JP2012112922A - 探知装置、水中探知装置、探知方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】水中探知装置１において、受信信号Ｒｆ（ｔ）から、エコー及びノイズに係る受信信号Ｒｆ（ｔ１）と、ノイズのみに係る受信信号Ｒｆ（ｔ２）とに分離し、それぞれの受信信号Ｒｆ（ｔ１）及びＲｆ（ｔ２）をフーリエ変換する。受信信号Ｒｆ（ｔ１）及びＲｆ（ｔ２）のパワースペクトルを算出した後、受信信号Ｒｆ（ｔ１）からＲｆ（ｔ２）のパワースペクトルを減算し、減算結果に対してフーリエ逆変換を行う。水中探知装置１は、その結果に基づいて、水中の探知を行う。
【選択図】図２

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。

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。

特開２０００−２４１５３４号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 受信信号の分離を説明するための模式図である。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。

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