JP7484207B2

JP7484207B2 - Sonar device, control method and program

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Publication number: JP7484207B2
Application number: JP2020022395A
Authority: JP
Inventors: 達也鳴海
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2040-02-13
Also published as: JP2021128048A

Description

本発明は、ソーナー装置、制御方法とプログラムに関する。 The present invention relates to a sonar device, a control method and a program.

ソーナー装置は、受信アレイからの信号に対して、特定の方向から到来する信号に対する感度を上げるために整相処理を行う。例えば図７（Ａ）に示すように、信号（簡単のため平面波とする）の到来方向を受信アレイの法線方向に対してθ、受信器の個数をＮs、受信器の間隔をdとする。受信器は等位相面の差である(i+1/2)d×sin(θ)分の遅延（距離差）があり、整相処理（整相加算処理）では、各遅延に対応する位相量を減算又は加算して遅延補償し位相を揃えた上で加算することで、信号到来方向θに最大感度を向ける（非特許文献１）。すなわち、各受信器（受波器）出力x_i(t)に対して距離差を補償して重み係数ｗ_iを掛け、それらを加算して受信アレイの応答出力とし、その出力パワー（電力）は式(1)で与えられる。θbfは整相方位、ｃは音速、ｆは周波数である。図７（Ｂ）に出力パワーを模式的に示す（横軸：方位、縦軸：出力パワー（デシベル(dB)表示））。信号強度は、出力パワーを、基準パワーとの比率の常用対数で表したものであり、デシベル(dB)で表される。 Sonar devices perform phasing processing on signals from a receiving array to increase sensitivity to signals arriving from a specific direction. For example, as shown in FIG. 7(A), the arrival direction of a signal (assumed to be a plane wave for simplicity) is θ relative to the normal direction of the receiving array, the number of receivers is Ns, and the interval between receivers is d. The receivers have a delay (distance difference) of (i+1/2)d×sin(θ), which is the difference between equal phase surfaces, and in phasing processing (phasing and adding processing), the phase amount corresponding to each delay is subtracted or added to compensate for the delay, and the phase is aligned before adding, thereby directing maximum sensitivity to the signal arrival direction θ (Non-Patent Document 1). That is, the distance difference is compensated for by each receiver (receiver) output x _i (t), and the weighting coefficient w _i is multiplied, and these are added to obtain the response output of the receiving array, and the output power (electricity) is given by Equation (1). θbf is the phasing direction, c is the speed of sound, and f is the frequency. Figure 7(B) shows a schematic diagram of the output power (horizontal axis: direction, vertical axis: output power (in decibels (dB))). Signal strength is the common logarithm of the ratio of the output power to a reference power, and is expressed in decibels (dB).

… (1)
ただし、

… (2)

… (1)
however,

… (2)

上記整相処理では、整相方位の範囲外から到来する信号（雑音等）がメインローブ以外のサイドローブ（図７（Ｂ）参照）で受信されるためＳ／Ｎ（Signal to Noise ratio）が低下する等の問題がある。そこで、入力信号の特性に合わせてビームフォーミング特性を変化させる適応整相処理が用いられる（適応整相処理については、例えば非特許文献１等が参照される）。適応整相処理等では、ビームスキャン（ビームステアリング）という手法が用いられる。 The above phasing process has problems such as a decrease in the signal-to-noise ratio (S/N) because signals (noise, etc.) arriving from outside the range of the phasing direction are received in the side lobes (see FIG. 7B) other than the main lobe. Therefore, adaptive phasing is used, which changes the beamforming characteristics to match the characteristics of the input signal (for details on adaptive phasing, see, for example, Non-Patent Document 1). In adaptive phasing, a technique called beam scanning (beam steering) is used.

ビームスキャンは、ある方位角の範囲内（ビームスキャン範囲）で複数の方向に複数のビームを走査し受信アレイの信号強度が最も大きくなる方向を探す。すなわち、各ビーム方向の信号強度を比較することで、最も強度が大きいビーム方向から信号の到来方位を求める。受信アレイの信号強度は、信号到来方位で最大値となり、そこから極小値まで滑らかに値が減少する。 Beam scanning scans multiple beams in multiple directions within a certain azimuth angle range (beam scan range) to find the direction in which the signal strength of the receiving array is greatest. In other words, by comparing the signal strength of each beam direction, the direction of arrival of the signal is determined from the beam direction with the greatest strength. The signal strength of the receiving array is maximum in the direction of arrival of the signal, and decreases smoothly from there to a minimum value.

