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JP4269149B2 - Passive sonar simulation signal generation method and apparatus - Google Patents
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JP4269149B2 JP2003135111A JP2003135111A JP4269149B2 JP 4269149 B2 JP4269149 B2 JP 4269149B2 JP 2003135111 A JP2003135111 A JP 2003135111A JP 2003135111 A JP2003135111 A JP 2003135111A JP 4269149 B2 JP4269149 B2 JP 4269149B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パッシブソーナーの性能評価、操作訓練等に用いられる模擬データを生成するソーナー模擬信号発生装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来この分野の技術としては、所要のスペクトルレベル特性を有するフィルタを用意し、白色雑音をこれに通すことで信号を模擬する方法が知られている。一般にソーナー模擬対象としては、狭帯域のナローバンド信号、広帯域のブロードバンド信号および海中の背景雑音が挙げられるが、この方法はいずれの模擬にも適用可能である(特許文献1、2参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平02−278177号公報
【特許文献2】
特開平01−305386号公報
【0004】
例えば特許文献1ではブロードバンド信号模擬として、模擬対象のブロードバンド信号のスペクトル分布を用意して、これと同等の通過特性について特性可変フィルタを用いて実現し、これに白色雑音を通すことで模擬信号を生成している。
【0005】
この方法はブロードバンド信号のみならず、ナローバンド信号および背景雑音の模擬にも適用可能であり、それぞれの信号または雑音のスペクトルレベル特性を有するフィルタを実現すれば、これに白色雑音を通すことで所要の模擬データを得ることが出来る。
【0006】
また、個別に信号および雑音の模擬データを生成する場合は、例えば特許文献2のように、それぞれの模擬データを線形加算することで複数信号を重畳した模擬データを得ることが出来る。
【0007】
図8は、従来のパッシブソーナー模擬信号発生装置の構成を示す図である。スペクトルレベル特性の情報を出力するスペクトルレベル特性部1aと、白色雑音生成部2aと、スペクトル形状フィルタ部3aと、パッシブソーナーの模擬データ部4aと、パッシブソーナー信号処理部5aと、ローファグラム6aとから構成され、前記パッシブソーナー信号処理器5aはFFT(高速フーリェ変換)部51a、正規化処理部52a及び階調変換部53aとから構成される。
【0008】
模擬対象となる艦艇固有のスペクトルレベル特性をS(f)とする。ここでスペクトルレベル特性S(f)は、ナローバンド信号、ブロードバンド信号および背景雑音をまとめて一つのスペクトルレベル特性として表したものである。スペクトルレベル特性部1aの出力S(f)により、S(f)と同じ通過特性を持つスペクトル形状フィルタF(f)を構成し、これに白色雑音部2aで発生した白色雑音n(t)を通過させ、その出力d(t)を模擬データ部4aに模擬データr(t)として蓄積する。
【0009】
模擬データr(t)は、パッシブソーナー信号処理部5aで信号処理を行うことで時間周波数分析データ(ローファグラム)が得られる。パッシブソーナー信号処理部5aは、FFT部51aで模擬データr(t)を高速フーリェ変換し、変換後のデータを正規化処理部52aで正規化を行い、正規化信号を階調変換部53aで階調変換して、スペクトルレベル特性S(f)に応じたローファグラム6aが生成される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパッシブソーナー模擬信号発生装置では、白色雑音として一つの正規分布乱数及びフィルタから模擬信号を発生させるように構成しており、周波数領域における信号、雑音のばらつきは、単一の乱数を使用することにより何れの周波数帯域でも同一の分散を持つことになり、同一データに含まれる複数信号毎にレベル分散、ライン幅のばらつきを設定することができず、模擬精度が不充分であるという問題がある。
【0011】
また、正規分布乱数に基づく模擬信号発生を用いた場合、周波数領域における信号、雑音のばらつきを正規分布乱数のフーリェ変換で表現するため、そのばらつき度合いは統計的に一定となって信号に応じて個別に設定することができないことになり、実際の信号で観測される様々なレベル分散、ライン幅のばらつきに対応できず、模擬精度が不充分であるという問題がある。
【0012】
このように従来のパッシブソーナー模擬信号発生装置では、白色雑音として実際の背景雑音に近いとされる正規分布乱数が用いられているが、実際のデータでは信号および雑音は多様なばらつきを持ち、正規分布乱数から生成されるローファグラムとは様相が異なる場合が多い。つまり、ナローバンド信号のレベルおよびライン幅のばらつきは、信号毎にその様相が異なる場合が多く、また観測者に与える見た目の影響が大きいため、より忠実な模擬が求められる。
【0013】
(目的)
本発明の目的は、模擬精度の性能を向上させ、より実データに近いパッシブソーナー模擬信号を生成できるパッシブソーナー模擬信号発生方法及び装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、パッシブソーナー模擬信号の模擬精度を向上させ、より実データに近い模擬ソーナー映像の提供を可能とすることにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明のソーナー模擬信号発生方法は、ソーナーの模擬データを生成するソーナー模擬信号発生方法であって、模擬対象となる信号及び雑音毎に、異なる確率密度分布の時系列乱数を用いて模擬データを生成し、これらを加算することで模擬データを得ることを特徴とし、又は、周波数領域におけるレベル分散およびライン幅のばらつきを、時間領域での確率密度分布により設定、模擬することを特徴とする。
【0015】
本発明のソーナー模擬信号発生装置は、ソーナーの模擬データを生成するソーナー模擬信号発生装置であって、模擬対象となる信号及び雑音毎に異なる確率密度分布の時系列乱数を生成し、信号及び雑音毎の模擬データを生成する模擬データ生成部(例えば図1の101〜401、102〜402、103〜403、104〜404)と、前記模擬データ生成部の出力を加算して模擬データを出力する信号合成部(例えば図1の50)とを備えることを特徴とし、又は、模擬対象となる信号又は雑音毎に異なる確率密度分布の時系列乱数を生成し、信号又は雑音毎の模擬データを生成する模擬データ生成部(例えば図1の101〜401、102〜402、103〜403、104〜404)を備え、模擬データの周波数領域におけるレベル分散およびライン幅のばらつきを、時間領域での確率密度分布により設定、模擬することを特徴とする。
【0016】
