JP7429448B2 - underwater detection device - Google Patents

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Description

本発明は、超音波を使用する計量魚群探知機に適用される水中探知装置に関する。 The present invention relates to an underwater detection device applied to a weighing fish finder using ultrasonic waves.

従来から音響手法を利用した計量魚群探知機が知られている。この計量魚群探知機では、送受波器から送波された超音波の音圧レベルと、魚で反射して戻るエコーの音圧レベルとの比（ＴＳ（TargetStrength）：反射強度）を求め、反射強度ＴＳから魚の体長Ｌが計算される。反射強度ＴＳと魚体長Ｌとの間には、次式の関係が成立する。
ＴＳ＝２０logＬ＋２０logＡ
ここで、Ａは信号周波数と魚種により決まる係数である。 BACKGROUND ART Metering fish finders using acoustic methods have been known for some time. This weighing fish finder calculates the ratio (TS (Target Strength): reflection strength) between the sound pressure level of the ultrasonic waves transmitted from the transducer and the sound pressure level of the echoes reflected by the fish and The body length L of the fish is calculated from the intensity TS. The following relationship holds between the reflection intensity TS and the fish body length L.
TS=20logL+20logA
Here, A is a coefficient determined by the signal frequency and the type of fish.

例えば特許文献１には、反射強度ＴＳの値を正確に測定することができる技術として、スプリットビーム方式を採用し、エコーの到来角θを算出し、算出された到来角θに応じて、送受波器の指向特性によってエコーの反射強度を補正して正確な反射強度ＴＳを求めることが記載されている。さらに、特許文献１には、ＦＭ（周波数変調）信号からなる時間幅Ｔ１の送信信号を生成するようにしている。 For example, in Patent Document 1, as a technique that can accurately measure the value of the reflection intensity TS, a split beam method is adopted, the arrival angle θ of the echo is calculated, and the transmission and reception are performed according to the calculated arrival angle θ. It is described that accurate reflection intensity TS is obtained by correcting the reflection intensity of the echo according to the directional characteristics of the wave transmitter. Further, in Patent Document 1, a transmission signal having a time width T1 consisting of an FM (frequency modulation) signal is generated.

また、特許文献２には、第１判定部と、第２判定部と、第３判定部を有し、第１判定、第２判定、および第３判定を満たした場合に、前記ピークが単体魚のエコーによるものであると判定する魚群探知機が記載されている。第１判定部は、エコー信号の振幅がピークとなる時間軸上でのピーク位置および該ピーク位置の振幅値を検出し、エコー信号におけるピーク位置を含み振幅が第１判定用基準値よりも大きな第１範囲を検出し、該第１範囲の時間幅に基づいて、単体魚のエコーであるかを判定する。第２判定部は、エコー信号におけるピーク位置を含み振幅が第２判定用基準値よりも大きな第２範囲を設定し、該第２範囲内での複数方向のエコー信号の位相差に基づいて、単体魚のエコーであるかを判定する。第３判定部は、ピーク位置における前記各チャンネルのエコー信号の振幅の比較結果に基づいて、単体魚のエコーであるかを判定する。 Further, Patent Document 2 has a first determination section, a second determination section, and a third determination section, and when the first determination, the second determination, and the third determination are satisfied, the peak is It describes a fish finder that determines that it is caused by fish echoes. The first determination unit detects a peak position on the time axis at which the amplitude of the echo signal peaks and an amplitude value of the peak position, and the first determination unit detects the peak position on the time axis at which the amplitude of the echo signal peaks and the amplitude value of the peak position, and the amplitude including the peak position in the echo signal is larger than the first determination reference value. A first range is detected, and based on the time width of the first range, it is determined whether the echo is from a single fish. The second determination unit sets a second range that includes the peak position in the echo signal and has an amplitude larger than the second determination reference value, and based on phase differences of the echo signals in multiple directions within the second range, Determine whether the echo is from a single fish. The third determination unit determines whether the echo is from a single fish, based on a comparison result of the amplitudes of the echo signals of the respective channels at the peak position.

さらに、単体エコーの個数を計数し、観測体積で割れば分布密度（以下、単に密度と適宜称する）が得られる。特許文献３には、魚群の密度を求めることが記載されている。受信信号の出力信号を積分処理して魚群の１立方メートル当りの平均体積散乱強度（Ｓｖ）を含む群体推定信号ＧＥＳを生成し、平均体積散乱強度（Ｓｖ）を平均ターゲットストレングス（Ｔｓ）で除算して魚群の分布密度（ｎ）を算出することが記載されている。 Furthermore, by counting the number of single echoes and dividing by the observation volume, the distribution density (hereinafter simply referred to as density) can be obtained. Patent Document 3 describes determining the density of a school of fish. The output signal of the received signal is integrally processed to generate a school estimation signal GES containing the average volumetric scattering strength (Sv) per cubic meter of the fish school, and the average volumetric scattering strength (Sv) is divided by the average target strength (Ts). It is described that the distribution density (n) of a school of fish is calculated using the following methods.

