JP2009053061A - 目標信号検出装置及び目標信号検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目標の位置を予測する閾値を制御することにより、目標を安定して検出することができる目標信号検出装置を得ることにある。
【解決手段】送受波器は、水中に音波を発信し、目標からの反響音を受信処理する。信号処理部は、受信信号が有する複数の要素を抽出し、抽出した特徴素を複数の時系列信号として出力する。信号検出部は、時系列信号の目標らしき信号を抽出し、特徴素を算出する。目標検出部は、時系列信号ごとに目標信号を統合して位置を算出する。目標類別部は、統合された各特徴素に対して重み付けを行い、統合された目標信号の目標らしさの程度を示す確信度を算出する。目標追尾部は、目標の予測位置を算出し、実際に検出した目標との相関を実施する。目標検出最適化処理部は、目標の予測位置を利用し、信号検出部を最適化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水中に音波を発信し、その反響音を受信して目標信号を検出する目標信号検出装置及び目標信号検出方法に関し、特に目標からの反響音を自動探知および自動類別することができる目標信号検出装置及び目標信号検出方法に関する。

この種の目標信号検出装置は、追尾する目標などに対して発信した音波の反響音を、目標信号として検出する作業を支援するために用いられている。すなわち、目標信号検出装置は、操作員が表示装置に表示される画像や音響装置から聞き取る反響音より目標信号を検出する作業を支援するものとして用いられる。

従来の目標信号検出装置の一例は、送受波器、信号処理部、信号検出部、目標検出部、目標類別部、重みづけテーブル、及び表示部を備えている（特許文献１を参照）。

この従来技術は、目標に当てた信号の反響音の持つ複数の特徴素を抽出・統合して、これら特徴素から反響音の目標らしさの程度を示す確信度を算出し、この確信度を用いて目標からの信号か否かを判断することにより、残響等の影響を受けずに目標の検出率の向上を図っている。

しかしながら、この従来の目標信号検出装置は、船舶に搭載し使用される場合、目標との相対位置が変化することによって、反響音あるいは背景雑音の振幅変化や反響音の途切れが生じて、追尾ができなくなるという問題がある。

特許第２８２６４９４号

上述した従来の装置は、予め特定できる信号区間内で目標の検出率を向上させるものであったため、当該装置を船舶に搭載するなど、反響音あるいは背景雑音が絶えず変動する環境の場合に、追尾ができなくなるという問題点がある。

本発明の目的は、上述した課題である追尾ができなくなることを解決する目標信号検出装置及び目標信号検出方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の目標信号検出装置は、水中に音波を発信し、目標からの反響音を受信ビーム毎に処理する送受波器と、前記送受波器で処理された受信信号を入力し、該受信信号が有する複数の要素について抽出した複数の時系列信号を出力する信号処理部と、前記複数の時系列信号のそれぞれを閾値処理して目標らしき信号を抽出し、目標らしき信号区間に含まれる特徴素を前記複数の時系列信号のそれぞれにおいて算出する信号検出部と、前記複数の時系列信号それぞれにおいて抽出された前記目標らしき信号を統合することにより、統合された目標の位置を算出するとともに統合された目標の特徴素を出力する目標検出部と、前記統合された目標の特徴素に対する重み付けを行い、前記重み付けに基づいて前記統合された目標の位置および特徴素から目標らしさの程度を示す確信度を算出する目標類別部とを有する目標信号検出装置であって、前記統合された目標の位置と過去の観測位置との相関を求めるとともに、追尾目標との相対的位置の変化および変化速度に基づいて、追尾目標が次回の観測時に見込まれる予測位置を算出する目標追尾部と、前記予測位置に基づいて、次回の観測時の信号区間を特定し、特定した信号区間における閾値情報を前記信号検出部に出力する目標検出最適化処理部とを備えることを特徴としている。