より具体的には、ソーナーの模擬データを生成するソーナー模擬信号発生装置であって、模擬対象となる信号及び雑音毎に、それぞれの異なる確率密度分布の時系列乱数を生成する複数の乱数生成部(例えば図7の21〜41)と、前記複数の乱数生成部の出力を入力とし、それぞれの平均スペクトル形状の通過特性を有する複数のフィルタ(例えば図7の26〜46、27〜47)と、前記複数のフィルタの出力を合成して模擬データを合成する信号合成部(例えば図7の5)と、を有することを特徴とし、更に、前記時系列乱数のレベル分散、信号の中心周波数とライン幅及びSN比の設定情報を保持するパラメータテーブル(例えば図7の1)を有し、前記パラメータテーブルに設定されたレベル分散により前記乱数生成部の時系列乱数のレベル分散を設定し、前記パラメータテーブルに設定された中心周波数とライン幅とSN比により前記フィルタの通過特性を設定することを特徴とする。
【0017】
また、ソーナーの模擬データを生成するソーナー模擬信号発生装置であって、模擬対象となる信号及び雑音毎に、それぞれの異なる確率密度分布の時系列乱数を生成する複数の乱数生成部(例えば図2の21〜41)と、前記複数の乱数生成部の出力を入力とし、それぞれの平均スペクトル形状の通過特性を有する複数のフィルタ(例えば図2の22〜42、24〜44)と、前記複数のフィルタの出力を入力とし、それぞれの合成ゲインを乗算して出力する合成ゲイン乗算部(例えば図2の23〜43、25〜45)と、前記合成ゲイン乗算部の出力を合成して模擬データを合成する信号合成部(例えば図2の5)と、を有することを特徴とし、更に、前記時系列乱数のレベル分散、信号の中心周波数とライン幅及びSN比の設定情報を保持するパラメータテーブル(例えば図2の1)を有し、前記パラメータテーブルに設定されたレベル分散により前記乱数生成部の時系列乱数のレベル分散を設定し、前記パラメータテーブルに設定された中心周波数とライン幅により前記フィルタの通過特性を設定し、前記パラメータテーブルに設定されたSN比により前記合成ゲインを設定することを特徴とする。
【0018】
図1は、本発明の一具体例の原理を示す図である。本具体例の模擬対象データは、合計n−1本のナローバンド及びブロードバンド信号S〜Sn−1と背景雑音模擬データSとで構成される。
信号Sのスペクトル形状を有するフィルタ(スペクトル形状フィルタ)102を用意し、これに乱数生成部101が生成する信号Sの模擬用の時系列乱数1を通すことで、信号1模擬データを生成する。同様に信号Sのスペクトル形状を有するフィルタ202に、乱数生成部201が生成する信号Sの模擬用の時系列乱数2を通すことで、信号2模擬データを生成する。同様に合計n−1本の信号について、フィルタ302、乱数生成部301を用いて合計n−1本の模擬データを生成する。また背景雑音Sについても信号と同様に、フィルタ402、乱数生成部401を用いて背景雑音模擬データを生成する。
【0019】
生成した模擬データのうち信号S〜Sn−1の模擬データについては、それぞれの信号の平均SN比に応じた合成ゲインG〜Gn−1を合成ゲイン算出部103、203、303で算出して乗算部104〜304で乗算した上で、信号合成部50で線形加算する。また背景雑音模擬データSについては、各信号のSN比のベースとなる合成ゲインGを合成ゲイン算出部403で算出して乗算部404で乗算し、同様に信号合成部50で加算する。各信号模擬用の乱数生成部101〜401は、周波数領域における当該信号のレベル分散およびライン幅のばらつきを最も精度よく再現できる分散特性を持った時系列乱数を選択し、生成する。
【0020】
(作用)
一般にレベル分散やライン幅のばらつきといったローファグラム上の信号の様相は、時系列乱数をフーリェ変換した結果の分散により定まる。時系列乱数に正規分布を用いた場合、ローファグラム上のレベル分散はレイリー分布に従うため、信号の平均パワーPが与えられると周波数領域でのレベル分散Σは、
Σ={(4/π)−1}P
と一意に決まる。またライン幅のばらつきは、スペクトル形状フィルタを通した雑音のレベル分散として表されるので、同じくΣに比例する。従って複数の信号の模擬において正規分布乱数を用いた場合、SN比、ライン幅の同じ信号についての模擬結果は、統計的に全く同じレベル分散およびライン幅のばらつきとなる。
これに対し本発明では信号毎に異なる時系列乱数を用いて模擬信号の生成を行う。このことにより、レベル分散Σ を有する信号Siに対応する時系列乱数として、それぞれ個別の確率密度分布を持つ乱数を用いて模擬データを生成するので、スペクトル形状フィルタの特性自体は一定であっても、周波数領域でのレベル分散およびライン幅のばらつきは信号毎に異なった結果が得られる。
【0021】
【発明の実施の形態】
(構成の説明)
次に、本発明のパッシブソーナー模擬信号発生方法及び装置の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0022】
図2は本実施の形態を示すブロック図である。図2を参照すると、本発明の実施の形態は、模擬対象のパラメータを設定して格納するパラメータテーブル1の模擬パラメータ2、3、4と、信号および雑音の元となる時系列乱数を生成する乱数生成部21、31、41と、スペクトル形状フィルタを生成
(構成)するフィルタ生成部22、32、42と、合成ゲインを算出する合成ゲイン算出部23、33、43と、乗算部24、34、44及び25、35、45と、模擬データを合成する信号合成部5と、模擬データを格納する模擬データ格納部6とから構成される。
【0023】
本実施の形態の信号はS〜Sn−1のn−1本からなり、これに背景雑音パラメータを加えた合計n個の模擬パラメータとする。パラメータテーブル1には、信号の模擬パラメータとして、信号強度に相当するSN比、ラインの中心に相当する中心周波数と太さに相当するライン幅、及び両者のばらつきに相当するレベル分散の情報がそれぞれ設定される。また背景雑音の模擬パラメータとしては、模擬する全帯域にわたるレベルの周波数特性、およびレベルのばらつきに相当するレベル分散の各情報が設定される。
【0024】
乱数生成部21、31、41、フィルタ生成部22、32、42、合成ゲイン生成部23、33、43は、パラメータテーブル1の設定情報の模擬パラメータ2、3、4のそれぞれのレベル分散、中心周波数と太さに相当するライン幅のばらつき、SN比により設定される。また、乱数生成部21、31、41の各出力は、乗算部24、34、44においてフィルタ生成部22、32、42の各スペクトル形状フィルタ(特性)を乗算される。乗算部24、34、44でフィルタが適用された出力は乗算部25、35、45で合成ゲインが乗算される。乗算部25、35、45の各出力は信号合成部5において所定SN比を実現する合成ゲインで合成され、最終的な模擬データとして模擬データ部6に蓄積される。
【0025】
以下、各信号及び背景雑音の模擬データの生成に関する乱数生成部21、31、41及びフィルタ生成部22、32、42の機能について説明する。
信号Sの模擬データ生成は、模擬パラメータ2、乱数1生成部21、フィルタ1生成部22、G算出部23、乗算部24、25で実施される。乱数1生成部21は、模擬パラメータ2のレベル分散の設定に応じた確率密度分布の乱数を生成する。レベル分散の設定の実施形態としては、設定値d=1,2,…,NのN段階として、乱数生成部は次の離散時系列r(t,d)を生成する。
【0026】
(t,d)=sign(p(t))*|p(t)|ad
p(t)=N(0,σ),a>0
p(t):平均が0、分散σの正規分布、sign:符号、a:定数
フィルタ1生成部22は、模擬パラメータ2の中心周波数およびライン幅の設定に応じた信号Sのスペクトル形状SPLS1(f)を算出して、これと同等の通過特性を持つFIRフィルタを生成
