を算出し、信号処理部64に出力する。すなわち、各遅延器60の出力をei,t(「数式8」の差分信号を遅延器60で遅延し目標存在方向に整相した信号)とし、各乗算器68における適応処理フィルタ係数をwi,t(前述の適応フィルタ係数wi,j,nとは無関係とする)とすると、加算器70は次式で表現される誤差信号yt(前述の適応処理フィルタ出力yi,tとは無関係とする)を算出する。
【数16】
JP0003815735B2_000017t.gifさらに、加算器70は、数式17、数式18及び数式19を用いて、適応処理演算を実施する。
【数17】
JP0003815735B2_000018t.gif【数18】
JP0003815735B2_000019t.gif【数19】
JP0003815735B2_000020t.gifここで、et及びwtはそれぞれ数式20及び数式21で定義される。
【数20】
JP0003815735B2_000021t.gif【数21】
JP0003815735B2_000022t.gif図6は、適応処理部24(図3の符号24)周辺の他の実施形態を示す図であり、受信部10、擬似フィルタ部22、信号調整部28、適応処理部24及び目標情報生成部26の内部構成を示すブロック図である。
【0046】
信号調整部28は、擬似フィルタ部22の出力が極端に大きかったり、あるいは、小さかったりする場合にも安定して適応処理計算を行うためのものであり、各振幅安定器70は、数式22の計算を実施して平滑参照信号を出力する。
【数22】
JP0003815735B2_000023t.gifここで、xi,jtは擬似フィルタ40の出力であり、受波波形の歪みを起こさないようにするためにはαは1より十分小さい値を選択する。各振幅安定器70の出力は、直流成分を除去するためにハイパスフィルタ72を通り適応処理部24に出力される。ハイパスフィルタ72の出力を新たにxi,jtとする。
【0047】
同様に、受信部10の出力が極端に大きかったり、あるいは、小さかったりする場合にも安定して適応処理計算を行うため、各振幅安定器74は、数式23の計算を実施して平滑主信号を出力する。
【数23】
JP0003815735B2_000024t.gifここで、di,tは増幅器46の出力であり、受波波形の歪みを起こさないようにするためにはαは1より十分小さい値を選択する。各振幅安定器74の出力は、直流成分を除去するためにハイパスフィルタ75を通り適応処理部24に出力される。ハイパスフィルタ75の出力を新たにdi,tとする。
【0048】
適応処理部24は、一つの振幅計算器90及び各受波素子42に対応して設けられるI個の適応処理ブロック32を有する。各適応処理ブロック32は計算出力ブロック34及び振幅制御ブロック36を有する。各計算出力ブロック34は各雑音センサにそれぞれ対応するJ個の第一乗算器76、一つの加算器78、一つの減算器80及び一つの第二乗算器82で構成される。各振幅制御ブロック36はJ個の乗算器84、一つの加算器86、及び、一つの減算器88で構成される。
【0049】
振幅制御ブロック36の各乗算器84は適応フィルタ係数を持ち、対応するハイパスフィルタ72の出力つまり平滑参照信号にそれぞれ適応フィルタ係数を乗じて出力する。加算器86はJ個の乗算器84の出力の加算を行う。減算器88は対応するハイパスフィルタ75からの出力つまり平滑主信号から、加算器86の出力を減算して誤差信号を算出する。振幅計算器90は、各振幅制御ブロック36で算出されるI×J個の適応フィルタ係数を用いて数式24の計算を実行して振幅制御信号qi,tを算出し、各計算出力ブロック34に出力する。
【数24】
JP0003815735B2_000025t.gif数式24において、βは調整係数であり、適応フィルタ係数をβ乗することによって、主信号と参照信号との相関がない場合、目標情報生成部への出力の低減率を調整するものである。また、受波波形の歪みを起こさないようにするため、αは1より十分小さい値を選択する。
【0050】