送信信号のパルス幅が広い場合には、個々の魚からの反射による基本成分の他に、他の魚による干渉成分が現れて、これら基本成分及び干渉成分共大きく変化し（あばれが大）、かつ干渉成分が無視できなくなって、正確な単体魚データ（ＴＳ等）が得られなくなる。従って、単体魚データの取得には、送波パルス（送信信号ＴＸ）のパルス幅が短い方が有利である。一方、魚群の分布が密の場合には、一様ランダムと見なすことができ、干渉成分を無視することができるので、群体エコーのデータ取得には送波パルスのパルス幅が長い方が有利である。特許文献３では、予め定められた短いパルス幅の送信信号と、長いパルス幅の送信信号を交互に送信するようにしている。 When the pulse width of the transmitted signal is wide, in addition to the basic components reflected from individual fish, interference components from other fish appear, and both these basic components and interference components change greatly (large fluctuations). In addition, interference components cannot be ignored, and accurate single fish data (TS, etc.) cannot be obtained. Therefore, it is advantageous for the pulse width of the transmission pulse (transmission signal TX) to be short in acquiring single fish data. On the other hand, when the distribution of fish schools is dense, it can be considered uniformly random and the interference component can be ignored, so it is advantageous to have a longer pulse width of the transmitted pulse for acquiring data of school echoes. be. In Patent Document 3, a transmission signal with a predetermined short pulse width and a transmission signal with a long pulse width are alternately transmitted.

特開２００５－２４９３９８号公報Japanese Patent Application Publication No. 2005-249398 特開２０１５－２１０１４２号公報Japanese Patent Application Publication No. 2015-210142 特開２０００－１４７１１８号公報Japanese Patent Application Publication No. 2000-147118

水中探知装置は、多くの場合、調査船に搭載されるのが普通である。従来の特許文献１及び特許文献２に記載されている魚単体の検出では、調査船の速度に対して考慮が払われていなかったために、魚単体を検出の精度が低下し、魚の尾数の検出の精度も低下する問題があった。 Underwater detection equipment is typically installed on research vessels. In the conventional detection of a single fish described in Patent Document 1 and Patent Document 2, the speed of the research vessel was not taken into account, resulting in a decrease in the accuracy of detecting a single fish and a difficulty in detecting the number of fish. There was also the problem that the accuracy of

また、漁業者には魚群密度の情報が重要であるが、特許文献３に記載されているような従来技術では、精確な密度情報を得ることができなかった。第１の問題点は、深度が深い場合、距離減衰によりエコーレベルが小さくなり、指向特性通りの魚を検出できないことである。第２の問題点は、体積計算において観測点が動いた場合を考慮する必要が従来ではされていなかった。第３の問題点は、深度が浅い場合、円錐形の体積が小さいため、密度を過大評価することである。 Further, information on fish school density is important for fishermen, but with the conventional technology as described in Patent Document 3, accurate density information could not be obtained. The first problem is that when the depth is deep, the echo level decreases due to distance attenuation, making it impossible to detect fish according to the directional characteristics. The second problem is that in the past, it was not necessary to consider the case where the observation point moves in volume calculation. A third problem is that at shallow depths, the density is overestimated due to the small volume of the cone.

したがって、本発明の目的は、例えば魚の尾数を計測し、精確に魚群密度を計測することができる水中探知装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an underwater detection device that can, for example, count the number of fish and accurately measure the density of fish schools.

本発明は、所定時間間隔の各ピングで送信信号を発生し、受信信号を受信する超音波送受波器を有し、
送信信号と受信信号の相関解析によって求められた相関値又は受信信号から超音波送受波器から対象物までの距離を推定し、
時間的に連続するピング間でそれぞれ推定された距離の差分距離が閾値以下の場合に連結を行い、差分距離が閾値より大の場合に連結を終了する連結処理と、
連結処理によって連結された連結数が所定の範囲内にあるかどうかを判定する判定処理と、
判定処理によって所定の範囲内に連結数があると判定された場合に、連結された受信信号レベルからＴＳを計算する処理と、
計算されたＴＳが所定の範囲内の場合に対象物として検出する処理とを有し、
判定処理において、観測点の速度と深度に応じて所定の範囲を変化させるようにした水中探知装置である。 The present invention includes an ultrasonic transducer that generates a transmitted signal and receives a received signal at each ping at a predetermined time interval,
Estimating the distance from the ultrasonic transducer to the target object from the correlation value or received signal obtained by correlation analysis of the transmitted signal and received signal ,
A concatenation process that performs concatenation when the difference distance between the respective estimated distances between temporally consecutive pings is less than or equal to a threshold value, and terminates the concatenation when the difference distance is greater than the threshold value;
a determination process that determines whether the number of connections connected by the connection process is within a predetermined range;
a process of calculating a TS from the concatenated received signal level when it is determined by the determination process that the number of concatenations is within a predetermined range;
A process of detecting the object as a target object when the calculated TS is within a predetermined range,
This underwater detection device changes a predetermined range according to the speed and depth of the observation point in the determination process.

本発明によれば、魚単体検出を精確に行うことができる。また、本発明によれば、密度計算の精度を向上できる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果であっても良い。 According to the present invention, single fish detection can be performed accurately. Further, according to the present invention, the accuracy of density calculation can be improved. Note that the effects described here are not necessarily limited, and may be any of the effects described in this specification.

