JP2007064768A - 水中探知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
エコー反射物の速度情報を加味した探知情報を表示画面上に表示することができる水中探知装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
水中に超音波を送信して対象物からの反射エコーを受信して表示する水中探知装置において、通過帯域周波数の一部に阻止帯域を有するバンドパスフィルタを用いて受波信号のフィルタリングを行うフィルタ処理部を備え、前記阻止帯域を、移動速度がゼロの物標で反射した信号の周波数帯域とする。これにより、海底やプランクトン層からの反射エコーを除去し、速度を有して移動する魚群等からの反射エコーのみを表示画面上に表示することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は水中に超音波を送信して対象物からの反射エコーを受信して表示する水中探知装置に関する。

水中に超音波を送信し、対象物からの反射エコーを受信して表示する魚群探知機やスキャニングソナー等の超音波水中探知装置が従来から知られている。この一例として、例えば、特許文献１に記載のものがある。

特許文献１は、移動体の移動速度及び移動方向に基づいて、方位ごとに独立したビーム数分の最適なフィルタ特性を決定し、ＳＮ比の高い信号を得る技術を開示している。この特許文献１について、以下にその詳細を説明する。

図９は、この特許文献１に記載の水中探知装置の構成を示すブロック図である。

従来の水中探知装置は、図９に示すように、送受波器１０１と、送信部１０２と、送受切り替え部１０３と、固定帯域フィルタ１０４と、増幅器・ミキサ１０５と、固定帯域フィルタ１０６と、増幅器１０７と、Ａ／Ｄ変換器１０８と、ビーム形成部１０９と、自動帯域制御部１１０と、制御部１１１と、速度センサ・方位センサ１１２と、検波部１１３とから構成されている。

送受波器１０１は、送信部１０２からの送信電気信号を音波に変換して送波し、受波時には水中から帰来する超音波エコーを電気信号に変換する。送信部１０２は、指定されたティルト角度（海面に対する音波発射方向）で所定のパルス幅をもった音波を発射するための電気信号発生部であり、生成した信号を送受波器１０１に供給する。送受切り替え部１０３は、送波時と受波時とで信号の通路を切り替える回路で、送波時には送信信号のみを通過させ、受波時には受信信号のみを通過させる。

固定帯域フィルタ１０４は、受信部に設けられた１段目の固定帯域フィルタであって、送受波器１０１で受波したエコーより得られる受信信号の中から、必要な周波数帯域の信号を取り出すためのフィルタである。増幅器・ミキサ１０５は、フィルタされた受信信号を増幅、周波数シフトし、中間周波数に変換するものである。固定帯域フィルタ１０６は、２段目の固定帯域フィルタであって、周波数変換された信号に含まれる不要な側波帯の信号を除去して、周波数帯域をさらに絞るためのフィルタである。増幅器１０７は、受信信号を次段のＡ／Ｄ変換器１０８の入力レベルまで増幅するものである。

Ａ／Ｄ変換器１０８は、増幅された受信信号をデジタル信号に変換するものである。ビーム形成部１０９は、受信信号に対して水平方向に連続走査を行うことにより、ビーム形成するものである。

自動帯域制御部１１０は、速度センサ・加速度センサ１１２から得られる速度情報及び方位情報に基づいて、各方位の中心周波数や帯域幅を検出し、これらに基づいて帯域幅が絞られたＳＮ比の高い信号を生成するものである。

制御部１１１は、ＣＰＵやメモリから構成されるコントローラであり、装置全体とともに自動帯域制御部１１０の動作を制御する。速度センサ・方位センサ１１２は、船速及び船首方位を検出するセンサである。なお、速度センサとしては、ＧＰＳや潮流計などの装置や、船体または送受波器に取り付けられた速度センサ（例えば加速度センサでその出力を時間積分して速度を得るもの）などが考えられ、方位センサとしては、ＧＰＳ、ジャイロコンパス、電子コンパスなどの装置が考えられる。

検波部１１３は、自動帯域制御部１１０で生成された信号の包絡線を検出するものであり、検出した包絡線を表示装置（図示せず）に出力する。

前記構成において、送信部１０２は送受切り替え部１０３を介して、所定周波数のパルス信号を送信信号として送受波器１０１に供給する。送受波器１０１は、この信号を超音波に変換して、水中へ超音波ビームを発射する。発射された超音波は海底や水中の魚群等で反射し、そのエコーが送受波器１０１で受波される。受波した超音波は、送受波器１０１により電気信号に変換され、この信号が受波信号として出力される。

受信信号の処理は、先ず、ビーム形成前処理として、固定帯域フィルタ１０４において、受信信号中に含まれている不要な雑音が除去され、所定の周波数帯域の信号のみが取り出される。取り出された信号は、増幅器・ミキサ１０５で増幅、周波数シフトされ、中間周波数に変換される。その後、固定帯域フィルタ１０６で不要な側波帯の信号が取り除かれ、さらに増幅器１０７で増幅されてＡ／Ｄ変換器１０８でデジタル信号に変換される。なお、Ａ／Ｄ変換のタイミングはこれに限定されない。
ビーム形成処理は、ビーム形成部１０９により行われ、水平方向の連続走査によって受信信号のビームを形成し、これを自動帯域制御部１１０に出力する。

