JPH03248082A - 海底反射波位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｌａ）産業上の利用分野 この発明は、超音波式の潮流計や、ドツプラーソナーな
どに適用される海底検出装置に関する。

（ｂ）従来の技術 従来より、潮流を測定して操網や操船を援助する漁扮電
子機器として超音波式の潮流計が用いられている。

上記潮流計は水平指向方向が互いに１２０度づづ離れた
方向で一定の俯角で超音波の送受波を行い、海底反射波
のドツプラーシフト量によって船の移動方向と移動速度
を求め、また設定した深度からの反射波のドツプラーシ
フト量からその深度における潮流の流向と流速を測定す
るものである一般に、海底の超音波反射率は魚群やその
他の浮遊物体に比較して大きいため、従来より一定レベ
ル以上のエコーを海底反射波とみなして海底検出が行わ
れている。また、一般に海底反射波は深度が大きくなる
ほどその強度が著しく低下するため、いわゆるＴＶＧ補
正が行われる。更に、前回の超音波パルスの送受波によ
り検出された海底付近の受信信号を捕捉するために受信
ゲートを設け、その受信ゲート内の受信信号の強度によ
って増幅回路のゲインを調整するいわゆるＡＧＣ回路が
用いられている。

（Ｃ）発明が解決しようとする課題 ところが、前記ＡＧＣ回路を用い、エコーデータによっ
て海底検出を行う従来の装置では、受信ゲート内に比較
的大きなノイズが入った場合、そのノイズによって増幅
回路のゲインが低下し、本来の海底反射波のレベルが小
さくなって海底検出が不能となる場合がある。

また、深々度においては海底反射波のレベルが著しく小
さくなり、海中のシーノイズおよび回路により生じるノ
イズレベルに近づく。したがって、超音波パルスの送波
パワーによって測定可能な深度が定まり、より深々度の
海底検出を行うためには大電力の超音波パルスを送受波
しなければならない。また、庭付魚群（海底魚）による
エコーを海底として誤って検出する場合もあった。

潮流計やトンプラーソナーにおいては、海底反射波の抽
出精度によって対地速度の測定精度が定まるため、いか
に正確な海底検出を行うかが技術的課題の一つであった
。

この発明の目的は、深々度においても海底を正確に検出
できるようにした海底検出装置を提供することにある。

（ｄ１課題を解決するための手段 この発明の請求項１は海中に対する超音波パルスの送波
および海底反射波の受波により、海底を検出する海底検
出装置において、 受波信号の強度を量子化して時系列データとして記憶す
るエコーレベル記憶手段と、 パルス幅が予定する海底反射波のパルス幅に等しい矩形
波信号と上記時系列データとの相関をとって、相関値の
最大となる点を基準として海底を検出する海底検出手段
とを備えたことを特徴とする。

この発明の請求項２に係る海底検出装置は、請求項１に
記載した予定する海底反射波のパルス幅を、超音波ビー
ムの広がりによって生じる各深度における仮想海底への
超音波ビームの放射範囲と、送受波器に対する距離方向
の幅と、送波信号のパルス幅とにより定めることを特徴
とする。

この発明の請求項３に係る海底検出装置は、請求項１ま
たは２記載の海底検出装置において最大深度から浅い方
向へ上記時系列データと上記矩形波信号との相関をとる
ことを特徴とする。

さらに、この発明の請求項４は、海中に対する超音波パ
ルスの送波および海底反射波の受波により海底を検出す
る海底検出装置において、複数回の超音波パルスの送受
により得た各受波信号の強度を量子化して、それぞれ時
系列データとして記憶するエコーレベル記憶手段と、記
憶した複数回分の時系列データを発生順に順次移動平均
してエコーデータを求める平均化エコーデータ生成手段
とを備えたことを特徴とする。

（ｅ）作用 請求項１に係る海底検出装置では、先ず、エコーレベル
記憶手段により受波信号（エコー）の強度が量子化され
て時系列データとし記憶される。

このようにして−旦記憶された時系列データは、海底検
出手段により、パルス幅が予定する海底反射波のパルス
幅に等しい矩形波信号との相関が求められ、その相関値
の最大となる点を基準とじて海底が検出され−る。

