JP4518828B2 - 計量用魚群探知機および計量用魚群探知方法 - Google Patents

計量用魚群探知機および計量用魚群探知方法 Download PDF

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Description

本発明は、スプリットビーム方式の計量用魚群探知機および計量用魚群探知方法に関するものである。
魚群の存在だけでなく、魚体長や魚群量を推定する計量用魚群探知機は、水産資源の調査や効率的な漁労に不可欠な機器となっている。この計量用魚群探知機では、送受波器から送信された超音波の音圧レベルに対する計量対象物である魚で反射して帰来するエコー信号の音圧レベルの比、すなわち反射強度TS(Target Strength)が魚の体長の2乗に比例することを利用して魚体長の計測を行う。しかしながら、送受波器は指向特性を持つため、その送信強度と受信感度はエコーの到来する方向によって異なり、同じ体長の魚であっても、位置(方位)の違いにより受信信号のレベルが異なる。このため、魚の位置が送受波器の指向性主軸方向からずれていると主軸方向と比較して受信レベルが減少し、計測誤差が生じる。
特許文献1には、計測誤差を補正するための以下の方法が示されている。図8(a)に示されるように、送受波器を4つの素子a〜dに分割し、正弦波の音波を放射するときは4分割された全ての素子a〜dを同相で励振させて鉛直方向に鋭い指向性を有する音波を発生させる。また、エコー信号を受信するときには、図8(b)に示されるように、素子a,bの受信信号と素子c、dの受信信号との位相差φxを求め、両素子群の重心間距離Lを用いて、X−Z平面における到来角度θxを求める。同様にして、図8(c)に示されるように、素子a,dの受信信号と素子b、cの受信信号の位相差φからY−Z平面における到来角度θを求める。そして、到来角度θx,θで受信レベルを補正することによって、反射強度TSの誤差を減らすようにしている。ここでは、到来角度θx,θを求める際の不確定さを除くために、上記の正弦波の音波は当該正弦波の周波数よりも低い周波数の正弦波でFM変調されている。
特許文献2には、図9に示されるように平面状の送受波器の素子(不図示)を前ビームグループ、左後ビームグループ、右後ビームグループの3つグループに分け、各グループに多数の素子を配することによってグループごとにシャープな指向性の受信ビーム信号を形成し、さらに各受信ビーム信号間の時間差を検出し、この60度で交差する2軸成分に対する時間差を直交軸成分の時間差に変換し、変換された時間差からエコー信号の到来角度を求めることが示されている。
尚、エコー信号の受信レベルを計測するものではないが、特許文献3には、測量船に搭載され水深を計測する測深装置において、測量船の動揺(ローリング、ピッチング)による水深の計測誤差を減らすように、測量船のローリング角およびピッチング角を検出し、送受波器の各送受波トランスデューサ(素子)の送信および受信の位相を制御することにより送受波器の指向性主軸方向を鉛直方向に保持することが示されている。また、特許文献4には、測深装置に設けられた動揺検出装置から出力されるローリング角、ピッチング角、加速度および、送受波器と動揺検出装置との位置関係から、波浪等による動揺に伴う鉛直方向における送受波器の変位量Δhを求めることが示されている。
特開平6−160522号公報(段落0002〜段落0006) 特開2000−46946号公報(段落0014〜段落0020) 特開昭57−149908号公報(第2頁左上欄第18行〜第2頁右下欄第13行) 特開平5−19053号公報(段落0010〜段落0018)
しかしながら、特許文献1に示されるものにおいては、送信ビームおよび受信ビームの方向を自由に変えることができないため、波浪等で船舶が動揺している場合には、単体魚などの反射強度TSを正確に求めることが難しいという問題がある。また、特許文献2には、送受波器の素子を3つのグループに分け、各グループに多数の素子を配してシャープな指向特性の送信ビームおよび受信ビームを形成する方法が記されている。しかし、波浪等で船体が動揺している状態では、送信ビームの方向と受信ビームの方向とが異なってしまう。この方向が異なることによる影響は、送信ビームおよび受信ビームの指向特性がシャープであると、顕著になる。このため、各グループの受信ビームの時間差に基づいて求められたエコーの到来角度によって反射強度TSを補正すると、計測誤差が大きくなるという問題がある。
本発明は、上記問題点を解決するものであって、その課題とするところは、波浪等で船舶が動揺しているときであっても計量対象物の正確な計量を行うことのできるスプリットビーム方式の計量用魚群探知機および計量用魚群探知方法を提供することにある。
本発明の計量用魚群探知機は、平面上に互いに近接して配置された複数の振動子からなる3つ以上のグループであって、全てのグループの重心が一直線上に存在しないグループで形成された送受波器から超音波を送信し、計量対象物からのエコー信号の反射強度をエコー信号の到来角度で補正するスプリットビーム方式の計量用魚群探知機であって、超音波を送信するときのローリング角およびピッチング角ならびに各振動子の送受波器上の位置に基づいて、各振動子から送信される超音波の送信開始タイミングまたは位相を調整することにより送信ビームの指向性主軸方向を予め設定された探知方向にする送信信号調整手段と、エコー信号を受信するときのローリング角およびピッチング角ならびに各振動子の送受波器上の位置に基づいて、各振動子が受信する受信信号の位相を調整することにより受信ビームの指向性主軸方向を探知方向にする受信信号調整手段と、位相調整された1または2以上のグループの受信信号から形成される受信ビーム信号間の位相差から探知方向に対するエコー信号の到来角度を算出する手段と、エコー信号の反射強度を補正する手段と、を備える。反射強度を補正する手段は、超音波を送信するときのローリング角およびピッチング角を用いて送受波器の送受波面の法線方向と探知方向とのなす第1角度を算出し、エコー信号を受信するときのローリング角およびピッチング角を用いて送受波器の送受波面の法線方向と探知方向とのなす第2角度を算出する。そして、算出された到来角度に基づいて得られる送受信指向性補正項と、第1角度に基づいて得られる、送信時の送受波器の送受波面の開口面積の変動を補正するための開口面積送信指向性補正項と、第2角度に基づいて得られる、受信時の送受波器の送受波面の開口面積の変動を補正するための開口面積受信指向性補正項とを用いて、エコー信号の反射強度を補正する。