(構成)し、r(t,d)に適用(乗算)する。スペクトル形状の算出の実施形態としては、フィルタ形状を図3のような正規分布形状と近似して次のように与える。
SPLS1(f)=exp[−(f−fc1/2h
c1:信号Sの中心周波数、h:信号Sのライン幅
信号S〜Sn−1の模擬データ生成も同様である。
【0027】
次に、背景雑音の模擬データ生成は、模擬パラメータ4、乱数n生成部41、背景雑音フィルタ生成部42、G生成部43、乗算部44、45で実施される。
乱数n生成部41は、模擬パラメータ4のレベル分散の設定に応じた確率密度分布の乱数を生成する。レベル分散の設定および乱数生成部は、信号Sの模擬データ生成と同じ構成とし、背景雑音用の離散時系列r(t,d)を生成する。
【0028】
模擬パラメータ4の周波数特性は、設定したい背景雑音のスペクトルレベル特性をM点の代表値SPLAN(f)(i=1,2…M)で離散的に表す。背景雑音フィルタ生成部は、SPLAN(f)と同等の通過特性を有するFIRフィルタを生成
(構成)し、r(t,d)に適用(乗算)する。
以上により生成した模擬データS〜Sn−1およびSは、合成ゲイン生成部23、33、43によりそれぞれ合成ゲインを与えられ、信号合成部50において集約され加算される。
【0029】
(動作の説明)
本実施の形態のパッシブソーナー模擬信号発生方法及び装置の動作を以下説明する。
信号Sの模擬データ生成は、次のように実施される。模擬パラメータ2のレベル分散の設定に基づいて、乱数1生成部21が所定の確率密度分布を有する離散時系列乱数を生成する。
次に中心周波数、ライン幅の設定に基づいて、フィルタ1生成部22が設定された中心周波数、ライン幅を実現するスペクトル形状を求め、これと同等の帯域通過特性を有するFIRフィルタのタップ係数(TAP係数)を算出し、FIRフィルタを構成して前記離散時系列乱数に適用することで、図3のような平均スペクトル形状を有するSの模擬信号を得る。
【0030】
次にSN比の設定に基づいて、G算出部23が合成ゲインGを算出してフィルタ出力に乗算する。SN比は背景雑音と信号のレベル比であるので、背景雑音の加算ゲインGが決まっている場合は、所与のGに基づいてGを計算する。またGが決まっていない場合はG、Gを合わせて算出する。
信号S〜Sn−1についても同様にして模擬データ生成を実施する。
【0031】
背景雑音Sの模擬データ生成は、次のように実施される。模擬パラメータ4のレベル分散の設定に基づいて、乱数n生成部41が所定の確率密度分布を有する離散時系列乱数を生成する。
次に周波数特性の設定に基づいて、フィルタ1生成部22が設定された周波数特性と同等の帯域通過特性を有するFIRフィルタのTAP係数を算出し、FIRフィルタを構成して離散時系列乱数に適用する。例えば図4のような周波数特性が模擬パラメータとして与えられている場合、ほぼ同等の平均スペクトル形状を有する広帯域雑音が生成される。
合成ゲインは、信号模擬データの合成ゲイン算出で求められたGを用い、フィルタ出力に乗算する。
【0032】
以上で生成された信号毎の模擬データS〜Sn−1および背景雑音の模擬データSを、信号合成部50で全て線形加算することで、最終的に図5のような平均スペクトルを有する模擬データ60が得られる。
(他の実施の形態)
次に本発明の他の実施の形態を説明する。図2に示す実施の形態では、信号の模擬パラメータとしてSN比、中心周波数、1つのライン幅およびレベル分散を用いているが、これ以外のパラメータを用いることが考えられる。
例えば信号のスペクトル形状を表すパラメータのうちライン幅としては、複数のライン幅の設定情報を用意するとともに、スペクトル形状については正規分布形状以外の近似方法を用いることも可能である。
【0033】
図6はこの場合のスペクトル形状を生成する実施の形態を示す図である。本実施の形態では、同図に示すように、k個のスペクトルレベルh(i=1,2,…k)毎のk個のライン幅LW(hi)として、
LW(h)>LW(h)> … >LW(h
の関係にある複数のライン幅の設定値を用意し、これらを使用してスプライン補間等を用いて滑らかに補間することにより連続的なスペクトル形状を得るようにしたものである。
この場合、パラメータテーブルには複数のライン幅の設定値を格納し、フィルタ生成部22はこの設定値およびスペクトル形状近似方式に応じてFIRフィルタのTAP係数を算出するように構成する。
【0034】
また他の実施の形態としては、信号のSN比をあらかじめスペクトル形状に取り込み、合成ゲイン算出部を不要とする構成が考えられる。
図7は本実施の形態の構成例を示すブロック図である。本実施の形態では、図2に示す合成ゲイン算出部23〜43及び各乗算部を省略し、模擬パラメータのSN比をフィルタ生成部22に取り込むように構成し、合成ゲインG〜Gがそれぞれ乗算されたフィルタのスペクトル形状を生成する。この場合、例えば信号Sのスペクトル形状SPL(f)は、
SPL(f)=Gexp[−(f−fc1/2h
c1:信号の中心周波数、h:信号Sのライン幅
となり、これによりフィルタが生成
(構成)される。他の信号S〜Sn−1、背景雑音Sのフィルタのスペクトル形状も同様にして生成される。
【0035】
更に他の実施の形態として、時系列乱数をレベル分散の設定に応じてその都度生成するのではなく、予め複数種類の乱数値データを用意しておき、レベル分散の設定値に応じて用意しておいた乱数値を選択的に用いる方法が考えられる。この場合、所定の確率密度分布を有する乱数データを複数登録したパラメータテーブルを用意しておき、乱数生成部21は設定されたレベル分散に対応する乱数データを取得し、フィルタ生成部に出力することで実現される。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、各信号毎に異なる確率密度分布の時系列乱数を用いて模擬信号を生成する方式であるため、当該信号のレベル分散を最もよく模擬できる乱数を独立に選択、生成することができるから、複数の信号が含まれる模擬データの各信号毎のレベルのばらつきを独立に模擬することが可能である。
【0037】
また、同様に各信号毎に異なる確率密度分布の時系列乱数を用いることにより、当該信号のライン幅のばらつきを最もよく模擬できる乱数を独立に選択、生成することができるから、複数の信号が含まれる模擬データの各信号毎のライン幅のばらつきを独立に模擬することが可能である。
【0038】
更に、信号模擬用とは異なる確率密度分布の時系列乱数を用いて模擬背景雑音を生成する方式であるため、背景雑音のレベル分散を最もよく模擬できる乱数を信号とは独立に選択、生成することができるから、信号と背景雑音のレベル分散を独立に模擬することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一具体例の原理を示す図である。
【図2】 本発明の実施の形態を示すブロック図である。
【図3】 フィルタ1通過特性および信号Sの平均スペクトル形状を示す図である。
【図4】 フィルタn通過特性および背景雑音Sの平均スペクトル形状を示す図である。
【図5】 模擬データの平均スペクトル形状を示す図である。
【図6】 他の実施の形態を示す図である。
【図7】 更に他の実施の形態を示す図である。
【図8】 従来の技術を示す図である。
【符号の説明】
1 パラメータテーブル
2、3、4 模擬テーブル
5、50 信号合成部
6、60 模擬データ部
22〜42、26〜46 フィルタ生成部
21〜41、101〜401 乱数生成部
23〜43、103〜403 合成ゲイン算出部
