JP2011002260A - 海底検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】深度が浅い場合や、受信信号のレベル上昇度合いが小さい場合であっても、海底深度を正確に検出することができる海底検出装置を提供する。
【解決手段】海底検出装置は、受信信号ｘ（ｉ）とリファレンス信号ｈ（ｉ）の相関ｙ（ｉ）を求め、相関値のピークを海底面とする。リファレンス信号ｈ（ｉ）は、ｉ≦０において０から−１（ｉ＝０において−１）に直線状に変化する負の成分を含み、ｉ＞０において１から０に直線状に変化する正の成分を含む三角形状の信号とする。つまり、受信信号の時間軸上のレベル上昇度合いが大きいほど、高い相関値を示すリファレンス信号を用いる。
【選択図】図４

Description

この発明は、海底深度を検出する海底検出装置に関するものである。

従来、船舶に用いられる魚群探知機等では、一定強度以上のエコーを海底からの反射波とみなし、受信信号のレベルが最も高くなるタイミングを基準として海底深度を検出することが行われていた。

また、出力した超音波のパルス幅に等しい波形をリファレンス信号として、受信信号との相関を求め、相関値が最も高くなるタイミングを基準として海底深度を検出する手法も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平３−２４８０８２号公報

しかし、海底面の状態（地質等）によっては、受信信号のレベル上昇度合いが小さい（時間軸上で緩やかに立ち上がる）場合もある。例えば、図１（Ａ）に示すように、受信信号のレベルのピークが実際の海底面よりも深い位置に現れる場合がある。この場合、実際の海底面より深い位置を海底面であると誤判定してしまう。すると、同図（Ｄ）に示すように、画面表示されたエコーが海底付近の魚群であるか、海底面であるかの判定が困難となる。

また、同図（Ｂ）に示すような海底反射の波形に近い三角形状のリファレンス信号を用いて相関値による海底深度の検出を行った場合であっても、同図（Ｃ）に示すように、受信信号のレベルのピーク付近に相関値のピークが現れるため、同様の現象が発生する。

また、特許文献１の手法のように相関値のピークで海底深度を検出する手法では、反射波がさらに海面等で再度反射して、再び海底からエコーとして戻る反射波（以下、２番反射と言う。）を、最初の海底反射（以下、１番反射と言う。）であると誤判定する場合もある。例えば、図２（Ａ）に示すように、海底深度が浅く、１番反射に相当する受信信号のレベルが高すぎて飽和する場合がある。この場合において、同図（Ｂ）に示すような海底反射の波形に近い三角形状のリファレンス信号との相関を求めると、同図（Ｃ）に示すように、波形が異なるために、１番反射との相関値は低くなる。一方で、２番反射は、いわゆるＴＶＧ補正により実際のエコーとしての強度が低くとも受信信号としてのレベルは高くなり、１番反射よりリファレンス信号に近い形状となる。したがって、２番反射のほうが高い相関値を示す場合がある。この場合、２番反射を最初の海底反射であると誤判定してしまう。すると、同図（Ｄ）に示すように、海底面の位置が極端に変わった状態で画面表示されてしまう。

そこで、この発明は、深度が浅い場合や、受信信号のレベル上昇度合いが小さい場合であっても、海底深度を正確に検出することができる海底検出装置を提供することを目的とする。

本発明の海底検出装置は、水中に超音波を出力してエコーを受信し、受信したエコーの強度に応じた受信信号を出力する送受信部と、前記受信信号とリファレンス信号との相関を求める相関算出部と、前記相関算出部が算出した相関値のピークに基づいて海底深度を検出する海底検出部と、を備えている。相関算出部は、リファレンス信号として、受信信号のレベル上昇度合いが大きく、かつ海底のエコーの波形との相関が強いほど、高い相関値を示す信号を用いる。具体的には、リファレンス信号は、当該リファレンス信号のピークより前の時間帯に、前記相関値が低下する成分を含む信号であればよい。例えば、リファレンス信号ｈ（ｉ）は、リファレンス信号のピークより前（ｉ≦０）の時間帯において、時間経過に比例して０から−１（ｉ＝０において−１）に直線状に変化する負の成分を含み、リファレンス信号のピークより後（ｉ＞０）の時間帯において、時間経過に比例して１から０に直線状に変化する正の成分を含む三角形状の時間軸波形とする。

上記構成によれば、海底検出装置は、受信信号の立ち上がり付近を高い相関値として検出するため、受信信号のレベルのピークが海底面よりも深い位置に現れたとしても、海底面として誤判定することがない。また、１番反射の受信信号が飽和していても、立ち上がり付近を高い相関値として検出するため、１番反射を海底反射のエコーとして正確に検出することができる。すなわち、２番反射の受信信号が１番反射の受信信号より高レベルであったとしても、受信信号のレベル上昇度合いとしては１番反射よりも緩やかであり、２番反射の相関値は低くなる。よって、２番反射を海底面であると誤判定することもない。