川崎良道パッシブソーナーの整相処理、ＯＫＩテクニカルレビュー、2014年10月/第224号 Vol. 81, No. 2 インターネット＜URL https://www.oki.com/jp/otr/2014/n224/pdf/224_r20.pdf＞Yoshimichi Kawasaki, Phasing Processing of Passive Sonar, OKI Technical Review, October 2014/Issue 224 Vol. 81, No. 2 Internet <URL https://www.oki.com/jp/otr/2014/n224/pdf/224_r20.pdf>

関連技術によれば、ビームスキャン範囲の外側の方位から到来する信号の強度が大きい場合、信号の裾野にあたるビームスキャン範囲の境界上の信号強度も大きくなる。ビームスキャン範囲内で信号強度が最大値となる方向を到来方位とする場合、信号の裾野を到来方位と誤認してしまうことがある。このような課題に対する解決策として、ビームスキャン範囲内における信号強度の極大値から、到来方位を求める手法が考えられる。しかし、ノイズなどの影響により、ビームスキャン範囲の外側の方位から到来する信号が、ビームスキャン範囲内で極大値を取る可能性がある。このように、極大値を用いる手法でも、到来方位の誤認の可能性がある。 According to related technology, when the strength of a signal arriving from a direction outside the beam scan range is high, the signal strength at the boundary of the beam scan range, which corresponds to the base of the signal, also becomes high. If the direction in the beam scan range where the signal strength is at its maximum is taken as the arrival direction, the base of the signal may be mistaken for the arrival direction. One possible solution to this problem is a method of determining the arrival direction from the maximum value of signal strength within the beam scan range. However, due to the influence of noise and other factors, there is a possibility that a signal arriving from a direction outside the beam scan range may reach a maximum value within the beam scan range. In this way, even with a method that uses the maximum value, there is a possibility of misidentifying the arrival direction.

したがって、本発明の目的は、ビームスキャンを行う際、ビームスキャン範囲外の方位から到来する信号による到来方位の誤検出を回避できるソーナー装置、方法、プログラムを提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to provide a sonar device, method, and program that can avoid erroneous detection of the direction of arrival due to a signal arriving from a direction outside the beam scan range when performing beam scanning.

本発明の一形態によれば、複数の受信器からなる受信アレイと、ビームスキャンを用いて前記受信アレイからの受信信号の信号強度が最大値を取る方位を信号の到来方位とする整相処理部と、を備え、前記整相処理部は、ビームスキャン範囲の境界で信号強度が最大値となった場合には、前記ビームスキャン範囲の境界の方位を、信号の到来方位から外し、表示対象としない手段を備えたソーナー装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a sonar device is provided that includes a receiving array consisting of multiple receivers, and a phasing processor that uses beam scanning to determine the direction in which the signal strength of the received signal from the receiving array is maximized as the signal arrival direction, and the phasing processor includes a means for removing the direction of the boundary of the beam scan range from the signal arrival direction and not displaying it when the signal strength is maximized at the boundary of the beam scan range.

本発明の一形態によれば、複数の受信器からなる受信アレイを有し、ビームスキャンを用いて前記受信アレイからの受信信号の信号強度が最大値を取る方位を信号の到来方位とするソーナー装置における制御方法であって、ビームスキャン範囲の境界で信号強度が最大値となった場合には、前記ビームスキャン範囲の境界の方位を、信号の到来方位から外し、表示対象としない制御方法が提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided a control method for a sonar device having a receiving array consisting of multiple receivers, using beam scanning to determine the direction in which the signal strength of a received signal from the receiving array is maximized as the signal arrival direction, and when the signal strength is maximized at the boundary of the beam scanning range, the control method excludes the boundary direction of the beam scanning range from the signal arrival direction and does not display it.

本発明の一形態によれば、複数の受信器からなる受信アレイを有するソーナー装置のコンピュータに、ビームスキャンを用いて前記受信アレイからの受信信号の信号強度が最大値を取る方位を信号の到来方位とする処理であって、ビームスキャン範囲の境界で信号強度が最大値となった場合には、前記ビームスキャン範囲の境界の方位を、信号の到来方位から外し、表示対象としない処理を実行させるプログラムが提供される。さらに、本発明によれば、上記プログラムを記憶したコンピュータ可読型記録媒体（（例えばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory)、又は、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM））等の半導体ストレージ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc））が提供される。 According to one aspect of the present invention, a program is provided for causing a computer of a sonar device having a receiving array consisting of multiple receivers to execute a process of using beam scanning to set the direction in which the signal strength of a received signal from the receiving array is maximized as the signal arrival direction, and when the signal strength is maximized at the boundary of the beam scan range, the direction at the boundary of the beam scan range is excluded from the signal arrival direction and is not displayed. Furthermore, according to the present invention, a computer-readable recording medium (e.g., semiconductor storage such as RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), or EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM), HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), CD (Compact Disc), or DVD (Digital Versatile Disc)) storing the above program is provided.

本発明によれば、ビームスキャンを行う際、ビームスキャン範囲外の方位から到来する信号による到来方位の誤検出を回避することができる。 According to the present invention, when performing beam scanning, it is possible to avoid erroneous detection of the direction of arrival due to a signal arriving from a direction outside the beam scanning range.

（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施形態を説明する図である。1A and 1B are diagrams illustrating an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態のソーナー装置の構成を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a sonar device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における整相処理部の処理を説明する図である。5A to 5C are diagrams illustrating processing by a phasing processor in the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における表示部の表示結果を説明する図である。5A to 5C are diagrams illustrating a display result of a display unit according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention. 本発明をコンピュータ装置に実装した例を模式的に説明する図である。FIG. 1 is a diagram for explaining an example in which the present invention is implemented in a computer device. （Ａ）、（Ｂ）は関連技術の整相処理を説明する図である。1A and 1B are diagrams illustrating a phasing process according to a related art.