最後に、ビーム形成後処理として、自動帯域制御部１１０によって、速度センサ・加速度センサ１１２から得られる速度情報及び方位情報に基づいて、各方位ごとの中心周波数や帯域幅を検出し、これらに基づいて帯域幅が絞られたＳＮ比の高い信号を生成する。検波部１１３は、自動帯域制御部１１０で生成された信号から信号包絡線を検出し、そのデータを後段の表示装置へ出力する。表示装置では、前記データに基づいて、海底や魚群等の水中情報を表すエコー映像が表示される。

ここで、特許文献１に記載の自動帯域制御部１１０について図１０を用いてさらに詳細に説明する。
図１０は、自動帯域制御部１１０の具体的構成を示すブロック図である。
自動帯域制御部１１０は、図１０に示すように、周波数検出部２０１と、ドップラシフト周波数推定部２０２と、帯域幅推定部２０３と、マルチプレクサ２０４、２０５と、ミキサ２０６と、可変帯域幅フィルタ２０７とから構成されている。

周波数検出部２０１は、自己相関法やフーリエ変換法などを用いて、受信信号から水平各方向（断面モードに対しては断面方向）の信号の中心周波数と周波数分散を検出するものである。なお、周波数分散とは、信号の周波数成分の広がりの程度を表すものであって、正確には帯域幅とは異なるが、帯域幅と比例関係にあると考えてよい。

ドップラシフト周波数推定部２０２は、周波数検出部２０１で受信信号からのドップラシフト周波数検出が困難な場合に使われるものである。ドップラシフト周波数推定部２０２は、速度センサから得られた船速情報から、発生するであろう水平全周（断面モードに対しては断面方向）のドップラシフト周波数を推定計算する。なお、船首方位は、対地船速を計測するドップラソナーや潮流計、或いはＧＰＳなどが速度センサとして使用されている場合に、東西南北速度ベクトルを送受波器の前後左右速度ベクトルに換算するために使われる。帯域幅推定部２０３は、送信パルス幅の情報から受信信号の帯域幅を推定するものである。

ＭＵＸ２０４、２０５は、ともにマルチプレクサであり、周波数検出部２０１で受信信号から求めた情報を使うか、ドップラシフト周波数推定部２０２や帯域幅推定部２０３で船速やパルス幅を元に推定した推定値を使うかを選択するものである。

ＭＵＸ２０４で中心周波数の選択がなされると、ミキサ２０６は、選択された中心周波数に基づいて、受信信号の中心周波数をシフトさせ、ベースバンド（ＤＣ）信号を生成する。また、可変帯域幅フィルタ２０７は、ＭＵＸ２０５で選択された帯域幅を持つフィルタであり、入力されるベースバンド信号の帯域を制限し、信号以外の周波数成分を除去することによって、受信信号のＳＮを改善する。

このように、特許文献１では、自動帯域制御部１１０によって、各方位ごとに受信信号の帯域制御を行うことにより、自船の移動、船体の動揺、潮流等の種々の要因に基づいて受信周波数がシフトした場合であっても、各方位に対して高いＳＮ比を確保することが可能になる。
特開２００３−８４０６０号公報

しかしながら、前述した特許文献１において、表示装置へ出力されるデータは、受信信号のレベル情報のすべてをそのまま表示したものに過ぎない。すなわち、従来技術によるスキャニングソナーや魚群探知機においては、送信信号反射物体の速度情報に関係なく、受信信号のレベルのみを検出して表示している。そのため、例えば、海底等を除いて水中を回遊する所望の魚群のみを表示するといったことができなかった。特に、水深の浅い海域やプランクトン層が浅水深に存在する場合には、海底反射や海面反射、プランクトンによる反射エコーに魚群エコーが重畳して表示され、魚群の識別が困難となるか、最悪の場合には全く判別不能となってしまうという問題点があった。

また、この特許文献１では、Ｓ／Ｎ比を向上する目的で通過帯域幅の狭いフィルタ特性を有するフィルタ処理を行っているため、自船の移動速度と相対的に等価な速度範囲を有する移動物体の受信エコーのみを通過させる。このため、自船の移動速度よりも相対的に大きな移動速度を有する移動物体、例えば鰹や鮪等の魚種に関しては、それら魚種の移動速度に応じて発生するドップラシフト周波数がフィルタ特性の通過帯域外となり、フィルタ処理によってそれら信号成分が減衰され表示されなくなる。結果として特許文献１では、自船の移動速度よりも相対的に大きな移動速度を有する移動物体の探知漏れをおこす可能性があった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、水中の反射物から受信された信号のレベル情報のみならず、エコー反射物の速度情報を加味した探知情報を表示画面上に表示することができる水中探知装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明は、所定の物標速度範囲に応じたフィルタ係数を、船等の移動体の移動速度及び移動方向に応じて周波数シフトすることで、所望のフィルタ係数を生成する帯域制限演算部と、前記帯域制限演算部で生成したフィルタ係数を用いて受波信号のフィルタリングを行うフィルタ処理部とを備えることを特徴とする。これにより、所定の物標速度範囲に応じたフィルタ係数に応じた一定の速度範囲に含まれる物標からの反射エコーのみを表示画面上に表示することが可能になる。