海中に送波される超音波パルスは一定周波数および一定
時間幅を存する１・−ンバースト波であり、海底反射波
のパルス幅も送波された超音波パルスのパルス幅に略等
しいはずである。したがって、受波信号に海底反射波が
含まれていれば、上記矩形波信号との相関値は海底反射
波の位置で最大となる。

このように受波信号のレベルによって直接海底検出を行
うのではなく、受波信号に含まれる海底反射波を、抽出
しようとする信号との相関をとることによって検出する
ようにしたため、比較的レベルの高い他のエコーやノイ
ズが含まれていても、その波形の違いから海底反射波の
みを選択的に検出できるようになる。

例えば、第７図の上段に示すような受波信号が得られた
とき、Ｓで示す矩形波信号との相関結果は同図の下段に
示すようになる。このように例えば幅の狭いノイズＮと
の相関値は低く、海底反射波ＧＥとの相関値は非常に大
きくなる。

この発明の請求項２に係る海底検出装置では、上記「予
定する海底反射波のパルス幅」が、超音波ビームの広が
りによって生じる各深度における仮想海底への超音波ビ
ームの放射範囲と、送受波器に対する距離方向の幅と、
送波信号のパルス幅とにより定まる。

第４図および第５図は超音波ビームの広がりおよび海底
反射波のパルス幅の変化を示す図である。第４図に示す
ように超音波送受波器から送波される超音波ビームは一
定の指向角を有し、深度が深（なるほど海底への放射範
囲が広くなり、送受波器と海底間の距離は海底の放射範
囲Ｗの広がりに比例して距離方向にＬの幅が生じる。従
って第５図に示すように深度が深（なるほど海底反射波
のパルス幅が広くなる。

第６図（Ａ）、　　（Ｂ）にパルス幅の異なる海底反射
波と矩形波信号との相関結果の例を示す。同図（Ａ）は
海底反射波のパルス幅と矩形波信号（図においては矩形
波信号の幅のみ表している。）のパルス幅とが等しい場
合、同図（Ｂ）は海底反射波のパルス幅と矩形波信号の
パルス幅とが異なる場合について、それぞれ示している
。同図（Ａ）に示すように、深度の浅い方から深い方へ
相関を求める場合、相関結果のピークは海底位置から矩
形波信号のパルス幅（相関幅）だけ後方に一点のみ現れ
る。従って、相関結果のピーク点より相関幅だけ浅いと
ころを海底として検出することができる。これに対して
、同図（Ｂ）に示すように、海底反射波のパルス幅と矩
形波信号のパルス幅とが異なる場合には、相関結果のピ
ークが幅を持つことになる。したがって、請求項２に係
る海底検出装置のように、海底反射波のパルス幅に応じ
て相関をとるべき矩形波信号のパルス幅を変化させれば
、深度に関わらず一点のピークを存する相関結果を得る
ことができ、海底を正確に検出することができる。

尚、深度の深い方から浅い方へ相関を求める場合にも、
上記した関係（相関結果のピークに幅が生じるか否か）
は同様であるが、その場合には次に述べるように、相関
結果のピーク点を直接海底として求めることができる。

この発明の請求項３に係る海底検出装置では、上記時系
列データと上記矩形波信号との相関処理が、最大深度か
ら浅い方向へ行われる。

一般に、海底の質（状態）や庭付魚群などの影害によっ
て海底の開始深度（海底反射波の開始点）が判別しにく
い場合がある。例えば第８図に示すように、海底反射波
の直前に庭付魚群の反射波が重なり、あたかも１つの海
底反射波のように見える。これに対し、海底反射波の後
方（海底の中）からは、よほど送信出力が大きくない限
り、超音波パルスが反射されることはない。したがって
、海底反射波の直後は略シーノイズレベルか装置の持つ
ノイズレベルとなる。この点に着目し、上記方法によっ
て正確な海底検出が可能となる。すなわち、第９図（Ａ
）に示すように、浅い方から最大深度方向へ相関をとる
と、求められた相関結果の最初のピーク点から矩形波信
号のパルス幅（相関幅）Ｂだけ手前を誤って開始深度と
して検出する場合がある。これに対し同図（Ｂ）に示す
ように最大深度から浅い方向へ相関をとれば、相関結果
の最初（後ろ側）のピーク点を海底の開始深度として正
しく検出することが可能となる。

