JP5659851B2 - SONER DEVICE AND DIRECTIONAL SYNTHESIS METHOD THEREOF - Google Patents
SONER DEVICE AND DIRECTIONAL SYNTHESIS METHOD THEREOF Download PDFInfo
- Publication number
- JP5659851B2 JP5659851B2 JP2011035854A JP2011035854A JP5659851B2 JP 5659851 B2 JP5659851 B2 JP 5659851B2 JP 2011035854 A JP2011035854 A JP 2011035854A JP 2011035854 A JP2011035854 A JP 2011035854A JP 5659851 B2 JP5659851 B2 JP 5659851B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- signal
- receiver
- directivity
- omni
- processing unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 title claims description 11
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 76
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 32
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 30
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 26
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 4
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
本発明は、ソーナー装置に関し、特に、複数個の受波器を備えてそれらの受波器の出力を組み合わせ指向性利得を得るようにしたソーナー装置とそのようなソーナー装置における指向性合成方法とに関する。 The present invention relates to a sonar device, and in particular, a sonar device having a plurality of receivers and combining the outputs of the receivers to obtain a directivity gain, and a directivity synthesis method in such a sonar device, and About.
水中などにおいて用いられるソーナー装置においては、水平面内での全方位からの音響信号の検出や、音響信号の到来方法の決定などの目的に応じ、複数個の音響受波器を用い、それらの受波器からの出力を合成することにより、所望の指向性が得られるようにしている。受波器の代表的なものとして、任意の方向に対して一様な感度(等方的な感度)を有するすなわち無指向特性を有するオムニ(Omni)型のものと、ダイポール指向特性を有するダイポール型のものとが知られている。 In a sonar device used in water, a plurality of acoustic receivers are used to detect acoustic signals from all directions in a horizontal plane and determine the arrival method of acoustic signals. The desired directivity is obtained by synthesizing the output from the waver. As a typical receiver, an Omni type having a uniform sensitivity (isotropic sensitivity) in any direction, that is, having an omnidirectional characteristic, and a dipole having a dipole directional characteristic The type is known.
例えば、水面あるいは海面に対して平行な面内の所望の方位θから到来する音響信号を検出するための構成として、カージオイド処理による水平指向性合成の手法がある(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。カージオイド処理による手法では、図1に示すように、オムニ型の受波器11と2つのダイポール型の受波器12,13とを用いる。図において各受波器11〜13は、当該受波器の指向性パターンによって示されている。ダイポール型の受波器12,13は、それらの最大感度軸が相互に直交し、かつ、水面あるいは海面に対して平行となるように配置される。ここで便宜上、受波器12の最大感度軸はN(北)−S(南)方向を向いており、受波器13の最大感度軸はE(東)−W(西)方向を向いているものとし、そこで、受波器12での受信信号をNS信号と呼び、受波器13での受信信号をEW信号と呼ぶものとする。もちろん、受波器12,13の最大感度軸の方向は、それぞれ、南北方向及び東西方向に一致している必要はなく、また、ソノブイなどの可搬型のソーナー装置にこれらの受波器が組み込まれているのであれば、南北及び東西の方位と受波器12,13の最大感度軸の方向が一致していないのが一般的である。いずれにせよ、受波器の最大感度軸の方向と真方位との関係が明らかであれば、音響信号の到来方法を正確に決定することができる。
For example, as a configuration for detecting an acoustic signal arriving from a desired direction θ in a plane parallel to the water surface or the sea surface, there is a technique of horizontal directivity synthesis by cardioid processing (for example, Patent Document 1, Patent) Reference 2). In the cardioid processing method, as shown in FIG. 1, an omni-
カージオイド処理では、受波器12での受信信号(NS信号と呼ぶ)に対してsin θを乗算し、受波器13での受信信号(EW信号と呼ぶ)に対してcos θを乗じる。そして、受波器11での受信信号(オムニ信号と呼ぶ)と、sin θが乗じられたNS信号と、cos θを乗じられたEW信号とを加算し、加算によって得られた信号を二乗し、検出信号とする。その結果、図1に示すソーナー装置は、水平面内での指向性がカージオイド型であるような指向性パターンを有し、そのような指向性パターンに応じた検出信号を出力することになる。指向性はθの方位に対して最大となる。ダイポール型の受波器12,13はいずれも垂直方向(上下方向)に対しては感度を有しないが、オムニ型の受波器11からのオムニ信号を加算しているため、このソーナー装置全体としては、上下方向にもいくばくかの感度を有し、最大感度軸を含む垂直面内での指向性パターンもカージオイド型となる。カージオイド型の処理では、4.2dBの指向性利得(DI)を見込むことができる。
In the cardioid process, the received signal (referred to as NS signal) at the
sin θの乗算、cos θの乗算、加算及び二乗の各処理はデジタル信号処理として行うことができるので、オムニ信号、NS信号及びEW信号を取得してしまえば、同時に複数の方位角に関して検出信号を取得すること、すなわち、複数の指向性パターンによる音響信号の受信が可能となる。 Since sin θ multiplication, cos θ multiplication, addition, and square processing can be performed as digital signal processing, once an omni signal, NS signal, and EW signal are acquired, detection signals for a plurality of azimuth angles can be obtained simultaneously. Can be obtained, that is, an acoustic signal can be received by a plurality of directivity patterns.
