特許第6862799号(P6862799)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特許6862799信号処理装置、方位算出方法及び方位算出プログラム
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6862799
(24)【登録日】2021年4月5日
(45)【発行日】2021年4月21日
(54)【発明の名称】信号処理装置、方位算出方法及び方位算出プログラム
(51)【国際特許分類】
   G01S 3/803 20060101AFI20210412BHJP
   G01S 7/526 20060101ALN20210412BHJP
【FI】
   G01S3/803
   !G01S7/526 M
【請求項の数】8
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2016-232880(P2016-232880)
(22)【出願日】2016年11月30日
(65)【公開番号】特開2018-91647(P2018-91647A)
(43)【公開日】2018年6月14日
【審査請求日】2019年10月15日
(73)【特許権者】
【識別番号】000004237
【氏名又は名称】日本電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100109313
【弁理士】
【氏名又は名称】机 昌彦
(74)【代理人】
【識別番号】100124154
【弁理士】
【氏名又は名称】下坂 直樹
(72)【発明者】
【氏名】齊藤 亮平
(72)【発明者】
【氏名】小松 達也
【審査官】 渡辺 慶人
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2013/175637(WO,A1)
【文献】 特表2010−502934(JP,A)
【文献】 特開昭53−145669(JP,A)
【文献】 特開昭61−270677(JP,A)
【文献】 特開2014−032081(JP,A)
【文献】 特開2013−033196(JP,A)
【文献】 特開2014−222281(JP,A)
【文献】 特開2014−032082(JP,A)
【文献】 米国特許第03987404(US,A)
【文献】 特開平06−201811(JP,A)
【文献】 亀山裕樹 笹山啓太 水谷孝一 若槻尚斗,少数マイクロフォンアレーを用いるパッシブソナー,日本音響学会講演論文集,日本,社団法人日本音響学会,2009年 9月 8日,Pages 1297-1298,ISSN 1880-7658
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01S 1/72 − 1/82
3/00 − 3/86
5/18 − 5/30
7/52 − 7/64
15/00 − 15/96
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
異なる2方向に指向性をもつ第1及び第2のセンサにより目標から受信した第1及び第2の受信信号に対して周波数分析を行う周波数分析処理部と、
雑音源を含む1つ以上の音源からの受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得するテンプレート取得部と、
前記音源テンプレートに基づき前記第1及び第2の受信信号から前記音源の成分を分離して前記雑音源の成分を除去する音源分離除去部と、
前記雑音源の成分が除去された前記第1及び第2の受信信号から前記目標の方位を算出する方位算出部と、
水中の音波伝搬特性に応じた減衰量を周波数ごとに求め、前記音源テンプレートを補正して前記音源分離除去部へ出力する伝搬損失補正部と
を有する信号処理装置。
【請求項2】
前記方位算出部は、前記第1及び第2の受信信号における周波数分析結果から前記音源テンプレートに基づき音源別の成分のパワーに相当するアクティベーション情報を算出し、前記音源別のアクティベーション情報を用いて前記音源別の成分の方位を算出する、請求項1に記載の信号処理装置。
【請求項3】
前記方位算出部は、前記音源を選択する音源選択部を有する請求項1又は2に記載の信号処理装置。
【請求項4】
前記テンプレート取得部は、前記音源テンプレートが登録されるデータベースを備える、
請求項1から3のいずれかに記載の信号処理装置。
【請求項5】
前記方位算出部は、前記第1及び第2の受信信号における周波数分析結果から方位を算出する位相計算部を有する請求項1から4のいずれかに記載の信号処理装置。
【請求項6】
周波数分析結果に基づいて前記音源テンプレートを作成するテンプレート生成部を有する請求項1から5のいずれかに記載の信号処理装置。
【請求項7】
異なる2方向に指向性をもつ第1及び第2のセンサにより目標から受信した第1及び第2の受信信号に対して周波数分析を行い、