また、本発明は、前記帯域制限演算部により、通過帯域周波数の一部に阻止帯域を有するバンドパスフィルタを生成し、その阻止帯域を移動速度がゼロの物標で反射した信号の周波数を含む帯域とすることを特徴とする。これにより、海底やプランクトン層等の速度を有さない物標からの反射エコーを除去して、魚群等の一定の速度を持って移動する物標からの反射エコーのみを表示画面上に表示することが可能になる。

また、本発明は、前記帯域制限演算部によって、船等の移動体の移動速度及び移動方向に基づいて、或いは複素自己相関法により求めた方位ごとの平均周波数に基づいて、所定の物標速度範囲を有するフィルタ係数を方位ごとに周波数シフトすることで、１つのフィルタ係数から方位ごとに独立したフィルタ係数を生成することを特徴とする。これにより、スキャニングソナーのような全周方向に一定の俯仰角で複数のビームを送信するような装置においても、ビーム方位ごとに適切なフィルタリング処理を行うことが可能になる。

また、本発明は、前記帯域制限演算部によって、船等の移動体の速度変化、針路変化、又は動揺による変化に応じて、受信区間中であってもリアルタイムにフィルタ係数を更新し、前記フィルタ処理部が前記変更されたフィルタ係数に基づいたフィルタリング処理を行うことを特徴とする。これにより、受波信号をリアルタイムに処理することが可能になる。

また、本発明は、前記フィルタ処理部が同じ受波信号を、所定の帯域幅を有するフィルタ係数と前記帯域制限演算部で生成されたフィルタ係数とを用いてそれぞれフィルタリングし、異なるフィルタ係数でのフィルタリング結果を表示画面上に同時に表示することを特徴とする。これにより、ユーザは異なるフィルタ係数を用いたフィルタリング結果を表示画面上で対比することができる。例えば、前記帯域制限演算部により海底からのエコーをカットするようなフィルタ係数を生成した場合には、ユーザは、海底を表示する従来のフィルタ係数を用いたフィルタリング結果の画像と、海底等の映像を消した本発明のフィルタ係数を用いたフィルタリング結果の画像とを同時に見ることができるようになる。

また、本発明は、船等の移動体の動揺を補正して水中に超音波を送受信することができる動揺補正機能をさらに備えることを特徴とする。これにより、正確な超音波信号の送受信処理を行うことが可能になる。

また、本発明は、受波信号のドップラシフト量を周波数の大きさに応じて色別のデータで表示することを特徴とする。これにより、ユーザは、魚群等の物標の移動速度を表示画面から直感的に把握することが可能になる。

本発明によれば、海底やプランクトン層からの反射エコーを除去して、一定の速度を持って移動している魚群等からの反射エコーのみを表示画面上に表示することができる。そのため、天候や漁場条件に左右されずに魚群探索時／魚群追尾時における漁業効率改善に寄与する。また、海底エコーやプランクトン層に埋もれた魚群識別能力向上によって、ユーザにより鮮明な映像を提供し、漁業効率改善に寄与する。特に本発明によれば、海底に埋もれた底付きの魚群のみを表示画面上に表示することができるため、例えば、従来のスキャニングソナーの一機能であるリアルターゲットロック処理においては、海底エコーの影響を除去して、従来では追尾できなかった海底エコーに埋もれた魚群の追尾を可能にする。また、スキャニングソナーの断面モードに対して適用する場合には、従来からの懸案であった海底エコーを抑圧、もしくは海底エコーを除去することができる。

また、本発明による技術を用いた受波エコーの表示形態として、従来表示画面との比較映像を提供することで、海底エコーやプランクトン層と速度を有する魚群エコーとの識別をさらに容易にすることができる。

さらに、本発明によれば、所定の速度を有する物標のみを探知することができるため、水中から侵入する物体や水中で作業を行うダイバーの位置を遠隔から監視、把握することも可能である。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１による水中探知装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態１による水中探知装置の構成の一例を示すブロック図である。
図１において、本発明にかかる水中探知装置は、フロントエンドインターフェイス１と、送信ビーム形成部２と、ビーム形成前処理部３と、受信ビーム形成部４と、帯域制限演算部５と、フィルタ処理部６と、表示処理部７とから構成されている。