本発明の一実施形態について説明する。本発明の一実施形態によれば、ビームスキャンを用いて信号強度が最大値を取る方位を信号の到来方位とするにあたり、ビームスキャン範囲の境界で信号強度が最大値となった場合には、当該方位を表示しない。これにより、ビームスキャン範囲外から到来する信号がビームスキャン範囲内で極大値を持っているか否かに関わらず、信号到来方位の誤認を回避可能としている。 One embodiment of the present invention will now be described. According to one embodiment of the present invention, when beam scanning is used to determine the direction in which the signal strength is at its maximum as the signal arrival direction, if the signal strength reaches its maximum value at the boundary of the beam scan range, that direction is not displayed. This makes it possible to avoid misidentifying the signal arrival direction, regardless of whether a signal arriving from outside the beam scan range has a maximum value within the beam scan range.

図１は、実施形態のソーナー装置の動作原理を説明する図である。ソーナー装置において、受信アレイから得た受信信号に対して整相処理（適応整相処理）と信号処理を行い、信号の到来方位（横軸）と信号強度（縦軸）の結果を表示する。整相処理でビームスキャンを行い、図１（Ａ）に示すように、ビームスキャン範囲内で信号強度が最大値となる方位を信号の到来方位（目標方位）とする。一方、図１（Ｂ）に示すように、ビームスキャン範囲の外側の方位から到来する信号が、ビームスキャン範囲の境界で信号強度が最大値となった場合には、当該方位（ビームスキャン範囲の境界）は、表示部に表示しない。これにより、ビームスキャン範囲外から到来する信号による誤検出を避ける。 Figure 1 is a diagram explaining the operating principle of a sonar device according to an embodiment. In the sonar device, phasing processing (adaptive phasing processing) and signal processing are performed on the received signal obtained from the receiving array, and the results of the signal arrival direction (horizontal axis) and signal strength (vertical axis) are displayed. Beam scanning is performed using phasing processing, and as shown in Figure 1 (A), the direction in which the signal strength is maximum within the beam scan range is set as the signal arrival direction (target direction). On the other hand, as shown in Figure 1 (B), if a signal arriving from a direction outside the beam scan range reaches a maximum signal strength at the boundary of the beam scan range, the direction (boundary of the beam scan range) is not displayed on the display. This prevents erroneous detection due to signals arriving from outside the beam scan range.

図２は、実施形態のソーナー装置の構成を説明する図である。受信アレイ１０１は、水中等を伝搬する音波を電気信号に変える複数の受信素子（受波器、音響素子、音響センサともいう）の配列（例えば１次元アレイ、２次元アレイ等）である。受信アレイ１０１の各受信素子からの各受信信号は受信部１０２においてアナログ信号からデジタル信号に変換され、整相処理部１０３に送られる。整相処理部１０３では、受信アレイ１０１で受信した受信信号（デジタル受信信号）に対してビームスキャン処理を含む整相処理を行う。信号処理部１０４では、整相処理部１０３から出力される信号に基づき、信号到来方位、時間、信号レベルあるいはＳ／Ｎ（Signal to Noise）等を算出し、表示部１０５に、信号処理結果を表示する。 Figure 2 is a diagram illustrating the configuration of a sonar device according to an embodiment. The receiving array 101 is an arrangement (e.g., one-dimensional array, two-dimensional array, etc.) of multiple receiving elements (also called receivers, acoustic elements, or acoustic sensors) that convert sound waves propagating underwater, etc., into electrical signals. Each receiving signal from each receiving element of the receiving array 101 is converted from an analog signal to a digital signal in the receiving unit 102 and sent to the phasing processing unit 103. The phasing processing unit 103 performs phasing processing, including beam scanning processing, on the receiving signal (digital receiving signal) received by the receiving array 101. The signal processing unit 104 calculates the signal arrival direction, time, signal level, or S/N (signal to noise), etc., based on the signal output from the phasing processing unit 103, and displays the signal processing results on the display unit 105.

図３は、整相処理部１０３の構成の一例を示す図である。特に制限されないが、以下では、受信アレイは複数（S個）の受信素子からなるラインアレイとする。受信アレイの各受信素子からの受信データは、整相処理部１０３内の不図示の記憶部において、１次元の配列データに格納される。第ｉ番目（i=1～S）の受信素子からの配列データをX_i ^tとする。X_i ^tは、第ｉ番目の受信素子で受信した受信信号をサンプリングしたN個の受信データ(デジタルデータ)からなるN次元ベクトルである。

… (3) 3 is a diagram showing an example of the configuration of the phasing processing unit 103. Although not particularly limited, in the following, the receiving array is assumed to be a line array consisting of a plurality (S pieces) of receiving elements. The received data from each receiving element of the receiving array is stored as one-dimensional array data in a storage unit (not shown) in the phasing processing unit 103. The array data from the i-th (i=1 to S) receiving element is assumed to be X _i ^t . _{X i} ^t is an N-dimensional vector consisting of N pieces of received data (digital data) obtained by sampling the received signal received by the i-th receiving element.