雑音源を含む1つ以上の音源からの受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得し、
水中の音波伝搬特性に応じた減衰量を周波数ごとに求め、前記音源テンプレートを補正し、
補正された前記音源テンプレートに基づき前記第1及び第2の受信信号から前記音源の成分を分離して前記雑音源の成分を除去し、
前記雑音源の成分が除去された前記第1及び第2の受信信号から前記目標の方位を算出する、
方位算出方法。
【請求項8】
コンピュータに、
異なる2方向に指向性をもつ第1及び第2のセンサにより目標から受信した第1及び第2の受信信号に対して周波数分析を行う処理と、
雑音源を含む1つ以上の音源からの受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得する処理と、
水中の音波伝搬特性に応じた減衰量を周波数ごとに求め、前記音源テンプレートを補正する処理と、
補正された前記音源テンプレートに基づき前記第1及び第2の受信信号から前記音源の成分を分離して前記雑音源の成分を除去する処理と、
前記雑音源の成分が除去された前記第1及び第2の受信信号から前記目標の方位を算出する処理と、
を実行させる方位算出プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、信号処理装置、方位算出方法及び方位算出プログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
信号処理装置は、ソーナー装置、レーダー装置などであり、目標(例えば、航空機、潜水艦や水中機雷等)が発生する音波や電波を捉え、目標の存在を検出し、目標の位置や方位の算出を行う装置である。以下、信号処理装置の一例として、パッシブソーナー装置について説明する。
【0003】
例えば、目標が発する音の中には、エンジン等を発生源として定常的に発生する音と、船の操舵時等に短い時間だけ発生する音がある。定常的に発生する音のうち、エンジン音などの狭帯域信号はナローバンド信号、フローノイズやキャビテーションノイズなどの広帯域信号はブロードバンド信号と呼ばれ、短い時間だけ発生する過渡音はトランジェント信号と呼ばれる。
【0004】
ユーザとなる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を画面上で目視し、これらの情報を総合して受信信号中の信号の有無を判断する。信号の分析方式には、高速フーリエ変換(FFT)等の方式により周波数分析する方法が代表的である。信号の連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。
【0005】
ソーナー装置には、指向性ビームを用いて方位を算出するシステムと、指向性ビーム以外の手法で方位を算出するシステムがある。指向性ビームを用いて方位を算出するシステムは、信号を発する物体の位置を特定するため、複数センサから指向性ビームを形成し、そのS/N(Signal/Noise)から方位を計算して音源成分を分離し、方位を算出する。また指向性ビーム以外の手法で方位を算出するシステムは、DIFAR(Directional Frequency Analysis and Recording )ソノブイなどが知られている。この関連技術が、例えば特許文献1に開示されている。
【0006】
特許文献1に開示されているDIFARソノブイでの方位算出方式について図12を用いて説明する。図12はDIFARソノブイのOMNI素子、NS素子及びEW素子の指向性の一例を示す図である。DIFARブイは全方位に一様な指向性、すなわちOMNI指向性を有するOMNI素子と、南北方向に指向性を有するNS(NorthSouth)素子と、東西方向に指向性を有するEW(EastWest)素子を内蔵している。NS素子及びEW素子の指向性は、目標からの信号が、図8に示すように、NS素子の指向性が最大の方向を基準としてθ傾いた方向から入射し、OMNI素子から出力がPの信号が出力される場合、出力がPcosθの信号がNS素子から出力され、出力がPsinθの信号がEW素子から出力されるような指向性とされている。NS素子から出力される信号はNS信号又はコサイン信号ともいう。また、EW素子から出力される信号はEW信号、又はサイン信号ともいう。周波数ごとにNS信号の強度とEW信号の強度の比により目標からの信号の方位を算出することができる。
【0007】
ソーナー装置は目標の信号の性質に応じて、得られた方位情報に対して更に処理を加え、画面に表示する。フローノイズやキャビテーションノイズなどのブロードバンド信号の影響を抑制する処理方法として、例えば特許文献2に示した方位集中処理がある。
【0008】
