JP2012112922A - Detection device, and device, method and program for hydrospace detection - Google Patents

Detection device, and device, method and program for hydrospace detection Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an accurate detection result by reducing noise in the reflected wave without adding extra apparatus.SOLUTION: In a hydrospace detection device 1, a reception signal Rf(t) is separated to a reception signal Rf(t1) regarding echo and noise, and a reception signal Rf(t2) regarding only noise. Fourier transform is performed on the reception signal Rf(t1) and the reception signal Rf(t2). After calculating power spectra of the reception signal Rf(t1) and the reception signal Rf(t2), a power spectrum of Rf(t2) is subtracted from the reception signal Rf(t1) and Fourier inverse transform is performed on the subtracted result. The hydrospace detection device 1 performs hydrospace detection based on the result.

Description

本発明は、送信された超音波の反射波に基づいて、特に水中の探知を行う探知装置、水中探知装置、探知方法及びプログラムに関する。   The present invention relates to a detection device, an underwater detection device, a detection method, and a program for performing detection in water based on a reflected wave of transmitted ultrasonic waves.

水中に超音波を発して、その反射波を受信することで、水中の魚群を探知する水中探知装置において、探知結果をより精度よく取得するために、受信する反射波に含まれる雑音成分を低減させる装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の装置は、音響センサと振動センサとを備え、一定レベルを超える音響成分又は振動成分を検出した場合には、受信した反射波から、音響成分又は振動成分の雑音成分を除去している。   By generating ultrasonic waves in the water and receiving the reflected waves, the underwater detection device that detects the school of fish in the water reduces the noise components included in the received reflected waves in order to obtain detection results with higher accuracy. There has been proposed an apparatus for causing this (see, for example, Patent Document 1). The device described in Patent Literature 1 includes an acoustic sensor and a vibration sensor, and when an acoustic component or vibration component exceeding a certain level is detected, a noise component of the acoustic component or the vibration component is removed from the received reflected wave. is doing.

特開２０００−２４１５３４号公報JP 2000-241534 A

しかしながら、特許文献１に記載の装置は、超音波及びその反射波を送受信するための送受信器以外に、雑音成分を除去するための音響センサ及び振動センサを設ける必要がある。このため、装置自体が大型化すると共にコストが増大し、かつ、船舶に余分な設置スペースを確保する必要があるといった問題がある。   However, the apparatus described in Patent Document 1 needs to be provided with an acoustic sensor and a vibration sensor for removing noise components in addition to a transmitter / receiver for transmitting / receiving ultrasonic waves and their reflected waves. For this reason, there is a problem that the apparatus itself is increased in size and cost is increased, and it is necessary to secure an extra installation space in the ship.

そこで、本発明の目的は、余分な機器を設けることなく、反射波に含まれる雑音を低減させて、精度のよい探知結果を得ることができる探知装置、水中探知装置、探知方法及びプログラムを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a detection device, an underwater detection device, a detection method, and a program capable of reducing noise contained in a reflected wave and obtaining an accurate detection result without providing an extra device. There is to do.

本発明は、データ抽出部、解析部、減算部及び探知部を備える探知装置に関する。データ抽出部は、所定時間受信された反射波に係る時間軸上の波形データから、時間的に前後する時間領域における第１データ及び第２データを抽出する。解析部は、データ抽出部が抽出した第１及び第２データそれぞれを周波数解析する。減算部は、周波数解析の結果に基づいて、第１データに係る周波数成分から第２データに係る周波数成分を減算する。探知部は、減算部による結果に基づいて探知を行う。   The present invention relates to a detection device including a data extraction unit, an analysis unit, a subtraction unit, and a detection unit. The data extraction unit extracts the first data and the second data in the time domain around the time from the waveform data on the time axis related to the reflected wave received for a predetermined time. The analysis unit performs frequency analysis on each of the first and second data extracted by the data extraction unit. The subtracting unit subtracts the frequency component related to the second data from the frequency component related to the first data based on the result of the frequency analysis. The detection unit performs detection based on the result of the subtraction unit.

この構成では、反射波に係る時間軸上の波形データから抽出した異なる第１データには、探知に必要なデータ及び雑音が含まれており、第１データより時間的に後になる第２データには、探知に不要な雑音のみが含まれていると推定している。この第１データに係る周波数成分から第２データに係る周波数成分を減算している。これにより、第１データから探知に不必要な雑音を取り除くことができる。この結果、探知に必要なデータのみから探知を行うため、精度のよい探知結果を得ることができる。   In this configuration, the different first data extracted from the waveform data on the time axis related to the reflected wave includes data and noise necessary for detection, and the second data that is later in time than the first data is included. Estimates that only noise unnecessary for detection is included. The frequency component related to the second data is subtracted from the frequency component related to the first data. Thereby, noise unnecessary for detection can be removed from the first data. As a result, since detection is performed only from data necessary for detection, a highly accurate detection result can be obtained.

また、本発明に係る探知装置は、パワースペクトル算出部をさらに備える。パワースペクトル算出部は、前記解析部による周波数解析の結果から、第１及び第２データそれぞれに係るパワースペクトルを算出する。減算部は、第１データに係るパワースペクトルから、第２データに係るパワースペクトルを減算する。   The detection device according to the present invention further includes a power spectrum calculation unit. The power spectrum calculation unit calculates a power spectrum associated with each of the first and second data from the result of the frequency analysis performed by the analysis unit. The subtracting unit subtracts the power spectrum related to the second data from the power spectrum related to the first data.

