JP3881078B2

JP3881078B2 - 周波数推定方法、周波数推定装置、ドップラソナーおよび潮流計

Info

Publication number: JP3881078B2
Application number: JP5866497A
Authority: JP
Inventors: 哲奥西
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 1997-03-13
Filing date: 1997-03-13
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2017-03-13
Also published as: JPH10253758A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、信号周波数を離散フーリエ変換（ＤＦＴ）で求められたスペクトル分布に基づいて推定する周波数推定方法に関し、特に、信号のＳ／Ｎ比が小さいときに正確な周波数を推定できる周波数推定方法および周波数推定装置に関する。また、この発明は、反射波のＳ／Ｎ比が小さいときでも、正確な船速や潮流速度を測定することのできるドップラソナーおよび潮流計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドップラソナーや潮流計などのドップラ効果を利用する機器では、受信した信号の周波数を、ＤＦＴ（実際の演算は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）で行う。）を利用して推定する手法が適用されている。たとえば、田部井誠、上田光宏両氏による「ＦＦＴを用いた高精度周波数決定法」（電子通信学会情報誌、１９８７年５月号、７９８頁〜８０５頁）にＤＦＴを用いる高精度な周波数推定法（以下、田部井・上田法という）が提案されている。この田部井・上田法は、入力された時系列データにハニング窓を乗じたのちＤＦＴを行って得られる離散的な振幅スペクトルのうち、最大値をとるスペクトルと、これに隣り合う周波数での振幅スペクトルとの比に基づき、補間を行って真のピーク周波数ｆｐｅａｋを推定しようとするものであり（図６参照）、信号のＳ／Ｎ比がある程度以上大きければこの方法によって精度のよい周波数推定を行うことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような周波数推定法では、信号のＳ／Ｎ比が小さい場合には必ずしも真値に近い推定値を得ることができない。たとえば、白色雑音を含む正弦波信号をサンプリングして得られる系列（あるいは、この系列と適当な窓関数の系列との積）をｇ（ｎ）（ｎ＝０，１，２，…，Ｎ−１）とすると、ｇ（ｎ）のＤＦＴは次式で定義される。
【０００４】
【数１】

【０００５】
ここで、ｇ（ｎ）は振幅スペクトル｜Ｇ（ｋ）｜の特徴によって、次の（Ａ），（Ｂ）に分類される。
【０００６】
（Ａ）は｜Ｇ（ｋ）｜の最大値に信号成分が主として寄与する系列（以下、Ａ系列という）である。この系列の｜Ｇ（ｋ）｜の例を図５（Ａ）に示す。｜Ｇ（ｋ）｜が最大値をとるときの周波数番号ｋをｋｍａｘとすると、Ａ系列のｋｍａｘは信号の周波数ｆに対応した値をとり、両者の関係は次式で表される。
ｆ≒ｋｍａｘ（ｆｓ／Ｎ）
ここで、ｆｓはサンプリング周波数、Ｎはサンプリング点数である。
【０００７】
一方、（Ｂ）は｜Ｇ（ｋ）｜の最大値に信号成分が寄与しない系列（以下、Ｂ系列という）である。この系列の｜Ｇ（ｋ）｜の例を図５（Ｂ）に示す。Ｂ系列のｋｍａｘは信号の周波数ｆとは無関係な値をとる。すなわち、信号のスペクトルがノイズのスペクトルのなかに埋もれてしまい、ノイズ成分がピークをとってしまう。
【０００８】
Ｓ／Ｎ比が小さいほどＢ系列の生じる確率は高くなるため、従来のＤＦＴによる周波数推定法は、Ｓ／Ｎ比が小さいときには信頼性に欠ける問題点があった。
【０００９】
この発明は、ＤＦＴを用いた周波数推定法において、Ｓ／Ｎ比が小さい場合でも信頼できる周波数推定値を得ることができる周波数推定方法および周波数推定装置を提供することを目的とし、また、この発明は、精度のよい計測を可能としたドップラソナーおよび潮流計を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この出願の請求項１の発明は、信号成分以外のノイズ成分が重畳された信号を入力し、該信号をサンプリングし、アナログ・ディジタル変換するとともに離散フーリエ変換してスペクトルを求め、このスペクトルに基づいて前記信号成分の周波数推定値を求める方法において、