102〜402 フィルタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sonar simulation signal generator for generating simulation data used for performance evaluation, operation training, and the like of a passive sonar.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a technique in this field, a method of simulating a signal by preparing a filter having a required spectral level characteristic and passing white noise therethrough is known. Generally, examples of sonar simulation targets include narrow-band narrowband signals, broadband broadband signals, and underwater background noise, but this method can be applied to any simulation (see Patent Documents 1 and 2).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 02-278177 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 01-305386
For example, in Patent Document 1, as a broadband signal simulation, a spectrum distribution of a broadband signal to be simulated is prepared, and a transmission characteristic equivalent to this is realized using a variable characteristic filter, and a simulated signal is transmitted by passing white noise through this. Is generated.
[0005]
This method can be applied not only to a broadband signal but also to a simulation of a narrowband signal and a background noise. If a filter having a spectral level characteristic of each signal or noise is realized, it is necessary to pass a white noise through the filter. Simulated data can be obtained.
[0006]
In addition, when individually generating simulated data of signals and noise, for example, as in Patent Document 2, it is possible to obtain simulated data on which a plurality of signals are superimposed by linearly adding the simulated data.
[0007]
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a conventional passive sonar simulation signal generator. Spectral level characteristic unit 1a that outputs spectral level characteristic information, white noise generation unit 2a, spectral shape filter unit 3a, passive sonar simulation data unit 4a, passive sonar signal processing unit 5a, lofagram 6a, The passive sonar signal processor 5a includes an FFT (Fast Fourier Transform) unit 51a, a normalization processing unit 52a, and a gradation conversion unit 53a.
[0008]
Let S (f) be the spectral level characteristic unique to the ship to be simulated. Here, the spectral level characteristic S (f) represents the narrow band signal, the broadband signal, and the background noise as one spectral level characteristic. A spectrum shape filter F (f) having the same pass characteristic as S (f) is constituted by the output S (f) of the spectrum level characteristic unit 1a, and white noise n (t) generated in the white noise unit 2a is added thereto. The output d (t) is stored as simulated data r (t) in the simulated data section 4a.
[0009]
The simulated data r (t) is subjected to signal processing by the passive sonar signal processing unit 5a, whereby time frequency analysis data (lofagram) is obtained. The passive sonar signal processing unit 5a performs high-speed Fourier transform on the simulated data r (t) by the FFT unit 51a, normalizes the converted data by the normalization processing unit 52a, and converts the normalized signal by the gradation conversion unit 53a. Tone conversion is performed to generate a lofagram 6a corresponding to the spectral level characteristic S (f).