フロンエンドインターフェイス１は、送受切り替え部であり、送信ビーム形成部２から出力された送信コードをフロントエンド部である送受波器（図示せず）に転送し、フロントエンド部より出力される受信信号をビーム形成前処理部３に転送する。送信ビーム形成部２は、送信ビーム形成のために、チャンネルごとの送信波形時系列データを生成する。例えば、スキャニングソナーにおいては、指定されたティルト角度で所定のパルス幅を持った音波を発射するためのデータがこの送信ビーム形成部２で生成される。なお、ここでは、図示していないが、船等の移動体の動揺を補正して水中に超音波を送受信することができる動揺補正機能を設けることにより、正確な超音波信号の送受信処理を行うことが可能になる。

ビーム形成前処理部３は、ノイズ除去のためのフィルタ処理やビーム形成に際して必要となるＴＶＧ（Time Variable Gain）に代表されるゲイン補正処理等を行い、受信ビーム形成部４にデータを出力する。

受信ビーム形成部４は、受信信号に対して位相合成方式によるマルチビーム形成処理を行うことで受信ビームを形成する。なお、ビーム形成は受波信号を水平方向に連続走査することによっても可能である。

帯域制限演算部５は、所定の物標速度範囲に応じたフィルタ係数を予めメモリ等の記憶手段に保持している。ここで所定の物標速度範囲とは、検出したい物標の速度に基づいて決定される速度範囲である。また、所定の物標速度範囲に応じたフィルタ係数は、移動体（自船）の速度がゼロの時に、所定の速度で移動するターゲットからの反射エコーのみを通過する通過帯域周波数を有するフィルタ特性をもつフィルタ係数である。帯域制限演算部５は、この所定の物標速度範囲に応じたフィルタ係数を記憶手段から取得し、移動体の移動速度に応じて、物標の速度範囲を考慮した所望のフィルタ特性を有するフィルタ係数を生成する。

例えば、全周方向にスキャンを行うスキャニングソナー等の装置においては、自船が移動する場合、ビーム方位ごとにドップラシフト量が異なる。そのため、帯域制限演算部５は、移動体の移動速度及び移動方向に基づいて、或いは複素自己相関法により求めた方位ごとの平均周波数に基づいて、ビーム方位ごとに取得したフィルタ係数の周波数をシフトする。これにより、帯域制限演算部５によってビーム方位ごとにそれぞれ独立したフィルタ係数を生成することができる。このようにして生成するフィルタ係数は、例えば、速度ゼロ付近の物標からの反射エコーを阻止帯域とし、所定の範囲内の速度で移動する物標からの反射エコーのみを通過周波数帯域とするフィルタ特性を有する。

フィルタ処理部６は、帯域制限演算部５で方位ごとに生成されたフィルタ係数を用いて各ビームの受波信号のフィルタリングを行う。これにより、フィルタリング処理後のデータは、海底からの反射エコーや、ほとんど速度を有さないプランクトン層からの反射エコー等が除去され、所定範囲の速度で移動する物標からの反射エコーのみのデータとなる。

表示処理部7は、フィルタリング処理後のデータを表示画面上に表示するための処理を行う。すなわち、フィルタ処理部６でフィルタリングされた方位毎の信号を検波し、ＴＶＧ処理、補間処理等を行って、エコー映像の表示形態に応じたデータを指示装置（図示せず）に出力する。指示装置は表示処理部７から出力されたデータに基づいて、水中情報を表すエコー映像を表示する。エコー映像の表示形態としては、受波信号の信号強度を表示するだけでなく、受波信号のドップラシフト量を周波数の大きさに応じて色別のデータで表示するようにしても良い。これにより、ユーザは、魚群等の物標の移動速度を表示画面から直感的に把握することが可能になる。

次に、本発明の水中探知装置の動作について説明する。

前記構成において、送信ビーム形成部２はフロントエンドインターフェイス１を介して、所定周波数のパルス信号を送信信号として送受波器（図示せず）に供給する。送受波器は、この信号を超音波に変換して、水中へ超音波ビームを発射する。発射された超音波は海底や水中の魚群等で反射し、そのエコーが送受波器で受波される。受波した超音波は、送受波器により電気信号に変換され、この信号が受波信号としてフロントエンドインターフェイス１を介してビーム形成前処理部３に出力される。

受信信号の処理は、先ず、ビーム形成前処理として、ノイズ除去のためのフィルタ処理やビーム形成に際して必要となるＴＶＧ（Time Variable Gain）に代表されるゲイン補正処理等がビーム形成前処理部３により行われる。

ビーム形成処理は、受信ビーム形成部４で行われ、受信信号に対して位相合成方式によるマルチビーム形成処理を行うことで受信ビームを形成する。

次に、ビーム形成後処理では、帯域制限演算部５により、所定の速度で移動する物標のみを探知するためのフィルタ特性を有するフィルタ係数が、ビーム方位毎にそれぞれ独立して生成される。この帯域制限演算部５により生成されるフィルタ係数は、移動体の速度変化、針路変化、または動揺等の変化に応じて、受信区間中であってもリアルタイムにそのフィルタ係数が更新される。