特許文献2に開示されている方位集中処理は、まず周波数ごとの方位情報から音の到来方位の方位密度分布を算出し、方位密度分布を算出した結果に対し方位集中処理を行い、BTR(Bearing Time Records)と呼ばれる時間・方位表示形式で画面上に表示する。瞬時の分布を表示するために、方位密度分布ではなくヒストグラムが用いられることもある。オペレータはBTRやヒストグラムを目視し、信号到来方位の偏り(最大値など)から信号の有無を判断し、信号到来方位を推定する。特許文献2に開示の技術は、方位集中処理を適用することで、ブロードバンド信号の情報を統計的に活用し、測位精度を高めている。
【0009】
また他に関連する技術としては、音声分野等において音源分離に関し様々な技術が提案されている。音源分離技術は、カタログテンプレートのような事前の情報を必要とせずにデータをクラスタリングするアルゴリズム(教師なし学習)と、事前に教師データを用いて学習するアルゴリズム(教師あり学習)に大別される。前者はICA(Independent Component Analysis:独立成分分析)、後者は特許文献3に開示されているようなNMF(Nonnegative Matrix Factorization:非負値行列因子分解)が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開平06−201811号公報
【特許文献2】特開2014−032082号公報
【特許文献3】特開2014−222281号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
上述の特許文献1に開示されている方位算出技術では、その方位精度は原則的にS/Nと比例関係にあり、信号を発する物体の位置を正確に計測するためには、周波数分析結果から最もS/Nの良い状態にして各方向のセンサから得られたレベルの比を求めることが望ましい。
【0012】
図13は、雑音源からのブロードバンド信号による方位算出結果への影響を示す図である。図13に示すように、目標からの信号をDIFARソノブイで受信するとき、雑音源である別の物体からのブロードバンド信号と混合されて受信すると、目標の真の方位よりも別の物体の方向に偏った結果となり、測位の上で不都合が生じる。
【0013】
図14は、目標からのトランジェント信号と雑音源からのブロードバンド信号を混合して受信した場合の時間・周波数表示画面の一例を示す図である。また図15は、NS信号及びEW信号中の目標からの信号レベルと雑音源からの信号レベルの一例を示す図である。
【0014】
図14に示すように、雑音源からの受信信号がブロードバンド信号であり、時間・周波数表示画面上において雑音源からのブロードバンド信号の周波数の範囲内に重なって、目標からの短時間で多様な周波数特性を持つトランジェント信号が出現した場合を想定する。この場合、時刻T1における目標からのトランジェント信号の周波数F1のNS信号とEW信号のレベルPns及びPewを抽出すると、図15に示すように、目標からの受信信号のレベルP1ns及びP1ewに、雑音源からの大きな受信信号のレベルP2ns及びP2ewが加えられたレベルとなっている。したがって、NS信号とEW信号のレベルPns及びPewから目標の方位が算出されると、図13に示すように、目標の真の方位よりも雑音源である別の物体の方向に大きく偏った方位となる。
【0015】
ナローバンド信号では受信信号の周波数帯域幅が狭いため、周波数分解能を高める、時間方向に積分処理を行うなどの手法により、多数の周波数分析結果からでも比較的容易にS/Nの条件を改善することが可能である。またブロードバンド信号では、上記特許文献2に開示された方位集中処理を活用することで、統計的に方位誤差を小さくすることができる。
【0016】
しかしトランジェント信号ではこれらの受信信号と異なり、信号の出現が短時間で多様な周波数特性を持つため時間方向の積分処理が適用できず、特許文献2の方位集中処理を用いても方位誤差を小さくできない場合が多い。特許文献3は、事前に教師データを用いて学習し音源分離を行う技術であり、特許文献3にも上記のような方位誤差を抑制する技術は開示されていない。
【0017】
本発明の目的は、目標からの受信信号が短時間で多様な周波数特性を持つ場合でも雑音源からの受信信号による方位誤差を抑制し測位精度を向上することができる信号処理装置、方位算出方法及び方位算出プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0018】
上記課題を解決するため、本発明の1側面による信号処理装置は、異なる2方向に指向性をもつ第1及び第2のセンサにより目標から受信した第1及び第2の受信信号に対して周波数分析を行う周波数分析処理部と、雑音源を含む1つ以上の音源からの受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得するテンプレート取得部と、前記音源テンプレートに基づき前記第1及び第2の受信信号から前記音源の成分を分離して前記雑音源の成分を除去する音源分離除去部と、前記雑音源の成分が除去された前記第1及び第2の受信信号から前記目標の方位を算出する方位算出部と、を有する。
【0019】