この構成では、反射波に含まれる雑音を低減するための具体的例として、反射波のパワースペクトルを用いた例を示している。   In this configuration, an example using the power spectrum of the reflected wave is shown as a specific example for reducing the noise included in the reflected wave.

また、本発明に係る探知装置では、位相スペクトル算出部及び生成部をさらに備えている。位相スペクトル算出部は、解析部による周波数解析の結果から、第１データに係る位相スペクトルを算出する。生成部は、減算部による減算結果、及び、位相スペクトル算出部が算出した位相スペクトルに基づいて、時間軸上の波形データを生成する。探知部は、生成部が生成した波形データに基づいて探知を行う。   In addition, the detection device according to the present invention further includes a phase spectrum calculation unit and a generation unit. The phase spectrum calculation unit calculates a phase spectrum related to the first data from the result of frequency analysis by the analysis unit. The generation unit generates waveform data on the time axis based on the subtraction result by the subtraction unit and the phase spectrum calculated by the phase spectrum calculation unit. The detection unit performs detection based on the waveform data generated by the generation unit.

この構成では、雑音を低減した後の反射波に係る時間軸上の波形データを生成するための具体的方法を示している。   This configuration shows a specific method for generating waveform data on the time axis related to the reflected wave after noise is reduced.

本発明によれば、余分な機器を設けることなく、反射波に含まれる雑音成分を除去することで、精度のよい探知結果を得ることができる。   According to the present invention, an accurate detection result can be obtained by removing a noise component included in a reflected wave without providing an extra device.

実施形態に係る水中探知装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the underwater detection apparatus which concerns on embodiment. 演算処理部が有する機能を模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the function which an arithmetic processing part has. 受信信号の分離を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating isolation | separation of a received signal. 演算処理部で実行される処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence performed by the arithmetic processing part.

以下、本発明に係る探知装置、水中探知装置、探知方法及びプログラムの好適な実施形態について図面を参照して説明する。以下では、水中に超音波信号を発して、そのエコーを受信することで、水中の魚群等を探知する水中探知装置について説明する。また、水中探知装置は、スキャニングソナーとする。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a detection device, an underwater detection device, a detection method, and a program according to the present invention will be described with reference to the drawings. Hereinafter, an underwater detection device that detects an underwater fish school or the like by emitting an ultrasonic signal in water and receiving an echo thereof will be described. The underwater detection device is a scanning sonar.

図１は本実施形態に係る水中探知装置の構成を示すブロック図である。水中探知装置１は、送受波器１０、送受切替部１１、送信制御部１２、受信ビーム形成部１３、演算処理部（探知部）１４、表示器１５、記憶部１６及び操作部１７などを備える。記憶部１６は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリであり、必要なプログラム及び各種データを記憶する。操作部１７は、水中探知装置１による探知及び結果表示に関するユーザによる種々の指示を受け付ける。   FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the underwater detection device according to the present embodiment. The underwater detection device 1 includes a transducer 10, a transmission / reception switching unit 11, a transmission control unit 12, a reception beam forming unit 13, a calculation processing unit (detection unit) 14, a display unit 15, a storage unit 16, an operation unit 17, and the like. . The storage unit 16 is a nonvolatile memory such as a ROM (Read Only Memory), for example, and stores necessary programs and various data. The operation unit 17 receives various instructions from the user regarding detection by the underwater detection device 1 and result display.

送受波器１０は、図示しないが、円筒形の外形形状からなる筐体を備え、例えば水中探知装置１が備えられた船体の略中央の船底等に配置されている。なお、送受波器１０は、筐体が球形等の他の形状であってもよい。送受波器１０は、円筒の延びる方向が垂直方向（鉛直方向）に沿い、円周面に直交する方向が水平方向に沿うように配置される。円筒形の筐体の円周面には、複数の超音波振動子が所定パターンで配列されている。具体的には、複数の超音波振動子は、円筒の延びる方向を第一軸方向とし、円周方向を第二軸方向として、二次元配列により配列形成されている。超音波振動子は、送信制御信号に基づいて水中へ超音波パルスを所定時間毎に一定時間送波する。超音波振動子は、送波された超音波パルスが魚群等の対象物に反射してなるエコーを一定時間受信して、電気信号に変換し、受信信号として送受切替部１１へ出力する。この送受波器１０は、探知の対象物に反射してなるエコー以外に、探知に不要な水中の浮遊物などに反射したエコー又はスクリューノイズなどの様々なノイズ（雑音）も受信する。   Although not shown, the transducer 10 includes a casing having a cylindrical outer shape, and is disposed, for example, on the bottom of the hull where the underwater detection device 1 is provided. Note that the housing of the transducer 10 may be other shapes such as a spherical shape. The transducer 10 is arranged such that the extending direction of the cylinder is along the vertical direction (vertical direction), and the direction orthogonal to the circumferential surface is along the horizontal direction. A plurality of ultrasonic transducers are arranged in a predetermined pattern on the circumferential surface of the cylindrical casing. Specifically, the plurality of ultrasonic transducers are arranged in a two-dimensional array with the extending direction of the cylinder as the first axis direction and the circumferential direction as the second axis direction. The ultrasonic transducer transmits an ultrasonic pulse into water for a predetermined time every predetermined time based on the transmission control signal. The ultrasonic transducer receives an echo formed by reflecting the transmitted ultrasonic pulse on an object such as a school of fish for a certain period of time, converts it into an electrical signal, and outputs it as a received signal to the transmission / reception switching unit 11. This transducer 10 also receives various noises (noise) such as echoes reflected by floating substances in water that are not necessary for detection, or screw noises, in addition to echoes that are reflected by the object to be detected.