フィルタ処理部６では、この帯域制限演算部５で生成されたフィルタ係数を用いてビーム方位毎に受波信号のフィルタリングを行う。

最後に、表示処理部７によってフィルタ処理後の受波信号から信号包絡線が検出され、ＴＶＧ処理、補間処理等を行って、そのデータを後段の指示装置に出力する。指示装置では、前記データに基づいて、水中情報を表すエコー映像が表示される。

次に、本発明の特徴部分である帯域制限演算部５についてさらに詳細に説明する。
図２は、帯域制限演算部５の具体的構成を示す図である。なお、ここではエコーの送受波モードがＣＷモードである場合について説明する。
図２において、帯域制限演算部５は、周波数シフト部２１と、周波数検出部２２と、フィルタ係数演算部２３とからなる。

周波数シフト部２１は、入力ビーム数に従った方位毎の距離方向サンプリングデータに対して、ＡＤサンプリング周波数設定値に応じたズレ分の周波数シフトを行い、受信帯域をＤＣ（ベースバンド）にシフトさせる。

周波数検出部２２は、自己相関法やフーリエ変換法などを用いて、受信信号から水平全周方向（断面モードに対しては断面方向、任意俯仰角断面モードに対しては各方位に対する俯仰角方向）の信号の中心周波数を検出するものである。本システムではリアルタイムに全周の周波数分析を行うため複素自己相関法を使用する。この複素自己相関法は、ビーム方位毎に送信終了後相関演算開始距離から距離方向に、あるタイムラグでの複素自己相関値を演算し、平均周波数と周波数分散を求める処理である。

なお、周波数検出部２２は、前述した処理内容に換えて或いは選択的に、外部から取得した船速、真針路情報に基づいて、船速に対応する全周方位ごと（断面モードにおいては垂直ビーム方位ごと）の中心周波数を計算するようにしてもよい。

次に、フィルタ係数演算部２３は、次の（１）から（４）の処理を行う。

（１）フィルタ係数演算部２３は予め検出したい速度範囲に応じたフィルタ特性を有するフィルタ係数を取得する。このフィルタ係数は、メモリ等の記憶手段に保持されたものであり、例えば、ユーザの選択によって特定の物標速度範囲に応じたフィルタ特性を有するフィルタ係数が選択される。図３は、フィルタ係数演算部２３が取得するフィルタ係数の一例を示す図である。ここではフィルタ係数演算部２３が図３に示すような一定の物標速度範囲に応じた帯域幅を有するローパスフィルタを取得する。

（２）次に、フィルタ係数演算部２３は取得したフィルタ係数の通過帯域中心周波数を、周波数検出部２２で複素自己相関法により求められた全周方位ごとの平均周波数に基づいて、ビーム方向ごと（断面モードにおいては垂直ビーム方位ごと、任意俯仰角断面モードにおいては任意俯仰角断面に応じたビーム俯仰角ごと）に周波数シフトする。これにより、1つのフィルタ係数から方位ごとに独立したビーム数分の異なるフィルタ特性を有するフィルタ係数を生成する。もちろん、周波数検出部２２で複素自己相関法により求めた全周方位ごとの平均周波数に換えて、外部から入力される船速、真針路情報に基づいて取得したフィルタ係数の周波数シフトを行うようにしてもよい。

図４は、この（２）の処理後の特定のビーム方位に対するフィルタ係数である。フィルタ係数演算部２３は（１）で取得したフィルタ係数に対して周波数シフトを行うことにより、図４に示すようなバンドパスフィルタを得る。

（３）（２）で生成されたフィルタ係数に対して、フィルタ係数演算部２３は、予め検出したい速度範囲の受波信号が検出されるように、通過帯域周波数分またはカットオフ周波数分をさらに周波数シフトする。これにより、所望の速度範囲のみを通過帯域周波数とする、全周方向ごとにそれぞれ独立したフィルタ係数を生成することができる。このときの周波数シフトによって生成されるフィルタ係数は、図５に示すように、実数領域における周波数シフトを行うことによって周波数折り返しを積極的に発生させた、通過帯域周波数の一部に阻止帯域を有するバンドパスフィルタである。

図５において、速度成分０の周波数は、生成したバンドパスフィルタの阻止帯域である。バンドパスフィルタの阻止帯域は、少なくともその帯域に、自船の移動のみによって生じるドップラシフト周波数、すなわち、移動速度がゼロの物標からの反射エコーの周波数を含むように設定される。これにより阻止帯域によって海底等の移動しない物標からの反射エコーを除去することができる。

また、図５に示す左側のマイナス速度成分の周波数は、自船の移動方向に対して同じ方向に所定の速度で移動する物標からの反射エコーを検出するための通過帯域周波数であり、右側のプラス速度成分の周波数が、自船の移動方向と反対方向に所定の速度で移動する物標からの反射エコーを検出するための通過帯域周波数である。このように、一部に阻止帯域を有するバンドパスフィルは、例えば、２つのバンドパスフィルタの組み合わせやバンドパスフィルタとノッチフィルタの組み合わせによって実現できる。