図１は、従来の単体魚検出方法を説明するためのフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart for explaining a conventional single fish detection method. 図２は、エコーの連結処理を説明するための略線図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining echo concatenation processing. 図３は、本発明の一実施形態のシステム構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing the system configuration of an embodiment of the present invention. 図４は、本発明の一実施形態における単体魚検出部の処理を説明するためのフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart for explaining the processing of the single fish detection unit in one embodiment of the present invention. 図５は、単体魚に対して超音波が入射する時の入射角を説明するための略線図である。FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the incident angle when an ultrasonic wave is incident on a single fish. 図６は、入射角度と反射率の一例を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing an example of the incident angle and reflectance. 図７は、複数の魚が同じ深度で直線上に遊泳している場合を説明するための略線図である。FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a case where a plurality of fish are swimming in a straight line at the same depth. 図８Ａは、連続するピングのエコー振幅の変化を示すグラフであり、図８Ｂは、を示す。図８Ｂは、連続するピングの深度の変化を示すグラフである。FIG. 8A is a graph showing the change in echo amplitude of successive pings, and FIG. 8B is a graph showing the change in echo amplitude of successive pings. FIG. 8B is a graph showing changes in depth of successive pings. 図９は、送受波器の指向角度θから計算される円錐形の体積の計算を説明するための略線図である。FIG. 9 is a schematic diagram for explaining calculation of the volume of a conical shape calculated from the directivity angle θ of the transducer. 図１０は、本発明の密度計算の第１の方法について説明するための略線図である。FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the first density calculation method of the present invention. 図１１は、指向角度θ' を計算した結果の一例を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing an example of the result of calculating the directivity angle θ'. 図１２は、密度計算の第２の問題点を説明するための略線図である。FIG. 12 is a schematic diagram for explaining the second problem in density calculation. 図１３Ａ及び図１３Ｂは、密度計算の第３の問題点とこの問題点を解決する第３の方法を説明するための略線図である。13A and 13B are schematic diagrams for explaining a third problem in density calculation and a third method for solving this problem. 図１４は、本発明の一実施形態の密度計算の説明に用いるフローチャートである。FIG. 14 is a flowchart used to explain density calculation according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限定されないものとする。 Embodiments of the present invention will be described below. The embodiments described below are preferred specific examples of the present invention, and various technically preferable limitations are attached thereto. Unless otherwise specified, the invention is not limited to these embodiments.

本発明の説明に先立って従来の単体魚検出方法について図１のフローチャートを参照して説明する。送信信号を所定時間間隔で発信し、エコーが受信され、計測される。初期状態では、カウントが０とされる（ステップＳ１）。 Prior to explaining the present invention, a conventional single fish detection method will be explained with reference to the flowchart of FIG. Transmission signals are transmitted at predetermined time intervals, and echoes are received and measured. In the initial state, the count is set to 0 (step S1).

送信信号と受信信号の相関解析によって相関値が求められる（ステップＳ２）。深度毎に相関値が計算される。相関値から局所ピークが検出され、距離が推定される（ステップＳ３）。なお、相関値でなくても、短い送信信号なら受信信号をそのまま利用するようにしてもよい。 A correlation value is determined by correlation analysis between the transmitted signal and the received signal (step S2). A correlation value is calculated for each depth. Local peaks are detected from the correlation values, and distances are estimated (step S3). Note that even if the correlation value is not used, the received signal may be used as is if it is a short transmitted signal.

推定された距離と１回前の送信に対する局所ピークの距離が比較される（ステップＳ４）。ノイズ等の影響で局所ピークがなくなる場合があるので、２回前までを比較してもよい。差分距離が閾値内であるか否かがステップＳ５において判定される。ステップＳ５において、差分距離が閾値内であると判定されれば連結し、ステップＳ６においてCount を１増やす。 The estimated distance and the distance of the local peak for the previous transmission are compared (step S4). Since local peaks may disappear due to the influence of noise, etc., it is also possible to compare up to two previous times. It is determined in step S5 whether the difference distance is within a threshold value. In step S5, if it is determined that the difference distance is within the threshold, the connection is made, and Count is increased by 1 in step S6.

ステップＳ５において、差分距離が閾値内でないと判定されれば連結を終わらせ、そのCount の数がある閾値内であるかどうかが判定される（ステップＳ７）。ステップＳ７において、Count の数がある閾値内であると判定されれば、魚として検出する（ステップＳ８）。 In step S5, if it is determined that the differential distance is not within the threshold, the connection is terminated, and it is determined whether the number of Count is within a certain threshold (step S7). If it is determined in step S7 that the number of Count is within a certain threshold, it is detected as a fish (step S8).

ステップＳ４及びステップＳ５においてなされる処理について図２を参照して説明する。図２は、エコーの波形の一例を示し、縦軸が時間（ｓ）を示し、横軸が距離（ｍ）を示す。例えば１秒間に２０回の送信を行なうので、時間間隔（ピング間隔）が０．０５秒となる。一つ前の同じ距離でピークが存在する場合、破線で示すように、一尾の魚として連結する。すなわち、連続してピークをとらえることができた連続送信回数がある閾値の場合、一尾の魚として検出する。このような処理でノイズの除去を行なうことができる。すなわち、魚からのエコーの場合、連続してエコーが計測されるが、ノイズの場合には一度のみエコーが存在している可能性が高いからである。 The processing performed in step S4 and step S5 will be explained with reference to FIG. 2. FIG. 2 shows an example of an echo waveform, with the vertical axis representing time (s) and the horizontal axis representing distance (m). For example, since transmission is performed 20 times per second, the time interval (ping interval) is 0.05 seconds. If there is a peak at the same distance from the previous one, they are connected as one fish, as shown by the dashed line. That is, if the number of consecutive transmissions in which a peak can be continuously detected is a certain threshold, it is detected as a single fish. Noise can be removed by such processing. That is, in the case of echoes from fish, the echoes are measured continuously, but in the case of noise, there is a high possibility that the echoes exist only once.

上述した従来技術では、連結が終了した時点で連結数（Count ）を計算し、その数が範囲内（閾値）なら魚として検出している。しかしながら、水中探知装置が搭載されている調査船の速度（船速）が考慮されていなかった。船速が速い場合、エコーが計測できる時間が短くなるので、固定の閾値では、魚の検出の精確性が低下するおそれがあった。 In the above-mentioned conventional technology, the number of connections (Count) is calculated when the connections are completed, and if the number is within a range (threshold), it is detected as a fish. However, the speed of the research vessel equipped with underwater detection equipment was not taken into consideration. If the boat speed is high, the time during which echoes can be measured becomes shorter, so using a fixed threshold may reduce the accuracy of fish detection.