送受切替部１１は、送受波器１０及び送信制御部１２に接続されている。送信制御部１２は、送受波器１０を構成する複数の超音波振動子から送波する超音波パルスにより、所定の送信ビームが形成されるように、各超音波振動子に与える送信制御信号を設定する。送信制御回路１２は、設定した送信制御信号を送受切替部１１へ出力する。送受切替部１１は、送信制御部１２からの送信制御信号を送受波器１０の各超音波振動子へ出力し、送受波器１０から出力された受信信号をＡ／Ｄ変換して受信ビーム形成部１３へ出力する。   The transmission / reception switching unit 11 is connected to the transducer 10 and the transmission control unit 12. The transmission control unit 12 transmits a transmission control signal to each ultrasonic transducer so that a predetermined transmission beam is formed by ultrasonic pulses transmitted from a plurality of ultrasonic transducers constituting the transducer 10. Set. The transmission control circuit 12 outputs the set transmission control signal to the transmission / reception switching unit 11. The transmission / reception switching unit 11 outputs a transmission control signal from the transmission control unit 12 to each ultrasonic transducer of the transducer 10, and A / D converts the reception signal output from the transducer 10 to form a reception beam. To the unit 13.

受信ビーム形成部１３は、送受波器１０の各超音波振動子からの受信信号のゲインを調整して位相合成することで所定の方位方向で且つ所定の俯角方向に最大感度を有するビーム化された受信信号Ｒｆ（ｔ）を生成する。この際、受信ビーム形成部１３は、自船を中心とする全周方向に対して所定の方位角ピッチで配列された複数の受信信号Ｒｆ（ｔ）を形成する。これら複数の受信信号Ｒｆ（ｔ）の俯角は同じに設定されている。各受信信号Ｒｆ（ｔ）は、時間軸上でレベルが変化する信号であり、この時間軸上の位置が、自船からの距離位置に相当する。   The reception beam forming unit 13 adjusts the gain of the received signal from each ultrasonic transducer of the transducer 10 and synthesizes the phase to form a beam having the maximum sensitivity in a predetermined azimuth direction and a predetermined depression angle direction. The received signal Rf (t) is generated. At this time, the reception beam forming unit 13 forms a plurality of reception signals Rf (t) arranged at a predetermined azimuth pitch with respect to the entire circumferential direction around the ship. The depression angles of the plurality of reception signals Rf (t) are set to be the same. Each received signal Rf (t) is a signal whose level changes on the time axis, and the position on the time axis corresponds to the distance position from the ship.

演算処理部１４は、例えばマイクロコンピュータで構成され、記憶部１６に記憶されたプログラム１６ａを読み出して実行することで、後述する各機能を有するようになる。この演算処理部１４は、受信ビーム形成部１３から出力された受信信号Ｒｆ（ｔ）に含まれるノイズを低減する。その後、演算処理部１４は、ノイズ低減後の受信信号（以下、受信信号ＮＲｆ（ｔ）とする）を検波及びサンプリングしてエコーデータを生成し、そのエコーデータに基づいて描画処理を行い、画像データを生成する。   The arithmetic processing unit 14 is composed of, for example, a microcomputer, and has functions to be described later by reading and executing the program 16a stored in the storage unit 16. The arithmetic processing unit 14 reduces noise included in the reception signal Rf (t) output from the reception beam forming unit 13. Thereafter, the arithmetic processing unit 14 detects and samples the received signal after noise reduction (hereinafter referred to as a received signal NRf (t)) to generate echo data, performs drawing processing based on the echo data, Generate data.

なお、プログラム１６ａは、予め記憶部１６に記憶されていてもよいし、ユーザ等が構成を設定できる集積回路（ＦＰＧＡ：Field-Programmable Gate Array）等に書き込まれてもよい。   Note that the program 16a may be stored in the storage unit 16 in advance, or may be written in an integrated circuit (FPGA: Field-Programmable Gate Array) or the like whose configuration can be set by a user or the like.

表示器１５は、例えば液晶ディスプレイであって、演算処理部１４で生成された画像データに基づいて画面出力する。これにより、表示器１５には、魚群等の対象物、及びその対象物までの距離などが時系列に表示される。なお、表示器１５は、水中探知装置１に備えられていなくてもよく、演算処理部１４で生成される画像データは、外部の表示装置で表示される構成であってもよい。   The display 15 is a liquid crystal display, for example, and outputs a screen based on the image data generated by the arithmetic processing unit 14. Thereby, the display unit 15 displays a target object such as a school of fish, a distance to the target object, and the like in time series. The display device 15 may not be provided in the underwater detection device 1, and the image data generated by the arithmetic processing unit 14 may be displayed on an external display device.