また、本発明の目標信号検出方法は、水中に音波を発信し、目標からの反響音を受信ビーム毎に処理し、処理された受信信号を入力し、該受信信号が有する複数の要素について抽出した複数の時系列信号を出力し、前記複数の時系列信号のそれぞれを閾値処理して目標らしき信号を抽出し、目標らしき信号区間に含まれる特徴素を前記複数の時系列信号のそれぞれにおいて算出し、前記複数の時系列信号それぞれにおいて抽出された前記目標らしき信号を統合することにより、統合された目標の位置を算出するとともに統合された目標の特徴素を出力し、前記統合された目標の特徴素に対する重み付けを行い、前記重み付けに基づいて前記統合された目標の位置および特徴素から目標らしさの程度を示す確信度を算出する目標信号検出方法であって、前記統合された目標の位置と過去の観測位置との相関を求めるとともに、追尾目標との相対的位置の変化および変化速度に基づいて、追尾目標が次回の観測時に見込まれる予測位置を算出し、前記予測位置に基づいて、次回の観測時の信号区間を特定し、特定した信号区間における閾値情報を用いて前記閾値処理を行うことを特徴としている。

本発明の目標信号検出装置及び目標信号検出方法によれば、目標の位置を予測する手段を備え、予測位置に基づいて信号区間を特定し、その信号区間における閾値を制御することにより、目標を安定して検出することができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態の目標信号検出装置を示すブロック図である。

図１に示す本実施の形態の目標信号検出装置は、送受波器１と、信号処理部２と、信号検出部３と、目標検出部４と、目標類別部５と、目標追尾部６と、目標検出最適化処理部７と、表示部８とを含んで構成されている。

次に、本実施の形態の目標信号検出装置の各部の動作について説明する。

送受波器１は、複数個の電気音響変換素子が配列された構成を有し、一定間隔で形成したビームで水中に音波を発信するとともに、目標からの反響音を受信してビームごとに処理を行う。

信号処理部２は、送受波器１により受信された信号を入力し、その信号が有する複数の要素に注目して抽出した複数の時系列信号および受信信号の方位を出力する。複数の時系列信号は、振幅系、位相誤差分散系およびドップラー分析系の３系統の各信号を含む。

信号検出部３は、信号処理部２から出力される３系統の時系列信号のそれぞれからその信号のレベルおよびその持続時間に基づいて目標らしき信号区間を抽出し、その区間の信号を目標信号とする。また、信号検出部３は、その信号区間における目標信号の目標情報およびその目標の方位および距離を算出し、信号検出部３に出力する。信号検出部３の各系統の動作について、以下に説明する。

信号検出部３の振幅系では、信号処理部２から出力される受信信号の振幅値およびその方位の時系列信号を入力し、振幅値が予め設定された第１の閾値を越える信号を第１の目標らしき信号として検出する。そして、この第１の目標らしき信号の時系列的な連続性からその第１の目標らしき信号の信号長を算出し、この信号長が予め定められた範囲内であれば前記第１の目標らしき信号を第１の目標信号として検出する。さらに、検出された第１の目標信号の方位および距離で示される目標検出位置および振幅値の最大値を算出する。

位相誤差分散系では、信号処理部２から出力される受信信号の位相誤差分散値およびその方位の時系列信号を入力し、位相誤差分散値が予め設定された第２の閾値を下回る信号を第２の目標らしき信号として検出する。また、この第２の目標らしき信号の時系列的な連続性からその第２の目標らしき信号の信号長を算出し、この信号長が予め定められた範囲内であれば第２の目標らしき信号を第２の目標信号として検出する。さらに、検出された第２の目標信号の方位および距離で示される目標検出位置および前記位相誤差分散値の最小値を算出する。