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional passive sonar simulation signal generator is configured to generate a simulation signal from one normally distributed random number and filter as white noise, and a single random number is used for signal and noise variations in the frequency domain. As a result, there is a problem in that the frequency distribution and line width variation cannot be set for each of a plurality of signals included in the same data, and the simulation accuracy is insufficient. is there.
[0011]
In addition, when using simulated signal generation based on normally distributed random numbers, variations in signal and noise in the frequency domain are expressed by Fourier transform of normally distributed random numbers, so the degree of variation is statistically constant and depends on the signal. It cannot be set individually, and cannot cope with various level dispersions and line width variations observed in actual signals, and there is a problem that the simulation accuracy is insufficient.
[0012]
As described above, in the conventional passive sonar simulation signal generator, normally distributed random numbers that are considered to be close to actual background noise are used as white noise, but in actual data, the signal and noise have various variations, and normal In many cases, it differs from lofagrams generated from distributed random numbers. That is, variations in the level and line width of the narrowband signal often differ from one signal to another, and the influence of the appearance on the observer is large, so a more faithful simulation is required.
[0013]
(the purpose)
An object of the present invention is to provide a passive sonar simulation signal generation method and apparatus capable of improving the performance of simulation accuracy and generating a passive sonar simulation signal closer to actual data.
Another object of the present invention is to improve the simulation accuracy of a passive sonar simulation signal and to provide a simulated sonar image closer to actual data.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The sonar simulation signal generation method of the present invention is a sonar simulation signal generation method for generating simulation data of a sonar, and for each signal and noise to be simulated, simulation data is generated using time series random numbers having different probability density distributions. It is characterized in that simulation data is obtained by generating and adding these, or level dispersion and line width variation in the frequency domain are set and simulated by a probability density distribution in the time domain.
[0015]
The sonar simulation signal generator of the present invention is a sonar simulation signal generator for generating sonar simulation data, and generates time series random numbers having different probability density distributions for each signal and noise to be simulated. A simulation data generation unit (for example, 101 to 401, 102 to 402, 103 to 403, and 104 to 404 in FIG. 1) that generates simulation data for each unit and the output of the simulation data generation unit are added to output simulation data. A signal synthesizer (for example, 50 in FIG. 1), or generate time series random numbers with different probability density distribution for each signal or noise to be simulated, and generate simulated data for each signal or noise Simulation data generation unit (for example, 101-401, 102-402, 103-403, 104-404 in FIG. 1), and the level of the simulation data in the frequency domain The variation of dispersion and line width, set by the probability density distribution in the time domain, characterized by simulated.
[0016]
More specifically, a sonar simulation signal generator that generates simulated data of a sonar, and a plurality of random number generators that generate time series random numbers of different probability density distributions for each signal and noise to be simulated (For example, 21 to 41 in FIG. 7), and a plurality of filters (for example, 26 to 46 and 27 to 47 in FIG. 7) having the output of the plurality of random number generation units as input and having pass characteristics of respective average spectral shapes, A signal synthesizer (for example, 5 in FIG. 7) for synthesizing simulated data by synthesizing the outputs of the plurality of filters, and further, level dispersion of the time series random number, signal center frequency, It has a parameter table (for example, 1 in FIG. 7) that holds setting information of the line width and the SN ratio, and the random number generator generates time series disturbances by the level dispersion set in the parameter table. Set the level dispersion, and sets the pass characteristics of the filter by the central frequency set and the line width and the SN ratio in the parameter table.
[0017]
Also, a sonar simulation signal generator for generating sonar simulation data, which includes a plurality of random number generators (for example, FIG. 2) that generate time series random numbers having different probability density distributions for each signal and noise to be simulated. 21 to 41), outputs of the plurality of random number generation units, and a plurality of filters (for example, 22 to 42 and 24 to 44 in FIG. 2) having pass characteristics of respective average spectral shapes, The output of the filter is input, and the combined gain multiplier (for example, 23 to 43 and 25 to 45 in FIG. 2) that multiplies and outputs the combined gain, and the output of the combined gain multiplier is combined to generate simulated data. A signal synthesizing section (for example, 5 in FIG. 2) for synthesizing, and further, setting information on the level dispersion of the time series random number, the center frequency and line width of the signal, and the SN ratio are maintained. A parameter table (for example, 1 in FIG. 2) for setting the time series random number level dispersion of the random number generator by the level dispersion set in the parameter table, and the center frequency and line set in the parameter table A pass characteristic of the filter is set according to a width, and the combined gain is set according to an S / N ratio set in the parameter table.
[0018]
FIG. 1 is a diagram showing the principle of a specific example of the present invention. Simulated target data of this example is composed of a total of n-1 pieces of narrowband and broadband signals S 1 to S n-1 and the background noise simulated data S n.
A filter (spectral shape filter) 102 having a spectrum shape of the signal S 1 is prepared, and a simulated signal 1 data is generated by passing a time series random number 1 for simulating the signal S 1 generated by the random number generation unit 101. To do. Filter 202 also having spectral shape of the signal S 2, by passing the time series random number 2 for the simulation of the signal S 2 to the random number generator 201 generates, and generates a signal 2 simulated data. Similarly, for the total n−1 signals, a total of n−1 simulated data is generated using the filter 302 and the random number generation unit 301. Also like the signal it is also the background noise S n, to generate a background noise simulated data using the filter 402, the random number generation unit 401.
[0019]
The signal S 1 ~S n-1 simulated data of the generated simulated data, the synthetic gain G 1 ~G n-1 in Synthesis gain calculation unit 103, 203, 303 corresponding to the average SN ratio of the respective signals After calculating and multiplying by the multiplication units 104 to 304, the signal synthesis unit 50 performs linear addition. With respect to the background noise simulated data S n, the synthesized gain G n of the base of the SN ratio of each signal is calculated by combining the gain calculation unit 403 is multiplied by the multiplication section 404 similarly adds the signal combining unit 50. Random number generators 101 to 401 for simulating signals select and generate time-series random numbers having a dispersion characteristic that can most accurately reproduce the level dispersion and line width dispersion of the signal in the frequency domain.