前記信号の複数のサンプリング系列毎に前記スペクトルに基づいて周波数推定値を求め記憶するとともに、前記複数のサンプリング系列について前記スペクトルの振幅最大となる周波数番号の度数を計数し、
前記複数のサンプリング系列について求めた周波数推定値のうち前記度数が最大値をとる周波数番号に対応する周波数を含む一定の周波数範囲に含まれる周波数推定値だけを選別し、これら選別した周波数推定値の平均値を前記信号の周波数推定値として確定することを特徴とする。
【００１１】
この出願の請求項２の発明は、信号成分以外のノイズ成分が重畳された信号を入力し、該信号をサンプリングし、アナログ・ディジタル変換するとともに離散フーリエ変換してスペクトルを求め、このスペクトルに基づいて前記信号成分の周波数推定値を求める装置において、
前記信号の複数のサンプリング系列毎に前記スペクトルに基づいて周波数推定値を求め記憶する記憶手段と、
前記複数のサンプリング系列について前記スペクトルの振幅最大となる周波数番号の度数を計数し、前記複数のサンプリング系列について求めた周波数推定値のうち前記度数が最大値をとる周波数番号に対応する周波数を含む一定の周波数範囲に含まれる周波数推定値だけを選別し、これら選別した周波数推定値の平均値を前記信号の周波数推定値として確定する周波数確定手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
この出願の請求項３の発明は、送波器から送波した超音波信号の対象物からの反射波を受波器で受波し、該反射波のドップラシフト周波数に基づいて前記対象物に対する船舶の相対速度を測定するドップラソナーにおいて、
前記反射波をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換手段と、
該ディジタル信号を離散フーリエ変換してスペクトルを求めるスペクトル分解手段と、
該スペクトルに基づいて前記反射波のドップラシフト周波数を推定する周波数推定手段と、
前記スペクトルの振幅最大となる周波数番号である最大振幅番号を検出する最大振幅番号検出手段と、
複数回の送波によって得られる複数個の反射波について、前記最大振幅番号の度数を求めるとともに、該度数が最大値をとる周波数番号に対応する周波数を含む一定の周波数範囲に含まれる周波数推定値だけを選別し、これら選別された周波数推定値の平均値を確定周波数推定値とする周波数確定手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この出願の請求項４の発明は、送波器から送波した超音波信号の水底および水塊からの反射波を受波器で受波し、各反射波のドップラシフト周波数に基づいて対地速度および対水速度を求め、これらを減算することによって潮流速度を求める潮流計において、
前記水底からの反射波をディジタル信号に変換する水底反射波アナログ・ディジタル変換手段と、
該ディジタル信号を離散フーリエ変換して水底反射波のスペクトルを求める水底反射波スペクトル分解手段と、
該水底反射波のスペクトルに基づいて前記水底反射波の周波数を推定する水底反射波周波数推定手段と、
前記水底反射波のスペクトルの振幅最大となる周波数番号である水底反射波最大振幅番号を検出する水底反射波最大振幅番号検出手段と、
複数回の送波によって得られる複数個の水底反射波について、前記水底反射波最大振幅番号の度数を求めるとともに、該度数が最大値をとる周波数番号に対応する周波数を含む一定の周波数範囲に含まれる水底反射波周波数推定値だけを選別し、これら選別された水底反射波周波数推定値の平均値を確定水底反射波周波数推定値とする水底反射波周波数確定手段と、
前記水塊からの反射波をディジタル信号に変換する水塊反射波アナログ・ディジタル変換手段と、
該ディジタル信号を離散フーリエ変換して水塊反射波のスペクトルを求める水塊反射波スペクトル分解手段と、
該水塊反射波のスペクトルに基づいて前記水塊反射波の周波数を推定する水塊反射波周波数推定手段と、
前記水塊反射波のスペクトルの振幅最大となる周波数番号である水塊反射波最大振幅番号を検出する水塊反射波最大振幅番号検出手段と、