一方、水面あるいは海面に対して平行な面内ではいずれの方位であっても同じ強度(水平面無指向性)で音響信号を受信する処理として、シンセティックオムニ処理がある。シンセティックオムニ処理では、図1に示したものと同様の受波器11〜13が設けられるとして、これらのうち、2つのダイポール型の受波器12,13を使用する。ここでも受波器12,13は、それらの最大感度軸が相互に直交し、かつ、水面あるいは海面に対して平行となるように配置されており、上述と同様にそれぞれNS信号及びEW信号を出力するものとする。オムニ型の受波器11からのオムニ信号は、シンセティックオムニ処理では使用されない。
On the other hand, there is a synthetic omni process as a process for receiving an acoustic signal with the same intensity (horizontal omnidirectionality) in any direction in a plane parallel to the water surface or the sea surface. In the synthetic omni processing, it is assumed that the
シンセティックオムニ処理では、図2に示すように、NS信号とEW信号の各々が二乗され、二乗された各信号が加算されて、その後、加算された信号の平方を算出して検出信号とする。オムニ信号は無指向性であって球形の指向性パターンを示すのに対し、シンセティックオムニ処理による検出信号すなわちシンセティックオムニ信号は、ドーナツ型の指向性パターンを示し、特に、垂直方向上方向と下方向に対しては感度がゼロとなる。以下に示すように、水平面内では全方位に対して一様な感度となる。 In the synthetic omni process, as shown in FIG. 2, each of the NS signal and the EW signal is squared, the squared signals are added, and then the square of the added signal is calculated to be a detection signal. The omni signal is omnidirectional and shows a spherical directional pattern, whereas the detection signal by synthetic omni processing, that is, the synthetic omni signal, shows a donut-shaped directional pattern, especially in the vertical direction upward and downward. The sensitivity is zero. As shown below, the sensitivity is uniform in all directions in the horizontal plane.
NS信号の強度をSNSで表し、EW信号の強度をSEWで表すとして、水平面内での方位θから強さPの音響信号が受波器12,13に入来したすると、それぞれの受波器はダイポール型の指向特性を有することから、SNS=P×sin θ,SEW=P×cos θとなる。その結果、シンセティックオムニ信号SSOは、cos2 θ+sin2 θ=1が恒等式であることにより、
Assuming that the intensity of the NS signal is represented by S NS and the intensity of the EW signal is represented by S EW , an acoustic signal having a strength P from the azimuth θ in the horizontal plane enters the
となり、θによらずにPとなる(図3参照)。したがって、シンセティックオムニ信号は、水平面内では、方位によらずに同一の感度を有することとなり、水平面内では無指向性となる。 And P regardless of θ (see FIG. 3). Therefore, the synthetic omni signal has the same sensitivity regardless of the direction in the horizontal plane, and becomes omnidirectional in the horizontal plane.
海中に配置したソノブイとしてソーナー装置が構成される場合を考えると、図3に示すように、シンセティックオムニ処理を採用することにより、垂直方向すなわち海面方向及び海底方向に対する感度が抑制されるため、海面方向からの雑音や海底方向からの雑音の影響を抑えることができ、また、目標からの信号のうち海面や海底によって反射された成分(海面残響及び海底残響)の影響を抑えることもできる。したがって、シンセティックオムニ処理によれば、目標から海中をまっすぐ進んできた音響信号だけを正確に検出することができる。 Considering the case where the sonar device is constructed as a sonobuoy placed in the sea, the use of synthetic omni treatment as shown in FIG. 3 suppresses the sensitivity to the vertical direction, that is, the sea surface direction and the sea bottom direction. The influence of noise from the direction and noise from the seafloor direction can be suppressed, and the influence of components reflected from the sea surface and the seabed (sea surface reverberation and seafloor reverberation) can be suppressed. Therefore, according to the synthetic omni process, it is possible to accurately detect only the acoustic signal that has traveled straight from the target to the sea.
シンセティックオムニ処理では、2個の受波器12,13からの信号を合成するため、等方性雑音に対して最大でlog10 2=3dBの指向性利得が得られ、よさの指数(FOM;figure of merit)と探知距離との関係から、約1.2倍の探知距離の延伸が見込まれる。さらに、2個の受波器の信号を合成することから雑音レベルの標準偏差σが2-1/2倍(≒0.7倍)に小さくなり、誤検出の確率を小さくすることができる。
In the synthetic omni processing, the signals from the two
音響信号を複数の受波器で受信した信号を処理する方法として、上述のカージオイド処理では、音響信号の到来方向を知ることができるが、垂直方向に対しても感度を有するために、例えば、海面や海底からの雑音や残響の影響を受けやすい、という課題がある。これに対し、上述したシンセティックオムニ処理では、垂直方向には原理的に感度がないので、海面や海底からの雑音や残響の影響を受けにくいという利点が得られるが、水平面内では無指向性であるので音響信号の到来方向を知ることができない、という課題がある。 As a method of processing signals received by a plurality of receivers for acoustic signals, the cardioid processing described above can know the direction of arrival of acoustic signals, but in order to have sensitivity even in the vertical direction, for example, There is a problem that it is susceptible to noise and reverberation from the sea surface and the sea floor. On the other hand, the synthetic omni processing described above is not sensitive in principle in the vertical direction, so it has the advantage of being less susceptible to noise and reverberation from the sea surface and sea floor, but is non-directional in the horizontal plane. There is a problem that it is impossible to know the direction of arrival of the acoustic signal.