この発明の請求項４に係る海底検出装置では、エコーレ
ベル記憶手段によって複数回の超音波パルスの送受によ
り得られた各受信信号の強度が量子化されて、それぞれ
時系列データとして記憶される。そして、平均化エコー
データ生成手段によって、複数回分の時系列データが発
生順に順次移動平均されてエコーデータが求められる。

第１θ図は上記平均化作用の説明図である。同図におい
て（１）、　　（２）、　　（３）　　・・・は順次記
憶された時系列データを、横軸を深度、縦軸をエコーレ
ベルとして表したものである。また、（１〜４）は（１
）〜（４）に示した４つの時系列データを平均化したも
の、（２〜５）はく２）〜（５）の４つの時系列データ
を平均化したもの、同様に（３〜６）は（３）〜（６）
の４つの時系列データを平均化したものである。このよ
うに順次受波信号を移動平均することにより、ランダム
に発生するノイズ成分が減少し、相対的に海底反射波の
検出能力が向上する。このため深々度においても正確な
海底検出が可能となる。

ｍ実施例 この発明の実施例である潮流計のブロック図を第１図に
示す。

第１図において、１は潮流計全体の制御を統括するＣＰ
Ｕである。このＣＰＵのバスには、制御プログラムが予
め書き込まれたＲＯＭ２、その制御プログラムの実行に
際して各種データバッファとして用いられるＲＡＭ３、
表示データが書き込まれるＶＲＡＭ４、ＶＲＡＭ４の続
出制御を行う表示制御回路７、キー人力装置８とのイン
ターフェイス回路９および後述する潮流計制御回路との
インターフェイス回路２８が接続されている。なお、ビ
デオ出力回路５はＶＲＡＭ４からの読み出した信号から
映像信号を発生してＣＲＴ６へ出力する。

上記インターフェイス回路２８に接続されている潮流計
制御回路について以下に説明する。１０．１１および１
２は水平指向方向が互いに１２０度づつ離れた方向で、
一定の俯角で超音波の送受波を行う送受波器である。同
図においてはこのうち１つの超音波送受波器１１に接続
されている１チャンネル部分の回路について示している
。送信制御回路１５は一定周波数、一定時間幅のトーン
バースト波を発生し、増幅回路１４および送信出力回路
１３によって超音波送受波器１１が駆動される。超音波
送受波器１１の受波信号は増幅回路１６により増幅され
、フィルタ１７により所定帯域の信号が濾波され、中間
周波変換回路１８により中間周波数に変換される。さら
に、ＬＯＧ圧縮回路により対数圧縮され、Ａ／Ｄコンバ
ータ２０により量子化されてエコーレベルメモリ２１に
書き込まれる。深度カウンタ２２は送信制御回路１５が
送信パルスを発生する毎にＯからカウントアツプを開始
し、エコーレベルメモリ２１の書込アドレスを選択する
。一方、中間周波信号は増幅回路２４により一定振幅に
まで増幅され、コンパレータ２５によって矩形波信号に
変換され、周波数検出回路２６によるディジタル処理に
よって周波数検出が行われ、その結果が上記深度カウン
タ２２により選択される周波数データメモリ２７のアド
レスに書き込まれる。ＣＰＵＩはインターフェイス回路
２８を介して送信制御回路１５に対し、送信トリガ信号
発生し、またエコーレベルメモリ２１および周波数デー
タメモリ２７の所定深度の内容を読み込む。その際、Ｔ
ＶＧ回路２３によってエコーレベルメモリ２１の出力デ
ータがＴＶＧ補正される。