本発明の他の側面による方位算出方法は、異なる2方向に指向性をもつ第1及び第2のセンサにより目標から受信した第1及び第2の受信信号に対して周波数分析を行い、雑音源を含む1つ以上の音源からの受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得し、前記音源テンプレートに基づき前記第1及び第2の受信信号から前記音源の成分を分離して前記雑音源の成分を除去し、前記雑音源の成分が除去された前記第1及び第2の受信信号から前記目標の方位を算出する。
【0020】
本発明の他の側面による方位算出プログラムは、コンピュータに、異なる2方向に指向性をもつ第1及び第2のセンサにより目標から受信した第1及び第2の受信信号に対して周波数分析を行う処理と、雑音源を含む1つ以上の音源からの受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得する処理と、前記音源テンプレートに基づき前記第1及び第2の受信信号から前記音源の成分を分離して前記雑音源の成分を除去する処理と、前記雑音源の成分が除去された前記第1及び第2の受信信号から前記目標の方位を算出する処理と、を実行させる。
【発明の効果】
【0021】
本発明により、目標からの受信信号が短時間で多様な周波数特性を持つ場合でも雑音源からの受信信号による方位誤差を抑制し測位精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
図1図1は、第1の実施形態の構成を示すブロック図である。
図2図2は、図1の方位算出の動作を示すフローチャートである。
図3図3は、第2の実施形態の構成を示すブロック図である。
図4図4は、図3の方位算出の動作を示すフローチャートである。
図5図5は、第3の実施形態の構成を示すブロック図である。
図6図6は、第4の実施形態の構成を示すブロック図である。
図7図7は、図6の即席の音源テンプレート生成の動作を示すフローチャートである。
図8図8は、第5の実施形態の構成を示すブロック図である。
図9図9は、図8の即席の音源テンプレート生成の動作を示すフローチャートである。
図10図10は、第6の実施形態の構成を示すブロック図である。
図11図11は、各実施形態の各部の機能を実現する情報処理装置の構成の一例を示す図である。
図12図12は、DIFARソノブイのOMNIハイドロホン、NSハイドロホン及びEWハイドロホンの指向性の一例を示す図である。
図13図13は、雑音源からのブロードバンド信号による方位算出結果への影響を示す図である。
図14図14は、目標からのトランジェント信号と雑音源からのブロードバンド信号を混合して受信した場合の時間・周波数表示画面の一例を示す図である。
図15図15は、NS信号及びEW信号中の目標からの受信信号レベルと雑音源からの受信信号レベルの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明の信号処理装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の信号処理装置1は、図1に示すように、第1のセンサ11と、第2のセンサ12と、周波数分析処理部13と、音源テンプレート取得部14と、音源分離除去部15と、方位算出部16を備えている。
【0024】
第1のセンサ11と、第2のセンサ12は、異なる2方向、例えば互いに直角な2方向に指向性をもつ。第1のセンサ11及び第2のセンサ12は、例えば、DIFARソノブイのNSハイドロホン及びEWハイドロホンとしてよい。なお信号処理装置1は、DIFARソノブイと同様に、全方位に一様な指向性、すなわちOMNI指向性を有するOMNIハイドロホンを備えていてもよい。
【0025】
周波数分析処理部13は、第1のセンサ11から得られる第1の受信信号と第2のセンサ12から得られる第2の受信信号に対して周波数分析を行い、第1の受信信号及び第2の受信信号の周波数スペクトルを算出する。周波数分析は例えばFFT処理で行う。
【0026】
本実施形態の周波数分析処理部13は、第1のセンサ11及び第2のセンサ12が受信した第1の受信信号及び第2の受信信号を、例えば無線通信により取得する。周波数分析処理部13は、第1の受信信号及び第2の受信信号から算出した各受信信号の周波数スペクトルを、それぞれ音源分離除去部15へ出力する。
【0027】
音源テンプレート取得部14は、雑音源を含む1つ以上の音源の受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得する。
【0028】
音源分離除去部15は、音源テンプレートに基づき第1及び第2の受信信号から音源の成分を分離して雑音源の成分を除去する。なお音源分離処理については、複数の実施方法が考えられる。本発明で解決を試みる問題は信号に入力される音源の数が未知数かつ通常センサの数より多いものと想定されるため、ICAのような教師なし学習よりも、既知の情報を活用した教師あり学習の適合性が高い。また、NMF(非負値行列因子分解)を用いることで各周波数成分のパワーの大小関係の比率を維持しながら所望の信号に対して音源分離、音源選択及び音源パワー算出を行うことができる。以降の説明においてはNMF(非負値行列因子分解)を用いた実施形態を最適な形態の例として説明する。ただし、本発明はNMFに限ったものではなく、NMFの改良手法やその他の音源分離アルゴリズムを使用しても良い。