計算出力ブロック34の各第一乗算器76は適応フィルタ係数を持ち、対応するハイパスフィルタ72の出力にそれぞれ適応フィルタ係数を乗じて出力する。加算器78はJ個の第一乗算器76の出力の加算を行う。減算器80は対応するハイパスフィルタ75からの出力つまり平滑主信号から、加算器78の出力を減算して誤差信号を算出し、第二乗算器82に出力する。第二乗算器82は誤差信号に振幅計算器90で算出される振幅制御信号qi,tを乗じ、受波素子の受信雑音(即ち主信号)と雑音センサの雑音(即ち参照信号)との相関性がない雑音、例えば電気的な雑音等が発生した場合の影響を低減して、目標情報生成部26に出力する。計算出力ブロック36における適応処理計算は数式25により行う。
【数25】
JP0003815735B2_000026t.gifなお、前述の数式24で使用したwi,jnの代わりにjハイパスフィルタ72の出力とiハイパスフィルタ75の出力との相関係数を用いて同様な計算を行ってもよい。
【0051】
数式10、数式11、数式14、数式15及び数式25の計算において、i番目の受波素子とj番目の雑音センサとの位置が離れていたり、両者の間に障害物等がある場合には、適応フィルタ係数wi,jnの値は他に比べて小さくなり、雑音信号の受波信号への寄与が少なくなることから、予め適応フィルタ係数wi,jnを測定あるいは推定し、適応フィルタ係数wi,jnが一定以上の値を持つ受波素子と雑音センサの組についてのみ計算を行うものとして、計算量を削減することも可能である。
【0052】
図7は、雑音センサの好適な実施形態を示す図であり、雑音センサとしてひずみゲージ等の振動センサを利用する例を示す図である。ドーム92の外側の振動センサ94と、内側の振動センサ96を対に配置し、外側の振動センサ94の出力と内側の振動センサ96の出力に基づいて、減算器98において数式26の計算を実行する。
【数26】
JP0003815735B2_000027t.gifこの振動センサは、図7の(a)に示すように音波100等によりドーム表面に縦波による伸縮が発生する場合は、ドームの厚さは入射波の波長に比べて十分小さいので、振動センサ94と振動センサ96が同時に伸縮し、振動センサの出力は相殺される。一方、流体等の外力によりドーム表面に曲げ波が発生する場合は、外側振動センサ94が伸び(縮み)、内側センサ96が縮み(伸び)するため、図7の(b)や(c)に示すように振動センサ94の出力と振動センサ96の出力に差が発生することによって曲げ波を検出する。このように、本来取得したい曲げ波のみを検出することができる。
【0053】
本実施の形態において、雑音センサは例えば実験結果などに基づいて、雑音の取得に適した配置に設けられることが望ましい。雑音センサの配置を適切に行うことにより、雑音センサの数を減らす、つまり適応信号処理演算の演算量を減らすことも可能になる。もちろん既に配置されている雑音センサの中から、任意のセンサを選択的に利用しても演算量の削減が可能であり、必要に応じて受波素子出力を選択的に利用してもよい。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、受波素子の近傍に発生する雑音も低減できる雑音低減回路、および、この回路を有する水中探知装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る雑音低減回路が搭載された水中探知装置の全体構成を示すブロック図である。
【図2】 本発明に係る水中探知装置のセンサ部、データ変換部および擬似フィルタ部の内部構成を示すブロック図である。
【図3】 本発明に係る水中探知装置の受信部、擬似フィルタ部、適応処理部および目標情報生成部の内部構成を示すブロック図である。
【図4】 本発明に係る水中探知装置の受信部、擬似フィルタ部、適応処理部および目標情報生成部の他の内部構成を示すブロック図である。
【図5】 目標情報生成部の他の実施形態を示す図である。
【図6】 適応処理部周辺の他の実施形態を示す図である。
【図7】 雑音センサの好適な実施形態を示す図である。
【符号の説明】
16 振動センサ、17 音響センサ、22 擬似フィルタ部、24 適応処理部、28 信号調整部、34 計算出力ブロック、36 振幅制御ブロック、40 擬似フィルタ、50 適応処理ブロック、90 振幅計算器。
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6