図３は、本発明の一実施形態のシステム構成を示す。超音波の送受波器を含むエコー信号受信部１１からのエコーが単体魚検出部１３及び密度計算部１４からなる演算部１２に供給される。演算部１２において求められた結果が表示部１５によって表示される。なお、演算部１２は、デジタルデータを処理するデータ処理装置と関連するソフトウェアによって実現される。表示部１５は、受信された単体エコー及び群体エコー、ＴＳの分布、密度などを海図上に表示する表示画面を提示する。 FIG. 3 shows a system configuration of an embodiment of the present invention. Echoes from an echo signal receiving section 11 including an ultrasonic transducer are supplied to a calculation section 12 consisting of a single fish detection section 13 and a density calculation section 14 . The result obtained by the calculation unit 12 is displayed on the display unit 15. Note that the calculation unit 12 is realized by software related to a data processing device that processes digital data. The display unit 15 presents a display screen that displays received single echoes, group echoes, TS distribution, density, etc. on a nautical chart.

図４のフローチャートを参照して本発明の一実施形態における単体魚検出部１３の処理ついて説明する。ステップＳ１１からステップＳ１６までの処理は、上述の従来の単体魚検出方法と同様の処理である。最初に、送信信号を所定時間間隔で発信し、エコーが受信され、計測される。初期状態では、カウントが０とされる（ステップＳ１１）。送信信号と受信信号の相関解析によって相関値が求められ（ステップＳ１２）、深度毎に相関値が計算される。相関値から局所ピークが検出され、距離が推定される（ステップＳ１３）。なお、相関値でなくても、短い送信信号なら受信信号をそのまま利用するようにしてもよいし、受信信号にバンドパスフィルタ等でノイズ除去した値を利用してもよい。 The processing of the single fish detection unit 13 in one embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart in FIG. 4. The processing from step S11 to step S16 is similar to the conventional single fish detection method described above. First, a transmission signal is transmitted at predetermined time intervals, and echoes are received and measured. In the initial state, the count is set to 0 (step S11). A correlation value is determined by correlation analysis between the transmitted signal and the received signal (step S12), and the correlation value is calculated for each depth. Local peaks are detected from the correlation values, and distances are estimated (step S13). Note that, instead of the correlation value, if the transmission signal is short, the received signal may be used as is, or a value obtained by removing noise from the received signal using a band-pass filter or the like may be used.

推定された距離と１回前の送信に対する局所ピークの距離が比較され（ステップＳ１４）、差分距離が閾値内であるか否かが判定される（ステップＳ１５）。差分距離が閾値内であると判定されれば連結し、連結数を示すCount を１増やす（ステップＳ１６）。差分距離が閾値内でないと判定されれば連結を終わらせ、そのCount の値（連結数）がある範囲内（上限値及び下限値で決まる範囲内）であるかどうかが判定される（ステップＳ１７）。ステップＳ１７において、連結数が範囲内ではないと判定されると、処理がステップＳ１２（相関値を求める処理）に戻る。 The estimated distance and the distance of the local peak for the previous transmission are compared (step S14), and it is determined whether the differential distance is within a threshold (step S15). If it is determined that the difference distance is within the threshold, the connections are made and Count indicating the number of connections is increased by 1 (step S16). If it is determined that the differential distance is not within the threshold, the connection is terminated, and it is determined whether the value of Count (the number of connections) is within a certain range (within the range determined by the upper and lower limits) (step S17 ). If it is determined in step S17 that the number of connections is not within the range, the process returns to step S12 (processing to obtain a correlation value).

ステップＳ１７の判定において、観測点の速度例えば船速及び深度から連結数の範囲（上限値及び下限値）が変化される（ステップＳ１８）。船速が速い場合、連結数は少なく設定してもよい。深度が浅い場合、指向特性から魚を検出できるエリアが狭いため、連結数の下限値・上限値を少なく設定してもよい。または、深度に応じて連結数の下限値・上限値を設定してもよい。 In the determination in step S17, the range of the number of connections (upper limit value and lower limit value) is changed based on the speed of the observation point, such as the ship speed and depth (step S18). If the ship speed is high, the number of connections may be set to be small. When the depth is shallow, the area where fish can be detected from the directional characteristics is narrow, so the lower and upper limits of the number of connections may be set to be smaller. Alternatively, the lower limit and upper limit of the number of connections may be set depending on the depth.

ステップＳ１７において、連結数が範囲内であると判定されると、ステップＳ１９において、連結されたエコーレベルからＴＳが計算される。従来では最大値を利用してＴＳが計算されるが、一実施形態では、最大値を含む複数ピングの平均（平均の仕方としては、通常の平均だけでなく、調和平均）からも計算する。これにより、ノイズや干渉などの影響を受けづらくできる。 If it is determined in step S17 that the number of connections is within the range, TS is calculated from the connected echo levels in step S19. Conventionally, the TS is calculated using the maximum value, but in one embodiment, it is calculated from the average of multiple pings including the maximum value (the average method is not only a normal average but also a harmonic average). This makes it less susceptible to noise and interference.