ドップラー分析系では、信号処理部２から出力される受信信号スペクトルおよび受信信号の方位の時系列信号を入力し、その受信信号スペクトルから残響信号を除去し、受信信号スペクトルにおける同時刻のスペクトル群の中で最大のスペクトル値を抽出する。そして、最大のスペクトル値が予め設定された第３の閾値を越える信号を第３の目標らしき信号として検出する。さらに、この第３の目標らしき信号の時系列的な連続性および周波数的な連続性に基づいてその第３の目標らしき信号の信号長を算出し、この信号長が予め定めた範囲内であれば第３の目標らしき信号を第３の目標信号として検出する。続いて、この検出された第３の目標信号の方位および距離で示される目標検出位置およびスペクトルの最大値およびこの最大値を示すスペクトルに対応した周波数を算出する。

目標検出部４は、信号検出部３により３つの時系列信号のそれぞれで抽出された各目標信号の目標情報を、それぞれの時系列信号から検出される目標の方位および距離で示される目標検出位置にしたがって統合し、統合後の目標位置を算出し、統合された目標信号の目標情報として目標類別部５に出力する。

目標類別部５は、目標検出部から出力される統合された目標信号の目標情報に対して、予め目標情報ごとに重み値が登録された重み付けを行い、重み付けされた目標情報から、統合された目標信号の目標らしさの程度を示す確信度を算出する。また、目標類別部５は、算出された確信度が予め設定された第５の閾値を越えた場合の統合された目標信号により示される目標を検出目標として、表示部８に出力する。

以上に説明した送受波器１、信号処理部２、後述する閾値制御部３１を除く信号検出部３，目標検出部４および目標類別部５の構成は、特許第２８２６４９４号に開示された、送受波器１、信号処理部２、信号検出部３，目標検出部４および目標類別部５の構成および動作と同一であるため、詳細な動作説明を省略する。

図２は、図１に示す目標信号検出装置の目標検出最適化処理部および目標検出部の構成を示すブロック図である。

図２に示すように、本実施の形態においては、信号検出部３には閾値制御部３１が含まれる。閾値制御部３１は、後述する目標検出最適化処理部７からの情報に基づき、信号検出部３の各系統の閾値を動的に制御する。

また、本実施の形態において、目標類別部５は、目標信号から類別した検出目標あるいは検出目標の目標情報を目標追尾部６に出力する。

続いて、目標追尾部６は、目標類別部５から出力される検出目標の目標情報を保存し、本検出装置（センサ）を搭載した移動体の針路および速力、すなわち追尾対象の目標との相対的位置の変化および変化速度に基づいて、次回の観測時に推定されるその追尾対象の目標の予測位置を算出する。また、目標追尾部６は、目標類別部５から出力される追尾対象の目標の観測位置と過去の目標情報（観測位置）との相関を求め、同一目標（相関が高い）と判断した場合には、その目標に対して同一の管理番号を付与する。相関が低い場合には、相関があるものとして、次回観測時の予測位置を算出するが、区別するため失探フラグを立てる。この失探フラグが、一連の観測でＮ回連続して立つ場合には、保存した過去の目標情報を消去し以降の相関処理を取りやめる。

目標追尾部６は、上述の処理を行った結果として、所定の期間毎に、追尾対象に付与される目標管理番号、連続追尾回数、連続失探回数、失探フラグ、目標の位置、目標らしさの程度を示す確信度、予測位置、予測誤差を目標検出最適化処理部７に出力する。なお、予測誤差は、予測位置と実際に観測された位置との差を平均化し、予測位置を中心とする半径で定義することができる。

なお、目標追尾部としては、カルマンフィルタの理論ほかに、α−βトラッカ、α−β−γトラッカ、カルマンフィルタなどの理論を利用することができる。

目標検出最適化処理部７は、追尾確信度算出部７１と、最適化範囲算出部７２と、最適化量算出部７３とを含んで構成される。

追尾確信度算出部７１は、目標追尾部６から通知される連続追尾回数、連続失探回数および確信度より、追尾状況の良し悪しを追尾確信度として算出する。

最適化範囲算出部７２は、目標追尾部６で算出された検出目標の予測位置と追尾確信度算出部７１で算出された追尾確信度とに基づいて、次回の観測における地理的な範囲（信号区間）を特定する。