ソーナー装置において、指向性利得を高め、かつ、不要な方向から入来する信号の影響を小さくするために、受波器の数を多くし、例えば、フェーズドアレイ構成にするなどのことが考えられる。しかしながら、可搬型のソーナー装置、例えばソノブイなどでは、装置の大きさなどに対する制約から、受波器数を多くすることはできない。 In the sonar device, in order to increase the directivity gain and reduce the influence of signals coming from unnecessary directions, it is conceivable to increase the number of receivers, for example, to have a phased array configuration. . However, in a portable sonar device such as Sonobuoy, the number of receivers cannot be increased due to restrictions on the size of the device.
本発明の目的は、受波器数の増加を抑え、例えば垂直方向に対する感度を抑えつつ、音響信号の到来方向を知ることができるように所望の方位に指向性を設定できる、ソーナー装置及びその指向性合成方法を提供することにある。 An object of the present invention is a sonar device capable of setting a directivity in a desired direction so that the arrival direction of an acoustic signal can be known while suppressing an increase in the number of receivers, for example, suppressing sensitivity in the vertical direction. It is to provide a directivity synthesis method.
本発明の第1の指向性合成方法は、オムニ指向特性を有する第1の受波器とダイポール指向特性を有する第2及び第3の受波器とを備え、第2の受波器の最大感度軸と第3の受波器の最大感度軸とが直交しているソーナー装置における指向性合成方法であって、第1乃至第3の受波器による受波信号をそれぞれ第1乃至第3の受波信号とし、指向性を向けたい方位の方位角をθとして、第1の受波信号と、第2の受波信号にsin θを乗算した信号と、第3の受波信号にcos θを乗算した信号と、を加算して第1の加算信号とし、第1の加算信号を二乗してカージオイド信号とすることと、第2の受波信号の二乗と第3の受波信号の二乗とを加算して第2の加算信号とし、第2の加算信号の平方根となる信号を求めてシンセティックオムニ信号とすることと、カージオイド信号とシンセティックオムニ信号との乗算処理を実行して検出結果を表す信号を生成することと、を有する。 The first directivity synthesis method of the present invention includes a first receiver having an omni-directional characteristic, and second and third receivers having a dipole directivity, and the maximum of the second receiver A directivity synthesis method in a sonar device in which a sensitivity axis and a maximum sensitivity axis of a third receiver are orthogonal to each other, wherein received signals from the first to third receivers are first to third, respectively. The first received signal, the signal obtained by multiplying the second received signal by sin θ, and the third received signal are cos. The signal multiplied by θ is added to obtain a first added signal, the first added signal is squared to obtain a cardioid signal, the square of the second received signal and the third received signal Is added to the square of the second sum signal to obtain a second sum signal. With the method comprising the items, and generating a signal representing a detection result by performing multiplication processing of the cardioid signal and the synthetic omni signal.
本発明の第2の指向性合成方法は、オムニ指向特性を有する第1の受波器とダイポール指向特性を有する第2及び第3の受波器とを備え、第2の受波器の最大感度軸と第3の受波器の最大感度軸とが基準面内にあって相互に直交しているソーナー装置における指向性合成方法であって、第1乃至第3の受波器による受波信号をそれぞれ第1乃至第3の受波信号とし、第1乃至第3の受波信号により、基準面内の所定の方向に対して最大感度となり、基準面内で所定の方向とは反対方向に対してヌル感度となり、基準面に垂直な方向に対して感度を有する第1の指向性パターンによる第1の信号を形成し、第2及び第3の受波信号により、最大感度方向が基準面内にあって基準面内の各方向に対して一様な感度を有し、基準面に直交する方向に対してヌル感度となる第2の指向性パターンによる第2の信号を形成し、第1の信号と第2の信号との乗算結果またはその乗算結果の平方根をもって検出結果を表す信号とする。 The second directivity synthesis method of the present invention comprises a first receiver having an omni-directional characteristic, and second and third receivers having a dipole directivity, and the maximum of the second receiver A directivity synthesis method in a sonar device in which a sensitivity axis and a maximum sensitivity axis of a third receiver are in a reference plane and are orthogonal to each other, and received by first to third receivers The signals are first to third received signals, respectively, and the first to third received signals have the maximum sensitivity with respect to a predetermined direction in the reference plane, and are opposite to the predetermined direction in the reference plane. The first signal is formed by the first directivity pattern having sensitivity to the direction perpendicular to the reference plane, and the maximum sensitivity direction is determined by the second and third received signals. It is in the plane and has a uniform sensitivity to each direction in the reference plane, and in a direction perpendicular to the reference plane To form a second signal according to a second directivity pattern becomes null sensitivity, the first signal and the multiplication result or a signal representing a detection result with the square root of the multiplication result of the second signal.
本発明のソーナー装置は、オムニ指向特性を有する第1の受波器と、ダイポール指向特性を有する第2の受波器と、第2の受波器の最大感度軸とは直交する最大感度軸を有するダイポール指向特性を有する第3の受波器と、指向性を向けたい方位の方位角をθとして、第1の受波器による受波信号である第1の受波信号と、第2の受波器による受波信号である第2の受波信号にsin θを乗じた信号と、第3の受波器による受波信号である第3の受波信号にcos θを乗じた信号と、を加算して第1の加算信号とし、第1の加算信号を二乗してカージオイド信号とする第1の指向性合成処理部と、第2の受波信号の二乗と第3の受波信号の二乗とを加算して第2の加算信号とし、第2の加算信号の平方根となる信号を求めてシンセティックオムニ信号とする第2の指向性合成処理部と、カージオイド信号とシンセティックオムニ信号との乗算処理を実行して検出結果を出力する第3の指向性合成処理部と、を有する。 The sonar device of the present invention includes a first receiver having an omni directional characteristic, a second receiver having a dipole directional characteristic, and a maximum sensitivity axis orthogonal to the maximum sensitivity axis of the second receiver. A third receiver having a dipole directivity characteristic, a first received signal that is a received signal by the first receiver, where θ is an azimuth angle of the direction in which directivity is to be directed, and a second A signal obtained by multiplying the second received signal, which is a received signal by the receiver, and sin θ, and a signal obtained by multiplying the third received signal, which is the received signal by the third receiver, by cos θ. Are added to form a first added signal, and the first added signal is squared to obtain a cardioid signal, and the second received signal square and third received signal are squared. The square of the wave signal is added to obtain a second addition signal, and a signal that is the square root of the second addition signal is obtained to obtain a synthetic signal. A second directivity synthesis processing unit to two signals, and the third directivity synthesis processing unit for outputting a result detected by performing multiplication processing of the cardioid signal and the synthetic omni signal.