（４）最後に、（３）で生成されたフィルタ係数をフィルタ処理部６内に所有するフィルタ係数メモリに保存する。なお、前述した帯域制限演算部５の説明ではエコーの送受波モードがＣＷモードである場合について説明したが、エコーの送受波モードがＦＭモードの場合には、ビーム方位ごとの距離方向複素マッチドフィルタ係数をフィルタ係数演算部２３により生成すればよい。そのため、ＦＭモードの場合には、周波数シフト部２１及び周波数検出部２２は機能しない。

また、前述の（１）から（４）の説明では、帯域制限演算部５が、周波数折り返しを積極的に発生させることにより通過帯域周波数の一部に阻止帯域を有するバンドパスフィルタを生成するものについて説明したが、もちろんこれに限定されず、例えば、予め一部に阻止帯域を有するバンドパスフィルタを用意しておき、これを自船の速度に基づいて方位ごとに周波数シフトすることにより、ビーム方位ごとに独立したフィルタ係数を生成することも可能である。

次に、本発明の水中探知装置で生成されるフィルタ係数の特性について、具体例を挙げて説明する。
例えば、スキャニングソナーにおいて、送受信周波数を全周方向に同じ周波数ｆ０で送信し、自船は５ｋｔで直進しているとする。また、この場合に発生する前方のドップラシフト周波数をｆｄとする。この時、魚群であれ、海底であれ、移動していない物体からの前方受信周波数はｆ０＋ｆｄとなる。本発明では、このｆ０＋ｆｄ周波数を自己相関法によってリアルタイムに検出又は外部機器より供給される船速情報及び真針路情報より算出し、ｆ０＋ｆｄ周波数を阻止帯域とし、所定の速度範囲のみを通過帯域周波数とするバンドパスフィルタを帯域制限演算部５によって生成する。

その後、フィルタ処理部６が、この阻止帯域を有するバンドパスフィルタを用いて受波信号のフィルタリングを行う。これにより、移動していない海底やプランクトン層或いは止まっている魚群等からの反射エコーを表示画面上から消すことが可能になる。

一方で、前方に速度αで自船の移動と同じ方位に移動している魚群がいた場合、その速度αによるドップラシフト周波数はｆｄ＋ｆαである。この時の受信周波数はｆ０＋ｆｄ＋ｆαとなる。帯域制限演算部５により生成された一部に阻止帯域を有するバンドパスフィルタの通過帯域周波数にｆ０＋ｆｄ＋ｆαが含まれている場合には、前述のようにｆ０＋ｆｄの周波数帯域はカットされるが、ｆαの周波数成分はフィルタリング結果として出力すされる。そのため、予め設定した速度範囲で移動している魚群のみが表示画面上に表示される。

以上のように、本発明の実施の形態１による水中探知装置によれば、所定の速度範囲で移動する物標からの反射エコーのみを通過周波数帯域とするバンドパスフィルタを生成し、該バンドパスフィルタを用いて受波信号をフィルタリングすることにより、海底やプランクトン層からの反射エコーを除去することができる。また、同時に、速度を有して移動する魚群等からの反射エコーのみを表示画面上に表示することが可能になる。特に、本発明では、フィルタ帯域を好適に制御することにより、敢えて速度が遅い小魚等を消して、高速で回遊する鰹、鮪のみを表示することも可能となる。そのため、近鰹船、遠鰹船、海旋船等のいわゆる「ハモノ」と呼ばれる鰹、鮪類の魚種を対象とする船において、エサと呼ばれる鰯等の小魚と漁獲対象とする鰹、鮪とを遠距離から識別することができ、漁業効率改善に寄与することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２による水中探知装置について説明する。
本発明は、図９を用いて説明した、従来の水中探知装置の自動帯域制御部１１０を図６のように構成することによっても実現できる。
図６は、本発明の実施の形態２による水中探知装置の自動帯域制御部の具体的構成を示す図である。

図６において、自動帯域制御部は、周波数検出部３１と、ドップラシフト周波数推定部３２と、帯域幅演算部３３と、ＭＵＸ３４と、フィルタ係数生成部３５と、フィルタ係数メモリ３６と、可変帯域幅フィルタ３７とから構成されている。

周波数検出部３１は、自己相関法やフーリエ変換法などを用いて、受信信号から水平全周方向（断面モードに対しては断面方向、任意俯仰角断面モードに対しては各方位に対する俯仰角方向）の信号の中心周波数を検出するものである。なお、本システムではリアルタイムに全周の周波数分析を行うため複素自己相関法を使用する。

ドップラシフト周波数推定部３２は、周波数検出部３１で受信信号からのドップラシフト周波数検出が困難な場合に使われるものである。ドップラシフト周波数推定部３２は、速度センサから得られた船速情報から、発生するであろう水平全周（断面モードに対しては断面方向）のドップラシフト周波数を推定計算する。なお、船首方位は、対地船速を計測するドップラソナーや潮流計、或いはＧＰＳなどが速度センサとして使用されている場合に、東西南北速度ベクトルを送受波器の前後左右速度ベクトルに換算するために使われる。