最適化量算出部７３は、追尾確信度算出部７１で算出された追尾確信度に基づき、信号検出部３の各閾値制御部で使用される閾値の制御量を算出する。

したがって、目標検出最適化処理部７は、目標類別部５で類別された検出目標が、相対的位置を変化させる場合に、目標追尾部６における追尾対象の目標の観測結果に基づいて、次回の観測時の目標位置（信号区間）とその信号区間における閾値制御量を信号検出部３に出力する。

表示部８は、信号処理部２の結果をビデオ表示し、目標類別部５および目標追尾部６の結果をシンボルとして、ビデオに重畳表示する。

次に、本実施の形態の目標信号検出装置の閾値制御動作について説明する。

図２によれば、信号検出部３は、閾値制御部３１および閾値処理部３２を含んでいる。閾値処理部３２は、信号検出部３に含まれる振幅系、位相誤差分散系およびドップラー分析系の各系統に備えられる各閾値処理部を総括して表したものである。

また、目標検出最適化処理部７は、追尾確信度算出部７１と、制御範囲算出部７２と、制御量算出部７３とを含んでいる。

目標検出最適化処理部７は、目標追尾部６から出力される目標管理番号、連続追尾回数、連続失探回数、失探フラッグ、目標の位置、目標らしさの程度を示す確信度、予測位置、予測誤差を入力する。

目標検出最適化処理部７の追尾確信度算出部７１は、目標管理番号ｎについての追尾確信度ＴＣｎを以下の式により算出する。
ＴＣｎ＝（Ｍ（ＴＰｎ）＋ｌｏｇ１０（ＣＮｎ−ＬＮｎ））／２
ただし、ＣＮｎ−ＬＮｎ≧１、ＴＣｎ≦１である。
ここで、Ｍ（ＴＰｎ）は、目標管理番号ｎについて、観測ごとの確信度の平均値を示し、ＣＮｎは、目標管理番号ｎについての連続追尾回数を示し、ＬＮｎは、目標管理番号ｎについての連続失探回数を示す。

最適化範囲算出部７２は、目標管理番号ｎについての制御半径Ｒｎを以下の式により算出する。
Ｒｎ＝ＰＥｎ×Ａ
ここで、ＰＥｎは、目標管理番号ｎについての予測誤差を示し、Ａは、補正値（定数）を示す。

最適化量算出部７３は、目標管理番号ｎについての閾値変更の係数となる制御量ＣＶｎを、以下の式により算出する。
ＣＶｎ＝１／（１＋ＴＣｎ×Ｂ）
ここで、Ｂは補正値（定数）を示す。

以上の構成および動作により、目標検出最適化処理部７は、目標信号に関して算出した制御半径Ｒおよび制御量ＣＶを、目標追尾部６で算出された予測位置と合わせて、信号検出部３の閾値制御部３１へ出力する。

閾値制御部３１は、目標検出最適化処理部７から出力された予測位置に基づいて、センサを中心とする各受信ビームの中で予測位置に該当するビームを選定し、さらにセンサからの距離範囲を算出する。

図３は、目標信号の位置座標（直交座標）から極座標への座標変換を説明するための図である。図３（ａ）は、Ｎ−１回目の送信位置に対するＮ−１回目の目標観測位置が、Ｎ回目の送信位置に対するＮ回目の目標予測位置に変化する様子を示す図であり、図３（ｂ）は、Ｎ回目の送信時に目標予測位置を制御範囲とする座標変換を示す図である。

すなわち、信号検出部３の閾値制御部３１は、絶対位置（直交座標）で表現された目標の予測位置から、センサ位置を中心として座標変換し、次回の送信時における、該当する制御対象ビームと制御開始距離および制御終了距離（距離範囲）を求める。また、閾値制御部３１は、制御対象ビームについて受信信号を処理し、閾値処理を行っているビームを選択する。さらに、閾値制御部３１は、このビームでの受信信号処理において、水中音速に基づき、制御開始距離と制御終了距離とから閾値を制御する信号区間（閾値制御区間）を算出する。