次に、受信ビーム形成部１３から出力された受信信号Ｒｆ（ｔ）に含まれるノイズを低減する演算処理部１４の機能について詳述する。図２は、演算処理部１４が有する機能を模式的に示すブロック図である。演算処理部１４は、上述のように記憶部１６に記憶されるプログラム１６ａを実行することで、データ分離部１４１、フーリエ変換部１４２、パワースペクトル算出部１４３、減算部１４４、位相スペクトル算出部１４５及びフーリエ逆変換部１４６などの機能を有する。   Next, the function of the arithmetic processing unit 14 for reducing noise included in the reception signal Rf (t) output from the reception beam forming unit 13 will be described in detail. FIG. 2 is a block diagram schematically illustrating functions of the arithmetic processing unit 14. The arithmetic processing unit 14 executes the program 16a stored in the storage unit 16 as described above, whereby the data separation unit 141, the Fourier transform unit 142, the power spectrum calculation unit 143, the subtraction unit 144, and the phase spectrum calculation unit 145. And an inverse Fourier transform unit 146.

データ分離部（データ抽出部）１４１は、受信ビーム形成部１３から出力された受信信号Ｒｆ（ｔ）を、送受波器１０がエコーを受信する時間に基づいて分離する。受信信号Ｒｆ（ｔ）は、時間軸上でレベルが変化する信号である。送受波器１０は、受信開始時から所定時間経過するまで、魚群等の対象物に反射したエコーをノイズと共に受信するが、時間の経過に従い、略ノイズのみを受信するようになる。例えば、水深５００ｍまでの水中探知を行う場合、水深５００ｍからのエコーの受信に要する時間以降、送受波器１０は、水中探知に不要なノイズのみを受信することになる。そこで、データ分離部１４１は、受信時間に基づいて、受信信号Ｒｆ（ｔ）をエコー及びノイズに係る受信信号（第１データ）と、ノイズのみに係る受信信号（第２データ）とに分離する。   The data separation unit (data extraction unit) 141 separates the reception signal Rf (t) output from the reception beam forming unit 13 based on the time when the transducer 10 receives an echo. The reception signal Rf (t) is a signal whose level changes on the time axis. The transducer 10 receives the echo reflected on the object such as a school of fish with noise until a predetermined time elapses from the start of reception, but receives substantially only noise as time elapses. For example, when performing underwater detection up to a depth of 500 m, the transducer 10 receives only noise unnecessary for underwater detection after the time required to receive an echo from the depth of 500 m. Therefore, the data separation unit 141 separates the reception signal Rf (t) into a reception signal (first data) related to echo and noise and a reception signal (second data) related only to noise based on the reception time. .

図３は、受信信号Ｒｆ（ｔ）の分離を説明するための模式図である。送受波器１０は、送信ビームの一定時間（図中の「送信区間」）送信後、次の送信ビームを送信するまでの間（図中の「受信区間」）、エコー及びノイズを受信する。本実施形態では、受信区間の時間を時間ｔ０〜ｔ２とする。   FIG. 3 is a schematic diagram for explaining separation of the reception signal Rf (t). The transmitter / receiver 10 receives echoes and noises after transmitting a transmission beam for a certain period of time (“transmission section” in the figure) and before transmitting the next transmission beam (“reception section” in the figure). In the present embodiment, the time of the reception interval is set to time t0 to t2.

データ分離部１４１は、受信信号Ｒｆ（ｔ）を分離する基準時間ｔ１を決定する。データ分離部１４１は、表示器１５に表示するレンジによって時間ｔ１を決定する。例えば、ユーザが水中５００ｍ分のデータを表示器１５に表示させたい場合、データ分離部１４１は、送受波器１０が水深５００ｍからのエコーを受信するのに要する時間から時間ｔ１を決定する。なお、データ分離部１４１は、時間ｔ１＝（ｔ２−ｔ０）／２となるように、時間ｔ１を決定してもよい。また、データ分離部１４１は、探知の都度、時間ｔ１を算出してもよいし、予め時間ｔ１とレンジとを対応付けたデータテーブルを記憶しておき、データテーブルからレンジに対応する時間ｔ１を取得するようにしてもよい。   The data separator 141 determines a reference time t1 for separating the received signal Rf (t). The data separation unit 141 determines the time t1 according to the range displayed on the display unit 15. For example, when the user wants to display data for 500 m underwater on the display 15, the data separation unit 141 determines the time t <b> 1 from the time required for the transducer 10 to receive an echo from the depth of 500 m. Note that the data separation unit 141 may determine the time t1 so that the time t1 = (t2−t0) / 2. In addition, the data separation unit 141 may calculate the time t1 each time detection is performed, or stores a data table in which the time t1 is associated with the range in advance, and the time t1 corresponding to the range is determined from the data table. You may make it acquire.