帯域幅演算部３３は、ユーザ等により指定された検出したい物標の速度範囲に基づいて、物標の速度範囲に応じた帯域幅を演算する。ＭＵＸ３４は、マルチプレクサであり、周波数検出部３１で受信信号から求めた情報を使うか、ドップラシフト周波数推定部３２で船速を元に推定した推定値を使うかを選択する。

フィルタ係数生成部３５は、帯域幅演算部３３で演算された検出したい速度範囲に応じた帯域幅に基づいて物標の速度範囲に応じたフィルタ係数を生成する。その後、該フィルタ係数を、ＭＵＸ３４で選択された中心周波数に基づいて、方位ごと（断面モードに対しては断面方向、任意俯仰角断面モードに対しては各方位に対する俯仰角断面方向）に周波数シフトし、通過帯域周波数の一部に阻止帯域を有するバンドパスフィルタを生成する。この処理により、方位ごとに独立の物標の速度範囲に応じたフィルタ係数が生成される。

フィルタ係数メモリ３６は、フィルタ係数生成部３５で生成された水平方位ごとのフィルタ係数を格納するメモリである。可変帯域幅フィルタ３７は、フィルタ係数生成部３５で算出されたフィルタ係数に基づく帯域幅を持つフィルタで、入力される信号の帯域を制限、もしくは入力される信号の指定の帯域のみを阻止する。

このような構成により、従来の水中探知装置の自動帯域制御部１１０の簡単な設計変更により、所望の速度範囲に属する物標からの反射エコーのみの表示が可能になる。

以上のように、本発明の実施の形態２による水中探知装置によれば、自動帯域制御部により所望の物標速度範囲に応じたフィルタ特性を有するフィルタ係数を全周方向に対して生成し、該フィルタ係数を用いて受波信号のフィルタリングを行うことにより、前述の実施の形態１による水中探知装置と同様、海底やプランクトン層からの反射エコーを除去し、速度を有して移動する魚群等からの反射エコーのみを表示画面上に表示することが可能になる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３による水中探知装置について説明する。
本発明の実施の形態３による水中探知装置は、前述の実施の形態１又は２で説明した物標の速度範囲を考慮したフィルタと、所定の通過帯域周波数を有する従来のフィルタとを用いて、同じ受波信号をフィルタ処理するものである。これにより、異なるフィルタを用いたフィルタリング結果を表示画面上に同時に表示することができる。なお、前記所定の通過帯域周波数を有する従来のフィルタとは、一定の通過帯域を有するバンドパスフィルタであり、例えば、従来技術の欄で図９及び図１０を用いて説明した、特許文献１に記載の技法より生成したフィルタが考えられる。

図７及び図８は、本発明の水中探知装置の画面表示例を示す図である。図７は水深約１７０ｍの地点で行った実験結果を示すものであり、本発明にかかるフィルタを使用して海底からの反射エコーをカットした画像（左側）と従来のフィルタを使用して海底からの反射エコーを表示した画像（右側）を示す。図８は水深が６００ｍ以上の地点で行った実験結果を示すものであり、従来のフィルタを使用して海底１００ｍ程の中層に存在するプランクトン層からの反射エコーを表示した画像（左側）と、本発明にかかるフィルタを使用してプランクトン層からの反射エコーをカットした画像（右側）を示す。なお、本発明にかかるフィルタは、所定の速度範囲を通過帯域とし、且つその一部に阻止帯域を有するバンドパスフィルタであり、前記阻止帯域を少なくとも移動速度がゼロの物標からの反射エコーの帯域とするフィルタを使用している。

図７及び図８から明らかなように、本発明の物標の速度範囲を考慮したフィルタを用いて受波信号のフィルタリングを行うと、速度がゼロの海底やほとんど速度を有しないプランクトン層からの反射エコーを除去し、一定の速度を有して回遊する物標からの反射エコーのみを表示することが可能になる。また、物標の速度範囲を考慮しない従来のフィルタを用いてフィルタリングを行った結果を同時に表示することで、ユーザは両画像の対比により、海中の状況をより的確に把握することができ、より一層の漁業効率の向上に寄与することが可能になる。

本発明の実施の形態１による水中探知装置の構成の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態１による水中探知装置の帯域制限演算部の具体的構成を示す図 所定の物標速度範囲に応じたフィルタ特性を有するローパスフィルタを示す図 図３に示すローパスフィルタを周波数シフトして生成したバンドパスフィルタを示す図 帯域制御演算部で生成した、通過帯域周波数の一部に阻止帯域を有するバンドパスフィルタを示す図 本発明の実施の形態２による水中探知装置の自動帯域制御部の具体的構成を示す図 本発明の実施の形態３による水中探知装置の画面表示例（海底消）を示す図 本発明の実施の形態３による水中探知装置の画面表示例（プランクトン消）を示す図 従来の水中探知装置の構成を示すブロック図 従来の水中探知装置における自動帯域制御部の具体的構成を示すブロック図