最後に、閾値制御部３１は、この信号区間の閾値情報ＴＨを次の式より算出する。
ＴＨ＝ＴＨ０×（Ｃ×ＣＶ）
ここで、ＴＨ０は、信号検出部３における各系統の閾値処理で固定的に利用される閾値である。また、Ｃは補正係数（定数）であり、各処理系で個別に設定される。

閾値処理部３２は、制御量ＣＶ、制御対象ビーム、制御開始距離および制御終了距離を入力し、制御対象ビーム、制御開始距離および制御終了距離により特定された信号区間（閾値制御区間）において、制御量ＣＶに基づき閾値を変更する。

図４は、閾値制御区間においてのみ閾値制御を行うことを説明するための図である。

図２に示す信号検出部３の閾値処理部３２は、制御対象ビーム、制御開始距離および制御終了距離から、対応する時間軸の閾値制御区間でのみ目標信号検出のための閾値を制御し、閾値を超えた信号を目標信号として検出する。なお、閾値処理部３２は、上述した通り、信号検出部３の振幅系、位相誤差分散系およびドップラー分析系のそれぞれの閾値処理部を含んでいる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、目標追尾部６および目標検出最適化処理部７を備えることにより、次回の観測時に推定される目標の位置を予測するとともに追尾確信度を算出することとしている。これより、次回の観測時の信号区間を特定し、且つ追尾確信度に基づいて、特定した信号区間の閾値を最適化することができる。すなわち、信号検出部３において信号区間を特定し、特定した信号区間（閾値制御区間）において目標信号を検出する閾値を制御することにより、目標を安定して検出することができる。

したがって、本実施の形態の目標信号検出装置及び目標信号検出方法によれば、反響音の変動あるいは背景音などの混入する環境条件であっても、目標信号を安定的に連続して検出することができる。なお、本発明の目標信号検出装置は、上記実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適宜変更され得ることは明らかである。

本発明の実施の形態の目標信号検出装置を示すブロック図である。 図１に示す目標信号検出装置の目標検出最適化処理部および目標検出部の構成を示すブロック図である。 目標信号の位置座標（直交座標）から極座標への座標変換を説明するための図である。 閾値制御区間においてのみ閾値制御を行うことを説明するための図である。

符号の説明

１ 送受波器
２ 信号処理部
３ 信号検出部
４ 目標検出部
５ 目標類別部
６ 目標追尾部
７ 目標検出最適化処理部
８ 表示部
３１ 閾値制御部
３２ 閾値処理部
７１ 追尾確信度算出部
７２ 制御範囲算出部
７３ 制御量算出部

Claims (10)