なお、ｉ＞０の時間帯においては、海底のエコーの波形との相関がより強くなるように、海底反射に近い三角形状の波形（時間経過に比例して１から０にレベルが低下する波形）を用いることが望ましい。

この発明によれば、深度が浅い場合や、受信信号のレベル上昇度合いが小さい場合であっても、海底深度を正確に検出することができる。

従来の海底検出手法の例を示した図である。 従来の海底検出手法の例を示した図である。 魚群探知機の構成を示すブロック図である。 各種信号の波形を示す図である。 各種信号の波形、および表示部に表示されるエコーデータの画像表示例を示す図である。 リファレンス信号の他の例を示した図である。

図３は、本発明の海底検出装置の実施形態に係る魚群探知機の構成を示すブロック図である。魚群探知機は、送受波器１１、送受切替部１２、送信回路１３、制御部１４、受信回路１５、Ａ／Ｄ変換器１６、信号処理部１７、および表示部１８を備えている。

送信回路１３は、トラップ回路を内蔵した送受切替部１２を介して、送受信部である送受波器１１にパルス状の信号を入力する。信号の入力タイミングやレベル、パルス幅等は、制御部１４により制御される。送受波器１１は、船底等に取り付けられる振動子であり、送信回路１３から入力されるパルス状の信号に応じて水中に超音波を出力する。

送受波器１１が出力した超音波は、魚群や海底等の物標に反射し、エコーとして受信される。送受波器１１は、受信したエコーの強度に応じた受信信号を、送受切替部１２を介して受信回路１５に出力する。受信回路１５は、入力された受信信号を増幅してＡ／Ｄ変換器１６に出力する。Ａ／Ｄ変換器１６は、受信信号を所定のサンプリングレートでデジタル信号に変換し、信号処理部１７に出力する。信号処理部１７は、デジタル化された受信信号をメモリ（不図示）に順次記録する。また、信号処理部１７は、受信信号とリファレンス信号との相関を求め、メモリに記録する相関算出部として機能する。

制御部１４は、信号処理部１７で記録された受信信号を可視化する処理を行う。すなわち、制御部１４は、信号処理部１７で順次記録された各受信信号を、超音波を出力してからの経過時間に応じて、深度に対応したエコーデータとして表示部１８に表示する処理を行う（図５（Ｃ）を参照）。また、制御部１４は、信号処理部１７で求められた相関に基づいて、相関値のピークを海底面であると判断し、海底深度を検出する海底検出部として機能する。制御部１４は、検出した海底深度に対応する画像を表示部１８に表示する（例えば、図５（Ｃ）に示すように、白色の画像を表示する）。

図４は、各種信号の波形を示す図である。図４（Ａ）は、受信信号のレベルと深度（超音波を出力してからの経過時間）の関係を示した図であり、同図（Ｂ）は、リファレンス信号の時間軸波形を示した図であり、同図（Ｃ）は、相関値と深度の関係を示した図である。

上述したように、信号処理部１７は、受信信号とリファレンス信号の相関を求め、メモリに記録する。信号処理部１７が求める相関ｙ（ｉ）は、受信信号ｘ（ｉ）およびリファレンス信号ｈ（ｉ）により、以下の数式１で表される。

ただし、数式１において、ｉ，ｊは、受信信号、リファレンス信号のサンプリング位置番号を示し、ＰｒｅＡｒｅａおよびＰｏｓｔＡｒｅａは、制御部１４の指示に応じて決定される。例えば、ＰｒｅＡｒｅａおよびＰｏｓｔＡｒｅａは、送受波器１１のダイナミックレンジや、出力する超音波のパルス幅等により決定される。ここで、リファレンス信号ｈ（ｉ）は、

で表される。

すなわち、リファレンス信号ｈ（ｉ）は、ｉ≦０の時間帯において、時間経過に比例して０から−１（ｉ＝０において−１）に直線状に変化する負の成分を含み、ｉ＞０の時間帯において、時間経過に比例して１から０に直線状に変化する正の成分を含む三角形状の時間軸波形を有する。このようなリファレンス信号は、時間軸上のレベル上昇度合いが大きく、かつ海底のエコーの波形との相関が強い信号ほど、高い相関値を示す。つまり、主として受信信号の微分成分を抽出することになり、受信信号の立ち上がる時間帯（エッジ部分）を抽出することになる。