【0029】
方位算出部16は、音源分離除去部15により雑音源の成分が除去された第1及び第2の受信信号から目標の方位を算出する。
【0030】
次に本実施形態の方位算出の動作について説明する。図2は、図1の方位算出の動作を示すフローチャートである。
【0031】
まず信号処理装置1は、第1及び第2のセンサで受信した第1及び第2の受信信号に対し周波数分析処理を行う(ステップS11)。また信号処理装置1は、雑音源を含む1つ以上の音源の受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得する(ステップS12)。そして信号処理装置1は、音源テンプレートに基づき第1及び第2の受信信号から音源の成分を分離して雑音源の成分を除去する(ステップS13)。なおステップS13の音源分離処理については、例えば、各受信信号の周波数分析結果に対し、各音源の周波数成分を示す音源テンプレートを用いて非負値行列因子分解を行って音源の成分を分離し、各受信信号の周波数分析結果から雑音源の成分を除去する。そして信号処理装置1は、雑音源の成分が除去された各受信信号から方位を算出する(ステップS14)。方位を算出すると、図示しない表示部は、算出した方位を表示する。
【0032】
本実施形態では、雑音源を含む1つ以上の音源の受信信号の周波数成分を示す音源テンプレートを取得し、音源テンプレートに基づき第1及び第2の受信信号から音源の成分を分離して雑音源の成分を除去し、雑音源の成分が除去された第1及び第2の受信信号から目標の方位を算出する。一方、特許文献2に開示の方式では、NS信号及びEW信号の周波数成分ごとに、レベルと到来方位を算出し、レベルと到来方位を用いて方位密度分布を算出して、方位密度がピークとなる方位集中処理が行われている。したがって本実施形態によれば、特許文献2の方式と比較して、信号全体のエネルギーを反映して方位算出が可能となる。またトランジェント信号のように短時間で多様な周波数特性を持つ信号に対しても、複数の方位算出手段を必要とせずに方位が得られるほか、雑音源による方位誤差の発生を抑制し、測位精度の向上効果が得られる。
【0033】
なお第1の実施形態及び後述の各実施形態の信号処理装置の各構成要素は、機能単位のブロックを示している。本実施形態の信号処理装置の各構成要素の一部又は全部は、例えば図11に示すような情報処理装置100とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。情報処理装置100は、一例として、以下のような構成を含む。
【0034】
・CPU(Central Processing Unit)101
・ROM(Read Only Memory)102
・RAM(Random Access Memory)103
・RAM103にロードされるプログラム104
・プログラム104を格納する記憶装置105
・記録媒体106の読み書きを行うドライブ装置107
・通信ネットワーク109と接続する通信インタフェース108
・データの入出力を行う入出力インタフェース110
・各構成要素を接続するバス111
本実施形態の信号処理装置の各構成要素は、これらの機能を実現するプログラム104をCPU101が取得して実行することで実現される。各装置の各構成要素の機能を実現するプログラム104は、例えば、予め記憶装置105やROM102やRAM103に格納されており、必要に応じてCPU101が読み出す。
【0035】
なお、プログラム104は、通信ネットワーク109を介してCPU101に供給されてもよいし、予め記録媒体106に格納されており、ドライブ装置107が当該プログラムを読み出してCPU101に供給してもよい。
【0036】
信号処理装置の各構成要素の実現方法には、様々な変形例がある。例えば、信号処理装置の各構成要素は、構成要素毎にそれぞれ別個の情報処理装置とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。また、各装置が備える複数の構成要素が、一つの情報処理装置とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。
【0037】
また、信号処理装置の各構成要素の一部又は全部は、その他の汎用または専用の回路(circuitry)、プロセッサ等やこれらの組み合わせによって実現される。これらは、単一のチップによって構成されてもよいし、バスを介して接続される複数のチップによって構成されてもよい。各装置の各構成要素の一部又は全部は、上述した回路等とプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。