… (3)

フーリエ変換処理部２０１は、N次元ベクトルX_i ^tに対してフーリエ変換を施し周波数領域（周波数スペクトル）Y_iに変換する。フーリエ変換はNポイントFFT（Fast Fourier Transform）であってもよい（NポイントDFT（Discrete Fourier Transform）であってもよい)。

… (4) The Fourier transform processing unit 201 performs a Fourier transform on the N-dimensional vector X _i ^t to convert it into a frequency domain (frequency spectrum) Y _i . The Fourier transform may be an N-point FFT (Fast Fourier Transform) (or an N-point DFT (Discrete Fourier Transform)).

… (Four)

サンプリング周波数をｆ_ｓとすると、NポイントFFT（Nは２のべき乗）による周波数スペクトルY_iは、周波数ビン番号（インデックス）k=0のDC（Direct Current）成分からΔf＝f_ｓ/Nの間隔でk=(N-1)までのN個の周波数成分（複素周波数成分）を含み、このうち周波数ビン番号k=（N/2+1）～(N-1)の周波数成分は、周波数ビン番号k=N/2のナイキスト（Nyquist）周波数ｆ_s/2（＝Δf×N/2）を中心に折り返した周波数ビン番号k=N/2-1～1の周波数成分の複素共役（complex conjugate）となっている。なお、離散信号の周波数スペクトルにおいて、一般に、周波数ビン番号k=N/2のナイキスト周波数ｆ_s/2以降の周波数成分の信号は扱わない。そこで、周波数スペクトルY_iは、周波数ビン番号k=0のDC成分（実部のみ）、周波数ビン番号k=1～N/2-1の複素周波数成分（実部と虚部）、周波数ビン番号k=N/2のナイキスト周波数成分（実部のみ）からなるN次元ベクトルとしてもよい。また、フーリエ変換処理部２０１の前段に、受信信号からナイキスト周波数ｆ_s/2以上の周波数成分を減衰させるアンチエイリアシング（anti-aliasing）フィルタ（アナログ又はデジタルフィルタ）を備えてもよいことは勿論である。 If the sampling frequency is _fs , the frequency spectrum _Yi obtained by an N-point FFT (N is a power of 2) contains N frequency components (complex frequency components) from the DC (Direct Current) component of frequency bin number (index) k=0 to k=(N-1) at intervals of Δf＝ _fs /N, of which the frequency components of frequency bin numbers k=(N/2+1) to (N-1) are the complex conjugates of the frequency components of frequency bin numbers k=N/2-1 to 1, folded around the Nyquist frequency _fs /2 (=Δf×N/2) of frequency bin number k=N/2. Note that in the frequency spectrum of a discrete signal, signals of frequency components beyond the Nyquist frequency _fs /2 of frequency bin number k=N/2 are generally not handled. Therefore, the frequency spectrum _Yi may be an N-dimensional vector consisting of a DC component (real part only) of frequency bin number k=0, complex frequency components (real and imaginary parts) of frequency bin numbers k=1 to N/2-1, and a Nyquist frequency component (real part only) of frequency bin number k=N/2. Of course, an anti-aliasing filter (analog or digital filter) that attenuates frequency components equal to or higher than the Nyquist frequency f _s /2 from the received signal may be provided in the stage preceding the Fourier transform processor 201.

複素係数乗算処理部２０２は、各受信素子の受信データをフーリエ変換して得た周波数スペクトルの各周波数成分（複素周波数成分）に対して、複素係数を乗算する。第ｉ番目の受信素子からの受信データX_i ^tをフーリエ変換（FFT演算）して得た周波数スペクトルY_iの周波数ビン番号k（k＝1～N/2-1）の複素周波数成分Y(i)_kを

… (5)
(振幅：A(i)_k，位相：θ(i)_k, j²=-1)とし、
複素係数を

… (6)
とすると、

… (7)
より、複素係数乗算処理の結果、周波数ビン番号kの位相成分はθ(i)_k＋θ_bfとなる。なお、位相θ(i)_kは、上式（１）の各受信素子での遅延を補償する位相に対応させるようにしてもよい。複素係数乗算処理部２０２による、周波数スペクトルの複素周波数成分（周波数ビン番号k＝1～N/2-1）の位相をθ_bfずらすことでビームの向きを変える処理は、ビームステアリングの処理に対応する。 The complex coefficient multiplication processing unit 202 multiplies each frequency component (complex frequency component) of the frequency spectrum obtained by Fourier transforming the reception data of each receiving element by a complex coefficient. The complex frequency component Y(i) k of the frequency bin number k (k = 1 to N/2-1) of the frequency spectrum Y _i obtained by Fourier transforming (FFT calculation) the reception data X _i ^t from the i-th receiving element _is

… (Five)
(Amplitude: A(i) _k , Phase: θ(i) _k , j ² =-1)
Complex coefficients

… (6)
Then,

… (7)
Therefore, as a result of the complex coefficient multiplication process, the phase component of frequency bin number k becomes θ(i) _k + θ _bf . Note that the phase θ(i) _k may correspond to a phase that compensates for the delay at each receiving element in the above formula (1). The process of changing the beam direction by shifting the phase of the complex frequency component (frequency bin number k = 1 to N/2-1) of the frequency spectrum by θ _bf , which is performed by the complex coefficient multiplication processor 202, corresponds to the beam steering process.