すなわち、連結された最大値の場合、複数のエコーが重なった場合、過大評価する可能性がある。最大値だけでなく、調和平均を行うことで外れ値の影響が少ないエコーレベルを計算し、魚体長を計算することができる。例えば４ピングのエコーレベルをＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４とすると調和平均の式は以下になる。調和平均の数も深度に合わせて設定してもよい。
Ａ＝（１／Ａ１）＋（１／Ａ２）＋（１／Ａ３）＋（１／Ａ４） That is, in the case of the connected maximum value, if multiple echoes overlap, there is a possibility of overestimation. By performing harmonic averaging in addition to the maximum value, it is possible to calculate the echo level, which is less affected by outliers, and calculate the fish body length. For example, if the echo levels of 4 pings are A1, A2, A3, and A4, the harmonic mean formula is as follows. The number of harmonic averages may also be set according to the depth.
A=(1/A1)+(1/A2)+(1/A3)+(1/A4)

調和平均は、１ピングのみ外れ値（ノイズの影響によって値が増大）があってもその影響が少ない計算方法となる。数学的に、調和平均は相加平均（通常の平均）以上であることが示されており、小さい値として収束される。 The harmonic mean is a calculation method that has little effect even if there is an outlier (value increases due to the influence of noise) of only one ping. Mathematically, the harmonic mean has been shown to be greater than or equal to the arithmetic mean (ordinary mean) and converges to a small value.

ステップＳ２０において、連結された最大値、平均値、調和平均値のいずれか代表値から計算されるＴＳが上限と下限の範囲内であるかどうかが判定される。このＴＳが指定された魚のＴＳ範囲内かどうかのチェックを行う。 In step S20, it is determined whether the TS calculated from the representative value of the connected maximum value, average value, or harmonic mean value is within the range between the upper limit and the lower limit. It is checked whether this TS is within the TS range of the specified fish.

ステップＳ２０の判定においてＴＳが範囲内と判定されると、次のステップＳ２１の判定処理を行う。ステップＳ２１において、連結された各ピングのエコーの振幅変化または深度変化によって魚らしさを評価する。ステップＳ２２において、魚らしさがある基準内かどうかが判定される。魚らしさが基準内であれば、魚として検出する（ステップＳ２３）。 If it is determined in step S20 that TS is within the range, the next determination process in step S21 is performed. In step S21, fish-likeness is evaluated based on the amplitude change or depth change of the echo of each connected ping. In step S22, it is determined whether the fish-likeness falls within a certain standard. If the fish-likeness is within the standard, it is detected as a fish (step S23).

図５に示すように、送受波器２１から単体魚に対して超音波が入射すると、単体魚の主として鰾（ウキブクロ）によって超音波が反射される。この場合の反射率は、送受波器２１からの超音波の単体魚に対する入射角度に依存している。図６は、入射角度と反射率の一例を示す。図６の例では、例えば入射角が－１７度付近で最大の反射率となる。連続するエコーレベルは位置ならびに姿勢角度に依存した変化となる。 As shown in FIG. 5, when an ultrasonic wave is incident on a single fish from the transducer 21, the ultrasonic wave is reflected mainly by the fish's swimtail. The reflectance in this case depends on the angle of incidence of the ultrasonic wave from the transducer 21 onto the single fish. FIG. 6 shows an example of the incident angle and reflectance. In the example of FIG. 6, the reflectance is at its maximum when the incident angle is around -17 degrees, for example. The continuous echo level changes depending on the position and attitude angle.

魚らしさの評価基準として、連続するピング間のエコー振幅の変化がある基準範囲内であることが使用される。上述したように、魚の反射は鰾がメインで、鰾への超音波の入射角度に依存してＴＳが変化する。したがって、連続するエコーレベルは位置ならびに姿勢角度に依存した変化となる。連続ピングでのエコー振幅はある一定の法則に従って変化する。例えば、鰾がメインの反射となる魚の場合、連続するピングで増加、減少、最大をもつパターンのいずれかとなる。また、鰾と魚眼などの場合、連続するピングで２つの振幅のピークを持つパターンになる。例えば、連続するピングでのエコーレベルの変化が一様に上昇、下降、ピークをもつパターンに近いかで魚らしさが評価可能である。 The change in echo amplitude between successive pings within a certain reference range is used as a fish-likeness evaluation criterion. As mentioned above, the main reflection of the fish is from the fish's eel, and the TS changes depending on the angle of incidence of the ultrasonic wave on the eel's eel. Therefore, the continuous echo level changes depending on the position and attitude angle. The echo amplitude in successive pings varies according to a certain law. For example, in the case of a fish whose main reflex is the fins, the pattern will be one of increasing, decreasing, and maximum in successive pings. Furthermore, in the case of fisheye and fisheye, consecutive pings result in a pattern with two amplitude peaks. For example, fish-likeness can be evaluated based on whether the change in echo level in successive pings resembles a pattern with uniform rises, falls, and peaks.

図７に示すように、複数の魚が同じ深度で直線上（矢印方向）に遊泳している場合、深度変化の規則性によって魚らしさを検出するようになされる。図８Ａは、横軸が連続するピングを示し、縦軸がエコー振幅を示す。図８Ｂは、横軸が図８Ａと同様の連続するピングを示し、縦軸が深度を示す。連続するピングでの深度変化がある基準範囲内であることを魚らしさと評価する。魚が直進で泳いでいる場合には、連続するピングでの深度変化が双曲線上になっている。したがって、深度変化が双曲線に近いかを評価し、魚らしさの指標とする。また、深度変化を魚かどうかの判定指標として使用する場合には、動揺補正を行った後の深度を使用してもよい。 As shown in FIG. 7, when a plurality of fish are swimming at the same depth in a straight line (in the direction of the arrow), fish-likeness is detected based on the regularity of depth changes. In FIG. 8A, the horizontal axis shows successive pings and the vertical axis shows echo amplitude. In FIG. 8B, the horizontal axis shows successive pings similar to FIG. 8A, and the vertical axis shows depth. If the depth change in successive pings is within a certain standard range, it is evaluated as fish-like. If the fish is swimming in a straight line, the depth change in successive pings is on a hyperbola. Therefore, whether the depth change is close to a hyperbola is evaluated and used as an index of fish-likeness. Furthermore, when using a change in depth as an index for determining whether or not it is a fish, the depth after agitation correction may be used.