【0038】
信号処理装置の各構成要素の一部又は全部が複数の情報処理装置や回路等により実現される場合には、複数の情報処理装置や回路等は、集中配置されてもよいし、分散配置されてもよい。例えば、情報処理装置や回路等は、各々が通信ネットワークを介して接続される形態として実現されてもよい。
【0039】
次に第2の実施形態について説明する。図3は第2の実施形態の構成を示すブロック図である。図3に示すように、本実施形態の信号処理装置2は、音源テンプレート取得部21が、予め辞書として用意した1つ以上の音源テンプレート2111が登録されたデータベース211を備え、また音源分離除去部22が、音源分離部221と、音源選択部222を備える点で、第1の実施形態と異なる。
【0040】
各音源テンプレート2111は、信号処理装置2の外部で、各種の船舶や生物などの雑音源からセンサにより取得した受信信号から作成し、その周波数分析結果から音源テンプレートが作成される。また雑音源に限らず、信号処理装置2の外部で、目標からセンサにより取得した受信信号が周波数分析され、その周波数分析結果から音源テンプレートが作成されてもよい。外部で作成された雑音源及び目標の音源テンプレート2111は、例えばオペレータの手動操作により、予めデータベース211に登録しておく。
【0041】
音源分離部221は、第1の受信信号の周波数スペクトルから、各音源の音源テンプレート2111を基に、各音源の強度情報に相当するアクティベーション情報Aを算出する。
【0042】
また音源分離部221は、第2の受信信号の周波数スペクトルから、各音源の音源テンプレート2111を基に、各音源の強度情報に相当するアクティベーション情報Bを算出する。これは、辞書として用意した各音源テンプレート2111を基に第1の受信信号及び第2の受信信号を別個の信号に分離することに相当する。
【0043】
次に音源選択部222は、それぞれ分離した音源を用いて、元の周波数分析結果から不要な音源の成分を除去し、所望の信号成分のみを選択的に抽出する。音源選択部222は、音源分離部221により第1及び第2の受信信号のそれぞれから分離した音源を用いて、例えばオペレータの手動操作により選択された雑音源の成分を削除する。音源選択部222は、方位算出部16に、選択した所望の信号成分のみを出力する。
【0044】
方位算出部16には、第1の受信信号及び第2の受信信号のそれぞれについて、選択された発信源の成分が入力される。方位算出部16は、第1の受信信号及び第2の受信信号のそれぞれにおける各音源の成分のパワーを算出する。方位算出部16は、第1の受信信号及び第2の受信信号のそれぞれにおける各音源のパワーに相当する数値を、音源テンプレート2111に対するアクティベーション情報A及びBから算出してよい。
【0045】
方位算出部16は、第1の受信信号及び第2の受信信号における各音源の成分のパワーの比から、音源ごとに方位算出を行う。すなわち例えば方位算出部16は、第1の受信信号から音源テンプレート2111について算出されたアクティベーション情報Aと、第2の受信信号から音源テンプレート2111について算出されたアクティベーション情報Bの比から、音源テンプレート2111の音源についてパワー及び方位の算出を行う。方位算出部16は、選択された各音源についてこの算出処理を行う。
【0046】
方位算出部16は、図示しない表示部により画面上に各音源について算出したパワー及び方位を表示する。
【0047】
次に本実施形態の方位算出の動作について説明する。図4は、図3の方位算出の動作を示すフローチャートである。
【0048】
まず信号処理装置2は、雑音源を含む音源の音源テンプレート2111を、予めデータベース211に登録する(ステップS21)。そして信号処理装置2は、第1及び第2のセンサで受信した第1及び第2の受信信号に対し周波数分析処理を行う(ステップS11)。そして信号処理装置2は、雑音源を含む音源の音源テンプレート2111を、データベース211から取得する(ステップS12)。
【0049】
信号処理装置2は、音源テンプレートに基づき第1及び第2の受信信号に対し、データベース211に登録された音源テンプレート2111に対応する各音源の成分に分離する処理を行う(ステップS22)。
【0050】
なおステップS13の音源分離処理については、複数の実施方法が考えられるが、NMF(非負値行列因子分解)を用いる場合、信号処理装置2は、音源分離部221により、各受信信号の周波数分析結果に対し、各音源の音源テンプレートを用いて非負値行列因子分解を行う。
【0051】
次に信号処理装置2は、音源選択部222により、各受信信号から不要な雑音源の成分を除去する(ステップS23)。音源選択部222は、例えば上述のようにデータベース211に登録された音源テンプレートのうちオペレータの手動操作により選択された音源の音源テンプレートを基に不要な雑音源の成分を除去する。
【0052】