本発明では、オムニ指向特性を有する第1の受波器とダイポール指向特性を有する第2及び第3の受波器とを備え、第2の受波器の最大感度軸と第3の受波器の最大感度軸とが直交しているソーナー装置において指向性合成を行う際に、第2及び第3の受波器の最大感度軸によって張られる面を基準面として、カージオイド信号のような、基準面内の所定の方向に対して最大感度となり、基準面内で所定の方向とは反対方向に対してヌル感度となり、基準面に垂直な方向に対して感度を有する第1の指向性パターンによる第1の信号と、シンセティックオムニ信号のような、最大感度方向が基準面内にあって各方向に対して一様な感度を有し、基準面に直交する方向に対してヌル感度となる第2の指向性パターンによる第2の信号とを形成する。そして、第1の信号あるいはカージオイド信号と第2の信号あるいはシンセティックオムニ信号とを乗算する。その結果、後述の説明から明らかになるように、基準面内での所定の方向に対して最大感度を有するように指向性を有しつつ、基準面に垂直な方向に対してはヌル感度となる。本発明によれば、ソーナー装置における受波器数の増加を抑えながら、例えば垂直方向に対する感度を抑えつつ、音響信号の到来方向を知ることができるように所望の方位に指向性を設定できるようになる、という効果が得られる。 The present invention includes a first receiver having an omni directional characteristic and second and third receivers having a dipole directional characteristic, and the maximum sensitivity axis of the second receiver and the third received wave. When directivity synthesis is performed in a sonar device in which the maximum sensitivity axis of the detector is orthogonal, the plane stretched by the maximum sensitivity axes of the second and third receivers is used as a reference plane, such as a cardioid signal. The first directivity having maximum sensitivity with respect to a predetermined direction in the reference plane, null sensitivity with respect to a direction opposite to the predetermined direction within the reference plane, and sensitivity with respect to a direction perpendicular to the reference plane. The first signal according to the pattern and the maximum sensitivity direction in the reference plane, such as a synthetic omni signal, have uniform sensitivity in each direction, and null sensitivity in the direction perpendicular to the reference plane. And a second signal with a second directivity pattern . Then, the first signal or cardioid signal is multiplied by the second signal or synthetic omni signal. As a result, as will be apparent from the following description, null sensitivity is obtained in a direction perpendicular to the reference plane while having directivity so as to have the maximum sensitivity in a predetermined direction in the reference plane. Become. According to the present invention, directivity can be set in a desired direction so that the arrival direction of an acoustic signal can be known while suppressing an increase in the number of receivers in the sonar device, for example, while suppressing sensitivity in the vertical direction. The effect of becoming is obtained.
本発明に基づく指向性合成方法の最も原理的なものでは、ソーナー装置として、オムニ指向特性を有する第1の受波器と、ダイポール指向特性を第2及び第3の受波器とを有するものを使用する。ダイポール指向特性の第2及び第3の受波器の最大感度軸は相互に直交しており、これら2つの最大感度軸によって張られる面を基準面と呼ぶことにする。また、オムニ指向特性の第1の受波器による受波信号を受波信号SOMとし、ダイポール指向特性の第2及び第3の受波器による受波信号をそれぞれ受波信号SNS,SEWで表すことにする。 In the most principle of the directivity synthesis method according to the present invention, the sonar device has a first receiver having an omni directional characteristic and second and third receivers having a dipole directional characteristic. Is used. The maximum sensitivity axes of the second and third receivers having the dipole directivity are orthogonal to each other, and a plane stretched by these two maximum sensitivity axes is called a reference plane. Moreover, the received signals of the first receivers of omni directional characteristic and received signal S OM, second and third respectively received signals and received signals by receivers S NS dipole directivity characteristics, S It will be expressed as EW .
最も原理的な処理においては、受波信号SOM,SNS,SEWにより、基準面内の所定の方向(この方向の方位角をθとする)に対して最大感度となり、基準面内でこの所定の方向とは反対方向に対してヌル感度となり、基準面に垂直な方向に対して感度を有する第1の指向性パターンによる第1の信号を形成する。所定の方向θは、指向性を向けたい方向となる。それと同時に、受波信号SNS,SEWにより、最大感度方向が基準面内にあって基準面内の各方向に対して一様な感度を有し、基準面に直交する方向に対してヌル感度となる第2の指向性パターンによる第2の信号を形成する。そして、第1の信号と第2の信号との乗算結果またはその乗算結果の平方根をもって検出結果を表す信号とする。 In the most basic processing, the received signals S OM , S NS , and S EW provide the maximum sensitivity for a predetermined direction in the reference plane (the azimuth angle in this direction is θ). A first signal is formed by a first directivity pattern having null sensitivity in a direction opposite to the predetermined direction and sensitivity in a direction perpendicular to the reference plane. The predetermined direction θ is a direction in which directivity is desired. At the same time, with the received signals S NS and S EW , the maximum sensitivity direction is in the reference plane, the sensitivity is uniform in each direction in the reference plane, and the direction perpendicular to the reference plane is null. A second signal based on a second directivity pattern serving as sensitivity is formed. Then, a detection result is represented by the multiplication result of the first signal and the second signal or the square root of the multiplication result.