次に、本発明の密度計算について説明する。本発明の説明に先立って従来の密度計算について説明する。密度はエコー積分法で得られた値を体積で割り算し、密度を計算するようになされる。図９に示すように、送受波器の指向角度θから計算される円錐形の例えば１ｍごとにその体積が計算される。（底面積Ｓ１×深度Ｄ×（１／３））によって体積が計算される。１ｍ深い位置の体積は、（底面積Ｓ２×深度（Ｄ＋１）×（１／３））によって体積が計算される。両者の差が体積ｖとなる。底面積は、指向角θで決まる半径によって計算される。 Next, density calculation according to the present invention will be explained. Prior to explaining the present invention, conventional density calculation will be explained. The density is calculated by dividing the value obtained by the echo integration method by the volume. As shown in FIG. 9, the volume of the conical shape calculated from the directivity angle θ of the transducer is calculated, for example, every 1 m. The volume is calculated by (base area S1 x depth D x (1/3)). The volume at a position 1 m deep is calculated by (base area S2 x depth (D+1) x (1/3)). The difference between the two becomes the volume v. The base area is calculated by the radius determined by the pointing angle θ.

エコー積分法は、単位深度ごとに魚群からの反射強度を平均的なＴＳ（一個体の魚の反射強度）で割ることによって分布密度を計算する方法である。魚単体を検出する場合でも、単位深度ごとに検出された魚単体数を体積で割り算することで密度が計算される。円錐形は振動子の形状が円形の場合であり、振動子の形状が四角の場合は四角錐となる。体積は、振動子の形状によってあらわされる指向角度から計算される。 The echo integration method is a method of calculating distribution density by dividing the reflection intensity from a school of fish by the average TS (reflection intensity of one individual fish) for each unit depth. Even when detecting single fish, the density is calculated by dividing the number of single fish detected per unit depth by the volume. A conical shape is when the shape of the vibrator is circular, and a square pyramid is when the shape of the vibrator is square. The volume is calculated from the pointing angle represented by the shape of the transducer.

従来の密度計算方法は、深度が深い場合、距離減衰によりエコーレベルが小さくなり、指向特性通りの魚を検出できない問題があった。第２の問題点として、船などの移動体による調査の場合、魚の動きに対して船速が速い場合、その速度分の体積を換算する必要がある。しかしながら、従来の方法は、その点を考慮していなかった。第３の問題点として、深度が浅い場合、円錐形の体積が小さいため、密度を過大評価する。魚からのエコーの主は鰾（例えば９０％）であるが、体表等の反射も寄与している。従来では、魚の位置は点の反射体として計算しており、魚の大きさが考慮されていなかった。 Conventional density calculation methods have the problem that when the depth is deep, the echo level decreases due to distance attenuation, making it impossible to detect fish according to the directional characteristics. The second problem is that when conducting a survey using a moving object such as a boat, if the speed of the boat is faster than the movement of the fish, it is necessary to convert the volume corresponding to that speed. However, conventional methods have not taken this point into consideration. A third problem is that when the depth is shallow, the density is overestimated because the volume of the cone is small. The echoes from the fish are mainly produced by the fish's eel (for example, 90%), but reflections from the body surface also contribute. Previously, the position of a fish was calculated using a point reflector, and the size of the fish was not taken into consideration.

本発明は、これらの問題点を解消するものである。図１０を参照して、第１の問題点を解決することができる本発明の第１の方法について説明する。第１の方法は、エコーレベル、ノイズレベル、距離減衰を使って、魚として検出できる指向角度を深度ごとに計算し、その指向角度に基づいて体積を計算し、密度を計算するもので、精度が向上するものである。 The present invention solves these problems. A first method of the present invention that can solve the first problem will be described with reference to FIG. The first method uses the echo level, noise level, and distance attenuation to calculate the directional angle at which fish can be detected for each depth, calculates the volume based on the directional angle, and calculates the density. This will improve the results.

従来手法は、送受波器の指向角度θから計算される円錐形で、例えば１ｍごとにその体積が計算される（図１０Ａ）。エコーレベルＥＬは、次のソナー方程式で表される。
ＥＬ＝ＳＬ－２ＴＬ＋ＴＳ
検出閾値をＤＴ、ノイズレベルをＮＬ、指向特性をＤＩとしたときに以下の式を満たすときに検出が可能となる。
ＤＴ≦ＳＬ－２ＴＬ＋ＴＳ－（ＮＬ－ＤＩ）
ＥＬ：エコーレベル
ＤＴ：検出閾値
ＳＬ：送信レベル
ＴＬ：海中の伝搬損失（距離に依存して減衰）
ＴＳ：目標のターゲット・ストレングス
ＤＩ：指向特性→円形の場合はベッセル関数で近似
ＮＬ：雑音レベル
魚検出できる最小のエコーレベルＥＬ０は以下の式で計算される。
ＥＬ０＝ＮＬ－ＤＩ＋ＤＴ In the conventional method, a conical shape is calculated from the directivity angle θ of the transducer, and the volume is calculated, for example, every 1 m (FIG. 10A). The echo level EL is expressed by the following sonar equation.
EL=SL-2TL+TS
Detection is possible when the following equation is satisfied, where DT is the detection threshold, NL is the noise level, and DI is the directional characteristic.
DT≦SL-2TL+TS-(NL-DI)
EL: Echo level DT: Detection threshold SL: Transmission level TL: Undersea propagation loss (attenuation depending on distance)
TS: Target strength of the target DI: Directional characteristic → Approximate by Bessel function in case of circular shape NL: Noise level The minimum echo level EL0 that can detect fish is calculated by the following formula.
EL0=NL-DI+DT