したがって、同図（Ａ）に示すように、受信信号のレベル上昇度合いが小さく（時間軸上で緩やかに立ち上がり）、受信信号のレベルのピークが実際の海底面よりも深い位置に現れる場合であっても、実際の海底深度に近いタイミングである受信信号のエッジ部分で高い相関値が算出され、それ以後の時間帯の相関値が低く算出される。

また、図５（Ａ）に示すように、海底深度が浅く、１番反射に相当する受信信号のレベルが高すぎて飽和する場合についても、同図（Ｂ）に示すように、実際の海底深度に近いタイミングである受信信号のエッジ部分で高い相関値が算出され、２番反射の相関値は低く算出される。すなわち、２番反射の受信信号のレベルは、ＴＶＧ補正により１番反射の受信信号より高レベルになる場合があるが、２番反射は、受信信号のレベル上昇度合いとしては１番反射よりも緩やかであり、２番反射の相関値は１番反射よりも低くなる。

なお、リファレンス信号の時間軸波形は、三角形状に限るものではなく、受信信号のレベル上昇度合いが大きく、かつ海底のエコーの波形との相関が強いほど、高い相関値を示す信号であればよい。リファレンス信号は、例えば、図６に示すように、ｉ≦０の時間帯において、出力する超音波のパルス幅に相当する時間長だけ−１の値を有する波形とし、ピークタイミングであるｉ＝０より前の時間帯に、相関値が低下する成分を含む信号であればよい。

また、リファレンス信号の時間軸波形は、ピークタイミングより後の時間帯であるｉ＞０において、海底のエコーの波形との相関がより強くなるように、海底反射に近い波形（例えば時間経過に比例して１から０に直線状に変化する三角波の形状）であればよい。このように、本実施形態のリファレンス信号は、エッジ部分で高い相関を示す波形であるとともに、海底エコーの波形と高い相関を示す波形（三角波、のこぎり状波、ランプ波形等のように、海底エコーの尾引部分を考慮した波形）とすることで、２番反射を海底として誤検出することを防止するとともに、急峻な立ち上がりを示すノイズを海底として誤検出することも防止することができる。

制御部１４は、上述のようにして算出された相関ｙ（ｉ）を信号処理部１７から入力し、相関値が所定値以上で、最も高い値を示すタイミング（かつ時間軸上で最初のタイミング）を１番反射のエコー（海底からの反射波）であると判断し、海底深度を検出する。そして、制御部１４は、図５（Ｃ）に示すように、検出した海底深度に対応する画像を表示部１８に表示する。

なお、同図（Ｃ）において、エコーデータは、右端が最新であり、所定時間経過毎に縦に１ラインずつ更新して表示するようになっている。エコーデータは、エコーの強度が高いほど濃い色の画像として表示される。同図の例では、背景色が黒として表示されているが、白色等、他の色であってもよい。背景色が白色である場合は、海底深度に対応する画像の色を黒色にするなど、他の配色を用いる。

仮に、従来のように実際の海底深度より深い位置に海底面が存在すると誤判定してしまうと、図１に示したように、画面表示されたエコーが海底付近の魚群であるか、海底面であるかの判定が困難となる。また、図２に示したように、２番反射を１番反射であると誤判定し、海底面を基準としてオートレンジ表示を行うと、海底深度を誤判定した時間帯においてのみ極端にレンジが変わり、非常に見にくい画像となってしまう。

しかし、本実施形態の魚群探知機によれば、リファレンス信号として、受信信号の時間軸上のレベルが立ち上がる時間帯において相関値が上昇し、かつ海底のエコーの波形との相関が強い高い相関を示す信号を用いるため、深度が浅い場合や、受信信号のレベル上昇度合いが小さい場合であっても、海底深度を正確に検出することができ、図５（Ｃ）のように海底付近の魚群の判定も容易となる。

１１…送受波器
１２…送受切替部
１３…送信回路
１４…制御部
１５…受信回路
１６…Ａ／Ｄ変換器
１７…信号処理部
１８…表示部

Claims (3)

1. 水中に超音波を出力してエコーを受信し、受信したエコーの強度に応じた受信信号を出力する送受信部と、
   前記受信信号とリファレンス信号との相関を求める相関算出部と、
   前記相関算出部が算出した相関値のピークに基づいて海底深度を検出する海底検出部と、
   を備え、
   前記リファレンス信号は、受信信号のレベル上昇度合いが大きく、かつ海底のエコーの波形との相関が強いほど、高い相関値を示す信号であることを特徴とする海底検出装置。
2. 前記リファレンス信号は、当該リファレンス信号のピークより前の時間帯に、前記相関値を低下させる成分を含む信号である請求項１に記載の海底検出装置。
3. 前記リファレンス信号は、当該リファレンス信号のピークより後の時間帯に、時間経過に応じてレベルが低下する成分を含む請求項１、または請求項２に記載の海底検出装置。