複数回の送波によって得られる複数個の水塊反射波について、前記水塊反射波最大振幅番号の度数が最大値をとる周波数番号に対応する周波数を含む一定の周波数範囲に含まれる水塊反射波周波数推定値だけを選別し、これら選別された水塊反射波周波数推定値の平均値を確定水塊反射波周波数推定値とする水塊反射波周波数確定手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この発明では、周波数を推定する信号をＡ／Ｄ変換→ＤＦＴ変換し、その周波数を推定する。そしてこの推定周波数、および、振幅スペクトル｜Ｇ（ｋ）｜が最大値をとるときの周波数番号ｋｍａｘを記憶する。これを上記周波数を推定する信号の複数のサンプリング系列について繰り返し実行する。ここで、各サンプリング系列は、複数のサンプリング値からなる時系列データである。この繰り返し処理によるデータの蓄積ののち、ｋｍａｘのヒストグラムをとり、その最頻値（モード）ｋｍａｘ−ｍｏｄｅを割り出す。最頻値とは、最も出現回数の多かったｋｍａｘの値である。この周波数番号ｋｍａｘ−ｍｏｄｅに対応する周波数、

を求め、前記複数求められた周波数推定値のうち、この周波数ｆｏを含む一定の周波数範囲に含まれるものを選別してその平均値を求める。これを最終的な周波数推定値として採用する。
【００１５】
このように、周波数ｆｏに近い値をとる周波数推定値を選別・平均化して最終的な周波数推定値を求めるようにしたことにより、信号のＳ／Ｎ比が小さくても、信号のスペクトルレベルがノイズよりも優勢なときの推定値のみを選別し、それ以外のときの推定値を無視するため、正確な周波数推定値を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図面を参照してこの発明について説明する。図１はこの発明が適用される潮流計を搭載した船舶を示す図、図２は同潮流計のブロック図である。船舶１の船底には３つの超音波振動子である送受波器１１が設けられており、３方向に超音波ビーム２を発するとともに、該超音波ビーム２の海底および水塊からの反射波を受信する。３つの送受波器１１ａ，１１ｂ，１１ｃにはそれぞれトラップ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを介して送信駆動部１９が接続されている。送信駆動部は送受波器１１に対して電気的なパルス信号を繰り返し供給する。また、各トラップ１２ａ〜１２ｃには受信系統として周波数変換器１３ａ〜１３ｃ，増幅器１４ａ〜１４ｃおよびＡ／Ｄ変換器１５ａ〜１５ｃが接続されている。前記トラップ１２は送信駆動部１９から入力される高レベルの信号を受信系統に回り込まないようにし、且つ、送受波器１１が受信した低レベルの反射信号を受信系統に伝達する回路である。トラップ１２に接続されている周波数変換器１３は受信信号の周波数を低い値に変換する。周波数を下げることにより、後段のＡ／Ｄ変換器１５のサンプリングレートを下げることができる。なお、周波数を変換してもドップラシフトは保存される。周波数変換された信号は増幅器１４で増幅されたのちＡ／Ｄ変換器１５でディジタルデータ（量子化された離散時間信号）に変換される。このディジタルデータは演算部１６に入力される。
【００１７】
また、前記周波数変換器１３から出力された信号は海底検出部２０に入力される。海底検出部２０は各送受波器１１ａ〜１１ｃが受信した反射波形の時間差に基づいて海底深度を割り出す。
【００１８】
演算部１６は送受波器１１が受信した信号（周波数変換されディジタルデータ化された信号）のうち、海底深度に対応する部分の波形と、１または複数の潮流測定深度に対応する部分の波形を抽出し、この抽出された波形をＤＦＴすることによってその周波数を推定する。この各測定深度毎の反射波の周波数推定は各送受波器１１ａ〜１１ｃの受信信号毎に別々に行われる。そして、この各測定深度の推定周波数に基づいて、船舶の海底に対する速度ベクトルである対地速度および船舶の所定深度の水塊に対する速度ベクトルである対水速度を求める。そしてこの対地速度から対水速度を減算することによって、前記水塊の海底に対する速度ベクトルである潮流速度を算出する。算出された対地速度および潮流速度は表示部１７に入力される。表示部１７はこの対地速度，潮流速度を所定の表示形式（たとえば、矢印ベクトル表示や数値・方位表示）に変換し、画面上のパターンに展開してモニタ１８に出力する。モニタ１８がこのパターンを表示することにより、ユーザが対地速度，潮流速度を認識することができる。
【００１９】
図３〜図５を参照して、演算部１６における反射波受信信号の周波数推定処理動作を説明する。図３は上記周波数推定処理動作を示すフローチャート、図４は前記演算部１６に設定される処理結果蓄積テーブルを示す図、図５はＤＦＴによって求められる振幅スペクトルおよびｋｍａｘのヒストグラムを示す図である。