1. 水中に音波を発信し、目標からの反響音を受信ビーム毎に処理する送受波器と、
   前記送受波器で処理された受信信号を入力し、該受信信号が有する複数の要素について抽出した複数の時系列信号を出力する信号処理部と、
   前記複数の時系列信号のそれぞれを閾値処理して目標らしき信号を抽出し、目標らしき信号区間に含まれる特徴素を前記複数の時系列信号のそれぞれにおいて算出する信号検出部と、
   前記複数の時系列信号それぞれにおいて抽出された前記目標らしき信号を統合することにより、統合された目標の位置を算出するとともに統合された目標の特徴素を出力する目標検出部と、
   前記統合された目標の特徴素に対する重み付けを行い、前記重み付けに基づいて前記統合された目標の位置および特徴素から目標らしさの程度を示す確信度を算出する目標類別部と、
   を有する目標信号検出装置であって、
   前記統合された目標の位置と過去の観測位置との相関を求めるとともに、追尾目標との相対的位置の変化および変化速度に基づいて、追尾目標が次回の観測時に見込まれる予測位置を算出する目標追尾部と、
   前記予測位置に基づいて、次回の観測時の信号区間を特定し、特定した信号区間における閾値情報を前記信号検出部に出力する目標検出最適化処理部と、を備えることを特徴とする目標信号検出装置。
2. 前記目標追尾部は、前記目標類別部から出力される前記統合された目標の現在位置と観測された過去の位置との相関を求め、相関が低い場合には失探フラグを立て、相関が高い場合と同様に、次回の観測時の前記予測位置および予測誤差を算出するとともに、連続追尾回数及び該連続追尾回数に占める連続失探回数を計数することを特徴とする請求項１記載の目標信号検出装置。
3. 前記目標追尾部は、前記失探フラグがＮ（正の整数）回連続して立つ場合には、過去の観測位置を消去し、以降の相関処理を取りやめることを特徴とする請求項２記載の目標信号検出装置。
4. 前記目標検出最適化処理部は、前記目標追尾部における前記連続追尾回数、前記連続失探回数および前記目標類別部における前記確信度の平均値の情報を受信し、これらの情報から追尾確信度を算出し、前記追尾確信度に基づき次回の観測時の信号区間を特定し、前記追尾確信度に基づき前記閾値処理のための閾値制御量を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の目標信号検出装置。
5. 前記信号検出部は、前記目標検出最適化処理部から前記次回の観測時の信号区間および前記閾値制御量を受信し、前記目標らしき信号を検出するための信号区間として、対象ビームおよびビーム到達距離範囲における閾値を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の目標信号検出装置。
6. 水中に音波を発信し、目標からの反響音を受信ビーム毎に処理し、
   処理された受信信号を入力し、該受信信号が有する複数の要素について抽出した複数の時系列信号を出力し、
   前記複数の時系列信号のそれぞれを閾値処理して目標らしき信号を抽出し、目標らしき信号区間に含まれる特徴素を前記複数の時系列信号のそれぞれにおいて算出し、
   前記複数の時系列信号それぞれにおいて抽出された前記目標らしき信号を統合することにより、統合された目標の位置を算出するとともに統合された目標の特徴素を出力し、前記統合された目標の特徴素に対する重み付けを行い、
   前記重み付けに基づいて前記統合された目標の位置および特徴素から目標らしさの程度を示す確信度を算出する目標信号検出方法であって、
   前記統合された目標の位置と過去の観測位置との相関を求めるとともに、追尾目標との相対的位置の変化および変化速度に基づいて、追尾目標が次回の観測時に見込まれる予測位置を算出し、
   前記予測位置に基づいて、次回の観測時の信号区間を特定し、特定した信号区間における閾値情報を用いて前記閾値処理を行うことを特徴とする目標信号検出方法。
7. 前記目標信号検出方法は、前記統合された目標の現在位置と観測された過去の位置との相関を求め、相関が低い場合には失探フラグを立て、相関が高い場合と同様に、次回の観測時の前記予測位置および予測誤差を算出するとともに、連続追尾回数及び該連続追尾回数に占める連続失探回数を計数することを特徴とする請求項６記載の目標信号検出方法。
8. 前記目標信号検出方法は、前記失探フラグがＮ（正の整数）回連続して立つ場合には、過去の観測位置を消去し、以降の相関処理を取りやめることを特徴とする請求項７記載の目標信号検出方法。
9. 前記目標信号検出方法は、前記連続追尾回数、前記連続失探回数および前記確信度の平均値の情報から追尾確信度を算出し、前記追尾確信度に基づき次回の観測時の信号区間を特定し、前記追尾確信度に基づき前記閾値処理のための閾値制御量を算出することを特徴とする請求項６又は７記載の目標信号検出方法。
10. 前記目標信号検出方法は、前記次回の観測時の信号区間および前記閾値制御量を受信し、前記目標らしき信号を検出するための信号区間として、対象ビームおよびビーム到達距離範囲における閾値を制御することを特徴とする請求項６乃至９のいずれか記載の目標信号検出方法。

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