ここで、上記の送信信号調整手段、受信信号調整手段、到来角度を算出する手段および反射強度を補正する手段には、それぞれ実施形態の遅延回路、位相補正回路、到来角度算出部および指向特性補正部が相当する。また、遅延回路および位相補正回路の機能の一部、到来角度算出部および指向特性補正部20の機能の一部または全てを実施形態の制御部に行わせてもよい。
このようにすることで、波浪などにより船舶が動揺していても、送信ビームおよび受信ビームの指向性主軸方向が探知方向に常に一致する。そして、探知方向に対するエコー信号の到来角度は、上記指向性主軸方向が探知方向に一致するように位相調整された1または2以上のグループの受信信号から形成される受信ビーム信号間の位相差から算出される。これにより、船舶が動揺しているときであっても、正しい到来角度が求められ、延いては計量対象物が正確に計量される。より具体的には、正確なエコー信号の反射強度が求められる。また、探知方向を鉛直下方に設定している場合には、船舶の動揺にかかわらず常に魚の上面(背中)からのエコー信号が検出されるので、魚の持つ指向特性による反射強度の計測のばらつきが低減する。
また、船舶の動揺により送受波器の送受波面の法線方向と探知方向とのなす角が変動し、送信ビームおよび受信ビームの指向特性および信号レベルが変化する場合であっても、上記の角に基づいて反射強度が補正されるので、より正確な反射強度が求められる。
さらに、本発明においては、送信開始タイミングまたは位相の調整量および受信信号の位相の調整量は、探知方向のベクトルと、ローリング角およびピッチング角で位置補正された各振動子の位置ベクトルとの内積から算出される。このようにすることで、探知方向が鉛直下方でない場合であっても、上記の調整量を容易に算出することが可能となる。
さらに、本発明においては、探知された計量対象物の位置を表示する表示部と、送受波器の鉛直方向における基準位置からの変位量を得る手段とを備え、前記表示部に表示される計量対象物の鉛直方向における位置は得られた変位量に基づいて補正される。このようにすることで、波浪などによって送受波器が上下動する場合であっても、計量対象物は上下動がないとしたときの鉛直方向における位置(深度)に表示され、計量用魚群探知機のオペレータに対する視認性が向上する。また、波浪などにより船舶が動揺していても、送信ビームおよび受信ビームの指向性主軸方向が探知方向に常に一致するようにしているので、上記の位置の補正を特許文献4に示されるものよりも高い精度で行うことができる。
さらに、本発明においては、探知方向は鉛直下方または鉛直下方に対して所定の角度をなす方向であり、探知方向を変更する手段を備える。この探知方向を変更する手段には実施形態の制御部が相当する。このようにすることで、任意の方向の探知を行うことができる。
さらに、本発明においては、探知された計量対象物の位置を表示する表示部と、送受波器の鉛直方向における基準位置からの変位量を得る手段とを備え、表示部に表示される計量対象物の鉛直方向における位置は得られた変位量および上記の所定の角度に基づいて補正される。このようにすることで、波浪などによって送受波器が上下動し、探知方向と鉛直下方とが所定の角度をなす場合であっても、計量対象物は上下動がないとしたときの鉛直方向における位置(深度)に表示され、計量用魚群探知機のオペレータに対する視認性が向上する。また、波浪などにより船舶が動揺していても、送信ビームおよび受信ビームの指向性主軸方向が探知方向に常に一致するようにしているので、上記の位置の補正を特許文献4に示されるものよりも高い精度で行うことができる。
また、本発明の計量用魚群探知方法は、平面上に互いに近接して配置された複数の振動子からなる3つ以上のグループであって、全てのグループの重心が一直線上に存在しないグループで形成された送受波器から超音波を送信し、計量対象物からのエコー信号の反射強度をエコー信号の到来角度で補正するスプリットビーム方式の計量用魚群探知方法であって、超音波を送信するときのローリング角およびピッチング角ならびに各振動子の送受波器上の位置に基づいて、各振動子から送信される超音波の送信開始タイミングまたは位相を調整することにより送信ビームの指向性主軸方向を予め設定された探知方向にし、エコー信号を受信するときのローリング角およびピッチング角ならびに各振動子の送受波器上の位置に基づいて、各振動子が受信する受信信号の位相を調整することにより受信ビームの指向性主軸方向を探知方向にし、位相調整された1または2以上のグループの受信信号から形成される受信ビーム信号間の位相差から探知方向に対するエコー信号の到来角度を算出する。また、超音波を送信するときのローリング角およびピッチング角を用いて送受波器の送受波面の法線方向と探知方向とのなす第1角度を算出し、エコー信号を受信するときのローリング角およびピッチング角を用いて送受波器の送受波面の法線方向と探知方向とのなす第2角度を算出する。そして、算出された到来角度に基づいて得られる送受信指向性補正項と、第1角度に基づいて得られる、送信時の送受波器の送受波面の開口面積の変動を補正するための開口面積送信指向性補正項と、第2角度に基づいて得られる、受信時の送受波器の送受波面の開口面積の変動を補正するための開口面積受信指向性補正項とを用いて、エコー信号の反射強度を補正する。
このようにすることで、波浪などにより船舶が動揺していても、送信ビームおよび受信ビームの指向性主軸方向が探知方向に常に一致する。そして、探知方向に対するエコー信号の到来角度は、上記指向性主軸方向が探知方向に一致するように位相調整された1または2以上のグループの受信信号から形成される受信ビーム信号間の位相差から算出される。これにより、船舶が動揺しているときであっても、正しい到来角度が求められ、延いては計量対象物が正確に計量される。より具体的には、正確なエコー信号の反射強度が求められる。また、探知方向を鉛直下方に設定している場合には、船舶の動揺にかかわらず常に魚の上面(背中)からのエコー信号が検出されるので、反射強度の計測のばらつきが低減する。
また、船舶の動揺により送受波器の送受波面の法線方向と探知方向とのなす角が変動し、送信ビームおよび受信ビームの指向特性および信号レベルが変化する場合であっても、上記の角に基づいて反射強度が補正されるので、より正確な反射強度が求められる。
本発明によれば、波浪等で船舶が動揺しているときであっても計量対象物の正確な計量を行うことができる。
図1〜図3を参照して本発明に係る計量用魚群探知機について説明する。図1は計量用魚群探知機の構成を示す図である。図2は送受波器2の構成を示す図である。図3は送受波器2の座標系およびビームベクトル(探知方向)を示す図である。
まず、図2を参照して送受波器2の構成について説明する。図2(a)は送受波器2の平面図であり、図2(b)は図2(a)のA−A線に沿う断面図である。送受波器2の平面状の送受波面2Aには多数の振動子3(送受波トランスデューサ)が設けられており、図中の円内の1〜52の番号は振動子3の番号である。振動子3の番号を特定しない場合には、以下の説明では番号を「i」で表す。
各振動子3は4つのグループに分けられており、番号が1〜13の振動子3は前右グループFRに属し、番号が14〜26の振動子3は前左グループFLに属し、番号が27〜39の振動子3は後左グループBLに属し、番号が40〜52の振動子3は後右グループBRに属する。また、前右グループFRと前左グループFLとを合わせたものを前グループと呼び、後右グループBRと後左グループBLとを合わせたものを後グループと呼び、前右グループFRと後右グループBRとを合わせたものを右グループと呼び、前左グループFLと後左グループBLとを合わせたものを左グループと呼ぶことにする。
次に、図3を参照して送受波器2の座標系およびビームベクトル(探知方向)について説明する。XYZ座標系は、送受波器2の送受波面2Aの中心を原点Oとし、船舶が波浪等によって動揺した場合でも変化しない空間固定座標系である。X軸の正方向は船首方向、Y軸の正方向は右舷方向、Z軸の正方向は鉛直下方である。振動子3の位置ベクトル(ES(i),ES(i),0)は、動揺がないとき(送受波器2の送受波面2Aが水平であるとき)の振動子3の位置ベクトルである。r(i)は振動子3と原点Oとの距離、α(i)は動揺がないときの振動子3とX軸の正軸とのなす角である。このr(i)およびα(i)を振動子3の位置情報と呼ぶ。振動子3の動揺時位置ベクトル(E(i),E(i),E(i))は、動揺があるときの振動子3の位置ベクトルである。楕円は、原点Oを中心とし、動揺がないときの番号iの振動子3を通る円であり、図を見易くするために描かれたものである。
ビームベクトル(B,B,B)は探知方向の単位ベクトルであり、φはビームベクトルのベアリング角、φはチルト角である。本発明では、動揺により送受波面2Aが水平面から傾斜しても、送信ビームおよび受信ビームの指向性主軸方向がビームベクトルの方向と同じになるように超音波の送受信の制御が行われる。この点については後述する。また、φは船舶のローリング角、φはピッチング角である。
図1を参照して計量用魚群探知機(以下、「探知機」ともいう)の構成を説明する。尚、図1では各グループFR,FL,BL,BRの13個の振動子3(図2参照)の内の1つだけ図示されている。つまり、実際には図1に示される13倍の振動子3、遅延回路6、送信アンプ5、送受信切換回路4、受信アンプ9、A/D変換器10および位相補正回路11がある。また、以下の説明では、振動子3ごとの送信または受信の系統をチャンネルと呼ぶ。
動揺検出部8は、例えば、複数のGPS(Global Positioning System)アンテナ、GPSアンテナにそれぞれ接続されたGPS姿勢検出計およびGPSヒーブ計から構成される。GPS姿勢検出計は船舶のローリング角およびピッチング角を一定の周期で(例えば、20msecごとに)出力し、GPSヒーブ計はGPSアンテナのヒービング量(鉛直方向における移動量)を同様の周期で出力する。この出力されたローリング角およびピッチング角は、遅延回路6および位相補正回路11に送られる。このようにGPSアンテナなどを用いることで、ローリング角、ピッチング角およびヒービング量の検出精度と信頼性を向上させつつ動揺検出部8の製造コストを下げることができる。尚、動揺検出部8は、上述の探知機専用に設けられたものではなく、船舶の航行にも使用される。
制御部1は、CPU、メモリー等から構成され、後述の遅延回路6、位相補正回路11等の探知機の各部を制御する。また、操作部(不図示)から入力されたビームベクトルのベアリング角φおよびチルト角φは制御部1のメモリーに記憶されている。制御部1は、下記の式(1)によってビームベクトルを求め、求められた値を遅延回路6および位相補正回路11に設定する。
{B,B,B}=
{cos(φ)・cos(φ),cos(φ)・sin(φ), sin(φ)} (1)
通常は、ビームベクトルは鉛直下方を向くベクトル(0,0,1)であるが、制御部1がビームベクトルのベアリング角φおよびチルト角φを変更することにより、任意の方向の探知を行うことが可能となる。また、制御部1は、既知データとして予めメモリーに記憶されている各振動子3の位置情報r(i)、α(i)も遅延回路6および位相補正回路11に設定する。
送信波形生成回路7は、所定の周波数(例えば、38kHz)の正弦波の送信信号を生成し、遅延回路6に送る。この送信信号は、所定の時間(例えば、0.3msec、この時間を「送信パルス幅」という)だけ出力され、水中の魚等からのエコー信号の検出期間が終了すると、次の探知を行うために再び出力される。この送信パルス幅は、ビームベクトル方向の互いに異なる距離にいる複数の魚からのエコー信号が重複しないようにするためには、短いことが望ましい。一方、送信パルス幅をあまり短くすると、受信系の回路特性から十分な検出レベルを得ることができない。そこで、これらの点を考慮して送信パルス幅は最適な値に決められている。
遅延回路6は、船舶の動揺によって送受波器2の送受波面2Aが水平に対して傾斜している場合であっても、送受波器2から放射される送信ビームの指向性主軸方向がビームベクトルの方向と同じになるように、波形生成回路から出力される送信信号を遅延させることによって送信開始タイミングをチャンネルごとに調整する。このタイミング調整された送信信号は送信アンプ5で増幅され、送受信切換回路4を介して送受波器2の振動子3に送られ、振動子3から超音波が水中に放射される。すなわち、ビームベクトル方向に指向性主軸を有する送信ビームが水中に放射され、当該方向の探知が行われる。尚、送受信切換回路4の送信・受信の切り換えは制御部1によって行われる
次に、遅延回路6の動作の詳細について説明する。この遅延回路6には、予め制御部1によってビームベクトル(式(1)参照)および各振動子3の位置情報r(i)、α(i)が設定されている。また、遅延回路6は、船舶のローリング角φおよびピッチング角φを上述の動揺検出部8から受け取る。遅延回路6は、これらのデータを使用して、各振動子3の動揺時位置ベクトル(E(i),E(i),E(i))を下記の式(2)で算出する。
Figure 0004518828
ここで、図4を参照して各チャンネルの送信信号の遅延時間の決め方について説明する。E(m)は番号mの振動子3の動揺時位置ベクトル、E(n)は番号nの振動子3の動揺時位置ベクトル、r(m)は番号mの振動子3と原点Oとの距離、r(n)は番号nの振動子3と原点Oとの距離である。A(m)はビームベクトルと動揺時位置ベクトルE(m)のなす角、A(n)はビームベクトルと動揺時位置ベクトルE(n)のなす角、HPは水平面である。動揺時位置ベクトルE(m),E(n)は動揺によって水平面HP上にはない状態となっている。この場合、送信ビームの指向性主軸方向をビームベクトル方向に一致させるためには、原点Oを基準にして、番号mの振動子3からは距離{r(m)・cos(A(m))}を水中の音速で除算した値だけ遅いタイミングで超音波の送信を開始し、番号nの振動子3からは距離{r(n)・cos(A(n))}を水中の音速で除算した値だけ早いタイミングで超音波の送信を開始しなければならない。ここでは、cos(A(m))は正の値、cos(A(n))は負の値となっている。
以上のことから、番号iの振動子3については、送信開始タイミングを{r(i)・cos(A(i))/音速}だけ遅らせ、または進ませる。この{r(i)・cos(A(i))}は、ビームベクトルが単位ベクトルであるので、振動子3の動揺時位置ベクトルとビームベクトルとの内積である。また、ベクトルの内積は各ベクトルのX,Y,Z成分の積和でもある。従って、各チャンネルの送信タイミングの調整量は下記の式(3)で表される。
調整量={E(i)・B+E(i)・B+E(i)・B}/音速 (3)
遅延回路6は、式(3)を計算し、算出された調整量に従ってチャンネルごとの送信開始タイミングを調整する。実際には、進ませる時間の最も大きいチャンネルの調整量を0にして、他のチャンネルの送信開始タイミングを遅らせることになる。このようにすることで、送受波器2から放射される送信ビームの指向性主軸方向は、船舶が動揺していてもビームベクトル方向に一致する。尚、上記の送信開始タイミングの調整によって、各チャンネルの送信信号の位相はビームベクトル方向においては同一となる。
次に、受信系について説明する。各振動子3が受信した受信信号は、チャンネルごとに送受信切換回路4を介して受信アンプ9で増幅される。増幅された受信信号は、バンドパスフィルタ(不図示)で送信信号の周波数を中心とする所定の帯域幅以外のノイズ成分が除去され、A/D変換器10でデジタル信号に変換される。A/D変換器10は、上述の送信信号と同じ周波数の内部的な正弦波信号の第1位相と、第1位相と90度だけ位相の異なる第2位相とで受信信号を1周期ごとにサンプリング(以下、これを「IQサンプリング」という)する。第1位相でサンプリングされた信号をI信号、第2位相でサンプリングされた信号をQ信号、I+jQ(jは虚数単位)をIQ信号と呼ぶ。
位相補正回路11は、船舶の動揺によって送受波器2の送受波面2Aが水平面に対して傾斜している場合であっても、受信ビームの指向性主軸方向が上述のビームベクトルの方向と同じになるようにIQ信号の位相を調整する。
この各チャンネルの受信信号の位相調整量θ(i)は、原点Oを基準にして、送信の場合と同じ考え方により下記の式(4)で表される。
θ(i)={E(i)・B+E(i)・B+E(i)・B}・2π/λ (4)
ここで、λは送信信号の波長である。θ(i)が正のときは位相を遅らせ、負のときは位相を進める。尚、ローリング角φおよびピッチング角φが所定値以内(本探知機の計測可能範囲内)であれば、式(4)(式(2)参照)の絶対値がπを超えないように、送信信号の周波数(波長)等が決められている。
上記の位相調整は、各チャンネルのIQ信号にexp(−jθ(i))を乗算することによって行われる。この調整は受信期間中(エコー信号検出期間中)の一連のIQ信号ごとに行われる。この調整されたIQ信号を補正済みIQ信号と呼ぶ。このようにして、位相補正回路11は、式(4)を計算し、算出されたチャンネルごとの位相調整量θ(i)に従って各チャンネルのIQ信号の位相を調整する。
また、位相調整量θ(i)を計算する際には、動揺検出部8から送られてくる最新のローリング角φおよびピッチング角φが使用される。このようにするのは、水中での音速が1500m/secのとき、超音波を送信してから遠距離(例えば、750m先)にいる魚からのエコー信号が検出されるまで長時間(1秒)かかるので、最新のローリング角φおよびピッチング角φを使用しないと計測誤差が大きくなるからである。
各チャンネルの補正済みIQ信号は、ビーム形成部12で加算されることによって受信ビーム信号となる。送受波器2の前グループの26個のチャンネルの補正済みIQ信号は前加算器13で、後グループの26個のチャンネルの補正済みIQ信号は後加算器14で、右グループの26個のチャンネルの補正済みIQ信号は右加算器15で、左グループの26個のチャンネルの補正済みIQ信号は左加算器16で加算される。この結果、各加算器から4つのビームIQ信号が出力される。また、全加算器17は、52個のチャンネルの補正済みIQ信号を加算し、さらに加算結果であるビームIQ信号(I+jQ)の信号レベルLV(以下、「エコー信号レベルLV」という)を下記の式(5)で算出する。
LV=√(I +Q ) (5)
ビーム形成部12の到来角度算出部18は、エコー信号の到来角度を算出する。計量対象物である魚がビームベクトル方向と異なる方向に位置している場合には、位相補正回路11で位相補正しても、各チャンネルのエコー信号の位相は一致しない。この位相差を利用して到来角度を求める。まず、前後方向の位相差αBFおよび左右方向の位相差αRLが、それぞれ下記の式(6)、(7)で求められる。
αBF=tan−1(Q/I)−tan−1(Q/I) (6)
αRL=tan−1(Q/I)−tan−1(Q/I) (7)
式(6)、(7)中の添字F、B、RおよびLは、それぞれ前ビームIQ信号、後ビームIQ信号、右ビームIQ信号および左ビームIQ信号であることを示す。
次に、前後方向の位相差αBFおよび左右方向の位相差αRLからビームベクトルの方向に対する到来角度を求める。図5は、到来角度をXZ平面に投影したXZ到来角度θXZを説明する図である。HPは水平面であり、Lは送受波器2の前グループおよび後グループの重心間距離である。送受波面2Aはピッチング角φだけ水平面に対して傾斜している。矢印付きの実線はビームベクトルの方向を、矢印付きの一点差線はエコー信号の到来方向を、破線は鉛直方向を示す。PL1はビームベクトルの方向に垂直な平面であり、PL2はエコー信号の到来方向に垂直な平面である。エコー信号が矢印付きの一点差線で示される到来方向から来るので、距離PQに相当する分だけ、前ビームIQ信号と後ビームIQ信号との間に位相差がある。
図5の位置関係から、XZ到来角度θXZは下記の式(8)で表される。同様にして、到来角度をYZ平面に投影したYZ到来角度θYZは、下記の式(9)で表される。この式(8)、(9)からXZ到来角度θXZおよびYZ到来角度θYZが算出される。
Lsin(φ−φ−θXZ)・tanθXZ=λ・αBF/2π (8)
Lsin(φ−φ−θYZ)・tanθYZ=λ・αRL/2π (9)
このようにして、到来角度算出部18は、位相補正回路11で位相調整された受信信号から形成された受信ビーム信号間の位相差(αBF、αRL)より到来角度(θXZ、θYZ)を求める。
単体分離部19は、ビーム形成部12で算出されたエコー信号レベルLVから単体魚のデータを抽出する。これらの信号は、A/D変換器10のサンプリングタイミングごとに時々刻々変化する信号であるが、説明の都合上、図6では包絡線で示す。
図の「閾値」以下のものは、魚体長計測の対象とならない小さな魚からのエコー信号またはノイズであり、「閾値」を超えるエコー信号レベルLVが魚体長算出の対象となる。「距離幅」は、エコー信号レベルLVが「閾値」を超える部分であって、ピーク値PKよりも「レベル変動幅」(例えば、6dB)だけ小さい部分の幅である。
また、単体魚からのエコー信号であるためには、「距離幅」が前述の送信信号のパルス幅に略等しい(図のAの部分)ことが条件となる。それに対し、送受波器2からの遠近方向の比較的近い距離内に複数の魚がいる場合には、複数の魚からのエコー信号が部分的に重複する。このため、「距離幅」は送信信号のパルス幅よりも長くなる(図のBの部分)。以上のことから、単体魚のエコー信号であるためには、「振幅幅」は下記の式(10)を満たさなければならない。
最小サンプリング点数 < 距離幅 < 最大サンプリング点数 (10)
N波の正弦波を送信し、1周期に1回ずつIQサンプリングする場合、例えば、最小サンプリング点数は2N−4であり、最大サンプリング点数は2N+4である。尚、上述の「レベル変動幅」および最小・最大サンプリング点数は、送信信号の周波数、バンドパスフィルタ(不図示)の立ち上がり・立ち下がり特性等を考慮して決められる。
単体分離部19は、上述のようにして、上記の単体魚であるための条件を満たすエコー信号レベルLVのピーク値を求めると共に、このピーク値のデータおよび当該ピーク値に対応する到来角度のデータ(θXZおよびθYZ)を指向特性補正部20に送る。
指向特性補正部20は、到来角度のデータ(θXZおよびθYZ)等を使用してエコー信号レベルLVを補正することによって、補正された反射強度TSを算出する。以下では、これを単に「反射強度TSを補正する」という。この反射強度TSは、単体分離された(単体魚の)エコー信号レベルLVごとに下記の式(11)によって計算される。
TS=20log10(LV)−G−Me−SL+TVG+B+Ct+Cr (11)
ここで、右辺の第2項以降の項(G,Me等)も対数値である。
ここで、Gは受信ゲインであり、受信アンプ9の増幅度に相当する。Meは受波音圧感度であり、基準感度(標準感度)に対する振動子3の相対的な検出感度である。SLはソースレベルであり、基準レベルに対する送信信号の相対的な信号レベルである。TVGは時間可変ゲインであり、超音波を送信してからエコーを受信するまでの時間(送受波器2と魚との距離に相当する)と比例関係にあるゲインである。このように、受信ゲインG、受波音圧感度Me、ソースレベルSL、および時間可変ゲインTVGで反射強度TSを補正することにより、探知機の送信系および受信系の能力ならびに送受波器2と魚との距離に依存することなく、同じ大きさの魚であれば同じ反射強度TSとなるようにしている。
Bは送受信指向性補正項であり、下記の式(12)で表される。
B=g+g+gP (12)
P=√(θXZ +θYZ ) (13)
ここで、g〜gは送受波器2の指向特性より予め求められた係数である。
エコー信号レベルLVは、ビームベクトルに対するエコー信号の到来角度が大きくなるに従って小さくなる。そこで、到来角度(θXZ、θYZ)が大きくなるに従って値が大きくなる送受信指向性補正項Bで反射強度TSを補正することによって、到来角度に依存することなく、反射強度TSが同じ値になるようにしている。尚、エコー信号の到来角度によって反射強度TSを補正することは従来から行われている(例えば、特許文献1)が、本発明では、到来角度(θXZ、θYZ)にローリング角φおよびピッチング角φが反映されている(式(8)、(9)参照)点で従来技術とは異なる。従って、船舶が動揺している場合であっても、正確な反射強度TSを算出することが可能となる。
Ctは、送信時のビームベクトル方向に対する送受波器2の送受波面2Aの開口面積の変動を補正するための補正項(開口面積送信指向性補正項という)である。まず、送受波器2の送信特性(受信特性も同様)について説明する。送受波器2の送受波面2Aの法線方向とビームベクトル方向とが一致する場合(例えば、送受波面2Aが水平でビームベクトル方向が鉛直下方である場合)に、ビームベクトル方向に対する送受波器2の送受波面2Aの開口面積が最大となり、送信ビームの指向特性は最もシャープとなり、送信ビームの信号レベルも最大となる。しかし、船舶が動揺すると送受波器2の送受波面2Aは水平面に対して傾斜するので、ビームベクトル方向に対する送受波器2の開口面積が小さくなる。この結果、送信ビームの指向特性は広がり、送信ビームの信号レベルも低下する。図7はビームベクトルと送受波器2の送受波面2Aの法線との関係を示す図である。図において、2AHは水平状態の送受波面、2APはピッチング角φによって傾斜している送受波面、VLはピッチング角φによって傾斜している送受波面2APの法線である。ローリング角φについても、図7と同様な関係となる。
送受波器2から超音波を送信するときに船舶が動揺していても正確な反射強度TSを求めるためには、送受波器2の開口面積の変動に応じて反射強度TSを補正する必要がある。この補正をするのが開口面積送信指向性補正項Ctである。開口面積送信指向性補正項Ctは下記の式(14)で表される。
Ct=h+hS (14)
S=√{(π/2−φ+φ)+(π/2−φ+φ)} (15)
ここで、式(14)および係数h,hは実験的に予め求められたものである。尚、ビームベクトル方向が鉛直下方である(φ=π/2)場合は、式(15)は、√(φ +φ )となる。
Crは、エコー信号を受信しているときの上記の開口面積送信指向性補正項Ctに相当する補正項(開口面積受信指向性補正項という)である。従って、開口面積受信指向性補正項Crも、上記の式(14)で表される。しかし、エコー信号を受信しているときのローリング角φおよびピッチング角φは、超音波を送信しているときの値と同じではないので、開口面積受信指向性補正項Crは開口面積送信指向性補正項Ctとは異なる値となる。
指向特性補正部20は,上記の式(12)〜(15)を計算し、さらに式(11)によって反射強度TSを算出する。そして、この反射強度TSから単体魚の魚体長を算出する。反射強度TSと魚体長FLとの間には、下記の式(16)が成立することが知られている。
TS=20logFL+10logK (16)
ここで、Kは送信信号の周波数および魚種により決まる係数である。また、魚体長の算出ではなく魚群量を求める場合には、上述の単体分離の処理を行わずに、図6に示されるエコー信号レベルLVから魚群量を求め、エコー信号レベルLVを式(11)で補正することによってエコー信号の到来角度および船舶の動揺に依存しない魚群の反射強度TSを算出する。また、超音波を送信してからエコー信号を受信するまでの時間、ビームベクトルの方向、および到来角度から、単体魚または魚群の位置が算出される。そして、これらの単体魚の位置および魚体長、または魚群の位置および量のデータはヒービング補正処理部21に送られる。
ヒービング量演算部23には、予め送受波器2と動揺検出部8との位置関係および上下動がない(波がない)ときの動揺検出部8の鉛直方向における位置(基準位置)が設定されている。ヒービング量演算部23は、上記の予め設定されているデータ、ならびに動揺検出部8から出力されるローリング角、ピッチング角、およびヒービング量から、波浪等によって生じる送受波器の鉛直方向における基準位置からの変位量Δhを算出する。ヒービング補正処理部21は、指向特性補正部20から受取った単体魚または魚群の位置の深度を、ヒービング量演算部23で算出された変位量Δhだけ補正する。例えば、ビームベクトル方向が鉛直下方である場合には、波浪などで船舶が動揺していても、ローリング角およびピッチング角による補正をすることでビームベクトル方向は鉛直下方に保持されるので、上記の補正を特許文献4に示されるものよりも高い精度で行うことができる。尚、ビームベクトル方向と鉛直下方とのなす角がβである場合には、Δhとβとを用いて上記の補正が行われる。そして、これらの単体魚の補正された位置および魚体長、または魚群の補正された位置および量のデータは表示部22に送られて表示される。例えば、表示部22に表示された単体魚を示すマークをマウス(不図示)でクリックすると、単体魚の補正された位置および魚体長が表示される。
以上述べた実施形態においては、開口面積送信指向性補正項Ctおよび開口面積受信指向性補正項Crによって反射強度TSを補正する場合について説明したが、これに代えて、動揺検出部8で検出されたローリング角φおよびピッチング角φを使用してビームベクトル方向の送受波器2の開口面積を求め、超音波を送信するときの当該開口面積(第1開口面積)が一定になるように超音波を送信する振動子3の数を増減するようにしてもよい。すなわち、当該開口面積が大きい場合は送信する振動子3の数を少なくし(例えば、送受波器2の周辺部にある振動子3(番号12、13等の振動子3)から超音波を送信しないようにする)、小さい場合は送信する振動子3の数を多くする。
さらに、同様にしてエコー信号を受信するときのビームベクトル方向の送受波器2の開口面積(第2開口面積)が一定になるようにエコー信号を受信する振動子3の数(別の表現をすると、受信ビームを形成するチャンネルの数)を増減させる。この場合、第1開口面積と第2開口面積とを等しくするのが望ましい。
このようにすることで、ビームベクトル方向に対する開口面積が一定となり、船舶が動揺していても送信ビームおよび受信ビームの広がりおよび信号レベルが一定となるので、上述の開口面積送信指向性補正項Ctおよび開口面積受信指向性補正項Crによる補正と同様の作用効果が得られる。上記の演算および制御は制御部1によって行われる。
また、上記実施形態では、送受波器2の振動子3を4つのグループに分け、前後または左右のグループの受信ビーム信号間の位相差からエコー信号の到来角度を求める場合について説明したが、図9に示されるように送受波器の振動子を3つのグループに分け、3つのグループの受信ビーム信号間の位相差からエコー信号の到来角度を求めるようにしてもよい。この場合、3つのグループの重心が同一直線上にないので、3つのグループの受信ビーム信号の位相差から数学的にエコー信号の到来角度を求めることができる。また、図9の前、左後、右後の3つのビームグループに代えて、前左、前右、後の3つのビームグループとしてもよい。
さらに、上記実施形態では、送受波器2の振動子3を4つのグループに分け、4つのグループの内の2つのグループをそれぞれ前、後、左、右のグループとし、前後または左右のグループの受信ビーム信号間の位相差からエコー信号の到来角度を求める場合について説明したが、前左グループFLと後右グループBRとの受信ビーム信号間の位相差および前右グループFRと後左グループBLとの受信ビーム信号間の位相差から到来角度を算出するようにしてもよい。また、グループの数は4つに制限されるものではなく、グループの数を5つ以上とし、それらのグループの内の2つ以上のグループから新たなグループを作り、新たなグループの受信ビーム信号間の位相差からエコー信号の到来角度を求めるようにしてもよい。つまり、1または2以上のグループの受信信号から形成される受信ビーム信号間の位相差から探知方向に対する到来角度を求めることができる。
さらに、上記実施形態では、エコー信号レベルLVが全てのチャンネルの受信信号から生成される場合について説明したが、例えば、送受波器2の周辺部にある振動子3(番号13,26,39,52など)のチャンネルの受信信号をエコー信号レベルLVの対象外としてもよい。
さらに、上記実施形態では、単体分離部19で魚体の単体分離処理を行い、指向特性補正部20で反射強度TSを算出するようにしたが、ビーム形成部12から出力されるデータを制御部1のメモリーに記憶させ、記憶されたデータに対して制御部1のCPUで単体分離処理および反射強度TSの演算を行わせるようにしてもよい。また、遅延回路6および位相補正回路11で行われる演算の一部を制御部1のCPUに行わせるようにしてもよい。
さらに、上記実施形態では、送信信号が所定の周波数の正弦波である場合について説明したが、正弦波の周波数が周波数f1からf2まで連続的に高くなるように、または周波数f2からf1まで連続的に低くなるように他の正弦波で周波数変調したものを送信信号とするようにしてもよい。この場合、周波数が連続的に変化するので、上記のように厳密な意味でのIQサンプリングを行うことはできないが、両周波数の中心周波数{(f1+f2)/2}を両周波数の差分(f2−f1)よりも十分に大きくすることによって、実用的には不都合の生じないIQサンプリングを行うことができ、上記発明を適用することができる。
さらに、上記実施形態では、スプリットビーム方式の計量用魚群探知機において船舶の動揺による補正をする場合について説明したが、円筒状の送受波器の側面に多数の振動子を設け、送受波器から水中の全方位に向けて傘状の送信ビームを放射し、そのエコー信号を解析することにより水中情報を求める水中探知装置(スキャニングソナー)に、船舶が動揺していても送信ビームおよび受信ビームの方向を所定方向に保持する機能を持たせるようにすることもできる。
計量用魚群探知機の構成を示す図である。 送受波器の構成を示す図である。 送受波器の座標系およびビームベクトル(探知方向)を示す図である。 送信信号の遅延を説明する図である。 エコー信号の到来角度を説明する図である。 エコー信号の単体分離を説明する図である。 ビームベクトルと送受波器の送受波面の法線の関係を示す図である。 従来のスプリットビーム方式の計量用魚群探知機を示す図である。 従来のスプリットビーム方式の計量用魚群探知機の送受波器を示す図である。
符号の説明
1 制御部
2 送受波器
2A 送受波面
3 振動子
6 遅延回路
8 動揺検出部
11 位相補正回路
12 ビーム形成部
18 到来角度算出部
19 単体分離部
20 指向特性補正部

Claims (6)

  1. 平面上に互いに近接して配置された複数の振動子からなる3つ以上のグループであって、全てのグループの重心が一直線上に存在しないグループで形成された送受波器から超音波を送信し、計量対象物からのエコー信号の反射強度をエコー信号の到来角度で補正するスプリットビーム方式の計量用魚群探知機であって、
    超音波を送信するときのローリング角およびピッチング角ならびに各振動子の送受波器上の位置に基づいて、各振動子から送信される超音波の送信開始タイミングまたは位相を調整することにより送信ビームの指向性主軸方向を予め設定された探知方向にする送信信号調整手段と、
    エコー信号を受信するときのローリング角およびピッチング角ならびに各振動子の送受波器上の位置に基づいて、各振動子が受信する受信信号の位相を調整することにより受信ビームの指向性主軸方向を前記探知方向にする受信信号調整手段と、
    前記位相調整された1または2以上の前記グループの受信信号から形成される受信ビーム信号間の位相差から前記探知方向に対するエコー信号の到来角度を算出する手段と、
    エコー信号の反射強度を補正する手段と、を備え
    前記反射強度を補正する手段は、
    超音波を送信するときのローリング角およびピッチング角を用いて前記送受波器の送受波面の法線方向と前記探知方向とのなす第1角度を算出し、
    エコー信号を受信するときのローリング角およびピッチング角を用いて前記送受波器の送受波面の法線方向と前記探知方向とのなす第2角度を算出し、
    前記算出された到来角度に基づいて得られる送受信指向性補正項と、前記第1角度に基づいて得られる、送信時の送受波器の送受波面の開口面積の変動を補正するための開口面積送信指向性補正項と、前記第2角度に基づいて得られる、受信時の送受波器の送受波面の開口面積の変動を補正するための開口面積受信指向性補正項とを用いて、エコー信号の反射強度を補正することを特徴とする計量用魚群探知機。
  2. 請求項1に記載の計量用魚群探知機において、
    前記送信開始タイミングまたは位相の調整量および前記受信信号の位相の調整量は、前記探知方向のベクトルと、前記ローリング角およびピッチング角で位置補正された各振動子の位置ベクトルとの内積から算出されることを特徴とする計量用魚群探知機。
  3. 請求項1または請求項2に記載の計量用魚群探知機において、
    前記探知された計量対象物の位置を表示する表示部と、前記送受波器の鉛直方向における基準位置からの変位量を得る手段とを備え、前記表示部に表示される前記計量対象物の鉛直方向における位置は前記得られた変位量に基づいて補正されることを特徴とする計量用魚群探知機。
  4. 請求項1または請求項2に記載の計量用魚群探知機において、
    前記探知方向は鉛直下方または鉛直下方に対して所定の角度をなす方向であり、前記探知方向を変更する手段を備えることを特徴とする計量用魚群探知機。
  5. 請求項に記載の計量用魚群探知機において、
    前記探知された計量対象物の位置を表示する表示部と、前記送受波器の鉛直方向における基準位置からの変位量を得る手段とを備え、前記表示部に表示される前記計量対象物の鉛直方向における位置は前記得られた変位量および前記所定の角度に基づいて補正されることを特徴とする計量用魚群探知機。
  6. 平面上に互いに近接して配置された複数の振動子からなる3つ以上のグループであって、全てのグループの重心が一直線上に存在しないグループで形成された送受波器から超音波を送信し、計量対象物からのエコー信号の反射強度をエコー信号の到来角度で補正するスプリットビーム方式の計量用魚群探知方法であって、
    超音波を送信するときのローリング角およびピッチング角ならびに各振動子の送受波器上の位置に基づいて、各振動子から送信される超音波の送信開始タイミングまたは位相を調整することにより送信ビームの指向性主軸方向を予め設定された探知方向にし、
    エコー信号を受信するときのローリング角およびピッチング角ならびに各振動子の送受波器上の位置に基づいて、各振動子が受信する受信信号の位相を調整することにより受信ビームの指向性主軸方向を前記探知方向にし、
    前記位相調整された1または2以上の前記グループの受信信号から形成される受信ビーム信号間の位相差から前記探知方向に対するエコー信号の到来角度を算出し、
    超音波を送信するときのローリング角およびピッチング角を用いて前記送受波器の送受波面の法線方向と前記探知方向とのなす第1角度を算出し、
    エコー信号を受信するときのローリング角およびピッチング角を用いて前記送受波器の送受波面の法線方向と前記探知方向とのなす第2角度を算出し、
    前記算出された到来角度に基づいて得られる送受信指向性補正項と、前記第1角度に基づいて得られる、送信時の送受波器の送受波面の開口面積の変動を補正するための開口面積送信指向性補正項と、前記第2角度に基づいて得られる、受信時の送受波器の送受波面の開口面積の変動を補正するための開口面積受信指向性補正項とを用いて、エコー信号の反射強度を補正することを特徴とする計量用魚群探知方法。
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