[0020]
(Function)
In general, the appearance of signals on the lofagram, such as level dispersion and line width variation, is determined by the dispersion of the result of Fourier transform of a time series random number. When the normal distribution is used for the time series random number, the level dispersion on the lofagram follows the Rayleigh distribution. Therefore, when the average power P of the signal is given, the level dispersion Σ 2 in the frequency domain is
Σ 2 = {(4 / π) −1} P
And is uniquely determined. The variation in the line width, so is represented as level variance of the noise through a spectrum shape filter, likewise proportional to the sigma 2. Therefore, when normally distributed random numbers are used in the simulation of a plurality of signals, the simulation results for signals with the same SN ratio and line width are statistically the same level dispersion and line width variation.
On the other hand, in the present invention, a simulated signal is generated using a different time series random number for each signal. As a result, simulated data is generated using random numbers having individual probability density distributions as time-series random numbers corresponding to the signal Si having the level variance Σ i 2 , so that the characteristics of the spectral shape filter itself are constant. However, the level dispersion in the frequency domain and the variation in line width are different for each signal.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Description of configuration)
Next, embodiments of the method and apparatus for generating a passive sonar simulation signal of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0022]
FIG. 2 is a block diagram showing this embodiment. Referring to FIG. 2, the embodiment of the present invention generates simulation parameters 2, 3, and 4 in parameter table 1 for setting and storing parameters to be simulated, and time-series random numbers that are sources of signals and noise. Random number generators 21, 31, 41, filter generators 22, 32, 42 that generate (configure) spectral shape filters, synthetic gain calculators 23, 33, 43 that calculate a composite gain, and multipliers 24, 34 , 44 and 25, 35, 45, a signal synthesizer 5 for synthesizing simulated data, and a simulated data storage 6 for storing simulated data.
[0023]
The signal of this embodiment is composed of n-1 signals S 1 to S n−1 , and a total of n simulation parameters are obtained by adding a background noise parameter thereto. In the parameter table 1, as signal simulation parameters, the S / N ratio corresponding to the signal strength, the center frequency corresponding to the center of the line and the line width corresponding to the thickness, and the level dispersion information corresponding to the variation between them are respectively shown. Is set. As background noise simulation parameters, level frequency characteristics over the entire band to be simulated and level dispersion information corresponding to level variations are set.
[0024]
The random number generation units 21, 31, 41, the filter generation units 22, 32, 42, and the combined gain generation units 23, 33, 43 are the level dispersion and center of each of the simulation parameters 2, 3, 4 of the setting information of the parameter table 1 It is set by the line width variation and SN ratio corresponding to the frequency and thickness. Further, the outputs of the random number generation units 21, 31, 41 are multiplied by the spectral shape filters (characteristics) of the filter generation units 22, 32, 42 in the multiplication units 24, 34, 44. The outputs to which the filters are applied by the multipliers 24, 34, and 44 are multiplied by the combined gains by the multipliers 25, 35, and 45. The outputs of the multipliers 25, 35, and 45 are combined with a combined gain that achieves a predetermined S / N ratio in the signal combining unit 5 and accumulated in the simulated data unit 6 as final simulated data.
[0025]
The functions of the random number generators 21, 31, 41 and the filter generators 22, 32, 42 relating to the generation of simulated data of each signal and background noise will be described below.
The simulation data generation of the signal S 1 is performed by the simulation parameter 2, the random number 1 generation unit 21, the filter 1 generation unit 22, the G 1 calculation unit 23, and the multiplication units 24 and 25. The random number 1 generation unit 21 generates a random number of probability density distribution according to the setting of the level dispersion of the simulation parameter 2. As an embodiment of the level dispersion setting, the random number generation unit generates the following discrete time series r 1 (t i , d) as N stages of setting values d = 1, 2,.
[0026]
r 1 (t i , d) = sign (p (t i )) * | p (t i ) | ad
p (t i ) = N (0, σ 2 ), a> 0
p (t i ): normal distribution with an average of 0 and variance σ 2 , sign: sign, a: constant filter 1 generator 22 has a spectrum of signal S 1 according to the setting of the center frequency and line width of simulation parameter 2 The shape SPL S1 (f i ) is calculated, and an FIR filter having pass characteristics equivalent to this is generated (configured), and applied (multiplied) to r 1 (t i , d). As an embodiment for calculating the spectrum shape, the filter shape is approximated to the normal distribution shape as shown in FIG. 3 and given as follows.
SPL S1 (f i ) = exp [− (f i −f c1 ) 2 / 2h 1 2 ]
The same applies to f c1 : center frequency of the signal S 1 and h 1 : generation of simulated data of the line width signals S 2 to S n−1 of the signal S 1 .
[0027]
Next, simulation data generation of background noise is performed by the simulation parameter 4, the random number n generation unit 41, the background noise filter generation unit 42, the G n generation unit 43, and the multiplication units 44 and 45.
The random number n generation unit 41 generates a random number of probability density distribution according to the setting of the level dispersion of the simulation parameter 4. Setting and a random number generator level dispersion, the same configuration as the simulated data generated signals S 1, discrete time series r n (t i, d) for the background noise to generate.
[0028]
Frequency characteristics of the simulated parameter 4 is discretely represent the spectral levels characteristic of the background noise to be set to a typical value of SPL AN point M (f i) (i = 1,2 ... M). The background noise filter generation unit generates (configures) an FIR filter having a pass characteristic equivalent to that of SPL AN (f i ), and applies (multiplies) it to r n (t i , d).
The simulation data S 1 to S n−1 and S n generated as described above are given synthesis gains by the synthesis gain generation units 23, 33, and 43, and are aggregated and added by the signal synthesis unit 50.
[0029]
(Description of operation)
The operation of the passive sonar simulation signal generation method and apparatus according to the present embodiment will be described below.
Simulated data generation signals S 1 is performed as follows. Based on the setting of the level dispersion of the simulation parameter 2, the random number 1 generation unit 21 generates a discrete time series random number having a predetermined probability density distribution.