データ分離部１４１は、決定した時間ｔ１に基づいて、受信信号Ｒｆ（ｔ）を、時間ｔ０〜ｔ１の受信信号Ｒｆ（ｔ１）と、時間ｔ１〜ｔ２の受信信号Ｒｆ（ｔ２）とに分離する。上述したように、演算処理部１４は、受信信号Ｒｆ（ｔ１）がエコー及びノイズに係る受信信号であり、受信信号Ｒｆ（ｔ２）が略ノイズのみに係る受信信号であると推定する。   Based on the determined time t1, the data separation unit 141 separates the received signal Rf (t) into a received signal Rf (t1) at times t0 to t1, and a received signal Rf (t2) at times t1 to t2. . As described above, the arithmetic processing unit 14 estimates that the received signal Rf (t1) is a received signal related to echo and noise, and the received signal Rf (t2) is a received signal related only to substantially noise.

なお、時間ｔ０〜ｔ１と時間ｔ１〜ｔ２とが同じであることが好ましいが、時間ｔ１を決定した結果、時間ｔ０〜ｔ１と時間ｔ１〜ｔ２とが異なる場合、データ分離部１４１は、受信信号Ｒｆ（ｔ２）のサンプリングレートを一時的に変更し、受信信号Ｒｆ（ｔ１）及びＲｆ（ｔ２）の単位時間当たりのサンプル数が同じとなるようにしてもよい。   It is preferable that the times t0 to t1 and the times t1 to t2 are the same. However, when the times t0 to t1 and the times t1 to t2 are different as a result of determining the time t1, the data separation unit 141 receives the received signal. The sampling rate of Rf (t2) may be temporarily changed so that the received signals Rf (t1) and Rf (t2) have the same number of samples per unit time.

フーリエ変換部（解析部）１４２は、データ分離部１４１が分離した受信信号Ｒｆ（ｔ１）及びＲｆ（ｔ２）それぞれをフーリエ変換して周波数信号を出力する。以下では、受信信号Ｒｆ（ｔ１）の周波数信号をＲＦ（ω１）とし、受信信号Ｒｆ（ｔ２）の周波数信号をＲＦ（ω２）とする。   The Fourier transform unit (analysis unit) 142 performs Fourier transform on each of the reception signals Rf (t1) and Rf (t2) separated by the data separation unit 141 and outputs a frequency signal. Hereinafter, the frequency signal of the reception signal Rf (t1) is RF (ω1), and the frequency signal of the reception signal Rf (t2) is RF (ω2).

パワースペクトル算出部１４３は、フーリエ変換部１４２による結果から、周波数信号ＲＦ（ω１）及びＲＦ（ω２）それぞれのパワースペクトルを算出する。具体的には、パワースペクトル算出部１４３は、周波数信号ＲＦ（ω１）及びＲＦ（ω２）それぞれの振幅スペクトル｜ＲＦ（ω１）｜及び｜ＲＦ（ω２）｜を算出し、その結果から、パワースペクトル｜ＲＦ（ω１）｜２及び｜ＲＦ（ω２）｜２ を算出する。 The power spectrum calculation unit 143 calculates the power spectra of the frequency signals RF (ω1) and RF (ω2) from the result of the Fourier transform unit 142. Specifically, the power spectrum calculation unit 143 calculates the amplitude spectra | RF (ω1) | and | RF (ω2) | of the frequency signals RF (ω1) and RF (ω2), respectively. | RF (ω1) | 2 and | RF (ω2) | 2 are calculated.

減算部１４４は、パワースペクトル算出部１４３が算出した｜ＲＦ（ω１）｜2 から｜ＲＦ（ω２）｜２を減算する。｜ＲＦ（ω１）｜２ は、エコー及びノイズに係る受信信号のパワースペクトルであり、｜ＲＦ（ω２）｜２は、ノイズのみに係る受信信号のパワースペクトルである。そして、減算部１４４が｜ＲＦ（ω１）｜２から｜ＲＦ（ω２）｜２ を減算することにより、ノイズが低減されたエコーに係る受信信号のパワースペクトルを算出することができる。減算部１４４は、減算結果をフーリエ逆変換部１４６へ出力する。 The subtracting unit 144 subtracts | RF (ω2) | 2 from | RF (ω1) | 2 calculated by the power spectrum calculating unit 143. | RF (ω1) | 2 is the power spectrum of the received signal related to echo and noise, and | RF (ω2) | 2 is the power spectrum of the received signal related to noise alone. Then, the subtraction unit 144 | RF (ω1) | 2 from | RF (ω2) | by subtracting 2, it is possible to calculate the power spectrum of the received signal according to an echo noise reduced. The subtraction unit 144 outputs the subtraction result to the inverse Fourier transform unit 146.

位相スペクトル算出部１４５は、フーリエ変換部１４２による結果から、周波数信号ＲＦ（ω１）の位相スペクトルａｒｇＲＦ（ω１）を算出する。ａｒｇＲＦ（ω１）は、ｔａｎ-1 （Ｒｅ ＲＦ（ω１）／Ｉｍ ＲＦ（ω１））により算出される。位相スペクトル算出部１４５は、算出した位相スペクトルａｒｇＲＦ（ω１）を、フーリエ逆変換部１４６へ出力する。 The phase spectrum calculation unit 145 calculates the phase spectrum argRF (ω1) of the frequency signal RF (ω1) from the result of the Fourier transform unit 142. argRF (ω1) is calculated by tan −1 (Re RF (ω1) / Im RF (ω1)). The phase spectrum calculation unit 145 outputs the calculated phase spectrum argRF (ω1) to the Fourier inverse transform unit 146.