符号の説明

１ フロントエンドインターフェイス
２ 送信ビーム形成部
３ ビーム形成前処理部
４ 受信ビーム形成部
５ 帯域制限演算部
６ フィルタ処理部
７ 表示処理部
２１ 周波数シフト部
２２ 周波数検出部
２３ フィルタ係数演算部
３１、２０１ 周波数検出部
３２、２０２ ドップラシフト周波数推定部
３３ 帯域幅演算部
３４、２０４、２０５ マルチプレクサ
３５ フィルタ係数生成部
３６ フィルタ係数メモリ
３７、２０７ 可変帯域幅フィルタ
１０１ 送受波器
１０２ 送信部
１０３ 送受切り替え部
１０４ １段目の固定帯域フィルタ
１０５ 増幅器・ミキサ
１０６ ２段目の固定帯域フィルタ
１０７ 増幅器
１０８ Ａ／Ｄ変換器
１０９ ビーム形成部
１１０ 自動帯域制御部
１１１ 制御部
１１２ 速度・方位センサ
１１３ 検波部
２０３ 帯域幅推定部
２０６ ミキサ

Claims (12)

1. 水中に超音波を送信して対象物からの反射エコーを受信して表示する水中探知装置において、
   物標の速度範囲を考慮したフィルタ係数を用いて受波信号のフィルタリングを行うフィルタ処理部を備えることを特徴とする水中探知装置。
2. 水中に超音波を送信して対象物からの反射エコーを受信して表示する水中探知装置において、
   通過帯域周波数の一部に阻止帯域を有するバンドパスフィルタを用いて受波信号のフィルタリングを行うフィルタ処理部を備えることを特徴とする水中探知装置。
3. 水中に超音波を送信して対象物からの反射エコーを受信して表示する水中探知装置において、
   所定の物標速度範囲に応じたフィルタ係数を、移動体の移動速度に応じて周波数シフトすることで、所望のフィルタ係数を生成する帯域制限演算部と、
   前記帯域制限演算部で生成したフィルタ係数を用いて受波信号のフィルタリングを行うフィルタ処理部とを備えることを特徴とする水中探知装置。
4. 水中に超音波を送信して対象物からの反射エコーを受信して表示する水中探知装置において、
   所定の物標速度範囲に応じたフィルタ係数を、移動体の移動速度及び移動方向に基づいて方位ごとに周波数シフトすることで、１つのフィルタ係数から方位ごとに独立したフィルタ係数を生成する帯域制限演算部と、
   前記帯域制限演算部で生成したフィルタ係数を用いて受波信号のフィルタリングを行うフィルタ処理部とを備えることを特徴とする水中探知装置。
5. 水中に超音波を送信して対象物からの反射エコーを受信して表示する水中探知装置において、
   所定の物標速度範囲に応じたフィルタ係数を、複素自己相関法により求めた方位ごとの平均周波数に基づいて方位ごとに周波数シフトすることで、１つのフィルタ係数から方位ごとに独立したフィルタ係数を生成する帯域制限演算部と、
   前記帯域制限演算部で生成したフィルタ係数を用いて受波信号のフィルタリングを行うフィルタ処理部とを備えることを特徴とする水中探知装置。
6. 請求項３から５の何れかに記載の水中探知装置において、
   前記帯域制限演算部で生成されるフィルタ係数は、通過帯域周波数の一部に阻止帯域を有するバンドパスフィルタであることを特徴とする水中探知装置。
7. 請求項２又は６に記載の水中探知装置において、
   前記阻止帯域は、移動速度がゼロの物標で反射した信号の周波数を含む帯域であることを特徴とする水中探知装置。
8. 請求項２、６、７の何れかに記載の水中探知装置において、
   前記バンドパスフィルタの阻止帯域は、所望の帯域幅で可変できることを特徴とする水中探知装置。
9. 請求項３から６の何れかに記載の水中探知装置において、
   前記帯域制限演算部は、移動体の速度変化、針路変化、又は動揺による変化に応じて、受信区間中であってもリアルタイムにフィルタ係数の更新し、前記フィルタ処理部が前記変更されたフィルタ係数に基づいたフィルタリング処理を行うことを特徴とする水中探知装置。
10. 請求項１から９の何れかに記載の水中探知装置において、
    前記フィルタ処理部は、同じ受波信号を、所定の帯域幅を有するフィルタ係数と前記帯域制限演算部で生成されたフィルタ係数とを用いてそれぞれフィルタリングし、
    異なるフィルタ係数を用いたフィルタリング結果を表示画面上に同時に表示することを特徴とする水中探知装置。
11. 請求項１から１０の何れかに記載の水中探知装置において、
    移動体の動揺を補正して水中に超音波を送受信することができる動揺補正機能をさらに備えることを特徴とする水中探知装置。
12. 請求項１から１１の何れかに記載の水中探知装置において、
    受波信号のドップラシフト量を周波数の大きさに応じて色別のデータで表示することを特徴とする水中探知装置。