上式からエコーレベルＥＬ（＝ＳＬ―２ＴＬ＋ＴＳ）が魚検出できる最小のエコーレベルＥＬ０より大きい場合、魚として検出可能である。しかしながら、深い深度の場合、伝搬損失ＴＬ、指向特性ＤＩ、雑音レベルＮＬによりエコーレベルＥＬがＥＬ０より小さい場合、検出できない。体積はその深度に存在する魚のＴＳ、海中の伝搬損失ＴＬ，そして雑音レベルＮＬにより決定される。本発明の第１の方法は、その深度における魚のＴＳ、海中の伝搬損失ＴＬ、雑音レベルＮＬ、検出閾値ＤＴに基づいて、魚として検出できる各深度における指向特性ＤＩの値を計算し、指向角度θ’を計算する。図１０Ｂに示すように、深度ごとに指向角度θ’によって計算された体積に基づいて密度を計算する。 From the above equation, if the echo level EL (=SL-2TL+TS) is higher than the minimum echo level EL0 at which fish can be detected, it can be detected as a fish. However, in the case of a deep depth, if the echo level EL is smaller than EL0 due to the propagation loss TL, directivity DI, and noise level NL, it cannot be detected. The volume is determined by the TS of fish existing at that depth, the underwater propagation loss TL, and the noise level NL. The first method of the present invention calculates the value of the directional characteristic DI at each depth that can be detected as a fish based on the TS of the fish at that depth, the propagation loss TL in the sea, the noise level NL, and the detection threshold DT, and Calculate θ'. As shown in FIG. 10B, the density is calculated based on the volume calculated by the directivity angle θ' for each depth.

図１１は、指向角度θ' の一例である。縦軸が深度を示し、横軸が指向角度θ' を示す。深度が０の位置（すなわち、観測点（振動子）の位置）の指向角度θ' が例えば５度とされており、深くなるほど指向角度θ' が小となる。 FIG. 11 is an example of the directivity angle θ'. The vertical axis indicates depth, and the horizontal axis indicates directivity angle θ'. The directivity angle θ' at the position where the depth is 0 (that is, the position of the observation point (oscillator)) is, for example, 5 degrees, and the directivity angle θ' becomes smaller as the depth increases.

図１２は、第２の問題点を説明するための図である。調査船が移動することによって、調査エリアは時間とともに変化する。特に対象生物の動きに比べて、船速が速い場合、移動距離分を含めて体積換算しないと過大評価になる可能性がある。例えば、単位時間ごとに検出された魚体数から密度を計算する場合を考える。ここで、単位時間を１秒として、船速１０ノット（５．１４ｍ／ｓ）とすると、単位時間当たりで５．１４ｍ動いたことになる。したがって、円錐形に船速分から計算される立方体の体積を追加した体積に基づいて密度を計算し、密度を計算する。 FIG. 12 is a diagram for explaining the second problem. As the research vessel moves, the research area changes over time. Especially if the ship speed is faster than the movement of the target organism, there is a possibility of overestimation unless the volume is converted to include the distance traveled. For example, consider a case where density is calculated from the number of fish detected per unit time. Here, if the unit time is 1 second and the ship speed is 10 knots (5.14 m/s), then the ship has moved 5.14 m per unit time. Therefore, the density is calculated based on the volume of the cone and the volume of the cube calculated from the ship speed.

図１３Ａ及び図１３Ｂは、第３の問題点とこの問題点を解決する第３の方法を説明するための図である。図１３Ａに示す従来の方法において、送受波器の指向角度θから計算される円錐形で、例えば１ｍごとにその体積を計算する場合、魚の位置は点の反射体として計算しており、魚の大きさは考慮されていない。実際には、体表等の反射も寄与している。したがって、深度が浅くて円錐形の体積が小さい場合には、密度を過大評価する問題が生じる。本発明の第３の方法は、図１３Ｂに示すように、魚の大きさを考慮して体積を増やし、補正した体積によって、密度を計算する。すなわち、魚体長分Ｌだけ、各深度における半径を追加し、体積を計算し、検出された魚体数を体積で割り算し密度を計算する。第３の方法によって、精度を向上することができる。 FIGS. 13A and 13B are diagrams for explaining the third problem and the third method for solving this problem. In the conventional method shown in Fig. 13A, when calculating the volume of a conical shape calculated from the directivity angle θ of the transducer, for example, every 1 m, the position of the fish is calculated as a point reflector, and the size of the fish is is not taken into account. In reality, reflections on the body surface also contribute. Therefore, if the depth is shallow and the volume of the cone is small, there is a problem of overestimating the density. In the third method of the present invention, as shown in FIG. 13B, the volume is increased in consideration of the size of the fish, and the density is calculated based on the corrected volume. That is, the radius at each depth is added by the length L of the fish, the volume is calculated, and the density is calculated by dividing the number of detected fish by the volume. Accuracy can be improved by the third method.

上述した本発明の第１の方法、第２の方法及び第３の方法を組み合わせてもよい。例えば第１の方法と第３の方法を組み合わせたり、第２の方法と第３の方法を組み合わせたりしてもよい。 The first method, second method, and third method of the present invention described above may be combined. For example, the first method and the third method may be combined, or the second method and the third method may be combined.