フーリエ逆変換部（生成部）１４６は、減算部１４４及び位相スペクトル算出部１４５による結果を取得し、フーリエ逆変換して、時間軸上のデータとした受信信号ＮＲｆ（ｔ）を生成する。これにより、送受波器１０が受信したエコー及びノイズに係る受信信号Ｒｆ（ｔ）から、ノイズを低減したエコーのみに係る受信信号ＮＲｆ（ｔ）を取得することができる。   The Fourier inverse transform unit (generation unit) 146 acquires the results obtained by the subtraction unit 144 and the phase spectrum calculation unit 145, and performs Fourier inverse transform to generate a reception signal NRf (t) as data on the time axis. Thereby, the received signal NRf (t) related to only the echo with reduced noise can be acquired from the received signal Rf (t) related to the echo and noise received by the transducer 10.

次に、水中探知装置１においてノイズを低減させて、水中探知を行う際の動作について詳述する。図４は、演算処理部１４で実行される処理手順を示すフローチャートである。図４に示す処理は、演算処理部１４が記憶部１６に格納されているプログラム１６ａを実行することにより実現される。   Next, the operation when performing underwater detection while reducing noise in the underwater detection device 1 will be described in detail. FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure executed by the arithmetic processing unit 14. The processing shown in FIG. 4 is realized by the arithmetic processing unit 14 executing the program 16a stored in the storage unit 16.

演算処理部１４は、受信ビーム形成部１３から受信信号Ｒｆ（ｔ）が入力されたか否かを判定する（Ｓ１）。受信信号Ｒｆ（ｔ）が入力されていない場合（Ｓ１：ＮＯ）、演算処理部１４は、本処理を終了する。受信信号Ｒｆ（ｔ）が入力された場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、演算処理部１４は、受信信号Ｒｆ（ｔ）を受信時間に基づいて分離する（Ｓ２）。具体的には、演算処理部１４は、図３における時間ｔ１を決定し、受信信号Ｒｆ（ｔ）を受信信号Ｒｆ（ｔ１）及びＲｆ（ｔ２）に分離する。   The arithmetic processing unit 14 determines whether or not the reception signal Rf (t) is input from the reception beam forming unit 13 (S1). When the reception signal Rf (t) is not input (S1: NO), the arithmetic processing unit 14 ends this process. When the reception signal Rf (t) is input (S1: YES), the arithmetic processing unit 14 separates the reception signal Rf (t) based on the reception time (S2). Specifically, the arithmetic processing unit 14 determines the time t1 in FIG. 3 and separates the reception signal Rf (t) into the reception signals Rf (t1) and Rf (t2).

次に、演算処理部１４は、分離した受信信号Ｒｆ（ｔ１）及びＲｆ（ｔ２）それぞれをフーリエ変換する（Ｓ３）。演算処理部１４は、周波数信号ＲＦ（ｔ１）の位相スペクトルａｒｇＲＦ（ｔ１）を算出し（Ｓ４）、記憶部１６又は不図示のＲＡＭ（Random Access Memory）などに一時的に記憶する（Ｓ５）。演算処理部１４は、周波数信号ＲＦ（ω１）及びＲＦ（ω２）それぞれのパワースペクトルを算出する（Ｓ６）。そして、演算処理部１４は、算出した結果を減算する（Ｓ７）。具体的には、演算処理部１４は、｜ＲＦ（ω１）｜２から｜ＲＦ（ω２）｜２ を減算する。 Next, the arithmetic processing unit 14 performs a Fourier transform on each of the separated received signals Rf (t1) and Rf (t2) (S3). The arithmetic processing unit 14 calculates the phase spectrum argRF (t1) of the frequency signal RF (t1) (S4), and temporarily stores it in the storage unit 16 or a RAM (Random Access Memory) (not shown) (S5). The arithmetic processing unit 14 calculates the power spectrum of each of the frequency signals RF (ω1) and RF (ω2) (S6). Then, the arithmetic processing unit 14 subtracts the calculated result (S7). Specifically, the arithmetic processing unit 14 subtracts | RF (ω2) | 2 from | RF (ω1) | 2 .

演算処理部１４は、Ｓ５で記憶した位相スペクトル及びＳ７での減算結果に基づいて、フーリエ逆変換を行い、受信信号ＮＲｆ（ｔ）を生成する（Ｓ８）。そして、演算処理部１４は、得られた受信信号ＮＲｆ（ｔ）に基づいて探知処理を実行する。例えば、演算処理部１４は、受信信号ＮＲｆ（ｔ）を検波及びサンプリングしてエコーデータを生成し、そのエコーデータに基づいて描画処理を行い、画像データを生成する。生成された画像データは、表示器１５により表示される。   The arithmetic processing unit 14 performs inverse Fourier transform based on the phase spectrum stored in S5 and the subtraction result in S7, and generates a reception signal NRf (t) (S8). Then, the arithmetic processing unit 14 performs detection processing based on the obtained reception signal NRf (t). For example, the arithmetic processing unit 14 detects and samples the received signal NRf (t) to generate echo data, performs drawing processing based on the echo data, and generates image data. The generated image data is displayed on the display 15.