加算処理部２０３は、周波数領域で複素係数exp(jθ_bf)を乗算した各受信素子の受信データの周波数スペクトルに対して、周波数領域上で、周波数成分毎に加算する。すなわち、各ビーム毎に、周波数成分（振幅：A(i)_k，位相：θ(i)_k＋θ_bf）（k=1～N/2-1）の各々について、実部同士、虚部同士を加算する。その際、重み係数ｗ_ｉを乗算してもよい。第mビームの整相方位をθ_bf ^mとすると、第mビーム(m=1～M)の周波数スペクトルZ^mの周波数ビン番号ｋ（k=1～N/2-1）の周波数成分Z^m _kは以下で表される。 The addition processing unit 203 adds each frequency component in the frequency domain to the frequency spectrum of the received data of each receiving element multiplied by the complex coefficient exp(jθ _bf ) in the frequency domain. That is, for each beam, real parts and imaginary parts are added for each frequency component (amplitude: A(i) _k , phase: θ(i) _k + θ _bf ) (k=1 to N/2-1). At this time, a weighting coefficient w _i may be multiplied. If the phasing direction of the m-th beam is θ _bf ^m , the frequency component Z ^m _k of the frequency bin number k (k=1 to N/2-1) of the frequency spectrum Z ^m of the m-th beam (m=1 to M) is expressed as follows:

… (8)

ただし、

… (9)

… (10)

… (11)
Re（）とＩｍ（）は複素数の実部と虚部を表す。 however,

… (9)

… (Ten)

… (11)
Re() and Im() represent the real and imaginary parts of a complex number.

第mビーム(m=1～M)の周波数スペクトルZ^mにおいて、周波数ビン番号k=0であるDC成分Z^m ₀（実部のみ、虚部は0）は以下で与えられる。

… (12)
ただし、A(i)_０は、第ｉ番目（i=1～S）の受信素子からの受信データをフーリエ変換して得た周波数スペクトルY_iの周波数ビン番号k=0のDC成分、ｗ_ｉは上式(11)の重み係数である。周波数ビン番号k=N/2のナイキスト周波数成分Z_N/2 ^m（実部のみ、虚部は0）も、式(12)のDC成分と同様に、周波数スペクトルY_iの周波数ビン番号k=N/2の周波数成分（実部）を重み加算して求めてもよい。 In the frequency spectrum Z ^m of the m-th beam (m=1 to M), the DC component Z ^m ₀ (real part only, imaginary part is 0) at frequency bin number k=0 is given by the following:

… (12)
where A(i) ₀ is the DC component of frequency bin number k=0 of frequency spectrum _Yi obtained by Fourier transforming received data from the i-th (i=1 to S) receiving element, and w _i is the weighting coefficient in the above equation (11). The Nyquist frequency component Z _N/2 ^m (real part only, imaginary part is 0) of frequency bin number k=N/2 may also be obtained by performing weighted addition of the frequency component (real part) of frequency bin number k=N/2 of frequency spectrum _Yi , similar to the DC component in equation (12).

整相方位がθ_bf ^mの第mビームによる受信信号のパワーは

… (13)

で与えられる。信号強度は基準パワーP_０に対して、

（単位：dB）
… (14)
で与えられる。 The power of the received signal by the mth beam with a beam orientation of θ _bf ^m is

… (13)

The signal strength is given by the following with respect to the reference power _P0 :

(Unit: dB)
… (14)
is given by:

複素係数乗算処理部２０２と加算処理部２０３は、例えば第１～第Mビームのビーム方向の数分（M）、並行して行う。その結果、各ビーム方向に対する信号強度（上式(14)のm＝１～M）を得る。 The complex coefficient multiplication processing unit 202 and the addition processing unit 203 perform the process in parallel, for example, for the number of beam directions (M) of the first to Mth beams. As a result, the signal strength for each beam direction (m = 1 to M in the above equation (14)) is obtained.

方位検出処理部２０４は、各ビーム方向（ビームスキャン範囲内）の信号強度のうち最も大きな信号強度から信号の到来方位を決定する。例えば、整相方位θ_bf ^m（m＝１～M）のビームのうち、第ｒビームの信号強度が最も大きい場合、θ_bf ^ｒを信号到来方位とする。その際、ビームスキャン範囲の境界で信号強度が最大値となった場合には、当該方位を信号到来方位として選択しない。 The direction detection processing unit 204 determines the direction of arrival of the signal from the strongest signal strength among the signal strengths in each beam direction (within the beam scan range). For example, if the signal strength of the rth beam among the beams of the phasing direction θ _bf ^m (m = 1 to M) is the strongest, θ _bf ^r is selected as the direction of arrival of the signal. In this case, if the signal strength reaches the maximum value at the boundary of the beam scan range, that direction is not selected as the direction of arrival of the signal.