基準面を水面または海面に対して平行な面とした場合、このような第1の信号の代表的なものは、図1によって説明したカージオイド処理による検出信号すなわちカージオイド信号SCDであり、第2の信号の代表的なものは、図2及び図3によって説明したシンセティックオムニ処理による検出信号すなわちシンセティックオムニ信号SSOである。 If the reference surface was a plane parallel to the water surface or sea surface, such first signal representative ones are detection signals i.e. cardioid signal S CD by cardioid process described by Figure 1, representative of the second signal is the detection signal or synthetic Omni signal S SO by synthetic Omni process described by FIGS.
そこで、図4に示した本発明の実施の一形態のソーナー装置は、カージオイド信号SCDとシンセティックオムニ信号SSOとを求めてこれらの乗算処理を行うように構成されている。このソーナー装置は、オムニ指向特性を有する受波器11と、ダイポール指向特性を有する2つの受波器12,13と、カージオイド信号SCDを求める第1の指向性合成処理部31と、シンセティックオムニ信号SSOを求める第2の指向性合成処理部32と、カージオイド信号SCDとシンセティックオムニ信号SSOとの乗算処理を実行して検出結果を出力する第3の指向性合成処理部33とを備えている。ダイポール指向特性の受波器12,13の最大感度軸は、例えば水面または海面に対して平行な面である基準面内にあって相互に直交している。第1の指向性合成処理部32は、受波器11の受波信号SOMと、受波器12の受波信号SNSにsin θを乗じた信号と、受波器13の受波信号SEWにcos θを乗じた信号と、を加算して第1の加算信号とし、第1の加算信号を二乗してカージオイド信号SCDとする。θは基準面内の方位であって、指向性を最大としたい方向への方位角である。第2の指向性合成処理部34は、受波信号SNSの二乗と受波信号SEWの二乗とを加算して第2の加算信号とし、第2の加算信号の平方根となる信号を求めてシンセティックオムニ信号SSOとする。第3の指向性合成処理部35は、SCD×SSOを演算して得られる値の平方根を求め、これをシンセティックカージオイド信号SSCとして出力することが好ましい。
Therefore, one form of sonar apparatus of the present invention shown in FIG. 4 is configured to perform the multiplication process seeking the cardioid signal S CD and synthetic Omni signal S SO. The sonar apparatus comprises a
結局、図4に示すソーナー装置は、
SCD=(SOM+SNS×sin θ+SEW×cos θ)2
及び
SSO=(SNS 2+SEW 2)1/2
として、
SD=SCD×SSO
で等価的に表される処理を実行し、SDまたはSDの平方根によって検出結果を表す信号とする処理が行われていることになる。
After all, the sonar device shown in FIG.
S CD = (S OM + S NS × sin θ + S EW × cos θ) 2
And S SO = (S NS 2 + S EW 2 ) 1/2
As
S D = S CD × S SO
In other words, the process equivalent to the above is executed, and the process of making the signal representing the detection result by the square root of S D or S D is performed.
ところで異なる指向性パターンの2つの信号を乗算したとき、元の指向性パターンにおいてヌル感度となる方向に対しては、乗算後の信号の指向性パターンにおいてもヌル感度となっているはずである。シンセティックオムニ処理信号SSOの指向性パターンでは、基準面に対して垂直な方向には感度を有しないので、乗算した結果である信号SDの指向性パターンでも、基準面に対して垂直な方向、例えば海面方向及び海底方向に対しては、感度を有しない。またカージオイド信号SCDの指向性パターンは基準面内の特定の方向(方位角θの方向)に最大感度を有しその反対方向でヌル感度となっているので、乗算した結果である信号SDの指向性パターンでは、角度θの方向に最大感度を有し、その反対方向ではヌル感度となっている。信号SDの平方根を求めて得た信号(これをシンセティックカージオイド信号SSCと呼ぶ)についても、信号SDと同様に最大感度方向とヌル感度の方向が定まることになる。図4においては、カージオイド信号SCD、シンセティックオムニ信号SSO及びシンセティックカージオイド処理信号SSCの指向性パターンが示されている。 By the way, when two signals of different directivity patterns are multiplied, the null sensitivity should also be in the directivity pattern of the signal after multiplication in the direction of null sensitivity in the original directivity pattern. The directivity pattern of the synthetic Omni processed signal S SO, does not have the sensitivity in a direction perpendicular to the reference plane, also the directivity pattern of the signal S D is a result of multiplying, a direction perpendicular to the reference plane For example, it has no sensitivity to the sea surface direction and the sea floor direction. Since car directivity pattern geoid signal S CD has a null sensitivity in the opposite direction has a maximum sensitivity (in the direction of the azimuth angle theta) a specific direction in the reference plane, signal is the result of multiplying S The directivity pattern D has maximum sensitivity in the direction of the angle θ and null sensitivity in the opposite direction. For even signal S D signal obtained by the square root of (this is referred to as synthetic cardioid signal S SC), so that the direction of maximum sensitivity direction and a null sensitivity similarly to the signal S D is determined. In FIG. 4, the directivity patterns of the cardioid signal S CD , the synthetic omni signal S SO and the synthetic cardioid processing signal S SC are shown.