【００２０】
図３の処理動作は、超音波パルスを繰り返し送受信して、各受信信号のサンプリング系列を処理する動作であり、上記各送受波器１１ａ〜１１ｃ毎に、かつ、海底深度および１または複数の測定深度に対応する部分の波形毎に処理動作が繰り返し実行される。
まず、データ収集回数すなわち送受信した超音波パルスの送受信回数を示すカウンタｍに１をセットする（ｓ１０）。潮流測定対象となる測定深度あるいは海底深度に対応する波形区間のサンプリングデータをＮサンプル（ｘ（０）〜ｘ（Ｎ−１））読み込み（ｓ１１）、このサンプリングデータ列に対して、下式に示すようにハニング窓などの適当な窓関数ｗ（ｎ）を乗じる（ｓ１２）。
【００２１】
ｇ（ｎ）＝ｗ（ｎ）・ｘ（ｎ）（ｎ＝０，１，…，Ｎ−１）
このデータ列｛ｇ（ｎ）｝を〔数１〕式にしたがってＤＦＴ変換する（ｓ１３）。このＤＦＴ変換にはＦＦＴアルゴリズムを用いればよい。
【００２２】
このＤＦＴ変換されたＧ（ｋ）の値を用いて周波数推定値ｆ（ｍ）を算出する（ｓ１４）。この周波数推定法にはいくつかの手法があるが、たとえば、上述した田部井・上田法を用いればよい。この周波数推定値は演算部１６に設定されている処理結果蓄積テーブル（図４参照）に記録される。そして振幅スペクトル｜Ｇ（ｋ）｜が最大値をとるときの周波数番号ｋを求め、ｋｍａｘ（ｍ）とする（ｓ１５）。このｋｍａｘ（ｍ）も前記処理結果蓄積テーブルに記録される。このとき受信信号のＳ／Ｎ比が大きければ、スペクトルは図５（Ａ）のようになり、ｋｍａｘは信号周波数に対応する値をとるが、Ｓ／Ｎ比が小さければ、スペクトルは図５（Ｂ）のようになり、ｋｍａｘは信号周波数と無関係な値をとることがある。以上のデータ収集処理をＭ個の受信信号について繰り返し行い（ｓ１６→ｓ１１）、そののちｓ１８の集計動作に進む。
【００２３】
ｓ１８では、処理結果蓄積テーブルに記憶されているＭ個のｋｍａｘ（ｍ）（ｍ＝１〜Ｍ）のヒストグラムをとり（図５（Ｃ）参照）、最頻値ｋｍａｘ−ｍｏｄｅを割り出す。そして、この最頻値に対応するｆｏ＝ｋｍａｘ−ｍｏｄｅ・（ｆｓ／Ｎ）を算出し、上記ｓ１４の動作で算出されたＭ個の周波数推定値ｆ（ｍ）（ｍ＝１〜Ｍ）のうち、上記周波数ｆｏを含む一定の周波数範囲に含まれる値だけを選別する（ｓ１９）。そして、この選別された周波数推定値の平均値を算出し、この平均値を受信信号の周波数として出力する（ｓ２０）。
【００２４】
現実に送受波器１１から送信される超音波ビームはある程度の広がり角をもつため、たとえば、海底に対する入射角は一定ではなく、海底での反射波が受けるドップラシフトには幅がある。このビームの広がり角に対応する周波数範囲内の推定値を選別することにより、有効な推定値を漏れなく利用できる。
【００２５】
以上のように、この発明の方式を用いることにより、受信信号のスペクトルがノイズのスペクトルに見え隠れする程度にＳ／Ｎ比が小さいときでも、複数個の推定値から有効なものを選別することによって、正確な周波数を推定できる。そして、これを潮流計やドップラソナーに適用することにより、正確なドップラシフト周波数を割り出すことができ、精度のよい速度検出をすることができる。
【００２６】
なお、上記実施形態では、１つの超音波振動子を送波器および受波器として用いているが、送波器と受波器を別々に設けてもよい。
【００２７】
なお、上記実施形態は、船舶に搭載される潮流計やドップラソナーに適用した例を説明したが、この発明は、この分野に限定されることなく、周波数推定の処理を含む種々の計測分野に適用できるものである。
【００２８】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、ノイズの影響によって生じうる、真値とは大きく異なる推定値を無視できるため、信号のＳ／Ｎ比が小さくても正確な周波数推定値を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明が適用される潮流計が搭載された船舶を示す図
【図２】同潮流計のブロック図
【図３】同潮流計の演算部の動作を示すフローチャート
【図４】同演算部に設定される処理結果蓄積テーブルを示す図
【図５】同演算部が算出するスペクトルおよびヒストグラムの例を示す図
【図６】ＤＦＴに基づく一般的な周波数推定手法を説明する図
【符号の説明】
１１ａ〜１１ｃ…送受波器、１６…演算部

Claims