以上説明したように、本実施形態では、受信信号Ｒｆ（ｔ）を、受信時間ｔ１に基づいて分離して、分離した受信信号Ｒｆ（ｔ１）及びＲｆ（ｔ２）それぞれを周波数解析した結果に基づいて、受信信号Ｒｆ（ｔ）に含まれるノイズを低減している。これにより、水中探知装置１は、ノイズを低減するための余分な機器を設けることなく、ノイズが低減されたエコーを取得でき、精度のよい探知結果を得ることができる。   As described above, in the present embodiment, the received signal Rf (t) is separated based on the reception time t1, and based on the result of frequency analysis of the separated received signals Rf (t1) and Rf (t2). Thus, noise included in the received signal Rf (t) is reduced. As a result, the underwater detection device 1 can acquire an echo with reduced noise without providing an extra device for reducing noise, and can obtain an accurate detection result.

また、エコー及びエコーに含まれるノイズの周波数帯域が酷似している場合、フィルタ回路などではノイズのみを除去することができない。これに対し、本実施形態では、一の受信信号から、エコー及びノイズに係る受信信号と、ノイズのみに係る受信信号とを生成してノイズを低減しているため、エコー及びノイズの周波数帯域が酷似していても、ノイズのみを低減させることが可能となる。   In addition, when the frequency bands of the echoes and the noise included in the echoes are very similar, only the noise cannot be removed by a filter circuit or the like. On the other hand, in this embodiment, since the received signal related to the echo and noise and the received signal related to only noise are reduced from one received signal, the noise and the frequency band of the echo and noise are reduced. Even if they are very similar, only noise can be reduced.

以上、本発明の好適な実施形態について、具体的に説明したが、各構成及び動作等は適宜変更可能であって、上述の実施形態に限定されることはない。例えば、上述の実施形態では、受信ビーム形成部１３から出力された受信信号Ｒｆ（ｔ）に対してノイズを低減する処理を行っているが、送受切替部１１から受信ビーム形成部１３へ入力されるビーム化前の各信号に対して、ノイズを低減する処理を行うようにしてもよい。この場合、送受波器１０の各超音波振動子が出力する信号それぞれに対してノイズを低減する処理を行うため、受信ビーム形成部１３において位相合成された受信信号Ｒｆ（ｔ）に対してノイズを低減する処理を行う場合との対比において、ノイズの低減をより効果的に行うことができる。その結果、水中探知装置１は、より精度のよい探知結果を得ることができる。   The preferred embodiments of the present invention have been specifically described above, but each configuration, operation, and the like can be appropriately changed and are not limited to the above-described embodiments. For example, in the above-described embodiment, the process of reducing noise is performed on the reception signal Rf (t) output from the reception beam forming unit 13, but the signal is input from the transmission / reception switching unit 11 to the reception beam forming unit 13. A process for reducing noise may be performed on each signal before beam formation. In this case, in order to perform a process for reducing noise for each signal output from each ultrasonic transducer of the transducer 10, noise is applied to the reception signal Rf (t) synthesized in the reception beam forming unit 13. In comparison with the case of performing the process of reducing the noise, noise can be reduced more effectively. As a result, the underwater detection device 1 can obtain a more accurate detection result.

また、上述の実施形態では、水中探知装置１は、受信信号Ｒｆ（ｔ）を二つの受信信号に分離しているが、二つ以上に分離するようにしてもよい。さらに、上述の実施形態では、ノイズ低減のために、各受信信号に係るパワースペクトルを算出し、減算しているが、各受信信号に係る振幅スペクトルを算出して減算するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the underwater detection device 1 separates the reception signal Rf (t) into two reception signals, but may be separated into two or more. Furthermore, in the above-described embodiment, the power spectrum related to each received signal is calculated and subtracted for noise reduction. However, the amplitude spectrum related to each received signal may be calculated and subtracted.

また、上述の実施の形態では、水中探知装置１をスキャニングソナーとして説明したが、自船の真下に超音波パルス及びエコーを送受信する魚群探知装置であってもよい。さらに、本発明に係る探知装置は、レーダーであってもよい。   In the above-described embodiment, the underwater detection device 1 has been described as a scanning sonar. However, it may be a fish detection device that transmits and receives ultrasonic pulses and echoes directly under its own ship. Furthermore, the detection device according to the present invention may be a radar.

１−水中探知装置、１０−送受波器、１１−送受切替部、１２−送信制御部、１３−受信ビーム形成部１３、１４−演算処理部１４、１４１−データ分離部、１４２−フーリエ変換部、１４３−パワースペクトル算出部、１４４−減算部１、１４５−位相スペクトル算出部、１４６−フーリエ逆変換部、１５−表示器、１６−記憶部、１７−操作部 1-Underwater detection device, 10-Transmitter / receiver, 11-Transmission / reception switching unit, 12-Transmission control unit, 13-Receiving beam forming unit 13, 14-Operation processing unit 14, 141-Data separation unit, 142-Fourier transform unit 143-power spectrum calculation unit 144-subtraction unit 1, 145-phase spectrum calculation unit 146 inverse Fourier transform unit 15-display 16-storage unit 17-operation unit