このように信号SDあるいはシンセティックカージオイド信号SSCによれば、ローブ方位が強調され、ヌル方位が除去された検出結果が得られ、例えば、水中あるいは海中において、雑音や残響の影響を受けることなく、所望の方位からの音響信号を確実に検出できるようになる。この実施形態では、カージオイド信号SCDとシンセティックオムニ信号SSOとをリニア(線形)量としてかけ合わせることにより、すなわち、クロススペクトルを算出することにより、シンセティックオムニ処理に準じた垂直面内指向性特性を有しつつ、カージオイド処理に準じた水平面内指向性特性を持たせることができ、指向性利得を得ることができる。シンセティックカージオイド信号SSCの指向性利得は、カージオイド処理による指向性利得の+4.2dBよりは若干低いものの、シンセティックオムニ処理での指向性利得の+3.0dBよりは十分に大きいものである。受波器を3個使用していることから、雑音レベルの標準偏差σも、シンセティックオムニ処理の場合に比べてさらに小さくなる。 According to the signal S D or synthetic cardioid signals S SC, lobe azimuth is emphasized, the detection result of the null direction has been removed is obtained, for example, in water or sea, being affected by noise and reverberation Therefore, an acoustic signal from a desired direction can be reliably detected. In this embodiment, by multiplying the cardioid signal S CD and synthetic Omni signal S SO as a linear (linear) amount, i.e., by calculating the cross spectrum, the vertical plane directivity in conformity with synthetic Omni processing While having the characteristics, it is possible to have a horizontal plane directivity characteristic according to the cardioid treatment, and to obtain a directivity gain. The directivity gain of the synthetic cardioid signal S SC is slightly lower than +4.2 dB of the directivity gain by the cardioid processing, but is sufficiently larger than +3.0 dB of the directivity gain in the synthetic omni processing. Since three receivers are used, the standard deviation σ of the noise level is also smaller than in the case of synthetic omni processing.
図5は、本発明の別の実施形態のソーナー装置の構成を示している。図5に示したソーナー装置は、変調された音響信号を受波器11〜13によって受波するのに適したものであり、また、音響信号での周波数成分に応じて検出結果を求めることができ、かつ、方位計算や目標物の検出などを行えるようにしたものである。そのため、図5に示したソーナー装置は、図4に示したソーナー装置に対し、さらに、復調処理部34、FFT処理部35、正規化処理部36、信号検出処理部37、方位計算処理部38及び表示部39を追加したものである。
FIG. 5 shows the configuration of a sonar device according to another embodiment of the present invention. The sonar device shown in FIG. 5 is suitable for receiving a modulated acoustic signal by the
受波器11〜13はいずれも変調された音響信号を受波するものとして、復調処理部34は、受波された各音響信号をそれぞれ復調して受波信号SOM、SNS及びSEWとする。図5において変調信号と記載されているものは、各受波器11〜13が音響信号を受波したことによってそれらの受波器から出力される信号のことである。復調処理部34からは、信号SOM、SNS及びSEWが第1の指向性合成処理部31に送られるとともに、信号SNS及びSEWがFFT処理部35に送られる。FFT処理部35は、信号SNS及びSEWに対して高速フーリエ変換(FFT;Fast Fourier Transform)を行ってその結果を第2の指向性合成処理部32に送り、また、第1の指向性合成処理部31からのカージオイド信号SCDに対して高速フーリエ変換を行ってその結果を第3の指向性合成処理部33に送る。この構成では、第1の指向性合成処理部31は、時間ドメインの信号を処理し、第2の指向性合成処理部32は周波数ドメインの信号を処理して、周波数ドメインのシンセティックオムニ信号を出力する。第3の指向性合成処理部33は、FFT処理部35によって周波数ドメインのものに変換されたカージオイド信号SCDと第2の指向性合成処理部32からの周波数ドメインのシンセティックオムニ信号SSOとの乗算処理を行って、シンセティックカージオイド信号SSCを出力する。
The
正規化処理部36は、シンセティックカージオイド信号SSCにおける信号レベルの正規化を行い、正規化された信号を信号検出処理部37に送り、信号検出処理部37は信号レベルにおけるしきい値処理などを行って、有意の信号であるかどうかを判定する。一方、方位計算処理部38は、シンセティックカージオイド信号SSCに基づき、検出された音響信号がどの方位からのものであるかを計算する。表示部39は、信号検出処理部37において有意な信号と判定された場合に、方位計算処理部38での計算結果に基づき、信号の強度及び方位などの情報を画面上に表示する。
The
図5に示した構成において、復調処理部34と第1の指向性合成処理部31とによって前処理ブロック21が構成され、FFT処理部35、第2及び第3の指向性合成処理部32,33、正規化処理部36及び方位計算処理部38によって信号処理ブロック22が構成され、信号検出処理部37によって信号検出ブロック23が構成されている。第1の指向性合成処理部31を信号処理ブロック22内に配置するようにしてもよい。
In the configuration shown in FIG. 5, the
また、受波器11〜13が受波しようとする音響信号が無変調の信号である場合や、パッシブソーナー方式で運用する場合などには、復調処理部34を設ける必要はない。FFT処理部35を設ける位置も、図5に示す位置に限られるものではない。例えば、第3の指向性合成処理部33の直前にFFT処理部33を設けてもよいし、あるいは、第3の指向性合成処理部33から出力されるシンセティックカージオイド信号SSCに対して高速フーリエ変換を行うように第3の指向性合成処理部33の後段にFFT処理部35を設けるようにしてもよい。
Further, when the acoustic signals to be received by the
上述した本発明の各実施形態のソーナー装置及びその指向性合成方法は、アクティブソーナー装置にもパッシブソーナー装置にも適用可能である。 The sonar device and the directivity synthesis method of each embodiment of the present invention described above can be applied to both an active sonar device and a passive sonar device.