逆フーリエ変換処理部２０５は、各ビーム方向の信号強度の中で信号強度が最も大きい信号の周波数スペクトルを時間領域に変換する。信号強度が最大の第ｒビーム（１=<ｒ=<M）の周波数スペクトルZ^ｒにおいて周波数ビン番号k=０～N/2の周波数成分Z^ｒ _kは、前述した第ｍビームの周波数成分Z^ｍ _kのｍをｒとしたものであり、周波数ビン番号k=N/2+1～(N-1）の周波数成分Z^r _kは、周波数ビン番号k=N/2のナイキスト周波数を中心に折り返した周波数成分Z^ｒ _N-kの複素共役が設定される。

… (15) The inverse Fourier transform processing unit 205 transforms the frequency spectrum of the signal with the greatest signal strength among the signal strengths in each beam direction into the time domain. In the frequency spectrum Zr of the r-th beam (1=<r=<M) with the greatest signal strength, the frequency components _{Zr k} ^of frequency bin numbers k=0 to N/2 are the frequency components ^Zm _k of the ^m -th beam described above with m being r, and the frequency components ^Zr _k of frequency bin numbers k=N/2+1 to (N-1) are set as the complex conjugates of the frequency components ^Zr _Nk folded around the Nyquist frequency of frequency bin number k=N/2.

… (15)

逆フーリエ変換処理部２０５は周波数スペクトルZ^ｒをIFFT（Inverse FFT）することで、時間領域の信号X^t（N個のデータ）

… (16)
を出力する。 The inverse Fourier transform processing unit 205 performs IFFT (Inverse FFT) on the frequency spectrum ^Zr to generate a time domain signal ^Xt (N pieces of data)

… (16)
Output.

信号処理部１０４は、整相処理部１０３から出力された時間領域の信号を入力し、目標からの時間あるいは距離や、S/N等を求め、結果を表示部１０５に表示する。信号の方位については、整相処理部１０３の結果から求めている。 The signal processing unit 104 inputs the time domain signal output from the phasing processing unit 103, calculates the time or distance from the target, S/N, etc., and displays the results on the display unit 105. The direction of the signal is calculated from the results of the phasing processing unit 103.

図４は、表示部１０５の表示例の一例を模式的に示す図である。図４の横軸は方位（到来方位）、縦軸は時間（到来時間）を表しており、目盛線は各軸の間隔を示している。特に制限されないが、図４の例では、例えば第mビームの整相方位をθ_bf(m)とすると、横軸左端の方位４０１に対応する整相方位はθ_bf(1)、横軸右端の方位４０２に対応する整相方位はθ_bf(11)であり、ビームスキャン範囲は、整相方位に関してθ_bf(1)からθ_bf(11)の範囲に対応する。また、図４の例では、ビームスキャン範囲で信号強度が最大のビームだけでなく、信号強度が予め定められた閾値を超える信号も表示するようにしている。すなわち、ビームスキャン範囲内のビームによって得られた受信信号のうち信号強度が予め定められた閾値を超える信号を〇印で示しており、〇印の半径を信号強度に比例させて示している。表示は信号強度に対応させて輝度を可変させてもよい。 FIG. 4 is a diagram showing a schematic example of a display example of the display unit 105. In FIG. 4, the horizontal axis represents the direction (arrival direction), the vertical axis represents the time (arrival time), and the scale lines represent the intervals between the axes. In the example of FIG. 4, for example, if the phasing direction of the m-th beam is θ _bf (m), the phasing direction corresponding to the direction 401 at the left end of the horizontal axis is θ _bf (1), the phasing direction corresponding to the direction 402 at the right end of the horizontal axis is θ _bf (11), and the beam scan range corresponds to the range from θ _bf (1) to θ _bf (11) in terms of the phasing direction. In addition, in the example of FIG. 4, not only the beam with the maximum signal strength in the beam scan range but also signals whose signal strength exceeds a predetermined threshold are displayed. That is, signals whose signal strength exceeds a predetermined threshold among the received signals obtained by the beams within the beam scan range are displayed with a circle, and the radius of the circle is displayed in proportion to the signal strength. The brightness of the display may be varied in accordance with the signal strength.

ビームスキャン範囲の境界である方位４０１、４０２については、信号強度が予め定められた閾値より大きい場合も、結果を表示しない。 For directions 401 and 402, which are the boundaries of the beam scan range, the results are not displayed even if the signal strength is greater than a predetermined threshold.

本実施形態によれば、ビームスキャンを用いた整相処理を行う場合に、ビームスキャン範囲外から到来する信号による誤検出を防ぐ。 According to this embodiment, when performing phasing processing using beam scanning, erroneous detection due to signals arriving from outside the beam scanning range is prevented.