上記ＲＡＭ３内の概略構成を第２図に示す。同図におい
てＭ　（１，＊）□は船首方向を指向する超音波送受波
器の受波信号（正確には、その信号が対数圧縮され、量
子化され、さらにＴＶＧ補正された結果のデータ）が予
め定められた単位深度毎に記憶する領域であり、Ｍ　（
１，＊）　）Ｉ＝Ｍ　（４、＊）Ｈによって過去４回分
のデータが一時記憶される。ＥＡ　（＊）Ｈは上記４回
分の時系列データを平均化した結果を記憶する領域であ
る。さらにＥＣ（＊）　ＨはＥＡＯｋ）１１に求められ
たデ−タと矩形波信号との相関結果を記憶する領域であ
る。同様に“Ｒ”の添字を付したものは船首方向から１
２０度離れた右舷後方を指向する超音波送受波器による
受波信号から求められる各種データを記憶する領域、“
Ｌ”の添字を付したものは船首方向から１２０度離れた
左舷後方を指向する超音波送受波器の受波信号により得
られる各種データを記憶する領域である。また、その他
にカウンタや演算用のワーキングエリアが設けられてい
る。

次に、上記ＣＰＵの処理手順を第３図（Ａ）〜（Ｃ）に
示す。

第３図（Ａ）に示すように、先ず受波信号の平均化処理
（第１０図参照）の回数１ｎに初期値１を設定しくｎｌ
）、カウンタＣに初期値１を設定する（ｎ２）。このカ
ウンタＣは第２図に示した受波信号の記憶領域のどの箇
所にデータを読み込むかを指定するもので、Ｍ　（Ｃ，
＊）　ｕ　、Ｍ　（Ｃ。

’ｋ）ｓ＋およびＭ（Ｃ，＊）ｔに対しそれぞれ深度０
から最大深度（ｍａｘ）までデータを読み込む（ｎ３）
。その後複数回の受波信号を平均化して記憶領域ＥＡ　
（＊）　Ｍ　、　ＥＡ　（＊）　ＲおよびＥＡ（＊）Ｌ
へそれぞれ書き込む（ｎ４）。但し平均化回数ｍが１で
ある場合にはＥＡ　（＊）の内容はＭ（１，＊）の内容
に等しい。その後、カウンタＣの値を次回のデータ読み
込みに備えてインクリメントする（ｎ５→ｎ７）。但し
、Ｃ＝　ＭであるときにはＣを初期値ｌに戻す（ｎ５−
＋ｎ６）。

続いて第３図（Ｂ）に示す手順で上記ＥＡ　（＊）に求
めた平均化データと矩形波信号との相関処理を行ってそ
の結果を記憶領域ＥＣ（＊）に書き込む。先ず、深度り
として最大値（ｍａｘ）を設定して（ｎ８）、相関幅（
矩形波信号の幅）Ｂを、送波した超音波パルスの持続時
間を距離単位で表した時間Ｐに深度りの比例成分ａ−Ｄ
を加算した値として求める（ｎ９）（第４図および第５
図参照）。その後、ＥＡ　（Ｄ）〜ＥＡ　（Ｄ−Ｂ）の
内容、すなわち深度りから深度Ｄ−Ｂの各深度における
記憶領域ＥＡのデータを加算する（ｎ　１０）。そして
その加算値を深度りで示される記憶領域ＥＣに書き込む
（ｎｉｌ）。この処理を深度りが相関幅Ｂに達するまで
、深度りを単位深度ｄづつ浅くするとともに順次繰り返
す（ｎ　ｌ　２→ｎ　１３→ｎ９・・・）。