密度計算部１４は、例えば第１の方法によって密度を求めるものである。密度計算部１４の処理について図１４のフローチャートを参照して説明する。単体魚検出部１３の上述した処理によって、検出された魚単体ことに時間、深度、ＴＳ、魚体長の情報が付与される（ステップＳ３１）。次のステップＳ３２において、単位時間、単位深度ごとに、検出された魚の尾数がカウントされる。加えて、ここの魚のＴＳを用いて平均ＴＳを計算する。単位時間、例えば１０秒とし、単位深度を例えば１ｍとする。この値は適宜変更してよい。 The density calculation unit 14 calculates the density using, for example, the first method. The processing of the density calculation unit 14 will be explained with reference to the flowchart of FIG. 14. Through the above-described processing of the single fish detection unit 13, information on time, depth, TS, and fish body length is given to the detected single fish (step S31). In the next step S32, the number of detected fish is counted for each unit time and unit depth. In addition, the average TS is calculated using the TS of the fish here. The unit time is, for example, 10 seconds, and the unit depth is, for example, 1 m. This value may be changed as appropriate.

ステップＳ３３において、各深度範囲で指向角度（体積）が評価される。そして、ステップＳ３４において、各深度範囲で尾数と指向角度から密度が計算される。すなわち、上述したように、雑音レベルＮＬから魚検出できる最小のエコーレベルＥＬが計算され、各深度における指向特性ＤＩの値が計算され、指向角度θ’が計算される。 In step S33, the directivity angle (volume) is evaluated in each depth range. Then, in step S34, the density is calculated from the number of tails and pointing angle in each depth range. That is, as described above, the minimum echo level EL at which fish can be detected is calculated from the noise level NL, the value of the directivity characteristic DI at each depth is calculated, and the directivity angle θ' is calculated.

ステップＳ３４において、計算された指向角度θ’によって各深度における体積が計算され、尾数を体積で割り算することで、深度ごとの密度が計算される。 In step S34, the volume at each depth is calculated using the calculated directivity angle θ', and the density at each depth is calculated by dividing the number of tails by the volume.

上述した本発明の第２の方法を実施するためには、観測点の動き分だけ体積を増やすようになされる。また、本発明の第３の方法を実施するためには、魚の大きさ分だけ体積を増やすようになされる。 In order to implement the second method of the present invention described above, the volume is increased by the amount of movement of the observation point. Further, in order to implement the third method of the present invention, the volume is increased by the size of the fish.

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。例えば本発明は、魚に限らず水中内の探知の対象物例えばマイクロプラスティックの検出及び密度計算に対しても適用することができる。 Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention. For example, the configurations, methods, processes, shapes, materials, numerical values, etc. listed in the above-mentioned embodiments are merely examples, and different configurations, methods, processes, shapes, materials, numerical values, etc. may be used as necessary. Good too. For example, the present invention can be applied not only to fish but also to the detection and density calculation of underwater objects such as microplastics.

１１・・・エコー信号受信部、１２・・・演算部、１３・・・単体魚検出部、
１４・・・密度計算部、１５・・・表示部 11... Echo signal receiving section, 12... Calculating section, 13... Single fish detecting section,
14... Density calculation section, 15... Display section

Claims (4)

所定時間間隔の各ピングで送信信号を発生し、受信信号を受信する超音波送受波器を有し、
送信信号と受信信号の相関解析によって求められた相関値又は受信信号から前記超音波送受波器から対象物までの距離を推定し、
時間的に連続するピング間でそれぞれ推定された距離の差分距離が閾値以下の場合に連結を行い、前記差分距離が前記閾値より大の場合に連結を終了する連結処理と、
前記連結処理によって連結された連結数が所定の範囲内にあるかどうかを判定する判定処理と、
前記判定処理によって前記所定の範囲内に前記連結数があると判定された場合に、連結された受信信号レベルからＴＳを計算する処理と、
計算されたＴＳが前記所定の範囲内の場合に対象物として検出する処理とを有し、
前記判定処理において、観測点の速度と深度に応じて前記所定の範囲を変化させるようにした水中探知装置。 an ultrasonic transducer that generates a transmitted signal and receives a received signal at each ping at a predetermined time interval;
Estimating the distance from the ultrasonic transducer to the target object from the correlation value or the received signal obtained by correlation analysis of the transmitted signal and the received signal ,
A concatenation process that performs concatenation when the difference distance between the respective estimated distances between temporally consecutive pings is less than or equal to a threshold value, and terminates the concatenation when the difference distance is greater than the threshold value;
a determination process that determines whether the number of connections connected by the connection process is within a predetermined range;
When it is determined by the determination process that the number of connections is within the predetermined range, calculating a TS from the connected received signal level;
and a process of detecting the object as a target object when the calculated TS is within the predetermined range,
In the determination process, the underwater detection device changes the predetermined range according to the speed and depth of the observation point. 前記判定処理において、観測点の速度が速い場合、前記所定の範囲の上限が小さく設定され、深度が浅い場合、前記所定の範囲の上限が小さく設定されるようにした請求項１に記載の水中探知装置。 Underwater according to claim 1, wherein in the determination process, when the speed of the observation point is fast, the upper limit of the predetermined range is set small , and when the depth is shallow, the upper limit of the predetermined range is set small. Detection device. 前記ＴＳを計算する処理では、最大値を含む複数ピングの受信信号レベルの調和平均から前記ＴＳが計算される請求項１又は２に記載の水中探知装置。 The underwater detection device according to claim 1 or 2, wherein in the process of calculating the TS, the TS is calculated from a harmonic average of received signal levels of multiple pings including a maximum value. 連結された各ピングの受信信号レベルの振幅変化によって対象物らしさを評価する請求項１から３のいずれかに記載の水中探知装置。
 The underwater detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein the likelihood of being an object is evaluated based on an amplitude change in the received signal level of each connected ping.
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