実施形態の変形例として、図２の処理を、複数同時に行い、表示部１０５を並べることで、より広範囲の方位について結果を示すことが可能になる。図５に示すように、ビームスキャン範囲を二つの範囲５０１、５０２に分けて処理を行った場合、ビームスキャン範囲５０２から到来する信号が、ビームスキャン範囲５０１の境界にも表示されることがある。ビームスキャン範囲５０１、５０２は、方位が一部で重複するように設定されている。この変形例においても、ビームスキャン範囲５０１の境界の信号は表示しない。このため、探索方位を複数に分割してビームスキャンを行った場合に、同一信号が複数表示されることを回避できる。 As a modified embodiment, by simultaneously performing the process of FIG. 2 multiple times and arranging the display units 105, it becomes possible to display the results for a wider range of directions. As shown in FIG. 5, when the beam scan range is divided into two ranges 501 and 502 and processing is performed, a signal arriving from the beam scan range 502 may also be displayed at the boundary of the beam scan range 501. The beam scan ranges 501 and 502 are set so that the directions partially overlap. Even in this modified embodiment, the signal at the boundary of the beam scan range 501 is not displayed. Therefore, when the search direction is divided into multiple ranges and beam scanning is performed, it is possible to avoid the same signal being displayed multiple times.

図６は、本発明のソーナー装置をコンピュータ装置６００に実装した場合の構成を説明する図である。図６を参照すると、コンピュータ装置６００は、プロセッサ６０１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等の半導体メモリ等（あるいは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等であってもよい）のメモリ６０２と、表示装置６０３と、図２の受信部１０２に接続するインタフェース６０４（バスインタフェース）を備えている。プロセッサ６０１はＤＳＰ（Digital Signal Processor）であってもよい。メモリ６０２に格納されたプログラム６０５を実行することで、プロセッサ６０１は、図２の整相処理部１０３、信号処理部１０４の処理を実行する。 FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration when the sonar device of the present invention is implemented in a computer device 600. Referring to FIG. 6, the computer device 600 includes a processor 601, a memory 602 such as a semiconductor memory such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), or an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) (or a HDD (Hard Disk Drive)), a display device 603, and an interface 604 (bus interface) that connects to the receiving unit 102 of FIG. 2. The processor 601 may be a DSP (Digital Signal Processor). By executing a program 605 stored in the memory 602, the processor 601 executes the processing of the phasing processing unit 103 and the signal processing unit 104 of FIG. 2.

上記実施形態では、受信アレイからの受信信号（デジタル受信データ）をFFTで周波数領域に変換し周波数成分に対して位相調整を行うことでビームステアリングを行う例を説明したが、時間領域でビームステアリングを行うようにしてもよい。また、図１、図５では、適応整相処理による信号強度を例示したが、本発明は、適応整相処理にのみ制限されるものでなく、受信アレイからの受信信号（デジタル受信データ）を使ってステアリングしたビームフォーミングを行う任意の整相処理に適用可能であることは勿論である。 In the above embodiment, an example was described in which beam steering was performed by converting the received signal (digital received data) from the receiving array into the frequency domain using FFT and adjusting the phase of the frequency components, but beam steering may also be performed in the time domain. Also, while Figs. 1 and 5 show examples of signal strength using adaptive phasing processing, the present invention is not limited to only adaptive phasing processing, and can of course be applied to any phasing processing that performs steered beamforming using the received signal (digital received data) from the receiving array.

なお、上記の非特許文献１の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施の形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。 The disclosure of Non-Patent Document 1 is incorporated herein by reference. Modifications and adjustments of the embodiments and examples are possible within the framework of the entire disclosure of the present invention (including the scope of the claims), and further based on the basic technical ideas. Furthermore, various combinations and selections of the various disclosed elements (including each element of each claim, each element of each example, each element of each drawing, etc.) are possible within the framework of the scope of the claims of the present invention. In other words, the present invention naturally includes various modifications and alterations that a person skilled in the art would be able to make in accordance with the entire disclosure, including the scope of the claims, and the technical ideas.

１００ソーナー装置
１０１受信アレイ
１０２受信部
１０３整相処理部
１０４信号処理部
１０５表示部
２０１フーリエ変換処理部
２０２複数係数乗算処理部
２０３加算処理部
２０４方位検出処理部
２０５逆フーリエ変換処理部
４０１ビームスキャン範囲始端
４０２ビームスキャン範囲終端
５０１ビームスキャン範囲
５０２ビームスキャン範囲
６００コンピュータ装置
６０１プロセッサ
６０２メモリ
６０３表示装置
６０４インタフェース
６０５プログラム 100 Sonar device
101 Receiving array 102 Receiving section 103 Phase adjustment processing section 104 Signal processing section 105 Display section 201 Fourier transform processing section 202 Multiple coefficient multiplication processing section 203 Addition processing section 204 Direction detection processing section 205 Inverse Fourier transform processing section 401 Beam scan range start end 402 Beam scan range end end 501 Beam scan range 502 Beam scan range 600 Computer device 601 Processor 602 Memory 603 Display device 604 Interface 605 Program