続いて第３図（Ｃ）に示す処理手順によって相関結果か
ら海底を検出するととにも対地船速を求める。先ず、求
められた相関値のピーク点を検出し、ピーク点の値を大
きいものから順にソーティングし、最もピーク値の高い
位置を基準にして海底を検出する（ｎ　１４−＝ｎ　１
５）。なお、相関値からピーク点を検出する方法として
、第１１図に示すように検出すべき位置から前後方向に
相関幅Ｂ離れた点の相関値より一定値以上高い値である
箇所を抽出し、その範囲内の最大値をピーク点としてみ
なすことができる。ただし、庇付魚群の影響等により、
相関値のピークに幅をもつ場合には第９図（Ｂ）に示し
たように、ピーク点のうち最も深い位置を海底として検
出する。このようにして海底検出を行った後、その深度
に対応する周波数データを周波数データメモリ　（第１
図中２７）から読み込み、３方向の海底反射波のドツプ
ラーシフトから対地船速および移動方向を算出する（ｎ
１７）。その後、受波信号のノイズレベルを検出して、
そのノイズレベルに応じた平均化回数ｍを設定する（ｎ
１８）。例えばノイズレベルが非常に大きく対地船速が
比較的小さい場合には平均化回数ｆＬ′１を多くし、対
地船速か大きい場合またはノイズレベルが小さい場合に
は平均化回数ｍを少なくする。その後送信トリガを発生
して、全ての受波信号が帰来までの時間待ちを行い、以
上に示した処理を繰り返す（１１１９−１１２０−’ｎ
　３・・・）。

（ｇ）発明の効果 請求項１記載の発明によれば、受波信号に他のエコーや
比較的大きなノイズが重畳されるような場合であっても
、目的とする海底反射波のみを正確に抽出することがで
きる。

また、請求項２に係る発明によれば、深度に関わらず抽
出すべき海底反射波の位置を正確に求めることができる
。

請求項３に係る発明によれば、海底の質（状態）や庭付
魚群の存在によっても、海底の開始深度を正確に判別す
ることができる。

さらに、請求項４記載の発明によれば、海底反射波の検
出能力が向上し、深々度での微弱な受波信号からも容易
に海底検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例である潮流計のブロック図、
第２図は同装置のＲＡＭの概略構成図、第３図（Ａ）〜
（Ｃ）は同潮流計の処理手順を表すフローチャートであ
る。第４図は超音波ビームの広がりと送受波器に対する
距離方向の幅との関係を表す図、第５図は深度と海底反
射波のパルス幅との関係を表す図、第６図は海底反射波
のパルス幅と矩形波信号の幅および相関結果との関係を
表す図である。第７図は受波信号および受波信号と矩形
波信号との相関結果の例を示す図である。 第８図は受波信号の海底反射波付近の例を示す図である
。第９図（Ａ）、　　（Ｂ）は相関方向の違いによる海
底検出方法を説明するための図である。 第１０図は受波信号の平均化処理を説明する図である。 第１１図は相関結果からピーク値を検出する方法を説明
する図である。 １０．１１．１２＝超音波送受波器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）海中に対する超音波パルスの送波および海底反射
   波の受波により、海底を検出する海底検出装置において
   、 受波信号の強度を量子化して時系列データとして記憶す
   るエコーレベル記憶手段と、 パルス幅が予定する海底反射波のパルス幅に等しい矩形
   波信号と上記時系列データとの相関をとって、相関値の
   最大となる点を基準として海底を検出する海底検出手段
   とを備えたことを特徴とする海底検出装置。
2. （２）上記予定する海底反射波のパルス幅を、超音波ビ
   ームの広がりによって生じる各深度における仮想海底へ
   の超音波ビームの放射範囲と、送受波器に対する距離方
   向の幅と、送波信号のパルス幅とにより定める請求項１
   記載の海底検出装置。
3. （３）最大深度から浅い方向へ上記時系列データと上記
   矩形波信号との相関をとる請求項１または２記載の海底
   検出装置。
4. （４）海中に対する超音波パルスの送波および海底反射
   波の受波により海底を検出する海底検出装置において、 複数回の超音波パルスの送受により得た各受波信号の強
   度を量子化して、それぞれ時系列データとして記憶する
   エコーレベル記憶手段と、 記憶した複数回分の時系列データを発生順に順次移動平
   均してエコーデータを求める平均化エコーデータ生成手
   段とを備えたことを特徴とする海底検出装置。