そして信号処理装置2は、方位算出部16により、不要な音源の成分が除去された各受信信号における音源別のパワーを算出し、算出されたパワーの比を用いて方位を算出する(ステップS14)。方位を算出すると、図示しない表示部が、算出したパワー及び方位を表示する。
【0053】
特許文献2に開示されているソーナー装置においては周波数成分ごとに方位が算出されるのに対し、本実施形態によれば、音源ごとにNMFのアクティベーションの比をパワーの比として方位算出を行う。これにより、特定の周波数や方位集中処理を行うよりも信号全体のエネルギーを反映して方位算出が可能となる。またDIFARソノブイと同様の方位算出処理を行うレーダー、ソーナー装置において、トランジェント信号のように短時間で多様な周波数特性を持つ信号に対しても複数の方位算出手段を必要とせずに方位が得られるほか、雑音源による方位誤差の発生を抑制し、測位精度の向上効果が得られる。
【0054】
以上説明した第2の実施形態ではアクティベーションの比を用いて方位算出を行っているが、NMFを用いた場合、方位算出の方法はアクティベーションの比を用いるものに限られない。例えば、予め計算した結果を用いて方位算出が行われ、表示部に出力されるよう構成してもよい。
【0055】
図5は第3の実施形態の構成を示すブロック図である。図5に示すように、本実施形態の信号処理装置3は位相計算部31を備える点で、第1、第2の実施形態と異なる。例えばオペレータの手動操作により周波数分析処理部13の出力から特定の音源のみから信号を受信している時間における周波数分析結果を選択し、位相計算部31が選択された周波数分析結果からその音源の方位を計算する。またオペレータの手動操作により特定の音源のみの周波数範囲の成分を選択し、位相計算部31が選択された周波数分析結果からその音源の方位を計算してもよい。
【0056】
位相計算部31は、方位算出部16で算出された各音源のパワーに各音源の方位を追加して図示しない表示部に出力する。
【0057】
なお音源テンプレートの数やセンサの数は任意であり、特定の値に限るものではない。
【0058】
次に第4の実施形態について説明する。図6は、第4の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の信号処理装置4は、図6に示すように、即席の音源テンプレートを生成するためのテンプレート生成部411を音源テンプレート取得部41に備え、新たな音源からの受信信号の周波数分析結果をテンプレート生成部411に出力する周波数分析処理部42を備えている。
【0059】
図7は、図6の即席の音源テンプレート生成の動作を示すフローチャートである。まず周波数分析処理部42は第1のセンサ11又は第2のセンサ12が受信している新たな雑音源からの受信信号の周波数分析を行う(ステップS31)。周波数分析処理部42は、データベースに用意されていない新たな雑音源から第1のセンサ11又は第2のセンサ12が信号を受信している場合、例えばオペレータの操作により、周波数分析結果をテンプレート生成部411へ出力する(ステップS32)。なおテンプレート生成部411へ周波数分析結果を出力する処理については、複数の実施方法が考えられる。例えばオペレータは過去の時間範囲や周波数範囲等を指定する操作を行うことにより、指定の時間範囲や周波数範囲における周波数分析結果をテンプレート生成部411へ出力するよう周波数分析処理部42が構成されてもよい。また、例えばオペレータの操作によらず、信号処理装置4を起動するイニシャライズ処理を行うときに所定の時間、周波数分析結果がテンプレート生成部411へ出力されるよう構成してもよい。
【0060】
テンプレート生成部411は、入力された周波数分析結果に基づいて即席の音源テンプレートを生成する(ステップS33)。テンプレート生成部411は、生成した即席の音源テンプレートをデータベース211に登録する。
【0061】
音源分離部221は、データベース211に予め登録された音源テンプレートと同様に、テンプレート生成部411が生成した即席の音源テンプレートに基づき、第1の受信信号及び第2の受信信号について、各音源からの信号の強度に相当するアクティベーション情報を算出する。音源選択部222は、即席の音源テンプレートも含めデータベース211に登録された音源テンプレートのうち例えばオペレータの手動操作により選択された音源の音源テンプレートを基に不要な雑音源の成分を除去する。
【0062】
方位算出部16は、第1の受信信号及び第2の受信信号における各音源のアクティベーション情報の比から、音源ごとに方位算出を行う。
【0063】
本実施形態の構成によれば、データベース211に音源テンプレートが無い条件下においても新たな音源から信号を受信することで、即席の音源テンプレートを生成して音源分離が可能となる。すなわち環境に応じて音源テンプレートが用意されていなかった新たな雑音源の成分を除去することが可能となり、測位精度を向上することができる。
【0064】
なお複数のセンサを広範囲に離散させて設置しておき、音源テンプレートがデータベースに用意されていない音源が出現した場合、例えばセンサを選択して信号を受信し音源テンプレートを生成するよう構成してもよい。