11〜13 受波器
21 前処理ブロック
22 信号処理ブロック
23 信号検出ブロック
31〜33 指向性合成処理部
34 復調処理部
35 FFT処理部
36 正規化処理部
37 信号検出処理部
38 方位計算処理部
39 表示部
11 to 13
Claims (9)
前記第1乃至第3の受波器による受波信号をそれぞれ第1乃至第3の受波信号とし、指向性を向けたい方位の方位角をθとして、
前記第1の受波信号と、第2の受波信号にsin θを乗算した信号と、前記第3の受波信号にcos θを乗算した信号と、を加算して第1の加算信号とし、前記第1の加算信号を二乗してカージオイド信号とすることと、
前記第2の受波信号の二乗と前記第3の受波信号の二乗とを加算して第2の加算信号とし、前記第2の加算信号の平方根となる信号を求めてシンセティックオムニ信号とすることと、
前記カージオイド信号と前記シンセティックオムニ信号との乗算処理を実行して検出結果を表す信号を生成することと、
を有し、
前記第2の受波器の最大感度軸と前記第3の受波器の最大感度軸は、水面または海面に対して平行となるように設定される、方法。 A first receiver having an omni-directional characteristic, and second and third receivers having a dipole directional characteristic, wherein the maximum sensitivity axis of the second receiver and the third receiver A directivity synthesis method in a sonar device in which the maximum sensitivity axis is orthogonal,
The received signals from the first to third receivers are first to third received signals, respectively, and the azimuth angle of the direction in which directivity is to be directed is θ,
The first received signal, the signal obtained by multiplying the second received signal by sin θ, and the signal obtained by multiplying the third received signal by cos θ are added to form a first added signal. , Squaring the first addition signal to obtain a cardioid signal;
The square of the second received signal and the square of the third received signal are added to obtain a second added signal, and a signal that is a square root of the second added signal is obtained to obtain a synthetic omni signal. And
Performing a multiplication process of the cardioid signal and the synthetic omni signal to generate a signal representing a detection result;
I have a,
The maximum sensitivity axis of the second receiver and the maximum sensitivity axis of the third receiver are set to be parallel to the water surface or the sea surface .
前記第1乃至第3の受波器による受波信号をそれぞれ第1乃至第3の受波信号とし、
前記第1乃至第3の受波信号により、前記基準面内の所定の方向に対して最大感度となり、前記基準面内で前記所定の方向とは反対方向に対してヌル感度となり、前記基準面に垂直な方向に対して感度を有する第1の指向性パターンによる第1の信号を形成し、
前記第2及び第3の受波信号により、最大感度方向が前記基準面内にあって基準面内の各方向に対して一様な感度を有し、前記基準面に直交する方向に対してヌル感度となる第2の指向性パターンによる第2の信号を形成し、
前記第1の信号と前記第2の信号との乗算結果または該乗算結果の平方根をもって検出結果を表す信号とする、方法。 A first receiver having an omni-directional characteristic, and second and third receivers having a dipole directional characteristic, wherein the maximum sensitivity axis of the second receiver and the third receiver A directivity synthesis method in a sonar device in which the maximum sensitivity axis is in a reference plane set to be parallel to the water surface or the sea surface and orthogonal to each other,
The received signals by the first to third receivers are first to third received signals, respectively.
The first to third received signals have maximum sensitivity in a predetermined direction in the reference plane, null sensitivity in a direction opposite to the predetermined direction in the reference plane, and the reference plane Forming a first signal with a first directivity pattern having sensitivity to a direction perpendicular to
According to the second and third received signals, the maximum sensitivity direction is in the reference plane and has a uniform sensitivity to each direction in the reference plane, and with respect to the direction orthogonal to the reference plane. Forming a second signal with a second directivity pattern resulting in null sensitivity;
A method of obtaining a detection result with a multiplication result of the first signal and the second signal or a square root of the multiplication result.