Next, based on the setting of the center frequency and the line width, the filter 1 generation unit 22 obtains a spectrum shape that realizes the set center frequency and line width, and tap coefficients (FIR filters having band pass characteristics equivalent to this) (TAP coefficient) is calculated, and an FIR filter is constructed and applied to the discrete time series random number, thereby obtaining a simulated signal of S 1 having an average spectral shape as shown in FIG.
[0030]
Next, based on the setting of the S / N ratio, the G 1 calculation unit 23 calculates the combined gain G 1 and multiplies the filter output. Since the S / N ratio is the level ratio between the background noise and the signal, if the background noise addition gain G n is determined, G 1 is calculated based on the given G n . If G n is not determined, G 1 and G n are calculated together.
Simulated data generation is performed in the same manner for the signals S 2 to S n−1 .
[0031]
Simulated data generated background noise S n is carried out as follows. Based on the setting of the level dispersion of the simulation parameter 4, the random number n generation unit 41 generates a discrete time series random number having a predetermined probability density distribution.
Next, based on the setting of the frequency characteristic, the filter 1 generation unit 22 calculates the TAP coefficient of the FIR filter having the band pass characteristic equivalent to the set frequency characteristic, configures the FIR filter, and applies it to the discrete time series random number To do. For example, when the frequency characteristic as shown in FIG. 4 is given as a simulation parameter, broadband noise having a substantially equivalent average spectral shape is generated.
The composite gain is multiplied by the filter output using Gn obtained by calculating the composite gain of the signal simulation data.
[0032]
The simulated data S n simulated data S 1 ~S n-1 and the background noise for each signal generated by the above, all of the signal combining unit 50 by linear addition, the average spectrum as a final 5 The simulated data 60 having the data is obtained.
(Other embodiments)
Next, another embodiment of the present invention will be described. In the embodiment shown in FIG. 2, the S / N ratio, the center frequency, one line width, and level dispersion are used as the simulation parameters of the signal, but it is conceivable to use other parameters.
For example, as the line width of the parameters representing the spectrum shape of the signal, setting information for a plurality of line widths is prepared, and an approximation method other than the normal distribution shape can be used for the spectrum shape.
[0033]
FIG. 6 is a diagram showing an embodiment for generating a spectrum shape in this case. In the present embodiment, as shown in the figure, as k line widths LW (hi) for each of k spectrum levels h i (i = 1, 2,... K),
LW (h 1 )> LW (h 2 )>...> LW (h k )
A plurality of set values of line widths having the above relationship are prepared, and these are used to smoothly interpolate using spline interpolation or the like, thereby obtaining a continuous spectrum shape.
In this case, a set value of a plurality of line widths is stored in the parameter table, and the filter generation unit 22 is configured to calculate the TAP coefficient of the FIR filter according to the set value and the spectrum shape approximation method.
[0034]
As another embodiment, a configuration in which the signal-to-noise ratio of the signal is preliminarily taken into the spectrum shape and the combined gain calculation unit is unnecessary is conceivable.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration example of the present embodiment. In the present embodiment, the synthesis gain calculation units 23 to 43 and each multiplication unit shown in FIG. 2 are omitted, and the SN ratio of the simulation parameter is taken into the filter generation unit 22 so that the synthesis gains G 1 to G n are obtained. A spectral shape of each multiplied filter is generated. In this case, for example, the spectral shape SPL 1 (f i ) of the signal S 1 is
SPL (f i ) = G 1 exp [− (f i −f c1 ) 2 / 2h 1 2 ]
f c1 : the center frequency of the signal, h 1 : the line width of the signal S 1 , and a filter is generated (configured). The spectral shapes of the filters of the other signals S 2 to S n−1 and the background noise S n are generated in the same manner.
[0035]
As another embodiment, time series random numbers are not generated each time according to the level dispersion setting, but a plurality of types of random value data are prepared in advance and prepared according to the level dispersion setting value. A method of selectively using the random value that has been stored is conceivable. In this case, a parameter table in which a plurality of random number data having a predetermined probability density distribution are registered is prepared, and the random number generation unit 21 acquires random number data corresponding to the set level distribution and outputs the random number data to the filter generation unit. It is realized with.
[0036]
【The invention's effect】
According to the present invention, since a simulated signal is generated using time-series random numbers having different probability density distributions for each signal, a random number that can best simulate the level dispersion of the signal is independently selected and generated. Therefore, it is possible to independently simulate the level variation for each signal of the simulation data including a plurality of signals.
[0037]
Similarly, by using time-series random numbers with different probability density distributions for each signal, random numbers that can best simulate the variation in the line width of the signal can be independently selected and generated. It is possible to independently simulate variations in line width for each signal of the included simulation data.
[0038]
Furthermore, because it is a method of generating simulated background noise using time series random numbers with a probability density distribution different from that for signal simulation, random numbers that can best simulate background noise level dispersion are selected and generated independently of the signal Therefore, it is possible to simulate the level dispersion of the signal and the background noise independently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of a specific example of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a filter 1 pass characteristic and an average spectrum shape of a signal S 1 .
4 is a diagram showing the average spectral shape of the filter n pass characteristics and background noise S n.
FIG. 5 is a diagram showing an average spectrum shape of simulated data.
FIG. 6 is a diagram showing another embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing still another embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a conventional technique.