Claims

複数の受信器からなる受信アレイと、
ビームスキャンを用いて前記受信アレイからの受信信号の信号強度が最大値を取る方位を信号の到来方位とする整相処理部と、
前記信号の到来方向と前記信号強度の結果を表示する表示部と、
を備え、
前記整相処理部は、前記ビームスキャンの方位角範囲を画する境界で信号強度が最大値となった場合には、前記方位角範囲内での信号強度の極大値の有無に関わらず、前記境界の方位を、信号の到来方位から外し、表示対象としない手段を備えた、ことを特徴とするソーナー装置。 a receiving array consisting of a plurality of receivers;
a phasing processor that uses beam scanning to determine the direction in which the signal strength of the received signal from the receiving array is maximum as the signal arrival direction;
a display unit that displays the signal arrival direction and the signal strength results;
Equipped with
The sonar device is characterized in that the phasing processing unit is provided with a means for excluding the azimuth direction of the boundary from the arrival direction of the signal and not displaying it when the signal strength reaches a maximum value at the boundary defining the azimuth angle range of the beam scan, regardless of whether or not there is a maximum value of the signal strength within the azimuth angle range.

前記整相処理部は、前記ビームスキャンの方位角範囲が一部で重なる第１の方位角範囲と第２の方位角範囲について、前記第１の方位角範囲又は前記第２の方位角範囲を画する境界で信号強度が最大値となった場合には、前記境界の方位を、信号の到来方位から外すことを特徴とする請求項１記載のソーナー装置。 2. The sonar device according to claim 1, wherein, for a first azimuth angle range and a second azimuth angle range in which the azimuth angle ranges of the beam scan partially overlap, when the signal strength reaches a maximum value at a boundary defining the first azimuth angle range or the second azimuth angle range , the phasing processing unit excludes the azimuth of the boundary from the arrival direction of the signal.

複数の受信器からなる受信アレイを有し、ビームスキャンを用いて前記受信アレイからの受信信号の信号強度が最大値を取る方位を信号の到来方位とし、前記信号の到来方向と前記信号強度の結果を表示部に表示するソーナー装置における制御方法であって、
前記ビームスキャンの方位角範囲を画する境界で信号強度が最大値となった場合には、前記方位角範囲内での信号強度の極大値の有無に関わらず、前記境界の方位を、信号の到来方位から外し、表示対象としない、ことを特徴とする制御方法。 A control method for a sonar device having a receiving array consisting of a plurality of receivers, determining a direction in which a signal strength of a received signal from the receiving array is maximum using beam scanning as a signal arrival direction, and displaying the signal arrival direction and the signal strength on a display unit , comprising:
a control method characterized in that, when the signal strength reaches a maximum value at a boundary defining an azimuth angle range of the beam scan, the azimuth of the boundary is excluded from the signal arrival azimuth and is not displayed , regardless of whether or not there is a maximum value for the signal strength within the azimuth angle range .

前記ビームスキャンの方位角範囲が一部で重なる第１の方位角範囲と第２の方位角範囲について、前記第１の方位角範囲又は前記第２の方位角範囲を画する境界で信号強度が最大値となった場合には、前記境界の方位を、信号の到来方位から外すことを特徴とする請求項３記載の制御方法。 4. The control method according to claim 3, characterized in that, for a first azimuth angle range and a second azimuth angle range in which the azimuth angle ranges of the beam scan partially overlap, when the signal strength reaches a maximum value at a boundary defining the first azimuth angle range or the second azimuth angle range , the azimuth of the boundary is excluded from the arrival azimuth of the signal.

複数の受信器からなる受信アレイと、信号の到来方向と信号強度の結果を表示する表示部とを有するソーナー装置のコンピュータに、
ビームスキャンを用いて前記受信アレイからの受信信号の信号強度が最大値を取る方位を信号の到来方位とする処理であって、
前記ビームスキャンの方位角範囲を画する境界で信号強度が最大値となった場合には、前記方位角範囲内での信号強度の極大値の有無に関わらず、前記境界の方位を、信号の到来方位から外し、表示対象としない処理を実行させるプログラム。 A computer of a sonar device having a receiving array consisting of a plurality of receivers and a display unit that displays the result of the signal arrival direction and signal strength,
A process of determining, as the arrival direction of a signal, a direction in which a signal strength of a received signal from the receiving array is maximum using beam scanning,
A program that executes a process in which, when the signal strength reaches a maximum value at a boundary defining the azimuth angle range of the beam scan, the boundary direction is excluded from the signal arrival direction and is not displayed , regardless of whether or not there is a maximum value for the signal strength within the azimuth angle range .

前記ビームスキャンの方位角範囲が一部で重なる第１の方位角範囲と第２の方位角範囲について、前記第１の方位角範囲又は前記第２の方位角範囲を画する境界で信号強度が最大値となった場合には、前記境界の方位を、信号の到来方位から外す、請求項５記載のプログラム。 6. The program according to claim 5, wherein, for a first azimuth angle range and a second azimuth angle range in which the azimuth angle ranges of the beam scan partially overlap, if the signal strength reaches a maximum value at a boundary defining the first azimuth angle range or the second azimuth angle range , the azimuth of the boundary is excluded from the arrival azimuth of the signal.