ダイポール指向特性を有する第2の受波器と、
前記第2の受波器の最大感度軸とは直交する最大感度軸を有するダイポール指向特性を有する第3の受波器と、
指向性を向けたい方位の方位角をθとして、前記第1の受波器による受波信号である第1の受波信号と、前記第2の受波器による受波信号である第2の受波信号にsin θを乗じた信号と、前記第3の受波器による受波信号である第3の受波信号にcos θを乗じた信号と、を加算して第1の加算信号とし、前記第1の加算信号を二乗してカージオイド信号とする第1の指向性合成処理部と、
前記第2の受波信号の二乗と前記第3の受波信号の二乗とを加算して第2の加算信号とし、前記第2の加算信号の平方根となる信号を求めてシンセティックオムニ信号とする第2の指向性合成処理部と、
前記カージオイド信号と前記シンセティックオムニ信号との乗算処理を実行して検出結果を出力する第3の指向性合成処理部と、
を有し、
前記第2の受波器の最大感度軸と前記第3の受波器の最大感度軸は、水面または海面に対して平行となるように設定される、ソーナー装置。 A first receiver having an omni-directional characteristic;
A second receiver having a dipole directional characteristic;
A third receiver having a dipole directional characteristic having a maximum sensitivity axis orthogonal to the maximum sensitivity axis of the second receiver;
A first reception signal that is a reception signal by the first receiver and a second reception signal that is a reception signal by the second receiver, where θ is the azimuth angle of the direction in which directivity is to be directed. A signal obtained by multiplying the received signal by sin θ and a signal obtained by multiplying the third received signal, which is a received signal by the third receiver, by cos θ, are added as a first added signal. A first directivity synthesis processing unit that squares the first addition signal to obtain a cardioid signal;
The square of the second received signal and the square of the third received signal are added to obtain a second added signal, and a signal that is a square root of the second added signal is obtained to obtain a synthetic omni signal. A second directivity synthesis processing unit;
A third directivity synthesis processing unit that performs a multiplication process of the cardioid signal and the synthetic omni signal and outputs a detection result;
I have a,
The sonar device , wherein the maximum sensitivity axis of the second receiver and the maximum sensitivity axis of the third receiver are set to be parallel to the water surface or the sea surface .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011035854A JP5659851B2 (en) | 2011-02-22 | 2011-02-22 | SONER DEVICE AND DIRECTIONAL SYNTHESIS METHOD THEREOF |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011035854A JP5659851B2 (en) | 2011-02-22 | 2011-02-22 | SONER DEVICE AND DIRECTIONAL SYNTHESIS METHOD THEREOF |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012173155A JP2012173155A (en) | 2012-09-10 |
| JP5659851B2 true JP5659851B2 (en) | 2015-01-28 |
Family
ID=46976191
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2011035854A Expired - Fee Related JP5659851B2 (en) | 2011-02-22 | 2011-02-22 | SONER DEVICE AND DIRECTIONAL SYNTHESIS METHOD THEREOF |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5659851B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101752672B1 (en) * | 2016-07-06 | 2017-07-12 | (주) 프롬애딕 | Detecting apparatus of underwater sounds using acoustic sensor |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1309079A (en) * | 1969-07-16 | 1973-03-07 | Emi Ltd | Acoustic direction sensing systems |
| JPH01102785U (en) * | 1987-12-25 | 1989-07-11 | ||
| JP2850872B2 (en) * | 1996-08-01 | 1999-01-27 | 日本電気株式会社 | Sonobuoy signal processor |
| JP2845220B2 (en) * | 1996-09-28 | 1999-01-13 | 日本電気株式会社 | Sound source direction detection device |
| JP2001051039A (en) * | 1999-08-09 | 2001-02-23 | Nec Corp | Signal processing system |
| JP3489626B2 (en) * | 2001-03-09 | 2004-01-26 | 日本電気株式会社 | Passive sonar device |
-
2011
- 2011-02-22 JP JP2011035854A patent/JP5659851B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2012173155A (en) | 2012-09-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20220113363A1 (en) | Direction of arrival estimation | |
| CN106066468B (en) | It is a kind of based on acoustic pressure, the vector array port/starboard discrimination method of vibration velocity Mutual spectrum | |
| US10228443B2 (en) | Method and system for measuring direction of arrival of wireless signal using circular array displacement | |
| Zhao et al. | Open‐Lake Experimental Investigation of Azimuth Angle Estimation Using a Single Acoustic Vector Sensor | |
| CN104041075A (en) | Audio source position estimation | |
| CN115061089B (en) | A sound source positioning method, system, medium, equipment and device | |
| US7792313B2 (en) | High precision beamsteerer based on fixed beamforming approach beampatterns | |
| Nannuru et al. | Sparse planar arrays for azimuth and elevation using experimental data | |
| RU2515179C1 (en) | Method of determining direction of hydroacoustic transponder in multibeam navigation signal propagation conditions | |
| JP5022943B2 (en) | Direction measuring device | |
| US8824699B2 (en) | Method of, and apparatus for, planar audio tracking | |
| Xia et al. | Noise reduction method for acoustic sensor arrays in underwater noise | |
| US6894642B2 (en) | Doubly constrained robust capon beamformer | |
| CN108469599A (en) | A kind of acoustic vector sensors amplitude weighting MUSIC direction-finding methods | |
| Liu et al. | Horizontal direction estimation performance of combined vertical line array incorporating single vector hydrophone | |
| CN103499811B (en) | Antenna number distribution method capable of improving radar target estimation performance | |
| JP5659851B2 (en) | SONER DEVICE AND DIRECTIONAL SYNTHESIS METHOD THEREOF | |
| Sarkar et al. | Performance analysis of uniform concentric circular antenna array beamformer using different doa estimation technique | |
| Kulaib et al. | Accurate and robust DOA estimation using uniform circular displaced antenna array | |
| RU2723145C1 (en) | Method and device for detecting noisy objects in the sea with onboard antenna | |
| CN112415469A (en) | Two-dimensional digital array radar rapid interference direction finding method | |
| CN113640737B (en) | A high-resolution azimuth estimation method for few-element array based on two-dimensional power distribution | |
| JP2015200520A (en) | Arrival direction estimation device, arrival direction estimation method, and program | |
| WO2020213036A1 (en) | Roadside communication device and road-to-vehicle communication method | |
| Khedekar et al. | Analysis of estimation of direction of arrival by comparative study |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140114 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20140424 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140814 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140819 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140925 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20141104 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20141117 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5659851 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |