JP5497302B2

JP5497302B2 - 合成開口ソーナー

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Publication number: JP5497302B2
Application number: JP2009019301A
Authority: JP
Inventors: 貞一郎池田; 邦夫橋場; 健太郎加藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2029-01-30
Also published as: JP2010175429A

Description

本発明は、水中の情報を可視化する合成開口ソーナーの信号処理手段及び装置に関する。

レーダー、ソーナーなどを比較的小さな移動体に搭載する場合など、巨大な送受信アレイを具備することが困難な場合の画像化において、合成開口技術を適用することが広く知られている。合成開口技術は、移動体に搭載した送受信装置において、移動によって時々刻々取得される複数のデータを、ある場所でのデータの再構成（ホログラム画像の形成）に利用することで、画像の分解能の向上を図る技術である。海水中（水中）や海底（水底）の画像化を行うソーナー技術においても、海上の船舶から曳航を受けたり、有線／無線による通信を行ったりしながら目的範囲を移動する自律型無人潜水機／無人水中航走体（ＡＵＶ：Autonomous Underwater Vehicle／ＵＵＶ：Unmanned Underwater Vehicle）に送受波器を搭載して、水中や海底の画像を得る合成開口ソーナー（ＳＡＳ: Synthetic Aperture SONAR）技術が知られている。

図１は、合成開口処理の基本原理を説明する図である。図１において、実アレイ１００は、図示していない移動体手段に搭載された、複数の送受波器群より構成されている。実アレイ１００は、直線軌道１０１に沿って一定速度で進む間に、所定の時間周期、所定の移動間隔で送受信を反復する。送受信で得られたすべてのデータのうち、送信位置１０２から順に送信位置１０４までを、撮像領域内の点１０の像の合成のために、仮想口径１０３として用いる。撮像領域内の点１０が直線軌道１０１に近ければ、仮想口径１０３に含める口径位置の数、すなわち仮想口径１０３の大きさを減少させ、直線軌道１０１から点１０が遠い場合は仮想口径の大きさを増加させる。これにより仮想口径１０３の中央を通り直線軌道１０１に垂直な線１０８上の像が形成される。また、送信位置１０５から送信位置１０７を使用して仮想口径１０６の中央を通り直線軌道１０１に垂直な線１０９上の像が形成される。このように順次、直線軌道１０１上で仮想口径を１０３，１０６，…と移動体の移動方向にずらすことで、線１０８、線１０９、と撮像面の隣り合う結像線が順次取得される。最後にこれらの結像線を並べて表示することで、撮像面全体の合成開口画像が作成されることになる。

図２は、合成開口ソーナーの実際の運用を説明する図である。海水２０中を航行する移動手段２００（例えばＡＵＶやＵＵＶ）には送受波器２０１が具備される。送受波器２０１からは、例えば海底面２１に向かって音波が照射される。海水と海底との音響インピーダンスの違いから、海底の照射投影面２２２からは強いエコー信号が受信される。移動手段２００の移動に従って、送受波器２０１から順次音波が送信され、従って順次受信信号も得られる。この複数の受信信号に対して図１の合成開口処理を施すことにより、合成開口画像が生成されることとなる。合成開口画像における軸の(軸線の,軸線上の)設定は、一般的に、横軸に図２に示すアジマス方向（移動体の移動方向）をとり、縦軸にアジマス方向と直交したレンジ方向をとる。レンジ方向としては図２に図示したグランドレンジ方向（海底面に平行な方向）とスラントレンジ方向（音波の照射方向）があるが、これらは照射角度の余弦を乗除することでお互いに一対一対応する。以下、レンジ方向とは、グランドレンジ方向、スラントレンジ方向のいずれかを指す。

一方、実際の海中においては、潮流や風浪階級は一定でない。これらの外乱はソーナーの運用に対して、時に無視できないほどの影響を及ぼす。現実に実海域における合成開口処理では、ソーナーを搭載するＵＵＶやＡＵＶなどの航走体の運動は、ソーナーで使用する音波の波長に比べたときに十分に位置精度の高い直線運動が確保できない場合が多い。その場合、航走体（移動体）２００は図２に示すように、目的の直線軌道１０１より変動した軌道２０２を描くのが常である。このとき例えば海底に存在する沈底対象物２０３からの受信信号は、直線軌道１０１の時の投影面２０４からの反射信号でなく、動揺がある場合の投影面２０５からの反射信号が受信される。そこで、実際の音波は直線軌道の時に予想される海底の投影面２０４と動揺がある場合の投影面２０５とのズレ分を修正（補正）する方法が必要となってくる。そのような修正（補正）手段を一般的に、合成開口における動揺修正（補正）技術と呼び、従来、ＤＰＣＡ（Displaced Phase Center Antenna）、ＰＧＡ(Phase Gradient Autofocus)、ＭＥＡ(Minimum Entropy Autofocus)といった方式が提案されている。

ＤＰＣＡ方式は、隣接した送信に対する受信信号間での相関を利用した補正方法である（例えば、特許文献１）。この補正方法の基本は、送信ごとに実アレイ１００の位置を一部重畳させ、重畳部分の受信信号相関から変動量を逐次的に求める方法である（例えば特許文献２、非特許文献１）。このような受信信号生データ（受信時刻に対して受信振幅が対になったデータ形式）に対して相関を利用して補正量を推定する方式としては、そのほかに航法データから隣接送信間で重畳したと思われるアレイ部を予測した上で、ピング（Ping:ある一回の送受信）間相互相関処理を行うＰ２Ｃ２（Ping-to-Ping Cross Correlation）方式などがある（例えば非特許文献２）。

ＰＧＡ方式は、受信信号を整相した後（合成開口処理の前段階）に補正を行うものであり（例えば非特許文献３）、動揺によって生じる位相の勾配を画像データから評価し、位相誤差関数を重み付き最小二乗誤差法や最尤推定法によって求める手法である。

ＭＥＡ方式は、合成開口画像の画像全体のエントロピーを評価関数として用い、エントロピーが最小となるときに画像のコントラストが最良となるという仮定に基づく。具体的には、動揺を示す位相誤差関数を高次の直交関数系で展開し、画像のエントロピーが最小となるように、仮定した位相誤差関数の係数を求める。エントロピーの最小化には最急降下法などを用いる（例えば非特許文献４）。

また、これらの動揺修正方式に加えて、慣性動揺検出装置などを用いて、物理的にロール・ピッチ・ヨー・サージ・スウェー・ヒーブの六軸動揺量を検出し受信信号に動揺補正量として与えるという手段もとられることがある。

それぞれの修正方式とも、直線軌道１０１と変動軌道２０２との差による誤差分を求め、受信から画像表示に至る信号処理全体の中のどこかの処理ブロックにおいて補正量を与えて動揺の影響を修正する、という点においては期待される効果は同一である。その一方で、方式ごとに、補正処理を行う場所が異なるため、受信・整相・合成開口処理・画像処理というフローの中で、お互いの欠点を補完しながらより精度の高い動揺修正を行うことも原理的に可能である。例えば、受信／整相間でＤＰＣＡ方式、整相／合成開口処理間でＰＧＡ方式、合成開口処理後にＭＥＡ（もしくはＰＧＡ）方式など、異なる方式の補正手段を複数組み合わせて動揺修正を行うなどの組み合わせが可能である。

さらに一方で、実際の海中での運用に際しては、対象物が海底堆積層中に埋没していることがある。埋没していることによる受信信号の誤差は、動揺修正時の誤差と同じく受信信号における位相（時間）誤差として現れる。よって、埋没した対象物の合成開口画像を取得するにあたって、上記の動揺修正方式のみでは十分な位相・時間誤差の修正ができないことがある。ここで位相誤差と時間誤差は、伝搬時間の誤差という観点において物理的に同一である。特に伝搬時間の誤差分の大きさが、音波の位相にして−π＜θ＜πの間に収まっていれば、時間誤差は位相誤差として取り扱うことができる。一方で、それ以上の場合は、位相としての取り扱いはできず、単純に時間誤差として処理することとなる。

図２において、海底に向かって照射された音波２０７は、海底の音波投影面２０８を形成する。この投影面２０８から反射した音波のみが受信されれば、音波画像中には海底面２１の凹凸を反映した画像が描出される。しかしながら、海底堆積層に浸透する音波は海水中の音線の延長直線２０９では伝搬しない。音波は海底堆積層の密度変化により屈折した軌跡２１０を通り、実際の堆積層中での音波投影面は海中での音波伝搬を仮定した時の投影面２１１と比べて、位相／時間誤差をもった堆積層内の投影面２１２となる。この投影面２１１と２１２の間の誤差が受信データとして現れるときには、船体動揺時の投影面２０４と２０５の間の誤差との和算された形で位相／時間誤差として顕在化する。よって、海底堆積層内に埋没した物体２０６を画像化する際には、動揺修正のみならず、堆積層の影響による誤差も併せて修正することが望まれる。

図３は、対象物が埋没している場合の合成開口画像への影響を具体的に説明する図である。図２をスラントレンジ方向（移動体から海底面に向かう方向）に俯瞰でみた図となっている。図３の各図の横軸はアジマス方向（送受波器移動方向）である。撮像面とソーナーの位置関係を示す左上の説明図では、縦軸はスラントレンジ方向（音波送信方向）であり、送受波器から海底堆積層に向かって音波が照射されている。海水中に沈底対象物２０３が存在し、堆積層中に埋没物２０６が存在する。合成開口処理においては左上図のように、アジマス方向にプラットフォームが漸次移動しながら音波の送受信を繰り返す。そのときに、たとえば沈底対象物２０３は、それぞれのプラットフォームの場所からＲ₁，Ｒ₂，…，Ｒ_nの距離からの反射エコーを返す。これは各ピングの受信データを整相して並べたエコーグラム３１の中では、それぞれの送受信のデータにおいて、Ｒ₁，Ｒ₂，…，Ｒ_nに対応する時間、すなわち海水中での音速をＣ₀としたときの往復時間、Ｔ₁=２Ｒ₁/Ｃ₀，Ｔ₂=２Ｒ₂/Ｃ₀，…，Ｔ_n=２Ｒ_n /Ｃ₀の受信時刻に沈底対象物２０３からのエコーが存在することになる。よってエコーグラム３１中での沈底対象物２０３からの反射エコーは、曲率をもったカーバチャ（カーブ）３０４上に存在する。このカーバチャに沿って、アジマス方向のデータ圧縮を行うことで、合成開口処理画像３２に示すように、沈底対象物２０３が結像（３０５）する。なお、エコーグラムの縦軸は音波の受信時刻となっている。

一方で、対象物が埋没していた場合には、このプロセスがうまく働かない場合が考えられる。左上図に示すように、埋没物２０６からの反射エコーは、沈底対象物２０３と同様に移動体の場所からｒ₁，ｒ₂，…，ｒ_nの距離から反射エコーを返すとする。この場合、もし対象物までの音波伝搬経路が海水で満たされていれば、エコーグラム３１においてもｔ₁ =２ｒ₁/Ｃ₀，ｔ₂ =２ｒ₂/Ｃ₀，…，ｔ_n=２ｒ_n/Ｃ₀の受信時刻に埋没対象物２０６からのエコーが存在することになる。しかし、埋没対象物２０６の周囲において音波は海底堆積層内を伝搬する。そのため、音速・伝搬経路が異なるため、実際の埋没対象物２０６のカーバチャ３０８には、ｄｔ₁，ｄｔ₂，…，ｄｔ_nの分の伝搬時間誤差が生じる。よって、海水中での音波伝搬を仮定したカーバチャ３０６に基づいてアジマス方向の圧縮を行うと、合成開口画像３２に示すように、対象物２０６の結像３０９には本来の結像位置３１０からのズレ・輪郭の歪みなどが生じることになり、結果として合成開口処理画像３２の中にうまく結像しないという課題がある。

このような堆積層内の音波伝搬を算出するにあたっては、多孔質音波伝搬モデルのBiot-Stollモデルなどを利用する手段が一般的に知られている（非特許文献５，６）。また、このモデルを用いた位相・時間遅れの計算なども可能であることが既に知られている（非特許文献７）。

海底堆積層の影響を考えた技術に関して、以下のものがある。特開2002-311136号公報には、上下に２分割されたソーナーの受信信号からラグタイムの差分を求め、目標が海底面上か、海底下に埋没しているかを、閾値を用いて判別する技術が開示されている。特開平9-304527号公報には、ＢＬ（Bottom Loss）データを用いて、反射損失から堆積層の密度や減衰係数で表される音響パラメータを推定する技術が開示されている。本技術によれば、堆積層が深さ方向に均質な特性を持つと仮定したときの、密度や減衰率を推算することができる。特開平10-221444号公報には、堆積層深度方向に周波数を少しずつ変化させた音波を照射することによって、深さ方向の密度分布を測定する技術が開示されている。また、WO1999004287A1には、堆積層に埋まっている被対象物に視点をおき、対象物の音響的な歪み変形が反射音信号への非線形歪みとして表れることを用いて、堆積層に埋没した物体を探知する技術が開示されている。

特開2002-214341号公報米国特許第4244036明細書特開2002-311136号公報特開平9-304527号公報特開平10-221444号公報 WO1999004287A1

R.W. Sheriff, "SYNTHETIC APERTURE BEAMFORMING WITH AUTOMATIC PHASE COMPENSATION FOR HIGH-FREQUENCY SONARS,"IEEE Proc. of the 1992 Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology, pp.236-245(1992). D. Billon and F. Fohanno, "Two improved ping-to-ping cross-correlation methods for synthetic aperture sonar: theory and sea results,"in. Proceedings of Oceans 2002 MTS/IEEE, pp.2284-2293(2002). P.H. Eichel, et al., "SPECKLE PROCESSING METHOD FOR SYNTHETIC-APERTURE-RADAR PHASE CORRELATION,"Optics Letters, 14(1) pp.1-3(1989) A.F. Yegulalp, "MINIMUM ENTROPY SAR AUTOFOCUS,"Presented in SEVENTH ANNUAL ASAP '99 WORKSHOP(1999). R.D. Stoll, "SEDIMENT ACOUSTICS,"Lecture Notes in Earth Sciences 26, Springer-Verlag(1989). M. Kimura and T. Tsurumi, "Acoustic wave reflection from the transition layer of surficial marine sediment"Acoustical Science and Technology, 25(3), pp.188-195(2004). T. Ikeda et al., "Characteristic Analysis of the Acoustic Properties of Sea Sediment in Japan,"Proc. of UDT Europe 2008(CD-ROM), 2B2(2008).

これまで、堆積層の物理的特性を推定する技術と、予め存在するデータベースとしての堆積層の特性と音響データとを照らし合わせて音響パラメータを推算する技術が知られている。しかし、海底堆積層内の音波伝搬の影響、すなわち堆積層が存在することによって生じる合成開口処理画像のズレや歪み分を、画像処理の中で補正する手法及びそのような手法を備えた合成開口ソーナー（ＳＡＳ）は知られていない。特に、非特許文献５〜７などの、海底堆積層の音波伝搬に関する知見を、合成開口処理技術として画像処理の誤差補正として利用する技術や利用した合成開口ソーナーはこれまで存在しない。同様に、前記のような埋没物に対する補正を、移動体の動揺修正と併せて行う合成開口ソーナー技術はこれまでない。さらには、一般的に既知ではない堆積層の底質のもとロバストに埋没対象物の画像処理を行う技術もこれまでにない。

このような背景に鑑み、本発明においては、対象物が海底堆積層に埋没していることによる誤差を補正し、埋没物体の画像を高精度に描出することができる合成開口信号処理手段及び合成開口ソーナーを提供する。また、ソーナーを備える船体の動揺がある場合においても、埋没物を正確に描出することのできる合成開口処理手段及び合成開口ソーナーを提供する。さらに、本発明は、上記課題に付随して海底堆積層の底質は一般的に既知ではないという課題も同時に解決する合成開口処理手段及び合成開口ソーナーを提供する。

海底堆積層の音波伝搬時間と、堆積層がない場合の音波伝搬時間との位相・時間差を、ソーナー受信信号のリサンプリング、あるいは合成開口処理におけるカーバチャ形状の補正として与える。また、得られた合成開口画像のコントラストを計算し、自動もしくは調整部を用いた半自動の処理により、最適な底質パラメータを利用した合成開口画像を生成することで、一般的に既知ではない海底堆積層の底質に対して最適な補正量を与えることを可能とする。最後に、前記コントラスト計算を利用して、対象物が埋没／非埋没であるかの判定、埋没深さの推定を行う。さらには、前記手段をＤＰＣやＭＥＡなどの動揺修正手段と組み合わせることで、船体の動揺がある場合にも埋没物を精度良く描出する。

本発明によると、海底堆積層が存在することによる合成開口処理後画像中の対象物の輝度・コントラスト・位置精度などの描出性能を向上させることができる。また同時に、対象物が埋没しているかどうかの判定と埋没深さの推定を行うことができる。なお、本手法においては、あらかじめ堆積層の底質は既知でなくても良い。さらには、船体の動揺がある場合にも埋没物を精度良く描出することができる。

合成開口処理の基本原理を説明する図。合成開口ソーナー運用時の動揺修正処理及び埋没による誤差を説明する図。合成開口処理における埋没の影響を説明する図。本発明の合成開口処理における埋没修正の概要と効果を説明する図。合成開口処理における埋没修正の信号処理アルゴリズムの一実施例の説明図。埋没修正における位相・時間補正を説明する図。埋没補正量データベースの一実施例の説明図。受信データに対するリサンプリングによる埋没補正量の付与の一実施例の説明図。合成開口カーバチャ形状の変形による埋没補正量の付与の一実施例の説明図。埋没／非埋没判定手段の一実施例の説明図。埋没深度・底質判定手段の一実施例の説明図。ポスト処理による描出能向上手段の一実施例の説明図。関心領域（ＲＯＩ）の選択手段の一実施例の説明図。動揺修正手段を含む埋没修正の一実施例の説明図。動揺修正手段を含む埋没修正の一実施例の説明図。動揺修正手段を含む埋没修正の一実施例の説明図。本発明による合成開口ソーナーの一実施例を示す図。

図４は、本発明における合成開口処理における埋没修正の概要と効果を説明する図である。図４中の各図の横軸はアジマス方向（送受波器移動方向）であり、縦軸はレンジ方向（音波送信方向）である。本技術の背景として、図３で説明したように、埋没対象物２０６のカーバチャ３０８には、ｄｔ₁，ｄｔ₂，…，ｄｔ_nの分の伝搬時間誤差が生じる。そこで、本発明においては、埋没対象物２０６の結像を行うために補正量を付与する。エコーグラム３１に示すように、埋没物の実カーバチャ３０８は海水を仮定したカーバチャ３０６からｄｔ₁，ｄｔ₂，…，ｄｔ_nの時間誤差を生じている。そこで例えば、エコーグラム４２において時間補正量を付与する。時間補正量は、実質的には−ｄｔ₁，−ｄｔ₂，…，−ｄｔ_nとなる。これにより、埋没象物２０６からの反射エコーを合成開口処理における海水仮定のカーバチャ３０６上に乗せることができ、アジマス圧縮を行うことで、埋没修正を行った合成開口画像４３のように、埋没対象物２０６を合成開口処理後画像において正しい位置に高いコントラストで結像（４０４）させることが可能となる。

なお、時間補正量の絶対値の大きさが、音波の位相で−π＜θ＜πの間であれば、位相誤差として取り扱うことが可能である。受信データは複素形式であることが多く、位相として処理する場合には計算量が少なくて済むという利点がある。ただし、位相誤差と時間誤差は、伝搬時間の誤差という観点において物理的に同一である。

一方、補正量を与えることで、合成開口画像４３に示すように、沈底物２０３のカーバチャ４０２は歪むため、最終的な画像における沈底物体２０３の結像４０３に、位置ズレ、輪郭のぼやけ、コントラスト低下が生じることは明らかである。しかしながら、これらの変化を利用して、埋没物体と非埋没物体の判別を行うことができ、この判別も本発明の範疇である。これについては、後に図１０を用いて説明する。

図５は、本発明における合成開口処理における埋没修正の信号処理アルゴリズムの一実施例を説明する図である。図５を用いて、本発明の埋没修正技術を説明する。

まず、図５の点線５００内は、通常の従来技術による合成開口処理のフローである。ソーナー送受信部５０１によって送信・受信された受信データは、受信ピングメモリ部５０２に蓄えられる。受信データは、一般的には受信時刻と受信波形の振幅が対になった形式である。また受信データは、図５に図示しない手段によって整相されることもある。整相された受信データを並べたものがエコーグラムである。その後、受信データは合成開口処理部５０３に送られ、図１に示した合成開口処理によって合成開口ホログラム画像を生成する。合成開口画像は画像メモリ部５０４に蓄えられる。画像メモリ部からブラウン管・液晶ディスプレイなどの画像表示部５０５に送られ、合成開口画像がオペレータに対して表示される。

次に、本発明の埋没修正は、まず堆積層の初期パラメータの入力５０６からスタートする。この初期パラメータは、堆積層の底質を表すものであればいかなるパラメータであっても良い。例えば、砂・クレイ・泥など粒径と対応した底質であってもよいし、堆積層間隙率などの値であっても良い。また、一般的に堆積層の底質は既知ではなく、既知であっても、例えば「日本海ＸＹ湾の底質は粒径０．３ｍｍ程度の砂（サンド）が多い。」程度の曖昧なものである。よって入力５０６は、実際の対象とする堆積物に近い値であってもなくても良い。ここで重要なことは、入力５０６によって本埋没修正がスタートすることである。

入力５０６を受け、補正量計算データベース部５０７は、入力された底質に応じた補正量を出力する。この補正量は図４において説明した堆積層の影響による時間補正量である。補正量計算データベース部５０７は、入力５０６に従って、実際に堆積層内の音波伝搬計算を例えばBiot-Stollモデルなどを利用したシミュレーションによって行う計算部であっても良いし、あらかじめ、想定される入力範囲に応じた、時間補正量をテーブルとして蓄えた単なる時間補正量データベースで合っても良い。この補正量計算データベース部５０７に蓄えられ、出力されるデータベースについては、図７を用いて後述する。

補正量計算データベース部５０７から出力された時間補正量は、２通りのいずれかの方法において、合成開口処理フローの中で埋没補正量として付与される。すなわち、受信ピングメモリ部５０２に蓄えられた受信データのリサンプリングとして受信データに直接付与する場合と、合成開口処理ブロック５０３の中で、合成開口カーバチャの形状補正とする場合の２通りである。図５に示すように、前者の場合は受信ピングメモリ部５０２の直後に埋没ピング補正部５０８において受信ピングデータに対して付与され、その後、補正されたピングデータが合成開口処理部に入力される。後者の場合は、合成開口処理ブロック５０３の中に具備された埋没カーバチャ補正部５０９に入力され、合成開口処理内部の処理パラメータの補正として反映される。なお、埋没ピング補正部５０８の詳しい手段については図８で、埋没カーバチャ補正部５０９の詳しい手段については図９を用いて後述する。

その後、通常合成開口処理フローと同様に、補正を受けた合成開口画像が画像メモリ部５０４に入力され、画像表示部５０５に埋没修正後の合成開口画像が表示される。埋没ピング補正部５０８と埋没カーバチャ補正部５０９はいずれか一方を具備すればよい。

また、本発明においては、図５に図示する画像のポスト処理部５１０を具備してもよい。画像のポスト処理部５１０は、次の３つの手段のいずれか一つ、もしくは任意の複数手段の組み合わせ、を内部に具備する。３つの手段とはすなわち、合成開口画像のコントラスト計算部、参照画像と補正画像の間の差分演算部、及び参照画像と補正画像の間の相関演算部、である。これらの計算結果は、再度画像表示部５０５に伝達され表示することができる。なお、差分演算・相関処理による埋没画像描出能向上手段については図１２を用いて後述する。

また、画像ポスト処理部５１０で計算された画像コントラスト計算の結果は、図５に図示する埋没状態判定部５１１にも伝達されてもよい。ここで、埋没状態判定部５１１は、対象物が堆積層に埋没しているか否かを判定する埋没非埋没判定部と、埋没している場合、埋没深度を計算する埋没深度計算部の２つのいずれか一方もしくは双方とも、を具備する。埋没非埋没判定部の機能については図１０で、埋没深度計算部の詳しい機能については図１１を用いて後述する。

また、本発明における合成開口処理手段及び合成開口ソーナーは、画像表示部と相互対話的に処理を行い、画像中の任意の関心領域（ＲＯＩ）の画素ブロックを指定する手段である関心領域選定部５１５を具備していても良い。関心領域選定部５１５で選定された領域は、埋没している領域（埋没画像領域）として判別され、図５に図示するように、再度画像表示部５０５への入力として合成開口画像を伝達することができる。また、埋没画像領域の情報を持った合成開口画像としてポスト画像処理部５１０に伝達することも可能であり、従って、埋没画像領域として選定された関心領域（ＲＯＩ）のみを埋没状態判定部５１１での処理対象とすることも可能である。

さらに、埋没状態判定部５１１における埋没非埋没判定部は、埋没か非埋没かを判定する際に、埋没修正処理のＯＫ／ＮＧを判別することができる（図１０の説明において後述）。ここでＯＫと判断された場合、処理は終了し、埋没／非埋没の判定結果と埋没対象物の埋没深さが出力５１２される。ここで、埋没修正処理がＮＧと判断された場合には、自動底質調整部５１３へＮＧ信号が送られる。自動底質調整部５１３では、ＮＧ信号に従って、補正量計算データベース部５０７へ入力する底質パラメータを微少量だけ増減することができる。これにより、本発明における埋没修正手段はフィードバックループが構成され、最終的に埋没状態判定部５１１での処理結果がＯＫになるまで、自動的に埋没修正がなされる。なお、本発明においては、この自動補正ループのみならず、オペレータが任意の底質を選定し、調整することのできる底質調整部５１４を備えていてもよい。以上に概略した、図５に示すような合成開口信号処理ブロック、及びそのようなブロックを有する合成開口ソーナーは、本発明の最適な実施例の一つである。

以下、図６から図１３を用いて、図５の合成開口信号処理における具体的な信号処理手段について詳しく説明を行う。

図６は、埋没修正における位相・時間補正を説明する図であり、堆積層内の音波伝搬時間計算の概要を示すものである。海水中で海底堆積層２２から高さＺ_Wに位置するソーナー(Ｏ点)から堆積層中深さＺ_S、レンジ方向距離ｒのＢ点まで音波が伝搬する時を考える。このとき、ＯＢ間の伝搬時間t(ｒ)は、海水中での伝搬時間ｔ₁と堆積層２２中での伝搬時間ｔ₂の合計時間であり、海水中の音速Ｃ₀、ソーナーの入射俯角θを用いて次式(1)で表される。

ここでｄ₁，ｄ₂は破線で示したＯＡ間の音波伝播距離、実線で示したＡＢ間の音波伝搬距離をそれぞれ表す。式(1)のように、ＡＢ間の伝搬時間ｔ_２は、堆積層の深さ方向に音速プロファイルｃ(ｚ)をもって伝搬する音波の、おのおのの深さzでの伝搬長さｄｌ間の伝搬時間ｄｌ/ｃ(ｚ)を積分することで計算ができる。一方、堆積層が存在しないとした場合のＯＢ間６０２の伝搬時間ｔ’(ｒ)は次式によって計算できる。

よって、海底堆積層内の音波伝搬による音波伝搬時間の時間差分ΔＴは次式で表されることになる。

このΔＴをレンジ方向の各位置rにおいて算出することにより、図４で説明した合成開口処理におけるカーバチャの時間補正量を求めることができる。

図７は、補正量計算データベース部５０７に蓄えられる、埋没補正量データベースの実施例の一つを説明する図である。図７は、異なる底質に対する堆積層内伝搬時間の時間補正量ΔＴのBiot-Stollモデルを利用したシミュレーション計算結果である。横軸は受信データの受信時間に対応し、縦軸はその受信時間に対する時間誤差すなわち時間補正量（図４に示した、−ｄｔ₁，−ｄｔ₂，…，−ｄｔ_n）に対応する。ここで例えば、図７において実線７０２が泥（粒径１マイクロメートル）の底質での結果であり実線７０３が砂（粒径３００マイクロメートル）の底質の結果であれば、実線７０２から実線７０３に至るまでのデータをデータベースに保持していれば、すべての底質に対する時間補正量を補正量計算データベース部５０７に持つことができる。よって、このようなΔＴのカーブを、ΔＴ（底質Ａ・底質Ｂ・伝搬距離・堆積層深さ）といった関数としてテーブル化しておくことで、入力５０６によるいかなる底質の指定に対しても、埋没補正量を出力することができる。

なお、蓄えられるデータの形式は、前記のようにΔＴの時間（時間）補正量の形でもよいし、位相の形でも良い。また、受信時刻ｔに対する時間補正量ΔＴを図７の点線７０４のように、例えば次式(4)のフィッティング関数(ピングデータのサンプリング時間tに関する４次関数)で近似することもできる。

よって、データベースのデータ形式はΔＴの形だけでなく、式(4)で示すようなフィッティング関数の係数（Ｋ₀，Ｋ₁，・・・，Ｋ_n）の集合であっても良いし、フィッティング式は、式(4)だけでなく、他の高次多項式でも、対数関数でも指数関数でも、任意の方程式であってもかまわない。

また、ここで重要なことは、さまざまな堆積層の間隙率や粒径等の底質パラメータの値、伝搬距離、対象物の想定深さ、といった物理的な値を、埋没補正量の大きさと一対一対応させることができるということである。

図８は、受信データに対するリサンプリングによる埋没補正量の付与の実施例の一つを説明する図である。これは、前記の埋没ピング補正部５０８のさらに詳しい実施例について説明するものである。図８には、図７において実線７０２と実線７０３を抜き出したものを示してある。実線７０２は正の補正量が与えられるケースであり、実線７０３は負の補正量が与えられるケースである。ここで、図８において横軸は受信時刻であり、縦軸は受信信号の振幅に対応する。また、実線８０４は、ある受信ピングデータを抜き出したものである。このような受信ピングデータに対して、例えば実線７０２の補正量を与える場合は、受信データ中のサンプリング点８０５をそれぞれ、受信時刻に対応した時間補正量の分だけ後ろの時間にリサンプリングすることで時間補正量を付与する（破線８０６）。同様に、実線７０３の場合については、時間補正量の分だけ前の時間にリサンプリングすればよい（一点鎖線８０７）。このような受信信号ピングデータに対する、時間補正量の付与を、画像合成に使用するすべての受信データに対して行うことで、埋没物体が存在することによる誤差分を補正した合成開口処理画像を得ることができる。

図９は、合成開口カーバチャ形状の変形による埋没補正量の付与の実施例の一つを説明する図である。これは、前記の埋没カーバチャ補正部５０９のさらに詳しい実施例について説明するものである。合成開口処理においては、図９に示すように、送受波器からの距離に応じた、合成開口カーバチャ（９００，９０１，９０２）が用意される。実際には様々な合成開口処理の種類があり、少しずつ、内部の処理方式は異なるが、このような合成開口カーバチャが存在することに関してはすべての方式で同じである。例えば、チャープスケーリング法の合成開口処理においては、レンジマイグレーションにおけるカーバチャが、図９のカーバチャに対応する。

図９にも、図７から実線７０２の時間補正量を抜き出して、グラフを９０度回転させた図を示している。受信時刻は、そのまま送受波器からの距離に対応し、右側の図において、横軸はアジマス方向（移動体の移動方向）であり、縦軸はレンジ方向（音波送信方向）である。図９のＡ点、Ｂ点、Ｃ点においては、それぞれの送受波器からの距離に応じて、それぞれの合成開口カーバチャ９００，９０１，９０２に、実線７０２の時間補正量に対応した、合成開口カーバチャの形状の変化を行う。その結果、新たに、補正された合成開口カーバチャ９０３，９０４，９０５が得られ、このカーバチャを利用して、改めて、合成開口処理ブロック５０９におけるホログラム画像合成を行う。図９に示した処理によって、図８の受信信号リサンプリングと同様の効果を得ることができ、埋没物体が存在することによる誤差分を補正した合成開口処理画像を得ることができる。例えば、図で示したハッチング９０７が、図８における受信ピングデータの一本であり、この一本一本の集合が図９となっていることからも前記は明らかである。

図１０は、埋没／非埋没判定手段の一実施例を説明する図である。これは前記の埋没状態判定部５１１中の埋没／非埋没判定部の実施例をさらに詳しく説明するものである。図４で説明したように、本発明における埋没修正においては、埋没物体２０６の画質は向上する。一方で、沈底物体２０３の画質は埋没修正を行うことで低下する一方である。よって、図１０で示すように、横軸に間隙率や粒径等の底質パラメータの値をとり、縦軸に画像ポスト処理部５１０で計算された画像のコントラスト値をとると、沈底対象物のコントラスト１００２は、補正量を大きくしてゆくに従って、単調減少する。一方で、埋没対象物のコントラストは増加するため、埋設対象物は、極値をもつケース（点線１００３）と単調増加のケース（一点鎖線１００４）に限られる。よって、自動底質調整部５１３において、横軸の量を徐々に大きく変化させ図５のフィードバックループを回すことで、単調減少なら、非埋没物体、それ以外なら埋没物体である、というように埋没／非埋没の判別が可能である。

図１０は、また、埋没修正処理のＯＫ／ＮＧの判別を説明するものでもある。底質パラメータを徐々に変化させていって、単調減少傾向、極値を持つケース、単調増加、といった傾向が判定されるまで、ＮＧ埋没修正処理はＮＧとして、フィードバックループを回すことで、埋没修正処理の効果判定を行うことができる。単調減少であれば埋没無しとして処理を終了する。また、単調増加である間は、ＮＧとして、フィードバックループを回す。極値を判定すれば、極値のところで最適な補正量が与えられた、として、埋没修正処理はＯＫと判別されフィードバックループは終了する。前述のように、本発明においては堆積層の初期パラメータの入力は、いかなる底質の入力であってもよい。なぜならば、このフィードバック処理により、対象とする堆積層の底質がわからなくても、最適な埋没補正量を見つけることができるからである。すなわち、本発明においては、あらかじめ堆積層の底質が既知でなくても、最適な埋没修正を行った合成開口画像を得ることが可能である。

図１１は、埋没深度判定手段の実施例の一つを説明する図である。これは前記の埋没状態判定部５１１中の埋没深度計算部の実施例をさらに詳しく説明するものである。図１０と同様に、図１１の縦軸は画像ポスト処理部５１０で計算された画像のコントラスト値である。本発明において、あらかじめ、埋没対象物の深さは不明である。しかしながら、補正量計算データベース５０７には、埋没深さの違いによる補正量の違いがあらかじめ存在している。よって、図１１に示すように、想定深さの異なる補正量を画像に順次加えて図５のフィードバックループ処理を行うことで、堆積層内の浅いところに存在する対象物のコントラストカーブ１１０２、中程度の堆積層深さに存在する対象物のコントラストカーブ１１０３、堆積層内の深いところに存在する対象物のコントラストカーブ１１０４のように、深さに応じた特性曲線を得ることができる。よって、これらのカーブ１１０２，１１０３，１１０４の極値を示す時の深さの値が、対象物が埋没している深さとして特定される。

図１２は、ポスト処理による描出能向上手段の一実施例を説明する図である。これは前記の画像ポスト処理部５１０における、差分演算部の実施例をさらに詳しく説明するものである。図１２は、（ａ），（ｂ）の２つの大きさの違う埋没補正量（（ａ）は理論最大補正量の１／３程度、（ｂ）は理論最大補正量の２／３程度の大きさ）を加えたとケースそれぞれにおいて、埋没修正を行う前の画像（１２００，１２０３）と埋没修正を行った後の画像（１２０１，１２０４）との差分を計算したものである。差分結果はそれぞれ１２０２，１２０５に示しているが、埋没修正を単純に行った時の画像１２０１，１２０４の違いと比べて、明らかに、違いが際だっていることがわかる。図１２（ｃ）のグラフは、補正量を大きくしていった際の合成開口画像コントラストの大きさを、ただの補正画像１２０９と差分をとったときの補正画像１２０８に対してプロットしたものである。前者は最大２ｄＢのコントラスト向上であるが、差分をとったときには最大２０ｄＢ以上のコントラスト向上となっていることがわかり、補正画像と補正を行わない原画像との間でのポスト処理による描出能の向上が可能であることがわかる。

また、図１２は、ポスト処理画像を利用することで、補正量に対する画像コントラストの傾向を、より感度よく計算できることを示している。すなわち、埋没状態判定部５１１における、埋没非埋没の判定（図１０で説明）や、埋没修正処理のＯＫ／ＮＧを判別に対して、差分画像を利用することで、さらに感度の高い判定が行うことが可能であり、本発明の範疇である。

図１３は、関心領域（ＲＯＩ）の選択手段の一実施例を説明する図である。本発明の埋没修正を行った後の合成開口画像１３００が、画像表示部に表示されている。ここで、沈底対象物の画像が１３０１に、埋没対象物の画像が１３０２に描出されている。一方で、沈底対象物は図１０で説明した埋没／非埋没判定においては、コントラストが低下していることを利用して判定したが、埋没／非埋没が明らかになった後であれば、いたずらに、沈底対象物のコントラストを低下させる必要はない。そこで、図中の埋没対象物１３０２の周辺のみを関心領域（ＲＯＩ）として選択することが可能なＲＯＩ選択手段を備えることで、上記の不具合を解消できる。例えばここでは、合成開口画像１３００はいくつかのグリッドに分割されており、関心領域１３０３の周辺のいくつかのグリッドを選択することで、関心領域１３０３を限定することができる。その上で、関心領域１３０３のみを、埋没修正させた画像とし、それ以外は埋没修正を行わない通常合成開口画像として、再度画像表示部に結像させたものが、右側の合成開口画像１３０４である。ここでは、埋没対象物１３０２も沈底対象物１３０５も最大コントラストの状態で表示されている。この時点であらかじめ、それぞれの対象物が埋没しているか、非埋没であるかはわかっているため、例えば選択した関心領域を埋没修正領域１３０６として明示したり、埋没表示部１３０７を用意したりしてもよい。このように、埋没修正、埋没／非埋没の選定後に、関心領域（ＲＯＩ）選択手段によって埋没領域のみを選定して、それ以外の場所では補正を行わない原画像を再度表示させるようにしてもよい。なお、関心領域１３０３を構成するグリッドの大きさは任意であり実質的に埋没物の輪郭をなぞるほど小さいグリッドサイズであっても良い。

以上が、本発明における埋没修正を行った合成開口信号処理及び合成開口ソーナーの実施例の説明である。この埋没修正と既存の動揺修正技術の組み合わせも本発明の範疇である。埋没修正は、時間／位相補正量として補正量が与えられる。一方で、既存の動揺修正技術も時間／位相補正量である。そのため、お互いの補正手法のマッチングがよく、動揺修正技術のタイプに従って、図１４〜図１６に示す３通りの組み合わせ手法がある。埋没補正量の付与は、動揺補正量の付与の前段階にあるか、後段階にあるかのどちらかに分類され、埋没修正部の前段階もしくは後段階のいずれかに動揺修正部を具備したいかなる組み合わせも本発明の範疇である。

図１４は、動揺修正手段を含む埋没修正の一実施例の説明図であり、特に動揺修正手段がＤＰＣ（Displaced Phase Center）もしくはＰＧＡ（Phase Gradient Autofocus）などの、合成開口処理の前段階における動揺修正方式と、埋没修正技術を組み合わせて用いる実施例を説明するものである。ＤＰＣなどの動揺修正手段は、受信データの生ピングデータに対して位相補正量を与えるものである。よって、合成開口処理ブロックにおいては、図１４に示すように、動揺修正ブロック１４００は受信ピングメモリ部５０２と合成開口処理部５０３の間に存在する。よって、埋没補正量を付与する位置としては、図１４中の３箇所（１４０１，１４０２，１４０３）が考えられ、これらのうちのいずれか一箇所で付与すればよい。なお、１４０１，１４０２は図５における埋没ピング補正部５０８であり、１４０３は図５における埋没カーバチャ補正部５０９である。

図１５は、動揺修正手段を含む埋没修正の実施例の一つを説明する図であり、特にＭＥＡ（Minimum Entropy Autofocus）など、合成開口処理の後段階すなわち合成開口画像そのものを利用した動揺修正方式と、埋没修正技術を組み合わせて用いる実施例を説明するものである。この場合、動揺修正ブロック１５００は画像メモリ部の後段階にくるため、埋没補正量を付与する位置としては、図１５中の２箇所（１５０１，１５０２）が考えられ、これらのうちのいずれか一箇所で付与すればよい。なお、１５０１は図５における埋没ピング補正部５０８であり、１５０２は図５における埋没カーバチャ補正部５０９である。

図１６は、動揺修正手段を含む埋没修正の実施例の一つを説明する図であり、特に慣性動揺装置などの物理的動揺検出手段によって動揺補正量を取得する場合に、埋没修正技術を組み合わせて用いる実施例を説明するものである。この場合、図１４の時とほぼ同様に、受信データの生ピングデータに対して位相補正量を与えるものである。よって、合成開口処理ブロックにおいては、図１６に示すように、慣性動揺装置による動揺検出ブロック１６００は受信ピングメモリ部５０２と合成開口処理部５０３の間に存在する。よって、埋没補正量を付与する位置としては、図１６中の３箇所（１６０１，１６０２，１６０３）が考えられ、これらのうちのいずれか一箇所で付与すればよい。なお、１６０１，１６０２は図５における埋没ピング補正部５０８であり、１６０３は図５における埋没カーバチャ補正部５０９である。

図１７は、本発明による合成開口ソーナーの一実施例を示す図である。本実施例は、機器筐体に設けられた操作部及び表示部の一例を詳細に説明するものである。筐体１７００の画像表示部には、補正を行わない原画像１７０１と埋没修正が行われた画像１７０２が同時に表示されている。ここで、画像表示部に表示するのは補正画像１７０２だけでも良い。また、底質と深さを変化させることのできる２つのツマミ部１７０３を具備しており、これは底質調整部５１４に対応する。また、動揺修正を行うか否か、埋没修正を行うか否かを切り替えられる切替部１７０４を具備していても良い。また、合成開口画像中の点線部１７０５は関心領域選定部５１５を表示したもの、また、表示１７０６は補正量計算データベース部に入力される底質パラメータや埋没深さ計算部による計算結果を明示的に表示したものであり、さらに表示１７０７は埋没／非埋没の判定結果を明示的に画像表示部に表示したものである。

１００ソーナー（ソーナーアレイ）
１０１直線軌道
１０３仮想口径
１０６仮想口径
２０海水（海水中）
２１海底面
２２海底堆積層
２００移動体
２０１送受波器
２０２変動軌跡
２０３沈底対象物
２０４直線軌道時の投影面
２０５動揺がある場合の投影面
２０６埋没対象物
２０７照射音波
２０８海底の音波投影面
３１エコーグラム
３２合成開口画像
３０３受信位置
３０４沈底対象物のカーバチャ
３０５沈底対象物の結像
３０６海水中での音波伝搬を仮定したカーバチャ
３０８埋没対象物のカーバチャ
３０９埋没対象物の結像
３１０本来の結像位置
４２埋没修正を示す図
４３埋没修正を行った合成開口画像
４００時間補正量
５０１ソーナー送受信部
５０２受信ピングメモリ部
５０３合成開口処理部
５０４画像メモリ部
５０５画像表示部
５０６底質入力
５０７補正量計算データベース部
５０８埋没ピング補正部
５０９埋没カーバチャ補正部
５１０画像ポスト処理部
５１１埋没状態判定部
５１２埋没修正処理終了の出力
５１３自動底質調整部
５１４底質調整部
５１５関心領域選定部
１３０３関心領域（ＲＯＩ）
１４００動揺修正ブロック
１５００動揺修正ブロック
１６００動揺量付与ブロック
１７００表示部筐体
１７０１原画像表示部
１７０２補正画像表示部
１７０３つまみ部
１７０４切替部

Claims

海底に向けて超音波を送信する送信部と、
送信された超音波の反射波を受信する受信部と、
物体が海底の堆積層に埋没していることに起因して当該物体からの受信信号に含まれる位相誤差又は伝搬時間誤差を補正する埋没修正手段を有する合成開口処理部と、
前記合成開口処理部の処理結果に基づく合成開口画像を表示する画像表示部と、
物体が海底の堆積層に埋没しているか否かを判定する埋没判定部と、
を備え、
前記埋没判定部は、前記埋没修正手段による補正量を変化させたとき前記合成開口画像中に描出された対象物の画像信号強度もしくは画像輝度値もしくはコントラストの変化傾向に基づいて当該対象物が海底の堆積層に埋没しているか否かを判定する
ことを特徴とする合成開口ソーナー。
請求項１に記載の合成開口ソーナーにおいて、前記埋没判定部では、前記対象物の画像信号強度もしくは画像輝度値もしくはコントラストの変化傾向に基づいて埋没補正の効果を判定し、否の場合前記位相誤差又は伝搬時間誤差の微少量増減を行い、再度前記埋没修正を行った合成開口画像を生成するフィードバックループを有する、ことを特徴とする合成開口ソーナー。
請求項１または２に記載の合成開口ソーナーにおいて、堆積層に埋没している物体の埋没深さを算出する深度計算部を有し、前記深度計算部は、前記埋没修正手段による補正量を変化させたとき前記合成開口画像中に描出された対象物の画像信号強度もしくは画像輝度値もしくはコントラストが極値を示す補正量に基づいて当該対象物の埋没深さを計算することを特徴とする合成開口ソーナー。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の合成開口ソーナーにおいて、前記埋没修正手段は、前記受信した反射波の時刻データを、埋没時の位相もしくは伝搬時間を補正するようにリサンプルすることで補正量を与えることを特徴とする合成開口ソーナー。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の合成開口ソーナーにおいて、前記埋没修正手段は、前記合成開口処理における合成開口カーバチャの形状を埋没時の位相もしくは伝搬時間誤差に応じて変化させることで補正量を与えることを特徴とする合成開口ソーナー。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の合成開口ソーナーにおいて、対象物が埋没している堆積層の底質及び／又は埋没深さを選択する調整部を有し、前記合成開口処理部における伝搬時間差の補正として、前記調整部によって選択された底質及び／又は深さに対応した補正量を選択して付与することを特徴とする合成開口ソーナー。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の合成開口ソーナーにおいて、前記埋没修正手段による補正を行った合成開口画像と補正を行わない合成開口画像との間での画像情報の差分処理を行った結果、を前記画像表示部に表示することを特徴とする合成開口ソーナー。
請求項７に記載の合成開口ソーナーにおいて、前記埋没判定部で行う前記対象物が埋没しているか否かの判定処理もしくは前記埋没補正の効果の判定処理において、前記差分処理を行った結果の画像を利用することを特徴とする合成開口ソーナー。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の合成開口ソーナーにおいて、前記合成開口画像中の任意の場所もしくは前記埋没判定部により埋没であると判定された対象物の周辺の関心領域のみを限定する選択手段を有し、前記関心領域に対応する前記受信信号の部分にのみ前記埋没修正手段による補正を行い、それ以外の領域に対する前記受信信号には前記埋没修正手段による補正を行わない合成開口処理画像を表示させることを特徴とする合成開口ソーナー。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の合成開口ソーナーにおいて、前記埋没修正手段の前段階として、前記送信部及び受信部の動揺を補正する動揺修正部を有することを特徴とする合成開口ソーナー。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の合成開口ソーナーにおいて、前記埋没修正手段の後段階として、前記送信部及び受信部の動揺を補正する動揺修正部を有することを特徴とする合成開口ソーナー。
請求項７に記載の合成開口ソーナーにおいて、前記埋没修正手段の前段階あるいは後段階として、前記送信部及び受信部の動揺を補正する動揺修正部を有し、前記補正を行わない合成開口画像として、前記動揺修正部による動揺修正が施された合成開口画像を用いることを特徴とする合成開口ソーナー。