[Explanation of symbols]
1 parameter table 2, 3, 4 simulation table 5, 50 signal synthesis unit 6, 60 simulation data unit 22-42, 26-46 filter generation unit 21-41, 101-401 random number generation unit 23-43, 103-403 synthesis Gain calculation unit 102 to 402 filter

Claims (8)

パッシブソーナーの模擬データを生成するパッシブソーナー模擬信号発生方法であって、模擬対象となる信号及び雑音毎に、異なる確率密度分布の時系列乱数を用いて模擬データを生成し、これらを加算することで模擬データを得ることを特徴とするパッシブソーナー模擬信号発生方法。 Passive sonar simulation signal generation method for generating simulated data of passive sonar, generating simulated data using time series random numbers with different probability density distribution for each signal and noise to be simulated, and adding them in passive sonar simulation signal generating method characterized by obtaining simulated data. パッシブソーナーの模擬データを生成するパッシブソーナー模擬信号発生方法であって、周波数領域におけるレベル分散およびライン幅のばらつきを、時間領域での模擬対象となる信号及び雑音毎に、異なる確率密度分布の時系列乱数を用いて設定、模擬することを特徴とするパッシブソーナー模擬信号発生方法。A passive sonar simulation signal generating method for generating simulated data for passive sonar, the variation in the level distribution and line width in the frequency domain, signal and each noise to be simulated target in the time domain, when the different probability density distribution A passive sonar simulation signal generation method characterized by setting and simulating using a sequence random number . パッシブソーナーの模擬データを生成するパッシブソーナー模擬信号発生装置であって、模擬対象となる信号及び雑音毎に異なる確率密度分布の時系列乱数を生成し、信号及び雑音毎の模擬データを生成する模擬データ生成部と、前記模擬データ生成部の出力を加算して模擬データを出力する信号合成部と、を備えることを特徴とするパッシブソーナー模擬信号発生装置。A passive sonar simulation signal generator for generating simulated data for passive sonar, generates a time-series random number different probability density distribution signal and each noise to be simulated target, and generates the simulated data for each signal and noise simulation A passive sonar simulation signal generator comprising: a data generation unit; and a signal synthesis unit that adds the output of the simulation data generation unit and outputs simulation data. パッシブソーナーの模擬データを生成するパッシブソーナー模擬信号発生装置であって、模擬対象となる信号又は雑音毎に異なる確率密度分布の時系列乱数を生成し、信号又は雑音毎の模擬データを生成する模擬データ生成部を備え、模擬データの周波数領域におけるレベル分散およびライン幅のばらつきを、時間領域での確率密度分布により設定、模擬することを特徴とするパッシブソーナー模擬信号発生装置。A passive sonar simulation signal generator for generating simulated data for passive sonar, generates a time-series random number different probability density distributions for each signal or noise becomes simulated target, and generates the simulated data for each signal or noise simulation A passive sonar simulation signal generator comprising a data generation unit, wherein level dispersion and line width variation in the frequency domain of simulated data are set and simulated by a probability density distribution in the time domain. パッシブソーナーの模擬データを生成するパッシブソーナー模擬信号発生装置であって、模擬対象となる信号及び雑音毎に、それぞれの異なる確率密度分布の時系列乱数を生成する複数の乱数生成部と、前記複数の乱数生成部の出力を入力とし、それぞれの平均スペクトル形状の通過特性を有する複数のフィルタと、前記複数のフィルタの出力を合成して模擬データを合成する信号合成部と、を有することを特徴とするパッシブソーナー模擬信号発生装置。A passive sonar simulation signal generator for generating simulated data of a passive sonar, a plurality of random number generators for generating time series random numbers of different probability density distributions for each signal and noise to be simulated, and the plurality And a plurality of filters having pass characteristics of respective average spectral shapes, and a signal synthesis unit for synthesizing simulated data by synthesizing the outputs of the plurality of filters. A passive sonar simulation signal generator. 前記時系列乱数のレベル分散、信号の中心周波数とライン幅及びSN比の設定情報を保持するパラメータテーブルを有し、前記パラメータテーブルに設定されたレベル分散により前記乱数生成部の時系列乱数のレベル分散を設定し、前記パラメータテーブルに設定された中心周波数とライン幅とSN比により前記フィルタの通過特性を設定することを特徴とする請求項5記載のパッシブソーナー模擬信号発生装置。It has a parameter table that holds setting information of the level dispersion of the time series random number, the center frequency and line width of the signal, and the SN ratio, and the level of the time series random number of the random number generation unit by the level dispersion set in the parameter table 6. The passive sonar simulated signal generator according to claim 5, wherein dispersion is set, and the pass characteristic of the filter is set based on a center frequency, a line width, and an SN ratio set in the parameter table. パッシブソーナーの模擬データを生成するパッシブソーナー模擬信号発生装置であって、模擬対象となる信号及び雑音毎に、それぞれの異なる確率密度分布の時系列乱数を生成する複数の乱数生成部と、前記複数の乱数生成部の出力を入力とし、それぞれの平均スペクトル形状の通過特性を有する複数のフィルタと、前記複数のフィルタの出力を入力とし、それぞれの合成ゲインを乗算して出力する合成ゲイン乗算部と、前記合成ゲイン乗算部の出力を合成して模擬データを合成する信号合成部と、を有することを特徴とするパッシブソーナー模擬信号発生装置。A passive sonar simulation signal generator for generating simulated data for passive sonar, for each signal and noise to be simulated target, a plurality of random number generation unit for generating a time-series random numbers each different probability density distributions, said plurality A plurality of filters having pass characteristics of respective average spectral shapes, and a combined gain multiplying unit that receives the outputs of the plurality of filters and multiplies each combined gain and outputs the filters. A passive sonar simulation signal generator, comprising: a signal synthesis unit for synthesizing simulated data by synthesizing outputs of the synthesis gain multiplication unit. 前記時系列乱数のレベル分散、信号の中心周波数とライン幅及びSN比の設定情報を保持するパラメータテーブルを有し、前記パラメータテーブルに設定されたレベル分散により前記乱数生成部の時系列乱数のレベル分散を設定し、前記パラメータテーブルに設定された中心周波数とライン幅により前記フィルタの通過特性を設定し、前記パラメータテーブルに設定されたSN比により前記合成ゲインを設定することを特徴とする請求項7記載のパッシブソーナー模擬信号発生装置。It has a parameter table that holds setting information of the level dispersion of the time series random number, the center frequency and line width of the signal, and the SN ratio, and the level of the time series random number of the random number generation unit by the level dispersion set in the parameter table The dispersion is set, a pass characteristic of the filter is set according to a center frequency and a line width set in the parameter table, and the combined gain is set according to an S / N ratio set in the parameter table. 8. A passive sonar simulation signal generator according to item 7.
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