【0065】
図8は、第5の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の信号処理装置5は、広範囲に離散させて設置した複数のセンサ51と、センサが設置された範囲内に存在する音源、例えば船舶や生物等の位置を検知する音源位置検出部521、センサ51を選択するセンサ選択部522、周波数分析処理部523及びテンプレート生成部524を含む音源テンプレート取得部52を備える。
【0066】
図9は、図8の即席の音源テンプレート生成の動作を示すフローチャートである。まず音源位置検出部521は、例えばレーダー装置や撮像装置を備え船舶や生物の位置を検知する(ステップS41)。例えば音源位置検出部521は、例えばセンサの位置、地形とともに検知した船舶や生物の位置を示す画像を生成し、図示しない表示部に表示することでオペレータに検知した船舶や生物の位置を示す。
【0067】
センサ選択部522は、例えばオペレータが船舶や生物の位置を参照して操作することにより、例えば音源の近くに設置されているセンサ51を選択する(ステップS42)。センサ選択部522に選択されたセンサ51により受信された受信信号が、音源テンプレート取得部52の周波数分析処理部523に出力される。
【0068】
周波数分析処理部523は、入力された受信信号の周波数分析を行う(ステップS43)。周波数分析処理部523は、周波数分析結果をテンプレート生成部524へ出力する。
【0069】
テンプレート生成部524は、入力された信号に基づいて即席の音源テンプレートを生成する(ステップS44)。テンプレート生成部524は、生成した即席の音源テンプレートをデータベース211に登録する。
【0070】
音源分離部221は、第4の実施形態と同様に、データベース211に予め登録された音源テンプレートと同様に、テンプレート生成部524が生成した即席の音源テンプレートに基づき、第1の受信信号及び第2の受信信号について、音源の強度情報に相当するアクティベーション情報を算出する。音源選択部222は、即席の音源テンプレートも含めデータベース211に登録された音源テンプレートのうち例えばオペレータの手動操作により選択された音源の音源テンプレートを基に不要な雑音源の成分を除去する。方位算出部16は、第1の受信信号及び第2の受信信号における各音源のアクティベーション情報の比から、音源ごとに方位算出を行う。
【0071】
このように本実施形態によれば、第4の実施形態と同様、データベース211に音源テンプレートが無い条件下においても音源分離が可能となる効果を得ることができる。また、複数のセンサを設置し、センサを選択することで品質の良い音源テンプレートを生成することが可能となる。
【0072】
次に第6の実施形態について説明する。図10は、第6の実施形態の構成を示すブロック図である。水中では周波数に応じて音波の減衰量が異なるため、これを補正するため、本実施形態の信号処理装置6は、図10に示すように伝搬損失補正部61と、音源から信号を受信しているセンサの距離を推定する距離推定部62を備えてもよい。
【0073】
本実施形態の音源テンプレートには、センサと音源の想定距離の情報が含まれている。距離推定部62は、例えばセンサの位置情報が入力されると、センサと各音源との距離を推定し伝搬損失補正部61に出力する。伝搬損失補正部61は、距離推定部62により推定された音源とセンサの推定距離と、音源テンプレートに含まれるセンサとの想定距離を比較し、推定距離と想定距離の差から水中の音波伝搬特性に応じた減衰量を周波数ごとに求め、音源テンプレート取得部14の各音源テンプレートを補正する。伝搬損失補正部61は、補正した音源テンプレートを音源分離除去部15へ出力する。
【0074】
音源分離除去部15は補正された音源テンプレートに基づき音源分離処理を行い雑音源の成分を除去する。そして方位算出部16は、音源分離除去部15により雑音源の成分が除去された第1の受信信号及び第2の受信信号における各音源の成分のパワーの比から、音源ごとに方位算出を行う。
【0075】
本実施形態によれば、水中の音波伝搬特性が加味され、環境条件に対しての柔軟性が向上できる。
【0076】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【0077】
1、2、3、4、5、6 信号処理装置
11 第1のセンサ
12 第2のセンサ
13、42、523 周波数分析処理部
14、21、41、52 音源テンプレート取得部
15、22 音源分離除去部
16 方位算出部
211 データベース
2111 音源テンプレート
221 音源分離部
222 音源選択部
31 位相計算部
411、524 テンプレート生成部
51 センサ
521 音源位置検出部
522 センサ選択部
61 伝搬損失補正部
62 距離推定部
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15