信号成分以外のノイズ成分が重畳された信号を入力し、該信号をサンプリングし、アナログ・ディジタル変換するとともに離散フーリエ変換してスペクトルを求め、このスペクトルに基づいて前記信号成分の周波数推定値を求める方法において、
前記信号の複数のサンプリング系列毎に前記スペクトルに基づいて周波数推定値を求め記憶するとともに、前記複数のサンプリング系列について前記スペクトルの振幅最大となる周波数番号の度数を計数し、
前記複数のサンプリング系列について求めた周波数推定値のうち前記度数が最大値をとる周波数番号に対応する周波数を含む一定の周波数範囲に含まれる周波数推定値だけを選別し、これら選別した周波数推定値の平均値を前記信号の周波数推定値として確定することを特徴とする周波数推定方法。
信号成分以外のノイズ成分が重畳された信号を入力し、該信号をサンプリングし、アナログ・ディジタル変換するとともに離散フーリエ変換してスペクトルを求め、このスペクトルに基づいて前記信号成分の周波数推定値を求める装置において、
前記信号の複数のサンプリング系列毎に前記スペクトルに基づいて周波数推定値を求め記憶する記憶手段と、
前記複数のサンプリング系列について前記スペクトルの振幅最大となる周波数番号の度数を計数し、前記複数のサンプリング系列について求めた周波数推定値のうち前記度数が最大値をとる周波数番号に対応する周波数を含む一定の周波数範囲に含まれる周波数推定値だけを選別し、これら選別した周波数推定値の平均値を前記信号の周波数推定値として確定する周波数確定手段と、
を備えたことを特徴とする周波数推定装置。
送波器から送波した超音波信号の対象物からの反射波を受波器で受波し、該反射波のドップラシフト周波数に基づいて前記対象物に対する船舶の相対速度を測定するドップラソナーにおいて、
前記反射波をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換手段と、
該ディジタル信号を離散フーリエ変換してスペクトルを求めるスペクトル分解手段と、
該スペクトルに基づいて前記反射波のドップラシフト周波数を推定する周波数推定手段と、
前記スペクトルの振幅最大となる周波数番号である最大振幅番号を検出する最大振幅番号検出手段と、
複数回の送波によって得られる複数個の反射波について、前記最大振幅番号の度数を求めるとともに、該度数が最大値をとる周波数番号に対応する周波数を含む一定の周波数範囲に含まれる周波数推定値だけを選別し、これら選別された周波数推定値の平均値を確定周波数推定値とする周波数確定手段と、
を備えたことを特徴とするドップラソナー。
送波器から送波した超音波信号の水底および水塊からの反射波を受波器で受波し、各反射波のドップラシフト周波数に基づいて対地速度および対水速度を求め、これらを減算することによって潮流速度を求める潮流計において、
前記水底からの反射波をディジタル信号に変換する水底反射波アナログ・ディジタル変換手段と、
該ディジタル信号を離散フーリエ変換して水底反射波のスペクトルを求める水底反射波スペクトル分解手段と、
該水底反射波のスペクトルに基づいて前記水底反射波の周波数を推定する水底反射波周波数推定手段と、
前記水底反射波のスペクトルの振幅最大となる周波数番号である水底反射波最大振幅番号を検出する水底反射波最大振幅番号検出手段と、
複数回の送波によって得られる複数個の水底反射波について、前記水底反射波最大振幅番号の度数を求めるとともに、該度数が最大値をとる周波数番号に対応する周波数を含む一定の周波数範囲に含まれる水底反射波周波数推定値だけを選別し、これら選別された水底反射波周波数推定値の平均値を確定水底反射波周波数推定値とする水底反射波周波数確定手段と、
前記水塊からの反射波をディジタル信号に変換する水塊反射波アナログ・ディジタル変換手段と、
該ディジタル信号を離散フーリエ変換して水塊反射波のスペクトルを求める水塊反射波スペクトル分解手段と、
該水塊反射波のスペクトルに基づいて前記水塊反射波の周波数を推定する水塊反射波周波数推定手段と、
前記水塊反射波のスペクトルの振幅最大となる周波数番号である水塊反射波最大振幅番号を検出する水塊反射波最大振幅番号検出手段と、
複数回の送波によって得られる複数個の水塊反射波について、前記水塊反射波最大振幅番号の度数が最大値をとる周波数番号に対応する周波数を含む一定の周波数範囲に含まれる水塊反射波周波数推定値だけを選別し、これら選別された水塊反射波周波数推定値の平均値を確定水塊反射波周波数推定値とする水塊反射波周波数確定手段と、
を備えたことを特徴とする潮流計。