Claims (6)

送信された信号の反射波に基づいて探知を行う探知装置において、
所定時間受信された反射波に係る時間軸上の波形データから、時間的に前後する時間領域における第１データ及び第２データを抽出するデータ抽出部と、
該データ抽出部が抽出した第１及び第２データそれぞれを周波数解析する解析部と、
該解析部による周波数解析の結果に基づいて、前記第１データに係る周波数成分から前記第２データに係る周波数成分を減算する減算部と、
該減算部による結果に基づいて探知を行う探知部と
を備えることを特徴とする探知装置。 In a detection device that performs detection based on a reflected wave of a transmitted signal,
A data extraction unit that extracts first data and second data in a time domain that is temporally before and after the waveform data on the time axis related to the reflected wave received for a predetermined time;
An analysis unit that performs frequency analysis on each of the first and second data extracted by the data extraction unit;
A subtracting unit that subtracts the frequency component related to the second data from the frequency component related to the first data based on the result of the frequency analysis by the analyzing unit;
And a detection unit that performs detection based on a result of the subtraction unit. 請求項１に記載の探知装置において、
前記解析部による周波数解析の結果から、前記第１及び第２データそれぞれに係るパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出部
をさらに備え、
前記減算部は、
前記パワースペクトル算出部が算出した第１データに係るパワースペクトルから、前記第２データに係るパワースペクトルを減算する
ことを特徴とする探知装置。 The detection device according to claim 1,
A power spectrum calculation unit for calculating a power spectrum according to each of the first and second data from a result of frequency analysis by the analysis unit;
The subtraction unit
The detection apparatus characterized by subtracting the power spectrum related to the second data from the power spectrum related to the first data calculated by the power spectrum calculation unit. 請求項２に記載の探知装置において、
前記解析部による周波数解析の結果から、前記第１データに係る位相スペクトルを算出する位相スペクトル算出部と、
前記減算部による減算結果、及び、前記位相スペクトル算出部が算出した位相スペクトルに基づいて、時間軸上の波形データを生成する生成部と
をさらに備え、
前記探知部は、
前記生成部が生成した波形データに基づいて探知を行う
ことを特徴とする探知装置。 The detection device according to claim 2,
From the result of frequency analysis by the analysis unit, a phase spectrum calculation unit that calculates a phase spectrum according to the first data;
A generation unit that generates waveform data on the time axis based on the subtraction result by the subtraction unit and the phase spectrum calculated by the phase spectrum calculation unit;
The detection unit
A detection device that performs detection based on waveform data generated by the generation unit. 請求項１乃至３の何れか一つに記載の探知装置と、
水中へ超音波を送信し、水中からの反射波を受信する送受波器と
を備えた水中探知装置であって、
前記探知部は、
前記送受波器が受信した反射波に基づいて探知を行う
ことを特徴とする水中探知装置。 The detection device according to any one of claims 1 to 3,
An underwater detection device comprising: a transmitter / receiver that transmits ultrasonic waves into the water and receives reflected waves from the water,
The detection unit
An underwater detection device that performs detection based on a reflected wave received by the transducer. 送信された信号の反射波に基づいて探知を行う探知方法において、
所定時間受信された反射波に係る時間軸上の波形データから、時間的に前後する時間領域における第１データ及び第２データを抽出し、
抽出した第１及び第２データそれぞれを周波数解析し、
周波数解析の結果に基づいて、前記第１データに係る周波数成分から前記第２データに係る周波数成分を減算し、
減算結果に基づいて探知を行う
ことを特徴とする探知方法。 In a detection method for performing detection based on a reflected wave of a transmitted signal,
Extracting the first data and the second data in the time domain around the time from the waveform data on the time axis related to the reflected wave received for a predetermined time,
Each of the extracted first and second data is subjected to frequency analysis,
Based on the result of the frequency analysis, the frequency component related to the second data is subtracted from the frequency component related to the first data,
A detection method characterized by performing detection based on a subtraction result. 送信された信号の反射波に基づいて探知を行うコンピュータで実行されるプログラムにおいて、
コンピュータを、
所定時間受信された反射波に係る時間軸上の波形データから、時間的に前後する時間領域における第１データ及び第２データを抽出するデータ抽出部、
該データ抽出部が抽出した第１及び第２データそれぞれを周波数解析する解析部、
該解析部による周波数解析の結果に基づいて、前記第１データに係る周波数成分から前記第２データに係る周波数成分を減算する減算部、及び、
該減算部による結果に基づいて探知を行う探知部
として機能させることを特徴とするプログラム。 In a program executed by a computer that performs detection based on a reflected wave of a transmitted signal,
Computer
A data extraction unit for extracting first data and second data in a time domain that is temporally before and after the waveform data on the time axis related to the reflected wave received for a predetermined time;
An analysis unit for performing frequency analysis on each of the first and second data extracted by the data extraction unit;
A subtracting unit that subtracts the frequency component related to the second data from the frequency component related to the first data based on the result of the frequency analysis by the analyzing unit; and
A program that functions as a detection unit that performs detection based on a result of the subtraction unit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP7487534B2 (en) 2020-04-08 2024-05-21 株式会社アイシン Object detection device

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